JP4918663B2

JP4918663B2 - 回路基板の製造方法

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Publication number: JP4918663B2
Application number: JP2008235106A
Authority: JP
Inventors: 美保中村; 英樹佐藤; 正石井; 聖子永野
Original assignee: Toshiba Corp; Toshiba Materials Co Ltd
Current assignee: Toshiba Corp; Niterra Materials Co Ltd
Priority date: 2008-09-12
Filing date: 2008-09-12
Publication date: 2012-04-18
Anticipated expiration: 2019-04-30
Also published as: JP2009038386A

Description

本発明はセラミックス基板に回路としての導体層を一体に形成した回路基板の製造方法に係り、特に優れた放熱性を有し、かつ高強度で組立時および使用時における割れの発生が少なく、さらに、導体層の短絡・不良の発生が少ない回路基板の製造方法に関する。

電子機器や半導体装置の構成部品として、図１および図２に示すように、アルルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）基板や窒化アルミニウム（ＡｌＮ）基板などのセラミックス基板２の表面および内層に回路となる導体層（メタライズ配線層）３を一体に形成した各種の回路基板（厚膜回路基板）１が広く用いられている。

上記従来の回路基板を構成するセラミックス基板としては、熱伝導率が１０〜２０Ｗ／ｍ・Ｋ程度のアルミナ基板が汎用されている。また、さらに高い放熱性が要求される用途には、各種形状の放熱板やヒートシンクを回路基板に組み合わせたものが使用されている。さらに、熱伝導率が５０〜１５０Ｗ／ｍ・Ｋ程度の窒化アルミニウム（ＡｌＮ）基板を用いて、より高い放熱性を確保する例もある。

近年、セラミックス回路基板を使用した半導体装置の高出力化、半導体素子の大容量化および高集積化が急速に進行し、セラミックス回路基板に繰り返して作用する熱応力や熱負荷も急激に増加する傾向にあり、セラミックス回路基板に対しても上記熱応力や熱サイクルに対して十分な強度と放熱性とが要求されている。

上記のような技術的な要求に対応するために、１８０Ｗ／ｍ・Ｋ程度の高熱伝導率を有するＡｌＮセラミックス基板も開発されている。このＡｌＮ基板は高純度のＡｌＮ原料粉末にイットリア（Ｙ_２Ｏ_３）などの焼結助剤を添加した原料混合体を成形し、得られた成形体を高温度で４８〜７２時間程度と長時間焼結することにより緻密化を図ると同時に、熱抵抗となる液相成分を基板表面に排出して高純度化を図って製造されるものである。
特開平０４−００５８８１特開平０２−０５０９７２特開平０５−０９０４３６

しかしながら、上記従来のセラミックス回路基板においては、セラミックス基板の種類や焼結方法を改良することにより高い熱伝導率は得られていたが、セラミックス原料粉末の熱処理（焼結）を長時間に渡り実施しているため、セラミックス結晶粒子が粗大化（粒成長）してしまう結果、耐熱サイクル性および曲げ強度が十分に得られず、回路基板を用いた半導体装置の信頼性や製品歩留りが低くなるという問題点があった。

すなわち、回路基板に搭載する半導体素子の高集積化および高出力化に対応して熱サイクル負荷も大幅に上昇し、熱応力によって基板に割れが発生して回路基板の機能が喪失されてしまう問題点があった。また、回路基板の曲げ強度が小さくたわみ量も少ないため、組立時に回路基板を実装ボードにねじで締着固定しようとすると、ねじの僅かな締着力によってセラミックス基板が破壊してしまう場合があり、回路基板を使用した半導体装置の製品歩留りが低下してしまう問題点もあった。さらに、使用時に発生する熱応力によって割れが発生する場合も多く半導体装置の信頼性が低下する難点もあった。

さらに、長時間の焼結熱処理によって焼結助剤などの添加剤を液相成分としてセラミックス基板表面や導体層の表面に排出して高純度化を図り、熱伝導率を高める手法を採用しているため、セラミックス基板や導体層表面に液相成分が不均一に存在することになり、セラミックス基板の表面処理に対して悪影響を及ぼす問題点もあった。すなわち、セラミックス基板や導体層表面に液相成分によって凹凸や微小欠陥が発生し、導体層表面にめっき処理を施す際に、欠陥部に付着した余剰のめっき成分が、隣接する導体層間に残留して回路の短絡が発生したり、めっき層が不均一になったり、半田リフローの際に半田の濡れ面積が不均一になり、表面処理の効果が不十分になる問題点もあった。

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、熱伝導率が高く優れた放熱性を有し、かつ高強度で組立時および使用時における割れの発生が少なく、さらに導体層の短絡・不良の発生が少ない回路基板の製造方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本願発明者らは、特に高い熱伝導率を得る一方で、強度の低下を引き起こさない回路基板の組織構造を種々検討した。その結果、特にセラミックス原料粉末の成形体を、窒素・水素・水蒸気雰囲気中で脱脂した後に還元雰囲気中で所定時間焼結したときに、得られるセラミックス基板の結晶粒子が微細となり、高熱伝導性と高強度特性とを併せ持つセラミックス基板が得られた。そして、このセラミックス基板を用いて回路基板を調製したときに、優れた放熱性を有するとともに、割れの発生が少なく、さらに表面性状が優れた回路基板が初めて実現するという知見を得た。本発明は上記知見に基づいて完成されたものである。

すなわち、本発明に係る回路基板の製造方法で得られる回路基板は、セラミックス結晶粒子と液相酸化物粒子とから成るセラミックス基板に回路となる導体層を一体に形成した回路基板において、上記セラミックス基板の熱伝導率が１８０Ｗ／ｍ・Ｋ以上であり、かつセラミックス結晶粒子の平均粒径が１０μｍ以下であることを特徴とする。

また、セラミックス結晶粒子の平均粒径は４〜９μｍの範囲であることがより好ましい。さらにセラミックス基板が窒化アルミニウム（ＡｌＮ）から成る一方、導体層をタングステン（Ｗ）およびモリブデン（Ｍｏ）の少なくとも一方の高融点金属から構成するとよい。

また、セラミックス基板表面または導体層表面に存在する液相酸化物粒子の最大粒径が３００μｍ以下であることが好ましい。さらに、液相酸化物がＹ−Ａｌ−Ｏ系の複合酸化物である場合に、回路基板の熱伝導性および強度を、より効果的に高めることができる。

また本発明に係る回路基板の製造方法は、イットリア（Ｙ _２Ｏ _３）を含む焼結助剤を添加した窒化アルミニウム（ＡｌＮ）粉末の成形体に所定の回路パターンを形成するように導体ペーストを塗布し、回路パターンを形成したセラミックス成形体を、窒素ガスが５０ｖｏｌ％以上の窒素ガスと水素ガスと水蒸気とから成り、水素ガス量が体積比で水蒸気ガス量より大きい雰囲気中で温度６００℃以上９００℃以下に加熱して脱脂した後に、得られた脱脂体を還元雰囲気の窒素ガス中で温度１７００℃以上で１〜８時間加熱することにより、セラミックス成形体と導体ペーストとを同時に焼成し、セラミックス基板に一体化した導体層を形成し、焼成後の冷却速度を毎時２００℃以下に調整して徐冷することにより、セラミックス基板の熱伝導率が１８０Ｗ／ｍ・Ｋ以上であり、かつセラミックス結晶粒子の平均粒径が１０μｍ以下であり、セラミックス基板表面に存在する液相酸化物粒子の平均粒径が３００μｍ以下である回路基板を製造することを特徴とする。

本発明に係る回路基板の製造方法で使用されるセラミックス基板としては、特に限定されるものではなく、酸化ベリリウム（ベリリア：ＢｅＯ）等の酸化物系セラミックス基板の他に、窒化アルミニウム（ＡｌＮ），窒化けい素（Ｓｉ_３Ｎ_４）等の窒化物、炭化けい素（ＳｉＣ）等の炭化物、またはほう化ランタン等のほう化物等の非酸化物系セラミックス基板でもよい。これらのセラミックス基板には酸化イットリウムなどの焼結助剤等が含有されていてもよい。しかしながら、熱伝導率を１８０Ｗ／ｍ・Ｋ以上とするためには、特に窒化アルミニウム（ＡｌＮ）から成るセラミックス基板が好適である。

また、導体層を構成する金属としては、高温度の同時焼結を実施した場合にも所定の回路パターンを維持できるタングステン（Ｗ）やモリブデン（Ｍｏ）などの高融点金属材が好適である。

セラミックス基板の結晶粒子の平均粒径は、回路基板の曲げ強度に大きく影響するため、本発明では１０μｍ以下とされる。上記結晶粒子の平均粒径が１０μｍを超えるように粗大となると、回路基板の曲げ強度が低下し、回路基板の実装時および使用時に割れが発生し易くなるためである。しかしながら、上記結晶粒子の平均粒径が４μｍ未満と小さくなると、熱抵抗が高い粒界層の数が増加し、回路基板の熱伝導率が低下して放熱性が劣化する。そのため、セラミックス基板の結晶粒子の平均粒径は４〜９μｍの範囲がより好ましい。

セラミックス基板がＡｌＮ基板である場合において、本発明に係る回路基板は以下のような具体的な工程で製造される。すなわち、不純物としての酸素等の含有量が１重量％以下であり、平均粒径が１．５μｍ以下の微細なＡｌＮ粉末に対して、焼結助剤としてのイットリア（Ｙ_２Ｏ_３）を３〜６重量％を添加し、ボールミル等で均一に混合して原料混合体を調製する。次に、この原料混合体に有機バインダーとしてのポリビニルアルコール（ＰＶＡ）等を４〜６重量％添加して造粒粉とし、この造粒粉をプレス成形機等で圧縮して成形体としたり、または原料混合体に溶媒を添加してスラリー状にし、このスラリーをドクターブレード法のようなシート成形法を用いてシート状の成形体を調製する。

次に、得られた成形体の表面にＷおよびＭｏの少なくとも一方を含有する導体ペーストをスクリーン印刷法等により塗布して回路パターンを形成する。次に、この成形体を、窒素ガスと水素ガスと水蒸気とから成る雰囲気中において温度６００℃以上で１〜２時間脱脂処理する。この脱脂雰囲気は窒素が５０ｖｏｌ．％以上の雰囲気であることが好ましい。さらに、水素ガス量が体積比で水蒸気ガス量より大きいことが好ましい。また、脱脂温度も６００〜９００℃の範囲が好ましい。

次に、脱脂処理した成形体をＡｌＮ製焼成容器内に収容し、水素等を混入した還元雰囲気の窒素ガス中で温度１７００〜１８００℃で１〜６時間緻密化焼結を実施し、その後、毎時２００℃以下の冷却速度で徐冷して最終的に回路基板が製造される。

上記のような脱脂処理，焼結処理および焼結後の徐冷処理を実施することにより、セラミックス基板および導体層表面に存在する液相酸化物粒子を微細化することが可能になる。

特に、上記液相酸化物粒子の最大粒径は、その後に行う導体層のめっき処理等の表面処理に大きな影響を及ぼすため、本発明では上記液相酸化物粒子の最大粒径は３００μｍ以下とされる。この最大粒径が３００μｍを超えるように粗大になると、セラミックス基板や導体層の表面に液相成分によって凹凸や欠陥が発生し易くなり、この欠陥部等に付着しためっき成分が隣接する導体層間に残留して回路の短絡を発生させたり、めっき層のふくれを発生させたり、半田濡れ性が不均一になったりする不都合が生じ易くなる。したがって、液相酸化物粒子の最大粒径は３００μｍ以下とされるが、２５０μｍ以下の範囲、より好ましくは１００μｍ以下、特に４０μｍ以下の微細な粒子範囲がより好ましい。

また、上記液相酸化物がＹ−Ａｌ−Ｏ系の複合酸化物である場合に、セラミックス基板の液相酸化物粒子の微細化がより効果的に達成される。特にセラミックス基板材料として窒化アルミニウム（ＡｌＮ）粉末を用いる一方、焼結助剤としてＹ_２Ｏ_３などのイットリウム系の助剤を用いた場合には、液相酸化物としてＹ_３Ａｌ_５Ｏ_１２，ＹＡｌＯ_３，Ｙ_４Ａｌ_２Ｏ_９，Ｙ_２Ｏ_３などのＹ−Ａｌ−Ｏ系の複合酸化物が焼結時に生成し、ＡｌＮ結晶粒の微細化およびＡｌＮ成分の緻密化焼結が効果的に進行すると同時に、これらの複合酸化物がセラミックス基板および導体層の表面部に移行してセラミックス基板の高純度化が促進され、ＡｌＮセラミックス基板の高熱伝導化が進む。一方、ＡｌＮ基板および導体層の表面部に移行した複合酸化物は微細な粒子として分散しているため、凹凸や欠陥を形成することが少なく、その後のめっき処理等に対して悪影響を及ぼすことは少ない。

上記構成に係る回路基板の製造方法によれば、セラミックス基板が１８０Ｗ／ｍ・Ｋ以上の熱伝導率を有し、熱放散性に優れているため、従来の回路基板と比較して半導体素子の稼働時における温度上昇を効果的に抑制できる。また、さらに高出力の半導体素子を搭載することも可能になり、半導体素子の高出力化および高集積化に十分対応することが可能になる。

また、セラミックス基板を構成する結晶粒子の平均粒径を１０μｍ以下にしているため、回路基板全体としての曲げ強度が十分に確保される結果、回路基板のアセンブリング時や使用時においても割れが発生することが少ない。

さらに、セラミックス基板や導体層表面に存在する液相酸化物粒子の平均粒径を３００μｍ以下にすることにより、液相酸化物粒子による凹凸や欠陥が少なくなり、この欠陥部等に付着しためっき成分による導体層の短絡事故の発生率を大幅に低下させることが可能になるとともに、めっき処理や半田リフロー処理などの表面処理の効果を均一化でき、より安定した表面処理を実現することができる。

本発明に係る回路基板の製造方法によれば、セラミックス基板が１８０Ｗ／ｍ・Ｋ以上の熱伝導率を有し、熱放散性に優れているため、従来の回路基板と比較して半導体素子の稼働時における温度上昇を効果的に抑制できる。また、さらに高出力の半導体素子を搭載することも可能になり、半導体素子の高出力化および高集積化に十分対応することが可能になる。

次に本発明の実施形態について添付図面を参照して以下の実施例に基づいて、より具体的に説明する。

［実施例１〜１０］
不純物としての酸素の含有量が０．３重量％であり、平均粒径が１μｍの窒化アルミニウム（ＡｌＮ）粉末に対して焼結助剤としてのイットリア（Ｙ_２Ｏ_３）を５重量％と、有機バインダーとしてのポリビニルアルコール（ＰＶＡ）を５．５重量％とを添加し、エチルアルコールを溶媒として均一に混合してスラリー状の原料混合体とした。次に、得られたスラリー状の原料混合体をドクターブレード法により成形してシート状のＡｌＮグリーンシートを多数調製した。

一方、タングステン（Ｗ）粉末に添加剤，ＡｌＮバインダーおよび有機溶剤を添加して導体ペーストを調製し、導体ペーストを上記ＡｌＮグリーンシートの表面および背面にスクリーン印刷法等の厚膜手法を採用して図１に示すような所定の導体パターン形状に印刷塗布した。次に得られたＡｌＮグリーンシートを切断加工して１００ｍｍ角のシート状成形体とした。

そして、導体パターンを印刷した各ＡｌＮシート状成形体を、表１に示すような窒素・水素・水蒸気雰囲気中で２時間加熱して脱バインダー処理を行った後に、引き続いて表１に示すような還元性窒素ガス雰囲気中で所定時間焼結後、さらに表１に示す所定の冷却速度で徐冷することにより、回路としてのＷ導体層をＡｌＮ基板表面に一体に形成した実施例１〜５に係る厚膜回路基板をそれぞれ多数調製した。

［比較例１〜６］
表１に示す脱脂条件および焼結条件で処理した点以外は実施例１と同様に処理して実施例１と同一寸法を有する比較例１〜６に係る回路基板をそれぞれ調製した。

こうして調製された各実施例および比較例に係る回路基板１は、図１および図２に示すように、セラミックス基板としてのＡｌＮ基板２の表面および背面にＷ導体層３，３を一体に形成した構造を有する。

上記のように調製した各実施例および比較例に係る回路基板を構成するＡｌＮ基板の熱伝導率，結晶粒子の平均粒径，基板および導体層表面の液相酸化物粒子の最大粒径，回路基板の三点曲げ強度を測定して下記表１に示す結果を得た。なお、三点曲げ強度の測定に際しては、グリーンシートを積層して厚さ４ｍｍのサンプルを作製し焼結後、３×４×３０ｍｍに加工して抗折強度測定用の試料とした。三点曲げ強度測定方法はＪＩＳ規格に準じた方法を適用した。また、各回路基板の導体層表面に厚さ３μｍの電解ニッケルめっき層を形成した後、洗浄・乾燥し、残留めっき成分による導体層の短絡（ショート）事故の有無を確認した。すなわち、短絡事故の有無の確認に際しては各実施例及び比較例の基板を各１００個作製し、事故の有無を確認した。測定結果を下記表１に示す。

上記表１に示す結果から明らかなように、ＡｌＮ基板の結晶粒子の平均粒径を１０μｍ以下にした各実施例に係る回路基板においては、１８０Ｗ／ｍ・Ｋ以上の高熱伝導率を維持しながらも三点曲げ強度が高く、アセンブリ時および使用時における割れの発生が少ないことが判明した。

また、基板表面および導体層表面における液相酸化物粒子の平均粒径を３００μｍ以下にした各実施例に係る回路基板においては、基板および導体層の表面に凹凸や欠陥が形成されにくいため、上記欠陥部に残留しためっき成分による短絡事故が大幅に低減されることが判明した。

特に導体層表面における液相酸化物粒子の平均粒径を３００μｍ以下に制御した各実施例に係る回路基板によれば、液相酸化物によるめっき層の不均一が解消されることも判明した。また導体層表面の半田濡れ性が均一で良好となり、めっき処理および半田リフロー処理などの表面処理の効果も均一化された。また、残留めっき液によるめっき層の膨れ不良も解消した。

このように各実施例に係る回路基板は、高い熱伝導率を維持しながら強度も高く形成されているため、搭載した半導体素子から発生した熱を効率的に放散できる。さらに、高出力の半導体素子の搭載も可能になる。

一方、比較例１〜６に係る回路基板においては、強度は高い反面、熱伝導率が過小であり、良好な放熱性は発揮し得ない。また、比較例４または５では熱伝導率を高めるために長時間の焼結処理を実施しているためにＡｌＮ結晶粒子が粗大化しており、十分な強度が得られず、割れに対する耐性が低いことが再確認できた。

本発明の製造方法で得られる回路基板の構成を模式的に示す平面図。図１に示す回路基板の断面図。

符号の説明

１回路基板（厚膜回路基板）
２セラミックス基板（ＡｌＮ基板）
３導体層（Ｗ導体層）

Claims

イットリア（Ｙ _２Ｏ _３）を含む焼結助剤を添加した窒化アルミニウム（ＡｌＮ）粉末の成形体に所定の回路パターンを形成するように導体ペーストを塗布し、回路パターンを形成したセラミックス成形体を、窒素ガスが５０ｖｏｌ％以上の窒素ガスと水素ガスと水蒸気とから成り、水素ガス量が体積比で水蒸気ガス量より大きい雰囲気中で温度６００℃以上９００℃以下に加熱して脱脂した後に、得られた脱脂体を還元雰囲気の窒素ガス中で温度１７００℃以上で１〜８時間加熱することにより、セラミックス成形体と導体ペーストとを同時に焼成し、セラミックス基板に一体化した導体層を形成し、焼成後の冷却速度を毎時２００℃以下に調整して徐冷することにより、セラミックス基板の熱伝導率が１８０Ｗ／ｍ・Ｋ以上であり、かつセラミックス結晶粒子の平均粒径が１０μｍ以下であり、セラミックス基板表面に存在する液相酸化物粒子の平均粒径が３００μｍ以下である回路基板を製造することを特徴とする回路基板の製造方法。
導体層の表面に存在する液相酸化物粒子の最大粒径が３００μｍ以下であることを特徴とする請求項１記載の回路基板の製造方法。
液相酸化物がＹ−Ａｌ−Ｏ系の複合酸化物であることを特徴とする請求項１記載の回路基板の製造方法。
前記窒化アルミニウム（ＡｌＮ）粉末の平均粒径が１．５μｍ以下であることを特徴とする請求項１記載の回路基板の製造方法。