陶瓷基板及其制造方法技术

技术编号:19078168 阅读:92 留言:0更新日期:2018-09-29 18:58
本发明专利技术着眼于机械强度、热传导性等高的氮化硅基板,提供一种发挥其特性、并且能够提高陶瓷层与氮化硅基板的接合性的陶瓷基板以及其制造方法,前述陶瓷层使用能同时与低熔点金属Ag、Cu等低电阻的导体材料烧结的电介质陶瓷。本发明专利技术的陶瓷基板是由氮化硅基板和陶瓷层层叠并接合而成的陶瓷基板,并且所述陶瓷层是由电介质陶瓷形成的,前述电介质陶瓷作为主成分含有Mg、Al以及Si,作为副成分含有Bi或B,前述陶瓷层在与前述氮化硅基板的接合界面处具有Si元素浓度高的区域。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】陶瓷基板及其制造方法
本专利技术涉及用于搭载半导体元件等的陶瓷基板及其制造方法。
技术介绍
在电机等各种工业设备、引擎控制单元等车载设备、或冰箱、空调、电视等家电设备、便携式电话、智能手机等移动通信设备等、各种电子设备中使用的电源电路、放大电路中,使用了在陶瓷基板上安装半导体元件而成的半导体集成电路装置(以下,称为模块)。伴随近来的电子设备的小型/薄型化、高功能化,模块也同样追求小型/薄型化、高功能化。而且,随着内部布线的微细布线化带来的晶体管的高集成化,半导体元件存在晶体管的耐压下降、同时电流消耗增加、半导体元件放热增加的趋势。因此,为了使模块稳定地动作,期待使半导体元件的放热高效散失。至此,已经提出了各种结构的用于使半导体元件的放热高效散失的模块。其中一个示例是专利文献1中公开的模块。模块的基本构成是板状的陶瓷基板和通过金属化法等在其上表面侧形成有金属层。陶瓷基板是热传导性优异的氮化硅基板,在其下表面侧连接有散热器。半导体元件被焊接安装于金属层。另一方面,在专利文献2中揭示了,为了使模块高功能化,在烧结的陶瓷基板上层叠低温烧成陶瓷(LTCC(LowTemperatureCo-firedCeramics))的未烧结的坯料片,对其进行烧成而作为复合陶瓷基板,在复合陶瓷基板上安装电容器、IC芯片等电子部件,构成模块。现有技术文献专利文献专利文献1:日本特开平9-97865号公报。专利文献2:日本特开2012-33664号公报。
技术实现思路
专利技术要解决的课题在专利文献2中示出了作为陶瓷基板使用氧化铝基板,以及为了起到使坯料片粘附在氧化铝基板上的化学键合功能的作用而预先在坯料片中掺和氧化铜、氧化亚铜、氧化锌、氧化镍、氧化铋、氧化银、氧化硼等金属氧化物。然而,在作为陶瓷基板使用比氧化铝基板具有更优异的热传导性、机械强度、耐热冲击性等的氮化硅基板再层叠低温烧成陶瓷的未烧结的坯料片的情况下,已清楚地知道即使用于坯料片的低温烧成陶瓷材料(LTCC材料)中包含前述金属氧化物也无法获得与氮化硅基板的接合性。因此,本专利技术的目的在于,着眼于机械强度、热传导性等高的氮化硅基板,提供一种能够发挥其特性并且提高陶瓷层与氮化硅基板的接合性的陶瓷基板以及其制造方法,前述陶瓷层使用能同时与低熔点金属Ag、Cu等低电阻的导体材料烧结的电介质陶瓷。用于解决课题的手段本专利技术人等为了解决前述课题进行了潜心研究,结果发现通过采用下述构成能达到上述目的,至此完成了本专利技术。需要说明的是,本专利技术中的各种物性值是通过实施例等中采用的方法测定而来的值。也就是说,本专利技术的陶瓷基板是氮化硅基板和陶瓷层层叠并接合而成的陶瓷基板,并且所述陶瓷层是由电介质陶瓷形成的,其特征在于,前述电介质陶瓷作为主成分含有Mg、Al以及Si,并作为副成分含有Bi或B,前述陶瓷层在与前述氮化硅基板的接合界面处具有Si元素浓度高的区域。在本专利技术中,认为是在烧结过程中在氮化硅基板与陶瓷层的接合界面上形成Si元素浓度高的区域,因此,接合性提高。虽然接合性提高的详细机理还不清楚,但是认为是以下这样的。电介质陶瓷的母相(主要由主成分构成的组合物)粒子一边在粒子彼此间产生吸附一边进行颗粒成长,进行表面扩散/粒界扩散,烧结而致密化。在此期间,玻璃相(部分母相成分进入副成分而成的组合物)在母相粒子间黏性流动。据推测,因为在该烧结时的致密化过程中,在母相粒子间存在的玻璃相中的一部分随着颗粒成长从母相粒子间渗出的玻璃相的Si氧化物容易使氮化硅基板表面氧化,所以处于与氮化硅基板容易浸润的状态,进而在烧结中产生了以下的任一种状态。(1)来自氮化硅基板的Si成分从被氧化的氮化硅基板表面向玻璃相扩散,在冷却过程中变得过饱和的Si氧化物向Si浓度低的陶瓷层侧扩散,在接合界面处形成Si元素浓度高的区域,产生了玻璃相与氮化硅基板的牢固接合。(2)被氧化的氮化硅基板表面的Si与陶瓷层中的Si经由O而牢固结合,从而在接合界面处形成Si元素浓度高的区域,产生了氮化硅基板与陶瓷层的牢固接合。认为是(1)和(2)的任一者或两者起到作用而形成了牢固的接合。由此,可以认为,在发挥机械强度、热传导性等高的氮化硅基板的特性的同时,能够提高使用能与低熔点金属Ag、Cu等低电阻的导体材料同时烧结的电介质陶瓷而成的陶瓷层与氮化硅基板的接合性。以主成分为100质量%时,本专利技术中的电介质陶瓷的主成分优选含有换算作MgO为10~25质量%的Mg、换算作Al2O3为15~46质量%的Al、以及换算作SiO2为40~65质量%的Si。若主成分在上述范围,能制成包含堇青石(Cordierite)的电介质陶瓷。可以在烧成(烧结)时使堇青石(组成2MgO·2Al2O3·5SiO2)结晶从Mg、Al、Si的氧化物、碳酸盐等析出,也可以对堇青石粉末与前述副成分的混合粉进行预烧制成预烧粉,再对其进行烧成。无论那种情况下,都能够获得与氮化硅基板之间的牢固接合。因为堇青石是低介电常数、低损失,所以作为在微波段的频率使用的陶瓷基板很有用。以主成分为100质量份时,本专利技术中的副成分优选含有换算作Bi2O3为0.1~10质量份的Bi或换算作B2O3为0.1~10质量份的B。若副成分在上述范围,能获得促进低温烧结的效果,进而获得促进烧成时的堇青石结晶化的效果,即使在低温也能使组织致密化并能提高接合性,有利于获得本专利技术的效果。本专利技术中的副成分还含有Cu,以主成分为100质量份时,前述Cu的含量优选是换算作CuO为0.1~10质量份。若含有规定量的Cu,能够在接合界面处形成Cu浓度高的Cu浓缩区域,因此有利于牢固结合氮化硅基板与陶瓷层。本专利技术中的副成分还含有Mn,以主成分为100质量份时,前述Mn的含量优选是换算作Mn3O4为0.1~10质量份。若含有Mn,能使接合部内的空洞(孔隙,void)减少,能获得促进烧成时的堇青石的结晶化的效果,即使在低温也能使组织致密化并提高接合性,有利于获得本专利技术的效果。优选,在本专利技术的Si元素浓度高的区域附近还含有来自前述副成分的元素浓度高的区域。在本专利技术中,也可在陶瓷基板形成低熔点金属的布线层。优选,前述布线层是从由Ag、Au、Cu、Ag合金以及Cu合金组成的组中选出的至少1种。通过使用低电阻的布线材料,从而降低高功率信号的传输损失,能实现信号传输的高效率化。在本专利技术中,前述氮化硅基板的热膨胀系数与前述陶瓷层的热膨胀系数之差优选为±2ppm/℃以内。由此,能够使烧结时的热膨胀带来的影响变少,从而能不产生裂纹而保持良好的贴附状态,能进一步提高接合性。本专利技术的陶瓷基板的制造方法,其特征在于,其包括:形成包含陶瓷材料以及粘合剂的坯料片的工序,所述陶瓷材料作为主成分含有Mg、Al以及Si,作为副成分含有Bi或B;在氮化硅基板上层叠至少1层前述坯料片来制成复合层叠体的工序;在1100℃以下对前述复合层叠体进行烧成来制成陶瓷层与氮化硅基板接合成的陶瓷基板的工序,在前述烧成工序时,在前述陶瓷层与前述氮化硅基板的接合界面处形成Si元素浓度高的区域。由此,如前所述,能够制造使陶瓷层与氮化硅基板的接合性提高的陶瓷基板。另外,本专利技术的陶瓷基板的制造方法,其特征在于,其包括:将包含陶瓷材料以及载体的膏涂布在氮化硅基板上后,进行干燥,形成坯料层来制成复合层叠体本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种陶瓷基板,其是由氮化硅基板和陶瓷层层叠并接合而成的陶瓷基板,并且所述陶瓷层是由电介质陶瓷形成的,其中,所述电介质陶瓷作为主成分含有Mg、Al以及Si,并且作为副成分含有Bi或B,所述陶瓷层在与所述氮化硅基板的接合界面处具有Si元素浓度高的区域。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2016.03.30 JP 2016-0691421.一种陶瓷基板,其是由氮化硅基板和陶瓷层层叠并接合而成的陶瓷基板,并且所述陶瓷层是由电介质陶瓷形成的,其中,所述电介质陶瓷作为主成分含有Mg、Al以及Si,并且作为副成分含有Bi或B,所述陶瓷层在与所述氮化硅基板的接合界面处具有Si元素浓度高的区域。2.如权利要求1所述的陶瓷基板,其中,在将主成分设为100质量%的情况下,所述电介质陶瓷的主成分含有换算作MgO为10~25质量%的Mg、换算作Al2O3为15~46质量%的Al、以及换算作SiO2为40~65质量%的Si。3.如权利要求1或2所述的陶瓷基板,其中,将主成分设为100质量份的情况下,所述副成分含有换算作Bi2O3为0.1~10质量份的Bi或换算作B2O3为0.1~10质量份的B。4.如权利要求1~3中任一项所述的陶瓷基板,其中,作为所述副成分还含有Cu,并且在将主成分设为100质量份的情况下,所述Cu的含量是换算作CuO为0.1~10质量份。5.如权利要求1~4中任一项所述的陶瓷基板,其中,作为所述副成分还含有Mn,并且在将主成分设为100质量份的情况下,所述Mn的含量是换算作Mn3O4为0.1~10质量份。6.如权利要求1~5中任一项所述的陶瓷基板...

【专利技术属性】
技术研发人员:伊藤博之伊藤进朗
申请(专利权)人:日立金属株式会社
类型:发明
国别省市:日本,JP

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