JPH0691304B2 - 高熱伝導性回路基板 - Google Patents

高熱伝導性回路基板

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JPH0691304B2
JPH0691304B2 JP59204101A JP20410184A JPH0691304B2 JP H0691304 B2 JPH0691304 B2 JP H0691304B2 JP 59204101 A JP59204101 A JP 59204101A JP 20410184 A JP20410184 A JP 20410184A JP H0691304 B2 JPH0691304 B2 JP H0691304B2
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circuit board
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high thermal
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thick film
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暢男 岩瀬
和雄 安斎
和夫 篠崎
登 佐藤
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Description

【発明の詳細な説明】 [発明の技術分野] 本発明は、実質的に窒化アルミニウムセラミックからな
る基体(以下、AlN基体という。)を用いた高熱伝導性
回路基板に関する。
[発明の技術的背景とその問題点] 従来から回路基板として用いられている材料として、Al
2O3等のセラミック基板,樹脂基板等の各種の材料があ
る。なかでもAl2O3セラミック基板は、機械的強度,電
気的絶縁性に優れており、また、グリーンシート化が容
易であるため多層配線等の高密度配線が可能であり、広
く用いられている。
一方、近年の電子機器の小形化等の進展に伴い、回路基
板上の電気素子(IC等)実装密度が高くなってきてい
る。さらに、パワー半導体等の搭載も考慮すると回路基
板上での発熱量が大きくなる傾向があり、放熱を効果的
に行うことが要求される。
しかしながらAl2O3セラミック基板の熱伝導率は20W/m・
K程度と低く、発熱量が多い場合に基板側からの放熱が
余り期待できない。従って、高密度実装,パワー半導体
搭載モジュール等の際の基板側からの放熱を考慮する
と、機械的強度,電気的絶縁性等の回路基板として要求
される特性を備え、かつ、熱伝導性の良好な回路基板の
開発が要求されている。
近年のファインセラミックス技術の進展に伴い、SiC,Al
N等の機械的強度に優れたセラミック材料が開発されて
いる。これらの材料は熱伝導性も優れ、構造材としての
応用が研究されている。また、SiCの良好な熱伝導性を
利用して、これを回路基板として用いようとする動きも
あるが、誘電率が高く、絶縁耐圧が低いため、高周波,
高電圧が印加される素子の搭載を考慮すると問題があ
る。
AlN基体は、電気絶縁性,熱伝導性ともに良好であり、
回路基板への応用が有望視される。しかしながらAlN
は、例えば金属アルミニウム溶融用のルツボとして用い
られているように、金属に対する漏れ性が悪く導体層の
接合は困難とされていた。従ってAlN基体に直接導体路
を形成した回路基板はなく、せいぜいサイリスタ等の電
力用半導体を有機系の接着剤で固定し放熱板として利用
する程度であった。
特開昭52−37914号,特開昭50−132022号等に銅板をセ
ラミックに直接接合する技術が開示されており、この技
術を用いてAlN基体上に導体層を形成することも考えら
れるが、微細パターンの形成には限界があり、厚膜ペー
ストを用いて回路パターンを形成する技術が要求されて
いる。
しかしながら前述のごとくAlN基体の金属に対する漏れ
性の悪さから、厚膜ペーストによる回路形成は困難であ
った。
[発明の目的] 本発明は以上の点を考慮してなされたもので、AlN基体
上に導体層を形成することにより、電気的絶縁性,機械
的強度および熱伝導性に優れた高熱伝導性回路基板を提
供することを目的とする。
[発明の概要] 本発明は、熱伝導性の良好なAlN基体上に導体路を形成
し、AlN基板を回路基板に応用することを基本とするも
のである。
本発明者等がAlN基体と厚膜ペーストとの接合について
研究を進めた結果、厚膜ペースト中にPbまたはSiが存在
するとき、強力な接合が得られることを見出した。そし
てこの様な厚膜ペーストを用いて導体路を形成した時に
は、導体層とAlN基体との間にPb,Siの少なくとも一種お
よびOとが共存した接合層が形成されていることを発見
した。
すなわち本発明は、窒化アルミニウムセラミック基体上
に、ケミカルボンドを形成する鉛および硅素の少なくと
も一種を含有する厚膜ペーストから形成された導体層を
有することを特徴とする高熱伝導性回路基板である。
この接合層におけるPb,SiおよびOの結合状態は、その
層自体が極めて薄いため、どのような化合物を形成し、
どのような機構で強固な接合を生みだすのかは明らかで
はないものの、おそらく(Pb,Si)−Oの複雑な化合物
を形成し、これがAlN基体と、厚膜ペーストの主成分で
ある例えばAu,Cu等とを強力に結合しているものと考え
られる。
この接合層の厚みは極めて薄いため絶対的な厚みを規定
することは困難であるが通常数μm程度,0.5〜20μmで
充分である。余り厚いとかえって剥離しやすくなってし
まう。
また、接合層中におけるPb,SiおよびOの含有量は、そ
の分析が困難であり特定化できないが、鉛および硅素の
少なくとも一種および酸素が共存すれば良いことが実験
により確認された。
また、この様な接合層を形成するためには、厚膜ペース
ト中に鉛および硅素の少なくとも一種を含有させておけ
ばよい。酸素は、鉛等を酸化物として添加して供給して
もよいし、ペースト中のバインダー等の有機物からの供
給でもよいし、酸化性の雰囲気中で焼成を行なって酸素
を供給してもよい。さらにAlN基体中にあらかじめ酸素
を含有させおいてもよい。この様な方法としては、酸素
を含む原料を用いる方法、Y2O3等の酸化物を含有させる
方法、表面を酸化する方法等がある。
この様な厚膜ペーストを用いることにより、ペースト焼
成時にPb,Si,O原子が接合境界面に移動,集中し、Pb,Si
およびOの共存する接合層を形成する。この接合層の形
成に必要な鉛および硅素の厚膜ペースト中の量は少量で
その効果を発揮するが、実質的に、0.005wt%(金属原
子換算)程度以上であれば顕著な効果が現れる。多すぎ
ると、導体層の電気抵抗が増大してしまい、また、接合
強度の増大にもつながらないため、上限は5wt%(金属
原子換算)程度である。また、鉛は焼成時に一部還元さ
れて金属鉛として析出することがある。これは回路基板
としての耐湿性の低下につながる。還元性雰囲気での焼
成の場合はその可能性が強く、鉛の含有量としては4wt
%(金属原子換算)以下であることが好ましい。
厚膜ペーストは一般的に、主成分となる導体粉とスラリ
ー化のための溶剤、バインダーおよび接合に寄与する成
分等を含み、セラミック基体との接合構造としては、接
合が化学的に行なわれるケミカルボンドタイプ,ガラス
の接着によるガラスボンドタイプ,およびこの混合系で
あるミックスボンドタイプがある。本発明に係る厚膜ペ
ーストはケミカルボンドタイプ,もしくは、ケミカルボ
ンドを主体としたものであり、ケミカルボンドに悪影響
を与えない範囲でガラス成分を含んでも良いが、基本的
にガラス成分は含まない。ガラス成分を含有している
と、焼成時に熱膨張係数の違いからクラック等が発生し
易く、接合力が低下するばかりか、電気抵抗も増大して
しまう。例えば硼硅酸鉛ガラス等の鉛、硅素を含むガラ
スフリットを含有するペーストは接合力が小さく、この
傾向は添加物を実質的に含まないホットプレス法による
AlN基体の場合に特に顕著である。
AlN基体は、AlN原料にY,希土類元素,アルカリ土類元素
等の添加物を加えて(金属元素換算で0.01〜15wt%程
度)の常圧焼結,ホットプレスする方法、酸素を7wt%
以下程度含有するAlN原料を用いて前記添加物を加えて
の常圧焼結、ホットプレスする方法、また、実質的に添
加物を加えることなくAlN原料単独でのホットプレスす
る方法等で製造する。本発明は添加物の有無にかかわら
ずAlN基体であればどのような方法で製造されたものに
でも適用できる。
AlN基体の熱伝導率は、40W/m・K以上,例えば100W/m・
Kとアルミナセラミックの20W/m・Kに比べ格段に優れ
ており、機械的強度40〜50kg/mm2(アルミナ25kg/m
m2)電気的絶縁耐力140〜170kV/cm(アルミナ100kV/c
m)と回路基板として要求される特性がアルミナ以上で
ある。この様なAlN基体に、鉛および硅素の少なくとも
一種を含有する厚膜ペーストを用い、導体層とAlN基体
との強固な接合を得ることができるため、AlNセラミッ
クの良好な特性を生かして、高熱伝導性回路基板を得る
ことができるのである。
さらに、800℃〜900℃の比較的低温でその接合を得るこ
とができるという効果も有する。従って、一般的な厚膜
ペースト様の焼成炉での焼成が可能であり、製造が容易
である。
本発明に用いられる厚膜ペーストとしては、Au,Ag,Pt,C
u,Ni,Ru,RuO2等の金属,金属酸化物等を導電体として用
いる各種導体路用、抵抗用等のペーストを用いることが
できる。また、誘電体ペーストにも応用が可能である。
[発明の効果] 以上説明したように、本発明によれば、AlN基体上に導
体層を強固に接合することができるため、電気的絶縁
性,機械的強度に優れた高熱伝導性回路基板を得ること
ができる。また、厚膜ペーストによる回路パターン形成
ができるため、回路パターンの微細化にも対応できる。
この回路基板は比較的発熱量の多い、高密度実装用、パ
ワー半導体搭載用として好適である。
[発明の実施例] 以下に、本発明の実施例を説明する。
(実施例1) AlN原料粉末を成型の後、窒素ガス雰囲気中(酸素残存
量10ppm以下)1800℃,300kg/mm2,2Hの条件でホットプ
レス焼結を行ないAlN基体を得た。次いで、PbO,SiO2を
含有したAuペースト(Pb原子換算で1.49wt%,Si原子換
算で0.23wt%)を用い、250メッシュのスクリーンでパ
ターン形成を行ない、120℃,10min.,air中で乾燥の後、
850℃,10min.,air中で焼成し、導体路としてのパッド
(2×2mm,6個)を形成した。
次いでパッド上にロジン系のフラックスを塗布し、240
℃ハンダ槽(2%Ag/63%Sn/35%Pb)に浸漬し、予備ハ
ンダを施した後、試験用ワイヤをハンダづけし、密着強
度を調べた。なお密着強度はインストロン引張り試験機
を用いて引張り速度0.5cm/minで行なった。
密着強度は、最大2.3kg/mm2,最小1.5kg/mm2で平均2
kg/mm2と強固に接合していることが確認された。
このときの接合状態をXMA(Xray micro anaiyzer)面分
析でしらべ、第1図として示す。第1図(a)はAu,第
1図(b)はO,第1図(c)はSi,第1図(b)はPbで
ある。第1図から明らかなように、Pb,SiおよびO原子
が接合界面に集中し接合層を形成していることが分る。
なお、ガラス成分は観測されなかった。同じ試料の、XM
A線分析の結果を第2図に示す。酸素等が約5μm幅の
接合層中に集中していることが分る。この結果から、ペ
ースト中には均一に存在していたSiO2,PbOが焼成により
接合界面に移動し、強固な接合に寄与していることが分
る。また、この様な移動により導体路表面でのAu純度が
向上することになり、ワイヤの接合力が向上するという
効果をも得ることができる。
(実施例2) 酸素含有量3wt%のAlN原料を用い、実施例1と同様に形
成したAlN基体(熱伝導率は、60W/m・K)に、PbO(Pb
原子換算で1.49wt%),Si(0.47wt%)を含有したCuペ
ーストで導体路を形成した。焼成を窒素雰囲気中で行な
った以外は実施例1と同様の条件で行なった。密着強度
は、平均1.4kg/mm2と十分な値を得ることができた。
第3図はXMA面分析であり同図(a)がCu,同図(b)が
Pb,同図(c)がOである。第3図から分るように、こ
の場合もPb,Oの移動,集中が見られた。この場合も、ガ
ラス成分は観測されなかった。第4図はこの試料のXMA
線分析の結果であるが、2〜3μmの接合層を形成して
いることが分る。
(実施例3) AlN原料粉末97wt%に酸化イットリウムを3wt%添加し、
混合成型したのち、窒素ガス雰囲気中、1800℃で常圧焼
結を行なってAlN基体を得た。このAlN基体の熱伝導率
は、120W/m・Kと良好な値を示した。
次いでこのAlN基体上にPbO,SiO2(Pb1.49wt%,Si0.23wt
%)含有のAuペーストで導体路を形成した。焼成は実施
例1と同様の条件で行なった。
密着強度は、1〜2kg/mm2と強固な接合を形成してい
ることが確認された。
以上実施例で説明したように、添加物を含むと含まない
とにかかわらずAlN基体上に厚膜ペーストによるパター
ン形成ができ、AlN基体の持つ高熱伝導性,高耐圧性,
機械的強度を十分に利用した回路基板を得ることができ
る。
比較のため、実施例1のAlN基体を用い、鉛、硅素を含
まないAuペースト(Bi,Cd含有アルミナ用)を用いて導
体路を形成したところ、市販のセロファンテープで簡単
に剥離してしまった。
【図面の簡単な説明】 第1図および第3図は、XMA面分析X線写真、第2図お
よび第4図は、XMA線分析X線写真。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 佐藤 登 神奈川県横浜市磯子区新杉田町8番地 株 式会社東芝横浜金属工場内 (56)参考文献 特開 昭50−75208(JP,A) 特開 昭53−102310(JP,A)

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】窒化アルミニウムセラミック基体と、 前記窒化アルミニウムセラミック基体上に形成され厚膜
    ペーストから形成された導体層とを有し、 前記基体及び前記導体層の界面に鉛が極在していること
    を特徴とする高熱伝導性回路基板。
  2. 【請求項2】前記基体及び前記導体層の界面に鉛に加え
    て珪素が極在していることを特徴とする特許請求の範囲
    第1項記載の高熱伝導性回路基板。
  3. 【請求項3】前記基体及び前記導体膜の界面に酸素が存
    在することを特徴とする特許請求の範囲第1項記載の高
    熱伝導性回路基板。
JP59204101A 1984-02-27 1984-10-01 高熱伝導性回路基板 Expired - Lifetime JPH0691304B2 (ja)

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Application Number Priority Date Filing Date Title
JP59204101A JPH0691304B2 (ja) 1984-10-01 1984-10-01 高熱伝導性回路基板
DE85102159T DE3587481T2 (de) 1984-02-27 1985-02-27 Schaltungssubstrat mit hoher Wärmeleitfähigkeit.
US06/706,280 US4659611A (en) 1984-02-27 1985-02-27 Circuit substrate having high thermal conductivity
EP85102159A EP0153737B1 (en) 1984-02-27 1985-02-27 Circuit substrate having high thermal conductivity

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JPS5075208A (ja) * 1973-11-07 1975-06-20
JPS5811390B2 (ja) * 1977-02-18 1983-03-02 株式会社東芝 熱伝導性基板の製造方法

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