JPS6184089A - 高熱伝導性回路基板 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

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、／ＩＮ基体という。）を用いた高熱伝導
性回路基板に関する。

［発明の技術的背蒙とその問題点］ 従来から回路基板として用いられている材料として、へ
λ２０３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Ａλ２０３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、近年の電子礪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！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Ａλ２０３セラミック基板の熱伝導率は２
０Ｗ／ｍ−に程度と低く、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
，Ａｌｌ！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。

ＡｆＮ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Ａア
Ｎ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、金属に対する濡れ性が悲り導体層
の接合は困難とされていた。従ってＡｆＮ１体に直接導
体路を形成した回路基板はなく、往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
■り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
てあり、この技術を用いてＡＢＮ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ＡｋＮＷ体の金属に対する濡
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１ 本発明は以上の点を考慮してなされたもので、ＡρＮ基
体上に導体層を形成することにより、電気的絶縁性１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Ａ犯ＮＭ体上に導体路を形
成し、ＡλＮＭ板を回路基板に応用することを基本とツ
るものである。

本発明者等がＡλＮ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＄１
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△ｆＮ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。

すなわら本発明は、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、３ｉおよびＯの結合状態は、
その層目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＜（Ｐｂ、５ｉ）−０の複雑
な化合物を形成し、これがＡ＆Ｎ１体と、厚膜ペースト
の主成分である例えば△ｕ、　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、３ｉおよび○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。ざらにＡＲＮ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、Ｙ２０３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
の吊は少量でその効果を発揮するか、実質的に、０　、
　Ｏｏ　５　ｗｔ％（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ｎ）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奇与する成
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、カラス
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。例えば硼珪Ｉｌｌ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
ＡλＮ基体の場合に特に顕著である。

ＡＥＮ基体は、ＡＥＮ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ＡｆＮ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Ａλ
Ｎ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ＡλＮ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。

八（Ｎ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２０
Ｗ、／ｍ−Ｋに比べ格段に優れて６す、改械的強ａ４０
〜５０ｋＱ／ｍ　ｍ２（アルミナ２５ｋｇ／ｍｍ’）電
気的絶縁耐力１４０〜１７０ｋＶ／ｃｌアルミナ１００
　ｋ　Ｖ、／ａｍ）と回路Ｊ３板として要求されるＩＪ
ｔ性がアルミナ以上である。この様なＡＲＮ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ＡＢＮｉ体との強固な接合を得ることが
できるため、ＡＪ？Ｎ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　°ｃ〜９００　”ｃ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用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、ＡＣ
ｌ、Ｐｔ、Ｃｕ、Ｎ　ｉ、Ｒｕ、ＲｕＱ２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。

Ｃ発明の効果］ 以上説明したように、本発明によれば、ＡＥＮ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１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、本発明の詳細な説明する。

（実施例１） ＡβＮ原料粉末を成型の後、窒素ガス雰囲気中（酸素残
存ｆｆｉ　１００１１ｍ以下）１８００°ｃ、３００に
り／ｍ１２．２）−１の条件でホットプレス焼結を行な
いＡＪ２Ｎ基体を得た。次いで、ｐｂ○、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メツシ
ユのスクリーンでパターン形成を行ない、１２０’［、
１０ｍ１ｎ　、　、　ａｉｒ中で乾燥の１１２．８５０
’ｃ、１０ｍ１ｎ　、、ａｉｒ中で焼成し、導体路とし
てのパッド（２ｘ２ｍｍ、６個）を形成した。

次いでパッド上にロジン系の７ラツクスを塗布し、２４
０　”ｃハンダ槽（２％Ａｇ／６３％３ｎ／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殿を用いて引張
り速度０．５ｃｍ／ｍｉｎで行なった。

密着強度は、最大２　、３　ｋＱ／ｍ　ｍ２．最小１．
５ｋ（１／ｍ１ｌｌ’で平均２ｋｏ／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　　ｍ１ｃｒ
。

ａｎａｉｙｚｅｒ）面分析でしらへ、第１図として示す
。

第１図（ａ＞はＡｕ、第１図（ｂ）はＯ１第１図（Ｃ）
はＳｌ、第１図（ｄ）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、ＸＭＡ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
な接合に奇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Ａｕｇ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ｍ　３　ｗｔ％の△ＪＰＮ原料を用い、実施例
１と同様に形成したＡＢＮ基体（熱伝導率は、６０Ｗ／
ｍ　−Ｋ　）に、ｐｂ○（Ｐｂ原子換算テ１．４９１Ｈ
％＞、３ｉ　（０，４７＊ｔ％）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　、４　　Ｊ／ｍ　ｍ２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○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） Ａ（Ｎ原料粉末９７ｗｔ％に酸化イツトリウムを３ｗｔ
％添加し、混合成型したのら、窒素ガス雰囲気中、１８
００’Ｃで常圧焼結を行なってＡλＮ基体を得た。この
八（Ｎ基体の熱伝導率は、１２０Ｗ　／　ｒｎ−にと良
好な値を示した。

次いでこのＡβＮ基体上にＰｂＯ，５ｉＯ２（Ｐｂ　　
１．４９ｗｔ％、　Ｓ　ｉ　　０．２３ｗｔ％）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、１〜２　ｋｇ／　ｍ　ｍ２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、’ｌ　ＮＥｉ体上に厚膜ペーストによ
るパターン形成ができ、ＡＩＮＷ体の持つ高熱伝導性、
高耐圧性１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ＡＲＮｍ体を用い、鉛、硅素を
含まないＡｕペースト（８ｉ、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。

代理人　弁理士　則近憲佑　（はが１名）導毎鋒 ７１図 、４　Ｊ　Ａ）、ｌ−４゜ １ＣＪｆｉ帛 ６とｄ　　　で◇−

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）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。
2. （２）前記厚膜ペーストと窒化アルミニウムセラミック
   基体とは鉛および硅素の少なくとも一種と酸素とが共存
   する接合層を介して接合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。