WO2023163066A1 - セラミック配線基板、電子装置及び電子モジュール - Google Patents

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誠 山本
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京セラ株式会社
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    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L23/00—Details of semiconductor or other solid state devices
    • H01L23/12—Mountings, e.g. non-detachable insulating substrates
    • H01L23/13—Mountings, e.g. non-detachable insulating substrates characterised by the shape
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • 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

Definitions

  • the present disclosure relates to ceramic wiring boards, electronic devices, and electronic modules.
  • One aspect of the present disclosure is a ceramic sintered body containing an alumina crystal phase and a zirconia crystal phase as main components and containing manganese oxide and silica as secondary components; a wiring located on at least one of the surface and the inside of the ceramic sintered body and containing molybdenum as a main component; with
  • the zirconia crystal phase includes first crystal grains and second crystal grains larger in grain size than the first crystal grains, and the second crystal grains located at the interface between the ceramic sintered body and the wiring are It is a ceramic wiring board including the thing which has entered into the recessed part of the said wiring.
  • FIG. 4 is a diagram showing the distribution of zirconia in the cross section of the ceramic wiring board after sintering;
  • FIG. 4 is a diagram showing the distribution of manganese in the cross section of the ceramic wiring board after sintering;
  • FIG. 4 is a diagram showing the distribution of silica in the cross section of the ceramic wiring board after sintering;
  • FIG. 1A to 1C are cross-sectional views showing the schematic configuration of the electronic module 100 of this embodiment.
  • FIG. 1B is an enlarged view of portion B in FIG. 1A.
  • FIG. 1C is an enlarged view of portion C in FIG. 1A.
  • the electronic module 100 has, for example, a module substrate 10 mounted on an external main board 500 incorporated in an electronic device, and various electronic devices 20 mounted on the module substrate 10. .
  • the electronic device 20 is, for example, a SAW (Surface Acoustic Wave) filter, a crystal device, or the like, but is not particularly limited to these.
  • the module board 10 and the electronic device 20 can constitute a functional module related to some function. Functional modules include, for example, front-end modules related to communication functions.
  • the electronic device 20 preferably has an appropriate size for the configuration of the functional module, and is a WLP (Wafer Level Package) that is particularly thin in the height direction (the direction perpendicular to the mounting surface of the electronic device 20 of the module substrate 10). good too.
  • the module substrate 10 may be mounted with electronic components 30 such as switching elements, filter components, antenna components, and power amplifiers.
  • the electronic device 20 and the electronic component 30 on the module substrate 10 may be covered and sealed with a lid or sealing resin.
  • the electronic device 20 has a ceramic wiring board 21 and an electronic element 22 such as a SAW chip included in the SAW filter or a crystal oscillator included in the crystal device.
  • the ceramic wiring board 21 includes a ceramic sintered body 211 and wiring 212 located on at least one of the surface and inside of the ceramic sintered body 211 .
  • the electronic element 22 is electrically connected to the ceramic wiring board 21 via a connection pad or the like. connected to the connection pads of the Power and signals are exchanged through these connection pads.
  • the electronic element 22 may be integrally formed with the ceramic wiring board 21 on a wafer by a semiconductor process.
  • a wafer having electronic elements 22 arranged in a matrix is stacked on a multi-cavity wiring board having ceramic wiring boards 21 arranged in a matrix, and the electronic elements 22 and the ceramic wiring board 21 are connected and then cut into pieces. , a plurality of electronic devices 20 can be obtained.
  • the electronic device 20 may be mounted directly on the main board 500 without the module substrate 10 interposed therebetween. While the electronic device 20 shown in FIG. 1B is of the WLP type, the electronic device 20 shown in FIG. 1C is of the CSP (Chip Size Package/Chip Scale Package) type.
  • the electronic element 22 is electrically connected to the ceramic wiring board 21 via connection pads or the like, and the connection pads are located on the surface and inside the ceramic wiring board 21. It is connected to a connection pad of the main board 500 or the like via a wiring 212 . Power and signals are exchanged via these wirings 212 and connection pads.
  • the electronic element 22 on the ceramic wiring board 21 may be covered and sealed with a lid or sealing resin 23 .
  • An electronic component sealed with a resin is obtained, for example, by mounting an electronic element 22 on each ceramic wiring board 21 of a multi-cavity wiring board, encapsulating a plurality of electronic elements 22 together with a sealing resin, and then cutting them into pieces. Obtainable.
  • FIG. 2 is a diagram showing an example of a cross section of the ceramic wiring board 21 photographed with a SEM (Scanning Electron Microscope).
  • the ceramic wiring board 21 includes a ceramic sintered body 211 (gray portion) and wiring 212 (white portion).
  • the ceramic sintered body 211 is a ceramic insulating plate, but is not limited to having flat upper and lower surfaces.
  • the ceramic sintered body 211 is mainly composed of crystal phases of alumina (aluminum oxide, Al 2 O 3 ) and zirconia (zirconium oxide, ZrO 2 ) (alzil).
  • Main component means that the total of alumina and zirconia is 85 to 95 wt % of the whole.
  • zirconia is 25 to 40 wt% of the whole, and alumina is 50 to 70 wt% of the whole. If the amount of zirconia in the main component is less than the above range, the toughness is lowered, and cracks easily occur when thin. When the amount of zirconia exceeds the above range, the dielectric constant increases. Zirconia may be partially stabilized with a stabilizer such as yttria (Y 2 O 3 ).
  • the ceramic sintered body 211 contains manganese oxide (Mn 2 O 3 ) and silica (silicon dioxide, SiO 2 ) as subcomponents. These are sintering aids for alumina and zirconia. As an example, although not particularly limited, the weight ratio (expressed in wt%, which is the same as the mass ratio here) is 55 wt% alumina, 35 wt% zirconia, 5 wt% silica, manganese oxide (Mn 2 O 3 ) is 3 wt %, and magnesium oxide (MgO) is 2 wt %. That is, the proportion of zirconia may be greater than 30 wt%. Since the ratio of zirconia is greater than 30 wt %, the ceramic wiring board 21 has high toughness and is hard to crack even when it is extremely thin as described above.
  • the wiring 212 includes a conductive metal that transmits signals, power, etc., and is located on both sides (surface) and inside the ceramic sintered body 211 here.
  • the internal wiring 212a of the ceramic sintered body 211 is connected to the surface wiring 212c (here, wiring on the lower surface) of the ceramic wiring board 21 by through vias 212b.
  • the wiring 212 is mainly composed of molybdenum (Mo) as a conductor component, and contains alumina as a component other than the conductor. Moreover, the wiring 212 does not contain tungsten (W) as a main component. As a result, the sintering temperature can be lowered more than conventionally.
  • the thickness of the ceramic wiring board 21 is 100 ⁇ m or less, for example, about 50 to 100 ⁇ m, and more preferably less than 75 ⁇ m, for example, about 50 ⁇ m. ⁇ 10 ⁇ m.
  • the diameter of the through via 212b is 100 ⁇ m or less, for example, about 50 to 90 ⁇ m. In this case, the thickness of the wiring 212 is a proportion that cannot be ignored compared to the thickness of the ceramic sintered body 211 .
  • the ceramic wiring board 21 having such a combination of the ceramic sintered body 211 and the wiring 212 is integrally sintered after the ceramic material powder body forming the ceramic layer and the metallized member forming the wiring are molded with a mold or the like. obtained by The ceramic wiring board 21 can be produced, for example, as follows. First, a ceramic material powder, a binder and a solvent are kneaded to prepare a slurry, and the slurry is formed into a sheet by a molding method such as a doctor blade method to obtain a green sheet that will be a ceramic layer.
  • Ceramic materials include alumina (eg, 55 wt%), zirconia (35 wt%), silica (5 wt%), manganese oxide (3 wt%), and magnesium oxide (2 wt%) as described above.
  • a wiring pattern is formed on the obtained green sheet with a conductive paste that will be a metallized member.
  • a through-hole is formed at a predetermined position of the green sheet using a mold or the like, and the through-hole is filled with a conductive paste to form a via conductor pattern that becomes the through via 212b.
  • a conductor paste is printed in a predetermined pattern shape on a predetermined position of the green sheet on which the via conductor pattern is formed to produce a green sheet on which the wiring patterns of the internal wiring 212a and the surface wiring 212c are formed.
  • a plurality of green sheets having wiring patterns formed thereon are laminated to form a laminated body, and the laminated body is fired to obtain a ceramic wiring board 21 in which a ceramic sintered body 211 and wiring 212 are formed by simultaneous firing. Become.
  • the metallized member contains molybdenum as a conductor component.
  • Molybdenum is a metal that is easily sintered at low temperatures compared to tungsten. By using only molybdenum as the conductor component, sintering can be performed at a temperature that does not significantly change the grain size of the later-described ceramic material. As an example, molybdenum has an average particle size of 2.5 ⁇ m.
  • the metallized member before firing does not contain a glass material, particularly silica. Since the sintering aid is not included, sintering of the molybdenum particles does not proceed at a lower temperature. Therefore, the timing of sintering shrinkage of the metallized member does not deviate from that of the ceramic material, and the possibility of occurrence of peeling or the like is reduced.
  • the metallized member may contain alumina in addition to molybdenum, which is the main component.
  • Algyl has a thermal expansion coefficient of about 8 ppm/°C
  • molybdenum has a thermal expansion coefficient of about 5 ppm/°C. Therefore, when a normal sintering process is performed, deflection or the like occurs in accordance with the difference in coefficient of thermal expansion. As described above, since the thickness of the wiring 212 is a proportion that cannot be ignored compared to the ceramic sintered body 211, this deflection tends to increase. Therefore, the ceramic sintered body 211 and the wiring 212 are easily peeled off during subsequent cooling.
  • the coefficient of thermal expansion of the wiring 212 can be made close to the coefficient of thermal expansion of the ceramic sintered body 211, thereby reducing the possibility of separation between the ceramic sintered body 211 and the wiring 212. be able to.
  • Zirconia may be used if only the coefficient of thermal expansion of the wiring 212 is adjusted, but if zirconia, which has a lower sintering temperature than alumina, is included, sintering of the molybdenum particles may proceed at a lower temperature.
  • the wiring 212 may contain alumina.
  • the average particle size of alumina is, for example, 1.5 ⁇ m.
  • the metallized member may contain 70 to 97 wt% of molybdenum as a main component and 3 to 30 wt% of alumina. When the alumina content is within this range, the possibility of wiring peeling is reduced, and an increase in electrical resistance is suppressed.
  • the sintering temperature is lowered in the combination of zirconia, silica and manganese, particularly compared to the case where manganese oxide is not included. , where, for example, sintering at about 1400.degree.
  • the toughness (bending strength) of the ceramic sintered body 211 decreases as the grain size of the alumina crystal phase and the zirconia crystal phase in the ceramic sintered body 211 increases.
  • the powder contained in the ceramic material has a smaller particle size than the metallized member (for example, alumina has an average particle size of 0.5 ⁇ m, and zirconia has an average particle size of 0.2 ⁇ m).
  • the sintering temperature and sintering time are within a range in which these sizes do not change significantly due to sintering (for example, the range of 1.0 to 2.5 times the original grain size, the grain size of the first crystal grains). is defined.
  • the intermediate reaction product of silica and manganese becomes a liquid phase and its movement becomes easy.
  • the metallized member does not contain silica as described above, silica and manganese tend to migrate toward the metallized member due to the large concentration gradient of silica between the ceramic material and the metallized member.
  • the inclusion of alumina in the wiring 212 facilitates this migration. That is, in addition to the concentration gradients of silica and manganese, the metallized member contains alumina, which readily reacts with them, making it easier to migrate to the metallized member.
  • FIG. 3 shows an enlarged view of a portion surrounded by a dashed line in the cross section of the ceramic wiring board 21 shown in FIG.
  • the white portion is the molybdenum of the wiring 212 and the black portion is the alumina (described as Al here) contained in both the ceramic sintered body 211 and the wiring 212 .
  • the gray part is zirconia.
  • the grains are growing more than the first crystal grains 211a indicated by broken lines in FIG. That is, the first crystal grains 211a of zirconia that are usually found inside the ceramic sintered body 211 have a granular size approximately equal to the crystal grains of zirconia in the original ceramic material.
  • the second crystal grains 211b that enter and bite into the recess along (the molybdenum of) the wiring 212 have a size as a whole. It grows larger than the size of the crystal grains (first crystal grains 211a) in the original ceramic material.
  • the average grain size of the original zirconia crystal grains is about 0.2 ⁇ m.
  • the inside of the ceramic sintered body 211 (the range away from the interface with the wiring 212) does not change much from this size (the size is about the same, approximately 0.5 ⁇ m or less).
  • zirconia grains grow to 1.0 ⁇ m or more (the grain size is larger than that of the first crystal grains 211a), for example, 2.0 to 3.0 ⁇ m. has grown to some extent. Note that not all the zirconia crystals in contact with molybdenum (positioned at the interface) are as large as these.
  • zirconia crystals grown according to the distribution of silica and manganese may exist.
  • the ratio of zirconia crystals (second crystal grains 211b) having a large grain size is low, and near the interface (the range in contact with the interface), the ceramic sintered body 211
  • the proportion of zirconia crystals (second crystal grains 211b) having a larger grain size than in the inside (positions away from the interface) increases.
  • a liquid phase is generated by the three components of zirconia particles located at the boundary (interface) with the metallized layer and the silica and manganese that have moved.
  • the zirconia particles located at the interface are accelerated to be sintered and grow to become second crystal particles 211b having a large particle size.
  • Zirconia and silica alone do not form a liquid phase at low temperatures, and the addition of manganese promotes sintering and grain growth of zirconia particles at low temperatures.
  • the second crystal grains 211b of the zirconia crystal phase enter into the recesses in the fine uneven surface of molybdenum of the metallized layer.
  • the second crystal grains 211b by zirconia, silica, and manganese can occur even at a position away from the interface.
  • the migration of silica and manganese into the metallized member results in more intermediate products of silica and manganese at the interface between the metallized member and the ceramic material than away from the interface. Therefore, the zirconia particles located at the interface are sintered faster than the zirconia particles located away from the interface.
  • the crystal grain size tends to increase locally, so that the proportion of the second crystal grains 211b positioned at the interface is larger than the proportion of the second crystal grains 211b positioned away from the interface.
  • the grown zirconia crystals (second crystal grains 211 b ) form a wedge against the molybdenum, making it difficult for the wiring 212 to separate from the ceramic sintered body 211 . Since this wedge is made of zirconia crystal grains with high toughness, the bonding strength is higher than when the wiring 212 and the ceramic sintered body 211 are bonded using a glass component.
  • sintering is performed within a range in which the grain size of normal zirconia at positions distant from the interface does not grow large, so the toughness of the ceramic sintered body 211 as a whole does not decrease.
  • alumina is contained in both the ceramic material and the metallized member, it promotes sintering bonding between them, and at the same time promotes sintering and bonding between other zirconia and molybdenum. .
  • FIG. 4A to 4C are diagrams showing distributions of respective components of zirconia, manganese and silica in the cross section of the ceramic wiring board 21 after sintering shown in FIG. 3.
  • FIG. 4A the zirconia component does not enter the interior of the wiring 212 and is distributed only in the range of the ceramic sintered body 211 at the top and bottom of the drawing.
  • this photograph since individual small-sized crystal grains are not separated, the portion where zirconia crystals with a small grain size are connected is collectively shown as a distribution range of zirconia.
  • the components of silica and manganese which are liquid phase at low temperature, flow into the metallized member (wiring 212).
  • the sintering of the zirconia located in the vicinity) is promoted. Since zirconia grains grow in the vicinity of the interface, it crystallizes in a sintered state held by molybdenum recesses in the vicinity of the interface. This causes some of the zirconia to grow to a large crystal size that fills the recesses of the molybdenum. In this way, zirconia has large crystal grains concentrated mainly in the vicinity of the interface.
  • the zirconia crystal grains act as wedges, improving the bondability between the wiring 212 and the ceramic sintered body 211 and making them less likely to separate.
  • the zirconia located away from the wiring 212 is difficult to come into contact with silica and manganese, so that the sintering is not promoted and the crystal size remains at the conventional level. A decrease in toughness can be suppressed.
  • the ceramic wiring board 21 of the present embodiment includes the ceramic sintered body 211 containing the alumina crystal phase and the zirconia crystal phase as main components, and containing manganese oxide and silica as subcomponents, and the ceramic sintered body 211 a wiring 212 which is located on at least one of the surface and the inside of the and contains molybdenum as a main component.
  • the zirconia crystal phase includes first crystal grains 211a and second crystal grains 211b larger in grain size than the first crystal grains 211a.
  • the second crystal grains 211 b include those positioned at the interface between the ceramic sintered body 211 and the wiring 212 and entering the recesses of the wiring 212 .
  • the first crystal grains 211a as used herein refer to those in the ceramic sintered body 211 that have not grown large in crystal grain size from the starting ceramic material, and have a grain size of less than 1.0 ⁇ m, generally 0.0 ⁇ m as described above. 5 ⁇ m or less.
  • the zirconia of small grain size inside the ceramic sintered body 211 improves its toughness (bending strength).
  • zirconia with a large grain size that has grown into the recesses of the molybdenum prevents the wiring 212 from peeling off.
  • a ceramic wiring board 21 with high connection strength can be obtained.
  • even with a thin ceramic wiring board 21 it is possible to suppress a decrease in yield due to breakage due to the difference in thermal expansion coefficient between the ceramic sintered body 211 and the wiring 212, peeling of the wiring 212, and the like.
  • the proportion of second crystal grains 211b located at the interface is greater than the proportion of those located away from the interface. That is, the second crystal grains 211b having a large grain size are not formed only at the interface, and not all the zirconia crystals at the interface grow to a large grain size, but the interface as a whole is more likely to have a large grain size. It is a growing trend. With this level of growth of zirconia crystals, the ceramic wiring substrate 21 having high toughness and high connection strength between the wiring 212 and the ceramic sintered body 211 can be easily achieved at the conventional cost without severely controlling the sintering conditions. can be obtained.
  • the second crystal grains 211 b have portions shaped along the unevenness of the molybdenum of the wiring 212 . Since the second crystal grains 211b grow particularly along the unevenness of the surface of molybdenum, they are more likely to bond with molybdenum more reliably, and bonding strength between the wiring 212 and the ceramic sintered body 211 can be obtained.
  • the wiring 212 contains alumina. This promotes the migration of minor components in the ceramic material to the wiring 212 during sintering, and promotes crystal growth and bonding along the molybdenum surface of the zirconia during sintering of the ceramic material and the metallized member. be.
  • the electronic device 20 of this embodiment includes the ceramic wiring board 21 and the electronic element 22 mounted on the ceramic wiring board 21 .
  • the electronic module 100 of this embodiment includes the electronic device 20 and the module board 10 on which the electronic device 20 is mounted.
  • the wiring 212 may not be inside the ceramic sintered body 211, or may be located only inside. Also, even when the wiring 212 is on the surface of the ceramic sintered body 211 , it may be positioned on only one surface of the ceramic sintered body 211 . Also, the wiring as used herein may include a wide range of conductor planes such as ground planes.
  • the zirconia crystal phase on the interface is explained as growing along the recesses on the surface of the molybdenum crystal. good too. Conversely, there may be molybdenum recesses that do not grow in contact with zirconia crystals.
  • the shape of the ceramic wiring board 21 is not particularly limited.
  • the ceramic wiring board 21 may have wiring 212 inside or on its surface.
  • the ceramic wiring board 21 may have a recess for accommodating the electronic element 22 .
  • the metallized member may not necessarily contain alumina.
  • ceramic materials and metallized members components that are not specified as contained or not contained above may be added as appropriate.
  • the present disclosure can be used for ceramic wiring boards, electronic devices and electronic modules.

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Abstract

薄くともより靭性が高くかつ配線との接続強度の高いセラミック配線基板、電子装置及び電子モジュールを提供する。セラミック配線基板（２１）は、アルミナ結晶相及びジルコニア結晶相が主成分であり、副成分として酸化マンガン及びシリカを含むセラミック焼結体（２１１）と、セラミック焼結体（２１１）の表面及び内部のうち少なくとも一方に位置し、モリブデンを主成分とする配線（２１２）と、を備える。ジルコニア結晶相は、第１結晶粒子（２１１ａ）及び第１結晶粒子（２１１ａ）よりも粒径の大きい第２結晶粒子（２１１ｂ）を含み、セラミック焼結体（２１１）と配線（２１２）との界面に位置する第２結晶粒子（２１１ｂ）は、配線（２１２）の凹部に入り込んでいるものを含む。

Description

セラミック配線基板、電子装置及び電子モジュール
　本開示は、セラミック配線基板、電子装置及び電子モジュールに関する。
　電子部品を搭載するセラミック配線基板について、国際公開第２０１２／０６０３４１号には、セラミック材料の主成分として、アルミナに部分安定化ジルコニアを含めて当該部分安定化ジルコニアの結晶内の正方晶の割合を高めることで、セラミック基体の誘電率を上げずに曲げ強度を高いものとし、また、金属配線となるメタライズ層にガラス成分を含ませることでセラミック基体と金属配線との接合強度の高い配線基板を得ることができる点について記載されている。
　本開示の一の態様は、
　アルミナ結晶相及びジルコニア結晶相が主成分であり、副成分として酸化マンガン及びシリカを含むセラミック焼結体と、
　当該セラミック焼結体の表面及び内部のうち少なくとも一方に位置し、モリブデンを主成分とする配線と、
　を備え、
　前記ジルコニア結晶相は、第１結晶粒子及び当該第１結晶粒子よりも粒径の大きい第２結晶粒子を含み、前記セラミック焼結体と前記配線との界面に位置する前記第２結晶粒子は、前記配線の凹部に入り込んでいるものを含む
　セラミック配線基板である。
電子モジュールの概略構成を示す断面図である。 電子モジュールの概略構成を示す断面図である。 電子モジュールの概略構成を示す断面図である。 セラミック配線基板の断面の一例を撮影した図である。 セラミック配線基板の断面の拡大図を示す。 焼結後のセラミック配線基板の断面におけるジルコニアの分布を示す図である。 焼結後のセラミック配線基板の断面におけるマンガンの分布を示す図である。 焼結後のセラミック配線基板の断面におけるシリカの分布を示す図である。
　以下、実施の形態を図面に基づいて説明する。
　図１Ａ～図１Ｃは、本実施形態の電子モジュール１００の概略構成を示す断面図である。図１Ｂは、図１Ａにおける部分Ｂを拡大して示したものである。図１Ｃは、図１Ａにおける部分Ｃを拡大して示したものである。
　図１Ａに示すように、電子モジュール１００は、例えば、電子機器などに組み込まれた外部のメインボード５００に搭載されるモジュール基板１０と、当該モジュール基板１０に搭載された各種電子装置２０とを有する。電子装置２０は、例えば、ＳＡＷ（Surface Acoustic Wave）フィルタや水晶デバイスなどであるが、特にこれらに限定されるものではない。モジュール基板１０及び電子装置２０により何らかの機能に係る機能モジュールが構成され得る。機能モジュールには、例えば、通信機能に係るフロントエンドモジュールなどが含まれる。電子装置２０は、機能モジュールの構成として適切なサイズであることが好ましく、特に高さ方向（モジュール基板１０の電子装置２０の搭載面に垂直な方向）について薄いＷＬＰ（Wafer Level Package）であってもよい。モジュール基板１０には、電子装置２０以外に、例えば、スイッチング素子、フィルタ部品、アンテナ部品、パワーアンプなどの電子部品３０が搭載されてもよい。モジュール基板１０上の電子装置２０及び電子部品３０は、蓋体又は封止樹脂で覆われて封止されていてもよい。
　図１Ｂに示すように、電子装置２０は、セラミック配線基板２１と、上記ＳＡＷフィルタに含まれるＳＡＷチップや水晶デバイスに含まれる水晶振動素子などの電子素子２２とを有する。セラミック配線基板２１は、セラミック焼結体２１１と、セラミック焼結体２１１の表面及び内部のうち少なくとも一方に位置する配線２１２と、を備えている。電子素子２２は、セラミック配線基板２１に対して接続パッドなどを介して電気的に接続されており、当該接続パッドは、セラミック配線基板２１の表面及び内部に位置する配線２１２を介してモジュール基板１０の接続パッドなどに接続される。電力や信号のやり取りは、この接続パッドを介して行われる。電子素子２２は、ウエハ上で半導体プロセスによりセラミック配線基板２１と一体形成されてもよい。セラミック配線基板２１がマトリクス状に配列された多数個取り配線基板に、電子素子２２がマトリクス状に配列されたウエハを重ねて、各電子素子２２とセラミック配線基板２１とを接続した後に切り分けることで、複数の電子装置２０を得ることができる。
　図１Ａ及び図１Ｃに示すように、電子装置２０は、モジュール基板１０を介さずにメインボード５００に直接搭載されるものであってもよい。図１Ｂに示す電子装置２０がＷＬＰタイプであるのに対して、図１Ｃに示す電子装置２０は、ＣＳＰ（Chip Size Package / Chip Scale Package）タイプである。この場合の電子装置２０においても、電子素子２２は、セラミック配線基板２１に対して接続パッドなどを介して電気的に接続されており、当該接続パッドは、セラミック配線基板２１の表面及び内部に位置する配線２１２を介してメインボード５００の接続パッドなどに接続されている。電力や信号のやり取りは、これら配線２１２及び接続パッドを介して行われる。図１Ｃに示すように、セラミック配線基板２１上の電子素子２２は、蓋体又は封止樹脂２３で覆われて封止されていてもよい。樹脂により封止された電子部品は、例えば、多数個取り配線基板の各セラミック配線基板２１上に電子素子２２を搭載し、複数の電子素子２２を封止樹脂により一括封止した後に切り分けることで得ることができる。
　図２は、セラミック配線基板２１の断面をＳＥＭ（Scanning Electron Microscope、走査電子顕微鏡）で撮影した一例を示す図である。
　セラミック配線基板２１は、セラミック焼結体２１１（灰色部分）と、配線２１２（白色部分）とを備える。セラミック焼結体２１１は、セラミックの絶縁板であるが上下面などが平面であるものには限られない。セラミック焼結体２１１は、アルミナ（酸化アルミニウム、Ａｌ２Ｏ３）及びジルコニア（酸化ジルコン、ＺｒＯ２）の各結晶相を主成分としたもの（アルジル）である。主成分とするとは、アルミナ及びジルコニアの合計が全体の８５～９５ｗｔ％であることをいう。この範囲よりもアルミナ及びジルコニアの合計が多いと、焼結性が低下し、この範囲よりもアルミナ及びジルコニアの合計が少ないと、強度が低下する。また、ジルコニアが全体に対して２５～４０ｗｔ％であり、かつアルミナが全体に対して５０～７０ｗｔ％とされる。主成分においてジルコニアが上記範囲よりも少ないと、靭性が低下して、薄い場合に割れやすくなる。ジルコニアが上記範囲よりも多いと、比誘電率が大きくなる。ジルコニアは、安定化剤、例えばイットリア（Ｙ２Ｏ３）などにより部分安定化されたものであってよい。セラミック焼結体２１１は、副成分として、酸化マンガン（Ｍｎ２Ｏ３）及びシリカ（二酸化ケイ素、ＳｉＯ２）を含む。これらは、アルミナ及びジルコニアの焼結助剤である。特には限られないが一例として、重量比（ｗｔ％で表示。ここでは質量比と同一とする）では、アルミナが５５ｗｔ％、ジルコニアが３５ｗｔ％、シリカが５ｗｔ％、酸化マンガン（Ｍｎ２Ｏ３）が３ｗｔ％、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）が２ｗｔ％である。すなわち、ジルコニアの比率が３０ｗｔ％より大きくてもよい。ジルコニアの比率が３０ｗｔ％よりも大きいことで、セラミック配線基板２１は、上記のように極めて薄い場合でも靭性が高く割れ難いものとなる。
　配線２１２は、信号や電力などを伝える導体金属を含み、ここでは、セラミック焼結体２１１の両面（表面）及び内部に位置している。セラミック焼結体２１１の内部配線２１２ａは、貫通ビア２１２ｂにより、セラミック配線基板２１の表面配線２１２ｃ（ここでは下面の配線）とつながっている。配線２１２は、導体成分としてモリブデン（Ｍｏ）を主成分としており、導体以外のその他の成分としてアルミナが含まれる。また、配線２１２は、タングステン（Ｗ）を主成分として含まない。これにより、従来よりも焼結温度を低下させることができる。
　セラミック配線基板２１の厚さは、１００μｍ以下、例えば、５０～１００μｍ程度、より好ましくは７５μｍ未満、例えば、５０μｍ程度であり、内部配線２１２ａ及び表面配線２１２ｃの厚さは、２０μｍ以下、例えば、５～１０μｍ程度である。貫通ビア２１２ｂの径は、１００μｍ以下、例えば、５０～９０μｍ程度である。この場合には、配線２１２の厚さはセラミック焼結体２１１の厚さに比して無視できない程度の割合となっている。
　このようなセラミック焼結体２１１と配線２１２の組み合わせを有するセラミック配線基板２１は、セラミック層をなすセラミック材の粉末体と配線をなすメタライズ部材とが金型などで成形された後に一体焼結されて得られる。セラミック配線基板２１は、例えば、以下のようにして作製することができる。まず、セラミック材の粉末体とバインダー及び溶媒を混錬してスラリーを作製し、このスラリーをドクターブレード法などの成形方法によりシート状にしてセラミック層となるグリーンシートを得る。セラミック材には、上記のアルミナ（例えば、５５ｗｔ％）、ジルコニア（３５ｗｔ％）、シリカ（５ｗｔ％）、酸化マンガン（３ｗｔ％）及び酸化マグネシウム（２ｗｔ％）が含まれる。
　次に、得られたグリーンシートにメタライズ部材となる導体ペーストで配線パターンを形成する。グリーンシートの所定位置に金型などを用いて貫通孔を形成し、導体ペーストで貫通孔を充填することで、貫通ビア２１２ｂとなるビア導体パターンを形成する。また、ビア導体パターンが形成されたグリーンシートの所定位置に所定のパターン形状で導体ペーストを印刷して、内部配線２１２ａ及び表面配線２１２ｃの配線パターンが形成されたグリーンシートを作製する。配線パターンが形成された複数のグリーンシートを積層して積層体を作製し、この積層体を焼成することで、セラミック焼結体２１１と配線２１２とが同時焼成で形成されたセラミック配線基板２１となる。
　メタライズ部材は、モリブデンを導体成分として含む。モリブデンはタングステンと比較して、低温で焼結しやすい金属である。導体成分としてモリブデンのみを用いることで、後述するセラミック材料の粒径を焼結によって大きく変化させない温度で焼結することができる。一例として、モリブデンの平均粒径は２．５μｍである。また、焼成前のメタライズ部材にはガラス材、特にシリカが含まれない。焼結助剤が含まれないことで、より低温でモリブデン粒子の焼結が進むことがない。したがって、メタライズ部材の焼結収縮のタイミングがセラミック材料とずれることがなく、剥離などが発生する可能性が低減される。
　メタライズ部材は、主成分であるモリブデン以外にアルミナを含んでもよい。アルジルの熱膨張率は８ｐｐｍ／℃程度であるのに対し、モリブデンの熱膨張率は５ｐｐｍ／℃程度である。したがって、普通に焼結処理を行ったときにこの熱膨張率の差に応じてたわみなどが生じる。上記のように、セラミック焼結体２１１に比して配線２１２の厚みが無視できない比率であるので、このたわみが大きくなりやすい。したがって、その後の冷却時などにセラミック焼結体２１１と配線２１２とが剥がれやすくなる。配線２１２がアルミナを含む場合には、配線２１２の熱膨張率をセラミック焼結体２１１の熱膨張率に近づけることができるので、セラミック焼結体２１１と配線２１２との剥がれの可能性を低減することができる。配線２１２の熱膨張率の調整だけであれば、ジルコニアでもよいが、アルミナより焼結温度の低いジルコニアを含むと、より低温でモリブデン粒子の焼結が進む場合がある。セラミック材料と焼結収縮のタイミングを合わせるためには、配線２１２は、アルミナを含むのがよい。アルミナの平均粒径は、一例として１．５μｍである。また、アルミナを含むことで、後述するように、メタライズ層へのシリカ及びマンガンの移動が促進される。メタライズ部材は、主成分のモリブデンを７０～９７ｗｔ％含み、アルミナを３～３０ｗｔ％含むものとしてもよい。アルミナがこの範囲であると、配線の剥がれの可能性が低減され、また、電気抵抗の増加が抑えられる。
　ジルコニアに対して焼結助剤として上記のように酸化マンガン及びシリカが含まれることで、特に酸化マンガンが含まれない場合に比して、ジルコニア、シリカ及びマンガンの組み合わせでは焼結温度が低下し、ここでは、例えば、約１４００℃での焼結がなされる。セラミック焼結体２１１におけるアルミナ結晶相及びジルコニア結晶相の粒径が大きくなると、セラミック焼結体２１１の靭性（曲げ強度）が低下することが知られている。セラミック材に含まれる粉末体では、これらの粒径は上記のメタライズ部材よりも小さいサイズ（例えば、アルミナの平均粒径が０．５μｍ、ジルコニアの平均粒径が０．２μｍ）とされる。通常、焼結によってこれらのサイズが大きく変化しない範囲（例えば、元の粒径に対して１．０～２．５倍の範囲。第１結晶粒子の粒径）で焼結温度及び焼結時間が定められる。
　上記焼結温度では、シリカとマンガンの中間反応物が液相化してその移動が容易になる。特に、上記のようにメタライズ部材にはシリカが含まれないので、セラミック材とメタライズ部材との間でのシリカの大きな濃度勾配に応じて、シリカ及びマンガンは、メタライズ部材の側へ移動しやすい。特に、配線２１２がアルミナを含むことで、この移動が促進される。すなわち、シリカ及びマンガンの濃度勾配に加えて、これらと反応しやすいアルミナがメタライズ部材に含まれることで、更にメタライズ部材へ移動しやすくなる。
　図３には、図２に示したセラミック配線基板２１の断面における一点鎖線で囲まれた部分の拡大図を示す。
　上記のように、白色部分が配線２１２のモリブデンであり、黒色部分はセラミック焼結体２１１及び配線２１２のいずれにも含まれるアルミナ（ここではＡｌと記載）である。灰色の部分がジルコニアである。
　ジルコニアの結晶がセラミック焼結体２１１と配線２１２との界面近くに位置するモリブデンの表面（界面）、特に凹部において（点線で示す部分の第２結晶粒子２１１ｂなど）、従来（界面以外の部分。例えば、図３において破線で示す部分の第１結晶粒子２１１ａなど）よりも成長している様子が見られる。すなわち、セラミック焼結体２１１の内部で通常見られるジルコニアの第１結晶粒子２１１ａは、元のセラミック材におけるジルコニアの結晶粒子程度の粒状サイズである。これに比して、配線２１２（のモリブデン）に沿ってその凹部に入り込み、食い込んで（特に、凹部の外と中との間をつないで）いる第２結晶粒子２１１ｂは、全体的にサイズが元のセラミック材における結晶粒子（第１結晶粒子２１１ａ）のサイズに比して大きく成長している。
　上記のように、元のジルコニアの結晶粒子の平均粒径が０．２μｍ程度である。セラミック焼結体２１１の内部（配線２１２との界面から離隔した範囲）では、このサイズから大きな変化がない（同程度である。ほぼ０．５μｍ以下）。これに対し、配線２１２のモリブデンと接する範囲（界面）では、ジルコニアの粒子が成長して１．０μｍ以上（第１結晶粒子２１１ａよりも粒径の大きい）、例えば、２．０～３．０μｍ程度に大きくなっている。なお、必ずしも全てのモリブデンと接している（界面に位置する）ジルコニア結晶がこれらのように大きくなっているとは限らない。反対に、界面から離隔したセラミック焼結体２１１の内部であっても、シリカ及びマンガンの分布などに応じて成長したジルコニア結晶が存在してもよい。全体として、界面から離れたセラミック焼結体２１１の内部では、粒径の大きなジルコニア結晶（第２結晶粒子２１１ｂ）の割合が低く、界面付近（界面に接する範囲）では、セラミック焼結体２１１の内部（界面から外れた位置）よりも粒径の大きなジルコニア結晶（第２結晶粒子２１１ｂ）の割合が大きくなる傾向が見られる。
　上記のシリカ及びマンガンの移動によって、メタライズ層との境界（界面）に位置するジルコニア粒子と、移動してきたシリカ及びマンガンとの３成分による液相が生成される。これにより、界面に位置するジルコニア粒子は、焼結が促進されて粒成長することで、粒径の大きい第２結晶粒子２１１ｂとなる。ジルコニアとシリカだけでは低温で液相が生成されず、マンガンが更に加わることで、低温でのジルコニア粒子の焼結及び粒成長が促進される。この粒成長の過程において、メタライズ層のモリブデンの微小な凹凸面における凹部にジルコニア結晶相の第２結晶粒子２１１ｂが入り込む。ジルコニアとシリカ及びマンガンとによる第２結晶粒子２１１ｂの生成は、界面から離れた位置でも起こり得る。しかしながら、シリカ及びマンガンのメタライズ部材への移動によって、メタライズ部材とセラミック材との界面においては、当該界面から離れた位置よりもシリカとマンガンの中間生成物が多くなる。そのため、界面に位置するジルコニア粒子は、界面から離れた位置でのジルコニアよりも速く焼結が進む。この結果、結晶粒径が局所的に増大しやすくなるので、第２結晶粒子２１１ｂは、界面に位置するものの割合が当該界面から外れて位置するものの割合よりも大きくなる。これにより、成長したジルコニア結晶（第２結晶粒子２１１ｂ）がモリブデンに対してくさびとなって、配線２１２がセラミック焼結体２１１から剥離しにくくなる。このくさびが靭性の高いジルコニア結晶粒子であるため、ガラス成分によって配線２１２とセラミック焼結体２１１とを接合する場合に比較して、より接合強度が高くなる。一方で、上記のように界面から離れた位置での通常のジルコニアの粒径が大きく成長しない範囲で焼結がなされるので、全体としてセラミック焼結体２１１の靭性は低下しない。また、アルミナがセラミック材とメタライズ部材の両方に含まれることで、これらの間での焼結による結合を促進し、同時にその他のジルコニアとモリブデンとの間での焼結、結合の促進にもつながる。
　図４Ａ～図４Ｃは、図３に示した焼結後のセラミック配線基板２１の断面におけるジルコニア、マンガン及びシリカの各成分の分布をそれぞれ撮影した図である。
　図４Ａに示すように、ジルコニア成分は、配線２１２の内部には入り込まず、図の上下におけるセラミック焼結体２１１の範囲にのみ分布している。なお、この撮影図では、個々の小サイズの結晶粒子が分離されていないので、粒径の小さいジルコニア結晶が連なっている部分はまとめてジルコニアの分布する範囲として示されている。
　一方で、図４Ｂに示すように、焼結後には、元のメタライズ部材に含まれないマンガンが配線２１２に若干混入している。更に、図４Ｃに示すように、焼結後には、配線２１２との界面や配線２１２の内部にシリカが多く混入していることが視認される。すなわち、上記の通り、液相化したシリカ及びマンガンの成分がシリカの濃度勾配に応じてセラミック焼結体２１１から配線２１２へ移動している。
　上記のように低温で液相化するシリカ及びマンガンの成分のメタライズ部材（配線２１２）への流動に伴って、メタライズ部材とセラミック材料との境界付近（配線２１２とセラミック焼結体２１１との界面付近）に位置するジルコニアの焼結が促進される。ジルコニアは、界面付近で粒成長するので、界面付近のモリブデンの凹部で留められて焼結された状態で結晶化する。これによりジルコニアの一部は、モリブデンの凹部を充填するような大きな結晶サイズに成長する。このようにして、ジルコニアは、主に界面付近に偏って大きな結晶粒子が存在することになる。このような大きな結晶粒子がモリブデンの凹部にはまり込むことで当該ジルコニアの結晶粒子がくさびとなり、配線２１２とセラミック焼結体２１１との接合性が向上して剥離しにくくなる。一方で、配線２１２から離れた位置のジルコニアは、シリカ及びマンガンと接しにくく、焼結が促進されずに従来程度の結晶サイズのままとなるので、結晶粒径の増大によるセラミック焼結体２１１の靭性の低下を抑えることができる。
　以上のように、本実施形態のセラミック配線基板２１は、アルミナ結晶相及びジルコニア結晶相が主成分であり、副成分として酸化マンガン及びシリカを含むセラミック焼結体２１１と、当該セラミック焼結体２１１の表面及び内部のうち少なくとも一方に位置し、モリブデンを主成分とする配線２１２と、を備える。ジルコニア結晶相は、第１結晶粒子２１１ａ及び当該第１結晶粒子２１１ａよりも粒径の大きい第２結晶粒子２１１ｂを含む。第２結晶粒子２１１ｂは、セラミック焼結体２１１と配線２１２との界面に位置して配線２１２の凹部に入り込んでいるものを含む。ここでいう第１結晶粒子２１１ａは、セラミック焼結体２１１において、原料のセラミック材から結晶粒径が大きく成長しなかったものを指し、１．０μｍ未満、一般的には上記のように０．５μｍ以下のものである。
　このように、本開示に特有のジルコニア結晶相の分布を有するセラミック配線基板２１によれば、セラミック焼結体２１１の内部における小さい粒径のジルコニアによりその靭性（曲げ強度）が向上し、一方で、配線２１２のモリブデンとの界面で当該モリブデンの凹部に入り込んで成長した大きい粒径のジルコニアにより配線２１２の剥離を抑制するので、薄くともより靭性が高くかつ配線２１２とセラミック焼結体２１１との接続強度の高いセラミック配線基板２１を得ることができる。特に、薄型のセラミック配線基板２１であっても、セラミック焼結体２１１と配線２１２との間での熱膨張率の違いによる破損や配線２１２の剥がれなどによる歩留まりの低下を抑えることができる。
　また、第２結晶粒子２１１ｂは、界面に位置するものの割合が当該界面から外れて位置するものの割合よりも大きい。すなわち、粒径の大きい第２結晶粒子２１１ｂは、界面でしかできないわけではなく、また、界面の全てのジルコニア結晶が大きな粒径に成長するわけではなくてもよいが、全体として界面の方が成長している傾向となっている。この程度のジルコニア結晶の成長であれば、焼結の条件制御を著しく厳しくすることなく容易に従来のコストで、靭性が高く配線２１２とセラミック焼結体２１１との接続強度の高いセラミック配線基板２１を得ることができる。
　また、第２結晶粒子２１１ｂは、配線２１２のモリブデンの凹凸に沿った形状の部分を有する。第２結晶粒子２１１ｂは、特にモリブデンの表面の凹凸に沿って成長するので、より確実にモリブデンと結合しやすく、配線２１２とセラミック焼結体２１１との結合強度が得られる。
　また、配線２１２は、アルミナを含む。これにより、セラミック材中の副成分が焼結時に配線２１２へ移動するのが促進され、また、セラミック材とメタライズ部材との焼結時にジルコニアのモリブデンの表面に沿った結晶成長及び結合が促進される。
　また、本実施形態の電子装置２０は、上記のセラミック配線基板２１と、セラミック配線基板２１に搭載された電子素子２２と、を含む。また、本実施形態の電子モジュール１００は、電子装置２０と、当該電子装置２０が搭載されたモジュール基板１０と、を含む。このような電子装置２０に本実施形態のセラミック配線基板２１が用いられることで、より薄い基板によって、より多様な電子素子を搭載した電子装置及び電子モジュールが得られる。また、各機能に係る構成の小型パッケージ化を図ることができる。
　なお、上記実施の形態は例示であって、様々な変更が可能である。
　例えば、配線２１２は、セラミック焼結体２１１の内部になくてもよいし、内部にのみ位置していてもよい。また、配線２１２がセラミック焼結体２１１の表面にある場合にも、セラミック焼結体２１１の一方の面のみに位置していてもよい。また、ここでいう配線は、接地面などの広範囲な導体面を含んでよい。
　また、上記実施の形態では、界面上のジルコニア結晶相がモリブデン結晶の表面の凹部に沿って成長しているものとして説明したが、ジルコニア結晶相が凹部の一部に接していない場合があってもよい。反対に、モリブデンの凹部であってもジルコニア結晶が接して成長していないものがあってもよい。
　また、セラミック配線基板２１の形状は特に限定されない。セラミック配線基板２１は、内部又は表面に配線２１２を有するものであればよい。セラミック配線基板２１は、電子素子２２を収容する凹部を有するものであってもよい。
　また、メタライズ部材にアルミナが必ずしも含まれていなくてもよい。その他、セラミック材やメタライズ部材に関し、上記で含有又は非含有を明示していない成分については、適宜追加されてもよい。
　その他、上記実施の形態で示した構成、構造、成分やその比率、製造方法の手順どの具体的な細部は、本開示の趣旨を逸脱しない範囲において適宜変更可能である。いくつかの実施形態を説明したが、本発明の範囲は、上述の実施の形態に限定するものではなく、請求の範囲に記載された発明の範囲とその均等の範囲を含む。
　本開示は、セラミック配線基板、電子装置及び電子モジュールに利用することができる。

Claims (6)

  1. 　アルミナ結晶相及びジルコニア結晶相が主成分であり、副成分として酸化マンガン及びシリカを含むセラミック焼結体と、
    　当該セラミック焼結体の表面及び内部のうち少なくとも一方に位置し、モリブデンを主成分とする配線と、
    　を備え、
    　前記ジルコニア結晶相は、第１結晶粒子及び当該第１結晶粒子よりも粒径の大きい第２結晶粒子を含み、前記セラミック焼結体と前記配線との界面に位置する前記第２結晶粒子は、前記配線の凹部に入り込んでいるものを含む
    　セラミック配線基板。
  2. 　前記第２結晶粒子は、前記界面に位置するものの割合が当該界面から外れて位置するものの割合よりも大きい請求項１記載のセラミック配線基板。
  3. 　前記第２結晶粒子は、前記配線のモリブデンの凹凸に沿った形状の部分を有する請求項１又は２記載のセラミック配線基板。
  4. 　前記配線は、アルミナを含む請求項１～３のいずれか一項に記載のセラミック配線基板。
  5. 　請求項１～４のいずれか一項に記載のセラミック配線基板と、前記セラミック配線基板に搭載された電子素子と、を含む電子装置。
  6. 　請求項５に記載の電子装置と、当該電子装置が搭載されたモジュール基板と、を含む電子モジュール。
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