JP6204172B2 - Heat dissipation board - Google Patents
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Description
本発明は、放熱性および導電性に優れた表面を備える放熱性基板に関する。 The present invention relates to a heat dissipation substrate having a surface excellent in heat dissipation and conductivity.
電子機器等に用いられる半導体素子においては、近年、小型化、高密度化および高速化等といった高性能化が急速に進行するに伴い、半導体素子から発生する熱の処理が重要な課題となっている。かかる半導体素子の放熱については、絶縁性を有するセラミック基板の表面に対し、高熱伝導性の銅、アルミニウム等の金属箔や薄板をハンダやろう材等を介して貼り合わせる、金属化(メタライズ化)処理することがなされている。このようなセラミック基板のメタライズ化処理に関する従来技術としては、特許文献1〜4が挙げられる。 2. Description of the Related Art In recent years, in semiconductor elements used for electronic devices and the like, with the rapid progress of high performance such as downsizing, high density and high speed, the treatment of heat generated from the semiconductor elements has become an important issue. Yes. For heat dissipation of such semiconductor elements, metallization (metallization) is performed by bonding a metal foil or thin plate of copper, aluminum, etc. with high thermal conductivity to the surface of an insulating ceramic substrate via solder or brazing material. It has been made to process. Patent documents 1-4 are mentioned as conventional art about such metallization processing of a ceramic substrate.
しかしながら、ハンダやろう材等を用いての金属箔または薄板の接着は、800℃〜1000℃程度の高温での熱処理を要するため、基板と金属材料との熱膨張係数の差によりうねりや反りを生じるという問題があった。また、金属箔または薄板を任意の形態に形成するには、ハンダやろう材等で一旦基材に接合してからエッチングする等の煩雑な工程を行わざるを得なかった。 However, adhesion of metal foil or thin plate using solder, brazing material, etc. requires heat treatment at a high temperature of about 800 ° C. to 1000 ° C., so undulation and warpage are caused by the difference in thermal expansion coefficient between the substrate and the metal material. There was a problem that occurred. Moreover, in order to form a metal foil or a thin plate in an arbitrary form, a complicated process such as etching once bonded to a base material with solder or a brazing material has to be performed.
これに対し、例えば、特許文献5には、セラミック基板に高熱伝導性の金属を直接印刷し焼成することで、メタライズ層を形成する技術が開示されている。しかしながら、この特許文献5の技術によると、例えば、窒化物系セラミックスからなる基板を用いた場合に、窒化物系セラミックスと高熱伝導性金属との間の熱膨張係数の違いから、基板とメタライズ層との接着性が十分に得られ難いという問題があった。例えば、窒化物系セラミックスの熱膨張係数(25℃〜500℃)は、2.6×10−6/K(Si3N4)〜4.6×10−6/K(AlN)程度であるのに対し、代表的なメタライズ層用金属である銅(Cu)の熱膨張係数(25℃〜500℃)は16×10−6/Kと、3〜5倍以上もの違いがある。したがって、特に温度変化の激しい環境においては、メタライズ層の表面の平坦性が損なわれたり、基板からメタライズ層が剥離しやすくなったりするという問題があった。 On the other hand, for example, Patent Document 5 discloses a technique of forming a metallized layer by directly printing and baking a metal having high thermal conductivity on a ceramic substrate. However, according to the technique of Patent Document 5, for example, when a substrate made of a nitride ceramic is used, the difference between the thermal expansion coefficient between the nitride ceramic and the high thermal conductivity metal causes the substrate and the metallized layer to There was a problem that it was difficult to obtain sufficient adhesion. For example, the thermal expansion coefficient (25 ° C. to 500 ° C.) of nitride ceramics is about 2.6 × 10 −6 / K (Si 3 N 4 ) to 4.6 × 10 −6 / K (AlN). On the other hand, the thermal expansion coefficient (25 ° C. to 500 ° C.) of copper (Cu), which is a typical metallization layer metal, is 16 × 10 −6 / K, which is 3 to 5 times or more different. Therefore, there is a problem that the flatness of the surface of the metallized layer is impaired or the metallized layer is easily peeled off from the substrate, particularly in an environment where the temperature changes drastically.
本発明は、以上の通りの事情に鑑みてなされたものであり、メタライズ層が基板に直接かつ接着性良く一体化されている放熱性基板を提供することを課題としている。また、本発明は、かかるメタライズ層を印刷により形成するための銅ペースト、および、かかる放熱性基板を製造するための方法を提供することを他の目的としている。 The present invention has been made in view of the circumstances as described above, and an object of the present invention is to provide a heat dissipating substrate in which the metallized layer is directly integrated with the substrate with good adhesiveness. Another object of the present invention is to provide a copper paste for forming such a metallized layer by printing and a method for producing such a heat-dissipating substrate.
上記の課題を解決するべく、本発明は、放熱性基板を提供する。かかる放熱性基板は、窒化物系セラミックスからなる基板の少なくとも一方の面に、銅を主成分としガラス成分を含む放熱層が直接的に備えられている。そして、上記ガラス成分は、酸化物に換算した場合の組成で、Ag2Oを0.5mol%以上5mol%以下の割合で含有することを特徴としている。
かかる構成においては、窒化物系セラミックスからなる基板に対して接着性に優れた放熱層が備えられ、温度変化の激しい環境においても、基板からメタライズ層が剥離するのを抑制することができる。すなわち、放熱性に優れるとともに、温度変化に対する信頼性の高い放熱性基板が提供される。なお、本明細書において、「主成分」とは、50質量%以上、好ましくは70質量%以上、例えば80質量%以上の割合で当該物質を含んでいることを意味する。
In order to solve the above problems, the present invention provides a heat dissipating substrate. Such a heat dissipating substrate is directly provided with a heat dissipating layer containing copper as a main component and at least one surface of a substrate made of nitride ceramics. Then, the glass component, the composition when converted to oxide, is characterized by containing Ag 2 O at a ratio of less than 5 mol% or more 0.5 mol%.
In such a configuration, the heat dissipation layer having excellent adhesion to the substrate made of nitride ceramics is provided, and the metallized layer can be prevented from peeling off from the substrate even in an environment where the temperature changes rapidly. That is, a heat dissipating substrate having excellent heat dissipation and high reliability with respect to temperature change is provided. In the present specification, the “main component” means that the substance is contained in a proportion of 50% by mass or more, preferably 70% by mass or more, for example, 80% by mass or more.
ここに開示される放熱性基板の好ましい一態様において、上記ガラス成分は、酸化物に換算した場合の組成で、BaOとZnOとの少なくとも一方を合計で60mol%以上95mol%以下の割合で含有することを特徴としている。
かかる構成とすることで、ガラス成分が低融点組成となるためより低い温度での接合が可能とされ、接合の際に基板と放熱層との間に生じる熱応力を低減され得る。これにより、より表面平坦性の高い放熱層を備える放熱性基板が実現される。
In a preferred embodiment of the heat dissipation substrate disclosed herein, the glass component has a composition when converted to an oxide, and contains at least one of BaO and ZnO in a ratio of 60 mol% or more and 95 mol% or less in total. It is characterized by that.
With such a configuration, since the glass component has a low melting point composition, bonding at a lower temperature is possible, and thermal stress generated between the substrate and the heat dissipation layer during bonding can be reduced. Thereby, a heat dissipation board provided with a heat dissipation layer with higher surface flatness is realized.
ここに開示される放熱性基板の好ましい一態様において、上記ガラス成分は、酸化物に換算した場合の組成で、SiO2を1mol%以上20mol%以下の割合で含有することを特徴としている。
かかる構成とすることで、バインダとして機能しているガラス成分の軟化点が低く抑えられ、低温で放熱層が形成され得るとともに、適度な硬度および耐環境性等を併せ持つものとなり得るために好ましい。
In a preferred embodiment of the heat-dissipating substrate disclosed herein, the glass component has a composition when converted to an oxide, and contains SiO 2 at a ratio of 1 mol% to 20 mol%.
Such a configuration is preferable because the softening point of the glass component functioning as a binder can be kept low, a heat dissipation layer can be formed at a low temperature, and it can have appropriate hardness and environmental resistance.
ここに開示される放熱性基板の好ましい一態様において、上記ガラス成分は、酸化物に換算した場合の組成で、Ag2O:0.5mol%以上5mol%以下、(BaO+ZnO):60mol%以上95mol%以下、SiO2:1mol%以上20mol%以下、R2O:1mol%以上30mol%以下、およびAl2O3:0mol%以上5mol%以下であることを特徴としている。なお、ここで、上記Rは元素周期律表における1A族から選択される1種以上の元素を意味し、上記R2Oはかかる1A族元素の酸化物の合計を示している。
かかる構成によると、窒化物系セラミックスからなる基板に対してより相性の良いバインダとしてのガラス成分の組成が提示され、上記の特徴をより一層好適に実現し得るために好ましい。
In a preferred embodiment of the heat-dissipating substrate disclosed herein, the glass component has a composition when converted to an oxide, and Ag 2 O: 0.5 mol% or more and 5 mol% or less, (BaO + ZnO): 60 mol% or more and 95 mol %, SiO 2 : 1 mol% or more and 20 mol% or less, R 2 O: 1 mol% or more and 30 mol% or less, and Al 2 O 3 : 0 mol% or more and 5 mol% or less. Here, R represents one or more elements selected from Group 1A in the Periodic Table of Elements, and R 2 O represents the sum of oxides of such Group 1A elements.
Such a configuration is preferable because the composition of the glass component as a binder having better compatibility with the substrate made of nitride ceramics is presented, and the above characteristics can be realized more suitably.
ここに開示される放熱性基板の好ましい一態様において、上記ガラス成分は、軟化点が450℃以下であることを特徴としている。
かかる構成によると、放熱性基板においてバインダとして機能しているガラス成分がより低い温度で接着能を示し得るため、この放熱性基板はより低い温度で形成され得る。これにより、放熱層の平坦性をより確実に確保しうる放熱性基板を実現することができる。
なお、本明細書において、ガラスの軟化点は、近似的にこれより低い温度では当該ガラスのほとんどの成形操作が不可能となる温度を意味し、約107.6dPa・Sの粘度に相当する温度としている。かかるガラスの軟化点は、JIS R 3103−1:2001に準拠して、寸法がおおよそ直径0.65mm、長さ235mmの円形断面のガラス繊維を、上部の長さ100mmを規定の炉中で(5±1)℃/minの速度で昇温したとき、当該ガラス繊維が自重で1mm/minの速度で伸びるような温度を、軟化点とするようにしている。
In a preferred embodiment of the heat dissipation substrate disclosed herein, the glass component has a softening point of 450 ° C. or lower.
According to such a configuration, since the glass component functioning as a binder in the heat dissipation substrate can exhibit adhesion at a lower temperature, the heat dissipation substrate can be formed at a lower temperature. Thereby, the heat dissipation board | substrate which can ensure the flatness of a heat dissipation layer more reliably is realizable.
In the present specification, the softening point of glass means a temperature at which almost any molding operation of the glass becomes impossible at a temperature lower than this, and corresponds to a viscosity of about 10 7.6 dPa · S. Temperature. According to JIS R 3103-1: 2001, the glass has a softening point of a glass fiber having a circular cross section having a diameter of approximately 0.65 mm and a length of 235 mm, and an upper length of 100 mm in a specified furnace ( When the temperature is raised at a rate of 5 ± 1) ° C./min, a temperature at which the glass fiber elongates by its own weight at a rate of 1 mm / min is set as the softening point.
ここに開示される放熱性基板の好ましい一態様において、上記放熱層は、3質量%以上15質量%以下の割合でガラス成分が含まれていることを特徴としている。
かかる放熱性基板は、バインダとしてのガラス成分の含有量を低く抑えることが可能とされる。これにより、密着性に優れながらも、より放熱性および電気伝導性に優れた放熱層を備える放熱性基板が提供される。
In a preferred aspect of the heat dissipation substrate disclosed herein, the heat dissipation layer is characterized in that a glass component is contained at a ratio of 3% by mass to 15% by mass.
Such a heat dissipating substrate can keep the content of the glass component as a binder low. Thus, a heat dissipating substrate provided with a heat dissipating layer having excellent heat dissipation and electrical conductivity while having excellent adhesion is provided.
ここに開示される放熱性基板の好ましい一態様において、上記窒化物系セラミックスは、窒化ケイ素または窒化アルミニウムを主成分とすることを特徴としている。
かかる構成によると、優れた機械的特性を備えるとともに、Si,SiC,GaN,GaAs等の半導体と近い熱膨張係数を有し、熱伝導性(すなわち放熱性)に優れ、高絶縁耐圧を備える窒化ケイ素または窒化アルミニウムを基板とする放熱性基板が提供される。かかる放熱性基板によると、高い放熱性を有しながらも毒性のある材料を含むBeO基板との代替が可能となる点でも好ましい。
In a preferred aspect of the heat-dissipating substrate disclosed herein, the nitride-based ceramic is characterized by containing silicon nitride or aluminum nitride as a main component.
According to such a configuration, the nitride is provided with excellent mechanical characteristics, a thermal expansion coefficient close to that of a semiconductor such as Si, SiC, GaN, GaAs, etc., excellent thermal conductivity (ie, heat dissipation), and high withstand voltage. A heat dissipating substrate using silicon or aluminum nitride as a substrate is provided. Such a heat dissipating substrate is also preferable in that it can be replaced with a BeO substrate containing a toxic material while having a high heat dissipating property.
ここに開示される放熱性基板の好ましい一態様において、上記放熱層は、上記基板の少なくとも一方の面の70%以上の領域に備えられていることを特徴としている。
かかる放熱層は、例えば印刷技術を利用して形成され得るため、窒化物系セラミックスからなる基板の表面の任意の領域に任意の形態(パターン)で形成され得る。たとえば、基板の少なくとも一方の面の80%以上、さらには95%以上(すなわち、ほぼ100%)の領域に備えられ得る。これにより、例えば、より放熱性の高い放熱性基板が提供される。
In a preferred aspect of the heat dissipation substrate disclosed herein, the heat dissipation layer is provided in a region of 70% or more of at least one surface of the substrate.
Since such a heat dissipation layer can be formed by using, for example, a printing technique, it can be formed in an arbitrary form (pattern) in an arbitrary region of the surface of the substrate made of nitride ceramics. For example, it may be provided in an area of 80% or more, further 95% or more (that is, almost 100%) of at least one surface of the substrate. Thereby, for example, a heat dissipation substrate with higher heat dissipation is provided.
ここに開示される放熱性基板の好ましい一態様において、上記放熱層は、総厚みが50μm以上700μm以下であることを特徴としている。
かかる放熱層は、例えば、印刷技術により形成され得る。したがって、複数回の印刷により、上記の範囲の所望の厚みに好適に制御し得る。これにより、所望の厚みの放熱層を備える、換言すると、所望の放熱性能を備える放熱性基板が提供される。
In a preferred aspect of the heat dissipation substrate disclosed herein, the heat dissipation layer has a total thickness of 50 μm or more and 700 μm or less.
Such a heat dissipation layer can be formed by, for example, a printing technique. Therefore, the desired thickness within the above range can be suitably controlled by printing a plurality of times. Thereby, the heat dissipation board provided with the heat dissipation layer of desired thickness, in other words, the desired heat dissipation performance is provided.
ここに開示される放熱性基板の好ましい一態様において、上記放熱層は、表面粗さRaが1μm以下であることを特徴としている。
ここに開示される放熱性基板は、基板と放熱層との熱膨張差が抑制され得ることから、表面平坦性の高い放熱層が基板上に備えられ得る。かかる構成によると、所望の形態で表面精度の高い放熱層を備える放熱性基板が提供される。このような表面平坦性の高い放熱性基板によると、例えば、半導体素子を複数実装した場合に、当該複数の素子間をワイヤボンディングにより配線する(電気的に接続する)ことに限定されず、例えば、板状電極を載置することでもコンタクトを実現することができる。
なお、本明細書において、表面粗さRaは、粗さ曲線から算出するパラメータであって、JIS B 0601:2001に準拠して算出される算術平均粗さを意味している。
In a preferable aspect of the heat dissipation substrate disclosed herein, the heat dissipation layer has a surface roughness Ra of 1 μm or less.
Since the thermal radiation board | substrate disclosed here can suppress the thermal expansion difference of a board | substrate and a thermal radiation layer, the thermal radiation layer with high surface flatness can be provided on a board | substrate. According to such a configuration, a heat dissipating substrate including a heat dissipating layer having a desired surface and high surface accuracy is provided. According to such a heat dissipation substrate with high surface flatness, for example, when a plurality of semiconductor elements are mounted, it is not limited to wiring (electrically connecting) the plurality of elements by wire bonding. Contact can also be realized by placing plate-like electrodes.
In the present specification, the surface roughness Ra is a parameter calculated from a roughness curve, and means an arithmetic average roughness calculated in accordance with JIS B 0601: 2001.
本発明は、他の側面において、窒化物系セラミックスからなる基板の少なくとも一方の面に放熱層を形成するために用いる銅ペーストを提供する。かかる銅ペーストは、主成分としての銅粉末と、ガラス粉末とが、有機媒体に分散されている。そして、上記ガラス粉末は、酸化物に換算した場合の組成で、Ag2Oを0.5mol%以上5mol%以下の割合で含有することを特徴としている。
かかる構成によると、窒化物系セラミックスからなる基板に対して、銅を主成分とする放熱層を、基板と放熱層との熱膨張差を緩和しながら形成し得る銅ペーストが提供される。すなわち、放熱性に優れる銅を主成分とする放熱層を、表面の平坦性を維持しつつ、密着性の良いものとして形成することができる。かかる銅ペーストは、印刷に供することができ、例えば、スクリーン印刷、メタルマスク印刷等の印刷技術により所望の形態の放熱層を形成することができる。
In another aspect, the present invention provides a copper paste used for forming a heat dissipation layer on at least one surface of a substrate made of nitride ceramics. In such a copper paste, copper powder as a main component and glass powder are dispersed in an organic medium. Then, the glass powder, the composition when converted to oxide, is characterized by containing Ag 2 O at a ratio of less than 5 mol% or more 0.5 mol%.
According to this configuration, a copper paste is provided that can form a heat dissipation layer mainly composed of copper on a substrate made of nitride ceramics while alleviating the difference in thermal expansion between the substrate and the heat dissipation layer. That is, a heat dissipation layer mainly composed of copper, which has excellent heat dissipation, can be formed with good adhesion while maintaining surface flatness. Such copper paste can be used for printing. For example, a heat dissipation layer having a desired shape can be formed by a printing technique such as screen printing or metal mask printing.
ここに開示される銅ペーストの好ましい一態様において、上記ガラス粉末は、銅粉末とガラス粉末との合計に占める割合が、3質量%以上15質量%以下であることを特徴としている。
かかる構成によると、放熱層に含まれるバインダとしてのガラス成分の含有量を低く抑えることができる。これにより、密着性に優れながらも、より放熱性および電気伝導性に優れた放熱層を形成することができる。
In a preferred embodiment of the copper paste disclosed herein, the glass powder is characterized in that the proportion of the total of the copper powder and the glass powder is 3% by mass or more and 15% by mass or less.
According to such a configuration, the content of the glass component as a binder contained in the heat dissipation layer can be kept low. As a result, it is possible to form a heat dissipation layer with excellent heat dissipation and electrical conductivity while having excellent adhesion.
ここに開示される銅ペーストの好ましい一態様において、上記ガラス粉末は、酸化物に換算した場合の組成で、Ag2O:0.5mol%以上5mol%以下、(BaO+ZnO):60mol%以上95mol%以下、SiO2:1mol%以上20mol%以下、R2O:1mol%以上30mol%以下、および、Al2O3:0mol%以上5mol%以下で示されることを特徴としている。ただし、上記Rは、元素周期律表の1A族から選択される1種以上の元素を意味し、上記R2Oは上記1A族元素の酸化物の合計を示している。
かかる構成によると、窒化物系セラミックスからなる基板に対してより相性の良いバインダとしてのガラス成分の組成が提示され、上記の特徴をより一層好適に実現し得るために好ましい。
In a preferred embodiment of the copper paste disclosed herein, the glass powder has a composition when converted to an oxide, Ag 2 O: 0.5 mol% or more and 5 mol% or less, (BaO + ZnO): 60 mol% or more and 95 mol%. Hereinafter, SiO 2 : 1 mol% or more and 20 mol% or less, R 2 O: 1 mol% or more and 30 mol% or less, and Al 2 O 3 : 0 mol% or more and 5 mol% or less are characterized. However, the R denotes at least one element selected from Group 1A of the Periodic Table of the Elements, said R 2 O represents the sum of the oxides of the Group 1A element.
Such a configuration is preferable because the composition of the glass component as a binder having better compatibility with the substrate made of nitride ceramics is presented, and the above characteristics can be realized more suitably.
ここに開示される銅ペーストの好ましい一態様において、上記ガラス粉末の軟化点は、450℃以下であることを特徴としている。
かかる構成によると、より低い温度で基板に放熱層を形成することができ、基板と放熱層との熱膨張差が発生し難い。これにより、より表面が平坦で密着性の良い放熱層を形成し得る銅ペーストを実現することができる。
In a preferred embodiment of the copper paste disclosed herein, the glass powder has a softening point of 450 ° C. or lower.
According to this configuration, the heat dissipation layer can be formed on the substrate at a lower temperature, and a difference in thermal expansion between the substrate and the heat dissipation layer hardly occurs. Thereby, it is possible to realize a copper paste that can form a heat dissipation layer with a flatter surface and better adhesion.
ここに開示される銅ペーストの好ましい一態様においては、さらに、アクリル系樹脂からなるバインダを含むことを特徴としている。
かかる構成によると、銅粉末やガラス粉末の分散性、基板への付着性および塗布性等をより適切に調整し得る銅ペーストが提供される。
In a preferred embodiment of the copper paste disclosed herein, the copper paste further includes a binder made of an acrylic resin.
According to such a configuration, a copper paste capable of more appropriately adjusting the dispersibility of the copper powder or the glass powder, the adhesion to the substrate, the coating property, and the like is provided.
また、他の側面において、本発明は、放熱性基板の製造方法を提供する。かかる製造方法は、窒化物系セラミックスからなる基板を用意すること、銅粉末を主成分としガラス粉末を含む銅ペーストを用意すること、上記基板の少なくとも片面に、上記銅ペーストを直接的に塗布して塗布層を形成すること、および、上記塗布層を備える基板を焼成することで、上記基板の少なくとも片面に銅を主体としガラス成分を含む放熱層を形成すること、を包含することを特徴としている。ここで、前記ガラス粉末は、Ag2Oを0.5mol%以上5mol%以下の割合で含むことを特徴としている。
かかる構成によると、放熱層を基板に直接形成することができる。好適には、印刷等の手法により、任意の形態に形成することができる。また、密着層を形成するための銅ペーストにはAg2Oが含まれているため、放熱層の主成分である銅と、窒化物系セラミックスからなる基板との熱応力を好適に緩和して、より平坦性および密着性に優れた放熱層を形成することができる。
In another aspect, the present invention provides a method for manufacturing a heat dissipation substrate. Such a manufacturing method includes preparing a substrate made of nitride ceramics, preparing a copper paste containing copper powder as a main component and containing glass powder, and applying the copper paste directly to at least one surface of the substrate. Forming a coating layer, and firing a substrate including the coating layer to form a heat dissipation layer mainly containing copper and containing a glass component on at least one surface of the substrate. Yes. Here, the glass powder contains Ag 2 O at a ratio of 0.5 mol% or more and 5 mol% or less.
With this configuration, the heat dissipation layer can be formed directly on the substrate. Preferably, it can be formed into an arbitrary form by a technique such as printing. In addition, since the copper paste for forming the adhesion layer contains Ag 2 O, the thermal stress between the copper, which is the main component of the heat dissipation layer, and the substrate made of nitride ceramic is suitably relaxed. Thus, it is possible to form a heat dissipation layer with better flatness and adhesion.
ここに開示される製造方法の好ましい一態様においては、上記焼成は、475℃以上700℃以下の温度範囲で行うことを特徴としている。
ハンダやろう材を用いて金属箔または薄板を接合するには、一般的に、800℃〜1000℃程度の高温での焼成が必要となる。これに対し、かかる構成によると、ハンダやろう材を用いて金属箔または薄板を接合するのよりも低温で放熱層の形成、すなわちメタライズ処理を行うことができる。したがって、銅からなる放熱層と基板との熱膨張差に基づく熱応力を低く抑えることができ、平坦性および密着性に優れる放熱層を備える放熱基板を製造することができる。
In a preferred embodiment of the production method disclosed herein, the baking is performed in a temperature range of 475 ° C. or higher and 700 ° C. or lower.
In order to join a metal foil or a thin plate using solder or brazing material, generally, firing at a high temperature of about 800 ° C. to 1000 ° C. is required. On the other hand, according to such a configuration, the heat radiation layer can be formed, that is, the metallization process can be performed at a lower temperature than when the metal foil or the thin plate is joined using solder or brazing material. Therefore, the thermal stress based on the thermal expansion difference between the heat dissipation layer made of copper and the substrate can be kept low, and the heat dissipation substrate including the heat dissipation layer having excellent flatness and adhesion can be manufactured.
ここに開示される製造方法の好ましい一態様においては、上記窒化物系セラミックスが、窒化ケイ素または窒化アルミニウムを主成分とするセラミックスであることを特徴としている。
かかる構成によると、窒化ケイ素または窒化アルミニウムを主成分とする基板の優れた放熱性をより一層高めることができる。なお、かかる放熱層は、導電性を備えるとともに、温度変化の激しい環境においても基板からの剥離が抑制されたものであり得る。これにより、優れた機械的特性、Si,SiC,GaN,GaAs等の半導体と近い熱膨張係数を有し、熱伝導性(すなわち放熱性)に優れ、高絶縁耐圧を備える窒化ケイ素または窒化アルミニウムを基板とする放熱性基板の製造が可能とされる。
In a preferred embodiment of the production method disclosed herein, the nitride ceramic is a ceramic mainly composed of silicon nitride or aluminum nitride.
According to this configuration, the excellent heat dissipation of the substrate mainly composed of silicon nitride or aluminum nitride can be further enhanced. In addition, such a heat dissipation layer may have conductivity and can be prevented from being peeled off from the substrate even in an environment where the temperature changes drastically. As a result, silicon nitride or aluminum nitride having excellent mechanical properties, a thermal expansion coefficient close to that of a semiconductor such as Si, SiC, GaN, GaAs, etc., excellent thermal conductivity (ie, heat dissipation), and high dielectric strength can be obtained. It is possible to manufacture a heat dissipating substrate as a substrate.
ここに開示される製造方法の好ましい一態様においては、さらに、上記塗布層の上に、さらに上記銅ペーストを塗布することを含むことを特徴としている。
かかる構成によると、所望の厚みの放熱層を形成することができる。また、塗布層の任意の部位にのみ銅ペーストを塗布することもでき、例えば、放熱層の平坦性をより一層高めるべく放熱層の厚みを調整することができる。
In a preferred embodiment of the production method disclosed herein, the method further includes applying the copper paste on the coating layer.
According to this configuration, a heat dissipation layer having a desired thickness can be formed. Moreover, a copper paste can also be apply | coated only to the arbitrary site | parts of an application layer, for example, the thickness of a thermal radiation layer can be adjusted in order to improve the flatness of a thermal radiation layer further.
ここに開示される製造方法の好ましい一態様においては、上記銅ペーストを上記基板の少なくとも一方の面の70%以上の領域に塗布することを特徴としている。
かかる放熱層は例えば印刷技術により形成することができるため、窒化物系セラミックからなる基板の表面の任意の領域に任意の形態(パターン)で形成することができる。たとえば、基板の少なくとも一方の面の80%以上、さらには95%以上(すなわち、ほぼ100%)の領域に備えられ得る。これにより、例えば、より放熱性の高い放熱性基板を製造することができる。
In a preferred embodiment of the manufacturing method disclosed herein, the copper paste is applied to a region of 70% or more of at least one surface of the substrate.
Since such a heat dissipation layer can be formed by a printing technique, for example, it can be formed in an arbitrary form (pattern) in an arbitrary region on the surface of the substrate made of nitride ceramic. For example, it may be provided in an area of 80% or more, further 95% or more (that is, almost 100%) of at least one surface of the substrate. Thereby, for example, a heat dissipation substrate with higher heat dissipation can be manufactured.
ここに開示される製造方法の好ましい一態様においては、上記放熱層を、総厚みが50μm以上700μm以下となるよう形成することを特徴としている。
かかる構成によると、例えば、銅ペーストの塗布(印刷であり得る)を複数回行うなどして、上記の範囲の所望の厚みの放熱層を好適に形成することができる。これにより、所望の厚みの放熱層を備える、換言すると、所望の放熱性能を備える放熱性基板を製造することができる。
In a preferable aspect of the manufacturing method disclosed herein, the heat dissipation layer is formed so that the total thickness is 50 μm or more and 700 μm or less.
According to such a configuration, for example, by applying a copper paste (which may be printing) a plurality of times, a heat dissipation layer having a desired thickness within the above range can be suitably formed. Thereby, it is possible to manufacture a heat dissipating substrate having a heat dissipation layer having a desired thickness, in other words, having a desired heat dissipation performance.
ここに開示される製造方法の好ましい一態様においては、上記基板の表面粗さが1μm以下となるように上記銅ペーストの塗布量を調整することを特徴としている。
かかる構成によると、放熱層の厚みを調整する等してより平坦性の高い放熱性基板を製造することができる。このような表面平坦性の高い放熱性基板については、例えば、半導体素子を実装した場合等において、複数の半導体素子の表面高さを任意に調整することができる。これにより、例えば、複数の半導体素子間にワイヤボンディングにより電極を形成することに代えて、複数の半導体素子上に電極板を載置することで、素子間の導通を確保することが可能とされる。
In a preferred aspect of the manufacturing method disclosed herein, the amount of the copper paste applied is adjusted so that the surface roughness of the substrate is 1 μm or less.
According to this configuration, it is possible to manufacture a heat dissipation substrate with higher flatness by adjusting the thickness of the heat dissipation layer. For such a heat dissipation substrate with high surface flatness, for example, when a semiconductor element is mounted, the surface height of a plurality of semiconductor elements can be arbitrarily adjusted. Thereby, for example, instead of forming electrodes by wire bonding between a plurality of semiconductor elements, it is possible to secure conduction between the elements by placing an electrode plate on the plurality of semiconductor elements. The
以下、適宜図面を参照しつつ、本発明の好適な実施形態を説明する。なお、本明細書において特に言及している事項以外の事柄であって本発明の実施に必要な事柄は、当該分野における従来技術に基づく当業者の設計事項として把握され得る。本発明は、本明細書に開示されている内容と当該分野における技術常識とに基づいて実施することができる。また、以下の図面において、同様の作用を奏する部材・部位には同じ符号を付して説明し、重複する説明は省略または簡略化することがある。図面に記載の実施形態は、本発明を明瞭に説明するために必要に応じて模式化されており、実際の放熱性基板の寸法関係(長さ、幅、厚さ等)を必ずしも正確に反映したものではない。 Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings as appropriate. Note that matters other than matters specifically mentioned in the present specification and necessary for the implementation of the present invention can be grasped as design matters of those skilled in the art based on the prior art in this field. The present invention can be carried out based on the contents disclosed in this specification and common technical knowledge in the field. Moreover, in the following drawings, the same code | symbol is attached | subjected and demonstrated to the member and site | part which show | plays the same effect | action, and the overlapping description may be abbreviate | omitted or simplified. The embodiments shown in the drawings are modeled as necessary to clearly explain the present invention, and do not necessarily accurately reflect the dimensional relationship (length, width, thickness, etc.) of the actual heat-dissipating substrate. It was n’t.
ここに開示される放熱性基板1は、基板10の少なくとも一方の面に、銅を主成分とする放熱層20が直接的に備えられている、いわゆるDBC(Direct Bonded Copper)基板である。すなわち、放熱層20は、ろう材やハンダ等の接合材を介することなく、基板10に直接設けられている。この放熱層20は、基板10の片面のみに備えられていても良いし、この図1の例のように両面に備えられていても良い。また、放熱層20は、基板10のほぼ全面にわたって備えられていても良いし、基板10の一部に備えられていても良い。以下、かかる放熱性基板1の製造方法を説明しながら、放熱性基板1および、放熱層20を形成するための銅ペーストについて詳細な説明を行う。
The
[基板]
基板10としては、窒化物系セラミックスからなるものを考慮することができる。かかる窒化物系セラミックスとしては、主として窒化物からなるセラミックスであれば、詳細な組成や形状、寸法等は特に制限されない。このような窒化物系セラミックスとしては、例えば、具体的には、窒化ケイ素(Si3N4)、窒化アルミニウム(AlN)、サイアロン(Sialon、Si3N4−AlN−Al2O3固溶体)、窒化ホウ素(BN)、窒化炭素(CNx)、窒化チタン(TiN)等が挙げられる。これらの窒化物系セラミックスは、所望の特性を得る目的で、各種の元素が添加されたものであってよい。
このような窒化物系セラミックスは共有結合性が強く、酸化物系のセラミックスに比べて熱的特性、機械的特性ならびに化学的安定性に優れる。また、熱膨張係数については、例えば、室温(25℃)から500℃の熱膨張係数が、窒化ケイ素で2.6×10−6/K、窒化アルミニウムで4.6×10−6/K、窒化ホウ素で1.4×10−6/K程度と比較的低い。その反面、酸化物系のセラミックスに比べると、焼結性等の接合性に乏しい。ここに開示される技術においては、かかる窒化物系セラミックスからなる基板10に対して密着性の良い放熱層20を備えるようにしている。
なお、ここでいう「熱膨張係数」とは、特に言及しない限り、熱機械分析装置(Thermomechanical Analysis:TMA)を用いて、室温(25℃)から500℃までの温度領域において測定した平均線膨張係数を意味し、かかる温度領域における試料の長さの変化量を温度差で割った値をいう。この熱膨張係数は、JIS R 3102:1995に準拠して測定することができる。
[substrate]
As the
Such nitride-based ceramics have strong covalent bonds, and are superior in thermal characteristics, mechanical characteristics, and chemical stability compared to oxide-based ceramics. Regarding the thermal expansion coefficient, for example, the thermal expansion coefficient from room temperature (25 ° C.) to 500 ° C. is 2.6 × 10 −6 / K for silicon nitride, 4.6 × 10 −6 / K for aluminum nitride, Boron nitride is relatively low at about 1.4 × 10 −6 / K. On the other hand, it has poor bonding properties such as sinterability compared to oxide ceramics. In the technique disclosed herein, the
The “thermal expansion coefficient” used herein is an average linear expansion measured in a temperature range from room temperature (25 ° C.) to 500 ° C. using a thermomechanical analyzer (TMA) unless otherwise specified. The coefficient means a value obtained by dividing the change in the length of the sample in such a temperature range by the temperature difference. This coefficient of thermal expansion can be measured according to JIS R 3102: 1995.
[放熱層]
放熱層20は、銅を主成分としており、バインダ成分としてガラス成分を含んでいる。放熱層20の機能を高める目的で、銅(Cu)およびガラス成分以外の成分が含まれていても良い。また、放熱層20の主成分たる銅は、本発明の目的を損なわない限り、銅単体からなるものに限定されず、例えば、銅にその他の元素が含まれていても良い。
放熱層20において、ガラス成分は、例えば粒状にある銅成分同士を結合したり、かかる銅成分と基板とを結合したりする機能を有する。なお、このガラス成分としては、通常の非晶質ガラスの他、結晶化ガラスであってもよい。好ましくは非晶質ガラスである。
[Heat dissipation layer]
The
In the
そして、ここに開示される発明において、かかるガラス成分は銀(Ag)を含んでいる。かかるAgは、酸化物に換算した場合のガラス組成において、Ag2Oとして0.5mol%以上5mol%以下の割合で含まれることを特徴としている。詳細な機構について明らかではないが、ガラス成分に銀を含むことで、放熱層20と、上記の窒化物系セラミックスからなる基板10との密着性を高めることができる。また、かかるガラス成分は、例えば、放熱層20と基板10との間に生じる熱応力を緩和する機能をも発現し得る。ここで、Ag2Oは少量でも含まれることで密着性改善の効果が得られるものの、少なすぎるとかかる効果が明瞭に得られないために好ましくない。Ag2Oは、0.8mol%以上の割合で含まれるのが好ましく、1mol%以上であるのがより好ましい。Ag2Oの割合は、多すぎると必要以上に熱膨張係数が大きくなったり、価格が高くなったりするために好ましくない。Ag2Oは、4mol%以下の割合で含まれるのが好ましく、3mol%以下であるのがより好ましい。なお、基板10と放熱層20との間の熱応力が低減されることにより、放熱層20の表面でのしわやクラックの発生が抑制され、より平坦性の高い放熱層20が形成されるために好ましい。
And in the invention disclosed here, this glass component contains silver (Ag). Such Ag is characterized in that it is contained in the glass composition when converted to an oxide in a proportion of 0.5 mol% or more and 5 mol% or less as Ag 2 O. Although it is not clear about a detailed mechanism, the adhesiveness of the
ガラス成分についてより詳細に説明すると、放熱層20の形成のための熱処理温度を低下させることができる。これによると、放熱層20の形成時に基板10と放熱層20との間に発生する熱応力を低減させることができ、密着性の良い放熱層20、延いては表面平坦性の高い密着層20が得られるために好ましい。そのため、例えば、ガラス成分は、軟化点を低下させる効果のあるガラス構成元素を含む組成であることが好ましい。かかる軟化点を低下させ得るガラス構成成分としては、例えば、酸化物として表した場合、MgO、CaO、SrO、BaO、ZnO等のアルカリ土類金属の酸化物を挙げることができる。なかでも、BaO、ZnOであることが好ましく、より好適には、これらの少なくとも一方を合計で60mol%以上95mol%以下の割合で含むことが好ましい。すなわち、BaOとZnOとは、いずれか一方が含まれていても良いし、両方が含まれていても良い。BaOとZnOとの合計量が少ないと、ガラス成分の軟化点を十分に低下させることができないために好ましくない。BaOとZnOとの合計は、65mol%以上であるのが好ましく、さらには70mol%以上であるのがより好ましい。しかしながら、BaOとZnOとの合計量が多すぎると、ガラス成分の熱膨張係数の調製が困難であったり、ガラス成分中に結晶が析出してガラス化し難くなったりし、バインダとしての機能が低下するおそれがあるために好ましくない。したがって、BaOとZnOとの合計は、90mol%以下であるのが好ましく、さらには85mol%以下であるのがより好ましい。
If it demonstrates in detail about a glass component, the heat processing temperature for formation of the
また、ガラス成分は、SiO2を1mol%以上20mol%以下の割合で含有しているのが好ましい。SiO2はガラスの骨格を形成する成分であるとともに、熱膨張係数を低下させる効果があり、放熱層20に適度な硬度および耐環境性等の機能を付与することができるために好ましい。したがって、SiO2は、3mol%以上であるのが好ましく、さらには5mol%以上であるのがより好ましい。しかしながら、SiO2が多すぎるとガラス軟化点を低く維持することができなくなるために好ましくない。SiO2は、18mol%以下であるのが好ましく、さらには15mol%以下であるのがより好ましい。
Moreover, it is preferable that the glass component contains SiO 2 at a ratio of 1 mol% or more and 20 mol% or less. SiO 2 is a component that forms a glass skeleton, and has an effect of reducing a thermal expansion coefficient, and is preferable because functions such as appropriate hardness and environmental resistance can be imparted to the
以上のガラス成分としては、例えば、以下に示すガラス組成を好ましい例として挙げることができる。すなわち、ここに開示される技術において、ガラス成分は、酸化物に換算した場合の組成で、例えば、具体的には、以下のものが好ましい例として挙げられる。
Ag2O:0.5mol%以上5mol%以下、
(BaO+ZnO):60mol%以上95mol%以下、
SiO2:1mol%以上20mol%以下、
R2O:1mol%以上30mol%以下、および
Al2O3:0mol%以上5mol%以下
As the above glass component, for example, the following glass composition can be cited as a preferred example. That is, in the technique disclosed herein, the glass component is a composition in terms of an oxide, and specifically, for example, the following are preferable examples.
Ag 2 O: 0.5 mol% or more and 5 mol% or less,
(BaO + ZnO): 60 mol% or more and 95 mol% or less,
SiO 2 : 1 mol% or more and 20 mol% or less,
R 2 O: 1mol% or more 30 mol% or less, and Al 2 O 3: 0mol% or more 5 mol% or less
なお、上記Rは元素周期律表における1A族から選択される1種以上の元素を意味している。具体的には、例えば、リチウム(Li)、ナトリウム(Na)、カリウム(K)、ルビジウム(Rb)、セシウム(Cs)、フランシウム(Fr)であり得る。そしてR2Oは、これら1A族元素の酸化物の合計を意味している。具体的には、例えば、酸化リチウム(Li2O)、酸化ナトリウム(Na2O)、酸化カリウム(K2O)、酸化ルビジウム(Rb2O)、酸化セシウム(Cs2O)、酸化フランシウム(Fr2O)等の総和であり得る。例えば、ガラス成分を上記のような組成とすることで、軟化点を450℃以下程度にまで低減することができる。ガラス成分の軟化点が低い程、放熱層20を形成する際の加熱温度を低減できるために好ましい。延いては、基板10と放熱層20との間に生じる熱応力を低減し、放熱層20の表面に熱応力によりひずみやクラックが生じるのを抑制できる点でも好ましい。かかるガラス成分の軟化点は、例えば、420℃以下であるのが好ましく、さらには400℃以下、例えば380℃以下であるのがより好ましい。
In addition, said R means the 1 or more types of element selected from 1A group in an element periodic table. Specifically, for example, lithium (Li), sodium (Na), potassium (K), rubidium (Rb), cesium (Cs), and francium (Fr) may be used. R 2 O means the total of oxides of these 1A group elements. Specifically, for example, lithium oxide (Li 2 O), sodium oxide (Na 2 O), potassium oxide (K 2 O), rubidium oxide (Rb 2 O), cesium oxide (Cs 2 O), francium oxide ( Fr 2 O) and the like. For example, the softening point can be reduced to about 450 ° C. or less by setting the glass component as described above. A lower softening point of the glass component is preferable because the heating temperature when forming the
以上の放熱層20において、主成分である銅とガラス成分との割合については厳密に制限されない。しかしながら、放熱層20の放熱性(熱伝導特性)および電気伝導性と、かかる放熱層20の基板10への密着性とのバランス等を考慮すると、例えば、銅とガラス成分との合計を100質量%としたとき、3質量%以上15質量%以下の割合でガラス成分が含まれているのが好ましい。ガラス成分の割合が少なくなると、放熱層20の基板への良好な密着性が実現され難いために好ましくない。ガラス成分の割合は、5質量%以上であるのが好ましく、さらには8質量%以上であるのがより好ましい。また、ガラス成分の割合が多すぎると主成分である銅により実現され得る放熱性および電気伝導性が必要以上に損なわれるために好ましくない。ガラス成分の割合は、13質量%以下であるのが好ましく、さらには10質量%以下であるのがより好ましい。
In the
また、上述のとおり、放熱層20の形態は特に制限されず、例えば、基板10の表面に任意の形状で備えることができる。具体的には、例えば、絶縁性の基板10の表面には複数の半導体素子30a,30bが接続(実装)される。例えば、基板1の放熱性を高めるためには、放熱層20はできる限り広い領域に設けることが好ましい。しかしながら、銅を主成分とする放熱層20は、配線として機能するため、実装する半導体30の面積や寸法、高さ、間隔(配置)等を考慮して、所望の配線パターンを実現するよう構成することができる。例えば、隣り合う半導体素子30a,30bは、熱抵抗を下げるために放熱経路を確保して配置され得る。そして、隣り合う半導体素子30a,30b間を電気的に接合しない場合は、例えば、半導体素子30aを接続する放熱層20と、半導体素子30bを接続する放熱層20とを、連続させることなく、別個に独立した放熱層20として、分けて(例えば、いずれかを島状に)形成することができる。また、基板10には、サーマルビア(図示せず)等が設けられ得るため、放熱層20はかかるサーマルビアを避けて形成することができる。また、半導体素子30bは、例えば、ボンディングワイヤ42により電気的に接続することもできるが、例えば、放熱層20の厚みを半導体素子30aの高さに一致するよう調整して設けることで、平板状電極40を用いて接続することが可能となる。かかる放熱層20の厚みは制限されず、例えば、厚みの異なる放熱層22a,22bを形成したり、放熱層20,22a,22bを複数積層した積層構造としたりすることで、任意の厚みを実現することができる。
Moreover, as above-mentioned, the form in particular of the
このように、上記放熱層20は、例えば、総厚みが50μm以上700μm以下程度、好ましくは50μm以上500μm以下程度、例えば、100μm以上400μm以下の範囲で任意の厚みのものとして好適に実現され得る。なお、上記放熱層20は、ガラス成分が基板10と放熱層20との間に発生する熱応力を緩和し得るため、放熱層20の表面でのしわやクラックの発生が抑制され、より平坦性の高い放熱層20が実現され得る。したがって、放熱層20,22a,22bは、例えば、表面粗さRaが10μm以下、典型的には1μm以下のものとして実現され得る。かかる表面粗さRaは、例えば、0.7μm以下とすることができ、より好ましくは0.5μm以下であり得る。かかる放熱層20,22a,22bの平坦性は、厚みの薄い放熱層22aや厚みの厚い放熱層22bを形成した場合においても、好適に実現され得る。
なお、この図1の例において、放熱性基板1は、半導体素子が実装されていない側(例えば、裏面)の放熱層20の表面に、さらに放熱フィン50を設けている。これにより、サーマルビア(図示せず)等を通じて放熱性基板1の裏面からも効果的に放熱を行うことができる。また、図1に示されるように、かかる放熱性基板1において、基板10と、放熱層20,22a,22bおよび、半導体素子30a,30b、板状電極40,ボンディングワイヤ42等との接続を、封止部材44により保護するようにしてもよい。
Thus, the
In the example of FIG. 1, the
以下、かかる放熱層20を形成するための銅ペーストと、放熱性基板1の製造方法について説明する。
[銅ペーストの用意]
ここに開示される放熱層20を形成するための銅ペーストは、放熱層20の主成分としての銅粉末と、バインダとしてのガラス粉末とが、有機媒体に分散された形態であり得る。
銅粉末は、銅ペーストを焼成することで形成される放熱層20の高い電気伝導性と放熱性とを担う物質である。かかる銅粉末の種類等については特に制限はなく、目的の銅ペーストに従来用いられている組成、純度、形状等を備える銅粉末を適宜選択して用いることができる。例えば、銅粉末としては、タフピッチ銅、無酸素銅、銅化合物(例えば、銀入り銅、ジルコニウム銅などの合金、金属酸化物等)からなる粉末であっても良い。また、本発明の目的を損ねない限り、かかる銅には各種の元素等が添加されていても良い。
かかる銅粉末の形状や粒径に厳密な制限はなく、例えば、代表的には、平均粒径が数nm〜数10μm程度、例えば、10nm〜10μm程度の範囲のものから用途等に応じて選択される平均粒径を有する粒子を用いることができる。なお、本明細書における「平均粒径」とは、平均粒径がおおよそ0.5μm以上となる範囲では、レーザ散乱・回折法に基づく粒度分布測定装置により測定された粒度分布における積算値50%での粒径(50%体積平均粒子径;以下、D50と略記する場合もある。)として求めることができ、平均粒径がおおよそ0.5μm程度以下の範囲では、電子顕微鏡等の観察手段により観察される観察像内の複数の粒子の円相当径に基づき作成された粒度分布における積算値50%での粒径として求めることができる。なお、これらの平均粒径の算出手法を適用する粒径範囲に厳密な臨界はなく、採用する装置の精度等に応じて算出方法を適宜選択することができる。
Hereinafter, a copper paste for forming the
[Preparation of copper paste]
The copper paste for forming the
Copper powder is a substance that bears high electrical conductivity and heat dissipation of the
There is no strict limitation on the shape and particle size of the copper powder. For example, typically, the average particle size is selected from the range of several nm to several tens of μm, for example, about 10 nm to 10 μm, depending on the application. Particles having an average particle size can be used. In the present specification, the “average particle size” means an integrated value of 50% in the particle size distribution measured by a particle size distribution measuring apparatus based on the laser scattering / diffraction method in the range where the average particle size is approximately 0.5 μm or more. In the range where the average particle diameter is about 0.5 μm or less, it can be obtained by observation means such as an electron microscope. It can be determined as the particle diameter at an integrated value of 50% in the particle size distribution created based on the equivalent circle diameter of a plurality of particles in the observed image to be observed. Note that there is no strict criticality in the particle size range to which these average particle size calculation methods are applied, and the calculation method can be appropriately selected according to the accuracy of the apparatus to be employed.
ガラス粉末は、銅ペーストを基板10に供給して焼成することで形成される放熱層20の接着強度を向上させることができる。かかるガラス粉末を構成するガラス構成成分(ガラス組成)や軟化点等の特性については、上記放熱層20におけるガラス成分と同等とすることができるために詳細な説明は省略する。なお、かかるガラス粉末の平均粒径は、典型的には、銅粉末と同等かそれ以下の大きさに調整されているのが好ましい。したがって、かかるガラス粉末としては、例えば、レーザ散乱回折法に基づく平均粒径が3μm以下、好適には2μm以下、典型的には平均粒径が0.1μm〜2μm程度のガラス粉末を用いることができる。
The glass powder can improve the adhesive strength of the
また、銅ペーストにおける銅粉末とガラス粉末との割合についても、上記の放熱層20の構成と同様に考慮することができる。すなわち、銅粉末とガラス粉末との割合は厳密に制限されないものの、放熱層20の放熱性(熱伝導特性)および電気伝導性と、かかる放熱層20の基板10への密着性とのバランス等を考慮すると、例えば、銅粉末とガラス粉末との合計を100質量%としたとき、3質量%以上15質量%以下の割合でガラス粉末が含まれているのが好ましい。ガラス粉末の割合が少なくなると、放熱層20の基板への良好な密着性が実現され難いために好ましくない。ガラス粉末の割合は、5質量%以上であるのが好ましく、さらには8質量%以上であるのがより好ましい。また、ガラス粉末の割合が多すぎると主成分である銅により実現され得る放熱性および電気伝導性が必要以上に損なわれるために好ましくない。ガラス粉末の割合は、13質量%以下であるのが好ましく、さらには10質量%以下であるのがより好ましい。
Further, the ratio of the copper powder and the glass powder in the copper paste can be considered in the same manner as the configuration of the
有機媒体としては、上記銅粉末とガラス粉末とを分散させておくビヒクルとも呼ばれる媒質を好ましい例として挙げられる。かかる媒質は、典型的には、バインダと有機溶媒とから構成されている。かかるビヒクルは、銅粉末およびガラス粉末を適切に分散させ得るものであればよく、従来の銅ペースト等に用いられているものを特に制限なく使用することができる。
かかるバインダとしては、例えば、アクリル系樹脂、エポキシ系樹脂、フェノール系樹脂、アルキド系樹脂、セルロース系高分子、ポリビニルアルコール、ポリビニルブチラール等をベースとするものが挙げられる。ここに開示される技術においては、融点が250℃程度のアクリル系樹脂からなるバインダを用いることが好ましい。かかるアクリル系樹脂としては、例えば、(メタ)アクリル系のモノマー、または、かかるモノマーを主モノマーとする共重合体等が挙げられる。(メタ)アクリル系のモノマーとしては、具体的には、例えば、メチル(メタ)アクリレート、エチル(メタ)アクリレート、プロピル(メタ)アクリレート、イソプロピル(メタ)アクリレート、n−ブチル(メタ)アクリレート、イソブチル(メタ)アクリレート、s−ブチル(メタ)アクリレート、ペンチル(メタ)アクリレート、イソペンチル(メタ)アクリレート、ヘキシル(メタ)アクリレート、ヘプチル(メタ)アクリレート、2−エチルヘキシル(メタ)アクリレート、オクチル(メタ)アクリレート、イソオクチル(メタ)アクリレート、ノニル(メタ)アクリレート、イソノニル(メタ)アクリレート、デシル(メタ)アクリレート、イソデシル(メタ)アクリレート、ウンデシル(メタ)アクリレート、ドデシル(メタ)アクリレート、トリデシル(メタ)アクリレート、テトラデシル(メタ)アクリレート、ペンタデシル(メタ)アクリレート、ヘキサデシル(メタ)アクリレート、ヘプタデシル(メタ)アクリレート、オクタデシル(メタ)アクリレート、ノナデシル(メタ)アクリレート、エイコシル(メタ)アクリレート等が挙げられる。なお、本明細書において、(メタ)アクリルとは、アクリルおよびメタクリルを意味する用語である。また、主モノマーとは、全モノマー成分100質量%に対して当該モノマーが50質量%以上を占めることを意味し、好ましくは80質量%以上、例えば90質量%以上であり得る。
A preferable example of the organic medium is a medium called a vehicle in which the copper powder and the glass powder are dispersed. Such a medium is typically composed of a binder and an organic solvent. Such a vehicle is not particularly limited as long as it can appropriately disperse copper powder and glass powder, and those used in conventional copper pastes and the like can be used without particular limitation.
Examples of the binder include those based on acrylic resin, epoxy resin, phenol resin, alkyd resin, cellulose polymer, polyvinyl alcohol, polyvinyl butyral, and the like. In the technique disclosed here, it is preferable to use a binder made of an acrylic resin having a melting point of about 250 ° C. Examples of such acrylic resins include (meth) acrylic monomers or copolymers having such monomers as main monomers. Specific examples of the (meth) acrylic monomer include, for example, methyl (meth) acrylate, ethyl (meth) acrylate, propyl (meth) acrylate, isopropyl (meth) acrylate, n-butyl (meth) acrylate, and isobutyl. (Meth) acrylate, s-butyl (meth) acrylate, pentyl (meth) acrylate, isopentyl (meth) acrylate, hexyl (meth) acrylate, heptyl (meth) acrylate, 2-ethylhexyl (meth) acrylate, octyl (meth) acrylate , Isooctyl (meth) acrylate, nonyl (meth) acrylate, isononyl (meth) acrylate, decyl (meth) acrylate, isodecyl (meth) acrylate, undecyl (meth) acrylate, dodecyl (medium) ) Acrylate, tridecyl (meth) acrylate, tetradecyl (meth) acrylate, pentadecyl (meth) acrylate, hexadecyl (meth) acrylate, heptadecyl (meth) acrylate, octadecyl (meth) acrylate, nonadecyl (meth) acrylate, eicosyl (meth) acrylate Etc. In the present specification, (meth) acryl is a term meaning acryl and methacryl. The main monomer means that the monomer occupies 50% by mass or more with respect to 100% by mass of all monomer components, and preferably 80% by mass or more, for example, 90% by mass or more.
また有機溶媒としては、例えば、エチルセルロース等のセルロース系高分子、エチレングリコールおよびジエチレングリコール誘導体、トルエン、キシレン、ミネラルスピリット、ブチルカルビトール、ターピネオール等の高沸点有機溶媒またはこれらの二種以上の組み合わせを構成成分として含む有機ビヒクルを用いることができる。
その他、ここに開示される銅ペーストには、かかるペーストを構成するに適した粘性および塗膜(基材に対する付着層)形成能等の所望の特性を付与し得る各種の添加剤が、必要に応じて含まれていても良い。かかる添加剤の一例をあげると、界面活性剤、消泡剤、可塑剤、増粘剤、酸化防止剤、分散剤、種々の光重合性化合物および光重合開始剤、重合禁止剤や、基材との密着性向上を目的としたシリコン系、チタネート系およびアルミニウム系等の各種カップリング剤等が挙げられる。
そして、以上の銅粉末およびガラス粉末を、三本ロールミルを用いて有機媒体に混合し、よく混練することで、ここに開示される銅ペーストを得ることができる。
Examples of the organic solvent include cellulose polymers such as ethyl cellulose, ethylene glycol and diethylene glycol derivatives, high-boiling organic solvents such as toluene, xylene, mineral spirits, butyl carbitol, and terpineol, or combinations of two or more thereof. An organic vehicle containing as a component can be used.
In addition, the copper paste disclosed herein requires various additives that can impart desired properties such as viscosity suitable for constituting the paste and the ability to form a coating film (adhesive layer to the substrate). It may be included accordingly. Examples of such additives include surfactants, antifoaming agents, plasticizers, thickeners, antioxidants, dispersants, various photopolymerizable compounds and photopolymerization initiators, polymerization inhibitors, and substrates. And various coupling agents such as silicon-based, titanate-based, and aluminum-based materials for the purpose of improving adhesion to the surface.
And the copper paste disclosed here can be obtained by mixing the above copper powder and glass powder into an organic medium using a three-roll mill, and kneading well.
以上の銅ペーストは、非ビンガム流動を示す粘塑性流体であって、例えば、各種の印刷に好適に供されるよう粘度を調整され得る。かかる粘度は、例えば、採用する印刷手法、印刷機、製版等に因るため一義的に示すことはできないが、一般的には3Pa・s以上のものを考慮することができ、例えば10Pa・s以上とすることができる。ここに開示される銅ペーストにおいて、粘度は、10Pa・s〜1000Pa・s程度のものを考慮することができる。なお、導電性ペーストの粘度は、粘塑性流体の粘度計測が可能な粘度計あるいはレオメータにより計測することが可能である。本明細書における粘度は、HBTタイプのブルックフィールド型粘度計を用い、25℃において10rpmの条件で計測される値を示している。 The above copper paste is a viscoplastic fluid exhibiting non-Bingham flow, and for example, the viscosity can be adjusted so as to be suitably used for various types of printing. Such viscosity cannot be uniquely indicated because it depends on, for example, the printing method employed, the printing machine, the plate making, etc., but generally, a viscosity of 3 Pa · s or more can be considered, for example, 10 Pa · s. This can be done. In the copper paste disclosed here, a viscosity of about 10 Pa · s to 1000 Pa · s can be considered. The viscosity of the conductive paste can be measured with a viscometer or rheometer capable of measuring the viscosity of the viscoplastic fluid. The viscosity in the present specification is a value measured using a Brookfield viscometer of the HBT type under the condition of 10 rpm at 25 ° C.
以上の銅ペーストは、例えば、銅粉末およびガラス粉末の平均粒径や、固形分濃度、粘性等を調整することで、優れた離型性あるいはすり抜け性ともいえる性質を備えることができる。したがって、かかる銅ペーストは、例えば、スクリーン印刷、メタルマスク印刷、グラビア印刷、オフセット印刷およびインクジェット印刷等に適用する印刷用ペースト(スラリーあるいはインク等という場合もある。)として好適に用いることができる。したがって、本発明においては、放熱層20は、所定の配線パターンを実現し得るように、印刷により形成することができる。
The above copper paste can be provided with a property that can be said to be excellent releasability or slip-through by adjusting, for example, the average particle diameter, solid content concentration, viscosity, and the like of the copper powder and glass powder. Therefore, the copper paste can be suitably used as a printing paste (sometimes referred to as slurry or ink) applied to, for example, screen printing, metal mask printing, gravure printing, offset printing, and ink jet printing. Therefore, in the present invention, the
そこで、例えば、基板10の表面に放熱性導体回路としての放熱層20を備える放熱性基板1を製造する場合を例にして、ここに開示される放熱性基板10の好ましい態様について説明する。
[基板の用意]
基板10については、上述の窒化物系セラミックスからなる基板を用いることができる。かかる基板の形状、寸法(半径、厚み)等については特に制限はなく、目的の用途に応じて適宜選択して用いることができる。例えば、窒化アルミニウムからなる基板10を用いることができる。
Therefore, for example, a preferred embodiment of the
[Preparation of substrate]
As the
かかる基板10の少なくとも片面に、上記で用意した銅ペーストを直接的に塗布して塗布層を形成する。銅ペーストの塗布の手法については特に制限されない。かかる銅ペーストは、例えば、スクリーン印刷法、メタルマスク印刷法、グラビア印刷法、キャスト法、ディップコーティング法、スピンコート法、電気泳動法、スプレー法、インクジェット法などの各種の手法を利用して基板に塗布することができる。なかでも、ここに開示される銅ペーストは、印刷技術に好適に適用できることから、特に、スクリーン印刷法、メタルマスク印刷法、グラビア印刷法等の印刷技術により塗布するのが好ましい。かかる印刷技術を利用することで、基板10に、任意の形態の塗布層を精度よく形成することができる。例えば、複雑な形状の配線パターンに対応した塗布層を簡便かつ精度良く形成することができる。また、かかる印刷技術を利用すると、例えば、基板10の少なくとも一方の面の70%以上もの広い領域に、任意の形態で銅ペーストを少ない工程で簡便に塗布することができる。所望の配線パターンにもよるが、例えば、銅ペーストは、基板の80%以上、さらには90%以上の領域(例えば、ほぼ100%全面)に塗布することもできる。また、印刷技術を利用することで、比較的厚みのある塗布層を精密に形成することができる点においても好ましい。
The copper paste prepared above is directly applied to at least one surface of the
さらに、かかる銅ペーストの塗布は、基板上に形成された塗布層の上に、さらに重ねて行うこともできる。塗布層の上にさらに銅ペーストを塗布する際には、連続的に(すなわち、先に形成した塗布層が乾燥しないうちに)行っても良いが、予め形成した塗布層を乾燥させてから2回目の塗布を行うようにしても良い。これにより、塗布層の厚みが厚くなっても塗布層がだれることなく、例えば、断面形状を略方形に好適に維持することができる。
かかる塗布層は、後述の焼成後に得られる放熱層が所望の厚みとなるよう、厚みを調整することができる。したがって、例えば、基板上に形成された塗布層の上面の一部にのみ、さらに銅ペーストを塗布するようにしても良い。また、例えば、塗布層が所望の厚みとなるまで複数回繰り返し銅ペーストを塗布するようにしても良い。塗布層の厚みは特に制限されないものの、例えば、焼成後に得られる放熱層20の総厚みが50μm以上700μm以下を実現し得るよう厚みを調整することができる。
Furthermore, application | coating of this copper paste can also be performed further overlapping on the application layer formed on the board | substrate. When the copper paste is further applied on the coating layer, it may be performed continuously (that is, before the previously formed coating layer is not dried). The second application may be performed. Thereby, even if the thickness of an application layer becomes thick, a cross-sectional shape can be suitably maintained, for example in a substantially square shape, without a coating layer falling.
The thickness of the coating layer can be adjusted so that a heat dissipation layer obtained after firing, which will be described later, has a desired thickness. Therefore, for example, a copper paste may be further applied only to a part of the upper surface of the coating layer formed on the substrate. Further, for example, the copper paste may be repeatedly applied a plurality of times until the coating layer has a desired thickness. Although the thickness of the coating layer is not particularly limited, for example, the thickness can be adjusted such that the total thickness of the
次いで、このように形成された塗布層を、例えば、乾燥させた後、焼成することで、銅を主体としガラス成分を含む放熱層を形成することができる。ここに開示される技術によると、バインダとしてのガラス粉末の軟化点が低く抑えられているため、かかる焼成温度も当該軟化点以上の比較的低い温度に設定することができる。例えば、焼成は、475℃以上700℃以下の温度範囲で行うことができる。焼成の雰囲気は、焼成温度等に応じて選択でき、空気雰囲気、酸化性雰囲気、不活性ガス雰囲気(窒素ガス、ヘリウムガス、アルゴンガス等)、還元性雰囲気あるいはこれらの混合雰囲気等から、適宜選択することができる。
なお、所望の厚みの放熱層20を得るに際し、基板の表面に銅ペーストを1回ないしは2回以上塗布した後に一旦焼成を行って薄目の放熱層を形成し、かかる薄目の放熱層の上に再び銅ペーストを1回ないしは2回以上塗布して焼成するようにしてもよい。すなわち、所望の厚みの放熱層を得るに際し、複数回の焼成を行うようにしてもよい。
Next, the coating layer formed in this manner is dried, for example, and then baked, whereby a heat dissipation layer containing copper as a main component and a glass component can be formed. According to the technique disclosed here, since the softening point of the glass powder as the binder is kept low, the firing temperature can also be set to a relatively low temperature above the softening point. For example, baking can be performed in a temperature range of 475 ° C. or higher and 700 ° C. or lower. The firing atmosphere can be selected according to the firing temperature, etc., and is appropriately selected from an air atmosphere, an oxidizing atmosphere, an inert gas atmosphere (nitrogen gas, helium gas, argon gas, etc.), a reducing atmosphere, or a mixed atmosphere thereof. can do.
In order to obtain the
これにより、窒化物系セラミックスからなる基板10に、銅を主体としガラス成分を含む放熱層20を精度よく形成することができる。なお、放熱層20の形成には、ここで開示される銅ペーストを使用しているため、放熱層20の形成に際して、基板10と放熱層20との間に発生する熱応力が緩和され得る。したがって、放熱層20の表面は、熱応力の集中に起因するたわみやクラックの発生が抑制され得る。また、基板10と放熱層20との間の密着性が高く維持され得る。これにより、表面の平坦性に優れた放熱層20が基板10に密着性良く形成された放熱性基板1を製造することができる。換言すると、窒化物系セラミックスからなる基板に対し、高品質な銅メタライズ処理を行うことができる。
Thereby, it is possible to accurately form the
なお、上記放熱層20は、印刷技術を応用することにより、例えば、表面粗さRaが1μm以下の表面平坦性を実現し得る。これは、放熱層20の総厚みが50μm以上700μm以下程度の厚膜である場合にも、実現し得ることが確認されている。すなわち、このような表面平坦性の高い放熱性基板1によると、例えば、半導体素子30a,30bを複数実装した場合に、当該複数の素子30a,30b間をボンディングワイヤ42により配線する(電気的に接続する)ことに限定されず、例えば、板状電極40を載置することでもコンタクトを実現することができる。
In addition, the said
かかる構成によると、優れた放熱性と電気伝導性を備える放熱層が、窒化物系セラミックスからなる基板に密着性良く備えられた放熱性基板が提供される。窒化物系セラミックスからなる基板は、優れた機械的特性を備えるとともに、Si,SiC,GaN,GaAs等の半導体と近い熱膨張係数を有し、熱伝導性(すなわち放熱性)に優れ、高絶縁耐圧を備えている。したがって、かかる放熱性基板によると、例えば、大型のSiチップを回路上に直接接合することが可能とされる。また、従来の放熱性基板と比較して構造や製造工程をより単純化することができ、実装コストや熱抵抗の低減を図ることができる。なお、かかる窒化物系セラミックスからなる基板を主体とする放熱性基板によると、高い放熱性を有しながらも毒性のある材料を含むBeO基板との代替が可能となる点でも好ましい。 According to such a configuration, a heat dissipating substrate is provided in which a heat dissipating layer having excellent heat dissipating properties and electrical conductivity is provided with good adhesion to a substrate made of nitride ceramics. A substrate made of nitride ceramics has excellent mechanical properties, a thermal expansion coefficient close to that of a semiconductor such as Si, SiC, GaN, GaAs, etc., excellent thermal conductivity (ie, heat dissipation), and high insulation. Has pressure resistance. Therefore, according to the heat dissipation substrate, for example, a large Si chip can be directly bonded on the circuit. Further, the structure and the manufacturing process can be further simplified as compared with the conventional heat dissipation substrate, and the mounting cost and the thermal resistance can be reduced. Note that a heat dissipating substrate mainly composed of such a nitride ceramic substrate is preferable in that it can be replaced with a BeO substrate containing a toxic material while having a high heat dissipating property.
以下、本発明に関するいくつかの実施例を説明するが、本発明をかかる具体例に示すものに限定することを意図したものではない。
平均粒径が1μmの銅(Cu)粉末と、下記の表1に示す5とおりの組成のガラス粉末とを、質量比で銅粉末:ガラス粉末が9:1となる割合でそれぞれ混合し、バインダとしてのアクリル系樹脂、溶剤としてのブチルジグリコールアセテート(BDGAC)と共に三本ローラーで混練して、メタライズ層形成用の銅ペースト1〜5を調製した。なお、本実施形態において、銅ペーストの粘度は、メタルマスク印刷に好適な1000cps(25℃、1atm)となるよう、バインダおよび溶剤量を調整した。
市販の窒化ケイ素基板(三菱マテリアル製)に上記で用意した銅ペーストを、メタルマスク版を用いて印刷した。印刷パターンは、10mm×10mmの方形で、塗膜の厚みを100μm〜300μmとした。このように印刷された印刷パターンに対し、大気雰囲気下、200℃〜400℃で保持する脱脂処理を施し、次いで、窒素雰囲気下、475℃〜700℃で1時間の焼成を行った。これにより、放熱性基板1〜5を用意した。
比較のために、市販の銅メタライズ基板(日立金属アドメット株式会社製品)を用意した。ろう材を用い、窒化ケイ素基板に厚さ300μmの銅板を貼り合わせ、窒素雰囲気中、所定温度で焼成することで銅板を基板に接合した、放熱性基板6を用意した。
Several examples relating to the present invention will be described below, but the present invention is not intended to be limited to the specific examples.
Copper (Cu) powder having an average particle diameter of 1 μm and glass powders having five compositions shown in Table 1 below were mixed at a mass ratio of copper powder: glass powder of 9: 1, respectively, and a binder. Copper pastes 1 to 5 for forming a metallized layer were prepared by kneading with three rollers together with an acrylic resin as a solvent and butyl diglycol acetate (BDGAC) as a solvent. In this embodiment, the binder and the amount of the solvent were adjusted so that the viscosity of the copper paste was 1000 cps (25 ° C., 1 atm) suitable for metal mask printing.
The copper paste prepared above was printed on a commercially available silicon nitride substrate (manufactured by Mitsubishi Materials) using a metal mask plate. The printing pattern was a 10 mm × 10 mm square, and the thickness of the coating film was 100 μm to 300 μm. The printed pattern thus printed was subjected to a degreasing treatment that was held at 200 ° C. to 400 ° C. in an air atmosphere, and then baked at 475 ° C. to 700 ° C. for 1 hour in a nitrogen atmosphere. Thereby, the heat dissipation board | substrates 1-5 were prepared.
For comparison, a commercially available copper metallized substrate (product of Hitachi Metals Admet Co., Ltd.) was prepared. A heat-radiating substrate 6 was prepared by bonding a copper plate having a thickness of 300 μm to a silicon nitride substrate using a brazing material and bonding the copper plate to the substrate by firing at a predetermined temperature in a nitrogen atmosphere.
これらの放熱性基板1〜6について、焼成処理後のメタライズ層の表面粗さを測定した。表面粗さの測定は、表面粗さ測定器(株式会社東京精密、surfcom120A)を用い、JIS B 0601:2001に準拠して、算術平均粗さ(Ra)と、最大高さ(Rz)とを測定した。その結果を表1に示した。
また、これらの放熱性基板1〜6について、室温(25℃)から−20℃に冷却した後、250℃にまで加熱するヒートサイクルを10サイクル施した後に、メタライズ層に対して剥離試験を施し、ヒートサイクル耐性を評価した。なお、剥離試験は、放熱性基板のメタライズ層の表面に、セロハンテープ(ニチバン株式会社製、CT−18)を指でよく押さえて貼り付けた後、基板の表面から90°の方向に引きはがした際の、メタライズ層の剥離の有無を目視で観察した。その結果を表1に示した。
About these heat dissipation board | substrates 1-6, the surface roughness of the metallization layer after a baking process was measured. The surface roughness is measured using a surface roughness measuring instrument (Tokyo Seimitsu Co., Ltd., surfcom120A), in accordance with JIS B 0601: 2001, with arithmetic mean roughness (Ra) and maximum height (Rz). It was measured. The results are shown in Table 1.
For these heat-dissipating
焼成後の表面粗さRaおよびRzは、放熱性基板1〜3については0.3μm以下と印刷後の平坦性を保っていたのに対し、放熱性基板4〜6については1μm超過と平坦性が損なわれる結果であった。これは、放熱性基板1〜3については、バインダとしてのガラス粉末により、メタライズ層と基板との熱応力が上手く緩和され、メタライズ層に熱応力による変形やクラックが発生しなかったためであると考えられる。これに対し、放熱性基板4〜6では、かかる熱応力の緩和が上手くなされず、メタライズ層の平坦性が損なわれる結果になったと考えられる。なお、放熱性基板6は、ろう材を介して銅板が窒化ケイ素基板に貼付けされたものである。ここに開示される発明により提供される放熱性基板1〜3は、かかるろう材により放熱層が接合された放熱性基板よりも平坦性の高い表面を実現し得ることが確認された。
The surface roughness Ra and Rz after baking maintained the flatness after printing of 0.3 μm or less for the
また、ヒートサイクル後の剥離試験においても、放熱性基板1〜3については剥離が生じなかったのに対して、放熱性基板4〜6ではメタライズ層が剥離するという結果であった。これについても、放熱性基板1〜3については、バインダとしてのガラス粉末により、ヒートサイクルにより発生するメタライズ層と基板との間の熱応力が上手く緩和され、メタライズ層と基板との密着性が良好であることに因ると考えられる。一方の放熱性基板4〜6については、−20℃〜250℃のヒートサイクルによる熱応力が蓄積し、メタライズ層と基板との密着性の低下に結び付いたものと考えられる。このことから、ここに開示される発明により提供される放熱性基板1〜3は、ヒートサイクル耐性にも優れていることが確認できた。
Further, in the peel test after the heat cycle, the
より詳細に検討すると、例えば、放熱性基板1、2と4との比較等から、バインダとして用いたガラス粉末の組成にAg2Oが含まれるか否かが、かかるメタライズ層の平坦性および接着性に大きな影響を与えていることが示された。
When examined in more detail, for example, whether the composition of the glass powder used as the binder contains Ag 2 O from the comparison between the heat-dissipating
なお、放熱性基板5については、用いたガラス粉末の軟化点が比較的高かったため、接合に際して475℃〜700℃との焼成温度がガラス粉末に対して低いことが予想された。そのため、新たに焼成温度を900℃とした放熱性基板5’を用意したところ、表1に示すように、焼成後の表面粗さはRa、Rzともに改善された。しかしながら、ヒートサイクル後の剥離試験では界面での残留応力が増大したためか、メタライズ層に剥離が生じる結果となった。
このことから、単に表面平坦性の高いメタライズ層を得るには、接合の際の焼成温度を高くするなどしてガラス粉末を十分に軟化させればよいようにも予想できる。しかしながら、放熱性基板5、5’にみられるように、単に表面平坦性の高いメタライズ層を形成しても、かかるメタライズ層と窒化物系セラミック基板との接合性は十分ではないことがわかった。このように、上記のメタライズ層の平坦性およびメタライズ層と基板との密着性は、バインダとして用いたガラス粉末の軟化点のみに依存して発現されるものではなく、ガラス粉末の具体的な組成もが寄与していることが確認できた。
In addition, about the heat dissipation board | substrate 5, since the softening point of the used glass powder was comparatively high, it was anticipated that the firing temperature of 475 degreeC-700 degreeC was low with respect to glass powder at the time of joining. Therefore, when a heat radiating substrate 5 ′ having a firing temperature of 900 ° C. was newly prepared, as shown in Table 1, the surface roughness after firing was improved for both Ra and Rz. However, in the peel test after the heat cycle, the metallized layer was peeled off because the residual stress at the interface increased.
From this, it can be expected that in order to obtain a metallized layer having a high surface flatness, the glass powder may be sufficiently softened by increasing the firing temperature at the time of bonding. However, as can be seen from the heat dissipating substrates 5 and 5 ', it was found that even if a metallized layer having a high surface flatness is simply formed, the bondability between the metallized layer and the nitride ceramic substrate is not sufficient. . Thus, the flatness of the metallized layer and the adhesion between the metallized layer and the substrate are not expressed only depending on the softening point of the glass powder used as the binder, but the specific composition of the glass powder. It was confirmed that Momo contributed.
以上のことから、本発明によると、表面が平坦性で、さらに、ヒートサイクル耐性に優れた密着性の良いメタライズ層を備える窒化物系セラミックからなる放熱性基板と、その製造方法、ならびに、かかるメタライズ層を形成するための銅ペーストが提供される。かかる放熱性基板によると、例えば、複数の半導体素子を実装した場合に、かかる半導体素子間にワイヤボンディングにより電極を形成することに代えて、それらの半導体素子上に電極板を載置することで、当該素子間の導通を確保することが可能とされる。すなわち、ここに開示される放熱性基板は、新たな半導体素子構造の実現を可能とするものとなり得る。以上、本発明を詳細に説明したが、上記実施形態は例示にすぎず、ここで開示される発明には上述の具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。 From the above, according to the present invention, the heat dissipating substrate made of a nitride ceramic having a metallized layer having a flat surface and excellent heat cycle resistance and an excellent adhesion, a method for producing the same, and the manufacturing method thereof A copper paste for forming a metallized layer is provided. According to such a heat dissipating substrate, for example, when a plurality of semiconductor elements are mounted, instead of forming electrodes by wire bonding between the semiconductor elements, an electrode plate is placed on the semiconductor elements. It is possible to ensure conduction between the elements. In other words, the heat dissipating substrate disclosed herein can realize a new semiconductor element structure. As mentioned above, although this invention was demonstrated in detail, the said embodiment is only an illustration and what changed and modified the above-mentioned specific example is included in the invention disclosed here.
1 放熱性基板
10 基板
20、22a、22b 放熱層
30a、30b 半導体素子
40 板状電極
42 ボンディングワイヤ
44 封止部材
50 放熱フィン
DESCRIPTION OF
Claims (21)
前記ガラス成分は、酸化物に換算した場合の組成で、
Ag2Oを0.5mol%以上5mol%以下、および、
BaOとZnOとの少なくとも一方を合計で60mol%以上95mol%以下、
の割合で含有する、放熱性基板。 On at least one surface of a substrate made of nitride ceramics, a heat dissipation layer containing copper as a main component and a glass component is directly provided,
The glass component is a composition when converted to an oxide ,
Ag 2 O and 0.5 mol% or more 5 mol% or less, and,
60 mol% or more and 95 mol% or less in total of at least one of BaO and ZnO,
A heat-dissipating substrate that contains
Ag2O:0.5mol%以上5mol%以下、
(BaO+ZnO):60mol%以上95mol%以下、
SiO2:1mol%以上20mol%以下、
R2O:1mol%以上30mol%以下、および
Al2O3:0mol%以上5mol%以下、
(ただし、上記Rは1A族から選択される1種以上の元素を意味し、上記R2Oは前記1A族元素の酸化物の合計を示す。)である、請求項1または2に記載の放熱性基板。 The glass component is a composition when converted to an oxide,
Ag 2 O: 0.5 mol% or more and 5 mol% or less,
(BaO + ZnO): 60 mol% or more and 95 mol% or less,
SiO 2 : 1 mol% or more and 20 mol% or less,
R 2 O: 1 mol% or more and 30 mol% or less, and Al 2 O 3 : 0 mol% or more and 5 mol% or less,
(However, the R means one or more elements selected from Group 1A, the R 2 O is.; Total of oxide of the Group 1A element) is, according to claim 1 or 2 Heat dissipation board.
主成分としての銅粉末と、ガラス粉末とが、有機媒体に分散されており、
前記ガラス粉末は、酸化物に換算した場合の組成で、
Ag2Oを0.5mol%以上5mol%以下、および、
BaOとZnOとの少なくとも一方を合計で60mol%以上95mol%以下、
の割合で含有する、銅ペースト。 A copper paste used to form a heat dissipation layer on at least one surface of a substrate made of nitride ceramics,
Copper powder as a main component and glass powder are dispersed in an organic medium,
The glass powder is a composition when converted to an oxide ,
Ag 2 O and 0.5 mol% or more 5 mol% or less, and,
60 mol% or more and 95 mol% or less in total of at least one of BaO and ZnO,
Containing copper paste.
Ag2O:0.5mol%以上5mol%以下、
(BaO+ZnO):60mol%以上95mol%以下、
SiO2:1mol%以上20mol%以下、
R2O:1mol%以上30mol%以下、および
Al2O3:0mol%以上5mol%以下
(ただし、上記Rは1A族から選択される1種以上の元素を意味し、上記R2Oは前記1A族元素の酸化物の合計を示す。)である、請求項10または11に記載の銅ペースト。 The glass powder is a composition when converted to an oxide,
Ag 2 O: 0.5 mol% or more and 5 mol% or less,
(BaO + ZnO): 60 mol% or more and 95 mol% or less,
SiO 2 : 1 mol% or more and 20 mol% or less,
R 2 O: 1 mol% or more and 30 mol% or less, and Al 2 O 3 : 0 mol% or more and 5 mol% or less (wherein R represents one or more elements selected from Group 1A, and R 2 O represents the above The copper paste according to claim 10 or 11 , wherein a total of oxides of group 1A elements is indicated.
銅粉末を主成分としガラス粉末を含む銅ペーストを用意すること、
前記基板の少なくとも片面に、前記銅ペーストを直接的に塗布して塗布層を形成すること、
前記塗布層を備える基板を焼成することで、前記基板の少なくとも片面に銅を主体としガラス成分を含む放熱層を形成すること、
を包含し、
前記ガラス粉末は、Ag2Oを0.5mol%以上5mol%以下およびBaOとZnOとの少なくとも一方を合計で60mol%以上95mol%以下の割合で含む、放熱性基板の製造方法。 Preparing a substrate made of nitride ceramics;
Preparing a copper paste mainly composed of copper powder and containing glass powder;
Coating the copper paste directly on at least one surface of the substrate to form a coating layer;
By baking a substrate provided with the coating layer, forming a heat dissipation layer mainly containing copper and containing a glass component on at least one side of the substrate;
Including
The glass powder, Ag containing 2 O at a ratio of less than 60 mol% or more 95 mol% of at least one of them, the total of 0.5 mol% or more 5 mol% or less, and BaO and ZnO, the manufacturing method of the heat dissipation substrate.
The manufacturing method of any one of Claims 15-20 which adjusts the application quantity of the said copper paste so that the surface roughness of the said board | substrate may be 1 micrometer or less.
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