JP2000312057A

JP2000312057A - 配線基板およびその製造方法

Info

Publication number: JP2000312057A
Application number: JP11120385A
Authority: JP
Inventors: Yasuhiro Sasaki; 康博佐々木; Shinya Terao; 慎也寺尾; Masaji Imabetsupu; 正次今別府
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 1999-04-27
Filing date: 1999-04-27
Publication date: 2000-11-07

Abstract

(57)【要約】【課題】絶縁基板に０．１ｍｍ以上の厚さを有する導体
配線層を設けても絶縁基板の熱膨張差によるクラックの
発生や導体配線層の剥離の発生がなく、熱抵抗の小さい
信頼性の高い導体配線層を有する配線基板を得る。【解決手段】Ａｌ₂Ｏ₃、ＡｌＮまたはＳｉ₃Ｎ₄を主
成分とするセラミック絶縁基板１の表面に、Ｃｕを主体
とする金属粉末と有機バインダを含有する混合物をシー
ト状に成形したヤング率が異なる複数の導体シートを絶
縁基板１と接する側から表面側にかけてヤング率が大き
くなるように積層圧着した後、熱処理して、導体配線層
２の該絶縁基板１と接する部分から導体配線層２の表面
にかけてヤング率が連続的または段階的に大きく、且つ
導体配線層２の絶縁基板１と接する部分のヤング率が７
０〜９０ＧＰａ、気孔率が５〜２５％となるように大電
流用の導体配線層２を形成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体素子が収容
搭載される半導体素子収納用パッケージや半導体素子の
他にコンデンサや抵抗体等の各種電子部品が搭載される
混成集積回路装置等やパワーモジュール基板等の導体配
線層に大きい電流が流すことが必要な配線基板およびそ
の製造方法に関するものである。

【０００２】

【従来技術】従来、半導体素子収納用パッケージや混成
集積回路装置等に用いられる多層配線基板としては、一
般にアルミナ質焼結体等の電気絶縁性のセラミック焼結
体から成る絶縁基板を用い、その上面の略中央部に設け
た凹部周辺から下面に、あるいはその内部及び表面に、
タングステン（Ｗ）、モリブデン（Ｍｏ）、マンガン
（Ｍｎ）等の高融点金属から成る複数の導体配線層を配
設すると共に、各導体配線層を絶縁基板内に設けた前記
同様の高融点金属から成るビアホール導体で接続した構
造を成している。

【０００３】しかしながら、前記従来の配線基板によれ
ば、導体配線層及びビアホール導体を形成するＷやＭｏ
の電気抵抗値が４〜８×１０^-6Ω・ｃｍと極めて高いこ
とから大きい電流を流す必要のある場合、具体的には、
パワーモジュール基板などに対しては、配線間の電気抵
抗値を小さくして大電流を流せることが要求されるよう
な配線基板、具体的には昨今の導体配線層のより低抵抗
化が望まれている、例えば、車載環境のような厳しい環
境下で使用される各種制御機器等をはじめとする用途に
は適用できなかった。

【０００４】そこで、配線基板における導体配線層の抵
抗値を低減して大きな電流を流せるようにするために、
厚膜法や無電解メッキ法によって低抵抗の銅（Ｃｕ）か
らなる導体配線層を形成することが行われていた。

【０００５】ところが、かかる導体配線層に対して大き
な電流を流すには、配線層の線幅を広くすることが行わ
れるが、配線の高密度化が要求されるなか、配線層の線
幅を広げることができず、しかも、厚膜法やメッキ法で
は、処理工程が煩雑となり、短時間に低コストで作製す
ることが困難であった。

【０００６】そこで、絶縁基板の表面や内部に配線用空
間部や溝を形成し、その空間部や溝内に低抵抗の銅（Ｃ
ｕ）等の低融点金属を厚く充填し、これを導体配線層と
することが特開平５−２１６３５号公報、特開昭６３―
１９４号公報などにて提案されている。

【０００７】また、高熱伝導性が要求されるパワーモジ
ュール基板等は、厚さが１００μｍ以上のＣｕやＡｌの
金属箔や金属板を銀ろう系、Ａｌろう系等のろう材で絶
縁基板に接着して導体配線層を形成したものが知られて
いる。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、Ｃｕか
らなる導体配線層の厚みが厚くなるに従い、導体配線層
とセラミック絶縁基板との熱膨張差に起因する熱応力が
発生し、特に導体配線層の端部の絶縁基板に応力が集中
し、その結果、絶縁基板にクラックを発生させたり、そ
のクラックが進展して他の導体配線層を断線したり、絶
縁基板の表面に形成された導体配線層が剥離して導体配
線層が断線する恐れがあった。

【０００９】このような導体配線層と絶縁基板との熱膨
張差に起因する応力の発生を緩和するために、セラミッ
ク絶縁基板に対して、気孔率が３０％程度のＡｌからな
る多孔質導体層を介して緻密な導体配線層を接合するこ
とが特開平９−３６２７７号公報などに提案されてい
る。

【００１０】かかる公報によれば、Ｃｕからなる導体配
線層および多孔質導体層を形成した場合、熱サイクル試
験で５０サイクル程度でセラミック基板に割れが発生し
ており、実用的なものではない。また、Ａｌを用いた場
合、Ａｌ自体のヤング率が低いためにクラックの発生が
低減されるものの、熱膨張係数が大きいために著しい熱
膨張を来し、導体配線層が形状変化を来すという問題が
ある。特に、導体配線層の表面にメッキ等を施した場合
には、メッキが剥がれるなどの問題があった。しかも、
多孔質導体層の形成は応力の緩和に対してはある程度の
効果があるが、通常、導体配線層の表面には、パワー系
素子などが搭載され、そのパワー系素子から発生した熱
を導体配線層を経由して放熱させる作用をなすが、気孔
率が３０％程度のＡｌ系の多孔質層では熱伝導性が非常
に低いために熱放散性を低下させてしまうという問題が
あった。

【００１１】さらに、かかる公報においては、多孔質導
体層をセラミック基板表面に焼き付け形成した後、圧延
して導電層の厚みと気孔率を調整するため、工程の増加
と管理が必要となり、コストアップにつながるという課
題もあった。

【００１２】本発明は、前記課題を解消せんとして成さ
れたもので、その目的は絶縁基板に０．１ｍｍ以上の厚
さを有する導体配線層を設けても、該導体配線層との熱
膨張差による絶縁基板のクラックの発生や導体配線層の
剥離の発生がなく、また熱抵抗の小さい信頼性の高い導
体配線層を有する配線基板と、それを容易に作製するた
めの製造方法を提供することを目的とするものである。

【００１３】

【課題を解決するための手段】本発明者等は、前記目的
を達成するために鋭意検討した結果、絶縁基板の表面に
形成される導体配線層を表面側から絶縁基板との接合面
に向かってヤング率が徐々に小さくなるように特性を傾
斜させることにより、熱膨張差による応力が効果的に低
減され、上記の目的が達成されることを見いだし、本発
明に至った。

【００１４】即ち、本発明の配線基板は、セラミック絶
縁基板の表面に、厚さ０．１ｍｍ以上のＣｕを主体とす
る導体配線層が形成されてなる配線基板であって、前記
導体配線層の前記絶縁基板と接する部分のヤング率が７
０〜９０ＧＰａであり、前記導体配線層の表面にかけて
ヤング率が連続的または段階的に大きくなることを特徴
とするものであり、前記セラミック絶縁基板が、Ａｌ₂
Ｏ₃、ＡｌＮまたはＳｉ₃Ｎ₄を主成分とすること、さ
らには，前記導体配線層の前記絶縁基板と接する部分の
気孔率が５〜２５％であることが望ましい。

【００１５】また、本発明の配線基板の製造方法は、セ
ラミック絶縁基板の表面に、Ｃｕを主体とする金属粉末
と有機バインダを含有する混合物をシート状に成形した
ヤング率が異なる複数の導体シートを、前記絶縁基板と
接する導体シートの熱処理後のヤング率が７０〜９０Ｇ
Ｐａであり、表面側にかけてヤング率が大きくなるよう
に、且つ熱処理後の総厚みが０．１ｍｍ以上となるよう
に積層圧着した後、熱処理することを特徴とするもので
あり、前記セラミック絶縁基板が、Ａｌ₂Ｏ₃、ＡｌＮ
またはＳｉ₃Ｎ₄を主成分とすること、さらには前記絶
縁基板と接する導体シートの熱処理後の気孔率が５〜２
５％であることが望ましい。

【００１６】

【作用】本発明の配線基板によれば、厚さが０．１ｍｍ
以上の大電流を印加するＣｕを主体とする導体配線層を
形成した場合、この導体配線層における絶縁基板と接す
る部分のヤング率を７０〜９０ＧＰａとし、また導体配
線層内においてヤング率が絶縁基板と接する部分から表
面にかけて連続的または段階的にヤング率が大きくなる
ようにすることによって、セラミック絶縁基板とＣｕを
主体とする導体配線層との熱膨張率の相違に起因する熱
応力が発生したとしても、その応力を導体配線層内で効
果的に緩和することができる。

【００１７】その結果、前記応力によってセラミック絶
縁基板のクラックが発生したり、導体配線層が絶縁基板
から剥離して導体配線層が断線することがなく、導体配
線層に対して大きい電流を流すことができるとともに、
導体配線層の信頼性を高めることができる。

【００１８】

【発明の実施の形態】以下、本発明の多層配線基板を図
面に基づき詳細に説明する。図１は、本発明の配線基板
の一実施例を示す概略断面図であり、図２は絶縁基板内
に導体配線層が埋設した配線基板の断面図である。

【００１９】図１において、複数の絶縁層１ａ〜１ｃが
積層されたセラミック絶縁基板１の表面には、厚さ０．
１ｍｍ以上のＣｕを主体とする金属からなる導体配線層
２が形成されている。また、絶縁基板１の内部や裏面に
も、導体配線層３が形成されており、導体配線層２、３
は、絶縁基板１の内部に形成されたビアホール導体４に
よって接続されている。

【００２０】このような配線基板において、本発明によ
れば、上記表面の導体配線層２の絶縁基板１と接する部
分のヤング率が７０〜９０ＧＰａであり、そのヤング率
が絶縁基板と接する部分から導体配線層２表面にかけて
段階的にまたは連続的に大きくなるような構造からなる
ことが大きな特徴である。

【００２１】このようなヤング率の傾斜構造において、
導体配線層２表面のヤング率は、導体配線層２を構成す
る主たる金属が有する理論的ヤング率に近似した値を有
することが望ましく、特に１００ＧＰａ以上であること
が望ましい。

【００２２】なお、導体配線層２の絶縁基板１との接合
部のヤング率が９０ＧＰａより大きいと、導体配線層２
が絶縁基板１と導体配線層２との熱膨張差によって発生
する熱応力を十分に吸収することができず、また７０Ｇ
ａより小さいと気孔率が大きくなるために導体配線層２
の電気抵抗、熱抵抗が大きなものとなり、配線層として
の性能を低下させてしまうためである。

【００２３】この導体配線層２におけるヤング率の傾斜
構造は、導体配線層２中の気孔率の比率によって制御で
き、気孔率が大きいほどヤング率が小さくなる。従っ
て、この導体配線層２は、言い換えれば、気孔率が表面
側から絶縁基板側に向かって徐々に増加する構造からな
る。

【００２４】この導体配線層２の気孔率は、導体配線層
２表面の気孔率は１％以下であることが望ましく、ま
た、絶縁基板との接合面では気孔率を５〜２５％とする
ことが望ましい。

【００２５】また、導体配線層２中の気孔は、直径が３
０μｍを越えると導体配線層２の単位体積当たりの密度
のばらつきが大きなものとなり、導体配線層２の電気抵
抗、熱抵抗に部分的に大きな部分が発生して半導体素子
と外部電気回路との電気的接続を良好に行うことができ
なくなるために、導体配線層２中の気孔の直径は３０μ
ｍ以下であることが望ましい。

【００２６】また、絶縁基板１は、アルミナ（Ａｌ₂Ｏ
₃）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、窒化珪素（Ｓｉ₃
Ｎ₄）等を主成分とするセラミックスであればいずれに
も適用できるが、高熱伝導性が要求されるパワーモジュ
ール基板ではＡｌＮを主成分とするセラミックスが望ま
しい。ＡｌＮを主成分とするセラミックスとしては、Ａ
ｌＮに対して、Ｙ₂Ｏ₃などの希土類元素酸化物および
／またはＣａＯなどのアルカリ土類元素の酸化物を合計
で０．５〜２０重量％の割合で添加したものが好適に用
いられ、特に８０Ｗ／ｍ・Ｋ以上、特に１００Ｗ／ｍ・
Ｋ以上の高熱伝導性を有することが望ましい。

【００２７】特に、導体配線層３を絶縁基板１と同時焼
成して形成する場合には、導体配線層３と絶縁基板１と
の同時焼成による回路の形成の容易性から絶縁基板はア
ルミナセラミックスからなるものが望ましい。

【００２８】また、ビアホール導体４は、タングステン
（Ｗ）やモリブデン（Ｍｏ）、レニウム（Ｒｅ）、コバ
ルト（Ｃｏ）等の高融点金属を主成分とするものが挙げ
られ、絶縁基板との熱膨張率の整合性及びコストの点か
らはＷ，Ｍｏが好適である。また、ビアホール導体４
は、電気的な接続のみならず、基板表面に実装されたパ
ワーＭＯＳＦＥＴ等の発熱性素子からの発熱を拡散させ
たり、ヒートシンクや導体配線層に伝熱するために形成
してもよい。

【００２９】次に、絶縁基板としてアルミナセラミック
スを用いた場合の本発明の配線基板の製造方法について
以下に説明する。まず、アルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃）に対し
て、焼結助剤としてシリカ（ＳｉＯ₂）、マグネシア
（ＭｇＯ）、カルシア（ＣａＯ）を０．５〜２０重量％
の割合で添加した原料粉末に周知の有機性バインダーと
有機溶剤、可塑剤、分散剤等を添加混合して調製した泥
漿を、周知のドクターブレード法やカレンダーロール法
等のシート成形法により成形したセラミックグリーンシ
ートにスルーホールを形成したり、０．１ｍｍ以上の厚
みの導体配線層を形成するための空洞部または溝部をマ
イクロドリル、レーザー、パンチングなどの手法によっ
て加工した後これを複数枚積層する。

【００３０】そして、スルーホール内に前述したような
高融点金属を含有する導体ペーストを充填するととも
に、そのグリーンシートの表面に内部導体配線層あるい
は表面導体配線層のパターンを導体ペーストのスクリー
ン印刷等によって形成する。そして、それらを複数層積
層して１５００〜１７００℃で焼成して配線基板素体を
形成する。

【００３１】次に、大電流を流すための厚さ０．１ｍｍ
以上の導体配線層を形成する。この大電流用の導体配線
層を形成するにあたり、まず、Ｃｕを主体とする金属粉
末と有機バインダを含有する混合物をプレス成形、ドク
ターブレード成形、圧延法によって厚みが５０〜１００
０μｍの導体シートを作製する。この時、用いる金属粉
末の粒径や粒度分布、焼き付け条件を調整することによ
りヤング率や気孔率の異なる導体シートを作製すること
ができる。

【００３２】そして、それらの導体シートを絶縁基板と
接する側から導体配線層表面側に向かってヤング率が大
きくなるような順序で積層する。なお、この時の絶縁基
板と接する導体シートを熱処理後のヤング率が７０〜９
０ＧＰａ、望ましくは気孔率が５〜２５％の導体シート
を配設する。そして、熱処理後の総厚さが０．１ｍｍ以
上となるように、絶縁基板表面に積層圧着した後、窒素
または還元雰囲気中で７００〜１０５０℃で焼き付け熱
処理することにより形成できる。

【００３３】このようにヤング率や気孔率が異なる導体
シートを上記のように積層して熱処理することにより、
隣接する導体シート間での界面でのヤング率や気孔率が
連続的に変化する組織が形成される。なお、気孔率やヤ
ング率の連続性を達成する上では、ヤング率の異なる導
体シートを０．１ｍｍ当たり３枚以上、特に４枚以上積
層して熱処理することが望ましい。

【００３４】

【実施例】次に、具体的に本発明の配線基板を以下のよ
うにして作製し、各種評価を行った。絶縁基板として、
（ａ）Ａｌ₂Ｏ₃粉末にＳｉＯ₂、ＣａＯおよびＭｇＯ
の粉末を合計で５重量％の割合で添加したＡｌ₂Ｏ₃組
成物、および（ｂ）ＡｌＮ粉末に、ＣａＯ０．５重量
％、Ｙ₂Ｏ₃５重量％を添加したＡｌＮ組成物の各
（ａ）（ｂ）の組成物にアクリル系の有機性バインダー
と可塑剤、溶剤を添加混合して泥漿を調整し、該泥漿を
ドクターブレード法により厚さ約３００μｍのシート状
に成形した。そして、このグリーンシートに対して大電
流用の導体配線層を形成するための溝をパターン状に形
成した。

【００３５】次いで、各セラミックグリーンシート表面
に一般導体配線層用として、Ｗを主成分とする導体ペー
ストを用いて厚さ２０μｍの所定の配線パターンを印刷
形成すると共に、スルーホールにもそのペーストを充填
した。

【００３６】そして、このセラミックグリーンシートを
複数枚積層後、還元雰囲気中で、（ａ）Ａｌ₂Ｏ₃系に
ついては１５００℃、（ｂ）ＡｌＮ系については、１７
５０℃でそれぞれ焼成し、縦６０ｍｍ、横１５ｍｍ、厚
さ２ｍｍの配線基板を作製した。

【００３７】次に、この配線基板の表面に大電流用の
０．６ｍｍの厚みを有する導体配線層を作製した。ま
ず、粒径の異なる複数の種類のＣｕ粉末に対して、それ
ぞれ有機バインダーを添加混合後、加圧成形にて導体シ
ートを作製した。

【００３８】各シートについて後述する条件で熱処理し
た後、ヤング率をＪＩＳ−Ｒ１６０１に準じて３点曲げ
試験法にて測定した。また、気孔率は、ＪＩＳ−Ｃ２１
４１に準じてアルキメデス法によって測定した。その結
果を、表１に示した。

【００３９】かくして得られた表１の導体シートを表２
の順序で積層し、所定のパターンに加工した積層シート
を、絶縁基板に形成した溝部に圧着した後、窒素雰囲気
中で１０００℃で熱処理して、表２に示すような種々の
厚みを有する大電流用の導体配線層を形成した。

【００４０】なお、比較として、厚さ０．１ｍｍ、０．
３ｍｍ、０．６ｍｍの均質体からなるＣｕ板を配線基板
にＣｕ系ロウ材を用いて接合した。

【００４１】かくして得られた前記評価用配線基板を用
いて、−６５℃と１５０℃の温度をそれぞれ１０分間加
える履歴を１サイクルとする冷熱サイクルを５００サイ
クルまで実施して液槽熱衝撃信頼性試験を行った。

【００４２】前記試験後、デジタルマイクロスコープを
用いて前記評価用の多層配線基板の絶縁基板と大電流用
の導体配線層の界面及び熱応力が最も集中する角部を外
観検査し、前記導体配線層のクラックや剥離、あるいは
絶縁層のクラック等の欠陥の有無を調査した。

【００４３】その後、前記評価用の多層配線基板の導体
配線層の中央部に直径が０．８ｍｍの銅線を半田で接合
し、１０ｍｍ／ｍｉｎの速度で引っ張り試験を行い、破
断モードと接合強度を測定した。

【００４４】一方、前記評価用の多層配線基板の導体配
線層の熱抵抗評価は、導体配線層と、スルーホールによ
り絶縁基板の他方の表面に導出した導体配線層との間
で、１００Ａを１分間印加して、基板の温度を測定し
た。ΔＴ値（印加直後の基板温度−雰囲気２５℃時の基
板温度）が６０℃以下なら○、６０℃よりも大きいもの
を×とした。

【００４５】

【表１】

【００４６】

【表２】

【００４７】表１、表２の結果から明らかなように、本
発明の試料Ｎo.２〜８，１４〜１６は、熱サイクル後に
おいてクラックの発生が全く認められず、導体配線層の
接合強度も１０ｋｇｆ以上と高く、また、熱抵抗が低く
１００Ａもの大電流にも充分対応可能であることが確認
できた。

【００４８】これに対して、導体配線層のヤング率を徐
々に変化させても基板側のヤング率が７０ＧＰａよりも
小さい試料Ｎo.１、１３では、熱抵抗が大きいものであ
った。また、基板側のヤング率が９０ＧＰａを越える試
料Ｎo.９、１７、ヤング率の順序がバラバラの試料Ｎo.
１２、１９、さらにＣｕ板を接合した試料Ｎo.１０、１
８では十分に熱応力を吸収できず、クラックの発生が認
められた。Ｃｕ板を気孔率３０％の多孔質導体層を介在
させた試料Ｎo.１１では、クラックの発生が認められる
とともに、熱抵抗が大きいものであった。

【００４９】

【発明の効果】以上詳述したように、本発明の配線基板
によれば、絶縁基板と導体配線層との熱膨張率の相違に
起因する熱応力がヤング率が傾斜した導体配線層によっ
て緩和されるために、熱応力によって絶縁基板のクラッ
クが発生したり、導体配線層が絶縁基板から剥離して導
体配線層が断線することがなく、導体配線層に対して大
きい電流を流すことができるとともに、導体配線層の信
頼性を高めることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の配線基板の一実施例を示す断面図であ
る。

【図２】導体配線層が埋設した配線基板の断面図であ
る。

【符号の説明】

１ａ〜１ｄ絶縁層１絶縁基板２，３導体配線層４ビアホール導体

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続きＦターム(参考） 4E351 AA07 AA09 AA19 BB01 BB23 BB24 BB30 BB31 BB35 CC12 CC19 CC23 DD04 DD17 GG03 5E346 AA02 AA04 AA15 AA25 AA29 AA35 BB01 BB15 CC17 CC19 CC32 CC35 CC36 DD12 EE31 EE35 EE38 FF18 GG03 GG06 GG09 GG10 HH11

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】セラミック絶縁基板の表面に、厚さ０．１
ｍｍ以上のＣｕを主体とする導体配線層が形成されてな
る配線基板であって、前記導体配線層の前記絶縁基板と
接する部分から前記導体配線層の表面にかけてヤング率
が連続的または段階的に大きく、且つ前記導体配線層の
前記絶縁基板と接する部分のヤング率が７０〜９０ＧＰ
ａであることを特徴とする配線基板。
【請求項２】前記セラミック絶縁基板が、Ａｌ₂Ｏ₃、
ＡｌＮまたはＳｉ₃Ｎ₄を主成分とすることを特徴とす
る請求項１記載の配線基板。
【請求項３】前記導体配線層の前記絶縁基板と接する部
分の気孔率が５〜２５％であることを特徴とする請求項
１記載の配線基板。
【請求項４】セラミック絶縁基板の表面に、Ｃｕを主体
とする金属粉末と有機バインダを含有する混合物をシー
ト状に成形したヤング率が異なる複数の導体シートを、
前記絶縁基板と接する側から表面側にかけてヤング率が
大きく、前記絶縁基板と接する部分の熱処理後のヤング
率が７０〜９０ＧＰａであり、且つ熱処理後の総厚みが
０．１ｍｍ以上となるように積層圧着した後、熱処理す
ることを特徴とする配線基板の製造方法。
【請求項５】前記セラミック絶縁基板が、Ａｌ₂Ｏ₃、
ＡｌＮまたはＳｉ₃Ｎ₄を主成分とする請求項４記載の
配線基板の製造方法。
【請求項６】前記絶縁基板と接する導体シートの熱処理
後の気孔率が５〜２５％であることを特徴とする請求項
４記載の配線基板の製造方法。