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1. JP1989501465 - 純粋なアルミナと共に焼結するのに用いられるタングステンペーストおよびその製造方法

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[ JA ]
【発明の詳細な説明】
記載
本発明は集積回路のセラミックパッケージに関し、特に、集積回路パッケージを製造するためにアルミナ含有率の高い粉末と共に焼結できるタングステンペーストの組成物に関する。
技術的背景
セラミックは集積回路パッケージの基板として電子装置において広く用いられている。メタライジングされた回路パターンがセラミック基板上に付着され、セラミックとメタライジング部分が共に焼結されて基板と回路の一体物が造られる。多層回路パッケージを造るにはセラミック粒子と有機の結合剤を組み合わせて未焼成のすなわち「グリーン」のテープにする。「バイアス」として知られている中間層の伝導性通路がその後、層に挿入される。そしてこれは層が積み上げられ処理された後の各層回路間の電気的インターコネクションを形成する。その後メタライジングされた回路パターンが造られる。このテープ層の厚さは一般的に5乃至25ミルである。層には穴および切り欠きが必要に応じて造られる。印刷されたテープ層が何枚も重ねられ、その後圧力下に積層物とされる。そしてセラミックとメタライジング部分は共に焼結されて3次元回路の一体構造物となる。
一般的に、基板は約90乃至94%の市販アルミナと6乃至10%のケイ素を基本とするガラスの組み合わせから形成される。そしてタングステンまたはモリブデン/マンガンのペーストがメタライジングされた伝導性の通路(conductive paths)を形成するのに用いられる。タングステンのアルミナへの結合を強固にし、98+%の市販アルミナの時よりも低温度においてアルミナの焼結を可能にするためにこのガラスが添加される。従来技術の100%タングステンのペースト配合においては、タングステンとアルミナ粒子の接着を容易にするために、ガラス成分がアルミナ基板中に用いられる。焼成すると、ガラス成分がタングステン層に移動して、ペースト成分と基板の界面接着をもたらす。この従来技術に配合から造られる回路パッケージは誘電率が約9乃至9.5、熱伝導率が20℃において約0.045calcm/cm 2sec℃(99.5%アルミナの0.85calcm/cm 2sec℃に対比される)であり、収縮の変動性は0.5%乃至1.0%であって表面仕上は25マイクロインチより大である。このような基板の特性は従来の半導体パッケージには許容されてきたが高性能の大規模集積回路には適切でない。
パッド(pads)やバイアスのような回路機構(circuitfeatures)のサイズが減少するにつれて表面仕上がますます重要となる。薄膜メタライジング法による微細電子回路においては導体の厚さは数ミクロン(1ミクロン=40マイクロインチ)程度までにも微小にできる。そのため基板が従来技術では一般的である25マイクロインチの表面仕上であるならば、導体の通路(conductor path)はその長さに沿って厚さが大きく異なり、あるいは不連続にすらなることもあり得る。そのために機能的な劣化をもたらす。したがって、表面仕上が粗いことは薄膜メタライジング法による焼成後の回路形成を妨げる。
さらに焼成後(as−fired)の表面の気孔性は、特にそれが表面の粗さと結び付く時に、メッキ用塩類の滞留の問題を生じる。メッキが希望しない所に沈積するのを避けるためと、焼成時のふくれを避けるために強力な清浄化が必要である。もっと平滑であって、気孔が無いことは活性のより強い触媒の使用を可能とし、それが結局、無電解メッキ操作の製品歩止りを増す。
収縮の変動性の軽減もまた機構(feature)のサイズの減少とともに特に重要である。収縮の変動性が従来の技術の0.5乃至1%のレベルから減ると歩止りが増す。これは、収縮の変動性が、集積回路のパッド、バイアスおよび他のデバイスのインターコネクションの正確な位置決めを妨げ、そのため製品の廃却を余儀なくする不連続の発生確率を増すからである。収縮変動性の減少に対するニーズは基板メーカーと基板消費者の両方に存在しており、基板消費者はデバイスおよびインターコネクションの正確な位置決めを必要としており、また少数の特殊な場合として、薄膜メタライジングによる信頼性のある回路形成を必要としている
したがって必要な誘導特性および電気特性を保持しながら、熱伝導率がより大であり、収縮変動性がより少なく、かつ表面仕上のより良好な基板/メタライジングの系(system)に対するニーズが存在する。
発明の開示
我々は0.3乃至1μmの平均粒度を有するアルミナ粒子を98%以上含むアルミナ基板を、選択された組成のガラスが加えられたタングステンペーストと組み合わせて用いることによって回路パッケージが製造できることを発見した。本発明に基づいて製造された回路パッケージは、すぐれた熱伝導率と、低い収縮変動性、およびより平滑で、より均一な表面の仕上を示す。大きさのより狭い範囲のアルミナ粉末を用いることによって、収縮と表面仕上に関するパラメーターはなお、さらに改善され、かつ焼結温度は低くなる。さらに本発明の詳細と具体例を以下に示す。
特定態様の説明
98+%のアルミナと共に焼結させるのに適したタングステンペーストが、選ばれた組成のガラスをタングステンペーストに加えることによって製造できることを発見した。本発明の好ましい態様では平均粒度が約0.3から1.0ミクロンまでの範囲内であり、標準偏差が平均値の約50%である大きさの範囲の狭いアルミナ粒子を用いる。大きさの範囲の狭いアルミナ粒子を使用することは低温における焼結を可能にする。すなわち一般に市販されている大きさの範囲の広いアルミナ粒子の場合の1600乃至1700℃に対し1500乃至1550℃であるのが通常である。さらに、大きさの範囲の狭いアルミナの場合、アルミナにガラスを加えなくてもこのような低い焼結温度が得られるが熱伝導率の低下を伴なう。我々は98+%のアルミナは粒子の大きさに関係なく90%アルミナより大幅に高い熱伝導率を示すことを見出した。20℃におけると、92%と99.5%アルミナの熱伝導率はそれぞれ0.045と0.085calcm/cm 2sec℃である。大きさの範囲の狭いアルミナ粒子を使用することはまた未焼成物の密度をより均一にすること可能にし、98+%比において、薄膜の沈着に適したすぐれた表面仕上を有する焼成セラミックをもたらす。これに反して、大きさの範囲の広い90乃至94%のアルミナおよび6乃至10%のガラスから造られた代表的従来技術の基板を薄膜施工に用いるにはみがきが必要であり、これはコストを増し、空隙を生ずる。
98+%のアルミナ基板を使うと、従来技術で一般に行なわれているタングステンメタライジングが実施できない。そしてこのメタライジングは一般的に有機溶剤、ポリマーの結合剤、およびタングステン粉末から成る。これに対して、本発明の好ましい態様では、表面メタライジングを行なうにあたり一般的に、平均粒度が約0.5乃至2.0ミクロンのタングステン粒子をエチルセルロース溶液と混合すること、およびその混合物に、次の化合物:酸化カルシウム(CaO)、酸化バリウム(BaO)、酸化マグネシウム(MgO)、アルミナ(Al 2O 3)およびシリカ(SiO 2)の中の一つ以上のものが選択された比になっているアルカリ土類アルミノケイ酸塩粉末を加えることから成る工程を用いる。ガラスの成分の重量比は次の通りであるのが好ましい。アルカリ土類10乃至38%、アルミナ10乃至52%、そしてシリカ10乃70%であるが、他の比も可能である。焼成時、ガラスはアルミナ本体に流れ込み、それが結合相とある。特に、ガラスがタングステンとアルミナ間の境界領域に止まることが望ましい。もしガラスがもっと広い範囲に基板中に移動するならば、タングステンの結合は悪い影響を受ける。ガラス成分の組成と割合は、ガラスの融点と粘度特性を調節してメタライジング部のセラミックへの接着を最大にするように調整される。約5乃至35容量%のガラスが焼成済みのメタライジング部に見られるのが一般的である。しかしこの範囲外のガラスの割合を使うことも可能である。得られる混合物は粉砕され、98+%の、大きさの範囲の狭いアルミナ粒子から成る未焼成テープに薄い層状に付着(apply)させる。
本発明に基づくフィル経由(via fill)の配合においては、一般的に、大きさが0.5乃至4.0ミクロンの範囲のタングステン粒子をエチルセルロースまたはポリビニルブチラール溶液と共に用い、この混合物にアルカリ土類アルミノケイ酸塩粉末(上記の)を加える。さらに、メタライジング部の収縮および熱膨張特性を調節するために、アルミナおよびジルコニアを加えることができる。フィル経由の用途に対しては一般的に、焼成済みメタライジング部は40乃至80容量%のタングステン、25乃至10容量%のアルミノケイ酸塩ガラスおよび50乃至20容量%のアルミナ及び/又はジルコニアを含有する。
フィル経由(via fill)または表面メタライジングの何れの場合も、テープ/ペースト複合体はそれから、1450℃と1550℃の間の温度で、解離アンモニアと窒素(50%H 2と50%N 2)雰囲気中、しかも15乃至45℃の範囲の露点の水蒸気雰囲気中で焼成される。その代わりとして、ペーストとアルミナ基板から成る層を多数積層させ、共に焼結させて、3次元の導体系を持つセラミックの一体物を造ることができる。
ニッケル、コバルト、パラジウム、ニオブ、イットリウム、マンガン、およびチタニアのようなこの技術分野で知られているタングステン焼結助剤を加えてもよい。一般的に約0.02重量%のコバルトまたはパラジウム、あるいは0.02乃至0.10重量%のニッケルが用いられる。これらの金属不純物は活性な液体相を形成して焼結を容易にする。また、より微細な粒子を用いることおよびペースト混合物にする前にタングステン粉末を予備還元する(酸化物成分を除去しながら)ことによって焼結が促進される。焼結を改良することによって、密封性すなわちアルミナ本体からのガスの密封性およびメタライジング部との結合力が大となる。
本発明がタングステンの代わりにモリブデンを用いることができ、従来技術の配合物の場合に一般に用いられるよりも低い温度で共に焼結できることは評価される。本発明に基づくペースト配合物は同共焼成の用途および/または焼成後の用途に適している。さらに、本発明が、同時焼成には1450から1550℃までの範囲の、そして焼成後の場合には1660℃程度の焼結温度を持つ、アルミナ以外の基板と組み合わせて用いられるということは評価される。このような基板には、例えば、ベリリア、ジルコニア、アルミナ系複合物、窒化アルミニウムおよび窒化ケイ素が含まれる。さらに、本発明に基づくペースト配合物においてアルカリ土類アルミノケイ酸塩以外のガラスが十分に用いられることも評価されるべきであり、その主な基準は焼成時に、ガラスが金属とセラミック基板の両方を湿らしかつこれらの物質と不都合な反応を起こさないことである。他の適切なガラスにはアルミン酸塩がある。
以下の実施例により本発明を説明する。
実施例1
平均粒度が1乃至2ミクロンのタングステン粉末67重量部と、8%エチルセルロース溶液33重量部を混合した。この混合物に、酸化マグネシウム(MgO)が14.0%、アルミナ(Al 2O 3)が33.7%、シリカ(SiO 2)が52.3%の組成のMgO/Al 23 O 3/SiO 2粉末を、混合物中のタングステンの量を基準にして37容量%加えた。この混合物をタングステンカーバイドショット(shot)の入っているセラミックの粉砕容器内で2時間ブレンドした。それからこの混合物を、1.5ミルのローラー間隔で、3ロールのインキ練り機(ink mill)に3回通した。99+%のアルミナ未焼成テープ上にサンプルをスクリーン印刷し、露点34℃の50:50H 2/N 2雰囲気中で2時間、1475乃至1550℃のピーク温度で焼成した。線幅10ミルと20ミルの表面模様(surface traces)に対する体抵抗率(bulk resistivities)の測定値は0.010ミリオーム/インチであった。
実施例2
平均粒度が1乃至2ミクロンのタングステン粉末67重量部と、8%エチルセルロース溶液33重量部を混合した。この混合物に、酸化マグネシウムが16.3%、アルミナが29.1%、シリカが54.6%の組成のMgO/Al 2 O 3/SiO 2粉末を、混合物中のタングステンの量を基準にして37容量%加えた。この混合物をタングステンカーバイドショットの入っているセラミックの粉砕容器内で2時間ブレンドした。それからこの混合物を、1.5ミルのローラー間隔で、3ロールのインキ練り機に3回通した。99+%のアルミナ未焼成テープ上にサンプルをスクリーン印刷し、露点34℃の50:50H 2/N 2雰囲気中で2時間、1475乃至1550℃のピーク温度で焼成した。線幅10ミルと20ミルの表面模様に対する体抵抗率の測定値は0.010ミリオーム/インチであった。
実施例3
平均粒度が1乃至2ミクロンのタングステン粉末67重量部と、8%エチルセルロース溶液33重量部を混合した。この混合物に、酸化マグネシウムが16.3%、アルミナが29.1%、シリカが54.6%の組成のMgO/Al 2 O 3/SiO 2粉末を、混合物中のタングステンの量を基準にして37容量%加えた。この添加の後に、25mlの硝酸に溶解したニッケル0.02重量%をこの混合物に加えた。この混合物をタングステンカーバイドショットの入っているセラミックの粉砕容器内で2時間ブレンドした。それからこの混合物を、1.5ミルのローラー間隔で、3ロールのインキ練り機に3回通した。99+%のアルミナ未焼成テープ上にサンプルをスクリーン印刷し、露点34℃の50:50H 2/N 2雰囲気中で2時間、1475乃至1550℃のピーク温度で焼成した。線幅10ミルと20ミルの表面模様に対する体抵抗率の測定値は0.010ミリオーム/インチであった。
実施例4
平均粒度が1乃至2ミクロンのタングステン粉末67重量部と、8%エチルセルロース溶液35重量部を混合した。この混合物に、酸化カルシウム(CaO)が29.3%、アルミナが39.0%、シリカが31.7%の組成のCaO/Al 2 O 3/SiO 2粉末を、混合物中のタングステンの量を基準にして35容量%加えた。この混合物をタングステンカーバイドショットの入っているセラミックの粉砕容器内で2時間ブレンドした。それからこの混合物を、1.5ミルのローラー間隔で、3ロールのインキ練り機に3回通した。99+%のアルミナ未焼成テープ上にサンプルをスクリーン印刷し、露点34℃の50:50H 2/N 2雰囲気中で2時間、1475乃至1550℃のピーク温度で焼成した。
実施例5
平均粒度が1乃至2ミクロンのタングステン粉末65重量部と、8%エチルセルロース溶液35重量部を混合した。この混合物に、酸化カルシウムが39.7%、アルミナが52.3%、シリカが10.0%の組成のCaO/Al 2 O 3/SiO 2粉末を、混合物中のタングステンの量を基準にして35容量%加えた。この混合物をタングステンカーバイドショットの入っているセラミックの粉砕容器内で2時間ブレンドした。それからこの混合物を、1.5ミルのローラー間隔で、3ロールのインキ練り機に3回通した。99+%のアルミナ未焼成テープ上にサンプルをスクリーン印刷し、露点34℃の50:50H 2/N 2雰囲気中で2時間、1475乃至1550℃のピーク温度で焼成した。
実施例6
平均粒度が1乃至2ミクロンのタングステン粉末65重量部と、エチルセルロース溶液35重量部を混合した。この混合物に、酸化カルシウムが15.2%、酸化マグネシウムが8.6%、アルミナが16.6%、シリカが59.6%の組成のCaO/Al 2 O 3/SiO 2粉末を、混合物中のタングステンの量を基準にして35容量%加えた。この混合物をタングステンカーバイドショットの入っているセラミックの粉砕容器内で2時間ブレンドした。この混合物をその後、1.5ミルのローラー間隔で、3ロールのインキ練り機に3回通した。99+%のアルミナ未焼成テープ上にサンプルをスクリーン印刷し、露点34℃の50:50H 2/N 2雰囲気中で2時間、1475乃至1550℃のピーク温度で焼成した。
実施例7
金属/セラミック複合体64重量部と有機媒介物36重量部を混合した。この複合体は容量でタングステン36.8%、アルミナが29.4%、シリカが26.4%、そしてCaO/Al 2 O 3/SiO 27.4%から成り、CaO/Al 2 O 3/SiO 2の組成は重量で酸化カルシウム23.1%、アルミナ41.2%、シリカ35.7%であった。有機の媒介物は10重量部のエチルセルロース、4重量部の湿潤剤、および86重量部の溶剤から成っていた。この混合物を、タングステンカーバイドショットの入っているセラミックの粉砕容器内で2時間ブレンドした。この混合物をその後、1.5ミルのローラー間隔で、3ロールのインキ練り機に3回通した。99+%のアルミナ未焼成テープ上にサンプルをスクリーン印刷し、露点34℃の50:50H 2/N 2雰囲気中で2時間、1475乃至1550℃のピーク温度で焼成した。