JPS6273797A - Multilayer ceramic circuit substrate - Google Patents

Multilayer ceramic circuit substrate

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Publication number
JPS6273797A
JPS6273797A JP21534985A JP21534985A JPS6273797A JP S6273797 A JPS6273797 A JP S6273797A JP 21534985 A JP21534985 A JP 21534985A JP 21534985 A JP21534985 A JP 21534985A JP S6273797 A JPS6273797 A JP S6273797A
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JP
Japan
Prior art keywords
substrate
multilayer ceramic
aluminum nitride
ceramic
circuit substrate
Prior art date
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Pending
Application number
JP21534985A
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Japanese (ja)
Inventor
嶋田 勇三
泰弘 黒川
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
NEC Corp
Original Assignee
NEC Corp
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Filing date
Publication date
Application filed by NEC Corp filed Critical NEC Corp
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Publication of JPS6273797A publication Critical patent/JPS6273797A/en
Pending legal-status Critical Current

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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。
(57) [Summary] This bulletin contains application data before electronic filing, so abstract data is not recorded.

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、特に窒化タンタルを導
体として利用する高熱伝導多層セラミック基板に関する
ものである。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION (Field of Industrial Application) The present invention relates to a multilayer ceramic substrate, particularly a highly thermally conductive multilayer ceramic substrate using tantalum nitride as a conductor.

(従来技術とその問題点) 半導体技術の飛躍的な進展によって、IC,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
(Prior art and its problems) With the dramatic progress in semiconductor technology, ICs and LSIs have come to be widely used for industrial and civilian purposes.

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微細多
層配線が可能である。
In particular, multilayer ceramic substrates are attracting attention as mounting substrates for high-speed operation LSIs with high integration density. This multilayer ceramic substrate can directly mount an LSI, and allows fine multilayer wiring.

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りている。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。そのなめ、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。
Generally, alumina is mainly used as the material for ceramic substrates, but in recent years electrical devices have become smaller and smaller.
There is a strong demand for higher density circuits, and the degree of integration of elements and circuit elements per unit area of a substrate is increasing. On the other hand, LSI
, the chip tends to generate more heat as it operates at higher speeds. As a result, the heat generated by the substrate increases significantly, and a problem arises in that the alumina substrate does not have sufficient heat dissipation properties. Therefore, an insulating substrate that has higher thermal conductivity and better heat dissipation than an alumina substrate has become necessary.

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(特開昭57
−180006号公報)。炭化ケイ素はそれ自体電気的
に半導体に属し、比抵抗が1〜10Ω・1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ベリリウムや窒化ホウ素を用いる
と、焼結助剤効果だけでなく、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10 to
Ω・1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IMHzで40とか
なシ高く、添加剤を加えた絶縁性も電圧が5V程度にな
ると粒子間の絶縁が急激に低下するため耐電圧に対して
も問題がある。
Therefore, a ceramic substrate mainly composed of silicon carbide was developed as a material with excellent heat dissipation properties (Japanese Patent Laid-Open No. 57
-180006). Silicon carbide itself electrically belongs to a semiconductor, has a specific resistance of about 1 to 10 Ω·1, and has no electrical insulation properties, so it cannot be used as an insulating substrate. Furthermore, since silicon carbide has a high melting point and is very difficult to sinter, it is usually sintered using a so-called hot press method in which a small amount of sintering aid is added and pressure is applied at high temperature. When beryllium oxide or boron nitride is used as this sintering aid, it is effective not only for the sintering aid but also for electrical insulation, and the specific resistance of the sintered substrate mainly composed of silicon carbide is 10 to
It becomes Ω・1 or more. However, the dielectric constant, which is one of the important factors in mounting boards such as LSI, is as high as 40 at IMHz, and even with additives, the insulation between particles drops rapidly when the voltage reaches about 5V. Therefore, there is also a problem with the withstand voltage.

又、Be(至)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毒性であるため実用上困難な面
がでてくる。
Furthermore, although it is possible to create a multilayer ceramic substrate using Be powder, it is difficult in practice due to its toxicity.

一方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、装置が大がかシになるばかりでなく、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。さらに炭化ケイ素系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1.づ、プ
ロセス的に極めて困難である。
On the other hand, from a process point of view, the hot press method must be applied, which not only makes the equipment bulky but also makes it difficult to increase the shape of the substrate, and it also has problems with surface smoothness. There are many problems. Furthermore, for ceramic substrates using silicon carbide, alumina multilayer ceramic substrate technology using the conventional green sheet method is used.1. However, the process is extremely difficult.

ここでいうグリーンシート法多層セラミック基板技術と
は次に示す技術である。甘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〜400Pm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。
The green sheet multilayer ceramic substrate technology referred to herein is the following technology. The sweetened ceramic powder is mixed with an organic vehicle to form a slurry. A sheet having a thickness of about 10 μm to 400 Pm is formed on an organic film by casting this slurry.

該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υ
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−/シートを積層ブレスし
、脱バインダ一工程を経て焼成する。
After cutting the sheet into a predetermined size and forming through holes to provide electrical conduction between each layer, the sheet was printed using a thick film printing method.
A predetermined conductor pattern is formed. The ceramic green/sheets on which each of these conductor patterns have been formed are laminated and pressed, subjected to a binder removal step, and then fired.

高密度実装基板として具備すべき主な性質としては、(
1)電気特性に対して誘電率が低く、誘電損失が小さく
、ま九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、(5
)表面平滑性が優れていること、および(6)高密度化
が容易であること等が必要である。
The main properties that a high-density mounting board should have are (
1) It has a low dielectric constant with respect to electrical properties, low dielectric loss, and excellent electrical insulation, (2) sufficient mechanical strength, (3) high thermal conductivity, (4)
The coefficient of thermal expansion is close to that of silicon chips, etc. (5
) It must have excellent surface smoothness, and (6) it must be easy to increase the density.

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。
The above-mentioned ceramic substrates cannot be said to be sufficient in terms of these substrate properties in general.

一方、高熱伝導性基板の材料として窒化アルミニウムが
開発されている(特開昭59−50077号公報など)
。しかしながらこの材料も高温で焼結しなければならず
、ホットプレス法による作製方法が主流となっておシ、
まだ窒化アルミニウムを用いた多層配線基板は実現され
ていない。
On the other hand, aluminum nitride has been developed as a material for highly thermally conductive substrates (Japanese Unexamined Patent Publication No. 59-50077, etc.)
. However, this material also has to be sintered at high temperatures, and hot pressing has become the mainstream manufacturing method.
A multilayer wiring board using aluminum nitride has not yet been realized.

(発明の目的) 本発明は熱伝導性が優れ、内部に導体を有する高密度、
高熱伝導多層セラミック基板を提供することKある。
(Objective of the invention) The present invention provides high-density, high-density, and
It is an object of the present invention to provide a multilayer ceramic substrate with high thermal conductivity.

(発明の構成) 本発明によれば、セラミックス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、導体層の主成分が窒
化タンタルからなることを特徴とする高熱伝導多層セラ
ミック配線基板が得られる。
(Structure of the Invention) According to the present invention, there is provided a highly thermally conductive multilayer ceramic wiring board characterized in that the ceramic layer is composed of a polycrystalline body containing aluminum nitride as the main component, and the conductor layer is composed of tantalum nitride as the main component. can get.

(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。
(Detailed Description of Configuration) The present invention solves the problems of the prior art by adopting the above-mentioned configuration.

まず、多I−セラミック基板金構成する絶縁セラミック
ス材料として、熱伝導性の高い窒化アルミニウムを用い
た。この材料は焼成後、窒化アルミニウム多結晶の微密
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ために添加物と
して還元効果のある還元剤を入れることが好ましい。
First, aluminum nitride, which has high thermal conductivity, was used as an insulating ceramic material constituting the multi-I ceramic substrate. After firing, this material forms a fine structure of polycrystalline aluminum nitride. In order to obtain high thermal conductivity, it is preferable that the amount of oxygen contained in the sintered body is small, and therefore it is preferable to add a reducing agent having a reducing effect as an additive.

次に、導体層に関しては、窒化アルミニウムで構成され
ているセラミックス層に複数の電源層、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
体層をセラミックス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。
Next, regarding the conductor layer, multiple conductor layers such as a power supply layer, a ground layer, and fine signal lines are formed on a ceramic layer made of aluminum nitride, and these multiple conductor layers are provided in the ceramic layer. It is electrically connected via a peer hole.

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々る。
Therefore, the wiring density of the mounting board can be greatly increased, and the heat generated from elements such as LSI can be efficiently dissipated to the outside.

(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。
(Example) Examples of the present invention will be described in detail below with reference to the drawings.

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。lは絶縁セラミックス層であ
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は信号線および電源等の導体層であシ、窒
化タンタル全主成分として形成されており、絶縁セラミ
ックス層に形成されたピアホール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LSI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入出力用バッド6が基板裏面に形成
されている。基板上にマウントされたLSIチップから
発生する熱をダイパッド4を介してセラミック基板内へ
拡赦させる。セラミック基板の熱伝導率が高いことによ
り熱拡散が効率的圧室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。
FIG. 1 is an explanatory diagram showing an embodiment of a highly thermally conductive multilayer ceramic substrate according to the present invention. 1 is an insulating ceramic layer, which is mainly composed of polycrystalline aluminum nitride. Reference numeral 2 denotes a conductor layer for signal lines, power supply, etc., which is formed entirely of tantalum nitride as a main component, and the layers are electrically connected through peer holes 3 formed in the insulating ceramic layer. A die pad 4 and a bonding pad 5 are formed on the multilayer ceramic substrate configured in this way so that an LSI chip can be mounted, and in order to take out a signal from the mounting board or input a signal into the board. An input/output pad 6 is formed on the back surface of the board. Heat generated from the LSI chip mounted on the substrate is spread into the ceramic substrate via the die pad 4. Due to the high thermal conductivity of the ceramic substrate, heat diffusion becomes an efficient pressure chamber, and it is possible to prevent the LSI chip from increasing in temperature due to heat generation.

本実施例の配線基板の製造方法は次のとおりである。本
発明の基板を構成しているセラミックス材料としては、
窒化アルミニウムの焼結性を高めるため添加剤としてC
*C,を混入させている。1ず窒化アルミニウム粉末と
Cac、粉末とを秤量し、ボールミルより有機溶媒中で
の湿式混合を48時間行なった。
The method for manufacturing the wiring board of this example is as follows. Ceramic materials constituting the substrate of the present invention include:
C as an additive to improve the sinterability of aluminum nitride
*C, is mixed. First, aluminum nitride powder, Cac, and powder were weighed and wet mixed in an organic solvent using a ball mill for 48 hours.

この混合粉末をポリカプロラクトン系あるいはポリアク
リレート系樹脂等の中性雰囲気下で分解されやすい有機
バインダーとともに溶媒中に分散し粘度3000〜70
00 ep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〜200Prn程度の均一
な厚みKなるように、有機フィルム上てグリーンシート
を作成する。
This mixed powder is dispersed in a solvent with an organic binder that easily decomposes in a neutral atmosphere, such as polycaprolactone or polyacrylate resin, and the viscosity is 3000-70.
Create a slurry in the range of 00 ep. The slurry is cast onto an organic film to form a green sheet so as to have a uniform thickness K of about 10 μm to 200 Prn.

次にこのグリーンシートを11機フィルムから剥離した
のち、各層間を電気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
およびグ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。
Next, this green sheet is peeled off from the 11-layer film, and then peer holes are formed for electrically connecting each layer. The pier holes formed here were punched out mechanically using a punch and a gourd, but they can also be punched out by other methods such as laser machining.

ピアホールの形成されたグリーンシー)上へ、窒;X雰
囲気あるいは他の中性雰囲気あるい(″i還元雰囲気の
下で焼成した際、窒化タンタルになるタンタル化合物を
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。その後必要な杉状になるようにカッターを用い
て切断し、1400℃〜2000での1度で非酸化性雰
囲気中で焼成する。焼成の際、その昇温過程で400t
〜6001:の温度で脱バインダーを充分に行なっ九。
A conductive paste containing a tantalum compound as a main component, which becomes tantalum nitride when fired in a nitrogen atmosphere or other neutral atmosphere or a reducing atmosphere, is screened onto the green sea in which the pier holes are formed. A predetermined pattern is printed in a predetermined position using a printing method.The desired number of each green sheet with conductors printed in this way is stacked and heated.Then, it is cut using a cutter into the required cedar shape, and heated at 1400℃. Firing in a non-oxidizing atmosphere at ~2000℃.During firing, 400t
The binder was sufficiently removed at a temperature of ~6001:9.

作製した基板の特性を表に示す。The characteristics of the fabricated substrate are shown in the table.

以、−ト  示゛白 導体ペースト材料として、T a N 、 T a H
、T a CI h 。
Hereinafter, as the white conductor paste material, T a N, T a H
, T a CI h.

およびTaB r、 を使用した。and TaBr, were used.

ここに示し九CaC,量は窒化アルミニウムを100と
したときの値である。またフリット量は導体材料とフリ
ット材料を合せた重量に対しての値である。
The amount of CaC shown here is a value when aluminum nitride is taken as 100. Further, the amount of frit is a value relative to the combined weight of the conductor material and the frit material.

作成した基板の電気的特性を測定した結果、比抵抗がl
O′xΩ・1以上であり、銹電率は13.7(IMHz
 ) 、’faiK損失はlXl0−”以下(IMHz
)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
As a result of measuring the electrical characteristics of the created substrate, the specific resistance was l
O'xΩ・1 or more, and the galvanic rate is 13.7 (IMHz
), 'faiK loss is less than lXl0-'' (IMHz
)Met. It can be seen that the electrical characteristics are also at least the same as those of conventional boards, and are sufficient as a mounting board.

一方窒化アルミニウムに対する添加物としてCaO,B
oo、YIO,、CuO,Ago、BaC1,5rC1
On the other hand, CaO, B as additives to aluminum nitride
oo, YIO, CuO, Ago, BaC1,5rC1
.

N *@C@ 、 KsC@ 、 Cuc、 、 Mg
 C1、kg@C@ 、 Z rc@  等を用いた場
合においても窒化アルミニウムの焼結性を向上させる効
果が得られた。
N*@C@, KsC@, Cuc, , Mg
Even when C1, kg@C@, Z rc@, etc. were used, the effect of improving the sinterability of aluminum nitride was obtained.

(発明の効果) 実施例からも明らかなように、本発明の多層セラミック
配線基板は容易に信号線および電源層等全台めた導体を
E肩−する高蜜庵二ケ回路を形成することが出来、熱放
牧性に対し−Cも非虜に・f]効な高熱伝導多層セラミ
ック基板が得られる。
(Effects of the Invention) As is clear from the examples, the multilayer ceramic wiring board of the present invention can easily form a two-wire circuit that connects all conductors such as signal lines and power supply layers. It is possible to obtain a highly thermally conductive multilayer ceramic substrate which is also effective against thermal grazing properties.

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。オた熱#張係数においては、アル
ミナ基板がC55X 1 o−’/でであるのく対して
本発明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有利である。
The thermal conductivity of the conventionally used alumina substrate is 17W/
mK, which indicates that the thermal conductivity of the substrate of the present invention is at a very high level. In terms of thermal tensile coefficient, whereas the alumina substrate has a C55X 1 o-'/, the substrate of the present invention has a smaller value, which is closer to the thermal expansion coefficient of a silicon chip, which is advantageous. be.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of drawings]

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。l・・・絶縁セラミック層、2
・・・導体層、3・・・ピアホール、4・・・グイパッ
ド、5・・・ボンデ、インク入−・−ド、6・・・入出
力用パッド。
FIG. 1 is a schematic diagram of a highly thermally conductive multilayer ceramic substrate showing an embodiment of the present invention. l...Insulating ceramic layer, 2
. . . conductor layer, 3 . . . peer hole, 4 . . . pad, 5 .

Claims (1)

【特許請求の範囲】[Claims]  多層セラミック配線基板において、窒化アルミニウム
を主成分とするセラミック層と窒化タンタルを主成分と
する導体とを備えたことを特徴とする多層セラミック配
線基板。
A multilayer ceramic wiring board comprising a ceramic layer containing aluminum nitride as a main component and a conductor containing tantalum nitride as a main component.
JP21534985A 1985-09-27 1985-09-27 Multilayer ceramic circuit substrate Pending JPS6273797A (en)

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Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS57180006A (en) * 1981-04-30 1982-11-05 Hitachi Ltd High thermally conductive electric insulator
JPS6077186A (en) * 1983-09-30 1985-05-01 株式会社東芝 Ceramic sintered body with metallized surface
JPS60173900A (en) * 1984-02-20 1985-09-07 株式会社東芝 Ceramic circuit board

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