(57)【要約】【課題】焼成時の絶縁性セラミック層と金属配線層の焼結収縮挙動の整合性を着目して、初期ＩＲ不良の防止、絶縁抵抗の低下及び信頼性の不良を防止したセラミック回路基板を得る。【解決手段】複数の絶縁性セラミック層１ａ〜１ｄを積層してなる絶縁基板１と、絶縁基板１における絶縁性セラミック層１ａ〜１ｄ間に配置された複数層の金属配線層２とを具備するセラミック回路基板Ａにおいて、金属配線層２が、金属粒子とガラス成分とによって構成され、ガラス形成成分が、金属配線層２から絶縁性セラミック層１ａ〜１ｄにわたって拡散しており、ガラス形成成分の含有量が絶縁性セラミック層の厚みの１０％以上の厚みにわたって連続的に変化していることを特徴とする。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の絶縁性セラミック層を積層してなる絶縁基板と、該絶縁基板における絶縁性セラミック層間に配置された複数層の金属配線層とを具備するセラミック回路基板において、前記金属配線層が、金属粒子とガラス成分とによって構成され、該ガラス形成成分が、前記金属配線層から絶縁性セラミック層にわたって拡散しており、前記ガラス形成成分の含有量が絶縁性セラミック層の厚みの１０％以上の厚みにわたって連続的に変化していることを特徴とするセラミック回路基板。
【請求項２】
前記絶縁性セラミック層の膜厚が５０μｍ以下であることを特徴とする請求項１記載のセラミック回路基板。
【請求項３】
前記金属配線層が、銀を主成分とすることを特徴とする請求項１記載のセラミック回路基板。
【請求項４】
前記絶縁性セラミック層が、１０５０℃以下で焼成可能な低温焼成セラミックスからなることを特徴とする請求項１記載のセラミック回路基板。
【請求項５】
絶縁性セラミック材料および有機結合材とを含有するセラミックグリーンシートに、金属粉末およびガラス粉末からなる導体材料をもって配線パターン状に施した後、これらを積層し、焼成してなるセラミック回路基板の製造方法において、前記絶縁性セラミック材料の収縮開始温度が前記導体材料の収縮開始温度よりも低く、焼成温度までの昇温過程における絶縁性セラミック材料の収縮開始温度から焼成温度までの温度領域を５．０℃／分以下の速度で昇温することを特徴とするセラミック回路基板の製造方法。
【請求項６】
前記焼成温度が、１０００℃以下であることを特徴とする請求項１記載のセラミック回路基板の製造方法。
【請求項７】
前記導体材料と前記絶縁性セラミック材料の収縮開始温度の差が３００℃以下であることを特徴とする請求項５記載のセラミック回路基板の製造方法。
【請求項８】
前記絶縁性セラミック材料が、ガラス成分と無機フィラー成分との混合物からなることを特徴とする請求項５記載のセラミック回路基板の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、絶縁性セラミック層と、金属配線層とを具備し、半導体素子などの電気素子を搭載した配線基板や、電気素子収納用パッケージなどに適用されるセラミック回路基板及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、マイクロ波やミリ波等の高周波領域において、誘電体共振器、ＭＩＣ用誘電体基板、および導波路等に誘電体磁器が広く利用されているが、特に、近年における携帯電話をはじめとする移動体通信等の発達および普及に伴い、電子回路基板や電子部品の材料として誘電体磁器の需要が増大しつつある。
【０００３】
そして、電子回路基板や電子部品用の誘電体磁器組成物として、高導電性の金属である銀や銅とともに同時焼成が可能なガラス、またはガラスと絶縁性セラミック層との複合材料、または焼結助剤を含む絶縁性セラミック層からなるいわゆる低温焼成絶縁性セラミック層が開発されている。このような低温焼成絶縁性セラミック層の原料粉体は、有機バインダーを含むグリーンシートに加工され、内・外部に相当する必要な配線パターンを導体ペーストをスクリーン印刷することによって形成したり、必要に応じて異なる層間に形成された配線層を接続するためのビアホール導体やスルーホール導体が形成される。その後、グリーンシートを積層して絶縁性セラミック層と金属配線層とが同時に焼成されることによってセラミック回路基板が形成される。このようなセラミック回路基板としては、例えば、特許文献１などが知られている。この特許文献１には、１０００℃以下で焼成可能なガラスセラミックスからなる絶縁性セラミック層に対して、銀よりなる金属配線層を形成してなるセラミック回路基板が記載されている。
【特許文献１】特開平５−３０４３６８号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、特許文献１に記載されるように、金属配線層として銀を用い、ガラスセラミックスからなる絶縁性セラミック層と同時焼成すると、焼成の際に銀が絶縁性セラミック層に多少なりとも拡散してしまうことが避けられない。そして銀が低温焼成絶縁性セラミック層に拡散することによって、絶縁性セラミック層の絶縁抵抗が低下し、信頼性も低下するという問題があった。
【０００５】
この現象に影響する要因の１つに、焼成時の絶縁性セラミック層と金属配線層との焼結収縮挙動の整合性がある。特に、両者の整合性が得られていない場合、焼成過程で絶縁性セラミック層に亀裂が生じ、この亀裂に金属が拡散して金属配線層間の絶縁性セラミック層の絶縁抵抗値が、焼成後に数オームまで低下する不具合（今後、初期ＩＲ不良と呼ぶ。）が発生する。初期ＩＲ不良にならないまでも、焼成時の絶縁性セラミック層と金属配線層の焼結収縮挙動が合っていない場合、絶縁抵抗の低下、耐湿度信頼性の低下を招くといった課題があり、特に銀配線では顕著である。
【０００６】
そこで、従来から焼結収縮挙動を整合させるために、導体材料の収縮カーブと、絶縁性セラミック材料の焼成収縮カーブとを整合させるために、両者の材料を種々変更するなどの手法があるが、絶縁基板の特性などの兼ね合いから、すべての特性を満足できるような組み合わせにすることは非常に難しいものであった。
【０００７】
従って、本発明は、焼成時の絶縁性セラミック層と金属配線層の焼結収縮挙動の整合性を着目して、初期ＩＲ不良の防止、絶縁抵抗の低下及び信頼性の不良を防止したセラミック回路基板とその製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明によれば、初期ＩＲ不良の改善には、金属配線層近傍の絶縁性セラミック層の収縮開始温度の適正化が必要であり、絶縁抵抗の低下の防止には絶縁性セラミック層と金属配線層の収縮開始温度の整合化、また、耐湿度信頼性の低下には、絶縁性セラミック層の収縮開始温度が金属配線層近傍から連続的に変化する部分の形成が必要であり、これを最適化することで、初期ＩＲ不良の改善、絶縁抵抗の低下防止、耐湿度信頼性の向上が達成できるとの知見に基づく。
【０００９】
即ち、本発明のセラミック回路基板は、複数の絶縁性セラミック層を積層してなる絶縁基板と、該絶縁基板における絶縁性セラミック層間に配置された複数層の金属配線層とを具備するセラミック回路基板において、前記金属配線層が、金属粒子とガラス成分とによって構成され、該ガラス形成成分が、前記金属配線層から絶縁性セラミック層にわたって拡散しており、前記ガラス形成成分の含有量が絶縁性セラミック層の厚みの１０％以上の厚みにわたって連続的に変化していることを特徴とするものである。
【００１０】
かかる構成によれば、金属配線層中のガラス形成成分の所定領域まで拡散させることによって、絶縁性セラミック層と金属配線層との焼成収縮挙動を近似させることができるとともに、その変化を緩和させることができる。
【００１１】
また、本発明によれば、前記絶縁性セラミック層の膜厚が５０μｍ以下である場合においても初期ＩＲを高くすることができる。
【００１２】
また、本発明は、前記金属配線層が、銀を主成分とする場合、そして、前記絶縁性セラミック層が、１０００℃以下で焼成可能な低温焼成セラミックスからなる場合において、好適に用いられる。
【００１３】
また、本発明のセラミック回路基板の製造方法によれば、絶縁性セラミック材料および有機結合材とを含有するセラミックグリーンシートの表面に、金属粉末およびガラス粉末からなる導体材料をもって配線パターン状に施した後、これらを積層し、焼成してなるセラミック回路基板の製造方法において、前記絶縁性セラミック材料の収縮開始温度が前記導体材料の収縮開始温度よりも低く、焼成温度までの昇温過程における絶縁性セラミック材料の収縮開始温度から焼成温度までの温度領域を５．０℃／分以下の速度で昇温することを特徴とするものである。
【００１４】
特に、前記焼成温度が、１０００℃以下であり、前記導体材料中の金属成分が銀を主成分とする場合、また前記絶縁性セラミック材料が、ガラス成分と無機フィラー成分との混合物からなる低温焼成セラミック材料からなる場合に好適である。
【００１５】
また、前記導体材料と前記絶縁性セラミック材料の収縮開始温度の差が３００℃以下であることによって、絶縁性セラミック層の厚みが５０μｍ以下であっても初期ＩＲ不良を防止することができるとともに、耐湿度信頼性を確保することができる。
【００１６】
本発明によれば、上記のように焼成温度までの昇温過程における絶縁性セラミック材料の収縮開始温度から焼成温度までの温度領域を５．０℃／分以下の速度で昇温することによって、導体材料中のガラス成分を絶縁性セラミック材料中に所定の領域まで拡散させることができる結果、金属配線層の近傍における絶縁性セラミック材料の収縮開始温度を金属配線層の収縮開始温度を近似させることができるとともに、それを連続的に変化させることができる結果、金属配線層と絶縁性セラミック材料の焼成収縮挙動の収縮差を抑制することができ、これによって、金属配線層間の絶縁性セラミック層に亀裂の生成を防止（初期ＩＲ不良の防止）して、絶縁抵抗の低下及び信頼性の不良を防止したセラミック回路基板を得ることができる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、金属配線層中のガラス成分の拡散を制御することによって、焼成時の絶縁性セラミック層と金属配線層の焼結収縮挙動の整合性を図ることができ、これにより、金属配線層間の絶縁性セラミック層に亀裂の生成を防止（初期ＩＲ不良の防止）して、絶縁抵抗の低下及び信頼性の不良を防止したセラミック回路基板を実現できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
図１に、本発明のセラミック回路基板の一例の概略断面図を示した。
【００１９】
図１のセラミック回路基板Ａによれば、絶縁性セラミック層１ａ〜１ｄを積層してなる誘電体基板１と、この誘電体基板１の表面や内部には金属配線層２が形成されている。また、この誘電体基板１の内部には、異なる層に形成された金属配線層２同士を接続するために絶縁性セラミック層１ａ〜１ｄをそれぞれ貫通してビア導体３を有する。
【００２０】
また、このセラミック回路基板の表面には、ＩＣ、インダクタ、抵抗、コンデンサなどのチップ部品４が半田によって実装され、表面の金属配線層２と接続されている。
【００２１】
本発明のセラミック回路基板によれば、図２の概略拡大図に示すように、金属配線層２は、金属粒子５とガラス相６によって構成されており、この金属配線層２と接する絶縁性セラミック層１に対して、ガラス相を形成する成分のうちの少なくとも１つの成分（以下、ガラス形成成分という。）が金属配線層２から絶縁性セラミック層１にわたって拡散している。
【００２２】
また、図２に示すように、ガラス形成成分７の含有量が金属配線層２との接触部分から、絶縁性セラミック層の厚みの１０％以上の厚みｔにわたって連続的に変化していることが重要である。このようにガラス形成成分が絶縁性セラミック層厚みの１０％以上にわたり連続的に変化することで、初期ＩＲ不良を防止でき、この厚みが１０％よりも薄いと、この効果が望めない。特に１５％以上、さらには２０％以上であることが望ましい。
【００２３】
本発明における金属配線層２における金属粒子としては、銅、銀、金、アルミニウムの群から選ばれる少なくとも１種を主成分とする低抵抗導体材料が用いられる。特に本発明によれば、銀を９０質量％以上含有することが望ましい。
【００２４】
また、金属配線層２中に配合されるガラス相は、少なくともＳｉＯ２を含み、Ａｌ２Ｏ３、Ｂ２Ｏ３、ＺｎＯ、ＰｂＯ、アルカリ土類金属酸化物（Ｒ１Ｏ）、アルカリ金属酸化物（Ｒ２２Ｏ）のうちの少なくとも１種以上を含有したものであって、具体的には、ＳｉＯ２−Ｂ２Ｏ３−Ｒ１Ｏ系、ＳｉＯ２−ＢａＯ−Ａｌ２Ｏ３−Ｒ１Ｏ系、ＳｉＯ２−Ｂ２Ｏ３−Ａｌ２Ｏ３−Ｒ１Ｏ系、ＳｉＯ２−Ａｌ２Ｏ３−Ｒ１Ｏ系、さらにはこれらの系にＺｎＯ、ＰｂＯ、Ｐｂ、ＺｒＯ２、ＴｉＯ２等を配合した組成物が挙げられる。
【００２５】
一方、絶縁性セラミック層２は、上記金属配線層２と同時焼成可能な材料が選択され、特に１０５０度以下の低温で焼成可能な低温焼成セラミック材料が好適に使用される。具体的には、（１）金属酸化物による混合物からなる１０５０℃以下、特に１０００℃以下で焼成される低温焼成セラミック材料、（２）ガラス粉末、あるいはガラス粉末とセラミックフィラー粉末との混合物からなる１０５０℃以下、特に１０００℃以下で焼成される低温焼成セラミック材料が好適に用いられる。
【００２６】
用いられる（１）の混合物としては、ＢａＯ−ＴｉＯ２系、Ｃａ−ＴｉＯ２系、ＭｇＯ−ＴｉＯ２系等のセラミック材料が用いられ、これらのセラミック材料に、ＳｉＯ２、Ｂｉ２Ｏ３、ＣｕＯ、Ｌｉ２Ｏ、Ｂ２Ｏ３等の助剤を適宜添加したものが用いられる。（２）のガラス組成物としては、少なくともＳｉＯ２を含み、Ａｌ２Ｏ３、Ｂ２Ｏ３、ＺｎＯ、ＰｂＯ、アルカリ土類金属酸化物（Ｒ１Ｏ）、アルカリ金属酸化物（Ｒ２２Ｏ）のうちの少なくとも１種以上を含有したものであって、具体的には、ＳｉＯ２−Ｂ２Ｏ３−Ｒ１Ｏ系、ＳｉＯ２−ＢａＯ−Ａｌ２Ｏ３−Ｒ１Ｏ系、ＳｉＯ２−Ｂ２Ｏ３−Ａｌ２Ｏ３−Ｒ１Ｏ系、ＳｉＯ２−Ａｌ２Ｏ３−Ｒ１Ｏ系、さらにはこれらの系にＺｎＯ、ＰｂＯ、Ｐｂ、ＺｒＯ２、ＴｉＯ２等を配合した組成物が挙げられる。また、ガラスとしては、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、アルカリ金属シリケート、クォーツ、クリストバライト、コージェライト、ムライト、エンスタタイト、アノーサイト、セルジアン、スピネル、ガーナイト、ディオプサイド、イルメナイト、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種を析出する結晶化ガラスなどが用いられる。
【００２７】
また、（２）におけるセラミックフィラーとしては、Ａｌ２Ｏ３、ＳｉＯ２（クォーツ、クリストバライト）、フォルステライト、コージェライト、ムライト、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、ＡｌＮ、Ｓｉ３Ｎ４、ＳｉＣ、、ＴｉＯ２の他、ＭｇＴｉＯ３、ＣａＴｉＯ３、ＳｒＴｉＯ３、ＢａＴｉＯ３などのチタン酸塩の群から選ばれる少なくとも１種が挙げられる。この（２）の材料の場合、ガラス２０〜８０質量％、セラミックフィラー２０〜８０質量％の割合で混合されることが望ましい。
【００２８】
本発明のセラミック回路基板の製造方法について説明する。先ず、絶縁性セラミック材料からなるスラリーを調製し、このスラリーを用いてドクターブレード法などによってセラミックグリーンシートを作製する。このスラリーは、たとえば、前述したような低温焼成セラミック材料の組成物に、有機バインダ、有機溶剤、可塑剤とを加え、ボールミルで混練して調製する。
【００２９】
次に、ビア導体４、金属配線層２を形成するための導体ペーストを調製する。導体ペーストは、金属材料とガラスとの混合物からなる無機成分に対して、有機ビヒクルを添加し混合したものである。例えば、銅粉末や銀粉末に、Ｂ２Ｏ３−ＳｉＯ２−ＢａＯ、ＣａＯ−Ｂ２Ｏ３−ＳｉＯ２、ＣａＯ−Ａｌ２Ｏ３−Ｂ２Ｏ３−ＳｉＯ２などの低融点ガラスを３〜１０質量％の割合で添加するとともに、エチルセルロースなどの有機バインダ、トルエンなどの有機溶剤を混合し、３本ローラにより均質混練して調製される。
【００３０】
ここで、上記の絶縁性セラミック材料の収縮開始温度が導体ペースト中の無機材料の収縮開始温度よりも低いことが必要である。この収縮開始温度が逆転すると、絶縁性セラミック層の焼結が始まる前に金属配線層の焼結が始まるために、絶縁性セラミック層に初期ＩＲ不良の原因になる亀裂を生じることになってしまうためである。
【００３１】
次に、セラミックグリーンシートの所定箇所にマイクロドリルやレーザー光、パンチング等によって貫通穴を形成しこの貫通穴内に導体ペーストを充填する。そして、セラミックグリーンシート表面にスクリーン印刷法などによって配線パターン状に印刷形成する。
【００３２】
その後、同様にして配線パターンやビア導体を形成したセラミックグリーンシートを積層して積層成形体を作製した後、これを焼成する。
【００３３】
焼成時の雰囲気としては、導体材料としてＣｕを用いた場合には、窒素などの非酸化性雰囲気中で、Ａｇを用いた場合には、大気などの雰囲気中で焼成することができる。
【００３４】
本発明によれば、まず導体材料の焼成収縮開始温度まで昇温する。この温度領域（Ａ）の昇温速度は１０〜２０℃／分が適当である。次に、引き続き導体材料の焼成収縮開始温度から絶縁性セラミック材料の収縮開始温度までの温度領域（Ｂ）を昇温する。この領域（Ｂ）の昇温速度は５〜１０℃／分が適当である。その後、本発明によれば、絶縁性セラミック材料の収縮開始温度から焼成温度までの温度領域（Ｃ）を５．０℃／分以下、特に３．０℃／分以下の速度で昇温することが必要である。この理由は温度領域（Ｃ）の昇温速度が５．０℃／分より早い場合は、金属配線層中のガラス成分の拡散が絶縁性セラミック層に対して充分に進行しにくくなる。その結果、ガラス形成成分の含有量が連続的に変化する部分を形成することが難しく、絶縁性セラミック層と金属配線層との収縮開始温度の整合性が図れず、結果的に初期ＩＲ不良が発生してしまうためである。
【００３５】
焼成は、８５０〜１０５０℃の温度で１〜２時間保持して相対密度９５％以上に緻密化される。焼成温度は、導体材料がＡｇを主成分とする場合には、８５０〜９３０℃で行われる。これによって本発明のセラミック回路基板を製造することができる。
【００３６】
なお、上記の製造方法においては、絶縁性セラミック層と金属配線層との収縮開始温度の差が３００℃以下であることが望ましい。この理由は、絶縁性セラミック層と金属配線層との収縮開始温度の差を３００℃以下とすることで、収縮挙動の不整合による微細な亀裂などの発生を防止できる結果、絶縁抵抗の低下をより効果的に防止することができる。とりわけ絶縁性セラミック層の厚みが５０μｍ以下のときに絶縁抵抗の低下を防止するためには、絶縁性セラミック層と金属配線層との収縮開始温度の差が２００℃以下であることが望ましい。
【実施例】
【００３７】
先ず、絶縁性セラミック層として、０．９５ＭｇＴｉＯ３−０．０５ＣａＴｉＯ３との主成分組成物を８０質量％と、純度９９％以上のＢ２Ｏ３、Ｌｉ２ＣＯ３、ＳｉＯ２、ＢａＣＯ３粉末を合計で２０質量％とを混合して、収縮開始温度が８００℃の平均粒径１．０μｍの絶縁性セラミック材料を作製した。
【００３８】
この原料粉末に、有機バインダ、分散剤、可塑剤とともに、トルエン、イソプロピルアルコールを所定量調合して混練してスラリー化し、ドクターブレード法によりテープ成形して厚さ６０μｍのグリーンシートを作製した。なお、このグリーンシートの焼成後の厚みは５０μｍであった。
【００３９】
一方、銀ペーストとして、平均粒径が２．５μｍのＡｇ粉末を１００質量部に対して、ＳｉＯ２７０質量％、Ａｌ２Ｏ３１０質量％、ＣａＯ１０質量％、Ｂ２Ｏ３１０質量％の組成からなるガラスフリットを表１に示すようにガラスフリットの含有量を３〜７質量％に変更して、収縮開始温度が５００、６００、７５０℃の銀系ペーストを作製した。
【００４０】
得られたグリーンシートと銀系ペーストを用いてスクリーン印刷法で電極を形成し、この電極印刷されたグリーンシートを１０枚積層し、所定サイズにカットした後トンネル炉を用いて焼成した。
【００４１】
焼成においては、室温から導体材料の焼成収縮開始温度までの温度領域（Ａ）の昇温速度を１５℃／分、導体材料の焼成収縮開始温度から絶縁性セラミック材料の収縮開始温度までの温度領域（Ｂ）の昇温速度を７．５℃／分とした。その後、本発明によれば、絶縁性セラミック材料の収縮開始温度から焼成温度までの温度領域（Ｃ）を表１に示す条件で焼成した。
【００４２】
これらの試料の収縮開始温度についてはＴＭＡから求めた。ガラス形成成分の含有量が連続的に変化している領域には試料の破断面のＥＰＭＡから求めた。具体的には、銀系ペースト中のガラス形成成分であるＡｌの金属配線層からの拡散状態を測定した。拡散が見られた試料は、いずれもＡｌの拡散領域では含有量が連続的に変化していたため、Ａｌの拡散距離をガラス形成成分の含有量が連続的に変化している領域として測定した。また、耐湿度信頼性は、温度８５℃、湿度８５％の雰囲気で、金属配線層にＤＣ１５Ｖを印加した状態で１０００時間後の絶縁抵抗を測定した。また、初期ＩＲ特性は、耐湿度信頼性評価サンプルの初期（投入前）の絶縁抵抗を測定し、抵抗値が１０５Ω以下を不良品とした。また、絶縁抵抗は、１０８Ω以下を不良品とした。
【表１】
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【００４３】
表１の結果から明らかなように、前記ガラス形成成分の含有量が絶縁性セラミック層の厚みの１０％以上の厚みにわたって連続的に変化している本発明の試料Ｎｏ．３、６、９以外は、いずれも初期ＩＲ不良の改善、絶縁抵抗の低下防止、耐湿度信頼性の向上が達成できた。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】本発明のセラミック回路基板の概略断面図である。
【図２】本発明のセラミック回路基板における金属配線層付近の拡散状態を説明するための模式図である。
【符号の説明】
【００４５】
Ａ  セラミック回路基板
１  絶縁性セラミック層
２  金属配線層
３  ビア導体
【図１】
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【図２】
2005216998.tif 000005