(57)【要約】【課題】ガラスセラミック回路基板の表面に配された配線導体が、寸法精度を向上するために積層される拘束シートを除去するときに剥離してしまう。【解決手段】凹部４を有するガラスセラミックスから成る絶縁基体１と配線導体とから成るガラスセラミック回路基板であって、配線導体のうち、凹部４の底面および絶縁基体１の内部に配された内部配線導体３が１００質量部の銅および０．０１〜０．０５質量部のガラスから成り、絶縁基体１の表面に配された表面配線導体２が１００質量部の銅および０．１〜５質量部のガラスから成るガラスセラミック回路基板である。拘束シートを除去するときのサンドブラスト等の圧力を充分に吸収して、表面配線導体２や内部配線導体３の剥離を抑制することができる。【選択図】　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
凹部を有するガラスセラミックスから成る絶縁基体と配線導体とから成るガラスセラミック回路基板であって、前記配線導体のうち、前記凹部の底面および前記絶縁基体の内部に配された内部配線導体が１００質量部の銅および０．０１〜０．０５質量部のガラスから成り、前記絶縁基体の表面に配された表面配線導体が１００質量部の銅および０．１〜５質量部のガラスから成ることを特徴とするガラスセラミック回路基板。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体素子等の電子部品を搭載し、それらを相互配線し、あるいは外部電気回路基板と接続して電子回路を構成するためのガラスセラミック回路基板に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、半導体ＬＳＩ・チップ部品等は小型化・軽量化が進んでおり、これらを実装する配線基板も小型化・軽量化が望まれている。このような要求に対して、基板内に内部電極等を配した多層セラミック基板は、要求される高密度配線が可能となり、かつ薄型化が可能なことから、今日のエレクトロニクス業界において重要視されている。
【０００３】
また、近年の高度情報化時代を迎え、使用される周波数帯域はますます高周波化に移行しつつある。このような高周波の信号の伝送を行なう高周波配線基板においては、高周波信号を高速で伝送する上で、配線導体を形成する導体の抵抗が小さいことが要求され、絶縁基板にもより低い誘電率が要求される。
【０００４】
このため、最近では、ガラスとセラミックス（無機質フィラー）との混合物を焼成して得られるガラスセラミックスを絶縁基板として用いることが注目されている。すなわち、ガラスセラミックスは誘電率が低いため高周波用絶縁基板として好適であり、またガラスセラミックスは８００〜１１００℃の低温で焼成できることから、銅・銀・金等の低抵抗金属を配線導体として使用できるという利点がある。
【０００５】
このガラスセラミック回路基板は、その表面に形成された凹部（キャビティ）にＩＣやＬＳＩ等といった半導体素子等の電子部品を半田等の接着剤を介して実装した後、実装ボードに組み付けることによって、外部電気回路と電気的に接続されて使用される。
【０００６】
ガラスセラミック回路基板は、ガラスとフィラーとの混合物に有機バインダ・可塑剤・溶剤等を加えてスラリーとし、ドクターブレード等によりガラスセラミックグリーンシートを成形した後、銅・銀・金等の低抵抗金属の粉末を含有する導体ペーストを印刷する等してガラスセラミックグリーンシート上に配線導体のパターンを形成し、次いで複数枚のガラスセラミックグリーンシートを積層して、８００〜１０００℃の温度で焼成して得られる。
【０００７】
ところが、ガラスセラミック回路基板は、焼成過程において焼結に伴う収縮を生じるという問題がある。このような収縮の程度は一様ではなく、使用する基板用の無機材料・ガラスセラミックグリーンシートの組成・原料である粉体粒度のバラツキ・配線導体のパターン・基板内部に配置される配線導体の材料等により収縮率や収縮方向が異なるものとなる。
【０００８】
この収縮変化を小さくするためには、配線導体による回路パターンに対する回路基板の収縮率の傾向を調べたり、製造工程において基板の材料およびガラスセラミックグリーンシート組成を管理したり、粉体粒度のバラツキを管理したり、プレス圧や温度等の積層条件を充分管理したりする必要がある。しかし、それでも一般に収縮率の誤差として±０．５％程度はどうしても発生するといわれている。この収縮変化によるガラスセラミック回路基板の寸法バラツキは、半導体素子等の電子部品を実装するときに実装位置のズレの原因となり、それにより電気導通不良が発生させることとなるという問題点があった。
【０００９】
このため、ガラスセラミックグリーンシート積層体の両面または片面に、ガラスセラミックス成分の焼成温度では焼結しない拘束グリーンシートを積層して焼成し、その後、拘束シートをサンドブラスト等で除去する方法、いわゆる拘束焼成法が採用されている。
【００１０】
この拘束焼成法によれば、拘束グリーンシートがガラスセラミックグリーンシートの焼成時の収縮を拘束するため、積層体の厚さ方向のみに収縮が起こって積層面に平行な縦横方向には収縮が起こらなくなり、ガラスセラミック回路基板の寸法精度が向上するというものである。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記のような従来のガラスセラミック回路基板では、拘束シートを除去するときに、表面の配線導体にサンドブラストに用いるメディア等が激しく衝突するために配線導体の剥離を生じたり、配線導体とガラスセラミック基板との界面にマイクロクラックが発生して接合強度が弱くなったりし、その結果、半導体素子等の電子部品を実装して実装ボードに組み付けたときの信頼性が著しく低下することがあるといった問題点を有していた。
【００１２】
また、この拘束シートを除去するときの外力による配線導体の剥離を抑制するために、配線導体の中にガラスを添加する方法も提案されているが、剥離を確実に抑制できる程度にガラスを添加すると、配線導体の電気抵抗が高くなり高周波信号を高速に伝送できなくなってしまうといった問題点があった。
【００１３】
本発明は上記問題点に鑑み完成されたものであり、その目的は、ガラスセラミック回路基板の特に表面および凹部の底面に形成された配線導体に発生しやすい、拘束シートを除去するときの剥離やマイクロクラックの発生を抑制することができ、搭載される半導体素子等の電子部品を安定して作動させることができるガラスセラミック回路基板を提供することにある。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明は、凹部を有するガラスセラミックスから成る絶縁基体と配線導体とから成るガラスセラミック回路基板であって、前記配線導体のうち、前記凹部の底面および前記絶縁基体の内部に配された内部配線導体が１００質量部の銅および０．０１〜０．０５質量部のガラスから成り、前記絶縁基体の表面に配された表面配線導体が１００質量部の銅および０．１〜５質量部のガラスから成ることを特徴とするものである。
【００１５】
本発明のガラスセラミック回路基板によれば、凹部の底面および絶縁基体の内部に配された内部配線導体が１００質量部の銅および０．０１〜０．０５質量部のガラスから成り、絶縁基体の表面に配された表面配線導体が１００質量部の銅および０．１〜５質量部のガラスから成ることから、内部配線導体の電気抵抗を高くすることなく、ガラスセラミックスから成る絶縁基体と表面配線導体との接合強度が強固なものとなり、拘束シートを除去するときのサンドブラスト等の外力による圧力を表面配線導体で充分に吸収して、配線導体の剥離やマイクロクラックの発生を抑制することができる。その結果、搭載される半導体素子等の電子部品を安定して作動させることができる信頼性の高いガラスセラミック回路基板とすることができる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
次に、本発明を添付図面に基づき詳細に説明する。
【００１７】
図１は本発明のガラスセラミック回路基板の実施の形態の一例を示す断面図であり、１はガラスセラミックスから成る絶縁基体、２は配線導体のうちの表面配線導体、３は配線導体のうちの内部配線導体、４は絶縁基体１の表面に形成された凹部である。
【００１８】
ガラスセラミックスから成る絶縁基体１は、例えば多層基板の場合には次のように作製される。
【００１９】
まず、ガラス成分・フィラー等の原料粉末と、適当な有機バインダ・溶剤・可塑剤とを添加混合してスラリーとするとともに、そのスラリーから従来周知のドクターブレード法やカレンダロール法を採用することによってガラスセラミックグリーンシートを成形する。
【００２０】
ガラス成分としては、例えばＳｉＯ２−Ｂ２Ｏ３系・ＳｉＯ２−Ｂ２Ｏ３−Ａｌ２Ｏ３系・ＳｉＯ２−Ｂ２Ｏ３−Ａｌ２Ｏ３−ＭＯ系（但し、ＭはＣａ，Ｓｒ，Ｍｇ，ＢａまたはＺｎを示す）・ＳｉＯ２−Ａｌ２Ｏ３−Ｍ１Ｏ−Ｍ２Ｏ系（但し、Ｍ１およびＭ２は同一または異なってＣａ，Ｓｒ，Ｍｇ，ＢａまたはＺｎを示す）・ＳｉＯ２−Ｂ２Ｏ３−Ａｌ２Ｏ３−Ｍ１Ｏ−Ｍ２Ｏ系（但し、Ｍ１およびＭ２は前記と同じである）・ＳｉＯ２−Ｂ２Ｏ３−Ｍ３２Ｏ系（但し、Ｍ３はＬｉ，ＮａまたはＫを示す）・ＳｉＯ２−Ｂ２Ｏ３−Ａｌ２Ｏ３−Ｍ３２Ｏ系（但し、Ｍ３は前記と同じである）・Ｐｂ系ガラス・Ｂｉ系ガラス等が挙げられる。
【００２１】
また、フィラーとしては、例えばＡｌ２Ｏ３，ＳｉＯ２，ＺｒＯ２とアルカリ土類金属酸化物との複合酸化物・ＴｉＯ２とアルカリ土類金属酸化物との複合酸化物・Ａｌ２Ｏ３およびＳｉＯ２から選ばれる少なくとも１種を含む複合酸化物（例えばスピネル，ムライト，コージェライト）等が挙げられる。
【００２２】
これらガラスとフィラーとの混合割合は、質量比で４０：６０〜９９：１であるのが好ましい。
【００２３】
この原料粉末に添加混合される有機バインダとしては、従来からセラミックグリーンシートに使用されているものが使用可能であり、例えばアクリル系（アクリル酸，メタクリル酸またはそれらのエステルの単独重合体または共重合体、具体的にはアクリル酸エステル共重合体・メタクリル酸エステル共重合体・アクリル酸エステル−メタクリル酸エステル共重合体等）・ポリビニルブチラ−ル系・ポリビニルアルコール系・アクリル−スチレン系・ポリプロピレンカーボネート系・セルロース系等の単独重合体または共重合体が挙げられる。
【００２４】
このガラスセラミックグリーンシートに金型加工等により凹部４を形成する孔加工をする。孔加工を施したガラスセラミックグリーンシートの表面に、銅粉末およびガラス粉末に適当な有機バインダ・溶剤を添加混合した銅導体ペーストを用いて、表面配線導体２となる導体パターンをスクリーン印刷等で形成する。
【００２５】
表面配線導体２は、１００質量部の銅と０．１〜５質量部のガラスから成るものである。ただし、このガラス成分中の０．０５質量部以下のガラスは、焼成時に絶縁基体１のガラスセラミックスから拡散して流入するものであり、焼成前の銅導体ペーストには含まれない。このため、表面導体層２となる銅導体ペーストには、０．０５〜４．９５質量部のガラス粉末を添加する。これにより、表面配線導体層２のガラス成分を０．１〜５質量部に制御することができる。
【００２６】
この銅導体ペーストに添加するガラス粉末については、特に限定されるものではなく、例えばホウケイ酸塩系やホウケイ酸亜鉛系のガラス等の粉末を適宜用いることができる。
【００２７】
次に、孔加工したガラスセラミックグリーンシートと積層することによって凹部４を形成するベースのガラスセラミックグリーンシートの表面に、銅粉末およびガラス粉末に適当な有機バインダ・溶剤を添加混合した銅導体ペーストを用いて、内部配線導体３となる導体パターンをスクリーン印刷等で形成する。
【００２８】
内部配線導体３は、１００質量部の銅と０．０１〜０．０５質量部のガラスから成るものである。ただし、このガラス成分中の０．０５質量部以下のガラスは、焼成時に絶縁基体１のガラスセラミックスから拡散して流入するものであり、焼成前の銅導体ペーストには含まれない。このため、内部配線導体３となる銅導体ペーストには、ガラス粉末を添加しなくてもよい。
【００２９】
これら表面配線導体２および内部配線導体３を形成するための銅導体ペーストに用いられる銅粉末としては、従来周知の各種の銅粉末が使用可能であり、銅粉末の製造方法・形状等に制限はないが、その粒径については、ペースト化の容易性または印刷性の点から、０．５〜２μｍの銅粉末を用いることが好ましい。
【００３０】
また、この銅導体ペーストに添加するガラス粉末についても特に限定されるものではなく、例えばホウケイ酸塩系やホウケイ酸亜鉛系のガラス等の粉末を適宜用いることができる。
【００３１】
また、この銅導体ペーストに添加する有機バインダについても特に限定されるものではなく、例えばエチルセルロース樹脂・ポリビニルアルコール・アクリル系樹脂等を用いればよい。
【００３２】
さらに、その溶剤についても特に限定されるものではなく、例えばテルピネオール・各種グリコール類・各種セルソルブ類・酢酸エステル類等を用いればよく、樹脂の種類・塗布方法等により、適宜選択して用いることができる。
【００３３】
次に、表面配線導体２の導体パターンを形成したガラスセラミックグリーンシートと内部配線導体３の導体パターンを形成したガラスセラミックグリーンシートとを積み重ねて、３〜２０ＭＰａの圧力および３０〜８０℃の温度で加熱圧着して一体化し、グリーンシート積層体を形成する。
【００３４】
次に、グリーンシート積層体の両面に、難焼結性無機材料とガラスと有機バインダとを含む拘束グリーンシートを積層する。
【００３５】
この拘束グリーンシートは、難焼結性無機材科とガラスとから成る無機成分に有機バインダ・可塑剤・溶剤等を加えたスラリーをシート状に成形して得られる。難焼結性無機材料としては、Ａｌ２Ｏ３およびＳｉＯ２から選ばれる少なくとも１種が挙げられるが、これらに制限されるものではない。
【００３６】
拘束グリーンシートに加えられるガラスについても、特に制限されるものではなく、前述のガラスセラミックグリーンシートに配合されるガラスと同様のものが使用可能である。また、拘束グリーンシート中のガラスは、ガラスセラミックグリーンシート中のガラスと同一組成のものであってもよく、異なる組成のものであってもよい。
【００３７】
拘束グリーンシート中のガラス含有量は、この拘束グリーンシート中の全無機成分の０．５〜１５質量％であるのがよい。通常は、この範囲が焼成時にガラスセラミックグリーンシートと結合しかつ拘束グリーンシートをその積層面内で実質的に収縮させない量となるが、必ずしもこの範囲に制限されるものではなく、使用するガラスの種類等によってガラス含有量は変化する。
【００３８】
そして、この拘束グリーンシートとグリーンシート積層体との積層体を８００〜１０００℃で焼成して拘束シートを保持したガラスセラミック回路基板を作製し、最後にこのガラスセラミック回路基板から拘束シートを除去する。
【００３９】
拘束シートの除去方法としては、ガラスセラミック回路基板の表面に結合した拘束シートを均一に除去することができるサンドブラスト法が好ましい。
【００４０】
表面配線導体２は、銅が１００質量部に対して０．０１〜０．０５質量部のガラスを含むものから成るため、ガラスセラミックスから成る絶縁基体１との間で高い接合強度が得られる。このため、拘束シートを除去するときのブラストのメディアの衝突によっても表面配線導体２が剥離することを抑制することができる。
【００４１】
内部配線導体３は、銅が１００質量部に対して０．１〜１質量部のガラスを含むものから成るため、ガラスの含有量が低く抑えられて電気抵抗の上昇を抑制した内部配線を形成することができる。このため半導体素子（図示せず）を実装し動作させたときの高周波信号を高速に伝送することができる。また、内部配線導体３は、絶縁基体１の表面に形成された凹部４の底面および絶縁基体１の内部に形成されているため、拘束シートを除去するときのサンドブラストにおいて、絶縁基体１の内部ではメディアの衝突による衝撃を受けず、凹部４の底面では絶縁基体１の表面に比べてブラスト噴射ノズルからの距離が長くなり、かつメディアが凹部４の内部で滞留することによってメディアの循環効率が低くなるために、メディアの衝突による衝撃が緩和され、内部配線導体３の剥離は発生しにくい。
【００４２】
表面配線導体２の厚みおよび内部配線導体３の厚みは、１０〜２０μｍとすることが、絶縁基体１と表面配線導体２および内部配線導体３との間でそれぞれ充分な接合強度が得られる点で好ましい。表面配線導体２および内部配線導体３の厚みが１０μｍ未満の場合には、ガラスセラミックスと銅とのアンカー深さが浅くなるために、絶縁基体１と表面配線導体２および内部配線導体３とのアンカー効果が弱くなりやすく、絶縁基体１との接合強度が低下する傾向がある。他方、２０μｍを超えると、表面配線導体２および内部配線導体３と絶縁基体１との焼成時の収縮挙動の差による内部応力が増加して、絶縁基体１との接合強度が低下する傾向がある。
【００４３】
なお、本発明は上述の実施の形態の例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲であれば種々の変更は可能である。
【００４４】
例えば、上述の実施の形態の例では、サンドブラストにより拘束シートを除去してガラスセラミック回路基板を作製したが、サンドブラストに代えてウェットブラスト（砥粒と水とを空気圧により噴射させる方法）を用いて拘束シートを除去してもよい。
【００４５】
【実施例】
以下、実施例を挙げて本発明を詳細に説明する。
【００４６】
ガラスセラミック成分として、ＳｉＯ２−ＭｇＯ−ＣａＯ−Ａｌ２Ｏ３系ガラス粉末７０質量％・Ａｌ２Ｏ３粉末３０質量％を使用した。このガラスセラミック成分１００質量部に有機バインダとしてアクリル樹脂９．０質量部・フタル酸系可塑剤４．５質量部および溶剤としてトルエン３０質量部を加え、ボールミル法により混合してスラリーとした。このスラリーを用いてドクターブレード法により厚さ３００μｍのガラスセラミックグリーンシートを成形した。このガラスセラミックグリーンシートに打ち抜き加工によって、５ｍｍ角の貫通孔を形成した。
【００４７】
一方、無機成分としてＡｌ２Ｏ３粉末９５質量％とＳｉＯ２−Ａｌ２Ｏ３−ＭｇＯ−Ｂ２Ｏ３−ＺｎＯ系ガラス粉末５質量％とを用いて、ガラスセラミックグリーンシートと同様にしてスラリーを作製し、次いで成形して厚さ２５０μｍの拘束グリーンシートを得た。
【００４８】
また、表１に示す組成比で、銅粉末およびガラス粉末に所定量のエチルセルロース系樹脂およびテルピネオールを加えて攪拌脱泡機にて予備混合し、その後、３本ロールで混錬して表面配線導体ペーストと内部配線導体ペーストを作製した。
【００４９】
これらの導体ペーストをガラスセラミックグリーンシートにスクリーン印刷によってそれぞれ厚み２０μｍに塗布し、打ち抜き加工したガラスセラミックグリーンシート４枚とベースのガラスセラミックグリーンシート４枚とを重ね合わせて、温度５５℃・圧力２０ＭＰａの条件で１０秒間加圧して、表面に凹部が形成されたガラスセラミックグリーンシート積層体を得た。その後、そのガラスセラミックグリーンシート積層体の両面に拘束グリーンシートを重ね合わせて、温度５５℃・圧力２０ＭＰａの条件で１０秒間加圧して積層体を得た。
【００５０】
得られた積層体をアルミナセッターに載置し、加湿窒素雰囲気中にて５００℃で２時間加熱して有機成分を除去した後、窒素雰囲気中にて８５０℃で１時間焼成した。その後、５０μｍのアルミナメディアを１ＭＰａの圧力で噴射するブラストによって、ガラスセラミック回路基板の表面の拘束シートを除去した。
【００５１】
拘束シートを除去したガラスセラミック回路基板のテストピースの外観を倍率が５０倍の拡大鏡で観察し、表面配線導体の剥離の有無を観察した。そして、表面配線導体の剥離やマイクロクラックが発生しているものを×とした。また、内部配線導体の電気抵抗を測定した。これらの評価結果を表１に示す。
【００５２】
【表１】
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【００５３】
表１に示す結果より、本発明のガラスセラミック回路基板である実施例１〜５では、拘束シートを除去するときの表面配線導体の剥離の発生がなく、かつ内部配線導体の電気抵抗が低い、優れた特性を備えた配線導体を有するガラスセラミック回路基板が得られていることが分かる。
【００５４】
これに対し、比較例１では、内部配線導体へのガラス添加量が多いため、電気抵抗が高くなっていることが分かる。
【００５５】
また、比較例２では、表面配線導体へのガラス添加量が多いため、拘束シートと表面配線導体とが強固に反応焼結して、完全に除去することができなかった。さらに、比較例３では、表面配線導体へのガラス添加量が不足しているため、拘束シートを除去するときに表面配線導体が剥離した。
【００５６】
【発明の効果】
本発明のガラスセラミック回路基板によれば、凹部の底面および絶縁基体の内部に配された内部配線導体が１００質量部の銅および０．０１〜０．０５質量部のガラスから成り、絶縁基体の表面に配された表面配線導体が１００質量部の銅および０．１〜５質量部のガラスから成ることから、内部配線導体の電気抵抗を高くすることなく、絶縁基体と表面配線導体との接合強度を強固なものとすることができ、拘束シートを除去するときのサンドブラスト等の外力による圧力を表面配線導体で充分に吸収して、表面配線導体の剥離の発生やマイクロクラックを抑制することができる。その結果、搭載される半導体素子等の電子部品を安定して作動させることができる信頼性の高いガラスセラミック回路基板とすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のガラスセラミック回路基板の実施の形態の一例を示す断面図である。
【符号の説明】
１：絶縁基体
２：表面配線導体層
３：内部配線導体層
４：凹部
【図１】
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