JP7122461B2 - 回路基体およびこれを備える放熱基体または電子装置 - Google Patents

回路基体およびこれを備える放熱基体または電子装置 Download PDF

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Description

本開示は、回路基体およびこれを備える放熱基体または電子装置に関する。
回路基体上に金属層を備え、この金属層上に半導体素子、発熱素子、ペルチェ素子等の各種電子部品が搭載された電子装置が知られている。このような用途において使用される回路基体は、基体と、基体上に位置する、放熱性に優れた銅からなる金属層と、を備えている。
ここで、基体には、優れた絶縁性および機械的強度を兼ね備えるセラミックスが用いられている。そして、基体と金属層と繋ぐ接合層としては、例えば、主成分として銀および銅を含むろう材が用いられている（例えば、特許文献１を参照）。
特開２０１２－１１５８４６号公報
本開示の回路基体は、セラミックスからなる基体と、該基体上に位置する接合層と、該接合層上に位置する金属層と、を備える。また、金属層は、銅を含む。また、接合層は、アルミニウム、珪素および酸素を含む。
本開示の回路基体は、加熱および冷却が繰り返されても、接合層に亀裂が発生しにくい、長期間に亘っての使用に耐えうる。
本開示の第１の実施形態の回路基体を模式的に示す断面図である。 本開示の第２の実施形態の回路基体を模式的に示す断面図である。 本開示の第３の実施形態の回路基体を模式的に示す断面図である。 本開示の第４の実施形態の回路基体を模式的に示す断面図である。 本開示の第５の実施形態の回路基体を模式的に示す断面図である。 本開示の放熱基体を模式的に示す断面図である。
以下、本開示の回路基体について、図面を参照しながら詳細に説明する。
本開示の第１の実施形態の回路基体１０は、図１に示すように、基体１と、基体１上に位置する接合層２と、接合層２上に位置する金属層３と、を備える。
ここで、基体１は、セラミックスからなる。セラミックスとしては、例えば、炭化珪素質セラミックス、酸化アルミニウム質セラミックス、酸化ジルコニウム含有酸化アルミニウム質セラミックス、窒化珪素質セラミックスまたは窒化アルミニウム質セラミックス等のアルミニウムまたは珪素を含んだセラミックスを用いることができる。
基体１が、窒化珪素質セラミックス等の窒化物系セラミックス、酸化アルミニウム質セラミックス、または窒化アルミニウム質セラミックスからなるときには、熱伝導率は高いことから、第１の実施形態の回路基体１０の放熱性を向上させることができる。なお、窒化珪素質セラミックスとは、窒化珪素質セラミックスを構成する全成分１００質量％のうち、窒化珪素が７０質量％以上を占めるものである。また、酸化アルミニウム質セラミックスとは、酸化アルミニウム質セラミックスを構成する全成分のうち、酸化アルミニウムが７０質量％を占めるものである。また、窒化アルミニウム質セラミックスとは、窒化アルミニウム質セラミックスを構成する全成分のうち、窒化アルミニウムが７０質量％以上を占めるものである。
そして、基体１の材質は、以下の方法により確認することができる。まず、Ｘ線回折装置（ＸＲＤ）を用いて測定し、得られた２θ（２θは、回折角度である。）の値をＪＣＰＤＳカードで同定することで、対象基体の構成成分を同定する。次に、ＩＣＰ（Inductively Coupled Plasma）発光分光分析装置（ＩＣＰ）を用いて、対象基体の定量分析を行なう。このとき、ＸＲＤで同定された構成成分が窒化珪素であり、ＩＣＰで測定した珪素（Ｓｉ）の含有量から窒化珪素（Ｓｉ３Ｎ４）に換算した値が７０質量％以上であれば、窒化珪素質セラミックスである。なお、他のセラミックスについても同様である。
そして、本開示の第１の実施形態の回路基体１０における金属層３は、銅を含んでいる。金属層３は、熱伝導率が高い銅を含むため、本開示の第１の実施形態の回路基体１０は放熱性に優れる。また、金属層３は、例えば構成する全成分１００質量％のうち、銅を９０質量％以上含んでもよい。金属層３の大部分が熱伝導率の高い銅で構成されていることから、本開示の第１の実施形態の回路基体１０は放熱性に優れる。
なお、金属層３の平均厚みは、例えば、１００μｍ以上３０００μｍ以下であってもよい。
また、本開示の第１の実施形態の回路基体１０における接合層２は、アルミニウム、珪素および酸素を含んでいる。また、接合層２は、例えば構成する全成分１００質量％のうち、アルミニウム、珪素および酸素の合計が９５質量％以上であってもよい。
また、接合層２は、具体的には、接合層２を構成する全成分１００質量％のうち、アルミニウムが７０質量％以上８５質量％以下、珪素が４質量％以上１５質量％以下、酸素が５質量％以上１５質量％以下であってもよい。
このような構成を満足していることで、接合層２を介して、セラミックスからなる基体１と銅を含む金属層３とを強固に接合できる。
また、本開示の第２の実施形態の回路基体１０における接合層２は、図２に示すように、第１領域２ａと第２領域２ｂとを有していてもよい。
第１領域２ａは、主に金属層３と接しており、第２領域２ｂは、基体１と接していている。
第１領域２ａは、アルミニウムまたはアルミニウム合金を有している。アルミニウム合金は、珪素を有する。
第２領域２ｂは、アルミニウムシリサイドを有していてもよい。アルミニウムシリサイドは、アルミニウムまたはアルミニウム合金と親和性が高い。そのため、第１領域２ａおよび第２領域２ｂは強固に接合されやすい。
第２領域２ｂは、サイアロンを有していてもよい。サイアロンは、アルミニウムまたはアルミニウム合金と親和性が高い。そのため、第１領域２ａおよび第２領域２ｂは強固に接合されやすい。
また、第２領域２ｂがアルミニウムシリサイドまたはサイアロンを有している場合は、基体１が有するアルミニウムまたは珪素との親和性が高い。したがって、第２領域および基体が強固に接合されやすい。そのため、基体１および接合層２は強固に接合されやすい。
また、第２領域２ｂがアルミニウムシリサイドの場合は、酸化アルミニウム質セラミックスで構成された基体１との親和性が高い。したがって、第２領域および基体が強固に接合されやすい。そのため、基体１および接合層２は強固に接合されやすい。
また、第２領域２ｂがサイアロンの場合は、窒化珪素質セラミックスまたは窒化アルミニウム質セラミックスで構成された基体１との親和性が高い。したがって、第２領域および基体が強固に接合されやすい。そのため、基体１および接合層２は強固に接合されやすい。
基体１が接合層２と強固に接合されるため、基体１は金属層３と強固に接合される。したがって、加熱および冷却が繰り返されても、接合層２に亀裂が発生しにくい。よって、本開示の第２の実施形態の回路基体１０は、長期間に亘っての使用に耐えうる。
また、接合層２の第２領域２ｂは、第３の実施形態として図３の回路基体１０に示すように、第２領域２ａと基体１の間に挟まれた層状であっても良い。
なお、接合層２の平均厚みは、例えば、５μｍ以上４０μｍ以下であってもよい。
ここで、接合層２および金属層３をそれぞれ構成する成分とその含有量は、以下の方法で確認すればよい。まず、図２または図３に示すような断面形状となるように、本開示の第２の実施形態または第３の実施形態の回路基体１０を切断し、クロスセクションポリッシャー（ＣＰ）を用いて研磨することで研磨面を得る。次に、この研磨面を観察面として、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）付設のエネルギー分散型Ｘ線分析装置（ＥＤＳ）用いて、接合層２および金属層３をそれぞれ構成する成分とその含有量を測定すればよい。または、接合層２および金属層３をそれぞれ削り取り、ＩＣＰや蛍光Ｘ線分析装置（ＸＲＦ）を用いて、接合層２および金属層３をそれぞれ構成する成分とその含有量を測定してもよい。
また、接合層２の第２領域２ｂが、サイアロンまたはアルミニウムシリサイドであることを確認する方法としては、元素分析を行った際に、アルミニウムと珪素が同一に存在するときには、アルミニウムシリサイドを有しているとみなし、珪素とアルミニウムと酸素と窒素が同一に存在するときには、サイアロンを有しているとみなす。
また、本開示の第４の実施形態の回路基体１０は、図４に示すように、接合層２と金属層３との間に中間層４を備え、この中間層４は、チタン、タングステンまたはモリブデンを含んでいてもよい。
中間層４は、接合層２の第１領域２ａ中のアルミニウムが金属層３へ拡散することを抑制しやすい。また、接合層２の強度を維持できる。さらに、接合層２の第１領域２ａ中のアルミニウム合金と中間層４との親和性により、基体１と金属層３とをさらに強固に接合できる。したがって、加熱および冷却が繰り返されても、接合層２に亀裂が発生しにくい。
また中間層４は、例えば、構成する全成分１００質量％のうち、チタン、タングステンおよびモリブデンの合計が５０質量％以上であってもよい。
また、中間層４の平均厚みは、例えば、０．５μｍ以上５μｍ以下であってもよい。
なお、中間層４の存在の確認は、上述した研磨面を観察面として、電子線マイクロアナライザー（ＥＰＭＡ）を用いて面分析を行ない、面分析のカラーマッピングにおいて、チタン、タングステンまたはモリブデンの層が存在するか否かで判断すればよい。また、中間層４を構成する成分の含有量は、上述した研磨面を観察面として、ＳＥＭ付設のＥＤＳ用いて測定すればよい。
また、本開示の第４の実施形態の回路基体１０における中間層４に含まれるチタンは、水素化物、酸化物、窒化物、炭化物、または炭窒化物として存在していてもよい。このような構成を満足するならば、加熱および冷却が繰り返されても、接合層２の第１領域２ａ中のアルミニウムが金属層３へ拡散することをさらに抑制することができ、接合層２の強度をより維持できる。さらに、接合層２の第１領域２ａ中のアルミニウム合金と中間層４との親和性により、基体１と金属層３とをさらに強固に接合できることから、加熱および冷却が繰り返されても、接合層２に亀裂が発生しにくいものとなる。
また中間層４は、例えば、構成する全成分１００質量％のうち、チタンが５０質量％以上であってもよい。
なお、中間層４に含まれるチタンに水素化物、酸化物、窒化物、炭化物または炭窒化物が存在するか否かは、以下の方法で確認すればよい。まず、上述した研磨面を観察面として、ＥＰＭＡを用いて面分析を行なう。そして、面分析のカラーマッピングにおいて、チタンと酸素とが同時に存在する箇所が確認された場合、酸化物が存在しているとみなす。また、面分析のカラーマッピングにおいて、チタンと窒素とが同時に存在する箇所が確認された場合、窒化物が存在しているとみなす。また、面分析のカラーマッピングにおいて、チタンと炭素とが同時に存在する箇所が確認された場合、炭化物が存在しているとみなす。また、面分析のカラーマッピングにおいて、チタンと炭素と窒素が同時に存在する箇所が確認された場合、炭窒化物が存在しているとみなす。なお、水素化物の確認方法としては、中間層を切り出して二次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ）を用いて、水素化物の存在を確認すればよい。
また、本開示の回路基体１０は、図５に示すように、基体１にフィン５を設けてもよい。
また、フィン５は、接合層２とは反対側の基体１に設けてもよい。
また、フィン５は、例えばアルミニウムで構成されていてもよい。このように、フィン５が、熱伝導率の高いアルミニウムで構成されていることから、フィン５を設けることでより放熱性を高めることができる。
また、本開示の回路基体１０は、図５に示すように、基体１とフィン５との間に接合層２が位置していてもよい。
また、本開示の回路基体１０の接合層２は、図２または図３で示すように、第１領域２ａと第２領域２ｂとを有していてもよい。
また、本開示の回路基体１０における基体１は、内部に流路を備えていてもよい。このような構成を満足するならば、流路に冷却用の流体（以下、冷媒と記載する）を流すことで、金属層３上の電子部品を効果的に冷却することができる。なお、流路は、どのような形状および大きさであっても構わない。
また、本開示の放熱基体２０は、図６に示すように、上記回路基体１０と部材６とにより、流路７を構成している。ここで、部材６は、アルミニウムまたはアルミニウム合金からなる。このような構成を満足していることから、本開示の放熱部材２０は、部材がセラミックス等で構成される場合に比べて、軽量であるとともに、放熱性に優れることから、流路７に冷媒を流すことで、金属層３上の電子部品を効果的に冷却することができる。
また、本開示の放熱基体２０は、図６に示すように、回路基体１０の基体１と部材５との間に接合層２が位置していてもよい。このような構成を満足するならば、セラミックスからなる基体１とアルミニウムまたはアルミニウム合金からなる部材５とが強固に接合され、本開示の放熱基体２０は長期間の使用に適したものとなる。
また、本開示の電子装置は、上記回路基体１０における金属層３上に位置する電子部品を備えるものである。または、上記放熱基体２０の回路基体１０における金属層３上に位置する電子部品を備えるものである。このような構成を満足していることで、本開示の電子装置は、長期間の使用が可能であり、信頼性に優れる。
ここで、電子部品としては、例えば、発光ダイオード（ＬＥＤ）素子、レーザダイオード（ＬＤ）素子、絶縁ゲート・バイポーラ・トランジスタ（ＩＧＢＴ）素子、インテリジェント・パワー・モジュール（ＩＰＭ）素子、金属酸化膜型電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）素子、フリーホイーリングダイオード（ＦＷＤ）素子、ジャイアント・トランジスタ（ＧＴＲ）素子、ショットキー・バリア・ダイオード（ＳＢＤ）、高電子移動トランジスタ（ＨＥＭＴ）素子、相補型金属酸化膜半導体（ＣＭＯＳ）等の半導体素子、昇華型サーマルプリンタヘッドまたはサーマルインクジェットプリンタヘッド用の発熱素子、ペルチェ素子等を用いることができる。
以下、本開示の回路基体の製造方法の一例について説明する。
まず、公知の方法により、セラミックスからなる基体を準備する。具体的には、セラミックス原料を坏土にして押出すか、テープ状にして積層することによって成型体を作製し、焼成することで、基体を作製することができる。なお、基体は、内部に流路を備えていてよい。
次に、銅を９０質量％以上含む金属層を準備する。ここで、後述する接合層と金属層との間に、チタン、タングステンまたはモリブデンを含む中間層を介在させるには、アルコキシド系やキレート系である、チタン、モリブデンまたはタングステンの化合物を含んだ溶剤を金属層にスクリーン印刷、刷毛塗り、インクジェット塗布、バーコーターまたはスプレー等により塗布し、１５０℃以上６５０℃以下の温度で１５分以上熱処理することによって、事前に金属層に中間層を形成しておく。ここで、スクリーン印刷を用いる場合は、中間層を任意の厚みにする事が容易となる。また、このようなアルコキシド系やキレート系である、チタン、モリブデンまたはタングステンの化合物を含んだ溶剤を用いることで、中間層の面積が大きくとも、膜質を均一に、かつ早く形成することが可能である。また、中間層を介在させる別の手法として、スパッタリング、蒸着、イオンプレーティング、めっき、成膜等で形成してもよい。
なお、中間層にチタン水素化物、チタン酸化物、チタン窒化物、チタン炭化物、またはチタン炭窒化物を含ませるには、以下の方法を用いることができる。
チタン水素化物の場合には、スパッタリング、蒸着、イオンプレーティング、めっき、成膜、またはチタンを含んだ溶剤を印刷することでチタン含有層を形成した後に、水素ガス雰囲気にて５５０℃以下での熱処理を行う。
また、チタン酸化物の場合には、チタンを含んだ溶剤を印刷することでチタン含有層を形成した後に、不活性ガス雰囲気にて５００℃以上６５０℃以下での熱処理を行う。
また、チタン窒化物の場合には、スパッタリング、蒸着、イオンプレーティング、めっき、成膜、またはチタンを含んだ溶剤を印刷することでチタン含有層を形成した後に、窒素雰囲気にて５００℃以上６５０℃以下の熱処理を行う。
また、チタン炭窒化物の場合には、チタンを含んだ溶剤を印刷することでチタン含有層を形成した後に、窒素雰囲気にて５００℃以上６５０℃以下の熱処理を行う。
また、チタン炭化物の場合には、チタンを含んだ溶剤を印刷することでチタン含有層を形成した後に、不活性ガス雰囲気または窒素雰囲気のいずれかにて５００℃以上６５０℃以下の熱処理を行なえばよい。
上記の「チタンを含んだ溶剤」の溶剤としては、アルコキシド系またはキレート系等の溶剤を用いることができる。
次に、接合層となる、シロキサンとアルミニウムとを含んだペーストを作製する。ここで、シロキサンとアルミニウムとの配合比は、後述する接合時の熱処理後に、接合層を構成する全成分１００質量％のうち、アルミニウム、珪素および酸素の合計が９５質量％以上となるようにすればよい。
また、アルミニウムは麟片状の粉末を用いても良い。このような粉末を用いることによって、アルミニウムが広範囲に広がることから、接合層を効率よく形成することができる。特に、第２領域２ｂを形成しやすくなる。
また、麟片状のアルミニウムの厚みは、例えば、１μｍ以上５μｍ以下であってもよい。
また、麟片状のアルミニウムの外径は、例えば、１０μｍ以上２０μｍ以下であってもよい。
次に、基体または金属層（金属層が中間層を有している場合は中間層）の一方の接合する面にスクリーン印刷、刷毛塗り、インクジェット塗布、バーコーターまたはスプレー等を用いて、接合層となるペーストを塗布する。ここで、スクリーン印刷を用いる場合は、接合層を任意の厚みにする事が容易となる。
次に、１×１０-1Ｐａ以下の真空中にて５６０℃以上７００℃以下の温度で１５分以上熱処理を行なう。この熱処理により、シロキサン中のＳｉ－Ｏ－Ｓｉ基とアルミニウムとが反応し、アルミニウム合金が形成される。また、シロキサン中のＳｉ－Ｏ－Ｓｉ基とアルミニウムとが反応するときに、基体の表面側が分解されてアルミニウムシリサイドやサイアロンなどの化合物が形成される。例えば基体が酸化アルミニウム質セラミックスの場合はアルミニウムシリサイドが形成される。基体が窒化アルミニウム質セラミックス、または窒化珪素質セラミックス等の窒化物系セラミックスの場合はサイアロンが形成される。このようにして、シリサイドまたはサイアロンを有する接合層が形成される。シリサイドまたはサイアロンは、基体が有するアルミニウムや珪素と親和性が高い。したがって、接合層は、基体と金属層とを強固に接合することができる。これにより、本開示の回路基体を得る。
なお、中間層がチタン窒化物を有するならば、熱処理により、シロキサン中のＳｉ－Ｏ－Ｓｉ基とアルミニウムとが反応し、形成されたアルミニウム合金を含む溶解物とチタン窒化物とは濡れ性がよいため、空孔の発生が無く、より強固に接合することができる。
また、中間層がチタン、タングステン、モリブデン、チタン水素化物、チタン酸化物、チタン炭化物を有していても良い。
また、凹部を備えたアルミニウムまたはアルミニウム合金からなる部材を準備し、上述した接合層となるペーストを熱処理する前に、基体と部材とにより流路を構成するように、基体と部材との間に接合層となるペーストを配置した後に、上述した条件で熱処理を行なえば、本開示の放熱基体を得る。
そして、回路基体または放熱基体の金属層上に電子部品を載置することで、本開示の電子装置を得る。
１：基体
２：接合層
２ａ：第１領域
２ｂ：第２領域
３：金属層
４：中間層
５：フィン
６：部材
７：流路
１０：回路基体
２０：放熱基体

Claims (8)

  1. セラミックスからなる基体と、
    該基体上に位置する接合層と、
    該接合層上に位置する金属層と、を備え、
    該金属層は、銅を含み、
    前記接合層は、アルミニウム、珪素および酸素を含み、
    前記接合層は、第１領域と第２領域を備え、
    該第１領域は、アルミニウムまたはアルミニウム合金の少なくとも一方を有し、該第２領域は、サイアロンまたはアルミニウムシリサイドである、
    回路基体。
  2. 前記接合層と前記金属層との間に中間層を備え、
    該中間層は、チタン、タングステンまたはモリブデンを含む、請求項１に記載の回路基体。
  3. 前記チタンが、水素化物、酸化物、窒化物、炭化物、または炭窒化物として存在している、請求項２に記載の回路基体。
  4. 前記基体は、内部に流路を備える、請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の回路基体。
  5. 請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の回路基体と、アルミニウムまたはアルミニウム合金からなる部材とにより、流路を構成する放熱基体。
  6. 前記基体と前記部材との間に前記接合層が位置する、請求項５に記載の放熱基体。
  7. 請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の回路基体における前記金属層上に位置する電子部品を備える、電子装置。
  8. 請求項５または請求項６に記載の放熱基体の前記回路基体における前記金属層上に位置する電子部品を備える、電子装置。
JP2021509454A 2019-03-25 2020-03-24 回路基体およびこれを備える放熱基体または電子装置 Active JP7122461B2 (ja)

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