JP2007096032A - 絶縁基板及び半導体装置並びに絶縁基板の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】熱応力に起因したはんだクラックや剥離等の不具合を抑制することができる絶縁基板を提供することを課題とする。
【解決手段】Ａｌからなるベース板１の表面上にＡｌ_２Ｏ_３からなる絶縁層２が配置され、この絶縁層２の表面上に配線層３が配置されている。配線層３は、絶縁層２の表面上にそれぞれ導電層として順次積層されたＡｌ層４、Ｃｕ層５及びＭｏ層６の３層からなると共に、絶縁層２に近い導電層から遠い導電層に向かって順に熱膨張係数が小さくなるように構成されており、この配線層３の各導電層の間や、配線層３とベース板１との間に生じる熱応力、及び配線層３表面と電子部品との間に生じる熱応力を小さく抑えることができる。
【選択図】図１

Description

この発明は、絶縁基板に係り、特に半導体素子等の電子部品が搭載される絶縁基板に関する。
また、この発明は、このような絶縁基板を用いた半導体装置及び絶縁基板の製造方法にも関している。

従来より、放熱性の優れたＡｌ等からなるベース板の表面上に絶縁層と、Ｃｕ等からなる配線層とが順次積層されて形成された絶縁基板が用いられている。このような絶縁基板は、配線層の表面にはんだを介して半導体素子等の電子部品を接合して半導体装置として使用することができる。

ところが、半導体素子等の電子部品に使用されているＳｉ等の半導体材料に比べて、ベース板を形成しているＡｌは大きな熱膨張係数を有し、電子部品とベース板の熱膨張係数の差が大きいため、温度変化に対して電子部品と絶縁基板の配線層表面との間に熱応力が発生することが知られている。したがって、電子部品のはんだ付け時やヒートサイクル発生時に熱応力が大きくなると、電子部品を接合するはんだにクラックを生じて熱的及び電気的信頼性が低下するおそれがある。

そこで、特許文献１に開示されている絶縁基板では、ＣｕとＷとの混合物から配線層を作製することによりＣｕからなる配線層よりも低膨張な配線層を形成し、電子部品と絶縁基板の配線層表面との間の熱応力の緩和を図っている。

特開平７−２８３４９９号公報

しかしながら、特許文献１のように単純に配線層を低膨張なものにすると、こんどは配線層とベース板との熱膨張係数の差が大きくなり、したがって電子部品のはんだ付け時やヒートサイクル発生時にこれら配線層とベース板との間で生じる熱応力が大きくなって、配線層と絶縁層との間で剥離を生じたり、反りが発生して絶縁層とベース板との間で剥離を生じるおそれがあった。
この発明はこのような問題点を解消するためになされたもので、熱応力に起因したはんだクラックや剥離等の不具合を抑制することができる絶縁基板を提供することを目的とする。
また、この発明は、このような絶縁基板を用いた半導体装置及びこのような絶縁基板を得ることができる絶縁基板の製造方法を提供することも目的としている。

この発明に係る絶縁基板は、ベース板と、ベース板の表面上に形成される絶縁層と、溶射法により絶縁層の表面上に順次積層形成される複数の導電層からなり且つ絶縁層に近い導電層から遠い導電層に向かって順次小さい熱膨張係数を有するように構成された配線層とを備えるものである。
なお、ベース板をＡｌから形成すると共に絶縁層をＡｌ_２Ｏ_３から形成し、配線層を、絶縁層の表面上に順次積層されるＡｌ層、Ｃｕ層及びＭｏ層から形成することができる。

この発明に係る半導体装置は、上記の絶縁基板と、絶縁基板の配線層の表面上に搭載された半導体素子とを備えるものである。

この発明に係る絶縁基板の製造方法は、ベース板を用意し、ベース板の表面上に絶縁層を形成し、絶縁層の表面上に、複数の導電層を大きい熱膨張係数を有するものから順に溶射法で積層形成することにより配線層を形成する方法である。
また、絶縁層は溶射法によりベース板の表面上に形成されることが好ましい。

この発明によれば、熱応力に起因したはんだクラックや剥離等の不具合を抑制することができる。

以下、この発明の実施の形態を添付図面に基づいて説明する。
図１に、この発明の実施の形態に係る絶縁基板の断面を示す。この絶縁基板は、Ａｌからなるベース板１の表面上にＡｌ_２Ｏ_３からなる絶縁層２が配置され、この絶縁層２の表面上に配線層３が配置されることにより形成されている。ここで、配線層３は、絶縁層２の表面上にそれぞれ導電層として順次積層されたＡｌ層４、Ｃｕ層５及びＭｏ層６の３層から構成されている。
このような絶縁基板は、配線層３の表面、すなわちＭｏ層６の表面に図示しないはんだを介して電子部品である半導体素子７を接合して半導体装置として使用することができる。

ここで、配線層３におけるＡｌ層４、Ｃｕ層５及びＭｏ層６をそれぞれ形成する材料の熱膨張係数は、Ａｌが２３×１０^−６／℃、Ｃｕが１７．５×１０^−６／℃、Ｍｏが５．１×１０^−６／℃程度である。すなわち、これらＡｌ層４、Ｃｕ層５及びＭｏ層６のうちＡｌ層４が最も大きな熱膨張係数を有し、Ｃｕ層５及びＭｏ層６の順に熱膨張係数が小さくなる。このように、配線層３は、絶縁層２に近い導電層から遠い導電層に向かって順に熱膨張係数が小さくなるように構成されている。

このような構成を有する絶縁基板の製造方法について説明する。まず、Ａｌからなるベース板１を用意し、このベース板１の表面上に溶射法によりＡｌ_２Ｏ_３からなる絶縁層２を形成する。次に、絶縁層２の表面上に溶射法によりＡｌ層４を形成し、このＡｌ層４の表面上に溶射法によりＣｕ層５を形成する。さらに、Ｃｕ層５の表面上に溶射法によりＭｏ層６を形成し、これによりＡｌ層４、Ｃｕ層５及びＭｏ層６からなる３層構造の配線層３が形成される。溶射法を用いることにより、容易に各層の厚さを調整することができる。
このようにして、絶縁基板が製造される。

次に、この実施の形態に係る絶縁基板の作用を説明する。配線層３は、絶縁層２上に形成されるＡｌ層４からＣｕ層５及びＭｏ層６の順に熱膨張係数が小さくなるため、これらＡｌ層４とＣｕ層５の間、及びＣｕ層５及びＭｏ層６の間の熱応力を小さく抑えることができると共に、配線層３の最も絶縁層２側にＡｌ層４が位置することにより配線層３とベース板１との間の熱応力も小さく抑えることができる。したがって、電子部品のはんだ付け時やヒートサイクル発生時に、熱応力に起因して配線層３の各導電層の間や、配線層３と絶縁層２との間で剥離を生じたり、この絶縁基板全体に反りが発生して絶縁層２とベース板１との間で剥離を生じることを抑制することができる。

また、この絶縁基板は、ベース板１の上に絶縁層２や配線層３の各導電層をそれぞれ溶射法で積層形成することにより製造されるため、クラッド法や溶接法、ロウ付け法等を用いることなく容易に製造することができる。
また、絶縁層２はＡｌ_２Ｏ_３からなり、この絶縁層２上にＡｌ_２Ｏ_３に対する優れた密着性を有するＡｌ層４が形成されるため、絶縁層２と配線層３との間の密着性が向上する。

ここで、以下の表１に示される構成Ａ〜Ｃのように、ベース板の厚さ３ｍｍ、絶縁層２の厚さ２５０μｍ、配線層３の全体の厚さ３００μｍを一定としたまま、Ａｌ層４，Ｃｕ層５及びＭｏ層６の厚さの比率を変化させてそれぞれこの実施の形態に係る絶縁基板を製造した。そして、配線層３の表面、すなわちＭｏ層６の表面における熱膨張係数をひずみゲージを用いて測定した。

構成Ａでは、Ａｌ層４、Ｃｕ層５及びＭｏ層６がいずれも１００μｍの厚さを有してＡｌ層４、Ｃｕ層５及びＭｏ層６の板厚比率が１：１：１となり、このときＭｏ層６表面の熱膨張係数は１１．５×１０^−６／℃程度であった。また、構成Ｂでは、Ａｌ層４及びＣｕ層５の双方が７５μｍの厚さを有すると共にＭｏ層６が１５０μｍの厚さを有してＡｌ層４、Ｃｕ層５及びＭｏ層６の板厚比率が１：１：２となり、このときＭｏ層６の表面の熱膨張係数は１０．６×１０^−６／℃程度であった。さらに、構成Ｃでは、Ａｌ層４及びＣｕ層５の双方が６０μｍの厚さを有すると共にＭｏ層６が１８０μｍの厚さを有してＡｌ層４、Ｃｕ層５及びＭｏ層６の板厚比率が１：１：３となり、このときＭｏ層６表面の熱膨張係数は１０．１×１０^−６／℃程度であった。

ここで、配線層３のＡｌ層４、Ｃｕ層５及びＭｏ層６の板厚比率に対するＭｏ層６表面の熱膨張係数の値をグラフに表すと、図２のようになる。この図２から、Ａｌ層４及びＣｕ層５の厚さに対するＭｏ層６の厚さの比率を大きくするほど、Ｍｏ層６表面の熱膨張係数が小さくなることがわかる。なお、本発明では溶射法によって配線層３を構成する各層を積層するので厚さの調整が容易である。

また、配線層３の表面、すなわちＭｏ層６の表面に搭載される半導体素子７等の電子部品としては各種のものがあるが、例えばチップ抵抗は７×１０^−６／℃程度の、チップコンデンサは１０×１０^−６／℃程度の、Ｓｉ半導体回路チップは２．６×１０^−６／℃程度の熱膨張係数をそれぞれ有している。そこで、Ｍｏ層６表面の熱膨張係数が、搭載される半導体素子７の熱膨張係数に近い値となるように、配線層３のＡｌ層４、Ｃｕ層５及びＭｏ層６の厚さを選択して形成することにより、温度変化に対して絶縁基板の配線層３の表面と半導体素子７等の電子部品との間に大きな熱応力が発生することを抑制することができる。その結果、電子部品のはんだ付け時やヒートサイクル発生時に熱応力により電子部品の反りの発生や、電子部品を接合するはんだのクラックの発生を抑制でき、これにより、はんだ寿命が向上すると共に熱的及び電気的信頼性の高い半導体装置が実現される。また、応力緩和のためのヒートスプレッダ等を用いる必要がないため、単純な構成を有する半導体装置を得ることができ、組み付け工数やコスト低減といった効果ももたらされる。

なお、上述の実施の形態において、配線層３のＡｌ層４、Ｃｕ層５及びＭｏ層６はそれぞれ、高速フレーム溶射（ＨＶＯＦ）またはコールドスプレーなどの溶射法により形成することができる。
また、絶縁層２は、大気圧プラズマ溶射（ＡＰＳ）または溶棒式フレーム溶射（ローカイド）などの溶射法により形成することができる。また、エアロゾルデポジション法及び減圧プラズマ法を用いても良い。この場合、大気圧プラズマ溶射または溶棒式フレーム溶射に比べ緻密組織が形成でき、高熱伝導化が期待できる。

ここで、コールドスプレー法と大気圧プラズマ溶射法によりそれぞれＣｕ層を形成し、その断面組織を観察したところ、コールドスプレー法により形成されたＣｕ層では、金属粒子の酸化はほとんど見られず、気孔率は１％程度であるのに対し、大気圧プラズマ溶射法により形成されたＣｕ層では、金属粒子の表層が酸化しており、１０％程度の気孔率が確認された。また、Ｃｕ層の残留応力は、コールドスプレー法により形成した場合には圧縮力、大気圧プラズマ溶射法により形成した場合には引張り力であった。

なお、上述の実施の形態において、配線層３を構成する３つの導電層のうち絶縁層２から最も遠くに位置する層は、Ｍｏの代わりに、導電性を有するその他各種の材料から形成することができ、特に、この導電層の表面に搭載される半導体素子７等の電子部品の熱膨張係数と近い値の熱膨張係数を有するＷまたはＩｎｖａｒ合金等の低膨張な金属により形成することが好ましい。

また、配線層３の３つの導電層のうち絶縁層２の最も近くに位置する層は、その他の導電層よりも大きい値の熱膨張係数を有するものであれば、Ａｌの他に、導電性を有する各種の材料から形成することができる。また、絶縁層２の材質との密着性に優れた材料が好ましく、絶縁層２がＡｌ_２Ｏ_３の場合はＡｌが密着性に優れている。
さらに、配線層３の３つの導電層のうち中間に位置する層は、絶縁層２に最も近い導電層より小さく且つ絶縁層２から最も遠い導電層より大きい値の熱膨張係数を有するものであれば、Ｃｕの他に、導電性を有する各種の材料から形成することができる。

また、配線層３は３層構造に限らず、２つの導電層あるいは４つ以上の導電層を積層したものから形成することができ、この場合も、絶縁層２に近い導電層から遠い導電層に向かって順に熱膨張係数が小さくなるように構成すれば、上述の実施の形態１と同様の効果が得られる。
すなわち、配線層３を構成する導電層の数や、各導電層を構成する材料及び厚さを選択することにより、この絶縁基板の各層の間に生じる熱応力、及び搭載される電子部品との間に生じる熱応力を効果的に低減することができる。

なお、絶縁層２は、Ａｌ_２Ｏ_３の代わりに、例えばＺｒＯ_２、ＴｉＯ_２またはＳｉＯ_２等の絶縁性を有する各種の材料から形成することができる。また、溶射法とは別の方法により絶縁層２を形成してもよい。
また、ベース板１は、Ａｌの他、各種の材料から形成することができ、特にＣｕ、ＦｅまたはＡｌ／ＳｉＣ複合材等の高い放熱性を有する材料から形成することが好ましい。
なお、ベース板１及び絶縁層２のそれぞれの厚さや剛性、材質などに合わせて、配線層３を構成する導電層の数や、各導電層を形成する材料や板厚を適宜選択することが好ましい。

この発明の実施の形態に係る絶縁基板に半導体素子を実装した様子を示す断面図である。 配線層を構成する導電層の板厚比率に対する配線層表面の熱膨張係数の関係を示すグラフである。

符号の説明

１ ベース板、２ 絶縁層、３ 配線層、４ Ａｌ層、５ Ｃｕ層、６ Ｍｏ層、７ 半導体素子。

Claims (5)

1. ベース板と、
   前記ベース板の表面上に形成される絶縁層と、
   溶射法により前記絶縁層の表面上に順次積層形成される複数の導電層からなり且つ前記絶縁層に近い導電層から遠い導電層に向かって順次小さい熱膨張係数を有するように構成された配線層と
   を備えることを特徴とする絶縁基板。
2. 前記ベース板はＡｌからなり、
   前記絶縁層はＡｌ_２Ｏ_３からなり、
   前記配線層は、前記絶縁層の表面上に順次積層されるＡｌ層、Ｃｕ層及びＭｏ層からなる請求項１に記載の絶縁基板。
3. 請求項１または２に記載の絶縁基板と、
   前記絶縁基板の前記配線層の表面上に搭載された半導体素子と
   を備えることを特徴とする半導体装置。
4. ベース板を用意し、
   前記ベース板の表面上に絶縁層を形成し、
   前記絶縁層の表面上に、複数の導電層を大きい熱膨張係数を有するものから順に溶射法で積層形成することにより配線層を形成する
   ことを特徴とする絶縁基板の製造方法。
5. 前記絶縁層は、溶射法により前記ベース板の表面上に形成される請求項４に記載の絶縁基板の製造方法。

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