JP3678485B2 - 高強度高信頼性回路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、窒化珪素（Ｓｉ3 Ｎ4)焼結体を絶縁体層として用いた高強度高信頼性回路基板およびそれを用いた半導体装置ならびに高強度高信頼性回路基板の製造方法に関する。特に絶縁体層と導体層とを一体焼結させることによって得られる、一層配線または多層配線を有する高強度高信頼性回路基板等に関する。
【０００２】
【従来の技術】
電子機器の小型化にともない、回路基板に実装される半導体素子からの発熱をいかに効率良く放熱するかが重要な問題となっている。また、電力用半導体素子の実装の場合も放熱は重要な問題である。
【０００３】
従来から、回路基板用の絶縁材料としてはＡｌ2 Ｏ3 セラミックスが広く用いられている。ここで、Ａｌ2 Ｏ3 は熱伝導率が最高でも２０W/mKと低いため、放熱性に問題がある。また、特開昭６０−１７８６８８号公報において、電気絶縁性等の絶縁体としての電気的諸特性に優れ、かつ熱伝導性に優れたＡｌＮセラミックスの回路基板への応用が検討されている。
【０００４】
しかしながら、ＡｌＮやＡｌ2 Ｏ3 は、半導体素子からの発熱に起因する熱応力に対して弱く、ＡｌＮセラミックスは４点曲げ強度で３００MPa 程度と強度が低く熱応力が集中すると割れが発生するという問題がある。これはＡｌＮに限った現象ではなく、Ａｌ2 Ｏ3 でも焼結体強度が低いという理由によるもので同様の割れ現象が見られる。また、ＡｌＮセラミックスは耐水性や耐酸性、耐アルカリ性などの耐薬品性が悪く、また外部端子を銀ろうや半田で接合する際の金属との熱膨張係数の差により生ずる応力のために、電気的な金属端子であるピン、リードやボールとの接着部分が破壊されやすいなどの問題もある。
【０００５】
このような問題が概ね解決されたセラミック基板が、特開平４−２１２４４１号公報に示された。このセラミック基板は、Ｓｉ3 Ｎ4 から構成され、アルミナ基板よりも熱放散性が高く、耐環境性、機械的強度や電気的特性に優れたものである。
【０００６】
ところで電子機器の小型化、高密度化を考慮すると回路基板の配線にも高密度化が要求され、多層化は必須の技術となっている。しかしながら、既存の多層化技術はＡｌ2 Ｏ3 セラミック絶縁層やＡｌＮセラミック絶縁層と導体層とを一体焼結するものであり、Ｓｉ3 Ｎ4 セラミック板と導体層の多層化技術は未だ確立していない。また、既存の多層化技術においては、Ｓｉ3 Ｎ4 用の最適な導体層が開発されていないために、多層化技術により作製された回路基板あるいは半導体装置においては、高抵抗な導体層、絶縁層と導体層の収縮率ミスマッチングによる低い位置精度、反りの発生、導体回路の断線、あるいは剥離などという問題が存在する。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、低抵抗な導体層、絶縁層と導体層の収縮率がマッチングした高い位置精度、導体層と絶縁体層との密着性が強固で、反りや断線等の生じにくいという高信頼性を有する高強度のＳｉ3 Ｎ4 セラミックスを用いた回路基板およびそれを用いた半導体装置ならびに高強度高信頼性回路基板の製造方法、特に同時焼結による一層配線や多層配線を有する高強度高信頼性回路基板等を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、少なくとも絶縁体層と導体層を含む回路基板において、全絶縁体層のうち少なくとも一層が、β−Ｓｉ3 Ｎ4 を主成分とし、希土類元素およびアルカリ土類元素からなる群より選択される一種以上の元素を含有する焼結体であり、かつ全導体層のうち少なくとも一層が、Ｍｏ、Ｗの少なくとも一種を主成分とし、周期律表のVIII族元素から選択される一種以上の元素を更に含むことを特徴とする高強度高信頼性回路基板およびそれを用いた半導体装置が、上記課題を解決し得ることを見いだした。また、全導体層のうち少なくとも一層は、更に、希土類元素およびアルカリ土類元素からなる群より選択される一種以上の元素や、Ｓｉ3 Ｎ4 、ＡｌＮの少なくとも一種を含んでいてもよい。
【０００９】
また、本発明者らは、少なくとも絶縁体層と導体層とを含む回路基板において、全絶縁体層のうちの少なくとも一層が、β−Ｓｉ3 Ｎ4 を主成分とし、希土類元素およびアルカリ土類元素からなる群より選択される一種以上の元素を含有する焼結体であり、かつ全導体層のうちの少なくとも一層が、Ｍｏ、Ｗの少なくとも一種を主成分とし、更にＡｌＮを含むことを特徴とする回路基板およびそれを用いる半導体装置も、上記課題を解決し得ることを見いだした。
【００１０】
ここで、「全絶縁体層のうち少なくとも一層が、β−Ｓｉ3 Ｎ4 を主成分とし」とは、β−Ｓｉ3 Ｎ4 の絶縁層（少なくとも一層）に占める含有率が、５０wt％以上かつ５０vol%以上であることを意味する。
つまり、α−Ｓｉ3 Ｎ4 や粒界成分、さらに着色成分等のβ−Ｓｉ3 Ｎ4 以外の相の合計含有率が５０wt％以下かつ５０vol%以下であることを意味する。
【００１１】
また、「全導体層のうちの少なくとも一層が、Ｍｏ、Ｗの少なくとも一種を主成分とし」とは、導体層（少なくとも一層）に占めるＷとＭｏとの合計含有率が、５０wt％以上かつ５０vol%以上であることを意味し、Ｍｏ、Ｗは両成分が入っている必要はなく、ＷあるいはＭｏの一方が０wt％（０vol%）であってもよい。つまり、他の成分、具体的にはＳｉ3 Ｎ4 、ＡｌＮ、VIII元素成分等の導体層中のＷとＭｏ以外の合計含有率が、５０wt％以下かつ５０vol%以下であることを意味する。
【００１２】
更に、本発明者らは、α−Ｓｉ3 Ｎ4 に焼結助剤として希土類元素およびアルカリ土類元素からなる群より選択される一種以上の元素を添加した後、これを焼結して絶縁体層を形成させる工程；Ｍｏ、Ｗの少なくとも一種元素に、周期律表のVIII族に属する元素より選択される一種以上の元素を添加して導体層を形成させる工程；および絶縁体層と導体層とを同時焼結する工程を含むことを特徴とする回路基板の製造方法が、上記課題を解決し得ることを見いだした。
【００１３】
【発明の実施の形態】
まず、本発明に係る回路基板中の絶縁体層について説明する。
絶縁体層は、β−Ｓｉ3 Ｎ4 を主成分とする多結晶焼結体である。この絶縁体層の強度は、７００MPa 以上であることが好ましく、組成や焼結条件の最適化によりこの強度を１，０００MPa 以上とするのがより好ましい。
【００１４】
また、熱伝導率は、アルミナのそれよりも高い３０W/mK以上であることが好ましく、７０W/mK以上であることがより好ましい。例えば、７０W/mKの熱伝導率を有する絶縁体層は、酸素含有量の少ないＳｉ3 Ｎ4 の原料粉末を用いたり、Ａｌ2 Ｏ3 やＳｉＯ2 を添加したりして得られる。Ａｌ2 Ｏ3 等を添加する場合、添加量は０．８重量％以下であることが好ましく、より好ましくは０．２５重量％以下である。当業者が容易に行い得る範囲内で最適化を行うと、１３０W/mK以上の熱伝導率を有するＳｉ3 Ｎ4 絶縁体層を得ることができる。
【００１５】
次に、この絶縁体層の製造方法を説明する。まず、Ｓｉ3 Ｎ4 グリーンシートを作製する。このグリーンシートは、Ｓｉ3 Ｎ4 粉末、焼結助剤、結合剤（バインダ）等を溶剤と共に十分混合したものを用いて、例えばドクターブレード法等により作製し得る。
【００１６】
用いるＳｉ3 Ｎ4 粉末に関し、特に制限はないが、絶縁体層の熱伝導率を考慮すると、酸素量が３．０重量％以下のα−Ｓｉ3 Ｎ4 粉末を用いることが好ましい。より好ましくは酸素量が２．０重量％未満であり、更に好ましくは１．５重量％未満である。焼結体中の酸素量が少ないほど熱伝導率が高くなるからである。
【００１７】
また、用いるＳｉ3 Ｎ4 粉末は、粒子径が小さいものが揃っているほうが好ましく、平均粒子径は２μm 未満であるものが好ましい。より好ましくは１μm 未満であり、０．８μm 未満が更に好ましい。特に１μm 未満の粒子を７０体積％以上含む粉末が最適である。また、Ｓｉ3 Ｎ4 原料粉末は結晶系がαタイプを用いるのが好ましいが、βタイプの粉末が５０体積％以下ならば使用することが可能である。また、陽イオン不純物は３，０００ppm 未満であることが好ましい。より好ましくは１，５００ppm 未満、更に好ましくは９００ppm 未満である。陽イオン不純物を多量に含有すると、焼結体が高い熱伝導率を持たなくなるという欠点が生じる。酸素以外の陰イオン不純物は２，０００ppm 未満であることが好ましい。より好ましくは１，０００ppm 、更に好ましくは５００ppm 未満である。酸素以外の陰イオン不純物も陽イオン不純物と同様に多量に含有すると、焼結体が高い熱伝導率をもたなくなるという欠点が生じる。
【００１８】
次に、添加する焼結助剤は、希土類元素やアルカリ土類元素から選択される一種以上の元素を、単体、化合物の少なくとも一種の形で添加すればよい。例えば、Ｓｃ、Ｙ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｐｍ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ、Ｌｕ、Ｂｅ、Ｍｇ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａがいずれも使用できる。これらＹ、Ｃｅ、Ｌａ、Ｓｃ、Ｂｅ、Ｍｇ等の希土類元素およびアルカリ土類元素は、Ｓｉ3 Ｎ4 セラミックスの緻密化に寄与すると共に、Ｓｉ3 Ｎ4 粉中の酸素を粒界の副構成相にトラップし、高熱伝導化に大きく貢献する。特に好ましい元素は、このような効果の大きいＹ、Ｃｅ、Ｌａ、Ｙｂ、Ｓｃ、Ｂｅ、Ｍｇ元素である。
【００１９】
これら元素を含有する化合物の形態としては、酸化物の形態が特に好ましく、焼結条件下で酸化物となる化合物も用いてもよい。つまり、炭酸塩、硝酸塩、シュウ酸塩、硫酸塩、水酸化物なども使用することが可能である。このような焼結助剤は、酸化物以外の、ハロゲン化物、酸ハロゲン化物、アセチリド化合物、炭化物、水素化物、窒化物、硼化物、ケイ化物、硫化物等の形で添加してもよい。これら希土類元素およびアルカリ土類元素の添加量は、原料粉末中に含まれる酸素量との兼ね合いで最適量を決定すべきではあるが、酸化物換算で０．０１〜１５重量％であることが望ましい。好ましくは０．１〜１０重量％、更に好ましくは１〜８重量％である。また、希土類元素およびアルカリ土類元素を含む化合物を両方添加するか、両類の元素を含有する複合化合物を添加すると低温で焼結することが可能となり、焼結開始温度を最大で２００℃低下させることができる。
【００２０】
また、焼結の補助添加物として、Ｓｉ元素を含有する化合物を添加すると焼結性が向上することがあり、必要ならば添加する。具体的な一例としては、酸素量が少ないＳｉ3 Ｎ4 原料粉末を用いた場合、焼結性向上のためにＳｉＯ2 を添加すると容易に緻密な焼結体を得ることができる。また、Ａｌ元素を含む化合物を添加すると、粒界成分が結晶化し強度の高いＳｉ3 Ｎ4 焼結体が得られる。例えばＡｌ2 Ｏ3 やＡｌＮが挙げられる。
【００２１】
更に、回路基板は用途に応じて、着色、つまり、遮光性が求められる。この場合には、周期律表のIVａ、Ｖａ、VIａ、VII ａ、VIII族元素を、単体、化合物の少なくとも一種の形態で添加すれば近紫外域から赤外域までの遮光が可能となる。好ましい添加量は、元素換算で０．０３〜５重量％であり、より好ましくは０．１〜３重量％、更に好ましくは０．２〜１重量％である。
【００２２】
これらの焼結助剤等の添加物は、予め原料粉末に添加すればよい。ただし、添加物の種類によっては、含浸等の方法で後に添加してもよい。
【００２３】
用いる結合剤は、１，４００℃以下の温度で分解する有機高分子体が好ましい。具体的には、ポリメチルメタクリレート、ポリビニルブチラール、ポリアクリル酸エステル、ポリビニルアルコール、セルロースアセテートブチレート、セルロース等の酸素含有有機高分子体を１〜３種、あるいはそれ以上混合したものを用いることができる。バインダの種類や量ならびに溶剤量等の選択はＳｉ3 Ｎ4 原料粉末の特性や、作製したいシートの厚み等で随意選択する。また、脱バインダは、Ｎ2 、Ａｒ、Ｈ2 等の非酸化性雰囲気中で行えばよい。更に、脱バインダ後のカーボンを少なくしたい場合にはＨ2 Ｏを含有させてもよい。
【００２４】
以上のようなＳｉ3 Ｎ4 粉末、焼結助剤や結合剤等を含有するグリーンシートを焼結すると絶縁層が形成されるが、好ましい焼結条件については後述する。
【００２５】
次に、本発明に係る回路基板中の導体層について説明する。
【００２６】
本発明の第一の態様は、この導体層の主成分がＭｏ、Ｗの少なくとも一種であり、更に周期律表のVIII族元素から選択される一種以上の元素を含むものである。
【００２７】
周期律表のVIII族元素であるＮｉ、Ｃｏ、Ｆｅ元素を添加すると、導体層の主成分であるＭｏ、Ｗの焼結性が著しく向上する。これは、導体層中に液相が焼結途中に生成しＭｏ、Ｗが液相焼結により焼結が促進されるためである。これらＮｉ、Ｃｏ、Ｆｅ元素は単体金属の粉末で添加してもよいし、化合物の形で添加してもよい。化合物の形で添加する際には、酸化物で添加するのが最も好ましいが、焼結途中に酸化物となる化合物を添加してもよい。具体的には、炭酸塩、硝酸塩、水酸化物、硫酸塩等がある。更に酸化物以外の化合物、例えば、硼化物、ケイ化物、水素化物、弗化物、窒化物、炭化物、リン化物、硫化物等の形で添加してもよい。
【００２８】
添加量は、一酸化物換算で、０．０１〜５重量％の範囲が好ましい。０．０１重量％未満の添加の場合には、導体層中に十分な量の液相が生成しないためにＭｏ、Ｗの焼結が十分促進されない場合がある。つまり、導体の相対密度が低い値で焼結は停止してしまう。したがって、相対密度が低く、収縮率が小さいために絶縁層と収縮率ミスマッチングが発生し、反りの発生や、位置精度の低い回路基板となってしまう。更にはＨｅリーク特性も悪くなる。また５重量％を超える添加を行うと、焼結途中に生成する液相が多すぎて、液相の蒸発により導体層中に膨れが発生すると共に、高抵抗の合金相が多量生成してしまい、導体全体の抵抗率が高くなる場合がある。添加量はより好ましくは０．０３〜１重量％、更に好ましくは０．０５〜０．６重量％である。０．０１〜５重量％の範囲でVIII族元素を添加する場合には導体層の相対密度は９０％以上となり、抵抗率も５０μΩcm以下になる。条件を最適化すれば相対密度が９５％以上で抵抗率が２０μΩcm以下の緻密で低抵抗な導体が得られる。更に最適化すれば１５μΩcm以下の低抵抗な導体も得られる。その結果得られる回路基板は、絶縁層と導体層の収縮率マッチングが達成されているために、各部分の位置精度は±１％以内、最適化したものでは±０．５％以下の位置精度を有する。更に反りの発生が抑制され、２０μm/１０mm対角線以下になる。最適化を行うと５μm/１０mm対角線の反り量にまで小さくなる。更に周期律表のVIII族を添加した導体にＮｉメッキを施す場合には、導体層とメッキ層の接合強度が大きな値となる。
【００２９】
導体形成に用いるＭｏ、Ｗ粉末の粒度が１．５μm 以上のものを使用するときに、周期律表のVIII族を添加すると大きい効果が得られる。また、１，７５０℃以下の低焼結温度で回路基板を作製するときにも、周期律表のVIII族を添加すると、導体の収縮が促進され好ましい。
【００３０】
更に、導体層に、絶縁層の主成分であるＳｉ3 Ｎ4 を共材という形で添加すると、絶縁層部分の収縮率と導体部分の収縮率とのマッチングが容易に達成される。添加するＳｉ3 Ｎ4 は絶縁体であるために、多量の添加は導体層の抵抗率の上昇に結び付くために好ましくない。また添加量が少ないとＳｉ3 Ｎ4 の共材添加の効果が小さくなるので好ましくない。共材の添加量が、０．１〜１０重量％の範囲にある場合、上記の効果が得られる。好ましくは０．５〜５重量％の範囲であり、更に好ましくは１〜３重量％の範囲である。Ｓｉ3 Ｎ4 共材を添加した回路基板は、絶縁体層と導体層間の収縮率マッチングが達成されるために反りの発生が極端に抑制される。そのために、焼結後の反りを無くすための反り直しの工程を行う必要もない。また、その結果、位置精度も±１％以下、添加量を最適化すると容易に±０．５％以下にすることができる。更に、Ｍｏ、Ｗ導体はＳｉ3 Ｎ4 共材が添加されると収縮が促進され緻密な導体となるために、低抵抗な導体が得られる。
【００３１】
また、絶縁層にＡｌ元素を含む化合物を添加すると、粒界相成分が結晶化し、強度の高いＳｉ3 Ｎ4 焼結体が得られる。例えばＡｌ2 Ｏ3 やＡｌＮが挙げられるが、導体層にＡｌＮを添加すると、絶縁体層の粒界相成分と密着性が高まるために、絶縁体層と導体層の密着性が高まる。この場合は、Ｓｉ3 Ｎ4 に、希土類元素化合物やアルカリ土類元素化合物とこの化合物とを一緒に添加するとより大きい効果が得られる。ＡｌＮの添加量は、０．００５〜０．２重量％が好ましい。
【００３２】
本発明の導体層中には、更に、アルカリ土類元素および希土類元素から選択される一種以上の元素が含まれてもよい。これらを単体、化合物の少なくとも一種の形で添加すると、ヘリウムリーク試験で確認できるように緻密な導体が得られる。希土類元素およびアルカリ土類元素としては、例えば、Ｓｃ、Ｙ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｐｍ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ、Ｌｕ、Ｂｅ、Ｍｇ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａが挙げられる。特に、工業的には、Ｙ、Ｃｅ、Ｌａ、Ｓｃ、Ｂｅ、Ｍｇが好ましい。これら元素の酸化物は特に好ましく、焼結条件下で酸化物となる化合物も用い得、炭酸塩、硝酸塩、シュウ酸塩、硫酸塩、水酸化物なども使用することが可能である。このような添加物は、酸化物以外の、ハロゲン化物、酸ハロゲン化物、アセチリド化合物、炭化物、水素化物、窒化物、硼化物、ケイ化物、硫化物等の形でもよい。希土類元素およびアルカリ土類元素の導体層中での含有量は、酸化物換算で０．０１〜１５重量％が好ましい。あまり多いと導体層の導電率が低下し、少ないと導体層の剥離防止、基板の反り防止などの効果を得ることができない場合があるからである。
【００３３】
導体層中に、更に、Ｓｉ、Ａｌ元素の少なくとも一種を含有する単体もしくは化合物を添加すると、無添加時と比較して、相対密度が大きな緻密な導体層が得られ、導体層の剥離防止および接合強度の向上、基板の反り防止などの効果が得ることができる。例えば、Ｓｉ元素を含有する化合物としてはＳｉＯ2 が挙げられ、また、Ａｌ元素を含有する化合物はＡｌ2 Ｏ3 が挙げられる。
このような添加物は、同時焼結時にアルミネート液相やシリケート液相を形成する。また、同時焼結時に絶縁体層中にもアルミネート液相やシリケート液相が生じる。このように、導体層中にアルミネート液相やシリケート液相が生じることにより、絶縁体層に生じる液相の導体層による吸い上げが防止され、このような吸い上げによる絶縁体層中の組成の不均一を防止し、基板の反りを防止することができる。
【００３４】
この導体層は、周期律表のIVａおよびＶａ族元素から選択される元素を、単体、化合物の少なくとも一種の形態で副導体成分として含有してもよく、更に微量の低融点貴金属元素（Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｐｔ、Ｐｄ等）を含有してもよい。
【００３５】
本発明の第二の態様は、この導体層の主成分がＭｏ、Ｗの少なくとも一種であり、更にＡｌＮを含むものである。この導体層は、第一の態様で述べたようなアルカリ土類元素や希土類元素、共材としてのＳｉ3 Ｎ4 、Ｓｉ、Ａｌ元素の少なくとも一種を含有する化合物、VIII族元素を含有してもよい。また、周期律表のIVａおよびＶａ属元素から選択される元素を、単体、化合物の少なくとも一種の形態で副導体成分として含有してもよく、更に微量の低融点貴金属元素（Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｐｔ、Ｐｄ等）を含有してもよい。
【００３６】
導体層にＡｌＮを添加すると、絶縁層部分の収縮率と導体部分の収縮率とのマッチングが可能となるばかりでなく、ＡｌＮとＷ、Ｍｏは反応を起こさないため、導体層の抵抗率の上昇が抑制される。しかし、多量の添加は、導体成分の量的減少に起因した抵抗率の上昇に結び付くために好ましくない。ＡｌＮの添加量が０．１〜１０重量％の範囲にある場合、上記効果が得られる。好ましくは０．５〜５重量％の範囲であり、更に好ましくは１〜３重量％の範囲である。ＡｌＮを添加した回路基板は絶縁体層と導体層間の収縮率マッチングが達成されるために反りの発生が抑制される。そのために、焼結後の反りを無くすための反り直しの工程を行う必要もない。またその結果、位置精度も±１％以下にすることができる。更に、Ｍｏ、Ｗ導体は、ＡｌＮが添加されると、収縮が促進され緻密な導体となるばかりでなく、ケイ化物等が生成しないため、低抵抗な導体層が得られる。抵抗率は３０μΩcm以下になる。条件を最適化すれば、２０μΩcm以下、更に最適化すれば１５μΩcm以下の低抵抗な導体層が得られる。
【００３７】
以下に、本発明の回路基板の製造方法について述べる。
【００３８】
はじめに、本発明の第一の態様に係る回路基板の製造方法について述べる。
まず、同時焼結した後も導電性を維持し得る、具体的にはＭｏおよびＷを主成分とし、周期律表のVIII族元素の単体、その酸化物などの化合物の少なくとも一種を粉末にしたものをペースト化し、Ｓｉ3 Ｎ4 グリーンシート上に所望のパターンで印刷する。また、ペースト化する際、副導体成分として、周期律表のIVａおよびＶａ族元素から選択される一種以上の元素を、単体、化合物の少なくとも一種の形態で添加してもよい。この際、グリーンシートにはパンチングマシーンなどを用いてビアホールを形成しておき、予め焼結後導体となる導電ペーストを圧入やメタルマスクなどを用いて印刷充填などにより充填しておく。このビアホールによりグリーンシートをはさむ上下導体間の電気的接続を行う。
【００３９】
この導体ペーストに、Ｓｉ3 Ｎ4 やＡｌＮセラミック粉末を添加してもよい。更に、希土類元素およびアルカリ土類元素から選択される一種以上の元素を、単体、化合物の少なくとも一種の形態で、更にはＳｉ、Ａｌ元素の少なくとも一種を含有する単体や化合物を添加してもよい。
【００４０】
なお、導体の体積が大きくなるビアホール部分にのみ、Ｓｉ3 Ｎ4 等を添加しても基板の反りが発生しないことがある。すなわち、基板の大きさや、設計で決めた導体層の配置によっては、少なくとも一部分の導体層に添加すれば反りの少ない回路基板が得られる場合がある。
【００４１】
Ｓｉ元素やＡｌ元素を、希土類元素を含有する単体もしくは化合物と共に、混合物の形態で添加する場合には、アルミネートやシリケートを形成するような比率で混合することが好ましい。例えば、Ａｌ元素を含む化合物としてアルミナを添加する場合、アルミナの量はアルミネートを形成できるように０．０３〜１０重量％であることが好ましい。より好ましくは０．０５〜５重量％であり、更に好ましくは０．１〜１重量％である。また、Ｓｉ元素を含む化合物としてＳｉＯ2 を添加する場合、ＳｉＯ2 の量はシリケートを形成できるように０．０３〜１０重量％であることが好ましい。より好ましくは０．０５〜５重量％であり、更に好ましくは０．１〜１重量％である。
【００４２】
希土類元素やアルカリ土類元素から選択される元素は、Ｓｉ3 Ｎ4 セラミックスの焼結助剤と同種のものを用いることが好ましい。
異種のものを用いても、絶縁層中と導体層中にアルミネートやシリケートは生成するが、同種のものを用いると絶縁層中と導体層中に同一のアルミネートやシリケートが生成し、より組織の不均一化が防止され吸い上げが防止される。したがって、基板の反りが更に防止されることになる。
【００４３】
このような成分を含有する導電ペーストを塗布した多層グリーン成形体を脱バインダした後、焼結工程に供する。この焼結工程は特に限定されず公知の窒化珪素で行われる焼結方法がそのまま採用される。焼結炉にセットする際のセッターの材質は、グラファイト、ＢＮ、ＡｌＮ等を用いると回路基板の焼結は可能となるが、最も好ましいのはＳｉ3 Ｎ4 でできたセッターであり、これを用いると高温で焼結しても、焼結体の一部で起こりやすい反応（セッターと被焼結物間の反応）が全く起こらず、焼結上りの表面粗さは非常に小さなものとなり良好な回路基板が得られる。表面粗さは、平均表面粗さＲａで１．０μm 以下になる。より良好な表面をもつものでは０．５μm 以下、更に良好な表面をもつものでは０．３μm 以下になる。一般には、常圧下、加圧下、減圧下の非酸化性雰囲気下、例えば窒素雰囲気やアルゴン雰囲気の下で１，３５０℃〜１，９５０℃の温度で焼結を実施すればよい。焼結温度を高い温度に設定すると、珪化物が一部生成するが、焼結温度を１，８５０℃以下に設定すると、珪化物の生成は少なくなる。より好ましくは１，８００℃以下であり、更に好ましくは１，７００℃以下である。焼結に必要な時間は焼結に供される成形体の厚さや焼結温度などの諸条件によって異なるが、一般に、０．５時間〜１００時間の範囲から選択する。これらの条件は実施に先立ち諸条件に応じて適当な範囲を予め決定して実施するのが好ましい。
【００４４】
得られるＳｉ3 Ｎ4 回路基板を高熱伝導で緻密、更には高強度にするためには、特に１，０００℃以上の高温部で平均昇温速度を１〜４０℃/minの範囲とすることが好ましい。より好ましくは、５〜３０℃/min、更に好ましくは８〜２５℃/minの範囲とすることが好ましい。上記焼結により、相対密度が９５％以上のＳｉ3 Ｎ4 絶縁層が得られる。より緻密なものとして９８％以上、更には９９％以上の絶縁層が得られる。
【００４５】
このようにして製造された本発明の第一の態様に係る回路基板は次のような特性を有する。
【００４６】
まず、この本発明の回路基板は、表裏平行度が非常に小さな値となっており、反りやうねりが非常に小さく、外部端子の数が非常に多い（例えば１，０００端子以上の）回路基板でも実装時に半田接続が容易に行うことができる。基板の反りやうねりの有無を表す表裏平行度は、焼結体多層回路基板の対角線１０cm当たりを基準にして中央部と周縁部との反りの最大値を測定して求めた場合、０．２mm以下の非常に小さな値となる。大面積の回路基板の場合には、表裏平行度が０．０５mm以下の本発明に係る基板を用いれば実装が可能となる。
【００４７】
また、この回路基板の内部抵抗は、表面抵抗および内部抵抗が５０μΩcm以下と良好な値となる。更に最適化を行うと２０μΩcm以下の値となる。周期律表のVIII族元素を含有させて導体層を形成させるために、導体の密度が高くなり、珪化物の生成も抑制され、低抵抗な導体が作製される。珪化物の生成を抑制する方法として、導体層中にＡｌＮをフィーラーとして添加してもよい。更に、Ｓｉ3 Ｎ4 を導体層に添加する場合には、絶縁体層と導体層の収縮挙動がほぼ同一のものとなり、収縮率のマッチングが達成されて、±１％以下の位置精度が達成される。更に好ましいものでは±０．５％以下の位置精度が達成される。このような位置精度と平坦性を有する回路基板では、フリップチップ実装も容易に行うことができる。
【００４８】
更に、この回路基板中の絶縁体層と導体層の接合強度は、５ kg/２mm×２mm以上の値となる。５ kg/２mm×２mm未満の値では、外部端子にピンを用いた場合、接合強度としては不足であり、Ｓｉ3 Ｎ4 と導体間でピンの脱落が生じる。とくに、ＢＧＡ（ボールグリッドアレイパッケージ）の場合に、プリント配線板のような熱膨張率の大きな有機材料に、ボール間隔が狭ピッチで表面実装を行うときには、更に高強度な接合強度が要求される。そのときには６ kg/２mm×２mm以上の接合強度を有する導体層組成を選択すればよい。更に最適化することで７ kg/２mm×２mm以上の接合強度を有するものが得られる。
【００４９】
次に、本発明の第二の態様に係る回路基板の製造方法について述べる。
まず、同時焼結した後も導電性を維持し得る、具体的にはＭｏおよびＷを主成分とし、ＡｌＮ粉末と混合したものをペースト化し、Ｓｉ3 Ｎ4 グリーンシート上に所望のパターンで印刷する。また、ペースト化する際、副導体成分として、周期律表のIVａおよびＶａ族元素から選択される一種以上の元素を、単体、化合物の少なくとも一種の形態で添加してもよい。この導体層は、第一の態様で述べたようなアルカリ土類元素や希土類元素、共材としてのＳｉ3 Ｎ4 、Ｓｉ、Ａｌ元素の少なくとも一種を含有する化合物、VIII属元素を含有しても良い。この際、グリーンシートにはパンチングマシーンなどを用いてビアホールを形成しておき、予め焼結後導体となる導電ペーストを圧入やメタルマスクなどを用いて印刷充填などにより充填しておく。このビアホールによりグリーンシートをはさむ上下導体間の電気的接続を行う。
この導体ペーストには、ＡｌＮセラミック粉末が添加されている。
【００５０】
なお、導体の体積が大きくなるビアホール部分にのみ、ＡｌＮを添加しても基板の反りが発生しないことがある。すなわち、基板の大きさや、設計で決めた導体層の配置によっては、少なくとも一部分の導体層に添加すれば反りの少ない回路基板が得られる場合がある。
【００５１】
Ｓｉ元素やＡｌ元素を、希土類元素を含有する単体もしくは化合物と共に、混合物の形態で添加する場合には、アルミネートやシリケートを形成するような比率で混合することが好ましい。例えば、Ａｌ元素を含む化合物としてアルミナを添加する場合、アルミナの量はアルミネートを形成できるように０．０３〜１０重量％であることが好ましい。より好ましくは０．０５〜５重量％であり、更に好ましくは０．１〜１重量％である。また、Ｓｉ元素を含む化合物としてＳｉＯ2 を添加する場合、ＳｉＯ2 の量はシリケートを形成できるように０．０３〜１０重量％であることが好ましい。より好ましくは０．０５〜５重量％であり、更に好ましくは０．１〜１重量％である。
【００５２】
希土類元素やアルカリ土類元素から選択される元素は、Ｓｉ3 Ｎ4 セラミックスの焼結助剤と同種のものを用いることが好ましい。この元素は導体中のＡｌＮの焼結助剤としても働く。
異種のものを用いても、絶縁層中と導体層中にアルミネートやシリケートは生成するが、同種のものを用いると絶縁層中と導体層中に同一のアルミネートやシリケートが生成し、より組織の不均一化が防止され吸い上げが防止される。したがって、基板の反りが更に防止されることになる。
【００５３】
このような成分を含有する導電ペーストを塗布した多層グリーン成形体を脱バインダした後、焼結工程に供する。この焼結工程は特に限定されず公知の窒化珪素で行われる焼結方法がそのまま採用される。焼結炉にセットする際のセッターの材質は、グラファイト、ＢＮ、ＡｌＮ等を用いると回路基板の焼結は可能となるが、最も好ましいのはＳｉ3 Ｎ4 でできたセッターであり、これを用いると高温で焼結しても、焼結体の一部で起こりやすい反応（セッターと被焼結物間の反応）が全く起こらず、焼結上りの表面粗さは非常に小さなものとなり良好な回路基板が得られる。表面粗さは、平均表面粗さＲａで１．０μm 以下になる。より良好な表面をもつものでは０．５μm 以下、更に良好な表面をもつものでは０．３μm 以下になる。一般には、常圧下、加圧下、減圧下の非酸化性雰囲気下、例えば窒素雰囲気やアルゴン雰囲気の下で１，３５０℃〜１，９５０℃の温度で焼結を実施すればよい。焼結温度を高い温度に設定すると、珪化物が一部生成するが、焼結温度を１，８５０℃以下に設定すると、珪化物の生成は少なくなる。より好ましくは１，８００℃以下であり、更に好ましくは１，７００℃以下である。焼結に必要な時間は焼結に供される成形体の厚さや焼結温度などの諸条件によって異なるが、一般に、０．５時間〜１００時間の範囲から選択する。これらの条件は実施に先立ち諸条件に応じて適当な範囲を予め決定して実施するのが好ましい。
【００５４】
得られるＳｉ3 Ｎ4 回路基板を高熱伝導で緻密、更には高強度にするためには、特に１，０００℃以上の高温部で平均昇温速度を１〜４０℃/minの範囲とすることが好ましい。より好ましくは、５〜３０℃/min、更に好ましくは８〜２５℃/minの範囲とすることが好ましい。上記焼結により、相対密度が９５％以上のＳｉ3 Ｎ4 絶縁層が得られる。より緻密なものとして９８％以上、更には９９％以上の絶縁層が得られる。
【００５５】
このようにして製造された本発明の第二の態様に係る回路基板は次のような特性を有する。
【００５６】
まず、この本発明の回路基板は、表裏平行度が非常に小さな値となっており、反りやうねりが非常に小さく、外部端子の数が非常に多い（例えば１，０００端子以上の）回路基板でも実装時に半田接続が容易に行うことができる。基板の反りやうねりの有無を表す表裏平行度は、焼結体多層回路基板の対角線１０cm当たりを基準にして中央部と周縁部との反りの最大値を測定して求めた場合、０．２mm以下の非常に小さな値となる。大面積の回路基板の場合には、表裏平行度が０．０５mm以下の本発明に係る基板を用いれば実装が可能となる。
【００５７】
また、この回路基板の内部抵抗は、表面抵抗および内部抵抗が３０μΩcm以下と良好な値となる。最適化を行うと２０μΩcm以下の値、さらに最適化を行うと１５μΩcm以下の値となる。ＡｌＮ粉末を含有させて導体層を形成させるために、導体の密度が高くなり、珪化物の生成も抑制され、低抵抗な導体が作製される。更に、Ｓｉ3 Ｎ4 を導体層に添加する場合には、絶縁体層と導体層の収縮挙動がほぼ同一のものとなり、収縮率のマッチングが達成されて、±１％以下の位置精度が達成される。更に好ましいものでは±０．５％以下の位置精度が達成される。このような位置精度と平坦性を有する回路基板では、フリップチップ実装も容易に行うことができる。
【００５８】
更に、この回路基板中の絶縁体層と導体層の接合強度は、５ kg/２mm×２mm以上の値となる。５ kg/２mm×２mm未満の値では、外部端子にピンを用いた場合、接合強度としては不足であり、Ｓｉ3 Ｎ4 と導体間でピンの脱落が生じる。とくに、ＢＧＡ（ボールグリッドアレイパッケージ）の場合に、プリント配線板のような熱膨張率の大きな有機材料に、ボール間隔が狭ピッチで表面実装を行うときには、更に高強度な接合強度が要求される。そのときには６ kg/２mm×２mm以上の接合強度を有する導体層組成を選択すればよい。更に最適化することで７ kg/２mm×２mm以上の接合強度を有するものが得られる。
【００５９】
本発明の回路基板を用いた好適な半導体装置を、図２および図３を参照しながら説明する。この半導体装置は、基板上面１２ａにＥＣＬなどの（特に素子の種類は限定されるものではない）半導体素子６が搭載され、この半導体素子と電気的に接続された配線パターンを有する多層セラミック回路基板１２と、前記配線パターンと電気的に接続されると共に、多層セラミック回路基板１２の基板下面１２ｂに形成された外部端子と、半導体素子６を覆うように、多層セラミック回路基板の基板上面１２ａに接合された高熱伝導性封止部材１３とを備えている。ただし、外部端子と半導体素子が同一の一主面にあっても特に問題なく使用することができる。なお、外部端子は、好ましくは図２に示されるようにリードピン７であり、あるいは図３に示されるように半田ボール１５（ＢＧＡボールグリッドアレイ）でもよい。また、Ｓｉ素子は、回路基板の位置精度が良好であり、平坦性も良好であるので、フリップチップタイプの実装方法も容易に行うことができる。また、高熱伝導性封止部材は、１００W/mK以上の熱伝導率を有する窒化珪素あるいは窒化アルミニウム焼結体や、合金を含む金属から構成するとよい。
【００６０】
上記構成に係る半導体装置によれば、半導体素子において発生する熱が、効率良く、放熱フィンなど（フィンを用いない場合もある）に伝達され、優れた放熱性を発揮させることができる。
【００６１】
また、半導体装置を構成する上で、外部端子の接合面と対向する窒化珪素回路基板の他の主面に半導体素子を搭載した場合には、多ピン化に対応しているうえに半導体装置を小形化することができ、高速の半導体装置としてより好ましい。また、半導体が作動しているときと作動停止したときの温度変化が生じた場合に、回路基板の絶縁層が窒化珪素で構成されているため、外部端子のピンや半田ボール部分に応力がかかる。しかし、強度が高いために、割れなどの不具合は発生しない。更に、一つの回路基板に多数の半導体を搭載するマルチチップモジュール（ＭＣＭ）の形で半導体装置を構成すると、広い面積で外部端子をボードに接合しなければならないが、この場合にも耐熱応力の点で十分使用できるだけの信頼性が得られる。
【００６２】
本発明を更に具体的に説明するために、以下に実施例を挙げて説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
【００６３】
【実施例】
以下に本発明の実施例を説明する。
実施例１
α−Ｓｉ3 Ｎ4 を９５％含有し、他はβ相であり、不純物として酸素を１．４重量％含有し、平均粒径が０．６μm のＳｉ3 Ｎ4 粉末、焼結助剤として平均粒径０．６μm のＹ2 Ｏ3 、平均粒径が０．６μm のα−Ａｌ2 Ｏ3 および着色剤としてＷＯ3 を、各成分比が９４．５０：５．０：０．２：０．３（重量％）となるように配合し、Ｓｉ3 Ｎ4 製ボールを用いて２４時間湿式混合を行い原料を調整した。ついで、この原料に有機バインダーを有機溶媒と共に分散し、スラリーを作製した。このスラリーを脱泡した後、ドクタープレード法により、１００〜８００μm 程度の均一なグリーンシートを作製した。次に、このシートを約１３０mm×１３０mmの大きさに切断し、各層間の電気回路の接続になるビアホールをパンチングマシーンで１００〜３００μm φの太さに開けた。
【００６４】
一方、平均粒径１．９μm のタングステン、平均粒径０．９μm のＮｉＯ、平均粒径が０．６μm であり酸素量１．４重量％のＳｉ3 Ｎ4 粉末および平均粒径０．６μm のＹ2 Ｏ3 を、各成分比が９７．２：０．３：２．３７４：０．１２６（重量％）となるように配合し、有機溶媒と共に混合、分散し、導体ペーストを作製した。ビアホールの形成されたグリーンシート上に、この無機質フィラー添加のタングステンペーストを厚入機を用いて充填し、更にスクリーン印刷機を用いて同一面内の回路を印刷した。これら複数枚を加熱プレスすることで積層過程を終えた。これを１００mm×１００mmの大きさにカットし、次にＮ2 ＋Ｈ2 ＋Ｈ2 Ｏ雰囲気中、最高温度９００℃で脱バインダを行った後、Ｓｉ3 Ｎ4 セッターに脱バインダした成形体を配置し、窒素雰囲気１０気圧中１，８００℃で１２時間加圧焼結し、多層セラミック基板を得た。
【００６５】
得られた基板の導体部のない部分から円板（直径１０mm、厚さ３．５mm）を切り出し、これを試験片としてレーザーフラッシュ法により熱伝導率を測定した。この結果、１００W/mKと高い熱伝導率を示した。
また、基板の反りの有無を表す表裏平行度は、焼結体多層基板の対角線を基準にして中央部と周縁部との反りの最大値を測定することにより求めた。１０cm当たりの反り量として求めた表裏平行度は、０．０４mmであった。
【００６６】
次に、導体層の断面積を算出し、抵抗値から導体層の導体抵抗率を求めた。ただし、表面の配線に関しては、導体層に金属メッキなどを行わずに測定して、無機質フィラーの添加の影響を調べた。この結果、１１μΩcmという、極めて低い抵抗率を示した。更に、得られた基板の２mm×２mmの導体部分にＮｉメッキをしてワイヤー（ピン）を半田付けした後引張強度試験を行い、Ｓｉ3 Ｎ4 基板と導体層間の接着強度を測定した。この結果、８．０kgという、十分に大きい引張強度を有することがわかった。
【００６７】
実施例２〜４８、参考例１〜２および比較例１〜１０
第１表に示すように、Ｓｉ３Ｎ４粉末、焼結助剤粉末、その他添加物および着色剤の種類および添加量、導体成分の種類および添加量、VIII族元素および無機質フィラーの種類および添加量ならびに焼結条件を種々変えて、上記実施例１と同様にしてＳｉ３Ｎ４多層セラミック基板を作製した。それぞれについて熱伝導率、引張強度、表裏平行度および導体抵抗率を測定し、結果を第２表に示した。第２表から明らかなように、本発明の実施例２〜４４では、比較例と比較して表裏平行度が非常に小さく、低い導体抵抗と導体層の密着強度が向上することがわかる。
【００６８】
例えば、実施例２では、引張強度が７．５kg/ ２mm×２mmであるのに対し、比較例１では２．４kg/ ２mm×２mmと、密着強度において著しい差が見られた。また、この実施例２に係る同時焼結体は、反りが少なく、位置精度が高いことが第２表からもわかる。また、この導体層は添加物を含んでいるが、VIII族添加物としてＮｉＯを添加しているので導体層の相対密度が９９％と高く、その比抵抗は添加物を含まない他の実施例と比べても同レベルであることがわかる。
【００６９】
【表１】
【００７０】
【表２】
【００７１】
【表３】
【００７２】
【表４】
【００７３】
【表５】
【００７４】
【表６】
【００７５】
【表７】
【００７６】
【表８】
【００７７】
【表９】
【００７８】
【表１０】
【００７９】
実施例５１
実施例２と同様な構成の絶縁層と導体層を用い、内部配線層を有する２５mm×２５mm×２．６mmの窒化珪素多層回路基板を作製した。窒化珪素多層回路基板の他面側に、銀ろうを用いて２４０本のリードピンを接合した。この後、半導体素子として消費電力１０Ｗのシリコン素子を窒化珪素多層回路基板の上面に接合搭載し、ボンディングワイヤを付設して電気的な接続を完了させた。
【００８０】
更に、１５０W/mKの熱伝導率を有する窒化珪素焼結体を用いて、放熱部材を兼ねる高熱伝導性封止部材を、実施例２の絶縁体部と同様の要領で作成した。そして、窒化珪素多層回路基板の上面にこの封止部材をＡｕ−Ｓｎ半田で接合し、更に封止部材上に直径２５mmの円形７段構造の放熱フィンを配置して目的とする半導体装置を得た。
この半導体装置の放熱性を評価するために、風速を１．５m/s に設定して△ＶＢＥ法により熱抵抗を測定したところ、２．７℃/Wと低熱抵抗であり、放熱性の高い半導体装置が得られることが判明した。
【００８１】
比較例１１
絶縁層にアルミナを用いた以外は実施例３６と同様の原料から構成された絶縁体層と導体層を用い、実施例４５と同様の方法で半導体装置を作製した。この半導体装置の熱抵抗値は、８℃/Wと、実施例５１のものと比較し、著しく高い値を示した。
【００８２】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明に係るＳｉ3 Ｎ4 セラミックス回路基板は絶縁体が高熱伝導性を有し、導体層の密着性が強固でかつ焼結過程における基板の変形が少なく、更に、引張強度は十分に実用可能な特性値を示し、導体の抵抗率が低く、位置精度の高いなど種々の優れた性質を有するものであり、その工業的価値は極めて大きいものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る多層セラミック回路基板を示す部分切欠斜視図である。
【図２】本発明に係る多層セラミック回路基板を用いた半導体装置（外部端子がリードピンの場合）を示した図である。
【図３】外部端子が半田ボールである、本発明に係る半導体装置の部分断面図である。
【符号の説明】
１，１２ 多層セラミック回路基板
２，１４ 絶縁層
３ 導体層
４ ビアホール
５ 放熱フィン
６ 半導体素子
７ リードピン
８ ボンディングワイヤ
９ 導体層（内部配線層）
９ａ ビアホール
１０ 表面配線層
１１ 配線パターン
１２ａ 基板上面
１２ｂ 基板下面
１３ 高熱伝導性封止部材
１３ａ 凸状外縁部
１３ｂ 凹状部
１５ 半田ボール
Ａ 接合面
【発明の属する技術分野】
本発明は、窒化珪素（Ｓｉ3 Ｎ4)焼結体を絶縁体層として用いた高強度高信頼性回路基板およびそれを用いた半導体装置ならびに高強度高信頼性回路基板の製造方法に関する。特に絶縁体層と導体層とを一体焼結させることによって得られる、一層配線または多層配線を有する高強度高信頼性回路基板等に関する。
【０００２】
【従来の技術】
電子機器の小型化にともない、回路基板に実装される半導体素子からの発熱をいかに効率良く放熱するかが重要な問題となっている。また、電力用半導体素子の実装の場合も放熱は重要な問題である。
【０００３】
従来から、回路基板用の絶縁材料としてはＡｌ2 Ｏ3 セラミックスが広く用いられている。ここで、Ａｌ2 Ｏ3 は熱伝導率が最高でも２０W/mKと低いため、放熱性に問題がある。また、特開昭６０−１７８６８８号公報において、電気絶縁性等の絶縁体としての電気的諸特性に優れ、かつ熱伝導性に優れたＡｌＮセラミックスの回路基板への応用が検討されている。
【０００４】
しかしながら、ＡｌＮやＡｌ2 Ｏ3 は、半導体素子からの発熱に起因する熱応力に対して弱く、ＡｌＮセラミックスは４点曲げ強度で３００MPa 程度と強度が低く熱応力が集中すると割れが発生するという問題がある。これはＡｌＮに限った現象ではなく、Ａｌ2 Ｏ3 でも焼結体強度が低いという理由によるもので同様の割れ現象が見られる。また、ＡｌＮセラミックスは耐水性や耐酸性、耐アルカリ性などの耐薬品性が悪く、また外部端子を銀ろうや半田で接合する際の金属との熱膨張係数の差により生ずる応力のために、電気的な金属端子であるピン、リードやボールとの接着部分が破壊されやすいなどの問題もある。
【０００５】
このような問題が概ね解決されたセラミック基板が、特開平４−２１２４４１号公報に示された。このセラミック基板は、Ｓｉ3 Ｎ4 から構成され、アルミナ基板よりも熱放散性が高く、耐環境性、機械的強度や電気的特性に優れたものである。
【０００６】
ところで電子機器の小型化、高密度化を考慮すると回路基板の配線にも高密度化が要求され、多層化は必須の技術となっている。しかしながら、既存の多層化技術はＡｌ2 Ｏ3 セラミック絶縁層やＡｌＮセラミック絶縁層と導体層とを一体焼結するものであり、Ｓｉ3 Ｎ4 セラミック板と導体層の多層化技術は未だ確立していない。また、既存の多層化技術においては、Ｓｉ3 Ｎ4 用の最適な導体層が開発されていないために、多層化技術により作製された回路基板あるいは半導体装置においては、高抵抗な導体層、絶縁層と導体層の収縮率ミスマッチングによる低い位置精度、反りの発生、導体回路の断線、あるいは剥離などという問題が存在する。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、低抵抗な導体層、絶縁層と導体層の収縮率がマッチングした高い位置精度、導体層と絶縁体層との密着性が強固で、反りや断線等の生じにくいという高信頼性を有する高強度のＳｉ3 Ｎ4 セラミックスを用いた回路基板およびそれを用いた半導体装置ならびに高強度高信頼性回路基板の製造方法、特に同時焼結による一層配線や多層配線を有する高強度高信頼性回路基板等を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、少なくとも絶縁体層と導体層を含む回路基板において、全絶縁体層のうち少なくとも一層が、β−Ｓｉ3 Ｎ4 を主成分とし、希土類元素およびアルカリ土類元素からなる群より選択される一種以上の元素を含有する焼結体であり、かつ全導体層のうち少なくとも一層が、Ｍｏ、Ｗの少なくとも一種を主成分とし、周期律表のVIII族元素から選択される一種以上の元素を更に含むことを特徴とする高強度高信頼性回路基板およびそれを用いた半導体装置が、上記課題を解決し得ることを見いだした。また、全導体層のうち少なくとも一層は、更に、希土類元素およびアルカリ土類元素からなる群より選択される一種以上の元素や、Ｓｉ3 Ｎ4 、ＡｌＮの少なくとも一種を含んでいてもよい。
【０００９】
また、本発明者らは、少なくとも絶縁体層と導体層とを含む回路基板において、全絶縁体層のうちの少なくとも一層が、β−Ｓｉ3 Ｎ4 を主成分とし、希土類元素およびアルカリ土類元素からなる群より選択される一種以上の元素を含有する焼結体であり、かつ全導体層のうちの少なくとも一層が、Ｍｏ、Ｗの少なくとも一種を主成分とし、更にＡｌＮを含むことを特徴とする回路基板およびそれを用いる半導体装置も、上記課題を解決し得ることを見いだした。
【００１０】
ここで、「全絶縁体層のうち少なくとも一層が、β−Ｓｉ3 Ｎ4 を主成分とし」とは、β−Ｓｉ3 Ｎ4 の絶縁層（少なくとも一層）に占める含有率が、５０wt％以上かつ５０vol%以上であることを意味する。
つまり、α−Ｓｉ3 Ｎ4 や粒界成分、さらに着色成分等のβ−Ｓｉ3 Ｎ4 以外の相の合計含有率が５０wt％以下かつ５０vol%以下であることを意味する。
【００１１】
また、「全導体層のうちの少なくとも一層が、Ｍｏ、Ｗの少なくとも一種を主成分とし」とは、導体層（少なくとも一層）に占めるＷとＭｏとの合計含有率が、５０wt％以上かつ５０vol%以上であることを意味し、Ｍｏ、Ｗは両成分が入っている必要はなく、ＷあるいはＭｏの一方が０wt％（０vol%）であってもよい。つまり、他の成分、具体的にはＳｉ3 Ｎ4 、ＡｌＮ、VIII元素成分等の導体層中のＷとＭｏ以外の合計含有率が、５０wt％以下かつ５０vol%以下であることを意味する。
【００１２】
更に、本発明者らは、α−Ｓｉ3 Ｎ4 に焼結助剤として希土類元素およびアルカリ土類元素からなる群より選択される一種以上の元素を添加した後、これを焼結して絶縁体層を形成させる工程；Ｍｏ、Ｗの少なくとも一種元素に、周期律表のVIII族に属する元素より選択される一種以上の元素を添加して導体層を形成させる工程；および絶縁体層と導体層とを同時焼結する工程を含むことを特徴とする回路基板の製造方法が、上記課題を解決し得ることを見いだした。
【００１３】
【発明の実施の形態】
まず、本発明に係る回路基板中の絶縁体層について説明する。
絶縁体層は、β−Ｓｉ3 Ｎ4 を主成分とする多結晶焼結体である。この絶縁体層の強度は、７００MPa 以上であることが好ましく、組成や焼結条件の最適化によりこの強度を１，０００MPa 以上とするのがより好ましい。
【００１４】
また、熱伝導率は、アルミナのそれよりも高い３０W/mK以上であることが好ましく、７０W/mK以上であることがより好ましい。例えば、７０W/mKの熱伝導率を有する絶縁体層は、酸素含有量の少ないＳｉ3 Ｎ4 の原料粉末を用いたり、Ａｌ2 Ｏ3 やＳｉＯ2 を添加したりして得られる。Ａｌ2 Ｏ3 等を添加する場合、添加量は０．８重量％以下であることが好ましく、より好ましくは０．２５重量％以下である。当業者が容易に行い得る範囲内で最適化を行うと、１３０W/mK以上の熱伝導率を有するＳｉ3 Ｎ4 絶縁体層を得ることができる。
【００１５】
次に、この絶縁体層の製造方法を説明する。まず、Ｓｉ3 Ｎ4 グリーンシートを作製する。このグリーンシートは、Ｓｉ3 Ｎ4 粉末、焼結助剤、結合剤（バインダ）等を溶剤と共に十分混合したものを用いて、例えばドクターブレード法等により作製し得る。
【００１６】
用いるＳｉ3 Ｎ4 粉末に関し、特に制限はないが、絶縁体層の熱伝導率を考慮すると、酸素量が３．０重量％以下のα−Ｓｉ3 Ｎ4 粉末を用いることが好ましい。より好ましくは酸素量が２．０重量％未満であり、更に好ましくは１．５重量％未満である。焼結体中の酸素量が少ないほど熱伝導率が高くなるからである。
【００１７】
また、用いるＳｉ3 Ｎ4 粉末は、粒子径が小さいものが揃っているほうが好ましく、平均粒子径は２μm 未満であるものが好ましい。より好ましくは１μm 未満であり、０．８μm 未満が更に好ましい。特に１μm 未満の粒子を７０体積％以上含む粉末が最適である。また、Ｓｉ3 Ｎ4 原料粉末は結晶系がαタイプを用いるのが好ましいが、βタイプの粉末が５０体積％以下ならば使用することが可能である。また、陽イオン不純物は３，０００ppm 未満であることが好ましい。より好ましくは１，５００ppm 未満、更に好ましくは９００ppm 未満である。陽イオン不純物を多量に含有すると、焼結体が高い熱伝導率を持たなくなるという欠点が生じる。酸素以外の陰イオン不純物は２，０００ppm 未満であることが好ましい。より好ましくは１，０００ppm 、更に好ましくは５００ppm 未満である。酸素以外の陰イオン不純物も陽イオン不純物と同様に多量に含有すると、焼結体が高い熱伝導率をもたなくなるという欠点が生じる。
【００１８】
次に、添加する焼結助剤は、希土類元素やアルカリ土類元素から選択される一種以上の元素を、単体、化合物の少なくとも一種の形で添加すればよい。例えば、Ｓｃ、Ｙ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｐｍ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ、Ｌｕ、Ｂｅ、Ｍｇ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａがいずれも使用できる。これらＹ、Ｃｅ、Ｌａ、Ｓｃ、Ｂｅ、Ｍｇ等の希土類元素およびアルカリ土類元素は、Ｓｉ3 Ｎ4 セラミックスの緻密化に寄与すると共に、Ｓｉ3 Ｎ4 粉中の酸素を粒界の副構成相にトラップし、高熱伝導化に大きく貢献する。特に好ましい元素は、このような効果の大きいＹ、Ｃｅ、Ｌａ、Ｙｂ、Ｓｃ、Ｂｅ、Ｍｇ元素である。
【００１９】
これら元素を含有する化合物の形態としては、酸化物の形態が特に好ましく、焼結条件下で酸化物となる化合物も用いてもよい。つまり、炭酸塩、硝酸塩、シュウ酸塩、硫酸塩、水酸化物なども使用することが可能である。このような焼結助剤は、酸化物以外の、ハロゲン化物、酸ハロゲン化物、アセチリド化合物、炭化物、水素化物、窒化物、硼化物、ケイ化物、硫化物等の形で添加してもよい。これら希土類元素およびアルカリ土類元素の添加量は、原料粉末中に含まれる酸素量との兼ね合いで最適量を決定すべきではあるが、酸化物換算で０．０１〜１５重量％であることが望ましい。好ましくは０．１〜１０重量％、更に好ましくは１〜８重量％である。また、希土類元素およびアルカリ土類元素を含む化合物を両方添加するか、両類の元素を含有する複合化合物を添加すると低温で焼結することが可能となり、焼結開始温度を最大で２００℃低下させることができる。
【００２０】
また、焼結の補助添加物として、Ｓｉ元素を含有する化合物を添加すると焼結性が向上することがあり、必要ならば添加する。具体的な一例としては、酸素量が少ないＳｉ3 Ｎ4 原料粉末を用いた場合、焼結性向上のためにＳｉＯ2 を添加すると容易に緻密な焼結体を得ることができる。また、Ａｌ元素を含む化合物を添加すると、粒界成分が結晶化し強度の高いＳｉ3 Ｎ4 焼結体が得られる。例えばＡｌ2 Ｏ3 やＡｌＮが挙げられる。
【００２１】
更に、回路基板は用途に応じて、着色、つまり、遮光性が求められる。この場合には、周期律表のIVａ、Ｖａ、VIａ、VII ａ、VIII族元素を、単体、化合物の少なくとも一種の形態で添加すれば近紫外域から赤外域までの遮光が可能となる。好ましい添加量は、元素換算で０．０３〜５重量％であり、より好ましくは０．１〜３重量％、更に好ましくは０．２〜１重量％である。
【００２２】
これらの焼結助剤等の添加物は、予め原料粉末に添加すればよい。ただし、添加物の種類によっては、含浸等の方法で後に添加してもよい。
【００２３】
用いる結合剤は、１，４００℃以下の温度で分解する有機高分子体が好ましい。具体的には、ポリメチルメタクリレート、ポリビニルブチラール、ポリアクリル酸エステル、ポリビニルアルコール、セルロースアセテートブチレート、セルロース等の酸素含有有機高分子体を１〜３種、あるいはそれ以上混合したものを用いることができる。バインダの種類や量ならびに溶剤量等の選択はＳｉ3 Ｎ4 原料粉末の特性や、作製したいシートの厚み等で随意選択する。また、脱バインダは、Ｎ2 、Ａｒ、Ｈ2 等の非酸化性雰囲気中で行えばよい。更に、脱バインダ後のカーボンを少なくしたい場合にはＨ2 Ｏを含有させてもよい。
【００２４】
以上のようなＳｉ3 Ｎ4 粉末、焼結助剤や結合剤等を含有するグリーンシートを焼結すると絶縁層が形成されるが、好ましい焼結条件については後述する。
【００２５】
次に、本発明に係る回路基板中の導体層について説明する。
【００２６】
本発明の第一の態様は、この導体層の主成分がＭｏ、Ｗの少なくとも一種であり、更に周期律表のVIII族元素から選択される一種以上の元素を含むものである。
【００２７】
周期律表のVIII族元素であるＮｉ、Ｃｏ、Ｆｅ元素を添加すると、導体層の主成分であるＭｏ、Ｗの焼結性が著しく向上する。これは、導体層中に液相が焼結途中に生成しＭｏ、Ｗが液相焼結により焼結が促進されるためである。これらＮｉ、Ｃｏ、Ｆｅ元素は単体金属の粉末で添加してもよいし、化合物の形で添加してもよい。化合物の形で添加する際には、酸化物で添加するのが最も好ましいが、焼結途中に酸化物となる化合物を添加してもよい。具体的には、炭酸塩、硝酸塩、水酸化物、硫酸塩等がある。更に酸化物以外の化合物、例えば、硼化物、ケイ化物、水素化物、弗化物、窒化物、炭化物、リン化物、硫化物等の形で添加してもよい。
【００２８】
添加量は、一酸化物換算で、０．０１〜５重量％の範囲が好ましい。０．０１重量％未満の添加の場合には、導体層中に十分な量の液相が生成しないためにＭｏ、Ｗの焼結が十分促進されない場合がある。つまり、導体の相対密度が低い値で焼結は停止してしまう。したがって、相対密度が低く、収縮率が小さいために絶縁層と収縮率ミスマッチングが発生し、反りの発生や、位置精度の低い回路基板となってしまう。更にはＨｅリーク特性も悪くなる。また５重量％を超える添加を行うと、焼結途中に生成する液相が多すぎて、液相の蒸発により導体層中に膨れが発生すると共に、高抵抗の合金相が多量生成してしまい、導体全体の抵抗率が高くなる場合がある。添加量はより好ましくは０．０３〜１重量％、更に好ましくは０．０５〜０．６重量％である。０．０１〜５重量％の範囲でVIII族元素を添加する場合には導体層の相対密度は９０％以上となり、抵抗率も５０μΩcm以下になる。条件を最適化すれば相対密度が９５％以上で抵抗率が２０μΩcm以下の緻密で低抵抗な導体が得られる。更に最適化すれば１５μΩcm以下の低抵抗な導体も得られる。その結果得られる回路基板は、絶縁層と導体層の収縮率マッチングが達成されているために、各部分の位置精度は±１％以内、最適化したものでは±０．５％以下の位置精度を有する。更に反りの発生が抑制され、２０μm/１０mm対角線以下になる。最適化を行うと５μm/１０mm対角線の反り量にまで小さくなる。更に周期律表のVIII族を添加した導体にＮｉメッキを施す場合には、導体層とメッキ層の接合強度が大きな値となる。
【００２９】
導体形成に用いるＭｏ、Ｗ粉末の粒度が１．５μm 以上のものを使用するときに、周期律表のVIII族を添加すると大きい効果が得られる。また、１，７５０℃以下の低焼結温度で回路基板を作製するときにも、周期律表のVIII族を添加すると、導体の収縮が促進され好ましい。
【００３０】
更に、導体層に、絶縁層の主成分であるＳｉ3 Ｎ4 を共材という形で添加すると、絶縁層部分の収縮率と導体部分の収縮率とのマッチングが容易に達成される。添加するＳｉ3 Ｎ4 は絶縁体であるために、多量の添加は導体層の抵抗率の上昇に結び付くために好ましくない。また添加量が少ないとＳｉ3 Ｎ4 の共材添加の効果が小さくなるので好ましくない。共材の添加量が、０．１〜１０重量％の範囲にある場合、上記の効果が得られる。好ましくは０．５〜５重量％の範囲であり、更に好ましくは１〜３重量％の範囲である。Ｓｉ3 Ｎ4 共材を添加した回路基板は、絶縁体層と導体層間の収縮率マッチングが達成されるために反りの発生が極端に抑制される。そのために、焼結後の反りを無くすための反り直しの工程を行う必要もない。また、その結果、位置精度も±１％以下、添加量を最適化すると容易に±０．５％以下にすることができる。更に、Ｍｏ、Ｗ導体はＳｉ3 Ｎ4 共材が添加されると収縮が促進され緻密な導体となるために、低抵抗な導体が得られる。
【００３１】
また、絶縁層にＡｌ元素を含む化合物を添加すると、粒界相成分が結晶化し、強度の高いＳｉ3 Ｎ4 焼結体が得られる。例えばＡｌ2 Ｏ3 やＡｌＮが挙げられるが、導体層にＡｌＮを添加すると、絶縁体層の粒界相成分と密着性が高まるために、絶縁体層と導体層の密着性が高まる。この場合は、Ｓｉ3 Ｎ4 に、希土類元素化合物やアルカリ土類元素化合物とこの化合物とを一緒に添加するとより大きい効果が得られる。ＡｌＮの添加量は、０．００５〜０．２重量％が好ましい。
【００３２】
本発明の導体層中には、更に、アルカリ土類元素および希土類元素から選択される一種以上の元素が含まれてもよい。これらを単体、化合物の少なくとも一種の形で添加すると、ヘリウムリーク試験で確認できるように緻密な導体が得られる。希土類元素およびアルカリ土類元素としては、例えば、Ｓｃ、Ｙ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｐｍ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ、Ｌｕ、Ｂｅ、Ｍｇ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａが挙げられる。特に、工業的には、Ｙ、Ｃｅ、Ｌａ、Ｓｃ、Ｂｅ、Ｍｇが好ましい。これら元素の酸化物は特に好ましく、焼結条件下で酸化物となる化合物も用い得、炭酸塩、硝酸塩、シュウ酸塩、硫酸塩、水酸化物なども使用することが可能である。このような添加物は、酸化物以外の、ハロゲン化物、酸ハロゲン化物、アセチリド化合物、炭化物、水素化物、窒化物、硼化物、ケイ化物、硫化物等の形でもよい。希土類元素およびアルカリ土類元素の導体層中での含有量は、酸化物換算で０．０１〜１５重量％が好ましい。あまり多いと導体層の導電率が低下し、少ないと導体層の剥離防止、基板の反り防止などの効果を得ることができない場合があるからである。
【００３３】
導体層中に、更に、Ｓｉ、Ａｌ元素の少なくとも一種を含有する単体もしくは化合物を添加すると、無添加時と比較して、相対密度が大きな緻密な導体層が得られ、導体層の剥離防止および接合強度の向上、基板の反り防止などの効果が得ることができる。例えば、Ｓｉ元素を含有する化合物としてはＳｉＯ2 が挙げられ、また、Ａｌ元素を含有する化合物はＡｌ2 Ｏ3 が挙げられる。
このような添加物は、同時焼結時にアルミネート液相やシリケート液相を形成する。また、同時焼結時に絶縁体層中にもアルミネート液相やシリケート液相が生じる。このように、導体層中にアルミネート液相やシリケート液相が生じることにより、絶縁体層に生じる液相の導体層による吸い上げが防止され、このような吸い上げによる絶縁体層中の組成の不均一を防止し、基板の反りを防止することができる。
【００３４】
この導体層は、周期律表のIVａおよびＶａ族元素から選択される元素を、単体、化合物の少なくとも一種の形態で副導体成分として含有してもよく、更に微量の低融点貴金属元素（Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｐｔ、Ｐｄ等）を含有してもよい。
【００３５】
本発明の第二の態様は、この導体層の主成分がＭｏ、Ｗの少なくとも一種であり、更にＡｌＮを含むものである。この導体層は、第一の態様で述べたようなアルカリ土類元素や希土類元素、共材としてのＳｉ3 Ｎ4 、Ｓｉ、Ａｌ元素の少なくとも一種を含有する化合物、VIII族元素を含有してもよい。また、周期律表のIVａおよびＶａ属元素から選択される元素を、単体、化合物の少なくとも一種の形態で副導体成分として含有してもよく、更に微量の低融点貴金属元素（Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｐｔ、Ｐｄ等）を含有してもよい。
【００３６】
導体層にＡｌＮを添加すると、絶縁層部分の収縮率と導体部分の収縮率とのマッチングが可能となるばかりでなく、ＡｌＮとＷ、Ｍｏは反応を起こさないため、導体層の抵抗率の上昇が抑制される。しかし、多量の添加は、導体成分の量的減少に起因した抵抗率の上昇に結び付くために好ましくない。ＡｌＮの添加量が０．１〜１０重量％の範囲にある場合、上記効果が得られる。好ましくは０．５〜５重量％の範囲であり、更に好ましくは１〜３重量％の範囲である。ＡｌＮを添加した回路基板は絶縁体層と導体層間の収縮率マッチングが達成されるために反りの発生が抑制される。そのために、焼結後の反りを無くすための反り直しの工程を行う必要もない。またその結果、位置精度も±１％以下にすることができる。更に、Ｍｏ、Ｗ導体は、ＡｌＮが添加されると、収縮が促進され緻密な導体となるばかりでなく、ケイ化物等が生成しないため、低抵抗な導体層が得られる。抵抗率は３０μΩcm以下になる。条件を最適化すれば、２０μΩcm以下、更に最適化すれば１５μΩcm以下の低抵抗な導体層が得られる。
【００３７】
以下に、本発明の回路基板の製造方法について述べる。
【００３８】
はじめに、本発明の第一の態様に係る回路基板の製造方法について述べる。
まず、同時焼結した後も導電性を維持し得る、具体的にはＭｏおよびＷを主成分とし、周期律表のVIII族元素の単体、その酸化物などの化合物の少なくとも一種を粉末にしたものをペースト化し、Ｓｉ3 Ｎ4 グリーンシート上に所望のパターンで印刷する。また、ペースト化する際、副導体成分として、周期律表のIVａおよびＶａ族元素から選択される一種以上の元素を、単体、化合物の少なくとも一種の形態で添加してもよい。この際、グリーンシートにはパンチングマシーンなどを用いてビアホールを形成しておき、予め焼結後導体となる導電ペーストを圧入やメタルマスクなどを用いて印刷充填などにより充填しておく。このビアホールによりグリーンシートをはさむ上下導体間の電気的接続を行う。
【００３９】
この導体ペーストに、Ｓｉ3 Ｎ4 やＡｌＮセラミック粉末を添加してもよい。更に、希土類元素およびアルカリ土類元素から選択される一種以上の元素を、単体、化合物の少なくとも一種の形態で、更にはＳｉ、Ａｌ元素の少なくとも一種を含有する単体や化合物を添加してもよい。
【００４０】
なお、導体の体積が大きくなるビアホール部分にのみ、Ｓｉ3 Ｎ4 等を添加しても基板の反りが発生しないことがある。すなわち、基板の大きさや、設計で決めた導体層の配置によっては、少なくとも一部分の導体層に添加すれば反りの少ない回路基板が得られる場合がある。
【００４１】
Ｓｉ元素やＡｌ元素を、希土類元素を含有する単体もしくは化合物と共に、混合物の形態で添加する場合には、アルミネートやシリケートを形成するような比率で混合することが好ましい。例えば、Ａｌ元素を含む化合物としてアルミナを添加する場合、アルミナの量はアルミネートを形成できるように０．０３〜１０重量％であることが好ましい。より好ましくは０．０５〜５重量％であり、更に好ましくは０．１〜１重量％である。また、Ｓｉ元素を含む化合物としてＳｉＯ2 を添加する場合、ＳｉＯ2 の量はシリケートを形成できるように０．０３〜１０重量％であることが好ましい。より好ましくは０．０５〜５重量％であり、更に好ましくは０．１〜１重量％である。
【００４２】
希土類元素やアルカリ土類元素から選択される元素は、Ｓｉ3 Ｎ4 セラミックスの焼結助剤と同種のものを用いることが好ましい。
異種のものを用いても、絶縁層中と導体層中にアルミネートやシリケートは生成するが、同種のものを用いると絶縁層中と導体層中に同一のアルミネートやシリケートが生成し、より組織の不均一化が防止され吸い上げが防止される。したがって、基板の反りが更に防止されることになる。
【００４３】
このような成分を含有する導電ペーストを塗布した多層グリーン成形体を脱バインダした後、焼結工程に供する。この焼結工程は特に限定されず公知の窒化珪素で行われる焼結方法がそのまま採用される。焼結炉にセットする際のセッターの材質は、グラファイト、ＢＮ、ＡｌＮ等を用いると回路基板の焼結は可能となるが、最も好ましいのはＳｉ3 Ｎ4 でできたセッターであり、これを用いると高温で焼結しても、焼結体の一部で起こりやすい反応（セッターと被焼結物間の反応）が全く起こらず、焼結上りの表面粗さは非常に小さなものとなり良好な回路基板が得られる。表面粗さは、平均表面粗さＲａで１．０μm 以下になる。より良好な表面をもつものでは０．５μm 以下、更に良好な表面をもつものでは０．３μm 以下になる。一般には、常圧下、加圧下、減圧下の非酸化性雰囲気下、例えば窒素雰囲気やアルゴン雰囲気の下で１，３５０℃〜１，９５０℃の温度で焼結を実施すればよい。焼結温度を高い温度に設定すると、珪化物が一部生成するが、焼結温度を１，８５０℃以下に設定すると、珪化物の生成は少なくなる。より好ましくは１，８００℃以下であり、更に好ましくは１，７００℃以下である。焼結に必要な時間は焼結に供される成形体の厚さや焼結温度などの諸条件によって異なるが、一般に、０．５時間〜１００時間の範囲から選択する。これらの条件は実施に先立ち諸条件に応じて適当な範囲を予め決定して実施するのが好ましい。
【００４４】
得られるＳｉ3 Ｎ4 回路基板を高熱伝導で緻密、更には高強度にするためには、特に１，０００℃以上の高温部で平均昇温速度を１〜４０℃/minの範囲とすることが好ましい。より好ましくは、５〜３０℃/min、更に好ましくは８〜２５℃/minの範囲とすることが好ましい。上記焼結により、相対密度が９５％以上のＳｉ3 Ｎ4 絶縁層が得られる。より緻密なものとして９８％以上、更には９９％以上の絶縁層が得られる。
【００４５】
このようにして製造された本発明の第一の態様に係る回路基板は次のような特性を有する。
【００４６】
まず、この本発明の回路基板は、表裏平行度が非常に小さな値となっており、反りやうねりが非常に小さく、外部端子の数が非常に多い（例えば１，０００端子以上の）回路基板でも実装時に半田接続が容易に行うことができる。基板の反りやうねりの有無を表す表裏平行度は、焼結体多層回路基板の対角線１０cm当たりを基準にして中央部と周縁部との反りの最大値を測定して求めた場合、０．２mm以下の非常に小さな値となる。大面積の回路基板の場合には、表裏平行度が０．０５mm以下の本発明に係る基板を用いれば実装が可能となる。
【００４７】
また、この回路基板の内部抵抗は、表面抵抗および内部抵抗が５０μΩcm以下と良好な値となる。更に最適化を行うと２０μΩcm以下の値となる。周期律表のVIII族元素を含有させて導体層を形成させるために、導体の密度が高くなり、珪化物の生成も抑制され、低抵抗な導体が作製される。珪化物の生成を抑制する方法として、導体層中にＡｌＮをフィーラーとして添加してもよい。更に、Ｓｉ3 Ｎ4 を導体層に添加する場合には、絶縁体層と導体層の収縮挙動がほぼ同一のものとなり、収縮率のマッチングが達成されて、±１％以下の位置精度が達成される。更に好ましいものでは±０．５％以下の位置精度が達成される。このような位置精度と平坦性を有する回路基板では、フリップチップ実装も容易に行うことができる。
【００４８】
更に、この回路基板中の絶縁体層と導体層の接合強度は、５ kg/２mm×２mm以上の値となる。５ kg/２mm×２mm未満の値では、外部端子にピンを用いた場合、接合強度としては不足であり、Ｓｉ3 Ｎ4 と導体間でピンの脱落が生じる。とくに、ＢＧＡ（ボールグリッドアレイパッケージ）の場合に、プリント配線板のような熱膨張率の大きな有機材料に、ボール間隔が狭ピッチで表面実装を行うときには、更に高強度な接合強度が要求される。そのときには６ kg/２mm×２mm以上の接合強度を有する導体層組成を選択すればよい。更に最適化することで７ kg/２mm×２mm以上の接合強度を有するものが得られる。
【００４９】
次に、本発明の第二の態様に係る回路基板の製造方法について述べる。
まず、同時焼結した後も導電性を維持し得る、具体的にはＭｏおよびＷを主成分とし、ＡｌＮ粉末と混合したものをペースト化し、Ｓｉ3 Ｎ4 グリーンシート上に所望のパターンで印刷する。また、ペースト化する際、副導体成分として、周期律表のIVａおよびＶａ族元素から選択される一種以上の元素を、単体、化合物の少なくとも一種の形態で添加してもよい。この導体層は、第一の態様で述べたようなアルカリ土類元素や希土類元素、共材としてのＳｉ3 Ｎ4 、Ｓｉ、Ａｌ元素の少なくとも一種を含有する化合物、VIII属元素を含有しても良い。この際、グリーンシートにはパンチングマシーンなどを用いてビアホールを形成しておき、予め焼結後導体となる導電ペーストを圧入やメタルマスクなどを用いて印刷充填などにより充填しておく。このビアホールによりグリーンシートをはさむ上下導体間の電気的接続を行う。
この導体ペーストには、ＡｌＮセラミック粉末が添加されている。
【００５０】
なお、導体の体積が大きくなるビアホール部分にのみ、ＡｌＮを添加しても基板の反りが発生しないことがある。すなわち、基板の大きさや、設計で決めた導体層の配置によっては、少なくとも一部分の導体層に添加すれば反りの少ない回路基板が得られる場合がある。
【００５１】
Ｓｉ元素やＡｌ元素を、希土類元素を含有する単体もしくは化合物と共に、混合物の形態で添加する場合には、アルミネートやシリケートを形成するような比率で混合することが好ましい。例えば、Ａｌ元素を含む化合物としてアルミナを添加する場合、アルミナの量はアルミネートを形成できるように０．０３〜１０重量％であることが好ましい。より好ましくは０．０５〜５重量％であり、更に好ましくは０．１〜１重量％である。また、Ｓｉ元素を含む化合物としてＳｉＯ2 を添加する場合、ＳｉＯ2 の量はシリケートを形成できるように０．０３〜１０重量％であることが好ましい。より好ましくは０．０５〜５重量％であり、更に好ましくは０．１〜１重量％である。
【００５２】
希土類元素やアルカリ土類元素から選択される元素は、Ｓｉ3 Ｎ4 セラミックスの焼結助剤と同種のものを用いることが好ましい。この元素は導体中のＡｌＮの焼結助剤としても働く。
異種のものを用いても、絶縁層中と導体層中にアルミネートやシリケートは生成するが、同種のものを用いると絶縁層中と導体層中に同一のアルミネートやシリケートが生成し、より組織の不均一化が防止され吸い上げが防止される。したがって、基板の反りが更に防止されることになる。
【００５３】
このような成分を含有する導電ペーストを塗布した多層グリーン成形体を脱バインダした後、焼結工程に供する。この焼結工程は特に限定されず公知の窒化珪素で行われる焼結方法がそのまま採用される。焼結炉にセットする際のセッターの材質は、グラファイト、ＢＮ、ＡｌＮ等を用いると回路基板の焼結は可能となるが、最も好ましいのはＳｉ3 Ｎ4 でできたセッターであり、これを用いると高温で焼結しても、焼結体の一部で起こりやすい反応（セッターと被焼結物間の反応）が全く起こらず、焼結上りの表面粗さは非常に小さなものとなり良好な回路基板が得られる。表面粗さは、平均表面粗さＲａで１．０μm 以下になる。より良好な表面をもつものでは０．５μm 以下、更に良好な表面をもつものでは０．３μm 以下になる。一般には、常圧下、加圧下、減圧下の非酸化性雰囲気下、例えば窒素雰囲気やアルゴン雰囲気の下で１，３５０℃〜１，９５０℃の温度で焼結を実施すればよい。焼結温度を高い温度に設定すると、珪化物が一部生成するが、焼結温度を１，８５０℃以下に設定すると、珪化物の生成は少なくなる。より好ましくは１，８００℃以下であり、更に好ましくは１，７００℃以下である。焼結に必要な時間は焼結に供される成形体の厚さや焼結温度などの諸条件によって異なるが、一般に、０．５時間〜１００時間の範囲から選択する。これらの条件は実施に先立ち諸条件に応じて適当な範囲を予め決定して実施するのが好ましい。
【００５４】
得られるＳｉ3 Ｎ4 回路基板を高熱伝導で緻密、更には高強度にするためには、特に１，０００℃以上の高温部で平均昇温速度を１〜４０℃/minの範囲とすることが好ましい。より好ましくは、５〜３０℃/min、更に好ましくは８〜２５℃/minの範囲とすることが好ましい。上記焼結により、相対密度が９５％以上のＳｉ3 Ｎ4 絶縁層が得られる。より緻密なものとして９８％以上、更には９９％以上の絶縁層が得られる。
【００５５】
このようにして製造された本発明の第二の態様に係る回路基板は次のような特性を有する。
【００５６】
まず、この本発明の回路基板は、表裏平行度が非常に小さな値となっており、反りやうねりが非常に小さく、外部端子の数が非常に多い（例えば１，０００端子以上の）回路基板でも実装時に半田接続が容易に行うことができる。基板の反りやうねりの有無を表す表裏平行度は、焼結体多層回路基板の対角線１０cm当たりを基準にして中央部と周縁部との反りの最大値を測定して求めた場合、０．２mm以下の非常に小さな値となる。大面積の回路基板の場合には、表裏平行度が０．０５mm以下の本発明に係る基板を用いれば実装が可能となる。
【００５７】
また、この回路基板の内部抵抗は、表面抵抗および内部抵抗が３０μΩcm以下と良好な値となる。最適化を行うと２０μΩcm以下の値、さらに最適化を行うと１５μΩcm以下の値となる。ＡｌＮ粉末を含有させて導体層を形成させるために、導体の密度が高くなり、珪化物の生成も抑制され、低抵抗な導体が作製される。更に、Ｓｉ3 Ｎ4 を導体層に添加する場合には、絶縁体層と導体層の収縮挙動がほぼ同一のものとなり、収縮率のマッチングが達成されて、±１％以下の位置精度が達成される。更に好ましいものでは±０．５％以下の位置精度が達成される。このような位置精度と平坦性を有する回路基板では、フリップチップ実装も容易に行うことができる。
【００５８】
更に、この回路基板中の絶縁体層と導体層の接合強度は、５ kg/２mm×２mm以上の値となる。５ kg/２mm×２mm未満の値では、外部端子にピンを用いた場合、接合強度としては不足であり、Ｓｉ3 Ｎ4 と導体間でピンの脱落が生じる。とくに、ＢＧＡ（ボールグリッドアレイパッケージ）の場合に、プリント配線板のような熱膨張率の大きな有機材料に、ボール間隔が狭ピッチで表面実装を行うときには、更に高強度な接合強度が要求される。そのときには６ kg/２mm×２mm以上の接合強度を有する導体層組成を選択すればよい。更に最適化することで７ kg/２mm×２mm以上の接合強度を有するものが得られる。
【００５９】
本発明の回路基板を用いた好適な半導体装置を、図２および図３を参照しながら説明する。この半導体装置は、基板上面１２ａにＥＣＬなどの（特に素子の種類は限定されるものではない）半導体素子６が搭載され、この半導体素子と電気的に接続された配線パターンを有する多層セラミック回路基板１２と、前記配線パターンと電気的に接続されると共に、多層セラミック回路基板１２の基板下面１２ｂに形成された外部端子と、半導体素子６を覆うように、多層セラミック回路基板の基板上面１２ａに接合された高熱伝導性封止部材１３とを備えている。ただし、外部端子と半導体素子が同一の一主面にあっても特に問題なく使用することができる。なお、外部端子は、好ましくは図２に示されるようにリードピン７であり、あるいは図３に示されるように半田ボール１５（ＢＧＡボールグリッドアレイ）でもよい。また、Ｓｉ素子は、回路基板の位置精度が良好であり、平坦性も良好であるので、フリップチップタイプの実装方法も容易に行うことができる。また、高熱伝導性封止部材は、１００W/mK以上の熱伝導率を有する窒化珪素あるいは窒化アルミニウム焼結体や、合金を含む金属から構成するとよい。
【００６０】
上記構成に係る半導体装置によれば、半導体素子において発生する熱が、効率良く、放熱フィンなど（フィンを用いない場合もある）に伝達され、優れた放熱性を発揮させることができる。
【００６１】
また、半導体装置を構成する上で、外部端子の接合面と対向する窒化珪素回路基板の他の主面に半導体素子を搭載した場合には、多ピン化に対応しているうえに半導体装置を小形化することができ、高速の半導体装置としてより好ましい。また、半導体が作動しているときと作動停止したときの温度変化が生じた場合に、回路基板の絶縁層が窒化珪素で構成されているため、外部端子のピンや半田ボール部分に応力がかかる。しかし、強度が高いために、割れなどの不具合は発生しない。更に、一つの回路基板に多数の半導体を搭載するマルチチップモジュール（ＭＣＭ）の形で半導体装置を構成すると、広い面積で外部端子をボードに接合しなければならないが、この場合にも耐熱応力の点で十分使用できるだけの信頼性が得られる。
【００６２】
本発明を更に具体的に説明するために、以下に実施例を挙げて説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
【００６３】
【実施例】
以下に本発明の実施例を説明する。
実施例１
α−Ｓｉ3 Ｎ4 を９５％含有し、他はβ相であり、不純物として酸素を１．４重量％含有し、平均粒径が０．６μm のＳｉ3 Ｎ4 粉末、焼結助剤として平均粒径０．６μm のＹ2 Ｏ3 、平均粒径が０．６μm のα−Ａｌ2 Ｏ3 および着色剤としてＷＯ3 を、各成分比が９４．５０：５．０：０．２：０．３（重量％）となるように配合し、Ｓｉ3 Ｎ4 製ボールを用いて２４時間湿式混合を行い原料を調整した。ついで、この原料に有機バインダーを有機溶媒と共に分散し、スラリーを作製した。このスラリーを脱泡した後、ドクタープレード法により、１００〜８００μm 程度の均一なグリーンシートを作製した。次に、このシートを約１３０mm×１３０mmの大きさに切断し、各層間の電気回路の接続になるビアホールをパンチングマシーンで１００〜３００μm φの太さに開けた。
【００６４】
一方、平均粒径１．９μm のタングステン、平均粒径０．９μm のＮｉＯ、平均粒径が０．６μm であり酸素量１．４重量％のＳｉ3 Ｎ4 粉末および平均粒径０．６μm のＹ2 Ｏ3 を、各成分比が９７．２：０．３：２．３７４：０．１２６（重量％）となるように配合し、有機溶媒と共に混合、分散し、導体ペーストを作製した。ビアホールの形成されたグリーンシート上に、この無機質フィラー添加のタングステンペーストを厚入機を用いて充填し、更にスクリーン印刷機を用いて同一面内の回路を印刷した。これら複数枚を加熱プレスすることで積層過程を終えた。これを１００mm×１００mmの大きさにカットし、次にＮ2 ＋Ｈ2 ＋Ｈ2 Ｏ雰囲気中、最高温度９００℃で脱バインダを行った後、Ｓｉ3 Ｎ4 セッターに脱バインダした成形体を配置し、窒素雰囲気１０気圧中１，８００℃で１２時間加圧焼結し、多層セラミック基板を得た。
【００６５】
得られた基板の導体部のない部分から円板（直径１０mm、厚さ３．５mm）を切り出し、これを試験片としてレーザーフラッシュ法により熱伝導率を測定した。この結果、１００W/mKと高い熱伝導率を示した。
また、基板の反りの有無を表す表裏平行度は、焼結体多層基板の対角線を基準にして中央部と周縁部との反りの最大値を測定することにより求めた。１０cm当たりの反り量として求めた表裏平行度は、０．０４mmであった。
【００６６】
次に、導体層の断面積を算出し、抵抗値から導体層の導体抵抗率を求めた。ただし、表面の配線に関しては、導体層に金属メッキなどを行わずに測定して、無機質フィラーの添加の影響を調べた。この結果、１１μΩcmという、極めて低い抵抗率を示した。更に、得られた基板の２mm×２mmの導体部分にＮｉメッキをしてワイヤー（ピン）を半田付けした後引張強度試験を行い、Ｓｉ3 Ｎ4 基板と導体層間の接着強度を測定した。この結果、８．０kgという、十分に大きい引張強度を有することがわかった。
【００６７】
実施例２〜４８、参考例１〜２および比較例１〜１０
第１表に示すように、Ｓｉ３Ｎ４粉末、焼結助剤粉末、その他添加物および着色剤の種類および添加量、導体成分の種類および添加量、VIII族元素および無機質フィラーの種類および添加量ならびに焼結条件を種々変えて、上記実施例１と同様にしてＳｉ３Ｎ４多層セラミック基板を作製した。それぞれについて熱伝導率、引張強度、表裏平行度および導体抵抗率を測定し、結果を第２表に示した。第２表から明らかなように、本発明の実施例２〜４４では、比較例と比較して表裏平行度が非常に小さく、低い導体抵抗と導体層の密着強度が向上することがわかる。
【００６８】
例えば、実施例２では、引張強度が７．５kg/ ２mm×２mmであるのに対し、比較例１では２．４kg/ ２mm×２mmと、密着強度において著しい差が見られた。また、この実施例２に係る同時焼結体は、反りが少なく、位置精度が高いことが第２表からもわかる。また、この導体層は添加物を含んでいるが、VIII族添加物としてＮｉＯを添加しているので導体層の相対密度が９９％と高く、その比抵抗は添加物を含まない他の実施例と比べても同レベルであることがわかる。
【００６９】
【表１】
【表２】
【表３】
【表４】
【表５】
【表６】
【表７】
【表８】
【表９】
【表１０】
実施例５１
実施例２と同様な構成の絶縁層と導体層を用い、内部配線層を有する２５mm×２５mm×２．６mmの窒化珪素多層回路基板を作製した。窒化珪素多層回路基板の他面側に、銀ろうを用いて２４０本のリードピンを接合した。この後、半導体素子として消費電力１０Ｗのシリコン素子を窒化珪素多層回路基板の上面に接合搭載し、ボンディングワイヤを付設して電気的な接続を完了させた。
【００８０】
更に、１５０W/mKの熱伝導率を有する窒化珪素焼結体を用いて、放熱部材を兼ねる高熱伝導性封止部材を、実施例２の絶縁体部と同様の要領で作成した。そして、窒化珪素多層回路基板の上面にこの封止部材をＡｕ−Ｓｎ半田で接合し、更に封止部材上に直径２５mmの円形７段構造の放熱フィンを配置して目的とする半導体装置を得た。
この半導体装置の放熱性を評価するために、風速を１．５m/s に設定して△ＶＢＥ法により熱抵抗を測定したところ、２．７℃/Wと低熱抵抗であり、放熱性の高い半導体装置が得られることが判明した。
【００８１】
比較例１１
絶縁層にアルミナを用いた以外は実施例３６と同様の原料から構成された絶縁体層と導体層を用い、実施例４５と同様の方法で半導体装置を作製した。この半導体装置の熱抵抗値は、８℃/Wと、実施例５１のものと比較し、著しく高い値を示した。
【００８２】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明に係るＳｉ3 Ｎ4 セラミックス回路基板は絶縁体が高熱伝導性を有し、導体層の密着性が強固でかつ焼結過程における基板の変形が少なく、更に、引張強度は十分に実用可能な特性値を示し、導体の抵抗率が低く、位置精度の高いなど種々の優れた性質を有するものであり、その工業的価値は極めて大きいものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る多層セラミック回路基板を示す部分切欠斜視図である。
【図２】本発明に係る多層セラミック回路基板を用いた半導体装置（外部端子がリードピンの場合）を示した図である。
【図３】外部端子が半田ボールである、本発明に係る半導体装置の部分断面図である。
【符号の説明】
１，１２ 多層セラミック回路基板
２，１４ 絶縁層
３ 導体層
４ ビアホール
５ 放熱フィン
６ 半導体素子
７ リードピン
８ ボンディングワイヤ
９ 導体層（内部配線層）
９ａ ビアホール
１０ 表面配線層
１１ 配線パターン
１２ａ 基板上面
１２ｂ 基板下面
１３ 高熱伝導性封止部材
１３ａ 凸状外縁部
１３ｂ 凹状部
１５ 半田ボール
Ａ 接合面
Claims (7)
- 少なくとも絶縁体層と導体層とを含む回路基板において、
全絶縁体層のうち少なくとも一層の絶縁体層が、β−Ｓｉ3 Ｎ4 を主成分とし、希土類元素およびアルカリ土類元素からなる群より選択される一種以上の元素を酸化物換算で１〜８重量％と、０．８重量％以下のＡｌ ２ Ｏ ３ 、０．８重量％以下のＳｉＯ ２ 、および０．３重量％以下のＡｌＮからなる群より選択される一種以上の化合物とを含有する焼結体であり、かつ
前記少なくとも一層の絶縁体層と接する全導体層のうち少なくとも一層の導体層が、Ｍｏ、Ｗの少なくとも一種を主成分とし、周期律表のVIII族元素から選択される一種以上の元素を更に含むことを特徴とする回路基板。 - 前記全導体層のうち少なくとも一層の導体層が、更に希土類元素およびアルカリ土類元素からなる群より選択される一種以上の元素を含む、請求項１記載の回路基板。
- 前記全導体層のうち少なくとも一層の導体層が、更にＳｉ3 Ｎ4 、ＡｌＮの少なくとも一種を含む、請求項１記載の回路基板。
- 少なくとも絶縁体層と導体層とを含む回路基板において、
全絶縁体層のうち少なくとも一層の絶縁体層が、β−Ｓｉ3 Ｎ4 を主成分とし、希土類元素およびアルカリ土類元素からなる群より選択される一種以上の元素を酸化物換算で１〜８重量％と、０．８重量％以下のＡｌ ２ Ｏ ３ 、０．８重量％以下のＳｉＯ ２ 、および０．３重量％以下のＡｌＮからなる群より選択される一種以上の化合物とを含有する焼結体であり、かつ
前記少なくとも一層の絶縁体層と接する全導体層のうち少なくとも一層の導体層が、Ｍｏ、Ｗの少なくとも一種を主成分とし、更にＡｌＮを含むことを特徴とする回路基板。 - 前記絶縁体層の熱伝導率が３０Ｗ／ｍＫ以上である、請求項１から４のいずれか１項記載の回路基板。
- 請求項１から５のいずれか１項記載の回路基板上に半導体素子を搭載した半導体装置。
- α−Ｓｉ3 Ｎ4 に、焼結助剤として希土類元素およびアルカリ土類元素からなる群より選択される一種以上の元素を酸化物換算で１〜８重量％、ならびに０．８重量％以下のＡｌ ２ Ｏ ３ 、０．８重量％以下のＳｉＯ ２ 、および０．３重量％以下のＡｌＮからなる群より選択される一種以上の化合物を添加した後、これを焼結して絶縁体層を形成する工程；
Ｍｏ、Ｗの少なくとも一種に、周期律表のVIII族元素より選択される一種以上の元素を酸化物換算で０．１〜５重量％で添加して導体層を前記絶縁体層に接して形成する工程；および
前記絶縁体層と前記導体層とを同時焼結する工程
を含むことを特徴とする回路基板の製造方法。
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