JP6047102B2 - 大容量モジュール用基板、及び当該基板の製造方法 - Google Patents

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Description

本発明は、大容量モジュール用の基板に関する。より詳細には、本発明は、例えば、ハイブリッド自動車(HV)や電気自動車(EV)等の電動車両、及び各種電化製品等において使用されるインバータ等のパワーモジュールを始めとする大容量モジュールにおいて使用される基板に関する。また、本発明は、当該基板の製造方法にも関する。
近年、例えば、ハイブリッド自動車(HV)や電気自動車(EV)等の電動車両、及び各種電化製品等において、インバータ等のパワーモジュールを始めとする大容量(大電力)モジュールが広く使用されるようになってきている。かかる大容量(大電力)モジュールは、一般的には、例えば、スイッチング素子(例えば、IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor))等のパワー半導体素子を含む回路(以降、「パワー回路」とも称する)と、例えば、かかるパワー半導体素子を制御する周辺回路(以降、「ドライブ回路」とも称する)とを含む。
尚、本明細書において、大容量モジュールとは、200V以上の電圧又は10A以上の大電力を扱うモジュールを指す。かかる大容量モジュールの具体例としては、例えば所謂「パワーモジュール」等を挙げることができる。
上記のような大容量モジュールにおいては、例えばスイッチング素子等のパワー半導体素子から発生するノイズの低減が重要な技術的課題となっている。具体的には、例えば、スイッチング素子のスイッチング動作に伴って発生するノイズによりスイッチング素子のスイッチング動作に異常が生じ、スイッチング素子等のパワー半導体素子を含むパワー回路や周辺回路を破壊する虞がある。更に、かかるノイズが大容量モジュールの外部に漏洩し、大容量モジュールの周辺機器の動作に影響を与える虞もある。
加えて、当該技術分野においては、例えば、IGBTやMOSFET等を含むパワー半導体素子の損失改善策として、従来使用されてきたシリコン(Si)ウェーハに代えて、シリコンカーバイド(SiC)ウェーハや窒化ガリウム(GaN)ウェーハを使用する技術動向が顕著になってきている(例えば、SiC−IGBTやSiC−MOSFET、GaN−IGBTやGaN−MOSFET等)。これらの新しいタイプのウェーハを使用する半導体素子においては、従来のSiウェーハを使用する半導体素子と比較して、より高いスイッチング周波数における動作が可能となるため、大容量モジュールの小型化が可能となる利点がある。しかしながら、スイッチング周波数の上昇に伴い、これらの半導体素子から発生するノイズの周波数も上昇するため、ノイズに起因する上述のような問題も、より深刻となる。従って、大容量モジュールにおいては、パワー半導体素子から発生するノイズの低減が益々重要な技術的課題となっている。
上記のようなノイズを低減するための対策としては、コンデンサ(所謂「スナバコンデンサ」)をパワー半導体に並列に接続することが有効であることが知られている。スナバコンデンサは、パワー半導体素子のスイッチング動作に伴う電圧変化を抑制する効果を有する。かかるスナバコンデンサによってノイズをより有効に低減するには、パワー半導体素子とスナバコンデンサとの間の距離を短くする必要がある。これは、パワー半導体素子とスナバコンデンサとを電気的に接続する配線(ワイヤ)が長くなる程、当該配線が有する等価的なインダクタンスが大きくなり、これによりスイッチング動作に伴って発生するノイズに起因して誘起されるサージ電圧が増大し、結果として、スナバコンデンサによるノイズ低減効果が十分に発揮されないためである。
しかしながら、従来の大容量モジュールにおいては、例えば図1に示すように、大容量モジュール100の外部にスナバコンデンサ126を外付けする必要があるため、パワー半導体素子113とスナバコンデンサ126とを電気的に接続する配線(ワイヤ)が長くなり、スナバコンデンサ126によるノイズ低減効果を十分に発揮させることができなかった。加えて、従来の大容量モジュールにおいては、パワー半導体素子113を含むパワー回路と、例えば、かかるパワー半導体素子113を制御する制御回路素子125を含む周辺回路とが平面的に配置されることや、これらの回路を接続するための配線(ワイヤ)116を配置するための面積が必要であることが、大容量モジュール100の小型軽量化を妨げる要因となってきた。また、上記のような大容量モジュール100を構成する各種回路を接続するワイヤの引き回しにより配線長が長くなり、モジュール全体としての損失が大きくなる等の問題も認められていた。
そこで、上記のような大容量モジュールを構成する各種回路の基板を積層して大容量モジュールの小型軽量化を図ると共に、大容量モジュールを構成する各種回路基板間の接続形態を改良して、大容量モジュールの低損失化を図る試みが提案されている(例えば、特許文献1乃至3を参照)。また、当該技術分野においては、例えば図2に示すように、かかる積層構造を有する大容量モジュール100において、パワー半導体素子113を制御する周辺回路(ドライブ回路)120の基板121の上にスナバコンデンサ126を実装する構成も提案されている。かかる構成によれば、前述のように大容量モジュール100の外部にスナバコンデンサ126を設置する構成と比較して、パワー半導体素子113とスナバコンデンサ126とを電気的に接続する配線(ワイヤ)をより短くすることができるが、その効果は限定的であり、更なる低サージ化が求められている。
そこで、当該技術分野においては、例えば図3に示すように、上記のような積層構造を有する大容量モジュール100において、周辺回路(ドライブ回路)基板121の内部にスナバコンデンサ126を埋設する構成も提案されている。かかる構成によれば、パワー半導体素子113とスナバコンデンサ126とを電気的に接続する配線を更に短くすることができる。
一方、例えば、セラミックを基材として使用する基板において、基板内部に埋設される内層電極と基材とを同時焼成する場合、基材を構成するセラミックと内層電極を構成する導体(例えば、金属)との間で焼き締まりに関する挙動(収縮プロファイル)が異なるため、基材と電極との間での収縮量の差に起因する応力が作用する。特に、大容量モジュールにおける使用が想定される基板においては、モジュール全体としての損失を低減するため、内層電極の厚みを大きくすることが望ましいが、内層電極の厚みが大きくなるほど、基材と電極との間での収縮量の差に起因する応力が大きくなるので、当該応力差により、基材に亀裂が生ずる等の問題に繋がる虞が高まる。基材に亀裂が生ずると、亀裂を介して水分が入り込んで内層電極の腐食や耐絶縁性の低下に繋がったり、更には内層電極の断線に繋がったりする虞がある。
以上のように、当該技術分野においては、主としてセラミックを含んでなる誘電体層からなる基材を含む大容量モジュール用の基板において、基板の内部に埋設される内層電極と基材とを、基材に亀裂を生ずること無く、同時に焼成することができる基板に対する要求が存在する。
特開2006−303006号公報 特許第3410696号公報 特開2011−23654号公報 特開2007−012831号公報
前述のように、当該技術分野においては、主としてセラミックを含んでなる誘電体層からなる基材を含む大容量モジュール用の基板において、基板の内部に埋設される内層電極と基材とを、基材に亀裂を生ずること無く、同時に焼成することができる基板に対する要求が存在する。
本発明は、かかる要求に応えるために為されたものである。より具体的には、本発明は、主としてセラミックを含んでなる誘電体層からなる基材と基板の内部に埋設される内層電極とを、基材に亀裂を生ずること無く、同時に焼成することができる、大容量モジュール用基板を提供することを1つの目的とする。
上記目的は、
主としてセラミックを含んでなる基材と、
前記基材中に埋設された導体材料を含んでなる内層電極と、
を備える基板であって、
前記基材が、第1誘電体からなる少なくとも1層の第1誘電体層及び第2誘電体からなる少なくとも1層の第2誘電体層を含んでなり、
前記第2誘電体が、二酸化珪素(SiO)と三酸化二硼素(B)との少なくとも一方を含んでなる、8質量%以上のガラス網目形成体成分を含有し、
前記内層電極の少なくとも一部が、前記基板の主面に略平行な2つの主面を有し、且つ前記基板の主面の法線方向において50μm以上の厚みを有し、
前記内層電極が有する前記2つの主面のうち少なくとも一方の主面において、前記内層電極と前記第2誘電体層とが接触しており、
前記基板の主面の法線方向における前記第1誘電体層の合計厚みTに対する前記基板の主面の法線方向における前記内層電極と接触している前記第2誘電体層の合計厚みtの比率t/Tが0.1以上1.0以下である、
基板によって達成される。
上記のように、主としてセラミックを含んでなる誘電体層からなる基材と基板の内部に埋設される内層電極とを備える本発明に係る基板においては、前記内層電極が有する前記基板の主面に略平行な2つの主面のうち少なくとも一方の主面において前記内層電極と接触する誘電体層におけるガラス網目形成体成分の含有率を所定値以上とし、且つ当該ガラス網目形成体成分を所定値以上の含有率にて含有する(第2)誘電体層の合計厚み(t)の当該ガラス網目形成体成分を所定値以上の含有率にて含有しない(第1)誘電体層の合計厚み(T)に対する比率(t/T)を所定値以上とすることにより、前記基材に亀裂を生ずること無く、前記基材と前記内層電極とを同時に焼成することができる。
従来技術の1つの実施態様に係る大容量モジュールの構成を示す模式図である。 従来技術のもう1つの実施態様に係る大容量モジュールの構成を示す模式図である。 従来技術の更にもう1つの実施態様に係る大容量モジュールの構成を示す模式図である。 本発明の1つの実施態様に係る基板を用いる大容量モジュールの構成を示す模式図である。 本発明の種々の実施例及び比較例に係る基板サンプル用の各種構造を示す模式図である。
前述のように、本発明は、主としてセラミックを含んでなる誘電体層からなる基材と基板の内部に埋設される内層電極とを、基材に亀裂を生ずること無く、同時に焼成することができる、大容量モジュール用基板を提供することを1つの目的とする。
本発明者は、上記目的を達成すべく鋭意研究の結果、主としてセラミックを含んでなる誘電体層からなる基材と基板の内部に埋設される内層電極とを備える基板において、前記内層電極が有する前記基板の主面に略平行な2つの主面のうち少なくとも一方の主面において前記内層電極と接触する誘電体層におけるガラス網目形成体成分の含有率を所定値以上とし、且つ当該ガラス網目形成体成分を所定値以上の含有率にて含有する(第2)誘電体層の合計厚み(t)の当該ガラス網目形成体成分を所定値以上の含有率にて含有しない(第1)誘電体層の合計厚み(T)に対する比率(t/T)を所定値以上とすることにより、前記基材に亀裂を生ずること無く、前記基材と前記内層電極とを同時に焼成することができることを見出し、本発明を想到するに至ったものである。
即ち、本発明の第1の実施態様は、
主としてセラミックを含んでなる基材と、
前記基材中に埋設された導体材料を含んでなる内層電極と、
を同時に焼成して得られる基板であって、
前記基材が、第1誘電体からなる少なくとも1層の第1誘電体層及び第2誘電体からなる少なくとも1層の第2誘電体層を含んでなり、
前記第2誘電体が8質量%以上のガラス網目形成体成分を含有し、
前記内層電極の少なくとも一部が、前記基板の主面に略平行な2つの主面を有し、且つ前記基板の主面の法線方向において50μm以上の厚みを有し、
前記内層電極が有する前記2つの主面のうち少なくとも一方の主面において、前記内層電極と前記第2誘電体層とが接触しており、
前記基板の主面の法線方向における前記第1誘電体層の合計厚みTに対する前記基板の主面の法線方向における前記内層電極と接触している前記第2誘電体層の合計厚みtの比率t/Tが0.1以上である、
基板である。
上記のように、本実施態様に係る基板は、主としてセラミックを含んでなる基材と、前記基材中に埋設された導体材料を含んでなる内層電極と、を同時に焼成して得られる基板である。本実施態様に係る基板は、当該基板上に配設される各種回路素子、当該基板以外の他の基板、又は当該基板の外部に配設される各種回路素子(例えば、当該基板以外の他の基板上に配設される各種回路素子)との電気的な接続を達成するための表面電極等を更に備えていてもよい。
ところで、本実施態様に係る基板を製造する方法は、上記要件を満たす限り、如何なる方法であってもよく、当該技術分野においてセラミック製の基板の製造に使用される種々の方法から適宜選択することができる。本実施態様に係る基板を製造する方法の具体例としては、例えば、所謂「ゲルキャスト法」や「ドクターブレード法」等を挙げることができる。
上記ゲルキャスト法を採用する場合は、例えば、フィルム状または薄板状の保護基材の表面に、例えばスクリーン印刷法等の印刷法によって導体パターンを配設し、導体パターンが配設されなかった部分にはセラミック等の誘電体材料のスラリーを注入し、当該スラリーを固化させて得られる導体パターンが埋設された誘電体材料のシートを必要な枚数だけ積層して、導体パターンを表面電極や内層電極として構成し、焼成することによって、本実施態様に係る基板を得ることができる。
上記保護基材としては、ポリエチレンテレフタレート(PET)フィルム、ポリエチレンナフタレート(PEN)フィルム等の樹脂フィルムを用いることが望ましく、また樹脂フィルム以外にも、ガラス板や紙、金属などのフィルム状または板状の種々の材料を用いることができる。但し、保護基材としては、剥離操作の容易性の観点から、可撓性を備えたものを用いることが好ましい。
また、例えば、上記誘電体材料のシートを保護基材から容易に剥離することができるようにすること等を目的として、上記保護基材の表面には、例えば、剥離剤等が塗布されていてもよい。かかる剥離剤には、例えば、当該技術分野において離型剤として知られている各種薬剤が含まれる。より具体的には、かかる剥離剤としては、公知のシリコーン系剥離剤、フッ素系剥離剤等を使用することができる。
上記導体パターンは、本実施態様に係る基板の製造過程において、例えば、導体パターンの変形や導電特性の劣化等の問題を生ずること無く、結果として得られる導体パターンにおいて良好な導電性を呈するものである限り、当該技術分野において公知の種々の導体材料から適宜選択される導体材料を用いて形成することができる。上記導体パターンは、主成分として、例えば、金(Au)、銀(Ag)、及び銅(Cu)等から選ばれる少なくとも1種類以上の金属と熱硬化性樹脂前駆体を含んでなる導体ペーストを、例えば、スクリーン印刷等の方法により上記保護基材の表面上に形成することによって配設されることが望ましい。かかる熱硬化性樹脂前駆体としては、フェノール樹脂、レゾール樹脂、ウレタン樹脂、エポキシ樹脂、メラミン樹脂等を使用することができる。これらの中では、フェノール樹脂、レゾール樹脂であることが特に好ましい。かかる導体ペーストを上記保護基材の表面上に印刷した後、この導体ペーストに含まれるバインダーを硬化させることによって、導体パターンを得ることができる。
上記誘電体材料のスラリーとしては、例えば、樹脂、セラミック粉末、及び溶剤を含んでなるスラリーを挙げることができる。ここで、樹脂は所謂「バインダー」として機能するものであり、例えば、フェノール樹脂、レゾール樹脂、若しくはポリウレタン樹脂等の熱硬化性樹脂、又はポリオール及びポリイソシアネートを含んでなるポリウレタン前駆体等を使用することができる。これらの中では、ポリオール及びポリイソシアネートを含んでなる熱硬化性樹脂前駆体が特に好ましい。
セラミック粉末として使用されるセラミック材料としては、酸化物系セラミック又は非酸化物系セラミックの何れを使用してもよい。例えば、アルミナ(Al)、ジルコニア(ZrO)、チタン酸バリウム(BaTiO)、窒化珪素(Si)、炭化珪素(SiC)、酸化バリウム(BaO)、酸化チタン(TiO)、酸化ケイ素(SiO)、酸化亜鉛(ZnO)、酸化ネオジム(Nd)等を使用することができる。また、これらの材料は、1種類単独で、または2種以上を組み合わせて使用してもよい。更に、スラリーを調製可能な限りにおいて、セラミック材料の粒子径は特に限定されない。尚、当然のことながら、前記第2誘電体を構成するセラミック材料においては、前述の含有率を達成するように配合されたガラス網目形成体成分をも使用することは言うまでも無い。
また、上記溶剤としては、上記バインダーとしての樹脂(及び、使用する場合には分散剤)を溶解するものであれば特に限定されない。溶剤の具体例としては、例えば、多塩基酸エステル(例えば、グルタル酸ジメチル等)、多価アルコールの酸エステル(例えば、トリアセチン(グリセリルトリアセテート)等)等の、2以上のエステル結合を有する溶剤を挙げることができる。
更に、上記誘電体材料のスラリーは、上述の樹脂、セラミック粉末、及び溶剤以外に、分散剤を含んでいてもよい。分散剤の具体例としては、例えば、ポリカルボン酸系共重合体、ポリカルボン酸塩等を挙げることができる。かかる分散剤を添加することにより、成形前のスラリーを低粘度とし、且つ高い流動性を有するものとすることができる。
前述のように、本発明に係る基板は、例えばインバータ等のパワーモジュールを始めとする大容量(大電力)モジュールにおいて用いられることが想定される。従って、本発明に係る基板が備える内層電極の少なくとも一部は、大電流を伝達するのに十分に広い断面積を有することが望ましい。これにより、本実施態様に係る基板を使用する電子回路を含むモジュール全体としての損失を小さくすることができる。具体的には、本実施態様に係る基板においては、前述のように、前記内層電極の少なくとも一部が、前記基板の主面の法線方向において50μm以上、より好ましくは100μm以上の厚みを有することが望ましい。前記内層電極の前記基板の主面の法線方向における厚みが50μm未満である場合、大電流を伝達するには不十分であり、当該基板を用いる大容量モジュールの全体としての損失が大きくなるので望ましくない。
一方、前述のように、例えば、セラミックを基材として使用する基板において、基板内部に埋設される内層電極と基材とを同時焼成する場合、基材を構成するセラミックと内層電極を構成する導体(例えば、金属)との間で焼き締まりに関する挙動(収縮プロファイル)が異なるため、基材と電極との間での収縮量の差に起因する応力が作用する。特に、大容量モジュールにおける使用が想定される基板においては、モジュール全体としての損失を低減するため、内層電極の厚みを大きくすることが望ましいが、内層電極の厚みが大きくなるほど、基材と電極との間での収縮量の差に起因する応力が大きくなるので、当該応力差により、基材に亀裂が生ずる等の問題に繋がる虞が高まる。基材に亀裂が生ずると、例えば、亀裂を介して水分が入り込んで内層電極の腐食や耐絶縁性の低下に繋がったり、更には内層電極の断線に繋がったりする虞がある。
そこで、本発明者は、鋭意研究の結果、前記内層電極が有する前記基板の主面に略平行な2つの主面のうち少なくとも一方の主面において前記内層電極と接触する誘電体層におけるガラス網目形成体成分の含有率を所定値以上とし、且つ当該ガラス網目形成体成分を所定値以上の含有率にて含有する(第2)誘電体層の合計厚み(t)の当該ガラス網目形成体成分を所定値以上の含有率にて含有しない(第1)誘電体層の合計厚み(T)に対する比率(t/T)を所定値以上とすることにより、前記基材に亀裂を生ずること無く、前記基材と前記内層電極とを同時に焼成することができることを見出した。
具体的には、本実施態様に係る基板においては、前述のように、
前記基材が、第1誘電体からなる少なくとも1層の第1誘電体層及び第2誘電体からなる少なくとも1層の第2誘電体層を含んでなり、
前記第2誘電体が8質量%以上のガラス網目形成体成分を含有し、
前記内層電極が有する前記2つの主面のうち少なくとも一方の主面において、前記内層電極と前記第2誘電体層とが接触しており、
前記基板の主面の法線方向における前記第1誘電体層の合計厚みTに対する前記基板の主面の法線方向における前記内層電極と接触している前記第2誘電体層の合計厚みtの比率t/Tが0.1以上である。
上記のように、本実施態様に係る基板を構成する基材は第1誘電体からなる少なくとも1層の第1誘電体層及び第2誘電体からなる少なくとも1層の第2誘電体層を含んでなり、前記第2誘電体が所定量のガラス網目形成体成分を含有する。これにより、前記第2誘電体層は、当該基板の焼成時に、前記第1誘電体層と比較して、より大きい程度に軟化し、ある程度の流動性を発揮することができる。
加えて、本実施態様に係る基板は、前述のように、前記内層電極が有する前記2つの主面のうち少なくとも一方の主面において、前記内層電極と前記第2誘電体層とが接触するように構成される。従って、本実施態様に係る基板においては、前述のような基板の焼成時における基材と電極との間での収縮プロファイルの差に起因して発生する応力を緩和することができる。尚、かかる応力緩和を達成するためには、前記内層電極と前記基材との全ての界面において前記内層電極と前記第2誘電体層とが接触していてもよい。しかしながら、本発明者の知見によれば、必ずしも前記内層電極と前記基材との全ての界面において前記内層電極と前記第2誘電体層とが接触している必要は無い。即ち、本実施態様に係る基板においては、前述のように、前記内層電極が有する前記2つの主面のうち少なくとも一方の主面において、前記内層電極と前記第2誘電体層とが接触するように構成されていればよい。
これは、前記内層電極が有する前記2つの主面のうち一方の主面においてのみ前記内層電極と前記第2誘電体層とが接触する構成においては、前記内層電極が有する前記2つの主面のうち他方の主面において前記内層電極と接触している前記第1誘電体層は、基板の焼成時に前記第2誘電体層のような流動性を呈さないため、当該主面における内層電極の面内方向の収縮は第1誘電体層によって拘束されるものの、前記内層電極が有する前記2つの主面のうち前記第2誘電体層と接触している側においては、基板の焼成時に前記第2誘電体層が呈する流動性により、内層電極が当該主面の面内方向において収縮することができるのみならず、当該主面の法線方向(即ち、厚み方向)にも収縮することができるため、全体として、前述のような基板の焼成時における基材と電極との間での収縮プロファイルの差に起因して発生する応力を緩和することができるものと考えられる。
尚、上記のような応力緩和を達成して、前記基材に亀裂を生ずること無く、前記基材と前記内層電極とを同時に焼成することを可能とするためには、前述のように、前記内層電極が有する前記基板の主面に略平行な2つの主面のうち少なくとも一方の主面において前記内層電極と接触する誘電体層におけるガラス網目形成体成分の含有率を所定値以上とし、且つ当該ガラス網目形成体成分を所定値以上の含有率にて含有する(第2)誘電体層の合計厚み(t)の当該ガラス網目形成体成分を所定値以上の含有率にて含有しない(第1)誘電体層の合計厚み(T)に対する比率(t/T)を所定値以上とする必要がある。
具体的には、本実施態様に係る基板において、前記第2誘電体は、8質量%以上、より好ましくは10質量%以上のガラス網目形成体成分を含有することが望ましい。前記第2誘電体におけるガラス網目形成体成分の含有率が8質量%未満である場合、当該基板の焼成時に、前記第2誘電体層が十分に軟化することができず、前述のような基板の焼成時における基材と電極との間での収縮プロファイルの差に起因して発生する応力を緩和するのに十分な流動性を前記第2誘電体層が発揮することができないので望ましくない。
また、本実施態様に係る基板において、前記基板の主面の法線方向における前記第1誘電体層の合計厚みTに対する前記基板の主面の法線方向における前記内層電極と接触している前記第2誘電体層の合計厚みtの比率t/Tは、0.1以上、より好ましくは0.2以上であることが望ましい。当該比率t/Tが0.1未満である場合、たとえ前記第2誘電体におけるガラス網目形成体成分の含有率が8質量%以上であっても、前述のような基板の焼成時における基材と電極との間での収縮プロファイルの差に起因して発生する応力を緩和するのに十分な流動性を前記第2誘電体が発揮することができないので望ましくない。
尚、前記基板の主面の法線方向における前記第1誘電体層の合計厚みTとは、例えば、基板中に複数の前記第1誘電体層が配設される場合は、これらの第1誘電体層の前記基板の主面の法線方向における厚みの合計値を指す。具体的には、例えば、基板中に2層の前記第1誘電体層が配設される場合は、これら2層の第1誘電体層の前記基板の主面の法線方向における厚みをぞれぞれT1及びT2であるとすると、前記合計厚みTは、T1+T2を指す。同様に、前記基板の主面の法線方向における前記内層電極と接触している前記第2誘電体層の合計厚みtとは、例えば、基板中に複数の前記第2誘電体層が配設される場合は、これらの第2誘電体層の前記基板の主面の法線方向における厚みの合計値を指す。具体的には、例えば、基板中に2層の前記第2誘電体層が配設される場合は、これら2層の第2誘電体層の前記基板の主面の法線方向における厚みをぞれぞれt1及びt2であるとすると、前記合計厚みtは、t1+t2を指す。
但し、前記内層電極が有する前記2つの主面の何れにも接触していない第2誘電体層が基板中に存在する場合、例えば、前記内層電極が有する前記2つの主面のうち一方の主面には第1誘電体層が接触しており、当該第1誘電体層の内層電極とは反対側に第2誘電体層が配設されている場合は、当該第2誘電体層の厚みは上記における合計厚みtには算入されない。これは、前記内層電極が有する前記2つの主面の何れにも接触していない第2誘電体層は、前述のような応力緩和の達成に寄与しないためである。
以上のように、主としてセラミックを含んでなる誘電体層からなる基材と基板の内部に埋設される内層電極とを備える本実施態様に係る基板においては、前記内層電極が有する前記基板の主面に略平行な2つの主面のうち少なくとも一方の主面において前記内層電極と接触する誘電体層におけるガラス網目形成体成分の含有率を所定値以上(具体的には、8質量%以上)とし、且つ当該ガラス網目形成体成分を所定値以上の含有率にて含有する(第2)誘電体層の合計厚み(t)の当該ガラス網目形成体成分を所定値以上の含有率にて含有しない(第1)誘電体層の合計厚み(T)に対する比率(t/T)を所定値以上(具体的には、0.1以上)とすることにより、前記基材に亀裂を生ずること無く、前記基材と前記内層電極とを同時に焼成することができる。
また、本実施態様に係る基板においては、前記内層電極の少なくとも一部が、前記基板の主面の法線方向において50μm以上の厚みを有することから、本実施態様に係る基板を使用する電子回路を含むモジュール全体としての損失を小さくすることができる。
ところで、大容量モジュールにおいては、前述のように、例えば、スイッチング素子のスイッチング動作に伴って発生するノイズによりスイッチング素子のスイッチング動作に異常が生じ、スイッチング素子等のパワー半導体素子を含むパワー回路や周辺回路を破壊する虞がある。更に、かかるノイズが大容量モジュールの外部に漏洩し、大容量モジュールの周辺機器の動作に影響を与える虞もある。加えて、例えば、Siウェーハを使用する従来のIGBTやMOSFET等を含むパワー半導体素子の損失改善策として、SiCウェーハやGaNウェーハを使用する新しいタイプのパワー半導体素子(例えば、SiC−IGBTやSiC−MOSFET、GaN−IGBTやGaN−MOSFET等)においては、Siウェーハを使用する従来の半導体素子と比較して、より高いスイッチング周波数における動作が可能となるため、大容量モジュールの小型化が可能となる利点がある一方、スイッチング周波数の上昇に伴い、これらの半導体素子から発生するノイズの周波数も上昇するため、ノイズに起因する上述のような問題も、より深刻となる。従って、大容量モジュールにおいては、例えばスイッチング素子等のパワー半導体素子から発生するノイズの低減が益々重要な技術的課題となっている。
上記のようなノイズを低減するための対策としては、前述のように、コンデンサ(所謂「スナバコンデンサ」)をパワー半導体に並列に接続することが有効である。かかるスナバコンデンサによってノイズをより有効に低減するには、前述のように、パワー半導体素子とスナバコンデンサとの間の距離を短くする必要があることから、大容量モジュールに含まれる基板の内部にスナバコンデンサを埋設する構成が望ましい。
また、上記のように基板の内部に埋設されたスナバコンデンサの容量を増大させてスナバコンデンサとして必要とされる容量を確保しようとする場合、当該基板の内部に埋設されるスナバコンデンサを構成する導体及び導体の間に挟まれる誘電体の積層数を増大させることによってスナバコンデンサの容量を増大させようとすると、当該基板の厚みが増大し、当該基板を用いる大容量モジュールの小型軽量化の妨げとなる虞がある。従って、基板中に高い誘電率を有する絶縁層(誘電体層)を形成し、当該誘電体層を用いてスナバコンデンサを構成することにより、基板の内部に埋設されるスナバコンデンサを構成する導体及び導体の間に挟まれる誘電体の積層数を増大させること無く(即ち、当該基板の厚みを増大させること無く)、スナバコンデンサの容量を増大させることが望ましい。
かかる観点から、本発明の第2の実施態様は、
本発明の前記第1の実施態様に係る基板であって、
前記第1誘電体の誘電率が前記第2誘電体の誘電率より大きく、
前記第1誘電体層がコンデンサを構成している、
基板である。
上記のように、本実施態様に係る基板においては、前記第1誘電体の誘電率が前記第2誘電体の誘電率より大きく、前記第1誘電体層がコンデンサを構成している。当該コンデンサの具体的な構成は、例えば、本実施態様に係る基板や当該基板を使用して構成されるモジュールの設計仕様等に応じて、適宜設計することができる。例えば、本実施態様に係る基板においては、前記第1誘導体層の少なくとも一部を挟むように、導体材料を含んでなる少なくとも一対の電極を配設することにより、当該基板内にコンデンサを形成させることができる。また、上記少なくとも一対の電極の少なくとも一方の電極が、前記第1誘電体層の内部に埋設されていてもよく、前記第1誘電体層と当該基板の他の構成要素(例えば、第2誘電体層、内層電極)との界面に配設されていてもよく、又は当該基板が有する2つの主面の何れか一方に露出していてもよい。即ち、上記少なくとも一対の電極の少なくとも一方の電極は、本実施態様に係る基板が備える前記内層電極であってもよく、又は当該基板が有する2つの主面の何れか一方に露出するように配設された表面電極であってもよい。
また、上記のように、本実施態様に係る基板においては、前記第1誘電体の誘電率が前記第2誘電体の誘電率より大きく、かかる大きい誘電率を有する第2誘電体層と上記電極とにより、基板の内部にコンデンサを形成する。これにより、本実施態様に係る基板においては、基板の内部に埋設されるスナバコンデンサを構成する導体及び導体の間に挟まれる誘電体の積層数を増大させること無く(即ち、当該基板の厚みを増大させること無く)、スナバコンデンサの容量を増大させることができる。従って、本実施態様に係る基板によれば、当該基板を用いる大容量モジュールの小型軽量化の妨げとなること無く、スナバコンデンサの容量を増大させることができる。
ところで、本発明に係る基板においては、前述のように、前記内層電極が有する前記基板の主面に略平行な2つの主面のうち少なくとも一方の主面において前記内層電極と接触する誘電体層におけるガラス網目形成体成分の含有率を所定値以上とし、且つ当該ガラス網目形成体成分を所定値以上の含有率にて含有する第2誘電体層の合計厚みtの当該ガラス網目形成体成分を所定値以上の含有率にて含有しない第1誘電体層の合計厚みTに対する比率t/Tを所定値以上とすることにより、前記基材に亀裂を生ずること無く、前記基材と前記内層電極とを同時に焼成することを可能としている。
上記ガラス網目形成体成分は、電子回路基板としての要求特性、特に大容量モジュールにおいて使用される電子回路基板としての要求特性に悪影響を及ぼすこと無く、当該基板の焼成時に第2誘電体層が十分に軟化して、前述のような基板の焼成時における基材と電極との間での収縮プロファイルの差に起因して発生する応力を緩和するのに十分な流動性を第2誘電体層が発揮させることが可能である限りにおいて、如何なる組成を有するガラス網目形成体成分であってもよい。即ち、上記ガラス網目形成体成分としては、当該技術分野において公知の種々のガラス網目形成体を使用することができる。かかるガラス網目形成体としては、例えば、珪素(Si)、硼素(B)、ゲルマニウム(Ge)、燐(P)、砒素(As)、及びバナジウム(V)等の、それぞれの酸化物が知られている。主要なガラス網目形成体成分としては、例えば、二酸化珪素(SiO)及び三酸化二硼素(B)の少なくとも何れか一方を含んでなるガラス網目形成体成分を挙げることができる。
従って、本発明の第3の実施態様は、
本発明の前記第1又は前記第2の実施態様の何れか1つに係る基板であって、
前記ガラス網目形成体成分が、二酸化珪素(SiO)及び三酸化二硼素(B)の少なくとも何れか一方を含んでなる、
基板である。
上記のように、本実施態様に係る基板において、前記ガラス網目形成体成分が、二酸化珪素(SiO)及び三酸化二硼素(B)の少なくとも何れか一方を含んでなる。即ち、前記ガラス網目形成体成分は、二酸化珪素(SiO)及び三酸化二硼素(B)の何れか一方のみを含んでなるガラス網目形成体成分であってもよく、これらの両方を含んでなるガラス網目形成体成分であってもよい。
ところで、前述のように、前記内層電極に含まれる導体材料は、本発明に係る基板の製造過程において、例えば、導体パターンの変形や導電特性の劣化等の問題を生ずること無く、結果として得られる導体パターンにおいて良好な導電性を呈するものである限り、当該技術分野において公知の種々の導体材料から適宜選択することができる。何れの場合であっても、前記内層電極は、本発明に係る基板を用いるモジュールにおける損失の低減という観点から、小さい電気抵抗を有する良導体からなることが望ましい。
従って、本発明の第4の実施態様は、
本発明の前記第1乃至前記第3の実施態様の何れか1つに係る基板であって、
前記導体材料が、金(Au)、銀(Ag)、及び銅(Cu)の少なくとも何れか1種を含んでなる、
基板である。
上記のように、本実施態様に係る基板においては、前記導体材料が、金(Au)、銀(Ag)、及び銅(Cu)の少なくとも何れか1種を含んでなる。これにより、本実施態様に係る基板における損失を低減することができ、結果として、本実施態様に係る基板を使用するモジュールの全体としての損失をも低減することができる。
以上、本発明に係る基板としての幾つかの実施態様について説明してきたが、前述のように、本発明の範囲には、これらの実施態様を始めとする種々の実施態様及びそれらの変形例に係る基板の製造方法もまた含まれる。そこで、本発明に係る基板としての上述の実施態様に対応する基板の製造方法としての実施態様につき以下に列挙する。但し、これらの製造方法の説明において言及される基板及び基板の構成要素に関する説明は、本発明に係る基板としての上述の実施態様に関する説明において既に述べたので、ここでは繰り返して説明しない。
即ち、本発明の第5の実施態様は、
主としてセラミックを含んでなる基材と、
前記基材中に埋設された導体材料を含んでなる内層電極と、
を同時に焼成して基板を得る、
基板の製造方法であって、
前記基材が、第1誘電体からなる少なくとも1層の第1誘電体層及び第2誘電体からなる少なくとも1層の第2誘電体層を含んでなり、
前記第2誘電体が8質量%以上のガラス網目形成体成分を含有し、
前記内層電極の少なくとも一部が、前記基板の主面に略平行な2つの主面を有し、且つ前記基板の主面の法線方向において50μm以上の厚みを有し、
前記内層電極が有する前記2つの主面のうち少なくとも一方の主面において、前記内層電極と前記第2誘電体層とが接触しており、
前記基板の主面の法線方向における前記第1誘電体層の合計厚みTに対する前記基板の主面の法線方向における前記内層電極と接触している前記第2誘電体層の合計厚みtの比率t/Tが0.1以上である、
基板の製造方法である。
次に、本発明の第6の実施態様は、
本発明の前記第5の実施態様に係る基板の製造方法であって、
前記第1誘電体の誘電率が前記第2誘電体の誘電率より大きく、
前記第1誘電体層がコンデンサを構成している、
基板の製造方法である。
また、本発明の第7の実施態様は、
本発明の前記第5又は前記第6の実施態様の何れか1つに係る基板の製造方法であって、
前記ガラス網目形成体成分が、二酸化珪素(SiO)及び三酸化二硼素(B)の少なくとも何れか一方を含んでなる、
基板の製造方法である。
更に、本発明の第8の実施態様は、
本発明の前記第5乃至前記第7の実施態様の何れか1つに係る基板の製造方法であって、
前記導体材料が、金(Au)、銀(Ag)、及び銅(Cu)の少なくとも何れか1種を含んでなる、
基板の製造方法である。
以上のように、本発明の幾つかの実施態様に係る基板の製造方法によれば、主としてセラミックを含んでなる誘電体層からなる基材と基板の内部に埋設される内層電極とを備える基板において、前記内層電極が有する前記基板の主面に略平行な2つの主面のうち少なくとも一方の主面において前記内層電極と接触する誘電体層におけるガラス網目形成体成分の含有率を所定値以上(具体的には、8質量%以上)とし、且つ当該ガラス網目形成体成分を所定値以上の含有率にて含有する(第2)誘電体層の合計厚み(t)の当該ガラス網目形成体成分を所定値以上の含有率にて含有しない(第1)誘電体層の合計厚み(T)に対する比率(t/T)を所定値以上(具体的には、0.1以上)とすることにより、前記内層電極の少なくとも一部が、前記基板の主面の法線方向において50μm以上の厚みを有する場合においても、前記基材に亀裂を生ずること無く、前記基材と前記内層電極とを同時に焼成することができる。その結果、本実施態様に係る基板の製造方法によれば、低損失化を達成しつつ、信頼性の高い電子回路基板を提供することができる。
以下、本発明の幾つかの実施態様に係る基板の構成等につき、添付図面等を参照しつつ説明する。但し、以下に述べる説明はあくまでも例示を目的とするものであり、本発明の範囲が以下の説明に限定されるものと解釈されるべきではない。
1.本発明の実施態様に係る基板を含む大容量モジュールの構成
前述のように、図4は、本発明の1つの実施態様に係る基板を含む大容量モジュールの構成を示す模式図である。図4に示すように、本発明の1つの実施態様に係る基板210を含む大容量モジュール200は、ダイオード221及びパワーIC222が配設された絶縁基板220、及び基板210を含んでなる。また、絶縁基板220のダイオード221及びパワーIC222が配設された側とは反対の側には、放熱ベース223を介してヒートシンク224が配設されている。
一方、当該基板210の絶縁基板220に対向する側とは担体の側には、ヒートシンク215、主端子216、及び制御端子217がそれぞれ配設されている。更に、当該基板210は、第1誘電体層211及び第2誘電体層212を備え、基板の内部に内層電極213、基板の主面に表面電極214をそれぞれ備えている。尚、当該基板210において、第1誘電体層211は、第2誘電体層212を構成する第2誘電体よりも高い誘電率を有する第1誘電体によって構成されている。従って、第1誘電体層211は、当該基板210の内部に形成されるコンデンサを構成する誘電体として機能することができる。一方、第2誘電体層212は、ガラス網目形成体成分を所定値以上の含有率にて含有する。また、当該基板210の主面の法線方向における内層電極213の厚みは、前述のように50μm以上である。更に、内層電極213の当該基板210の主面に略平行な2つの主面のうち、ヒートシンク215側の主面は第1誘電体層211と接触しており、絶縁基板220側の主面は第2誘電体層212と接触している。
上記構成により、図4に示す大容量モジュール200においては、ダイオード221及びパワーIC222から発生する熱を、ヒートシンク215及び224により、効率良く外部に放出することができる。また、第1誘電体層211を誘電体とするコンデンサを当該基板210の内部に埋設することにより、パワーIC222とコンデンサとを接続する電気的経路を短くすることができるので、パワーIC222から発生するノイズを低減することができるのみならず、当該ノイズに起因して誘起されるサージ電圧の増大をも抑制することができる。
更に、図4に示す大容量モジュール200においては、内層電極213の厚みが十分に大きい(50μm以上)ことから、当該基板210における損失の増大を抑制することができる。しかも、内層電極213の当該基板210の主面に略平行な2つの主面のうち絶縁基板220側の主面は、ガラス網目形成体成分を所定値以上の含有率にて含有する第2誘電体層212と接触している。これにより、当該基板210の焼成時に、内層電極213と基材との間での収縮プロファイルの差に起因して発生する応力を第2誘電体層212が緩和することができる。その結果、当該基板210においては、上記のように厚い(50μm以上)内層電極213が内部に埋設されているにも拘わらず、当該基板210の焼成時に基材に亀裂が生ずる等の問題が低減される。従って、当該基板210によれば、基材に生じた亀裂を介して水分が入り込んで内層電極の腐食や耐絶縁性の低下に繋がったり、更には内層電極の断線に繋がったりする問題を低減し、大容量モジュール200の信頼性を高めることができる。
2.基板の構造及び誘電体の組成による亀裂の発生状況の違い
本実施例においては、基板の種々の構造と誘電体の種々の組成との組み合わせによる、基板における亀裂の発生状況の違いについて検討した。具体的には、内層電極と第2誘電体層との接触状況、第1誘電体層に対する第2誘電体層の厚みの比率(t/T)、及び内層電極の厚みが異なる種々の構造を有する基板において、異なる組成を有する第1誘電体及び第2誘電体を使用して、各種基板サンプルを製造し、個々の基板サンプルにおける焼成後の亀裂の発生状況について、それぞれ評価した。
尚、個々の基板サンプルの製造方法については、当業者に明らかであり、また本発明の各種実施態様に関する上述の記載において既に述べた通りであるので、ここでの説明は割愛する。一方、個々の基板サンプルにおける焼成後の亀裂の発生状況は、超音波探傷試験によって評価した。本実施例における亀裂の発生状況の評価に用いた各種基板サンプルの構造及び各種誘電体の組成につき、以下に詳細に説明する。
(1)基板サンプル用の各種構造
前述のように、図5は、本発明の種々の実施例及び比較例に係る基板サンプル用の各種構造を示す模式図である。尚、説明を容易にするため、ここでは、基板が有する2つの主面のうち、大容量モジュールに組み込まれた際にパワーIC等のパワー半導体に対向する側(即ち、図5における下側)の主面を第1表面、第1表面とは反対側(即ち、図5における上側)の主面を第2表面と称する。図5に示す基板構造(a)乃至(f)においては、第1表面において露出する第1表面電極、第2表面において露出する第2表面電極、及び当該基板の内部に埋設される内層電極がぞれぞれ設けられている。尚、かかる電極の構成については、図5に示す全ての基板構造(a)乃至(f)において共通とする。
先ず、基板構造(a)においては、図5(a)に示すように、内層電極の第2表面側の主面から基板の第2表面までの領域は第1誘電体層によって構成され、内層電極の第2表面側の主面から基板の第1表面までの領域は第2誘電体層によって構成されている。その結果、基板構造(a)においては、内層電極の第2表面側の主面は第1誘電体層と接触し、第1表面側の主面(及び側面)は第2誘電体層と接触している。従って、基板構造(a)の構成は、他の要件(各誘電体層の厚み及び第2誘電体におけるガラス網目形成体成分の含有率)が満足される限り、本発明の1つの実施態様に係る基板の構造に該当する。尚、基板構造(a)においては、第1誘電体層の合計厚みTは内層電極の第2表面側の主面と基板の第2表面との距離に該当し、第2誘電体層の合計厚みtは内層電極の第1表面側の主面と基板の第1表面との距離に該当する。
次に、基板構造(b)においては、図5(b)に示すように、内層電極の第1表面側の主面から基板の第2表面までの領域は第2誘電体層によって構成され、内層電極の第1表面側の主面から基板の第1表面までの領域は第1誘電体層によって構成されている。その結果、基板構造(b)においては、内層電極の第1表面側の主面は第1誘電体層と接触し、第2表面側の主面(及び側面)は第2誘電体層と接触している。従って、基板構造(b)の構成は、他の要件(各誘電体層の厚み及び第2誘電体におけるガラス網目形成体成分の含有率)が満足される限り、本発明のもう1つの実施態様に係る基板の構造に該当する。尚、基板構造(b)においては、第1誘電体層の合計厚みTは内層電極の第2表面側の主面と基板の第1表面との距離に該当し、第2誘電体層の合計厚みtは内層電極の第2表面側の主面と基板の第2表面との距離に該当する。
また、基板構造(c)においては、図5(c)に示すように、内層電極の第2表面側の主面から、当該主面と基板の第2表面との中間に位置する当該主面に略平行な平面(以降、「中間面1」と称する)までの領域は第1誘電体層によって構成され、基板の内部のその他の領域は第2誘電体層によって構成されている。その結果、基板構造(c)においては、内層電極の第2表面側の主面は第1誘電体層と接触し、第1表面側の主面(及び側面)は第2誘電体層と接触している。従って、基板構造(c)の構成は、他の要件(各誘電体層の厚み及び第2誘電体におけるガラス網目形成体成分の含有率)が満足される限り、本発明のもう1つの実施態様に係る基板の構造に該当する。尚、基板構造(c)においては、第1誘電体層の合計厚みTは内層電極の第2表面側の主面と上記中間面1との距離に該当し、第2誘電体層の合計厚みtは内層電極の第1表面側の主面と基板の第1表面との距離に該当する。
更に、基板構造(d)においては、図5(d)に示すように、内層電極の第1表面側の主面から、内層電極の第1表面側の主面と基板の第2表面との中間に位置する当該主面に略平行な平面(以降、「中間面2」と称する)までの領域は第1誘電体層によって構成され、基板の内部のその他の領域は第2誘電体層によって構成されている。その結果、基板構造(d)においては、内層電極の第2表面側の主面(及び側面)は第1誘電体層と接触し、第1表面側の主面は第2誘電体層と接触している。従って、基板構造(d)の構成は、他の要件(各誘電体層の厚み及び第2誘電体におけるガラス網目形成体成分の含有率)が満足される限り、本発明のもう1つの実施態様に係る基板の構造に該当する。尚、基板構造(d)においては、第1誘電体層の合計厚みTは内層電極の第2表面側の主面と上記中間面2との距離に該当し、第2誘電体層の合計厚みtは内層電極の第1表面側の主面と基板の第1表面との距離に該当する。
加えて、基板構造(e)においては、図5(e)に示すように、内層電極の第2表面側の主面と基板の第2表面との中間に位置する当該主面に略平行な平面(以降、「中間面3」と称する)から、中間面3と基板の第2表面との中間に位置する当該主面に略平行な平面(以降、「中間面4」と称する)までの領域は第1誘電体層によって構成され、基板の内部のその他の領域は第2誘電体層によって構成されている。その結果、基板構造(e)においては、内層電極の第1表面側の主面及び第2表面側の主面(並びに側面)は何れも第2誘電体層と接触している。従って、基板構造(e)の構成は、他の要件(各誘電体層の厚み及び第2誘電体におけるガラス網目形成体成分の含有率)が満足される限り、本発明のもう1つの実施態様に係る基板の構造に該当する。尚、基板構造(e)においては、第1誘電体層の合計厚みTは上記中間面3と上記中間面4との距離に該当し、第2誘電体層の合計厚みtは内層電極の第1表面側の主面と基板の第1表面との距離(t2)と内層電極の第2表面側の主面と上記中間面3との距離(t1)との和に該当する(t=t1+t2)。
一方、基板構造(f)においては、図5(f)に示すように、内層電極の第2表面側の主面と基板の第2表面との中間に位置する当該主面に略平行な平面(以降、「中間面5」と称する)から、基板の第1表面までの領域は第1誘電体層によって構成され、上記中間面5から基板の第2表面までの領域は第2誘電体層によって構成されている。その結果、基板構造(f)においては、内層電極の第1表面側の主面及び第2表面側の主面(並びに側面)は何れも第1誘電体層と接触しており、第2誘電体層と接触していない。従って、基板構造(f)の構成は、他の要件(各誘電体層の厚み及び第2誘電体におけるガラス網目形成体成分の含有率)が満足されるか否かに拘わらず、本発明の実施態様に係る基板の構造には該当しない(即ち、比較例に係る構造である)。尚、基板構造(f)においては、第1誘電体層の合計厚みTは上記中間面5と基板の第1表面との距離に該当し、第2誘電体層の合計厚みtは、内層電極の主面接触する第2誘電体層が存在しないため0(ゼロ)となる(t=0(ゼロ))。
尚、上記各種基板構造のうち基板構造(c)、(d)、及び(e)においては、何れも基板の第1表面に最も近い領域が第2誘電体層によって構成されているが、上記のように、これらの第2誘電体層の厚みは、第2誘電体層の合計厚みtに算入されない。これは、前述のように、内層電極が有する2つの主面の何れにも接触していない第2誘電体層は、基板の焼成時に内層電極と基材との間での収縮プロファイルの差に起因して発生する応力を緩和することができないためである。
(2)第1誘電体としての各種誘電体原材料の組成
次に、本実施例においては、上述の各種基板の第1誘電体層を構成する第1誘電体として、以下に示す2種類の誘電体原材料を用意した。
《誘電体原材料1−1》
BaCO、TiO、Nd、及びBiの混合物を1100℃において仮焼して0.16BaO・0.675TiO・0.14Nd・0.025Biを合成した後、粉砕した。この粉砕物に対して、2重量%のボリシリケート系ガラス粉砕物を焼成助剤として混合したものを、第1誘電体の原材料1−1とした。尚、この誘電体原材料1−1を900℃において焼成したものの誘電率は80であった。
《誘電体原材料1−2》
等モルのBaCO及びTiOの混合物を1100℃において仮焼してBaTiOを合成した後、粉砕した。この粉砕物に対して、合計で6質量%のBi2O、CuO、及びZnOの混合物を副成分として加えたものを、第1誘電体の原材料1−2とした。尚、この誘電体原材料1−2を900℃において焼成したものの誘電率は2000であった。
(3)第2誘電体としての各種誘電体材料の組成
次に、本実施例においては、上述の各種基板の第2誘電体層を構成する第2誘電体として、以下に示す13種類の誘電体原材料を用意した。
《誘電体原材料2−1−1乃至10》
BaCO、TiO、及びZnOの混合物を1100℃において仮焼してBaO・4.5TiO・1.5ZnOを合成した後、粉砕した。この粉砕物に対して、SiO、HBO、及びZnOに必要に応じてGeO又はPを加えてガラス化して粉砕したものを加え、第2誘電体の原材料2−1−1乃至10とした。斯くして得られた10種類の誘電体原材料におけるB及びSiOの添加率[質量%]を表1に示す。尚、これらの誘電体原材料を900℃において焼成したものの誘電率は、主として上記ガラス網目形成体成分の添加率によって変化するが、何れも上述の第1誘電体の原材料よりも小さく、15乃至35の範囲の誘電率を呈した。
《誘電体原材料2−2》
BO、SiO、Al、及びCaCOの混合物を1450℃において溶融させて0.09B・0.58SiO・0.06Al・0.27CaOの組成を有するガラス網目形成体とした後、粉砕した。この粉砕物60質量%に対して、アルミナ粉末40質量%を混合して、第2誘電体の原材料2−2とした。尚、この誘電体原材料を900℃において焼成したものの誘電率は8であり、上述の第1誘電体の原材料よりも小さい誘電率を呈した。
《誘電体原材料2−3》
BaCO、Al、SiO、ZnO、及びBiの混合物を1100℃において仮焼した後、粉砕した。この粉砕物に、SiO及びHBOにZnOを加えてガラス化し粉砕したものを2質量%になるように加え、0.44BaO・0.43SiO・0.03Al・0.03Bi・0.06ZnO・0.01Bの組成を有する第2誘電体の原材料2−3とした。尚、この誘電体原材料を900℃において焼成したものの誘電率は7であり、上述の第1誘電体の原材料よりも小さい誘電率を呈した。
《誘電体原材料2−4》
BO、SiO、及びZnOの混合物を1400℃において溶融させて0.25B・0.10SiO・0.65ZnOの組成を有するガラス網目形成体とした後、粉砕した。この粉砕物40質量%に対して、アルミナ粉末60質量%を混合して、第2誘電体の原材料2−4とした。尚、この誘電体原材料を900℃において焼成したものの誘電率は8であり、上述の第1誘電体の原材料よりも小さい誘電率を呈した。
(3)各種基板サンプルの製造
以上において述べた各種基板構造及び各種誘電体原材料を適用し、5乃至500μmの厚みを有する、導体パターンが内部に埋設若しくは表面に形成された誘電体材料のシート及び/又は導体パターンの無い誘電体材料のシートを必要な枚数だけ積層して、各種基板サンプルを製造した。この際、第1誘電体層に対する第2誘電体層の厚みの比率(t/T)、及び内層電極の厚みを変更して、各種基板サンプルを製造し、個々の基板サンプルにおける焼成後の亀裂の発生状況につき、それぞれ評価した。本実施例において製造した各種基板サンプルにおける基板構造、内層電極の厚み、第1誘電体及び第2誘電体の組成及び厚み比率(t/T)、並びに基板焼成後の亀裂の有無につき、以下の表1に列挙する。
Figure 0006047102
(4)各種基板サンプルの評価
A)比較例A1乃至A7及び実施例A1乃至A10
表1に示すように、比較例A1乃至A7及び実施例A1乃至A10に係る基板サンプルは、前述の基板構造(a)において、第1誘電体層としては前述の誘電体原材料1−1を使用し、第2誘電体層としては前述の誘電体原材料2−1−1乃至4、2−1−9及び10、2−2乃至2−4を使用して製造した。尚、比較例A1乃至A7及び実施例A1乃至A10に係る基板サンプルにおいては、基本的に、内層電極の(基板の主面の法線方向における)厚みは200μmにて一定とし、第1誘電体層の厚み(T)に対する第2誘電体層の厚み(t)の比率(t/T)(「厚比」とも称する)も0.1にて一定とした。但し、厚比(t/T)による亀裂の発生状況に対する影響を調べるため、実施例A5、A6、及びA7に係る基板サンプル、並びに比較例A3、A5、A6、及びA7に係る基板サンプルにおいては、厚比(t/T)の値を、それぞれ、0.2、0.4、及び1.0、並びに0.09、0.08、0.09、及び0.08とした。また、内層電極の厚みによる亀裂の発生状況に対する影響を調べるため、比較例A4に係る基板サンプルにおいては、内層電極の厚みを40μmとした。
表1に示す比較例A1及びA2並びに実施例A1乃至A10に係る基板サンプルについての評価結果からも明らかであるように、50μm以上の内層電極の厚み及び0.1以上の厚比(t/T)を有し、内層電極の少なくとの一方の主面が第2誘電体層と接触する基板構造(a)においても、第2誘電体におけるガラス網目形成体成分の含有率が8質量%未満である場合は、焼成後の基板において亀裂が認められた(比較例A1及びA2)。一方、第2誘電体におけるガラス網目形成体成分の含有率が8質量%以上である場合は、焼成後の基板において亀裂が認められなかった(実施例A1乃至A10)。また、実施例A1乃至A10に係る基板サンプルの中で、ガラス網目形成体成分における追加成分として、それぞれGeO及びPを含む実施例A8乃至A9に係る基板サンプルにおいても、これらの追加成分を含まない実施例A1乃至A7及びA10に係る基板サンプルと同様に、、焼成後の基板において亀裂が認められなかった。このように、焼成後の基板における亀裂の発生を抑制するためには、第2誘電体におけるガラス網目形成体成分の含有率は8質量%以上であることが望ましいことが確認された。
また、厚比(t/T)が異なる点を除いて同一の構成を有する実施例A1及びA5乃至A7、並びに比較例A3に係る基板サンプルの比較から、焼成後の基板における亀裂の発生を抑制するためには、厚比(t/T)が0.1以上であることが望ましいことが確認された。同様に、厚比(t/T)が異なる点を除いて同一の構成を有する、実施例A3に係る基板サンプルと比較例A5に係る基板サンプルとの対、実施例A4に係る基板サンプルと比較例A6に係る基板サンプルとの対、及び実施例A10に係る基板サンプルと比較例A7に係る基板サンプルとの対、における比較からも、焼成後の基板における亀裂の発生を抑制するためには、厚比(t/T)が0.1以上であることが望ましいことが改めて確認された。
尚、比較例A4に係る基板サンプルにおいては、第2誘電体におけるガラス網目形成体成分の含有率が8質量%未満(具体的には、5.5質量%)であるにも拘わらず、焼成後の基板において亀裂が認められなかった。これは、比較例A4に係る基板サンプルにおいては、内層電極の厚みが40μmと小さいため、基板の焼成時に内層電極と基材との間での収縮プロファイルの差に起因して発生する応力が、そもそも小さかったためと考えられる。
B)比較例B1乃至B3及び実施例B1乃至B3
表1に示すように、比較例B1乃至B3及び実施例B1乃至B3に係る基板サンプルは、前述の基板構造(b)及び(c)において、第1誘電体層としては前述の誘電体原材料1−1を使用し、第2誘電体層としては前述の誘電体原材料2−1−5乃至8を使用して製造した。尚、比較例B1乃至B3及び実施例B1乃至B3に係る基板サンプルにおいても、基本的に、内層電極の厚みは200μmにて一定とし、厚比(t/T)も0.1にて一定とした。但し、厚比(t/T)による亀裂の発生状況に対する影響を調べるため、実施例B3及び比較例B3に係る基板サンプルにおいては、厚比(t/T)の値をそれぞれ0.2及び0.07とした。また、実施例B3に係る基板サンプルにおいては、内層電極の厚みを100μmとした。
表1に示す比較例B1乃至B3及び実施例B1乃至B3に係る基板サンプルについての評価結果からも明らかであるように、50μm以上の内層電極の厚み及び0.1以上の厚比(t/T)を有し、内層電極の少なくとの一方の主面が第2誘電体層と接触する基板構造(b)及び(c)においても、第2誘電体におけるガラス網目形成体成分の含有率が8質量%未満である場合は、焼成後の基板において亀裂が認められた(比較例B1及びB2)。一方、第2誘電体におけるガラス網目形成体成分の含有率が8質量%以上である場合は、焼成後の基板において亀裂が認められなかった(実施例B1及びB2)。このように、焼成後の基板における亀裂の発生を抑制するためには、第2誘電体におけるガラス網目形成体成分の含有率は8質量%以上であることが望ましいことが改めて確認された。
また、実施例B3に係る基板サンプルは、内層電極の厚みが100μmと小さく、厚比(t/T)が0.2と大きい点を除き、実施例B2に係る基板サンプルと同じ構成を有する。かかる構成を有する実施例B3に係る基板サンプルにおいては、焼成後の基板において亀裂が認められなかった。これは、内層電極の厚みが100μmと比較的小さく、その一方で厚比(t/T)が0.2と比較的大きいため、基板の焼成時に内層電極と基材との間での収縮プロファイルの差に起因して発生する応力が十分に緩和されたためと考えられる。更に、比較例B3に係る基板サンプルは、厚比(t/T)が0.07と小さい点を除き、実施例B1に係る基板サンプルと同じ構成を有する。かかる構成を有する比較例B3に係る基板サンプルにおいては、焼成後の基板において亀裂が認められた。これは、厚比(t/T)が0.07と小さいため、基板の焼成時に内層電極と基材との間での収縮プロファイルの差に起因して発生する応力が十分に緩和されなかったためと考えられる。
D)比較例D1乃至D4並びに実施例D1及びD2
表1に示すように、比較例D1乃至D4並びに実施例D1及びD2に係る基板サンプルは、前述の基板構造(d)において、第1誘電体層としては前述の誘電体原材料1−2を使用し、第2誘電体層としては前述の誘電体原材料2−1−1乃至4を使用して製造した。尚、比較例D1乃至D4並びに実施例D1及びD2に係る基板サンプルにおいては、基本的に、内層電極の厚みは100μmにて一定とし、厚比(t/T)も0.1にて一定とした。但し、厚比(t/T)による亀裂の発生状況に対する影響を調べるため、比較例D3に係る基板サンプルにおいては、厚比(t/T)の値を0.06とした。また、内層電極の厚みによる亀裂の発生状況に対する影響を調べるため、比較例D4に係る基板サンプルにおいては、内層電極の厚みを40μmとした。
表1に示す比較例D1乃至D4並びに実施例D1及びD2に係る基板サンプルについての評価結果からも明らかであるように、50μm以上の内層電極の厚み及び0.1以上の厚比(t/T)を有し、内層電極の少なくとの一方の主面が第2誘電体層と接触する基板構造(d)においても、第2誘電体におけるガラス網目形成体成分の含有率が8質量%未満である場合は、焼成後の基板において亀裂が認められた(比較例D1及びD2)。一方、第2誘電体におけるガラス網目形成体成分の含有率が8質量%以上である場合は、焼成後の基板において亀裂が認められなかった(実施例D1及びD2)。このように、焼成後の基板における亀裂の発生を抑制するためには、第2誘電体におけるガラス網目形成体成分の含有率は8質量%以上であることが望ましいことが改めて確認された。
また、厚比(t/T)が異なる点を除いて同一の構成を有する実施例D1及び比較例D3に係る基板サンプルの比較から、焼成後の基板における亀裂の発生を抑制するためには、厚比(t/T)が0.1以上であることが望ましいことが確認された。尚、比較例D4に係る基板サンプルにおいては、第2誘電体におけるガラス網目形成体成分の含有率が8質量%未満(具体的には、5.5質量%)であるにも拘わらず、焼成後の基板において亀裂が認められなかった。これは、比較例D4に係る基板サンプルにおいては、内層電極の厚みが40μmと小さいため、基板の焼成時に内層電極と基材との間での収縮プロファイルの差に起因して発生する応力がそもそも小さかったためと考えられる。
E)比較例E1乃至E4並びに実施例E1及びE2
表1に示すように、比較例E1乃至E4並びに実施例E1及びE2に係る基板サンプルは、前述の基板構造(e)において、第1誘電体層としては前述の誘電体原材料1−2を使用し、第2誘電体層としては前述の誘電体原材料2−1−5乃至8を使用して製造した。尚、比較例E1乃至E4並びに実施例E1及びE2に係る基板サンプルにおいては、基本的に、内層電極の厚みは50μmにて一定とし、厚比(t/T)も0.1にて一定とした。但し、厚比(t/T)による亀裂の発生状況に対する影響を調べるため、比較例E3に係る基板サンプルにおいては、厚比(t/T)の値を0.08とした。また、内層電極の厚みによる亀裂の発生状況に対する影響を調べるため、比較例E4に係る基板サンプルにおいては、内層電極の厚みを40μmとした。
表1に示す比較例E1乃至E4並びに実施例E1及びE2に係る基板サンプルについての評価結果からも明らかであるように、50μm以上の内層電極の厚み及び0.1以上の厚比(t/T)を有し、内層電極の少なくとの一方の主面が第2誘電体層と接触する基板構造(e)においても、第2誘電体におけるガラス網目形成体成分の含有率が8質量%未満である場合は、焼成後の基板において亀裂が認められた(比較例E1及びE2)。一方、第2誘電体におけるガラス網目形成体成分の含有率が8質量%以上である場合は、焼成後の基板において亀裂が認められなかった(実施例E1及びE2)。このように、焼成後の基板における亀裂の発生を抑制するためには、第2誘電体におけるガラス網目形成体成分の含有率は8質量%以上であることが望ましいことが改めて確認された。
また、厚比(t/T)が異なる点を除いて同一の構成を有する実施例E1及び比較例E3に係る基板サンプルの比較から、焼成後の基板における亀裂の発生を抑制するためには、厚比(t/T)が0.1以上であることが望ましいことが確認された。尚、比較例E4に係る基板サンプルにおいては、第2誘電体におけるガラス網目形成体成分の含有率が8質量%未満(具体的には、5.3質量%)であるにも拘わらず、焼成後の基板において亀裂が認められなかった。これは、比較例E4に係る基板サンプルにおいては、内層電極の厚みが40μmと小さいため、基板の焼成時に内層電極と基材との間での収縮プロファイルの差に起因して発生する応力がそもそも小さかったためと考えられる。
F)比較例F1及びF2
表1に示すように、比較例F1及びF2に係る基板サンプルは、前述の基板構造(f)において、第1誘電体層としては前述の誘電体原材料1−2を使用し、第2誘電体層としては前述の誘電体原材料2−1−8を使用して製造した。尚、厚比(t/T)については比較例F1及びF2に係る基板サンプルの何れにおいても0.1にて一定としたが、内層電極の厚みについては、比較例F1に係る基板サンプルにおいては200μmとし、比較例F2に係る基板サンプルにおいては50μmとした。
表1に示す比較例F1及びF2に係る基板サンプルについての評価結果からも明らかであるように、それぞれ200μm及び50μmの内層電極の厚みを有する比較例F1及びF2に係る基板サンプルの何れにおいても、第2誘電体におけるガラス網目形成体成分の含有率が8質量%以上であり、厚比(t/T)が0.1であるにも拘わらず、焼成後の基板において亀裂が認められた。これは、前述のように、比較例F1及びF2に係る基板サンプルにおいて採用した基板構造(f)においては、内層電極の第1表面側の主面及び第2表面側の主面(並びに側面)は何れも第1誘電体層と接触しており、第2誘電体層と接触していないため、基板の焼成時に内層電極と基材との間での収縮プロファイルの差に起因して発生する応力を緩和することができなかったためと考えられる。
(5)まとめ
以上のように、主としてセラミックを含んでなる誘電体層からなる基材と基板の内部に埋設される内層電極とを備える基板において、前記基材が、第1誘電体からなる少なくとも1層の第1誘電体層及び8質量%以上のガラス網目形成体成分を含有する第2誘電体からなる少なくとも1層の第2誘電体層を含んでなり、前記内層電極が有する前記基板の主面に略平行な2つの主面のうち少なくとも一方の主面において、前記内層電極と前記第2誘電体層とが接触しており、前記基板の主面の法線方向における前記第1誘電体層の合計厚みTに対する前記基板の主面の法線方向における前記内層電極と接触している前記第2誘電体層の合計厚みtの比率t/Tが0.1以上である、構成とすることによって、前記基材に亀裂を生ずること無く、前記基材と前記内層電極とを同時に焼成することができることが確認された。
本発明に係る基板によれば、内層電極の厚みを十分に大きくして当該基板における損失の増大を抑制しながらも、内層電極の当該基板の主面に略平行な2つの主面のうち少なくとも一方の主面をガラス網目形成体成分を所定値以上の含有率にて含有する第2誘電体層と接触させ、且つ第1誘電体層の厚みTに対する第2誘電体層の厚みtの比率t/Tを所定値以上とすることにより、基材に亀裂を生ずること無く、前記基材と前記内層電極とを同時に焼成することができる。従って、本発明に係る基板によれば、基材に生じた亀裂を介して水分が入り込んで内層電極の腐食や耐絶縁性の低下に繋がったり、更には内層電極の断線に繋がったりする問題を低減し、当該基板を用いる大容量モジュールの信頼性を高めることができる。
以上、本発明を説明することを目的として、特定の構成を有する幾つかの実施態様について説明してきたが、本発明の範囲は、これらの例示的な実施態様に限定されるものではなく、特許請求の範囲及び明細書に記載された事項の範囲内で、適宜修正を加えることができることは言うまでも無い。
100…パワーモジュール、110…第1電子回路、111…第1回路基板、112…接着用パッド、113…パワー半導体素子、114…ケース、115…ヒートシンク、116…ワイヤボンド、117…ダイレクトボンド銅、120…第2電子回路、121…第2回路基板、122…表面電極、123…内層電極、124…表面電極、125…制御回路素子、126…コンデンサ、200…パワーモジュール、210…基板、211…第1誘電体層、212…第2誘電体層、213…内層電極、214…表面電極、215…ヒートシンク、216…主端子、217…制御端子、220…絶縁基板、221…ダイオード、222…パワーIC、223…放熱ベース、及び224…ヒートシンク。

Claims (8)

  1. 主としてセラミックを含んでなる基材と、
    前記基材中に埋設された導体材料を含んでなる内層電極と、
    を備える基板であって、
    前記基材が、第1誘電体からなる少なくとも1層の第1誘電体層及び第2誘電体からなる少なくとも1層の第2誘電体層を含んでなり、
    前記第2誘電体が、二酸化珪素(SiO)と三酸化二硼素(B)との少なくとも一方を含んでなる、8質量%以上のガラス網目形成体成分を含有し、
    前記内層電極の少なくとも一部が、前記基板の主面に略平行な2つの主面を有し、且つ前記基板の主面の法線方向において50μm以上の厚みを有し、
    前記内層電極が有する前記2つの主面のうち少なくとも一方の主面において、前記内層電極と前記第2誘電体層とが接触しており、
    前記基板の主面の法線方向における前記第1誘電体層の合計厚みTに対する前記基板の主面の法線方向における前記内層電極と接触している前記第2誘電体層の合計厚みtの比率t/Tが0.1以上1.0以下である、
    基板。
  2. 請求項1に記載の基板であって、
    前記第1誘電体の誘電率が前記第2誘電体の誘電率より大きく、
    前記第1誘電体層がコンデンサを構成している、
    基板。
  3. 請求項1又は2の何れか1項に記載の基板であって、
    前記ガラス網目形成体成分が、二酸化珪素(SiO)及び三酸化二硼素(B)をともに含んでなる、
    基板。
  4. 請求項1乃至3の何れか1項に記載の基板であって、
    前記導体材料が、金(Au)、銀(Ag)、及び銅(Cu)の少なくとも何れか1種を含んでなる、
    基板。
  5. 主としてセラミックを含んでなる基材と、
    前記基材中に埋設された導体材料を含んでなる内層電極と、
    を同時に焼成して基板を得る、
    基板の製造方法であって、
    前記基材が、第1誘電体からなる少なくとも1層の第1誘電体層及び第2誘電体からなる少なくとも1層の第2誘電体層を含んでなり、
    前記第2誘電体が、二酸化珪素(SiO)と三酸化二硼素(B)との少なくとも一方を含んでなる、8質量%以上のガラス網目形成体成分を含有し、
    前記内層電極の少なくとも一部が、前記基板の主面に略平行な2つの主面を有し、且つ前記基板の主面の法線方向において50μm以上の厚みを有し、
    前記内層電極が有する前記2つの主面のうち少なくとも一方の主面において、前記内層電極と前記第2誘電体層とが接触しており、
    前記基板の主面の法線方向における前記第1誘電体層の合計厚みTに対する前記基板の主面の法線方向における前記内層電極と接触している前記第2誘電体層の合計厚みtの比率t/Tが0.1以上1.0以下である、
    基板の製造方法。
  6. 請求項5に記載の基板の製造方法であって、
    前記第1誘電体の誘電率が前記第2誘電体の誘電率より大きく、
    前記第1誘電体層がコンデンサを構成している、
    基板の製造方法。
  7. 請求項5又は6の何れか1項に記載の基板の製造方法であって、
    前記ガラス網目形成体成分が、二酸化珪素(SiO)及び三酸化二硼素(B)をともに含んでなる、
    基板の製造方法。
  8. 請求項5乃至7の何れか1項に記載の基板の製造方法であって、
    前記導体材料が、金(Au)、銀(Ag)、及び銅(Cu)の少なくとも何れか1種を含んでなる、
    基板の製造方法。
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