説明

配線基板およびその製造方法

【課題】銅を含む低抵抗、且つ良熱伝導体からなるサーマルビアを絶縁基板との同時焼成により形成可能な安価な配線基板とその製造方法を提供する。
【解決手段】酸化アルミニウムを主成分とし、所望によりMnO2 を2〜10重量%の割合で含有する相対密度95%以上のセラミックスからなる絶縁基板1と、絶縁基板1の表面に搭載される発熱性素子4から発生した熱を放熱するために絶縁基板1表面から裏面に貫通するように形成された直径が0.1〜0.3mmのサーマルビア2を具備し、サーマルビア2を銅10〜70体積%、タングステンおよび/またはモリブデンを30〜90体積%の割合で含有してなる良熱伝導体によって絶縁基板1と同時焼成して形成する。

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、酸化アルミニウムを主成分とするセラミックスからなる絶縁基板とする配線基板に関し、詳細には低抵抗導体からなり、且つ絶縁基板と同時焼成によって形成された該絶縁基板の表面に搭載される発熱性素子から発生した熱を放熱するために前記絶縁基板表面から裏面に貫通するように形成されたサーマルビアを具備した配線基板とその製造方法に関するものである。
【0002】
【従来技術】近年、半導体素子の高集積化に伴い、半導体装置から発生する熱も増加している。半導体装置の誤動作をなくすためには、このような熱を装置外に放出可能な配線基板が必要とされている。一方、電気的な特性としては、演算速度の高速化により、信号の遅延が問題となり、導体損失の小さい、つまり低抵抗の導体を用いることが要求されてきた。
【0003】このような半導体素子を搭載した配線基板としては、その信頼性の点から、アルミナセラミックスを絶縁基板とし、その表面あるいは内部にタングステンやモリブデンなどの高融点金属からなる配線層を被着形成したセラミック配線基板が多用されている。ところが、従来から多用されている高融点金属からなる配線層では、抵抗を高々8mΩ/□程度までしか低くできず、そのため放熱性に関しても放熱フィンの接合やサーマルビア等により改善を図っているが、Wメタライズ自体の熱伝導性が悪い為に、大きな効果は得られない。
【0004】これに対して、近年に至り、低抵抗導体である銅や銀と同時焼成可能な、いわゆるガラスセラミックスを用いた多層配線基板が提案されている。ところが、ガラスセラミックスの熱伝導率は高々数W/m・Kしかなく、前記熱的問題を解決することが難しくなってきている。この問題に対してアルミナなどと同様にサーマルビアを形成することにより、配線基板としての熱伝導を十数W/m・K程度まで改善することができる。しかし、近年の動向としては、更に小型化が進み、配線基板としてもサーマルビアだけでは対応できない状況にある。
【0005】そこで、この熱的問題点と、電気的問題点を同時に解決する方法として、酸化アルミニウムに、銅、または銅とタングステンまたはモリブデンを組み合わせた導体層を同時焼成により形成する方法が、特開平8−8502号、特開平7−15101号、特許第2666744号に提案されている。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、特開平8−8502号は、そもそも酸化アルミニウムを緻密化させるために、1600℃以上の高い温度で焼成するものであるが、このような高温で銅およびタングステンの導体層を焼成すると、タングステンやモリブデンの急激な焼結が進行して大きな凝集粒子を形成するために溶融した銅成分が表面に分離し、表面配線層ににじみが生じたり、銅の揮散が生じるなど、表面配線層形状の保形性が低下し、特にサーマルビアなどのようにビア径が大きい場合、焼成中に溶解した銅が溶出するためにサーマルビアの形成ができないものであった。しかも、導体中の銅成分が、焼成中に絶縁基板のセラミックス中に拡散し、配線層間の絶縁性を劣化させるなどの問題があった。
【0007】また、特開平7−15101号によれば、一旦、すべての配線層を絶縁基板内部に配設して同時焼成した後、研磨等により表面の絶縁層を研磨除去して内部配線層を表面に露出させたり、焼成後の配線基板の表面に、厚膜法や薄膜法によって表面配線層を形成するものである。そのために、表面配線層を形成するためには研磨工程、厚膜形成工程、薄膜形成工程などが不可欠の工程となるために、製造工程が多く、歩留りの低下やコスト高となるような問題があった。そして、内部配線として同時焼成しているために、サーマルビア等の導体層の形成は困難であった。
【0008】さらに、特許第2666744号には、絶縁基板を形成するためのセラミック粉末として、平均粒径が5〜50nmの微細なアルミナ粉末を用いることにより、金、銀、銅等などの低抵抗金属の焼成温度に近づけることにより、絶縁基板と低抵抗金属との同時焼結性を達成したものであるが、このような微粉末は取扱いが非常に難しく、コスト高であるために、量産性に欠けるとともにコスト高となる問題があった。
【0009】従って、本発明は、酸化アルミニウムセラミックスからなる絶縁基板と同時焼成によって形成でき、銅を含む良熱伝導のサーマルビアを具備した配線基板と、その製造方法を提供することを目的とする。
【0010】
【課題を解決するための手段】本発明者等は、上記課題に対して検討を重ねた結果、酸化物セラミックスを絶縁基板とする配線基板において、絶縁基板として、酸化アルミニウムを主成分とし、さらにMn化合物を特定量含有せしめて焼成温度を低下させ、サーマルビアをCuマトリックス中にW,Moなどの高融点金属粒子を分散させたることにより、絶縁基板との同時焼成時におけるサーマルビアの保形性を維持するとともに、良熱伝導化、低抵抗化を図ることができることを見いだし本発明に至った。
【0011】即ち、本発明の配線基板は、酸化アルミニウムを主成分とする相対密度95%以上のセラミックスからなる絶縁基板と、該絶縁基板の表面に搭載される発熱性素子から発生した熱を放熱するために前記絶縁基板表面から裏面に貫通するように形成されたサーマルビアを具備する配線基板において、前記サーマルビアを銅10〜70体積%、タングステンおよび/またはモリブデンを30〜90体積%の割合で含有してなる良熱伝導体によって前記絶縁基板と同時焼成して形成したことを特徴とするものであり、特に、前記酸化アルミニウムを主成分とするセラミックスからなる絶縁基板が、MnO2 を2〜10重量%の割合で含有することが望ましい。また、本発明によれば、直径が0.1〜0.3mmの良熱伝導性のサーマルビアを作製することができる。
【0012】さらに、上記配線基板の製造方法としては、酸化アルミニウムを主成分とするセラミックグリーンシートに対してサーマルビア用のスルーホールを形成し、該スルーホール内に、金属成分として銅10〜70体積%、タングステンおよび/またはモリブデンを30〜90体積%の割合で含有してなる導体ペーストを充填した後、1200〜1500℃の非酸化性雰囲気中で焼成することを特徴とするものであり、前記酸化アルミニウムを主成分とするセラミックグリーンシートにおけるセラミック成分中、MnO2 を2〜10重量%の割合で含有することが望ましい。
【0013】
【発明の実施の形態】以下に、本発明の配線基板の一実施態様を示す図1の概略断面図を基に説明する。図1の配線基板によれば、酸化アルミニウムを主体とする絶縁基板1中にその表面から背面に貫通するサーマルビア2が設けられている。
【0014】本発明によれば、このサーマルビア2は、銅とタングステン(W)および/またはモリブデン(Mo)との複合材料を主成分とする導体によって形成されており、このサーマルビア2は、絶縁基板1と同時焼成によって形成されたものである。
【0015】また、このサーマルビア2は、銅を10〜70体積%、Wおよび/またはMoを30〜90体積%の割合で含有することが必要である。これは、サーマルビア2の高熱伝導性と上記絶縁基板1との同時焼結性を達成するとともに、サーマルビア2の同時焼成時および同時焼成後の保形性を維持するためである。即ち、上記銅が10体積%よりも少なく、WやMo量が90体積%よりも多いと、熱伝導率が低くなり、また、銅量が70体積%よりも多く、WやMo量が30体積%よりも少ないと、焼成時にサーマルビア中の銅成分が溶出し、サーマルビアの同時焼成後の保形性が低下したり、溶融した銅によってサーマルビア内が不均一となり、高融点金属による低熱伝導部分が形成され、サーマルビアの表面から裏面への熱伝導性が阻害されるためである。最適な組成範囲は、銅が40〜60体積%、Wおよび/またはMoを60〜40体積%である。
【0016】また、本発明においては、前記Wおよび/またはMoは、平均粒径1〜10μmの球状あるいは数個の粒子による焼結粒子として銅からなるマトリックス中に分散含有していることが望ましい。これは、上記平均粒径が1.0μmよりも小さい場合、サーマルビア2の保形性が悪くなるとともに組織が多孔質化し熱伝導性が低下し、10μmを越えると銅のマトリックスがWやMoの粒子によって分断されてしまい絶縁基板の表面から裏面への熱伝導性が阻害されたり、銅成分が分離して、にじみなどが発生しやすくなるためである。Wおよび/またはMoは平均粒径1.3〜5μm、特に1.3〜3μmの大きさで分散されていることが最も望ましい。
【0017】なお、上記サーマルビア2は、その直径が0.1〜0.3mmの形状であることが望ましく、直径が0.1mmよりも小さいと、サーマルビアによる熱抵抗が増大するために、数多くのビアを形成する必要がある。0.3mmよりも大きいと、焼成時に溶融する銅成分を含有するために、サーマルビアから銅成分が溶出しやすく保形性が損なわれる虞がある。
【0018】本発明の配線基板においては、絶縁基板1のサーマルビア2形成部の上面に直接、あるいは導体層3を介して半導体素子などの発熱性素子4が実装されることにより、発熱性素子4から発生した熱は、直接、あるいは導体層3を介してサーマルビア2を経由して、絶縁基板1の裏面に接合されたヒートシンク5等に伝熱される。
【0019】また、この配線基板の絶縁基板1には、上記サーマルビア2以外に、表面配線層6a及び内部配線層6b、さらにはビアホール導体7が形成されていてもよい。
【0020】この場合、表面配線層6a、内部配線層6bおよびビアホール導体7も前記サーマルビア2と同様の組成を有する、銅とタングステン(W)および/またはモリブデン(Mo)との複合材料を主成分とする導体によって形成されていることが望ましい。
【0021】また、本発明の配線基板は、後述するように焼成温度及び雰囲気を制御して焼成することによって、絶縁基板1の表面の平均表面粗さRaを1μm以下、特に0.7μm以下の平滑性に優れた表面を形成できるものである。
【0022】さらに、本発明の配線基板においては、酸化アルミニウムとの銅の融点を越える温度での同時焼成によって、サーマルビア2、表面配線層6a、内部配線層6bおよびビアホール導体7の導体層中の銅成分が絶縁基板1中に拡散する場合があるが、本発明によれば、上記導体層の周囲の絶縁基板1のセラミックスへの銅の拡散距離が20μm以下、特に10μm以下であることが望ましい。これは、銅のセラミックス中への拡散距離が20μmを超えると、配線層間の絶縁性が低下し、配線基板としての信頼性が低下するためである。
【0023】本発明において、絶縁基板1は、酸化アルミニウムを主体とするものであるが、絶縁基板の熱伝導性および高強度化を達成する上では、相対密度95%以上、特に97%、さらには98%以上の高緻密体から構成されるものであり、さらに熱伝導率は10W/m・K以上、特に15W/m・K以上、さらには17W/m・K以上であることが望ましい。
【0024】本発明では、サーマルビア2、表面配線層6a及び内部配線層6b等との同時焼結時による保形性を達成する上で1200〜1500℃の低温で焼成することが必要となるが、本発明によれば、このような低温での焼成においても相対密度95%以上に緻密化することが必要となる。
【0025】かかる観点から、本発明における絶縁基板1は、酸化アルミニウムを主成分とするもの、具体的には酸化アルミニウムを90重量%以上の割合で含有するものであるが、第2の成分として、Mn化合物をMnO2 換算で2〜10重量%の割合で含有することが必要である。即ち、Mn化合物量が2重量%よりも少ないと、1200〜1500℃での緻密化が難しく、また10重量%よりも多いと絶縁基板1の絶縁性が低下するためである。Mn化合物の最適な範囲は、MnO2 換算で3〜7重量%である。
【0026】また、この絶縁基板1中には、第3の成分として、SiO2 およびMgO、CaO、SrO等のアルカリ土類元素酸化物を銅含有導体との同時焼結性を高める上で合計で0.4〜8重量%の割合で含有せしめることが望ましい。さらに第4の成分としてW、Mo、Crなどの金属を着色成分として2重量%以下の割合で含んでもよい。
【0027】上記酸化アルミニウム以外の成分は、酸化アルミニウム主結晶相の粒界に非晶質相あるいは結晶相として存在するが、熱伝導性を高める上で粒界中に助剤成分を含有する結晶相が形成されていることが望ましい。
【0028】また、絶縁基板1を形成する酸化アルミニウム主結晶相は、粒状または柱状の結晶として存在するが、これら主結晶相の平均結晶粒径は、1.5〜5.0μmであることが望ましい。なお、主結晶相が柱状結晶からなる場合、上記平均結晶粒径は、短軸径に基づくものである。この主結晶相の平均結晶粒径が1.5μmよりも小さいと、高熱伝導化が難しく、平均粒径が5.0μmよりも大きいと基板材料として用いる場合に要求される十分な強度が得られにくくなるためである。
【0029】(製造方法)次に、本発明の配線基板の製造方法について具体的に説明する。まず、絶縁基板を形成するために、酸化物セラミックスの主成分となる酸化アルミニウム原料粉末として、平均粒径が0.5〜2.5μm、特に0.5〜2.0μmの粉末を用いる。これは、平均粒径は0.5μmよりも小さいと、粉末の取扱いが難しく、また粉末のコストが高くなり、2.5μmよりも大きいと、1500℃以下の温度で焼成することが難しくなるためである。
【0030】そして、上記酸化アルミニウム粉末に対して、適宜、焼結助剤としてMnO2を2〜10重量%、特に3〜7重量%の割合で添加する。また、適宜、SiO、MgO、CaO、SrO粉末等を0.4〜8重量%、さらにW、Mo、Crなどの遷移金属の金属粉末や酸化物粉末を着色成分として金属換算で2重量%以下の割合で添加する。
【0031】なお、上記酸化物の添加に当たっては、酸化物粉末以外に、焼成によって酸化物を形成し得る炭酸塩、硝酸塩、酢酸塩などとして添加してもよい。
【0032】そして、この混合粉末を用いて絶縁層を形成するためのシート状成形体を作製する。シート状成形体は、周知の成形方法によって作製することができる。例えば、上記混合粉末に有機バインダーや溶媒を添加してスラリーを調製した後、ドクターブレード法によって形成したり、混合粉末に有機バインダーを加え、プレス成形、圧延成形等により所定の厚みのシート状成形体を作製できる。そしてこのシート状成形体に対して、マイクロドリル、レーザー等により焼成後の直径が0.1〜0.3mmとなるようなサーマルビア用スルーホールを形成する。また、同時に直径が50〜250μmのビアホール導体用スルーホールを形成してもよい。
【0033】このようにして作製したシート状成形体に対して、導体成分として、平均粒径が1〜10μmの銅含有粉末を10〜70体積%、特に40〜60体積%、平均粒径が1〜10μmのWおよび/またはMoを30〜90体積%、特に40〜60体積%の割合で含有してなる導体ペーストを調製し、このペーストを各シート状絶縁層に施した上記スルーホール内にスクリーン印刷法等により充填する。
【0034】これらの導体ペースト中には、絶縁層との密着性を高めるために、酸化アルミニウム粉末や、絶縁層を形成する酸化物セラミックス成分と同一の組成物粉末を0.05〜2体積%の割合で添加することも可能である。
【0035】その後、導体ペーストを充填したシート状成形体を位置合わせして積層圧着した後、この積層体を、この焼成を、非酸化性雰囲気中、焼成最高温度が1200〜1500℃の温度となる条件で焼成する。
【0036】また、表面配線層や内部配線層を形成する際は、上記導体ペーストをシート状成形体の表面にスクリーン印刷、グラビア印刷などの方法により印刷塗布した後、この絶縁層を積層圧着し、上記と同様にして焼成を行なう。
【0037】この時の焼成温度が1200℃より低いと、通常の原料を用いた場合において、酸化アルミニウム絶縁基板が相対密度95%以上まで緻密化できず、熱伝導性や強度が低下し、1500℃よりも高いと、WあるいはMo自体の焼結が進み、銅との均一組織を維持できなく、強いては低抵抗を維持することが困難となりWと同等の放熱性しか得られなくなる。また、酸化物セラミックスの主結晶相の粒径が大きくなり異常粒成長が発生したり、銅がセラミックス中へ拡散するときのパスである粒界の長さが短くなるとともに拡散速度も速くなる結果、拡散距離を20μm以下に抑制することが困難となるためである。好適には、1250〜1400℃の範囲がよい。
【0038】また、この焼成時の非酸化性雰囲気としては、窒素、あるいは窒素と水素との混合雰囲気であることが望ましいが、特に、配線層中の銅の拡散を抑制する上では、水素及び窒素を含み露点+10℃以下、特に−10℃以下の非酸化性雰囲気であることが望ましい。なお、この雰囲気には所望により、アルゴンガス等の不活性ガスを混入してもよい。焼成時の露点が+10℃より高いと、焼成中に酸化物セラミックスと雰囲気中の水分とが反応し酸化膜を形成し、この酸化膜と銅含有導体の銅が反応してしまい、導体の低抵抗化の妨げとなるのみでなく、銅の拡散を助長してしまうためである。
【0039】
【実施例】酸化アルミニウム粉末(平均粒径1.8μm)に対して、MnOを表1、2に示すような割合で添加するとともに、場合によってはSiO2 を3重量%、MgOを0.5重量%の割合で添加混合した後、さらに、成形用有機樹脂(バインダー)としてアクリル系バインダーと、トルエンを溶媒として混合してスラリーを調製した後、ドクターブレード法にて厚さ250μmのシート状に成形した。そして、適宜、所定箇所にマイクロドリルによって焼成後の直径が0.1mmとなるようなサーマルビア用スルーホールを形成した。
【0040】そして、サーマルビア用スルーホール内には、平均粒径5μmの銅粉末と、平均粒径が0.8〜10μmのW粉末あるいはMo粉末とを表1に示す比率で混合しアクリル系バインダーとをアセトンを溶媒として導体ペーストを充填した。
【0041】上記のようにして作製した各シート状成形体を適宜、位置合わせして積層圧着して成形体積層体を作製した。その後、この成形体積層体を実質的に水分を含まない酸素含有雰囲気中(N2 +O2 または大気中)で脱脂を行った後、表1に示した焼成温度にて、露点−10℃の窒素水素混合雰囲気にて焼成した。
【0042】作製した配線基板における絶縁基板の相対密度をアルキメデス法によって測定した。また、レーザーフラッシュ法によって直径10mm、厚さ3mmの絶縁基板単体、並びにこの絶縁基板に対して、直径が0.1mmのものを縦、横のビア中心間距離が250μmとなるようにサーマルビアを全面に配設した基板の熱伝導率を測定した。
【0043】また、組織を走査型電子顕微鏡にて観察を行い、サーマルビア中のWおよび/またはMo粒子の粒径を測定した。その結果を表1に示した。
【0044】
【表1】


【0045】表1に示すように、絶縁基板中のMnO2 の含有量が2重量%よりも低い試料No.1では、1300℃では絶縁基板の焼結性が十分でなく相対密度95%以上が達成できず、基板自体の熱伝導性が劣化し、絶縁性の低下が起こり、配線基板として使用できなくなった。そこで、1550℃で焼成した試料No.2では絶縁基板を緻密化することができたが、サーマルビアより銅が溶出してサーマルビアによる熱伝導性が低下した。
【0046】また、サーマルビア組成において、Cu含有量が10体積%よりも少ない試料No.8,9では、サーマルビア+絶縁基板による熱伝導率が30W/m・Kよりも小さく銅を含有する長所が充分に発揮されず、また70体積%よりも多い試料No.16では、サーマルビアの保形性が悪くなるとともに、組織が不均一となりサーマルビア内で断線が生じており、その結果、(サーマルビア+絶縁基板)による熱伝導率が28W/m・Kと低いものであった。また、サーマルビア周囲ににじみも観察された。
【0047】また、同時焼成の温度が1200℃より低い試料No.20では相対密度95%以上に緻密化することができず、熱伝導性も低下した。
【0048】これらの比較例に対して、本発明の配線基板によれば、絶縁基板が相対密度95%、(サーマルビア+絶縁基板)の熱伝導率が30W/m・K以上の優れた熱伝導性を有し、しかもサーマルビア周辺ににじみの発生もなく、低抵抗且つ良熱伝導のサーマルビアを同時焼成によって形成することができた。
【0049】なお、上記本発明の配線基板において、EPMA(X線マイクロアナライザー)分析において、サーマルビアの端部から同一平面内において、銅元素が検出される領域の最外部までの距離を10箇所測定したところ、各配線層の銅の拡散距離は平均で20μm以下と良好な特性を示した。
【0050】
【発明の効果】以上詳述した通り、本発明の配線基板によれば、高熱伝導性の酸化アルミニウムセラミックスからなる絶縁基板の表面から背面に貫通する低抵抗の銅を含有するサーマルビアを同時焼成によって形成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の配線基板の一実施態様を示す概略断面図である。
【図2】実施例におけるサーマルビアの形状を説明するための図である。
【符号の説明】
1 絶縁基板
2 サーマルビア
3 導体層
4 発熱性素子
5 ヒートシンク
6a 表面配線層
6b 内部配線層
7 ビアホール導体

【特許請求の範囲】
【請求項1】酸化アルミニウムを主成分とする相対密度95%以上のセラミックスからなる絶縁基板と、該絶縁基板の表面に搭載される発熱性素子から発生した熱を放熱するために前記絶縁基板表面から裏面に貫通するように形成されたサーマルビアを具備する配線基板であって、前記サーマルビアを銅10〜70体積%、タングステンおよび/またはモリブデンを30〜90体積%の割合で含有してなる良熱伝導体によって前記絶縁基板と同時焼成して形成したことを特徴とする配線基板。
【請求項2】前記酸化アルミニウムを主成分とするセラミックスからなる絶縁基板が、MnO2 を2〜10重量%の割合で含有することを特徴とする請求項1記載の配線基板。
【請求項3】前記サーマルビアの直径が0.1〜0.3mmであることを特徴とする請求項1記載の配線基板。
【請求項4】酸化アルミニウムを主成分とするセラミックグリーンシートに対してサーマルビア用のスルーホールを形成し、該スルーホール内に、金属成分として銅10〜70体積%、タングステンおよび/またはモリブデンを30〜90体積%の割合で含有してなる導体ペーストを充填した後、1200〜1500℃の非酸化性雰囲気中で焼成することを特徴とする配線基板の製造方法。
【請求項5】前記酸化アルミニウムを主成分とするセラミックグリーンシートにおけるセラミック成分中、MnO2 を2〜10重量%の割合で含有することを特徴とする請求項4記載の配線基板の製造方法。

【図1】
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【図2】
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【公開番号】特開2000−164992(P2000−164992A)
【公開日】平成12年6月16日(2000.6.16)
【国際特許分類】
【出願番号】特願平10−336363
【出願日】平成10年11月26日(1998.11.26)
【出願人】(000006633)京セラ株式会社 (13,660)
【Fターム(参考)】