JP2004259556A

JP2004259556A - メタライズ組成物、並びにセラミック配線基板およびその製法

Info

Publication number: JP2004259556A
Application number: JP2003048236A
Authority: JP
Inventors: Hiromi Yamada; 裕美山田
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2003-02-25
Filing date: 2003-02-25
Publication date: 2004-09-16

Abstract

【課題】表面平滑なメタライズ配線層を形成できるメタライズ組成物、並びに、前記メタライズ配線層を具備して高周波領域での伝送特性に優れたセラミック配線基板およびその製法を提供する。
【解決手段】少なくとも金属粉末および無機粉末を含有してなるメタライズ組成物であって、前記金属粉末および前記無機粉末のうちいずれかが中空粉末からなる。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、メタライズ組成物、並びにセラミック配線基板およびその製法に関し、特に、セラミック絶縁層との同時焼成に適し、かつ表面が平滑なメタライズ配線層を得ることのできるメタライズ組成物、並びにこのメタライズ組成物により構成されるセラミック配線基板およびその製法に関する。
【０００２】
【従来技術】
近年、セラミック配線基板においては、半導体素子の高速、高周波化に伴い、高周波回路の対応性、高密度化、高速伝送化が要求され、半導体素子の実装が従来のワイヤボンディング方式から、半導体素子とセラミック配線基板との接続間距離を短くできるフリップチップ方式が低インダクタンス化のために採用されている。また、セラミック配線基板自体も従来のアルミナ系のセラミック絶縁層に比較して低い誘電率が得られかつメタライズ配線層の低抵抗化が可能なセラミック配線基板が一層注目されている。
【０００３】
このようなセラミック配線基板としては、一般にガラス成分を含有するセラミック絶縁層からなる絶縁基板に、銅、金、銀などの低抵抗金属を主体とするメタライズ配線層を施したものが知られており、このようなセラミック配線基板を作製する場合、セラミックグリーンシートの表面に、平均粒径が１０μｍ以下の中実球状の銅粉末および無機粉末を含有する導体ペーストを用いてメラライズパターンを形成し、次に、このメタライズパターンが形成されたセラミックグリーンシートを複数積層し、メタライズパターンとセラミックグリーンシートとを同時焼成して製造されている（例えば、特許文献１）。
【０００４】
【特許文献１】
特開２００１−４３７３０号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、導体ペーストを構成する金属粉末に上記のような中実球状の金属粉末や無機粉末を用いたのでは、金属粉末の見かけの比重が大きくなり調製される導体ペーストの密度が高くなっていた。
【０００６】
このため、メタライズ配線層の低抵抗化という観点から導体ペースト中に添加される無機粉末や有機成分の量が金属粉末量に対して制限され、メタライズ組成物の焼成収縮量を制御することが困難となり、セラミック配線基板の反りを高精度に制御できないという問題があった。
【０００７】
また、上記のような中実球状の金属粉末および無機粉末を用いた場合には焼成後においてもメタライズ配線層中に原料粉末の状態で残存しやすいことから、セラミック絶縁層との接合界面の表面粗さ（Ｒｍａｘ）が大きくなり、メタライズ配線層の導電性において、特に表皮効果の現れる高周波領域において伝送特性が低下するという問題があった。
【０００８】
従って、本発明は、焼成収縮量を制御することが容易となるとともに表面平滑なメタライズ配線層を形成できるメタライズ組成物、並びに、前記メタライズ配線層を具備して高周波領域での伝送特性に優れたセラミック配線基板およびその製法を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明のメタライズ組成物は、少なくとも金属粉末および無機粉末を含有してなるメタライズ組成物であって、前記金属粉末および前記無機粉末のうちいずれかが中空粉末からなることを特徴とする。
【００１０】
このような構成によれば、メタライズ組成物中に含まれる金属粉末および無機粉末のうちいずれかが中空状であることから、粉末自体の質量を低くでき、これらの金属粉末および無機粉末を含有するメタライズ組成物を用いて調製される導体ペーストの密度を低く抑えることができる。こうして上記のメタライズ組成物を用いて形成されるメタライズパターンの焼成収縮量を制御することが容易となり、このようなメタライズ組成物をセラミック配線基板のメタライズ配線層として採用した場合、中実球状の金属粉末や無機粉末を用いた従来の場合に比較してセラミック配線基板の反りを高精度に制御することが可能となる。
【００１１】
また、上記のような中空の金属粉末および無機粉末は焼成中に変形しやすいことからメタライズ配線層が平滑化しやすくなり、セラミック絶縁層との接合界面の表面の面粗さ（Ｒｍａｘ）を低減でき、メタライズ配線層の導電性において、特に表皮効果の現れる高周波領域において伝送特性を高めることができる。
【００１２】
上記メタライズ組成物では、前記金属粉末と前記無機粉末、それぞれの最大径が５０μｍ以下であることが望ましい。また、金属粉末および無機粉末の最大径を規定することにより、メタライズ組成物の分散性をさらに高めることができ、さらに均一な焼成収縮が得られ表面平滑性をさらに向上できる。
【００１３】
上記メタライズ組成物では、金属粉末が銅粉末、銀粉末および金粉末の群から選ばれる少なくとも１種であることが望ましい。上記のような低抵抗金属を用いればガラスセラミック材料などの低温焼成磁器との同時焼成を可能とすることができるとともにメタライズ配線層の導電性を高めることができる。
【００１４】
上記メタライズ組成物では、金属粉末に対して無機粉末を０．０５〜２０質量％含有することが望ましい。金属粉末とともに混合される無機粉末量を上記の範囲とすることにより金属粉末同士の過度の焼結を抑制してメタライズ配線層の均質性並びに平滑性を高めることができる。また、セラミック絶縁層との同時焼成において、メタライズ組成物の焼結助剤としての効果が高まりメタライズ組成物自体の焼結性を高めることができるとともに、セラミック絶縁層との接着強度を向上できる。
【００１５】
本発明のセラミック配線基板は、メタライズ配線層とセラミック絶縁層とを交互に積層してなるセラミック配線基板であって、前記メタライズ配線層が上記のメタライズ組成物を焼成して得られたものであることを特徴とする。
【００１６】
このような構成によれば、平滑なメタライズ配線層を形成できることからセラミック絶縁層との接合界面あるいはメタライズ配線層自体の表面粗さ（Ｒｍａｘ）を低減でき、特に表皮効果の現れる高周波領域において伝送特性を高めることができる。
【００１７】
上記セラミック配線基板では、セラミック絶縁層との接合界面におけるメタライズ配線層界面の粗さ（Ｒｍａｘ）が５μｍ以下であることが望ましい。メタライズ配線層の界面の粗さを小さくすることにより、上記のように表皮効果の現れる高周波領域において伝送特性をさらに高めることができる。
【００１８】
本発明のセラミック配線基板の製法は、セラミックグリーンシート上に銅メタライズパターンを形成する工程と、該銅メタライズパターンが形成された前記セラミックグリーンシートを積層した後に焼成する工程とを具備するセラミック配線基板の製法であって、前記メタライズパターンが上記のメタライズ組成物よりなることを特徴とする。
【００１９】
このような製法によれば、セラミック絶縁層との接合界面および表面が平滑なメタライズ配線層を容易に形成でき伝送特性に優れた配線基板を容易に形成できる。
【００２０】
また、本発明のように中空状の粉末を用いることによりペーストの充填を制御でき、このためセラミックグリーンシートの焼成収縮量に合わせて容易に適用させることができる。さらに、本発明のメタライズ組成物を用いることによりセラミックグリーンシートの焼成収縮を拘束することもでき、焼結時のセラミック絶縁層の収縮変化を抑制して反りを低減できる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明のメタライズ組成物およびそれを用いたセラミック配線基板について詳述する。
【００２２】
（メタライズ）
本発明のメタライズ組成物は、基本的に金属粉末と無機粉末とを含有してなるものであるが、用いる金属粉末および無機粉末のうちいずれかが中空粉末からなることが重要である。本発明でいうところの中空粉末とは中実球状粉末の内部あるいは外部に気孔などの空隙を形成しているものをいうが、多孔質状不定形粉末であってもよい。
【００２３】
特に本発明では、メタライズ組成物の焼成収縮率を制御するという理由から、金属粉末として中空粉末と中実球状との混合粉末を用いることが望ましく、一方、無機粉末としては焼成後にメタライズ配線層中に残存し難いという理由から中空粉末を用いることがより望ましい。この場合、金属粉末中の全量に対する中空粉末の割合は２０〜８０質量％であることが望ましい。
【００２４】
また、本発明では、メタライズ組成物の分散性を高め、焼成後に得られるメタライズ配線層の表面粗さを低減するという理由から、前記金属粉末および前記無機粉末が略球状であることが望ましい。
【００２５】
また、上記メタライズ組成物では、混合粉末として分散性をさらに高め、焼成後に形成されるメタライズ配線層の平滑性を向上させるという理由から、金属粉末および無機粉末のそれぞれの最大径が５０μｍ以下であることが望ましく、特に、３０μｍ以下、さらに１０μｍ以下であることがより望ましい。
【００２６】
また、上記メタライズ組成物では、金属粉末が銅粉末、銀粉末および金粉末の群から選ばれる少なくとも１種であることが望ましい。特に、低コストで本発明のセラミック配線基板を構成するセラミック絶縁層との同時焼成が可能であるという理由から銅粉末および銀粉末が望ましく、特に、高密度のメタライズ配線層を形成した場合にも耐イオンマイグレーション性が高いという理由から銅粉末がより好ましい。
【００２７】
また、上記メタライズ組成物では、金属粉末同士の過度の焼結を抑制してメタライズ配線層の均質性並びに平滑性を高めることができ、かつ、メタライズ組成物自体の焼結性を高めることができるとともに、セラミック絶縁層との接着強度を高めるという理由から、金属粉末に対して無機粉末を０．０５〜２０質量％含有することが望ましく、特に、１〜１０質量％、さらに２〜８質量％であることがより望ましい。
【００２８】
本発明のメタライズ組成物を構成する無機粉末としては、セラミック粉末やガラス粉末などの無機粉末のうち何れか１種またはこれらの混合物を用いることが望ましく、特に、金属粉末の磁器中への拡散を抑制するという理由からガラス粉末としては高軟化点のガラス粉末がより望ましい。また、本発明のメタライズ組成物を構成する無機粉末としてはかさ密度が１．５ｇ／ｃｍ^３未満、特に１ｇ／ｃｍ^３未満であることがより望ましい。
【００２９】
そして、ガラス粉末としては、ホウ珪酸ガラス、ホウ珪酸亜鉛ガラス、ＰｂＯ系ガラス、ＢａＯ系ガラスのうち少なくとも１種が用いられ、これらのガラス成分は非晶質または焼成後に結晶化するものであってもよい。
【００３０】
ガラス粉末以外の無機成分としては、アルミナ、シリカ、ムライト、フォルステライト、ペタライト、ネフェリン、リチウムシリケート、カーネギアライト、ガーナイト、ジルコニアの群から選ばれる少なくとも１種を挙げることができる。その中でアルミナが特に望ましい。
【００３１】
（構造）
次に、図面に基づいて、本発明のメタライズ組成物を用いたセラミック配線基板について説明する。図１は、本発明の一実施形態にかかるセラミック配線基板の構造を示しており、複数のメタライズ配線層を有する多層配線基板である。
【００３２】
図１に示すように、セラミック配線基板１は、セラミック絶縁基板２とメタライズ配線層３とから構成されている。
【００３３】
セラミック絶縁基板２は、複数のセラミック絶縁層２ａ〜２ｄを積層した積層体から構成され、各層間およびセラミック絶縁基板２の表面には、厚みが５〜３０μｍの配線層３が被着形成されている。また、セラミック絶縁基板２内には、セラミック絶縁層２ａ〜２ｃの厚さ方向に貫通した直径が５０〜２００μｍ程度のビアホール導体４が形成されている。
【００３４】
セラミック配線基板１における表面のメタライズ配線層３は、ＩＣチップなどの各種電子部品を搭載するためのパッドとして、シールド用導体膜として、さらには、外部回路と接続する端子電極として用いられ、各種電子部品がメタライズ配線層３に半田などの導電性接着剤を介して接合される。
【００３５】
そして、本発明のメタライズ配線層３のセラミック絶縁層２ａ〜２ｄとの界面の粗さ（Ｒｍａｘ）は５μｍ以下であることが望ましく、特に、３μｍ以下、さらには１μｍ以下であることがより望ましい。
【００３６】
他方、セラミック絶縁基板２は、８００〜１１００℃の低温で焼成可能な材料からなり、例えば、少なくともＳｉＯ_２を含有するガラス材、又はＳｉＯ_２を含有するガラス材と無機フィラーとの複合材料からなるガラスセラミック磁器粉末からなる。具体的には、このガラス材は、複数の金属酸化物成分から構成され、焼成後において非晶質、又は焼成によって、コージェライト、ムライト、アノーサイト、セルジアン、スピネル、ガーナイト、ウィレマイト、ドロマイト、リチウムシリケートやその置換誘導体の結晶を析出する結晶化ガラスであることが望ましい。
【００３７】
ガラス材としては周知のガラス材を用いることができるが、特に、焼成時に結晶化する結晶性ガラスが望ましく、この結晶性ガラスからの結晶相の析出により機械的強度を向上でき、この結果、メタライズ配線層３の接着強度も向上させることができる。ここで用いられるガラス成分としては、例えば、ＳｉＯ_２−Ａｌ_２Ｏ_３−ＭｇＯ−ＣａＯ系結晶化ガラス材が好適であり、この系のガラス材以外にＣａＯ、ＭｇＯなどのアルカリ土類金属酸化物、Ａｌ_２Ｏ_３、Ｐ_２Ｏ_５、ＺｎＯ、Ｂ_２Ｏ_３、ＰｂＯから選ばれる１種または２種以上を含有するホウ珪酸ガラス、ＢａＯ系ガラス、ナトリウムソーダガラス等が挙げられる。
【００３８】
セラミック絶縁基板２を構成する無機フィラーとしては、ジルコン酸カルシウム、チタン酸カルシウム、チタン酸ストロンチウム、チタン酸バリウム、アルミナ、ムライト、フォルステライト、ジルコニア、スピネル、クオーツ、エンスタタイト等の群から選ばれる少なくとも１種を用いることができる。
【００３９】
ガラス材と無機フィラーとの割合は、ガラス材が３０〜７０質量％、無機フィラーが７０〜３０質量％からなることが適当である。
【００４０】
（製法）
本発明のセラミック配線基板は、ガラス材と無機フィラーとの複合材料と有機成分とを混合してスラリーを調製し、例えばドクターブレード法などのシート成形法を用いてセラミックグリーンシートを形成する。次に、このセラミックグリーンシートに、本発明のメタライズ組成物を含有する導体ペーストを用いてメタライズパターンやビアホール導体４を形成する。
【００４１】
この場合、導体ペーストは、前記した金属粉末と無機粉末に対して、アクリル樹脂などの有機バインダと、αテルピネオール、ジブチルフタレート、ブチルカルビトールなどの有機溶剤とを攪拌混合機を用いて均質混合して調製される。
【００４２】
なお、有機バインダは前記無機成分１００質量部に対して１〜１０質量部、有機溶剤成分は５〜３０質量部の割合で混合するのが望ましい。
【００４３】
その後、メタライズパターンやビアホール導体４が形成されたセラミックグリーンシートを積層圧着して積層体を形成する。
【００４４】
次に、この積層体を脱脂後焼成を行う。例えば、メタライズ組成物を構成する金属粉末として銅粉末を用いた場合、３００〜５００℃の水蒸気を含んだ窒素雰囲気中で熱処理し、さらに温度を７００℃以上に上げてグリーンシート内や導体ペースト中に含有されている有機成分を分解除去した後、８００〜１１００℃の窒素雰囲気中で同時焼成することにより作製することができる。
【００４５】
本発明では、セラミック絶縁層２ａ〜２ｃとメタライズ組成物との焼成収縮挙動を近づけるとともに、それらの接着強度を高め、かつメタライズ組成物のガラス浮きを抑制するという理由から、焼成温度は９００〜１０５０℃であることがより望ましい。なお、メタライズ組成物を構成する金属粉末として銀粉末を用いた場合には大気雰囲気中で焼成する。
【００４６】
【実施例】
以下、本発明のメタライズ組成物およびそれを用いたセラミック配線基板について、実施例に基づき具体的に詳述する。
【００４７】
まず、ＳｉＯ_２５０質量％−Ａｌ_２Ｏ_３５．５質量％−ＭｇＯ１８．５質量％−ＣａＯ２６質量％の組成を有する結晶性のガラス粉末６０質量部と、無機フィラーとして、平均粒径２μｍのアルミナ４０質量部からなるガラスセラミック原料粉末の混合物を調製し、この混合物１００質量部に対して、有機バインダとしてメタクリル酸イソブチル樹脂を固形分で１４質量部、可塑剤としてフタル酸ジブチルを７質量部添加し、トルエンを溶媒としてボールミルにより４０時間混合しスラリーを調整した。次に、得られたスラリーをドクターブレード法により厚さ０．３ｍｍのグリーンシートに成形した。
【００４８】
次に、表１に示すメタライズ組成物を用いて導体ペーストを調製した。具体的には、上記表１のメタライズ組成物に有機バインダ４質量部と有機溶剤を添加し、攪拌混合機を用いて混合し導体ペーストを作製した。
【００４９】
次に、グリーンシートに形成されたビアホールおよびその表面に前記導体ペーストを印刷して配線パターンを形成した後、配線パターンが形成されたグリーンシートを複数積層加圧して成形体を作製した。
【００５０】
次に、メタライズ組成物を構成する金属粉末として銅粉末を用いた場合の脱脂焼成は、以下のようにして行った。
【００５１】
次に、この成形体を３００〜５００℃の温度に加熱して脱バインダ処理を行った。さらに水蒸気を含んだ窒素雰囲気中で７５０℃×１ｈの熱処理を行い成形体中の残留炭素量を２００ｐｐｍ以下に低減した後、９００℃×１ｈの焼成を行いメタライズ配線層およびビアホール導体が形成されたのセラミック配線基板を得た。
【００５２】
得られたセラミック配線基板は外形寸法が約２０ｍｍ×２０ｍｍ×１ｍｍで、表層には面積が１０ｍｍ×１０ｍｍで、厚みが１０μｍのメタライズ配線層が形成されていた。金属粉末として銀を用いた場合には焼成雰囲気を大気とした。
【００５３】
このセラミック配線基板の断面研磨を行い露出したメタライズ配線層の界面を測定顕微鏡を用いて、界面の粗さ（Ｒｍａｘ）と基板の反りを測定した。尚、反り量は１０ｍｍ当たりの変形量とした。
【００５４】
一方、比較例として、ともに中実球状の金属粉末および無機粉末を用いてメタライズ組成物を調製し、本発明のメタライズ組成物と同様の評価を行った。
【００５５】
【表１】

【００５６】
表１の結果から明らかなように、本発明のメタライズ組成物を用いた試料Ｎｏ．１〜８では、セラミック絶縁層との界面のメタライズ配線層の粗さが２μｍ以下、基板の反りを８０μｍ以下にできた。特に、金属粉末として銅粉末を用いた場合に、中実球状と中空粉末とを混合したメタライズ組成物を用いた試料Ｎｏ．４〜６では、セラミック絶縁層との界面のメタライズ配線層の表面粗さが０．８μｍ以下、基板の反りを６５μｍ以下にできた。
【００５７】
一方、中実球状の金属粉末および無機粉末のみを用いた試料Ｎｏ．９では界面の表面粗さが５μｍ、反りが４００μｍと大きかった。
【００５８】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明によれば、メタライズ組成物を構成する金属粉末および無機粉末のいずれかの粉末に中空粉末を用いることにより、メタライズ組成物を用いて形成されるメタライズパターンの焼成収縮量を制御することが容易となり、このようなメタライズ組成物をセラミック配線基板のメタライズ配線層として採用した場合、中実球状の金属粉末や無機粉末を用いた場合に比較してセラミック配線基板の反りを高精度に制御することが可能となる。
【００５９】
また、上記のような中空の金属粉末および無機粉末では焼成中に変形しやすいことからメタライズ配線層が平滑化しやすくなり、セラミック絶縁層との接合界面の表面面粗さ（Ｒｍａｘ）を低減できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のセラミック配線基板を示す概略断面図である。
【符号の説明】
１セラミック配線基板
２ａ〜２ｄセラミック絶縁層

Claims

少なくとも金属粉末および無機粉末を含有してなるメタライズ組成物であって、前記金属粉末および前記無機粉末のうちいずれかが中空粉末からなることを特徴とするメタライズ組成物。
前記金属粉末と前記無機粉末、それぞれの最大径が５０μｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載のメタライズ組成物。
金属粉末が銅粉末、銀粉末および金粉末の群から選ばれる少なくとも１種であることを特徴とする請求項１または２に記載のメタライズ組成物。
金属粉末に対して無機粉末を０．０５〜２０質量％含有することを特徴とする請求項１乃至３のうちいずれか記載のメタライズ組成物。
メタライズ配線層とセラミック絶縁層とを交互に積層してなるセラミック配線基板であって、前記メタライズ配線層が請求項１乃至４のうちいずれか記載のメタライズ組成物を焼成して得られたものであることを特徴とするセラミック配線基板。
セラミック絶縁層との接合界面におけるメタライズ配線層界面の粗さ（Ｒｍａｘ）が５μｍ以下であることを特徴とする請求項５に記載のセラミック配線基板。
セラミックグリーンシート上にメタライズパターンを形成する工程と、該メタライズパターンが形成された前記セラミックグリーンシートを積層した後に焼成する工程とを具備するセラミック配線基板の製法であって、前記メタライズパターンが請求項１乃至４のうちいずれか記載のメタライズ組成物よりなることを特徴とするセラミック配線基板の製法。