JP2007149814A - 回路基板及び回路基板の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】熱伝導性に優れた金属類とセラミックス等の絶縁性物質の特性を積極的に活用して放熱性等の熱特性に優れた回路基板を提供することである。
【解決手段】ベアチップ１を備えた金属柱体２と、電気回路５を備えた絶縁部材４とを有しており、前記ベアチップ１と電気回路５とが通電可能に接続されている回路基板Ａ１において、前記絶縁部材４に、金属柱体２を嵌入させる貫通孔３又は有底穴を設けて、金属柱体２を前記貫通孔３又は有底穴に嵌入固定させており、前記絶縁部材４がセラミックス材で構成されている。
【選択図】図１

Description

本願発明は、熱伝導性に優れ、所謂、高発熱、高放熱用途に好適な回路基板及びその製造方法に関するものである。

電子機器の高機能化、及び小型薄型化の要求に応えるべく、高集積化された半導体が、昨今の回路基板に実装されている。特にパワーエレクトロニクスの分野においては、半導体として発熱し易い発光ダイオード等の発光素子を、回路基板に高密度に実装する必要があるため、回路基板としては、微細パターン（ファインパターン）による高密度配線の設計が容易である上に、高い放熱性を有していることが要求される。

かかる高発熱、高放熱用途の回路基板の放熱性を改良するための技術としては、基板材料として窒化アルミニウム（ＡｌＮ）に代表される高放熱性セラミックスを使用する技術や、アルミニウムや銅のように放熱性に優れた金属板の両面又は片面に絶縁層を介して回路を形成した金属ベース基板を用いる技術などが周知である。かかる回路基板の放熱性向上の要請に対処するべく、熱伝導性に優れた金属類やセラミックスに代表される絶縁性物質の特性を積極的に活用した回路基板構造やパッケージング構造が、例えば特許文献１に開示されている。
米国特許第６２７４９２４ Ｂ１号

特許文献１には通電経路と放熱経路とを分離する目的で通電経路と絶縁された金属製ヒートシンク部材(heat-sinking slug)を有するＬＥＤパッケージング構造が開示されている。しかし、特許文献１に開示されている構成は、ＬＥＤが、絶縁性物質からなるサブマウントによって金属製ヒートシンク部材と隔離されているため、金属製ヒートシンク部材が十分にその放熱機能を発揮できず、さらなる高放熱性を確保する観点からは依然として改良の余地を残すものであった。

そこで、本発明は熱伝導性に優れた金属類とセラミックス等の絶縁性物質の特性を積極的に活用して放熱性等の熱特性に優れた回路基板を提供することを目的としている。

上記課題を解決するため、ベアチップを備えた金属柱体と、電気回路を備えた絶縁部材とを有しており、前記ベアチップと電気回路とが通電可能に接続されている回路基板において、前記絶縁部材に、前記金属柱体を嵌入させる貫通孔又は有底穴を設けて、前記金属柱体を前記貫通孔又は前記有底穴に嵌入固定させており、前記絶縁部材がセラミックス材で構成されていることを特徴としている。

請求項２の発明では、請求項１の発明において、前記絶縁部材に、傾斜面と、前記傾斜面と連続する底部平坦面とで構成される凹部を形成し、前記底部平坦面に前記貫通孔又は前記有底穴を設け、前記ベアチップが発光ダイオードであり、前記凹部の傾斜面が光反射面を構成するようにした。

請求項３の発明では、請求項２の発明において、前記底部平坦面を、金属柱体の上端面を用いて構成した。

請求項４の発明では、金属柱体にベアチップを装着し、セラミックスからなる絶縁部材に前記金属柱体を嵌入させる貫通孔又は有底穴を形成し、前記貫通孔又は前記有底穴の直径は、前記絶縁部材が常温の時には前記金属柱体の外径よりも小さく、且つ、前記絶縁体が加熱されて昇温すると、前記金属柱体の外径よりも大きくなるように設定されており、前記絶縁部材を昇温させて前記貫通孔又は前記有底穴に前記金属柱体を嵌入させ、前記絶縁部材の温度を常温まで低下させて前記絶縁部材と前記金属柱体とを固着し、前記絶縁部材に電気回路を設け、前記ベアチップと前記電気回路とを通電可能に接続するようにした。

請求項１の発明では、電気回路を備えた絶縁部材に、ベアチップを備えた金属柱体を嵌入させる貫通孔又は有底穴を設けて、金属柱体を貫通孔又は有底穴に嵌入固定させ、絶縁部材をセラミックス材で構成するようにしたので、ベアチップから金属柱体への直接的な熱伝達が可能であり、高放熱性を確保し得るという優れた効果を奏することができる。さらに、ベアチップから熱伝導率の高いセラミックスの絶縁材へ熱を伝達し効率よい放熱を行うことができる。この場合、絶縁材が樹脂であってはせっかく金属柱体へ熱を伝達しても絶縁材の熱伝達がよくないため効率よく放熱させることができないものである。

請求項２及び請求項３の発明では、絶縁部材に、傾斜面と、この傾斜面と連続する底部平坦面とで構成される凹部を形成し、底部平坦面に貫通孔又は有底穴を設け、ベアチップが発光ダイオードであり、凹部の傾斜面が光反射面を構成するようにしたので、発光した発光ダイオードの光を、傾斜面に反射させて照射することができ、発熱量を増加させることなく光量を増加させることができる。この場合、絶縁材が樹脂であって有色であったりすると、表面の反射率が低く効率よく反射させることができないが、セラミックスの素地は反射率が非常に高く、表面に金メッキなどを施して反射面を形成する必要がないものである。

請求項４の発明を実施することにより、絶縁部材の貫通孔又は有底穴に嵌入された金属柱体が、絶縁部材から外れることを防止することができる回路基板を製造することができる。

以下、本願発明の実施形態を、図面を参照しながら説明する。なお、本願発明の回路基板は、下記の実施形態にのみ限定されるものではなく、本願発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。図１（ａ）は、本発明を実施した回路基板Ａ１の分解斜視図であり、図１（ｂ）は、回路基板Ａ１の斜視図である。図１（ａ）に示すように、回路基板Ａ１は、電子チップである発光ダイオード１（ＬＥＤ）、金属柱体２、絶縁部材４、及び電気回路部５とで構成されている。

絶縁部材４には貫通孔３が設けてあり、この貫通孔３に金属柱体２を嵌入させる。絶縁部材４は、金属柱体２を構成する金属よりも熱膨張率が小さい素材であるセラミックスで形成されている。貫通孔３の直径は、絶縁部材４の温度が常温のときには常温の金属柱体２の外径よりも小さく、絶縁部材４が加熱されて高温になると、常温の金属柱体２の外径よりも大きくなる大きさに設定されている。

したがって、貫通孔３に金属柱体２を嵌入させる際には、絶縁部材４のみを所定温度（例えば、３００℃〜５００℃）に達するまで加熱し、貫通孔３の直径を拡げる。その後、金属柱体２を貫通孔３に嵌入させ、絶縁部材４を冷却（自然放熱でも可）させ、貫通孔３の直径を狭めることにより、絶縁部材４に対して金属柱体２を固着させる。

金属柱体２の貫通孔３への嵌合は、上述のように金属柱体２と絶縁部材４の熱膨張率の差異を利用して、より効果的に行うことができる。その際、金属柱体２を冷却する一方、絶縁部材４を加熱してもよい。また、低温ろう付け（low temperature brazing operation）等の上記説明と異なる手法により、両者を固着させることもできる。あるいは、前記熱膨張率の差異を利用した固定手法と併用して、より強固なものにすることができる。

なお、完成した回路基板Ａ１に通電されると、金属柱体２は、約１２０℃程度にまで昇温する。通常、セラミックス材料金属はよりも膨張率が小さいので、高温になったとしても貫通孔３が金属柱体２よりも拡大して、絶縁部材２４の貫通孔３から金属柱体２が脱落することはない。また、１２０℃くらいであれば、金属柱体２が貫通孔３より拡大しすぎて、絶縁部材４を破壊してしまう心配もないものである。

絶縁部材４と金属柱体２とを一体に固着した後、金属柱体２には発光ダイオード１を装着（ベアチップ実装）し、絶縁部材４には電気回路部５を装着する。図１（ｂ）に示すように、発光ダイオード１と電気回路部５とは、金属ワイヤ６によって通電可能に接続されている。

すなわち、金属柱体２は、発光ダイオード１と直結（直づけ）しているので、発光ダイオード１から金属柱体２への直接的な熱伝達が可能であり、充分な高放熱性を確保し得る。また、金属柱体２は、ベアチップ実装した発光ダイオード１の電極として機能させることもできる。

さらに、回路基板Ａ１では、金属柱体２に発光ダイオード１（電子チップ）をベアチップ実装するので、実装精度の観点からも有利であるといえる。すなわち、金属柱体２を形成する金属は、従来の回路基板構造やパッケージング構造に多く採用されてきたセラミックス等への実装と比較しても実装面を平滑にする加工が容易だからである。

以上のように金属柱体２を絶縁部材４に装着した後、ヒートスプレッダ８（放熱板）を装着する。ヒートスプレッダ８は、金属柱体２の下面と接しており、発熱した発光ダイオード１の熱を、金属柱体２を介して効率的に放散させることができる。なお、ヒートスプレッダ８は、発光ダイオード１の発熱量に応じて、設置するか否かは適宜選択可能であり、発熱量が少なければ、必ずしも設ける必要はない。

次に、本発明の別の実施形態を、図２を参照しながら説明する。図２（ａ）は、図１の回路基板Ａ１とは別の形態の回路基板Ａ２の斜視図であり、図２（ｂ）は、さらに別の回路基板Ａ３の斜視図である。

図２（ａ）に示す回路基板Ａ２の構成は、図１（ｂ）の回路基板Ａ１のヒートスプレッダ８に、放熱フィン９を設けた点のみが回路基板Ａ１の構成と異なっている。ヒートスプレッダ８に放熱フィン９を設けることにより、金属柱体２（又は発光ダイオード１）の熱を、より効率よく放散させることができる。

図２（ｂ）に示す回路基板Ａ３の構成は、図１（ｂ）の回路基板Ａ１のヒートスプレッダ８の代わりにヒートスプレッダ１８を設けた点のみが回路基板Ａ１の構成と異なっている。ヒートスプレッダ１８は、上板１８ａ、下板１８ｂ、及び両者をつなぐ連結部１８ｃとから構成されている。図示していないが、上板１８ａの上面は、金属柱体２の下面と接している。上板１８ａと下板１８ｂの間には、隙間１８ｄが形成されている。この隙間１８ｄには、複数（図示の例では４本）のヒートパイプ１０が配置されている。ヒートパイプ１０の中には高温で気体状態を呈し、低温で液体状態を呈する冷媒（図示せず）が封入されている。

ヒートパイプ１０内の冷媒は、ヒートスプレッダ１８から熱伝達されて昇温すると、液体から気体に変化し、放熱すると気体から液体に戻る。冷媒が、液体から気体、及び、気体から液体への相変化を繰り返すこと等により、発光ダイオード１の熱を効率よく放散させる。

図１（ａ）、（ｂ）、図２（ａ）、（ｂ）に描写した回路基板Ａ１〜Ａ３では、いずれも金属柱体２と絶縁部材４の形状が同じであったが、次に、異なる形状の金属柱体２２と絶縁部材２０とを備えた回路基板Ａ４を、図３を参照しながら説明する。図３（ａ）は、本発明を実施した回路基板Ａ４の斜視図であり、図３（ｂ）は、図３（ａ）の回路基板Ａ４の断面図である。

回路基板Ａ４は、中央に孔２０ｃを備えた絶縁部材２０と、上方の小径部２３ｂがこの孔２０ｃに嵌着される金属柱体２３、金属柱体２３に実装される二つの電子チップ（発光ダイオード１）、及び二つの電気回路部５とで構成されている。

図３（ｂ）に示すように、金属柱体２３は、二つの領域に仕切る絶縁層２２を備えている。二つの発光ダイオード１は、金属柱体２３のそれぞれ別の領域に配置されている。絶縁部材２０には、周囲の上部平坦面２０ａの内側の縁から内方へ傾斜するすり鉢状の傾斜面２０ｂが形成されている。金属柱体２３の上面２３ａと、絶縁部材２０の傾斜面２０ｂとで凹部２１が形成されている。

傾斜面２０ｂ上には、一つの電気回路部５が配置されている。残りの電気回路部５は、上部平坦面２０ａ上に配置されている。各電気回路部５は、金属ワイヤ６でそれぞれ別の発光ダイオード１と接続されている。絶縁層２２を設けることにより、二つの領域間の通電が不能になっており、また、熱が金属柱体２３の二つの領域間を移動しないようになっている。

二つの発光ダイオード１を設ける別の回路基板の実施形態を、図４を参照しながら説明する。図４は、二つの電子チップ（発光ダイオード１）を設置する場合の図３とは別の回路基板Ａ５の斜視図である。図４に示すように、回路基板Ａ５は、内部に平坦な傾斜面２４ｂを４つ備えた絶縁部材２４と、二つの金属柱体２とを備えている。絶縁部材２４には、上部平坦面２４ａの内側の縁から、４つの傾斜面２４ｂが連続して設けてある。絶縁部材２４には、さらに、傾斜面２４ｂの下端に続く底部平坦面２４ｃが設けてある。すなわち、絶縁部材２４は、上部平坦面２４ａと底部平坦面２４ｃとが、傾斜面２４ｂで接続された構成を備えている。

底部平坦面２４ｃには、貫通孔２５ａ、２５ｂが設けてある。これらの貫通孔２５ａ及び２５ｂには、それぞれ金属柱体２が嵌入されており、金属柱体２は絶縁部材２４に対して上述の例と同様に固着されている。また、金属柱体２の下面と接するように、ヒートスプレッダ８が設けてある。

各金属柱体２の上面には、それぞれ電子チップ（発光ダイオード１）が設置されている。また、絶縁部材２４の傾斜面２４ｂと上部平坦面２４ａに、各々電気回路部５が設置されている。各電気回路部５は、金属ワイヤ６でそれぞれ発光ダイオード１と接続されている。

金属柱体の上面と絶縁部材の上部平坦面は、いずれが高くなっても差し支えないが、図３及び図４では、絶縁部材（２０、２４）に傾斜面（２０ｂ、２４ｂ）を設け、金属柱体（２３、２）の上面が下方になる例を示した。このように構成すると、傾斜面（２０ｂ、２４ｂ）を、発光ダイオード１の発光の反射面とすることも可能になる。

さらに、金属柱体にベアチップ実装する発光ダイオード１の個数も、用途に応じて適宜設定可能であり、図３及び図４では、発光ダイオード１を二つ備える例を示した。また、絶縁部材に対する、電気回路部５を設置する部位についても特に制限はなく、図３及び図４では、上部平坦面（２０ａ、２４ａ）と傾斜面（２０ｂ、２４ｂ）に設置する例を示した。

次に、金属柱体が、特殊な形状を呈する例を、図５を参照しながら説明する。図５（ａ）は、上述のいずれの回路基板とも相違する別の回路基板Ａ６の平面図であり、図５（ｂ）は、図５（ａ）のＢ−Ｂ断面図である。回路基板Ａ６は、絶縁部材２６と金属柱体２７とを備えている。

絶縁部材２６は、上部平坦面２６ａと底部平坦面２６ｃとを備えており、両者は傾斜面２６ｂで接続されている。底部平坦面２６ｃには、図５（ａ）に示すような略馬蹄形状の孔２６ｄが設けてある。この孔２６ｄにちょうど収納可能な形状を備えた金属柱体２７が、孔２６ｄに嵌入されている。金属柱体２７の平面視で中央部分に、発光ダイオード１を実装し、絶縁部材２６の底部平坦面２６ｃには、電気回路部５が設置されている。発光ダイオード１と電気回路部５とは、金属ワイヤ６で接続されている。このように、本発明を実施する際に、金属柱体の形状や、絶縁部材に設ける貫通孔の形状には制約はない。

一般に、発光ダイオード１等の発熱性電子チップを搭載する回路基板では、周辺部材の熱膨張係数と発光ダイオード１（電子チップ）の熱膨張係数のミスマッチが問題となり易いが、上述の各実施形態では、絶縁部材（４、２０、２４、２６）がセラミックスで形成されているので、貫通孔（３、２５ａ、２５ｂ、２６ｄ）に嵌入された金属柱体（２、２７）の熱膨張を、金属柱体（２、２７）より熱膨張率の小さいセラミックス製の絶縁部材（４、２０、２４、２６）が拘束するため、発光ダイオード１（電子チップ）が金属柱体２から脱落する等の不具合を低減することができる。

なお、電子チップは、発光ダイオードのみに限定されず、他の発熱性電子チップについても適用可能であることはいうまでもない。さらに、本発明を実施した回路基板における金属柱体として使用可能な金属素材についても制限はないが、特に、高電気伝導率、高熱伝導率を有する銀、銅、アルミニウム、銅／タングステン、銅／モリブデン等が好適に使用可能である。また、本発明の回路基板における絶縁部材として使用可能な絶縁性素材についても特に制限はないが、セラミックス類、特に、アルミナ、窒化アルミニウム等が好適に使用可能である。

（ａ）は、本発明を実施した回路基板の分解斜視図であり、（ｂ）は、回路基板の斜視図である。 （ａ）は、図１の回路基板とは別の形態の回路基板の斜視図であり、（ｂ）は、さらに別の回路基板の斜視図である。 （ａ）は、図１及び図２の回路基板とは別の回路基板の斜視図であり、（ｂ）は、（ａ）の回路基板の断面図である。 二つの電子チップを設置する場合の図３とは別の回路基板の斜視図である。 （ａ）は、図１〜図４のいずれの回路基板とも相違する別の回路基板の平面図であり、（ｂ）は、（ａ）のＢ−Ｂ断面図である。

符号の説明

１ 発光ダイオード（ベアチップ）
２ 金属柱体
３ 貫通孔
４ 絶縁部材
５ 電気回路部（電気回路）
６ 金属ワイヤ
８ ヒートスプレッダ
９ 放熱フィン
１０ ヒートパイプ
２０ｂ、２４ｂ、２６ｂ 傾斜面
２１ 凹部
２６ｃ 底部平坦面
Ａ１〜Ａ６ 回路基板

Claims (4)

1. ベアチップを備えた金属柱体と、電気回路を備えた絶縁部材とを有しており、前記ベアチップと電気回路とが通電可能に接続されている回路基板において、前記絶縁部材に、前記金属柱体を嵌入させる貫通孔又は有底穴を設けて、前記金属柱体を前記貫通孔又は前記有底穴に嵌入固定させており、前記絶縁部材がセラミックス材で構成されていることを特徴とする回路基板。
2. 前記絶縁部材に、傾斜面と、前記傾斜面と連続する底部平坦面とで構成される凹部を形成し、前記底部平坦面に前記貫通孔又は前記有底穴を設け、前記ベアチップが発光ダイオードであり、前記凹部の傾斜面が光反射面であることを特徴とする請求項１に記載の回路基板。
3. 前記底部平坦面が、前記金属柱体の上端面を用いて構成されていることを特徴とする請求項２に記載の回路基板。
4. 金属柱体にベアチップを装着し、セラミックスからなる絶縁部材に前記金属柱体を嵌入させる貫通孔又は有底穴を形成し、前記貫通孔又は前記有底穴の直径は、前記絶縁部材が常温の時には前記金属柱体の外径よりも小さく、且つ、前記絶縁体が加熱されて昇温すると、前記金属柱体の外径よりも大きくなるように設定されており、前記絶縁部材を昇温させて前記貫通孔又は前記有底穴に前記金属柱体を嵌入させ、前記絶縁部材の温度を常温まで低下させて前記絶縁部材と前記金属柱体とを固着し、前記絶縁部材に電気回路を設け、前記ベアチップと前記電気回路とを通電可能に接続することを特徴とする回路基板の製造方法。

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