JPH0447476B2

JPH0447476B2 -

Info

Publication number: JPH0447476B2
Application number: JP61015154A
Authority: JP
Inventors: Yasuyuki Baba
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1986-01-27
Filing date: 1986-01-27
Publication date: 1992-08-04
Also published as: JPS62173797A

Description

【発明の詳細な説明】

産業上の利用分野本発明は、電子機器等に使用されるセラミツク
多層配線基板に関するものである。従来の技術従来、グリーンシート積層法によるセラミツク
多層配線基板に於ては、絶縁層にアルミナ、導電
配線材料にはタングステン、あるいはモリブデン
を使用し還元雰囲気で約1500〜1600℃の温度で焼
成を行つていた。最近では、低温焼成用材料とし
て、絶縁材料にガラス系材料やホウ酸チタンスズ
バリウム系材料（通称BSB）を用い、導電配線
材料には金、銀パラジウム、銅、ニツケルを使用
し1000℃以下で焼成できるセラミツク多層配線基
板の報告（エレクトロニク・セラミクス1985年３
月号）がされている。発明が解決しようとする問題点ところがアルミナ系の多層基板に於ては、アル
ミナとタングステンあるいはモリブデンの温度−
収縮曲線が似ている為に、基板の変形や反りのな
い多層基板が得られるが、焼成温度が高くかつ還
元雰囲気で焼成される為に焼成に要する工程費用
が高くついてしまう欠点を有している。また、よ
り高密度で多機能のセラミツク多層基板を得る為
に、回路内の受動素子である抵抗体、コンデンサ
等を各層内に形成する必要があるが、現状のアル
ミナ系多層基板では、焼成温度が1500〜1600℃と
高温の為、層内に同時に実用的な受動素子を形成
することは、技術的、コスト的に困難が大きいと
いう問題点がある。上記の問題点を解決する為
に、低温焼成セラミツク多層配線基板の開発が行
われている。しかしこの開発を進めるにあたり、
従来のアルミナ系多層基板では思いもよらぬ問題
点が存在する事がわかつた。第１の問題点として、基板材料と導電配線材料
の温度−収縮曲線が異なる為に多層基板の反り、
変形が生じてしまう事である。低温焼成用基板材
料の報告や特許出願が多くなされているが、この
最も重要な問題について詳細な報告はほとんどみ
られない。実際に実用化しようとした場合、セラ
ミツク組成を固定すると使用可能な導電配線材料
は限定される筈であり、逆に導電配線材料を固定
すると使用可能なセラミツク組成の範囲は限定さ
れる筈である。第２の問題点としては、最外層の導電配線材料
の半田ぬれ性である。電気回路用配線基板として
使用する場合、この問題も非常に重要であり、こ
れは導電配線材料の種類のみならず、セラミツク
基板の組成も半田ぬれ性に大きな影響を与える。
この詳細については後述するが、セラミツク基板
のある成分が最外層の導電配線材料に拡散してゆ
き、半田ぬれ性を阻害してしまう。従つて最外層
の導電配線材料の半田ぬれ性についても、セラミ
ツク組成と導電配線材料は相互に限定されてしま
う。また、半田ぬれ性を改善する為に、NiやCu
メツキを施したとしても、次の工程でRuO₂系の
抵抗ペーストを印刷し、空気中で850℃焼成を行
う為にメツキ部分は侵れてしまう。また、Auメ
ツキを施した場合にはコストは高くなり工程費用
も必要となつてしまう。第３の問題点として、高価な導電配線材料を使
用しなければならないという事である。第１表に
各種金属の相場価格を示す。

【表】 850℃〜1000℃で焼成できる導電配線材料とし
て安価なCu、Ni等の卑金属材料を使用すると、
これら卑金属材料は還元雰囲気が必要であり、工
程に於るランニングコストが高くつき、またアル
ミナ系多層基板の欠点で先述した様に抵抗やコン
デンサ等の受動素子を層内に形成しようとする
と、RuO₂系の抵抗では還元されてしまい抵抗体
としての機能を失う、現在報告されているコンデ
ンサもほとんど酸化物系のものである為に還元雰
囲気焼成ではコンデンサとしての機能を失つてし
まう。空気中で焼成可能な導電配線材料は貴金属
に多く、金、銀、銀パラジウム合金が使用可能で
あるが、金についてはコストが非常に高くコンピ
ユーター関係以外の一般電気機器にセラミツク多
層配線基板を採用しようとした場合、コストの面
で実用化されない場合が多い。また、貴金属の中
では安価なAgは、セラミツク基板中に拡散して
ゆき信頼性に劣る報告が数多くある。但し、この
時の信頼性はセラミツク組成やセラミツク絶縁層
の厚みに影響されることはいうまでもない。銀パ
ラジウム合金の場合、通常ハイブリツドICに使
用されているように、Agの含有量が重量比が70
％以上であれば、コスト、インピーダンス共に実
用化が可能である。以上の様に真に実用化しようとした場合、上記
問題点を全て解決する必要があり、本発明のセラ
ミツク多層配線基板は従来の問題点を全て解消す
るものである。問題点を解決する為の手段本発明のセラミツク多層配線基板は、セラミツ
ク絶縁層が、Al₂O₃45〜60重量％、SiO₂24〜33重
量％、B₂O₃2.4〜3.3重量％、Na₂O1.2〜1.65重量
％、K₂O0.8〜1.1重量％、CaO3.2〜4.4重量％、
MgO1.2〜1.65重量％、PbO7.2〜9.9重量％の組成
範囲で総量100重量％となるように選んだ組成物
であり、内部層の導電配線材料が、Ag70〜100重
量％、Pd0〜30重量％の組成範囲で総量100重量
％となるように選んだ組成物であり、最外層の導
電配線材料がAg70〜95重量％、Pd5〜30重量％
の組成範囲で総量100重量％となるように選んだ
組成物により構成されている。作用本発明のセラミツク多層配線基板は、空気中で
かつ例えば900℃という低温で焼成可能である為
に、従来のアルミナ系の多層基板と比較して焼成
工程が簡単でかつ省エネルギーが図れる。また、
本発明におけるセラミツク絶縁層を形成するセラ
ミツク組成物と導電配線材料との適合性は良く、
反り、変形のないセラミツク多層配線基板が得ら
れ、かつ最上層の導電配線材料は半田ぬれ性に優
れている。また導電配線材料のコスト、インピー
ダンス共に十分実用化しうるものである。実施例第１図は、本発明のセラミツク多層配線基板の
一実施例を示す一部切欠斜視図であり、１ａ，１
ｂ，１ｃ，１ｄはセラミツク絶縁層、２は内部導
電層、３は外部導電層であり、これらの配置には
何らの特徴はないものである。第２表に今回実験
に使用した３種類のガラス粉末Ａ，Ｂ，Ｃの組成
を示す。（単位は重量％）

【表】第３表には、基板のセラミツク組成と多層配線
基板としての評価結果を一覧表にして示す（組成
の単位は重量％）。

【表】

【表】第２表に示されているセラミツク組成は、第２
表に示した平均粒径が約2μｍのガラス粉末Ａ，
Ｂ，Ｃに、平均粒径が約1.8μｍのアルミナを混合
したもので、第３表中の試料番号１〜５の組成は
ガラス粉末Ａとアルミナを混合した系で、例えば
試料番号１のセラミツク組成はガラス粉末Ａとア
ルミナを重量比で60対40に混合したものである。
同様に、試料番号６〜10については、ガラス粉末
Ｂとアルミナを混合した系で、試料番号11〜15に
ついてはガラス粉末Ｃとアルミナを混合した系で
ある。第３表に示す評価項目の中で、内部導体との適
合性については、第３図に示すように８mm巾の内
部導体層２が２mmの間隔をもつて形成された70mm
×35mm×0.25mmのグリーンシート４を５枚積層し
た試験サンプルを作成し、第２図に示す焼成プロ
フアイルにより空気中で焼成を行い、セラミツク
多層基板の反り、変形について評価を行つた。こ
の時使用した内部導体層２は、金属成分が重量比
でAg／Pd＝100／０、95／５、90／10、80／20、
70／30の５種類であり、これら５種類の全ての内
部導体との適合性に満足するセラミツク組成に○
の評価を与え、たとえ１種類の内部導体とも適合
しないセラミツク組成は×の評価を与えた。第４図イ，ロ，ハに、第３表中のセラミツクの
試料番号３，８，11とAg100％の適合性を示す。
適合性の悪い組合せでは、第４図ハの如く基板は
変形する。第３表に示す評価項目の中で、半田ぬ
れ性については各セラミツク組成のグリーンシー
トに、金属成分が重量比で、Ag／Pd＝95／５、
90／10、80／20、70／30の導体ペーストを印刷、
乾燥し、これらのグリーンシートを積層圧着後、
第２図に示す焼成プロフアイルにて焼成を行い、
得られた基板を260℃の半田槽に約２秒浸漬して
最外層導体の半田ぬれ性を試験した。上記４種類
の導体表面の全面に半田がついているセラミツク
組成には○の評価が与え、たとえ上記１種類の導
体表面の全面に半田がついていなければ×の評価
を与えた。実験の結果からセラミツク組成の試料番号１〜
４のみ著しく半田付性が悪かつた。この原因を調
べる為に、試料番号３と８について、最外層導体
として金属成分が重量比でAg／Pd＝80／20を使
用した時の最外層導体の表面元素分析をオージエ
分析法にて行つた。その結果を第５図、第６図に
示す。第５図は、セラミツク組成の試料番号３と
Ag／Pd＝80／20の組合せで、Ag／Pdの表面分
析を行つた結果を示すチヤート図である。第６図
は、セラミツク組成の試料番号８とAg／Pd＝
80／20の組合せで、Ag／Pdの表面分析を行つた
結果を示すチヤート図である。いづれもスパツタ
リング速度は150〓／MiNで分析を行つたので、
第５図、第６図共にＸ軸のスパツタリング時間が
10分の所はAg／Pdの表面から1500Åの深さであ
ることを示す。第５図と第６図を比較すると大き
な違いがあることに気づく。第５図ではAg／Pd
の表面にはSiO₂が多量に存在し、O₂の量も多い
事が判る。第６図ではAg／Pdの表面部にSiが存
在するが、表面から1500Åの深さの部分には
SiO₂が存在しない事が判明した。また、これら
のAg／Pd表面の電子顕微鏡写真（倍率4000倍）
を第７図、第８図に示す。第７図は、セラミツク組成の試料番号３と
Ag／Pd＝80／20（重量比）の組合せで、Ag／Pd
の表面の電子顕微鏡写真（倍率4000倍）であり、
第８図はセラミツク組成の試料番号８とAg／Pd
＝80／20（重量比）の組合せで、Ag／Pdの表面
の電子顕微鏡写真（倍率4000倍）である。第７図
と第８図を比較すると顕著な差がある事が判る。
第７図では、Ag／Pdの表面にガラス質のような
物が全体を覆つているようにみえるが、第８図で
はAg／Pd粒子しか確認できない。これは、セラ
ミツク組成の試料番号３すなわち、ガラスＡ系の
組成ではセラミツク基板中の非晶質のガラスが
Ag／Pd内に拡散して半田ぬれ性を阻害している
ものと考えられる。以上の様に、セラミツク基板の組成は最外層導
体の半田ぬれ性に大きな影響を与える。表２に示す評価項目の中で、層間の信頼性の評
価に使用した試験サンプルは、焼成後に約200μ
の厚みのセラミツク絶縁層の両側に約２cm×２cm
の面積で対向電極が形成されるように作成した。
この時使用した対向電極の材料は金属成分が重量
比でAg／Pd＝100／０、95／５、90／10、80／
20、70／30の計５種類で、１つのセラミツク組成
について上記５種類の電極材料にて試験を行つ
た。試験方法は、対向電極に100Vの電圧を加え
試験サンプルを85℃、85％RHの環境下に1000時
間放置した後、室内にサンプルを戻し、対向電極
に50V印加して絶縁抵抗を測定する。このとき、
１つのセラミツク組成に対し上記５種類の電極材
料の組合せで、絶縁抵抗値が全て10¹⁰Ω以上のセ
ラミツク組成には○の評価を与え、たとえ１つの
電極材料について絶縁抵抗が10¹⁰Ωを下回ると、
そのセラミツク組成には×の評価を与えた。以上、実験結果をまとめてみるとセラミツク多
層配線基板として実用可能なセラミツク組成はセ
ラミツク組成の試料番号６〜９の範囲内である。発明の効果以上のように、本発明のセラミツク多層配線基
板は空気中で、例えば900℃という低温で焼成で
きる為に省エネルギーが図れ、かつ抵抗やコンデ
ンサ等の受動素子を内蔵できる可能性をもち、焼
成後に基板の反りや変形がなく、最外層導体の半
田ぬれ性も良好である。また、内部層導体に
Ag100％を使用しても層間に於るAgのマイグレ
ーシヨンはなく、導体の電気抵抗が低いために高
信頼性かつ低コストのセラミツク多層配線基板を
提供できる実用上きわめて有用なものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明のセラミツク多層配線基板の
一実施例の一部切欠斜視図、第２図は、セラミツ
ク多層配線基板の焼成プロフアイルを示す図、第
３図は、セラミツク組成と内部導体との適合性を
評価する為の評価用サンプルの斜視図、第４図
は、セラミツク組成と内部導体の適合性を評価し
た結果の一例を示す平面図、第５図は、半田ぬれ
性の悪いAg／Pd表面のオージエ分析結果を示す
図、第６図は、半田ぬれ性の良いAg／Pd表面の
オージエ分析結果を示す図である。１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄ……セラミツク絶縁
層、２……内部導体、３……最外層導体、４……
グリーンシート。

Claims

【特許請求の範囲】１セラミツク絶縁層が、Al₂O₃45〜60重量％、
SiO₂24〜33重量％、B₂O₃2.4〜3.3重量％、
Na₂O1.2〜1.65重量％、K₂O0.8〜11重量％、
CaO3.2〜4.4重量％、MgO1.2〜1.65重量％、
PbO7.2〜9.9重量％、の組成範囲で総量100重量
％となるように選んだ組成物であり、内部層の導
電配線材料の金属成分が重量比でAg／Pd＝
100／０〜70／30、最外層の導電配線材料の金属
成分が重量比でAg／Pd＝95／５〜70／30の組成
範囲となるように選んだ組成物によつて構成され
ることを特徴とするセラミツク多層配線基板。２内部層の導電配線材料がAg100重量％である
ことを特徴とする特許請求の範囲第１項に記載の
セラミツク多層配線基板。