JP2008053465A - ３次元立体回路基板の製造方法、および３次元立体回路基板 - Google Patents

Abstract

【課題】 酸化層を形成する窒化アルミニウム基板において、酸化層の応力低減と、処理時間の低減とを実現する３次元立体回路基板の製造方法、および３次元立体回路基板を提供する。
【解決手段】 ３次元立体回路基板Ａの製造方法は、導電性薄膜３を形成するメタライズ処理工程（Ｓ３）の前に、窒化アルミニウム基板１の表面のうち、導電性薄膜３における回路部３ａおよび回路部３ａ近傍に対応する領域のみを酸化処理して酸化層２を形成する酸化層形成工程（Ｓ２）を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、３次元立体回路基板の製造方法、および３次元立体回路基板に関するものである。

従来、窒化アルミニウム基板に導電回路を形成して３次元立体回路基板を製造する方法として、まず、窒化アルミニウム基板の表面に導電性薄膜を形成し、その導電性薄膜における回路部と非回路部の少なくとも境界を含む領域に高エネルギービームを照射して導電性薄膜を除去して回路パターンを形成し、回路部の導電性薄膜にめっき処理を施した後、非回路部の導電性薄膜を除去する方法があった。

しかし、高エネルギービーム（例えばレーザビーム）を照射した際に、高エネルギービームが窒化アルミニウム基板にまで到達すると、窒化アルミニウムが分解されて、導電物質である金属アルミが析出してしまう。そこで、高エネルギービーム照射時の金属アルミの析出を防ぐために、窒化アルミニウム基板の表面の全領域を酸化処理して酸化層を形成した後に、導電性薄膜を形成する方法が提案された。すなわち、高エネルギービームは、介在する酸化層を通過しなければ、基板材の窒化アルミニウム基板まで到達することがなく、高エネルギービームの酸化層通過を、高エネルギービームのパワーや処理時間、および酸化層の厚さの調整により阻止している。（例えば、特許文献１参照）。
特開２００５−１９６４５号公報

しかし、上記特許文献１のように窒化アルミニウム基板の表面の全領域に酸化層を形成した場合、酸化層の応力が大きくなって、酸化層と窒化アルミニウム界面、あるいは酸化層の破壊によってピール強度が低下したり、基板の変形等による寸法的な問題が生じていた。また、酸化層の応力が大きくなると酸化層にクラックが発生しやすくなり、当該クラック内に導電性薄膜が成膜されることがある。酸化層のクラック内に成膜された導電性薄膜は、回路パターン形成時に高エネルギービームを照射しても除去されず、回路間の短絡の原因となることがある。

また、酸化の進行は酸素の拡散速度が律速であるため、酸化層の成長に伴い、酸化速度が急速に低下する。したがって、高エネルギービームの照射に対応するために十分な酸化層の厚みに達するまでの時間が増大し、３次元立体回路基板の製造に要する処理時間が大幅に増大していた。

本発明は、上記事由に鑑みてなされたものであり、その目的は、酸化層を形成する窒化アルミニウム基板において、酸化層の応力低減と、処理時間の低減とを実現する３次元立体回路基板の製造方法、および３次元立体回路基板を提供することにある。

請求項１の発明は、窒化アルミニウム基板の表面に導電性薄膜を形成し、その導電性薄膜における回路部と非回路部の少なくとも境界を含む領域に高エネルギービームを照射し導電性薄膜を除去して回路パターンを形成し、回路部の導電性薄膜にめっき処理を施した後、非回路部の導電性薄膜を除去する３次元立体回路基板の製造方法において、前記導電性薄膜を形成する工程の前に、窒化アルミニウム基板の表面のうち、前記回路部および回路部近傍に対応する領域のみを酸化処理して酸化層を形成する工程を備えたことを特徴とする。

この発明によれば、従来のように窒化アルミニウム基板の表面の全領域に酸化層を形成した場合に比べて、酸化層が窒化アルミニウム基板の表面に密着している面積が減少するので、酸化層の応力が低減する。而して、ピール強度の低下や、基板の変形等による寸法的な問題の発生を抑制し、さらには酸化層のクラック発生を防止している。また、酸化層の形成面積が従来に比べて減少するので、成膜に時間のかかる酸化層形成工程の処理時間を短縮でき、３次元立体回路基板の製造に要する処理時間も短縮される。すなわち、酸化層を形成する窒化アルミニウム基板において、酸化層の応力低減と、処理時間の低減とを実現することができる。

請求項２の発明は、請求項１において、前記窒化アルミニウム基板の酸化層を形成しない領域では、マスクスパッタリング法によって回路を形成することを特徴とする。

この発明によれば、微細な加工が必要な部分のみに酸化層を形成して高エネルギービームを照射して回路を形成し、微細な加工の必要がないめっき給電回路等は、酸化層なしでマスクスパッタリング法を用いて形成している。したがって、不要な領域には酸化層を形成せず、さらに全ての回路を高エネルギービームの照射によって形成しないので、処理時間が短縮される。

請求項３の発明は、請求項１において、前記窒化アルミニウム基板の酸化層を形成しない領域では、コリメートスパッタリング法によって回路を形成することを特徴とする。

この発明によれば、テーパ状の部分や段差のある部分であってもスパッタ膜を形成して回路を形成することができる。

請求項４の発明は、請求項１において、前記酸化層は、原料ガスまたは微粒子をノズルから窒化アルミニウム基板の表面に吹き付けることで形成されることを特徴とする。

この発明によれば、レーザＣＶＤ法またはエアロゾルデポジション法（ＡＤ法）によって酸化層を形成でき、スパッタリング法や熱酸化法に比べて成膜レートを早くできる。

請求項５の発明は、請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の３次元立体回路基板の製造方法を用いて形成されたことを特徴とする。

この発明によれば、従来のように窒化アルミニウム基板の表面の全領域に酸化層を形成した場合に比べて、酸化層が窒化アルミニウム基板の表面に密着している面積が減少するので、酸化層の応力が低減する。而して、ピール強度の低下や、基板の変形等による寸法的な問題の発生を抑制し、さらには酸化層のクラック発生を防止している。また、酸化層の形成面積が従来に比べて減少するので、成膜に時間のかかる酸化層形成工程の処理時間を短縮でき、３次元立体回路基板の製造に要する処理時間も短縮される。すなわち、酸化層を形成する窒化アルミニウム基板において、酸化層の応力低減と、処理時間の低減とを実現することができる。

以上説明したように、本発明では、酸化層を形成する窒化アルミニウム基板において、酸化層の応力低減と、処理時間の低減とを実現することができるという効果がある。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。

（実施形態１）
以下、本実施形態に係る３次元立体回路基板の製造方法及び該製造方法を用いて製造された３次元立体回路基板について、図面を参照して説明する。図１は３次元立体回路基板の製造方法の概要を示すフローである。３次元立体回路基板Ａは、窒化アルミニウム粉体材料を成形して焼結する窒化アルミニウム基板１の準備工程（Ｓ１）、窒化アルミニウム基板１を加熱してその表面を酸化処理して酸化層２（絶縁層）を形成する酸化層形成工程（Ｓ２）、酸化層２の上にスパッタリング、蒸着、イオンプレーティングなどの物理蒸着法による導電性薄膜３の成膜を行うメタライズ処理工程（Ｓ３）、高エネルギービーム（本実施形態ではレーザビーム）による回路部／非回路部の分離を行うレーザ処理工程（Ｓ４）、回路部のめっきによる厚膜化を行ってめっき層４を形成するめっき処理工程（Ｓ５）、非回路部のエッチング処理工程（Ｓ６）の各工程を順次実施することで製造される。

図２（ａ）〜（ｄ）、図３（ａ）（ｂ）は、上記各工程における３次元立体回路基板Ａの表面処理の様子を示している。まず、図２（ａ）は窒化アルミニウム基板１の準備工程（Ｓ１）であり、窒化アルミニウム基板１が粉末成形、焼結により形成される。窒化アルミニウム基板材の形成に用いる原料である窒化アルミニウム粉は、還元窒化法、直接窒化法，気相合成法などの方法を用いて製造される。本発明において基板材原料の製造方法は特に限定されない。また、窒化アルミニウムは難焼結材料であるため、イットリア（Ｙ_２Ｏ_３）やカルシア（ＣａＯ）などを焼結助剤として原料に添加してもよい。

そして、窒化アルミニウム粉を３次元形状に成形する方法は、通常セラミックスの成形で用いられる圧縮成形、押出成形、射出成形、テープ成形などの方法を適用することができる。特に三次元形状を得るためには、射出成形が好適に用いられる。また、成形方法によっては、原料に流動性や可塑性を付与するために、有機溶剤や樹脂などの有機物を添加することもできる。

上述により原材料を成形後、必要に応じて、成形品に含まれる有機物を除去するために脱脂が行われる。この脱脂工程では、室温から６００℃程度まで徐々に温度を上げていき、成形品に含まれる有機物を溶出させる。脱脂時の雰囲気は、大気下でも窒素などの不活性ガス下でもよい。

その後、成形品を焼結することで緻密化された焼結体として３次元形状の窒化アルミニウム基板１が得られる。この焼結工程は、雰囲気を窒素などの不活性ガスに置換し、１８００℃程度まで徐々に温度を上げて行われる。大気中などで焼結を行うと、窒化アルミニウムの粒界にアルミナが析出してしまう。そのため、焼結速度が低下するばかりではなく、窒化アルミニウム以外の成分が混入し、焼結体の熱伝導率も低下する。そこで、窒化アルミニウムの焼結は、窒素などの不活性雰囲気下で行う必要がある。

次に、図２（ｂ）は酸化層形成工程（Ｓ２）であり、上記工程（Ｓ１）で得られた窒化アルミニウム基板１は、レーザ処理工程（Ｓ４）での高エネルギービーム照射後において高い絶縁性を維持するため、窒化アルミニウム基板１の表面を酸化処理して酸化層２が形成される。このとき、本発明では、後述する導電性薄膜３における回路部３ａおよび回路部３ａ近傍に対応する領域、具体的には回路部３ａに対向し且つ回路部３ａより所定幅だけ大きい領域に酸化層２が形成される。したがって、従来のように窒化アルミニウム基板の表面の全領域に酸化層を形成した場合に比べて、酸化層２が窒化アルミニウム基板１の表面に密着している面積が減少するので、酸化層２の応力が低減する。

酸化層２を形成する酸化処理の方法として、例えば大気中での加熱処理が行われる。この方法では、窒化アルミニウム基板材は、室温から１０００℃まで毎時１００℃程度で昇温させた後、１０００℃で数時間〜数十時間保持され、その表面に薄膜絶縁層をなす酸化層２が形成される。また、大気中ではなく加圧した水蒸気中で処理を行うことによって、大気中の場合と比較してより低温かつ短時間で酸化処理を行うこともできる。また、酸化層２の形成は、加熱による酸化処理に限定されず、他の成膜方法、例えば、化学蒸着法（ＣＶＤ法）や、スパッタリング法で行ってもよい。そして、これらの方法を比較すると、膜厚管理が最も容易であるのは、大気中での加熱処理である。

次に、図２（ｃ）はメタライズ処理工程（Ｓ３）であり、例えば銅をターゲットとするスパッタリング、真空蒸着、イオンプレーティングなどの物理蒸着法（ＰＶＤ法）によって、上述の窒化アルミニウム基板１および酸化層２の上に導電性薄膜３が形成される。しかし、物理蒸着法に限定されることなく化学蒸着法などの他の方法で行ってもよい。導電性薄膜３は、銅以外に、ニッケル、金、アルミニウム、チタン、モリブデン、クロム、タングステン、スズ、鉛などの単体金属、又は黄銅、ＮｉＣｒなどの合金を用いてもよい。

次に、図２（ｄ）はレーザ処理工程（Ｓ４）であり、導電性薄膜３における回路部３ａと非回路部３ｂとの境界部分に高エネルギービーム、例えば電磁波ビームであるレーザビームが照射され、その部分の導電性薄膜３が蒸発除去されて、その除去部３ｃによって回路部３ａと非回路部３ｂとが分離され、所定の回路パターンが形成される。このとき、酸化層２の幅は、回路部３ａと除去部３ｃとを併せた幅より広く、導電性薄膜３を通過したレーザビームは必ず酸化層２に衝突して、窒化アルミニウム基板１の表面に直接衝突することはない。

次に、図３（ａ）はめっき処理工程（Ｓ５）であり、回路部３ａに給電されて電流が流れ、回路部３ａの部分が例えば電解銅めっきにより厚膜化されて、めっき層４が形成される。このとき、非回路部３ｂには電流が流れず、非回路部３ｂの部分はめっきされないので、その膜厚はもとのままの薄膜の状態にある。

次に、図３（ｂ）はエッチング処理工程（Ｓ６）であり、回路パターン形成面全体をエッチングすることにより、下地の酸化層２が現れるように、非回路部３ｂが除去されて、回路パターンが形成された３次元回路基板Ａが完成する。この後、この３次元回路基板Ａの使用用途に応じて、厚膜化した回路部のニッケルめっき処理および金めっき処理などが行われて電子部品、例えば発光ダイオードなどの実装等が行われる。

このように、上記３次元立体回路基板の製造方法は、導電性薄膜３を形成するメタライズ処理工程（Ｓ３）の前に、窒化アルミニウム基板１の表面を酸化処理して、導電性薄膜３における回路部３ａに対向し且つ回路部３ａより所定幅だけ大きい領域（図２（ｂ）では、窒化アルミニウム基板１上の２つの領域）に酸化層２を形成する工程（Ｓ２）を備えている。したがって、従来のように窒化アルミニウム基板の表面の全領域に酸化層を形成した場合に比べて、酸化層２が窒化アルミニウム基板１の表面に密着している面積が減少するので、酸化層２の応力が低減する。而して、ピール強度の低下や、基板の変形等による寸法的な問題の発生を抑制し、さらには酸化層２のクラック発生を防止している。

また、酸化層２の形成面積が従来に比べて減少するので、成膜に時間のかかる酸化層形成工程（Ｓ２）の処理時間を短縮でき、３次元立体回路基板Ａの製造に要する処理時間も短縮される。

さらに、高エネルギービームが窒化アルミニウム基板１にまで到達することは、高エネルギービームのパワーや処理時間、及び酸化層２の厚さの調整によって阻止でき、本実施形態では、除去部３ｃにおいて高エネルギービームが導電性薄膜３を通過して酸化層２の表面の一部深さまで達するように調整されている。このように、酸化層２の一部が除去される探さまで高エネルギービームの照射を行うことで、高エネルギービームの照射部位に導電性薄膜３が残留して電気短絡が発生することを防止でき、また、酸化層２の下の窒化アルミニウム基板１までは除去深さが達していないので、高エネルギービーム照射による窒化アルミニウムの分解と金属アルミの析出を防止できる。

（実施形態２）
本実施形態の３次元立体回路基板Ａは、図４（ａ）〜（ｃ）に示すように、複数の３次元立体回路基板Ａを１枚の窒化アルミニウム基板１に形成するシート単位で製造される。まず、６個の３次元立体回路基板Ａを形成可能な１枚の窒化アルミニウム基板１を準備する。窒化アルミニウム基板１は、枠部１ａ内に３次元立体回路基板Ａを形成する６個の回路基板部１ｂを配置し、各回路基板部１ｂは連結部１ｃを介して枠部１ａに接続している（図４（ａ））。

そして、上記酸化層形成工程（Ｓ２）で酸化層２を各回路基板部１ｂ上に形成するのであるが、この酸化層２は実施形態１と同様に、上記レーザ処理工程（Ｓ４）で高エネルギービームを照射する導電性薄膜３における回路部３ａおよび回路部３ａ近傍に対応する領域、具体的には回路部３ａに対向し且つ回路部３ａより所定幅だけ大きい領域に形成される（図４（ｂ））。なお図４（ｂ）では、窒化アルミニウム基板１の側面の成膜を一部省略している。

次に、上記メタライズ処理工程（Ｓ３）において、回路基板部１ｂ上の導電性薄膜３と、枠部１ａおよび連結部１ｃ上のめっき給電回路１０を、不要部分をマスキングしてスパッタ成膜するマスクスパッタリング法で形成する。このめっき給電回路１０は、窒化アルミニウム基板１の枠部１ａおよび連結部１ｃに形成されて、各回路基板部１ｂ上に形成した導電性薄膜３の回路部３ａに接続している（図４（ｃ））。なお図４（ｃ）では、窒化アルミニウム基板１の側面の成膜を一部省略している。

そして、上記レーザ処理工程（Ｓ４）で、導電性薄膜３における回路部３ａと非回路部３ｂとの境界部分に高エネルギービームを照射して、所定の回路パターンを形成した後、上記めっき処理工程（Ｓ５）ではめっき給電回路１０を介して給電されて回路部３ａにめっき処理が行われる。そして、上記エッチング処理工程（Ｓ６）の後、各３次元立体回路基板Ａ毎に切断、分割される。

このように本実施形態では、全ての回路をレーザ処理工程（Ｓ４）で形成するのではなく、微細な加工が必要な部分のみに酸化層２を形成してレーザ処理を施し、微細な加工の必要がないめっき給電回路１０等は、酸化層２なしでマスクスパッタリング法を用いて形成している。したがって、不要な領域には酸化層２を形成せず、さらに全ての回路をレーザ処理で形成しないので、処理時間が短縮される。

また、微細な加工の必要がないめっき給電回路１０等の回路を立体回路で形成しなければならない場合は、コリメートスパッタリング法を用いる。コリメートスパッタリング法とは、図５に示すように、任意の方向に飛翔するスパッタ原子Ｓからコリメート電極等のコリメートマスク（コリメータ）Ｚを介して一定方向に飛翔するスパッタ原子Ｓのみを通過させることで、窒化アルミニウム基板１上にスパッタ膜Ｍを形成する方法で、テーパ状の部分や段差のある部分であってもスパッタ膜Ｍを形成することが可能となる。

（実施形態３）
実施形態１，２において、酸化層２の形成は図６に示すように、窒化アルミニウム基板１の表面にノズル２０から原料ガスを吹き付け、さらに分解するためのエネルギーを与えるレーザを照射することで酸化膜を形成するレーザＣＶＤ法、またはノズル２０から窒化アルミニウム基板１の表面に酸化物の微粒子を高速で吹き付けて酸化膜を堆積させるエアロゾルデポジション法（ＡＤ法）を用いてもよい。この場合、スパッタリング法や熱酸化法に比べて成膜レートが早いという利点がある。なお、レーザＣＶＤ法は、レーザの照射位置のみに成膜されるため、マスクが不要となる。また、ＡＤ法は、細かいパターンで成膜する場合にマスクが必要となるが、例えばある領域の全面に亘って成膜する場合にはマスクが不要となる。

そして、図７（ａ）（ｂ）に示すように、酸化層２の上に導電性薄膜３の回路部３ａが形成されるのであるが、酸化層２の幅は、回路部３ａの幅方向の両端からＷ１＝５０μｍ以上（望ましくは１００μｍ）大きく形成する。すなわち、酸化層２の幅は、回路部３ａの幅より片側に５０μｍ以上大きく形成するのである。これは、レーザ処理工程（Ｓ４）において、レーザを窒化アルミニウム基板１に照射しないようにするためであり、上記Ｗ１はレーザのスポット径以上に設定される。

実施形態１の３次元立体回路基板の製造方法の概要を示すフロー図である。 （ａ）〜（ｄ）同上の各工程における表面処理の様子を示す斜視図である。 （ａ）（ｂ）同上の各工程における表面処理の様子を示す斜視図である。 （ａ）〜（ｃ）実施形態２の３次元立体回路基板の製造方法の概要を示す斜視図である。 同上のコリメートスパッタリング法を示す図である。 実施形態３の３次元立体回路基板の製造方法の概要を示す斜視図である。 （ａ）（ｂ）同上の表面処理の様子を示す図である。

符号の説明

Ａ ３次元立体回路基板
１ 窒化アルミニウム基板
２ 酸化層
３ 導電性薄膜
３ａ 回路部
３ｂ 非回路部
３ｃ 除去部
４ めっき層

Claims (5)

1. 窒化アルミニウム基板の表面に導電性薄膜を形成し、その導電性薄膜における回路部と非回路部の少なくとも境界を含む領域に高エネルギービームを照射し導電性薄膜を除去して回路パターンを形成し、回路部の導電性薄膜にめっき処理を施した後、非回路部の導電性薄膜を除去する３次元立体回路基板の製造方法において、
   前記導電性薄膜を形成する工程の前に、窒化アルミニウム基板の表面のうち、前記回路部および回路部近傍に対応する領域のみを酸化処理して酸化層を形成する工程を備えた
   ことを特徴とする３次元立体回路基板の製造方法。
2. 前記窒化アルミニウム基板の酸化層を形成しない領域では、マスクスパッタリング法によって回路を形成することを特徴とする請求項１記載の３次元立体回路基板の製造方法。
3. 前記窒化アルミニウム基板の酸化層を形成しない領域では、コリメートスパッタリング法によって回路を形成することを特徴とする請求項１記載の３次元立体回路基板の製造方法。
4. 前記酸化層は、原料ガスまたは微粒子をノズルから窒化アルミニウム基板の表面に吹き付けることで形成されることを特徴とする請求項１記載の３次元立体回路基板の製造方法。
5. 請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の３次元立体回路基板の製造方法を用いて形成されたことを特徴とする３次元立体回路基板。
   

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