JP3668083B2

JP3668083B2 - セラミック配線基板

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Publication number: JP3668083B2
Application number: JP37168699A
Authority: JP
Inventors: 成樹山田; 智英長谷川; 正光鬼谷
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 1999-12-27
Filing date: 1999-12-27
Publication date: 2005-07-06
Anticipated expiration: 2019-12-27
Also published as: JP2001189534A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、アルミナ質セラミックスを絶縁基板とし、その表面に配線回路層が被着形成された高熱伝導性のセラミック配線基板に関する。
【０００２】
【従来技術】
従来、半導体素子収納用パッケージや混成集積配線基板等に用いられる配線基板として、一般にアルミナセラミックスなどの電気絶縁性のセラミック焼結体から成るセラミック絶縁基板を用い、その表面や内部にタングステン（Ｗ）、モリブデン（Ｍｏ）、マンガン（Ｍｎ）等の高融点金属から成る複数のメタライズ配線層配線導体を配設すると共に、各配線導体を絶縁基板内に設けた前記同様の高融点金属から成るビアホール導体で接続した構造を成している。
【０００３】
一方、半導体素子の高集積化、小型化に伴い、半導体素子から発生する熱も大きくなりつつある。またＭＯＳＦＥＴやＩＧＢＴなどのパワー系素子を用いたパワーモジュールが電車、電気自動車などの電動車両における制御基板に適用されつつある。これらのパワー系素子に使用される電流は数十〜数百Ａを超え、また電圧も数百Ｖと非常に高電力となるため、パワー系素子から発生する熱も大きく、この熱による素子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いる。そのために、かかる高集積化された半導体素子やパワー系素子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。
【０００４】
従来から、素子から発生した熱を放熱するための好適なセラミックスとしては、アルミナセラミックスに代えて、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。
【０００５】
しかし、窒化アルミニウム質セラミックスは非常に高価であることから、使用される分野が限られている。しかしながら、安価な材料として一般に絶縁基板として用いられるアルミナセラミックスは熱伝導率がせいぜい十数Ｗ／ｍ・Ｋであり、パワー素子等に使用するには十分な熱放散性があるとは言えない。そこで、このアルミナセラミックスの絶縁基板の放熱性を向上させるために、基板内部にビア導体やメタライズ配線層を形成する方法が検討されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
アルミナセラミックスに用いられる導体材料は、アルミナセラミックスの焼成温度が通常１６００℃以上と高温であるために、このアルミナセラミックスと同時焼成可能なメタライズとして、高融点金属であるタングステンまたはモリブデンを主とする導体材料が一般的に用いられているが、タングステンあるいはモリブデンは熱伝導率としてはそれほど高くなく、アルミナ基板内部に具備させることによる熱伝導性の向上効果はあまり期待できない。
【０００７】
良熱伝導材料として銅が最もよく知られているが、銅の融点が１１００℃付近であって、アルミナセラミックスと同時焼成すると焼成中に銅成分がアルミナセラミックス中に拡散あるいは揮散してしまい良好な導体層が形成できないものであった。
【０００８】
一方、特許第２６６６７４４号には、平均粒径１μｍ以下のアルミナの微粉末を用い１２００℃以下の低温で金、銀、銅、等と同時焼成する方法が開示されているが、このような微粉を用いることは工程上、大きな困難を伴うことになり、コストアップにつながるものである。
【０００９】
また、特許第２８２２８１１号には、銅を含有するビア導体を同時焼成により形成し、配線抵抗の小さい基板構造が開示されているが、ビア導体が基板表裏面に露出しているため基板の絶縁性が保てない。また、特開平７−１５１０１号には１０８３℃〜１８００℃にて銅等と同時焼成する方法が開示されているが、前記と同様にビア導体が基板表裏面に露出しているため基板の絶縁性が保てないため放熱基板として使用できないものであった。
【００１０】
従って、本発明は、アルミナセラミックスを絶縁基板とするセラミック配線基板において、絶縁基板の熱伝導性を高め放熱特性に優れたセラミック配線基板を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明者等は、上記課題に対して検討を重ねた結果、相対密度が９５％以上のアルミナを主成分とするセラミックスからなる絶縁基板の表面および／または内部に信号を伝達するためのメタライズ配線層が被着形成されたセラミック配線基板において、前記絶縁基板内部に、信号の伝達に寄与しない平面導体と垂直導体とにより構成され且つ前記絶縁基板表面から電気的に絶縁してなる高熱伝導体を埋設形成してなるとともに、前記高熱伝導体を銅を１０〜７０重量％と、タングステンおよび／またはモリブデンを３０〜９０重量％の割合で含有する導体によって前記メタライズ配線層および絶縁基板と同時焼成によって形成することによって上記の目的を達成するものである。
【００１２】
なお、上記の構成において、前記メタライズ配線層は、タングステンおよび／またはモリブデンを主成分とし、該タングステンおよび／またはモリブデン１００重量部に対して、アルミニウムを酸化物換算で３〜２０重量部、ニオブを酸化物換算で０．５〜５重量部の割合で含有することによって、前記高熱伝導体とともに同時焼成することが可能となる。
【００１３】
また、前記アルミナを主成分とするセラミックスとしては、焼結助剤としてマンガンをＭｎＯ₂換算で２．０〜１０．０重量％の割合で含有することによって、前記メタライズ配線層および高熱伝導体とともに同時焼成することができるとともに、高熱伝導体中の銅の拡散などを防止することができる。
【００１４】
さらに、前記高熱伝導体が絶縁基板の表面から１００〜３００μｍの深さに形成されていることが表面に形成されるメタライズ配線層との電気的な絶縁性を維持する上で望ましく、さらに高熱伝導体における前記垂直導体の横断面積の合計が、前記絶縁基板内の前記高熱伝導体形成領域の全体面積の４０〜８０％を占めることが絶縁基板の熱抵抗を低減する上で望ましい。
【００１５】
【発明の実施の形態】
図１に、本発明のセラミック配線基板の一例である多層配線基板の概略断面図を示した。図１の多層配線基板においては、アルミナセラミックスからなる絶縁基板１を具備し、この絶縁基板１の表面には、メタライズ配線層２が被着形成されている。そして、この絶縁基板１の内部には、平面導体３および垂直導体４が格子状に配置された高熱伝導体５が埋設されている。また、このメタライズ配線層２の表面には、半導体素子、パワー素子、トランジスタ素子などの発熱性素子６が搭載される。
【００１６】
本発明によれば、この高熱伝導体５を構成する平面導体３および垂直導体４が、アルミナセラミックスと同時焼成によって形成されたものであり、これらを形成している導体が、銅を１０〜７０重量％、タングステンおよび／又はモリブデンを３０〜９０重量％の割合で含有する導体からなることが重要である。
【００１７】
これは、この絶縁基板１内部に内蔵された平面導体３および垂直導体４が銅単味からなると、絶縁基板１との熱膨張差によって層間剥離が発生してしまうのに対して、タングステンあるいはモリブデンを所定量含有せしめることによって、アルミナセラミックスとの熱膨張差が小さく成るために層間剥離の発生を抑制することができる。
【００１８】
従って、本発明における高熱伝導体において、銅の含有量が１０重量％よりも少ない、言い換えればタングステンまたはモリブデンの含有量が９０重量％よりも多いと、熱拡散が小さくなり、高熱伝導化が達成できず、銅含有量が７０重量％よりも多く、言い換えれば、タングステンあるいはモリブデンの含有量が３０重量％よりも少ないとデラミネーションが発生する。なお望ましい範囲は、銅が４０〜６０重量％、タングステンおよび／またはモリブデンが６０〜４０重量％である。
【００１９】
また、この平面導体３および垂直導体４は、実質的に信号の伝達には寄与しないことから、平面導体３と垂直導体４とを格子状に配設されており、例えば、図１の絶縁基板１の断面図に示されるように、平面導体３を絶縁基板表面に平行に複数層形成するとともに、図２の絶縁基板１の平面透視図に示されるように、所定の直径を有する垂直導体４をアレイ状に、且つ平面導体３同士を接続するように配置することによって、絶縁基板１全体の放熱性を均一化することができるとともに、絶縁基板の高熱伝導化を図ることができる。
【００２０】
また、上記の平面導体３と垂直導体４からなる高熱伝導体５は、絶縁基板１の全体に形成することもできるが、絶縁基板１の内部にて信号の伝達を行なうために、図１に示すように、メタライズ配線層２を表面のみならず、絶縁基板１の内部にもビアホール導体７と合わせて形成する場合もある。その場合には、上記の高熱伝導体５を配線基板の表面に実装された発熱性素子６の直下に配設して発熱性素子６から発生した熱を集中的に放熱することもできる。
【００２１】
また、高熱伝導体５において、メタライズ配線層２の表面に搭載された発熱性素子６から発生した熱を絶縁基板１の裏面に伝達する役目は、主として垂直導体４が担うことになる。従って絶縁基板１の厚み方向への熱伝達性を向上させる上で、この絶縁基板１を平面的にみたときの図２で示されるような垂直導体４の横断面積の合計が、前記高熱伝導体５の形成領域ａの全体面積（図２における平面導体３と垂直導体４との合計面積）の４０〜８０％を占めることが望ましい。特に、垂直導体４の直径は０．０５〜１ｍｍが製造の容易性および熱伝達性の点から適当であり、またこの直径はすべて同一ではなく、例えば、放熱性が特に要求される発熱性素子６搭載部の直下部分のみを他の部分よりも直径を大きくしたり、特に密に配設することもできる。
【００２２】
また、高熱伝導体５は、絶縁基板１の表面に形成されたメタライズ配線層２と電気的に絶縁されていることが必要であり、高熱伝導体５中のＣｕの拡散による絶縁性の低下を防止することが必要がある。但し、一方では、絶縁基板１から熱を厚み方向に伝達する場合、絶縁基板１の表面から高熱伝導体５までの厚さｘが厚すぎると、熱伝達性が低下してしまうために、高熱伝導体５は、絶縁基板１表面から１００〜３００μｍの深さに形成されていることが望ましい。
【００２３】
なお、本発明における絶縁基板の絶縁性とは、絶縁基板１表面に形成されたメタライズ配線層２と高熱伝導体５との間における体積固有抵抗が１０¹³Ω・ｃｍ以上であることを意味するものであり、銅の拡散が顕著に発生するとこの部分の絶縁性が劣化し、抵抗値は１０¹³Ω・ｃｍよりも低くなってしまう。
【００２４】
さらに、本発明の配線基板において、絶縁基板１の表面および／または内部に形成されるメタライズ配線層２およびビアホール導体７としては、タングステンおよび／またはモリブデンを主成分とする導体によって形成されるものであるが、このメタライズ配線層２およびビアホール導体７は、絶縁基板１および高熱伝導体５とともに同時焼成することが必要である。一般に、タングステンやモリブデンを主成分とする導体は１５００℃以上の温度で焼成されるが、上記セラミック高熱伝導体５との同時焼成を実現する上では、１５００℃以下の温度で焼結させることが必要である。かかる観点から、このメタライズ配線層２およびビアホール導体７を形成する導体としては、上記主導体１００重量部に対して、アルミニウムを酸化物換算で３〜２０重量部、ニオブを酸化物換算で０．５〜５重量部の割合で含有することが望ましい。上記の導体成分中、アルミニウムは絶縁基板との密着性を高め、またニオブは低温での１５００℃以下での焼結性を促進させるる作用をなす。
【００２５】
一方、絶縁基板１を構成するアルミナセラミックスとしては、相対密度が９５％以上の緻密質からなり、前記高熱伝導体５と同時焼成する上で、焼結助剤として、ＭｎをＭｎＯ₂換算で２〜１０重量％の割合で含有することが望ましい。さらに、焼結助剤としてＳｉＯ₂や、ＭｇＯ、ＣａＯ、ＳｒＯ等のアルカリ土類元素酸化物を含んでいてもよく、その場合、焼結助剤合計で２〜１５重量％の割合で含有することが望ましい。特に上記Ｍｎ量が２重量％よりも少ないと、１５００℃以下での銅含有導体からなる平面導体３や垂直導体４との同時焼結性が低下し、１０重量％よりも多いと、アルミナセラミックス自体の熱伝導性が低下する傾向にある。
【００２６】
特に、このアルミナセラミックスは、上記高熱伝導体５中のＣｕの拡散を防止する上で、１５００℃以下、特に１２００〜１４００℃の温度で焼成することが望ましい。
【００２７】
なお、このアルミナセラミックス中には、さらに着色剤としての遷移金属、あるいはその化合物を１０重量％以下の割合で含んでもよい。
【００２８】
また、この絶縁基板１の裏面には、アルミニウム、銅板、銅−タングステン、などの高熱伝導性を有するヒートシンク８を接合して、絶縁基板１を経由して伝達されたをヒートシンク８によって系外に放熱することができる。
【００２９】
次に、本発明のセラミック配線基板の製造方法について具体的に説明する。まず、アルミナセラミックスの主成分となるアルミナ原料粉末と、焼結助剤成分として少なくともＭｎＯ₂を２〜１０重量％添加し、さらにＳｉＯ₂およびＭｇＯ、ＣａＯ粉末等を焼結助剤合計で２〜１５重量％の割合で添加混合する。そして、この混合粉末を用いて、絶縁層を形成するためのシート状成形体を作製する。
【００３０】
シート状成形体は、周知の成形方法によって作製することができ、例えば、上記混合粉末に有機バインダや溶媒を添加してスラリーを調製し、ドクターブレード法によって形成したり、混合粉末に有機バインダを加え、プレス成形、圧延成形等により１００〜２５０μｍの厚みのシート状成形体を作製できる。
【００３１】
そして、このシート状成形体に対して垂直導体を形成するための直径が０．０５〜１ｍｍの貫通孔をシート状成形体に対してマイクロドリル、レーザー等により形成する。
【００３２】
その後、この貫通孔内に、銅１０〜７０重量％と、タングステンおよび／またはモリブデンを３０〜９０重量％の割合で配合した金属粉末を含む導体ペーストをスクリーン印刷法によって充填する。また、平面導体としては、このように垂直導体を形成したシート状成形体の表面にスクリーン印刷法などによって上記ペーストを印刷塗布する。
【００３３】
また、信号の伝達に寄与する回路となる表面および／または内部のメタライズ配線層、あるいはビアホール導体を形成するために、無機成分としてタングステンおよび／またはモリブデン粉末１００重量部に対して、Ａｌ₂Ｏ₃を３〜２０重量部、Ｎｂ₂Ｏ₅を０．５〜５重量部の割合で添加してなる導体ペーストを用いて、上記の高熱伝導体を形成する平面導体および垂直導体とともに、グリーンシートの表面またはビアホール内に印刷、または充填する。
【００３４】
その後、同様にして熱伝導体を形成する平面導体および／または垂直導体や、メタライズ配線層などを形成したシート状成形体を作製した後、それらを積層圧着して積層体を作製する。そして、積層体の表面に、前記積層体における熱伝導体形成部の上面部に焼結後の厚みが２００〜３００μｍとなるグリーンシートを積層する。
【００３５】
その後、この積層体を水素および窒素を含む非酸化性雰囲気中、１５００℃以下、特に１２００〜１４００℃の温度で焼成することによって絶縁基板、メタライズ配線層、高熱伝導体を一括して同時に焼成することができる。また、所望により、焼成雰囲気中にはアルゴンガス等の不活性ガスを混入してもよい。なお、この焼成温度が１５００℃より高いと、アルミナセラミックスの主結晶相の粒径が大きくなり異常粒成長が発生するようになり、銅がセラミックス中へ拡散するときのパスである粒界の長さが短くなるとともに拡散速度も速くなる結果、銅の拡散距離を３０μｍ以下に抑制することが困難となる。
【００３６】
また、この配線基板に対して、発熱性素子を搭載するには、熱伝導体の直上に位置するメタライズ配線層上に半田ペーストを塗布した後、自動実装装置などにて載置し、３００〜４００℃で加熱してロウ付けすることによって実装できる。
【００３７】
さらに、配線基板の裏面にヒートシンクを設ける場合には、熱伝導体の直下にＰｂ−Ｓｎ共晶半田などのロウ材によってロウ付けすればよい。
【００３８】
【実施例】
アルミナ粉末（平均粒径０．６５μｍ）を主成分として表１、２に示すような各種焼結助剤と、成形用バインダとして有機樹脂としてアクリル系バインダと、トルエンを溶媒として混合した後、ドクターブレード法にて厚さ１００〜２５０μｍのシート状に成形した。そして、所定箇所に径６００μｍの貫通孔をレーザー光で形成した。なお、この貫通孔は、その数を増減することによって、垂直導体の横断面の面積比率が異なる種々のものを作製した。
【００３９】
次に、銅粉末（平均粒径５μｍ）とＷ粉末（平均粒径１．２μｍ）あるいはＭｏ粉末（平均粒径１μｍ）とを表１および２に示す比率で混合しアクリル系バインダとをアセトンを溶媒として高熱伝導体用の導体ペーストを調製し、貫通孔内にこの導体ペーストを充填した。さらに、この導体ペーストを用いてシート状成形体の表面に平面導体を印刷して高熱伝導体を形成した。
【００４０】
また、同様にＷ粉末（平均粒径１．２μｍ）１００重量部に、Ａｌ₂Ｏ₃粉末平均粒径１μｍ）７重量部、Ｎｂ₂Ｏ₅粉末（平均粒径１μｍ）１重量部で混合しアクリル系バインダーとをアセトンを溶媒としてメタライズ配線層用の導体ペーストを調製し、同様にグリーンシートに形成した貫通孔内にこの導体ペーストを充填し、またこの導体ペーストを用いてシート状成形体の表面にメタライズパターンに印刷形成した。
【００４１】
上記のようにして作製した８枚のシート状成形体を位置合わせして積層圧着して積層成形体を作製した後、その積層成形体の上下面に所定の種々の厚みを有するシート状成形体を積層した。
【００４２】
その後、この成形体積層体を、水分を含む酸素含有雰囲気中（Ｎ₂＋Ｏ₂またはＨ₂＋Ｎ₂＋Ｈ₂Ｏ）で脱脂を行った後、水素窒素混合雰囲気にて表１、表２の温度で焼成して配線基板を作製した。
【００４３】
得られた配線基板の高熱伝導体形成箇所の熱伝導率をレーザーフラッシュ法により測定し、その結果を表１、２に示した。また、比較として、高熱伝導体を形成しないアルミナセラミックスの熱伝導率を測定し、高熱伝導体による効果を確認した。
【００４４】
そして、この配線基板のメタライズ配線層上に実際に半導体素子を実装して発熱させ絶縁基板の熱抵抗を測定し、その結果を表１、２に示した。
【００４５】
また、絶縁基板の体積固有抵抗として、絶縁基板の表面に形成したメタライズ配線層と絶縁基板に内蔵した高熱伝導体の最上部の平面導体間の体積固有抵抗を測定し表１、２に示した。
【００４６】
【表１】

【００４７】
【表２】

【００４８】
表１、２に示すように、絶縁基板中のアルミナセラミックスについてＭｎＯ₂量が２重量％よりも少ない試料Ｎｏ．１，２においては焼結性が劣化し相対密度９５％以上に焼結できなかった。またＭｎＯ₂量が１０重量％よりも多い試料Ｎｏ．８においては、磁器自体の熱伝導率が低下するとともに、絶縁性の劣化が起こった。
【００４９】
高熱伝導体の導体組成において、銅の含有量が１０重量％よりも少ない試料Ｎｏ．９，１０では、絶縁基板の熱伝導率が低くなった。また、７０重量％よりも大きい試料Ｎｏ．１７では、絶縁基板との熱膨張率差から内部導体との間に剥離が発生すると共に銅の拡散が起こり絶縁性の劣化が起こった。
【００５０】
また、同時焼成の温度が１２００℃よりも低い試料Ｎｏ．２１では未焼結となった。１５００℃よりも高い試料Ｎｏ．２８では、銅がセラミックス中に拡散し絶縁基板の絶縁性が劣化した。
【００５１】
表面絶縁層の厚みについては、１００μｍよりも小さい試料Ｎｏ．２９では内部導体層から銅が拡散するため絶縁性が劣化した。また、垂直導体の横断面積の比率が８０％よりも大きいと絶縁性が低下した。
【００５２】
これに対して、本発明の配線基板によれば、相対密度９５％以上、熱伝導率が２５Ｗ／ｍ・Ｋ以上、体積固有抵抗が１０¹³Ω・ｃｍ以上、熱抵抗が３５℃／Ｗ以下の優れた絶縁性と放熱特性を具備するものであった。また、高熱伝導体においては、垂直導体の総断面積の面積比率が４０〜８０％の範囲で良好な特性を高い熱伝導性を示した。
【００５３】
実施例２
メタライズ配線層の組成を表３のように種々変更する以外は、上記表１中の試料Ｎｏ．１４と全く同様にしてセラミック配線基板を作製した。そして、上記のメタライズ配線層についてシート抵抗および絶縁基板への密着強度を測定したその結果を表３に示した。なお、密着強度の測定は、大きさ２ｍｍ×２０ｍｍのメタライズ配線層に対して２μｍのＮｉ、１μｍのＡｕのメッキ層を施したＦｅ−Ｎｉ−Ｃｏ製のＬ字型リードをＡｕ−Ｓｎからなるロウ材によってロウ付けした後、このリードを垂直に引っ張り、リードが基板からはずれる時の強度を測定した。
【００５４】
【表３】

【００５５】
表３の結果、ＷまたはＭｏ１００重量部に対して、Ａｌ₂Ｏ₃を３〜２０重量部、Ｎｂ₂Ｏ₅を０．５〜５重量部の割合で添加した試料Ｎｏ．４１〜４５、４９〜５１、５３〜５５はいずれもシート抵抗が２０ｍΩ／□以下、密着強度３０ＭＰａ以上の優れた特性を示した。
【００５６】
【発明の効果】
以上詳述した通り、本発明によれば、アルミナセラミックスを絶縁基板としてなり、銅を含む高熱伝導性の導体からなる平面導体および垂直導体からなる高熱伝導体を内蔵するとともに、その銅の拡散を防止し、高熱伝導性および高絶縁性のセラミック配線基板を得ることができるとともに、この基板を絶縁基板としその表面にメタライズ配線層を形成することによって、放熱性に優れたセラミック配線基板を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のセラミック配線基板の一例である多層配線基板の概略断面図を示す。
【図２】本発明のセラミック配線基板における垂直導体の配置を説明するための平面透過図である。
【符号の説明】
１絶縁基板
２メタライズ配線層
３平面導体
４垂直導体
５高熱伝導体
６発熱性素子

Claims

相対密度が９５％以上のアルミナを主成分とするセラミックスからなる絶縁基板の表面および／または内部に信号を伝達するためのメタライズ配線層が被着形成されたセラミック配線基板において、
前記絶縁基板内部に、信号の伝達に寄与しない平面導体と垂直導体とにより構成され且つ前記絶縁基板表面から電気的に絶縁してなる高熱伝導体を埋設形成してなるとともに、前記高熱伝導体を銅を１０〜７０重量％と、タングステンおよび／またはモリブデンを３０〜９０重量％の割合で含有する導体によって前記メタライズ配線層および絶縁基板と同時焼成によって形成したことを特徴とするセラミック配線基板。
前記メタライズ配線層が、タングステンおよび／またはモリブデンを主成分とし、該タングステンおよび／またはモリブデン１００重量部に対して、アルミニウムを酸化物換算で３〜２０重量部、ニオブを酸化物換算で０．５〜５重量部の割合で含有することを特徴とする請求項１記載のセラミック配線基板。
前記アルミナを主成分とするセラミックスが、ＭｎをＭｎＯ₂換算で２．０〜１０．０重量％の割合で含有することを特徴とする請求項１または請求項２記載のセラミック配線基板。
前記平面導体および前記垂直導体とからなる高熱伝導体が前記絶縁基板表面から１００〜３００μｍの深さに形成されていることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか記載のセラミック配線基板。
前記垂直導体の横断面積の合計が、前記絶縁基板内の前記高熱伝導体形成領域の全体面積の４０〜８０％を占めることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか記載のセラミック配線基板。