JP2001189534A - セラミック配線基板 - Google Patents
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- Structure Of Printed Boards (AREA)
- Cooling Or The Like Of Semiconductors Or Solid State Devices (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【課題】アルミナセラミックスを絶縁基板とするセラミ
ック配線基板において、絶縁基板の熱伝導性を高め放熱
特性に優れたセラミック配線基板を得る。 【解決手段】相対密度が９５％以上のＭｎＯ2を２．０
〜１０．０重量％の割合で含有するアルミナを主成分と
するセラミックスからなる絶縁基板１表面および／また
は内部に、タングステンまたはモリブデンを主成分とす
る導体からなるメタライズ配線層が被着形成されてなる
セラミック配線基板において、絶縁基板１内部に、銅を
１０〜７０重量％、タングステンおよび／またはモリブ
デンを３０〜９０重量％の割合で含有する導体からなり
平面導体３と垂直導体４を格子状に埋設し、平面的にみ
て、垂直導体４の断面積の合計を高熱伝導体５形成領域
の面積の全体面積の４０〜８０％とする高熱伝導体５を
埋設する。
ック配線基板において、絶縁基板の熱伝導性を高め放熱
特性に優れたセラミック配線基板を得る。 【解決手段】相対密度が９５％以上のＭｎＯ2を２．０
〜１０．０重量％の割合で含有するアルミナを主成分と
するセラミックスからなる絶縁基板１表面および／また
は内部に、タングステンまたはモリブデンを主成分とす
る導体からなるメタライズ配線層が被着形成されてなる
セラミック配線基板において、絶縁基板１内部に、銅を
１０〜７０重量％、タングステンおよび／またはモリブ
デンを３０〜９０重量％の割合で含有する導体からなり
平面導体３と垂直導体４を格子状に埋設し、平面的にみ
て、垂直導体４の断面積の合計を高熱伝導体５形成領域
の面積の全体面積の４０〜８０％とする高熱伝導体５を
埋設する。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、アルミナ質セラミ
ックスを絶縁基板とし、その表面に配線回路層が被着形
成された高熱伝導性のセラミック配線基板に関する。
ックスを絶縁基板とし、その表面に配線回路層が被着形
成された高熱伝導性のセラミック配線基板に関する。
【０００２】
【従来技術】従来、半導体素子収納用パッケージや混成
集積配線基板等に用いられる配線基板として、一般にア
ルミナセラミックスなどの電気絶縁性のセラミック焼結
体から成るセラミック絶縁基板を用い、その表面や内部
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メタライズ配線
層配線導体を配設すると共に、各配線導体を絶縁基板内
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。
集積配線基板等に用いられる配線基板として、一般にア
ルミナセラミックスなどの電気絶縁性のセラミック焼結
体から成るセラミック絶縁基板を用い、その表面や内部
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メタライズ配線
層配線導体を配設すると共に、各配線導体を絶縁基板内
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】一方、半導体素子の高集積化、小型化に伴
い、半導体素子から発生する熱も大きくなりつつある。
またＭＯＳＦＥＴやＩＧＢＴなどのパワー系素子を用い
たパワーモジュールが電車、電気自動車などの電動車両
における制御基板に適用されつつある。これらのパワー
系素子に使用される電流は数十〜数百Ａを超え、また電
圧も数百Ｖと非常に高電力となるため、パワー系素子か
ら発生する熱も大きく、この熱による素子の誤動作ある
いは破壊を防止するために、発生熱をいかに系外に放出
するかが大きな問題になっている。そのために、かかる
高集積化された半導体素子やパワー系素子を搭載する配
線基板に対しては、絶縁基板として高い熱伝導性が要求
されている。
い、半導体素子から発生する熱も大きくなりつつある。
またＭＯＳＦＥＴやＩＧＢＴなどのパワー系素子を用い
たパワーモジュールが電車、電気自動車などの電動車両
における制御基板に適用されつつある。これらのパワー
系素子に使用される電流は数十〜数百Ａを超え、また電
圧も数百Ｖと非常に高電力となるため、パワー系素子か
ら発生する熱も大きく、この熱による素子の誤動作ある
いは破壊を防止するために、発生熱をいかに系外に放出
するかが大きな問題になっている。そのために、かかる
高集積化された半導体素子やパワー系素子を搭載する配
線基板に対しては、絶縁基板として高い熱伝導性が要求
されている。
【０００４】従来から、素子から発生した熱を放熱する
ための好適なセラミックスとしては、アルミナセラミッ
クスに代えて、炭化珪素、ベリリウム、窒化アルミニウ
ム等のセラミックスが用いられてきたが、量産性、安全
性などの点から窒化アルミニウム質セラミックスが最も
多く用いられてきた。
ための好適なセラミックスとしては、アルミナセラミッ
クスに代えて、炭化珪素、ベリリウム、窒化アルミニウ
ム等のセラミックスが用いられてきたが、量産性、安全
性などの点から窒化アルミニウム質セラミックスが最も
多く用いられてきた。
【０００５】しかし、窒化アルミニウム質セラミックス
は非常に高価であることから、使用される分野が限られ
ている。しかしながら、安価な材料として一般に絶縁基
板として用いられるアルミナセラミックスは熱伝導率が
せいぜい十数Ｗ／ｍ・Ｋであり、パワー素子等に使用す
るには十分な熱放散性があるとは言えない。そこで、こ
のアルミナセラミックスの絶縁基板の放熱性を向上させ
るために、基板内部にビア導体やメタライズ配線層を形
成する方法が検討されている。
は非常に高価であることから、使用される分野が限られ
ている。しかしながら、安価な材料として一般に絶縁基
板として用いられるアルミナセラミックスは熱伝導率が
せいぜい十数Ｗ／ｍ・Ｋであり、パワー素子等に使用す
るには十分な熱放散性があるとは言えない。そこで、こ
のアルミナセラミックスの絶縁基板の放熱性を向上させ
るために、基板内部にビア導体やメタライズ配線層を形
成する方法が検討されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】アルミナセラミックス
に用いられる導体材料は、アルミナセラミックスの焼成
温度が通常１６００℃以上と高温であるために、このア
ルミナセラミックスと同時焼成可能なメタライズとし
て、高融点金属であるタングステンまたはモリブデンを
主とする導体材料が一般的に用いられているが、タング
ステンあるいはモリブデンは熱伝導率としてはそれほど
高くなく、アルミナ基板内部に具備させることによる熱
伝導性の向上効果はあまり期待できない。
に用いられる導体材料は、アルミナセラミックスの焼成
温度が通常１６００℃以上と高温であるために、このア
ルミナセラミックスと同時焼成可能なメタライズとし
て、高融点金属であるタングステンまたはモリブデンを
主とする導体材料が一般的に用いられているが、タング
ステンあるいはモリブデンは熱伝導率としてはそれほど
高くなく、アルミナ基板内部に具備させることによる熱
伝導性の向上効果はあまり期待できない。
【０００７】良熱伝導材料として銅が最もよく知られて
いるが、銅の融点が１１００℃付近であって、アルミナ
セラミックスと同時焼成すると焼成中に銅成分がアルミ
ナセラミックス中に拡散あるいは揮散してしまい良好な
導体層が形成できないものであった。
いるが、銅の融点が１１００℃付近であって、アルミナ
セラミックスと同時焼成すると焼成中に銅成分がアルミ
ナセラミックス中に拡散あるいは揮散してしまい良好な
導体層が形成できないものであった。
【０００８】一方、特許第２６６６７４４号には、平均
粒径１μｍ以下のアルミナの微粉末を用い１２００℃以
下の低温で金、銀、銅、等と同時焼成する方法が開示さ
れているが、このような微粉を用いることは工程上、大
きな困難を伴うことになり、コストアップにつながるも
のである。
粒径１μｍ以下のアルミナの微粉末を用い１２００℃以
下の低温で金、銀、銅、等と同時焼成する方法が開示さ
れているが、このような微粉を用いることは工程上、大
きな困難を伴うことになり、コストアップにつながるも
のである。
【０００９】また、特許第２８２２８１１号には、銅を
含有するビア導体を同時焼成により形成し、配線抵抗の
小さい基板構造が開示されているが、ビア導体が基板表
裏面に露出しているため基板の絶縁性が保てない。ま
た、特開平７−１５１０１号には１０８３℃〜１８００
℃にて銅等と同時焼成する方法が開示されているが、前
記と同様にビア導体が基板表裏面に露出しているため基
板の絶縁性が保てないため放熱基板として使用できない
ものであった。
含有するビア導体を同時焼成により形成し、配線抵抗の
小さい基板構造が開示されているが、ビア導体が基板表
裏面に露出しているため基板の絶縁性が保てない。ま
た、特開平７−１５１０１号には１０８３℃〜１８００
℃にて銅等と同時焼成する方法が開示されているが、前
記と同様にビア導体が基板表裏面に露出しているため基
板の絶縁性が保てないため放熱基板として使用できない
ものであった。
【００１０】従って、本発明は、アルミナセラミックス
を絶縁基板とするセラミック配線基板において、絶縁基
板の熱伝導性を高め放熱特性に優れたセラミック配線基
板を提供することを目的とする。
を絶縁基板とするセラミック配線基板において、絶縁基
板の熱伝導性を高め放熱特性に優れたセラミック配線基
板を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】本発明者等は、上記課題
に対して検討を重ねた結果、相対密度が９５％以上のア
ルミナを主成分とするセラミックスからなる絶縁基板の
表面および／または内部に信号を伝達するためのメタラ
イズ配線層が被着形成されたセラミック配線基板におい
て、前記絶縁基板内部に、信号の伝達に寄与しない平面
導体と垂直導体とにより構成され且つ前記絶縁基板表面
から電気的に絶縁してなる高熱伝導体を埋設形成してな
るとともに、前記高熱伝導体を銅を１０〜７０重量％
と、タングステンおよび／またはモリブデンを３０〜９
０重量％の割合で含有する導体によって前記メタライズ
配線層および絶縁基板と同時焼成によって形成すること
によって上記の目的を達成するものである。
に対して検討を重ねた結果、相対密度が９５％以上のア
ルミナを主成分とするセラミックスからなる絶縁基板の
表面および／または内部に信号を伝達するためのメタラ
イズ配線層が被着形成されたセラミック配線基板におい
て、前記絶縁基板内部に、信号の伝達に寄与しない平面
導体と垂直導体とにより構成され且つ前記絶縁基板表面
から電気的に絶縁してなる高熱伝導体を埋設形成してな
るとともに、前記高熱伝導体を銅を１０〜７０重量％
と、タングステンおよび／またはモリブデンを３０〜９
０重量％の割合で含有する導体によって前記メタライズ
配線層および絶縁基板と同時焼成によって形成すること
によって上記の目的を達成するものである。
【００１２】なお、上記の構成において、前記メタライ
ズ配線層は、タングステンおよび／またはモリブデンを
主成分とし、該タングステンおよび／またはモリブデン
１００重量部に対して、アルミニウムを酸化物換算で３
〜２０重量部、ニオブを酸化物換算で０．５〜５重量部
の割合で含有することによって、前記高熱伝導体ととも
に同時焼成することが可能となる。
ズ配線層は、タングステンおよび／またはモリブデンを
主成分とし、該タングステンおよび／またはモリブデン
１００重量部に対して、アルミニウムを酸化物換算で３
〜２０重量部、ニオブを酸化物換算で０．５〜５重量部
の割合で含有することによって、前記高熱伝導体ととも
に同時焼成することが可能となる。
【００１３】また、前記アルミナを主成分とするセラミ
ックスとしては、焼結助剤としてマンガンをＭｎＯ2換
算で２．０〜１０．０重量％の割合で含有することによ
って、前記メタライズ配線層および高熱伝導体とともに
同時焼成することができるとともに、高熱伝導体中の銅
の拡散などを防止することができる。
ックスとしては、焼結助剤としてマンガンをＭｎＯ2換
算で２．０〜１０．０重量％の割合で含有することによ
って、前記メタライズ配線層および高熱伝導体とともに
同時焼成することができるとともに、高熱伝導体中の銅
の拡散などを防止することができる。
【００１４】さらに、前記高熱伝導体が絶縁基板の表面
から１００〜３００μｍの深さに形成されていることが
表面に形成されるメタライズ配線層との電気的な絶縁性
を維持する上で望ましく、さらに高熱伝導体における前
記垂直導体の横断面積の合計が、前記絶縁基板内の前記
高熱伝導体形成領域の全体面積の４０〜８０％を占める
ことが絶縁基板の熱抵抗を低減する上で望ましい。
から１００〜３００μｍの深さに形成されていることが
表面に形成されるメタライズ配線層との電気的な絶縁性
を維持する上で望ましく、さらに高熱伝導体における前
記垂直導体の横断面積の合計が、前記絶縁基板内の前記
高熱伝導体形成領域の全体面積の４０〜８０％を占める
ことが絶縁基板の熱抵抗を低減する上で望ましい。
【００１５】
【発明の実施の形態】図１に、本発明のセラミック配線
基板の一例である多層配線基板の概略断面図を示した。
図１の多層配線基板においては、アルミナセラミックス
からなる絶縁基板１を具備し、この絶縁基板１の表面に
は、メタライズ配線層２が被着形成されている。そし
て、この絶縁基板１の内部には、平面導体３および垂直
導体４が格子状に配置された高熱伝導体５が埋設されて
いる。また、このメタライズ配線層２の表面には、半導
体素子、パワー素子、トランジスタ素子などの発熱性素
子６が搭載される。
基板の一例である多層配線基板の概略断面図を示した。
図１の多層配線基板においては、アルミナセラミックス
からなる絶縁基板１を具備し、この絶縁基板１の表面に
は、メタライズ配線層２が被着形成されている。そし
て、この絶縁基板１の内部には、平面導体３および垂直
導体４が格子状に配置された高熱伝導体５が埋設されて
いる。また、このメタライズ配線層２の表面には、半導
体素子、パワー素子、トランジスタ素子などの発熱性素
子６が搭載される。
【００１６】本発明によれば、この高熱伝導体５を構成
する平面導体３および垂直導体４が、アルミナセラミッ
クスと同時焼成によって形成されたものであり、これら
を形成している導体が、銅を１０〜７０重量％、タング
ステンおよび／又はモリブデンを３０〜９０重量％の割
合で含有する導体からなることが重要である。
する平面導体３および垂直導体４が、アルミナセラミッ
クスと同時焼成によって形成されたものであり、これら
を形成している導体が、銅を１０〜７０重量％、タング
ステンおよび／又はモリブデンを３０〜９０重量％の割
合で含有する導体からなることが重要である。
【００１７】これは、この絶縁基板１内部に内蔵された
平面導体３および垂直導体４が銅単味からなると、絶縁
基板１との熱膨張差によって層間剥離が発生してしまう
のに対して、タングステンあるいはモリブデンを所定量
含有せしめることによって、アルミナセラミックスとの
熱膨張差が小さく成るために層間剥離の発生を抑制する
ことができる。
平面導体３および垂直導体４が銅単味からなると、絶縁
基板１との熱膨張差によって層間剥離が発生してしまう
のに対して、タングステンあるいはモリブデンを所定量
含有せしめることによって、アルミナセラミックスとの
熱膨張差が小さく成るために層間剥離の発生を抑制する
ことができる。
【００１８】従って、本発明における高熱伝導体におい
て、銅の含有量が１０重量％よりも少ない、言い換えれ
ばタングステンまたはモリブデンの含有量が９０重量％
よりも多いと、熱拡散が小さくなり、高熱伝導化が達成
できず、銅含有量が７０重量％よりも多く、言い換えれ
ば、タングステンあるいはモリブデンの含有量が３０重
量％よりも少ないとデラミネーションが発生する。なお
望ましい範囲は、銅が４０〜６０重量％、タングステン
および／またはモリブデンが６０〜４０重量％である。
て、銅の含有量が１０重量％よりも少ない、言い換えれ
ばタングステンまたはモリブデンの含有量が９０重量％
よりも多いと、熱拡散が小さくなり、高熱伝導化が達成
できず、銅含有量が７０重量％よりも多く、言い換えれ
ば、タングステンあるいはモリブデンの含有量が３０重
量％よりも少ないとデラミネーションが発生する。なお
望ましい範囲は、銅が４０〜６０重量％、タングステン
および／またはモリブデンが６０〜４０重量％である。
【００１９】また、この平面導体３および垂直導体４
は、実質的に信号の伝達には寄与しないことから、平面
導体３と垂直導体４とを格子状に配設されており、例え
ば、図１の絶縁基板１の断面図に示されるように、平面
導体３を絶縁基板表面に平行に複数層形成するととも
に、図２の絶縁基板１の平面透視図に示されるように、
所定の直径を有する垂直導体４をアレイ状に、且つ平面
導体３同士を接続するように配置することによって、絶
縁基板１全体の放熱性を均一化することができるととも
に、絶縁基板の高熱伝導化を図ることができる。
は、実質的に信号の伝達には寄与しないことから、平面
導体３と垂直導体４とを格子状に配設されており、例え
ば、図１の絶縁基板１の断面図に示されるように、平面
導体３を絶縁基板表面に平行に複数層形成するととも
に、図２の絶縁基板１の平面透視図に示されるように、
所定の直径を有する垂直導体４をアレイ状に、且つ平面
導体３同士を接続するように配置することによって、絶
縁基板１全体の放熱性を均一化することができるととも
に、絶縁基板の高熱伝導化を図ることができる。
【００２０】また、上記の平面導体３と垂直導体４から
なる高熱伝導体５は、絶縁基板１の全体に形成すること
もできるが、絶縁基板１の内部にて信号の伝達を行なう
ために、図１に示すように、メタライズ配線層２を表面
のみならず、絶縁基板１の内部にもビアホール導体７と
合わせて形成する場合もある。その場合には、上記の高
熱伝導体５を配線基板の表面に実装された発熱性素子６
の直下に配設して発熱性素子６から発生した熱を集中的
に放熱することもできる。
なる高熱伝導体５は、絶縁基板１の全体に形成すること
もできるが、絶縁基板１の内部にて信号の伝達を行なう
ために、図１に示すように、メタライズ配線層２を表面
のみならず、絶縁基板１の内部にもビアホール導体７と
合わせて形成する場合もある。その場合には、上記の高
熱伝導体５を配線基板の表面に実装された発熱性素子６
の直下に配設して発熱性素子６から発生した熱を集中的
に放熱することもできる。
【００２１】また、高熱伝導体５において、メタライズ
配線層２の表面に搭載された発熱性素子６から発生した
熱を絶縁基板１の裏面に伝達する役目は、主として垂直
導体４が担うことになる。従って絶縁基板１の厚み方向
への熱伝達性を向上させる上で、この絶縁基板１を平面
的にみたときの図２で示されるような垂直導体４の横断
面積の合計が、前記高熱伝導体５の形成領域ａの全体面
積（図２における平面導体３と垂直導体４との合計面
積）の４０〜８０％を占めることが望ましい。特に、垂
直導体４の直径は０．０５〜１ｍｍが製造の容易性およ
び熱伝達性の点から適当であり、またこの直径はすべて
同一ではなく、例えば、放熱性が特に要求される発熱性
素子６搭載部の直下部分のみを他の部分よりも直径を大
きくしたり、特に密に配設することもできる。
配線層２の表面に搭載された発熱性素子６から発生した
熱を絶縁基板１の裏面に伝達する役目は、主として垂直
導体４が担うことになる。従って絶縁基板１の厚み方向
への熱伝達性を向上させる上で、この絶縁基板１を平面
的にみたときの図２で示されるような垂直導体４の横断
面積の合計が、前記高熱伝導体５の形成領域ａの全体面
積（図２における平面導体３と垂直導体４との合計面
積）の４０〜８０％を占めることが望ましい。特に、垂
直導体４の直径は０．０５〜１ｍｍが製造の容易性およ
び熱伝達性の点から適当であり、またこの直径はすべて
同一ではなく、例えば、放熱性が特に要求される発熱性
素子６搭載部の直下部分のみを他の部分よりも直径を大
きくしたり、特に密に配設することもできる。
【００２２】また、高熱伝導体５は、絶縁基板１の表面
に形成されたメタライズ配線層２と電気的に絶縁されて
いることが必要であり、高熱伝導体５中のＣｕの拡散に
よる絶縁性の低下を防止することが必要がある。但し、
一方では、絶縁基板１から熱を厚み方向に伝達する場
合、絶縁基板１の表面から高熱伝導体５までの厚さｘが
厚すぎると、熱伝達性が低下してしまうために、高熱伝
導体５は、絶縁基板１表面から１００〜３００μｍの深
さに形成されていることが望ましい。
に形成されたメタライズ配線層２と電気的に絶縁されて
いることが必要であり、高熱伝導体５中のＣｕの拡散に
よる絶縁性の低下を防止することが必要がある。但し、
一方では、絶縁基板１から熱を厚み方向に伝達する場
合、絶縁基板１の表面から高熱伝導体５までの厚さｘが
厚すぎると、熱伝達性が低下してしまうために、高熱伝
導体５は、絶縁基板１表面から１００〜３００μｍの深
さに形成されていることが望ましい。
【００２３】なお、本発明における絶縁基板の絶縁性と
は、絶縁基板１表面に形成されたメタライズ配線層２と
高熱伝導体５との間における体積固有抵抗が１０13Ω・
ｃｍ以上であることを意味するものであり、銅の拡散が
顕著に発生するとこの部分の絶縁性が劣化し、抵抗値は
１０13Ω・ｃｍよりも低くなってしまう。
は、絶縁基板１表面に形成されたメタライズ配線層２と
高熱伝導体５との間における体積固有抵抗が１０13Ω・
ｃｍ以上であることを意味するものであり、銅の拡散が
顕著に発生するとこの部分の絶縁性が劣化し、抵抗値は
１０13Ω・ｃｍよりも低くなってしまう。
【００２４】さらに、本発明の配線基板において、絶縁
基板１の表面および／または内部に形成されるメタライ
ズ配線層２およびビアホール導体７としては、タングス
テンおよび／またはモリブデンを主成分とする導体によ
って形成されるものであるが、このメタライズ配線層２
およびビアホール導体７は、絶縁基板１および高熱伝導
体５とともに同時焼成することが必要である。一般に、
タングステンやモリブデンを主成分とする導体は１５０
０℃以上の温度で焼成されるが、上記セラミック高熱伝
導体５との同時焼成を実現する上では、１５００℃以下
の温度で焼結させることが必要である。かかる観点か
ら、このメタライズ配線層２およびビアホール導体７を
形成する導体としては、上記主導体１００重量部に対し
て、アルミニウムを酸化物換算で３〜２０重量部、ニオ
ブを酸化物換算で０．５〜５重量部の割合で含有するこ
とが望ましい。上記の導体成分中、アルミニウムは絶縁
基板との密着性を高め、またニオブは低温での１５００
℃以下での焼結性を促進させるる作用をなす。
基板１の表面および／または内部に形成されるメタライ
ズ配線層２およびビアホール導体７としては、タングス
テンおよび／またはモリブデンを主成分とする導体によ
って形成されるものであるが、このメタライズ配線層２
およびビアホール導体７は、絶縁基板１および高熱伝導
体５とともに同時焼成することが必要である。一般に、
タングステンやモリブデンを主成分とする導体は１５０
０℃以上の温度で焼成されるが、上記セラミック高熱伝
導体５との同時焼成を実現する上では、１５００℃以下
の温度で焼結させることが必要である。かかる観点か
ら、このメタライズ配線層２およびビアホール導体７を
形成する導体としては、上記主導体１００重量部に対し
て、アルミニウムを酸化物換算で３〜２０重量部、ニオ
ブを酸化物換算で０．５〜５重量部の割合で含有するこ
とが望ましい。上記の導体成分中、アルミニウムは絶縁
基板との密着性を高め、またニオブは低温での１５００
℃以下での焼結性を促進させるる作用をなす。
【００２５】一方、絶縁基板１を構成するアルミナセラ
ミックスとしては、相対密度が９５％以上の緻密質から
なり、前記高熱伝導体５と同時焼成する上で、焼結助剤
として、ＭｎをＭｎＯ2換算で２〜１０重量％の割合で
含有することが望ましい。さらに、焼結助剤としてＳｉ
Ｏ2や、ＭｇＯ、ＣａＯ、ＳｒＯ等のアルカリ土類元素
酸化物を含んでいてもよく、その場合、焼結助剤合計で
２〜１５重量％の割合で含有することが望ましい。特に
上記Ｍｎ量が２重量％よりも少ないと、１５００℃以下
での銅含有導体からなる平面導体３や垂直導体４との同
時焼結性が低下し、１０重量％よりも多いと、アルミナ
セラミックス自体の熱伝導性が低下する傾向にある。
ミックスとしては、相対密度が９５％以上の緻密質から
なり、前記高熱伝導体５と同時焼成する上で、焼結助剤
として、ＭｎをＭｎＯ2換算で２〜１０重量％の割合で
含有することが望ましい。さらに、焼結助剤としてＳｉ
Ｏ2や、ＭｇＯ、ＣａＯ、ＳｒＯ等のアルカリ土類元素
酸化物を含んでいてもよく、その場合、焼結助剤合計で
２〜１５重量％の割合で含有することが望ましい。特に
上記Ｍｎ量が２重量％よりも少ないと、１５００℃以下
での銅含有導体からなる平面導体３や垂直導体４との同
時焼結性が低下し、１０重量％よりも多いと、アルミナ
セラミックス自体の熱伝導性が低下する傾向にある。
【００２６】特に、このアルミナセラミックスは、上記
高熱伝導体５中のＣｕの拡散を防止する上で、１５００
℃以下、特に１２００〜１４００℃の温度で焼成するこ
とが望ましい。
高熱伝導体５中のＣｕの拡散を防止する上で、１５００
℃以下、特に１２００〜１４００℃の温度で焼成するこ
とが望ましい。
【００２７】なお、このアルミナセラミックス中には、
さらに着色剤としての遷移金属、あるいはその化合物を
１０重量％以下の割合で含んでもよい。
さらに着色剤としての遷移金属、あるいはその化合物を
１０重量％以下の割合で含んでもよい。
【００２８】また、この絶縁基板１の裏面には、アルミ
ニウム、銅板、銅−タングステン、などの高熱伝導性を
有するヒートシンク８を接合して、絶縁基板１を経由し
て伝達されたをヒートシンク８によって系外に放熱する
ことができる。
ニウム、銅板、銅−タングステン、などの高熱伝導性を
有するヒートシンク８を接合して、絶縁基板１を経由し
て伝達されたをヒートシンク８によって系外に放熱する
ことができる。
【００２９】次に、本発明のセラミック配線基板の製造
方法について具体的に説明する。まず、アルミナセラミ
ックスの主成分となるアルミナ原料粉末と、焼結助剤成
分として少なくともＭｎＯ2を２〜１０重量％添加し、
さらにＳｉＯ2およびＭｇＯ、ＣａＯ粉末等を焼結助剤
合計で２〜１５重量％の割合で添加混合する。そして、
この混合粉末を用いて、絶縁層を形成するためのシート
状成形体を作製する。
方法について具体的に説明する。まず、アルミナセラミ
ックスの主成分となるアルミナ原料粉末と、焼結助剤成
分として少なくともＭｎＯ2を２〜１０重量％添加し、
さらにＳｉＯ2およびＭｇＯ、ＣａＯ粉末等を焼結助剤
合計で２〜１５重量％の割合で添加混合する。そして、
この混合粉末を用いて、絶縁層を形成するためのシート
状成形体を作製する。
【００３０】シート状成形体は、周知の成形方法によっ
て作製することができ、例えば、上記混合粉末に有機バ
インダや溶媒を添加してスラリーを調製し、ドクターブ
レード法によって形成したり、混合粉末に有機バインダ
を加え、プレス成形、圧延成形等により１００〜２５０
μｍの厚みのシート状成形体を作製できる。
て作製することができ、例えば、上記混合粉末に有機バ
インダや溶媒を添加してスラリーを調製し、ドクターブ
レード法によって形成したり、混合粉末に有機バインダ
を加え、プレス成形、圧延成形等により１００〜２５０
μｍの厚みのシート状成形体を作製できる。
【００３１】そして、このシート状成形体に対して垂直
導体を形成するための直径が０．０５〜１ｍｍの貫通孔
をシート状成形体に対してマイクロドリル、レーザー等
により形成する。
導体を形成するための直径が０．０５〜１ｍｍの貫通孔
をシート状成形体に対してマイクロドリル、レーザー等
により形成する。
【００３２】その後、この貫通孔内に、銅１０〜７０重
量％と、タングステンおよび／またはモリブデンを３０
〜９０重量％の割合で配合した金属粉末を含む導体ペー
ストをスクリーン印刷法によって充填する。また、平面
導体としては、このように垂直導体を形成したシート状
成形体の表面にスクリーン印刷法などによって上記ペー
ストを印刷塗布する。
量％と、タングステンおよび／またはモリブデンを３０
〜９０重量％の割合で配合した金属粉末を含む導体ペー
ストをスクリーン印刷法によって充填する。また、平面
導体としては、このように垂直導体を形成したシート状
成形体の表面にスクリーン印刷法などによって上記ペー
ストを印刷塗布する。
【００３３】また、信号の伝達に寄与する回路となる表
面および／または内部のメタライズ配線層、あるいはビ
アホール導体を形成するために、無機成分としてタング
ステンおよび／またはモリブデン粉末１００重量部に対
して、Ａｌ2Ｏ3を３〜２０重量部、Ｎｂ2Ｏ5を０．５〜
５重量部の割合で添加してなる導体ペーストを用いて、
上記の高熱伝導体を形成する平面導体および垂直導体と
ともに、グリーンシートの表面またはビアホール内に印
刷、または充填する。
面および／または内部のメタライズ配線層、あるいはビ
アホール導体を形成するために、無機成分としてタング
ステンおよび／またはモリブデン粉末１００重量部に対
して、Ａｌ2Ｏ3を３〜２０重量部、Ｎｂ2Ｏ5を０．５〜
５重量部の割合で添加してなる導体ペーストを用いて、
上記の高熱伝導体を形成する平面導体および垂直導体と
ともに、グリーンシートの表面またはビアホール内に印
刷、または充填する。
【００３４】その後、同様にして熱伝導体を形成する平
面導体および／または垂直導体や、メタライズ配線層な
どを形成したシート状成形体を作製した後、それらを積
層圧着して積層体を作製する。そして、積層体の表面
に、前記積層体における熱伝導体形成部の上面部に焼結
後の厚みが２００〜３００μｍとなるグリーンシートを
積層する。
面導体および／または垂直導体や、メタライズ配線層な
どを形成したシート状成形体を作製した後、それらを積
層圧着して積層体を作製する。そして、積層体の表面
に、前記積層体における熱伝導体形成部の上面部に焼結
後の厚みが２００〜３００μｍとなるグリーンシートを
積層する。
【００３５】その後、この積層体を水素および窒素を含
む非酸化性雰囲気中、１５００℃以下、特に１２００〜
１４００℃の温度で焼成することによって絶縁基板、メ
タライズ配線層、高熱伝導体を一括して同時に焼成する
ことができる。また、所望により、焼成雰囲気中にはア
ルゴンガス等の不活性ガスを混入してもよい。なお、こ
の焼成温度が１５００℃より高いと、アルミナセラミッ
クスの主結晶相の粒径が大きくなり異常粒成長が発生す
るようになり、銅がセラミックス中へ拡散するときのパ
スである粒界の長さが短くなるとともに拡散速度も速く
なる結果、銅の拡散距離を３０μｍ以下に抑制すること
が困難となる。
む非酸化性雰囲気中、１５００℃以下、特に１２００〜
１４００℃の温度で焼成することによって絶縁基板、メ
タライズ配線層、高熱伝導体を一括して同時に焼成する
ことができる。また、所望により、焼成雰囲気中にはア
ルゴンガス等の不活性ガスを混入してもよい。なお、こ
の焼成温度が１５００℃より高いと、アルミナセラミッ
クスの主結晶相の粒径が大きくなり異常粒成長が発生す
るようになり、銅がセラミックス中へ拡散するときのパ
スである粒界の長さが短くなるとともに拡散速度も速く
なる結果、銅の拡散距離を３０μｍ以下に抑制すること
が困難となる。
【００３６】また、この配線基板に対して、発熱性素子
を搭載するには、熱伝導体の直上に位置するメタライズ
配線層上に半田ペーストを塗布した後、自動実装装置な
どにて載置し、３００〜４００℃で加熱してロウ付けす
ることによって実装できる。
を搭載するには、熱伝導体の直上に位置するメタライズ
配線層上に半田ペーストを塗布した後、自動実装装置な
どにて載置し、３００〜４００℃で加熱してロウ付けす
ることによって実装できる。
【００３７】さらに、配線基板の裏面にヒートシンクを
設ける場合には、熱伝導体の直下にＰｂ−Ｓｎ共晶半田
などのロウ材によってロウ付けすればよい。
設ける場合には、熱伝導体の直下にＰｂ−Ｓｎ共晶半田
などのロウ材によってロウ付けすればよい。
【００３８】
【実施例】アルミナ粉末（平均粒径０．６５μｍ）を主
成分として表１、２に示すような各種焼結助剤と、成形
用バインダとして有機樹脂としてアクリル系バインダ
と、トルエンを溶媒として混合した後、ドクターブレー
ド法にて厚さ１００〜２５０μｍのシート状に成形し
た。そして、所定箇所に径６００μｍの貫通孔をレーザ
ー光で形成した。なお、この貫通孔は、その数を増減す
ることによって、垂直導体の横断面の面積比率が異なる
種々のものを作製した。
成分として表１、２に示すような各種焼結助剤と、成形
用バインダとして有機樹脂としてアクリル系バインダ
と、トルエンを溶媒として混合した後、ドクターブレー
ド法にて厚さ１００〜２５０μｍのシート状に成形し
た。そして、所定箇所に径６００μｍの貫通孔をレーザ
ー光で形成した。なお、この貫通孔は、その数を増減す
ることによって、垂直導体の横断面の面積比率が異なる
種々のものを作製した。
【００３９】次に、銅粉末（平均粒径５μｍ）とＷ粉末
（平均粒径１．２μｍ）あるいはＭｏ粉末（平均粒径１
μｍ）とを表１および２に示す比率で混合しアクリル系
バインダとをアセトンを溶媒として高熱伝導体用の導体
ペーストを調製し、貫通孔内にこの導体ペーストを充填
した。さらに、この導体ペーストを用いてシート状成形
体の表面に平面導体を印刷して高熱伝導体を形成した。
（平均粒径１．２μｍ）あるいはＭｏ粉末（平均粒径１
μｍ）とを表１および２に示す比率で混合しアクリル系
バインダとをアセトンを溶媒として高熱伝導体用の導体
ペーストを調製し、貫通孔内にこの導体ペーストを充填
した。さらに、この導体ペーストを用いてシート状成形
体の表面に平面導体を印刷して高熱伝導体を形成した。
【００４０】また、同様にＷ粉末（平均粒径１．２μ
ｍ）１００重量部に、Ａｌ2Ｏ3粉末平均粒径１μｍ）７
重量部、Ｎｂ2Ｏ5粉末（平均粒径１μｍ）１重量部で混
合しアクリル系バインダーとをアセトンを溶媒としてメ
タライズ配線層用の導体ペーストを調製し、同様にグリ
ーンシートに形成した貫通孔内にこの導体ペーストを充
填し、またこの導体ペーストを用いてシート状成形体の
表面にメタライズパターンに印刷形成した。
ｍ）１００重量部に、Ａｌ2Ｏ3粉末平均粒径１μｍ）７
重量部、Ｎｂ2Ｏ5粉末（平均粒径１μｍ）１重量部で混
合しアクリル系バインダーとをアセトンを溶媒としてメ
タライズ配線層用の導体ペーストを調製し、同様にグリ
ーンシートに形成した貫通孔内にこの導体ペーストを充
填し、またこの導体ペーストを用いてシート状成形体の
表面にメタライズパターンに印刷形成した。
【００４１】上記のようにして作製した８枚のシート状
成形体を位置合わせして積層圧着して積層成形体を作製
した後、その積層成形体の上下面に所定の種々の厚みを
有するシート状成形体を積層した。
成形体を位置合わせして積層圧着して積層成形体を作製
した後、その積層成形体の上下面に所定の種々の厚みを
有するシート状成形体を積層した。
【００４２】その後、この成形体積層体を、水分を含む
酸素含有雰囲気中（Ｎ2＋Ｏ2またはＨ2＋Ｎ2＋Ｈ2Ｏ）
で脱脂を行った後、水素窒素混合雰囲気にて表１、表２
の温度で焼成して配線基板を作製した。
酸素含有雰囲気中（Ｎ2＋Ｏ2またはＨ2＋Ｎ2＋Ｈ2Ｏ）
で脱脂を行った後、水素窒素混合雰囲気にて表１、表２
の温度で焼成して配線基板を作製した。
【００４３】得られた配線基板の高熱伝導体形成箇所の
熱伝導率をレーザーフラッシュ法により測定し、その結
果を表１、２に示した。また、比較として、高熱伝導体
を形成しないアルミナセラミックスの熱伝導率を測定
し、高熱伝導体による効果を確認した。
熱伝導率をレーザーフラッシュ法により測定し、その結
果を表１、２に示した。また、比較として、高熱伝導体
を形成しないアルミナセラミックスの熱伝導率を測定
し、高熱伝導体による効果を確認した。
【００４４】そして、この配線基板のメタライズ配線層
上に実際に半導体素子を実装して発熱させ絶縁基板の熱
抵抗を測定し、その結果を表１、２に示した。
上に実際に半導体素子を実装して発熱させ絶縁基板の熱
抵抗を測定し、その結果を表１、２に示した。
【００４５】また、絶縁基板の体積固有抵抗として、絶
縁基板の表面に形成したメタライズ配線層と絶縁基板に
内蔵した高熱伝導体の最上部の平面導体間の体積固有抵
抗を測定し表１、２に示した。
縁基板の表面に形成したメタライズ配線層と絶縁基板に
内蔵した高熱伝導体の最上部の平面導体間の体積固有抵
抗を測定し表１、２に示した。
【００４６】
【表１】
【００４７】
【表２】
【００４８】表１、２に示すように、絶縁基板中のアル
ミナセラミックスについてＭｎＯ2量が２重量％よりも
少ない試料Ｎｏ．１，２においては焼結性が劣化し相対
密度９５％以上に焼結できなかった。またＭｎＯ2量が
１０重量％よりも多い試料Ｎｏ．８においては、磁器自
体の熱伝導率が低下するとともに、絶縁性の劣化が起こ
った。
ミナセラミックスについてＭｎＯ2量が２重量％よりも
少ない試料Ｎｏ．１，２においては焼結性が劣化し相対
密度９５％以上に焼結できなかった。またＭｎＯ2量が
１０重量％よりも多い試料Ｎｏ．８においては、磁器自
体の熱伝導率が低下するとともに、絶縁性の劣化が起こ
った。
【００４９】高熱伝導体の導体組成において、銅の含有
量が１０重量％よりも少ない試料Ｎｏ．９，１０では、
絶縁基板の熱伝導率が低くなった。また、７０重量％よ
りも大きい試料Ｎｏ．１７では、絶縁基板との熱膨張率
差から内部導体との間に剥離が発生すると共に銅の拡散
が起こり絶縁性の劣化が起こった。
量が１０重量％よりも少ない試料Ｎｏ．９，１０では、
絶縁基板の熱伝導率が低くなった。また、７０重量％よ
りも大きい試料Ｎｏ．１７では、絶縁基板との熱膨張率
差から内部導体との間に剥離が発生すると共に銅の拡散
が起こり絶縁性の劣化が起こった。
【００５０】また、同時焼成の温度が１２００℃よりも
低い試料Ｎｏ．２１では未焼結となった。１５００℃よ
りも高い試料Ｎｏ．２８では、銅がセラミックス中に拡
散し絶縁基板の絶縁性が劣化した。
低い試料Ｎｏ．２１では未焼結となった。１５００℃よ
りも高い試料Ｎｏ．２８では、銅がセラミックス中に拡
散し絶縁基板の絶縁性が劣化した。
【００５１】表面絶縁層の厚みについては、１００μｍ
よりも小さい試料Ｎｏ．２９では内部導体層から銅が拡
散するため絶縁性が劣化した。また、垂直導体の横断面
積の比率が８０％よりも大きいと絶縁性が低下した。
よりも小さい試料Ｎｏ．２９では内部導体層から銅が拡
散するため絶縁性が劣化した。また、垂直導体の横断面
積の比率が８０％よりも大きいと絶縁性が低下した。
【００５２】これに対して、本発明の配線基板によれ
ば、相対密度９５％以上、熱伝導率が２５Ｗ／ｍ・Ｋ以
上、体積固有抵抗が１０13Ω・ｃｍ以上、熱抵抗が３５
℃／Ｗ以下の優れた絶縁性と放熱特性を具備するもので
あった。また、高熱伝導体においては、垂直導体の総断
面積の面積比率が４０〜８０％の範囲で良好な特性を高
い熱伝導性を示した。
ば、相対密度９５％以上、熱伝導率が２５Ｗ／ｍ・Ｋ以
上、体積固有抵抗が１０13Ω・ｃｍ以上、熱抵抗が３５
℃／Ｗ以下の優れた絶縁性と放熱特性を具備するもので
あった。また、高熱伝導体においては、垂直導体の総断
面積の面積比率が４０〜８０％の範囲で良好な特性を高
い熱伝導性を示した。
【００５３】実施例２ メタライズ配線層の組成を表３のように種々変更する以
外は、上記表１中の試料Ｎｏ．１４と全く同様にしてセ
ラミック配線基板を作製した。そして、上記のメタライ
ズ配線層についてシート抵抗および絶縁基板への密着強
度を測定したその結果を表３に示した。なお、密着強度
の測定は、大きさ２ｍｍ×２０ｍｍのメタライズ配線層
に対して２μｍのＮｉ、１μｍのＡｕのメッキ層を施し
たＦｅ−Ｎｉ−Ｃｏ製のＬ字型リードをＡｕ−Ｓｎから
なるロウ材によってロウ付けした後、このリードを垂直
に引っ張り、リードが基板からはずれる時の強度を測定
した。
外は、上記表１中の試料Ｎｏ．１４と全く同様にしてセ
ラミック配線基板を作製した。そして、上記のメタライ
ズ配線層についてシート抵抗および絶縁基板への密着強
度を測定したその結果を表３に示した。なお、密着強度
の測定は、大きさ２ｍｍ×２０ｍｍのメタライズ配線層
に対して２μｍのＮｉ、１μｍのＡｕのメッキ層を施し
たＦｅ−Ｎｉ−Ｃｏ製のＬ字型リードをＡｕ−Ｓｎから
なるロウ材によってロウ付けした後、このリードを垂直
に引っ張り、リードが基板からはずれる時の強度を測定
した。
【００５４】
【表３】
【００５５】表３の結果、ＷまたはＭｏ１００重量部に
対して、Ａｌ2Ｏ3を３〜２０重量部、Ｎｂ2Ｏ5を０．５
〜５重量部の割合で添加した試料Ｎｏ．４１〜４５、４
９〜５１、５３〜５５はいずれもシート抵抗が２０ｍΩ
／□以下、密着強度３０ＭＰａ以上の優れた特性を示し
た。
対して、Ａｌ2Ｏ3を３〜２０重量部、Ｎｂ2Ｏ5を０．５
〜５重量部の割合で添加した試料Ｎｏ．４１〜４５、４
９〜５１、５３〜５５はいずれもシート抵抗が２０ｍΩ
／□以下、密着強度３０ＭＰａ以上の優れた特性を示し
た。
【００５６】
【発明の効果】以上詳述した通り、本発明によれば、ア
ルミナセラミックスを絶縁基板としてなり、銅を含む高
熱伝導性の導体からなる平面導体および垂直導体からな
る高熱伝導体を内蔵するとともに、その銅の拡散を防止
し、高熱伝導性および高絶縁性のセラミック配線基板を
得ることができるとともに、この基板を絶縁基板としそ
の表面にメタライズ配線層を形成することによって、放
熱性に優れたセラミック配線基板を提供することができ
る。
ルミナセラミックスを絶縁基板としてなり、銅を含む高
熱伝導性の導体からなる平面導体および垂直導体からな
る高熱伝導体を内蔵するとともに、その銅の拡散を防止
し、高熱伝導性および高絶縁性のセラミック配線基板を
得ることができるとともに、この基板を絶縁基板としそ
の表面にメタライズ配線層を形成することによって、放
熱性に優れたセラミック配線基板を提供することができ
る。
【図１】本発明のセラミック配線基板の一例である多層
配線基板の概略断面図を示す。
配線基板の概略断面図を示す。
【図２】本発明のセラミック配線基板における垂直導体
の配置を説明するための平面透過図である。
の配置を説明するための平面透過図である。
１ 絶縁基板 ２ メタライズ配線層 ３ 平面導体 ４ 垂直導体 ５ 高熱伝導体 ６ 発熱性素子
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｈ０５Ｋ 7/20 Ｈ０１Ｌ 23/14 Ｃ // Ｈ０１Ｌ 23/36 23/36 Ｃ Ｆターム(参考） 4E351 AA07 BB22 BB26 BB31 BB41 BB49 CC12 CC22 CC34 CC35 DD04 DD10 DD17 DD52 EE02 EE13 EE24 GG04 GG20 5E322 AA11 AB11 FA04 5E338 AA01 AA02 AA03 AA18 BB71 BB75 CC01 EE02 5F036 AA01 BA23 BB08 BC06 BC22 BD01 BD13
Claims (5)
- 【請求項１】相対密度が９５％以上のアルミナを主成分
とするセラミックスからなる絶縁基板の表面および／ま
たは内部に信号を伝達するためのメタライズ配線層が被
着形成されたセラミック配線基板において、 前記絶縁基板内部に、信号の伝達に寄与しない平面導体
と垂直導体とにより構成され且つ前記絶縁基板表面から
電気的に絶縁してなる高熱伝導体を埋設形成してなると
ともに、前記高熱伝導体を銅を１０〜７０重量％と、タ
ングステンおよび／またはモリブデンを３０〜９０重量
％の割合で含有する導体によって前記メタライズ配線層
および絶縁基板と同時焼成によって形成したことを特徴
とするセラミック配線基板。 - 【請求項２】前記メタライズ配線層が、タングステンお
よび／またはモリブデンを主成分とし、該タングステン
および／またはモリブデン１００重量部に対して、アル
ミニウムを酸化物換算で３〜２０重量部、ニオブを酸化
物換算で０．５〜５重量部の割合で含有することを特徴
とする請求項１記載のセラミック配線基板。 - 【請求項３】前記アルミナを主成分とするセラミックス
が、ＭｎをＭｎＯ2換算で２．０〜１０．０重量％の割
合で含有することを特徴とする請求項１または請求項２
記載のセラミック配線基板。 - 【請求項４】前記平面導体および前記垂直導体とからな
る高熱伝導体が前記絶縁基板表面から１００〜３００μ
ｍの深さに形成されていることを特徴とする請求項１乃
至請求項３のいずれか記載のセラミック配線基板。 - 【請求項５】前記垂直導体の横断面積の合計が、前記絶
縁基板内の前記高熱伝導体形成領域の全体面積の４０〜
８０％を占めることを特徴とする請求項１乃至請求項４
のいずれか記載のセラミック配線基板。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP37168699A JP3668083B2 (ja) | 1999-12-27 | 1999-12-27 | セラミック配線基板 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP37168699A JP3668083B2 (ja) | 1999-12-27 | 1999-12-27 | セラミック配線基板 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2001189534A true JP2001189534A (ja) | 2001-07-10 |
| JP3668083B2 JP3668083B2 (ja) | 2005-07-06 |
Family
ID=18499137
Family Applications (1)
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