JP2004119735A

JP2004119735A - Connected substrate, its manufacturing method and ceramic package

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Publication number: JP2004119735A
Application number: JP2002281909A
Authority: JP
Inventors: Tomohide Hasegawa; 長谷川　智英; Minako Izumi; 泉　美奈子
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2002-09-26
Filing date: 2002-09-26
Publication date: 2004-04-15

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a connected substrate which has small burrs, and is hard to break in airtight sealing, with a small and thin size, and to provide its manufacturing method and a ceramic package. <P>SOLUTION: In the connected substrate composed of a plurality of mutually connected ceramic packages each comprising an insulating substrate composed of a substrate bottom on which electric elements are mounted and a substrate mound which is integrally formed on the periphery of the substrate bottom, conductive layers arranged inside and/or on the insulating substrate, and a metallized layer which is arranged at least on a part of the substrate mound for bonding a metallic lid thereto, the connected substrate has notch grooves arranged between the ceramic packages to separate the ceramic packages. The insulating substrate is composed of an alumina-based sintered compact containing a sintering agent of not less than 4 mass%, and the average particle diameter of crystal of the alumina-based sintered compact is 1-2 μm, with fracture toughness of 3.5-4.5 MPam<SP>1/2</SP>. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、内部に電気素子及び／又は半導体素子が搭載され、リッドなどの蓋によって気密に封止するセラミックパッケージ、特に、高さが０．６ｍｍ以下、基板堤部の幅が０．３ｍｍ以下の超小型・超薄型セラミックパッケージ及び該セラミックパッケージが連結して設けられた連結基板及びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来技術】
近年、半導体素子の高集積化、電気素子の小型化に伴い、各種電子機器の小型化、高機能化が図られている。これに伴い、電気素子を収納する、あるいは半導体素子と同時に受動部品を搭載するセラミックパッケージの小型化が要求され、例えば、外形サイズ縦３ｍｍ、横２ｍｍ、高さ０．８ｍｍ程度まで小型化したセラミックパッケージが知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
ところが、さらなる小型化がパッケージに要求され、例えばＩＣカードに代表される超小型・超薄型のものが求められている。このような超小型・超薄型セラミックパッケージでは、大型基板に切り欠き溝を作製し、最終工程で個々の単一パッケージにブレークし得られる。
【０００４】
例えば、連結基板から単一絶縁基板へブレークする際のバリを抑える方法として切り欠き溝の深さを変化させて積層体、連結基板を作製することが提案されている（例えば、特許文献２参照）。
【０００５】
また、純度９９％以上の高純度アルミナを用いることによって、厚さ２５０〜３５０μｍの形状で５５ｋｇｆ／ｍｍ^２以上の高強度のアルミナ基板が得られることが提案されている（例えば、特許文献３参照）。
【０００６】
しかし、特許文献３に記載された高強度のアルミナ基板は、アルミナ純度が９９質量％以上と高いため、接合強度の高いメタライズを施すためには、Ｍｏを主成分とし、Ｍｎ、ＴｉＨ_２などの活性金属で構成される導体成分を焼結後に焼き付ける必要があり、工程が増え、コストが高くなるという問題があった。
【０００７】
そこで、同時焼成によってメタライズの形成が可能なアルミナ基板が求められている。例えば、焼結助剤を加え、純度９６％以下となったアルミナを用いることによって、同時焼成によって低コストでメタライズを行なうことが提案されている（例えば、特許文献４参照）。
【０００８】
【特許文献１】
特開２００１−１９６４８５号公報
【特許文献２】
特開２００２−９１８８号公報
【特許文献３】
特開２０００−７４２５号公報
【特許文献４】
特開２０００−２７７６６２号公報
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特許文献２に記載のセラミックパッケージ製造方法は、Ｘ、Ｙ方向で切り欠き溝の深さを調節し、変化させるため作業が煩雑になりコスト高になるという問題があった。
【００１０】
また、絶縁基板の基板堤部の幅や基板底部の厚みが小さくなるため、スナップによる切断時にバリが出やすく、また、スナップ切断時に生成したクラックが原因となって接合時に破断するという問題があった。
【００１１】
一方、特許文献４に記載のアルミナは、メタライズは可能であるものの、抗折強度が４００ＭＰａ以下と低いため、気密封止のためにリッドとパッケージとを接合すると、絶縁基板、リング状メタライズ層、ロウ材、リッドの熱膨張率がそれぞれ異なるため、その差により発生する熱応力によって絶縁基板が破壊するという問題があった。
【００１２】
従って、本発明は、スナップ切断時のバリが小さく、気密封止しても破壊しにくく、特に、メタライズとの同時焼成が可能である小型・薄型用の連結基板及びその製造方法並びにセラミックパッケージを提供することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明は、焼結助剤を４質量％以上加えても、アルミナ粉末の粉末平均粒径、昇温速度及び冷却速度を制御することによって、結晶平均粒径が１〜２μｍ、破壊靱性が３．５〜４．５ＭＰａｍ^１／２を有し、特に３点曲げ強度が５００ＭＰａ以上、ヤング率が３２０ＧＰａ以下、熱伝導率が１５Ｗ／ｍＫ以上であるため、切断時にバリが出にくく、金属により気密封止しても破壊しにくく、特に、同時焼成が可能な小型・薄型用の連結基板及びその製造方法並びにセラミックパッケージを実現できるという知見に基づくものである。
【００１４】
即ち、本発明のセラミックパッケージは、基板底部と、該基板底部の外周に一体的に設けられた基板堤部とを具備し、前記基板底部の表面に電気素子が実装される絶縁基板と、該絶縁基板の内部及び／又は表面に設けられた導体層と、前記基板堤部の少なくとも一部に、金属製リッドを接合するために設けられたメタライズ層とを具備するセラミックパッケージが複数連結してなり、該セラミックパッケージを各々分離するための切り欠き溝が前記セラミックパッケージ間に設けられた連結基板において、前記絶縁基板が４質量％以上の焼結助剤を含むアルミナ質焼結体からなり、該アルミナ質焼結体の結晶平均粒径が１〜２μｍであり、且つ破壊靱性が３．５〜４．５ＭＰａｍ^１／２であることを特徴とするものである。
【００１５】
特に、前記アルミナ質焼結体の強度が５００ＭＰａ以上、ヤング率が３２０ＧＰａ以下、熱伝導率が１５Ｗ／ｍＫ以上であることが好ましい。これにより、熱膨張差により応力が発生しても、速やかな放熱、変形により応力を緩和でき、且つ破壊を効果的に防止することが可能となる。
【００１６】
また、前記絶縁基板に対する前記メタライズ層の接着強度が４９Ｎ以上であることが好ましい。これにより、リッドとパッケージを接合する際にリング状メタライズ層と絶縁基板との間で発生する剥離を効果的に抑制し、より高い信頼性を得ることができる。
【００１７】
また、前記アルミナ質焼結体が、Ｍｎを酸化物換算で２〜８質量％、Ｓｉを酸化物換算で１〜６質量％の割合で含み、Ａｌ_２Ｏ_３を主結晶相とし、該主結晶相の粒界にＭｎＡｌ_２Ｏ_４結晶を含むことが好ましい。これにより破壊靱性を３．５〜４．５ＭＰａｍ^１／２、強度を５００ＭＰａ以上まで高くすることができる。
【００１８】
さらにまた、前記導体層がＷ及び／又はＭｏを主成分とし、アルミナを１０質量％以下の割合で含むことが好ましい。これによりアルミナと同時焼成可能であり、かつメタライズ強度を４９Ｎ以上まで高くすることができる。
【００１９】
さらに、前記絶縁基板の基板堤部の幅が０．１〜０．３ｍｍ、前記電気素子が実装される絶縁基板の基板底部の厚みが０．１〜０．３ｍｍ、パッケージ高さが０．３〜０．６ｍｍであることが好ましい。このような寸法に設定することにより、絶縁基板の熱応力破壊をより効果的に防止するとともに、パッケージの容積をより小さくすることができる。
【００２０】
本発明の連結基板の製造方法は、平均粒径０．５〜２μｍのアルミナ粉末９６質量％以下と４質量％以上の焼結助剤とを含有するグリーンシートに、導体ペーストを用いて複数の導体パターン及びメタライズ層を被着形成した後、前記グリーンシートを適宜積層して積層体を作製した後、複数の絶縁基板を分離するための切り欠き溝を、前記積層体の表面に形成し、該積層体を１２５０〜１４００℃の非酸化性雰囲気中で焼成することを特徴とするものである。これにより、４質量％以上の焼成助剤を加えても、結晶平均粒径が１〜２μｍ、破壊靱性が３．５〜４．５ＭＰａｍ^１／２、３点曲げ強度が５００ＭＰａ以上のアルミナ質焼結体からなる連結基板を製造することができる。
【００２１】
また、前記焼結助剤がＭｎ_２Ｏ_３粉末及びＳｉＯ_２粉末を含むこと、さらに前記Ｍｎ_２Ｏ_３粉末が２〜８質量％、前記ＳｉＯ_２粉末が１〜６質量％であることが好ましい。これにより、粒成長を抑制しつつ焼結させ、より高密度を実現することが容易となる。
【００２２】
さらに、前記導体ペーストがＷ及び／又はＭｏを主成分とし、アルミナを１０質量％以下の割合で含むことが好ましい。これによりメタライズ強度を４９Ｎ以上まで高めることができる。
【００２３】
また、本発明のセラミックパッケージは、上記の連結基板に複数連結して形成されたセラミックパッケージを各々分離して得られ、且つ得られたセラミックパッケージの絶縁基板の縦及び横の長さの誤差がそれぞれ５０μｍ以下であることを特徴とするものであり、これにより、バリが小さいため寸法精度の高く、且つ気密封止しても破壊しにくいセラミックパッケージを実現することができる。
【００２４】
特に、前記連結基板を構成する複数のセラミックパッケージ間に設けられた切り欠き溝を起点としてスナップ切断して得られたことが好ましい。これにより、バリの少ないセラミックパッケージの製造が容易となる。
【００２５】
【発明の実施の形態】
本発明の連結基板は、例えば図１（ａ）及び（ｂ）に示したように、縦７列、横５列にセラミックパッケージ１が並設され、複数のセラミックパッケージ１が一つの基板に形成されたものであり、また、隣接するセラミックパッケージ１間に切り欠き溝２が設けられ、スナップすることによって各セラミックパッケージ１を切断分離することができる。
【００２６】
各セラミックパッケージ１は、例えば図２に示したように、基板底部１１ａと基板堤部１１ｂとからなる絶縁基板１１と、基板底部１１ａに設けられた導体層１２と、基板堤部１１ｂの上に形成されたリング状リング状メタライズ層１３とを具備し、絶縁基板１１は、基板底部１１ａの外周に基板堤部１１ｂが一体的に設けられてなるものである。
【００２７】
また、導体層１２は、基板底部１１ａの表面に設けられた表面導体層１２ａと、外部との電気接続のために裏面に設けられた裏面導体層１２ｃと、表面導体層１２ａ及び裏面導体層２ｃを接続するために基板底部１１ａの内部に形成された内部導体層１２ｂとからなっている。
【００２８】
セラミックパッケージ１は、電気素子や半導体素子を内部に載置し、蓋をして密封して用いるものであり、例えば図２に示すように、絶縁基板１１の基板底部１１ａに設けられた導体層１２と接続された電気素子１４及び半導体素子１６とを載置することができる。
【００２９】
電気素子１４は、導電性接着剤１５を用いて導体層１２と電気的接続を行うことができる。電気素子１４としては、水晶発振子、誘電体、抵抗体、フィルタ及びコンデンサのうち少なくとも１種を用いることができる。また、半導体素子１６は、ワイヤボンディング１７等により導体層１２と接続する。
【００３０】
金属製リッド２０は、電気素子１４及び半導体素子１６を保護するため、セラミックパッケージに接合し、気密に封止される。金属製リッド２０は、基板堤部１１ｂの上面に被着形成されたリング状リング状メタライズ層１３の表面にメッキ層１８を形成し、さらにその上に共晶Ａｇ−Ｃｕロウ材１９を用いて、シーム溶接などの方法により接合される。
【００３１】
本発明の連結基板は、各セラミックパッケージ１を構成する絶縁基板１１が結晶平均粒径が１〜２μｍ、破壊靱性が３．５〜４．５ＭＰａｍ^１／２のアルミナ質焼結体からなることが重要である。結晶平均粒径が１μｍより小さくなると熱伝導率が低下し、２μｍより大きくなると粗大粒が増加し、強度の低下、バリが増大する。
【００３２】
なお、本発明における結晶平均粒径は焼結体断面からインターセプト法を用いて測定し、破壊靱性、３点曲げ強度は、厚み３ｍｍ、幅４ｍｍ、長さ４０ｍｍの試料を用いて、ＪＩＳ　Ｒ（靱性の測定コード）１６０１に基づいて室温にて測定した値である。
【００３３】
また、破壊靱性が３．５ＭＰａｍ^１／２より小さくなるとパッケージが欠けやすくなり、破壊靱性が４．５ＭＰａｍ^１／２より大きくなるとブレーク性が劣化し、バリが増大する。
【００３４】
アルミナ質焼結体の３点曲げ強度が５００ＭＰａ以上であることが好ましい。５００ＭＰａよりも低くなると金属製リッド２０の封止時や２次実装の時に熱応力が加わって破壊する、または、ハンドリング時や使用時の衝撃等により破壊するためである。このような熱応力や衝撃力に強く、より高い信頼性を示すため、強度は、特に５５０ＭＰａ以上、更には６００ＭＰａ以上であることが好ましい。
【００３５】
絶縁基板１１の熱伝導率は、封止時の熱を系外に放出するとともに、絶縁基板１１内での温度差を小さくすることができるため、封止時の破壊をより効果的に防止する点で１５Ｗ／ｍＫ以上、特に２０Ｗ／ｍＫ以上、更には２５Ｗ／ｍＫ以上であることが好ましい。
【００３６】
絶縁基板１１のヤング率は、熱応力を変形によって吸収し、破壊をより効果的に防止する傾向がある点で、３２０ＧＰａ以下、特に３１０ＧＰａ以下、更には３００ＧＰａ以下であることが好ましい。
【００３７】
本発明によれば、前記基板堤部１１ｂの少なくとも一部に、金属製リッド２０を接合するためのリング状メタライズ層１３が設けられていることが重要である。特に、同時焼成によってリング状メタライズ層１３が設けられるのが良い。これにより、リング状メタライズ層１３の形成工程を別途必要としないため、工程を短縮でき、製品コストを低減することができ、且つ密着力の高いリング状メタライズ層１３を得ることができる。
【００３８】
また、絶縁基板１１は、アルミナを主成分とし、焼結助剤が４質量％以上、特に６質量％以上、更には８質量％以上含まれることが、導体層１２やリング状メタライズ層１３との同時焼成を可能とし、密着性を高め、不良発生を防止できる点で好ましい。
【００３９】
主成分のアルミナは、アルミナを９０質量％以上、特に９０〜９６質量％、更には９３〜９６質量％の割合で含有することが好ましい。これにより、絶縁基板１１の破壊靱性が３．５〜４．５ＭＰａｍ^１／２、３点曲げ強度を５００ＭＰａとすることが容易となる。
【００４０】
第２の成分として、ＭｎをＭｎ_２Ｏ_３換算で２〜８質量％の割合で含むことが好ましい。これは、Ｍｎ成分は焼結助剤として作用するものであり、このＭｎ_２Ｏ_３量が２質量％よりも少ないと、１２５０〜１４００℃での緻密化が達成されず、また８質量％よりも多いと、ＭｎＡｌ_２Ｏ_４が多く析出される結果、緻密化が阻害され強度低下を招くためである。従って、焼結性を高めるため、Ｍｎ_２Ｏ_３量は、特に３〜８質量％、更には３〜６質量％が好ましい。
【００４１】
また、第３の成分として、ＳｉをＳｉＯ_２換算で１〜６質量％の割合で含有することが好ましい。ＳｉＯ_２量が１質量％より少ないと、焼結性に寄与する液相が生成されず緻密化されず、また、６質量％より多いと、ＭｎＡｌ_２Ｏ_４が結晶化されにくくなるとともに非晶質相が多くなり、曲げ強度が低下するる。緻密か及び結晶化の点で、ＳｉＯ_２量は、特に２〜５質量％、更には３〜５質量％が好ましい。
【００４２】
また、所望により、第４の成分として、Ｍｇ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａのうち少なくとも１種を導体層１２やリング状メタライズ層１３との同時焼結性を高める上で、主成分１００質量％に対して、酸化物換算で３質量％以下の割合で含んでもよい。さらに、所望により、第５の成分として、Ｗ、Ｍｏなどの金属を焼結体を黒色化するための成分として主成分１００質量％に対して２質量％以下の割合で含んでもよい。
【００４３】
上記アルミナ結晶粒子の粒界には少なくとも前記第２、第３成分が存在するが、これらの成分の内第２成分であるＭｎは、ＭｎＡｌ_２Ｏ_４として存在することが重要である。焼結助剤として添加したＭｎ_２Ｏ_３がＭｎＡｌ_２Ｏ_４として析出することによって、焼結体の曲げ強度を高めることができる。
【００４４】
本発明によれば、図２に示した基板堤部１１ｂの幅ｄを０．１〜０．３ｍｍに、基板底部１１ａの厚みｔを０．１〜０．３ｍｍに、またパッケージの高さｈを０．３〜０．６ｍｍにすることが好ましい。このような寸法に設定することにより、絶縁基板１１であるアルミナ質焼結体の強度を考慮し、金属製リッド２０の封止時の熱応力に対する破壊をより効果的に防止でき、また、パッケージの容積をより小さくすることができる。特に、パッケージの高さｈを０．６ｍｍ以下とすることにより、電気素子１４及び／又は半導体素子１６を実装した超小型・超薄型セラミックパッケージとしてＩＣカードなどに応用することができる。
【００４５】
導電層１２は、金属製リッド２０の封止あるいは各種金属端子との接続を可能とし、絶縁基板１１との強固な接着力を有するメタライズを形成するため、Ｗ及び／又はＭｏを主成分とし、アルミナを１０質量％以下、特に８質量％以下含むことが好ましい。
【００４６】
金属製リッド２０は、熱膨張がアルミナに近く、封止時に発生する熱応力が小さくなり、封止時に絶縁基板１１がより破壊しにくくなるため、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金であることが好ましい。
【００４７】
絶縁基板１１に対するリング状メタライズ層１３の接着強度が４９Ｎ以上であることが好ましい。これにより、金属製リッド２０とセラミックパッケージを接合する際にリング状メタライズ層１３と絶縁基板１１との間で発生する剥離を効果的に抑制し、より高い信頼性を得ることができる。
【００４８】
次に、本発明の連結基板を製造する方法について具体的に説明する。
【００４９】
まず、原料粉末として、平均粒子径が０．５〜２．０μｍ、特に１．０〜１．５μｍのアルミナ粉末を準備する。これは、平均粒子径は０．５μｍ以上とすることにより、シート成形性を確保でき、粉末のコスト上昇を防ぐことができる。また、２．０μｍ以下とすることで、１４００℃以下の焼成での緻密化を促進し、焼結を容易にすることができる。
【００５０】
また、第２の成分として純度９９％以上、平均粒子径０．５〜５μｍのＭｎ_２Ｏ_３粉末、第３の成分として純度９９％以上、平均粒子径０．５〜３μｍのＳｉＯ_２粉末を準備する。なお、Ｍｎ及びＳｉは、上記の酸化物粉末以外に、焼成によって酸化物を形成し得る炭酸塩、硝酸塩、酢酸塩等として添加してもよい。
【００５１】
これらの成分は、アルミナ粉末に対して、Ｍｎ_２Ｏ_３粉末を２〜８質量％、特に３〜８質量％、更には３〜６質量％、ＳｉＯ_２粉末を１〜６質量％、特に２〜５質量％、更には３〜５質量％の割合で添加することが、粒成長を抑制しつつ焼結性を高め、緻密化を促進するために好ましい。
【００５２】
なお、所望により、第４の成分として、Ｍｇ、Ｃａ、Ｓｒのうち少なくとも１種を酸化物換算で３質量％以下、第５の成分として、Ｗ、Ｍｏ等の遷移金属の金属粉末や酸化物粉末を着色成分として金属換算で２質量％以下の割合で添加しても良い。
【００５３】
さらに、強度、破壊靱性を向上させる周知の手法であるＺｒ、Ｈｆなどを適宜添加しても良い。
【００５４】
上記の混合粉末に対して適宜有機バインダを添加した後、これをプレス法、ドクターブレード法、圧延法、射出法等の周知の成形方法によって、絶縁基板１１を形成するためのグリーンシートを作製する。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た後、ドクターブレード法によってグリーンシートを形成する。或いはまた、混合粉末に有機バインダを加え、プレス成形、圧延成形等により所定の厚みのグリーンシートを作製できる。
【００５５】
そして、所望により、グリーンシートに対して、マイクロドリル、レーザー等により直径５０〜２５０μｍのビアホールを形成することができる。
【００５６】
このようにして作製したグリーンシートに対して、導体ペーストをスクリーン印刷、グラビア印刷などの方法により各グリーンシート上に配線パターン状、あるいはリング状に印刷塗布するとともに、所望により、上記の導体ペーストをビアホール内に充填する。
【００５７】
導体ペーストは、導体成分としてＷ及び／又はＭｏを用い、これにアルミナ粉末を１０質量％以下、特に８質量％以下の割合で添加したものが好ましい。これは、同時焼成を行なっても導体層２の導通抵抗を低く維持したままアルミナ焼結体と導体層２の密着性を高め、メッキ欠けなどの不良の発生を防止することができる。
【００５８】
なお、密着性向上のため、アルミナ粉末の代わりに、絶縁基板１１を形成する酸化物セラミックス成分と同一の組成物粉末を加えても良く、さらにＮｉ等の酸化物を０．０５〜２体積％の割合で添加することも可能である。
【００５９】
その後、導体ペーストを印刷塗布したグリーンシートを位置合わせして積層圧着した後、セラミックパッケージ１を分離するための切り欠き溝２を複数形成する。切り欠き溝２の形成方法としては、カッター刃、金型、レーザー加工等の方法を用いることができ、これらの中でも、特に金型、レーザー加工が低コストで量産出来る点で好ましい。
【００６０】
この切り欠き溝２を形成した積層体を、少なくとも１０００℃から焼成最高温度まで１５０℃／ｈ以上の昇温速度で加熱し、１２５０〜１４００℃の非酸化性雰囲気中で焼成し、１０００℃までの冷却速度を２５０℃／ｈ以下とする条件で焼成することが重要である。
【００６１】
昇温速度が、１０００℃から焼成最高温度までの間において、１５０℃／ｈより小さい場合、昇温時の低温液相領域での液相生成が不均一になり、アルミナの粒成長に偏りが生じるため曲げ強度が低下する。特に、強度をより高めるため、昇温速度を１８０℃／ｈ以上、更には２００℃／ｈとすることが好ましい。
【００６２】
また、１２５０〜１４００℃で焼成することも重要で、１２５０℃よりも低くなると緻密化が不充分で曲げ強度が５００ＭＰａに達せず、また、１４００℃よりも高くなると、Ｗ及び／又はＭｏ自体の焼結が進み、アルミナとの接着強度が弱くなり、同時にアルミナの焼結も進み、粒成長が促進され破壊靱性が上昇してしまう。焼成温度は、機械的及び電気的信頼性を高めるため、特に１３５０〜１４００℃であることが好ましい。
【００６３】
焼成終了直後の保持温度から１０００℃までの冷却速度は、２５０℃／ｈ以下であることも重要である。２５０℃／ｈを越えると、ＭｎＡｌ_２Ｏ_４が結晶化されにくく、非晶質として残存するため、曲げ強度が低下する。冷却速度は、強度を高める点で、特に２００℃／ｈ以下が好ましい。
【００６４】
また、焼成雰囲気は、金属が酸化されないように、非酸化性雰囲気であることが重要である。具体的には、窒素、又は窒素と水素との混合ガスを用いることが望ましい。有機バインダの脱脂をする上では、水素及び窒素を含み、露点＋３０℃以下、特に２５℃以下の非酸化性雰囲気であることが望ましい。なお、雰囲気中には、所望により、アルゴン等の不活性ガスを混入してもよい。
【００６５】
そして、導体層１２及びリング状メタライズ層１３には、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｃｒ、ＡｕおよびＣｕのうち少なくとも１種から成るメッキ層が形成されている。
【００６６】
このような方法で製造した連結基板は、メタライズとの同時焼成が可能で、結晶平均粒径が１〜２μｍ、破壊靱性が３．５〜４．５ＭＰａｍ^１／２、強度が５００ＭＰａ以上の小型セラミックパッケージとして好適に用いることができる。
【００６７】
なお、最終的には、絶縁基板１１内部に電気素子１４及び／又は半導体素子１６を実装し、導体層１２との電気的に接続し、且つリング状メタライズ層１３の表面にメッキ層１８を被覆し、金属製リッド２０をロウ材１９によってシーム溶接で接合することにより、電気素子１４及び／又は半導体素子１６が気密に封止された半導体装置を得ることができる。
【００６８】
本発明のセラミックパッケージは、上記のセラミックパッケージ１を各々分離して得られるのもであり、得られたセラミックパッケージ１における絶縁基板の縦及び横の長さの誤差がそれぞれ５０μｍ以下であることが重要である。
【００６９】
ここで、誤差とは、図３に示したように、セラミックパッケージ１の切り欠き溝２を形成した面の長さをＬ_ｏｒ、バリの存在する面の長さＬ_Ｂをとした時、Ｌ_Ｂ−Ｌ_ｏｒの絶対値を示すものであり、この誤差を５０μｍ以下に抑えることにより、高寸法精度のセラミックパッケージを得ることが出来る。
【００７０】
また、本発明のセラミックパッケージは、連結基板の切り欠き溝２に沿って、切り欠き溝２を起点として、基板堤部１１ｂ側より応力をかけることにより、スナップ切断してセラミックパッケージを分離して作製することが、バリの少ないセラミックパッケージを安価に、且つ容易に製造するために好ましい。
【００７１】
【実施例】
純度９９％以上、平均粒径１．５μｍのアルミナ粉末に対して、純度９９％以上、平均粒径０．７μｍのＭｎ_２Ｏ_３粉末、純度９９％以上、平均粒径１．０μｍのＳｉＯ_２粉末、純度９９．９％以上、平均粒径１．２μｍのＷ粉末、純度９９．９％以上、平均粒径１．２μｍのＭｏ粉末、純度９９．９％以上、平均粒径０．７μｍのＭｇＣＯ_３粉末、純度９９％以上、平均粒径１．３μｍのＣａＣＯ_３粉末、純度９９％以上、平均粒径１．０μｍのＳｒＣＯ_３粉末及びＢａＣＯ_３粉末、及び平均粒径０．３μｍのＺｒＯ_２粉末を準備した。
【００７２】
これらの原料粉末を表１に示す割合で混合した後、成形用有機樹脂（バインダ）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てスラリーを調製し、しかる後に、ドクターブレード法にて厚さ１５０μｍのグリーンシートを作製した。
【００７３】
得られたグリーンシートを所定厚みに積層し、露点＋２５℃の窒素水素混合雰囲気にて脱脂を行なった後、引き続き、表１に示した昇温速度で１０００℃から焼成最高温度まで昇温し、焼成最高温度にて露点＋２５℃の窒素水素混合雰囲気にて１時間焼成した後、１０００℃までを表１に示した速度で冷却した。
【００７４】
得られた焼結体の主結晶相は焼結体を粉砕し、Ｘ線回折により同定した。また、嵩密度はアルキメデス法によって測定し、気孔率を算出した。また、破壊靱性、強度は厚み３ｍｍ、幅４ｍｍ、長さ４０ｍｍの梁状試料を作成し、ＪＩＳ　Ｒ１６０１に基づいて室温にて測定した。さらに、平均結晶粒子径は、インターセプト法により測定し、粒子径として表１に示した。
【００７５】
破壊靭性は、ＪＩＳ　Ｒ１６７０に基づき、ＩＭ法にて測定した。また、ヤング率はＪＩＳ　Ｒ１６０２に基づいて室温のヤング率を測定した。熱伝導率は、レーザーフラッシュ法により室温で測定した。さらに、長さ誤差は、スナップによって各セラミックパッケージを分離し、ノギスを用いて最大部と最小部を測定し、その差を取った。この測定を２０個について行い、平均値を算出して、これを長さ誤差とした。
【００７６】
一方、平均粒径１．２μｍのＷ粉末、平均粒径１．２μｍのＭｏ粉末、平均粒径１．５μｍのアルミナ粉末、平均粒径２μｍのＣｕ、Ａｕ及びＡｇ粉末を表１に示す組成に調製した後、アクリル系バインダとアセトンを溶媒として混合し、導体ペーストを調製した。
【００７７】
そして、上記と同様にして作製したグリーンシートに対して、打抜き加工を施し、直径が１００μｍのビアホールを形成し、このビアホール内に、上記の導体ペーストをスクリーン印刷法によって、充填するとともに、配線パターン状及びリング状に印刷塗布した。なお、リング状メタライズ層を形成したグリーンシートは、電気素子収納する部位を打抜き加工によって除去した。
【００７８】
このようにして作製したグリーンシートを位置合わせして積層圧着して積層体を作製した。その後、この積層体に切り欠き溝を施し、成形体を露点＋２５℃の窒素水素混合雰囲気にて脱脂を行なった後、露点＋２５℃の窒素水素混合雰囲気にて脱脂を行なった後、引き続き、表１に示した昇温速度で１０００℃から焼成最高温度まで昇温し、焼成最高温度にて露点＋２５℃の窒素水素混合雰囲気にて１時間焼成した後、１０００℃までを表１に示した速度で冷却した。
【００７９】
次に、連結基板表面の導体層及びリング状メタライズ層の表面に電解Ｎｉメッキを施し、さらにその表面に０．２μｍのＡｕメッキを施した。Ａｕメッキ後、連結基板を切り欠き溝にそってブレークし、単一のセラミックパッケージを得た。得られたセラミックパッケージの外形寸法をノギスで測定した後、リング状メタライズ層に対して、共晶Ａｇ−Ｃｕロウ材を用いてＦｅ−Ｃｏ−Ｎｉ合金からなる厚み０．２ｍｍの金属製リッドをシーム溶接によって接合し、気密に封止した。
【００８０】
得られた試料は、４０倍の顕微鏡にてメタライズ剥れ、封止状態について、絶縁基板のクラックの確認を行い、それぞれの結果について○、×として評価し、クラック・破損状態として表２に示した。
【００８１】
さらに、メタライズ剥れ、クラックのない試料について、−６５℃にて５分、１５０℃にて５分保持を１サイクルとして１００サイクルまでの熱サイクル試験を行い、気密封止性をＨｅリーク法によって評価した。Ｈｅリーク法は、０．４１ＭＰａのＨｅ加圧雰囲気中に２時間保持した後、取り出し、真空雰囲気中で検出されるＨｅガス量を測定し、１×１０^−１０ＭＰａ・ｃｍ^３／ｓｅｃ以下を○、１×１０^−１０ＭＰａ・ｃｍ^３／ｓｅｃを超えるものを×として評価した。
【００８２】
また、絶縁基板に対するリング状メタライズ層の接着強度は、２ｍｍ×２５ｍｍのリング状メタライズ層を形成し、無電解Ｎｉメッキを施した後、銀ロウを用いて金具を接合し、金具を引き剥がす際の引き剥がし荷重を測定した。結果を表１、２に示した。
【００８３】
【表１】

【００８４】
【表２】

【００８５】
本発明の試料Ｎｏ．２、５、８、１０及び１３〜２８は、接着強度が５以上、長さ誤差が５０μｍ以下であり、接合後もクラックや損傷が見られず、更に封止テストにおいても実質的にリークは観察されなかった。
【００８６】
これに対して、平均結晶粒径が１μｍに満たない本発明の範囲外の試料Ｎｏ．１及び９は、接着強度が３０Ｎ以下、長さ誤差が８０μｍであり、封止状態も悪かった。
【００８７】
平均結晶粒径が４．２μｍ以上と大きい本発明の範囲外の試料Ｎｏ．３及び１１は、接合強度が４０ＭＰａ以下、長さ誤差が７０μｍ以上と大きく、封止状態が悪かった。
【００８８】
また、助剤量が４質量％に満たない本発明の範囲外の試料Ｎｏ．４は、接着強度が３０Ｎと小さく、長さ誤差が８０μｍと大きく、封止状態が悪かった。
【００８９】
さらに、非晶質である本発明の範囲外の試料Ｎｏ．６及び１２は、破壊靭性が３．１ＭＰａｍ^１／２以下と小さく、長さ誤差が９０μｍ以上と大きく、サイクル試験後にリークが発生して封止状態が悪かった。
【００９０】
さらにまた、破壊靭性が３．４ＭＰａｍ^１／２と小さい本発明の範囲外の試料Ｎｏ．７は、長さ誤差が６０μｍと大きく、サイクル試験後にリークが発生して封止状態が悪かった。
【００９１】
【発明の効果】
本発明は、アルミナの強度を５００ＭＰａ以上、メタライズ強度を４９Ｎ以上とすることにより、絶縁基板の基板堤部の幅ｄが０．１〜０．３ｍｍ、電気素子が実装される絶縁基板の基板底部の厚みｔが０．１〜０．３ｍｍ、パッケージ高さｈが０．３〜０．６ｍｍであるセラミックパッケージが安価に得られる。
【００９２】
焼結助剤を４質量％以上加えても、アルミナ粉末の粉末平均粒径、昇温速度及び冷却速度を制御することによって、結晶平均粒径が１〜２μｍ、破壊靱性が３．５〜４．５ＭＰａｍ^１／２を有し、特に３点曲げ強度が５００ＭＰａ以上、ヤング率が３２０ＧＰａ以下、熱伝導率が１５Ｗ／ｍＫ以上の絶縁基板を具備するセラミックパッケージを複数連結した連結基板を作製することができる。
【００９３】
また、連結基板に形成されたセラミックパッケージを切り欠き溝からスナップ切断をしてもバリが出にいため、寸法精度が高く、且つ金属により気密封止しても破壊しにくく、特に、同時焼成が可能な小型・薄型用のセラミックパッケージを実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の連結基板の一例を示すもので、（ａ）は平面図、（ｂ）は概略断面図である。
【図２】本発明のセラミックパッケージの一例を示すもので、内部に電気素子及び半導体素子を実装し、金属製リッドを接合した状態のセラミックパッケージの概略断面図である。
【図３】本発明の連結基板から分離したセラミックパッケージの構造を示す概略断面図である。
【符号の説明】
１・・・セラミックパッケージ
２・・・切り欠き溝
１１・・・絶縁基板
１１ａ・・・基板底部
１１ｂ・・・基板堤部
１２・・・導体層
１２ａ・・・表面導体層
１２ｂ・・・内部導体層
１２ｃ・・・裏面導体層
１３・・・リング状メタライズ層
１４・・・電気素子
１５・・・導電性接着剤
１６・・・半導体素子
１７・・・ワイヤボンディング
１８・・・メッキ層
１９・・・ロウ材
２０・・・金属製リッド[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention provides a ceramic package in which an electric element and / or a semiconductor element is mounted and hermetically sealed by a lid or the like, in particular, the height is 0.6 mm or less, and the width of the substrate bank is 0.3 mm or less. The present invention relates to an ultra-small and ultra-thin ceramic package, a connecting substrate provided with the ceramic package connected thereto, and a method of manufacturing the same.
[0002]
[Prior art]
2. Description of the Related Art In recent years, with the increase in integration of semiconductor elements and miniaturization of electric elements, various electronic devices have been miniaturized and enhanced in function. Along with this, it is required to reduce the size of a ceramic package that houses an electric element or mounts a passive component at the same time as a semiconductor element. For example, a ceramic that has been reduced in size to about 3 mm in height, 2 mm in width, and 0.8 mm in height. A package is known (for example, see Patent Document 1).
[0003]
However, further miniaturization is required for packages, and for example, ultra-small and ultra-thin ones represented by IC cards are required. In such an ultra-small and ultra-thin ceramic package, a notch groove is formed in a large-sized substrate, and a break can be made into individual single packages in the final step.
[0004]
For example, as a method of suppressing burrs at the time of breaking from a connecting substrate to a single insulating substrate, it has been proposed to produce a laminate and a connecting substrate by changing the depth of a notch groove (for example, see Patent Document 2). ).
[0005]
Further, by using high-purity alumina having a purity of 99% or more, 55 kgf / mm in a shape having a thickness of 250 to 350 μm. ² It has been proposed that an alumina substrate having the above-mentioned high strength can be obtained (for example, see Patent Document 3).
[0006]
However, the high-strength alumina substrate described in Patent Document 3 has an alumina purity as high as 99% by mass or more. Therefore, in order to perform metallization with high bonding strength, Mo is mainly composed of Mn, TiH ₂ It is necessary to bake a conductor component made of an active metal such as the above after sintering, and there is a problem that the number of steps increases and the cost increases.
[0007]
Therefore, an alumina substrate capable of forming a metallization by simultaneous firing has been demanded. For example, it has been proposed that metallization be performed at low cost by simultaneous firing by using alumina having a purity of 96% or less by adding a sintering aid (for example, see Patent Document 4).
[0008]
[Patent Document 1]
JP 2001-196485 A
[Patent Document 2]
JP-A-2002-9188
[Patent Document 3]
JP 2000-7425 A
[Patent Document 4]
JP 2000-277662 A
[0009]
[Problems to be solved by the invention]
However, the method for manufacturing a ceramic package described in Patent Document 2 has a problem in that the depth of the notch groove is adjusted and changed in the X and Y directions, so that the operation becomes complicated and the cost increases.
[0010]
In addition, since the width of the substrate bank and the thickness of the substrate bottom of the insulating substrate are reduced, burrs are likely to appear when cutting by snapping, and cracks are generated at the time of snapping and break at the time of joining. Was.
[0011]
On the other hand, although the alumina described in Patent Document 4 can be metallized, it has a low bending strength of 400 MPa or less. Therefore, when the lid and the package are joined for hermetic sealing, an insulating substrate, a ring-shaped metallized layer, Since the thermal expansion coefficients of the brazing material and the lid are different from each other, there is a problem that the insulating substrate is broken by thermal stress generated by the difference.
[0012]
Therefore, the present invention provides a small and thin connecting substrate, a method of manufacturing the same, and a ceramic package, which have small burrs at the time of snap cutting, are hard to break even when hermetically sealed, and can be simultaneously fired with metallization. The purpose is to provide.
[0013]
[Means for Solving the Problems]
According to the present invention, even when 4% by mass or more of a sintering aid is added, the average crystal grain size is 1 to 2 μm and the fracture toughness is 3 μm by controlling the powder average particle size, heating rate and cooling rate of the alumina powder. 0.5-4.5MPam ^1/2 In particular, since the three-point bending strength is 500 MPa or more, the Young's modulus is 320 GPa or less, and the thermal conductivity is 15 W / mK or more, burr does not easily appear at the time of cutting, and it is difficult to break even when hermetically sealed with metal, In particular, the present invention is based on the finding that a small and thin connecting substrate capable of co-firing, a method of manufacturing the same, and a ceramic package can be realized.
[0014]
That is, the ceramic package of the present invention includes a substrate bottom and a substrate bank provided integrally on the outer periphery of the substrate bottom, and an insulating substrate on which an electric element is mounted on a surface of the substrate bottom; A plurality of ceramic packages each including a conductor layer provided inside and / or on the surface of an insulating substrate, and a metallization layer provided for joining a metal lid to at least a part of the substrate bank are connected to each other. Wherein a notch groove for separating the ceramic packages is provided between the ceramic packages, wherein the insulating substrate is made of an alumina sintered body containing 4% by mass or more of a sintering aid, The alumina sintered body has an average crystal grain size of 1 to 2 μm and a fracture toughness of 3.5 to 4.5 MPam. ^1/2 It is characterized by being.
[0015]
In particular, the alumina sintered body preferably has a strength of 500 MPa or more, a Young's modulus of 320 GPa or less, and a thermal conductivity of 15 W / mK or more. Thus, even if stress is generated due to a difference in thermal expansion, the stress can be relieved by rapid heat dissipation and deformation, and destruction can be effectively prevented.
[0016]
Further, it is preferable that the adhesive strength of the metallized layer to the insulating substrate is 49 N or more. Thereby, peeling that occurs between the ring-shaped metallized layer and the insulating substrate when joining the lid and the package can be effectively suppressed, and higher reliability can be obtained.
[0017]
Further, the alumina-based sintered body contains Mn in an amount of 2 to 8% by mass in terms of oxide and Si in an amount of 1 to 6% by mass in terms of oxide. ₂ O ₃ Is the main crystal phase, and MnAl ₂ O ₄ Preferably, it contains crystals. Thereby, the fracture toughness is increased to 3.5 to 4.5 MPam. ^1/2 , The strength can be increased to 500 MPa or more.
[0018]
Furthermore, it is preferable that the conductor layer contains W and / or Mo as a main component and alumina at a ratio of 10% by mass or less. Thereby, it can be fired simultaneously with alumina, and the metallization strength can be increased to 49N or more.
[0019]
Further, the width of the substrate bank of the insulating substrate is 0.1 to 0.3 mm, the thickness of the substrate bottom of the insulating substrate on which the electric element is mounted is 0.1 to 0.3 mm, and the package height is 0.3. It is preferably about 0.6 mm. By setting such dimensions, thermal stress destruction of the insulating substrate can be more effectively prevented, and the volume of the package can be further reduced.
[0020]
The method for manufacturing a connection board according to the present invention comprises the steps of: using a conductive paste on a green sheet containing 96% by mass or less of alumina powder having an average particle size of 0.5 to 2 μm and a sintering aid of 4% by mass or more. After forming a conductor pattern and a metallized layer, after forming a laminate by appropriately laminating the green sheets, cutout grooves for separating a plurality of insulating substrates are formed on the surface of the laminate. The laminated body is fired in a non-oxidizing atmosphere at 1250 to 1400 ° C. As a result, even when 4% by mass or more of the sintering aid is added, the average crystal grain size is 1 to 2 μm, and the fracture toughness is 3.5 to 4.5 MPam. ^1/2 A connecting substrate made of an alumina sintered body having a three-point bending strength of 500 MPa or more can be manufactured.
[0021]
Further, the sintering aid is Mn. ₂ O ₃ Powder and SiO ₂ Powder, further comprising the Mn ₂ O ₃ 2 to 8% by mass of powder, SiO ₂ It is preferable that the content of the powder is 1 to 6% by mass. This facilitates sintering while suppressing grain growth to achieve higher density.
[0022]
Further, it is preferable that the conductor paste contains W and / or Mo as a main component and alumina at a ratio of 10% by mass or less. Thereby, the metallization strength can be increased to 49N or more.
[0023]
Further, the ceramic package of the present invention is obtained by separately separating a plurality of ceramic packages formed by being connected to the above-mentioned connecting substrate, and errors in the vertical and horizontal lengths of the insulating substrate of the obtained ceramic package are reduced. Each is characterized by being 50 μm or less, thereby realizing a ceramic package that has high dimensional accuracy due to small burrs and is not easily broken even when hermetically sealed.
[0024]
In particular, it is preferable that the connection board is obtained by snap cutting starting from a notch groove provided between a plurality of ceramic packages constituting the connection substrate. This facilitates the manufacture of a ceramic package with less burrs.
[0025]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
As shown in FIGS. 1 (a) and 1 (b), for example, as shown in FIGS. 1 (a) and 1 (b), a plurality of ceramic packages 1 are juxtaposed in a row, and a plurality of ceramic packages 1 are formed on one substrate. In addition, a notch groove 2 is provided between adjacent ceramic packages 1, and each ceramic package 1 can be cut and separated by snapping.
[0026]
As shown in FIG. 2, for example, each ceramic package 1 includes an insulating substrate 11 including a substrate bottom 11a and a substrate bank 11b, a conductor layer 12 provided on the substrate bottom 11a, and a substrate bank 11b. The insulating substrate 11 includes the formed ring-shaped metallized layer 13 and the substrate bank 11b is integrally provided on the outer periphery of the substrate bottom 11a.
[0027]
The conductor layer 12 includes a front surface conductor layer 12a provided on the surface of the substrate bottom 11a, a back surface conductor layer 12c provided on the back surface for electrical connection with the outside, a front surface conductor layer 12a and a back surface conductor layer 2c. And an internal conductor layer 12b formed inside the substrate bottom 11a.
[0028]
The ceramic package 1 has an electric element or a semiconductor element placed therein, sealed with a lid, and used, for example, as shown in FIG. 2, a conductor layer provided on a substrate bottom 11a of an insulating substrate 11. The electrical element 14 and the semiconductor element 16 connected to the module 12 can be placed.
[0029]
The electric element 14 can be electrically connected to the conductor layer 12 using the conductive adhesive 15. As the electric element 14, at least one of a crystal oscillator, a dielectric, a resistor, a filter, and a capacitor can be used. The semiconductor element 16 is connected to the conductor layer 12 by wire bonding 17 or the like.
[0030]
The metal lid 20 is joined to a ceramic package and hermetically sealed to protect the electric element 14 and the semiconductor element 16. The metal lid 20 is formed by forming a plating layer 18 on the surface of a ring-shaped metallization layer 13 formed on the upper surface of the substrate bank 11b, and further using a eutectic Ag-Cu brazing material 19 thereon. And seam welding.
[0031]
In the connection substrate of the present invention, the insulating substrate 11 constituting each ceramic package 1 has an average crystal grain size of 1 to 2 μm and a fracture toughness of 3.5 to 4.5 MPam. ^1/2 Is important. When the average crystal grain size is smaller than 1 μm, the thermal conductivity decreases, and when the average crystal grain size is larger than 2 μm, coarse grains increase, strength decreases, and burrs increase.
[0032]
In the present invention, the average crystal grain size is measured from the cross section of the sintered body using the intercept method, and the fracture toughness and the three-point bending strength are determined by using a sample having a thickness of 3 mm, a width of 4 mm, and a length of 40 mm according to JIS R ( It is a value measured at room temperature based on a toughness measurement code) 1601.
[0033]
Further, the fracture toughness is 3.5 MPam ^1/2 If the size is smaller, the package is likely to be chipped, and the fracture toughness is 4.5 MPam. ^1/2 If it becomes larger, the breakability deteriorates and burrs increase.
[0034]
The alumina sintered body preferably has a three-point bending strength of 500 MPa or more. If the pressure is lower than 500 MPa, thermal stress is applied to the metal lid 20 at the time of sealing or secondary mounting, and the metal lid 20 is broken, or the metal lid 20 is broken at the time of handling or use. In order to be resistant to such thermal stress and impact force and to exhibit higher reliability, the strength is preferably at least 550 MPa, more preferably at least 600 MPa.
[0035]
The thermal conductivity of the insulating substrate 11 allows heat at the time of sealing to be released to the outside of the system and reduces the temperature difference within the insulating substrate 11, so that destruction at the time of sealing is more effectively prevented. From the viewpoint, it is preferably 15 W / mK or more, particularly preferably 20 W / mK or more, and more preferably 25 W / mK or more.
[0036]
The Young's modulus of the insulating substrate 11 is preferably 320 GPa or less, particularly 310 GPa or less, and more preferably 300 GPa or less in that the thermal stress tends to be absorbed by deformation and destruction is more effectively prevented.
[0037]
According to the present invention, it is important that a ring-shaped metallized layer 13 for joining the metal lid 20 is provided on at least a part of the substrate bank 11b. In particular, the ring-shaped metallized layer 13 is preferably provided by simultaneous firing. This eliminates the need for a separate step of forming the ring-shaped metallized layer 13, so that the steps can be shortened, the product cost can be reduced, and the ring-shaped metallized layer 13 with high adhesion can be obtained.
[0038]
In addition, the insulating substrate 11 contains alumina as a main component and a sintering aid of 4% by mass or more, particularly 6% by mass or more, and more preferably 8% by mass or more. Are preferred because they can be simultaneously fired, improve the adhesion and prevent the occurrence of defects.
[0039]
The main component alumina preferably contains alumina in a proportion of 90% by mass or more, particularly 90 to 96% by mass, more preferably 93 to 96% by mass. Thereby, the fracture toughness of the insulating substrate 11 is 3.5 to 4.5 MPam. ^1/2 It is easy to make the three-point bending strength 500 MPa.
[0040]
As a second component, Mn is Mn. ₂ O ₃ It is preferable that the content is included in a ratio of 2 to 8% by mass in conversion. This is because the Mn component acts as a sintering aid, and this Mn component ₂ O ₃ When the amount is less than 2% by mass, densification at 1250 to 1400 ° C. is not achieved, and when the amount is more than 8% by mass, MnAl ₂ O ₄ As a result, the densification is hindered and the strength is reduced. Therefore, in order to enhance sinterability, Mn ₂ O ₃ The amount is particularly preferably 3 to 8% by mass, more preferably 3 to 6% by mass.
[0041]
Further, as a third component, Si is converted to SiO 2 ₂ It is preferable to contain it in a ratio of 1 to 6% by mass in conversion. SiO ₂ When the amount is less than 1% by mass, a liquid phase contributing to the sinterability is not generated and densification is not performed, and when the amount is more than 6% by mass, MnAl ₂ O ₄ Becomes difficult to be crystallized, the amorphous phase increases, and the bending strength decreases. In terms of compactness and crystallization, SiO ₂ The amount is particularly preferably 2 to 5% by mass, more preferably 3 to 5% by mass.
[0042]
In addition, if desired, at least one of Mg, Ca, Sr, and Ba as a fourth component may be added to the main component at 100% by mass in order to enhance the simultaneous sinterability with the conductor layer 12 and the ring-shaped metallized layer 13. On the other hand, it may be contained at a ratio of 3% by mass or less in terms of oxide. Further, if desired, a metal such as W or Mo may be contained as a fifth component as a component for blackening the sintered body at a ratio of 2% by mass or less based on 100% by mass of the main component.
[0043]
At least the second and third components are present at the grain boundaries of the alumina crystal particles. Of these components, Mn as the second component is MnAl ₂ O ₄ It is important to exist as. Mn added as a sintering aid ₂ O ₃ Is MnAl ₂ O ₄ As a result, the bending strength of the sintered body can be increased.
[0044]
According to the present invention, the width d of the substrate bank 11b shown in FIG. 2 is set to 0.1 to 0.3 mm, the thickness t of the substrate bottom 11a is set to 0.1 to 0.3 mm, and the height h of the package is set. Is preferably set to 0.3 to 0.6 mm. By setting the dimensions as described above, the strength of the alumina sintered body as the insulating substrate 11 can be taken into consideration, and the metal lid 20 can be more effectively prevented from being damaged by thermal stress at the time of sealing. Can be made smaller. In particular, by setting the height h of the package to 0.6 mm or less, it can be applied to an IC card or the like as an ultra-small and ultra-thin ceramic package on which the electric element 14 and / or the semiconductor element 16 are mounted.
[0045]
The conductive layer 12 contains W and / or Mo as a main component to enable sealing of the metal lid 20 or connection with various metal terminals and to form a metallized film having a strong adhesive force with the insulating substrate 11. It is preferable to contain 10% by mass or less, particularly 8% by mass or less of alumina.
[0046]
The metal lid 20 is preferably an Fe—Ni—Co alloy because its thermal expansion is close to that of alumina, the thermal stress generated at the time of sealing is small, and the insulating substrate 11 is less likely to be broken at the time of sealing.
[0047]
It is preferable that the adhesive strength of the ring-shaped metallized layer 13 to the insulating substrate 11 is 49 N or more. Thereby, peeling that occurs between the ring-shaped metallization layer 13 and the insulating substrate 11 when joining the metal lid 20 and the ceramic package can be effectively suppressed, and higher reliability can be obtained.
[0048]
Next, a method for manufacturing the connection board of the present invention will be specifically described.
[0049]
First, an alumina powder having an average particle diameter of 0.5 to 2.0 μm, particularly 1.0 to 1.5 μm is prepared as a raw material powder. By setting the average particle diameter to 0.5 μm or more, sheet formability can be ensured and an increase in powder cost can be prevented. Further, when the thickness is 2.0 μm or less, densification by firing at 1400 ° C. or less can be promoted, and sintering can be facilitated.
[0050]
Further, Mn having a purity of 99% or more and an average particle diameter of 0.5 to 5 μm as a second component. ₂ O ₃ Powder, SiO 3 having a purity of at least 99% and an average particle diameter of 0.5 to 3 μm as a third component ₂ Prepare powder. Note that Mn and Si may be added as carbonates, nitrates, acetates, and the like, which can form an oxide by firing, in addition to the above oxide powder.
[0051]
These components are based on the alumina powder, ₂ O ₃ 2 to 8% by weight, especially 3 to 8% by weight, more preferably 3 to 6% by weight, ₂ It is preferable to add the powder in an amount of 1 to 6% by mass, particularly 2 to 5% by mass, and more preferably 3 to 5% by mass, in order to enhance sinterability while suppressing grain growth and to promote densification. .
[0052]
If desired, at least one of Mg, Ca and Sr may be used as a fourth component in an amount of 3% by mass or less in terms of oxide. As the fifth component, a metal powder or oxide of a transition metal such as W or Mo may be used. Powder may be added as a coloring component at a ratio of 2% by mass or less in terms of metal.
[0053]
Further, Zr, Hf, and the like, which are well-known methods for improving strength and fracture toughness, may be appropriately added.
[0054]
After appropriately adding an organic binder to the above-mentioned mixed powder, a green sheet for forming the insulating substrate 11 is prepared by a well-known molding method such as a pressing method, a doctor blade method, a rolling method, and an injection method. . For example, after a slurry is prepared by adding an organic binder and a solvent to the mixed powder, a green sheet is formed by a doctor blade method. Alternatively, an organic binder is added to the mixed powder, and a green sheet having a predetermined thickness can be produced by press molding, rolling molding, or the like.
[0055]
Then, if desired, a via hole having a diameter of 50 to 250 μm can be formed in the green sheet by a microdrill, a laser, or the like.
[0056]
On the green sheet thus produced, a conductor paste is printed and applied in a wiring pattern or a ring shape on each green sheet by a method such as screen printing or gravure printing, and, if desired, the above conductor paste is applied. Fill the via hole.
[0057]
As the conductor paste, W and / or Mo is preferably used as a conductor component, to which alumina powder is added in an amount of 10% by mass or less, particularly 8% by mass or less. This makes it possible to increase the adhesion between the alumina sintered body and the conductor layer 2 while keeping the conduction resistance of the conductor layer 2 low even when the co-firing is performed, thereby preventing defects such as chipping of the plating.
[0058]
In order to improve the adhesion, a powder of the same composition as the oxide ceramic component forming the insulating substrate 11 may be added in place of the alumina powder. It is also possible to add in the ratio of.
[0059]
Thereafter, the green sheets on which the conductive paste is applied by printing are aligned and laminated and pressed, and then a plurality of cutout grooves 2 for separating the ceramic package 1 are formed. As a method of forming the notch groove 2, a method such as a cutter blade, a mold, and laser processing can be used. Among these, a mold and laser processing are particularly preferable because they can be mass-produced at low cost.
[0060]
The laminated body in which the notch grooves 2 are formed is heated from a temperature of at least 1000 ° C. to a maximum firing temperature at a heating rate of 150 ° C./h or more, and is fired in a non-oxidizing atmosphere of 1250 to 1400 ° C. It is important to fire at a cooling rate of 250 ° C./h or less.
[0061]
When the heating rate is less than 150 ° C./h between 1000 ° C. and the maximum firing temperature, the liquid phase generation in the low temperature liquid phase region at the time of heating becomes uneven, and the grain growth of alumina is biased. As a result, the bending strength decreases. In particular, in order to further increase the strength, it is preferable that the heating rate be 180 ° C./h or more, and more preferably 200 ° C./h.
[0062]
It is also important to bake at 1250 to 1400 ° C. If the temperature is lower than 1250 ° C., the densification is insufficient and the bending strength does not reach 500 MPa, and if it is higher than 1400 ° C., W and / or Mo itself becomes Sintering progresses, and the bonding strength with alumina decreases, and at the same time, sintering of alumina progresses, which promotes grain growth and increases fracture toughness. The firing temperature is preferably 1350 to 1400 ° C. in order to enhance mechanical and electrical reliability.
[0063]
It is also important that the cooling rate from the holding temperature immediately after the completion of firing to 1000 ° C. is 250 ° C./h or less. When the temperature exceeds 250 ° C./h, MnAl ₂ O ₄ Is hardly crystallized and remains as amorphous, so that the bending strength is reduced. The cooling rate is particularly preferably 200 ° C./h or less from the viewpoint of increasing the strength.
[0064]
It is important that the firing atmosphere is a non-oxidizing atmosphere so that the metal is not oxidized. Specifically, it is desirable to use nitrogen or a mixed gas of nitrogen and hydrogen. For degreasing the organic binder, it is desirable that the atmosphere be a non-oxidizing atmosphere containing hydrogen and nitrogen and having a dew point of + 30 ° C. or lower, particularly 25 ° C. or lower. Note that an inert gas such as argon may be mixed into the atmosphere, if desired.
[0065]
Then, a plating layer made of at least one of Ni, Co, Cr, Au and Cu is formed on the conductor layer 12 and the ring-shaped metallized layer 13.
[0066]
The connection substrate manufactured by such a method can be fired simultaneously with metallization, has an average crystal grain size of 1 to 2 μm, and has a fracture toughness of 3.5 to 4.5 MPam. ^1/2 And a small ceramic package having a strength of 500 MPa or more.
[0067]
Finally, the electric element 14 and / or the semiconductor element 16 are mounted inside the insulating substrate 11, electrically connected to the conductor layer 12, and the surface of the ring-shaped metallized layer 13 is covered with the plating layer 18. Then, by joining the metal lid 20 by seam welding with the brazing material 19, a semiconductor device in which the electric element 14 and / or the semiconductor element 16 are hermetically sealed can be obtained.
[0068]
The ceramic package of the present invention is obtained by separating the ceramic package 1 described above, and the error in the vertical and horizontal lengths of the insulating substrate in the obtained ceramic package 1 may be 50 μm or less. is important.
[0069]
Here, the error refers to the length of the surface of the ceramic package 1 on which the cutout groove 2 is formed, as shown in FIG. _or , Length L of the surface on which the burr exists _B , L _B -L _or By suppressing this error to 50 μm or less, a ceramic package with high dimensional accuracy can be obtained.
[0070]
In addition, the ceramic package of the present invention can be snap-cut along the notch groove 2 along the notch groove 2 of the connecting substrate and by applying a stress from the substrate bank 11b side to separate the ceramic package. It is preferable to manufacture the ceramic package with less burrs at low cost and easily.
[0071]
【Example】
For alumina powder having a purity of 99% or more and an average particle size of 1.5 μm, Mn having a purity of 99% or more and an average particle size of 0.7 μm is used. ₂ O ₃ Powder, 99% purity or more, SiO with average particle size of 1.0 μm ₂ Powder, purity 99.9% or more, W powder having an average particle diameter of 1.2 μm, Mo powder having a purity of 99.9% or more, an average particle diameter of 1.2 μm, purity 99.9% or more, an average particle diameter of 0.7 μm MgCO ₃ Powder, CaCO with purity of 99% or more and average particle size of 1.3 μm ₃ SrCO with powder, purity 99% or more, average particle size 1.0 μm ₃ Powder and BaCO ₃ Powder and ZrO having an average particle size of 0.3 μm ₂ Powder was prepared.
[0072]
After mixing these raw material powders at the ratios shown in Table 1, an acrylic binder was used as a molding organic resin (binder) and toluene was used as a solvent to prepare a slurry, and then the slurry was prepared by a doctor blade method. A 150 μm green sheet was produced.
[0073]
After laminating the obtained green sheet to a predetermined thickness and performing degreasing in a nitrogen-hydrogen mixed atmosphere at a dew point of + 25 ° C., the temperature was continuously raised from 1000 ° C. to the maximum firing temperature at a temperature rising rate shown in Table 1, After firing for 1 hour in a nitrogen-hydrogen mixed atmosphere with a dew point of + 25 ° C. at the highest firing temperature, cooling was performed at a rate shown in Table 1 up to 1000 ° C.
[0074]
The main crystal phase of the obtained sintered body was identified by crushing the sintered body and X-ray diffraction. The bulk density was measured by the Archimedes method, and the porosity was calculated. Further, the fracture toughness and strength were measured at room temperature based on JIS R1601 by preparing a beam-shaped sample having a thickness of 3 mm, a width of 4 mm, and a length of 40 mm. Further, the average crystal particle diameter was measured by an intercept method, and is shown in Table 1 as the particle diameter.
[0075]
The fracture toughness was measured by the IM method based on JIS R1670. The Young's modulus was measured at room temperature based on JIS R1602. Thermal conductivity was measured at room temperature by the laser flash method. Further, for the length error, each ceramic package was separated by a snap, a maximum portion and a minimum portion were measured using calipers, and the difference was taken. This measurement was performed for 20 pieces, an average value was calculated, and this was defined as a length error.
[0076]
On the other hand, W powder having an average particle diameter of 1.2 μm, Mo powder having an average particle diameter of 1.2 μm, alumina powder having an average particle diameter of 1.5 μm, and Cu, Au, and Ag powder having an average particle diameter of 2 μm have the compositions shown in Table 1. After the preparation, an acrylic binder and acetone were mixed as a solvent to prepare a conductor paste.
[0077]
The green sheet produced in the same manner as described above is subjected to punching to form a via hole having a diameter of 100 μm. The via hole is filled with the conductive paste by a screen printing method, and the wiring pattern is formed. It was printed and applied in the shape of a ring and a ring. In the green sheet on which the ring-shaped metallized layer was formed, a portion for housing the electric element was removed by punching.
[0078]
The green sheets produced in this manner were aligned and laminated and pressed to produce a laminate. Thereafter, a cutout groove is formed in the laminated body, the molded body is degreased in a nitrogen-hydrogen mixed atmosphere at a dew point of + 25 ° C., and then degreased in a nitrogen-hydrogen mixed atmosphere at a dew point of + 25 ° C. The temperature was raised from 1000 ° C. to the maximum firing temperature at the temperature raising rate shown in 1 and firing was performed for 1 hour in a nitrogen-hydrogen mixed atmosphere having a dew point of + 25 ° C. at the maximum firing temperature. And cooled.
[0079]
Next, electrolytic Ni plating was performed on the surfaces of the conductor layer and the ring-shaped metallized layer on the surface of the connection substrate, and further, 0.2 μm Au plating was performed on the surface. After Au plating, the connecting substrate was broken along the cutout groove to obtain a single ceramic package. After measuring the outer dimensions of the obtained ceramic package with a vernier caliper, a metal lid having a thickness of 0.2 mm made of an Fe-Co-Ni alloy was formed on the ring-shaped metallized layer using a eutectic Ag-Cu brazing material. They were joined by seam welding and hermetically sealed.
[0080]
The obtained sample was subjected to metallization peeling and a sealed state with a microscope of 40 times, and cracks of the insulating substrate were confirmed. Each result was evaluated as "O" or "X", and the results are shown in Table 2 as cracked / damaged states. Was.
[0081]
Further, a sample without metallized peeling and cracks was subjected to a heat cycle test up to 100 cycles, with holding at −65 ° C. for 5 minutes and holding at 150 ° C. for 5 minutes as one cycle, and the hermetic sealing property was determined by the He leak method. evaluated. In the He leak method, after holding for 2 hours in a He pressurized atmosphere of 0.41 MPa, the He leak method is taken out, and the amount of He gas detected in a vacuum atmosphere is measured. ^-10 MPa ・ cm ³ ○ / sec or less, 1 × 10 ^-10 MPa ・ cm ³ Those exceeding / sec were evaluated as x.
[0082]
The adhesive strength of the ring-shaped metallized layer to the insulating substrate is determined by forming a ring-shaped metallized layer of 2 mm × 25 mm, applying electroless Ni plating, joining the metal fittings using a silver braze, and peeling the metal fittings. Was measured for the peeling load. The results are shown in Tables 1 and 2.
[0083]
[Table 1]

[0084]
[Table 2]

[0085]
Sample No. of the present invention 2, 5, 8, 10, and 13 to 28 have an adhesive strength of 5 or more and a length error of 50 μm or less, show no crack or damage even after joining, and have substantially no leak even in a sealing test. Not observed.
[0086]
On the other hand, Sample No. having an average crystal grain size of less than 1 μm and out of the range of the present invention. In Nos. 1 and 9, the adhesive strength was 30 N or less, the length error was 80 μm, and the sealing state was poor.
[0087]
Sample No. having an average crystal grain size of as large as 4.2 μm or more and out of the range of the present invention. In Nos. 3 and 11, the bonding strength was as large as 40 MPa or less, the length error was as large as 70 μm or more, and the sealing state was poor.
[0088]
In addition, Sample No. having an auxiliary agent amount of less than 4% by mass and out of the range of the present invention. In No. 4, the adhesive strength was as small as 30 N, the length error was as large as 80 μm, and the sealing state was poor.
[0089]
Further, the sample No. which is amorphous and is out of the range of the present invention. 6 and 12 have a fracture toughness of 3.1 MPam. ^1/2 The length error was as large as 90 μm or more, and leakage occurred after the cycle test, resulting in a poor sealing state.
[0090]
Furthermore, the fracture toughness is 3.4 MPam ^1/2 Sample No. out of the range of the present invention. Sample No. 7 had a large length error of 60 μm, a leak occurred after the cycle test, and the sealing state was poor.
[0091]
【The invention's effect】
According to the present invention, by setting the strength of alumina to 500 MPa or more and the metallization strength to 49 N or more, the width d of the substrate bank portion of the insulating substrate is 0.1 to 0.3 mm, and the bottom of the insulating substrate on which the electric element is mounted is formed. A ceramic package having a thickness t of 0.1 to 0.3 mm and a package height h of 0.3 to 0.6 mm can be obtained at low cost.
[0092]
Even when the sintering aid is added in an amount of 4% by mass or more, by controlling the average particle diameter of the alumina powder, the heating rate and the cooling rate, the average crystal grain diameter is 1 to 2 μm and the fracture toughness is 3.5 to 4 .5MPam ^1/2 In particular, it is possible to produce a connection substrate in which a plurality of ceramic packages each including an insulating substrate having a three-point bending strength of 500 MPa or more, a Young's modulus of 320 GPa or less, and a thermal conductivity of 15 W / mK or more are connected.
[0093]
Also, even if the ceramic package formed on the connecting substrate is snap-cut from the cutout groove, burrs are not likely to appear. Therefore, the dimensional accuracy is high, and it is difficult to break even when hermetically sealed with metal. A possible small and thin ceramic package can be realized.
[Brief description of the drawings]
FIGS. 1A and 1B show an example of a connecting substrate of the present invention, wherein FIG. 1A is a plan view and FIG. 1B is a schematic sectional view.
FIG. 2 is a schematic cross-sectional view of an example of the ceramic package of the present invention, in which an electric element and a semiconductor element are mounted inside and a metal lid is joined.
FIG. 3 is a schematic cross-sectional view illustrating a structure of a ceramic package separated from a connection substrate of the present invention.
[Explanation of symbols]
1 ・・・ Ceramic package
2 ... Notch groove
11 ... insulating substrate
11a ... Bottom of substrate
11b ・・・ Substrate bank
12 ... conductor layer
12a: Surface conductor layer
12b ... Inner conductor layer
12c: back conductor layer
13 ・・・ Ring-shaped metallized layer
14 ... electric element
15 Conductive adhesive
16 ... Semiconductor element
17 ... Wire bonding
18 ... Plating layer
19 ... brazing material
20 Metal lid

Claims

An insulating substrate having a substrate bottom and a substrate bank provided integrally on the outer periphery of the substrate bottom, wherein an electric element is mounted on the surface of the substrate bottom; and an inside and / or surface of the insulating substrate. A plurality of ceramic packages each including the provided conductor layer and a metallized layer provided for joining a metal lid to at least a part of the substrate bank portion are connected, and the ceramic packages are separated from each other. Substrate in which a notch groove is provided between the ceramic packages, the insulating substrate is made of an alumina-based sintered body containing 4% by mass or more of a sintering aid, and the crystal average of the alumina-based sintered body is A connecting substrate having a particle size of 1 to 2 μm and a fracture toughness of 3.5 to 4.5 MPam ^1/2 .

The connecting substrate according to claim 1, wherein the alumina sintered body has a strength of 500 MPa or more, a Young's modulus of 320 GPa or less, and a thermal conductivity of 15 W / mK or more.

The connecting substrate according to claim 1, wherein an adhesion strength of the metallized layer to the insulating substrate is 49 N or more.

The alumina-based sintered body contains 2 to 8% by mass of Mn in terms of oxide and 1 to 6% by mass of Si in terms of oxide, and has Al ₂ O ₃ as a main crystal phase. connection substrate according to any one of claims 1 to 3, characterized in that it comprises a grain boundary in MnAl ₂ O ₄ crystals.

The connecting substrate according to any one of claims 1 to 4, wherein the conductor layer contains W and / or Mo as a main component and contains alumina at a ratio of 10% by mass or less.

The width of the substrate bank of the insulating substrate is 0.1 to 0.3 mm, the thickness of the bottom of the insulating substrate on which the electric element is mounted is 0.1 to 0.3 mm, and the package height is 0.3 to 0. 6. The connecting substrate according to claim 1, wherein said connecting substrate has a thickness of 0.6 mm.

A plurality of conductor patterns and metallized layers were formed on a green sheet containing 96% by mass or less of alumina powder having an average particle diameter of 0.5 to 2 μm and 4% by mass or more using a conductor paste. Then, after laminating the green sheets as appropriate to form a laminate, a notch groove for separating a plurality of insulating substrates is formed on the surface of the laminate, and the laminate is heated to a temperature of 1250 to 1400 ° C. A method for manufacturing a connection substrate, comprising firing in an oxidizing atmosphere.

Method of manufacturing a connection substrate according to claim 7, wherein the sintering aid is characterized in that it comprises a Mn ₂ O ₃ powder and SiO ₂ powder

The method according to claim 7, wherein the Mn ₂ O ₃ powder is 2 to 8% by mass, and the SiO ₂ powder is 1 to 6% by mass.

The method according to any one of claims 7 to 9, wherein the conductive paste contains W and / or Mo as a main component, and contains alumina at a ratio of 10% by mass or less.

A ceramic package formed by connecting a plurality of the connecting substrates according to claim 1 to each other, and each of the insulating substrates of the obtained ceramic package has a vertical and horizontal length error of 50 μm or less. A ceramic package, characterized in that:

The ceramic package according to claim 11, wherein the ceramic package is obtained by snap-cutting from a notch groove provided between a plurality of ceramic packages constituting the connection substrate as a starting point.