JPS60253294A - 多層セラミツク基板 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、多層セラミック基板、特に高熱伝導性を有す
る多層セラミ、り基板に関するものである。

（従来技術とその問題点） 半導体工業の飛躍的な進展によって、工０゜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
。

特に集積密度の高い、高速作動のＬＳＩの実装用基板と
して多層セラミ、り基板が注目されている。この多層セ
ラミック基板は直接ＬＳＩを実装することができ微細多
層配線が可能である。

一般にセラミ、り基板の材料としては、主にアルミナが
使用されているが、近年電気装置は一段と小型化され、
回路の高密度化が強く要求され、基板の単位面積当りの
素子や回路要素の集積度が高くなっている。一方ＬＳＩ
においては、高速作動を行なうに従いチップから発生す
る熱が多量になってくる傾向にある。この結果、基板の
発熱が大幅に増加し、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。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ｌ〜１０
Ω・儂程度で電気絶縁性がないため、絶縁基板としては
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
結助剤として酸化べＩＪ　ＩＪウムや９化ホウ素を用い
ると、焼結助剤効果たけでなく、電気絶縁性に対しても
有効で炭化ケイ累主成分の焼結基板の比抵抗が１０１０
Ωα以上となる。しかし、ＬＳＩ等の実装基板において
重要な要因の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Ｒ−縁性も電圧が５Ｖ程度に
なると粒子間の絶縁が急激に抵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壽性がある為集用上困難な面かで
てくる。

一万プロセス的観点からしてホットプレス法を適用しな
ければならす、装置が大がかりになるばかりでなく、基
板の形状も大面偵化は困難であり、表面平滑性に対して
も問題が多い。さらに、炭化ケイ素糸を用いたセラミッ
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、り基板技術と
は次に示す技術である。まず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ム上に形成する。誼
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
バインダ一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、（
υ電気特性に対して誘電率か低（、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。

これらの基板性質全般に対して前述のセラミック基板は
決して十分なものであるとはいえない。

本発明者らは、これらの具備すべき基板性質を留意しな
がら、特に高熱伝導性およ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発明に至った。

（発明の目的） 本発明は、前述した従来の実装基板の欠点を除去せしめ
て熱伝導性の優れた高密度な高熱伝導多層セラミック基
板を提供することにある。

（発明の構成） 本発明によれば、セラミック層が窒化アルミニウムを主
成分とする多結晶体で構成され、複数の導体層と上記セ
ラミック層とが積層されたことを特徴とする多層セラミ
、り基板が得られる。

（構成の詳細な説明） 本発明は、上述の構成をとるこきにより従来技術の問題
点を解決した。

ます、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（５） ラムを用いた。この材料は焼成後、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
添加物として還元効果のある還元剤を入れることが好ま
しい。

次に、導体層に関しては、官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層を形成し、これらの複数の導体
層をセラミック層中に設けたピ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となる。

（実施例１） 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（６） 電源等の導体層であり、モリブデン、タングステン、白
金およびマンガン等の金属の単体もしくは、これらの金
属の２つ以上を含んだ合金で形成されており、絶縁セラ
ミック層に形成されているピアホール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Ｌ
ＳＩチップがマウント出来るようにダイパッド４および
ポンディングパッド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１
（イ）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チップから発生ずる熱をダイ
パッド４を介してセラミック基板内へ拡散する。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率的に
行なわれることになり、ＬＳＩチップの発熱による高温
化を防止することができる。

表は、添加剤としてＯａＯ，を用いて添加量を変化させ
たときの窒化アルミニウム多層セラミック基板の諸物件
を示したものである。ここに示した０ａ０１ｉは窒化ア
ルミニウムを１００としたときの値である。表に示した
ように窒化アルミニウム粉末と０ａＯ１粉末とを秤量し
、ボールミルにより湿式混合を４８時間行なった。

この混合粉末を、ポリカプロラクトン糸、あるいはポリ
メチルメタアクリレート系樹脂等の中性雰囲気で分解可
能な有機バインダーとともに溶媒中に分散し粘度３００
０〜７０１）Ｏｃ　ｐ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、１
２０　ｍ　Ｘ　１２０　ｍの形状になるように打抜いた
のち、各層間を電り的に接続するためのピアホールを形
成する。ここで形成したピ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。

ピアホールの形成されたグリーンシート上へ、モリブデ
ン、タングステン、白金等を主成分とした導体ペースト
をスクリーン印刷法により所定の位置に所定のパターン
を印刷する。こうして導体を印刷した各グリーンシート
を所望の枚数積層し、加熱プレスする。その後、必要な
形状になるようにカッターを用いて切断し、１４００℃
〜２０００℃の温度で中性もしくは、還元性雰囲気中で
焼成する。焼成の際、その外温過程で４００℃〜５００
℃の非酸化性雰囲気下で８時間保持して脱バインダーを
充分に行なった。

作成した基板の電気的特性を測定した結果、比抵抗が１
０１１Ωａ以上であり、誘電率は８．７　（ＩＭＨｚ　
）、誘電損失はｌＸｌ０”　以下（ｌ　ＭＨｚ　）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。

（９） （１０） （実施例２） 添加剤としてＯａＯを１．０ｗｔ％添加した混合粉を原
料粉末として用いた。非酸化性雰囲気下で分解可能な有
機バインダーを有機溶媒と共に混合し泥漿化したのち１
５０μｍ〜３００μｍの厚みのクリーンシートを作成し
た。

該グリーンシートに３００μｍ程度のピアホールを形成
し、スクリーン印刷法によりモリブデン、又はタングス
テン又は白金等の高融点金属ペーストを印刷し積層、熱
プレス後室累中又はヘリウム中又はアルゴン中の中性雰
囲気、および水素を含んだ還元性！囲気下で１８００℃
の温度で焼結した。

この時の多層基板の特性は、熱伝導率が１００　Ｗ／ｍ
Ｋと高く、熱膨張係数も４１Ｘ１０　’／℃とシリコン
の熱膨張係数に近い値を示した。一方機械的特性として
の抗折強度は４１００１１／ｄと実装基板として十分な
値を有していた。

本実施例においては常圧焼結法により行なっているため
、ホヤドブレス法等の高圧焼結法に比較して、焼結プロ
セスが簡便であり、量産性に対しく１１） ても非常に有利である。このようにプロセス的に容易で
あることおよび原料費が低価格であるということにより
生産に対する低コスト化が可能である。

（実施例３） 添加剤或いは還元剤として一般に知られている物質を用
いて窒化アルミニウム多層セラミック基板を作成した。

例えばＢｅＯ，ＹｌＯ，ｅＯｕｏ、ｈｇｏ。

Ｂａｄ、　、　ＳｒＯ，、Ｎａ、　０．　、に、　ｏ、
　ｌ　Ｒｂ２Ｇ、　。

０ｓ０１　＋ＯｕＯ，、Ｒ４ｇｃ、　、Ａ／、　０．　
、Ｏｅ、　Ｏ，。

Ａｇｔ　”２　＊　Ｚ　ｎ　ＯＨをそれぞれ最大１０ｗ
ｔ％まで添加した窒化アルミニウム原料粉末を用いてグ
リーンシート化し多Ｎ構造の実装基板を作成した。

焼成温度としては１５００℃〜２０００℃の範囲で中性
ないし還元雰囲気中で行なった。

作成基板の熱伝導率は添加量が０．５ｗｔ％〜４．Ｏｗ
ｔ％の範囲で１００ｗ／ｍｋ以上を有し、さらに０．３
ｗｔ％〜８．Ｏｗｔ％までの範囲で８０ｗ／ｍｋを示し
、アルミナ基板に比較して、熱放散性にすぐれていた。

（１２） なお、以上挙げた添加剤又は還元剤を複数添加した場合
でも熱伝導率は良好な値が得られた。

（発明の効果） 実施例からも明らかなように、本発明の構造を有するこ
とにより、容易に高密度な回路を形成することが出来、
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１７Ｗ／
ｍｋ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。韮た熱膨張係数においては、アル
ミナ基板が６５Ｘ１０”／℃であるのに対して本発明基
板は小さな値をもち、よりシ１１コンチップの熱膨張係
数に近い値になっており有利である。

【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。■・・・絶縁セラミック層、２
・−・導体層、３・・・ピアホール、４・−・ダイパッ
ド、５・・・ポンディングパッド、６・・・■４．パッ
ド。、　−（１３が雇人弁理士　内照　嘘 ７１図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. セラミック着が窒化アルミニウムを主成分とする多結晶
   体で構成され、複数の導体層と上記セラミックス層とが
   積層されていることを特徴とする多層セラミ、り基板。