JP6724481B2 - セラミック基板及びその製造方法 - Google Patents

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Description

本発明は、半導体素子の搭載等に用いるセラミック基板及びその製造方法に関する。
モータ等の各種産業機器、エンジンコントロールユニット等の車載機器、あるいは冷蔵庫、エアコン、テレビ等の家電機器、携帯電話やスマートフォン等の移動体通信機器等、各種電子機器に用いられる電源回路や増幅回路にて、セラミック基板に半導体素子を実装した半導体集積回路装置(以下モジュールと呼ぶ)が用いられる。
最近の電子機器の小型・薄型化、高機能化に伴い、モジュールもまた同様に小型・薄型化、高機能化が求められるようになった。また半導体素子は、内部配線の微細配線化によるトランジスタの高集積化に伴って、トランジスタの耐圧が低下するとともに消費電流が増加し、半導体素子からの発熱は増加の傾向にある。そのため安定してモジュールを動作させるように、半導体素子からの発熱を効率よく放散させることも求められている。
これまで半導体素子からの発熱を効率よく放散させるための様々な構造のモジュールが提案されている。その一例として特許文献1に開示されたモジュールがある。モジュールの基本的な構成は、板状のセラミック基板と、その上面側に、メタライズ法等により金属層が形成されている。セラミック基板は熱伝導性に優れる窒化ケイ素基板であって、その下面側には、ヒートシンクが接合されている。金属層に半導体素子が実装されてはんだ付けされる。
一方で特許文献2には、モジュールを高機能化するように、焼結したセラミック基板に低温焼成セラミック(LTCC(Low Temperature Co−fired Ceramics))の未焼結のグリーンシートを積層し、それを焼成して複合セラミック基板とし、複合セラミック基板に、コンデンサやICチップ等の電子部品を実装してモジュールを構成することが開示されている。
特開平9−97865号公報 特開2012−33664号公報
特許文献2では、セラミック基板としてアルミナ基板を用いること、また、グリーンシートをアルミナ基板に密着させるためのケミカルボンド機能を作用させるために、予めグリーンシートに酸化銅,亜酸化銅、酸化亜鉛、酸化ニッケル、酸化ビスマス、酸化銀、酸化ホウ素等の金属酸化物を配合することが示されている。
しかしながら、セラミック基板としてアルミナ基板よりも熱伝導性、機械的強度、耐熱衝撃性等に優れる窒化ケイ素基板を用いて、低温焼成セラミックの未焼結のグリーンシートを積層する場合、グリーンシートに用いる低温焼成セラミック材料(LTCC材料)に前記金属酸化物を含んでいても窒化ケイ素基板との接合性が得られないことが判明した。
そこで、本発明の目的は、機械的強度や熱伝導性等の高い窒化ケイ素基板に着目して、その特性を生かしつつ、低融点金属のAgやCu等の低抵抗の導体材料と同時に焼結できる誘電体セラミックスを用いたセラミック層と、窒化ケイ素基板との接合性を向上できるセラミック基板及びその製造方法を提供することにある。
本発明者らは、前記課題を解決すべく鋭意検討した結果、下記構成を採用することにより上記目的を達成し得ることを見出し本発明にいたった。なお、本発明における各種の物性値は、実施例等において採用する方法により測定される値である。
即ち、本発明のセラミック基板は、窒化ケイ素基板と、誘電体セラミックスでなるセラミック層とが積層されて接合されているセラミック基板であって、前記誘電体セラミックスは、Mg,Al及びSiを主成分とし、副成分として、Bi又はBを含有し、前記セラミック層は、前記窒化ケイ素基板との接合界面に、Si元素濃度の高い領域を有することを特徴とする。
本発明では、焼結した際、窒化ケイ素基板とセラミック層との接合界面に、Si元素濃度の高い領域を形成することで、接合性が向上すると考えられる。接合性向上のメカニズムの詳細は不明であるものの、下記の通りであると考えられる。誘電体セラミックスは、母相(主に主成分からなる組成物)粒子が、粒子同士間に吸着を生じながら粒成長し、表面拡散・粒界拡散して焼結が進行し緻密化する。その間、ガラス相(副成分に母相成分の一部が入った組成物)は、母相粒子間を粘性流動する。この焼結時の緻密化過程で、母相粒子間に存在していたガラス相のうちの一部が、粒成長に伴い、母相粒子間から滲出するガラス相のSi酸化物は、窒化ケイ素基板表面を酸化させやすいため、窒化ケイ素基板と濡れやすい状態にあって、更に焼結において以下のいずれかの状態が生じると推察される。(1)酸化された窒化ケイ素基板表面から窒化ケイ素基板由来のSi成分がガラス相に拡散して、冷却過程で過飽和となったSi酸化物が、Si濃度の低いセラミック層側へ拡散し、接合界面にSi元素濃度の高い領域を形成し、ガラス相と窒化ケイ素基板との強固な接合が生まれる。(2)酸化された窒化ケイ素基板表面のSiとセラミック層中のSiとがOを介して強固な結合をすることによって、接合界面にSi元素濃度の高い領域を形成し、窒化ケイ素基板とセラミック層との強固な接合が生まれる。(1)及び(2)のいずれか、又は両方が作用して強固な接合を形成しているのではないかと考えられる。これにより、機械的強度や熱伝導性等の高い窒化ケイ素基板の特性を生かしつつ、低融点金属のAgやCu等の低抵抗の導体材料と同時に焼結できる誘電体セラミックスを用いたセラミック層と窒化ケイ素基板との接合性を向上できると考えられる。
本発明における誘電体セラミックスの主成分は、主成分を100質量%として、MgO換算で10〜25質量%のMg、Al換算で15〜46質量%のAl、及びSiO換算で40〜65質量%のSiを含有することが好ましい。主成分がこのような範囲であると、コーディエライトを含む誘電体セラミックスとすることができる。Mg,Al,Siの酸化物や炭酸塩等から、焼成(焼結)時にコーディエライト(組成2MgO・2Al・5SiO)結晶を析出させても良いし、コーディエライト粉末と前記副成分との混合粉を仮焼して仮焼粉とし、それを焼成しても良い。どちらの場合でも、窒化ケイ素基板との間で強固な接合を得ることが出来る。コーディエライトは低誘電率で低損失であるので、マイクロ波帯の周波数で用いるセラミック基板として有用である。
本発明における副成分は、主成分を100質量部として、Bi換算で0.1〜10質量部のBi又は、B換算で0.1〜10質量部のBを含有することが好ましい。副成分がこのような範囲であると、低温焼結促進の効果が得られ、また焼成時のコーディエライトの結晶化を促進する効果が得られて、低温であっても組織を緻密化できるとともに接合性を向上でき、本発明の効果を得る上で有利である。
本発明における副成分として、さらにCuを含有し、前記Cuの含有量は、主成分を100質量部として、CuO換算で0.1〜10質量部であることが好ましい。Cuを所定量含有させると、接合界面にCu濃度の高いCu濃化領域を形成することができるため、窒化ケイ素基板とセラミック層とが強固に接合する上で有利である。
本発明における副成分として、さらにMnを含有し、前記Mnの含有量が、主成分を100質量部として、Mn換算で0.1〜10質量部であることが好ましい。Mnを含有させると、接合部内の空孔(ボイド)を減少させることができ、焼成時のコーディエライトの結晶化を促進する効果が得られて、低温であっても組織を緻密化できるとともに接合性を向上でき、本発明の効果を得る上で有利である。
本発明におけるSi元素濃度の高い領域の近傍には、さらに前記副成分に由来する元素の濃度の高い領域を含有することが好ましい。
本発明では、セラミック基板に低融点金属の配線層を形成しても良い。前記配線層は、Ag、Au,Cu、Ag合金およびCu合金からなる群から選択される少なくとも1つであることが好ましい。低抵抗の配線材料を用いることで、大電力信号の伝送損失を低減して、信号伝送の高効率化を図ることができる。
本発明では、前記窒化ケイ素基板の熱膨張係数と前記セラミック層の熱膨張係数との差は、±2ppm/℃以内であることが好ましい。これにより、焼結時の熱膨張による影響を少なくすることができるため、クラックを発生させることなく良好な密着状態を保持でき、接合性をより向上できる。
本発明のセラミック基板の製造方法は、セラミック基板の製造方法であって、主成分として、Mg,Al及びSi、副成分として、Bi又はBを含有するセラミック材料、及びバインダーを含むグリーンシートを形成する工程と、窒化ケイ素基板上に、少なくとも1層の前記グリーンシートを積層して複合積層体とする工程と、前記複合積層体を1100℃以下で焼成してセラミック層と窒化ケイ素基板とを接合したセラミック基板とする工程と、を含み、前記焼成工程時に、前記セラミック層と前記窒化ケイ素基板との接合界面にSi元素濃度の高い領域を形成することを特徴とする。これにより、前述の通り、セラミック層と窒化ケイ素基板との接合性を向上したセラミック基板を製造できる。
また、本発明のセラミック基板の製造方法は、セラミック基板の製造方法であって、主成分として、Mg,Al及びSi、副成分として、Bi又はBを含有するセラミック材料、及びビヒクルを含むペーストを、窒化ケイ素基板上に塗布した後、乾燥して、グリーン層を形成して複合積層体とする工程と、前記複合積層体を1100℃以下で焼成してセラミック層と窒化ケイ素基板とを接合したセラミック基板とする工程と、を含み、前記焼成工程時に、前記セラミック層と前記窒化ケイ素基板との接合界面に、Si元素濃度の高い領域を形成することを特徴とする。これにより、前述の通り、セラミック層と窒化ケイ素基板との接合性を向上したセラミック基板を製造できる。
本発明の一実施形態に係るセラミック基板の模式的断面図である。 本発明の実施の形態に係るセラミック基板の製造フローを示す。 本発明の別の実施の形態に係るセラミック基板の製造フローを示す。 本発明の別の実施の形態に係るセラミック基板の製造フローを示す。 本発明の別の実施の形態に係るセラミック基板の模式的断面図である。 本発明のセラミック基板を用いたモジュールの一例を示す。 実施例2でのSi元素(左図)及びN元素(右図)のSEM−EDXマッピング写真であり、焼成温度が(a)900℃、(b)1000℃である。 実施例2(900℃)のSEM−EDXマッピングの写真である。 実施例2(1000℃)のSEM−EDXマッピングの写真である。 実施例6(1000℃)のSEM−EDXマッピングの写真である。 実施例3(1000℃)のSEM−EDXマッピングの写真である。 実施例7(1000℃)のSEM−EDXマッピングの写真である。 実施例4(900℃)のSEM−EDXマッピングの写真である。 実施例8(1000℃)のSEM−EDXマッピングの写真である。 実施例7(1000℃)でのFE−EPMAマッピングの結果を示す。 LTCCの焼結性に対するB/Bi重量比の焼成体密度への影響を示す。 LTCCの焼結性に対するMn/CuO重量比のfQ値への影響を示す。 LTCCの焼結性に対する母相(主成分)比率の焼結密度への影響を示す。
本発明のセラミック基板及びその製造方法について、図面を参照しながら以下に説明する。ただし、図の一部又は全部において、説明に不要な部分は省略し、また説明を容易にするために拡大または縮小等して図示した部分がある。上下等の位置関係を示す用語は、単に説明を容易にするために用いられており、本発明の構成を限定する意図は一切ない。
<セラミック基板>
図1は、本発明の一実施形態に係るセラミック基板の模式的断面図である。図1に示すセラミック基板は、窒化ケイ素基板1とセラミック層2とが積層され接合されている。図示した例では、セラミック層2よりも窒化ケイ素基板1が大きく構成されるが、同じ大きさであっても良い。また、セラミック層2の間には配線層3が形成されていて、セラミック層2と配線層3とは、それぞれ1層からなる構成でも良いし、セラミック層2と配線層3とをこの順に複数層積層させた積層体であっても良い。また、窒化ケイ素基板1の両面にセラミック層2と配線層3とをこの順に積層させたセラミック基板とすることもできる。また、必要な回路を形成するため、セラミック層2にスルーホール4を形成することもできる。詳細は後述するが、セラミック層2として、低温焼成セラミック材料を用いることで、配線層3やスルーホール4にAgやCuといった低融点金属を用いることが出来る。
(窒化ケイ素基板)
本発明では、強度、放熱性、耐熱性等を向上するためのセラミック基板をコア基板と呼び、機械的強度が高く熱伝導性の良い窒化ケイ素基板を用いる。窒化ケイ素基板を用いることで、前述のように焼結時に、セラミック層との接合界面にSi元素濃度の高い領域を形成して、セラミック層と強固に接合することができる。
本発明における窒化ケイ素基板とは、主に窒化ケイ素(Si)セラミックスでなる基板であれば、特に限定されず、公知の方法により製造された市販品をそのまま用いることもできる。一般的には、窒化ケイ素基板は、窒素ガス雰囲気中、1800〜2000℃程度、1〜10時間焼結して作製することができる。窒化ケイ素基板は、例えば、特開2001−335368号公報のようにして製造することもできる。また、窒化ケイ素基板は、窒化ケイ素(Si)セラミックス以外に、強度、硬度、熱的化学的安定性等を高める目的で、焼結助剤等を含有することができる。焼結助剤等としては、一般的に、Y、Al、MgO等を用いることができるが、Y以外の希土類元素を用いることもできる。低温で焼結する観点から、Y、MgO等を用いることが好ましい。Y及びMgOは、窒化ケイ素原料粉末の焼結において組織を緻密化するのに有効であり、窒化ケイ素粒子に対する固溶度が小さいので、窒化ケイ素粒子、ひいては窒化ケイ素焼結体の熱伝導率を高い水準に保つことができる。
本発明における窒化ケイ素基板において、窒化ケイ素セラミックスの含有量は、強度を十分発現させる観点から、70〜99質量%が好ましく、85〜99質量%がより好ましい。また、焼結助剤等の任意成分の含有量は、組織を緻密化しつつ低温焼結する観点から、酸化物換算で0.1〜10質量%が好ましく、0.5〜6質量%がより好ましい。
本発明における窒化ケイ素基板は、一般的に、熱膨張係数が2.5〜4ppm/℃であることが知られている。
本発明における窒化ケイ素基板は、耐熱性、放熱性確保の観点から、熱伝導度が50W/(m・K)以上であることが好ましく、70W/(m・K)以上であることがより好ましい。
窒化ケイ素基板の単層厚みは、強度、耐熱性等を確保する観点から、100〜500μmであることが好ましく、200〜300μmであることがより好ましい。なお、窒化ケイ素基板は、1層から構成することもできるが、多層構造とすることもできる。その場合、多層の厚みの合計は、セラミック基板の厚みを薄く構成する観点から、前述の範囲に含まれることが好ましい。また、セラミック基板に必要な回路を形成するため、窒化ケイ素基板にスルーホールを形成することもできる。
窒化ケイ素基板の表面に、配線層を有していても良く、その場合、窒化ケイ素基板が露出する部分に対してセラミック層が接合されていることが好ましい。その場合の配線層としては、窒化ケイ素基板に用いることができるものであれば、特に限定されない。
(セラミック層)
本発明におけるセラミック層を構成する誘電体セラミックスは、窒化ケイ素基板との接合性を高めるために、主成分がMg,Al及びSiの酸化物で構成され、副成分として、Bi又はBを含有している。これにより、セラミック層の前段階であるグリーンシートやセラミック材料膜(グリーン層という場合がある)と窒化ケイ素基板とを積層した後、焼結した際に、前述のようにSi濃化領域を形成して、窒化ケイ素基板とセラミック層とが強固に接合すると考えられる。
本発明におけるセラミック層は、窒化ケイ素基板との接合界面に、Si元素濃度の高い領域を有する。ここで、Si元素濃度の高い領域について説明する。詳細な測定条件は後述の通りだが、窒化ケイ素基板とセラミック層との接合界面において、エネルギー分散型X線分析装置(EDX)でN元素の存在有無を調べて、N元素の存在有無の境界を窒化ケイ素基板とセラミック層との接合界面の境界として、接合界面よりセラミック層側にあってセラミック層の他の領域よりもSi元素の濃度の高い領域を意味する。この領域は、層として区別できる場合もある(図10(a)など参照)。なお、本明細書では、Si元素の濃度の高い領域をSi濃化領域ということもある。また、本明細書では、Si元素以外の各元素についても、同様の意味で「領域」を用いる。
Si元素濃度の高い領域の接合界面からの厚みは、接合性向上の観点から、5μm以下が好ましく、1μm以下がより好ましい。ここで、Si元素濃度の高い領域の接合界面からの厚みとは、前記EDXのSi元素マッピングの顕微鏡写真の複数から、境界10μmを5箇所無作為に選択して、接合界面から積層方向に生じるSi元素の高い領域の最も大きい厚み(大きさ)を5箇所で平均したものである。なお、層として区別できる場合には、セラミック層の平均厚みは、5μm以下が好ましく、1μm以下がより好ましい。Si元素の高い領域は、接合性向上の観点から、層状であることが好ましい。
本発明におけるセラミック層を構成する誘電体セラミックスは、主成分として、Mg,Al及びSiで構成されており、Mg,Al及びSiの酸化物で構成されていることが好ましい。特に、Si成分は、コーディエライトを構成するとともに、焼結時の緻密化に寄与するガラス相に含まれ、窒化ケイ素基板との接合性に寄与する。なお、Al成分は、接合界面付近への偏析は見られないものの、Mg成分は、グリーンシートに用いるLTCC材料の製法によってはMg濃化領域を接合界面に形成し、Siとともに界面に偏析して、接合性に関与することもある。
本発明では、誘電体セラミックスに用いるセラミック材料として、LTCC材料を用いることができる。ここで、本発明でLTCC材料を用いる場合について、簡単に説明する。
LTCC材料には、凡そ3つの態様があって、第1の態様は、前述の主成分と副成分の酸化物、あるいは炭酸塩を用いて、それらを混合、仮焼して、主相がコーディエライト(典型的には、2MgO・2Al・5SiO)で、他の一部がガラス化したものとすることができる。第2の態様は、前述の主成分の酸化物、あるいは炭酸塩を用いて、それらを混合、仮焼したAlとガラス相を主相とする粉末に前記副成分の酸化物、あるいは炭酸塩を混合したものとすることができる。第3の態様は、誘電体セラミックスの主相となるコーディエライト(典型的には、2MgO・2Al・5SiO)の粉末と副成分の酸化物、あるいは炭酸塩を用いて、それらを混合したものとすることができる。いずれの態様のLTCC材料も焼結時の緻密化にガラス相が寄与するが、第3の態様はガラス相の組成が他の態様とは異なっていると考えている。第1の態様及び第2の態様は、焼成過程でコーディエライト中に副成分が固溶しているのに対し、第3の態様は既にコーディエライト化しているため固溶しにくいと思われる。そのため、第3の態様の方がガラス相中の副成分量が多く、その結果、他の態様よりもガラス相が低融点と成っていると予想している。
また、本発明におけるSi元素濃度の高い領域の近傍には、さらに前記副成分に由来する元素の濃度の高い領域を含有することが好ましい。前記副成分に由来する元素の濃度の高い領域は、Si元素濃度の高い領域と一致することもあるが、ガラス相中の組成等の影響により、Si元素濃度の高い領域を含み広がっている場合がある。
誘電体セラミックスの主成分は、主成分の総量を100質量%とした場合に、MgO換算で10〜25質量%のMg、Al換算で15〜46質量%のAl、及びSiO換算で40〜65質量%のSiを含有することが好ましい。主成分がこのような範囲とすると、コーディエライトを含む誘電体セラミックスとすることができる。コーディエライトは低誘電率で低損失であるので、マイクロ波帯の周波数で用いるセラミック基板として有用である。また、LTCC材料の第1及び第2の態様においては、焼成時にLTCC材料から低温でコーディエライト(組成2MgO・2Al・5SiO)結晶を析出させることが出来る。
接合性の向上、誘電特性の向上等の観点から、誘電体セラミックスが、主成分の総量を100質量%とした場合に、MgO換算で10〜25質量%のMgを含有することが好ましく、10〜20質量%のMgを含有することがより好ましい。
この範囲となるように調整されたLTCC材料とすると、低温焼成(例えば、1000℃以下)において、焼成時に析出するコーディエライト(2MgO・2Al・5SiO)結晶の比率が多くなり、低い比誘電率、誘電損失等が得られやすい。なお、25質量%より多い場合は、比誘電率の高いエンスタタイト(MgO・SiO)(εr6.5)の析出量が多くなり、低い比誘電率が得られにくいこともある。
誘電特性の向上の観点から、誘電体セラミックスが、主成分の総量を100質量%とした場合に、Al換算で15〜46質量%のAlを含有することが好ましく、25〜40質量%のAlを含有することがより好ましい。この範囲であると、低温焼成(例えば、1000℃以下)において得られる誘電体セラミックスは、コーディエライト(2MgO・2Al・5SiO)結晶の比率が多くなり、低い比誘電率、誘電損失等が得られやすい。
接合性の向上、誘電特性の向上等の観点から、セラミック層を構成する誘電体セラミックスが、主成分の総量を100質量%とした場合に、SiO換算で40〜65質量%のSiを含有することが好ましく、43〜65質量%のSiを含有することがより好ましい。この範囲であると、低温焼成(例えば、1000℃以下)においてコーディエライト(2MgO・2Al・5SiO)結晶の比率が多くなり、低い比誘電率、誘電損失等が得られやすい。
MgO,Al,SiOの含有量が、上述の範囲であっても、コーディエライト結晶以外に、エンスタタイト(MgO・SiO)結晶、スピネル(MgO・Al)結晶、SiO結晶が析出する場合もあるが、析出量は微量のため、本発明の効果を損なうものではない。
次に、セラミック層を構成する誘電体セラミックスの副成分について説明する。本発明における誘電体セラミックスは、副成分としてBi又はBを含有し、窒化ケイ素基板との接合性及び誘電体セラミックスの緻密化の観点からは、Bi及びBを含有することが好ましい。Bi又はBは、副成分として必須であり、任意成分としてCu,Mn,Zn等を添加することができ、接合性向上の観点から、Cu,Mnを添加することが好ましい。Bi及びCu成分は、LTCC材料の製法によっては、各元素の濃化領域を接合界面に形成し、Si濃化領域とともに界面に偏析して、接合性に関与することもある。
Bは、焼結時に液相を形成するため低温焼結促進の効果があり、強固に接合した接合界面を得るため添加されることが好ましい。Bは、低温焼成(例えば、1000℃以下)において、焼結を十分として緻密な組織とし、低損失な誘電体セラミックスを得る観点から、主成分の総量を100質量部とした場合に、B換算で0.1〜10質量部であることが好ましく、1〜7質量部であるのがより好ましく、1〜5質量部であるのが更に好ましい。
Biは、Bと同じく低温焼結促進及び強固に接合した接合界面を得るため添加されることが好ましい。Biは、LTCC材料の焼結を促進するため、窒化ケイ素基板との接合界面における空孔(ボイド)を低減し、接合の信頼性を高めることによって、接合性を強固とすると考えられる。Biは、誘電特性向上の観点から、主成分の総量を100質量部とした場合に、Bi換算で0.1〜10質量部であることが好ましく、1〜8質量部であるのがより好ましい。なお、Biは、LTCC材料の製法によっては、接合界面近傍へBi濃化領域を有するが、界面際にはBiは少ないこともある。
とBiとの重量比(B/Bi)は、0.2〜0.8が好ましく、0.35〜0.75がより好ましい。同一温度で焼成した場合(例えば、900℃で焼成した場合)、B量が少ないほど緻密化しにくくなるが、このような比率となるようなBi量であると、誘電体セラミックスの組織が緻密化でき、所望の焼結密度を得ることができる。
Cuは、低温焼結促進の効果、および焼成時のコーディエライトの結晶化を促進する効果がある。Cuは、主成分の総量を100質量部とした場合に、CuO換算で0.1〜10質量部であることが好ましく、より好ましくは1.0〜8質量部であり、更に好ましくは2.5〜7質量部である。0.1質量部より少ないと、低温焼結促進の効果が得られず、また、10質量部より多いと、窒化ケイ素基板との接合界面に過剰なCu酸化物が偏析し、接合強度を低下させてしまうこともある。なお、Cuは好ましい組成量であれば、LTCC材料の製法によっては、Si濃化領域に隣接してCu濃化領域が形成され、界面に偏析して、接合性に関与することもある。更に、Cuは、LTCC材料の製法によっては、Cu濃化領域を接合界面に形成し、Mg濃化領域とともに界面に偏析して、接合性に関与することもある。
Mnもまた低温焼結促進の効果、および焼成時のコーディエライトの結晶化を促進する効果がある。Mnは、主成分の総量を100質量部とした場合に、Mn換算で0〜10質量部であることが好ましく、0.1〜10質量部であるのがより好ましく、0.1〜5質量部であるのが更に好ましい。
MnとCuOとの重量比(Mn/CuO)は、0.1〜3.5が好ましく、0.1〜2.0がより好ましい。CuO量が多いほど、焼成が進行(コーディエライト化が進行)しやすく、このような比率であると、所望の誘電特性(例えば、fQ値)が得られやすい。
Znは低温焼結促進の効果および比誘電率を小さくする効果がある。Znは、主成分の総量を100質量部とした場合に、ZnO換算で0〜2.5質量部であることが望ましい。
本発明におけるセラミック層の熱膨張係数は、焼結時のクラック発生防止の観点から、窒化ケイ素基板の熱膨脹係数に対し、差が±2ppm/℃以内であることが好ましく、±1ppm/℃以内であることがより好ましく、熱膨張係数が窒化ケイ素基板とほぼ同じであることが更に好ましい。つまり、窒化ケイ素基板の熱膨張係数が3ppm/℃の場合には、セラミック層の熱膨張係数は、1〜5ppm/℃が好ましく、更に例えば□5mm以上の面積で窒化ケイ素基板と接合する場合には、2〜4ppm/℃が好ましい。
セラミック層の単層厚みは、強度、絶縁性等を確保する観点から、20〜400μmから選択されることが好ましく、50〜300μmであることがより好ましい。なお、セラミック層は、1層から構成することもできるが、多層構造とすることもできる。その場合、多層の厚みの合計が、セラミック基板の厚みを薄く構成するのに前述の20〜400μm、好ましくは50〜300μmの範囲に含まれることが好ましい。
セラミック層を形成する誘電体セラミックスの素原料は、各成分の酸化物や炭酸塩等として供せられ、前記の主成分及び副成分の範囲にて任意に組み合わせることができる。なお、誘電体セラミックスには原料由来の不純物(不可避不純物)を含むことができる。前述の通り、セラミック層に用いるLTCC材料は3つの態様があって、誘電体セラミックスの主相に公知の方法により製造された市販品を用いることもできるが、各素原料を秤量した後、混合したものを乾燥させて得られた粉末を仮焼して得ることもできる。混合方法としては、公知の混合方法を用いることができ、均一性の観点から、例えば、φ5mmのジルコニアボールが入ったボールミルに前記素原料とイオン交換水を投入して10〜40時間湿式混合してスラリーとすることが好ましい。また、生産効率の観点から、混合時のスラリー濃度は20〜50質量%とすることが好ましい。前記仮焼は、公知の方法を用いることができるが、例えば、焼成炉で、大気中、昇温速度100〜300℃/hr、1000℃〜1150℃、1〜3時間保持する条件で行なうのが好ましい。仮焼温度としては、仮焼でコーディエライトを主相として析出させる前述の第1の態様の場合、1000℃〜1100℃で、仮焼でAlとガラス相を主相として析出させる前述の第2の態様の場合、1050℃〜1150℃で焼成することがより好ましい。
なお、前述の第3の態様においては、市販のコーディエライト材を用いることもできる。コーディエライト材は、特に限定されず、天然物及び合成物ともに用いることができ、公知の方法により製造された市販品をそのまま用いても良い。コーディエライト材は、典型的には、2MgO・2Al・5SiOの組成で表されるケイ酸塩鉱物のコーディエライトであり、化学組成が42〜56質量%のSiO、30〜45質量%のAl及び12〜16質量%のMgOであることが好ましく、コーディエライトの化学量論組成に対して余剰のMgO、Al,又はSiOを含み得ることができる。なお、原料由来の不純物(不可避不純物)を含むことができる。
また、前述の第3の態様では、Si、Al及びMgをそれぞれ含有する各原料粉末を配合して、公知の方法により1300℃から1400℃で焼成し、粉砕によって微粉化したコーディエライト材を使用することもできる。なお、粉砕にあたっては、湿式法で行っても乾式法で行ってもよく、周知慣用の粉砕方法を用いることができる。
前記コーディエライト材の純度は、誘電特性を向上できるとの観点から、95質量%以上が好ましく、97質量%以上がより好ましい。
前記コーディエライト材は、焼結時に組織を緻密化するとの観点から、BET比表面積が8m/g以上であることが好ましく、12m/g以上であることがより好ましい。上限値は、特に制限されないものの、25m/g以下であることが好ましい。
また、コーディエライト材の比誘電率は、目的とする誘電特性を達成させるため、5.5以下(15GHz)であることが好ましい。セラミック層においてコーディエライトが占める割合によって比誘電率を調整することも可能である。
(配線層)
本発明では、セラミック層に配線層を有していても良い。前記配線層は、公知の導電性ペーストを用いて形成することができるが、Ag、Au,Cu、Ag合金及びCu合金からなる群から選択される少なくとも1つであることが好ましい。低抵抗の配線材料を用いることで、伝送線路における信号伝送の低損失化を図ることが出来る。
配線層の厚みは、信号伝送の低損失化の観点から、20〜300μmであることが好ましく、50〜100μmであることがより好ましい。伝送する信号の電圧、電流により好ましい値を選択することが出来る。
<セラミック基板の製造方法>
本発明のセラミック基板の製造方法は、主成分として、Mg,Al及びSi、副成分として、BiまたはBを含有するセラミック材料、及びバインダーを含むグリーンシートを形成する工程と、窒化ケイ素基板上に、少なくとも1層のグリーンシートを積層して複合積層体とする工程と、前記複合積層体を1100℃以下で焼成して、セラミック層と窒化ケイ素基板とを接合したセラミック基板とする工程と、を含む。前記焼成工程を経て得られるセラミック基板は、窒化ケイ素基板とセラミック層とが積層されて接合されており、前記セラミック層は、前記窒化ケイ素基板との接合界面に形成されたSi元素濃度の高い領域を有することができる。これにより、前述で説明した通り、セラミック層と窒化ケイ素基板との接合性を向上したセラミック基板を製造できる。また、銀の融点(961℃)以下900℃程度〜銅の融点(1083℃)以下1000℃程度で焼成することができる。グリーンシートの形成にはドクターブレード法等の公知のシート成形方法を採用することが出来る。
セラミック材料には、LTCC材料を用いることができる。LTCC材料を用いた場合、まず、主成分として、Mg,Al及びSi、副成分として、Bi又はBを含有するLTCC材料、及びバインダーを含むグリーンシートを形成する。LTCC材料の詳細は、前述の通りである。バインダーとしては、公知慣用のものであれば特に限定されないものの、シート成形して得られるグリーンシートの強度、穴あけ性、圧着性、寸法安定性の観点から、ポリビニルブチラール(PVB)、ポリビニルアルコール(PVA)、アクリル系バインダー等があげられる。バインダーは、スラリー100重量部に対して、5〜25重量部添加することが好ましい。また、溶媒としては、エタノール、ブタノール、トルエン、イソプロピルアルコール等の有機溶媒を用いることが好ましい。これらの原料をボールミル等で混合することにより、スラリーを分散させることができる。スラリーの均一性を向上させるために、必要に応じて分散剤等を添加することもできる。
グリーンシートは、PET等の樹脂フィルムに支持させることができる。その状態でグリーンシートにビアホールを形成することができる。ビアホールの形成には、公知の方法を用いることができるが、例えば、複数の打ち抜きピンを備える打ち抜き金型で打ち抜いたり、レーザ加工によってビアホールを穿いたりして形成することができる。ビアホールの大きさは、セラミック基板の用途にもよるが、例えば、セラミック基板上の線路で伝送する電力の大きさにより選定することができ、打ち抜き金型、またはレーザ加工にて、直径30〜400μmであることが好ましい。
次いで、グリーンシートに、導電性ペーストで配線パターンを形成することが好ましい。印刷機にグリーンシートとスクリーンマスクをセットし、スキージを用いて、グリーンシートに形成されたビアホールに導電性ペーストを印刷充填するとともに、配線パターン等を印刷形成することができる。導電性ペーストは、公知の導電性ペーストを用いることができるが、低抵抗率の観点から、例えばAg、Cu等のペーストを用いることができる。
配線パターンが形成されたグリーンシートから、樹脂フィルムを剥離し、複数のパターンが形成されたグリーンシートを積み重ねることができる。グリーンシートの積層は、パターン形成されたグリーンシート1層10〜200μmの厚みで、5〜20層積み重ねることで0.2〜1.5mmの厚みとすることができる。なお、積み重ね数(積層数)等は、セラミック基板としての目的の厚みに応じて任意に選択することが出来る。グリーンシートの積層では、プレス機械にグリーンシートを粘着シートで固定し、ビア配線部同士が重なるように他のグリーンシートを配置して、上下方向に圧力を加えることができる。この工程では、バインダーが軟化する温度、例えば60〜90℃において、1〜50MPaの圧力を印加した状態で100秒〜30分間保持して、グリーンシートを圧着することができる。
複数のグリーンシートが重ねられた積層体を、窒化ケイ素基板上に重ね上下方向に圧力を加えることができる。この工程でもまた、グリーンシートのバインダーが軟化する温度、例えば60〜90℃において、1〜50MPaの圧力を印加した状態で100秒〜30分間保持して、窒化ケイ素基板上に少なくとも1層の配線パターン形成されたグリーンシートを圧着して積層した複合積層体とすることが好ましい。なお、配線パターン形成する前のグリーンシートを圧着して積層することもできる。
その後、前記複合積層体を1100℃以下で焼成して(焼成工程)、セラミック層と窒化ケイ素基板とを接合したセラミック基板とする。この焼成は導電性ペーストの種類にもよるが、例えば大気中やN雰囲気中で、850℃〜1100℃の温度で30分〜5時間程度保持して行うことができる。なお、焼成工程前にグリーンシートのバインダーを除去する脱脂工程を行うことが好ましい。脱脂工程では、脱バインダーで発生するガスが放散しやすいように、また、発生するガスの圧力による、グリーンシートの剥離(デラミネーション)を防止するため、バインダーが熱分解を開始する200℃付近から、完了する750℃程度までの温度域、または特に熱分解反応が顕著となる温度領域では、1時間あたり20℃以下の速度で昇温するのが望ましい。脱バインダーは窒素雰囲気下でも可能であるが、有機バインダーの分解・酸化の促進及び発生した分解ガスまたはCOガスの除去促進のため、十分な空気または窒素などを供給及び排気を行うのが好ましい。また、熱分解を促進させる目的で水蒸気を混入させた雰囲気を用いても良い。前記焼成工程時に、前記セラミック層と前記窒化ケイ素基板との接合界面に、Si元素濃度の高い領域が形成される。
また、上記のように複数のグリーンシートを積層して、複合積層体を形成した後、焼成して、セラミック層と窒化ケイ素基板とを接合したセラミック基板とすることができるが、主成分として、Mg,Al及びSi、副成分として、Bi又はBを含有するセラミック材料、及びビヒクルを含むペーストを、窒化ケイ素基板上に塗布した後、乾燥して、グリーン層を形成して複合積層体とする工程と、前記複合積層体を1100℃以下で焼成してセラミック層と窒化ケイ素基板とを接合したセラミック基板とする工程と、を含み、前記焼成工程時に、前記セラミック層と前記窒化ケイ素基板との接合界面に、Si元素濃度の高い領域を形成することもできる。このような印刷プロセスを経ることで、キャリアフィルムを剥離することなく、窒化ケイ素基板上に直接グリーン層を形成することができる。
ビヒクルを含むペーストとしては、例えば、前述のようなLTCC材料の素原料を混合し、仮焼した後、ボールミル等で粉砕して、乾燥したものに、ブチルカルビトールアセテート(BCA)、エチルセルロース(EC)等を含むビヒクルを加えて、ペースト化することができる。混合、仮焼、粉砕、乾燥等の各条件については、前述の通りとすることが好ましい。ペーストの塗布としては、公知の印刷方法を用いることができ、グリーン層と配線パターン等を交互に印刷して積層することができる。塗布後の乾燥としては、公知の方法で乾燥することができ、30〜100℃程度で1〜5時間程度乾燥させてグリーン層を得ることが好ましい。その他の条件としては、前述に記載のものを適宜用いることができる。
得られるセラミック基板は、機械的強度の高い窒化ケイ素基板をコア基板として用いるため、相対的に機械的強度の低いセミラック層のみからなる場合に比べて、機械的強度を補強できる。また、得られるセラミック基板は、熱伝導性の良い窒化ケイ素基板をコア基板として用いるため、相対的に熱伝導性に劣るセミラック層のみからなる場合に比べて、放熱性に優れる。更に、得られるセラミック基板は、誘電特性の良いセラミック層を積層しているため、セラミック層に複数の回路素子や配線等を形成できて、セラミック基板を用いたモジュールを小型に構成することが出来うる。
得られるセラミック基板は、窒化ケイ素基板によってセラミック層を補強した構造の他、窒化ケイ素基板の一部を大電力回路に使用しつつ、他の部分に接合したセラミック層に小信号回路を形成したモジュール構造とすることができる。また、後者の場合、例えば、窒化ケイ素基板の一部にパワー素子、放熱ブロック等が実装され、接合したセラミック層にIC、小信号回路素子等が実装される。
以下、具体的な製造フローにより本発明のセラミック基板の製造方法を説明するが、それらの製造フローにより本発明が限定されるものではない。
図2〜図4に、本発明の実施の形態に係るセラミック基板の製造フローを示す。いずれもセラミック層をグリーンシートで構成した例である。
図2に本発明の実施の形態に係るセラミック基板の製造フローを示す。
(a)まず、本セラミック基板に用いる窒化ケイ素基板1は、焼結した基板をそのまま用いることが出来る。必要に応じて、窒化ケイ素基板の表面を研磨加工して用いることも出来る。
(b)次に、本発明におけるセラミック材料としてLTCC材料を用いる場合は、グリーンシート化した後、必要な回路が形成できるようスルーホール4を形成し、導電性ペーストを充填し、更にグリーンシート2’表面に配線パターン3’を印刷して、積層体を構成する層を作製する。
(c)次に、前項(b)の工程で作成した複数のグリーンシート2’を、積層し、加熱・加圧することで一体化した積層体を作製する。
(d)次に、前項(a)で作製した窒化ケイ素基板1に、前項(c)で作製した積層体を加熱・加圧することで一体化して複合積層体とする。窒化ケイ素基板1の一方の主面だけではなく、両面に積層体を一体化することもできる。また、前項(a)で作製した窒化ケイ素基板1の上に、前項(b)で作製したグリーンシートを順次積層して固定したのちに、加熱・加圧して一体化することもできる。
(e)最後に、前項(d)で作製した積層体と窒化ケイ素基板1との複合積層体を焼成炉で、850℃〜1000℃で焼成することにより、窒化ケイ素基板1とセラミック層2とが接合して複合化した、配線層3を有するセラミック基板を作製することが可能である。焼成工程においてグリーンシートは、窒化ケイ素基板1の面内方向には焼成収縮が拘束され、厚さ方向のみに焼結収縮して緻密化する。
別の製造フローとして、図3に、本発明の別の実施の形態に係るセラミック基板の製造フローを示す。
(a)まず、本発明によるLTCC材料をグリーンシート化し、グリーンシート2’表面にペースト化した導電性ペーストで配線パターン3’を印刷し、乾燥したシートを準備する。2層目、3層目のグリーンシートも同様に準備する。
(b)次に、窒化ケイ素基板1上に、前項(a)で準備したシートを、必要な電極接続が出来るよう順次積層していく。
(c)次に、前項(b)で窒化ケイ素基板1上に重ねた複数のグリーンシートを、窒化ケイ素基板1とともに加熱・加圧することで一体化して複合積層体とする。
(d)最後に、複合積層体を、焼成炉で850℃〜1000℃の温度で焼成することで、窒化ケイ素基板1とセラミック層2とが接合して複合化した、配線層3を有するセラミック基板を得ることができる。
別の製造フローとして、図4に、本発明の別の実施の形態に係るセラミック基板の製造フローを示す。
(a)焼結した窒化ケイ素基板1にレーザ加工等で、スルーホール4を形成しAg、Cuなどの導電性ペーストを充填する。
(b)本発明によるLTCC材料をグリーンシート化した後、必要な回路が形成できるようスルーホール4を形成し、導電性ペーストを充填し、更にグリーンシート2’表面に配線パターン3’を印刷して、積層体を構成する一層を作製する。
(c)前項(b)の工程で作成した複数のグリーンシートを、積層し、加熱・加圧することで一体化した積層体を作製する。
(d)前項(a)で作製した窒化ケイ素基板1に、前項(c)で作製した積層体を加熱・加圧することで一体化した複合積層体とする。両面に積層体を一体化することもできる。また、前項(a)で作製した窒化ケイ素基板1の上に、前項(b)で作製したシートを順次積層したのちに、加熱・加圧して一体化した複合積層体とすることもできる。
前項(d)で作製した複合積層体を焼成炉で焼成することにより、窒化ケイ素基板1とセラミック層2が接合して複合化した、配線層3を有するセラミック基板を作製することが可能である。この製法であれば表面・裏面に形成する回路間での接続を確保することが出来る。この場合もまた、焼成工程においてグリーンシートは、窒化ケイ素基板1の面内方向には焼結収縮が拘束され、厚さ方向のみに焼結収縮して緻密化する。
さらに、本発明のセラミック基板の他の構成例を図5に示す。またそのセラミック基板を用いたモジュールの一例を図6に示す。
図5は、窒化ケイ素基板1の一部にセラミック層2を接合するとともに、他の一部に回路用厚銅板11と放熱用厚銅板5を接合したセラミック基板である。図面右側上方のセラミック層の主面に配線層で形成されたデバイス搭載パッド6や、図面上方のセラミック層2の配線層3で形成されたインダクタやコンデンサ用の電極7、図面下方のセラミック層2の主面に配線層3で形成された、デバイス搭載パッド8を備える。また、図面左側には回路用厚銅板11と放熱用厚銅板5が接合されている。銅板と窒化ケイ素基板1との接合はメタライズ法、DBC(Direct Bonding Cu)法、活性金属法等の公知の方法を採用することが出来る。
さらに、図6に本発明のセラミック基板を用いたモジュールの構成例を示す。セラミック基板に形成されたデバイス搭載パッド6,8や回路用厚銅板11にパワー半導体9やSMD10の実装することが出来る。なお、SMD(Surface Mount Device、表面実装部品)とは、表面実装技術で基板に実装することのできるLSI、抵抗、コンデンサ、インダクタなどの電子部品である。
以下、本発明に関して実施例を用いて詳細に説明するが、本発明はその要旨を超えない限り、以下の実施例に限定されるものではない。最初に実施例において評価した種々の項目についての測定条件、方法等を纏めて示す。
<評価>
(1)セラミック層を構成する誘電体セラミックスの比誘電率、誘電損失
誘電特性の評価は、ネットワークアナライザ(HEWLETT PACKARD製、8720D)を用いて、誘電体共振器法により行った(JIS R1627に準拠)。所定形状(例えば直径11mm、厚さ5.5mm)の試料の共振周波数fと無負荷Q値を測定してfQ値を求める。無負荷Q値から誘電損失tanδを算出すると共に、試料の寸法とfの関係から比誘電率を算出するもので、前記寸法は共振周波数が15GHzになる様に設定した。
(2)熱膨張係数
熱膨張係数は、直径4mmで高さ10mmの円柱状の試料を作製し、熱膨張係数(40〜400℃)をリガク製TMA8140により測定した。
(3)熱伝導度
京都電子工業製レーザーフラッシュ法熱物性測定装置を使って、24℃における熱伝導度を測定した。
(4)接合性
目視により、窒化ケイ素基板とセラミック層との剥離の有無を観察した。
(5)接合状態の観察と接合界面での元素マッピング
走査電子顕微鏡(日本電子製、FEM−SEM、JSM−7800、倍率:2000倍)により、窒化ケイ素基板とセラミック層との界面を観察した。
更に、前記走査電子顕微鏡に付設されたエネルギー分散型X線分析装置(EDX、日本電子製JED−2300 SD30, 加速電圧5kV)を用いて各元素(B,C,O,Mg,Al,Si,N,Bi,Cu,Y,Mn)の存在位置をマッピングにより調べた。分散状態は元素マッピングをX線マイクロアナライザ(EPMA、島津製作所製EPMA−1610, 加速電圧15kV, ビーム径1μm)で行った。
(6)密度
試料の外径、厚さ、重量から算出した。
(7)X線回折強度(XRD)
多機能型X線回折装置MRD(スペクトリス社製)を使用し、線源にCu−Kαを用いてX線回折測定を行った。
<実施例1>
実施例1では、セラミック層を形成するセラミック材料として、表1に記載のLTCC材料を用いた。表1に記載のLTCC材料及びバインダーからなるグリーンシートを5層、厚さ約300μmの窒化ケイ素基板に重ね(1層の厚さ約80μm)、85℃で40MPaの圧力で10分間加熱加圧して、複合積層体を得た。これを600℃で脱脂した後、900℃で2時間焼結して、寸法が縦10mm×横10mm×厚み0.6 mmのセラミック基板を作製した。LTCC材料は主成分と副成分とを混合して仮焼した前述の第1の態様に対応し、X線回折測定によれば、コーディエライトが主相となっていた。
Figure 0006724481
なお、前記窒化ケイ素基板は予め以下の手順で作成したものを用いた。まず、窒化ケイ素(Si)粉末(95質量%)に、焼結助剤として、MgO粉末(3質量%)、Y粉末(2質量%)を添加し、エタノール中で粉砕し、バインダーを添加してボールミル等で混合してスラリーとした。窒化ケイ素粉末を含むスラリーをドクターブレード法にてシート成形した。得られたグリーンシートを所定の寸法に切り分けて1900℃にて窒素ガス雰囲気中で5時間焼成し、寸法が縦130mm×横200mm×厚み0.3mmの窒化ケイ素基板を得た。以降の実施例、比較例において作製したセラミック基板は、いずれも前記手順で作製した窒化ケイ素基板を用いた。
表2にセラミック層と窒化ケイ素基板の誘電特性と物性値を評価した結果を示す。また、セラミック基板の接合状態等を確認したところ、窒化ケイ素基板とセラミック層との接合界面において剥離やクラックは確認されなかった。なお、窒化ケイ素基板とセラミック層の熱膨張係数の差は±2ppm/℃以内であった。また、接合界面のSEMによる組成マッピングによれば、セラミック層の窒化ケイ素基板との界面に、O元素とSi元素の両方を多く含む領域が形成されていた。前記領域ではSiが酸化物の状態で存在すると推定される。
Figure 0006724481
<比較例1>
市販されているLTCC材料のグリーンシートを準備し、実施例1で用いた窒化ケイ素基板に重ね、85℃で40MPaの圧力で10分間加熱加圧して、複合積層体を得た。これを実施例1と同様に600℃で脱脂した後、900℃で2時間焼結して、寸法が縦10mm×横10mm×厚み0.6mmのセラミック基板を作製した。
比較例1のセラミック基板において、セラミック層が剥離した。表3に比較例1に用いたグリーンシートで得られるセラミック層の誘電特性と物性値を示す。窒化ケイ素基板とセラミック層の熱膨張係数の差は±2ppm/℃を超えていた。
Figure 0006724481
<実施例2>
セラミック層を形成するLTCC材料として、表1に記載の材料を用いて実験を行った。表1に記載の材料及びビヒクルからなるペーストを直接、実施例1で用いた窒化ケイ素基板に塗布して複合積層体を作製した。前記ペーストについて以下説明する。
(混合)
LTCC材料の素原料を表1にしめす質量比率(合計800g)に従って秤量し、エタノール1500gと一緒に、ナイロン製5Lのボールミルポットへφ5mmのY2O3安定化ジルコニアボール10kgで、40時間混合粉砕をおこなった。スラリー濃度35質量%で調整した。
(仮焼)
混合スラリーを加熱乾燥した後、乳鉢で解砕し、目開き500μmの篩を通過させ、アルミナ坩堝へ混合粉を投入し、大気中で1050℃、2時間仮焼して、LTCC材料を得た。
(粉砕)
仮焼粉(LTCC材料)60gに対して、エタノールを120g使用した。ポリプロピレン製0.5Lボールミルポットへφ5mmのY2O3安定化ジルコニアボール1Kgと、上記仮焼粉とエタノールを投入し92時間粉砕してスラリーを得た。
(乾燥、解砕)
前記スラリーを乾燥後、目開き150μmの篩通しを実施した。
(ペースト化)
ブチルカルビトールアセテート(BCA)80gとエチルセルロース(EC)11gをビーカ中で混合したのち、60℃で6時間加熱溶解し、一晩放置してビヒクルを得た。得たビヒクル16.5gに対して、前項の粉砕粉12gをビーカ中に投入し、混合した後、3本ロールミルに2回通して、LTCC材料のペーストを得た。
(窒化ケイ素基板への塗布)
日東電工製カプトンテープ3枚(約150μm/枚)を10mm幅で窒化ケイ素基板に貼り付けて、カプトンテープでカッター刃をガイドして窒化ケイ素基板にペーストを厚さ約450μmで塗布し、その後60℃で3時間乾燥し、窒化ケイ素基板上にセラミック材料膜(グリーン層と呼ぶ場合がある)を一体化した複合積層体を得た。
(焼成)
バッチ式マッフル炉(昇温冷却200℃/時間、持続2時間)で、900℃、1000℃でそれぞれ焼成して、寸法が縦130mm×横200mm×厚み0.6mmで、窒化ケイ素基板とセラミック層とを接合したセラミック基板を得た。セラミック基板において、窒化ケイ素基板部の厚みは0.3mmであり、セラミック層の厚みは0.3mmである。
<実施例3〜5>
以下の工程としたこと以外は、実施例2と同様の方法でセラミック基板を作製した。
(混合)
セラミック層の主成分を100質量%としたとき、SiO、Al及びMgOを、SiO:50質量%、Al:35質量%、MgO:15質量%の質量比率(合計800g)に従って秤量し、イオン交換水1500gを使用した。ナイロン製5Lのボールミルポットへ、φ5mmのY安定化ジルコニアボール10kgと上記原料とイオン交換水を投入し、40時間混合粉砕をおこなった。
(仮焼)
混合スラリーを加熱乾燥した後、乳鉢で解砕し、目開き500μmの篩を通過させ、アルミナ坩堝へ混合粉を投入し、大気中で1100℃、2時間仮焼した。
(予備粉砕)
仮焼粉60gに対して、エタノールを120g使用した。ポリプロピレン製0.5Lボールミルポットへφ5mmのY安定化ジルコニアボール1kgと、上記仮焼粉とエタノールを投入し70時間粉砕して予備粉砕スラリーを得た。
(調合)
ポリプロピレン製0.25Lボールミルポットへφ2mmのY安定化ジルコニアボール0.5kgと、上記予備粉砕スラリー35gを入れ、さらに表4の比率になるよう副成分を配合し16時間粉砕して、LTCC材料を得た。LTCC材料は主成分を仮焼した後、副成分と混合した前述の第2の態様に対応し、X線回折測定によれば、Alとガラス相が主相となっていることを確認した。
<比較例2〜3>
比較例2〜3について、表4の質量比率に従って主成分、副成分を秤量したこと以外は、実施例3と同様の方法でセラミック基板を作製した。
Figure 0006724481
<実施例6〜8>
実施例3〜5の混合及び仮焼工程の代わりに、市販のコーディエライト材(丸ス釉薬合資会社製、製品名CC1000、組成2MgO・2Al・5SiO、BET:12m/g)を用いたこと以外は、実施例3〜5と同様の方法でセラミック基板を作製した。市販のコーディエライト材を主成分とするLTCC材料は、前述の第3の態様に対応し、X線回折測定によれば、コーディエライトを主相となっていることを確認した。
<比較例4〜5>
比較例4〜5について、表5の質量比率に従って主成分、副成分を秤量したこと以外は、実施例6と同様の方法でセラミック基板を作製した。
Figure 0006724481
実施例2〜8及び比較例2〜5の接合性に関する評価結果を図7〜15に示す。
図7に、実施例2でのSi元素(左図)及びN元素(右図)のSEM−EDXマッピング像を示す(倍率2000倍)。また、上図は、白枠点線部分の拡大図である。図7(a)は焼成温度が900℃であり、(b)は焼成温度が1000℃である。下側(灰色部分)が窒化ケイ素基板であり、上側(黒色部分)がセラミック層である。セラミック層と窒化ケイ素基板の位置関係は、以降のSEM−EDXマッピング像においても同様である。窒化ケイ素基板/セラミック層の接合界面の境界は、N元素の有無により判断した。セラミック層中にはNは存在しないため、N存在域は、窒化ケイ素基板が存在する領域を示す。図7(a)のSi元素のSEM−EDXマッピング像より、接合界面のセラミック層側にSi濃化領域(境界線より上の発色部分)が存在することが分かる。拡大図により、接合界面に沿って、Si濃化領域が存在することが分かる。さらに、図7(b)のように、焼成温度を高温化した場合には、界面のSi濃化領域が増加することが分かった。
図8〜14に、各実施例のSEM−EDXマッピングの写真を示す(倍率2000倍)。窒化ケイ素基板とセラミック層との接合界面をよく見ると、いずれの試料も接合界面のセラミック層側にSi濃化領域(Si元素を多く含む領域)を有することが分かった。
図8(a)〜(d)が実施例2(焼成温度900℃)のSEM−EDXマッピングの写真である。図8(a)は図7(a)と同じ視野でのSEM−EDXマッピングの写真であって、白枠等を除いて観察視野全体を明確にしている。図8(b)にセラミック層の主成分のSi元素(左図)及びセラミック層の副成分のCu元素(右図)のSEM−EDXマッピング像を示す。(b)より、Cu濃化領域と窒化ケイ素基板とが直接接合しているように見える部分もあることが観察できた。図8(c)にセラミック層の主成分のMg元素(左図)及びCu元素(右図)のSEM−EDXマッピング像を示す。(c)より、界面付近にMgが濃化しており、Cuと全く同位置に存在することが観察できた。Cu濃化部には必ずMgも濃化していることが観察できた。図8(d)にSEM観察視野像を示す写真(左図)及びCu元素(右図)のSEM−EDXマッピング像を示す。(d)より、Cu濃化部はセラミック層通常部と微構造が異なるようであった。その他の元素についても分析したが、Bは検出困難であり、明確に有意な挙動は見られなかった。
界面付近のCu、Mg濃化領域付近ではO量が若干少ない傾向が有った。界面付近にセラミック層の主成分のAl偏析、窒化ケイ素基板の主成分のN偏析、セラミック層の副成分のBi偏析などの変化は見られなかった。またセラミック層の粒界相中にも窒化ケイ素基板の副成分のYが検出されたが、LTCC材を製造工程でボールミルのメディア(Y部分安定化ジルコニアボール)から混入した可能性ある。
図9(a)〜(d)は実施例2(焼成温度1000℃)のSEM−EDXマッピングの写真である。図9(a)は図7(b)と同じ視野でのSEM−EDXマッピングの写真であって、白枠等を除いて観察視野全体を明確にしている。図9(b)にSi元素(左図)及びCu元素(右図)のSEM−EDXマッピング像を示す。図9(c)にMg元素(左図)及びCu元素(右図)のSEM−EDXマッピング像を示す。図9(d)にSEM観察視野像を示す写真(左図)及びCu元素(右図)のSEM−EDXマッピング像を示す。各元素成分については、図8と同様の挙動を示すことを確認した。
図10(a)〜(d)が実施例6(焼成温度1000℃)のSEM−EDXマッピングの写真である(倍率2000倍)。図10(a)はSi元素(左図)及びN元素(右図)のSEM−EDXマッピング像である。図10(b)にSi元素(左図)及びCu元素(右図)のSEM−EDXマッピング像を示す。図10(c)にMg元素(左図)及びCu元素(右図)のSEM−EDXマッピング像を示す。図10(d)にSEM観察視野像を示す写真(左図)及びCu元素(右図)のSEM−EDXマッピング像を示す。この場合もセラミック層側にSi濃化領域があり、実施例2や実施例3〜4より濃化領域が拡大していることが分かる。(b)より、界面にはCu濃化領域は見られないが、窒化ケイ素基板中の粒界相中にCu濃化領域があることが観察でされたが、その原因は不明である。(c)より、窒化ケイ素基板中のCu濃化領域にMgが見られるが、元々粒界相中にMgが入っているためセラミック層から拡散してきたMgとは言えない。(d)より、Cu濃化部は窒化ケイ素中の粒界相と、似ている部分もあるがやや色調が異なる。その他の元素成分については、多少の差はあるものの、図8と同様の挙動を示した。
図11(a)〜(d)が実施例3(焼成温度1000℃)のSEM−EDXマッピングの写真である(倍率2000倍)。図11(a)はSi元素(左図)及びN元素(右図)のSEM−EDXマッピング像である。図11(b)にSi元素(左図)及びCu元素(右図)のSEM−EDXマッピング像を示す。図11(c)にMg元素(左図)及びCu元素(右図)のSEM−EDXマッピング像を示す。図11(d)にSEM観察視野像を示す写真(左図)及びCu元素(右図)のSEM−EDXマッピング像を示す。この場合もセラミック層側にSi濃化領域があり、実施例2(900℃)より濃化領域が拡大していることが分かる。(b)より、Cu濃化領域と窒化ケイ素基板が直接接合しているように見える部分もある。(c)より、界面のMg濃化部にはCuが必ず存在する。一方界面よりセラミック層側のCu濃化部にはMgがない(Biが濃化)。つまり、Biは、界面近傍で濃化しているが、界面際にはBiは少ない。(d)より、Cu濃化部はセラミック層の通常部と微細構造が異なる。その他の元素成分については、多少の差はあるものの、図8と同様の挙動を示した。
図12(a)〜(d)が実施例7(焼成温度1000℃)のSEM−EDXマッピングの写真である。図12(a)はSi元素(左図)及びN元素(右図)のSEM−EDXマッピング像である。図12(b)にSi元素(左図)及びMg元素(右図)のSEM−EDXマッピング像を示す。図12(c)にMg元素(左図)及びBi元素(右図)のSEM−EDXマッピング像を示す。図12(d)にSEM観察視野像を示す写真(左図)及びBi元素(右図)のSEM−EDXマッピング像を示す。(a)より、セラミック層側にSi濃化領域があり、実施例2や実施例3〜4より濃化領域が拡大している。(b)より、接合界面にはMg濃化領域は見られない。(c)より、接合界面にはBi濃化領域は見られない。また、界面近傍への明瞭なBi濃化は見られない。(d)より、Biはセラミック層の結晶粒界中に濃化する。その他の元素成分については、多少の差はあるものの、図8と同様の挙動を示した。
図13(a)〜(d)が実施例4(焼成温度900℃)のSEM−EDXマッピングの写真である。図13(a)はSi元素(左図)及びN元素(右図)のSEM−EDXマッピング像である。図13(b)にSi元素(左図)及びMg元素(右図)のSEM−EDXマッピング像を示す。図13(c)にMg元素(左図)及びBi元素(右図)のSEM−EDXマッピング像を示す。図13(d)にSEM観察視野像を示す写真(左図)及びBi元素(右図)のSEM−EDXマッピング像を示す。(a)より、セラミック層側にごくわずかにSi濃化領域があるのが観察された。(b)より、界面にはMg濃化領域は見られない。(c)より、界面にはBi濃化領域は見られず、(d)より、Biはセラミック層の結晶粒界中に濃化するのを確認した。その他の元素成分については、多少の差はあるものの、図8と同様の挙動を示した。
図14(a)〜(d)が実施例8(焼成温度1000℃)のSEM−EDXマッピングの写真である。図14(a)はSi元素(左図)及びN元素(右図)のSEM−EDXマッピング像である。図14(b)にSi元素(左図)及びCu元素(右図)のSEM−EDXマッピング像を示す。図14(c)にMg元素(左図)及びCu元素(右図)のSEM−EDXマッピング像を示す。図14(d)にSEM観察視野像を示す写真(左図)及びCu元素(右図)のSEM−EDXマッピング像を示す。(a)より、セラミック層側にSi濃化領域があり、実施例2や実施例3〜4より濃化領域が拡大している。(b)より、界面全域にはCu濃化領域は見られないが、界面の窒化ケイ素基板側にCu濃化がある。(c)より、界面全域にはMg濃化領域は見られないが、界面の窒化ケイ素側にMgも濃化しているのではないかと考えられる。(d)より、前記Cu濃化部は、セラミック層の通常部と微細構造が異なる。その他の元素成分については、多少の差はあるものの、図8と同様の挙動を示した。
実施例5(焼成温度1000℃)もまた、実施例2〜3と同様に、セラミック層側にSi濃化領域があるのが観察され、その他の元素成分については、多少の差はあるものの、図8と同様の挙動を示した。
比較例2〜5では、セラミック層にボイド(空孔)が多くて緻密化が進まず、1000℃での焼成では、B及びBiを同時に含まない比較例3、5の場合ではセラミック層と窒化ケイ素基板とが接合しないことがわかった。また焼成温度を上げて、1100℃で焼成しても緻密化が進まず強固な接合は得られなかった。
図15に、実施例7(焼成温度1000℃)でのFE−EPMA(Field Emission −Electron Probe Micro Analysis)による各元素のライン分析の結果を示す。横軸(Y−Direction)が厚み方向の厚みであり、約35μmまでがセラミック層側、約35μmを超えて窒化ケイ素基板側であり、35μm付近に接合界面が存在すると考えられる。35〜50μm付近においてSi量の傾斜がある。セラミック層側と比べ窒化ケイ素基板側に、界面付近のSi量の傾斜があり、接合界面のセラミック層側のSi濃化は窒化ケイ素基板側のSiの移動が主体ではないかと考えられる。
前述の通り、LTCC材料の製法によってSi濃化領域の形成が異なっていると想定され、LTCC材料の製法よって、Si濃化領域の形成しやすさに影響を与えると考えられる。
<参考例1〜3>
本発明のセラミック層を形成するLTCC材料として、表6に記載の材料を用いて実験を行った。
(混合)
セラミック層の主成分を、副成分を含んで100質量%としたとき、表6の質量比率となるように秤量した。以降仮焼までは実施例3と同様に作製を進めた。
(粉砕)
得られた仮焼粉55gに対して、表6の比率になるよう副成分を配合し、ポリプロピレン製0.5Lボールミルポットへφ5mmのY安定化ジルコニアボール1kgとともに投入し、イオン交換水を加えて、スラリー濃度が30質量%となるようにして、23時間粉砕・混合した。
(成形)
スラリーを加熱乾燥した後、乳鉢で解砕し、バインダー(PVA)を加えて目開き500μmの篩を通過させ造粒した。焼成後、直径11mm、厚さ5.5mmとなるように成形し、大気中にて900℃で焼成した。得られた各参考例の試料の密度を測定した。結果を図16に示す。
Figure 0006724481
図16に、LTCC材料のB/Bi重量比と焼成体密度との関係を示す。BとBiの総量を実質的に同じとし、バランスを変えた場合に、同一温度での焼成では、B量が少ないほど緻密化しにくくなることがわかった。なお、実験は900℃焼成の例である。
<参考例4〜6>
セラミック層を形成するLTCC材料として、表7に記載の材料を用いて実験を行った。他は参考例1〜3と同様にして試料を作製した。各参考例ではB/Bi重量比を0.4で一定とし、MnとCuOの重量比を異ならせている。得られた各参考例の試料の共振周波数fと無負荷Q値を測定してfQ値を求めた。結果を図17に示す。
Figure 0006724481
図17に、LTCC材料のMn/CuO重量比とfQ値との関係を示す。MnとCuOの総量を実質的に同じとし、バランスを変えた場合に、CuO量が多いほど、焼成が進行(コーディエライト化が進行)していることが分かった。なお925℃で焼成するといずれもコーディエライトが主相になっている。
<参考例7〜10>
セラミック層を形成するLTCC材料として、表8に記載の材料を用いて実験を行った。各参考例では、主成分と副成分の比率を異ならせるとともに、副成分のBi、B、CuO、CuOの比率は参考例で一定となるようにしている。実施例3〜5と同じ条件で作製したAl2O3とガラス相を主相とするMgO、Al2O3、SiO2仮焼粉を用い、焼成温度を875℃〜1050℃として参考例1〜3と同様に試料を作製した。得られた各参考例の試料の密度を測定した。結果を図18に示す。
Figure 0006724481
図18に、LTCC材料の主成分比率の焼成温度に対する焼成体密度への影響を示す。LTCC材料中の主成分の比率の低減で低温焼成でも焼成体密度が得られやすくなることが分かった。
1 窒化ケイ素基板
2’グリーンシート
2 セラミック層
3’配線パターン
3 配線層
4 スルーホール
5 放熱用厚銅板
6 デバイス搭載パッド
7 内蔵配線
8 デバイス搭載パッド
9 パワー半導体
10 SMD
11 回路用厚銅板
S 接合界面

Claims (15)

  1. 窒化ケイ素基板と、誘電体セラミックスでなるセラミック層とが、積層されて接合されているセラミック基板であって、
    前記誘電体セラミックスは、Mg,Al及びSiを主成分とし、副成分として、Biを含有し、
    前記セラミック層は、前記窒化ケイ素基板との接合界面に、Si元素濃度の高い領域を有するセラミック基板。
  2. 窒化ケイ素基板と、誘電体セラミックスでなるセラミック層とが、積層されて接合されているセラミック基板であって、
    前記誘電体セラミックスは、Mg,Al及びSiを主成分とし、副成分として、Bi又はBを含有し、
    前記セラミック層に配線層を有し、
    前記セラミック層は、前記窒化ケイ素基板との接合界面に、Si元素濃度の高い領域を有するセラミック基板。
  3. 前記誘電体セラミックスの主成分は、主成分を100質量%とした場合に、MgO換算で10〜25質量%のMg、Al換算で15〜46質量%のAl、及びSiO換算で40〜65質量%のSiを含有する請求項1又は2に記載のセラミック基板。
  4. 前記副成分は、主成分を100質量部とした場合に、Bi換算で0.1〜10質量部のBi、又はB換算で0.1〜10質量部のBを含有する請求項1〜3のいずれか1項に記載のセラミック基板。
  5. 前記副成分として、さらにCuを含有し、前記Cuの含有量は、主成分を100質量部とした場合に、CuO換算で0.1〜10質量部である請求項1〜のいずれか1項に記載のセラミック基板。
  6. 前記副成分として、さらにMnを含有し、前記Mnの含有量が、主成分を100質量部とした場合に、Mn換算で0.1〜10質量部である請求項1〜のいずれか1項に記載のセラミック基板。
  7. 前記Si元素濃度の高い領域の近傍には、さらに前記副成分に由来する元素の濃度の高い領域を有する請求項1〜のいずれか1項に記載のセラミック基板。
  8. 少なくとも一層の配線層を有し、前記配線層は、Ag、Au,Cu、Ag合金及びCu合金からなる群から選択される少なくとも1つである請求項1〜のいずれか1項に記載のセラミック基板。
  9. 前記窒化ケイ素基板の熱膨張係数と前記セラミック層の熱膨張係数との差は、±2ppm/℃以内である請求項1〜のいずれか1項に記載のセラミック基板。
  10. 前記セラミック層の単層厚みは、20〜400μmから選択される請求項1〜9のいずれか1項に記載のセラミック基板。
  11. セラミック基板の製造方法であって、
    主成分として、Mg,Al及びSi、副成分として、Biを含有するセラミック材料、及びバインダーを含むグリーンシートを形成する工程と、
    窒化ケイ素基板上に、少なくとも1層のグリーンシートを積層して複合積層体とする工程と、
    前記複合積層体を1100℃以下で焼成して、セラミック層と窒化ケイ素基板とを接合したセラミック基板とする工程と、を含み
    前記焼成工程時に、前記セラミック層と前記窒化ケイ素基板との接合界面に、Si元素濃度の高い領域を形成するセラミック基板の製造方法。
  12. セラミック基板の製造方法であって、
    主成分として、Mg,Al及びSi、副成分として、BiまたはBを含有するセラミック材料、及びバインダーを含むグリーンシートを形成する工程と、
    前記グリーンシートに、導電性ペーストで配線パターンを形成する工程と、
    窒化ケイ素基板上に、少なくとも1層のグリーンシートを積層して複合積層体とする工程と、
    前記複合積層体を1100℃以下で焼成して、セラミック層と窒化ケイ素基板とを接合したセラミック基板とする工程と、を含み
    前記焼成工程時に、前記セラミック層と前記窒化ケイ素基板との接合界面に、Si元素濃度の高い領域を形成するセラミック基板の製造方法。
  13. セラミック基板の製造方法であって、
    主成分として、Mg,Al及びSi、副成分として、Biを含有するセラミック材料、及びビヒクルを含むペーストを、窒化ケイ素基板上に塗布した後、乾燥して、グリーン層を形成して複合積層体とする工程と、
    前記複合積層体を1100℃以下で焼成してセラミック層と窒化ケイ素基板とを接合したセラミック基板とする工程と、を含み
    前記焼成工程時に、前記セラミック層と前記窒化ケイ素基板との接合界面に、Si元素濃度の高い領域を形成するセラミック基板の製造方法。
  14. セラミック基板の製造方法であって、
    主成分として、Mg,Al及びSi、副成分として、Bi又はBを含有するセラミック材料、及びビヒクルを含むペーストを、窒化ケイ素基板上に塗布した後、乾燥して、グリーン層を形成して、前記グリーン層と配線パターンを印刷して、複合積層体とする工程と、
    前記複合積層体を1100℃以下で焼成してセラミック層と窒化ケイ素基板とを接合したセラミック基板とする工程と、を含み
    前記焼成工程時に、前記セラミック層と前記窒化ケイ素基板との接合界面に、Si元素濃度の高い領域を形成するセラミック基板の製造方法。
  15. 前記セラミック層の単層厚みは、20〜400μmから選択される請求項11〜14のいずれか1項に記載のセラミック基板の製造方法。
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