JPS61230399A - 高熱伝導多層セラミツク配線基板の製造方法 - 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ック基板、特に窒化チタンを導体と
して用いる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。

（従来技術とその問題点） 半導体工業の飛躍的進展によってＩＣ，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シ、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シ多層セラミック基板が注
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、また多層に微細な配線を施すこ
とが可能である。

一般に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
から発生ス。

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ノ放散が十分行
なえず、基板温度が上昇するととくよ、９ＬＳＩチツプ
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
ック基板であシ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１〜１０Ω・１　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
ホットプレス法により作られている。この焼結添加剤と
して酸化ペリリク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１０１０Ω１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Ｉ　ＭＨｚの周波数で４０とかなり高
く、添加剤を加えた絶縁性も、電圧が高くなると粒子界
面での絶縁性が急激に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を適用しな
ければならず、装置が大がかりになるばかシでなく、基
板の形状も大面積化は困難であシ、表面平滑性に対して
も問題が多い。

−害鳥密度化に対して期待されている実装基板として多
層セラミック基板がある。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。該多層セラミック基板の材
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欺である。

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、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、
常圧法によシ焼結可能な窒化アルミニウム系粉末を用い
、高温で焼結できる導体として窒化チタンを用いた高熱
伝導多層セラミック配線基板の製造方法の発明に至った
。

（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
配線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
らなる混合粉末と、有機バインダーおよび有機溶剤との
混合物からなるグリーンシートに窒化チタンを主成分と
するペーストを用いて導体層およびスルーホール中の導
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ック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によシ従来技術の問題
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、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ぃては、
非酸化性雰囲気下で脱バインダーが相当に起こるように
非酸化性雰囲気下で分解しやすい有機物を適用した。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ホ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ともにスルーホール
への導体埋め込みも行なり。

積層熱圧着工程では、高精度に微細パターンを積み重ね
一体化した生積層基板を得るととが出きる。該生積層基
板を非酸化性雰囲気で有機物を適度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Ｏ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） 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微粉末と焼結添加剤の粉
末を秤量する。仁こで用いる焼結添加剤としてはＣａ、
Ｓｒ、Ｂａ、Ｎａ、に、Ｒｈ、Ｃｓ、Ｃｕ、Ａｇ。

Ｍｇ　、Ｃａ　、ａｇ　、Ｚｎ　、Ａｔ　、Ｃｅ等のア
セチリド化合物および酸化物の少なくとも一稽以上から
なってお）、焼結添加剤の量は０．１　ｗ　ｔ　＊〜１
０ｗｔ％の範囲で秤量した。

この秤量した粉末をボールミルにより有機溶剤を用い湿
式混合した。この十分に混合した粉末と、ポリメタアク
リレート系、ポリアクリレート系。

ポリカプロラクトン系、ポリビニルブチラール系等の有
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
サー等で混合し泥漿化した。この時の泥漿の粘度は３０
００〜７０００ｅｐの範囲が適当である。粘度がｔｏｏ
ｏｅｐ以下であれば製膜工程で有機フィルム上で表面張
力によシはじきが生じ、１００００ｅｐ以上であれば、
泥漿中に含まれる異物等を濾し分ける際に泥漿がメッシ
エ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
なくなシ製膜性が悪くなる。

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シートを形成する
。この薄いグリーンシートを有機フィルムから剥離し、
第１図（ａｌ　、　（ｂｌ　Ｋ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（ｂｌ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。機械的方法によ多形成した
スルーホール径は最小で７０μｍ程度が可能であった。

スルーホールの形成されたグリーンシート上へ、第２図
（ａ）　、　＋ｂ）に示すように導体ペーストをスクリ
ーン印刷法によ）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、セラきツク
基板をｔｓｏｏｔ：：以上の高温で焼結しなければなら
ない六め、高融点金属を用いる必要がある。

本発明においズは、焼結後室化チタンを形成する導体材
料として窒化チタン粉末を用いた導体ペーストを利用し
た。窒化チタンは立方晶系の結晶構造をとり電気抵抗は
２２Ｘ１０”Ω・１という低い値を示す。したがって導
体ペーストとして厚膜形成した場合においても、窒化チ
タンの本来の電気抵抗値を示さないまでも、配線導体と
して十分に低い抵抗値を示した。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。

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。ｉＭ３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
もつ生積層体の断面図を示す。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２００〜３００ｋｇ／Ｃｗ？
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ずれな
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窒素雰囲気で脱バイン
ダーを行ないさらに高温で焼成する。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（
し４００〜５００℃の範囲で一定時間保持する。この脱
バインダ一工程において有機物の除去を適度にコントロ
ールした。

なぜならば、残留物が窒化アルミニウム焼結体の焼結性
および特性に大きく影響をおよぼすためである。ひきつ
づき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が５００℃、焼結温
度が１８００℃の場合の例を示した。この一連の工程中
の雰囲気は窒素ガスを用いてコントロールした。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
ードをあまシ速くしすぎると、急激な有機物の分解蒸散
が起ることによシフ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シ、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、窒化チタン
導体ペーストを用いておシ焼成後窒化チタン多結晶体を
形成しておシ、絶縁セラミック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チッ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
信号を取シ出したり基板内へ信号を入れたシするための
Ｉ１０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
イノ（ラド１４を介してセラミック基板内へ拡散させる
。

この焼結基板の電気的特性を測定した結果、比抵抗は１
０１１Ω１以上あシ、誘電率は８．７　（ＩＭＨｚ　）
、誘電損失は１０−３以下（ＩＭＨｚ）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
程度であシ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シ作成した多層セラ
ミック基板の一実施例の基板性状および緒特性を示す。

一一一。

ゝ−−−・ 本実施例は焼結添加剤としてＣａＣ貴を用い窒化アルミ
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シ、抗折強度も極めて高く
、熱伝導率も非常に高め基板が得られた。さらに熱膨張
係数においてもシリコンに近い値であシ、ＬＳＩ等の実
装に極めて都合がよい。

一方焼結添加剤としてＣａＣ，以外のＳｒ、Ｂａ。

Ｎａ、に、Ｒｂ、Ｃｍ、Ｃｕ、Ａｇ、Ｍｇ、Ｃｄ、Ｈｇ
、Ｚｎ、ＡＣＣｅのアセチリド化合物およびＣａ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
層セラミック基板を作成した。焼成温度としては１５０
１〜２００（Ｆ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０．５ｗｔ９
６〜ＺＯｗｔ＊までは１００Ｗ／ｍｋ以上を実現するこ
とが出来、さらに０，３　ｗ　ｔ　９６〜８．Ｏｗ　を
優までが８０Ｗ／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
するととＫよシ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配線
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）、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。

また熱膨張係数においては、アルミナ基板が６５ＸＩＯ
”／℃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、よシシリコンチップの熱膨張係数に近い
値になっておシ、この点においても有利である。

一方、本発明で用いた導体ペーストの窒化チタンにおい
ては焼結後の導体抵抗が実装基板に対して十分な特性を
示していた。

【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。 １・・・スルーホール、２−・導体、３・・・絶縁体グ
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、Ｉ１０パッド。 第１図 第２図 第３図 温度〔０Ｃ〕 第５図 １６１１０パッド

Claims (1)

【特許請求の範囲】
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
   晶体であり導体が窒化チタンを主成分として構成されて
   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と、有機
   バインダーおよび有機溶剤との混合物からなるグリーン
   シートに窒化チタンを主成分とする導体ペーストを用い
   て導体層形成およびスルーホール中の導体埋め込みを行
   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、非酸化性雰囲気でこれらの脱バインダ
   ーおよび焼成を行なう工程を備えたことを特徴とする高
   熱伝導多層セラミック配線基板の製造方法。