JPH088415B2 - 窒化アルミニウム多層配線基板の製造方法 - Google Patents

窒化アルミニウム多層配線基板の製造方法

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JPH088415B2
JPH088415B2 JP63135870A JP13587088A JPH088415B2 JP H088415 B2 JPH088415 B2 JP H088415B2 JP 63135870 A JP63135870 A JP 63135870A JP 13587088 A JP13587088 A JP 13587088A JP H088415 B2 JPH088415 B2 JP H088415B2
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Description

【発明の詳細な説明】 (産業上の利用分野) 本発明の多層セラミック基板、特に高熱伝導多層セラ
ミック基板の製造方法に関するものである。
(従来の技術) 半導体工業の飛躍的な進展によって、IC,LSIが産業用
民需用に幅広く使用されるようになってきている。そし
てそれに伴い、集積密度の高い、高速作動のLSIの実装
用基板として多層セラミック基板が注目されている。一
般にこのセラミック基板の材料としては、主にアルミナ
が使用されており、微細多層配線が可能であることから
高密度実装に有効である。
(発明が解決しようとする問題点) 近年、電子装置及び機器は小型化、高密度化が強く要
求され基板の実装密度が高くなっている。一方LSIにお
いては、高速作動及び高密度化に従ってチップから発生
する熱が多量になってくる傾向にある。その結果、基板
の発熱が大幅に増大し、アルミナ基板では熱の放散性が
十分ではないという問題が生じている。そのため、アル
ミナ基板よりも熱伝導率が大きく、熱の放散性に優れた
絶縁基板が必要になってきた。
そこで熱放散性に対して優れた材料として炭化ケイ素
を主成分としたセラミック基板が開発された(特開昭57
−180006号公報)。しかし炭化ケイ素はそれ自体電気的
には半導体に属し、比抵抗が1〜10Ω・cm程度で電気絶
縁性がないため、絶縁基板として用いることができな
い。また炭化ケイ素は融点が高く非常に焼結しにくいの
で、通常焼結に際しては少量の焼結助剤を添加し、高温
で加圧するいわゆるホットプレス法により作られる。こ
の焼結助剤として酸化ベリリウムや窒化ホウ素を用いる
と、焼結助剤効果だけでなく、電気絶縁性に対しても有
効で炭化ケイ素主成分の焼結基板の比抵抗が1010Ωcm以
上となる。しかし、LSI等の実装基板において重要な原
因の1つである誘電率は1MHzで40とかなり高く、添加剤
を加えた絶縁性も電圧が5V程度になると粒子間の絶縁が
急激に低下するため耐電圧に対しても問題がある。
又、BeO粉末を用いて多層セラミック基板を作成する
ことは可能であるが有毒性である為実用上困難な面がで
てくる。
一方プロセス的観点からしてホットフレス法を適用し
なければならず、装置が大がかりになるばかりでなく、
基板の形状も大面積化は困難であり表面平滑性に対して
も問題が多い。さらに、炭化ケイ素系を用いたセラミッ
ク基板においては、従来のグリーンシート法を用いたア
ルミナ多層セラミック基板技術を利用することはプロセ
ス的に極めて困難である。
ここでいうグリーンシート法多層セラミック基板技術
とは次に示す技術である。またセラミック粉末を有機ビ
ヒクルとともに混合し、スラリー化する。このスラリー
をキャスティング製膜法により10μm〜400μm程度の
厚みを有するシートを有機フィルタ上に形成する。該シ
ートを所定の大きさに切断し、各層間の導通を得るため
のスルーホールを形成したのち、厚膜印刷法により所定
の導体パターンを形成する。これらの各導体パターンを
形成したセラミックグリーンシートを積層プレスし脱バ
インダー工程を経て焼成する。
高密度実装基板として具備すべき主な性質としては、
(1)電気特性に対して誘電率が低く、誘電損失が小さ
く、また電気絶縁性に優れていること、(2)機械的強
度が十分であること、(3)熱伝導性が高いこと、
(4)熱膨張係数がシリコンチップ等のそれに近いこ
と、および(5)表面平滑性が優れていること、(6)
高密度化が容易であること等が必要である。
これらの要求を満足できる基板材料として窒化アルミ
ニウムが研究開発が行われている。窒化アルミニウムは
基板特性としては要求特性をほぼ満足するが、焼結温度
が1900℃以上と高いため多層高密度化が難しい欠点を持
っている。
例えばグリーンシート法を用いた窒化アルミニウム多
層配線基板の開発例が第2図マイクロエレクトロニクス
シンポジウム論文集p185〜188(1987年7月)に報告さ
れている。
この報告からも明らかなように窒化アルミニウムの焼
結温度が高いため、導体としては、タングステンのよう
な高融点の材料を用いる必要があり、その結果導体抵抗
が20mΩ/□と非常に高く、高速を要求される配線基板
としては問題がある。
またアルミナ、ジルコニア、ベリリアなどを用いて、
導体抵抗の低い導体を配線材料として利用できる多層配
線基板の製造方法として、セラミック中に空洞を形成
し、これに銀、銅などの金属を溶融状態で注入する製造
方法が提案されている。(特公昭44−27102、特開昭61
−229549)しかしこれらの製造方法では回路パターンを
形成するための空洞をスクリーン印刷法によって形成す
るため、配線の幅を100μm以下にすることは困難で高
密度の配線基板を形成することに限界が有る。さらに配
線の厚さも高々10μm程度であり、微細配線にすると導
体の断面積が1000μm2程度と小さいため導体抵抗の低い
材料と用いても配線の抵抗が高くなり、高周波パルス用
の配線基板としては問題がある。
本発明者らは、これらの具備すべき基板性質を留意し
なから特に高熱伝導性及び多層高密度化に着目して窒化
アルミニウム多層セラミック基板の製造方法の発明に至
った。
(問題を解決するための手段) 本発明は、所要の多層配線回路と同一のパターンを感
光性樹脂を用いてパターン形成する工程と、セラミック
生シート内の所定の個所に穿孔された貫通孔を焼成段階
で燃焼または昇華によって飛散する材料で充填する工程
と、前記感光性樹脂からなるパターンと前記貫通孔が充
填されたセラミック生シートをこの貫通孔を通して、そ
の上下の回路パターンが重なり合うように積層する工程
と、これを焼成し、セラミック基板内部に連結した多層
配線回路と同一の空洞を形成する工程と、前記空洞の中
に窒化アルミニウムの焼結温度よりも低い融点を持つ金
属を液体で注入し、これを冷却して所要の多層配線回路
で形成する工程を含むことを特徴とする窒化アルミニウ
ム多層配線基板の製造方法である。
(作用) 本発明、前述の手段によって従来技術の問題点を解決
した。まず、多層セラミック基板を構成する絶縁セラミ
ック材料として熱伝導性の高い窒化アルミニウムを用い
た。材料は、焼成後、窒化アルミニウム多結晶の緻密な
構造体を形成する。高熱伝導率を得るためには、焼結体
の含有酸素量が少ない方が好ましく、その為に添加物と
して還元剤を入れることが好ましい。
次に、導体層に関しては、窒化アルミニウムで構成さ
れているセラミック層に複数の電源層、グランド層およ
び微細な信号線等の導体相を形成しこれらの複数の導体
層は、セラミック層中に設けたビアホールを介して電気
的に接続されている。したがって、実装基板の配線密度
が非常に高められるとともにLSI等の素子から発生する
熱を、効率的に外部に放散することが可能である。
形成する導体層は抵抗の低い材料が使用できるため、
高周波パルスの使用が可能となり、さらに光リソグラフ
ィー技術によって微細でかつ断面積の小さくない導体パ
ターンが形成できるため、配線の抵抗を上げることな
く、配線パターンの微細化が可能である。
(実施例) 以下本発明の実施例について図面を参照して詳細に説
明する。
第1図は本発明による高熱伝導多層セラミック基板の
実施例を示す説明図である。1は絶縁セラミック層であ
り、主成分として窒化アルミニウムの多結晶体で構成さ
れている。2は信号線および電源等の導体層であり、銅
を主成分として形成されており、絶縁セラミック層に形
成されているビアホール3を介して各層間を電気的に接
続している。このように構成されている多層セラミック
基板上にはLSIチップがマウント出来るようにダイパッ
ド4およびホンディングパッド5が形成され、該実装基
板外に信号を取り出したり、基板内へ信号を入れたりす
るためのI/Oパッド6が基板裏面に形成されている。基
板上にマウントされているLSIチップから発生する熱を
ダイパッド4を介してセラミック基板内へ拡散させる。
セラミック基板の熱伝導率が高いことにより熱拡散が効
果的に行われることになり、LSIチップの発熱による高
温化を防止することができる。
本実施例の配線基板の製造方法は次のとおりである。
第2図に本発明のプロセスを示す。回路パターンに相
当するパターンを感光性樹脂シートを光リソグラフィプ
ロセスによって形成する。まずポリエステルなどのキャ
リアフィルム上に感光性樹脂を所定の厚さに均一にコー
テングする。このようにして作った感光性樹脂シートの
上に所定の回路パターンが形成されたフォトマスクを密
着させ光を照射して露光した後現像処理行い所定の回路
パターンに相当する空孔パターンを形成する。
一方、本発明の基板を構成しているセラミック材料と
しては窒化アルミニウムの焼結性を高めるため添加剤と
してCaC2を混入させた例を示す。まず窒化アルミニウム
粉末とCaC2粉末とを秤量しボールミルにより有機溶媒中
での湿式混合を48時間行った。この時CaC2は1.0wt%と
した。
この混合粉末をポリカプラクトン系あるいはポリアク
リレート系樹脂等の窒素雰囲気下で分解されやすい有機
バインダーとともに溶媒中に分散し粘度3000〜7000cpの
範囲の泥漿を作成する。該泥漿をキャスティング製膜法
により10μm〜200μm程度の均一な厚みになるように
有機フィルム上にグリーンシートを作成する。
次にこのグリーンシートを有機フィルムから剥離した
のち、各層間を電気的に接続するためのビアホールを形
成する。ここで形成したビアホールは機械的に、ポンチ
およびダイを用いて打抜いたが、他にレーザー加工等の
方法によっても開けることが可能である。
次にこのビアホールを形成したグリーンシート上にス
クリーン印刷法によってガーボン粉末、グラファイト粉
末、アクリル粉末などの焼成中に燃焼、昇華などによっ
て飛散する材料のペーストをこのビアホール中にうめ込
み80℃の温度で乾燥する。
このビアホールをカーボンペーストなどによってうめ
込んだグリーンシートと光リソグラフィのプロセスによ
って形成した回路パターンに相当する空孔を形成するパ
ターンを積層圧着し一体化する。
ここで必要に応じて圧力とともに熱を加えることもで
きる。
このようにして作成した積層体は必要に応じて、所定
の寸法に切断した後、まず空孔パターンやセラミックグ
リーンシート中に存在する有機物を脱バインダー工程で
酸化又は中性雰囲気中でゆっくりと加熱し、分解消失さ
せる。通常これらの有機物は500℃〜600℃までに完全に
分解・酸化するが急激に温度を分解温度まで上げると積
層体が破損するため、25℃/時間あるいはこれよりもゆ
っくりとした温度上昇スピードで温度を上げ、500℃〜6
00℃に充分長い時間保持することで有機物を完全に消失
させる。
このように脱バインダー工程を経た積層体中には有機
物は残留していないため、空孔パターンの部分は空洞と
して積層体中には残ることになる。
この様にして窒化アルミニウム基板中に配線パターン
に相当する微細な空洞が形成された基板を作成する。
この基板の中の空洞は必ず基板外部とビアホールを介
して接続されている。なおビアホールの部分はカーボン
ペーストなどをうめ込みであるため圧着時にも空間が保
持され各回路パターンを接続する空洞も形成される。
脱バインダー工程の後1800〜2000℃の温度で非酸化性
雰囲気中で焼成する。
この様に焼成した窒化アルミニウムセラミック基板中
には回路パターンに相当する空洞が三次元的形成されて
いる。空洞の寸法は空孔形成パターンの寸法によって設
計できる。
この様なセラミック基板を窒素雰囲気下で1200℃の溶
融した液体銅の中に大気圧の下で浸漬する。液体銅の中
に浸漬した状態で液体銅およびこれがはいっているルツ
ボを含む空間の圧力を10-4torrに減圧にし10分間保持す
る。この後窒素を導入して大気圧にもどした後さらに30
分間保持した後、セラミック基板を液体銅の中から引上
げ温度を下げ空気中に取り出す。
この様な方法により形成した空洞の中に銅が注入され
固化し、銅を導体材料とする窒化アルミニウムの多層線
基板が得られた。
この様にして得られた多層配線基板の導体幅、導体の
厚さは50μm×50μmであり、配線のピッチは100μm
であった。
さらにこの導体抵抗も2.0×10-6Ωcm以下と非常に小
さいものであった。
作成した基板の特性は熱伝導率が160w/mk導体の抵抗
は1.8μΩ・cmであった。
さらに銅の代わりに銀、金、鉛、アルミニウム、ニッ
ケル、亜鉛錫についても同様の基板を作成した結果を第
1表に示す。ここに示したCaC2は窒化アルミニウムニCa
C2を合わせて重量に対する値である。作成した基板の電
気的特性を測定した結果、絶縁抵抗が1×1013Ωcm以上
であり、誘電率は8.8(1MHz)、誘電損失は1×10-3
下(1MHz)であった。電気的特性においても従来の基板
に対して同程度以上あり実装基板として十分であること
がわかる。
(発明の効果) 実施例からも明らかなように、本発明の製造方法によ
って得られる構造を有することより、容易に信号線およ
び電源層等を含めた低抵抗導体を有する高密度な回路を
形成することができ、熱放散性に対しても非常に有効な
高熱伝導多層セラミック基板が得られる。
従来、用いられているアルミナ基板の熱伝導率は20w/
nkであり、本発明基板の熱伝導率が非常に高いレベルで
あることがわかる。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の一実施例を示す高熱伝導多層セラミッ
ク基板の概略図である。 1……絶縁セラミック層、2……導体層、3……ビアホ
ール、4……ダイパッド、5……ボンディングパッド、
6……I/Oパッド。 第2図は本発明の製造方法のプロセスを示すプロセスフ
ローチャート図である。
フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭53−15558(JP,A) 特開 昭60−173900(JP,A) 特公 昭44−27102(JP,B1)

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】所要の多層配線回路と同一のパターンを感
    光性樹脂を用いてパターン形成する工程と、セラミック
    生シート内の所定の個所に穿孔された貫通孔を焼成段階
    で燃焼または昇華によって飛散する材料で充填する工程
    と、前記感光性樹脂からなるパターンと前記貫通孔が充
    填されたセラミック生シートをこの貫通孔を通して、そ
    の上下の回路パターンが重なり合うように積層する工程
    と、これを焼成し、セラミック基板内部に連結した多層
    配線回路と同一の空洞を形成する工程と、前記空洞の中
    に窒化アルミニウムの焼結温度よりも低い融点を持つ金
    属を液体で注入し、これを冷却して所要の多層配線回路
    で形成する工程を含むことを特徴とする窒化アルミニウ
    ム多層配線基板の製造方法。
JP63135870A 1988-06-01 1988-06-01 窒化アルミニウム多層配線基板の製造方法 Expired - Lifetime JPH088415B2 (ja)

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