JP2003338578A - 半導体素子搭載用基板 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 絶縁基板と貫通導体との密着性および貫通導
体の導体内の金属の密着性を良好として絶縁基板の熱歪
みを小さくし、また、径を大きくするとともに主導体間
の接合を強固にした貫通導体を形成することにより、半
導体素子の放熱性を良好にすること。 【解決手段】 Ａｌ₂Ｏ₃を主成分としＭｎ₂Ｏ₃を２〜10
重量％含有する相対密度95％以上のセラミックスから成
る、複数の絶縁層および中間絶縁層７が交互に積層さ
れ、上面に半導体素子４の搭載部１Ａが設けられた絶縁
基板１と、搭載部１Ａから絶縁基板１下面にかけて形成
された貫通導体２とを具備し、貫通導体２は、Ｃｕを10
〜60体積％ならびに平均粒径１〜５μｍのＷおよび／ま
たはＭｏの粒子を40〜90体積％含有した導体から成る、
絶縁層の部位の主導体２ａと、中間絶縁層７の部位の第
一の中間導体６およびその上の第二の中間導体８とから
成る。

Description

【発明の詳細な説明】 【０００１】 【発明の属する技術分野】本発明は、半導体素子が作動
時に発する熱を効率良く外部に伝達するための貫通導体
（サーマルビア）が形成された絶縁基板を有する半導体
素子搭載用基板に関する。 【０００２】 【従来の技術】近年、ＩＣ，ＬＳＩ等の半導体素子の高
集積化に伴い、半導体素子から発生する熱も増大する傾
向にある。半導体装置の誤作動をなくすためには、半導
体素子の熱を半導体装置外に効率良く放散可能な半導体
素子搭載用基板が必要とされている。また、半導体素子
の演算速度の高速化により、僅かな信号の遅延が問題と
なってきており、そこで導体損失の小さい、つまり低抵
抗の導体を配線に用いることが要求されている。 【０００３】このような半導体素子を搭載する半導体素
子搭載用基板としては、その信頼性の点から、アルミナ
（Ａｌ₂Ｏ₃）セラミックスを絶縁基板とし、その表面あ
るいは内部にタングステン（Ｗ），モリブデン（Ｍ
ｏ），マンガン（Ｍｎ）等の高融点金属から成る配線層
を被着形成したセラミック製のものが多用されている。
ところが、このような高融点金属から成る配線層では、
その抵抗を最低でも８ｍΩ／□（ｍΩ／□：シート抵
抗）程度までしか低くできなかった。また、放熱性に関
しても、放熱フィンの接合や放熱媒体としての貫通導体
（サーマルビア）などにより改善を図っているが、Ｗ自
体の熱伝導性が低いために大きな効果は得られていな
い。 【０００４】これに対して、近年に至り、低抵抗導体で
ある銅（Ｃｕ）や銀（Ａｇ）と同時焼成可能なガラスセ
ラミックスを用いることが提案されている。しかし、ガ
ラスセラミックスの熱伝導率は高々数Ｗ／ｍ・Ｋ程度し
かなく、熱的問題を解決することが困難である。 【０００５】図３に従来の半導体素子搭載用基板15の断
面図を示し、図４（ａ），（ｂ）に、図３の従来の貫通
導体12の導体材料となるメタライズ導体の焼結前と焼結
後の状態を示す。図３は、Ａｌ₂Ｏ₃セラミックスを主成
分としＭｎをＭｎ₂Ｏ₃換算で２〜10重量％含有する相対
密度95％以上のセラミックスから成る絶縁基板11と、Ｃ
ｕ111ｃを10〜60体積％、Ｗおよび／またはＭｏ111ａを
40〜90体積％含有した貫通導体12であって、焼結後の断
面形状における最大幅が200μｍ以上で貫通導体12間の
間隔が50〜300μｍである貫通導体12とが、同時焼成に
より作製された半導体素子搭載用基板15を示す（特開20
01−15869公報参照）。 【０００６】この従来例によると、絶縁基板11上面の搭
載部11Ａに載置固定される半導体素子14の作動時に発生
する熱を効率良く放散できるとともに、貫通導体12周辺
部にクラック等が発生しないものとなっている。なお、
絶縁基板11下面には、絶縁基板11および貫通導体12に接
合され半導体素子14の熱を外部に放熱する放熱板Ｂが接
合される。 【０００７】 【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来例においては、図４（ａ），（ｂ）に示すように、焼
結前のＷおよび／またはＭｏ101ａとＣｕ101ｃの粉末に
バインダー101ｂ、有機溶剤等を添加混合して得た金属
ペーストを1200〜1500℃の低温で焼成すると、その焼成
時間や各々のＷおよび／またはＭｏ101ａの粒子の接近
状態等によっては、Ｗおよび／またはＭｏ101ａの粒子
表面の突起部から湾曲部（または軽度の突起部）へ表面
に沿って拡散、所謂表面拡散が起こり、各々のＷおよび
／またはＭｏ101ａの粒子の接触点にくびれができ易
い。従って、表面拡散がすすむにつれ、くびれも大きく
なり最終的に融合（一体化）されるものも発生し、その
粒径は１〜15μｍ程度となる。なお、Ｃｕ101ｃは1200
〜1500℃では完全に溶融されＣｕ111ｃとなる。 【０００８】その結果、焼結後にはＣｕ111ｃの中に大
きなＷおよび／またはＭｏ111ａの塊ができた状態とな
る。そのため、絶縁基板11となる焼成前のセラミックグ
リーンシートと、貫通導体12となる導体とを1200〜1500
℃の低温で同時焼成すると、Ｃｕ111ｃの熱膨張係数
（約18×10^-6／℃程度）と大きな塊のＷおよび／または
Ｍｏ111ａの熱膨張係数（約4.5×10^-6／℃程度）との違
いが顕著になる。さらには、Ｃｕ111ｃの熱膨張係数と
絶縁基板11の熱膨張係数（約７×10^-6／℃程度）との違
いや、大きな塊のＷおよび／またはＭｏ111ａの熱膨張
係数と絶縁基板11の熱膨張係数との違いが顕著になる。 【０００９】即ち、絶縁基板11と貫通導体12との間に発
生する熱膨張差による熱歪み、および貫通導体12中のＣ
ｕ111ｃとＷおよび／またはＭｏ111ａとの間に発生する
熱膨張差による熱歪みにより、絶縁基板11と貫通導体12
との密着性や、貫通導体12中のＷおよび／またはＭｏ11
1ａとＣｕ111ｃとの間の密着性が損なわれたり、絶縁基
板11に反り変形を発生させることとなる。 【００１０】そのため、半導体素子搭載用基板15の単位
面積あたりの放熱性を高めるために、絶縁基板11上面の
貫通導体12の占める面積を大きくするとともに貫通導体
12の断面形状を略楕円形状とした場合、上記熱歪みがよ
り顕著なものとなり、絶縁基板11となる焼成前のセラミ
ックグリーンシートと、貫通導体12の導体材料となる導
体ペーストとを1200〜1500℃の低温で同時焼成した際、
それらの熱膨張係数の違いにより、導体材料と絶縁基板
11との密着性や導体材料中の粒子同士の密着性が損なわ
れたり、絶縁基板11に熱歪みを発生させる等の不具合が
生じる。そのため、半導体素子14を搭載部11Ａに密着さ
せて載置固定するのが困難になったり、半導体素子14の
作動時における放熱が損なわれるという問題点を有して
いた。 【００１１】さらに、非常に高発熱性の例えば電界効果
型トランジスター（ＦＥＴ：FieldEffect Transistor）
やＶＬＳＩ等の高集積の半導体素子14を載置固定した場
合、従来のように貫通導体12の断面における幅が最大で
800μｍ，最小で210μｍ程度の略楕円形の貫通導体12で
は、その断面積が0.16ｍｍ²程度であり、この貫通導体1
2が例えば10本設けられたとしても合計の断面積が1.6ｍ
ｍ²程度であり、半導体素子14の放熱性を十分なものと
できない。そのため、半導体素子14の熱により誤作動す
るなどの問題点を招来していた。 【００１２】そこで、断面積が従来の細い貫通導体12に
比して直径が数倍から数十倍の１本の貫通導体12を半導
体素子14の直下に配設することが考えられ、この場合セ
ラミックグリーンシート積層法を用い、絶縁基板11の上
面から下面に貫通するようにして貫通導体12を設けるこ
とが試みられた。この貫通導体12は、貫通孔13となる貫
通孔を予め各セラミックグリーンシートに形成しておい
てから各セラミックグリーンシートを積層して貫通孔13
を形成し、貫通孔13に例えば圧入等の充填法により金属
ペーストを充填する方法で形成される。しかし、貫通孔
13の径が大きいため、充填不良が発生したり、乾燥させ
て溶剤を充分に飛ばすことが極めて困難となって乾燥ム
ラが発生し、これにより飛散しきれなかった溶剤が焼成
時にガス化して導体内にボイドが発生するという不具合
を招来していた（特開平６−13491号公報参照）。 【００１３】そこで、この不具合を解消するために、図
５（ａ）に示すように、複数の絶縁層11ａが積層されて
なる絶縁基板11の各絶縁層11ａに大径の貫通孔13を形成
し、これに金属ペーストを圧入等の充填法により充填し
て各主導体12ａを形成し、次に各主導体12ａの上端面に
中間導体16を同じ金属ペーストを用いて形成し、乾燥さ
せた後積層することが行われた。この構成では、上記の
金属ペーストを1200〜1500℃の低温で焼成して得られる
主導体12ａと貫通孔13の内面との間に隙間が生じたり、
中間導体16と絶縁基板11との接合不良に起因して気密性
の劣化が発生したり、また主導体12ａ中のＷおよび／ま
たはＭｏ111ａとＣｕ111ｃとの間の密着性が損なわれる
ことによって、絶縁基板11に発生する反り変形が極めて
顕著なものとなり、この反りにより半導体素子14の接合
の信頼性が損なわれるといった問題が発生していた。 【００１４】そこで、図５（ｂ）に示すように、中間導
体16の外縁部からセラミックグリーンシートの表面にか
けて、セラミックグリーンシートの構成材料を主成分と
するペーストを塗布して、リング状の絶縁層17を形成す
ることが行われた。しかしながら、絶縁層17を中間導体
16の周囲にリング状に形成したセラミックグリーンシー
トを複数層積層すると、絶縁層17の厚さがセラミックグ
リーンシートの積層において圧着不良を誘起する原因と
なる。さらに、リング状の絶縁層17に囲まれた部位16ａ
において、上下方向における主導体12ａどうしの接合不
良が発生し、これにより放熱性が損なわれていた。 【００１５】従って、本発明は上記問題点に鑑み完成さ
れたもので、その目的は、焼成後における絶縁基板と貫
通導体との密着性および貫通導体の導体内の金属の密着
性を良好として、絶縁基板の熱歪みを非常に小さいもの
とし、また、径を極めて大きくするとともに主導体の接
合不良を発生させることなく強固に接合した１本の貫通
導体を形成することにより、半導体素子の放熱性を良好
とすることにある。 【００１６】 【課題を解決するための手段】本発明の半導体素子搭載
用基板は、酸化アルミニウムを主成分としＭｎをＭｎ ₂
Ｏ₃換算で２〜10重量％含有する相対密度95％以上のセ
ラミックスから成る、複数の絶縁層および中間絶縁層が
交互に積層された、上面に半導体素子の搭載部が設けら
れた絶縁基板と、前記搭載部から前記絶縁基板の下面に
かけて形成された貫通導体とを具備しており、該貫通導
体は、Ｃｕを10〜60体積％ならびに平均粒径１〜５μｍ
のＷおよび／またはＭｏの粒子を40〜90体積％含有した
導体から成る、前記絶縁層の部位に設けられた主導体
と、前記中間絶縁層の部位に設けられた、第一の中間導
体およびその上の第二の中間導体とから成ることを特徴
とする。 【００１７】本発明の半導体素子搭載用基板は、絶縁層
および中間絶縁層が酸化アルミニウムを主成分としＭｎ
をＭｎ₂Ｏ₃換算で２〜10重量％含有する相対密度95％以
上のセラミックスから成ることから、絶縁層、中間絶縁
層となるセラミックグリーンシートおよび貫通導体とな
る金属ペーストを1200〜1500℃の温度で一括して同時焼
成することが可能になる。また、貫通導体の主導体は、
Ｃｕを10〜60体積％ならびに平均粒径１〜５μｍのＷお
よび／またはＭｏの粒子を40〜90体積％含有した導体か
ら成ることから、セラミックグリーンシートの焼成時の
収縮率および金属ペーストの焼成時の収縮率を略合致さ
せることができ、絶縁層と導体との間に隙間が発生する
のを防止できる。さらに、中間絶縁層の部位に、Ｃｕを
10〜60体積％ならびに平均粒径１〜５μｍのＷおよび／
またはＭｏの粒子を40〜90体積％含有した導体から成
る、第一の中間導体およびその上の第二の中間導体が設
けられていることから、貫通導体が実質的に連続した一
本のものとなり、絶縁基板と貫通導体との密着性、半導
体素子搭載用基板内部の気密性が良好になる。 【００１８】従って、同時焼成後における絶縁基板と貫
通導体との密着性および貫通導体の導体内の金属成分の
密着性を良好とでき、また、半導体素子搭載用基板の熱
歪みを非常に小さくできる。さらには、貫通導体の径を
極めて大きくできるとともに、各絶縁層に形成された主
導体同士の接合性が良好になり、また、半導体素子搭載
用基板内部の気密性が貫通導体の形成によって損なわれ
ることがない。その結果、半導体素子の作動時における
放熱性が極めて良好になるため、半導体素子を貫通導体
の上端に載置固定して長期に亘って正常かつ安定に作動
させることができる。 【００１９】 【発明の実施の形態】本発明の半導体素子搭載用基板に
ついて以下に詳細に説明する。図１（ａ）は本発明の半
導体素子搭載用基板の断面図、（ｂ）は（ａ）における
要部拡大断面図である。また、図２（ａ）は図１の貫通
導体の導体材料を仮焼後に破砕したものの部分拡大断面
図、（ｂ）は貫通導体の導体材料の焼結後の部分拡大断
面図である。 【００２０】本発明の半導体素子搭載用基板は、Ａｌ₂
Ｏ₃を主成分としＭｎをＭｎ₂Ｏ₃換算で２〜10重量％含
有する相対密度95％以上のセラミックスから成る、複数
の絶縁層および中間絶縁層７が交互に積層され、上面に
半導体素子４の搭載部１Ａが設けられた絶縁基板１と、
搭載部１Ａから絶縁基板１の下面にかけて形成された貫
通導体２とを具備し、貫通導体２は、Ｃｕを10〜60体積
％ならびに平均粒径１〜５μｍのＷおよび／またはＭｏ
の粒子を40〜90体積％含有した導体から成る、絶縁層の
部位に設けられた主導体と、中間絶縁層７の部位に設け
られた、第一の中間導体６およびその上の第二の中間導
体８とから成る構成である。 【００２１】本発明の絶縁基板１は、上面に半導体素子
４を搭載する搭載部１Ａを有するとともに、Ａｌ₂Ｏ₃を
主成分としＭｎをＭｎ₂Ｏ₃換算で２〜10重量％含有する
相対密度95％以上のセラミックスから成る複数の絶縁層
が積層されている。絶縁基板１は、具体的にはＡｌ₂Ｏ₃
を84重量％以上含有する。 【００２２】第２成分であるＭｎ₂Ｏ₃が２重量％未満の
場合、1200〜1500℃の低温では緻密化が達成されず、10
重量％を超えると、絶縁基板１の絶縁性が低下する。 【００２３】また絶縁基板１中には、貫通導体２となる
導体との同時焼結性を高めるうえで、第３成分としてＳ
ｉＯ₂およびＭｇＯ，ＣａＯ，ＳｒＯ等のアルカリ土類
元素酸化物を合計で0.4〜８重量％の割合で含有させる
ことが好ましい。さらに第４成分として、Ｗ，Ｍｏ等の
金属を着色成分として２重量％以下の割合で含有しても
良い。 【００２４】上記Ａｌ₂Ｏ₃以外の成分は、Ａｌ₂Ｏ₃主結
晶相の粒界に非晶質相あるいは結晶相として存在する
が、熱伝導性を高める上で粒界中に二酸化珪素（ＳｉＯ
₂）等の助剤成分を含有する結晶相が形成されているこ
とが好ましい。 【００２５】また、絶縁基板１を形成するＡｌ₂Ｏ₃主結
晶相は、粒状または柱状の結晶として存在するが、これ
ら主結晶相の平均結晶粒径は1.5〜5.0μｍであることが
好ましい。なお、主結晶相が柱状結晶からなる場合、上
記平均結晶粒径は短軸径に基づくものである。この主結
晶相の平均結晶粒径が1.5μｍよりも小さい場合、高熱
伝導化が困難となり、5.0μｍを超える場合、絶縁基板
１の材料として用いる場合に要求される十分な強度が得
られ難い。 【００２６】なお、絶縁基板１の下面には、絶縁基板１
の搭載部１Ａ周辺部から絶縁基板１の下面にかけて貫通
するように形成される貫通導体２の下端部にＣｕ−Ｗ合
金等から成る放熱板Ｂが接合されていてもよい。 【００２７】また、絶縁基板１を製造するための酸化物
セラミックスの主成分となるＡｌ₂Ｏ₃の原料粉末とし
て、平均粒径が0.5〜2.5μｍ、特に0.5〜２μｍの粉末
を用いることがよい。0.5μｍよりも小さい場合、粉末
の取り扱いが困難となるとともにコスト高となる。一方
2.5μｍを超えると、1500℃以下の温度で焼成すること
が困難となる。 【００２８】そして、上記Ａｌ₂Ｏ₃粉末に対して、焼結
助剤としてＭｎ２Ｏ３を２〜10重量％、好ましくは３〜
７重量％の割合で添加する。また、ＳｉＯ₂，ＭｇＯ，
ＣａＯ，ＳｒＯ粉末等を0.4〜８重量％、さらにＷ，Ｍ
ｏ，Ｃｒ等の遷移金属の金属粉末や酸化物粉末を着色成
分として金属換算で２重量％以下の割合で添加する。な
お、上記酸化物の添加は、酸化物粉末以外に焼成によっ
て酸化物を形成し得る炭酸塩，酢酸塩等として添加して
も良い。 【００２９】そして、これらの混合粉末を用いて絶縁層
を形成するためのセラミックグリーンシートを作製す
る。セラミックグリーンシートは、周知の成形方法によ
り作製できる。例えば、上記混合粉末に有機バインダや
溶媒を添加混合しスラリーを調整した後、ドクターブレ
ード法により形成したり、混合粉末に有機バインダを加
え、プレス成形，圧延成形等により所定の厚さのセラミ
ックグリーンシートを作製できる。そして、このセラミ
ックグリーンシートに対して、金型打抜き機により焼成
後の直径が３〜10ｍｍとなるような貫通導体２用の貫通
孔３を形成する。 【００３０】このようにして作製された貫通孔３に、貫
通導体２となる金属ペーストを圧入により充填し、次に
絶縁基板１と同時焼成することにより、絶縁基板１が作
製される。 【００３１】本発明の貫通導体２における主導体２ａの
状態を説明するための拡大断面図を図２（ａ），（ｂ）
に示す。図２（ａ）は主導体２ａとなる金属ペーストの
焼結前の状態を示し、（ｂ）は焼結後の状態を示す。具
体的には、（ａ）はＷおよび／またはＭｏ１ａおよびＣ
ｕ１ｃの各々の粒子に有機溶剤，溶媒等のバインダ１ｂ
を添加混合して得た金属ペーストの状態を示す。この金
属ペーストを、1200℃よりも低い温度、例えばＷおよび
／またはＭｏ１ａが融点3410℃程度のＷの場合は、表面
拡散が発生し始めるところの融点の0.3倍程度の温度
（約1023℃程度）で仮焼し、次に大きな塊となったＷ１
ａをボールミル等により破砕することにより、Ｗ１ａ粒
子の平均粒径が１〜５μｍとなる。また、破砕されたＷ
１ａの外周にはＣｕ１ｃが部分的に接触する程度に被着
した状態となっている。 【００３２】このＣｕ１ｃは、主導体２ａとなる導体を
焼成した際にＷ１ａ粒子どうしが接触し融合することを
防止する、所謂バリア層として機能する。そのため、焼
結後にはＣｕ11ｃ中に均一に分散された、平均粒径が約
１〜５μｍのＷ11ａ粒子が点在することとなる。その結
果、Ｃｕ11ｃとＷ11ａ粒子との間に発生する熱膨張差に
よる熱歪みは非常に小さくなるとともに、Ｃｕ11ｃとＷ
11ａ粒子とから成る主導体２ａは、その熱膨張係数をほ
ぼ絶縁基板１の熱膨張係数に近似させることができ、そ
れらの間に発生する熱歪みを非常に小さくできる。その
ため、絶縁基板１と主導体２ａとの密着性や、主導体２
ａ中のＷ11ａとＣｕ11ｃとの密着性が損なわれたり、絶
縁基板１に反り変形を発生させることがない。 【００３３】従って、半導体素子搭載用基板５の放熱性
を高めるために、貫通導体２の直径を３〜10ｍｍ程度に
極めて大きくしても、貫通導体２の周辺に大きなクラッ
ク等の欠陥が発生することがない。なお、直径が３ｍｍ
未満では半導体素子４の熱を効率良く放熱板Ｂに伝える
ことが困難になる。一方、10ｍｍを超えると、主導体２
ａの形成時に導体の乾燥ムラが発生し、導体内にボイド
が発生し易くなる。 【００３４】なお、Ｗ11ａ粒子の平均粒径は、破砕した
後の平均粒径と同等の１〜５μｍであり、１μｍよりも
小さい場合、主導体２ａ中のＣｕ11ｃの保形性が悪くな
るとともに、組織が多孔質化し熱伝導性が低くなる。一
方、５μｍを超えると、Ｃｕ11ｃがＷ11ａ粒子により分
断され熱伝導路が遮断されて熱抵抗が高くなったりＣｕ
11ｃ成分が分離してにじみ等が発生する。 【００３５】また、主導体２ａは、Ｃｕ11ｃを10〜60体
積％ならびにＷおよび／またはＭｏ11ａを40〜90体積％
含有する。Ｃｕ11ｃの組成比、Ｗおよび／またはＭｏ11
ａの組成比は、貫通導体２の放熱性、絶縁基板１との同
時焼結性、貫通導体２の同時焼成後の保形性の維持、さ
らには絶縁基板１との熱膨張特性の整合を行なううえで
重要であり、上記Ｃｕ11ｃが10体積％よりも少なく、Ｗ
および／またはＭｏ11ａが90体積％よりも多いと、貫通
導体２の熱伝導率がＷおよび／またはＭｏ11ａと同等に
なり低くなるばかりでなく、熱膨張差により絶縁基板１
にクラック等の割れが生じる。一方、Ｃｕ11ｃが60体積
％よりも多く、Ｗおよび／またはＭｏ11ａが40体積％よ
りも少ないと、主導体２ａの同時焼成後の保形性が低下
し主導体２ａにおいてにじみなどが発生したり、主導体
２ａの上下端面の凹凸が大きくなり、さらには焼成時に
主導体２ａの導体が欠落するといった不具合が生じる。 【００３６】このように、本発明の主導体２ａは、Ｗ１
ａおよびＣｕ１ｃを仮焼した後、表面拡散により融合し
ているＷ１ａ粒子を破砕することにより、仮焼前の平均
粒径と同程度のＷ１ａ粒子が得られるとともに、その表
面にＣｕ１ｃが被着されたものが得られる。このＷ１ａ
粒子にバインダ１ｂを添加混合して得られた金属ペース
トを絶縁基板１と同時に1200〜1500℃で焼成することに
より、焼結後にＣｕ11ｃ中に常に均一に分散されたＷ11
ａ粒子が点在するものである。そのため、絶縁基板１と
主導体２ａとの密着性や、主導体２ａ中のＷ11ａ粒子と
Ｃｕ11ｃとの密着性が損なわれたり、絶縁基板１に反り
変形を発生させることがない。その結果、半導体素子４
を常に平坦に搭載部１Ａに載置固定でき、半導体素子４
の作動時における放熱性を良好とし得る。 【００３７】ところで、貫通孔３への金属ペーストの充
填は、平均粒径が１〜10μｍのＣｕ１ｃ粉末を10〜60体
積％、好ましくは40〜60体積％、平均粒径が１〜５μｍ
のＷおよび／またはＭｏ１ａの粒子を40〜90体積％、好
ましくは40〜60体積％の割合で含有し、これにバインダ
ー、有機溶剤、可塑剤、粘度調整剤を添加し混練して成
る粘度が300Ｐａ・ｓの金属ペーストを用い、これを10
ＭＰａの圧力で圧入することにより行われる。このと
き、若干過剰に充填しておき、乾燥後に表面の凹凸を機
械的に削り取ることにより表面が平坦な充填状態が得ら
れる。 【００３８】また、充填時にセラミックグリーンシート
の下に剥離性の良いシートを予め敷いておき、金属ペー
ストを例えば80℃で充分に乾燥させた後、このシートを
剥すことにより、大径の貫通孔３内に金属ペーストが充
填されたセラミックグリーンシートが得られる。 【００３９】これら金属ペースト中には、絶縁基板１と
の密着性を高めるために、Ａｌ₂Ｏ₃粉末や、絶縁基板１
を形成する酸化物セラミックス成分と同一の組成物粉末
を0.05〜２体積％の割合で添加することも可能である。 【００４０】次に、主導体２ａ同士の接続について以下
に説明する。まず、上記金属ペーストの粘度を１／10程
度にした金属ペーストを用いて、第一の中間導体６とな
る導体層を貫通導体２の上端面を覆うように塗布する。
さらに、導体層の外縁部からセラミックグリーンシート
の外周にかけて中間絶縁層７となるセラミックスのぺー
スト層をスクリーン印刷法により印刷形成する。 【００４１】中間絶縁層７となるぺースト層に用いられ
るペーストは、絶縁基板１となる、Ａｌ₂Ｏ₃粉末を主成
分としてＭｎ₂Ｏ₃粉末を２〜10重量％含有する混合粉末
に、エチルセルロース，有機溶剤，粘度調整剤を添加混
合して得られ、例えば100Ｐａ・ｓ程度の粘度に調整さ
れたものが使用される。 【００４２】次に、第一の中間導体６上で中間絶縁層７
で囲まれた部位６ａに、第一の中間導体６の形成に用い
た金属ペーストにより第二の中間導体８を形成する。 【００４３】次に、以上のように加工されたセラミック
グリーンシートを位置合わせして積層圧着した後、得ら
れた積層体を、非酸化性雰囲気中1200〜1500℃の温度で
焼成する。焼成温度が1200℃より低い場合、絶縁基板１
が相対密度95％以上まで緻密化できず、熱伝導性や強度
が低下する。一方、1500℃よりも高い場合、Ｗおよび／
またはＭｏ11ａ自体の焼結が進み、Ｃｕ11ｃ中に均一に
Ｗおよび／またはＭｏ11ａが存在するような組成を維持
できなくなる。また、低抵抗を維持することが困難とな
り、さらにＷおよび／またはＭｏ11ａと同等の放熱性し
か得られなくなる。 【００４４】また、焼成時の非酸化性雰囲気としては、
窒素、または窒素と水素との混合雰囲気であることが好
ましい。なお、雰囲気にはアルゴンガス等の不活性ガス
を混入しても良い。 【００４５】このようにして得られた半導体素子搭載用
基板５は、上面に半導体素子４を搭載する搭載部１Ａを
有するとともに、Ａｌ₂Ｏ₃を主成分としＭｎをＭｎ₂Ｏ₃
換算で２〜10重量％含有する相対密度95％以上のセラミ
ックスから成る絶縁基板１と、絶縁基板１の搭載部１Ａ
から絶縁基板１の下面にかけて貫通するように形成さ
れ、Ｃｕ11ｃを10〜60体積％ならびにＷおよび／または
Ｍｏ11ａを40〜90体積％含有して成るとともに、Ｗおよ
び／またはＭｏ11ａが１〜５μｍの平均粒径である貫通
導体２とを具備して成る。 【００４６】これにより、貫通導体２中のＷおよび／ま
たはＭｏ11ａとＣｕ11ｃとの密着性を良好とでき、絶縁
基板１の反り変形を有効に防止できる。また、各主導体
２ａと絶縁基板１との収縮率の差による半導体素子搭載
用基板５の気密性の劣化を中間絶縁層７によって有効に
抑止するとともに、中間絶縁層７の形成に起因して上下
方向の各主導体２ａの接合が損なわれるという不具合
を、第二の中間導体８によって防ぐことができる。これ
により、従来断面形状が円形である貫通導体２の場合に
直径が１ｍｍ以下であったものが、その直径を３〜10ｍ
ｍと極めて大きくできる。 【００４７】第二の中間導体８は、それを上下から挟む
主導体２ａどうしを、接続不良を発生することなく接合
させることを可能とし、積層の際のプレス圧力を主導体
２ａ間の界面に均一に作用させることを可能とする。ま
た、第二の中間導体８の成分である可塑剤が各主導体２
ａの下端面を柔軟なものとして接合がより確実になるよ
うに作用する。 【００４８】よって、半導体素子４の熱を効率良く貫通
導体２を介して放熱板Ｂに伝え、外部に放散させること
ができる。 【００４９】本発明の半導体素子搭載用基板５は、その
上面に搭載部１Ａを囲むようにセラミックスやＦｅ−Ｎ
ｉ−Ｃｏ合金等の金属から成る枠体を接合することによ
って、半導体素子収納用パッケージを構成することがで
きる。また、この半導体素子収納用パッケージは、枠体
の上面にセラミックスやＦｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金等の金属
から成る蓋体を接合することによって半導体装置を構成
することもできる。この場合、枠体がないものであれば
蓋体はキャップ状のものであってもよいし、また、枠体
がある場合平板状の蓋体としてもよい。 【００５０】本発明の半導体素子搭載用基板５を用いた
半導体装置は、半導体素子搭載用基板の熱歪みが小さく
なるとともに、半導体素子搭載用基板内部の気密性が貫
通導体の形成によって損なわれずに半導体素子の放熱性
が極めて良好になるため、信頼性の高いものとなる。 【００５１】 【実施例】本発明の半導体素子搭載用基板の実施例を以
下に説明する。 【００５２】アルミナ粉末（平均粒径1.8μｍ）に対し
て、Ｍｎ₂Ｏ₃を６重量％添加するとともに、ＳｉＯ₂を
３重量％、ＭｇＯを0.5重量％の割合で添加混合した
後、さらにバインダとしてアクリル系バインダと、溶媒
としてトルエンを混合してスラリーを調整した後、ドク
ターブレード法にて厚さ250μｍのシート状に成形して
セラミックグリーンシートを得た。 【００５３】次いで、セラミックグリーンシートを積層
して４層からなる積層体を作製し、これを切断して個々
の積層体とし、これを非酸化性雰囲気中において表１に
示す焼成温度1100，1150，1175，1200，1250，1300，13
50，1400，1450，1500，1550，1600（℃）で焼成するこ
とにより、縦25ｍｍ×横30ｍｍのサンプルを各焼成温度
について10個づつ計120個作製した。このようにして作
製されたサンプルについて相対密度を測定したところ表
１に示す結果を得た。相対密度の値は10個の平均値を示
す。 【００５４】 【表１】【００５５】表１より、焼成温度が1200℃より低い場合
には相対密度が劣化することが判明し、また1500℃を超
えても、結晶の粒成長が進んで相対密度が劣化する傾向
にあることが判明した。そして、表１に示す結果から焼
成温度が1350℃の場合に相対密度がもっとも高いことか
ら、以下に説明するテストに供するサンプルについては
いずれも1350℃で焼成したものを用意した。 【００５６】次いで、ＳｉＯ₂を３重量％、ＭｇＯを0.5
重量％として、Ｍｎ₂Ｏ₃の添加量を1，1.5，２，４，
６，８，10，11（重量％）とし、上記サンプルと同様に
して作製した積層体を、焼成温度を1350℃として非酸化
性雰囲気中で焼成し、Ｍｎ₂Ｏ₃の各添加量について10個
づつサンプルを作製した。これらのサンプルについて相
対密度、熱伝導率を測定した結果を表２に示した。相対
密度および熱伝導率の値は10個の平均値である。 【００５７】 【表２】 【００５８】表２より、Ｍｎ₂Ｏ₃の添加量が２重量％未
満および10重量％を超えるサンプルの場合、相対密度が
劣化することが判明し、Ｍｎ₂Ｏ₃の添加量が２〜10重量
％の場合が良いことが明らかになった。特に６重量％の
場合が最も良い結果が得られ、また、このサンプルの熱
伝導率は15Ｗ／ｍ・Ｋと最も大きい値を示した。 【００５９】次いで、Ｍｎ₂Ｏ₃の添加量を６重量％、Ｓ
ｉＯ₂を３重量％、ＭｇＯを0.5重量％として作製したセ
ラミックグリーンシートを用意し、直径が６ｍｍの貫通
孔３を形成した。そして、表３に示すように、セラミッ
クグリーンシートの貫通孔３に、ＣｕとＷとの体積比
（Ｃｕの体積％：Ｗの体積％）が５：95，10：90，20：
80，30：70，40：60，50：50，60：40，65：35であり、
また平均粒径が３μｍのＷ粉末からなる粘度が300Ｐａ
・ｓの金属ペーストを貫通孔３に圧入した。次いで、上
記サンプルと同様の条件で積層した積層体を作製し、こ
れらを上述の条件（1350℃、非酸化性雰囲気）で焼成す
ることにより、各体積比について貫通導体２を有するサ
ンプルを各10個づつ作製した。これらのサンプルについ
て、貫通導体２の焼結状態および気密性を評価した結果
を表３に示す。 【００６０】 【表３】 【００６１】表３より、ＣｕとＷとの体積比が10：90〜
60：40の場合、10個全てについて、気密性が良好であ
り、また貫通孔３の内面と主導体２ａとの密着性が損な
われず、Ｃｕが貫通孔３の内面にほとんど拡散すること
がないことが明らかになった。 【００６２】また、ＣｕとＷとの体積比を35：65に固定
し、焼結後のＷの平均粒径を0.5，１，２，３，４，
５，６（μｍ）としたサンプルを、上記サンプルと同様
にして作製した積層体を用いて各10個づつ作製し、焼結
状態および気密性を評価した結果を表４に示す。 【００６３】 【表４】【００６４】表４より、Ｗの粒径が0.5μｍのサンプル
では、10個中７個について、Ｗ粒子により貫通導体２の
主導体２ａの形状を保持することができなくなり、その
ため貫通孔３の内面と主導体２ａとの間に隙間ができ、
気密性が劣化した。また、６μｍのサンプルでは、10個
中３個について、ＣｕがＷにより分断され熱抵抗が高く
なるという不具合が発生し、さらにＣｕがＷから分離し
て貫通孔３の内面に滲み出るという不具合も発生した。
従って、Ｗの粒径は１〜５μｍが良いことが明らかにな
った。 【００６５】なお、本発明は上記実施の形態および実施
例に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲内にお
いて種々の変更を行うことは何等支障ない。 【００６６】 【発明の効果】本発明の半導体素子搭載用基板は、酸化
アルミニウムを主成分としＭｎをＭｎ ₂Ｏ₃換算で２〜10
重量％含有する相対密度95％以上のセラミックスから成
る、複数の絶縁層および中間絶縁層が交互に積層され
た、上面に半導体素子の搭載部が設けられた絶縁基板
と、搭載部から絶縁基板の下面にかけて形成された貫通
導体とを具備しており、貫通導体は、Ｃｕを10〜60体積
％ならびに平均粒径１〜５μｍのＷおよび／またはＭｏ
の粒子を40〜90体積％含有した導体から成る、絶縁層の
部位に設けられた主導体と、中間絶縁層の部位に設けら
れた、第一の中間導体およびその上の第二の中間導体と
から成ることにより、同時焼成後における絶縁基板と貫
通導体との密着性および貫通導体の導体内の金属成分の
密着性を良好とでき、また、半導体素子搭載用基板の熱
歪みを非常に小さくできる。さらには、貫通導体の径を
極めて大きくできるとともに、各絶縁層に形成された主
導体同士の接合性が良好になり、また、半導体素子搭載
用基板内部の気密性が貫通導体の形成によって損なわれ
ることがない。その結果、半導体素子の放熱性が極めて
良好になるため、半導体素子を貫通導体の上端に載置固
定して長期に亘って正常かつ安定に作動させることがで
きる。

【図面の簡単な説明】 【図１】本発明の半導体素子搭載用基板について実施の
形態の例を示し、（ａ）は半導体素子搭載用基板の断面
図、（ｂ）は（ａ）の要部拡大断面図である。 【図２】（ａ）は本発明の半導体素子搭載用基板におけ
る貫通導体の導体材料を仮焼後に破砕したものの部分拡
大断面図、（ｂ）は（ａ）の貫通導体の導体材料の焼結
後の部分拡大断面図である。 【図３】従来の半導体素子搭載用基板の一例を示す断面
図である。 【図４】（ａ）は従来の半導体素子搭載用基板における
貫通導体の導体材料を仮焼後に破砕したものの部分拡大
断面図、（ｂ）は（ａ）の導体材料の焼結後の部分拡大
断面図である。 【図５】（ａ）は従来の半導体素子搭載用基板の他の例
を示す断面図、（ｂ）は従来の半導体素子搭載用基板の
他の例を示す断面図である。 【符号の説明】 １：絶縁基板 １Ａ：搭載部 ２：貫通導体 ２ａ：主導体 ３：貫通孔 ４：半導体素子 ５：半導体素子搭載用基板 ６：第一の中間導体 ７：中間絶縁層 ８：第二の中間導体 11ａ：Ｗおよび／またはＭｏ 11ｃ：Ｃｕ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｈ０１Ｌ 23/36 Ｍ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 【請求項１】 酸化アルミニウムを主成分としＭｎをＭ
   ｎ₂Ｏ₃換算で２〜10重量％含有する相対密度95％以上の
   セラミックスから成る、複数の絶縁層および中間絶縁層
   が交互に積層された、上面に半導体素子の搭載部が設け
   られた絶縁基板と、前記搭載部から前記絶縁基板の下面
   にかけて形成された貫通導体とを具備しており、該貫通
   導体は、Ｃｕを10〜60体積％ならびに平均粒径１〜５μ
   ｍのＷおよび／またはＭｏの粒子を40〜90体積％含有し
   た導体から成る、前記絶縁層の部位に設けられた主導体
   と、前記中間絶縁層の部位に設けられた、第一の中間導
   体およびその上の第二の中間導体とから成ることを特徴
   とする半導体素子搭載用基板。