JP2022062906A

JP2022062906A - 実装基板

Info

Publication number: JP2022062906A
Application number: JP2020171100A
Authority: JP
Inventors: 偉夫中子; Takeo Nakako; 芳則江尻; Yoshinori Ejiri; 千絵須鎌; Chie Sugama; 祐貴川名; Yuki Kawana; 征央根岸; Motohiro Negishi; 勇一谷中; Yuichi Yanaka
Original assignee: Showa Denko Materials Co Ltd
Current assignee: Resonac Corp
Priority date: 2020-10-09
Filing date: 2020-10-09
Publication date: 2022-04-21

Abstract

【課題】熱応力を緩和することができ、接続信頼性に優れた実装基板を提供すること。【解決手段】絶縁基板と、該絶縁基板上に配置された焼結銅層と、絶縁基板と焼結銅層との間に配置された、絶縁基板と焼結銅層とを接合する接合層と、を備える実装基板。【選択図】図１

Description

本発明は実装基板に関する。

ファインセラミックス板の両面に銅板を貼り合わせたＤＢＣ（ＤｉｒｅｃｔＢｏｎｄｅｄＣｏｐｐｅｒ）基板及びＡＭＣ（ＡｃｔｉｖｅＭｅｔａｌＢｒａｚｅｄＣｏｐｐｅｒ）基板は、パワーエレクトロニクスにおいて、パワーデバイスの実装基板として用いられている。これらの実装基板は、パワーエレクトロニクス回路を構成する導体パターン、放熱板とパワーエレクトロニクス回路の絶縁を行う実装基板としての役割だけでなく、ファインセラミックスと銅の熱伝導率の高さを生かした放熱経路として働き、さらにファインセラミックス板の低熱膨張性を生かしてパワーデバイスとの接合層の熱応力を低減してパワー回路の信頼性を向上することができる。このため、上記実装基板は、特に信頼性を必要とするパワーエレクトロニクス分野で広く採用されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１３－７１８７３号公報

近年、ＳｉＣ又はＧａＮを用いたパワーデバイスが高温動作の点から注目されている。しかし、高温動作に伴う熱応力の増加、並びに、ＳｉＣ（ヤング率：約４４０ＧＰａ）及びＧａＮ（ヤング率：約２００ＧＰａ）ではこれまでのＳｉ（ヤング率：約１３０ＧＰａ）と比較してヤング率が高いことによる熱応力の増加により、接続信頼性の低下が問題になっている。ＤＢＣ基板及びＡＭＣ基板において、セラミックス板（アルミナのヤング率：約３８０ＧＰａ、ＡｌＮのヤング率：約３２０ＧＰａ、ＳｉＮのヤング率：約３００ＧＰａ）及び銅板（ヤング率：１１０～１３０ＧＰａ）もヤング率の高い材料であり、熱応力を緩和することは困難であった。また、ＤＢＣ基板及びＡＭＣ基板は、高度な製造技術を必要とし、高価であることも課題となっている。

本発明は、上記従来技術の有する課題に鑑みてなされたものであり、熱応力を緩和することができ、接続信頼性に優れた実装基板を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明は、絶縁基板と、該絶縁基板上に配置された焼結銅層と、上記絶縁基板と上記焼結銅層との間に配置された、上記絶縁基板と上記焼結銅層とを接合する接合層と、を備える実装基板を提供する。

上記実装基板において、上記焼結銅層の厚さは５０μｍ以上１０００μｍ以下であってもよい。

上記実装基板において、上記焼結銅層の熱伝導率は１２０Ｗ／ｍ・Ｋ以上であってもよい。

上記実装基板において、上記焼結銅層のヤング率は１０ＧＰａ以上７０ＧＰａ以下であってもよい。

上記実装基板において、上記焼結銅層の緻密度が６０体積％以上９０体積％以下であってもよい。

上記実装基板において、上記絶縁基板はセラミックス基板又はガラス基板であってもよい。

上記実装基板は、上記焼結銅層の上記接合層とは反対側の面上に配置された金属箔層を更に備えてもよい。

上記実装基板において、上記接合層の厚さは１０μｍ以下であってもよい。

本発明によれば、熱応力を緩和することができ、接続信頼性に優れた実装基板を提供することができる。

実装基板の一実施形態を示す模式断面図である。実装基板の一実施形態を示す模式断面図である。実装基板の製造方法の一実施形態を示す模式断面図である。実装基板を用いた実装例を示す模式断面図である。実装基板を用いた実装例を示す模式断面図である。

以下、場合により図面を参照しつつ本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、図面中、同一又は相当部分には同一符号を付し、重複する説明は省略する。また、図面の寸法比率は図示の比率に限られるものではない。

本実施形態に係る実装基板は、絶縁基板と、該絶縁基板上に配置された焼結銅層と、上記絶縁基板と上記焼結銅層との間に配置された、上記絶縁基板と上記焼結銅層とを接合する接合層と、を備えるものである。上記構成を有する実装基板は、高発熱デバイス用の実装基板として使用可能な高熱伝導低熱応力実装基板である。

図１の（ａ）及び（ｂ）は、実装基板の一実施形態を示す模式断面図である。図１の（ａ）に示す実装基板１００は、絶縁基板２と、絶縁基板２の両面に配置された焼結銅層１と、絶縁基板２と焼結銅層１との間に配置された、絶縁基板２と焼結銅層１とを接合する接合層３と、を備える。実装基板１００において、絶縁基板２の一方の面上に配置された焼結銅層１及び接合層３は、所定の導体パターンを形成している。図１の（ｂ）に示す実装基板２００は、図１の（ａ）に示す実装基板１００の焼結銅層１上に更に金属箔層４を備える。実装基板２００において、絶縁基板２の一方の面上に配置された焼結銅層１、接合層３及び金属箔層４は、所定の導体パターンを形成している。

図２の（ａ）及び（ｂ）は、実装基板の他の一実施形態を示す模式断面図である。図２の（ａ）に示す実装基板３００は、絶縁基板２と、絶縁基板２の片面に配置された焼結銅層１と、絶縁基板２と焼結銅層１との間に配置された、絶縁基板２と焼結銅層１とを接合する接合層３と、を備える。実装基板３００において、焼結銅層１及び接合層３は、所定の導体パターンを形成している。図２の（ｂ）に示す実装基板４００は、図２の（ａ）に示す実装基板３００の焼結銅層１上に更に金属箔層４を備える。実装基板４００において、焼結銅層１、接合層３及び金属箔層４は、所定の導体パターンを形成している。

上述したような構成を有する実装基板は、絶縁基板２上に焼結銅層１を備えると共に、該焼結銅層１が接合層３を介して絶縁基板２に接合されていることにより、熱応力を十分に緩和することができ、優れた接続信頼性を得ることができる。これは、焼結銅層１が優れた電気伝導性及び優れた熱伝導性を有することで、高発熱デバイスを含む実装基板に実装される部品への電力供給機能と、発生した熱を速やかに拡散、排熱する機能とを発揮することができるためである。また、焼結銅層１は金属結合で結合しているため、共有結合で結合している絶縁基板２とは直接接合することが困難であるが、両者の間に接合層３を設けることにより、焼結銅層１と絶縁基板２との接合が可能となっている。

以下、上述した実装基板を構成する各部材について詳細に説明する。

（焼結銅層１）
焼結銅層（焼結Ｃｕ層）１は、高電気伝導性と高熱伝導性とを有し、高発熱デバイスを含む実装基板に実装される部品への電力供給機能と、発生した熱を速やかに拡散、排熱する機能とを発現する。

焼結銅層１の厚さは、例えば、５０μｍ以上、１０００μｍ以下であり、７０μｍ以上、７００μｍ以下が好ましく、１００μｍ以上、５００μｍ以下がより好ましい。厚さが５０μｍ以上であれば、高発熱デバイスからの熱の速やかな拡散、放熱を可能とし、熱応力にも耐えられるようになる傾向がある。厚さが１０００μｍ以下であれば、焼結銅層１の形成がし易くなり、また材料コストの面でも有利になる。

焼結銅層１のヤング率は、例えば７０ＧＰａ以下であり、６０ＧＰａ以下が好ましく、５０ＧＰａ以下がさらに好ましい。これ以下のヤング率であれば熱応力が抑えられることから、温度サイクルに対する信頼性をより向上できる傾向がある。ヤング率の下限は、例えば１０ＧＰ以上であり、１５ＧＰａ以上が好ましく、２０ＧＰａ以上がより好ましい。ヤング率がこれ以上であれば、焼結銅層１が脆弱となり難く、熱応力に対し焼結銅層１の破壊が生じる可能性を低減できる傾向がある。ヤング率は、ナノインデンタ、マイクロフォース試験機、万能材料試験機、四点曲げ試験機、三点曲げ試験機、引張試験機等により測定することができる。

焼結銅層１の降伏応力は、例えば８０ＭＰａ以上であり、１２０ＭＰａ以上が好ましく、１３０ＭＰａ以上がより好ましい。降伏応力は熱応力に対する破壊耐性に関わり、高いほど好ましい。降伏応力は、マイクロフォース試験機、万能材料試験機、四点曲げ試験機、三点曲げ試験機、引張試験機等により測定することができる。

焼結銅層１の緻密度は、例えば６０体積％以上であり、６４体積％以上が好ましく、６７体積％以上がより好ましい。緻密度の上限は、９０体積％以下であり、８５体積％以下が好ましく、８０体積％以下がより好ましい。緻密度が６０体積％以上であると、熱サイクル信頼性が向上し、繰り返し熱ひずみがかかった際の焼結銅層１の破壊を抑制して信頼性が高くなる傾向があり、９０体積％以下であると、ヤング率が低くなり、デバイスへの熱応力破壊が抑制されやすくなる傾向がある。緻密度は、外形形状と質量からの密度測定、蛍光Ｘ線強度測定、３次元ＦＩＢ／ＳＥＭ像等により測定することができる。

焼結銅層１の熱伝導率は、例えば１２０Ｗ／ｍ・Ｋ以上であり、１５０Ｗ／ｍ・Ｋ以上が好ましく、１６０Ｗ／ｍ・Ｋ以上がより好ましい。放熱の観点から熱伝導率は大きいほど好ましいが、緻密な銅の熱伝導率が４０１Ｗ／ｍ・Ｋであることから、この値が上限となる。熱伝導率は、フラッシュ法熱拡散率測定装置、サーモウエーブアナリシス、過渡熱測定結果の熱シミュレーションによる併せこみ等により測定することができる。

焼結銅層１の熱伝導率は、厚さ方向と面方向の熱伝導率に差があってもよく、（面方向の熱伝導率）／（厚さ方向の熱伝導率）×１００（％）の値が、１００％より大きい場合には高発熱デバイスで発生した熱を面方向に素早く広げ拡散させる効果が得られるため好ましい。この値は、１０５％以上が好ましく、１２０％以上がより好ましい。

このような焼結銅層１は、銅粒子の焼結により形成することができる。焼結銅層１は、乾燥銅粒子を直接堆積した後、焼結することで形成することもできる。また、銅粒子を分散媒でペースト状としたＣｕペーストを塗布、乾燥後に焼結することでも形成できる。
Ｃｕペーストは例えば、銅粒子、分散媒、その他の金属粒子、添加剤から構成され、少なくとも銅粒子と分散媒とを必須成分とする。

銅粒子は、粒径、形状、表面処理剤、組成によりさまざまな種類があり、それらの構成も様々であるが、焼結することができれば、その種類・構成を問わない。

銅粒子の粒径は、小さいほど焼結温度が低下でき、反面、大きいほど分散性・Ｃｕペースト濃度増加の点で有利となる。焼結温度を３００℃以下とするため、銅粒子の一部を１μｍ以下の粒子で構成することが好ましい。さらに、分散性、濃度の点から１００ｎｍ以下のＣｕ粒子の割合は、全金属粒子の質量を基準として０質量％から３０質量％であることが好ましい。また、Ｃｕペースト濃度の増加、焼結時体積収縮の抑制の点から、１μｍより大きい銅粒子を含んでいてもよい。

銅粒子の形状は、球状、擬球状、フレーク状、長円状、針状、樹状が挙げられる。複数の形状の銅粒子を含んでいてもよい。

銅粒子の表面処理剤は、銅粒子の酸化及び凝集を抑えるために使用され、例えば、ドデカン酸、パルミチン酸、ヘプタデカン酸、ステアリン酸、アラキジン酸、リノール酸、リノレイン酸、オレイン酸等の脂肪族カルボン酸；テレフタル酸、ピロメリット酸、ｏ－フェノキシ安息香酸等の芳香族カルボン酸；セチルアルコール、ステアリルアルコール、イソボルニルシクロヘキサノール、テトラエチレングリコール等の脂肪族アルコール；ｐ－フェニルフェノール等の芳香族アルコール；オクチルアミン、ドデシルアミン、ステアリルアミン等のアルキルアミン；ステアロニトリル、デカンニトリル等の脂肪族ニトリル；アルキルアルコキシシラン等のシランカップリング剤；ポリエチレングリコール、ポリビニルアルコール、ポリビニルピロリドン、シリコーンオリゴマー等の高分子処理剤などが挙げられる。表面処理剤は、一種を単独で使用してもよく、二種以上を組み合わせて使用してもよい。

銅粒子の組成は、金属銅、酸化銅、亜酸化銅を主成分とする。特に、金属銅粒子であっても、表面が自然酸化され酸化銅、亜酸化銅を不作為的に含む場合がある。銅の物性改善の点から銅粒子が銅・酸素以外の元素を５質量％以下含んでいてもよい。このような元素として、Ｓｉ、Ｍｇ、Ａｌ、Ａｇ、Ｎｉ、Ｆｅ、Ｚｒ、Ｇｅ、Ｍｎ、Ｓｎ、Ｚｎ、Ｐ、Ｓ、Ｍｏ、Ｔａ等が挙げられる。

Ｃｕペーストの分散媒は、銅粒子と混ぜて可撓性を付与し、乾燥あるいは焼成において除去されるものであれば特に限定されない。このような分散媒として、デカン、ドデカン、テトラデカン、ヘキサデカン、ブチルセロソルブ、カルビトール、酢酸ブチルセロソルブ、酢酸カルビトール、エチレングリコールジエチルエーテル、ジプロピレングリコールメチルエーテルアセテート、ジプロピレングリコールモノ－ｎ－ブチルエーテル、ジプロピレングリコールモノ－ｎ－メチルエーテル、イソボニルシクロヘキサノール、トリブチリン、テルピネオール、ジエチレングリコールモノブチルエーテル、ジエチレングリコールモノブチルエーテルアセテート、４－メチル－１，３－ジオキソラン－２－オン、ジエチレングリコールモノブチルエーテル、イソボルニルシクロヘキサノール（例えば、日本テルペン化学株式会社製の「ＭＴＰＨ」）、イソオクタデカノール（例えば、日産化学工業株式会社製の「ファインオキソコール１８０」及び「ファインオキソコール１８０Ｔ」）、１－ヘキサデカノール（セチルアルコール）、２－ヘキサデカノール（例えば、日産化学工業株式会社製の「ファインオキソコール１６００」）、９－オクタデセノール（オレイルアルコール）等のアルキルアルコール；オクタン酸オクチル、ミリスチン酸メチル、ミリスチン酸エチル、リノール酸メチル、ステアリン酸メチル、ステアリン酸ブチル（例えば、花王株式会社製の「エキセパールＢＳ」）、ステアリン酸ステアリル（例えば、花王株式会社製の「エキセパールＳＳ」）、ステアリン酸２－エチルヘキシル（例えば、花王株式会社製の「エキセパールＥＨ－Ｓ」）、ステアリン酸イソトリデシル（例えば、花王株式会社製の「エキセパールＴＤ－Ｓ」）、テトラエチレングリコール、トリエチレングリコールビス（２－エチルヘキサン酸）、クエン酸トリブチル、セバシン酸ジブチル、トリブチリン、ヘプタデカン、オクタデカン、ノナデカン、エイコサン、ヘネイコサン、ドコサン、メチルヘプタデカン、トリデシルシクロヘキサン、テトラデシルシクロヘキサン、ペンタデシルシクロヘキサン、ヘキサデシルシクロヘキサン、ウンデシルベンゼン、ドデシルベンゼン、テトラデシルベンゼン、トリデシルベンゼン、ペンタデシルベンゼン、ヘキサデシルベンゼン、ヘプタデシルベンゼン、ノニルナフタレン、ジフェニルプロパン、ペンチルフェノール、ベンジルフェノール、２－（４－メトキシフェニル）エタノール（メトキシフェネチルアルコール）、安息香酸ベンジル、ヘキサデカンニトリル、ヘプタデカンニトリル、シンメチリンなどが挙げられる。

Ｃｕペーストのその他の金属粒子としては、例えば、亜鉛、錫、ニッケル、銀、金、パラジウム、白金等の粒子が挙げられる。その他の金属粒子の体積平均粒径は、０．０１～１０μｍであってよく、０．０１～５μｍであってもよく、０．０５～３μｍであってもよい。その他の金属粒子の形状は、特に限定されるものではない。その他の金属粒子の含有量は、充分な接合性を得る観点から、金属粒子の全質量を基準として、２０質量％未満であってよく、１０質量％以下であってもよく、０質量％であってもよい。

その他の金属粒子として、融点の低い金属種からなる金属粒子を用いた場合、焼結温度の低減効果が得られる傾向がある。さらに、複数種の金属が固溶又は分散した焼結体を得ることができるため、焼結体の降伏応力、疲労強度等の機械的な特性が改善され、接続信頼性が向上しやすい。また、複数種の金属粒子を添加することで、接合材の焼結体（焼結銅層）は、特定の被着体に対して充分な接合強度を有することができる。焼結銅層をマイクロデバイスの接合に用いる場合は、マイクロデバイスのダイシェア強度及び接続信頼性が向上しやすい。

Ｃｕペーストの添加剤としては、還元剤、粘度調整剤、表面張力調整剤、形状保持剤等が挙げられる。

還元剤を添加することで、５％以下水素含有イナートガス中、窒素中、又はアルゴン中のような還元性の低い又は還元性の無いガス雰囲気下での焼結が可能となる。このような還元剤としては、焼結温度である２００℃以上までＣｕペースト中に残存できる還元剤である必要があり、このような還元剤として、グリセリン、ジグリセリン、ヘキサントリオール、フロログルシノール等の多価アルコール類、テトラエチレングリコール、ポリエチレングリコール等のグリコール類、グルコース等の糖類、シュウ酸、２，２－ビス（ヒドロキシメチル）プロピオン酸等のカルボン酸類、アジピン酸ジヒドラジド等のヒドラジド類、ポリエチレングリコール、ポリビニルアルコール等の多価アルコールあるいはエーテルポリマー類などが挙げられる。

Ｃｕペーストの印刷性の向上及び印刷後の形状安定性の向上を目的に、粘度調整剤、表面張力調整剤、形状保持剤を添加してもよい。表面張力調整剤としてはノニオン系界面活性剤、フッ素系界面活性剤等が挙げられる。粘度調整剤としてはアルキルアミン、アルキルカルボン酸、シリコーン、ポリアクリル酸、多糖類等が挙げられる。形状保持剤としてはポリカーボネート、ポリ（メタ）アクリル酸、ポリ（メタ）アクリル酸エステル及びポリエステルからなる群より選択される少なくとも一種が好ましく、ポリカーボネートがより好ましい。ポリカーボネートとしては、ポリ（プロピレンカーボネート）、ポリ（エチレンカーボネート）、ポリ（ブチレンカーボネート）等のポリ（アルキレンカーボネート）などが挙げられる。

（絶縁基板２）
絶縁基板２は、低熱膨張絶縁基板であることが好ましい。絶縁基板２は、低熱膨張性と絶縁性と熱伝導性を有し、高熱伝導低熱応力実装基板の熱膨張率の調整と、焼結銅層１を流れる電流の絶縁と、高発熱デバイスより発生した熱の排熱の機能を発現する。

このような低熱膨張絶縁基板は、セラミックス基板、ガラス基板、単結晶基板が好ましく、コストの点からセラミックス基板がより好ましい。

セラミックス基板の材質としては、熱伝導率と低熱膨張率の両立の観点からアルミナ、窒化アルミニウム、窒化珪素、炭化ケイ素、ジルコニア、イットリア、窒化ホウ素、ムライト、コージライト、ステアタイト、フォルステライト、サーメット等が挙げられ、アルミナ、窒化アルミニウム、窒化珪素が特に好ましい。

ガラス基板の材質としては、石英ガラス、結晶化ガラス、ホウケイ酸ガラス等が挙げられる。

単結晶基板の材質としては、アルミナ、ダイヤモンド、クオーツ等が挙げられる。

また、絶縁基板２の熱膨張係数を高発熱デバイスの熱膨張係数に近付けることで熱応力を低減し、接続信頼性を向上させることができる。高発熱デバイスは、Ｓｉ、ＳｉＣ、ＧａＮ、ＧａＰ、ＧａＡｓ、ＩｎＰ、ＧａＯ、Ａｌ_２Ｏ_３等から構成される多く、熱膨張係数はそれぞれＳｉ：２．４、ＳｉＣ：４．２（４．７）、ＧａＮ：５．６（３．２）、ＧａＰ：５．３、ＧａＡｓ：６．０、ＩｎＰ：４．５、ＧａＯ、Ａｌ_２Ｏ_３：５．０（いずれも単位はｐｐｍ／Ｋ）となっている。これらの熱膨張係数は、放熱板を構成する金属の銅（１６．８ｐｐｍ／Ｋ）及びアルミニウム（２３．０ｐｐｍ／Ｋ）と比べて低い。そのため、絶縁基板２と焼結銅層１とを合わせた合成熱膨張係数を、高発熱デバイスの熱膨張係数に近づける、又は、絶縁基板２と焼結銅層１とを合わせた合成熱膨張係数を、高発熱デバイスの熱膨張係数と放熱板の熱膨張係数との中間に設定することで、全体の熱応力を低減することができる。このため、絶縁基板２の熱膨張係数は低いほど好ましく、例えば、ＳｉＮセラミック（２．８ｐｐｍ／Ｋ）、ＳｉＣセラミック（３．７ｐｐｍ／Ｋ）、ＡｌＮセラミック（４．６ｐｐｍ／Ｋ）等を用いることが好ましい。また、本実施形態の実装基板では、稠密な銅と比較して低ヤング率の焼結銅層１で配線層が構成されているため、熱応力が低減でき、従来のＤＢＣ基板及びＡＭＣ基板より熱膨張係数の大きな絶縁基板２として、例えば、アルミナ（７．２ｐｐｍ／Ｋ）、ジルコニア（１０．５ｐｐｍ／Ｋ）等を用いてもよい。

絶縁基板２の厚さは、絶縁性、熱サイクル信頼性の調整の点で、焼結銅層１の厚さとの兼ね合いになる。

（接合層３）
金属結合で結合している焼結銅層１と、共有結合で結合している絶縁基板２との間は、直接接合することが困難であり、両者の間に接合層３を必要とする。接合層３の形成方法としては、銅箔又は銅板を絶縁基板２上に高温高圧で直接接合させる方法（ＤＢＣ法）、銅箔又は銅板をロウ材により絶縁基板２と接合させる方法（ＡＭＣ法）、絶縁基板２上に接合層を蒸着又はスパッタで形成する方法等が挙げられる。

ＤＢＣ法では、絶縁基板２と銅箔又は銅板とを重ねて高温高圧にすることで接合される。この際、銅箔又は銅板の表面の銅酸化物と絶縁基板２の酸化物とが界面で混ざりあい、ガラスの遷移層が形成されて接合される。絶縁基板２がＡｌＮ等であるなど酸化物ではない場合には、酸化雰囲気中での加熱等により酸化物層を形成した後、ＤＢＣ法で接合される。

ＡＭＣ法は、銅箔又は銅板と絶縁基板２のどちらとも接合できるロウ材を介し、高温高圧下で接合する方法である。ロウ材としては、銅箔又は銅板と絶縁基板２との両方と接合できるＴｉ及びＣｒのような活性金属、並びに、融点を調整するＡｇ及びＣｕ等が挙げられる。

このような、ＤＢＣ法で接合されたＤＢＣ基板、及び、ＡＭＣ法で接合されたＡＭＣ基板は市販されており、このような市販の基板を購入して用いてもよい。ＤＢＣ基板及びＡＭＣ基板の銅箔又は銅板上に焼結銅層１を必要な厚さまで形成することで、本実施形態の実装基板を形成し、接続信頼性の向上及びデバイスからの放熱性の向上の効果が得られる。

接合層３を蒸着又はスパッタで形成する方法では、絶縁基板２と接合性を有する金属（例えばＴｉ及びＣｒ等）を蒸着又はスパッタで形成し、続けて焼結銅層１と接続性のあるＣｕ及びＮｉ等を蒸着又はスパッタで形成することで、接合層３を形成することができる。

接合層３の厚さは、１０μｍ以下が好ましく、５μｍ以下がより好ましく、１μｍ以下が更に好ましい。

（金属箔層４）
本実施形態の実装基板は、絶縁基板２上に接合層３、焼結銅層１の順に積層されているが、焼結銅層１の外側に金属箔層４を有していてもよい。焼結銅層１は多孔質の焼結体であるため、はんだ又は接合用ペーストをこの上に用いた場合、焼結銅層１中に吸収されデバイスの接合が困難になることがある。焼結銅層１の上に金属箔層４を設けることでこの問題を解決できる。焼結銅層１の形成時に必要なデバイス素子を同時に接合する場合、又は、焼結接合材で接合する場合等、接合に問題が生じない場合にはこの金属箔層４は必要ない。

金属箔層４の材質としては、導電性、熱伝導性に優れた金属を用いることができ、その観点から銅、銀、アルミが好ましく、価格及び焼結銅層１と同質金属である点から銅がより好ましい。これらの金属に５質量％以下の異種元素を混合した合金の金属箔を用いてもよい。焼結銅層１との接合性、表面の酸化・変色防止のために、金属箔層４には異なる金属がめっきされていてもよい。めっきされる金属としては、銅、ニッケル、パラジウム、金、銀、及びこれらを主成分とする合金が挙げられる。

金属箔層４の厚さは、熱応力の低減の観点から薄い方が好ましく、３２μｍ以下が好ましく、１６μｍ以下がより好ましく、１２μｍ以下がさらに好ましい。ただし、金属箔層４は薄くなると取り扱いが困難になり、価格も高くなることから、１μｍ以上が好ましく、３μｍ以上がより好ましく、５μｍ以上がさらに好ましい。

金属箔層４の表面は、接着性向上のため粗化されていてもよい。

（実装基板の製造方法）
本実施形態に係る実装基板の製造方法は、絶縁基板２上に接合層３を形成する工程と、接合層３上に焼結銅層１を形成する工程とを含む。焼結銅層１表面に金属箔層４を形成する場合には、焼結銅層１を形成する工程で同時に金属箔層４を接合することができる。

絶縁基板２上に接合層３を形成する工程としては、絶縁基板２上に絶縁基板２とも金属とも接合する活性金属、例えばＴｉ、Ｃｒ、Ｚｒ、Ｗ、Ｍｏ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａを蒸着あるいはスパッタリングで成膜し、続けて焼結銅層１と接着性のある金属、例えばＣｕ、Ｎｉ、Ｐｄ、Ａｇ、Ａｕ、Ｐｔを蒸着あるいはスパッタリングで成膜することで接合層３を形成できる。

活性金属の層の厚さは、例えば５ｎｍ以上であり、１０ｎｍ以上が好ましい。これ以上の厚さであると、膜欠陥を低減できる傾向にある。活性金属の層の厚さは、例えば２００ｎｍ以下であり、１００ｎｍ以下が好ましい。不必要に厚い活性金属層はコスト、製造時間を増大させ好ましくない。

焼結銅層１と接着性のある金属の層は、活性金属の層の上にＣｕ、Ｎｉ、Ｐｄ、Ａｇ、Ａｕ、Ｐｔを単独で成膜してもよいし、Ｎｉ／Ａｕ、Ｎｉ／Ａｇ、Ｎｉ／Ｐｄ、Ｎｉ／Ｐｄ／Ａｕ、Ｎｉ／Ｐｄ／Ａｇ、Ｎｉ／Ｐｔ、Ｎｉ／Ｐｔ／Ａｕ、Ｎｉ／Ｐｔ／Ａｇのように異なる金属を複数層設けてもよい。このような構成とすることで、活性金属層が他の金属層へ拡散して接合強度が低下することを防ぐことができる。

焼結銅層１と接着性のある金属の層の厚さは、活性金属の拡散防止の観点から、例えば１０ｎｍ以上であり、５０ｎｍ以上が好ましい。また、厚さの上限は１０００ｎｍ程度である。これ以下の厚さであると、内部応力により剥離又はひび割れが発生することを抑制しやすい。

また、前述のように絶縁基板２上に接合層３を形成したＤＢＣ基板又はＡＭＣ基板を購入して用いてもよい。

焼結銅層１を形成する工程は、上述したＣｕペーストを絶縁基板２上に形成された接合層３上に配置し、焼結して焼結銅層１とすることで実現できる。

Ｃｕペーストを接合層３上に配置する方法は、Ｃｕペーストを付着させることができる方法であればよく、公知の方法を採用することができる。Ｃｕペーストを接合層３上に配置する方法の具体例としては、スクリーン印刷、転写印刷、オフセット印刷、凸版印刷、凹版印刷、グラビア印刷、ステンシル印刷、ジェット印刷等の印刷による方法、ディスペンサ（例えば、ジェットディスペンサ、ニードルディスペンサ、スクリューディスペンサ）、カンマコータ、スリットコータ、ダイコータ、グラビアコータ、スリットコータ、バーコータ、アプリケータ、スプレーコータ、スピンコータ、ディップコータ等を用いる方法、ソフトリソグラフィによる方法、粒子堆積法、電着塗装による方法などが挙げられる。

配置されたＣｕペーストは、焼結時の流動及びボイドの発生を抑制する観点から、乾燥させてもよい。すなわち、本実施形態の製造方法は、焼結して焼結銅とする工程の前に、Ｃｕペーストを乾燥させる乾燥工程を更に備えていてもよい。

乾燥は、大気中で行ってよく、窒素、希ガス等の無酸素雰囲気中で行ってもよく、水素、ギ酸等の還元雰囲気中で行ってもよい。乾燥方法は、常温（例えば２５℃）に放置することによる乾燥であってよく、加熱乾燥であってもよく、減圧乾燥であってもよい。加熱乾燥又は減圧乾燥には、例えば、ホットプレート、温風乾燥機、温風加熱炉、窒素乾燥機、赤外線乾燥機、赤外線加熱炉、遠赤外線加熱炉、マイクロ波加熱装置、レーザー加熱装置、電磁加熱装置、ヒーター加熱装置、蒸気加熱炉、熱板プレス装置等を用いることができる。乾燥条件（乾燥の温度及び時間）は、Ｃｕペーストに使用した揮発成分（例えば有機溶剤及び熱分解性樹脂等の金属粒子以外の成分）の種類及び量に応じて適宜設定してよい。乾燥条件（乾燥の温度及び時間）としては、例えば、５０℃以上１３０℃未満で１～１２０分間乾燥させる条件であってよい。

次に、Ｃｕペーストを焼結して焼結銅層１とする。これにより、焼結銅層１中の粒子同士が焼結して、金属結合を形成し、熱伝導性、導電性に優れた層を形成する。また、この時、接合層３表面とも焼結により金属結合を形成して強固に接合する。Ｃｕペーストの焼結は加熱処理あるいは加熱加圧処理で行うことができる。

加熱処理には、例えば、ホットプレート、温風乾燥機、温風加熱炉、窒素乾燥機、赤外線乾燥機、赤外線加熱炉、遠赤外線加熱炉、マイクロ波加熱装置、レーザー加熱装置、電磁加熱装置、ヒーター加熱装置、蒸気加熱炉等を用いることができる。

加熱加圧処理には、熱板プレス装置、熱圧着装置等を用いてもよいし、重りを乗せて加圧しながら上述の加熱処理を行ってもよいし、ばね冶具等で加圧しながら上述の加熱処理を行ってもよい。

なお、接合層３上に焼結銅層１を形成する工程は、予め基材フィルム上に形成したＣｕペースト層を接合層３上に転写する方法により行ってもよい。この場合、例えば以下の方法で実装基板を製造することができる。まず、基材フィルム２０上にマスク３０を配置し、マスク３０上からＣｕペーストを塗布してＣｕペースト層１１を形成する（図３の（ａ）参照）。その後、マスク３０を剥離して、基材フィルム２０上にパターン化されたＣｕペースト層１１を有する積層体（第１積層体）を得る（図３の（ｂ）参照）。この第１積層体と、絶縁基板２上に接合層３が形成された第２積層体とを、第１積層体のＣｕペースト層１１と第２積層体の接合層３とが接するように位置決めして貼り合わせ、加圧しながら乾燥及び焼結する（図３の（ｃ）参照）。これにより、Ｃｕペースト層１１が焼結され、焼結銅層１が形成される。その後、基材フィルム２０を剥離することで、絶縁基板２と、該絶縁基板２上に形成された接合層３と、該接合層３上に形成された焼結銅層１と、を備える実装基板を得ることができる（図３の（ｄ）参照）。上記方法において、加圧状態でＣｕペースト層１１の焼結を行うことにより、焼結後の焼結銅層１にクラックが発生することをより一層防止することができる。

上記方法において、基材フィルム２０としては特に限定されないが、例えば、アルミニウム箔、ステンレス板、ポリイミド等の耐熱樹脂フィルム、ポリテトラフルオロエチレンコート金属板等を用いることができる。また、マスク３０としては特に限定されないが、例えば、ＳＵＳステンシルマスク、スクリーン印刷版等を用いることができる。また、Ｃｕペーストとしては、Ｃｕペースト層１１の形状維持の観点から、比較的高粘度のＣｕペーストを用いることが好ましい。また、第１積層体と第２積層体とを貼り合わせる前に、Ｃｕペースト層１１の形状維持の観点から、Ｃｕペースト層１１を乾燥させてもよい。

上記方法において、図３の（ｃ）に示すように第１積層体と第２積層体とを加圧しながら乾燥及び焼結する手段としては、例えば、ばねによる加圧機構を有する冶具を用いた雰囲気制御オーブン加熱、雰囲気制御熱圧着装置、熱板プレス、加圧焼結接合装置、静水圧熱圧着装置等を用いることができる。ここで、加圧時の圧力は０．１ＭＰａ以上２０ＭＰａ以下とすることができる。なお、乾燥及び焼結の方法及び条件は、先に説明したものと同様の方法及び条件を採用することができる。また、乾燥は、上述したように第１積層体と第２積層体とを貼り合わせる前に行ってもよい。

（実装基板を用いた実装例）
本実施形態の実装基板の片面には、放熱板又は水冷板が接続され、他方の面には、高発熱デバイス素子、受動素子、電極端子等が実装される。

図４は、本実施形態の実装基板を用いた実装例を示す模式断面図である。図４に示す実装例５００は、図１の（ａ）に示す実装基板１００における導体パターンを形成した焼結銅層１上に、デバイスチップ（半導体チップ）５、電極端子７及び金属ワイヤ（金属フレーム）９を実装したものである。金属ワイヤ９は、デバイスチップ５と、該デバイスチップが実装されている焼結銅層１とは別の焼結銅層１とを電気的に接続している。また、実装例５００において、導体パターンを形成していない焼結銅層１上には、放熱板又は水冷板８が設けられている。

図５は、本実施形態の実装基板を用いた実装例を示す模式断面図である。図５に示す実装例６００は、図１の（ｂ）に示す実装基板２００における導体パターンを形成した金属箔層４上に、ダイボンド材６を介してデバイスチップ（半導体チップ）５及び電極端子７を実装し、デバイスチップ５及び電極端子７を実装した部分以外の金属箔層４を除去した後、デバイスチップ５と、該デバイスチップが実装されている焼結銅層１とは別の焼結銅層１とを電気的に接続する金属ワイヤ（金属フレーム）９を実装したものである。また、実装例６００において、導体パターンを形成していない金属箔層４上には、ダイボンド材６を介して放熱板又は水冷板８が設けられている。

以下、実施例及び比較例に基づいて本発明をより具体的に説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。

［実施例１］
（絶縁基板及び接合層の形成）
低熱膨張絶縁基板として、縦５０ｍｍ×横５０ｍｍ×厚さ０．２５ｍｍのアルミナ板を購入して用いた。アルミナ板の両面に、Ｔｉ（５０ｎｍ）／Ｎｉ（１００ｎｍ）の層（Ｔｉ層がアルミナ板側）をスパッタにより形成し、接合層とした。以下、絶縁基板の一方の面上に形成された接合層を第１接合層、他方の面上に形成された接合層を第２接合層と呼ぶ。

（Ｃｕペーストの調製）
擬球状銅粒子５００．００ｇとテルピネオール４９．４５ｇとを秤量し、プラネタリミキサ（特殊機化工業社製）を用いて１００ｒｐｍで３０分混合した。得られた混合物を３本ロールミルで３度処理して、擬球状銅粒子スラリを得た。次に、擬球状銅粒子スラリ５１０．５９ｇ、テルピネオール４５．２５ｇ、イソブチルアルコール４．８０ｇ、板状銅粒子２３７．９５ｇ、亜鉛粒子１．４１ｇを秤量し、プラネタリミキサで混合した。得られた混合物をプラスチック容器にとり、自転公転ミキサー（あわとり練太郎、シンキー社製）で２０００ｒｐｍで２分脱泡してＣｕペーストとした。

（高熱伝導低熱応力実装基板の作製及びデバイスチップの実装）
厚さ５００μｍのＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）板に４０ｍｍ×４０ｍｍの正方形の開口を設けて第１マスクとした。この第１マスクを接合層が形成された絶縁基板の第１接合層上に重ね、開口部にＣｕペーストを詰め、スキージで余分なＣｕペーストを除き、第１マスクを外して平坦な第１Ｃｕペースト層を第１接合層上に形成した。次に、厚さ１０００μｍのＰＴＦＥ板に４５ｍｍ×４５ｍｍの正方形の開口を設けて第２マスクとした。この第２マスクを接合層が形成された絶縁基板の第２接合層上に重ね、開口部にＣｕペーストを詰め、スキージで余分なＣｕペーストを除き、第２マスクを外して平坦な第２Ｃｕペースト層を第２接合層上に形成した。

次に、第１及び第２Ｃｕペースト層上に、ＳｉＣチップ（被着面にＴｉ／Ｎｉ層をスパッタ形成した縦５ｍｍ×横５ｍｍ×厚さ０．３ｍｍのチップ）をマウントした。得られたサンプルを防爆温風オーブン中で９０℃、１５分乾燥した。その後、水素炉（神港精機社製）中で、水素中３００℃で１時間焼成して焼結銅層を形成すると同時にＳｉＣチップを接合し、高熱伝導低熱応力実装基板を得た。粘着テープで高熱伝導低熱応力実装基板の外周に沿ってダムをつくり、シリコーンゲル（ＳＥ１８８０、Ｄｏｗｃｏｒｎｉｎｇ社製）をＳｉＣチップ全体が被るまで注ぎ、防爆温風オーブン中で７０℃３０分、１５０℃１時間の条件で硬化して実装サンプルとした。

［実施例２］
（高熱伝導低熱応力実装基板の作製）
実施例１と同様の方法で、アルミナ板の両面にＴｉ（５０ｎｍ）／Ｎｉ（１００ｎｍ）の層を形成した後、Ｎｉ層上に更に無電解Ｎｉめっき（１００ｎｍ）、フラッシュＰｄめっき（１０ｎｍ）を行い、接合層とした。これにより、被着面をＰｄとした。

（Ｃｕペーストの調製）
擬球状銅粒子５００．００ｇとテルピネオール４９．４５ｇとを秤量し、プラネタリミキサ（特殊機化工業社製）を用いて１００ｒｐｍで３０分混合した。得られた混合物を３本ロールミルで３度処理して、擬球状銅粒子スラリを得た。次に、擬球状銅粒子スラリ５４０．１９ｇ、テルピネオール１４．６０ｇ、テトラエチレングリコール２０．７８ｇ、板状Ｃｕ粒子１２３．２ｇ、亜鉛粒子１．２３ｇを秤量し、プラネタリミキサで混合した。得られた混合物をプラスチック容器にとり、自転公転ミキサー（あわとり練太郎、シンキー社製）で２０００ｒｐｍで２分脱泡してＣｕペーストとした。

（高熱伝導低熱応力実装基板の作製及びデバイスチップの実装）
厚さ５００μｍのＰＴＦＥ板に１５ｍｍ×１５ｍｍの正方形の開口を設けて第１マスクとした。この第１マスクを接合層が形成された絶縁基板の第１接合層上に重ね、開口部にＣｕペーストを詰め、スキージで余分なＣｕペーストを除き、第１マスクを外して平坦な第１Ｃｕペースト層を第１接合層上に形成した。次に、厚さ１０００μｍのＰＴＦＥ板に４５ｍｍ×４５ｍｍの正方形の開口を設けて第２マスクとした。この第２マスクを接合層が形成された絶縁基板の第２接合層上に重ね、開口部にＣｕペーストを詰め、スキージで余分なＣｕペーストを除き、第２マスクを外して平坦な第２Ｃｕペースト層を第２接合層上に形成した。

この両面にＣｕペースト層を形成した絶縁基板を防爆温風オーブン中で９０℃、３０分乾燥してテルピネオールを除いた。乾燥した第１及び第２Ｃｕペースト層上に１５ｍｍ×１５ｍｍに切断した１２μｍ厚の銅箔（ニラコ社製）をそれぞれ載せ、その上にポリイミドシート及び膨張黒鉛シートを載せて、雰囲気制御圧着装置（アユミ工業社製）の中で、窒素中５ＭＰａ、３００℃、３０分熱圧着して焼結銅層と金属箔層とを形成した。これにより、高熱伝導低熱応力実装基板を得た。

次に、焼結Ｃｕ接合材（ダイボンド材）を、５ｍｍ×５ｍｍの開口を有する２００μｍ厚のＳＵＳマスクを用いて高熱伝導低熱応力実装基板の銅箔上に塗布し、その上にＳｉＣチップ（被着面にＴｉ／Ｎｉ層をスパッタ形成した縦５ｍｍ×横５ｍｍ×厚さ０．３ｍｍのチップ）をマウントした。その後、水素炉（神港精機社製）中で、水素中２２５℃で１時間処理して焼結Ｃｕ接合材を焼結して、ＳｉＣチップと高熱伝導低熱応力実装基板とを接合した。粘着テープで高熱伝導低熱応力実装基板外周に沿ってダムをつくり、シリコーンゲル（ＳＥ１８８０、Ｄｏｗｃｏｒｎｉｎｇ製）をＳｉＣチップ全体が被るまで注ぎ、防爆温風オーブン中で７０℃３０分、１５０℃１時間の条件で硬化して実装サンプルとした。

ここで、上記焼結Ｃｕ接合材（ダイボンド材）は、以下のようにして準備したものである。分散媒としてジヒドロターピネオール（日本テルペン株式会社製）２．２５ｇ及びサブマイクロ銅粒子としてＣＨ－０２００（三井金属鉱業株式会社製）２２．７５ｇを混合し、３本ロールにて三回処理して中間体を得た。中間体２０．２５ｇ、ジヒドロターピネオール０．３９ｇ、トリブチリン（富士フイルム和光純薬株式会社製）０．９９０ｇと、マイクロ銅粒子として３Ｌ３Ｎ（福田金属箔粉工業株式会社製）８．２２ｇをメノウ乳鉢で乾燥粉がなくなるまで混練し、混合液をポリ瓶に移した。密栓をしたポリ瓶を、自転公転型攪拌装置（ＰｌａｎｅｔａｒｙＶａｃｕｕｍＭｉｘｅｒＡＲＶ－３１０、株式会社シンキー製）を用いて、２０００ｍｉｎ^－１（２０００回転／分）で２分間撹拌した。その後、亜鉛（製品番号：１３７８９、ＡｌｆａＡｅｓａｒ社製）０．０６ｇと混合液をメノウ乳鉢で乾燥粉がなくなるまで混練し、混合液をポリ瓶に移した。密栓をしたポリ瓶を、自転公転型攪拌装置（ＰｌａｎｅｔａｒｙＶａｃｕｕｍＭｉｘｅｒＡＲＶ－３１０、株式会社シンキー製）を用いて、２０００ｍｉｎ^－１（２０００回転／分）で２分間撹拌して焼結Ｃｕ接合材（ダイボンド材）とした。

［比較例１］
市販のＤＢＣ基板（京セラ社製、サイズ：縦２２ｍｍ×横２２ｍｍ、アルミナ板厚み：０．４ｍｍ、両面銅板厚み：各０．２ｍｍ、被着面：銅）上に、５ｍｍ×５ｍｍ×厚さ０．１ｍｍの高鉛はんだシートを置き、その上にＳｉＣチップ（被着面にＴｉ／Ｎｉ層をスパッタ形成した縦５ｍｍ×横５ｍｍ×厚さ０．３ｍｍのチップ）を置いた。その後、水素炉（神港精機社製）中で、水素中３５０℃で処理して高鉛はんだを溶融し、ＳｉＣチップとＤＢＣ基板とを接合した。粘着テープでＤＢＣ基板外周に沿ってダムをつくり、シリコーンゲル（ＳＥ１８８０、Ｄｏｗｃｏｒｎｉｎｇ製）をＳｉＣチップ全体が被るまで注ぎ、防爆温風オーブン中で７０℃３０分、１５０℃１時間の条件で硬化して実装サンプルとした。

＜接続信頼性の評価：温度サイクル試験＞
実施例及び比較例で得られた実装サンプルについて、温度サイクル試験装置（ＴＳＡ－７２ＥＳ－Ｗ、エスペック社製）中で温度サイクル試験を行った。温度サイクル条件は、低温側－４０℃、高温側２５０℃、各温度ステップ３０分の条件で行った。超音波映像装置（ＩｎＳｉｇｈｔ－３００、Ｉｎｓｉｇｈｔ社製）で、温度サイクル試験前、５００サイクル後、１０００サイクル後、２０００サイクル後の各界面の接合状態を観察した。界面に剥離及びヒビの無いものを「良好」とし、剥離又はヒビが発生したものを「不良」とした。結果を表１に示す。

１…焼結銅層、２…絶縁基板、３…接合層、４…金属箔層、５…デバイスチップ、６…ダイボンド材、７…電極端子、８…放熱板又は水冷板、９…金属ワイヤ、１００，２００，３００，４００…実装基板、５００，６００…実装例。

Claims

絶縁基板と、該絶縁基板上に配置された焼結銅層と、前記絶縁基板と前記焼結銅層との間に配置された、前記絶縁基板と前記焼結銅層とを接合する接合層と、を備える実装基板。
前記焼結銅層の厚さが５０μｍ以上１０００μｍ以下である、請求項１に記載の実装基板。
前記焼結銅層の熱伝導率が１２０Ｗ／ｍ・Ｋ以上である、請求項１又は２に記載の実装基板。
前記焼結銅層のヤング率が１０ＧＰａ以上７０ＧＰａ以下である、請求項１～３のいずれか一項に記載の実装基板。
前記焼結銅層の緻密度が６０体積％以上９０体積％以下である、請求項１～４のいずれか一項に記載の実装基板。
前記絶縁基板がセラミックス基板又はガラス基板である、請求項１～５のいずれか一項に記載の実装基板。
前記焼結銅層の前記接合層とは反対側の面上に配置された金属箔層を更に備える、請求項１～６のいずれか一項に記載の実装基板。
前記接合層の厚さが１０μｍ以下である、請求項１～７のいずれか一項に記載の実装基板。