JP2004260220A - セラミックス基板及びセラミックス基板の粗化面への薄膜形成方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 同一面内にセラミックス部分と金属部分とが混在しているときでも、そのような面に対して密着性に優れた薄膜を形成することができるセラミックス基板を提供すること。
【解決手段】 ＡｌＮ製の絶縁基材２と金属製の導体層３とからなり、絶縁基材２の表面粗さＲa1を０．０１μｍ〜５μｍ、導体層３の表面粗さＲa2を０．００２μｍ〜２μｍとし、絶縁基材２の表面粗さＲa1が、導体層３の表面粗さＲa2より大きいセラミックス基板。
【選択図】 図３

Description

本発明は、セラミックス基板及びセラミックス基板の粗化面への薄膜形成方法に関するものである。

従来より、発熱量の大きい電子部品等を実装するための基板等として、各種のセラミックス基板が製造されている。
このようなセラミックス基板は、一般的にセラミックスの焼結体からなる絶縁基材の表面などに、配線パターン等のような金属製の導体層が形成されたものとして知られている。

図４には、従来におけるセラミックス基板１０が例示されている。このセラミックス基板１０を構成する絶縁基材１１には、表裏の導通を図るためのスルーホール１２を構成するスルーホール形成用孔１３が形成されている。前記スルーホール形成用孔１３内には、導電性金属ペーストが充填されることにより、スルーホール内導体層１４が形成されている。そして、セラミックス基板１０の表面には、導体パターン１５が形成されている。また、前記導体パターン１５と、スルーホール形成用孔１３の開口部から露出しているスルーホール内導体層１４の端面とは、面接触により電気的に接続した状態となっている。

前記セラミックス基板１０は、例えばグリーンシートに導電性金属ペーストを印刷することによりスルーホール内導体層１４を形成した後、焼成を施すという手順を経て作製される。また、焼成を経て得られる絶縁基材（焼結体）１１にはラッピング等による表面研磨処理が施され、この処理により肉厚及び表面粗さ等の調節が図られる。そして、絶縁基材１１表面に所定の方法（薄膜法、厚膜法、めっき法等）に従って金属膜を形成することにより、最終製品としての導体パターン１５を備えるセラミックス基板１０が得られている。

ところで、セラミックス基板１０の場合、同一面内に異種の物質、つまり濡れ性の良い金属部分と濡れ性に劣るセラミックス部分とが混在していることがその特徴として挙げられる。

これを換言すると、前記各成膜方法によって導体パターン１５を形成したとしても、セラミックス−金属間に化学的な結合力による密着力を充分に期待できないということを意味するものである。

よって、このような導体パターン１５の場合、セラミックス−金属間の密着力は主として絶縁基材１１の表面粗さの大きさ、つまり絶縁基材１１表面の凹凸による物理的なアンカー効果に依存することになる。

従って、密着性に優れた導体パターン１５を得るためには、例えば最終工程にて行われる表面研磨処理により、絶縁基材１１の表面粗さを好適なアンカー効果をもたらし得る範囲に設定しておくことなどが有効となる。そして、上記のような対策を施さないときには、密着力不足によって導体パターン１５が剥離し易いものとなってしまう。

しかし、従来の一般的な方法により表面研磨処理を行うと、絶縁基材１１の表面ばかりでなく、スルーホール内導体層１４の露出部分も砥粒の攻撃を受ける結果となる。この場合、当該部分の金属がセラミックス部分以上に削り取られ、端面にボイド１６等ができてしまうという不具合が生じる。このため、導体パターン１５と端面との接続状態が悪くなり、接続信頼性が低下してしまう（図５参照）。

本発明は上記の事情に鑑みてなされたものであり、その第１の目的は、同一面内にセラミックス部分と金属部分とが混在しているときでも、そのような面に対して密着性に優れた薄膜を形成することができるセラミックス基板を提供することにある。

本発明の第２の目的は、粗化面に対して密着性に優れた薄膜を容易にかつ確実に形成することが可能なセラミックス基板の粗化面への薄膜形成方法を提供することにある。

上記の課題を解決するために、請求項１に記載の第１の発明では、窒化アルミニウム製の絶縁基材と金属製の導体層とからなるセラミックス基板において、前記絶縁基材の表面粗さが０．０１μｍ〜５μｍの範囲内であり、前記導体層の表面粗さが０．００２μｍ〜２μｍの範囲内であり、かつ前記絶縁基材の表面粗さが、前記導体層の表面粗さより大きいことを特徴とするセラミックス基板をその要旨としている。

この場合、絶縁基材を構成するセラミックスを窒化アルミニウム（ＡｌＮ）であることが望ましい。また、導体層を構成する金属を、タングステン（Ｗ）、モリブデン（Ｍｏ）、銅（Ｃｕ）から選択される少なくともいずれかとしても良い。

また、請求項３に記載の第２の発明では、メタライジング法、スパッタリング法、めっき法、蒸着法、イオンプレーティング法、活性金属法及びＣＶＤ法から選択される少なくともいずれかの成膜法によって、セラミックス製の絶縁基材と金属製の導体層とからなるセラミックス基板の粗化面に金属薄膜または非金属薄膜を形成することを特徴とする請求項１のセラミックス基板の粗化面への薄膜形成方法をその要旨としている。

更に、請求項４に記載の第３の発明では、ドライフィルム及び液体レジストから選択される少なくともいずれかを用いることによって、セラミックス製の絶縁基材と金属製の導体層とからなるセラミックス基板の粗化面に非金属薄膜を形成することを特徴とする請求項１のセラミックス基板の粗化面への薄膜形成方法をその要旨としている。

以下、本発明のセラミックス基板、及びこのようなセラミックス基板を製造するときの手順等について説明する。
本発明のセラミックス基板は、窒化アルミニウム製の絶縁基材と金属製の導体層とが少なくとも同一面内にて混在した状態にあることを特色としている。この基板において、絶縁基材の表面粗さ及び導体層の表面粗さは、それぞれ０．０１μｍ〜５μｍ，０．００２μｍ〜２μｍの範囲内である必要がある。

絶縁基材の表面粗さが０．０１μｍ未満であると、所定のアンカー効果を得ることができず、セラミックス基板表面に形成された薄膜が剥離し易くなるからである。一方、絶縁基材の表面粗さが５μｍを越えると、アンカー効果の向上を図ることはできても、基材表面の平滑性が損なわれることになり、好適ではないからである。

また、導体層の表面粗さが２μｍを越えた場合、導体層とその上に形成された薄膜との接続状態が悪くなり、特に両者がいずれも導体層であるときには両者間に電気的な接続不良等が発生し易くなる。

そして、本発明のセラミックス基板においては、絶縁基材及び導体層の表面粗さを上記範囲内に設定すると共に、絶縁基材の表面粗さを導体層の表面粗さより大きくしておくことが好適である。

この場合、絶縁基材の表面粗さ及び導体層の表面粗さは、それぞれ０．１μｍ〜０．５μｍ，０．０２μｍ〜０．２μｍ程度（即ち、前者に対する後者の表面粗さの値が数分の１以下）となることが好ましい。

本発明において絶縁基材を構成するセラミックスは、ＡｌＮであることが望ましい。その理由は、電子部品等搭載するための基板に要求される高い熱伝導性を有するばかりでなく、後述する諸方法によって表面粗さの好適範囲に容易に調節することができるからである。

導体層を構成する金属は、Ｗ，Ｍｏ，Ｃｕから選択される少なくともいずれかであることが望ましく、特にはＷであることが良い。その理由は、これらをペースト状にして印刷することにより、絶縁基材に容易に導体層を形成することができるからである。また、後述する諸方法によって表面粗さの好適範囲に容易に調節することができるからである。また、ここに列挙した金属以外にも、例えばニオブ（Ｎｂ）、タンタル（Ｔａ）、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）等の金属であっても良い。

上記のようなセラミックス基板を作製する場合、まずＡｌＮのセラミックス粉末にバインダ、焼結助剤等を添加しかつ混練することにより、原料スラリーが作製される。そして、前記スラリーを原料としてシート成形またはプレス成形を行うことにより、平板状のグリーンシートが製造される。

このようにして得られるグリーンシートには、従来公知の加工法によって、貫通孔等のような導体層形成用の構造が設けられる。そして、例えばＷ，Ｔａ，Ｃｕ等を主成分として含む導電性金属ペーストを作製し、それをグリーンシートに印刷することなどにより、前記貫通孔等に金属製の導体層が形成される。その後、前記グリーンシートは脱脂・仮焼成・本焼成を経ることによって、緻密なセラミックス焼結体となる。

次いで、セラミックス焼結体（絶縁基材・導体層）の表面粗さ及び全体の肉厚を所定の範囲に調節することを目的として、物理的方法（ラッピング）または化学的方法（エッチング）による表面処理が行われる。この場合、物理的方法及び化学的方法を単独でまたは組合わせて行なうこととしても良い。そして、これらの表面処理方法のうち少なくともいずれかを施すことによって、セラミックス焼結体に所定の粗化面（絶縁基材の表面粗さが０．０１μｍ〜５μｍ、導体層の表面粗さが０．００２μｍ〜２μｍ）が形成される。

ラッピングとは遊離砥粒による加工法の一種であり、より詳細にはラップと称する工具と被加工物との間に研磨用の砥粒を介在させた状態で相対運動を行うことによって被加工物を加工するという方法である。

そして、本発明において、ラッピングはセラミックス酸化物、セラミックス炭化物、セラミックス窒化物及びダイヤモンドから選択される少なくともいずれかを主成分として含む研磨用の砥粒を用いて行われる。その理由は、硬いセラミックスを研磨して所定の粗化面を得るためには、被加工物と同程度以上の硬さを持つ砥粒を使用する必要があるからである。

前記研磨用の砥粒としては、例えばＳｉＣを主成分とするＧＣ砥粒、Ａｌ_２Ｏ_３を主成分とするＷＡ砥粒、Ａｌ_２Ｏ_３とＺｒＯ_２とを主成分とするＦＯ砥粒、ＳｉＯ_２を主成分とするＦＱ砥粒等、最終仕上げ用のダイヤモンド砥粒が挙げられる。

ＧＣ砥粒を用いた場合、砥粒の粒度は１２００メッシュ〜３０００メッシュ程度であることが好適である。ＷＡ砥粒を用いた場合、砥粒の粒度は７００μｍ〜１２００μｍ程度であることが好適である。ＦＯ砥粒を用いた場合、砥粒の粒度は４００メッシュ〜８００メッシュ程度であることが好適である。ＦＱ砥粒を用いた場合、砥粒の粒度は４００メッシュ〜８００メッシュ程度であることが好適である。ダイヤモンド砥粒を用いた場合、砥粒の平均粒径は０．５μｍ〜４．０μｍ程度であることが好適である。

そして、ここに列挙した砥粒以外にも、例えば他のセラミックス酸化物（Ｆｅ_２Ｏ_３，ＴｉＯ_２，ＭｇＯ，ＣｅＯ_２，Ｃｒ_２Ｏ_３，ＣｒＯ_３等）、セラミックス炭化物（ＺｒＣ，Ｂ_４Ｃ，ＴｉＣ等）、セラミックス窒化物（ＢＮ，Ｓｉ_３Ｎ_４，ＴｉＮ等）などを主成分として含む砥粒を用いても良い。この後、仕上げとしてダイヤモンド砥粒を用いた研磨が行われる。

本発明においてエッチングとは、ＮａＯＨ，ＫＯＨ等を溶解した強アルカリ液や、Ｎａ_２ＣＯ_３，Ｋ_２ＣＯ_３，ＮＨ_３等を溶解した弱アルカリ液を用いて、被加工物の表面を溶解するという方法をいうものである。

上記のいずれかの表面処理方法を実施することによって得られた粗化面には、次いでセラミックス基板において導体層や絶縁層となるような金属薄膜や非金属薄膜が形成される。

金属薄膜は、メタライジング法、スパッタリング法、めっき法、蒸着法、イオンプレーティング法、活性金属法及びＣＶＤ法から選択される少なくともいずれかの成膜法によって形成される。これらの方法は、密着性に優れた金属薄膜をセラミックス焼結体の粗化面に形成する手段として適しているからである。

前記の各種の成膜法によって得られる金属薄膜としては、例えば導体パターン形成用材料として一般に使用されるＣｕのほか、Ａｕ，Ａｇ，Ｎｉ，Ｃｏ，Ａｌ，Ｆｅ，Ｔｉ，Ｃｒ等の薄膜が挙げられる。なお、金属薄膜の厚さは、０．０５μｍ〜５μｍ程度であることが良い。

非金属薄膜は、ドライフィルム及び液体レジストから選択される少なくともいずれかを用いることによって形成される。これらの材料は、非金属薄膜（例えば、各種レジスト等のような樹脂絶縁層など）を粗化面に形成する材料として適しているからである。なお、上記材料を用いた場合の非金属薄膜の厚さは、５μｍ〜５０μｍ程度であることが良い。

そして、非金属薄膜として樹脂絶縁層を形成するような場合にあっては、例えば感光性ポリイミド樹脂、感光性エポキシ樹脂、感光性アルカリ樹脂等を用いることが好適である。

なお、このような非金属薄膜は、先に挙げたメタライジング法、スパッタリング法、めっき法、蒸着法、イオンプレーティング法、活性金属法及びＣＶＤ法から選択される少なくともいずれかの成膜法によっても形成可能である。

上述したように、本発明のセラミックス基板は、好適なアンカー効果をもたらし得るような表面粗さに設定された粗化面を備えたものとなっている。よって、同一面内にセラミックス部分と金属部分とが混在しているときでも、当該粗化面に形成された薄膜であれば、極めて密着性に優れたものとなる。

また、本発明の薄膜形成方法によると、粗化面に対して密着性に優れた薄膜を容易にかつ確実に形成することが可能となる。

以上詳述したように、本発明のセラミックス基板によれば、同一面内にセラミックス部分と金属部分とが混在しているときでも、そのような面に対して密着性に優れた薄膜を形成することができるという優れた効果を奏する。

また、本発明のセラミックス基板のセラミックス基板の粗化面への薄膜形成方法によると、粗化面に対して密着性に優れた薄膜を容易にかつ確実に形成することができるという優れた効果を奏する。

以下、本発明をＡｌＮ基板に具体化した実施例を図１〜図３に基づき詳細に説明する。
本実施例では、平均粒径が１．１μｍのＡｌＮ粉末１０００ｇに、焼結助剤としてのＹ_２Ｏ_３粉末を５０ｇ、アクリル系バインダを１２０ｇ、並びに所定量の可塑剤、分散剤及び溶剤としてのエタノールを添加したものを均一に混練することによって、グリーンシート７を得るための原料スラリーを作製した。

また、平均粒径が１．３μｍのＷ粉末５０００ｇにアクリル系バインダを１２０ｇ添加し、溶剤及び分散剤を添加したものを均一に混練しかつ所定の粘度に調整することによって、スルーホール内導体層３を得るためのＷペースト９を作製した。

次いで、ドクターブレード法のシート成形の手順に従って、前記原料スラリーから平板状のグリーンシート７を作製した。そして、得られたグリーンシート７の所定部分をパンチングで打ち抜くことにより、スルーホール形成用孔８を形成した（図１(a)参照）。このグリーンシート７をスクリーン印刷機にセットした状態でＷペースト９を印刷することにより、スルーホール形成用孔８内にＷペースト９を完全に充填させた（図１(b)参照）。

次に、グリーンシート７を７００℃で脱脂し、かつ１６００℃で仮焼成した後、不活性雰囲気下かつ３時間，１８３０℃，２００kg/cm^２の条件下でホットプレスを施した。前記処理によってグリーンシート７及びＷペースト９を同時に焼結させ、ＡｌＮ基板１ａを得た（図１(c)参照）。

なお、焼成を経て得られるＡｌＮ基板１ａは、図１（ｃ）に示されるように、スルーホール形成用孔８の開口部からスルーホール内導体層３の端面が露出した状態にある。従って、このＡｌＮ基板１ａは、セラミックス部分と金属部分とがほぼ同一面内にて混在しているといい得るものとなっている。また、このＡｌＮ基板１ａは表面処理前のものであることから、ＡｌＮ基材２の表面粗さＲa1及びスルーホール内導体層３の表面粗さＲa2はいずれも未だ大きな状態にある。

ここで、前記ＡｌＮ基板１ａの表裏両面に対して物理的または化学的な手法による表面処理を施すことにより、粗化面６を有しかつ肉薄化されたＡｌＮ基板１を得た（図１(d)参照）。

本実施例では、以下に述べるような２種の表面処理を実施することにより、合計１３個の試験サンプルを作製した。まず第１の表面処理方法として、小型両面ラッピングマシン（日本エンギス製）によるラッピングを行った。このときの加工条件として、回転数を９００rpmに、加工時間を１０分間に設定した。

また、ラッピング用の砥粒として、表１に示すような１０種の砥粒を選択し、各砥粒を用いて所定濃度（３５０ｇ／リットル）のラップ液をそれぞれ作製した。そして、上記の条件にてラッピングを行った後、ダイヤモンド砥粒にて仕上げ加工を行うことにより、試験サンプル１〜１０を得た。

また、第２の表面処理方法として、上記のラッピング処理を施した各サンプル１〜１０に対し、３種のアルカリ性エッチング液（表２参照）によるエッチングを行った。そして、表２に示されるような条件に従って処理を行うことにより、試験サンプル１１〜１３を得た。

前記各種表面処理によって得られたサンプル１〜１３について、接触式表面粗さ計による、ＡｌＮ基材２及びスルーホール内導体層３の表面粗さ（中心線平均粗さ）Ｒa1，Ｒa2の測定を行った。それらの測定結果を表３にまとめて示す。

その結果、表３から明らかなように、いずれの試験サンプルについても、表面粗さＲa1，Ｒa2の値がいずれも所定範囲内（Ｒa1＝０．０１μｍ〜５μｍ，Ｒa2＝０．００２μｍ〜２μｍ）となることが確認された。また、ＡｌＮ基材２の表面粗さＲa1と、スルーホール内導体層３の表面粗さＲa2とを比較すると、後者が前者の約数分の１以下となることも確認された（図２参照）。

次いで、各試験サンプル１〜１３の粗化面６に対する金属・非金属薄膜の形成を以下に示す方法により行った。まず前記ＡｌＮ基板１を洗浄・乾燥した後、粗化面６に無電解銅めっきを析出させるための触媒核を付与した。次いで、ＡｌＮ基板１に感光性エポキシ樹脂を塗布して露光・現像を行うことにより、粗化面６上に厚さ２０μｍのめっきレジスト５を形成した。次に、前記触媒核を活性化した後、無電解銅めっき浴を用いて無電解銅めっきを施した。その結果、めっきレジスト５の非形成部分に、厚さ２０μｍの導体パターン４を形成した（図３参照）。

このような手順により得られた各々の薄膜を観察したところ、いずれの試験サンプルについても薄膜に剥離等が見られることはなく、極めて形成状態が良好であることが認められた（表３参照）。また、導体パターン４とスルーホール内導体層３の端面とが接する部分にボイド等が生じることもなく、両者間の接続状態は極めて良いものとなっていた（図３参照）。

なお、本発明は上記実施例のみに限定されることはなく、以下のように変更することが可能である。例えば、
（ａ）本発明をセラミックス両面板に具体化した実施例に代えて、シート成形したグリーンシートを積層・焼成してなるセラミックス多層板に具体化することも勿論可能である。この場合、導電性金属ペースト等を用いて、シート積層工程の前に予め内層に導体パターンを形成しておくことが良い。

（ｂ）また、表面研磨及び薄膜の形成をセラミックス基板の片面のみについて行うこととしても良い。
（ｃ）実施例のような表面処理方法に代え、例えばエッチング液をラップ液としても用いた、いわゆるメカノケミカルラッピングを行うことも可能である。このような表面処理方法によると、エッチング及びラッピングを単独で行うときよりも、処理の簡略化・効率化を図ることができる。

なお、前記メカノケミカルラッピングとしては、ラップ液と非加工物との間の固液反応が支配的プロセスであるものばかりでなく、砥粒と非加工物との間の固相反応が支配的プロセスであるものも同様に有効である。

（ｄ）セラミックス製の絶縁基材に設けられる金属製の導体層は、実施例のようなスルーホール内導体層のみに限定されることはない。例えば、絶縁基材に凹部を設け、その凹部の内面に導体層を設けるというようなものなどであっても良い。

（ｅ）粗化面上に形成される非金属薄膜は樹脂のみに限定されることはなく、例えばセラミックス等であっても良い。

（ａ）〜（ｄ）は実施例におけるＡｌＮ基板の製造工程を示す部分概略断面図である。 ＡｌＮ基板に対する表面処理によって粗化面を形成した状態を示す部分概略断面図である。 ＡｌＮ基板に導体パターン及びめっきレジストを形成した状態を示す部分概略断面図である。 従来のセラミックス基板を示す部分概略断面図である。 従来のセラミックス基板における問題点を説明するための部分概略断面図である。

符号の説明

１，１ａ…セラミックス基板としてのＡｌＮ基板、２…絶縁基材としてのＡｌＮ基材、３…金属製の導体層としてのスルーホール内導体層、４…金属薄膜としての導体パターン、５…非金属薄膜としてのめっきレジスト、６…粗化面、Ｒa1…絶縁基材の表面粗さ、Ｒa2…導体層の表面粗さ。

Claims (4)

1. 窒化アルミニウム製の絶縁基材（２）と金属製の導体層（３）とからなるセラミックス基板（１）において、前記絶縁基材（２）の表面粗さ（Ｒa1）が０．０１μｍ〜５μｍの範囲内であり、前記導体層（３）の表面粗さ（Ｒa2）が０．００２μｍ〜２μｍの範囲内であり、かつ前記絶縁基材（２）の表面粗さ（Ｒa1）が、前記導体層（３）の表面粗さ（Ｒa2）より大きいことを特徴とするセラミックス基板。
2. 前記導体層（２）を構成する金属は、タングステン、モリブデン、銅から選択される少なくともいずれかであることを特徴とする請求項１に記載のセラミックス基板。
3. メタライジング法、スパッタリング法、めっき法、蒸着法、イオンプレーティング法、活性金属法及びＣＶＤ法から選択される少なくともいずれかの成膜法によって、セラミックス製の絶縁基材（２）と金属製の導体層（３）とからなるセラミックス基板（１）の粗化面（６）に金属薄膜（４）または非金属薄膜（５）を形成することを特徴とする請求項１のセラミックス基板の粗化面への薄膜形成方法。
4. ドライフィルム及び液体レジストから選択される少なくともいずれかを用いることによって、セラミックス製の絶縁基材（２）と金属製の導体層（３）とからなるセラミックス基板（１）の粗化面（６）に非金属薄膜（５）を形成することを特徴とする請求項１のセラミックス基板の粗化面への薄膜形成方法。

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