(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
セラミックグリーンシートの所定位置に貫通孔を形成する孔明け工程と、
前記孔明け工程の後に、前記セラミックグリーンシートの下面に粘着性フィルム状材料を貼り付ける第１貼り付け工程と、
前記第１貼り付け工程の後に、前記貫通孔にペースト状金属材料を充填し、充填金属材料層を形成する、金属材料充填工程と、
前記金属材料充填工程の後に、前記セラミックグリーンシートの上面にペースト状金属材料を塗布し、第１金属材料層を形成する第１塗布工程と、
前記セラミックグリーンシート、前記充填金属材料層および第１金属材料層により構成される第１セラミック基体を加圧処理する第１加圧工程と、
前記第１加圧工程の後に、前記粘着性フィルム状材料を剥離する第１剥離工程と
を備えた、セラミック基板の製造方法。
【請求項２】
前記粘着性フィルムを剥離した前記第１セラミック基体を上下反転させた後、前記第１セラミック基体の上面にペースト状金属材料を塗布し、第２金属材料層を形成する第２塗布工程と、
前記第１セラミック基体および前記第２金属材料層により構成される第２セラミック基体に加圧処理を施す第２加圧工程と、
加圧処理された前記第２セラミック基体を焼結する工程と
をさらに備えた、請求項１記載のセラミック基板の製造方法。
【請求項３】
前記第１塗布工程の後、前記第１加圧工程の前に、前記第１セラミック基体の上面に保護フィルムを貼り付ける第２貼り付け工程をさらに備え、かつ、前記第１剥離工程の後に前記保護フィルムを剥離する第２剥離工程を備えた、請求項１記載のセラミック基板の製造方法。
【請求項４】
前記第１塗布工程の後、前記第１加圧工程の前に、前記第１セラミック基体の上面に保護フィルムを貼り付ける第２貼り付け工程をさらに備え、かつ、前記第２塗布工程の後、前記第２加圧工程の前に前記保護フィルムを剥離する第２剥離工程を備えた、請求項２記載のセラミック基板の製造方法。
【請求項５】
前記第２塗布工程の後、前記第２加圧工程の前に前記第２セラミック基体の上面に少なくとも１層の、前記貫通孔に対応する位置に貫通穴を有する他のセラミックグリーンシートを積層する工程をさらに備えた、請求項２記載のセラミック基板の製造方法。
【請求項６】
前記第２剥離工程の後、前記第２加圧工程の前に前記第２セラミック基体の上面に少なくとも１層の、前記貫通孔に対応する位置に貫通穴を有する他のセラミックグリーンシートを積層する工程をさらに備えた、請求項４記載のセラミック基板の製造方法。
【請求項７】
前記第１剥離工程の後に、前記第１セラミック基体の上面に、別の前記第１セラミック基体を上下反転させて積層する積層工程と、
前記積層工程の後に、前記積層工程で得られた積層体を加圧する第３加圧工程と、
前記第３加圧工程の後に、前記積層体を焼結する工程と
をさらに備えた、請求項１記載のセラミック基板の製造方法。
【請求項８】
前記第１塗布工程の後、前記第１加圧工程の前に、前記第１セラミック基体の上面に保護フィルムを貼り付ける第２貼り付け工程をさらに備え、かつ、前記第１加圧工程の後、前記積層工程の前に前記保護フィルムを剥離する第２剥離工程を備えた、請求項７記載のセラミック基板の製造方法。
【請求項９】
前記貫通孔の孔径が前記セラミックグリーンシートの厚さの３倍以上６倍以下である、請求項１から８のいずれか１項に記載のセラミック基板の製造方法。
【請求項１０】
前記セラミックグリーンシートの厚さが略０．１ｍｍであり、前記貫通孔の孔径が０．３ｍｍ以上０．６ｍｍ以下である、請求項９記載のセラミック基板の製造方法。
【請求項１１】
前記粘着性フィルム状材料の厚さが０．０３ｍｍ以上０．３ｍｍ未満である、請求項１０記載のセラミック基板の製造方法。
【請求項１２】
前記粘着性フィルム状材料の粘着力が０．０８Ｎ／２５ｍｍ以上０．２７Ｎ／２５ｍｍ以下である、請求項１０または１１に記載のセラミック基板の製造方法。
【請求項１３】
前記第１加圧工程における加圧圧力が２５ＭＰａ以上４０ＭＰａ以下である、請求項１０から１２のいずれか１項に記載のセラミック基板の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はセラミック基板の製造方法に関し、特に、ビアホールに形成された金属材料層を備えた、放熱性に優れたセラミック基板の製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来より、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、セラミックグリーンシート上に配線パターンを形成した後、同時に焼結することによって作製される。セラミックグリーンシートは、セラミックス粉末からドクターブレード等を用いて作製される。配線パターンは、タングステンや銀等の金属粉末を用いたペーストを塗布して形成される。通常、焼結温度が高いセラミックスとの適応性を考慮して、金属ペーストの材料は、高融点の金属が使用されている。
【０００３】
近年、半導体やＩＣの高機能化に伴いそれらの発熱量が増大し、基板やパッケージには優れた放熱性が要求されてきている。そこで例えば、基板の半導体実装面と、それとは反対側に設けられた放熱面間とを繋ぐ貫通孔に、ペースト状金属材料を充填した放熱経路（サーマルビア）を設けている。
【０００４】
セラミック基板の従来技術として、サーマルビアの配置や孔径について、半導体素子が載置される部位の直下に露出するビアホール端面の占有する面積を特定して、孔径が０．０５ｍｍ〜０．５ｍｍである複数のビアホールを配置したものがある。
【０００５】
セラミックグリーンシート内に配置される、ペースト状金属材料を充填したビアホール部位が多くなると、セラミックグリーンシートの機械的強度が低下し、ハンドリング性が悪くなる。それだけではなく、ビアホール部位の配置によっては、脱バインダー処理後に基板の反りや変形が発生する。その結果、反り、変形および基板割れのない焼結体を得ることが困難となる。この問題点を防止する、放熱性基板の原材料となるセラミック基板を得る技術を記載した先行文献として、特許文献１が挙げられる。特許文献１に記載のセラミック基板の製造方法においては、まず、ビアホールを有するセラミックグリーンシートの両面に、このセラミックグリーンシートと同じ組成の変形防止用セラミックグリーンシートを積層する。次に、脱脂および焼結を行なうことにより、脱脂体および焼結体の反り、変形および割れを防止する。その後、上記変形防止用セラミックグリーンシートの焼結体層を除去することにより、反り、変形および割れの無いセラミック基板を得ている。
【特許文献１】特開２００４−２７３９２８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上記従来の技術においては、より高い放熱性を得るために、大口径のサーマルビアを複数配置しても、十分な放熱性を得ることが出来ないという問題点があった。それは、貫通孔径を大型化すると、貫通孔に充填したペースト状金属材料の脱落が発生するからである。さらに、特許文献１の記載には、貫通孔部の長さと孔径の比（長さ/直径）が２．５より大きい場合は、ペースト状金属を貫通孔に充填しやすいため、圧入法が好適とある。しかし、複数の貫通孔に一様な深さで、ペースト状金属材料を充填させることは困難である。一般に、放熱性に関しては、貫通孔の長さが短く、孔径が大きい方が有利である。ところが、この場合、ペースト状金属材料を支持する基材の側面が減少するため、貫通孔からペースト状金属材料が脱落するという問題はより顕著になる。
【０００７】
また、変形防止用セラミックグリーンシートの焼結体を研削により除去する工程でも、次のような問題点があった。まず、研削カスがサーマルビア内に残存することによって、サーマルビア内の金属材料層が劣化する。さらに、研削量の管理が難しい。
【０００８】
本発明の目的は、上記従来の問題点を解消するため、貫通孔からペースト状金属材料の脱落を防ぐことができる、金属材料層を有するセラミック基板の製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明に係るセラミック基板の製造方法は、以下の工程を備えている。セラミックグリーンシートの所定位置に貫通孔を形成する。そのセラミックグリーンシートの下面に粘着性フィルム状材料を貼り付けた状態で、ペースト状金属材料を貫通孔に充填し、充填金属材料層を形成する。その後、セラミックグリーンシートの上面にペースト状金属材料を塗布し、第１金属材料層を形成する。そのセラミックグリーンシート、充填金属材料層および第１金属材料層により構成される第１セラミック基体と、粘着性フィルム状材料とを加圧処理する。加圧処理後の第１セラミック基体から、粘着性フィルム状材料を剥離する。
【発明の効果】
【００１０】
本発明に係るセラミック基板の製造方法によれば、大口径の貫通孔にペースト状金属材料を充填する前に、セラミックグリーンシートの下面に適正な粘着力を帯びたフィルム状材料を貼り付けている。これにより、ペースト状金属材料を貫通孔から印刷機のステージ側に抜けることなく、充填することができる。また、セラミックグリーンシートの上面にペースト状金属材料を塗布し、第１金属材料層を形成後、粘着性フィルム状材料および第１セラミック基体に対して加圧処理を施している。これにより、貫通孔にペースト状金属材料を充填した充填金属材料層と、貫通孔を覆う第１金属材料層とが一体化することによって、サーマルビアの金属材料層が緻密固化される。その結果、粘着性フィルム状材料を剥離した後も、大口径の貫通孔に充填されたペースト状金属材料の脱落を防ぐことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
実施の形態１
以下、本実施の形態に係るセラミック基板の製造方法について図１および図２を用いて説明する。まず、図１(Ａ)に示すように、セラミックグリーンシート１ｓを準備する。次に、図１(Ｂ)に示すように、セラミックグリーンシート１ｓの所定の位置に貫通孔２ｓを形成する。貫通孔２ｓの形成には、パンチングマシン等の公知の孔明け加工機を使用可能である。次に、図１(Ｃ)に示すように、セラミックグリーンシート１ｓの下面に粘着性を有するフィルム状材料７を貼り付ける。このフィルム状材料７の粘着性は、たとえば０．０８Ｎ／２５ｍｍ〜０．２７Ｎ／２５ｍｍとする。ここで、粘着性の単位「Ｎ／２５ｍｍ」は、ＪＩＳ−Ｚ０２３７に準拠した単位であって、ＳＵＳ３０４の平板に粘着テープの２５ｍｍ×２５ｍｍを貼付面積として貼り付けた状態で、その粘着テープを引き剥がす際の力の度合いを意味する。
【００１２】
次に、図１(Ｄ)に示すように、セラミックグリーンシート１ｓの上面から、スクリーン印刷法で貫通孔２ｓにペースト状金属材料（導電性ペースト)を充填し、充填金属材料層２ｖを形成する。このペースト状金属材料としては、電気伝導性が高い導電性材料が好適であり、たとえば銀（Ａｇ）、銀とパラジウムとの混合物（Ａｇ/Ｐｄ）、金（Ａｕ）、または銅（Ｃｕ）等の金属粉末を溶剤に分散させて得られる。次に、図１(Ｅ)に示すように、セラミックグリーンシート１ｓの上面に、第１金属材料層(配線パターン)４ｓをスクリーン印刷法により塗布形成する。次に、図１(Ｆ)に示すように、第１金属材料層４ｓを塗布形成したセラミックグリーンシート１ｓの上面に、保護フィルム７１を貼り付ける。なお、この保護フィルム７１は、工程流動中に、上記配線パターン４ｓを損傷する問題が起きない場合には、省略することができる。
【００１３】
次に、図２(Ａ)に示すように、セラミックグリーンシート１ｓ、充填金属材料層２ｖ、および第１金属材料層４ｓにより構成される第１セラミック基体１ｐの上下両面側から加圧処理を行なう。この加圧処理は、たとえば、予め、第１セラミック基体１ｐを真空パックして密封した状態で行なわれる。処理条件として、たとえば、水温８０℃〜９０℃の温水中で、２５ＭＰａ〜４０ＭＰａの圧力を水圧プレス機により加えた状態で、２０分〜３０分保持する。次に、第１セラミック基体１ｐを上下反転した状態で、図２(Ｂ)のように、粘着性フィルム状材料７を第１セラミック基体１ｐから剥離する。次に、図２(Ｃ)に示すように、粘着性フィルム状材料７を剥離した面に、第２金属材料層(配線パターン)５ｓをスクリーン印刷法により塗布形成する。次に、図２(Ｄ)に示すように、セラミックグリーンシート１ｓ、充填金属材料層２ｖ、第１金属材料層４ｓ、および第２金属材料層５ｓにより構成される第２セラミック基体１ｋから保護フィルム７１を剥離する。前述のとおり、保護フィルム７１を省略する場合には、この工程は存在しない。
【００１４】
その後、図２(Ｅ)に示すように、半導体素子載置エリア３を形成する開口部８ｓが形成された、セラミックグリーンシート８を少なくとも１層以上、第２セラミック基体１ｋ上に重ねあわせて積層体を形成する。次に、この積層体を加圧および焼結して、図２(Ｆ)に示すセラミック基板６を得る。たとえば加圧条件は、単層加圧処理（図２(Ａ)で示した工程）と同一条件で行なってもよい。積層および加圧した上記積層体は、任意の形に切断した後に焼結される。焼結は大気雰囲気中で行なってもよい。焼結温度、焼結時間は焼結後のセラミックス焼結体が、所望の形状となるように設定される。たとえば、焼結温度は９００℃以下とし，焼結時間は１〜５時間程度とされる。焼成炉で所定の温度条件で、セラミックグリーンシートおよびペースト状金属材料を同時に焼結させて、本発明のセラミック基板を製造することができる。よって、図３を用いて後述するサーマルビア２、第１焼結金属材料層４および第２焼結金属材料層５は、たとえば、銀粉を溶剤に分散させた導電性ペーストを焼結して得られる構造体である。これらは、セラミック基板１が形成される、セラミックグリーンシート１ｓの焼結と同時に形成される。
【００１５】
次に、図１(Ｃ)に示した、粘着性フィルム状材料７について詳細を説明する。粘着性フィルム状材料７は、貫通孔２ｓにペースト状金属材料を充填する際の、印刷機のステージ台にペースト状金属材料が抜けることを防止する目的で使用される。また、この粘着性フィルム状材料７は、以下の各実験例の結果からも分かるように、ペースト状金属材料を貫通孔２ｓに充填して形成される、サーマルビアの形状および孔径に影響を与える因子でもある。
【００１６】
本実施の形態の放熱性基板について、放熱性および生産工程における生産性を検証するため、以下の実験を行なった。
【００１７】
実験例１
表１に、スクリーン印刷法で、貫通孔２ｓにペースト状金属材料を充填し、充填金属材料層２ｖを形成したときの、粘着性フィルム状材料７の厚さの違いによる、セラミックグリーンシート１ｓの状態を示す。充填は、略０．１ｍｍの厚さのセラミックグリーンシート１ｓ(縦２００ｍｍ×横２００ｍｍ)に、孔径が０．１５ｍｍ〜１．２ｍｍの貫通孔２ｓを形成し、粘着性フィルム状材料７を貼り付けて行なった。ここでは、粘着性フィルム状材料７は、粘着力が０．１７Ｎ／２５ｍｍである、アクリル系の粘着材を有するポリエステルフィルムを用いた。表１の充填状態の欄で、「異常無し」とは、粘着性フィルム状材料７を貼り付けた状態のセラミックグリーンシート１ｓに、反りや、貫通孔２ｓの崩れ等の異常が発生しなかったことを示している。
【００１８】
【表１】
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【００１９】
表１に示す通り、厚さが０．３ｍｍの粘着性フィルム状材料７をセラミックグリーンシート１ｓに貼り付けた際、セラミックグリーンシート１ｓ自体に反りが発生した。これにより、印刷充填時の障害、具体的には、印刷機のステージ台へセラミックグリーンシート１ｓが吸着出来ないという異常が発生した。一方、厚さが０．０２ｍｍの粘着性フィルム状材料７を貼り付けた場合、セラミックグリーンシート１ｓの剛性が不十分であるため、工程流動中のセラミックグリーンシート１ｓの取り扱いが、著しく困難となった。具体的には、貫通孔径が比較的大きい範囲（孔径０．６ｍｍ〜１．２ｍｍ）で、セラミックグリーンシート１ｓに割れが発生した。この結果から、厚さが略０．１ｍｍのセラミックグリーンシート１ｓに対して、この程度の厚さでは、キャリアフィルムとしての用途には使えないことが判明した。以下の実験２〜１０においては、厚さが０．０４９ｍｍ〜０．１２ｍｍの粘着性フィルム状材料７を使用した。
【００２０】
粘着性フィルム状材料７の材質はポリエチレンテレフタラート、または、ポリエステルが使用可能である。上記実験においては、ポリエステルフィルムを用いた。粘着性フィルム状材料７の粘着材は、焼結前のセラミックグリーンシート１ｓ上に粘着材が残らない材料であれば、市販の材料が使用可能である。上記実験においては、その中から、アクリル系の粘着材が塗布されたフィルム状材料を用いた。
【００２１】
粘着性フィルム状材料７の粘着力は、以下の（１）〜（４）の観点から適正な粘着力の範囲を導き出した。（１）貫通孔２ｓにペースト状金属材料を充填し、充填金属材料層２ｖを形成する際に、粘着性フィルム状材料７がセラミックグリーンシート１ｓから乖離しないことである。（２）粘着性フィルム状材料７が貼り付けられたセラミックグリーンシート１ｓを印刷機等のステージに吸着固定することが可能であることである。（３）粘着性フィルム状材料７を焼結前のセラミックグリーンシート１ｓから剥離する際に、セラミックグリーンシート１ｓに割れ、変形等の異常が発生しないことである。（４）粘着性フィルム状材料７を剥離する際に、貫通孔２ｓに充填されたペースト状金属材料が、貫通孔２ｓから脱落しないことである。
【００２２】
実験例２
表２に、粘着性フィルム状材料７をセラミックグリーンシート１ｓから剥離した際、貫通孔２ｓからペースト状金属材料が脱落する発生割合を示す。脱落発生割合は、貫通孔２ｓの孔径と粘着性フィルム状材料７の粘着力とをパラメータとして示す。ここでは、厚さが略０．１ｍｍで、孔径が０．１５ｍｍ、０．３ｍｍ、０．４ｍｍ、０．６ｍｍ、１．２ｍｍの貫通孔２ｓを備えた、セラミックグリーンシート１ｓを使用した。このセラミックグリーンシート１ｓに、粘着力を変えて作製した粘着性フィルム状材料７を貼り付けた。次に、スクリーン印刷法によって、ペースト状金属材料（銀ペースト）を貫通孔２ｓに充填し、充填金属材料層２ｖを形成した後、粘着性フィルム状材料７を剥離して、ペースト状金属材料の脱落発生割合を調べた。
【００２３】
【表２】
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【００２４】
ここでは、貫通孔２ｓの表面間隔(ピッチ)は孔径の略２倍とし、孔の数は５０〜１００個とした。表２から分かるように、貫通孔２ｓの孔径が０．１５ｍｍでは、粘着力によらず、ほとんど充填抜けが認められなかった。一方、貫通孔２ｓの孔径が０．３ｍｍ以上の場合は、充填状態を維持できなかった。セラミックグリーンシート１ｓの厚さに対して、貫通孔２ｓの孔径が大きくなるほど、ペースト状金属材料の脱落発生割合が増加する傾向にあった。即ち、充填されたペースト状金属材料が貫通孔２ｓの側面だけでは、十分な支持面積を確保できなかった。その結果、粘着性フィルム状材料７を剥離する時に、充填されているペースト状金属材料が、粘着性フィルム状材料７に付着して剥離されるため、脱落割合が増加していた。
【００２５】
実験例３
実験例２の結果から、充填金属材料層２ｖを形成するペースト状金属材料の脱落が認められた、粘着性フィルム状材料７を剥離する工程を検討した。セラミックグリーンシート１ｓの厚さに対して、貫通孔２ｓの孔径が３〜６倍である場合でも、ペースト状金属材料の脱落が発生しないようにするために、図２(Ａ)で示す加圧処理工程を導入した。その結果、表２において、貫通孔２ｓの孔径が０．３ｍｍ〜０．６ｍｍである、ペースト状金属材料の脱落が認められていた範囲において、この脱落が認められなくなった。但し、貫通孔２ｓの孔径が１．２ｍｍの場合は、この加圧処理を行なっても、ペースト状金属材料の脱落を完全には防ぐことが出来なかった。
【００２６】
以下、図１(Ｆ)に示した保護フィルム７１について補足説明する。保護フィルム７１は、加圧処理時に配線パターン４ｓが損傷することを防ぐ目的で使用する。さらに、図２(Ｃ)で示す配線パターン５ｓを印刷する際、配線パターン４ｓが印刷ステージに直接接触することによって損傷することを防ぐ目的も有している。保護フィルム７１は、印刷ステージに吸着固定されるため、加圧処理後のセラミックグリーンシート１ｓから乖離しない必要がある。このため保護フィルム７１も粘着性を付与されていることが好ましい。たとえば、図１(Ｃ)で示した粘着性フィルム状材料７と同等の材料を用いてもよい。
【００２７】
実験例４
次に、図２(Ａ)で示した加圧処理について詳細に説明する。この加圧処理によって、孔径０．３ｍｍ〜０．６ｍｍの貫通孔２ｓに充填されたペースト状金属材料は、充填金属材料層２ｖ上に形成された配線パターン部の第１金属材料層４ｓと一体化して、貫通孔２ｓから脱落しなくなった。
【００２８】
但し、加圧圧力が適正でない条件、具体的には，ゼロ或いは不足気味（例えば、１０ＭＰａ）の場合には、貫通孔２ｓからのペースト状金属材料の脱落、または脱落は無くても、焼結後に得られるセラミック基板１のサーマルビア部の凹凸が大きくなる結果が認められた。一方、加圧圧力が４５ＭＰａより大きな場合、図２(Ｃ)に示す第２金属材料層５ｓをスクリーン印刷する工程で、セラミックグリーンシート１ｓにヒビ割れが観察された。これは、加圧処理の加圧圧力が４５ＭＰａ以上に高い場合、セラミックグリーンシート１ｓが潰されて脆くなる状態になっているためであった。以上の実験結果から、加圧処理時のセラミックグリーンシート１ｓへの加圧力は、２５ＭＰａから４０ＭＰａに設定することが適切であるという知見が得られた。
【００２９】
実験例５
加圧処理後における、粘着性フィルム状材料７をセラミックグリーンシート１ｓから剥離する際の、剥離性について確認した。粘着性フィルム状材料７の粘着性が０．２７Ｎ／２５ｍｍ以下では、特に異常は認められなかった。但し、粘着力が０．２７Ｎ／２５ｍｍより大きい場合は、粘着性フィルム状材料７がセラミックグリーンシート１ｓに強固に粘着した。そのため、粘着性フィルム状材料７を剥離しようとすると、セラミックグリーンシート１ｓに破れ、裂け等の破損が発生した。この結果から、使用に適した、粘着性フィルム状材料７の粘着力の範囲を確認した。
【００３０】
図３に本実施の形態の製造方法で形成された代表的なセラミック基板を示す。図３(Ａ)は、セラミック基板の平面図を示し、図３(Ｂ)は、図３(Ａ)のIIIＢ−IIIＢ断面図を示し、図３(Ｃ)は、図３(Ａ)のIIIＣ−IIIＣ断面図を示す。図３において、セラミック基板１は、基材となるセラミックグリーンシート１ｓを焼結させて形成される。サーマルビア２は、ペースト状金属材料が充填されて形成される。半導体素子載置面３は、半導体素子を載置する部位となる。第１焼結金属材料層４は、サーマルビア２を覆うように形成される。第２焼結金属材料層５は、第１焼結金属材料層４とサーマルビア２とを繋ぎ、セラミック基板１の裏面に形成される。放熱性基板６は、半導体素子（図示しない）を載置するための第１焼結金属材料層４からなる半導体素子載置面３を有する。さらに、半導体素子載置面３の一部にサーマルビア２が形成されたセラミック基板１を有している。上記サーマルビア２の基本構造は、サーマルビア２ａとサーマルビア２ｂからなる。サーマルビア２ａは、半導体素子と半導体素子載置面３の中央部付近位置で接触する。サーマルビア２ｂは、半導体素子と半導体素子載置面３の角部付近位置で接触する。上記放熱性基板６を構成するセラミックには、公知のセラミック材料が使用可能である。サーマルビア２ａとサーマルビア２ｂは、同一の断面積を有している。
【００３１】
実験例６
ここでは、サーマルビア２のピッチは、孔径の略２倍より大きくなるように配置した。図３は、サーマルビア２の孔径は０．５３ｍｍ、ピッチは１．０６ｍｍの場合を示している。一般に、サーマルビア２のピッチは小さいほど、サーマルビア２の数は多く配置できる。そこで、孔径が０．３ｍｍ〜０．５ｍｍであるサーマルビア２のピッチを孔径の２倍より小さくなるように配置した。すると、ペースト状金属材料とセラミックグリーンシートとを同時焼結する際に、隣接するサーマルビア２の間で、亀裂や割れが発生した。さらに、半導体素子載置面３内（１．８ｍｍ×１．４ｍｍ）において、０．１ｍｍを越す大きな反りが発生した。この結果から、安定してサーマルビア２を形成することができる、ピッチを孔径の２倍以上と判断した。そこで、本実験では、サーマルビア２のピッチを孔径の略２倍に設定した。また、サーマルビア２を含むセラミック基板１の厚さは、略０．１ｍｍとした。
【００３２】
上記サーマルビア２ｂは、半導体素子からの放熱の役割を有する。さらに、サーマルビア２内に充填された銀ペーストと、セラミックグリーンシートとを同時焼結させた際に発生する、熱収縮に起因した半導体素子載置面３の反りを抑える役割を有する。
【００３３】
実験例７
図４(Ａ)に、サーマルビア２を含む層の厚さが略０．１ｍｍ、サーマルビア２をサーマルビア２ａ（孔径０．５３ｍｍ、個数１個）のみで構成した場合を示す。この半導体素子載置面３では、サーマルビア２ａ部が凹状の大きな反りが発生した。図４(Ｂ)に、図４(Ａ)のＩＶＢ−ＩＶＢ断面で見た、半導体素子載置面３の高さの変化を示す。横軸に測定位置Ｘ（ｍｍ）を、縦軸に半導体素子載置面３の高さＺ（ｍｍ）を示す。図４(Ｂ)に示す通り、半導体素子載置面３の周辺部に比べてサーマルビア２ａ部は、略０．０６０ｍｍの凹みが発生した。一方、図５(Ａ)に、サーマルビア２を含む層の厚さが略０．１ｍｍ、サーマルビア２をサーマルビア２ｂ（孔径０．５３ｍｍ、個数４個）のみで構成した場合を示す。この半導体素子載置面３では、半導体素子載置面３の中心部がに凸状に大きな反りが発生した。図５(Ｂ)に、図５(Ａ)のＶＢ−ＶＢ断面で見た、半導体素子載置面３の高さの変化を示す。横軸に測定位置Ｘ（ｍｍ）を、縦軸に半導体素子載置面３の高さＺ（ｍｍ）を示す。図５(Ｂ)に示す通り、半導体素子載置面周辺部に比べて半導体素子載置面中心部は、略０．０６５ｍｍの凸の盛り上がりが発生している。
【００３４】
この結果から、サーマルビア２の配置と、半導体素子載置面３の反り方との関連性が分かった。この関連性を利用して、半導体素子載置面３の反りを減少させる、サーマルビアの配置となる基本構造を見出した。図６(Ｂ)に、図６(Ａ)のＶＩＢ−ＶＩＢ断面で見た、半導体素子載置面３の高さの変化を示す。横軸に測定位置Ｘ（ｍｍ）を、縦軸に半導体素子載置面３の高さＺ（ｍｍ）を示す。図６(Ａ)に示す通り、サーマルビア２の配置を基本構造にすることにより、半導体素子載置面３の反りは、現行のセラミック基板の反りと同等まで改善できた。放熱性に関しては、サーマルビア２の孔径が、従来比５倍以上まで大きくすることが可能となり、より高い放熱性を実現した。
【００３５】
実験例８
表３に、サーマルビア２の孔径およびピッチが異なる放熱性基板６の熱抵抗を示す。表３における、サンプルＮｏ．８およびＮｏ．９は、図３に示すような基本構造を構成する放熱性基板である。サンプルＮｏ．８は、サーマルビア２の孔径が０．１３ｍｍ、ピッチが０．３５ｍｍ、配置数が３５個である。サンプルＮｏ．９は、サーマルビア２の孔径が０．５３ｍｍ、ピッチが１．２２ｍｍ、配置数が５個である。サンプルＮｏ．９の熱抵抗は、従来のサーマルビアの孔径を有するサンプルＮｏ．８と比較して、１/３に減少しており、基板の放熱性の向上を確認した。
【００３６】
【表３】
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【００３７】
実施の形態２
以下、本実施の形態に係るセラミック基板の製造方法について、図７および図８を用いて説明する。本実施の形態において、図７(Ａ)〜図８(Ａ)で示した加圧処理までの工程は、前述の実施の形態１の図１(Ａ)〜図２(Ａ)で示した加圧処理までの工程と同じため、説明を省略する。本実施の形態では、図８(Ｂ)で示すように、加圧処理後に粘着性フィルム状材料７と保護フィルム７１を剥離する。保護フィルム７１は、加圧処理後に剥離され、印刷ステージに吸着固定されることがないため、特に粘着性を有する必要はない。実施の形態１と同様に、保護フィルム７１の使用は、工程流動中に、第１金属材料層４ｓを損傷する問題が起きない場合には、省略することができる。
【００３８】
その後、図８(Ｃ)に示すように、各々の充填金属材料層２ｖを第１金属材料層４ｓで挟み込むように、２つの第１セラミック基体１ｐを重ねあわせて積層体を形成する。次に、図８(Ｄ)に示すように、この積層体を加圧および焼結をする。加圧条件および焼結条件は、前述の実施の形態１と同様であるので説明を省略する。本実施の形態によっても実施の形態１と同様に、セラミックグリーンシート１ｓの厚さの３倍〜６倍の孔径の貫通孔２ｓから、ペースト状金属材料が脱落することなくサーマルビアを形成することができる。
【００３９】
図９に、本実施の形態によって形成したセラミック基板を示した。図９(Ａ)は、セラミック基板の平面図を示し、図９(Ｂ)は、図９(Ａ)のＩＸＢ−ＩＸＢ断面図を示し、図９(Ｃ)は、図９(Ａ)のＩＸＣ−ＩＸＣ断面図を示す。図９に示すように、本実施の形態の放熱性基板９は、半導体素子（図示しない）を載置するための第１焼結金属材料層４からなる半導体素子載置面３を有する。さらに、放熱性基板９は、半導体素子載置面３の一部にサーマルビア２が形成された、セラミック基板１を有している。上記サーマルビア２は、半導体素子に半導体素子載置面３の中央位置で接触するサーマルビアは含まず、半導体素子載置面３の周辺位置で半導体素子に接触するサーマルビア２ｃのみから構成される。半導体素子載置面３において、複数のサーマルビア２ｃが配置されている領域は、上に凸状に盛り上る反りが発生する。上記セラミック基板１を構成するセラミック材料と、第１焼結金属材料層４、第２焼結金属材料層５および充填金属材料層２ｖを構成する、金属材料とについては実施の形態１と同様であるため説明を省略する。
【００４０】
本実施の形態におけるセラミック基板の基本構造は、半導体素子載置面３に、複数のサーマルビア２ｃが配置されている領域と、サーマルビアが配置されない領域とを形成する。サーマルビア２ｃは、隣接するサーマルビア間のピッチが孔径の略２倍に配置される。図９は、サーマルビア２の孔径が０．５３ｍｍ、ピッチが１．０６ｍｍの場合を示している。一般に、サーマルビア２のピッチが小さいほど、サーマルビア２の数は多く配置できる。
【００４１】
本実施の形態の放熱性基板の放熱性の検証を以下の実験により行なった。
実験例９
ここでは、孔径０．３ｍｍ〜０．５ｍｍであるサーマルビア２ｃのピッチを孔径の２倍より小さくなるように配置した。すると、ペースト状金属材料とセラミックグリーンシートとを同時焼結する際に、隣接するサーマルビア２ｃの間で亀裂や割れが発生した。さらに、半導体素子載置面３内において、大きな反りが発生した。この結果から、安定してサーマルビア２ｃを形成することができる、ピッチを孔径の２倍以上と判断した。そこで、本実施の形態では、サーマルビア２ｃのピッチを孔径の略２倍に設定した。
【００４２】
次に、孔径が０．３ｍｍ〜０．５ｍｍのサーマルビア２ｃを一様に配置した場合、半導体素子載置面３に大きく凹みが発生したり、上に大きく凸状に盛り上ったりした。その結果、半導体素子とサーマルビア２ｃの接触面積が、著しく低下した。
【００４３】
上記サーマルビア２ｃは、半導体素子からの放熱の役割を有する。さらに、上記基本構造は、半導体素子載置面３の周辺部に凸状の反りを集中させることにより、反りを不均一化して軽減する役割を果たす。サーマルビア２ｃの配置に疎密をつけることにより、半導体素子とサーマルビア２ｃの接触面積の確保を実現している。
【００４４】
実験例１０
放熱性基板９の厚さも、半導体素子とサーマルビア２ｃの接触面積に影響をおよぼす。サーマルビア２ｃの孔径が０．３ｍｍ〜０．５ｍｍの場合は、厚さが特に薄いと半導体素子載置面３の平坦性は損なわれ易かった。図１０に、図９の構造における半導体素子載置面３の反り量と、放熱性基板９の厚さとの関係を示す。縦軸に半導体素子載置面３の反り量を、横軸に放熱性基板９の厚さを示す。この反り量は、半導体素子載置面３における第１焼結金属材料層４の高さ分布を測定して、その高さの最大値と最小値の差として定義した。放熱性基板９の厚さを増やしていくと、一定の厚さで半導体素子載置面３の反り量は落ち着くことが分かった。一般に、放熱性は、厚くする方が不利になる。よって、半導体素子載置面３の反り量が小さく、かつ、厚さがより薄い放熱性基板９が、好適な本実施の形態である。
【００４５】
表４は、放熱性基板９の厚さと、熱抵抗との関係を示したものである。表４におけるサンプルＮｏ．１０は、放熱性基板９の厚さが０．０７ｍｍ、サンプルＮｏ．１１は、０．１４ｍｍ、サンプルＮｏ．１２は、０．２８ｍｍである。サーマルビア２ｃの配置は、それぞれ、図９に示す放熱性基板９のような基本構造である。各サンプルのサーマルビア２ｃの孔径は、０．５３ｍｍ、ピッチは１．０３ｍｍ、配置数は６個である。この結果、サンプルＮｏ．１０は、半導体素子載置面の反りが大き過ぎて放熱性に問題が残った。サンプルＮｏ．１１とＮｏ．１２の場合は、半導体素子載置面の反り量は許容範囲であった。サンプルＮｏ．１１は、従来の放熱性基板であるサンプルＮｏ．８以上の放熱性を実現できた。
【００４６】
【表４】
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【００４７】
今回開示された実施の形態は例示であってこれに制限されるものではない。本発明は上記で説明した範囲ではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲でのすべての変更が含まれることが意図される。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】発明の実施の形態１に係る、セラミック基板の製造方法の前半の工程を順次説明するための図である。
【図２】同実施の形態に係る、セラミック基板の製造方法の後半の工程を順次説明するための図である。
【図３】同実施の形態に係る、セラミック基板の製造方法で形成された放熱性基板の構造を説明するための図である。
【図４】同実施の形態において、半導体素子載置面に凹み形状の反りが発生した場合の、サーマルビアの配置と半導体素子載置面の反りとの関係を説明する図である。
【図５】同実施の形態において、半導体素子載置面に凸形状の反りが発生した場合の、サーマルビアの配置と反りとの関係を説明する図である。
【図６】同実施の形態に係る製造方法で形成されたセラミック基板における、半導体素子載置面の反りの状態を説明する図である。
【図７】発明の実施の形態２に係る、セラミック基板の製造方法の前半の工程を順次説明するための図である。
【図８】同実施の形態に係る、セラミック基板の製造方法の後半の工程を順次説明するための図である。
【図９】同実施の形態に係る、セラミック基板の構造を説明するための図である。
【図１０】同実施の形態において、放熱性基板の厚さと半導体素子載置面の反りとの関係を示す図である。
【符号の説明】
【００４９】
１  セラミック基板、１ｓ  セラミックグリーンシート、１ｐ  片面に配線パターンが形成された第１セラミック基体、１ｋ  両面に配線パターンが形成された第２セラミック基体、２  サーマルビア、２ａ  半導体素子載値面の中心部付近に配置されるサーマルビア、２ｂ  半導体素子載値面の角部付近に配置されるサーマルビア、２ｃ  半導体素子載置面の周辺部付近に配置されるサーマルビア、２ｓ  貫通孔、２ｖ  充填金属材料層、３  半導体素子載置エリア、４  第１焼結金属材料層、４ｓ  第１金属材料層、５  第２焼結金属材料層、５ｓ  第２金属材料層、６  １層のセラミック基板を備えた放熱性基板、７  粘着性フィルム状材料、８  開口部を有するセラミックグリーンシート、８ｓ  開口部、９  ２層のセラミック基板を備えた放熱性基板。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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