JP5402776B2

JP5402776B2 - 金属ベース基板の製造方法

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Publication number: JP5402776B2
Application number: JP2010076685A
Authority: JP
Inventors: 要一守屋; 毅勝部; 祐貴武森; 安隆杉本; 隆裕高田
Original assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2010-03-30
Filing date: 2010-03-30
Publication date: 2014-01-29
Anticipated expiration: 2030-03-30
Also published as: JP2011207027A

Description

この発明は、半導体素子などを実装しながら放熱機能をも与える金属ベース基板の製造方法に関するもので、特に、低温焼結セラミック材料を用いて構成されたセラミック層と金属板とを組み合わせた金属ベース基板の製造方法に関するものである。

金属ベース基板は、比較的高い放熱機能を有しており、たとえば半導体素子のような放熱を必要とする電子部品を実装するために有利に用いられている。このような金属ベース基板において、金属板と組み合わせる基板層を構成する材料として、セラミック材料が用いられている。

たとえば低温焼結セラミック材料は、１０５０℃以下の温度で焼結可能なセラミック材料である。したがって、低温焼結セラミック材料を用いて構成されたセラミック層を金属板上に形成した金属ベース基板であれば、それほど高い融点を有する金属からなる金属板を用いなくても、生の低温焼結セラミック層と金属板とを一括焼成して得ることができる。

しかし、上述のような金属ベース基板の場合、焼成時に低温焼結セラミック層と金属板とが剥離しないようにすることが重要な課題となる。低温焼結セラミック層と金属板との間での剥離は、通常、各々の熱収縮挙動の差によって引き起こされる。

上記の課題を解決するため、低温焼結セラミック層側を、焼成時において、平面方向へは実質的に収縮しないようにすることが考えられる。

たとえば特表２００２−５０５８０５号公報（特許文献１）では、ガラスと少量の酸化物充填剤とを含む第１のグリーンテープ層と、同一のガラスとより多量の酸化物充填剤からなる第２のグリーンテープ層とを交互に重ねることによって、ｘ−ｙ方向の収縮を生じさせず、かつ、金属支持基板からの剥離を生じさせずに、焼成することができることが開示されている。

しかし、第２のグリーンテープ層は、焼成後に多孔質になる傾向にあるため、回路パターンは、特許文献１の「FIG. 9」に図示されているように、第１のグリーンテープ層同士が重なり合う界面に沿って形成されなければならない。焼成後に多孔質になる第２のグリーンテープ層上に、回路パターンを印刷すると、焼成後に第２の層に形成されるポア中の水分などによって、回路パターンに含まれる金属成分がマイグレーションを起こしてしまい、絶縁性を保ちにくいからである。

そのため、回路パターンを形成する位置では、第１のグリーンテープ層を積層方向に少なくとも２層連続して配置しなければならず、このことが、金属ベース基板、ひいてはこれを用いて構成される電子部品装置の低背化を阻害する。

特表２００２−５０５８０５号公報

そこで、この発明の目的は、金属板上に形成した低温焼結セラミック層を焼成時に平面方向には実質的に収縮しないようにしつつ、すべてのセラミック層を緻密化させることで、いずれのセラミック層にも回路パターンを問題なく形成することができ、そのため、低背化に有利な金属ベース基板の製造方法を提供しようとすることである。

この発明に係る金属ベース基板の製造方法は、上述した技術的課題を解決するため、金属板と、低温焼結セラミック材料を含む第１のセラミックスラリーと、低温焼結セラミック材料の焼結温度では焼結しない難焼結性セラミック材料を含む第２のセラミックスラリーとをそれぞれ準備する工程と、金属板の上に、第１のセラミックスラリーからなる第１のセラミックグリーン層および第２のセラミックスラリーからなる第２のセラミックグリーン層を配置する工程と、金属板ならびに第１および第２のセラミックグリーン層を同時焼成する工程とを備える。

ここで、第２のセラミックグリーン層の厚みは、第１のセラミックグリーン層の厚みの０．０５倍以上かつ０．４倍以下とされる。

そして、上記同時焼成する工程において、低温焼結セラミック材料を焼結させるとともに、低温焼結セラミック材料の一部を第２のセラミックグリーン層に流動させることによって、第２のセラミックグリーン層を緻密化させることを特徴としている。

この発明によれば、第２のセラミックグリーン層は、焼成工程において、平面方向へは実質的に収縮しないため、第１のセラミックグリーン層の平面方向での収縮を抑制するように作用する。したがって、金属板の上の第１および第２のセラミックグリーン層からなる積層体部分全体の平面方向での収縮が有利に抑制され、この収縮に起因する剥離を生じさせにくくすることができる。

また、第２のセラミックグリーン層の厚みが、第１のセラミックグリーン層の厚みの０．０５倍以上であるため、第２のセラミックグリーン層による焼成時の収縮抑制作用を十分に働かせることができ、その結果、収縮に起因する剥離をより生じにくくすることができる。

また、第２のセラミックグリーン層の厚みは、第１のセラミックグリーン層の厚みの０．４倍以下と薄いため、同時焼成する工程において、第１のセラミックグリーン層を緻密化させることができるばかりでなく、第１のセラミックグリーン層に含まれる低温焼結セラミック材料の一部を第２のセラミックグリーン層に十分に流動させることができ、その結果、第２のセラミックグリーン層をも緻密化させることができる。すなわち、金属ベース基板に備えるすべてのセラミック層を緻密化することができる。よって、いずれのセラミック層に接する状態であっても、面内配線導体や層間接続導体といった回路パターンを問題なく形成することができる。このことは、低背化に有利である。

また、第２のセラミックグリーン層の存在は、焼成工程における脱脂段階において、脱脂の結果生じたガスの排出経路の確保を可能にする。そのため、特に金属板の近傍での脱脂性を良好にし、残留炭素による当該部分での剥離発生を抑制することができる。

この発明において、第２のセラミックグリーン層の厚みが、第１のセラミックグリーン層の厚みの０．０６倍以上であると、上述した脱脂の結果生じたガスの排出経路の確保をより確実なものとすることができ、よって、剥離発生をより確実に抑制することができる。

この発明に係る製造方法を実施して得られた金属ベース基板を備える電子部品装置の一例を示す断面図である。

図１を参照して、まず、この発明に係る製造方法を実施して得られた金属ベース基板を備える電子部品装置の一例について説明する。

図１に示した電子部品装置１は、金属ベース基板２と、その上に実装される半導体素子３とを備えている。

金属ベース基板２は、金属板４と、金属板４の上に配置される第１および第２のセラミック層５および６とを備えている。この図示した実施形態では、第１のセラミック層５が金属板４に接しながら、第１のセラミック層５と第２のセラミック層６とが交互に積層され、最上層は第２のセラミック層６によって与えられている。しかしながら、第２のセラミック層６が金属板４に接していても、最上層が第１のセラミック層５によって与えられてもよい。

第１のセラミック層５は、第２のセラミック層６より厚い。後述する製造方法の説明から明らかになるように、第１のセラミック層５は低温焼結セラミック材料の焼結体からなる。他方、第２のセラミック層６は、上記低温焼結セラミック材料の焼結温度では焼結しない難焼結性セラミック材料を含むが、焼成時において、第１のセラミック層５に含まれていた低温焼結セラミック材料の一部が第２のセラミック層６へと流動することによって、難焼結性セラミック材料が固化され、緻密化されている。

金属ベース基板２における第１および第２のセラミック層５および６によって構成される積層体部分７には、回路パターンが形成される。図１では、いくつかの回路パターンの図示を省略しているが、半導体素子３に関連して、たとえば、いくつかの表面導体８、いくつかの層間接続導体９、およびいくつかの面内配線導体１０が形成されている。また、表面導体８の特定のものと半導体素子３とは、ボンディングワイヤ１１によって電気的に接続されている。

使用状態において、半導体素子３において発生した熱は、積層体部分７を介して金属板４に伝導され、金属板４から放熱される。金属板４は、その機能を効果的に発揮させるため、たとえば銅または銀を主成分とすることが好ましい。

このような電子部品装置１において用いられる、金属ベース基板２は、次のようにして製造される。

まず、金属板４が用意されるとともに、低温焼結セラミック材料を含む第１のセラミックスラリーと、この低温焼結セラミック材料の焼結温度では焼結しない難焼結性セラミック材料を含む第２のセラミックスラリーとがそれぞれ用意される。

次に、金属板４の上に、第１のセラミックスラリーからなる第１のセラミックグリーン層および第２のセラミックスラリーからなる第２のセラミックグリーン層が配置される。ここで、第１のセラミックグリーン層は第１のセラミック層５となるべきものであり、第２のセラミックグリーン層は第２のセラミック層６となるべきものである。また、前述した表面導体８、層間接続導体９および面内配線導体１０が、必要に応じて、特定のセラミックグリーン層に設けられる。

上述の工程を実施するにあたり、好ましくは、第１のセラミックスラリーをシート状に成形して得られたセラミックグリーンシート上で、第２のセラミックスラリーをシート状に成形することによって、第１のセラミックグリーン層と第２のセラミックグリーン層とが重ね合わされた複合グリーンシートを得た上で、この複合グリーンシートを金属板４上に必要枚数積層し、圧着することが行なわれる。

なお、上記方法に代えて、第１のセラミックスラリーを成形して得られた第１のセラミックグリーンシートと、第２のセラミックスラリーを形成して得られた第２のセラミックグリーンシートとを、金属板４上で、交互に積層してもよい。あるいは、第１のセラミックグリーンシート上で、第２のセラミックグリーン層の成形と第１のセラミックグリーン層の成形とを繰り返してもよい。

次に、金属板４ならびに第１および第２のセラミックグリーン層を同時焼成する工程が実施される。この同時焼成する工程において、第１のセラミックグリーン層に含まれている低温焼結セラミック材料は焼結する。また、この低温焼結セラミック材料の一部は、第２のセラミックグリーン層へと流動し、第２のセラミックグリーン層に含まれる難焼結性セラミック材料を固化し、第２のセラミックグリーン層を緻密化させる。

上記第２のセラミックグリーン層は、焼成工程において、平面方向へは実質的に収縮しないため、第１のセラミックグリーン層の平面方向での収縮を抑制するように作用する。したがって、金属板４の上の第１および第２のセラミックグリーン層からなる積層体部分全体の平面方向での収縮が有利に抑制される。そのため、収縮に起因する第１または第２のセラミックグリーン層と金属板４との間での剥離を生じさせにくくすることができる。

第２のセラミックグリーン層の厚みが、第１のセラミックグリーン層の厚みの０．０５倍以上であれば、第２のセラミックグリーン層による焼成時の収縮抑制作用を十分に働かせることができ、その結果、収縮に起因する第１または第２のセラミックグリーン層と金属板４との間での剥離をより生じにくくすることができる。

この同時焼成する工程において、第１のセラミックグリーン層を緻密化させることができるばかりでなく、第１のセラミックグリーン層に含まれる低温焼結セラミック材料の一部を第２のセラミックグリーン層に十分に流動させ、その結果、第２のセラミックグリーン層をも緻密化させることを可能とするため、第２のセラミックグリーン層の厚みは、第１のセラミックグリーン層の厚みの０．４倍以下と薄くされる。

また、第２のセラミックグリーン層は、焼成工程における脱脂段階では、未だ緻密化されていないため、脱脂の結果生じたガスの排出経路を与える。そのため、第１および第２のセラミックグリーン層からなる積層体部分全体において、良好な脱脂性が確保される。特に金属板４の近傍での脱脂性についても良好なものとされるので、残留炭素による当該部分での剥離発生を抑制することができる。

上述した良好な脱脂性のより確実な確保のためには、第２のセラミックグリーン層の厚みが、第１のセラミックグリーン層の厚みの０．０６倍以上であることが好ましい。

このようにして、金属ベース基板２が得られる。この金属ベース基板２において、そこに備える積層体部分７を構成する第１および第２のセラミック層５および６のすべてが緻密化されている。よって、第１のセラミック層５のいずれ、あるいは第２のセラミック層６のいずれに接する状態であっても、面内配線導体１０や層間接続導体９といった回路パターンを問題なく形成することができる。このことは、金属ベース基板２の低背化、ひいては電子部品装置１の低背化に有利である。

次に、この発明に基づいて実施した実験例について説明する。

［複合グリーンシートの作製］
ＢａＣＯ_３、Ａｌ_２Ｏ_３、およびＳｉＯ_２の各粉末を用意し、これらを混合した混合粉末を８４０℃の温度で１２０分間仮焼することによって、ＢａＯ：３７．０重量％、Ａｌ_２Ｏ_３：１１．０重量％、およびＳｉＯ_２：５２．０重量％の含有比率となる原料粉末を作製した。

次に、上記原料粉末：９０．０重量部、ＭｎＣＯ_３粉末：７．０重量部、Ｍｇ（ＯＨ）_２粉末：１．０重量部、およびＴｉＯ_２粉末：２．０重量部を、分散剤が添加された有機溶剤中で混合し、後に樹脂および可塑剤を添加してさらに混合して、低温焼結セラミック材料を含む第１のセラミックスラリーを得た。

次に、第１のセラミックスラリーを脱泡した後、ドクターブレード法により、表１の「第１のセラミックグリーン層厚み」の欄に示す厚みを有する第１のセラミックグリーン層となるべきセラミックグリーンシートを作製した。

他方、ＢａＯ、Ａｌ_２Ｏ_３、ＳｉＯ_２、ＭｇＯ、Ｂ_２Ｏ_３、およびＬｉ_２Ｏからなるガラス粉末とＡｌ_２Ｏ_３粉末とを、４０重量部：６０重量部の比率で、分散剤が添加された有機溶剤中で混合し、後に樹脂および可塑剤を添加してさらに混合して、難焼結性セラミック材料を含む第２のセラミックスラリーを得た。

次に、第２のセラミックスラリーを脱泡した後、前述したセラミックグリーンシート上で、ドクターブレード法により、表１の「第２のセラミックグリーン層厚み」の欄に示す厚みをもってシート状に成形した。このようにして、上記セラミックグリーンシートによって与えられた第１のセラミックグリーン層と、第２のセラミックスラリーから成形された第２のセラミックグリーン層とが重ね合わされた複合グリーンシートを得た。

なお、上記第２のセラミックスラリーを単独で成形して得られたセラミック成形体は、後述する焼成条件で焼成しても、焼結しないことが確認されている。

［グリーン積層体の作製］
上記複合グリーンシートを１０枚積層し、温度８０℃、圧力１５０ＭＰａの条件でプレスし、平面寸法１００ｍｍ□のグリーン積層体を作製した。

このグリーン積層体は、金属ベース基板における第１および第２のセラミック層からなる積層体部分の未焼成段階のものと同様の構成を有するが、これ単独で、後述する焼成収縮率測定のための試料として供した。

［焼成前の金属ベース基板の作製］
金属板として、厚み０．８ｍｍの銅板を用意し、この銅板上に、上記複合グリーンシートを１０枚積層し、温度８０℃、圧力１５０ＭＰａの条件でプレスし、平面寸法１００ｍｍ□の焼成前の金属ベース基板を得た。ここで、複合グリーンシートは、第１のセラミックグリーン層が銅板に接するように配置した。

［焼成］
上記焼成収縮率測定用グリーン積層体および焼成前の金属ベース基板を、還元性雰囲気中、９８０℃の温度で１８０分間焼成することによって、焼成後の積層体および金属ベース基板をそれぞれ得た。

［評価］
・焼成収縮率測定
平面寸法１００ｍｍ□の焼成収縮率測定用グリーン積層体の一辺の長さ１００ｍｍから焼成後の積層体の一辺の長さを引いた値を１００ｍｍで除し、１００倍した値を積層体の焼成収縮率［％］とした。

・銅板と積層体との間での剥離度評価
焼成後の金属ベース基板の相対向する各端面から１ｍｍ内方の各位置での断面を走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）により倍率１０００倍で観察した。観察箇所は、１個の評価用試料の各端面につき３０箇所、すなわち、両端面で合計６０箇所とした。

１観察視野でも、銅板と積層体部分との界面で剥離またはクラックが確認されれば、「剥離あり」と判断し、他方、剥離またはクラックが１観察視野も確認されなければ、「剥離なし」と判断した。そして、それぞれの試料について、試料数１０個において、「剥離なし」となった個数を求めた。

なお、剥離度の評価には、上記のように、厳しい条件を設定したため、「剥離あり」の場合でも、実用的に問題がない場合もあることを指摘しておく。

・焼結性の評価
焼成後の金属ベース基板における積層体部分の断面をＳＥＭにより観察した。観察画像を画像解析し、平面気孔率が５％以上であった場合を「焼結性悪：×」、５％未満であった場合を「焼結性良：○」とした。

以上の評価結果を表１に示す。

表１において、「厚み比率」に注目すると、これが０．４倍を超える試料８では、「焼結性」が「×」となっている。これは、第２のセラミックグリーン層の厚みが厚いため、第１のセラミックグリーン層に含まれる低温焼結セラミック材料の一部を第２のセラミックグリーン層に十分に流動させることができず、その結果、第２のセラミックグリーン層の緻密化が不十分であったためであると推測される。

これに対して、「厚み比率」が０．４倍以下の試料１〜７および９〜１１では、「焼結性」が「○」であり、金属ベース基板の積層体部分全体が緻密化されていることがわかる。

また、「厚み比率」が０．０５倍未満の試料１および９では、「剥離度」がすべての評価用試料で「剥離あり」となっている。これは、第２のセラミックグリーン層による収縮抑制作用を十分に働かせることができず、その結果、「焼成収縮率」が、それぞれ、「３．２％」および「３．４％」と他の試料に比べて高くなったためであると推測される。

なお、試料２および１０においても、「厚み比率」が０．０５倍以上であるが、「剥離なし」が評価用試料１０個中６〜７個となっている。このような「剥離度」の結果は、試料１および９の場合とは異なり、「焼成収縮率」が影響しているとは考えにくい。

まず、試料２について注目すると、「焼成収縮率」が「０．９％」と低いにも関わらず、「剥離なし」が評価用試料１０個中６個となっている。同様に、試料１０についても、「焼成収縮率」が「０．８％」と低いにも関わらず、「剥離なし」が評価用試料１０個中７個となっている。これらのことは、「焼成収縮率」のみが必ずしも「剥離度」に影響するものではないこと証明している。現に、「焼成収縮率」がともに「０．８％」である試料３と試料１０とを比較すると、試料３ではすべての評価用試料で「剥離なし」であるのに対し、試料１０では「剥離なし」が評価用試料１０個中７個となっている。

以上のような試料２および１０に関する考察から、「厚み比率」が「剥離度」に影響し、「厚み比率」が低い場合、良好な脱脂性が得られず、そのために残留した炭素が、銅板と積層体部分との接合性を阻害したものと推測される。

以上の実験例では、金属板として銅板を用いたが、銅板以外の金属板を用いた場合であっても同様の結果が得られることが確認されている。

１電子部品装置
２金属ベース基板
４金属板
５第１のセラミック層
６第２のセラミック層

Claims

金属板と、低温焼結セラミック材料を含む第１のセラミックスラリーと、前記低温焼結セラミック材料の焼結温度では焼結しない難焼結性セラミック材料を含む第２のセラミックスラリーとをそれぞれ準備する工程と、
前記金属板の上に、前記第１のセラミックスラリーからなる第１のセラミックグリーン層および前記第２のセラミックスラリーからなる第２のセラミックグリーン層を配置する工程と、
前記金属板ならびに前記第１および第２のセラミックグリーン層を同時焼成する工程と
を備え、
前記第２のセラミックグリーン層の厚みは、前記第１のセラミックグリーン層の厚みの０．０５倍以上かつ０．４倍以下であり、
前記同時焼成する工程において、前記低温焼結セラミック材料を焼結させるとともに、前記低温焼結セラミック材料の一部を前記第２のセラミックグリーン層に流動させることによって、前記第２のセラミックグリーン層を緻密化させる、
金属ベース基板の製造方法。
前記第２のセラミックグリーン層の厚みは、前記第１のセラミックグリーン層の厚みの０．０６倍以上である、請求項１に記載の金属ベース基板の製造方法。