(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガラス成分とセラミック成分とから成る複数の誘電体層の層間に、Ａｇを主成分とする内部配線層を配するとともに、前記誘電体層にその厚みを貫くＡｇを主成分とするビアホール導体を配置して成る回路基板において、
前記ビアホール導体は、Ａｇ系導体材料１００重量部に対して、０．５〜５重量部のＲｕＯ2と、１〜１０重量部のＳｎＯ2と、１〜１０重量部のβ石英とを主成分とするガラス成分を含有していることを特徴とする回路基板。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ガラス成分とセラミック成分となるガラス−セラミックから成る誘電体層を積層して成る回路基板に関するものであり、回路基板中の安定したビアホール導体を有する回路基板に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、焼成温度を８００〜１０５０℃と比較的低い温度で焼成可能な材料を用いた回路基板が広く提案されている。
【０００３】
回路基板は、複数の誘電体層を積層した基板と、該積層体の各誘電体層間に配置した内部配線層と、該積層体の表面に配置した表面配線層と、各誘電体層の厚み方向に所定内部配線層間、所定内部配線層と表面配線層との間を接続するビアホール導体とから構成されている。
【０００４】
尚、積層体の表面に配置した表面配線層には、ＩＣチップを始め、各種電子部品が搭載されている。
【０００５】
上述の内部配線層の導電率を高めて回路の高速化を行うために、内部配線層、ビアホール導体、表面配線層としては、金属成分がＡｇ単体またはＡｇ−Ｐｄ、Ａｇ−ＰｔなどのＡｇ合金から成るＡｇ系材料が使用されている。また、誘電体層としては、上述のＡｇ系材料の融点から、低温（８００〜１０５０℃）で焼成可能な材料が用いられている。例えば、ガラス成分とセラミック成分とから成るガラス−セラミック材料である。
【０００６】
上述の内部配線層やビアホール導体は、少なくとも積層状態の基板と一体的に焼成した時の焼結挙動が近似して、焼成収縮の整合をとるために、多量のガラス成分を含んでいた。仮に、基板材料とビアホール導体との焼結収縮の整合がとれないと、基板表面におけるビアホール導体の表面が、突出してしまい、その結果、基板表面の配線層が形成できず、また、電子部品素子の実装ができなくなる。
【０００７】
しかも、特に各内部配線層間を接続したり、内部配線層と表面配線層とを接続するビアホール導体においては、近年の回路動作の高速化に伴い、その導体抵抗を下げることが要求されている。この要求を応えるために、ビアホール導体の形状を物理的に大径化（直径を８０μｍ以上）が必要となっている。
【０００８】
しかし、従来の手法では、基板とビアホール導体とを同時焼成すると、基板材料であるガラス−セラミック材料の焼結収縮とビアホール導体の焼結収縮との整合性がとれなくなってしまう。即ち、焼成冷却時に熱膨張係数差による熱応力が大きくなり、例えば、基板の表面でビアホール導体の周囲にクラックが発生し、また、導通不具合が生じてしまう。
【０００９】
そこで、ガラス成分とセラミック成分とから成る複数の誘電体層間にＡｇを主成分とする内部配線層を形成するとともに、前記誘電体層に厚みを貫くＡｇ系材料を主成分とするビアホール導体を配置して成り、該ビアホール導体は、Ａｇ系材料１００部に対して、２〜５重量部のβ石英と、０．１〜１重量部の酸化マグネシウム、酸化アルミニウム、酸化カルシウムの少なくとも１種類を含有している回路基板が既に提案されている。
【００１０】
かかる技術によれば、ビアホール導体は、所定量のβ石英と酸化マグネシウム、酸化アルミニウム、酸化カルシウムの少なくとも１種類の酸化物を含んでいる。β石英は、主に基板材料とＡｇ系のビアホール導体との熱膨張係数の差による熱応力を低下させるものであり、また酸化マグネシウム、酸化アルミニウム、酸化カルシウムの少なくとも１種類の酸化物は、焼結時にＡｇ粒子間に存在さて、基板材料が焼結が開始されるまで、ビアホール導体の焼結を遅らせ、焼成による収縮応力を低減させるものである。
【００１１】
これにより、ビアホール導体の導体抵抗を低下させるべく、その直径が大きくなっても、基板との熱膨張差を緩和し、収縮挙動が近似する。その結果、各配線層間の接続信頼性が安定化して、ビアホール導体及びその開口にクラックが発生することがなく、基板の表面からビアホール導体の突出を抑えている。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
ここで、基板の平滑性を向上させるには、ビアホール導体の表面を平坦にすることが望まれる。
【００１３】
しかしながら、上述の回路基板では、各配線層間の接続信頼性が安定化して、ビアホール導体及びその開口にクラックが発生することがなく、基板の表面からビアホール導体の突出を抑えることができるものの、図３に示すように、ビアホール導体において、そのビアホール導体の径が大きくなると、その中央部が凹んでしまうという問題点があった。なお、図３において、１ａは積層基板１の表面側の誘電体層を示している。
【００１４】
これは全体として、ビアホール導体の収縮挙動が基板材料に近似しているものの、その収縮の速度が周辺部と中央部とでは若干の差異が発生しているため、結果として中央部が凹んでしまうものと考えられる。
【００１５】
本発明は、上述の問題点に鑑みて案出されたものであり、その目的は、ビアホール導体の径が大型化しても、各配線層間の接続信頼性を確保し、クラックの発生を抑え、基板の表面からビアホール導体の突出量を抑え、且つビアホール導体の表面自身を平坦にすることができる回路基板を提供するものである。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
本発明の回路基板は、ガラス成分とセラミック成分とから成る複数の誘電体層の層間に、Ａｇを主成分とする内部配線層を配するとともに、前記誘電体層にその厚みを貫くＡｇを主成分とするビアホール導体を配置して成る回路基板において、前記ビアホール導体は、Ａｇ系導体材料１００重量部に対して、０．５〜５重量部のＲｕＯ2と、１〜１０重量部のＳｎＯ2と、１〜１０重量部のβ石英を主成分とするガラス成分を含有していることを特徴とするものである。
【００１７】
尚、上述のビアホール導体用導電性ペーストは、ペースト全体に対する固形分比が８５〜９３ｗｔ％の範囲とすることが望ましい。
【作用】
本発明の回路基板のビアホール導体は、Ａｇ系導体材料１００重量部に対して、０．５〜５重量部のＲｕＯ2と、１〜１０重量部のＳｎＯ2と、１〜１０重量部のβ石英を主成分とするガラス成分を含有している。このため、ビアホール導体の径を大きくして導体抵抗値を下げることが容易に行え、しかも、基板との収縮整合性が良好なので、基板の平滑性及びビアホール導体の表面の平滑性に優れた回路基板となる。
【００１８】
すなわち、従来のように、β石英と酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、酸化カルシウムの少なくとも１種類の酸化物との組合せでは、有機金属あるいは比表面積１００ｃｍ3／ｇ以上の微粉として添加し、Ａｇ粒子間に効果的に配置し、Ａｇの焼結を遅らせる働きをするものの、ビアホール導体の収縮挙動を誘電体層の収縮挙動に近づけるには限界があった。
【００１９】
これに対し、本発明では、ビアホール導体内のＲｕＯ2自身が、誘電体層の基板材料のガラス成分と同じ収縮挙動を示すため、ビアホール導体の収縮挙動を積層基板の収縮挙動に効果的に近づけることができることによる。
【００２０】
また、β石英を主成分とするガラス成分は、低熱膨張係数の特徴を有するものであり、ビアホール導体膜の熱膨張係数を基板材料の熱膨張係数に近づける効果を持ち、焼成冷却時の熱応力を低減できる。このため、ビアホール導体の直径を大きくし、導体抵抗を下げることができる。
【００２１】
また、ＳｎＯ2は、ビアホール導体と積層基板の全体的な収縮挙動を一致させ、ビアホール導体の突起量を小さくする効果がある。
【００２２】
尚、ビアホール導体用導電性ペーストは、ペースト全体に対する固形分比が８５〜９３ｗｔ％の範囲とすることにより、導電性ペーストを貫通孔に充填した場合、乾燥時の凹み及び導電性ペーストの充填性が良好になる。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の回路基板を図面に基づいて説明する。
【００２４】
図１は、本発明に係る回路基板の断面図である。図１において、１０は回路基板であり、１は積層基板、２１は積層基板１の表面に形成した第１の表面配線層、２２は第２の表面配線層、３は積層基板１内の形成された内部配線層、４は積層基板１内の形成されたビアホール導体、５はＩＣチップ部品であり、６は他の電子部品である。なお、第１の表面配線層２１、第２の表面配線層２２を、総じて表面配線層２という。
【００２５】
積層基板１は、ガラス−セラミック材料から成る誘電体層１ａ〜１ｅと、誘電体層１ａ〜１ｅの各層間に、所定回路網を達成したり、容量成分を発生するための内部配線層３が配置されている。
【００２６】
また、誘電体層１ａ〜１ｅには、その層の厚み方向を貫くビアホール導体４が形成されている。
【００２７】
さらに、誘電体層１ａ〜１ｅを積層した積層基板１の表面には、第１の表面配線層２１、第２の表面配線層２２が形成されている。
【００２８】
積層基板１を構成する誘電体層１ａ〜１ｄは、１層あたり例えば５０〜３００μｍ程度の厚みを有し、その材質としては、セラミック材料、低温焼成化が可能な酸化物、低融点ガラス材料などが用いられる。具体的には、セラミック材料としては、例えばＡ１2Ｏ3、ＢａＯ−ＴｉＯ2系、ＣａＯ−ＴｉＯ2系、ＭｇＯ−ＴｉＯ2系などが、また低温焼成化が可能な酸化物としては、例えばＢｉＶＯ4、ＣｕＯ、Ｌｉ2Ｏ、Ｂ2Ｏ3などが選ばれる。
【００２９】
この誘電体層１ａ〜１ｅの厚みは、例えば１００〜３００μｍ程度である。
【００３０】
内部配線層３、ビアホール導体４は、Ａｇ系（Ａｇ単体、Ａｇ−Ｐｄ、Ａｇ−ＰｔなどのＡｇ合金）を主成分とする導体膜（導体）からなり、内部配線層３の厚みは８〜１５μｍ程度である。また、ビアホール導体４の直径は任意な値とすることができるが、大径化として低抵抗化するために、８０〜３５０μｍとしている。
【００３１】
本発明の特徴的なことは、ビアホール導体は、Ａｇ系導体材料１００重量部に対して、０．５〜５重量部のＲｕＯ2と、１〜１０重量部のＳｎＯ2と、１〜１０重量部のβ石英を主成分とするガラス成分を含有していることである。
【００３２】
また、ビアホール導体用導電性ペーストは、ペースト全体に対する固形分比が８５〜９３ｗｔ％の範囲にある。
【００３３】
第１の表面配線層２１は、Ａｇ系（Ａｇ単体、Ａｇ−Ｐｄ、Ａｇ−ＰｔなどのＡｇ合金）を主成分とする導体膜から成り、主に積層基板１の表面で所定回路配線層を構成するとともに、半田を介して接合される電子部品６の接続パッドとなったり、また、厚膜抵抗膜、厚膜コンデンサ素子の端子電極となる。特に、内部配線層３との接続において、この第１の表面配線層２１と誘電体層１ａから露出するビアホール導体４と接続する。
【００３４】
第２の表面配線層２２は、Ａｕ系を主成分とする導体膜から成り、主にボンディング細線、フリップチップによって接続されるＩＣチップ５の接続パッド（ワイヤボンディングパッド）として用いられる。即ち、第２の表面配線層２２は、第１の表面配線層２１の一部から重畳接続される。
【００３５】
尚、電子部品６は、積層セラミックコンデンサやチップ抵抗器などのチップ状電子部品やその他発振装置やトランジスタなどが例示でき、第１の表面配線層２１に半田を介して接続されている。
【００３６】
また、ＩＣチップ５は、所定表面配線層（２１、２２）などに接続された、第２の表面配線層２２にＡｌまたはＡｕのボンディング細線を用いてワイヤボンディングしたり、ＩＣチップ５の下面に形成したパンプ部材を介して第２の表面配線層２２に接続されている。
【００３７】
上述の回路基板の製造方法について説明する。
【００３８】
積層基板１となる誘電体材料、例えば、ガラス−誘電体セラミック材料から成るグリーンシートを形成する。なお、このグリーンシートは、積層基板１となる複数の基板領域からなる大型グリーンシートである。
【００３９】
次に、グリーンシート上の各基板領域毎に、ビアホール導体３となる所定径の貫通孔をパンチングによって形成する。
【００４０】
次に、グリーンシート上の各基板領域毎に、スクリーン印刷により、上述の貫通孔にＡｇ系導電性ペーストを充填するとともに、内部配線層４となる導体膜などを形成する。また、さらに、最外層に位置するグリーンシート上に、表面配線層２となる導体膜、各種電極パッドとなる導体膜を形成する。
【００４１】
そして、ビアホール導電性ペーストは、Ａｇ系（Ａｇ単体、Ａｇ−Ｐｄ、Ａｇ−ＰｔなどのＡｇ合金）粉末１００重量部に対して、０．５〜５重量部のＲｕＯ2と、１〜１０重量部のＳｎＯ2と、１〜１０重量部のβ石英を主成分とするガラス成分、エチルセルロースなどの有機バインダー、溶剤を均質混合したものが用いられる。
【００４２】
また、第１の表面配線層２１が形成される導電性ペーストは、Ａｇ系（Ａｇ単体、Ａｇ−ＰｄなどのＡｇ合金）粉末、Ｐｔ粉末、無機バインダー、有機バインダー、溶剤を均質混合したものが用いられる。
【００４３】
第２の表面配線層２２が形成される導電性ペーストは、Ａｕ系（Ａｕ単体、Ａｕ−Ｐｄ、Ａｕ−ＰｔなどのＡｕ合金）粉末、無機バインダー、有機バインダー、溶剤を均質混合したものが用いられる。尚、第１及び第２表面配線層２１、２２には、固形成分として、Ｖ2Ｏ5粉末を各金属成分に対して０．２〜１．０重量部添加すると、積層基板１表面との接着強度が向上して望ましい。
【００４４】
このようにビアホール導体４となる導体、内部配線層３となる導体膜が形成された誘電体層１ｂ〜１ｅとなるグリーンシート、第１の表面配線層２１となるＡｇ系の導体膜、第２の表面配線層２２となるＡｕ系の導体膜が形成された誘電体層１ａとなるグリーンシートを、積層基板１の誘電体層１ａ〜１ｅの積層順に応じて積層一体化する。
【００４５】
次に上述の未焼成状態の基板を大気雰囲気や中性雰囲気で焼成処理する。焼成処理は、脱バインダ過程と焼結過程からなる。
【００４６】
脱バインダ過程は、例えば６００℃以下の温度領域で行われる。また、焼成過程は、ピーク温度８５０〜１０５０℃にて行われる。
【００４７】
その後、必要に応じて、第１の表面配線層２１に接続する厚膜抵抗素子や所定形状の絶縁保護膜を形成して、各種電子部品６を半田などで接合・実装を行う。さらに、所定配線膜上にＩＣチップ５を搭載して、第２の表面配線層２２との間でＡｌまたはＡｕのボンディング細線によるワイヤボンディング接合や半田バンプを用いたフリップチップ接続を行う。
【００４８】
これにより、図１に示す回路基板が達成できる。
【００４９】
上述の説明では、積層基板１の表面には、第１の表面配線層２１と第２の表面配線層２２とが形成されているが、例えば、第２の表面配線層２２を省略しても構わない。
【００５０】
ここで、所定内部配線層３と表面配線層２１とを接続する誘電体層１ａに形成されたビアホール導体４は、Ａｇ系材料で形成されているが、第１の表面配線層２１は、ビアホール導体４と同じようにＡｇ系材料で構成されているため、安定した接続が達成される。
【００５１】
【実施例】
本発明者は、ビアホール導体のＡｇ系導電性ペーストとして、Ａｇ系材料１００重量部に対して、ＲｕＯ2、ＳｎＯ2、β石英を主成分とするガラス成分を添加して、その量比による検討を行った。
【００５２】
試料番号１〜５は、固形成分に対して、ＳｎＯ2を４．０重量部、ガラス成分を４．０重量部添加して、ＲｕＯ2を０〜６．０重量部に変化させた。
【００５３】
試料番号６〜１０は、固形成分に対して、ＲｕＯ2を５．０重量部、ガラス成分を４．０重量部添加して、ＳｎＯ2を０〜１２．０重量部に変化させた。
【００５４】
試料番号１１〜１５は、固形成分に対して、ＲｕＯ2を５．０重量部、ＳｎＯ2を４．０重量部添加して、ガラス成分を０〜１２．０重量部に変化させた。
【００５５】
その結果は、表１の通りである。尚、良否の判定において、ビアホール導体の導体抵抗が１ｍΩ未満を「良」、ビアホール導体の周囲の基板部分にクラックが発生しないものを「良」、ビアホール導体を形成した部分の基板の突起量が１０μｍ未満を「良」とした。また、ビアホール形状については、ビアホール部分４０の突起量が１０μｍ以上の場合を「Ｃ」、図３のビアホール導体４０の周辺部のみが盛り上がった場合を「Ｂ」、図２に示すように、ビアホール導体の表面が平坦になった場合を「Ａ」とした。さらに、総合判定の基準として、上記導体抵抗、クラック、突起量の少なくとも１つが不良であるものを「バツ印」、上記導体抵抗、クラック、突起量は全て良であるが、ビアホール形状がＢであるものを「三角印」、上記導体抵抗、クラック、突起量が全て良であり、ビアホール形状がＡであるものを「丸印」とした。
【００５６】
【表１】
0003934910.tif 000002
【００５７】
まず、ビアホール導体が、Ａｇ系導体材料１００重量部に対して、０．５〜５重量部のＲｕＯ2と、１〜１０重量部のＳｎＯ2と、１〜１０重量部のβ石英を主成分とするガラス成分を含有している場合（試料番号２〜４、７〜９、１２〜１４、１９〜２０）、導体抵抗、クラック、突起量が全て良であり、ビアホール導体の表面が平坦になる。
【００５８】
これに対し、４重量部のガラス成分、１重量部の酸化マグネシウム、酸化アルミニウム、酸化カルシウムの少なくとも１種類を含有する場合（試料番号１６〜１８）、導体抵抗、クラック、突起量は全て良であるが、ビアホール形状の周辺部が盛り上がってしまう。
【００５９】
また、ＲｕＯ2を含有していない場合（試料番号１）では、ビアホール導体と積層基板との収縮整合性がとれないため、基板の表面にビアホール導体の表面が約３５μｍ程度も突出してしまう。
【００６０】
一方、ＲｕＯ2が過剰に含有する場合（試料番号５）では、ビアホール導体中にＲｕＯ2が過剰となり、導体抵抗が１ｍΩを越えてしまうとともに、基板の表面にビアホール導体の表面が約３０μｍ程度も突出してしまう。
【００６１】
また、ＳｎＯ2を含有していない場合（試料番号６）では、基板の表面にビアホール導体の表面が約３０μｍ程度も突出してしまう。
【００６２】
一方、ＳｎＯ2が過剰に含有する場合（試料番号１０）では、導体抵抗が１ｍΩを越えてしまうとともに、基板の表面にビアホール導体の表面が約２５μｍ程度突出してしまう。
【００６３】
また、ガラス成分を含有していない場合（試料番号１１）では、熱膨張係数を積層基板の熱膨張係数に合わせることができず、焼結冷却時にクラックが発生してしまうとともに、基板の表面にビアホール導体の表面が約１５μｍ程度突出してしまう。
【００６４】
一方、ガラス成分が過剰に含有する場合（試料番号１５）では、導体抵抗が１ｍΩを越えてしまうとともに、基板の表面にビアホール導体の表面が約２５μｍ程度突出してしまう。
【００６５】
また、ビアホール導体の直径としては、試料番号１９、２０のように、８０〜４００μｍでも安定した特性のビアホール導体となる。尚、５０μｍでは、クラックやビアホール導体の突起は見られないものの、物理的導体抵抗が大きくなる。
【００６６】
また、本発明者らは、試料番号４のＡｇ系導電性ペーストについて、導電性ペースト全体に対する固形分比を変化させて、乾燥時の凹み及び導電性ペーストの充填性を調べた。結果を表２に示す。
【００６７】
【表２】
0003934910.tif 000003
【００６８】
ここで、乾燥時の凹みは、グリーンシートの貫通孔にビアホール導体用導電性ペーストを充填後乾燥したときのビアホール導体表面のグリーンシート表面からの凹み量を表面粗さ計により測定した。良否の判定基準として、凹み量が２０μｍ以下のものを「良」とした。
【００６９】
また、乾燥時の導電性ペーストの充填性は、グリーンシートのビアホール導体となる貫通孔に導電性ペーストを充填後乾燥したときの状態を金属顕微鏡で観察した。良否の判定基準として、導電性ペーストがすき間なく充填しているものを「良」とした。
【００７０】
表に示すように、導電性ペーストの固形分比が８５〜９３ｗｔ％である本実施例（試料番号２２〜２５）では、乾燥時の凹み及び導電性ペーストの充填性は良好になる。
【００７１】
これに対し、導電性ペーストの固形分比が８３ｗｔ％である場合（試料番号２１）では、乾燥時の凹みが２０μｍより大きくなる。
【００７２】
一方、導電性ペーストの固形分比が９５ｗｔ％である場合（試料番号２５）では、乾燥時の導電性ペーストの充填性が悪くなる。
【００７３】
尚、上述の実験では、Ａｇ系粉末として、Ａｇ単体を用いたが、Ａｇ−ＰｐやＡｇ−ＰｔなどのＡｇを主成分とするＡｇ系材料を用いても同様の効果が得られることを確認した。
【００７４】
以上の実験により、導体抵抗、クラック、突起量を考慮すると、ビアホール導体は、Ａｇ系導体材料１００重量部に対して、０．５〜５重量部のＲｕＯ2、１〜１０重量部のＳｎＯ2、１〜１０重量部のβ石英を主成分とするガラス成分を含有させることが重要である。
【００７５】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、ビアホール導体を、Ａｇ系材料、０．５〜５重量部のＲｕＯ2、１〜１０重量部のＳｎＯ2、１〜１０重量部のβ石英を主成分とするガラス成分を添加している導電性ペーストを用いて形成している。これにより、ビアホール導体の径を大きくして導体抵抗値を下げることが容易に行え、しかも、基板との収縮整合性が良好なので、基板の平滑性及びビアホール導体の表面の平滑性に優れた回路基板となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る回路基板の断面図である。
【図２】本発明の回路基板のビアホール導体部の拡大図である。
【図３】従来の回路基板のビアホール導体部の拡大図である。
【符号の説明】
１０            回路基板
１              積層基板
１ａ〜１ｅ      誘電体層
２              表面配線層
２１            第１の表面配線層
２２            第２の表面配線層
３              内部配線層
４              ビアホール導体
【図１】
0003934910.tif 000004
【図２】
0003934910.tif 000005
【図３】
0003934910.tif 000006