具有贯通孔的绝缘基板的制作方法

本发明涉及具有许多贯通孔的陶瓷基板，其中在贯通孔内形成导通孔导体和贯通孔导体。

背景技术：

作为用于安装SAW滤波器等电子设备的基板，使用的是在陶瓷等绝缘基板上设置贯通孔、将导体埋入孔内而制为贯通电极的结构的基板(穿孔基板)。近年来，伴随着以手机为代表的通信机器的小型化，所使用的电子设备也要求小型化、低高度化，对其构成要素之穿孔基板，也同样要求薄板化。

另外，此种基板的贯通孔直径要求例如100μm以下的细径，此外还要求高密度、大量形成。此外，对于操作基板的材质，为了控制配线间的泄漏电流，要求为高电阻。

因此，穿孔基板在薄板化时也必须要有可以承受生产过程中的操作处理的强度。另一方面，由于最终要通过切割而将穿孔基板单独成片，因此加工性也必须良好。

由于穿孔基板的贯通电极通过蒸镀、溅射等的薄膜工艺制作，因此为了避免凹凸造成断路等，要求穿孔基板的表背面、贯通孔内部平滑。贯通孔通过烧成前的模具冲压、激光加工、烧成后的激光加工、喷砂加工而形成(专利文献1～3)。

作为穿孔基板的材料，由于氧化铝陶瓷的机械强度、耐热性、绝缘性等良好，因此被广泛使用。此外，氧化铝陶瓷中，特别是高纯度的氧化铝陶瓷，其透光性、耐碱性、耐等离子性也良好，因此被广泛使用于高亮度放电灯用的发光管、半导体制造装置的部件、仿真晶圆等(专利文献4～7)。

现有技术文献

专利文献

【专利文献1】日本专利4012936

【专利文献2】日本专利特开2013-232546

【专利文献3】日本专利特开2014-57124

【专利文献4】日本专利特开2003-95730

【专利文献5】日本专利特开2001-199761

【专利文献6】日本专利特开2001-64075

【专利文献7】日本专利特开H06-157132

技术实现要素：

将氧化铝陶瓷用作具有贯通孔的绝缘基板的材质、通过蒸镀、溅射等薄膜工艺制作贯通电极时，在贯通孔的内面存在因晶界引起的凹凸的话，容易造成断路。另一方面，氧化铝陶瓷的粒径变大的话，由于晶界数减少，可以防止断路，但是绝缘基板整体的强度会下降。因此，将绝缘基板薄板化时的操作变得困难，此外，绝缘基板在制作时，进行研削、研磨工序、切割时，容易引起裂纹和碎片。

专利文献2所述的绝缘基板中，例如将氧化铝陶瓷材料和玻璃材料混合、烧结而制造绝缘基板，通过向该衬底基板照射激光，形成贯通孔。由此，在绝缘基板的面向贯通孔的内壁面形成玻璃涂层，使内壁面平滑。但是，实际制作此种绝缘基板的话，由于面向贯通孔的涂层的热膨胀系数与氧化铝陶瓷基材不同，因此在生产过程中以及安装后因热循环容易使绝缘基板破损。

本发明的课题是，具有导电部形成用贯通孔的绝缘基板中，可以防止研削、研磨、切割等加工时出现碎片、裂纹，并且施加热循环时可以防止出现碎片、裂纹。

本发明是一种排列有导体用贯通孔的绝缘基板，其特征在于，

绝缘基板的厚度为25～100μm，贯通孔的直径为20μm～100μm，绝缘基板具备有主体部分和露出于贯通孔的露出区域，绝缘基板由氧化铝烧结体构成，氧化铝烧结体的相对密度在99.5％以上，氧化铝烧结体的纯度在99.9％以上，主体部分中的氧化铝烧结体的平均粒径为3～6μm，构成露出区域中的氧化铝烧结体的板状氧化铝粒子的平均长度为8～25μm。

本发明人研究了通过高纯度的氧化铝烧结体形成具有导体形成用贯通孔的绝缘基板。此时，通过使氧化铝烧结体的氧化铝粒子微细化，即使绝缘基板变薄，也需要维持其强度较高。但是，在此种绝缘基板上形成贯通孔的话，在贯通孔内壁面形成导电膜时容易产生断路。

因此，如专利文献2所述，也研究了通过在构成绝缘基板的陶瓷中混合玻璃成分、使得玻璃成分析出在面向贯通孔的内壁面。由此，应该可以防止形成在贯通孔内壁面的导体的断路。但是可知的是，此时，向绝缘基板施加热循环的话，容易产生裂纹、碎片。

因此，本发明人在使得构成绝缘基板的氧化铝烧结体的粒子微细化的同时，尽可能地高纯度化，防止了玻璃成分析出在面向贯通孔的内壁面。与此同时，沿着面向贯通孔的内壁面，形成了由板状粒子构成的露出区域。结果发现，可以防止研削、研磨、切割等加工时出现碎片、裂纹，并且施加热循环时也可以防止出现碎片、裂纹，从而完成了本发明。

附图说明

【图1】(a)是显示形成有贯通孔2的绝缘基板1的模式平面图，(b)是显示贯通孔2的形状异常的模式图，(c)是显示形成有贯通孔2的绝缘基板1的模式截面图。

【图2】(a)是显示绝缘基板1的贯通孔及其周边的放大图，(b)是贯通孔、露出区域以及主体部分的模式图。

【图3】显示平均粒径的计算例的模式图。

【图4】用于说明贯通孔周边的板状粒子的平均长度的计算方法的模式图。

【图5】与图4的模式图对应的显微镜照片。

【图6】显示绝缘基板的一例适宜的制造顺序的流程图。

【图7】显示绝缘基板的一例适宜的制造顺序的流程图。

【图8】显示热循环试验适用的温度曲线。

【图9】绝缘基板1的贯通孔及其周边的放大照片。

具体实施方式

以下适当参照附图进一步详细说明本发明。

如图1(a)、(c)所示，绝缘基板1上设置有一侧主面1a和另一侧主面1b，形成有许多贯通主面1a和1b间的贯通孔2。

如图2所示，绝缘基板1具备有主体部分5和设置在露出于主体部分5的贯通孔2部分上的露出区域4。露出区域4面向贯通孔2，露出区域4的表面构成内壁面3。主体部分5和露出区域4由氧化铝烧结体构成，两者的陶瓷结构组织一体化。

贯通孔内可以形成规定的导体。作为此种导体，可以例示有，将Ag、Au、Cu、Pd或其混合物，或者它们中混合了少量玻璃成分而制成的浆料填充至孔内面后，以400～900℃烧结固定的导体(导通孔导体)；仅在孔的内面印刷导体并同样烧结的导体(贯通孔导体)等，导体的形态并不特别限定于此。此外，基板的主面1a、1b上形成规定的配线和焊盘等。此外，绝缘基板作为一体继电器盘。

本发明的绝缘基板上排列有导体用贯通孔。在这里，绝缘基板的厚度T(参照图2)为25～100μm。基于绝缘基板操作所必须的强度的观点，绝缘基板的厚度在25μm以上，更优选50μm以上。

绝缘基板上形成的贯通孔的直径W(参照图1、图2)在20μm以上。该贯通孔径，基于容易成形的观点，更优选在25μm以上。此外，为了提升贯通孔的密度，贯通孔径W在100μm以下，更优选80μm以下。

邻接的贯通孔2的间隔D(最接近的贯通孔间的距离)，基于抑制破损和裂纹的观点，优选50μm以上，更优选100μm以上。此外，邻接的贯通孔2的间隔D，基于提升贯通孔的密度的观点，优选1000μm以下，更优选500μm以下。

基于确保绝缘基板操作时的强度的观点，构成绝缘基板的氧化铝烧结体的相对密度在99.5％以上，更优选99.6％以上。并无特别上限，可以是100％。

该相对密度可以从气孔率算出。

相对密度(％)＝100(％)-气孔率(％)

本发明中，如下决定气孔率。

即，对操作基板的截面(垂直于接合面的截面)镜面研磨，热蚀刻而显示出结晶晶界后，拍摄光学显微镜照片(200倍)。然后，在操作基板的厚度方向(垂直于接合面的方向)设定0.1mm、与接合面水平的方向设定1.0mm的层状视野。然后，对于各视野，算出大小0.5μm以上的气孔的总面积，从得到的气孔面积算出视野面积比，作为气孔率。

本发明中，构成绝缘基板的主体部分5(参照图2)的氧化铝烧结体的粒子5a的平均粒径为3～6μm。通过使该平均粒径在6μm以下，可以提升绝缘基板的强度，也可以抑制后述的贯通孔的形状异常。基于该观点，主体部分的氧化铝烧结体的平均粒径更优选5μm以下。此外，通过使平均粒径在3μm以上，可以防止电子设备安装后切割时产生碎片、裂纹，也可以抑制砂轮的磨耗。基于该观点，更优选3.5μm以上。

在这里，主体部分5的结晶粒子5a的平均粒径如下测定。

(1)对烧结体的表面镜面研磨，热蚀刻而显示出晶界后，拍摄显微镜照片(100～200倍)，数出单位长度的直线横穿过的粒子数。对不同的3处进行此项操作。另外，单位长度的范围是500μm～1000μm。

(2)取这3处粒子的平均个数。

(3)通过下式算出平均粒径。

[计算式]

D＝(4/π)×(L/n)

[D：平均粒径，L：直线的单位长度，n：3处的平均粒子个数]

平均粒径的计算例如图3所示。不同的3处位置中，单位长度(例如500μm)的直线横穿过的粒子个数分别为22、23、19时，平均粒径D通过上述计算式为：

D＝(4/π)×[500/{(22+23+19)/3}]＝29.9μm

本发明中，构成绝缘基板的贯通孔的露出区域4(参照图2)的氧化铝烧结体的粒子4的平均长度为8～25μm。通过使该平均长度在8μm以上，可以防止导电膜断路和电阻值上升。基于该观点，构成绝缘基板的贯通孔的露出区域4(参照图2)的烧结体的平均长度更优选10μm以上。

此外，通过使构成绝缘基板的贯通孔的露出区域4的烧结体的平均长度在25μm以下，可以防止施加热循环时产生裂纹。基于该观点，构成绝缘基板的贯通孔的露出区域4的烧结体的平均长度更优选15μm以下。

在这里，露出区域4的板状粒子4a的平均长度如下测定。

图4是用于说明粒子的平均长度的计算方法的模式图，与图2(a)对应。但是，图4中，绝缘基板是横向的。图5是与图4对应的照片。

将绝缘基板在贯通孔部切断，从切割面拍摄孔内面的显微镜照片(200倍)，测定单位长度的直线S横穿过的粒子的长度。对不同的3处进行此项操作，以3根直线横穿过的粒子的长度平均值为平均长度。

例如图4的例中，以粒子1～10的长度的平均值为平均长度。

在这里，所述直线S与贯通孔的中心轴C(图2(a))平行，从绝缘基板的表面贯通至背面。然后，所述的“单位长度”与基板的厚度T相等。

结晶4a至少存在一层即可，绝缘基板的露出区域4的板状粒子的厚度A具体的是至少在0.5μm以上，优选为1～3μm。

此外，板状粒子4的纵横比优选在2.5以上，更优选10以上。但是，板状粒子4的纵横比指的是所述平均长度/厚度A。

本发明中，构成绝缘基板的氧化铝烧结体的氧化铝纯度在99.9％以上。由此，可以防止玻璃成分析出在面向贯通孔的露出区域上。

氧化铝烧结体的氧化铝纯度，通过将粉碎为粉末状的试料用硫酸进行加压酸分解而溶解、对该溶解液通过ICP发光分光分析法分析而决定。

适宜的实施方式中，构成绝缘基板的氧化铝烧结体中，作为烧结助剂，添加有氧化锆200～800质量ppm、氧化镁150～300质量ppm以及氧化钇10～30质量ppm。通过此种构成，可以在确保上述的纯度、气孔率、相对密度的同时，抑制生成粗大的气泡，可以防止后述的贯通孔的形状异常，而且可以使氧化铝烧结体的绝缘击穿电压非常高，在50kV/mm以上，因此即使形成微细的贯通孔，也难以产生绝缘破坏。蓝宝石的绝缘击穿电压为47kV/mm，通常的氧化铝烧结体的绝缘击穿电压为12kV/mm。另外，本氧化铝烧结体的介电损耗角正切与蓝宝石同等，大大低于通常的氧化铝烧结体的介电损耗角正切，例如在十分之一左右。

本实施方式中，构成绝缘基板的氧化铝烧结体中的氧化锆的添加量更优选在300质量ppm以上，此外，更优选在600质量ppm以下。此外，构成绝缘基板的氧化铝烧结体中的氧化镁的添加量更优选200质量ppm以上，此外，更优选280质量ppm以下。此外，构成绝缘基板的氧化铝烧结体中的氧化钇的添加量更优选12质量ppm以上，此外，更优选20质量ppm以下。

氧化铝基板上形成有许多贯通孔时，有时贯通孔的形状会产生异常。例如，如图1(b)所示，此种贯通孔2向着一侧膨胀，形成了膨胀部3。

对于此种膨胀部3的形态以及大小的研究结果是，残留在致密氧化铝烧结体中的粗大气孔所造成的空隙与比较微细的贯通孔2连接成为一体。此种空隙起因于直径10μm以上的粗大气孔。

本发明人基于此种认知，进一步研究了致密质氧化铝烧结体的材质。该基板上形成有许多贯通电极，为了实现高电阻，采用高纯度的氧化铝烧结体较为理想。但是，与此同时，通过控制构成绝缘基板主体部分的烧结体的平均粒径为3～6μm、相对密度在99.5％以上，可以抑制直径10μm以上的粗大气孔、防止贯通孔的形状异常。

在绝缘基板上形成贯通孔的方法并无特别限定。例如，可以在绝缘基板的生片上通过针或激光加工形成贯通孔。或者，可以在制造由氧化铝烧结体构成的空白基板后，对空白基板通过激光加工而形成贯通孔。

图6、图7分别是适合制造本发明的绝缘基板的例示的顺序流程图。

首先，制作氧化铝成形体用的浆料。

优选对于纯度99.9％以上(更优选99.95％以上)的高纯度氧化铝粉末，添加上述的烧结助剂的粉末。作为此种高纯度氧化铝粉末，可例示有大明化学工业株式会社制造的高纯度氧化铝粉体。

多晶陶瓷烧结体的成形方法并无特别限定，可以是刮刀法、挤出法、凝胶注模法等任意的方法。特别优选使用以下的刮刀法制造基板。

(1)将陶瓷粉体与成为结合剂的聚乙烯醇缩丁醛树脂(PVB树脂)或丙烯酸树脂与增塑剂、分散剂共同分散在分散介质中，调制浆料，用刮刀法成形为带状后，令分散介质干燥，使浆料固化。

(2)当1片无法满足期望厚度时，将薄的带片多片层叠，通过加压层叠或CIP层叠，得到期望厚度的基板形状的成形体。

在这里，图6的例中，在成形体的阶段，通过冲压或激光加工，在成形体上成形许多贯通孔，在孔的内面涂布氧化铝粒子分散于有机溶剂的浆料。此时，浆料所含的陶瓷成分仅为氧化铝粒子，不添加上述的烧结助剂。由此，孔的内面附近的烧结助剂浓度下降，可以促进晶粒生长，使得孔的露出区域的粒子变大。作为浆料的涂布方法，可以通过丝网印刷法所进行的通孔印刷、浸渍法、喷涂法等。图7的例中，无需在成形体上形成贯通孔。

接着，优选将成形体在大气中进行预烧，接着在氢中进行正式烧。正式烧时的烧结温度，基于烧结体致密化的观点，优选1500～1900℃，更优选1550～1750℃。

此外，上述烧成时，更优选在钼等高熔点金属构成的平坦的板上放置基板，在上面再放置钼等的板，将基板在上下相夹的形式下进行。由此，可以抑制烧结助剂的排出，抑制晶粒生长。

此外，在烧成时生成充分致密的烧结体后，可以再追加实施退火处理，由此修正翘曲。该退火温度，基于防止变形或产生异常晶粒生长的同时促进烧结助剂排出的观点，优选在烧成时的最高温度±100℃以内，更优选最高温度在1900℃以下。此外，退火时间优选为1～6小时。退火时，通过在对应的基板贯通孔处放置开孔的钼等的板，使得贯通孔内部容易流通氢气，由此可以促进贯通孔的露出区域的晶粒生长。

对如此得到的空白基板进行粗研磨加工。接着，图4的例中，由于贯通孔已经完成成形，基于减小主面Ra的目的，可以进行精密研磨加工。作为此种精密研磨加工，一般是CMP(Chemical Mechanical Polishing)加工。作为其中使用的研磨浆料，使用的是碱性或中性溶液中分散了30nm～200nm粒径的磨粒的浆料。作为磨粒材质，可例示有，二氧化硅、氧化铝、金刚石、氧化锆、氧化铈，将它们单独或组合使用。此外，抛光垫可例示有，硬质聚氨酯抛光垫、无纺布抛光垫、皮革抛光垫。

此外，也可以在实施最终的精密研磨加工前、粗研磨加工实施后进行退火处理。退火处理的气氛气体可例示有，大气、氢、氮、氩、真空。优选退火温度为1200～1600℃，退火时间为2～12小时。由此，可以无损表面的平滑而促进烧结助剂的排出。

图7的例中，没有在成形体上形成贯通孔，对烧结后的空白基板进行粗研磨后，通过激光加工，在空白基板上形成贯通孔。激光加工优选如下进行。

通过向基板表面照射短脉冲化的激光，形成贯通孔。使用的脉冲宽度一般在毫秒(1/1e-3秒)以下。此外，作为激光源，使用气体(CO2)或固体(YAG)。激光装置内配置有转印用的掩模，通过向基板表面导入激光，可以得到目标的孔形状。孔径以及孔的形状可以通过掩模直径、激光功率、脉冲宽度、发射数调整。其中，一般通过掩模直径、激光功率、脉冲宽度调整孔径，将贯通基板的最小必需数设定为发射数，但也可以通过在基板贯通后重复发射而控制露出区域的粒径。

【实施例】

(实施例1)

参照图7，根据说明的顺序，制作本发明的绝缘基板。

具体的，调制以下成分混合的浆料。

(原料粉末)

·比表面积3.5～4.5m²/g，平均一次粒径0.35～0.45μm的α-氧化铝粉末(氧化铝纯度99.99％) 100质量份

·MgO(氧化镁) 250pppm

·ZrO2(氧化锆) 400ppm

·Y2O3(氧化钇) 15ppm

(分散介质)

·2-乙基己醇 45质量份

(粘合剂)

·PVB树脂 4质量份

(分散剂)

·高分子表面活性剂 3质量份

(增塑剂)

·DOP 0.1质量份

使用刮刀法，将该浆料成形为带状，烧成后的厚度为0.25mm，切断4边，使得烧成后的大小为100mm×100mm的正方形。将得到的粉末成形体在大气中以1240℃预烧(预烧成)后，将基板放置在钼制的板上，在氢3：氮1的气氛中，1300℃至1550℃的升温速度为50℃/h，在1550℃下保持2.5小时，进行烧成，得到空白基板。

通过将该空白基板进行以下条件的激光加工，形成以下尺寸的贯通孔。

CO2激光：波长 10.6μm

脉冲：1000Hz- On time 5μs

激光掩模直径： 0.9mm

发射次数： 40次

贯通孔W： 0.05mm

贯通孔的间隔D： 0.12mm

接着，在大气中进行1300℃、5小时退火处理，按顺序进行磨床研削、金刚石磨粒研磨、CMP液态研磨。

具体的，在通过磨床进行研削后，通过GC研磨砂进行双面研磨加工调整出形状后，接着通过金刚石研磨浆实施双面研磨加工。金刚石的粒径为3μm。最后通过SiO2磨粒和金刚石磨粒进行CMP加工，实施洗净，得到绝缘基板1。

确认得到的绝缘基板的各部位的粒径，面向贯通孔的露出区域4中，形成了覆盖孔内面的板状结晶4a。以下是得到的基板1的特性。

露出区域4上的平均长度： 10μm

主体部分中的平均粒径： 3.5μm

绝缘击穿电压：测定平均 75kV/mm

绝缘基板1的厚度： 80μm

贯通孔2的直径W： 40μm

绝缘基板的氧化铝纯度： 99.9％

相对密度： 99.6％

气孔率： 0.4％

电阻率： 10E14Ω·cm

贯通孔的间隔D： 200μm

贯通孔的个数： 2500个/cm²

直径10μm以上的气孔的密度：0.0％

对于得到的绝缘基板的贯通孔，确认有无异常时，没有发现形状异常或裂纹、破损。

此外，将得到的基板在贯通孔部分切断，通过SEM观察其周围的粒子状态(图9)，发现贯通孔内壁的板状粒子的厚度根据位置而有差异，但在0.5～5μm的范围内。此外，贯通孔内壁的板状粒子的纵横比为2.5～20。

接着，在得到的基板的表背面以及贯通孔内面通过蒸镀形成金属膜后，通过切割制成边长2mm×2mm大小的单片。然后，评价有无金属膜断路、有无切割引起的裂纹、碎片以及有无热冲击试验后的贯通孔部裂纹、碎片，结果如表1所示。其中，对10个样品分别进行试验。

(切割条件)

砂轮转速＝30000rpm

砂轮的进给速度＝80mm/sec

砂轮粒度＝SD325(树脂粘合)

砂轮宽度＝0.15mm

(热冲击试验条件)

温度曲线如图8所示。

升温速度＝40℃/min(RT～最高温度)

最高温度＝350℃×0.5分

降温速度＝-30℃/min(最高温度～100℃)：100℃以后自然冷却

(实施例2～5)

通过与实施例1同样的方法进行实验。但是，调整烧成温度、激光加工条件、退火条件、贯通孔的激光加工条件，制作表1所示的各种粒径的基板，进行与实施例1同样的评价。得到的评价结果如表1所示。贯通孔内壁的板状粒子的厚度均在0.5～5μm的范围。此外，贯通孔内壁的板状粒子的纵横比为2.5～20。

(比较例1)

通过与实施例1同样的方法制作。但是，作为氧化铝原料粉末，使用了纯度96％的氧化铝原料。

对得到的基板进行与实施例1同样的评价，评价结果如表2所示。

(比较例2～10)

通过与实施例1同样的方法进行实验。但是，调整烧成温度、激光加工条件、退火条件、贯通孔的激光加工条件，制作表1所示的各种粒径的基板，进行与实施例1同样的评价。得到的评价结果如表2、表3所示。

【表1】

【表3】

实施例中，没有发现断路不良、切割后的裂纹和碎片、热冲击试验后的裂纹和碎片，或者非常少。此外，也没有发现贯通孔形状异常。

比较例1中，绝缘基板的面向贯通孔的露出区域有玻璃成分析出。其结果是防止了断路不良，但切割后的裂纹和碎片、热冲击试验后的裂纹和碎片很多。

比较例2中，露出区域中的板状粒子的平均长度为6μm，较小，但有断路不良、切割后的裂纹多。

比较例3中，露出区域中的板状粒子的平均长度为30μm，主体部分中的平均粒径为8μm，切割后的裂纹、热循环后的裂纹多。

比较例4中，主体部分中的平均粒径为15μm，切割后的裂纹和碎片以及热冲击试验后的裂纹和碎片都较多。

比较例5中，露出区域中的平均长度为30μm，热冲击试验后裂纹多。

比较例6中，露出区域中的板状粒子的平均长度为35μm，主体部分中的平均粒径为2μm，切割后的裂纹多。

比较例7中，氧化铝纯度为98％，主体部分中的平均粒径为1μm，切割后裂纹多。

比较例8中，露出区域中的板状粒子的平均长度为15μm，主体部分中的平均粒径为8μm，切割后的裂纹、热循环后的裂纹多。

比较例9中，露出区域中的板状粒子的平均长度为15μm，主体部分中的平均粒径为1μm，切割后的裂纹多。

比较例10中，露出区域中的板状粒子的平均长度为6μm，主体部分中的平均粒径为5μm，断路不良多。