(57)【要約】【課題】熱伝導率の高い窒化アルミニウム基板、並びに、このような窒化アルミニウム基板を備えることで信頼性の高い電子装置及び電子モジュールを提供する。【解決手段】この窒化アルミニウム基板（１０）は、複数の窒化アルミニウム結晶粒（Ｑ）が連続する粒子集合体（４）と、複数の窒化アルミニウム結晶粒（Ｑ）の隙間に位置する粒界相（２）とを備え、基板の縦断面には、各々が枝状に分岐する形状を有し、互いに分断された複数の枝状粒界相（２ｂ）が含まれる構成とした。電子装置及び電子モジュールは、窒化アルミニウム基板（１０）を用いた配線基板を備える構成とした。【選択図】図１
2020158375.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の窒化アルミニウム結晶粒が連続する粒子集合体と、
前記複数の窒化アルミニウム結晶粒の隙間に位置する粒界相と、
を備え、
基板の縦断面には、各々が枝状に分岐する形状を有し、互いに分断された複数の枝状粒界相が、含まれる窒化アルミニウム基板。
【請求項２】
少なくとも１つの縦断面において、
前記粒子集合体が基板面の一端から他端まで前記基板面に沿って連続している請求項１記載の窒化アルミニウム基板。
【請求項３】
少なくとも１つの縦断面において、
前記粒子集合体が一方の基板面から他方の基板面まで連続している請求項１又は請求項２に記載の窒化アルミニウム基板。
【請求項４】
基板の縦断面において、
前記複数の枝状粒界相の各々は、前記粒子集合体に全周が囲まれているか、前記粒子集合体と１つの基板面とに全周が囲まれている請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の窒化アルミニウム基板。
【請求項５】
基板の縦断面において、
前記複数の枝状粒界相の少なくとも１つは、基板の厚み方向の一方と他方並びに基板面に沿った方向の一方と他方とにそれぞれ分岐した複数の枝を有する請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の窒化アルミニウム基板。
【請求項６】
基板の縦断面において、
前記複数の枝状粒界相は、
基板の厚み方向と基板面に沿った方向とに分散している、
請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の窒化アルミニウム基板。
【請求項７】
基板の縦断面において、
前記粒子集合体は、主形状部と、前記主形状部よりも小さい寸法で前記主形状部の外縁を凹凸させる凹凸形状部とを有する、
請求項１から請求項６のいずれか一項に記載の窒化アルミニウム基板。
【請求項８】
前記凹凸形状部は前記枝状粒界相の枝間に位置する、
請求項７記載の窒化アルミニウム基板。
【請求項９】
請求項１から請求項８のいずれか一項に記載の窒化アルミニウム基板を含んだ配線基板と、前記配線基板に搭載される電子部品とを備える電子装置。
【請求項１０】
請求項９記載の電子装置と、前記電子装置を搭載したモジュール基板とを備える電子モジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、窒化アルミニウム基板、電子装置及び電子モジュールに関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１には、結晶粒の周辺に粒界相が分散形成された窒化アルミニウム焼結体が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００３−２０１１７９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
粒界相が均一に含まれる窒化アルミニウム基板では、均一に分布する粒界相により分子振動が散乱されやすく、それにより熱伝導率が低下するという課題がある。一方、粒界相を除去するために、窒化アルミニウムの焼結中に粒界相を蒸発させてしまうと、粒界相の蒸発部分がボイドとなって高い熱伝導率を得ることができない。
【０００５】
本開示は、熱伝導率の高い窒化アルミニウム基板、並びに、このような窒化アルミニウム基板を備えることで信頼性の高い電子装置及び電子モジュールを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本開示に係る窒化アルミニウム基板は、
複数の窒化アルミニウム結晶粒が連続する粒子集合体と、
前記複数の窒化アルミニウム結晶粒の隙間に位置する粒界相と、
を備え、
基板の縦断面には、各々が枝状に分岐する形状を有し、互いに分断された複数の枝状粒界相が含まれる構成とした。
【０００７】
本開示に係る電子装置は、
上記の窒化アルミニウム基板を含んだ配線基板と、前記配線基板に搭載される電子部品とを備える構成とした。
【０００８】
本開示の係る電子モジュールは、
上記の電子装置と、前記電子装置を搭載したモジュール基板とを備える構成とした。
【発明の効果】
【０００９】
本開示によれば、熱伝導率の高い窒化アルミニウム基板、並びに、信頼性の高い電子部品及び電子モジュールを提供できるという効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本開示に係る実施形態の窒化アルミニウム基板の断面を示す模式図である。
【図２】図１の断面の詳細を示す拡大図である。
【図３】基板縦断面における粒子集合体及び枝状粒界相の特徴を説明する図である。
【図４】基板縦断面における枝状粒界相の特徴を説明する図である。
【図５】基板縦断面における粒子集合体の形状の特徴を説明する図である。
【図６】焼結工程後の基板の縦断面を示す模式図である。
【図７】本開示に係る実施形態の電子装置及び電子モジュールを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本開示の実施形態について図面を参照して詳細に説明する。
【００１２】
図１は、本開示に係る実施形態の窒化アルミニウム基板の断面を示す模式図である。図２は、図１の断面の詳細を示す拡大図である。
【００１３】
実施形態の窒化アルミニウム基板１０は、絶縁性と熱伝導性とを有するＡｌＮ（窒化アルミニウム）基板であり、電子部品が搭載される配線基板の基体として利用される。窒化アルミニウム基板１０は、図２に示すように、ＡｌＮ（窒化アルミニウム）結晶粒Ｑと、ＡｌＮ結晶粒Ｑの隙間に位置する粒界相２とを含む。ＡｌＮ結晶粒Ｑの間にはボイド５が含まれることもある。以下、複数のＡｌＮ結晶粒Ｑが三次元状で連続した構成を粒子集合体４と記す。
【００１４】
粒界相２は、焼結前のＡｌＮ原料に添加された焼結助剤が、焼結時に不純物酸素又はアルミニウム酸化物と反応して形成される液相物質である。
【００１５】
窒化アルミニウム基板１０の縦断面を見たとき、図１に示されるように、粒界相２は、各々が枝状に分岐した形状を有しかつ互いに分断された複数の枝状粒界相２ｂとして現れる。ここで、枝状粒界相２ｂとは、縦断面において連続していれば１つの枝状粒界相２ｂと定義され、縦断面において分断されていれば３次元で連続していても複数の枝状粒界相２ｂと定義される。縦断面とは基板面Ｓ１に垂直な断面を意味する。
【００１６】
粒界相２の形態及び密度は、焼結助剤の量、焼結時の加熱温度、加熱時間及び冷却速度により、制御することができる。例えば、粒界相は、ＡｌＮ原料の焼結時に低い冷却速度が採用されることで、粒状で基板内に均等に点在するように形成される。また、ＡｌＮ原料の焼結時に高い冷却速度が採用されると、粒界相は網状に連続し、基板の縦断面において全て連続した形態となる。本実施形態の窒化アルミニウム基板１０では、焼結助剤の量及び焼結時の加熱温度、加熱時間及び冷却速度を適宜制御することで、窒化アルミニウム基板１０の縦断面において複数の枝状粒界相２ｂが現れるように、窒化アルミニウム基板１０が焼結される。
【００１７】
このような粒界相２の形態によれば、粒界相２が窒化アルミニウム基板１０内に均等に分布する構成と比較して、窒化アルミニウム基板１０内に、分子振動が粒界相２に衝突せずに直進できる領域を多く確保することができる。すなわち、枝状粒界相２ｂが存在する領域では粒界相２が含まれる割合が大きくなるが、その分、粒界相２の割合が小さい領域が多く形成される。言い換えれば、粒界相２の偏在度合が増し、粒界相２の少ない領域が多く形成される。これにより、分子振動の散乱が低減され、窒化アルミニウム基板１０の熱伝導率を向上できる。
【００１８】
図３は、基板縦断面における粒子集合体及び枝状粒界相の特徴を説明する図である。図４は、基板縦断面における枝状粒界相の特徴を説明する図である。図５は、基板縦断面における粒子集合体の形状の特徴を説明する図である。図６は、焼結工程後の基板の縦断面を示す模式図である。
【００１９】
窒化アルミニウム基板１０の少なくとも１つの縦断面において、粒子集合体４は、図３の曲線Ｌ１に示すように、基板面Ｓ１の一端Ｅ１から他端Ｅ２まで基板面Ｓ１に沿って連続している。このような特徴は、窒化アルミニウム基板１０の一方の基板面Ｓ１に備わっていてもよいし、両方の基板面Ｓ１、Ｓ２に備わっていてもよい。本明細書において１つの縦断面とは、１つの配線基板としてダイシングされたサイズの窒化アルミニウム基板１０において、対向する２側面Ｍ１、Ｍ２と交差する縦断面を意味する。
【００２０】
このような基板面Ｓ１の構成によれば、電子部品に近い範囲の熱伝導性がより向上し、電子部品から窒化アルミニウム基板１０への熱引き性能を向上できる。さらに、窒化アルミニウム基板１０の基板面Ｓ１に金属膜が形成されて配線基板が構成される場合、金属膜の密着強度を向上できる。
【００２１】
図６に示すように、焼結完了後の窒化アルミニウム基板１０Ｐｒにおいては、基板面Ｓ０に粒界相２が浮き上がる。その分、基板面Ｓ０の直下の層Ｌｙ１において、粒界相２に占められる割合が非常に低くなる。焼結完了後の窒化アルミニウム基板１０Ｐｒの基板面Ｓ０を研磨することで、粒子集合体４が基板面Ｓ１において連続する形態が実現される。
【００２２】
図３の曲線Ｌ２に示すように、窒化アルミニウム基板１０の少なくとも１の縦断面において、粒子集合体４は、一方の基板面Ｓ１から他方の基板面Ｓ２まで連続している。このような構成によれば、３次元で見たときにも、窒化アルミニウム基板１０の一方の基板面Ｓ１から他方の基板面Ｓ２に直線的に連続する領域が多くなる。したがって、一方の基板面Ｓ１に搭載される電子部品で発生した熱を、他方の基板面Ｓ２が金属膜及び接合剤を介して接続されるパッケージ、モジュール基板又はヒートシンクへ放出する性能を向上できる。
【００２３】
さらに、窒化アルミニウム基板１０の縦断面において、複数の枝状粒界相２ｂの各々が、図３の閉曲線Ｃ１に示すように粒子集合体４に全周が囲まれているか、あるいは、曲線Ｃ２に示すように粒子集合体４と一方の基板面Ｓ２とに全周が囲まれている。このような構成によれば、３次元で見たときにも、窒化アルミニウム基板１０の一方の基板面Ｓ１から他方の基板面Ｓ２まで連続する粒界相２が低減される。したがって、窒化アルミニウム基板１０の絶縁性の低下を抑制することができる。
【００２４】
図４に示すように、窒化アルミニウム基板１０の縦断面において、複数の枝状粒界相２ｂには、窒化アルミニウム基板１０の厚み方向（Ｙ方向）の一方と他方、並びに、基板面Ｓ１、Ｓ２に沿った方向（Ｘ方向）の一方と他方とに延在する複数の枝を有する枝状粒界相２ｂａが含まれる。ここで、Ｘ方向の一方に延在するとは、延在する方向成分が＋Ｘ方向のみの構成に限られず、＋Ｘ方向の成分とそれよりも小さな＋Ｙ方向の成分又は−Ｙ方向の成分が含まれている場合をも含む。Ｘ方向の他方、Ｙ方向の一方と他方についても同様である。
【００２５】
さらに、窒化アルミニウム基板１０の縦断面において、複数の枝状粒界相２ｂは、窒化アルミニウム基板１０の厚み方向（Ｙ方向）と、基板面Ｓ１、Ｓ２に沿った方向とに分散されている。例えば、枝状粒界相２ｂ１、２ｂ２などは厚み方向に分散し、枝状粒界相２ｂ１、２ｂ３などは基板面Ｓ１に沿った方向に分散している。
【００２６】
このような枝状粒界相２ｂの構造及び配置により、窒化アルミニウム基板１０中で粒界相２の偏在度合をより高くすることができる。
【００２７】
図５に示すように、窒化アルミニウム基板１０の縦断面において、粒子集合体４は、主形状部４Ａと、主形状部４Ａよりも小さい寸法で主形状部４Ａの外縁を凹凸させる凹凸形状部４Ｂとを有する。凹凸形状部４Ｂは、枝状粒界相２ｂの枝間に位置する。このような形態により、ボイド５がより少ない構成を実現できる。
【００２８】
＜各要素の含有率＞
窒化アルミニウム基板１０の縦断面において、粒界相２及びボイド５のサイズ及び含有率は、一例として、次の要素表１のように示される。各値は、窒化アルミニウム基板１０の縦断面中に５０μｍ四方の領域を設定し、この領域に含まれる、粒界相２の割合（面積割合）、最大径（枝状粒界相２ｂの枝の広がり幅の最大値）、最小径（枝の短手方向の幅の最小値）、これらの平均値、ボイド５の割合（面積割合）、ボイド５の径、をそれぞれ計測して得られた。領域は、ランダムな６つの位置（サンプル位置１〜６）に設定された。
【表１】
2020158375.tif 000003
【００２９】
比較例として、粒状の粒界相２が基板内に均一に分布される焼結パラメータで作成された基板について、各要素の含有率を要素表２に示す。
【表２】
2020158375.tif 000004
【００３０】
要素表１に示すように、実施形態の窒化アルミニウム基板１０においては、ボイド５が少なく、粒界相２が窒化アルミニウム基板１０中に偏在する構造が得られる。すなわち、比較例においては、粒界相２の割合が４．３％〜８．０％と均一化されているのに対して、実施形態１の窒化アルミニウム基板１０においては、粒界相２が０．４％のように少ない範囲と、１８．６％のように多い範囲とが含まれる。このような粒界相２の高い偏在度合は、先に説明したように、窒化アルミニウム基板１０の熱伝導率の向上に寄与する。
【００３１】
実施形態の窒化アルミニウム基板１０においては、５μｍ四方の複数の領域を観測したとき、粒界相２の割合が０％〜５％となる領域が３割以上含まれ、１０％〜３０％となる領域が０．５割〜２割含まれ、３０％以上となる領域が０．５割以下含まれる構成であってもよい。さらに、実施形態の窒化アルミニウム基板１０においては、ボイドの割合は、０．３％以下で、ボイド径の平均値が２μｍ以下であってもよい。さらに、実施形態の窒化アルミニウム基板１０の熱伝導率は、１８０Ｗ／ｍＫ〜２７０Ｗ／ｍＫであってもよい。
【００３２】
＜製造方法＞
実施形態の窒化アルミニウム基板１０は、例えば、ＡｌＮ原料に、イットリア、エルビア、酸化ガドリニウム等の焼結助剤を質量比０．３％〜８．５％、ポリビニルブチラール、ポリメチルメタクリレート等のバインダを質量比１０％〜２０％含有させ、０．６μｍ〜２．０μｍ厚の基板形状に成形後、１８００℃〜２１００℃、７時間〜３０時間及び冷却速度１０℃／ｈ〜７００℃／ｈで焼結させ、表面を研磨することで製造できる。
【００３３】
＜電子装置及び電子モジュール＞
図７は、本開示の実施形態に係る電子装置及び電子モジュールを示す断面図である。
【００３４】
本実施形態に係る電子装置６０は、配線基板１に電子部品５０が実装されて構成される。配線基板１は、窒化アルミニウム基板１０から構成される。配線基板１は、窒化アルミニウム基板１０に金属膜２２及び配線導体２０が形成されて構成されてもよい。電子部品５０は、接合材を介して配線基板１に接合されてもよい。電子部品５０の電極と、配線基板１とがボンディングワイヤーを介して接続されてもよい。電子装置６０は、さらに、配線基板１と電子部品５０とを収容するパッケージを有する構成であってもよい。
【００３５】
電子部品５０としては、ＬＤ（Laser Diode）、ＰＤ（Photo Diode）、ＬＥＤ（Light Emitting Diode）等の光素子、ＣＣＤ（Charge Coupled Device）型、ＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）型等の撮像素子、水晶振動子等の圧電振動子、弾性表面波素子、半導体集積回路素子（ＩＣ：Integrated Circuit）等の半導体素子、電気容量素子、インダクタ素子又は抵抗器等の種々の電子部品を適用できる。
【００３６】
本実施形態に係る電子モジュール１００は、モジュール用基板１１０に電子装置６０を実装して構成される。モジュール用基板１１０には、電子装置６０に加えて、他の電子装置、電子素子及び電気素子などが実装されていてもよい。モジュール用基板１１０には電極パッド１１１が設けられ、電子装置６０は、電極パッド１１１に半田等の接合材１１３を介して接合されてもよい。なお、電子装置６０の接合材１１３が接合される部分には、配線導体が設けられていてもよい。また、電子装置６０がパッケージを有する場合、モジュール用基板１１０の電極パッド１１１にはパッケージの配線導体が接合されてもよい。
【００３７】
本実施形態の電子装置６０及び電子モジュール１００によれば、絶縁性と高い熱伝導性を有する窒化アルミニウム基板１０が用いられることで、信頼性の向上を図ることができる。
【００３８】
以上、本開示の実施形態について説明した。しかし、本開示は上記実施形態に限られない。例えば、実施形態で示した枝状粒界相及びボイドのサイズ及び割合は、一例に過ぎない。その他、実施形態で示した細部は、発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。
【符号の説明】
【００３９】
１０  窒化アルミニウム基板
２  粒界相
２ｂ、２ｂ１〜２ｂ３、２ｂａ  枝状粒界相
４  粒子集合体
４Ａ  主形状部
４Ｂ  凹凸形状部
５  ボイド
Ｑ  ＡｌＮ結晶粒
Ｓ１、Ｓ２  基板面
【図１】
2020158375.tif 000005
【図２】
2020158375.tif 000006
【図３】
2020158375.tif 000007
【図４】
2020158375.tif 000008
【図５】
2020158375.tif 000009
【図６】
2020158375.tif 000010
【図７】
2020158375.tif 000011