JP6346518B2 - 放熱性基板 - Google Patents
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Description
一方で、上記の電力用半導体素子は、いわゆるモジュール化により各モジュールの高性能化(例えば、大電流・高耐圧化)が急速に進んでいる。また、例えば、ハイブリッドカーの駆動用インバータとして使用されるパワーデバイスは、信頼性の向上に対する要求が高く、より大きな温度変化が繰り返し生じる環境で長期間の使用に耐え得ることが求められている。例えば、具体的には、従来求められていたヒートサイクル耐性がおおよそ−20℃〜150℃程度であったのに対し、昨今では、−40℃〜250℃程度という広い範囲でのヒートサイクル耐性が求められつつある。したがって、これらモジュールデバイスの基板となる放熱性基板については、従来のヒートサイクル耐性の要求を満たすものであっても、今後の要求には耐えられない事態が発生している。
なお、本明細書において、ガラスの軟化点は、これより低い温度では当該ガラスのほとんどの成形操作が不可能となる温度を意味し、約107.6dPa・Sの粘度に相当する温度を近似的に採用するようにしている。かかるガラスの軟化点は、JIS R 3103−1:2001に準拠して、寸法がおおよそ直径0.65mm、長さ235mmの円形断面のガラス繊維を、上部の長さ100mmを規定の炉中で(5±1)℃/minの速度で昇温したとき、当該ガラス繊維が自重で1mm/minの速度で伸びるような温度を、軟化点とするようにしている。
かかる構成とすることで、ガラス成分が低融点組成となるため、第2放熱層との接合性が向上されるとともに、ヒートサイクル時に基板および第2放熱層との間に生じる熱応力をより確実に緩和することができる。
なお、本明細書において、「熱膨張係数」とは、特に言及しない限り、熱機械分析装置(Thermomechanical Analysis:TMA)を用いて、室温(25℃)から500℃までの温度領域において測定した平均線膨張係数を意味し、かかる温度領域における試料の長さの変化量を測定温度差で割った値をいう。この熱膨張係数は、JIS R 1618:2002またはJIS R 3102:1995に準じて測定することができる。
ここに開示される放熱性基板1は、基板10の少なくとも一方の面に、放熱層20が直接的に備えられている、いわゆるDBC(Direct Bonded Copper)基板である。すなわち、放熱層20は、ろう材やはんだ等の接合材を介することなく、基板10に直接設けられている。この放熱層20は、基板10の片面のみに備えられていても良いし、この図1の例のように両面に備えられていても良い。また、放熱層20は、基板10のほぼ全面(図1の基板10の上下の放熱層20参照)にわたって備えられていても良いし、基板10の一部(図示せず)に備えられていても良い。そしてこの放熱層20は、基板10上に形成された第1放熱層22と、第1放熱層22の表面に備えられる第2放熱層24を含んでいる。
基板10としては、各種のセラミックスからなるものを考慮することができる。かかるセラミックスとしては、詳細な組成や形状、寸法等は特に制限されず、例えば、金属の炭化物からなる炭化物系セラミックス,金属の窒化物からなる窒化物系セラミックス,金属の酸化物からなる酸化物系セラミックス,その他、金属のホウ化物,フッ化物,水酸化物,炭酸塩,リン酸塩等からなるセラミックスが挙げられる。かかるセラミックスとしては、特に、熱膨張係数が小さいものが、本発明の効果を顕著に発現し得るとの観点から好適である。かかるセラミックスの具体例としては、窒化ケイ素(Si3N4),窒化アルミニウム(AlN),窒化ホウ素(BN),窒化ガリウム(GaN),サイアロン(Si3N4−AlN−Al2O3固溶体;Sialon),窒化炭素(CNx),窒化チタン(TiN)等の窒化物系セラミックス、炭化ケイ素(SiC),タングステンカーバイド(WC)等の炭化物系セラミックス,コーディエライト(2MgO・2Al2O3・5SiO2),ムライト(3Al2O3・2SiO2)等の複合酸化物系セラミックス等が、代表的なものとして挙げられる。これらのセラミックスは、代表組成を併せて記しており、必ずしも上記組成のものに限定されない。例えば、所望の特性を得る目的等で各種の他の元素が添加されたものや複合化されたものであってよい。
かかる基板のサイズは特に限定されず、例えば、所望の規格に従う寸法とすることができる。
上記のとおり、ここに開示される放熱性基板1において、放熱層20は、第1放熱層22と、この第1放熱層22の表面に備えられる第2放熱層24と、を備えている。
(第1放熱層)
第1放熱層22は、銅(Cu)を主成分とし、ガラス成分を含んでいる。また、第1放熱層22の主成分たる銅は、銅を主成分とする限りにおいて、銅単体からなるものに限定されず、例えば、銅にその他の元素が含まれた合金であっても良い。なお、第1放熱層22は、本発明の目的を損ねない範囲であれば、放熱層20の機能を高める目的等で、銅およびガラス成分以外の成分を含んでも良い。第1放熱層22において、ガラス成分は、例えば粒状にある銅成分同士を結合したり、かかる第1放熱層22と第2放熱層24とを結合したりする、無機バインダとしての役割を果たす。そして、かかるガラス成分は、無機バインダとしての役割の他に、第1放熱層22のさまざまな機能を向上させ得る。
このような第1放熱層22の熱膨張係数は、厳密に制限されるものではないが、9×10−6/K以上14×10−6/K以下(典型的には、10×10−6/K以上13×10−6/K以下、例えば、10.5×10−6/K以上12×10−6/K以下)であるのが好ましい。第1放熱層22の熱膨張係数がかかる範囲にあることで、基板10と第2放熱層24との熱応力を好適に緩和することができる。
Ag2O:0.5mol%以上5mol%以下、
(BaO+ZnO):60mol%以上95mol%以下、
SiO2:1mol%以上20mol%以下、
R2O:1mol%以上30mol%以下、および
Al2O3:0mol%以上5mol%以下
なお、このガラス成分としては、通常の非晶質ガラスの他、結晶化ガラスであってもよい。好ましくは非晶質ガラスである。
第2放熱層24は、実質的に銅(Cu)の単体または銅の合金から構成されている。好ましくは、導電性の良好な(低抵抗率の)銅の単体である。なお、ここでいう合金とは、銅と、他の1種以上の元素からなり、金属的な性質を示す物質を包含する意味であって、その混ざり方は、固溶体、金属間化合物およびそれらの混合のいずれであっても良い。第2放熱層24が合金から構成される場合、その構成元素の数は、例えば、2種類(2元系合金)であっても良いし、3種類以上(3元系以上)であっても良い。かかる銅または銅合金としては、無酸素銅,タフピッチ銅,脱酸銅等のいわゆる純銅や、いわゆるベリリウム銅,チタン銅,ジルコニウム銅,錫入り銅,鉄入り銅,コルソン合金等の銅基合金、いわゆる黄銅(Cu−Zn系合金),青銅(Cu−Sn系合金),銅ニッケル合金等の銅合金が例示される。
ここに開示されている放熱性基板1においては、上記の第1放熱層22が固形分として、銅を主成分としガラス成分を含む銅ペーストが焼成されることにより形成される場合において、第2放熱層24は銅または銅合金からなる板材により構成されることとし、この第2放熱層24が上記の第1放熱層22を形成するための銅ペーストを介して基板10に付着され、焼成されることで製造されているのをより好ましい形態としている。銅ペーストにより形成される第1放熱層22は、典型的には粒状の銅成分が互いに接触することで構成されており、微視的なレベルでポーラス(多孔質)又は凹凸表面を備えたものでありうる。そこで第2放熱層24として板材を採用することで、例えば、第2放熱層24を金属結合した銅または銅合金により構成することができ、原子レベルで滑らかな表面を得ることができる。また、第2放熱層24の体積抵抗率を低下させることもできる。また、第2放熱層24を板材により構成することで、その製造も簡便となり得る。なお、かかる第2放熱層24の板材を第1放熱層22を形成するための銅ペーストを介して基板10に付着し、放熱性基板1を製造する方法については、後で説明する。
一方で、第2放熱層24を構成する成分である銅は、単体(Cu)での熱膨張係数(25℃〜500℃)がおよそ16×10−6/Kと、上記の窒化物系セラミックスと比較して、3〜5倍以上も相違する。したがって、厚みが厚すぎる場合には、従来の銅メタライズ基板と同様に、温度変化のある環境下において熱応力差が蓄積され、第1放熱層22と第2放熱層24との界面での剥離が生じ易くなる。したがって、かかる第2放熱層24は、例えば、厚みが500μm以下であるのが好ましく、400μm以下であるのがより好ましく、例えば300μm以下であるのがより好ましい。
すなわち、ここに開示される放熱性基板1の製造方法は、以下の工程を包含する。
(1)セラミックスからなる基板10を用意すること。
(2)銅粉末を主成分としガラス粉末を含む銅ペーストを用意すること。
(3)基板10の少なくとも一方の面に、上記銅ペーストを供給して前駆層を形成すること。
(4)前駆層の上に、実質的に銅または銅合金からなる第2放熱層24を構築すること。
(5)前駆層および第2放熱層24を備える基板10を焼成することで、第1放熱層22を形成し、第1放熱層22上に第2放熱層24を備える放熱性基板1を得ること。
まず、上記に説明したセラミックスからなる基板10を用意する。かかる基板10は、例えば、市販されているものを購入しても良いし、製造して用意しても良い。基板10を製造する場合は、その製法等は制限されない。例えば、所望の組成のセラミックス粉末、焼成助剤および溶剤等を所定の割合で配合し、ボールミル等で粉砕および混合して、基板形成用のスラリーを調製する。そしてこのスラリーを、例えば、キャリアシート上に層状に供給し、適宜乾燥させた後、電気炉等にて所定の温度で脱脂および焼成することで、セラミック粉末の焼結体としての基板10を得ることができる。基板10は、焼成の前、もしくは焼成後に、所定の大きさに切断して用いることができる。
次いで、第1放熱層22を形成するための銅ペーストを用意する。かかる銅ペーストは、第1放熱層22の主成分としての銅粉末と、無機バインダとしてのガラス粉末とを含み、これらの粉末が有機媒体に分散された形態であり得る。
銅粉末は、銅ペーストを焼成することで形成される第1放熱層22の高い電気伝導性と放熱性とを担う物質である。かかる銅粉末の種類等については特に制限はなく、目的の銅ペーストに従来用いられている組成、純度、形状等を備える銅粉末を適宜選択して用いることができる。例えば、銅粉末としては、タフピッチ銅、無酸素銅、銅化合物(例えば、銀入り銅、ジルコニウム銅などの合金、金属酸化物等)からなる粉末であっても良い。また、本発明の目的を損ねない限り、かかる銅には各種の元素等が添加されていても良い。
また、銅ペーストにおける銅粉末とガラス粉末との割合についても、上記の第1放熱層22の構成と同様に考慮することができる。
かかる有機バインダとしては、例えば、アクリル系樹脂、エポキシ系樹脂、フェノール系樹脂、アルキド系樹脂、セルロース系高分子、ポリビニルアルコール、ポリビニルブチラール等をベースとするものが挙げられる。ここに開示される技術においては、特にセルロース系高分子等からなるバインダを用いることが好ましい。かかるセルロース系高分子の好適例としては、セルロース又はその誘導体が挙げられる。具体的には、ヒドロキシメチルセルロース、ヒドロキシエチルセルロース、ヒドロキシプロピルセルロース、ヒドロキシプロピルメチルセルロース、カルボキシメチルセルロース、カルボキシエチルセルロース、カルボキシエチルメチルセルロース、セルロース、エチルセルロース、メチルセルロース、エチルヒドロキシエチルセルロース、及びこれらの塩が挙げられる。
その他、ここに開示される銅ペーストには、かかるペーストを構成するに適した粘性および塗膜(後述の前駆層)形成能等の所望の特性を付与し得る各種の添加剤が、必要に応じて含まれていても良い。かかる添加剤の一例をあげると、界面活性剤、消泡剤、可塑剤、増粘剤、酸化防止剤、分散剤、種々の光重合性化合物および光重合開始剤、重合禁止剤や、基板との密着性向上を目的としたシリコン系、チタネート系およびアルミニウム系等の各種カップリング剤等が挙げられる。
そして、以上の銅粉末およびガラス粉末を、三本ロールミルを用いて有機溶媒に混合し、よく混練することで、ここに開示される銅ペーストを得ることができる。
そして、上記で用意した銅ペーストを、基板10の少なくとも一方の表面に直接的に塗布して前駆層を形成する。銅ペーストの塗布の手法については特に制限されない。かかる銅ペーストは、例えば、スクリーン印刷法、メタルマスク印刷法、グラビア印刷法、キャスト法、ディップコーティング法、スピンコート法、電気泳動法、スプレー法、インクジェット法などの各種の手法を利用して基板に塗布することができる。なかでも、上記に従い調製される銅ペーストは、印刷技術に好適に適用できることから、特に、スクリーン印刷法、メタルマスク印刷法、グラビア印刷法等の印刷技術により塗布するのが好ましい。かかる印刷技術を利用することで、基板10上の全面に、あるいはその一部に、任意の形態で、前駆層を精度よく形成することができる。例えば、複雑な形状の配線パターンに対応した前駆層を簡便かつ精度良く形成することができる。また、かかる印刷技術を利用すると、例えば、基板10の一方の表面に対して面積率70%以上もの広い領域に、任意の形態で銅ペーストを少ない工程で簡便に塗布することができる。所望の配線パターンにもよるが、例えば、銅ペーストは、基板の80%以上、さらには90%以上の領域(例えば、ほぼ100%全面)に塗布することもできる。また、印刷技術を利用することで、比較的厚みのある前駆層を精密に形成することができる点においても好ましい。
なお、前駆層は、後述の焼成後に得られる第1放熱層22および放熱層20が所望の厚みとなるよう、厚みを調整することができる。したがって、例えば、基板10上に形成された前駆層の上面の一部にのみ、さらに銅ペーストを塗布するようにしても良い。また、例えば、前駆層が所望の厚みとなるまで複数回繰り返し銅ペーストを塗布するようにしても良い。前駆層の厚みは特に制限されないものの、例えば、焼成後に得られる放熱層20の総厚みが50μm以上700μm以下となるように厚みを調整することができる。
次いで、上記で形成した前駆層の上に、第2放熱層24を構築する。前駆層は、必要に応じて乾燥させるようにしてもよい。かかる第2放熱層24の構築の手段は特に制限されず、上述のように塗布、めっき法、貼り付け等により、実質的に銅または銅合金からなる第2放熱層24を形成する。
例えば、塗布により第2放熱層24を構築する場合においては、例えば、銅または銅合金を固形分とする第2放熱層形成用ペーストを用意し、これを上記第1放熱層22の形成と同様に前駆層の上に塗布(供給)して、第2放熱層の前駆層を構築するようにしてもよい。
次いで、このように形成された前駆層と第2放熱層24とを備える基板10を適切な温度に保持することで、前駆層について脱脂処理および焼成処理を施すことができ、銅を主体としガラス成分を含む第1放熱層22を形成することができる。ここに開示される技術によると、前駆層におけるバインダとしてのガラス粉末の軟化点が低く抑えられているため、かかる焼成温度も当該軟化点以上の比較的低い温度に設定することができる。例えば、焼成は、475℃以上700℃以下の温度範囲で行うことができる。焼成の雰囲気は、焼成温度等に応じて選択でき、空気雰囲気、酸化性雰囲気、不活性ガス雰囲気(窒素ガス、ヘリウムガス、アルゴンガス等)、還元性雰囲気あるいはこれらの混合雰囲気等から、適宜選択することができる。
なお、第1放熱層22は、ガラス成分を含んでいるため、第1放熱層22の形成に際して基板10と第2放熱層24との間に発生する熱応力を緩和し得る。したがって、放熱層20の表面(第2放熱層24の表面である)に、熱応力の集中に起因するたわみやクラックが発生するのが抑制され得る。これにより、基板10の表面に第2放熱層24を直接配置した場合と比較して、表面の平坦性に優れた放熱層20が、熱応力の発生を低減された状態で、基板10に密着性良く形成された放熱性基板1を製造することができる。換言すると、セラミックスからなる基板10に対し、高品質なメタライズ処理を行うことができる。
[放熱性基板の製造]
基板として、日立金属アドメット(株)製の窒化ケイ素(Si3N4)基板(寸法:3.5cm×3.5cm)を用意した。なお、この窒化ケイ素基板の表面粗さを、表面粗さ測定器(株式会社東京精密、surfcom120A)を用い、JIS B 0601:2001に準拠し、測定長を8mmとして測定したところ、算術平均粗さ(Ra)は0.8μmであった。
そして、上記で用意した基板に、銅ペースト1〜5を、メタルマスク印刷法により印刷した。印刷パターンは、10mm×10mmの方形とし、下記の銅箔の押圧後の厚みを30μmとするよう繰り返し印刷した。この印刷体上に上記の無酸素銅箔を載置し、押圧することで、無酸素銅箔を基板に付着させた。その後、かかる基板に対し、大気雰囲気下、200℃〜400℃で1時間保持する脱脂処理を施し、次いで、窒素雰囲気下、475℃〜700℃で約1時間の焼成を行った。なお、乾燥および焼成は、印刷体の厚みに応じて適切な時間となるよう調整した。これにより、放熱性基板1〜5を用意した。
参考のために、上記で用意した基板に銅ペースト4を印刷し、無酸素銅箔は貼り合わせないものを用意し、放熱性基板4’とした。また、比較のために、市販の銅メタライズ基板(日立金属アドメット株式会社製品)を用意し、放熱性基板6とした。
また、上記で用意した銅ペースト1〜5を焼成して形成される焼成物の熱膨張係数を測定した。すなわち、まず、銅ペースト1〜5をそれぞれ試験片作成用セルに流し込み、25℃で硬化させたのち、7mm×7mm×50mmの角柱状にプレス成形し、1000℃で仮焼きした。仮焼き後の焼成物を、ダイヤモンドカッターにより断面の一辺の長さが4mmで、長さが20mmの角柱状に切り出して試験片とした。熱膨張係数は、熱機械分析装置(株式会社リガク製、TMA8310)を用い、大気中、昇温速度10℃/分とし、室温(25℃)〜500℃の温度範囲における試験片の長さを、示差膨張方式にて測定した平均線膨張率である。かかる熱膨張係数の測定は、JIS R 1618:2002のファインセラミックスの熱機械分析による熱膨張の測定方法に準じて実施した。その結果を表2の「CTE」の欄に示した。
これらの放熱性基板1〜6および4’について、形成した放熱層の体積抵抗率を、25℃において、株式会社三菱化学アナリテック製の抵抗率計(型式:ロレスタGP MCP−T610)を用いて4端子4探針法で測定した。結果を表2の「抵抗率」の欄に示した。
これらの放熱性基板1〜6および4’について、焼成処理後の第1放熱層またはメタライズ層の表面粗さを、上記と同様の表面粗さ測定器を用いて測定した。表面粗さは、JIS B 0601:2001に準拠し、測定長を8mmとして、算術平均粗さ(Ra)を測定した。その結果を表2に示した。
また、これらの放熱性基板1〜6および4’について、−40℃に冷却した後、250℃にまで加熱するヒートサイクルを1000サイクル施した後に、放熱層に剥離が生じたかどうかを目視により観察した。その結果を表2の「ヒートサイクル耐性」の欄に示した。
ガラス粉末1〜4については、ガラス組成にBaOとZnOとが合計量で多く含まれていることからガラス軟化点が低下されており、特にBaOを多く含むガラス粉末1および2についてはガラス軟化点が380℃前後と低い値となった。ガラス粉末5については、ガラス組成にSiO2が多く、ガラス軟化点が比較的高い値となった。そしてこれらのガラス粉末を用いて作製した銅ペースト1〜5により得られる焼成物、すなわち第1放熱層の熱膨張係数は、ペーストに使用したガラス粉末のBaO,ZnOおよびSiO2の割合により概ね調整できることが確認された。
また、放熱性基板1〜5および4’の放熱層表面は、いずれも市販の放熱性基板6の表面よりも平坦であることが確認された。なお、放熱性基板1〜5の放熱層表面は全て同じ銅箔により構成されているが、銅ペースト5を使用した放熱性基板5は表面粗さが0.8μmであったのに対し、銅ペースト1,2,4を使用した放熱性基板1,2,4は表面粗さが0.3μm未満、銅ペースト3を使用した放熱性基板3は表面粗さが0.4μmと、極めて平坦となった。
また、ここに開示される放熱性基板の製造方法によると、形状(パターン)や厚みを任意に設計して、抵抗率の低い放熱層を簡便に形成することができる。したがって、セラミック基板上に任意のパターンおよび厚みで、電極として使用し得る放熱層を形成することができる。かかる放熱層を備える放熱性基板によると、例えば、複数の半導体素子を実装した場合に、半導体素子間にワイヤボンディングにより電極を形成することに代えて、それらの半導体素子上に電極板を載置することで、当該素子間の導通を確保することが可能とされる。すなわち、ここに開示される放熱性基板は、新たな半導体素子構造の実現を可能とするものとなり得る。以上、本発明を詳細に説明したが、上記実施形態は例示にすぎず、ここで開示される発明には上述の具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。
10 基板
20 放熱層
22 第1放熱層
24 第2放熱層
30 半導体素子
40 ボンディングワイヤ
42 板状電極
50 放熱フィン
Claims (12)
- セラミックスからなる基板と、前記基板の少なくとも一方の面に備えられた放熱層とを備え、
前記放熱層は、
前記基板に直接的に備えられ、銅を主成分とし、酸化物に換算した場合の組成で少なくともBaOを含むガラス成分を含む第1放熱層と、
前記第1放熱層の表面に備えられ、実質的に銅または銅合金により形成される第2放熱層と、
を含み、
前記第1放熱層は、固形分として、前記銅を主成分とし、前記ガラス成分を含む銅ペーストの焼成物により構成され、
前記第2放熱層は、銅または銅合金からなる板材により構成され、
前記第2放熱層は、前記銅ペーストの前記焼成物を介して前記基板に付着されている、放熱性基板。 - 前記ガラス成分は、軟化点が250℃以上450℃以下となるよう構成されている、請求項1に記載の放熱性基板。
- 前記ガラス成分は、酸化物に換算した場合の組成で、BaO及びZnOのうちの少なくともBaOを含む1以上を含み、かつ、前記BaO及びZnOを合計で60mol%以上95mol%以下の割合で含む、請求項1または2に記載の放熱性基板。
- 前記第1放熱層は、3質量%以上15質量%以下の割合でガラス成分が含まれる、請求項1〜3のいずれか1項に記載の放熱性基板。
- 前記第1放熱層は、熱膨張係数が9×10−6/K以上13×10−6/K以下である、請求項1〜4のいずれか1項に記載の放熱性基板。
- 前記第1放熱層は、厚みが1μm以上500μm以下である、請求項1〜5のいずれか1項に記載の放熱性基板。
- 前記第2放熱層は、厚みが5μm以上500μm以下である、請求項1〜6のいずれか1項に記載の放熱性基板。
- 前記基板は、炭化ケイ素,窒化ケイ素あるいは窒化アルミニウムのいずれかにより構成されている、請求項1〜7のいずれか1項に記載の放熱性基板。
- セラミックスからなる基板を用意すること、
銅粉末を主成分とし、酸化物に換算した場合の組成で少なくともBaOを含むガラス粉末を含む銅ペーストを用意すること、
前記基板の少なくとも一方の面に、前記銅ペーストを供給して前駆層を形成すること、
銅または銅合金からなる板材を用意し、前記板材を前記前駆層の上に載置することにより、実質的に銅または銅合金からなる第2放熱層を構築すること、および、
前記前駆層および第2放熱層を備える基板を焼成することで、第1放熱層を形成し、前記第1放熱層上に前記第2放熱層を備える放熱性基板を得ること、
を包含する、放熱性基板の製造方法。 - 前記焼成は、475℃以上700℃以下の温度範囲で行う、請求項9に記載の製造方法。
- 前記基板が、炭化ケイ素,窒化ケイ素あるいは窒化アルミニウムのいずれかにより構成されている、請求項9または10に記載の製造方法。
- 前記前駆層の上に、さらに前記銅ペーストを供給することを含む、請求項9〜11のいずれか1項に記載の製造方法。
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