JP5573407B2

JP5573407B2 - 金属ベース基板

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Publication number: JP5573407B2
Application number: JP2010142222A
Authority: JP
Inventors: 要一守屋; 哲雄金森; 幸弘八木; 安隆杉本; 隆裕高田
Original assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2010-06-23
Filing date: 2010-06-23
Publication date: 2014-08-20
Anticipated expiration: 2030-06-23
Also published as: JP2012009521A

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に関するもので、特に、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。

この発明にとって興味ある技術として、特表２００２−５０５８０５号公報（特許文献１）には、接着ガラスを有する金属支持体の表面にグリーンテープ層が設けられたものを焼成して得られたセラミック多層回路基板が記載されている。

ところが、特許文献１の特に図８に記載のもののように、金属板（金属支持体）の一方主面のみにセラミック層（グリーンテープ層）を設けた状態で焼成した場合、金属板とセラミック層との熱膨張係数差などに起因して金属ベース基板（セラミック多層回路基板）全体に反りが発生するという問題が生じることが十分に考えられる。

この点、特開２００３−１２４５８４号公報（特許文献２）には、２枚の窒化珪素板の間にＣｕ板またはＣｕ合金板を挟んで接合して成る基体の一方の主面に金属回路板を、他方の主面に金属板を接合して成るセラミック回路基板が記載されている。

特許文献２の図１を参照しながら、より詳細に説明すると、セラミック層である焼成済の窒化珪素板２の間に金属板であるＣｕ板等４を挟んで直接接合法や活性金属法を用いて接合して基体６を作製することで、接合時に発生する熱応力により窒化珪素板にクラックが生じることを防止している。また、基体６の下面に、金属板５を接合することにより、金属板５をヒートシンクとして機能させている。

特許文献２に記載の技術を用いれば、金属板（Ｃｕ板等４）の上面および下面にセラミック層を形成することで熱膨張係数差に起因する金属ベース基板（基体６）の反りを抑制することができる。

しかし、特許文献２に記載の構造では、金属ベース基板（基体６）に熱伝導率の高い金属板（Ｃｕ板等４）を用いているにも関わらず、ヒートシンク（金属板５）との間にはセラミック層（窒化珪素板２）が介在するため、下面のセラミック層の存在によって放熱性が低下してしまうという問題を有している。

特表２００２−５０５８０５号公報特開２００３−１２４５８４号公報

そこで、この発明の目的は、製造時に生じ得る反りを抑制し得るとともに、ヒートシンクへの熱伝導性を向上させることができる、金属ベース基板の構造を提供しようとすることである。

この発明は、互いに対向する第１および第２の主面を有する金属板と、金属板の第１の主面上に形成された第１のセラミック層と、金属板の第２の主面上に形成された第２のセラミック層とを備える、金属ベース基板に向けられるものであって、上述した技術的課題を解決するため、第２のセラミック層は、第２の主面上における枠状領域に沿って位置する枠状部分を少なくとも含むとともに、枠状部分に囲まれた領域において第２の主面の一部を露出させる開口を有し、当該金属ベース基板の上記開口側の面は、第２の主面より外側に位置することを特徴としている。

この発明によれば、金属板の第１および第２の主面上に第１および第２のセラミック層がそれぞれ形成されるとともに、第２のセラミック層が開口を形成しながらも枠状部分を有しているので、金属ベース基板の反りを抑制することができる。

また、第２のセラミック層は、枠状部分に囲まれた領域において第２の主面の一部を露出させる開口を有しているので、この開口を通して金属板にヒートシンクを直接接合することができ、よって、金属ベース基板の放熱性を向上させることができる。

この発明において、第２のセラミック層の枠状部分が金属板の第２の主面の周縁部にマージンを残さず、周縁部を覆うように位置していると、金属板の周縁部まで含めて金属ベース基板全体の反りを抑制することができる。

第２のセラミック層が、枠状部分に囲まれた領域において格子状に延びる格子状部分をさらに含み、開口が、この格子状部分の格子間に形成されかつ島状に分布していると、格子状部分による反り抑制の作用を十分に発揮させながらも、より高い放熱性を実現することができる。

この発明の第１の実施形態による金属ベース基板１を示すもので、（１）は断面図、（２）は底面図である。この発明の第２の実施形態による金属ベース基板１ａを示すもので、（１）は断面図、（２）は底面図である。図２に示した金属ベース基板１ａを用いて構成される電子部品装置１１を示す断面図である。実験例１において作製しようとする試料１に係る金属ベース基板２１を示すもので、（１）は断面図、（２）は底面図である。実験例１において作製しようとする試料２に係る金属ベース基板３１を示す断面図である。

図１を参照して、この発明の第１の実施形態による金属ベース基板１について説明する。

金属ベース基板１は、互いに対向する第１および第２の主面２および３を有する金属板４と、金属板４の第１の主面２上に形成された第１のセラミック層５と、同じく第２の主面３上に形成された第２のセラミック層６とを備えている。金属板４は、その機能を効果的に発揮させるため、熱伝導率の高い金属、たとえばアルミニウム、銅または銀を主成分とすることが好ましい。それらの中でも、未焼成の低温焼結セラミック層を金属板４と同時焼成することによってセラミック層５および６を形成する場合には、金属板４は銅または銀、特に銅を主成分とすることが好ましい。

第１のセラミック層５上には、図１では図示しないが、ＩＣ等の半導体素子やその他の電子部品が実装される。そのため、第１のセラミック層５上には、いくつかの表面導体７が形成されている。図示しないが、第１のセラミック層５は、複数のセラミック層からなる積層構造を有していて、内部に配線等のための内部導体が設けられていてもよい。

第２のセラミック層６は、第２の主面３上における枠状領域に沿って位置する枠状部分８を少なくとも含むとともに、この枠状部分８に囲まれた領域において第２の主面３の一部を露出させる開口９を有している。図１に示した実施形態では、第２のセラミック層６は、枠状部分８のみによって構成されている。また、図１（１）からわかるように、この金属ベース基板１の上記開口９側の面は、第２の主面３より外側に位置している。

また、枠状部分８は、第２の主面３の周縁部にマージンをしていてもよいが、周縁部にマージンを残さず、周縁部を覆うように位置していることが好ましい。この構成によって、金属板４の周縁部をも含めて金属ベース基板１全体の反りを抑制することができる。

図示しないが、第２のセラミック層６についても、複数のセラミック層からなる積層構造を有していて、内部に配線等のための内部導体が設けられていてもよい。

なお、枠状部分８は、その一部に切欠きまたは分断部を有していてもよいが、切欠きまたは分断部を有しないことが好ましい。

第２のセラミック層６に形成された開口９は、金属板４にヒートシンク（図１では図示されない。）をたとえばはんだ付けによって接合することを可能にし、よって、金属ベース基板１の放熱性を向上させることができる。

金属ベース基板１は、たとえば、次のようにして製造される。

まず、金属板４が用意され、金属板４の第１および第２の主面２および３上に、それぞれ第１および第２のセラミック層５および６となるべき生の状態のセラミックグリーン層が積層される。第１のセラミック層５となるべきセラミックグリーン層には、表面導体７が形成され、また、必要に応じて、第１および第２のセラミック層５および６となるべきセラミックグリーン層には、内部導体が形成される。次いで、焼成工程が実施される。これによって、セラミックグリーン層が焼結して、第１および第２のセラミック層５および６となり、金属ベース基板１が得られる。

上述した製造方法に関して、金属板４とセラミック層５および６の各々とを接合するため、以下のように、セラミック層５および６の各々が、積層構造を有し、かつ焼成工程において主面方向での収縮が抑制され得るような対策が講じられることが好ましい。

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の第１の主面２上に、第１のセラミック層５となるべき第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。

他方、金属板４の第２の主面３上に、第２のセラミック層６となるべき第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。第２のセラミック層６となるべき第１のセラミックグリーン層および第２のセラミックグリーン層は、枠状部分８を与える形状とされる。

ここで、前述した表面導体７および、必要に応じて、内部導体が、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の第１および第２の主面２および３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の第１および第２の主面２および３の各々上で、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、第１および第２のセラミック層５および６の各々となるべき第１および第２のセラミックグリーン層と金属板４と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、主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主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主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し得ることがわかっている。

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ことが好ましい。

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とがわかっている。

このようにして、金属ベース基板１が得られる。この金属ベース基板１において、金属板４とセラミック層５および６の各々とは、接合ガラス層を別途形成しておくことなく、接合状態とされる。このとき、金属ベース基板１の金属板４とセラミック層５および６の各々の間には、焼成過程で１〜５μｍ程度の薄いガラス層が形成されることがある。

なお、上述した製造方法では、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からなる第１のセラミックグリーン層と、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からなる第２のセラミックグリーン層とを用いたが、これに代えて、収縮開始温度が異なる２種以上のセラミックグリーン層を用いてセラミック層５および６の主面方向への収縮を抑制してもよい。具体的には、収縮開始温度が比較的低いセラミックグリーン層と収縮開始温度が比較的高いセラミックグリーン層とを積層することで、前者が収縮する温度領域では後者が前者の主面方向への収縮を抑制し、後者が収縮する温度領域では収縮が完了した前者が後者の主面方向への収縮を抑制することで、セラミック層５および６の主面方向への収縮を抑制する方法である。

また、上述した製造方法に関して、金属板４とセラミック層５および６の各々とを接合するため、金属板４とセラミック層５および６の各々との間に予め数十μｍ程度の接合ガラス層を形成しておき、上記の焼成工程において、接合ガラス層を溶融させ、接合状態を達成する製造方法を採用してもよい。

ただし、この場合、接合ガラス層を緩和層として働かせることができるため、接合ガラス層を予め形成しない場合に比べて反りをある程度抑制することができる。

また、金属ベース基板１は、金属板４と焼成済のセラミック層５および６とを重ねた状態として焼成工程を実施することによって、金属板４とセラミック層５および６の各々との接合状態を得る方法によっても製造することができる。この場合、セラミック層５および６は、前述したような低温焼結セラミックから構成されても、窒化アルミニウムなどの高温焼結セラミックから構成されてもよい。ただし、この場合、セラミック層５および６は焼成時の収縮が実質的に生じず、また、接合のための焼成温度を比較的低温にすることが可能であるため、反りはある程度抑制される。

したがって、この発明は、未焼成の低温焼結セラミック層を金属板４と同時焼成する場合に特に有効であり、さらに言えば、接合ガラス層を介さずに、未焼成の低温焼成セラミック層を金属板４と同時焼成する場合に最も効果を発揮することになる。

次に、図２を参照して、この発明の第２の実施形態による金属ベース基板１ａについて説明する。図２において、図１に示す要素に相当する要素には同様の参照符号を付し、重複する説明は省略する。

図２に示した金属ベース基板１ａは、第２のセラミック層６ａの形態に特徴がある。第２のセラミック層６ａは、第２の主面３上における枠状領域に沿って位置する枠状部分８ａを少なくとも含むとともに、この枠状部分８ａに囲まれた領域において第２の主面３の一部を露出させる開口９ａを有している点で、図１に示した第２のセラミック層６と同様であるが、以下の点で、図１に示したものと異なっている。

図２に示した第２のセラミック層６ａは、枠状部分８ａに囲まれた領域において格子状に延びる格子状部分１０をさらに含み、開口９ａは、格子状部分１０の格子間に形成されかつ島状に分布している。このような構成によれば、枠状部分８ａによる反り抑制作用に加えて、格子状部分１０による反り抑制作用をも発揮させることができ、しかも、格子状部分１０において、高い放熱性を実現することができる。

図２に示した金属ベース基板１ａのその他の構成および製造方法については、図１に示した金属ベース基板１の場合と実質的に同様である。図２に示した金属ベース基板１ａにおいても、図１に示した金属ベース基板１の場合と同様、図２（１）からわかるように、この金属ベース基板１ａの開口９ａ側の面は、第２の主面３より外側に位置している。

以上、図１および図２を参照して説明した金属ベース基板１および１ａは、たとえば、図３に示すような状態で使用される。図３は、図２に示した金属ベース基板１ａを用いて構成される電子部品装置１１を示している。

図３を参照して、金属ベース基板１ａの第１のセラミック層５上には、たとえばＩＣのような半導体素子１２が実装される。半導体素子１２は、表面導体７の特定のものとボンディングワイヤ１３によって電気的に接続される。

他方、金属ベース基板１ａの第２のセラミック層６ａ側には、ヒートシンク１４が配置される。ヒートシンク１４は、熱伝導性の良好な金属からなり、第２のセラミック層６ａに設けられた開口９ａ内に導入されたはんだ１５を介して、金属板４と機械的に接合されかつ熱的に結合される。

使用状態において、半導体素子１２において発生した熱は、第１のセラミック層５を介して金属板４に伝えられ、金属板４からはんだ１５等を介してヒートシンク１４へと放熱される。

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。

１．実験例１
［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、厚み８０μｍの第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、厚み１０μｍの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。

［焼成前の金属ベース基板の作製］
図４には、この実験例１において作製しようとする試料１に係る金属ベース基板２１が示されている。

金属板として、長さ１００ｍｍ、幅５０ｍｍおよび厚さ０．８ｍｍの銅板２２を用意した。この銅板２２の上面２３上に、第１のセラミック層２４を形成するため、上記複合グリーンシートを３枚積層し、さらにその上に、厚み０．２ｍｍの電極形成用銅箔２５を積層した。銅板２２の下面２６上には、第２のセラミック層２７を形成するため、枠状部分２８および開口２９を与えるように所定の形状に切った上記複合グリーンシートを３枚積層した。試料１では、後述する焼成後において、図４に示した枠状部分２８の幅「Ｗ１」の、上記銅板２２の長さ１００ｍｍに対する比率、および枠状部分２８の幅「Ｗ２］の、上記銅板２２の幅５０ｍｍに対する比率がともに、表１の「Ｗ比率」の欄に示す「１０％」となるように、複合グリーンシートの切断形状を変更した。次いで、プレス工程を実施し、金属ベース基板２１の焼成前の状態のものを得た。

図５には、この実験例１において作製しようとする試料２に係る金属ベース基板３１が示されている。

上記と同様の長さ１００ｍｍ、幅５０ｍｍおよび厚さ０．８ｍｍの銅板３２の上面３３上に、第１のセラミック層３４を形成するため、上記複合グリーンシートを３枚積層し、さらにその上に、厚み０．２ｍｍの電極形成用銅箔３５を積層した。銅板３２の下面３６上には、第２のセラミック層３７を形成するため、上記複合グリーンシートを３枚積層し、さらにその上に、厚み０．２ｍｍの放熱用銅箔３８を積層した。試料２では、後述する焼成後において、上記試料１の場合と同様の表現方法に従うと、表１の「Ｗ比率」は「５０％」となる。次いで、プレス工程を実施し、金属ベース基板３１の焼成前の状態のものを得た。

さらに、図示しないが、試料３として、上記と同様の長さ１００ｍｍ、幅５０ｍｍおよび厚さ０．８ｍｍの銅板の上面上に、第１のセラミック層を形成するため、上記複合グリーンシートを３枚積層し、さらにその上に、厚み０．２ｍｍの電極形成用銅箔を積層するが、銅板の下面上には、第２のセラミック層、電極形成用銅箔および放熱用銅箔のいずれをも形成しない、金属ベース基板の焼成前のものを作製した。試料３では、後述する焼成後において、上記試料１の場合と同様の表現方法に従うと、表１の「Ｗ比率」は「０％」となる。

［焼成］
上記試料１、２および３に係る金属ベース基板の焼成前のものを、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、焼結した、図４に示す試料１に係る金属ベース基板２１、図５に示す試料２に係る金属ベース基板３１および図示しない試料３に係る金属ベース基板をそれぞれ得た。

［評価］
・反り
レーザー変位計で焼成後の試料１、２および３に係る金属ベース基板の反りを測定した。測定結果を表１の「反り」の欄に示す。

・熱抵抗
熱抵抗測定装置で金属ベース基板２１および３１の熱抵抗を測定した。測定結果を表１の「熱抵抗」の欄に示す。表に示した「熱抵抗」の値は、試料２の熱抵抗値を１００とした場合の比率で示している。

表１からわかるように、試料１によれば、低い熱抵抗と小さい反りとを両立させることができた。これに対して、試料２では、反りを小さく抑えることができたが、熱抵抗が大きくなった。試料３では、熱抵抗を低く維持できたが、反りを小さく抑えることができなかった。

２．実験例２
［複合グリーンシートの作製］
実験例１の場合と同様にして、複合グリーンシートを得た。

［焼成前の金属ベース基板の作製］
実験例１において作製した試料１に係る金属ベース基板２１における第２のセラミック層２７となるべき複合グリーンシートに代えて、枠状部分と島状に開口を分布させた格子状部分とを与えるように所定の形状に切った複合グリーンシートを３枚積層した。次いで、プレス工程を実施し、金属ベース基板の焼成前の状態のものを得た。

［焼成］
上記金属ベース基板の焼成前のものを、実験例１の場合と同様の条件で焼成することによって、焼結した、試料４としての金属ベース基板を得た。

［評価］
実験例１の場合と同様、「反り」および「熱抵抗」を評価した。

その結果、試料４によれば、格子状部分を形成しなかった前述の試料１に比べて、熱抵抗を低く維持したまま、反りをより抑えることができた。

１，１ａ金属ベース基板
２第１の主面
３第２の主面
４金属板
５第１のセラミック層
６，６ａ第２のセラミック層
８，８ａ枠状部分
９，９ａ開口
１０格子状部分

Claims

互いに対向する第１および第２の主面を有する金属板と、
前記金属板の前記第１の主面上に形成された第１のセラミック層と、
前記金属板の前記第２の主面上に形成された第２のセラミック層と
を備え、
前記第２のセラミック層は、前記第２の主面上における枠状領域に沿って位置する枠状部分を少なくとも含むとともに、前記枠状部分に囲まれた領域において前記第２の主面の一部を露出させる開口を有し、当該金属ベース基板の前記開口側の面は、前記第２の主面より外側に位置する、
金属ベース基板。
前記枠状部分は前記第２の主面の周縁部にマージンを残さず、前記周縁部を覆うように位置している、請求項１に記載の金属ベース基板。
前記第２のセラミック層は、前記枠状部分に囲まれた領域において格子状に延びる格子状部分をさらに含み、前記開口は、前記格子状部分の格子間に形成されかつ島状に分布する、請求項１または２に記載の金属ベース基板。