JP7438743B2 - Aluminum nitride wiring board and its manufacturing method - Google Patents
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Description
本発明の実施形態は、おおむね導体層を窒化アルミニウム基材と同時焼成(コファイア)して形成した窒化アルミニウム配線基板およびその製造方法に関する。 Embodiments of the present invention generally relate to an aluminum nitride wiring board formed by co-firing (cofire) a conductor layer with an aluminum nitride base material, and a method for manufacturing the same.
近年、パワーエレクトロニクス、次世代パワー半導体等の大電流を必要とする半導体素子の発展に伴って、セラミックス基板の需要は年々増加している。特に、窒化アルミニウム(AlN)基板は、熱伝導率が高く、放熱性に優れる等の特徴を有することから、増大傾向にある半導体素子からの放熱量に対応し得る基板として利用されている。 In recent years, with the development of semiconductor elements that require large currents such as power electronics and next-generation power semiconductors, the demand for ceramic substrates has been increasing year by year. In particular, aluminum nitride (AlN) substrates have characteristics such as high thermal conductivity and excellent heat dissipation, and are therefore used as substrates that can cope with the increasing amount of heat dissipated from semiconductor devices.
窒化アルミニウム基板は絶縁体であるため、半導体パッケージや回路基板等として例えば上下面を導通させる場合には、上下面に導体回路を形成してビアやスルーホールにより導通を行う。ビアやスルーホールのような基板内部の導通回路を有する場合には、窒化アルミニウム基板と配線導体層とを一括して同時焼成により作製することが一般的である。 Since the aluminum nitride substrate is an insulator, when it is used as a semiconductor package or a circuit board, for example, when the upper and lower surfaces are electrically connected, conductor circuits are formed on the upper and lower surfaces and electrical conduction is achieved using vias or through holes. When the substrate has conductive circuits such as vias and through holes, it is common to fabricate the aluminum nitride substrate and the wiring conductor layer by simultaneous firing.
ところで、上述したような窒化アルミニウム同時焼成基板の焼成工程において、窒化アルミニウムの焼結温度とタングステン(W)のような高融点金属との緻密化温度には差があり、さらに緻密化の挙動も異なるため、同時焼成後の収縮率に差が発生するという課題があった。そこで、従来は配線金属層の形成に用いる印刷用組成物中に、窒化アルミニウム成分やその焼結助剤成分を添加し、窒化アルミニウム焼結体と配線金属との焼結収縮率を合せることが行われてきた。この種の窒化アルミニウム配線基板としては、例えば特開平9-036521号公報(特許文献1)には、タングステン粉末やモリブデン(Mo)粉末とフィラーとしての平均粒径0.1μm未満の窒化アルミニウム粉末を含む導体ペーストをパターン状に塗布して導体ペースト層を形成することを特徴とする窒化アルミニウム回路基板がある。また、従来の窒化アルミニウム基板には、モリブデンやタングステンに窒化アルミニウムと焼結助剤成分を添加することを特徴としたものがある(例えば、特特許文献2参照)。 By the way, in the firing process of the aluminum nitride co-fired substrate as described above, there is a difference between the sintering temperature of aluminum nitride and the densification temperature of a high melting point metal such as tungsten (W), and the densification behavior also differs. Because of the difference, there was a problem in that there was a difference in shrinkage rate after simultaneous firing. Therefore, it has conventionally been possible to add an aluminum nitride component or its sintering aid component to the printing composition used to form the wiring metal layer to match the sintering shrinkage rates of the aluminum nitride sintered body and the wiring metal. It has been done. For this type of aluminum nitride wiring board, for example, JP-A-9-036521 (Patent Document 1) discloses that tungsten powder or molybdenum (Mo) powder and aluminum nitride powder with an average particle size of less than 0.1 μm as a filler are used. There is an aluminum nitride circuit board characterized in that a conductive paste layer is formed by applying a conductive paste containing aluminum in a pattern. Further, some conventional aluminum nitride substrates are characterized by adding aluminum nitride and a sintering aid component to molybdenum or tungsten (see, for example, Patent Document 2).
しかしながら、上記のタングステンのような高融点金属に窒化アルミニウム成分やその焼結助剤成分や量を固定して添加した場合には、基板表面回路と基板内部回路(ビア)の間の収縮の差が発生するという現象があった。この収縮の差が大きくなると、ビア内のボイド(気孔)の発生や金属層の接合強度の低下が発生しやすいという課題があった。 However, when a fixed amount of aluminum nitride or its sintering aid is added to a high-melting point metal such as tungsten, there is a difference in shrinkage between circuits on the board surface and circuits inside the board (vias). There was a phenomenon that occurred. When this difference in shrinkage becomes large, there is a problem that voids (pores) are likely to occur in the via and the bonding strength of the metal layer is likely to decrease.
近年の電子部品の小型化・高性能化に伴い、セラミックス回路基板は小型化や微細化に対応する必要がでてきた。
実施形態は、このような課題を解決するものであり、配線層を窒化アルミニウム基材と同時焼成して形成した窒化アルミニウム配線基板およびその製造方法について、表面回路と内部回路の導体層と窒化アルミニウム基材との収縮差を抑制した生産性の高い窒化アルミニウム配線基板を提供することである。
As electronic components have become smaller and more sophisticated in recent years, it has become necessary for ceramic circuit boards to respond to miniaturization and miniaturization.
The embodiment solves such problems, and describes an aluminum nitride wiring board formed by co-firing a wiring layer with an aluminum nitride base material and a method for manufacturing the same. An object of the present invention is to provide a highly productive aluminum nitride wiring board that suppresses the shrinkage difference with a base material.
実施形態にかかる窒化アルミニウム配線基板は、窒化アルミニウムグリーンシートを脱脂処理することにより有機溶剤と有機バインダを除去した後に粉砕した粉砕シート粉末を高融点金属粉末に混合して作製したペーストについて、粉砕シート粉末の添加比率が1~10wt%である基板表面回路形成用のペーストと、粉砕シート粉末の添加率が10~30wt%である基板内部ビア形成用のペーストとを窒化アルミニウムのグリーンシートに印刷して同時焼成することを特徴とするものである。 The aluminum nitride wiring board according to the embodiment is a paste prepared by mixing high-melting point metal powder with pulverized sheet powder after removing the organic solvent and organic binder by degreasing an aluminum nitride green sheet. A paste for forming circuits on the surface of a board with a powder addition ratio of 1 to 10 wt% and a paste for forming vias inside the board in which a crushed sheet powder addition ratio of 10 to 30 wt% are printed on an aluminum nitride green sheet. It is characterized by simultaneous firing.
実施形態にかかる窒化アルミニウム配線基板は、窒化アルミニウム基板を製造するさいの
窒化アルミニウム粉末に焼結助剤を添加し有機溶剤と有機バインダを混合して成型したグ
リーンシートを、窒素などの還元雰囲気中600~800℃にて脱脂処理することにより
有機溶剤と有機バインダを除去した後に粉砕した粉砕シート粉末を高融点金属粉末に混合
して作製したペーストについて、粉砕シート粉末の添加比率が1~10wt%である導体
回路形成用のペーストと、粉砕シート粉末の添加率が10~30wt%である内部ビア形
成用のペーストを窒化アルミニウムのグリーンシートに印刷して同時焼成することを特徴
とするものである。
図1に窒化アルミニウム配線基板の断面図の一例を示す。1は窒化アルミニウム配線基板
(断面図)、2は窒化アルミニウム基板、3は内部導体層(ビア)、4は表面導体層、5
は裏面導体層である。図2では、窒化アルミニウム配線基板の表面図(平面図)を示した
ものである。実施形態は、このような形に限定されるものではなく、他の配線回路やビア
の形状があっても良いものとする。また、多層配線やキャリビテイ部分が形成されても良
いものとする。図3では、窒化アルミニウム多層配線基板の断面図の一例を示す。
The aluminum nitride wiring board according to the embodiment is produced by adding a sintering aid to the aluminum nitride powder used in manufacturing the aluminum nitride board, mixing an organic solvent and an organic binder, and molding the green sheet into a green sheet in a reducing atmosphere such as nitrogen. For a paste made by mixing pulverized sheet powder with high melting point metal powder after removing the organic solvent and organic binder by degreasing at 600 to 800°C, the addition ratio of the pulverized sheet powder is 1 to 10 wt%. The paste for forming a conductor circuit and the paste for forming internal vias in which the additive rate of crushed sheet powder is 10 to 30 wt% are printed on an aluminum nitride green sheet and fired at the same time. .
FIG. 1 shows an example of a cross-sectional view of an aluminum nitride wiring board. 1 is an aluminum nitride wiring board (cross-sectional view), 2 is an aluminum nitride substrate, 3 is an internal conductor layer (via) , 4 is a surface conductor layer , 5
is the back conductor layer. FIG. 2 shows a surface view (plan view) of an aluminum nitride wiring board. The embodiment is not limited to such a shape, and other wiring circuits and via shapes may be used. Further, multilayer wiring and cavity portions may be formed. FIG. 3 shows an example of a cross-sectional view of an aluminum nitride multilayer wiring board.
2窒化アルミニウム基板は、窒化アルミニウム粉末に焼結助剤を混合して焼結したものである。
前記窒化アルミニウム粉末は、焼結性のために平均一次粒径が0.03~3.5μm、より好ましくは平均一次粒径が0.1~1.5μm、不純物酸素量が0.2~3.5wt%、より好ましくは不純物酸素量が0.3~3wt%の粉末を用いることが望ましい。前記窒化アルミニウム粉末の平均一次粒径を0.03μm未満にすると、シート化が非常に困難になり、また最終的に得られる窒化アルミニウムを主成分とする絶縁層において不純物酸素量が多くなり、高い熱伝導率を得られない恐れがある。また、成形時のシート密度が低下するために焼結時の収縮率が大きくなり、シート表面における導体層の位置制御が困難になる傾向にある。さらに、導体層との収縮率をマッチングさせることが困難となり、導体層と窒化アルミニウムを主成分とする絶縁層との間に空隙ができるなどの問題が発生する。一方、前記窒化アルミニウム粉末の平均粒径が3.5μmを越えると焼結性が著しく低下し、十分に緻密な焼結体からなる絶縁層を形成することが困難になる。また、不純物酸素量を0.2wt%未満にすると、焼結性が低下し、十分に緻密な窒化アルミニウムを主成分とする絶縁層を形成できなくなる恐れがある。
The aluminum nitride substrate is made by mixing aluminum nitride powder with a sintering aid and sintering the mixture.
The aluminum nitride powder has an average primary particle size of 0.03 to 3.5 μm, more preferably an average primary particle size of 0.1 to 1.5 μm, and an impurity oxygen content of 0.2 to 3 μm for sinterability. It is desirable to use powder having an impurity oxygen content of 0.5 wt%, more preferably 0.3 to 3 wt%. If the average primary particle size of the aluminum nitride powder is less than 0.03 μm, it becomes very difficult to form a sheet, and the amount of impurity oxygen increases in the final insulating layer mainly composed of aluminum nitride, resulting in high There is a possibility that thermal conductivity cannot be obtained. Furthermore, since the sheet density during molding decreases, the shrinkage rate during sintering increases, making it difficult to control the position of the conductor layer on the sheet surface. Furthermore, it becomes difficult to match the shrinkage rate with the conductor layer, leading to problems such as the formation of voids between the conductor layer and the insulating layer whose main component is aluminum nitride. On the other hand, if the average particle size of the aluminum nitride powder exceeds 3.5 μm, the sinterability will be significantly reduced, making it difficult to form an insulating layer made of a sufficiently dense sintered body. Furthermore, if the amount of impurity oxygen is less than 0.2 wt%, the sinterability will be reduced, and there is a possibility that it will not be possible to form a sufficiently dense insulating layer mainly composed of aluminum nitride.
前記焼結助剤としては、一般に窒化アルミニウムの焼結に有効とされている希土類化合物(酸化物やハロゲン化物等)、アルカリ土類化合物(酸化物やハロゲン化物等)あるいは焼結工程で希土類化合物、アルカリ土類化合物となる物質のうちから少なくとも1種を用いることができる。焼結工程で酸化物となる化合物としては、例えば炭酸塩、シュウ酸塩、硝酸塩、アルコキシド等がある。希土類化合物の例としては、酸化イットリウム(Y2O3)、酸化ランタン(La2O3)、酸化ジスプロシウム(Dy2O3)などがあげられる。アルカリ土類化合物の例としては、酸化カルシウム(CaO)、酸化マグネシウム(MgO)などがあげられる。また、前記焼結助剤の添加量は窒化アルミニウム粉末に対して全焼結助剤の合計量で1~10wt%にすることが好ましい。より好ましい前記焼結助剤の添加量は、2~5wt%である。前記焼結助剤の添加量を1wt%未満にすると、窒化アルミニウムの焼結に有効に作用しない恐れがあり、また高い熱伝導率を有する窒化アルミニウムを主成分とする絶縁層の形成が困難になる。一方、前記焼結助剤の添加量が10wt%を越えても同様に高い熱伝導率を有する窒化アルミニウムを主成分とする絶縁層の形成が困難になる。 The sintering aids include rare earth compounds (oxides, halides, etc.), alkaline earth compounds (oxides, halides, etc.) that are generally effective for sintering aluminum nitride, or rare earth compounds used in the sintering process. , at least one kind of substances that become alkaline earth compounds can be used. Examples of compounds that become oxides in the sintering process include carbonates, oxalates, nitrates, and alkoxides. Examples of rare earth compounds include yttrium oxide (Y2O3), lanthanum oxide (La2O3), dysprosium oxide (Dy2O3), and the like. Examples of alkaline earth compounds include calcium oxide (CaO) and magnesium oxide (MgO). Further, the amount of the sintering aid added is preferably 1 to 10 wt% in total of all the sintering aids based on the aluminum nitride powder. A more preferable amount of the sintering aid added is 2 to 5 wt%. If the amount of the sintering aid added is less than 1 wt%, there is a risk that it will not effectively sinter aluminum nitride, and it will be difficult to form an insulating layer mainly composed of aluminum nitride, which has high thermal conductivity. Become. On the other hand, if the amount of the sintering aid added exceeds 10 wt %, it becomes difficult to form an insulating layer containing aluminum nitride as a main component and having similarly high thermal conductivity.
焼結性を向上させる目的で、前記焼結助剤の一部をアルミナ(酸化アルミニウム:Al2O3)、フッ化アルミニウム(AlF3)などのアルミニウム化合物、酸化ホウ素(B2O3)、希土類ホウ化物等のホウ素化合物、表面清浄性を改善するためのリンの化合物、機械的強度を増すために有効な酸化珪素(SiO2)、窒化珪素(Si3N4)、酸化マンガン(MnO2)などのマンガン化合物で置換することを許容する。さらに、着色化、高強度化のために、チタン(Ti)、タングステン、モリブデン、タンタル(Ta)、ニオブ(Nb)、マンガン(Mn)などの遷移金属の単体もしくはそれらの化合物(酸化物、炭化物、フッ化物、炭酸塩、シュウ酸塩、硝酸塩等)を前記混合粉体中に遷移金属換算で0.1~1wt%の範囲で含有させてもよい。 For the purpose of improving sinterability, some of the sintering aids may be aluminum compounds such as alumina (aluminum oxide: Al2O3), aluminum fluoride (AlF3), boron compounds such as boron oxide (B2O3), and rare earth borides. , phosphorus compounds to improve surface cleanliness, and manganese compounds such as silicon oxide (SiO2), silicon nitride (Si3N4), and manganese oxide (MnO2) effective to increase mechanical strength. . Furthermore, for coloring and high strength, transition metals such as titanium (Ti), tungsten, molybdenum, tantalum (Ta), niobium (Nb), and manganese (Mn) or their compounds (oxides and carbides) are used. , fluoride, carbonate, oxalate, nitrate, etc.) may be contained in the mixed powder in a range of 0.1 to 1 wt% in terms of transition metal.
上記窒化アルミニウム粉末に焼結助剤を添加して十分に混合した後、この混合粉体にバインダを添加して所定の溶媒中で混練して分散させ、所定の粘度に調製する。つづいて、得られた懸濁液を例えばドクターブレード法によりシート化し、例えば温度200℃前後で乾燥してグリーンシートを形成する。ひきつづき、前記グリーンシートの所定位置に複数の層間接続用のビアホールを形成する。前記混合粉体に添加するバインダとしては、例えばアクリル系バインダやPVB系バインダ等を使用することができる。前記混合粉体およびバインダを分散させる溶媒としては、例えばn-ブタノールなどのアルコール系、メチルイソブチル、トルエン、キシレンなどを使用することができる。前記ビアホールの形成方法としては、例えばポンチ、ダイ、パンチングマシーンなどを用いる機械的方法、レーザ加工法などを採用することができる。 After a sintering aid is added to the aluminum nitride powder and thoroughly mixed, a binder is added to the mixed powder and kneaded and dispersed in a predetermined solvent to adjust to a predetermined viscosity. Subsequently, the obtained suspension is formed into a sheet by, for example, a doctor blade method, and dried at, for example, a temperature of about 200° C. to form a green sheet. Subsequently, a plurality of via holes for interlayer connection are formed in predetermined positions of the green sheet. As the binder added to the mixed powder, for example, an acrylic binder, a PVB binder, or the like can be used. As the solvent for dispersing the mixed powder and the binder, alcohols such as n-butanol, methyl isobutyl, toluene, xylene, etc. can be used. As a method for forming the via hole, for example, a mechanical method using a punch, a die, a punching machine, etc., a laser processing method, etc. can be adopted.
ペーストに添加する粉砕シート粉末を作製するために上記で形成したグリーンシートのうち必要量を脱脂処理する。脱脂条件は、後述する脱脂工程で使用するのと同様の条件でも良いが、より効率良く形成するために脱脂時の昇温を速くするなどしても良いものとする。また、残留するバインダの抜きを良くするためにさらに高温や長時間で処理することも可能である。脱脂処理をしたシートは擂潰機などで粉末状にしておく。 A necessary amount of the green sheet formed above is degreased to produce a pulverized sheet powder to be added to the paste. The degreasing conditions may be the same as those used in the degreasing step described below, but the temperature rise during degreasing may be increased to achieve more efficient formation. Further, in order to improve removal of the remaining binder, it is also possible to perform the treatment at a higher temperature or for a longer period of time. The degreased sheet is made into a powder using a grinder or the like.
導体回路用および内部ビア用のペーストは、タングステン粉末またはモリブデン粉末と上記粉砕シート粉末を混合したものである。 The paste for conductor circuits and internal vias is a mixture of tungsten powder or molybdenum powder and the above-mentioned pulverized sheet powder.
前記タングステン粉末は、平均粒径が0.2~2.0μm、前記モリブデン粉末は平均粒径が0.2~5.0μmであることが好ましい。このような導体金属粉末において、平均粒径が前記範囲の下限値未満にすると取扱いが容易でなく、ペースト化が困難になって得られた導体ペーストを前記グリーシートに印刷できなくなる恐れがある。さらに、前記導体金属粉末を含む導体ペーストを前記成形体と共に同時焼結すると、その収縮率が極端に大きくなるため、形成された導体層は窒化アルミニウム絶縁層との収縮率のマッチングが取れず、導体層が剥離し、導体層と絶縁層の間に空隙が発生する。
一方、前記導電金属粉末において平均粒径が前記範囲の上限値を越えると形成された導体層の緻密化が不十分になり抵抗が高くなる恐れがある。また、この導体金属粉末を含む導体ペーストを前記成形体と共に同時焼結すると、その収縮率が過度に小さくなるため、窒化アルミニウム絶縁層との間で収縮率のマッチングが取れず、最終的に得られたセラミックス回路基板にクラック、膨れなどが生じる恐れがある。
The tungsten powder preferably has an average particle size of 0.2 to 2.0 μm, and the molybdenum powder preferably has an average particle size of 0.2 to 5.0 μm. If the average particle size of such conductive metal powder is less than the lower limit of the above range, it will not be easy to handle, and it will be difficult to form it into a paste, which may make it impossible to print the resulting conductive paste on the grease sheet. Furthermore, when the conductive paste containing the conductive metal powder is co-sintered with the molded body, its shrinkage rate becomes extremely large, so that the formed conductor layer cannot match the shrinkage rate with the aluminum nitride insulating layer. The conductor layer peels off, creating a gap between the conductor layer and the insulating layer.
On the other hand, if the average particle size of the conductive metal powder exceeds the upper limit of the range, the formed conductor layer may not be sufficiently densified and the resistance may become high. Furthermore, if the conductive paste containing the conductive metal powder is co-sintered with the molded body, its shrinkage rate will be excessively small, making it impossible to match the shrinkage rate with the aluminum nitride insulating layer, resulting in the final product being There is a risk that cracks, bulges, etc. may occur in the ceramic circuit board.
導体回路用ペーストの収縮は基板の収縮にあわせて進行するため、前記粉砕シート粉末は、前記導体金属粉末に対して1~10wt%配合することが好ましい。より好ましい前記粉砕シート粉末の配合量は2~8wt%である。前記粉砕シート粉末の配合量を1wt%未満にすると、その配合効果が十分に達成されず、導体層の断線等を防止することが困難になる。一方、前記粉砕シート粉末の配合量が10wt%を越えると導体層の抵抗率が高くなって信号遅延を招く恐れがある。 Since the shrinkage of the paste for conductive circuits progresses in accordance with the shrinkage of the substrate, it is preferable that the pulverized sheet powder is blended in an amount of 1 to 10 wt% with respect to the conductive metal powder. A more preferable blending amount of the pulverized sheet powder is 2 to 8 wt%. If the blending amount of the pulverized sheet powder is less than 1 wt%, the blending effect will not be sufficiently achieved, and it will be difficult to prevent disconnection of the conductor layer. On the other hand, if the blending amount of the pulverized sheet powder exceeds 10 wt%, the resistivity of the conductor layer increases, which may cause signal delay.
内部ビア用ペーストの収縮は基板の収縮より大きいため前記粉砕シート粉末は、前記導体金属粉末に対して10~30wt%配合することが好ましい。より好ましい前記粉砕シート粉末の配合量は15~25wt%である。前記粉砕シート粉末の配合量を10wt%未満にすると、導体部の収縮が大きくなるため導体内部や導体と窒化アルミニウムの間に欠陥が発生する。一方、前記シート粉末の配合量が30wt%を越えると導体層の抵抗率が高くなって信号遅延を招く恐れがある。
このような量のシート粉末の配合は、窒化アルミニウムシートの収縮率と導体層の収縮率をよりマッチングさせることが可能になる。
Since the shrinkage of the internal via paste is larger than the shrinkage of the substrate, it is preferable that the pulverized sheet powder is blended in an amount of 10 to 30 wt% with respect to the conductive metal powder. The blending amount of the pulverized sheet powder is more preferably 15 to 25 wt%. If the blending amount of the pulverized sheet powder is less than 10 wt%, the shrinkage of the conductor portion becomes large, resulting in defects inside the conductor or between the conductor and aluminum nitride. On the other hand, if the blending amount of the sheet powder exceeds 30 wt%, the resistivity of the conductor layer increases, which may cause signal delay.
By blending the sheet powder in such an amount, it becomes possible to better match the shrinkage rate of the aluminum nitride sheet and the shrinkage rate of the conductor layer.
前記導体ペースト中には、解砕シート粉末以外に焼結性を向上させるために窒化アルミニウムの焼結助剤が配合されることを許容する。この焼結助剤としては、一般に窒化アルミニウムの焼結に有効とされている希土類化合物(酸化物やハロゲン化物等)、アルカリ土類化合物(酸化物やハロゲン化物等)あるいは焼結工程で希土類化合物、アルカリ土類化合物となる物質のうちから少なくとも1種を用いることができる。焼結工程で酸化物となる化合物としては、例えば炭酸塩、シュウ酸塩、硝酸塩、アルコキシド等がある。また、前記焼結助剤の添加量は粉砕シート粉末に対して全焼結助剤の合計量で0.1~1wt%にすることが好ましい。さらに、焼結性を向上させる目的で、前記焼結助剤の一部をアルミナ、フッ化アルミニウム等のアルミニウム化合物、酸化ホウ素、希土類ホウ化物等のホウ素化合物、表面清浄性を改善するためのリンの化合物、機械的強度を増すために有効な酸化珪素、窒化珪素、酸化マンガン等のマンガン化合物等で置換することを許容する。 In addition to the crushed sheet powder, a sintering aid of aluminum nitride may be added to the conductor paste in order to improve sinterability. These sintering aids include rare earth compounds (oxides, halides, etc.), alkaline earth compounds (oxides, halides, etc.) that are generally effective in sintering aluminum nitride, or rare earth compounds used in the sintering process. , at least one kind of substances that become alkaline earth compounds can be used. Examples of compounds that become oxides in the sintering process include carbonates, oxalates, nitrates, and alkoxides. Further, the amount of the sintering aid added is preferably 0.1 to 1 wt% in total of all the sintering aids based on the pulverized sheet powder. Furthermore, for the purpose of improving sintering properties, some of the sintering aids may be alumina, aluminum compounds such as aluminum fluoride, boron compounds such as boron oxide or rare earth borides, or phosphorus to improve surface cleanliness. It is permissible to substitute with manganese compounds such as silicon oxide, silicon nitride, manganese oxide, etc., which are effective for increasing mechanical strength.
本実施形態による窒化アルミニウム配線基板ではグリーンシートに導体回路用ペーストを印刷する。配線が多層になる場合にもグリーンシートに導体回路用ペーストを印刷して積層する。配線基板の表面と裏面、表面と内部配線、内部配線間等を導通させるためにビアホールやスルーホールを形成する場合には、ビアホールには内部ビア用ペーストを、スルーホールには導体回路用ペーストを使用する。 In the aluminum nitride wiring board according to this embodiment, a conductive circuit paste is printed on a green sheet. Even when the wiring is multilayered, conductive circuit paste is printed on green sheets and laminated. When forming via holes or through holes to establish continuity between the front and back surfaces of a wiring board, between the front surface and internal wiring, or between internal wiring, use paste for internal vias in the via holes and paste for conductive circuits in the through holes. use.
ペーストを印刷したグリーンシートを同時焼成する方法は、例えば窒素ガス等の非酸化性雰囲気中で600~800℃で脱脂後、非酸化性雰囲気中1700~1950℃にて焼結する方法があげられる。脱脂温度が600℃を下回ると十分な脱脂効果が得られずに焼結が不十分になる可能性がある。また、800℃を超えると脱脂が進みすぎて、グリーンシートが脆くなりハンドリングが難しくなる場合がある。焼成温度が1700℃未満であると焼成が不十分であるため高融点金属が焼結できないおそれがある。一方、1950℃を超えると窒化アルミニウムが粒成長して熱伝導率の低下やシートのうねりなどが起こる可能性がある。
同時焼成された窒化アルミニウム基板は導体表面にめっきなどを行うことにより、ろう付けやはんだ付けなど他の部品との接合が可能となる。
An example of a method for simultaneously firing a green sheet printed with paste is to degrease it at 600 to 800°C in a non-oxidizing atmosphere such as nitrogen gas, and then sintering it at 1,700 to 1,950°C in a non-oxidizing atmosphere. . If the degreasing temperature is lower than 600° C., a sufficient degreasing effect may not be obtained and sintering may become insufficient. Furthermore, if the temperature exceeds 800°C, the degreasing progresses too much, and the green sheet may become brittle and difficult to handle. If the firing temperature is less than 1700°C, the firing will be insufficient and the high melting point metal may not be sintered. On the other hand, if the temperature exceeds 1950° C., grain growth of aluminum nitride may cause a decrease in thermal conductivity and waviness of the sheet.
By plating the conductor surface of the co-fired aluminum nitride substrate, it can be joined to other parts by brazing or soldering.
作製したグリーンシートを脱脂後に解砕してペーストに添加することにより、後工程でのグリーンシートとペーストの収縮差を合わせることが可能である。さらにペーストに添加する脱脂したグリーンシートの量を、回路部とビア部に分けることにより、回路部とビア部の焼結時の微妙な収縮差を調整することが可能である。
以上の窒化アルミニウム回路基板の製造方法によれば、窒化アルミニウムと導体回路の品位を向上することにより歩留まりを大幅に改善することができる。
By crushing the produced green sheet after degreasing and adding it to the paste, it is possible to equalize the difference in shrinkage between the green sheet and the paste in the subsequent process. Furthermore, by dividing the amount of degreased green sheet added to the paste into the circuit part and the via part, it is possible to adjust the subtle difference in shrinkage between the circuit part and the via part during sintering.
According to the above method for manufacturing an aluminum nitride circuit board, the yield can be significantly improved by improving the quality of the aluminum nitride and the conductor circuit.
(実施例1~11、比較例1~6)
平均粒径1.0μmの窒化アルミニウム粉末に、表1に示す焼結助剤を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。この原料粉末に有機バインダおよび有機溶剤(エタノール)を添加した後、混合してスラリー化した。このスラリーをドクターブレード法によりシート状に成形し、縦50mm×横50mm×厚さ0.4mmであるグリーンシートを作製した。グリーンシートには図1、図2のように10mm間隔でΦ0.2mmのビア用の穴を形成した。また、グリーンシートの一部を窒素雰囲気中、700℃で3時間脱脂処理後に粉砕しペースト添加用の粉砕シート粉末とした。
次に、表1に示すように平均粒径1.0μmのタングステン粉末または平均粒径1.5μmのモリブデン粉末に粉砕シート粉末を加えて樹脂バインダおよび分散剤を混合して表面回路用およびビア用ペースト作製した。グリーンシートビア部分にビア用ペーストを注入した後で、グリーンシートの両面に表面回路用ペーストを印刷した。
上記ペーストを印刷した窒化アルミニウム基板を窒素雰囲気中、700℃で3時間脱脂処理を行った。
窒化アルミニウムセッター(焼結板)上に、脱脂処理した窒化アルミニウム基板を配置し、窒素雰囲気中、0.8MPaの加圧下、1750℃で4時間同時焼成を行い、窒化アルミニウム同時焼成基板を得た。得られた窒化アルミニウム同時焼成基板にニッケルめっきを2μm施して窒化アルミニウム配線基板を得た。
(Examples 1 to 11, Comparative Examples 1 to 6)
A raw material powder was prepared by adding the sintering aid shown in Table 1 to aluminum nitride powder having an average particle size of 1.0 μm, and crushed and mixed in a ball mill. An organic binder and an organic solvent (ethanol) were added to this raw material powder, and then mixed to form a slurry. This slurry was formed into a sheet by a doctor blade method to produce a green sheet measuring 50 mm long x 50 mm wide x 0.4 mm thick. Holes for vias of Φ0.2 mm were formed in the green sheet at 10 mm intervals as shown in FIGS. 1 and 2. Further, a part of the green sheet was degreased in a nitrogen atmosphere at 700° C. for 3 hours and then crushed to obtain a crushed sheet powder for use in adding paste.
Next, as shown in Table 1, crushed sheet powder is added to tungsten powder with an average particle size of 1.0 μm or molybdenum powder with an average particle size of 1.5 μm, and a resin binder and a dispersant are mixed. I made a paste. After injecting via paste into the green sheet via portions, surface circuit paste was printed on both sides of the green sheet.
The aluminum nitride substrate printed with the above paste was subjected to degreasing treatment at 700° C. for 3 hours in a nitrogen atmosphere.
A degreased aluminum nitride substrate was placed on an aluminum nitride setter (sintered plate), and co-fired at 1750°C for 4 hours under a pressure of 0.8 MPa in a nitrogen atmosphere to obtain an aluminum nitride co-fired substrate. . The obtained aluminum nitride co-fired substrate was plated with 2 μm of nickel to obtain an aluminum nitride wiring board.
上述した実施例および比較例の各窒化アルミニウム配線基板について、窒化アルミニウム部分を加工してアルキメデス法による密度を測定した。また、還元雰囲気中にて400℃x30分間の高温放置試験を行って顕微鏡にて外観を観察した。表面めっき部分にネイルヘッドピンをはんだ付けして垂直方向に引っ張ることにより接合強度を測定した。また、配線導体層の抵抗率を測定した。内部配線層の断面の走査型電子顕微鏡写真を画像解析にて処理し、内部配線層の断面部に残るボイドの量(残存ボイド率)を測定した。測定結果を表2に示す。 For each aluminum nitride wiring board of the above-mentioned Examples and Comparative Examples, the aluminum nitride portion was processed and the density was measured using the Archimedes method. Further, a high temperature storage test was conducted at 400° C. for 30 minutes in a reducing atmosphere, and the appearance was observed using a microscope. The joint strength was measured by soldering a nail head pin to the surface plating part and pulling it in the vertical direction. Additionally, the resistivity of the wiring conductor layer was measured. A scanning electron micrograph of a cross section of the internal wiring layer was processed by image analysis, and the amount of voids remaining in the cross section of the internal wiring layer (residual void ratio) was measured. The measurement results are shown in Table 2.
表2から分かるとおり、実施例および比較例ともに密度は3.26Mg/m3以上と良好であった。実施例にかかる窒化アルミニウム配線基板の外観は良好であったが、比較例1および3ではめっき表面のビアのある部分には部品搭載時の不具合に繋がる大きさの凹みが観察された。これはビア部分のペーストの収縮が大きかったためである。一方で、比較例4および6ではめっき表面に膨れが観察された。これは、メタライズ表面に析出したペースト添加のためにめっき未着部分が発生したためである。抵抗値については、実施例にかかる窒化アルミニウム配線基板は11x10-6Ω・cm以下と良好であった。比較例1および3~6については30x10-6Ω・cm以上と大きな値を示した。これは過剰に粉砕シート粉末を添加したためとビア内に発生したボイドが原因であると考えられる。接合強度については、実施例にかかる窒化アルミニウム配線基板はいずれも50N/mm2以上と良好であったが、比較例1および2は30N/mm2未満と低い値を示した。これは粉砕シート粉末の添加量が少ないため、グリーンシートとの接合性が低下したためである。なお、比較例4および6はめっき膨れが発生したため引張強度の測定は行っていない。内部配線ボイド率については、実施例にかかる窒化アルミニウム配線基板はいずれも1.5%以下と良好であったが、比較例1および3は20%以上と大きい値を示した。これは粉砕シート粉末の添加量が少なくビア内のペーストの収縮が大きくなりすぎたためである。
As can be seen from Table 2, both the Examples and Comparative Examples had good densities of 3.26 Mg/m3 or higher. Although the appearance of the aluminum nitride wiring board according to the example was good, in Comparative Examples 1 and 3, dents of a size that could lead to problems when mounting components were observed in the portions of the plating surface where there were vias. This is due to the large shrinkage of the paste in the via area. On the other hand, in Comparative Examples 4 and 6, blistering was observed on the plating surface. This is because unplated areas occurred due to the addition of the paste deposited on the metallized surface. Regarding the resistance value, the aluminum nitride wiring board according to the example had a good resistance value of 11×10 −6 Ω·cm or less. Comparative Examples 1 and 3 to 6 showed large values of 30×10 −6 Ω·cm or more. This is thought to be due to the addition of an excessive amount of pulverized sheet powder and voids generated within the vias. Regarding the bonding strength, all of the aluminum nitride wiring boards according to the examples had a good bonding strength of 50 N/
上記に示す結果から明らかなように、粉砕シート粉末の添加比率を1~10wt%である導体回路形成用のペーストと、粉砕シート粉末の添加率を10~30wt%である内部ビア形成用のペーストを使用した各実施例にかかる窒化アルミニウム配線基板によれば、接合強度や内部配線ボイド率が低下することなく良好な外観や抵抗値を得ることができる。 As is clear from the results shown above, there is a paste for forming conductor circuits in which the addition ratio of pulverized sheet powder is 1 to 10 wt%, and a paste for forming internal vias in which the addition ratio of pulverized sheet powder is 10 to 30 wt%. According to the aluminum nitride wiring board according to each example using the aluminum nitride wiring board, it is possible to obtain a good appearance and resistance value without deteriorating the bonding strength or the internal wiring void rate.
以上、本発明のいくつかの実施形態を例示したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更などを行うことができる。これら実施形態やその変形例は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。また、前述の各実施形態は、相互に組み合わせて実施することができる。 Although several embodiments of the present invention have been illustrated above, these embodiments are presented as examples and are not intended to limit the scope of the invention. These novel embodiments can be implemented in various other forms, and various omissions, substitutions, changes, etc. can be made without departing from the gist of the invention. These embodiments and their modifications are included within the scope and gist of the invention, as well as within the scope of the invention described in the claims and its equivalents. Further, each of the embodiments described above can be implemented in combination with each other.
1…窒化アルミニウム配線基板(断面図)
2…窒化アルミニウム基板
3…内部導体層(ビア)
4…表面導体層
5…裏面配線層
6…窒化アルミニウム配線基板(平面図)
7…窒化アルミニウム多層配線基板(断面図)
8…内部配線層
1...Aluminum nitride wiring board (cross-sectional view)
2...
4... Surface conductor layer
5... Back wiring layer 6... Aluminum nitride wiring board (top view)
7...Aluminum nitride multilayer wiring board (cross-sectional view)
8...Internal wiring layer
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