(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
相対密度９５％以上のアルミナを主とする絶縁層が複数積層されている積層焼結体からなる絶縁基板の少なくとも内部に、Ｃｕを１０〜７０体積％、Ｗ及び／又はＭｏを３０〜９０体積％の割合で含有する組成物１００重量部に対して、Ｚｒ、Ｌｉ及びＺｎのうち少なくとも１種を金属換算で０．０５〜３．０重量部含有するメタライズ組成物からなる、導体層及び前記絶縁層の複数の層に設けられ、間に前記導体層を介さずに接続されているヴィア導体を有することを特徴とする配線基板。
【請求項２】
Ｃｕ粉末を１０〜７０体積％、Ｗ粉末及び／又はＭｏ粉末を３０〜９０体積％の割合で含む混合粉末１００重量部に対して、Ｚｒ、Ｌｉ及びＺｎのうち少なくとも１種を含む粉末を金属元素換算で全量中０．０５〜３．０重量部を含有する導体ペーストを、アルミナを主とするグリーンシート表面に塗布して導体層を形成する工程と、前記グリーンシートにヴィアホールを形成し、該ヴィアホールの内部に前記導体ペーストを充填してヴィア導体を形成する工程と、該グリーンシートを、少なくとも一部の前記ヴィア導体が前記導体層を介さずに接続されるように複数積層して積層体を形成する工程と、該積層体を非酸化性雰囲気中で１２００〜１５００℃の最高温度で焼成することを特徴とする配線基板の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、アルミナ基板に好適に用いられるメタライズ組成物とそれを用いた配線基板とその製造方法に関する。
【０００２】
【従来技術】
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、導体損失の小さい、つまり低抵抗の導体を用いることが要求されてきた。
【０００３】
これに対して、従来の半導体素子を搭載した配線基板としては、信頼性の点からアルミナセラミックスを絶縁基板とし、その表面又は内部にＷやＭｏ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。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８ｍΩ／□程度までしか低くできない。
【０００４】
そこで、放熱性を維持したまま、配線層の電気抵抗を低下するため、Ｃｕ、またはＣｕとＷまたはＭｏを組み合わせた導体層とアルミナとを同時焼成により形成する方法が特開平８−８５０３号公報で提案されている。
【０００５】
また、絶縁基板を形成するためのセラミック粉末として、平均粒径が５〜５０ｎｍの微細なアルミナ粉末を用いて焼成温度を低下させ、金、銀、銅等などの低抵抗金属の焼成温度に近づけることにより、絶縁基板と低抵抗金属との同時焼結性を行うことが、特許第２６６６７４４号公報に提案されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特開平８−８５０３号公報の方法は、アルミナの緻密化のために、１６００℃以上の高温で焼成するため、溶融したＣｕ成分が表面に分離し、表面配線層ににじみが生じたり、Ｃｕの揮散が生じる等、表面配線層形状の保形性が低下するとともに、組織の不均一性から抵抗も高くなるという問題があった。
【０００７】
しかも、配線層中のＣｕ成分が、焼成中に溶融するため、絶縁基板のセラミックス中に拡散し、配線層間の絶縁性が劣化するとともに、微細な配線層を高密度に形成することが難しいという問題があった。
【０００８】
一方、特許第２６６６７４４号公報の方法では、導体層の体積収縮量が絶縁層と比較して大きくなるため、内部導体層と絶縁層又は／およびヴィア導体と絶縁層の界面に空隙が発生し、基板強度の低下や電気的信頼性の低下等の問題があった。また、原料に用いる微粉末の取扱いが非常に難しく、高コストで、量産性に欠けるという問題があった。
【０００９】
従って、本発明は、低抵抗で低温焼成により用いられるメタライズ組成物と、低抵抗でアルミナ基板との界面に空隙のない電気回路とを具備した配線基板とその製造方法を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明は、ＣｕとＷ及び／又はＭｏとの組成物に特定の金属を加えることにより低抵抗を維持したまま、絶縁基板と配線層やヴィア導体の間隙を減少させることでき、信頼性の高い配線基板を実現できるという知見に基づくものである。
【００１１】
即ち、本発明の配線基板は、相対密度９５％以上のアルミナを主とする絶縁層が複数積層されている積層焼結体からなる絶縁基板の少なくとも内部に、Ｃｕを１０〜７０体積％、Ｗ及び／又はＭｏを３０〜９０体積％の割合で含有する組成物１００重量部に対して、Ｚｒ、Ｌｉ及びＺｎのうち少なくとも１種を金属換算で０．０５〜３．０重量部含有するメタライズ組成物からなる、導体層及び前記絶縁層の複数の層に設けられ、間に前記導体層を介さずに接続されているヴィア導体を有することを特徴とするもので、導体層やヴィア導体と絶縁基板との界面の空隙を少なくできる。
【００１３】
これにより、アルミナを主成分とする絶縁基板と上記メタライズ組成物とを同時に焼成しても、収縮差が小さいため、絶縁基板と配線層やヴィア導体との界面に発生する空隙を抑制でき、その結果、基板強度の低下並びに電気的信頼性の向上を実現することができる。
【００１４】
また、本発明の配線基板の製造方法は、Ｃｕ粉末を１０〜７０体積％、Ｗ粉末及び／又はＭｏ粉末を３０〜９０体積％の割合で含む混合粉末１００重量部に対して、Ｚｒ、Ｌｉ及びＺｎのうち少なくとも１種を含む粉末を金属元素換算で全量中０．０５〜３．０重量部を含有する導体ペーストを、アルミナを主とするグリーンシート表面に塗布して導体層を形成する工程と、前記グリーンシートにヴィアホールを形成し、該ヴィアホールの内部に前記導体ペーストを充填してヴィア導体を形成する工程と、該グリーンシートを、少なくとも一部の前記ヴィア導体が前記導体層を介さずに接続されるように複数積層して積層体を形成する工程と、該積層体を非酸化性雰囲気中で１２００〜１５００℃の最高温度で焼成することを特徴とする。
【００１５】
これにより、配線導体と絶縁基板との同時焼成を行っても、優れた保形性とともに、絶縁基板と配線層やヴィア導体の界面の空隙を抑制し、基板強度の低下並びに電気的信頼性の高い配線基板を製造することができる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の配線基板の一実施態様を示す概略断面図を基に説明する。図１に示す配線基板は、アルミナ質積層焼結体からなる絶縁層１上に表面配線層２ａ及び内部配線層２ｂが設けられ、また、ヴィア導体３が配設されている。
【００１７】
本発明によれば、この表面配線層２ａ、内部配線層２ｂ及びヴィア導体３はＣｕとＷ及び／又はＭｏとを含み、さらに、Ｚｒ、Ｌｉ及びＺｎのうち少なくとも１種を金属元素換算で０．０５〜３．０重量％の割合で含有するメタライズ組成物からなることが重要である。
【００１８】
このメタライズ組成物は、配線導体の電気抵抗を低減し、上記の絶縁層１との低温での同時焼結を容易にし、配線導体の同時焼成後の保形性を維持するために重要である。即ち、Ｃｕが１０体積％よりも少なく、Ｗ及び／又はＭｏが９０体積％よりも多いと、抵抗が高くなり、また、Ｃｕが７０体積％よりも多く、Ｗ及び／又はＭｏが３０体積％よりも少ないと、ヴィア導体３の同時焼成後の保形性が低下し、ヴィア導体３ににじみが発生したり、溶融したＣｕによってヴィア導体３が凝集して断線が生じるとともに、絶縁層１との熱膨張係数差により配線層２の剥離が発生したり、ヴィア導体３の凹凸が大きくなり、更には焼成時にヴィア導体３が欠落する不具合が生じる。そして、好適な組成範囲は、Ｃｕが３０〜６０体積％、Ｗ及び／又はＭｏが４０〜７０体積％である。
【００１９】
また、Ｗ及び／又はＭｏは、平均粒径１〜１０μｍの球状あるいは数個の粒子の凝集した焼結粒子としてＣｕからなるマトリックス中に分散含有していることが好ましい。そして、配線層２やヴィア導体３の電気抵抗、Ｃｕ成分の分離、にじみなどの観点からＷ及び／又はＭｏは平均粒径１．３〜５μｍ、特に１．３〜３μｍの大きさで分散されていることが望ましい。
【００２０】
さらに、本発明の配線基板においては、焼成温度がＣｕの融点を越え、Ｃｕが溶融するため、配線層やヴィア導体の気孔が消滅し、電気抵抗は低下する。しかし、表面配線層２ａや内部配線層２ｂ等の配線導体中のＣｕ成分が絶縁層１中に拡散する場合があり、本発明によれば、配線導体からその周囲の絶縁層１へのＣｕの拡散距離が２０μｍ以下、特に１０μｍ以下であることが望ましい。これは、Ｃｕのセラミックス中への拡散距離が２０μｍを超えると、配線層２間の絶縁性が低下し、配線基板としての信頼性が低下するためである。
【００２１】
さらにまた、上記ＣｕとＷ及び／又はＭｏからなる組成物１００重量部に対して、Ｚｒ、Ａｌ、Ｌｉ、Ｍｇ及びＺｎのうち少なくとも１種を０．０５〜３．０重量部含有することが重要である。０．０５重量部未満では、配線層２中に存在する微細な空隙を十分に埋めることができず、また、３．０重量部を越えると導体抵抗が上昇すると共に、Ｃｕの分離が発生し、配線形状を保持できないばかりか、配線の断線が発生するためである。
【００２２】
本発明に用いられる絶縁層１は、アルミナを主体し、絶縁層１の熱伝導性及び高強度化を達成するために、相対密度が９５％以上、特に９７％以上、さらには９８％以上の高緻密体から構成され、さらに熱伝導率は１０Ｗ／ｍ・Ｋ以上、特に１５Ｗ／ｍ・Ｋ以上、さらには１７Ｗ／ｍ・Ｋ以上であることが望ましい。
【００２３】
また、表面配線層２ａ及び内部配線層２ｂの形成には、保形性及び絶縁性を達成する上で、Ｃｕを含む配線導体との同時焼成が必要である。そして、その焼成温度は１２００〜１５００℃の範囲であることが重要となるため、このような低温での焼成においても相対密度が９５％以上に緻密化するように組成を決定する必要がある。
【００２４】
かかる観点から、本発明における絶縁層１は、アルミナを主成分とするもの、焼結助剤を加えて上記の温度範囲で焼成し、緻密体を得ることが好ましい。例えば、アルミナを８５重量％以上の割合で含有し、焼結助剤としてＭｎ化合物をＭｎ2Ｏ3換算で２．０〜１５．０重量％、特に３〜１０重量％の割合で含有することが好ましく、この組成に設定すると、高い絶縁性を維持したまま、１２００〜１５００℃で緻密化が達成できる。
【００２５】
また、この絶縁層１には、Ｃｕを含有するメタライズ組成物との同時焼結性を高める目的でさらに焼結助剤を添加することが好ましい。その一例として、ＭｇＯ、ＣａＯ、ＳｒＯ等のアルカリ土類元素酸化物及びＳｉＯ2のうち少なくとも１種を０．４〜８重量％の割合で含有せしめることができる。さらに、Ｗ、Ｍｏ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差し支えない。
【００２６】
これらのアルミナ以外の成分は、アルミナ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が、熱伝導性を高める上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い。
【００２７】
また、絶縁層１を形成するアルミナ主結晶相は、粒状、板状又は柱状結晶として存在するが、これら主結晶相の平均結晶粒径は、１．５〜５．０μｍであることが望ましい。なお、主結晶相が柱状結晶からなる場合、上記平均結晶粒径は、短軸径に基づくものである。この主結晶相の平均結晶粒径が１．５μｍよりも小さいと、高熱伝導化が難しく、平均粒径が５．０μｍよりも大きいと基板材料として用いる場合に要求される十分な強度が得られにくくなるためである。
【００２８】
本発明の配線基板によれば、積層焼結体からなる絶縁層１の少なくとも内部に、上述のメタライズ組成からなる配線層２やヴィア導体３が配設されていることが重要である。この材料の組合せにより、配線抵抗の上昇、配線層２の断線、Ｃｕの分離などを抑制でき、かつ配線層２やヴィア導体３と絶縁層１の収縮量を同一に近づけることにより、配線層２やヴィア導体３と絶縁層１間に隙間のない、気密で電気的信頼性の高い配線基板を得ることができる。
【００２９】
さらに、この配線層２は、ヴィア導体３と電気的に接続され、所望の電気回路を構成でき、また、内部配線層２ｂを多層構造に形成できるため、配線基板の小型化に有効であり、さらにはアルミナ等の絶縁層１や他の誘電体層を、配線層２からなる一対の電極によって挟むことで、容量成分を配線基板内部に形成することもできる。
【００３０】
このような配線層２は、所望によりヴィア導体３を介して別の内部配線層２ｂや基板表面の電極または／及び表面配線層２ａと電気的に接続され、さらに絶縁基板１の表面に設けられ、外部と電気的に接続する外部電極との電気的な接続が図られる。
【００３１】
次に、本発明の配線基板の製造方法について具体的に説明する。
【００３２】
まず、絶縁基板を構成する絶縁層１を形成するために、酸化物セラミックスの主成分となるアルミナ原料粉末として、平均粒径が０．５〜２．５μｍ、特に０．５〜２．０μｍの粉末を用いる。これは、平均粒径は０．５μｍよりも小さいと、粉末の取扱いが難しく、また粉末のコストが高くなり、２．５μｍよりも大きいと、１５００℃以下の温度で焼成することが難しくなることがあるためである。
【００３３】
そして、上記アルミナ粉末に対して、第２の成分として、Ｍｎ2Ｏ3を２．０〜１５．０重量％、特に３．０〜１０．０重量％第３の成分として、ＳｉＯ2を２．０〜１５．０重量％、特に３．０〜１０．０重量％の割合で添加する。また、適宜、第４成分としてＭｇＯ、ＣａＯ、ＳｒＯ粉末等のアルカリ土類元素化合物を０．２〜８重量％、第５の成分として、Ｗ、Ｍｏ、Ｃｒなどの遷移金属の金属粉末や酸化物粉末を着色成分として金属換算で２重量％以下の割合で添加する。
【００３４】
なお、上記酸化物の添加に当たっては、酸化物粉末以外に、焼成によって酸化物を形成し得る炭酸塩、硝酸塩、酢酸塩などとして添加してもよい。
【００３５】
そして、この混合粉末を用いて絶縁層１を形成するためのシート状成形体を作製する。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る。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グリーンシートを作製できる。そしてこのグリーンシートに対して、マイクロドリル、レーザー等によりヴィアホールを形成する。
【００３６】
一方、導体成分として、平均粒径が１〜１０μｍのＣｕ含有粉末を１０〜７０体積％、特に３０〜６０体積％、平均粒径が１〜１０μｍのＷ及び／またはＭｏを３０〜９０体積％、特に４０〜７０体積％の割合で含有し、かつＺｒ，Ａｌ,Ｌｉ，Ｍｇ,Ｚｎのうち一つ以上を金属元素換算で０．０５〜３．０重量％、特には０．２〜２．０重量％含有してなる導体ペーストを調製する。
【００３７】
このペーストをグリーンシートのヴィアホール内に上記Ｃｕ含有導体ペーストを充填してヴィア導体を形成する。なお、Ｚｒ，Ａｌ,Ｌｉ，Ｍｇ,Ｚｎは金属、酸化物、ホウ化物、窒化物或いは炭酸塩等の粉末として添加してもよく、このときの平均粒径は０．６〜４μｍ、特には１．５〜３．０μｍが望ましい。
【００３８】
これらの導体ペースト中には、絶縁層１との密着性を高めるために、アルミナ粉末や、絶縁層１を形成する酸化物セラミックス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。
【００３９】
なお、配線層２の形成は、上記ヴィアホールへのペーストを充填してヴィア導体３を形成するの前後或いは同時に、上記導体ペーストをグリーンシートに対しスクリーン印刷、グラヴィア印刷等の方法で印刷塗布して形成する。
【００４０】
その後、導体ペーストを充填したシート状成形体を位置合わせして積層圧着した後、この積層体を、この焼成を、非酸化性雰囲気中、焼成最高温度が１２００〜１５００℃の温度で焼成する。
【００４１】
この時の焼成温度が１２００℃より低いと、通常の原料を用いた場合において、アルミナ絶縁基板が相対密度９５％以上まで緻密化できず、熱伝導性や強度が低下し、１５００℃よりも高いと、ＷあるいはＭｏ自体の焼結が進み、Ｃｕの流動により均一組織を維持できなく、強いては低抵抗を維持することが困難となる。また、酸化物セラミックスの主結晶相の粒径が大きくなり異常粒成長が発生したり、Ｃｕがセラミックス中へ拡散するときのパスである粒界の長さが短くなるとともに拡散速度も速くなる結果、拡散距離を２０μｍ以下に抑制することが困難となるためである。焼成温度は、特に１２５０〜１４００℃が好ましい。
【００４２】
また、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が、特に、配線層中のＣｕの拡散を抑制する上では、水素及び窒素を含み露点＋３０℃以下、特に０〜２５℃の非酸化性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。焼成時の露点が＋３０℃より高いと、焼成中に酸化物セラミックスと雰囲気中の水分とが反応し酸化膜を形成し、この酸化膜とＣｕ含有導体のＣｕが反応してしまい、導体の低抵抗化の妨げとなるのみでなく、Ｃｕの拡散を助長してしまうためである。
【００４３】
【実施例】
平均粒径１．８μｍのアルミナ粉末に対して、焼結助剤として平均粒径３．５μｍのＭｎ2Ｏ3粉末、平均粒径１．０μｍのＳｉＯ2粉末、平均粒径０．８μｍのＭｇＣＯ3粉末を表１に示すような割合で添加し、混合した後、結合材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。
【００４４】
このスラリーを用いて、ドクターブレード法にて厚さ２５０μｍのシート状に成形してグリーンシートを作成した。そして、図１のように所望の部位にマイクロドリルを用いて穴を形成し、直径１００〜２００μｍのヴィアホールとした。
【００４５】
また、充填率及び収縮率を測定するための測定用試料は、縦３０ｍｍ、横３５ｍｍのグリーンシートを打ち抜きにより作製した。なお、充填率は、グリーンシートの重量と寸法から密度を算出し、その密度を理論密度で割り、相対密度として表した。また、収縮率は、焼成前後の寸法変化から算出した。
【００４６】
さらに、絶縁層とヴィア導体との剥離観察のため、図２に示すような２層の絶縁層に、上面から下面に貫通した８００個のヴィア導体を形成した評価基板を作製した。
【００４７】
次に、平均粒径が５μｍのＣｕ粉末と、平均粒径が０．８〜１２μｍのＷ粉末及び／又はＭｏ粉末とともに、所望によりＺｒＯ2、ＺｎＯ、ＬｉＣＯ3、ＭｇＣＯ3、Ａｌを表１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導体ペーストを作製した。
【００４８】
そして、グリーンシート上に上記導体ペーストを印刷塗布するとともに、ヴィアホールに上記配線層用導体ペーストを充填した。そして、配線導体が形成されたグリーンシートを積層圧着して積層体を作製した。
【００４９】
次いで、この積層体を実質的に水分を含まない酸素含有雰囲気中（Ｈ2＋Ｏ2）で脱脂を行った後、表１に示した焼成温度にて、露点２０℃の窒素水素混合雰囲気中にて焼成した。
【００５０】
また、作製した配線基板における配線導体の電気抵抗を４端子法にて測定し、得られた測定値を１５μｍ厚みの配線層のシート抵抗に換算した。その際には、以下の換算式を用いた。
シート抵抗＝｛（測定値）×（線幅）×１５｝／｛（線長）×（線厚み）｝
さらに、メタライズ（導体層）の収縮量の測定は表１に示す組成で調整したペーストをシート状に成形し、１５０℃のＮ2中で乾燥し、３０ｍｍ×３５ｍｍの寸法に打ち抜き、上述の方法により生密度を測定して粉末の充填率を計算した。その後、焼成して体積収縮率を測定し、メタライズと基板の収縮率の差を算出した。
【００５１】
また、不良率は、評価基板の８００個のヴィア導体に対して、絶縁層とヴィア導体との界面の空隙の有無を、蛍光探傷液に浸して界面に浸透するかどうかを観察し、空隙の観察された割合を百分率で表した。
【００５２】
さらに、外観観察は、上記ヴィア導体の上部に銅溜りや５０μｍ以上の膨れが存在した場合、及び配線導体において１０μｍ以上のしみ出しがある場合を「×」とした。
【００５３】
【表１】
0004753469.tif 000002
【００５４】
本発明の試料Ｎｏ．１〜５、７〜１２、１４〜１７、１９〜２３、２６及び２８〜３６は、絶縁基板が相対密度９５％以上、シート抵抗が８ｍΩ／□以下、不良率が０で、ヴィアを含め導体層のにじみや剥離の発生もなかった。なお、Ｘ線マイクロアナライザー分析（ＥＰＭＡ）を用いて測定したＣｕの平均拡散距離は２０μｍ以下であった。なお、試料Ｎｏ．２５及び２７は、参考例である。
【００５５】
一方、導体層組成において、Ｃｕ含有量が１０体積％よりも少なく、本発明の範囲外の試料Ｎo.６は、シート抵抗が高く、空隙を埋めるＣｕ量が少ないために絶縁層とヴィア導体との界面に蛍光探傷液の浸入が見られた。
【００５６】
また、Ｃｕ含有量が７０体積％よりも多く、本発明の範囲外の試料Ｎo.１３は、導体の保形性が悪くなるとともに、組織が不均一となるばかりでなくヴィア導体の欠落も発生するとともに、ヴィア導体ににじみおよび一部剥離も観察された。
【００５７】
さらに、導体組成において、Ｚｒ未添加で本発明の範囲外の試料Ｎｏ．１８は、絶縁層とメタライズの体積収縮率差が−８％と大きく界面に空隙が出来ていることが蛍光探傷液浸入不良率からわかった。
【００５８】
また、Ｚｒ添加量が３重量％を超え、本発明の範囲外の試料Ｎｏ．２４は、添加量が多いためにＣｕの分離が起こり、ヴィア導体の緻密化が達成されず蛍光探傷液の浸入が見られた。
【００５９】
【発明の効果】
本発明によれば、高熱伝導性のアルミナセラミックスからなる絶縁基板と表面及び／又は内部導体界面に連続した空隙の無い低抵抗導体を低温で同時焼成によって形成することができ、高信頼性の配線基板を得ることが出来る。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の配線基板の一実施態様を示す概略断面図である。
【図２】絶縁層とヴィア導体との界面の空隙の有無を観察するための評価基板の一部を示す概略断面図である。
【符号の説明】
１、１１・・・絶縁層
２・・・配線層
２ａ・・・表面配線層
２ｂ・・・内部配線層
３、１３・・・ヴィア導体
【図１】
0004753469.tif 000003
【図２】
0004753469.tif 000004