(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
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基板内部に、銅を１０〜７０重量％、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からなる平面導体と垂直導体とを前記基板の表面に露出しないように埋設してなり、且つ熱伝導率が３０Ｗ／ｍ・Ｋ以上であることを特徴とする絶縁性アルミナ質基板。
【請求項２】
前記アルミナを主成分とするセラミックスが、ＭｎＯ２を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記載の絶縁性アルミナ質基板。
【請求項３】
前記平面導体および前記垂直導体と、前記基板表面間に存在する表面絶縁層の厚さが１００〜３００μｍであることを特徴とする請求項１記載の絶縁性アルミナ質基板。
【請求項４】
平面的にみて、前記垂直導体の断面積の合計が、前記基板の面積の４０〜８０％を占めることを特徴とする請求項１記載の絶縁性アルミナ質基板。
【請求項５】
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表面に、銅箔または銅板からなる配線層が被着形成されてなるアルミナ質銅貼回路基板において、前記絶縁基板内部に、銅を１０〜７０重量％、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からなる平面導体と垂直導体とを前記基板の表面に露出しないように埋設してなり、且つ熱伝導率が３０Ｗ／ｍ・Ｋ以上であることを特徴とするアルミナ質銅貼回路基板。
【請求項６】
前記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が、ＭｎＯ２を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５記載のアルミナ質銅貼回路基板。
【請求項７】
前記平面導体および前記垂直導体と、前記絶縁基板表面間に存在する表面絶縁層の厚さが１００〜３００μｍであることを特徴とする請求項５記載のアルミナ質銅貼回路基板。
【請求項８】
平面的にみて、前記垂直導体の断面積の合計が、前記絶縁基板の面積の４０〜８０％を占めることを特徴とする請求項５記載のアルミナ質銅貼回路基板。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高熱伝導性を有する絶縁性のアルミナ質基板と、それを絶縁基板としその表面に銅箔または銅板を貼り付けた銅貼回路基板に関する。
【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。これらのパワー系デバイス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いる。そのために、かかる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セラミックスとしては、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】
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、パワーデバイス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層を形成する方法が検討されている。
【０００５】
【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。
【０００６】
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。
【０００７】
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。
【０００８】
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。
【０００９】
従って、本発明は、アルミナセラミックスを基材としてなり、銅を含む導体が内蔵された絶縁性を有する高熱伝導性を有するアルミナ質基板と、これを絶縁基板として用い、放熱特性に優れた銅貼回路基板を提供することを目的とする。
【００１０】
【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、アルミナセラミックスを基材として、内部に銅と、タングステンおよび／またはモリブデンとの複合材料からなる導体によって、平面導体と垂直導体とを格子状に埋設することによって、銅の拡散または揮散を抑制し、銅の拡散距離を小さくできることを見出し本発明に至った。
【００１１】
即ち、本発明の絶縁性アルミナ質基板は、相対密度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基板内部に、銅を１０〜７０重量％、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からなる平面導体と垂直導体とを前記基板の表面に露出しないように埋設してなり、熱伝導率が３０Ｗ／ｍ・Ｋ以上であることを特徴とするものである。
【００１２】
また、本発明のアルミナ質銅貼回路基板は、相対密度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表面に、銅箔または銅板からなる配線層が被着形成されてなり、前記絶縁基板内部に、銅を１０〜７０重量％、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からなる平面導体と垂直導体とを基板の表面に露出しないように埋設してなり、且つ熱伝導率が３０Ｗ／ｍ・Ｋ以上であることを特徴とするものである。
【００１３】
なお、上記の絶縁性アルミナ質基板およびアルミナ質銅貼回路基板においては、アルミナを主成分とするセラミックスが、ＭｎＯ2を２．０〜１０．０重量％の割合で含有することによって１５００℃以下の低温で焼成することができる結果、銅の拡散などを防止することができる。
【００１４】
また、前記平面導体および前記垂直導体と、前記絶縁基板表面間に存在する表面絶縁層の厚さを１００〜３００μｍとすることによって、基板全体としての熱抵抗を小さくすることができる。
【００１５】
さらに、平面的にみて、前記垂直導体の断面積の合計が、前記絶縁基板の面積の４０〜８０％を占めることが基板の熱抵抗を下げ、高熱伝導化を図る上で望ましい。
【００１６】
【発明の実施の形態】
図１に、本発明の絶縁性のアルミナ質基板を絶縁基板として用いたアルミナ質銅貼回路基板の概略断面図を示した。
【００１７】
図１の回路基板においては、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、銅箔または銅板からなる配線層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、基板の表面に露出しないように埋設されている。また、この配線層２の表面には、パワー素子、トランジスタ素子などの発熱性素子５が搭載される。
【００１８】
本発明によれば、この平面導体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。
【００１９】
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、熱膨張差によって絶縁層間にデラミネーション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デラミネーションの発生を抑制することができる。
【００２０】
従って、本発明において、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。
【００２１】
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とを格子状に配設することができる。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をアレイ状にその平面導体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。
【００２２】
この時、例えば、配線層２の表面に搭載された発熱性素子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の断面積の合計が、絶縁基板１の面積の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が適当であり、またこの直径はすべて同一ではなく、放熱性が特に要求される発熱性素子５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。
【００２３】
また、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の表面から平面導体３や垂直導体４までの表面絶縁層ａ，ｂの厚さが厚すぎると、熱伝達性が低下し、また薄すぎると、銅の拡散によって絶縁基板表面の絶縁性が低下してしまうために、平面導体３および垂直導体４と、絶縁基板１表面間に存在する表面絶縁層ａ，ｂの厚さが１００〜３００μｍであることが望ましい。
【００２４】
なお、本発明における絶縁基板の絶縁性とは、少なくともこの表面絶縁層ａ，ｂ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。
【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、前記平面導体３および垂直導体４と同時焼成する上で、焼結助剤として、ＭｎＯ2、ＳｉＯ2およびＭｇＯ、ＣａＯ、ＳｒＯ等のアルカリ土類元素酸化物を合計で２〜１５重量％の割合で含有することが望ましい。これらの焼結助剤の量が２重量％よりも少ないと、前記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、１５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ためである。
【００２６】
特に、このアルミナセラミックスは、銅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。このような低温焼結性を達成するためには、ＭｎＯ2を酸化物換算で２〜１０重量％の割合で含有せしめることが望ましい。
【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】
さらに、銅貼回路基板において、絶縁基板１の表面に形成される銅箔または銅板からなる配線層２は、例えば、絶縁基板１の表面に銅箔または銅板を活性金属（Ｔｉ，Ｚｉ，Ｈｆ）を含有するロウ材によって接合したり、いわゆるＤＢＣ法によって接合することもできる。その後、この金属箔や金属板の表面にレジスト塗布、露光現像、エッチング処理、レジスト除去の工程を経て、配線パターンを形成することによって作製される。
【００２９】
また、この配線層２の表面には、トランジスタ素子、パワー素子、ＩＧＢＴなどの発熱性素子を搭載することもできる。
【００３０】
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によって系外に放熱することができる。
【００３１】
次に、本発明のアルミナ質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ＭｎＯ2、ＳｉＯ2およびＭｇＯ、ＣａＯ粉末等を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。
【００３２】
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ー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ーを加え、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。
【００３３】
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。
【００３４】
そして、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、この貫通孔内に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。
【００３５】
その後、同様にして平面導体および／または垂直導体を形成したシート状成形体を作製した後、適宜圧着積層し作製した積層体上下面に導体ペーストが塗布されていないシートを積層圧着する。
【００３６】
その後、この積層体を焼成する。本発明によれば、この焼成を、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℃の温度で行うことが望ましい。また、所望により、アルゴンガス等の不活性ガスを混入してもよい。
【００３７】
これは、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ためである。
【００３８】
次に、上記のようにして作製された絶縁基板に、Ｃｕ−Ａｇ−Ｔｉ、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０．１ｍｍ以上の銅箔あるいは銅板を積層し、８００〜９００℃で加圧しながら焼き付けを行う。焼き付け後、銅箔や銅板にレジスト塗布、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金属回路を形成することにより銅貼基板を得る。
【００３９】
また、この配線基板に対して、パワー素子を搭載するには、金属回路上に半田ペーストを塗布した後、自動実装装置にて実装し、３００〜４００℃で加熱してロウ付けする。
【００４０】
さらに、銅貼基板をヒートシンクなどに実装する場合には、Ｐｂ−Ｓｎ共晶半田などの半田ペーストを塗布し、３００〜４００℃でロウ付けすればよい。
【００４１】
【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、成形用有機樹脂（バインダー）としてアクリル系バインダーと、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、垂直導体の面積比率が異なる種々のものを作製した。
【００４２】
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ーとをアセトンを溶媒として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た。
【００４３】
上記のようにして作製した各シート状成形体を位置合わせして積層圧着して成形体積層体を作製した後、その積層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。
【００４４】
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、表１に示した温度、雰囲気にて焼成した。
【００４５】
得られた焼結体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、導体を含まない時のアルミナセラミックスの熱伝導率を測定し、導体層の効果を確認した。
【００４６】
次に得られた絶縁基板を用い、活性金属ロウを塗布し、銅板を接合し、エッチング処理によって配線回路を形成し、配線回路層表面にニッケル無電解メッキを施した。そして、この回路基板の配線層上に実際に半導体チップ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。
【００４７】
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配線層と絶縁基板に内蔵した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。
【００４８】
【表１】
0003929660.tif 000002
【００４９】
【表２】
0003929660.tif 000003
【００５０】
表１、２に示すように、絶縁基板中の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。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３０Ｗ／ｍ・Ｋよりも低くなった。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。
【００５１】
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。
【００５２】
表面絶縁層の厚みが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。また表面絶縁層の厚みが３００μｍよりも大きい試料Ｎｏ．３４では、絶縁層自体の熱伝導率が律速し内部導体の効果が得られなかった。
【００５３】
垂直導体の総断面積の面積比率が４０％よりも小さい試料Ｎｏ．３５では垂直導体からの熱放散が小さく熱抵抗、熱伝導率が劣化した。また、垂直導体の面積比率が８０％よりも大きい試料Ｎｏ．３８では内部導体層から銅が拡散するため絶縁基板自体の絶縁性が劣化した。
【００５４】
またこれらの比較例に対して、本発明の配線基板によれば、相対密度９５％以上、熱伝導率が３０Ｗ／ｍ・Ｋ以上、体積固有抵抗が１０13Ω−ｃｍ以上、熱抵抗が３０℃／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。
【００５５】
【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基材としてなり、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アルミナ質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銅箔や銅板からなる配線層を形成することによって、放熱性に優れた銅貼回路基板を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のアルミナ質銅貼基板の一実施態様を示す概略断面図である。
【図２】本発明のアルミナ質銅貼基板の絶縁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  配線層
３  平面導体
４  垂直導体
５  発熱性素子
【図１】
0003929660.tif 000004
【図２】
0003929660.tif 000005