(57)【要約】【課題】打ち抜き加工性に優れ、寸法精度の高い金属シートを提供する。【解決手段】金属粉末と有機バインダを含有する金属シートであって、該金属シートを３００ｍｍ／ｍｉｎで引っ張った時の引張強度が１０００〜９５００ＫＰａ、伸度が５〜５０％であることを特徴とし、前記有機バインダが、アクリル酸エステル及び／又はメタクリル酸エステルを主成分とすること、前記有機バインダの含有量が２．０〜５．０質量％であることが好ましい。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属粉末と有機バインダを含有する金属シートであって、該金属シートを３００ｍｍ／ｍｉｎで引っ張った時の引張強度が１０００〜９５００ＫＰａ、伸度が５〜５０％であることを特徴とする金属シート。
【請求項２】
前記有機バインダが、アクリル酸エステル及び／又はメタクリル酸エステルを主成分とすることを特徴とする請求項１記載の金属シート。
【請求項３】
前記有機バインダの含有量が２．０〜５．０質量％であることを特徴とする請求項１又は２記載の金属シート。
【請求項４】
前記金属粉末が１０〜６０体積％の低融点金属粉末と、４０〜９０体積％の高融点金属粉末とを含有することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の金属シート。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、各種配線基板や半導体素子収納用パッケージ等に適用される配線基板の製造に好適に用いられ、特に、パワーモジュール基板等の放熱性や大電流を許容することが可能な配線導体を有するセラミック基板の製造に好適に用いることができる金属シートに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
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、配線導体損失の小さい、つまり低抵抗の配線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体とし、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。
【０００４】
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１３μΩ・ｃｍ程度までしか低くできない。従って、前述のような多層配線基板における配線導体の抵抗値を低減して大電流を流せるようにするために、多層配線基板を構成する絶縁基体により低抵抗の銅（Ｃｕ）を配線導体として使用されてきた。
【０００５】
しかし、かかる配線導体では、配線の高密度化のために配線パターンの線幅が多層配線基板の面積により制限され、一定以上に幅広く形成することができず、しかも、前記配線導体の形成方法では後の工程に悪影響を及ぼさず短時間に低コストで充分な厚さの配線導体を得ることが困難であり、前記低抵抗化を満足するものではなかった。
【０００６】
そこで、配線導体の抵抗値を低減して大電流を流せるようにするために、多層配線基板を構成するセラミックグリーシートに貫通孔を形成し、該貫通孔に電気抵抗値の低い銅（Ｃｕ）や銀（Ａｇ）等の低融点金属から成る配線用導体ペーストを厚く充填して低抵抗配線導体としたものが提案されている（例えば、特許文献１、２参照）。
【０００７】
特許文献１、２の方法を用いて低抵抗配線導体を形成する場合、所定のセラミックグリーンシートに貫通孔を形成し、他のグリーンシートと積層して形成した凹部に配線用金属ペーストをスクリーン印刷法やディスペンサ法で充填して形成する。そしてペースト充填後に乾燥処理を行うと、ペースト充填部の表面が凹むなどの凹凸が発生し、グリーンシートの積層時に、積層不良が発生したり、積層体の変形を招くなどの問題があった。また、複雑なパターン形成にあたりペーストの充填不良が発生し、他の回路との接続不良が発生するなどの問題があった。
【０００８】
そこで、本発明者は、セラミックグリーンシートの所定箇所に形成された貫通孔の上に該貫通孔を覆うように実質的にセラミックグリーンシートと同一の厚みからなる金属シートを重ね合せて、貫通孔と同形状に打ち抜くと同時に、打ち抜いた金属シートをセラミックグリーンシートの貫通孔の中に埋め込んでセラミックグリーンシートの一部を金属シートで置換する方法を提案した（例えば、特許文献３参照）。
【特許文献１】特開平５−２１６３５号公報
【特許文献２】特開昭６３―１９４号公報
【特許文献３】特開２００４−８７９９０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、特許文献３に記載された方法を用いることにより、積層体の変形を低減し、充填不良のない均一な厚みの導体層を形成できたが、金属シートを打ち抜き加工した際に、バリ、欠けが一部に発生したり、シートの伸びによる変形により、貫通孔内に十分に埋め込まれず、そのために導体層の欠損や断線不良という問題があった。
【００１０】
従って、本発明は、打ち抜き加工性に優れ、寸法精度の高い金属シートを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の金属シートは、金属粉末と有機バインダを含有する金属シートであって、該金属シートを３００ｍｍ／ｍｉｎで引っ張った時の引張強度が１０００〜９５００ＫＰａ、伸度が５〜５０％であることを特徴とする金属シートである。
【００１２】
特に、前記有機バインダが、アクリル酸エステル及び／又はメタクリル酸エステルを主成分とすることが好ましい。
【００１３】
また、前記有機バインダの含有量が２．０〜５．０質量％であることが好ましい。
【００１４】
さらに、前記金属粉末が１０〜６０体積％の低融点金属粉末と、４０〜９０体積％の高融点金属粉末とを含有することが好ましい。
【発明の効果】
【００１５】
本発明は、引張強度と伸度とを制御することによって、打ち抜き加工性と寸法精度とに優れる金属シートを実現することができるとの知見に基づくものであり、これにより、特許文献３の方法に応用した場合、バリや欠けの発生が少なく、貫通孔内への埋め込みに優れた金属シートを得ることができる。
【００１６】
即ち、金属シートの欠けや、変形によりセラミックグリーンシートの貫通孔からはみ出す現象の原因は、加工条件よりも、金属シートの特性が大きく影響しており、引張り強度と伸度を制御することで改善できることを究明した。そして、金属シートの引張強度を１０００〜９５００ＫＰａ、且つ伸度を５〜５０％の範囲に制御することで、上記の問題を改善したものである。
【００１７】
また、前記有機バインダとして、熱分解性に優れるアクリル酸エステルまたはメタクリル酸エステルを主成分として用いること、焼結工程での積層間の剥離や磁器の膨れ等がない良好な焼結体を得ることができる。
【００１８】
また、前記有機バインダの添加量を２．０〜５．０質量％に設定することにより、金属シートの成形・乾燥時のクラックのない良好な金属シートを得ることができる。
【００１９】
また、前記金属粉末が１０〜６０体積％の低融点金属粉末と、４０〜９０体積％の高融点金属粉末とを含有させることで、絶縁材料の熱膨張率に近づけることができ、接合信頼性を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
本発明の金属シートは、３００ｍｍ／ｍｉｎで引っ張った時の引張強度が１０００〜９５００ＫＰａ、伸度が５〜５０％であることが重要である。
【００２１】
引張強度と、伸度とは反比例の関係にあり、引張強度を高くすると伸度が低下する。引張強度が９５００ＫＰａより高く伸度が５％より低い場合、シートのカット工程や金型打ち抜き工程でクラックやカケが発生する。また、引張強度が１０００ＫＰａより低く伸度が５０％より高い場合、金型打ち抜き工程や積層工程で変形しやすく、積層間の位置ずれや寸法精度の悪化を招く恐れがある。特に、引張強度は３０００〜８５００ＫＰａ、伸度は１０〜３０％が望ましい。
【００２２】
例えば、図１に示すように、セラミックグリーンシート１を金型の下パンチ部４の上に載置し、金型の上パンチ部３でセラミックグリーンシートの一部を打ち抜き加工し、しかる後に、打ち抜き加工を施した上記セラミックグリーンシートの上に金属シート２を載置する。再度、金型の上パンチ部３を駆動させ、セラミックグリーンシート１の打ち抜き部に金属シート２の一部を埋め込み、複合体Ａを作製する。そのような場合に、金属シートの引張強度と伸度特性を上記の値に設定すると、金属シートにクラック、カケ及び変形が、ほとんど発生しない状態で加工することができる。
【００２３】
また、図示してないが、図１（ｂ）及び（ｃ）の工程を省略し、金型の下パンチ部４の上にセラミックグリーンシート、金属シートをこの順に載置し、金型の上パンチ部３をセラミックグリーンシートの高さまで押し込むことによって、上パンチ部３を一度だけ駆動することによって、金属シートの一部をセラミックグリーンシートの一部と直接置換させる方法においても、本発明の金属シートを好適に使用することができる。
【００２４】
有機バインダは、金属シートの引張強度と伸度とを上記の範囲に設定することができれば、どのようなものでも使用可能であるが、特に、アクリル酸エステル及びメタクリル酸エステルの少なくとも一方を含有することが好ましい。これらの有機バインダは、熱分解性に優れるため、焼結体の炭素含有量を低減でき、収縮ばらつき、特性劣化を防ぐことができる。また、アクリル酸エステルやメタクリル酸エステルを用いることによって、磁器の膨れ、割れの発生を効果的に抑制することができる。
【００２５】
例えば、非酸化性雰囲気で脱バインダから焼結までを一連の連続した工程で完了させる場合には、アクリル酸エステル及びメタクリル酸エステルの少なくとも一方を含有するバインダを仕様すると、焼結体中に炭素が残留し易くなり、特性が低下する恐れが少なくなる。
【００２６】
上記の有機バインダとして、単量体としては、ＭＭＡ（メチルメタクリレート）、ＥＡ（エチルアクリレート）、ｎＢＭＡ（ｎ−ブチルメタクリレート）、ｉＢＭＡ（ｉ−ブチルメタクリレート）、２ＥＨＭＡ（２−エチルヘキシルメタクリレート）、又は、ＬＭＡ（ラウリルメタクリレート）等を例示できる。
【００２７】
また、重合体としては、上記単量体を用いたアクリル酸エステル又はメタクリル酸エステルの重合体を例示することができる。これらの重合体は、低熱分解という特徴を有し、焼成時の残留カーボンによる磁気特性のバラツキ低減や、積層間の剥離の抑制に効果がある。
【００２８】
これらの有機バインダは、２．０〜５．０質量％、特に２．５〜４．０質量％であることが好ましい。有機バインダ量をこのように設定すると、引張強度及び伸度を本発明の範囲に設定することが容易となり、しかも打ち抜き工程でのクラックやカケの発生を有効に抑制するとともに、残留炭素を低く維持できるため、高い特性を有する磁器を得ることが可能となる。
【００２９】
また、金属シートに柔軟性を与えるために、金属シートが可塑剤を含有していても良い。
【００３０】
金属成分としては、低融点金属粉末を１０〜６０体積％と、高融点金属粉末を４０〜９０体積％の割合からなることが望ましい。特に、セラミック材料等の熱膨張の整合性及び電気抵抗、熱抵抗の兼ね合いから、融点金属粉末を２０〜５０体積％と、高融点金属粉末を５０〜８０体積％の割合からなることが好ましい。このように、低融点金属粉末と高融点金属粉末を混合するのは、接合する材料との接合信頼性を向上させるために熱膨張を調整することができるからである。
【００３１】
低融点金属としては、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕ、Ａｌの群から選ばれる少なくとも１種が、また高融点金属としては、タングステン、モリブデン、マンガンの群から選ばれる少なくとも１種が好適に用いられる。これは、セラミック材料を焼結する温度でも溶融することなく安定だからである。
【００３２】
尚、焼成にあたっては、低融点金属の融点よりも高い温度で焼成し、高融点金属粒子の粒界を溶融した低融点金属が占めるような組織を形成することが望ましい。係る点から、高融点金属量を４０体積％以上とすることによって、低融点金属が溶融した場合でも金属層の形状を保形することができるとともに金属層とアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）などのセラミック絶縁層との熱膨張差による応力の発生を抑制し、各配線層や絶縁層にクラックが発生するのを防止できる。また、低融点金属量を１０体積％以上とすることで金属層の低抵抗化と高熱伝導化を図ることができる。
【００３３】
本発明における引張強度の測定方法について説明する。長さ１００ｍｍ、最小部幅１０ｍｍのダンベル形状にシートを打ち抜き加工する。両端を固定して３００ｍｍ／ｍｉｎの一定速度で引っ張った時の引張強度と伸度（初期長さに対して、強度劣化するまでの伸び率）を測定する。
【実施例】
【００３４】
まず、金属シートを作製した。即ち、低融点金属として、平均粒径が３μｍの銅粉末、銀粉末、金粉末又はアルミニウム粉末と、高融点金属として、平均粒径が２μｍのタングステン粉末、モリブデン粉末又はマンガン粉末と、有機バインダと、を表１に示す組成で混合し、溶剤としてトルエンを添加して、ボールミルで２４時間混合してスラリーを調製した。なお、この混合時にシートの柔軟性（伸度）を調整するため、可塑剤としてフタル酸ジブチルを少量添加した。
【００３５】
このスラリーを用いてドクターブレード法によって縦３００ｍｍ×横３００ｍｍ×厚み２３０μｍの金属シートを作製した。作製した金属シートを幅１０ｍｍ、長さ１００ｍｍのダンベル形状に打ち抜き加工し、両端を固定して３００ｍｍ／ｍｉｎの一定速度で引っ張った時の引張強度と伸度（初期長さに対して、強度劣化するまでの伸び率）を測定した。測定結果（１０サンプルの平均値）を表１に示す。
【００３６】
次に、セラミックシートを作製した。
【００３７】
平均粒径１．３μｍのアルミナ粉末に、有機バインダとして、メタクリル酸エステルを１１質量％添加し、金属シートと同様にトルエンを溶剤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み２３０μｍのセラミックグリーンシートを作製した。
【００３８】
作製したセラミックシートを金属シートと同条件で引張強度と伸度を測定した。こうして、引張強度３５００ＫＰａ、伸度１６％のセラミックシートを作製した。
【００３９】
さらに、得られた金属シートとセラミックシートを用いて、打ち抜き加工評価を行った。即ち、セラミックシートの中央部に縦１０ｍｍ×横３０ｍｍの大きさの貫通孔を打ち抜き用金型を用いて形成し、しかる後に、貫通孔を形成したセラミックシート１の上に、金属シート２を重ねた後、打ち抜き用金型における上パンチ３を下げ、上パンチ３の下面がグリーンシート１の表面と同一平面となるところまで下ろした。
【００４０】
上パンチ３を上げ、グリーンシート１を確認した結果、グリーンシート１の貫通孔部分に、金属シート２が埋め込まれたシートＡを形成した。表１記載の金属シートで各１０回埋め込み加工を行った。金属シートを埋め込んだ部分をマイクロスコープ２５〜５０倍で観察した。結果を表１に示す。
【表１】
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【００４１】
本発明の試料Ｎｏ．２〜７、１０〜２３の金属シートは全サンプルにおいてカケ、クラックともに発生せず、良好な埋め込み状態であった。
【００４２】
一方、引張強度が９５００ＫＰａを越え、伸度が５％より小さい本発明の範囲外の試料Ｎｏ．１は、加工に支障をきたすほど金属シートが硬くて脆いため、金属シートを埋め込む際に１０サンプル全てにおいてセラミックシート角部のカケ及び金属シートにカケやクラックが発生した。
【００４３】
また、セラミックシートの引張強度が１０００ＫＰａより小さく、伸度が５０％を越える本発明の範囲外の試料Ｎｏ．８は、セラミックシートが柔らかすぎて、積層時の変形が大きく、１０サンプル全てにおいて５０ｍｍのパターンに対して約２００μｍの伸びを生じた。また、保形性が低いため、自重による変形でセラミックシートからシートの一部がずれていた。
【００４４】
さらに、引張り強度が１０００ＫＰａより小さい本発明の範囲外の試料Ｎｏ．９は、１０サンプルのうち３サンプルにおいて、金属シートの一部にクラックを生じた。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】本発明の金属シートを用いた複合シートの作製方法を示す説明図である。
【符号の説明】
【００４６】
１・・・セラミックシート
２・・・金属シート
３・・・金型（上パンチ部）
４・・・金型（下パンチ部）
Ａ・・・複合体
【図１】
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