KR102250469B1 - 관통 구멍을 갖는 절연 기판 - Google Patents

Abstract

도체용의 관통 구멍이 배열되어 있는 절연 기판을 제공한다. 절연 기판의 두께가 25~100 ㎛이고, 관통 구멍의 직경이 20 ㎛~100 ㎛이다. 절연 기판이, 본체 부분과, 상기 관통 구멍에 노출되는 노출 영역을 구비한다. 절연 기판이 알루미나 소결체로 이루어진다. 알루미나 소결체의 상대 밀도가 99.5% 이상이고, 알루미나 소결체의 순도가 99.9% 이상이고, 본체 부분에 있어서의 알루미나 소결체의 평균 입경이 3~10 ㎛이고, 노출 영역에 있어서의 알루미나 소결체를 구성하는 알루미나 입자가 판형을 이루고 있고, 판형의 알루미나 입자의 평균 길이가 8~25 ㎛이다.

Description

관통 구멍을 갖는 절연 기판{INSULATING SUBSTRATES INCLUDING THROUGH HOLES}

본 발명은 비어 도체(via conductor)나 스루홀 도체(through hole conductor)를 형성하기 위한 관통 구멍을 다수 갖는 세라믹 기판에 관한 것이다.

SAW 필터 등의 전자 디바이스를 실장하기 위한 기판으로서, 세라믹 등의 절연 기판에 관통 구멍을 형성하고, 그 구멍을 도체로 매립하여, 관통 전극으로 하는 구조의 기판(비어 기판)이 이용되고 있다. 최근에는 휴대전화로 대표되는 통신 기기의 소형화에 따라, 사용되는 전자 디바이스에도 소형화, 저배화(低背化)가 요구되고 있고, 그 구성 요소인 비어 기판에 관해서도 마찬가지로 박판화가 요구되고 있다.

또한, 이러한 기판의 관통 구멍의 직경은, 예컨대 100 ㎛ 이하로 하는 세경화(細徑化)가 요구되고 있고, 또한 고밀도로 다수 형성할 것이 요구되고 있다. 또한, 유지 기판의 재질에는, 배선 사이의 누설 전류를 억제하기 위해서 높은 저항이 요구된다.

이 때문에, 비어 기판에는, 박판화했을 때도, 생산 프로세스에 있어서의 핸들링에 견딜 수 있을 만큼의 강도가 필요하게 된다. 한편, 최종적으로는 다이싱에 의해 비어 기판을 개편화(個片化)하므로, 가공성이 양호할 필요가 있다.

비어 기판의 관통 전극은, 증착, 스퍼터 등의 박막 프로세스에 의해 제작되기 때문에, 요철에 의한 단선 등을 피하기 위해서 비어 기판의 표리면, 관통 구멍 내부가 평활할 것이 요구된다. 관통 구멍은, 소성 전의 금형 프레스, 레이저 가공, 소성 후의 레이저 가공, 블라스트 가공에 의해 형성된다(특허문헌 1~3).

비어 기판의 재료로서는, 알루미나 세라믹스가 기계적 강도, 내열성, 절연성 등이 우수하므로 널리 사용되고 있다. 또한, 알루미나 세라믹스 중에서도, 특히 고순도인 것은 투광성, 내알칼리성, 내플라즈마성도 우수하므로, 고휘도 방전등용의 발광관이나 반도체 제조 장치의 부재, 더미 웨이퍼 등에 널리 사용되고 있다(특허문헌 4~7).

특허문헌 1: 일본 특허 4012936호 특허문헌 2: 일본 특허공개 2013-232546호 특허문헌 3: 일본 특허공개 2014-57124호 특허문헌 4: 일본 특허공개 2003-95730호 특허문헌 5: 일본 특허공개 2001-199761호 특허문헌 6: 일본 특허공개 2001-64075호 특허문헌 7: 일본 특허공개 H06-157132호

알루미나 세라믹스를, 관통 구멍을 갖는 절연 기판의 재질로서 이용하여, 증착, 스퍼터와 같은 박막 프로세스로 관통 전극을 제작하는 경우, 관통 구멍 내면에 입계에 의한 요철이 있으면, 그것이 원인이 되어 단선되기 쉽게 된다. 한편, 알루미나 세라믹스의 입경을 크게 하면, 입계의 수가 감소하기 때문에 단선은 방지할 수 있지만, 절연 기판 전체의 강도가 저하한다. 이 때문에, 절연 기판을 박판화했을 때의 핸들링이 어렵게 되고, 또한, 절연 기판 제작시의 연삭, 연마 공정이나 다이싱시에, 크랙이나 치핑이 일어나기 쉽게 된다.

특허문헌 2에 기재된 절연 기판에서는, 예컨대 알루미나 세라믹스 재료와 유리 재료를 혼합하여 소결시킴으로써 절연 기판을 제조하고 있고, 이 베이스 기판에 레이저광을 조사함으로써 관통 구멍을 형성하고 있다. 이에 따라, 절연 기판의 관통 구멍에 면하는 내벽면에 유리 코팅을 형성하여, 내벽면을 평활하게 한다. 그러나, 실제로 이러한 절연 기판을 제작해 보면, 관통 구멍에 면하는 코팅의 열팽창 계수가 기재인 알루미나 세라믹스와 다르므로, 생산 프로세스 중 및 실장 후의 열 싸이클에 의해서, 절연 기판이 파손되기 쉽게 된다.

본 발명의 과제는, 도전부 형성용의 관통 구멍을 갖는 절연 기판에 있어서, 연삭, 연마나 다이싱 등의 가공시에 치핑이나 크랙을 방지할 수 있으면서 또한 열 싸이클을 더했을 때에 치핑이나 크랙을 방지할 수 있도록 하는 것이다.

본 발명은, 도체용의 관통 구멍이 배열되어 있는 절연 기판으로서,

절연 기판의 두께가 25~100 ㎛이고, 관통 구멍의 직경이 20 ㎛~100 ㎛이고, 절연 기판이, 본체 부분과, 관통 구멍에 노출되는 노출 영역을 구비하고 있고, 절연 기판이 알루미나 소결체로 이루어지고, 알루미나 소결체의 상대 밀도가 99.5% 이상이고, 알루미나 소결체의 순도가 99.9% 이상이고, 본체 부분에 있어서의 알루미나 소결체의 평균 입경이 3~6 ㎛이고, 노출 영역에 있어서의 알루미나 소결체를 구성하는 판 형상의 알루미나 입자의 평균 길이가 8~25 ㎛인 것을 특징으로 한다.

본 발명자는, 도체 형성용의 관통 구멍을 갖는 절연 기판을, 고순도의 알루미나 소결체에 의해서 형성하는 것을 검토했다. 이 때, 알루미나 소결체의 알루미나 입자를 미세화함으로써, 절연 기판을 얇게 하더라도 그 강도를 높게 유지할 필요가 있다. 그러나, 이러한 절연 기판에 관통 구멍을 형성하면, 관통 구멍 내벽면에 도전막을 형성했을 때에 단선이 생기기 쉽게 된다.

이 때문에, 특허문헌 2에 기재된 것과 같이, 절연 기판을 구성하는 세라믹스 중에 유리 성분을 혼합함으로써, 관통 구멍에 면하는 내벽면에 유리 성분을 석출시키는 것도 검토했다. 이에 따라, 관통 구멍 내벽면에 형성하는 도체의 단선을 방지할 수 있는 것이다. 그러나, 이 경우에는, 절연 기판에 열 싸이클이 더해지면, 크랙이나 치핑이 발생하기 쉽게 되는 것을 알 수 있었다.

이 때문에, 본 발명자는, 절연 기판을 구성하는 알루미나 소결체의 입자를 미세화하는 것과 동시에, 가능한 한 고순도화하여, 관통 구멍에 면하는 내벽면에의 유리 성분의 석출을 방지했다. 이와 함께, 관통 구멍에 면하는 내벽면을 따라서, 판형 입자로 이루어지는 노출 영역을 형성했다. 이 결과, 연삭, 연마나 다이싱 등의 가공시에 치핑이나 크랙을 방지할 수 있고, 또한 열 싸이클을 더했을 때에도 치핑이나 크랙을 방지할 수 있다는 것을 알아내어, 본 발명에 도달했다.

도 1의 (a)는 관통 구멍(2)이 형성된 절연 기판(1)을 모식적으로 도시하는 평면도이고, (b)는 관통 구멍(2)의 형상 이상을 도시하는 모식도이고, (c)는 관통 구멍(2)이 형성된 절연 기판(1)을 모식적으로 도시하는 단면도이다.
도 2의 (a)는 절연 기판(1)의 관통 구멍과 그 주변을 도시하는 확대도이고, (b)는 관통 구멍, 노출 영역 및 본체 부분의 모식도이다.
도 3은 평균 입경의 산출예를 도시하는 모식도이다.
도 4는 관통 구멍 주위의 판형 입자의 평균 길이의 산출법을 설명하기 위한 모식도이다.
도 5는 도 4의 모식도에 대응하는 현미경 사진이다.
도 6은 절연 기판의 적합한 제조 순서의 일례를 도시하는 흐름도이다.
도 7은 절연 기판의 적합한 제조 순서의 일례를 도시하는 흐름도이다.
도 8은 열 싸이클 시험에서 적용한 온도 프로파일을 도시한다.
도 9는 절연 기판(1)의 관통 구멍과 그 주변의 확대 사진이다.

이하, 적절하게 도면을 참조하면서 본 발명을 더욱 상세히 설명한다.

도 1의 (a), (c)에 도시하는 것과 같이, 절연 기판(1)에는 한쪽의 주면(1a)과 다른 쪽의 주면(1b)이 형성되어 있고, 주면(1a)과 주면(1b) 사이를 관통하는 관통 구멍(2)이 다수 형성되어 있다.

도 2에 도시하는 것과 같이, 절연 기판(1)은, 본체 부분(5)과, 본체 부분(5)의 관통 구멍(2)에 노출되는 부분에 마련된 노출 영역(4)을 구비하고 있다. 노출 영역(4)은, 관통 구멍(2)에 면하고 있고, 노출 영역(4)의 표면이 내벽면(3)을 구성하고 있다. 본체 부분(5)과 노출 영역(4)은 알루미나 소결체로 이루어져 있고, 양자의 세라믹스 조직은 일체화되어 있다.

관통 구멍 내에는 소정의 도체를 형성할 수 있다. 이러한 도체로서는, Ag, Au, Cu, Pd 또는 그 혼합물이나, 이들에 소량의 유리 성분을 혼합하여 페이스트화한 것을 구멍 내면에 충전한 후, 400~900℃에서 소부하여 고정화시킨 것이나(비어 도체), 구멍의 내면에만 도체를 인쇄하여, 마찬가지로 소부한 것(스루홀 도체) 등을 예시할 수 있지만, 도체의 형태는 특별히 한정되는 것은 아니다. 또한, 기판의 주면(1a, 1b)에는 소정의 배선이나 패드 등을 형성한다. 또한, 절연 기판은 일체의 중계 기판으로 한다.

본 발명의 절연 기판에는 도체용의 관통 구멍이 배열되어 있다. 여기서, 절연 기판의 두께(T)(도 2 참조)는 25~100 ㎛이다. 절연 기판의 핸들링에 필요한 강도의 관점에서는, 절연 기판의 두께를 25 ㎛ 이상으로 하지만, 50 ㎛ 이상이 더욱 바람직하다.

절연 기판에 형성하는 관통 구멍의 직경(W)(도 1, 도 2 참조)은 20 ㎛ 이상이다. 이 관통 구멍 직경은, 성형하기 쉽다는 관점에서는, 25 ㎛ 이상이 더욱 바람직하다. 또한, 관통 구멍의 밀도를 올리기 위해서는, 관통 구멍 직경(W)은, 100 ㎛ 이하로 하지만, 80 ㎛ 이하가 더욱 바람직하다.

인접하는 관통 구멍(2)의 간격(D)(가장 근접하는 관통 구멍 사이의 거리)은, 파손이나 크랙을 억제한다고 하는 관점에서는, 50 ㎛ 이상이 바람직하고, 100 ㎛ 이상이 더욱 바람직하다. 또한, 인접하는 관통 구멍(2)의 간격(D)은, 관통 구멍의 밀도를 향상시킨다고 하는 관점에서는, 1000 ㎛ 이하가 바람직하고, 500 ㎛ 이하가 더욱 바람직하다.

절연 기판의 핸들링시의 강도를 확보한다고 하는 관점에서는, 절연 기판을 구성하는 알루미나 소결체의 상대 밀도를 99.5% 이상으로 하지만, 99.6% 이상으로 하는 것이 더욱 바람직하다. 이 상한은 특히 없으며, 100%라도 좋다.

이 상대 밀도는 기공율로부터 산출할 수 있다.

상대 밀도(%)=100(%)-기공율(%)

본 발명에서는 다음과 같이 하여 기공율을 결정한다.

즉, 핸들 기판의 단면(접합면에 대하여 수직인 단면)을 경면 연마, 서멀 에칭하여, 결정립계를 두드러지게 한 후, 광학현미경 사진(200배)을 촬영한다. 그리고, 핸들 기판의 두께 방향(접합면에 수직인 방향)으로 0.1 mm, 접합면에 수평인 방향으로 1.0 mm의 층 형상의 시야를 설정한다. 그리고, 각 시야에 관해서, 크기0.5 ㎛ 이상의 기공의 총면적을 산출하고, 얻어진 기공 면적으로부터 시야 면적비를 산출하여, 기공율로 한다.

본 발명에서는, 절연 기판의 본체 부분(5)(도 2 참조)을 구성하는 알루미나 소결체의 입자(5a)의 평균 입경을 3~6 ㎛로 한다. 이 평균 입경을 6 ㎛ 이하로 함으로써 절연 기판의 강도를 향상시켜, 후술하는 것과 같은 관통 구멍의 형상 이상도 억제할 수 있다. 이러한 관점에서는, 본체 부분을 알루미나 소결체의 평균 입경을 5 ㎛ 이하로 하는 것이 더욱 바람직하다. 또한, 평균 입경을 3 ㎛ 이상으로 함으로써, 전자 디바이스 실장 후의 다이싱시에, 치핑이나 크랙의 발생을 방지하거나 지석의 마모를 억제할 수 있다. 이러한 관점에서는 3.5 ㎛ 이상으로 하는 것이 더욱 바람직하다.

여기서, 본체 부분(5)의 결정 입자(5a)의 평균 입경은 다음과 같이 하여 측정하는 것이다.

(1) 소결체의 표면을 경면 연마, 서멀 에칭하여 입계를 두드러지게 한 후, 현미경 사진(100~200배)을 촬영하여, 단위 길이의 직선이 가로지르는 입자의 수를 센다. 이것을 다른 3곳에 관해서 실시한다. 한편, 단위 길이는 500 ㎛~1000 ㎛의 범위로 한다.

(2) 실시한 3곳의 입자 개수의 평균을 취한다.

(3) 하기의 식에 의해 평균 입경을 산출한다.

[산출식]

D=(4/π)×(L/n)

[D: 평균 입경, L: 직선의 단위 길이, n: 3곳의 입자 개수의 평균]

평균 입경의 산출예를 도 3에 도시한다. 다른 3곳의 위치에서, 각각 단위 길이(예컨대 500 ㎛)의 직선이 가로지르는 입자의 개수가 22, 23, 19로 했을 때, 평균 입경(D)은, 상기 산출식에 의해,

D=(4/π)×[500/{(22+23+19)/3}]=29.9 ㎛가 된다.

본 발명에서는, 절연 기판의 관통 구멍에의 노출 영역(4)(도 2 참조)을 구성하는 알루미나 소결체의 입자(4)의 평균 길이를 8~25 ㎛로 한다. 이 평균 길이를 8 ㎛ 이상으로 함으로써, 도전막의 단선이나 저항치 상승을 방지할 수 있다. 이러한 관점에서는, 절연 기판의 관통 구멍에의 노출 영역(4)(도 2 참조)을 구성하는 소결체의 평균 길이를 10 ㎛ 이상으로 하는 것이 더욱 바람직하다.

또한, 절연 기판의 관통 구멍에의 노출 영역(4)을 구성하는 소결체의 평균 길이를 25 ㎛ 이하로 함으로써, 열 싸이클 인가시의 크랙을 방지할 수 있다. 이러한 관점에서는, 절연 기판의 관통 구멍에의 노출 영역(4)을 구성하는 소결체의 평균 길이를 15 ㎛ 이하로 하는 것이 더욱 바람직하다.

여기서, 노출 영역(4)의 판형 입자(4a)의 평균 길이는 다음과 같이 하여 측정하는 것이다.

도 4는 입자의 평균 길이의 산출법을 설명하기 위한 모식도이며, 도 2(a)에 대응하고 있다. 단, 도 4에서는, 절연 기판이 가로 방향으로 되어 있다. 도 5는 도 4에 대응하는 사진이다.

절연 기판을 관통 구멍부에서 할단(割斷)하고, 할단면으로부부터 구멍 내면의 현미경 사진(200배)을 촬영하여, 단위 길이의 직선(S)이 가로지르는 입자의 길이를 측정한다. 이것을 다른 3곳에 관해서 실시하여, 3 라인의 직선이 횡단한 입자의 길이의 평균을 평균 길이로 한다.

예컨대 도 4의 예에서, 입자 1~10의 길이의 평균치를 평균 길이로 한다.

여기서, 상기 직선(S)은, 관통 구멍의 중심축 C(도 2(a))에 평행하게 절연 기판의 표면에서부터 이면을 향해서 관통하도록 긋는 것으로 한다. 그리고, 상기한 「단위 길이」는, 기판의 두께(T)와 같게 한다.

절연 기판의 노출 영역(4)의 판형 입자의 두께(A)는, 결정(4a)이 적어도 1층 존재하면 되고, 구체적으로는 적어도 0.5 ㎛ 이상으로 하고, 바람직하게는 1~3 ㎛로 한다.

또한, 판형 입자(4)의 종횡비는, 2.5 이상인 것이 바람직하고, 10 이상인 것이 더욱 바람직하다. 단, 판형 입자(4)의 종횡비란, 상기 평균 길이/두께(A)를 말한다.

본 발명에서는, 절연 기판을 구성하는 알루미나 소결체의 알루미나 순도는 99.9% 이상으로 한다. 이에 따라, 관통 구멍에 면하는 노출 영역에 있어서의 유리 성분의 석출을 방지할 수 있다.

알루미나 소결체의 알루미나 순도는, 분말형으로 분쇄한 시료를 황산으로 가압 산 분해에 의해 용해하고, 그 용해액을 ICP 발광 분광 분석법으로 분석함으로써 결정한다.

적합한 실시형태에서는, 절연 기판을 구성하는 알루미나 소결체에 소결 조제로서 지르코니아가 200~800 질량ppm, 마그네시아가 150~300 질량ppm 및 이트리아가 10~30 질량ppm 첨가되어 있다. 이러한 구성에 의해서, 전술한 순도, 기공율, 상대 밀도를 확보하면서, 조대 기포의 생성을 억제하여, 후술하는 관통 구멍의 형상 이상을 방지할 수 있고, 더구나 알루미나 소결체의 절연 파괴 전압은 50 kV/mm 이상으로 매우 높게 할 수 있기 때문에, 미세한 관통 구멍을 형성하더라도 절연 파괴가 일어나기 어렵다. 사파이어의 절연 파괴 전압은 47 kV/mm이고, 통상의 알루미나 소결체의 절연 파괴 전압은 12 kV/mm이다. 또한, 본 알루미나 소결체의 유전 정접은 사파이어와 동등하고, 통상의 알루미나 소결체의 유전 정접보다 훨씬 낮으며, 예컨대 10분 1 정도이다.

본 실시형태에서, 절연 기판을 구성하는 알루미나 소결체에 있어서의 지르코니아의 첨가량은 300 질량ppm 이상이 더욱 바람직하고, 또한, 600 질량ppm 이하가 더욱 바람직하다. 또한, 절연 기판을 구성하는 알루미나 소결체에 있어서의 마그네시아의 첨가량은 200 질량ppm 이상이 더욱 바람직하고, 또한, 280 질량 ppm 이하가 더욱 바람직하다. 또한, 절연 기판을 구성하는 알루미나 소결체에 있어서의 이트리아의 첨가량은 12 질량ppm 이상이 더욱 바람직하고, 또한, 20 질량ppm 이하가 더욱 바람직하다.

알루미나 기판에 관통 구멍을 다수 형성한 경우에는, 관통 구멍의 형상 이상이 생기는 경우가 있다. 예컨대, 도 1(b)에 도시하는 것과 같이, 이러한 관통 구멍(2)이 한쪽을 향해 팽창하여, 팽창부(3)가 형성되는 경우가 있었다.

이러한 팽창부(3)의 형태 및 치수에 관해서 검토한 결과, 조밀질의 알루미나 소결체 내에도 잔류하고 있는 조대 기공에 기인한 보이드가, 비교적 미세한 관통 구멍(2)에 연결되고, 일체화한 것으로 생각되었다. 이러한 보이드는, 직경 10 ㎛ 이상의 조대 기공에 기인하는 것이다.

본 발명자는, 이러한 지견에 기초하여, 조밀질 알루미나 소결체의 재질에 관해서 더욱 검토했다. 이 기판에는 다수의 관통 전극을 형성하므로, 고저항을 실현하기 위해서, 고순도의 알루미나 소결체를 채용하는 것은 바람직하다. 그러나, 이와 동시에, 절연 기판의 본체 부분을 구성하는 소결체의 평균 입경이 3~6 ㎛, 상대 밀도가 99.5% 이상이 되도록 제어함으로써, 직경 10 ㎛ 이상의 조대 기공을 억제하고, 관통 구멍의 형상 이상을 방지할 수 있다.

절연 기판에 관통 구멍을 형성하는 방법은 특별히 한정되지 않는다. 예컨대, 절연 기판의 그린 시트에 핀이나 레이저 가공에 의해서 관통 구멍을 형성할 수 있다. 혹은, 알루미나 소결체로 이루어지는 블랭크 기판을 제조한 후에, 블랭크 기판에 레이저 가공에 의해서 관통 구멍을 형성할 수도 있다.

도 6, 도 7은 각각 본 발명의 절연 기판을 제조하는 데 알맞은 순서를 예시하는 흐름도이다.

우선, 알루미나 성형체용의 슬러리를 제작한다.

바람직하게는 순도 99.9% 이상(더욱 바람직하게는 99.95% 이상)의 고순도 알루미나 분말에 대하여 전술한 것과 같은 소결 조제의 분말을 첨가한다. 이러한 고순도 알루미나 분말로서는, 다이메이가가쿠고교가부시키기이샤 제조의 고순도 알루미나 분체를 예시할 수 있다.

다결정 세라믹 소결체의 성형 방법은 특별히 한정되지 않고, 닥터블레이드법, 압출법, 겔캐스트법 등 임의의 방법이라도 좋다. 특히 바람직하게는, 기판을 다음과 같은 닥터블레이드법을 이용하여 제조한다.

(1) 세라믹 분체와 함께, 결합제가 되는 폴리비닐부티랄 수지(PVB 수지), 또는, 아크릴 수지를, 가소제, 분산제와 함께 분산매 중에 분산하여 슬러리를 조제하고, 닥터블레이드법으로 테이프형으로 성형한 후, 분산매를 건조시켜 슬러리를 고화시킨다.

(2) 1장으로 원하는 두께를 얻을 수 없는 경우는, 얇은 테이프를 여러 장 겹쳐 쌓아, 프레스 적층 또는 CIP 적층함으로써 원하는 두께의 기판 형상의 성형체를 얻는다.

여기서, 도 6의 예에서는, 성형체 단계에서 펀치 프레스 또는 레이저 가공함으로써, 성형체에 다수의 관통 구멍을 성형하고, 구멍의 내면에 알루미나 입자를 유기 용제에 분산시킨 페이스트를 도포해 둔다. 이 때, 페이스트에 포함되는 세라믹 성분을 알루미나 입자만으로 하고, 전술한 소결 조제는 첨가하지 않는다. 이에 따라, 구멍의 내면 부근의 소결 조제의 농도가 내려가 입자 성장이 촉진되어, 구멍의 노출 영역의 입자를 크게 할 수 있다. 페이스트의 도포 방법으로서는 스크린인쇄법에 의한 스루홀 인쇄, 디프법, 스프레이법 등에 의해 실시할 수 있다. 도 7의 예에서는, 성형체에 관통 구멍을 형성할 필요는 없다.

이어서, 성형체를, 바람직하게는 대기 속에서 하소하고, 계속해서, 수소 속에서 본 소성을 한다. 본 소성시의 소결 온도는, 소결체의 치밀화라는 관점에서, 1500~1900℃가 바람직하고, 1550~1750℃가 더욱 바람직하다.

또한, 상기 소성시에는, 몰리브덴 등의 고융점 금속으로 이루어지는 평탄한 판 위에 기판을 놓고 그 위에 몰리브덴 등의 판을 얹어, 기판을 위아래에서 끼우는 형태로 행하는 것이 더욱 바람직하다. 이에 따라 소결 조제의 배출이 억제되어, 입자 성장을 억제할 수 있다.

또한, 소성시에 충분히 치밀한 소결체를 생성시킨 후에, 더욱 추가로 어닐링 처리를 실시함으로써 휘어짐을 수정할 수 있다. 이 어닐링 온도는, 변형이나 이상 입자 성장 발생을 방지하면서, 소결 조제의 배출을 촉진한다고 하는 관점에서 소성시의 최고 온도±100℃ 이내인 것이 바람직하고, 최고 온도가 1900℃ 이하인 것이 더욱 바람직하다. 또한, 어닐링 시간은 1~6시간인 것이 바람직하다. 이 어닐링시에, 기판의 관통 구멍 해당 부위에 구멍을 뚫은 몰리브덴 등의 판을 얹어, 관통 구멍의 내부를 수소 가스가 흐르기 쉽게 해 둠으로써, 관통 구멍의 노출 영역의 입자 성장을 촉진시킬 수 있다.

이렇게 해서 얻어진 블랭크 기판을 조연마(粗硏磨) 가공한다. 이어서, 도 4의 예에서는, 이미 관통 구멍의 성형이 끝나 있기 때문에, 주면의 Ra를 작게 하는 것을 목적으로 정밀 연마 가공을 실시할 수 있다. 이러한 정밀 연마 가공으로서는, CMP(Chemical Mechanical Polishing) 가공이 일반적이다. 이것에 사용되는 연마 슬러리로서, 알칼리 또는 중성의 용액에 30 nm~200 nm의 입경을 갖는 지립을 분산시킨 것이 사용된다. 지립 재질로서는, 실리카, 알루미나, 다이아몬드, 지르코니아, 산화세륨을 예시할 수 있고, 이들을 단독으로 또는 조합하여 사용한다. 또한, 연마 패드에는, 경질 우레탄 패드, 부직포 패드, 스웨드 패드를 예시할 수 있다.

또한, 최종적인 정밀 연마 가공을 실시하기 전의 조연마 가공을 실시한 후에 어닐링 처리를 할 수도 있다. 어닐링 처리의 분위기 가스는 대기, 수소, 질소, 아르곤, 진공을 예시할 수 있다. 어닐링 온도는 1200~1600℃, 어닐링 시간은 2~12시간인 것이 바람직하다. 이에 따라, 표면의 평활을 손상시키는 일없이, 소결 조제의 배출을 촉진할 수 있다.

도 7의 예에서는, 성형체에 관통 구멍을 형성하지 않고, 소결 후의 블랭크 기판을 조연마한 후에, 블랭크 기판에 관통 구멍을 레이저 가공에 의해서 형성한다. 레이저 가공은 다음과 같이 하여 실시하는 것이 바람직하다.

단(短)펄스화한 레이저를 기판 표면에 조사함으로써 관통 구멍을 형성한다. 펄스 폭은 일반적으로 밀리초(1/1e-3초) 이하가 사용된다. 또한, 레이저원으로서, 기체(CO2)나 고체(YAG)가 이용된다. 레이저 장치 내에 전사용의 마스크를 배치하여, 기판 표면에 레이저를 도입함으로써, 목적으로 하는 구멍 형상을 얻을 수 있다. 구멍 직경 및 구멍의 형상은 마스크 직경, 레이저 출력, 펄스 폭, 샷수에 의해 조정할 수 있다. 이들 중, 마스크 직경, 레이저 출력, 펄스 폭에 의해 구멍 직경을 조정하여, 기판을 관통하는 데 최소 필요한 수를 샷수로서 설정하는 것이 일반적이지만, 기판 관통 후에도 샷을 반복함으로써, 노출 영역의 입경의 컨트롤이 가능하게 된다.

실시예

(실시예 1)

도 7을 참조하면서 설명한 순서에 따라서 본 발명의 절연 기판을 제작했다.

구체적으로는 이하의 성분을 혼합한 슬러리를 조제했다.

(원료 분말)

·비표면적 3.5~4.5 ㎡/g, 평균 일차 입자경 0.35~0.45 ㎛의 α-알루미나 분말(알루미나 순도 99.99%) 100 질량부

·MgO(마그네시아) 250 pppm

·ZrO2(지르코니아) 400 ppm

·Y2O3(이트리아) 15 ppm

(분산매)

·2-에틸헥산올 45 중량부

(결합제)

·PVB 수지 4 중량부

(분산제)

·고분자 계면활성제 3 중량부

(가소제)

·DOP 0.1 중량부

이 슬러리를, 닥터블레이드법을 이용하여, 소성 후의 두께로 환산하여 0.25 mm가 되도록 테이프형으로 성형하고, 소성 후의 크기로 환산하여, □100 mm가 되도록 네 변을 절단했다. 얻어진 분말 성형체를, 대기 속 1240℃에서 하소(예비 소성) 후, 기판을 몰리브덴으로 제조된 판에 얹고, 수소 3: 질소 1의 분위기 속에서 1300℃부터 1550℃에서의 승온 속도를 50℃/h로 하여, 1550℃에서 2.5시간 유지하고, 소성을 하여, 블랭크 기판을 얻었다.

이 블랭크 기판을 이하의 조건으로 레이저 가공함으로써 이하의 치수의 관통 구멍을 형성했다.

CO₂ 레이저: 파장 10.6 ㎛

펄스: 1000 Hz- On time 5 μs

레이저 마스크 직경: 0.9 mm

샷 횟수: 40회

관통 구멍계(W): 0.05 mm

관통 구멍의 간격(D): 0.12 mm

이어서, 대기 속 1300℃에서 5시간 어닐링 처리를 하고, 그라인더에 의한 연삭, 다이아몬드 지립에 의한 랩, CMP 유동성(액체)에 의한 연마를 순차 실시했다.

구체적으로는, 그라인더에 의한 연삭을 한 후, 그린 카본에 의한 양면 랩 가공에 의해 형상을 가지런하게 하고, 이어서 다이아몬드 슬러리에 의한 양면 랩 가공을 실시했다. 다이아몬드의 입경은 3 ㎛로 했다. 마지막으로 SiO2 지립과 다이아몬드 지립에 의한 CMP 가공을 실시하고, 세정을 실시하여, 절연 기판(1)을 얻었다.

얻어진 절연 기판의 각 부위의 입경을 확인한 바, 관통 구멍에 면하는 노출 영역(4)에서는, 구멍 내면을 덮는 판형 결정(4a)이 형성되어 있었다. 이하는, 얻어진 기판(1)의 특성이다.

노출 영역(4)에 있어서의 평균 길이: 10 ㎛

본체 부분에 있어서의 평균 입경: 3.5 ㎛

절연 파괴 전압: 측정 평균 75 kV/mm

절연 기판(1)의 두께: 80 ㎛

관통 구멍(2)의 직경(W): 40 ㎛

절연 기판의 알루미나 순도: 99.9%

상대 밀도: 99.6%

기공율: 0.4%

저항율: 10E14 Ω·cm

관통 구멍의 간격(D): 200 ㎛

관통 구멍의 개수: 2500 개/㎠

직경 10 ㎛ 이상의 기공의 밀도: 0.0%

얻어진 절연 기판의 관통 구멍에 관해서 이상의 유무를 확인한 바, 형상의 이상이나 크랙, 파손은 발견되지 않았다.

또한 얻어진 기판을 관통 구멍 부분으로 할단하고, 그 주위 입자의 상태를 SEM으로 관찰(도 9)한 바, 관통 구멍 내벽의 판형 입자의 두께는, 장소에 따른 차는 보이지만, 0.5~5 ㎛의 범위였다. 또한, 관통 구멍 내벽의 판형 입자의 종횡비는 2.5~20이었다.

이어서, 얻어진 기판의 표리면 및 관통 구멍 내면에 증착에 의한 금속막을 형성한 후, 다이싱에 의해 □2 mm의 크기로 개편화했다. 그 후, 금속막의 단선 유무, 다이싱에 의한 크랙, 치핑의 유무, 및 열 충격 시험 후의 관통 구멍부의 크랙, 치핑의 유무를 평가하여, 결과를 표 1에 기재한다. 단, 10개의 샘플에 관해서 각각 시험을 했다.

(다이싱 조건)

지석 회전수=30000 rpm

지석의 이송 속도=80 mm/sec

지석 입도=SD325(레진본드)

지석 폭=0.15 mm(열 충격 시험 조건)

온도 프로파일을 도 8에 도시한다.

승온 속도=40℃/min(RT~최고 온도)

최고 온도=350℃×0.5분

온도 강온=-30℃/min(최고 온도~100℃): 100℃ 이후는 자연 냉각

(실시예 2~5)

실시예 1과 같은 방법에 의해 실험을 했다. 단, 소성 온도, 레이저 가공 조건, 어닐링 조건, 관통 구멍의 레이저 가공 조건을 조정하여, 표 1에 기재하는 각종 입경의 기판을 작성하여, 실시예 1과 같은 식의 평가를 했다. 얻어진 평가 결과를 표 1에 기재한다. 관통 구멍 내벽의 판형 입자의 두께는 모두 0.5~5 ㎛의 범위였다. 또한, 관통 구멍 내벽의 판형 입자의 종횡비는 2.5~20였다.

(비교예 1)

실시예 1과 같은 방법에 의해 작성했다. 단, 알루미나 원료 분말로서, 순도 96%의 알루미나 원료를 이용했다.

얻어진 기판을 실시예 1과 같은 식으로 평가하여 평가 결과를 표 2에 기재했다.

(비교예 2~10)

실시예 1과 같은 방법에 의해 실험을 했다. 단, 소성 온도, 레이저 가공 조건, 어닐링 조건, 관통 구멍의 레이저 가공 조건을 조정하여, 표 1에 기재하는 각종 입경의 기판을 작성하여, 실시예 1과 같은 평가를 했다. 얻어진 평가 결과를 표 2, 표 3에 기재한다.

실시예에서는, 단선 불량, 다이싱 후의 크랙과 치핑, 열 충격 시험 후의 크랙과 치핑은 보이지 않거나 혹은 매우 적었다. 또한, 관통 구멍의 형상 이상도 보이지 않았다.

비교예 1에서는, 절연 기판의 관통 구멍에 면하는 노출 영역에 유리 성분이 석출되어 있었다. 이 결과, 단선 불량은 방지되고 있지만, 다이싱 후의 크랙과 치핑, 열 충격 시험 후의 크랙과 치핑이 많았다.

비교예 2에서는, 노출 영역에 있어서의 판형 입자의 평균 길이가 6 ㎛로 작지만, 단선 불량, 다이싱 후의 크랙이 많다.

비교예 3에서는, 노출 영역에 있어서의 판형 입자의 평균 길이가 30 ㎛이고, 본체 부분에 있어서의 평균 입경이 8 ㎛이지만, 다이싱 후의 크랙, 열 싸이클 후의 크랙이 많다.

비교예 4에서는, 본체 부분에 있어서의 평균 입경이 15 ㎛이지만, 다이싱 후의 크랙과 치핑 및 열 충격 시험 후의 크랙과 치핑이 모두 많다.

비교예 5에서는, 노출 영역에 있어서의 평균 길이가 30 ㎛이지만, 열 충격 시험 후 크랙이 많다.

비교예 6에서는, 노출 영역에 있어서의 판형 입자의 평균 길이가 35 ㎛이고, 본체 부분에 있어서의 평균 입경이 2 ㎛이지만, 다이싱 후의 크랙이 많다.

비교예 7에서는, 알루미나 순도가 98%이고, 본체 부분에 있어서의 평균 입경이 1 ㎛이지만, 다이싱 후 크랙이 많다.

비교예 8에서는, 노출 영역에 있어서의 판형 입자의 평균 길이가 15 ㎛이고, 본체 부분에 있어서의 평균 입경이 8 ㎛이지만, 다이싱 후의 크랙, 열 싸이클 후의 크랙이 많다.

비교예 9에서는, 노출 영역에 있어서의 판형 입자의 평균 길이가 15 ㎛이고, 본체 부분에 있어서의 평균 입경이 1 ㎛이지만, 다이싱 후의 크랙이 많다.

비교예 10에서는, 노출 영역에 있어서의 판형 입자의 평균 길이가 6 ㎛이고, 본체 부분에 있어서의 평균 입경이 5 ㎛이지만, 단선 불량이 많다.

Claims (6)

1. 도체용의 관통 구멍이 배열되어 있는 절연 기판으로서,
   상기 절연 기판의 두께가 25~100 ㎛이고, 상기 관통 구멍의 직경이 20 ㎛~100 ㎛이고, 상기 절연 기판이, 본체 부분과, 상기 관통 구멍에 노출되는 노출 영역을 구비하고 있고, 상기 절연 기판이 알루미나 소결체로 이루어지고, 상기 알루미나 소결체의 상대 밀도가 99.5% 이상이고, 상기 알루미나 소결체의 순도가 99.9% 이상이고, 상기 본체 부분에 있어서의 상기 알루미나 소결체의 평균 입경이 3~6 ㎛이고, 상기 노출 영역에 있어서의 상기 알루미나 소결체를 구성하는 알루미나 입자가 판형을 이루고 있고, 판형의 상기 알루미나 입자의 평균 길이가 8~25 ㎛인 것을 특징으로 하는 관통 구멍을 갖는 절연 기판.
2. 제1항에 있어서, 상기 관통 구멍이 레이저 가공에 의해서 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 절연 기판.
3. 제1항에 있어서, 상기 알루미나 소결체의 성형시에 상기 관통 구멍이 성형되어 있는 것을 특징으로 하는 절연 기판.
4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 알루미나 소결체에 소결 조제로서 지르코니아가 200~800 질량ppm, 마그네시아가 150~300 질량ppm 및 이트리아가 10~30 질량ppm 첨가되어 있는 것을 특징으로 하는 절연 기판.
5. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 알루미나 소결체의 절연 파괴 전압이 50 kV/mm 이상인 것을 특징으로 하는 절연 기판.
6. 제4항에 있어서, 상기 알루미나 소결체의 절연 파괴 전압이 50 kV/mm 이상인 것을 특징으로 하는 절연 기판.

Images