JP2001102476A - セラミックス基板およびその製造方法 - Google Patents
セラミックス基板およびその製造方法Info
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Abstract
ファインクラックの発生を防止し、品質を向上させたセ
ラミックス基板を得るとともに、低コスト化および量産
化できるセラミックス基板の製造方法を得る。 【解決手段】加工部を有するセラミックス基板におい
て、加工部近傍に存在するファインクラックに液相成分
が充填されていることを特徴とする。
Description
路基板に適用される窒化アルミニウム(AlN)焼結体
または窒化ケイ素(Si3N4)焼結体からなるセラミ
ックス基板およびその製造方法に関するものである。
ルミニウム(AlN)基板、窒化ケイ素(Si3N4)
基板などの高熱伝導性のセラミックス基板が製造されて
きた。これらのセラミックス基板には、孔または溝など
の加工部が形成される。例えば、加工部は、貫通孔(ス
ルーホール)または多個取りで孔加工によって形成され
る側面の凹形状部分等の孔形状を有する。この加工部に
は、通常セラミックス基板の表裏面を電気的に導通させ
る目的で、厚膜、薄膜などのメタライズ処理が施されて
いる。
技術として、セラミックス基板の焼成後に加工部を形成
する方法と、セラミックス基板の焼成前に加工部を形成
する方法とが挙げられる。
研磨、またはレーザによる方法などがある。
て、寸法精度の面において優れているものの、硬くても
ろいセラミックスを精度良く加工するためには、装置、
治工具、インデックス(加工時間)などに付加がかか
り、量産性に優れているとはいえない。
少量他品種に対応する加工自由度においては優れている
が、孔形状がストレートではなく加工面から裏面に向か
って孔形が小さくなるという、レーザ加工特有の欠点が
ある。
/mk程度以上の高熱伝導性を有する窒化アルミニウム
(AlN)基板を適用した場合には、熱が拡散しやす
く、熱伝導率が高いほど加工部形成に要求される電力が
高くなり、コスト低減を図ることが難しいという問題が
あった。
板などの高熱伝導性を有するセラミックス基板では、焼
成前に加工部を形成する方法が適用されている。これ
は、焼成前のグリーンシートの状態でパンチング・プレ
ス型により加工部を形成するものである。この方法によ
れば、グリーンシートの量産性が優れているため、セラ
ミックス基板の量産化が可能である。
ンシートに加工部を形成する方法では、孔加工後に脱脂
工程および焼成工程を施すため、寸法精度や表面状態を
制御するために、例えば、表面粗さ設定値以下にする等
の表面処理、すなわち後加工処理を行う必要がある。こ
のため、後加工処理を行った場合には、既にあけられた
孔部分にダメージが加わり孔加工エッジ部分よりファイ
ンクラックが発生してしまう。これにより、最終的な接
合処理の接合強度等の特性が劣化し、品質が低下してし
まうという問題を有していた。
導率が高くなれば高くなるほど基板粒子の粒径が大きく
なりファインクラックが発生しやすくなるという特徴が
ある。このため、AlN基板を用いた場合には、後加工
処理の加工技術だけでは孔などの加工部の寸法精度を制
御しにくいという問題を有していた。
ラミックス基板を得るために、焼結後の超音波による孔
あけ方法などが適用されている。ところが、上述したよ
うに、超音波を用いた方法であっても、焼結後に加工部
を形成することから、寸法精度の面において優れている
が量産性に優れていない。特に、熱伝導率の高い窒化ア
ルミニウム(AlN)基板を用いた場合には、熱伝導率
が高い程基板粒子の粒径が大となりファインクラックが
発生し易いことから、窒化アルミニウム(AlN)基板
の製造方法には適していない等の問題を有していた。
になされたものであり、セラミックス基板に形成される
加工部に生じるファインクラックの発生を防止し、品質
を向上させたセラミックス基板を提供するとともに、低
コスト化および量産化可能なセラミックス基板の製造方
法を提供することを目的とする。
達成するため、特に、セラミックス基板の製造手順につ
いて種々検討し、焼成工程後に再加熱を施すことによ
り、セラミックス基板に発生したファインクラック内に
液相成分が浸透し、ファインクラックを解消または緩和
できることを見い出し、本発明を完成するに至ったもの
である。
ラミックス基板において、前記加工部近傍に存在するフ
ァインクラックに液相成分が充填されていることを特徴
とする。
ラミックス基板において、加工部はセラミックス基板に
形成された孔または溝であることを特徴とする。
ラミックス基板において、加工部近傍は加工部から1.
5mm以内の範囲を示すことを特徴とする。
ラミックス基板において、ファインクラックの開口幅は
10μm以下であり、ファインクラックの開口深さはセ
ラミックス基板の厚さの50%以下であることを特徴と
する。
ラミックス基板において、セラミックス基板は、160
W/m・k以上の熱伝導率を有する窒化アルミニウム
(AlN)焼結体であることを特徴とする。
ラミックス基板において、セラミックス基板は、60W
/m・k以上の熱伝導率を有する窒化ケイ素(Si3N
4)焼結体であり、このセラミックス基板の厚さは1.
0mm以下であることを特徴とする。
法は、セラミックス基板材料粉末に焼結助剤を添加して
原料粉末を解砕および混合した後シート成形して成形体
とする工程と、前記成形体に孔または溝の加工部を形成
する工程と、加工部が形成された前記成形体を焼成して
焼結体とする焼成工程と、前記焼結体を再加熱する再加
熱工程とを備えることを特徴とする。
法は、セラミックス基板材料粉末に焼結助剤を添加して
原料粉末を解砕および混合した後シート成形して成形体
とする工程と、前記成形体を焼成して焼結体とする焼成
工程と、前記焼結体に孔または溝の加工部を形成する工
程と、加工部が形成された前記焼結体を再加熱する再加
熱工程とを備えることを特徴とする。
記載のセラミックス基板の製造方法において、再加熱工
程の温度は、焼成工程よりも50℃以上低い温度とした
ことを特徴とする。
セラミックス基板の製造方法において、セラミックス基
板材料として、窒化アルミニウム(AlN)を用いたこ
とを特徴とする。
セラミックス基板の製造方法において、セラミックス基
板材料として、窒化ケイ素(Si3N4)を用いたこと
を特徴とする。
8記載のセラミックス基板の製造方法において、焼成工
程後、焼結体に表面加工を施して、平坦度を20μm/
10mm以下としたことを特徴とする。
0mm四方における最大高さと最小高さとの差を20μ
以下としたものである。
8記載のセラミックス基板の製造方法において、焼成工
程後、焼結体に表面加工を施して、表面粗さをRa(J
IS規格で定められた算術平均粗さ)で1.0μm以
下、好ましくは0.8μm以下としたことを特徴とす
る。
8記載のセラミックス基板の製造方法において、焼結助
剤は、少なくとも1種類の希土類酸化物を含み、前記焼
結助剤を、セラミックス基板材料粉末に対して3重量%
以上15重量%以下の割合で添加したことを特徴とす
る。
いて、焼成工程後に、還元雰囲気中、液相成分が移動す
る温度にて再加熱することで、セラミックス基板に生じ
たファインクラックに液相成分が充填されるため、表面
加工処理などの後加工処理で発生したファインクラック
を解消または緩和できる。再加熱時の熱処理温度は焼結
温度より50℃以上低い温度で行うことがよい。例え
ば、AlN基板を用いた場合には、1800℃で焼結し
た後、1750℃以下の温度で再加熱することが好まし
い。一方、Si3N4基板を用いた場合も同様に、18
00℃で焼結した後、同じく1750℃以下の温度で再
加熱することが好ましい。このとき、再加熱温度が焼結
温度と同じもしくはそれ以上に高いと再焼結している状
態と同じになり、粒成長などを伴うため得られる焼結体
の特性を変化させてしまうおそれがあるため好ましくな
い。また、再加熱における最低温度は液相成分が移動す
る温度であるため、主成分の違い、用いる助剤の量や種
類によって変わるが、1600℃以上が好ましい。あま
り再加熱温度が低いと液相成分の移動が少なく再加熱時
間が必要以上に長くなり、逆に再加熱温度があまり高い
と前述のように再焼結している状態と同じになり、得ら
れるセラミックス焼結体の特性を変化させてしまうおそ
れがあるため、再加熱温度は1600℃以上、焼結温度
より50℃低い温度以下が好ましい範囲となる。また、
Si3N4基板を用いた場合には、1800℃にて焼成
した後、1750℃以上の温度で再加熱すると良い。
ほどファインクラックの解消を促進するが、コストパフ
ォーマンスを考慮した場合必ずしも完全にファインクラ
ックを解消する必要はなく、接合処理にて要求される特
性を以上のレベルを満足していればよい。
て、実施例1ないし実施例4、比較例1および比較例2
を用いて説明する。
ム(AlN)基板を用い、焼成前にグリーンシートへの
孔加工を行った。
ウム粉末に対して焼結助剤として酸化イットリウム(Y
2O3)を3wt%添加し、高分子系分散剤、トルエ
ン、n−ブタノール、メチルエチルケトンを加え、ボー
ルミルにて解砕および混合を行った。その後、アクリル
バインダーとジブチルフタレートを混合しスラリーを作
製した。作製したスラリーをドクターブレード法により
シート成形を行った後、切断して大きさ100mm×1
00mm、厚さ1mmのグリーンシートを得た。このグ
リーンシートにパンチング法を用いて、直径φ0.6m
mの大きさの孔を均等間隔で50ヵ所作製した。その
後、還元雰囲気中、800℃の温度で脱脂後、窒素雰囲
気中、1800℃の温度で4.5時間焼成してAlN基
板焼結体を得た。このAlN基板焼結体の熱伝導率をレ
ーザフラッシュ法で測定したところ190W/mkであ
った。AlN基板の敷き粉を除去した後、ラッピング加
工により表面粗さ0.8μm(Ra)のAlN基板を作
製した。作製したAlN基板を窒素雰囲気中で1750
℃の温度で1.2時間再加熱した。
ッケル(Ni)、金(Au)にて薄膜をパターン形成し
た。窒水素雰囲気中、850℃の温度で、銀ろうを使用
してコバール製のリードフレームを接合した。
引っ張り試験器にて接合強度を測定したところ、表1に
示すように、18Nという値であった。
周囲を電子顕微鏡で3000倍の倍率で観察したとこ
ろ、孔周囲部分を起点としたファインクラックが観察さ
れたが、再加熱後にも、同じようにAlN基板の孔周囲
を電子顕微鏡にて観察したところファインクラックは解
消され、ほとんど観察されなかった。さらに、再加熱
後、ファインクラックを解消した成分を定性分析したと
ころ、Y成分が多く観察された。
ム(AlN)基板を用い、実施例1と同様の方法でAl
N基板を製造し、ラッピング加工後の加熱を行わなかっ
た。得られたAlN基板について、実施例2と同様に薄
膜処理を行い、リードフレームの接合強度を測定したと
ころ5Nと低い値であった。
i3N4)基板を用い、焼結後に超音波法で孔加工を行
った。
末に焼結助剤として酸化イットリウム(Y2O3)粉末
を5wt%、酸化アルミニウム(Al2O3)粉末を
0.2wt%添加して原料粉末を調整し、ボールミルに
て解砕および混合を行った。この原料粉末にアクリル高
分子、ジブチルフタレート、トルエン、n−ブタノール
およびメチルイソブチルケトンなどの混合溶媒からなる
バインダ成分を混合してスラリーを作製した。作製した
スラリーをドクターブレード法によりシート成形を行っ
た後、切断して大きさ100mm×100mm、厚さ1
mmのグリーンシートを得た。このグリーンシートを還
元雰囲気中、800℃の温度で脱脂した後、加圧窒素雰
囲気中、1850℃の温度で6時間焼成してSi3N4
基板焼結体を得た。このSi3N4基板焼結体の熱伝導
率をレーザフラッシュ法で測定したところ60W/mk
であった。Si3N4基板の敷き粉を除去した後、ラッ
ピング加工により表面粗さ0.6μm(Ra)のSi3
N4基板を作製した。このSi3N4基板に超音波法で
直径φ0.2mmの大きさの孔を均等間隔で50ヵ所作
製し、作製したSi3N4基板を加圧窒素雰囲気中で1
750℃の温度で1.2時間再加熱した。
i)、ニッケル(Ni)、金(Au)にて薄膜をパター
ン形成した。窒水素雰囲気中、850℃の温度で、銀ろ
うを使用してコバール製のリードフレームを接合した。
引っ張り試験器にて接合強度を測定したところ、表1に
示すように、20Nという値であった。
の孔周囲を電子顕微鏡で3000倍の倍率で観察したと
ころ、孔周囲部分を起点としたファインクラックが観察
されたが、再加熱後にも、同じようにSi3N4基板の
孔周囲を電子顕微鏡にて観察したところファインクラッ
クは解消され、ほとんど観察されなかった。さらに、再
加熱後、ファインクラックを解消した成分を定性分析し
たところ、Y成分及びAlが多く観察された。
i3N4)基板を用い、実施例1と同様の方法でSi3
N4基板を製造し、ラッピング加工後の加熱を行わなか
った。得られたSi3N4基板について、実施例1と同
様に薄膜処理を行い、リードフレームの接合強度を測定
したところ11Nと低い値であった。
o.10) 本実施例では、実施例1で作製したAlN基板を用い
た。このAlN基板に表2に示すように、再加熱工程で
の温度および時間を変えた試料No.1ないし試料N
o.10を得た。得られた各試料について平坦度および
表面粗さRaを測定した。なお、平坦度は、リードフレ
ーム接合面の任意の直線距離10mmにおける凹凸の最
小値と最大値との差を測定したものである。
焼結温度より50℃低い1750℃から1600℃程度
が好ましい範囲であると言える。また、再加熱時間も1
〜2時間が最適であり、試料No.7のように30分程
度の短い時間だとその効果が薄く、逆に試料No.8の
ように長すぎても平坦度の改善が見られず製造時間およ
びコストの面からも1〜2時間が好ましいと言える。こ
のような範囲で再加熱を行えば平坦度が向上し、その結
果表面粗さRaの改善も図れることが分かった。
1800℃と高いと、2度焼結していることと同じ状態
になってしまうため、再度AlN粒子の成長が始まり、
一度表面研磨した基板であるにもかかわらず、表面が粗
くなってしまうことが分かった。
o.20) 本実施例では、実施例2で作製したSi3N4基板を用
いた。このSi3N4基板に表3に示すように、再加熱
工程での温度および時間を変えた試料No.11ないし
試料No.20を得た。得られた各試料について平坦度
および表面粗さRaを測定した。なお、平坦度はリード
フレーム接合面の任意の直線距離10mmにおける凹凸
の最小値と最大値との差を測定したものである。
いても再加熱処理の効果は認められ、再加熱工程におけ
る温度および時間ともAlN基板のときとほぼ同じ傾向
が見られる。なお、平坦度の改善は、Si3N4基板の
方がAlN基板よりもややよくなっているが、これは結
晶粒径や粒界相の構成形態の違いによるものと思われ、
液相成分を構成する焼結助剤の存在は必須であると言え
る。このような観点から、本発明のセラミックス基板に
は焼結助剤を所定量含むものが好適であると言え、Al
N基板に関しては焼結助剤を10wt%以下、Si3N
4基板には焼結助剤を18wt%以下添加すると良いこ
とが分かった。
より、AlN基板内またはSi3N 4基板内に存在する
液相成分が、これらのセラミックス基板表面に滲み出し
てファインクラックに充填されるため、セラミックス基
板でのファインクラックの発生を防止し、信頼性の高い
セラミックス基板を得られる。
た場合には、焼成前に加工部を形成するため、加工部形
成が容易であることから、セラミックス基板を量産でき
る。また、熱伝導率が高いことから熱放散性に優れ、消
費電力の高い半導体などにセラミックス基板を適用でき
る。
は、焼成後に加工部を形成するため、高い加工精度を得
られるだけでなく、AlN基板よりも熱伝導率が低いこ
とから、焼成後に超音波法などで孔などの加工部を形成
した場合でも、AlN基板に比較して熱が拡散しないた
め、加工部形成に要求される電力を低くでき、コスト低
減を図ることができる。さらに、窒化ケイ素(Si3N
4)は破壊靭性値が高いことから、孔加工や表面加工を
行う際のファインクラックの発生および進展をより低減
することができ、高品質のセラミックス基板を得られ
る。
クス基板の製造方法により作製されたセラミックス基板
によれば、ファインクラックの発生を防止して、高品質
のセミックス基板を得られるだけでなく、量産化および
低コスト化を図ることができる。
Claims (14)
- 【請求項1】 加工部を有するセラミックス基板におい
て、前記加工部近傍に存在するファインクラックに液相
成分が充填されていることを特徴とするセラミックス基
板。 - 【請求項2】 請求項1記載のセラミックス基板におい
て、加工部はセラミックス基板に形成された孔または溝
であることを特徴とするセラミックス基板。 - 【請求項3】 請求項1記載のセラミックス基板におい
て、加工部近傍は加工部から1.5mm以内の範囲を示
すことを特徴とするセラミックス基板。 - 【請求項4】 請求項1記載のセラミックス基板におい
て、ファインクラックの開口幅は10μm以下であり、
ファインクラックの開口深さはセラミックス基板の厚さ
の50%以下であることを特徴とするセラミックス基
板。 - 【請求項5】 請求項1記載のセラミックス基板におい
て、セラミックス基板は、160W/m・k以上の熱伝
導率を有する窒化アルミニウム(AlN)焼結体である
ことを特徴とするセラミックス基板。 - 【請求項6】 請求項1記載のセラミックス基板におい
て、セラミックス基板は、60W/m・k以上の熱伝導
率を有する窒化ケイ素(Si3N4)焼結体であり、こ
のセラミックス基板の厚さは1.0mm以下であること
を特徴とするセラミックス基板。 - 【請求項7】 セラミックス基板材料粉末に焼結助剤を
添加して原料粉末を解砕および混合した後シート成形し
て成形体とする工程と、前記成形体に孔または溝の加工
部を形成する工程と、加工部が形成された前記成形体を
焼成して焼結体とする焼成工程と、前記焼結体を再加熱
する再加熱工程とを備えることを特徴とするセラミック
ス基板の製造方法。 - 【請求項8】 セラミックス基板材料粉末に焼結助剤を
添加して原料粉末を解砕および混合した後シート成形し
て成形体とする工程と、前記成形体を焼成して焼結体と
する焼成工程と、前記焼結体に孔または溝の加工部を形
成する工程と、加工部が形成された前記焼結体を再加熱
する再加熱工程とを備えることを特徴とするセラミック
ス基板の製造方法。 - 【請求項9】 請求項7または8記載のセラミックス基
板の製造方法において、再加熱工程の温度は、焼成工程
よりも50℃以上低い温度としたことを特徴とするセラ
ミックス基板の製造方法。 - 【請求項10】 請求項7記載のセラミックス基板の製
造方法において、セラミックス基板材料として、窒化ア
ルミニウム(AlN)を用いたことを特徴とするセラミ
ックス基板の製造方法。 - 【請求項11】 請求項8記載のセラミックス基板の製
造方法において、セラミックス基板材料として、窒化ケ
イ素(Si3N4)を用いたことを特徴とするセラミッ
クス基板の製造方法。 - 【請求項12】 請求項7または8記載のセラミックス
基板の製造方法において、焼成工程後、焼結体に表面加
工を施して、平坦度を20μm/10mm以下としたこ
とを特徴とするセラミックス基板の製造方法。 - 【請求項13】 請求項7または8記載のセラミックス
基板の製造方法において、焼成工程後、焼結体に表面加
工を施して、表面粗さをRaで1.0μm以下としたこ
とを特徴とするセラミックス基板の製造方法。 - 【請求項14】 請求項7または8記載のセラミックス
基板の製造方法において、焼結助剤は、少なくとも1種
類の希土類酸化物を含み、前記焼結助剤を、セラミック
ス基板材料粉末に対して3重量%以上15重量%以下の
割合で添加したことを特徴とするセラミックス基板の製
造方法。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP28064599A JP4515562B2 (ja) | 1999-09-30 | 1999-09-30 | セラミックス回路基板の製造方法 |
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Publication Number | Publication Date |
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JP2001102476A true JP2001102476A (ja) | 2001-04-13 |
JP4515562B2 JP4515562B2 (ja) | 2010-08-04 |
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ID=17627951
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