JP2008010584A - 複合基板 - Google Patents

Abstract

【課題】基板と中間層である樹脂層との間で、層間剥離、接着不良、クラック等がなく、さらに中間層である樹脂層に形成されたサーマルビアの形状や位置精度に寸法ズレの少ない、放熱性及び信頼性に優れた複合基板を提供する。
【解決手段】複合基板１は、発熱素子５が実装されるセラミック配線基板２と、発熱素子５から発生する熱を放熱する放熱基板６と、セラミック配線基板２と放熱基板６との間に介在された、熱可塑性樹脂を含む第１の樹脂層と、第１の樹脂層の片面に設けられた熱硬化性樹脂を含む第２の樹脂層からなる多層樹脂層７とを具備し、多層樹脂層７は、その厚さ方向に貫通するサーマルビア３が形成されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、セラミック配線基板と放熱基板とを備え、トランジスタ、ダイオード、サイリスタ、高速、高出力集積回路素子等の発熱素子を実装するための複合基板に関する。

近年、高集積化、高機能化に伴い、放熱性の重要性が高まり、セラミック配線基板単体では放熱特性が不十分なため、放熱板の付与が必要になってきており、セラミック配線基板と放熱板との複合基板が求められている。このような複合基板として、半導体素子などの発熱素子が実装されるセラミック配線基板と、放熱用の金属基板との間に合成樹脂から構成される中間層を設けた構造が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

しかしながら、特許文献１では、熱伝導性が良好という点で、合成樹脂のなかでも熱硬化性樹脂を使用し、熱特性の低下を抑制するために樹脂層の厚さをコントロールしているが、単にこのような樹脂層でセラミック配線基板と放熱基板とを接合しても、十分な熱伝導は得られ難い。

そこで、樹脂層にサーマルビアを形成し放熱性を向上させる方法が考えられるが、製法上、信頼性に優れた放熱性の高い複合基板を作製することは困難である。例えば樹脂層を構成する合成樹脂として、熱硬化性樹脂を単独で用いた場合や熱可塑性樹脂を単独で用いた場合には、樹脂層に形成されたサーマルビアや電気導通用のビアホール導体の形状及び位置精度保持性と、基板等の反り及びパターン凹凸への追随性を両立させることは難しく、その結果、位置ズレ、ビア形状崩れ等による接合不良、反り及びパターン凹凸追随性不足による接着不良等を招きやすいといった問題がある。
特開昭６０−５７６５６号公報

本発明は、上記問題に鑑みてなされたもので、その目的は、基板と中間層である樹脂層との間で、層間剥離、接着不良、クラック等がなく、さらに中間層である樹脂層に形成されたサーマルビアの形状や位置精度に寸法ズレの少ない、放熱性及び信頼性に優れた複合基板を提供することにある。

本発明の一態様に係る複合基板は、発熱素子が実装されるセラミック配線基板と、前記発熱素子から発生する熱を放熱する放熱基板と、前記セラミック配線基板と前記放熱基板との間に介在された、熱可塑性樹脂を含む第１の樹脂層と、前記第１の樹脂層の少なくとも片面に設けられた熱硬化性樹脂を含む第２の樹脂層からなる多層樹脂層とを具備し、前記多層樹脂層は、その厚さ方向に貫通するサーマルビアを有することを特徴とする。

上記構成の場合、上記多層樹脂層が、セラミック配線基板と放熱基板とを接着する役目を果たしている。この多層樹脂層は、流動性が悪いがビア形状及び位置精度を保持可能な熱可塑性樹脂を含むコアの役目をする第１の樹脂層と、この第１の樹脂層の少なくとも片面に設けられた流動性が良く接合物の反り、パターン凹凸に追従することができる熱硬化性樹脂を含むコート層である第２の樹脂層からなる。

このため、セラミック配線基板や放熱基板に直接接着する樹脂層は、コート層である流れ性及び接着性の良い熱硬化性樹脂を含む樹脂層なので、セラミック配線基板に形成されるパターン凹凸や、各基板の反りなどに対して優れた追随性を発揮し、層間剥離、接着不良等を抑制することができる。さらに、多層樹脂層のコア層が熱可塑性樹脂を含む樹脂層のため、該樹脂層に形成されたサーマルビアのビア形状や位置精度を保持することができる。

以下、本発明を実施するための形態について、図面を参照して説明する。なお、以下では本発明の実施形態を図面に基づいて述べるが、それらの図面は図解のために提供されるものであり、本発明はそれらの図面に限定されるものではない。図１は、本発明の第１の実施形態に係る複合基板を模式的に示す断面図である。

図１に示すように、第１の実施形態の複合基板１には、セラミック配線基板２のサーマルビア３形成部の上面に導体層４を介して発熱素子５が実装されている。発熱素子５としては、例えばパワーモジュールなどに使用される発熱量の高い高出力トランジスタ、ダイオード、サイリスタ、高速、高出力集積回路素子等の半導体素子が挙げられる。この複合基板１は、発熱素子５が実装されるＬＴＣＣ（Low Temperature Co-fired Ceramic：低温焼成セラミックス）基板などのセラミック配線基板２と、発熱素子５から発生する熱を放熱するＡｌＮ基板などの放熱基板６と、これら基板２，６の間に介在された多層樹脂層７とを備える。発熱素子５から発生した熱は、導体層４を介してサーマルビア３を経由し多層樹脂層７の裏面に接合された放熱基板６に伝導される。

ＬＴＣＣ基板などのセラミック配線基板２には、発熱素子５から発生する熱を放熱するためのサーマルビア３が形成されている。サーマルビア３は、熱伝導性の良好なＣｕ、Ａｇ、Ａｌ，Ｎｉ，Ｆｅ等を主成分とした導体ペーストが貫通孔に充填されたものであり、形状は円柱形状でもよく、直方体状でもよい。なお、セラミック配線基板２には、上記サーマルビア３以外に、発熱素子５と電気的に接続される内部配線としてビアホール導体を形成し、このビアホール導体と電気的に接続するようにその表面に回路パターンを形成することもできる。これらを構成する材料としては、サーマルビア３に用いられるような導体ペーストを使用することができる。

放熱基板６は、優れた放熱性を備えていればよく、上記ＡｌＮ基板などのセラミック基板以外に、例えばＡｌ、Ｃｕ、Ｆｅ又はＳＵＳ等の各種合金などからなる金属基板を適用することもできる。

多層樹脂層７は、セラミック配線基板２と放熱基板６とを接着する樹脂接着材であり、該樹脂層７の厚さ方向に貫通するサーマルビア３を有する。このようなサーマルビア３を樹脂層７に設けることで、発熱素子５から発生した熱を効率よく放熱できる。また、多層樹脂層７は、第１の樹脂層として厚さ５０〜１００μｍのコア層１０と、このコア層１０の少なくとも片面、本実施形態では片面に設けられたコート層１１である第２の樹脂層とを備えている。コート層１１の厚さは、上記コア層１０の厚さの１／４０〜１／５、好ましくは５〜１０μｍの範囲である。コート層１１である第２の樹脂層をコア層１０である第１の樹脂層の厚さに対して上記範囲にすることで、コア層１０である熱可塑性樹脂の影響が支配的となり、寸法安定性が確保され、ビア形状の保持も可能となる。

第１の樹脂層であるコア層１０としては、熱可塑性樹脂を含んでいればよく、多層樹脂層７の体積収縮（寸法変化）を抑制してサーマルビア３の所望の形状と位置精度を保持できる点から、例えばポリエーテルエーテルケトン樹脂と、ポリエーテルイミド樹脂と、無機フィラーとを配合調整した熱可塑性樹脂組成物が好ましい。配合例としては、例えばポリエーテルエーテルケトン樹脂７０〜２０重量％と、ポリエーテルイミド樹脂３０〜８０重量％からなる樹脂１００重量部に対して、無機フィラーの配合量が５〜６５重量部であることが好ましい。このように構成されたコア層１０は、各基板２，６間に挟まれ加熱加圧して積層一体化された場合に、良好な熱伝導を付与することができる。また、このコア層１０は、層平面方向（ＸＹ方向）の５０℃〜１５０℃での熱膨張係数が、−１０〜３０×１０^−６／℃であり、かつ、厚さ方向（Ｚ方向）の熱膨張係数が、多層樹脂層７に形成されたサーマルビア３の熱膨張係数以上であることが好ましい。このような熱膨張係数の範囲にすることで、本実施形態の複合基板１を作製した場合に、多層樹脂層７と各セラミック基板２，６の界面に集中する応力を緩和することができる。また、多層樹脂層７内のコア層１０とコート層１１との界面に集中する応力も緩和することができる。

第２の樹脂層であるコート層１１は、本実施形態ではコア層１０の片面に設けられ、セラミック配線基板２の反りや、電気導通用の回路パターンを基板２表面に形成した場合にはそのパターン凹凸に対して優れた追随性を発揮し、層間剥離、接着不良等を抑制することができる。コート層１１としては、高耐熱性を発揮し優れた流れ性及び接着性を有する点から、熱硬化性樹脂を含んでいればよく、例えばポリイミド樹脂、変性エポキシ樹脂、ＢＣＢ（ベンゾシクロブテン）樹脂、ＰＰＥ（ポリフェニレンエーテル）樹脂、シアネート系樹脂等が好ましい。このように構成されたコート層１１は、層面方向（ＸＹ方向）及び厚さ方向（Ｚ方向）の５０℃〜１５０℃での熱膨張係数が１０〜６０×１０^−６／℃の範囲であることが好ましい。このような熱膨張係数の範囲にすることで、多層樹脂層７と各セラミック基板２，６との界面に集中する応力を緩和し、多層樹脂層７内のコア層１０とコート層１１との界面に集中する応力を緩和することができる。また、コート層１１において、熱硬化性樹脂単体では熱膨張係数が大きくなる傾向にあるため、熱硬化性樹脂にフィラーを含有させることで低熱膨張化を図る方法が一般的に使用されている。この場合、フィラーの含有量が増加すると、熱硬化性樹脂の流れ性が低下し易くなるが、上記熱膨張係数の範囲内であれば、流動性を損なうことなく良好なパターン追随性を得ることができる。

第１の樹脂層であるコア層１０と第２の樹脂層であるコート層１１からなる多層樹脂層７の熱膨張係数としては、コート層１１とコア層１０とを含む全体として層面方向の５０℃〜１５０℃での熱膨張係数が３〜２５×１０^−６／℃であり、かつ、厚さ方向の熱膨張係数がサーマルビア３の熱膨張係数以上であることが好ましい。このような熱膨張係数の範囲にすることで、異種材料のセラミック基板２，６同士を接合した場合に、多層樹脂層７と各セラミック基板２，６の界面に集中する応力を緩和することができる。また、多層樹脂層７を上記のような熱膨張係数の範囲にすることで、熱衝撃等の過酷な環境に対しても、放熱特性劣化のない信頼性に優れたセラミック配線基板２と放熱基板６との複合基板１を実現することができる。

このような多層樹脂層７の製造方法としては、例えば押出キャスト法等で得られたフィルム状のコア層１０の両面に、ポリイミド樹脂等からなるフィルム状のコート層１１を設けて熱プレス機で加熱加圧する方法、ワニス状樹脂を塗布する方法等が挙げられる。また、この多層樹脂層７にサーマルビア３を形成する方法としては、例えば炭酸ガスレーザー等のレーザー加工、パンチング加工もしくはドリル加工等で貫通孔を形成し、この貫通孔に、熱伝導性の良好なＡｇ，Ｃｕ，Ａｌ粉末等を含む導体ペーストをスクリーン印刷、圧入、ディスペンサ等で充填する方法が挙げられる。

なお、接合する基板の積層数は限られるものではなく、３個もしくはそれ以上であってもよい。

上述した本実施形態の複合基板１は、例えば以下のようにして製造される。

まず、ＡｌＮ基板などの放熱基板６とＬＴＣＣ基板などのセラミック配線基板２となるグリーンシートを用意する。次に、セラミック配線基板２となるグリーンシートに例えば炭酸ガスレーザーなどのレーザー加工、パンチング加工もしくはドリル加工等で貫通孔を形成し、この貫通孔に導体ペーストをスクリーン印刷、圧入、ディスペンサ等で充填し、この導体ペースト充填部の上面と裏面にも導体ペーストを印刷する。そして、焼成を行なうことで、放熱基板６と、サーマルビア３と導体層４とを備えたセラミック配線基板２を形成する。なお、導体ペーストは、熱伝導性の良好なＡｇ，Ｃｕ，Ａｌ粉末等に液状樹脂、可塑剤、硬化剤等を加えてペースト化したものであり、無溶剤系が好ましい。また、ＡｌＮ基板等のセラミック基板を使用する場合には、例えばＡｌＮ基板等のセラミック基板表面にメタライズ層を被着形成することもできる。

次に、多層樹脂層７に、例えば炭酸ガスレーザー等のレーザー加工、パンチング加工もしくはドリル加工等で貫通孔を形成し、この貫通孔に導体ペーストをスクリーン印刷、圧入、ディスペンサ等で充填して、サーマルビア３を形成する。導体ペーストについては、上述した通りである。

続いて、放熱基板６とセラミック配線基板２との間に多層樹脂層７を挟み、例えば２７５℃、５ＭＰａ、３０分のプレス条件で真空加熱プレス機によりその厚み方向に熱プレスして積層一体化する。

以上説明したように、本実施形態によれば、熱可塑性樹脂を含むコア層１０に熱硬化性樹脂からなるコート層１１を設けた多層樹脂層７を用いて、ＬＴＣＣ基板及びＡｌＮ基板などの異種セラミック材料からなる基板２，６を接合することにより、多層樹脂層７に形成されたサーマルビア３のビア形状と位置精度を保持して良好な熱伝導が得られ、さらにはセラミック配線基板２の反りなどに対して優れた追随性を発揮し、層間剥離や接着不良などを抑制することができる。また、予め成形、焼成された異種セラミック材料からなる基板２，６間に多層樹脂層７を挟んで熱プレスすることにより、通常の金属ロウ付け等と比較して低温での接合が可能であり、各基板２，６界面の応力集中を緩和するとともに、接合可能な基板の種類が増え、被接合物の選択の自由度を高めることができる。

次に、第２の実施形態に係る複合基板について図２を用いて説明する。図２は、第２の実施形態に係る複合基板を模式的に示す断面図である。本実施形態の複合基板２１は、上述した第１の実施形態において、多層樹脂層のコート層がコア層の両面に設けられる点が異なる。なお、第１の実施形態と同一の構成部分には、同一の符号を付してその説明を簡略又は省略する。

図２に示すように、第２の実施形態の複合基板２１は、多層樹脂層２２のコート層２４がコア層２３の両面に設けられている。

したがって、本実施形態によれば、コア層２３に熱硬化性樹脂からなるコート層２４を設けた多層樹脂層２２を用いて異種材料のセラミック基板２，６を接合することにより、上記第１の実施形態と同様に、良好な熱伝導が得られ、層間剥離、反り、クラックを防止して信頼性に優れた複合基板２１を提供することができる。また、コア層２３の両面にコート層２４を有する多層樹脂層２２を用いることにより、各基板２，６の反りなどに対して優れた追随性を発揮し層間剥離、接着不良などを抑制することができる。

（その他の実施形態）
なお、本発明の実施形態は上記の実施形態に限られず拡張、変更可能であり、拡張、変更した実施形態も本発明の技術的範囲に含まれる。

上記実施形態では、多層樹脂層７，２２の第１の樹脂層となるコア層１０，２３を構成する材料として、ポリエーテルエーテルケトン樹脂とポリエーテルイミド樹脂と無機フィラーとを用いたが、これに限定されるものではない。異種材料からなる基板の接合には、コア層１０，２３が熱可塑性樹脂を含み、好ましくはコア層１０，２３の層面方向の５０℃〜１５０℃での熱膨張係数が−１０〜３０×１０^−６／℃であり、かつ、厚さ方向の熱膨張係数がサーマルビア３の熱膨張係数以上である樹脂材料及びフィラーであればよい。また、熱可塑性樹脂としては、ポリエーテルエーテルケトン樹脂、ポリエーテルイミド樹脂以外に、例えば熱可塑性ポリイミド、液晶ポリマー等が挙げられる。

また、上記実施形態では、サーマルビア３形成部の上面に導体層４を介して発熱素子５を実装したが、個々の電極パッドを介してセラミック配線基板２に実装、接続してもよい。

本発明の第１の実施形態に係る複合基板の構成を模式的に示す断面図。 本発明の第２の実施形態に係る複合基板の構成を模式的に示す断面図。

符号の説明

１，２１…複合基板、２…セラミック配線基板、３…サーマルビア、４…導体層、５…発熱素子、６…放熱基板、７，２２…多層樹脂層、１０，２３…コア層、１１，２４…コート層。

Claims (7)

1. 発熱素子が実装されるセラミック配線基板と、
   前記発熱素子から発生する熱を放熱する放熱基板と、
   前記セラミック配線基板と前記放熱基板との間に介在された、熱可塑性樹脂を含む第１の樹脂層と、前記第１の樹脂層の少なくとも片面に設けられた熱硬化性樹脂を含む第２の樹脂層からなる多層樹脂層とを具備し、前記多層樹脂層は、その厚さ方向に貫通するサーマルビアを有することを特徴とする複合基板。
2. 前記セラミック配線基板が、サーマルビアを有することを特徴とする請求項１に記載の複合基板。
3. 前記放熱基板は、前記セラミック配線基板よりも熱伝導率が高いことを特徴とする請求項１又は２に記載の複合基板。
4. 前記第２の樹脂層の厚さは、前記第１の樹脂層の厚さの１／４０〜１／５であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の複合基板。
5. 前記第１の樹脂層の層面方向の５０℃〜１５０℃での熱膨張係数が−１０〜３０×１０^−６／℃であり、かつ、厚さ方向の熱膨張係数がサーマルビアの熱膨張係数以上であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の複合基板。
6. 前記第２の樹脂層の層面方向及び厚さ方向の５０℃〜１５０℃での熱膨張係数が１０〜６０×１０^−６／℃であることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の複合基板。
7. 前記多層樹脂層の層面方向の５０℃〜１５０℃での熱膨張係数が３〜２５×１０^−６／℃であり、かつ、厚さ方向の熱膨張係数がサーマルビアの熱膨張係数以上であることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の複合基板。

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