(57)【要約】【課題】層間剥離が発生し難く、かつ、熱伝導性に優れるとともに安価に製造することが可能な窒化アルミニウム多層基板を提供する。【解決手段】窒化アルミニウム多層基板１は、酸化イットリウム（Ｙ２Ｏ３）とアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）をモル比が略１：１の割合で含有する窒化アルミニウムのグリーンシートの焼結体からなる基体２の表面にスクリーン印刷等によってメタライズ層３が形成され、各基体２の層間に窒化アルミニウムを主成分とし、焼結助剤として酸化イットリウム及びアルミナをモル比が略１：１の割合で含有する絶縁性ペーストの焼結体からなる絶縁層４が形成されるとともに、絶縁性ペースト中の焼結助剤の割合がグリーンシート中の焼結助剤の割合よりも高いことを特徴とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属酸化物を焼結助剤として含有する窒化アルミニウム製グリーンシートの焼結体からなる基体が複数積層された窒化アルミニウム多層基板において、前記基体の層間に窒化アルミニウムを主成分とする絶縁層を備え、この絶縁層は絶縁性ペーストの焼成によって形成され、この絶縁性ペーストにおける前記焼結助剤の含有比率は前記グリーンシートにおける前記焼結助剤の含有比率よりも高いことを特徴とする窒化アルミニウム多層基板。
【請求項２】
金属酸化物を焼結助剤として含有する窒化アルミニウム製グリーンシートの焼結体からなる基体が複数積層された窒化アルミニウム多層基板において、前記基体の層間に窒化アルミニウムを主成分とする絶縁層を備え、この絶縁層は絶縁性ペーストの焼成によって形成され、前記グリーンシート及び前記絶縁性ペーストは前記焼結助剤として酸化イットリウム（Ｙ２Ｏ３）とアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）をともに含有し、この酸化イットリウムとアルミナのモル比は略１：１であることを特徴とする窒化アルミニウム多層基板。
【請求項３】
前記絶縁性ペーストにおける前記酸化イットリウムの含有比率は、前記グリーンシートにおける前記酸化イットリウムの含有比率よりも１〜２重量％高いことを特徴とする請求項２に記載の窒化アルミニウム多層基板。
【請求項４】
前記グリーンシートに含有される前記焼結助剤の割合は７．３〜７．５重量％であることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の窒化アルミニウム多層基板。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数の窒化アルミニウム（ＡｌＮ）製の基体からなる多層基板に関し、特に、熱伝導性に優れるとともに、層間剥離が発生し難い窒化アルミニウム多層基板に関する。
【背景技術】
【０００２】
窒化アルミニウムは熱伝導性や電気絶縁性に優れ、半導体の材料である珪素（Ｓｉ）とほぼ同じ熱膨張率を有することから、半導体部品を搭載する基板の材料に利用されている。窒化アルミニウム製の基板は、窒化アルミニウムの粉末を焼成することにより製造されるが、窒化アルミニウムの単体は難焼結性を示すため、通常、希土類酸化物やアルカリ土類酸化物などが焼結助剤として添加される。
これらの焼結助剤は窒化アルミニウムの原料粉末に含まれる不純物酸素と反応して液相を形成し、この不純物酸素を粒界相として固定（酸素トラップ）する。これにより、焼結体の緻密化が促進されるとともに、熱伝導性が向上する。しかしながら、焼結助剤の添加量が多すぎる場合には、逆に、焼結体の緻密化が抑制されるとともに、熱伝導率も低下する。特に、窒化アルミニウム製の多層基板においては、熱伝導性を阻害しないように、焼結助剤の添加量は必要最小限の量に制限されている。
複数の窒化アルミニウムの焼結体が積層された構造の多層基板においては、各層から染み出した液相成分によって層間の接合強度が高められるが、焼結助剤の添加量が少ないために、各層からの液相成分の染み出しが不十分となる場合には、層間の接合強度が低下して層間剥離（デラミネーション）が発生する。
層間剥離は窒化アルミニウム製の多層基板に限らず、他のセラミック材料からなる多層基板においても発生し、また、その発生原因も多岐にわたっている。そして、従来、このような層間剥離の発生を防止するための研究や開発が行われており、これまでに多くの発明や考案が開示されている。
【０００３】
例えば、特許文献１には、「多層セラミック基板及びその製造方法」という名称で、セラミック絶縁層のクラック及びデラミネーションを防止することが可能な多層セラミック基板とその製造方法に関する発明が開示されている。
この発明は、互いに熱収縮率の異なるセラミック絶縁層が複数積層された多層セラミック基板において、少なくとも一層のセラミック絶縁層に形成された熱収縮率調整用ビアホール又は凹部に熱収縮率調整用部材が埋め込まれたことを特徴とするものである。
このような構造の多層セラミック基板においては、熱収縮率調整用部材が各セラミック絶縁層間の熱収縮量の差を小さくするように作用する。これにより、クラックやデラミネーションが発生し難くなり、多層セラミック基板の品質が向上する。
【０００４】
次に、特許文献２には、「セラミック多層基板の製造方法」という名称で、基板焼成時にデラミネーションの発生を防止し、品質の良いセラミック多層基板を高い歩留まりで製造することが可能な方法に関する発明が開示されている。
この発明は、アルミナ基板の両側にグリーンシートが積層され、このグリーンシートの外層に拘束用グリーンシートが積層されたセラミック多層基板において、２８０〜３５０℃の温度で加熱してバインダーを除去するとともに、８００〜１０００℃でグリーンシートを焼結させた後、拘束用グリーンシートを取り除く工程を備えるものである。そして、グリーンシートはアルミナ基板よりも焼結温度が低く、また、拘束用グリーンシートはその内層のグリーンシートの焼結温度では焼結しないことを特徴としている。
このような構造の「セラミック多層基板の製造方法」によれば、バインダーを除去する際の温度がバインダー分解終了温度程度であり、バインダー成分の一部がグリーンシートに残るため、グリーンシート同士の密着力が保持される。これにより、グリーンシート間のデラミネーションの発生が防止される。従って、品質の良いセラミック多層基板の歩留まりを向上させることができる。
【０００５】
特許文献３には、「多層セラミック基板およびその製造方法」という名称で、互いに異なるセラミック材料からなるセラミック層が積層された多層セラミック基板において、層間剥離等を生じさせることなく、同時焼成によって一体的に製造することが可能な方法に関する発明が開示されている。
この発明は、互いに異なる低温焼結セラミック材料をそれぞれ含む、２つの基体用グリーンシートを、これらの低温焼結セラミック材料よりも低い焼結温度を有する無機材料を含む収縮抑制用グリーンシートを介して積層・焼成することを特徴とするものである。
このような製造方法によれば、焼成時に各基体用セラミック層から染み出して収縮抑制用グリーンシートに浸透したガラスが無機材料に固着されるため、各基体用セラミック層において他の基体用セラミック層からのガラスの侵入が互いに阻止される。従って、異種のガラスの影響による特性変化を防ぐことができる。また、収縮抑制用グリーンシートは各基体用グリーンシートの主面方向での収縮を抑制するように作用する。これにより、各基体用グリーンシートを焼成する際に層間剥離の発生を防止することができる。
【０００６】
【特許文献１】特開２００４−２２６７０号公報
【特許文献２】特開２００５−２８６３１１号公報
【特許文献３】特開２００１−１１９１４３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、上述の従来技術である特許文献１に開示された発明においては、各セラミック絶縁層間の熱収縮量の差に起因するクラックやデラミネーションの発生は抑えられるものの、窒化アルミニウム多層基板において発生する層間の接合強度不足に起因するデラミネーションに対しては効果がないという課題があった。また、熱収縮率調整用ビアホールを形成する必要があるため、生産効率が低下すると同時に製造コストが高くなるという課題があった。
【０００８】
また、特許文献２に開示された発明においては、拘束用グリーンシートを最外層に積層する工程及びそれを除去する工程が必要となるため、生産効率が低下すると同時に製造コストが高くなるという課題があった。また、焼結済みのアルミナ基板の両側に積層するグリーンシートが複数の場合には、拘束用グリーンシートと接しないグリーンシートが発生し、このグリーンシートについてはデラミネーションの発生を防ぐことができないという課題があった。
【０００９】
特許文献３に開示された発明においては、収縮抑制用グリーンシートは各基体用グリーンシートから染み出したガラスを浸透させる作用があるものの、ガラスの染み出しを助勢する作用はなく、従って、焼結助剤成分の含有量が少ないために各層からのガラスの染み出しが十分でない窒化アルミニウム多層基板のデラミネーションに対しては効果がないという課題があった。
【００１０】
本発明はかかる従来の事情に対処してなされたものであり、層間剥離が発生し難く、かつ、熱伝導性に優れるとともに安価に製造することが可能な窒化アルミニウム多層基板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】
上記目的を達成するため、請求項１記載の発明である窒化アルミニウム多層基板は、金属酸化物を焼結助剤として含有する窒化アルミニウム製グリーンシートの焼結体からなる基体が複数積層された窒化アルミニウム多層基板において、基体の層間に窒化アルミニウムを主成分とする絶縁層を備え、この絶縁層は絶縁性ペーストの焼成によって形成され、この絶縁性ペーストにおける焼結助剤の含有比率はグリーンシートにおける焼結助剤の含有比率よりも高いことを特徴とするものである。
上記構造の窒化アルミニウム多層基板によれば、絶縁性ペーストが焼結助剤を窒化アルミニウム製グリーンシートよりも高い比率で含有していることから、窒化アルミニウム製グリーンシートの表面近傍における焼結助剤の不足分が絶縁性ペーストに含有された焼結助剤によって補われるという作用を有する。すなわち、絶縁性ペーストから補充された焼結助剤は、グリーンシートの融点の上昇を抑えるとともに、その焼結を助勢するように作用する。
【００１２】
また、請求項２記載の発明は、金属酸化物を焼結助剤として含有する窒化アルミニウム製グリーンシートの焼結体からなる基体が複数積層された窒化アルミニウム多層基板において、基体の層間に窒化アルミニウムを主成分とする絶縁層を備え、この絶縁層は絶縁性ペーストの焼成によって形成され、グリーンシート及び絶縁性ペーストは焼結助剤として酸化イットリウム（Ｙ２Ｏ３）とアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）をともに含有し、この酸化イットリウムとアルミナのモル比は略１：１であることを特徴とするものである。
このような構造の窒化アルミニウム多層基板においては、酸化イットリウムがグリーンシートの主成分である窒化アルミニウムの結晶粒中に含まれる不純物酸素と反応して液相を形成し、不純物酸素を粒界相として固定するように作用する。そして、時間の経過とともに窒化アルミニウムの焼結体の内部の粒界相は表面に移動し、表面近傍の粒界相は系外に排出されて焼結体は緻密化する。このとき、粒界相に固定された不純物酸素も一緒に排出されるため、焼結体の熱伝導性が高まる。また、粒界相として排出された液相成分は、他の焼結体との結合力を高めるように作用する。さらに、アルミナはグリーンシートの焼結温度の上昇を抑えるという作用を有する。なお、アルミナの含有量が多すぎると焼結体の熱伝導性を阻害するが、本請求項に示す比率で原料粉末に添加することによれば、熱伝導性を低下させる心配はない。
【００１３】
請求項３記載の発明は、請求項２記載の窒化アルミニウム多層基板において、絶縁性ペーストにおける酸化イットリウムの含有比率は、グリーンシートにおける酸化イットリウムの含有比率よりも１〜２重量％高いことを特徴とするものである。
酸化イットリウムをグリーンシートに比べて２重量％よりも多く添加すると、不純物としての作用が強まり、かえって焼結体の熱伝導性を低下させてしまう。また、グリーンシートに比べて１重量％よりも少ない量の酸化イットリウムを添加した場合、請求項２記載の作用は得られない。すなわち、酸化イットリウムを上記割合で添加した場合に、請求項２記載の作用が最も効率良く発揮されるのである。
【００１４】
請求項４記載の発明は、請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の窒化アルミニウム多層基板において、グリーンシートに含有される焼結助剤の割合は７．３〜７．５重量％であることを特徴とするものである。
グリーンシートに含有される焼結助剤の割合が７．５重量％を超えると、窒化アルミニウムの不純物としての作用が強まり、焼結体の焼結を困難にするとともに、その熱伝導性を阻害してしまう。また、上記焼結助剤の割合が７．３重量％を下回ると、その作用が十分には発揮されない。すなわち、上記構造の窒化アルミニウム多層基板においては、焼結助剤が最も効率良く作用する。
【発明の効果】
【００１５】
以上説明したように、本発明の請求項１記載の窒化アルミニウム多層基板においては、焼成に必要な熱エネルギーを節約しつつ、グリーンシートを完全に焼結させることができる。従って、機械的強度に優れる窒化アルミニウム多層基板を安価に製造することが可能である。
【００１６】
本発明の請求項２記載の窒化アルミニウム多層基板においては、焼結体の構造を緻密化して熱伝導性を高めることができる。また、基体の層間の接合強度を高めてデラミネーションを防止することが可能である。さらに、基体の焼成に必要な熱エネルギーを節約して製造コストを削減することができる。加えて、絶縁層がグリーンシートと略同一の成分によって構成される絶縁性ペーストによって形成されていることから、基体との熱膨張差に起因するクラックや剥離が発生するおそれがない。また、材料コストも安くすることができる。
【００１７】
本発明の請求項３記載の窒化アルミニウム多層基板においては、請求項２記載の発明の効果が最も効率良く発揮される。
【００１８】
本発明の請求項４記載の窒化アルミニウム多層基板においては、請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の発明の効果をより一層高めることが可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
本発明の最良の実施の形態に係る窒化アルミニウム多層基板の実施例について図１及び図２を用いて説明する。
【実施例】
【００２０】
図１は本発明の実施の形態に係る窒化アルミニウム多層基板の縦断面の構造を示す模式図である。
図１に示すように、窒化アルミニウム多層基板１は、窒化アルミニウムからなる絶縁性の基体２が複数積層された構造である。基体２の表面にはメタライズ層３が形成され、各基体２の層間には絶縁層４が形成されている。メタライズ層３は高融点金属ペーストのスクリーン印刷やめっき等によって形成され、その一部には導体配線パターン（図示せず）が形成されている。そして、各メタライズ層３は基体２に穿設されたビア（図示せず）に充填された導電性部材等を介して互いに電気的に接続されている。なお、本実施例の窒化アルミニウム多層基板１は図１に示す構造に限定されるものではなく、適宜変更可能である。例えば、図１では窒化アルミニウム多層基板１を構成する基体２の積層数が２層となっているが、基体２の積層数は３層以上であっても良い。
【００２１】
基体２は、焼結助剤として酸化イットリウムとアルミナを略１：１のモル比で含有する窒化アルミニウムのグリーンシートの焼結体である。焼結助剤としては、これらの成分のみであるため、基体２を構成するグリーンシートに含有される焼結助剤の割合は、７．２６重量％となる。なお、実際には、これに原料粉末の調整工程における誤差が加わることになる。また、絶縁層４は窒化アルミニウムを主成分とし、焼結助剤として酸化イットリウム及びアルミナを略１：１のモル比で含有する絶縁性ペーストの焼結体であり、その厚さは１０〜１５μｍである。さらに、絶縁性ペーストに含有される酸化イットリウムの割合は６〜７重量％である。そして、基体２及び絶縁層４の焼結温度は１，８２５℃であり、基体２と絶縁層４は１，８２５℃よりも高い温度で十分に焼成されている。
【００２２】
上記構造の窒化アルミニウム多層基板１においては、絶縁性ペーストに含有される酸化イットリウム及びアルミナによって、グリーンシートの表面近傍における酸化イットリウム及びアルミナの不足分が補充される。酸化イットリウムは、グリーンシートの焼成時に窒化アルミニウム結晶粒中に含まれる不純物酸素を粒界相として固定する。さらに、焼結体の表面近傍の粒界相は外部に排出され、それに伴い、焼結体内部の粒界相が表面近傍へと移動して焼結体が緻密化する。すなわち、絶縁性ペーストに含有される酸化イットリウムはグリーンシートに含有される酸化イットリウムの不足分を補って焼結体を確実に緻密化させるように作用する。これにより、焼結体の機械的強度が向上する。また、粒界相とともに不純物酸素も焼結体の外部に排出されるため、焼結体の熱伝導性が高まる。さらに、焼結体の外部に粒界相として排出された液相成分は、基体２，２の層間に生じた隙間を埋めて層間剥離の発生を抑えるという作用を有する。また、焼結体から染み出した液相成分の一部はメタライズ層３に移行し、いわゆるアンカー効果を発揮してメタライズ層３との間の接合強度を高めるように作用する。
さらに、アルミナには、焼結体の焼結温度を低く抑える作用があるが、絶縁性ペーストに含有されるアルミナは、グリーンシートに含有されるアルミナの不足分を補ってグリーンシートの焼結温度の上昇を確実に抑えるように作用する。この場合、グリーンシートを焼成する際に必要となる熱エネルギーが低減される。
【００２３】
一般に、焼結助剤の添加量が多すぎると、焼結助剤は主成分に対する不純物としての作用が強くなる。すなわち、本実施例において、基体２を構成するグリーンシートに含有される焼結助剤の割合を７．５重量％より多くすると、窒化アルミニウムの焼結温度が上昇するとともに、熱伝導性が悪化する。また、焼結助剤の割合を７．３重量％より少なくすると、窒化アルミニウムの焼結性や熱伝導性に対する作用や効果が十分に発揮されない。従って、基体２を構成するグリーンシートに含有される焼結助剤の割合は、上述の原料粉末の調整工程における誤差を考慮して７．３〜７．５重量％とすることが望ましい。
また、絶縁性ペーストに含まれる酸化イットリウムの割合をグリーンシートに含まれる酸化イットリウムの割合に対して２重量％以上高くした場合、絶縁性ペーストに含有される酸化イットリウムは不純物として強く作用し、グリーンシートの熱伝導性を逆に低下させるおそれがある。一方、グリーンシート中の酸化イットリウムの割合を、絶縁性ペースト中の酸化イットリウムの割合よりも高くしたとしても、その増加分が１重量％に満たない場合には、期待するような上記の作用及び効果が得られない。すなわち、絶縁性ペースト中の酸化イットリウムの割合はグリーンシート中の酸化イットリウムの割合よりも１〜２重量％高くすることが望ましい。
さらに、絶縁性ペースト中のアルミナの割合が酸化イットリウムの割合よりも高い場合には、グリーンシートの熱伝導性が阻害され、逆に、酸化イットリウムの割合よりも低い場合には、酸化イットリウムが発揮し得ると期待する作用及び効果が得られない。従って、絶縁性ペースト中の酸化イットリウムとアルミナの割合はモル比で略１：１となることが望ましい。ここで、略１：１の内容を具体的に表現すれば、この範囲は、±５％程度と考えられる。すなわち、０．９５：１〜１：０．９５の範囲内であることが望ましい。
【００２４】
上記構造の窒化アルミニウム多層基板１は次のような工程によって形成される。
図２は本実施例の窒化アルミニウム多層基板の製造プロセスを示す工程図である。なお、図１に示した構成要素については同一の符号を付してその説明を省略する。
図２に示すように、まず、ステップＳ１で、窒化アルミニウムの粉末に酸化イットリウム及びアルミナの粉末を添加して、グリーンシート及び絶縁性ペーストの原料となる粉末の調整をそれぞれ行う。焼結して基体２となる窒化アルミニウム製のグリーンシートは、焼結助剤として酸化イットリウム及びアルミナをそれぞれ５重量％及び２．４重量％含有している。また、絶縁性ペーストは、窒化アルミニウムを主成分とし、焼結助剤として酸化イットリウムとアルミナを含有している。そして、酸化イットリウムの含有率は６〜７重量％であり、酸化イットリウムとアルミナの割合はモル比で略１：１となっている。
ステップＳ２で、これらの原料粉末にポリビニルブチラール（ＰＶＢ）等の有機バインダ及びエタノール（Ｃ２Ｈ５ＯＨ）等の分散剤を加えて、ボールミル等を用いてそれぞれ混合し、スラリー化する。さらに、噴霧乾燥機を用いてこれらのスラリーを顆粒状粉末にする。なお、ボールミルの内部にはアルミナの焼結体で造られた、玉石と呼ばれる球体が入れられており、ボールミルを回転させると窒化アルミニウムの原料粉末とともに撹拌される。これにより、原料粉末は効率良く粉砕・混合される。このとき、玉石はボールミルの内壁や他の玉石との摩擦により、磨耗して、原料中にアルミナ分として混入する。その混入量は、原料粉末の量やボールミルの回転時間等により異なるため、本実施例ではアルミナの含有量が前述の割合になるように分析値を基にして調整している。
ステップＳ３では、プレス成形法によって成形圧力を作用させて上述の顆粒状粉末をシート状に成形し、窒化アルミニウムのグリーンシートを得る。なお、この工程は、プレス成形法以外の方法、例えば、押し出し成形法、射出成形法、ドクターブレード法、あるいは冷間静水圧成形法等を用いて行っても良い。ステップＳ４では、グリーンシートに対してビアを形成するための貫通孔を必要に応じて穿設する。
ステップＳ５では、窒化アルミニウムのグリーンシートの表面にタングステン（Ｗ）やモリブデン（Ｍｏ）などの高融点金属粉末のペーストをスクリーン印刷する。これにより、メタライズ層３が形成される。さらに、メタライズ層３にはメッキ等によって導体配線パターンを形成する。なお、この工程において、ステップＳ４でグリーンシートに穿設された貫通孔の内部に上記ペーストを充填する。
ステップＳ６では、グリーンシートの表面にメタライズ層３を被覆するように絶縁性ペーストを塗布する。ステップＳ７では、複数の窒化アルミニウムのグリーンシートを積層した後、加熱条件下で積層装置によって加圧する。
ステップＳ８では、窒素及び水素の雰囲気中１１００〜１５００℃の温度条件で有機バインダや分散剤を除去する。そして、ステップＳ９では、グリーンシートの積層体からなる窒化アルミニウム多層基板１をカーボン炉等の高温焼成炉内に設置して、窒素雰囲気中において１，８２５℃よりも高い温度で焼成する。これにより、窒化アルミニウムのグリーンシート及び絶縁性ペーストの焼成とメタライズ層３の焼付が同時になされる。その結果、グリーンシートと絶縁性ペーストは焼結して、それぞれ基体２及び絶縁層４となる。最後に、ステップＳ１０で、窒化アルミニウム多層基板１を１，８５０℃の温度条件で２〜３時間加熱する。なお、この工程は焼結体の内部に固定された不純物酸素の外部への排出を促すためのものである。これにより、基体２の熱伝導率が向上する。
【００２５】
以上説明したように、本実施例の窒化アルミニウム多層基板１においては、熱伝導性を阻害することなく、基体同士の接合強度を高めて、層間剥離の発生を防ぐことが可能である。また、基体の焼成に必要な熱エネルギーを節約することができる。これにより、製造コストが削減される。さらに、絶縁性ペーストを基体と同じ成分にすることにより、基体との熱膨張差に起因するクラックや剥離の発生を防ぐとともに、材料費を安くすることが可能である。
【産業上の利用可能性】
【００２６】
以上説明したように、請求項１乃至請求項４に記載された発明は、絶縁性ペーストの成分を基板の成分に応じて適宜変更することによれば、窒化アルミニウム製以外のセラミック材料からなる多層基板に対しても適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明の実施の形態に係る窒化アルミニウム多層基板の縦断面の構造を示す模式図である。
【図２】本実施例の窒化アルミニウム多層基板の製造プロセスを示す工程図である。
【符号の説明】
【００２８】
１…窒化アルミニウム多層基板  ２…基体  ３…メタライズ層  ４…絶縁層    
【図１】
2008053390.tif 000003
【図２】
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