JPS60253295A - 多層セラミツク基板の製造方法 - 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、り基板、特に高熱伝導性を有す
る多層セラミック基板の製造方法ζこ関するものである
。

（従来技術とその問題点） 牛導体工業の飛躍的進展によってＩＯ，ＬＳＩが産業用
、民生用と幅広く使用されるようになってきており、電
子装置の小型・高密度化および高性能化が進められてい
る。

特に集積密度の高い、高速作動のＬＳＩの実装用基板と
しては、高密度化が必須であり多層セラミック基板が注
目されている。この多層セラミ。

り基板は、直接ＬＳＩを実装することができ、また多層
に儀細な配線を施すことが可能である。

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、近年電子装置は一段と小型化され、
回路の高密度化が要求され、基板の単位面積当りの素子
や回路素子の集積度がますます高くなっている。一方Ｌ
ＳＩチップにおいては、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
放散が十分性なえず、基板温度が上昇することによりＬ
ＳＩチップおよび実装素子に悪影響をおよぼすという問
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。

そこで開発されたのが炭化ケイ素を主成分としたセラミ
、り基板であり熱放散性に対して優れた特性をもってい
る。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１〜１ｏΩ・ａ程度で電気絶縁性が悪いため、絶
縁基板として用いるには問題がある。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
少量の焼結添加剤を添加し、高圧で加圧するいわゆるホ
。

ドブレス法により作られている。この焼結添加剤として
酸化べＩＪ　ＩＪウムや窒化ホウ素を用いると焼。

結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１０１０Ω儂以上とな
る。しかしＬＳＩ等の実装基板において重要な要因の１
つである誘電率においては１ＭＨｚの周波数で４０とか
なり高く、添加剤を加えた絶縁性も、電圧か高くなると
粒子界面での絶縁性が急激ζこ低下するため耐電圧に対
しても問題がある。

またプロセス的観点からしてホットプレス法ヲ適用しな
ければならす、装置が大がかりになるばかりでなく、基
板の形状も大面積化は困難であり、表面平滑性に対して
も問題が多い。

−刃高密度化に対して期待されている実装基板として多
層セラック基板がある。これはセラミックグリーンシー
トを用いたもので基板内に層状に各種導体パターンが形
成されており、層間をスルーホールを介して電気的に接
続されているものである。該多層セラミ、り基板の材料
としては、アルミナ、ガラスセラミック等が現在開発さ
れているが、ホットプレス法を用いる炭化ケイ素系材料
ではプロセス的に極めて困難である。

一般に高密度実装基板として具備すべき主な性質として
は（１）電気特性においては誘電率が低く、銹電損失が
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各種セラミック基
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、
常圧法により焼結可能な窒化アルミニウム系粉末を用い
た高熱伝導多層セラミック基板の製造方法の発明に至っ
た。

（５） （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
基板を得るための製造方法を提供することにある。

（発明の構成） 本発明によれば窒化アルミニウム粉末と焼結添加剤とか
ら成る混合粉末を、有機バインダーおよび有機溶剤と混
合し、泥漿化する工程と、有機フィルム上に該泥漿を製
膜する工程と、製膜したグリーンシー１−Ｊこ層間導通
をもたせるためのスルーホールを形成する工程と該スル
ーホールを形成したグリーンシートに導体層および導体
埋め込みを行なう工程と、導体形成された各グリーンシ
ートを積層熱圧着する工程と、非酸化性雰囲気で脱バイ
ンダーおよび焼成を行なう工程とを備えたことを特徴と
する高熱伝導多層セラミ、り基板の製造方法が得られる
。

（構成の詳細な説明） 本発明は、上述の構成をとることζこより従来技（６） 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桐料
乏しで、熱伝導性の高い窒化アルミニウムを用い、焼結
性を高めるために焼結添加剤を加えた。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。

有機バインダー等と混合し泥漿化する工程においては、
非酸化性雰囲気下で脱バインダーが完全に起こるように
非酸化性雰囲気下で十分分解する有機物を適用した。製
膜工程では、薄く・厚みの均質なグリーンシートを形成
する。

次に層間導通をもたせるスルーポールの形成工程では、
基本的には機械的な方法により極めて微細な貫通孔を形
成し、導体形成は、電源層、グランド層および微細な信
号線等の多数の導体層を形成すると同時にスルーホール
への導体埋め込みも行な・）。

積層熱圧着工程では、高精度に微細パターンを槓み重ね
一体化した生積層基板を得ることが出きる。該生槓層基
板を非酸化性雰囲気で有機物を完全に除去したのち高温
で焼きかためる。

このようにして製造された高熱伝導多層セラミック基板
においては、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
線等が形成され、これらの導体層をセラミック層中に設
けたスルーホールを介して電気的に接続されている構造
をとっている。

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ｌこ、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） 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。

まず高純度の窒化アルミニウム倣粉末と焼結添加剤の粉
末を秤量する。ここで用いる焼結添加剤としてはＯａ、
Ｓｒ、Ｂａ、Ｎａ、に、Ｒｂ、Ｕｓ。

Ｏｕ、Ａｇ、Ｍｇ、Ｏｄ　、Ｈｇ、Ｚｎ　、ＡＪ、Ｏｅ
のアセチリド化合物および酸化物の少なくとも一種以上
からなっており、焼結添加剤の量は０．１ｗｔ％。

０、３　ｗ　ｔ％、Ｑ、５ｗｔ％ｖ　０．６　ｗ　１９
ｍ　１．　Ｑ　ｗ　ｔ％。

２．０ｗ１％、５．（１ｗｔ％、８．０ｗ１％、１２．
０ｗ１％、１６．０ｗ１％になるように秤量した。また
比較例として添加剤を含まない試料を作製した。

この秤量した粉末をボールミルにより湿式混合を４８時
間行なった。この十分に混合した粉末とポリメタアクリ
レート系、ポリアクリレート糸、ポリカプロラクトン系
等の非酸化性雰囲気で分解蒸散しやすい有機バインダー
と有機溶剤とともに攪拌機例えばホモミキサー等で混合
しど泥漿化した。

この時の泥漿の粘度は３０００〜７０００ｅ　ｐの範囲
が適当である。粘度が１０００　Ｃｐ以下であれば製膜
工程で有機フィルム上で表面張力によりはじきが生じ、
１００００ｃｐ　以上であれば、泥漿中に含まれる異物
等を瀘し分ける際に泥漿がメツシー綱を通過するのが非
常に困難になることや泥漿中のガスを取り除くための脱
泡工程の際十分にガスが抜は切れなくなり製膜性が悪く
なる。

次に適当な粘度に調整した泥漿をポリエステル糸有機フ
ィルム上にキャスティング製膜法により１０μｍ〜２０
０μｍ程度の均一な厚みになるように（９） シートを形成する。この薄いグリーンシートラ有機フィ
ルムから剥離し、第１図（ａ）　、　（ｂ）に示すよう
に各層間を電気的に接続するためのスルーホール１を形
成する。ここで第１図（ａ）は平面図、第１図（ｂ）は
断面図である。スルーホールの形成は、機械的方法でポ
ンチおよびダイを用いて行なっ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。機械的方法
により形成したスルーホール径は最小で７０μｍ程度が
可能であった。

理法により所定の位置に所定の導体パターン２を厚膜印
刷する。ここで用いる導体としては、セラミック基板を
１５００℃以上の高温で焼結しなければならないため、
高融点金属を用いる必要があり、モリブデン、タングス
テン、マンカンおよび白金等の単体もしくは、これらの
２種以上の合金を用いた。この印刷工程においては、層
間の電気接続を行なうためのスルーホール内に同様の導
体ペーストを埋め込む工程を含んでいる。

（１０） こうして導体を印刷および埋め込んだ各パターンのグリ
ーンシートを第３図に示すように所望の枚数積層し、熱
圧着を行なった。第３図には導体パターン２を形成した
絶縁体グリーンシート３が多数枚重なっている構造をも
つ生積廣体の断面図を示す。グリーンシートの積層数は
、１０〜５０層で構成されている。熱圧着条件は、温度
７０℃〜１１０℃圧力は２００〜３００ＩＰ／ｄであっ
た。該工程は、配線パターンおよびスルーホールが微細
に形成されている各グリーンシートを位置すれなく高精
度に積層しなければならない。

次に積層され一体化した生基板を非酸化性雰囲気で脱バ
インダーを行ない高温で焼結する。第４図には、脱バイ
ンダーおよび焼成の温度プロファイルの一例を示す。脱
バインダ一工程が終了するまでは昇温スピードを遅（１
，４００〜５００℃の範囲で１０時間保持することによ
り十分有機残留物を取り除いた。ひきつづき１００℃／
Ｈの昇温スピードで１５００℃〜２０００℃　まで温度
を上げ、最高温度で２時間保持して焼結を行なった。第
４図には、脱バインダーの保持温度は４５０℃、焼結温
度は１７００℃　の場合の例を示した。この一連の工程
中雰囲気は窒素ガス、ヘリウムガス、アルゴンガス又は
窒素ガスと水素ガスおよび窒素ガスと一酸化炭素ガスの
混合ガス等を用いてコントロールしていた。また焼結は
常圧の状態で行なった。脱バインダーでの昇温スピード
をあまり速くしすぎると、急激な有機物の分解蒸散が起
ることによりクラックや層間剥離等の不良が発生する原
因になる。

このようにして作成した窒化アルミニウムを主成分とし
た高熱伝導多層セラミック基板の模式的な斜視断面図を
第５図に示す。１１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。

１２は信号線および電源等の導体層であり、モリブデン
、タングステン。

マンガンおよび白金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、り層に形成されているスルーホール１３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、プがマウント出来るようにダイパッド１４およ
びポンディングパッド１５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
■βパッド１６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１４を介してセラミ、り基板内へ拡散する。

この焼結基板の電気的特性を測定した結果、比抵抗は１
０１１Ωａ以上あり、誘電率は８．７　（１ＭＨｚ　）
、誘電損失は１０−３以下（ｌ　ＭＨｚ　）と小さな値
であった。

電気的特性においては、従来の基板と比較して同程度で
あり実装基板として十分な特性であることがわかった。

第１表には、本発明の製造方法により作成した多層セラ
ミ、り基板の一実施例の基板性状および緒特性を示す。

本実施例は焼結添加剤として０ａ０１を用い窒化アルミ
ニウム重量を１００としたときの添加量として表に示し
である。表かられかるように微細な配線パターンおよび
スルーホールを形成されており、抗折強度も極めて高く
、熱伝導率も（１３） 非常に高い基板が得られた。さらに熱膨張係数において
もシリコンに近い値であり、ＬＳＩ等の実（１４） 一方焼結添加剤としてＯａＯ，以外の８　ｒ　、　Ｂ　
ａ　。

Ｎ　ａ　＋　Ｋ　ａ　Ｒｂ　＋　Ｏｓ　＋　Ｏｕ　＊　
Ａ　ｇ　ｅ　Ｍ　ｇ　＊　Ｏｄ　＋　Ｈｇ　。

Ｚｎ、ＡＪ？、Ｏｅのアセチリド化合物およびＯａを含
めたこれらの酸化物を添加した窒化アルミニウムの実装
多層セラミ、り基板を作成した。焼成温度としては１５
００℃〜２０００℃の範囲で同様の製造方法で行なった
。その結果、作成基板の熱伝導率は、添加量が０．５ｗ
ｔ％〜４．Ｏｗｔ％までは１００Ｗ／ｍ　ｋ以上を実演
１することが出来、さらに０．３ｗｔ％〜８．Ｏｗｔ％
までが１３ＱＷ／ｍｋ以上の値が得られ、アルミナ基板
に比較して熱放散性にすぐれていた。

（発明の効果） 実施例からも明らかなように、本発明の製造方法を採用
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、セラミック基板の熱伝導率が高いことにより熱放散
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約１７Ｗ
／ｍｋ程度であり、本発明方法の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。

（１６） （１５） また熱膨張係数においては、アルミナ基板が６５×１０
−７／℃　程度であるのに対して本発明方法による基板
は小さな値をもち、よりシリコンチップの熱膨張係数に
近い値になっており、この点においても有利である。

【図面の簡単な説明】

第１図〜第３図は、本発明の実施例による高熱伝導多層
セラミック基板の各製造工程を示す図、第４図は実施例
の焼成工程における焼成プロファイルを示す図、第５図
は完成基板の模式的斜視図。 ｌ・・・・・・スルーホール、２・・・・・・導体層、
３・・・・−・絶縁体クリーンシート、１１・・・・・
・絶縁セラミック層、１２・・・・・・導体層、１３・
・・・・・スルーホール、１４・・・・・・ダイパッド
、１５・・・・・・ポンディングパッド、１６・・・・
・・Ｉ１０パッド。 代理人弁理士　内照　晋　、　−ｊ、、＞（１７）

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）　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ている多層セラミック基板の製造
   方法において、窒化アルミニウム粉末と焼結添加剤とか
   ら成る混合粉末を、有機バインダーおよび有機溶剤と混
   合し泥漿化する工程と、有機フィルム上に該泥漿を製膜
   する工程と、製膜したグリーンシートに層間導通をもた
   せるためのスルーホールを形成する工程と、該スルーホ
   ールを形成したグリーンシートに導体層形成および導体
   埋め込みを行なう工程と、導体形成された各グリーンシ
   ートを積層熱圧着する工程と、非酸化性雰囲気で脱バイ
   ンダーおよび焼成を行なう工程を備えたことを特徴とす
   る多層セラミ、り基板の製造方法。
2. （２）焼結添加剤がＯａ＋８ｒ＋Ｂａ、Ｎａ＋に、Ｒｈ
   ｅＯｓ　、　Ｏｕ　、Ａｇ　、Ｍｇ　、Ｃｄ　、Ｈｇ　
   、　Ｚｎ　、Ａｊ？　、Ｏｅのアセチリド化合物および
   酸化物の少なくとも一種以上からなっている特許請求の
   範囲第１項記載の多層セラミ、り基板の製造方法。