JP2004175600A

JP2004175600A - 金属化層を有する窒化アルミニウム焼結体の製造方法

Info

Publication number: JP2004175600A
Application number: JP2002341722A
Authority: JP
Inventors: Yoshiyuki Hirose; 義幸広瀬; Takashi Chikuno; 孝築野
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 2002-11-26
Filing date: 2002-11-26
Publication date: 2004-06-24

Abstract

【課題】金属化層の抵抗率を減少させると共に金属化層と窒化アルミニウムとの接合強度も高めることができる、金属化層を有する窒化アルミニウム焼結体の製造方法を提供すること。
【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、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、樹脂結合剤及び溶剤を含むペーストを充填した後、全体を同時に焼結することにより金属化層を有する窒化アルミニウム焼結体を製造する方法において、該ペースト中の溶剤量を、該ペースト中の金属粉末１００重量部に対して、０．５重量部以上、５重量部以下とする。このように溶剤量を制御することにより、ビアや焼結体に亀裂が発生して金属化層と母材との接合強度が低下するのを防ぐことができる。また、接合強度を更に高めるためにペースト中に無機物粉末を添加しても良い。
【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用の基板、パッケージとして有用な、金属化層を有する窒化アルミニウム焼結体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を有する基板、パッケージ材料として用いられることが多い。
【０００３】
窒化アルミニウムと同時焼成することにより金属化層を形成する金属材料としてはＷが用いられるが、窒化アルミニウムの焼結温度が２０００℃程度と高く、１５００℃程度で焼結されるＷとは焼結温度が大きく異なる。このようにセラミックスと金属という焼結温度が大きく異なる材料を同時焼結した場合には、金属化層にクラックが生じたり、金属化層がセラミックスから剥がれたりしやすい。特に、多層構造の基板やパッケージにおいて、スルーホール（ビアホール）に形成した層間の導通を確保するための導体（ビア）に、これらの不良が発生しやすい。
【０００４】
この問題を解決するために、従来法ではセラミックスと金属の焼結温度を近づけるために、金属中にセラミックスを分散させることが行われてきた。例えば窒化アルミニウムに関して、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提案されている（特許文献１参照）。
【０００５】
また、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、接合強度を高めているものもある（特許文献２参照）。
【０００６】
一方で、近年金属化層には低抵抗化が要求されることが多い。特にパッケージや回路基板として金属化層を有する窒化アルミニウムを用いる場合、これらに実装する半導体やＩＣの動作周波数が高くなっており、１×１０^−１０Ｈｚ以上となることもある。パッケージや回路基板はこの高周波信号を流す必要があるが、このような高周波信号の伝送にあたっては、金属化層での導体損失が大きな問題となる。そのため、導体損失の低減、すなわち低抵抗化が昨今特に強く要求されている。
【０００７】
ところが、従来採られていた方策によれば、金属化層中に金属という導体と、接着増強用成分という絶縁体とが混在することになり、金属化層の低抵抗化には限界があった。また、単に低抵抗にするための方法としては、金属化層の厚みを厚くする方法があるが、昨今の高周波化に伴う導体損失の低減を実現するには、単位体積あたりの抵抗率を減少する必要があり、金属化層の厚みを厚くする方法は用いることができない。
【０００８】
【特許文献１】
特開昭６１−２９１４８０号公報
【特許文献２】
特開平４−８３７８３号公報
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記の事情に鑑みてなされたものであり、窒化アルミニウムと金属化層との接合強度を高めることができる金属化層を有する窒化アルミニウム焼結体の製造方法を提供することを目的とする。また、本発明は、金属化層の単位体積あたりの抵抗率を減少させると共に窒化アルミニウムとの接合強度も高めることができる金属化層を有する窒化アルミニウム焼結体の製造方法を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明の金属化層を有する窒化アルミニウムの製造方法は次の構成を有する。
（１）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、樹脂結合剤及び溶剤を含むペーストを塗布した後、全体を同時に焼結することにより金属化層を有する窒化アルミニウム焼結体を製造する方法において、該ペースト中の溶剤量が、該ペースト中の金属粉末と無機物粉末とを合計した重量を１００重量部としたときに、０．５重量部以上、５重量部以下であることを特徴とする金属化層を有する窒化アルミニウム焼結体の製造方法。
【００１１】
（２）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、樹脂結合剤及び溶剤を含むペーストを充填した後、全体を同時に焼結することにより金属化層を有する窒化アルミニウム焼結体を製造する方法において、該ペースト中の溶剤量が、該ペースト中の金属粉末と無機物粉末とを合計した重量を１００重量部としたときに、０．５重量部以上、５重量部以下であることを特徴とする金属化層を有する窒化アルミニウム焼結体の製造方法。
【００１２】
（３）前記ペーストに含まれる導体高融点金属がＷであることを特徴とする上記（１）又は（２）記載の金属化層を有する窒化アルミニウム焼結体の製造方法。
（４）前記ペーストが溶剤として、テルピネオール及び／又はブチルカルビトールを含んでいることを特徴とする上記（１）〜（３）のいずれかに記載の金属化層を有する窒化アルミニウム焼結体の製造方法。
（５）前記ペースト中の溶剤量が、前記ペースト中の金属粉末と無機物粉末とを合計した重量を１００重量部としたときに１重量部以上、３重量部以下であることを特徴とする上記（１）〜（４）のいずれかに記載の金属化層を有する窒化アルミニウム焼結体の製造方法。
（６）前記樹脂結合剤がエチルセルロースであることを特徴とする上記（１）〜（５）のいずれかに記載の金属化層を有する窒化アルミニウム焼結体の製造方法。
（７）前記ペースト中に含まれる無機物粉末の含有量が金属粉末と無機物粉末とを合計した重量を１００重量部としたときに０〜３０重量部であることを特徴とする上記（１）〜（６）のいずれかに記載の金属化層を有する窒化アルミニウム焼結体の製造方法。
【００１３】
【発明の実施の形態】
本発明の金属化層を有する窒化アルミニウム焼結体を構成する窒化アルミニウム焼結体母材は、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０．１〜１０ｗｔ％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。
【００１４】
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）やアクリル系樹脂等の樹脂結合剤、ジブチルフタレート（ＤＢＰ）等の可塑剤を混合後、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。
【００１５】
ただし、多層構造とするためには、窒化アルミニウムと金属化層を焼結前に積層し、同時焼成する必要がある。この場合、プレス成形では困難であるため、グリーンシートを用いることが多い。スルーホールやビアを形成する場合も、グリーンシートを用いて、同時焼成を行うのが一般的である。
【００１６】
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。グリーンシートには必要に応じて、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。更に、必要に応じて回路配線等を同様に後述する組成のペーストを塗布して形成する。塗布方法としては、スクリーン印刷、刷毛塗り、スピンローラー塗りなど周知の方法を適用すればよい。
【００１７】
本発明のビア、回路配線形成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。樹脂結合剤としては、エチルセルロースやアクリル系樹脂が一般的に用いられる。また、窒化アルミニウムと導体の接着強度を向上させる等の目的に応じて、無機物を混合することもある。また、窒化アルミニウムに対しては通常前記導体粉末としてＷを用いる。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、窒化アルミニウムとＷ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を用いることが好ましいからである。
【００１８】
またペーストの作製は次のようにして行う。すなわち、Ｗ粉末をエチルセルロース、ニトロセルロース等の樹脂結合剤とブチルカルビトール、テルピネオール等の溶剤に分散させることによってペーストを得る。通常樹脂結合剤は、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２０重量部程度以下の量を混合する。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。
【００１９】
ところで、従来、窒化アルミニウムは金属との濡れ性に劣るため、金属化が困難と考えられてきた。そこで、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、接着増強用成分としてペーストに無機物を混合することが検討されてきた。通常この無機物は１０重量％以上添加される。これは体積に換算すると３０〜５０体積％を占めることとなり、これが金属化層の単位体積あたりの抵抗率を低下させる際の大きな妨げとなっていた。
【００２０】
そこで、本発明者等は、昨今要求が高まっている金属化層の抵抗率の低下を可能にするためには、無機物の添加なしに窒化アルミニウムの金属化を行うことが必要不可欠と考え、窒化アルミニウムと金属との接合メカニズムから見直すこととした。
【００２１】
その結果、窒化アルミニウムと金属との接合は、接着増強用成分が介在することによる接合メカニズムと、窒化アルミニウム粒子とＷ粒子とが機械的に噛み合うインターロックによる接合メカニズムとがあることが分かった。さらに、窒化アルミニウムと金属との接合強度については、粒子同士のインターロックメカニズムの寄与度が大きいことが分かった。すなわち、接着増強用成分である無機物を混合しなくても、窒化アルミニウムと金属との接合は基本的には可能であるとの知見を得た。
【００２２】
しかし、接着増強用成分なしに充分な強度を持った状態で金属化するには、ペーストの状態を厳密に制御しなければならない。以下では、その制御の詳細について、主にグリーンシートに設けたスルーホールにペーストを充填した後に同時焼成によって金属化する方法を例として取り上げて説明する。
【００２３】
本発明者等は、まず最初に、接着増強用の無機物の作用について調査を行った。その結果、無機物は自らが介在することにより窒化アルミニウムと金属との接合を増強する効果よりも、無機物が金属粉末中に混合されることによる金属の焼結温度の変化が接合に影響を及ぼす効果の方が大きいことが分かった。
【００２４】
すなわち、金属粉末として用いるＷは、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い。例えば、１８００〜１９００℃で焼結する窒化アルミニウムを考えると、窒化アルミニウムは１７００〜１８００℃で焼結が開始されるのに対して、Ｗは１４００〜１５００℃で焼結が開始される。
【００２５】
このように、窒化アルミニウムとＷの焼結開始温度が大きく異なると、例えばスルーホールに充填したペーストについて考えると、窒化アルミニウム母材が焼結を開始するより前、すなわち収縮を開始するより前に、ペースト部分が収縮を開始することになる。そのため、スルーホール周辺の結合が弱い部分にクラックが生じやすくなる。
【００２６】
例えば、スルーホールに充填したペーストに不均一部分があればビア内部にクラックが生じ、窒化アルミニウム母材に何かしらの欠陥があれば母材にクラックが生じる。ビア、窒化アルミニウムの両方ともに欠陥が無い場合は、母材とビアとの界面でクラックが生じることになる。これらのクラックの発生が接合強度の低下に直結しているのである。また同様に、後述するようにビア印刷後に印刷された金属化層を考えても、金属化層周辺にクラックが生じやすく、これに起因して接合強度も低下する。
【００２７】
これに対して前述のように、ペースト中にＷ粉末と共に無機物（例えば窒化アルミニウム又は窒化アルミニウム母材と実質的に同じ無機物）を添加すると、Ｗの焼結温度が窒化アルミニウムの焼結温度に近づき、そのため、窒化アルミニウムとＷとが同時に収縮を開始することになるため、前述のようにスルーホールに充填したペーストに不均一部分があっても、また、窒化アルミニウム母材に欠陥があっても、クラックは生じないのである。そのため、クラックに起因した接合強度の低下を無くすことが出来る。
【００２８】
このように、無機物は窒化アルミニウムの焼結温度とＷの焼結温度を近づける役割があるが、この無機物なしでも前述のクラックを無くすためには、スルーホールに充填したペーストの不均一部分や、窒化アルミニウム母材の欠陥を無くす必要がある。そこで、どこの工程で、そのようなペーストの不均一部分や、母材の欠陥が生じているかを調査した。その結果、グリーンシート中に最初から欠陥が無い限り、スルーホール中に充填したペーストの乾燥工程で、ペーストの不均一部分や母材の欠陥が生じることを突き止めた。
【００２９】
ペーストの不均一部分が発生するメカニズムは次の通りである。すなわち、スルーホール中にペーストが充填されると、ペースト中の溶剤は自然乾燥されると同時に、毛細管現象によりグリーンシートに吸収される。このときグリーンシートへの吸収量が多いと、Ｗ粉末が溶剤のグリーンシートへの移動に伴って、同様にグリーンシートの方へ移動する。このＷの移動量が大きいと、ついにはビア中心付近にクラックの卵となるような不均一部分が生じる。
【００３０】
一方、母材の欠陥が発生するメカニズムもペーストの不均一部分の発生と似ている。すなわち、上述のようにスルーホール中にペーストが充填されると、毛細管現象によりペーストの溶剤がグリーンシートに吸収される。このペーストの溶剤の吸収量が多いと、グリーンシートに吸収された溶剤とグリーンシートの樹脂成分とが反応し、グリーンシートの樹脂成分がペースト溶剤に溶解する。この溶解量が多いと、母材に亀裂が生じる等の欠陥が発生する。
【００３１】
このようなペーストの不均一部分、母材の欠陥を防ぐためには、ペーストのグリーンシートへの吸収量を減らす必要がある。本発明者等はそのための手法を種々検討した結果、グリーンシートの樹脂成分がペースト溶剤に溶解するかどうかが重要な因子であることを把握した。
【００３２】
すなわち、ペーストの溶剤がグリーンシートの樹脂成分を溶解したり、該樹脂成分に対して相溶性を示す場合、グリーンシートの樹脂成分がペーストの溶剤の侵入によって溶解するので上述のようにグリーンシート母材に亀裂等が生じやすくなる。また、このように、グリーンシートの樹脂成分が溶解して母材に亀裂等が生じることによって、さらにグリーンシートにペーストの溶剤が吸収されることになり、ペーストのグリーンシート中への吸収速度が速くなり、上述のようにスルーホール中心付近にＷの不均一部分が生じやすくなるのである。
【００３３】
この結果を考慮すると、ペーストの不均一部分及び母材の欠陥を防ぐためには、ペーストの溶剤としてグリーンシートの樹脂成分を溶解しないものを用いればよいことが予想される。しかしながら、一方でペーストの溶剤はペーストの樹脂結合剤等の樹脂成分を溶解する必要がある。樹脂成分はペースト中の各Ｗ粉末と濡れる必要があるが、溶剤が樹脂成分を溶解しないと樹脂成分はＷ粉末と濡れないからである。
【００３４】
また、グリーンシートとペーストの接合が良好に行われるためには、グリーンシートの樹脂成分とペーストの樹脂成分とが相溶性を示さなければならない。相溶性が無い場合、乾燥後にグリーンシートからペーストが簡単に剥がれ落ちてしまう。さらに、ペーストはスルーホール等へ充填する間に、粘度等の性質が変化すると充填性等が変化するために好ましくない。
【００３５】
それ故ペーストの溶剤はスルーホール等への充填作業の間蒸発しないように、沸点が２００℃以上となるような高沸点溶剤を用いる必要がある。これらの要件を全て満たしうる所望の溶剤を選択するのは非常に困難である。ペーストの樹脂成分を溶解する高沸点の溶剤は、グリーンシートの樹脂成分をも溶解してしまうのが一般的である。
【００３６】
これらの結果から、ペーストの不均一部分及び母材の欠陥を防ぐためには、ペーストの溶剤量を、グリーンシートへ吸収される際にＷ粉末の移動が生じないように、また、グリーンシートに吸収された溶剤がグリーンシートの樹脂を溶解しないように制御する必要があることが分かった。
【００３７】
ペーストは、導体高融点金属、樹脂結合剤及び溶剤から構成する。また、このペーストは窒化アルミニウム等の無機物粉末を含んでいても良い。無機物粉末を含まなくても、前記した理由により乾燥工程等におけるクラックの発生が防止できるため窒化アルミニウムと金属化層との接合強度を高めることができるが、接合強度を更に向上させるためには無機物粉末を添加した方が良い。ただし、ペーストが無機物粉末を含む場合には、金属化層の抵抗率が高くなるので、無機物粉末の含有量は、金属粉末と無機物粉末とを合計した重量を１００重量部としたときに３０重量部以下とすることが望ましい。
【００３８】
また、ペースト中の溶剤量としては、ペースト中のＷ粉末と無機物粉末の合計した重量を１００重量部とした時に、０．５重量部以上、５重量部以下とすることが望ましい。溶剤量が０．５重量部より少なければ、溶剤がペースト中の樹脂結合剤等の樹脂成分を充分溶解することができず、均一なペーストを作製することができないため好ましくない。このような溶剤量ではペーストの所々が粉っぽくなり、スクリーン印刷等が不可能である。一方溶剤量が５重量部より多いと、ペーストの溶剤量が多すぎてグリーンシートへ吸収される際にＷ粉末の移動が生じたり、また、グリーンシートに吸収された溶剤がグリーンシートの樹脂を溶解することを防ぐことが出来ない。
【００３９】
また、ペーストの溶剤量は更に好ましくは１重量部以上、３重量部以下であることが望ましい。スルーホールへのペーストの充填は、ペーストをスクリーン印刷機のヘラにより押しつけながら、ヘラを往復運動させながら行うが、ペーストの溶剤量が１重量部より少ない場合、前述のように０．５重量部以上であれば、充填する際のヘラの圧力を高めたり、充填回数を多くすることによって、充填は可能となる。しかしながら、充填の際の圧力を高めるとグリーンシートが過度に変形するために、焼結後の寸法精度や反りに悪影響を与える可能性が高い。また、ペーストの充填回数が多くなると生産性が著しく悪化するため好ましくない。
【００４０】
さらに、溶剤量が１重量部より少ないペーストでは、ペーストの作製時の混合方法を工夫したり、長時間混合しなければ、均一に混合されたペーストを作製することはできない。しかしながら、混合方法を工夫するためには、前述した三本ロールやポットミル等以外の装置が必要な場合が多く、新たな設備投資が必要となり余分なコストがかかるので、これらの装置は用いない方が望ましい。また、長時間混合することは生産性を阻害する方向にあるので、長時間混合は避けることが望ましい。
【００４１】
一方、溶剤量が３重量部より多ければ、安定してグリーンシートへ吸収される際にＷ粉末の移動が生じたり、また、グリーンシートに吸収された溶剤がグリーンシートの樹脂を溶解することを防ぐことが出来ないことがある。溶剤のグリーンシートへの吸収のされ方は、グリーンシートの性状により大きく異なるが、溶剤量が３重量部より多ければ、その影響を強く受けるのである。
【００４２】
また、以上のような溶剤量に制御した上で、ペーストの粘度は室温で１００００Ｐ以上、１００００００Ｐ以下であることが望ましい。ちなみにこの粘度は、測定機器により若干の差が認められるが、ブルックフィールド社製の５×ＨＢＤＶ−Ｉ＋を使用した粘度値を記している。粘度が１００００Ｐより小さければ、ペースト粘度が柔らかすぎるため、グリーンシートをスクリーン印刷装置から脱離させたりする時に、スクリーン印刷等で一旦スルーホールに充填されたペーストが流れ出したり、治具に付着するため好ましくない。一方粘度が１００００００Ｐより大きければ、ペースト粘度が固くなりすぎて、スクリーン印刷等でペーストを扱えなくなるので好ましくない。
【００４３】
Ｗペーストの粘度は、更に好ましくは３００００Ｐ以上、５０００００Ｐ以下であることが望ましい。粘度が３００００Ｐより小さければ、ビア表面に陥没等が生じる。また、印刷条件、乾燥条件によっては、ビアにクラックが生じる場合もあるため好ましくない。一方、粘度が５０００００Ｐより大きくなると、スクリーン印刷機等で扱えるようにはなるが、依然として、ペーストが非常に固いため、印刷条件によっては、印刷によりビアホールにＷペーストを完全には充填できないこともあるため好ましくない。
【００４４】
また、ペーストの溶剤としては、前述したようにテルピネオールやブチルカルビトール等を好適に用いることができるが、これらの溶剤を２種以上混合させて使用させても良い。このように混合させて用いることによって、ペーストに適当なチクソトロピー性が発現し、スクリーン印刷等で扱いやすいペーストとなる。
【００４５】
また、ペーストの樹脂結合剤等の樹脂成分は前述のようにエチルセルロースやアクリル系樹脂等を用いることが出来るが、アクリル樹脂はペーストをスクリーン印刷する際に、過剰に糸を引いたりすることがあるため、好ましくはエチルセルロースが良い。ただし、アクリル樹脂においても、印刷条件等を工夫することにより、用いることは可能ではある。
【００４６】
また、用いるＷ粉末であるが、窒化アルミニウムとＷの焼結温度を近づけるためには、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５０ｗｔ％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の焼結が充分に行われないため、好ましくない。
【００４７】
このようにビアホールにＷペーストを充填した後、回路印刷を行い、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り行う。また、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。
【００４８】
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。
【００４９】
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、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。
【００５０】
前記のごとく、本発明の金属化層を有する窒化アルミニウム基板は、金属化層の単位体積あたりの抵抗率を減少させつつ、金属化層内や窒化アルミニウムに生じるクラックを防ぎ、同時に窒化アルミニウムとの接合強度も高めることができる。
また、本発明においては、金属化層を低抵抗化するためにはペーストに無機物粉末を添加しないことが好ましいが、低抵抗下の目的を損なわない範囲で、接着性を増強するために金属粉末の３０重量％迄を無機物粉末で置き換えても良く、これも本発明の態様である。
【００５１】
【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Ｙ_２Ｏ_３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。これを金型を使用して１００ｍｍ×１００ｍｍに打ち抜いた後、パンチャーにてφ０．４ｍｍのスルーホールを形成した。なお、一枚のグリーンシートにスルーホールを５００個形成した。
【００５２】
一方で、平均粒径が２．０μｍのＷ粉末１００重量部、樹脂結合剤としてのエチルセルロース５重量部及び溶媒である表１に示した重量部のブチルカルビトールを混合してペーストを作製した。混合にはポットミルと三本ロールを用いた。得られたペーストを前記のグリーンシートのスルーホールにスクリーン印刷機を用いて充填した。
【００５３】
次に、印刷後のシートを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分間熱圧着することで行った。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。
【００５４】
焼結後、ビア部分にはφ０．３５ｍｍのスルーホールに金属化層が形成されていた。次に、ビア部分におけるクラックの発生の有無を確認するために、焼結した窒化アルミニウム基板表面を研磨し、電子顕微鏡を用いて１０００倍にて観察した。これらの評価結果をペースト配合内容と同様に表１に示す。なお、同じ条件で作製した基板を１０枚用意しており、表中の「ビアクラックが生じた基板の発生確率」は、一枚の基板中にある５００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。
【００５５】
ペーストの溶剤量を５重量部以下にすることによって、ビアクラックの発生が無い基板を作製することができた。ただし、ペーストの溶剤量が０．１重量部のものに関しては、ペーストを均一に混合することができず、所々Ｗ粉末が遊離していた。また、このペーストを用いてスクリーン印刷を行ったところ、スルーホール内にペーストはほとんど充填されなかった。
【００５６】
また、ペーストの溶剤量が５重量部のものに関しては、ビアクラックが発生した基板も認められた。ペースト溶剤量が０．５重量部に関しては、スクリーン印刷機のヘラの往復回数を２０回にして、ようやくスルーホールにペーストが充填された。ちなみに、ペースト溶剤量が１重量部以上のものに関しては、往復回数が２回以下でスルーホールにペーストが充填された。ペースト溶剤量が０．５重量部の印刷性、生産性は極めて悪いと考えられる。
【００５７】
【表１】

【００５８】
［実施例２］
ペーストの溶剤としてテルピネオールを用いて、実施例１と同じ試験を行った。ペーストの溶剤量とビアクラックの発生状況を表２に示す。
ペーストの溶剤量を５重量部以下にすることによって、ビアクラックの発生が無い基板を作製することができた。ただし、ペースト溶剤量が０．１重量部のものに関しては、ペーストを均一に混合することができず、所々Ｗ粉末が遊離していた。また、このペーストを用いてスクリーン印刷を行ったところ、スルーホール内にペーストはほとんど充填されなかった。
【００５９】
また、ペーストの溶剤量が５重量部のものに関しては、ビアクラックが発生した基板も認められた。ペースト溶剤量が０．５重量部に関しては、スクリーン印刷機のヘラの往復回数を２０回にして、ようやくスルーホールにペーストが充填された。ちなみに、ペースト溶剤量が１重量部以上のものに関しては、往復回数が２回以下でスルーホールにペーストが充填された。ペースト溶剤量が０．５重量部の印刷性、生産性は極めて悪いと考えられる。
【００６０】
【表２】

【００６１】
［実施例３］
実施例１で用いたものと同じグリーンシートに対して、金型を使用して１００ｍｍ×１００ｍｍに打ち抜いた後、パンチャーにてφ０．４ｍｍのスルーホールを形成した。
一方で、平均粒径２μｍのＷ粉末１００重量部と樹脂結合剤としてのエチルセルロース５重量部とを溶剤であるブチルカルビトール３重量部に分散させてＷペーストを作製した。なお、混合にはポットミルと三本ロールを用いた。
得られたＷペーストを前記スルーホールに充填した（試料１５）。
【００６２】
また、平均粒径が２．０μｍのＷ粉末と平均粒径が１．０μｍの窒化アルミニウム粉末とを、８５：１５（試料１６）、７０：３０（試料１７）、６０：４０（試料１８）となるように配合した混合物１００重量部とエチルセルロース５重量部とをブチルカルビトール３重量部に分散させたペーストを作製し、このペーストをスルーホールに充填した。
【００６３】
その後実施例１と同様に印刷後のシートを２枚重ねて積層し、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。
焼結後、窒化アルミニウムのビア部分はφ０．３５ｍｍのビアに金属化層が形成されていた。これらの試料のビア上下面の導通をテスターにて測定し、ビアの電気抵抗を測定した。測定結果を表３に示す。
【００６４】
【表３】

【００６５】
ビア部分にクラックが発生の有無を確認するために、焼結した窒化アルミニウム基板表面を研磨し、電子顕微鏡を用いて１０００倍で観察したが、いずれの試料もクラックは生じていなかった。また、表３に示されるように、無機物粉末の添加量を少なくした試料は、無機物粉末を混合して得られたビアに比べて金属化層の電気抵抗を大幅に小さくすることができた。
【００６６】
【発明の効果】
本発明によれば、ペーストの溶剤量を０．５重量部以上、５重量部以下、好ましくは１重量部以上、３重量部以下にすることによって、金属粉末ペーストに無機物等を混合しなくても、金属化層や窒化アルミニウム焼結体母材にクラックが入ることを防止し、金属化層と窒化アルミニウムとの密着強度を高くすることが出来る。このため、本窒化アルミニウム焼結体は低抵抗率が要求される用途、例えば高周波用途のＩＣ用の基板、パッケージとして好適に用いることができる。

Claims

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、樹脂結合剤及び溶剤を含むペーストを塗布した後、全体を同時に焼結することにより金属化層を有する窒化アルミニウム焼結体を製造する方法において、該ペースト中の溶剤量が、該ペースト中の金属粉末と無機物粉末とを合計した重量を１００重量部としたときに、０．５重量部以上、５重量部以下であることを特徴とする金属化層を有する窒化アルミニウム焼結体の製造方法。
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、樹脂結合剤及び溶剤を含むペーストを充填した後、全体を同時に焼結することにより金属化層を有する窒化アルミニウム焼結体を製造する方法において、該ペースト中の溶剤量が、該ペースト中の金属粉末と無機物粉末とを合計した重量を１００重量部としたときに、０．５重量部以上、５重量部以下であることを特徴とする金属化層を有する窒化アルミニウム焼結体の製造方法。
前記ペーストに含まれる導体高融点金属がＷであることを特徴とする請求項１又は２記載の金属化層を有する窒化アルミニウム焼結体の製造方法。
前記ペーストが溶剤として、テルピネオール及び／又はブチルカルビトールを含んでいることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の金属化層を有する窒化アルミニウム焼結体の製造方法。
前記ペースト中の溶剤量が、前記ペースト中の金属粉末と無機物粉末とを合計した重量を１００重量部としたときに１重量部以上、３重量部以下であることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の金属化層を有する窒化アルミニウム焼結体の製造方法。
前記樹脂結合剤がエチルセルロースであることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の金属化層を有する窒化アルミニウム焼結体の製造方法。
前記ペースト中に含まれる無機物粉末の含有量が金属粉末と無機物粉末とを合計した重量を１００重量部としたときに０〜３０重量部であることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の金属化層を有する窒化アルミニウム焼結体の製造方法。