JP2005191045A

JP2005191045A - 配線基板

Info

Publication number: JP2005191045A
Application number: JP2003426897A
Authority: JP
Inventors: Kazuhito Imuta; 一仁藺牟田
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2003-12-24
Filing date: 2003-12-24
Publication date: 2005-07-14

Abstract

【課題】電子部品の発熱，冷却の繰り返しによる熱応力で隙間ができ、その隙間を通して水分が流入しても、気密性の劣化無しに正常な電子部品の作動を維持しつつ電子部品の熱を効率良く外部に放出できる配線基板を提供すること。
【解決手段】配線基板６は、複数のセラミック層が積層されて成り、上面に電子部品の搭載部１ａが形成された直方体状の絶縁基板１と、搭載部１ａから絶縁基板１の側面および下面の少なくとも一方に導出された配線導体２と、搭載部１ａから絶縁基板１の内部に位置するセラミック層にかけて形成された複数の第１の貫通導体３と、最上層のセラミック層と第１貫通導体３の下端との間に位置するセラミック層から絶縁基板１の下面にかけて形成され、上部が第１の貫通導体３の下部と並行している複数の第２の貫通導体４と、セラミック層の層間に形成され、第１の貫通導体３と第２の貫通導体４とを電気的に接続する内層導体層５とを具備している。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体素子や容量素子等の電子部品を搭載するための配線基板に関するものである。

従来、半導体素子や容量素子等の電子部品を搭載する配線基板は、酸化アルミニウム質焼結体等のセラミックスから成るセラミック層が複数積層されて成るとともに上面に電子部品の搭載部が形成された絶縁基板と、搭載部から絶縁基板の側面および下面の少なくとも一方に導出された配線導体とを具備した構成である。

絶縁基板の上面の搭載部に半導体素子や容量素子等の電子部品を搭載するとともに、電子部品の電極を配線導体の露出部分にボンディングワイヤを介して接続し、搭載部を取り囲む絶縁基板の上面に蓋体を取着して搭載部を塞いだり、封止樹脂で電子部品を覆ったりして電子部品を封止することにより電子装置が構成される。

そして、配線導体のうち絶縁基体の側面や下面に導出した部位に接続するようにして接続パッド等の接続部を形成しておくとともに、この接続パッドを半田等を介して外部回路基板の回路導体に接続することにより、電子装置が外部回路基板に実装され、電子部品が外部電気回路と電気的に接続される。

このような従来の配線基板を用いて成る電子装置において、電子部品で発生した熱は、絶縁基板を介して絶縁基板の下面側に伝達されるとともに半田等の接続部材等を介して外部回路基板等へ放出される。

なお、半導体素子等の電子部品を覆う封止用の樹脂は一般に熱抵抗が大きいため、この樹脂を介して放出される熱量は、絶縁基板および接続部材を介して放出される熱量よりも小さいため、通常、電子部品で発生する熱の放出にはあまり寄与しない。

このような従来の配線基板においては、電子部品から発生した熱が、熱抵抗の大きいセラミックスから成る絶縁基板を伝わり、接続部材等を介して外部回路基板等に放出されるため、熱を効果的に放出させることができないという問題があった。

このような問題に対し、搭載部に、絶縁基板の上下面間を貫通する熱伝導部材としての複数の貫通導体を形成するとともに、この貫通導体の下側を塞ぐようにして絶縁基板の下面に接続パッドを具備した構造の配線基板が提案されている（例えば、特許文献１参照）。このような構造のセラミック配線基板においては、搭載部に、絶縁基板の上下面間を貫通する複数の貫通導体を形成するとともに、これらの貫通導体の下側を塞ぐようにして絶縁基板の下面に接続パッドを具備した構造となっていることから、電子部品で発生した熱は貫通導体に伝わって効果的に吸収されるとともに絶縁基板の下面側から接続パッドを介して外部回路基板等に放出され、放熱性を向上させることができる。

このような配線基板は、例えば、絶縁基板を形成する各セラミック層が酸化アルミニウム質焼結体から成る場合、まず酸化アルミニウムや酸化ケイ素等の原料粉末を有機溶剤，樹脂バインダーとともにシート状に成形して複数のセラミックグリーンシートを形成し、次にこれらのセラミックグリーンシートのうち貫通導体を形成する部位に機械的な打抜き加工やレーザ加工等により貫通孔を形成し、次にタングステン等の金属の粉末に有機溶剤，樹脂バインダーを添加混練して成る金属ペーストをスクリーン印刷法等により、セラミックグリーンシートの表面に所定の配線導体のパターンに印刷塗布するとともに貫通孔内に充填し、次にこれらのセラミックグリーンシートを積層して積層体とし、これを高温で焼成することにより形成される。
特開平９−３０７２３８号公報特開平１０−１０７１８８号公報

しかしながら、上記従来の配線基板においては、絶縁基板について、搭載部から下面まで貫く複数の貫通導体を形成すると、貫通導体と絶縁基板の間に半導体素子の発熱，冷却の繰り返しにより熱応力が繰り返し作用して隙間ができ、その隙間を通して外気中の水分の流入、あるいは気密性の劣化が起き、正常な電子部品の作動ができなくなるという問題があった。

特に、近時の電子部品の高機能化，高集積化に起因する発熱量の増大等に対応させて、配線基板の放熱性を高めるために貫通導体の数を増やすと、上記のような隙間の生じやすい部位が増えるため、気密性の劣化がより顕著なものとなる。

本発明は、このような従来の問題点を解消するために完成されたものであり、その目的は、半導体素子による発熱，冷却の繰り返しにより熱応力が繰り返し作用したとしても、電子部品の搭載部の気密性を良好に維持しつつ、搭載される電子部品から発生する熱を効率良く外部に放出することが可能な、気密封止の信頼性に優れるとともに放熱性に優れた配線基板を提供することにある。

本発明の配線基板は、複数のセラミック層が積層されて成るとともに上面に電子部品の搭載部が形成された直方体状の絶縁基板と、前記搭載部から前記絶縁基板の側面および下面の少なくとも一方に導出された配線導体と、前記搭載部から前記絶縁基板の内部に位置する前記セラミック層にかけて形成された複数の第１の貫通導体と、最上層の前記セラミック層と前記第１の貫通導体の下端との間に位置する前記セラミック層から前記絶縁基板の下面にかけて形成され、上部が前記第１の貫通導体の下部と並行している複数の第２の貫通導体と、前記セラミック層の層間に形成され、前記第１の貫通導体と前記第２の貫通導体とを電気的に接続する内層導体層とを具備していることを特徴とするものである。

本発明の配線基板は、好ましくは、前記第１の貫通導体および前記第２の貫通導体は、横方向において交互に形成されていることを特徴とするものである。

本発明の配線基板によれば、絶縁基板は、搭載部から絶縁基板の内部に位置するセラミック層にかけて形成された複数の第１の貫通導体と、最上層のセラミック層と第１貫通導体の下端との間に位置するセラミック層から絶縁基板の下面にかけて形成され、上部が第１の貫通導体の下部と並行している複数の第２の貫通導体と、セラミック層の層間に形成され、第１の貫通導体と第２の貫通導体とを電気的に接続する内層導体層とを具備していることから、電子部品で発生した熱は、第１の貫通導体，内層導体層および第２の貫通導体を介して絶縁基板の下面側に伝達され外部に放熱することができるため、放熱性に優れた配線基板を提供することができる。

また、第１の貫通導体は絶縁基板の下面にまで貫通せず、第２の貫通導体は絶縁基板の上面にまで貫通していないことから、各貫通導体と絶縁基板の間に、電子部品による発熱，冷却の繰り返しによる熱膨張の応力で隙間ができたとしても、その隙間が絶縁基板の搭載部から下面まで連なって貫通することはなく、その隙間を通しての外気中の水分等の流入、あるいは気密性の劣化が生じることを効果的に防止することができる。これにより、電子部品が搭載される搭載部の気密性を長期にわたって確保することが可能な、気密封止の信頼性に優れた配線基板を提供することができる。

この場合、第１の貫通導体と第２の貫通導体とは直接は接していないが、内層導体層を介して電気的に接続されるようにして形成されていることから、第１の貫通導体で絶縁基板の内部まで伝熱された熱は、熱伝導の抵抗の小さい内層導体層を通って第２の貫通導体まで伝わるため、第１の貫通導体と第２の貫通導体との間で良好に熱の伝達を行うことができる。

また、第１の貫通導体の下部と第２の貫通導体の上部とが並行していることから、この並行している部位において、両者間の比較的短い距離でセラミック層を介して熱を伝えることができるため、搭載部から第１の貫通導体および第２の貫通導体を経て絶縁基板の下面に至る伝熱経路をより大きく確保し、放熱性を非常に良好なものとすることができる。

すなわち、第１の貫通導体と第２の貫通導体とが内層導体層を介して接続するとともに、第１の貫通導体の下部と第２の貫通導体の上部とが並行していることにより、両者の間で熱は伝わるが、外気中の水分等の伝達は遮断されるような伝熱経路を形成することができる。

本発明の配線基板は、好ましくは、第１の貫通導体および第２の貫通導体は、横方向において交互に形成されていることから、第１の貫通導体の隣に必ず第２の貫通導体が位置することになり、第１の貫通導体を伝わって来た熱をより確実に隣接する第２の貫通導体に伝えることができ、配線基板の放熱性をより一層良好にすることができる。

本発明のセラミック配線基板について以下に詳細に説明する。図１は本発明の配線基板の断面図であり、図１において、１は絶縁基板、２は配線導体、３は第１の貫通導体、４は第２の貫通導体、５は内層導体層である。主としてこれらの絶縁基板１、配線導体２、第１の貫通導体３、第２の貫通導体４、内層導体層５により電子部品（図示せず）を搭載する配線基板６が構成される。

本発明における絶縁基板１は、酸化アルミニウ質焼結体、ガラスセラミック焼結体等のセラミックスから成る複数のセラミック層が積層されて成り、例えば、各セラミック層が酸化アルミニウム質焼結体から成る場合、以下のようにして作製される。酸化アルミニウム、酸化珪素、酸化カルシウム、酸化マグネシウム等の原料粉末に適当な有機樹脂バインダ、溶剤を添加混合して泥漿状のスラリーを作製し、このスラリーをドクターブレード法やカレンダーロール法等のシート成形技術によりシート状となすことによって、複数のセラミックグリーンシート（セラミック生シートで、以下、グリーンシートともいう）を得る。これらのグリーンシートを所定の順に上下に積層してグリーンシート成形体となし、このグリーンシート成形体を還元雰囲気中で約１６００℃の高温で焼成することによって製作される。

絶縁基板１の上面には、半導体素子や容量素子等の電子部品を搭載するための搭載部１ａが形成されている。搭載部１ａに搭載される電子部品は、ＩＣ，ＬＳＩ等の半導体素子、ＬＤ，ＬＥＤ，フォトダイオード，ＣＣＤ等の光半導体素子、容量素子，圧電振動子，水晶振動子，ＳＡＷデバイス等の電子部品であり、通常は四角板状であるため、そのような形状の電子部品の搭載に適するように搭載部１ａは四角形状に形成される。また、これに応じて絶縁基板１は直方体状に形成されている。

また、絶縁基板１の上面の外周部には、搭載部１ａを取り囲むようにして四角枠状の絶縁枠体７を取着しておいてもよい。絶縁枠体７は、上面に蓋体を取着したり、その内側に封止用樹脂を充填させたりすることにより、搭載部１ａを気密封止する封止用部材として機能する。この絶縁枠体７は、四角形状の搭載部１ａを取り囲むのに適した形状とするため、四角枠状に形成されている。

絶縁枠体７は、酸化アルミニウ質焼結体、ガラスセラミック焼結体等のセラミックスから成り、たとえば絶縁基板１と同種の材料により形成される。例えば、絶縁枠体７が酸化アルミニウミ質焼結体から成る場合、絶縁基板１のセラミック層を形成するのと同様のグリーンシートを枠状に打ち抜き、これを絶縁基板１となるグリーンシート成形体の上面に圧着し、一体焼成することにより形成される。なお、絶縁枠体７は、１層のセラミック層で形成するものに限らず、枠状のセラミック層を複数積層することにより形成してもよい。

この絶縁基板１の搭載部１ａから、側面および下面の少なくとも一方に配線導体２が導出されている。また、配線導体２のうち絶縁基板１の下面や側面等に導出された部位には接続パッド８が形成されている。この配線導体２および接続パッド８は、配線基板６に搭載される電子部品の電極を外部に導出し接続するための導電路および接続用導体として機能し、タングステンやモリブデン、銅、銀等の金属により形成されている。

配線導体２および接続パッド８は、例えば同種の金属により形成されており、ともにタングステンから成る場合、タングステン粉末に適当な有機樹脂バインダー、溶剤を添加混合して得た金属ペーストを、絶縁基板１となるグリーンシートの表面に予めスクリーン印刷法等により所定パターンに印刷塗布しておくことによって形成される。

そして、搭載部１ａに電子部品を搭載するとともに、電子部品の電極を配線導体２のうち搭載部１ａに露出した部位にボンディングワイヤ等の接続部材（図示せず）を介して接続し、その後、絶縁枠体７の上面に搭載部１ａを塞ぐようにして蓋体（図示せず）を取着したり、電子部品を封止用樹脂で覆ったりすることにより電子部品が気密封止され電子装置として完成する。

本発明の配線基板６において、絶縁基板１の搭載部１ａから絶縁基板１の内部に位置するセラミック層にかけて複数の第１の貫通導体３が形成されているとともに、最上層のセラミック層と第１の貫通導体３の下端との間に位置するセラミック層から絶縁基板１の下面にかけて第２の貫通導体４が形成されている。また、第１の貫通導体３の下部と第２の貫通導体４の上部とは並行している。そして、第１の貫通導体３と第２の貫通導体４とは、セラミック層の層間に形成された内層導体層５を介して電気的に接続されている。

第１の貫通導体３，第２の貫通導体４および内層導体層５は、タングステンやモリブデン，銅，銀等の配線導体２と同様の金属材料により形成されている。

第１の貫通導体３，第２の貫通導体４および内層導体層５は、それぞれの間の接続部分の接続を確実とする上では同じ金属材料により形成することが好ましく、例えば、それぞれがタングステンから成る場合、タングステン粉末に適当な有機樹脂バインダー、溶剤を添加混合して得た金属ペーストを、絶縁基板１となるグリーンシートに予め形成しておいた貫通孔内にスクリーン印刷法等により印刷充填しておくことによって形成される。貫通孔は、グリーンシートに金属ピンを用いた機械的な加工や、レ−ザ加工等の穴あけ加工を厚み方向に施すこと等により形成される。

このように、搭載部１ａから絶縁基板１の内部に位置するセラミック層にかけて複数の第１の貫通導体３を形成するとともに、最上層のセラミック層と第１の貫通導体３の下端との間に位置するセラミック層から絶縁基板１の下面にかけて、上部が第１の貫通導体３の下部と並行するようにして複数の第２の貫通導体４を形成し、第１の貫通導体３と第２の貫通導体４とをセラミック層の層間に形成された内層導体層５を介して電気的に接続した構造とすることにより、電子部品で発生した熱は、第１の貫通導体３，内層導体層５および第２の貫通導体４を介して絶縁基板１の下面側に伝達され外部に放熱することができるため、放熱性に優れた配線基板６を提供することができる。

また、第１の貫通導体３は絶縁基板１の下面にまで貫通せず、第２の貫通導体４は絶縁基板１の上面にまで貫通していないことから、各貫通導体３，４と絶縁基板１の間に、電子部品による発熱，冷却の繰り返しによる熱膨張の応力で隙間ができたとしても、その隙間が絶縁基板１の搭載部１ａから下面まで連なって貫通することはなく、その隙間を通した外部の水分等の流入、あるいは気密性の劣化が生じることを効果的に防止することができる。これにより、電子部品が搭載される搭載部１ａの気密性を長期にわたって確保することが可能な、気密封止の信頼性に優れた配線基板６を提供することができる。

この場合、第１の貫通導体３と第２の貫通導体４とは直接は接していないが、内層導体層５を介して電気的に接続されるようにして形成されていることから、第１の貫通導体３で絶縁基板１の内部まで伝熱された熱は、熱伝導の抵抗の小さい内層導体層５を通って第２の貫通導体４に伝わるため、第１の貫通導体３と第２の貫通導体４との間で良好に熱の伝達を行うことができる。

また、第１の貫通導体３の下部と第２の貫通導体４の上部とが並行していることから、この並行している部位において、両者間でセラミック層を介して熱を伝えることができるため、搭載部１ａから第１の貫通導体３および第２の貫通導体４を経て絶縁基板１の下面に至る伝熱経路をより大きく確保し、放熱性を非常に良好なものとすることができる。

すなわち、第１の貫通導体３と第２の貫通導体４とが内層導体層５を介して接続されるとともに、第１の貫通導体３の下部と第２の貫通導体４の上部とが並行していることにより、両者の間で熱は伝わるが、外気中の水分等の伝達は遮断されるような伝熱経路を形成することができる。

また本発明の配線基板６は、第１の貫通導体３および第２の貫通導体４は、横方向において交互に形成されていることが好ましい。この場合、第１の貫通導体３の隣に必ず第２の貫通導体４が位置することになり、第１の貫通導体３を伝わって来た熱をより確実に隣接する第２の貫通導体４に伝えることができ、配線基板６の放熱性をより一層良好にすることができる。またこの場合、各貫通導体３，４の間の距離は、全部同じ距離にする必要はなく、第１の貫通導体３と第２の貫通導体４との間を１００μｍ以上にしておくと、絶縁基板１の機械的強度の劣化を防ぐことができる。

本発明の第１および第２の貫通導体３，４は、平面視で円形状、楕円形状であることが好ましい。この場合、配線基板９の生産性がよくなり、また角部が無いので応力集中に起因して周囲にクラック等の破壊を生じることがない。

また、第２の貫通導体４は直径１００〜４００μｍ程度が好ましい。１００μｍ未満では、放熱性の点で不利であり、４００μｍを超えると、気密性の確保や絶縁基板１の機械的強度の維持の点で不利である。

また、第１の貫通導体３と第２の貫通導体４との隣接間隔は、１００〜１０００μｍが好ましい。隣接間隔が１００μｍ未満では、中間のセラミック層とその直下のセラミック層において積層時ずれが生じると、気密性が劣化するおそれあり、電子部品の気密封止の信頼性が低下するおそれがある。また、１０００μｍを超えると、放熱効果が不十分になるおそれがある。

また、上述した接続パッド８は、配線導体２と接続するものに限らず、第２の貫通導体４と接続するようにして形成してもよい。接続パッド８について、第２の貫通導体４と接続するようにして、絶縁基板１の下面中央等に形成しておくとともに、接続パッド８を外部の放熱部材（いわゆるヒートシンク等）に接続することにより、配線基板６の放熱性をより一層優れたものとすることができるとともに、電子装置等としての配線基板６の外部接続の機械的な強度をより一層強固なものとすることができる。

このように、第２の貫通導体４と接するようにして絶縁基板１の下面に接続パッド８を形成する場合も、第２の貫通導体４の隣接間隔を広くしておくと、それらの第２の貫通導体４と接する接続パッド８の面積も大きく取ることができるので、より一層放熱性を優れたものとすることができる。

さらに、絶縁基板１の下面に形成される接続パッド８は、全ての第２の貫通導体４の下端面に接続された広面積の面状の導体層であってもよい。この場合、第２の貫通導体４を伝熱した熱は面状の接続パッド８によって外部に効果的に放熱されることとなる。なお、この場合、第２の貫通導体４は、信号伝送用のものではなく、伝熱用のものまたは接地用のものである。

なお、本発明は上記の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内であれば種々の変更は可能である。

本発明の配線基板の実施の形態の例を示す断面図である。

符号の説明

１・・・絶縁基板
１ａ・・・搭載部
２・・・配線導体
３・・・第１の貫通導体
４・・・第２の貫通導体
５・・・内層導体層
６・・・配線基板
７・・・絶縁枠体

Claims

複数のセラミック層が積層されて成るとともに上面に電子部品の搭載部が形成された直方体状の絶縁基板と、前記搭載部から前記絶縁基板の側面および下面の少なくとも一方に導出された配線導体と、前記搭載部から前記絶縁基板の内部に位置する前記セラミック層にかけて形成された複数の第１の貫通導体と、最上層の前記セラミック層と前記第１の貫通導体の下端との間に位置する前記セラミック層から前記絶縁基板の下面にかけて形成され、上部が前記第１の貫通導体の下部と並行している複数の第２の貫通導体と、前記セラミック層の層間に形成され、前記第１の貫通導体と前記第２の貫通導体とを電気的に接続する内層導体層とを具備していることを特徴とする配線基板。
前記第１の貫通導体および前記第２の貫通導体は、横方向において交互に形成されていることを特徴とする請求項１記載の配線基板。