JP3585964B2

JP3585964B2 - セラミックス表面配線基体

Info

Publication number: JP3585964B2
Application number: JP25951194A
Authority: JP
Inventors: 博紀浅井
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1994-09-29
Filing date: 1994-09-29
Publication date: 2004-11-10
Anticipated expiration: 2019-11-10
Also published as: JPH0897332A

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、セラミックス基体の表面に薄膜配線層を設けたセラミックス表面配線基体に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、電子部品のヒートシンクやハイブリッドＩＣ用回路基板、あるいは半導体パッケージの構成基材等として、高電気絶縁性および高熱伝導性を有する窒化アルミニウム基材が利用されている。窒化アルミニウム基材を上記したような電子部品用材料として用いる場合には、回路やチップ搭載部の形成等を目的として、その表面に導電性金属層を形成することが不可欠である。
【０００３】
上述したような金属層としては、例えば導体ぺーストの塗布、焼成により形成する、いわゆるメタライズ層が一般的である。しかし、近年のＬＳＩに見られるように、半導体チップの高集積化が進むにつれて、窒化アルミニウム基材の表面に形成する金属配線層には、高配線密度を可能にすることが要求されている。このような要求に対応するために、窒化アルミニウム基材表面への配線用金属層の形成方法として、高密度配線が可能な真空蒸着法やスパッタリング法等の薄膜形成技術（特開昭６１−１１９０５１号公報等参照）が利用されており、単層ないし多層の各種金属薄膜が表面配線層として使用されている。
【０００４】
例えば、窒化アルミニウム基材表面に設けられる薄膜配線層としては、Ｔｉ／Ｎｉ／Ｃｕ等の多層金属薄膜が知られている。ところで、このような多層金属薄膜からなる薄膜配線層は、常温近傍で使用される場合には特段の問題を生じることがなく、また多層金属薄膜を構成している各金属もそれぞれ単体では単体金属の融点もしくはその近傍の温度を経ない限り、特に問題を生じることはない。
【０００５】
しかしながら、多層金属薄膜等からなる薄膜配線層が高い温度履歴に晒されると、種々の問題を生じることになる。すなわち、金属成分の拡散が生じ、例えば１２７３Ｋ程度の温度を経ると、単体では液相を生じないものの、合金組成であるがゆえに、共晶合金組成となって液相が生成する場合がある。こうした液相の生成は、膜の剥がれやひび割れ等の不具合を生じさせる原因となる。また、液相にまでは至らなくとも、液相生成温度近傍の温度を経ることによって、薄膜配線層と窒化アルミニウム基材との接合層等が劣化して、膜の剥がれやちぎれ等が生じるという問題があった。
【０００６】
そして、通常薄膜配線層の形成後に行われるろう付け等の熱処理時の温度は、多層金属薄膜の組成比すなわち膜厚比に基く液相生成温度よりも低い値に設定しているにもかかわらず、上述したような膜の剥がれやひび割れ等の問題が生じている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
上述したように、窒化アルミニウム基材等のセラミックス基材の表面に配線層を薄膜形成技術で形成する場合、従来の多層金属薄膜では、その後の熱処理等の際に膜の剥がれやひび割れ等の不具合が生じるという問題があった。このような膜の剥がれやひび割れ等は、薄膜配線層上に形成するメッキ膜の膨れ等の原因となり、外観不良、配線不良、実装不良等を招くことになる。そこで、薄膜配線層が晒される温度履歴によって、上記したような不具合が生じないような薄膜配線構造が強く望まれている。
【０００８】
本発明は、このような課題に対処するためになされたもので、温度履歴に伴う薄膜配線層の膜剥がれやひび割れ等の不具合を防止したセラミックス表面配線基体を提供することを目的としている。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明のセラミックス表面配線基体は、セラミックス基体と、前記セラミックス基体の表面に設けられた薄膜配線層とを有するセラミックス表面配線基体において、前記薄膜配線層には、AuおよびNiからなる複合系が含まれ、かつ前記複合系の組成比に基く液相生成温度はろう付け温度である1133Kよりも200K以上高いことを特徴としている。
【００１０】
【作用】
ここで、一般的な金属状態図はバルク同士によるものであり、薄膜の場合にはその純度が高いために、反応が見掛けよりも低い温度で生じて、液相が金属状態図に基く液相生成温度より低い温度で生じる可能性が強い。また、液相にまでは至らなくとも、液相生成温度に近付けば近付くほど、薄膜配線層と下地との接合層の劣化が生じ、例えば脱粒部のような欠陥部等で膜のちぎれ等が発生する。
【００１１】
そこで、本発明のセラミックス表面配線基体においては、AuおよびNiを含む複合系からなる配線金属層が、セラミックス表面配線基体に課せられる温度履歴のうちの最高温度、すなわち配線金属層が晒される温度履歴のうちの最高温度、具体的にはろう付け温度である1133Kよりも200K以上高い液相生成温度を有するように、上述した複合系の組成比を設定している。
【００１２】
このような組成比の設定は、例えば多層金属薄膜の場合には各層の厚さ制御により行うことができ、このような組成比の変更はその液相生成温度を変更させることになる。そして、配線金属層が晒される温度履歴のうちの最高温度よりも２００Ｋ以上高い温度に液相生成温度を設定することによって、下地と薄膜配線層との濡れ性や原子の拡散等による接合層の劣化等を安定かつ再現性よく抑制することが可能となる。従って、薄膜配線層の膜剥がれやひび割れ等を再現性よく防止することが可能となる。
【００１３】
【実施例】
次に、本発明の実施例について説明する。
【００１４】
図１は、本発明をセラミックスパッケージに適用した一実施例の構成を示す断面図である。同図において、１はセラミックス多層配線基板であり、このセラミックス多層配線基板１内にはスルーホールに充填された導体等を含む内部配線層２が設けられている。セラミックス多層配線基板１の構成材料は特に限定されるものではなく、酸化アルミニウム、窒化アルミニウム、窒化ケイ素等の各種セラミックス材料を用いることが可能であるが、本発明においては高熱伝導性、抗折強度等の機械的強度、Ｓｉとの熱膨張率の近似等の点から窒化アルミニウムを用いることが好ましい。
【００１５】
上記セラミックス多層基板１は、例えばセラミックスグリーンシートにスルーホールを形成した後、タングステンペースト等の導体ペーストによるスルーホール内への充填や配線層印刷を行い、さらに積層、圧着および所望雰囲気中での焼成等を行って作製されたものである。
【００１６】
上述したようなセラミックス多層配線基板１の表面（薄膜形成面）１ａ上には、スパッタ法、蒸着法、ＣＶＤ法等の各種薄膜形成法により薄膜配線層３が設けられている。この薄膜配線層３は、AuおよびNiを含む複合系からなるものであり、その複合状態は積層複合や混合複合等の種々の形態を含むものである。また、薄膜配線層３はAu および Niを用いていればよく、これら以外に第３の金属元素等をさらに複合することも可能である。この実施例では、3つの金属薄膜３ａ、３ｂ、３ｃを積層した3層積層構造の多層金属薄膜により構成された薄膜配線層３を示しているが、積層構造は3層に限られるものではなく、2層または3層以上の多層積層構造としてもよく、あるいは上記複合系を合金組成として用いた単層構造であってもよい。
【００１７】
上記薄膜配線層３は、所望の配線形状にパターニングされている。このパターニングは、例えば多層金属薄膜上に所望の配線パターンのレジストパターンを形成し、このレジストパターンを介してエッチングを施すことによって行う。また、セラミックス多層配線基板１の薄膜形成面１ａ上に、所望の配線パターンの形成部位を除く部分にレジストパターンを形成し、このレジストパターンを遮蔽材として、上述したような薄膜形成法により多層金属薄膜を形成し、この後レジスト膜を除去することで、所望パターンの薄膜配線を形成する、いわゆるリフト・オフ法を適用することも可能である。
【００１８】
そして、上述した3層積層構造の多層金属薄膜からなる薄膜配線層３のうち、AuおよびNiの複合系の組成比、すなわち膜厚比は、セラミックスパッケージに課せられる温度履歴のうちの最高温度、すなわち薄膜配線層３が晒される温度履歴のうちの最高温度よりも200K以上高い液相生成温度を有するように設定されている。すなわち、第２の薄膜３ｂがNiで第３の薄膜３ｃがAu（第１の薄膜３ａは例えばTi）であり、パッケージに課せられる温度履歴のうちの最高温度が一般的なろう付け温度である1133Kであるとすると、Niからなる第２の薄膜３ｂとAuからなる第３の薄膜３との膜厚比に基く組成比は、上記最高温度（1133K）より200K以上高い液相生成温度となるように設定（例えは図２の矢印Ｘより右側の領域）されている。
【００２０】
このように、薄膜配線層３の組成比、例えば膜厚比による組成比に基く液相生成温度を、温度履歴のうちの最高温度より２００Ｋ以上高い温度とすることによって、たとえ多層金属薄膜の反応が見掛けよりも低い温度で生じるとしても、温度履歴のうちの最高温度と液相生成温度との差を十分に、すなわち２００Ｋ以上とっているため、例えばろう付け等の熱処理時における液相生成を防止することができる。また、実質的な液相生成温度（反応の活性化により低下した液相生成温度）に近付くことによる接合層の劣化等も抑制することができる。従って、薄膜配線層３の膜剥がれやひび割れ等を防止することが可能となる。
【００２１】
本発明のセラミックス表面配線基体は、上述した実施例によるパッケージ、すなわち半導体素子等を搭載するセラミックスパッケージに限らず、表面に薄膜配線層を有する回路基板やヒートシンク等にも適用可能であり、同様な効果を得ることができる。
【００２２】
次に、上述した実施例によるセラミックスパッケージの具体例およびその評価結果について述べる。
【００２３】
実施例
まず、スルーホール内に充填された導体層を含む内部配線層を有する窒化アルミニウム多層配線基板の表面に鏡面研磨加工を施した後、スパッタリング法によって厚さ５０ｎｍのＴｉ薄膜を形成した。続いて、厚さ５００ｎｍのＮｉ膜と厚さ１３ｎｍのＡｕ膜を順に形成した。ここで、Ｎｉ膜とＡｕ膜の膜厚比に基く組成比は、図２の金属状態図における矢印Ａの部分であり、この組成比による液相生成温度は約１６５０Ｋである。
【００２４】
上述した３層積層構造の金属多層薄膜からなる薄膜配線層を有する窒化アルミニウムパッケージに対して、真空中にて１１３３Ｋで熱処理を施した。この熱処理温度は一般的なろう付け温度であり、上記薄膜配線層のうちＮｉ膜とＡｕ膜の組成比（膜厚比）による液相生成温度は２００Ｋ以上（約５００Ｋ）の差を有している。またさらに、熱処理後の薄膜配線層上にＮｉおよびＡｕメッキを施した。
【００２５】
熱処理前後およびメッキ後の薄膜配線層の状態を図３に示す。図３（ａ）は、熱処理前の薄膜配線層の状態を拡大して示す顕微鏡写真、図３（ｂ）は熱処理後の薄膜配線層の状態を拡大して示す顕微鏡写真、図３（ｃ）はメッキ層を拡大して示す顕微鏡写真である。
【００２６】
図３（ａ）および（ｂ）から明らかなように、熱処理の前後で薄膜配線層のスルーホール部分および基板部分共に大きな変化は認められなかった。また、図３（ｃ）から明らかなように、メッキ層にも膨れ等の欠陥は認められず、良好な配線層が得られていることを確認した。
【００２７】
比較例
上記実施例と同様に、鏡面研磨加工を施した窒化アルミニウム多層配線基板上に、スパッタリング法により厚さ５０ｎｍのＴｉ薄膜、厚さ５００ｎｍのＮｉ膜、厚さ２００ｎｍのＡｕ膜を順に形成した。ここで、Ｎｉ膜とＡｕ膜の膜厚比に基く組成比は、図２の金属状態図における矢印Ｂの部分であり、この組成比による液相生成温度は約１２８０Ｋである。
【００２８】
次に、上記実施例と同様に、薄膜配線層を有する窒化アルミニウムパッケージに対して真空中にて１１３３Ｋで熱処理を施し、さらに熱処理後の薄膜配線層上にＮｉおよびＡｕメッキ層を形成した。熱処理後およびメッキ後の薄膜配線層の状態を図５に示す。図５（ａ）は、熱処理後の薄膜配線層の状態を拡大して示す顕微鏡写真であり、図５（ｂ）はメッキ層を拡大して示す顕微鏡写真である。
【００２９】
図５（ａ）から明らかなように、薄膜配線層の基板部分では特に大きな変化は認められなかったが、スルーホール部分において膜がひけるような状態になり、スルーホールのエッジ部分に膜の切断が認められた。また、メッキ層には、図５（ｂ）から明らかなように、スルーホールのエッジ部分やその内部に膨れが認められた。
【００３０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明のセラミックス表面配線基体によれば、温度履歴に伴う薄膜配線層の膜剥がれやひび割れ等を再現性よく防止することが可能となる。よって、外観不良、配線不良、実装不良等を排除した、半導体チップ搭載用回路基板や半導体パッケージ等に好適なセラミックス表面配線基体を提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明をセラミックスパッケージに適用した一実施例の構造を示す断面図である。
【図２】Ａｕ−Ｎｉの金属状態図である。
【図３】本発明の一実施例による窒化アルミニウムパッケージの薄膜配線層の熱処理前後およびメッキ後の状態を比較して示す顕微鏡写真であって、（ａ）は熱処理前の薄膜配線層の状態を拡大して示す顕微鏡写真、（ｂ）は熱処理後の薄膜配線層の状態を拡大して示す顕微鏡写真、（ｃ）はメッキ層の状態を拡大して示す顕微鏡写真である。
【図４】比較例による窒化アルミニウムパッケージの薄膜配線層の状態を示す顕微鏡写真であって、（ａ）は熱処理後の薄膜配線層の状態を拡大して示す顕微鏡写真、（ｂ）はその上に形成したメッキ層の状態を拡大して示す顕微鏡写真である。
【符号の説明】
１……窒化アルミニウム多層配線基板
１ａ…薄膜形成面
２……内部配線層
３……薄膜配線層
３ａ、３ｂ、３ｃ……金属薄膜

Claims

セラミックス基体と、前記セラミックス基体の表面に設けられた薄膜配線層とを有するセラミックス表面配線基体において、
前記薄膜配線層には、AuおよびNiからなる複合系が含まれ、かつ前記複合系の組成比に基く液相生成温度はろう付け温度である1133Kよりも200K以上高いことを特徴とするセラミックス表面配線基体。
前記複合系を含む薄膜配線層と前記セラミックス基体との間にTiからなる金属薄膜が介在されていることを特徴とする、請求項１記載のセラミックス表面配線基体。
前記セラミックス基体は、酸化アルミニウム、窒化アルミニウム、または窒化ケイ素からなることを特徴とする、請求項１または請求項２記載のセラミックス表面配線基体。
前記セラミックス基体は内部配線層を具備することを特徴とする、請求項１ないし請求項３のいずれか１項記載のセラミックス表面配線基体。