(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
セラミックス基板材料粉末に焼結助剤を添加して原料粉末を解砕および混合した後シート成形して成形体とする工程と、
前記成形体に孔または溝からなる加工部を形成する工程と、
加工部が形成された前記成形体を焼成して、熱伝導率１６０Ｗ／ｍ・ｋ以上の窒化アルミニウム（ＡｌＮ）焼結体または熱伝導率６０Ｗ／ｍ・ｋ以上の窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）焼結体からなる焼結体とする焼成工程と、
前記焼結体を前記焼成工程よりも５０℃以上低い温度で再加熱して、前記加工部近傍に存在するファインクラックに液相成分を充填させる再加熱工程と、
前記ファインクラックに液相成分が充填された焼結体の表面にメタライズ層を形成するメタライズ工程と、
を備えることを特徴とするセラミックス回路基板の製造方法。
【請求項２】
セラミックス基板材料粉末に焼結助剤を添加して原料粉末を解砕および混合した後シート成形して成形体とする工程と、
前記成形体を焼成して、熱伝導率１６０Ｗ／ｍ・ｋ以上の窒化アルミニウム（ＡｌＮ）焼結体または熱伝導率６０Ｗ／ｍ・ｋ以上の窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）焼結体からなる焼結体とする焼成工程と、
前記焼結体に孔または溝からなる加工部を形成する工程と、
加工部が形成された前記焼結体を前記焼成工程よりも５０℃以上低い温度で再加熱して、前記加工部近傍に存在するファインクラックに液相成分を充填させる再加熱工程と、
前記ファインクラックに液相成分が充填された焼結体の表面にメタライズ層を形成するメタライズ工程と、
を備えることを特徴とするセラミックス回路基板の製造方法。
【請求項３】
請求項１または２記載のセラミックス回路基板の製造方法において、焼成工程後、焼結体に表面加工を施して、平坦度を２０μｍ／１０ｍｍ以下としたことを特徴とするセラミックス回路基板の製造方法。
【請求項４】
請求項１または２記載のセラミックス回路基板の製造方法において、焼成工程後、焼結体に表面加工を施して、表面粗さをＲａで１．０μｍ以下としたことを特徴とするセラミックス回路基板の製造方法。
【請求項５】
請求項１または２記載のセラミックス回路基板の製造方法において、焼結助剤は、少なくとも１種類の希土類酸化物を含み、前記焼結助剤を、セラミックス基板材料粉末に対して３重量％以上１５重量％以下の割合で添加したことを特徴とするセラミックス回路基板の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、特に、半導体用回路基板に適用される窒化アルミニウム（ＡｌＮ）焼結体または窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）焼結体からなるセラミックス回路基板およびその製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、半導体用回路基板として、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）基板、窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）基板などの高熱伝導性のセラミックス基板が製造されてきた。これらのセラミックス基板には、孔または溝などの加工部が形成される。例えば、加工部は、貫通孔（スルーホール）または多個取りで孔加工によって形成される側面の凹形状部分等の孔形状を有する。この加工部には、通常セラミックス基板の表裏面を電気的に導通させる目的で、厚膜、薄膜などのメタライズ処理が施されている。
【０００３】
セラミックス基板に孔または溝を形成する技術として、セラミックス基板の焼成後に加工部を形成する方法と、セラミックス基板の焼成前に加工部を形成する方法とが挙げられる。
【０００４】
焼成後に加工部を形成する方法としては、研磨、またはレーザによる方法などがある。
【０００５】
焼成後に加工部を形成する方法では、概して、寸法精度の面において優れているものの、硬くてもろいセラミックスを精度良く加工するためには、装置、治工具、インデックス（加工時間）などに付加がかかり、量産性に優れているとはいえない。
【０００６】
レーザによる孔あけ加工では、位置精度や少量他品種に対応する加工自由度においては優れているが、孔形状がストレートではなく加工面から裏面に向かって孔形が小さくなるという、レーザ加工特有の欠点がある。
【０００７】
また、セラミックス基板として、１６０Ｗ／ｍｋ程度以上の高熱伝導性を有する窒化アルミニウム（ＡｌＮ）基板を適用した場合には、熱が拡散しやすく、熱伝導率が高いほど加工部形成に要求される電力が高くなり、コスト低減を図ることが難しいという問題があった。
【０００８】
このため、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）基板などの高熱伝導性を有するセラミックス基板では、焼成前に加工部を形成する方法が適用されている。これは、焼成前のグリーンシートの状態でパンチング・プレス型により加工部を形成するものである。この方法によれば、グリーンシートの量産性が優れているため、セラミックス基板の量産化が可能である。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、グリーンシートに加工部を形成する方法では、孔加工後に脱脂工程および焼成工程を施すため、寸法精度や表面状態を制御するために、例えば、表面粗さ設定値以下にする等の表面処理、すなわち後加工処理を行う必要がある。このため、後加工処理を行った場合には、既にあけられた孔部分にダメージが加わり孔加工エッジ部分よりファインクラックが発生してしまう。これにより、最終的な接合処理の接合強度等の特性が劣化し、品質が低下してしまうという問題を有していた。
【００１０】
また、熱伝導率が高いＡｌＮ基板は、熱伝導率が高くなれば高くなるほど基板粒子の粒径が大きくなりファインクラックが発生しやすくなるという特徴がある。このため、ＡｌＮ基板を用いた場合には、後加工処理の加工技術だけでは孔などの加工部の寸法精度を制御しにくいという問題を有していた。
【００１１】
一方、さらに高い寸法精度の孔を有するセラミックス基板を得るために、焼結後の超音波による孔あけ方法などが適用されている。ところが、上述したように、超音波を用いた方法であっても、焼結後に加工部を形成することから、寸法精度の面において優れているが量産性に優れていない。特に、熱伝導率の高い窒化アルミニウム（ＡｌＮ）基板を用いた場合には、熱伝導率が高い程基板粒子の粒径が大となりファインクラックが発生し易いことから、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）基板の製造方法には適していない等の問題を有していた。
【００１２】
本発明は、このような問題を解決するためになされたものであり、セラミックス基板に形成される加工部に生じるファインクラックの発生を防止し、品質を向上させたセラミックス回路基板を提供するとともに、低コスト化および量産化可能なセラミックス回路基板の製造方法を提供することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは上記目的を達成するため、特に、セラミックス回路基板の製造手順について種々検討し、焼成工程後に再加熱を施すことにより、セラミックス基板に発生したファインクラック内に液相成分が浸透し、ファインクラックを解消または緩和できることを見い出し、本発明を完成するに至ったものである。
【００１７】
請求項１記載のセラミックス回路基板の製造方法は、セラミックス基板材料粉末に焼結助剤を添加して原料粉末を解砕および混合した後シート成形して成形体とする工程と、前記成形体に孔または溝からなる加工部を形成する工程と、加工部が形成された前記成形体を焼成して、熱伝導率１６０Ｗ／ｍ・ｋ以上の窒化アルミニウム（ＡｌＮ）焼結体または熱伝導率６０Ｗ／ｍ・ｋ以上の窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）焼結体からなる焼結体とする焼成工程と、前記焼結体を前記焼成工程よりも５０℃以上低い温度で再加熱して、前記加工部近傍に存在するファインクラックに液相成分を充填させる再加熱工程と、前記ファインクラックに液相成分が充填された焼結体の表面にメタライズ層を形成するメタライズ工程と、を備えることを特徴とする。
【００１８】
請求項２記載のセラミックス回路基板の製造方法は、セラミックス基板材料粉末に焼結助剤を添加して原料粉末を解砕および混合した後シート成形して成形体とする工程と、前記成形体を焼成して、熱伝導率１６０Ｗ／ｍ・ｋ以上の窒化アルミニウム（ＡｌＮ）焼結体または熱伝導率６０Ｗ／ｍ・ｋ以上の窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）焼結体からなる焼結体とする焼成工程と、前記焼結体に孔または溝からなる加工部を形成する工程と、加工部が形成された前記焼結体を前記焼成工程よりも５０℃以上低い温度で再加熱して、前記加工部近傍に存在するファインクラックに液相成分を充填させる再加熱工程と、前記ファインクラックに液相成分が充填された焼結体の表面にメタライズ層を形成するメタライズ工程と、を備えることを特徴とする。
【００１９】
請求項３記載の発明は、請求項１または２記載のセラミックス回路基板の製造方法において、焼成工程後、焼結体に表面加工を施して、平坦度を２０μｍ／１０ｍｍ以下としたことを特徴とする。
【００２０】
本発明は、表面加工により、１０ｍｍ×１０ｍｍ四方における最大高さと最小高さとの差を２０μ以下としたものである。
【００２１】
請求項４記載の発明は、請求項１または２記載のセラミックス回路基板の製造方法において、焼成工程後、焼結体に表面加工を施して、表面粗さをＲａ（ＪＩＳ規格で定められた算術平均粗さ）で１．０μｍ以下、好ましくは０．８μｍ以下としたことを特徴とする。
【００２２】
請求項５記載の発明は、請求項１または２記載のセラミックス回路基板の製造方法において、焼結助剤は、少なくとも１種類の希土類酸化物を含み、前記焼結助剤を、セラミックス基板材料粉末に対して３重量％以上１５重量％以下の割合で添加したことを特徴とする。
【００２３】
本発明のセラミックス回路基板の製造方法において、焼成工程後に、還元雰囲気中、液相成分が移動する温度にて再加熱することで、セラミックス基板に生じたファインクラックに液相成分が充填されるため、表面加工処理などの後加工処理で発生したファインクラックを解消または緩和できる。再加熱時の熱処理温度は焼結温度より５０℃以上低い温度で行うことがよい。例えば、ＡｌＮ基板を用いた場合には、１８００℃で焼結した後、１７５０℃以下の温度で再加熱することが好ましい。一方、Ｓｉ３Ｎ４基板を用いた場合も同様に、１８００℃で焼結した後、同じく１７５０℃以下の温度で再加熱することが好ましい。このとき、再加熱温度が焼結温度と同じもしくはそれ以上に高いと再焼結している状態と同じになり、粒成長などを伴うため得られる焼結体の特性を変化させてしまうおそれがあるため好ましくない。また、再加熱における最低温度は液相成分が移動する温度であるため、主成分の違い、用いる助剤の量や種類によって変わるが、１６００℃以上が好ましい。あまり再加熱温度が低いと液相成分の移動が少なく再加熱時間が必要以上に長くなり、逆に再加熱温度があまり高いと前述のように再焼結している状態と同じになり、得られるセラミックス焼結体の特性を変化させてしまうおそれがあるため、再加熱温度は１６００℃以上、焼結温度より５０℃低い温度以下が好ましい範囲となる。また、Ｓｉ３Ｎ４基板を用いた場合には、１８００℃にて焼成した後、１７５０℃以上の温度で再加熱すると良い。
【００２４】
なお、再加熱温度が高く再加熱時間が長いほどファインクラックの解消を促進するが、コストパフォーマンスを考慮した場合必ずしも完全にファインクラックを解消する必要はなく、接合処理にて要求される特性を以上のレベルを満足していればよい。
【００２５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態について、実施例１ないし実施例４、比較例１および比較例２を用いて説明する。
【００２６】
［実施例１（表１）］
本実施例では、セラミックス基板として窒化アルミニウム（ＡｌＮ）基板を用い、焼成前にグリーンシートへの孔加工を行った。
【００２７】
まず、平均粒径１．５μｍの窒化アルミニウム粉末に対して焼結助剤として酸化イットリウム（Ｙ２Ｏ３）を３ｗｔ％添加し、高分子系分散剤、トルエン、Ｎ−ブタノール、メチルエチルケトンを加え、ボールミルにて解砕および混合を行った。その後、アクリルバインダーとジブチルフタレートを混合しスラリーを作製した。作製したスラリーをドクターブレード法によりシート成形を行った後、切断して大きさ１００ｍｍ×１００ｍｍ、厚さ１ｍｍのグリーンシートを得た。このグリーンシートにパンチング法を用いて、直径φ０．６ｍｍの大きさの孔を均等間隔で５０ヵ所作製した。その後、還元雰囲気中、８００℃の温度で脱脂後、窒素雰囲気中、１８００℃の温度で４．５時間焼成してＡｌＮ基板焼結体を得た。このＡｌＮ基板焼結体の熱伝導率をレーザフラッシュ法で測定したところ１９０Ｗ／ｍｋであった。ＡｌＮ基板の敷き粉を除去した後、ラッピング加工により表面粗さ０．８μｍ（Ｒａ）のＡｌＮ基板を作製した。作製したＡｌＮ基板を窒素雰囲気中で１７５０℃の温度で１．２時間再加熱した。
【００２８】
得られたＡｌＮ基板にチタン（Ｔｉ）、ニッケル（Ｎｉ）、金（Ａｕ）にて薄膜をパターン形成した。窒水素雰囲気中、８５０℃の温度で、銀ろうを使用してコバール製のリードフレームを接合した。
【００２９】
このようにして得られたリードフレームを引っ張り試験器にて接合強度を測定したところ、表１に示すように、１８Ｎという値であった。
【００３０】
【表１】
0004515562.tif 000002
【００３１】
また、再加熱前に、ＡｌＮ基板焼結体の孔周囲を電子顕微鏡で３０００倍の倍率で観察したところ、孔周囲部分を起点としたファインクラックが観察されたが、再加熱後にも、同じようにＡｌＮ基板の孔周囲を電子顕微鏡にて観察したところファインクラックは解消され、ほとんど観察されなかった。さらに、再加熱後、ファインクラックを解消した成分を定性分析したところ、Ｙ成分が多く観察された。
【００３２】
［比較例１（表１）］
本比較例では、セラミックス基板として窒化アルミニウム（ＡｌＮ）基板を用い、実施例１と同様の方法でＡｌＮ基板を製造し、ラッピング加工後の加熱を行わなかった。得られたＡｌＮ基板について、実施例２と同様に薄膜処理を行い、リードフレームの接合強度を測定したところ５Ｎと低い値であった。
【００３３】
［実施例２（表１）］
本実施例では、セラミックス基板として窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）基板を用い、焼結後に超音波法で孔加工を行った。
【００３４】
まず、平均粒径０．６μｍの窒化ケイ素粉末に焼結助剤として酸化イットリウム（Ｙ２Ｏ３）粉末を５ｗｔ％、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）粉末を０．２ｗｔ％添加して原料粉末を調整し、ボールミルにて解砕および混合を行った。この原料粉末にアクリル高分子、ジブチルフタレート、トルエン、Ｎ−ブタノールおよびメチルイソブチルケトンなどの混合溶媒からなるバインダ成分を混合してスラリーを作製した。作製したスラリーをドクターブレード法によりシート成形を行った後、切断して大きさ１００ｍｍ×１００ｍｍ、厚さ１ｍｍのグリーンシートを得た。このグリーンシートを還元雰囲気中、８００℃の温度で脱脂した後、加圧窒素雰囲気中、１８５０℃の温度で６時間焼成してＳｉ３Ｎ４基板焼結体を得た。このＳｉ３Ｎ４基板焼結体の熱伝導率をレーザフラッシュ法で測定したところ６０Ｗ／ｍｋであった。Ｓｉ３Ｎ４基板の敷き粉を除去した後、ラッピング加工により表面粗さ０．６μｍ（Ｒａ）のＳｉ３Ｎ４基板を作製した。このＳｉ３Ｎ４基板に超音波法で直径φ０．２ｍｍの大きさの孔を均等間隔で５０ヵ所作製し、作製したＳｉ３Ｎ４基板を加圧窒素雰囲気中で１７５０℃の温度で１．２時間再加熱した。
【００３５】
得られたＳｉ３Ｎ４基板にチタン（Ｔｉ）、ニッケル（Ｎｉ）、金（Ａｕ）にて薄膜をパターン形成した。窒水素雰囲気中、８５０℃の温度で、銀ろうを使用してコバール製のリードフレームを接合した。
【００３６】
このようにして得られたリードフレームを引っ張り試験器にて接合強度を測定したところ、表１に示すように、２０Ｎという値であった。
【００３７】
また、再加熱前に、Ｓｉ３Ｎ４基板焼結体の孔周囲を電子顕微鏡で３０００倍の倍率で観察したところ、孔周囲部分を起点としたファインクラックが観察されたが、再加熱後にも、同じようにＳｉ３Ｎ４基板の孔周囲を電子顕微鏡にて観察したところファインクラックは解消され、ほとんど観察されなかった。さらに、再加熱後、ファインクラックを解消した成分を定性分析したところ、Ｙ成分及びＡｌが多く観察された。
【００３８】
［比較例２（表１）］
本比較例では、セラミックス基板として窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）基板を用い、実施例１と同様の方法でＳｉ３Ｎ４基板を製造し、ラッピング加工後の加熱を行わなかった。得られたＳｉ３Ｎ４基板について、実施例１と同様に薄膜処理を行い、リードフレームの接合強度を測定したところ１１Ｎと低い値であった。
【００３９】
［実施例３（表３：試料Ｎｏ．１〜試料Ｎｏ．１０）］
本実施例では、実施例１で作製したＡｌＮ基板を用いた。このＡｌＮ基板に表２に示すように、再加熱工程での温度および時間を変えた試料Ｎｏ．１ないし試料Ｎｏ．１０を得た。得られた各試料について平坦度および表面粗さＲａを測定した。なお、平坦度は、リードフレーム接合面の任意の直線距離１０ｍｍにおける凹凸の最小値と最大値との差を測定したものである。
【００４０】
【表２】
0004515562.tif 000003
【００４１】
表２から分かる通り、再加熱処理の温度は焼結温度より５０℃低い１７５０℃から１６００℃程度が好ましい範囲であると言える。また、再加熱時間も１〜２時間が最適であり、試料Ｎｏ．７のように３０分程度の短い時間だとその効果が薄く、逆に試料Ｎｏ．８のように長すぎても平坦度の改善が見られず製造時間およびコストの面からも１〜２時間が好ましいと言える。このような範囲で再加熱を行えば平坦度が向上し、その結果表面粗さＲａの改善も図れることが分かった。
【００４２】
一方、再加熱温度が試料Ｎｏ．６のように１８００℃と高いと、２度焼結していることと同じ状態になってしまうため、再度ＡｌＮ粒子の成長が始まり、一度表面研磨した基板であるにもかかわらず、表面が粗くなってしまうことが分かった。
【００４３】
［実施例４（表３：試料Ｎｏ．１１〜試料Ｎｏ．２０）］
本実施例では、実施例２で作製したＳｉ３Ｎ４基板を用いた。このＳｉ３Ｎ４基板に表３に示すように、再加熱工程での温度および時間を変えた試料Ｎｏ．１１ないし試料Ｎｏ．２０を得た。得られた各試料について平坦度および表面粗さＲａを測定した。なお、平坦度はリードフレーム接合面の任意の直線距離１０ｍｍにおける凹凸の最小値と最大値との差を測定したものである。
【００４４】
【表３】
0004515562.tif 000004
【００４５】
表３から分かる通り、Ｓｉ３Ｎ４基板においても再加熱処理の効果は認められ、再加熱工程における温度および時間ともＡｌＮ基板のときとほぼ同じ傾向が見られる。なお、平坦度の改善は、Ｓｉ３Ｎ４基板の方がＡｌＮ基板よりもややよくなっているが、これは結晶粒径や粒界相の構成形態の違いによるものと思われ、液相成分を構成する焼結助剤の存在は必須であると言える。このような観点から、本発明のセラミックス回路基板には焼結助剤を所定量含むものが好適であると言え、ＡｌＮ基板に関しては焼結助剤を１０ｗｔ％以下、Ｓｉ３Ｎ４基板には焼結助剤を１８ｗｔ％以下添加すると良いことが分かった。
【００４６】
本実施形態によれば、再加熱を施すことにより、ＡｌＮ基板内またはＳｉ３Ｎ４基板内に存在する液相成分が、これらのセラミックス基板表面に滲み出してファインクラックに充填されるため、セラミックス基板でのファインクラックの発生を防止し、信頼性の高いセラミックス基板を得られる。
【００４７】
また、熱伝導率の高いＡｌＮ基板を適用した場合には、焼成前に加工部を形成するため、加工部形成が容易であることから、セラミックス基板を量産できる。また、熱伝導率が高いことから熱放散性に優れ、消費電力の高い半導体などにセラミックス基板を適用できる。
【００４８】
一方、Ｓｉ３Ｎ４基板を適用した場合には、焼成後に加工部を形成するため、高い加工精度を得られるだけでなく、ＡｌＮ基板よりも熱伝導率が低いことから、焼成後に超音波法などで孔などの加工部を形成した場合でも、ＡｌＮ基板に比較して熱が拡散しないため、加工部形成に要求される電力を低くでき、コスト低減を図ることができる。さらに、窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）は破壊靭性値が高いことから、孔加工や表面加工を行う際のファインクラックの発生および進展をより低減することができ、高品質のセラミックス基板を得られる。
【００４９】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明のセラミックス回路基板の製造方法により作製されたセラミックス回路基板によれば、ファインクラックの発生を防止して、高品質のセミックス基板を得られるだけでなく、量産化および低コスト化を図ることができる。