JP3792283B2

JP3792283B2 - セラミック基板の製造方法

Info

Publication number: JP3792283B2
Application number: JP28208295A
Authority: JP
Inventors: 健一田島; 博丸山; 英博南上; 哲也木村
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 1995-10-30
Filing date: 1995-10-30
Publication date: 2006-07-05
Anticipated expiration: 2015-10-30
Also published as: JPH09124382A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、配線などのメタライズ層を有するセラミック基板の製造方法に関し、詳細には、生産性、低コスト性に優れ、メタライズ接着強度に優れるセラミック基板の製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来技術】
従来よりセラミックスは、絶縁性、機械強度、耐食性、耐熱性、熱伝導性、絶縁耐圧等に優れることから配線回路を具備する基板材料として用いられている。
【０００３】
その中でもメタライズにより配線層が形成されたセラミック基板は、特にコンピューターのＣＰＵ部のパッケージ等に主に使用されている。
【０００４】
近年、著しくＣＰＵの高性能化、高集積化が進むと同時に、高性能コンピュータの需要が拡大しており、パッケージに対する要求特性が高まると同時に、納期、生産数量、コストに対する要求が特に厳しくなっている。
【０００５】
通常、メタライズ層を具備するセラミックス基板は、まず、セラミック粉末により、例えばシート状に成形してグリーンシートを作製し、これを抵抗加熱炉でセラミックスの焼成温度まで徐々に昇温させ一定時間保持後に降温して焼結させた後、反りや変形を研削加工等により修正し、その後、メタライズペーストを塗布して焼き付ける方法が知られているが、最近では、生産性を良くするため、セラミック成形体を焼成する前に、メタライズペーストを塗布して多層に積層した後、これを加熱炉にて加熱することによりメタライズ層とセラミック成形体とを同時に焼成することが行われている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
この同時焼成法は、生産性の面で優れ、多層化のためには不可避的な技術であるが、セラミックスを焼結させるには、９００℃以上の温度が必要であり、とりわけ窒化アルミニウムや窒化ケイ素、炭化ケイ素などの非酸化性セラミックスの焼成には１７００℃を越える温度で焼成することが必要である。
【０００７】
このような高温での焼成は、メタライズ金属の溶融やセラミックスとの反応等が生じやすく、これを抑制するために雰囲気を制御する等の手段を必要とし、セラミックスとメタライズ金属種との組み合わせも限られてしまい、安価な金属を用いることができなかった。
【０００８】
このような問題に対して、焼結助剤を多量に添加したり、焼成時間を延長する等により低温での焼成を可能にする方法も種々検討されているが、焼結助剤を多量に添加すると主成分となるセラミックスの特性が変化したり、焼成時間が長くなるのも量産性の点では不適当であり、セラミックスの特性を活かしつつ低温で焼成する方法がないのが現状であった。
【０００９】
また、最近では、ガラスとセラミックスとの複合化により１０００℃前後の焼成温度で焼成可能なガラスセラミック焼結体も知られている。しかしながら、このガラスセラミックスにおいてもより低温での焼成化が望まれるが、ガラス組成やセラミックとの複合化の組み合わせを厳密に制御する必要があったり、わずかな焼成条件の変化によりガラスの結晶相が変化する等、低温での焼成に合わせ、特性の安定した焼結体を歩留りよく生産するのが難しいのが現状である。
【００１０】
したがって、本発明は、セラミックスやメタライズ層の特性を劣化させることなく、従来の焼成温度よりも低温且つ短時間で焼成することのできる新規な製造方法を提供することを目的とするものである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、従来のメタライズ層を有するセラミック基板の製造方法において、特に焼成方法の観点から検討を重ねた結果、Ｗ、Ｍｏ、Ａｇ、Ｃｕ、Ａｌ、Ａｕ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｎｉの群から選ばれる少なくとも１種を主成分とするメタライズペーストが塗布されたアルミナ、窒化アルミニウム、窒化ケイ素、炭化ケイ素、ムライトおよびガラスセラミックスの群から選ばれる少なくとも１種を主成分とするセラミック成形体を焼成するにあたり、これまでの抵抗加熱法による焼成に変えて、２０〜１００ＧＨｚの高周波を成形体に照射し加熱して焼成を行うことにより、従来の抵抗加熱法による焼成温度よりも低い温度で焼成緻密化することが可能となることを見いだした。
【００１２】
【作用】
本発明によれば、マイクロ波等の高周波加熱法によりメタライズペーストが塗布されたセラミック成形体を焼成することにより、従来の抵抗加熱法による焼成に比較して、低温、短時間で緻密化でき、通常の抵抗加熱法に比較して５０〜１００℃低温で焼成が可能であり、その焼成時間も０．１〜２時間程度で緻密化することができる。また、高周波加熱法によれば、消費電力が少ないために焼成における費用を低減することができる。
【００１３】
高周波加熱法により抵抗加熱法よりも低温で緻密化できることに起因して、これまでセラミックスとメタライズとの同時焼成において、メタライズ層のセラミックスとの反応や、メタライズ層の酸化反応により導電性が低下していたものも低温での焼成が可能となるために、セラミックスとの反応性が抑制され、また酸化反応が抑制されるために、形成できるメタライズ層の種類を拡大することができ、これにより高価な金属から安価に金属を用いることができる。
【００１４】
また、セラミック成形体とともに同時焼成されたメタライズ層が、従来の抵抗加熱法による同時焼成の場合よりもセラミックスに対する密着性が向上するという優れた効果を奏する。これは、高周波の照射によって、短時間で焼成されるためにメタライズが微細な結晶粒から構成されるためセラミックアンカー効果がより強く発揮されたためと考えられる。
【００１５】
さらに、抵抗加熱法では、成形体の外部に加熱源が存在するための加熱が成形体の表面と内部、あるいは炉内での温度差が大きいために焼成ムラが生じるなどの問題があったが、高周波加熱法によれば、加熱源が成形体自体となるために、加熱ムラがなく、成形体全体を均一に加熱焼結させることができる。
【００１６】
これにより、メタライズ層を有するセラミック基板の製造コストの低減とともに、生産性を向上させることができる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
本発明におけるセラミック成形体は、例えば、アルミナ、窒化アルミニウム、窒化ケイ素、炭化ケイ素、ムライト、ガラスセラミックスの群から選ばれる少なくとも１種を主成分とするものである。ガラスセラミックスとは、ガラスとフィラー成分としてクリストバライト、フォルステライト、コージェライト、クオーツ、石英ガラス、アルミナ、マグネシア、スピネルなどの無機化合物との混合物である。成形体は、上記の主成分以外に公知の添加成分を添加してもよく、Ｃａ、Ｓｒなどのアルカリ土類金属化合物、Ｙ，Ｌａなどの周期律表第３ａ族元素化合物、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｗ、Ｍｏ、Ｎｂ、Ｖなどの周期律表第４ａ、５ａ、６ａ族元素化合物などが配合できる。成形体は、これらのセラミック粉末を所望の成形手段によって成形したものであって、例えば、シート状の成形体を作製するには、スラリーを調製した後、これをドクターブレード法により成形するか、またはセラミック粉末をプレス成形、圧延法などによりシート成形するか、バルク体を作製するには、例えば、金型プレス，冷間静水圧プレス，押出し成形、射出成形等により任意の形状に成形すればよい。
【００１８】
次にこのセラミック成形体の表面に、メタライズペーストを塗布する。メタライズペーストは、Ｗ、Ｍｏ、Ａｇ、Ｃｕ、Ａｌ、Ａｕ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｎｉの群から選ばれる少なくとも１種、特に、Ｗ、Ｍｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｐｔの群から選ばれる少なくとも１種を主成分とするものであり、この金属成分に対して、さらに有機溶剤、分散剤などを添加して混合したものである。
【００１９】
ペースト中の金属成分は、これを塗布するセラミック成形体の焼成温度において溶融しない金属が選択される。例えば、アルミナ主成分の成形体に対しては、Ｗ，Ｍｏ、Ｎｉ、Ｐｄ、Ｐｔなどが使用できる。窒化アルミニウム、窒化ケイ素、炭化ケイ素などの非酸化物系セラミックス主成分の成形体にはＷ、Ｍｏ、Ｐｔなどが、ガラスセラミックス主成分の成形体には、Ａｇ、Ｃｕ、Ａｕなどが採用できる。
【００２０】
このメタライズペーストは、上記セラミック成形体の表面にスクリーン印刷法やオフセット印刷法、グラビア印刷法などにより印刷塗布する。
【００２１】
次に、メタライズペーストが塗布されたセラミック成形体を、高周波加熱炉内に収納して焼成を行う。図１に典型的な高周波加熱炉の概略配置図を示した。
【００２２】
図１によれば、ステンレス等からなる焼成炉筐体１内には、セラミック等からなる支持台２を設置され、その支持台２の上に成形体３を載置する。支持台２および成形体３は、マイクロ波等の高周波の透過性のよい断熱材４内に設置されている。なお、焼成炉内は、ガス導入路５を通じて所望の焼成雰囲気が形成されている。一方、焼成炉の外部には、マイクロ波発振器６が設置され、発振器より発生したマイクロ波は、発振器６の出力窓７、導波管８および焼成炉筐体１の一部に形成された導入窓９を通じて成形体３に直接照射される。成形体の支持台２には、成形体の温度を測定するための熱電対１０が設けられ、熱電対１０により成形体の温度を測定しながらマイクロ波の出力を調整して所望の焼成温度に設定することができる。
【００２３】
本発明によれば、この高周波加熱炉により２０〜１００ＧＨｚの高周波を成形体に照射する。高周波の発振源としては、マグネトロン、クライストロン、ジャイラトロン等が用いられるが、セラミックスを均一に焼結するためには、シングルモードのミリ波が望ましく、具体的には２０〜１００ＧＨｚを発振するジャイラトロンが望ましい。この照射により、成形体は自己加熱し、成形体の内外差なく均一に焼結することができる。なお、焼成温度は、出力によって任意に制御することができ、通常は１〜１０ｋＷが適当であり、焼成時間は０．１〜２時間程度で焼結できる。
【００２４】
かかる焼成方法における焼成温度は、セラミック成形体を構成する主成分とその他の添加剤により種々変化するが、概して言えば、セラミック成形体を構成する主成分がアルミナの場合は、１０００〜１５００℃、ムライトの場合には１３００〜１６００℃、窒化アルミニウムの場合には１５００〜１８００℃、窒化ケイ素の場合には１５００〜１８００℃、炭化ケイ素の場合には、１６００〜２０００℃、ガラスセラミックスの場合には８５０〜１０５０℃の温度で焼成緻密化することができる。
【００２５】
以下、本発明を具体的な実験例で説明する。
実験例
アルミナ（純度９２％、ＳｉＯ₂、ＣａＯ、ＭｇＯ含む）、ムライト（純度９９％）、窒化アルミニウム（Ｙ₂Ｏ₃５重量％添加品）、窒化ケイ素（Ｙ₂Ｏ₃３重量％、Ａｌ₂Ｏ₃５重量％）、炭化ケイ素（Ｂ₄Ｃ０．５重量％、Ｃ２重量％）、ガラスセラミックス（硼珪酸ガラス７０重量％、Ａｌ₂Ｏ₃３０重量％）の各セラミック粉末に対してバインダー、可塑剤、溶剤をそれぞれ添加し、ボールミルにて２０時間混合した。得られたスラリーをドクターブレード法により厚さ０．０５〜１．５ｍｍのテープ状に成形した。
【００２６】
一方、メタライズ金属として純度９９％以上のＷ、Ｍｏ、Ｎｉ、Ｐｔ、Ｃｕに対して、セルロースなどを添加しボールミルで２４時間混合してメタライズペーストを作製し、上記テープ状成形体の表面に配線回路パターン状にスクリーン印刷法によりペーストを塗布しそれらを１５枚積層圧着して６０ｍｍ角の大きさの積層成形体を作製した。
【００２７】
そして、この積層成形体を５００℃の還元雰囲気中５時間の脱脂処理を施した後、焼成した。焼成には、ヒーター抵抗加熱炉（ＲＨ）としてトンネル炉、バッチ炉を使用し、また、高周波加熱炉として図１に示した構成において、２８ＧＨｚ、最大出力１０ｋＷのジャイロトロンを発振源としたマイクロ波発振器を用いて用いてステンレス製の焼成炉筐体中で焼成した。なお、焼成温度は成形体に熱電対を接触させ温度を測定しながらマイクロ波出力を１ｋＷ〜５ｋＷで変化させて温度制御を行った。
【００２８】
焼成時の焼成温度までの昇温速度、焼成温度、焼成時間、焼成雰囲気は、表１、表２に示した。なお、焼成は、いずれも常圧で行った。焼成後、セラミックスの密度をアルキメデス法により測定し相対密度を算出した。メタライズ層における電気特性の抵抗値からメタライズの焼結性を評価し、抵抗値が３Ωｃｍ以下のものを○とし、これを越えるものを×とした。また、焼結体の外観検査からメタライズ層の溶融の有無や寸法精度、反り、静電容量等をチェックした。
【００２９】
また、メタライズ層に金属ピンをロー付けして金属ピンを垂直に引っ張り、メタライズ層が剥がれる時の荷重をメタライズ強度として評価した。結果は表１、表２に示した。
【００３０】
【表１】

【００３１】
【表２】

【００３２】
表１、表２の結果から明らかなように、従来の抵抗加熱法に比較してマイクロ波加熱法によれば、焼成温度が５０〜１００℃低い温度で緻密化することができることがわかる。しかも焼成温度までの昇温速度が２５℃／ｍｉｎ以上と抵抗加熱法に比較して非常に早くできるため焼成時間が短縮され、焼成温度での保持時間も抵抗加熱法に比較して０．１５〜１時間程度まで格段に短縮できた。
【００３３】
また、抵抗加熱法に比較してマイクロ波加熱法では、メタライズ強度がいずれも向上していた。
【００３４】
なお、アルミナに対してＮｉメタライズを施した試料Ｎo.５〜７によれば、抵抗加熱法ではアルミナを焼結させるためには１４５０℃以上に加熱する必要があるが１４５０℃ではＮｉが溶融しメタライズ層を形成することができなかったが、マイクロ波加熱法では１４００℃でアルミナを緻密化することができたため、Ｎｉも溶融することなく良好なメタライズ層を形成できた。
【００３５】
また、窒化アルミニウムに対してＰｔメタライズ層を形成した試料Ｎo.１３〜１５においてもマイクロ波加熱法では１６００℃でも窒化アルミニウムの緻密化でき良好なＰｔメタライズ層を形成することができた。
【００３６】
さらに、窒化ケイ素にＷやＭｏのメタライズを施す場合（試料Ｎo.１６〜１８）、あるいは炭化ケイ素にＷメタライズを施す場合（試料Ｎo.１９〜２１）、抵抗加熱法では、窒化ケイ素や炭化ケイ素が緻密化する温度域では窒化ケイ素や炭化ケイ素とＷやＭｏが反応しメタライズ層の導電性が大きく低下したが、マイクロ波加熱法では、低温での緻密化が可能となり、ＷやＭｏとの反応がなく良好なメタライズ層を形成することができた。
【００３７】
またさらに、ガラスセラミックスによれば、大気中での焼成において、抵抗加熱法ではガラスセラミックスが緻密化する９００℃ではＣｕが酸化してしまうが、マイクロ波加熱法では、８５０℃での緻密化が可能となりＣｕの酸化も生じず良好なメタライズ層を形成することができた。
【００３８】
【発明の効果】
以上詳述した通り、本発明によれば、高周波加熱法を採用することにより、従来の抵抗加熱法に比較してセラミックスやメタライズ層の特性を変化させることなく、低温で且つ短時間で同時焼成することが可能となり、しかもメタライズ層の選択種を拡大するとともに密着強度も高めることができる。これにより、セラミック基板の製造におけるコストを大きく低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明における高周波加熱炉の概略図である。
【符号の説明】
１焼成炉筐体
２支持台
３成形体
４断熱材
５ガス導入路
６マイクロ波発振器
７出力窓
８導波管
９導入窓
１０熱電対

Claims

アルミナ、窒化アルミニウム、窒化ケイ素、炭化ケイ素、ムライトおよびガラスセラミックスの群から選ばれる少なくとも１種を主成分とするセラミック成形体の表面に、Ｗ、Ｍｏ、Ａｇ、Ｃｕ、Ａｌ、Ａｕ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｎｉの群から選ばれる少なくとも１種を主成分とするメタライズペーストを塗布した後、前記セラミック成形体に２０〜１００ＧＨｚの高周波を照射し加熱して前記セラミック成形体とメタライズとを同時に焼成することを特徴とするセラミック基板の製造方法。