JPH0474751A - 多層セラミック配線基板の製造方法 - 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】 ［産業上の利用分野］ 本発明はガラスセラミック多層回路基板、より具体的に
は金、銀または銅の厚膜からなる導体パターンを内部に
含む焼結したガラス−セラミック絶縁体から成る多層回
路基板に関する。さらに詳しくはガラス／セラミック混
合粉末を含むグリーンシートおよびに金、銀または綱の
微細な粉末を含む導体ペーストから出発し、用いた導体
金属の融点を越ない焼成温度でこれらをガラスセラミッ
クスと一緒に焼結させるグリーンシート積層法による多
層回路基板の製造方法に関する。

［従来の技術］ セラミック多層配線基板は、一般にモリブデン。

タングステンなどの高融点金属を配線導体とする。

しかし、これらの導体金属は電気抵抗が大きいので、伝
送損失が大きく、雑音の発生を伴うという欠点を有して
いる。そこでこれらより電気抵抗が低い金、銀または綱
を配線導体として用いた多層回路基板に対する要求が高
まってきた。モリブデン、タングステンなどは高温で焼
結するため、絶縁基体としてはこれらの導体金属と一緒
に焼成できる高融点のアルミナを主成分とするセラミッ
クスが用いられてきた。アルミナは熱伝導性、および強
度が優れているが、誘電率が比較的高いので信号伝送の
遅延を伴うという欠点があり、また、シリコン集積回路
チップをアルミナ系基板にはんだで直接接続する場合、
シリコンの熱膨張係数（約３５　ｘ　１０７／　’Ｃ）
に比らベアルミナは比較的高い熱膨張係数（約６５〜７
　Ｑ　Ｘ　Ｉ　Ｏ−７／　’Ｃ）を持つため、シリコン
集積回路チップの動作に伴って発生する熱サイクルによ
りはんだ接続部が破壊するという欠点もある。

銅を配線導体とする多層回路基板において、絶縁基体と
して金、銀または銅と一緒に焼成可能な９００〜１００
０℃で焼結できるガラス／フィラー分散系セラミックス
即ちガラスにセラミックスフィラーを分散させたガラス
セラミックが注目されている。

［発明が解決しようとする課題］ 一般にこのようなガラスにフィラーを分散させたセラミ
ック誘電体構造を用いたガラス−セラミック多重層回路
基板は、通常使用される範囲の平均粒径が１〜５μｍの
セラミックフィラーとガラス微粒子を所定の割きになる
よう秤量し、ボールミルを用いて混合し、ガラスとフィ
ラーの混合粉末を得た。混合した粉末を熱可塑性ポリマ
ーおよび溶媒に混合したガラスセラミックスラリ−を用
い、ガラスセラミックグリーンシー）−を形成した。よ
り詳しく述べるならば、このスラリーをドクターブレー
ド技術を用いてガラスセラミックのグリーンシートまた
はスリッ′プの形に成形または塗布し。

次に溶媒を揮発させて凝集し、薄い柔軟なグリーンシー
トを形成した。

次に所望の多層回路基板を構成するため、各層間の相互
接続ができるように構成シートにパイ７ホールを形成し
、金、銀または銅等の導体ペーストを各シートのバイア
ホールに充填した。その後上記グリーンシート上にスク
リーン印刷法を用いて金、銀または胴の微細な粉末を含
む導体ペーストを特定パターンに形成し、所定の数の構
成グリーンシートを所定の順序で互いに整合するように
積み重ねた。次にグリーンシートの積、１体は隣接する
各層間の結合が分離せず、また各層の電気伝導体形成パ
ターンがバイアホールに充填した電気伝導体を介して相
互に接続できるように所定の温度と圧力で接着し、一体
化したグリーンシート積層体を形成した。

その後、上記グリーンシート積層体を焼成することによ
ってバインダを焼尽し、ガラスセラミックおよび金、銀
または胴等の金属微粒子を焼結し、内部に所望の導体パ
ターンを有するガラスセラミック多層回路基板を形成し
た。

従来のこのガラスセラミック多層回路基板の製造方法に
おいてはガラス微粒子とセラミックフィラーの粒子径の
比が考慮されておらず、はぼ同一の粒子径のものが用い
られてきた。その結果、上記したグリーンシート積層体
において、フィラー粒子の回りを固体のガラス粒子で覆
うことが困難となり、ガラス粒子とフィラー粒子間に大
きな空隙を生じる。

このようなガラス／フィラー混合系グリーンシ−ト積層
体を焼成すると焼成工程中にバインダが焼尽したあと、
上記したガラス粒子間、フィラー粒子間ならびにガラス
フィラー粒子間の空隙によってガラス−フィラーのマト
リックス層中に気泡を生じる。すなわち、このような気
泡はガラスの固体粒子が軟化し、隣接下る粒子と結合ま
たは合体しはじめる時形成され、さらに詳しく述べるな
らば、隣接する固体のガラス粒子間ならびにガラス粒子
とフィラー粒子間が接合し始めるとき蘭頂された空洞が
形成されるが、このような空洞は他のガラス粒子対なら
びにフィラーガラス粒子対の間にも成長し続けて、最終
的にす八での粒子間に成長し、気泡のネットワークがガ
ラス−フィラーのマトリックス全体に生じる。このよう
な気泡のネットワークはガラス−セラミック誘電体構造
の強度を著しく低下させる。

さらにはガラスとフィラーの粒子径が比較的近いため、
焼結熱処理によって形成されたセラミックフィラーとガ
ラスのマトリックスからなるガラスセラミック誘電体構
造においてガラス相中にフィラーが分散した微細構造と
なり、フィラー粒子間が離れてしまうため十分な強度が
得られないという問題を生じる。

本発明の主な目的は、木質的に非多孔質でありかつ、フ
ィラーの稠密なネットワークからなり、ガラスがそのよ
うなネットワークのすき開をうめるようなガラスセラミ
ック誘電体構造をもつ多層回路基板の製造方法を与える
ことである。このような誘電体構造は、従来の粒子径の
ガラス粒子およびフィラーを用いて焼結したガラスフィ
ラー誘電体構造以上に高い破壊強度を与える。

本発明の他の目的は金、銀または銅の導体パターンを内
部に有するガラスセラミックの多層回路基板の製造方法
を与える。

［課運を解決するための手段］ 上記目的を達成するために、本発明の多層回路基板の製
造においてセラミックフィラーの粒子径を１〜５μｍと
し、該フィラー粒子径に対して固体のガラス粒子の粒子
径を３分の１以下にしたものである。

さらに該フィラー粉末が体積％表示で２０〜７０％、該
ガラス粉末が３０〜８０％とからなり。

該ガラス粉末は体積％表示で ＳｉＯ２２０〜７０％ ＡＱ□０．　　　１〜２０％ Ｂ２０．　　　１５〜４０％ Ｒｏ　　　　　　２〜５ｏ％Ｒ：アルカリ土類金属Ｎａ
２Ｏ十に２０　１〜５％ からなる組成物で、ガラスセラミック構造体を形成する
ものである。

本発明におけるガラスセラミック多層回路基板の製造方
法における限定理由は以下の通りである。

ガラス粒子の粒径をフィラーの粒径の１／３以上にする
とフィラー粒子の周囲をガラス粒子が覆う二とができな
くなり、焼成後の多層回路基板に空隙が残留し１強度が
低下する。

また、ガラス粒子の含有量が３０ｖｏ　１％より少ない
と焼結温度が高くなり、金、銀または銅等の導体材料と
一緒に焼成することができない。−方、ガラス粒子の含
有量が８０ｖｏ　１％を越えると該多層回路基板の微細
構造がガラスマトリックス中にフィラーが分散した構造
となり、該多層回路基板の破壊強度が低下し、好ましく
ない。

フィラー粒径が５μｍを越えると多層回路基板内に形成
されるフィラーネットワークが密でなくなるため、破壊
強度が低下し、好ましくない。フィラーの粒径が１μｍ
より小さいと生シートの成形が困難となり、多層回路基
板を製造することができない。

本発明におけるガラス粒子としては誘電率が低く、かつ
熱膨張係数が小さい次の組成を有するものが好ましい、
即ち重量％表示で、 Ｓ　ｉ　０．　　２０〜７０％ ＡＱ２０．　　２〜２０％ Ｂ、０．　　　１５〜４０％ Ｒｏ　　　　　　２〜５０％（Ｒはアルカリ土類金属）
Ｎａ２０＋に、０１〜５％ Ｓｉｎ、が２ｏ％より少ないと軟化温度が低くなり、多
層回路基板の焼成温度においてガラスが比較的高い流動
性をもつため埋め込まれた内部導体パターンが過剰に移
動し、また満足すべき歪および寸法に関する厳しい公差
を達成することができない。７０％を越えると焼結温度
が高くなり過ぎ、金、銀、または胴といった低抵抗の金
属と一緒に焼成することができず好ましくない。

ＡＱ、Ｏ，が２％より少ないと多層回路基板の耐湿性が
劣り、２０％を越えると軟化温度が高くなり、ガラスセ
ラミックの焼結温度が高くなり過ぎいずれも好ましくな
い。

Ｂ２０．は１５％より少ないと焼結温度が高くなり過ぎ
４０％を越えるとガラスの化学的安定性が低下し、好ま
しくない。

アルカリ土類着化物Ｍｇ○＊　Ｃａ　ＯＴ　Ｂ　ａ　Ｏ
＋Ｓｒ○はガラス粉末製造時の溶解性を向上させるため
、およびガラスの熱膨張係数を調整するため添加するも
ので、それらの総量が２％より少ないと上記溶解性が充
分に向上せず、５０％を越えると熱膨張係数が大きくな
りすぎいずれも好ましくない。

Ｎ　ａ　２０およびに、Ｏもガラス粉末製造時の溶解性
を向上させるため添加するもので、それらの総量が１％
以下では上記溶解性が充分向上せず、５％を越えると熱
１張が大きくなり、いず九も好ましくはない。

［作用コ フィラー分散系ガラスセラミックの破壊強度はガラスに
対するフィラーの体積分率に依存しており、フィラーの
粒子径が細かく、かつ、フィラーの体積分率が大きいほ
ど破壊強度が高くなることが知られている。これはフィ
ラーによって応力の伝搬が多方向に分散されるのみなら
ず強度の弱いガラス相のクラックの伝搬が強度の高いフ
ィラーによって阻止されるからである。さらに具体的に
述べるならば、焼結工程を経たあと該フィラー分散系ガ
ラスセラミックの微細構造が細かいフィラー粒子の稠密
なネットワークのすき間を溶融したガラスが占めてフィ
ラー粒子間に空隙がないことが望ましい。

従来のフィラー分散系ガラスセラミック系では焼成熱処
理工程を経る前においてガラスセラミック成形体の粒子
状のガラスとフィラーの粒子比が比較的近い。したがっ
て、焼結工程でフィラー粒子間が溶融したガラスで埋め
られ、空隙のないガラスセラミック構造体を形成するた
めには焼結熱処理前のガラスセラミック成形体において
フィラーの周囲をガラスの粒子で覆いつくす必要があり
。

これを実現するため、フィラーに対するガラスの割合を
ふやさなれればならない。しかし、このような割合のガ
ラスセラミック成形体を焼結熱処理すると、その微細構
造はガラスのマトリックス相中にフィラー粒子が離散的
に分散した形蕩となり。

十分な破壊強度を得ることができない。

ガラスマトリックス相を減らすことによってフィラー粒
子を相互に接近せしめてフィラーの稠密なネットワーク
を形成することが考えられる。しかしかかる場合にも従
来のようにガラス粒子とフィラーの粒子径が比較的近い
ときにはフィラーに対するガラス粒子の割合を減らして
いくと、焼結工程でフィラー粒子のすき間を溶融したガ
ラスが埋めることができず、ガラスフィラー構造体中に
空隙のネットワークが形成され、ガラス−セラミック焼
結体の破壊強度が著しく低下する。

フィラー分散系ガラスセラミックにおいて十分な破壊強
度を得るためには、最密充填したフィラーのネットワー
クのすき間を溶融したガラスがうめ、しかも該ネットワ
ークのすき間に空隙が残らないことが必要である。

本発明によれば、ガラスの粒子径がフィラーの粒子径の
１／３以下の微粒子に抑えられているためフィラーに対
するガラス粒子の体積分率が少なくなってもフィラーの
周わりをガラスの粒子で薄く覆うことができる。したが
って、焼成工程を経たあと、比較的粗密なフィラーのネ
ットワークが形成され、かつフィラーのネットワークの
すき間を溶融したガラスが十分に埋めるため、該ネット
ワークのすき間に焼成後空隙を生ぜず、高い破壊強度が
得られる。

［実施例］ 以下１本発明を実施例により具体的に説明する。

目標組成となるように各原料を調合し、これを白金ルツ
ボに入れ１３５０〜１５００℃で２〜３時間加熱し、溶
融した。次いで溶融液を水中に投下して、透明なガラス
組成物のカレットを得た。この組成物を、湿式で、ボー
ルミル中で粉砕し、表１〜５に示すような平均粒径のガ
ラス粉末を得た。

（以下余白） （以下余白） 第３−１表 （以下余白） （以下余白） 第２表 第３−２表 第４表 第５表 次いで、 このガラス粉末と所定の平均粒径をも つセラミックフィラーを重量％で表１〜５に示す割合に
なるように秤量し、ボールミルで１０時時間式混今し、
セラミックフィラーとガラス粉末の混合粉を得た。

次いで、成形可能なスラリーを得るために有機バインダ
としてメチルメタクリレート４！１　、Ｎ、ｉ＝Ｊ逆剤
としてフタル駿ジブチルまたはフタル酸ジオクチル並び
に溶剤としてｉリクロルエチレン石よびｎ−ブタノール
を加え、混合した。このスラリーから通常のドクターブ
レード技術を用いて、約０゜２〜０，３■の薄いシート
にした後、７０℃で乾燥し、グリーンシート成形体を得
た。成形したシートは切断装置で必要な大きさに切り揃
え、せんこう機を用いて必要な位置に貫通孔をあけた。

ついでスクリーン印刷法により個々のシートの貫通孔に
金、銀または銅の導体ペース１〜を充填した。

さらに、これらのグリーンシート上に必要な導体パター
ンを印刷した。このようにして＄備した複数のグリーン
シートを積み重ね、プレス中の所定の温度および圧力（
例えば、１２０℃でＬＯＯｋｇ／ｃｍ）で圧着すること
によりプレス成形体を得た。

この成形体をプログラム焼成炉を用いて窒素と水素と水
蒸気の混合ガス中において焼成した。加熱速度はバイン
ダの完全な燃焼を実現するため１００”Ｃ／ｈ以下とし
た。バインダを除去したあとセラミックを焼結温度まで
加熱し、ガラス粒子を溶融させて、セラミックフィラー
の粒子間をガラスで埋めてフィラー分散ガラスセラミッ
クを焼結し。

導体パターン中の金属粒子を焼結させて内部金属配線お
よび貫孔穴導体を形成した。

第１表で明らかなようにガラス粒子径がフィラーの粒径
の１／３以下である試料番号！　、　５．６は破壊強度
が３０ｋｇ／■１の高い機械的強度を有するが、ガラス
の粒子径がフィラーの粒子径とほぼ同じかそれ以上であ
る試料番号２　＋　３　＋　４　＋　７は破壊強度が２
０　ｋｇ　／　ａｍ２以下で十分な機械的強度をもって
いない。

第２表で明らかなように実施例である試料番号８〜１３
のフィラー含有量が２０〜７０ｖｏｌ′Ａのものは破壊
強度が２０ｋｇ／ｗａ”であるが、比較例である試料番
号１４．１５は上記範囲をはずれるため、破壊強度は２
０ｋｇ／ｉｎ２を割っている。試料番号１４については
ガラス相中にフィラーが分散した微細構造となり、十分
な破壊強度が得られていない。試料番号１５については
フィラー粒子間のすき闇をガラスが埋めることができず
フィラー粒子のネットワーク内に空隙を多数生じるため
十分な破壊強度が得られない。

第３表で明らかなように Ｓ　ｉ　０２２０〜７０％ ＡＱ２０．　　１〜２０％ Ｂ□０．　　１５〜４０％ Ｃａ○＋Ｂ　ａ　Ｏ＋　Ｍ　ｇ○　　　２−５０％Ｎａ
、Ｏ＋に２０　　　　　　　１−５％の範囲の試料番号
１５〜２１は９００〜１０００℃で焼成でき、相対密度
は９５％の値が得られている。

比較例である試料番号２２はＡＱ、○、含有量の多いガ
ラス成分を用いているため、焼結温度が上昇し、相対密
度が下がるため破壊強度が低い。

比較例である試料番号２３はＳｉＯ□の含有量が多いガ
ラス成分を用いているため、焼結温度が上昇し、９００
〜１０００℃で焼成したのでは相対密度が低いため破壊
強度が低い。

比較例である試料番号２５はＢ２０．の含有量が多いガ
ラス成分を用いているため、熱水に溶解するという欠点
を示す。

比較例である試料番号２４はＢ、Ｏ，の含有量が少ない
ガラス成分を用いているため、焼結温度が上昇し、９０
０〜１０００’Ｃの焼成温度では十分高い相対密度が得
られず、破壊強度も人権に低下する。

比較例である試料番号２６はＡＱよ○、含有量の少ない
ガラス成分を用いているため、基板の化学的安定性が十
分でない。

比較例である試料番号２７はＳｊＯ□の含有量の少ない
ガラス成分を用いているため軟化点が低下し、多層回路
基板の焼成温において、ガラスが流動し、内部導体パタ
ーンが不均一に移動するという欠点を生じる。

比較例である試料番号２８はアルカリ金属酸化物に２０
＋Ｎ　ａ　、○の含有量が多いガラス成分を用いている
ため、多層回路基板の熱膨張係数が大きくない、大型の
シンコンチップを直接搭載することが困難となる。

第４表で明らかなようにフィラー粒径が大きい試料番号
２９．３０はフィラーを分散したガラスセラミックのフ
ィラーネットワークが密でないため、破壊強度が低い、
また、フィラー粒径が小さいものはドクターブレード法
でシートにしたあと。

乾燥すると５乾燥後グリーンシートに割れを生じた。

表５より明らかなようにセラミックフィラーとして、ア
ルミナ（Ａｎ□○、）、コージュライト（２Ｍｇ０・２
　Ｓ　ｉ　Ｏ，・５ＡΩ２０□）、β−スポジューメン
、α−石英（ＳｉＯよ）、ジルコニア（ＺｒＯ２）を単
独または併用した場合、十分な破壊強度が得られた。

［発明の効果コ 以上述べたように、ガラス粒子にフィラーを均一に分散
させたガラスセラミック成形体のガラス粒子径をフィラ
ーの１／３以下にすることにより、焼成工程を経たあと
のガラスセラミックの微細構造を比較的稠密に密接した
フィラーのすきゴロをガラスがうめた状態に形成するこ
とができるため、多、′！Ｆ回路基板の強度を従来の方
法によって形成したものより高くできる。

また、ガラスに対するフィラーの割合を７０％まで増し
ても焼結熱処理を行なったあと、フィラー粒子のすき間
に空隙が残留しないため多層回路基板のさらなる高強度
化を達成することもできる。

また本発明を用いて製造した多層回路基板は破壊強度が
高いため、ＬＳＩやＩＣを高密度に実装でき、また装置
に組込まれても破壊する恐九がなし１゜ しかも、１０００℃以下の低温で焼結することができる
ため、金、銀、または銅等の低抵抗の配線導体を使用す
ることができ、多層的配線の信号伝播特性が向上するだ
けでなく、配線内の信号伝播に伴なう減衰が少ないため
ノイズにχ響さｉなし）。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、ガラスとフィラーの混合粉末を分散させた熱可塑性
   有機バインダからなるグリーンシートを形成し、前記グ
   リーンシートにスルーホールを穿設し、銅、銀、または
   金等の金属粉末を含んでなる導体ペーストを前記スルー
   ホールに充填するとともに各シートの表面に印刷して内
   部配線用パターンを形成し、このようにして得られたグ
   リーンシートを積層一体化してグリーンシート積層体を
   作成し、前記グリーンシート積層体を予備焼成して含有
   するバインダ類を除去した後、前記グリーンシート積層
   体を焼成してガラス／セラミック混合粉を融合、焼結し
   、内部に導体パターンを有するガラス−セラミック多層
   配線基板の製造において、該ガラス−フィラー混合粉末
   として粒径が１〜５μｍのフィラー粉末、また粒径が該
   フィラー粒径の３分の１以下のガラス粉末を用いたこと
   を特徴とする、セラミック多層回路基板の製造方法。 ２、前記ガラス−フィラー混合粉として体積％表示でフ
   ィラー２０〜７０％、ガラス３０〜８０％とから構成さ
   れる請求項１記載のセラミック多層回路基板の製造方法
   。 ３、前記フィラーはアルミナ、α−石英、コージェライ
   ト、β−スポジューメン、安定化ジルコニアから選ばれ
   た少くとも１者である請求項１記載のセラミック多層回
   路基板の製造方法。 ４、前記ガラスフリットは重量が ＳｉＯ＿２２０〜７０％ Ｂ＿２Ｏ＿３１５〜４０％ Ａｌ＿２Ｏ＿３１〜２０％ ＢａＯ＋ＣａＯ＋ＭｇＯ２〜５０％ Ｎａ＿２Ｏ＋Ｋ＿２Ｏ１〜５％ で構成される請求項１記載のセラミック多層回路基板の
   製造方法。