(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
酸化アルミニウム質セラミックスからなる絶縁基板の表面及び／又は内部に、厚さ５０μｍ以上の配線導体を形成してなる配線基板において、前記厚さ５０μｍ以上の配線導体が、前記絶縁基板側から、タングステンおよび／またはモリブデンからなる高融点金属１００体積部に対して、酸化アルミニウムを２〜２０体積部の割合で含有する高融点金属層と、金属成分が銅を１０〜６０体積％とタングステンおよび／またはモリブデンを４０〜９０体積％とからなる低抵抗金属層とを積層した構造からなることを特徴とするセラミック配線基板。
【請求項２】
前記絶縁基板を形成する前記酸化アルミニウム質セラミックスが、マンガン化合物をＭｎＯ２換算で２．０〜１５．０重量％の割合で含有することを特徴とする請求項１記載のセラミック配線基板。
【請求項３】
前記低抵抗金属層中の前記銅の粒子が前記高融点金属層に食い込んでいることを特徴とする請求項１または請求項２記載のセラミック配線基板。
【請求項４】
前記高融点金属層中の前記タングステンおよび／または前記モリブデンの粒子が前記絶縁基板に食い込んでいることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか記載のセラミック配線基板。
【請求項５】
前記高融点金属層が１０〜１００μｍの厚さで形成されてなることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか記載のセラミック配線基板。
【請求項６】
前記低抵抗金属層が５０〜６００μｍの厚さで形成されてなることを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれか記載のセラミック配線基板。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
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に関するものであり、特に、パワーモジュール基板等の大電流を流すことが可能な配線導体を有するセラミック配線基板に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
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おり、半導体装置の誤動作をなくすためには、このような熱の発生を抑制することが求められ、すなわち低抵抗の配線層を用いることが要求されている。さらに、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、配線導体を用いることが要求されている。
【０００３】
一方、パワーモジュール基板等は、小型化のため制御回路とパワー回路の一体化や、大電流で高周波数に対応可能な配線が求められている。
【０００４】
これに対して、従来のセラミックスを絶縁層とし、その表面あるいは内部にタングステンやモリブデンからなる配線導体の厚みを厚くしたり、さらに、前記配線導体中に銅等の低抵抗材料を含有することにより、配線導体の低抵抗化といったことが行われている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、半導体素子収納用パッケージやパワーモジュール基板等の大電流を必要
とする配線基板において、低抵抗配線導体として銅を採用した場合、低抵抗配線導体の厚みが厚くなると、銅と絶縁基板との熱膨張差によって発生する応力によって絶縁基板にクラックが発生したり、配線導体の剥離がしやすくなり、接合信頼性が得られないという課題があった。
【０００６】
従って本発明は、前記課題を解消せんとして成されたもので、酸化アルミニウム質セラミックスからなる絶縁基板に対して、５０μｍ以上の厚さを有する銅を含む低抵抗の配線導体を設けても、絶縁基板のクラックや配線導体の断線等が発生せず、配線導体の低抵抗化を実現し大電流を流すことが可能なセラミック配線基板を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明者等は、上記課題に対して検討を重ねた結果、絶縁基板の表面あるいは内部に５０μｍ以上の厚さの低抵抗配線導体を形成するにあたり、この配線導体を絶縁基板側から特定組成の高融点金属層を介して、銅と、タングステンおよび／またはモリブデンからなる低抵抗金属層を形成することによって、前記高融点金属層によって低抵抗金属層と絶縁基板とを強固に接続することができるために、配線導体の絶縁基板からの剥離や絶縁基板のクラックの発生を防止できることを見出し本発明に至った。
【０００８】
即ち、本発明のセラミック配線基板は、酸化アルミニウム質セラミックスからなる絶縁基板の表面及び／又は内部に、厚さ５０μｍ以上の配線導体を形成してなるものであって、前記厚さ５０μｍ以上の配線導体が、該絶縁基板側から、タングステンおよび／またはモリブデンからなる高融点金属１００体積部に対して、酸化アルミニウムを２〜２０体積部の割合で含有する高融点金属層と、銅を１０〜６０体積部とタングステンおよび／またはモリブデンを４０〜９０体積部の割合からなる低抵抗金属層とを積層した構造からなることを特徴とするものである。
【０００９】
また、前記絶縁基板を形成する酸化アルミニウム質セラミックスは、マンガン化合物をＭｎＯ2換算で２．０〜１５．０重量％の割合で含有することが前記配線導体との同時焼結性を高める上で望ましい。
【００１０】
また、前記低抵抗金属層中の前記銅の粒子は高融点金属層に食い込んでおり、また、前記高融点金属層中の前記タングステンおよび／または前記モリブデンの粒子が絶縁基板に食い込んでいることによって、配線導体における高融点金属層と低抵抗金属層との密着性を高めるとともに、配線導体と絶縁基板との密着性をよりさらに高めることができる。
【００１１】
また、前記高融点金属層の厚さは、１０〜１００μｍであることが低抵抗金属層と絶縁基板との密着性を高める上で適当であり、また前記低抵抗金属層の厚さは、５０〜６００μｍであることが配線導体全体の低抵抗化を図る上で望ましい。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明のセラミック配線基板の一実施態様について図面をもとに説明する。図１は、本発明のセラミック配線基板の一例を説明するための概略断面図である。
【００１３】
図１の配線基板は、セラミックスからなる複数の絶縁層１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄ、１ｅが積層されて絶縁基板１が形成されており、その表面や内部には、一般配線用として表面配線層２ａ、内部配線層２ｂが形成されている。また、各絶縁層１ａ〜１ｅには、適宜、配線層間を電気的に接続するために、ビアホール導体３が絶縁層を貫通するように形成されている。
【００１４】
また、本発明においては、絶縁層１ａ〜１ｅのうち、絶縁層１ａと１ｃにそれぞれ深さが５０μｍ以上の空隙部が形成されており、その空隙部内に、１Ａ以上の大電流を流すための配線導体５、６が形成されている。
【００１５】
なお、絶縁基板１の表面に形成された配線導体５は、大電流用配線としての役目だけではなく、その上に電子部品を搭載した場合に、電子部品の発生する熱を放散させるヒートスプレッダのような役目も果たすものである。
【００１６】
本発明によれば、この配線導体５、６の絶縁基板１側、即ち、配線導体５の絶縁層１ｂ側から、また配線導体６の絶縁層１ｄ側から、タングステンおよび／またはモリブデンからなる高融点金属１００体積部に対して、酸化アルミニウムを２〜２０体積部の割合で含有する高融点金属層５ａ、６ａが形成され、この高融点金属層５ａ、６ａの表面に、金属成分が銅を１０〜６０体積％と、タングステンおよび／またはモリブデンを４０〜９０体積％の割合からなる低抵抗金属層５ｂ、６ｂとを積層されている。
【００１７】
そして、低抵抗金属層５ｂ、６ｂは、適宜、表面配線層２ａや内部配線層２ｂとビアホール導体３によって電気的に接続されている。
（高融点金属層）
本発明において、高融点金属層５ａ、６ａは、タングステンおよび／またはモリブデンからなる高融点金属１００体積部に対して酸化アルミニウムを２〜２０体積部の割合で含有することが重要である。この酸化アルミニウムは高融点金属層５ａ、６ａの強度を高めると共に高融点金属層５ａ、６ａの絶縁基板１への密着性を高めるための助剤として作用する。
【００１８】
従って、酸化アルミニウムの含有量が２体積部未満の場合、高融点金属層５ａ、６ａ自体の強度及び絶縁基板との接合強度が劣化して絶縁基板１や配線導体５、６にクラックや剥離を生じてしまい、逆に２０体積部を超えると高融点金属粒子の表面に酸化アルミニウムを主成分とする層が形成されて低抵抗金属層５ｂ、６ｂとの接合強度の劣化につながり、更に高融点金属層５ａ、６ａの電気抵抗が増加して大電流用の配線導体として適さなくなるためである。
【００１９】
特に、高融点金属がタングステンの場合、酸化アルミニウムの添加量は５〜２０体積部が望ましく、モリブデンの場合では２〜１０体積部が望ましい。また、高融点金属層５ａ、６ａの厚さは１０〜１００μｍであることが望ましく、特に２０〜５０μｍが望ましい。これは厚さが１０μｍより薄いと、低抵抗金属層５ｂ、６ｂや絶縁基板１との接合強度が十分ではなく、逆に１００μｍを超えると、熱抵抗が悪化することがあるためである。
【００２０】
さらに、図２の配線導体と絶縁基板１との界面付近の要部模式図に示すように、絶縁基板１との接合界面において、高融点金属層５ａ、６ａ中の高融点金属粒子７が絶縁基板１表面に食い込んでいることが望ましい。このように、高融点金属粒子７が絶縁基板１表面に食い込んだ構造からなることによって、配線導体５、６の絶縁基板１への密着性をより高めることができる。
（低抵抗金属層）一方、低抵抗金属層５ｂ、６ｂは、タングステンおよび／またはモリブデンと銅を含有する導体材料によって形成される。その場合、銅を１０〜６０体積部とタングステンおよび／またはモリブデンを４０〜９０体積部の割合からなることが重要である。これは、銅が６０体積部を超え、タングステンなどの高融点金属が４０体積部よりも少ないと、絶縁基板１を焼成した際、銅の溶融によって低抵抗金属層５ｂ、６ｂの形状を保形することが難しくなるとともに、低抵抗金属層５ｂ、６ｂと酸化アルミニウム質セラミックスからなる絶縁基板１の熱膨張差による応力が大きくなるために、配線導体５、６
【００２１】
また、銅が１０体積部よりも少なく、タングステンなどの高融点金属が９０体積部よりも多いと、低抵抗金属層５ｂ、６ｂの抵抗が増大してしまう。
【００２２】
特に、銅は３０〜６０体積部、タングステンおよび／またはモリブデンを４０〜７０体積部の割合で含むことが最適である。
【００２３】
また、低抵抗金属層５ｂ、６ｂの厚みは５０〜６００μｍ、特に１００〜４００μｍであることが望ましい。これは低抵抗金属層５ｂ、６ｂの厚みが６００μｍを超えると、低抵抗金属層５ｂ、６ｂと絶縁基板１の熱膨張差による応力が大きくなるために、絶縁基板１にクラックが発生したり、配線基板に反りや変形が生じやすくなるためである。５０μｍよりも薄いと、配線導体５、６全体の低抵抗化の効果が低い。
【００２４】
さらに、図２に示したように、高融点金属層５ａとの接合界面において、低抵抗金属層５ｂ中の銅粒子９が高融点金属層５ａの表面に、食い込んでいることが望ましい。このように銅粒子９が高融点金属層５ｂに食い込んでいることによって、低抵抗金属層５ｂと高融点金属層５ａとの密着性を高めることができる。
（絶縁基板）
本発明の配線基板において、絶縁基板１は、酸化アルミニウム質セラミックスからなるものであるが、前記高融点金属層５ａ、６ｂおよび低抵抗金属層５ｂ、６ｂと同時焼成して形成するために、また低抵抗金属層５ｂ、６ｂの成分である銅の保形性を保つために、１５００℃以下の比較的低温で焼成可能であることが望ましい。そのために、酸化アルミニウム質セラミックス中には、マンガン化合物をＭｎＯ2換算で２〜１０重量％の割合で含有することが望ましい。即ち、マンガン化合物量が２重量％よりも少ないと、１５００℃以下での緻密化が難しく、また１０重量％よりも多いと絶縁基板１の絶縁性が低下する場合がある。マンガン化合物の最適な範囲は、ＭｎＯ2換算で３〜７重量％である。
【００２５】
また、この絶縁基体１中には、第３の成分として、ＭｇＯ、ＣａＯ、ＳｒＯ等のアルカリ土類元素酸化物や、ＳｉＯ２を配線導体５、６との同時焼結性を高める上で合計で０．４〜８重量％の割合で含有せしめることが望ましい。さらに第４の成分としてＷ、Ｍｏ、Ｃｒなどの金属を着色成分として２重量％以下の割合で含んでもよい。
【００２６】
尚、前記添加成分の残部は酸化アルミニウムからなり、主結晶相を形成しているが、上記の添加成分は、酸化アルミニウム主結晶相の粒界に非晶質相あるいは結晶相として存在する。特に、熱伝導性、強度、誘電損失低減の点で、粒界中に助剤成分を含有する結晶相が形成されていることが望ましく、酸化アルミニウム粒子の粒界にＭｎＡｌ2Ｏ4および／またはＭｎ2ＳｉＯ4が結晶として分散含有することが望ましい。
【００２７】
また、一般配線用として、表面配線層２ａ、内部配線層２ｂは、前記配線導体５、６と同様に絶縁基板１と同時焼成して形成されることが望ましい。これら表面配線層２ａ、内部配線層２ｂは、厚さが１０〜２５μｍ程度の薄い層から構成されるものであるために、配線導体５、６のような積層構造から形成する必要は必ずしもなく、配線導体５、６における高融点金属層５ａ、６ａを形成する導体材料でも、低抵抗金属層５ｂ、６ｂを形成する導体材料のいずれの材料を用いることもでき、使い分けることができる。例えば、配線の低抵抗化が望まれる場合には、低抵抗金属層５ｂ、６ｂの導体材料によって形成し、また、接続端子などをロウ付けするような場合には、高融点金属層５ａ、６ｂの導体材料によって形成することが接着強度を高める上で望ましい。
【００２８】
本発明の配線基板において、配線導体６は、絶縁基板１の内部に形成されたものであり、配線導体６の上下面に絶縁層１ｂ、１ｄが存在するが、このような場合、高融点金属層６ａは、絶縁層１ｂ、１ｄの少なくとも一方に形成すれば、本発明の効果が得られるが、望ましくは、低抵抗金属層６ｂの絶縁層１ｂ、１ｄと接する両側に高融点金属層６ａを形成して３層構造とすることが望ましい。
【００２９】
（製造方法）
次に、本発明のセラミック配線基板の製造方法について具体的に説明する。まず、絶縁基板を構成する前記酸化アルミニウムを主成分とするセラミック組成物を用いて、絶縁層を形成するためのシート状成形体を作製する。
【００３０】
即ち、平均粒径が０．５〜３μｍの酸化アルミニウム粉末に対して、ＭｎＯ２またはＭｎ２Ｏ３粉末をＭｎＯ２換算で２〜１５重量％添加し、さらに第３の成分として、ＭｇＯ、ＣａＯ、ＳｒＯ等のアルカリ土類元素酸化物や、ＳｉＯ２を合計で０．４〜８重量％、さらに第４の成分としてＷ、Ｍｏ、Ｃｒなどの金属を着色成分として２重量部以下の割合で適宜添加し、成形用の有機バインダーとともに混合する。
【００３１】
シート状成形体は、周知の成形方法によって作製することができ、例えば、上記混合粉末に有機バインダーや溶媒を添加してスラリーを調製した後、ドクターブレード法によって形成したり、混合粉末に有機バインダーを加え、プレス成形、圧延成形等により所定の厚みのシート状成形体を作製できる。
【００３２】
このようにして作製したシート状成形体に対して、一般配線用となる導体ペーストを用いて各シート状成形体にスクリーン印刷、グラビア印刷等の手法によって印刷塗布する。また。必要に応じてシート状成形体にマイクロドリル、レーザー等により直径が５０〜２５０μｍのビアホールを形成した後、このビアホール内に上記導体ペーストをスクリーン印刷法等によって充填する。
【００３３】
これらの一般配線用の導体ペースト中には、絶縁層との密着性を高めるために、絶縁層と同じセラミック粉末や、絶縁層を形成する成分と同一の組成物粉末を０．０５〜２体積％の割合で添加することも可能である。
【００３４】
また、大電流を流す配線導体を形成する部分の下部に位置するシート状成形体Ａの配線導体形成部に、平均粒径が０．８〜１２μｍのタングステンおよび／またはモリブデン１００体積部に対して、平均粒径が０．８〜５μｍの酸化アルミニウムを２〜２０体積部の割合で含有する高融点金属層用ペーストを用いて、焼成後の厚さが１０〜１００μｍとなるように前記と同様な方法で印刷する。
【００３５】
また、本発明によれば、配線導体５、６が形成されるシート状成形体Ｂに、プレスによる打ち抜きや、レーザー加工で所定形状の開口を形成する。そして、上記の一般配線層が印刷形成されたシート状成形体Ａと、開口を形成したシート状成形体Ｂと積層し、成形体Ｂ開口部分が凹部状となった積層体を形成する。
【００３６】
この時、凹部の底面が、成形体Ａに形成した高融点金属層用のペーストが塗布された部分に整合するに積層される。そして、この凹部内に、金属成分として、平均粒径が０．８〜１０μｍの銅粉末を１０〜６０体積％と、平均粒径が０．８〜１２μｍのタングステンおよび／またはモリブデン粉末を４０〜９０体積％の割合からなる低抵抗金属層用ペーストを印刷法やディスペンス法で充填する。
【００３７】
この配線導体における低抵抗金属層の厚さは、開口を形成したシート状成形体Ｂの厚みを変えることにより自在に変えることができる。つまり、配線導体に要求される許容電流値や電子部品に発熱量等を考慮し、低抵抗金属層の形状や厚みを変えることで対応することができる。
【００３８】
高融点金属粒子が絶縁層に、また銅粒子が高融点金属層にそれぞれ食い込んだ構造を形成するためには、高融点金属層用ペースト、低抵抗層用ペーストを凹部に充填した後に、２０〜４０Ｋｇｆ／ｃｍ2の圧力を印加すればよい。
【００３９】
その後、適宜、他のシート状成形体を積層した後、脱脂工程を行った後、この積層体を非酸化性雰囲気中で１５００℃以下、特に１２００〜１４５０℃の温度で焼成する。この焼成時の非酸化性雰囲気としては、窒素、あるいは窒素と水素との混合雰囲気であることが望ましい。なお、この雰囲気には所望により、アルゴンガス等の不活性ガスを混入してもよい。
【００４０】
【実施例】
酸化アルミニウム粉末（平均粒径１．８μｍ）に対して、ＭｎＯ2を４重量％の割合で添加するとともに、ＳｉＯ2を３重量％、ＭｇＯを０．５重量％の割合で添加混合した後、さらに、成形用有機バインダーとしてアクリル系バインダーと、トルエンを溶媒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さ５０μｍ及び１００μｍのシート状に成形した。
【００４１】
また、平均粒径が５μｍの銅粉末と、平均粒径が３μｍのタングステン粉末、または平均粒径が３μｍのモリブデン粉末、および平均粒径が１μｍの酸化アルミニウム粉末を用いて、表１、２に示す比率で混合し、アクリル系バインダーとをアセトンを溶媒として一般回路用、高融点金属層用、低抵抗金属層用の各種導体ペーストを作製した。
【００４２】
そして、前記シート状成形体に対して、一般配線層用として、平均粒径が５μｍの銅粉末５０体積％と、平均粒径３μｍのタングステン粉末を５０体積％の割合で添加した導体ペーストを用いて一般配線層用のパターンに印刷するとともにビアホール中にこの導体ペーストを充填した。
【００４３】
また、配線導体が形成されるシート状成形体には、１０×３０ｍｍの配線導体用の開口を形成した。また、配線導体の底部となるシート状成形体の配線導体形成部に表１、２の組成物からなる高融点金属層用ペーストを表１、２に示す厚みになるようにスクリーン印刷で形成した。
【００４４】
そして、開口を形成したシート状成形体をこのシート状成形体の上に重ね合わせ、形成された凹部内にディスペンサによって表１、２の低抵抗配線導体層用のペーストを充填した。ビアホールに上記導体ペーストをスクリーン印刷で充填した。この時、低抵抗金属層の厚みが表１、２に示す厚みになるように、空隙部を形成するシート状成形体の厚みを変えて作製した。
【００４５】
上記のようにして作製した各シート状成形体を位置合わせして積層圧着して積層体を作製した。その後、この積層体を実質的に窒素／酸素混合雰囲気中で８００℃で脱脂を行った後、窒素水素混合雰囲気にて１４００℃で焼成した。
【００４６】
以上のようにして作製したサンプルの配線基板をマイクロスコープによる外観検査とＸ線透過装置により、配線基板内部の配線導体形成付近における配線導体や絶縁基板へのクラックの発生や、配線導体の剥離が発生していないかを観察した。また、観察後に表層の低抵抗金属層に銅線を半田付けして垂直に引っ張り、接合強度を測定した。結果を表１、２に示す。
【００４７】
【表１】
0004646469.tif 000002
【００４８】
【表２】
0004646469.tif 000003
【００４９】
表１、２の結果からも明らかなように、高融点金属層を形成していない試料Ｎｏ．１、高融点金属層の酸化アルミニウムの添加量が請求範囲外の試料３、１６、２１、３４は低抵抗金属層の剥離が発生したり、接合強度の劣化が認められた。また、低抵抗金属層の銅の添加量が６０体積部より多い試料９、１２、２７、３０は絶縁層のクラック、基板の反りが発生したり、接合強度の劣化が認められた。
【００５０】
これらの比較例に対して、本発明の配線基板は、変形や反りも少なく、また絶縁基板や配線導体のクラックや低抵抗金属層の剥離のない良好なものであった。
【００５１】
【発明の効果】
以上詳述した通り、本発明の配線基板によれば、酸化アルミニウム質セラミックスからなるセラミック絶縁基板に対して、厚みが５０μｍ以上の銅を含有する配線導体を形成しても、配線基板の反りや変形が少なく、また配線導体の剥離や絶縁基板や配線導体のクラックが発生することがなく、大電流化、高周波数化に対応可能な配線基板を作製することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のセラミック配線基板の一実施態様を示す概略断面図である。
【図２】図１のセラミック配線基板の要部拡大図である。
【符号の説明】
１  絶縁基板
１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄ、１ｅ  絶縁層
２ａ  表面配線層
２ｂ  内部配線層
３  ビアホール導体
５、６  配線導体
５ａ、６ａ  高融点金属層
５ｂ、６ｂ  低抵抗金属層
【図１】
0004646469.tif 000004
【図２】
0004646469.tif 000005