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JP2555231B2 - 窒化アルミニウム多層回路基板の製造方法 - Google Patents

窒化アルミニウム多層回路基板の製造方法

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JP2555231B2
JP2555231B2 JP3116110A JP11611091A JP2555231B2 JP 2555231 B2 JP2555231 B2 JP 2555231B2 JP 3116110 A JP3116110 A JP 3116110A JP 11611091 A JP11611091 A JP 11611091A JP 2555231 B2 JP2555231 B2 JP 2555231B2
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、窒化アルミニウム多層
回路基板の製造方法に関する。窒化アルミニウム(Al
N)は、放熱性に優れ且つ半導体装置のシリコン(S
i)に熱膨張係数が近いことから、アルミナ(Al2
3 )に代わるパッケージや回路基板、特にシリコン半導
体装置を用いたLSI素子を搭載するセラミック多層回
路基板として非常に有用である。
【0002】回路の配線を構成する導体としては、窒化
アルミニウムと一緒に高温で焼成するのに適したタング
ステン(W)が用いられる。
【0003】
【従来の技術】導体としてタングステンを用いた窒化ア
ルミニウム多層回路基板は焼成により製造される。その
通常の手順は以下の通りである。窒化アルミニウム粉
末、焼結助剤、溶剤、および有機バインダーを混練した
スラリーから、ドクターブレード法によりグリーンシー
トを作製する。同様のグリーンシートを複数枚準備す
る。
【0004】あるグリーンシートにはビアコンタクトホ
ールを形成し、導体ペースト(タングステンペースト)
でビアコンタクトホール内を充填する。また別のグリー
ンシートには導体ペースト(タングステンペースト)で
配線パターンをスクリーン印刷する。あるいは一枚のグ
リーンシートにビアコンタクトホール形成および充填後
に配線パターン印刷を行う。
【0005】これらグリーンシートを所定枚数積層し、
加圧して一体化する。得られたグリーンシート積層体を
乾燥、加熱脱脂(バインダー抜き)の後に焼成して窒化
アルミニウム多層回路基板とする。焼成の際にはグリー
ンシート積層体を収容する焼成容器等、焼成雰囲気内に
共存する容器材の材質について、次のような特別の配慮
をする必要がある。
【0006】窒化アルミニウムは焼成温度が1600℃
以上と高いので(例えば特開昭60─239366号公
報、特開平2─212365号公報、特開平2─243
570号公報等)、焼成中にグリーンシート積層体を収
容するための焼成容器や荷重セッターは耐熱性の高い材
質でなければならない。このような高温に耐え得る材質
としては窒化硼素(BN)およびグラファイト(C)が
実用可能である。両者の内でグラファイトは比較的安価
なので生産コスト上は好ましいが、グラファイトを用い
ると、焼成中に生起される炭素雰囲気によって窒化アル
ミニウムが分解昇華するという問題がある。その対策と
して、グラファイト容器の内面を窒化硼素粉末でコーテ
ィングしたり、容器内のグリーンシート積層体の周りに
窒化アルミニウム粉末の詰め粉を充填したりして焼成を
行う方法が提案されている(特開平2─34568)。
しかし、この方法ではグリーンシート積層体のセットの
仕方によって窒化アルミニウム基板内で焼成にむらがで
き易く、焼成前のグリーンシート積層体のセットに時間
を要し、窒化アルミニウム詰め粉を用いるためコストが
かかるという欠点がある。
【0007】窒化硼素はこのようなグラファイトの欠点
を回避するために有効である。しかし、焼成容器の材質
として窒化硼素(BN)を用いると、BNが導体配線の
W中に拡散して硼化タングステン(W2 B)を生成し導
体の抵抗を増加させるという問題があった(日本セラミ
ック協会、1989年秋期講演予稿集p82)。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】本発明は、上記従来の
問題を解消し、焼成容器に窒化硼素を用いた際のタング
ステン配線の導体抵抗の増加を防止した窒化アルミニウ
ム多層回路基板の製造方法を提供することを目的とす
る。
【0009】
【課題を解決するための手段】上記目的は、本発明によ
れば、窒化アルミニウムグリーンシート上に、タングス
テンを導体成分とする導体ペーストで配線パターンを形
成した後に、窒化硼素製容器内で加圧窒素ガス雰囲気中
で焼成することを特徴とする窒化アルミニウム多層回路
基板の製造方法によって達成される。
【0010】
【作用】タングステン配線の導体抵抗が増加する原因
は、焼成中に焼成容器から放出された窒化硼素が導体配
線中のタングステンと反応して硼化タングステン(W2
B)が形成されることである。本発明においては、焼成
雰囲気を加圧窒素雰囲気とすることにより、焼成容器か
らの窒化硼素の雰囲気中放出を抑制し、窒化硼素とタン
グステンとの反応を防止してタングステン導体の抵抗増
加を防止することができる。
【0011】窒化硼素容器中での焼成を3気圧以上の加
圧窒素雰囲気中で行うと、タングステン導体抵抗の増加
はほぼ完全に防止することができる。加圧窒素雰囲気の
窒素圧の上限は特に限定する必要はないが、10気圧を
超えて窒素圧を高くしても導体抵抗増加を防止する効果
はほとんど高まらず、却ってコスト的に不利になるの
で、実操業上は窒素圧の上限を10気圧とすることが適
当である。
【0012】本発明は、更に配慮を加えることにより、
従来の焼成に伴う窒化アルミニウム基板の反りおよびタ
ングステン導体配線の剥離をより効果的に防止すること
ができる。すなわち、従来、焼成後に焼結助剤と不純物
酸素を焼結体から除去する際の基板の反り発生を防止す
るために、グリーンシート積層体に荷重を負荷した状態
で保持して焼成する方法が採られている(例えば特開平
2─129076号公報)。しかし、この保持方法を用
いると、焼成中にグリーンシート積層体の導体配線が、
荷重負荷を行う荷重セッター側に転写したり、焼成中の
基板(グリーンシート積層体)の収縮率がばらつくとい
う問題があった。
【0013】また、基板の窒化アルミニウムと導体配線
のタングステンとが焼結中の収縮率が異なるため、窒化
アルミニウム基板とタングステン導体配線との密着性が
悪く、導体配線の剥離を生じ易いという問題があった。
上記従来の問題に対処するために、本発明において、窒
化アルミニウム基板とタングステン導体配線との焼結収
縮差による基板の反りおよび配線の剥離を防止するに
は、タングステンを導体成分をする導体ペーストに10
wt%以下の窒化アルミニウム粉末を添加したペーストを
用いることが有効である。特に基板の反り防止が重要で
ある場合には、窒化アルミニウム粉末添加量を3wt%以
上とすることが望ましい。
【0014】焼成された窒化アルミニウム基板の高い熱
伝導度を確保するには、導体ペーストによる配線パター
ンを形成した窒化アルミニウムグリーンシートを160
0℃以上の高温で焼成する必要がある。通常この焼成
は、2時間程度行えば十分である。上記窒化硼素容器内
での1600℃以上の高温焼成の後に、窒化硼素容器を
用いず炭素を含有しない非酸化性雰囲気中で1600℃
未満の温度で更に低温焼成を行うことにより、高温焼成
中に形成されたW2 Bを熱分解させてWに戻す処理を付
加すれば、高温焼成したままの状態に比べて導体抵抗を
低下させることができる。ここで、炭素を含有しない非
酸化性雰囲気を用いるのは、導体タングステンが雰囲気
中炭素と反応して高抵抗のW2 Cとなるのを防止すると
同時に、窒化アルミニウムが酸化してアルミナ(Al2
3 )になるのを防止するためである。炭素を含有しな
い非酸化性雰囲気としては、水素、窒素、アルゴン等の
ガスを用いることができる。
【0015】以下に、添付図面を参照し、実施例によっ
て本発明を更に詳細に説明する。
【0016】
【実施例】
〔実施例1〕含有酸素量1%のAlN粉末に焼結助剤と
してY2 3 粉末を5wt%添加し、更に溶剤(MEK)
および有機バインダー(PMMA)を加え、ボールミル
で混練してスラリーとする。このスラリーをドクターブ
レード法により展延させて厚さ300μm、90×90
mmのAlNグリーンシートを作製した。
【0017】W粉末に溶剤(MEK,テレピネオール)
および有機バインダー(PMMA)を加え、ボールミル
で混練してスラリーとする。このスラリーをらいかい機
にかけてMEKを飛散させた後、ロールミルにかけてW
ペーストとした。スクリーン印刷によりAlNグリーン
シートにWペーストの配線パターン(幅200μm、長
さ40mm、高さ25μm)を印刷した。このAlNグ
リーンシートを60℃、50MPaの条件下で積層し、
8層の積層体とした。
【0018】積層体を乾燥後、600℃の窒素気流中で
4時間脱脂(バインダー抜き)した後、BN製の焼成容
器に入れ、温度1700℃、圧力1〜10気圧の加圧窒
素雰囲気中で9時間焼成し、窒化アルミニウム多層回路
基板とした。得られた窒化アルミニウム多層回路基板の
表面のW配線について、抵抗率の測定およびX線回折を
行った結果を表1に示す。
【0019】なお、A1Nグリーンシートにボール盤で
スルーホールを穴開けした後、このスルーホールにWペ
ーストを充填してビアを形成し、更に、A1Nグリーン
シートにスクリーン印刷によりWペーストの配線パター
ンを形成し、これらのビアおよび配線パターンを有する
A1Nグリーンシートを複数枚積層後、脱脂と焼成によ
りA1N多層回路基板とすることができる。
【0020】
【表1】 表1から、加圧窒素雰囲気を用い、特に加圧を3気圧以
上とすることにより、W配線中のW2 B生成を効果的に
抑制してW配線の抵抗率の増加を抑制できることが分か
る。なお、同表中の抵抗率は、厚さ1mil(25.4
μm)当たりの換算値で表示した。 〔実施例2〕含有酸素量1%のAlN粉末に焼結助剤と
してY2 3 粉末を5wt%添加し、更に溶剤(MEK)
および有機バインダー(PMMA)を加え、ボールミル
で混練してスラリーとする。このスラリーをドクターブ
レード法により展延させて厚さ300μm、90×90
mmのAlNグリーンシートを作製した。
【0021】W粉末にAlN粉末を10wt%までの種々
の量で添加し、更に溶剤(MEK,テレピネオール)お
よび有機バインダー(PMMA)を加え、ボールミルで
混練してスラリーとする。このスラリーをらいかい機に
かけてMEKを飛散させた後、ロールミルにかけてWペ
ーストとした。比較のため、AlN粉末を添加しないW
ペーストも準備した。
【0022】スクリーン印刷によりAlNグリーンシー
トにWペーストの配線パターン(幅200μm、長さ4
0mm、高さ25μm)を印刷し、「配線シート」とし
た。また、AlNグリーンシートにボール盤で直径20
0μmのスルーホールを開けた後、このスルーホールに
Wペーストを充填してビアを形成し、「ビアシート」と
した。
【0023】配線シートとビアシートとを交互に積層
し、6層の積層体とした。積層体を乾燥後、600℃の
窒素気流中で脱脂(バインダー抜き)した後、BN製の
焼成容器に入れ、温度1400〜1900℃、圧力1〜
9kg/cm2 の加圧窒素雰囲気中で焼成し、窒化アルミニ
ウム多層回路基板とした。得られた窒化アルミニウム多
層回路基板の表面のW配線について、抵抗率の測定およ
びX線回折を行った。
【0024】また、窒化アルミニウムグリーンシート単
板も上記と同一条件で焼成を行い、窒化アルミニウムの
焼結密度および熱伝導率を測定した。以下に、上記各測
定の結果を説明する。焼成温度および焼成時間 図1に焼成温度とAlN基板の焼結密度との関係、図2
に焼成温度と熱伝導率との関係をそれぞれ示す。図1か
ら分かるように、理論密度とほぼ同等の焼成密度を得る
には、焼成温度を1600℃以上にする必要があり、特
に焼成温度1650℃以上では理論密度に対して100
%近い焼結密度が得られる。また図2から、焼成温度を
1600℃以上とすれば、熱伝導率も180W/mKと高い
値が得られることが分かる。
【0025】図3に、焼成温度1800℃における焼成
時間とAlN焼結密度および熱伝導率との関係を示す。
同図から分かるように、高い密度および熱伝導率を得る
ためには、焼成時間を2時間以上とすることが望まし
く、3時間以上とすることが更に望ましい。焼成圧力およびWペーストへのAlN添加量 図4に、焼成時の加圧窒素雰囲気の圧力と得られたW導
体配線の電気抵抗率との関係を示す。1気圧の加圧でも
抵抗率の低下が明瞭に認められ、特に加圧を3気圧以上
とすることにより安定して低い抵抗率が確保できる。ま
た、AlN粉末の添加量が多い程、抵抗率は大きくな
る。したがって、抵抗率をできるだけ低く抑える観点か
らは、AlN添加量は必要最小限にすることが望まし
い。
【0026】図5に、AlN粉末添加量とW導体の収縮
率との関係を示す。AlN添加量が0〜3wt%までの間
では、AlN添加量を僅かに増加させても配線Wの収縮
率は基板AlNの収縮率に急速に近づいてゆき、3wt%
を超えると収縮率の接近は緩慢になり、10wt%以上で
基板AlNの収縮率と同等になる。AlN基板の反りお
よびW配線の剥離を防止するためには、配線Wの収縮率
を基板AlNの収縮率にできるだけ近づけることが望ま
しい。しかし、配線Wの収縮率を基板AlNの収縮率に
近づける効果は、WペーストへのAlN添加量10wt%
以上では飽和する。したがって、できるだけ低い抵抗率
を確保するためにはAlNの添加量はなるべく少ない方
が望ましいことを考慮すれば、AlN添加量は10wt%
以下とすべきである。
【0027】AlN添加量を10wt%までの範囲で選択
し、多層回路基板の内層部分と外層部分とで使い分ける
こともできる。AlN添加量が10wt%を超えるWペー
ストは、抵抗率が小さい必要がある導体配線用途には不
向きであるが、抵抗率が小さいことは要さず、強固な接
合のみを要する用途、例えばAlN多層回路基板を密閉
する金属シール材を接合するペーストとしては十分有用
である。
【0028】図6に、従来の常圧焼成(1気圧)と本発
明の加圧焼成(3気圧)によって焼成したW配線のX線
回折パターンを示す。従来の常圧焼成によるW配線には
大きなW2 B回折ピークが多数認められるが、本発明の
加圧焼成によるW配線ではW 2 B回折ピークは僅かに小
さなものが認められるに過ぎず、W2 B生成が効果的に
抑制されていることが分かる。 〔実施例3〕実施例2と同様にAlNグリーンシートお
よびWペーストを準備した。ただし、WペーストへのA
lN粉末添加量を0.5、3、10、および20%と
し、比較のためにAlN無添加のWペーストも準備し
た。
【0029】AlNグリーンシートに上記Wペーストの
配線パターンを印刷する際に、2層目のグリーンシート
には配線パターンを、4層目のグリーンシートにはベタ
パターンを印刷した。これらグリーンシートを積層し
て、8層の積層体とした。焼成は、1700℃、3気圧
の窒素気流中で9時間行った。焼成後の窒化アルミニウ
ム多層回路基板について、基板の反り、配線の密着強
度、および内層の配線抵抗率を測定した結果を表2に示
【0030】
【表2】 表2から分かるように、基板の反りはAlN添加量が3
wt%以上になると明瞭に認められ、配線の密着強度はA
lN添加量0.5%でも向上効果が現れており、また内
層の配線抵抗率はAlN添加量10wt%までは徐々に増
加するが10wt%を超えると急激に増加する。そして、
各特性を総合的に考慮すると、Wペーストに10wt%ま
での量でAlN粉末を添加することが望ましい。
【0031】実施例2および3で説明した望ましい態様
によれば、従来使用されているBN製焼成容器を用いて
もW2 Bの生成によるW配線の抵抗率増加を防止できる
だけでなく、従来のようにAlN基板の反りを防止する
ために荷重負荷を必要としないため、荷重セッターへ基
板表面の配線パターンが転写されたり、基板の収縮率が
負荷荷重によってばらついたりすることがない。 〔実施例4〕含有酸素量1%のAlN粉末に焼結助剤と
してY2 3 粉末を5wt%添加し、更に溶剤(MEK)
および有機バインダー(PMMA)を加え、ボールミル
で混練してスラリーとする。このスラリーをドクターブ
レード法により展延させて厚さ300μm、90×90
mmのAlNグリーンシートを作製した。
【0032】W粉末にAlN粉末を10wt%までの種々
の量で添加し、更に溶剤(MEK,テレピネオール)お
よび有機バインダー(PMMA)を加え、ボールミルで
混練してスラリーとする。このスラリーをらいかい機に
かけてMEKを飛散させた後、ロールミルにかけてWペ
ーストとした。比較のため、AlN粉末を添加しないW
ペーストも準備した。
【0033】スクリーン印刷によりAlNグリーンシー
トにWペーストの配線パターン(幅200μm、長さ4
0mm、高さ25μm)を印刷し、「配線シート」とし
た。また、AlNグリーンシートにボール盤で直径20
0μmのスルーホールを開けた後、このスルーホールに
Wペーストを充填してビアを形成し、「ビアシート」と
した。
【0034】配線シートとビアシートとを交互に積層
し、8層の積層体とした。積層体を乾燥後、600℃の
窒素気流中で脱脂(バインダー抜き)した後、BN製の
焼成容器に入れBN製の基板セッターで荷重を掛けた状
態に保持し、温度1400〜1900℃、圧力1〜9kg
/cm2 の加圧窒素雰囲気中で3時間焼成した。本実施例
では便宜上これを1次焼成と呼ぶ。
【0035】更に、上記焼成後の積層体を、1400℃
で1時間焼成して窒化アルミニウム多層回路基板とし
た。本実施例では便宜上この焼成を2次焼成と呼ぶ。2
次焼成の雰囲気としてはカーボンを含有しない水素、窒
素、またはアルゴンを用いた。また、比較のためにカー
ボンを含有させた窒素雰囲気での2次焼成を行った。
【0036】得られた窒化アルミニウム多層回路基板の
表面のW配線について、抵抗率の測定およびX線回折を
行った。図7に、AlN粉末添加量とW導体配線の抵抗
率との関係を示す。AlN粉末添加量が3wt%まではW
導体配線の抵抗率はほぼ一定で低い値であるが、AlN
添加量が3wt%以上になると抵抗率が増大する。
【0037】図8および図9に、それぞれ2次焼成雰囲
気にカーボンを含有しない場合および含有する場合につ
いて、1次焼成後と2次焼成後のW配線のX線回折パタ
ーンを対比して示す。表3には、それぞれの2次焼成雰
囲気について、1次焼成後および2次焼成後の抵抗率お
よびこれらの間での抵抗率減少(%)を示す。
【0038】
【表3】 図8および表3から分かるように、焼成雰囲気としてカ
ーボンを含有しない非酸化性ガス(水素、窒素、または
アルゴン)を用いて2次焼成することにより、1次焼成
時に生成したW2 Bが熱分解してほぼW単体から成る導
体配線が得られ、導体配線の抵抗率を更に低下させるこ
とができる。
【0039】一方、図9および表3から分かるように、
2次焼成雰囲気としてカーボンを含有する非酸化性ガス
(この場合は窒素ガス)を用いると、W導体配線の表面
にW 2 Cが生成するため、W2 Bが分解したことによる
導体抵抗の低減効果が十分に得られない。本実施例で説
明した本発明の望ましい態様によれば、Wペースト中へ
のAlN添加による基板反りおよび配線剥離を防止する
効果を得ると同時に、1次焼成中に生成したW2 Bを2
次焼成で熱分解させることにより、更に導体抵抗を小さ
くすることができる。
【0040】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
焼成容器に窒化硼素を用いた際のタングステン配線の導
体抵抗の増加を防止して窒化アルミニウム多層回路基板
を製造することができる。また、導体配線を形成するW
ペースト中へのAlN添加により、上記導体抵抗増加を
防止する効果に加えて、従来のように荷重負荷を要せず
にAlN基板の反りおよび導体配線の剥離を効果的に防
止できる。
【0041】更に、1次焼成中に生成したW2 Bを2次
焼成で熱分解させることにより、基板反りおよび配線剥
離防止効果を維持しながら、上記導体抵抗増加防止効果
を更に向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】焼成温度とAlN基板の焼結密度との関係を示
すグラフである。
【図2】焼成温度と熱伝導率との関係を示すグラフであ
る。
【図3】焼成温度1800℃における焼成時間とAlN
焼結密度および熱伝導率との関係を示すグラフである。
【図4】焼成時の加圧窒素雰囲気の圧力と得られたW導
体配線の電気抵抗率との関係を示すグラフである。
【図5】AlN粉末添加量とW導体の収縮率との関係を
示すグラフである。
【図6】従来の常圧焼成(1気圧)と本発明の加圧焼成
(3気圧)によって焼成したW配線のX線回折パターン
を示すグラフである。
【図7】AlN粉末添加量とW導体配線の抵抗率との関
係を示すグラフである。
【図8】2次焼成雰囲気にカーボンを含有しない場合に
ついて、1次焼成後と2次焼成後のW配線のX線回折パ
ターンを対比して示すグラフである。
【図9】2次焼成雰囲気にカーボンを含有する場合につ
いて、1次焼成後と2次焼成後のW配線のX線回折パタ
ーンを対比して示すグラフである。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 塚田 峰春 神奈川県川崎市中原区上小田中1015番地 富士通株式会社内

Claims (6)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 窒化アルミニウムグリーンシート上に、
    タングステンを導体成分とする導体ペーストで配線パタ
    ーンを形成した後に、窒化硼素製容器内で加圧窒素ガス
    雰囲気中で焼成することを特徴とする窒化アルミニウム
    多層回路基板の製造方法。
  2. 【請求項2】 前記焼成を3気圧以上の加圧窒素雰囲気
    中で行うことを特徴とする請求項1に記載の窒化アルミ
    ニウム多層回路基板の製造方法。
  3. 【請求項3】 前記導体ペーストが10wt%以下の窒化
    アルミニウム粉末を含有することを特徴とする請求項1
    または2に記載の窒化アルミニウム多層回路基板の製造
    方法。
  4. 【請求項4】 前記窒化アルミニウム粉末の添加量を3
    wt%以上とすることを特徴とする請求項3に記載の窒化
    アルミニウム多層回路基板の製造方法。
  5. 【請求項5】 前記焼成を1600℃以上の温度で行う
    ことを特徴とする請求項1から4いずれか1項に記載の
    窒化アルミニウム多層回路基板の製造方法。
  6. 【請求項6】 前記窒化硼素容器内で行う1600℃以
    上での焼成の後に、該窒化硼素容器を用いず炭素を含有
    しない非酸化性雰囲気中で1600℃未満の温度で更に
    焼成を行うことを特徴とする請求項5に記載の窒化アル
    ミニウム多層回路基板の製造方法。
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