JP7192100B2 - 窒化珪素回路基板、及び、電子部品モジュール - Google Patents
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Description
窒化珪素基板と、
前記窒化珪素基板の一方の面に設けられた第一の銅層と、
前記窒化珪素基板の他方の面に設けられた第二の銅層と
を備える窒化珪素回路基板であって、
前記窒化珪素基板の破壊靭性値Kcが5.0MPa・m0.5以上、10.0MPa・m0.5以下であり、
前記窒化珪素基板の線膨張率をαB(/℃)とし、前記窒化珪素基板のヤング率をEB(GPa)とし、前記第一の銅層の線膨張率をαA(/℃)、前記第二の銅層の線膨張率をαC(/℃)としたとき、
下記式(1)で表されるヒートショックパラメーターHS1、及び、下記式(2)で表されるヒートショックパラメーターHS2が、それぞれ1.30GPa以上、2.30GPa以下である、窒化珪素回路基板が提供される。
式(1) HS1=(αA-αB)×EB×(350-(-78))
式(2) HS2=(αC-αB)×EB×(350-(-78))
窒化珪素回路基板は、上記の窒化珪素回路基板である、電子部品モジュールが提供される。
まず、本実施形態の窒化珪素基板の構成について説明する。
本実施形態の窒化珪素回路基板について、図1、及び、図2を用いて説明する。図1は、本実施形態に係る窒化珪素回路基板の平面図であり、図2は本実施形態に係る窒化珪素回路基板の断面図である。
図2に示されるように、本実施形態に係る窒化珪素回路基板100は、窒化珪素基板10と、第一の銅層30と、第二の銅層20とを備えている。また、窒化珪素基板10と、第二の銅層20とは、ろう材層12を挟んで積層状態を構成しており、窒化珪素基板10と第一の銅層30とは、ろう材層13を挟んで積層状態を構成している。
式(1) HS1=(αA-αB)×EB×(350-(-78))
式(2) HS2=(αC-αB)×EB×(350-(-78))
例えば、窒化珪素基板10として、線膨張率αB=4.0×10-6(/℃)、ヤング率EB=250(GPa)の窒化珪素基板を用い、第一の銅層30の線膨張率αA=17.3×10-6(/℃)、第二の銅層20の線膨張率αC=17.3×10-6(/℃)としたとき、HS1=(αA-αB)×EB×(350-(-78))=1.42(GPa)、HS2=(αC-αB)×EB×(350-(-78))=1.42(GPa)となる。
式(1)で表されるヒートショックパラメーターHS1、及び、式(2)で表されるヒートショックパラメーターHS2、並びに、窒化珪素基板10の破壊靭性値Kcは、窒化珪素回路基板の製造に用いる各構成材料の種類、製造条件等を制御することによって調整することができる。
本実施形態によれば、上記のヒートショックパラメーターHS1、及び、HS2、並びに、窒化珪素基板10の破壊靭性値Kcを上記数値範囲内に設定し、窒化珪素回路基板に蓄積される残留応力と、窒化珪素基板のクラックの進展の程度を特定の範囲とすることで、クラックの進展等により生じる破壊やはがれの発生を防ぐことができ、電子部品モジュールとした際の接合強度不良または熱抵抗不良を低減することができる窒化珪素回路基板となる。
後述の実施例の結果から理解されるように、式(1)で表されるヒートショックパラメーターHS1、及び、式(2)で表されるヒートショックパラメーターHS2を1.80GPa以下とした場合、特に、信頼性・歩留りを向上させることができる窒化珪素回路基板を得ることができる。
以下、本実施形態に係る窒化珪素回路基板の各構成についてより詳細に説明する。
本実施形態に係る窒化珪素基板10は、第一の銅層30及び第二の銅層20を支持する機能を有する。ここで、窒化珪素基板10は、その厚み方向から見て矩形とされている。また、窒化珪素基板10の厚みは、0.2mm以上、1.5mm以下の範囲に設定され、本実施形態では、0.32mmとされている。なお、窒化珪素基板10の形状等は、本実施形態における一例であり、本発明に係る機能を発揮すれば本実施形態の場合と異なっていてもよい。
また、本実施形態に係る窒化珪素基板10は、そのヤング率EBが、250GPa以上、320GPa以下であることが好ましく、250GPa以上、300GPa未満であることがより好ましい。
また、本実施形態に係る窒化珪素基板10は、その線膨張率αBが、1.5×10-6/℃以上、4.0×10-6/℃以下であることが好ましく、1.5×10-6/℃以上、2.5×10-6/℃未満であることがより好ましい。
窒化珪素基板10の物性を上記態様に調整することで、ヒートショックパラメーターHS1、及び、HS2を上記数値範囲内に調整しやすくなり、また、より接合強度不良または熱抵抗不良を低減することができる。
第一の銅層30及び第二の銅層20は、その厚み方向から見て多角形とされている。第一の銅層30及び第二の銅層20の厚みは、0.5mm以上2.0mm以下の範囲に設定され、さらに好ましくは、0.8mm以上、1.2mm以下である。本実施形態では、一例として、0.8mmとされる。なお、第一の銅層30及び第二の銅層20の形状等は、本実施形態における一例であり、本発明に係る機能を発揮すれば本実施形態の場合と異なっていてもよい。
本実施形態に係る第一の銅層30及び第二の銅層20の線膨張率は銅の種類により変化するが、大きく変化することはないため、本実施形態においては、銅層の線膨張率は17.3×10-6(/℃)とする。
第一の銅層30及び第二の銅層20の物性を上記態様に調整することで、ヒートショックパラメーターHS1、及び、HS2を上記数値範囲内に調整しやすくなり、より接合強度不良または熱抵抗不良を低減することができる。
後述のように本実施形態に係る窒化珪素回路基板を電子部品モジュールとした場合、第一の銅層30上にはんだ層31等の接合層を介し、電子部品40が搭載され、第一の銅層30は、はんだ層及び電子部品と、窒化珪素基板10に挟まれ、これらの材料との熱膨張率差等により生じる熱ストレスが加わることとなるが、第一の銅層30における銅結晶の平均結晶粒径を上記数値範囲内とすることによって、より接合強度不良または熱抵抗不良を低減することができる。上記のメカニズムは明らかではないが、第一の銅層30における銅結晶の平均結晶粒径を上記数値範囲内とすることによって、第一の銅層30において、銅結晶が適度に粒界すべりを起こす等して応力が適度に緩和されるためと推測される。
後述のように本実施形態に係る窒化珪素回路基板を電子部品モジュールとした場合、第二の銅層20にはんだ層等の接合層を介し、ヒートシンクが接合され、第二の銅層20は、はんだ層及びヒートシンクと、窒化珪素基板10に挟まれ、これらの材料との熱膨張率差等により生じる熱ストレスが加わることとなるが、第二の銅層20における銅結晶の平均結晶粒径を上記数値範囲内とすることによって、より接合強度不良または熱抵抗不良を低減することができる。上記のメカニズムは明らかではないが、第二の銅層20における銅結晶の平均結晶粒径を上記数値範囲内とすることによって、第二の銅層20において、銅結晶が適度に粒界すべりを起こす等して応力が適度に緩和されるためと推測される。
また、第一の銅層30及び第二の銅層20における銅結晶の平均結晶粒径は、実施例に記載の方法で求めることができる。
本実施形態に係るろう材層12及びろう材層13は、窒化珪素基板10と第一の銅層30、窒化珪素基板10と第二の銅層20の間にそれぞれ配置され、第一の銅層30、又は、第二の銅層20を窒化珪素基板10に接合させている。ろう材層12及びろう材層13の厚みは、典型的には3μm以上40μm以下の範囲に設定され、さらに好ましくは、4μm以上25μm以下である。
チタン等の活性金属の添加量は、例えば、Agと、Cuと、SnまたはInの合計100質量部に対して、1.5質量部以上5.0質量部以下とすることができる。活性金属の添加量を適切に調整することで、セラミックス板に対する濡れ性を一層高めることができ、接合不良の発生を一層抑えることができる。
本実施形態において、窒化珪素回路基板は、第二の銅層20の窒化珪素基板10が設けられた面と反対側の面が、直接または接合材料層を介してヒートシンクと接合された形態とすることができ、図3に示す本実施形態の一例では、第二の銅層20は、接合材料層21を介しヒートシンク60と接合されている。
すなわち、本実施形態においては、第二の銅層20は、接合材料層21を介しヒートシンク60と接合されており、第二の銅層20のヒートシンク60と対抗する面は、封止樹脂部50によって覆われていない未被覆領域を有する。
本実施形態によれば、窒化珪素回路基板が、さらに、線膨張率の異なる封止樹脂部50に覆われている部分、及び、覆われていない未被覆領域を有する形態で用いられた場合であっても、また、窒化珪素回路基板における第二の銅層20が、さらに、線膨張率の異なるヒートシンク60と接合された形態で用いられた場合であっても、ヒートショックパラメーターHS1、及び、HS2、並びに、窒化珪素基板10の破壊靭性値を調整することによって、接合強度不良または熱抵抗不良を低減することができる。
また、電子部品40を接合するはんだ層31は、例えばSn‐Sb系、Sn‐Ag系、Sn‐Cu系、Sn‐In系、もしくはSn‐Ag‐Cu系のはんだ材(いわゆる鉛フリーはんだ材)とすることができる。
また、外部接続端子70は、例えば銅又は銅合金により形成され、ワイヤーボンディング71は例えば銅、銅合金、アルミニウム、金等により形成される。
封止樹脂部50は、封止樹脂部形成用樹脂組成物を硬化させることによって形成することができる。
封止樹脂部形成用樹脂組成物の種類は特に限定されず、トランスファーモールド用樹脂組成物、コンプレッション成形用樹脂組成物、液状封止材等、当該技術分野で通常使用される樹脂組成物を使用することができる。
封止樹脂部形成用樹脂組成物は、熱硬化性樹脂を含むことが好ましく、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、シアネート樹脂、ビスマレイミドトリアジン樹脂、アクリル樹脂、シリコーン樹脂から選ばれる1種又は2種以上を含むことが好ましく、少なくともエポキシ樹脂を含むことがより好ましい。
封止樹脂部形成用樹脂組成物は、硬化剤、充填材等を更に含んでいてよい。
充填材としては、溶融シリカ(球状シリカ)、結晶シリカ、アルミナ、炭化珪素、窒化珪素、窒化アルミニウム、窒化ホウ素、ベリリア、ジルコニア等の粉体又はこれらを球形化したビーズ、ガラス繊維、アラミド繊維、炭素繊維などが挙げられる。充填材は1種を単独で用いても2種以上を組み合わせて用いてもよい。封止樹脂部形成用樹脂組成物としては、例えばSiO2フィラー入りのエポキシ系樹脂等を用いることができる。
本実施形態において、第二の銅層20は、接合材料層21を介し、ヒートシンク60と接合されている。
なお、ヒートシンク60は、例えば、アルミニウムや銅、これらの合金等の高熱伝導率を有する材料によって形成され、アルミニウム、又は、アルミニウム合金で形成されることが好ましい。
本実施形態に係る窒化珪素回路基板は以下の方法で製造することができる。
まず、所望の物性を有する窒化珪素基板10を準備する。窒化珪素基板10は、以下の製造方法で得ることができる。すなわち、窒化珪素粉末、Y2O3、MgO等の焼結助剤を含む原料粉末と、有機溶剤と、必要に応じて有機バインダー、可塑剤等を、ボールミルで均一に混合して原料スラリーとする。得られた原料スラリーを脱泡・増粘した後、ドクターブレード法でシート成形して成形体を得る。得られたシート成形体を切断後、400~800℃で脱脂し、更に、焼成炉内で1700~1900℃で、1~10時間窒素雰囲気中で焼成することにより窒化珪素基板10を得ることができる。
ここで、窒化珪素基板10の破壊靭性値Kc、ヤング率EB、線膨張率αBは、窒化珪素基板10の製造方法、具体的には原料の配合や、焼成条件等の製造条件を制御することによって調整することができる。原料の配合や、他の製造条件との兼ね合いにもよるが、破壊靭性値Kcは、例えば、焼成条件(昇温速度、保持温度、保持時間、冷却速度等)を調整することで制御することができ、一例として、焼成温度を高くすれば破壊靭性値Kcは高くなり、焼成温度を低くすれば破壊靭性値Kcは低くなる。また、ヤング率EBは、例えば、焼成条件(昇温速度、保持温度、保持時間、冷却速度等)を調整することで制御することができ、一例として、焼成温度を高くすればヤング率EBが低くなり、焼成温度を低くすればヤング率EBが高くなる。また、他の製造条件との兼ね合いにもよるが、線膨張率αBは、例えば、焼結助剤の添加量を多くすれば小さくなり、焼結助剤の添加量を少なくすれば大きくなる。
次いで、フォトレジストに回路パターンを形成するため、回路パターンに準じたパターンの露光をする。この場合、回路パターンのネガ画像が形成されているフィルムをフォトレジストに密着させていわゆる一括露光によりフォトレジストを感光させても、いわゆる直描型露光装置を用いて(上記フィルムを用いずに)フォトレジストを感光させてもよい。
次いで、回路パターンに準じて感光したフォトレジストをエッチングする。
次いで、残ったフォトレジストを除去する。
この時、第二の銅層20については、エッチング処理無しとすることもできるし、同様にパターンを形成してもよい。さらに回路パターン形成後の第二の銅層20及び第一の銅層30にメッキを施すこともできる。
以上により、回路パターンが形成された状態の窒化珪素回路基板100が製造される。
以上のようにして、電子部品モジュールが作製される。
以下、参考形態の例を付記する。
1. 窒化珪素基板と、
前記窒化珪素基板の一方の面に設けられた第一の銅層と、
前記窒化珪素基板の他方の面に設けられた第二の銅層と
を備える窒化珪素回路基板であって、
前記窒化珪素基板の破壊靭性値Kcが5.0MPa・m 0.5 以上、10.0MPa・m 0.5 以下であり、
前記窒化珪素基板の線膨張率をα B (/℃)とし、前記窒化珪素基板のヤング率をE B (GPa)とし、前記第一の銅層の線膨張率をα A (/℃)、前記第二の銅層の線膨張率をα C (/℃)としたとき、
下記式(1)で表されるヒートショックパラメーターHS1、及び、下記式(2)で表されるヒートショックパラメーターHS2が、それぞれ1.30GPa以上、2.30GPa以下である、窒化珪素回路基板。
式(1) HS1=(α A -α B )×E B ×(350-(-78))
式(2) HS2=(α C -α B )×E B ×(350-(-78))
2. 前記第一の銅層における銅結晶の平均結晶粒径が50μm以上、500μm以下である、1.に記載の窒化珪素回路基板。
3. 前記第二の銅層における銅結晶の平均結晶粒径が50μm以上、500μm以下である、1.又は2.に記載の窒化珪素回路基板。
4. 前記窒化珪素基板のヤング率E B が、250GPa以上、320GPa以下である、1.乃至3.のいずれか一つに記載の窒化珪素回路基板。
5. 前記窒化珪素基板の線膨張率α B が、1.5×10 -6 /℃以上、4.0×10 -6 /℃以下である、1.乃至4.のいずれか一つに記載の窒化珪素回路基板。
6. 封止樹脂部によって封止された形態で用いられる、1.乃至5.のいずれか一つに記載の窒化珪素回路基板。
7. 前記形態は、前記第二の銅層の前記窒化珪素基板が設けられた面と反対側の面が、前記封止樹脂部によって覆われていない未被覆領域を有する形態である、6.に記載の窒化珪素回路基板。
8. 前記形態は、前記第二の銅層の前記窒化珪素基板が設けられた面と反対側の面が、直接または接合材料層を介してヒートシンクと接合された形態である、6.又は7.に記載の窒化珪素回路基板。
9. 前記第一の銅層は、回路パターンに形成された銅層である、1.乃至8.のいずれか一つに記載の窒化珪素回路基板。
10. 前記第二の銅層は、ヒートシンク接合用銅層である、1.乃至9.のいずれか一つに記載の窒化珪素回路基板。
11. 窒化珪素回路基板と、前記窒化珪素回路基板に搭載された電子部品と、前記窒化珪素回路基板および前記電子部品を封止する封止樹脂部とを備える電子部品モジュールであって、
窒化珪素回路基板は、1.乃至10.いずれかに記載の窒化珪素回路基板である、電子部品モジュール。
12. 前記第二の銅層の前記窒化珪素基板が設けられた面と反対側の面が、前記封止樹脂部よりも、前記窒化珪素基板から離れる方向に凸である、11.に記載の電子部品モジュール。
以下の方法で、HS1、HS2、及び破壊靭性値KCの異なる複数の窒化珪素回路基板を準備し、後述するヒートサイクル試験を行った。
原料の配合や、焼成条件を調整することによって、各種の線膨張率αB、ヤング率EB、破壊靭性値KCを有する窒化珪素基板B-1~B-10(148mm×200mm×0.32mm)を準備した。
線膨張率が17.3×10-6/℃、厚み0.8mmの圧延銅板を準備した。
表1に示す組み合わせの窒化珪素基板と銅板を用いて窒化珪素回路基板1~10を製造した。
まず、ろう材(活性金属を含む)として、Ag粉末(福田金属箔粉工業株式会社製:Ag-HWQ 2.5μm)89.5質量部、Cu粉末(福田金属箔粉工業株式会社製:Cu-HWQ 3μm)9.5質量部、Sn粉末(福田金属箔粉工業株式会社製:Sn-HPN 3μm)1.0質量部の合計100質量部に対して、水素化チタン粉末(トーホーテック株式会社製:TCH-100)を3.5質量部含むろう材を準備した。
上記ろう材と、バインダー樹脂と、溶剤とを混合し、ろう材ペーストを得た。このろう材ペーストを、窒化珪素基板の両面に、各面での乾燥厚みが約10μmとなるように、スクリーン印刷法で塗布した。
その後、窒化珪素基板の両面に銅板を重ね、1.0×10-3Pa以下の真空中にて780℃、30分の条件で加熱し、窒化珪素基板と銅板をろう材で接合した。これにより、窒化珪素基板と銅板とがろう材で接合された窒化珪素-銅複合体を得た。さらに、得られた窒化珪素-銅複合体銅層にエッチングレジストを印刷し、塩化第二鉄溶液でエッチングして回路パターンを形成し、窒化珪素回路基板を得た。
窒化珪素回路基板1について、下記の方法で銅の平均結晶粒径を評価したところ、第一の銅層における銅結晶の平均結晶粒径が250μm、第二の銅層における銅結晶の平均結晶粒径が255μmであった。
(1)銅板及び窒化珪素基板の線膨張率(αB)
JIS R 1618に基づき、熱機械分析装置(TMA:thermomechanical analyzer)で、各銅板、及び、各窒化珪素基板の25℃~400℃における線膨張率(線膨張係数)を測定した。
(2)窒化珪素基板のヤング率(EB)
JIS R1602に基づき、静的撓み法で測定した。試験片形状は3mm×4mm×40mmとした。
(3)窒化珪素基板の破壊靭性値(KC)
JIS R 1607に基づき、IF法で測定した。すなわち、窒化珪素基板の表面にビッカース圧子を2kgfで押し込み、ビッカース圧痕の対角線の長さ、各端部から伸びるクラックの長さにより窒化珪素基板の破壊靱性値を評価した。
窒化珪素回路基板における第一の銅層及び第二の銅層の銅の平均結晶粒径を以下の方法で求めた。
(1)各実施例および比較例で得られたセラミックス回路基板を、主面に垂直で、かつ、基板の重心を通る断面で切断した。切断にはコンターマシンを用いた。
(2)切断した窒化珪素回路基板を樹脂包埋し、樹脂包埋体を作成した。
(3)作成した樹脂包埋体中の複合体断面を、ダイヤモンド砥粒を用いてバフ研磨した。
具体的には、まず、上記で研磨された第一の銅層又は第二の銅層のほぼ中心付近で、加速電圧15kVの条件で、50倍の観察視野において、電子線後方散乱回折(EBSD)法による分析を行い、データを取得した。EBSD法には、株式会社日立ハイテクノロジーズ製のSU6600形電界放出形走査顕微鏡、および、株式会社TSLソリューションズ製の解析装置を用いた。
まず、常温(一例として20℃)の試験対象の接合基板を150℃の環境内に移動し、150℃の環境内で15分間保持する(第1工程)。
次いで、接合基板を150℃の環境内から-55℃の環境内に移動し、-55℃の環境内で15分間保持する(第2工程)。
そして、第1工程と第2工程とを交互に2000回繰り返す。
次いで、超音波探傷測定により、銅層の剥離の有無を観察する。
評価基準を以下に示す。
○:剥離の発生がなかった。
△:剥離が少し発生した。
具体的には、剥離が発生した窒化珪素回路基板2を基準とし、剥離の発生が見られたが窒化珪素回路基板2と同程度であった、又は、剥離の発生が見られたが窒化珪素回路基板2よりも程度が軽かったものを△とした。
×:剥離が多く発生した。
具体的には、剥離の発生が見られた窒化珪素回路基板2を基準とし、剥離の発生が見られ、窒化珪素回路基板2よりも多くの剥離が発生したものを×とした。
12 ろう材層
13 ろう材層
20 第二の銅層
21 接合材料層
22 第二の銅層下面
30 第一の銅層
31 はんだ層
40 電子部品
50 封止樹脂部
51 封止樹脂部下面
60 ヒートシンク
70 外部接続端子
71 ワイヤーボンディング
100 窒化珪素回路基板
Claims (12)
- 窒化珪素基板と、
前記窒化珪素基板の一方の面に設けられた第一の銅層と、
前記窒化珪素基板の他方の面に設けられた第二の銅層と
を備える窒化珪素回路基板であって、
前記窒化珪素基板の破壊靭性値Kcが5.0MPa・m0.5以上、10.0MPa・m0.5以下であり、
前記窒化珪素基板の線膨張率をαB(/℃)とし、前記窒化珪素基板のヤング率をEB(GPa)とし、前記第一の銅層の線膨張率をαA(/℃)、前記第二の銅層の線膨張率をαC(/℃)としたとき、
下記式(1)で表されるヒートショックパラメーターHS1、及び、下記式(2)で表されるヒートショックパラメーターHS2が、それぞれ1.30GPa以上、1.80GPa以下である、窒化珪素回路基板。
式(1) HS1=(αA-αB)×EB×(350-(-78))
式(2) HS2=(αC-αB)×EB×(350-(-78)) - 前記第一の銅層における銅結晶の平均結晶粒径が50μm以上、500μm以下である、請求項1に記載の窒化珪素回路基板。
- 前記第二の銅層における銅結晶の平均結晶粒径が50μm以上、500μm以下である、請求項1又は2に記載の窒化珪素回路基板。
- 前記窒化珪素基板のヤング率EBが、250GPa以上、320GPa以下である、請求項1乃至3のいずれか一項に記載の窒化珪素回路基板。
- 前記窒化珪素基板の線膨張率αBが、1.5×10-6/℃以上、4.0×10-6/℃以下である、請求項1乃至4のいずれか一項に記載の窒化珪素回路基板。
- 封止樹脂部によって封止された形態で用いられる、請求項1乃至5のいずれか一項に記載の窒化珪素回路基板。
- 前記形態は、前記第二の銅層の前記窒化珪素基板が設けられた面と反対側の面が、前記封止樹脂部によって覆われていない未被覆領域を有する形態である、請求項6に記載の窒化珪素回路基板。
- 前記形態は、前記第二の銅層の前記窒化珪素基板が設けられた面と反対側の面が、直接または接合材料層を介してヒートシンクと接合された形態である、請求項6又は7に記載の窒化珪素回路基板。
- 前記第一の銅層は、回路パターンに形成された銅層である、請求項1乃至8のいずれか一項に記載の窒化珪素回路基板。
- 前記第二の銅層は、ヒートシンク接合用銅層である、請求項1乃至9のいずれか一項に記載の窒化珪素回路基板。
- 窒化珪素回路基板と、前記窒化珪素回路基板に搭載された電子部品と、前記窒化珪素回路基板および前記電子部品を封止する封止樹脂部とを備える電子部品モジュールであって、
窒化珪素回路基板は、請求項1乃至10いずれかに記載の窒化珪素回路基板である、電子部品モジュール。 - 前記第二の銅層の前記窒化珪素基板が設けられた面と反対側の面が、前記封止樹脂部よりも、前記窒化珪素基板から離れる方向に凸である、請求項11に記載の電子部品モジュール。
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