JP3929660B2 - 絶縁性アルミナ質基板およびアルミナ質銅貼回路基板 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、高熱伝導性を有する絶縁性のアルミナ質基板と、それを絶縁基板としその表面に銅箔または銅板を貼り付けた銅貼回路基板に関する。
【0002】
【従来技術】
近年、産業機器の分野ではMOSFETやIGBTなどのパワー系デバイスを用いたパワーモジュールが電車、電気自動車などの電動車両における制御基板に適用されつつある。これらのパワー系デバイスに使用される電流は数十〜数百Aを超え、また電圧も数百Vと非常に高電力となるため、パワー系デバイスから発生する熱も大きく、この熱によるデバイスの誤動作あるいは破壊を防止するために、発生熱をいかに系外に放出するかが大きな問題になっている。そのために、かかるパワー系デバイスを搭載する配線基板に対しては、絶縁基板として高い熱伝導性が要求されている。
【0003】
従来から、デバイスから発生した熱を放熱するための好適なセラミックスとしては、炭化珪素、ベリリウム、窒化アルミニウム等のセラミックスが用いられてきたが、量産性、安全性などの点から窒化アルミニウム質セラミックスが最も多く用いられてきた。
【0004】
しかし、窒化アルミニウム質セラミックスは非常に高価であることから、使用される分野が限られている。しかしながら、安価な材料として一般に絶縁基板として用いられるアルミナセラミックスは熱伝導率がせいぜい十数W/m・Kであり、パワーデバイス等に使用するには十分な熱放散性があるとは言えない。そこで、このアルミナセラミックスの絶縁基板の放熱性を向上させるために、基板内部にビア導体やメタライズ層を形成する方法が検討されている。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
アルミナセラミックスに用いられる導体材料は、アルミナセラミックスの焼成温度が通常1600℃以上と高温であるために、このアルミナセラミックスと同時焼成可能なメタライズとして、高融点金属であるタングステンまたはモリブデンを主とする導体材料が一般的に用いられているが、タングステンあるいはモリブデンは熱伝導率としてはそれほど高くなく、アルミナ基板内部に具備させることによる熱伝導性の向上効果はあまり期待できない。
【0006】
良熱伝導材料として銅が最もよく知られているが、銅の融点が1100℃付近であって、アルミナセラミックスと同時焼成すると焼成中に銅成分がアルミナセラミックス中に拡散あるいは揮散してしまい良好な導体層が形成できないものであった。
【0007】
一方、特許第2666744号には、平均粒径1μm以下のアルミナの微粉末を用い1200℃以下の低温で金、銀、銅、等と同時焼成する方法が開示されているが、このような微粉を用いることは工程上、大きな困難を伴うことになり、コストアップにつながるものである。
【0008】
また、特許第2822811号には、銅を含有するビア導体を同時焼成により形成し、配線抵抗の小さい基板構造が開示されているが、ビア導体が基板表裏面に露出しているため基板の絶縁性が保てない。また、特開平7−15101には1083℃〜1800℃にて銅等と同時焼成する方法が開示されているが、前記と同様にビアが基板表裏面に露出しているため基板の絶縁性が保てないため放熱基板として使用できない。
【0009】
従って、本発明は、アルミナセラミックスを基材としてなり、銅を含む導体が内蔵された絶縁性を有する高熱伝導性を有するアルミナ質基板と、これを絶縁基板として用い、放熱特性に優れた銅貼回路基板を提供することを目的とする。
【0010】
【課題を解決するための手段】
本発明者等は、上記課題に対して検討を重ねた結果、アルミナセラミックスを基材として、内部に銅と、タングステンおよび/またはモリブデンとの複合材料からなる導体によって、平面導体と垂直導体とを格子状に埋設することによって、銅の拡散または揮散を抑制し、銅の拡散距離を小さくできることを見出し本発明に至った。
【0011】
即ち、本発明の絶縁性アルミナ質基板は、相対密度95%以上のアルミナを主成分とするセラミックスからなる基板内部に、銅を10〜70重量%、タングステンおよび/またはモリブデンを30〜90重量%の割合で含有する導体からなる平面導体と垂直導体とを前記基板の表面に露出しないように埋設してなり、熱伝導率が30W/m・K以上であることを特徴とするものである。
【0012】
また、本発明のアルミナ質銅貼回路基板は、相対密度95%以上のアルミナを主成分とするセラミックスからなる絶縁基板表面に、銅箔または銅板からなる配線層が被着形成されてなり、前記絶縁基板内部に、銅を10〜70重量%、タングステンおよび/またはモリブデンを30〜90重量%の割合で含有する導体からなる平面導体と垂直導体とを基板の表面に露出しないように埋設してなり、且つ熱伝導率が30W/m・K以上であることを特徴とするものである。
【0013】
なお、上記の絶縁性アルミナ質基板およびアルミナ質銅貼回路基板においては、アルミナを主成分とするセラミックスが、MnO2を2.0〜10.0重量%の割合で含有することによって1500℃以下の低温で焼成することができる結果、銅の拡散などを防止することができる。
【0014】
また、前記平面導体および前記垂直導体と、前記絶縁基板表面間に存在する表面絶縁層の厚さを100〜300μmとすることによって、基板全体としての熱抵抗を小さくすることができる。
【0015】
さらに、平面的にみて、前記垂直導体の断面積の合計が、前記絶縁基板の面積の40〜80%を占めることが基板の熱抵抗を下げ、高熱伝導化を図る上で望ましい。
【0016】
【発明の実施の形態】
図1に、本発明の絶縁性のアルミナ質基板を絶縁基板として用いたアルミナ質銅貼回路基板の概略断面図を示した。
【0017】
図1の回路基板においては、アルミナセラミックスからなる絶縁基板1を具備し、この絶縁基板1の表面には、銅箔または銅板からなる配線層2が被着形成されている。そして、この絶縁基板1の内部には、平面導体3および垂直導体4が格子状に、基板の表面に露出しないように埋設されている。また、この配線層2の表面には、パワー素子、トランジスタ素子などの発熱性素子5が搭載される。
【0018】
本発明によれば、この平面導体3および垂直導体4が、アルミナセラミックスと同時焼成によって形成されたものであり、これらを形成している導体が、銅を10〜70重量%、タングステンおよび/又はモリブデンを30〜90重量%の割合で含有する導体からなることが重要である。
【0019】
これは、この絶縁基板1内部に内蔵された平面導体3および垂直導体4が銅単味からなると、熱膨張差によって絶縁層間にデラミネーションが発生してしまうのに対して、タングステンあるいはモリブデンを所定量含有せしめることによって、アルミナセラミックスとの熱膨張差が小さく成るためにデラミネーションの発生を抑制することができる。
【0020】
従って、本発明において、銅の含有量が10重量%よりも少ない、言い換えればタングステンまたはモリブデンの含有量が90重量%よりも多いと、熱拡散が小さくなり、高熱伝導化が達成できず、銅含有量が70重量%よりも多く、言い換えれば、タングステンあるいはモリブデンの含有量が30重量%よりも少ないとデラミネーションが発生する。なお望ましい範囲は、銅が40〜60重量%、タングステンおよび/またはモリブデンが60〜40重量%である。
【0021】
また、この平面導体3および垂直導体4は、実質的に信号の伝達には寄与しないことから、平面導体3と垂直導体4とを格子状に配設することができる。例えば、図1の絶縁基板1の断面図に示されるように、平面導体3を基板表面に平行に複数層形成するとともに、図2の絶縁基板1の平面透視図に示されるように、所定の直径を有する垂直導体4をアレイ状にその平面導体3同士を接続するように配置することによって、絶縁基板1全体の放熱性を均一化することができるとともに、絶縁基板の高熱伝導化を図ることができる。
【0022】
この時、例えば、配線層2の表面に搭載された発熱性素子から発生した熱を絶縁基板1の裏面に伝達する役目は、主として垂直導体4が担うことになる。従って絶縁基板1の厚み方向への熱伝達性を向上させる上で、この絶縁基板1を平面的にみたときの、図2で示されるような垂直導体4の断面積の合計が、絶縁基板1の面積の40〜80%を占めることが望ましい。特に、垂直導体4の直径は0.05〜1mmが適当であり、またこの直径はすべて同一ではなく、放熱性が特に要求される発熱性素子5搭載部の直下部分のみを他の部分よりも直径を大きくしたり、特に密に配設することもできる。
【0023】
また、絶縁基板1から熱を厚み方向に伝達する場合、絶縁基板1の表面から平面導体3や垂直導体4までの表面絶縁層a,bの厚さが厚すぎると、熱伝達性が低下し、また薄すぎると、銅の拡散によって絶縁基板表面の絶縁性が低下してしまうために、平面導体3および垂直導体4と、絶縁基板1表面間に存在する表面絶縁層a,bの厚さが100〜300μmであることが望ましい。
【0024】
なお、本発明における絶縁基板の絶縁性とは、少なくともこの表面絶縁層a,bにおける体積固有抵抗が1013Ω−cm以上であることを意味するものであり、銅の拡散が顕著に発生するとこの部分の絶縁性が劣化し、抵抗値は1013Ω−cmよりも低くなってしまう。
【0025】
一方、絶縁基板1を構成するアルミナセラミックスとしては、相対密度が95%以上の緻密質からなり、前記平面導体3および垂直導体4と同時焼成する上で、焼結助剤として、MnO2、SiO2およびMgO、CaO、SrO等のアルカリ土類元素酸化物を合計で2〜15重量%の割合で含有することが望ましい。これらの焼結助剤の量が2重量%よりも少ないと、前記銅含有導体からなる平面導体3や垂直導体4との同時焼結性が低下し、15重量%よりも多いと、アルミナセラミックス自体の熱伝導性が低下するためである。
【0026】
特に、このアルミナセラミックスは、銅の拡散を防止する上で、1500℃以下、特に1200〜1400℃の温度で焼成することが望ましい。このような低温焼結性を達成するためには、MnO2を酸化物換算で2〜10重量%の割合で含有せしめることが望ましい。
【0027】
なお、このアルミナセラミックス中には、さらに着色剤としての遷移金属、あるいはその化合物を10重量%以下の割合で含んでもよい。
【0028】
さらに、銅貼回路基板において、絶縁基板1の表面に形成される銅箔または銅板からなる配線層2は、例えば、絶縁基板1の表面に銅箔または銅板を活性金属(Ti,Zi,Hf)を含有するロウ材によって接合したり、いわゆるDBC法によって接合することもできる。その後、この金属箔や金属板の表面にレジスト塗布、露光現像、エッチング処理、レジスト除去の工程を経て、配線パターンを形成することによって作製される。
【0029】
また、この配線層2の表面には、トランジスタ素子、パワー素子、IGBTなどの発熱性素子を搭載することもできる。
【0030】
また、この絶縁基板1の裏面には、アルミニウム、銅板、銅−タングステン、などの高熱伝導性を有するヒートシンクを接合して、絶縁基板1を経由して伝達されたをヒートシンクによって系外に放熱することができる。
【0031】
次に、本発明のアルミナ質基板の製造方法について具体的に説明する。まず、アルミナセラミックスの主成分となるアルミナ原料粉末と、焼結助剤成分としてMnO2、SiO2およびMgO、CaO粉末等を2〜15重量%の割合で添加混合する。そして、この混合粉末を用いて、絶縁層を形成するためのシート状成形体を作製する。
【0032】
シート状成形体は、周知の成形方法によって作製することができ、例えば、上記混合粉末に有機バインダーや溶媒を添加してスラリーを調製し、ドクターブレード法によって形成したり、混合粉末に有機バインダーを加え、プレス成形、圧延成形等により100〜250μmの厚みのシート状成形体を作製できる。
【0033】
そして、このシート状成形体に対して垂直導体を形成するための直径が0.05〜1mmの貫通孔をシート状成形体に対してマイクロドリル、レーザー等により形成する。
【0034】
そして、この貫通孔内に、銅10〜70重量%と、タングステンおよび/またはモリブデンを30〜90重量%の割合で配合した金属粉末を含む導体ペーストを、この貫通孔内にスクリーン印刷法によって充填する。また、平面導体としては、このように垂直導体を形成したシート状成形体の表面にスクリーン印刷法などによって上記ペーストを印刷塗布する。
【0035】
その後、同様にして平面導体および/または垂直導体を形成したシート状成形体を作製した後、適宜圧着積層し作製した積層体上下面に導体ペーストが塗布されていないシートを積層圧着する。
【0036】
その後、この積層体を焼成する。本発明によれば、この焼成を、水素および窒素を含む非酸化性雰囲気中、1500℃以下,特に1200〜1400℃の温度で行うことが望ましい。また、所望により、アルゴンガス等の不活性ガスを混入してもよい。
【0037】
これは、焼成温度が1500℃より高いと、アルミナセラミックスの主結晶相の粒径が大きくなり異常粒成長が発生するようになり、銅がセラミックス中へ拡散するときのパスである粒界の長さが短くなるとともに拡散速度も速くなる結果、銅の拡散距離を30μm以下に抑制することが困難となるためである。
【0038】
次に、上記のようにして作製された絶縁基板に、Cu−Ag−Ti、Cu−Au−Tiなどの活性金属を含有するロウ材のペーストを塗布し、厚さ0.1mm以上の銅箔あるいは銅板を積層し、800〜900℃で加圧しながら焼き付けを行う。焼き付け後、銅箔や銅板にレジスト塗布、露光、現像、エッチング処理、レジスト剥離などの手法によって、所定の回路パターンからなる金属回路を形成することにより銅貼基板を得る。
【0039】
また、この配線基板に対して、パワー素子を搭載するには、金属回路上に半田ペーストを塗布した後、自動実装装置にて実装し、300〜400℃で加熱してロウ付けする。
【0040】
さらに、銅貼基板をヒートシンクなどに実装する場合には、Pb−Sn共晶半田などの半田ペーストを塗布し、300〜400℃でロウ付けすればよい。
【0041】
【実施例】
アルミナ粉末(平均粒径0.65μm)を主成分として表1、2に示すような各種焼結助剤と、成形用有機樹脂(バインダー)としてアクリル系バインダーと、トルエンを溶媒として混合した後、ドクターブレード法にて厚さ100〜250μmのシート状に成形した。そして、所定箇所に径600μmの貫通孔をレーザー光で形成した。なお、この貫通孔は、その数を増減することによって、垂直導体の面積比率が異なる種々のものを作製した。
【0042】
次に、銅粉末(平均粒径5μm)とW粉末(平均粒径1.2μm)あるいはMo粉末(平均粒径1μm)とを表1および2に示す比率で混合しアクリル系バインダーとをアセトンを溶媒として導体ペーストを調製し、貫通孔内にこの導体ペーストを充填した。さらに、この導体ペーストを用いてシート状成形体の表面に平面導体を印刷した。
【0043】
上記のようにして作製した各シート状成形体を位置合わせして積層圧着して成形体積層体を作製した後、その積層体の上下面に所定の種々の厚みを有するシート状成形体を積層した。
【0044】
その後、この成形体積層体を、水分を含む酸素含有雰囲気中(N2+O2またはH2+N2+H2O)で脱脂を行った後、表1に示した温度、雰囲気にて焼成した。
【0045】
得られた焼結体の熱伝導率をレーザーフラッシュ法により測定し、その結果を表1、2に示した。また、比較として、導体を含まない時のアルミナセラミックスの熱伝導率を測定し、導体層の効果を確認した。
【0046】
次に得られた絶縁基板を用い、活性金属ロウを塗布し、銅板を接合し、エッチング処理によって配線回路を形成し、配線回路層表面にニッケル無電解メッキを施した。そして、この回路基板の配線層上に実際に半導体チップを実装して発熱させ絶縁基板の熱抵抗を測定し、その結果を表1、2に示した。
【0047】
また、絶縁基板の体積固有抵抗として、絶縁基板の表面に形成した配線層と絶縁基板に内蔵した最上部の平面導体間の体積固有抵抗を測定し表1、2に示した。
【0048】
【表1】
【0049】
【表2】
【0050】
表1、2に示すように、絶縁基板中のMnO2量が2重量%よりも少ない試料No.1,2においては焼結性が劣化し相対密度95%以上に焼結できなかった。またMnO2量が10重量%よりも多い試料No.8においては、磁器自体の熱伝導率が低下するとともに、絶縁性の劣化が起こった。導体組成において、銅の含有量が10重量%よりも少ない試料No.9,10では、絶縁基板の熱伝導率が30W/m・Kよりも低くなった。また、70重量%よりも大きい試料No.17では、絶縁基板との熱膨張率差から内部導体との間に剥離が発生すると共に銅の拡散が起こり絶縁性の劣化が起こった。
【0051】
また、同時焼成の温度が1200℃よりも低い試料No.21では未焼結となった。1500℃よりも高い試料No.28では、銅がセラミックス中に拡散し絶縁基板の絶縁性が劣化した。
【0052】
表面絶縁層の厚みが100μmよりも小さい試料No.29では内部導体層から銅が拡散するため絶縁性が劣化した。また表面絶縁層の厚みが300μmよりも大きい試料No.34では、絶縁層自体の熱伝導率が律速し内部導体の効果が得られなかった。
【0053】
垂直導体の総断面積の面積比率が40%よりも小さい試料No.35では垂直導体からの熱放散が小さく熱抵抗、熱伝導率が劣化した。また、垂直導体の面積比率が80%よりも大きい試料No.38では内部導体層から銅が拡散するため絶縁基板自体の絶縁性が劣化した。
【0054】
またこれらの比較例に対して、本発明の配線基板によれば、相対密度95%以上、熱伝導率が30W/m・K以上、体積固有抵抗が1013Ω−cm以上、熱抵抗が30℃/W以下の優れた絶縁性と放熱特性を具備するものであった。
【0055】
【発明の効果】
以上詳述した通り、本発明によれば、アルミナセラミックスを基材としてなり、銅を含む高熱伝導性の導体からなる平面導体および垂直導体を内蔵するとともに、その銅の拡散を防止し、高熱伝導性および高絶縁性のアルミナ質基板を得ることができるとともに、この基板を絶縁基板としその表面に銅箔や銅板からなる配線層を形成することによって、放熱性に優れた銅貼回路基板を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明のアルミナ質銅貼基板の一実施態様を示す概略断面図である。
【図2】本発明のアルミナ質銅貼基板の絶縁基板における垂直導体の配置を説明するための平面透過図である。
【符号の説明】
1 絶縁基板
2 配線層
3 平面導体
4 垂直導体
5 発熱性素子
Claims (8)
- 相対密度が95%以上のアルミナを主成分とするセラミックスからなる基板内部に、銅を10〜70重量%、タングステンおよび/またはモリブデンを30〜90重量%の割合で含有する導体からなる平面導体と垂直導体とを前記基板の表面に露出しないように埋設してなり、且つ熱伝導率が30W/m・K以上であることを特徴とする絶縁性アルミナ質基板。
- 前記アルミナを主成分とするセラミックスが、MnO2を2.0〜10.0重量%の割合で含有することを特徴とする請求項1記載の絶縁性アルミナ質基板。
- 前記平面導体および前記垂直導体と、前記基板表面間に存在する表面絶縁層の厚さが100〜300μmであることを特徴とする請求項1記載の絶縁性アルミナ質基板。
- 平面的にみて、前記垂直導体の断面積の合計が、前記基板の面積の40〜80%を占めることを特徴とする請求項1記載の絶縁性アルミナ質基板。
- 相対密度が95%以上のアルミナを主成分とするセラミックスからなる絶縁基板表面に、銅箔または銅板からなる配線層が被着形成されてなるアルミナ質銅貼回路基板において、前記絶縁基板内部に、銅を10〜70重量%、タングステンおよび/またはモリブデンを30〜90重量%の割合で含有する導体からなる平面導体と垂直導体とを前記基板の表面に露出しないように埋設してなり、且つ熱伝導率が30W/m・K以上であることを特徴とするアルミナ質銅貼回路基板。
- 前記アルミナを主成分とするセラミックスからなる絶縁基板が、MnO2を2.0〜10.0重量%の割合で含有することを特徴とする請求項5記載のアルミナ質銅貼回路基板。
- 前記平面導体および前記垂直導体と、前記絶縁基板表面間に存在する表面絶縁層の厚さが100〜300μmであることを特徴とする請求項5記載のアルミナ質銅貼回路基板。
- 平面的にみて、前記垂直導体の断面積の合計が、前記絶縁基板の面積の40〜80%を占めることを特徴とする請求項5記載のアルミナ質銅貼回路基板。
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