(57)【要約】【課題】  高周波領域での電気信号の伝送特性に優れた多層配線基板を提供する。【解決手段】  アルミナを主成分とするセラミックス絶縁層１Ａが複数積層された絶縁基板１と、該絶縁基板１の内部に設けられたビア導体３とを具備してなり、前記ビア導体３を縦断面視したときに、中央部３ＢＣから外周部３ＢＯ側に向けて、銅とタングステンとの複合層３Ｂ１および銅層３Ｂ２がこの順に配置されており、前記銅層３Ｂ２が前記複合層３Ｂ１の周囲を囲むように設けられている。【選択図】  図２
2012156314.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
セラミックスからなる絶縁層が複数積層された絶縁基板と、該絶縁基板の内部に設けられたビア導体とを具備してなり、前記ビア導体を縦断面視したときに、中央部から外周部側に向けて、銅とタングステンとの複合層および銅層がこの順に配置されており、前記銅層が前記複合層の周囲を囲むように設けられていることを特徴とする多層配線基板。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、セラミックスからなる絶縁層が複数積層された絶縁基板の内部にビア導体を有する多層配線基板に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より電子機器の内部に組み込まれたＬＳＩ等の半導体素子を環境的に保護するとともに、半導体素子の放熱性を高め、かつ動作特性を安定化させるための筐体として半導体素子収納用パッケージと呼ばれる多層配線基板が用いられている。
【０００３】
半導体素子収納用パッケージ用の多層配線基板としては、例えば、アルミナセラミック製のものが知られているが、アルミナセラミック製の多層配線基板は、導体材料としてタングステンを用いていることから導体の抵抗が高いという欠点を有していた。
【０００４】
これに対し、本出願人は、近年、アルミナにマンガンなどの焼結助剤を所定量加えることにより、従来のアルミナセラミックスよりも焼結温度を低温下させ、導体材料としてタングステンに銅を複合させた低抵抗の導体材料を適用できる新たなアルミナセラミック製の多層配線基板を提案した（例えば、特許文献１を参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０００−７７８０５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献１に記載された多層配線基板の場合、ビア導体の高周波領域における電気信号の透過性が小さいという問題がある。すなわち、導体を通過する電気信号は高周波領域において導体の表面近傍を通過するいわゆる表皮効果により流れるものであるが、特許文献１に記載された多層配線基板を構成するビア導体は、銅の焼結体とタングステンの焼結体とが複雑に絡まった構造となっており、電気抵抗の高いタングステンの焼結体がビア導体の外周面に多く存在することから、電気信号がビア導体の外周面近傍を流れにくくなることに起因する。
【０００７】
従って本発明は、高周波領域の電気信号の伝送特性に優れた多層配線基板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】
本発明の多層配線基板は、セラミックスからなる絶縁層が複数積層された絶縁基板と、該絶縁基板の内部に設けられたビア導体とを具備してなり、前記ビア導体を縦断面視したときに、中央部から外周部側に向けて、銅とタングステンとの複合層および銅層がこの順に配置されており、前記銅層が前記複合層の周囲を囲むように設けられていることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、高周波領域の電気信号の伝送特性に優れた多層配線基板を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の多層配線基板の一実施形態を示す断面図である。
【図２】（ａ）は、図１の多層配線基板を上面側から見たときのビア導体の拡大断面図であり、（ｂ）は、図１の多層配線基板を縦断面視したときのビア導体の拡大断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
図１は、本発明の多層配線基板の一実施形態を示す概略断面図である。図２は、図１の多層配線基板を上面側から見たときのビア導体の拡大断面図である。図３は、図１の多層配線基板を縦断面視したときのビア導体の拡大断面図である。
【００１２】
本実施形態の多層配線基板Ａは、複数のセラミックスからなる絶縁層１Ａが積層された絶縁基板１と、この絶縁基板１の表層および内部に設けられた導体３とを有している。導体３は、半導体素子（図示せず）や外部回路基板（図示せず）との接続部となる表面配線層５と、絶縁基板１の内部において信号層やグランド層となる内部配線層３Ａと、表面配線層５と内部配線層３Ａとを接続するために絶縁層１Ａを貫通して設けられたビア導体３Ｂとから構成されている。
【００１３】
本実施形態の多層配線基板Ａを構成する絶縁層１Ａは、酸化アルミニウム（以下、アルミナと表現する。）を主成分とするセラミックスにより形成されており、この場合、アルミナの含有量が８４〜９２質量％であり、助剤として酸化マンガンをＭｎ２Ｏ３換算で２．０〜１５．０質量％、酸化ケイ素をＳｉＯ２換算で２〜１５質量％含有することが望ましい。絶縁層１Ａが上記組成を有するものであると、絶縁基板１の相対密度が９５％以上であり、高い絶縁性および熱伝導性を維持しつつ、銅とタングステンとの複合材料からなる導体３との同時焼成が可能となる。
【００１４】
また、本実施形態の多層配線基板Ａを構成するビア導体３Ｂは、ビア導体３Ｂを縦断面視したときに、中央部３ＢＣから外周部３ＢＯ側に向けて、銅とタングステンとの複合層３Ｂ１および銅層３Ｂ２がこの順に配置されており、銅層３Ｂ２が複合層３Ｂ１の周囲を囲むように設けられている。
【００１５】
このように本実施形態の多層配線基板Ａでは、ビア導体３Ｂの中心部３ＢＣに銅とタングステンとの複合層３Ｂ１が配置され、その周囲に複合層３Ｂ１よりも導体抵抗の低い銅層３Ｂ２が形成されているために、表皮効果によって、高周波領域の電気信号の伝送特性を高めることができる。この場合、表面抵抗を低減して高周波領域での電気信号の伝送特性をより高められるという点で銅層３Ｂ２は膜状であるのがよい。
【００１６】
本実施形態の多層配線基板Ａにおいては、表皮効果による伝送特性を高められるという点で、銅層３Ｂ２が銅とタングステンとの複合層３Ｂ１の周囲を取り巻いており、かつビア導体３Ｂの一端（上面）から他端（下面）にわたって設けられていることが望ましい。
【００１７】
ビア導体３Ｂを構成する銅とタングステンとの複合層３Ｂ１としては銅を５０〜８０質量％、タングステンを２０〜５０質量％の割合で含んでいることが望ましく、また、ビア導体３Ｂを構成する銅層３Ｂ２としては銅の含有量が９９質量％以上であることが望ましい。さらに、銅とタングステンとの複合層３Ｂ１および銅層３Ｂ２はいずれも金属成分の占める割合が各層における体積割合で９５％以上であることが望ましい。複合層３Ｂ１および銅層３Ｂ２における金属成分の割合が体積割合で９５％以上であると、ビア導体３Ｂの導体抵抗を低減できるとともに、水分等の侵入を抑制できるために耐湿性の高い多層配線基板Ａを得ることが可能となる。
【００１８】
また、銅層３Ｂ２はビア導体３Ｂを走査型電子顕微鏡を用いて観察したときに、転位等
のミクロな粒界を除いて、銅の粒子の輪郭を認めることができない程度に一体化されていることが望ましい。銅層３Ｂ２が銅の粒子の輪郭を認めることができない程度に一体化されたものであると、銅の粒子の粒界による高周波領域での電気信号の伝送損失を抑えることができる。
【００１９】
また、銅層３Ｂ２は、表皮効果での損失を抑え高周波領域の電気信号の伝送特性を高められるという理由から、その平均厚みｔが５μｍ以上であることが望ましい。一方、絶縁層１Ａとの同時焼成を行った際にビア導体３Ｂを緻密な状態で形成できるという理由から、銅層３Ｂ２の最大厚みはビア導体３Ｂの半径の２０％以下であることが望ましい。
【００２０】
また、本実施形態の多層配線基板Ａは、ビア導体３Ｂを構成する銅層３Ｂ２の外側にさらに酸化ケイ素層３Ｂ３が形成されていることが望ましい。銅層３Ｂ２の外側にさらに酸化ケイ素層３Ｂ３が形成されていると、ビア導体３Ｂと絶縁層１Ａとの接合をより強固にすることができる。これは、酸化ケイ素（ＳｉＯ２）が絶縁層１Ａを構成するセラミックスの主成分（アルミナ）よりも酸化物の標準生成自由エネルギーが高い位置にあり、金属である銅との間で絶縁層１Ａを構成するセラミックスの主成分（アルミナ）よりも金属的な結合状態を形成できるからである。
【００２１】
この場合、ビア導体３Ｂと絶縁層１Ａとの接合をさらに強固にできるという点で、酸化ケイ素層３Ｂ３が銅層３Ｂ２を取り巻くように配置されていることが望ましい。
【００２２】
ここで、ビア導体３Ｂを構成する銅とタングステンとの複合層３Ｂ１および銅層３Ｂ２と、酸化ケイ素層３Ｂ３とは、多層配線基板Ａの縦断面をＸ線マイクロアナライザーを付設した走査型電子顕微鏡を用いてカラーマッピングによる画像解析を行って確認する。このときカラーマッピングの画像を酸化ケイ素層３Ｂ３の側面から２０μｍの間隔で分割し、分割した各部分において銅、タングステンおよびケイ素の面積割合を求め、銅が９５％以上となっている層を銅層３Ｂ２とし、酸素とケイ素とが共存し、その割合が９５％以上となっている部分を酸化ケイ素層３Ｂ３とし、さらに銅層３Ｂ２の内側においてタングステンの面積比が１０％以上であり、残部に銅を含んでいる部分を銅とタングステンとの複合層３Ｂ１とする。
【００２３】
次に、上記の多層配線基板の製造方法について説明する。
【００２４】
まず、絶縁基板１を形成するために、主原料粉末として、いずれも純度が９９質量％以上のアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）粉末を準備する。次いで、主原料粉末を残部とし、これに、Ｍｎ２Ｏ３粉末を２〜１５質量％、ＳｉＯ２粉末を２〜１５質量％およびＭｇＯ粉末を０．３〜２．０質量％を配合して混合粉末を調製する。この場合、Ｍｎ２Ｏ３粉末、ＳｉＯ２粉末およびＭｇＯ粉末の純度はともに９９質量％以上であるものがよい。これにより、セラミック絶縁層１Ａ中にＭｎおよびＳｉを拡散させ、還元雰囲気中、１３００℃〜１４００℃の温度での焼結性を高めることができる。
【００２５】
次に、この混合粉末に対して有機バインダ、溶媒を添加してスラリーを調整した後、これをプレス法、ドクターブレード法、圧延法、射出法などの成形方法によってグリーンシートを作製する。あるいは、混合粉末に有機バインダを添加し、プレス成形、圧延成形等の方法により所定の厚みのグリーンシートを作製する。なお、グリーンシートの厚みはたとえば５０〜３００μｍとすることができるが、特に限定されない。
【００２６】
そして、適宜、このグリーンシートに対して、マイクロドリル、レーザー等により直径５０〜２５０μｍの貫通孔を形成する。
【００２７】
次に、グリーンシートの貫通孔内にスクリーン印刷法により導体ペーストを充填する。貫通孔に充填する導体ペーストは銅（Ｃｕ）粉末およびタングステン（Ｗ）粉末を主成分とし、これに少なくとも酸化ケイ素の成分としてクオーツ粉末を添加したものを用いる。この場合、導体ペーストの組成は、銅粉末が５０〜７０質量％、タングステン粉末が２０〜５０質量％およびクオーツ粉末が５．０〜１５．０質量％の割合であることが望ましい。
【００２８】
導体ペーストにクオーツ粉末を添加することで焼成過程において導体ペースト中の銅粉末およびクオーツ粉末がビア導体３Ｂに接している貫通孔の内壁面側に移動し、貫通孔の内壁側にクオーツ粉末によって形成された酸化ケイ素層３Ｂ３が形成され、その酸化ケイ素層３Ｂ３の内側に銅層３Ｂ２が形成され、さらにその内側に銅とタングステンとの複合層３Ｂ１が形成されることになる。これはクオーツ粉末が元々銅粉末やタングステン粉末に対して反応性に乏しい上に、還元雰囲気中、１３００℃〜１４００℃の温度においてもグリーンシートに含まれるアルミナ粉末、Ｍｎ２Ｏ３粉末およびＳｉＯ２粉末とも過度の反応が起きにくいことによる。
【００２９】
なお、クオーツ粉末の代わりに非晶質のＳｉＯ２、クリストバライトおよびトリジマイト等の同質の材料を用いた場合には、銅およびタングステンおよびグリーンシート中に含まれる成分と反応しやすいために、銅の焼結体とタングステンの焼結体とが絡まった構造のようになり、ビア導体３Ｂを縦断面視したときに、中央部３ＢＣから外周部３ＢＯ側に向けて、銅とタングステンとの複合層３Ｂ１および銅層３Ｂ２がこの順に配置されており、銅層３Ｂ２が複合層３Ｂ１の周囲を囲むように設けられた構造のビア導体３Ｂを得ることが困難となる。
【００３０】
また、導体ペースト中に有機成分を除いた固形分中にリン粉末を０．０１〜０．０５質量％添加することが望ましく、リンを上記した範囲で添加することにより、導体ペーストを構成する銅粉末、タングステン粉末およびクオーツ粉末の焼結性が高まり、緻密なビア導体３Ｂを形成することができる。
【００３１】
次に、貫通孔に導体ペーストを充填して生のビア導体が形成されたグリーンシートに対して、銅粉末とタングステン粉末とを、例えば、銅粉末が５０〜７０質量％、タングステン粉末が２０〜４０質量％となるように調製した内部配線層３Ａ用の導体ペーストを各グリーンシートの表面にスクリーン印刷、グラビア印刷などの方法により印刷塗布して内部配線層３Ａとなる配線パターンを形成する。なお、この内部配線層３Ａ用の導体ペースト中には、絶縁基板１との密着性を高めるために、上記の金属粉末以外にアルミナ粉末あるいは絶縁基板１と同一組成物の混合粉末を添加してもよい。
【００３２】
次に、生のビア導体および配線パターンの形成されたグリーンシートを複数枚積層して積層体を形成した後、この積層体を非酸化性雰囲気（窒素雰囲気あるいは窒素と水素との混合雰囲気）中で焼成する。
【００３３】
ここで、焼成条件は、最高温度を１３００℃〜１４００℃とし、保持時間を１〜３時間とするのがよい。焼成中の最高温度を１３００℃〜１４００℃とし、保持時間を１〜３時間とすることにより、生のビア導体から貫通孔の内壁側へ移動するクオーツ粉末のほとんどをビア導体３Ｂの周囲の絶縁層１Ａに形成された貫通孔の内壁付近に止めておくことができるとともに、クオーツ粉末によって形成される酸化ケイ素層３Ｂ３の内側であって銅とタングステンとの複合層３Ｂ１の外側の領域に、ほとんど銅によって構成される銅層３Ｂ２を形成することができる。なお、焼成雰囲気を水素および窒素を含む還元雰囲気とすると、内部配線層３Ａからの銅の拡散を抑制でき、内部配線層３Ａの長さ方法に対して垂直な方向の断面形状をより矩形状に保つことができるという利点がある。
【００３４】
以上述べた方法により作製された多層配線基板Ａは、ビア導体３Ｂを断面視したときに、中央部３ＢＣから外周部３ＢＯ側に向けて、銅とタングステンとの複合層３Ｂ１および銅層３Ｂ２がこの順に配置されており、銅層３Ｂ２が複合層３Ｂ１の周囲を囲むように設けられていることから、高周波領域の電気信号の伝送特性に優れたビア導体３Ｂを有するものとなる。
【００３５】
なお、本実施形態では、絶縁層１Ａとして、アルミナを主成分とするアルミナ質セラミックスからなる例を示したが、ムライトを主成分とするムライト質セラミックスを用いることもできる。絶縁層１Ａとしてムライト質セラミックスを用いる場合にも上記したアルミナ質セラミックスと同様の焼結助剤の添加により、焼結温度を１３００〜１４００℃にすることができることから、この場合も高周波領域の電気信号の伝送特性に優れたビア導体３Ｂを有する多層配線基板Ａを得ることができる。
【実施例】
【００３６】
まず、絶縁基板を形成するためのグリーンシートを作製した。グリーンシートは、アルミナ粉末、Ｍｎ２Ｏ３粉末、ＳｉＯ２粉末、ＭｇＯ粉末を準備し、アルミナ粉末を８７質量％、Ｍｎ２Ｏ３粉末を６．０質量％、ＳｉＯ２粉末を６．０質量％、ＭｇＯ粉末を１．０質量％秤量し、有機バインダーおよび可塑剤を添加してスラリーを作製した。
【００３７】
次に、このスラリーをドクターブレード法により成形し、面積が縦２００ｍｍ、横２００ｍｍであり、厚みが０．１５ｍｍおよび０．２０ｍｍのグリーンシートを作製した。
【００３８】
次に、作製したグリーンシートに、パンチングにより直径０．１２ｍｍの貫通孔を形成した。
【００３９】
次に、ビア導体用の導体ペーストを作製した。その組成は銅粉末を６５質量％、タングステン粉末を３５質量％としたものに、表１に示す成分を助剤として加え、さらに、アクリル樹脂とフタル酸ジブチル（ＤＢＰ）を混合した有機ビヒクルを添加し混錬して導体ペーストを調製した。なお、表１の絶縁層という添加剤は上記グリーンシートに用いたセラミック成分のことであり、ホウケイ酸ガラスというのは、ＳｉＯ２を４５質量％、Ａｌ２Ｏ３を３０質量％、ＭｇＯを１０質量％、Ｂ２Ｏ３を１０質量％、ＺｎＯを５質量％からなるガラスのことである。
【００４０】
次に、ビア導体用の導体ペースト（以下、ビア用導体ペーストとする。）をスクリーン印刷法によってグリーンシートの貫通孔に充填して生のビア導体を形成した。
【００４１】
次に、表面配線層用および内部配線層用の導体ペーストを作製した。この場合、銅粉末およびタングステン粉末についてはビア用導体ペーストと同じ組成になるように配合し、これにビア用導体ペーストと同じ有機ビヒクルを添加して調製した。次に、この導体ペーストを用いてスクリーン印刷法により表面配線層および内部配線層となる配線パターンを形成した。次に、生のビア導体および配線パターンが形成されたグリーンシートを２０層積層し、積層体を作製した。この時、グリーンシート間に接着剤を均一に塗布し、４０℃、２０ＭＰａの条件で加圧積層を行った。続いて、これらの積層体を切断し、均一な大きさに切断した後、還元雰囲気中、最高温度１３５０℃で１時間焼成を行った。こうして、ビア導体が絶縁基板の最上層から最下層の１層上の層までの間で往復して連結されたビア構造を有する多層配線基板を得ることができた。
【００４２】
次に、作製した多層配線基板について以下の評価を行った。
【００４３】
ビア導体の伝送特性については、ネットワークアナライザを用いて５ＧＨｚおよび１０ＧＨｚにおおいて伝送損失を評価した。試料数（測定数）は１枚の多層配線基板について１０箇所のビア導体を測定し、その平均値を求めた。
【００４４】
ビア導体を構成する銅とタングステンとの複合層、銅層および酸化ケイ素層の確認は、多層配線基板の縦断面を研磨してその断面にビア導体を露出させた試料を用意し、その試料のビア導体とその外側の領域を走査型電子顕微鏡に付設のＸ線マイクロアナライザーを用いてカラーマッピングによる画像解析を行って求めた。このときカラーマッピングの画像をビア導体の外側の絶縁層との界面付近から２０μｍの間隔で分割し、分割した各部分において銅、タングステンおよびケイ素の面積割合を求め、銅が９５％以上となっている層を銅層とし、ケイ素の割合が９５％以上となっている部分を酸化ケイ素層とし、さらに銅層の内側においてタングステンの面積比が１０％以上であり、残部に銅を含んでいる部分を銅とタングステンとの複合層とした。分析した結果、試料Ｎｏ．３０〜３５では、ビア導体は、銅とタングステンとの複合層および銅層がこの順に配置されており、銅層が膜状となって複合層の周囲を囲むように設けられた構造となっていた。
【００４５】
【表１】
2012156314.tif 000003
【００４６】
表１より明らかなように、試料Ｎｏ．３０〜３５は、ビア導体を縦断面視したときに、中央部から外周部側に向けて、銅とタングステンとの複合層および銅層がこの順に配置されており、銅層が複合層の周囲を囲むように設けられた構造となっており、５ＧＨｚにお
ける伝送特性が絶対値で０．２２ｄＢ／ｃｍ以下、１０ＧＨｚにおける伝送特性が絶対値で０．４１ｄＢ／ｃｍ以下であった。
【００４７】
これに対し、試料Ｎｏ．１〜２９は、ビア導体が銅の焼結体とタングステンの焼結体とが絡み合った構造であるため、５ＧＨｚにおける伝送特性が絶対値で０．２２ｄＢ／ｃｍより大きく、また、１０ＧＨｚにおける伝送特性が絶対値で０．４１ｄＢ／ｃｍよりも大きく、伝送特性が良くなかった。
【００４８】
なお、作製した多層配線基板を蛍光探傷液に２時間浸漬した後、３０秒間流水で洗浄し、紫外線によりビア導体周辺からの蛍光探傷液の浸入の有無を確認したところ、試料Ｎｏ．３０〜３６については、導体ペースト中にリンを含有させていることにより、ビア導体とその周囲がより緻密化しており、いずれの試料も蛍光探傷液の浸入は見られなかった。
【符号の説明】
【００４９】
Ａ・・・・多層配線基板
１・・・・絶縁基板
１Ａ・・・セラミック絶縁層
３・・・・導体
３Ａ・・・内部配線層
３Ｂ・・・ビア導体
３Ｂ１・・銅とタングステンとの複合層
３Ｂ２・・銅層
３Ｂ３・・酸化ケイ素層
３ＢＣ・・（ビア導体の）中央部
３ＢＯ・・（ビア導体の）外周部
【図１】
2012156314.tif 000004
【図２】
2012156314.tif 000005