JP2017135197A - Circuit board - Google Patents
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Abstract
Description
本開示は、回路基板に関する。 The present disclosure relates to circuit boards.
半導体素子等の電子部品の搭載に、セラミックスからなる基体上に金属からなる回路層が形成された回路基板が用いられている。使用にあたって電子部品から生じる熱は回路層を介して基体に伝わるものであり、使用前後と使用中とでは温度差があるため、回路基板は繰り返し温度サイクルを受ける。そのため、このような回路基板では、基体と回路層との接合強度を高めるため、基体を構成するセラミックスおよび回路層を構成する金属の両方と高い密着性を有するチタンを主成分とする層が、基体と回路層との間に設けられている(特許文献1参照)。 A circuit board in which a circuit layer made of metal is formed on a base made of ceramic is used for mounting electronic parts such as semiconductor elements. In use, heat generated from the electronic component is transferred to the substrate through the circuit layer, and there is a temperature difference between before and after use and during use, so the circuit board is repeatedly subjected to a temperature cycle. Therefore, in such a circuit board, in order to increase the bonding strength between the base body and the circuit layer, a layer mainly composed of titanium having high adhesion to both the ceramics constituting the base body and the metal constituting the circuit layer, It is provided between a base | substrate and a circuit layer (refer patent document 1).
近年、回路基板の薄型化・小型化が進んでおり、優れた機械的強度および放熱性を有する基体が必要であることから、セラミックスの中でも、高い機械的強度および高い熱伝導率を有する窒化珪素質セラミックス採用されてきている。しかしながら、窒化珪素質セラミックスとチタンとは密着性が高くないため、窒化珪素質セラミックスを基体として用いる構成において、回路層が剥離しにくく、熱的信頼性に優れた回路基板が求められている。 In recent years, circuit boards have been made thinner and smaller, and a substrate having excellent mechanical strength and heat dissipation is required. Therefore, among ceramics, silicon nitride having high mechanical strength and high thermal conductivity. Ceramics have been adopted. However, since silicon nitride ceramics and titanium do not have high adhesion, there is a need for a circuit board having excellent thermal reliability because the circuit layer is difficult to peel off in a configuration using silicon nitride ceramics as a substrate.
本発明は、このような事情に鑑みて案出されたものであり、繰り返される温度サイクルによっても、基体から回路層が剥離しにくく、熱的信頼性に優れた回路基板を提供するものである。 The present invention has been devised in view of such circumstances, and provides a circuit board having excellent thermal reliability in which a circuit layer is hardly peeled off from a substrate even by repeated temperature cycles. .
本開示の回路基板は、窒化珪素質セラミックスからなる基体と、該基体上に位置する第1層と、該第1層上に位置するチタンを主成分とする第2層と、該第2層上に位置する回路層とを備え、前記第1層は、酸化アルミニウムを主成分とするものである。 A circuit board according to the present disclosure includes a base made of silicon nitride ceramics, a first layer located on the base, a second layer mainly containing titanium located on the first layer, and the second layer And the first layer is mainly composed of aluminum oxide.
本開示の回路基板は、繰り返される温度サイクルによっても、基体から回路層が剥離しにくく、熱的信頼性に優れる。 The circuit board of the present disclosure is excellent in thermal reliability because the circuit layer hardly peels from the base body even by repeated temperature cycles.
以下、本実施形態の一態様の回路基板について、図1を参照しながら説明する。 Hereinafter, a circuit board of one embodiment of the present embodiment will be described with reference to FIG.
本実施形態の一態様の回路基板10は、窒化珪素質セラミックスからなる基体1と、基体1上に位置する第1層2と、第1層2上に位置するチタンを主成分とする第2層3と、第2層3上に位置する回路層4とを備えている。
The
ここで、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80質量%以上を占めるものである。そして、窒化珪素質セラミックスであるか否かは、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。)の値よりJCPDSカードを用いて同定することにより、窒化珪素の存在を確認する。次に、ICP(Inductively Coupled Plasma)発光分光分析装置(ICP)を用いて、珪素(Si)の定量分析を行なう。そして、ICPで測定して得られた珪素の含有量を窒化珪素(Si3N4)に換算し、窒化珪素の含有量が80質量%以上であれば、窒化珪素質セラミックスである。 Here, the silicon nitride ceramics are those in which silicon nitride occupies 80% by mass or more out of 100% by mass of all components constituting the silicon nitride ceramics. And it can be confirmed with the following method whether it is silicon nitride ceramics. First, measurement is performed using an X-ray diffractometer (XRD), and the presence of silicon nitride is confirmed by identifying the obtained 2θ (2θ is a diffraction angle) using a JCPDS card. Next, quantitative analysis of silicon (Si) is performed using an ICP (Inductively Coupled Plasma) emission spectroscopic analyzer (ICP). And if silicon content obtained by measuring by ICP is converted into silicon nitride (Si 3 N 4 ) and the silicon nitride content is 80% by mass or more, it is silicon nitride ceramics.
また、第2層3における主成分とは、第2層3を構成する全成分100質量%のうち、50質量%を超える成分のことである。
The main component in the
また、第1層2は、酸化アルミニウムを主成分とする層である。ここで、第1層2における主成分とは、第1層2を構成する全成分100質量%のうち、50質量%を超える成分のことである。
The
本実施形態の回路基板10は、窒化珪素質セラミックスからなる基体1とチタンを主成分とする第2層3との間に第1層2が位置している。第1層2は、酸化アルミニウムを主成分とし、窒化珪素およびチタンの両方と密着性がよいことから、基体1と第2層3とは強固に接合される。よって、本実施形態の回路基板10は、繰り返される温度サイクルによっても、基板1から回路層4が剥離しにくく、熱的信頼性に優れている。
In the
そして、酸化アルミニウムを主成分とする第1層2およびチタンを主成分とする第2層3の存在の確認は、以下の方法で行なえばよい。
The presence of the
まず、図1に示すような断面形状となるように、回路基板10を切断する。そして、この切断面を、クロスセクションポリッシャー(CP)を用いて研磨するか、または集束イオンビーム(FIB)を用いて加工することで観察面を得る。次に、この観察面を、走査型電子顕微鏡(SEM)または透過型電子顕微鏡(TEM)に付設の電子線マイクロアナライザー(EPMA)を用いて線分析を行なう。なお、EPMAの線分析とは、2次元分析法と言われるものであり、直線状に測定位置を変化させることにより、含有成分の含有量の分布の相対的変化を確認することができるものである。
First, the
基体1上の構成において主成分が異なる場合には、SEMまたはTEMの観察における色調差により主成分が異なる領域の存在を確認することができる。例えば、主成分が酸化アルミニウムである領域と、主成分がチタンである領域とが層状に存在するときには、SEMまたはTEMの観察により層の存在を確認することができる。このように、層の存在が確認できた場合には、回路層4側から基体1側に、若しくは基体側から回路層4側に向かって線分析を行ない、アルミニウムと酸素とが同時に検出され、アルミニウムの含有量から酸化アルミニウム(Al2O3)に換算した値が50質量%を超える領域が第1層2である。また、線分析により、チタンが検出され、チタンの含有量が50質量%を超える領域が第2層3である。
When the main component is different in the configuration on the
なお、上記方法以外に、SEMまたはTEMに付設のエネルギー分散型X線分光器(EDS)を用いて、第1層2および第2層3の存在の確認を行なってもよい。まず、EDSにより、観察面における基体1側から回路層4側にかけて、一定間隔(例えば、10nm)毎にスポット(φ10nm)を当て、そのスポットにおける組成を確認することにより、第1層2および第2層3の存在の確認を行なってもよい。ここで、アルミニウムと酸素
とが同時に検出され、アルミニウムの含有量から酸化アルミニウムに換算した値が50質量%を超えているスポットが、基体1との界面に沿って3カ所以上存在するときには、その領域を第1層2とみなしてよい。また、チタンが検出され、チタンの含有量が50質量%を超えているスポットが、基体1との界面に沿って3カ所以上存在するときには、その領域を第2層3とみなしてよい。
In addition to the above method, the presence of the
また、第1層2の厚みは、例えば、50nm以上2000nm以下である。第1層2の厚みが50nm以上2000nm以下であるときには、回路層4と基体1との間の熱伝達の阻害を抑制しつつ、基体1および第2層3との密着性を高くできる。
Moreover, the thickness of the
また、第2層3の厚みは、例えば、50nm以上2000nm以下である。第2層3の厚みが50nm以上2000nm以下であるときには、第1層2および回路層4との密着性を高くできる。
The thickness of the
また、回路層4は、例えば、回路層4を構成する全成分100質量%のうち、銅を80質量%以上含有する金属層である。このように、回路層4が、低い電気抵抗率および高い熱伝導率を有する銅を80質量%以上含有していれば、回路層4に大電流を流しても、回路層4の温度が過度に上昇することを抑制することできる。なお、回路層4を構成する成分は、ICPを用いて分析すればよい。
Moreover, the
また、回路層4の厚みは、例えば、100μm以上である。特に、回路層4の放熱性を高める観点によれば、回路層4の厚みは300μm以上である。
Moreover, the thickness of the
また、第1層2が、基体1との界面側にあたる第1領域に珪素の窒化物を含有しているときには、基体1と第1領域との熱膨張係数が近似し、熱膨張係数の差に起因するクラックの発生が抑制されるため、繰り返される温度サイクルによっても、基体1から第1層2がより剥離しにくくなる。ここで、第1領域とは、第1層2において、基体1との界面から第2層3側にかけて15nmまでの領域のことである。
Further, when the
なお、第1領域における珪素の窒化物の存在の確認は、以下の方法で行なえばよい。まず、上述した観察面を準備し、SEMまたはTEMを用いて、基体1との界面から第2層3側にかけて15nmまでの領域(第1領域)を観察する。そして、この第1領域にスポット(φ10nm)を当て、そのスポットにおける組成を確認する。そして、珪素および窒素が同時に検出されるか否かで珪素の窒化物の存在を確認できる。
The presence of silicon nitride in the first region may be confirmed by the following method. First, the above-described observation surface is prepared, and a region (first region) of up to 15 nm is observed from the interface with the
また、第1層2は、第2層3との界面側にあたる第2領域にチタンを含有していてもよい。一方、第2層3は、第1層2との界面側にあたる第3領域に酸化アルミニウムを含有していてもよい。ここで、第2領域とは、第1層2において、第2層3との界面から基体1側にかけて15nmまでの領域のことである。また、第3領域とは、第2層3において、第1層2との界面から回路層4側にかけて15nmまでの領域のことである。このような構成を満たせば、第2領域と第3領域との熱膨張係数が近似し、熱膨張係数の差に起因するクラックの発生が抑制されるため、繰り返される温度サイクルによって、第1層2から第2層3がより剥離しにくくなる。
The
ここで、第2領域におけるチタンおよび第3領域における酸化アルミニウムの存在の確認は、以下の方法で行なえばよい。まず、上述した観察面を準備し、SEMまたはTEMに付随のEDSによって、第2領域および第3領域にスポット(φ10nm)を当て、そのスポットにおける組成を確認する。そして、第2領域においてチタンが検出されるか否かで第2領域におけるチタンの存在を確認できる。また、第3領域においてアルミニウムおよび酸素が同時に検出されたら、酸化アルミニウムが第3領域に存在するとみなしてよ
い。
Here, the presence of titanium in the second region and aluminum oxide in the third region may be confirmed by the following method. First, the observation surface described above is prepared, a spot (φ10 nm) is applied to the second region and the third region by EDS attached to the SEM or TEM, and the composition at the spot is confirmed. The presence of titanium in the second region can be confirmed based on whether titanium is detected in the second region. Further, if aluminum and oxygen are simultaneously detected in the third region, it may be considered that aluminum oxide is present in the third region.
また、本実施形態の一態様の回路基板10は、基体1の内部に流路を備えていてもよい。このような構成ならば、流路に気体や液体等の流体を流すことで、回路基板10の温度調整を容易に行なうことが可能となる。
In addition, the
次に、本実施形態の一態様の回路基板10の製造方法の一例について説明する。
Next, an example of a method for manufacturing the
まず、主成分である窒化珪素粉末を用意し、これに焼結助剤、溶媒および有機バインダを所定量添加して、ボールミルやビーズミル等を用いて所定の粒径となるまで粉砕することで、スラリーを作製する。 First, by preparing a silicon nitride powder as a main component, adding a predetermined amount of a sintering aid, a solvent and an organic binder to this, and pulverizing it to a predetermined particle size using a ball mill or a bead mill, Make a slurry.
次に、このスラリーを用いて、公知のドクターブレード法によってグリーンシートとし、加圧プレス法で成形することにより成形体を得る。または、スラリーを噴霧乾燥した顆粒を用いて、ロールコンパクション法によってグリーンシートとし、加圧プレス法で成形することにより成形体を得る。さらには、冷間等方圧成型(CIP)法で成形した後、切削加工により成形体を得たり、上述した原料を用いて作製した坏土を用いて押し出し成形することで、成形体を得ればよい。 Next, this slurry is used to form a green sheet by a known doctor blade method and molded by a pressure press method to obtain a molded body. Alternatively, using a granule obtained by spray-drying the slurry, a green compact is obtained by a roll compaction method, and a compact is obtained by molding by a pressure press method. Furthermore, after molding by cold isostatic pressing (CIP) method, a molded body is obtained by cutting, or by extrusion molding using the clay prepared using the above-mentioned raw materials, a molded body is obtained. Just do it.
そして、得られた成形体を、窒化珪素の含有量に応じた温度および焼成雰囲気で焼成することによって、窒化珪素質セラミックスからなる基体1を得る。なお、基体1は、必要に応じて研磨および研削を行なっても構わない。
And the base |
次に、第1層2を基体1上に形成する。第1層2は、酸化アルミニウムのターゲットを用い、スパッタ法で形成すればよい。または、アルミニウムのターゲットを用い、成膜中に酸素を流すことで第1層2を形成してもよい。このように、スパッタ法を用いることで、所望の膜厚に対し均質な組成の層を形成することができる。
Next, the
ここで、第1層2をスパッタ法で形成する際に、基体1を150℃以上に加熱することによって、基体1から窒素および珪素を第1層2内に拡散させ、第1層2の第1領域に珪素の窒化物を含有させることができる。
Here, when the
次に、第2層3を第1層2上に形成する。第2層3は、チタンのターゲットを用い、スパッタ法で形成すればよい。
Next, the
次に、第2層3上に回路層4を形成することで、本実施形態の一態様の回路基板10を得る。回路層4は、湿式めっき法、スパッタ法、金属ペーストを用いた印刷法等により、任意の金属を選択し形成すればよい。特に、湿式めっき法で回路層4を形成すれば、回路層4の形成時に基体1に対し高温負荷を与えることが無いことから、基体1に生じるひずみ等の残留応力の発生を抑えることができる。
Next, the
なお、第1層2、第2層3および回路層4を回路パターン状に形成する場合は、基体1に第1層2、第2層3および回路層4を形成した後に、回路層4上に任意形状のマスクを形成し、レーザーやブラストを用いたドライエッチング処理を行うか、薬液を用いたウェットエッチングを行ない、マスクが形成されていない箇所の第1層2、第2層3および回路層4を除去すればよい。
When the
1:基体
2:第1層
3:第2層
4:回路層
10:回路基板
1: Substrate 2: First layer 3: Second layer 4: Circuit layer 10: Circuit board
Claims (3)
該基体上に位置する第1層と、
該第1層上に位置するチタンを主成分とする第2層と、
該第2層上に位置する回路層とを備え、
前記第1層における主成分が酸化アルミニウムである回路基板。 A substrate made of silicon nitride ceramics;
A first layer located on the substrate;
A second layer mainly composed of titanium located on the first layer;
A circuit layer located on the second layer,
A circuit board in which the main component in the first layer is aluminum oxide.
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