JP3566569B2 - 配線基板およびその製造方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、アルミナを主体とするセラミックスを絶縁基板とする配線基板に関し、詳細には絶縁基板の表面に、低抵抗の電気回路用のメタライズ層と高接着強度を有する接合用のメタライズ層を具備し、且ついずれも絶縁基板と同時焼成によって形成される配線基板とその製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来技術】
近年、半導体素子の高集積化に伴い、半導体装置から発生する熱も増加している。半導体装置の誤動作をなくすためには、このような熱を装置外に放出可能な配線基板が必要とされている。一方、電気的な特性としては、演算速度の高速化により、信号の遅延が問題となり、導体損失の小さい、つまり低抵抗の導体を用いることが要求されてきた。
【０００３】
このような半導体素子を搭載した配線基板としては、その信頼性の点から、アルミナセラミックスを絶縁基板とし、その表面あるいは内部にタングステンやモリブデンなどの高融点金属からなる配線層を被着形成したセラミック配線基板が多用されている。ところが、従来から多用されている高融点金属からなる配線層では、抵抗を高々８ｍΩ／□程度までしか低くできなかった。
【０００４】
これに対して、近年に至り、低抵抗導体である銅や銀と同時焼成可能な、いわゆるガラスセラミックスを用いた多層配線基板が提案されている。ところが、ガラスセラミックスの熱伝導率は高々数Ｗ／ｍ・Ｋしかなく、前記熱的問題を解決することが難しくなってきている。さらには、ガラスセラミックに施されるメタライズ層との接着強度が高々２ｋｇｆ以下と低い為に封止性や金具との接続信頼性に問題がある。
【０００５】
そこで、この熱的問題点と、電気的問題点並びに接続信頼性を同時に解決する方法として、アルミナに、銅、または銅とタングステンまたはモリブデンを組み合わせた低抵抗導体層とを同時焼成により形成する方法が、特開平８−８５０２号、特開平７−１５１０１号、特許第２６６６７４４号に提案されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特開平８−８５０２号は、そもそもアルミナを緻密化させるために、１６００℃以上の高い温度で焼成するものであるが、このような高温で銅およびタングステンの導体層を焼成すると、タングステンやモリブデンの急激な焼結が進行して大きな凝集粒子を形成するために溶融した銅成分が表面に分離し、表面電気回路層ににじみが生じたり、銅の揮散が生じるなど、表面電気回路層形状の保形性が低下するとともに、組織の不均一性から抵抗も高くなるという問題があった。しかも、電気回路層中の銅成分が、焼成中に絶縁基板のセラミックス中に拡散し、電気回路層間の絶縁性が劣化するために、微細な電気回路層を高密度に形成することが難しいものであった。
【０００７】
また、特開平７−１５１０１号によれば、表面電気回路層は、一旦、すべての電気回路層を絶縁基板内部に配設して同時焼成した後、研磨等により表面の絶縁層を研磨除去して内部電気回路層を表面に露出させたり、焼成後の配線基板の表面に、厚膜法や薄膜法によって表面電気回路層を形成するものである。そのために、表面電気回路層を形成するためには研磨工程、厚膜形成工程、薄膜形成工程などが不可欠の工程となるために、製造工程が多く、歩留りの低下やコスト高となるような問題があった。
【０００８】
さらに、特許第２６６６７４４号には、絶縁基板を形成するためのセラミック粉末として、平均粒径が５〜５０ｎｍの微細なアルミナ粉末を用いることにより、金、銀、銅等などの低抵抗金属の焼成温度に近づけることにより、絶縁基板と低抵抗金属との同時焼結性を達成したものであるが、このような微粉末は取扱いが非常に難しく、コスト高であるために、量産性に欠けるとともにコスト高となる問題があった。
【０００９】
従って、本発明は、アルミナセラミックスからなる絶縁基板と同時焼成によって形成され、銅を含有する低抵抗の電気回路用のメタライズ層と、絶縁基板と高い接着強度を有する接合用のメタライズ層とを兼備した配線基板とそ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】
本発明者等は、上記目的に対して検討を重ねた結果、電気回路用のメタライズ層をタングステンおよび／またはモリブデンと、銅を含有する導体によって形成し、また、接合用メタライズ層をタングステンおよび／またはモリブデンを主成分とし、さらに遷移金属を含有する導体によって形成することにより、いずれもマンガン化合物をＭｎＯ ２ 換算で２．０〜８．０重量％の割合で含有するアルミナセラミックスからなる絶縁基板と同時焼成によって形成可能な、表面電気回路用のメタライズ層と接合用メタライズ層とを兼備した配線基板が得られることを見いだし、本発明に至った。
【００１１】
即ち、本発明は、マンガン化合物をＭｎＯ２換算で２．０〜８．０重量％の割合で含有するアルミナセラミックスからなる相対密度が９５％以上の絶縁基板と、該絶縁基板と同時焼成によって形成され、前記絶縁基板の表面および／または内部に銅を１０〜７０体積％、タングステンおよび／またはモリブデンを３０〜９０体積％の割合で含有する第１のメタライズ層と、前記絶縁基板の表面にタングステンおよび／またはモリブデンを５０体積％以上含有し、鉄族金属を酸化物換算で０．１〜５体積％、酸化アルミニウムを０〜４５体積％の割合で含有してなり、セラミックスまたは金属が接合される第２のメタライズ層を具備することを特徴とするものである。
【００１２】
特に、上記配線基板においては、前記第１のメタライズ層によって電気回路が形成されてなること、前記第２のメタライズ層に、セラミックスまたは金属が接合されること、前記第１のメタライズ層において、銅からなるマトリックス中にタングステンおよび／またはモリブデンが平均粒径１〜１０μｍの粒子として分散含有してなること、前記第１のメタライズ層のシート抵抗が８ｍΩ／□以下であることが望ましい。
【００１３】
また、本発明の配線基板の製造方法によれば、アルミナを主成分とし、マンガン化合物をＭｎＯ２換算で２．０〜８．０重量％の割合で含有するグリーンシートの表面に、銅を１０〜７０体積％、平均粒径が１〜１０μｍのタングステンおよび／またはモリブデンを３０〜９０体積％の割合で含有してなる第１の導体ペーストを印刷塗布するとともに、タングステンおよび／またはモリブデンを５０体積％以上含有し、鉄族金属の酸化物を０．１〜５体積％、酸化アルミニウムを０〜４５体積％の割合で含有する第２の導体ペーストを印刷塗布した後、該グリーンシートを積層し、非酸化性雰囲気中で１２００〜１５００℃の温度で同時焼成することを特徴とするものである。
【００１４】
かかる製造方法によれば、前記グリーンシートが、マンガン化合物をＭｎＯ２ 換算で２．０〜８．０重量％の割合で含有すること、前記第１の導体ペーストを電気回路パターン状に印刷すること、さらに前記第２の導体ペーストをセラミックスまたは金属が接合される箇所に印刷塗布することが望ましい。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の配線基板の一実施態様を示す概略断面図を基に説明する。図１の配線基板は、アルミナセラミックスからなる複数の絶縁層１ａ，１ｂ、１ｃが積層された絶縁基板１の表面に表面電気回路用のメタライズ層２ａと、絶縁層１ａ，１ｂ，１ｃ間に内部電気回路用のメタライズ層２ｂが設けられている。また、絶縁基板１の表面には、パッケージのように配線基板の表面に搭載された半導体素子３を気密に封止するためにセラミックスや金属からなる蓋体４をメタライズ封止するために用いられる封止用メタライズ層５、あるいはリードピン６などの外部回路と接続するための接続パッド用メタライズ層７などの接合用メタライズ層が形成されている。
【００１６】
本発明によれば、上記表面電気回路用のメタライズ層２ａ、内部電気回路用のメタライズ層２ｂ、封止用メタライズ層５、接続パッド用メタライズ層７などの接合用メタライズ層はいずれも絶縁基板１と同時焼成によって形成されたものである。
【００１７】
また、各層の電気回路用のメタライズ層間は、絶縁層１ａ〜１ｃを貫通するように形成されたビアホール導体８によって電気的に接続される。このビアホール導体８も絶縁基板１と同時焼成によって形成される。
【００１８】
本発明によれば、絶縁基板１の表面および／または内部に、銅を１０〜７０体積％、Ｗおよび／またはＭｏを３０〜９０体積％の割合で含有する導体材料からなる第１のメタライズ層を具備する。この第１のメタライズ層は、特に、表面電気回路用のメタライズ層２ａあるいは内部電気回路用のメタライズ層２ｂを構成する。
【００１９】
上記第１のメタライズ層の成分を上記の範囲に限定するのは、電気回路用のメタライズ層の低抵抗化と、上記アルミナセラミックスからなる絶縁基板１との同時焼結性を達成するとともに、表面電気回路用のメタライズ層２ａの適用に対して同時焼成後の回路形状の保形性を維持するためである。
【００２０】
即ち、上記銅が１０体積％よりも少なく、ＷやＭｏ量が９０体積％よりも多いと、電気回路用のメタライズ層の抵抗が８ｍΩ／□よりも高くなる。また、銅量が７０体積％よりも多く、ＷやＭｏ量が３０体積％よりも少ないと、表面電気回路用のメタライズ層の同時焼成後の保形性が低下し、表面電気回路用のメタライズ層２ａにおいてにじみなどが発生したり、溶融した銅によって表面電気回路用のメタライズ層が凝集して断線が生じるとともに、絶縁基板と電気回路用のメタライズ層の熱膨張係数差により電気回路用のメタライズ層の剥離が発生するためである。最適な組成範囲は、銅を４０〜６０体積％、Ｗおよび／またはＭｏを６０〜４０体積％である。
【００２１】
また、本発明においては、この第１のメタライズ層中におけるＷおよび／またはＭｏは、平均粒径１〜１０μｍの球状あるいは数個の粒子による焼結粒子として銅からなるマトリックス中に分散含有していることが望ましい。これは、上記平均粒径が１μｍよりも小さい場合、表面電気回路用のメタライズ層２ａの保形性が悪くなるとともに組織が多孔質化し電気回路用のメタライズ層の抵抗も高くなり、１０μｍを越えると銅のマトリックスがＷやＭｏの粒子によって分断されてしまい電気回路用のメタライズ層の抵抗が高くなったり、銅成分が分離してにじみなどが発生するためである。Ｗおよび／またはＭｏは平均粒径１．３〜５μｍ、特に１．３〜３μｍの大きさで分散されていることが最も望ましい。
【００２２】
また、上記第１のメタライズ層中には、絶縁基板１との密着性を改善するために、アルミナ、または絶縁基板と同じ成分のセラミックスを０．０５〜２体積％の割合で含有させることも可能である。
【００２３】
また、本発明の配線基板においては、上記第１のメタライズ層以外に、絶縁基板１の表面にタングステンおよび／またはモリブデンを５０体積％以上含有し、鉄族金属を酸化物換算で０．１〜５体積％、酸化アルミニウムを０〜４５体積％の割合で含有する導体からなる第２のメタライズ層を具備する。
【００２４】
本発明においては、上記第２のメタライズ層は、上記封止用メタライズ層５、接続パッド用メタライズ層７などの接合用メタライズ層として用いることが望ましい。
【００２５】
配線基板表面に形成される上記封止用メタライズ層５、接続パッド用メタライズ層７などの接合用メタライズ層に対しては、セラミックス、金属などとの接合によって高い接合強度とともに、絶縁基板との高い接着強度が要求される。しかしながら、前記第１のメタライズ層では十分な接着強度が得ることが難しい。
【００２６】
そこで、本発明によれば、この接合用メタライズ層を前記第２のメタライズ層によって形成することにより絶縁基板との高い接着強度を付与し得る。
【００２７】
この第２のメタライズ層を、導体成分として低融点の銅を多量に含有する第１のメタライズ層と同時焼成によって形成する場合、その焼成温度が後述するように、１２００〜１５００℃の低温で焼成する必要があることから、タングステンやモリブデンのみからなる導体では、その低温焼成時に十分に焼結することができない。
【００２８】
そこで、本発明によれば、タングステンおよびモリブデン以外に、鉄族金属を酸化物換算で０．１〜５体積％の割合で含有せしめることにより、低温での焼結性を高めることができる。従って、この前記鉄族金属量が０．１体積％未満の場合にはメタライズ自体の緻密化が進行せず焼結不良になるため、絶縁基板との接着強度が低下する。逆に、鉄族金属量が５体積％を越える場合には、タングステン、モリブデンの粒子が異常粒成長し接着強度が低下する。この上記鉄族金属量は、特には酸化物換算で０．５〜２体積％が望ましい。
【００２９】
また、この第２のメタライズ層中には、マンガン化合物をＭｎＯ ２ 換算で２．０〜８．０重量％の割合で含有するアルミナセラミックスからなる絶縁基板との接着強度を高めるために、アルミナを添加することも有効である。しかし、その含有量が４５体積％よりも多いと焼結不良を招くとともにメッキ工程においてメッキ欠け（メッキが付着しない）が発生する。このメッキ欠けは、蓋体４やリードピン６などの接合信頼性の低下を招く。アルミナの含有量は、特に２〜３５体積％が望ましい。
【００３０】
この第２のメタライズ層中の鉄族金属としては、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｏが挙げられるがこれらの中でもＮｉが最も望ましい。また、酸化物換算量は、ＦｅはＦｅ２ Ｏ３ 、ＮｉＯ、Ｃｏ３ Ｏ４ の形態で換算した量である。
【００３１】
（絶縁基板）本発明において、絶縁基板１は、マンガン化合物をＭｎＯ ２ 換算で２．０〜８．０重量％の割合で含有するアルミナセラミックスからなるものであるが、絶縁基板の熱伝導性および高強度化を達成する上では、相対密度９５％以上、特に９７％、さらには９８％以上の高緻密体から構成されるものであり、さらに熱伝導率は１０Ｗ／ｍ・Ｋ以上、特に１５Ｗ／ｍ・Ｋ以上、さらには１７Ｗ／ｍ・Ｋ以上であることが望ましい。
【００３２】
本発明では、導体成分として銅を必須成分として含有する第１のメタライズ層との同時焼結時による保形性を達成するために、１２００〜１５００℃の低温で焼成することが必要となるが、本発明によれば、このような低温での焼成においても相対密度９５％以上に緻密化することが必要となる。
【００３３】
そこで、本発明における絶縁基板１は、アルミナを主成分とするもの、具体的にはアルミナを９０重量％以上の割合で含有するものであるが、添加成分として、Ｍｎ化合物をＭｎＯ２ 換算で２〜８重量％の割合で含有することが重要である。即ち、Ｍｎ化合物量が２重量％よりも少ないと、１２００〜１５００℃での緻密化が達成されず、また８．０重量％よりも多いと絶縁基板１の絶縁性が低下するためである。Ｍｎ化合物の最適な範囲はＭｎＯ２ 換算で３〜７重量％である。
【００３４】
また、この絶縁基板１中には、ＳｉＯ２ およびＭｇＯ、ＣａＯ、ＳｒＯ等のアルカリ土類元素酸化物を低温焼結性を高めるために合計で０．４〜１５重量％の割合で含有せしめることが望ましい。
【００３５】
さらに、この絶縁基板１中には、着色成分や誘電率などの誘電特性の向上のためにＷ、Ｍｏ、Ｃｒなどの金属を着色成分として２重量％以下の割合で含んでもよい。
【００３６】
上記アルミナ以外の成分は、アルミナ主結晶相の粒界に非晶質相あるいは結晶相として存在するが、熱伝導性を高める上で粒界中に助剤成分を含有する結晶相が形成されていることが望ましい。
【００３７】
また、絶縁基板１を形成するアルミナ主結晶相は、粒状または柱状の結晶として存在するが、これら主結晶相の平均結晶粒径は、１．５〜５．０μｍであることが望ましい。なお、主結晶相が柱状結晶からなる場合、上記平均結晶粒径は、短軸径に基づくものである。この主結晶相の平均結晶粒径が１．５μｍよりも小さいと、高熱伝導化が難しく、平均粒径が５．０μｍよりも大きいと基板材料として用いる場合に要求される十分な強度が得られにくくなるためである。
【００３８】
さらに、本発明の配線基板においては、銅を含有する第１のメタライズ層を銅の融点を越える温度で絶縁基板１と同時焼成することにより、第１のメタライズ層中の銅成分が絶縁基板１中に拡散する場合があるが、本発明によれば、上記少なくとも銅を含む第１のメタライズ層の周囲の絶縁基板１のセラミックスへの銅の拡散距離が２０μｍ以下、特に１０μｍ以下であることが望ましい。これは、銅のセラミックス中への拡散距離が２０μｍを超えると、電気回路形成時にメタライズ層間の絶縁性が低下し電気回路の信頼性が低下するためである。
【００３９】
この銅の拡散距離を２０μｍ以下とすることにより、第１のメタライズ層のうち、同一平面内に形成されたメタライズ層間の最小線間距離を１００μｍ以下、特に９０μｍ以下の高密度配線化を図ることができる。また、同様に図１に示すように、１つの絶縁層内に複数のビアホール導体８が形成される場合、そのビアホール導体８間の最小離間距離も上記と同様な理由から１００μｍ以下、特に９０μｍ以下に制御することが可能である。
【００４０】
（製造方法）
次に、本発明の配線基板の製造方法について具体的に説明する。まず、絶縁基板を形成するために、アルミナセラミックスの主成分となるアルミナ原料粉末として、平均粒径が０．５〜２．５μｍ、特に０．５〜２．０μｍの粉末を用いる。これは、平均粒径は０．５μｍよりも小さいと、粉末の取扱いが難しく、また粉末のコストが高くなり、２．５μｍよりも大きいと、１５００℃以下の温度で焼成することが難しくなるためである。
【００４１】
そして、上記アルミナ粉末に対して、第２の成分として、ＭｎＯ２ を２〜８重量％、特に３〜７重量％の割合で添加する。また、適宜、第３の成分として、ＳｉＯ２ 、ＭｇＯ、ＣａＯ、ＳｒＯ粉末等を０．４〜１５重量％、第４の成分として、Ｗ、Ｍｏ、Ｃｒなど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重量％以下の割合で添加する。なお、上記酸化物の添加に当たっては、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、酢酸塩などとして添加してもよい。
【００４２】
そして、この混合粉末を用いて絶縁層を形成するためのシート状成形体を作製する。シート状成形体は、周知の成形方法によって作製することができる。例えば、上記混合粉末に有機バインダー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形成したり、混合粉末に有機バインダーを加え、プレス成形、圧延成形等により所定の厚みのシート状成形体を作製できる。
【００４３】
このようにして作製したシート状成形体に対して、第１のメタライズ層形成用として、導体成分として、平均粒径が１〜１０μｍの銅含有粉末を１０〜７０体積％、特に４０〜６０体積％、平均粒径が１〜１０μｍのＷおよび／またはＭｏを３０〜９０体積％、特に４０〜６０体積％の割合で含有し、場合によってはアルミナ、または絶縁基板と同じ成分のセラミックスを０．０５〜２体積％の割合で添加してなる固形成分に対して、有機樹脂や溶剤を添加混合して導体ペーストを調製し、このペーストを各シート状絶縁層にスクリーン印刷、グラビア印刷等の手法によって印刷塗布する。
【００４４】
さらに、第２のメタライズ層形成用として、平均粒径が０．５〜５μｍのタングステンおよび／またはモリブデンに、Ｗ，Ｍｏ以外の遷移金属の酸化物粉末のうち少なくとも１種以上を０．１〜５体積％、アルミナ粉末を０〜４５体積％の割合で含有する固形成分に対して、有機樹脂や溶剤を添加混合して導体ペーストを調製し、このペーストをシート状成形体の所定箇所にスクリーン印刷、グラビア印刷等の手法によって印刷塗布する。
【００４５】
なお、ビアホール導体を形成する場合には、シート状成形体に対して、マイクロドリル、レーザー等により直径が５０〜２５０μｍのビアホールを形成した後、このビアホール内に上記電気回路用のメタライズ層形成用の導体ペーストを充填する。
【００４６】
その後、導体ペーストを印刷塗布したシート状成形体を位置合わせして積層圧着した後、この積層体を、この焼成を、非酸化性雰囲気中、焼成最高温度が１２００〜１５００℃の温度となる条件で焼成する。
【００４７】
この時の焼成温度が１２００℃より低いと、通常の原料を用いた場合において、アルミナ絶縁基板が相対密度９５％以上まで緻密化できず、熱伝導性や強度が低下し、１５００℃よりも高いと、ＷあるいはＭｏ自体の焼結が進み、銅との均一組織を維持できなく、強いては低抵抗を維持することが困難となりシート抵抗８ｍΩ／□以下が得られなくなる。また、アルミナセラミックスの主結晶相の粒径が大きくなり異常粒成長が発生したり、銅がセラミックス中へ拡散するときのパスである粒界の長さが短くなるとともに拡散速度も速くなる結果、拡散距離を３０μｍ以下に抑制することが困難となるためである。好適には、１３５０〜１４５０℃の範囲がよい。
【００４８】
また、この焼成時の非酸化性雰囲気としては、窒素、あるいは窒素と水素との混合雰囲気であることが望ましいが、特に、第１のメタライズ層中の銅の拡散を抑制する上では、水素および窒素を含み露点＋１０℃以下、特に−１０℃以下の非酸化性雰囲気であることが望ましい。なお、この雰囲気には所望により、アルゴンガス等の不活性ガスを混入してもよい。焼成時の露点が＋１０℃より高いと、焼成中にアルミナセラミックスと雰囲気中の水分とが反応し酸化膜を形成し、この酸化膜と銅含有導体の銅が反応してしまい、導体の低抵抗化の妨げとなるのみでなく、銅の拡散を助長してしまうためである。
【００４９】
さらにまた、上記のように後述するように焼成温度および雰囲気を制御して焼成することによって、絶縁基板１の表面の平均表面粗さＲａを１μｍ以下、特に０．７μｍ以下の平滑性に優れた表面を形成できる。
【００５０】
【実施例】
アルミナ粉末（平均粒径１．８μｍ）に対して、ＭｎＯ２ を表１、２に示すような割合で添加するとともに、ＳｉＯ２ を３重量％、ＭｇＯを０．５重量％の割合で添加混合した後、さらに、成形用有機樹脂（バインダー）としてアクリル系バインダーと、トルエンを溶媒として混合してスラリーを調製した後、ドクターブレード法にて厚さ２５０μｍのシート状に成形した。そして、所定箇所にホール径１２０μｍのビアホールを形成した。
【００５１】
次に、平均粒径が５μｍの銅粉末と、平均粒径が０．８〜１２μｍのＷ粉末あるいはＭｏ粉末を表１に示す比率（固形成分全量中の比率）で混合し、これにアクリル系バインダーとアセトンを溶媒として混合し導体ペーストを作製した。
【００５２】
一方、接合用のメタライズ層として、Ｆｅ２ Ｏ３ 、ＮｉＯ、Ｃｏ３ Ｏ４ ならびにアルミナを表１に示す比率（固形成分全量中の比率）で混合しこれにアクリル系バインダーとをアセトンを溶媒として混合し導体ペーストを作製した。
【００５３】
そして、シート状成形体の所定箇所に上記第１のメタライズ層用ペーストおよび第２のメタライズ層用ペーストを印刷塗布し、各シート状成形体のビアホール導体にも上記第１のメタライズ層用導体ペーストを充填した。上記のようにして作製した各シート状成形体を位置合わせして積層圧着して成形体積層体を作製した。その後、この成形体積層体を実質的に水分を含まない酸素含有雰囲気中（Ｎ２ ＋Ｏ２ または大気中）で脱脂を行った後、表１に示した焼成温度にて、露点−１０℃の窒素水素混合雰囲気にて焼成して、絶縁基板、電気回路用のメタライズ層、接合用メタライズ層およびビアホール導体を同時焼成して形成した。
【００５４】
作製した配線基板における絶縁基板の相対密度をアルキメデス法によって測定するとともに、レーザーフラッシュ法によってＪＩＳＲ１６１１に基づき厚さ３ｍｍの試料の熱伝導率を測定後、補正した値と、室温（２５℃）における体積固有抵抗を測定し、その結果を表２に示した。
【００５５】
また、配線基板の表面電気回路用として形成した第１のメタライズ層に対して、配線の導体抵抗、長さ、幅、厚みを測定した後、厚さ１５μｍの導体に換算したシート抵抗（ｍΩ／□）を算出した。また、組織を走査型電子顕微鏡にて観察を行い、第１のメタライズ層中のＷおよび／またはＭｏ粒子の粒径を測定した。その結果を表２に示した。また、配線基板を外観検査し、第１のメタライズ層のにじみの発生および剥離等の有無を観察した。
【００５６】
更に、第２のメタライズ層と絶縁基板との接着強度を図２に示すようにして測定した。接着強度は２ｍｍ×２０ｍｍの接合用メタライズ層９に対して２μｍのＮｉ、１μｍのＡｕのメッキ層１０を施した後、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ製のＬ字型リード１１をＡｕ−Ｓｎからなるロウ材１２によってロウ付けした後、このリードを垂直に引っ張り、リ−ドが基板からはずれるときの強度（ｋｇｆ）を測定した。結果を表２に示した。
【００５７】
【表１】
【００５８】
【表２】
【００５９】
表１、２に示すように、絶縁基板中のＭｎＯ２ の含有量が２重量％よりも低い試料Ｎｏ．１では、絶縁基板の焼結性が十分でなく相対密度９５％以上に緻密化できず、熱伝導性や絶縁性の低下が起こり、配線基板として使用できなくなった。また、第１のメタライズ層組成において、Ｃｕ含有量が１０体積％よりも少ない試料Ｎｏ．７，８では、導体抵抗が８ｍΩ／□よりも大きくなった。また７０体積％よりも多い試料Ｎｏ．１４では、配線の保形性が悪くなるとともに、組織が不均一となりシート抵抗が８ｍΩ／□以上になるとともに、第１のメタライズ層ににじみおよび一部剥離も観察された。
【００６０】
第２のメタライズ層において、鉄族金属量が０．１体積％よりも少ない試料Ｎｏ．２０、３６および５体積％よりも多い試料Ｎｏ．２４、４０では、いずれも接着強度が低いものであった。また、Ａｌ２ Ｏ３ 量が４５体積％よりも多い試料Ｎｏ．２９においても接着強度が低くメッキ欠けが生じた。また、同時焼成の温度が１２００℃より低い試料Ｎｏ．４１では相対密度９５％以上に緻密化することができず、熱伝導性も低下した。
【００６１】
これらの比較例に対して、本発明の配線基板によれば、絶縁基板が相対密度９５％、１５Ｗ／ｍ・Ｋ以上の熱伝導率を有し、しかも第１のメタライズ層のにじみや剥離の発生もなく、シート抵抗が８ｍΩ／□以下の低抵抗の第１のメタライズ層を同時焼成によって形成することができた。また、第２のメタライズ層においては、３ｋｇｆ以上の高い接着強度を有するとともに良好なメッキ性を有するものであった。
【００６２】
なお、上記本発明の配線基板において、ＥＰＭＡ（Ｘ線マイクロアナライザー）分析において、第１のメタライズ層の端部から同一平面内において、銅元素が検出される領域の最外部までの距離を１０箇所測定したところ、各第１のメタライズ層の銅の拡散距離は平均で２０μｍ以下と良好な特性を示した。
【００６３】
【発明の効果】
以上詳述した通り、本発明の配線基板によれば、マンガン化合物をＭｎＯ ２ 換算で２．０〜８．０重量％の割合で含有するアルミナセラミックスからなる絶縁基板の表面に、銅を含有する低抵抗の電気回路用のメタライズ層とともに、蓋体やリードピンなどを高い接合強度で接合し得る接合用メタライズ層を絶縁基板と同時焼成によって形成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の配線基板の一例を説明するための概略断面図である。
【図２】実施例における第２のメタライズ層の接着強度の測定方法を説明するための図である。
【符号の説明】
１ 絶縁基板
１ａ，１ｂ、１ｃ 絶縁層
２ａ 表面電気回路用のメタライズ層
２ｂ 内部電気回路用のメタライズ層
３ 半導体素子
４ 蓋体
５ 封止用メタライズ層
６ リードピン
７ 接続パッド用メタライズ層
８ ビアホール導体
【発明の属する技術分野】
本発明は、アルミナを主体とするセラミックスを絶縁基板とする配線基板に関し、詳細には絶縁基板の表面に、低抵抗の電気回路用のメタライズ層と高接着強度を有する接合用のメタライズ層を具備し、且ついずれも絶縁基板と同時焼成によって形成される配線基板とその製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来技術】
近年、半導体素子の高集積化に伴い、半導体装置から発生する熱も増加している。半導体装置の誤動作をなくすためには、このような熱を装置外に放出可能な配線基板が必要とされている。一方、電気的な特性としては、演算速度の高速化により、信号の遅延が問題となり、導体損失の小さい、つまり低抵抗の導体を用いることが要求されてきた。
【０００３】
このような半導体素子を搭載した配線基板としては、その信頼性の点から、アルミナセラミックスを絶縁基板とし、その表面あるいは内部にタングステンやモリブデンなどの高融点金属からなる配線層を被着形成したセラミック配線基板が多用されている。ところが、従来から多用されている高融点金属からなる配線層では、抵抗を高々８ｍΩ／□程度までしか低くできなかった。
【０００４】
これに対して、近年に至り、低抵抗導体である銅や銀と同時焼成可能な、いわゆるガラスセラミックスを用いた多層配線基板が提案されている。ところが、ガラスセラミックスの熱伝導率は高々数Ｗ／ｍ・Ｋしかなく、前記熱的問題を解決することが難しくなってきている。さらには、ガラスセラミックに施されるメタライズ層との接着強度が高々２ｋｇｆ以下と低い為に封止性や金具との接続信頼性に問題がある。
【０００５】
そこで、この熱的問題点と、電気的問題点並びに接続信頼性を同時に解決する方法として、アルミナに、銅、または銅とタングステンまたはモリブデンを組み合わせた低抵抗導体層とを同時焼成により形成する方法が、特開平８−８５０２号、特開平７−１５１０１号、特許第２６６６７４４号に提案されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特開平８−８５０２号は、そもそもアルミナを緻密化させるために、１６００℃以上の高い温度で焼成するものであるが、このような高温で銅およびタングステンの導体層を焼成すると、タングステンやモリブデンの急激な焼結が進行して大きな凝集粒子を形成するために溶融した銅成分が表面に分離し、表面電気回路層ににじみが生じたり、銅の揮散が生じるなど、表面電気回路層形状の保形性が低下するとともに、組織の不均一性から抵抗も高くなるという問題があった。しかも、電気回路層中の銅成分が、焼成中に絶縁基板のセラミックス中に拡散し、電気回路層間の絶縁性が劣化するために、微細な電気回路層を高密度に形成することが難しいものであった。
【０００７】
また、特開平７−１５１０１号によれば、表面電気回路層は、一旦、すべての電気回路層を絶縁基板内部に配設して同時焼成した後、研磨等により表面の絶縁層を研磨除去して内部電気回路層を表面に露出させたり、焼成後の配線基板の表面に、厚膜法や薄膜法によって表面電気回路層を形成するものである。そのために、表面電気回路層を形成するためには研磨工程、厚膜形成工程、薄膜形成工程などが不可欠の工程となるために、製造工程が多く、歩留りの低下やコスト高となるような問題があった。
【０００８】
さらに、特許第２６６６７４４号には、絶縁基板を形成するためのセラミック粉末として、平均粒径が５〜５０ｎｍの微細なアルミナ粉末を用いることにより、金、銀、銅等などの低抵抗金属の焼成温度に近づけることにより、絶縁基板と低抵抗金属との同時焼結性を達成したものであるが、このような微粉末は取扱いが非常に難しく、コスト高であるために、量産性に欠けるとともにコスト高となる問題があった。
【０００９】
従って、本発明は、アルミナセラミックスからなる絶縁基板と同時焼成によって形成され、銅を含有する低抵抗の電気回路用のメタライズ層と、絶縁基板と高い接着強度を有する接合用のメタライズ層とを兼備した配線基板とそ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】
本発明者等は、上記目的に対して検討を重ねた結果、電気回路用のメタライズ層をタングステンおよび／またはモリブデンと、銅を含有する導体によって形成し、また、接合用メタライズ層をタングステンおよび／またはモリブデンを主成分とし、さらに遷移金属を含有する導体によって形成することにより、いずれもマンガン化合物をＭｎＯ ２ 換算で２．０〜８．０重量％の割合で含有するアルミナセラミックスからなる絶縁基板と同時焼成によって形成可能な、表面電気回路用のメタライズ層と接合用メタライズ層とを兼備した配線基板が得られることを見いだし、本発明に至った。
【００１１】
即ち、本発明は、マンガン化合物をＭｎＯ２換算で２．０〜８．０重量％の割合で含有するアルミナセラミックスからなる相対密度が９５％以上の絶縁基板と、該絶縁基板と同時焼成によって形成され、前記絶縁基板の表面および／または内部に銅を１０〜７０体積％、タングステンおよび／またはモリブデンを３０〜９０体積％の割合で含有する第１のメタライズ層と、前記絶縁基板の表面にタングステンおよび／またはモリブデンを５０体積％以上含有し、鉄族金属を酸化物換算で０．１〜５体積％、酸化アルミニウムを０〜４５体積％の割合で含有してなり、セラミックスまたは金属が接合される第２のメタライズ層を具備することを特徴とするものである。
【００１２】
特に、上記配線基板においては、前記第１のメタライズ層によって電気回路が形成されてなること、前記第２のメタライズ層に、セラミックスまたは金属が接合されること、前記第１のメタライズ層において、銅からなるマトリックス中にタングステンおよび／またはモリブデンが平均粒径１〜１０μｍの粒子として分散含有してなること、前記第１のメタライズ層のシート抵抗が８ｍΩ／□以下であることが望ましい。
【００１３】
また、本発明の配線基板の製造方法によれば、アルミナを主成分とし、マンガン化合物をＭｎＯ２換算で２．０〜８．０重量％の割合で含有するグリーンシートの表面に、銅を１０〜７０体積％、平均粒径が１〜１０μｍのタングステンおよび／またはモリブデンを３０〜９０体積％の割合で含有してなる第１の導体ペーストを印刷塗布するとともに、タングステンおよび／またはモリブデンを５０体積％以上含有し、鉄族金属の酸化物を０．１〜５体積％、酸化アルミニウムを０〜４５体積％の割合で含有する第２の導体ペーストを印刷塗布した後、該グリーンシートを積層し、非酸化性雰囲気中で１２００〜１５００℃の温度で同時焼成することを特徴とするものである。
【００１４】
かかる製造方法によれば、前記グリーンシートが、マンガン化合物をＭｎＯ２ 換算で２．０〜８．０重量％の割合で含有すること、前記第１の導体ペーストを電気回路パターン状に印刷すること、さらに前記第２の導体ペーストをセラミックスまたは金属が接合される箇所に印刷塗布することが望ましい。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の配線基板の一実施態様を示す概略断面図を基に説明する。図１の配線基板は、アルミナセラミックスからなる複数の絶縁層１ａ，１ｂ、１ｃが積層された絶縁基板１の表面に表面電気回路用のメタライズ層２ａと、絶縁層１ａ，１ｂ，１ｃ間に内部電気回路用のメタライズ層２ｂが設けられている。また、絶縁基板１の表面には、パッケージのように配線基板の表面に搭載された半導体素子３を気密に封止するためにセラミックスや金属からなる蓋体４をメタライズ封止するために用いられる封止用メタライズ層５、あるいはリードピン６などの外部回路と接続するための接続パッド用メタライズ層７などの接合用メタライズ層が形成されている。
【００１６】
本発明によれば、上記表面電気回路用のメタライズ層２ａ、内部電気回路用のメタライズ層２ｂ、封止用メタライズ層５、接続パッド用メタライズ層７などの接合用メタライズ層はいずれも絶縁基板１と同時焼成によって形成されたものである。
【００１７】
また、各層の電気回路用のメタライズ層間は、絶縁層１ａ〜１ｃを貫通するように形成されたビアホール導体８によって電気的に接続される。このビアホール導体８も絶縁基板１と同時焼成によって形成される。
【００１８】
本発明によれば、絶縁基板１の表面および／または内部に、銅を１０〜７０体積％、Ｗおよび／またはＭｏを３０〜９０体積％の割合で含有する導体材料からなる第１のメタライズ層を具備する。この第１のメタライズ層は、特に、表面電気回路用のメタライズ層２ａあるいは内部電気回路用のメタライズ層２ｂを構成する。
【００１９】
上記第１のメタライズ層の成分を上記の範囲に限定するのは、電気回路用のメタライズ層の低抵抗化と、上記アルミナセラミックスからなる絶縁基板１との同時焼結性を達成するとともに、表面電気回路用のメタライズ層２ａの適用に対して同時焼成後の回路形状の保形性を維持するためである。
【００２０】
即ち、上記銅が１０体積％よりも少なく、ＷやＭｏ量が９０体積％よりも多いと、電気回路用のメタライズ層の抵抗が８ｍΩ／□よりも高くなる。また、銅量が７０体積％よりも多く、ＷやＭｏ量が３０体積％よりも少ないと、表面電気回路用のメタライズ層の同時焼成後の保形性が低下し、表面電気回路用のメタライズ層２ａにおいてにじみなどが発生したり、溶融した銅によって表面電気回路用のメタライズ層が凝集して断線が生じるとともに、絶縁基板と電気回路用のメタライズ層の熱膨張係数差により電気回路用のメタライズ層の剥離が発生するためである。最適な組成範囲は、銅を４０〜６０体積％、Ｗおよび／またはＭｏを６０〜４０体積％である。
【００２１】
また、本発明においては、この第１のメタライズ層中におけるＷおよび／またはＭｏは、平均粒径１〜１０μｍの球状あるいは数個の粒子による焼結粒子として銅からなるマトリックス中に分散含有していることが望ましい。これは、上記平均粒径が１μｍよりも小さい場合、表面電気回路用のメタライズ層２ａの保形性が悪くなるとともに組織が多孔質化し電気回路用のメタライズ層の抵抗も高くなり、１０μｍを越えると銅のマトリックスがＷやＭｏの粒子によって分断されてしまい電気回路用のメタライズ層の抵抗が高くなったり、銅成分が分離してにじみなどが発生するためである。Ｗおよび／またはＭｏは平均粒径１．３〜５μｍ、特に１．３〜３μｍの大きさで分散されていることが最も望ましい。
【００２２】
また、上記第１のメタライズ層中には、絶縁基板１との密着性を改善するために、アルミナ、または絶縁基板と同じ成分のセラミックスを０．０５〜２体積％の割合で含有させることも可能である。
【００２３】
また、本発明の配線基板においては、上記第１のメタライズ層以外に、絶縁基板１の表面にタングステンおよび／またはモリブデンを５０体積％以上含有し、鉄族金属を酸化物換算で０．１〜５体積％、酸化アルミニウムを０〜４５体積％の割合で含有する導体からなる第２のメタライズ層を具備する。
【００２４】
本発明においては、上記第２のメタライズ層は、上記封止用メタライズ層５、接続パッド用メタライズ層７などの接合用メタライズ層として用いることが望ましい。
【００２５】
配線基板表面に形成される上記封止用メタライズ層５、接続パッド用メタライズ層７などの接合用メタライズ層に対しては、セラミックス、金属などとの接合によって高い接合強度とともに、絶縁基板との高い接着強度が要求される。しかしながら、前記第１のメタライズ層では十分な接着強度が得ることが難しい。
【００２６】
そこで、本発明によれば、この接合用メタライズ層を前記第２のメタライズ層によって形成することにより絶縁基板との高い接着強度を付与し得る。
【００２７】
この第２のメタライズ層を、導体成分として低融点の銅を多量に含有する第１のメタライズ層と同時焼成によって形成する場合、その焼成温度が後述するように、１２００〜１５００℃の低温で焼成する必要があることから、タングステンやモリブデンのみからなる導体では、その低温焼成時に十分に焼結することができない。
【００２８】
そこで、本発明によれば、タングステンおよびモリブデン以外に、鉄族金属を酸化物換算で０．１〜５体積％の割合で含有せしめることにより、低温での焼結性を高めることができる。従って、この前記鉄族金属量が０．１体積％未満の場合にはメタライズ自体の緻密化が進行せず焼結不良になるため、絶縁基板との接着強度が低下する。逆に、鉄族金属量が５体積％を越える場合には、タングステン、モリブデンの粒子が異常粒成長し接着強度が低下する。この上記鉄族金属量は、特には酸化物換算で０．５〜２体積％が望ましい。
【００２９】
また、この第２のメタライズ層中には、マンガン化合物をＭｎＯ ２ 換算で２．０〜８．０重量％の割合で含有するアルミナセラミックスからなる絶縁基板との接着強度を高めるために、アルミナを添加することも有効である。しかし、その含有量が４５体積％よりも多いと焼結不良を招くとともにメッキ工程においてメッキ欠け（メッキが付着しない）が発生する。このメッキ欠けは、蓋体４やリードピン６などの接合信頼性の低下を招く。アルミナの含有量は、特に２〜３５体積％が望ましい。
【００３０】
この第２のメタライズ層中の鉄族金属としては、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｏが挙げられるがこれらの中でもＮｉが最も望ましい。また、酸化物換算量は、ＦｅはＦｅ２ Ｏ３ 、ＮｉＯ、Ｃｏ３ Ｏ４ の形態で換算した量である。
【００３１】
（絶縁基板）本発明において、絶縁基板１は、マンガン化合物をＭｎＯ ２ 換算で２．０〜８．０重量％の割合で含有するアルミナセラミックスからなるものであるが、絶縁基板の熱伝導性および高強度化を達成する上では、相対密度９５％以上、特に９７％、さらには９８％以上の高緻密体から構成されるものであり、さらに熱伝導率は１０Ｗ／ｍ・Ｋ以上、特に１５Ｗ／ｍ・Ｋ以上、さらには１７Ｗ／ｍ・Ｋ以上であることが望ましい。
【００３２】
本発明では、導体成分として銅を必須成分として含有する第１のメタライズ層との同時焼結時による保形性を達成するために、１２００〜１５００℃の低温で焼成することが必要となるが、本発明によれば、このような低温での焼成においても相対密度９５％以上に緻密化することが必要となる。
【００３３】
そこで、本発明における絶縁基板１は、アルミナを主成分とするもの、具体的にはアルミナを９０重量％以上の割合で含有するものであるが、添加成分として、Ｍｎ化合物をＭｎＯ２ 換算で２〜８重量％の割合で含有することが重要である。即ち、Ｍｎ化合物量が２重量％よりも少ないと、１２００〜１５００℃での緻密化が達成されず、また８．０重量％よりも多いと絶縁基板１の絶縁性が低下するためである。Ｍｎ化合物の最適な範囲はＭｎＯ２ 換算で３〜７重量％である。
【００３４】
また、この絶縁基板１中には、ＳｉＯ２ およびＭｇＯ、ＣａＯ、ＳｒＯ等のアルカリ土類元素酸化物を低温焼結性を高めるために合計で０．４〜１５重量％の割合で含有せしめることが望ましい。
【００３５】
さらに、この絶縁基板１中には、着色成分や誘電率などの誘電特性の向上のためにＷ、Ｍｏ、Ｃｒなどの金属を着色成分として２重量％以下の割合で含んでもよい。
【００３６】
上記アルミナ以外の成分は、アルミナ主結晶相の粒界に非晶質相あるいは結晶相として存在するが、熱伝導性を高める上で粒界中に助剤成分を含有する結晶相が形成されていることが望ましい。
【００３７】
また、絶縁基板１を形成するアルミナ主結晶相は、粒状または柱状の結晶として存在するが、これら主結晶相の平均結晶粒径は、１．５〜５．０μｍであることが望ましい。なお、主結晶相が柱状結晶からなる場合、上記平均結晶粒径は、短軸径に基づくものである。この主結晶相の平均結晶粒径が１．５μｍよりも小さいと、高熱伝導化が難しく、平均粒径が５．０μｍよりも大きいと基板材料として用いる場合に要求される十分な強度が得られにくくなるためである。
【００３８】
さらに、本発明の配線基板においては、銅を含有する第１のメタライズ層を銅の融点を越える温度で絶縁基板１と同時焼成することにより、第１のメタライズ層中の銅成分が絶縁基板１中に拡散する場合があるが、本発明によれば、上記少なくとも銅を含む第１のメタライズ層の周囲の絶縁基板１のセラミックスへの銅の拡散距離が２０μｍ以下、特に１０μｍ以下であることが望ましい。これは、銅のセラミックス中への拡散距離が２０μｍを超えると、電気回路形成時にメタライズ層間の絶縁性が低下し電気回路の信頼性が低下するためである。
【００３９】
この銅の拡散距離を２０μｍ以下とすることにより、第１のメタライズ層のうち、同一平面内に形成されたメタライズ層間の最小線間距離を１００μｍ以下、特に９０μｍ以下の高密度配線化を図ることができる。また、同様に図１に示すように、１つの絶縁層内に複数のビアホール導体８が形成される場合、そのビアホール導体８間の最小離間距離も上記と同様な理由から１００μｍ以下、特に９０μｍ以下に制御することが可能である。
【００４０】
（製造方法）
次に、本発明の配線基板の製造方法について具体的に説明する。まず、絶縁基板を形成するために、アルミナセラミックスの主成分となるアルミナ原料粉末として、平均粒径が０．５〜２．５μｍ、特に０．５〜２．０μｍの粉末を用いる。これは、平均粒径は０．５μｍよりも小さいと、粉末の取扱いが難しく、また粉末のコストが高くなり、２．５μｍよりも大きいと、１５００℃以下の温度で焼成することが難しくなるためである。
【００４１】
そして、上記アルミナ粉末に対して、第２の成分として、ＭｎＯ２ を２〜８重量％、特に３〜７重量％の割合で添加する。また、適宜、第３の成分として、ＳｉＯ２ 、ＭｇＯ、ＣａＯ、ＳｒＯ粉末等を０．４〜１５重量％、第４の成分として、Ｗ、Ｍｏ、Ｃｒなど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重量％以下の割合で添加する。なお、上記酸化物の添加に当たっては、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、酢酸塩などとして添加してもよい。
【００４２】
そして、この混合粉末を用いて絶縁層を形成するためのシート状成形体を作製する。シート状成形体は、周知の成形方法によって作製することができる。例えば、上記混合粉末に有機バインダー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形成したり、混合粉末に有機バインダーを加え、プレス成形、圧延成形等により所定の厚みのシート状成形体を作製できる。
【００４３】
このようにして作製したシート状成形体に対して、第１のメタライズ層形成用として、導体成分として、平均粒径が１〜１０μｍの銅含有粉末を１０〜７０体積％、特に４０〜６０体積％、平均粒径が１〜１０μｍのＷおよび／またはＭｏを３０〜９０体積％、特に４０〜６０体積％の割合で含有し、場合によってはアルミナ、または絶縁基板と同じ成分のセラミックスを０．０５〜２体積％の割合で添加してなる固形成分に対して、有機樹脂や溶剤を添加混合して導体ペーストを調製し、このペーストを各シート状絶縁層にスクリーン印刷、グラビア印刷等の手法によって印刷塗布する。
【００４４】
さらに、第２のメタライズ層形成用として、平均粒径が０．５〜５μｍのタングステンおよび／またはモリブデンに、Ｗ，Ｍｏ以外の遷移金属の酸化物粉末のうち少なくとも１種以上を０．１〜５体積％、アルミナ粉末を０〜４５体積％の割合で含有する固形成分に対して、有機樹脂や溶剤を添加混合して導体ペーストを調製し、このペーストをシート状成形体の所定箇所にスクリーン印刷、グラビア印刷等の手法によって印刷塗布する。
【００４５】
なお、ビアホール導体を形成する場合には、シート状成形体に対して、マイクロドリル、レーザー等により直径が５０〜２５０μｍのビアホールを形成した後、このビアホール内に上記電気回路用のメタライズ層形成用の導体ペーストを充填する。
【００４６】
その後、導体ペーストを印刷塗布したシート状成形体を位置合わせして積層圧着した後、この積層体を、この焼成を、非酸化性雰囲気中、焼成最高温度が１２００〜１５００℃の温度となる条件で焼成する。
【００４７】
この時の焼成温度が１２００℃より低いと、通常の原料を用いた場合において、アルミナ絶縁基板が相対密度９５％以上まで緻密化できず、熱伝導性や強度が低下し、１５００℃よりも高いと、ＷあるいはＭｏ自体の焼結が進み、銅との均一組織を維持できなく、強いては低抵抗を維持することが困難となりシート抵抗８ｍΩ／□以下が得られなくなる。また、アルミナセラミックスの主結晶相の粒径が大きくなり異常粒成長が発生したり、銅がセラミックス中へ拡散するときのパスである粒界の長さが短くなるとともに拡散速度も速くなる結果、拡散距離を３０μｍ以下に抑制することが困難となるためである。好適には、１３５０〜１４５０℃の範囲がよい。
【００４８】
また、この焼成時の非酸化性雰囲気としては、窒素、あるいは窒素と水素との混合雰囲気であることが望ましいが、特に、第１のメタライズ層中の銅の拡散を抑制する上では、水素および窒素を含み露点＋１０℃以下、特に−１０℃以下の非酸化性雰囲気であることが望ましい。なお、この雰囲気には所望により、アルゴンガス等の不活性ガスを混入してもよい。焼成時の露点が＋１０℃より高いと、焼成中にアルミナセラミックスと雰囲気中の水分とが反応し酸化膜を形成し、この酸化膜と銅含有導体の銅が反応してしまい、導体の低抵抗化の妨げとなるのみでなく、銅の拡散を助長してしまうためである。
【００４９】
さらにまた、上記のように後述するように焼成温度および雰囲気を制御して焼成することによって、絶縁基板１の表面の平均表面粗さＲａを１μｍ以下、特に０．７μｍ以下の平滑性に優れた表面を形成できる。
【００５０】
【実施例】
アルミナ粉末（平均粒径１．８μｍ）に対して、ＭｎＯ２ を表１、２に示すような割合で添加するとともに、ＳｉＯ２ を３重量％、ＭｇＯを０．５重量％の割合で添加混合した後、さらに、成形用有機樹脂（バインダー）としてアクリル系バインダーと、トルエンを溶媒として混合してスラリーを調製した後、ドクターブレード法にて厚さ２５０μｍのシート状に成形した。そして、所定箇所にホール径１２０μｍのビアホールを形成した。
【００５１】
次に、平均粒径が５μｍの銅粉末と、平均粒径が０．８〜１２μｍのＷ粉末あるいはＭｏ粉末を表１に示す比率（固形成分全量中の比率）で混合し、これにアクリル系バインダーとアセトンを溶媒として混合し導体ペーストを作製した。
【００５２】
一方、接合用のメタライズ層として、Ｆｅ２ Ｏ３ 、ＮｉＯ、Ｃｏ３ Ｏ４ ならびにアルミナを表１に示す比率（固形成分全量中の比率）で混合しこれにアクリル系バインダーとをアセトンを溶媒として混合し導体ペーストを作製した。
【００５３】
そして、シート状成形体の所定箇所に上記第１のメタライズ層用ペーストおよび第２のメタライズ層用ペーストを印刷塗布し、各シート状成形体のビアホール導体にも上記第１のメタライズ層用導体ペーストを充填した。上記のようにして作製した各シート状成形体を位置合わせして積層圧着して成形体積層体を作製した。その後、この成形体積層体を実質的に水分を含まない酸素含有雰囲気中（Ｎ２ ＋Ｏ２ または大気中）で脱脂を行った後、表１に示した焼成温度にて、露点−１０℃の窒素水素混合雰囲気にて焼成して、絶縁基板、電気回路用のメタライズ層、接合用メタライズ層およびビアホール導体を同時焼成して形成した。
【００５４】
作製した配線基板における絶縁基板の相対密度をアルキメデス法によって測定するとともに、レーザーフラッシュ法によってＪＩＳＲ１６１１に基づき厚さ３ｍｍの試料の熱伝導率を測定後、補正した値と、室温（２５℃）における体積固有抵抗を測定し、その結果を表２に示した。
【００５５】
また、配線基板の表面電気回路用として形成した第１のメタライズ層に対して、配線の導体抵抗、長さ、幅、厚みを測定した後、厚さ１５μｍの導体に換算したシート抵抗（ｍΩ／□）を算出した。また、組織を走査型電子顕微鏡にて観察を行い、第１のメタライズ層中のＷおよび／またはＭｏ粒子の粒径を測定した。その結果を表２に示した。また、配線基板を外観検査し、第１のメタライズ層のにじみの発生および剥離等の有無を観察した。
【００５６】
更に、第２のメタライズ層と絶縁基板との接着強度を図２に示すようにして測定した。接着強度は２ｍｍ×２０ｍｍの接合用メタライズ層９に対して２μｍのＮｉ、１μｍのＡｕのメッキ層１０を施した後、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ製のＬ字型リード１１をＡｕ−Ｓｎからなるロウ材１２によってロウ付けした後、このリードを垂直に引っ張り、リ−ドが基板からはずれるときの強度（ｋｇｆ）を測定した。結果を表２に示した。
【００５７】
【表１】
【表２】
表１、２に示すように、絶縁基板中のＭｎＯ２ の含有量が２重量％よりも低い試料Ｎｏ．１では、絶縁基板の焼結性が十分でなく相対密度９５％以上に緻密化できず、熱伝導性や絶縁性の低下が起こり、配線基板として使用できなくなった。また、第１のメタライズ層組成において、Ｃｕ含有量が１０体積％よりも少ない試料Ｎｏ．７，８では、導体抵抗が８ｍΩ／□よりも大きくなった。また７０体積％よりも多い試料Ｎｏ．１４では、配線の保形性が悪くなるとともに、組織が不均一となりシート抵抗が８ｍΩ／□以上になるとともに、第１のメタライズ層ににじみおよび一部剥離も観察された。
【００６０】
第２のメタライズ層において、鉄族金属量が０．１体積％よりも少ない試料Ｎｏ．２０、３６および５体積％よりも多い試料Ｎｏ．２４、４０では、いずれも接着強度が低いものであった。また、Ａｌ２ Ｏ３ 量が４５体積％よりも多い試料Ｎｏ．２９においても接着強度が低くメッキ欠けが生じた。また、同時焼成の温度が１２００℃より低い試料Ｎｏ．４１では相対密度９５％以上に緻密化することができず、熱伝導性も低下した。
【００６１】
これらの比較例に対して、本発明の配線基板によれば、絶縁基板が相対密度９５％、１５Ｗ／ｍ・Ｋ以上の熱伝導率を有し、しかも第１のメタライズ層のにじみや剥離の発生もなく、シート抵抗が８ｍΩ／□以下の低抵抗の第１のメタライズ層を同時焼成によって形成することができた。また、第２のメタライズ層においては、３ｋｇｆ以上の高い接着強度を有するとともに良好なメッキ性を有するものであった。
【００６２】
なお、上記本発明の配線基板において、ＥＰＭＡ（Ｘ線マイクロアナライザー）分析において、第１のメタライズ層の端部から同一平面内において、銅元素が検出される領域の最外部までの距離を１０箇所測定したところ、各第１のメタライズ層の銅の拡散距離は平均で２０μｍ以下と良好な特性を示した。
【００６３】
【発明の効果】
以上詳述した通り、本発明の配線基板によれば、マンガン化合物をＭｎＯ ２ 換算で２．０〜８．０重量％の割合で含有するアルミナセラミックスからなる絶縁基板の表面に、銅を含有する低抵抗の電気回路用のメタライズ層とともに、蓋体やリードピンなどを高い接合強度で接合し得る接合用メタライズ層を絶縁基板と同時焼成によって形成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の配線基板の一例を説明するための概略断面図である。
【図２】実施例における第２のメタライズ層の接着強度の測定方法を説明するための図である。
【符号の説明】
１ 絶縁基板
１ａ，１ｂ、１ｃ 絶縁層
２ａ 表面電気回路用のメタライズ層
２ｂ 内部電気回路用のメタライズ層
３ 半導体素子
４ 蓋体
５ 封止用メタライズ層
６ リードピン
７ 接続パッド用メタライズ層
８ ビアホール導体
Claims (7)
- マンガン化合物をＭｎＯ２換算で２．０〜８．０重量％の割合で含有するアルミナセラミックスからなる相対密度が９５％以上の絶縁基板と、該絶縁基板と同時焼成によって形成され、前記絶縁基板の表面および／または内部に銅を１０〜７０体積％、タングステンおよび／またはモリブデンを３０〜９０体積％の割合で含有する第１のメタライズ層と、前記絶縁基板の表面にタングステンおよび／またはモリブデンを５０体積％以上含有し、鉄族金属を酸化物換算で０．１〜５体積％、酸化アルミニウムを０〜４５体積％の割合で含有してなり、セラミックスまたは金属が接合される第２のメタライズ層を具備することを特徴とする配線基板。
- 前記第１のメタライズ層によって電気回路が形成されてなる請求項１記載の配線基板。
- 前記第１のメタライズ層において、銅からなるマトリックス中にタングステンおよび／またはモリブデンが平均粒径１〜１０μｍの粒子として分散含有してなることを特徴とする請求項１記載の配線基板。
- 前記第１のメタライズ層のシート抵抗が８ｍΩ／□以下であることを特徴とする請求項１〜３のうちいずれか記載の配線基板。
- アルミナを主成分とし、マンガン化合物をＭｎＯ２換算で２．０〜８．０重量％の割合で含有するグリーンシートの表面に、銅を１０〜７０体積％、平均粒径が１〜１０μｍのタングステンおよび／またはモリブデンを３０〜９０体積％の割合で含有してなる第１の導体ペーストを印刷塗布するとともに、タングステンおよび／またはモリブデンを５０体積％以上含有し、鉄族金属の酸化物を０．１〜５体積％、酸化アルミニウムを０〜４５体積％の割合で含有する第２の導体ペーストを印刷塗布した後、該グリーンシートを積層し、非酸化性雰囲気中で１２００〜１５００℃の温度で同時焼成することを特徴とする配線基板の製造方法。
- 前記第１の導体ペーストを電気回路パターン状に印刷することを特徴とする請求項５記載の配線基板の製造方法。
- 前記第２の導体ペーストをセラミックスまたは金属が接合される箇所に印刷塗布することを特徴とする請求項５記載の配線基板の製造方法。
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