JP2004006993A

JP2004006993A - 多層基板

Info

Publication number: JP2004006993A
Application number: JP2003304692A
Authority: JP
Inventors: Yasutomi Asai; 浅井　　康富; Takashi Nagasaka; 長坂　　崇
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2003-08-28
Filing date: 2003-08-28
Publication date: 2004-01-08

Abstract

　　【課題】　過渡ならびに定常熱抵抗を下げることができる多層基板を提供することにある。
　　【解決手段】　表層の絶縁層１ａに熱伝導性のよい熱伝達用導体としての充填金属４が充填され、その充填金属４上にパワー素子６が配置されている。そして。パワー素子６で発生した熱は表層の絶縁層１ａの充填金属４に伝達され放熱される。又、充填金属４には、高融点材料であるＭｏの粒子とアルミ粒子の混合物が使用されている。
　　【選択図】　　　　図１
　　

Description

　この発明は多層基板に関するものである。

　従来、多層基板においては、例えば、図１２に示すように、多層よりなるセラミック基板３１上にＣｕやＡｇよりなる厚膜導体３２が印刷焼成にて形成され、その上に半田３３を介してＭｏやＣｕよりなるヒートシンク３４が配置され、さらにその上に半田３５を介してパワー素子３６が実装されている。尚、図中、３７はワイヤであり、３８はチップターミナルである。

　ところが、この構造では、過渡的な熱抵抗を下げる必要があるものは、ヒートシンク３４を厚く（体積を増加）しなければならず、ヒートシンク３４のコストアップ及び実装容積の拡大を招いていた。さらに、定常熱抵抗を下げるためには、熱伝導性のよい基板材料を用いる必要があり、これは材料のコストアップにつながる。又、定常熱抵抗を下げるためにはヒートシンク３４を薄くしてパワー素子から基板底面までの距離を小さくし、基板底面からの放熱性を向上させる必要があったが、ヒートシンク３４を薄くすることは過渡熱抵抗を下げることと相反することとなってしまっていた。

　そこで、この発明の目的は、過渡ならびに定常熱抵抗を下げることができる多層基板を提供することにある。

　上記目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、複数の絶縁層からなる多層基板上に少なくともパワー素子を配置した多層基板において、一以上の絶縁層の前記パワー素子下部領域に充填部を形成し、該充填部に前記パワー素子の熱伝達用導体を充填したものであって、前記多層基板はアルミナにて構成されているとともに、前記熱伝達用導体はモリブデン粒子に対しアルミナ粒子を混合させたものであることを要旨とする。

　請求項２に記載の発明は、複数の絶縁層からなる多層基板上に少なくともパワー素子を配置した多層基板において、一以上の絶縁層の前記パワー素子下部領域に充填部を形成し、該充填部に前記パワー素子の熱伝達用導体を充填したものであって、前記多層基板はガラスにて構成されているとともに、前記熱伝達用導体はＡｇ、Ａｇ−Ｐｂ、Ｃｕの少なくとも何れか１つであることを要旨とする。

　請求項３に記載の発明は、請求項１または２の発明において、前記充填部における前記パワー素子側に開口する開口部の面積は、前記多層基板と対面配置されたパワー素子における前記多層基板に対する対向面の面積以上になっていることを要旨とする。

　請求項４に記載の発明は、請求項１乃至３の何れか１つの発明において、前記パワー素子における前記多層基板に対する対向面の外郭形状は四角形状をなし、前記充填部の開口部の開口形状は四角形状をなすように形成されていることを要旨とする。

　請求項５に記載の発明は、請求項１乃至４の何れか１つの発明において、前記充填部が形成された一以上の絶縁層の下層には、少なくとも一層の絶縁層が介在されていることを要旨とする。

　請求項６に記載の発明は、請求項１乃至４の何れか１つの発明において、前記充填部は、前記多層基板の表面から裏面へ貫通形成されていることを要旨とする。

　請求項７に記載の発明は、請求項１乃至４の何れか１つの発明において、前記多層基板上には、複数個のパワー素子が配置され、前記絶縁層のうち所定の絶縁層に各パワー素子の熱伝達用導体を電気的に接続する配線材料を充填したことを要旨とする。

　請求項８に記載の発明は、請求項１乃至４の何れか１つの発明において、前記パワー素子と該パワー素子の熱伝達用導体の間には、少なくとも一層の絶縁層が介在されていることを要旨とする。

　以上詳述したように請求項１または請求項２に記載の発明によれば、熱伝達用導体の熱膨張率を多層基板の熱膨張率に近づけることができるため、多層基板と熱伝達用導体の熱応力を低く抑えることができる。

　また、請求項３〜請求項８に記載の発明によれば、過渡ならびに定常熱抵抗を下げることができる。又、表層の上方に突出したヒートシンクを無くす、あるいは小さくすることができるから実装容積を減少させることができる。さらに、放熱のために高価なＡｌＮ等の基板材料を使用する必要もなくなり安価に熱伝導性の優れた基板を作成することが可能となる。

　請求項１または請求項２の発明では、熱伝達用導体の熱膨張率を多層基板の熱膨張率に近づけることができるため、多層基板と熱伝達用導体の熱応力を低く抑えることができる。

　請求項３〜請求項８の発明では、パワー素子で発生した熱は、基板内に充填された熱伝達用導体を通して伝達され放熱される。この際、従来のヒートシンクが基板内に配置されていると考えるならば熱伝達用導体の体積を大きくすることにより過渡熱抵抗を下げることができ、このように過渡熱抵抗を下げることができるのでヒートシンクを薄くして定常熱抵抗を下げることが可能となる。換言すれば、従来のように表層の上方に突出したヒートシンクは不要、もしくはヒートシンクを小さくすることが可能となる。

　　　以下、この発明を具体化した一実施例を図面に従って説明する。図１に全体構成図を示す。３つのアルミナよりなる絶縁層１ａ，１ｂ，１ｃを重ねて多層基板２が形成されている。多層基板２の最上層の絶縁層１ａにおける所定領域には充填部としての充填金属収納用貫通部３が形成され、この充填金属収納用貫通部３内に熱伝導性のよい熱伝達用導体としての充填金属４が充填されている。この充填金属４は、絶縁層１ｂにおける内層配線５と電気的に接続されている。又、充填金属４には、高融点材料であるＭｏ（モリブデン）粒子とアルミナ粒子の混合物が用いられている。ここで、Ｍｏ（モリブデン）は、その熱伝導度が０．３２８ｃａｌ・ｃｍ^-1ｄｅｇ^-1ｓ^-1（２０℃）、融点が２６２２±１０℃である。他の充填金属４としては、高融点材料であるＷ（タングステン）粒子とアルミナ粒子の混合物、あるいは、Ｍｏ（モリブデン）粒子とＷ（タングステン）粒子とアルミナ粒子との混合物が使用される。ここで、Ｗ（タングステン）は、その熱伝導度が０．３８２ｃａｌ・ｃｍ^-1ｄｅｇ^-1ｓ^-1（２０℃）、融点が３３８２℃である。

　充填金属４の上にはパワー素子６が半田（あるいはＡｇペースト）によりダイマウントされている。又、パワー素子６はワイヤ７にて多層基板２の最上層の絶縁層１ａ上の導体部と電気的に接続されている。

　次に、多層基板２の製造方法を図２〜図６を用いて説明する。図２に示すように、平板状のアルミナグリーンシート８を用意する。このアルミナグリーンシート８の厚みは０．２５４ｍｍである。そして、アルミナグリーンシート８の所定領域に正方形状の貫通溝９をパンチングにより形成する。尚、貫通溝９はスルーホールの形成と同一工程で作ってもよい。

　その後、図３に示すように、２枚重ねにしたアルミナグリーンシート１０上にアルミナグリーンシート８を重ね合わせる。その結果、図４のようになる。さらに、図５に示すように、エマルジョンマスクあるいはメタルマスクを用いてＭｏ粒子とアルミナ粒子を混合したペースト１１を印刷により貫通溝９に充填する。

　その後、積層されたアルミナグリーンシート８，１０を加圧し、千数百℃以上で焼成することにより、多層セラミック基板を得る。さらに、焼成された多層基板の表面の導体部分（ペースト１１を焼成した充填金属４、メタライズ）に接合性を向上させるためにメッキを施す。そして、多層基板の表面または裏面に厚膜導体、厚膜抵抗体、ガラス等の印刷・焼成を繰り返す。

　そして、図６に示すように、ペースト１１を焼成した充填金属４に、パワー素子６を半田（あるいはＡｇペースト）によりダイマウントし、ワイヤ７によるワイヤーボンドを施す。

　その結果、図１に示す多層基板２が形成される。この図１の構成においては、パワー素子６に発生する熱が充填金属４で吸収できる。又、充填金属４の成分であるＭｏ（モリブデン）自体も極めて低抵抗であるため、充填金属４を配線として考えた場合には基板全体の発熱を軽減できる。

　さらに、充填金属４を厚くできるので、表層導体（図１２の厚膜導体３２）を使用した場合に比べ電気抵抗を数１０分の１にできる。さらには、熱抵抗も例えば、Ｍｏ単体の８０〜９０％程度になるが充填金属４の厚みや面積を大きくして充填金属４の体積を増加することにより図１２のヒートシンク３４を使用したものよりも熱抵抗を小さくできる。

　又、充填金属４にはＭｏ粒子に対しアルミナ粒子を混合してあるので、充填金属４の熱膨張率をアルミナ基板の熱膨張率に近づけることができる。よって、アルミナ基板と充填金属４の熱応力を低く抑えることができる。

　このように本実施例では、表層（絶縁層１ａ）内に熱伝導性のよい充填金属４（熱伝達用導体）を充填し、その充填金属４上にパワー素子６を配置した。よって、パワー素子６で発生した熱は、表層（絶縁層１ａ）内の充填金属４を通して伝達され放熱される。この際、従来のヒートシンクが基板内に配置されていると考えるならば充填金属４の体積を大きくすることにより過渡熱抵抗を下げることができ、このように過渡熱抵抗を下げることができるのでヒートシンクを薄くして定常熱抵抗を下げることが可能となる。換言すれば、従来のように表層の上方に突出したヒートシンクは不要、もしくはヒートシンクを小さくすることが可能となり、コストダウンが図れるとともに実装容積を減少させることができる。さらに、放熱のために高価なＡｌＮ等の基板材料を使用する必要もなくなり安価に熱伝導性の優れた基板を作成することが可能となる。

　又、充填金属４には、高融点材料（多層基板２の焼成温度よりも融点の高い材料）であるＭｏ（融点；２６２２±１０℃）の粒子を使用したので、グリーンシートに充填金属のペーストを充填した後、グリーンシートを千数百℃以上で焼成しても充填金属であるＭｏが融けることがない。

　尚、この発明は上記実施例に限定されるものでなく、例えば、図７に示すように、一層だけでなく複数層（図７では３層）にわたり充填金属４を充填してもよい。この場合、パワー素子６で発生した熱は、多層基板２の裏面を接着材により固定してある金属プレート１２にも早急に吸収することができ、金属プレート１２よりその熱を発散させることができる。又、この場合、グランド電位の共通化も可能となる。

　又、図８，９のように、多層基板２の最上層の絶縁層１ａにおいて充填金属１３を延設状態にて配置し、その充填金属１３の上にパワー素子１４と１５とを離間して配置する。即ち、パワー素子１４とパワー素子１５とを充填金属１３にて電気的に接続してもよい。

　さらに、図１０に示すように、多層基板２の最上層の絶縁層１ａに充填金属１６を配置するとともにその充填金属１６の上にパワー素子１７を配置する。一方、多層基板２の最上層の絶縁層１ａにおいて充填金属１６とは離間して充填金属１８を配置するとともにその充填金属１８の上にパワー素子１９を配置する。さらに、多層基板２の絶縁層１ｂに層内での平面方向への配線を行わせるための配線材料２０を充填する。即ち、絶縁層１ａの充填金属１６と充填金属１８とを、絶縁層１ｂの配線材料２０で電気的に接続してもよい。

　又、図１１に示すように、多層基板２の最上層の絶縁層１ａには充填金属を配置せず、２層目以降の絶縁層１ｂ，１ｃのみ充填金属を配置するようにしてもよい。

　又、基板材質としてはガラスとセラミックの複合材料であるガラスセラミックまたはガラス材を用いてもよい。この場合の導体材は、Ａｇ，Ａｇ−Ｐｄ，Ｃｕ等を用いる。製法はアルミナの場合と同一である。

実施例の多層基板の断面図である。多層基板の製造工程図である。多層基板の製造工程図である。多層基板の製造工程図である。多層基板の製造工程図である。多層基板の製造工程図である。別例の多層基板の断面図である。他の別例の多層基板の平面図である。他の別例の多層基板の断面図である。他の別例の多層基板の断面図である。他の別例の多層基板の断面図である。従来の多層基板の断面図である。

符号の説明

　１ａ…表層（絶縁層）、
　３…充填部としての充填金属収納用貫通部、
　４…熱伝達用導体としての充填金属、
　６…パワー素子、
　２０…配線材料。

Claims

複数の絶縁層からなる多層基板上に少なくともパワー素子を配置した多層基板において、一以上の絶縁層の前記パワー素子下部領域に充填部を形成し、該充填部に前記パワー素子の熱伝達用導体を充填したものであって、
　前記多層基板はアルミナにて構成されているとともに、前記熱伝達用導体はモリブデン粒子に対しアルミナ粒子を混合させたものであることを特徴とする多層基板。
複数の絶縁層からなる多層基板上に少なくともパワー素子を配置した多層基板において、一以上の絶縁層の前記パワー素子下部領域に充填部を形成し、該充填部に前記パワー素子の熱伝達用導体を充填したものであって、
　前記多層基板はガラスにて構成されているとともに、前記熱伝達用導体はＡｇ、Ａｇ−Ｐｂ、Ｃｕの少なくとも何れか１つであることを特徴とする多層基板。
前記充填部における前記パワー素子側に開口する開口部の面積は、前記多層基板と対面配置されたパワー素子における前記多層基板に対する対向面の面積以上になっていることを特徴とする請求項１または２に記載の多層基板。
前記パワー素子における前記多層基板に対する対向面の外郭形状は四角形状をなし、前記充填部の開口部の開口形状は四角形状をなすように形成されていることを特徴とする請求項１乃至３の何れか１つに記載の多層基板。
前記充填部が形成された一以上の絶縁層の下層には、少なくとも一層の絶縁層が介在されていることを特徴とする請求項１乃至４の何れか１つに記載の多層基板。
前記充填部は、前記多層基板の表面から裏面へ貫通形成されていることを特徴とする請求項１乃至４の何れか１つに記載の多層基板。
前記多層基板上には、複数個のパワー素子が配置され、前記絶縁層のうち所定の絶縁層に各パワー素子の熱伝達用導体を電気的に接続する配線材料を充填したことを特徴とする請求項１乃至４の何れか１つに記載の多層基板。
前記パワー素子と該パワー素子の熱伝達用導体の間には、少なくとも一層の絶縁層が介在されていることを特徴とする請求項１乃至４の何れか１つに記載の多層基板。