CN103026806A - 用于车载用电子设备的基板构造 - Google Patents

Abstract

一种低价且可靠性高的陶瓷基板，在设为多层构造时，作为从电介质材料中去除了铅的材料而实现环保。这种多层陶瓷基板的特征在于：在形成有：烧结了的陶瓷基体（2）、形成于陶瓷基体的表面的由导电性金属的导体浆构成的第一电路布线图案（3）、形成于第一电路布线图案的表层的由电介质构成的绝缘层（8）、形成有在绝缘层的表层搭载第二电路布线图案和电路搭载部件的岛的导体图案和电阻器（4），并且以保护膜（5）覆盖搭载电路搭载部件的岛部分以外，以导电性粘接剂连接电子电路部件（7）的陶瓷基板中，电介质由以容积混匀氧化铝粉末和玻璃粉末的低温烧制陶瓷基板的生片（11）构成（参照图5）。

Description

用于车载用电子设备的基板构造

技术领域

本发明涉及车载电子设备。特别是，涉及利用设置于引擎舱内、排气系周围的、检测各种物理量的传感元件和控制传感元件的电子电路将各种物理量作为电信号输出的各种传感器的电路基板构造，以及具有接受上述各种传感器的电信号而控制车辆的各种状态的微处理器运算机的控制单元的电路基板构造。

背景技术

近年来，从环境保护的观点出发，开始制定铅、镉、六价铬等的标准，加速了从电子设备中使用的焊料、金属的端子向不含铅的材料的置换。其中，在技术上难以去除包含于玻璃的铅的状况下，即使在决定各标准的国际专门规格中，也将包含于玻璃的铅作为除外对象。

但是，近况是：在各种机构中也开始将对包含于玻璃中的铅制定标准的行动作为讨论的对象。

特别成为问题的是，在通过向陶瓷基板印刷而形成导体图案、电阻器、电介质并进行烧制，从而形成电路的陶瓷混合物基板（以下，称为基板）中，在作为陶瓷基板以外的电路形成材料的浆材料中，全部混合了玻璃。导体图案除了银、铜、银和钯等合金材料之外混合了玻璃和溶剂，电阻器除了作为电阻器材料的氧化钌等之外混合了玻璃和溶剂，电介质是玻璃材料自身。

在现状下，上述的导体浆、电阻浆处于现市场上有含铅的产品并待产品成熟的状态。

有问题的是用于电介质的玻璃浆。现在的实际情况是：在电介质浆中，除铅的产品很少，除铅后的产品电介质特性及生产性差，在业界很少被采用。根据对玻璃浆制造商的确认的详细情况得知，由于从电介质玻璃去除铅在技术上很困难、成本高，所以并没有进行开发的计划。

在这里，成为问题的是，如果国际机构等突然开始实施禁止玻璃中的铅的标准，则在通过上述的对陶瓷基板进行印刷而形成导体图案、电阻器、电介质，并进行烧制，从而制作形成电路的基板的制造商中，上述基板产品可能不再能够制造。

另一方面，这10年间开始上市的低温烧制陶瓷基板（LowTemperature Co-fired Ceramics）（以下，称为LTCC基板），推进了去除铅的技术，实现了铅去除，LTCC基板作为环保型的陶瓷基板而被瞩目。但问题是LTCC基板的制造成本很高。

在日本特开2005-223226号公报中，介绍了接合陶瓷基板与复合树脂基板的构造，公开了针对由于双方的线膨胀系数的差发生的翘曲进行对策。此外，在日本特开2007-208243号公报中，公开了在用于将LTCC基板安装于外部的其它基板的、在LTCC底面设置金属垫片层、进行与外部基板的焊接的构造。此外，在日本特开2006-124201号公报中有从LTCC的生片去除铅的结构材料的公开。

现有技术文献

专利文献1：日本特开2005-223226号公报

专利文献2：日本特开2007-208243号公报

专利文献3：日本特开2006-124201号公报

发明内容

首先，利用图1~图4说明陶瓷电路基板。将电子电路基板大致分为陶瓷系基板和印刷基板。

一般的电路基板的结构是：在由绝缘体构成的基板材料表面上形成由导电性金属构成的电路图案，印刷电路形成所需的电阻，或者形成安装作为芯片部件以焊接接合的电容器、IC芯片等的金属岛（land），形成对保护这部分不受水分、腐蚀性气体伤害的保护膜，并以焊接或导电性粘接剂安装芯片部件、IC芯片的结构。这样的构造对印刷基板也是同样的。

以下，说明以往技术中的陶瓷基板的分类和构造。

图1是示出陶瓷基板1的截面构造的图。在以氧化铝等绝缘材料形成的成为烧制体的板状的氧化铝基板2的表面，将银、铜、银和钯等合金的粉末用玻璃、溶剂形成的导体浆置于形成了电路图案的印刷掩模，将印刷掩模直接压向氧化铝基板2，用橡胶滚轴在陶瓷基板2表面形成电路图案3。然后，通过烧制氧化铝基板2，浆料所含的溶剂挥发，印刷的电路图案3固着，由于玻璃与氧化铝基板所含的杂质（焊剂）发生化学反应，从而使氧化铝基板2与由金属导体构成的电路图案3密接。同样地，电阻器4，除了成为电阻器材料的氧化钌之外，也通过由印刷掩模印刷混合了玻璃与溶剂的电阻浆而形成。进而，保护膜5，也同样地由印刷掩模印刷玻璃浆或者树脂浆而形成。然后，利用印刷到预定的部位的掩模来印刷焊料浆6，进而搭载芯片部件、IC芯片等电子部件7或者以导电性粘接剂涂布于电子部件之后，使焊料浆6硬化。

接下来，用图2、图3说明陶瓷基板中的印刷多层基板。另外，本实施例中说明两层的印刷多层基板，但多层构造也可以形成三层或以上。在氧化铝基板2的表面，通过印刷导电性金属、特别是以银、铜、银和钯的合金的主要成分的导体浆，形成作为第一层的电路图案3并进行烧制。接下来，通过重复印刷电介质浆（一般使用的多是铅玻璃）直到达到预定的膜厚并进行烧制，从而形成电介质层8。此时，电介质8的印刷图案，形成连接作为第一层的电路图案3与形成于电介质8表面的第二层的导体图案的通孔9。在形成有通孔9的电介质8中，使用与作为第一层的电路图案3同样的导电性金属浆通过印刷进行通孔9的填充印刷并进行烧制。进而，在用导体浆填充了通孔9的电介质8表面，与作为上述的第一层的电路图案同样地使用导体浆进行印刷，从而形成作为表层电路图案的第二层的布线图案10，并烧制。由此，完成陶瓷基板。然后，与上述的陶瓷基板同样地，通过印刷电阻器浆，形成电阻器4并烧制。此外，保护膜5也通过印刷玻璃、树脂而形成，并进行烧制，或者使之硬化。并且，在作为安装电子电路部件7的开口部的岛（land）部分印刷焊料6，安装芯片部件、IC芯片等电子部件7之后，通过对焊料6进行回流焊，完成印刷多层陶瓷基板1。

印刷多层陶瓷基板1的最大的特征在于，能够通过印刷形成电路布线图案，由于构造简单，能够制造可靠性高且低价的电路基板。但是，高密度安装存在极限。此外，由于使层叠数也是实用的、在3层以下，所以如果增大电路，则电路区域增大，基板尺寸增大。

接下来，说明LTCC基板。如前所述，LTCC基板是低温烧制陶瓷基板，LTCC基板的最大的特征在于，通过在陶瓷的烧制前的状态的生片上自由地形成电路图案，多重地进行层叠，进而同时烧制生片和形成电路图案的导体浆，从而能够形成高密度的安装基板这一点。但是，LTCC基板，存在机械性强度比以往的氧化铝基板低、成本高这样的问题。

但是，LTCC基板是以与开始开发时相比使用去除了铅的玻璃材料为前提而开发的，所以市场上流通的几乎所有LTCC生片11，都是使用了去除了铅的玻璃材料的材料设计，是与环保宗旨符合的材料。近年来，结合电路结构的增加、小型化的需求，LTCC基板被用于移动电话、机动车用电子电路基板。

利用图4说明LTCC基板的制造工序。

LTCC生片11是以溶剂混匀氧化铝粉末和玻璃粉末而成的生片。其特征在于在于：LTCC生片11多是由去除了铅的玻璃形成的，而且环保应对技术一直在进步。该LTCC生片11中，用于使电路导通的通孔9由机械式穿孔机器人或激光加工机来形成。接下来，通过印刷将以银、铜或者银和钯的合金等为主要成分的导体浆12填充到通孔9。并且，利用以银、铜或者银和钯的合金等为主要成分的导体浆通过印刷形成针对各层设计的电路图案3、10之后，将各LTCC生片11进行层叠并压着13。然后，通过将压着后的LTCC生片11进行烧制，将LTCC生片11与导体浆12同时进行烧制，能够形成高密度的电路基板。在LTCC表面，与上述的陶瓷基板1同样地，通过印刷电阻器浆来形成电阻器4，并进行烧制。此外，保护膜5，也由印刷玻璃、树脂来形成并进行烧制，或者使之硬化。并且，通过对作为安装电子电路部件7的开口部的岛部分印刷焊料6，在安装芯片部件、IC芯片等电子部件7之后对焊料6进行回流焊，从而完成LTCC基板14。

在这里，作为双方的特征，陶瓷基板1很难从电介质8印刷浆中去除铅去除，将延缓环保措施。而LTCC基板14是已开发了去除铅的LTCC生片11并能进行环保对应的陶瓷基板。

因此，本发明的目的在于：通过融合陶瓷基板1中的优点即能够形成生产性良好且低价的电路基板的技术、和去除LTCC基板14所有的铅的LTCC生片11具有适应环保的技术，不只是能够应对环保要求，还形成低价且可靠性出色的陶瓷基板。

作为解决上述的问题的方法，对于形成低价但从电介质浆中去除铅的技术开发迟缓的陶瓷基板所用的电介质层，铅去除的技术进步了，通过用去除了铅的LTCC生片代替市场上流通的LTCC生片，从而能够达成。

另外，作为用于解决问题的手段而进行了简单地记载，但在实施例用说明了那里特有的技术在背景中的情况。

根据本发明，能够期待以下效果：通过融合低价但难以从结构材料中去除铅的陶瓷基板的优点和昂贵但从材料中去除铅有进展的LTCC基板的技术，从而能够提供一种在去除铅的同时通过提高生产性来降低成本的电子电路基板。

附图说明

图1是以往的陶瓷基板的截面构造图。

图2是以往的陶瓷基板的部件材料构成图。

图3是以往的陶瓷基板的制造流程图。

图4是以往的LTCC基板的制造流程图。

图5是本发明中的陶瓷基板的制造流程图。

图6是本发明中的LTCC的卷起对策。

图7是本发明中的LTCC的卷起对策。

图8是本发明中的作为其它实施策略的陶瓷基板的制造流程图。

符号说明

1：陶瓷基板；2：氧化铝基板；3：电路图案；4：电阻器；5：保护膜；6：焊料；7：电子部件；8：电介质；9：通孔；10：布线图案；11：LTCC生片；12：导体浆；13：层叠、压着工序；14：LTCC基板；15：本发明的陶瓷基板；16：圆形、狭缝状的镂空部分形状；17：网格、格子状的镂空部分；18：金属氧化物；19：LTCC浆；20：化学键

具体实施方式

以下，根据图5~图8说明本发明的实施方式。

首先，在图5至图7中说明本发明的第1实施例。

图5是本发明中的陶瓷基板15的制造工艺图。

LTCC生片11与通常的LTCC基板14制造工序相同，夹持上、下层并负责电气性导通，形成用于将电路图案电性的连接的通孔9，在通孔9中，通过印刷将以银、铜或者银和钯的合金等为主要成分的导体浆12填充到通孔9。并且，在表层通过用以银、铜或者银和钯的合金等为主要成分的导体浆12来印刷而形成预定的设计的作为第二层的布线图案10的、该工序中，暂时留下LTCC生片11的加工。

另一方面，关于氧化铝基板2，在氧化铝基板2表面印刷以导电性金属、特别是银、铜、银和钯的合金为主要成分的导体浆并形成作为第一层的电路图案3。然后，一边对先前留下的LTCC生片11匹配位置一边进行层叠13，并进行压着压接13以使LTCC生片11与氧化铝基板2密接。然后，置入烧制炉，通过使用同时烧制LTCC生片11和由导体浆12形成的通孔中填充的导体、作为第一层的电路图案3、还有作为表层导体形成的布线图案10的LTCC基板技术，实现氧化铝基板2和LTCC生片11、由导体浆12形成的通孔中填充的导体、作为第一层的电路图案3、还有作为表层导体形成的布线图案10的同化（融合）。该工序以后，以往的陶瓷基板1和LTCC基板14是同一个。即，通过印刷电阻器浆而形成电阻器4并烧制。此外，还印刷玻璃、树脂而形成保护膜5，并烧制或使之硬化。并且，对作为安装电子电路部件7的开口部的岛部分印刷焊料6，在安装芯片部件、IC芯片等电子部件7之后通过对焊料6进行回流焊来完成本发明的陶瓷基板15。

另外，在本实施例中，仅说明了一张（一层）LTCC生片11，但根据产品特有的理由（例如，为了强化基板厚度而进行增厚等）也可以采用两张以上。

以下说明用于达成本发明的构造的技术性精髓。

在氧化铝基板2表面形成电路图案3，如果在层叠LTCC生片11之后进行烧制，则LTCC基板的端部将发生卷起现象。其主要原因之一是相对于氧化铝基板2的线膨胀系数是6.9~7.2ppm/℃这一情况，形成作为与LTCC基板相接的第一层的电路图案3的银的线膨胀系数为13~15ppm/℃左右，由层叠于形成在氧化铝基板2的表面的作为第一层的电路图案3的表面的LTCC基板形成的电介质8的线膨胀系数为5~6ppm/℃，线膨胀系数不均衡，但是其最主要的原因是同时烧制形成作为第一层的电路图案3的导体浆和作为覆盖第一层的电介质8的LTCC生片11时的各材料中的收缩、收缩动作的不同引起的。形成作为第一层的电路图案3的导体浆的主要成分为银、铜、银和钯的合金。另一方面，LTCC生片11如上所述由氧化铝粉末、玻璃粉末和溶剂混匀而成，所以在双方进行同时烧制时，体积收缩，但收缩开始温度、收缩率完全不同，所以发生上述的烧制时的LTCC基板端部的卷起。具体而言，确认形成电路图案3的导体浆和LTCC生片11的收缩运动的结果是：确认到形成电路图案3的导体浆先开始收缩，在导体烧结之后LTCC生片11烧结的动作，判明是由于导体比LTCC基板先收缩，收缩时的应力作用于成为自由端的LTCC基板端部的缘故。

因此，向氧化铝基板2层叠LTCC生片11并进行烧制后，不发生LTCC端部的卷起。此外，在LTCC生片11上以将导体浆实地印刷到整面的状态进行烧制之后，还是变为LTCC生片11凹状地翘曲的状态。

因此，在本发明中，如图6所示，在以导体浆形成了作为在氧化铝基板2表面形成的第一层的电路图案3的实地导体中，设置圆形或者狭缝状的开口16，设置露出氧化铝基板2的部分。由此，确保氧化铝基板2和LTCC生片11直接密接的面积在一定以上，并且抑制LTCC基板端部的卷起，使收缩时的应力作用于LTCC基板端部的影响降低。另外，能确认到最大效果的是使作为第一层的电路图案3呈网格状或格子状17的图案。

通过设置上述结构，能够实现以稳定的品质形成本发明的陶瓷基板15。

此外，也能够通过材料性策略，以稳定的品质形成本发明的陶瓷基板15。以下，利用图7进行说明。

如上所述，在氧化铝基板2上形成作为第一层的电路图案3并层叠作为电介质8的LTCC生片11的构造中，如果LTCC生片11与氧化铝基板2的密接性、也即LTCC生片11与氧化铝基板2之间的互相作用所提供的密接强度比形成第一层的电路图案3的烧制时发生的收缩应力大的话，则作为第一层的电路图案3被氧化铝基板2和LTCC生片11约束，不会再发生烧制LTCC生片11之后的卷起。

也即，作为将LTCC生片11和氧化铝基板2的密接进行强化的方法，是向LTCC生片11添加金属氧化物18。在烧制氧化铝基板和银等的导体浆之后，导体浆作为与氧化铝基板密接的机制，已知：在向导体浆混合金属物并进行烧制时的还原反应中，在导体浆与氧化铝基板的界面，与氧化铝基板的杂质（焊剂）化学反应，并形成稳固的化学结合的情况，将其设为化学键20。

在本发明中，为了使用于将形成电路图案3的导体浆密接于氧化铝基板的化学键20功能起作用，对LTCC生片11混合5%以下的作为化学键20的核的金属氧化物18，对LTCC生片11界面与氧化铝基板2的界面的接合提供化学键功能。设金属氧化物的混合量为0.1%、1%、5%、10%而进行了混合，在10%的混合中，金属氧化物与LTCC的玻璃粉末反应，发生反而在LTCC基板产生空穴、线膨胀系数由于金属氧化物而变化并在LTCC基板的中央部发生膨胀现象等情况，所以混合量优选为5%以下。

此外，作为具体的金属氧化物18，是氧化铜、氧化亚铜，但氧化锌、氧化镍、氧化铋、氧化银、氧化硼等中能够得到效果。

接下来，利用图8说明本发明的第2实施例。

在第1实施例中，对难以进行铅的去除的印刷多层用电介质浆使用了能够进行铅的去除化的LTCC生片11，但作为其它的实施方式，有在浆状态下将LTCC生片11作为印刷浆而使用的策略。LTCC生片11的制造方法是以溶剂混匀氧化铝粉末和玻璃粉末的生片，如果调整溶剂的添加量，则能用作印刷浆的替代品。

在氧化铝基板2的表面，通过印刷以导电性金属、特别是银、铜、银和钯的合金为主要成分的导体浆而形成作为第一层的电路图案3。并且，将以调和为浆状态的溶剂混匀作为LTCC生片11的原材料的氧化铝粉末和玻璃粉末而得到的LTCC浆作为电介质8，重复进行印刷直到预定的膜厚，并进行烧制。此时，电介质8的图案形成连接作为第一层的电路图案3和作为形成于电介质8表面的第二层的布线图案10的通孔9。接下来，在形成了通孔9的电介质8中，使用与第一层的电路图案3同样的导电性金属浆通过印刷进行通孔9的填充印刷并进行烧制。进而，在用导体浆填充了通孔9的电介质8表面，与作为上述的第一层的电路图案3同样地，使用导体浆通过印刷形成作为表层布线图案10的第二层的布线图案10，并进行烧制。然后，与上述陶瓷基板15同样地，通过印刷电阻器浆而形成电阻器4并烧制。此外，也用印刷玻璃、树脂来形成保护膜5并进行烧制或者使之硬化。并且，在作为安装电子电路部件7的开口部的岛部分印刷焊料6，在安装芯片部件、IC芯片等电子部件7之后，对焊料6进行回流焊，从而完成本发明的陶瓷基板15。

根据本实施例，不需要LTCC专用设备就能形成本发明的陶瓷基板15。如果有印刷机和烧制炉，则不需要特殊设备，所以能够形成低价且去除了铅的电介质层，所以能够制造适于环保应对的陶瓷基板。

另外，作为使用本发明的陶瓷基板15的产品事例，适用于机动车用电子电路。此外，在空气流量计、各部分温度传感器、压力传感器、引擎控制单元、湿度传感器、排气系的温度传感器、压力传感器、小型的电源组件中，能够展开去除了铅的多层陶瓷基板，作为兼具有LTCC的层叠技术和现有陶瓷基板的机械性强度的、可靠性高的陶瓷基板，能够提供在考虑到环境的同时能够耐受严酷环境的可靠性高的陶瓷基板。

Claims (10)

1.一种多层陶瓷基板，其特征在于，

形成有：

烧结了的陶瓷基体；

形成于所述陶瓷基体的表面的由导电性金属的导体浆构成的第一电路布线图案；

形成于所述第一电路布线图案的表层的由电介质构成的绝缘层；

在所述绝缘层的表层形成搭载第二电路布线图案和电路搭载部件的岛的导体图案和电阻器，

在用保护膜覆盖搭载所述电路搭载部件的岛部分以外，用导电性粘接剂连接电子电路部件的陶瓷基板中，

所述电介质由用溶剂混匀氧化铝粉末和玻璃粉末的低温烧制陶瓷基板的生片构成。

2.一种多层陶瓷基板，其特征在于，

形成有：

烧结了的陶瓷基体；

在所述陶瓷基体的表面通过印刷形成由导电性金属构成的导体的电路布线图案；

设有作为贯通导体的贯通孔的用溶剂混匀氧化铝粉末和玻璃粉末的低温烧制陶瓷基板的生片，所述生片中，用导体浆填充所述贯通孔，在所述低温烧制陶瓷基板的生片的表层用导体浆通过印刷形成有电路图案；

将所述低温烧制陶瓷基板的生片多层地层叠于所述陶瓷基体，在所述多层地层叠的低温烧制陶瓷基板的生片的最上层形成有搭载电路布线图案和电路搭载部件的岛的导体图案和电阻器，用保护膜覆盖搭载所述电路搭载部件的岛部分以外，用导电性粘接剂连接电子电路部件。

3.根据权利要求1所记载的多层陶瓷基板，其特征在于，

所述低温烧制陶瓷基板的生片由不含铅的玻璃粉末材料构成。

4.根据权利要求1所记载的多层陶瓷基板，其特征在于，

通过设置在所述第一电路布线图案形成圆形或者狭缝状的开口，使所述陶瓷基体的一部分露出；或者，设置如下的布线图案：通过设为网格状、格子状，从而使作为基体的氧化铝基板和隔着由所述导电性金属形成的第一层布线图案的电介质层直接接触的部分的镂空形状设于第一层。

5.根据权利要求1所记载的多层陶瓷基板，其特征在于，

通过将所述第一电路布线图案设为网格状或者格子状，而使所述陶瓷基体的一部分露出，设置用于使所述低温烧制陶瓷基板的生片和所述第一电路布线图案直接接触的部分的镂空形状。

6.根据权利要求1所记载的多层陶瓷基板，其特征在于，

所述低温烧制陶瓷基板的生片中混合了金属氧化物。

7.根据权利要求5所记载的多层陶瓷基板，其特征在于，

混合于所述低温烧制陶瓷基板的生片的金属氧化物是氧化铜、氧化亚铜、氧化锌、氧化镍、氧化铋、氧化银、氧化硼。

8.根据权利要求5所记载的多层陶瓷基板，其特征在于，

混合于所述低温烧制陶瓷基板的生片的金属氧化物的混合率为5%以下。

9.一种多层陶瓷基板，其特征在于，

形成有：

烧结了的陶瓷基体；

形成于所述陶瓷基体的表面的由导电性金属的导体浆构成的第一电路布线图案；

形成于所述第一电路布线图案的表层的由电介质构成的绝缘层；

在所述绝缘层的表层形成搭载第二电路布线图案、电路搭载部件的岛的导体图案、电阻器，

在用保护膜覆盖搭载所述电路搭载部件的岛部分以外，用导电性粘接剂连接电子电路部件的陶瓷基板中，

所述电介质由以溶剂溶解氧化铝粉末和玻璃粉末后的低温烧制陶瓷浆形成。

10.一种车载电子设备，其特征在于，

在根据权利要求1至8中任意一项所记载的多层陶瓷基板中，将所述陶瓷基板搭载于机动车的引擎舱、或者排气系周围所搭载的传感器、或者引擎控制单元。

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