JP3449683B2

JP3449683B2 - セラミックス回路基板とその製造方法

Info

Publication number: JP3449683B2
Application number: JP33026197A
Authority: JP
Inventors: 隆一寺崎; 正明小畑; 秀樹廣津留
Original assignee: Denki Kagaku Kogyo KK
Current assignee: Denka Co Ltd
Priority date: 1997-12-01
Filing date: 1997-12-01
Publication date: 2003-09-22
Anticipated expiration: 2017-12-01
Also published as: JPH11163209A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、熱伝導特性に優
れ、かつ軽量であり、ＩＣパッケージなどの半導体部品
を搭載する熱放散性に優れるセラミックス回路基板とそ
の製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来から、酸化アルミニウム（Ａｌ
₂Ｏ₃）等のセラミックス基板や樹脂基板等の種々の基板
を用いた、半導体素子を搭載するための回路基板が知ら
れている。近年、回路基板の小型化、半導体素子の高集
積化が進むに従い、回路基板の放熱特性の向上が一層望
まれ、ベリリア（ＢｅＯ）を添加した炭化珪素（Ｓｉ
Ｃ）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、窒化珪素（Ｓｉ₃
Ｎ₄）等の新しいセラミックス基板が注目されている。

【０００３】上述のセラミックス基板を回路基板やパッ
ケージ用基体等として用いる場合には、いずれのセラミ
ックス基板についても、半導体素子からの発熱を前記基
板の裏面等に設けられるヒートシンクと呼ばれる放熱部
品を介して外部に発散させ、半導体素子の動作特性等を
確保している。この場合、ヒートシンクとして銅（Ｃ
ｕ）等を用いると、セラミックス基板とヒートシンクの
熱膨張率差に起因して、加熱接合時や熱サイクルの付加
等によりセラミックス基板にクラックや割れ等が生じる
ことがある。そこで、セラミックス基板を信頼性が要求
される分野に用いる場合には、セラミックス基板と熱膨
張率差の小さいＭｏ（モリブデン）やＷ（タングステ
ン）等をヒートシンクとして用いていた。

【０００４】上述したようなＭｏやＷを用いた放熱部品
は、重金属であるＭｏやＷに原因して重量が重く、放熱
部品の軽量化が望まれる用途には好ましくない。更に、
このようなヒートシンクは高価であることから、近年、
銅やＡｌ（アルミニウム）或いはこれらの合金を無機質
繊維または粒子で強化したＭＭＣ（ＭｅｔａｌＭａｔ
ｒｉｘＣｏｍｐｏｓｉｔｅ）と略称される金属−セラ
ミックス複合体（以下、複合体という）が注目されてい
る。

【０００５】前記複合体は、一般的には、強化材である
無機質繊維あるいは粒子を、あらかじめ成形することで
プリフォームを形成し、そのプリフォームの繊維間ある
いは粒子間に基材（マトリックス）である金属或いは合
金を溶浸（含浸ともいう）させた複合体である。強化材
としては、アルミナ、炭化珪素、窒化アルミニウム、窒
化珪素、シリカ、炭素等のセラミックスが一般に用いら
れている。

【０００６】しかし、上記の複合体において熱伝導率を
上げようとする場合、強化材並びに金属或いは合金とし
て熱伝導率の高い物質を選択する必要があること、強化
材であるセラミックスとマトリックスである金属或いは
合金の濡れ性や界面の反応層等も熱伝導率に大きく寄与
すること、マトリックスと強化材の結合が不十分である
と、熱伝導率以外に複合体の強度低下をもたらすという
問題があり、強化材と金属或いは合金をどの様に組み合
わせるかが重要である。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】ＭｏやＷ等の重金属材
料をヒートシンクに用いた場合、放熱部品の重量が重く
なると共に、放熱性に関しても必ずしも十分でないとい
う問題があるし、比較的軽量で放熱性に優れるＣｕやＡ
ｌ等をヒートシンクとして用いる場合にも、セラミック
ス基板との熱膨張率差が大きく、信頼性の高い構造を得
るためには、接合構造自体が非常に複雑になってしま
い、製造コストの増加や放熱部品としての熱抵抗の増加
等を招くといった問題がある。

【０００８】更に、上記の課題を解決するため、金属−
セラミックス複合体が検討されているが、セラミックス
基板に近い熱膨張率を得ようとすると、熱膨張率の低い
強化材であるセラミックスの比率を上げる必要がある。
しかし、セラミックス成分の比率を上げるには、高い成
形圧でプリフォームを成形する必要があり、コストアッ
プに繋がると共に、その後の金属或いは合金の十分な含
浸が難しくなるという問題がある。このため、熱膨張率
がセラミックス基板に近く、高い熱伝導率を有する金属
−セラミックス複合体を安価に提供できる技術の開発が
課題となっている。

【０００９】本発明は、上記の事情に鑑みなされたもの
であって、高熱伝導性を有すると共に、比重が小さく、
且つ熱膨張率がセラミックス基板に近い高熱伝導性複合
体をセラミックス回路基板に一体化して製造すること
で、熱放散性に優れ、実使用下で受ける繰り返しの熱履
歴によっても回路が変形する、酷いときには回路が断線
したり、回路間でショートする、或いはセラミックス基
板が破壊する等の異常が発生しにくい、信頼性の高いセ
ラミックス回路基板を安価に提供することを目的とする
ものである。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明者らは、上記目的
を達成するため鋭意研究した結果、従来、セラミックス
回路基板の裏面（回路を搭載しない面）に高熱伝導性の
複合体を設けるに際し接合用金属板を用いていたが、前
記複合体を作製する際に、炭化珪素質多孔体をセラミッ
クス基板の裏面に配置しながらアルミニウムを主成分と
する金属を鋳造することで、セラミックス基板の裏面に
炭化珪素質多孔体にアルミニウムを主成分とする金属を
含浸してなる複合体を設けたセラミックス回路基板が得
られ、従来用いられてきた接合用の金属層を省略するこ
とができること、その結果熱放散性に優れるセラミック
ス回路基板が安価に得られるという知見を得て、本発明
に至ったものである。

【００１１】すなわち、本発明は、セラミックス基板の
表面に回路を設け、しかも該セラミックス基板の裏面に
炭化珪素質多孔体とアルミニウムを主成分とする金属と
からなる複合体を設けてなることを特徴とするセラミッ
クス回路基板であり、好ましくは、回路が前記複合体を
構成する金属と異なる金属からなることを特徴とする前
記のセラミックス回路基板である。

【００１２】本発明は、複合体のセラミックス基板と当
接しない面に、複数の突起を設けてなることを特徴とす
る前記のセラミックス回路基板であり、好ましくは、セ
ラミックス基板が酸化アルミニウム、窒化アルミニウ
ム、又は窒化珪素のいずれかであることを特徴とする前
記のセラミックス回路基板である。

【００１３】更に、本発明は、表面に回路又は回路用金
属層を有するセラミックス基板を、該セラミックス基板
の裏面が炭化珪素質多孔体に当接するように配置し、前
記セラミックス基板の回路又は回路用金属層の部分を除
いて、アルミニウムを主成分とする金属を鋳造すること
を特徴とするセラミックス回路基板の製造方法であり、
好ましくは、炭化珪素質多孔体にアルミニウムを主成分
とする金属を含浸することを特徴とする前記のセラミッ
クス回路基板の製造方法である。

【００１４】

【発明の実施の形態】本発明では、炭化珪素質多孔体に
アルミニウムを主成分とする金属を含浸してなる複合体
が、回路を有するセラミックス基板の裏面（回路を設け
ていない面）に設けてなることを特徴とする（図１参
照）。本構造を採用することにより、従来用いられてい
た接合用金属板を採用することがないので、高放熱性の
セラミックス回路基板を、不要な接合工程を経ずして得
ることができるという格別の効果を有するものである。
当然のことながら、複合体は、セラミックス基板の側面
（図２参照）や、必要に応じて、セラミックス基板の表
面（回路を搭載した面）の回路が搭載されていない部分
にも設けられていても構わない。

【００１５】前記セラミックス基板の表面に設ける回路
の材料については、導電性であれば良く、従来公知の材
料で構成することができ、例えば、銅、アルミニウム等
の汎用金属、モリブデン、タングステン等の高融点金属
があげられるし、これらの金属の合金は勿論、これらの
金属或いは合金を複合したものであっても構わない。し
かし、後述するとおりに、本発明ではセラミックス基板
の回路を載置しない面に、炭化珪素質多孔体を配置しア
ルミニウムを主成分とする金属を含浸するので、回路材
料が前記アルミニウムを主成分とする金属と同一の場
合、或いは前記金属よりも低融点の金属の場合には、含
浸時の温度上昇により回路が変形することがある。この
ため、回路を構成する材料が炭化珪素質多孔体に含浸す
るアルミニウムを主成分とする金属と異なる金属である
こと、更に前記アルミニウムを主成分とする金属の融点
よりも高い融点を有する材料であることが好ましい。

【００１６】また、本発明では、鋳造・含浸操作を経る
ことから、該操作時に金型を工夫する、或いは炭化珪素
質多孔体の形状を工夫することにより、放熱性を助長す
る目的或いは機械的な取り付けを目的として、棒状や面
状の突起物を付すことが容易に達成できるという効果を
有する。

【００１７】本発明に用いるセラミック基板としては、
該基板の表面の少なくとも一部に回路があればよく、従
来公知の酸化アルミニウム、ベレリアを添加した炭化珪
素、窒化アルミニウム、窒化珪素等のいずれも用いるこ
とができる。このうち、酸化アルミニウムは安価であ
り、窒化アルミニウム、窒化珪素は高熱伝導率で、しか
も半導体部品と同程度に熱膨張率が小さく、実使用下で
の温度履歴においても信頼性の高い集積回路を得ること
ができ、好ましい。

【００１８】さて、金属−セラミックス複合体の熱膨張
率は、通常、強化材であるセラミックスと基材である金
属の熱膨張率とそれらの配合比で決まる。セラミックス
の熱膨張率は金属の熱膨張率に比べかなり小さく、複合
体の熱膨張率を下げるには、セラミックスの比率を増や
すことが効果的である。一方、金属−セラミックス複合
体の熱伝導率も、基本的には、強化材であるセラミック
スと基材である金属の熱伝導率とそれら配合比で決まる
が、熱伝導率の場合、更に強化材と基材との界面の結合
状態が大きく寄与する。セラミックスと金属では、一般
に金属の方が熱伝導率が高いが、炭化珪素（ＳｉＣ）、
窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、窒化硼素（ＢＮ）等は、
金属と同等以上（３００Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上）の理論熱
伝導率を有し、熱伝導率向上の点からは、強化材として
非常に有望である。しかし、実際に複合体を製造する場
合、ＡｌＮやＢＮは高価であり、得られる複合体も高価
になってしまう。また、ＡｌＮやＢＮは、大気雰囲気中
で酸化され易く、複合体とした場合、強化材であるセラ
ミックスと基材である金属との間に熱伝導率が極めて低
いガラス相を形成し易く、その結果、得られる複合体の
熱伝導率が低下してしまう。

【００１９】本発明者らは、強化材について種々検討し
た結果、炭化珪素を主成分とする特定のセラミックス構
造体を用いるときに、高熱伝導率と低熱膨張率を兼ね備
えた金属−セラミックス複合体を製造するのに適してい
ることを見いだし、本発明に至ったものである。

【００２０】更に、複合体を製造する場合、強化材と金
属との濡れ性が緻密な複合体を得るためには重要であ
る。一般に、金属−セラミックス複合体は、強化材であ
るセラミックスを所定形状に成形したプリフォームに、
基材である金属を高温高圧下で鋳造・含浸させる高圧鋳
造法で緻密体を製造するが、含浸する金属の融点が高い
と、含浸時の温度が高くなり、セラミックスが酸化され
たり、セラミックスと金属が反応して特性的に好ましく
ない化合物を形成することがある。また、基材である金
属の融点が高いと、含浸するときの温度を高くすること
が必要となり、型材等の材質が限定され、その結果高価
になってしまうと共に、鋳造コスト自体も増加し、得ら
れる複合体が高価になってしまう。

【００２１】本発明者らは、基材となる金属について種
々検討し、炭化珪素質構造体にアルミニウムを主成分と
する合金を適用することにより、上述の問題を生じるこ
となく、良好な複合体を製造できることを見いだした。
すなわち、本発明に用いる複合体は、炭化珪素質多孔体
にアルミニウムを主成分とする金属を含浸してなるもの
である。

【００２２】本発明に用いる炭化珪素質多孔体について
は、含浸操作において、破壊されることがなければどの
様なものであっても構わない。炭化珪素質多孔体を作製
する方法としては、高温で焼結を利用して製造する方
法、シリカやアルミナ等の前駆体をバインダーとして添
加し、１０００℃程度の温度で処理して製造する方法等
が知られているが、いずれの方法によるものであっても
構わない。しかし、焼結を利用して多孔体を製造する場
合、２０００℃近い高温での処理が必要であり、得られ
る多孔体が高価になってしまうという問題があるので、
シリカ等の前駆体をバインダーとして用いる方法の方が
コスト的に有利であり、好ましい。

【００２３】また、三点曲げ強さが１０ＭＰａ以上の強
度の炭化珪素質多孔体を用いるとき、得られる構造体の
熱膨張率が酸化アルミニウム、窒化アルミニウム、窒化
珪素等の熱膨張率と同程度に小さくでき、その結果、実
使用下での繰り返しの熱履歴を受けてもセラミックス基
板と複合体の界面部での剥離が少なく、高信頼性のセラ
ミックス回路基板が得られるので、好ましい。

【００２４】複合体において、炭化珪素質多孔体の含有
量は５０〜８０体積％であり、好ましくは６０〜７５体
積％である。炭化珪素質多孔体の含有量が５０体積％未
満では、複合体の熱膨張率が高くなり、本発明が目的と
する信頼性の高いセラミックス回路基板が得られないこ
とがある。また、炭化珪素質多孔体の含有量を高くする
ことは、複合体の高熱伝導率、低熱膨張率といった点で
有効であるが、嵩密度が８０％を越える多孔体を製造す
るには、非常に高い成形圧力を必要とする等の問題があ
り、得られるセラミックス回路基板のコストが高くなっ
てしまう。また、複合体中の炭化珪素質多孔体の含有量
が８０体積％を越えて極端に高くなりすぎると、強度、
破壊靱性等の機械的特性が低下するとともに高温での熱
伝導率が低下するという問題も生じてくる。

【００２５】本発明の複合体中の金属は、アルミニウム
を主成分とする合金であり、好ましくはシリコンを２０
重量％以下、或いはマグネシウムを５重量％以下含有す
る。アルミニウムにシリコンやマグネシウムを添加し合
金化することにより、合金の融点低下や高温での溶融金
属の粘性低下が期待でき、高温鋳造法等で緻密な複合体
が得やすくなる。更に、アルミニウムを合金化すること
により、アルミニウム自体の硬度増加が期待され、その
結果、得られる複合体の強度等の機械的特性が向上す
る。アルミニウムを主成分とする金属中のアルミニウ
ム、シリコン、マグネシウム以外の金属成分に関して
は、極端に前記金属の特性が変化しない範囲であれば銅
等も含有することができる。更に、前記金属中のアルミ
ニウム以外の成分を調整することにより、金属自体の熱
伝導率や熱膨張率を変えることができ、得られる複合体
の熱膨張率や熱伝導率も調整できる。

【００２６】本発明のセラミックス回路基板を得る方法
として、以下の方法があげられる。炭化珪素粉末に結合
剤としてシリカゾルやアルミナゾル等を所定量添加混合
し、所望の形状に成形する。成形方法は、プレス成形、
押し出し成形、鋳込み成形等を用いることができ、必要
に応じて保形用バインダーを添加してもよい。また、炭
化珪素粉末に関しては、１種類の粉末を用いても、複数
の粉末を粒度配合して用いてもよい。次に、得られた成
形体を、大気中又は窒素等の雰囲気中、温度７００〜１
５００℃で仮焼して炭化珪素質多孔体を製造する。尚、
炭化珪素質多孔体の他の製造方法に関しては、炭化珪素
粉末やシリコン粉末と炭素粉末の混合粉末を、不活性ガ
ス雰囲気中、温度１４００〜２２００℃で焼成して製造
することもできる。

【００２７】上記の方法等で得られた炭化珪素質多孔体
は、熱衝撃による割れ等を防止するため加熱し、融点以
上の温度に加熱したアルミニウムを主成分とする金属溶
湯を高圧で含浸させて炭化珪素質複合体とする。ここ
で、金属成分の含浸方法に関しては、高圧鋳造法、ダイ
キャスト法等が利用できる。本発明では、上記含浸の際
に、表面に回路を有するセラミックス基板の裏面に前述
の炭化珪素質多孔体を当接して配置し、この状態下でア
ルミニウムを主成分とする金属を鋳造し、炭化珪素質多
孔体にアルミニウムを主成分とする金属を含浸すればよ
い。この場合、いろいろな含浸方法に応じて、さまざま
な実施態様が工夫されるが、例えば、金型を用いる高圧
鋳造法においては、セラミックス基板の表面の全部或い
は表面の一部等については、金型形状を工夫し、含浸時
にアルミニウムを主成分とする金属が回り込まないよう
にした上で、含浸操作を行えば良い。また、複合体を形
成する金型の空隙部分に繋げて所望形状に空隙を用意し
ておくのみで、突起物を有する複合体が一体となったセ
ラミックス回路を容易に得ることができる。

【００２８】

【実施例】以下、実施例と比較例をあげて、本発明を更
に詳細に説明する。

【００２９】〔実施例１〜１０〕炭化珪素粉末Ａ（太平洋ランダム社製：ＮＧ−２２０、
平均粒径：６０μｍ）、炭化珪素粉末Ｂ（屋久島電工社製：ＧＣ−１０００
Ｆ、平均粒径：１０μｍ）及びシリカゾル（日産化学社製：スノーテックス）を表
１に記載した組成となるように配合し、攪拌混合機で３
０分間混合した後、１００ｍｍ×１００ｍｍ×５ｍｍの
形状に１０ＭＰａの圧力でプレス成形した。

【００３０】得られた成形体を、大気雰囲気中、温度１
１００℃で２時間加熱して、炭化珪素質多孔体を作製し
た。得られた炭化珪素質多孔体は、７０ｍｍ×５０ｍｍ
×３ｍｍの形状に加工して、その寸法と質量より相対密
度を算出したところ、表１に示す値であった。

【００３１】

【表１】

【００３２】次に、予め銅板（厚さ０．１〜０．５ｍ
ｍ）を接合してある大きさ５０ｍｍ×３０ｍｍ×０.６
３５ｍｍの酸化アルミニウム、窒化アルミニウム、窒化
珪素のセラミックス基板を用意し、これらの表面（前記
銅板が接合されている面）が含浸時に溶融金属と接触し
ないように空隙が加工された金型に納め、更に前記炭化
珪素質多孔体を、前記セラミックス基板の裏面に接触す
るように配置した。そして、金型ごと電気炉にて温度６
００℃に予備加熱し、温度８５０℃に加熱した表１に示
すアルミニウム系の金属の溶湯を流し込み、１００ＭＰ
ａの圧力で２分間プレスして、鋳造するとともに、炭化
珪素質多孔体に合金を含浸させて、セラミックス基板と
一体化した。金型を室温まで冷却し、金型から複合材が
一体化しているセラミックス基板を取り出した後、セラ
ミックス基板表面の銅板を所定の形状にエッチングして
セラミックス回路基板とした。

【００３３】得られたセラミックス回路基板について、
大気中にて−４０℃で３０分間保持後、２５℃で１０分
間放置し、更に１２５℃で３０分間保持後、２５℃で１
０分間放置することを１サイクルとした耐ヒートサイク
ル試験を１０００回行い、回路の状態を目視にて観察し
た。この結果を表２に示したが、回路の変形等の異常は
認められなかった。なお、上記セラミックス回路基板を
用いてシリコンチップの搭載、電極付け等を行うこと
で、モジュールを問題なく組立てることができた。

【００３４】

【表２】

【００３５】〔比較例１〜５〕７０ｍｍ×５０ｍｍ×３
ｍｍの形状の銅のヒートシンクを用意し、また、表面に
銅の回路（厚み０．１〜０．５ｍｍ）、裏面に放熱用銅
板（厚み０．１５ｍｍ）を接合しているセラミックス基
板を用意した。次に、セラミックス基板の放熱用銅板の
表面に前記ヒートシンクをハンダ付けした後（図３参
照）に、実施例１で示した方法で評価した。この結果を
表２に示したが、回路基板の回路が変形又は剥離してお
り、後に続くシリコン（Ｓｉ）チップ搭載、電極付け等
のモジュール組立操作は実施できなかった。

【００３６】

【発明の効果】本発明のセラミックス回路基板は、熱伝
導率が高く、セラミックス基板と同程度に小さな熱膨張
率を有する複合体が一体化されているので、熱放散性に
優れ、繰り返しの熱履歴を受けてセラミックス基板の損
傷を受けることがない、信頼性に優れたセラミックス回
路基板であり、電気、自動車、或いは電源用を初めとす
るいろいろな用途に適用でき、有用である。

【００３７】本発明のセラミックス回路基板の製造方法
によれば、熱伝導率が高く、セラミックス基板と同程度
に小さな熱膨張率を有する複合体が一体化して得ること
ができ、従来必要であった接合操作を不要とするので、
熱放散性に優れ高信頼性のセラミックス回路基板を安価
に提供できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のセラミックス回路基板の一例の断面
形状を示す模式図

【図２】本発明のセラミックス回路基板の他の一例の
断面形状を示す模式図

【図３】従来公知のセラミックス回路基板の断面形状
を示す模式図

【符号の説明】

１回路２セラミックス基板３複合体４放熱板５ヒートシンク６ハンダ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献特開平８−191120（ＪＰ，Ａ) 特開平８−306856（ＪＰ，Ａ) 特開昭61−222668（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01L 23/12 H01L 23/36

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】セラミックス基板の表面に回路を設け、し
かも該セラミックス基板の裏面に炭化珪素質多孔体とア
ルミニウムを主成分とする金属とからなる複合体を設け
てなるセラミックス回路基板であって、前記複合体が、
炭化珪素質多孔体を加熱し、アルミニウムを主成分とす
る金属の溶湯を高圧で含浸させた、炭化珪素含有量が５
０〜８０体積％のものであることを特徴とするセラミッ
クス回路基板。
【請求項２】回路が前記複合体を構成する金属と異なる
金属からなることを特徴とする請求項１記載のセラミッ
クス回路基板。
【請求項３】複合体のセラミックス基板と当接しない面
に、複数の突起を設けてなることを特徴とする請求項１
又は請求項２記載のセラミックス回路基板。
【請求項４】セラミックス基板が酸化アルミニウム、窒
化アルミニウム、又は窒化珪素のいずれかであることを
特徴とする請求項１、請求項２又は請求項３記載のセラ
ミックス回路基板。
【請求項５】表面に回路又は回路用金属層を有するセラ
ミックス基板を、該セラミックス基板の裏面が炭化珪素
質多孔体に当接するように配置し、加熱し、前記セラミ
ックス基板の回路又は回路用金属層の部分を除いて、ア
ルミニウムを主成分とする金属を鋳造し、前記炭化珪素
質多孔体を炭化珪素含有量が５０〜８０体積％の複合体
とすることを特徴とするセラミックス回路基板の製造方
法。
【請求項６】炭化珪素多孔体に、前記アルミニウムを主
成分とする金属を含浸することを特徴とする請求項５記
載のセラミックス回路基板の製造方法。