JPH0733514A - アルミナ基板及びこれを用いた多層基板 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 高熱伝導率，高抗折強度を有し，低温で焼結
可能なアルミナ基板，及び該アルミナ基板を用いた優れ
た特性を有する多層基板を提供すること。 【構成】 アルミナ基板１１〜１６を積層した多層アル
ミナ基板１は，アルミナ含有量９９．９％以上の高純度
アルミナで，かつ一次粒子が０．１μｍ以下の微粉アル
ミナを用いた基板である。多層アルミナ基板１の表面に
は，上記アルミナ基板の熱膨張係数よりも小さい熱膨張
係数を有する低熱膨張層２を設けることができる。ま
た，多層アルミナ基板１の表面には発熱素子３１を，該
発熱素子の下の位置において多層アルミナ基板１を貫通
してなる放熱スルーホール３を設けることができる。多
層アルミナ基板１の内部には，内蔵コンデンサ４１，内
蔵抵抗体４２等の受動素子を内蔵させて，一体的に焼成
することができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は，電子部品搭載用のアル
ミナ基板，並びに該アルミナ基板を用いた多層基板に関
する。

【０００２】

【従来技術】従来，電子部品搭載用基板としては，アル
ミナガラス，結晶化ガラス等の低温焼成基板，及び高温
焼成アルミナ基板等が用いられている。低温焼成基板
は，１０００℃以下の低温で焼成される基板である。そ
のため，低温焼成基板の内部には，コンデンサ，抵抗体
等の受動素子を内蔵させて，一体焼成することができ
る。また，焼成エネルギー費の削減が可能である。

【０００３】また，上記低温焼成基板は，ガラスの種類
・量等を調整することにより，熱膨張係数を低くできる
ことから，大きなサイズのＩＣベアチップを実装するこ
とができる。一方，高温焼成アルミナ基板は，上記低温
焼成基板と比べて，熱伝導率が大きいこと，及び抗折強
度が大きいという利点を有している。

【０００４】

【解決しようとする課題】しかしながら，上記低温焼成
基板は，上記のような利点を有する反面，高温焼成アル
ミナ基板と比べて，熱伝導率及び抗折強度が低いという
問題がある。一方，高温焼成アルミナ基板は，低温焼成
基板と比べて，焼成温度が１６００℃以上と高いため，
焼成エネルギー費用が高い。

【０００５】また，コンデンサとして優れた特性を有す
るチタン酸バリウム系又は鉛ペロブスカイト系材料は，
焼結温度が１２００〜１４００℃である。そのため，上
記高温焼成アルミナ基板の内部に，上記のコンデンサを
内蔵させて，焼成することができない。また，上記コン
デンサと同様の理由から，高温焼成アルミナ基板の内部
に，特性の優れた抵抗体を内蔵させることもできない。

【０００６】更に，高温焼成アルミナ基板は，熱膨張係
数が高いため，あまり大きなサイズのＩＣベアチップを
実装することができない。本発明はかかる従来の問題点
に鑑み，高熱伝導率，高抗折強度を有し，低温で焼結可
能なアルミナ基板，及び該アルミナ基板を用いた多層基
板を提供しようとするものである。

【０００７】

【課題の解決手段】本発明は，アルミナ原料のグリーン
シートを焼成してなるアルミナ基板において，上記アル
ミナ原料は，アルミナ含有量が９９．９％以上の高純度
アルミナで，かつ一次粒子が０．１μｍ以下の微粉アル
ミナを用いていることを特徴とするアルミナ基板にあ
る。

【０００８】本発明において最も注目すべきことは，ア
ルミナ基板に用いられるアルミナ原料が，上記高純度ア
ルミナで，かつ上記微粉アルミナであるということであ
る。上記アルミナ原料中のアルミナ含有量が，９９．９
％未満の場合には，熱伝導率（図３参照），抗折強度
（図４参照），及び引っ張り強度（図５参照）が低下す
る。また，上記微粉アルミナの一次粒子の大きさは，絶
対粒径で０．１μｍ以下である。０．１μｍを越える場
合には，アルミナ基板の焼結温度が高くなる（図６参
照）。

【０００９】次に，上記アルミナ基板の表面には，該ア
ルミナ基板の熱膨張係数よりも小さい熱膨張係数を有す
る低熱膨張層を設けることができる。上記低熱膨張層と
しては，ガラスセラミック，結晶化ガラス等の熱膨張係
数の低い材料を用いる。これにより，冷熱サイクル時に
おける搭載部品との熱膨張，熱収縮差が極めて少なくな
り，搭載部品との接合信頼性が向上する。

【００１０】上記低熱膨張層の上には，ＩＣベアチップ
等の機能チップを搭載することができる。特に，上記低
熱膨張層はＩＣベアチップとの熱膨張，収縮差が小さい
ため，寸法の大きいＩＣベアチップでも上記低熱膨張層
の上に搭載することができる。上記低熱膨張層は，冷熱
サイクル時の部品の接合信頼性が要求される部分，例え
ば寸法の大きいＩＣベアチップを搭載する部分だけに形
成することができる。また，上記低熱膨張層は，アルミ
ナ基板の表面全体に形成されていてもよい。この場合に
は，アルミナ基板全体について搭載部品との接合信頼性
を向上させることができる。

【００１１】また，上記アルミナ基板の表面には発熱素
子を設け，かつ該発熱素子の下の位置において上記アル
ミナ基板を貫通してなる放熱スルーホールを設けること
ができる。上記放熱スルーホールは，アルミナ基板を貫
通するホールである。該放熱スルーホールは，その内部
に高熱伝導材が充填されていることが好ましい。また，
スルーホールの内壁に導電性メッキが施されていても良
い。これにより，放熱スルーホールの放熱性を向上させ
ることができる。上記発熱素子としては，例えば，パワ
ートランジスタ等がある。

【００１２】また，上記アルミナ基板を用いた多層基板
としては，複数枚のアルミナ基板と，該アルミナ基板の
内部に内蔵された受動素子とを有する多層基板におい
て，上記アルミナ基板は，アルミナ原料のグリーンシー
トを焼成してなる基板であって，上記アルミナ原料は，
アルミナ含有量が９９．９％以上の高純度アルミナで，
かつ一次粒子が０．１μｍ以下の微粉アルミナを用いて
いることを特徴とする多層基板がある。

【００１３】上記受動素子としては，コンデンサ，抵抗
体等がある。かかる受動素子材料は，１３００℃で焼成
可能なコンデンサ材料，抵抗体材料等を用いることが特
性上好ましい。。上記コンデンサ材料としては，チタン
酸バリウム系，鉛ペロブスカイト系等の優れたコンデン
サ特性を有する材料がある。また，上記抵抗体材料とし
ては，ホウ化物，タングステン化合物等の優れた抵抗特
性を有する材料がある。また，上記多層基板には，上記
低熱膨張層，更には上記発熱素子及び放熱スルーホール
を設けることができる。

【００１４】次に，上記アルミナ基板の製造方法につい
て説明する。まず，上記アルミナ原料を，分散剤，結合
剤，可塑剤，及び溶剤等と共に，混練し，脱胞処理を行
い，スラリー状とする。次に，上記アルミナ原料のスラ
リーをシート状に成形し，１又は２枚以上のグリーンシ
ートを得る。２枚以上のグリーンシートの場合には，こ
れらのグリーンシートを積層し，熱圧着する。次に，上
記１枚又は積層状態のグリーンシートを，１４００℃以
下の温度で焼成する。

【００１５】

【作用及び効果】本発明のアルミナ基板は，アルミナ含
有量が９９．９％以上の高純度の微粉アルミナである。
そのため，アルミナ基板は，熱伝導性が良く（図３参
照），抗折強度が高い（図４参照）。また，上記微粉ア
ルミナの一次粒子の大きさは，０．１μｍ以下である。
そのため，焼成時の密度が１３００℃程度で飽和となる
（図６参照）。それ故，上記アルミナ原料は，１３００
℃以下の焼成温度で焼結できる。従って，従来と比べて
焼成温度の低温化を図ることができ，その分の焼成エネ
ルギー費及び設備費の低減が可能となる。

【００１６】次に，上記アルミナ基板の表面に，上記ア
ルミナ基板の熱膨張係数よりも小さい熱膨張係数を有す
る低熱膨張層を設けた場合には，部品と基板との熱膨張
差が小さくなり，部品の接合信頼性が向上できる。従っ
て，本発明の多層基板の上には，ＩＣベアチップ等のサ
イズの大きな部品も実装することができる。

【００１７】また，上記アルミナ基板の表面に発熱素子
を設け，かつ該発熱素子の下において上記アルミナ基板
を貫通する放熱スルーホールを設けた場合には，該放熱
スルーホールは，発熱素子から生じた熱を外方に素早く
放散させる。そのため，本発明の多層基板によれば，発
熱素子から発する熱を，放熱スルーホールにより効率良
く放熱することができる。

【００１８】また，上記複数枚のアルミナ基板を用いた
多層基板は，その内部に，コンデンサ，抵抗体等の受動
素子を内蔵させて，アルミナ基板と一体的に焼成してい
る。上記アルミナ基板は，上記のごとく１３００℃以下
の低温で焼成することができる。そのため，アルミナ基
板に内蔵する受動素子に対して焼成温度の影響が少な
く，その材料の選択範囲が広がる。

【００１９】それ故，従来の高温焼成では使用できなか
ったチタン酸バリウム系（ＢａＴｉＯ₃ ），鉛ペロブス
カイト系等の優れたコンデンサ特性を有するコンデンサ
材料を内蔵させて，アルミナ基板と一体的に焼成するこ
とができる。また，ホウ化物，タングステン化合物等の
優れた抵抗特性を有する抵抗体材料を内蔵させて，アル
ミナ基板と一体的に焼成することができる。従って，本
発明の多層基板によれば，優れた受動素子特性を有する
受動素子材料を内蔵することができる。

【００２０】以上のごとく，本発明によれば，高熱伝導
率，高抗折強度を有し，低温で焼結可能なアルミナ基
板，及び該アルミナ基板を用いた優れた特性を有する多
層基板を提供することができる。

【００２１】

【実施例】

実施例１ 本発明の多層基板について，図１，図２を用いて説明す
る。本例の多層基板は，図１に示すごとく，複数のアル
ミナ基板１１〜１６を積層してなる多層配線基板１０で
ある。各アルミナ基板の間には，内蔵コンデンサ４１，
内蔵抵抗体４２，及びこれらを電気的に接続する配線パ
ターン６１が形成されている。

【００２２】また，多層配線基板１０の表側面は，図
１，図２に示すごとく，部分的に形成された低熱膨張層
２と，パッド６２，６３，６４とを有している。上記低
熱膨張層２の上には，上記パッド６２が形成されてい
る。該パッド６２の上にはＩＣベアチップ２１が搭載さ
れている。

【００２３】上記パッド６３は，ワイヤー６０を介し
て，発熱素子３１と電気的に接続している。上記パッド
６４の上には，チップコンデンサ５が搭載されている。
上記ＩＣベアチップ２１及びチップコンデンサ５は，半
田７により，パッド６２，６４の上に固定されている。

【００２４】多層配線基板１０の内部には，放熱スルー
ホール３と内蔵コンデンサ４１と内蔵抵抗体４２と配線
パターン６１とビアホール６５とが設けられている。上
記放熱スルーホール３は，上記発熱素子３１の下の位置
においてアルミナ基板１１〜１６を貫通して形成されて
いる。放熱スルーホール３の内部には，配線パターン６
１と同じ材料の導電材が充填されている。

【００２５】上記内蔵コンデンサ４１は，優れたコンデ
ンサ特性を有し，かつ１３００℃以下で焼成可能な，チ
タン酸バリウム系（ＢａＴｉＯ₃ ）又は鉛ペロブスカイ
ト系のコンデンサ材料よりなる。上記内蔵抵抗体４２
は，優れた抵抗体特性を有し，かつ１３００℃以下で焼
成可能な，ホウ化物又はタングステン化合物の抵抗体材
料よりなる。上記内蔵コンデンサ４１及び内蔵抵抗体４
２は，配線パターン６１及びビアホール６５により，上
記ＩＣベアチップ２１，発熱素子３１，チップコンデン
サ５，及び外部抵抗体４２１と電気的に接続している。

【００２６】多層配線基板１０の裏側面は，外部抵抗体
４２１と接続した配線パターン６８と，ビアホール６５
及び放熱スルーホール３のランド６６，６７，更に内蔵
コンデンサ４１のランド６６とを有している。また，上
記多層配線基板１０の裏側面及び外部抵抗体４２１の表
面は，薄い保護ガラス９１により被覆されている。更
に，保護ガラス９１の表面には，絶縁接着層９２を介し
て，ヒートシンク９３が接合されている。

【００２７】次に，上記多層配線基板の製造方法につい
て説明する。まず，アルミナ原料１００重量部に対し，
分散剤（ポリエチレングリコール）と結合剤（ポリビニ
ルブチラール）と可塑剤（ジブチルフタレート）とを合
わせた９．５重量部，及び溶剤（２─ブタノール等）５
６重量部を加える。次いで，これらをアルミナ基板と同
質の高純度アルミナボールを用い，ポットミル内におい
て２０時間混練し，脱気胞を行い，スラリーを作製す
る。上記アルミナ原料は，１次粒子の大きさが絶対粒径
で０．１μｍであり，かつ，アルミナ含有率９９．９９
％のアルミナ微粉（大明化学製 ＴＭ−ＤＡＲ）であ
る。

【００２８】次に，上記スラリーを用いて，シート状に
成形し，グリーンシートを作製する。そのグリーンシー
トにビアホール及び放熱スルーホールを穿設し，これら
の内部に導電材を充填する。次いで，上記グリーンシー
トの表面に，導電ペースト，コンデンサペースト，抵抗
体ペーストをスクリーン印刷し，乾燥する。次いで，上
記グリーンシートを６枚積層し，熱圧着後，１３００℃
で焼成し，グリーンシートを焼結させる。次に，焼結し
た多層シートの表側面及び裏側面には，低熱膨張材料，
導電ペースト，及び抵抗体ペースト，保護ガラス材料を
印刷・乾燥・焼成により形成する。

【００２９】これにより，アルミナ基板１１〜１６より
なる多層アルミナ基板１と，該多層アルミナ基板１の内
部に形成された内蔵コンデンサ４１，内蔵抵抗体４２，
配線パターン６１，及びビアホール６５と，多層アルミ
ナ基板１の表側面，裏側面に形成された低熱膨張層２，
パッド６２〜６４，ランド６６，６７，外部抵抗体４２
１，及び保護ガラス９１とが得られる。

【００３０】次に，上記パッド６２，６４の上に，半田
７を用いてＩＣベアチップ２１及びチップコンデンサ５
を固定する。また，上記多層アルミナ基板１の表側面に
おける放熱スルーホール３の上に，発熱素子３１を搭載
し，該発熱素子３１とパッド６３とをワイヤー６０によ
り接続する。また，上記保護ガラス９１の表面全体に絶
縁接着層９２を塗布して，ヒートシンク９３を接着す
る。これにより，上記多層配線基板１０が得られる。

【００３１】次に，本例の作用効果について説明する。
本例のアルミナ基板１１〜１６は，上記アルミナ原料よ
りなるグリーンシートを１３００℃以下の低温で焼結し
て得られた基板である。そのため，１６００℃で焼成す
る従来の高温焼成アルミナ基板に比べ，高い熱伝導率と
高い抗折強度とを有するものであった。また，焼成温度
が低く，焼成エネルギー費及び設備費を低く抑えること
ができる。また，低熱膨張層２は，冷熱サイクル時の膨
張，収縮が僅かである。そのため，上記低熱膨張層２の
上には，サイズの大きいＩＣベアチップ２１を搭載する
ことができる。

【００３２】また，放熱スルーホール３は放熱性が良い
ため，発熱素子３１から発する熱を効率良く放熱するこ
とができる。また，多層アルミナ基板１は，上記のごと
く１３００℃以下の低温で焼成することができる。その
ため，多層アルミナ基板１に内蔵する内蔵コンデンサ４
１及び内蔵抵抗体４２の材料に対して焼成温度の影響が
少なく，その選択範囲が広がる。

【００３３】それ故，従来，焼成温度が高温のためアル
ミナ基板１１〜１６と一体的に焼成することが不可能で
あった優れたコンデンサ特性，抵抗特性を有する材料を
用いることができ，内蔵コンデンサ４１及び内蔵抵抗体
４２の特性を向上させることができる。

【００３４】実施例２ 本例においては，上記実施例１のアルミナ基板のアルミ
ナ純度と熱伝導率との関係を測定した。その結果は図３
に示した。同図から，アルミナ純度が高くなるに従っ
て，アルミナ基板の熱伝導率が大きくなることがわか
る。

【００３５】また，従来の高温焼成アルミナ基板ではア
ルミナ含有率が９０〜９２％程度のアルミナ原料を用い
ていた。上記の図より，その熱伝導率は１５Ｗ／ｍ・Ｋ
程度である。これに対し，アルミナ含有率が９９．９％
以上のアルミナ原料を用いれば，３０Ｗ／ｍ・Ｋ以上と
上記高温焼成アルミナ基板の２倍以上の熱伝導率が得ら
れることがわかる。

【００３６】実施例３ 本例においては，上記実施例１のアルミナ基板のアルミ
ナ純度と曲げ強度及び引っ張り強さとの関係を測定し
た。アルミナ純度と曲げ強度との関係は，図４に示し
た。アルミナ純度と引張り強さとの関係は，図５に示し
た。

【００３７】両図から，アルミナ純度が高くなるに従っ
て，アルミナ基板の曲げ強度及び引張り強さが増大する
ことがわかる。このことから，高純度のアルミナ原料を
用いることにより，抗折強度及び引っ張り強さに優れた
アルミナ基板を作製できることがわかる。

【００３８】実施例４ 本例においては，高純度のアルミナを含む上記実施例１
のアルミナ基板の焼成温度と焼成密度との関係を測定し
た。上記高純度アルミナのアルミナ含有量は，９９．９
９％である。その結果を図６に示した。同図から，微粉
アルミナの一次粒子が小さい程，低温で焼成密度が飽和
することがわかる。

【００３９】また，同程度の純度であるアルミナ原料で
あっても，一次粒子が０．３μｍと大きい場合は，焼成
温度が１６００℃まで焼成密度が大きくなるのに対し，
１次粒子０．１μｍの微粉アルミナの場合には，１３０
０℃で焼成密度が飽和となる。このことから，高純度ア
ルミナで，１次粒子の大きさが０．１μｍ以下の微粉ア
ルミナを用いたグリーンシートは，１３００℃以下で焼
成できることがわかる。

【００４０】即ち，従来の高温焼成アルミナ基板は１６
００℃で焼成していたのに対し，本発明のアルミナ基板
は，１３００℃で焼成することができる。従って，従来
と比べて少なくとも３００℃の低温化を図ることがで
き，その分の焼成エネルギー費及び設備費の低減が可能
となる。

【００４１】ここで，高純度或いは微粉アルミナを用い
た他社例について比較検討する。まず，公知の高アルミ
ナ質セラミックス（特開昭５５─２７８４１号公報）で
は，純度９９．５％以上の高純度アルミナを用いてい
る。そのため，上記セラミックスは，アルミナ含有率が
９０％程度のセラミックスと比較して，約２倍の熱伝導
率を有している。

【００４２】しかし，上記公知のセラミックスは，本発
明の上記特定の高純度アルミナ及び微粉アルミナを用い
ていないため，焼成温度が１４５０〜１７００℃と高
い。そのため，コンデンサ特性に優れるチタン酸バリウ
ム系，鉛ペロブスカイト系のコンデンサを内蔵させて，
一体的に焼成することができない。この点について，本
発明のアルミナ基板においては，高純度でかつ微粉のア
ルミナを用いているため，上記図６よりも明らかなよう
に，１３００℃以下の低温で焼成可能である。

【００４３】次に，公知の半導体装置（特開平４─６９
９５７号公報）では，純度９９．９％の高純度アルミナ
を用いることにより，強度を向上させて，半導体パッケ
ージの薄型化を行っている。しかし，この装置では，本
発明の特定の上記微粉アルミナの規定はなく，高純度で
かつ微粉アルミナを用いた当該発明とは異なる。また，
上記高純度アルミナ基板は，半導体パッケージ及びチッ
プを搭載するための基板として用いられている点におい
て，多層配線基板として用いた本発明のアルミナ基板と
は異なる。

【００４４】更に，公知のセラミックス基板（特開平４
─２８０６５６号公報）では，純度９９．９９％以上で
１次粒径０．２μｍ以下のアルミナ原料を用いている。
しかし，この場合は，基板表面の平滑化を目的とし，純
度・粒径の規定のない既焼成のアルミナ多層基板の表面
のみに，このアルミナ原料からなるアルミナ層を形成す
るものである。このような形態では，基板全体の高熱伝
導・高強度化はできない。この点について，本発明のア
ルミナ基板においては，基板全体に上記特定の高純度，
微粉アルミナを用いているため，熱伝導性及び強度に優
れている。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施例１の多層配線基板の断面図。

【図２】実施例１の多層配線基板に搭載したＩＣベアチ
ップ付近の断面図。

【図３】実施例２における，アルミナ純度と熱伝導率と
の関係を示すグラフ。

【図４】実施例３における，アルミナ純度と曲げ強度と
の関係を示すグラフ。

【図５】実施例３における，アルミナ純度と引張り強さ
との関係を示すグラフ。

【図６】実施例４における，アルミナ基板の焼成温度と
焼成密度との関係を示すグラフ。

【符号の説明】

１．．．多層アルミナ基板， １０．．．多層配線基板， １１〜１６．．．アルミナ基板， ２．．．低熱膨張層， ２１．．．ＩＣベアチップ， ３．．．放熱スルーホール， ３１．．．発熱素子， ４１．．．内蔵コンデンサ， ４２．．．内蔵抵抗体， ６１，６８．．．配線パターン， ６２〜６４．．．パッド， ６５．．．ビアホール， ６６，６７．．．ランド， ９１．．．保護ガラス， ９２．．．絶縁接着層， ９３．．．ヒートシンク，

フロントページの続き (72)発明者 都外川 真志 愛知県刈谷市昭和町１丁目１番地 日本電 装株式会社内 (72)発明者 渡辺 武尚 愛知県刈谷市昭和町１丁目１番地 日本電 装株式会社内 (72)発明者 上村 力也 愛知県刈谷市昭和町１丁目１番地 日本電 装株式会社内 (72)発明者 白石 芳彦 愛知県刈谷市昭和町１丁目１番地 日本電 装株式会社内 (72)発明者 斎藤 淳 愛知県刈谷市昭和町１丁目１番地 日本電 装株式会社内 (72)発明者 鈴木 規正 愛知県刈谷市昭和町１丁目１番地 日本電 装株式会社内

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 アルミナ原料のグリーンシートを焼成し
   てなるアルミナ基板において，上記アルミナ原料は，ア
   ルミナ含有量が９９．９％以上の高純度アルミナで，か
   つ一次粒子が０．１μｍ以下の微粉アルミナを用いてい
   ることを特徴とするアルミナ基板。
2. 【請求項２】 請求項１において，上記アルミナ基板
   は，その表面に，該アルミナ基板の熱膨張係数よりも小
   さい熱膨張係数を有する低熱膨張層を設けていることを
   特徴とするアルミナ基板。
3. 【請求項３】 請求項１において，上記アルミナ基板
   は，その表面には発熱素子を設けてなり，かつ該発熱素
   子の下の位置において上記アルミナ基板を貫通してなる
   放熱スルーホールを有していることを特徴とするアルミ
   ナ基板。
4. 【請求項４】 複数枚のアルミナ基板と，該アルミナ基
   板の内部に内蔵された受動素子とを有する多層基板にお
   いて，上記アルミナ基板は，アルミナ原料のグリーンシ
   ートを焼成してなる基板であって，上記アルミナ原料
   は，アルミナ含有量が９９．９％以上の高純度アルミナ
   で，かつ一次粒子が０．１μｍ以下の微粉アルミナを用
   いていることを特徴とする多層基板。
5. 【請求項５】 請求項４において，上記受動素子は，コ
   ンデンサ，抵抗体のグループから選ばれた１種又は２種
   であることを特徴とする多層基板。