(57)【要約】  【課題】  ＳｉＯ２−Ａｌ２Ｏ３−ＭｇＯ−ＣａＯ系ガラスおよびＡｌ２Ｏ３からなるガラスセラミックスと配線導体との密着強度が強いガラスセラミック配線基板を提供すること。  【解決手段】  ガラスセラミック配線基板は、ＳｉＯ２−Ａｌ２Ｏ３−ＭｇＯ−ＣａＯ系ガラスおよびＡｌ２Ｏ３を含む絶縁層が複数積層されて成るとともに、絶縁層の表面および層間に銀を主成分とする配線導体が形成されたガラスセラミック配線基板において、配線導体は、ＳｒＯを含むガラスを含有している。これにより、配線導体とＳｉＯ２−Ａｌ２Ｏ３−ＭｇＯ−ＣａＯ系ガラスおよびＡｌ２Ｏ３からなるガラスセラミックスとの界面の濡れ性が向上し、配線導体の密着強度が向上する。【選択図】  なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＳｉＯ２−Ａｌ２Ｏ３−ＭｇＯ−ＣａＯ系ガラスおよびＡｌ２Ｏ３を含む絶縁層が複数積層されて成るとともに、前記絶縁層の表面および層間に銀を主成分とする配線導体が形成されたガラスセラミック配線基板において、前記配線導体は、ＳｒＯを含むガラスを含有していることを特徴とするガラスセラミック配線基板。
【請求項２】
前記配線導体は、銀を１００重量部としたときに前記ガラスを０．５〜１５重量部含有していることを特徴とする請求項1記載のガラスセラミック配線基板。
【請求項３】
前記配線導体に含まれるガラス相の最大長さが１〜１０μｍであることを特徴とする請求項１記載のガラスセラミック配線基板。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えばＩＣ，ＬＳＩ等の半導体集積回路素子やチップ部品等の電子部品を搭載するとともにそれらを相互配線するための配線導体が形成されたガラスセラミック配線基板に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、ＩＣ，ＬＳＩ等の半導体集積回路素子や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、絶縁基板内に内部電極等を形成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であり、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。この多層セラミック基板としては、アルミナ質焼結体から成り、表面または内部にタングステン，モリブデン等の高融点金属から成る配線導体が形成されたものが従来から広く用いられている。
【０００３】
また、近年の高度情報化時代を迎え、半導体集積回路素子等で使用される周波数帯域はますます高周波帯域に移行しつつある。このような高周波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うえで、配線導体を形成する導体の電気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】
しかし、従来のタングステン，モリブデン等の高融点金属は導体抵抗が大きく、配線導体中を流れる電気信号の損失（いわゆる導体損失）が大きいことから、信号の伝播速度が遅く、また30ＧＨｚ以上の高周波領域での信号伝播も困難である。よって、タングステン，モリブデン等の金属に代えて銅，銀，金等の低抵抗の金属を使用することが必要である。ところが、これら低抵抗の金属は融点が低いため、絶縁基板と同時焼成をする場合800〜1000℃程度の低温で焼成することが必要であることから、この低抵抗の金属から成る配線層は高温焼成が必要なアルミナ質焼結体と同時焼成することができなかった。また、アルミナ質焼結体から成る多層セラミック基板は誘電率が高いため、高周波回路基板には不適切である。
【０００５】
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の絶縁基板として好適であり、またガラスセラミックスは800〜1000℃程度の低温で焼成することができることから、銅，銀，金等の低抵抗の金属を配線層として使用できるという利点がある。なお、これらの低抵抗の金属を配線導体として使用する際には、配線導体とガラスセラミックスとの密着強度を高めるために配線導体にガラスを添加するのが一般的である。
【０００６】
銅，銀，金等の低抵抗の金属のなかでも銀は導体抵抗が低く、銅と異なり酸化雰囲気中でも焼成可能なことから、早くからガラスセラミックスとの同時焼成技術が検討、開発されており、その結果、多層セラミック基板の電気的特性は大きく向上した。
【０００７】
しかし、多層セラミック基板は、ＥＣＵ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ  Ｃｏｎｔｒｏｌ  Ｕｎｉｔ）用の配線基板等、約５Ａ以上という大電流の電気信号を流す必要のある用途での使用が増加しつつあり、この場合、配線基板上に搭載されている電子部品に大電流を流すために配線導体と電子部品とを接続するボンディングワイヤの直径を１００μｍ以上と非常に大きくする必要がある。このような直径の大きなボンディングワイヤを超音波ボンダーにより配線導体に接続させようとすると、ボンディングワイヤと配線導体との間に大きな摩擦エネルギーを発生させることが必要である。
【０００８】
このような場合に、配線導体として銀を用いると、銀は合金形成時に放出される熱エネルギーが低いためガラスセラミックス中のアルミナやガラス等を形成している元素との反応が生じにくく、そのため配線導体とアルミナやガラス等との充分な結合が得られない。その結果、配線導体とガラスセラミックスとの密着強度が低くなり、配線導体とガラスセラミックスから成る配線基板との界面で剥離(いわゆるリフトオフ)が発生するという問題点があった。
【０００９】
そこで、この配線導体とガラスセラミック基板との密着強度が低いという問題を解決する手段として、銀にパラジウムまたは白金を添加した銀／パラジウム導体，銀／白金導体を用いる方法が一般に用いられている。これは、パラジウムや白金は合金を形成する際に放出される熱エネルギーが高いため、ガラスセラミックス中のアルミナやガラス等を形成している元素との反応が生じやすいため効果的に密着強度を向上させることができることによる。
【００１０】
また、銀／パラジウムは、パラジウム濃度が５〜30重量％の組成において、銀／白金は、白金濃度が0.1〜５重量％の組成において、厚膜法によるポストファイヤメタライズとして多用されている。すなわち、厚膜法によるポストファイヤとは、焼成済みのガラスセラミック基板に導電ペーストを印刷して配線導体となるパターンを形成した後、ガラスセラミック基板の焼成温度以下の温度で導体ペーストを焼き付けることをいう。
【００１１】
このような、厚膜法によるポストファイヤにて表層配線を形成する技術としては以下のような例がある。特許文献１には、銀／パラジウムにマンガンの酸化物と酸化クロムとガラスフリットを添加した導電ペーストが開示されている。それによって、表層配線の高温エージング後の密着強度を向上する効果が得られている。特許文献２には、銀に二酸化ケイ素とガラスフリットを添加した導電ペーストが開示されている。それによって、表層配線の密着強度が向上する効果が得られている。
【特許文献１】特開平４-88067号公報
【特許文献２】特公平６-50705号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
しかしながら、上記の特許文献１，２の表層配線はいずれも厚膜法によるポストファイヤによるものであるため、配線導体となる導電ペーストを印刷形成したセラミックシートを積層して同時に焼成する同時焼成と比べて、焼成済みのガラスセラミック基板に導電ペーストを印刷して配線導体となるパターンを形成した後、ガラスセラミック基板の焼成温度以下の温度で導体ペーストを焼き付けるという工程が増えることから、焼成炉内等での異物付着等の不具合が発生しやすく、さらに製造コストが高くなるという問題点があった。
【００１３】
また、銀／パラジウムは導体抵抗が高いため、表層配線において電気信号の導体損失が導体金属として銀を用いた配線導体に比べ大きくなってしまうという問題点もあった。
【００１４】
本発明は、上記従来の技術の問題点を解決するために完成されたものであり、その目的は、表層配線に導体金属として銀を用いた配線導体を用いてもガラスセラミックスとの密着強度が高く、高周波特性に優れ、さらに高いワイヤボンディング性を有する安価なガラスセラミック配線基板を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明のガラスセラミック配線基板は、ＳｉＯ２−Ａｌ２Ｏ３−ＭｇＯ−ＣａＯ系ガラスおよびＡｌ２Ｏ３を含む絶縁層が複数積層されて成るとともに、前記絶縁層の表面および層間に銀を主成分とする配線導体が形成されたガラスセラミック配線基板において、前記配線導体は、ＳｒＯを含むガラスを含有していることを特徴とする。
【００１６】
また、本発明のガラスセラミック配線基板は、好ましくは、前記配線導体は、銀を１００重量部としたときに前記ガラスを０．５〜１５重量部含有していることを特徴とする。
【００１７】
また、本発明のガラスセラミック配線基板は、好ましくは、前記配線導体に含まれるガラス相の最大長さが１〜１０μｍであることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１８】
本発明のガラスセラミック配線基板は、配線導体が含有するガラス中のＳｒＯが、配線導体とＳｉＯ２−Ａｌ２Ｏ３−ＭｇＯ−ＣａＯ系ガラスおよびＡｌ２Ｏ３からなるガラスセラミックスとの界面の接触角を小さくし濡れ性を向上させることから、配線導体とＳｉＯ２−Ａｌ２Ｏ３−ＭｇＯ−ＣａＯ系ガラスおよびＡｌ２Ｏ３からなるガラスセラミックスの付着仕事量、すなわち結合力が大きくなり、その結果、密着強度を向上させることができる。
【００１９】
また、配線導体中のＳｒＯが含まれるガラスの含有量を配線導体100重量部に対して0.5〜15重量部としたときには、配線導体とＳｉＯ２−Ａｌ２Ｏ３−ＭｇＯ−ＣａＯ系ガラスおよびＡｌ２Ｏ３からなるガラスセラミックスとの密着強度をさらに良好なものとなすことができ、かつ、焼成時のガラスの配線導体表面への浮き出しによるメッキ形成の不良の発生を抑制することができる。
【００２０】
また、配線導体に含まれるガラス相の最大長さを１〜１０μｍとしたときには、配線導体と、ＳｉＯ２−Ａｌ２Ｏ３−ＭｇＯ−ＣａＯ系ガラスおよびＡｌ２Ｏ３からなるガラスセラミックスとの密着強度をより強固にすることができる。このため、配線導体の強度試験を行なった際に、直径の大きなワイヤを用いてワイヤボンド実装を行なう場合に実装信頼性の観点から問題とされる、配線導体−ガラスセラミックス界面での破壊や配線導体内での破壊の発生を防ぐことができる。
【００２１】
その結果、配線導体とＳｉＯ２−Ａｌ２Ｏ３−ＭｇＯ−ＣａＯ系ガラスおよびＡｌ２Ｏ３からなるガラスセラミックスとの密着強度を効果的に向上することができ、高周波特性に優れるとともに高いワイヤボンディング性を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
本発明のガラスセラミック配線基板について以下に詳細に説明する。
【００２３】
本発明のガラスセラミック配線基板の絶縁基板となるガラスセラミックスのグリーンシートには、ガラス成分としてのガラス粉末およびフィラー（セラミック粉末）に、さらに有機バインダ，可塑剤，有機溶剤等を混合したものが用いられる。ガラス成分はＳｉＯ２−Ａｌ２Ｏ３−ＭｇＯ−ＣａＯ系ガラスであり、これは焼成時に結晶化する結晶化ガラスであることが好ましい。このようなガラス成分を用いることによって、焼成後にガラスが結晶化することでガラスセラミックスの機械的強度を向上させることができる。また、フィラーはＡｌ２Ｏ３である。
【００２４】
これらガラス成分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。ガラス成分が40質量％未満では、ガラスセラミックスの焼成温度が高くなり、銅，銀，金等の低抵抗の金属を配線導体として使用できなくなる。ガラス成分が99質量％を超えると、フィラーがガラスセラミックスの形状を保つ働きを果たすことができず、焼成後に所望の形状のガラスセラミックスを得ることができない。
【００２５】
ガラスセラミックグリーンシートに配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、例えばアクリル系のものであり、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である。また、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。
【００２６】
ガラスセラミックグリーンシートは、上記ガラス粉末，フィラー粉末，有機バインダに必要に応じて所定量の可塑剤，溶剤（有機溶剤，水等）を加えてスラリーを得て、これをドクターブレード法，圧延法，カレンダーロール法，金型プレス法等により厚さ約50〜500μmに成形することによって得られる。
【００２７】
ガラスセラミックグリーンシートの表面に配線導体のパターンを形成するには、例えば導体材料の粉末をペースト化した導体ペーストをスクリーン印刷法やグラビア印刷法等により印刷する等の方法が挙げられる。導体材料としては、大気中で焼成ができ、導体抵抗が低いという特徴を有する点で、銀が好ましい。銀には微量の鉄，コバルト，銅，白金，パラジウム等の元素が含まれていてもよい。
【００２８】
また、導体ペーストしたものは、少なくともＳｒＯが含まれるガラスを含む。ガラスに含まれるＳｒＯが配線導体とガラスセラミックスとの接触角に与える影響の詳細については明らかではないが、配線導体が含有するガラス中のＳｒＯは、配線導体とＳｉＯ２−Ａｌ２Ｏ３−ＭｇＯ−ＣａＯ系ガラスおよびＡｌ２Ｏ３からなるガラスセラミックスとの界面の接触角を小さくし、ぬれ性を向上させる働きをなす。このため、配線導体とＳｉＯ２−Ａｌ２Ｏ３−ＭｇＯ−ＣａＯ系ガラスおよびＡｌ２Ｏ３からなるガラスセラミックスとの付着仕事量が大きくなり、その結果、密着強度を向上させることができると考えられる。
【００２９】
ここで、付着仕事量とは異種材料が付着した界面を引き剥がすのに必要な単位面積あたりのエネルギーであり、付着仕事量をＷ、銀の表面エネルギーをγ、銀とガラスセラミックスとの界面の接触角をθとするとW＝γ（1+ｃｏｓθ）の関係が成り立つ。
【００３０】
本発明において、好ましくは、配線導体は、銀を100重量部としたときにガラスを0.5〜15重量部含有していることが好ましく、この場合、配線導体とＳｉＯ２−Ａｌ２Ｏ３−ＭｇＯ−ＣａＯ系ガラスおよびＡｌ２Ｏ３からなるガラスセラミックスとの密着強度を補強し、かつ焼成時のガラスの配線導体表面への浮き出しによるメッキ膜形成の不良の発生を抑えることができる。
【００３１】
ＳｒＯが含まれるガラスの含有量が銀100重量部に対して0.5重量部より少ないと、ガラス中のＳｒＯが配線導体とＳｉＯ２−Ａｌ２Ｏ３−ＭｇＯ−ＣａＯ系ガラスおよびＡｌ２Ｏ３からなるガラスセラミックスとの界面の接触角を小さくする効果が発現されず、配線導体とＳｉＯ２−Ａｌ２Ｏ３−ＭｇＯ−ＣａＯ系ガラスおよびＡｌ２Ｏ３からなるガラスセラミックスとの密着強度を向上させることができない。また、ＳｒＯが含まれるガラスの含有量が銀の100重量部に対して15重量部を超える場合、焼成時のガラスの配線導体表面への浮き出しによるメッキ形成の不良が発生し、アルミワイヤーボンド不良を引き起こす。
【００３２】
また、本発明において、配線導体に含まれるガラス相の最大長さを１〜10μｍとするのがよく、この場合、配線導体と、ＳｉＯ２−Ａｌ２Ｏ３−ＭｇＯ−ＣａＯ系ガラスおよびＡｌ２Ｏ３からなるガラスセラミックスとの密着強度をより強固にすることができる。このため、配線導体の強度試験を行なった際に、直径の大きなワイヤを用いてワイヤボンド実装を行なう場合に実装信頼性の観点から問題とされる、配線導体−ガラスセラミックス界面での破壊や配線導体内での破壊の発生を防ぐことができる。
【００３３】
配線導体に含まれるガラス相の最大長さが10μｍより大きくなると、配線導体にガラス相を均一に分散させることが難しくなり、配線導体−ガラスセラミックス界面の強度を向上させるのに有効とされているガラスのアンカー効果が安定して発現しなくなり強度の更なる向上を図ることが難しい。
【００３４】
また、ガラス相の最大長さが１μｍよりも小さくなると、配線導体−ガラスセラミックス界面に存在するガラス相の長さが小さくなるために、配線導体−ガラスセラミックス界面のガラスのアンカー効果が小さくなり、強度の更なる向上を図ることが難しい。
【００３５】
配線導体に含まれるガラス相の最大長さを１〜10μｍとする方法としては、配線導体に含まれるガラスの含有量を銀の100重量部に対して0.5〜15重量部にするという方法がある。配線導体に含まれるガラスの含有量が銀100重量部に対して0.5〜15重量部の場合、ガラスセラミック基板の焼成時にガラス成分同士が適度に焼結するために配線導体に含まれるガラス相の最大長さが１〜10μｍとなる。ガラスの含有量が銀100重量部に対して0.5重量部より少ない場合は、ガラス成分同士での焼結が生じにくくなるために配線導体に含まれるガラス相の最大長さは１μｍよりも小さくなる。逆に、ガラスの含有量が銀100重量部に対して15重量部を超える場合、ガラス成分同士の焼結が過剰に進むために配線導体に含まれるガラス相の最大長さは10μｍよりも大きくなる。
【００３６】
また、配線導体には、上下のガラスセラミック層間の配線導体同士を接続するためのビアホールやスルーホール等の貫通導体が表面に露出した部分も含まれる。これら貫通導体は、パンチング加工等によりガラスセラミックグリーンシートに形成した貫通孔に、導体材料粉末をペースト化した導体ペーストを印刷により埋め込む等の手段によって形成される。
【００３７】
ガラスセラミックグリーンシートの積層には、積み重ねたガラスセラミックグリーンシートに熱と圧力を加えて熱圧着する方法や、有機バインダ，可塑剤，溶剤等から成る接着剤をガラスセラミックグリーンシート間に塗布して熱圧着する方法等が採用できる。
【００３８】
ガラスセラミックグリーンシートを積層後、有機成分の除去と焼成を行なう。有機成分の除去は100〜800℃の温度範囲で積層体を加熱することによって行ない、有機成分を分解，揮散させる。また、焼成温度はガラスセラミックス組成により異なるが、約800〜900℃の範囲内である。一般のガラスセラミックス材料には900℃以上で焼成するものもあるが、本発明では配線導体を同時に焼成するため、配線導体の焼成温度に準じて800〜900℃の範囲がよい。900℃を超える温度で焼成した場合、配線導体の電気抵抗値の増加による電気的特性の劣化やガラスセラミックスの過焼結による機械的強度の劣化が生じる。また、焼成は大気中で行なう。
【００３９】
また、焼成時には、反りを防止するためにガラスセラミックグリーンシート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50〜1MPa程度がよい。荷重が50Pa未満である場合、ガラスセラミックグリーンシート積層体の反りを抑制する作用が充分でないおそれがある。また、荷重が１MPaを超える場合、使用する重しが大きくなるため焼成炉に入らなかったり、また焼成炉に入っても熱容量不足になり焼成できない等の問題をひき起こすおそれがある。重しとしては、分解した有機成分の挿散を妨げないように、例えば多孔質のセラミックスや金属等を使用するのが好ましい。また、ガラスセラミックグリーンシート積層体の上面に多孔質の重しを置き、その上に非多孔質の重しを置いてもよい。
【００４０】
焼成後、配線導体に0.1〜10μm程度の厚みのニッケル、金等のメッキ皮膜を形成することによりアルミワイヤーボンド実装が可能なガラスセラミック配線基板を得ることができる。
【実施例】
【００４１】
本発明のガラスセラミック配線基板の実施例について以下に説明する。
【００４２】
（実施例１）
まず、ガラスセラミック基板として、ＳｉＯ２−Ａｌ２Ｏ３−ＭｇＯ−ＣａＯ系結晶化ガラス粉末70重量部、Ａｌ２Ｏ３粉末30重量部からなるガラスセラミックスを使用した。
【００４３】
次に、このガラスセラミック基板に形成する配線導体として、ＳｉＯ２−Ａｌ２Ｏ３−Ｂ２Ｏ３−ＭｇＯ−ＣａＯ−ＢａＯ−ＳｒＯ系ガラス（ガラスA）を銀100重量部に対して0.25〜20重量部含有しているものを用い、この配線基板が形成されたガラスセラミック配線基板を作製した。
【００４４】
また、比較例として、ＳｒＯを含まないＳｉＯ２−Ａｌ２Ｏ３−Ｂ２Ｏ３−ＭｇＯ−ＣａＯ−ＢａＯ系ガラス（ガラスＢ）を銀100重量部に対して0.25〜20重量部含有しているものを用い、この配線基板が形成されたガラスセラミック配線基板をガラスAの場合と同様の方法で作製した。
【００４５】
これらのガラスセラミック配線基板の表面の配線導体上に厚さ４μｍのＮｉメッキ膜および厚さ１μｍのＡｕメッキ膜を形成し、その後、配線導体上に直径300μｍのアルミニウム製のワイヤをボンディングした場合のリフトオフ（ワイヤの外れ）の発生確率を調べた結果を表1に示す。
【表１】
2005064436.tif 000002
【００４６】
表１より、本発明の実施例であるＳｒＯを含むガラスでは、リフトオフの発生率はＳｒＯを含まないガラスよりもリフトオフの発生率が低く、さらにＳｒＯを含むガラスの添加量を0.5〜15重量部としたときにはリフトオフがまったく発生しなかった。
【００４７】
（実施例２）
ガラス相の最大長さと添加量を変化させ、実施例１の場合と同様の方法で作製したガラスセラミック基板の配線導体の単位面積あたりの強度を測定したときの、強度の値と破壊のモードを表２に示す。
【表２】
2005064436.tif 000003
【００４８】
表２より、ガラス相の最大長さを１〜10μｍとしたときには、直径の大きなワイヤを用いてワイヤボンド実装を行なう場合に実装信頼性に問題があるとされる配線導体−ガラスセラミックス界面での破壊や配線導体内での破壊は生じなかった。
【００４９】
なお、本発明は上述の実施の形態および実施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内で種々の変更は可能である。