【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の製造に好適に用いられ、特に、パワーモジュール基板等の放熱性や大電流を許容することが可能な配線導体を有するセラミック基板を製造するのに用いられる複合体およびその製造方法、並びにセラミック基板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、配線導体損失の小さい、つまり低抵抗の配線導体を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、アルミナセラミックスを絶縁基体とし、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１３μΩ・ｃｍ程度までしか低くできない。従って、前述のような多層配線基板における配線導体の抵抗値を低減して大電流を流せるようにするために、多層配線基板を構成する絶縁基体に銅（Ｃｕ）の厚膜や無電解メッキにより配線導体を形成することが行われていた。
【０００４】
しかし、かかる配線導体では、配線の高密度化のために配線パターンの線幅が多層配線基板の面積により制限され、一定以上に幅広く形成することができず、しかも、前記配線導体の形成方法では後の工程に悪影響を及ぼさず短時間に低コストで充分な厚さの配線導体を得ることが困難であり、前記低抵抗化を満足するものではなかった。
【０００５】
そこで、配線導体の抵抗値を低減して大電流を流せるようにするために、多層配線基板を構成するセラミックグリーシートに貫通孔を形成し、該貫通孔に電気抵抗値の低い銅（Ｃｕ）や銀（Ａｇ）等の低融点金属から成る配線用導体ペーストを厚く充填して低抵抗配線導体としたものが提案されている（特開平５−２１６３５号公報、特開昭６３―１９４号公報参照）。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
前記低抵抗配線導体を形成する場合、所定のセラミックグリーンシートに貫通孔を形成し、他のグリーンシートと積層して形成した凹部に配線用金属ペーストをスクリーン印刷法やディスペンサ法で充填して形成する。そしてペースト充填後に乾燥処理を行うと、ペースト充填部の表面が凹むなどの凹凸が発生し、グリーンシートの積層時に、積層不良が発生したり、積層体の変形を招くなどの問題があった。また、複雑なパターン形成にあたりペーストの充填不良が発生し、他の回路との接続不良が発生するなどの問題があった。
【０００７】
従って、本発明は、上記のような貫通孔への金属ペーストを充填する場合における問題点を解消し、セラミックグリーンシート貫通孔への金属成分を均一に埋め込んだ複合体と、その製造方法を提供するとともに、この複合体を用いて金属成分の埋め込み部分における積層不良等の発生を防止したセラミック基板の製造方法を提供することを目的とするものである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明の複合体は、セラミックグリーンシートの所定箇所に形成された貫通孔内に、実質的に該グリーンシートと同一の厚みからなる金属シートが埋め込まれてなることを特徴とするものである。
【０００９】
また、複合体における前記金属シートが、銅粉末を１０〜６０体積％と、タングステン及び／またはモリブデンの粉末を４０〜９０体積％の割合で含有することを特徴とするものである。
【００１０】
また、かかる複合体の第１の製造方法によれば、実質的に同一の厚みのセラミックグリーンシートおよび金属シートを作製する工程と、前記セラミックグリーンシートの所定箇所に貫通孔を形成する工程と、前記貫通孔を形成したセラミックグリーンシートに前記金属シートを積層する工程と、前記セラミックグリーンシートにおける貫通孔形成部分を前記金属シート側から押圧することによって、前記金属シートの一部を前記貫通孔内に埋め込み、セラミックグリーンシートと金属シートと一体化した複合体を作製する工程と、を具備することを特徴とするものである。
【００１１】
また、第２の複合体の製造方法によれば、実質的に同一の厚みのセラミックグリーンシートおよび金属シートを作製する工程と、前記セラミックグリーンシートおよび金属シートを積層する工程と、前記積層体の所定箇所に前記金属シート側から押圧して、前記金属シートの押圧部分を前記セラミックグリーンシート側に移行させて、セラミックグリーンシートと前記金属シートと一体化した複合体を作製する工程を具備することを特徴とするものである。
【００１２】
また、本発明によれば、上記複合体を、他のセラミックグリーンシートおよび／または他の複合体と積層して積層構造体を作製する工程を具備することによって、多層構造の基板にて、金属層を電気回路の一部または放熱体として適用される複合体を形成することができる。
【００１３】
本発明の複合体によれば、１回または２回のプレス処理によって容易にセラミックグリーンシートの貫通孔内に金属成分を均一に充填することが可能となる。しかも、グリーンシートの貫通孔内に金属シートが一体的に隙間なく埋め込まれ複合化されているために、グリーンシートの貫通孔内に金属シートを埋め込んだシート単体での取り扱いが容易となる。しかも、複雑な貫通孔の形状に合わせてパンチ形状を変更することによって、あらゆる形状の貫通孔に金属シートを埋め込むことができる。
【００１４】
しかも、複合体のシート単体での取り扱いが容易となるために、他の複合体やグリーンシートとの積層時においても積層処理を容易に行うことができる。
【００１５】
しかも貫通孔に導体ペーストを充填した場合のような充填部での凹凸の発生を防止し、他の複合体やセラミックグリーンシートとの積層時においても積層不良や積層体の変形等を防止することができる。
【００１６】
また、積層物を焼成することによって、セラミック基板の表面や内部に回路を形成する金属層を形成することができ、しかも形成された金属層形成部での積層不良の発生や、金属層表面の平坦度の低下を抑制しつつ、高い品質の回路を形成することができる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
（第１の方法）
本発明の第１の複合体の製造方法について図１の工程図をもと説明する。
【００１８】
先ず、セラミックグリーンシート１および金属シート２を作製する。このセラミックグリーンシート１は、その用途に応じて、その厚みは任意の厚みでもよいが、金属シート２との複合化を図る上で、５０〜３００μｍが適当である。また、金属シート２は、実質的にこのセラミックグリーンシート１と近似した厚さであることが望ましく、金属シート２の厚みｔ２は、グリーンシート１の厚みｔ１に対して、０．９ｔ１〜１．１ｔ１であることが望ましい。
【００１９】
まず、セラミックグリーンシート１に対して空隙部を形成するための貫通孔３を形成する。かかる方法では、この貫通孔３を、プレスによる打ち抜き加工法で形成する。
【００２０】
図１は、打ち抜き加工による貫通孔３の形成によるものである。この貫通孔３は、図１（ａ）に示す様に、駆動部である上プレス４と、グリーンシート１を支持するとともに、開口５が形成された下プレス６により構成される打ち抜きプレスを準備し、グリーンシート１を下プレス６上に載置し、図１（ｂ）に示す様に、上プレス４を下方に駆動することにより、図１（ｃ）に示す様に、グリーンシート１に対して貫通孔３を形成する。
【００２１】
次に、図１（ｄ）に示すように、貫通孔３を形成したグリーンシート１の表面に、金属シート２を載置する。そして、図１（ｅ）に示すように、上プレス４を駆動する。この時、上プレス４の駆動量を調整し、上プレスの下面の駆動停止位置をグリーンシート１の上面側に設定する。これによって、金属シート２の打ち抜きと同時に、グリーンシート１に予め形成された空隙部３に金属シート２の打ち抜き部２ａ部を埋め込むことができる。
【００２２】
その後、上パンチ４、金属シート２を除去することによって、図１（ｆ）に示すように、グリーンシート１の所定箇所に形成された貫通孔３内に金属シート２ａが埋め込まれ、一体化された複合体Ａを作製することができる。
（第２の方法）
また、本発明の第２の製造方法について図２をもとに説明する。この図２の方法によれば、図１と同様に、実質的に同一の厚みからなるセラミックグリーンシート１および金属シート２を作製する。
【００２３】
そして、図２（ａ）に示すように、グリーンシート１を下プレス６上に載置するとともに、図２（ｂ）に示すように、セラミックグリーンシート１の上側に金属シート２を積層する。この時、グリーンシート１とは、後述する通り、金属シート２を剥離除去するために、両者は軽く接着材等で仮止めしておくことが望ましい。
【００２４】
そして、図２（ｃ）に示すように、前述した通り、上プレス４を駆動し、上プレス４の駆動停止位置をグリーンシート１の上面側に設定する。これによって、グリーンシート１と金属シート２の打ち抜きと同時に行うとともに、金属シート２の上プレス４によって押圧された部分のグリーンシート１に打ち抜かれて形成された貫通孔３内への埋め込みを同時に行うことができる。
【００２５】
その後、上パンチ４、打ち抜かれた金属シート２を剥離除去するとともに、グリーンシート１を下パンチ６から剥離することによって、図２（ｄ）に示すように、グリーンシート１の所定箇所に形成された貫通孔３内に金属シート２が埋め込まれ、一体化された複合体Ａ’を作製することができる。
【００２６】
このように、本発明によれば、パンチを用いて、セラミックグリーンシート１の貫通孔３内にこのグリーンシート１と実質的に同一の厚みの金属シート２を埋め込んだ複合体を１回または２回のプレス処理にて容易に形成することができる。
（積層体の製造方法）
次に、本発明によれば、かかる複合体は、金属層を有する多層構造のセラミック基板を作製するのに好適に用いられる。そこで、図３の工程図をもとに、そのセラミック基板を作製するための方法について説明する。
【００２７】
図３（ａ）（ｂ）に示すように、図１または図２で作製された複合体Ａ１を同様にして作製された複合体Ａ２や金属シートと複合化されていない他のグリーンシートＢ１、Ｂ２、Ｂ３とともに密着液などを用いて積層一体化して積層体Ｃを作製する。
【００２８】
そして、この積層体Ｃをセラミックグリーンシート１および金属シート２が焼結する温度に加熱することによって、前記金属シートが焼結して金属層を形成するとともに、セラミックグリーンシートが焼成、緻密化され、図３（ｃ）に示すように、金属層７を具備する多層構造のセラミック基板Ｄを形成することができる。
【００２９】
本発明の方法においては、セラミックグリーンシートに形成された貫通孔内に金属成分を埋め込むにあたり、従来のように、貫通孔を形成したセラミックグリーンシートと他のグリーンシートとを積層して形成した凹部にペーストを流し込むような手間がなく、ペースト状のものを使用せず、１つのグリーンシートに剛性のある金属シートをパンチで埋め込むために、金属シートを埋め込んだグリーンシートを単味で取り扱うことができるために、金属シートを埋め込んだグリーンシートを他のグリーンシートと位置合わせして積層するだけで、容易にグリーンシートの貫通孔内に金属成分を埋め込んだ積層体を作成することができる。
【００３０】
また、本発明においては、ペーストを用いた場合の金属成分の充填部分の凹みなどの変形がないために、グリーンシートの積層一体化にあたっても積層界面での空隙の発生などがない。
【００３１】
しかも、本発明の方法によれば、積層処理時に３〜７ＭＰａの高い圧力を印加しても、貫通孔が剛性の高い金属シートによって埋め込まれているために、圧力が均一に付加され、積層体の変形も抑制することができる。
【００３２】
本発明によれば、複合体Ａ１、Ａ２には、セラミック配線基板などへの適用を図る上で、図３に示すように、適宜、複合体Ａ１、Ａ２の表面にメタライズ配線層８を形成することができる。このメタライズ配線層８は、周知の方法に従い、金属粉末に有機バインダー、溶剤、可塑材を添加混合して得た金属ペーストを複合体Ａ１、Ａ２表面に周知のスクリーン印刷法により、所定のパターンに印刷塗布する。また、複合体Ａ１、Ａ２にマイクロドリルやレーザー加工によってスルーホールを形成し、スルーホール内に金属ペーストを充填することによってビア導体９を形成することができ、このビア導体９によって異なる層間に形成されたメタライズ配線層８同士を電気的に接続することができる。
【００３３】
本発明において用いられるグリーンシート１は、所定の比率で調合したセラミック原料粉末に、アクリル樹脂などの適当な有機バインダーを添加し、有機溶媒中に分散させることによりスラリーを調製し、従来周知のドクターブレード法やリップコーター法等のキャスト法により、所定の厚みのグリーンシート１を作製する。このグリーンシートの厚みは、通常、５０〜４００μｍが適当である。５０μｍより薄いシートを形成する場合は、作成したスラリーを従来周知のロールコーター、グラビアコーター、ブレードコーター等のコーティング方式により剥離剤処理を施したキャリアーシート上に塗布し、乾燥させることにより金属シートを作製することができる。
【００３４】
一方、本発明において用いられる金属シート２は、金属粉末と有機結合剤とからなる混合物をシート化したものであって、特に、有機結合剤は、プレスによる打ち抜き加工性を高め、且つ焼成時の熱分解除去性を高めるために、アクリル系樹脂、とりわけ、イソブチルメタクリレートを主骨格とするアクリル系樹脂が望ましい。
【００３５】
また、金属成分としては、低融点金属粉末を１０〜６０体積％と、高融点金属粉末を４０〜９０体積％の割合からなることが望ましい。低融点金属としては、Ｃｕ，Ａｇ，Ａｕ，Ａｌの群から選ばれる少なくとも１種が、また高融点金属としては、タングステン、モリブデン、マンガンの群から選ばれる少なくとも１種が好適に用いられる。このように、低融点金属と高融点金属を上記の範囲で配合することによって、金属シートの打ち抜き加工性を高めることができ、さらには焼成後の金属層の低抵抗化、高熱伝導化を図ることができる。
【００３６】
なお、焼成にあたっては、低融点金属の融点よりも高い温度で焼成し、高融点金属粒子の粒界を溶融した低融点金属が占めるような組織を形成することが望ましい。係る点から、高融点金属量を４０体積％以上とすることによって、低融点金属が溶融した場合でも金属層の形状を保形することができるとともに金属層とＡｌ２Ｏ３などのセラミック絶縁層との熱膨張差による応力の発生を抑制し、各配線層や絶縁層にクラックが発生するのを防止できる。また、低融点金属量を１０体積％以上とすることで金属層の低抵抗化と高熱伝導化を図ることができる。
【００３７】
金属シート作製にあたっては、前記金属粉末に１００重量部に対し、上記有機結合剤を１〜１０重量部添加し、これをトルエン、ヘキサン、ヘプタン等の有機溶剤中にて分散する。尚、シートに柔軟性を与えるために可塑剤を添加してもよい。
【００３８】
また、本発明においては、前記低融点金属粉末の平均粒径が０．８〜１２μｍが望ましく、これにより、粉末の分散性を高めることができる。また高融点金属粉末も、平均粒径が０．８〜１２μｍの球状あるいは数個の粒子による焼結粒子として銅からなるマトリックス中に分散含有していることが望ましく、上記平均粒径が０．８μｍ以上とすることで、金属層５の保形性を高めるとともに金属層の低抵抗化を図ることができ、１２μｍ以下とすることで、低融点金属によるマトリックスが高融点金属粒子によって分断され金属層の抵抗が高くなるのを防止できる。高融点金属の平均粒径は、１．３〜５μｍ、特に、１．３〜３μｍの大きさで分散されていることが最も望ましい。
【００３９】
【実施例】
実施例１
（グリーンシート作製）
酸化アルミニウム粉末（平均粒径１．８μｍ）に対して、ＭｎＯ２を５重量％、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、成形用有機樹脂としてアクリル系樹脂を３重量％、トルエンを溶媒として添加し、ボールミルで２４時間混合してスラリーを調製した。このスラリーを用いてドクターブレード法によって縦３００ｍｍ×横３００ｍｍ×厚さ２３０μｍのグリーンシートを作製した。
【００４０】
また、このグリーンシートには、平均粒径が３μｍの銅粉末５０体積％に、平均粒径が２μｍのタングステン粉末５０体積％、印刷用有機樹脂としてアクリル系バインダを４質量％、可塑剤としてフタル酸ジブチルを１０質量％の割合で混合した金属ペーストを調製し、上記グリーンシートの表面に、スクリーン印刷法により、所定のパターンに印刷塗布する。また、前記グリーンシートにマイクロドリルによって直径が１２０μｍのスルーホールを形成し、スルーホール内に前記金属ペーストを充填することによってビア導体を形成した。
（金属シート作製）
一方、平均粒径が３μｍの銅粉末５０体積％に、平均粒径が２μｍのタングステン粉末５０体積％、成形用有機樹脂としてアクリル系樹脂を２質量％、溶剤としてトルエンを添加し、ボールミルで２４時間混合してスラリーを調製した。このスラリーを用いてドクターブレード法によって縦３００ｍｍ×横３００ｍｍ×厚さ２３０μｍの金属シートを作製した。
（積層体作製）
次に、前記グリーンシート１に対して、図１に示すようなパンチング装置によって、中央部に縦１０ｍｍ×横３０ｍｍの大きさの貫通孔を形成した。
【００４１】
次に、貫通孔を形成したグリーンシート１の上に、金属シート２を
積層した後、パンチング装置における上パンチを下げ、上パンチの下面がグリーンシート１の表面と同一平面となるところまで下ろした。
【００４２】
上パンチを上げ、グリーンシート１を確認した結果、グリーンシート１の貫通孔部分に、金属シート２が埋め込まれた構造の複合体Ａが形成されていた。
【００４３】
次に、図３に示すように、上記のようにして作製した複合体Ａ１，さらに同様にして作製された貫通孔に金属シートが埋め込まれた複合体Ａ２を積層するとともに、金属シートと複合化されていない通常の配線パターンが形成されたグリーンシートＢ１、Ｂ２、Ｂ３の延べ５層のグリーンシートを密着液を用いて積層した。また、積層にあたっては、積層体に対して、６０度の温度に加熱しながら、９００ＭＰａの圧力を印加した。
【００４４】
この加圧して積層した１つの試料について、金属シートを埋め込んだ部分についてグリーンシート側の変形を観察した結果、グリーンシートに対しては、全く変形は認められなかった。
【００４５】
次に、この積層体を１３５０℃の還元雰囲気中で２０時間、加熱して焼結した。
【００４６】
その結果、金属シートを埋め込んで部分に金属層を有するセラミック配線基板が得られた。
【００４７】
作製したセラミック配線基板に対して、金属層表面の平坦度を触針法によって測定した結果、最大高低差３０μｍ／１０ｍｍであり、平坦度の優れた基板が形成され、基板の変形がほとんどないことが確認された。また、金属層の部分を切断し、金属層付近を双眼顕微鏡で観察した結果、全く層間剥離や充填不良等の発生は全く認められなかった。
【００４８】
実施例２
実施例１で作製したグリーンシート１および金属シート２を図２に示すように、積層した後、パンチング装置における上パンチを下げ、上パンチの下面がグリーンシートの表面と同一平面となるところまで下ろした。
【００４９】
上パンチを上げ、グリーンシート１を確認した結果、グリーンシート１の貫通孔部分に、金属シート２が埋め込まれた構造の複合体Ａ’が形成されていた。
【００５０】
そして、この後は、実施例１と全く同様にして、図３に示すように、グリーンシートＡ１、Ａ２と、金属シートと複合化されていない通常の配線パターンが形成されたグリーンシートＢ１、Ｂ２、Ｂ３の延べ５層のグリーンシートを密着液を用いて積層し、６０度の温度に加熱しながら、９００ＭＰａの圧力を印加した。
【００５１】
この加圧して積層した１つの試料について、金属シートを埋め込んだ部分についてグリーンシート側の変形を観察した結果、実施例１と同様、グリーンシートに対しては、全く変形は認められなかった。
【００５２】
その後、この積層体を１３５０℃の還元雰囲気中で２０時間、加熱して焼結した結果、金属シートを埋め込んだ部分に金属層を有するセラミック配線基板が得られた。
【００５３】
作製したセラミック配線基板に対して、金属層表面の平坦度を触針法によって測定した結果、実施例１と同様、最大高低差４０μｍ／１０ｍｍ以下であり、平坦度の優れた基板が形成され、基板の変形がほとんどないことが確認された。また、金属層の部分を切断し、金属層付近を双眼顕微鏡で観察した結果、全く層間剥離や充填不良等の発生は全く認められなかった。
【００５４】
比較例１
実施例１と同様にして作製されたグリーンシートＡ１、Ａ２に対して、貫通孔を形成した後、金属シートを埋め込みことなく、貫通孔を有するグリーンシートの片面のみを積層（グリーンシートＡ１とＢ１、Ａ２とＢ２）し、凹形状をそれぞれ形成した。この凹部に実施例１で記載した金属ペーストをスクリーン印刷法で充填し、６０℃で６０分乾燥した。
【００５５】
そして、グリーンシートＡ１とＢ１、Ａ２とＢ２の積層体とグリーンシートＢ３とともに、延べ５層のグリーンシートを密着液を用いて、６０度の温度に加熱しながら、９００ＭＰａの圧力を印加した。
【００５６】
この加圧して積層した１つの試料について、金属ペーストを充填した部分について変形を観察した結果、金属ペースト表面に凹みが確認された。
【００５７】
次に、この積層体を１３５０℃の還元雰囲気中で２０時間、加熱して焼結し、金属層が形成されたセラミック配線基板が得られた。
【００５８】
作製したセラミック配線基板に対して、金属層表面の平坦度を触針法によって測定した結果、最大高低差１５０μｍ／１０ｍｍであり、平坦度の悪い金属層が形成され、基板の変形が認められた。また、金属層部分を切断し、金属層付近を双眼顕微鏡で観察した結果、その絶縁基体と金属層界面に充填不良と思われる隙間が確認された。
【００５９】
【発明の効果】
以上詳述した通り、本発明によれば、セラミックグリーンシートと金属シートが部分的に一体化した複合体を１回または２回のパンチング処理によって容易に形成することができる。しかも、作製された複合体は、金属層を有するセラミック基板を形成する場合のセラミック基板の変形や充填不良などの発生を抑制し、金属層の平坦度を高め、電子部品の実装信頼性を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明における複合体の製造方法の一例を説明するための工程図である。
【図２】本発明における複合体の製造方法の他の例を説明するための工程図である。
【図３】本発明の複合体を用いた金属層を有するセラミック基板の製造方法を説明するための工程図である。
【符号の説明】
１ セラミックグリーンシート
２ 金属シート
３ 貫通孔
４ 上パンチ
５ 開口
６ 下パンチ
７ 金属層
８ メタライズ配線層
９ ビア導体
Ａ 複合体
Ｂ セラミックグリーンシート
Ｃ 積層体
Ｄ セラミック基板[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
INDUSTRIAL APPLICABILITY The present invention is suitably used for manufacturing a wiring board applied to various wiring boards and packages for housing semiconductor elements, and particularly, a wiring conductor capable of permitting heat dissipation and a large current of a power module board and the like. The present invention relates to a composite used for producing a ceramic substrate having the same, a method for producing the same, and a method for producing a ceramic substrate.
[0002]
[Prior art]
2. Description of the Related Art In recent years, heat generated from a semiconductor device has been increasing along with high integration of semiconductor elements. In order to eliminate malfunction of the semiconductor device, a wiring board capable of releasing such heat to the outside of the device is required. On the other hand, with regard to electrical characteristics, signal delay has become a problem due to an increase in operation speed, and it has been required to use a wiring conductor with a small wiring conductor loss, that is, a low resistance.
[0003]
From the viewpoint of reliability, a wiring board on which such a semiconductor element is mounted is made of a ceramic in which an alumina ceramic is used as an insulating base and a wiring layer made of a high melting point metal such as tungsten or molybdenum is formed on the surface or inside thereof. Wiring boards are frequently used. However, a wiring layer made of a refractory metal, which has been widely used, can reduce the resistance to at most about 13 μΩ · cm. Therefore, in order to reduce the resistance value of the wiring conductor in the multilayer wiring board as described above and allow a large current to flow, a thick copper (Cu) film or electroless plating is applied to the insulating base constituting the multilayer wiring board. Forming wiring conductors has been performed.
[0004]
However, in such a wiring conductor, the line width of the wiring pattern is limited by the area of the multilayer wiring board in order to increase the wiring density, and cannot be formed wider than a certain width. It was difficult to obtain a wiring conductor of sufficient thickness at a low cost in a short time without adversely affecting the subsequent steps, and the above-mentioned resistance reduction was not satisfied.
[0005]
Therefore, in order to reduce the resistance value of the wiring conductor and allow a large current to flow, a through hole is formed in the ceramic green sheet constituting the multilayer wiring board, and copper (Cu) having a low electric resistance value is formed in the through hole. Japanese Patent Application Laid-Open Nos. 5-21635 and 63-194 propose a low-resistance wiring conductor obtained by thickly filling a wiring conductor paste made of a low melting point metal such as silver or silver (Ag). reference).
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
When the low-resistance wiring conductor is formed, a through hole is formed in a predetermined ceramic green sheet, and a wiring metal paste is filled in a recess formed by laminating with another green sheet by a screen printing method or a dispenser method. I do. When the drying process is performed after filling the paste, irregularities such as denting of the surface of the paste filling portion are generated, and when laminating the green sheets, there are problems such as occurrence of lamination failure and deformation of the laminate. In addition, there has been a problem in that, when a complicated pattern is formed, a filling failure of the paste occurs, and a connection failure with another circuit occurs.
[0007]
Therefore, the present invention solves the above-mentioned problems in filling the metal paste into the through-holes, and provides a composite in which the metal component is uniformly embedded in the ceramic green sheet through-holes, and a method for producing the same. It is another object of the present invention to provide a method of manufacturing a ceramic substrate using the composite to prevent the occurrence of lamination failure or the like in a portion where a metal component is embedded.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
The composite of the present invention is characterized in that a metal sheet having substantially the same thickness as the green sheet is embedded in a through hole formed at a predetermined position of the ceramic green sheet.
[0009]
Further, the metal sheet in the composite contains 10 to 60% by volume of a copper powder and 40 to 90% by volume of a powder of tungsten and / or molybdenum.
[0010]
According to the first method of manufacturing such a composite, a step of producing a ceramic green sheet and a metal sheet having substantially the same thickness, and a step of forming a through hole at a predetermined position of the ceramic green sheet, A step of laminating the metal sheet on the ceramic green sheet having the through hole formed therein, and pressing a through hole forming portion of the ceramic green sheet from the metal sheet side so that a part of the metal sheet is formed in the through hole. And a step of forming a composite in which the ceramic green sheet and the metal sheet are integrated with each other.
[0011]
According to the second method for producing a composite, a step of producing a ceramic green sheet and a metal sheet having substantially the same thickness; a step of laminating the ceramic green sheet and the metal sheet; A step of pressing a predetermined portion from the metal sheet side to shift a pressed portion of the metal sheet to the ceramic green sheet side to produce a composite body integrated with the ceramic green sheet and the metal sheet. It is characterized by the following.
[0012]
Further, according to the present invention, by providing a step of forming the laminated structure by laminating the above composite with another ceramic green sheet and / or another composite, a metal having a multilayer structure can be formed on a substrate having a multilayer structure. The layers can form a composite applied as part of an electrical circuit or as a heat sink.
[0013]
According to the composite of the present invention, it is possible to easily and uniformly fill the metal component in the through-hole of the ceramic green sheet by one or two pressing processes. In addition, since the metal sheet is integrally embedded in the through hole of the green sheet without any gap and is compounded, it is easy to handle a single sheet in which the metal sheet is embedded in the through hole of the green sheet. In addition, by changing the punch shape according to the shape of the complicated through hole, the metal sheet can be embedded in the through hole having any shape.
[0014]
In addition, since it is easy to handle the composite as a single sheet, the lamination process can be easily performed even when the composite is laminated with another composite or a green sheet.
[0015]
In addition, it prevents the occurrence of irregularities in the filling portion such as when the conductive paste is filled in the through hole, and also prevents lamination failure and deformation of the laminated body even when laminating with another composite or ceramic green sheet. Can be.
[0016]
In addition, by firing the laminate, a metal layer for forming a circuit can be formed on or in the surface of the ceramic substrate. A high-quality circuit can be formed while suppressing a decrease in flatness.
[0017]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
(First method)
The first method for producing a composite according to the present invention will be described with reference to the process chart of FIG.
[0018]
First, a ceramic green sheet 1 and a metal sheet 2 are prepared. The thickness of the ceramic green sheet 1 may be any thickness depending on its use, but is preferably 50 to 300 μm in order to form a composite with the metal sheet 2. The metal sheet 2 is preferably a substantially thick that approximates this ceramic green sheet 1, the thickness t 2 of the metal sheet 2, the thickness t 1 of the green sheet 1, 0.9t 1 it is desirable that the ~1.1t 1.
[0019]
First, a through-hole 3 for forming a void in the ceramic green sheet 1 is formed. In this method, the through holes 3 are formed by a punching method using a press.
[0020]
FIG. 1 shows the through hole 3 formed by punching. As shown in FIG. 1 (a), this through hole 3 prepares a punching press formed by an upper press 4 as a driving unit and a lower press 6 having an opening 5 while supporting the green sheet 1. Then, the green sheet 1 is placed on the lower press 6 and the upper press 4 is driven downward as shown in FIG. 1 (b), thereby forming the green sheet 1 as shown in FIG. 1 (c). On the other hand, a through hole 3 is formed.
[0021]
Next, as shown in FIG. 1D, the metal sheet 2 is placed on the surface of the green sheet 1 in which the through holes 3 are formed. Then, as shown in FIG. 1E, the upper press 4 is driven. At this time, the drive amount of the upper press 4 is adjusted, and the drive stop position on the lower surface of the upper press is set on the upper surface side of the green sheet 1. Thereby, simultaneously with the punching of the metal sheet 2, the punched portion 2 a of the metal sheet 2 can be embedded in the gap 3 previously formed in the green sheet 1.
[0022]
Thereafter, by removing the upper punch 4 and the metal sheet 2, as shown in FIG. 1F, the metal sheet 2 a is embedded in the through hole 3 formed at a predetermined position of the green sheet 1 and integrated. Can be produced.
(Second method)
Further, a second manufacturing method of the present invention will be described with reference to FIG. According to the method of FIG. 2, similarly to FIG. 1, a ceramic green sheet 1 and a metal sheet 2 having substantially the same thickness are produced.
[0023]
Then, as shown in FIG. 2A, the green sheet 1 is placed on the lower press 6, and as shown in FIG. 2B, the metal sheet 2 is laminated on the upper side of the ceramic green sheet 1. At this time, it is desirable that both the green sheet 1 and the green sheet 1 are lightly temporarily fixed with an adhesive or the like in order to peel and remove the metal sheet 2 as described later.
[0024]
Then, as shown in FIG. 2C, as described above, the upper press 4 is driven, and the driving stop position of the upper press 4 is set on the upper surface side of the green sheet 1. Thereby, simultaneously with the punching of the green sheet 1 and the metal sheet 2, the portion pressed by the upper press 4 of the metal sheet 2 is simultaneously embedded in the through-hole 3 formed by punching the green sheet 1. be able to.
[0025]
Thereafter, the upper punch 4 and the punched metal sheet 2 are peeled and removed, and the green sheet 1 is peeled from the lower punch 6 to form a predetermined portion of the green sheet 1 as shown in FIG. The metal sheet 2 is embedded in the through hole 3 thus formed, and an integrated composite A ′ can be manufactured.
[0026]
As described above, according to the present invention, the composite in which the metal sheet 2 having substantially the same thickness as the green sheet 1 is embedded in the through hole 3 of the ceramic green sheet 1 using the punch is used once or twice. It can be easily formed by pressing twice.
(Production method of laminate)
Next, according to the present invention, such a composite is suitably used for producing a ceramic substrate having a multilayer structure having a metal layer. Therefore, a method for manufacturing the ceramic substrate will be described with reference to the process chart of FIG.
[0027]
As shown in FIGS. 3 (a) and 3 (b), a composite A2 produced in the same manner as the composite A1 produced in FIG. 1 or FIG. 2 or another green sheet B1 not composited with a metal sheet, A laminate C is prepared by laminating and integrating B2 and B3 together using a close contact liquid or the like.
[0028]
Then, by heating the laminate C to a temperature at which the ceramic green sheet 1 and the metal sheet 2 are sintered, the metal sheet is sintered to form a metal layer, and the ceramic green sheet is fired and densified. As shown in FIG. 3C, a ceramic substrate D having a multilayer structure including the metal layer 7 can be formed.
[0029]
In the method of the present invention, when embedding a metal component in a through hole formed in a ceramic green sheet, a concave portion formed by laminating a ceramic green sheet having a through hole and another green sheet as in the related art. There is no need to pour the paste into the green sheet, and instead of using a paste-like material, it is possible to embed a rigid metal sheet into a single green sheet with a punch. For this reason, a laminate in which a metal component is embedded in the through hole of the green sheet can be easily formed only by aligning and stacking the green sheet in which the metal sheet is embedded with another green sheet.
[0030]
In addition, in the present invention, since there is no deformation such as a dent in the filling portion of the metal component when the paste is used, there is no generation of voids at the lamination interface when laminating and integrating the green sheets.
[0031]
In addition, according to the method of the present invention, even when a high pressure of 3 to 7 MPa is applied during the laminating process, the pressure is uniformly applied because the through-holes are buried by the rigid metal sheet. Can also be suppressed.
[0032]
According to the present invention, the metallized wiring layer 8 is appropriately formed on the surfaces of the composites A1 and A2 as shown in FIG. 3 in order to apply the composites A1 and A2 to a ceramic wiring board or the like. be able to. The metallized wiring layer 8 is formed into a predetermined pattern by applying a metal paste obtained by adding and mixing an organic binder, a solvent, and a plasticizer to a metal powder on the surfaces of the composites A1 and A2 according to a known method. Print and apply. In addition, a through-hole is formed in the composites A1 and A2 by micro drilling or laser processing, and a via conductor 9 can be formed by filling the through-hole with a metal paste. The metallized wiring layers 8 thus formed can be electrically connected to each other.
[0033]
The green sheet 1 used in the present invention is prepared by adding a suitable organic binder such as an acrylic resin to a ceramic raw material powder prepared at a predetermined ratio and dispersing the mixture in an organic solvent to prepare a slurry. A green sheet 1 having a predetermined thickness is produced by a casting method such as a blade method or a lip coater method. The appropriate thickness of the green sheet is usually 50 to 400 μm. When a sheet thinner than 50 μm is formed, the prepared slurry is applied onto a carrier sheet that has been subjected to a release agent treatment by a coating method such as a conventionally known roll coater, gravure coater, blade coater, etc., and dried to form a metal sheet. Can be made.
[0034]
On the other hand, the metal sheet 2 used in the present invention is obtained by forming a mixture of a metal powder and an organic binder into a sheet. In particular, the organic binder enhances the punching workability by pressing and improves the firing time. An acrylic resin, particularly an acrylic resin having isobutyl methacrylate as a main skeleton, is desirable in order to enhance the thermal decomposition removability.
[0035]
Further, as the metal component, it is desirable that the low melting point metal powder is composed of 10 to 60% by volume and the high melting point metal powder is composed of 40 to 90% by volume. As the low melting point metal, at least one selected from the group consisting of Cu, Ag, Au, and Al is preferably used, and as the high melting point metal, at least one selected from the group consisting of tungsten, molybdenum, and manganese is suitably used. As described above, by blending the low melting point metal and the high melting point metal in the above range, the punching workability of the metal sheet can be improved, and further, the resistance of the fired metal layer can be reduced and the thermal conductivity can be increased. be able to.
[0036]
In firing, it is desirable to fire at a temperature higher than the melting point of the low-melting metal to form a structure in which the low-melting metal occupying the grain boundaries of the high-melting metal particles occupies. From this point, by setting the amount of the high melting point metal to 40% by volume or more, the shape of the metal layer can be maintained even when the low melting point metal is melted, and the heat between the metal layer and the ceramic insulating layer such as Al2O3 can be maintained. It is possible to suppress the occurrence of stress due to the difference in expansion, and to prevent the occurrence of cracks in each wiring layer and insulating layer. Further, by setting the amount of the low-melting metal to 10% by volume or more, it is possible to reduce the resistance and increase the thermal conductivity of the metal layer.
[0037]
In preparing the metal sheet, 1 to 10 parts by weight of the above organic binder is added to 100 parts by weight of the metal powder, and the resultant is dispersed in an organic solvent such as toluene, hexane, and heptane. Incidentally, a plasticizer may be added to give flexibility to the sheet.
[0038]
In the present invention, the average particle size of the low melting point metal powder is desirably 0.8 to 12 μm, whereby the dispersibility of the powder can be improved. It is also desirable that the high melting point metal powder be dispersed and contained in a matrix made of copper as spherical or sintered particles of several particles having an average particle diameter of 0.8 to 12 μm. When the thickness is 8 μm or more, the shape retention of the metal layer 5 can be enhanced and the resistance of the metal layer can be reduced. When the thickness is 12 μm or less, the matrix of the low-melting-point metal is separated by the high-melting-point metal particles. An increase in the resistance of the layer can be prevented. The average particle size of the refractory metal is most preferably 1.3 to 5 μm, particularly preferably 1.3 to 3 μm.
[0039]
【Example】
Example 1
(Green sheet preparation)
After adding and mixing 5% by weight of MnO 2 , 3% by weight of SiO 2 , and 0.5% by weight of MgO to aluminum oxide powder (average particle size 1.8 μm), the organic resin for molding was further added. , A slurry was prepared by adding 3% by weight of an acrylic resin and toluene as a solvent and mixing with a ball mill for 24 hours. Using this slurry, a green sheet having a length of 300 mm, a width of 300 mm, and a thickness of 230 µm was produced by a doctor blade method.
[0040]
In addition, this green sheet contains 50% by volume of copper powder having an average particle size of 3 μm, 50% by volume of tungsten powder having an average particle size of 2 μm, 4% by mass of an acrylic binder as an organic resin for printing, and phthalate as a plasticizer. A metal paste in which dibutyl acid is mixed at a ratio of 10% by mass is prepared, and is printed and applied in a predetermined pattern on the surface of the green sheet by a screen printing method. Further, a through-hole having a diameter of 120 μm was formed in the green sheet by a microdrill, and the via paste was formed by filling the through-hole with the metal paste.
(Metal sheet production)
On the other hand, 50% by volume of copper powder having an average particle size of 3 μm, 50% by volume of tungsten powder having an average particle size of 2 μm, 2% by mass of an acrylic resin as an organic resin for molding, and toluene as a solvent were added. The slurry was prepared by mixing for hours. Using this slurry, a metal sheet having a length of 300 mm, a width of 300 mm and a thickness of 230 µm was produced by a doctor blade method.
(Laminated body production)
Next, a through hole having a size of 10 mm long × 30 mm wide was formed in the center of the green sheet 1 by a punching device as shown in FIG.
[0041]
Next, after laminating the metal sheet 2 on the green sheet 1 in which the through hole was formed, the upper punch in the punching device was lowered, and the lower surface of the upper punch was lowered until it was flush with the surface of the green sheet 1. .
[0042]
As a result of raising the upper punch and confirming the green sheet 1, a composite A having a structure in which the metal sheet 2 was embedded was formed in the through hole portion of the green sheet 1.
[0043]
Next, as shown in FIG. 3, the composite A1 produced as described above and the composite A2 in which a metal sheet is embedded in the through-hole produced in the same manner are laminated, A total of five green sheets B1, B2, and B3 on which a normal wiring pattern not formed was formed were laminated using an adhesive liquid. In addition, a pressure of 900 MPa was applied to the laminate while heating the laminate to a temperature of 60 degrees.
[0044]
As a result of observing the deformation of the green sheet side of the portion in which the metal sheet was embedded in one sample laminated by pressing, no deformation was recognized for the green sheet.
[0045]
Next, this laminate was heated and sintered in a reducing atmosphere at 1350 ° C. for 20 hours.
[0046]
As a result, a ceramic wiring board having a metal layer embedded in a metal sheet was obtained.
[0047]
The flatness of the metal layer surface was measured by the stylus method on the manufactured ceramic wiring board. As a result, the maximum height difference was 30 μm / 10 mm. A board with excellent flatness was formed, and there was almost no deformation of the board. Was confirmed. Further, as a result of cutting the metal layer portion and observing the vicinity of the metal layer with a binocular microscope, no occurrence of delamination or poor filling was observed at all.
[0048]
Example 2
After laminating the green sheet 1 and the metal sheet 2 produced in Example 1 as shown in FIG. 2, lower the upper punch in the punching apparatus and lower the lower surface of the upper punch until the lower surface of the upper punch becomes flush with the surface of the green sheet. Was.
[0049]
As a result of raising the upper punch and confirming the green sheet 1, a composite A ′ having a structure in which the metal sheet 2 was embedded was formed in the through hole portion of the green sheet 1.
[0050]
Then, in the same manner as in Example 1, as shown in FIG. 3, green sheets A1 and A2 and green sheets B1 and B2 on which ordinary wiring patterns not combined with metal sheets are formed as shown in FIG. A total of five layers of green sheets B3 and B3 were laminated using an adhesive liquid, and a pressure of 900 MPa was applied while heating to a temperature of 60 degrees.
[0051]
Observation of the deformation of the green sheet side of the portion in which the metal sheet was embedded was observed for one sample laminated by pressing, and as in Example 1, no deformation was observed for the green sheet.
[0052]
Thereafter, the laminate was heated and sintered in a reducing atmosphere at 1350 ° C. for 20 hours, and as a result, a ceramic wiring substrate having a metal layer in a portion where a metal sheet was embedded was obtained.
[0053]
The flatness of the metal layer surface was measured by a stylus method on the manufactured ceramic wiring board. As a result, the maximum height difference was 40 μm / 10 mm or less as in Example 1, and a board with excellent flatness was formed. It was confirmed that the substrate was hardly deformed. Further, as a result of cutting the metal layer portion and observing the vicinity of the metal layer with a binocular microscope, no occurrence of delamination or poor filling was observed at all.
[0054]
Comparative Example 1
After forming through holes in green sheets A1 and A2 produced in the same manner as in Example 1, only one side of the green sheet having through holes is laminated without embedding a metal sheet (green sheets A1 and B1). , A2 and B2) to form concave shapes, respectively. The recess was filled with the metal paste described in Example 1 by screen printing, and dried at 60 ° C. for 60 minutes.
[0055]
Then, a pressure of 900 MPa was applied while heating a total of five layers of green sheets together with the green sheets A1 and B1 and the laminate of A2 and B2 and the green sheets B3 to a temperature of 60 degrees using an adhesive liquid.
[0056]
As a result of observing deformation of the portion filled with the metal paste in one sample laminated by pressurization, a depression was confirmed on the surface of the metal paste.
[0057]
Next, this laminate was heated and sintered in a reducing atmosphere at 1350 ° C. for 20 hours to obtain a ceramic wiring board having a metal layer formed thereon.
[0058]
The flatness of the metal layer surface was measured by a stylus method on the manufactured ceramic wiring board. As a result, the maximum height difference was 150 μm / 10 mm, a metal layer with poor flatness was formed, and deformation of the substrate was recognized. . In addition, as a result of cutting the metal layer portion and observing the vicinity of the metal layer with a binocular microscope, a gap considered to be defective in filling was confirmed at the interface between the insulating substrate and the metal layer.
[0059]
【The invention's effect】
As described in detail above, according to the present invention, a composite in which a ceramic green sheet and a metal sheet are partially integrated can be easily formed by one or two punching treatments. Moreover, the manufactured composite suppresses the occurrence of deformation and defective filling of the ceramic substrate when forming a ceramic substrate having a metal layer, increases the flatness of the metal layer, and enhances the mounting reliability of electronic components. be able to.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a process chart for explaining an example of a method for producing a composite according to the present invention.
FIG. 2 is a process chart for explaining another example of the method for producing a composite according to the present invention.
FIG. 3 is a process chart for explaining a method for manufacturing a ceramic substrate having a metal layer using the composite of the present invention.
[Explanation of symbols]
REFERENCE SIGNS LIST 1 ceramic green sheet 2 metal sheet 3 through hole 4 upper punch 5 opening 6 lower punch 7 metal layer 8 metallized wiring layer 9 via conductor A composite B ceramic green sheet C laminate D ceramic substrate
