(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
アルミナを主成分とするセラミックスからなる絶縁基板の少なくとも表面に、焼成時に溶融したＣｕを１０〜７０体積％、タングステン粒子および／又はモリブデン粒子を３０〜９０体積％の割合で含有するメタライズ配線層が被着形成された配線基板であって、
前記メタライズ配線層における前記Ｃｕと前記タングステン粒子および／又は前記モリブデン粒子とが分離しておらず、前記メタライズ配線層の表面が表面粗さ（Ｒａ）２．５〜４．５μｍの焼き肌面となっていることを特徴とする配線基板。
【請求項２】
前記絶縁基板が、アルミナを主成分とし、Ｍｎを酸化物換算で２〜１０重量％の割合で含有する相対密度が９５％以上のセラミックスからなることを特徴とする請求項１記載の配線基板。
【請求項３】
前記メタライズ配線層のシート抵抗が８ｍΩ／□以下であることを特徴とする請求項１または請求項２記載の配線基板。
【請求項４】
アルミナを主成分とするグリーンシートの表面に、Ｃｕを１０〜７０体積％、タングステンおよび／又はモリブデンを３０〜９０体積％の割合で含有してなる導体ペーストを印刷塗布した後、該グリーンシートを重ねた積層体を、露点０℃〜３０℃の水蒸気を含む非酸化性雰囲気中で１２００〜１５００℃の温度で焼成し、表面粗さ（Ｒａ）が２．５〜４．５μｍの焼き肌面からなる表面のメタライズ配線層を形成することを特徴とする配線基板の製造方法。
【請求項５】
前記グリーンシートが、アルミナを主成分とし、Ｍｎを酸化物換算で２〜１０重量％の割合で含有することを特徴とする請求項４記載の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、アルミナを主成分とするセラミックスを絶縁基板とする配線基板及びその製造方法に関し、さらに詳しくは、絶縁基板の少なくとも表面に低抵抗の電気回路用のメタライズ配線層を具備し、絶縁基板と同時焼成によって形成される配線基板とその製造方法に関するものである。
【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つつあり、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配線層として用いることが要求されてきた。
【０００３】
このような半導体素子を搭載した配線基板としては、その信頼性の点から、従来、アルミナセラミックスを絶縁基板とし、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かった。
【０００４】
これに対して、近年に至り、低抵抗導体であるＣｕやＡｇと同時焼成可能な、いわゆるガラスセラミックスを用いた多層配線基板が提案されている。ところが、ガラスセラミックスの熱伝導率は高々数Ｗ／ｍ・Ｋしかなく、前記熱的問題を解決することが難しくなってきている。
【０００５】
そこで、この熱的問題点と電気的問題を同時に解決する方法として、アルミナに、Ｃｕ、またはＣｕとタングステンまたはモリブデンを組み合わせた導体層を同時焼成により形成する方法が、特開平８−８５０２号、特開平４−１２４０７１号、特開平７−１５１０１号、特許第２６６６７４４号に提案されている。
【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号は、そもそもアルミナを緻密化させるために１６００℃以上の高い温度で焼成するものであるが、このような高温でＣｕとタングステンおよび／又はモリブデンの導体層を焼成すると、タングステンやモリブデンの急激な焼結が進行して大きな凝集粒子を形成するために溶融した銅成分が表面に分離し、表面配線層ににじみが生じたり、Ｃｕの揮散が生じるなど、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、配線層中の銅成分が、焼成中に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ために、微細な配線層を高密度に形成することが難しいものであった。
【０００８】
また、特開平４−１２４０７１号、特開平７−１５１０１号によれば、表面配線層は、一旦、すべての配線層を絶縁基板内部に配設して同時焼成した後、研磨等により表面の絶縁層を研磨除去して内部配線層を表面に露出させたり、焼成後の配線基板の表面に、厚膜法や薄膜法によって表面配線層を形成するものである。そのために、表面配線層を形成するためには研磨工程、厚膜形成工程、薄膜形成工程などが不可欠の工程となるために、製造工程が多く、歩留りの低下やコスト高となるような問題があった。
【０００９】
さらに、特許第２６６６７４４号には、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ることにより、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達成したものであるが、このような微粉末は取扱いが非常に難しく、コスト高であるために、量産性に欠けるとともにコスト高となる問題があった。
【００１０】
従って、本発明は、アルミナ質のセラミックスからなる絶縁基板と同時焼成によって形成され、絶縁層の少なくとも表面に銅を含有する低抵抗の電気回路用のメタライズ配線層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。
【００１１】
【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、絶縁基板として、アルミナを主成分とし、配線層としてＣｕマトリックス中に特定の粒子のＷ，Ｍｏなどの高融点金属粒子を分散させるとともに、その表面メタライズ配線層の表面粗さが特定の範囲になるような条件で焼成することによって、絶縁基板との同時焼成時における表面メタライズ配線層の保形性を維持するとともに、低抵抗化を図ることができることを見いだし、本発明に至った。
【００１２】
即ち、本発明の配線基板は、アルミナを主成分とするセラミックスからなる絶縁基板の少なくとも表面に、焼成時に溶融したＣｕを１０〜７０体積％、タングステン粒子および／又はモリブデン粒子を３０〜９０体積％の割合で含有するメタライズ配線層が被着形成された配線基板であって、前記メタライズ配線層における前記Ｃｕと前記タングステン粒子および／又は前記モリブデン粒子とが分離しておらず、前記基板表面メタライズ配線層の表面が表面粗さ（Ｒａ）２．５〜４．５μｍの焼き肌面となっていることを特徴とするものである。
【００１３】
かかる配線基板において、前記絶縁基板は、アルミナを主成分とし、Ｍｎを酸化物換算で２〜１０重量％の割合で含有する相対密度が９５％以上のセラミックスからなることが高熱伝導化およびメタライズ配線層の低抵抗化および保形性を保つ上で望ましく、前記メタライズ配線層のシート抵抗が８ｍΩ／□以下であることを特徴とするものである。
【００１４】
また、上記の配線基板を作製する方法としては、アルミナを主成分とするグリーンシートの表面に、Ｃｕを１０〜７０体積％、タングステンおよび／又はモリブデンを３０〜９０体積％の割合で含有してなる導体ペーストを印刷塗布した後、該グリーンシートを重ねた積層体を、露点０℃〜３０℃の水蒸気を含む非酸化性雰囲気中、特に１２００〜１５００℃の低温で焼成することを特徴とするものであり、特に低温での焼結性を高める上で前記グリーンシートが、アルミナを主成分とし、Ｍｎを酸化物換算で２〜１０重量％含有することが望ましい。
【００１５】
【発明の実施の形態】
（基本構造）
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である図１を基に説明する。図１に示すように、本発明の配線基板によれば、アルミナを主成分とするセラミックスからなる絶縁基板１の少なくとも表面にメタライズ配線層２ａが被着形成されており、また図１の配線基板は多層化されており、表面メタライズ配線層２ａとともに、絶縁基板１の内部に内部メタライズ配線層２ｂが形成されており、さらに、絶縁基板１内部には異なる層間のメタライズ配線層を接続するためにビアホール導体３が形成されている。
【００１６】
なお、本発明の配線基板における上記の表面メタライズ配線層２ａ、内部メタライズ配線層２ｂ、ビアホール導体３はいずれも絶縁基板１とともに同時焼成によって形成されたものであり、また、表面メタライズ配線層２ａは、研磨などによって露出形成されたものではなく、その表面は焼き肌面によって形成されていることも大きな特徴である。
（表面メタライズ配線層）
本発明によれば、表面メタライズ配線層２ａは、導体成分としてＣｕを１０〜７０体積％、タングステンおよび／又はモリブデンを３０〜９０体積％の割合で含有する導体材料から構成されている。
【００１７】
この表面メタライズ配線層２ａの導体成分を上記範囲に限定するのはメタライズ配線層の低抵抗化と前記アルミナセラミックスからなる絶縁基板１との同時焼結性を達成するとともに、表面メタライズ配線層２ａの電気回路形成用としての同時焼成後の回路形状の保形性を維持する為である。
【００１８】
即ち、上記Ｃｕが１０体積％よりも少なく、Ｗ、Ｍｏ量が９０体積％よりも多いと、電気回路用のメタライズ配線層のシート抵抗が８ｍΩ／□よりも高くなり、当初の目的が達成されず、また、Ｃｕ量が７０体積％よりも多く、Ｗ、Ｍｏ量が３０体積％よりも少ないと、表面メタライズ配線層の同時焼成後の保形性が低下し、表面メタライズ配線層２ａにおいてにじみが発生して微細なパターンが形成できないばかりか、溶融したＣｕによって表面メタライズ配線層２ａが凝集して断線が生じるとともに、絶縁基板１とメタライズ配線層の熱膨張係数差により表面メタライズ配線層２ａの剥離が発生するためである。最適な組成範囲は、Ｃｕを４０〜６０体積％、Ｗ及び／又はＭｏを６０〜４０体積％である。
【００１９】
また、本発明においては、上記導体成分からなる表面メタライズ配線層２ａの表面粗さ（Ｒａ）が２．５〜４．５μｍであることが大きな特徴である。これは上記表面粗さ（Ｒａ）が２．５μｍよりも小さい場合、焼結過程で溶融したＣｕが絶縁基板との濡れ性が低下し表面に溶融したＣｕが浮き出た状態を意味し、その結果、Ｃｕが表面側へ、ＷやＭｏが基板側に分離してメタライズ配線層の溶融Ｃｕと絶縁基板との界面、或いはＷ又は／及びＭｏ粒子との界面に微小な空隙が残留し、メタライズ配線層のシート抵抗が高くなるためである。
【００２０】
また、表面粗さ（Ｒａ）が４．５μｍよりも大きい場合、焼結過程で溶融したＣｕと絶縁基板との濡れ性が高すぎることを意味し、Ｃｕが基板側に、ＷやＭｏが表面側に分離して、メタライズ表面にＷ又は／及びＭｏの粒子同士が非接触（未焼結）の状態で存在し、溶融したＣｕが基板側に吸収拡散してしまい、メタライズ配線層の有効断面積が小さくなりシート抵抗が高くなるためである。
【００２１】
表面メタライズ配線層の表面粗さ（Ｒａ）は特に２．５〜４．０μｍ、さらには３〜３．５μｍであることが最も望ましい。
（内部メタライズ配線層）
一方、絶縁基板１の内部メタライズ配線層２ｂおよびビアホール導体３はいずれも表面メタライズ配線層２ａと同一の導体成分からなることが微細回路を形成する上で望ましいが、これらは絶縁層間に挟持された構造からなるために、回路によっては、導体成分としてＣｕを７０体積％以上含有していてもよい。
（絶縁基板）
本発明において、絶縁基板１は、アルミナを主成分とするセラミックスからなるものであるが、絶縁基板の高熱伝導性および高強度化を達成する上では、相対密度９５％以上、特に９７％、さらには９８％以上の高緻密体から構成されるものであり、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く、抗折強度は３５０ＭＰａ以上、特には４００ＭＰａ以上であることが望ましい。
【００２２】
本発明では、配線基板において表面メタライズ配線層２ａ及び内部メタライズ配線層２ｂ、ビアホール導体３との同時焼結時による保形性を達成する上で１２００〜１５００℃の低温で焼成することが必要となるが、本発明によれば、このような低温での焼成においても絶縁層の相対密度を９５％以上に緻密化することが必要となる。
【００２３】
かかる観点から、本発明における絶縁基板１は、アルミナを主成分とするもの、具体的にはアルミナを８４重量％以上の割合で含有するものであるが、添加成分として、Ｍｎ化合物を酸化物換算で２．０〜１０．０重量％の割合で含有することが望ましい。即ち、Ｍｎ化合物量が２．０重量％よりも少ないと、１２００〜１５００℃での緻密化が難しく、また１０．０重量％よりも多いと絶縁基板１の絶縁性、熱伝導率が低下するためである。Ｍｎ化合物の最適な範囲は、Ｍｎ2Ｏ3換算で３〜７重量％である。
【００２４】
また、この絶縁基板１中には、第３の添加成分として、Ｓｉ、Ｍｇ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂ、Ｎｂ、Ｃｒ、Ｃｏの内から選ばれる１種以上をメタライズ配線層との同時焼結性を高める上で酸化物換算で０．１〜１０重量％の割合で含有せしめることが望ましい。
【００２５】
さらに第４の添加成分として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よい。
【００２６】
上記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、絶縁基板１を形成するアルミナ主結晶相は、粒状または柱状の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であり、特に１．７〜２．５μｍ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、１０Ｗ／ｍＫ以下になりやすい。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。
（製造方法）
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。まず、絶縁基板を形成するために、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１．０〜２．０μｍ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ためである。
【００２８】
そして、上記アルミナ粉末に対して、第２の添加成分として、Ｍｎ2Ｏ3を２．０〜１０．０重量％、特に３．０〜７．０重量％の割合で添加する。また、適宜、第３の添加成分として、Ｓｉ、Ｍｇ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂ、Ｎｂ、Ｃｒ、Ｃｏの内から選ばれる１種以上を酸化物換算で０．１〜１０重量％、第４の添加成分として、Ｗ、Ｍｏ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。
【００２９】
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。
【００３０】
そして、この混合粉末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。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シート状成形体を作製できる。そしてこのシート状成形体に対して、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する。
【００３１】
このようにして作製したシート状成形体に対して、表面の電気回路形成用として、Ｃｕ粉末と、Ｗ及び／またはＭｏ粉末を含有する導体ペーストを、内部の電気回路形成用として、Ｃｕ粉末、またはＣｕ粉末とＷ及び／またはＭｏ粉末を含有する導体ペーストを調製して、このペーストを各シート状成形体に回路パターン状に印刷塗布、あるいはビアホール内に充填する。
【００３２】
これら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、アルミナ粉末や、絶縁基板を形成するアルミナ質のセラミックス成分と同一の組成物粉末やＮｉ等の活性金属、或いはそれらの酸化物を０．０５〜２体積％の割合で添加することも可能である。
【００３３】
その後、導体ペーストを施したシート状成形体を位置合わせして積層圧着した後、非酸化性雰囲気中で焼成する。本発明によれば、この焼成を露点０℃〜３０℃の水蒸気を含む非酸化性雰囲気中で行なうことが重要である。なお、この非酸化性雰囲気とは、窒素、あるいは窒素と水素との混合雰囲気、あるいは所望により、アルゴンガス等の不活性ガスを混入してもよい、
なお、焼成時の露点を上記の範囲に限定したのは、露点が０℃よりも低い場合には、低融点であるＣｕ表面の還元が強くなる為に、絶縁基板を構成するアルミナとの濡れ性が劣化し、メタライズ配線層の表面側に溶融したＣｕが浮き出して表面粗さが２．５μｍよりも小さくなり、表面メタライズ配線層内部に微小な空隙が残存し、シート抵抗が高くなるためである。
【００３４】
また、露点が３０℃を超える場合には、Ｃｕの酸化が促進され同時焼成を行う場合に焼成途中で、未焼結のアルミナの絶縁基板との濡れ性が高まり、ポーラスな絶縁基板中にＣｕが拡散し、メタライズ配線層中のＣｕが体積的に減少するために、メタライズ配線層表面にＷ又は／及びＭｏ粒子の非接触構造ができ、表面メタライズ配線層の表面粗さ（Ｒａ）が４．５μｍを超えてしまい、シート抵抗が高くなってしまうためである。好適には、焼成時の露点は５〜２５℃の範囲が良い。
【００３５】
また、焼成温度は最高温度が１２００〜１５００℃の温度となる条件で焼成することが望ましい。これは焼成温度が１２００℃より低いと、通常のアルミナ原料を用いた場合において、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の流動によりメタライズ配線層中での均一な組織を維持できず、強いては低抵抗を維持することが困難となる。また、アルミナ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、Ｃｕの絶縁基板への拡散が大きくなり、設計上の拡散の限界である３０μｍ以内にに抑制することが困難となるためである。好適には、１２５０〜１４００℃の範囲がよい。
【００３６】
【実施例】
アルミナ粉末（平均粒径１．７μｍ）に対して、Ｍｎ2Ｏ3を表１に示すような割合で添加するとともに、ＳｉＯ2：６．０重量％、ＭｇＯを０．５重量％の割合で添加混合した後、さらに、成形用有機樹脂（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２５０μｍのシート状に成形した。
【００３７】
次に、表１に示すような比率でＷ又は／及びＭｏを含有した銅導体ペーストを作製した。
【００３８】
そして、シート状成形体上に焼成後の線幅が１５０μｍになる抵抗測定用のパターンを印刷した。得られたシートを４層積層圧着し積層体を作製した。その後、この成形体積層体を露点２３℃の窒素水素混合雰囲気にて脱脂を行なった後、連続して表１に示した露点−１５℃〜３５℃での窒素水素混合雰囲気にて焼成して配線基板を作製した。
【００３９】
作製した配線基板における表面メタライズ配線層の表面粗さ（Ｒａ）を触針式の表面粗さ計よって測定するとともに、シート抵抗を測定した。また、表面メタライズ配線層の保形性（外観）を観察し表１に示した。
【００４０】
【表１】
0003898400.tif 000002
【００４１】
表１に示すように、焼成時の露点が０℃よりも低い試料Ｎｏ．１、２では焼成時に溶融したＣｕと絶縁層であるアルミナとの濡れが悪く、表面粗さ（Ｒａ）が２．５μｍよりも小さくなり、シート抵抗が８ｍΩ／□以下を満足できなくなった。更に、露点が３０℃を超える試料Ｎｏ．８ではＣｕとアルミナの濡れ性が向上し、配線層中のＣｕが絶縁基板表面または内部に拡散・侵入し表面メタライズ配線層の表面粗さが４．５μｍを超え、シート抵抗が８ｍΩ／□よりも大きくなった。
【００４２】
また、Ｃｕ比率が１０体積％以下の試料Ｎｏ．９ではＷ，Ｍｏ比率が多いことからＷ，Ｍｏ自体の未焼結に伴いメタライズの表面粗さが４．５μｍを超え、シート抵抗が８ｍΩ／□よりも高くなった。また、Ｃｕ比率が７０％を超える試料Ｎｏ．１５では焼成後の配線形状が保持されずにじみが発生し配線基板として使用できなくなった。
【００４３】
さらに、アルミナセラミックスの組成においては、Ｍｎ2Ｏ3の含有量が２〜１０重量％の範囲で高い熱伝導性が得られた。また、焼成温度でも１２００〜１５００℃での低温焼成で低抵抗の表面メタライズ配線層を有する配線基板を作製することができた。
【００４４】
【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、表面メタライズ配線層にＣｕとＷまたは／及びＭｏの金属を用いた場合に配線の表面粗さ（Ｒａ）を２．５〜４．５μｍにすることでシート抵抗を低下させ、高熱伝導性のアルミナとの同時焼成により低抵抗金属を含む表面メタライズ配線層を形成できることから、高信頼性の低抵抗、良熱伝導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。
【符号の説明】
１  絶縁基板
２ａ  表面メタライズ配線層
２ｂ  内部メタライズ配線層
３  ビアホール導体
【図１】
0003898400.tif 000003