JP6724481B2 - セラミック基板及びその製造方法 - Google Patents
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Description
図1は、本発明の一実施形態に係るセラミック基板の模式的断面図である。図1に示すセラミック基板は、窒化ケイ素基板1とセラミック層2とが積層され接合されている。図示した例では、セラミック層2よりも窒化ケイ素基板1が大きく構成されるが、同じ大きさであっても良い。また、セラミック層2の間には配線層3が形成されていて、セラミック層2と配線層3とは、それぞれ1層からなる構成でも良いし、セラミック層2と配線層3とをこの順に複数層積層させた積層体であっても良い。また、窒化ケイ素基板1の両面にセラミック層2と配線層3とをこの順に積層させたセラミック基板とすることもできる。また、必要な回路を形成するため、セラミック層2にスルーホール4を形成することもできる。詳細は後述するが、セラミック層2として、低温焼成セラミック材料を用いることで、配線層3やスルーホール4にAgやCuといった低融点金属を用いることが出来る。
本発明では、強度、放熱性、耐熱性等を向上するためのセラミック基板をコア基板と呼び、機械的強度が高く熱伝導性の良い窒化ケイ素基板を用いる。窒化ケイ素基板を用いることで、前述のように焼結時に、セラミック層との接合界面にSi元素濃度の高い領域を形成して、セラミック層と強固に接合することができる。
本発明におけるセラミック層を構成する誘電体セラミックスは、窒化ケイ素基板との接合性を高めるために、主成分がMg,Al及びSiの酸化物で構成され、副成分として、Bi又はBを含有している。これにより、セラミック層の前段階であるグリーンシートやセラミック材料膜(グリーン層という場合がある)と窒化ケイ素基板とを積層した後、焼結した際に、前述のようにSi濃化領域を形成して、窒化ケイ素基板とセラミック層とが強固に接合すると考えられる。
本発明では、セラミック層に配線層を有していても良い。前記配線層は、公知の導電性ペーストを用いて形成することができるが、Ag、Au,Cu、Ag合金及びCu合金からなる群から選択される少なくとも1つであることが好ましい。低抵抗の配線材料を用いることで、伝送線路における信号伝送の低損失化を図ることが出来る。
本発明のセラミック基板の製造方法は、主成分として、Mg,Al及びSi、副成分として、BiまたはBを含有するセラミック材料、及びバインダーを含むグリーンシートを形成する工程と、窒化ケイ素基板上に、少なくとも1層のグリーンシートを積層して複合積層体とする工程と、前記複合積層体を1100℃以下で焼成して、セラミック層と窒化ケイ素基板とを接合したセラミック基板とする工程と、を含む。前記焼成工程を経て得られるセラミック基板は、窒化ケイ素基板とセラミック層とが積層されて接合されており、前記セラミック層は、前記窒化ケイ素基板との接合界面に形成されたSi元素濃度の高い領域を有することができる。これにより、前述で説明した通り、セラミック層と窒化ケイ素基板との接合性を向上したセラミック基板を製造できる。また、銀の融点(961℃)以下900℃程度〜銅の融点(1083℃)以下1000℃程度で焼成することができる。グリーンシートの形成にはドクターブレード法等の公知のシート成形方法を採用することが出来る。
(a)まず、本セラミック基板に用いる窒化ケイ素基板1は、焼結した基板をそのまま用いることが出来る。必要に応じて、窒化ケイ素基板の表面を研磨加工して用いることも出来る。
(1)セラミック層を構成する誘電体セラミックスの比誘電率、誘電損失
誘電特性の評価は、ネットワークアナライザ(HEWLETT PACKARD製、8720D)を用いて、誘電体共振器法により行った(JIS R1627に準拠)。所定形状(例えば直径11mm、厚さ5.5mm)の試料の共振周波数fと無負荷Q値を測定してfQ値を求める。無負荷Q値から誘電損失tanδを算出すると共に、試料の寸法とfの関係から比誘電率を算出するもので、前記寸法は共振周波数が15GHzになる様に設定した。
熱膨張係数は、直径4mmで高さ10mmの円柱状の試料を作製し、熱膨張係数(40〜400℃)をリガク製TMA8140により測定した。
京都電子工業製レーザーフラッシュ法熱物性測定装置を使って、24℃における熱伝導度を測定した。
目視により、窒化ケイ素基板とセラミック層との剥離の有無を観察した。
走査電子顕微鏡(日本電子製、FEM−SEM、JSM−7800、倍率:2000倍)により、窒化ケイ素基板とセラミック層との界面を観察した。
試料の外径、厚さ、重量から算出した。
多機能型X線回折装置MRD(スペクトリス社製)を使用し、線源にCu−Kαを用いてX線回折測定を行った。
実施例1では、セラミック層を形成するセラミック材料として、表1に記載のLTCC材料を用いた。表1に記載のLTCC材料及びバインダーからなるグリーンシートを5層、厚さ約300μmの窒化ケイ素基板に重ね(1層の厚さ約80μm)、85℃で40MPaの圧力で10分間加熱加圧して、複合積層体を得た。これを600℃で脱脂した後、900℃で2時間焼結して、寸法が縦10mm×横10mm×厚み0.6 mmのセラミック基板を作製した。LTCC材料は主成分と副成分とを混合して仮焼した前述の第1の態様に対応し、X線回折測定によれば、コーディエライトが主相となっていた。
市販されているLTCC材料のグリーンシートを準備し、実施例1で用いた窒化ケイ素基板に重ね、85℃で40MPaの圧力で10分間加熱加圧して、複合積層体を得た。これを実施例1と同様に600℃で脱脂した後、900℃で2時間焼結して、寸法が縦10mm×横10mm×厚み0.6mmのセラミック基板を作製した。
セラミック層を形成するLTCC材料として、表1に記載の材料を用いて実験を行った。表1に記載の材料及びビヒクルからなるペーストを直接、実施例1で用いた窒化ケイ素基板に塗布して複合積層体を作製した。前記ペーストについて以下説明する。
LTCC材料の素原料を表1にしめす質量比率(合計800g)に従って秤量し、エタノール1500gと一緒に、ナイロン製5Lのボールミルポットへφ5mmのY2O3安定化ジルコニアボール10kgで、40時間混合粉砕をおこなった。スラリー濃度35質量%で調整した。
混合スラリーを加熱乾燥した後、乳鉢で解砕し、目開き500μmの篩を通過させ、アルミナ坩堝へ混合粉を投入し、大気中で1050℃、2時間仮焼して、LTCC材料を得た。
仮焼粉(LTCC材料)60gに対して、エタノールを120g使用した。ポリプロピレン製0.5Lボールミルポットへφ5mmのY2O3安定化ジルコニアボール1Kgと、上記仮焼粉とエタノールを投入し92時間粉砕してスラリーを得た。
前記スラリーを乾燥後、目開き150μmの篩通しを実施した。
ブチルカルビトールアセテート(BCA)80gとエチルセルロース(EC)11gをビーカ中で混合したのち、60℃で6時間加熱溶解し、一晩放置してビヒクルを得た。得たビヒクル16.5gに対して、前項の粉砕粉12gをビーカ中に投入し、混合した後、3本ロールミルに2回通して、LTCC材料のペーストを得た。
日東電工製カプトンテープ3枚(約150μm/枚)を10mm幅で窒化ケイ素基板に貼り付けて、カプトンテープでカッター刃をガイドして窒化ケイ素基板にペーストを厚さ約450μmで塗布し、その後60℃で3時間乾燥し、窒化ケイ素基板上にセラミック材料膜(グリーン層と呼ぶ場合がある)を一体化した複合積層体を得た。
バッチ式マッフル炉(昇温冷却200℃/時間、持続2時間)で、900℃、1000℃でそれぞれ焼成して、寸法が縦130mm×横200mm×厚み0.6mmで、窒化ケイ素基板とセラミック層とを接合したセラミック基板を得た。セラミック基板において、窒化ケイ素基板部の厚みは0.3mmであり、セラミック層の厚みは0.3mmである。
以下の工程としたこと以外は、実施例2と同様の方法でセラミック基板を作製した。
セラミック層の主成分を100質量%としたとき、SiO2、Al2O3及びMgOを、SiO2:50質量%、Al2O3:35質量%、MgO:15質量%の質量比率(合計800g)に従って秤量し、イオン交換水1500gを使用した。ナイロン製5Lのボールミルポットへ、φ5mmのY2O3安定化ジルコニアボール10kgと上記原料とイオン交換水を投入し、40時間混合粉砕をおこなった。
混合スラリーを加熱乾燥した後、乳鉢で解砕し、目開き500μmの篩を通過させ、アルミナ坩堝へ混合粉を投入し、大気中で1100℃、2時間仮焼した。
仮焼粉60gに対して、エタノールを120g使用した。ポリプロピレン製0.5Lボールミルポットへφ5mmのY2O3安定化ジルコニアボール1kgと、上記仮焼粉とエタノールを投入し70時間粉砕して予備粉砕スラリーを得た。
ポリプロピレン製0.25Lボールミルポットへφ2mmのY2O3安定化ジルコニアボール0.5kgと、上記予備粉砕スラリー35gを入れ、さらに表4の比率になるよう副成分を配合し16時間粉砕して、LTCC材料を得た。LTCC材料は主成分を仮焼した後、副成分と混合した前述の第2の態様に対応し、X線回折測定によれば、Al2O3とガラス相が主相となっていることを確認した。
比較例2〜3について、表4の質量比率に従って主成分、副成分を秤量したこと以外は、実施例3と同様の方法でセラミック基板を作製した。
実施例3〜5の混合及び仮焼工程の代わりに、市販のコーディエライト材(丸ス釉薬合資会社製、製品名CC1000、組成2MgO・2Al2O3・5SiO2、BET:12m2/g)を用いたこと以外は、実施例3〜5と同様の方法でセラミック基板を作製した。市販のコーディエライト材を主成分とするLTCC材料は、前述の第3の態様に対応し、X線回折測定によれば、コーディエライトを主相となっていることを確認した。
比較例4〜5について、表5の質量比率に従って主成分、副成分を秤量したこと以外は、実施例6と同様の方法でセラミック基板を作製した。
本発明のセラミック層を形成するLTCC材料として、表6に記載の材料を用いて実験を行った。
セラミック層の主成分を、副成分を含んで100質量%としたとき、表6の質量比率となるように秤量した。以降仮焼までは実施例3と同様に作製を進めた。
得られた仮焼粉55gに対して、表6の比率になるよう副成分を配合し、ポリプロピレン製0.5Lボールミルポットへφ5mmのY2O3安定化ジルコニアボール1kgとともに投入し、イオン交換水を加えて、スラリー濃度が30質量%となるようにして、23時間粉砕・混合した。
スラリーを加熱乾燥した後、乳鉢で解砕し、バインダー(PVA)を加えて目開き500μmの篩を通過させ造粒した。焼成後、直径11mm、厚さ5.5mmとなるように成形し、大気中にて900℃で焼成した。得られた各参考例の試料の密度を測定した。結果を図16に示す。
セラミック層を形成するLTCC材料として、表7に記載の材料を用いて実験を行った。他は参考例1〜3と同様にして試料を作製した。各参考例ではB2O3/Bi2O3重量比を0.4で一定とし、Mn3O4とCuOの重量比を異ならせている。得られた各参考例の試料の共振周波数fと無負荷Q値を測定してfQ値を求めた。結果を図17に示す。
セラミック層を形成するLTCC材料として、表8に記載の材料を用いて実験を行った。各参考例では、主成分と副成分の比率を異ならせるとともに、副成分のBi2O3、B2O3、CuO、CuOの比率は参考例で一定となるようにしている。実施例3〜5と同じ条件で作製したAl2O3とガラス相を主相とするMgO、Al2O3、SiO2仮焼粉を用い、焼成温度を875℃〜1050℃として参考例1〜3と同様に試料を作製した。得られた各参考例の試料の密度を測定した。結果を図18に示す。
2’グリーンシート
2 セラミック層
3’配線パターン
3 配線層
4 スルーホール
5 放熱用厚銅板
6 デバイス搭載パッド
7 内蔵配線
8 デバイス搭載パッド
9 パワー半導体
10 SMD
11 回路用厚銅板
S 接合界面
Claims (15)
- 窒化ケイ素基板と、誘電体セラミックスでなるセラミック層とが、積層されて接合されているセラミック基板であって、
前記誘電体セラミックスは、Mg,Al及びSiを主成分とし、副成分として、Biを含有し、
前記セラミック層は、前記窒化ケイ素基板との接合界面に、Si元素濃度の高い領域を有するセラミック基板。 - 窒化ケイ素基板と、誘電体セラミックスでなるセラミック層とが、積層されて接合されているセラミック基板であって、
前記誘電体セラミックスは、Mg,Al及びSiを主成分とし、副成分として、Bi又はBを含有し、
前記セラミック層に配線層を有し、
前記セラミック層は、前記窒化ケイ素基板との接合界面に、Si元素濃度の高い領域を有するセラミック基板。 - 前記誘電体セラミックスの主成分は、主成分を100質量%とした場合に、MgO換算で10〜25質量%のMg、Al2O3換算で15〜46質量%のAl、及びSiO2換算で40〜65質量%のSiを含有する請求項1又は2に記載のセラミック基板。
- 前記副成分は、主成分を100質量部とした場合に、Bi2O3換算で0.1〜10質量部のBi、又はB2O3換算で0.1〜10質量部のBを含有する請求項1〜3のいずれか1項に記載のセラミック基板。
- 前記副成分として、さらにCuを含有し、前記Cuの含有量は、主成分を100質量部とした場合に、CuO換算で0.1〜10質量部である請求項1〜4のいずれか1項に記載のセラミック基板。
- 前記副成分として、さらにMnを含有し、前記Mnの含有量が、主成分を100質量部とした場合に、Mn3O4換算で0.1〜10質量部である請求項1〜5のいずれか1項に記載のセラミック基板。
- 前記Si元素濃度の高い領域の近傍には、さらに前記副成分に由来する元素の濃度の高い領域を有する請求項1〜6のいずれか1項に記載のセラミック基板。
- 少なくとも一層の配線層を有し、前記配線層は、Ag、Au,Cu、Ag合金及びCu合金からなる群から選択される少なくとも1つである請求項1〜7のいずれか1項に記載のセラミック基板。
- 前記窒化ケイ素基板の熱膨張係数と前記セラミック層の熱膨張係数との差は、±2ppm/℃以内である請求項1〜8のいずれか1項に記載のセラミック基板。
- 前記セラミック層の単層厚みは、20〜400μmから選択される請求項1〜9のいずれか1項に記載のセラミック基板。
- セラミック基板の製造方法であって、
主成分として、Mg,Al及びSi、副成分として、Biを含有するセラミック材料、及びバインダーを含むグリーンシートを形成する工程と、
窒化ケイ素基板上に、少なくとも1層のグリーンシートを積層して複合積層体とする工程と、
前記複合積層体を1100℃以下で焼成して、セラミック層と窒化ケイ素基板とを接合したセラミック基板とする工程と、を含み
前記焼成工程時に、前記セラミック層と前記窒化ケイ素基板との接合界面に、Si元素濃度の高い領域を形成するセラミック基板の製造方法。 - セラミック基板の製造方法であって、
主成分として、Mg,Al及びSi、副成分として、BiまたはBを含有するセラミック材料、及びバインダーを含むグリーンシートを形成する工程と、
前記グリーンシートに、導電性ペーストで配線パターンを形成する工程と、
窒化ケイ素基板上に、少なくとも1層のグリーンシートを積層して複合積層体とする工程と、
前記複合積層体を1100℃以下で焼成して、セラミック層と窒化ケイ素基板とを接合したセラミック基板とする工程と、を含み
前記焼成工程時に、前記セラミック層と前記窒化ケイ素基板との接合界面に、Si元素濃度の高い領域を形成するセラミック基板の製造方法。 - セラミック基板の製造方法であって、
主成分として、Mg,Al及びSi、副成分として、Biを含有するセラミック材料、及びビヒクルを含むペーストを、窒化ケイ素基板上に塗布した後、乾燥して、グリーン層を形成して複合積層体とする工程と、
前記複合積層体を1100℃以下で焼成してセラミック層と窒化ケイ素基板とを接合したセラミック基板とする工程と、を含み
前記焼成工程時に、前記セラミック層と前記窒化ケイ素基板との接合界面に、Si元素濃度の高い領域を形成するセラミック基板の製造方法。 - セラミック基板の製造方法であって、
主成分として、Mg,Al及びSi、副成分として、Bi又はBを含有するセラミック材料、及びビヒクルを含むペーストを、窒化ケイ素基板上に塗布した後、乾燥して、グリーン層を形成して、前記グリーン層と配線パターンを印刷して、複合積層体とする工程と、
前記複合積層体を1100℃以下で焼成してセラミック層と窒化ケイ素基板とを接合したセラミック基板とする工程と、を含み
前記焼成工程時に、前記セラミック層と前記窒化ケイ素基板との接合界面に、Si元素濃度の高い領域を形成するセラミック基板の製造方法。 - 前記セラミック層の単層厚みは、20〜400μmから選択される請求項11〜14のいずれか1項に記載のセラミック基板の製造方法。
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