JP2000315844A

JP2000315844A - 回路基板およびその製造方法

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Publication number: JP2000315844A
Application number: JP11124900A
Authority: JP
Inventors: Miho Nakamura; 美保中村; Hideki Sato; 英樹佐藤; Tadashi Ishii; 正石井; Kiyoko Nagano; 聖子永野
Original assignee: Toshiba Corp; Toshiba Electronic Engineering Co Ltd
Current assignee: Toshiba Corp; Toshiba Development and Engineering Corp
Priority date: 1999-04-30
Filing date: 1999-04-30
Publication date: 2000-11-14
Anticipated expiration: 2019-04-30
Also published as: JP4342634B2

Abstract

(57)【要約】【課題】熱伝導率が高く優れた放熱性を有し、かつ高強
度で組立時および使用時における割れの発生が少なく、
さらに導体層の短絡・不良の発生が少ない回路基板およ
びその製造方法を提供する。【解決手段】セラミックス結晶粒子と液相酸化物粒子と
から成るセラミックス基板２に回路となる導体層３を一
体に形成した回路基板１において、上記セラミックス基
板２の熱伝導率が１８０Ｗ／ｍ・Ｋ以上であり、かつセ
ラミックス結晶粒子の平均粒径が１０μｍ以下であるこ
とを特徴とする回路基板である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明はセラミックス基板に
回路としての導体層を一体に形成した回路基板およびそ
の製造方法に係り、特に優れた放熱性を有し、かつ高強
度で組立時および使用時における割れの発生が少なく、
さらに、導体層の短絡・不良の発生が少ない回路基板お
よびその製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】電子機器や半導体装置の構成部品とし
て、図１および図２に示すように、アルルミナ（Ａｌ_２
Ｏ_３）基板や窒化アルミニウム（ＡｌＮ）基板などのセ
ラミックス基板２の表面および内層に回路となる導体層
（メタライズ配線層）３を一体に形成した各種の回路基
板（厚膜回路基板）１が広く用いられている。

【０００３】上記従来の回路基板を構成するセラミック
ス基板としては、熱伝導率が１０〜２０Ｗ／ｍ・Ｋ程度
のアルミナ基板が汎用されている。また、さらに高い放
熱性が要求される用途には、各種形状の放熱板やヒート
シンクを回路基板に組み合わせたものが使用されてい
る。さらに、熱伝導率が５０〜１５０Ｗ／ｍ・Ｋ程度の
窒化アルミニウム（ＡｌＮ）基板を用いて、より高い放
熱性を確保する例もある。

【０００４】近年、セラミックス回路基板を使用した半
導体装置の高出力化、半導体素子の大容量化および高集
積化が急速に進行し、セラミックス回路基板に繰り返し
て作用する熱応力や熱負荷も急激に増加する傾向にあ
り、セラミックス回路基板に対しても上記熱応力や熱サ
イクルに対して十分な強度と放熱性とが要求されてい
る。

【０００５】上記のような技術的な要求に対応するため
に、１８０Ｗ／ｍ・Ｋ程度の高熱伝導率を有するＡｌＮ
セラミックス基板も開発されている。このＡｌＮ基板は
高純度のＡｌＮ原料粉末にイットリア（Ｙ_２Ｏ_３）など
の焼結助剤を添加した原料混合体を成形し、得られた成
形体を高温度で４８〜７２時間程度と長時間焼結するこ
とにより緻密化を図ると同時に、熱抵抗となる液相成分
を基板表面に排出して高純度化を図って製造されるもの
である。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来のセラミックス回路基板においては、セラミックス基
板の種類や焼結方法を改良することにより高い熱伝導率
は得られていたが、セラミックス原料粉末の熱処理（焼
結）を長時間に渡り実施しているため、セラミックス結
晶粒子が粗大化（粒成長）してしまう結果、耐熱サイク
ル性および曲げ強度が十分に得られず、回路基板を用い
た半導体装置の信頼性や製品歩留りが低くなるという問
題点があった。

【０００７】すなわち、回路基板に搭載する半導体素子
の高集積化および高出力化に対応して熱サイクル負荷も
大幅に上昇し、熱応力によって基板に割れが発生して回
路基板の機能が喪失されてしまう問題点があった。ま
た、回路基板の曲げ強度が小さくたわみ量も少ないた
め、組立時に回路基板を実装ボードにねじで締着固定し
ようとすると、ねじの僅かな締着力によってセラミック
ス基板が破壊してしまう場合があり、回路基板を使用し
た半導体装置の製品歩留りが低下してしまう問題点もあ
った。さらに、使用時に発生する熱応力によって割れが
発生する場合も多く半導体装置の信頼性が低下する難点
もあった。

【０００８】さらに、長時間の焼結熱処理によって焼結
助剤などの添加剤を液相成分としてセラミックス基板表
面や導体層の表面に排出して高純度化を図り、熱伝導率
を高める手法を採用しているため、セラミックス基板や
導体層表面に液相成分が不均一に存在することになり、
セラミックス基板の表面処理に対して悪影響を及ぼす問
題点もあった。すなわち、セラミックス基板や導体層表
面に液相成分によって凹凸や微小欠陥が発生し、導体層
表面にめっき処理を施す際に、欠陥部に付着した余剰の
めっき成分が、隣接する導体層間に残留して回路の短絡
が発生したり、めっき層が不均一になったり、半田リフ
ローの際に半田の濡れ面積が不均一になり、表面処理の
効果が不十分になる問題点もあった。

【０００９】本発明は上記問題点を解決するためになさ
れたものであり、熱伝導率が高く優れた放熱性を有し、
かつ高強度で組立時および使用時における割れの発生が
少なく、さらに導体層の短絡・不良の発生が少ない回路
基板および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】上記目的を達成するた
め、本願発明者らは、特に高い熱伝導率を得る一方で、
強度の低下を引き起こさない回路基板の組織構造を種々
検討した。その結果、特にセラミックス原料粉末の成形
体を、窒素・水素・水蒸気雰囲気中で脱脂した後に還元
雰囲気中で所定時間焼結したときに、得られるセラミッ
クス基板の結晶粒子が微細となり、高熱伝導性と高強度
特性とを併せ持つセラミックス基板が得られた。そし
て、このセラミックス基板を用いて回路基板を調製した
ときに、優れた放熱性を有するとともに、割れの発生が
少なく、さらに表面性状が優れた回路基板が初めて実現
するという知見を得た。本発明は上記知見に基づいて完
成されたものである。

【００１１】すなわち、本発明に係る回路基板は、セラ
ミックス結晶粒子と液相酸化物粒子とから成るセラミッ
クス基板に回路となる導体層を一体に形成した回路基板
において、上記セラミックス基板の熱伝導率が１８０Ｗ
／ｍ・Ｋ以上であり、かつセラミックス結晶粒子の平均
粒径が１０μｍ以下であることを特徴とする。

【００１２】また、セラミックス結晶粒子の平均粒径は
４〜９μｍの範囲であることがより好ましい。さらにセ
ラミックス基板が窒化アルミニウム（ＡｌＮ）から成る
一方、導体層をタングステン（Ｗ）およびモリブデン
（Ｍｏ）の少なくとも一方の高融点金属から構成すると
よい。

【００１３】また、セラミックス基板表面または導体層
表面に存在する液相酸化物粒子の最大粒径が３００μｍ
以下であることを特徴とする。さらに、液相酸化物がＹ
−Ａｌ−Ｏ系の複合酸化物である場合に、回路基板の熱
伝導性および強度を、より効果的に高めることができ
る。

【００１４】また本発明に係る回路基板の製造方法は、
焼結助剤を添加したセラミックス粉末の成形体に所定の
回路パターンを形成するように導体ペーストを塗布し、
回路パターンを形成したセラミックス成形体を、窒素ガ
スと水素ガスと水蒸気とから成る雰囲気中で温度６００
℃以上に加熱して脱脂した後に、得られた脱脂体を還元
雰囲気の窒素ガス中で温度１７００℃以上で１〜８時間
加熱することにより、セラミックス成形体と導体ペース
トとを同時に焼成し、セラミックス基板に一体化した導
体層を形成し、焼成後の冷却速度を毎時２００℃以下に
調整して徐冷することを特徴とする。

【００１５】さらに、上記製造方法において、焼結助剤
がイットリア（Ｙ_２Ｏ_３）を含む一方、セラミックス粉
末が窒化アルミニウム（ＡｌＮ）粉末であることが望ま
しい。

【００１６】本発明に係る回路基板に使用されるセラミ
ックス基板としては、特に限定されるものではなく、酸
化ベリリウム（ベリリア：ＢｅＯ）等の酸化物系セラミ
ックス基板の他に、窒化アルミニウム（ＡｌＮ），窒化
けい素（Ｓｉ_３Ｎ_４）等の窒化物、炭化けい素（Ｓｉ
Ｃ）等の炭化物、またはほう化ランタン等のほう化物等
の非酸化物系セラミックス基板でもよい。これらのセラ
ミックス基板には酸化イットリウムなどの焼結助剤等が
含有されていてもよい。しかしながら、熱伝導率を１８
０Ｗ／ｍ・Ｋ以上とするためには、特に窒化アルミニウ
ム（ＡｌＮ）から成るセラミックス基板が好適である。

【００１７】また、導体層を構成する金属としては、高
温度の同時焼結を実施した場合にも所定の回路パターン
を維持できるタングステン（Ｗ）やモリブデン（Ｍｏ）
などの高融点金属材が好適である。

【００１８】セラミックス基板の結晶粒子の平均粒径
は、回路基板の曲げ強度に大きく影響するため、本発明
では１０μｍ以下とされる。上記結晶粒子の平均粒径が
１０μｍを超えるように粗大となると、回路基板の曲げ
強度が低下し、回路基板の実装時および使用時に割れが
発生し易くなるためである。しかしながら、上記結晶粒
子の平均粒径が４μｍ未満と小さくなると、熱抵抗が高
い粒界層の数が増加し、回路基板の熱伝導率が低下して
放熱性が劣化する。そのため、セラミックス基板の結晶
粒子の平均粒径は４〜９μｍの範囲がより好ましい。

【００１９】セラミックス基板がＡｌＮ基板である場合
において、本発明に係る回路基板は以下のような具体的
な工程で製造される。すなわち、不純物としての酸素等
の含有量が１重量％以下であり、平均粒径が１．５μｍ
以下の微細なＡｌＮ粉末に対して、焼結助剤としてのイ
ットリア（Ｙ_２Ｏ_３）を３〜６重量％を添加し、ボール
ミル等で均一に混合して原料混合体を調製する。次に、
この原料混合体に有機バインダーとしてのポリビニルア
ルコール（ＰＶＡ）等を４〜６重量％添加して造粒粉と
し、この造粒粉をプレス成形機等で圧縮して成形体とし
たり、または原料混合体に溶媒を添加してスラリー状に
し、このスラリーをドクターブレード法のようなシート
成形法を用いてシート状の成形体を調製する。

【００２０】次に、得られた成形体の表面にＷおよびＭ
ｏの少なくとも一方を含有する導体ペーストをスクリー
ン印刷法等により塗布して回路パターンを形成する。次
に、この成形体を、窒素ガスと水素ガスと水蒸気とから
成る雰囲気中で温度６００℃以上で１〜２時間脱脂処理
する。この脱脂雰囲気は窒素が５０ｖｏｌ．％以上の雰
囲気であることが好ましい。さらに、水素ガス量が体積
比で水蒸気ガス量より大きいことが好ましい。また、脱
脂温度も６００〜９００℃の範囲が好ましい。

【００２１】次に、脱脂処理した成形体をＡｌＮ製焼成
容器内に収容し、水素等を混入した還元雰囲気の窒素ガ
ス中で温度１７００〜１８００℃で１〜６時間緻密化焼
結を実施し、その後、毎時２００℃以下の冷却速度で徐
冷して最終的に回路基板が製造される。

【００２２】上記のような脱脂処理，焼結処理および焼
結後の徐冷処理を実施することにより、セラミックス基
板および導体層表面に存在する液相酸化物粒子を微細化
することが可能になる。

【００２３】特に、上記液相酸化物粒子の最大粒径は、
その後に行う導体層のめっき処理等の表面処理に大きな
影響を及ぼすため、本発明では上記液相酸化物粒子の最
大粒径は３００μｍ以下とされる。この最大粒径が３０
０μｍを超えるように粗大になると、セラミックス基板
や導体層の表面に液相成分によって凹凸や欠陥が発生し
易くなり、この欠陥部等に付着しためっき成分が隣接す
る導体層間に残留して回路の短絡を発生させたり、めっ
き層のふくれを発生させたり、半田濡れ性が不均一にな
ったりする不都合が生じ易くなる。したがって、液相酸
化物粒子の最大粒径は３００μｍ以下とされるが、２５
０μｍ以下の範囲、より好ましくは１００μｍ以下、特
に４０μｍ以下の微細な粒子範囲がより好ましい。

【００２４】また、上記液相酸化物がＹ−Ａｌ−Ｏ系の
複合酸化物である場合に、セラミックス基板の液相酸化
物粒子の微細化がより効果的に達成される。特にセラミ
ックス基板材料として窒化アルミニウム（ＡｌＮ）粉末
を用いる一方、焼結助剤としてＹ_２Ｏ_３などのイットリ
ウム系の助剤を用いた場合には、液相酸化物としてＹ _３
Ａｌ_５Ｏ_１２，ＹＡｌＯ_３，Ｙ_４Ａｌ_２Ｏ_９，Ｙ_２Ｏ_３
などのＹ−Ａｌ−Ｏ系の複合酸化物が焼結時に生成し、
ＡｌＮ結晶粒の微細化およびＡｌＮ成分の緻密化焼結が
効果的に進行すると同時に、これらの複合酸化物がセラ
ミックス基板および導体層の表面部に移行してセラミッ
クス基板の高純度化が促進され、ＡｌＮセラミックス基
板の高熱伝導化が進む。一方、ＡｌＮ基板および導体層
の表面部に移行した複合酸化物は微細な粒子として分散
しているため、凹凸や欠陥を形成することが少なく、そ
の後のめっき処理等に対して悪影響を及ぼすことは少な
い。

【００２５】上記構成に係る回路基板およびその製造方
法によれば、セラミックス基板が１８０Ｗ／ｍ・Ｋ以上
の熱伝導率を有し、熱放散性に優れているため、従来の
回路基板と比較して半導体素子の稼働時における温度上
昇を効果的に抑制できる。また、さらに高出力の半導体
素子を搭載することも可能になり、半導体素子の高出力
化および高集積化に十分対応することが可能になる。

【００２６】また、セラミックス基板を構成する結晶粒
子の平均粒径を１０μｍ以下にしているため、回路基板
全体としての曲げ強度が十分に確保される結果、回路基
板のアセンブリング時や使用時においても割れが発生す
ることが少ない。

【００２７】さらに、セラミックス基板や導体層表面に
存在する液相酸化物粒子の平均粒径を３００μｍ以下に
することにより、液相酸化物粒子による凹凸や欠陥が少
なくなり、この欠陥部等に付着しためっき成分による導
体層の短絡事故の発生率を大幅に低下させることが可能
になるとともに、めっき処理や半田リフロー処理などの
表面処理の効果を均一化でき、より安定した表面処理を
実現することができる。

【００２８】

【発明の実施の形態】次に本発明の実施形態について添
付図面を参照して以下の実施例に基づいて、より具体的
に説明する。

【００２９】実施例１〜１０不純物としての酸素の含有量が０．３重量％であり、平
均粒径が１μｍの窒化アルミニウム（ＡｌＮ）粉末に対
して焼結助剤としてのイットリア（Ｙ_２Ｏ_３）を５重量
％と、有機バインダーとしてのポリビニルアルコール
（ＰＶＡ）を５．５重量％とを添加し、エチルアルコー
ルを溶媒として均一に混合してスラリー状の原料混合体
とした。次に、得られたスラリー状の原料混合体をドク
ターブレード法により成形してシート状のＡｌＮグリー
ンシートを多数調製した。

【００３０】一方、タングステン（Ｗ）粉末に添加剤，
ＡｌＮバインダーおよび有機溶剤を添加して導体ペース
トを調製し、導体ペーストを上記ＡｌＮグリーンシート
の表面および背面にスクリーン印刷法等の厚膜手法を採
用して図１に示すような所定の導体パターン形状に印刷
塗布した。次に得られたＡｌＮグリーンシートを切断加
工して１００ｍｍ角のシート状成形体とした。

【００３１】そして、導体パターンを印刷した各ＡｌＮ
シート状成形体を、表１に示すような窒素・水素・水蒸
気雰囲気中で２時間加熱して脱バインダー処理を行った
後に、引き続いて表１に示すような還元性窒素ガス雰囲
気中で所定時間焼結後、さらに表１に示す所定の冷却速
度で徐冷することにより、回路としてのＷ導体層をＡｌ
Ｎ基板表面に一体に形成した実施例１〜５に係る厚膜回
路基板をそれぞれ多数調製した。

【００３２】比較例１〜６表１に示す脱脂条件および焼結条件で処理した点以外は
実施例１と同様に処理して実施例１と同一寸法を有する
比較例１〜６に係る回路基板をそれぞれ調製した。

【００３３】こうして調製された各実施例および比較例
に係る回路基板１は、図１および図２に示すように、セ
ラミックス基板としてのＡｌＮ基板２の表面および背面
にＷ導体層３，３を一体に形成した構造を有する。

【００３４】上記のように調製した各実施例および比較
例に係る回路基板を構成するＡｌＮ基板の熱伝導率，結
晶粒子の平均粒径，基板および導体層表面の液相酸化物
粒子の最大粒径，回路基板の三点曲げ強度を測定して下
記表１に示す結果を得た。なお、三点曲げ強度の測定に
際しては、グリーンシートを積層して厚さ４ｍｍのサン
プルを作製し焼結後、３×４×３０ｍｍに加工して抗折
強度測定用の試料とした。三点曲げ強度測定方法はＪＩ
Ｓ規格に準じた方法を適用した。また、各回路基板の導
体層表面に厚さ３μｍの電解ニッケルめっき層を形成し
た後、洗浄・乾燥し、残留めっき成分による導体層の短
絡（ショート）事故の有無を確認した。すなわち、短絡
事故の有無の確認に際しては各実施例及び比較例の基板
を各１００個作製し、事故の有無を確認した。測定結果
を下記表１に示す。

【００３５】

【表１】

【００３６】上記表１に示す結果から明らかなように、
ＡｌＮ基板の結晶粒子の平均粒径を１０μｍ以下にした
各実施例に係る回路基板においては、１８０Ｗ／ｍ・Ｋ
以上の高熱伝導率を維持しながらも三点曲げ強度が高
く、アセンブリ時および使用時における割れの発生が少
ないことが判明した。

【００３７】また、基板表面および導体層表面における
液相酸化物粒子の平均粒径を３００μｍ以下にした各実
施例に係る回路基板においては、基板および導体層の表
面に凹凸や欠陥が形成されにくいため、上記欠陥部に残
留しためっき成分による短絡事故が大幅に低減されるこ
とが判明した。

【００３８】特に導体層表面における液相酸化物粒子の
平均粒径を３００μｍ以下に制御した各実施例に係る回
路基板によれば、液相酸化物によるめっき層の不均一が
解消されることも判明した。また導体層表面の半田濡れ
性が均一で良好となり、めっき処理および半田リフロー
処理などの表面処理の効果も均一化された。また、残留
めっき液によるめっき層の膨れ不良も解消した。

【００３９】このように各実施例に係る回路基板は、高
い熱伝導率を維持しながら強度も高く形成されているた
め、搭載した半導体素子から発生した熱を効率的に放散
できる。さらに、高出力の半導体素子の搭載も可能にな
る。

【００４０】一方、比較例１〜６に係る回路基板におい
ては、強度は高い反面、熱伝導率が過小であり、良好な
放熱性は発揮し得ない。また、比較例４または５では熱
伝導率を高めるために長時間の焼結処理を実施している
ためにＡｌＮ結晶粒子が粗大化しており、十分な強度が
得られず、割れに対する耐性が低いことが再確認でき
た。

【００４１】

【発明の効果】以上説明の通り、本発明に係る回路基板
およびその製造方法によれば、セラミックス基板が１８
０Ｗ／ｍ・Ｋ以上の熱伝導率を有し、熱放散性に優れて
いるため、従来の回路基板と比較して半導体素子の稼働
時における温度上昇を効果的に抑制できる。また、さら
に高出力の半導体素子を搭載することも可能になり、半
導体素子の高出力化および高集積化に十分対応すること
が可能になる。

【００４２】また、セラミックス基板を構成する結晶粒
子の平均粒径を１０μｍ以下にしているため、回路基板
全体としての曲げ強度が十分に確保される結果、回路基
板のアセンブリング時や使用時においても割れが発生す
ることが少ない。

【００４３】さらに、セラミックス基板や導体層表面に
存在する液相酸化物粒子の平均粒径を３００μｍ以下に
することにより、液相酸化物粒子による凹凸や欠陥が少
なくなり、この欠陥部等に付着しためっき成分による導
体層の短絡事故の発生率を大幅に低下させることが可能
になるとともに、めっき処理や半田リフロー処理などの
表面処理の効果を均一化でき、より安定した表面処理を
実現することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】回路基板の構成を模式的に示す平面図。

【図２】図１に示す回路基板の断面図。

【符号の説明】

１回路基板（厚膜回路基板）２セラミックス基板（ＡｌＮ基板）３導体層（Ｗ導体層）

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者佐藤英樹神奈川県横浜市鶴見区末広町二丁目４番地株式会社東芝京浜事業所内 (72)発明者石井正神奈川県川崎市川崎区日進町７番地１東芝電子エンジニアリング株式会社内 (72)発明者永野聖子神奈川県川崎市川崎区日進町７番地１東芝電子エンジニアリング株式会社内Ｆターム(参考） 4G001 BA09 BA36 BB01 BB36 BC13 BC52 BC54 BD03 BD14 BE22 BE32 5E343 AA24 BB39 BB40 BB72 ER38 ER39 GG16

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】セラミックス結晶粒子と液相酸化物粒子
とから成るセラミックス基板に回路となる導体層を一体
に形成した回路基板において、上記セラミックス基板の
熱伝導率が１８０Ｗ／ｍ・Ｋ以上であり、かつセラミッ
クス結晶粒子の平均粒径が１０μｍ以下であることを特
徴とする回路基板。
【請求項２】セラミックス結晶粒子の平均粒径が４〜
９μｍであることを特徴とする請求項１記載の回路基
板。
【請求項３】セラミックス基板が窒化アルミニウム
（ＡｌＮ）から成る一方、導体層がタングステン（Ｗ）
およびモリブデン（Ｍｏ）の少なくとも一方の高融点金
属から成ることを特徴とする請求項１記載の回路基板。
【請求項４】セラミックス基板表面に存在する液相酸
化物粒子の平均粒径が３００μｍ以下であることを特徴
とする請求項１記載の回路基板。
【請求項５】導体層の表面に存在する液相酸化物粒子
の最大粒径が３００μｍ以下であることを特徴とする請
求項１記載の回路基板。
【請求項６】液相酸化物がＹ−Ａｌ−Ｏ系の複合酸化
物であることを特徴とする請求項１記載の回路基板。
【請求項７】焼結助剤を添加したセラミックス粉末の
成形体に所定の回路パターンを形成するように導体ペー
ストを塗布し、回路パターンを形成したセラミックス成
形体を、窒素ガスと水素ガスと水蒸気とから成る雰囲気
中で温度６００℃以上に加熱して脱脂した後に、得られ
た脱脂体を還元雰囲気の窒素ガス中で温度１７００℃以
上で１〜８時間加熱することにより、セラミックス成形
体と導体ペーストとを同時に焼成し、セラミックス基板
に一体化した導体層を形成し、焼成後の冷却速度を毎時
２００℃以下に調整して徐冷することを特徴とする回路
基板の製造方法。
【請求項８】焼結助剤がイットリア（Ｙ_２Ｏ_３）を含
む一方、セラミックス粉末が窒化アルミニウム（Ａｌ
Ｎ）粉末であることを特徴とする請求項７記載の回路基
板の製造方法。