JP7294827B2 - 電気検査用基板 - Google Patents

Description

本開示は、セラミック基板を備える電気検査用基板に関する。

特許文献１には、ガラス成分とセラミック成分との混合物を８００～１０５０℃程度の低温にて焼成した低温焼成のガラスセラミックで形成された複数のセラミック層を積層したセラミック基板を備える電気検査用基板が記載されている。

特開２０１０－２７１２９６号公報

しかし、特許文献１に記載の電気検査用基板では、セラミック基板の表面に樹脂層またはスタッドを形成することに起因して発生する応力によって、セラミック基板にクラックが入って破損してしまうことがあった。

本開示は、電気検査用基板の強度を向上させることを目的とする。

本開示の一態様は、複数のセラミック層が積層されたセラミック基板と、セラミック基板における表面および裏面の少なくとも一方に形成された電極とを備える電気検査用基板である。

そして、本開示の電気検査用基板では、複数のセラミック層は、少なくとも、面セラミック層と、内部セラミック層と、中間セラミック層とを含む。面セラミック層は、セラミック基板の表面および裏面の少なくとも一方を構成する。内部セラミック層は、セラミック基板の内部に配置される。中間セラミック層は、面セラミック層と内部セラミック層との間に配置される。

また、面セラミック層および内部セラミック層のアルミナコンテントは、２０％～５０％であり、中間セラミック層のアルミナコンテントから、面セラミック層および内部セラミック層のアルミナコンテントを減じた減算値は、３０％以上である。アルミナコンテントは、セラミック層に含まれるアルミナフィラーの体積と、セラミック層に含まれてアルミナフィラーよりも熱膨張率が低いフィラーである低熱膨張フィラーの体積との合計に対するアルミナフィラーの体積の比率である。

このように構成された本開示の電気検査用基板では、中間セラミック層におけるアルミナフィラーの含有率が、面セラミック層および内部セラミック層におけるアルミナフィラーの含有率よりも高い。このため、本開示の電気検査用基板では、中間セラミック層の熱膨張が、面セラミック層および内部セラミック層の熱膨張よりも大きくなり、中間セラミック層が面セラミック層を圧縮する。これにより、本開示の電気検査用基板は、面セラミック層に圧縮応力が発生し、電気検査用基板の表面強度を向上させることができる。

そして、本開示の電気検査用基板では、面セラミック層および内部セラミック層のアルミナコンテントは、２０％～５０％であり、中間セラミック層のアルミナコンテントから、面セラミック層および内部セラミック層のアルミナコンテントを減じた減算値は、３０％以上である。これにより、本開示の電気検査用基板は、熱による基板変形を最小限に抑制することができる。

本開示の一態様では、中間セラミック層のアルミナコンテントから、面セラミック層および内部セラミック層のアルミナコンテントを減じた減算値は、６０％以上であるようにしてもよい。これにより、本開示の電気検査用基板は、面セラミック層に発生する圧縮応力が大きくなり、電気検査用基板の表面強度を更に向上させることができる。

本開示の一態様では、面セラミック層の残留応力は、中間セラミック層および内部セラミック層の残留応力より大きいようにしてもよい。これにより、本開示の電気検査用基板は、電気検査用基板の表面強度を向上させることができる。

本開示の一態様では、面セラミック層の厚さは、中間セラミック層の厚さ以下であるようにしてもよい。これにより、本開示の電気検査用基板は、電気検査用基板の表面強度の低下を抑制することができる。

電気検査用治具の使用方法を示す図である。 電気検査用基板の断面図である。 プローブおよびスタッドの設置位置を示すセラミック基板および樹脂層の断面図である。 電気検査用基板の製造方法を示すフローチャートである。 積層体および積層焼結体の正面図である。 評価試験の結果を示す図表である。 実施例の断面のＳＥＭ画像およびＥＰＭＡ画像である。 実施例と比較例の残留応力を示すグラフである。

以下に本開示の実施形態を図面とともに説明する。
本実施形態の電気検査用治具１００は、図１に示すように、電気検査用基板１と、導電性の複数のプローブ２とを備える。

電気検査用治具１００は、例えば直径が３００ｍｍのシリコンウエハＳＷに対応し、シリコンウエハＳＷに形成された複数の端子ＴＭにプローブ２を接触させることにより、シリコンウエハＳＷに形成された複数のデバイスの検査を行う。

電気検査用基板１は、図２に示すように、セラミック基板３と、セラミック基板３の表面および裏面に形成された電極４，５とを備える。
セラミック基板３は、例えば、厚さ５ｍｍ×縦３００ｍｍ×横３００ｍｍの直方体状に形成されている。セラミック基板３は、例えば、７層のセラミック層１１，１２，１３，１４，１５，１６，１７と、６層の配線層２１，２２，２３，２４，２５，２６とを備える。

セラミック層１１，１３，１４，１５，１７のアルミナコンテントは、２０％～５０％である。また、セラミック層１２，１６のアルミナコンテントから、セラミック層１１，１３，１４，１５，１７のアルミナコンテントを減じた減算値は、３０％以上である。アルミナコンテントは、セラミック層１１～１７に含まれるアルミナフィラー（本実施形態では、アルミナ粉末）の体積と、セラミック層１１～１７に含まれてアルミナフィラーよりも熱膨張率が低い低熱膨張フィラー（本実施形態では、ムライト粉末）の体積との合計に対するアルミナフィラーの体積の比率である。

セラミック層１１～１７と、配線層２１～２６とは、積層方向ＳＤに沿って交互に積層される。セラミック層１１，１７の厚さは、セラミック層１２，１６の厚さ以下である。
また、セラミック層１１，１２，１３，１４，１５，１６，１７内にはそれぞれ、積層方向ＳＤに延びてセラミック層１１，１２，１３，１４，１５，１６，１７を貫通するビア導体３１，３２，３３，３４，３５，３６，３７が形成される。これにより、電極５と配線層２１とが電気的に接続される。また配線層２１，２２，２３，２４，２５はそれぞれ、配線層２２，２３，２４，２５，２６と電気的に接続される。また、配線層２６と電極４とが電気的に接続される。

配線層２１～２６およびビア導体３１～３７は、例えば、Ａｇ、Ａｇ／Ｐｔ合金、Ａｇ／Ｐｄ合金、Ｃｕ、Ｃｕ合金などの導体で形成されている。
電極４，５は、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｃｕ、ＮｉおよびＡｕの少なくとも１つの導体で形成されている。

図３に示すように、セラミック基板３の表面および裏面にはそれぞれ、樹脂層６および樹脂層７が形成されている。そして、樹脂層６には複数のスタッド８が設置され、樹脂層７には複数のプローブ２が設置される。スタッド８は、電気検査用基板１を電気検査用治具１００に固定するために、電気検査用基板１から突出する部材である。

次に、電気検査用基板１の製造方法を説明する。以下では、セラミック層１２，１６のアルミナコンテントが１００％で、セラミック層１１，１３，１４，１５，１７のアルミナコンテントが４０％である場合の製造方法を説明する。

電気検査用基板１を製造するためには、図４に示すように、まず、Ｓ１０にて、第１グリーンシートを準備する。具体的には、まず、セラミック層１１，１３，１４，１５，１７を作製するための原料粉末として、平均粒径が３．０μｍのＳｉＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３、Ｂ_２Ｏ_３を主成分とするホウケイ酸系ガラス粉末と、平均粒径が２．０μｍのムライト粉末およびアルミナ粉末とを用意する。また、バインダ成分としてのアクリル系バインダと、成形後のグリーンシートに適度な柔軟性を与える可塑剤成分としてのジ・オチクル・フタレート（以下、ＤＯＰ）と、適当なスラリー粘度とシート強度を持たせる溶剤としてのメチルエチルケトン（以下、ＭＥＫ）とを用意する。

そして、上記のホウケイ酸系ガラス粉末とムライト粉末およびアルミナ粉末とを所定量秤量して、アルミナ製のポットに入れる。本実施形態では、ホウケイ酸系ガラス粉末とムライト粉末およびアルミナ粉末との混合割合は質量比で５０：５０であり、ホウケイ酸系ガラス粉末とムライト粉末およびアルミナ粉末との総量が１０００ｇである。また、ムライト粉末とアルミナ粉末との混合割合は体積比で６０：４０である。そして、バインダ、ＤＯＰおよびＭＥＫを上記のポットに入れて３時間混合することにより、セラミックスラリーを得る。そして、ドクターブレード法により、例えばポリエチレンテレフタレートからなるキャリアフィルム上で、得られたセラミックスラリーをシート状とし、厚さが例えば０．２５ｍｍの第１グリーンシートを作製する。

次にＳ２０にて、第２グリーンシートを準備する。具体的には、まず、セラミック層１２，１６を作製するための原料粉末として、平均粒径が３．０μｍのＳｉＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３、Ｂ_２Ｏ_３を主成分とするホウケイ酸系ガラス粉末と、平均粒径が２．０μｍのアルミナ粉末とを用意する。また、アクリル系バインダと、ＤＯＰと、ＭＥＫとを用意する。

そして、上記のホウケイ酸系ガラス粉末とアルミナ粉末とを所定量秤量して、アルミナ製のポットに入れる。本実施形態では、ホウケイ酸系ガラス粉末とアルミナ粉末との混合割合は質量比で５０：５０であり、ホウケイ酸系ガラス粉末とアルミナ粉末との総量が１０００ｇである。さらに、バインダ、ＤＯＰおよびＭＥＫを上記のポットに入れて３時間混合することにより、セラミックスラリーを得る。そして、ドクターブレード法により、キャリアフィルム上で、得られたセラミックスラリーをシート状とし、厚さが例えば０．２５ｍｍの第２グリーンシートを作製する。

次にＳ３０にて、拘束シートを準備する。具体的には、まず、原料粉末として、平均粒径が２．０μｍのアルミナ粉末を用意する。また、アクリル系バインダと、ＤＯＰと、ＭＥＫとを用意する。そして、上記のアルミナ粉末を所定量秤量して、アルミナ製のポットに入れる。本実施形態では、アルミナ粉末の総量が１０００ｇである。さらに、バインダ、ＤＯＰおよびＭＥＫを上記のポットに入れて３時間混合することにより、セラミックスラリーを得る。そして、ドクターブレード法により、キャリアフィルム上で、得られたセラミックスラリーをシート状とし、厚さが例えば０．５０ｍｍの拘束シートを作製する。

次にＳ４０にて、パンチにより、Ｓ１０で準備した第１グリーンシートと、Ｓ２０で準備した第２グリーンシートとに、例えば直径が０．１２ｍｍのビアホールを形成する。
次にＳ５０にて、第１グリーンシートおよび第２グリーンシートに形成されたビアホールの内部に、導電性ペーストを充填する。導電性ペーストは、銀粉末１００重量部に対して、軟化点が７００℃のホウケイ酸系ガラス粉末を２重量部添加した粉末原料に、エチルセルロース樹脂を加えるとともに、溶剤としてターピネオールを加え、３本ロールミルにて混練して作製される。

次にＳ６０にて、第１グリーンシートおよび第２グリーンシートの表面における必要な箇所に、導電性ペーストを用いて、印刷によって、配線層２１～２６となる配線パターンを形成する。

次にＳ７０にて、第１グリーンシート、第２グリーンシートおよび拘束シートを積層して、グリーンシート積層体を作製する。具体的には、図５の積層体ＳＢ１で示すように、まず、第１グリーンシートＧＳ１、第２グリーンシートＧＳ２、第１グリーンシートＧＳ３、第１グリーンシートＧＳ４、第１グリーンシートＧＳ５、第２グリーンシートＧＳ６および第１グリーンシートＧＳ７を順次積層することにより、グリーンシート積層体ＧＢ１を作製する。そして、グリーンシート積層体ＧＢ１の表面および裏面のそれぞれに、拘束シートＢＳ１および拘束シートＢＳ２を積層することにより、積層体ＳＢ１を作製する。

そして、Ｓ７０の工程が終了すると、図４に示すように、Ｓ８０にて、図示しないプレス機により積層体ＳＢ１における積層方向ＳＤの両側から積層体ＳＢ１を挟んで積層体ＳＢ１を０．２ＭＰａの圧力で加圧しながら、積層体ＳＢ１を８５０℃にて３０分間焼成（すなわち、脱脂焼成）して、図５に示す積層焼結体ＳＢ２を作製する。

そして、Ｓ８０の工程が終了すると、図４に示すように、Ｓ９０にて、積層焼結体ＳＢ２の表面および裏面に残っている未焼結の拘束シートＢＳ１，ＢＳ２を、水を媒体とした超音波洗浄機により除去し、図５に示す積層焼結体ＳＢ３を作製する。

そして、Ｓ９０の工程が終了すると、図４に示すように、Ｓ１００にて、アルミナ質砥粒を用いたラップ研磨により、積層焼結体ＳＢ３の表面および裏面を研磨する。
次にＳ１１０にて、研磨した積層焼結体ＳＢ３（すなわち、セラミック基板３）の表面および裏面におけるビア導体３１，３７に対応する位置に、例えばＴｉ薄膜をスパッタ法により形成した後に順次Ｃｕメッキ、ＮｉメッキおよびＡｕメッキを施して、電極４，５を形成し、電気検査用基板１の製造を終了する。

次に、電気検査用基板１の強度を評価するために実施した評価試験と、その試験結果について説明する。
本評価試験では、セラミック層１１，１３，１４，１５，１７のアルミナコンテントと、セラミック層１２，１６のアルミナコンテントとを変化させて、電気検査用基板１の熱膨張係数（以下、ＣＴＥ）および破壊靭性を評価した。ＣＴＥは、Coefficient of Thermal Expansionの略である。

本評価試験では、図６に示すように、実施例１～７および比較例１～６の電気検査用基板を作製した。以下、セラミック層１１，１３，１４，１５，１７をまとめて第１セラミック層という。また、セラミック層１２，１６をまとめて第２セラミック層という。

実施例１，２，３，４，５，６の電気検査用基板はそれぞれ、第１セラミック層のアルミナコンテントが４０，４０，３０，３０，２０，５０％あり、第２セラミック層のアルミナコンテントが７０，１００，７０，１００，１００，１００％である。

比較例１，２，３，４，５，６，７の電気検査用基板はそれぞれ、第１セラミック層のアルミナコンテントが０，４０，７０，１００，０，７０，６０％あり、第２セラミック層のアルミナコンテントが０，４０，７０，１００，４０，１００，１００％である。

そして本評価試験では、温度を室温～１００℃で変化させて電気検査用基板の熱膨張を測定し、熱膨張係数を算出した。そして、φ３００ｍｍの基板を想定し、φ３００ｍｍの基板における最外周部の変形量を算出した。本評価試験では、ＣＴＥの評価結果として、上記最外周部の変形量が５０μｍ以下である場合に「ＯＫ」、変形量が５０μｍを超えている場合に「ＮＧ」とした。

さらに本評価試験では、電気検査用基板の表面を研磨し、各種測定（例えば、ヤング率、比重、ビッカース硬度の測定）を行い、破壊靭性を測定した。本評価試験では、破壊靭性の評価結果として、比較例２を基準にして破壊靭性の向上が見られる場合に「ＯＫ」、破壊靭性の向上が見られない場合に「ＮＧ」とした。

図６に示すように、実施例１～６は、最外周部の変形量と破壊靭性との両方において「ＯＫ」であった。一方、比較例１～７は、最外周部の変形量と破壊靭性と何れか一方で「ＯＫ」でなかった。

また本評価試験では、実施例２の電気検査用基板について、基板を断面方向に研磨し、電子プローブマイクロアナライザ（以下、ＥＰＭＡ）で定量評価することでアルミナ量の違いを特定した。ＥＰＭＡは、Electron Probe Micro Analyzerの略である。図７の画像Ｇ１は、実施例２の電気検査用基板の断面のＳＥＭ画像である。ＳＥＭは、Scanning Electron Microscopeの略である。図７の画像Ｇ２は、画像Ｇ１における領域Ｒ１を拡大したＳＥＭ画像である。図７の画像Ｇ２における点線Ｌ１は、第１セラミック層と第２セラミック層との境界線を示す。すなわち、点線Ｌ１より上の領域が第１セラミック層であり、点線Ｌ１より下の領域が第２セラミック層である。

図７の画像Ｇ３は、画像Ｇ１における領域Ｒ１を拡大したＥＰＭＡ画像である。画像Ｇ３における点線Ｌ２は、第１セラミック層と第２セラミック層との境界線を示す。すなわち、点線Ｌ２より上の領域が第１セラミック層であり、点線Ｌ２より下の領域が第２セラミック層である。そして、点線Ｌ２より下の領域の方が、点線Ｌ２より上の領域よりも、輝度が高い部分が多い。従って、実施例２では、第２セラミック層は、第１セラミック層よりもアルミナの含有量が多い。

また本評価試験では、微小Ｘ線応力測定装置を用いて、実施例２と比較例２の残留応力を測定した。図８に示すように、実施例２の電気検査用基板は、比較例２の電気検査用基板よりも残留応力が大きい。

このように構成された電気検査用基板１は、複数のセラミック層１１～１７が積層されたセラミック基板３と、セラミック基板３における表面および裏面に形成された電極４，５とを備える。

そして電気検査用基板１では、セラミック層１１，１７は、セラミック基板３の表面および裏面を構成する。セラミック層１３，１４，１５は、セラミック基板３の内部に配置される。セラミック層１２，１６は、セラミック層１１，１７とセラミック層１３，１４，１５との間に配置される。

また、セラミック層１１，１７およびセラミック層１３，１４，１５のアルミナコンテントは、２０％～５０％であり、セラミック層１２，１６のアルミナコンテントから、セラミック層１１，１７およびセラミック層１３，１４，１５のアルミナコンテントを減じた減算値は、３０％以上である。

このように電気検査用基板１では、セラミック層１２，１６におけるアルミナフィラー（すなわち、アルミナ粉末）の含有率が、セラミック層１１，１７およびセラミック層１３，１４，１５におけるアルミナフィラーの含有率よりも高い。このため、電気検査用基板１では、セラミック層１２，１６の熱膨張が、セラミック層１１，１７およびセラミック層１３，１４，１５の熱膨張よりも大きくなり、セラミック層１２，１６がセラミック層１１，１７を圧縮する。これにより、電気検査用基板１は、セラミック層１１，１７に圧縮応力が発生し、電気検査用基板１の表面強度を向上させることができる。

そして電気検査用基板１では、セラミック層１１，１７およびセラミック層１３，１４，１５のアルミナコンテントは、２０％～５０％であり、セラミック層１２，１６のアルミナコンテントから、セラミック層１１，１７およびセラミック層１３，１４，１５のアルミナコンテントを減じた減算値は、３０％以上である。これにより、電気検査用基板１は、熱による基板変形を最小限に抑制することができる。

また電気検査用基板１では、セラミック層１１，１７に圧縮応力が発生し、セラミック層１１，１７の残留応力が、セラミック層１２，１６およびセラミック層１３，１４，１５の残留応力より大きくなる。これにより、電気検査用基板１は、電気検査用基板１の表面強度を向上させることができる。

また、セラミック層１１，１７の厚さは、セラミック層１２，１６の厚さ以下である。これにより、電気検査用基板１は、電気検査用基板１の表面強度の低下を抑制することができる。

以上説明した実施形態において、セラミック層１１，１７は面セラミック層に相当し、セラミック層１３，１４，１５は内部セラミック層に相当し、セラミック層１２，１６は中間セラミック層に相当する。

また、アルミナ粉末はアルミナフィラーに相当し、ムライト粉末は低熱膨張フィラーに相当する。
以上、本開示の一実施形態について説明したが、本開示は上記実施形態に限定されるものではなく、種々変形して実施することができる。

例えば上記実施形態では、セラミック基板３における表面および裏面に電極４，５が形成されている形態を示したが、セラミック基板３における表面および裏面の何れか一方に電極が形成されているようにしてもよい。

また上記実施形態では、セラミック層１２，１６のアルミナコンテントから、セラミック層１１，１３，１４，１５，１７のアルミナコンテントを減じた減算値が３０％以上である形態を示した。しかし、セラミック層１２およびセラミック層１６の何れか一方のアルミナコンテントから、セラミック層１１，１３，１４，１５，１７のアルミナコンテントを減じた減算値が３０％以上であるようにしてもよい。

また上記実施形態では、低熱膨張フィラーがムライト粉末である形態を示した。しかし、低熱膨張フィラーは、ムライト粉末に限定されるものではなく、アルミナフィラーよりも熱膨張率が低いフィラーであればよい。

また上記実施形態では、セラミック層１２，１６のアルミナコンテントから、セラミック層１１，１３，１４，１５，１７のアルミナコンテントを減じた減算値が３０％以上である形態を示した。しかし、セラミック層１２，１６のアルミナコンテントから、セラミック層１１，１７およびセラミック層１３，１４，１５のアルミナコンテントを減じた減算値は、６０％以上であるようにするとよい。これにより、電気検査用基板１は、セラミック層１１，１７に発生する圧縮応力が大きくなり、電気検査用基板１の表面強度を更に向上させることができる。

また、上記実施形態における１つの構成要素が有する機能を複数の構成要素に分担させたり、複数の構成要素が有する機能を１つの構成要素に発揮させたりしてもよい。また、上記実施形態の構成の一部を省略してもよい。また、上記実施形態の構成の少なくとも一部を、他の上記実施形態の構成に対して付加、置換等してもよい。

１…電気検査用基板、３…セラミック基板、４，５…電極、１１～１７…セラミック層

Claims (4)

1. 複数のセラミック層が積層されたセラミック基板と、前記セラミック基板における表面および裏面の少なくとも一方に形成された電極とを備える電気検査用基板であって、
   複数の前記セラミック層は、少なくとも、前記セラミック基板の前記表面および前記裏面の少なくとも一方を構成する面セラミック層と、前記セラミック基板の内部に配置される内部セラミック層と、前記面セラミック層と前記内部セラミック層との間に配置される中間セラミック層とを含み、
   前記セラミック層に含まれるアルミナフィラーの体積と、前記セラミック層に含まれて前記アルミナフィラーよりも熱膨張率が低いフィラーである低熱膨張フィラーの体積との合計に対する前記アルミナフィラーの体積の比率をアルミナコンテントとして、
   前記面セラミック層および前記内部セラミック層の前記アルミナコンテントは、２０％～５０％であり、
   前記中間セラミック層の前記アルミナコンテントから、前記面セラミック層および前記内部セラミック層の前記アルミナコンテントを減じた減算値は、３０％以上である電気検査用基板。
2. 請求項１に記載の電気検査用基板であって、
   前記面セラミック層および前記内部セラミック層の前記アルミナコンテントは、２０％～４０％であり、
   前記中間セラミック層の前記アルミナコンテントから、前記面セラミック層および前記内部セラミック層の前記アルミナコンテントを減じた減算値は、６０％以上である電気検査用基板。
3. 請求項１または請求項２に記載の電気検査用基板であって、
   前記面セラミック層の残留応力は、前記中間セラミック層および前記内部セラミック層の残留応力より大きい電気検査用基板。
4. 請求項１～請求項３の何れか１項に記載の電気検査用基板であって、
   前記面セラミック層の厚さは、前記中間セラミック層の厚さ以下である電気検査用基板。

Images