JP3937952B2

JP3937952B2 - Heat dissipation circuit board and method for manufacturing the same

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Publication number: JP3937952B2
Application number: JP2002205251A
Authority: JP
Inventors: 正勝清原; 広典鳩野; 順一岩澤; 篤史吉田; 貴之井出; 香緒里山口
Original assignee: 東陶機器株式会社
Priority date: 2002-07-15
Filing date: 2002-07-15
Publication date: 2007-06-27
Anticipated expiration: 2022-07-15
Also published as: JP2004047863A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ＣＰＵ等が搭載され放熱特性に優れたハイパワーモジュール等へ応用される放熱回路基板とその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、ＣＰＵ等が搭載されたハイパワーモジュール等の放熱回路基板としては、特開２０００−８６３６８号公報、特開２０００−１２７１２３号公報、特開２０００−２６９３９２号公報或いは特開２０００−３５３７６９号公報に開示されるように、セラミックス基板に放熱用の金属製のヒートシンクをロウ付け等の方法により接合したものが使用されている。セラミックス基板の作製方法は、用いる材料によって異なるが、通常は、粉末成形法、グリーンシート及びドクターブレード法によってシート状に成形されたセラミックス生地を焼成して得られる。
【０００３】
電極や配線部を必要とする場合は、上記公報に開示されるように、あらかじめグリーンシート上にペースト塗布などにより導電性物質を配置した後、グリーンシートを積層して圧縮成形し、これを還元雰囲気で焼成したり、１度焼成した焼成体にスクリーン印刷及びメッキ法にて電極や配線部を形成し、大気あるは還元雰囲気中にて焼成を行うといった方法が用いられている。
【０００４】
また、セラミックス基板とヒートシンクの接合は、熱伝導性を向上させるために銅や銀系のロウ材を使って銅板と接合する活性金属法や、銅と酸素の共晶点を利用して直接銅と接合する直接接合法（ＤＢＣ法）などが多く用いられている。
【０００５】
セラミックスの材料としては、絶縁性に優れ、強度が強く、熱伝導率にも優れ、湿度や温度変化に対して劣化の少ない酸化アルミニウムや、さらに熱伝導率に優れるという理由から窒化アルミニウムあるいは窒化ケイ素などが通常使用されているが、コスト的な問題を考えなければダイヤモンドで構成されることが最も望ましい。その厚さも、焼成法で作製するには、ハンドリング性の観点から薄くすることができず、数百μｍ以上が一般的である。
【０００６】
ヒートシンクには、前述した銅が熱伝導率に優れ、安価であり、よく使用されているほか、熱伝導性には銅に譲るものの、軟質であるなどの理由でアルミニウムも使用される。
【０００７】
演算処理スピードの高速化に伴いＣＰＵチップの発熱は年々深刻な問題となりつつあり、放熱特性の良好な基板が求められているが、放熱特性の良好で一般的に使われている窒化アルミニウムセラミック基材は原料コストが高く、また電極材料として用いられるＴｉ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｃｒ、Ａｇ、Ｐｔ，Ａｕなどの金属材料との濡れ性が悪く、ＣＰＵ等のＩＣチップの基板へのハンダ付けが難しく、現状では、電極形成した部分のみ金属材料との濡れ性を向上させるために、部分的に酸化処理を施し、酸化アルミニウムを形成し金属濡れ性を向上させる手段が施されているのが一般的であり、その加工の複雑さも加味されて窒化アルミニウムで作製した放熱特性の良好な基板は高価であり、応用化の妨げになっている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
上述した方法は、まずセラミックスを作製するために１０００℃以上の高温を必要とし、配線を配置する場合は、還元性雰囲気の環境を与えなければならない。
【０００９】
また、セラミックス基板とヒートシンクを接合する場合も、活性金属法では７８０℃以上、直接接合法では１０５０℃以上と、高温環境を必要とし、このような高温のため、熱膨張の差で接合部に大きな応力が発生し、基板が割れたり、残留応力による基板の反りが発生するなどの不具合が生じる。また接合部の熱伝導率が低い場合もあり、これが冷却効果を劣化させる原因ともなる。また多くの加熱工程は、エネルギー消費量の問題のほか、煩雑さもあり、コスト高の要因となっている。
【００１０】
またＰＶＤやＣＶＤなどで金属板の表面にセラミックス層を形成することも可能であるが、高温プロセスを必要とするだけでなく、厚い膜厚のセラミックス層を作製するのが困難である。また溶射法であれば膜厚を厚くできるが、膜質が比較的ポーラスで緻密質より熱伝導性が劣ることや、高温プロセスが必要であることが問題である。
【００１１】
更に最近では、金属やセラミックス等の超微粒子をガス攪拌にてエアロゾル化し、微小なノズルを通して加速せしめ、基材表面に超微粒子の圧粉体層を形成させ、これを加熱して焼成させることにより被膜を形成するというガスデポジション法（加集誠一郎：金属１９８９年１月号）や、微粒子を帯電させ電場勾配を用いて加速せしめ、この後はガスデポジション法と同様の基本原理で被膜形成を行う静電微粒子コーティング法（井川他：昭和５２年度精密機械学会秋季大会学術講演会前刷）も知られているが、何れも加熱プロセスを伴うため、前記したように基板の割れや反りを発生しやすい。
【００１２】
また、上記のガスデポジション法あるいは静電微粒子コーティング法を改良した先行技術として、特開平８−８１７７４号公報、特開平１０−２０２１７１号公報、特開平１１−２１６７７号公報、特開平１１−３３０５７７号公報或いは特開２０００−２１２７６６号公報に開示されるものが知られている。
しかしながら、これらの先行技術には放熱回路基板への適用が示唆されておらず、且つ回路基板として要求される密着性、絶縁性を有し且つ所定の厚さのものを得ることはできない。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明は以下の知見に基づいてなされた。
即ち、延展性を持たない脆性材料（セラミックス）に機械的衝撃力を付加すると、結晶子同士の界面などの劈開面に沿って結晶格子のずれを生じたり、あるいは破砕される。そして、これらの現象が起こると、ずれ面や破面には、もともと内部に存在し別の原子と結合していた原子が剥き出しの状態となった新生面が形成される。この新生面の原子一層の部分は、もともと安定した原子結合状態から外力により強制的に不安定な表面状態に晒され、表面エネルギーが高い状態となる。この活性面が隣接した脆性材料表面や同じく隣接した脆性材料の新生面あるいは基板表面と接合して安定状態に移行する。外部からの連続した機械的衝撃力の付加は、この現象を継続的に発生させ、微粒子の変形、破砕などの繰り返しにより接合の進展、緻密化が行われ、脆性材料構造物が形成される。
【００１４】
そして、更に上記機械的衝撃を搬送ガスにて脆性材料を基材に衝突させるようにした本発明の一態様を微粒子ビーム堆積法あるいはエアロゾルデポジション法と称する。
この微粒子ビーム堆積法は、ガスデポジション法より発展してきた手法であり、金属などの基材上に脆性材料の多結晶構造物をダイレクトに形成させる方法である。この手法は、脆性材料の微粒子をガス中に分散させたエアロゾルを搬送し、高速で基材表面に噴射して衝突させ、微粒子を破砕・変形せしめ、基板との界面にアンカー層を形成して接合させるとともに、破砕した断片粒子同士を接合させることにより、基材との密着性が良好で強度の大きい構造物を得ることができる。
また、この微粒子ビーム堆積法は、ガス中に分散させる脆性材料を変えることにより、容易に構造物の形成範囲を調整することができる。
【００１５】
上記の知見から発展した本発明に係る放熱回路基板は、ヒートシンクとして作用する金属放熱基板に前記セラミックス構造物が接着層を介することなく直接接合されており、また、前記セラミックス構造物の上面は、熱伝導率が３５Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上の高熱伝導部と、この高熱伝導部より金属濡れ性が良く熱伝導率が３５Ｗ／（ｍ・Ｋ）未満の低熱伝導部とから構成される。
【００１６】
ここで、接着層を介することなく直接接合されているとは、接合面に、接着剤層，ロウ付け層，焼成によるセラミック構成元素の拡散層、の何れも介在していないことを言う。
また、ここで言う金属濡れ性の良いものとは、１９８８年プリント配線板試験方法ＪＩＳ−Ｃ５０１２規格の機械的性能試験（導体の引き剥がし強さ）に準じた試験にて、Ｔｉ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｃｒ、Ａｇ、Ｐｔ，Ａｕ何れの金属材料を用いた場合であっても銅箔との密着が１．０ｋｇｆ／ｃｍ以上ものを示し、金属濡れ性の悪いものとしては、Ｔｉ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｃｒ、Ａｇ、Ｐｔ，Ａｕ何れかの金属材料を用いた場合の銅箔との密着が１．０Ｋｇｆ／ｃｍ未満のを示すものである。
【００１７】
セラミック構造物の材質としては、高熱伝導部は窒化珪素、窒化アルミニウム、窒化硼素、ダイヤモンドの何れかが主成分であり、低熱伝導部としては、酸化アルミニウム、酸化珪素、酸化ジルコニウムの何れかが主成分とすることができる。
これらは表１に示すように、何れも絶縁性を確保するために必要となる耐電圧が１ｋＶ／ｍｍ以上であり、しかも、非酸化物系材料である窒化珪素、窒化アルミニウム、窒化硼素、ダイヤモンドは熱伝導率としては３５Ｗ／（ｍ・Ｋ）であるため、この高熱伝導部は放熱回路基板として良好な熱伝導性を確保することができ、一方、酸化物系材料である酸化アルミニウム、酸化珪素、酸化ジルコニウムは熱伝導率は３５Ｗ／（ｍ・Ｋ）未満ではあるが、金属濡れ性が良好であり、この低熱伝導部は、配線部との密着力を確保することができる。
【００１８】
【表１】

【００１９】
本発明にあっては、前記セラミックス構造物が、多結晶の脆性材料からなり、結晶同士の界面にはガラス層からなる粒界層が実質的に存在せず、前記セラミックス基板と前記金属材料との界面は、前記セラミックス構造物が前記金属放熱材料に食い込むアンカー部となっている。
また、このセラミックス基板に導電性配線が直接形成されている。
【００２０】
前記セラミックス構造物の厚さは１〜１０００μｍが放熱回路基板として適当であり、また緻密度は９５％以上であることが好ましい。
すなわち、本願では厚さ１μｍレベルの薄膜品が焼成せずに作成でき、そのために回路基板をより小型化することが可能となった。また、１０００μｍレベルの緻密な厚膜も作成可能となり、このセラミックス構造物に導電性配線を多層に形成することにより大面積の回路設計をも可能とした。
【００２１】
また、本発明に係る放熱回路基板の製造方法は、熱伝導率が３５Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上の高熱伝導性のセラミック脆性材料微粒子を金属放熱基板表面の一部に高速で衝突させると共に、金属放熱基板の他部に前記高熱伝導性のセラミック脆性材料微粒子より金属濡れ性が良く熱伝導率が３５Ｗ／（ｍ・Ｋ）未満のセラミック脆性材料微粒子を高速で衝突させ、この衝突によって前記セラミック脆性材料微粒子を変形または破砕し、この変形または破砕にて生じた活性な新生面を介して微粒子同士を再結合せしめることで、前記金属放熱基板表面に前記脆性材料微粒子が食い込むアンカー部を形成させ、このアンカー部の上にセラミックス層を形成するようにした。
【００２２】
また、本発明に係わる別の放熱回路基板の製造方法は、熱伝導率が３５Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上の高熱伝導性のセラミック脆性材料微粒子を金属放熱基板表面に高速で衝突させ、この衝突によって前記脆性材料微粒子を変形または破砕し、この変形または破砕にて生じた活性な新生面を介して微粒子同士を再結合せしめることで、前記金属放熱基板表面に前記脆性材料微粒子が食い込むアンカー部を形成させ、このアンカー部の上に高熱伝導のセラミックス層を形成し、このセラミック層の一部へ前記高熱伝導性のセラミック脆性材料微粒子より金属濡れ性が良く熱伝導率が３５Ｗ／（ｍ・Ｋ）未満のセラミック脆性材料微粒子を高速で衝突させ、この衝突によって2種類の脆性材料微粒子を変形または破砕し、この変形または破砕によって生じた活性な新生面を介して２種類の微粒子同士を再結合せしめることで、高熱伝導のセラミック層の一部に低熱伝導のセラミック層を形成するようにした。
なお、ここでいうセラミック脆性材料微粒子の熱伝導率とは、このセラミック脆性材料微粒子と同一材料からなる板状のセラミック焼成体の熱伝導率を測定した結果である。
【００２３】
その剥離強度に優れ、且つ必要な厚さのセラミックス構造物を得るには、脆性材料微粒子はあらかじめ内部歪が印加されていることが好ましい。微粒子に歪を与える粉砕処理は、微粒子にかかる粉砕のための衝撃を大きく与えることのできる粉砕手段を用いるのが好ましい。微粒子に比較的一様に大きな歪を付与することができるからである。このような粉砕手段としては、セラミックスの粉砕処理によく用いられるボールミルに比べて大きな重力加速度を与えることの出来る振動ミルやアトライタ、遊星ミルを用いるのが好ましく、とりわけボールミルに比べて格段に大きな重力加速度を与えることの出来る遊星ミルを用いることが最も好ましい。微粒子の状態に着目すれば、クラックは内部歪をキャンセルするものであるので、最も好ましいのは、クラックが生じる直前まで内部歪が高まっている微粒子ということになる。
【００２４】
また、本発明方法の特徴は、セラミックス構造物の形成を室温環境下で行うことであり、脆性材料微粒子を高速で衝突させる手段が、脆性材料微粒子をガス中に分散させたエアロゾルを、高速で前記金属放熱基板に向けて噴射することにより、異種のセラミックス構造物を厚さ１μｍレベルの薄膜で焼成せずに、放熱性のある金属材料表面上に作製できるために、部分的に所望の特性を持たせたセラミックス絶縁構造物を作ることができることである。
このために、本願で作製した基板は、最も発熱する部分を高熱伝導性セラミックスで絶縁し、ＣＰＵ等の部品のハンダ付けが必要になる電極付き基板においては、電極用金属材料との濡れ性の良い低熱伝導性セラミックスを放電金属材料上に室温環境下で、密着性が良好な構造物が形成でき、かつ、その構造物の耐電圧性が高いために、その厚みも薄く構成できる。これによって、本願で作製した放熱基板は、放熱特性・電子部品搭載性に優れた高速演算処理ＣＰＵ等が搭載できるハイパワーモジュールの基板等への応用が期待でき、更なる小型化が可能である。
【００２５】
ここで、本発明を理解する上で重要となる語句の解釈を以下に示す。多結晶とは、本件では結晶子が接合・集積してなる構造体を指す。結晶子は実質的にそれひとつで結晶を構成しその径は通常５ｎｍ以上である。ただし、微粒子が破砕されずに脆性材料構造物中に取り込まれるなどの場合がまれに生じるが、実質的には多結晶である。界面とは、本件では結晶子同士の境界を構成する領域を指す。粒界層とは、界面あるいは焼結体でいう粒界に位置するある厚み（通常数ｎｍ〜数μｍ）を持つ層で、通常結晶粒内の結晶構造とは異なるアモルファス構造をとり、また場合によっては不純物の偏析を伴う。アンカー部とは、本件の場合には、基材と脆性材料構造物の界面に形成された凹凸を指し、特に、予め基材に凹凸を形成させるのではなく、脆性材料構造物形成時に、元の基材の表面精度を変化させて形成される凹凸のことを指す。内部歪とは、原料微粒子に含まれる格子歪のことで、Ｘ線回折測定におけるHall法を用いて算出される値であり、微粒子を十分にアニールした標準物質を基準として、そのずれを百分率表示した値である。
【００２６】
【発明の実施の態様】
以下に、本発明を実施するための形態について説明する。
図１、２に実施の一態様としての放熱回路基板１、２の断面図を示す。図３にこの実施の態様を達成するために使用する作製装置２０（エアロゾルデポジション装置）の模式図を示す。放熱回路基板１は、放熱金属材料基板１０上に高熱伝導部セラミックス構造物層１１、低熱伝導部セラミックス構造物層１２が所望の位置に直接連続的に接合された構造からなる放熱回路基板である。放熱回路基板２としては、まず、放熱金属材料基板１０上に、高熱伝導部セラミックス構造物層１１を形成し、続いて、その上に、低熱伝導部セラミックス構造物層１２が所望の位置に連続的に直接接合形成された積層型の構造を有する放熱回路基板である。
ここでいう高熱伝導部セラミックス構造物としては、窒化珪素、窒化アルミニウム、窒化硼素、あるいはダイヤモンドなどを少なくとも１種類以上主成分とすることを特徴とし、低熱伝導部のセラミックス構造物としては、酸化アルミニウム、酸化珪素、酸化ジルコニウムなどを少なくとも１種類以上主成分とすることを特徴とする。
【００２７】
作製装置２０は、窒素ガスボンベ２０１がガス搬送管２０２を介して、あらかじめミル解砕により歪みを印加した高伝導性セラミックス微粒子を内蔵するエアロゾル発生器２０３、低伝導性セラミックス微粒子を内蔵するエアロゾル発生器２０４に接続し、エアロゾル搬送管２０５、２０６を介して形成室２０７内に設置された、なお、それぞれのエアロゾル搬送管には、エアロゾルの発生を制御できるようにバルブ２１２、２１３が設けられ、縦０．４ｍｍ横１０ｍｍの開口を持つノズル２０８、２０９に接続されている。ノズル２０８、２０９の先にはＸＹステージ２１０に設置された放熱金属材料基板１０が配置される。形成室２０７は真空ポンプ２１１に接続されている。放熱金属材料基板１０は表面が平面に加工されている。
【００２８】
以上の構成の作製装置２０による放熱回路基板１の作製手順を次に述べる。まずは、高熱伝導部セラミックス構造物層１１を放熱金属材料基板１０に形成するために、窒素ガスボンベ２０１を開栓し、窒素ガスは搬送管２０２を通じてエアロゾル発生器２０３に導入させ、窒化アルミニウム微粒子を含むエアロゾルを発生させる。次に、バルブ２１２が開けられ、発生したエアロゾルは搬送管２０５を通じて、成膜室２０７に設置されたノズル２０８へと送られ、ノズル２０８の開口より高速で噴出される。このとき真空ポンプ２１１の作動により、形成室２０７内は数ｋＰａの減圧環境下に置かれている。
【００２９】
ノズル２０８の開口の先に配置された放熱金属材料基板１０に高熱伝導性セラミックス微粒子が高速で衝突し、粒子はその運動エネルギーにより変形、破砕を起こして、一部は放熱金属材料基板１０に食い込みアンカー層を形成し、一部はアンカー層の上に破砕して形成された微細断片粒子同士がその新生面を介して接合し、これを繰り返して放熱金属材料基板１０上に緻密質の高熱伝導部セラミックス構造物層１１を形成していく。放熱金属材料基板１０はＸＹステージ２１０により揺動されており、所望の面積に低熱伝導部セラミックス構造物層１２は形成され、放熱金属材料基板１０上に約１０μｍの高熱伝導部セラミックス構造物層１１（窒化アルミニウム）を得た。これらのプロセスはすべて室温下で行われた。
【００３０】
続いて、ハンダ塗れ性の良い低熱伝導部セラミックス構造物層１２を形成するために、一旦、高伝導性セラミックス微粒子を含むエアロゾルの発生を止めるために、バルブ２１２が閉じる。次に、低伝導性セラミックス微粒子を含むエアロゾルを発生させるためには、低伝導性セラミックス微粒子が入ったエアロゾル発生器２０４に、窒素ガスが搬送管２０２を介して導入させ、低伝導性セラミックス微粒子を含むエアロゾルを発生させ、開かれたバルブ２１３を通じて、発生した低伝導性セラミックスエアロゾルは搬送管２０６を通って、成膜室２０７に設置されたノズル２０９へと送られる。ノズル２０９の開口から噴射されるエアロゾルは、真空ポンプ２１１の作動により高速で噴射され、形成室２０７内は数ｋＰａの減圧環境下に置かれている。
【００３１】
放熱金属材料基板１０はＸＹステージ２１０により揺動されており、所望の部分に所望の面積にて低熱伝導部セラミックス構造物層１２は形成することができる。たとえば、ノズル２０９の開口の先に配置された高熱伝導部セラミックス構造物層１１が形成された放熱金属材料基板１０に、高熱伝導部セラミックス構造物層１１が形成されていない部分を目がけて、低熱伝導部セラミックス構造物層１２を形成することが可能である。また、その際には、正確なパターンニング必要であれば、ノズルと成膜を行う放熱金属材料基板の間に金属遮蔽板１３を設けて、部分的に脆性材料を形成させる方法も有効である。さらに、前記脆性材料微粒子を高速で衝突させる手段として、エアロゾルを噴射させるノズルを少なくとも１本以上用いて、同一チャンバー内にて基板を形成する方法においては、スピーディーに効率良くセラミックス構造物を形成できるので、非常に有効的な方法である。
【００３２】
これらの形成のメカニズムについては、上記に示したのと同じように、低伝導性セラミックス微粒子が高速で衝突し、粒子はその運動エネルギーにより変形、破砕を起こして、一部は銅基板１０に食い込みアンカー層を形成し、一部はアンカー層の上に破砕して形成された微細断片粒子同士がその新生面を介して接合し、これを繰り返して放熱金属材料基板１０上に緻密質の低熱伝導部セラミックス構造物層１２を形成していく。これらのプロセスもまた、すべて室温下で行われる。
【００３３】
本出願の製造方法においては、ＸＹステージ２１０を使うことによって、成膜した部分、しない部分等を目がけた部分的な成膜体が可能であるために、上記手順に従って作製しても、図２に示したように積層型の基板を作製することができる。
【００３４】
このようにして得られた放熱回路基板１は、放熱金属材料基板１０と高熱伝導部セラミックス構造物層１１及び低熱伝導部セラミックス構造物層１２が強固に接着しており、室温で形成されているため、金属とセラミック層間に発生する残留応力も少ない。形成後の表面はＲａ＝０．１８μｍ程度の表面荒さを保有しているが、この表面は研磨しても良いし、後工程での電極との密着性を考慮すれば、このまま用いることも好適である。
【００３５】
また、本手法にて得られたセラミックス構造物は緻密質であるために絶縁破壊電圧値が１００Ｖ／μｍ以上の高熱伝導部セラミックス構造物層１１（窒化アルミニウム層）及び低熱伝導部セラミックス構造物層１２（酸化アルミニウム層）が約１０μｍ厚みで形成されているため、放熱金属材料基板１０をグランドとしても、１０００Ｖ以上の耐電圧を有し、回路基板等への応用は全く問題がない。
【００３６】
図４は放熱回路基板１を用い、ＩＣチップをはめ込んでパッケージ化した多層配線基板３の断面図である。図５は多層配線基板３のセラミックス基板部分の形成に用いた作製装置２１の一部を示した模式図であり、作製装置２０に準じているが、ノズル２０９に３次元構造形成装置４０が設置され、プログラムコントローラ４１につながっている。
【００３７】
図６は３次元構造形成装置の斜視図であり、ノズルの開口の先に届く、可動式の、幅５００μｍのピンを多数並べた構造となっており、ＸＹステージと同期しつつプログラム稼動する。
【００３８】
多層配線基板３の構成は、放熱金属基板１０の表面に高熱伝導部セラミックス構造物層１１と低熱伝導部セラミックス構造物層１２が配置され、その表面にあるパターンを描く導電性配線１１１が配置され、その上に低熱伝導部セラミックス構造物層１４、１５が配置される。この層間にも導電性配線１１１が通っている。すなわち導電性配線は３次元の立体配線構造をとっている。また、低熱伝導部セラミックス構造物層１４、１５はスルーホール１６が各所に設置されており、導電性配線１１１がここから覗いている。高熱伝導部セラミックス構造物層１１上に、またＩＣチップ１７が接して設置されており、導電性配線１１１とワイヤーボンディング１８によって接続されている。
【００３９】
この多層配線基板３の作製方法を次に述べる。放熱金属材料基板１０を作製装置２１内のＸＹステージ２１０に設置し、まずＩＣチップの放熱特性を向上させるために高熱伝導部セラミックス構造物層１１をＸＹステージの揺動によって、所望の大きさで、所望な場所の放熱金属材料基板１０の表面上に厚み約１０μｍで形成する。次に、導電性配線との配線が必要になる部分については、ハンダ付けが必要となるために、金属濡れ性が良好な低熱伝導部セラミックス構造物層１２を、所望の場所に所望の大きさで放熱金属材料基板１０及び高熱伝導部セラミックス構造物層１１上に形成する。
上記に示した放熱金属材料基板１０上に高熱伝導部セラミックス構造物層１１と低熱伝導部セラミックス構造物層１２を形成した放熱回路基板１上に図には示さないマスキングを施し、真空蒸着法、スパッタ法、ＣＶＤ法、メッキ法、スクリーン印刷法等によりアルミニウム、クロム、銀、金、ニッケル等で配線パターンを形成した後、作製装置２１内のＸＹステージ２１０に設置する。
上記と同様の操作で低熱伝導部セラミックス構造物層１４を厚さ１０μｍで形成するが、形成中３次元構造物形成装置４０のピンがプログラムによりエアロゾルの噴射（粉体ビーム）の一部をカットして、放熱回路基板１まで届くのを阻止し、カット部分には低熱伝導部セラミックス構造物層を形成しないマスクの役割を果たす。従ってこれが約５００μｍ×５００μｍの正方形状のスルーホールとなり、導電性配線１１１をむき出しのままの状態に保つ。また中央部はＩＣチップを設置するためのキャビティ部分も３次元構造物形成装置４０の働きにより、層が形成されない。なお、ピンに粉体ビームが当たる位置は、粉体ビームの直進方向に対し、４５°の傾きを持っているため、ビームはここで直角にそろって進路変更をするため、反射するビームが、直進する粉体ビームを散乱させたり、放熱回路基板１に悪影響を及ぼすことはない。
【００４０】
低熱伝導部セラミックス構造物層１５を形成後に作製装置２１より取り出し、再び導電性配線１１１を配線して作製装置２１内に設置し、同様の操作を行って低熱伝導部セラミックス構造物層１５を形成させる。このようにして作製した多層配線基板３にＩＣチップ１７を接着させ、ワイヤーボンディング１８で導電性配線１１１と導通させて、ＩＣパッケージとする。
【００４１】
【実施例】
（実施例１）
実施例１として、本発明図３とほぼ同様の作製装置を用いてアルミニウムおよびアルミナ基板上に酸化アルミニウムの構造物を１０μｍの厚みで形成した。原料粉末としては平均粒径０．５μｍ、純度９９％upの酸化アルミニウム微粒子を用い、搬送ガスとして窒素を使用し、流量を５Ｌ/minとした。
表２に、基材上に本発明法による酸化アルミナセラミックス構造物の基材との密着力強度を測定した結果を示す。比較例として、各種基材上に比較的容易に厚膜でセラミックス構造物を形成できるプラズマ溶射法にて酸化アルミニウムを約１００μｍの厚みで作製した結果も示した。
【００４２】
【表２】

【００４３】
なお、密着力強度の評価方法としては、図７に示す引き倒し試験法によって行った。引き倒し試験法としては、基材１０上に形成されたセラミックス構造物１１に、φ８ｍｍのステンレス製引き倒し棒５０を、エポキシ樹脂５１で接着し、５０℃の乾燥機中にて２時間の加熱硬化を行った後、プッシュプルバネばかり５２で、引き倒し棒５０を側面方向から引っ張り、セラミックス構造物１１が、基材１０から剥離した時の強度を算出し、次式（１）に代入して密着力Ｆを測定した。
密着力：Ｆ＝［４／（πｒ3）］×ｈ×ｆ（１）
ｈ：側面から引っ張った基材からの高さ
ｒ：引っ張り棒の半径
ｆ：剥離強度
【００４４】
成膜された本発明によるエアロゾルデポジション法では、基材が金属材料については７０Ｍｐａ以上と大きな値を示し、アルミナ基材においても５７Ｍｐａと大きな値を示した。それぞれの値は、比較例で示したプラズマ溶射法と比較にならない値であることから、本発明によるセラミックス構造物の作製方法は、特開平１０−１３４９３８号公報に記載の高熱伝導性セラミックスと低熱伝導性セラミックス及び金属とセラミックス材料といった異種材料間の接合界面で問題となる熱膨張の差や熱歪による割れを抑制することができることから、異種材料を接合し、熱が加わった用途においては、充分適応できる技術であることが明らかになった。
【００４５】
（実施例２）
表３に、本発明におけるセラミックス構造物の耐電圧特性を評価した結果を示す。比較例として、各種作製法によって作製したセラミックス構造物の耐電圧結果も示した。耐電圧の評価方法としては、各種作製方法で作製したセラミックス構造物を、基材ごと針電極の間に挟み込み、電圧を両極間に掛け、絶縁破壊した電圧をそれぞれのセラミックス構造物の厚み（μｍ）で割った値にて表示した。
【００４６】
【表３】

【００４７】
本発明におけるセラミックス構造物は、本発明図３とほぼ同様の作製装置を用いてアルミニウム基板上に酸化アルミニウムの構造物を１０μｍの厚みで形成した。原料粉末としては平均粒径０．５μｍ、純度９９％upの酸化アルミニウム微粒子を用い、搬送ガスとして窒素を使用し、流量を５Ｌ/minとした。比較例として、各種基材上に比較的容易に厚膜でセラミックス構造物を形成できるプラズマ溶射法にて酸化アルミニウムを約１００μｍの厚みで作製した結果及び１７００℃の高温焼成にて作製したアルミナ焼成体を厚さ５００μｍまで研削し作製した結果も示した。
本発明におけるセラミックス構造物は、他の作製方法で作製したものに対して、かなり高い耐電圧特性を示すことから、充分薄い絶縁物を金属放熱基板上に形成できることが期待される。なお，絶縁耐圧が高い薄い絶縁物の形成は、充分な放熱特性が期待できることから、本発明法は、放熱用回路基板作製として最適であると考えられた。
【００４８】
【発明の効果】
以上に説明したように本発明によれば、部分的に高熱伝導性の絶縁材料を有する回路基板を高温プロセスを使用しないで薄く作製できるため、高放熱特性を有しハンダ付け作業性に富んだ回路基板が、低コスト、低消費エネルギーで作製できる。
また、セラミックス基板と裏面側の金属材料とが直接接合しているので、熱伝導率の低い接着層による冷却効率の低下がない。
また、セラミックス基板を極力薄くできるので、冷却効率が向上し、スルーホール内面に導電性コーティングをする必要がない。
また、緻密質のセラミックス基板が得られるので、導電性配線をめっき処理やペースト塗布で施す場合に余剰の成分がポアに残留して短絡するなどの危険性がない。
更に導電性配線をセラミックス基板内（厚さ内）に極力納めることができ、配線の劣化やゴミによる短絡などの危険性がなく、回路の高密度化が容易である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る電子回路基板の縦断面図
【図２】本発明に係る電子回路基板の別の縦断面図
【図３】本発明に係る電子回路基板の製造装置の一例を示す図
【図４】別実施形態に係る電子回路基板の縦断面図
【図５】別実施形態に係る電子回路基板の製造装置の一例を示す図
【図６】３次元構造形成装置の斜視図
【図７】密着強度測定の図
【符号の簡単な説明】
１，２…放熱回路基板、２０，２１…作製装置（エアロゾルデポジション装置）、１０…放熱金属材料基板、１１…高熱伝導部セラミックス構造物層、１２，１４，１５…低熱伝導部セラミックス構造物層、１６…スルーホール、１７…ＩＣチップ、１８…ワイヤーボンディング、４０…３次元構造形成装置、４１…プログラムコントローラ、１１１…導電性配線、２０１…窒素ガスボンベ、２０２…ガス搬送管、２０３…エアロゾル発生器、２０４…エアロゾル発生器、２０５，２０６…エアロゾル搬送管、２０７…形成室、２０８，２０９…ノズル、２１０…ＸＹステージ、２１１…真空ポンプ、２１２，２１３…バルブ[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a heat dissipation circuit board that is applied to a high-power module or the like that is equipped with a CPU or the like and has excellent heat dissipation characteristics, and a method for manufacturing the same.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, as a heat-dissipating circuit board such as a high power module on which a CPU or the like is mounted, JP-A 2000-86368, JP-A 2000-127123, JP-A 2000-269392, or JP-A 2000-353769 is disclosed. As disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 2004-260260, a ceramic substrate bonded with a heat sink made of metal for heat dissipation by a method such as brazing is used. The method for producing the ceramic substrate differs depending on the material used, but it is usually obtained by firing a ceramic fabric formed into a sheet by a powder forming method, a green sheet and a doctor blade method.
[0003]
If electrodes and wiring parts are required, as disclosed in the above publication, a conductive material is placed on the green sheet in advance by paste application, etc., then the green sheets are stacked and compression molded, and then reduced. A method of firing in an atmosphere or forming an electrode or a wiring part on a fired body that has been fired once by screen printing and plating and firing in an atmosphere or a reducing atmosphere is used.
[0004]
In addition, the ceramic substrate and heat sink can be bonded directly to the active metal method using copper or silver brazing material to improve thermal conductivity, or directly using copper and oxygen eutectic points. A direct bonding method (DBC method) or the like is often used.
[0005]
As ceramic materials, aluminum oxide or silicon nitride is excellent because of its excellent insulating properties, strong strength, excellent thermal conductivity, aluminum oxide that does not deteriorate with humidity and temperature changes, and excellent thermal conductivity. Are usually used, but it is most desirable to be made of diamond if no cost problem is considered. In order to produce the thickness by a firing method, the thickness cannot be reduced from the viewpoint of handling properties, and is generally several hundred μm or more.
[0006]
For the heat sink, the above-mentioned copper is excellent in thermal conductivity, inexpensive and frequently used, and aluminum is also used because it is soft, although it is transferred to copper for thermal conductivity.
[0007]
The heat generation of CPU chips is becoming a serious problem year by year as the processing speed increases, and there is a need for a substrate with good heat dissipation characteristics. The material has a high raw material cost, and has poor wettability with metal materials such as Ti, Ni, Cu, Cr, Ag, Pt, and Au used as electrode materials, and it is difficult to solder an IC chip such as a CPU to a substrate. Currently, in order to improve the wettability with the metal material only at the part where the electrode is formed, it is common to apply means for partially oxidizing to form aluminum oxide to improve the metal wettability. In consideration of the complexity of processing, a substrate with good heat dissipation characteristics made of aluminum nitride is expensive and hinders application.
[0008]
[Problems to be solved by the invention]
The above-described method first requires a high temperature of 1000 ° C. or higher in order to produce ceramics, and when a wiring is arranged, an environment of a reducing atmosphere must be given.
[0009]
Also, when a ceramic substrate and a heat sink are joined, a high temperature environment is required, such as 780 ° C. or more for the active metal method and 1050 ° C. or more for the direct joining method. A large stress is generated, causing problems such as cracking of the substrate and warping of the substrate due to residual stress. In addition, the thermal conductivity of the joint may be low, which causes the cooling effect to deteriorate. In addition, many heating processes are complicated, in addition to the problem of energy consumption, which causes high costs.
[0010]
Moreover, although it is possible to form a ceramic layer on the surface of a metal plate by PVD, CVD, etc., not only a high temperature process is required but it is difficult to produce a thick ceramic layer. Further, the thermal spraying method can increase the film thickness, but there are problems in that the film quality is relatively porous and thermal conductivity is inferior to that of the dense film, and a high temperature process is required.
[0011]
More recently, ultrafine particles such as metals and ceramics are aerosolized by gas stirring and accelerated through a minute nozzle to form a green compact layer of ultrafine particles on the substrate surface, which is heated and fired. Gas deposition method (Keishu Seiichiro: Metal January 1989 issue) that forms a coating, and fine particles are charged and accelerated using an electric field gradient. Thereafter, the coating is formed on the same basic principle as the gas deposition method. Electrostatic fine particle coating method (Ikawa et al .: Preprint of the 1978 Fall Meeting of the Japan Society for Precision Mechanics) is also known, but since both involve heating processes, cracking and warping of the substrate as described above. Likely to happen.
[0012]
Further, as prior arts improved from the above-described gas deposition method or electrostatic fine particle coating method, JP-A-8-81774, JP-A-10-202171, JP-A-11-21777, JP-A-11-330577 are disclosed. And those disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2000-212766.
However, these prior arts do not suggest application to a heat dissipation circuit board, and it is impossible to obtain an adhesive having the required adhesion and insulation properties as a circuit board and having a predetermined thickness.
[0013]
[Means for Solving the Problems]
The present invention has been made based on the following findings.
That is, when a mechanical impact force is applied to a brittle material (ceramics) that does not have spreadability, the crystal lattice shifts along the cleaved surface such as the interface between crystallites or is crushed. When these phenomena occur, a new surface is formed on the slipping surface or fracture surface, in which atoms originally present inside and bonded to other atoms are exposed. The part of the atomic layer on the new surface is exposed to an unstable surface state by an external force from a stable atomic bond state, and the surface energy is high. The active surface joins the adjacent brittle material surface, the newly formed brittle material surface, or the substrate surface, and shifts to a stable state. The addition of a continuous mechanical impact force from the outside continuously generates this phenomenon, and the joining is progressed and densified by repeated deformation and crushing of fine particles, thereby forming a brittle material structure.
[0014]
Further, one embodiment of the present invention in which the above-described mechanical impact is caused to collide the brittle material with the base material by the carrier gas is referred to as a fine particle beam deposition method or an aerosol deposition method.
This fine particle beam deposition method is a method developed from the gas deposition method, and is a method of directly forming a polycrystalline structure of a brittle material on a substrate such as a metal. This method transports an aerosol in which fine particles of a brittle material are dispersed in a gas, injects and collides with the surface of the base material at a high speed, crushes and deforms the fine particles, and forms an anchor layer at the interface with the substrate. By joining together the crushed fragment particles, it is possible to obtain a structure having good adhesion to the substrate and high strength.
In addition, this fine particle beam deposition method can easily adjust the formation range of the structure by changing the brittle material dispersed in the gas.
[0015]
The heat dissipation circuit board according to the present invention developed from the above knowledge is directly bonded to the metal heat dissipation board acting as a heat sink without an adhesive layer, and the upper surface of the ceramic structure is A high thermal conductivity portion having a thermal conductivity of 35 W / (m · K) or more and a low thermal conductivity portion having better metal wettability than this high thermal conductivity portion and a thermal conductivity of less than 35 W / (m · K).
[0016]
Here, “directly bonded without an adhesive layer” means that none of an adhesive layer, a brazing layer, or a diffusion layer of ceramic constituent elements by firing is present on the bonded surface.
In addition, the metal wettability said here is a test according to the mechanical performance test (conductor peel strength) of 1988 printed wiring board test method JIS-C5012 standard, Ti, Ni, Cu Even when any metal material such as Cr, Ag, Pt, or Au is used, the adhesion to the copper foil is 1.0 kgf / cm or more, and the metal wettability is poor as Ti, Ni, Cu , Cr, Ag, Pt, or Au, the adhesion with the copper foil is less than 1.0 kgf / cm.
[0017]
As for the material of the ceramic structure, the high heat conduction part is mainly composed of silicon nitride, aluminum nitride, boron nitride or diamond, and the low heat conduction part is mainly composed of aluminum oxide, silicon oxide or zirconium oxide. Can be an ingredient.
As shown in Table 1, all of them have a withstand voltage of 1 kV / mm or more required to ensure insulation, and non-oxide materials such as silicon nitride, aluminum nitride, boron nitride, diamond Since the thermal conductivity is 35 W / (m · K), this high thermal conductivity portion can ensure good thermal conductivity as a heat dissipation circuit board, while the oxide material such as aluminum oxide, oxidation Although silicon and zirconium oxide have a thermal conductivity of less than 35 W / (m · K), they have good metal wettability, and this low thermal conductivity portion can ensure adhesion to the wiring portion.
[0018]
[Table 1]

[0019]
In the present invention, the ceramic structure is made of a polycrystalline brittle material, and there is substantially no grain boundary layer made of a glass layer at the interface between the crystals, and the ceramic substrate and the metal material The interface serves as an anchor portion into which the ceramic structure bites into the metal heat dissipation material.
In addition, conductive wiring is directly formed on the ceramic substrate.
[0020]
The thickness of the ceramic structure is suitably 1 to 1000 μm as a heat dissipation circuit board, and the density is preferably 95% or more.
That is, in the present application, a thin film product having a thickness of 1 μm can be produced without firing, and therefore the circuit board can be further downsized. In addition, a dense thick film having a level of 1000 μm can be created, and a large-area circuit can be designed by forming a multi-layered conductive wiring on the ceramic structure.
[0021]
The method for manufacturing a heat dissipation circuit board according to the present invention causes high-conductivity ceramic brittle material fine particles having a thermal conductivity of 35 W / (m · K) or more to collide with a part of the metal heat dissipation board surface at high speed, Ceramic brittle material fine particles having better metal wettability than the high thermal conductive ceramic brittle material fine particles and thermal conductivity of less than 35 W / (m · K) are collided at high speed with the other part of the metal heat dissipation substrate. By deforming or crushing the brittle material fine particles, and by recombining the fine particles with each other through the active new surface generated by the deformation or crushing, an anchor portion into which the brittle material fine particles bite into the metal heat dissipation substrate surface is formed, A ceramic layer was formed on the anchor portion.
[0022]
In addition, another method of manufacturing a heat dissipation circuit board according to the present invention causes high thermal conductivity ceramic brittle material fine particles having a thermal conductivity of 35 W / (m · K) or more to collide with the metal heat dissipation board surface at high speed. By deforming or crushing the brittle material fine particles by means of this, and recombining the fine particles with each other through an active new surface generated by the deformation or crushing, an anchor portion in which the brittle material fine particles bite into the metal heat dissipation substrate surface is formed. Then, a ceramic layer with high thermal conductivity is formed on the anchor portion, and metal wettability is better than the fine particles of ceramic brittle material with high thermal conductivity on a part of the ceramic layer, and the thermal conductivity is 35 W / (m · K). Less than 1 brittle ceramic fine particles collided at high speed, and this collision caused two kinds of brittle material fine particles to be deformed or crushed. By recombining two kinds of fine particles through an active new surface, a low thermal conductive ceramic layer is formed on a part of the high thermal conductive ceramic layer.
Here, the thermal conductivity of the ceramic brittle material fine particles is a result of measuring the thermal conductivity of a plate-like ceramic fired body made of the same material as the ceramic brittle material fine particles.
[0023]
In order to obtain a ceramic structure having an excellent peel strength and a necessary thickness, it is preferable that the brittle material fine particles are preliminarily applied with internal strain. For the pulverization treatment that distorts the fine particles, it is preferable to use a pulverizing means that can give a large impact for the pulverization of the fine particles. This is because a large strain can be imparted to the fine particles relatively uniformly. As such a pulverizing means, it is preferable to use a vibration mill, an attritor, or a planetary mill that can give a large acceleration of gravity compared to a ball mill often used for pulverizing ceramics. Most preferably, a planetary mill that can provide acceleration is used. Focusing on the state of the fine particles, since the crack cancels the internal strain, the most preferable is the fine particle whose internal strain is increased until just before the crack is generated.
[0024]
In addition, the method of the present invention is characterized in that the ceramic structure is formed in a room temperature environment. Means for causing the brittle material fine particles to collide at high speed can be obtained by using the aerosol in which the brittle material fine particles are dispersed in the gas at high speed. By spraying toward the metal heat dissipation substrate, different types of ceramic structures can be produced on the surface of the metal material with heat dissipation without firing with a thin film having a thickness of 1 μm, and therefore partially desired characteristics. It is possible to make a ceramic insulating structure having a thickness.
For this reason, the substrate produced in the present application is insulated with high thermal conductive ceramics in the part that generates the most heat, and in the substrate with electrodes that require soldering of components such as CPU, the wettability with the metal material for electrodes A good low thermal conductive ceramic can be formed on a discharge metal material in a room temperature environment, and a structure with good adhesion can be formed. Further, since the voltage resistance of the structure is high, the thickness can be reduced. As a result, the heat dissipation board produced in this application can be expected to be applied to a high-power module board that can be mounted with a high-speed arithmetic processing CPU having excellent heat dissipation characteristics and electronic component mounting capability, and can be further reduced in size. .
[0025]
Here, the interpretation of words and phrases important for understanding the present invention is shown below. In this case, polycrystal refers to a structure formed by bonding and accumulating crystallites. The crystallite is essentially one crystal, and its diameter is usually 5 nm or more. However, the case where the fine particles are taken into the brittle material structure without being crushed rarely occurs, but is substantially polycrystalline. In this case, the interface refers to a region that forms a boundary between crystallites. A grain boundary layer is a layer with a certain thickness (usually several nanometers to several micrometers) located at a grain boundary in the interface or sintered body, and usually has an amorphous structure different from the crystal structure in the crystal grains. Depending on the segregation of impurities. In this case, the anchor portion refers to the unevenness formed at the interface between the base material and the brittle material structure.In particular, the anchor portion is not formed in advance on the base material, but at the time of forming the brittle material structure. It means the unevenness formed by changing the surface accuracy of the substrate. Internal strain is the lattice strain contained in raw material fine particles, and is a value calculated using the Hall method in X-ray diffraction measurement. The deviation is displayed as a percentage based on a standard material that has sufficiently annealed the fine particles. It is the value.
[0026]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Below, the form for implementing this invention is demonstrated.
1 and 2 are sectional views of heat

dissipation circuit boards

1 and 2 as one embodiment. FIG. 3 shows a schematic diagram of a production apparatus 20 (aerosol deposition apparatus) used to achieve this embodiment. The heat dissipating circuit board 1 is a heat dissipating circuit board having a structure in which a high heat conducting portion ceramic structure layer 11 and a low heat conducting portion ceramic structure layer 12 are directly and continuously joined to a desired position on a heat dissipating metal material substrate 10. . As the heat dissipating circuit board 2, first, the high heat conduction part ceramic structure layer 11 is formed on the heat dissipating metal material substrate 10, and then the low heat conduction part ceramic structure layer 12 is continuously formed at a desired position. In other words, the heat dissipation circuit board has a laminated structure formed by direct bonding.
As the ceramic structure of the high heat conduction part, at least one kind of main component is silicon nitride, aluminum nitride, boron nitride, diamond or the like, and the ceramic structure of the low heat conduction part is aluminum oxide. , Silicon oxide, zirconium oxide or the like as a main component.
[0027]
The production apparatus 20 includes an aerosol generator 203 containing high-conductivity ceramic fine particles in which a nitrogen gas cylinder 201 is preliminarily applied with strain by mill crushing via a gas transport pipe 202, and an aerosol generator containing low-conductivity ceramic fine particles. 204, and installed in the forming chamber 207 via the

aerosol transport pipes

205 and 206. Each of the aerosol transport pipes is provided with

valves

212 and 213 so that the generation of the aerosol can be controlled. It is connected to

nozzles

208 and 209 having 0.4 mm wide and 10 mm wide openings. The heat dissipating metal material substrate 10 installed on the XY stage 210 is disposed at the tip of the

nozzles

208 and 209. The formation chamber 207 is connected to the vacuum pump 211. The surface of the heat dissipation metal material substrate 10 is processed into a flat surface.
[0028]
A procedure for manufacturing the heat dissipation circuit board 1 by the manufacturing apparatus 20 having the above configuration will be described below. First, in order to form the high thermal conductive portion ceramic structure layer 11 on the heat dissipating metal material substrate 10, the nitrogen gas cylinder 201 is opened, and the nitrogen gas is introduced into the aerosol generator 203 through the transfer pipe 202 and contains aluminum nitride fine particles. Generate aerosol. Next, the valve 212 is opened, and the generated aerosol is sent to the nozzle 208 installed in the film forming chamber 207 through the transport pipe 205 and ejected at a high speed from the opening of the nozzle 208. At this time, the inside of the formation chamber 207 is placed in a reduced pressure environment of several kPa by the operation of the vacuum pump 211.
[0029]
High heat conductive ceramic fine particles collide with the heat dissipating metal material substrate 10 disposed at the tip of the nozzle 208 at a high speed, and the particles are deformed and crushed by the kinetic energy, and some of them bite into the heat dissipating metal material substrate 10. An anchor layer is formed, and fine fragment particles, which are partly crushed on the anchor layer, are joined to each other through the newly formed surface, and this is repeated to form a dense high heat conduction portion on the heat dissipation metal material substrate 10. The ceramic structure layer 11 is formed. The heat dissipating metal material substrate 10 is swung by the XY stage 210, and the low heat conduction part ceramic structure layer 12 is formed in a desired area, and the high heat conduction part ceramic structure layer 11 of about 10 μm is formed on the heat dissipating metal material substrate 10. (Aluminum nitride) was obtained. All these processes were performed at room temperature.
[0030]
Subsequently, in order to form the low thermal conductivity ceramic structure layer 12 with good solderability, the valve 212 is closed once to stop the generation of the aerosol containing the highly conductive ceramic fine particles. Next, in order to generate the aerosol containing the low-conductivity ceramic fine particles, nitrogen gas is introduced into the aerosol generator 204 containing the low-conductivity ceramic fine particles through the transport pipe 202, and the low-conductivity ceramic fine particles are generated. The generated low-conductivity ceramic aerosol is sent to the nozzle 209 installed in the film forming chamber 207 through the transfer pipe 206 through the opened valve 213. The aerosol ejected from the opening of the nozzle 209 is ejected at a high speed by the operation of the vacuum pump 211, and the inside of the formation chamber 207 is placed in a reduced pressure environment of several kPa.
[0031]
The heat dissipating metal material substrate 10 is swung by the XY stage 210, and the low thermal conduction part ceramic structure layer 12 can be formed in a desired area in a desired area. For example, aiming at the part where the high heat conduction part ceramic structure layer 11 is not formed on the heat dissipation metal material substrate 10 on which the high heat conduction part ceramic structure layer 11 disposed at the tip of the nozzle 209 is formed, It is possible to form the low thermal conduction part ceramic structure layer 12. In this case, if accurate patterning is necessary, it is also effective to provide a metal shielding plate 13 between the nozzle and the heat-dissipating metal material substrate on which the film is formed to partially form a brittle material. . Furthermore, in the method of forming a substrate in the same chamber using at least one nozzle for injecting aerosol as a means for causing the brittle material fine particles to collide at high speed, a ceramic structure can be formed quickly and efficiently. So it is a very effective method.
[0032]
Regarding the mechanism of these formations, the low-conductivity ceramic fine particles collide at high speed, and the particles are deformed and crushed by the kinetic energy, and some of them bite into the copper substrate 10 as described above. An anchor layer is formed, and fine fragment particles partially formed on the anchor layer are joined to each other through the newly formed surface, and this is repeated to form a dense low heat conduction portion on the heat dissipation metal material substrate 10. The ceramic structure layer 12 is formed. These processes are all performed at room temperature.
[0033]
In the manufacturing method of the present application, by using the XY stage 210, it is possible to form a partial film-forming body aiming at a film-formed part, a part not to be formed, and the like. As shown in FIG. 2, a laminated substrate can be manufactured.
[0034]
The heat dissipation circuit board 1 thus obtained is formed at room temperature, with the heat dissipation metal material substrate 10, the high thermal conduction part ceramic structure layer 11 and the low thermal conduction part ceramic structure layer 12 firmly bonded. Therefore, there is little residual stress generated between the metal and the ceramic layer. The surface after formation has a surface roughness of about Ra = 0.18 μm. However, this surface may be polished, or it may be used as it is in consideration of adhesion to the electrode in a later step. It is.
[0035]
In addition, since the ceramic structure obtained by this method is dense, the high thermal conductivity ceramic structure layer 11 (aluminum nitride layer) and the low thermal conductivity ceramic structure layer having a dielectric breakdown voltage value of 100 V / μm or more. Since 12 (aluminum oxide layer) is formed with a thickness of about 10 μm, even if the heat-dissipating metal material substrate 10 is used as a ground, it has a withstand voltage of 1000 V or more and there is no problem in application to a circuit board.
[0036]
FIG. 4 is a cross-sectional view of a multilayer wiring board 3 in which an IC chip is inserted and packaged using the heat dissipation circuit board 1. FIG. 5 is a schematic view showing a part of the manufacturing apparatus 21 used for forming the ceramic substrate portion of the multilayer wiring board 3, and is based on the manufacturing apparatus 20, but the three-dimensional structure forming apparatus 40 is installed in the nozzle 209. And connected to the program controller 41.
[0037]
FIG. 6 is a perspective view of the three-dimensional structure forming apparatus, which has a structure in which a large number of movable 500 μm-wide pins that reach the tip of the nozzle opening are arranged, and the program is operated in synchronization with the XY stage.
[0038]
The structure of the multilayer wiring board 3 is such that a high thermal conduction part ceramic structure layer 11 and a low thermal conduction part ceramic structure layer 12 are arranged on the surface of the heat dissipation metal substrate 10, and a conductive wiring 111 that draws a pattern on the surface is arranged. The low thermal conductive portion ceramic structure layers 14 and 15 are disposed thereon. The conductive wiring 111 also passes between these layers. That is, the conductive wiring has a three-dimensional solid wiring structure. In addition, the low thermal conduction ceramic structure layers 14 and 15 are provided with through holes 16 in various places, and the conductive wiring 111 is viewed from here. An IC chip 17 is disposed on the ceramic structure layer 11 of the high heat conduction portion and is in contact with the conductive wiring 111 and the wire bonding 18.
[0039]
A method for producing the multilayer wiring board 3 will be described next. The heat dissipating metal material substrate 10 is placed on the XY stage 210 in the manufacturing apparatus 21. First, in order to improve the heat dissipation characteristics of the IC chip, the high thermal conductivity ceramic structure layer 11 is swung to a desired size by swinging the XY stage. Then, it is formed with a thickness of about 10 μm on the surface of the heat dissipating metal material substrate 10 at a desired location. Next, since soldering is necessary for the portion where wiring with the conductive wiring is required, the low thermal conductive portion ceramic structure layer 12 having good metal wettability is formed in a desired size at a desired location. And formed on the heat dissipating metal material substrate 10 and the high thermal conductivity ceramic structure layer 11.
Masking not shown in the figure is performed on the heat dissipation circuit board 1 in which the high heat conduction portion ceramic structure layer 11 and the low heat conduction portion ceramic structure layer 12 are formed on the heat dissipation metal material substrate 10 described above, and vacuum deposition, A wiring pattern is formed with aluminum, chromium, silver, gold, nickel, or the like by sputtering, CVD, plating, screen printing, or the like, and then placed on the XY stage 210 in the manufacturing apparatus 21.
The low thermal conduction part ceramic structure layer 14 is formed with a thickness of 10 μm by the same operation as described above, but the pin of the three-dimensional structure forming device 40 is partially cut by the program during aerosol formation (powder beam). Thus, it reaches the heat dissipation circuit board 1 and functions as a mask that does not form the low thermal conductivity ceramic structure layer in the cut portion. Therefore, this becomes a square through hole of about 500 μm × 500 μm, and the conductive wiring 111 is kept exposed. In the central part, the cavity part for installing the IC chip is not formed by the function of the three-dimensional structure forming apparatus 40. Since the position where the powder beam hits the pin has an inclination of 45 ° with respect to the straight direction of the powder beam, the beam changes its course at right angles, so the reflected beam is It does not scatter the powder beam that travels straight or adversely affect the heat dissipation circuit board 1.
[0040]
After forming the low thermal conduction part ceramic structure layer 15, it is taken out from the production apparatus 21, and the conductive wiring 111 is again wired and installed in the production apparatus 21, and the same operation is performed to form the low thermal conduction part ceramic structure layer 15. Let The IC chip 17 is bonded to the multilayer wiring board 3 manufactured as described above, and is electrically connected to the conductive wiring 111 by wire bonding 18 to obtain an IC package.
[0041]
【Example】
Example 1
As Example 1, an aluminum oxide structure having a thickness of 10 μm was formed on an aluminum and alumina substrate using a manufacturing apparatus substantially similar to that shown in FIG. As the raw material powder, aluminum oxide fine particles having an average particle diameter of 0.5 μm and a purity of 99% up were used, nitrogen was used as a carrier gas, and the flow rate was 5 L / min.
Table 2 shows the results of measuring the strength of adhesion of the alumina oxide ceramic structure according to the present invention to the base material on the base material. As a comparative example, the results of producing aluminum oxide with a thickness of about 100 μm by a plasma spraying method capable of forming a ceramic structure with a thick film on various substrates relatively easily are also shown.
[0042]
[Table 2]

[0043]
In addition, as an evaluation method of the adhesion strength, the pulling test method shown in FIG. 7 was used. As a pulling test method, a φ8 mm stainless steel pulling rod 50 is bonded to the ceramic structure 11 formed on the substrate 10 with an epoxy resin 51 and heated in a dryer at 50 ° C. for 2 hours. After hardening, the push-pull spring 52 is used to pull the pulling rod 50 from the side surface direction, calculate the strength when the ceramic structure 11 peels from the substrate 10, and substitute it into the following equation (1). The adhesion force F was measured.
Adhesion force: F = [4 / (πr3)] × h × f (1)
h: Height from the substrate pulled from the side
r: radius of the pull bar
f: Peel strength
[0044]
In the deposited aerosol deposition method according to the present invention, the base material showed a large value of 70 Mpa or more for the metal material, and the alumina base material also showed a large value of 57 Mpa. Since each value is a value that cannot be compared with the plasma spraying method shown in the comparative example, the method for producing a ceramic structure according to the present invention is the same as that of the high thermal conductive ceramic described in JP-A-10-134938. In applications where dissimilar materials are joined and heat is applied, it is possible to suppress thermal expansion differences and cracking due to thermal strain, which are problematic at the joint interface between dissimilar materials such as conductive ceramics and metals. It became clear that the technology can be applied sufficiently.
[0045]
(Example 2)
Table 3 shows the results of evaluating the withstand voltage characteristics of the ceramic structure according to the present invention. As a comparative example, the dielectric strength results of ceramic structures produced by various production methods are also shown. As a method for evaluating withstand voltage, ceramic structures prepared by various manufacturing methods are sandwiched between needle electrodes together with the base material, voltage is applied between both electrodes, and the dielectric breakdown voltage is applied to the thickness of each ceramic structure (μm ) Divided by the value.
[0046]
[Table 3]

[0047]
In the ceramic structure of the present invention, an aluminum oxide structure having a thickness of 10 μm was formed on an aluminum substrate using a manufacturing apparatus substantially similar to that of FIG. As the raw material powder, aluminum oxide fine particles having an average particle diameter of 0.5 μm and a purity of 99% up were used, nitrogen was used as a carrier gas, and the flow rate was 5 L / min. As a comparative example, the result of producing aluminum oxide with a thickness of about 100 μm by a plasma spraying method capable of forming a ceramic structure with a thick film relatively easily on various substrates and alumina firing produced by high-temperature firing at 1700 ° C. The results of grinding the body to a thickness of 500 μm were also shown.
Since the ceramic structure in the present invention exhibits a considerably high withstand voltage characteristic compared to those produced by other production methods, it is expected that a sufficiently thin insulator can be formed on the metal heat dissipation substrate. It should be noted that the formation of a thin insulator having a high withstand voltage can be expected to have a sufficient heat dissipation characteristic, so that the method of the present invention was considered to be optimal for manufacturing a circuit board for heat dissipation.
[0048]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, a circuit board partially having a high thermal conductivity insulating material can be made thin without using a high-temperature process, so that it has high heat dissipation characteristics and abundant soldering workability. A circuit board can be manufactured at low cost and low energy consumption.
Further, since the ceramic substrate and the metal material on the back side are directly bonded, there is no decrease in cooling efficiency due to the adhesive layer having low thermal conductivity.
Further, since the ceramic substrate can be made as thin as possible, the cooling efficiency is improved, and there is no need to provide a conductive coating on the inner surface of the through hole.
In addition, since a dense ceramic substrate can be obtained, there is no danger of excess components remaining in the pores and short-circuiting when the conductive wiring is applied by plating or paste application.
Furthermore, the conductive wiring can be accommodated in the ceramic substrate (within the thickness) as much as possible, and there is no danger such as deterioration of the wiring or short circuit due to dust, and the circuit can be easily densified.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a longitudinal sectional view of an electronic circuit board according to the present invention.
FIG. 2 is another longitudinal sectional view of the electronic circuit board according to the present invention.
FIG. 3 is a diagram showing an example of an electronic circuit board manufacturing apparatus according to the present invention.
FIG. 4 is a longitudinal sectional view of an electronic circuit board according to another embodiment.
FIG. 5 is a diagram showing an example of an electronic circuit board manufacturing apparatus according to another embodiment.
FIG. 6 is a perspective view of a three-dimensional structure forming apparatus.
[Fig. 7] Diagram of adhesion strength measurement
[Brief description of symbols]
DESCRIPTION OF

SYMBOLS

1,2 ... Radiation circuit board, 20, 21 ... Preparation apparatus (aerosol deposition apparatus), 10 ... Radiation metal material board, 11 ... High heat conduction part ceramic structure layer, 12, 14, 15 ... Low heat conduction part ceramic structure Layer: 16 ... Through hole, 17 ... IC chip, 18 ... Wire bonding, 40 ... 3D structure forming device, 41 ... Program controller, 111 ... Conductive wiring, 201 ... Nitrogen gas cylinder, 202 ... Gas transport pipe, 203 ... Aerosol Generator 204 ... Aerosol generator 205,206 ... Aerosol carrier tube 207 ... Forming chamber 208,209 ... Nozzle 210 ... XY stage 211 ... Vacuum pump 212,213 ... Valve

Claims

A heat dissipation circuit board having a ceramic structure on an upper surface of a metal heat dissipation board, wherein the ceramic structure is directly bonded to the metal heat dissipation board without an adhesive layer, and the ceramic structure is a polycrystalline brittle material And there is no grain boundary layer made of a glass layer at the interface between the crystals, and the interface between the ceramic structure and the metal heat dissipation substrate serves as an anchor portion for the brittle material to bite into the metal material. In addition, the upper surface of the ceramic structure has a high thermal conductivity portion with a thermal conductivity of 35 W / (m · K) or more, and better metal wettability than this high thermal conductivity portion, and a thermal conductivity of 35 W / (m · K). ) And a low heat conduction part, and further, conductive wiring is directly formed on the ceramic structure .

2. The heat dissipation circuit board according to claim 1, wherein the material of the ceramic structure of the high thermal conductivity portion is any one of silicon nitride, aluminum nitride, boron nitride, and diamond.

2. The heat dissipation circuit board according to claim 1, wherein the material of the ceramic structure of the low thermal conductivity portion is any one of aluminum oxide, silicon oxide, and zirconium oxide.

In heat dissipation circuit board according to any one of claims 1 to 3, the heat dissipation circuit board the thickness of the ceramic structure is characterized in that it is a 1 to 1000 m.

In heat dissipation circuit board according to any one of claims 1 to 4, the heat dissipation circuit board, characterized in that the density of the ceramic structure is a relative density of 95% or more.

Highly conductive ceramic brittle material fine particles having a thermal conductivity of 35 W / (m · K) or higher collide with a part of the surface of the metal heat dissipation board at high speed, and the high thermal conductivity ceramic brittleness on the other part of the metal heat dissipation board. Ceramic brittle material fine particles having better metal wettability than material fine particles and thermal conductivity of less than 35 W / (m · K) are collided at high speed, and the ceramic brittle material fine particles are deformed or crushed by this collision. By recombining the fine particles with each other through the newly formed active surface, an anchor portion into which the brittle material fine particles bite is formed on the surface of the metal heat dissipation substrate, and a ceramic layer is formed on the anchor portion. A method for forming a heat dissipation circuit board.

Highly conductive ceramic brittle material fine particles having a thermal conductivity of 35 W / (m · K) or more are collided with the metal heat dissipation substrate surface at high speed, and the brittle material fine particles are deformed or crushed by this collision. By recombining the fine particles with each other through the newly formed active surface, an anchor portion into which the brittle material fine particles bite is formed on the surface of the metal heat dissipation substrate, and a ceramic layer having high thermal conductivity is formed on the anchor portion. The ceramic brittle material fine particles having better metal wettability than that of the high thermal conductive ceramic brittle material fine particles and having a thermal conductivity of less than 35 W / (m · K) are collided at a high speed to a part of the ceramic layer. Two kinds of fine particles are deformed or crushed, and two kinds of fine particles are recombined with each other through an active new surface generated by the deformation or crushing. By Mel, the method of forming the heat dissipating circuit board and forming a ceramic layer of low thermal conductivity in a portion of the ceramic layer of high thermal conductivity.

8. The method of forming a heat dissipation circuit board according to claim 6 or 7 , wherein the ceramic layer is formed in a room temperature environment.

9. The method of forming a heat dissipation circuit board according to claim 8 , wherein the means for causing the brittle material fine particles to collide at high speed is to spray an aerosol in which the brittle material fine particles are dispersed in the gas toward the metal material at high speed. A method of forming a heat dissipation circuit board characterized by the above.