(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
低抵抗金属粉末１００重量部に対して亜鉛シリケートを０．１〜１０重量部の割合で含有し、さらに有機バインダーおよび有機溶剤を混合したことを特徴とする導体ペースト。
【請求項２】
前記低抵抗金属粉末が平均粒径０．５〜１０μｍの球状粉末である請求項１記載の導体ペースト。
【請求項３】
前記低抵抗金属粉末が銅粉末であり、その全部または一部が、還元性雰囲気中での焼成によって銅単体に還元される酸化銅の形態で含有されている請求項１記載の導体ペースト。
【請求項４】
ガラスセラミックスからなる絶縁基板と、この絶縁基板の表面および／または内部に被着形成されたメタライズ配線層とを備え、このメタライズ配線層が請求項１ないし３のいずれかに記載の導体ペーストを前記絶縁基板に被着し焼成したものであることを特徴とする配線基板。
【請求項５】
前記絶縁基板が、０〜４００℃までの熱膨張係数が８〜１８ｐｐｍ／℃である請求項４記載の配線基板。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は導体ペーストおよびこれを用いた配線基板に関する。
【０００２】
近年、配線基板においては、高周波回路の対応性、高密度化、高速化が要求され、従来のアルミナ系セラミック材料に比較して低い誘電率が得られ、配線層の低抵抗化が可能な低温焼成配線基板が注目されている。
【０００３】
このような低温焼成配線基板としては、ガラスセラミックスからなる絶縁基板に、銅、金、銀等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いる。この配線基板は、ガラスセラミックス組成物からなるシート状成形体に上記低抵抗金属の粉末を含む導体ペーストを印刷した後、８００〜１０００℃で同時に焼成して作製される。
また、この低温焼成配線基板は、配線層の低抵抗化、絶縁基板の低誘電率、低誘電損失化などによって、半導体素子を収納する半導体素子収納用パッケージや、配線回路基板、携帯電話やパーソナルハンディホンシステム、各種衛星通信用に使用される高周波用多層配線基板などのあらゆる分野への応用が進められている。
【０００４】
例えば、ガラスセラミックスからなる絶縁基板の表面および内部に銅粉末を主成分とするメタライズ配線層を形成する場合には、ガラスセラミックス原料粉末および有機バインダーに溶剤を添加して調製したスラリーをドクターブレード法などによってシート状に形成し、得られたグリーンシートに貫通孔を打ち抜き加工し、該貫通孔に銅粉末を主成分とする導体ペーストを充填し、同時にグリーンシート上に銅粉末を主成分とする導体ペーストをスクリーン印刷法などで印刷して配線パターンを形成する。そして、配線パターンや貫通孔に導体が充填されたビアホール導体が形成されたグリーンシートを複数枚加圧積層し、８００〜１０００℃で焼成することよってメタライズ配線層を有する配線基板が得られる。
【０００５】
しかし、導体ペーストは、ガラスセラミックスとの親和性が悪いため、形成された配線導体とガラスセラミック磁器との接着強度が低く、そのためピンあるいはボール付け用のパッド部等の高い接着強度が要求される部分では熱的または機械的な応力が加わると配線導体とガラスセラミック磁器とが剥離しやすいという問題があった。
そこで、接着強度を改善するために、酸化銅粉末を主体とする導体ペーストにＺｎＯ等を添加したり（特開平１−３１７１８４号公報）、銅粉末を主成分とする導体ペーストにＺｎＯを含むガラス粉末を添加することが提案されている（特開平３−４６７０６号公報）。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、酸化銅粉末を主体とする導体ペーストにＺｎＯ等を添加する方法では、銅の焼結性を阻害し、焼成時にガラスセラミックス基板の収縮挙動との間でずれが生じるため、配線基板の反りをひき起し、さらに焼結が著しく阻害された場合には接着強度の劣化が生じる。
【０００７】
一方、銅粉末を主成分とする導体ペーストにＺｎＯを含むガラス粉末を添加する方法は、高純度なＡｌＮ基板に適用するのに好適な例であり、この方法をガラスセラミックス基板に適用した場合には、銅粉末の焼結性は向上するものの、ガラスセラミックス基板との相互作用により銅とガラス成分との分離が生じて、導体ペースト内に含有されたガラス成分が銅メタライズ層の表面に浮上し、ハンダ濡れ性を阻害するという問題がある。
【０００８】
本発明の目的は、メタライズ配線層とガラスセラミックスからなる絶縁基板との接着強度を向上させ、かつ基板の反りを抑制し、ハンダ濡れ性にも優れた導体ペーストおよびこれを用いた配線基板を提供することである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは上記課題を解決すべく鋭意研究を重ねた結果、銅粉末等の低抵抗金属粉末に所定量の亜鉛シリケートを添加した導体ペーストを使用してメタライズ配線層を形成する場合には、ガラスセラミックスからなる絶縁基板に対する接着強度が向上し、かつハンダ濡れ性が良好であり、しかも絶縁基板と導体ペーストの焼成収縮差に起因する基板の反りを抑制できるという新たな事実を見出し、本発明を完成するに到った。
【００１０】
すなわち、本発明の導体ペーストは、低抵抗金属粉末１００重量部に対して亜鉛シリケートを０．１〜１０重量部の割合で含有したことを特徴とする。本発明において、前記低抵抗金属粉末は平均粒径０．５〜１０μｍの球状粉末であるのが好ましい。これにより、メタライズ配線層の収縮等の焼結挙動をガラスセラミックス基板の焼結挙動により一層近似させることができるため、基板の反りを抑制でき、さらにスクリーン印刷に好適な粒径であるために印刷精度が向上する。
【００１１】
また、前記低抵抗金属粉末が銅粉末であり、その全部または一部を還元性雰囲気中での焼成によって銅単体に還元される酸化銅の形態で含有させ、その酸化銅の量を調整することによって酸化銅の還元時の体積収縮によるメタライズ配線層の収縮率を絶縁基板の収縮率に整合させることができる。本発明の配線基板は、ガラスセラミックスからなる絶縁基板と、この絶縁基板の表面および／または内部に被着形成されたメタライズ配線層とを備え、前記メタライズ配線層が前記した導体ペーストを前記絶縁基板に被着し焼成したものであることを特徴とする。
【００１２】
本発明において、前記絶縁基板は、０〜４００℃までの熱膨張係数が８〜１８ｐｐｍ／℃であるのが好ましい。これにより、絶縁基板をハンダボールなどの接続端子を介して、有機樹脂を絶縁基板中に含有する熱膨張係数が１３〜３０ｐｐｍ／℃のプリント配線基板に表面実装した場合のハンダ接続部に加わる熱応力を緩和し、その結果、実装信頼性が改善される。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、図面に基づいて、本発明の導体ペーストおよびこれを用いた配線基板を説明する。図１は、本発明の一実施形態にかかる配線基板の構造を示しており、複数のガラスセラミックス絶縁層からなる多層配線基板である。
【００１４】
図１に示すように、配線基板１は、絶縁基板２とメタライズ配線層３とを含んでいる。絶縁基板２は、複数のガラスセラミック絶縁層２ａ・・・２ｄを積層した積層体から構成され、各層間および絶縁基板２の表面には銅粉末等の低抵抗金属粉末を主成分とする厚みが５〜３０μｍ程度のメタライズ配線層３が被着形成されている。また、絶縁基板２内には、各絶縁層２ａ・・・２ｄを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。
【００１５】
絶縁基板２は、少なくともＳｉＯ2 を含有するガラス、またはＳｉＯ2 を含有するガラスとフィラーとの複合材料からなるガラスセラミックスからなる。具体的には、ガラスセラミックス材料のガラス成分は、複数の金属酸化物から構成され、焼成後において非晶質、また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によって構成される。
【００１６】
ガラス成分としては、例えばＳｉＯ2 以外にＬｉ2 Ｏ，Ｋ2 Ｏ，Ｎａ2 Ｏ等のアルカリ金属酸化物、ＣａＯ，ＭｇＯなどのアルカリ土類金属酸化物、Ａｌ2 Ｏ3 ，Ｐ2 Ｏ5 ，ＺｎＯ，Ｂ2 Ｏ3 および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、アルカリ珪酸ガラス、ＢａＯ系ガラス、ナトリウムソーダーガラスなどが挙げられる。
前記フィラー成分としては、例えばクオーツ、クリストバライト、石英、コランダム（αアルミナ）、ディオプサイド、ムライト、コージェライトおよびフォルステライトから選ばれる１種または２種以上が使用可能である。
【００１７】
ガラス成分とフィラー成分との割合は、ガラス成分が３０〜７０重量％、フィラー成分が７０〜３０重量％であるのが適当である。
本発明における前記絶縁基板２は、０〜４００℃までの熱膨張係数が８〜１８ｐｐｍ／℃であるのが好ましい。絶縁基板２の熱膨張係数が８ｐｐｍ／℃を下回ると、絶縁基板２とプリント配線板とのハンダ接合部に熱応力が加わり実装信頼性が低下するという問題があり、逆に１８ｐｐｍ／℃を超えると絶縁基板２とシリコンチップとのハンダ接合部に熱応力が加わり実装信頼性が低下するという問題がある。
【００１８】
メタライズ配線層３は低抵抗金属粉末を主成分とする。本発明によれば、メタライズ配線層３は、低抵抗金属粉末１００重量部に対して亜鉛シリケートを０．１〜１０重量部の割合で含有した導体ペーストを積層・焼成して形成される。
【００１９】
低抵抗金属粉末としては、銅、銀、金等の粉末か挙げられ、特に銅粉末を使用するのが配線基板の高密度化および低抵抗導体製造の低コスト化、さらに信頼性向上のうえからも好ましい。また、低抵抗金属粉末は平均粒径０．５〜１０μｍ、好ましくは２〜７μｍ、より好ましくは３〜５μｍの球状粉末であるのが好ましく、平均粒径が０．５μｍを下回る場合には銅粉末が過焼結を起こし、接着強度が低下するという問題があり、逆に１０μｍを超えた場合には微細配線加工ができないという問題がある。
前記亜鉛シリケートとしては、ＺｎＯとＳｉＯ2 との反応物からなる結晶性の複合酸化物であればよく、例えばＺｎＯ・２ＳｉＯ2 （ＺｎＳｉ2 Ｏ5 ）、２ＺｎＯ・ＳｉＯ2 （Ｚｎ2 ＳｉＯ4 ）、３ＺｎＯ・ＳｉＯ2 （Ｚｎ3 ＳｉＯ5 ）等が挙げられる。
【００２０】
かかる亜鉛シリケートは、一般にＺｎＯよりも融点が低いため、配線層３の焼結がＺｎＯを含有したものよりも低い温度で焼結が進むため、焼結性が向上するという利点がある。例えば、前記ＺｎＳｉ2 Ｏ5 の融点は約１５１２℃であり、ＺｎＯの融点約１９７２℃に比べて低いため、本発明の導体ペーストはおよそ９００℃近くで焼結が進行するのに対して、ＺｎＯを含有した従来の導体ペーストはおよそ１０００℃近くで焼結が進行する。従って、絶縁基板との同時焼成時において、ＺｎＯを添加した導体ペーストに比べて、基板との焼結のタイミングが合わせやすくなり、基板との接着強度が向上し、基板の反りを有効に抑制できる。
【００２１】
前記亜鉛シリケートは、低抵抗金属粉末１００重量部に対して０．１〜１０重量部の割合で含有していることが必要であって、亜鉛シリケートの含有量が０．１重量部を下回る場合にはメタライズ配線層３とガラスセラミックスからなる絶縁基板２との親和性が悪化し、その結果、メタライズ配線層３と絶縁基板２との接着強度が弱くなる。一方、亜鉛シリケートの含有量が１０重量部を超える場合には、低抵抗金属粉末の焼結性を劣化させ、ハンダ濡れ性、接着強度、基板反り等に悪影響を及ぼす。亜鉛シリケートは１〜５重量部の割合で含有されているのがより好ましい。
【００２２】
また、使用する亜鉛シリケートは平均粒径が０．１〜３μｍ程度であるのが好ましい。
前記ビアホール導体４は、前記メタライズ配線層３と同様な成分からなる導体であるのがよい。
【００２３】
多層配線基板の表面のメタライズ配線層３は、ＩＣチップ等の各種電子部品５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る。各種電子部品５は配線層３にハンダや導電性接着剤等の接合剤６を介して接合される。なお、図示していないが、表面に珪化モリブデンなどの厚膜抵抗体膜や配線保護膜等を形成しても構わない。
【００２４】
次に、本発明の配線基板を作製する方法について説明する。まず、上述したようなガラス成分、またはガラス成分とフィラー成分とを混合してガラスセラミックス組成物を調製し、その混合物に有機バインダー等を加えた後、ドクターブレード法、圧延法、プレス法等の適宜な成形手段によりシート状に成形してグリーンシートを得る。
【００２５】
ついで、このグリーンシートの表面に導体ペーストをスクリーン印刷等により配線パターン状に印刷する。導体ペーストの主成分となる低抵抗金属粉末には、前記した所定粒径の金属単体（例えば銅）もしくは該金属の酸化物（例えば酸化銅）またはそれらの混合物が用いられる。金属酸化物は還元性雰囲気で焼成されることにより実質的に金属単体の粉末に還元される。
【００２６】
導体ペーストは、前記した低抵抗金属粉末および所定量の亜鉛シリケートといった無機成分のほか、アクリル樹脂等の有機バインダー、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等の有機溶剤等を均質に混合して調製される。有機バインダーは無機成分１００重量部に対して１〜１０重量部、有機溶剤は無機成分１００重量部に対して５〜３０重量部の割合で混合するのが好ましい。
【００２７】
一方、ビアホール導体４を形成するには、前記グリーンシートにレーザー、マイクロドリル、パンチング等により直径５０〜２００μｍ程度の貫通孔を形成し、この貫通孔の内部に前記配線層３と同じ導体ペーストを充填する。その後、配線層３やビアホール導体４が形成されたグリーンシートを積層圧着して積層体を形成する。
ついで、積層体を４００〜８００℃の窒素雰囲気中で加熱処理してグリーンシート内や導体ペースト内に含有されている有機成分を分解除去した後、８００〜１０００℃の窒素雰囲気（還元性雰囲気）中で同時焼成することによりメタライズ配線層３およびビアホール導体４を備えた多層配線基板を作製することができる。
【００２８】
なお、本発明の配線基板は上述したような多層配線基板に限定されるものではなく、単層のガラスセラミックのグリーンシート上に前記と同様な導体ペーストで配線パターンを印刷し、同時焼成した配線基板をも包含する。
また、基板が多層構造であっても、内部のメタライズ配線層４のみを積層体と同時に焼成処理し、表面の配線層４をこの焼成した積層体の表面に焼き付け処理して形成したものであってもよい。
【００２９】
【実施例】
以下、実施例をあげて本発明を詳細に説明するが、本発明の導体ペーストおよびこれを用いた配線基板は以下の実施例のみに限定されるものではない。
【００３０】
実施例
絶縁基板用のグリーンシートの材料として、重量％で７４％ＳｉＯ2 −１４％Ｌｉ2 Ｏ−４％Ａｌ2 Ｏ 3−２％Ｋ2 Ｏ−２％ＺｎＯ−２％Ｎａ2 Ｏ（屈伏点４８０℃）の組成を有するガラス４０体積％に対して、フィラー成分としてＳｉＯ2 を３０体積％、フォルステライト３０体積％を混合したものを用いた。これに分子量３０万のアクリル系バインダーと可塑剤、分散剤および溶剤を加え混合し、得られた泥しょうをドクターブレード法により平均厚さ２００μｍのグリーンシートに成形した。
一方、平均粒径が４μｍの銅粉末に、添加物として亜鉛シリケート（平均粒径１μｍ）またはＺｎＯもしくはＺｎＯとガラス粉末とを表１に示す割合で加え、これら無機成分１００重量部に対して有機バインダーとしてアクリル樹脂２重量部、有機溶剤としてα−テルピネオール１５重量部を添加し、混練して導体ペーストを調製した。
【００３１】
このようにして得られた導体ペーストとグリーンシートとを用いて、以下に示す３種類のサンプルを作製した。
(1) 接着強度を評価するサンプル
焼成後の寸法が２ｃｍ×２ｃｍで厚さ２０μｍのパターンをグリーンシート上にスクリーン印刷し、このグリーンシートの下部に同じグリーンシート５枚を加圧積層した。
(2) 基板反りを評価するサンプル
焼成後の寸法が１０ｍｍ×１０ｍｍで厚さ２０μｍのパターンをグリーンシート上にスクリーン印刷し、このグリーンシートの下部に同じグリーンシート１枚を加圧積層した。
(3) ハンダ濡れ性を評価するサンプル
焼成後の直径が０．１ｍｍの円形パターンをグリーンシート上にスクリーン印刷し、このグリーンシートの下部に同じグリーンシート５枚を加圧積層した。
【００３２】
このようにして配線パターンが形成された未焼成状態の積層体を、有機バインダー等の有機成分を分解除去するために、窒素雰囲気中にて７００℃で３時間保持した後、９５０℃に昇温して１時間保持して焼成し、配線基板を得た。なお、前記グリーンシートを焼成して得た絶縁基板の０〜４００℃での熱膨張係数は１１．５ｐｐｍ／℃であった。
【００３３】
前記(1) 〜(3) のサンプルを用いて得た各配線基板について、以下の方法にて特性を評価した。
(1) 接着強度の評価方法
得られた配線基板の表面に存在する一辺が２ｍｍ四方の銅配線層に厚さ１μｍのＮｉメッキを施し、その表面に厚さ０．１μｍの金メッキを施した。次に、この金メッキ層上に直径０．８ｍｍの錫メッキ銅線を基板と平行にハンダ付けし、ついで錫メッキ銅線を基板に対して垂直方向に曲げ、錫メッキ銅線を１０ｍｍ／分の引っ張り速度で垂直方向に引っ張り、銅配線層と絶縁基板との界面が破断したときの最大荷重を銅配線層の接着強度として評価した。このとき、接着強度が２ｋｇ／２ｍｍ角を超えるものを良品とした。
(2) 基板反りの評価方法
配線基板の表面に存在する一辺が１０ｍｍ四方の銅配線層の対角方向（長さ１４．２ｍｍ）に沿って接触型の表面粗さ計にて表面粗さを測定し、５０μｍ／１４．２ｍｍ以下のものを良品とした。
(3) ハンダ濡れ性の評価方法
配線基板の表面に存在する円形パターンの銅配線層にフラックスを塗布し、２３５℃に保たれた共晶ハンダ中に、鉛直方向に対して４５度の角度で５秒間浸漬したものを実体顕微鏡にて観察し、銅配線層のパターン全面がハンダに濡れているものを良品とした。
これらの試験結果を表１に示す。
【００３４】
【表１】
0003643264.tif 000002
【００３５】
表から明らかなように、添加物としての亜鉛シリケートの含有量が０．１重量部を下回っている試料Ｎｏ．１および２では接着強度が劣りかつ基板の反りも大きかった。一方、亜鉛シリケートの含有量が１０重量部を超えている試料Ｎｏ．９では接着強度が劣り、基板の反りも大きいのに加えて、ハンダ濡れ性も劣っていた。
また、従来技術にかかる試料Ｎｏ．１３〜１６では、接着強度は優れているものの、基板の反りおよび／またはハンダ濡れ性が劣っていた。
これらに対して、亜鉛シリケートの含有量が０．１〜１０重量部の範囲内にある本発明にかかる試料Ｎｏ．３〜８、１０〜１２および１７〜２０では接着強度が高く、基板の反りも抑制され、さらにハンダ濡れ性も良好であった。
【００３６】
【発明の効果】
本発明によれば、低抵抗金属に所定量の亜鉛シリケートを含有させることにより、特にガラスセラミックスからなる絶縁基板との親和性が改善されるため、接着強度が向上すると共に、ハンダ濡れ性が良好であり、基板の反りも抑制された配線基板を得ることができるという効果がある。
【００３７】
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態にかかる配線基板の概略断面図である。
【符号の説明】
１    配線基板
２    絶縁基板
３    メタライズ配線層
４    ビアホール導体
５    電子部品
【図１】
0003643264.tif 000003