JPH0697630A - 窒化アルミニウム回路基板及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 回路基板の焼成温度よりも融点の低い銅等の
低抵抗の金属を配線材料に使用して配線パターンの断線
等を生じさせず回路基板の良品を製造する。 【構成】 窒化アルミニウムの焼成温度よりも融点の低
い金属を配線材料として導体部を形成する窒化アルミニ
ウム回路基板の製造方法において、窒化アルミニウムの
グリーンシート１１に、前記金属によるメタライズぺー
スト１８を用いて配線パターン１２、ビア１４等の導体
部を形成するとともに、該グリーンシートを焼成する際
に前記導体部の高さ位置よりも上位となる位置のグリー
ンシートに前記導体部に連通させてメタライズぺースト
１８のプール部２０を設け、前記導体部の導通に不足す
るメタライズぺーストを前記プール部２０から補充して
焼成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は窒化アルミニウム回路基
板及びその製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、半導体素子の高速化、大出力化お
よび高集積化等に伴い、高放熱性及び導体部の低抵抗
化、基体部の低誘電率化が半導体素子を実装するうえで
重要な技術になっている。このような技術課題を満足す
る実装用材料として最近窒化アルミニウムセラミックが
用いられるようになってきた。窒化アルミニウムセラミ
ックは従来多用されているアルミナセラミックに比べて
高い熱伝導率を有し、誘電率も低く、また熱膨張係数が
低いことから大型で高出力のシリコン素子の実装に適し
ている。

【０００３】セラミック製の回路基板で配線パターンを
形成する場合、基板の外表面に露出する部分については
薄膜法や後焼成のメタライズによって配線パターンを形
成することが可能であるが、回路基板の内部に形成する
導体部については焼成前に内部に導体配線を施し、同時
焼成によってメタライズを施す。同時焼成によるメタラ
イズ材料としては従来タングステンが用いられている
が、タングステンは銅あるいは金等とくらべて比抵抗が
大きく信号伝播時のパワー損失や伝播遅延につながるこ
とから配線材料として適さないという問題点があった。

【０００４】これらの問題点を解消する方法として、本
出願人はメタライズ材料としてタングステンのかわりに
銅、金、銀等の低抵抗材料を用い、回路基板に窒化アル
ミニウムセラミックを用いた窒化アルミニウム回路基板
の製造方法を提案した（特開平2-197189号) 。この方法
は銅、金、銀等の導体ぺーストを用いて所定の配線パタ
ーンおよびビアを形成したグリーンシートを積層すると
ともに、積層体の外表面にさらに保護用のグリーンシー
トを重ねることにより、配線パターンを保護用のグリー
ンシートで覆って焼成するものである。そして、焼成後
は焼結体の外表面を覆っている層を研削し配線パターン
を露出させて回路基板とする。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】上記の製造方法では配
線パターンに使用する銅、金等の導体金属の融点が窒化
アルミニウムセラミックを焼成する温度よりも低いこと
から、グリーンシートを焼成する際に導体ぺーストが溶
融しこれによって導体ぺーストの体積が減少して導体部
中に気孔が発生し、断線が生じるという問題点があっ
た。図４、５は従来の窒化アルミニウム回路基板で配線
材料が溶融して断線が生じる様子を示す。図４は平面パ
ターン部分での断線、図５はビア部とビア部に接続する
平面パターン部分での断線を示す。図で１０が窒化アル
ミニウムの回路基板、１２が配線パターン、１４がビア
で、１６が導体部中に生じた気孔である。

【０００６】グリーンシートを焼成する際にはグリーン
シートも収縮して配線パターン１２およびビア１４部分
の容積も減少して配線材料の体積減少を補うように作用
するが、一般的には配線材料の体積減少がグリーンシー
トの体積減少よりも大きいため、上記のような気孔１６
が生じて断線といった不良が生じる。本発明は上記問題
点を解消すべくなされたもので、その目的とするところ
は、グリーンシートの焼成温度よりも融点の低い銅等の
低抵抗の金属材料を導体ぺーストに使用して回路基板を
形成する際に断線等の不良を生じさせずに容易にかつ確
実に良品を得ることのできる窒化アルミニウム回路基板
及びその製造方法を提供するにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明は上記目的を達成
するため次の構成を備える。すなわち、窒化アルミニウ
ムの焼成温度よりも融点の低い金属を配線材料として導
体部を形成する窒化アルミニウム回路基板の製造方法に
おいて、窒化アルミニウムのグリーンシートに、前記金
属によるメタライズぺーストを用いて配線パターン、ビ
ア等の導体部を形成するとともに、該グリーンシートを
焼成する際に前記導体部の高さ位置よりも上位となる位
置のグリーンシートに前記導体部に連通させてメタライ
ズぺーストのプール部を設け、前記導体部の導通に不足
するメタライズぺーストを前記プール部から補充して焼
成することを特徴とする。また、前記配線材料として
銅、金、銀等の低抵抗金属を用いることを特徴とする。
また、窒化アルミニウムのグリーンシートを焼成する際
に導体部を保護する保護用のグリーンシートを前記グリ
ーンシートの外表面に積層して一体化した後に焼成し、
焼結体の外表面を除去して焼結体内層の導体部を露出さ
せて回路基板とすることを特徴とする。また、上記窒化
アルミニウム回路基板の製造方法によって得られた窒化
アルミニウム回路基板であって、窒化アルミニウムの焼
結体中に周期律表第IIａ族元素または第 IIIａ族元素の
酸化物、炭化物およびフッ化物のうち少なくとも１種以
上が0.1 〜10重量％含まれていることを特徴とする。

【０００８】

【発明の概要】本発明に係る窒化アルミニウム回路基板
の製造方法は図１に示すように、グリーンシート１１に
配線パターン１２、ビア１４等のメタライズパターンを
形成する際に、グリーンシートの焼成時においてメタラ
イズパターンの高さ位置よりも上位の位置にメタライズ
パターンに連通させてメタライズぺースト１８を充填す
るためのプール部２０を設け、焼成時にメタライズぺー
ストが体積減少して導体部分で不足するメタライズぺー
ストをプール部２０に充填したメタライズぺースト１８
で補充することによって導体部分での断線を防止するも
のである。図１(a) はグリーンシートが平面配置の配線
パターン１２のみからなる場合、図１(b) は平面配置の
配線パターン１２とビア１４からなる場合を示す。図１
(a) では配線パターン１２の端部にプール部２０を設
け、図１(b) ではビア１４の上部にビアを延長させるよ
うにしてプール部２０を設けている。

【０００９】図２は図１(a) 、(b) のグリーンシートを
焼成した後の様子を示す。グリーンシートを焼成した際
にプール部２０からメタライズぺーストが補充されて配
線パターン１２等に供給され、プール部２０に気孔が残
留する。グリーンシートに形成するプール部２０の容積
は使用するメタライズぺースト１８の組成と窒化アルミ
ニウムのグリーンシートの密度によって適宜設定する必
要がある。一般的な方法で作製した銅ぺーストの場合は
焼成後の体積はおよそ50％以下になる。この銅ぺースト
を窒化アルミニウムのグリーンシートに設けたスルーホ
ールに充填して焼成すると、スルーホール内の体積減少
よりも銅ぺースト中の金属の液化を伴う体積減少の方が
やや大きく７〜10％程度の空間ができる。したがって、
プール部２０の容積として導体部分の体積の２０％程度
とする必要がある。

【００１０】プール部２０は配線パターン１２等でメタ
ライズぺースト１８が液化した際に不足部分に流れ込ん
で体積減少分を補充するから、液化した際に配線パター
ン１２等と連通するように設ける必要があり、配線パタ
ーン１２等に流れ込んで補充するため配線パターン１２
等の導体部を形成した位置よりも高い位置に配置する。
回路基板は複数枚のグリーンシートを積層して形成する
から、配線パターン１２等の位置に合わせて積層する上
層のグリーンシートにスルーホールを設けてメタライズ
ぺースト１８を充填するプール部２０を形成することが
できる。

【００１１】図３にグリーンシート１１を積層してプー
ル部２０を形成する様子を示す。図３(a) は複数枚のグ
リーンシート１１で同じ位置にスルーホールを設けて重
ね合わせることによりプール部２０を形成してメタライ
ズぺースト１８を充填した例である。図３(b) は配線パ
ターン１２を形成した層の上層のグリーンシートに比較
的径の大きなスルーホールを設けて内容積を確保するこ
とによりプール部２０とした例である。このようにプー
ル部２０の形状や形成位置は回路基板内で形成する導体
部の配置等に応じて適宜形状に形成すればよい。

【００１２】上記のようにして構成したグリーンシート
の積層体を50℃以上で100kgf/cm²以上の圧力で加圧して
一体化する。積層体中のバインダー成分の除去は一般に
窒素ガス等の非酸化性雰囲気下、500 ℃程度で行う。焼
成する場合は大気圧以上の非酸化性雰囲気、一般には窒
素ガス雰囲気中で行い、窒化アルミニウムまたは窒化ホ
ウ素を主成分とする焼成セル中で行うのがよい。昇温速
度は少なくとも900 ℃以上の温度領域においては10℃/m
in以上にする必要がある。これ以下の昇温速度の場合は
良好な結果が得られない。

【００１３】最適焼成温度は用いる配線材料と窒化アル
ミニウムのグリーンシート中に含まれる焼結助剤によっ
て異なる。たとえば、第IIａ族元素化合物あるいは第 I
IIａ族元素化合物としてCaCO₃ あるいはＹ₂O₃ を焼結助
剤として含むグリーンシートに銅または金を配線材料と
して用いる場合は約1800℃が適当である。銀を配線材料
として用いる場合はグリーンシート中に含まれる焼結助
剤として第IIａ族元素化合物と第 IIIａ族元素化合物を
混合したものであることが好ましく、焼成温度は1650℃
をこえないことが望ましい。

【００１４】配線材料として銅あるいは金を用いる場合
の焼成条件は概ね同一であるが、銅と金では焼成中の挙
動が異なる。すなわち、配線材料として金を用いた場合
は焼成中にグリーンシートの焼結助剤成分が導体部に多
量に混入し、導体部分の色が金色を示さず、白銀色を呈
する傾向がある。配線材料に銅を用いた場合は焼結助剤
成分が混入することはみられない。したがって、配線材
料として銅を用いる場合は窒化アルミニウムの一般的な
焼成条件で同時焼成が可能であり、かつ導体部中への不
純物の混入も少ないことからパッケージの電気的特性が
良好で、金、銀とくらべて好適な配線材料ということが
できる。

【００１５】

【実施例】以下、本発明の好適な実施例について説明す
る。平均粒径約１μｍの還元窒化法による窒化アルミニ
ウム粉末に、焼結助剤として酸化カルシウム換算で0.5
重量％となる量の炭酸カルシウムと有機バインダー、可
塑剤、有機溶剤を加えてスラリーとし、ドクターブレー
ド法によって厚さ約０．４ｍｍのグリーンシートを形成
した。これを定型に打ち抜いた第１のグリーンシートの
上面に、平均粒径約２μm の銅粉末を用いて作製した銅
ぺーストを使ってスクリーン印刷法により線幅150 μm
、200 μm 、300 μm の３種の配線パターンを形成し
た。

【００１６】上記第１のグリーンシート上に設けた配線
パターンの両端位置に合わせて、第２、第３のグリーン
シートのそれぞれに直径360 μm のスルーホールを形成
し、各スルーホール内に前記銅ペーストを充填した。第
４のグリーンシートとして配線パターンを形成していな
い定型に打ち抜いたグリーンシートを用意し、上記第
１、第２、第３、第４のグリーンシートを下層から順に
重ね合わせ、温度60℃、圧力200kgf/cm²で５分間熱圧着
して一体化した。

【００１７】上記のようにして積層して一体化したグリ
ーンシートを、第１のグリーンシートを下側にして炉内
で水平にセットし、窒素ガス雰囲気中500 ℃で脱バイン
ダーを行った後、雰囲気圧5kgf/cm²の窒素ガス中、昇温
速度25℃/min、最高温度1800℃、保持時間３時間の条件
で焼成した。得られた焼結体に対し平面研磨機を用いて
第４層を研削除去し、第３層に形成された導体部の端面
を露出させ、テスターにより導体部の導通を検査したと
ころ、上記線幅150 μm 、200 μm 、300 μm のいずれ
の配線パターンも導通していることが確かめられた。

【００１８】本発明方法の窒化アルミニウム回路基板の
製造方法では上記のようにグリーンシートに導体部を形
成する際にメタライズぺーストを補充するためのプール
部を設けることを特徴とする。プール部からはこれに連
絡するすべての導体部に連通してメタライズぺーストが
補充されるから、ビアで連絡される層間の導体部に対し
ても補充作用が働く。したがって、回路基板が複数層か
らなる場合には層間の連通を考慮してプール部を形成す
る必要がある。

【００１９】

【発明の効果】本発明に係る窒化アルミニウム回路基板
及びその製造方法によれば、上述したように、回路基板
の導体部となる配線材料が焼成時に溶融することによっ
て体積減少をおこすような場合であっても配線パターン
の断線等を有効に防止して不良発生を抑えて回路基板を
製造することができる等の著効を奏する。

【図面の簡単な説明】

【図１】窒化アルミニウム回路基板を形成するグリーン
シートの断面図を示す。

【図２】本発明に係る製造方法によって形成した窒化ア
ルミニウム回路基板の断面図を示す。

【図３】窒化アルミニウム回路基板のグリーンシートに
プール部を形成する方法を示す説明図である。

【図４】窒化アルミニウム回路基板で導体部分の断線の
様子を示す説明図である。

【図５】窒化アルミニウム回路基板で導体部分の断線の
様子を示す説明図である。

【符号の説明】

１０ 回路基板 １１ グリーンシート １２ 配線パターン １４ ビア １６ 気孔 １８ メタライズぺースト ２０ プール部

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 窒化アルミニウムの焼成温度よりも融点
   の低い金属を配線材料として導体部を形成する窒化アル
   ミニウム回路基板の製造方法において、 窒化アルミニウムのグリーンシートに、前記金属による
   メタライズぺーストを用いて配線パターン、ビア等の導
   体部を形成するとともに、該グリーンシートを焼成する
   際に前記導体部の高さ位置よりも上位となる位置のグリ
   ーンシートに前記導体部に連通させてメタライズぺース
   トのプール部を設け、前記導体部の導通に不足するメタ
   ライズぺーストを前記プール部から補充して焼成するこ
   とを特徴とする窒化アルミニウム回路基板の製造方法。
2. 【請求項２】 配線材料として銅、金、銀等の低抵抗金
   属を用いることを特徴とする請求項１記載の窒化アルミ
   ニウム回路基板の製造方法。
3. 【請求項３】 窒化アルミニウムのグリーンシートを焼
   成する際に導体部を保護する保護用のグリーンシートを
   前記グリーンシートの外表面に積層して一体化した後に
   焼成し、 焼結体の外表面を除去して焼結体内層の導体部を露出さ
   せて回路基板とすることを特徴とする請求項１または２
   記載の窒化アルミニウム回路基板の製造方法。
4. 【請求項４】 請求項１、２または３記載の窒化アルミ
   ニウム回路基板の製造方法によって得られた窒化アルミ
   ニウム回路基板であって、 窒化アルミニウムの焼結体中に周期律表第IIａ族元素ま
   たは第 IIIａ族元素の酸化物、炭化物およびフッ化物の
   うち少なくとも１種以上が0.1 〜10重量％含まれている
   ことを特徴とする窒化アルミニウム回路基板。