JPH0997862A - 高強度回路基板およびその製造方法 - Google Patents
高強度回路基板およびその製造方法Info
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- H05K—PRINTED CIRCUITS; CASINGS OR CONSTRUCTIONAL DETAILS OF ELECTRIC APPARATUS; MANUFACTURE OF ASSEMBLAGES OF ELECTRICAL COMPONENTS
- H05K1/00—Printed circuits
- H05K1/02—Details
- H05K1/03—Use of materials for the substrate
- H05K1/0306—Inorganic insulating substrates, e.g. ceramic, glass
-
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- H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H05K—PRINTED CIRCUITS; CASINGS OR CONSTRUCTIONAL DETAILS OF ELECTRIC APPARATUS; MANUFACTURE OF ASSEMBLAGES OF ELECTRICAL COMPONENTS
- H05K3/00—Apparatus or processes for manufacturing printed circuits
- H05K3/46—Manufacturing multilayer circuits
- H05K3/4644—Manufacturing multilayer circuits by building the multilayer layer by layer, i.e. build-up multilayer circuits
- H05K3/4673—Application methods or materials of intermediate insulating layers not specially adapted to any one of the previous methods of adding a circuit layer
- H05K3/4676—Single layer compositions
Landscapes
- Ceramic Products (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【課題】 導体層と絶縁体層との密着性が強固で、反り
や断線等の生じにくいＳｉ3 Ｎ4 セラミックスを用いた
回路基板および回路基板の製造方法、特に同時焼結によ
る一層配線や多層配線を有する高接合強度回路基板等を
提供することを目的とする。 【解決手段】 少なくとも絶縁体層２と、導体層３、４
とを含む回路基板１において、全絶縁体層のうち少なく
とも１層が、β−Ｓｉ3 Ｎ4 を主成分とし、希土類元素
およびアルカリ土類元素からなる群より選択される１種
以上の元素を含有する焼結体であり、かつ全導体層のう
ち少なくとも１層が、周期律表のIVａ、ＶａおよびVIａ
族に属する元素より選択される１種以上の元素と、希土
類元素およびアルカリ土類元素からなる群より選択され
る１種以上の元素を含有することを特徴とする回路基
板。
や断線等の生じにくいＳｉ3 Ｎ4 セラミックスを用いた
回路基板および回路基板の製造方法、特に同時焼結によ
る一層配線や多層配線を有する高接合強度回路基板等を
提供することを目的とする。 【解決手段】 少なくとも絶縁体層２と、導体層３、４
とを含む回路基板１において、全絶縁体層のうち少なく
とも１層が、β−Ｓｉ3 Ｎ4 を主成分とし、希土類元素
およびアルカリ土類元素からなる群より選択される１種
以上の元素を含有する焼結体であり、かつ全導体層のう
ち少なくとも１層が、周期律表のIVａ、ＶａおよびVIａ
族に属する元素より選択される１種以上の元素と、希土
類元素およびアルカリ土類元素からなる群より選択され
る１種以上の元素を含有することを特徴とする回路基
板。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、窒化珪素（Ｓｉ3
Ｎ4 ）焼結体を絶縁体層として用いた高強度回路基板お
よびそれを用いた半導体装置ならびに高強度回路基板の
製造方法に関する。特に、絶縁体層と導体層とが一体焼
結された一層配線または多層配線を有する高強度回路基
板等に関する。
Ｎ4 ）焼結体を絶縁体層として用いた高強度回路基板お
よびそれを用いた半導体装置ならびに高強度回路基板の
製造方法に関する。特に、絶縁体層と導体層とが一体焼
結された一層配線または多層配線を有する高強度回路基
板等に関する。
【０００２】
【従来の技術】電子機器の小型化にともない、回路基板
に実装される半導体素子からの発熱をいかに効率良く放
熱するかが重要な問題となっている。また、電力用半導
体素子の実装の場合も放熱は重要な問題である。
に実装される半導体素子からの発熱をいかに効率良く放
熱するかが重要な問題となっている。また、電力用半導
体素子の実装の場合も放熱は重要な問題である。
【０００３】従来から、回路基板用の絶縁材料としては
Ａｌ2 Ｏ3 セラミックが広く用いられている。ここで、
Ａｌ2 Ｏ3 は熱伝導性が最高でも２０W/mKと低いため、
放熱性に問題がある。また、特開昭６０−１７８６８８
号公報において、電気絶縁性等の絶縁体としての電気的
諸特性に優れ、かつ熱伝導性に優れたＡｌＮセラミック
の回路基板への応用が検討されている。
Ａｌ2 Ｏ3 セラミックが広く用いられている。ここで、
Ａｌ2 Ｏ3 は熱伝導性が最高でも２０W/mKと低いため、
放熱性に問題がある。また、特開昭６０−１７８６８８
号公報において、電気絶縁性等の絶縁体としての電気的
諸特性に優れ、かつ熱伝導性に優れたＡｌＮセラミック
の回路基板への応用が検討されている。
【０００４】しかしながら、ＡｌＮやＡｌ2 Ｏ3 は、半
導体素子からの発熱に起因する熱応力に対して弱く、Ａ
ｌＮセラミックスは４点曲げ強度で３００MPa 程度と強
度が低く熱応力が集中すると割れが発生するという問題
がある。これはＡｌＮに限った現象ではなく、Ａｌ2 Ｏ
3 でも焼結体強度が低いという理由によるもので同様の
割れ現象が見られる。また、ＡｌＮセラミックスは耐水
性や耐酸性、耐アルカリ性などの耐薬品性が悪く、また
外部端子を銀ろうや半田で接合する際の金属との熱膨張
係数の差により生ずる応力のために、電気的な金属端子
であるピン、リードやボールとの接着部分が破壊されや
すいなどの問題もある。
導体素子からの発熱に起因する熱応力に対して弱く、Ａ
ｌＮセラミックスは４点曲げ強度で３００MPa 程度と強
度が低く熱応力が集中すると割れが発生するという問題
がある。これはＡｌＮに限った現象ではなく、Ａｌ2 Ｏ
3 でも焼結体強度が低いという理由によるもので同様の
割れ現象が見られる。また、ＡｌＮセラミックスは耐水
性や耐酸性、耐アルカリ性などの耐薬品性が悪く、また
外部端子を銀ろうや半田で接合する際の金属との熱膨張
係数の差により生ずる応力のために、電気的な金属端子
であるピン、リードやボールとの接着部分が破壊されや
すいなどの問題もある。
【０００５】このような問題が概ね解決されたセラミッ
ク基板が、特開平４−２１２４４１号公報に示された。
このセラミック基板は、Ｓｉ3 Ｎ4 から構成され、アル
ミナ基板よりも熱放散性が高く、耐環境性、機械的強度
や電気的特性に優れたものである。
ク基板が、特開平４−２１２４４１号公報に示された。
このセラミック基板は、Ｓｉ3 Ｎ4 から構成され、アル
ミナ基板よりも熱放散性が高く、耐環境性、機械的強度
や電気的特性に優れたものである。
【０００６】ところで電子機器の小型化、高密度化を考
慮すると回路基板の配線にも高密度配線化が要求され、
多層化は必須の技術となっている。しかしながら、既存
の多層化技術はＡｌ2 Ｏ3 セラミック板やＡｌＮセラミ
ック板と導体層とを一体焼結するものであり、Ｓｉ3 Ｎ
4 セラミックス板と導体層の多層化技術は未だ確立され
ていない。また、既存の多層化技術においては、それに
より形成された回路基板或いは半導体装置においては、
反りの発生、導体回路の断線、或いは剥離等という問題
が存在する。
慮すると回路基板の配線にも高密度配線化が要求され、
多層化は必須の技術となっている。しかしながら、既存
の多層化技術はＡｌ2 Ｏ3 セラミック板やＡｌＮセラミ
ック板と導体層とを一体焼結するものであり、Ｓｉ3 Ｎ
4 セラミックス板と導体層の多層化技術は未だ確立され
ていない。また、既存の多層化技術においては、それに
より形成された回路基板或いは半導体装置においては、
反りの発生、導体回路の断線、或いは剥離等という問題
が存在する。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】本発明は、導体層と絶
縁体層との密着性が強固で、反りや断線等の生じにくい
Ｓｉ3 Ｎ4 セラミックスを用いた回路基板およびそれを
用いた半導体装置ならびに回路基板の製造方法、特に同
時焼結による一層配線や多層配線を有する高接合強度回
路基板等を提供することを目的とする。
縁体層との密着性が強固で、反りや断線等の生じにくい
Ｓｉ3 Ｎ4 セラミックスを用いた回路基板およびそれを
用いた半導体装置ならびに回路基板の製造方法、特に同
時焼結による一層配線や多層配線を有する高接合強度回
路基板等を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】本発明者らは、少なくと
も絶縁体層と、少なくとも導体層を含む回路基板におい
て、全絶縁体層のうち少なくとも１層が、β−Ｓｉ3 Ｎ
4 を主成分とし、希土類元素およびアルカリ土類元素か
らなる群より選択される１種以上の元素を含有する焼結
体であり、かつ全導体層のうち少なくとも１層が、周期
律表のIVａ、ＶａおよびVIａ族に属する元素より選択さ
れる１種以上の元素と、希土類元素およびアルカリ土類
元素からなる群より選択される１種以上の元素を含有す
ることを特徴とする回路基板およびそれを用いる半導体
装置が、上記課題を解決し得ることを見いだした。
も絶縁体層と、少なくとも導体層を含む回路基板におい
て、全絶縁体層のうち少なくとも１層が、β−Ｓｉ3 Ｎ
4 を主成分とし、希土類元素およびアルカリ土類元素か
らなる群より選択される１種以上の元素を含有する焼結
体であり、かつ全導体層のうち少なくとも１層が、周期
律表のIVａ、ＶａおよびVIａ族に属する元素より選択さ
れる１種以上の元素と、希土類元素およびアルカリ土類
元素からなる群より選択される１種以上の元素を含有す
ることを特徴とする回路基板およびそれを用いる半導体
装置が、上記課題を解決し得ることを見いだした。
【０００９】また、本発明者らは、焼結助剤として希土
類元素およびアルカリ土類元素からなる群より選択され
る元素を含有する化合物の少なくとも１種を添加した
後、α−Ｓｉ3 Ｎ4 を焼結して絶縁体層を形成させる工
程；周期律表のIVａ、ＶａおよびVIａ族に属する元素よ
り選択される１種以上の元素に、希土類元素およびアル
カリ土類元素からなる群より選択される１種以上の元素
を添加して導体層を形成させる工程；および絶縁体層と
導体層とを同時焼結する工程を含むことを特徴とする回
路基板の製造方法が、上記課題を解決し得ることを見い
だした。
類元素およびアルカリ土類元素からなる群より選択され
る元素を含有する化合物の少なくとも１種を添加した
後、α−Ｓｉ3 Ｎ4 を焼結して絶縁体層を形成させる工
程；周期律表のIVａ、ＶａおよびVIａ族に属する元素よ
り選択される１種以上の元素に、希土類元素およびアル
カリ土類元素からなる群より選択される１種以上の元素
を添加して導体層を形成させる工程；および絶縁体層と
導体層とを同時焼結する工程を含むことを特徴とする回
路基板の製造方法が、上記課題を解決し得ることを見い
だした。
【００１０】
【発明の実施の形態】まず、本発明に係る回路基板中の
絶縁体層について説明する。絶縁体層は、β−Ｓｉ3 Ｎ
4 を主成分とする多結晶焼結体である。この絶縁体層
は、強度が７００MPa 以上と高い。ここで、強度は、組
成や焼結条件の最適化により１，０００MPa 以上とする
のが好ましい。
絶縁体層について説明する。絶縁体層は、β−Ｓｉ3 Ｎ
4 を主成分とする多結晶焼結体である。この絶縁体層
は、強度が７００MPa 以上と高い。ここで、強度は、組
成や焼結条件の最適化により１，０００MPa 以上とする
のが好ましい。
【００１１】また、熱伝導率はアルミナのそれよりも高
い３０W/mK以上であることが好ましく、７０W/mK以上で
あることがより好ましい。例えば、７０W/mKの熱伝導率
を有する絶縁体層は、Ｓｉ3 Ｎ4 の原料粉末に含まれる
酸素量が少ないものを用いる。Ａｌ2 Ｏ3 を添加する場
合、添加量は０．８重量％以下が好ましく、０．２５重
量％以下がより好ましい。最適化を行うと、１３０W/mK
以上の熱伝導率を有する絶縁体層が得られる。
い３０W/mK以上であることが好ましく、７０W/mK以上で
あることがより好ましい。例えば、７０W/mKの熱伝導率
を有する絶縁体層は、Ｓｉ3 Ｎ4 の原料粉末に含まれる
酸素量が少ないものを用いる。Ａｌ2 Ｏ3 を添加する場
合、添加量は０．８重量％以下が好ましく、０．２５重
量％以下がより好ましい。最適化を行うと、１３０W/mK
以上の熱伝導率を有する絶縁体層が得られる。
【００１２】次に、この絶縁体層の製造方法を説明す
る。まず、Ｓｉ3 Ｎ4 グリーンシートを作成する。この
グリーンシートはＳｉ3 Ｎ4 粉末と焼結助剤、結合剤
（バインダ）などを溶剤と共に十分混合し、例えばドク
ターブレード法等により得ることができる。
る。まず、Ｓｉ3 Ｎ4 グリーンシートを作成する。この
グリーンシートはＳｉ3 Ｎ4 粉末と焼結助剤、結合剤
（バインダ）などを溶剤と共に十分混合し、例えばドク
ターブレード法等により得ることができる。
【００１３】用いるＳｉ3 Ｎ4 粉末に関し、特に制限は
ないが、絶縁体層の熱伝導率を考慮すると、酸素量が
３．０重量％以下のα−Ｓｉ3 Ｎ4 粉末を用いることが
好ましい。より好ましくは酸素量が２．０重量％未満で
あり、さらに好ましくは１．５重量％未満である。
ないが、絶縁体層の熱伝導率を考慮すると、酸素量が
３．０重量％以下のα−Ｓｉ3 Ｎ4 粉末を用いることが
好ましい。より好ましくは酸素量が２．０重量％未満で
あり、さらに好ましくは１．５重量％未満である。
【００１４】また、用いるＳｉ3 Ｎ4 粉末は、粒子径が
小さいものが揃っているほうが好ましく、平均粒子径は
２μm 未満であるものが好ましい。より好ましくは１μ
m 未満である。さらに好ましくは０．８μm 未満であ
る。特に１μm 未満の粒子を７０体積％以上含む粉末が
最適である。また、Ｓｉ3 Ｎ4 原料粉末は結晶系がαタ
イプを用いるのが好ましいが、βタイプの粉末が５０体
積％以下ならば使用することが可能である。また、陽イ
オン不純物は３，０００ppm 未満であることが好まし
い。より好ましくは１，５００ppm 、さらに好ましくは
９００ppm 未満である。陽イオン不純物を多量に含有す
ると、焼結体が高い熱伝導率を持たなくなるという欠点
が生じる。酸素以外の陰イオン不純物は、２，０００pp
m 未満であることが好ましい。より好ましくは１，００
０ppm 、さらに好ましくは５００ppm未満である。酸素
以外の陰イオン不純物も多量に含有すると、焼結体が高
い熱伝導率を持たなくなるという欠点が生じる。また、
焼結体中の酸素量も少なければ少ないほど熱伝導率が高
くなるので好ましい。
小さいものが揃っているほうが好ましく、平均粒子径は
２μm 未満であるものが好ましい。より好ましくは１μ
m 未満である。さらに好ましくは０．８μm 未満であ
る。特に１μm 未満の粒子を７０体積％以上含む粉末が
最適である。また、Ｓｉ3 Ｎ4 原料粉末は結晶系がαタ
イプを用いるのが好ましいが、βタイプの粉末が５０体
積％以下ならば使用することが可能である。また、陽イ
オン不純物は３，０００ppm 未満であることが好まし
い。より好ましくは１，５００ppm 、さらに好ましくは
９００ppm 未満である。陽イオン不純物を多量に含有す
ると、焼結体が高い熱伝導率を持たなくなるという欠点
が生じる。酸素以外の陰イオン不純物は、２，０００pp
m 未満であることが好ましい。より好ましくは１，００
０ppm 、さらに好ましくは５００ppm未満である。酸素
以外の陰イオン不純物も多量に含有すると、焼結体が高
い熱伝導率を持たなくなるという欠点が生じる。また、
焼結体中の酸素量も少なければ少ないほど熱伝導率が高
くなるので好ましい。
【００１５】次に、添加する焼結助剤は、ＳｃやＹなど
の希土類元素およびアルカリ土類元素の中から少なくと
も一種を単体および／または化合物の形で添加すれば良
い。例えば、Ｓｃ、Ｙ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｓ
ｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙ
ｂ、Ｌｕ、Ｂｅ、Ｍｇ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａがいずれも使
用できる。これらＹ、Ｃｅ、Ｌａ、Ｓｃ、Ｂｅ、Ｍｇな
どの希土類元素およびアルカリ土類元素は、Ｓｉ3 Ｎ4
セラミックスの緻密化に寄与すると共に、Ｓｉ3 Ｎ4 粉
中の酸素を粒界の副構成相にトラップし、高熱伝導化に
大きく貢献する。特に好ましい元素は、このような効果
の大きいＹ、Ｃｅ、Ｌａ、Ｙｂ、Ｓｃ、Ｂｅ、Ｍｇ元素
である。
の希土類元素およびアルカリ土類元素の中から少なくと
も一種を単体および／または化合物の形で添加すれば良
い。例えば、Ｓｃ、Ｙ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｓ
ｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙ
ｂ、Ｌｕ、Ｂｅ、Ｍｇ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａがいずれも使
用できる。これらＹ、Ｃｅ、Ｌａ、Ｓｃ、Ｂｅ、Ｍｇな
どの希土類元素およびアルカリ土類元素は、Ｓｉ3 Ｎ4
セラミックスの緻密化に寄与すると共に、Ｓｉ3 Ｎ4 粉
中の酸素を粒界の副構成相にトラップし、高熱伝導化に
大きく貢献する。特に好ましい元素は、このような効果
の大きいＹ、Ｃｅ、Ｌａ、Ｙｂ、Ｓｃ、Ｂｅ、Ｍｇ元素
である。
【００１６】これら元素を含有する化合物の形態として
は、酸化物の形態が特に好ましく、焼結条件下で酸化物
となる化合物も用いてもよい。つまり、炭酸塩、硝酸
塩、シュウ酸塩、硫酸塩、水酸化物なども使用すること
が可能である。このような焼結助剤は、酸化物はもとよ
り、ハロゲン化物、酸ハロゲン化物、アセチリド化合
物、炭化物、水素化物、窒化物、硼化物、ケイ化物、硫
化物等の形で添加される。これら希土類元素およびアル
カリ土類元素には、原料粉末中に含まれる酸素量との兼
ね合いで最適量を決定すべきではあるが、酸化物換算で
０．０１〜１５重量％であることが望ましい。好ましく
は０．１〜１０重量％、さらに好ましくは１〜８重量％
であることが望ましい。また、希土類元素およびアルカ
リ土類元素を含む化合物を両方添加するか、両類元素を
含有する複合化合物を添加すると低温で焼結することが
可能となり、焼結開始温度を最大で２００℃低下するこ
とができる。
は、酸化物の形態が特に好ましく、焼結条件下で酸化物
となる化合物も用いてもよい。つまり、炭酸塩、硝酸
塩、シュウ酸塩、硫酸塩、水酸化物なども使用すること
が可能である。このような焼結助剤は、酸化物はもとよ
り、ハロゲン化物、酸ハロゲン化物、アセチリド化合
物、炭化物、水素化物、窒化物、硼化物、ケイ化物、硫
化物等の形で添加される。これら希土類元素およびアル
カリ土類元素には、原料粉末中に含まれる酸素量との兼
ね合いで最適量を決定すべきではあるが、酸化物換算で
０．０１〜１５重量％であることが望ましい。好ましく
は０．１〜１０重量％、さらに好ましくは１〜８重量％
であることが望ましい。また、希土類元素およびアルカ
リ土類元素を含む化合物を両方添加するか、両類元素を
含有する複合化合物を添加すると低温で焼結することが
可能となり、焼結開始温度を最大で２００℃低下するこ
とができる。
【００１７】また、焼結の補助添加物として、Ｓｉ元素
を含有する化合物を添加すると焼結性が向上することが
あり、必要ならば添加する。具体的な一例としては、酸
素量が少ないＳｉ3 Ｎ4 原料粉末を用いた場合、焼結性
向上のためにＳｉＯ2 を添加すると容易に緻密な焼結体
を得ることができる。また、Ａｌ元素を含む化合物を添
加すると、粒界成分が結晶化し強度の高いＳｉ3 Ｎ4 焼
結体が得られる。ＡｌＮを添加しても同様の効果が得ら
れる。
を含有する化合物を添加すると焼結性が向上することが
あり、必要ならば添加する。具体的な一例としては、酸
素量が少ないＳｉ3 Ｎ4 原料粉末を用いた場合、焼結性
向上のためにＳｉＯ2 を添加すると容易に緻密な焼結体
を得ることができる。また、Ａｌ元素を含む化合物を添
加すると、粒界成分が結晶化し強度の高いＳｉ3 Ｎ4 焼
結体が得られる。ＡｌＮを添加しても同様の効果が得ら
れる。
【００１８】更に、回路基板は用途に応じて、着色、つ
まり遮光性が求められる。この場合には、周期律表のIV
ａ、Ｖａ、VIａ、VII ａ、VIII族元素単体或いは化合物
を添加すれば近紫外域から赤外域までの遮光が可能とな
る。添加量は、元素換算で０．０３〜５重量％添加すれ
ば良い。より好ましくは０．１〜３重量％、さらに好ま
しくは、０．２〜１重量％添加すれば良い。
まり遮光性が求められる。この場合には、周期律表のIV
ａ、Ｖａ、VIａ、VII ａ、VIII族元素単体或いは化合物
を添加すれば近紫外域から赤外域までの遮光が可能とな
る。添加量は、元素換算で０．０３〜５重量％添加すれ
ば良い。より好ましくは０．１〜３重量％、さらに好ま
しくは、０．２〜１重量％添加すれば良い。
【００１９】これら焼結助剤等の添加物は、予め原料粉
末に添加すれば良い。ただし、添加物の種類によって
は、含浸等の方法で後に添加しても良い。
末に添加すれば良い。ただし、添加物の種類によって
は、含浸等の方法で後に添加しても良い。
【００２０】次に、用いる結合剤は、１，４００℃以下
の温度で分解する有機高分子体が好ましい。具体的に
は、ポリメチルメタクリレート、ポリビニルブチラー
ル、ポリアクリル酸エステル、ポリビニルアルコール、
セルロースアセテートブチレート、セルロース等の酸素
含有有機高分子体が一種または二種、あるいは三種以上
混合したものを用いることができる。バインダの種類や
量ならびに溶剤量等の選択はＳｉ3 Ｎ4 原料粉末の特性
や、作製したいシートの厚み等で随意選択する。また、
脱バインダは、Ｎ2 、Ａｒ、Ｈ2 、等の非酸化性雰囲気
中で行えばよい。さらに、脱バインダ後のカーボンを少
なくしたい場合にはＨ2 Ｏを含有させてもよい。以上の
ようなＳｉ3 Ｎ4 粉末、焼結助剤や結合剤等を含有する
グリーンシートを焼結すると絶縁層が形成されるが、好
ましい焼結条件については後述する。
の温度で分解する有機高分子体が好ましい。具体的に
は、ポリメチルメタクリレート、ポリビニルブチラー
ル、ポリアクリル酸エステル、ポリビニルアルコール、
セルロースアセテートブチレート、セルロース等の酸素
含有有機高分子体が一種または二種、あるいは三種以上
混合したものを用いることができる。バインダの種類や
量ならびに溶剤量等の選択はＳｉ3 Ｎ4 原料粉末の特性
や、作製したいシートの厚み等で随意選択する。また、
脱バインダは、Ｎ2 、Ａｒ、Ｈ2 、等の非酸化性雰囲気
中で行えばよい。さらに、脱バインダ後のカーボンを少
なくしたい場合にはＨ2 Ｏを含有させてもよい。以上の
ようなＳｉ3 Ｎ4 粉末、焼結助剤や結合剤等を含有する
グリーンシートを焼結すると絶縁層が形成されるが、好
ましい焼結条件については後述する。
【００２１】次に、本発明に係る回路基板中の導体層に
ついて説明する。
ついて説明する。
【００２２】この導体層中の導電体は特に限定されるも
のではなく、Ｓｉ3 Ｎ4 セラミックスの焼結温度に耐え
得るものであればよい。好ましくは、周期律表のIVａ、
Ｖａ、VIａ族元素単体或いは化合物を含む。導電体の種
類として、さらに好ましくはＭｏ、Ｗ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｎ
ｂ、Ｔａの単体の金属や、これら元素を含む化合物を使
用すると良い。さらに好ましくはＭｏ、Ｗ、Ｔｉ、Ｚｒ
である。また、周期律表のIVａ、Ｖａ、VIａ族元素のう
ち異種元素を混合してもよいし、単体金属と化合物の両
者を使用してもよい。さらには、微量の低融点貴金属元
素（Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｐｔ、Ｐｄ等）を含有してもよ
い。
のではなく、Ｓｉ3 Ｎ4 セラミックスの焼結温度に耐え
得るものであればよい。好ましくは、周期律表のIVａ、
Ｖａ、VIａ族元素単体或いは化合物を含む。導電体の種
類として、さらに好ましくはＭｏ、Ｗ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｎ
ｂ、Ｔａの単体の金属や、これら元素を含む化合物を使
用すると良い。さらに好ましくはＭｏ、Ｗ、Ｔｉ、Ｚｒ
である。また、周期律表のIVａ、Ｖａ、VIａ族元素のう
ち異種元素を混合してもよいし、単体金属と化合物の両
者を使用してもよい。さらには、微量の低融点貴金属元
素（Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｐｔ、Ｐｄ等）を含有してもよ
い。
【００２３】本発明の導体層中には、更に、アルカリ土
類元素および希土類元素から選択される少なくとも１種
の元素が含まれる。希土類元素およびアルカリ土類元素
としては、例えば、Ｓｃ、Ｙ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎ
ｄ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔ
ｍ、Ｙｂ、Ｌｕ、Ｂｅ、Ｍｇ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａが挙げ
られる。特に、工業的には、Ｙ、Ｃｅ、Ｌａ、Ｙｂ、Ｓ
ｃ、Ｂｅ、Ｍｇが好ましい。また、焼結条件下で酸化物
となる化合物も用い得、炭酸塩、硝酸塩、シュウ酸塩、
硫酸塩、水酸化物なども使用することが可能である。こ
のような添加物は、酸化物の形態以外にも、ハロゲン化
物、酸ハロゲン化物、アセチリド化合物、炭化物、水素
化物、窒化物、硼化物、ケイ化物、硫化物等の形態で添
加される。
類元素および希土類元素から選択される少なくとも１種
の元素が含まれる。希土類元素およびアルカリ土類元素
としては、例えば、Ｓｃ、Ｙ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎ
ｄ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔ
ｍ、Ｙｂ、Ｌｕ、Ｂｅ、Ｍｇ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａが挙げ
られる。特に、工業的には、Ｙ、Ｃｅ、Ｌａ、Ｙｂ、Ｓ
ｃ、Ｂｅ、Ｍｇが好ましい。また、焼結条件下で酸化物
となる化合物も用い得、炭酸塩、硝酸塩、シュウ酸塩、
硫酸塩、水酸化物なども使用することが可能である。こ
のような添加物は、酸化物の形態以外にも、ハロゲン化
物、酸ハロゲン化物、アセチリド化合物、炭化物、水素
化物、窒化物、硼化物、ケイ化物、硫化物等の形態で添
加される。
【００２４】希土類元素およびアルカリ土類元素から選
択される元素を含有する化合物の導体層中の含有量は、
酸化物換算で０．０１〜１５重量％が好ましい。あまり
多いと導体層の導電率が低下し、少ないと導体層の剥離
防止、基板の反り防止などの効果を得ることができない
からである。
択される元素を含有する化合物の導体層中の含有量は、
酸化物換算で０．０１〜１５重量％が好ましい。あまり
多いと導体層の導電率が低下し、少ないと導体層の剥離
防止、基板の反り防止などの効果を得ることができない
からである。
【００２５】導体層中に、更に、Ｓｉおよび／またはＡ
ｌ元素を含有する単体もしくは化合物を添加すると、無
添加時と比較して、相対密度の大きな緻密な導体層が得
られ、導体層の剥離防止および接合強度の向上、基板の
反り防止などの効果が得られる。このような添加物は、
同時燒結時にアルミネート液相やシリケート液相を形成
する。また、同時燒結時に絶縁体層中にもアルミネート
液相やシリケート液相が生ずる。このように、導体層中
にアルミネート液相やシリケート液相が生じることによ
り、絶縁体層に生じる液相の導体層による吸い上げが防
止され、このような吸い上げによる絶縁体層中の組成の
不均一を防止し、基板の反りを防止することができる。
この添加は、希土類元素およびアルカリ土類元素から選
択される元素を含有する化合物との混合の形態でも、こ
れら元素との複合化合物の形態で行ってもよい。この場
合、希土類元素およびアルカリ土類元素から選択される
元素を含有する化合物の量と、Ｓｉおよび／またはＡｌ
元素を含有する単体もしくは化合物の混合物（或いはこ
れらの元素を含有する複合化合物の形態で）の量の合計
では、酸化物換算で０．０５〜２０重量％が好ましい。
ｌ元素を含有する単体もしくは化合物を添加すると、無
添加時と比較して、相対密度の大きな緻密な導体層が得
られ、導体層の剥離防止および接合強度の向上、基板の
反り防止などの効果が得られる。このような添加物は、
同時燒結時にアルミネート液相やシリケート液相を形成
する。また、同時燒結時に絶縁体層中にもアルミネート
液相やシリケート液相が生ずる。このように、導体層中
にアルミネート液相やシリケート液相が生じることによ
り、絶縁体層に生じる液相の導体層による吸い上げが防
止され、このような吸い上げによる絶縁体層中の組成の
不均一を防止し、基板の反りを防止することができる。
この添加は、希土類元素およびアルカリ土類元素から選
択される元素を含有する化合物との混合の形態でも、こ
れら元素との複合化合物の形態で行ってもよい。この場
合、希土類元素およびアルカリ土類元素から選択される
元素を含有する化合物の量と、Ｓｉおよび／またはＡｌ
元素を含有する単体もしくは化合物の混合物（或いはこ
れらの元素を含有する複合化合物の形態で）の量の合計
では、酸化物換算で０．０５〜２０重量％が好ましい。
【００２６】次に、本発明の回路基板の製造方法につい
て説明する。
て説明する。
【００２７】まず、同時焼結した後も導電性を維持し得
る、具体的には周期律表のIVａ、Ｖａ、VIａ族元素単体
或いは化合物の粉末をペースト化し、Ｓｉ3 Ｎ4 グリー
ンシート上に所望のパターンで印刷する。この時、グリ
ーンシートにはパンチングマシーンなどを用いてビアホ
ールを形成しておき、予め焼結後導体となる導電ペース
トを、圧入やメタルマスクなどを用いて印刷充填などに
より充填しておく。このビアホールによりグリーンシー
トをはさむ上下導体間の電気的接続を行う。
る、具体的には周期律表のIVａ、Ｖａ、VIａ族元素単体
或いは化合物の粉末をペースト化し、Ｓｉ3 Ｎ4 グリー
ンシート上に所望のパターンで印刷する。この時、グリ
ーンシートにはパンチングマシーンなどを用いてビアホ
ールを形成しておき、予め焼結後導体となる導電ペース
トを、圧入やメタルマスクなどを用いて印刷充填などに
より充填しておく。このビアホールによりグリーンシー
トをはさむ上下導体間の電気的接続を行う。
【００２８】この導体ペーストには、希土類元素および
アルカリ土類元素の少なくとも一種を含む単体や化合
物、さらには必要に応じてＳｉおよび／またはＡｌ元素
を含有する単体や化合物を添加する。
アルカリ土類元素の少なくとも一種を含む単体や化合
物、さらには必要に応じてＳｉおよび／またはＡｌ元素
を含有する単体や化合物を添加する。
【００２９】このＳｉ元素やＡｌ元素を、希土類元素等
を含有する単体もしくは化合物と共に、混合物の形態で
添加する場合には、アルミネートやシリケートを形成す
るような比率で混合することが好ましい。例えば、Ａｌ
元素を含む化合物としてアルミナを添加する場合、アル
ミナの量はアルミネートを形成できるように０．０３〜
１０重量％であることが好ましい。より好ましくは０．
０５〜５重量％であり、さらに好ましくは０．１〜１重
量％である。また、例えば、Ｓｉ元素を含む化合物とし
てＳｉＯ2 を添加する場合、ＳｉＯ2 の量はシリケート
を形成できるように０．０３〜１０重量％であることが
好ましい。より好ましくは０．０５〜５重量％であり、
さらに好ましくは０．１〜１重量％である。
を含有する単体もしくは化合物と共に、混合物の形態で
添加する場合には、アルミネートやシリケートを形成す
るような比率で混合することが好ましい。例えば、Ａｌ
元素を含む化合物としてアルミナを添加する場合、アル
ミナの量はアルミネートを形成できるように０．０３〜
１０重量％であることが好ましい。より好ましくは０．
０５〜５重量％であり、さらに好ましくは０．１〜１重
量％である。また、例えば、Ｓｉ元素を含む化合物とし
てＳｉＯ2 を添加する場合、ＳｉＯ2 の量はシリケート
を形成できるように０．０３〜１０重量％であることが
好ましい。より好ましくは０．０５〜５重量％であり、
さらに好ましくは０．１〜１重量％である。
【００３０】また、導体層中の、希土類元素やアルカリ
土類元素から選択される元素は、Ｓｉ3 Ｎ4 セラミック
の焼結助剤と同種のものを用いることが好ましい。異種
のものを用いても、絶縁層中と導体層中に、アルミネー
トやシリケートは生成するが、同種のものを用いると、
絶縁層中と導体層中に同一のアルミネートやシリケート
が生成し、より組織の不均一化が防止され、前記吸い上
げが防止される。したがって、基板の反りがさらに防止
されることになる。
土類元素から選択される元素は、Ｓｉ3 Ｎ4 セラミック
の焼結助剤と同種のものを用いることが好ましい。異種
のものを用いても、絶縁層中と導体層中に、アルミネー
トやシリケートは生成するが、同種のものを用いると、
絶縁層中と導体層中に同一のアルミネートやシリケート
が生成し、より組織の不均一化が防止され、前記吸い上
げが防止される。したがって、基板の反りがさらに防止
されることになる。
【００３１】なお、導体の体積が大きくなるビアホール
部分にのみ上記元素を単体または化合物の形態で添加し
ても、基板の反りが発生しないことがある。すなわち、
基板の大きさや、設計で決めた導体層の配置によって
は、少なくとも一部分の導体層に添加すれば反りの少な
い回路基板が得られる場合がある。
部分にのみ上記元素を単体または化合物の形態で添加し
ても、基板の反りが発生しないことがある。すなわち、
基板の大きさや、設計で決めた導体層の配置によって
は、少なくとも一部分の導体層に添加すれば反りの少な
い回路基板が得られる場合がある。
【００３２】このような成分を含有する導電ペーストを
塗布した多層グリーン成形体を脱バインダした後、焼結
工程に供する。この焼結工程は特に限定されず公知の窒
化ケイ素で行われる焼結方法がそのまま採用される。焼
結炉にセットする際のセッターの材質は、グラファイ
ト、ＢＮ、ＡｌＮ等を用いると回路基板の焼結は可能と
なるが、最も好ましいのはＳｉ3 Ｎ4 でできたセッター
であり、これを用いると高温で焼結しても、焼結体の一
部で起こりやすい反応（セッターと非焼結物間の反応）
が全く起こらず、焼結上りの表面粗さは非常に小さなも
のとなり良好な回路基板が得られる。表面粗さは、平均
表面粗さＲａで１．０μm 以下になる。より良好な表面
を持つものでは０．５μm 以下、さらに良好な表面を持
つものでは０．３μm 以下になる。一般には、常圧下、
加圧下または減圧下の非酸化性雰囲気下、例えば窒素雰
囲気やアルゴン雰囲気の下で１，５００℃〜１，９５０
℃の温度で焼結を実施すればよい。焼結温度を高い温度
に設定すると珪化物が一部生成するが、焼結温度を１８
５０℃以下に設定すると、珪化物の生成は少なくなる。
より好ましくは１，８００℃以下であり、さらに好まし
くは１，７５０℃以下である。焼結に必要な時間は焼結
に供される成形体の厚さや焼結温度などの諸条件によっ
て異なるが、一般に、０．５時間〜１００時間の範囲か
ら選択をすればよい。これらの条件は実施に先立ち諸条
件に応じて適当な範囲を予め決定して実施するのが好ま
しい。
塗布した多層グリーン成形体を脱バインダした後、焼結
工程に供する。この焼結工程は特に限定されず公知の窒
化ケイ素で行われる焼結方法がそのまま採用される。焼
結炉にセットする際のセッターの材質は、グラファイ
ト、ＢＮ、ＡｌＮ等を用いると回路基板の焼結は可能と
なるが、最も好ましいのはＳｉ3 Ｎ4 でできたセッター
であり、これを用いると高温で焼結しても、焼結体の一
部で起こりやすい反応（セッターと非焼結物間の反応）
が全く起こらず、焼結上りの表面粗さは非常に小さなも
のとなり良好な回路基板が得られる。表面粗さは、平均
表面粗さＲａで１．０μm 以下になる。より良好な表面
を持つものでは０．５μm 以下、さらに良好な表面を持
つものでは０．３μm 以下になる。一般には、常圧下、
加圧下または減圧下の非酸化性雰囲気下、例えば窒素雰
囲気やアルゴン雰囲気の下で１，５００℃〜１，９５０
℃の温度で焼結を実施すればよい。焼結温度を高い温度
に設定すると珪化物が一部生成するが、焼結温度を１８
５０℃以下に設定すると、珪化物の生成は少なくなる。
より好ましくは１，８００℃以下であり、さらに好まし
くは１，７５０℃以下である。焼結に必要な時間は焼結
に供される成形体の厚さや焼結温度などの諸条件によっ
て異なるが、一般に、０．５時間〜１００時間の範囲か
ら選択をすればよい。これらの条件は実施に先立ち諸条
件に応じて適当な範囲を予め決定して実施するのが好ま
しい。
【００３３】得られるＳｉ3 Ｎ4 回路基板を高熱伝導で
緻密、さらには高強度にするためには、特に１，０００
℃以上の高温部で平均昇温速度を１〜４０℃/minの範囲
とすることが好ましい。より好ましくは、５〜３０℃/m
in、さらに好ましくは８〜２５℃/minの範囲とすること
が好ましい。上記焼結により、相対密度が９５％以上の
Ｓｉ3 Ｎ4 絶縁層が得られる。より緻密なものとして９
８％以上、さらには９９％以上の絶縁層が得られる。
緻密、さらには高強度にするためには、特に１，０００
℃以上の高温部で平均昇温速度を１〜４０℃/minの範囲
とすることが好ましい。より好ましくは、５〜３０℃/m
in、さらに好ましくは８〜２５℃/minの範囲とすること
が好ましい。上記焼結により、相対密度が９５％以上の
Ｓｉ3 Ｎ4 絶縁層が得られる。より緻密なものとして９
８％以上、さらには９９％以上の絶縁層が得られる。
【００３４】このようにして製造された回路基板は次の
ような特性を有する。
ような特性を有する。
【００３５】まず、この本発明の回路基板は、表裏平行
度が非常に小さな値となっており、反りやうねりが非常
に小さいので、外部端子の数が非常に多い（例えば１，
０００端子以上の）回路基板でも実装時に半田接続が容
易に行うことができる。基板の反りやうねりの有無を表
す表裏平行度は、焼結体多層回路基板の対角線１０cm当
たりを基準にして中央部と周縁部との反りの最大値を測
定して求めたが、この値が０．５mm以下の非常に小さな
値となる。大面積の回路基板の場合には、表裏平行度が
０．３mm以下の基板を用いれば実装が可能となる。
度が非常に小さな値となっており、反りやうねりが非常
に小さいので、外部端子の数が非常に多い（例えば１，
０００端子以上の）回路基板でも実装時に半田接続が容
易に行うことができる。基板の反りやうねりの有無を表
す表裏平行度は、焼結体多層回路基板の対角線１０cm当
たりを基準にして中央部と周縁部との反りの最大値を測
定して求めたが、この値が０．５mm以下の非常に小さな
値となる。大面積の回路基板の場合には、表裏平行度が
０．３mm以下の基板を用いれば実装が可能となる。
【００３６】また、この回路基板の内部抵抗は、表面抵
抗および内部抵抗が２００μΩcm以下と良好な値であっ
た。また、Ｓｉおよび／またはＡｌ元素を含有させて導
体層を形成させた場合には、導体の密度が高くなり抵抗
率が低い導体が得られると共に、珪化物の生成も同時に
押さえられ、低抵抗な導体が形成される。この最適化に
より、５０μΩcm以下、場合によっては２０μΩcmの抵
抗率を有する回路基板が得られた。なお、珪化物の生成
を押さえる方法として、導体層中にＡｌＮをフィーラー
として添加してもよい。
抗および内部抵抗が２００μΩcm以下と良好な値であっ
た。また、Ｓｉおよび／またはＡｌ元素を含有させて導
体層を形成させた場合には、導体の密度が高くなり抵抗
率が低い導体が得られると共に、珪化物の生成も同時に
押さえられ、低抵抗な導体が形成される。この最適化に
より、５０μΩcm以下、場合によっては２０μΩcmの抵
抗率を有する回路基板が得られた。なお、珪化物の生成
を押さえる方法として、導体層中にＡｌＮをフィーラー
として添加してもよい。
【００３７】更に、この回路基板中の絶縁体層と導体層
の接合強度は、５ kg/２mm×２mm以上の値となる。５ k
g/２mm×２mm未満の値では、外部端子にピンを用いた場
合、接合強度としては不足であり、Ｓｉ3 Ｎ4 と導体間
でピンの脱落が生じる。特に、ＢＧＡ（ボールグリッド
アレイパッケージ）の場合に、プリント配線板のような
熱膨張率の大きな有機材料にボール間隔が狭ピッチで、
表面実装を行うときにはさらに高強度な接合強度が要求
される。その時には６ kg/２mm×２mm以上の接合強度を
有する、導体層組成を選択すればよい。さらに最適化す
ることで７ kg/２mm×２mm以上の接合強度を有する。
の接合強度は、５ kg/２mm×２mm以上の値となる。５ k
g/２mm×２mm未満の値では、外部端子にピンを用いた場
合、接合強度としては不足であり、Ｓｉ3 Ｎ4 と導体間
でピンの脱落が生じる。特に、ＢＧＡ（ボールグリッド
アレイパッケージ）の場合に、プリント配線板のような
熱膨張率の大きな有機材料にボール間隔が狭ピッチで、
表面実装を行うときにはさらに高強度な接合強度が要求
される。その時には６ kg/２mm×２mm以上の接合強度を
有する、導体層組成を選択すればよい。さらに最適化す
ることで７ kg/２mm×２mm以上の接合強度を有する。
【００３８】本発明の回路基板を用いた好適な半導体装
置を、図２及び図３を参照しながら説明する。この半導
体装置は、基板上面１２ａにＥＣＬなどの半導体素子６
が搭載され、この半導体素子と電気的に接続された配線
パターンを有する多層セラミック回路基板１２と、前記
配線パターンと電気的に接続されるとともに、多層セラ
ミック回路基板１２の基板下面１２ｂに形成された外部
端子と、半導体素子６を覆うように、多層セラミック回
路基板の基板上面１２ａに接合された高熱伝導性封止部
材１３とを備えている。ただし、外部端子と半導体素子
が同一の一主面にあっても特に問題なく使用することが
できる。なお、外部端子は、好ましくは図２に示される
ようにリードピン７であり、或いは図３に示されるよう
に半田ボール１５（ＢＧＡボールグリッドアレイ）でも
よい。また、高熱伝導性部材は、１００W/mK以上の熱伝
導率を有する窒化ケイ素或いは窒化アルミニウム焼結体
や、合金を含む金属から構成すると良い。
置を、図２及び図３を参照しながら説明する。この半導
体装置は、基板上面１２ａにＥＣＬなどの半導体素子６
が搭載され、この半導体素子と電気的に接続された配線
パターンを有する多層セラミック回路基板１２と、前記
配線パターンと電気的に接続されるとともに、多層セラ
ミック回路基板１２の基板下面１２ｂに形成された外部
端子と、半導体素子６を覆うように、多層セラミック回
路基板の基板上面１２ａに接合された高熱伝導性封止部
材１３とを備えている。ただし、外部端子と半導体素子
が同一の一主面にあっても特に問題なく使用することが
できる。なお、外部端子は、好ましくは図２に示される
ようにリードピン７であり、或いは図３に示されるよう
に半田ボール１５（ＢＧＡボールグリッドアレイ）でも
よい。また、高熱伝導性部材は、１００W/mK以上の熱伝
導率を有する窒化ケイ素或いは窒化アルミニウム焼結体
や、合金を含む金属から構成すると良い。
【００３９】上記構成に係る半導体装置によれば、半導
体素子において発生する熱が、効率良く、放熱フィンな
ど（フィンを用いない場合もある）に伝達され、優れた
放熱性を発揮させることができる。
体素子において発生する熱が、効率良く、放熱フィンな
ど（フィンを用いない場合もある）に伝達され、優れた
放熱性を発揮させることができる。
【００４０】また、半導体装置の構造の上で、外部端子
の接合面と対向する窒化ケイ素回路基板の他の主面に半
導体素子を搭載した場合には、多ピン化に対応させた上
で半導体装置を小形化することができ、高速の半導体装
置としてもより好ましい。また、半導体が作動している
時と作動停止した時の温度変化が生じた時に、回路基板
の絶縁層が窒化ケイ素で構成されているため、外部端子
のピンや半田ボール部分に応力がかかる。しかし、強度
が高いために、割れなどの不具合は発生しない。さら
に、一つの回路基板に多数の半導体を搭載するマルチチ
ップモジュール（ＭＣＭ）の形で、半導体装置を構成す
ると、広い面積で外部端子をボードに接合しなければな
らないが、この場合にも耐熱応力の点で十分使用できる
だけの信頼性が得られる。
の接合面と対向する窒化ケイ素回路基板の他の主面に半
導体素子を搭載した場合には、多ピン化に対応させた上
で半導体装置を小形化することができ、高速の半導体装
置としてもより好ましい。また、半導体が作動している
時と作動停止した時の温度変化が生じた時に、回路基板
の絶縁層が窒化ケイ素で構成されているため、外部端子
のピンや半田ボール部分に応力がかかる。しかし、強度
が高いために、割れなどの不具合は発生しない。さら
に、一つの回路基板に多数の半導体を搭載するマルチチ
ップモジュール（ＭＣＭ）の形で、半導体装置を構成す
ると、広い面積で外部端子をボードに接合しなければな
らないが、この場合にも耐熱応力の点で十分使用できる
だけの信頼性が得られる。
【００４１】本発明をさらに具体的に説明するために、
以下に実施例を挙げて説明するが、本発明はこれらの実
施例に限定されるものではない。
以下に実施例を挙げて説明するが、本発明はこれらの実
施例に限定されるものではない。
【００４２】
【実施例】以下に本発明の実施例を説明する。 （実施例１）α−Ｓｉ3 Ｎ4 を９５％含有し、他はβ相
であり、不純物として酸素を１．４重量％含有し、平均
粒径が０．６μm のＳｉ3 Ｎ4 粉末に、焼結助剤として
平均粒径０．７μm のＹ2 Ｏ3 を５重量％、平均粒径が
０．８μm の０．２５重量％のα−Ａｌ2 Ｏ3 を添加
し、着色剤としてＷＯ3 をＷ金属換算で０．３重量％添
加し、Ｓｉ3 Ｎ4 製ボールを用いて２４時間湿式混合を
行い原料を調整した。ついで、この原料に有機バインダ
ーを有機溶媒と共に分散し、スラリーを作製した。この
スラリーを脱泡した後、ドクタープレード法により、１
００〜８００μm程度の均一なグリーンシートを作製し
た。次に、このシートを約１３０mm×１３０mmの大きさ
に切断し、各層間の電気回路の接続になるビアホールを
パンチングマシーンで１００〜３００μm φの太さに開
けた。
であり、不純物として酸素を１．４重量％含有し、平均
粒径が０．６μm のＳｉ3 Ｎ4 粉末に、焼結助剤として
平均粒径０．７μm のＹ2 Ｏ3 を５重量％、平均粒径が
０．８μm の０．２５重量％のα−Ａｌ2 Ｏ3 を添加
し、着色剤としてＷＯ3 をＷ金属換算で０．３重量％添
加し、Ｓｉ3 Ｎ4 製ボールを用いて２４時間湿式混合を
行い原料を調整した。ついで、この原料に有機バインダ
ーを有機溶媒と共に分散し、スラリーを作製した。この
スラリーを脱泡した後、ドクタープレード法により、１
００〜８００μm程度の均一なグリーンシートを作製し
た。次に、このシートを約１３０mm×１３０mmの大きさ
に切断し、各層間の電気回路の接続になるビアホールを
パンチングマシーンで１００〜３００μm φの太さに開
けた。
【００４３】一方、平均粒径１．１μm のタングステン
９７．０重量％と平均粒径０．７μm のＹ2 Ｏ3 を１．
７１重量％、平均粒径０．８μm のＡｌ2 Ｏ3 を１．２
９重量％を有機溶媒と共に混合、分散し、フィラー添加
の導体ペーストを作製した。ビアホールの形成されたグ
リーンシート上に、この無機質フィラー添加のタングス
テンペーストを圧入機を用いて充填し、さらにスクリー
ン印刷機を用いて同一面内の回路を印刷した。これら複
数枚を加熱プレスすることで積層過程を終えた。これを
１０mmの大きさにカットし、次にＮ2 ＋Ｈ2 ＋Ｈ2 Ｏ雰
囲気中、最高温度９００℃で脱バインダを行った後、Ｓ
ｉ3 Ｎ4 セッターに脱バインダした成形体を配置し、窒
素雰囲気１０気圧中１，８５０℃で３時間加圧焼結し、
多層セラミック基板を得た。得られた基板の導体部のな
い部分から円板（直径１０mm、厚さ３．５mm）を切り出
し、これを試験片としてレーザーフラッシュ法により熱
伝導率を測定した。
９７．０重量％と平均粒径０．７μm のＹ2 Ｏ3 を１．
７１重量％、平均粒径０．８μm のＡｌ2 Ｏ3 を１．２
９重量％を有機溶媒と共に混合、分散し、フィラー添加
の導体ペーストを作製した。ビアホールの形成されたグ
リーンシート上に、この無機質フィラー添加のタングス
テンペーストを圧入機を用いて充填し、さらにスクリー
ン印刷機を用いて同一面内の回路を印刷した。これら複
数枚を加熱プレスすることで積層過程を終えた。これを
１０mmの大きさにカットし、次にＮ2 ＋Ｈ2 ＋Ｈ2 Ｏ雰
囲気中、最高温度９００℃で脱バインダを行った後、Ｓ
ｉ3 Ｎ4 セッターに脱バインダした成形体を配置し、窒
素雰囲気１０気圧中１，８５０℃で３時間加圧焼結し、
多層セラミック基板を得た。得られた基板の導体部のな
い部分から円板（直径１０mm、厚さ３．５mm）を切り出
し、これを試験片としてレーザーフラッシュ法により熱
伝導率を測定した。
【００４４】また、基板の反りの有無を表す表裏平行度
は、焼結体多層基板の対角線を基準にして中央部と周縁
部との反りの最大値を測定することにより求めた。
は、焼結体多層基板の対角線を基準にして中央部と周縁
部との反りの最大値を測定することにより求めた。
【００４５】次に、導体層の断面積を算出し抵抗値か
ら、導体層の導体抵抗率を求めた。ただし表面の配線に
関しては導体層に、金属メッキなどを行わずに測定し、
無機質フィラーの添加の効果を見た。さらに、得られた
基板の２mmの導体部分にＮｉメッキをした後、ワイヤー
を半田付けし、引っ張り強度試験を行い、Ｓｉ3 Ｎ4 基
板と導体層間の接着強度を測定した。これらの結果を第
１表と第２表に示した。
ら、導体層の導体抵抗率を求めた。ただし表面の配線に
関しては導体層に、金属メッキなどを行わずに測定し、
無機質フィラーの添加の効果を見た。さらに、得られた
基板の２mmの導体部分にＮｉメッキをした後、ワイヤー
を半田付けし、引っ張り強度試験を行い、Ｓｉ3 Ｎ4 基
板と導体層間の接着強度を測定した。これらの結果を第
１表と第２表に示した。
【００４６】Ｓｉ3 Ｎ4 粉末の種類、Ｓｉ3 Ｎ4 基板の
焼結助剤粉末の種類、焼結助剤フィラーの種類、量、導
電体および焼結条件を種々に変えて、上記実施例１と同
様にして、Ｓｉ3 Ｎ4 多層セラミック基板を作製し、そ
れぞれについて、同じく熱伝導率、引っ張り強度、表裏
平行度および表面抵抗を測定した。結果を第１表と第２
表に示した。第２表から明らかなように本発明に係る回
路基板では、導体層の密着強度が向上することがわか
る。
焼結助剤粉末の種類、焼結助剤フィラーの種類、量、導
電体および焼結条件を種々に変えて、上記実施例１と同
様にして、Ｓｉ3 Ｎ4 多層セラミック基板を作製し、そ
れぞれについて、同じく熱伝導率、引っ張り強度、表裏
平行度および表面抵抗を測定した。結果を第１表と第２
表に示した。第２表から明らかなように本発明に係る回
路基板では、導体層の密着強度が向上することがわか
る。
【００４７】例えば、実施例１では引っ張り強度が６．
８kg/ ２mm×２mmであるのに対し比較例１では３．５ k
g/２mm×２mmと密着強度が不十分であった。また、本発
明における同時焼結体は、表裏焼結体で表した反りが少
なく、さらに添加量を含んでいるにも拘らずその比抵抗
は無添加のものに比べて何等向上しないことが分かる。
８kg/ ２mm×２mmであるのに対し比較例１では３．５ k
g/２mm×２mmと密着強度が不十分であった。また、本発
明における同時焼結体は、表裏焼結体で表した反りが少
なく、さらに添加量を含んでいるにも拘らずその比抵抗
は無添加のものに比べて何等向上しないことが分かる。
【００４８】
【表１】
【００４９】
【表２】
【００５０】
【表３】
【００５１】
【表４】
【００５２】
【表５】
【００５３】
【表６】
【００５４】
【表７】
【００５５】
【表８】
【００５６】（実施例４８）実施例２と同様な構成の絶
縁層と導体層を用い、回路基板を作成した。この回路基
板は内部配線層を有する２５mm×２５mm×２．６mmの窒
化ケイ素多層回路基板である。窒化ケイ素多層回路基板
の他面側にリードピンを２４０本Ａｇろうを用いて接合
した。この後、半導体素子として消費電力１０Ｗのシリ
コン素子を窒化ケイ素多層回路基板の上面に接合搭載
し、ボンディングワイヤを付設して電気的な接続を完了
させた。さらに、１５０W/mKの熱伝導率を有する窒化ケ
イ素焼結体により、放熱部材を兼ねる高熱伝導性封止部
材を実施例２の絶縁体部を作製する要領で作成した。そ
して、この窒化ケイ素多層回路基板の上面にＡｕ−Ｓｎ
半田により接合し、さらに封止部材上に直径２５mmの円
形７段構造の放熱フィンを配置して目的とする半導体装
置を得た。この半導体装置の放熱性を評価するために、
冷却風速を１．５m/s に設定して△ＶＢＥ法により熱抵
抗を測定したところ、２．７℃/Wと低熱抵抗値であり、
放熱性の高い半導体装置が得られることが判明した。
縁層と導体層を用い、回路基板を作成した。この回路基
板は内部配線層を有する２５mm×２５mm×２．６mmの窒
化ケイ素多層回路基板である。窒化ケイ素多層回路基板
の他面側にリードピンを２４０本Ａｇろうを用いて接合
した。この後、半導体素子として消費電力１０Ｗのシリ
コン素子を窒化ケイ素多層回路基板の上面に接合搭載
し、ボンディングワイヤを付設して電気的な接続を完了
させた。さらに、１５０W/mKの熱伝導率を有する窒化ケ
イ素焼結体により、放熱部材を兼ねる高熱伝導性封止部
材を実施例２の絶縁体部を作製する要領で作成した。そ
して、この窒化ケイ素多層回路基板の上面にＡｕ−Ｓｎ
半田により接合し、さらに封止部材上に直径２５mmの円
形７段構造の放熱フィンを配置して目的とする半導体装
置を得た。この半導体装置の放熱性を評価するために、
冷却風速を１．５m/s に設定して△ＶＢＥ法により熱抵
抗を測定したところ、２．７℃/Wと低熱抵抗値であり、
放熱性の高い半導体装置が得られることが判明した。
【００５７】（比較例１１）実施例４８と同様に行った
が、絶縁層にアルミナを用いた場合、熱抵抗値は、８℃
/Wであった。
が、絶縁層にアルミナを用いた場合、熱抵抗値は、８℃
/Wであった。
【００５８】
【発明の効果】以上述べたように、本発明のＳｉ3 Ｎ4
セラミックス回路基板は絶縁体が高熱伝導性を有し、導
体層の密着性が強固でかつ焼結過程における基板の変形
が少なく、さらに、引っ張り強度は十分に実用可能な特
性値を示すなど様々な優れた性質を有するものであり、
その工業的価値は極めて大きいものである。
セラミックス回路基板は絶縁体が高熱伝導性を有し、導
体層の密着性が強固でかつ焼結過程における基板の変形
が少なく、さらに、引っ張り強度は十分に実用可能な特
性値を示すなど様々な優れた性質を有するものであり、
その工業的価値は極めて大きいものである。
【図１】本発明の多層セラミック回路基板を示す部分切
欠斜視図である。
欠斜視図である。
【図２】本発明の多層セラミック回路基板を用いた半導
体装置（外部端子がリードピンの場合）を示した図であ
る。
体装置（外部端子がリードピンの場合）を示した図であ
る。
【図３】外部端子が半田ボールである半導体装置の部分
断面図である。
断面図である。
１，１２ 多層セラミック回路基板 ２，１４ 絶縁層 ３ 導体層 ４ ビアホール ５ 放熱フィン ６ 半導体素子 ７ リードピン ８ ボンディングワイヤ ９ 導体層（内部配線層） ９ａ ビアホール １０ 表面配線層 １１ 配線パターン １２ａ 基板上面 １２ｂ 基板下面 １３ 高熱伝導性封止部材 １３ａ 凸状外縁部 １３ｂ 凹状部 １５ 半田ボール Ａ 接合面
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (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 (12)
- 【請求項１】 少なくとも絶縁体層と導体層とを含む回
路基板において、 全絶縁体層のうち少なくとも１層が、β−Ｓｉ3 Ｎ4 を
主成分とし、希土類元素およびアルカリ土類元素からな
る群より選択される１種以上の元素を含有する焼結体で
あり、かつ全導体層のうち少なくとも１層が、周期律表
のIVａ、ＶａおよびVIａ族に属する元素より選択される
１種以上の元素と、希土類元素およびアルカリ土類元素
からなる群より選択される１種以上の元素を含有するこ
とを特徴とする回路基板。 - 【請求項２】 絶縁体層の熱伝導率が、３０W/mK以上で
ある、請求項１記載の回路基板。 - 【請求項３】 希土類元素およびアルカリ土類元素が、
Ｓｃ、Ｙ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇ
ｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ、Ｌｕ、Ｂ
ｅ、Ｍｇ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａである、請求項１記載の回
路基板。 - 【請求項４】 周期律表のIVａ、ＶａおよびVIａ族に属
する元素が、Ｍｏ、Ｗ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｔａであ
る、請求項１記載の回路基板。 - 【請求項５】 絶縁体層が、更にＡｌ元素を含有する、
請求項１記載の回路基板。 - 【請求項６】 導体層が、更にＡｌ元素および／または
Ｓｉ元素を含有する、請求項１記載の回路基板。 - 【請求項７】 導体層と絶縁体層が、共通の、希土類元
素およびアルカリ土類元素からなる群より選択される元
素を含有する、請求項１記載の回路基板。 - 【請求項８】 絶縁体層中における、希土類元素および
アルカリ土類元素からなる群より選択される１種以上の
元素の含有量が、酸化物換算で０．０１〜１５重量％で
ある、請求項１記載の回路基板。 - 【請求項９】 導体層中における、希土類元素およびア
ルカリ土類元素からなる群より選択される１種以上の元
素の含有量が、酸化物換算で０．０１〜１５重量％であ
る、請求項１記載の回路基板。 - 【請求項１０】 導体層中における、希土類元素および
アルカリ土類元素からなる群より選択される１種以上の
元素の含有量と、Ａｌ元素および／またはＳｉ元素の含
有量の合計が、酸化物換算で０．０５〜２０重量％であ
る、請求項６記載の回路基板。 - 【請求項１１】 焼結助剤として希土類元素およびアル
カリ土類元素からなる群より選択される元素を含有する
化合物の少なくとも１種を添加した後、α−Ｓｉ3 Ｎ4
を焼結して絶縁体層を形成させる工程；周期律表のIV
ａ、ＶａおよびVIａ族に属する元素より選択される１種
以上の元素に、希土類元素およびアルカリ土類元素から
なる群より選択される１種以上の元素を添加して導体層
を形成させる工程；および絶縁体層と導体層とを同時焼
結する工程を含むことを特徴とする回路基板の製造方
法。 - 【請求項１２】 導体層を形成させる工程において、更
にＡｌ元素および／またはＳｉ元素を添加する、請求項
１１記載の方法。
Priority Applications (4)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP25216895A JP3618422B2 (ja) | 1995-09-29 | 1995-09-29 | 高強度回路基板およびその製造方法 |
| KR1019960042431A KR100261793B1 (ko) | 1995-09-29 | 1996-09-25 | 고강도 고신뢰성 회로기판 및 그 제조방법 |
| US08/721,319 US6013356A (en) | 1995-09-29 | 1996-09-26 | Circuit board with high strength and high reliability and process for preparing the same |
| TW085112079A TW360956B (en) | 1995-09-29 | 1996-10-03 | Circuit board with high strength and high reliability and process for preparing the same |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP25216895A JP3618422B2 (ja) | 1995-09-29 | 1995-09-29 | 高強度回路基板およびその製造方法 |
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| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2004190141A Division JP3908755B2 (ja) | 2004-06-28 | 2004-06-28 | 高強度回路基板 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0997862A true JPH0997862A (ja) | 1997-04-08 |
| JP3618422B2 JP3618422B2 (ja) | 2005-02-09 |
Family
ID=17233444
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP25216895A Expired - Lifetime JP3618422B2 (ja) | 1995-09-29 | 1995-09-29 | 高強度回路基板およびその製造方法 |
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| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3618422B2 (ja) |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2000114425A (ja) * | 1998-09-29 | 2000-04-21 | Kyocera Corp | パワーモジュール用配線基板 |
| US6242374B1 (en) | 1998-05-12 | 2001-06-05 | Kabushiki Kaisha Toshiba | High thermal conductive silicon nitride sintered body and method of producing the same |
| JP2008069031A (ja) * | 2006-09-13 | 2008-03-27 | Kyocera Corp | 窒化珪素質焼結体およびその製造方法 |
| WO2016148217A1 (ja) * | 2015-03-17 | 2016-09-22 | 日本碍子株式会社 | 配線基板 |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US10669210B2 (en) | 2016-03-28 | 2020-06-02 | Hitachi Metals, Ltd. | Silicon nitride sintered substrate, silicon nitride sintered substrate sheet, circuit substrate, and production method for silicon nitride sintered substrate |
-
1995
- 1995-09-29 JP JP25216895A patent/JP3618422B2/ja not_active Expired - Lifetime
Cited By (5)
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|---|---|---|---|---|
| US6242374B1 (en) | 1998-05-12 | 2001-06-05 | Kabushiki Kaisha Toshiba | High thermal conductive silicon nitride sintered body and method of producing the same |
| JP2000114425A (ja) * | 1998-09-29 | 2000-04-21 | Kyocera Corp | パワーモジュール用配線基板 |
| JP2008069031A (ja) * | 2006-09-13 | 2008-03-27 | Kyocera Corp | 窒化珪素質焼結体およびその製造方法 |
| WO2016148217A1 (ja) * | 2015-03-17 | 2016-09-22 | 日本碍子株式会社 | 配線基板 |
| JPWO2016148217A1 (ja) * | 2015-03-17 | 2018-01-11 | 日本碍子株式会社 | 配線基板 |
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| JP3618422B2 (ja) | 2005-02-09 |
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