JP4515562B2 - セラミックス回路基板の製造方法 - Google Patents
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Description
【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】
【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】
【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】
【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。
Claims (5)
- 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。 - 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。
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