JP7569018B2 - セラミック配線基板、セラミック配線基板用セラミックグリーンシート及びセラミック配線基板用ガラスセラミックス粉末 - Google Patents

セラミック配線基板、セラミック配線基板用セラミックグリーンシート及びセラミック配線基板用ガラスセラミックス粉末 Download PDF

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Description

本発明は、セラミック配線基板、セラミック配線基板用セラミックグリーンシート及びセラミック配線基板用ガラスセラミックス粉末に関する。
従来、半導体ウェハーを検査する際に、半導体ウェハーの上にプローブカードを配し、プローブカードを介して半導体ウェハーをテスターに電気的に接続することがなされている。プローブカードは、通常、半導体ウェハーに接触するテストヘッドと、テスターに接続されるプリントセラミック配線基板と、プリントセラミック配線基板とテストヘッドとを接続するインターポーザ基板と呼ばれるセラミック配線基板とを有している。
例えば特許文献１には、低温焼成可能なセラミック配線基板として、ガラスを含む低温焼成セラミックスからなるセラミック配線基板が記載されている。
特開２００９－０７４８２３号公報
プリントセラミック配線基板の電極パッド間距離は、テストヘッドにおける電極パッド間距離よりも大きい。インターポーザ基板の一方側の主面にはプリントセラミック配線基板の電極パッドに対応した電極パッドが設けられており、他方側の主面の上にはテストヘッドの電極パッドに対応した電極パッドが設けられている。それら一方主面側の電極パッドと他方主面側の電極パッドとが、内部導体によって接続されている。従って、インターポーザ基板においては、両主面の電極パッドの位置精度が高いことが重要となる。
また、プローブカードを用いた検査は、例えば、－４０℃から＋１２５℃といった広い温度範囲で行われる。このため、検査温度が変化した際に、インターポーザ基板の電極パッド間距離とテストヘッドやプリントセラミック配線基板等の電極パッド間距離との間に差が出ないようにインターポーザ基板の熱膨張係数を、テストヘッドやプリントセラミック配線基板の熱膨張係数と近似させることが好ましい。従って、インターポーザ基板は、使用環境に合わせて熱膨張係数を調節可能な材料からなることが好ましい。
また、通常は、テストヘッドの熱膨張係数は、半導体ウェハーの熱膨張係数と近似している。このため、インターポーザ基板の熱膨張係数を半導体ウェハーの熱膨張係数程度にまで低くしたいという要望もある。
しかしながら、特許文献１に記載のセラミック配線基板では、半導体ウェハーの熱膨張係数程度に低い熱膨張係数を実現することが困難であるという問題がある。
さらに、インターポーザ基板の機械的強度を確保したいという要望もある。
本発明の主な目的は、低温焼成可能なセラミック配線基板であって、熱膨張係数を低く調節することが可能であり、かつ、機械的強度の高いセラミック配線基板を提供することにある。
本発明のセラミック配線基板は、セラミック基板とセラミック基板内に配された内部導体とを備え、セラミック基板が、ガラス、ウイレマイトフィラー及びアルミナフィラーを含有し、ウイレマイトフィラーの平均粒子径がアルミナフィラーの平均粒子径よりも大きいことを特徴とする。ここで、「ウイレマイト」とは、ケイ素・亜鉛複合酸化物であり、一般的には、ＺｎＳｉＯ４で表される。「平均粒子径」とは、レーザー回折散乱法によって任意の粉末の粒径を測定した際、粒子の体積基準で算出されるＤ５０で定義されるものである。
本発明のセラミック配線基板においては、セラミック基板が、質量％で、ガラス ３０～６５％、ウイレマイトフィラー １４～５６％、アルミナフィラー ７～４２％を含有することが好ましい。
本発明のセラミック配線基板においては、ガラスがホウケイ酸ガラスであることが好ましい。
本発明のセラミック配線基板においては、ホウケイ酸ガラスが、ガラス組成として、質量％で、ＳｉＯ２ ６０～８０％、Ｂ２Ｏ３ １０～３０％、Ｌｉ２Ｏ＋Ｎａ２Ｏ＋Ｋ２Ｏ １～５％及びＭｇＯ＋ＣａＯ＋ＳｒＯ＋ＢａＯ ０～２０％を含有することが好ましい。ここで、「Ｌｉ２Ｏ＋Ｎａ２Ｏ＋Ｋ２Ｏ」とは、Ｌｉ２Ｏ、Ｎａ２Ｏ及びＫ２Ｏの合量を意味する。「ＭｇＯ＋ＣａＯ＋ＳｒＯ＋ＢａＯ」とは、ＭｇＯ、ＣａＯ、ＳｒＯ及びＢａＯの合量を意味する。
本発明のセラミック配線基板用セラミックグリーンシートは、質量％で、ガラス粉末 ３０～６５％、ウイレマイトフィラー １４～５６％、アルミナフィラー ７～４２％を含有し、ウイレマイトフィラーの平均粒子径がアルミナフィラーの平均粒子径よりも大きいことを特徴とする。
本発明のセラミック配線基板用ガラスセラミックス粉末は、質量％で、ガラス粉末 ３０～６５％、ウイレマイトフィラー １４～５６％、アルミナフィラー ７～４２％を含有し、ウイレマイトフィラーの平均粒子径がアルミナフィラーの平均粒子径よりも大きいことを特徴とする。
本発明によれば、低温焼成可能なセラミック配線基板であって、熱膨張係数を低く調節することが可能であり、かつ、機械的強度の高いセラミック配線基板を提供することができる。
本発明の一実施形態に係るセラミック配線基板の模式的断面図である。
以下、本発明を実施した好ましい形態の一例について説明する。但し、下記の実施形態は、単なる例示である。本発明は、下記の実施形態に何ら限定されない。
図１は、本実施形態に係るセラミック配線基板の模式的断面図である。図１に示されるセラミック配線基板１は、熱膨張係数が低く、かつ、機械的強度の高いことが要求されるセラミック配線基板として用いることができる。セラミック配線基板１は、例えば、プローブカードのインターポーザ基板として用いることができる。
セラミック配線基板１は、セラミック基板１０を有する。セラミック基板１０は、第１及び第２の主面１０ａ、１０ｂを有する。セラミック基板１０は、複数のセラミック層１１の積層体により構成されている。
セラミック基板１０の内部には、複数の内部導体２０が配されている。それぞれの内部導体２０は、隣り合うセラミック層１１の間に位置する層間電極２１と、セラミック層１１を貫通しており、セラミック層１１を介してセラミック層１１の積層方向に対向している層間電極２１同士を接続しているビアホール電極２２とを有する。
複数の内部導体２０は、セラミック基板１０の第１の主面１０ａと第２の主面１０ｂとに跨がって設けられている。内部導体２０の第１の主面１０ａ側の端部は、第１の主面１０ａの上に設けられた電極パッド３１に接続されている。内部導体２０の第２の主面１０ｂ側の端部は、第２の主面１０ｂの上に設けられた電極パッド３２に接続されている。
第２の主面１０ｂ上で隣り合う電極パッド３２間の距離は、第１の主面１０ａ上で隣り合う電極パッド３１間の距離よりも長い。このため、セラミック配線基板１がインターポーザ基板として用いられる場合は、テストヘッドが第１の主面１０ａ側に接続され、プリントセラミック配線基板が第２の主面１０ｂ側に接続される。
なお、内部導体２０及び電極パッド３１、３２は、適宜の導電材料により構成することができる。内部導体２０及び電極パッド３１、３２は、それぞれ、例えば、Ｐｔ、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｐｄ等の金属の少なくとも一種により構成することができる。
セラミック基板１０は、ガラス、ウイレマイトフィラー、アルミナフィラーを含有することが好ましい。具体的には、質量％で、ガラス ３０～６５％、ウイレマイトフィラー １４～５６％、アルミナフィラー ７～４２％を含有する。以下の含有量に関する説明において、特に断りのない限り、「％」は「質量％」を意味する。
ガラスは、セラミック基板１０の緻密性（相対密度）を高め、機械的強度を高める。ガラスの含有量は、３０～６５％、特に３０～５０％であることが好ましい。ガラスの含有量が少なすぎても多すぎても、所望の熱膨張係数、機械的強度を得にくくなる。
ウイレマイトフィラーは、セラミック基板１０の熱膨張係数を低下させる。ウイレマイトフィラーの含有量は、１４～５６％、特に２０～４０％であることが好ましい。ウイレマイトフィラーの含有量が少なすぎても多すぎても、所望の熱膨張係数、機械的強度を得にくくなる。
アルミナフィラーは、セラミック基板１０の機械的強度を高める。アルミナフィラーの含有量は、７～４２％、特に２０～４０％であることが好ましい。アルミナフィラーの含有量が少なすぎても多すぎても、所望の熱膨張係数、機械的強度を得にくくなる。
ウイレマイトフィラーの平均粒子径は、アルミナフィラーの平均粒子径よりも大きく、特に１．２倍以上であることが好ましい。ウイレマイトフィラーの平均粒子径がアルミナフィラーの平均粒子径よりも小さいと、焼成時にウイレマイトフィラーとアルミナフィラーが反応し、ガーナイトが析出し易くなる。結果として、セラミック基板１０の熱膨張係数を所望の範囲に制御し難くなる。
ウイレマイトフィラーの平均粒子径は、２～５μｍ、特に２～３μｍであることが好ましい。ウイレマイトフィラーの平均粒子径が小さすぎると、結晶粒子の異方性膨張に起因する結晶粒界のマイクロクラックが少なくなり、ウイレマイトフィラーの熱膨張係数が高くなる傾向がある。結果として、セラミック基板１０の熱膨張係数を所望の範囲に制御し難くなる。一方、ウイレマイトフィラーの平均粒子径が大きすぎると、セラミック基板１０の機械的強度が低下し易くなる。
セラミック基板１０の熱膨張係数は、－４０℃～＋１２５℃の温度範囲において、４ｐｐｍ／℃以下であることが好ましく、特に３．６ｐｐｍ／℃以下であることが好ましい。セラミック基板の熱膨張係数が高すぎると、半導体ウェハーの熱膨張係数よりも高くなり、正確に半導体ウェハーを検査し難くなる。なお、熱膨張係数の下限は特に限定されないが、現実的には３ｐｐｍ／℃以上であることが好ましい。
なお、本明細書におけるセラミック基板の－４０℃～＋１２５℃の温度範囲における熱膨張係数は、ＪＩＳ Ｒ３１０２に準拠する方法により測定する。
セラミック基板１０の３点曲げ強度は、１００ＭＰａ以上であることが好ましく、特に１５０ＭＰａ以上であることが好ましい。３点曲げ強度が低すぎると、セラミック基板１０が破損し易くなる。なお、３点曲げ強度の上限は特に限定されないが、現実的には６００ＭＰａ以下であることが好ましい。
本明細書におけるセラミック基板の３点曲げ強度は、ＪＩＳ Ｒ１６０１に準拠する方法により測定する。
なお、本明細書におけるセラミックフィラーの－４０℃～＋１２５℃の温度範囲における熱膨張係数は、以下の方法により作製するシート状焼結体を用い、ＪＩＳ Ｒ３１０２に準拠する方法により測定する。また、本明細書におけるセラミックフィラーの３点曲げ強度は、以下の方法により作製するシート状焼結体を用い、ＪＩＳ Ｒ１６０１に準拠する方法により測定する。
セラミックフィラーの熱膨張係数および３点曲げ強度の測定に用いるシート状焼結体は、次の方法により作製する。
まず、平均粒子径２μｍのセラミックフィラー（ウイレマイトフィラーやアルミナフィラー等）１００質量部に対して、ポリビニルブチラール（ＰＶＢ）を１５質量部、フタル酸ベンジルブチルを３質量部、トルエン５０質量部を混合、混練してスラリーを作製する。次に、そのスラリーをドクターブレード法により、直径２０．３２ｃｍ（８インチ）、厚みが１５０μｍの円形のシート状に成形してグリーンシートを作製する。次に、３０枚のグリーンシートを積層し、９０℃、３０ＭＰａで、熱圧着させた後、４５０℃で熱処理して脱脂した後に、１６００℃で焼結させて焼結体を作製する。最後に、焼結体を厚みが３．０ｍｍとなるまで研磨してシート状の焼結体を得る。
なお、セラミック基板１０は、３種以上のセラミックフィラーを含有してもよい。すなわち、ウイレマイトフィラー及びアルミナフィラー以外のセラミックフィラーを含んでもよい。
この場合、ウイレマイトフィラーは、－４０℃～＋１２５℃の温度範囲における熱膨張係数が３種以上のセラミックフィラーの中で最も低く、アルミナフィラーは、３点曲げ強度が３種以上のセラミックフィラーの中で最も高いことが好ましい。
セラミック基板１０中のガラスは、ホウケイ酸ガラスであることが好ましい。ホウケイ酸ガラスを用いることにより、セラミック基板１０の熱膨張係数を低くし易い。また、セラミック基板１０の機械的強度を高くすることが可能である。
具体的には、ホウケイ酸ガラスは、ガラス組成として、質量％で、ＳｉＯ２ ６０～８０％、Ｂ２Ｏ３ １０～３０％、Ｌｉ２Ｏ＋Ｎａ２Ｏ＋Ｋ２Ｏ １～５％及びＭｇＯ＋ＣａＯ＋ＳｒＯ＋ＢａＯ ０～２０％を含むことが好ましい。以下の含有量に関する説明において、特に断りのない限り、「％」は「質量％」を意味する。
ＳｉＯ２はガラスの骨格を形成する成分である。ＳｉＯ２含有量は、６０～８０％であることが好ましい。ＳｉＯ２の含有量が少なくなると、ガラス化し難くなる場合がある。一方、ＳｉＯ２の含有量が多くなると、溶融温度が高くなり、溶融が困難となる場合がある。ＳｉＯ２の含有量のより好ましい範囲は６５～７５％である。
Ｂ２Ｏ３はガラスの骨格を形成すると共に、ガラス化範囲を広げ、ガラスを安定化させる成分である。Ｂ２Ｏ３の含有量は、１０～３０％であることが好ましい。Ｂ２Ｏ３の含有量が少なくなると、溶融温度が高くなり、溶融が困難になる傾向にある。一方、Ｂ２Ｏ３の含有量が多くなると、セラミック基板１０の熱膨張係数が大きくなる傾向にある。Ｂ２Ｏ３の含有量のより好ましい範囲は１５～２５％である。
アルカリ金属酸化物（Ｌｉ２Ｏ、Ｎａ２Ｏ、Ｋ２Ｏ）は溶融ガラスの粘度を低下させ、溶融しやすくする成分である。アルカリ金属酸化物の含有量（合量）は、１～５％であることが好ましい。アルカリ金属酸化物の含有量が少なくなると、粘度を低下させる効果が低くなる場合がある。一方、アルカリ金属酸化物の含有量が多くなると、耐水性が低下する傾向にある。アルカリ金属酸化物の含有量のより好ましい範囲は２～４％である。
アルカリ土類金属酸化物（ＭｇＯ、ＣａＯ、ＳｒＯ、ＢａＯ）は溶融ガラスの粘度を低下させ、溶融しやすくする成分である。アルカリ土類金属酸化物の含有量（合量）は、０～２０％であることが好ましい。アルカリ土類金属酸化物の含有量が多くなると、ガラスが不安定となりやすく、ガラスを溶融する際にガラスが失透し易い傾向にある。アルカリ土類金属酸化物の含有量のより好ましい範囲は５～１５％である。
次に、セラミック配線基板１の製造方法について説明する。
まず、質量％で、ガラス ３０～６５％、ウイレマイトフィラー １４～５６％、アルミナフィラー ７～４２％を含有するセラミック配線基板用ガラスセラミックス粉末を用意する。なお、上述した通り、ウイレマイトフィラーの平均粒子径はアルミナフィラーの平均粒子径よりも大きい。
また、ガラスは、上記組成のホウケイ酸塩系ガラスであることが好ましく、ガラス粉末の平均粒子径は、１～５μｍであることが好ましい。
次に、セラミック配線基板用ガラスセラミックス粉末に、樹脂、可塑剤、溶剤等を含むバインダーを添加し、混練することによりスラリーを作製する。そのスラリーを、ドクターブレード法等によりシート状に成形することにより、ガラス、ウイレマイトフィラー及びアルミナフィラーを含有するセラミック配線基板用セラミックグリーンシートを作製する。
次に、セラミックグリーンシートにビアホールを形成する。ビアホールの形成は、例えば、レーザー光の照射や、メカニカルパンチング等により行うことができる。
次に、形成したビアホールの内部に、ビアホール電極２２を形成するための導電性ペーストを充填する。また、セラミックグリーンシートの上に、層間電極２１及び電極パッド３１、３２を形成するための導電性ペーストを塗布する。
その後、セラミックグリーンシートを適宜積層し、積層体を得る。その積層体を、焼成することによりセラミック配線基板１を完成させることができる。
以下、本発明について、具体的な実施例に基づいて、さらに詳細に説明するが、本発明は以下の実施例に何ら限定されるものではない。
表１は、本発明の実施例（試料Ｎｏ．１～６）及び比較例（試料Ｎｏ．７）を示している。
Figure 0007569018000001
質量％で、ＳｉＯ２ ７０％、Ｂ２Ｏ３ ２８％、Ｋ２Ｏ ２％となるように、ガラス原料を調合し、白金るつぼにガラス原料を投入し、１６００℃で溶融することで溶融ガラスを得た。溶融ガラスを、水冷した２つの回転ロール間に供給し、溶融ガラスを延伸することにより、フィルム状のガラスを得た。
このようにして得られたガラスを、粉砕、分級し、表１に記載の平均粒子径を有するガラス粉末を得た。
ガラス粉末、ウイレマイト粉末、アルミナ粉末を表１に記載の含有量となるように、調製した混合粉末１００質量部に対して、アクリル樹脂 １２質量部、可塑剤（フタル酸ベンジルブチル） ３質量部、溶剤（トルエン） ３５質量部を混合、混練したのち、ドクターブレード法により、厚みが１５０μｍのグリーンシートを得た。なお、ウイレマイト粉末、アルミナ粉末の平均粒子径は表１に記載の通りである。
グリーンシートを打ち抜き加工し、直径２０．３２ｃｍ（８インチ）の円形のグリーンシート成形体を得た。ついで、このグリーンシート成形体に、レーザーパンチングマシンにより、直径が１００μｍで、間隔が５００μｍの貫通孔を形成し、ビア導体を印刷により埋め込んだ。また、層間電極及び電極パッドは導電性ペーストを印刷することにより形成した。その後、グリーンシート成形体を積層し、さらに拘束部材として、アルミナフィラーからなるアルミナグリーンシートを積層し、積層体を作製した。
次に、積層体を、９０℃、３０ＭＰａで、熱圧着させた。その後、積層体を４５０℃で熱処理して脱脂した後に、８５０℃で焼結させて焼結体を得た。得られた焼結体を研磨することで拘束部材を除去し、厚みが３．０ｍｍのセラミック配線基板を作製した。
作製したセラミック配線基板について、熱膨張係数、３点曲げ強度を評価した。
－４０～＋１２５℃の温度範囲における熱膨張係数は、ＪＩＳ Ｒ３１０２に準拠する方法により測定した。
３点曲げ強度は、ＪＩＳ Ｒ１６０１に準拠する方法により測定した
表１から明らかなように、本発明の実施例であるＮｏ．１～６の試料は、－４０～＋１２５℃の温度範囲における熱膨張係数が、３．６～４．０ｐｐｍ／℃であり、半導体ウェハーの熱膨張係数とほぼ同じ値となった。また、３点曲げ強度が、２３２～２７３ＭＰａであり、十分な強度を有していた。一方、比較例であるＮｏ．７の試料は、熱膨張係数が、４．３ｐｐｍ／℃であり、半導体ウェハーの熱膨張係数よりも大きな値となった。
次に、実施例であるＮｏ．１～６の試料をプローブカードに用い、このプローブカードで半導体ウェハーを、－４０～＋１２５℃の温度範囲で検査したところ、問題無く半導体ウェハーを検査することができた。一方、比較例であるＮｏ．７の試料をプローブカードに用い、このプローブカードで半導体ウェハーを、－４０～＋１２５℃の温度範囲で検査したところ、セラミック配線基板の膨張により、正確に半導体ウェハーを検査することができなかった。
１：セラミック配線基板
１０：セラミック基板
１０ａ：第１の主面
１０ｂ：第２の主面
１１：セラミック層
２０：内部導体
２１：層間電極
２２：ビアホール電極
３１、３２：電極パッド

Claims (6)

  1. セラミック基板とセラミック基板内に配された内部導体とを備え、
    セラミック基板が、ガラス、ウイレマイトフィラー及びアルミナフィラーを含有し、
    ウイレマイトフィラーの平均粒子径がアルミナフィラーの平均粒子径よりも大きいことを特徴とするセラミック配線基板。
  2. セラミック基板が、質量％で、ガラス ３０～６５％、ウイレマイトフィラー １４～５６％、アルミナフィラー ７～４２％を含有することを特徴とする請求項１に記載のセラミック配線基板。
  3. ガラスがホウケイ酸ガラスであることを特徴とする請求項１又は２に記載のセラミック配線基板。
  4. ホウケイ酸ガラスが、ガラス組成として、質量％で、ＳｉＯ２ ６０～８０％、Ｂ２Ｏ３ １０～３０％、Ｌｉ２Ｏ＋Ｎａ２Ｏ＋Ｋ２Ｏ １～５％及びＭｇＯ＋ＣａＯ＋ＳｒＯ＋ＢａＯ ０～２０％を含有することを特徴とする請求項３に記載のセラミック配線基板。
  5. 質量％で、ガラス粉末 ３０～６５％、ウイレマイトフィラー １４～５６％、アルミナフィラー ７～４２％を含有し、
    ウイレマイトフィラーの平均粒子径がアルミナフィラーの平均粒子径よりも大きいことを特徴とするセラミック配線基板用セラミックグリーンシート。
  6. 質量％で、ガラス粉末 ３０～６５％、ウイレマイトフィラー １４～５６％、アルミナフィラー ７～４２％を含有し、
    ウイレマイトフィラーの平均粒子径がアルミナフィラーの平均粒子径よりも大きいことを特徴とするセラミック配線基板用ガラスセラミックス粉末。
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