JPH0936521A

JPH0936521A - セラミック回路基板の製造方法

Info

Publication number: JPH0936521A
Application number: JP20273295A
Authority: JP
Inventors: Hiroyasu Sumino; 裕康角野; Akihiro Horiguchi; 昭宏堀口; Katsuyoshi Oishi; 克嘉大石; Mitsuo Kasori; 光男加曽利; Fumio Ueno; 文雄上野
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1995-07-18
Filing date: 1995-07-18
Publication date: 1997-02-07

Abstract

(57)【要約】【課題】同時焼成により高い熱伝導率を有するＡｌＮ
絶縁層および断線、剥離等のない緻密で低抵抗の導体層
を形成できると共に、前記絶縁層と導体層とを反り、う
ねりを生じることなく強固に密着することが可能で、さ
らにヘリウムリーク特性も改善されたセラミック回路基
板の製造方法を提供する。【解決手段】ＡｌＮ粉末および焼結助剤を含む混合粉
体から成形体を作製する工程と、前記成形体の少なくと
も表面にＷ粉末および／またはＭｏ粉末とフィラーとし
ての平均粒径０．１μｍ未満のＡｌＮ粉末を含む導体ペ
ーストをパターン状に塗布して導体ペースト層を形成す
る工程と、前記導体ペーストを有する成形体を１７００
℃以下の温度で焼成する工程とを具備したことを特徴と
する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、セラミック回路基
板の製造方法に関し、特に高熱伝導性を有するセラミッ
ク回路基板の製造方法に係わる。

【０００２】

【従来の技術】近年、ＩＣ、ＬＳＩのような半導体素子
の高速化、高集積化等に伴いセラミック回路基板や半導
体パッケージに対して要求される性能も厳しくなりつつ
ある。

【０００３】例えば、半導体素子から発生する熱を効率
良く放熱するために高い熱伝導性が要求され、また半導
体素子の熱的応力による破壊などの危険性をできるだけ
小さくするために熱膨張係数が半導体素子のそれと近い
ことが要求される。さらに近年の半導体素子の高速駆動
の傾向を反映して配線長を短くすること、配線材料とし
て可能な限り電気抵抗の低いものを用いること、配線部
分周辺の絶縁材料として可能な限り誘導率の低いものを
用いることなどが求められている。

【０００４】ところで、回路基板またはパッケージの絶
縁材料として用いられるセラミック材料のうちで、アル
ミナ（Ａｌ₂Ｏ₃）セラミックスはこれまで最も一般的
に用いられている。しかしながら、前記アルミナセラミ
ックスは従来のプラスチック材料やガラス材料に比べて
熱伝導率がやや高いものの、熱伝導率が２０Ｗ／ｍ・Ｋ
程度と低く、また熱膨張係数が７×１０^-6／℃で、シリ
コンの熱膨張係数４．５×１０^-6／℃の約２倍であるた
め、今後の半導体素子の高集積化、高速化に対応するに
十分な特性を有しているとはいえない。

【０００５】このようなことから、前記アルミナセラミ
ックスに代わって窒化アルミニウム（ＡｌＮ）焼結体が
注目され、回路基板の絶縁材料としての応用について多
方面から研究されている。ＡｌＮ焼結体は、熱膨張係数
が４．０×１０^-6／℃で、シリコンの熱膨張係数にほぼ
等しく、その上、半導体素子の熱的応力を十分小さくで
きるという特徴を有する。さらに、熱伝導率が１００Ｗ
／ｍ・Ｋを越えるものも得られているため、半導体素子
の高集積化、高速化にともなう発熱量の増大にも十分対
応できるものである。

【０００６】しかしながら、従来、緻密なＡｌＮ焼結体
を製造するには通常のアルミナよりも高い焼結温度（１
８００℃前後）で長時間焼成する必要がある。その結
果、製造コストが高くなる問題がある。

【０００７】そこで、特開昭６１−２０９９５９号公報
にはＡｌＮ粉末に焼結助剤としてＹＦ₃等のフッ化物を
添加して低温焼結を実現する方法が開示されている。ま
た、特開平６−２０６７７２号公報には低温焼結技術を
用いて回路基板を製造する方法が開示されている。

【０００８】以上のようにＡｌＮ焼結体を回路基板に応
用することは非常に有用であることが予想される。しか
しながら、アルミナセラミックスを用いて回路基板を実
現する従来のセラミックスと導体との同時焼成方法をそ
のままＡｌＮ焼結体を有する回路基板に応用すること
は、アルミナとＡｌＮ焼結体との基本的な物性や焼成温
度の違い等から非常に困難であった。例えば、ＡｌＮ焼
結体からなる絶縁層とその絶縁層の表面または内部に形
成された導体層を何も改良を加えることなく同時焼成を
行うと、絶縁層と導体層の収縮率のミスマッチに起因す
るＡｌＮ焼結体のクラック発生や反り、うねり、導体層
の断線、剥離等を生じる恐れがある。

【０００９】また、コストダウンを図るために同時焼成
を低温で行なう際、導体金属粉末として通常の粒径
（１．０μｍ前後）のものを用いると導体層を十分に緻
密化できないという問題が生じる。導体層の緻密化の低
下は、抵抗の増大やヘリウムリーク特性の劣化を招く。
したがって、低温同時焼成により緻密な導体層を形成す
るには、これまでは粒径の小さい導体金属粉末を用いる
ことが一般的であった。しかしながら、粒径の非常に細
かい導体金属粉末を用いると、ペースト化が困難であっ
た。その上、導体ペーストの成形密度が低下し、結果的
には収縮率が非常に大きくなるため、絶縁層であるＡｌ
Ｎ焼結体との収縮率のミスマッチが大きくなってしま
う。

【００１０】前記導体金属粉末の粒径を調節して収縮率
を制御することは、以下の図２で説明するように非常に
困難である。一般に、緻密な導体層を形成する場合には
活性で焼結性の優れた粒径の細かい導体金属粉末を用い
ることが有効である。粒径の細かい導体金属粉末を用い
ると、図２に示すように緻密な導体層を形成することが
可能である。しかしながら、この導体金属粉末を含むペ
ーストは成形密度が低下する傾向にあり、結果として焼
成時の導体層の収縮率が非常に大きくなる。一方、成形
密度を上げるためには粒径が比較的粗い導体金属粉末を
用いることが効果的である。しかしながら、粒径が比較
的粗い導体金属粉末は焼結性が劣るために結果的には緻
密な導体層を形成することが困難になる。

【００１１】したがって、所望の収縮率を有し、かつ緻
密な導体層を形成するためには最適な収縮率を有する狭
い粒径範囲の導体金属粉末を選ぶことが必要である。

【００１２】さらに、低温焼結のためにＹＦ₃のような
焼結助剤を用いた場合には窒素やアルゴンのような非酸
化性雰囲気で脱脂を行う必要がある。このような工程
は、バインダの分解に伴う残留カーボン量が増加するた
め、同時焼成を行うとＡｌＮ焼結体からなる基材の表面
等に形成された導体層は抵抗が高くなり（特開平６−２
０６７７２号公報の実施例に１７μΩ・ｃｍが最低であ
ることが記載）、良好な回路基板を得ることが困難にな
る。残留カーボン量を減少させるためには、酸化雰囲気
中で脱脂を行う必要があるが、この工程中にフッ化水素
のような有害物質が発生すると共に、導体金属であるタ
ングステンやモリブデンが酸化して所定の回路基板を製
造することが困難になる。このように従来の方法ではＡ
ｌＮ焼結体からなる絶縁層間の密着性、低温同時焼結
性、導体層の緻密性、低抵抗性、ヘリウムリーク特性の
全てを満たす回路基板を製造することができないのが実
情である。

【００１３】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、同時焼成に
より高い熱伝導率を有するＡｌＮ絶縁層および断線、剥
離等のない緻密で低抵抗の導体層（回路パターン）を形
成できると共に、前記絶縁層と導体層とを反り、うねり
を生じることなく強固に密着することが可能で、さらに
ヘリウムリーク特性も改善されたセラミック回路基板の
製造方法を提供しようとするものである。

【００１４】

【課題を解決するための手段】本発明に係わるセラミッ
ク回路基板の製造方法は、窒化アルミニウム粉末および
焼結助剤を含む混合粉体から成形体を作製する工程と、
前記成形体の少なくとも表面にタングステン粉末および
／またはモリブデン粉末とフィラーとしての平均粒径
０．１μｍ未満の窒化アルミニウム粉末を含む導体ペー
ストをパターン状に塗布して導体ペースト層を形成する
工程と、前記導体ペーストを有する成形体を１７００℃
以下の温度で焼成することにより窒化アルミニウムを主
成分とする絶縁層にタングステンおよび／またはモリブ
デンを主成分とし、窒化アルミウム粉末をフィラーとし
て含むパターン状の導体層を形成する工程とを具備した
ことを特徴とするものである。

【００１５】

【発明の実施の形態】以下、本発明に係わるセラミック
回路基板の製造方法を詳細に説明する。

【００１６】第１工程；ＡｌＮ粉末および焼結助剤を十
分に混合し、この混合粉体から成形体を作製する。

【００１７】前記ＡｌＮ粉末は、実質上入手可能なあら
ゆる粉末を用いることができるが、焼結性および熱伝導
率のために平均一次粒径が０．０３〜３．５μｍ、より
好ましくは平均一次粒径が０．１〜１．５μｍ、不純物
酸素量が０．２〜３．５重量％、より好ましくは不純物
酸素量が０．３〜３重量％の粉末を用いることが望まし
い。前記ＡｌＮ粉末の平均一次粒径を０．０３μｍ未満
にすると、シート化が非常に困難になり、また最終的に
得られるＡｌＮを主成分とする絶縁層において不純物酸
素量が多くなり、高い熱伝導率を得ることができなくな
る恐れがある。また、成形時のシート密度が低下するた
めに焼結時の収縮率が大きくなり、シート表面における
導体層の位置制御が困難になる傾向にある。さらに、導
体層との収縮率をマッチングさせることが困難となり、
導体層とＡｌＮを主成分とする絶縁層との間に空隙がで
きるなどの問題が発生する。一方、前記ＡｌＮ粉末の平
均粒径が３．５μｍを越えると焼結性が著しく低下し、
十分に緻密な焼結体からなる絶縁層を形成することが困
難になる。また不純物酸素量を０．２重量％未満にする
と、焼結性が低下し、十分に緻密なＡｌＮを主成分とす
る絶縁層を形成できなくなる恐れがある。

【００１８】前記焼結助剤としては、一般にＡｌＮの焼
結に有効とされている希土類化合物（酸化物やハロゲン
化物等）、アルカリ土類化合物（酸化物やハロゲン化物
等）あるいは焼結工程で希土類化合物、アルカリ土類化
合物となる物質のうちから少なくとも１種を用いること
ができる。焼結工程で酸化物となる化合物としては、例
えば炭酸塩、シュウ酸塩、硝酸塩、アルコキサイド等が
ある。また、前記焼結助剤の添加量はＡｌＮ粉末に対し
て全焼結助剤の合計量で０．０５〜１５重量％にするこ
とが好ましい。前記焼結助剤の添加量を０．０５重量％
未満にすると、ＡｌＮの焼結に有効に作用しない恐れが
あり、また高い熱伝導率を有するＡｌＮを主成分とする
絶縁層の形成が困難になる。一方、前記焼結助剤の添加
量が１５重量％を越えても同様に高い熱伝導率を有する
ＡｌＮを主成分とする絶縁層の形成が困難になる。より
好ましい前記焼結助剤の添加量は、０．２〜１０重量％
である。

【００１９】なお、焼結性を向上させる目的で、前記焼
結助剤の一部をアルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃）、ＡｌＦ₃など
のアルミニウム化合物、酸化ホウ素（Ｂ₂Ｏ₃）、希土
類ホウ化物等のホウ素化合物、表面清浄性を改善するた
めのリンの化合物、機械的強度を増すために有効な酸化
珪素（ＳｉＯ₂）、窒化珪素（Ｓｉ₃Ｎ₄）、酸化マン
ガン（ＭｎＯ₂）などのマンガン化合物で置換すること
を許容する。さらに、着色化、高強度化のために、Ｔ
ｉ、Ｗ、Ｍｏ、Ｔａ、Ｎｂ、Ｍｎ等の遷移金属の単体も
しくはそれらの化合物（酸化物、炭化物、フッ化物、炭
酸塩、シュウ酸塩、硝酸塩等）を前記混合粉体中に遷移
金属換算で０．０５〜１重量％の範囲で含有させてもよ
い。

【００２０】第２工程；前記成形体の少なくとも表面に
タングステン粉末および／またはモリブデン粉末とフィ
ラーとしての平均粒径０．１μｍ未満のＡｌＮ粉末を含
む導体ペーストをパターン状に塗布して導体ペースト層
を形成する。

【００２１】前記タングステン粉末は、平均粒径が０．
２〜２．０μｍ、前記モリブデン粉末は平均粒径が０．
２〜５．０μｍであることが好ましい。このような導体
金属粉末において、平均粒径が前記範囲の下限値未満に
すると取扱いが容易でなく、ペースト化が困難になって
得られた導体ペーストを前記グリーシートに印刷するこ
とができなくなる恐れがある。さらに、前記導体金属粉
末を含む導体ペーストを前記成形体と共に同時焼結する
と、その収縮率が極端に大きくなるため、形成された導
体層はＡｌＮ絶縁層との収縮率のマッチングが取れず、
導体層が剥離したり、導体層と絶縁層の間に空隙が発生
する。一方、前記導電金属粉末において平均粒径が前記
範囲の上限値を越えると形成された導体層の緻密化が不
十分になり抵抗が高くなる恐れがある。また、この導体
金属粉末を含む導体ペーストを前記成形体と共に同時焼
結すると、その収縮率が過度に小さくなるため、ＡｌＮ
絶縁層との間で収縮率のマッチングが取れず、最終的に
得られたセラミック回路基板にクラック、膨れ等が生じ
る恐れがある。

【００２２】前記フィラーとしてのＡｌＮ粉末は、平均
粒径が０．１μｍ未満であるが、０．０５〜０．０９μ
ｍであることがより好ましい。

【００２３】前記フィラーとしてのＡｌＮ粉末は、前記
導体金属粉末に対して０．ｌ〜６０体積％配合すること
が好ましい。前記ＡｌＮ粉末の配合量を０．１体積％未
満にすると、その配合効果が十分に達成されず、導体層
の断線等を防止することが困難になる。一方、前記Ａｌ
Ｎ粉末の配合量が６０体積％を越えると導体層の抵抗率
が高くなって信号遅延を招く恐れがある。より好ましい
前記ＡｌＮ粉末の配合量は、１．０〜４０体積％であ
る。このような量のＡｌＮ粉末の配合は、ＡｌＮ絶縁層
の収縮率と導体層の収縮率をよりマッチングさせること
が可能になる。

【００２４】前記フィラーとしての配合されるＡｌＮ粉
末中は、平均粒径が０．１μｍ以上のＡｌＮ粉末が２０
体積％以下の範囲で含まれることを許容する。平均粒径
が０．１μｍ以上のＡｌＮ粉末が２０体積％を越える
と、微細なＡｌＮフィラーによる効果が減少し、緻密で
低抵抗の導体層の形成が困難になる。

【００２５】前記導体ペースト中には、フィラーとして
のＡｌＮ粉末の焼結性を向上する目的で焼結助剤が配合
されることを許容する。この焼結助剤としては、一般に
ＡｌＮの焼結に有効とされている希土類化合物（酸化物
やハロゲン化物等）、アルカリ土類化合物（酸化物やハ
ロゲン化物等）あるいは焼結工程で希土類化合物、アル
カリ土類化合物となる物質のうちから少なくとも１種を
用いることができる。焼結工程で酸化物となる化合物と
しては、例えば炭酸塩、シュウ酸塩、硝酸塩、アルコキ
サイド等がある。また、前記焼結助剤の添加量はフィラ
ーとしてのＡｌＮ粉末に対して全焼結助剤の合計量で
０．０５〜１５重量％にすることが好ましい。さらに、
焼結性を向上させる目的で、前記焼結助剤の一部をアル
ミナ（Ａｌ₂Ｏ₃）、ＡｌＦ₃などのアルミニウム化合
物、酸化ホウ素（Ｂ₂Ｏ₃）、希土類ホウ化物等のホウ
素化合物、表面清浄性を改善するためのリンの化合物、
機械的強度を増すために有効な酸化珪素（ＳｉＯ₂）、
窒化珪素（Ｓｉ₃Ｎ₄）、酸化マンガン（ＭｎＯ₂）な
どのマンガン化合物等で置換することを許容する。

【００２６】前記導体ペースト中には、銅、金、銀等の
低融点金属が前記導体金属粉末に対して最大２０体積％
まで配合されることを許容する。このような低融点金属
の添加は、焼成温度の制御やＴｉ、Ｎｉ、Ｚｒ、Ｈｆの
ような活性金属の金属により可能になる。

【００２７】第３工程；前記導体ペーストを有する成形
体を１７００℃以下の温度で焼成することにより窒化ア
ルミニウムを主成分とする絶縁層にタングステンおよび
／またはモリブデンを主成分とし、窒化アルミウム粉末
をフィラーとして含むパターン状の導体層を形成してセ
ラミック回路基板を製造する。

【００２８】前記成形体の焼成は、前記成形体を例えば
ＡｌＮ製セッター内にセットし、酸素量が１００ｐｐｍ
以下の非酸化性雰囲気中、より好ましくは０．７気圧以
上の窒素等の非酸化性雰囲気中、１７００℃以下、好ま
しくは１６５０℃以下、より好ましくは１６００℃以下
の温度で行うことが望ましい。

【００２９】本発明に係わる方法により製造されるセラ
ミック回路基板（多層セラミック回路基板）は、例えば
図１に示す構造を有する。多層セラミック回路基板１
は、ＡｌＮを主成分とする絶縁層２が複数積層されてな
る。これら絶縁層２の表面には、タングステンおよび／
またはモリブデンを主成分とし、フィラーとしてＡｌＮ
粉末を含む所定パターンの導体層３が形成されている。
また、前記絶縁層２の所定位置にはビアホール４が形成
されており、前記ビアホール４の内部に充填されたタン
グステンおよび／またはモリブデンを主成分とする導体
部によって前記絶縁層２の各表面に形成された導体層３
が電気的に接続されている。

【００３０】このようなセラミック回路基板、例えば多
層セラミック回路基板は、次のような第１工程〜第３工
程により製造される。

【００３１】（第１工程）ＡｌＮ粉末に焼結助剤を添加
して十分に混合した後、この混合粉体にバインダを添加
して所定の溶媒中で混練して分散させ、所定の粘度に調
製して造粒、整粒を行う。つづいて、得られた懸濁液を
例えばドクターブレード法によりシート化し、例えば温
度２００℃前後で乾燥してグリーンシートを形成する。
ひきつづき、前記グリーンシートの所定位置に複数の層
間接続用のビアホールを形成する。

【００３２】前記混合粉体に添加するバインダとして
は、例えばアクリル系バインダやＰＶＢ系バインダ等を
使用することができる。

【００３３】前記混合粉体およびバインダを分散させる
溶媒としては、例えばｎ−ブタノールなどのアルコール
系、メチルイソブチル、トルエン、キシレン等を使用す
ることができる。

【００３４】前記ビアホールの形成方法としては、例え
ばポンチ、ダイ、パンチングマシーンなどを用いる機械
的方法、レーザ加工法などを採用することができる。

【００３５】（第２工程）タングステン粉末および／ま
たはモリブデン粉末（導体金属粉末）にフィラーとして
の平均粒径０．１μｍ未満のＡｌＮ粉末を添加し、さら
にバインダおよび溶媒を加え混練することによって導体
ペーストを調製する。つづいて、この導体ペーストを前
記第１工程で作製したＡｌＮグリーンシートの表面にス
クリーン印刷法などによってパターン状に印刷すると共
に前記ビアホール内に前記導体ペーストを充填する。ひ
きつづき、これらグリーンシートを前記ビアホールで位
置合わせして重ね、熱圧着することにより積層体を作製
する。

【００３６】前記導体ペースト中に配合されるバインダ
および溶媒としては、例えば前述したＡｌＮ成形体の作
製に用いたのと同様なものが使用される。

【００３７】（第３工程）前記導体ペースト層が形成さ
れたグリーンシートを、窒素などの非酸化性雰囲気で脱
脂した後、例えばＡｌＮ製セッター内にセットし、酸素
量が１００ｐｐｍ以下の非酸化性雰囲気中、より好まし
くは０．７気圧以上の窒素等の非酸化性雰囲気中、１７
００℃以下、好ましくは１６５０℃以下、より好ましく
は１６００℃以下の温度で焼結する。つづいて、必要に
応じて表面の研削、研磨、薄膜回路形成、メッキ、ピン
形成などを行なうことによって、ＡｌＮを主成分とする
絶縁層と、タングステンおよび／またはモリブデンを主
成分とし、フィラーとして０．１μｍ未満のＡｌＮ粉末
を含む導体層とを備えた多層セラミック回路基板を製造
する。

【００３８】以上説明した本発明のセラミック回路基板
の製造方法によれば、ＡｌＮを主成分とする成形体の少
なくとも表面にタングステン粉末および／またはモリブ
デン粉末とフィラーとしての平均粒径０．１μｍ未満と
微細なＡｌＮ粉末を含む導体ペーストをパターン状に塗
布して導体ペースト層を形成し、１７００℃以下の温度
で同時焼成することによって、高い熱伝導率を有するＡ
ｌＮ絶縁層および断線、剥離等のない緻密で低抵抗の導
体層（回路パターン）を形成できると共に、前記絶縁層
と導体層とを反り、うねりを生じることなく強固に密着
することが可能で、さらにヘリウムリーク特性も改善す
ることかできる。このような有益な回路基板の製造方法
は、以下に詳細するようにタングステン粉末および／ま
たはモリブデン粉末のような特定の導体金属粉末とフィ
ラーとしての平均粒径０．１μｍ未満と微細なＡｌＮ粉
末を含む導体ペーストを用いることにより達成される。

【００３９】(1) 前述した図２に示すように、従来用い
られている平均粒径が０．１μｍ以上のＡｌＮ粉末をフ
ィラーとして導電ペーストに配合した場合、平均粒径の
粗い導体金属粉末（Ｗ粉末またはＭｏ粉末）では焼結に
より緻密な導体層を形成することが困難である。

【００４０】これに対し、本発明のように導体金属粉末
としてＷ粉末および／またはＭｏ粉末を含む導体ペース
トに平均粒径が０．１μｍ未満のＡｌＮ粉末をフィラー
として配合すると、前記導体ペーストの成形密度は前記
導体金属粉末の粒径に大きく依存するために大幅に変化
することはないが、成形体との同時焼成において前記フ
ィラーが０．１μｍ未満と微細で活性なために前記導体
金属粉末の焼結を助長し、結果として緻密な導体層をＡ
ｌＮ絶縁層に形成することができる。この作用を、前述
した図２の点線で示した。このような微細なＡｌＮ粉末
をフィラーとして用いることによって、比較的粒径の粗
い導体金属粉末（例えばＷ粉末；平均粒径０．２〜２．
０μｍ、Ｍｏ粉末；平均粒径０．２〜５．０μｍ）を用
いた場合でも十分に緻密化された導体層を形成すること
ができ、また十分に緻密化された導体層を形成するため
の選択できる導体金属粉末の粒径範囲を拡大することが
できる。その結果、ＡｌＮ絶縁層と導体層との収縮率を
近似させることができるため、導体層の剥離、断線、絶
縁層のクラック、反り等の欠陥発生を効果的に防止する
ことができる。

【００４１】(2) 導体層の緻密化が不十分であると、導
体層の空隙部分にガスが吸着するためにヘリウムリーク
特性が低下する。ここで、ヘリウムリーク特性とは通
常、半導体素子を搭載したセラミック多層配線基板を作
製し、ガラス封止した際にその封止性の完全性を評価す
る一つの手法である。多層配線基板側にリーク特性を低
下させる原因があると、本来評価すべき封止性を評価で
きず、結果として回路基板の信頼性を低下させる要因に
なるため、前記ヘリウムリーク特性は重要な評価項目で
ある。

【００４２】一般にヘリウムリーク特性の低下要因一つ
としては、ガス吸着の要因になるオープンポアが挙げら
れる。このため、ＡｌＮ絶縁層と導体層の表面にガス吸
着の要因になるオープンポアが存在しないことが重要で
ある。オープンポアが存在しない焼結密度とは、一般に
理論密度に対して９０％以上の相対密度が達成されるこ
とが必要がある。相対密度が９０％以上の導体層は、ポ
アの殆どが表面に開口面を持たないクローズポアにな
り、ヘリウムリーク特性に影響を及ぼさなくなる。本発
明者らの研究によると、特に平均粒径０．２〜２．０μ
ｍのＷ粉末、平均粒径０．２〜５．０μｍのＭｏ粉末を
用いて導体層の相対密度を９０％以上にするためには
０．１μｍ未満の平均粒径を有するＡｌＮ粉末をフィラ
ーとして配合することが必要であることを究明した。

【００４３】ヘリウムリーク特性を低下させる原因の２
つめは、表面から内部に向かって形成される比較的細長
いチャネル（粒界の空隙）が挙げられる。チャネルが存
在すると、ヘリウムリーク試験において前記チャネルに
吸着したガスが微量ずつ長時間に亘って漏れ出し、結果
としてヘリウムリーク特性を低下させる。本発明におい
て、導体ペーストに配合されるフィラーとしてのＡｌＮ
粉末は平均粒径が０．１μｍ未満であるため、表面に多
くの酸素を吸着するか、もしくはＡｌ₂Ｏ₃の形態で保
持している。その結果、前記ＡｌＮ粉末の酸素源が導体
ペーストの焼結過程で導体金属であるタングステンおよ
び／またはモリブデンと反応して、タングステンおよび
／またはモリブデンの酸化物が生成される。このような
酸化物は、１７００℃以下の焼結工程において比較的蒸
気圧が高いために蒸発、凝縮のプロセスを通じて導体層
の緻密化を助長する。また、蒸発、凝縮のプロセスは粒
界近傍で起こるため、前述した微細なチャネルを効果的
に消滅させ、結果的にはヘリウムリークの原因になる微
細なチャネルが殆ど存在しない導体層を形成することが
できる。

【００４４】上述した２つの相乗作用によりヘリウムリ
ーク特性の優れたセラミック回路基板を製造することが
できる。

【００４５】(3) 一般に、ＡｌＮを主成分とする絶縁層
を有するセラミック回路基板はＡｌＮの酸化を防止する
目的で成形、回路パターンの形成後の脱脂は不活性ガ
ス、例えば窒素ガス雰囲気中で行われる。しかしなが
ら、前記脱脂工程を不活性雰囲気中で行うと、成形時に
添加するバインダを完全に除去することができず、導体
層や絶縁体層に炭素として残留する傾向がある。この残
留炭素は、導体金属粉末と焼成過程において反応して抵
抗率の高い導体金属の炭化物が生成され、結果的には導
体層の抵抗が上昇して信号遅延を招く恐れがあった。本
発明は、導体ペースト中に０．１μｍ未満の微細なＡｌ
Ｎ粉末をフィラーとして配合することによって、導体層
に炭化物が生成するのを抑制し、導体層の抵抗上昇を防
止することができる。これは、前記微細なＡｌＮ粉末は
通常の粒径のＡｌＮ粉末に比べて含有酸素量が多いため
に、脱脂後に残留する炭素と焼成過程中に有効に反応し
て導体の炭化物の生成を防止することができる。その結
果、ＡｌＮを主成分とする絶縁層に低抵抗の導体層を形
成することが可能になる。

【００４６】

【実施例】以下、本発明を実施例を用いてさらに詳細に
説明する。なお、これら実施例は本発明の理解を容易に
する目的で記載されるものであり、本発明を限定するも
のではない。

【００４７】（実施例１）平均粒径０．８μｍ、不純物
酸素量０．８重量％のＡｌＮ粉末に焼結助剤としてＹＦ
₃を３重量％と着色化のためのＷＯ₃をＷ換算で０．３
重量％それぞれ添加し、ボールミルを用いてｎ−ブタノ
ール中において湿式混合した。この混合粉末を有機バイ
ンダとともに有機溶媒中に分散し、得られたスラリーを
ドクターブレード法によってシート化し、複数のグリー
ンシートを作製した。つづいて、得られたグリーンシー
トの所定の位置に層間接続用の複数のビアホールをパン
チングマシーンを用いて形成した。

【００４８】一方、平均粒径０．８μｍのモリブデン末
８０体積％と、平均粒径０．０９μｍ、不純物酸素量
２．５重量％のＡｌＮ粉末９７重量％およびＹＦ₃粉末
３重量％からなるフィラー用混合粉末２０体積％とを有
機バインダとともに有機溶剤中に分散して、導体ペース
トを調製した。

【００４９】次いで、前記導体ペーストを前記グリーン
シートにスクリーン印刷法により印刷して前記シート表
面に導体ペースト層を形成するとともに前記ビアホール
内に前記導電ペーストを充填した。つづいて、導体ペー
スト層が形成された複数のグリーンシートをビアホール
で位置合わせして所望の枚数重ね、加熱プレスすること
により積層体を作製した。ひきつづき、前記積層体を窒
素雰囲気中、７００℃で脱脂後、１気圧の窒素雰囲気
中、１５５０℃で８時間焼結することにより前述した図
１に示す構造を有する多層セラミック回路基板を製造し
た。

【００５０】得られた回路基板を厚さ方向に切断して内
部の微細構造を観察した。その結果、ＡｌＮを主成分と
する絶縁層は十分緻密化しておりポアは見られず、かつ
導体層においても空隙などの欠陥は認められなかった。
また、前記回路基板は外観的に特に反りや変形は認めら
れなかった。

【００５１】また、前記多層セラミック回路基板を構成
するＡｌＮを主成分とする絶縁層は抵抗率が１０¹¹Ω・
ｃｍ以上、比誘電率が８．７、誘電損失が１０^-3以下
（ともに１ＭＨｚの条件下）であり、さらに熱伝導率が
１７０Ｗ・ｍ^-1・Ｋ^-1であった。同回路基板を構成する
導体層は、抵抗率が１０．２×１０^-6Ω・ｃｍと極めて
低い値であった。

【００５２】さらに、前記多層セラミック回路基板を５
気圧のヘリウムガスで満たしたチャンバ中に４０分間放
置した後、チャンバ内を１０^-3torrオーダに真空に引い
て再び空気を１気圧まで導入した。このヘリウム洗浄工
程を３回行った後、試料をチャンバから取り出し、空気
中で３０分間放置した。このような処理を施した後、ヘ
リウムリーク試験（ファインリークの検知）にかけた。
ヘリウムリーク量の検出は、質量分析計で行った。その
結果、ヘリウムリーク量は１．０×１０^-10ａｔｍ・ｃ
ｃ・ｓ^-1以下であり、良好なヘリウムリーク特性を有し
ていた。

【００５３】（実施例２）平均粒径０．６μｍ、不純物
酸素量０．９重量％のＡｌＮ粉末に焼結助剤としてＹ₂
Ｏ₃粉末を３．０重量％、ＣａＯ粉末を１重量％、Ａｌ
₂Ｏ₃粉末を０．５重量％、ＴｉＢ₂粉末を０．５重量
％それぞれ添加し、さらに着色化のためのＷＯ₃をＷ換
算で０．３重量％添加し、ボールミルを用いてｎ−ブタ
ノール中において湿式混合した。この混合粉末を有機バ
インダとともに有機溶媒中に分散し、得られたスラリー
をドクターブレード法によってシート化し、複数のグリ
ーンシートを作製した。つづいて、前記グリーンシート
の所定位置に層間接続用の複数のビアホールをパンチン
グマシーンを用いて形成した。

【００５４】一方、平均粒径１．０μｍのタングステン
粉末７７体積％と平均粒径０．０７μｍ、不純物酸素量
２．５重量％のＡｌＮ粉末９５．５重量％、Ｙ₂Ｏ₃粉
末３重量％、ＣａＯ粉末を１重量％、Ａｌ₂Ｏ₃粉末を
０．５重量％からなるフィラー用混合粉末２３体積％と
を有機バインダとともに有機溶剤中に分散して、導体ペ
ーストを調製した。

【００５５】次いで、前記導体ペーストを前記グリーン
シートにスクリーン印刷法により印刷して前記シート表
面に導体ペースト層を形成するとともに前記ビアホール
内に前記導電ペーストを充填した。つづいて、前記導体
ペースト層が形成された複数のグリーンシートを前記ビ
アホールで位置合わせして所望枚数重ね、加熱プレスす
ることにより積層体を作製した。ひきつづき、前記積層
体を窒素雰囲気中、７００℃で脱脂後、１気圧の窒素雰
囲気中、１６００℃で６時間焼結することにより前述し
た図１に示す構造を有する多層セラミック回路基板を製
造した。

【００５６】得られた回路基板を厚さ方向に切断して内
部の微構造をＳＥＭにより観察した。その結果、図３に
示すＳＥＭ写真が得られた。この図３から明らかなよう
にＡｌＮを主成分とする絶縁層は十分緻密化しておりポ
アは見られず、かつ導体層においても空隙などの欠陥は
認められなかった。また、絶縁層と導体層の収縮率が十
分にマッチングしているため、絶縁層と導体層の間に空
隙などは観察されず、さらに前記回路基板は外観的に特
に反りや変形は認められなかった。

【００５７】また、前記多層セラミック回路基板を構成
するＡｌＮを主成分とする絶縁層は抵抗率が１０¹¹Ω・
ｃｍ以上、比誘電率が８．３、誘電損失が１０^-3以下
（ともに１ＭＨｚの条件下）であり、さらに熱伝導率が
１４２Ｗ・ｍ^-1・Ｋ^-1であった。同回路基板を構成する
導体層は、抵抗率が１０．４×１０^-6Ω・ｃｍと極めて
低い値であった。しかも、実施例１と同様な方法でヘリ
ウムリーク試験を行った結果、リーク量は１．０×１０
^-10ａｔｍ・ｃｃ・ｓ^-1以下であり、良好なヘリウムリ
ーク特性を有していた。

【００５８】（比較例１）平均粒径１．０μｍのタング
ステン粉末７７体積％と平均粒径０．２μｍ、不純物酸
素量１．５重量％のＡｌＮ粉末９５．５重量％、Ｙ₂Ｏ
₃粉末３重量％、ＣａＯ粉末を１重量％、Ａｌ₂Ｏ₃粉
末を０．５重量％からなるフィラー用混合粉末２３体積
％とを有機バインダとともに有機溶剤中に分散して、導
体ペーストを調製した。

【００５９】次いで、前記導体ペーストを実施例２と同
様なグリーンシートにスクリーン印刷法により印刷して
前記シート表面に導体ペースト層を形成するとともに前
記ビアホール内に前記導電ペーストを充填した。つづい
て、前記導体ペースト層が形成された複数のグリーンシ
ートを前記ビアホールで位置合わせして所望枚数重ね、
加熱プレスすることにより積層体を作製した。ひきつづ
き、前記積層体を窒素雰囲気中、７００℃で脱脂後、１
気圧の窒素雰囲気中、１６００℃で６時間焼結すること
により前述した図１に示す構造を有する多層セラミック
回路基板を製造した。

【００６０】得られた回路基板を厚さ方向に切断して内
部の微細構造を観察した。その結果、ＡｌＮを主成分と
する絶縁層は十分緻密化しておりポアは見られなかっ
た。表面に露出しているビアホールの内部をＳＥＭによ
り観察した。その結果、図４に示すＳＥＭ写真が得られ
た。図４から明らかなように表面に露出しているビアホ
ールの内部の所々にポアが観測され、完全に緻密な導体
層は形成できなかった。また、導体層を含む部分を粉砕
し、粉末Ｘ線回折法により構成相を解析した。その結
果、Ｗのカーバイト（炭化物）のピークが観測された。
さらに、導体層の抵抗率を測定した。その結果、抵抗率
が５２×１０^-6Ω・ｃｍと実施例１に比べてかなり高い
値であった。しかも、実施例１と同様な方法でヘリウム
リーク試験を行った結果、リーク量は５．０×１０^-7ａ
ｔｍ・ｃｃ・ｓ^-1とリーク量が大きかった。

【００６１】（比較例２）平均粒径０．１μｍのタング
ステン粉末７７体積％と平均粒径０．８μｍ、不純物酸
素量０．９重量％のＡｌＮ粉末９５．５重量％、Ｙ₂Ｏ
₃粉末３重量％、ＣａＯ粉末を１重量％、Ａｌ₂Ｏ₃粉
末を０．５重量％からなるフィラー用混合粉末２３体積
％とを有機バインダとともに有機溶剤中に分散して、導
体ペーストを調製した。

【００６２】次いで、前記導体ペーストを実施例２と同
様なグリーンシートにスクリーン印刷法により印刷して
前記シート表面に導体ペースト層を形成するとともに前
記ビアホール内に前記導電ペーストを充填した。つづい
て、前記導体ペースト層が形成された複数のグリーンシ
ートを前記ビアホールで位置合わせして所望枚数重ね、
加熱プレスすることにより積層体を作製した。ひきつづ
き、前記積層体を窒素雰囲気中、７００℃で脱脂後、１
気圧の窒素雰囲気中、１６００℃で６時間焼結すること
により前述した図１に示す構造を有する多層セラミック
回路基板を製造した。

【００６３】得られた回路基板を厚さ方向に切断して内
部の微細構造を観察した。その結果、ＡｌＮを主成分と
する絶縁層は十分緻密化しておりポアは見られなかっ
た。また、表面に露出しているビアホールの内部をＳＥ
Ｍにより観察した。その結果、図５に示すＳＥＭ写真が
得られた。この図５から明らかなように絶縁層と導体層
との間に空隙が生じていることが認められた。

【００６４】（実施例３〜１０）下記表１および表２に
示す組成を有する絶縁層用混合粉体および導電ペースト
を用い、同表１、表２に示す条件で焼結を行った以外、
実施例１と同様の方法により８種の多層セラミック回路
基板を製造した。

【００６５】得られた各回路基板における絶縁層の密度
および熱伝導率、導体層の抵抗率、ヘリウムリーク特
性、並びに外観性を調べた。その結果を下記表３に示
す。

【００６６】

【表１】

【００６７】

【表２】

【００６８】

【表３】前記表３から明らかなように実施例３〜１０の多層セラ
ミック回路基板は、いずれも優れた特性と良好な外観性
を有することがわかる。

【００６９】（実施例１１）平均粒径０．０７μｍ、不
純物酸素量２．２重量％のＡｌＮ粉末９５．０重量％
と、焼結助剤としてＹＦ₃粉末４．０重量％およびＣａ
Ｆ₂１．０重量％とからなる混合粉体にｎ−ブタノール
を添加し、湿式ボールミルにより解砕、混合を行った。
この混合粉体を用いて実施例１と同様な方法により厚さ
０．３ｍｍのグリーンシートを作製した。つづいて、こ
のグリーンシートを３枚重ねて熱間プレスを行った後、
所望の大きさに切断して４０ｍｍ×４０ｍｍ×０．８ｍ
ｍの板状積層体とした。ひきつづき、この積層体上面に
実施例１と同様な組成の導体ペーストをスクリーン印刷
し、さらに窒素雰囲気中で最高温度６５０℃で加熱して
バインダを除去した。脱脂後の積層体をグラファイト容
器に入れ、前記積層体と容器の間にｈ−ＢＮ（六方晶窒
化ホウ素）を介在させた後、カーボン型ヒータを有する
焼結炉で窒素雰囲気中、１３５０℃で８時間、５０ＭＰ
ａの圧力下でホットプレス焼結を行って表面メタライズ
の回路基板を製造した。

【００７０】得られた回路基板は、外観上、剥がれがな
く、ＡｌＮを主成分とする絶縁層と導体層は十分に緻密
化されていた。また、導体層の抵抗率は１０．４×１０
^-6Ω・ｃｍと極めて低い値であった。さらに、実施例１
と同様な方法でヘリウムリーク試験を行った結果、リー
ク量は１．０×１０^-10ａｔｍ・ｃｃ・ｓ^-1以下であ
り、良好なヘリウムリーク特性を有していた。しかも、
絶縁層と導体層との間の界面を観察した結果、強固な結
合形態になっていることが確認された。

【００７１】

【発明の効果】以上詳述したように、本発明によれば１
００Ｗ／ｍ・Ｋを越える高熱伝導性のＡｌＮを主成分と
する緻密な絶縁層を有し、半導体素子の高集積化、高速
化に伴う多大な発熱を十分放熱することが可能で、かつ
導体層として断線、剥離などの欠陥がなく、前記絶縁層
に良好に密着された抵抗率の低い導体層を備え、半導体
素子等の搭載において信号伝達を高速に行うことが可能
なセラミック回路基板の製造方法を提供できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係わる多層セラミック回路基板を示す
部分切欠斜視図。

【図２】導体金属粉末の粒径変化に伴う導体層の焼結密
度、成形密度および収縮率変化を示す特性図。

【図３】実施例２により製造された多層セラミック回路
基板の導体層の微構造を示すＳＥＭ写真。

【図４】比較例１により製造された多層セラミック回路
基板の導体層の微構造を示すＳＥＭ写真。

【図５】比較例２により製造された多層セラミック回路
基板の導体層の微構造を示すＳＥＭ写真。

【符号の説明】

１…多層セラミック回路基板、２…絶縁層、３…導体
層、４…ビアホール。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者加曽利光男神奈川県川崎市幸区小向東芝町１番地株式会社東芝研究開発センター内 (72)発明者上野文雄神奈川県川崎市幸区小向東芝町１番地株式会社東芝研究開発センター内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】窒化アルミニウム粉末および焼結助剤を
含む混合粉体から成形体を作製する工程と、前記成形体の少なくとも表面にタングステン粉末および
／またはモリブデン粉末とフィラーとしての平均粒径
０．１μｍ未満の窒化アルミニウム粉末を含む導体ペー
ストをパターン状に塗布して導体ペースト層を形成する
工程と、前記導体ペーストを有する成形体を１７００℃以下の温
度で焼成することにより窒化アルミニウムを主成分とす
る絶縁層にタングステンおよび／またはモリブデンを主
成分とするパターン状の導体層を形成する工程とを具備
したことを特徴とするセラミック回路基板の製造方法。
【請求項２】前記タングステン粉末は、平均粒径が
０．２〜２．０μｍ、前記モリブデン粉末は平均粒径が
０．２〜５．０μｍ、であることを特徴とする請求項１
記載のセラミック回路基板の製造方法。