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JP5585649B2 - 金属ベース基板およびその製造方法 - Google Patents

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JP5585649B2 JP2012508230A JP2012508230A JP5585649B2 JP 5585649 B2 JP5585649 B2 JP 5585649B2 JP 2012508230 A JP2012508230 A JP 2012508230A JP 2012508230 A JP2012508230 A JP 2012508230A JP 5585649 B2 JP5585649 B2 JP 5585649B2
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祐貴 武森
哲雄 金森
安隆 杉本
隆裕 高田
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    • C04B2237/50—Processing aspects relating to ceramic laminates or to the joining of ceramic articles with other articles by heating
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Description

この発明は、半導体素子などを実装しながら放熱機能をも与える金属ベース基板およびその製造方法に関するもので、特に、低温焼結セラミック材料を用いて構成されたセラミック層と金属板とを組み合わせた金属ベース基板およびその製造方法に関するものである。
金属ベース基板は、比較的高い放熱機能を有しており、たとえば半導体素子のような放熱を必要とする電子部品を実装するために有利に用いられている。このような金属ベース基板において、金属板と組み合わせる基板層を構成する材料として、セラミック材料が用いられている。
たとえば低温焼結セラミック材料は、１０５０℃以下の温度で焼結可能なセラミック材料である。したがって、低温焼結セラミック材料を用いて構成されたセラミック層を金属板上に形成した金属ベース基板であれば、それほど高い融点を有する金属からなる金属板を用いなくても、生の低温焼結セラミック層と金属板とを一括焼成して得ることができる。
しかし、上述のような金属ベース基板の場合、焼成時に低温焼結セラミック層と金属板とが剥離しないようにすることが重要な課題となる。そのため、低温焼結セラミック層と金属板との間に、接合ガラス層を形成することが行なわれている。たとえば、特開平５−２７０９３４号公報（特許文献１）、特表平１１−５１４６２７号公報（特許文献２）、および特表平１１−５１１７１９号公報（特許文献３）には、金属板上に接合ガラス層を形成し、その上に低温焼結セラミック層を形成して一括焼成して得られる、金属ベース基板に関する発明が開示されている。
上記の従来技術の構成では、金属板と低温焼結セラミック層との間に接合ガラス層を予め形成しておく必要がある。このように接合ガラス層を予め形成する場合、金属板と低温焼結セラミック層とを結合するためには、接合ガラス層は厚く形成されなければならず、たとえば、特許文献１では約２５μｍ、特許文献２では約３５μｍの厚みの接合ガラス層が形成されると記載されている。なお、特許文献３には具体的な厚みの開示がない。
一方、このような接合ガラス層は、接合材として機能することを目的としたものであるため、撓み強度の観点からは非常に弱い層となる。
その上、前述のように、接合ガラス層が厚いとなると、撓みによって、益々クラックが生じやすくなる。なぜなら、接合ガラス層が撓んだとき、接合ガラス層が厚くなるほど、接合ガラス層の一方主面側で生じる応力と他方主面側で生じる応力との差がより大きくなるためである。
また、従来技術では、接合ガラス層を金属板に形成するために焼き付ける工程と、その上に低温焼結セラミックグリーン層を形成してから焼成する工程といった、２度の焼成工程が必要になり、工程が煩雑であり、また、加熱のためのエネルギーも多く必要とする。
特開平５−２７０９３４号公報 特表平１１−５１４６２７号公報 特表平１１−５１１７１９号公報
そこで、この発明の目的は、上述したような問題を解決し得る金属ベース基板およびその製造方法を提供しようとすることである。
この発明は、金属板と、金属板の上に形成されたガラス層と、ガラス層の上に形成された低温焼結セラミック層とを備える、金属ベース基板にまず向けられるものであって、上述した技術的課題を解決するため、金属板が少なくとも表面にＣｕ成分を含み、ガラス層がＣｕ−Ｂａ−Ｓｉ系のガラスからなり、ガラス層の厚みが１〜５μｍであり、低温焼結セラミック層が、バリウムをＢａＯ換算で１０〜４０モル％およびケイ素をＳｉＯ ２ 換算で４０〜８０モル％含むことを特徴としている。
この発明は、また、金属ベース基板の製造方法にも向けられる。この発明に係る金属ベース基板の製造方法は、少なくとも表面にＣｕ成分を含む金属板を準備する工程と、金属板の表面上に、バリウムをＢａＯ換算で１０〜４０モル％およびケイ素をＳｉＯ２換算で４０〜８０モル％含む低温焼結セラミック材料を含む、低温焼結セラミックグリーン層を積層することによって、生の積層体を作製する工程と、この生の積層体を、低温焼結セラミックグリーン層が焼結する温度で焼成する工程とを備え、この焼成工程の結果、低温焼結セラミックグリーン層が焼結して得られた低温焼結セラミック層と金属板との間に、厚み１〜５μｍのガラス層が形成されることを特徴としている。
この発明に係る金属ベース基板によれば、強度の比較的低いガラス層が薄いため、撓み強度が高くなり、よって、ガラス層にクラックが生じにくくなる。
また、この発明に係る金属ベース基板の製造方法によれば、予め別に形成される接合ガラス層を介することなく、金属板の上に、直接、低温焼結セラミックグリーン層を形成して焼成することにより、金属板と低温焼結セラミック層との間にガラス層が形成されることができ、このガラス層によって、金属板と低温焼結セラミック層とが接合される。このガラス層は、前述したように、１〜５μｍの範囲の厚みとなる。
この発明に係る金属ベース基板において、ガラス層が、金属板の少なくとも表面の成分と低温焼結セラミック層の成分との少なくとも一部からなると、ガラス層の組成が低温焼結セラミック層の組成とほぼ同じであるため、界面でクラックがより入りにくくなる。
この発明の一実施形態による金属ベース基板を備える電子部品装置を示す断面図である。
図１を参照して、まず、この発明の一実施形態による金属ベース基板を備える電子部品装置について説明する。
図１に示した電子部品装置１１は、金属ベース基板１２と、その上に実装される半導体素子１３とを備えている。
金属ベース基板１２は、金属板１４と、金属板１４の上に形成されたガラス層２２と、ガラス層２２の上に形成された低温焼結セラミック層１５とを備え、さらに拘束層１６を備えている。ここで、金属板１４は、ガラス層２２を介して、低温焼結セラミック層１５に接合されている。また、低温焼結セラミック層１５と拘束層１６とは交互に積層され、最上層は拘束層１６によって与えられている。なお、最上層は低温焼結セラミック層１５によって与えられてもよい。
低温焼結セラミック層１５は、拘束層１６より厚い。後述する製造方法の説明から明らかになるように、低温焼結セラミック層１５は低温焼結セラミック材料の焼結体からなる。他方、拘束層１６は、上記低温焼結セラミック材料の焼結温度では焼結しない難焼結性セラミック材料を含むが、焼成時において、低温焼結セラミック層１５に含まれていた低温焼結セラミック材料の一部が拘束層１６へと流動することによって、難焼結性セラミック材料が固化され、緻密化されている。
ガラス層２２は、１〜５μｍの厚みを有している。
金属ベース基板１２における低温焼結セラミック層１５および拘束層１６によって構成される積層体部分１７には、回路パターンが形成される。図１では、いくつかの回路パターンの図示を省略しているが、半導体素子１３に関連して、たとえば、いくつかの表面導体１８、いくつかの層間接続導体１９、およびいくつかの面内配線導体２０が形成されている。また、表面導体１８の特定のものと半導体素子１３とは、ボンディングワイヤ２１によって電気的に接続されている。
使用状態において、半導体素子１３において発生した熱は、積層体部分１７を介して金属板１４に伝導され、金属板１４から放熱される。
好ましくは、ガラス層２２は、金属板１４の成分と低温焼結セラミック層１５の成分とのみからなる。より具体的には、金属板１４が銅板である場合のようにＣｕ成分を含む場合、ガラス層２２は、Ｃｕ−Ｂａ−Ｓｉ系のガラスからなり、低温焼結セラミック層１５は、バリウムをＢａＯ換算で１０〜４０モル％およびケイ素をＳｉＯ２換算で４０〜８０モル％含む。
なお、金属板１４に含まれる成分については、後述する製造方法の説明からわかるように、金属板１４の表面の成分がガラス層２２の成分に影響を及ぼすものであるので、金属板１４全体が均一の材料から構成される必要はない。たとえば、金属板１４の表面がＣｕ成分を含むようにしたい場合、銅板以外の金属板の表面に銅板を張り合わせたものや、銅めっきを施したもののように、表面のみにおいてＣｕ成分を含むものであってもよい。
また、ガラス層２２は、フィラーを含まない方が好ましい。金属板１４と低温焼結セラミック層１５との接合強度が高くなるからである。フィラーを含むと撓み強度を向上させることができるが、ガラス層２２は厚みを１〜５μｍと薄くすることによって撓み強度を向上させているため、撓み強度を向上させる目的でフィラーを含ませる必要性は低いからである。
このような電子部品装置１１において用いられる、金属ベース基板１２は、好ましくは、次のようにして製造される。
まず、金属板１４が用意されるとともに、低温焼結セラミック材料を含む低温焼結セラミックスラリーと、この低温焼結セラミック材料の焼結温度では焼結しない難焼結性セラミック材料を含む難焼結性セラミックスラリーとがそれぞれ用意される。ここで、金属板１４としては、少なくとも表面にＣｕ成分を含むものが用意される。また、低温焼結セラミック材料としては、バリウムをＢａＯ換算で１０〜４０モル％およびケイ素をＳｉＯ２換算で４０〜８０モル％含むものが用いられる。
次に、金属板１４の上に、低温焼結セラミックスラリーからなる低温焼結セラミックグリーン層および難焼結性セラミックスラリーからなる難焼結性セラミックグリーン層が積層され、それによって、金属ベース基板１２の焼成前の状態に相当する生の積層体が得られる。ここで、低温焼結セラミックグリーン層は低温焼結セラミック層１５となるべきものであり、難焼結性セラミックグリーン層は拘束層１６となるべきものである。また、前述した表面導体１８、層間接続導体１９および面内配線導体２０が、必要に応じて、特定のセラミックグリーン層に設けられる。
上述の工程を実施するにあたり、好ましくは、低温焼結セラミックスラリーをシート状に成形して得られたセラミックグリーンシート上で、難焼結性セラミックスラリーをシート状に成形することによって、低温焼結セラミックグリーン層と難焼結性セラミックグリーン層とが重ね合わされた複合グリーンシートを得た上で、この複合グリーンシートを金属板１４上に必要枚数積層し、圧着することが行なわれる。
なお、上記方法に代えて、低温焼結セラミックスラリーを成形して得られた低温焼結セラミックグリーンシートと、難焼結性セラミックスラリーを形成して得られた難焼結性セラミックグリーンシートとを、金属板１４上で、交互に積層してもよい。あるいは、低温焼結セラミックグリーンシート上で、難焼結性セラミックグリーン層の成形と低温焼結セラミックグリーン層の成形とを繰り返してもよい。
次に、金属板１４ならびに低温焼結セラミックグリーン層および難焼結性セラミックグリーン層を備える生の積層体を一括焼成する工程が実施される。この焼成工程において、低温焼結セラミックグリーン層に含まれている低温焼結セラミック材料は焼結し、低温焼結セラミック層１５となる。また、この低温焼結セラミック材料の一部は、難焼結性セラミックグリーン層へと流動し、難焼結性セラミックグリーン層に含まれる難焼結性セラミック材料を固化し、難焼結性セラミックグリーン層を緻密化させ、拘束層１６となる。
上記難焼結性セラミックグリーン層は、焼成工程において、平面方向へは実質的に収縮しないため、低温焼結セラミックグリーン層の平面方向での収縮を抑制するように作用する。したがって、金属板１４の上の低温焼結セラミックグリーン層および難焼結性セラミックグリーン層からなる積層体部分全体の平面方向での収縮が有利に抑制される。
このようにして得られた金属ベース基板１２において、金属板１４と低温焼結セラミック層１５との間に厚み１〜５μｍのガラス層２２が形成され、このガラス層２２によって、金属板１４と低温焼結セラミック層１５との間で良好な接合状態が達成される。
前述したように、低温焼結セラミック層１５は、バリウムをＢａＯ換算で１０〜４０モル％およびケイ素をＳｉＯ２換算で４０〜８０モル％含んでいる。他方、金属板１４は、少なくとも表面にＣｕ成分を含んでいる。ガラス層２２は、金属板１４と低温焼結セラミック層１５との間に生じた反応層に由来するものであるので、金属板１４の少なくとも表面の成分と低温焼結セラミック層１５の成分との少なくとも一部からなり、したがって、この実施形態では、Ｃｕ−Ｂａ−Ｓｉ系のガラスからなる。なお、ガラス層２２には、拘束層１６の成分が含まれていてもよい。
以上説明した実施形態では、金属板１４の上に形成される低温焼結セラミック層１５が、複数の低温焼結セラミック層１５と拘束層１６とを交互に積層した積層体部分１７の一部を構成するものであったが、金属板の上に低温焼結セラミック層のみが形成された構造を有する金属ベース基板に対しても、この発明を適用することができる。
次に、この発明に基づいて実施した実験例について説明する。
［実験例１］
１．複合グリーンシートの作製
ＢａＣＯ３、Ａｌ２Ｏ３、およびＳｉＯ２（クオーツ）の各粉末を用意し、これらを混合した混合粉末を８４０℃の温度で１２０分間仮焼することによって、原料粉末を作製し、この原料粉末およびＭｎＣＯ３粉末を、分散剤が添加された有機溶剤中で混合し、後に樹脂および可塑剤を添加してさらに混合して、低温焼結セラミック材料を含む低温焼結セラミックスラリーを得た。
この低温焼結セラミックスラリーに含まれる無機固形分の組成比率が表１に示されている。表１において、ＢａＣＯ３はＢａＯ換算で、ＭｎＣＯ３はＭｎＯ換算で示されている。
Figure 0005585649
次に、低温焼結セラミックスラリーを脱泡した後、ドクターブレード法により、厚み４０μｍの低温焼結セラミックグリーン層となるべきセラミックグリーンシートを作製した。
他方、ＳｉＯ２：５５．０モル％、ＢａＯ：２０．０モル％、ＭｇＯ：０．５モル％、ＣａＯ：５．５モル％、Ａｌ２Ｏ３：４．０モル％、Ｂ２Ｏ３：１０．０モル％、およびＬｉ２Ｏ：５．０モル％からなるガラス粉末とＡｌ２Ｏ３粉末とを、４０重量部：６０重量部の比率で、分散剤が添加された有機溶剤中で混合し、後に樹脂および可塑剤を添加してさらに混合して、難焼結性セラミック材料を含む難焼結性セラミックスラリーを得た。
次に、難焼結性セラミックスラリーを脱泡した後、前述したセラミックグリーンシート上で、ドクターブレード法により、厚み４．０μｍをもってシート状に成形した。このようにして、上記セラミックグリーンシートによって与えられた低温焼結セラミックグリーン層と、難焼結性セラミックスラリーから成形された難焼結性セラミックグリーン層とが重ね合わされた複合グリーンシートを得た。
なお、上記難焼結性セラミックスラリーを単独で成形して得られたセラミック成形体は、後述する焼成条件で焼成しても、焼結しないことが確認されている。
２．評価用試料の作製
（１）第１の評価用試料
平面寸法３０ｍｍ□、厚み０．８ｍｍの純銅からなる銅板の両面に、上記複合グリーンシートを１０枚ずつ積層し、温度８０℃、圧力８０ｋｇｆ／ｃｍ２の条件で３００秒間プレスし、未焼成の第１の評価用試料を作製した。ここで、銅板には、複合グリーンシートの低温焼結セラミックグリーン層側が接し、この評価用試料の両主面には、難焼結性セラミックグリーン層が露出するように積層した。
次に、上記未焼成の第１の評価用試料を、窒素中性雰囲気で脱脂した後、窒素／水素還元性雰囲気において、表２の「焼成温度」の欄に示すトップ温度で焼成し、第１の評価用試料を得た。
（２）第２の評価用試料
上記第１の評価用試料の作製途中の複合グリーンシートの積層段階において、銅板側から７層目および８層目の複合グリーンシートとして、コンデンサを構成するように銅ペーストを用いて平面寸法４ｍｍ□の導体パターンを互いに同じ位置に形成した複合グリーンシートを用いたことを除いて、第１の評価用試料の場合と同様の操作を経て、第２の評価用試料を得た。
３．評価
表２に示すように、「平面気孔率」、「界面接合性」および「絶縁信頼性」を評価した。
（１）平面気孔率
平面気孔率は、焼結性を評価するために求めたもので、第１の評価用試料を断面研磨し、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）を用いて、倍率１０００倍でセラミック部分を観察し、画像解析により平面気孔率を測定した。各試料につき１０視野画像解析し、その平均値を表２に示した。
（２）界面接合性
第１の評価用試料を断面研磨し、ＳＥＭを用いて、倍率５０００倍で銅板とセラミック部分との界面部でのクラック発生状況を観察した。各試料で３０視野観察し、クラックの全く発生していない場合は界面接合性が良好であると判定し、表２において「○」で示し、他方、１箇所でもクラックが発生している場合は界面接合性が不良であると判定し、表２において「×」で示した。
（３）絶縁信頼性
第２の評価用試料を用い、温度：１２１℃、湿度：１００％、導体パターン間への印加電圧：１００ＤＣＶ、および試験時間：３００時間の条件で試験した。試験後の抵抗値を測定電圧：１００ＤＣＶで測定した。この測定結果が表２に示されている。
Figure 0005585649
表１に示す組成に関して、ＢａＯが１０〜４０モル％およびＳｉＯ２が４０〜８０モル％であるという条件を満足する試料２〜６、９〜１２および１４において、表２に示すように、「気孔率」、「界面接合性」および「絶縁信頼性」のすべてについて良好な結果が得られている。これらの試料について、その断面を波長分散型Ｘ線分析法（ＷＤＸ）により分析したところ、銅板と低温焼結セラミック層との接合界面において、厚み１〜５μｍのガラス層が生成されていることが確認された。また、試料２〜６および９〜１２のガラス層において、Ｃｕ、Ｂａ、ＳｉおよびＡｌの各元素が存在していることが確認された。試料１４のガラス層においては、Ｃｕ、Ｂａ、Ｓｉの各元素が存在していることが確認されたが、Ａｌは存在していなかった。
これらに対して、試料１では、ＢａＯが１０モル％未満であり、「界面接合性」が「×」である。他方、試料７では、ＢａＯが４０モル％を超え、「絶縁信頼性」が低い。
また、試料８では、ＳｉＯ２が４０モル％未満であり、「絶縁信頼性」が低い。他方、試料１３では、ＳｉＯ２が８０モル％を超え、「平面気孔率」が低く、また、「絶縁信頼性」が低い。
なお、表１に示した組成のうち、Ａｌ２Ｏ３は、化学的耐久性や抗折強度を上げるために添加されるが、含まなくてもよい任意成分である。また、その添加量が２５モル％を超えると、焼結不良を招くことが確認されている。また、ＭｎＯは、焼結助剤として機能するものであり、これはガラスに置き換えられてもよいが、その添加量が１４モル％を超えると強度低下を招くことが確認されている。
［実験例２］
１．複合グリーンシートの作製
ＢａＣＯ３、Ａｌ２Ｏ３、ＳｉＯ２（クオーツ）、およびＨ３ＢＯ３の各粉末を用意し、これらを混合した混合粉末を８４０℃の温度で１２０分間仮焼することによって、原料粉末を作製し、この原料粉末を、分散剤が添加された有機溶剤中で混合し、後に樹脂および可塑剤を添加してさらに混合して、低温焼結セラミック材料を含む低温焼結セラミックスラリーを得た。
この低温焼結セラミックスラリーに含まれる無機固形分の組成比率が表３に示されている。表１において、ＢａＣＯ３はＢａＯ換算で、Ｈ３ＢＯ３はＢ２Ｏ３換算で示されている。
Figure 0005585649
次に、低温焼結セラミックスラリーを脱泡した後、ドクターブレード法により、厚み４０μｍの低温焼結セラミックグリーン層となるべきセラミックグリーンシートを作製した。
他方、ＳｉＯ２：５５．０モル％、ＢａＯ：２０．０モル％、ＭｇＯ：０．５モル％、ＣａＯ：５．５モル％、Ａｌ２Ｏ３：４．０モル％、Ｂ２Ｏ３：１０．０モル％、およびＬｉ２Ｏ：５．０モル％からなるガラス粉末とＡｌ２Ｏ３粉末とを、３５重量部：６５重量部の比率で、分散剤が添加された有機溶剤中で混合し、後に樹脂および可塑剤を添加してさらに混合して、難焼結性セラミック材料を含む難焼結性セラミックスラリーを得た。
次に、難焼結性セラミックスラリーを脱泡した後、前述したセラミックグリーンシート上で、ドクターブレード法により、厚み３．０μｍをもってシート状に成形した。このようにして、上記セラミックグリーンシートによって与えられた低温焼結セラミックグリーン層と、難焼結性セラミックスラリーから成形された難焼結性セラミックグリーン層とが重ね合わされた複合グリーンシートを得た。
なお、上記難焼結性セラミックスラリーを単独で成形して得られたセラミック成形体は、後述する焼成条件で焼成しても、焼結しないことが確認されている。
２．評価用試料の作製
実験例１の場合と同様の操作を経て、第１の評価用試料および第２の評価用試料を得た。
３．評価
実験例１の場合と同様の方法で、表４に示すように、「平面気孔率」、「界面接合性」および「絶縁信頼性」を評価した。
Figure 0005585649
実験例１の場合と同様の評価結果が得られた。
すなわち、表３に示す組成に関して、ＢａＯが１０〜４０モル％およびＳｉＯ２が４０〜８０モル％であるという条件を満足する試料２２〜２５および２８〜３１において、表４に示すように、「気孔率」、「界面接合性」および「絶縁信頼性」のすべてについて良好な結果が得られている。これらの試料について、その断面を波長分散型Ｘ線分析法（ＷＤＸ）により分析したところ、銅板と低温焼結セラミック層との接合界面において、厚み１〜５μｍのガラス層が生成され、かつこのガラス層において、Ｃｕ、Ｂａ、ＳｉおよびＡｌの各元素が存在していることが確認された。
これらに対して、試料２１では、ＢａＯが１０モル％未満であり、「界面接合性」が「×」である。他方、試料２６では、ＢａＯが４０モル％を超え、「絶縁信頼性」が低い。
また、試料２７では、ＳｉＯ２が４０モル％未満であり、「絶縁信頼性」が低い。他方、試料３２では、ＳｉＯ２が８０モル％を超え、「平面気孔率」が低く、また、「絶縁信頼性」が低い。
１１ 電子部品装置
１２ 金属ベース基板
１４ 金属板
１５ 低温焼結セラミック層
１６ 拘束層
２２ ガラス層

Claims (3)

  1. 少なくとも表面にＣｕ成分を含む金属板と、
    前記金属板の上に形成されたＣｕ−Ｂａ−Ｓｉ系のガラスからなる厚み１〜５μｍのガラス層と、
    前記ガラス層の上に形成された低温焼結セラミック層と
    を備え、
    前記低温焼結セラミック層は、バリウムをＢａＯ換算で１０〜４０モル％およびケイ素をＳｉＯ ２ 換算で４０〜８０モル％含む、金属ベース基板。
  2. 前記ガラス層は、前記金属板の少なくとも表面の成分と前記低温焼結セラミック層の成分との少なくとも一部からなる、請求項１に記載の金属ベース基板。
  3. 少なくとも表面にＣｕ成分を含む金属板を準備する工程と、
    前記金属板の表面上に、バリウムをＢａＯ換算で１０〜４０モル％およびケイ素をＳｉＯ２換算で４０〜８０モル％含む低温焼結セラミック材料を含む、低温焼結セラミックグリーン層を積層することによって、生の積層体を作製する工程と、
    前記生の積層体を、前記低温焼結セラミックグリーン層が焼結する温度で焼成する工程と
    を備え、
    前記焼成工程の結果、前記低温焼結セラミックグリーン層が焼結して得られた低温焼結セラミック層と前記金属板との間に、厚み１〜５μｍのガラス層が形成される、金属ベース基板の製造方法。
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