ビアを有する銅板接合ＡｌＮ基板

【目的】表面が配線パターンを有する実装側、裏面が放熱側である銅板接合基板の表裏の導通を確保し、両面を有効に利用し得るようにすると共に、接合基板に積層構造を持たせることも可能とする。
【構成】表面及び裏面に銅板１１を滑性金属を含む合金のろう材１２を用いてセラミックス基板１３に接合した銅板接合基板にパターン化された両面の銅板をビアホール１４で電気的に接合する。

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、ビアを有する銅板接合ＡｌＮ基板に関する。さらに詳しくは、大電流を使用する電子部品搭載用基板として用いられる、耐熱サイクル性に優れた銅板接合ＡｌＮ基板のうち、特に基板の表裏面を有効に利用することができ、さらには積層構造を持たせることも可能とするビアホール構造を付加した銅板接合ＡｌＮ基板に関する。
【０００２】
【従来の技術】大電流を使用する電子部品搭載用基板として、セラミックス基板の両面にろう材を用いて金属板を接合した基板が用いられており、その典型的な例を図２に縦断面模式図で示す。図において、電子部品搭載側金属板１は、電子部品搭載側ろう材２を介して、セラミックス基板３に接合されており、放熱側金属板５は放熱側ろう材４を介して基板３に接合されている。このような金属板接合セラミックス基板は、積層構造とすることができないだけでなく、表裏面を有効に利用できないという欠点がある。また、外部配線が多くなりシステムとして小型化しにくく、設計上の制約も多い。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】本発明は、従来の銅板接合基板にビアホールを持たせることによって、表裏面の導通を確保し、配線面、放熱面を有効に利用することを目的とする。本発明者らはビアホールの比抵抗値のばらつきを低減するために、材質、構造、製造工程について広範囲に検討し、実際の使用に耐え得る製品を得た。本発明はこのようなビアを有する銅板接合ＡｌＮ基板を提供することで、上記従来技術の問題点を解決しようとするものである。
【０００４】
【課題を解決するための手段】本発明では、上記課題を解決するために、一つあるいは複数個のビアホールをセラミックス基板に形成する技術と従来の銅板接合技術を組合せることを特徴とする、大電流を使用する電子部品搭載用基板を提供する。本発明は電子部品搭載あるいは電気配線のための銅板及び放熱用の銅板が、活性金属を含む合金のろう材を介してＡｌＮ焼結体の両面にそれぞれ接合されており、パターン化された両面の銅板の一部を電気的に接続したビアホールを得たことを特徴とするビアを有する銅板接合ＡｌＮ基板である。この場合に、ＡｌＮ焼結体が熱伝導率１５０Ｗ／ｍＫ以上、酸素含有量２重量％以下のＡｌＮ焼結体であり、ビアホールはＡｌＮ基板と銅板をろう付けする温度よりも高い温度で予め焼結され、良好な導電性を有する金属が、緻密に充填されているビアホールとすれば好適である。
【０００５】また、ビアホールは、Ｃｕを主成分とし、ケミカルボンドタイプあるいはガラスフリットボンドタイプで焼結温度が９００〜１０００℃の導電性焼結金属とし、ろう材はＡｇ−Ｃｕ合金を主成分とし、活性金属としてＴｉを含み９００℃以下で良好な接合状態が得られるろう材としてもよい。さらに、これらの場合にビアホールのアスペクト比（深さ／径）が、１以上で３以下とするのがよく、ビアホールのアスペクト比が１未満のときは、ビアホールの断面積の合計が一致する複数個の径の小さいビアホールとするのが好ましい。
【０００６】
【作用】本発明は、Ａｇ−Ｃｕ合金を主成分とし、活性金属としてＴｉを添加した従来のろう材を用いた銅板とＡｌＮセラミックス基板の接合技術に、Ｃｕ導体を主成分としたガラスフリットタイプあるいはケミカルボンドタイプのペーストでスルーホール印刷し、接合温度より高い９００〜１０００℃に焼成しビアホールを形成する技術を組合せることを特徴とする。このような複合・多段階メタライズ技術により、従来の銅板接合基板の付加価値を向上させるものである。
【０００７】スルーホール形成、ビアホール形成、パターン形成、銅板接合からなる本発明の実施例を製造する全工程を図３に示す。まずグリーンシートを成形し、これを適当な寸法に切断、打抜き基板の焼成を行う。次いでＣｕペーストをスルーホールに充填し、乾燥し、表面を平滑化して焼成する。この基板にろう材を印刷し、鋼板を仮止めする。次に真空焼成して接合しエッチング、めっき処理を行うことによって製造される。次に本発明のビアホールのアスペクト比（深さ／径）は１以上３以下であるとビアホールと銅板、ろう材、アルミナ基板の接合状態が良好で、熱サイクル経過前後の比抵抗のばらつきが少なく好適である。アスペクト比が１未満のときは、複数個の近接するビアホールの群に分割するとよい。
【０００８】
【実施例】
実施例１平均粒径１．２μｍのＡｌＮ粉末（酸素含有量０．６５重量％、カーボン含有量０．０２重量％）に、平均粒径０．５μｍのＹ₂ Ｏ₃ を２．５重量％添加し、ポリビニルブチラール（ＰＶＢ）と可塑材を適量加え、ＡｌＮスラリーとした。このスラリーより、ドクターブレード法にて厚さ約１ｍｍのグリーンシートを成形し、さらにこれを６５×６５ｍｍ角に打抜き加工して、図４に示すグリーンシート６を得た。このグリーンシート６にドリリングマシンにより、焼き上がりの後の収縮を見込んで、０．３６ｍｍφのスルーホール２１を形成した（図４（ａ））。窒素気流中で６００℃の脱脂及び１９００℃の焼成を行い、熱伝導率１８０Ｗ／ｍＫのスルーホール基板７（図４（ｂ））を得た。
【０００９】焼結後０．３ｍｍφに収縮したスルーホール２１ａに、スルーホール径の２０％増のランド径を有するスクリーンマスクにより、ガラスフリットタイプ、固形分８０〜９０％Ｃｕペーストを充填した。３０分のレベリング後、大気中２００℃で乾燥（イン・アウトで３０分）し、ランド部分を研削して基板表面を平滑にした。引き続き、窒素気流中９００℃（イン・アウトで８０分）でＣｕペーストを焼成し、ビアホールとした。この時の、ビア部の比抵抗のばらつきを図５に示す。
【００１０】続いて、Ａｇ−Ｃｕ（＋Ｔｉ）ろう材を図６（ａ）（表面）、図６（ｂ）（裏面）に示すパターンで、ビアホール基板の表面８及び裏面９に、膜厚２５〜３０μｍで印刷し、３０分のレベリング後Ｃｕペーストと同じ条件で乾燥した。両面に厚さ１５０μｍ、５５ｍｍ□の銅板を接着剤で仮止めした。この状態で適当な荷重をかけて固定した後、真空中（１０^-6Ｔｏｒｒ）、８５０℃で４０分焼成し、接合体とした。接合後のビアホール部を含む破断面の顕微鏡写真を図７（ａ）に示す。図７（ｂ）はその説明図であって、ＡｌＮ基板１９を貫通しＣｕが充填されたビアホール部１８の一部へ銅板１６を接合しているＡｇ層１７が拡散している状態が観察される。接合後図６（ａ）、図６（ｂ）に示したパターンのみ残し、エッチングにより余分な銅板を取り除いた。
【００１１】図１はこれを模式的に示したもので、ビアホール１４を設けた基板１３の表面８及び裏面９にろう材１２を介して銅板１１を形成し（図１（ｂ））、エッチングにより余分の銅板を取り除いた（図１（ｃ））状態を示している。この時のビア部の比抵抗（ろう材、銅板こみの全抵抗を比抵抗に換算）のばらつき、および熱サイクル試験（−５０℃〜１５０℃、２００回）後の比抵抗（ろう材、鋼板こみ）のばらつきを図８、図９に示す。また、ビアホールのみ（ろう材と銅板を除去）の比抵抗（初期値）のばらつきを図１０に示す。熱サイクル試験の前後で比抵抗のばらつきに変化のないことが分かる。このことから、銅板、ろう材、ＡｌＮ基板、及びビアホールの接合状態が良好であるといえる。
【００１２】実施例２実施例１と同様にＡｌＮグリーンシートを用意した。０．３６ｍｍφのスルーホール２１が５個からなる１集団を、図１１に示すようなパターンで形成した。この１集団は、破線で示した０．８ｍｍφのスルーホール２２を１個形成したのと同じ断面積に相当する。以下実施例１と同様に銅板を接合し、ビアの抵抗のばらつきを測定した。結果を図１２に示す（ビアホール１集団は、５個の小さなビアホールで構成されている。）実施例１と同じく、比抵抗のばらつきの小さい良好な結果が得られた。また、図１１に破線で示す０．８ｍｍφのスルーホール２２の１個からなるビアホールを、図１１に実線で示すスルーホール２１の５個の代りに、図１１と同じパターンで形成した。鋼板接合後のビア部の比抵抗のばらつきは図１５のようになり、同じ断面積を有する分割したビアホールの場合に比べると、比抵抗値の分布が広がっている。これはビアホールの充填密度（焼結密度）の低下（ばらつき）が原因と考えられる。
【００１３】実施例３実施例１と同様にＡｌＮグリーンシートを用意した。０．３６ｍｍφのスルーホール２３が１０個からなる１集団を、図１３に示すようなパターンで形成した。これは図１３に破線で示した１．１４ｍｍφのスルーホール２４が１個分の断面積に相当する。実施例１と同様に銅板を接合し、ビア部の抵抗のばらつきを測定した。結果を図１４に示す（ビアホール１集団は、１０個の小さなビアホールで構成されている）。実施例１と同じく、比抵抗値のばらつきの小さい良好な結果が得られた。次に図１３に破線で示す１．１４ｍｍφのスルーホール２４の１個からなるビアホールを、図１３に実線で示すスルーホール２３の１０個に代って、図１３と同じパターンで形成した。銅板接合後のビア部の比抵抗のばらつきは図１６のようになり、同じ断面積を有する分割されたビアホールのものと比べ高抵抗化しており、比抵抗値の分布が広がっている。
【００１４】
【発明の効果】以上述べたように本発明によると、従来の銅板接合基板にビアホールを付加することによって、接合基板の表裏面を有効に利用することができ、設計上の制約が緩和され、積層構造を持たせることも可能となる。さらに、ビアホールをＣｕペースト充填法によって形成することによって、導電性に優れるだけでなく、ろう材からのＡｇの拡散により、ろう材との密着力が強固となり、耐熱サイクル等の信頼性も向上する。また、ビアホールの構造としては、断面積が同じなら、ある程度まではアスペクト比（深さ／径）の大きい（３程度）、すなわち断面積の小さい複数個のビアホールで構成する方が、比抵抗が低減するだけでなく、その分布が狭くなり信頼性が向上する。これは大電流で使用する場合に重要な構造といえる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）はエッチング後の表面のパターン図、（ｂ）は銅板を仮止めした状態のＢ−Ｂ矢視図、（ｃ）はエッチング後のＢ−Ｂ矢視図である。
【図２】金属板接合セラミックス基板の縦断面模式図である。
【図３】ビアを有する銅板接合ＡｌＮ基板の製造工程図である。
【図４】形成されたスルーホールパターンの例を示す図である。
【図５】ビアホール部の比抵抗のばらつきを示すグラフである。
【図６】銅板接合パターンを示す図である。
【図７】（ａ）はビアホール部の顕微鏡写真、（ｂ）はその説明図である。
【図８】熱サイクル試験前のビア部比抵抗のばらつきを示すグラフである。
【図９】熱サイクル試験後のビア部比抵抗のばらつきを示すグラフである。
【図１０】ビアホールのみの比抵抗（初期値）のばらつきを示すグラフである。
【図１１】グリーンシートに形成されたスルーホールのパターンを示す基板の部分平面図である。
【図１２】ビアホールの比抵抗のばらつきを示すグラフである。
【図１３】グリーンシートに形成されたスルーホールのパターンを示す基板の部分平面図である。
【図１４】ビアホールの比抵抗のばらつきを示すグラフである。
【図１５】ビアホールの比抵抗のばらつきを示すグラフである。
【図１６】ビアホールの抵抗値のばらつきを示すグラフである。
【符号の説明】
１電子部品搭載側金属板
２電子部品搭載側ろう材
３セラミックス基板
４放熱側ろう材
５放熱側金属板
６グリーンシート
７基板
８表面
９裏面
１１銅板
１２ろう材
１３セラミックス基板
１４ビアホール
１６銅板
１７Ａｇ層
１８ビアホール
１９ＡｌＮ基板
２１、２２、２３、２４スルーホール

【特許請求の範囲】
【請求項１】電子部品搭載あるいは電気配線のための銅板及び放熱用の銅板が、活性金属を含む合金のろう材を介してＡｌＮ焼結体の両面にそれぞれ接合されており、パターン化された両面の銅板の一部を電気的に接続したビアホールを備えたことを特徴とするビアを有する銅板接合ＡｌＮ基板。
【請求項２】ＡｌＮ焼結体が熱伝導率１５０Ｗ／ｍＫ以上、酸素含有量２重量％以下のＡｌＮ焼結体であり、ビアホールはＡｌＮ基板と銅板をろう付けする温度よりも高い温度で予め焼結され、良好な導電性を有する金属が、緻密に充填されているビアホールであることを特徴とする請求項１記載のビアを有する銅板接合ＡｌＮ基板。
【請求項３】ビアホールは、Ｃｕを主成分とし、ケミカルボンドタイプあるいはガラスフリットボンドタイプで焼結温度が９００〜１０００℃の導電性焼結金属であり、ろう材はＡｇ−Ｃｕ合金を主成分とし、活性金属としてＴｉを含み９００℃以下で良好な接合状態が得られるろう材であることを特徴とする請求項１記載のビアを有する銅板接合ＡｌＮ基板。
【請求項４】ビアホールのアスペクト比（深さ／径）が、１以上３以下である請求項１〜３のいずれかに記載のビアを有する銅板接合ＡｌＮ基板。
【請求項５】アスペクト比が１未満のビアホールを断面積の合計が一致する複数個の径の小さいビアホールに分割したことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のビアを有する銅板接合ＡｌＮ基板。

【図２】