(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガラス粉末と、無機絶縁物質と、樹脂とを有機溶剤に分散させ、前記樹脂としてエチルセルロースとアクリルの両者を添加した誘電体ペーストであって、
前記エチルセルロースの添加量が０．３〜０．８重量％であり、前記アクリルの添加量が０．２〜０．８重量％であるとともに、
前記ガラス粉末は、軟化点が８００〜８６０℃、熱膨張係数が６０〜７０×１０-7／℃のＢ2Ｏ3−ＳｉＯ2−ＰｂＯ−Ａｌ2Ｏ3系ガラス粉末であって、前記ペースト中の含有率が４５〜４９重量％であり、前記無機絶縁物質は、前記ペースト中の含有率が２７〜２９．５重量％の酸化アルミニウムと、前記ペースト中の含有率が１８〜１９．５重量％のジルコン酸カルシウムとからなることを特徴とする誘電体ペースト。
【請求項２】
前記誘電体ペーストは、窒素雰囲気において焼成されるものであることを特徴とする請求項１記載の誘電体ペースト。
【請求項３】
セラミック基板上に多層に形成される、銅を含む導体材料からなる配線層と、前記配線層間の電気絶縁性を確保するために、前記配線層間に形成される誘電体層とからなる多層基板であって、
前記誘電体層は、有機溶剤に、ガラス粉末と、無機絶縁物質と、エチルセルロース樹脂及びアクリル樹脂とを分散させた誘電体ペーストを非酸化雰囲気において焼成することによって形成されるものであり、
前記ペースト中における前記エチルセルロースの添加量が０．３〜０．８重量％であり、前記アクリルの添加量が０．２〜０．８重量％であるとともに、
前記ガラス粉末は、軟化点が８００〜８６０℃、熱膨張係数が６０〜７０×１０-7／℃のＢ2Ｏ3−ＳｉＯ2−ＰｂＯ−Ａｌ2Ｏ3系ガラス粉末であって、前記ペースト中の含有率が４５〜４９重量％であり、前記無機絶縁物質は、前記ペースト中の含有率が２７〜２９．５重量％の酸化アルミニウムと、前記ペースト中の含有率が１８〜１９．５重量％のジルコン酸カルシウムとからなることを特徴とする多層基板。
【請求項４】
前記誘電体ペーストは、窒素雰囲気において焼成されるものであることを特徴とする請求項３に記載の多層基板。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、窒素雰囲気等の非酸化雰囲気において焼成するのに適した誘電体ペースト及びそれを用いた多層基板に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、例えば図１に示すように、半導体装置に使用されるセラミック回路基板には、導体材料からなる配線層１２を２層以上の多層とし、配線層間を絶縁する絶縁材料として誘電体層１３を用いる多層厚膜基板がある。この多層厚膜基板は、導体ペーストを印刷、焼成することにより配線層１２を形成し、その後誘電体ペーストを印刷、焼成して誘電体層１３を形成するという工程を繰り返すことにより得られる。
【０００３】
このような多層厚膜基板においては、基板１の上に配線層１２が配置され、その上に誘電体層１３を介してさらに配線層１４が配置される構造となる。これら配線層１２，１４を形成するための導体材料としては、Ｃｕ系導体が稀に用いられる場合はあるが、一般にＡｇ系導体が多く用いられている。
【０００４】
ここで、Ｃｕ系導体は、配線抵抗が低いため配線幅を細くすることが可能であり、結果としてセラミック基板の小型化を達成できるとの利点がある。さらに、Ｃｕ系導体は耐体硫黄性等の耐環境性や耐マイグレーション性等の耐はんだ性も非常に優れている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、Ｃｕ系導体が導体材料として優れた特性を有しているにもかかわらず、多層厚膜基板の配線層を形成するための導体材料としては専らＡｇ系導体が用いられ、Ｃｕ系導体はほとんど用いられていない。その理由は以下に述べるような問題があるためである。
【０００６】
多層厚膜基板において、Ｃｕ系導体を配線層を形成するための導体材料として用いる場合、Ｃｕ系導体の酸化を避けるため、Ｃｕ系導体の焼成は例えば窒素雰囲気にて行う必要がある。さらに、Ｃｕ系導体ペーストを印刷焼成して形成した第１層目のＣｕ配線層１２の酸化を防止するため、誘電体層１３の形成も窒素雰囲気にて行う必要がある。
【０００７】
誘電体層１３は、ガラス粉末、無機絶縁物質、及び有機樹脂を有機溶剤に分散した誘電体ペーストを印刷乾燥した後、焼成して形成される。この誘電体ペーストを焼成するとき、通常、有機成分は分解消失し、ガラス粉末が溶融して無機絶縁物質とともに緻密な膜となり、第１層目のＣｕ配線層１２と第２層目のＣｕ配線層１４の間の層間絶縁膜を形成する。
【０００８】
上記有機樹脂は、誘電体ペーストの印刷を良好に行うために添加されるものであり、通常エチルセルロースが用いられる。
【０００９】
しかしながら、エチルセルロースは分解するために酸素を必要とするので、エチルセルロースを含む誘電体ペーストを窒素雰囲気で焼成した場合、３００〜６００℃で大部分は分解消失するが、一部は分解せず、ガラス粉末が溶融する７００〜９００℃の温度領域まで誘電体膜中に残る。このため、焼成後も炭素として誘電体膜中に残存したり、溶融したガラス粉末中の酸素と反応してガス化し、誘電体膜中に気孔を発生させたりする。その結果、誘電体膜の層間絶縁膜としての絶縁性が著しく劣化される。これが、Ｃｕ系導体が多層厚膜基板の配線層を形成するための導体材料としてはほとんど使用されていない理由である。
【００１０】
なお、Ａｇ系導体は、酸素雰囲気において焼成されても酸化されにくい性質をもっているので、Ａｇ系導体を用いた配線膜及び配線層間を絶縁する誘電体膜は酸素雰囲気において形成され得る。従って、エチルセルロースが誘電体膜中に残存するといった問題は発生せず、配線膜を形成するための導体材料として広く用いられているのである。
【００１１】
上記のような課題に対して、例えば特開平４−２０８５９８号公報には、窒素雰囲気中における誘電体ペーストの焼成による残炭や気孔の発生を低減するために、比較的低い温度領域において窒素雰囲気中に酸素を混入することが示されている。つまり、比較的低い温度領域において酸素を供給することにより、誘電体膜の焼成焼結前にエチルセルロースの分解を促進しようとしているのである。
【００１２】
しかしながら、この方法では、混入された酸素によって第１層目のＣｕ配線層１２が酸化されてしまい、Ｃｕ配線層１２のはんだ濡れ性が損なわれるという欠点があった。
【００１３】
本発明は、かかる従来の問題点を鑑みてなされたもので、非酸化雰囲気において焼成可能であり、焼成後において絶縁特性に優れた誘電体ペースト及びこれを用いた多層基板を提供することを目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載の誘電体ペーストは、ガラス粉末と、無機絶縁物質と、樹脂とを有機溶剤に分散させ、前記樹脂としてエチルセルロースとアクリルの両者を添加した誘電体ペーストであって、前記エチルセルロースの添加量が０．３〜０．８重量％であり、前記アクリルの添加量が０．２〜０．８重量％であるとともに、前記ガラス粉末は、軟化点が８００〜８６０℃、熱膨張係数が６０〜７０×１０-7／℃のＢ2Ｏ3−ＳｉＯ2−ＰｂＯ−Ａｌ2Ｏ3系ガラス粉末であって、前記ペースト中の含有率が４５〜４９重量％であり、前記無機絶縁物質は、前記ペースト中の含有率が２７〜２９．５重量％の酸化アルミニウムと、前記ペースト中の含有率が１８〜１９．５重量％のジルコン酸カルシウムとからなることを特徴としている。
【００１５】
エチルセルロースは、誘電体ペーストの印刷性を向上する。このため、誘電体ペーストを印刷する際、誘電体ペースト中にピンホールが発生することが防止される。但し、エチルセルロース単独で使用した場合には、誘電体ペーストの焼成時に上述したように完全に分解せず、誘電体膜中に炭素として残ったり、気孔を発生してしまう。
【００１６】
アクリル樹脂は、分解に酸素を必要とせず、例えば窒素中でも完全に分解することができる樹脂である。しかしながら、アクリル樹脂はエチルセルロースに比較すれば、印刷性が悪く、もし単独で使用された場合には、誘電体用膜の印刷時に、その膜中にピンホールが発生しやすくなる。このようなピンホールは誘電体ペーストの乾燥、焼成後も残ることになり、形成される誘電体膜の絶縁特性を劣化させる要因となる。
【００１７】
本発明では、エチルセルロース及びアクリルの両者を添加することにより、ピンホールの発生を抑えるに十分な印刷性を確保しつつ、酸素のない雰囲気であっても添加された樹脂の熱分解性を促進し、絶縁特性の良好な絶縁層（誘電体層）を形成できるようにしたものである。
【００１８】
さらに、エチルセルロースの添加量が０．３〜０．８重量％であり、アクリルの添加量は０．２〜０．８重量％とした。その理由は以下の通りである。樹脂がエチルセルロース単独のものであって、その添加量が１．０重量％以下であると、印刷性が確保できずピンホールが発生しやすくなり、絶縁特性が損なわれる場合がある。逆に、その添加量が１．０重量％を超えると、完全に熱分解せず焼成後の誘電体膜中に炭素として残ったり、気孔を発生させたりして、絶縁特性を損なうことになる。そのため、エチルセルロースの添加量としては、焼成後も誘電体膜に残って絶縁特性を損なわないよう、０．３〜０．８重量％とし、エチルセルロースの添加量を少なくしたことに伴う印刷性の低下を補うべく、アクリル樹脂を０．２〜０．８重量％添加するのである。
【００１９】
また、ガラス粉末はホウケイ酸鉛ガラスからなり、無機絶縁物質は酸化アルミニウムとジルコン酸カルシウムの少なくとも一方とする。より具体的には、ガラス粉末は、軟化点が８００〜８６０℃、熱膨張係数が６０〜７０×１０-7／℃のＢ2Ｏ3−ＳｉＯ2−ＰｂＯ−Ａｌ2Ｏ3系ガラス粉末であって、ペースト中の含有率が４５〜４９重量％であり、無機絶縁物質は、ペースト中の含有率が２７〜２９．５重量％の酸化アルミニウムと、ペースト中の含有率が１８〜１９．５重量％のジルコン酸カルシウムとから構成する。このような、ガラス粉末及び無機絶縁物質を用いることにより、緻密で電気絶縁性に優れた誘電体膜を形成することができる。
【００２０】
また、請求項３に記載したように、セラミック基板上に多層に形成される、銅を含む導体材料からなる配線層と、これらの配線層間の電気絶縁性を確保するために、配線層間に形成される誘電体層とからなる多層基板において、誘電体層を、有機溶剤に、ガラス粉末と、無機絶縁物質と、エチルセルロース樹脂及びアクリル樹脂とを分散させた誘電体ペーストを非酸化雰囲気において焼成することによって形成し、前記ペースト中における前記エチルセルロースの添加量が０．３〜０．８重量％であり、前記アクリルの添加量が０．２〜０．８重量％であるとともに、前記ガラス粉末は、軟化点が８００〜８６０℃、熱膨張係数が６０〜７０×１０-7／℃のＢ2Ｏ3−ＳｉＯ2−ＰｂＯ−Ａｌ2Ｏ3系ガラス粉末であって、前記ペースト中の含有率が４５〜４９重量％であり、前記無機絶縁物質は、前記ペースト中の含有率が２７〜２９．５重量％の酸化アルミニウムと、前記ペースト中の含有率が１８〜１９．５重量％のジルコン酸カルシウムとからなるようにすることによって、誘電体ペースト印刷時の印刷性に優れ、かつ焼成後は電気絶縁性に優れた誘電体層を備える多層基板を得ることができる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
【００２２】
図１は、本発明の実施の形態としての多層厚膜基板の構成を示している。図１に示されるように、セラミック基板１の上には、Ｃｕ系導体から形成された第１の配線層１２が配置されている。第１の配線層１２の上には、さらに絶縁層としての誘電体層１３を介して、Ｃｕ系導体から形成された第２の配線層１４が配置されている。このように、複数のＣｕ配線層１２，１４が誘電体層１３を介して積層されて、多層厚膜基板が構成される。
【００２３】
次に、この多層厚膜基板の製造方法について説明する。
【００２４】
上記第１及び第２の配線層１２，１４を形成するためのＣｕ系導体ペーストとして、Ｃｕ粉末と、セラミック基板１との接合強度を確保するためのガラス粉末及び無機酸化物粉末と、印刷性を付与するための有機樹脂（例えば、エチルセルロース）を有機溶媒に分散したものを用いる。このＣｕ系導体ペーストは、セラミック基板１上にスクリーン印刷により塗布される。その後、乾燥して所定のパターンを形成した後、窒素雰囲気下のピーク温度約９００℃のベルト炉で１時間ほど焼成して、Ｃｕ配線層１２を得る。
【００２５】
引き続き、誘電体層１３を形成するための誘電体ペーストとして、微細に粉砕されたガラス粉末、無機絶縁物質、有機樹脂成分としてエチルセルロースとアクリルとを有機溶剤に分散し、ペースト状としたものを用意する。
【００２６】
より詳しくは、エチルセルロースを０．３〜０．８重量％添加し、アクリルを０．２〜０．８重量％添加する。その理由は、エチルセルロースが、焼成後も誘電体膜に残って絶縁特性を損なわないよう、０．３〜０．８重量％の添加量とし、エチルセルロースの添加量を少なくしたことに伴う印刷性の低下を補うべく、アクリル樹脂を０．２〜０．８重量％添加するものである。
【００２７】
ガラス粉末としては、軟化点が８００〜８６０℃、熱膨張係数が６０〜７０×１０-7／℃のホウケイ酸鉛ガラス粉末であって、ペースト中の含有率が４５〜４９重量％である。無機絶縁物質としては、酸化アルミニウム粉末とジルコン酸カルシウム粉末の少なくとも一方を含むものを用いる。より具体的には、ペースト中の含有率が２５〜３５重量％の酸化アルミニウムと、ペースト中の含有率が１５〜２５重量％のジルコン酸カルシウムとから構成することができる。このような、ガラス粉末及び無機絶縁物質を用いることにより、緻密で電気絶縁性に優れた誘電体膜を形成することができる。また、有機溶剤としては、テルピネオールを用いている。
【００２８】
更に、最適組成としては、ガラス粉末として軟化点が８００〜８６０℃、熱膨張係数が６０〜７０×１０-7／℃のＢ2Ｏ3−ＳｉＯ2−ＰｂＯ−Ａｌ2Ｏ3系ガラス粉末であって、ペースト中の含有率が４５〜４９重量％であり、無機絶縁物質として、ペースト中の含有率が２７〜２９．５重量％の酸化アルミニウムと、ペースト中の含有率が１８〜１９．５重量％のジルコン酸カルシウムとを含むものが良い。
【００２９】
この誘電体ペーストは、図１に示すように、少なくともその一部がＣｕ配線層１２を覆うようにスクリーン印刷により塗布される。その後、乾燥して所定のパターンを形成した後、窒素雰囲気下のピーク温度約９００℃のベルト炉で１時間ほど焼成して、誘電体層１３を得る。
【００３０】
この印刷工程において、エチルセルロース及びアクリルの両者を添加しているので、良好な印刷性が保たれピンホールの発生が抑制される。また誘電体ペーストの焼成工程においては、熱分解性に劣るエチルセルロースの添加量が最小限に抑えられているため、誘電体膜中の炭素の残存、気孔の発生が抑制され、絶縁特性の良好な誘電体層が形成できる。
【００３１】
引き続き、Ｃｕ系導体ペーストが、少なくともその一部が誘電体層１３を覆うようにスクリーン印刷により塗布される。その後、乾燥して所定のパターンを形成した後、窒素雰囲気下のピーク温度約９００℃のベルト炉で１時間ほど焼成して、第２のＣｕ配線層１４を得る。このような工程を経て、図１に示す多層Ｃｕ厚膜基板を製造することができる。
【００３２】
図２に、ペースト中に添加する樹脂として、０．７重量％のエチルセルロースに対してアクリルの添加量を変化させて誘電体ペーストを作成し、それを印刷焼成して形成した誘電体層の耐電圧特性（絶縁特性）と誘電体ペースト印刷時のピンホール発生数を示す。
【００３３】
図２に示すグラフから、アクリルを添加することにより、印刷ピンホール発生数が減少し、かつ耐電圧特性が向上しているのがわかる。アクリルの添加量としては、０．２重量％から効果が現れ始めるが、本実施例においては、０．４重量％から０．８重量％の範囲が最適であった。
【００３４】
比較例として、樹脂材料としてエチルセルロースのみを用いた場合の耐電圧特性及びピンホール発生数に関する評価結果を図３に示す。
【００３５】
まず、エチルセルロースの添加量が１．０重量％以下であると、印刷性が確保できず多数のピンホールが発生する。その結果、焼成後の耐電圧特性が低下する。エチルセルロースの添加量が１．０重量％を超えると、ピンホールの発生数を低減することはできるが、窒素雰囲気中では完全に熱分解せず焼成後の誘電体膜中に炭素として残ったり、気孔を発生させたりして、やはり耐電圧特性が低下してしまう。
【００３６】
さらに、比較例として、樹脂材料としてアクリルのみを用いた場合の耐電圧特性及びピンホール発生数に関する評価結果を図４に示す。
【００３７】
アクリルは、印刷性に関してはエチルセルロースよりも劣っており、その添加量を増加してもピンホールの発生数を低減することはできない。従って、窒素雰囲気における焼成での優れた分解特性にも係わらず、誘電体ペーストの焼成後の耐電圧特性を十分に向上することができない。
【００３８】
本実施形態では、印刷性には優れるが窒素雰囲気における熱分解性の劣るエチルセルロースと、印刷性は劣るが窒素雰囲気での熱分解性に優れるアクリル樹脂を共に誘電体ペーストに添加した。そして、それらの添加量を最適範囲に調整することにより、ペースト印刷時の印刷性に優れ、かつ焼成後は絶縁特性に優れた誘電体膜を形成することができる。
【００３９】
この誘電体膜を、セラミック基板上に多層に形成されるＣｕ配線層間の絶縁膜として適用することにより、絶縁特性に優れた多層Ｃｕ配線層基板を得ることができるものである。
【００４０】
図５は、各種のアクリル樹脂Ａ〜Ｄの組成及び物性を示す表である。この表に記載されたアクリル樹脂Ａ〜Ｄ全てについて、エチルセルロースと共に添加して誘電体ペーストを作成した。その結果、どの誘電体ペーストも良好な印刷性を示すとともに、焼成における熱分解性も十分に満足できるものであった。その中でも、重量平均分子量が最も小さいアクリル樹脂Ａは、有機溶剤の量を少なくしても良好な印刷性を得ることができる（誘電体ペーストの粘度を低くできる）ので、特に好ましい材料である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態における多層厚膜基板の構成図である。
【図２】誘電体ペーストに添加する樹脂としてエチルセルロース及びアクリルの両者を混合した場合の、誘電体ペーストの印刷性及び焼成によって形成された誘電体膜の耐電圧特性を示すグラフである。
【図３】誘電体ペーストに添加する樹脂としてエチルセルロースのみを用いた場合の、誘電体ペーストの印刷性及び焼成によって形成された誘電体膜の耐電圧特性を示すグラフである。
【図４】誘電体ペーストに添加する樹脂としてアクリルのみを用いた場合の、誘電体ペーストの印刷性及び焼成によって形成された誘電体膜の耐電圧特性を示すグラフである。
【図５】各種のアクリル樹脂の組成及び物性を示す表である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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