JPH0636473B2 - 多層セラミツク基板 - Google Patents

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、特に高熱伝導性を有す
る多層セラミック基板に関するものである。

（従来技術とその問題点） 半導体工業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。

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。

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っている。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。そのため、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。

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。炭化ケイ素
はそれ自体電気的には半導体に属し、比抵抗が１〜10Ω
・cm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10¹⁰Ωcm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１ＭＨｚで
40とかなり高く、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。

又、ＢｅＯ粉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がある為実用上困難な面がで
てくる。

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、装置が大がかりになるばかりでなく、基
板の形状も大面積化は困難であり、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はプロセ
ス的に極めて困難である。

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。ま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〜400μｍ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。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、厚膜印刷法により所定の
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ーンシートを積層プレスし脱バイ
ンダー工程を経て焼成する。

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、また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、および(5)
表面平滑性が優れていること、(6)高密度化が容易であ
ること等が必要である。

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。

本発明者らは、これらの具備すべき基板性質を留意しな
がら、特に高熱伝導性および多層高密度化に着目して窒
化アルミニウム多層セラミック基板の発明に至った。

（発明の目的） 本発明は、前述した従来の実装基板の欠点を除去せしめ
て熱伝導性の優れた高密度な高熱伝導多層セラミック基
板を提供することにある。

（発明の構成） 本発明によれば、窒化アルミニウムを主成分とする多結
晶体で構成されたセラミックス層に複数の導体層を形成
し、セラミックス層中に前記複数の導体層を電気的に接
続するためのビアホールを形成して積層したことを特徴
とする多層セラミック基板が得られる。

（構成の詳細な説明） 本発明は、上述の構成をとることにより従来技術の問題
点を解決した。

まず、多層セラミック基板を構成する絶縁セラミック材
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緻密な構
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為に添加物として還
元効果のある還元剤を入れることが好ましい。

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
層をセラミック層中に設けたビアホールを介して電気的
に接続されている。

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なる。

（実施例１） 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。

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。１は絶縁セラミック層であ
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り、モ
リブデン、ダングステン、白金およびマンガン等の金属
の単体もしくは、これらの金属の２つ以上を含んだ合金
で形成されており、絶縁セラミック層に形成されている
ビアホール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Ｌ
ＳＩチップがマウント出来るようにダイパッド４および
ボンディングパッド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I/
Oパッド６が基板裏面に形成されている。基板上にマウ
ントされている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散する。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に行な
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。

表は、添加剤としてＣａＣ₂を用いて添加量を変化させ
たときの窒化アルミニウム多層セラミック基板の諸特性
を示したものである。ここに示したＣａＣ₂量は窒化ア
ルミニウムを100としたときの値である。表に示したよ
うに窒化アルミニウム粉末とＣａＣ₂粉末とを秤量し、
ボールミルにより温式混合を48時間行なった。

この混合粉末を、ポリカプロラクトン系、あるいはポリ
メチルメタアクリレート系樹脂等の中性雰囲気で分解可
能な有機バインダーとともに溶媒中に分散し粘度3000〜
7000ｃｐ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〜200μｍ程度の均一な厚みに
なるように、有機フィルム上にグリーンシートを作成す
る。

次にこのグリーンシートを有機フィルムから剥離し、12
0mm×120mmの形状になるように打抜いたのち、各層間を
電気的に接続するためのビアホールを形成する。ここで
形成したビアホールは機械的に、ポンチおよびダイを用
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。

ビアホールの形成されたグリーンシート上へ、モリブデ
ン、タングステン、白金等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
形状になるようにカッターを用いて切断し、1400℃〜20
00℃の温度で中性もしくは、還元性雰囲気中で焼成す
る。焼成の際、その昇温過程で400℃〜500℃の非酸化性
雰囲気下で８時間保持して脱バインダーを充分に行なっ
た。

作成した基板の電気的特性を測定した結果、比抵抗が10
¹¹Ωcm以上であり、誘電率は8.7（１ＭＨｚ）、誘電損
失は１×10^-3以下（１ＭＨｚ）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。

（実施例２） 添加剤としてＣａＯを1.0ｗｔ％添加した混合粉を原料
粉末として用いた。非酸化性雰囲気下で分解可能な有機
バインダーを有機溶媒と共に混合し泥漿化したのち150
μｍ〜300μｍの厚みのグリーンシートを作成した。

該グリーンシートに300μｍ程度のビアホールを形成
し、スクリーン印刷法によりモリブデン、又はタングス
テン又は白金等の高融点金属ペーストを印刷し積層、熱
プレス後窒素中又はヘリウム中又はアルゴン中の中性雰
囲気、および水素を含んだ還元性雰囲気下で1800℃の温
度で焼結した。この時の多層基板の特性は、熱伝導率が
100Ｗ／ｍＫと高く、熱膨張係数も41×10^-7／℃とシリ
コンの熱膨張係数に近い値を示した。一方機械的特性と
しての抗折強度は4100kg／cm²と実装基板として十分な
値を有していた。

本実施例においては常圧焼結法により行なっているた
め、ホットプレス法等の高圧焼結法に比較して、焼結プ
ロセスが簡便であり、量産性に対しても非常に有利であ
る。このようにプロセス的に容易であることおよび原料
費が低価格であるということにより生産に対する低コス
ト化が可能である。

（実施例３） 添加剤或いは還元剤として一般に知られている物質を用
いて窒化アルミニウム多層セラミック基板を作成した。
例えばＢｅＯ，Ｙ₂Ｏ₃，ＣｕＯ，ＡｇＯ，ＢａＣ₂，Ｓ
ｒＣ₂，Ｎａ₂Ｃ₂，Ｋ₂Ｃ₂，Ｒｂ₂Ｃ₂，ＣｓＣ₂，ＣｕＣ
₂，ＭｇＣ₂，Ａｌ₂Ｃ₆，Ｃｅ₂Ｃ₆，Ａｇ₂Ｃ₂，ＺｕＣ₂
をそれぞれ最大10ｗｔ％まで添加した窒化アルミニウム
原料粉末を用いてグリーンシート化し多層構造の実装基
板を作成した。

焼成温度としては1500℃〜2000℃の範囲で中性ないし還
元雰囲気中で行なった。

作成基板の熱伝導率は添加量が0.5ｗｔ％〜4.0ｗｔ％の
範囲で100Ｗ／ｍＫ以上を有し、さらに0.3ｗｔ％〜8.0
ｗｔ％までの範囲で80ｗ／ｍｋを示し、アルミナ基板に
比較して、熱放散性にすぐれていた。

なお、以上挙げた添加剤又は還元剤を複数添加した場合
でも熱伝導率は良好な値が得られた。

（発明の効果） 実施例からも明らかなように、本発明の構造を有するこ
とにより、容易に高密度な回路を形成することが出来、
熱放散性に対しても非常に有効な高熱伝導多層セラミッ
ク基板が得られる。

従来用いられているアルミナ基板の熱伝導率は17Ｗ／ｍ
ｋ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。また熱膨張係数においては、アルミ
ナ基板が65×10^-7／℃であるのに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。

【図面の簡単な説明】

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。１……絶縁セラミック層、２…
…導体層、３……ビアホール、４……ダイパッド、５…
…ボンディングパッド、６……I/Oパッド。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 高見沢 秀男 東京都港区芝５丁目33番１号 日本電気株 式会社内 (56)参考文献 特開 昭60−178688（ＪＰ，Ａ) 特開 昭60−180954（ＪＰ，Ａ) 特開 昭53−102310（ＪＰ，Ａ)

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】窒化アルミニウムを主成分とする多結晶体
   で構成されたセラミックス層に複数の高融点金属よりな
   る導体層を形成し、セラミックス層中に前記複数の導体
   層を電気的に接触するためのビアホールを形成して積層
   したことを特徴とする多層セラミック基板。