JP6307009B2 - 回路基板と回路基板用の導体ペースト - Google Patents
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Description
この半導体デバイスの周辺技術の一つに、該半導体デバイスを実装するための回路基板がある。回路基板は、例えば、電気絶縁性の基板の表面に、電気伝導性や熱伝導性の高い導体パターン(金属層)を備え、配線回路としての機能や半導体デバイスで発生した熱を逃がす機能(放熱機能)を発揮するものである。
かかる回路基板は、例えば、セラミック製の基板の表面に、金属粉末(例えば銅)、無機フィラー(例えばガラスフリット)、樹脂、溶剤等から構成される導体ペースト(例えば銅ペースト)を付与して、乾燥、焼成することによって作製することができる。これに関連する先行技術文献として、特許文献1〜6および非特許文献1が挙げられる。
また、導電性を維持する一つの方策として、銅の酸化防止のために導体層の表面にめっき処理を施すことがある。しかしながら、導体パターンに非導電性の無機フィラーを含む場合、当該部位に局所的にめっきが乗らず、いわゆるピットが発生することがある。このことは直ちに接合性の低下につながるわけではないが、導体パターンの内部で徐々に酸化が生じて導電性が低下することがあり得る。
すなわち、本発明によって、セラミックスからなる絶縁基板と、該絶縁基板の表面に形成されたガラスレスの導体パターンと、を備える回路基板が提供される。上記導体パターンは、上記絶縁基板に接する銅めっき層と、該銅めっき層上に形成された導体層とを備える。上記導体層は、ガラス成分を含まず、銅成分と導電性フィラー成分とを含む。上記導電性フィラー成分の含有割合は、上記銅成分100質量部に対して50質量部以上200質量部以下である。上記導体層の体積熱膨張率は13.5ppm/℃以下である。上記導体パターンの電気抵抗率は20μΩ・cm未満である。
また、絶縁基板と導体層との間に銅めっき層を介在させることで、導体層にガラス成分を含まずとも、絶縁基板と導体パターンとが強固に一体化された回路基板を実現することができる。さらに、導体パターンをガラスレスとすることで、優れた導電性(電気抵抗率が20μΩ・cm以下)を実現することができる。
加えて、導電性フィラーを用いることでピットの発生をも防止することができ、ニッケル−金めっき表面に欠陥のない導体パターンを実現することができる。
したがって、本発明によれば、電気抵抗率が低減され且つ耐ヒートサイクル性にも優れた回路基板を実現することができる。
なお、本明細書において「平均粒子径」とは、一般的な粒度分布測定装置を用いて、レーザー回折・光散乱法で測定した体積基準の粒度分布において、微粒子側から累積50%に相当する粒子径(50%体積平均粒子径。D50やメジアン径ともいう。)を指すものとする。
このような導体ペーストを用いることで、ガラスレスであっても熱膨張率の低い導体層を実現することができる。これにより、例えば熱膨張率の小さなセラミック基板(例えば窒化ケイ素基板)とも良好な接合性を実現することができ、なおかつ優れた耐ヒートサイクル性を実現することができる。その結果、熱的安定性が高く、電気抵抗率が一層低減された導体パターンを実現することができる。
ここに開示される回路基板は、セラミックスからなる絶縁基板と、該絶縁基板の表面に形成された導体パターンと、を備えている。上記導体パターンは、上記絶縁基板に接する銅めっき層と、該銅めっき層上に形成された導体層とを備えている。そして、以下の(A)〜(D):(A)導体層が、ガラス成分を含まず、銅成分と導電性フィラー成分とを含むこと;(B)導体層における導電性フィラー成分の含有割合が、上記銅成分100質量部に対して50質量部以上200質量部以下であること;(C)上記導体層の体積熱膨張率が13.5ppm/℃以下であること;(D)上記導体パターンの電気抵抗率が20μΩ・cm未満であること;によって特徴づけられる。したがって、その他の構成要素については特に限定されず、種々の用途に応じて任意に決定することができる。
ここに開示される回路基板の絶縁基板は、セラミック材料からなる。セラミック材料としては、例えば、金属炭化物からなる炭化物系セラミックス;金属窒化物からなる窒化物系セラミックス;金属酸化物からなる酸化物系セラミックス;金属のホウ化物、フッ化物、水酸化物、炭酸塩、リン酸塩等からなるセラミックス;等が例示される。
一好適例として、熱膨張率が比較的小さなもの、具体的には、窒化ケイ素(シリコンナイトライド:Si3N4)、窒化アルミニウム(アルミナイトライド:AlN)、窒化ホウ素(BN)等の窒化物系セラミックス;炭化ケイ素(シリコンカーバイド:SiC)等の炭化物系セラミックス;コーディエライト(2MgO・2Al2O3・5SiO2)、ムライト(3Al2O3・2SiO2)等の複合酸化物系セラミックス;が挙げられる。
なかでも、とりわけ熱膨張率が小さなセラミック材料(および該材料の30〜500℃の平均体積熱膨張率)を例示すると、コーディエライト(<|0.1|ppm/℃)、窒化ホウ素(1.4ppm/℃)、窒化ケイ素(2.6ppm/℃)、炭化ケイ素(3.7ppm/℃)、窒化アルミニウム(4.6ppm/℃)、ムライト(5.0ppm/℃)等が挙げられる。特に、窒化ケイ素は曲げ強度が凡そ600〜800MPaと機械的強度に優れる。このため、高い機械的強度の要求される用途で好ましく用いることができる。また、窒化アルミニウムは熱伝導率が150〜200W/m・Kと高いため、放熱性を要求される用途で好ましく用いることができる。
ここに開示される回路基板の導体パターンは、上記絶縁基板に接する銅めっき層と、該銅めっき層の表面に固着された導体層とを備える。また、かかる導体パターンの電気抵抗率は20μΩ・cm未満であり、好ましくは15μΩ・cm以下、より好ましくは10μΩ・cm以下、特には6μΩ・cm以下であるとよい。
かかる銅めっき層は、実質的に(例えば、銅めっき層全体の95質量%以上が)銅成分からなる。このため、銅めっき層の熱膨張率は、銅の熱膨張率と概ね同等であり得る。ゆえに、例えば絶縁基板が熱膨張率の小さなセラミック材料からなる場合には、絶縁基板と銅めっき層との熱膨張率が大きく異なることがある。例えば、絶縁基板が窒化物系セラミックスからなる場合、銅めっき層の熱膨張率が、絶縁基板の熱膨張率に対して3〜5倍以上大きくなることがあり得る。したがって、このような場合には銅めっき層の厚みを薄くして、熱応力を小さく抑えることが好ましい。
上記の理由から、好適な一態様では、銅めっき層の平均厚みが5μm以下(好ましくは3μm以下、より好ましくは2μm以下)である。これにより、銅めっき層の熱膨張率をほぼ考慮する必要が無くなり、耐ヒートサイクル特性を一層向上することができる。また、銅めっき層の平均厚みは、0.01μm以上(好ましくは0.05μm以上、より好ましくは0.1μm以上、例えば0.5μm以上)であるとよい。これにより、絶縁基板と導体層とをより安定的に接合することができ、熱的安定性の高い回路基板を実現することができる。
かかる導体層は、ガラス成分を含まず、典型的にはその他の非導電性の(絶縁性の)無機フィラーも含まず、銅成分と導電性フィラー成分とを含んでいる。上述の通り、ガラス成分は電気伝導性や熱伝導性が低い。このため、当該ガラス成分を少なくとも意図的には混入させないことで、電気伝導性や熱伝導性に優れた導体層を実現することができる。さらには、耐ヒートサイクル性の向上などを目的として導体層の表面にめっきを施す場合にあっても、ピットの発生を高度に防止することができる。
また、モリブデンは電気抵抗率が非常に小さく、電気伝導性や熱伝導性にも優れる。さらに、高温での機械的強度も高い。したがって、導体層本来の機能性(導電機能や放熱機能)をより高いレベルで発揮させることができ、好ましい。
また、上記導体層を平滑性に優れかつ均質なものとする観点からは、平均粒子径が50μm以下(典型的には30μm以下、例えば20μm以下)であるとよい。
また、導電性フィラー成分の含有割合の上限は、銅成分100質量部に対して、200質量部以下(典型的には180質量部以下、例えば150質量%以下)である。これにより、銅めっき層との接合性に優れ、かつ電気伝導性や放熱性の高い導体層を実現することができる。
なお、導体層中には、本発明の効果を著しく低減させない限りにおいて、銅成分と導電性フィラー成分以外の成分(例えばこの種の分野で一般に使用され得る各種添加剤)を含んでもよい。
ここに開示される回路基板の好適な一態様では、導体層の表面にニッケルめっき層および/または金めっき層を備える。これにより、高温環境下においても導体層が酸化されることを高度に防止することができる。したがって、耐ヒートサイクル性をより一層向上することができる。
以下、図1を参照しつつ一実施形態に係る回路基板について説明する。なお、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、実際の回路基板の寸法関係(長さ、幅、厚さ等)を必ずしも正確に反映したものではない。
なお、導体パターンは、図1に示すように絶縁基板2の両面に備えられていてもよく、あるいは片方の表面のみに備えられていても良い。また、導体パターンは、図1の放熱層6のように1つであってもよく、図1の配線回路4のように複数であってもよい。また、導体パターンは、絶縁基板2の一部に備えられていてもよいし、絶縁基板2のほぼ全面にわたって備えられていてもよい。さらに、例えば耐ヒートサイクル性の向上や腐食の防止等を目的として、導体層4b,6bの表面にめっき層(例えばニッケルめっき層や金めっき層)を備えていてもよい。
このような回路基板の製造方法は特に限定されないが、例えば以下の工程:
(1)セラミックスからなる絶縁基板の表面に銅めっき処理を施すこと;
(2)銅粉末と導電性フィラー粉末と熱可塑性樹脂と溶媒とを含む導体ペーストを調製すること;
(3)上記調製した導体ペーストを銅めっき処理済みの絶縁基板上に付与すること;および
(4)上記導体ペーストを付与した絶縁基板を、不活性雰囲気中において上記熱可塑性樹脂の燃え抜け温度以上で焼成し、導体パターンを形成すること;
を包含する方法によって製造することができる。以下、各工程を順に説明する。
まず、絶縁基板の表面に銅めっき処理を施す。銅めっき処理は、例えば従来公知の一般的な無電解めっきの手法によって形成することができる。すなわち、まずパラジウム等の核形成成分によって核が形成されるように調整し、その上に無電解銅めっきを行うとよい。これにより、核形成成分が絶縁基板の表面に物理的に接合して、絶縁基板の表面に強固に固着された銅めっき層を形成することができる。なお、銅めっき処理の詳細な手順等については、後の実施例で述べる。
次に、導体ペースト(銅ペースト)を調製する。導体ペーストは、典型的には、銅粉末と、導電性フィラー粉末と、熱可塑性樹脂と、溶媒と、を含んでいる。また、ガラス成分を含まない。そして、以下の条件:上記導電性フィラー粉末の含有割合が、上記銅成分100質量部に対して50質量部以上200質量部以下であること;上記導体ペーストを銅めっき層上に付与して上記導体層を形成し、導体パターンとしたときに、上記導体層の体積熱膨張率が13.5ppm/℃以下であり、電気抵抗率が20μΩ・cm未満であること;を具備することが好ましい。なお、その他の構成要素については特に限定されず、種々の用途に応じて任意に決定することができる。
なお、本明細書において「銅粉末」とは、銅(Cu)を主体とする粒子の集合体をいい、典型的には銅単体から成る粒子の集合体であるが、例えば銅を主体とする合金や銅以外の不純物を微量含むものであっても、全体として銅を主体とする粒子の集合体であればここでいう「銅粉末」に包含され得る。
好適な一態様では、導電性フィラー粉末の平均粒子径が銅粉末の平均粒子径以上である。換言すれば、銅粉末の平均粒子径が導電性フィラー粉末の平均粒子径以下である。これによって、電気伝導性により優れた導体パターンを形成することができる。
導体ペースト中の導電性フィラー粉末の含有割合は、典型的には導体ペースト全体の25質量%以上(典型的には30質量%以上、例えば35質量%以上)であって、60質量%以下(典型的には55質量%以下、例えば50質量%以下)であるとよい。
かかる構成によると、絶縁基板との熱膨張率の整合を好適にとることができ、剥離等の不具合の発生を抑制することができる。また、導電性フィラー粉末の含有割合を必要最小限に抑えることで、電気伝導性や放熱性に一層優れた導体パターンを形成することができる。
熱可塑性樹脂としては、使用する溶媒(典型的には有機溶剤)に可溶であって、不活性ガス雰囲気中、500℃以下の低温焼成によって熱分解されて燃え抜けるものを好ましく用いることができる。好適例(およびその燃え抜け温度)としては、アクリル(250℃)、ポリメタクリル酸メチル、ポリメタクリル酸エチル、ポリアクリル酸ブチル等のアクリル系樹脂(メタクリル樹脂を含む。);ポリアセタール樹脂(310℃);ポリビニルブチラ−ル(460℃)、ポリビニルアルコールとエチレンの共重合体等のポリビニルアセタール系樹脂;ポリスチレン(410℃)、アクリロニトリルとブタジエンとスチレン共重合体(ABS樹脂)等のポリスチレン系樹脂;ポリエチレン、ポリプロピレン(445℃)、環状オレフィン等のポリオレフィン樹脂;等が挙げられる。
なお、本明細書において「粘度」とは、液温が20℃の状態において一般的な粘度計を用いて測定した値をいう。例えば、平行円板型回転粘度計(B型粘度計)を用いて、ローターの回転速度20rpmで測定した値をいう。
さらに、導体ペースト中に上記熱可塑性樹脂と溶媒の総和が占める割合を、凡そ10質量%以下(典型的には、1〜10質量%、例えば3〜10質量%)とすることが好ましい。このように銅粉末と導電性フィラー粉末の占める割合を高めることで、例えば厚みが100μm以上の導体パターンでも、緻密にかつ安定的に形成することができる。
次に、銅めっき処理済みの絶縁基板の表面に、上記導体ペーストを付与する。導体ペーストの付与(典型的には塗工)には、従来公知の手法(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、ドクターブレード法、ディスペンサー塗布法、ディップ塗布法、インクジェット法等)を用いることができる。なかでも、印刷法を好ましく採用することができる。印刷法を用いることで、例えば複雑な形状の(例えば厚みやサイズの異なる)配線パターンに対応した塗工を、簡便かつ精度良く行うことができる。
次に、典型的には、上記付与した導体ペーストを適当な温度(典型的には30〜150℃、例えば80〜120℃)で予備乾燥させる。
その後、導体ペースト中の銅が十分に焼結され得る温度で所定時間、焼成を行う。焼成温度は、使用する熱可塑性樹脂が燃え抜ける温度より高く設定する。好適には、比較的低温、例えば、熱可塑性樹脂の燃え抜け温度以上であって500℃以下(典型的には350〜500℃、例えば400〜500℃)に設定する。これにより、焼成時の熱収縮(熱応力による歪み)を最小限に抑えることができる。また、焼成時間は、通常凡そ0.1〜5時間程度(典型的には0.5〜3時間)とするとよい。また、焼成時の雰囲気は、銅の酸化を防止する観点から、不活性ガス雰囲気とすることが好ましい。ここで不活性ガス雰囲気とは、酸素および炭化水素ガスを実質的に含まない雰囲気として規定できる。典型的な雰囲気ガスとして、窒素ガス、アルゴンやヘリウム等の希ガスが挙げられる。
これにより、導体ペースト中の熱可塑性樹脂と溶媒は、焼成によってほぼ完全に燃え抜ける。同時に、銅成分が焼結して、銅めっき層の表面に導体層が強固に固着される。なお、上記焼成温度の範囲では、導電性フィラー成分には組成や性状の変化(例えば軟化等)は生じないため、導体ペーストに含有される材料の状態と同等の性状を保っている。
さらに、耐ヒートサイクル性の向上や腐食の防止等を目的として、導体層の表面に再度めっき処理(例えばニッケル−金めっき処理)を施すこともできる。
かかる導体層の体積熱膨張率は、13.5ppm/℃以下(例えば13.5〜11.5ppm/℃)であり得る。また、銅めっき層と導体層とからなる導体パターンの電気抵抗率は、20μΩ・cm未満(好ましくは15μΩ・cm以下、より好ましくは10μΩ・cm以下)であり得る。
具体的には、まず、市販の窒化ケイ素基板(三菱マテリアル製)に無電解銅めっき処理を施した。無電解銅めっきの条件を、表1に示す。これにより、窒化ケイ素基板の表面全体に平均厚さ1.5μmの銅めっき層を形成した。
そして、銅を溶解するエッチング液で短時間処理することにより、窒化ケイ素基板上の(導体パターン非形成部分の)無電解銅めっきを除去した。エッチングの条件を、表3に示す。
表4,5には、導体層中の銅成分100質量部に対する無機フィラー成分の含有割合(質量部)を示している。
導体ペースト(S1〜S24)を用いて、別途、熱膨張率測定用の試料を作製した。具体的には、当該導体ペーストを所定形状(例えば円板状)にプレス成形し、120℃で乾燥した後、窒素ガス雰囲気中にて500℃で1時間焼成した。これにより、測定用試料を作製した。この試料を示差膨張方式の熱機械分析(TMA)に配置して、室温〜300℃の温度範囲で体積膨張率を測定し、その平均値を求めた。
上記得られた回路基板(例1〜例24)の任意の表面を走査型電子顕微鏡(Scanning Electron Microscope:SEM)で観察して、ピットの発生状況を確認した。結果を表4,5の「ピット」の欄に示す。なお、表4,5において「○」は、ピットが確認されなかったことを、「×」はピットが確認された(ニッケル−金めっきの表面に欠陥があった)ことを、表している。
上記得られた回路基板(例1〜例24)の導体パターンについて、株式会社三菱化学アナリテック製の抵抗率計(型式:ロレスタGP MCP−T610)を用いて4端子4探針法で電気抵抗率を測定した。結果を表4,5の「電気抵抗率」の欄に示す。
上記回路基板(例1〜例24)について、−40〜250℃の間でヒートサイクルを200回繰り返した後、接合性を評価した。具体的には、外観上から(目視で)歪みや割れ等の不具合がないかを確認した後、ピンセットで基板から導体パターンを剥がせるか否かを確認し、基板と導体パターンとの機械的な接合性を評価した。
結果を表4,5の「接合性」の欄に示す。なお、表4,5において「○」は、ヒートサイクル後も導体パターンに歪みや割れ等の外観上の不具合が確認されず、かつ両者が良好に接合されていたことを、「×」はヒートサイクル後に外観上の不具合が確認された、および/または両者が剥離していたこと、を表している。
また、導電性フィラー成分の含有割合を銅成分100質量部に対して50質量部未満とした例1,例5,例9,例13,例14では、導体パターンの電気抵抗率は低かったが、熱膨張率が13.5ppm/℃を超えていた。その結果、導体パターンの窒化ケイ素基板との熱膨張の整合性がとれなくなり、多くの例でヒートサイクル後に導体パターンの剥離が認められた。一方で、導電性フィラー成分の含有割合を高めるにつれ、導体パターンの電気抵抗率は増大する傾向にあった。これは、銅成分に対して導電性フィラー成分の導電率が低いことが原因と考えられる。
これらの比較例に対して、例2〜例4,例6,例7,例10,例11,例15,例16では、電気抵抗率が20μΩ・cmを下回り、かつ耐ヒートサイクル性(基板と導体パターンとの接合性)も良好であった。
かかる結果は、ここに開示される発明の技術的意義を裏付けるものである。
2 絶縁基板(セラミック基板)
4 導体パターン(配線回路)
4a 銅めっき層
4b 導体層(配線層)
6 導体パターン(放熱層)
6a 銅めっき層
6b 導体層
Claims (12)
- セラミックスからなる絶縁基板と、該絶縁基板の表面に形成されたガラスレスの導体パターンと、を備える回路基板であって、
前記導体パターンは、前記絶縁基板に接する銅めっき層と、該銅めっき層上に形成された導体層とを備え、
前記導体層が、ガラス成分を含まず、銅成分と導電性フィラー成分とを含み、
前記導電性フィラー成分の含有割合が、前記銅成分100質量部に対して50質量部以上200質量部以下であり、
前記導体層の体積熱膨張率が13.5ppm/℃以下であり、
前記導体パターンの電気抵抗率が20μΩ・cm未満である、回路基板。 - 前記導電性フィラー成分の含有割合が、前記銅成分100質量部に対して75質量部以上である、請求項1に記載の回路基板。
- 前記導電性フィラー成分の含有割合が、前記銅成分100質量部に対して150質量部以下である、請求項1または2に記載の回路基板。
- 前記導電性フィラー成分の平均粒子径が、4μm以上50μm以下である、請求項1から3のいずれか1項に記載の回路基板。
- 前記絶縁基板が窒化ケイ素基板である、請求項1から4のいずれか1項に記載の回路基板。
- 前記銅めっき層の平均厚みが2μm以下である、請求項1から5のいずれか1項に記載の回路基板。
- 前記導体層の平均厚みが100μm以上300μm以下である、請求項1から6のいずれか1項に記載の回路基板。
- 前記導電性フィラー成分が、クロム、モリブデンおよびタングステンからなる群から選択される少なくとも1種を含む、請求項1から7のいずれか1項に記載の回路基板。
- ガラスレスの導体層を形成するための回路基板用の導体ペーストであって、
銅粉末と導電性フィラー粉末と熱可塑性樹脂と溶媒とを含み、
前記導電性フィラー粉末の含有割合が、前記銅成分100質量部に対して50質量部以上200質量部以下であり、
前記導体ペーストを銅めっき層上に付与して前記導体層を形成し、導体パターンとしたときに、
前記導体層の体積熱膨張率が13.5ppm/℃以下であり、
前記導体パターンの電気抵抗率が20μΩ・cm未満であることを実現する、導体ペースト。 - 前記導電性フィラー粉末の平均粒子径が4μm以上50μm以下である、請求項9に記載の導体ペースト。
- 前記銅粉末の平均粒子径が、前記導電性フィラー粉末の前記平均粒子径以下である、請求項10に記載の導体ペースト。
- 前記導電性フィラー粉末が、クロム、モリブデンおよびタングステンからなる群から選択される少なくとも1種を含む、請求項9から11のいずれか1項に記載の導体ペースト。
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