JPH01218089A - 表面導電性セラミックス基板の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［発明の目的］ （産業上の利用分野） 本発明は、表面特性や電気的特性を向上させた導電性メ
タライズ層を有する表面導電性セラミックス基板の製造
方法に関する。

（従来の技術） 従来から、アルミナなどのセラミックスを回路基板とし
て使用するために、その表面に導電層を形成することが
行われている。この導電層の形成方法としては、アルミ
ナなどの酸化物系セラミックス基板に対してはＭＯ粉末
やＷ粉末を主成分とするメタライズ用組成物を有機系バ
インダによりペースト化し、これをセラミックス基板表
面に塗布し、加熱焼成する方法がよく用いられている。

また、近年高い熱伝導性を有することでハイブリッドＩ
Ｃ用などの回路基板として注目を集めているＡＪ２Ｎ焼
結体からなるセラミックス基板に対しては、直接ＡぶＮ
に公知のＭ　ｏ　−Ｍ　ｎ法などを適用できないため、
Ｍｏ粉末やＷ粉末にＴｉなどの活性金属をたとえば窒化
物などの形で添加して作製したメタライズ用ペーストを
使用するなど、様々な条件に適応させるために種々のメ
タライズ方法が検討されている。

（発明が解決しようとする課題） ところで、上述したように高融点金属を主成分とするメ
タライズ用ペーストを用いて、セラミックス基板表面に
導電層を形成する場合、塗膜の膜厚の均一性向上などの
目的でメタライズ用ペーストの粘性を比較的低くして塗
布することが一般的であるが、このように粘性の低いも
のを使用してセラミックス基板に塗布すると、塗布厚が
薄くなり、金属成分と基板構成相との界面での濡れ性の
問題がメタライズ層表面に現れやすくなるため、焼成後
のメタライズ層の表面に金属粒子が凝集したり、あるい
は凝集しないまでも回路が断線したり、表面粗さが低下
することによる表面抵抗値の上昇などの不良の発生頻度
が高いという問題があった。

また、このような問題は、メタライズ用ペーストの粘性
だけに限らず、たとえばメタライズ用組成物の各出発原
料の粒子径が不均一であると、メタライズ層の表面粗さ
が大きくなったり、ばらつきが生じたり、また粒径の大
きな粒子の混入により部分的に回路が断線することなど
によって電気的特性が低下するという問題が生じている
。

また、セラミックス基板の表面粗さは、メタライズ層の
表面粗さに影響するばかりでなく、メタライズ層とセラ
ミックス基板との接合強度に対しても大きな影響を与え
る。メタライズ層の表面粗さが粗いと半導体チップなど
をメツキ後のメタライズ層にマウントした時に接合面接
が小さくなるため、セラミックス基板の熱特性が生かさ
れないばかりか、場合によってはチップの破壊を招く。

また、セラミックス基板とメタライズ層との接合強度の
低下は、熱サイクルによる半田疲労に対する耐性の劣化
を招くため、半導体チップに対する熱保護の役割を果さ
なくなる。

本発明は、このような問題点を解決するためになされた
もので、導電性メタライズ層の表面特性や焼結性などを
改善することにより、電気的特性に優れ、半導体チップ
をマウントした際に熱的な劣化を生じない表面導電性セ
ラミックス基板を製造する方法を提供することを目的と
する。

［発明の構成］ （課題を解決するための手段） 本発明における第１の表面導電性セラミックス基板の製
造方法は、メタライズ用組成物と有機系結合剤とを含有
するペーストを焼成後の厚さが９μ−以上または印刷時
１５μｍ以上となるようにセラミックス基板上に塗布し
、次いで焼成して導電性メタライズ層を形成することを
特徴としている。

また、第２の発明は、平均粒径がプレーン法測定で０．
８μｍ以下あるいはレーザー透過法で全体の７０％以上
が３μｍ以下の粒径を有しているメタライズ用組成物と
有機系結合剤とを含有するペーストをセラミックス基板
上に塗布し、次いで焼成して導電性メタライズ層を形成
することを特徴としている。

さらに、第３の発明は、メタライズ用組成物と有機系結
合剤とを含有するペーストを、最大表面粗さ（ＲＩｌａ
ｘ）が２μｍ以上で１０μ−以下または導電性メタライ
ズ層に要求される最大表面粗さ（Ｒｓａｘ）より　１μ
１以上小さい値のいずれか小さい方の値以下であるセラ
ミックス基板上に塗布し、次いで焼成して導電性メタラ
イズ層を形成することを特徴としている。

本発明に使用するセラミックス基板としては、Ａｌ２Ｏ
２、ＢｅＯなどの酸化物系セラミックス焼結体やＡＪ２
ＮＳＳｉ３Ｎ４、ＳｉＡβＯＮなどの非酸化物系セラミ
ックス焼結体からなるものなど、各種のセラミックス基
板について適用可能である。

上記第３の発明において、セラミックス基板の表面粗さ
（Ｒｍａｘ）を２μｍ以上で１０μＩ以下または導電性
メタライズ層に要求される最大表面粗さ（Ｒｍａｘ）よ
り　１μｍ以上小さい値のいずれか小さい方の値以下と
規定したのは以下の理由による。

すなわち、セラミックス基板の最大表面粗さ（Ｒｉａｘ
）が２μｍ未満であるとセラミックス基板表面において
、メタライズ層のアンカー効果が弱まるため、メタライ
ズ層の接合強度が大幅に低下する。また、通常このよう
な表面粗さのセラミックス基板を得るためには大幅な表
面研削を必要としており、このように表面研削を行うこ
とによりメタライズ層の接合強度の向上に寄与している
と考えられるセラミックス焼結体の粒界構成相成分の豊
富な表面近傍層が減少してメタライズ層の接合力の低下
につながる。接合力の低下は、メタライズされたセラミ
ックス基板の熱サイクルに対する耐性を劣化させるため
に、半導体チップなどをマウントして用いる際に信頼性
が低下してしまう。また、セラミックス基板の最大表面
粗さ（Ｒｒａａｘ　）が導電性メタライズ層の要求され
る最大表面粗さ（Ｒｍａｘ）から　１μｍ以上大きくな
ると、得られるメタライズ層の最大表面粗さ（Ｒｍａｘ
）が要求品質を満足できない恐れがある。また、セラミ
ックス基板の最大表面粗さ（Ｒｍａｘ）が１０μｍを超
えると得られるメタライズ層の最大表面粗さ（Ｒａ＋ａ
ｘ）が大きくなり、半導体チップなどをマウントした際
に半田とメタライズ層表面との接触面積が低下し、熱的
特性が劣化したり、ワイヤーボンディング性などの表面
実装性が低下する。

また、この基板に使用するメタライズ用組成物の種類に
ついても特に限定はなく、を機系結合剤や分散媒ととも
に混合し、液状としてセラミックス基板に塗布し、焼成
してメタライズ層を形成するものであればどのようなも
のについても適用可能であり、たとえばＭ　ｏとＷとの
混合粉末、Ｍ。

やＷなどの高融点金属を主成分としＴｉやＺｒなどの活
性金属の窒化物や酸化物を添加混合したもの、さらには
これに活性金属の酸化物と液相を形成するＣｏ２０３や
高融点金属の焼結性を向上させ、炭化物との濡れ性を良
くするＮｉなどを添加したものなどが例示される。

本発明の表面導電性セラミックス基板の製造方法につい
てさらに詳述すると、まずメタライズ用組成物粉末の平
均粒径をプレーン法測定で０．８μｍ以下あるいはレー
ザー透過法で全体の７０％以上が３μｍ以下の粒径とな
るようにする。このようにメタライズ用組成物の粒径を
限定した理由は、平均粒径がプレーン法測定で０．８μ
ｍより大きいとあるいはレーザー透過法で３μｍ以下の
粒径を有する粒子が全体の７０％未満であると、メタラ
イズ用組成物のレベリング性が低下して、焼成後のメタ
ライズ層の最大表面粗さ（Ｒｍａｘ）が増大し、またメ
タライズ用組成物の構成粒子の密集性が低下して電気的
特性が低下することによる。

このようにメタライズ用組成物粉末の粒径をそろえるた
めには、例えば各出発原料粉末を、ボットミル、ボール
ミルなどの公知の粉砕手段により上述した条件を満足さ
せるように、所定時間、混合、粉砕することにより容易
に得ることが可能である。このようにメタライズ用組成
物の作製段階で粉砕・混合工程を行うことにより、各成
分が均一に混合されるので、より特性の向上されたメタ
ライズ層が得られ好ましい。

次に、このようにして得られたメタライズ用組成物粉末
に結合剤および必要に応じて分散媒とを添加、混合して
ペースト状などにし、これをセラミックス基板に、たと
えばスクリーン印刷などにより塗布する。この際の塗布
厚は、焼成後で９μｍ以上または印刷時１５μｍ以上と
なるようにする。焼成後のメタライズ層の厚さが９μｍ
未満であると、焼成時に高融点金属などの金属粒子の凝
集を生じたり、目視で凝集を生じていなくてもメタライ
ズ層内での金属粒子どうしの結合にばらつきが生じ、換
言すれば密度が低下し、電気抵抗が増大したり、表面粗
さが増大する。

焼成後のメタライズ層の厚さを９μｍ以上または印刷時
１５μｍ以上とするためには、メタライズ用組成物への
結合剤の添加量によって異なるが、通常の７重量％程度
の添加によるメタライズ用ぺ−ストであればよい。また
、粘性の低いメタライズ用ペーストの場合には、塗布、
乾燥を繰返すことにより上記条件を満足させればよい。

そして、このようにしてセラミックス基板上にメタライ
ズ用組成物の被膜を形成したのち、使用したメタライズ
用組成物に適した条件で焼成を行うことにより、凝集や
回路断線などがなく、また表面粗さも小さく、さらにセ
ラミックス基板に強固に接合したメタライズ層が得られ
る。

（作　用） 本発明の表面導電性セラミックス基板の製造方法におい
て、焼成後のメタライズ層の厚さが９μｍ以上となるよ
うにメタライズ用ペーストを塗布することにより、全体
として高融点金属の量が多くなり、高融点金属の焼結性
が向上し、基板との界面で生じると思われる凝集がメタ
ライズ表面での凝集や回路断線などにつながらず、表面
特性や７は気的特性に優れたメタライズ層が得られる。

逆に、塗膜の厚さが薄いとセラミックス基板の粒界構成
相成分の割合に対して高融点金属の量が少なくなり、メ
タライズ層の焼結性が上がる以前に粒界構成相による反
応生成物により凝集しやすくなると考えられる。

また、メタライズ用組成物粉末の平均粒径をプレーン法
ｌｌ１１１定で０．８μｍ以下あるいはレーザー透過法
で全体の７０％以上が３μｍ以下とし、かつ粒度分布を
シャープにすることによっても、メタライズ層内におけ
る各金属粒子の密集性が向上し、表面特性や電気的特性
に優れたメタライズ層が得られる。

（実施例） 次に、本発明の実施例について説明する。

実施例１〜２、比較例１〜３ 高融点金属としてＭｏ粉末を使用し、これにＴｉＯ２粉
末、Ｃｏ２０３粉末およびＮｉ粉末をそれぞれの配合比
がＭ　ｏ　８０重量％、ＴｉＯ２９重Ｉｎ％、ＣＯ２０
３４ｍＷｋ％、Ｎｉ　　７重量％となるように添加混合
し、この混合粉末１００重量部に対して７重量部の有機
系結合剤を加え、さらに分散媒を量を変化させて添加し
、５種類の粘性の異なるメタライズ用ペーストを作製し
た。

これらのメタライズ用ペーストを、それぞれ最大表面粗
さ（ＲＩＩｌａｘ）が５ｐｍのＡＪ２Ｎセラミックス基
板に同一条件でスクリーン印刷により、かつ乾燥後の膜
厚がそれぞれ３０μ１１（実施例１）、２３μｍ　　（
実施例２）　、１４．５μｓ＋　　（比較例１）、１２
．５μｍｌ１（比較例２）、１０μｍ　（比較例３）と
なるように塗布した。次いで、これらを夫々窒素雰囲気
中において１４００℃、１４５０℃、１５００℃、１５
５０℃と加熱温度を変化させて焼成し、導電性メタライ
ズ層を有するセラミックス基板を作製した。

このようにして得た各側におけるメタライズ層の厚さと
焼成温度との関係を第１図に示した。

実施例１および２におけるメタライズ層には、凝集は認
められなかったが、各比較例によるメタライズ層には凝
集粒が認められた（図中黒塗りで示す）。また、この比
較例においては焼成温度が高くなるほど凝集粒が成長し
ており、１４００℃で焼成した場合は凝集は認められな
かったが、接合強度が小さく適切なものとはいえなかっ
た。

また、これら各メタライズ層の電気抵抗率を；ＩＩＩＪ
定したところ、ＴＳ２図のグラフに示すような結果が得
られた。同図からも明らかなように、メタライズ層の厚
さが９μｍ以上のものと　９μｍより小さいものとでは
、電気抵抗率に５０倍以上の差が生じた。これは凝集が
生じたメタライズ層内では粒子相互の結びつきが局所的
であるため、断線状聾となっている箇所が相当数存在す
るためであることが考えられ、このことは微視的観察の
結果からも裏づけることかできた。

また、凝集粒の生じなかつた実施例によるものは、焼成
温度が上昇するにつれメタライズ層の焼結性が上がって
電気抵抗率が下がる傾向であるのに対し、凝集粒の生じ
たものは焼成温度の上昇に伴ない凝集性が高まるため、
逆に電気抵抗率が上昇していることがわかる。

実施例３〜４、比較例４〜５ 実施例１で使用したメタライズ用ペーストを用いて、最
大表面粗さ（ＲＩＩａｘ）が１μｍ、　　２ｕｒｎｓ５
μ１％ｌＯμｍの各人βＮセラミックス基板に実施例１
と同一条件で塗膜の形成および焼成を行い、メタライズ
層を形成した。なお、目的とするメタライズ層の規定最
大表面粗さ（Ｒｍａｘ）は６μｍとした。

このようにして得た各メタライズ層の最大表面粗さ（Ｒ
Ｉｌａｘ）と接合強度を測定し、その結果を第１表に示
す。なお、接合強度は、メタライズ用ペーストを印刷す
ることにより　２■Ｘ　　２μｍのパッドを設け、その
上にＮｉメツキをした後、半田付直径１ｍ１１の軟銅線
を５ｎ−Ｐｂ半田によって接合して、インストロンによ
り強度測定した。

（以下余白） 第　　１　　表 第１表からも明らかなように、メタライズ層の要求最大
表面粗さ（Ｒｍａｘ）が６μ麿であるのに対し、その要
求最大表面粗さ（ＲＩｌａｘ）より　１μｍ以上小さい
最大表面粗さ（Ｒｍａｘ）を有する実施例３および４は
要求品質を満足しているのに対して、比較例５において
は要求品質を満足させることができなかった。また、比
較例４は最大表面粗さ（Ｒｓａｘ）の要求品質を満足し
ているものの接合強度が大幅に低下し、不十分なもので
あった。

た。

実施例５〜７、比較例６〜８ 高融点金属として平均粒径１．４μ層のＭＯ粉末を使用
し、これに平均粒径０．７μ−のＴｉＯ２粉末、平均粒
径１．５μｍのＣｏ２０３粉末および平均粒径１，０μ
ｍのＮｉ粉末をそれぞれの配合比がＭ　ｏ　８０重量％
、ＴｉＯ２９重量％、Ｃｏ２０３４ｆｆｉＱ％、Ｎｉ７
ｆｆｉ量％となるように添加混合した。次いで、これら
をボットミルに入れ、粉砕混合時間を変えて粉砕・混合
を行い、それぞれメタライズ用組成物を得た。これら各
メタライズ用組成物粉末の平均粒径をプレーン法により
測定したところ、第２表に示すような結果が得られた。

（以下余白） 第　　２　　表 次に、これら各メタライズ用組成物粉末にバインダを加
えてメタライズ用ペーストを作製し、これを最大表面粗
さ（Ｒｍａｘ）が５μ−のＡ！Ｎセラミックス基板にス
クリーン印刷により塗布し、１５００℃で焼成しそそれ
ぞれメタライズ層を形成した。

このようにして得た各メタライズ層のレベリング性と密
集率を測定した。なお、レベリング性はセラミックス基
板の最大表面粗さ（Ｒａ＋ａｘ）に対する焼成後のメタ
ライズ層の最大表面粗さ（Ｒｍａｘ）の比として評価し
、密集率は単位長さあたりの粒子の占有する距離の合計
で評価した。

第３図からメタライズ用組成物の平均粒径を０．８μｍ
に近づけることにより、セラミックス基板とメタライズ
層の最大表面粗さ（Ｒｍａｘ）の比が１に近づき、レベ
リング性が向上することが明らかであり、また第４図か
ら平均粒径を０．８μｍに近づけることにより密集性が
向上することが明らかであり、よってメタライズ用組成
物の平均粒径を０．８μｍ以下にすることによって実用
上有用なメタライズ層が得られる。

［発明の効果コ 以上の実施例からも明らかなように、本発明の表面導電
性セラミックス基板の製造方法によれば、メタライズ用
組成物の塗布厚を変えるだけで、凝集粒の発生のない電
気的特性の向上したメタライズ層を得ることが可能とな
る。また、メタライズ用組成物粉末の平均粒径をプレー
ン法測定で０，９μｍ以下あるいはレーザー透過法で全
体の７０％以上が３μｍ以下でかつ粒度分布をシャープ
にすることにより、得られるメタライズ用組成物のレベ
リング性や密集性が向上し、これを焼成することにより
均一で表面性の良好なメタライズ層が得られる。さらに
、使用するセラミックス基板の最大表面粗さ（Ｒｍａｘ
）が２μｍ以上で１０μｍ以下または導電性メタライズ
層に要求される最大表面粗さ（Ｒｍａｘ）より　１μｍ
μｍ以上−値のいずれか小さい方の値以下とすることに
より、セラミックス基板とメタライズ層との接合強度が
向上するとともに、熱的特性や実装性に優れたメタライ
ズ層が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例におけるメタライズ層の厚さと
焼成温度との関係を示すグラフ、第２図はそれの各厚さ
のメタライズ層の電気的特性と焼成温度との関係を示す
グラフ、第３図は粒径の異なる原料粉末を用いた各メタ
ライズ用ペーストのレベリング性の評価結果を示すグラ
フ、第４図は粒径の異なる原料粉末を用いた各メタライ
ズ用ペーストの密集率の評価結果を示すグラフである。 出願人　　　　　　株式会社　東芝 代理人　弁理士　　須　山　佐　− メタライズ層の厚さ　［Ｌｌｍｌ 四　集禦（ルｌ）

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）メタライズ用組成物と有機系結合剤とを含有する
   ペーストを焼成後の厚さが９μｍ以上または印刷時１５
   μｍ以上となるようにセラミックス基板上に塗布し、次
   いで焼成して導電性メタライズ層を形成することを特徴
   とする表面導電性セラミックス基板の製造方法。
2. （２）平均粒径がプレーン法測定で０．８μｍ以下ある
   いはレーザー透過法で全体の７０％以上が３μｍ以下の
   粒径を有しているメタライズ用組成物と有機系結合剤と
   を含有するペーストをセラミックス基板上に塗布し、次
   いで焼成して導電性メタライズ層を形成することを特徴
   とする表面導電性セラミックス基板の製造方法。
3. （３）メタライズ用組成物と有機系結合剤とを含有する
   ペーストを、最大表面粗さ（Ｒｍａｘ）が２μｍ以上で
   １０μｍ以下または導電性メタライズ層に要求される最
   大表面粗さ（Ｒｍａｘ）より１μｍ以上小さい値のいず
   れか小さい方の値以下であるセラミックス基板上に塗布
   し、次いで焼成して導電性メタライズ層を形成すること
   を特徴とする表面導電性セラミックス基板の製造方法。