JPH0897332A - セラミックス表面配線基体 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 温度履歴に伴う薄膜配線層の膜剥がれやひび
割れ等の不具合を防止したセラミックス表面配線基体を
提供する。 【構成】 セラミックス基体１と、このセラミックス基
体１の表面に設けられた薄膜配線層３とを有するセラミ
ックス配線基体である。薄膜配線層３は、Al、Ag、Au、
Ni、Cu、PtおよびCoから選ばれる少なくとも 2種類の複
合系、例えば多層金属薄膜（３ａ、３ｂ、３ｃ）からな
り、かつ上記複合系の組成比に基く液相生成温度は、セ
ラミックス表面配線基体に課せられる温度履歴のうち最
高温度よりも200K以上高い温度に設定されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、セラミックス基体の表
面に薄膜配線層を設けたセラミックス表面配線基体に関
する。

【０００２】

【従来の技術】近年、電子部品のヒートシンクやハイブ
リッドＩＣ用回路基板、あるいは半導体パッケージの構
成基材等として、高電気絶縁性および高熱伝導性を有す
る窒化アルミニウム基材が利用されている。窒化アルミ
ニウム基材を上記したような電子部品用材料として用い
る場合には、回路やチップ搭載部の形成等を目的とし
て、その表面に導電性金属層を形成することが不可欠で
ある。

【０００３】上述したような金属層としては、例えば導
体ぺーストの塗布、焼成により形成する、いわゆるメタ
ライズ層が一般的である。しかし、近年のＬＳＩに見ら
れるように、半導体チップの高集積化が進むにつれて、
窒化アルミニウム基材の表面に形成する金属配線層に
は、高配線密度を可能にすることが要求されている。こ
のような要求に対応するために、窒化アルミニウム基材
表面への配線用金属層の形成方法として、高密度配線が
可能な真空蒸着法やスパッタリング法等の薄膜形成技術
（特開昭 61-119051号公報等参照）が利用されており、
単層ないし多層の各種金属薄膜が表面配線層として使用
されている。

【０００４】例えば、窒化アルミニウム基材表面に設け
られる薄膜配線層としては、Ti/Ni/Cu等の多層金属薄膜
が知られている。ところで、このような多層金属薄膜か
らなる薄膜配線層は、常温近傍で使用される場合には特
段の問題を生じることがなく、また多層金属薄膜を構成
している各金属もそれぞれ単体では単体金属の融点もし
くはその近傍の温度を経ない限り、特に問題を生じるこ
とはない。

【０００５】しかしながら、多層金属薄膜等からなる薄
膜配線層が高い温度履歴に晒されると、種々の問題を生
じることになる。すなわち、金属成分の拡散が生じ、例
えば1273K程度の温度を経ると、単体では液相を生じな
いものの、合金組成であるがゆえに、共晶合金組成とな
って液相が生成する場合がある。こうした液相の生成
は、膜の剥がれやひび割れ等の不具合を生じさせる原因
となる。また、液相にまでは至らなくとも、液相生成温
度近傍の温度を経ることによって、薄膜配線層と窒化ア
ルミニウム基材との接合層等が劣化して、膜の剥がれや
ちぎれ等が生じるという問題があった。

【０００６】そして、通常薄膜配線層の形成後に行われ
るろう付け等の熱処理時の温度は、多層金属薄膜の組成
比すなわち膜厚比に基く液相生成温度よりも低い値に設
定しているにもかかわらず、上述したような膜の剥がれ
やひび割れ等の問題が生じている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】上述したように、窒化
アルミニウム基材等のセラミックス基材の表面に配線層
を薄膜形成技術で形成する場合、従来の多層金属薄膜で
は、その後の熱処理等の際に膜の剥がれやひび割れ等の
不具合が生じるという問題があった。このような膜の剥
がれやひび割れ等は、薄膜配線層上に形成するメッキ膜
の膨れ等の原因となり、外観不良、配線不良、実装不良
等を招くことになる。そこで、薄膜配線層が晒される温
度履歴によって、上記したような不具合が生じないよう
な薄膜配線構造が強く望まれている。

【０００８】本発明は、このような課題に対処するため
になされたもので、温度履歴に伴う薄膜配線層の膜剥が
れやひび割れ等の不具合を防止したセラミックス表面配
線基体を提供することを目的としている。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明のセラミックス表
面配線基体は、セラミックス基体と、前記セラミックス
基体の表面に設けられた薄膜配線層とを有するセラミッ
クス配線基体において、前記薄膜配線層は、Al、Ag、A
u、Ni、Cu、PtおよびCoから選ばれる少なくとも2種類の
複合系からなり、かつ前記複合系の組成比に基く液相生
成温度は、前記セラミックス表面配線基体に課せられる
温度履歴のうち最高温度よりも200K以上高いことを特徴
としている。

【００１０】

【作用】ここで、一般的な金属状態図はバルク同士によ
るものであり、薄膜の場合にはその純度が高いために、
反応が見掛けよりも低い温度で生じて、液相が金属状態
図に基く液相生成温度より低い温度で生じる可能性が強
い。また、液相にまでは至らなくとも、液相生成温度に
近付けば近付くほど、薄膜配線層と下地との接合層の劣
化が生じ、例えば脱粒部のような欠陥部等で膜のちぎれ
等が発生する。

【００１１】そこで、本発明のセラミックス表面配線基
体においては、Al、Ag、Au、Ni、Cu、PtおよびCoから選
ばれる 2種以上の金属元素を含む複合系からなる配線金
属層が、セラミックス表面配線基体に課せられる温度履
歴のうちの最高温度、すなわち配線金属層が晒される温
度履歴のうちの最高温度よりも200K以上高い液相生成温
度を有するように、上述した複合系の組成比を設定して
いる。

【００１２】このような組成比の設定は、例えば多層金
属薄膜の場合には各層の厚さ制御により行うことがで
き、このような組成比の変更はその液相生成温度を変更
させることになる。そして、配線金属層が晒される温度
履歴のうちの最高温度よりも200K以上高い温度に液相生
成温度を設定することによって、下地と薄膜配線層との
濡れ性や原子の拡散等による接合層の劣化等を安定かつ
再現性よく抑制することが可能となる。従って、薄膜配
線層の膜剥がれやひび割れ等を再現性よく防止すること
が可能となる。

【００１３】

【実施例】次に、本発明の実施例について説明する。

【００１４】図１は、本発明をセラミックスパッケージ
に適用した一実施例の構成を示す断面図である。同図に
おいて、１はセラミックス多層配線基板であり、このセ
ラミックス多層配線基板１内にはスルーホールに充填さ
れた導体等を含む内部配線層２が設けられている。セラ
ミックス多層配線基板１の構成材料は特に限定されるも
のではなく、酸化アルミニウム、窒化アルミニウム、窒
化ケイ素等の各種セラミックス材料を用いることが可能
であるが、本発明においては高熱伝導性、抗折強度等の
機械的強度、Siとの熱膨張率の近似等の点から窒化アル
ミニウムを用いることが好ましい。

【００１５】上記セラミックス多層基板１は、例えばセ
ラミックスグリーンシートにスルーホールを形成した
後、タングステンペースト等の導体ペーストによるスル
ーホール内への充填や配線層印刷を行い、さらに積層、
圧着および所望雰囲気中での焼成等を行って作製された
ものである。

【００１６】上述したようなセラミックス多層配線基板
１の表面（薄膜形成面）１ａ上には、スパッタ法、蒸着
法、ＣＶＤ法等の各種薄膜形成法により薄膜配線層３が
設けられている。この薄膜配線層３は、Al、Ag、Au、N
i、Cu、PtおよびCoから選ばれる少なくとも 2種類の複
合系からなるものであり、その複合状態は積層複合や混
合複合等の種々の形態を含むものである。また、薄膜配
線層３は、上記金属元素群のうち少なくとも 2種類の元
素を用いていればよく、これら以外に第３の金属元素等
をさらに複合することも可能である。この実施例では、
3つの金属薄膜３ａ、３ｂ、３ｃを積層した 3層積層構
造の多層金属薄膜により構成された薄膜配線層３を示し
ているが、積層構造は 3層に限られるものではなく、 2
層または 3層以上の多層積層構造としてもよく、あるい
は上記複合系を合金組成として用いた単層構造であって
もよい。

【００１７】上記薄膜配線層３は、所望の配線形状にパ
ターニングされている。このパターニングは、例えば多
層金属薄膜上に所望の配線パターンのレジストパターン
を形成し、このレジストパターンを介してエッチングを
施すことによって行う。また、セラミックス多層配線基
板１の薄膜形成面１ａ上に、所望の配線パターンの形成
部位を除く部分にレジストパターンを形成し、このレジ
ストパターンを遮蔽材として、上述したような薄膜形成
法により多層金属薄膜を形成し、この後レジスト膜を除
去することで、所望パターンの薄膜配線を形成する、い
わゆるリフト・オフ法を適用することも可能である。

【００１８】そして、上述した 3層積層構造の多層金属
薄膜からなる薄膜配線層３のうち、Al、Ag、Au、Ni、C
u、PtおよびCoから選ばれる少なくとも 2種類の複合系
の組成比、すなわち膜厚比は、セラミックスパッケージ
に課せられる温度履歴のうちの最高温度、すなわち薄膜
配線層３が晒される温度履歴のうちの最高温度よりも20
0K以上高い液相生成温度を有するように設定されてい
る。例えば、上記 2種類の複合系がAuとNi、すなわち第
２の薄膜３ｂがNiで第３の薄膜３ｃがAu（第１の薄膜３
ａは例えばTi）であり、パッケージに課せられる温度履
歴のうちの最高温度が一般的なろう付け温度である 113
3Kであるとすると、Niからなる第２の薄膜３ｂとAuから
なる第３の薄膜３との膜厚比に基く組成比は、上記最高
温度(1133K）より200K以上高い液相生成温度となるよう
に設定（例えは図２の矢印Ｘより右側の領域）されてい
る。

【００１９】なお、上述した例示では最高温度を一般的
なろう付け温度である 1133Kとしたが、本発明はこれに
限定されるものではなく、各パッケージ（セラミックス
表面配線基体）に課せられる温度履歴のうちの最高温度
に基いて、薄膜配線層３の液相生成温度を設定するもの
とする。

【００２０】このように、薄膜配線層３の組成比、例え
ば膜厚比による組成比に基く液相生成温度を、温度履歴
のうちの最高温度より200K以上高い温度とすることによ
って、たとえ多層金属薄膜の反応が見掛けよりも低い温
度で生じるとしても、温度履歴のうちの最高温度と液相
生成温度との差を十分に、すなわち200K以上とっている
ため、例えばろう付け等の熱処理時における液相生成を
防止することができる。また、実質的な液相生成温度
（反応の活性化により低下した液相生成温度）に近付く
ことによる接合層の劣化等も抑制することができる。従
って、薄膜配線層３の膜剥がれやひび割れ等を防止する
ことが可能となる。

【００２１】本発明のセラミックス表面配線基体は、上
述した実施例によるパッケージ、すなわち半導体素子等
を搭載するセラミックスパッケージに限らず、表面に薄
膜配線層を有する回路基板やヒートシンク等にも適用可
能であり、同様な効果を得ることができる。

【００２２】次に、上述した実施例によるセラミックス
パッケージの具体例およびその評価結果について述べ
る。

【００２３】実施例 まず、スルーホール内に充填された導体層を含む内部配
線層を有する窒化アルミニウム多層配線基板の表面に鏡
面研磨加工を施した後、スパッタリング法によって厚さ
50nmのTi薄膜を形成した。続いて、厚さ 500nmのNi膜と
厚さ13nmのAu膜を順に形成した。ここで、Ni膜とAu膜の
膜厚比に基く組成比は、図２の金属状態図における矢印
Ａの部分であり、この組成比による液相生成温度は約 1
650Kである。

【００２４】上述した 3層積層構造の金属多層薄膜から
なる薄膜配線層を有する窒化アルミニウムパッケージに
対して、真空中にて 1133Kで熱処理を施した。この熱処
理温度は一般的なろう付け温度であり、上記薄膜配線層
のうちNi膜とAu膜の組成比（膜厚比）による液相生成温
度は200K以上（約500K）の差を有している。またさら
に、熱処理後の薄膜配線層上にNiおよびAuメッキを施し
た。

【００２５】熱処理前後およびメッキ後の薄膜配線層の
状態を図３に示す。図３（ａ）は、熱処理前の薄膜配線
層の状態を拡大して示す顕微鏡写真、図３（ｂ）は熱処
理後の薄膜配線層の状態を拡大して示す顕微鏡写真、図
３（ｃ）はメッキ層を拡大して示す顕微鏡写真である。

【００２６】図３（ａ）および（ｂ）から明らかなよう
に、熱処理の前後で薄膜配線層のスルーホール部分およ
び基板部分共に大きな変化は認められなかった。また、
図３（ｃ）から明らかなように、メッキ層にも膨れ等の
欠陥は認められず、良好な配線層が得られていることを
確認した。

【００２７】比較例 上記実施例と同様に、鏡面研磨加工を施した窒化アルミ
ニウム多層配線基板上に、スパッタリング法により厚さ
50nmのTi薄膜、厚さ 500nmのNi膜、厚さ 200nmのAu膜を
順に形成した。ここで、Ni膜とAu膜の膜厚比に基く組成
比は、図２の金属状態図における矢印Ｂの部分であり、
この組成比による液相生成温度は約1280K である。

【００２８】次に、上記実施例と同様に、薄膜配線層を
有する窒化アルミニウムパッケージに対して真空中にて
1133Kで熱処理を施し、さらに熱処理後の薄膜配線層上
にNiおよびAuメッキ層を形成した。熱処理後およびメッ
キ後の薄膜配線層の状態を図５に示す。図５（ａ）は、
熱処理後の薄膜配線層の状態を拡大して示す顕微鏡写真
であり、図５（ｂ）はメッキ層を拡大して示す顕微鏡写
真である。

【００２９】図５（ａ）から明らかなように、薄膜配線
層の基板部分では特に大きな変化は認められなかった
が、スルーホール部分において膜がひけるような状態に
なり、スルーホールのエッジ部分に膜の切断が認められ
た。また、メッキ層には、図５（ｂ）から明らかなよう
に、スルーホールのエッジ部分やその内部に膨れが認め
られた。

【００３０】

【発明の効果】以上説明したように、本発明のセラミッ
クス表面配線基体によれば、温度履歴に伴う薄膜配線層
の膜剥がれやひび割れ等を再現性よく防止することが可
能となる。よって、外観不良、配線不良、実装不良等を
排除した、半導体チップ搭載用回路基板や半導体パッケ
ージ等に好適なセラミックス表面配線基体を提供するこ
とが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明をセラミックスパッケージに適用した
一実施例の構造を示す断面図である。

【図２】 Au-Niの金属状態図である。

【図３】 本発明の一実施例による窒化アルミニウムパ
ッケージの薄膜配線層の熱処理前後およびメッキ後の状
態を比較して示す顕微鏡写真であって、（ａ）は熱処理
前の薄膜配線層の状態を拡大して示す顕微鏡写真、
（ｂ）は熱処理後の薄膜配線層の状態を拡大して示す顕
微鏡写真、（ｃ）はメッキ層の状態を拡大して示す顕微
鏡写真である。

【図４】 比較例による窒化アルミニウムパッケージの
薄膜配線層の状態を示す顕微鏡写真であって、（ａ）は
熱処理後の薄膜配線層の状態を拡大して示す顕微鏡写
真、（ｂ）はその上に形成したメッキ層の状態を拡大し
て示す顕微鏡写真である。

【符号の説明】

１……窒化アルミニウム多層配線基板 １ａ…薄膜形成面 ２……内部配線層 ３……薄膜配線層 ３ａ、３ｂ、３ｃ……金属薄膜

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 セラミックス基体と、前記セラミックス
   基体の表面に設けられた薄膜配線層とを有するセラミッ
   クス配線基体において、 前記薄膜配線層には、Al、Ag、Au、Ni、Cu、PtおよびCo
   から選ばれる少なくとも 2種類の複合系が含まれ、かつ
   前記複合系の組成比に基く液相生成温度は、前記セラミ
   ックス表面配線基体に課せられる温度履歴のうち最高温
   度よりも200K以上高いことを特徴とするセラミックス表
   面配線基体。