JP7441070B2 - 窒化アルミニウム基板、電子装置及び電子モジュール - Google Patents

Description

本開示は、窒化アルミニウム基板、電子装置及び電子モジュールに関する。

特許文献１には、複数の結晶粒と複数の結晶粒の間に位置する粒界相とを含んだ窒化アルミニウム焼結体が開示されている。

特開２００３－２０１１７９号公報

窒化アルミニウム焼結体に生じる分子振動は、粒界相において散乱しやすい。分子振動の散乱が多いと、窒化アルミニウム焼結体の熱伝導率が低下する。

本開示は、熱伝導率の高い窒化アルミニウム基板、並びに、このような窒化アルミニウム基板を備えた電子装置及び電子モジュールを提供することを目的とする。

本開示の窒化アルミニウム基板は、
第１面と前記第１面の反対側に位置する第２面とを有し、複数の窒化アルミニウム粒子と粒界相とを含む基板であり、
前記第１面に近く、厚さが前記基板の厚さの１／４以上２／３以下である第１領域に位置する前記粒界相の質量比は、前記第２面に近く、厚さが前記基板の厚さの１／８以上１／３以下である第２領域に位置する前記粒界相の質量比よりも小さく、
複数の窒化アルミニウム粒子のうち、前記第１領域および前記第２領域において、互いに隣接する窒化アルミニウム粒子同士は、面と面との間に熱伝導の経路を形成している。

本開示の電子装置は、
上記の窒化アルミニウム基板と、
前記窒化アルミニウム基板の前記第１面に搭載された電子部品と、
を備える。

本開示の電子モジュールは、
上記の電子装置と、
前記電子装置が搭載されたモジュール用基板と、
を備え、
前記モジュール用基板は、前記窒化アルミニウム基板の前記第２面に取り付けられている。

本開示によれば、熱伝導率の高い窒化アルミニウム基板、並びに、このような窒化アルミニウム基板を備えた電子装置及び電子モジュールを提供できる。

本開示の実施形態に係る窒化アルミニウム基板（Ａ）及びその一部断面（Ｂ）を示す概略図である。 実施形態の窒化アルミニウム基板の各領域の拡大断面（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）を示す概略図である。 比較例の窒化アルミニウム基板の一部断面（Ａ）と各領域の拡大断面（Ｂ）、（Ｃ）を示す概略図である。 本開示の実施形態の電子装置及び電子モジュールを示す図である。

以下、本開示の実施形態について図面を参照して詳細に説明する。

図１は、本開示の実施形態に係る窒化アルミニウム基板（Ａ）及びその一部断面（Ｂ）を示す概略図である。図２は、実施形態の窒化アルミニウム基板の各領域の拡大断面（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）を示す概略図である。

本開示の実施形態に係る窒化アルミニウム基板１は、第１面１１と、第１面の反対側に位置する第２面１２とを有する。第１面１１と第２面１２とは、窒化アルミニウム基板１の短手方向（厚み方向）に交差する（ほぼ直交）する面であってもよい。窒化アルミニウム基板１は、窒化アルミニウム結晶又は窒化アルミニウム多結晶体である複数の粒子３と、複数の粒子３の間に位置する粒界相４とを含む。以下では、第１面側を上方、第２面側を下方として、高さ位置を説明する場合がある。上下の定義は説明の便宜上のものであり、窒化アルミニウム基板１の使用時の上下と一致していなくてもよい。以下では、粒子３をＡｌＮ粒子３とも記す。

窒化アルミニウム基板１は、粒子状のＡｌＮ（窒化アルミニウム）原料に焼結助剤及びバインダを含め、基板状に成形した後、脱脂及び炉で焼成して製造されるセラミックス基板である。複数の粒子３は粒子状のＡｌＮ原料であり、粒界相４は、焼結助剤が焼結時に酸素又はアルミニウム酸化物と反応して形成される液相物質である。

窒化アルミニウム基板１は、粒界相４の質量比率が、第１面に近い第１領域Ａ１の方が、第２面に近い第２領域Ａ２よりも、小さい。

第１面１１に近い第１領域Ａ１とは、第１面１１から厚さが基板厚さの１／４以上、２／３以下の領域である。第２面１２に近い第２領域Ａ２とは、第２面１２から厚さが基板厚さの１／４以上、２／３以下の領域である。研磨前であるなど基板の表面に変則的な部分が残っている場合には、表面から元の基板厚さの１／５０の層を除外し、除外された層の境界面から上記の厚みの範囲を第１領域Ａ１、第２領域Ａ２とする。この場合、表面から元の基板厚さの１／５０の層を除外した基板の厚みを基板厚さとして、第１領域Ａ１、第２領域Ａ２の厚みが定義される。両面に変則的な部分が残っている場合には、両面とも除外する層を設ける。

さらに、粒界相４の質量比率が大小異なるとは、誤差を上回るレベルで大小異なることを意味し、誤差とは明確に区別される。誤差は、同一高さの複数のサンプル領域で計測された質量比率の標準偏差σとし、粒界相４の質量比率が大小に異なるとは３σ以上の差があることとする。質量比率は、該当する領域の断面ＳＥＭ（Scanning Electron Microscope）画像中の粒界相４及びＡｌＮ粒子３の面積比率と、分子量比率との掛け合わせにより質量換算することで求められる。質量比率は、該当する領域の断面ＳＥＭ画像の中から、５０μｍ四方で、画像内で一様に分散された３セット以上の区域（図１（Ｂ）の区域Ｑ１～Ｑ９を参照）を抽出し、当該区域の計測結果の平均値とする。

比較対象として、粒界相４の総量が実施形態の窒化アルミニウム基板１と同じで、粒界相４の分布が一様な比較基板を想定する。実施形態の窒化アルミニウム基板１は、前述の通り、第１領域Ａ１の粒界相４の質量比率が、第２領域Ａ２の粒界相４の質量比率よりも、小さい。この構成は、粒界相４が第１領域Ａ１よりも第２領域Ａ２に多く分布していることを意味する。したがって、第１領域Ａ１の粒界相４の質量比率は、第２領域Ａ２との比較で相対的に小さいだけでなく、比較基板の粒界相４の質量比率と比べて絶対的に小さくなる。このように、粒界相４の質量比率が絶対的に小さくなる第１領域Ａ１があることで、第１領域Ａ１において高い熱伝導率が得られる。したがって、例えば第１領域Ａ１を介して発熱部品の熱引きを行うなど、第１領域Ａ１を有効活用することで、高い吸熱性又は高い放熱性を実現することができる。

本実施形態の窒化アルミニウム基板１においては、さらに、第１領域Ａ１と第２領域Ａ２との間の第３領域Ａ３には、粒界相４の質量比率が第２領域Ａ２へ向けて漸増する漸増領域が含まれる。第３領域Ａ３について窒化アルミニウム基板１の特性が示される場合には、第１領域Ａ１と第２領域Ａ２との間に別の領域が残るように、第１領域Ａ１及び第２領域Ａ２の厚みが定められるものとする。第３領域Ａ３は、第１領域Ａ１と第２領域Ａ２との間の残りの厚み部分とする。漸増領域が無く、粒界相４の質量比率が急激に変化する層があると、基板に応力が生じたときに、上記の層に応力が集中する恐れがある。しかしながら、本実施形態の窒化アルミニウム基板１においては、第３領域Ａ３に漸増領域が含まれることで、上記のような応力の集中を抑制できる。粒界相４の質量比率が第２面１２へ向けて漸増する漸増領域は、第１領域Ａ１の途中から第３領域Ａ３を挟んで第２領域Ａ２の途中まで、あるいは、第１領域Ａ１の途中から第３領域Ａ３及び第２領域Ａ２の全域にかけて存在していもよい。

本実施形態の窒化アルミニウム基板１においては、さらに、第２領域Ａ２には、ＡｌＮ粒子３の平均粒径の３倍以上の長手方向の幅を有する粒界相４（以下、「大径の第１粒界相４Ａ」あるいは単に「第１粒界相４Ａ」と記す）が含まれる。加えて、第３領域Ａ３には、ＡｌＮ粒子３の平均粒径の３倍以上の長手方向の幅を有する粒界相４（第１粒界相４Ａ）が含まれる。さらに、第２領域Ａ２に含まれる第１粒界相４Ａの単位面積当たりの個数は、第３領域Ａ３に含まれる第１粒界相４Ａの単位面積当たりの個数よりも多い。

ここで、ＡｌＮ粒子３の平均粒径は、比較する粒界相４が位置する領域の断面ＳＥＭ画像の中から、５０μｍ四方で、画像内で一様に分散された３セット以上の区域（図１（Ｂ）の区域Ｑ１～Ｑ９を参照）を抽出し、当該区域の全ＡｌＮ粒子３について計測された粒径の平均値と定義される。なお、第１領域Ａ１、第２領域Ａ２及び第３領域Ａ３の各々におけるＡｌＮ粒子３の平均粒径はほぼ同一であってもよい。ＡｌＮ粒子３の粒径とは長手方向の幅を意味する。ＡｌＮ粒子３及び粒界相４についての長手方向の幅は、コンピュータソフトウェア「ＩｍａｇｅＪ」（版数１．５１ｉ、開発Wayne Rasband National Institutes of Health）による最大Ｆｅｒｅｔ長さ（Feret(max)）であると定義される。

仮に、小さな粒界相４が均一に多く分布していると、分子振動を散乱する作用が多く生じ、熱伝導率を低下させる。粒界相４の質量比率が大きい第２領域Ａ２において、上記のように粒界相４が分布していると、粒界相４の質量比率が大きい分、より熱伝導率が低下する。しかし、本実施形態の窒化アルミニウム基板１の第２領域Ａ２は、大径の第１粒界相４Ａを含む。したがって、粒界相４の質量比率が大きくても、粒界相４の一部は第１粒界相４Ａに集合しているため、その分、小さな粒界相４が均一に多く分布する領域の割合は小さく、粒界相４の分布が少ない領域の割合が大きくなる。粒界相４の分布が少ない部分があることで、当該部分により、熱を高い伝導率で導くことのできる経路が太くなる。したがって、粒界相４の質量比率が大きい第２領域Ａ２においても、高い熱伝導率が得られる。

第３領域Ａ３においても、大径の第１粒界相４Ａが含まれることで、第２領域Ａ２と同様に、粒界相４の分布が少ない部分が増えて、高い熱伝導率が得られる。

第２領域Ａ２における第１粒界相４Ａの単位面積当たりの個数が、第３領域Ａ３における第１粒界相４Ａの単位面積当たりの個数よりも多いという構成は、第３領域Ａ３から第２領域Ａ２にかけて粒界相４の質量比率が増した分が、大径の第１粒界相４Ａを増加させるように作用していることを意味する。すなわち、第３領域Ａ３から第２領域Ａ２にかけて粒界相４の質量比率が増した分の多くは、小さい粒界相４の密度を上げるように作用していないことを意味する。したがって、上記の構成により、窒化アルミニウム基板１の全体的な熱伝導率が向上される。

＜製造方法＞
実施形態の窒化アルミニウム基板１の製造工程は、例えば、ＡｌＮ原料に、イットリア（Ｙ_２Ｏ_３）、エルビア（Ｅｒ_２Ｏ_３）、酸化ガドリニウム（Ｇｄ_２Ｏ_３）等の焼結助剤を質量比０．３％～８．５％、ポリビニルブチラール、ポリメチルメタクリレート等のバインダを質量比１０％～２０％含有させ、０．６μｍ～２．０μｍ厚のグリーンシートに成形する工程と、成形されたグリーンシートを積層して基板の厚さの成形体を形成する工程と、成形体を酸素を含む雰囲気内で加熱し脱脂する工程と、カーボンバッチ炉で焼成する工程とを含む。製造工程には、焼成された基板の表面をジェットスクラブ等で研磨する工程が含まれてもよい。膜形状の材料に成形した段階で、基板の厚みに至っていれば、膜形状の材料を積層する工程は省かれる。

焼成する工程では、成形体に対して第１面１１側の雰囲気のカーボン比率を低く、第２面１２側の雰囲気のカーボン比率を高くする。このような雰囲気での焼成により、上述した粒界相４の分布が得られ、上記の製造工程により、実施形態の窒化アルミニウム基板１を製造できる。

＜実施例と比較例＞
実施例の窒化アルミニウム基板１は上述した製造方法により製造される。実施例の窒化アルミニウム基板１について、図１（Ｂ）に示すように第１領域Ａ１、第２領域Ａ２、第３領域Ａ３を設定し、各領域Ａ１～Ａ３から複数の区域Ｑ１～Ｑ９を抽出し、各区域Ｑ１～Ｑ９における粒界相４の質量比率、径及び厚みを計測すると、次の計測結果１が得られた。ここで、粒界相４の径及び厚みは、それぞれ、上記のコンピュータソフトウェア「ＩｍａｇｅＪ」により取得された最大Ｆｅｒｅｔ長さ（Feret(max)）と最小Ｆｅｒｅｔ長さ（Feret(min)）とに相当する。最大Ｆｅｒｅｔ長さと最小Ｆｅｒｅｔ長さとは、平行な２直線で測定対象を様々な角度から挟んだときに最大となる幅と最小となる幅を意味する。

実施例の窒化アルミニウム基板１においては、第１領域Ａ１における粒界相の質量比率（平均値）は、第２領域Ａ２における粒界相の質量比率（平均値）よりも、誤差３σを上回るレベルで小さかった。さらに、実施例の窒化アルミニウム基板１においては、基板の中央高さから上方を第１領域Ａ１とした場合に、いずれの高さにおいても、第１領域Ａ１における粒界相の質量比率は、第２領域Ａ２における粒界相の質量比率よりも、誤差３σを上回るレベルで小さかった。

さらに、実施例の窒化アルミニウム基板１において、第３領域Ａ３中の粒界相の質量比率が漸増する領域は、縦断面のＳＥＭ画像から目視によって確認された。

図３は、比較例の窒化アルミニウム基板の一部断面（Ａ）と各領域の拡大断面（Ｂ）、（Ｃ）を示す概略図である。比較例の窒化アルミニウム基板８は、焼成工程において、雰囲気のカーボン比率を一様にしたカーボンバッチ炉で焼成される。その他の工程は、上述した実施形態と同様である。比較例の窒化アルミニウム基板８について、図３（Ａ）に示すように第１領域Ｂ１、第２領域Ｂ２を設定し、各領域Ｂ１、Ｂ２から複数の区域Ｑ１１～Ｑ１６を抽出し、各区域Ｑ１１～Ｑ１６における粒界相４の質量比率、径及び厚みを計測すると、次の計測結果２が得られた。径及び厚みの計測は上記と同様とした。

比較例においては、第１領域Ｂ１における粒界相の質量比率（平均値）と、第２領域Ｂ２における粒界相の質量比率（平均値）との差は、誤差程度（３σ以内）であった。

実施例と比較例の窒化アルミニウム基板１、８において、各領域におけるＡｌＮ粒子３の平均粒径に違いはなく、ＡｌＮ粒子３の平均粒径は４．２μｍであった。ＡｌＮ３の粒径の計測は上記の通りとした。

粒界相の計測結果１（実施例）における、最大径とＡｌＮ粒子３の平均粒径とから、実施例の窒化アルミニウム基板１の第２領域Ａ２には、平均粒径４．２μｍの３倍以上の径を有する第１粒界相４Ａが含まれることが示された。また、実施例の窒化アルミニウム基板１の第３領域Ａ３には、３つの区域Ｑ４～Ｑ６において平均粒径４．２μｍの３倍近くの径を有する粒界相４が含まれることから、第３領域Ａ３にも平均粒径４．２μｍの３倍以上の径を有する第１粒界相４Ａが含まれると推定された。また、計測結果１の第２領域Ａ２の最大径の値と第３領域Ａ３の最大径の値との比較から、第１粒界相４Ａの単位面積当たりの個数は、第３領域Ａ３よりも第２領域Ａ２の方が多いことが推定された。

一方、粒界相の計測結果２（比較例）における最大径から、比較例の窒化アルミニウム基板８には、平均粒径４．２μｍの３倍以上の径を有する第１粒界相４Ａは含まれないか、非常に少ないと推定された。

実施例の窒化アルミニウム基板１、並びに、比較例の窒化アルミニウム基板８について、基板面（第１面１１又は第２面１２）に沿った方向における外縁部と中央とで、粒界相の総量を計測すると、次の計測結果３が得られた。計測結果３の粒界相の総量は、上下方向に一様に分散するように抽出された複数区域で計測した値の総和から求められた。

計測結果３からは、基板面に沿った方向においては、粒界相の分布の差は誤差程度であり、かつ、実施例と比較例との窒化アルミニウム基板１、８では粒界相の総量の差が誤差程度であることが示された。

実施例と比較例の窒化アルミニウム基板１、８で、一方の基板面（第１面１１）から他方の基板面（第２面１２）にかけた熱伝導率を、基板面に沿った方向における外縁部と中央とで計測すると、次の計測結果４が得られた。

計測結果４及び計測結果３から、粒界相の総量が同一であっても、実施例の窒化アルミニウム基板１が比較例よりも高い熱伝導率を有することが示された。

＜電子装置及び電子モジュール＞
図４は、本開示の実施形態に係る電子装置及び電子モジュールを示す断面図である。

本実施形態に係る電子装置６０は、窒化アルミニウム基板１を含んだ配線基板１０に電子部品５０が実装されて構成される。配線基板１０は、窒化アルミニウム基板１と、窒化アルミニウム基板１の第１面１１上に位置する金属膜２２と、金属膜２２上に位置する配線導体２０とを備えていてもよい。電子部品５０は、接合材を介して配線基板１０に接合されてもよい。電子部品５０の電極と、配線基板１０とがボンディングワイヤーを介して接続されてもよい。電子装置６０は、さらに、配線基板１０と電子部品５０とを収容するパッケージを有する構成であってもよい。

電子装置６０において、電子部品５０は窒化アルミニウム基板１の第１面１１側に位置することで、窒化アルミニウム基板１は、電子部品５０の搭載面から熱を吸収し、第２面１２を含むその他の面から外部へ高い効率で放熱することができる。電子部品５０は窒化アルミニウム基板１の第２面側に位置してもよく、この場合でも、窒化アルミニウム基板１は、第２面１２の電子部品５０の搭載面から熱を吸収し、第１面１１を含むその他の面から外部へ高い効率で放熱することができる。

電子部品５０としては、ＬＤ（Laser Diode）、ＰＤ（Photo Diode）、ＬＥＤ（Light Emitting Diode）等の光素子、ＣＣＤ（Charge Coupled Device）型、ＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）型等の撮像素子、水晶振動子等の圧電振動子、弾性表面波素子、半導体集積回路素子（ＩＣ：Integrated Circuit）等の半導体素子、電気容量素子、インダクタ素子又は抵抗器等の種々の電子部品を適用できる。

本実施形態に係る電子モジュール１００は、モジュール用基板１１０に電子装置６０を実装して構成される。モジュール用基板１１０には、電子装置６０に加えて、他の電子装置、電子素子及び電気素子などが実装されていてもよい。モジュール用基板１１０には電極パッド１１１が設けられ、電子装置６０は、電極パッド１１１に半田等の接合材１１３を介して接合されてもよい。なお、電子装置６０の接合材１１３が接合される部分には、配線導体が設けられていてもよい。また、電子装置６０がパッケージを有する場合、モジュール用基板１１０の電極パッド１１１にはパッケージの配線導体が接合されてもよい。

本実施形態の電子装置６０及び電子モジュール１００によれば、高い熱伝導性を有する窒化アルミニウム基板１が用いられることで、信頼性の向上を図ることができる。

以上、本開示の実施形態について説明した。しかし、本開示は上記実施形態に限られない。実施形態で示した細部は、発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。

１ 窒化アルミニウム基板
３ 粒子（窒化アルミニウム粒子）
４ 粒界相
４Ａ 第１粒界相
１０ 配線基板
１１ 第１面
１２ 第２面
Ａ１ 第１領域
Ａ２ 第２領域
Ａ３ 第３領域
５０ 電子部品
６０ 電子装置
１００ 電子モジュール
１１０ モジュール用基板

Claims (8)

1. 第１面と前記第１面の反対側に位置する第２面とを有し、複数の窒化アルミニウム粒子と粒界相とを含む基板であり、
   前記第１面に近く、厚さが前記基板の厚さの１／４以上２／３以下である第１領域に位置する前記粒界相の質量比は、前記第２面に近く、厚さが前記基板の厚さの１／８以上１／３以下である第２領域に位置する前記粒界相の質量比よりも小さく、
   複数の窒化アルミニウム粒子のうち、前記第１領域および前記第２領域において、互いに隣接する窒化アルミニウム粒子同士は、面と面との間に熱伝導の経路を形成している、
   窒化アルミニウム基板。
2. 前記第１領域と前記第２領域との間に位置する第３領域に、前記粒界相の質量比が前記第２領域に向かって漸増する領域が含まれる、
   請求項１記載の窒化アルミニウム基板。
3. 前記第２領域に位置する前記粒界相には、前記第２領域に位置する前記窒化アルミニウム粒子の平均粒径の３倍以上の長手方向の幅を有する第１粒界相が含まれる、
   請求項１又は請求項２記載の窒化アルミニウム基板。
4. 前記第２領域に位置する前記粒界相、並びに、前記第３領域に位置する前記粒界相には、前記第２領域及び前記第３領域に位置する前記窒化アルミニウム粒子の平均粒径の３倍以上の長手方向の幅を有する第１粒界相が含まれ、
   前記第２領域に含まれる前記第１粒界相の単位面積当たりの個数が、前記第３領域に含まれる前記第１粒界相の単位面積当たりの個数よりも大きい、
   請求項２記載の窒化アルミニウム基板。
5. 前記第１領域に含まれる前記窒化アルミニウム粒子の粒子径は、前記第２領域および前記第３領域に含まれる前記窒化アルミニウム粒子の粒子径と揃えられており、
   前記第２領域および前記第３領域において、前記複数の窒化アルミニウムの一部のみが前記粒界相と隣接している請求項２又は請求項４に記載の窒化アルミニウム基板。
6. 請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の窒化アルミニウム基板と、
   前記窒化アルミニウム基板の前記第１面に搭載された電子部品と、
   を備える電子装置。
7. 前記複数の窒化アルミニウム粒子は、前記第１領域と前記第２領域のいずれにおいても、前記第１面から前記第２面に向かって前記熱伝導の経路を連続的に形成している請求項６記載の電子装置。
8. 請求項６又は請求項７に記載の電子装置と、
   前記電子装置が搭載されたモジュール用基板と、
   を備え、
   前記モジュール用基板は、前記窒化アルミニウム基板の前記第２面に取り付けられている電子モジュール。

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