(57)【要約】【課題】ビア部を形成したセラミックス基板において、ビアやビア周辺のセラミックスにクラックが発生することのないセラミックス焼結体及びその製造方法を提供する。【解決手段】セラミックス粉末を主成分とするセラミックスグリーンシートにスルーホールを穿孔し、該スルーホール内部に金属粉末と溶剤を含むペーストを充填した後、全体を同時に焼結することにより、金属化層を有するセラミックス焼結体を製造する方法において、ペーストを充填した後２０分以内にペーストの溶剤を乾燥させる工程に投入することを特徴とする金属化層を有するセラミックス焼結体の製造方法並びに製造した焼結体を研削または研磨してなるセラミックス焼結体である。【選択図】    なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
セラミックス粉末を主成分とするセラミックスグリーンシートにスルーホールを穿孔し、該スルーホール内部に金属粉末と溶剤を含むペーストを充填した後、全体を同時に焼結することにより、金属化層を有するセラミックス焼結体を製造する方法において、ペーストを充填した後２０分以内にペーストの溶剤を乾燥させる工程に投入することを特徴とする金属化層を有するセラミックス焼結体の製造方法。
【請求項２】
前記ペーストを充填した後、ペーストの溶剤を乾燥させる工程に投入するまでの時間が１０分以内であることを特徴とする請求項１記載の金属化層を有するセラミックス焼結体の製造方法。
【請求項３】
前記ペーストの溶剤を乾燥させる工程が１０分以内で終了することを特徴とする請求項１または２記載の金属化層を有するセラミックス焼結体の製造方法。
【請求項４】
前記ペーストの溶剤を乾燥させる工程が５分以内で終了することを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の金属化層を有するセラミックス焼結体の製造方法。
【請求項５】
前記ペーストの溶剤を乾燥させる工程の温度が１００℃以上、１５０℃以下であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の金属化層を有するセラミックス焼結体の製造方法。
【請求項６】
前記ペーストの溶剤の含有量が、ペースト中の金属粉末を１００重量部とした場合に、又はペーストが無機物粉末を含有する場合は、金属粉末と無機物粉末の合計を１００重量部とした場合に、５重量部以下であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の金属化層を有するセラミックス焼結体の製造方法。
【請求項７】
前記セラミックスが窒化アルミニウムであり、金属粉末がタングステン（Ｗ）であることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の金属化層を有するセラミックス焼結体の製造方法。
【請求項８】
請求項１〜７のいずれか一項に記載の製造方法で製造した金属化層を有するセラミックス焼結体の表面を研削または研磨したことを特徴とする金属化層を有するセラミックス焼結体。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は半導体やＩＣ用の基板、パッケージとして有用な、金属化層を有するセラミックス焼結体及びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来からアルミナ焼結体やガラスセラミックス等を用いたＩＣ用の基板、パッケージ等が用いられてきた。これらは一般的にセラミックス粉末からドクターブレード等で作製したグリーンシート上に、ＷやＣｕ等の金属粉末を用いたペーストを塗布し配線パターンを形成し、同時焼成することによって作製される。これらのセラミックスは通常セラミックスと金属の焼結温度が近い材料を選択しており、良好な焼結体を得ている。
【０００３】
一方、最近これらの材料以外の高機能セラミックスを用いたセラミックス基板やパッケージへの要求が高まっている。例えば、高熱伝導率を有する窒化アルミニウムは、放熱性に優れ、電気絶縁性や機械的強度がともに優れているため、発熱量の大きな半導体やＩＣを有する基板、パッケージ材料として期待されている。同時焼成する金属材料としてはＷが用いられるが、窒化アルミニウムの焼結温度が２０００℃程度と高く、１５００℃程度で焼結されるＷと大きく焼結温度が異なる。このようにセラミックスと金属の焼結温度が大きく異なる材料を同時焼結した場合、金属化層にクラックが生じたり、金属化層がセラミックスから剥がれたりしやすい。特に、多層構造の基板やパッケージにおいて、層間の導通を確保するための導通孔（ビア）に、これらの不良が発生しやすい。
【０００４】
これに対しては、従来セラミックスと金属の焼結温度を近づけるために、金属中にセラミックスを分散させることが行われてきた。例えば窒化アルミニウムに関して、特許文献１では、金属化層をＷ、Ｍｏ及びこれらの硼化物、炭化物から選ばれた１種または２種の１００重量部と、窒化アルミニウムまたは窒化アルミニウム基材と同成分の０．１〜５０重量部とからなるように構成することにより、接合強度を高められるとある。また、特許文献２では金属化層を平均粒径１．０乃至１．５μｍのＷ粉末に窒化アルミニウム質焼結体と実質的に同一組成からなる無機物を３．０乃至１０．０重量％含有した構成とすることにより、接合強度を高められるとある。
【０００５】
【特許文献１】
特開昭６１−２９１４８０号公報
【特許文献２】
特開平４−８３７８３号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、従来取られていた方策を用いても、ビア部の欠陥を完全には避けることができないと言う問題が発生した。すなわち、多層構造の基板やパッケージとして、窒化アルミニウムのような高機能セラミックスを用いた場合、ビア周辺の研磨等を行った後に、観察を行った場合、ビアにクラックが生じていたり、ビア周辺のセラミックスにクラックが生じているという問題が発生した。これらのクラックは研磨等を行わない限りは表面上に現れないが、実使用やそれを模擬した信頼性試験によって、クラックが進展する可能性があり、製品として使用することができない。
【０００７】
また、ビアを形成した基板や、これを多層化した多層基板の表面を研削または研磨した後に、その表面に厚膜や薄膜にて回路形成や抵抗形成し、基板、パッケージとして用いることも多いが、この場合は、研削または研磨によってビアにクラックや、ビア周辺のセラミックスのクラックが露出するため、製品として使用できない。
【０００８】
本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであり、ビア部のクラックやビア周辺のセラミックスのクラックを防ぐことができる、金属化層を有するセラミックス焼結体、及びその製造方法を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明の金属化層を有するセラミックス焼結体、およびその製造方法は、以下のとおりである。
（１）セラミックス粉末を主成分とするセラミックスグリーンシートにスルーホールを穿孔し、該スルーホール内部に金属粉末と溶剤を含むペーストを充填した後、全体を同時に焼結することにより、金属化層を有するセラミックス焼結体を製造する方法において、ペーストを充填した後２０分以内にペーストの溶剤を乾燥させる工程に投入することを特徴とする金属化層を有するセラミックス焼結体の製造方法。
【００１０】
（２）前記ペーストを充填した後、ペーストの溶剤を乾燥させる工程に投入するまでの時間が１０分以内であることを特徴とする（１）記載の金属化層を有するセラミックス焼結体の製造方法。
（３）前記ペーストの溶剤を乾燥させる工程が１０分以内で終了することを特徴とする（１）または（２）記載の金属化層を有するセラミックス焼結体の製造方法。
（４）前記ペーストの溶剤を乾燥させる工程が５分以内で終了することを特徴とする（１）〜（３）のいずれか一項に記載の金属化層を有するセラミックス焼結体の製造方法。
（５）前記ペーストの溶剤を乾燥させる工程の温度が１００℃以上、１５０℃以下であることを特徴とする（１）〜（４）のいずれか一項に記載の金属化層を有するセラミックス焼結体の製造方法。
（６）前記ペーストの溶剤の含有量が、ペースト中の金属粉末を１００重量部とした場合に、又はペーストが無機物粉末を含有する場合は、金属粉末と無機物粉末の合計を１００重量部とした場合に、５重量部以下であることを特徴とする（１）〜（５）のいずれか一項に記載の金属化層を有するセラミックス焼結体の製造方法。
（７）前記セラミックスが窒化アルミニウムであり、金属粉末がタングステン（Ｗ）であることを特徴とする（１）〜（６）のいずれか一項に記載の金属化層を有するセラミックス焼結体の製造方法。
（８）前記（１）〜（７）のいずれか一項に記載の製造方法で製造した金属化層を有するセラミックス焼結体の表面を研削または研磨したことを特徴とする金属化層を有するセラミックス焼結体。
【００１１】
【発明の実施の形態】
本発明に用いるセラミックス材料としては、窒化アルミニウム、アルミナ、炭化ケイ素、チタン酸バリウム等が挙げられる。以下に、セラミックス材料として窒化アルミニウムを取り上げ、詳細に説明する。
【００１２】
本発明に用いる窒化アルミニウム焼結体は、窒化アルミニウムを主成分に、焼結助剤として広く知られているイットリウム、希土類金属、アルカリ土類金属等の化合物を０．１〜１０ｗｔ％程度添加したものである。成形方法としては、窒化アルミニウム粉末と焼結助剤粉末にポリビニルブチラール（ＰＶＢ）等の樹脂結合剤、ジブチルフタレート（ＤＢＰ）等の可塑剤を混合し、造粒後プレス等で成形を行っても良いし、混合後、ドクターブレード法でグリーンシートを作製しても良い。また、押し出し法等も適用することができる。ただし、スルーホールやビアを形成する場合は、グリーンシートを用いて、窒化アルミニウムとビアを同時に焼結する同時焼成を行うのが一般的である。多層構造とする際も、グリーンシートを用いることが多く、焼結前に積層し同時焼成する必要がある。
【００１３】
以下に、主にグリーンシートを用いた同時焼成の作製方法について説明する。グリーンシートには必要に応じて、パンチ等を用いてスルーホールを形成する。このスルーホールには後述する組成のペーストが充填される。充填する方法としては、スクリーン印刷など周知の方法を適用することができる。更に、必要に応じて回路配線等を同様に後述する組成のペーストを塗布して形成する。塗布方法としては、スクリーン印刷、刷毛塗り、スピンローラー塗りなど周知の方法を適用することができる。
【００１４】
ビア充填、回路印刷に用いるペーストは、金属粉末、樹脂結合剤、溶剤からなる。また、必要に応じて窒化アルミニウムとの接着増強用の無機物を混合しても良い。本発明では前記金属粉末としてＷを用いることが好ましい。グリーンシートは窒化アルミニウムと導体組成を同時に焼結する必要があるが、窒化アルミニウムとＷは焼結温度を近くすることができ、さらに熱膨張率も近いため、金属粉末としてＷを用いることが好ましいのである。
【００１５】
また、ペースト中の樹脂結合剤は、通常、Ｗ粉末や無機物粉末等の粉末の合計を１００重量部とした場合、１〜３重量部混合し、溶剤は１５重量部以下程度混合する。混合方法であるが、まず粉末と溶剤だけをポットミルやボールミル、ライカイ機等を用いて混合する。その後、三本ロール等を用いて樹脂結合剤を混合する。
【００１６】
また、用いるＷ粉末であるが、窒化アルミニウムとＷの焼結温度を近づけるためには、Ｗ粉末の平均粒径を１μｍ以上、５μｍ以下にすることが好ましい。Ｗ粒径を数種類混合して用いることも多いが、その場合、１μｍ以上、５μｍ以下の平均粒径のＷを５０ｗｔ％以上用いることが好ましい。Ｗ粉末の平均粒径が１μｍより小さくなると、Ｗの焼結開始温度が窒化アルミニウムの焼結温度に比べて低くなりすぎるため、Ｗや窒化アルミニウムとＷの界面にクラックが生じやすくなる。一方、Ｗ粉末の平均粒径が５μｍより大きくなると、Ｗの焼結性が著しく悪化し、窒化アルミニウムの焼結温度でＷの焼結が充分に行われないため、好ましくない。
【００１７】
スルーホールにＷペーストを充填した後、必要に応じてグリーンシートを積層する。積層はシートをモールド中にセットした後に、プレス機により５０℃〜８０℃程度に熱しながら、５ＭＰａ〜１０ＭＰａ程度の圧力を１０分〜２０分程度かけることにより、熱圧着する。シート間には必要に応じて溶剤や接着剤を塗布してもよい。
【００１８】
積層したシートは、任意の形に切断された後に焼結される。焼結に先立ち、窒化アルミニウムのグリーンシートの樹脂結合剤、可塑剤等を除去するために、例えば３００℃〜８００℃というような温度で脱脂処理をしてもよい。
【００１９】
焼結は非酸化性雰囲気中で行うが、窒素雰囲気中で行うのが好ましい。焼結温度、焼結時間は、焼結後の窒化アルミニウム焼結体の熱伝導率等の特性が所望の値となるように設定される。一般的に焼結温度は１６００℃〜２０００℃であり、焼結時間は１時間〜５時間程度に設定される。
【００２０】
このように焼結された窒化アルミニウム焼結体は、次に必要に応じて基板表面の研削または研磨加工を行う。研削または研磨の方法は公知の技術を適宜用いることができる。通常は、ラッピング、ポリッシング、バレル研磨、サンドブラスト、研削盤等による方法が用いられる。基板の表面粗さは目的により異なるが、特に研磨後薄膜法でパターンを形成する場合は、中心線平均粗さ（Ｒａ）０．８μｍ以下、より好ましくは、０．０５μｍ以下にすることにより、薄膜法による金属化層と窒化アルミニウムの密着強度を高めることができるため好ましい。
【００２１】
この様に窒化アルミニウム焼結体表面を研削または研磨した後に、必要に応じて厚膜法や薄膜法で導電パターンを形成する。導電パターンの形成方法としては、スパッタリング法、蒸着法、化学的気相成長法（ＣＶＤ法）、イオンプレーティング法、溶射法、スクリーン印刷法等の公知の技術を用いることができる。これらの中で、薄膜法を用いた場合、導電パターンのパターニング方法としては、パターン形状によって公知の技術を使い分けることができる。例えば、メタルマスク法、湿式エッチング法、ドライエッチング法、リフトオフ法等を用いることができる。
【００２２】
また、導電パターンを形成する構成金属としては、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ａｌ、Ｔａ、Ｎｉ−Ｃｒ等の公知のものを用いることができる。また、これらの金属は単独で用いても良いし、２種類以上を組み合わせても良い。さらに単層で導電パターンを形成しても良いし、２層以上を積層して用いても良い。
【００２３】
スパッタリング法や蒸着法等の薄膜法を用いるときは、３層程度を積層して用いることが多い。窒化アルミニウムと接する第一層には、上述のような公知の金属を用いることができるが、高い密着強度を安定して得ることができるＴｉを用いることが多い。また、第一層の上に積層する第二層にも公知の金属を用いることができるが、３層以上の導電パターンとして用いる時には、第一層と第三層との間で元素が拡散するのを防止するために、Ｐｔ、Ｎｉ、Ｍｏ、Ｗ、Ｐｄ等を用いることが多い。さらに、第二層上に第三層を積層する場合も公知の金属を用いることができるが、Ｐｔ、Ａｕ等が電気伝導性が良好で、耐食性にも優れているため用いることが多い。また、これら薄膜法で３層程度の積層導電パターンを形成した後に、さらにメッキ法等でＮｉ、Ａｕ等の導電パターンを積層することもある。
【００２４】
また、前記の導電パターンのあるパターン間を一定の抵抗値に保つために、ある規定の抵抗値で電気的に接続する抵抗体パターンを形成しても良い。抵抗体パターンの形成方法は前記薄膜法の形成方法等を用いることができる。抵抗体パターンの種類については、公知のものを用いることができるが、抵抗値の安定性の観点からＴａ−Ｎ、Ｎｉ−Ｃｒ等を用いることが多い。
【００２５】
この抵抗体パターンは、抵抗値の経時変化や温度変化を抑制するために、抵抗体表面に酸化皮膜を形成することが多い。これには公知の方法を用いることができるが、陽極酸化法等を用いることが多い。さらに、抵抗値の調整を行うことがある。これにも公知の方法を用いることができるが、レーザートリミング法等を用いることが多い。
【００２６】
以上のような工程で窒化アルミニウム焼結体を用いた基板や多層基板、パッケージが作製されるが、ビアクラックやビア周辺のセラミックのクラックが、どの工程で生じているかを調査した結果、クラックはスルーホールにペーストを充填した後に、その芽が生じており、焼結によってクラックや空孔が大きく成長することも判った。これは、特に窒化アルミニウム等の高機能セラミックスに顕著に認められる。これらのセラミックスは１８００℃〜２０００℃といった高温で焼結される。一方、これらのセラミックスの回路材料として用いられる高融点金属のＷは１４００℃〜１５００℃で焼結が開始されるため、二つの材料の焼結温度が大きく異なる。このような材料を同時焼成すると、まず、Ｗから収縮を開始するため、スルーホールでも充填されたＷがまず収縮を開始する。しかし、セラミックスは収縮を開始しないため、スルーホールの外径は小さくならず、Ｗは外側を拘束されたまま収縮することになる。そのため、スルーホールにペースト充填した際に生じた、クラックの芽が大きくなりやすい。
【００２７】
また、窒化アルミニウム等の高機能セラミックスでは焼結時に生成する液相量が、一般的なアルミナ等に比べると極端に少ない場合が多い。アルミナであれば、上述したような焼結中のクラックの成長は、元々二つの焼結温度がほぼ等しいため生じにくいが、もし生じたとしても焼結中に生じる液相がクラックに流れ込んで、クラックを埋めるため、焼結後クラックが生じることが少ない。しかしながら、液相量が少なければ、このような現象は生じることはないため、液相量が少ない窒化アルミニウム等の高機能セラミックスにはクラックが生じやすいのである。
【００２８】
このように、ビアやビア周辺のクラックを無くすには、スルーホールにペーストを充填した時点で、その芽を無くす必要があるが、さらに詳細にクラックの芽がどこの工程で生じているかを調査した。その結果、グリーンシート中に最初から欠陥が無い限り、スルーホール中に充填したペーストの乾燥工程で、クラックの芽が生じることを突き止めた。
クラックの芽が発生するメカニズムは次の通りである。すなわち、スルーホール中にペーストが充填されると、ペースト中の溶剤は自然乾燥されると同時に、毛細管現象によりグリーンシートに吸収される。このときグリーンシートへの吸収量が多いと、Ｗ粉末が溶剤のグリーンシートへの移動にともなって、同様にグリーンシートの方へ移動する。このＷの移動量が大きいと、ついにはビア中心付近にクラックの芽となる部分が生じるのである。
【００２９】
一方、クラック周辺のセラミックスにクラックが発生するメカニズムもビアのクラック発生と似ている。すなわち、上述のようにスルーホール中にペーストが充填されると、毛細管現象によりペーストの溶剤がグリーンシートに吸収される。このペースト溶剤の吸収量が多いと、グリーンシートに吸収された溶剤とグリーンシートの樹脂成分が反応し、グリーンシートの樹脂成分がペースト溶剤に溶解する。この溶解量が多いと、母材に亀裂が生じる等の欠陥が発生するのである。
【００３０】
このようなビアやビア周辺のセラミックスのクラックの芽を防ぐためには、ペーストのグリーンシートへの吸収量を減らす必要がある。そのための手法を種々検討した結果、グリーンシートの樹脂成分がペースト溶剤に溶解するかどうかが重要な因子であることが判明した。すなわち、ペーストの溶剤がグリーンシートの樹脂成分を溶解したり、相溶性を示す場合、グリーンシートの樹脂成分がペーストの溶剤の侵入によって、溶解するので上述のようにグリーンシート母材にクラック等が生じやすくなる。また、このように、グリーンシートの樹脂成分が溶解して母材にクラック等が生じることによって、さらにグリーンシートにペーストの溶剤が吸収されることになり、ペーストのグリーンシート中への吸収速度が早くなり、上述のようにビア中心付近にクラックの芽が生じやすくなるのである。
【００３１】
この結果を考慮すると、ペースト不均一部分、母材の欠陥を防ぐためには、ペーストの溶剤をグリーンシートの樹脂成分を溶解しないものとすると効果があると予想される。しかしながら、一方でペーストの溶剤はペーストの有機バインダー等の樹脂成分を溶解する必要がある。樹脂成分がペースト中の各Ｗ粉末と濡れる必要があるが、溶剤が樹脂成分を溶解しないと樹脂成分はＷ粉末と濡れないからである。また、グリーンシートとペーストの接合が良好に行われるためには、グリーンシートの樹脂成分とペーストの樹脂成分が相溶性を示さなければならない。相溶性が無い場合、ペーストが乾燥後グリーンシートとペーストが簡単に剥がれ落ちてしまう。さらに、ペーストはスルーホール等へ充填する間に、粘度等の性質が変化すると充填性等が変化するため好ましくない。それ故ペーストの溶剤はスルーホール等への充填作業の間蒸発しないように、沸点が１９０℃以上、好ましくは２００℃以上となるような高沸点溶剤を用いる必要がある。これらを全て満たしうる所望の溶剤を選択するのは非常に困難である。ペーストの樹脂成分を溶解する高沸点の溶剤は、グリーンシートの樹脂成分をも溶解してしまうのが一般的である。
【００３２】
これらの結果から、ビアやビア周辺のセラミックスのクラックの芽を防ぐためには、グリーンシートへ吸収される際にＷ粉末の移動が生じないように、また、グリーンシートに吸収された溶剤がグリーンシートの樹脂を溶解しないように、制御する必要があることが判った。そのための手法を種々検討した結果、ペーストの溶剤がグリーンシートを充分に溶解する前に、乾燥させることが最も効果的であることを突き止めた。
【００３３】
溶剤としては沸点が１９０℃以上、３００℃以下のものが好ましい。沸点が１９０℃より低ければ、ペースト充填中に溶剤揮発によるペースと粘度変化が大きく生じるため、安定してペーストが充填できない。一方、沸点が３００℃より高ければ、ペーストの乾燥が困難となる。ペーストの乾燥が不完全であれば、ペースト充填後のグリーンシートのハンドリングによって、ビア充填されたペーストが他部材等に付着し、ビア部分に傷やクラック等が生じる。具体的な溶剤としては、テルピネオール、ブチルカルビトール、ブチルカルビトールアセテート等がある。
【００３４】
この際に、重要になるのがスルーホールへのペースト充填から乾燥工程に投入するまでの時間である。この間の時間は室温で２０分以内であることが望ましい。乾燥工程に投入するまでの時間が２０分より長ければ、ペーストの溶剤がグリーンシートに長く留まることになるため、充分に溶解してしまいクラックの芽を無くすことはできない。
また、スルーホールへのペースト充填から乾燥工程に投入するまでの時間は、１０分以内であることが、さらに望ましい。通常、スルーホール径は焼結前でφ０．２ｍｍ〜φ０．２５ｍｍ、焼結後でφ０．１５ｍｍ〜φ０．２ｍｍ程度のことが多いが、ビア部の電気抵抗を低くする等の目的で、さらに大きなスルーホール径が要求されることがある。例えば焼結前でφ０．３ｍｍ〜φ０．４５ｍｍ、焼結後でφ０．２５ｍｍ〜φ０．４ｍｍ程度のスルーホールの場合、充填されたペーストの溶剤量は、従来の径の小さいスルーホールに比べると多くなる。そのため、グリーンシートを溶解する間での時間が短くなることになり、乾燥工程に投入するまでの時間を短くする必要がある。検討を重ねた結果、焼結前でφ０．３ｍｍ〜φ０．４５ｍｍ、焼結後でφ０．２５ｍｍ〜φ０．４ｍｍ程度のスルーホールに対しては、乾燥工程投入までの時間を１０分以内とする必要があることが判ったのである。
【００３５】
また、乾燥工程自体の時間も重要である。ペーストの溶剤を乾燥させるには、オーブン炉や高周波照射等が考えられる。これらは、いずれも直接的、間接的に、溶剤やグリーンシートの温度上昇を伴う。この温度上昇によって溶剤が揮発するのであるが、同時にグリーンシートに混入させているＤＢＰ等の可塑剤の揮発もある程度生じる。溶剤の沸点が２００℃程度に比べて、可塑剤の沸点は３００℃程度と高いため、乾燥工程で可塑剤が全て揮発するわけではない。しかし、可塑剤が少量でも揮発すると、グリーンシートの硬度等の特性が大きく変化する。これらのグリーンシートの特性は、次工程以降の様々な工程に影響を及ぼす。例えば、積層工程ではグリーンシート同士を接着する必要があるが、シート硬度が変化すると、接着性が大きく変化する。また、可塑剤が少ないこと自体が接着性劣化を引き起こすこともあり、ペースト乾燥時のグリーンシートの可塑剤の揮発は問題である。これらの問題を無くすためには、乾燥工程を１０分以内で終了する必要があることが判った。
【００３６】
また、乾燥工程の時間は５分以内である方が、さらに望ましい。乾燥工程の時間が５分より長くなると、グリーンシートの組成によっては、上述のグリーンシート特性の変化を防ぎきれないことがあるからである。
【００３７】
また、乾燥をオーブン炉等で行う場合、乾燥温度を１００℃以上、１５０℃以下にすることが望ましい。乾燥温度が１００℃より低ければ、ペーストの溶剤を揮発させる時間を１０分以内にすることが困難となるため好ましくない。また、乾燥温度が１５０℃より高ければ、乾燥時間が短くてもグリーンシートの可塑剤の揮発が始まり、グリーンシート特性の変化を避けることができないので好ましくない。
【００３８】
さらに、ペーストの溶剤含有量を減らせば、さらにグリーンシートへの影響が少なくなるため好ましい。具体的にはペースト中の金属粉末、無機物粉末を混合している場合は金属粉末と無機物粉末の合計量を１００重量部とした場合に、溶剤量を５重量部以下とすることがより望ましい。このようにすることで、グリーンシートへの影響を最小限に押さえることができ、上述の乾燥を行うことにより、ビアやビア周辺のセラミックスのクラックの発生確率をさらに下げることができる。
【００３９】
以上のような方法で、スルーホールにペーストを充填後に乾燥を行うことによって、ビアやビア周辺のセラミックスのクラックを防ぐことができ、基板や多層基板、パッケージの信頼性試験や実使用時に発生する不良や、表面を研削または研磨した後のビアやビア周辺のセラミックスのクラック不良を防ぐことができる。
【００４０】
前記のごとく、本発明の金属化層を有する窒化アルミニウム等のセラミックス基板は、基板や多層基板、パッケージのビアやビア周辺のセラミックスのクラックを防ぐことができる。
【００４１】
【実施例】
以下、実施例を挙げて本発明をさらに詳細に説明する。
実施例１〜３及び比較例１
９７重量部の窒化アルミニウム粉末と３重量部のＹ２Ｏ３粉末を混合し、ポリビニルブチラールを樹脂結合剤、ジブチルフタレートを可塑剤として、それぞれ１０重量部、５重量部混合して、ドクターブレード法にて０．５ｍｍ厚のグリーンシートを成形した。これを金型を使用して１００ｍｍ×１００ｍｍに打ち抜いた後、パンチャーにてφ０．２５ｍｍのスルーホールを形成した。なお、一枚のグリーンシートにスルーホールを１０００個形成した。
【００４２】
このスルーホールにＷペーストを充填した。平均粒径が２．０μｍのＷ粉末を１００重量部として、５重量部の樹脂結合剤であるエチルセルロースと、溶媒として５重量部のブチルカルビトールを用いてペーストを作製した。混合にはポットミルと三本ロールを用いた。その後、ペーストをスクリーン印刷機にてスルーホールに充填した。
その後、スルーホールにペーストを充填してから表１記載の所定時間を置いて、乾燥を行った。乾燥はオーブン炉にペースト充填済みのグリーンシートを投入することで行い、オーブン炉は１２０℃に設定した。その際にグリーンシートの温度を熱電対にて測定したが、１１０℃になっていた。乾燥時間は８分とした。
【００４３】
次に、印刷後のシートを２枚重ねて積層した。積層はモールドにシートを２枚重ねてセットし、プレス機にて５０℃に熱しつつ、１０ＭＰａの圧力で２分間熱圧着することで行った。
その後、窒素雰囲気中で６００℃にて脱脂を行い、窒素雰囲気中で１８００℃、３時間の条件で焼結を行った。
【００４４】
焼結後、ビア部分にはφ０．２ｍｍのスルーホールに金属化層が形成されていた。次に、ビア部分にクラックや空孔が発生していないかを確認するために、焼結した窒化アルミニウム基板表面を両面から０．３ｍｍ程度研磨し、電子顕微鏡にてクラックや空孔の有無を１０００倍にて確認した。これらの評価結果を表１に示す。なお、同じ条件で作製した基板を１０枚用意しており、表中の「クラックが生じた基板の発生確率」は、一枚の基板中にある１０００個のビアやビア周辺のセラミックスに一つでもクラックが生じていた基板の発生確率を示している。
【００４５】
【表１】
2004237642.tif 000002
【００４６】
スルーホールにペーストを充填してから、２０分以内に乾燥工程へ投入することにより、ビアやビア周辺のセラミックスのクラックを無くすことができることが判る。
【００４７】
実施例４〜６及び比較例２
パンチャーにて形成するスルーホールの径をφ０．４ｍｍに変更した以外は実施例１〜３及び比較例１と同様に実験を行った。焼結後のビア部分にはφ０．３５ｍｍのスルーホールに金属化層が形成されていた。ビアやビア周辺のセラミックスのクラック発生状況を表２に示す。
【００４８】
【表２】
2004237642.tif 000003
【００４９】
大きなスルーホール径にペーストを充填した場合、スルーホールにペーストを充填してから、１０分以内に乾燥工程へ投入することにより、ビアやビア周辺のセラミックスのクラックを無くすことができることが判る。
【００５０】
実施例７〜１１
パンチャーにて形成するスルーホールの径をφ０．２５ｍｍに戻し、スルーホールにペーストを充填してから乾燥工程に投入するまでの時間を１０分に固定した。乾燥温度を実施例１と同様に１２０℃とした場合に、乾燥時間の影響を調べた。その他の条件は実施例１と同様にした。
評価は実施例１と同様に「クラックが生じた基板の発生確率」と、グリーンシートを積層した際の接着の完全性の評価も行った。接着に関しては、焼結後の窒化アルミニウムの基板を切断して１６等分し、その断面を電子顕微鏡にて１０００倍で観察することにより、接着不足による積層界面剥離の観察を行うことで評価した。これらの結果を表３に示すが、表中の「積層剥離の発生確率」は１６等分した基板断面の１つにでも界面剥離が生じていた基板の発生確率を示している。
【００５１】
【表３】
2004237642.tif 000004
【００５２】
乾燥時間を５分以内とすることで、積層剥離の発生を無くすことができるのが判る。一方、乾燥時間が５分を越えると、グリーンシートの可塑剤の揮発に伴い、若干のシート硬度の上昇が認められ、積層剥離の発生も認められたものの、乾燥時間が１０分以内で有れば、積層剥離確率が低かった。しかし、乾燥時間が１０分を越えると、シート硬度は上昇し、積層剥離の発生確率も高くなった。
一方、ビアやビア周辺のセラミックスのクラック発生は乾燥時間を１分より長くすることで無くすことができた。しかし、乾燥時間が１分の場合、若干のクラック発生が認められた。これは、乾燥時間中にペーストの溶剤が完全には揮発しなかったためと考えられる。しかし、発生確率は低いレベルであった。
【００５３】
実施例１２〜１５
実施例７において、乾燥温度、乾燥時間を変更して影響を調べた。変更した条件、評価結果を表４に示す。
【００５４】
【表４】
2004237642.tif 000005
【００５５】
乾燥温度が１００℃より低い場合では、若干のクラック発生が認められた。これは、乾燥時間中にペーストの溶剤が完全には揮発しなかったためと考えられる。一方、乾燥温度が１５０℃より高い場合では、乾燥時間を１分としても、グリーンシートの可塑剤の大幅な揮発が避けられず、シート硬度は上昇し、積層剥離の発生確率も高くなった。
【００５６】
実施例１６
実施例２において、使用するペーストの溶剤量を変化させて影響を調べた。スルーホールへペーストを充填してから、乾燥工程へ投入するまでの時間は１０分であり、その他の条件は実施例２と同様にした。
結果を実施例２の結果とあわせて表５に示すが、いずれにもビアやビア周辺のセラミックスにクラックは認められなかった。
【００５７】
【表５】
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【００５８】
【発明の効果】
本発明によれば、セラミックスグリーンシートのスルーホールにペーストを充填した後、所定の時間内にペースト溶剤の乾燥工程に投入することによって、基板や多層基板、パッケージのビアやビア周辺のセラミックスのクラック、研削または研磨後のビアやビア周辺のセラミックスのクラックやを防ぐことができる。また、このクラック防止効果は乾燥温度、時間を制御することによってさらに高めることができる。このため、本セラミックス焼結体はＩＣ用の基板、パッケージとして好適に用いることができる。