JP2020158375A - 窒化アルミニウム基板、電子装置及び電子モジュール - Google Patents

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Abstract

【課題】熱伝導率の高い窒化アルミニウム基板、並びに、このような窒化アルミニウム基板を備えることで信頼性の高い電子装置及び電子モジュールを提供する。【解決手段】この窒化アルミニウム基板(10)は、複数の窒化アルミニウム結晶粒(Q)が連続する粒子集合体(4)と、複数の窒化アルミニウム結晶粒(Q)の隙間に位置する粒界相(2)とを備え、基板の縦断面には、各々が枝状に分岐する形状を有し、互いに分断された複数の枝状粒界相(2b)が含まれる構成とした。電子装置及び電子モジュールは、窒化アルミニウム基板(10)を用いた配線基板を備える構成とした。【選択図】図1

Description

本開示は、窒化アルミニウム基板、電子装置及び電子モジュールに関する。
特許文献1には、結晶粒の周辺に粒界相が分散形成された窒化アルミニウム焼結体が開示されている。
特開2003−201179号公報
粒界相が均一に含まれる窒化アルミニウム基板では、均一に分布する粒界相により分子振動が散乱されやすく、それにより熱伝導率が低下するという課題がある。一方、粒界相を除去するために、窒化アルミニウムの焼結中に粒界相を蒸発させてしまうと、粒界相の蒸発部分がボイドとなって高い熱伝導率を得ることができない。
本開示は、熱伝導率の高い窒化アルミニウム基板、並びに、このような窒化アルミニウム基板を備えることで信頼性の高い電子装置及び電子モジュールを提供することを目的とする。
本開示に係る窒化アルミニウム基板は、
複数の窒化アルミニウム結晶粒が連続する粒子集合体と、
前記複数の窒化アルミニウム結晶粒の隙間に位置する粒界相と、
を備え、
基板の縦断面には、各々が枝状に分岐する形状を有し、互いに分断された複数の枝状粒界相が含まれる構成とした。
本開示に係る電子装置は、
上記の窒化アルミニウム基板を含んだ配線基板と、前記配線基板に搭載される電子部品とを備える構成とした。
本開示の係る電子モジュールは、
上記の電子装置と、前記電子装置を搭載したモジュール基板とを備える構成とした。
本開示によれば、熱伝導率の高い窒化アルミニウム基板、並びに、信頼性の高い電子部品及び電子モジュールを提供できるという効果が得られる。
本開示に係る実施形態の窒化アルミニウム基板の断面を示す模式図である。 図1の断面の詳細を示す拡大図である。 基板縦断面における粒子集合体及び枝状粒界相の特徴を説明する図である。 基板縦断面における枝状粒界相の特徴を説明する図である。 基板縦断面における粒子集合体の形状の特徴を説明する図である。 焼結工程後の基板の縦断面を示す模式図である。 本開示に係る実施形態の電子装置及び電子モジュールを示す図である。
以下、本開示の実施形態について図面を参照して詳細に説明する。
図1は、本開示に係る実施形態の窒化アルミニウム基板の断面を示す模式図である。図2は、図1の断面の詳細を示す拡大図である。
実施形態の窒化アルミニウム基板10は、絶縁性と熱伝導性とを有するAlN(窒化アルミニウム)基板であり、電子部品が搭載される配線基板の基体として利用される。窒化アルミニウム基板10は、図2に示すように、AlN(窒化アルミニウム)結晶粒Qと、AlN結晶粒Qの隙間に位置する粒界相2とを含む。AlN結晶粒Qの間にはボイド5が含まれることもある。以下、複数のAlN結晶粒Qが三次元状で連続した構成を粒子集合体4と記す。
粒界相2は、焼結前のAlN原料に添加された焼結助剤が、焼結時に不純物酸素又はアルミニウム酸化物と反応して形成される液相物質である。
窒化アルミニウム基板10の縦断面を見たとき、図1に示されるように、粒界相2は、各々が枝状に分岐した形状を有しかつ互いに分断された複数の枝状粒界相2bとして現れる。ここで、枝状粒界相2bとは、縦断面において連続していれば1つの枝状粒界相2bと定義され、縦断面において分断されていれば3次元で連続していても複数の枝状粒界相2bと定義される。縦断面とは基板面S1に垂直な断面を意味する。
粒界相2の形態及び密度は、焼結助剤の量、焼結時の加熱温度、加熱時間及び冷却速度により、制御することができる。例えば、粒界相は、AlN原料の焼結時に低い冷却速度が採用されることで、粒状で基板内に均等に点在するように形成される。また、AlN原料の焼結時に高い冷却速度が採用されると、粒界相は網状に連続し、基板の縦断面において全て連続した形態となる。本実施形態の窒化アルミニウム基板10では、焼結助剤の量及び焼結時の加熱温度、加熱時間及び冷却速度を適宜制御することで、窒化アルミニウム基板10の縦断面において複数の枝状粒界相2bが現れるように、窒化アルミニウム基板10が焼結される。
このような粒界相2の形態によれば、粒界相2が窒化アルミニウム基板10内に均等に分布する構成と比較して、窒化アルミニウム基板10内に、分子振動が粒界相2に衝突せずに直進できる領域を多く確保することができる。すなわち、枝状粒界相2bが存在する領域では粒界相2が含まれる割合が大きくなるが、その分、粒界相2の割合が小さい領域が多く形成される。言い換えれば、粒界相2の偏在度合が増し、粒界相2の少ない領域が多く形成される。これにより、分子振動の散乱が低減され、窒化アルミニウム基板10の熱伝導率を向上できる。
図3は、基板縦断面における粒子集合体及び枝状粒界相の特徴を説明する図である。図4は、基板縦断面における枝状粒界相の特徴を説明する図である。図5は、基板縦断面における粒子集合体の形状の特徴を説明する図である。図6は、焼結工程後の基板の縦断面を示す模式図である。
窒化アルミニウム基板10の少なくとも1つの縦断面において、粒子集合体4は、図3の曲線L1に示すように、基板面S1の一端E1から他端E2まで基板面S1に沿って連続している。このような特徴は、窒化アルミニウム基板10の一方の基板面S1に備わっていてもよいし、両方の基板面S1、S2に備わっていてもよい。本明細書において1つの縦断面とは、1つの配線基板としてダイシングされたサイズの窒化アルミニウム基板10において、対向する2側面M1、M2と交差する縦断面を意味する。
このような基板面S1の構成によれば、電子部品に近い範囲の熱伝導性がより向上し、電子部品から窒化アルミニウム基板10への熱引き性能を向上できる。さらに、窒化アルミニウム基板10の基板面S1に金属膜が形成されて配線基板が構成される場合、金属膜の密着強度を向上できる。
図6に示すように、焼結完了後の窒化アルミニウム基板10Prにおいては、基板面S0に粒界相2が浮き上がる。その分、基板面S0の直下の層Ly1において、粒界相2に占められる割合が非常に低くなる。焼結完了後の窒化アルミニウム基板10Prの基板面S0を研磨することで、粒子集合体4が基板面S1において連続する形態が実現される。
図3の曲線L2に示すように、窒化アルミニウム基板10の少なくとも1の縦断面において、粒子集合体4は、一方の基板面S1から他方の基板面S2まで連続している。このような構成によれば、3次元で見たときにも、窒化アルミニウム基板10の一方の基板面S1から他方の基板面S2に直線的に連続する領域が多くなる。したがって、一方の基板面S1に搭載される電子部品で発生した熱を、他方の基板面S2が金属膜及び接合剤を介して接続されるパッケージ、モジュール基板又はヒートシンクへ放出する性能を向上できる。
さらに、窒化アルミニウム基板10の縦断面において、複数の枝状粒界相2bの各々が、図3の閉曲線C1に示すように粒子集合体4に全周が囲まれているか、あるいは、曲線C2に示すように粒子集合体4と一方の基板面S2とに全周が囲まれている。このような構成によれば、3次元で見たときにも、窒化アルミニウム基板10の一方の基板面S1から他方の基板面S2まで連続する粒界相2が低減される。したがって、窒化アルミニウム基板10の絶縁性の低下を抑制することができる。
図4に示すように、窒化アルミニウム基板10の縦断面において、複数の枝状粒界相2bには、窒化アルミニウム基板10の厚み方向(Y方向)の一方と他方、並びに、基板面S1、S2に沿った方向(X方向)の一方と他方とに延在する複数の枝を有する枝状粒界相2baが含まれる。ここで、X方向の一方に延在するとは、延在する方向成分が+X方向のみの構成に限られず、+X方向の成分とそれよりも小さな+Y方向の成分又は−Y方向の成分が含まれている場合をも含む。X方向の他方、Y方向の一方と他方についても同様である。
さらに、窒化アルミニウム基板10の縦断面において、複数の枝状粒界相2bは、窒化アルミニウム基板10の厚み方向(Y方向)と、基板面S1、S2に沿った方向とに分散されている。例えば、枝状粒界相2b1、2b2などは厚み方向に分散し、枝状粒界相2b1、2b3などは基板面S1に沿った方向に分散している。
このような枝状粒界相2bの構造及び配置により、窒化アルミニウム基板10中で粒界相2の偏在度合をより高くすることができる。
図5に示すように、窒化アルミニウム基板10の縦断面において、粒子集合体4は、主形状部4Aと、主形状部4Aよりも小さい寸法で主形状部4Aの外縁を凹凸させる凹凸形状部4Bとを有する。凹凸形状部4Bは、枝状粒界相2bの枝間に位置する。このような形態により、ボイド5がより少ない構成を実現できる。
<各要素の含有率>
窒化アルミニウム基板10の縦断面において、粒界相2及びボイド5のサイズ及び含有率は、一例として、次の要素表1のように示される。各値は、窒化アルミニウム基板10の縦断面中に50μm四方の領域を設定し、この領域に含まれる、粒界相2の割合(面積割合)、最大径(枝状粒界相2bの枝の広がり幅の最大値)、最小径(枝の短手方向の幅の最小値)、これらの平均値、ボイド5の割合(面積割合)、ボイド5の径、をそれぞれ計測して得られた。領域は、ランダムな6つの位置(サンプル位置1〜6)に設定された。
Figure 2020158375
比較例として、粒状の粒界相2が基板内に均一に分布される焼結パラメータで作成された基板について、各要素の含有率を要素表2に示す。
Figure 2020158375
要素表1に示すように、実施形態の窒化アルミニウム基板10においては、ボイド5が少なく、粒界相2が窒化アルミニウム基板10中に偏在する構造が得られる。すなわち、比較例においては、粒界相2の割合が4.3%〜8.0%と均一化されているのに対して、実施形態1の窒化アルミニウム基板10においては、粒界相2が0.4%のように少ない範囲と、18.6%のように多い範囲とが含まれる。このような粒界相2の高い偏在度合は、先に説明したように、窒化アルミニウム基板10の熱伝導率の向上に寄与する。
実施形態の窒化アルミニウム基板10においては、5μm四方の複数の領域を観測したとき、粒界相2の割合が0%〜5%となる領域が3割以上含まれ、10%〜30%となる領域が0.5割〜2割含まれ、30%以上となる領域が0.5割以下含まれる構成であってもよい。さらに、実施形態の窒化アルミニウム基板10においては、ボイドの割合は、0.3%以下で、ボイド径の平均値が2μm以下であってもよい。さらに、実施形態の窒化アルミニウム基板10の熱伝導率は、180W/mK〜270W/mKであってもよい。
<製造方法>
実施形態の窒化アルミニウム基板10は、例えば、AlN原料に、イットリア、エルビア、酸化ガドリニウム等の焼結助剤を質量比0.3%〜8.5%、ポリビニルブチラール、ポリメチルメタクリレート等のバインダを質量比10%〜20%含有させ、0.6μm〜2.0μm厚の基板形状に成形後、1800℃〜2100℃、7時間〜30時間及び冷却速度10℃/h〜700℃/hで焼結させ、表面を研磨することで製造できる。
<電子装置及び電子モジュール>
図7は、本開示の実施形態に係る電子装置及び電子モジュールを示す断面図である。
本実施形態に係る電子装置60は、配線基板1に電子部品50が実装されて構成される。配線基板1は、窒化アルミニウム基板10から構成される。配線基板1は、窒化アルミニウム基板10に金属膜22及び配線導体20が形成されて構成されてもよい。電子部品50は、接合材を介して配線基板1に接合されてもよい。電子部品50の電極と、配線基板1とがボンディングワイヤーを介して接続されてもよい。電子装置60は、さらに、配線基板1と電子部品50とを収容するパッケージを有する構成であってもよい。
電子部品50としては、LD(Laser Diode)、PD(Photo Diode)、LED(Light Emitting Diode)等の光素子、CCD(Charge Coupled Device)型、CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)型等の撮像素子、水晶振動子等の圧電振動子、弾性表面波素子、半導体集積回路素子(IC:Integrated Circuit)等の半導体素子、電気容量素子、インダクタ素子又は抵抗器等の種々の電子部品を適用できる。
本実施形態に係る電子モジュール100は、モジュール用基板110に電子装置60を実装して構成される。モジュール用基板110には、電子装置60に加えて、他の電子装置、電子素子及び電気素子などが実装されていてもよい。モジュール用基板110には電極パッド111が設けられ、電子装置60は、電極パッド111に半田等の接合材113を介して接合されてもよい。なお、電子装置60の接合材113が接合される部分には、配線導体が設けられていてもよい。また、電子装置60がパッケージを有する場合、モジュール用基板110の電極パッド111にはパッケージの配線導体が接合されてもよい。
本実施形態の電子装置60及び電子モジュール100によれば、絶縁性と高い熱伝導性を有する窒化アルミニウム基板10が用いられることで、信頼性の向上を図ることができる。
以上、本開示の実施形態について説明した。しかし、本開示は上記実施形態に限られない。例えば、実施形態で示した枝状粒界相及びボイドのサイズ及び割合は、一例に過ぎない。その他、実施形態で示した細部は、発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。
10 窒化アルミニウム基板
2 粒界相
2b、2b1〜2b3、2ba 枝状粒界相
4 粒子集合体
4A 主形状部
4B 凹凸形状部
5 ボイド
Q AlN結晶粒
S1、S2 基板面

Claims (10)

  1. 複数の窒化アルミニウム結晶粒が連続する粒子集合体と、
    前記複数の窒化アルミニウム結晶粒の隙間に位置する粒界相と、
    を備え、
    基板の縦断面には、各々が枝状に分岐する形状を有し、互いに分断された複数の枝状粒界相が、含まれる窒化アルミニウム基板。
  2. 少なくとも1つの縦断面において、
    前記粒子集合体が基板面の一端から他端まで前記基板面に沿って連続している請求項1記載の窒化アルミニウム基板。
  3. 少なくとも1つの縦断面において、
    前記粒子集合体が一方の基板面から他方の基板面まで連続している請求項1又は請求項2に記載の窒化アルミニウム基板。
  4. 基板の縦断面において、
    前記複数の枝状粒界相の各々は、前記粒子集合体に全周が囲まれているか、前記粒子集合体と1つの基板面とに全周が囲まれている請求項1から請求項3のいずれか一項に記載の窒化アルミニウム基板。
  5. 基板の縦断面において、
    前記複数の枝状粒界相の少なくとも1つは、基板の厚み方向の一方と他方並びに基板面に沿った方向の一方と他方とにそれぞれ分岐した複数の枝を有する請求項1から請求項4のいずれか一項に記載の窒化アルミニウム基板。
  6. 基板の縦断面において、
    前記複数の枝状粒界相は、
    基板の厚み方向と基板面に沿った方向とに分散している、
    請求項1から請求項5のいずれか一項に記載の窒化アルミニウム基板。
  7. 基板の縦断面において、
    前記粒子集合体は、主形状部と、前記主形状部よりも小さい寸法で前記主形状部の外縁を凹凸させる凹凸形状部とを有する、
    請求項1から請求項6のいずれか一項に記載の窒化アルミニウム基板。
  8. 前記凹凸形状部は前記枝状粒界相の枝間に位置する、
    請求項7記載の窒化アルミニウム基板。
  9. 請求項1から請求項8のいずれか一項に記載の窒化アルミニウム基板を含んだ配線基板と、前記配線基板に搭載される電子部品とを備える電子装置。
  10. 請求項9記載の電子装置と、前記電子装置を搭載したモジュール基板とを備える電子モジュール。
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