JP4559574B2

JP4559574B2 - 回路基板用セラミックス基板および回路基板

Info

Publication number: JP4559574B2
Application number: JP37151299A
Authority: JP
Inventors: 辰弥今泉; 隆之那波
Original assignee: Toshiba Corp; Toshiba Materials Co Ltd
Current assignee: Toshiba Corp; Toshiba Materials Co Ltd
Priority date: 1999-12-27
Filing date: 1999-12-27
Publication date: 2010-10-06
Anticipated expiration: 2019-12-27
Also published as: JP2001181054A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は回路基板用セラミックス基板および回路基板に係り、特に抗折強度を向上させアセンブリング時等において割れ等の不良を発生することが少なく、信頼性が高いセラミックス回路基板やヒーター基板を形成することが可能な回路基板用セラミックス基板および回路基板に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、所定の配線パターン形状に形成した配線金属板をセラミックス基板上に、直接接合したり、活性金属を含有するろう材層を介してセラミックス基板上に一体に接合したセラミックス回路基板または発熱抵抗体から成る金属配線層をセラミックス基板表面に一体に接合したヒーター基板が各種電子機器や半導体装置に広く使用されている。
【０００３】
上記セラミックス回路基板は、例えばＡｌ_２Ｏ_３やＡｌＮなどのセラミックス焼結体基板表面に銅などの金属から成る回路板等を直接配置した状態で加熱し、加熱によって発生する金属と酸素との共晶化合物を接合材としてセラミックス基板表面に銅などの金属板を直接強固に接合するＤＢＣ（ダイレクトボンディングカッパ法）やＡｇ−Ｃｕ−Ｔｉ系ペーストなど活性金属を含有した接合用ろう材を介してセラミックス基板と回路板とを一体に接合する活性金属法などによって製造されていた。
【０００４】
上記のように熱伝導性および電気伝導性に優れた銅により回路板を形成しているため、回路動作の遅延が減少するとともに回路配線の寿命も向上する。また半田等の接合材料に対する濡れ性が向上し、セラミックス焼結体表面に半導体素子（ＩＣチップ）や電極板を高い接合強度で接合することができ、その結果、半導体素子からの発熱の放散性や素子の動作信頼性を良好に保つことができる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記セラミックス回路基板のうち、Ａｌ_２Ｏ_３基板を使用した回路基板においては、Ａｌ_２Ｏ_３の熱伝導率が低いために良好な放熱性が得られず、半導体素子の高密度集積化および高出力化に伴う放熱対策に充分対応できない問題点があった。
【０００６】
さらにＡｌＮ基板を使用した場合には、熱伝導率が高く充分な放熱性が得られるが、ＡｌＮ基板自体の強度が低いため、繰り返して作用する熱負荷によってクラックが生じ易く、いわゆる耐熱サイクル性が悪いという問題点があった。その結果、使用中に繰り返し作用する熱負荷によって銅回路板が剥離して放熱性が急減し、電子機器の動作信頼性が低下する問題点があった。
【０００７】
また従来のセラミックス基板を使用した回路基板においては、その構造強度をある程度確保するためにセラミックス基板の厚さを大きく設定する必要があり、高密度実装化に対する障害となっていた。また厚さが大きいセラミックス基板を使用した回路基板は靭性に乏しく撓みにくいため、例えばこの回路基板にＩＣチップを接合しパッケージに収容してモジュール化した後に、電子機器を実装用ボードにねじ止めする場合、ねじ込み時にセラミックス基板に作用する曲げ応力によってセラミックス回路基板に割れ等の不良が発生し易く、電子機器の製造歩留りが低下し、回路基板の信頼性や耐久性が低下してしまうという問題点もあった。
【０００８】
本発明は上記問題点を解決するためになされたものであり、特に抗折強度を向上させ、アセンブリング時等において、割れ等の不良を発生することが少なく、信頼性が高いセラミックス回路基板やヒーター基板を形成することが可能なセラミックス基板を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは上記目的を達成するため、セラミックス回路基板およびヒーター基板のアセンブリー時や使用時に割れや欠けが発生する原因について調査し、その対応策を検討した。その結果、回路基板を構成するセラミックス基板の表面粗さがその抗折強度に大きな影響を及ぼすことが判明し、さらにセラミックス基板表面の表面粗さに方向性をもたせることにより、セラミックス基板の抗折強度を向上させることができ、そのセラミックス基板を使用することにより割れの発生が少なく、信頼性が高い回路基板やヒーター基板が初めて実現するという知見を得た。本発明は、これらの知見に基づいて完成されたものである。
【００１０】
すなわち本発明に係る回路基板用セラミックス基板は、金属板を接合する回路基板用セラミックス基板の表裏両面のうち、少なくとも引張り応力が作用する側の表面において、短辺方向の表面粗さ（Ｒａ）が長辺方向の表面粗さの１．５倍以上となるように研磨加工することにより抗折強度を向上させた一方、上記セラミックス基板の表面粗さ（Ｒａ）が０．６μｍ以下であり、上記表面粗さが最大になる方向が、セラミックス基板の表面と裏面とで異なることを特徴とする。
【００１１】
また、表面粗さが最大になる方向が、セラミックス基板の表面と裏面とで異なるように構成してもよい。この場合、上記方向が異なる状態は特に限定されるものではないが、例えば図３に示すように、セラミックス基板１の一方の表面の表面粗さの最大方向Ｄ_１に対して他方の表面の表面粗さの最大方向Ｄ_２が４５°〜１２５°の範囲にあることが好ましい。さらに、セラミックス基板の主成分が窒化けい素であることが好ましい。さらに、セラミックス基板の表面粗さ（Ｒａ）が０．６μｍ以下であることが好ましい。
【００１２】
本発明のセラミックス基板を構成する材料は、特に限定されるものではなく、酸化アルミニウム（アルミナ：Ａｌ_２Ｏ_３）等の酸化物系セラミックス焼結体、窒化けい素（Ｓｉ_３Ｎ_４），窒化アルミニウム（ＡｌＮ）などの窒化物系セラミックス焼結体、炭化けい素（ＳｉＣ）などの炭化物系セラミックス焼結体などが使用できる。特に窒化けい素（Ｓｉ_３Ｎ_４）は他のセラミックス焼結体と比較して本来的に高い曲げ強度を有しているため、本発明のセラミックス基板の構成材料として好適である。
【００１３】
従来、セラミックス基板表面の表面粗さについては、基板に接合する金属回路板や発熱抵抗体の接合強度の観点から研究されていた経緯はあるが、その表面粗さについてはセラミックス基板の方向には関係なく一律に規定されていた。
【００１４】
これに対して本願発明では、セラミックス基板の表面粗さに方向性をもたせることにより、顕著な効果を得ている。具体的には、セラミックス基板の表裏両面のうち、少なくとも引張り応力が作用する側の表面において、短辺方向の表面粗さ（Ｒａ）が長辺方向の表面粗さの１．５倍以上にすることにより、その引張り応力が作用する側の表面を基準にして抗折強度を実施した場合にセラミックス基板の抗折強度を向上させる効果を得ている。
【００１５】
本願発明で規定する表面粗さ（Ｒａ）は、日本工業規格（ＪＩＳ）のＢ０６０１に準拠する算術平均粗さである。
【００１６】
上記短辺方向の表面粗さ（Ｒａ）が長辺方向の表面粗さの１．５倍未満の場合には、セラミックス基板の抗折強度の改善効果が不十分であり、割れ等の不良が発生し易くなる。したがって、上記表面粗さの倍率は１．５倍以上とされるが、２．０倍以上がさら好ましい。
【００１７】
また、セラミックス基板の表面粗さ（Ｒａ）が過度に大きい場合には、その粗面部を起点にしてファインクラックを発生し易くなり、また粗面部の谷部分が、いわゆる切欠きとして作用して割れを発生し易くなる。そのため、セラミックス基板の表面粗さは、裏面および表面ともに０．６μｍ以下とすることが好ましい。
【００１８】
さらにセラミックス基板の表面粗さに方向性をもたせる加工方法については、特に限定されるものではないが、例えば、焼結する前の段階のセラミックス成形体を形成する際に、成形体表面に所定方向に延びる筋や溝を形成する方法が採用できる。また、焼結後においてセラミックス焼結体の表面を平面研削盤にて研磨加工する方法などが採用できる。
【００１９】
図２は表面粗さに方向性をもたせるための加工法の一例を示す斜視図である。
図２において、セラミックス基板１の長辺方向に沿って平面研削盤の回転砥石２が移動するように、セラミックス基板１の表面が研磨加工され、研磨面には筋状の研磨痕３が形成される。この研磨加工により、セラミックス基板１の長辺方向の表面粗さは小さくなる一方、長辺方向と直角な短辺方向の表面粗さは大きくなり、セラミックス基板１のひとつの表面において方向によって表面粗さが異なるセラミックス基板が得られる。
【００２０】
上記平面研削盤の回転砥石２としては、例えば、粒度が粗い＃２００から粒度が細かい＃４００程度のダイヤモンド砥粒を含有し、外周研磨面の幅が１０ｍｍ程度のレジンボンド砥石が好適に使用できる。そして、上記砥粒の粒度を適宜選択し、所定方向に研磨することにより、セラミックス基板１の各方向における表面粗さを任意に調整することができる。このように、セラミックス基板１の一定方向に沿って研磨する方法が好ましい。
【００２１】
また、表面粗さが最大になる方向が、セラミックス基板の表面と裏面とで異なるようにセラミックス基板を調製することにより、抗折強度がより低くなる部位を低減することができる。すなわち、表面粗さが最大となる方向がセラミックス基板の表面と裏面とで一致した場合には、その一致した方向と直角な方向に曲げ応力が作用したときに容易に破損してしまう脆弱な部位が形成される。しかしながら、上記のようにセラミックス基板の表面と裏面とにおける表面粗さの方向性を変えることにより、上記脆弱な部位が少なくなり、セラミックス基板全体の構造強度を高めることができる。例えば、表面を横方向に沿って研磨し表面粗さに方向性を持たせたセラミックス基板に対し、表面側の表面粗さの方向性を０°としたときに裏面の表面粗さを４５°〜１２５°の範囲において一定方向に研磨することが好ましい。裏面の表面粗さの方向性が０°〜４５°未満、１２５°を超えて１８０°の範囲では、表面の表面粗さとの方向性の違いが発現しにくいため前述のような脆弱な部位が形成され易くなってしまう。
【００２２】
上記構成に係るセラミックス基板によれば、セラミックス基板の表裏両面のうち、少なくとも引張り応力が作用する側の表面において、短辺方向の表面粗さ（Ｒａ）が長辺方向の表面粗さの１．５倍以上であるため、セラミックス基板の抗折強度が向上し、アセンブリング時に割れが発生することが少なく、信頼性が高い回路基板やヒーター基板を高い製造歩留りで形成することができる。
【００２３】
また、従来のように表面粗さの方向性を考慮せずに一律に表面粗さを規定していた場合と比較して、本発明のセラミックス基板では、セラミックス基板をモジュール化して回路基板等に形成し、その組立時および使用時に作用する応力方向を考慮して表面粗さの方向性を最適化することが可能になり、所定の表面粗さを得るための研磨工数を低減することも可能になる。
【００２４】
さらに、表面粗さが最大になる方向を、セラミックス基板の表面と裏面とで異なるように構成することにより、特に抗折強度が低くなる脆弱な部分が減少し、セラミックス基板全体の構造強度を高めることができる。
【００２５】
【発明の実施の形態】
次に本発明の実施形態について添付図面を参照し、以下の実施例に基づいて、より具体的に説明する。
【００２６】
実施例１
酸素１．３重量％、陽イオン不純物０．１５重量％以下含有し、α相型窒化けい素９７％を含む平均粒径０．５５μｍの窒化けい素原料粉末に対して、焼結助剤として平均粒径０．７μｍのＹ_２Ｏ_３（酸化イットリウム）粉末５重量％、平均粒径０．５μｍのＡｌ_２Ｏ_３（アルミナ）粉末１．５重量％を添加し、エチルアルコール中で２４時間湿式混合した後に乾燥して原料粉末混合体を調整した。次に得られた原料粉末混合体に有機バインダを所定量添加して均一に混合した後に、１０００ｋｇ／ｃｍ^２の成形圧力でプレス成形し、多数の成形体を製作した。次に得られた成形体を７００℃の雰囲気ガス中において２時間脱脂した後に、この脱脂体を窒素ガス雰囲気中７．５気圧にて１９００℃で６時間保持し、緻密化焼結を実施した後に、焼結炉に付設した加熱装置への通電量を制御して焼結炉内温度が１５００℃まで降下するまでの間における焼結体の冷却速度が５０℃／ｈｒとなるように調整して焼結体を冷却し、長辺長さ６０ｍｍ×短辺長さ４０ｍｍ×厚さ０．６ｍｍの実施例１用の窒化けい素基板を多数調製した。
【００２７】
次に得られた窒化けい素基板の裏面について平面研削盤の回転砥石を基板の長辺方向に移動するように研磨し、表１に示す各方向の表面粗さを有する実施例１に係る窒化けい素基板を調製した。
【００２８】
実施例２
実施例１において窒化けい素基板の表面についても研磨処理を実施した点以外は実施例１と同様な手順で実施例２に係る窒化けい素基板を調製した。但し、窒化けい素基板の表面については、回転砥石が基板の短辺方向に移動するように研磨した。
【００２９】
実施例３
実施例１において焼結後に窒化けい素基板の裏面を回転砥石によって研磨せずに、窒化けい素成形体の段階で裏面の長辺方向に幅が０．３μｍで深さが０．３μｍでピッチが１０μｍの多数の筋状の溝を形成した点以外は実施例１と同様な手順に従って実施例３に係る窒化けい素基板を調製した。
【００３０】
実施例４
不純物酸素含有量が１．５重量％で平均粒径が１．２μｍである窒化アルミニウム（ＡｌＮ）粉末に焼結補助剤としてのイットリア（Ｙ_２Ｏ_３）を５重量％配合し、得られた原料混合体を１００ＭＰａの加圧力で成形して成形体とし、この成形体を２０ｖｏｌ．％の水素ガスを含むＡｒ雰囲気中で温度１８００℃で４時間焼成することにより、長辺長さ６０ｍｍ×短辺長さ４０ｍｍ×厚さ０．６ｍｍの実施例４用の窒化アルミニウム基板を多数調製した。
【００３１】
次に得られた窒化アルミニウム基板の裏面について平面研削盤の回転砥石を基板の長辺方向に移動するように研磨し、表１に示す各方向の表面粗さを有する実施例４に係る窒化アルミニウム基板を調製した。
【００３２】
実施例５
平均粒径１μｍの酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）粉末９６重量％、焼結助剤として酸化けい素粉末２重量％と酸化マグネシウム粉末１．５重量％と酸化カルシウム粉末０．５重量％とを十分に混合し、この混合粉末１００重量部に対してバインダ３０重量部を加えて混練し、板状に成形して脱脂後、酸化性雰囲気中で１５００℃、２時間の条件で焼成し、長辺長さ６０ｍｍ×短辺長さ４０ｍｍ×厚さ０．６ｍｍである実施例５用のアルミナ基板を作製した。
【００３３】
次に得られたアルミナ基板の裏面について平面研削盤の回転砥石を基板の長辺方向に移動するように研磨し、表１に示す各方向の表面粗さを有する実施例５に係るアルミナ基板を調製した。
【００３４】
比較例１
実施例１において焼結した得た窒化けい素基板の裏面について平面研削盤の回転砥石を基板の短辺方向に移動するように研磨した点以外は実施例１と同様な手順に従って比較例１に係る窒化けい素基板を調製した。
【００３５】
比較例２
実施例１において焼結した得た窒化けい素（Ｓｉ_３Ｎ_４）基板の裏面について回転砥石による研磨を実施せずに、そのまま比較例２に係る窒化けい素基板とした。
【００３６】
比較例３
実施例４において焼結した得た窒化アルミニウム（ＡｌＮ）基板の裏面について回転砥石による研磨を実施せずに、そのまま比較例３に係る窒化アルミニウム基板とした。
【００３７】
比較例４
実施例５において焼結した得た酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）基板の裏面について回転砥石による研磨を実施せずに、そのまま比較例４に係る酸化アルミニウム基板とした。
【００３８】
上記のように調製した実施例１〜５および比較例１〜４に係る各セラミックス基板について、表面および裏面の長辺方向および短辺方向の表面粗さを測定した後に、図１に示すように三点曲げ試験を実施して抗折強度を測定した。すなわち、各セラミックス基板１の裏面の長辺方向Ｌの両縁部を、一対の抗折試験用治具４によって支持間隔が５０ｍｍとなるように支持した状態で表面の中央部に配置した上部押圧治具５によってセラミックス基板１に押圧力を作用させ、セラミックス基板に破断を生じた時点での最大押圧力から抗折強度を算出した。
【００３９】
なお実施例１〜５および比較例２〜４においては、抗折試験用治具と表面粗さが最大となる方向の位置関係とは平行である一方、比較例１においては垂直とした。抗折強度の測定・算出結果を下記表１に示す。
【００４０】
【表１】

【００４１】
上記表１に示す結果から明らかなように、三点曲げ抗折試験において、引張り応力が作用する側の面、すなわちセラミックス基板１の裏面において、短辺方向Ｓの表面粗さＲａ（Ｓ）を長辺方向Ｌの表面粗さＲａ（Ｌ）の１．５倍以上になるように研磨処理した各実施例に係るセラミックス基板においては、研磨処理を実施しない比較例２〜４に係るセラミックス基板と比較して抗折強度が大幅に増加しており、アセンブリング時に割れが発生することも少なく信頼性が高い回路基板やヒーター基板を高い歩留りで製造できることが判明した。
【００４２】
一方、抗折試験用治具の方向と表面粗さの最大方向とを垂直にし、曲げ応力が作用する方向に最大の表面粗さが表われる比較例１に係る窒化けい素基板においては、無研磨状態の比較例２に係る窒化けい素基板よりも抗折強度が低下した。
【００４３】
また、所定の研磨処理を実施せず、セラミックス基板の表面粗さの方向性を考慮しない比較例２〜４に係るセラミックス基板においては、対応する各実施例の基板と比較して抗折強度が低下することが確認できた。
【００４４】
実施例６〜１１
実施例１の基板において、表面の研磨方向を０°とした場合に、表２に示した角度方向に裏面側の研磨を行い、実施例１と同様の抗折強度試験を行い、さらにその方向に対し９０°変えた方向からの抗折強度試験を行い、下記表２に示す結果を得た。なお、裏面の研磨は表面側を研磨したものと同様の砥石により実施した。
【００４５】
【表２】

【００４６】
上記表２から明らかなように、表面と裏面の表面粗さの最大になる方向を変えたものは、例えば実施例６のように表面裏面の表面粗さの最大になる方向を一致させたものに対して、抗折強度試験をどちらの方向に試験治具を押し当てて測定した場合においても優れた抗折強度が得られることが判明した。
【００４７】
この結果を踏まえると、引張り応力が作用する方向がランダムである場合、表面粗さが最大になる方向をセラミックス基板の表面裏面で変えることにより、どちらの方向から応力が作用した場合においても優れた抗折強度を得ることが可能となる。
【００４８】
言い換えると、引張り応力が作用する方向が常に一定であるならば、実施例６に示したように表面裏面ともに同じ方向に研磨することが好ましいことが判明した。
【００４９】
【発明の効果】
以上説明の通り、本発明に係るセラミックス基板によれば、セラミックス基板の表裏両面のうち、少なくとも引張り応力が作用する側の表面において、短辺方向の表面粗さ（Ｒａ）が長辺方向の表面粗さの１．５倍以上であるため、セラミックス基板の抗折強度が向上し、アセンブリング時に割れが発生することが少なく、信頼性が高い回路基板やヒーター基板を高い製造歩留りで形成することができる。
【００５０】
また、従来のように表面粗さの方向性を考慮せずに一律に表面粗さを規定していた場合と比較して、本発明のセラミックス基板では、セラミックス基板をモジュール化して回路基板等に形成し、その組立時および使用時に作用する応力方向を考慮して表面粗さの方向性を最適化することが可能になり、所定の表面粗さを得るための研磨工数を低減することも可能になる。
【００５１】
さらに、表面粗さが最大になる方向を、セラミックス基板の表面と裏面とで異なるように構成することにより、特に抗折強度が低くなる脆弱な部分が減少し、セラミックス基板全体の構造強度を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るセラミックス基板の一実施例について抗折試験を実施している状態を示す斜視図。
【図２】セラミックス基板の表面粗さに方向性をもたせるための研磨法の一例を示す斜視図。
【図３】セラミックス基板の表面および裏面の表面粗さの最大方向（Ｄ_１，Ｄ_２）の位置関係を示す平面図。
【符号の説明】
１セラミックス基板
２回転砥石
３研磨痕
４抗折試験用治具
５上部押圧治具

Claims

金属板を接合する回路基板用セラミックス基板の表裏両面のうち、少なくとも引張り応力が作用する側の表面において、短辺方向の表面粗さ（Ｒａ）が長辺方向の表面粗さの１．５倍以上となるように研磨加工することにより抗折強度を向上させた一方、上記セラミックス基板の表面粗さ（Ｒａ）が０．６μｍ以下であり、上記表面粗さが最大になる方向が、セラミックス基板の表面と裏面とで異なることを特徴とする回路基板用セラミックス基板。
セラミックス基板の主成分が窒化けい素であることを特徴とする請求項１記載の回路基板用セラミックス基板。
一方の表面粗さが最大になる方向Ｄ１に対して、他方の表面の表面粗さが最大となる方向Ｄ２が４５°〜１２５°の範囲であることを特徴とする請求項１記載の回路基板用セラミックス基板。
請求項１〜３のいずれか１項記載の回路基板用セラミックス基板に金属板を接合したことを特徴とする回路基板。