JP3652192B2

JP3652192B2 - Silicon nitride wiring board

Info

Publication number: JP3652192B2
Application number: JP33988199A
Authority: JP
Inventors: 晃久牧野; 智英長谷川
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 1999-11-30
Filing date: 1999-11-30
Publication date: 2005-05-25
Anticipated expiration: 2019-11-30
Also published as: JP2001156406A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、絶縁基板の表面に配線回路層が形成され、その配線回路層に対して大電流が印加される配線基板に関し、特に絶縁基板が窒化ケイ素を主成分とするセラミックスからなる配線基板の放熱性の改良に関するものである。
【０００２】
【従来技術】
近年、産業機器の分野ではＭＯＳＦＥＴやＩＧＢＴなどのパワー系デバイスを用いたパワーモジュールが制御基板に適用されつつある。これらのパワー系デバイスに使用される電流は数十〜数百Ａを超え、非常に高電力となるため、パワー系デバイスから発生する熱も大きく、この熱によるデバイスの誤動作あるいは破壊を防止するために、発生熱をいかに系外に放出するかが大きな問題になっており、このようなパワー系デバイスを搭載する配線基板に対しては、絶縁基板として高い熱伝導性が要求されている。
【０００３】
従来から、デバイスから発生した熱を放熱するための好適な絶縁材料としては、炭化珪素、ベリリウム、窒化アルミニウム等のセラミックスが用いられてきたが、量産性、安全性などの点から窒化アルミニウム質セラミックスが最も多く用いられてきた。
【０００４】
そこで、従来のパワーモジュールに用いられる配線基板の構造について概略断面図を図３に示した。図３の配線基板によれば、絶縁基板２１の一方の表面には、大電流が印加される肉厚の大きい銅あるいはアルミニウムなどの配線回路層２２がロウ材２３により被着形成されている。そして、絶縁基板２１の他方の表面には、パワー素子の作動によって発生した熱を効率的に放熱するために、Ｃｕなどの高熱伝導体からなる放熱板２４がロウ材２３により取付けられている。
【０００５】
パワーモジュール用の配線基板は高放熱性が要求されることから、その絶縁基板２１は高熱伝導性を有し、また基板厚みを薄くして熱抵抗を下げるといった手法が用いられている。
【０００６】
従来、パワーモジュールの絶縁基板２１に用いられている窒化アルミニウム質セラミックスは、熱伝導率は高いものの、強度が低く、基板厚みを薄くできなかったため、放熱性を上げるためには熱伝導率を高くしなければならず、その結果、窒化アルミニウムの純度を高め、高温で焼成する必要があり、非常に高価な製造装置が必要であるために製造コストが高くなっていた。また、温度サイクル試験においても、配線回路層及び放熱板に用いられるＣｕと窒化アルミニウムとの間に働く熱応力により、基板−Ｃｕ板間でクラックが発生し、パワーモジュールとして信頼性が劣っていた。
【０００７】
これに対し、この窒化珪素質セラミックスは、耐熱衝撃性、高温強度に優れたセラミックスとして各種の構造材料用セラミックスとして用いられてきたが、最近になって、上記特性に加え、組成や組織の制御によっては高い熱伝導性を有することが見いだされ、パワーモジュール用の絶縁基板材料として期待されており、特開平４−２１２４４１号、特開平６−１３５７７１号、特開平６−２１６４８１号などにおいて高熱伝導性と高強度を兼ね備えた窒化珪素質セラミックスを用いた配線基板が提案されている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
この窒化ケイ素質セラミックスをパワーモジュールにおける絶縁基板２１として用いる場合、強度が非常に高いためにその基板２１の厚みを０．３ｍｍ程度まで薄くして熱抵抗を低下させることが可能である、窒化アルミニウム質セラミックスを絶縁基板２１としたときの約半分まで基板厚みを薄くできるが、数十〜数百ＫＶの電圧に対する電気絶縁性を考慮すると、これ以上基板を薄くすることができない。
【０００９】
また、窒化ケイ素質セラミックスを絶縁基板として用いた場合、強度が高いことからＣｕとの熱応力に対する耐久性が高く、その結果、Ｃｕ板厚を約０．５ｍｍ程度と窒化アルミニウム質セラミックスを絶縁基板としたときに比較して２倍以上まで厚くできるが、絶縁基板とＣｕ板の接合信頼性の点からこれ以上厚くすることはできない。
【００１０】
よって、従来のパワーモジュールの放熱性や基板自体の強度を高めるためには窒化ケイ素質セラミックス自体の特性を高めるしかなかったが、このような特性を発揮させるには、非常に特殊な製造方法によらざる得ないために、高価となり、安価に製造することが困難であった。
【００１１】
従って、本発明の目的は、従来の窒化ケイ素質セラミックスを用いながらも、高い放熱性を発揮することのできる窒化ケイ素配線基板を提供することを目的とするものである。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、前記課題に対して検討を重ねた結果、絶縁基板を窒化ケイ素質セラミックスによって形成するとともに、その絶縁基板の放熱板接合側に銅を主成分とする導体を充填したビア導体を複数配設したビア形成層を設けることによって、絶縁基板自体の放熱性をさらに高めることができる、言い換えれば、放熱性を劣化させることなく絶縁基板の厚さを厚くでき、基板の強度や破断荷重を高められる結果、Ｃｕ板の厚みも厚くできることを見いだした。
【００１３】
即ち、本発明の窒化ケイ素配線基板は、窒化ケイ素を主成分とするセラミックスからなる絶縁基板の一方の表面に配線回路層が設けられ、他方の表面に放熱板が貼付けられてなるものであって、前記他方の表面側に、銅を主成分とする導体が充填された複数のビア導体が配設された、絶縁基板全体の３０〜８０％の厚みのビア形成層を具備し、前記ビア導体と前記放熱板とが接合されてなることを特徴とするものである。
【００１４】
なお、かかる配線基板によれば、放熱性を低下させることなく基板厚みを大きくすることができる結果、前記配線回路層が厚さ０．５ｍｍ以上の金属箔あるいは金属板を活性金属を含有するロウ材により被着形成することできる。
【００１５】
また、放熱性の点から、前記ビア形成層におけるビア部総面積の絶縁基板全面積に対する面積比率が３０〜８０％であることが望ましい。
【００１６】
また、前記絶縁基板の熱伝導率が４０Ｗ／ｍ・Ｋ以上であることが放熱性を高める上で望ましく、絶縁基板を構成する窒化ケイ素質セラミックスとしては、窒化ケイ素を主成分とし、希土類元素及びアルカリ土類金属を酸化物換算による合量で４〜３０モル％、且つ前記希土類金属（ＲＥ）及びアルカリ土類（Ｒ）の酸化物換算によるモル比（ＲＥ₂Ｏ₃／ＲＯ）が０．１〜１５の割合となる比率で含有するとともに、Ａｌの酸化物換算による含有量が１．０モル％以下であることが望ましい。
【００１７】
【発明の実施の形態】
本発明の窒化ケイ素配線基板の概略断面図を図１に示した。図１に示すように、窒化ケイ素を主成分とする絶縁基板１の表面には、大電流が印加される配線回路層２がロウ材３により被着形成されており、その配線回路層２にはパワー素子（図示せず）などが搭載される。一方、絶縁基板１の裏面には、パワー素子などの作動によって発生した熱を効率的に放熱するために、Ｃｕなどの高熱伝導体からなる放熱板４がロウ材５により取付けられている。
【００１８】
本発明によれば、上記絶縁基板１が絶縁層１ａとＣｕを主成分とする導体が充填されたビア導体６が多数配設されたビア形成層１ｂとの積層構造によって構成されていることが大きな特徴である。このような高熱伝導性に優れたビア導体６を多数配設したビア形成層１ｂを形成することによって絶縁基板１の放熱性を高めることができる。
【００１９】
例えば、同一の厚みの絶縁基板において放熱板接合側にビア形成層１ｂを設けることによって、絶縁基板全体の熱抵抗を下げることができる。
【００２０】
また、同一の放熱性を具備させる場合、ビア形成層１ｂを設けない場合に比較して、窒化ケイ素単板よりも熱伝導性のよいビア形成層１ｂを設けることによって、その絶縁基板１の全体の厚みを厚くすることができ、絶縁基板の破壊荷重を高めることができる。
【００２１】
そして、絶縁基板１の強度や破壊荷重を高めることができる結果、配線回路層２や放熱板４を絶縁基板１に接合した場合、窒化ケイ素質絶縁基板１と配線回路層２や放熱板４との熱膨張差に起因する熱応力に対する耐性を高めることができ、配線回路層２や放熱板４の厚みを厚くでき、配線基板としての配線回路層に対してさらに大電流を印加することができ、また放熱性を高めることができる。
【００２２】
また、このビア形成層１ｂの厚さは、絶縁基板１の放熱性を決定する１つの要因であって、その厚さが厚いほど熱伝導性を高めることができるが、ビア形成層１ｂの厚さが厚く、絶縁層１ａの厚さが薄すぎると、絶縁層１ａの表面に形成された配線回路層２に電圧を印加した場合に、絶縁層１ａが絶縁破壊を起こしてしまう虞がある。かかる観点から、ビア形成層の厚さは絶縁基板全体厚みの３０〜８０％、特に５０〜８０％が適当である。
【００２３】
また、絶縁基板１における絶縁層１ａは、配線回路層２間の電気絶縁性を保つために必要であり、その厚さは、絶縁性を維持し電圧印加時に絶縁破壊を起こさない最低限の厚さであればよく、具体的には０．２ｍｍ以上であることが望ましい。また、この絶縁層１ａの厚さが厚すぎると、配線基板全体の熱抵抗を増大させてしまうために、その厚さは０．５ｍｍ以下、特に０．４ｍｍ以下であることが望ましい。
【００２４】
また、本発明の配線基板は、絶縁基板１の放熱性および強度を高めることができる結果、配線回路層２及び放熱板４の厚さを従来よりも厚くすることができ、その厚さを０．５ｍｍ以上、特に０．６ｍｍ以上、さらには０．７ｍｍ以上とすることができる。
【００２５】
さらに、ビア形成層１ｂにおけるビア導体６は、図２の絶縁基板１の裏面の平面図に示すように、複数のビア導体６がアレイ状に配設されているが、このビア導体６の絶縁基板１全面積に占める全ビア部の総面積が大きい程、ビア形成層１ｂの熱抵抗を低くすることができるが、その面積が大きすぎると、基板強度の向上効果が小さくなってしまう。かかる観点から、ビア導体６の絶縁基板１全面積に占める全ビア部の総面積の比率が３０〜８０％、特に４０〜７０％であることが望ましい。
【００２６】
また、本発明によれば、絶縁基板１を構成する窒化ケイ素質セラミックスは、それ自体の熱伝導率が高いことが望まれ、特に熱伝導率が４０Ｗ／ｍ・Ｋ以上、特に６０Ｗ／ｍ・Ｋ以上が望ましい。
【００２７】
このような絶縁基板を構成する窒化ケイ素質セラミックスは、β−窒化ケイ素を主体とするものであり、焼結体の断面における電子顕微鏡写真より求めた平均アスペクト比が１．５〜５、短軸径が０．１〜１μｍの結晶から構成される。
【００２８】
そして、この焼結体の粒界相には、焼結助剤成分として、少なくとも希土類元素（ＲＥ）を含有するものである。希土類元素（ＲＥ）としてはＹ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ、Ｌｕの何れの元素でも好適に用いる事ができるが、これらの中でもＹ、Ｃｅ、Ｓｍ、Ｄｙ、Ｅｒ、Ｙｂ、Ｌｕ、とりわけＹ、Ｅｒが特性、コストの点で望ましい。
【００２９】
また、本発明によれば、上記特性を具備するとともに低温での焼結性を高める上でアルカリ土類金属、特にＭｇを含有することが望ましく、前記希土類元素（ＲＥ）及びアルカリ土類金属（Ｒ）は酸化物換算による合量で４〜３０モル％、特に５〜２５モル％の範囲で配合される。但し、前記希土類元素とアルカリ土類金属との酸化物換算によるモル比（ＲＥ₂Ｏ₃／ＲＯ）が０．１〜１５、特に０．５〜１３の範囲となることが望ましい。
【００３０】
これは上記合量が４モル％より少ないと、焼結体を十分に緻密化させることは困難であり、３０モル％を越えると、焼結体中での粒界相の占める割合が増加する為に熱伝導率が低下するためである。またＲＥ₂Ｏ₃／ＲＯの比率が１５を越えたり、０．１より小さくなっても、緻密化は不十分となり、熱伝導率は低下する。
【００３１】
また、Ａｌ₂Ｏ₃などのＡｌ化合物の配合は、焼結性の向上に大きく寄与するが、Ｓｉ₃Ｎ₄結晶中に固溶してフォノンの伝播を阻害する結果、焼結体の熱伝導率を著しく低下させるため、高熱伝導化のためには存在しないことが望ましく、具体的には、Ａｌは酸化物換算で１．０モル％以下、望ましくは０．５モル％以下、より望ましくは０．１モル％以下、更には０．０１モル％以下にするのが良い。
【００３２】
なおこの焼結体中には着色成分としてＴｉ、Ｈｆ、Ｚｒ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｍｏ、など周期律表第４ａ、５ａ、６ａ属金属のうち少なくとも１種を酸化物換算で０．０５〜１重量％の割合で含んでいてもよい。
【００３３】
本発明の窒化ケイ素配線基板を製造するには、まず絶縁基板を作製する。この絶縁基板は、窒化ケイ素粉末に対して、焼結助剤として、希土類元素化合物、アルカリ土類金属化合物を前述の比率に配合する。
【００３４】
このとき、用いる窒化ケイ素粉末としては不純物酸素量が０．５〜３．０重量％のものが望ましい。これは不純物酸素量が３．０重量％よりも多いと、焼結体表面が荒れ、強度劣化を招く虞があり、０．５重量％よりも少ないと焼結性が悪くなるためである。また、平均粒径は、０．１〜１．５μｍであり、α率が８０％以上であることが望ましい。なお、焼結助剤となる化合物は、酸化物、炭酸塩、酢酸塩など焼成によって酸化物を形成しうる化合物であることが望ましい。
【００３５】
該混合粉末に有機バインダーと溶媒とを添加してスラリーを調製し、このスラリーをドクターブレード法、カレンダーロール法、圧延法、押し出し成形法等の周知の成形方法によりシート状成形体を作製する。
【００３６】
そして、ビア形成層用として、シート状成形体に対して、マイクロドリル、レーザー等により直径が５０〜２５０μｍのビアホールを所定のピッチで複数個に形成する。その後、このビア形成用シート状成形体とビアホールを形成していない絶縁層用シート状成形体とを積層圧着する。
【００３７】
その後、上記積層成形体を弱酸化性雰囲気中にて脱バインダー処理した後、窒素などの非酸化性雰囲気中で、１８００℃以下の温度で焼成することにより絶縁基板素体を作製することができる。
【００３８】
次に、得られた絶縁基板素体のビアホール内に、銅粉末を主成分とする導体ペーストを調製し、このペーストをビアホールにスクリーン印刷、プレス埋め込み等の手法によって印刷充填した後、焼結させることによって絶縁基板を作製することができる。
【００３９】
その後、この絶縁基板の表面にＣｕ−Ａｇ−Ｔｉ或いはＣｕ−Ａｕ−Ｔｉなどの活性金属を含有するロウ材のペーストを塗布し、厚さ０．５ｍｍ以上の金属箔あるいは金属板を積層し、８００〜９００℃で加圧しながら焼付けを行う。焼付け後、金属箔や金属板にレジスト塗布、露光、現像、エッチング処理、レジスト剥離などの手法によって、所定の回路パターンからなる配線回路層を形成することにより窒化ケイ素配線基板を得る。
【００４０】
また、この配線基板の裏面に、放熱板を取り付けるには、配線回路層形成と同様に、活性金属を含有するロウ材のペーストを塗布し、厚さ０．５ｍｍ以上の金属箔あるいは金属板を積層し、８００〜９００℃で加圧しながら焼付けを行うことにより取り付けられる。
【００４１】
本発明によれば、上述したように、絶縁基板１に上記ビア形成層１ｂを設けることにより、絶縁層１ａを絶縁性が劣化しない最低限の厚みにすることができる。ビア形成層１ｂのビア中には高熱伝導性を有するＣｕを主成分とする導体が充填されているため熱伝導率は高く、またビアの面積比率を特定の範囲にすることにより、基板強度をも高くすることができる。これにより、放熱板や配線回路層の厚さを厚くすることも可能となり、パワーモジュール全体としての放熱性を向上させることが可能となる。
【００４２】
【実施例】
実施例１
平均粒径が１．２μｍ、酸素量が１．３重量％、α率９３％の直接窒化法により製造された窒化ケイ素原料粉末にＥｒ_２Ｏ_３およびＭｇＯを合量で１４．９９モル％、Ｅｒ_２Ｏ_３／ＭｇＯモル比＝１，Ａｌ_２Ｏ_３量０．０１モル％以下となる量で配合して、その混合粉末に対して成形用バインダーとしてアクリル樹脂バインダーを、溶媒としてトルエンを添加してスラリー化した。そして、そのスラリーを用いてドクターブレード法により厚さ０．１〜０．３ｍｍのグリーンシートを得た。
【００４３】
そして、ビア形成層用のグリーンシートにはホール径１２０μｍのビアホールをレーザーにより所定箇所へ複数個形成した。そして絶縁層及びビア形成層の各グリーンシートを位置合わせして積層圧着し、積層成形体を作製した。
【００４４】
かくして得られた積層成形体を弱酸化性雰囲気中、所定温度で脱バインダーした後、１８００℃以下の常圧窒素雰囲気中で焼成した。
【００４５】
なお、熱伝導率測定のために、ビアホールを形成していない単板を作製し、この単板の熱伝導率をレーザーフラッシュ法により測定した。また、アルキメデス法によって基板の相対密度を算出した。
【００４６】
次に、銅粉末（平均粒径５μｍ）とアクリル系バインダーとをアセトンを溶媒としてビア導体用の導体ペーストを調製し、このペーストをビアホールにスクリーン印刷によって印刷充填し、９５０℃で焼結させた。なお、焼結後の基板全体面積に対するビア導体の総面積が６２％であった。
【００４７】
その後、絶縁基板の表面にＣｕ−Ａｇ−Ｔｉの活性金属ロウを塗布し、厚さ５００μｍの銅板を貼り付け、また配線基板の裏面に厚さ０．５ｍｍの銅板をＣｕ−Ａｇ−Ｔｉの活性金属ロウを塗布し貼り付け、９００℃で熱処理して銅板を接合した。その後、この銅板にレジスト塗布、露光、現像、レジスト除去の処理を施し、所定パターンの配線回路層を形成し、配線回路層表面に無電解Ｎｉメッキを施した。その後、この配線基板の配線回路層の上に実際に半導体チップを実装し、配線基板の熱抵抗を測定した。
【００４８】
また、上記の絶縁基板に対して、ＪＩＳＲ１６０１の３点曲げ抗折試験法に従って、５０ｍｍスパンで支持し、中央部に応力印加して破断したときの強度を基板強度として評価した。
【００４９】
なお、表１では、絶縁基板の全体厚みを０．６ｍｍに一定として、ビア形成層の厚みを徐々に厚くした場合の特性の変化について評価した。また、表２は、絶縁層の厚みを０．３ｍｍと一定とし、ビア形成層の厚みを徐々に大きくした。
【００５０】
【表１】

【００５１】
【表２】

【００５２】
表１の結果から明らかなように、ビア形成層の形成によって、強度の低下を低減しつつ、絶縁基板の熱抵抗を大幅に低減することができる。また、表２の結果から明らかなように、ビア形成層の厚みを厚くすることにより、基板の熱伝導率を高めることができ、また基板の破断荷重を高くすることができる。
【００５３】
実施例２
実施例１において、基板全体厚みを０．６ｍｍ（絶縁層０．２ｍｍ，ビア形成層０．４ｍｍ）とし、ビア形成層におけるビア導体の大きさおよび個数を変えて、全基板の面積に対する比率を変えるか、放熱板の厚みを変えることによる配線基板の熱抵抗、基板強度を測定した。結果は表３に示す。
【００５４】
【表３】

【００５５】
表３の結果から明らかなように、ビア導体の面積比率を高めることにより基板強度を大きく低下させることなく、熱抵抗を低減することができた。また、放熱板の厚みを大きくするに従って熱抵抗を低減することができ、放熱板の厚みが０．５ｍｍ以上の場合においても放熱板の剥がれや絶縁基板に割れなどの発生がなかった。
【００５６】
以上の表１〜表３の結果から、絶縁層厚みを０．５ｍｍ以下、且つビア形成層の厚みを全体厚みの３０〜８０％とし、ビアの面積比率を３０〜８０％にすることにより、熱抵抗は０．６℃／Ｗ以下になり、従来のパワーモジュール用配線基板（試料Ｎｏ．１）に比べ、放熱性を大幅に改善することが可能となった。
【００５７】
実施例３
配線基板の全体厚みを０．６ｍｍ（絶縁層厚み０．２ｍｍ、ビア形成層厚み０．４ｍｍ）とし、絶縁基板を形成する窒化ケイ素質焼結体の組成を種々変更した場合の特性の変化をみた。結果は表４に示した。
【００５８】
【表４】

【００５９】
表４の結果によれば、希土類元素（ＲＥ）及びＭｇを酸化物換算による合量が４モル％以上で相対密度９５％以上が達成されたが、その含有量が増加するに従い、熱伝導率が低下した。特に４〜３０モル％で４０Ｗ／ｍ・Ｋ以上の特性が達成された。
【００６０】
また、希土類金属及びＭｇの酸化物換算によるモル比（ＲＥ₂Ｏ₃／ＭｇＯ）では０．１〜１５、また、Ａｌ₂Ｏ₃量が１モル％以下で４０Ｗ／ｍ・Ｋ以上の特性が達成された。
【００６１】
以上の結果、熱伝導率が４０Ｗ／ｍ・Ｋを下回るものは、ビア形成層を設けても熱抵抗が０．６℃／Ｗ以上と高くなり、材料特性として４０Ｗ／ｍ・Ｋ以上が望ましいことがわかる。
【００６２】
【発明の効果】
以上詳述したとおり、本発明の配線基板は、絶縁基板を、絶縁層とビア形成層の２層から構成し、ビア形成層にＣｕを主成分とする導体を充填したビア導体を形成することにより、放熱性を高める、あるいは放熱性を劣化させることなく基板を厚くでき、その結果、放熱板あるいは配線回路層に用いるＣｕ板を厚くすることができ、従来に比べて高放熱性である配線基板が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の窒化ケイ素配線基板の概略断面図である。
【図２】本発明の窒化ケイ素配線基板におけるビア形成層の構造を説明するための概略平面図である。
【図３】従来のパワーモジュール用配線基板の概略断面図である。
【符号の説明】
１絶縁基板
１ａ絶縁層
１ｂビア形成層
２配線回路層
３ロウ材
４放熱板
５ロウ材
６ビア導体[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a wiring board in which a wiring circuit layer is formed on the surface of an insulating substrate, and a large current is applied to the wiring circuit layer, and in particular, the wiring board made of ceramics whose main component is silicon nitride. It relates to improvement of heat dissipation.
[0002]
[Prior art]
In recent years, power modules using power devices such as MOSFETs and IGBTs are being applied to control boards in the field of industrial equipment. The current used for these power devices exceeds several tens to several hundreds of A and becomes very high power. Therefore, the heat generated from the power devices is also large, and this device prevents malfunction or destruction of the devices. In addition, how to release the generated heat to the outside of the system is a big problem, and a wiring board on which such a power device is mounted is required to have high thermal conductivity as an insulating board.
[0003]
Conventionally, ceramics such as silicon carbide, beryllium, and aluminum nitride have been used as suitable insulating materials for dissipating heat generated from the device. From the viewpoint of mass productivity and safety, aluminum nitride ceramics Has been used the most.
[0004]
Therefore, FIG. 3 shows a schematic cross-sectional view of the structure of the wiring board used in the conventional power module. According to the wiring substrate of FIG. 3, a wiring circuit layer 22 such as copper or aluminum having a large thickness to which a large current is applied is deposited on one surface of an insulating substrate 21 by a brazing material 23. A heat radiating plate 24 made of a high thermal conductor such as Cu is attached to the other surface of the insulating substrate 21 by a brazing material 23 in order to efficiently radiate heat generated by the operation of the power element.
[0005]
Since a wiring board for a power module is required to have high heat dissipation, the insulating substrate 21 has high thermal conductivity, and a technique of reducing the thermal resistance by reducing the thickness of the board is used.
[0006]
Conventionally, the aluminum nitride ceramics used for the insulating substrate 21 of the power module has high thermal conductivity, but has low strength and the substrate thickness cannot be reduced. Therefore, in order to increase heat dissipation, the thermal conductivity is increased. As a result, it is necessary to increase the purity of aluminum nitride and to fire at a high temperature, which requires a very expensive manufacturing apparatus, resulting in high manufacturing costs. Also in the temperature cycle test, the thermal stress acting between Cu and aluminum nitride used in the wiring circuit layer and the heat sink caused cracks between the substrate and the Cu plate, and the power module was inferior in reliability. .
[0007]
On the other hand, this silicon nitride ceramic has been used as a ceramic for various structural materials as a ceramic excellent in thermal shock resistance and high temperature strength. It has been found to have high thermal conductivity, and is expected as an insulating substrate material for power modules. High thermal conductivity is disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open Nos. 4-212441, 6-135771, and 6-216482. Wiring boards using silicon nitride ceramics that combine high performance and high strength have been proposed.
[0008]
[Problems to be solved by the invention]
When this silicon nitride ceramic is used as the insulating substrate 21 in the power module, aluminum nitride can reduce the thermal resistance by reducing the thickness of the substrate 21 to about 0.3 mm because the strength is very high. The thickness of the substrate can be reduced to about half that when the quality ceramic is used as the insulating substrate 21, but the substrate cannot be further reduced in consideration of electrical insulation against a voltage of several tens to several hundreds KV.
[0009]
In addition, when silicon nitride ceramics are used as an insulating substrate, since the strength is high, the durability against heat stress with Cu is high, and as a result, the Cu plate thickness is about 0.5 mm and the aluminum nitride ceramics are insulated substrate. However, the thickness cannot be increased further from the viewpoint of bonding reliability between the insulating substrate and the Cu plate.
[0010]
Therefore, in order to increase the heat dissipation of the conventional power module and the strength of the substrate itself, the characteristics of the silicon nitride ceramics themselves must be improved, but in order to exert such characteristics, a very special manufacturing method is used. Therefore, it is expensive and difficult to manufacture at a low cost.
[0011]
Accordingly, an object of the present invention is to provide a silicon nitride wiring substrate that can exhibit high heat dissipation while using conventional silicon nitride ceramics.
[0012]
[Means for Solving the Problems]
As a result of studying the above problems, the present inventors have formed an insulating substrate with silicon nitride ceramics, and a via conductor in which a conductor mainly composed of copper is filled on the heat sink joining side of the insulating substrate. By providing a plurality of via formation layers, the heat dissipation of the insulating substrate itself can be further increased, in other words, the thickness of the insulating substrate can be increased without degrading the heat dissipation, and the strength and fracture of the substrate can be increased. As a result of increasing the load, it was found that the thickness of the Cu plate can be increased.
[0013]
That is, the silicon nitride wiring board of the present invention is formed by providing a wiring circuit layer on one surface of an insulating substrate made of ceramics whose main component is silicon nitride, and attaching a heat sink on the other surface. A via forming layer having a thickness of 30 to 80% of the entire insulating substrate , wherein a plurality of via conductors filled with a conductor mainly composed of copper are disposed on the other surface side; And the heat radiating plate are joined to each other.
[0014]
According to such a wiring board, the thickness of the board can be increased without degrading heat dissipation. As a result, the wiring circuit layer is made of a metal foil or a metal plate having a thickness of 0.5 mm or more containing an active metal. The material can be deposited .
[0015]
Further, from the viewpoint of heat dissipation, it is preferable insulating substrate area ratio to the total area of the via portion total area of the via formation layer is 30 to 80%.
[0016]
The insulating substrate preferably has a thermal conductivity of 40 W / m · K or higher in order to improve heat dissipation. The silicon nitride ceramic constituting the insulating substrate is mainly composed of silicon nitride, rare earth elements and The total amount of the alkaline earth metal in terms of oxide is 4 to 30 mol%, and the molar ratio (RE ₂ O ₃ / RO) in terms of oxide of the rare earth metal (RE) and alkaline earth (R) is 0. It is desirable that the content of Al in terms of oxide is 1.0 mol% or less while containing at a ratio of 1 to 15.
[0017]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
A schematic cross-sectional view of the silicon nitride wiring board of the present invention is shown in FIG. As shown in FIG. 1, a wiring circuit layer 2 to which a large current is applied is formed on a surface of an insulating substrate 1 mainly composed of silicon nitride by a brazing material 3. Is mounted with a power element (not shown). On the other hand, a heat radiating plate 4 made of a high thermal conductor such as Cu is attached to the back surface of the insulating substrate 1 with a brazing material 5 in order to efficiently radiate heat generated by the operation of the power element or the like.
[0018]
According to the present invention, the insulating substrate 1 is constituted by a laminated structure of the insulating layer 1a and the via forming layer 1b in which a large number of via conductors 6 filled with a conductor mainly composed of Cu are arranged. It is a big feature. By forming the via forming layer 1b in which a large number of via conductors 6 having high thermal conductivity are arranged, the heat dissipation of the insulating substrate 1 can be improved.
[0019]
For example, the thermal resistance of the entire insulating substrate can be lowered by providing the via forming layer 1b on the heat sink joining side in the same thickness of the insulating substrate.
[0020]
Further, in the case where the same heat dissipation property is provided, by providing the via forming layer 1b having a thermal conductivity better than that of the silicon nitride single plate as compared with the case where the via forming layer 1b is not provided, the entire insulating substrate 1 is provided. Thus, the breaking load of the insulating substrate can be increased.
[0021]
As a result of increasing the strength and breaking load of the insulating substrate 1, when the wiring circuit layer 2 and the heat sink 4 are joined to the insulating substrate 1, the silicon nitride insulating substrate 1, the wiring circuit layer 2 and the heat sink 4 It is possible to increase the resistance to thermal stress caused by the difference in thermal expansion, increase the thickness of the wiring circuit layer 2 and the heat radiating plate 4, and apply a larger current to the wiring circuit layer as the wiring board. Moreover, heat dissipation can be improved.
[0022]
The thickness of the via formation layer 1b is one factor that determines the heat dissipation of the insulating substrate 1. The thicker the thickness, the higher the thermal conductivity, but the thickness of the via formation layer 1b. If the thickness of the insulating layer 1a is too thin, the insulating layer 1a may break down when a voltage is applied to the wiring circuit layer 2 formed on the surface of the insulating layer 1a. From this point of view, the thickness of the via forming layer is suitably 30 to 80%, particularly 50 to 80% of the total thickness of the insulating substrate.
[0023]
Further, the insulating layer 1a in the insulating substrate 1 is necessary for maintaining electrical insulation between the wiring circuit layers 2, and the thickness thereof is a minimum thickness that maintains insulation and does not cause dielectric breakdown when a voltage is applied. More specifically, the thickness is desirably 0.2 mm or more. Further, if the insulating layer 1a is too thick, the thermal resistance of the entire wiring board is increased. Therefore, the thickness is desirably 0.5 mm or less, particularly 0.4 mm or less.
[0024]
In addition, the wiring board of the present invention can increase the heat dissipation and strength of the insulating substrate 1, so that the thickness of the wiring circuit layer 2 and the heat sink 4 can be made thicker than before, and the thickness can be reduced to 0. 0.5 mm or more, particularly 0.6 mm or more, and further 0.7 mm or more.
[0025]
Further, as shown in the plan view of the back surface of the insulating substrate 1 in FIG. 2, the via conductor 6 in the via formation layer 1 b has a plurality of via conductors 6 arranged in an array. The larger the total area of all the via portions in the total area of the substrate 1, the lower the thermal resistance of the via forming layer 1b. However, if the area is too large, the effect of improving the substrate strength is reduced. From this point of view, it is desirable that the ratio of the total area of all via portions to the total area of the insulating substrate 1 of the via conductor 6 is 30 to 80%, particularly 40 to 70%.
[0026]
In addition, according to the present invention, the silicon nitride ceramic constituting the insulating substrate 1 is desired to have a high thermal conductivity, and particularly has a thermal conductivity of 40 W / m · K or more, particularly 60 W / m ·. K or higher is desirable.
[0027]
The silicon nitride ceramic constituting such an insulating substrate is mainly composed of β-silicon nitride, the average aspect ratio determined from the electron micrograph in the cross section of the sintered body is 1.5 to 5, and the short axis It is comprised from a crystal | crystallization with a diameter of 0.1-1 micrometer.
[0028]
The grain boundary phase of the sintered body contains at least a rare earth element (RE) as a sintering aid component. As the rare earth element (RE), any element of Y, La, Ce, Pr, Nd, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, and Lu can be suitably used. Among these, Y, Ce, Sm, Dy, Er, Yb, and Lu, particularly Y and Er, are desirable in terms of characteristics and cost.
[0029]
In addition, according to the present invention, it is desirable to contain an alkaline earth metal, particularly Mg, in order to have the above-mentioned characteristics and to improve the sinterability at low temperature, and the rare earth element (RE) and the alkaline earth metal ( R) is a total amount of 4 to 30 mol%, particularly 5 to 25 mol% in terms of oxide. However, it is desirable that the molar ratio (RE ₂ O ₃ / RO) in terms of oxide between the rare earth element and the alkaline earth metal is in the range of 0.1 to 15, particularly 0.5 to 13.
[0030]
If the total amount is less than 4 mol%, it is difficult to sufficiently densify the sintered body, and if it exceeds 30 mol%, the proportion of the grain boundary phase in the sintered body increases. This is because the thermal conductivity is lowered. Further, even if the ratio RE ₂ O ₃ / RO exceeds 15 or becomes smaller than 0.1, densification is insufficient and the thermal conductivity is lowered.
[0031]
In addition, the compounding of Al compounds such as Al ₂ O ₃ greatly contributes to the improvement of sinterability, but as a result of solid solution in the Si ₃ N ₄ crystal and inhibiting the propagation of phonons, the heat conduction of the sintered body In order to reduce the rate significantly, it is desirable that it is not present for high thermal conductivity. Specifically, Al is 1.0 mol% or less, desirably 0.5 mol% or less, more desirably, in terms of oxide. It is preferable to make it 0.1 mol% or less, and further 0.01 mol% or less.
[0032]
In this sintered body, at least one of the metals in groups 4a, 5a, and 6a of the periodic table such as Ti, Hf, Zr, V, Nb, Ta, Cr, and Mo is used as a coloring component in terms of oxide. 0.05 to 1% by weight may be included.
[0033]
In order to manufacture the silicon nitride wiring board of the present invention, an insulating substrate is first prepared. In this insulating substrate, a rare earth element compound and an alkaline earth metal compound are blended in the above-described ratio as a sintering aid to silicon nitride powder.
[0034]
At this time, the silicon nitride powder to be used preferably has an impurity oxygen amount of 0.5 to 3.0% by weight. This is because if the amount of impurity oxygen is more than 3.0% by weight, the surface of the sintered body may be roughened and the strength may be deteriorated, and if it is less than 0.5% by weight, the sinterability is deteriorated. Moreover, it is desirable that the average particle diameter is 0.1 to 1.5 μm and the α ratio is 80% or more. The compound serving as a sintering aid is preferably a compound capable of forming an oxide by firing, such as an oxide, carbonate or acetate.
[0035]
A slurry is prepared by adding an organic binder and a solvent to the mixed powder, and a sheet-like molded body is produced from the slurry by a known molding method such as a doctor blade method, a calender roll method, a rolling method, or an extrusion molding method.
[0036]
For the via forming layer, a plurality of via holes having a diameter of 50 to 250 μm are formed at a predetermined pitch on the sheet-like molded body by a micro drill, a laser, or the like. Thereafter, the via-formed sheet-like molded body and the insulating-layer sheet-like molded body in which no via hole is formed are laminated and pressure-bonded.
[0037]
Thereafter, the laminated molded body is debindered in a weakly oxidizing atmosphere, and then fired in a non-oxidizing atmosphere such as nitrogen at a temperature of 1800 ° C. or lower to produce an insulating substrate body. .
[0038]
Next, a conductor paste mainly composed of copper powder is prepared in the via hole of the obtained insulating substrate body, and this paste is printed and filled in the via hole by a method such as screen printing or press embedding and then sintered. Thus, an insulating substrate can be manufactured.
[0039]
Thereafter, a paste of a brazing material containing an active metal such as Cu-Ag-Ti or Cu-Au-Ti is applied to the surface of the insulating substrate, and a metal foil or metal plate having a thickness of 0.5 mm or more is laminated. Baking is performed while pressing at 800-900 ° C. After baking, a silicon nitride wiring board is obtained by forming a wiring circuit layer having a predetermined circuit pattern on the metal foil or metal plate by a technique such as resist coating, exposure, development, etching, or resist stripping.
[0040]
In addition, in order to attach a heat sink to the back surface of the wiring board, a paste of a brazing material containing an active metal is applied and a metal foil or a metal plate having a thickness of 0.5 mm or more is applied in the same manner as the wiring circuit layer formation. It is attached by laminating and baking while pressing at 800-900 ° C.
[0041]
According to the present invention, as described above, by providing the via forming layer 1b on the insulating substrate 1, the insulating layer 1a can have a minimum thickness that does not deteriorate the insulating properties. The via of the via formation layer 1b is filled with a conductor mainly composed of Cu having high thermal conductivity, so that the thermal conductivity is high, and by setting the via area ratio to a specific range, the substrate strength can be reduced. Can also be high. Thereby, it becomes possible to increase the thickness of a heat sink and a wiring circuit layer, and it becomes possible to improve the heat dissipation as the whole power module.
[0042]
【Example】
Example 1
14.99 mol% of Er ₂ O ₃ and MgO in a total amount of silicon nitride raw material powder produced by the direct nitriding method with an average particle size of 1.2 μm, oxygen content of 1.3% by weight, and α ratio of 93%, Er ₂ O ₃ / MgO molar ratio = 1, Al ₂ O ₃ amount is mixed in an amount of 0.01 mol% or less, and an acrylic resin binder is added as a molding binder to the mixed powder, and toluene is added as a solvent. To make a slurry. And the green sheet of thickness 0.1-0.3mm was obtained with the doctor blade method using the slurry.
[0043]
Then, a plurality of via holes having a hole diameter of 120 μm were formed at predetermined positions on the green sheet for the via formation layer by laser. Then, the green sheets of the insulating layer and the via forming layer were aligned and laminated and pressure-bonded to produce a laminated molded body.
[0044]
The laminated molded body thus obtained was debindered at a predetermined temperature in a weakly oxidizing atmosphere, and then fired in a normal pressure nitrogen atmosphere at 1800 ° C. or lower .
[0045]
In order to measure thermal conductivity, a single plate without via holes was prepared, and the thermal conductivity of this single plate was measured by a laser flash method. Further, the relative density of the substrate was calculated by the Archimedes method.
[0046]
Next, a copper paste (average particle size 5 μm) and an acrylic binder were used to prepare a conductor paste for via conductors using acetone as a solvent, and this paste was printed and filled in via holes by screen printing and sintered at 950 ° C. . The total area of the via conductors relative to the total area of the substrate after sintering was 62%.
[0047]
Thereafter, an active metal solder of Cu—Ag—Ti is applied to the surface of the insulating substrate, a copper plate having a thickness of 500 μm is attached, and a copper plate having a thickness of 0.5 mm is attached to the back surface of the wiring substrate. A metal braze was applied and pasted, and heat treatment was performed at 900 ° C. to join the copper plates. Thereafter, the copper plate was subjected to resist coating, exposure, development and resist removal to form a wiring circuit layer having a predetermined pattern, and electroless Ni plating was applied to the surface of the wiring circuit layer. Thereafter, a semiconductor chip was actually mounted on the wiring circuit layer of the wiring board, and the thermal resistance of the wiring board was measured.
[0048]
Further, according to the three-point bending test method of JIS R1601, the above-mentioned insulating substrate was supported at a span of 50 mm, and the strength when it was broken by applying stress to the central portion was evaluated as the substrate strength.
[0049]
In Table 1, changes in characteristics were evaluated when the thickness of the via formation layer was gradually increased with the overall thickness of the insulating substrate being constant at 0.6 mm. In Table 2, the thickness of the insulating layer was kept constant at 0.3 mm, and the thickness of the via formation layer was gradually increased.
[0050]
[Table 1]

[0051]
[Table 2]

[0052]
As can be seen from the results in Table 1, the formation of the via formation layer can greatly reduce the thermal resistance of the insulating substrate while reducing the decrease in strength. Further, as is apparent from the results in Table 2, by increasing the thickness of the via formation layer, the thermal conductivity of the substrate can be increased, and the breaking load of the substrate can be increased.
[0053]
Example 2
In Example 1, the total thickness of the substrate was 0.6 mm (insulating layer 0.2 mm, via formation layer 0.4 mm), and the ratio and the total substrate area were changed by changing the size and number of via conductors in the via formation layer. The thermal resistance and substrate strength of the wiring board were measured by changing or changing the thickness of the heat sink. The results are shown in Table 3.
[0054]
[Table 3]

[0055]
As is clear from the results in Table 3, the thermal resistance could be reduced without significantly reducing the substrate strength by increasing the area ratio of the via conductors. Further, the thermal resistance can be reduced as the thickness of the heat sink increases, and even when the thickness of the heat sink is 0.5 mm or more, the heat sink is not peeled off or the insulating substrate is not cracked.
[0056]
From the results of Tables 1 to 3, the insulating layer thickness is 0.5 mm or less, the thickness of the via formation layer is 30 to 80% of the total thickness, and the via area ratio is 30 to 80%. The thermal resistance was 0.6 ° C./W or less, and it was possible to significantly improve the heat dissipation compared to the conventional power module wiring board (sample No. 1).
[0057]
Example 3
Changes in characteristics when the overall thickness of the wiring board is 0.6 mm (insulating layer thickness 0.2 mm, via forming layer thickness 0.4 mm) and the composition of the silicon nitride sintered body forming the insulating substrate is variously changed. saw. The results are shown in Table 4.
[0058]
[Table 4]

[0059]
According to the results in Table 4, the total density of rare earth elements (RE) and Mg in terms of oxide was 4 mol% or more, and a relative density of 95% or more was achieved. As the content increased, the thermal conductivity increased. Decreased. In particular, characteristics of 40 W / m · K or more were achieved at 4 to 30 mol%.
[0060]
Further, the molar ratio of rare earth metal and Mg in terms of oxide (RE ₂ O ₃ / MgO) is 0.1 to 15, and the Al ₂ O ₃ content is 1 mol% or less and the characteristics are 40 W / m · K or more. Achieved.
[0061]
As a result, those having a thermal conductivity of less than 40 W / m · K have a high thermal resistance of 0.6 ° C./W or higher even when a via formation layer is provided, and preferably have a material property of 40 W / m · K or higher. I understand that.
[0062]
【The invention's effect】
As described above in detail, in the wiring board of the present invention, the insulating substrate is composed of two layers of the insulating layer and the via forming layer, and the via conductor is formed by filling the via forming layer with a conductor mainly composed of Cu. Therefore, it is possible to thicken the substrate without increasing heat dissipation or degrading heat dissipation, and as a result, it is possible to increase the thickness of the Cu plate used for the heat dissipation plate or the wiring circuit layer. A substrate is obtained.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of a silicon nitride wiring board according to the present invention.
FIG. 2 is a schematic plan view for explaining the structure of a via formation layer in the silicon nitride wiring board of the present invention.
FIG. 3 is a schematic cross-sectional view of a conventional power module wiring board.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Insulating substrate 1a Insulating layer 1b Via formation layer 2 Wiring circuit layer 3 Brazing material 4 Heat sink 5 Brazing material 6 Via conductor

Claims

In a silicon nitride wiring board in which a wiring circuit layer is provided on one surface of an insulating substrate made of ceramics mainly composed of silicon nitride and a heat sink is attached to the other surface, copper is applied to the other surface side. A via forming layer having a thickness of 30 to 80% of the entire insulating substrate, in which a plurality of via conductors filled with a conductor as a main component is disposed, and the via conductor and the heat sink are joined to each other. A silicon nitride wiring board characterized by the above.

The silicon nitride wiring board according to claim 1, wherein the wiring circuit layer is formed by depositing a metal foil or a metal plate having a thickness of 0.5 mm or more with a brazing material containing an active metal.

2. The silicon nitride wiring board according to claim 1, wherein an area ratio of a total area of the via portion in the via forming layer to an entire area of the insulating substrate is 30 to 80%.

2. The silicon nitride wiring board according to claim 1, wherein the insulating substrate has a thermal conductivity of 40 W / m · K or more.

The insulating substrate is mainly composed of silicon nitride, the rare earth element and the alkaline earth metal are combined in an amount of 4 to 30 mol% in terms of oxides, and the rare earth metal (RE) and the alkaline earth metal (R) are oxidized. The molar ratio (RE ₂ O ₃ / RO) in terms of product is contained at a ratio of 0.1 to 15, and the content in terms of oxide of Al is 1.0 mol% or less. The silicon nitride wiring board according to claim 1.