JP4987345B2

JP4987345B2 - 窒化アルミニウム基板

Info

Publication number: JP4987345B2
Application number: JP2006124623A
Authority: JP
Inventors: 祐作原田
Original assignee: Denki Kagaku Kogyo KK
Current assignee: Denka Co Ltd
Priority date: 2006-04-28
Filing date: 2006-04-28
Publication date: 2012-07-25
Anticipated expiration: 2026-04-28
Also published as: JP2007297225A

Description

本発明は、窒化アルミニウム基板、それを用いた回路基板及びモジュールに関する。

セラミックス基板は高電気絶縁性、高熱伝導性という特長を有するため、回路基板として広く使用され、これらの回路基板はパワーモジュール等に搭載されている。その中でも、窒化アルミニウム焼結体を用いる窒化アルミニウム基板は、熱伝導性に優れるため注目されている。

セラミックス基板は一般に以下の方法で製造される。即ち、セラミックス粉末に焼結助剤、バインダー、可塑剤、分散媒、離型剤等の添加剤を混合し、それを押出成形やテープ成形によってシート状の成形体へ加工する。次いで、成形体を空気中又は、窒素などの不活性ガス雰囲気中で、３５０〜７００℃に加熱してバインダーを除去した後（脱脂工程）、窒素などの非酸化性雰囲気中にて１４５０〜１９００℃で０．５〜１０時間保持すること（焼成工程）によって製造される。

脱脂工程、焼成工程では、炉への成形体投入量を増やし生産性を向上させるため、成形体を積層することがある。しかし、積層すると焼成後のセラミックス基板に染みや縁状の色むらが発生しやすくなるという課題がある。そこでセラミックス焼結体の色むらを解消するために、しき粉を介して積層する方法（特許文献１）、生基板と焼成板を交互積層する方法（特許文献２）、焼成温度を２段階に分ける方法（特許文献３）などの試みがなされている。しかしながら、特許文献１〜３に示す方法では、色むらの程度は軽減されるものの、熱伝導率が下がったり、生産性に劣るという課題がある。
特開平５−２２９８７２号公報特開平１０−５９７７２号公報特開平１６−８３３６７号公報

本発明は、色むらのない窒化アルミニウム基板、それを用いた窒化アルミニウム回路基板及びモジュールを提供することを課題とする。

本発明は、基板内における酸素含有量の最大値と最小値の差が０．２０質量％以下であることを特徴とする色むらのない窒化アルミニウム基板であり、酸化処理が施された窒化アルミニウム粉末を原料とする窒化アルミニウム基板である。さらに、窒化アルミニウム基板を用いてなる回路基板であり、この回路基板を用いてなるモジュールである。

本発明によれば、色むらのない窒化アルミニウム基板が提供され、セラミックス回路基板及びモジュールへの適用が可能である。

本発明により製造された窒化アルミニウム基板は、機械的特性に優れ、且つ、高い熱伝導率を有するので、厳しい使用条件下で用いられる回路基板、例えばパワーモジュール用回路基板に好適な材料である。

本発明に係る窒化アルミニウム粉末は、直接窒化法、アルミナ還元法などの公知の方法で製造された窒化アルミニウム粉末が使用できるが、生産性に優れた直接窒化法により製造された窒化アルミニウム粉末が好ましい。中でも、加熱処理（空気中での酸化処理）や化学的酸化法などにより耐加水分解性を向上させた窒化アルミニウム粉末の使用が好適である。

色むらの発生を抑制するために検討を行ったところ、色むらは焼成後の窒化アルミニウム基板内の酸素含有量の分布に関係があることがわかった。１枚の基板内で酸素含有量の差が大きい場合には色むらが生じ、酸素含有量が均一な場合には色むらは生じない。これは、酸素含有量がばらつくと焼結開始温度にばらつきが生じ、その結果、焼結状態にも影響が及び、色むらが発生するものと考えられる。基板内の酸素含有量の最大値と最小値の差が小さいほど焼結状態のばらつきは小さく、酸素含有量の差が０．２０質量％までであればその影響は小さく、色むらは発生しない。しかし酸素含有量の差が０．２０質量％を超えると透光性や色調に違いが現れ、色むらが生じる場合がある。

酸素含有量のばらつきは、脱脂、焼成工程で起こる原料窒化アルミニウム粉末の加水分解反応や、成形体中の含有炭素による還元作用によって引き起こされるものと考えられる。また、同じ酸素含有量の窒化アルミニウム粉末を用いて基板を作製する場合でも、脱脂、焼成条件によって基板内での酸素含有量分布は異なってくる。例えば、積層した成形体中央部では成形体外周部と比べて水分が籠り易く、局所的に酸素含有量の増加がみられる。従って、加熱処理や化学的酸化法などにより水に対する安定性（耐加水分解性）を向上させた窒化アルミニウム粉末を用いることが好ましい。加熱処理の条件は、空気中にて５００〜７００℃の温度で加熱することが好ましい。加熱温度が５００℃未満であると酸化処理の効果が十分でなく、脱脂、焼成時に酸素含有量が増加する場合がある。一方、７００℃を越えると、加熱処理自体により酸素含有量が急激に増加し、窒化アルミニウム基板の熱伝導率を低下させる場合がある。加熱処理時間は６時間以内が好ましい。６時間を超えて処理すると酸素含有量が増加し過ぎるため、窒化アルミニウム基板の熱伝導率が低下する場合がある。化学的酸化法としては、例えば、クロム酸塩、リン酸−クロム酸塩、リン酸−アルコール等の水溶液に浸漬する方法や、水酸化ナトリウム、アンモニア、アミン、アルコールアミン等のアルカリ水溶液に浸漬する方法がある。このような酸化処理を施すことにより、窒化アルミニウム粉末表面に酸化物の被膜が形成され、耐加水分解性が向上すると考えられる。

本発明の窒化アルミニウム基板及び回路基板の製造方法について説明する。

本発明に係る焼結助剤には、希土類金属の化合物、アルカリ土類金属の化合物、遷移金属の化合物などが使用できる。中でも、イットリウム酸化物、アルミニウム酸化物が好ましい。これらの焼結助剤は、窒化アルミニウム粉末の酸素すなわちアルミニウム酸化物と反応し複合酸化物の液相（例えば２Ｙ_２Ｏ_３・Ａｌ_２Ｏ_３、Ｙ_２Ｏ_３・Ａｌ_２Ｏ_３、３Ｙ_２Ｏ_３・５Ａｌ_２Ｏ_３等）を形成し、この液相が焼結体の高密度化をもたらし、同時に窒化アルミニウム粒子中の不純物である酸素等を抽出し、結晶粒界の酸化物相として偏析させることによって高熱伝導化をもたらす。複合酸化物の液相としては、Ｙ_２Ｏ_３・Ａｌ_２Ｏ_３を主に生成させることが好ましい。２Ｙ_２Ｏ_３・Ａｌ_２Ｏ_３や３Ｙ_２Ｏ_３・５Ａｌ_２Ｏ_３がＹ_２Ｏ_３・Ａｌ_２Ｏ_３より多く生成されると、窒化アルミニウム基板の熱伝導率や抗折強度、回路形成時の接合性が低下することがある。原料の窒化アルミニウム粉末中の酸素含有量に応じて、イットリウム酸化物、アルミニウム酸化物などの焼結助剤の配合量を適正化することにより、複合酸化物の液相としてＹ_２Ｏ_３・Ａｌ_２Ｏ_３を主に生成させることが出来る。

窒化アルミニウム粉末、焼結助剤及びバインダーの混合方法は、特に限定されるものではなく、例えばボールミル、ロッドミルなどの公知の混合装置が使用できる。混合粉末はそのまま成形してもよく、また例えばスプレードライヤー法、転動造粒法などによって造粒してから成形してもよい。成形方法は、特に限定されるものではなく、例えば押出成形法、ドクターブレード成形法、乾式プレス成形法、冷間等方圧プレス成形法（ＣＩＰ法）などによって行うことができる。いずれの場合においても、必要に応じて、可塑剤、分散媒、離型剤などを併用することができる。本発明に係るバインダーは特に限定されないが、可塑性や界面活性効果を有するメチルセルロース系や、熱分解性に優れたアクリル酸エステル系のバインダーを用いることが好ましい。可塑剤としてはグリセリン、グリセリントリオレート、ジエチレングリコールなどが、分散媒としてはイオン交換水やエタノール、トルエンなどが、離型剤としては、ステアリン酸やシリコンなどが使用できる。

焼成処理の前に、バインダーを除去（脱脂）するため、成形体を３５０〜７００℃で加熱することが好ましい。脱脂する際の雰囲気ガスは窒素ガスなどの非酸化性ガスが好ましい。空気中で脱脂すると、酸素含有量が増加し、焼結後の熱伝導率が下がることがある。また、脱脂時間は１〜１０時間とすることが好ましい。脱脂時間が短いと、残留炭素が偏在し酸素含有量のばらつきを引き起こすことがある。脱脂時の積層枚数は、通常１０〜２０枚が好ましい。積層枚数が少ないと、成形体中央部における水分の籠り具合が軽度となるため、色むらも発生し難くなる。しかし、炉への投入量が減り生産性に劣るため、成形体のサイズに応じて、脱脂時の積層枚数を適宜決定する。焼成処理は、一般に、窒素などの非酸化性雰囲気中にて、１４５０〜１９００℃で０．５〜１０時間保持することにより行い、窒化アルミニウム基板を作製する。

本発明の窒化アルミニウム回路基板は、窒化アルミニウム基板面に金属回路、放熱板を形成してなるものである。金属回路及び放熱板用の金属板と窒化アルミニウム基板の接合方法は特に限定されないが、窒化アルミニウム基板と金属板との間にろう材を介在させ、真空中で、加熱・冷却するろう材接合法が好ましいものとして挙げられる。金属回路及び金属放熱板の材質としては、銅、アルミニウム、タングステン、モリブデンやそれらの合金が一般的である。ろう材には箔、粉末を用いてよいが、ペーストで用いることが好ましい。ペーストは、ろう材の金属成分に有機溶剤及び必要に応じて有機結合剤を加え、ロール、ニーダー、万能混合機、らいかい機等の公知の混合機で混合することによって調製することができる。ペースト塗布方法は特に限定されず、スクリーン印刷法、ロールコーター法等の公知の方法を採用できる。

接合した金属板にエッチングレジストにより回路パターンを描いた後、エッチング行う。エッチングレジストの除去については、公知の方法を用いることができる。エッチングレジストは特に限定されず、例えば公知の紫外線硬化型や熱硬化型のものを用いることができる。また、エッチング液は、金属板の種類に応じて好適なエッチング液を選択して用いる。例えば金属が銅であるときには、塩化第２鉄溶液、塩化第２銅溶液、硫酸、過酸化水素水等が使用され、好ましいものとして、塩化第２鉄溶液、塩化第２銅溶液が挙げられる。

［実施例１］
直接窒化によって製造した窒化アルミニウム粉末を、空気中６５０℃で３時間加熱し、酸化処理を施した。酸化処理した窒化アルミニウムの酸素含有量は０．９０質量％であった。酸化処理した窒化アルミニウム粉末１００質量部に酸化イットリウム粉末３質量部と酸化アルミニウム粉末３質量部を添加し、ボールミルにて１時間混合して原料粉末を得た。原料粉末１００質量部にカルボキシメチルセルロース８質量部、グリセリン５質量部、ステアリン酸２質量部、オレイン酸２質量部、イオン交換水７質量部を添加し、ヘンシェルミキサーにて１分間混合し混合物を得た。混合物を単軸押出機にて厚み１．０ｍｍのシート状に成形した。成形体を金型付きプレス機により６０ｍｍ×５０ｍｍの寸法に打ち抜いた。成形体に離型剤として窒化ホウ素粉を塗布した後、２０枚積層し、窒素雰囲気中５７０℃で５時間加熱し脱脂した。脱脂後に、窒素雰囲気中１７８０℃で２時間加熱することで窒化アルミニウム基板を作製した。得られた基板の酸素含有量、色むらの有無及び熱伝導率を評価した。結果を表１に示す。

得られた窒化アルミニウム基板に、金属回路及び金属放熱板としてアルミニウム板を以下の方法にて接合し、窒化アルミニウム回路基板を作製した。
窒化アルミニウム基板の両面に６０ｍｍ×５０ｍｍ×０．２ｍｍｔのろう合金箔を貼付け、さらにその両面から６０ｍｍ×５０ｍｍ×０．２ｍｍｔのアルミニウム板を挟んだものを、カーボンスペーサーを隔てて１０枚積層した。それをカーボン治具に設置した後、６２０℃で2時間保持して窒化アルミニウム焼結体とアルミニウム板を接合した。接合体の一主面には所定の形状の回路パターンを、もう一方の主面には放熱板パターンを形成させるべく、UV硬化型レジストインクをスクリーン印刷した後、UVランプを照射させてレジスト膜を硬化させた。次いで、レジスト塗布した部分以外を水酸化ナトリウム水溶液でエッチングした後、フッ化アンモニウム水溶液にてレジスト剥離し、窒化アルミニウム回路基板を作製した。

得られた回路基板の信頼性を評価するため熱履歴衝撃試験を実施し、１）印刷パターンズレの有無、２）断面観察による回路面及び放熱板面と窒化アルミニウム基板間の接合クラック発生の有無、３）回路および放熱板部分を溶解後、インクテストによる窒化アルミニウム基板のクラック発生の有無を確認した。結果を表１に示す。

〈使用材料〉
窒化アルミニウム粉末：１８５０℃以上に加熱した管状電気炉の頂部からアルミニウム粉末を噴射させてアルミニウム蒸気とし、管内に供給した窒素ガスと反応させて窒化アルミニウムを合成する直接窒化法により作製した。平均粒径１．５μｍ、酸素含有量０．７８％。酸化イットリウム粉末：信越化学工業社製、商品名「ＹｔｔｒｉｕｍＯｘｉｄｅ」
酸化アルミニウム粉末：アドマテックス社製、商品名「ＡＯ−５００」
カルボキシメチルセルロース：ダイセル化学工業社製、商品名「ＣＭＣダイセル」
グリセリン：花王社製、商品名「エキセパール」
ステアリン酸：サンノプコ社製、商品名「ノプコセラＬＵ−６４１８」
オレイン酸：和光純薬工業社製、商品名「オレイン酸」
アルミニウム板：三菱アルミニウム社製、商品名「１０８５材」
ろう合金箔：東洋精箔社製、商品名「Ａ２０１７Ｒ−Ｈ合金箔」
UV硬化型レジストインク：互応化学工業社製、商品名「ＰＥＲ−２７Ｂ−６」

〈評価方法〉
酸素含有量：窒化アルミニウム基板の１つの角から中央部へ向かって対角上に、□５ｍｍ×５ｍｍの寸法でサンプリングを行い、酸素・窒素分析装置にて測定した。
熱伝導率：１０ｍｍ×１０ｍｍに加工した窒化アルミニウム焼結体を、レーザーフラッシュ法により測定した。
熱履歴衝撃試験：−２５℃に１０分、２５℃に１０分、１２５℃に１０分、２５℃に１０分さらす工程を１サイクルとした熱履歴を、サンプルの回路基板に対して３０００サイクル与える試験。接合クラック発生の有無は、熱履歴衝撃試験を実施し、２０００サイクル未満にて接合クラックが発生した場合を記号Ｃ、２０００〜３０００サイクルにて接合クラックが発生した場合を記号Ｂ、３０００サイクルでも接合クラックが発生しない場合を記号Ａとした。回路基板としての信頼性保証基準は記号Ａ、Ｂである。
生産性：積層枚数を多くすると、脱脂炉、焼成炉で処理するバッチ量が増えるため、生産性が向上する。また、脱脂時間を短くすると、脱脂炉の運転サイクルを早めることが出来るため、生産性が向上する。実施例１の生産性を記号△として、実施例１より生産性に優れる場合を記号○で、実施例１より生産性に劣る場合を記号×で表した。

［実施例２〜４］
脱脂、焼成時の積層枚数及び脱脂時間を表１に示すように変えたこと以外は実施例１と同様にして窒化アルミニウム基板及び窒化アルミニウム回路基板を得た。評価結果を表１に示す。

［実施例５〜７］
窒化アルミニウム粉末を酸化処理せず、積層枚数および脱脂、焼成条件を表１に示すように変えたこと以外は実施例１と同様にして窒化アルミニウム基板及び窒化アルミニウム回路基板を得た。評価結果を表１に示す。

［比較例１］
脱脂、焼成時の積層枚数及び脱脂時間を表１に示すように変えたこと以外は実施例１と同様にして窒化アルミニウム基板及び窒化アルミニウム回路基板を得た。評価結果を表１に示す。

［比較例２］
窒化アルミニウム粉末を酸化処理しないこと以外は実施例１と同様にして窒化アルミニウム基板及び窒化アルミニウム回路基板を得た。評価結果を表１に示す。

［比較例３、４］
窒化アルミニウム粉末を酸化処理しないこと以外は実施例２及び実施例３と同様にして窒化アルミニウム焼結体及び窒化アルミニウム回路基板を得た。評価結果を表１に示す。

本発明により製造された窒化アルミニウム焼結体は、色むらがなく且つ高い熱伝導率を有するので、通常の回路基板はもとより、厳しい使用条件下で用いられる回路基板、例えばパワーモジュール用回路基板に好適な材料である。

Claims

基板の１つの角から中央部へ向かって対角上に、□５ｍｍ×５ｍｍの寸法でサンプリングを行い、酸素・窒素分析装置にて測定した酸素含有量１．５８質量％〜１．８７質量％から、基板内の酸素含有量の最大値と最小値の差が０．２０質量％以下であることを特徴とする色むらのない窒化アルミニウム基板。
原料として酸化処理が施された窒化アルミニウム粉末を用いることを特徴とする請求項１記載の窒化アルミニウム基板。
請求項１または請求項２記載の窒化アルミニウム基板を用いてなる回路基板。
請求項３記載の回路基板を用いてなるモジュール。