JP2011129731A - 配線基板およびその製造方法ならびに半導体モジュール - Google Patents
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Abstract
【解決手段】配線基板100を、基材となるベース金属部材1と、酸化アルミニウムを含むセラミックス微粒子を原料粉末としてベース金属部材の面に溶射して形成された絶縁層2とによって作製する。絶縁層のX線回折法の回折強度から求まる結晶変換指数が所定の値以上、好ましくは、0.6以上とする。
【選択図】図3
Description
(1)セラミックス絶縁板56は、材質自体の熱伝導率の値が大きくてもセラミックス絶縁板56としての熱抵抗は低下させにくい。
(2)セラミックスベース配線基板500は、配線層53を有するセラミックス絶縁層56とベース金属とをハンダ付けによって接合して作製されることにより界面の数が増える。
(3)そのハンダ層57自体の層厚が比較的厚く2〜3mm程度にならざるを得ない。
なお、セラミックス絶縁板56の熱抵抗を低下させにくいのは、熱抵抗だけを目的として薄く作製しても、セラミックス絶縁板アセンブリ50として形状を保つための機械的強度が確保できず、熱抵抗だけの側面からみると過大な厚みとせざるを得ないためである。ちなみに、本出願の記載において説明に用いる「熱抵抗」とは、(温度差ΔT)=(熱抵抗R)×(熱流Q)として表現されるRであり、例えば℃/WまたはK/Wを単位とする数値によって表現される量である。この熱抵抗Rは、板状の物体の厚み方向への熱流のみがある場合には、(熱抵抗R)=(物体の厚み)/(物体の面積)/(物体の熱伝導率)によって算出される。
図3は、本発明の第1実施形態にかかる溶射法を用いる配線基板100の作製工程において、各段階の構造を示す断面図である。図3(a)、(b)は、それぞれ、溶射処理中および溶射処理後の配線基板状態を示している。本実施形態においては、まず、ベース金属板1(ベース金属部材)に、酸化アルミニウムや酸化珪素などのセラミックスからなる絶縁層2aを溶射によって形成する。このために、本実施形態においてはプラズマ溶射法を用いる。このプラズマ溶射法を採用すると、溶射の際に原料粉末として用いるセラミックス微粒子2Aが、例えば2000以上10000℃以下となっている作動ガスのプラズマによって熱せられつつ噴射される(図3(a))。この溶射の際には、溶射処理の諸条件を予め調整しておく。この溶射処理の諸条件には、主として、溶射ガンの動作条件と、基材と溶射ガンの動作系の動作条件とがある。前者には、アーク電流値や電圧値、1次ガス種類および流量、2次ガス種類および流量、ならびに、原料粉末送り速度が含まれ、後者には、溶射距離、溶射角度、溶射ガンと基材との相対移動速度、および、基材の表面温度が含まれる。溶射の際には、不要な部分に原料粉末が溶射されないようにマスクM1が用いられる。原料粉末2Aは、基材すなわち金属ベース基板1に吹き付けられて堆積し、絶縁層2aとなる(図3(b))。絶縁層2aの厚みは主に回路電圧とその耐絶縁性を考慮して設定されるが、その厚みの数値範囲の例を挙げれば、50μm程度から500μm程度までの範囲とされる。この厚みは、上述の溶射処理の諸条件を調整して変更することができる。
本実施形態において、これらの例において再構成以外の条件はすべて同様であり、各例の試料はこれまで述べたような実施形態により作製される。具体的には、本実施形態では、ベース金属板1として寸法70×40×3(mm)の銅基板が採用され、平均粒子径1μmのアルミナ微粒子を用いたプラズマ溶射法により、厚さ200μmのアルミナ溶射層がその銅基板上に形成された。また、この際に用いられた作動ガスはアルゴン(Ar)であり、前述のプラズマ溶射法としては大気プラズマ溶射法が採用された。
X線回折測定装置:ATX−G(理学株式会社製)
測定モード: 2θ/ωモード
スキャン角度範囲:10°〜140°
角度分解能: 0.005°step
掃引速度: 5°/min
測定方法:フラッシュ法
測定装置:LFA447(Nanoflash)(NETZSCH社製)
照射光: キセノンランプ
雰囲気: 空気中
測定温度:25℃
測定方向:厚さ方向
比熱: DSC法
かさ密度:試料の質量と断面積および厚さ計測から計算
熱伝導率:熱伝導率=熱拡散率×比熱×密度 の関係から算出。
比較例1は、全く再構成処理を施さない場合の例である。すなわち、上述の図3(a)から図3(b)までのように処理することにより、絶縁層を溶射によって形成した配線基板を作製した。その後に大気中にて室温保存しただけの試料を比較例1の試料とした。この比較例1の試料からは、図4(a)に示したX線回折強度が得られた。このX線回折強度から得られた比較例1の試料における絶縁層の結晶変換指数は7.5であった。そして、比較例1の試料から求められた絶縁層の気孔率は25%であり、測定された熱伝導率は4W/m・Kであった。
比較例2は、最初に試行した再構成処理条件において得られた試料の例である。具体的には、まず、上述の図3(a)から図3(b)までのように処理することにより、絶縁層を溶射によって形成した配線基板を作製した。その後に圧力3×104Paの減圧雰囲気下で温度300℃に5時間保持して図3(c)に示した配線基板100を比較例2の試料とした。このような再構成条件を設定したのは、この程度の熱処理によって絶縁層中においてα−アルミナの割合が増加するか、または、気孔率が減少することを狙いとしたものであり、比較例1の値よりも増大した熱伝導率が得られる可能性を調べるためである。しかし、この比較例2の試料の絶縁層から得られたX線回折強度は、図4(b)に示すようなものであった。すなわち、X線回折強度は、測定範囲の至る角度で小さい値しか示さず、この強度から計算される結晶変換指数は0.0であった。このようなX線回折強度は、測定された膜がアモルファス状態となっていることを示している。また、比較例2の試料の絶縁層にから求められた気孔率は30%であり、さらにその熱伝導率の測定値は3W/m・Kであった。
次に、実施例1について説明する。この実施例1の試料は、熱伝導率の値を十分高めるために、再構成処理の効果を最大限引き出すことを目的とする熱処理の条件を設定して作製したものである。具体的には、図3(a)から図3(b)までのように処理することにより作製された配線基板100に対して、電気炉にて設定温度900℃、100時間の熱処理を行なって、図3(c)に示した配線基板100の実施例1の試料が作製された。この際、窒素ガス(N2)を電気炉内に流すことにより、ベース金属部材1の酸化を防止した。そのようにして再構成処理を行った絶縁層のX線回折強度を測定したところ、図4(c)に示したようなX線回折強度が得られた。さらに、そのX線回折強度から求まる実施例1の試料の結晶変換指数は96%、その気孔率は15%、そしてその熱伝導率の測定値は14W/m・Kであった。
上述の各試料に加えて、実施例1の条件よりも処理時間の短縮を目指して温度条件を変更した熱処理によって作製した試料が、実施例2の試料である。具体的には、図3(a)から図3(b)のように処理することにより、絶縁層を溶射によって形成した試料を、電気炉にて設定温度1000℃の条件によって5時間熱処理して、図3(c)に示した配線基板100の実施例2の試料が作製された。この熱処理に際しては、実施例1と同様に窒素ガス(N2)を電気炉内に流すことにより、ベース金属部材1の酸化を防止した。このようにして作製した実施例2の試料のX線回折強度を測定したところ、図4(d)に示したX線回折強度が得られた。そのX線回折強度から求まる実施例2の試料の結晶変換指数は0.6であった。また、実施例2の試料の気孔率は20%と計算され、そしてその熱伝導率の測定値は10W/m・Kであった。
本実施形態は、上述の実施例1および2といった例に加えて、絶縁層にさらに金属層を形成するような実施形態によって実施することもできる。以下、この形態を第1実施形態の変形例1として説明する。
このようにして金属層3も溶射によって作製することができる。
変形例2においては、図3に示した絶縁層の再構成処理の後に、例えば銅箔などの金属箔(図示しない)を絶縁層2に接合する。この接合工程においては、まず金属箔の接合面が清浄にされる。すなわち、その後の接合に障害となる汚れや金属箔の接合面に形成されている化合物が除去される。次に、その金属箔を絶縁層2(図3(c))上に積層した後、電気炉によって熱処理を行って金属箔を絶縁層2に直接接合する。この処理のための熱処理の条件は、例えば、設定温度が1050℃で、処理時間が5時間という条件を採用することができる。なお、金属箔の清浄化から金属箔を積層するまでのハンドリングは窒素(N2)雰囲気中にて行い、その後の熱処理の際にも、ベース金属部材1と金属箔の露出している面の酸化を防止するために電気炉には窒素ガス(N2)を流しておく。
次に、再構成処理において熱処理に加えて加圧処理を行う形態について説明する。本実施形態における加圧処理は、絶縁層に対して面の法線方向に加える荷重すなわち圧力を利用する処理をいう。このような加圧処理は、例えば予め適切な加圧具となる冶具を作製して加圧すること、または、プレス装置によって加圧することなどによって実現することができる。
本発明の実施形態には、上述の実施形態によって作製された配線基板を用いるパワー半導体モジュールも含まれる。以下、そのパワー半導体モジュールを提供するための実施形態として本発明の第3実施形態について説明する。
実施形態1および2に関連して、絶縁層の熱伝導率を増大させる原因についてα−アルミナの比率に関連して説明してきた。ここで、本願の発明はそのようなメカニズムのみによって実現していることを要求するものではなく、他のメカニズムによって実現される実施形態も本願の発明の一部となり得る。
2 絶縁層(再構成処理後)
2a 絶縁層(溶射したままのもの)
2A セラミックス粉末(原料粉末)
3、33、53 金属層
3A 金属粉末(原料粉末)
10 半導体回路素子
12 ボンデイングワイヤー
14 成型樹脂
16 リードフレーム
35 樹脂絶縁層
50 セラミックス絶縁板アセンブリ
54 接合用金属層
56 セラミックス絶縁板
57 ハンダ層
100、120、150、300、500 配線基板
200 半導体モジュール
M1、M2 マスク
Claims (22)
- 前記所定の値が0.6である
請求項1に記載の配線基板。 - 前記絶縁層は、溶射によって形成された後に熱処理されている
請求項1または請求項2に記載の配線基板。 - 前記絶縁層は、溶射によって形成された後に加圧処理されている
請求項1乃至請求項3のいずれかに記載の配線基板。 - 前記絶縁層の上にパターン化された金属層をさらに備え、
前記絶縁層の加圧処理が、前記パターン化された金属層とともに前記絶縁層を加圧して行われる
請求項4に記載の配線基板。 - 前記絶縁層の上に形成された金属層をさらに備え、
前記金属層は、銅、白金、タングステン、アルミニウム、ニッケル、鉄、チタン、モリブデンからなる群から選ばれる少なくとも1種類の金属、または、当該群に含まれるいずれかの金属を少なくとも含む合金により形成される金属層である
請求項1乃至請求項4のいずれかに記載の配線基板。 - 前記金属層は、金属箔を絶縁層に接合させた金属層である
請求項5または請求項6に記載の配線基板。 - 前記金属層は、パターンをなすように溶射された金属層である
請求項5または請求項6に記載の配線基板。 - 前記絶縁層の気孔率が20%以下である
請求項1乃至請求項8のいずれかに記載の配線基板。 - 前記絶縁層の厚さが50μm以上500μm以下である
請求項1乃至請求項9のいずれかに記載の配線基板。 - 前記所定の値が0.6である
請求項11に記載の配線基板の製造方法。 - 前記絶縁層形成ステップを経て絶縁層が形成された基材に絶縁層の結晶構造を再構成する処理を施す膜質再構成ステップをさらに含む
請求項11または請求項12に記載の配線基板の製造方法。 - 前記膜質再構成ステップが熱処理ステップを含む
請求項13に記載の配線基板の製造方法。 - 前記膜質再構成ステップが、前記絶縁層が加圧される加圧処理ステップを含む
請求項13または請求項14に記載の配線基板の製造方法。 - 前記絶縁層の上に金属層を形成する金属層形成ステップをさらに含み、
前記金属層は、前記金属層形成ステップにおいてパターン化されて形成されるか、または、前記金属層形成ステップより後にパターン化されており、
前記加圧処理ステップが、前記金属層形成ステップより後に、パターン化された金属層とともに前記絶縁層が加圧されるステップである
請求項15に記載の配線基板の製造方法。 - 前記絶縁層の上に、銅、白金、タングステン、アルミニウム、ニッケル、鉄、チタン、モリブデンからなる群から選ばれる少なくとも1種類の金属、または、当該群に含まれるいずれかの金属を少なくとも含む合金の金属層を形成する金属層形成ステップをさらに含む
請求項11乃至請求項15のいずれかに記載の配線基板の製造方法。 - 前記金属層形成ステップは、金属箔を前記絶縁層上に接合させる処理を含む
請求項16または請求項17に記載の配線基板の製造方法。 - 前記金属層形成ステップは、前記金属層がパターンをなすように前記絶縁層上に前記金属層を溶射する処理を含む
請求項16または請求項17に記載の配線基板の製造方法。 - 前記絶縁層形成ステップにおいて形成された絶縁層の気孔率が20%以下になるようにされる
請求項11乃至請求項19のいずれかに記載の配線基板の製造方法。 - 前記絶縁層形成ステップは、絶縁層を厚さ50μm以上500μm以下に形成するものである
請求項11乃至請求項20のいずれかに記載の配線基板の製造方法。 - 請求項1乃至請求項10のいずれかに記載の配線基板、または、請求項11乃至請求項21のいずれかに記載の製造方法によって製造された配線基板を備える
半導体モジュール。
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