(57)【要約】【課題】厚み１００μｍ以下でも比抵抗１０１１Ω・ｃｍ以上となる絶縁性セラミックスおよびそれを用いた多層セラミック基板を提供する。【解決手段】複数の絶縁層２ａ〜２ｆを積層してなる絶縁基板２と、絶縁基板２表面および絶縁層２ａ〜２ｆ間に配設された配線回路層３とを具備する多層セラミック基板１であって、絶縁層２ａ、２ｆのうち少なくとも１層の絶縁層２ａが１００μｍ以下の薄層からなり、該薄層からなる絶縁層２ａ、２ｆを構成する結晶子の最大径を５μｍ以下、ボイド面積率を３％以下、最大ボイド径を５μｍ以下とすることで絶縁層の比抵抗を１０１１Ω・ｃｍ以上とし、メッキ時における不良の発生をも防止できる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
厚みが１００μｍ以下の薄層からなり、絶縁層を構成するセラミック結晶子の最大径が５μｍ以下であり、かつその絶縁層のボイド面積率が３％以下で、最大ボイド径が５μｍ以下であることを特徴とする絶縁性セラミックス。
【請求項２】
比抵抗が１０１１Ω・ｃｍ以上であることを特徴とする請求項１記載の絶縁性セラミックス。
【請求項３】
複数の絶縁層を積層してなる絶縁基板と、該絶縁基板表面および絶縁層間に配設された配線回路層とを具備する多層セラミック基板であって、該絶縁層のうち少なくとも１層の絶縁層が１００μｍ以下の薄層からなり、該薄層からなる絶縁層を構成する結晶子の最大径が５μｍ以下、ボイド面積率が３％以下、最大ボイド径が５μｍ以下であることを特徴とする多層セラミック基板。
【請求項４】
絶縁層の比抵抗が１０１１Ω・ｃｍ以上であることを特徴とする請求項３記載の多層セラミック基板。
【請求項５】
厚さ１００μｍ以下の薄層の絶縁層が最表面に形成されてなる請求項３または請求項４記載の多層セラミック基板。
【請求項６】
表面に配設された配線回路層の表面にメッキ層が被着形成されている請求項１乃至請求項５のいずれか記載の多層セラミック基板。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、絶縁性セラミックス及び半導体素子収納用パッケージなどに適した多層セラミック基板に関するものである。
【０００２】
【従来技術】
近年、高集積化が進むＩＣやＬＳＩ等の半導体素子を搭載する半導体素子収納用パッケージや、各種電子部品が搭載される混成集積回路装置等に適用される配線基板においては、高密度化、小型軽量化が要求されている。このような高密度化、小型軽量化の要求に対して、特に基板の低背化という観点で、多層セラミック配線基板を構成する各絶縁体厚みは、低背化に伴い薄層化へ移行し、具体的には２０μｍ〜１００μｍの厚みで構成される必要がある（例えば、特許文献１、２、３参照）。
【０００３】
【特許文献１】
特開２００１−１１１２１８号公報
【特許文献２】
特開平１０−９３２３８号公報
【特許文献３】
特開平７−１５４０７３号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このように絶縁層が薄くなる場合、絶縁層のち密性が不十分であると、絶縁層の比抵抗が１０１１Ω・ｃｍ未満となり、薄層の絶縁層を挟む２つの配線導体層間で短絡や相互干渉作用が大きくなる不具合が生じる。とりわけ、配線基板表面にこの薄層絶縁層が配置される構造で、メッキ層を被着形成する場合、絶縁層のち密性が不十分であると、ボイド等の欠陥部にメッキ膜が付着し、前述の不具合が顕著となる。
【０００５】
本発明は、厚みが１００μｍ以下でも比抵抗１０１１Ω・ｃｍ以上となる絶縁性セラミックスおよびそれを用いた多層セラミック基板を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明者等は、上記のような課題について鋭意検討した結果、絶縁層の厚みが１００μｍ以下の薄層のセラミック層においては、絶縁層を構成する結晶子の最大径が５μｍ以下であり、かつその絶縁層のボイド面積率が３％以下で、最大ボイド径が５μｍ以下とすることによって、絶縁層の比抵抗を１０１１Ω・ｃｍ以上とすることができ、前記目的が達成できることを見いだし本発明に至った。
【０００７】
即ち、本発明の絶縁性セラミックスは、厚みが１００μｍ以下の薄層からなり、絶縁層を構成するセラミック結晶子の最大径が５μｍ以下であり、かつその絶縁層のボイド面積率が３％以下で、最大ボイド径が５μｍ以下であることを特徴とするものであり、かかる構成によって、比抵抗が１０１１Ω・ｃｍ以上であることを特徴とする。
【０００８】
また、本発明の多層セラミック基板は、複数の絶縁層を積層してなる絶縁基板と、該絶縁基板表面および絶縁層間に配設された配線回路層とを具備するものであって、該絶縁層のうち少なくとも１層の絶縁層が１００μｍ以下の薄層からなり、該薄層からなる絶縁層を構成する結晶子の最大径が５μｍ以下、ボイド面積率が３％以下、最大ボイド径が５μｍ以下であることを特徴とするものであり、特に前記薄層からなる絶縁層の比抵抗が１０１１Ω・ｃｍ以上であることを特徴とする。
【０００９】
また、厚さ１００μｍ以下の薄層の絶縁層が最表面に形成されてなる場合に好適あり、さらには表面に配設された配線回路層の表面にメッキ層が被着形成されている場合に好適である。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の多層セラミック基板について、図面に基づいて説明する。図１は本発明のセラミック基板の１例である。図１の断面図によれば、多層セラミック基板１は、複数のセラミック絶縁層２ａ〜２ｆを積層してなる積層体から構成される絶縁基板２と、その絶縁層２ａ〜２ｆ間および絶縁基板２表面には、厚みが５〜２０μｍ程度の金属導体からなる配線回路層３が被着形成されている。また、各セラミック絶縁層２ａ〜２ｆの厚み方向を貫くように形成された直径が８０〜２００μｍのビアホ−ル導体４が形成され、これにより、配線回路層３間を接続し所定の回路が形成される。
【００１１】
本発明の多層セラミック基板１は、セラミック粉末、ガラス粉末、あるいはガラス粉末とセラミック粉末との混合物を焼成してなる焼結体によって形成されたものである。特に、低温焼成を実現する上では、平均粒径１μｍ以下のガラス粉末を５０質量％以上、特に５５質量％以上含有する組成物を焼成したものであることが望ましい。
【００１２】
用いられるガラス粉末としては、少なくともＳｉＯ２を含み、Ａｌ２Ｏ３、Ｂ２Ｏ３、ＺｎＯ、ＰｂＯ、アルカリ土類金属酸化物、アルカリ金属酸化物のうちの少なくとも１種以上を含有したものであって、例えば、ＳｉＯ２−Ｂ２Ｏ３系、ＳｉＯ２−Ｂ２Ｏ３−Ａｌ２Ｏ３系−ＭＯ系（但し、ＭはＣａ、Ｓｒ、Ｍｇ、ＢａまたはＺｎを示す）等のホウケイ酸ガラス、アルカリ珪酸ガラス、Ｂａ系ガラス、Ｐｂ系ガラス、Ｂｉ系ガラス等が挙げられる。これらのガラスは焼成処理することによっても非晶質ガラスであるもの、また焼成処理によって、リチウムシリケート、クォーツ、クリストバライト、コ−ジェライト、ムライト、アノ−サイト、セルジアン、ディオプサイド、スピネル、ガ−ナイト、ウイレマイト、ドロマイト、ペタライトやその置換誘導体の結晶を少なくとも１種類を析出するものが用いられる。
【００１３】
一方、セラミック粉末としては、Ａｌ２Ｏ３、ＺｒＯ２、ムライト、フォルステライト、エンスタタイト、スピネル、マグネシアの群から選ばれる少なくとも１種が上げられ、これらは前記ガラス粉末と複合化して用いることによって焼結体の強度や特性の改善を図ることができる。この場合セラミック粉末は、ガラスに対して１０〜９０質量％の割合で含有させることが望ましい。
【００１４】
一方、配線回路層２およびビアホ−ル導体４は、Ｗ、Ｍｏ、Ｍｏ、Ｃｕ、Ａｇの群から選ばれる少なくとも１種によって形成される。特に低抵抗化を図り低温でセラミック基板と同時焼成して形成することを考慮すると、ＣｕまたはＡｇからなることが望ましい。
【００１５】
本発明によれば、上記の多層セラミック基板における絶縁基板２を構成する複数のセラミック絶縁層２ａ〜２ｆのうち、厚みが１００μｍ以下の薄層からなる絶縁層を有するものである。この図１の例では、最表面および最底面に厚みが１００μｍ以下の薄層が形成されている。
【００１６】
このような薄層を形成するセラミック絶縁層２ａ、２ｆを構成する絶縁性セラミックスとして、本発明によれば、絶縁層を構成するセラミック結晶子の最大径が５μｍ以下、特に３μｍ以下であり、かつその絶縁層のボイド面積率が３％以下、特に２％以下で、最大ボイド径が５μｍ以下、特に３μｍ以下であることを特徴とする。
【００１７】
各要因を上記の範囲に制御したのは、絶縁層２ａ、２ｂを構成するセラミック結晶子の最大径と発生する最大ボイド径はほぼ同じとなる傾向にあり、例えば、結晶子の最大径が５μｍであると、最大ボイド径もほぼ５μｍとなり、セラミック結晶子の最大径または最大ボイド径が５μｍより大きくなると、１００μｍ厚み以下の絶縁体においては、絶縁層の有効体積が減少し、比抵抗が１０１１Ω・ｃｍ未満となる。同様に、絶縁層のボイド面積率が３％よりも大きくなる場合においても、絶縁層の有効体積が減少して比抵抗が１０１１Ω・ｃｍ未満となる。
【００１８】
また、かかる特性の絶縁性セラミックスは、厚みが１００μｍ以下、特に５０μｍ以下、さらには３０μｍ以下である場合においても室温での比抵抗が１０１１Ω・ｃｍ以上を達成できる。
【００１９】
次に、本発明の配線基板を作製する方法について上記ガラス−セラミック材料をセラミック絶縁基板材料として用いた場合について説明する。まず、上述したような結晶化ガラス又は非結晶ガラスと前記のセラミック成分を混合してガラスセラミック組成物を調製し、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、プレス法などによりシート状に成形して厚さ約２０〜５００μｍのグリーンシートを作製する。
【００２０】
次に、このグリーンシートにレーザーやマイクロドリル、パンチングなどにより、直径８０〜２００μｍの貫通孔を形成し、その内部に銅や銀を主成分とするビアホール用導体ペーストを充填する。ビアホール用導体ペースト中には、金属成分以外に、アクリル樹脂などからなる有機バインダーとテルピネオール、ジブチルフタレートなどの有機溶剤とを均質混合して形成される。
【００２１】
有機バインダーは、金属成分１００質量部に対して、０．５〜１５．０質量部、有機溶剤は、固形成分及び有機バインダー１００質量部に対して、５〜１００質量部の割合で混合されることが望ましい。なお、このビア用導体ペースト中には２０質量％未満のセラミックフィラーやガラス成分等を添加してもよい。
【００２２】
次に、このグリーンシートの表面にパターン用導体ペーストをスクリーン印刷法で配線回路層を形成する。パターン導体ペースト中には、金属成分以外に、アクリル樹脂などからなる有機バインダーとテルピネオール、ジブチルフタレートなどの有機溶剤とを均質混合して形成される。有機バインダ−は、金属成分１００質量部に対して、０．５〜１５．０質量部、有機溶剤は、固形成分及び有機バインダ−１００質量部に対して、５〜１００質量部の割合で混合されることが望ましい。なお、このパターン用導体ペースト中には２０質量％未満のセラミックフィラーやガラス成分等を添加してもよい。
【００２３】
その後、同様にして得られた複数のグリーンシートを積層圧着して積層体を形成する。グリーンシートの積層には、積み重ねられたグリーンシートに熱と圧力を加えて熱圧着する方法、有機バインダー、可塑剤、溶剤等からなる接着剤をシート間に塗布して熱圧着する方法等が採用可能である。
【００２４】
次に、この積層体を１００〜８５０℃、特に４００〜７５０℃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−スト中の有機成分等を分解除去した後、１０００℃以下の窒素雰囲気中で同時焼成する。この焼成の冷却速度が早すぎると、セラミック基板と配線回路層の熱膨張差によるクラックが発生するために、冷却速度は４００℃／ｈｒ以下であることが望ましい。焼成時には反りを防止するために積層体上面に重しを載せる等して荷重をかけてもよい。荷重は５０Ｐａ〜１ＭＰａが適当である。
【００２５】
また、セラミック絶縁層の結晶粒子、ボイドなどの制御には、用いるガラス粉末の平均粒径やセラミックフィラーの粉末の平均粒径を細かく制御し、特に、いずれも１．２μｍ以下、特に１μｍ以下の粉末を用いる。また、ガラスの含有量を５０質量％以上、特に５５質量％以上に制御することが必要である。また、合わせて焼成温度も可能な限り低温で焼成することによって微細組織のガラスセラミック絶縁層を有する基板を作製することができる。
【００２６】
得られる多層セラミック基板の各絶縁層における結晶子の最大径を５μｍ以下であり、かつその絶縁層のボイド面積率が３％以下で、最大ボイド径が５μｍ以下となり、１００μｍ厚み以下の場合でも比抵抗が１０１１Ω・ｃｍ以上の高い絶縁性を有することが可能となる。
【００２７】
【実施例】
本発明のセラミック配線基板について、一実施例に基づき評価する。
先ず、ＳｉＯ２：４４質量％、Ａｌ２Ｏ３：２８質量％、ＭｇＯ：１１質量％、ＺｎＯ：７質量％、Ｂ２Ｏ３：１０質量％の組成からなる平均粒径が０．８〜４．８μｍのガラスと、セラミックフィラー成分として平均粒径が０．８〜４．６μｍのＡｌ２Ｏ３をガラス：Ａｌ２Ｏ３の質量比が７０：３０となるように秤量し、ガラスセラミック組成物を作製した。それらに、バインダーとしてアクリル樹脂、可塑剤としてＤＢＰ（ジブチルフタレート）、溶媒としてトルエンとイソプロピルアルコ−ルを加えて調製したスラリーを用いて、ドクターブレード法により厚さ２５〜１２５μｍのグリーンシートを作製した。
【００２８】
次に、Ｃｕ粉末１００質量部に対し、アルミナ粉末１質量部およびガラス粉末１０質量部を秤量し、それに有機バインダーとしてアクリル樹脂を、溶媒としてＤＢＰを添加、混練して、ビアホール導体用ペースト試料を作製した。尚、前記ビアホール用ペースト試料中の有機バインダ−量は、Ｃｕ粉末に対して２．０質量部であり、固形成分、有機バインダーに対して４０質量部の割合で溶剤を加えた。このＣｕペーストを、グリーンシートの所定個所に形成されたビアホールに充填した。
【００２９】
さらに、Ｃｕ粉末１００質量部に対しアルミナ粉末１質量部およびガラス粉末５質量部を秤量し、それに有機バインダ−としてアクリル樹脂を、溶媒としてＤＢＰを添加、混練して、パターン用Ｃｕペースト試料を作製した。尚、有機バインダ−量は、主成分に対して３．０質量部であり、固形成分、有機バインダ−に対して５０質量部の割合で溶剤を加えた。得られたＣｕペーストを先のビアインクを充填したグリーンシートに、スクリーン印刷法で配線回路層を形成した。このときの配線層の印刷厚みは１０〜３０μｍとした。その後、この配線回路を形成したグリーンシートを図１に示す構成で積層し、５０℃、５ＭＰａの条件で加圧積層し、積層体を作製した。
【００３０】
次いで、この積層体を、Ａｌ２Ｏ３セッターに載置して有機バインダ−等の有機成分を分解除去するために、窒素雰囲気中、７５０℃で焼成し、次に窒素雰囲気中、９００℃で１時間焼成を行い、配線基板を作製した。その後、この基板にＮｉ／Ａｕメッキを施した。この時のメッキ厚みは、それぞれ３μｍと０．５μｍとした。
【００３１】
得られた多層セラミック基板についてＸ線回折測定で析出結晶相の同定を行った結果、ガーナイト、Ａｌ２Ｏ３の結晶が認められた。
【００３２】
得られた多層セラミック基板の絶縁層の評価を行った。セラミック絶縁層を構成する結晶子の大きさは、鏡面研磨処理した絶縁体断面を走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）写真によりインターセプト法によって算出した。また、ボイド面積率および最大ボイド径は、同様に走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）写真から、ボイド部を画像解析装置を用いて算出した。結果を表１に示す。
【００３３】
さらに、得られた多層セラミック基板を用いて金属メッキを施した表面配線回路層と内部配線回路層間の絶縁抵抗を測定した。測定は絶縁計を用いて、表面配線回路層からビア導体、内部配線回路層を経由して裏面の配線回路層間に１０Ｖの電圧を２０秒間印加して行なった。結果を表１に示す。
【００３４】
【表１】
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【００３５】
表１の結果より、各絶縁層の結晶子の最大径が５μｍ以下であり、かつその絶縁層のボイド面積率が３％以下で、最大ボイド径が５μｍ以下の絶縁性セラミックスからなる場合、１００μｍ厚み以下、特に５０μｍ以下の薄層を形成した場合でも比抵抗が１０１１Ω・ｃｍ以上の高い絶縁性を示した。
【００３６】
【発明の効果】
以上詳述したとおり、本発明によれば、結晶子の最大径が５μｍ以下であり、かつその絶縁層のボイド面積率が３％以下で、最大ボイド径が５μｍ以下となる絶縁性セラミックスを厚み１００μｍ以下の薄層を形成した場合においても比抵抗が１０１１Ω・ｃｍ以上の高い絶縁性を有することから、多層セラミック基板として高い信頼性を付与できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による多層セラミック基板の一例を示す概略断面図である。
【符号の説明】
１  多層セラミック基板
２  絶縁基板
２ａ〜２ｆ  絶縁層
３  配線回路層
４  ビアホール導体
５  半導体素子
【図１】
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