JPH09260544A

JPH09260544A - セラミック回路基板およびその製造方法

Info

Publication number: JPH09260544A
Application number: JP6766696A
Authority: JP
Inventors: Akihiro Horiguchi; 昭宏堀口; Mitsuo Kasori; 光男加曽利; Hiroyasu Sumino; 裕康角野; Fumio Ueno; 文雄上野
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1996-03-25
Filing date: 1996-03-25
Publication date: 1997-10-03

Abstract

(57)【要約】【課題】導体層の低抵抗化、絶縁層と導体層の収縮率
がマッチングした高い位置精度、導体層と絶縁体層との
密着性が強固で、反りや断線等の生じにくいという高信
頼性を有する、とくに同時焼結による一層配線や多層配
線を有する高熱伝導性ＡｌＮセラミック回路基板の提
供。【解決手段】ＡｌＮを主成分とする絶縁体部２と、
Ｗ、Ｍｏの少なくとも一種を主成分とし、Ｎｉ、Ｃｏお
よびＦｅからなる群より選択される一種以上の元素を含
有し、更にＡｌＮを０．１〜２０重量％含有する導体層
部３とを、少なくともその一部に有することを特徴とす
る回路基板１。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は窒化アルミニウム焼
結体を絶縁体層として用いた回路基板に係り、特に導体
層と絶縁体層とが一体焼結した多層配線を有する回路基
板に関する。

【０００２】

【従来の技術】電子機器の小型化にともない、回路基板
に実装される半導体素子からの発熱をいかに効率良く放
熱するかが重要な問題となってくる。従来、回路基板用
の絶縁材料としてはＡｌ₂ Ｏ₃ セラミックスが広く用い
られていたが、Ａｌ₂ Ｏ₃ は熱伝導性が低く、放熱性に
問題があった。これに代わるものとして、電気絶縁性等
の絶縁体としての電気諸特性に優れ、かつ熱伝導性に優
れたＡｌＮセラミックスの回路基板への応用が検討され
ている（特開昭６０−１７８６８８号公報）。

【０００３】ところで電子機器の小型化、高密度化を考
慮すると回路基板の配線にも高密度化が要求され、多層
化は必須の技術となり、ＡｌＮセラミックスの多層基板
も検討されている（特開昭６０−２５３２９５号公報、
特開昭６０−２５３２９４号公報）。ここで、１，８０
０℃程度の高温での、ＡｌＮ製グリーンシート／導体ペ
ースト・積層体の一体焼結技術は既に存在する。しかし
ながら、この技術を１，６００℃未満の低温焼結に応用
する場合、導体層の高抵抗化、絶縁体層と導体層の収縮
率ミスマッチングによる低い位置精度、反りの発生、導
体回路の断線、あるいは剥離などという問題が生じる。

【０００４】また、特開平３−１４６４８８号公報に
は、ＡｌＮセラミック絶縁体層に、タングステンを主成
分とし、更にニッケル、鉄、コバルト等を含む導体層を
用いる技術が開示されている。しかしながら、この技術
では、１，６００℃以上という高い温度で焼結処理をす
る必要があり、しかも、その結果得られた絶縁体層／導
体層結合体は、ヘリウムリークテストにおいて１０^-8の
オーダーであることからわかるように、十分な封止効果
のあるものではない。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、導体層の低
抵抗化、絶縁層と導体層の収縮率がマッチングした高い
位置精度、導体層と絶縁体層との密着性が強固で、反り
や断線等の生じにくいという高信頼性を有する、とくに
同時焼結による一層配線や多層配線を有する高熱伝導性
ＡｌＮセラミック回路基板およびそれを用いた半導体装
置並びに高熱伝導性高信頼性回路基板の製造方法を提供
することを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明者らは、ＡｌＮを
主成分とする絶縁体部と、Ｗ、Ｍｏの少なくとも一種を
主成分とし、Ｎｉ、ＣｏおよびＦｅからなる群より選択
される一種以上の元素を含有し、更にＡｌＮを０．１〜
２０重量％含有する導体部とを、少なくともその一部に
有することを特徴とする回路基板およびそれを用いる半
導体装置が、上記課題を解決し得ることを見出した。

【０００７】また、本発明者らは、Ｗ、Ｍｏの少なくと
も一種を主成分とし、Ｎｉ、ＣｏおよびＦｅ元素からな
る群より選択される一種以上の元素を単体または化合物
の形態で含有し、周期律表のIIａ族および IIIａ族元素
からなる群より選択される一種以上の元素を化合物の形
態で含有し、かつＡｌＮ粉末を含有する導体ペーストを
使用して、少なくとも一部の導体部を形成し、かつ１，
６００℃未満で焼結することを特徴とする、ＡｌＮ回路
基板の製造方法が上記課題を解決し得ることを見出し
た。

【０００８】ここでＡｌＮを主成分とする絶縁体部と
は、絶縁層に占めるＡｌＮの含有率が、５０wt％以上か
つ５０vol%以上であることとする。つまり、絶縁体層中
の粒界相成分さらに着色成分等のＡｌＮ以外の相の合計
含有率が、５０wt％以下かつ、５０vol%以下であること
とする。

【０００９】また、Ｗ、Ｍｏの少なくとも一種を主成分
にするとは、導体層に占めるＷとＭｏとの合計含有率
が、５０wt％以上かつ５０vol%以上であることとする。
なお、この場合、Ｍｏ、Ｗは両成分が入っている必要は
なくＷあるいはＭｏの一方が０wt％（０vol%）であって
も良い。さらに、他の成分、具体的にはＡｌＮ、VIII属
元素成分等の導体層中のＷとＭｏ以外の合計含有率が５
０wt％以下かつ５０vol%以下であることとする。

【００１０】

【発明の実施の形態】まず、本発明に係る回路基板中の
絶縁体層について説明する。絶縁体層は、ＡｌＮを主成
分とする多結晶体である。この絶縁体層の強度は、２５
０MPa 以上であることが好ましく、組成や焼結条件の最
適化により３５０MPa 以上とするのがより好ましい。さ
らにアルカリ金属元素を添加することで４００MPa 以上
の強度を有する絶縁層も得ることができる。

【００１１】また、熱伝導率は、アルミナのそれよりも
高い１２０W/mK以上であることが好ましい。酸素含有量
の少ないＡｌＮ原料粉末を用いることにより、１４０W/
mKの熱伝導性を有する絶縁体層、場合により１５０W/mK
以上の絶縁体層も得ることができる。また、焼結条件を
最適化することで２１０W/mK以上の熱伝導率をもつ絶縁
体層も得ることができる。

【００１２】次に、この絶縁体層の製造方法を説明す
る。まず、ＡｌＮグリーンシートを作製する。このグリ
ーンシートは、ＡｌＮ粉末、焼結助剤、結合剤（バイン
ダ）等を溶剤と共に十分混合したものを用い、例えばド
クターブレード法等により得られるものである。

【００１３】用いるＡｌＮ粉末に関し、特に制限はない
が、絶縁体層の熱伝導率を考慮すると、酸素量が３．０
重量％以下のＡｌＮ粉末を用いることが好ましい。より
好ましくは酸素量が２．０重量％未満であり、さらに好
ましくは１．３重量％未満である。焼結体中の酸素量が
少ないほど熱伝導率が高くなるからである。

【００１４】また、用いるＡｌＮ粉末は、粒子径が小さ
いものが揃っているほうが好ましく、平均粒子径は１．
５μm 未満であるものが好ましい。より好ましくは０．
８μm 未満であるが、特に、０．７μm 未満の粒子を７
０体積％以上含む粉末が最適である。なお、０．０３μ
m 以上の粉末を用いることがハンドリングの点から好ま
しい。また、含有する陽イオン不純物は３，０００ppm
未満であることが好ましく、より好ましくは１，５００
ppm 未満、さらに好ましくは９００ppm 未満である。陽
イオン不純物を多量に含有すると、焼結体が高い熱伝導
率をもたなくなるという欠点が生じる。酸素以外の陰イ
オン不純物は２，０００ppm 未満であることが好まし
く、より好ましくは１，０００ppm 、さらに好ましくは
５００ppm 未満である。酸素以外の陰イオン不純物も陽
イオン不純物と同様に多量に含有すると、焼結体が高い
熱伝導率をもたなくなるという欠点が生じる。

【００１５】添加する焼結助剤は、希土類元素およびア
ルカリ土類元素から選択される一種以上の元素を、単
体、化合物の少なくとも一種の形で添加すればよい。Ｓ
ｃ、Ｙ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｐｍ、Ｓｍ、Ｅｕ、
Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ、Ｌｕ、Ｃ
ａ、Ｓｒ、Ｂａがいずれも使用できる。これら希土類元
素およびアルカリ土類元素は、ＡｌＮセラミックスの緻
密化に寄与すると共に、ＡｌＮ粉末中の酸素元素を粒界
の副構成相にトラップし、高熱伝導化に大きく貢献す
る。特に好ましい元素は、このような効果の大きいＹ、
Ｙｂ、Ｅｕ、Ｃａ元素である。

【００１６】これら元素を含有する化合物の形態として
は、酸化物の形態が特に好ましく、焼結条件下で酸化物
となる化合物も用いてもよい。例えば、炭酸塩、硝酸
塩、シュウ酸塩、硫酸塩、水酸化物などでも使用し得
る。また、酸化物でなくとも、ハロゲン化物、酸ハロゲ
ン化物、アセチリド化合物、炭化物、水素化物、窒化
物、硼化物、ケイ化物、硫化物などでもよい。これら希
土類元素およびアルカリ土類元素は、原料粉末中に含ま
れる酸素量との兼ね合いで最適量を決定すべきではある
が、酸化物換算で０．５〜１２重量％であることが望ま
しい。好ましくは１．０〜８重量％であることが望まし
い。さらに好ましくは２．０〜６．０重量％である。ま
た、希土類元素およびアルカリ土類元素を含む化合物を
両方添加するか、両類元素を含有する複合化合物を添加
すると、低温で焼結することが可能となり、焼結開始温
度を最大で４００℃低下させることができる。また、希
土類元素およびアルカリ土類元素を含むハロゲン化合物
を添加しても低温で焼結することが可能となり、焼結開
始温度を最大で４００℃低下させることができる。

【００１７】低温での焼結性を向上させるために、アル
ミナを添加してもよい。添加量は０．８重量％以下であ
ることが好ましく、０．２５重量％以下であることがさ
らに好ましい。

【００１８】さらに、回路基板は用途に応じて、着色、
つまり、遮光性が求められる。この場合には、周期律表
のIVａ、Ｖａ、VIａ、 VIIａ、VIII族元素を単体もしく
は化合物の形態で添加すれば近紫外域から赤外域までの
遮光が可能となる。添加量は、元素換算で０．０３〜５
重量％添加すればよい。より好ましくは０．１〜３重量
％、さらに好ましくは、０．２〜１重量％添加すればよ
い。

【００１９】これらの焼結助剤等の添加方法は、予め原
料粉末に添加すればよい。ただし、添加物の種類によっ
ては、含浸等の方法で後に添加してもよい。

【００２０】用いる結合剤は、１，４００℃以下の温度
で分解する有機高分子体が好ましい。具体的には、ポリ
メチルメタクリレート、ポリビニルブチラール、ポリア
クリル酸エステル、ポリビニルアルコール、セルロース
アセテートブチレート、セルロース等の酸素含有有機高
分子体を１〜３種類、場合によってはそれ以上混合した
ものを用いてもよい。バインダの種類や量ならびに溶剤
量等の選択はＡｌＮ原料粉末の特性や、作製したいシー
トの厚み等で随意選択する。さらに、脱バインダは、Ｎ
₂ 、Ａｒ、Ｈ₂ 等の非酸化性雰囲気中で行えば良い。さ
らに、脱バインダー後のカーボンを少なくしたい場合に
はＨ₂ Ｏを含有させても良い。

【００２１】以上のようなＡｌＮ粉末、焼結助剤や結合
剤等を含有するグリーンシートを焼結すると絶縁層が形
成されるが、好ましい焼結条件については後述する。

【００２２】次に、本発明に係る回路基板中の導体層に
ついて説明する。

【００２３】この導体層中の導電体は、主成分がＭｏ、
Ｗの少なくとも一種であり、さらに、周期律表のVIII族
元素の少なくとも一種の元素を含むものである。この導
電体は、周期律表のIVａおよびＶａ族元素を、単体、化
合物の少なくとも一種の形態で副導体成分として含んで
いてもよく、さらに微量の低融点貴金属元素（Ａｕ、Ａ
ｇ、Ｃｕ、Ｐｔ、Ｐｄ等）を含有していてもよい。

【００２４】周期律表のVIII族元素であるＮｉ、Ｃｏ、
Ｆｅ元素を添加すると、導体層の主成分であるＭｏ、Ｗ
の焼結性が著しく向上する。これは、導体層中に液相が
焼結途中に生成しＭｏ、Ｗが液相焼結により焼結が促進
されるためである。これらＮｉ、Ｃｏ、Ｆｅ元素は単体
金属の粉末で添加してもよいし、化合物の形で添加して
もよい。化合物の形で添加する際には、酸化物で添加す
るのが最も好ましいが、焼結途中に酸化物となる化合物
を添加してもよい。具体的には、炭酸塩、硝酸塩、水酸
化物、硫酸塩等が挙げられる。また、酸化物でなくと
も、硼化物、ケイ化物、水素化物、弗化物、窒化物、炭
化物、リン化物等の形で添加してもよい。

【００２５】添加量は、一酸化物換算で、０．０１〜５
重量％の範囲が好ましい。０．０１重量％未満の添加量
のときには、導体層中に十分な量の液相が生成しないた
めにＭｏ、Ｗの焼結が十分促進されない。つまり、導体
の相対密度が低い値で焼結は停止してしまう。したがっ
て、相対密度が低く、収縮率が小さいために絶縁層と収
縮率ミスマッチングが発生し、反りの発生や、位置精度
の低い回路基板となってしまう。さらにはＨｅリーク特
性も悪くなる。また、５重量％を超える添加を行うと、
焼結途中に生成する液相が多すぎて、液相の蒸発により
導体層中に膨れが発生すると共に、高抵抗の合金相が多
量生成してしまい、導体全体の抵抗率が高くなってしま
う。添加量はより好ましくは０．０５〜２重量％、さら
に好ましくは０．１〜１重量％である。０．０１〜５重
量％の範囲でVIII族元素を添加した場合には導体層の相
対密度は９０％以上となり、抵抗率も１６μΩcm以下に
なる。条件を最適化すれば相対密度が９５％以上で抵抗
率が１４μΩcm以下の緻密で低抵抗な導体が得られる。
さらに最適化すれば１０μΩcm以下の低抵抗な導体も得
られる。その結果得られる回路基板は、絶縁層と導体層
の収縮率マッチングが達成されているために、各部分の
位置精度は±１％以内、最適化したものでは±０．５％
以下の位置精度を有する。さらに、反りの発生が抑制さ
れ、２０μm/１０mm対角線以下になる。最適化を行う
と、５μm/１０mm対角線の反り量にまで小さくなる。さ
らに周期律表のVIII族を添加した導体にＮｉメッキを施
す場合には、導体層とメッキ層の接合強度が大きな値で
得られる。

【００２６】導体形成に用いるＭｏ、Ｗ粉末の粒度が
１．５μm 以上のもの、特に２．０μm 以上のものを使
用するときに、周期律表のVIII族元素を添加すると効果
が大きい。このように、周期律表のVIII族を添加する
と、導体の収縮が促進されるため、さらに１，６００℃
未満での低温焼結、場合によっては１，５５０℃以下の
低温焼結が可能となり収縮率マッチングが達成される。

【００２７】導体層には、絶縁層の主成分であるＡｌＮ
を共材という形で添加する。これにより、絶縁層部分の
収縮率と導体部分の収縮率のマッチングが容易に達成さ
れる。ただし、添加するＡｌＮは絶縁体であるために、
多量の添加は導体層の抵抗率の上昇に結び付くために好
ましくない。また、添加量が少ないとＡｌＮの共材添加
の効果が小さくなるので好ましくない。共材の添加量
は、０．１〜２０重量％の範囲であるとき上記の効果が
得られる。好ましくは０．５〜１０重量％の範囲、さら
に好ましくは１〜５重量％の範囲である。ＡｌＮ共材を
添加した回路基板では、絶縁体層と導体層間の収縮率マ
ッチングが達成されるために、反りの発生が極端に抑制
される。そのために、焼結後の反りを無くすための反り
直しの工程を行う必要もない。また、その結果、位置精
度も±１％以下、添加量を最適化すると容易に±０．５
％以下にすることができる。さらにＭｏ、Ｗ導体につい
ては、ＡｌＮ共材を添加すると収縮が促進され緻密な導
体となるために低抵抗な導体が得られる。

【００２８】本発明の導体層中には、さらにアルカリ土
類元素および希土類元素から選択される少なくとも一種
の元素が含まれていてもよい。これらを単体、化合物の
少なくとも一種の形で添加すると、ヘリウムリーク試験
で確認できるように緻密な導体が得られる。希土類元素
およびアルカリ土類元素としては、例えば、Ｓｃ、Ｙ、
Ｌａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｐｍ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔ
ｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ、Ｌｕ、Ｃａ、Ｓ
ｒ、Ｂａが挙げられる。特に、工業的には、Ｙ、Ｙｂ、
Ｅｒ、Ｃａが好ましい。これら元素の酸化物は特に好ま
しく、焼結条件下で酸化物となる化合物も用いることが
できる。このような添加物は、酸化物はもとより、ハロ
ゲン化物、酸ハロゲン化物、アセチリド化合物、炭化
物、水素化物、窒化物、硼化物、ケイ化物、硫化物等の
形態で添加される。希土類元素およびアルカリ土類元素
を含有する化合物の導体層中の含有量は、酸化物換算で
０．０１〜１５重量％が好ましい。あまり多いと導体層
の導電率が低下し、少ないと導体層の剥離防止、基板の
反り防止などの効果を得ることができない場合があるか
らである。

【００２９】導体層中に、更に、Ａｌ元素を含有する単
体もしくは化合物を添加すると、無添加時と比較して相
対密度の大きな緻密な導体が得られ、導体層の剥離防止
および接合強度の向上、基板の反り防止などの効果を得
ることができる。例えば、Ａｌ₂ Ｏ₃ が挙げられる。こ
のような添加物は、同時燒結時にアルミネート液相を形
成する。また、同時燒結時に絶縁体層中にもアルミネー
ト液相が生じる。この様に、導体層中にアルミネート液
相が生じることにより、絶縁体層に生じる液相の導体層
による吸い上げが防止され、このような吸い上げによる
絶縁体層中の組成の不均一を防止し、基板の反りを防止
することができる。

【００３０】以下に本発明の回路基板の製造方法につい
て述べる。

【００３１】まず、同時焼結した後も導電性を維持し得
る、具体的にはＭｏおよびＷ金属を主成分とし、周期律
表のVIII族元素の単体、その酸化物などの化合物の少な
くとも一種を粉末にしたものをペースト化し、ＡｌＮグ
リーンシート上に所望のパターンで印刷する。また、ペ
ースト化する際、副導体成分として、周期律表のIVａお
よびＶａ族元素から選択される一種以上の元素を、単
体、化合物の少なくとも一種の形態で添加してもよい。
この際、グリーンシートにはパンチングマシーンなどを
用いてビアホールを形成しておき、予め焼結体となる導
電ペーストを圧入やメタルマスクなどを用いて印刷充填
などにより充填しておく。このビアホールによりグリー
ンシートを挟む上下導体間の電気的接続を行う。

【００３２】この導体ペーストには、ＡｌＮセラミック
粉末を添加しておく。さらに、希土類元素およびアルカ
リ土類元素から選択される一種以上の元素を単体、化合
物の少なくとも一種の形態で、さらにはＡｌ₂ Ｏ₃ （ア
ルミナ）を添加してもよい。希土類元素を含有する単
体、化合物の少なくとも一種と共に、混合物の形態でア
ルミナを添加する場合には、アルミネートを形成するよ
うな比率で混合することが好ましい。

【００３３】導体の体積が大きくなるビアホール部分に
のみＡｌＮを添加しても、基板の反りを最小に抑制し得
る。すなわち、基板の大きさや、設計で決めた導体層の
配置によっては、少なくとも一部分の導体層に添加すれ
ば反りの少ない回路基板が得られる場合がある。

【００３４】このような成分を含有する導電ペーストを
塗布した多層グリーン成形体を脱バインダした後、焼結
工程に供する。この焼結工程については、公知のＡｌＮ
で行われる焼結方法がそのまま採用され特には限定はさ
れないが、焼結炉にセットする際のセッタは、様々な材
質のものを用い得るが、ＡｌＮセッタを用いるとＷやＭ
ｏが反応により化合物とならずに低抵抗な導体が得られ
る。焼結上りの表面粗さは、非常に小さなものとなり良
好な回路基板が得られる。表面粗さは、平均表面粗さＲ
ａで１．０μm 以下になる。より良好な表面をもつもの
では０．５μm以下、さらに良好な表面をもつものでは
０．３μm 以下になる。一般には、常圧下、加圧下、減
圧下の非酸化性雰囲気下、例えば窒素雰囲気やアルゴン
雰囲気下で、１，４５０℃以上１，６００℃未満の温度
で焼結を実施すればよい。焼結に必要な時間は焼結に供
される成形体の厚さや焼結温度などの諸条件によって異
なるが、一般に、０．５時間〜１００時間の範囲から選
択をすればよい。これらの条件は実施に先立ち諸条件に
応じて適当な範囲を予め決定して実施するのが好まし
い。

【００３５】得られるＡｌＮ回路基板を高熱伝導で緻
密、さらには高強度にするためには、特に１０００℃以
上の高温部で平均昇温速度を１〜４０℃/minの範囲とす
ることが好ましい。より好ましくは、５〜３０℃/min、
さらに好ましくは８〜２５℃/minの範囲とすることが好
ましい。上記焼結により、相対密度が９８％以上のＡｌ
Ｎ絶縁層が得られる。より緻密なものとして９９％以上
の絶縁層が得られる。

【００３６】このようにして製造された回路基板は次の
ような特性を有する。

【００３７】まず、この本発明の回路基板は、表裏平行
度が非常に小さな値となっており、反りやうねりが非常
に小さく、外部端子の数が非常に多い（例えば１，００
０端子以上の）回路基板でも実装時に半田接続が容易に
行うことができる。基板の反りやうねりの有無を表す表
裏平行度は、焼結体多層回路基板の対角線１０cm当たり
を基準にして中央部と周縁部との反りの最大値を測定し
て求めた場合、この値が０．２mm以下の非常に小さな値
となる。大面積の回路基板の場合には、表裏平行度が
０．０５mm以下の本発明に係る基板を用いれば実装が可
能となる。

【００３８】また、この回路基板の表面抵抗および内部
抵抗は、１６μΩcm以下と良好な値となる。最適化を行
うと１４μΩcm、場合により１０μΩcm以下というさら
に好ましい値となる。周期律表のVIII族元素を含有させ
て導体層を形成させるために、導体の密度が高くなり、
抵抗率の低い導体が得られる。さらに、ＡｌＮを導体層
に添加しているので、絶縁体層と導体層の収縮挙動がほ
ぼ同一のものとなり、収縮率のマッチングが達成されて
±１％以下の位置精度が得られる。場合により、±０．
５％以下という優れた位置精度が得られる。このような
位置精度と平坦性を有する回路基板では、フリップチッ
プ実装を容易に行うことができる。

【００３９】さらに、この回路基板中の絶縁体層と導体
層の接合強度は、５ kg/２mm×２mm以上の値となる。５
kg/２mm×２mm未満の値では、外部端子にピンを用いた
場合、接合強度としては不足であり、ＡｌＮと導体間で
ピンの脱落が生じる。特に、ＢＧＡ（ボールグリッドア
レイパッケージ）の場合に、プリント配線板のような熱
膨張率の大きな有機材料に、ボール間隔が狭ピッチで表
面実装を行うときには、さらに高強度な接合強度が要求
される。そのときには６ kg/２mm×２mm以上の接合強度
を有する導体層組成を選択すればよい。さらに最適化す
ることで７ kg/２mm×２mm以上の接合強度を有するもの
が得られる。

【００４０】本発明の回路基板を用いた好適な半導体装
置を、図２および図３を参照しながら説明する。この半
導体装置は、基板上面１２ａにＥＣＬなどの（特に素子
の種類は限定されるものではない）半導体６が搭載さ
れ、この半導体素子と電気的に接続された配線パターン
を有する多層セラミック回路基板１２と、前記配線パタ
ーンと電気的に接続されるとともに、多層セラミック回
路基板１２の基板下面１２ｂに形成された外部端子と、
半導体素子６を覆うように、多層セラミック回路基板の
基板上面１２ａに接合された高熱伝導性封止部材１３と
を備えている。ただし、外部端子と半導体素子が同一の
一主面にあっても特に問題なく使用することができる。
なお、外部端子は、好ましくは図２に示されるようにリ
ードピン７であり、あるいは図３に示されるように半田
ボール１５（ＢＧＡボールグリッドアレイ）でもよい。
また、Ｓｉ素子は、回路基板の位置精度が良好であり、
平坦性も良好であるので、フリップチップタイプの実装
方法も容易に行うことができる。また、高熱伝導性封止
部材は、１００W/mK以上の熱伝導率を有するＡｌＮ焼結
体や、合金を含む金属から構成するとよい。

【００４１】上記構成に係る半導体装置によれば、半導
体素子において発生する熱が、効率良く、放熱フィンな
ど（フィンを用いない場合もある）に伝達され、優れた
放熱性を発揮させることができる。

【００４２】また、半導体装置を構成する上で、外部端
子の接合面と対向するＡｌＮ回路基板の他の主面に半導
体素子を搭載した場合には、多ピン化に対応しているう
えに、半導体装置を小形化することができ、高速の半導
体装置としてより好ましい。また、半導体が作動してい
るときと作動停止したときの温度変化が生じた場合に、
回路基板の絶縁層がＡｌＮで構成されているため、外部
端子のピンや半田ボール部分に応力がかかる。しかし、
強度が高いために、割れなどの不具合は発生しない。さ
らに、一つの回路基板に多数の半導体を搭載するマルチ
チップモジュール（ＭＣＭ）の形で半導体装置を構成す
ると、広い面積で外部端子をボードに接合しなければな
らないが、この場合にも耐熱応力の点で十分使用できる
だけの信頼性が得られる。

【００４３】本発明をさらに具体的に説明するために、
以下に実施例を挙げて説明するが、本発明はこれらの実
施例に限定されるものではない。

【００４４】

【実施例】以下に本発明の実施例を説明する。実施例１不純物として酸素を０．９重量％含有し、平均粒径が
０．６μm のＡｌＮ粉末と、焼結助剤として平均粒径
０．５μm のＹ₂ Ｏ₃ と、平均粒径が０．５μm のＣａ
ＣＯ₃ と、０．５μm のＡｌ₂ Ｏ₃ と、着色剤としてＷ
Ｏ₃ とを、９４．４２：３：１．７８：０．５：０．３
（重量％）となるよう配合し、ＡｌＮ製ボールを用いて
２４時間湿式混合を行い原料を調整した。ついで、この
原料に有機バインダーを有機溶媒と共に分散し、スラリ
ーを作製した。このスラリーを脱泡した後、ドクタープ
レード法により、１００〜８００μm 程度の均一なグリ
ーンシートを作製した。次に、このシートを約１３０mm
×１３０mmの大きさに切断し、各層間の電気回路の接続
になるビアホールをパンチングマシーンで１００〜３０
０μm φの太さに開けた。

【００４５】一方、平均粒径２．０μm のタングステン
と、平均粒径０．６μm のＡｌＮ粉末と、平均粒径０．
５μm のＹ₂ Ｏ₃ 粉末と、平均粒径０．５μm のＣａＣ
Ｏ₃粉末と、平均粒径０．５μm のＡｌ₂ Ｏ₃ 粉末と、
平均粒径０．８μm のＮｉＯとを、９７．１：２．３６
８：０．０７５：０．０４５：０．０１３：０．４（重
量％）となるよう配合して、有機溶媒と共に混合、分散
し、フィラー添加の導体ペーストを作製した。ビアホー
ルの形成されたグリーンシート上に、この無機質フィラ
ー添加のタングステンペーストを圧入機を用いて充填
し、さらにスクリーン印刷機を用いて同一面内の回路を
印刷した。これら複数枚を加熱プレスすることで積層過
程を終えた。これを１００mm×１００mmの大きさにカッ
トし、次にＮ₂ ＋Ｈ₂ ＋Ｈ₂ Ｏ雰囲気中、最高温度９０
０℃で脱バインダを行った後、ＡｌＮセッターに脱バイ
ンダした成形体を配置し、窒素雰囲気１気圧中１，５９
０℃、６時間加圧焼結し、多層セラミック基板を得た。

【００４６】得られた基板の導体部のない部分から円板
（直径１０mm、厚さ３．５mm）を切り出し、これを試験
片としてレーザーフラッシュ法により熱伝導率を測定し
た。この結果、１５５W/mKという高い熱伝導率を示し
た。また、基板の反りの有無を表す表裏平行度は、焼結
体多層基板の対角線を基準にして中央部と周縁部との反
りの最大値を測定することにより求めた。なお、長さ１
０cm当たりの値を用いることにした。この結果、０．０
４mmと僅かな反り量であることが確認された。また、回
路基板内部の各部の位置精度は±０．４％と良好な値で
あった。

【００４７】次に、導体層の断面積を算出し、抵抗値か
ら導体層の導体抵抗率を求めた。ただし表面の配線に関
しては導体層に金属メッキなどを行わずに測定し、無機
質フィラーの添加の影響を調べた。その結果、９．５μ
Ωcmと低抵抗を示すことが分った。さらに、得られた基
板の２mmの導体部分にＮｉメッキをしてワイヤーを半田
付けした後引張強度試験を行い、ＡｌＮ基板と導体層間
の接着強度を測定した。この結果、７．０kgと非常に高
い強度を有することが確認された。

【００４８】実施例２〜３５および比較例１〜７第１表に示すように、ＡｌＮ粉末、焼結助剤粉末、その
他添加物および着色剤の種類および添加量、導体成分の
種類および添加量、無機質フィラーおよびVIII族添加物
の種類および添加量ならびに焼結条件を種々変えて、上
記実施例１と同様にしてＡｌＮ多層セラミック基板を作
製した。それぞれについて熱伝導率、引張強度、表裏平
行度および導体抵抗率を測定した。その結果を第２表に
示した。第２表から明らかなように、本発明に係る回路
基板では、導体層の密着強度が向上することが分る。

【００４９】

【表１】

【００５０】

【表２】

【００５１】

【表３】

【００５２】

【表４】

【００５３】

【表５】

【００５４】

【表６】

【００５５】例えば、実施例２では引張強度が８．０ k
g/２mm×２mmであるのに対し、比較例１では３．２ kg/
２mm×２mmと密着強度に著しい差異があることが分る。
また、すべての実施例に係る同時焼結体は、表裏平行度
が０．２０ mm/対角線以下と反りが少なく、さらに実施
例の導体層は種々の無機質フィラーを含んでいるにも拘
らず、このような無機質フィラーを含まない比較例４〜
７のそれと比べても、導体層の抵抗率が低いことが分
る。

【００５６】焼結後の導体層の相対密度を測定するため
に、スクリーン印刷したときのペーストのグリーン密度
と同一になるように導体層組成物のプレス成形体を作製
し、回路基板を作製する条件と同一の条件で焼結した後
測定を行った。焼結後の両試料の微構造を観察して同一
の微構造をしていることを確認した。第２表に示される
ように、相対密度の測定値は大きく緻密であることが分
った。

【００５７】さらに、得られた回路基板を高熱伝導性封
止部材で封止し、ヘリウムリーク試験を行った。封止し
た試料を、５気圧のヘリウムガスで満たしたチャンバ中
に４０分放置した後、チャンバ内を１０^-3torrオーダー
に減圧し、再び空気を１気圧まで導入した。このヘリウ
ム洗浄工程を３回行った後、試料をチャンバから取り出
し、空気中で３０分放置した。このように処理した後、
ヘリウムリーク試験（ファインリークの検知）にかけ
た、ヘリウムリーク量の検出は、質量分析計で行った。
その結果、１．０×１０^-10atm・cc・s^-1 未満であり、良
好な値であった。さらに、３M 製フロリナート４０番を
１２０℃に暖めた中に前記試料を入れて３分間放置する
グロスリーク試験を行った。第２表に示されるように、
気泡の発生はなく、グロスリークも確認されなかった。

【００５８】実施例３６実施例１と同様な構成の絶縁層と導体層を用い、内部配
線層を有する２５mm×２５mm×２．６mmの窒化アルミニ
ウム多層回路基板を作製した。窒化アルミニウム多層回
路基板の他面側に、銀ろうを用いて２４０本のリードピ
ンを接合した。この後、半導体素子として消費電力１０
W のシリコン素子を窒化アルミニウム多層回路基板の上
面に接合搭載し、ボンディングワイヤを付設して電気的
な接続を完了させた。

【００５９】さらに、１５５W/mKの熱伝導率を有する窒
化アルミニウム焼結体を用いて、放熱部材を兼ねる高熱
伝導性封止部材を実施例１の絶縁体部を作製する要領で
作製した。そして、窒化アルミニウム多層回路基板の上
面にこの封止部材をＡｕ−Ｓｎ半田で接合し、さらに封
止部材上に直径２５mmの円形７段構造の放熱フィンを配
置して目的とする半導体装置を得た。この半導体装置の
放熱性を評価するために、冷却風速を１．５m/s に設定
して△ＶＢＥ法により熱抵抗を測定したところ、２．５
℃/Wと低熱抵抗値であり、放熱性の高い半導体装置が得
られることが判明した。

【００６０】比較例８実施例３６において、絶縁層にアルミナを用いた構成の
絶縁体層と導体層を用い、実施例３６と同様に半導体装
置を作製した。この半導体装置の熱抵抗値は、８．５℃
/Wと、実施例３６のものと比較し、著しく高い値を示し
た。

【００６１】

【発明の効果】以上述べたように、本発明に係るＡｌＮ
セラミック回路基板は絶縁体が高熱伝導性を有し、導体
層の密着性が強固でかつ焼結過程における基板の変形が
少なく、さらに、引張強度は十分に実用可能な特性値を
示し、緻密で低抵抗率を有するなど様々な優れた性質を
有するものであり、その工業的価値は極めて大きいもの
である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る多層セラミック回路基板を示す部
分切欠斜視図である。

【図２】本発明に係る多層セラミック回路基板を用いた
半導体装置（外部端子がリードピンの場合）を示した図
である。

【図３】外部端子が半田ボールである、本発明に係る半
導体装置の部分断面図である。

【符号の説明】

１，１２多層セラミック回路基板２，１４絶縁層３導体層４ビアホール５放熱フィン６半導体素子７リードピン８ボンディングワイヤ９導体層（内部配線層）９ａビアホール１０表面配線層１１配線パターン１２ａ基板上面１２ｂ基板下面１３高熱伝導性封止部材１３ａ凸状外縁部１３ｂ凹状部１５半田ボールＡ接合面

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者上野文雄神奈川県川崎市幸区小向東芝町１番地株式会社東芝研究開発センター内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ＡｌＮを主成分とする絶縁体部と、Ｗ、
Ｍｏの少なくとも一種を主成分とし、Ｎｉ、Ｃｏおよび
Ｆｅからなる群より選択される一種以上の元素を含有
し、更にＡｌＮを０．１〜２０重量％含有する導体部と
を、少なくともその一部に有することを特徴とする回路
基板。
【請求項２】導体部が、更にアルカリ土類元素および
希土類元素とからなる群より選択される一種以上の元素
を含む、請求項１記載の回路基板。
【請求項３】導体部が更にアルミナを含む、請求項１
記載の回路基板。
【請求項４】導体部の相対密度が９３％以上である、
請求項１記載の回路基板。
【請求項５】請求項１記載の回路基板上に半導体素子
を搭載した半導体装置。
【請求項６】Ｗ、Ｍｏの少なくとも一種を主成分と
し、Ｎｉ、ＣｏおよびＦｅ元素からなる群より選択され
る一種以上の元素を含有し、かつＡｌＮ粉末を含有する
導体ペーストを使用して、少なくとも一部の導体部を形
成し、かつ１，６００℃未満で焼結することを特徴とす
る、ＡｌＮ回路基板の製造方法。