JPWO2011122407A1 - 金属ベース基板 - Google Patents

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Abstract

金属板上に低温焼結セラミック層を形成した、金属ベース基板において、金属板を銅から構成することを可能にしながら、金属板との界面において低温焼結セラミック層にクラックや剥離が生じにくく、表面導体の耐剥離強度を向上させる。金属板(14)と、その上に形成された低温焼結セラミック層(15)とを備える、金属ベース基板(12)において、金属板(14)の熱膨張係数は低温焼結セラミック層(15)の熱膨張係数より大きく、金属板(14)と低温焼結セラミック層(15)との25〜400℃での平均熱膨張係数差が4〜9ppm/℃以下であり、かつ、低温焼結セラミック層(15)のヤング率が120GPa未満であり、かつ抗折強度が200MPa以上である。

Description

この発明は、半導体素子などを実装しながら放熱機能をも与える金属ベース基板に関するもので、特に、低温焼結セラミック材料を用いて構成されたセラミック層と金属板とを組み合わせた金属ベース基板に関するものである。
金属ベース基板は、比較的高い放熱機能を有しており、たとえば半導体素子のような放熱を必要とする電子部品を実装するために有利に用いられている。このような金属ベース基板において、金属板と組み合わせる基板層を構成する材料として、セラミック材料が用いられている。
たとえば低温焼結セラミック材料は、1050℃以下の温度で焼結可能なセラミック材料である。したがって、低温焼結セラミック材料を用いて構成されたセラミック層を金属板上に形成した金属ベース基板であれば、それほど高い融点を有する金属からなる金属板を用いなくても、生の低温焼結セラミック層と金属板とを一括焼成して得ることができる。
しかし、低温焼結セラミック層と金属板とを一括焼成すると、一括焼成後の冷却過程で、その熱膨張係数差から、低温焼結セラミック層と金属板との界面で剥離が生じたり、低温焼結セラミック層にクラックが生じたりすることがある。
よって、このような低温焼結セラミック層と金属板との間での剥離や低温焼結セラミック層でのクラックの課題を解決するための手段として、低温焼結セラミック層と金属板との熱膨張係数を合わせることが行なわれている。
たとえば、特表平11−511719号公報(特許文献1)および特表平11−514627号公報(特許文献2)では、金属板と生の低温焼結セラミック層とを同時焼成するにあたって、セラミック層の剥離やクラックを防止するため、金属板の熱膨張係数と低温焼結セラミック層の熱膨張係数を一致させること、より具体的には、金属板の熱膨張係数に一致するように低温焼結セラミック層の組成を改良することが提案されている。
しかし、これら特許文献1および2に記載の技術では、低温焼結セラミック層の組成改良にも限界があるため、金属板の材料として、熱膨張係数の低い金属しか用いることができない、という問題がある。実際、特許文献1および2に記載の技術では、金属板に熱膨張係数の低い合金を用い、低温焼結セラミック層の熱膨張係数と近くすることで、上記剥離やクラックの問題を解決している。
しかし、熱膨張係数の低い合金は熱伝導率が低い。よって、金属板にたとえば銅のような熱伝導率が高い金属を用いた場合と比較して、金属ベース基板の放熱特性に劣るという問題を招く。
特表平11−511719号公報 特表平11−514627号公報
そこで、この発明の目的は、上述したような問題を解決し得る金属ベース基板を提供しようとすることである。
この発明は、金属板と低温焼結セラミック層との間で熱膨張係数に差があるとしても、これを許容しながら、セラミック層の剥離やクラックを防止することができる新たな要件を見出すことによって、上述の課題を解決しようとするものである。
すなわち、この発明に係る金属ベース基板は、金属板と、金属板の上に形成された低温焼結セラミック層とを備えるもので、金属板の熱膨張係数は低温焼結セラミック層の熱膨張係数より大きく、金属板と低温焼結セラミック層との25〜400℃での平均熱膨張係数差が9ppm/℃以下であり、かつ、低温焼結セラミック層のヤング率が120GPa未満であり、かつ抗折強度が200MPa以上であることを特徴としている。
この発明に係る金属ベース基板によれば、これを得るために、熱膨張係数差がある金属板と低温焼結セラミック層とを同時焼成しても、セラミック層の剥離やクラックを抑制することができる。そのため、金属板や低温焼結セラミック層として使用できる材料の選択範囲が広がるため、金属ベース基板の低コスト化が可能となる。また、金属板の材料として、たとえば銅のような熱伝導率の高い金属を用いることが可能となるため、金属ベース基板の放熱性を高めることができる。
この発明において、上記平均熱膨張係数差が4ppm/℃以上とされると、金属板から低温焼結セラミック層に所定以上の圧縮応力が付与されている状態となるため、金属ベース基板の表面に形成される導体に対して、高い耐剥離強度を与えることができる。
この発明の一実施形態による金属ベース基板を備える電子部品装置を示す断面図である。
図1を参照して、まず、この発明の一実施形態による金属ベース基板を備える電子部品装置について説明する。
図1に示した電子部品装置11は、金属ベース基板12と、その上に実装される半導体素子13とを備えている。
金属ベース基板12は、金属板14と、金属板14の上に配置される低温焼結セラミック層15および拘束層16とを備えている。ここで、金属板14は低温焼結セラミック層15に接している。また、低温焼結セラミック層15と拘束層16とは交互に積層され、最上層は拘束層16によって与えられている。なお、最上層は低温焼結セラミック層15によって与えられてもよい。
低温焼結セラミック層15は、拘束層16より厚い。後述する製造方法の説明から明らかになるように、低温焼結セラミック層15は低温焼結セラミック材料の焼結体からなる。他方、拘束層16は、上記低温焼結セラミック材料の焼結温度では焼結しない難焼結性セラミック材料を含むが、焼成時において、低温焼結セラミック層15に含まれていた低温焼結セラミック材料の一部が拘束層16へと流動することによって、難焼結性セラミック材料が固化され、緻密化されている。
金属ベース基板12における低温焼結セラミック層15および拘束層16によって構成される積層体部分17には、回路パターンが形成される。図1では、いくつかの回路パターンの図示を省略しているが、半導体素子13に関連して、たとえば、いくつかの表面導体18、いくつかの層間接続導体19、およびいくつかの面内配線導体20が形成されている。また、表面導体18の特定のものと半導体素子13とは、ボンディングワイヤ21によって電気的に接続されている。
使用状態において、半導体素子13において発生した熱は、積層体部分17を介して金属板14に伝導され、金属板14から放熱される。金属板14は、その機能を効果的に発揮させるため、たとえば銅または銀を主成分とすることが好ましい。
このような電子部品装置11において用いられる、金属ベース基板12は、次のようにして製造される。
まず、金属板14が用意されるとともに、低温焼結セラミック材料を含む低温焼結セラミックスラリーと、この低温焼結セラミック材料の焼結温度では焼結しない難焼結性セラミック材料を含む難焼結性セラミックスラリーとがそれぞれ用意される。
次に、金属板14の上に、低温焼結セラミックスラリーからなる低温焼結セラミックグリーン層および難焼結性セラミックスラリーからなる難焼結性セラミックグリーン層が配置される。ここで、低温焼結セラミックグリーン層は低温焼結セラミック層15となるべきものであり、難焼結性セラミックグリーン層は拘束層16となるべきものである。また、前述した表面導体18、層間接続導体19および面内配線導体20が、必要に応じて、特定のセラミックグリーン層に設けられる。
上述の工程を実施するにあたり、好ましくは、低温焼結セラミックスラリーをシート状に成形して得られたセラミックグリーンシート上で、難焼結性セラミックスラリーをシート状に成形することによって、低温焼結セラミックグリーン層と難焼結性セラミックグリーン層とが重ね合わされた複合グリーンシートを得た上で、この複合グリーンシートを金属板14上に必要枚数積層し、圧着することが行なわれる。
なお、上記方法に代えて、低温焼結セラミックスラリーを成形して得られた低温焼結セラミックグリーンシートと、難焼結性セラミックスラリーを形成して得られた難焼結性セラミックグリーンシートとを、金属板14上で、交互に積層してもよい。あるいは、低温焼結セラミックグリーンシート上で、難焼結性セラミックグリーン層の成形と低温焼結セラミックグリーン層の成形とを繰り返してもよい。
次に、金属板14ならびに低温焼結セラミックグリーン層および難焼結性セラミックグリーン層を同時焼成する工程が実施される。この同時焼成する工程において、低温焼結セラミックグリーン層に含まれている低温焼結セラミック材料は焼結し、低温焼結セラミック層15となる。また、この低温焼結セラミック材料の一部は、難焼結性セラミックグリーン層へと流動し、難焼結性セラミックグリーン層に含まれる難焼結性セラミック材料を固化し、難焼結性セラミックグリーン層を緻密化させ、拘束層16となる。
上記難焼結性セラミックグリーン層は、焼成工程において、平面方向へは実質的に収縮しないため、低温焼結セラミックグリーン層の平面方向での収縮を抑制するように作用する。したがって、金属板14の上の低温焼結セラミックグリーン層および難焼結性セラミックグリーン層からなる積層体部分全体の平面方向での収縮が有利に抑制される。
このようにして得られた金属ベース基板12において、金属板14の熱膨張係数は低温焼結セラミック層15の熱膨張係数より大きく、金属板14と低温焼結セラミック層15との25〜400℃での平均熱膨張係数差が9ppm/℃以下とされ、かつ、低温焼結セラミック層15のヤング率が120GPa未満とされ、かつ抗折強度が200MPa以上とされる。
上記のように、この発明では、金属板14と低温焼結セラミック層15との間で熱膨張係数に差があるとしても、その上限値を規定しながら、低温焼結セラミック層15のヤング率および抗折強度といった新たな要件を加えることにより、低温焼結セラミック層15と金属板14との間での剥離や低温焼結セラミック層15でのクラックを抑制できることを見出したことに意義がある。
低温焼結セラミック層15と比較して金属板14の熱膨張係数が大きいと、一括焼成後の降温過程で、熱膨張係数差による圧縮応力が低温焼結セラミック層15に発生する。そして、降温過程で温度が下がるにつれ、その圧縮応力は大きくなる。ヤング率が低いということは、ある一定の応力に対して変形しやすいということである。抗折強度が一定の場合、ヤング率が低い方が、金属板14と低温焼結セラミック層15との間の熱膨張係数差により圧縮応力が生じても、低温焼結セラミック層15にクラックが生じにくい。一方、ヤング率が一定の場合は、抗折強度が高い方が、金属板14と低温焼結セラミック層15との間の熱膨張係数差により圧縮応力が生じても、低温焼結セラミック層15にクラックが生じにくい。つまり、低温焼結セラミック層15のヤング率を120GPa未満と低く、かつ抗折強度を200MPa以上と高くすることにより、上記圧縮応力による低温焼結セラミック層15でのクラック発生を効果的に防止することが可能となる。
なお、金属板14と低温焼結セラミック層15との25〜400℃での平均熱膨張係数差が9ppm/℃を超えると、ヤング率および抗折強度が上記のような範囲内であっても、熱膨張係数差による応力で、金属板14との界面で低温焼結セラミック層15にクラックが発生する。
上述の金属板14と低温焼結セラミック層15との25〜400℃での平均熱膨張係数差が4ppm/℃以上とされると、金属ベース基板4の表面に形成される導体、たとえば表面導体18についての耐剥離強度を大きく向上させることができる。これは、金属板14から低温焼結セラミック層15に所定以上の圧縮応力が付与されているからである。
上述したように、この発明では、低温焼結セラミック層15のヤング率は120GPa未満とされ、かつ抗折強度は200MPa以上とされるが、これらヤング率の下限値および抗折強度の上限値については、金属ベース基板12の製造技術上の観点から規定され得る。すなわち、ヤング率が40GPa未満の低温焼結セラミック層15を作製することは困難であるため、ヤング率の下限値は40GPaとされ、他方、抗折強度が600MPaより高い低温焼結セラミック層15を作製することは困難であるため、抗折強度の上限値は600MPaとされることが好ましい。
以上説明した実施形態では、金属板14の上に形成される低温焼結セラミック層15が、複数の低温焼結セラミック層15と拘束層16とを交互に積層した積層体部分17の一部を構成するものであったが、金属板の上に低温焼結セラミック層のみが形成された構造を有する金属ベース基板に対しても、この発明を適用することができる。また、金属板と低温焼結セラミック層との間に接合ガラス層を形成していてもよい。
次に、この発明に基づいて実施した実験例について説明する。
[複合グリーンシートの作製]
BaCO、Al(コランダム)、およびSiO(クオーツ)の各粉末を用意し、これらを混合した混合粉末を840℃の温度で120分間仮焼することによって、BaO:37.0重量%、Al:11.0重量%、およびSiO:52.0重量%の含有比率となる原料粉末1を作製した。
他方、BaCO、Al(コランダム)、およびSiO(アモルファス)の各粉末を用意し、これらを混合した混合粉末を840℃の温度で120分間仮焼することによって、BaO:37.0重量%、Al:11.0重量%、およびSiO:52.0重量%の含有比率となる原料粉末2を作製した。
次に、上記原料粉末1、原料粉末2、MnCO粉末、Mg(OH)粉末、TiO粉末、およびAl(コランダム)粉末を、表1に示す秤量比率をもって秤量し、分散剤が添加された有機溶剤中で混合し、後に樹脂および可塑剤を添加してさらに混合して、低温焼結セラミック材料を含む低温焼結セラミックスラリーを得た。
次に、低温焼結セラミックスラリーを脱泡した後、ドクターブレード法により、厚み40μmの低温焼結セラミックグリーン層となるべきセラミックグリーンシートを作製した。
なお、表1に示した種々の成分のうち、原料粉末2は、熱膨張係数を下げるために用いられたものである。上記原料粉末1および2にそれぞれ含まれるSiOに関して、原料粉末2に含まれるアモルファスは、原料粉末1に含まれるクオーツより低い熱膨張係数を有しているためである。また、MnCOは、焼結助剤として機能するものである。MnCOが多くなると抗折強度は低下する。また、原料粉末1とは別に加えられるクオーツは、熱膨張係数を上げるために用いられたものである。また、原料粉末1または2とは別に加えられるAlは、ヤング率を上げるために用いられたものである。
他方、BaO、Al、SiO、MgO、B、およびLiOからなるガラス粉末とAl粉末とを、40重量部:60重量部の比率で、分散剤が添加された有機溶剤中で混合し、後に樹脂および可塑剤を添加してさらに混合して、難焼結性セラミック材料を含む難焼結性セラミックスラリーを得た。
次に、難焼結性セラミックスラリーを脱泡した後、前述したセラミックグリーンシート上で、ドクターブレード法により、厚み3.0μmをもってシート状に成形した。このようにして、上記セラミックグリーンシートによって与えられた低温焼結セラミックグリーン層と、難焼結性セラミックスラリーから成形された難焼結性セラミックグリーン層とが重ね合わされた複合グリーンシートを得た。
なお、上記難焼結性セラミックスラリーを単独で成形して得られたセラミック成形体は、後述する焼成条件で焼成しても、焼結しないことが確認されている。
Figure 2011122407
[未焼成の評価用試料の作製]
上記複合グリーンシートを10枚積層し、温度80℃、圧力150MPaの条件でプレスし、平面寸法30mm□の未焼成の第1の評価用試料を作製した。
この第1の評価用試料は、焼成後において、金属ベース基板における低温焼結セラミック層および拘束層からなる積層体部分と同様の構成を有するものであるが、これ単独で、後述する焼成収縮率、熱膨張係数、ヤング率および抗折強度評価のための試料として供した。
また、金属板として、厚み0.8mmの銅板を用意し、この銅板上に、上記複合グリーンシートを、10枚積層し、温度80℃、圧力150MPaの条件でプレスし、平面寸法30mm□の焼成前の金属ベース基板と同様の構成を有する未焼成の第2の評価用試料を作製した。ここで、複合グリーンシートは、低温焼結セラミックグリーン層が銅板に接するように配置した。
この第2の評価用試料は、後述するクラック評価のための試料として供した。
また、上記第2の評価用試料の作製途中の複合グリーンシートの積層工程において最上層に位置すべき複合グリーンシートとして、その難焼結性セラミックグリーン層側の主面に、銅ペーストを用いて、平面寸法2mm□の表面導体を20個分布させて形成したものを用いたことを除いて、第2の評価用試料の場合と同様の操作を経て、未焼成の第3の評価用試料を作製した。
この第3の評価用試料は、後述する表面導体固着強度測定のための試料として供した。
[焼成]
上記第1、第2および第3の評価用試料を、還元性雰囲気中、表2の「焼成温度」の欄に示す温度で180分間焼成した。
[評価]
表2に示すように、「焼成収縮率」、「熱膨張係数」、「ヤング率」および「抗折強度」を、第1の評価用試料によって評価した。
特に、「焼成収縮率」については、平面寸法30mm□の未焼成の第1の評価用試料の一辺の長さ100mmから焼成後の第1の評価用試料の一辺の長さを引いた値を100mmで除し、100倍した値を焼成収縮率[%]とした。
また、「熱膨張係数」については、焼成後の第1の評価用試料の25〜400℃での平均熱膨張係数を求めた。この「熱膨張係数」については、銅の熱膨張係数である17ppm/℃との差を求め、これを表3の「銅板との熱膨張係数差」の欄に示した。
なお、上記の「焼成収縮率」、「熱膨張係数」、「ヤング率」および「抗折強度」の評価は、第1の評価用試料、すなわち、低温焼結セラミック層と拘束層との積層体について行なったものであるが、拘束層にも低温焼結セラミック材料が浸透しているので、低温焼結セラミック層単独で評価したものと実質的に同等と見なすことができる。
Figure 2011122407
また、表3に示すように、「クラック」および「表面導体固着強度」を評価した。
特に、「クラック」については、焼成後の第2の評価用試料の相対向する各端面から1mm内方の各位置での断面を走査型電子顕微鏡(SEM)により倍率1000倍で観察した。観察箇所は、1個の評価用試料の各端面につき30箇所、すなわち、両端面で合計60箇所とした。1観察視野でも、クラックまたは銅板と積層体部分との界面での剥離が確認されれば、「クラックあり:×」と判断し、他方、クラックまたは剥離クが1観察視野も確認されなければ、「クラックなし:○」と判断した。
また、「表面導体固着強度」については、焼成後の第3の評価用試料の表面導体に、直径1mmのSnめっき被覆銅線をM705はんだで取付け、引張速度:2mm/分の条件でピール強度を測定した。そして、試料数20個について測定し、その平均値を表面導体固着強度とした。この「表面導体固着強度」は、「クラック」が「○」の試料についてのみ評価した。
参考のため、第3の評価用試料に銅板がない場合、すなわち、銅板からの圧縮応力が付与されていない状態での表面導体固着強度を求めたところ、35Nであった。
Figure 2011122407
表3に示すように、「銅板との熱膨張係数差」が9ppm/℃以下であり、かつ、表2に示すように、ヤング率が120GPa未満であり、かつ抗折強度が200MPa以上である、試料2〜9、11および12では、表3に示すように、「クラック」が「○」であり、また、「表面導体固着強度」が、銅板がない場合の「35N」を上回っている。これらのことから、試料2〜9、11および12によれば、低温焼結セラミック層と銅板との間での剥離や低温焼結セラミック層でのクラックを抑制することができ、また、表面導体について高い耐剥離強度を実現し得ることがわかる。
また、特に試料6と試料7とを比較すれば、表3に示した「銅板との熱膨張係数差」は、試料6では「4.0ppm/℃」であり、試料7では「3.7ppm/℃」である。そして、表3に示した「表面導体固着強度」を比較すると、試料6では「43N」であり、試料7では「36N」である。このことから、「銅板との熱膨張係数差」が4ppm/℃以上とされることにより、表面導体についての耐剥離強度を大きく向上させ得ることがわかる。
これらに対して、試料1では、表3に示すように、「銅板との熱膨張係数差」が9ppm/℃を超える「9.2ppm/℃」であり、「クラック」が「×」となっている。
また、試料10では、表2に示す「ヤング率」が120GPaを超える「136GPa」であり、表3に示すように、「クラック」が「×」となっている。
また、試料13では、表2に示す「抗折強度」が200MPa未満の「182MPa」であり、表3に示すように、「クラック」が「×」となっている。
以上の実験例では、金属板として銅板を用いたが、銅板以外の金属板を用いた場合であっても同様の結果が得られることが確認されている。
11 電子部品装置
12 金属ベース基板
14 金属板
15 低温焼結セラミック層
16 拘束層

Claims (2)

  1. 金属板と、
    前記金属板の上に形成された低温焼結セラミック層と
    を備え、
    前記金属板の熱膨張係数は前記低温焼結セラミック層の熱膨張係数より大きく、前記金属板と前記低温焼結セラミック層との25〜400℃での平均熱膨張係数差が9ppm/℃以下であり、かつ、
    前記低温焼結セラミック層のヤング率が120GPa未満であり、かつ抗折強度が200MPa以上である、
    金属ベース基板。
  2. 前記平均熱膨張係数差は4ppm/℃以上である、請求項1に記載の金属ベース基板。
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