JP2004026522A - 表面を研削または研磨する窒化アルミニウム焼結体基板の製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】窒化アルミニウムと金属化層との密着強度が高く、金属化層内にクラックのない金属化層を有する窒化アルミニウム焼結体を提供すること。
【解決手段】窒化アルミニウムを主成分とするセラミックスグリーンシートに導体高融点金属としてＷ粉末を含むペーストを塗布した後、全体を同時に焼結して金属化層を有する窒化アルミニウム焼結体を製造するに際して、同時焼結後に窒化アルミニウム焼結体の表面層を該窒化アルミニウム焼結体の厚みの１／４以上を研削または研磨によって除去する。これによって研削又は研磨によってビアにクラックが発生するのを防ぐことができる。
【選択図】 なし
【解決手段】窒化アルミニウムを主成分とするセラミックスグリーンシートに導体高融点金属としてＷ粉末を含むペーストを塗布した後、全体を同時に焼結して金属化層を有する窒化アルミニウム焼結体を製造するに際して、同時焼結後に窒化アルミニウム焼結体の表面層を該窒化アルミニウム焼結体の厚みの１／４以上を研削または研磨によって除去する。これによって研削又は研磨によってビアにクラックが発生するのを防ぐことができる。
【選択図】 なし
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は半導体やＩＣ、光部品用の基板、パッケージ等の材料として有用な、表面を研削または研磨した後に基板、パッケージとして用いる窒化アルミニウム焼結体基板の製造方法に関し、より詳細には、研削または研磨を施した基板には、上下面を電気的に導通する金属化された導通部であるビアが少なくとも１つ存在しており、必要に応じて相対する両面に導電パターンを形成したときに、導電パターンの少なくとも一部がビアにより電気的に互いに接続することができる、窒化アルミニウム焼結体基板の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
窒化アルミニウム焼結体は熱伝導率が高いため放熱性に優れると共に、電気絶縁性や機械的強度にも優れているため、発熱量の大きな半導体やＩＣ、さらには光部品を実装する基板、パッケージ材料として用いられることが多い。
【０００３】
窒化アルミニウムを基板やパッケージとして用いる場合には、この窒化アルミニウムの表面および／または内部に金属化層を形成することが必要となる。−般的に、窒化アルミニウムの金属化はＭｏ、Ｗ等の高融点金属をペースト状にしたものを、スクリーン印刷機等で塗布した後に、窒素等の非酸化性雰囲気下で焼結することにより形成される。これは一般的に厚膜法と呼ばれる。
厚膜法では、一旦窒化アルミニウムを焼結した後にペースト塗布を行って焼結しても良いし、焼結する前のグリーンシートの窒化アルミニウムにペーストを塗布し、窒化アルミニウムとペーストを同時に焼結しても良い。
【０００４】
また、スパッタリング法や蒸着法により金属化層を形成する薄膜法を用いることもできる。厚膜法に比べて、金属化層のパターン精度が高く、Ａｕ等の金属も用いることができるので電気伝導性が高いという特徴がある。
これらの金属化手法を用いる時、特に薄膜法の場合、基板表面に研削処理や研磨処理を行うことがある。このように基板表面を研削または研磨することにより、薄膜の金属化層と窒化アルミニウム基板の密着強度を上げることができる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、上下面を電気的に導通する金属化された導通部であるビアが少なくとも１つ存在している基板表面を研削または研磨していくと、ビア部分にクラックが生じるという問題があった。これは、窒化アルミニウムが金属との濡れ性に劣ることが原因と考えられており、従来から濡れ性を改善し、金属化した時の窒化アルミニウムとの接着強度を確保するために、様々な接着増強用成分が検討されてきた。
【０００６】
このような接着増強用成分を配合してなる金属化層形成材料を用いることにより、窒化アルミニウム焼結体母材と金属化層との接合強度を高めている従来例を挙げると次の通りである。
【０００７】
（特開平８−１０９０８４号公報）
Ｍｏ、Ｗ、Ｔａから選ばれた１種以上の金属に、Ａｌ及び希土類元素から選ばれた１種以上、ならびにＴｉ、Ｚｒ、Ｈｆから選ばれた１種以上からなる接着増強用成分を添加したものを金属化層の形成材料とすることにより接合強度を高めている。
【０００８】
（特開昭６３−１１５３９３号公報）
Ｗ及び／又はＭｏの金属に、ＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３、ＣａＯを主成分とし、これに必要に応じてＭｇＯ、ＢａＯ、Ｂ２Ｏ３のいずれか１種以上を混合した接着増強用成分を添加したものを金属化層の形成材料とすることにより接合強度を高めている。
【０００９】
（特開昭６３−１９５１８３号公報）
Ｗ及び／又はＭｏの金属に、ＣａＯ、ＢａＯ、ＳｒＯ、Ｙ２Ｏ３、ＣｅＯ２、Ｇｄ２Ｏ３の１種以上と、Ａｌ２Ｏ３、ＡｌＮの一種以上とからなる接着増強用成分を添加したものを金属化層の形成材料とすることにより接合強度を高めている。
【００１０】
（特開平６−１１６０６８号公報）
Ｍｏ、Ｗ、Ｔａから選ばれた１種以上を含有する第１の金属化層に第２の金属化層を積層し、第２の金属化層には少なくともＳｉＯ２又はＡｌ２Ｏ３を含有した接着増強用成分を含ませることにより接合強度を高めている。
【００１１】
また、例えば特開昭６１−２９１４８０号公報には、金属化層をＷ、Ｍｏ及びこれらの硼化物、炭化物から選ばれた１種または２種の１００重量部と窒化アルミニウムまたは、窒化アルミニウム基材と同成分の材料の０．１〜５０重量部とからなるように構成することにより、接合強度を高めることが記載されている。さらに、特開平４−８３７８３号公報には、金属化層を平均粒径１．０乃至１．５μｍのＷ粉末に窒化アルミニウム質焼結体と実質的に同一組成からなる無機物を３．０乃至１０．０重量％含有した構成とすることにより、接合強度を高めることが記載されている。
【００１２】
これらの方策により、窒化アルミニウム焼結後のビア径が０．１５〜０．２ｍｍ程度のビアに対するクラックを、ある程度抑えることができる。しかしながら、近年ビアに対して低抵抗化が要求されることが多く、従来に比べて大きなビア径、すなわち焼結後で０．２５〜０．４ｍｍというビア径が求められることが多いが、前記の従来の方策ではクラックを防ぐことができないことが分った。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであり、ビア径が大きくなった場合でも、窒化アルミニウム基板表面を研削または研磨後に生じるビアクラックを防ぐことができる、表面を研削または研磨する窒化アルミニウム基板体の製造方法を提供することを目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
（１）表面を研削または研磨した後に基板として用いる、上下面を電気的に導通する金属化された導通部であるビアを少なくとも１つ有する窒化アルミニウム焼結体基板の製造方法において、窒化アルミニウムを主成分とするセラミックスグリーンシートにスルーホールを穿孔し，該スルーホール内部に導体高融点金属を含むペーストを充填して得られる単層のグリーンシートを、積層することなく全体を同時に焼結して窒化アルミニウム焼結体を得て、次いで、この窒化アルミニウム焼結体の表面を、該窒化アルミニウム焼結体の厚さの１／４以上を除去するように研削または研磨することを特徴とする窒化アルミニウム焼結体基板の製造方法。
【００１５】
（２）前記研削または研磨して除去する厚さが窒化アルミニウム焼結体の厚さの１／２以上であることを特徴とする請求項１記載の窒化アルミニウム焼結体基板の製造方法。
（３）前記ビアを構成する主成分がＷであることを特徴とする請求項１又は２に記載の窒化アルミニウム焼結体基板の製造方法。
【００１６】
（４）表面を研削または研磨した後に基板として用いる、上下面を電気的に導通する金属化された導通部であるビアを少なくとも１つ有する窒化アルミニウム焼結体基板の製造方法において、窒化アルミニウムを主成分とするセラミックスグリーンシートにスルーホールを穿孔し、該スルーホール内部に導体高融点金属を含むペーストを充填して得られたグリーンシートの複数枚を積層して全体を同時に焼結して窒化アルミニウム焼結体を得て、次いで、この窒化アルミニウム焼結体の表面を、該窒化アルミニウム焼結体を構成する各層のうちの最外層の２層分の厚さを足し合わせた値の１／８以上を研削または研磨によって除去することを特徴とする窒化アルミニウム焼結体基板の製造方法。
【００１７】
（５）前記研削または研磨して除去する厚さが、最外層の２層分の厚さを足し合わせた値の１／４以上であることを特徴とする請求項４記載の窒化アルミニウム焼結体基板の製造方法。
（６）前記ビアを構成する主成分がＷであることを特徴とする請求項４又は５に記載の窒化アルミニウム焼結体基板の製造方法。
【００１８】
【発明の実施の形態】
本発明において用いる窒化アルミニウム焼結体は、窒化アルミニウム粉末を主成分とし、これに焼結助剤として広く知られているイットリウム、希土類金属、アルカリ土類金属等の化合物の粉末を０．１〜１０重量％程度添加してなる焼結用粉末を成形し、これを焼結することによって得られる。
【００１９】
成形方法としては、窒化アルミニウム粉末と焼結助剤粉末にポリビニルブチラール（ＰＶＢ）等の樹脂結合剤、ジブチルフタレート（ＤＢＰ）等の可塑剤を混合し、これを造粒した後、プレス等で成形を行っても良いし、混合後、ドクターブレード法でグリーンシートを作製しても良い。また、押し出し法等も適用することができる。
【００２０】
ただし、スルーホールやビアを形成する場合は、グリーンシートを用いて、窒化アルミニウムとビアを同時に焼結する同時焼成を行うのが一般的である。また、多層構造とする際も、グリーンシートを用いることが多く、焼結前に積層し同時焼成する必要がある。以下では、主にグリーンシートを用いた同時焼成による作製方法について説明する。
【００２１】
グリーンシートには、ビアを形成するために、パンチ等を用いてスルーホールを形成する。このスルーホールには後述する組成のペーストが充填される。充填する方法としては、スクリーン印刷など周知の方法を適用すればよい。
ビア充填に用いるペーストは、導体粉末、樹脂結合剤及び溶剤からなる。また、必要に応じて窒化アルミニウムとの接着増強用の無機物を混合しても良い。本発明では前記導体粉末としてＷを用いる。これは、本グリーンシートは窒化アルミニウムと導体形成用組成物とを同時に焼結する必要があるが、窒化アルミニウム粉末とＷ粉末とは焼結温度を近くすることができ、さらに熱膨張率も近いため、導体粉末としてＷ粉末を用いることが好ましいからである。
【００２２】
また、ペースト中の樹脂結合剤は、通常、Ｗ粉末や無機物粉末等の粉末を１００重量部とした場合、１〜３重量部混合し、溶剤は３〜１５重量部程度混合する。
混合方法としては、まず粉末と溶剤だけをポットミルやボールミル、ライカイ機等を用いて混合し、その後、三本ロール等を用いて樹脂結合剤を混合するという方法を用いることができる。
【００２３】
ここで用いるＷ粉末としては、窒化アルミニウムとＷの焼結温度を近づけるために、Ｗ粉末の平均粒径を１μｍ以上、５μｍ以下にすることが好ましい。Ｗ粒径を数種類混合して用いることも多いが、その場合、１μｍ以上、５μｍ以下の平均粒径のＷを５０重量％以上用いることが好ましい。Ｗ粉末の平均粒径が１μｍより小さくなると、Ｗの焼結開始温度が窒化アルミニウムの焼結温度に比べて低くなりすぎるため、Ｗや窒化アルミニウムとＷとの界面にクラックが生じやすくなる。一方、Ｗ粉末の平均粒径が５μｍより大きくなると、Ｗ粉末の焼結性が著しく悪化し、窒化アルミニウムの焼結温度でＷ粉末の焼結が充分に行われないため、好ましくない。
【００２４】
このようにスルーホールにＷ粉末ペーストを充填した後、必要に応じてグリーンシートを積層する。積層は、シートをモールド中にセットした後に、プレス機により５０〜８０℃程度に熱しながら、５〜１０ＭＰａ程度の圧力を１０〜２０分程度かけて熱圧着することによって行う。シート間には必要に応じて溶剤や接着剤を塗布してもよい。
【００２５】
積層したシートは、任意の形に切断された後に焼結される。焼結に先立ち、窒化アルミニウムのグリーンシートの樹脂結合剤、可塑剤、及びペーストの媒体を除去するために、例えば３００〜８００℃というような温度で脱脂処理をしてもよい。
【００２６】
焼結は非酸化性雰囲気中で行うが、窒素雰囲気中で行うのが好ましい。焼結温度及び焼結時間は、焼結後の窒化アルミニウム焼結体が熱伝導率等の特性が所望の値となるように設定される。一般的に焼結温度は１６００〜２０００℃であり、焼結時間は１〜５時間程度に設定される。
【００２７】
このように焼結された窒化アルミニウム焼結体は、次にその基板表面に研削加工または研磨加工を行う。研削または研磨の方法は公知の技術を適宜用いることができるが、通常は、ラッピング、ポリッシング、バレル研磨、サンドブラスト、研削盤等による方法が用いられる。基板の表面粗さは目的により異なるが、特に研磨後に薄膜法でパターンを形成する場合は、中心線平均粗さ（Ｒａ）０．８μｍ以下、より好ましくは、Ｒａ＝０．０５μｍ以下にすることにより、薄膜法の金属化層と窒化アルミニウムとの密着強度を高めることができるため好ましい。
【００２８】
このように、窒化アルミニウム焼結体の表面を研削または研磨すると、ビア部分にクラックが生じることが問題となっているが、本発明者等が調査を進めた結果、ビア部分にクラックが生じないようにするためには、積層処理を行わないグリーンシート単層を焼結した窒化アルミニウム焼結体を研削または研磨する場合においては、研削または研磨して除去する厚さを調整する必要があることが明らかとなった。
【００２９】
この原因を探るために、断面研磨を行ったり、焼結前のビア部分をＸ線透過により観察しクラックが焼結前に既に有るかどうかの調査を行った結果、ビア部分のクラックは研削や研磨によって生じるのではなく、焼結後既に存在していることが分った。また、焼結前にも既に生じているものもあり、焼結中に生じているものもあった。焼結前のクラックは、Ｗペーストの樹脂結合剤の種類や量が適当でなかったり、粘度が不適当であった時に生じるため、これらの値を適正値に調整すると無くすことができる。ペーストの粘度としては、１００００〜５０００００Ｐ程度が好適に用いることができる。１００００Ｐより粘度が低い場合は、充填後にビアの陥没を避けることができない。また、５０００００Ｐより粘度が高い場合は、Ｗペースト粘度が高すぎるためスルーホールにペーストを完全に充填することができない。
【００３０】
また、上述のように適正なＷペーストを用いた場合でも、ペースト充填後のグリーンシートの取り扱い等によって，ビアの表面は傷つきやすい。そのため、焼結後も表面から０．０１ｍｍ程度は、このハンドリングに基づく傷やクラックが入る場合が多い。一方、焼結中にクラックが入る原因は、窒化アルミニウムの収縮率とスルーホールに充填されたＷペーストの収縮率とが異なること、窒化アルミニウムの焼結開始温度とＷの焼結開始温度とが異なること、の２つである。この中で収縮率の問題は、スルーホール中に充填するＷペーストの充填率や窒化アルミニウムグリーンシートの密度を調整することにより近づけることができる。
【００３１】
一方、焼結開始温度については、窒化アルミニウムが１７００〜１８００℃であるのに対して、Ｗは１５００℃程度である。これを近づけるために、粒径の粗いＷを使用する方法が考えられる。しかし、Ｗの焼結開始温度を１７００℃程度に高くするためには、平均粒径が５μｍ以上のＷ粉末を使用する必要があり、このように粗いＷ粉末は逆に窒化アルミニウムの焼結温度では完全に焼結しないため、この方法は採用し難い。
【００３２】
もう一つの方法として，Ｗの焼結を阻害する物質を混合する方法がある。代表的な例が窒化アルミニウム粉末を混合する方法である。Ｗ粉末に混合した窒化アルミニウム粉末は，窒化アルミニウムが焼結開始するまではＷの焼結を阻害し、逆に窒化アルミニウムが焼結開始するとＷの焼結を促進する働きがある。このような方法を用いると、焼結後のビア径が０．２ｍｍ程度であれば、クラックを抑えることができる。
【００３３】
しかし、前述のような方法でも、窒化アルミニウムとスルーホール中のＷペーストの焼結開始温度が完全に一致するわけではなく、Ｗペーストの焼結開始温度の方が低い。そのため、ビア径が０．２ｍｍ程度の時は問題がないが、０．２５ｍｍ、０．３ｍｍとビア径が大きくなると、窒化アルミニウムとＷペーストとの焼結開始温度の差が問題となり、クラックが生じるのを避けることができなくなる。また、一般的に焼結は端部、表面部から進むため、窒化アルミニウムの焼結も同様に基板表面から進むことになる。そのため、窒化アルミニウムとＷペーストの焼結開始温度の差に伴うクラックは基板表面に発生しやすい。
【００３４】
そこで、基板断面を研磨して、クラックが基板表面のどこまでに発生しているかを調査した結果、クラックは基板表面から特定の位置までに集中していることが分った。このクラックが集中している厚さが、表面から基板厚の１／８までである。そのため、研削または研磨してもビアにクラックが生じないようにするためには、研削または研磨して除去する厚さを片側の表面について基板厚の１／８以上にすればよいことが分かった。
【００３５】
このように、研削または研磨してもビアにクラックが生じないようにするためには、研削または研磨して除去する厚さを片側の表面について基板厚の１／８以上にしなければならないが、実際に基板を研削または研磨する際には、両側の面を行うため、積層処理を行わないグリーンシート単層を焼結した窒化アルミニウム焼結体を研削または研磨する場合では、片側１／８で、両側では１／８の２倍の１／４以上を研削または研磨することによって除去する必要がある。一方、複数枚のグリーンシートを積層処理した後に焼結した窒化アルミニウム焼結体を研削または研磨する場合は、積層処理した窒化アルミニウム焼結体各層のうちの最外層だけを研磨することになる。また、２層ある最外層のそれぞれは片側表面だけを研削または研磨することになるので、最外層の２層分の厚さを足し合わせた値の１／８以上、研削または研磨により除去することによってビアクラックをなくすことができる。
【００３６】
なお、さらに好ましくは、窒化アルミニウム焼結体の研削または研磨して除去する厚さを片側の表面について基板厚の１／４以上にすることが望ましい。前述したように、窒化アルミニウムとＷペーストの焼結開始温度の差に伴うクラックは基板表面から基板厚の１／８までに集中していることが分かったが、基板厚が厚くなると、さらに表面から深い厚みまでクラックが及ぶことがある。特に基板厚が焼結後０．６５ｍｍ以上になると顕著になる。この原因は基板厚が厚くなるほど、基板表面と基板内部とに温度差が生じやすくなり、基板表面の焼結が進みやすいことに関係があると考えられる。このように基板厚が厚い場合は研削または研磨にて除去する厚さを厚くする必要がある。
【００３７】
実験の結果、基板厚の１／４より除去する厚みが少ないと、クラックを完全には除去できない場合があることが分かった。すなわち、積層処理を行わないグリーンシート単層を焼結した窒化アルミニウム焼結体を研削または研磨する場合では、片側１／４以上で、両側では１／４の２倍の１／２以上研削または研磨することによって除去する必要がある。一方、複数枚のグリーンシートを積層処理した後に焼結した窒化アルミニウム焼結体を研削または研磨する場合は、１／４以上、研削または研磨することによって除去する必要がある。
【００３８】
なお、さらに好ましくは、窒化アルミニウム焼結体の研削または研磨して除去する厚さを片側の表面について基板厚の１／３以上にすることが望ましい。これは、除去する厚さを１／３より少なくすると、例えばビア径が大きい場合クラックを完全には除去できないことがあるからである。前述のように近年ビア径の増大の要求が高い。焼結後０．４ｍｍ程度以上のビア径への要求もある。このように大きなビア径では、焼結前、スルーホールへのＷペーストの充填後に生じる陥没等を避けることができなくなる。また，充填後に生じた陥没を起点として、焼結中にクラックが進展することもあり、基板厚の１／３より除去する厚みが少ないと、クラックを完全には除去できない場合があったのである。
【００３９】
すなわち、積層処理を行わないグリーンシート単層を焼結した窒化アルミニウム焼結体を研削または研磨する場合では、片側１／３以上で、両側では１／３の２倍の２／３以上を研削または研磨することによって除去する必要がある。一方、複数枚のグリーンシートを積層処理した後に焼結した窒化アルミニウム焼結体を研削または研磨する場合は、１／３以上研削または研磨することによって除去する必要がある。また、好ましくは、窒化アルミニウム焼結体の研削または研磨して除去する厚さを片側の表面について基板厚の２／５以下にすることが望ましい。すなわち、両側では２／５の２倍の４／５以下研削または研磨することによって除去することを意味する。ただし、このように、除去厚が厚くなりすぎると、基板の使用効率の点からも、研削や研磨の効率の点からも、無駄が多くコスト高を誘引するため好ましくない。さらには、研削や研磨時の除去厚が厚すぎるため、研削や研磨時に基板割れ等の不具合が生じやすくなるため、好ましくない。
【００４０】
この様に窒化アルミニウム焼結体表面を研削または研磨した後に、必要に応じて厚膜法や薄膜法で導電パターンを形成する。導電パターンの形成方法としては、スパッタリング法、蒸着法、化学的気相成長法（ＣＶＤ法）、イオンプレーティング法、溶射法、スクリーン印刷法等の公知の技術を用いることができる。これらの中で、薄膜法を用いた場合、導電パターンのパターニング方法としては、パターン形状によって公知の技術を使い分けることができる。例えば、メタルマスク法、湿式エッチング法、ドライエッチング法、リフトオフ法等を用いることができる。
【００４１】
また、導電パターンを形成する構成金属としては、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ａｌ、Ｔａ、Ｎｉ−Ｃｒ等の公知のものを用いることができる。また、これらの金属は単独で用いても良いし、２種類以上を組み合わせても良い。さらに単層で導電パターンを形成しても良いし、２層以上を積層して用いても良い。
【００４２】
スパッタリング法や蒸着法等の薄膜法を用いるときは、３層程度を積層して用いることが多い。窒化アルミニウムと接する第一層には、上述のような公知の金属を用いることができるが、高い密着強度を安定して得ることができるＴｉを用いることが多い。また、第一層の上に積層する第二層にも公知の金属を用いることができるが、３層以上の導電パターンとして用いる時には、第一層と第三層との間で元素が拡散するのを防止するために、Ｐｔ、Ｎｉ、Ｍｏ、Ｗ、Ｐｄ等を用いることが多い。さらに、第二層上に第三層を積層する場合も公知の金属を用いることができるが、Ｐｔ、Ａｕ等が電気伝導性が良好で、耐食性にも優れているため用いることが多い。また、これら薄膜法で３層程度の積層導電パターンを形成した後に、さらにメッキ法等でＮｉ、Ａｕ等の導電パターンを積層することもある。
【００４３】
また、前記の導電パターンのあるパターン間を一定の抵抗値に保つために、ある規定の抵抗値で電気的に接続する抵抗体パターンを形成しても良い。抵抗パターンの形成方法としては前記薄膜法の形成方法等を用いることができる。抵抗体パターンの種類については、公知のものを用いることができるが、抵抗値の安定性の観点からＴａ−Ｎ、Ｎｉ−Ｃｒ等を用いることが多い。
【００４４】
この抵抗体パターンは、抵抗値の経時変化や温度変化を抑制するために、抵抗体表面に酸化皮膜を形成することが多い。これには公知の方法を用いることができるが、陽極酸化法等を用いることが多い。さらに、抵抗値の調整を行うことがある。これにも公知の方法を用いることができるが、レーザートリミング法等を用いることが多い。前記のごとく、本発明の表面を研削または研磨する窒化アルミニウム基板体の製造方法は、ビア径が大きくなった場合でも、窒化アルミニウム基板表面を研削または研磨後に生じるビアクラックを防ぐことができる。
【００４５】
【実施例】
［実施例１］
９７重量部の窒化アルミニウム粉末と３重量部のＹ２Ｏ３粉末とを混合し、これに樹脂結合剤としてポリビニルブチラールを、また、可塑剤としてジブチルフタレートを、それぞれ１０重量部及び５重量部混合して、ドクターブレード法にて０．５ｍｍ厚のグリーンシートを成形した。
このように作製したグリーンシートを金型を使用して１００ｍｍ×１００ｍｍに打ち抜いた後、パンチャーにてφ０．３ｍｍのスルーホールを形成した。スルーホールの数は一枚のグリーンシートで１０００個とした。
【００４６】
一方で、Ｗ粉末を１００重量部として、５重量部の樹脂結合剤であるエチルセルロースと、５重量部の溶媒であるブチルカルビトールに分散させてＷ粉末ペーストを作製した。ただし、Ｗ粉末としては平均粒径２μｍのものを使用し、無機物粉末は混合しなかった。Ｗ粉末ペーストの粘度をブルックフィールド社製の５×ＨＢＤＶ−Ｉ＋を使用して測定した結果、２０００００Ｐであった。
次いで、前記Ｗ粉末ペーストをスクリーン印刷機によって前記スルーホールに充填した。その後、窒素雰囲気中で６００℃にて脱脂を行い、窒素雰囲気中で１８００℃、３時間の条件で焼結を行った。
【００４７】
焼結後、窒化アルミニウム焼結体の厚みは０．４ｍｍ厚となっており、ビア部分にはφ０．２５ｍｍのスルーホールに金属化層が形成されていた。
次に焼結した窒化アルミニウム表面をダイヤモンドの砥粒を用いて、表面が鏡面状になるまで加工した。この研磨は窒化アルミニウム基板の両側の表面に対して行い、それぞれの表面の研磨によって除去する厚みは同一とした。また、得られた表面のＲａを測定した結果、０．０２μｍであった。
【００４８】
この鏡面加工後の窒化アルミニウム焼結体の厚さによって、ビア部分のクラックの発生状態が変化するかどうかを４０倍の顕微鏡で確認した。結果を表１に示す。なお、鏡面加工後、同じ厚さになる基板を１０枚用意したが、表中の「ビアクラックが生じた基板の発生確率」とは、一枚の基板中にある１０００個のビアに一つでもクラックが生じていた基板の発生確率を示している。焼結後、研磨前の窒化アルミニウム厚の１／４以上を研磨により除去することでビアクラックの無い基板を得ることができた。なお、サンプルは両側を均等に研磨したため、片側の除去厚は表１に示した数値の半分の値である。
【００４９】
【表１】
【００５０】
［実施例２］
０．３ｍｍ厚のグリーンシートを用いて、実施例１と同様な実験を行った。ただし、スルーホールにＷペーストを充填した後に、グリーンシートを２枚重ねて積層した。積層はモールドにシートを２枚重ねてセットし、プレス機にて５０℃に熱しつつ、１０ＭＰａの圧力で２分間熱圧着して行った。
焼結後の窒化アルミニウム焼結体の厚さは０．５ｍｍであった。次に、実施例１と同様に鏡面加工後の窒化アルミニウムの厚さによって、ビア部分のクラックの発生状態が変化するかどうかを４０倍の顕微鏡で確認した。その結果を表２に示す。焼結後、研磨前の窒化アルミニウムの最外層厚合計の１／８以上を研磨により除去することでビアクラックの無い基板を得ることができた。なお、サンプルは両側を均等に研磨したため、片側の除去厚は表２に示した数値の半分の値である。
【００５１】
【表２】
【００５２】
［実施例３］
０．８ｍｍ厚のグリーンシートを用いて、実施例１と同様な実験を行った。なお、積層は行わなかった。
焼結後の窒化アルミニウム焼結体の厚さは０．６６ｍｍであった。次に、実施例１と同様に鏡面加工後の窒化アルミニウム焼結体の厚さによって、ビア部分のクラックの発生状熊が変化するかどうかを４０倍の顕微鏡で確認した。その結果を表３に示す。焼結後、研磨前の窒化アルミニウム厚の１／２以上を研磨により除去することでビアクラックの無い基板を得ることができた。なお、サンプルは両側を均等に研磨したため、片側の除去厚は表３に示した数値の半分の値である。
【００５３】
【表３】
【００５４】
［実施例４］
０．４ｍｍ厚のグリーンシートを用いて、実施例２と同様な実験を行った。すなわち、２枚重ねて積層した後に焼結した。
焼結後の窒化アルミニウム厚は０．６６ｍｍであった。次に、実施例１と同様に鏡面加工後の窒化アルミニウムの厚さによって、ビア部分のクラックの発生状熊が変化するかどうかを４０倍の顕微鏡で確認した。その結果を表４に示す。焼結後、研磨前の窒化アルミニウムの最外層厚合計の１／４以上を研磨により除去することでビアクラックの無い基板を得ることができた。なお、サンプルは両側を均等に研磨したため、片側の除去厚は表４に示した数値の半分の値である。
【００５５】
【表４】
【００５６】
［実施例５］
０．５ｍｍ厚のグリーンシートを用いて、実施例１と同様な実験を行った。ただし、グリーンシートに穿孔したスルーホール径をφ０．５ｍｍとし、積層は行わなかった。
焼結後の窒化アルミニウム焼結体の厚さは０．４ｍｍであり、スルーホールにＷを充填したビア径は０．４ｍｍであった。次に、実施例１と同様に鏡面加工後の窒化アルミニウムの厚さによって、ビア部分のクラックの発生状態が変化するかどうかを４０倍の顕微鏡で確認した。その結果を表５に示す。焼結後、研磨前の窒化アルミニウム厚の２／３以上を研磨により除去することでビアクラックの無い基板を得ることができた。なお、サンプルは両側を均等に研磨したため、片側の除去厚は表５に示した数値の半分の値である。
【００５７】
【表５】
【００５８】
［実施例６］
０．３ｍｍ厚のグリーンシートを用いて、実施例２と同様な実験を行った。すなわち、２枚重ねて積層した後に焼結した。ただし、グリーンシートに穿孔したスルーホール径をφ０．５ｍｍとした。
焼結後の窒化アルミニウム焼結体の厚さは０．５ｍｍであり、スルーホールにＷを充填したビア径は０．４ｍｍであった。次に、実施例１と同様に鏡面加工後の窒化アルミニウムの厚さによって、ビア部分のクラックの発生状態が変化するかどうかを４０倍の顕微鏡で確認した。その結果を表６に示す。焼結後、研磨前の窒化アルミニウムの最外層厚合計の１／３以上を研磨により除去することでビアクラックの無い基板を得ることができた。なお、サンプルは両側を均等に研磨したため、片側の除去厚は表６に示した数値の半分の値である。
【００５９】
【表６】
【００６０】
［実施例７］
実施例３と同じ窒化アルミニウム焼結体を用いて、さらに研磨によって除去する窒化アルミニウム焼結体の厚さを増加させた。実施例３と同様にビア部分のクラックの発生状態が変化するかどうかを４０倍の顕微鏡で確認した。結果を表７に示す。研磨後にビアクラックは認められなかった。しかしながら、研磨によって除去した両表面の合計厚が４／５より大きい試料２６は、研磨後基板端部に欠けが認められた。試料２５には基板端部の欠けは認められなかった。
【００６１】
【表７】
【００６２】
【発明の効果】
本発明によれば、表面を研削または研磨した後に基板として用いる同時焼結法で作製される窒化アルミニウム焼結体において、上下面を電気的に導通するビアが少なくとも１つ存在する場合、積層なしで焼結した単層構造の時は研削または研磨して除去する厚さを窒化アルミニウム焼結体の厚さの１／４以上、好ましくは１／２以上とすることによって、また、積層した後焼結した構造の時は、最外層の２層分を足し合わせた厚さの１／８以上、好ましくは１／４以上とすることによって、研削または研磨後に生じるピアクラックをビア径が焼結後０．２５〜０．４ｍｍと大きくなった場合でも防ぐことができる。このため、窒化アルミニウムをＩＣ用の基板、パッケージ材料として好適に用いることができる。
【発明の属する技術分野】
本発明は半導体やＩＣ、光部品用の基板、パッケージ等の材料として有用な、表面を研削または研磨した後に基板、パッケージとして用いる窒化アルミニウム焼結体基板の製造方法に関し、より詳細には、研削または研磨を施した基板には、上下面を電気的に導通する金属化された導通部であるビアが少なくとも１つ存在しており、必要に応じて相対する両面に導電パターンを形成したときに、導電パターンの少なくとも一部がビアにより電気的に互いに接続することができる、窒化アルミニウム焼結体基板の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
窒化アルミニウム焼結体は熱伝導率が高いため放熱性に優れると共に、電気絶縁性や機械的強度にも優れているため、発熱量の大きな半導体やＩＣ、さらには光部品を実装する基板、パッケージ材料として用いられることが多い。
【０００３】
窒化アルミニウムを基板やパッケージとして用いる場合には、この窒化アルミニウムの表面および／または内部に金属化層を形成することが必要となる。−般的に、窒化アルミニウムの金属化はＭｏ、Ｗ等の高融点金属をペースト状にしたものを、スクリーン印刷機等で塗布した後に、窒素等の非酸化性雰囲気下で焼結することにより形成される。これは一般的に厚膜法と呼ばれる。
厚膜法では、一旦窒化アルミニウムを焼結した後にペースト塗布を行って焼結しても良いし、焼結する前のグリーンシートの窒化アルミニウムにペーストを塗布し、窒化アルミニウムとペーストを同時に焼結しても良い。
【０００４】
また、スパッタリング法や蒸着法により金属化層を形成する薄膜法を用いることもできる。厚膜法に比べて、金属化層のパターン精度が高く、Ａｕ等の金属も用いることができるので電気伝導性が高いという特徴がある。
これらの金属化手法を用いる時、特に薄膜法の場合、基板表面に研削処理や研磨処理を行うことがある。このように基板表面を研削または研磨することにより、薄膜の金属化層と窒化アルミニウム基板の密着強度を上げることができる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、上下面を電気的に導通する金属化された導通部であるビアが少なくとも１つ存在している基板表面を研削または研磨していくと、ビア部分にクラックが生じるという問題があった。これは、窒化アルミニウムが金属との濡れ性に劣ることが原因と考えられており、従来から濡れ性を改善し、金属化した時の窒化アルミニウムとの接着強度を確保するために、様々な接着増強用成分が検討されてきた。
【０００６】
このような接着増強用成分を配合してなる金属化層形成材料を用いることにより、窒化アルミニウム焼結体母材と金属化層との接合強度を高めている従来例を挙げると次の通りである。
【０００７】
（特開平８−１０９０８４号公報）
Ｍｏ、Ｗ、Ｔａから選ばれた１種以上の金属に、Ａｌ及び希土類元素から選ばれた１種以上、ならびにＴｉ、Ｚｒ、Ｈｆから選ばれた１種以上からなる接着増強用成分を添加したものを金属化層の形成材料とすることにより接合強度を高めている。
【０００８】
（特開昭６３−１１５３９３号公報）
Ｗ及び／又はＭｏの金属に、ＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３、ＣａＯを主成分とし、これに必要に応じてＭｇＯ、ＢａＯ、Ｂ２Ｏ３のいずれか１種以上を混合した接着増強用成分を添加したものを金属化層の形成材料とすることにより接合強度を高めている。
【０００９】
（特開昭６３−１９５１８３号公報）
Ｗ及び／又はＭｏの金属に、ＣａＯ、ＢａＯ、ＳｒＯ、Ｙ２Ｏ３、ＣｅＯ２、Ｇｄ２Ｏ３の１種以上と、Ａｌ２Ｏ３、ＡｌＮの一種以上とからなる接着増強用成分を添加したものを金属化層の形成材料とすることにより接合強度を高めている。
【００１０】
（特開平６−１１６０６８号公報）
Ｍｏ、Ｗ、Ｔａから選ばれた１種以上を含有する第１の金属化層に第２の金属化層を積層し、第２の金属化層には少なくともＳｉＯ２又はＡｌ２Ｏ３を含有した接着増強用成分を含ませることにより接合強度を高めている。
【００１１】
また、例えば特開昭６１−２９１４８０号公報には、金属化層をＷ、Ｍｏ及びこれらの硼化物、炭化物から選ばれた１種または２種の１００重量部と窒化アルミニウムまたは、窒化アルミニウム基材と同成分の材料の０．１〜５０重量部とからなるように構成することにより、接合強度を高めることが記載されている。さらに、特開平４−８３７８３号公報には、金属化層を平均粒径１．０乃至１．５μｍのＷ粉末に窒化アルミニウム質焼結体と実質的に同一組成からなる無機物を３．０乃至１０．０重量％含有した構成とすることにより、接合強度を高めることが記載されている。
【００１２】
これらの方策により、窒化アルミニウム焼結後のビア径が０．１５〜０．２ｍｍ程度のビアに対するクラックを、ある程度抑えることができる。しかしながら、近年ビアに対して低抵抗化が要求されることが多く、従来に比べて大きなビア径、すなわち焼結後で０．２５〜０．４ｍｍというビア径が求められることが多いが、前記の従来の方策ではクラックを防ぐことができないことが分った。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであり、ビア径が大きくなった場合でも、窒化アルミニウム基板表面を研削または研磨後に生じるビアクラックを防ぐことができる、表面を研削または研磨する窒化アルミニウム基板体の製造方法を提供することを目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
（１）表面を研削または研磨した後に基板として用いる、上下面を電気的に導通する金属化された導通部であるビアを少なくとも１つ有する窒化アルミニウム焼結体基板の製造方法において、窒化アルミニウムを主成分とするセラミックスグリーンシートにスルーホールを穿孔し，該スルーホール内部に導体高融点金属を含むペーストを充填して得られる単層のグリーンシートを、積層することなく全体を同時に焼結して窒化アルミニウム焼結体を得て、次いで、この窒化アルミニウム焼結体の表面を、該窒化アルミニウム焼結体の厚さの１／４以上を除去するように研削または研磨することを特徴とする窒化アルミニウム焼結体基板の製造方法。
【００１５】
（２）前記研削または研磨して除去する厚さが窒化アルミニウム焼結体の厚さの１／２以上であることを特徴とする請求項１記載の窒化アルミニウム焼結体基板の製造方法。
（３）前記ビアを構成する主成分がＷであることを特徴とする請求項１又は２に記載の窒化アルミニウム焼結体基板の製造方法。
【００１６】
（４）表面を研削または研磨した後に基板として用いる、上下面を電気的に導通する金属化された導通部であるビアを少なくとも１つ有する窒化アルミニウム焼結体基板の製造方法において、窒化アルミニウムを主成分とするセラミックスグリーンシートにスルーホールを穿孔し、該スルーホール内部に導体高融点金属を含むペーストを充填して得られたグリーンシートの複数枚を積層して全体を同時に焼結して窒化アルミニウム焼結体を得て、次いで、この窒化アルミニウム焼結体の表面を、該窒化アルミニウム焼結体を構成する各層のうちの最外層の２層分の厚さを足し合わせた値の１／８以上を研削または研磨によって除去することを特徴とする窒化アルミニウム焼結体基板の製造方法。
【００１７】
（５）前記研削または研磨して除去する厚さが、最外層の２層分の厚さを足し合わせた値の１／４以上であることを特徴とする請求項４記載の窒化アルミニウム焼結体基板の製造方法。
（６）前記ビアを構成する主成分がＷであることを特徴とする請求項４又は５に記載の窒化アルミニウム焼結体基板の製造方法。
【００１８】
【発明の実施の形態】
本発明において用いる窒化アルミニウム焼結体は、窒化アルミニウム粉末を主成分とし、これに焼結助剤として広く知られているイットリウム、希土類金属、アルカリ土類金属等の化合物の粉末を０．１〜１０重量％程度添加してなる焼結用粉末を成形し、これを焼結することによって得られる。
【００１９】
成形方法としては、窒化アルミニウム粉末と焼結助剤粉末にポリビニルブチラール（ＰＶＢ）等の樹脂結合剤、ジブチルフタレート（ＤＢＰ）等の可塑剤を混合し、これを造粒した後、プレス等で成形を行っても良いし、混合後、ドクターブレード法でグリーンシートを作製しても良い。また、押し出し法等も適用することができる。
【００２０】
ただし、スルーホールやビアを形成する場合は、グリーンシートを用いて、窒化アルミニウムとビアを同時に焼結する同時焼成を行うのが一般的である。また、多層構造とする際も、グリーンシートを用いることが多く、焼結前に積層し同時焼成する必要がある。以下では、主にグリーンシートを用いた同時焼成による作製方法について説明する。
【００２１】
グリーンシートには、ビアを形成するために、パンチ等を用いてスルーホールを形成する。このスルーホールには後述する組成のペーストが充填される。充填する方法としては、スクリーン印刷など周知の方法を適用すればよい。
ビア充填に用いるペーストは、導体粉末、樹脂結合剤及び溶剤からなる。また、必要に応じて窒化アルミニウムとの接着増強用の無機物を混合しても良い。本発明では前記導体粉末としてＷを用いる。これは、本グリーンシートは窒化アルミニウムと導体形成用組成物とを同時に焼結する必要があるが、窒化アルミニウム粉末とＷ粉末とは焼結温度を近くすることができ、さらに熱膨張率も近いため、導体粉末としてＷ粉末を用いることが好ましいからである。
【００２２】
また、ペースト中の樹脂結合剤は、通常、Ｗ粉末や無機物粉末等の粉末を１００重量部とした場合、１〜３重量部混合し、溶剤は３〜１５重量部程度混合する。
混合方法としては、まず粉末と溶剤だけをポットミルやボールミル、ライカイ機等を用いて混合し、その後、三本ロール等を用いて樹脂結合剤を混合するという方法を用いることができる。
【００２３】
ここで用いるＷ粉末としては、窒化アルミニウムとＷの焼結温度を近づけるために、Ｗ粉末の平均粒径を１μｍ以上、５μｍ以下にすることが好ましい。Ｗ粒径を数種類混合して用いることも多いが、その場合、１μｍ以上、５μｍ以下の平均粒径のＷを５０重量％以上用いることが好ましい。Ｗ粉末の平均粒径が１μｍより小さくなると、Ｗの焼結開始温度が窒化アルミニウムの焼結温度に比べて低くなりすぎるため、Ｗや窒化アルミニウムとＷとの界面にクラックが生じやすくなる。一方、Ｗ粉末の平均粒径が５μｍより大きくなると、Ｗ粉末の焼結性が著しく悪化し、窒化アルミニウムの焼結温度でＷ粉末の焼結が充分に行われないため、好ましくない。
【００２４】
このようにスルーホールにＷ粉末ペーストを充填した後、必要に応じてグリーンシートを積層する。積層は、シートをモールド中にセットした後に、プレス機により５０〜８０℃程度に熱しながら、５〜１０ＭＰａ程度の圧力を１０〜２０分程度かけて熱圧着することによって行う。シート間には必要に応じて溶剤や接着剤を塗布してもよい。
【００２５】
積層したシートは、任意の形に切断された後に焼結される。焼結に先立ち、窒化アルミニウムのグリーンシートの樹脂結合剤、可塑剤、及びペーストの媒体を除去するために、例えば３００〜８００℃というような温度で脱脂処理をしてもよい。
【００２６】
焼結は非酸化性雰囲気中で行うが、窒素雰囲気中で行うのが好ましい。焼結温度及び焼結時間は、焼結後の窒化アルミニウム焼結体が熱伝導率等の特性が所望の値となるように設定される。一般的に焼結温度は１６００〜２０００℃であり、焼結時間は１〜５時間程度に設定される。
【００２７】
このように焼結された窒化アルミニウム焼結体は、次にその基板表面に研削加工または研磨加工を行う。研削または研磨の方法は公知の技術を適宜用いることができるが、通常は、ラッピング、ポリッシング、バレル研磨、サンドブラスト、研削盤等による方法が用いられる。基板の表面粗さは目的により異なるが、特に研磨後に薄膜法でパターンを形成する場合は、中心線平均粗さ（Ｒａ）０．８μｍ以下、より好ましくは、Ｒａ＝０．０５μｍ以下にすることにより、薄膜法の金属化層と窒化アルミニウムとの密着強度を高めることができるため好ましい。
【００２８】
このように、窒化アルミニウム焼結体の表面を研削または研磨すると、ビア部分にクラックが生じることが問題となっているが、本発明者等が調査を進めた結果、ビア部分にクラックが生じないようにするためには、積層処理を行わないグリーンシート単層を焼結した窒化アルミニウム焼結体を研削または研磨する場合においては、研削または研磨して除去する厚さを調整する必要があることが明らかとなった。
【００２９】
この原因を探るために、断面研磨を行ったり、焼結前のビア部分をＸ線透過により観察しクラックが焼結前に既に有るかどうかの調査を行った結果、ビア部分のクラックは研削や研磨によって生じるのではなく、焼結後既に存在していることが分った。また、焼結前にも既に生じているものもあり、焼結中に生じているものもあった。焼結前のクラックは、Ｗペーストの樹脂結合剤の種類や量が適当でなかったり、粘度が不適当であった時に生じるため、これらの値を適正値に調整すると無くすことができる。ペーストの粘度としては、１００００〜５０００００Ｐ程度が好適に用いることができる。１００００Ｐより粘度が低い場合は、充填後にビアの陥没を避けることができない。また、５０００００Ｐより粘度が高い場合は、Ｗペースト粘度が高すぎるためスルーホールにペーストを完全に充填することができない。
【００３０】
また、上述のように適正なＷペーストを用いた場合でも、ペースト充填後のグリーンシートの取り扱い等によって，ビアの表面は傷つきやすい。そのため、焼結後も表面から０．０１ｍｍ程度は、このハンドリングに基づく傷やクラックが入る場合が多い。一方、焼結中にクラックが入る原因は、窒化アルミニウムの収縮率とスルーホールに充填されたＷペーストの収縮率とが異なること、窒化アルミニウムの焼結開始温度とＷの焼結開始温度とが異なること、の２つである。この中で収縮率の問題は、スルーホール中に充填するＷペーストの充填率や窒化アルミニウムグリーンシートの密度を調整することにより近づけることができる。
【００３１】
一方、焼結開始温度については、窒化アルミニウムが１７００〜１８００℃であるのに対して、Ｗは１５００℃程度である。これを近づけるために、粒径の粗いＷを使用する方法が考えられる。しかし、Ｗの焼結開始温度を１７００℃程度に高くするためには、平均粒径が５μｍ以上のＷ粉末を使用する必要があり、このように粗いＷ粉末は逆に窒化アルミニウムの焼結温度では完全に焼結しないため、この方法は採用し難い。
【００３２】
もう一つの方法として，Ｗの焼結を阻害する物質を混合する方法がある。代表的な例が窒化アルミニウム粉末を混合する方法である。Ｗ粉末に混合した窒化アルミニウム粉末は，窒化アルミニウムが焼結開始するまではＷの焼結を阻害し、逆に窒化アルミニウムが焼結開始するとＷの焼結を促進する働きがある。このような方法を用いると、焼結後のビア径が０．２ｍｍ程度であれば、クラックを抑えることができる。
【００３３】
しかし、前述のような方法でも、窒化アルミニウムとスルーホール中のＷペーストの焼結開始温度が完全に一致するわけではなく、Ｗペーストの焼結開始温度の方が低い。そのため、ビア径が０．２ｍｍ程度の時は問題がないが、０．２５ｍｍ、０．３ｍｍとビア径が大きくなると、窒化アルミニウムとＷペーストとの焼結開始温度の差が問題となり、クラックが生じるのを避けることができなくなる。また、一般的に焼結は端部、表面部から進むため、窒化アルミニウムの焼結も同様に基板表面から進むことになる。そのため、窒化アルミニウムとＷペーストの焼結開始温度の差に伴うクラックは基板表面に発生しやすい。
【００３４】
そこで、基板断面を研磨して、クラックが基板表面のどこまでに発生しているかを調査した結果、クラックは基板表面から特定の位置までに集中していることが分った。このクラックが集中している厚さが、表面から基板厚の１／８までである。そのため、研削または研磨してもビアにクラックが生じないようにするためには、研削または研磨して除去する厚さを片側の表面について基板厚の１／８以上にすればよいことが分かった。
【００３５】
このように、研削または研磨してもビアにクラックが生じないようにするためには、研削または研磨して除去する厚さを片側の表面について基板厚の１／８以上にしなければならないが、実際に基板を研削または研磨する際には、両側の面を行うため、積層処理を行わないグリーンシート単層を焼結した窒化アルミニウム焼結体を研削または研磨する場合では、片側１／８で、両側では１／８の２倍の１／４以上を研削または研磨することによって除去する必要がある。一方、複数枚のグリーンシートを積層処理した後に焼結した窒化アルミニウム焼結体を研削または研磨する場合は、積層処理した窒化アルミニウム焼結体各層のうちの最外層だけを研磨することになる。また、２層ある最外層のそれぞれは片側表面だけを研削または研磨することになるので、最外層の２層分の厚さを足し合わせた値の１／８以上、研削または研磨により除去することによってビアクラックをなくすことができる。
【００３６】
なお、さらに好ましくは、窒化アルミニウム焼結体の研削または研磨して除去する厚さを片側の表面について基板厚の１／４以上にすることが望ましい。前述したように、窒化アルミニウムとＷペーストの焼結開始温度の差に伴うクラックは基板表面から基板厚の１／８までに集中していることが分かったが、基板厚が厚くなると、さらに表面から深い厚みまでクラックが及ぶことがある。特に基板厚が焼結後０．６５ｍｍ以上になると顕著になる。この原因は基板厚が厚くなるほど、基板表面と基板内部とに温度差が生じやすくなり、基板表面の焼結が進みやすいことに関係があると考えられる。このように基板厚が厚い場合は研削または研磨にて除去する厚さを厚くする必要がある。
【００３７】
実験の結果、基板厚の１／４より除去する厚みが少ないと、クラックを完全には除去できない場合があることが分かった。すなわち、積層処理を行わないグリーンシート単層を焼結した窒化アルミニウム焼結体を研削または研磨する場合では、片側１／４以上で、両側では１／４の２倍の１／２以上研削または研磨することによって除去する必要がある。一方、複数枚のグリーンシートを積層処理した後に焼結した窒化アルミニウム焼結体を研削または研磨する場合は、１／４以上、研削または研磨することによって除去する必要がある。
【００３８】
なお、さらに好ましくは、窒化アルミニウム焼結体の研削または研磨して除去する厚さを片側の表面について基板厚の１／３以上にすることが望ましい。これは、除去する厚さを１／３より少なくすると、例えばビア径が大きい場合クラックを完全には除去できないことがあるからである。前述のように近年ビア径の増大の要求が高い。焼結後０．４ｍｍ程度以上のビア径への要求もある。このように大きなビア径では、焼結前、スルーホールへのＷペーストの充填後に生じる陥没等を避けることができなくなる。また，充填後に生じた陥没を起点として、焼結中にクラックが進展することもあり、基板厚の１／３より除去する厚みが少ないと、クラックを完全には除去できない場合があったのである。
【００３９】
すなわち、積層処理を行わないグリーンシート単層を焼結した窒化アルミニウム焼結体を研削または研磨する場合では、片側１／３以上で、両側では１／３の２倍の２／３以上を研削または研磨することによって除去する必要がある。一方、複数枚のグリーンシートを積層処理した後に焼結した窒化アルミニウム焼結体を研削または研磨する場合は、１／３以上研削または研磨することによって除去する必要がある。また、好ましくは、窒化アルミニウム焼結体の研削または研磨して除去する厚さを片側の表面について基板厚の２／５以下にすることが望ましい。すなわち、両側では２／５の２倍の４／５以下研削または研磨することによって除去することを意味する。ただし、このように、除去厚が厚くなりすぎると、基板の使用効率の点からも、研削や研磨の効率の点からも、無駄が多くコスト高を誘引するため好ましくない。さらには、研削や研磨時の除去厚が厚すぎるため、研削や研磨時に基板割れ等の不具合が生じやすくなるため、好ましくない。
【００４０】
この様に窒化アルミニウム焼結体表面を研削または研磨した後に、必要に応じて厚膜法や薄膜法で導電パターンを形成する。導電パターンの形成方法としては、スパッタリング法、蒸着法、化学的気相成長法（ＣＶＤ法）、イオンプレーティング法、溶射法、スクリーン印刷法等の公知の技術を用いることができる。これらの中で、薄膜法を用いた場合、導電パターンのパターニング方法としては、パターン形状によって公知の技術を使い分けることができる。例えば、メタルマスク法、湿式エッチング法、ドライエッチング法、リフトオフ法等を用いることができる。
【００４１】
また、導電パターンを形成する構成金属としては、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ａｌ、Ｔａ、Ｎｉ−Ｃｒ等の公知のものを用いることができる。また、これらの金属は単独で用いても良いし、２種類以上を組み合わせても良い。さらに単層で導電パターンを形成しても良いし、２層以上を積層して用いても良い。
【００４２】
スパッタリング法や蒸着法等の薄膜法を用いるときは、３層程度を積層して用いることが多い。窒化アルミニウムと接する第一層には、上述のような公知の金属を用いることができるが、高い密着強度を安定して得ることができるＴｉを用いることが多い。また、第一層の上に積層する第二層にも公知の金属を用いることができるが、３層以上の導電パターンとして用いる時には、第一層と第三層との間で元素が拡散するのを防止するために、Ｐｔ、Ｎｉ、Ｍｏ、Ｗ、Ｐｄ等を用いることが多い。さらに、第二層上に第三層を積層する場合も公知の金属を用いることができるが、Ｐｔ、Ａｕ等が電気伝導性が良好で、耐食性にも優れているため用いることが多い。また、これら薄膜法で３層程度の積層導電パターンを形成した後に、さらにメッキ法等でＮｉ、Ａｕ等の導電パターンを積層することもある。
【００４３】
また、前記の導電パターンのあるパターン間を一定の抵抗値に保つために、ある規定の抵抗値で電気的に接続する抵抗体パターンを形成しても良い。抵抗パターンの形成方法としては前記薄膜法の形成方法等を用いることができる。抵抗体パターンの種類については、公知のものを用いることができるが、抵抗値の安定性の観点からＴａ−Ｎ、Ｎｉ−Ｃｒ等を用いることが多い。
【００４４】
この抵抗体パターンは、抵抗値の経時変化や温度変化を抑制するために、抵抗体表面に酸化皮膜を形成することが多い。これには公知の方法を用いることができるが、陽極酸化法等を用いることが多い。さらに、抵抗値の調整を行うことがある。これにも公知の方法を用いることができるが、レーザートリミング法等を用いることが多い。前記のごとく、本発明の表面を研削または研磨する窒化アルミニウム基板体の製造方法は、ビア径が大きくなった場合でも、窒化アルミニウム基板表面を研削または研磨後に生じるビアクラックを防ぐことができる。
【００４５】
【実施例】
［実施例１］
９７重量部の窒化アルミニウム粉末と３重量部のＹ２Ｏ３粉末とを混合し、これに樹脂結合剤としてポリビニルブチラールを、また、可塑剤としてジブチルフタレートを、それぞれ１０重量部及び５重量部混合して、ドクターブレード法にて０．５ｍｍ厚のグリーンシートを成形した。
このように作製したグリーンシートを金型を使用して１００ｍｍ×１００ｍｍに打ち抜いた後、パンチャーにてφ０．３ｍｍのスルーホールを形成した。スルーホールの数は一枚のグリーンシートで１０００個とした。
【００４６】
一方で、Ｗ粉末を１００重量部として、５重量部の樹脂結合剤であるエチルセルロースと、５重量部の溶媒であるブチルカルビトールに分散させてＷ粉末ペーストを作製した。ただし、Ｗ粉末としては平均粒径２μｍのものを使用し、無機物粉末は混合しなかった。Ｗ粉末ペーストの粘度をブルックフィールド社製の５×ＨＢＤＶ−Ｉ＋を使用して測定した結果、２０００００Ｐであった。
次いで、前記Ｗ粉末ペーストをスクリーン印刷機によって前記スルーホールに充填した。その後、窒素雰囲気中で６００℃にて脱脂を行い、窒素雰囲気中で１８００℃、３時間の条件で焼結を行った。
【００４７】
焼結後、窒化アルミニウム焼結体の厚みは０．４ｍｍ厚となっており、ビア部分にはφ０．２５ｍｍのスルーホールに金属化層が形成されていた。
次に焼結した窒化アルミニウム表面をダイヤモンドの砥粒を用いて、表面が鏡面状になるまで加工した。この研磨は窒化アルミニウム基板の両側の表面に対して行い、それぞれの表面の研磨によって除去する厚みは同一とした。また、得られた表面のＲａを測定した結果、０．０２μｍであった。
【００４８】
この鏡面加工後の窒化アルミニウム焼結体の厚さによって、ビア部分のクラックの発生状態が変化するかどうかを４０倍の顕微鏡で確認した。結果を表１に示す。なお、鏡面加工後、同じ厚さになる基板を１０枚用意したが、表中の「ビアクラックが生じた基板の発生確率」とは、一枚の基板中にある１０００個のビアに一つでもクラックが生じていた基板の発生確率を示している。焼結後、研磨前の窒化アルミニウム厚の１／４以上を研磨により除去することでビアクラックの無い基板を得ることができた。なお、サンプルは両側を均等に研磨したため、片側の除去厚は表１に示した数値の半分の値である。
【００４９】
【表１】
［実施例２］
０．３ｍｍ厚のグリーンシートを用いて、実施例１と同様な実験を行った。ただし、スルーホールにＷペーストを充填した後に、グリーンシートを２枚重ねて積層した。積層はモールドにシートを２枚重ねてセットし、プレス機にて５０℃に熱しつつ、１０ＭＰａの圧力で２分間熱圧着して行った。
焼結後の窒化アルミニウム焼結体の厚さは０．５ｍｍであった。次に、実施例１と同様に鏡面加工後の窒化アルミニウムの厚さによって、ビア部分のクラックの発生状態が変化するかどうかを４０倍の顕微鏡で確認した。その結果を表２に示す。焼結後、研磨前の窒化アルミニウムの最外層厚合計の１／８以上を研磨により除去することでビアクラックの無い基板を得ることができた。なお、サンプルは両側を均等に研磨したため、片側の除去厚は表２に示した数値の半分の値である。
【００５１】
【表２】
［実施例３］
０．８ｍｍ厚のグリーンシートを用いて、実施例１と同様な実験を行った。なお、積層は行わなかった。
焼結後の窒化アルミニウム焼結体の厚さは０．６６ｍｍであった。次に、実施例１と同様に鏡面加工後の窒化アルミニウム焼結体の厚さによって、ビア部分のクラックの発生状熊が変化するかどうかを４０倍の顕微鏡で確認した。その結果を表３に示す。焼結後、研磨前の窒化アルミニウム厚の１／２以上を研磨により除去することでビアクラックの無い基板を得ることができた。なお、サンプルは両側を均等に研磨したため、片側の除去厚は表３に示した数値の半分の値である。
【００５３】
【表３】
［実施例４］
０．４ｍｍ厚のグリーンシートを用いて、実施例２と同様な実験を行った。すなわち、２枚重ねて積層した後に焼結した。
焼結後の窒化アルミニウム厚は０．６６ｍｍであった。次に、実施例１と同様に鏡面加工後の窒化アルミニウムの厚さによって、ビア部分のクラックの発生状熊が変化するかどうかを４０倍の顕微鏡で確認した。その結果を表４に示す。焼結後、研磨前の窒化アルミニウムの最外層厚合計の１／４以上を研磨により除去することでビアクラックの無い基板を得ることができた。なお、サンプルは両側を均等に研磨したため、片側の除去厚は表４に示した数値の半分の値である。
【００５５】
【表４】
［実施例５］
０．５ｍｍ厚のグリーンシートを用いて、実施例１と同様な実験を行った。ただし、グリーンシートに穿孔したスルーホール径をφ０．５ｍｍとし、積層は行わなかった。
焼結後の窒化アルミニウム焼結体の厚さは０．４ｍｍであり、スルーホールにＷを充填したビア径は０．４ｍｍであった。次に、実施例１と同様に鏡面加工後の窒化アルミニウムの厚さによって、ビア部分のクラックの発生状態が変化するかどうかを４０倍の顕微鏡で確認した。その結果を表５に示す。焼結後、研磨前の窒化アルミニウム厚の２／３以上を研磨により除去することでビアクラックの無い基板を得ることができた。なお、サンプルは両側を均等に研磨したため、片側の除去厚は表５に示した数値の半分の値である。
【００５７】
【表５】
［実施例６］
０．３ｍｍ厚のグリーンシートを用いて、実施例２と同様な実験を行った。すなわち、２枚重ねて積層した後に焼結した。ただし、グリーンシートに穿孔したスルーホール径をφ０．５ｍｍとした。
焼結後の窒化アルミニウム焼結体の厚さは０．５ｍｍであり、スルーホールにＷを充填したビア径は０．４ｍｍであった。次に、実施例１と同様に鏡面加工後の窒化アルミニウムの厚さによって、ビア部分のクラックの発生状態が変化するかどうかを４０倍の顕微鏡で確認した。その結果を表６に示す。焼結後、研磨前の窒化アルミニウムの最外層厚合計の１／３以上を研磨により除去することでビアクラックの無い基板を得ることができた。なお、サンプルは両側を均等に研磨したため、片側の除去厚は表６に示した数値の半分の値である。
【００５９】
【表６】
［実施例７］
実施例３と同じ窒化アルミニウム焼結体を用いて、さらに研磨によって除去する窒化アルミニウム焼結体の厚さを増加させた。実施例３と同様にビア部分のクラックの発生状態が変化するかどうかを４０倍の顕微鏡で確認した。結果を表７に示す。研磨後にビアクラックは認められなかった。しかしながら、研磨によって除去した両表面の合計厚が４／５より大きい試料２６は、研磨後基板端部に欠けが認められた。試料２５には基板端部の欠けは認められなかった。
【００６１】
【表７】
【発明の効果】
本発明によれば、表面を研削または研磨した後に基板として用いる同時焼結法で作製される窒化アルミニウム焼結体において、上下面を電気的に導通するビアが少なくとも１つ存在する場合、積層なしで焼結した単層構造の時は研削または研磨して除去する厚さを窒化アルミニウム焼結体の厚さの１／４以上、好ましくは１／２以上とすることによって、また、積層した後焼結した構造の時は、最外層の２層分を足し合わせた厚さの１／８以上、好ましくは１／４以上とすることによって、研削または研磨後に生じるピアクラックをビア径が焼結後０．２５〜０．４ｍｍと大きくなった場合でも防ぐことができる。このため、窒化アルミニウムをＩＣ用の基板、パッケージ材料として好適に用いることができる。
Claims (6)
- 表面を研削または研磨した後に基板として用いる、上下面を電気的に導通する金属化された導通部であるビアを少なくとも１つ有する窒化アルミニウム焼結体基板の製造方法において、窒化アルミニウムを主成分とするセラミックスグリーンシートにスルーホールを穿孔し，該スルーホール内部に導体高融点金属を含むペーストを充填して得られる単層のグリーンシートを、積層することなく全体を同時に焼結して窒化アルミニウム焼結体を得て、次いで、この窒化アルミニウム焼結体の表面を、該窒化アルミニウム焼結体の厚さの１／４以上を除去するように研削または研磨することを特徴とする窒化アルミニウム焼結体基板の製造方法。
- 前記研削または研磨して除去する厚さが窒化アルミニウム焼結体の厚さの１／２以上であることを特徴とする請求項１記載の窒化アルミニウム焼結体基板の製造方法。
- 前記ビアを構成する主成分がＷであることを特徴とする請求項１又は２に記載の窒化アルミニウム焼結体基板の製造方法。
- 表面を研削または研磨した後に基板として用いる、上下面を電気的に導通する金属化された導通部であるビアを少なくとも１つ有する窒化アルミニウム焼結体基板の製造方法において、窒化アルミニウムを主成分とするセラミックスグリーンシートにスルーホールを穿孔し、該スルーホール内部に導体高融点金属を含むペーストを充填して得られたグリーンシートの複数枚を積層して全体を同時に焼結して窒化アルミニウム焼結体を得て、次いで、この窒化アルミニウム焼結体の表面を、該窒化アルミニウム焼結体を構成する各層のうちの最外層の２層分の厚さを足し合わせた値の１／８以上を研削または研磨によって除去することを特徴とする窒化アルミニウム焼結体基板の製造方法。
- 前記研削または研磨して除去する厚さが、最外層の２層分の厚さを足し合わせた値の１／４以上であることを特徴とする請求項４記載の窒化アルミニウム焼結体基板の製造方法。
- 前記ビアを構成する主成分がＷであることを特徴とする請求項４又は５に記載の窒化アルミニウム焼結体基板の製造方法。
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