JPH03272197A - 多層ガラスセラミック回路基板の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔概　要〕 大規模集積回路（ＬＳＩ）などの半導体を高密度に実装
可能な多層ガラスセラくツク回路基板の製造方法に関し
、 微細なビアの形成を可能にする、高密度化実装可能な多
層ガラスセラミック回路基板の製造方法を提供すること
を目的とし、 ガラスセラミックスを基板材料とする複数のグリーンシ
ートを作製し、これらのグリーンシートにビア用の孔を
あけ、これらの孔にビア形成材料を充填し、そしてグリ
ーンシートを積層及び一体焼成して低温焼成ガラスセラ
ミック多層回路基板を製造する方法において、基板にあ
けられたビア用の孔にビア形成材料として導電性金属粉
末と、該ビア形成材料をビア用の孔に充填する際に固体
であってその後のグリーンシート積層時の昇温によって
液状化可能な物質とを含んでなる粉末混合物を充填する
ように槽底する。

〔産業上の利用分野〕

本発明は、大規模集積回路（ＬＳＩ）などの半導体を高
密度に実装可能な多層ガラスセラミック回路基板の製造
方法に関する。

〔従来の技術〕

近年、コンピュータの高速化に伴い、ＬＳＩなどを高密
度実装可能な回路基板が要求されている。

このために、導体材料に電気抵抗の低い銅を用い、そし
て基板材料に誘電率の低いガラスセラごツクスを用いて
、グリーンシート法で一体焼成により多層化した回路基
板が提供されている。高密度化を実現するためには回路
基板の層数を多くし、配線密度を増加することが必要で
ある。そこで、各層間を結ぶビアは、まずます微細に且
つ数が多くなる傾向にありながら、電気抵抗が低くてし
かも信頼度の高いものが要求されている。

このような要求を満たすために従来の多層ガラスセラミ
ック回路基板の製造方法にあっては、ビア用の孔に銅を
主成分とする厚膜ペーストをスクリーン印刷しもしくは
グリーンシート上に密着したマスクを介して印刷するこ
とにより（特開昭５６３６７９号公報）、あるいはペー
ストの代りに銅粉末を直接充填することにより（特願昭
６３−１６９５１８号明細書）、ビアを形成していた。

〔発明が解決しようとする課題〕

従来の多層ガラスセラごツタ回路基板の製造方法におけ
るように、厚膜ペーストを用いてビアを形成する場合に
は、印刷時のペーストの流動性が低いためペーストが微
小な孔であるビアに入りにくく、これを解決するため粘
度を低下させるとビアの中央部に孔がおいてしまうとい
う難点があった。そのため、この製造方法には、層数が
多くなったりあるいは基板の面積が大きくなるとボイド
（３） （４） が発生しやすく、そして微細なビアを形成した際には電
気抵抗がばらつく、あるいは断線を起こすなどの欠点が
あった。

一方、ビアを形成するのに銅粉末を用いる場合には、ビ
ア用の孔への初期の充填は均一になるが、その後の積層
時の加圧下での粉体の流動性が乏しく、このため積層後
の粉体にあっては充填密度が不均一となって微小な割れ
が発生し、多層回路基板焼成後の断線の原因となる可能
性があった。

銅粉末の径は、これらのいずれの方法の場合にも、ビア
の微細化に伴って必然的により細かくなる。このことは
、銅粉末の焼結温度がより低くなることを意味し、それ
ゆえに銅粉末の焼結温度が基板及びパターン導体のそれ
より低くなって、銅粉末の過燐酸によりビアと基板との
界面に隙間が生じやす（なる。

このように、従来の多層ガラスセラくツク回路基板製造
方法においては、高密度実装化の要望に応えて微細なビ
アを形成するのが困難であった。

本発明は、微細なビアの形成を可能にする、高密度化実
装可能な多層ガラスセラミック回路基板の製造方法を提
供することを目的とする。

〔課題を解決するための手段〕

本発明の多層ガラスセラミック回路基板の製造方法は、
ガラスセラミックスを基板材料とする複数のグリーンシ
ートを作製し、これらのグリーンシートにビア用の孔を
あけ、これらの孔にビア形成材料を充填し、そしてグリ
ーンシートを積層及び一体焼戒して低温焼成ガラスセラ
ミック多層回路基板を製造する方法において、基板にあ
けられたビア用の孔にビア形成材料として導電性金属粉
末と、該ビア形成材料をビア用の孔に充填する際に固体
であってその後のグリーンシート積層時の昇温によって
液状化可能な物質とを含んでなる粉末混合物を充填する
ことを特徴とする方法である。

ビア形成材料として用いられる導電性金属粉末は、適度
の導電性を有する例えば銅、銀、金、ニッケルなどの金
属粉末や、これらの金属の合金粉末である。

（５） （６） ビア形成材料を構成するもう一つの成分は、ビア形成材
料を基板にあけられたビア用の孔に充填する際には固体
であるが、その後のグリーンシート積層時の昇温によっ
て液状化可能な物質の粉末である。例えば、ステアリン
酸やこれに類似する物質、あるいはパラフィン類の粉末
を用いるのが好適である。ステアリン酸は、融点が７０
〜７２°Ｃであるため、ビア形成材料をビア用の孔に充
填する際の通常の温度（室温）で固体であり、そしてグ
リーンシート積層時に融点を超える温度にすれば液状化
して、導電性金属粉末がビア内に均一に分散するのを容
易にする。ステアリン酸はまた、３６０°Ｃで分解する
ため、焼成後の多層回路基板中に残存することがない。

粉末混合物に占める液状化可能な粉末の割合は、ステア
リン酸にあっては一般に０．５重量％以上、好ましくは
０．５〜１重量％であり、パラフィン類の場合は一般に
１重量％以上、好ましくは１〜３重量％である。

導電性金属粉末とステアリン酸のような液状化可能物質
との粉末混合物は、金属粉末と液状化可能物質の粉末と
を単に混ぜ合わせて調製してもよく、あるいは液状化可
能物質を予め溶解させた揮発性溶媒に金属粉末を攪拌混
合した後に溶媒を除去して乾燥させることにより調製す
ることもできる。

粉末混合物を調製したならば、これをグリーンシートの
ビア用の孔に充填する。充填は、次のようにして行うこ
とができる。すなわち、ポリエチレンテレフタレートの
マイラー（商品名）シート上にドクターブレード法で成
形したグリーンシートを反転してこれにマイラーシート
の上からビア用の孔をあけたものを操作台に載せ、この
台の下方から真空引きしながら粉末混合物を上方から孔
の中へ充填する。

次に、マイラーシートを剥離し、そして通常のやり方で
もってグリーンシートにパターンを印刷した後それらを
重ね合わせ、適当な温度・圧力条件で積層し、最後に一
体焼成すれば、多層ガラスセラミック回路基板が完成す
る。

この完成多層回路基板は、ビア形成材料である粉末混合
物が均一に充填されており、しかも積層時に液状化した
酸分の助けで導電性金属粉末が均一にビア内に分散され
て割れ等の欠陥の発生が抑制されているので、断線の発
生率が極めて低い。

とは言うものの、焼成時においては、基板の収縮とビア
の導電性金属の収縮とが合わずにこれらの界面に隙間が
生じることがある。基板の最上層に生じたこのような隙
間は、実装化の際の欠陥となる。このため好ましくは、
完成基板上にＬＳＩ等を実装化するのに先立ち、完成基
板表面に例えば銅の厚膜を付けてから研磨を行うように
する。

本発明の方法において使用するビア形成材料である粉末
混合物は、上記の導電性金属粉末及び液状化可能物質の
ほかに、基板材料よりも融点の高い例えばアル５す、ム
ライト、シリカ等の無機粉末を更に含有することができ
る。この無機粉末は、融点が基板材料より高いため焼成
時に固体のままであることができ、それにより金属粉末
の焼結におけるネッキング（焼結過程における隣接して
いる粉末粒子どうしの最初の融着）を遅らせることがで
きる。従って、ビアの微細化に伴いより細かくなり、そ
のため焼結温度が低下傾向にある金属粉末の焼結温度を
、無機粉末を粉末混合物に添加することによって上昇さ
せ、かくして金属粉末の焼結（収縮）を基板のそれに合
うようにすることができる。その結果として、焼成時に
基板とビアとの界面に隙間が発生するのを効果的に防止
する。

無機粉末の粒径は、０．２〜５．０μｍの範囲であるこ
とが好ましい。０．２μｍより細かい粒径では焼結時の
ネッキングを遅らせるのが難しくなり、５．０μｍより
大きくなると高密度実装用の多層回路基板のためのビア
のような微小孔に粉末混合物を均一に充填するのを妨げ
るようになる。無機粉末の添加量は、金属粉末と液状化
可能物質とを一緒にした混合物の体積を基準として、１
〜１０体積％の範囲であるのが好ましい。１体積％より
も少ない場合にはネッキング防止の効果を十分に発揮す
ることができず、１０体積％より多くしてもより以上の
目ざましい効果を期待することはできず、しかも無機粉
末添加量が余りにも増加すると（９） （１０） ビアの電気抵抗が不都合に増加してしまう。より具体的
に述べるならば、０．２μｍの無機粉末を使用する場合
には３体積％程度の添加量が最も好ましく、３μｍの場
合には５〜１０体積％の添加量が最も好ましい。

無機粉末を添加した粉末混合物をビア用の孔に充填した
グリーンシートを、重ね合わせたグリーンシートの少な
くとも最」二層に配置し、そして積層及び一体焼成して
製造された多層ガラスセラミック回路基板は、その表面
層の基板とビアとの界面の隙間の発生率が上記の理由に
より極めて低いので、前述の表面の厚膜処理のような余
分な工程を経ずに実装化することが可能になり、非常に
有利である。

本発明の方法が適用可能な基板材料は、言うまでもなく
、多層ガラスセラミック回路基板のために普通に用いら
れるいずれの材料でもよい。

〔作　用］ グリーンシートにあけられたビア用の孔に充填すべきビ
ア形成材料として使用する粉末混合物は、この材料のビ
ア用の孔への均一な充填を容易にする。これは、微細な
ビア用の孔に材料を均一に充填するためには、従来の銅
ペーストのような高粘性の流体よりも粉体の方が流動性
に優れ、均一充填を可能にするからである。

ビア用の孔に充填されるべき導電性金属粉末に混合され
る、充填時には固体であってその後のグリーンシート積
層時には加熱により液状化可能な物質は、積層時に融解
して液状化し、加圧下での金属粉末の流動を容易にし、
金属粉末をビア用の孔内に均一に分散させて積層後の孔
内の圧粉体に微小な割れが生しるのを防止する。このた
め、焼成後の多層回路基板のビアの断線率を効果的に低
下させる。

このことを、モデル実験でもって説明する。第１図は、
銅粉末にステアリン酸を混合した場合の混合粉末と基板
材料とについて、圧粉圧力と１３０°Ｃで圧粉後の銅粉
末及び基板材料の空間占有率との関係を示すグラフであ
る。例えば、銅粉末の空間占有率６５％とは、所定空間
内の６５％の容積を銅粉末（ステアリン酸を除く）が占
めることを意味する。この図から、圧粉後の銅粉末の空
間占有率は、例えば−船釣なグリーンシート積層圧力で
ある３００ｋｇ／ｃｆｆｌの圧力について見るならば、
銅粉末のみの場合の空間占有率からステアリン酸混合量
が増加するにつれて次第に上昇して０．５〜１重量％の
混合量で基板材料の圧粉後の占有率に接近し、次いで混
合量が増加するにつれて低下して１０重量％の混合量で
は銅粉末のみの場合よりもやや小さくなる、ということ
が分る。すなわちこの場合には、ステアリン酸混合量を
０．５〜１重量％とすることにより、積層時の銅粉末の
流動性が高くなって基板材料と同様に変位していくため
、圧粉体に微小割れが住しることなく且つ圧粉後の双方
の空間占有率がほぼ等しくなるのである。ステアリン酸
混合量が１重量％を超えて増加すると、その分だけ圧粉
後の銅粉末の空間占有率が低下して基板材料のそれとは
合わなくなる。

粉末混合物に基板材料よりも融点の高い無機粉末を添加
した場合、この無機粉末番よ、多層回路基板焼成時に金
属粉末のネッキングを遅らせ、金属粉末の焼結温度をよ
り高い焼結温度を有する基板のそれに近づける働きをす
る。これに伴い、焼成時の基板とビアとの界面に隙間が
できるのを効果的に防止する。

このことを、下記の実施例で用いた３威分系粉末混合物
について５ｘ５５Ｘ３ｍｍの圧粉体を作製し、これを焼
成した時の収縮率を示す第２図により説明する。第２図
から、＾１２０３の添加で明らかにＣｕ粉末の６００°
Ｃ付近での焼結が抑えられて収縮が小さくなっているこ
とが分る。基板とビアとの界面の隙間はこの温度領域で
°発生するので、Ａ１□０３を添加することで界面の隙
間の生じるのを抑えられることが分る。

〔実施例〕 アルミナ系ガラスセラミック複合基板のビアの製造を一
実施例として示す。

表１にビアに用いた銅粉末とステアリン酸粉末、（１３
） （１４） 及びアルξす粉末を示す。

表１ アルミナ、硼珪酸ガラス粉末及び有機バインダーを混練
して作製したスラリーを、ドクターブレード法でマイラ
ーシートの上に厚さ３００μｍとして成形し、グリーン
シートを作製した。次に、このグリーンシートを反転し
、マイラーシートの上からドリルで０．１閣φのビア用
の孔を形成した。

ビア用粉末として、表１の銅粉末２００　ｇをエタノー
ル１００ｃｃに２ｇのステアリン酸を溶解させた溶液に
浸漬攪拌後、８０°Ｃで乾燥させて粉末混合物を調製し
た。また、銅粉末２００　ｇに表１のアルミナ３ｇを添
加し、これを２ｇのステアリン酸が溶解されているエタ
ノール中に浸漬攪拌し、８０°Ｃで乾燥させて３成分系
の粉末混合物もｍ製した。

この混合物のアルミナ添加量は３体積％に相当する。

このように調製した２種類の粉末混合物を各々グリーン
シートのマイラーシート上から第３図に示す方法でもっ
て次に述べるように孔内に充填した。すなわち、マイラ
ーシート３の上からビア用の孔１を形成したグリーンシ
ート２を操作台７の上に配置した吸引紙６の上に置き、
更にマイラーシート３の上に粉末混合物４を載せ、そし
て真空ポンプ８により吸引路９を介して吸引紙６の下方
から粉末混合物４を吸引してビア用の孔１の中に充填し
た。その後マイラーシートを剥がし、パターン印刷後、
グリーンシートを重ね合わせ、１００°Ｃの温度及び３
０ＭＰａの圧力で積層した。積層（１５） （１６） の順番は、一番上を３戒分系の粉末混合物を充填したグ
リーンシートとし、その他を２戒分系の粉末混合物を充
填したグリーンシートとした。

この積層体を湿潤窒素中において８５０“Ｃで４時間バ
インダー抜きし、窒素雰囲気下に１ｏｏｏ″Ｃで４時間
焼成した。この結果を、ビア用の孔に銅粉末のみを充填
して製造した従来の多層回路基板と比較して表２に示す
。

表２ ラスセラごツタ回路基板は、従来法によるものよりもビ
ア断線率が格段に低（、そのため微細なビアの要求され
る高密度化実装可能な多層回路基板として用いるのに適
している。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明の製造方法によれば、ビア
形成材料をグリーンシートにあけられた微細なビア用の
孔に均一に充填することが可能になり、しかも多層化の
ための積層時に導電性金属粉末を孔内に均一に分散させ
て積層後の孔内の圧粉体に微小割れの発生するのを防止
することができる。従って、微細なビアを形成した多層
回路基板にあっても焼成後のビアの断線率が極端に低下
して、高密度化実装可能な多層ガラスセラ〔ツク基板を
効率よく製造することが可能になる。

また、ビア形成材料として無機粉末を添加した粉末混合
物を使用する場合には、焼成時に発生しがちな基板とビ
アとの界面の隙間の発生を抑制することが可能になり、
製造された多層回路基板の（１７） （１８） 信頼性をより一層高くすることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は混合粉末と基板材料粉末とについての圧粉圧力
と圧粉後の銅粉末及び基板材料粉末の空間占有率との関
係を示すグラフであり、第２図はアルξすを添加した混
合粉末を用いた場合の圧粉体の焼成時の収縮率を示すグ
ラフであり、第３図はグリーンシートのビア用の孔内に
粉末混合物を充填する方法を例示する斜視図である。 図中、１はビア用の孔、２はグリーンシート、３はマイ
ラーシート、４は粉末混合物、７は操作台、８は真空ポ
ンプ。 （１９）

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. １．ガラスセラミックスを基板材料とする複数のグリー
   ンシートを作製し、これらのグリーンシートにビア用の
   孔をあけ、これらの孔にビア形成材料を充填し、そして
   グリーンシートを積層及び一体焼成して低温焼成ガラス
   セラミック多層回路基板を製造する方法において、基板
   にあけられたビア用の孔にビア形成材料として導電性金
   属粉末と、該ビア形成材料をビア用の孔に充填する際に
   固体であってその後のグリーンシート積層時の昇温によ
   って液状化可能な物質とを含んでなる粉末混合物を充填
   することを特徴とする、多層ガラスセラミック回路基板
   の製造方法。
2. ２．前記粉末混合物が更に、基板材料よりも融点の高い
   粒径０．２〜５．０μｍの無機粉末を１〜１０体積％を
   含んでいる、請求項１記載の方法。
3. ３．一体焼成するために積層される前記グリーンシート
   のうちの少なくとも最上層のグリーンシートのビア用の
   孔に、基板材料よりも融点の高い粒径０．２〜５．０μ
   ｍの無機粉末を１〜１０体積％含有している前記粉末混
   合物を充填する、請求項１記載の方法。