JP2010177482A

JP2010177482A - 金属部材付き配線基板およびその接続方法

Info

Publication number: JP2010177482A
Application number: JP2009018962A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Matsumoto; 大志松本
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2009-01-30
Filing date: 2009-01-30
Publication date: 2010-08-12

Abstract

【課題】基板上の金属層と金属部材とを接合した金属部材付き配線基板であって、基板の内部に設けられた貫通導体に対して抵抗溶接による損傷が無いか若しくは小さく、かつ金属層と金属部材との接合強度が大きい金属部材付き配線基板を提供する。
【解決手段】金属部材付き配線基板（１）は、絶縁基板（２）と、絶縁基板（２）の表面に設けられた、突起部（４）を有する金属層（３）と、金属層（３）の突起部（４）に抵抗溶接により接続された金属部材（５）と、金属部材（５）の下方であって絶縁基板（２）の内部に設けられ、突起部（４）に電気的に接続される貫通導体（６）とを有する。貫通導体（６）は、平面透視したときに、突起部（４）の内側にある。
【選択図】図２

Description

本発明は、例えば基板上の金属層とリード線とを接続してなる金属部材付き配線基板およびその製造方法に関する。

基板上の金属層と金属からなるリード線とを接続する方法として、抵抗溶接法がある。抵抗溶接法とは、金属に電流を流すことによって抵抗発熱させ、接合したい金属の一方あるいは両方を溶融させるか、両金属間で元素が拡散することによって接合を行う方法である（例えば、特許文献１参照）。

特開２００４−２２３６０３号公報

しかしながら、溶融させる金属が高融点材料である場合、抵抗溶接するために大きな熱が必要となる。例えば、セラミック基板上にタングステン等の高融点材料からなる金属層が形成されている場合、抵抗溶接の際に大きな熱が加えられることから、発熱が瞬間的であっても、これが原因でセラミック基板に破断が生じたり、金属層がセラミック基板から剥離したりする場合があった。特に、セラミック基板の内部に貫通導体が設けられ、その貫通導体が、抵抗溶接する部分の直下または近傍において金属層に接続されている場合には、その貫通導体とセラミック基板との間に隙間が生じる場合があった。

本発明の目的は、基板上の金属層と金属部材とを接続した金属部材付き配線基板であって、基板の内部に設けられた貫通導体の直上または近傍にて金属層と金属部材とが抵抗溶接されている場合に、貫通導体に対して抵抗溶接による損傷が無いか若しくは小さく、かつ金属層と金属部材との接合強度が大きい金属部材付き配線基板およびその製造方法を提供することである。

本発明の一形態にかかる金属部材付き配線基板によれば、絶縁基板と、前記の絶縁基板の表面に設けられた、突起部を有する金属層と、前記の金属層の前記の突起部に抵抗溶接により接続された金属部材と、前記の金属部材の下方であって前記の絶縁基板の内部に設けられ、前記の突起部に電気的に接続される貫通導体とを有する。前記の貫通導体は、平面透視したときに、前記の突起部の内側にある。

本発明の一形態にかかる金属部材付き配線基板の製造方法によれば、絶縁基板と、該絶縁基板の表面に設けられた、突起部を有する金属層と、前記の金属層の前記の突起部に抵抗溶接により接続された金属部材とを有する金属部材付き配線基板の製造方法である。この製造方法は、前記の絶縁基板と、該絶縁基板の表面に設けられた、前記の突起部を有する前記の金属層と、前記の絶縁基板の内部であって前記の突起部の下方に設けられた、前記の突起部に電気的に接続される貫通導体とを有する金属層付き基板を準備する工程と、前記の突起部に前記の金属部材を接触させる工程と、前記の突起部に前記の金属部材を介して第１の溶接電極を押し当て、前記の金属層の前記の突起部以外の領域に第２の溶接電極を押し当てる工程と、前記の第１の溶接電極と前記の第２の溶接電極との間に電流を供給する工程とを有する。

本発明の一態様によれば、金属部材付き配線基板は、基板の内部に設けられた貫通導体に対して抵抗溶接による損傷が無いか若しくは小さく、かつ金属層と金属部材との接合強度が大きい金属部材付き配線基板を実現することができる。

本発明の一態様によれば、金属部材付き配線基板の製造方法は、基板の内部に設けられた貫通導体に対して抵抗溶接による損傷を小さくし、かつ金属層と金属部材との接合強度を大きくすることができる。

本発明の実施の形態による金属部材付き配線基板の斜視図である。（ａ）は、本発明の実施の形態による金属部材付き配線基板の断面図であり、（ｂ）は、金属部材付き配線基板を一主面側から平面透視した場合の平面図である。本発明の実施の形態による金属部材付き配線基板のうち、金属部材を除いた部分を製造する工程を表す図である。（ａ）は、焼成した突起部に金属部材を溶接する工程を表す図であり、（ｂ）は、焼成した突起部に金属部材を溶接する工程において、溶接電極を接触させる位置を示す平面図である。

以下に、添付の図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。
図１は本発明の実施の形態による金属部材付き配線基板の構成例を表す斜視図である。図２（ａ）は、図１の線分Ａ−Ａ’における断面図であり、図２（ｂ）は、図１の領域Ｂを上方から見た場合の平面図であり、説明を簡単にするためにリード線５を省いたものである。

本実施の形態による金属部材付き配線基板１は、セラミックスを含む基板２（以下、「セラミック基板２」ともいう。）を備える。セラミック基板２の表面Ｓ１には金属層３が形成されている。金属層３は突起部４を有し、その突起部４に、抵抗溶接によってリード線５が接続されている。

また、セラミック基板２の内部には、図２（ａ）に示すように、貫通導体６が形成されている。貫通導体６は、セラミック基板２を平面透視したときに、突起部４の内側に位置するように設けられている。貫通導体６は、一方の端部がセラミック基板２の表面Ｓ１に位置し、他方の端部がその表面Ｓ１に対向する表面Ｓ２に位置している。なお、セラミック基板２の表面Ｓ２には、金属部材付き配線基板の使用目的に応じた形状を有する別の金属層７が形成されてもよい。なお、この金属層７は、金属層３と同じ材料であってもよいし、異なっていてもよい。

セラミック基板２は、電気絶縁材料から成り、例えば、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）を含むセラミックスから成る。アルミナセラミックスは主成分であるアルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）に加え、シリカ（ＳｉＯ_２）、カルシア（ＣａＯ）、およびマグネシア（ＭｇＯ）等を含む。

金属層３は、主にモリブデン、タングステン、銅、銀、金、白金またはそれらの合金から成るが、セラミック基板２との焼成収縮挙動を合わせたり、セラミック基板２と熱膨張係数を合わせたりする目的のために、アルミナ等のセラミック成分を添加してもよい。

突起部４は、金属層３と同じ材料であっても良いし、異なる材料であってもよいが、焼成をした際に金属層３と化学的に反応しないものが良い。また、突起部４は、リード線５と抵抗溶接されるために、金属と濡れが悪いセラミック成分等の成分は添加しない方が好ましい。

リード線５の材料は、金属部材付き配線基板１を使用する目的に応じて選択する。例えば、高温大気中での使用が目的である場合、リード線５の材料は、高融点で耐酸化性を有する金、パラジウム、または白金等を使用するとよい。

貫通導体６は、主にモリブデン、タングステン、銅、銀、金、白金またはそれらの合金から成るが、セラミック基板２との焼成収縮挙動を合わせたり、セラミック基板２と熱膨張係数を合わせたりする目的のために、アルミナ等のセラミックス成分を添加しても良い。

本実施の形態による金属部材付き配線基板１によれば、抵抗溶接の通電時に熱が発生する部分とセラミック基板２とが十分離れていることから、熱によるセラミック基板２への影響を軽減することができる。

また、突起部４を含む金属層３を厚膜法によって形成するため、溶接の通電時において突起部４と金属層３との間での接触抵抗による発熱を抑制することができる。

なお、突起部４の表面は、角部を有さず、できるだけ滑らかであることが好ましい。好ましくは、突起部４の表面は、曲面状である。突起部４の表面を曲面とすることにより、突起部４において発熱による応力が集中することを抑制することができる。さらに好ましくは、突起部４は半球状である。突起部４が半球状であるとき、突起部４をセラミック基板２の表面と水平な面で切断すると、その断面形状は略円あるいは略楕円形状となる。

以下に、本実施の形態による金属部材付き配線基板１の製造方法を説明する。図３は、本実施の形態による金属部材付き配線基板１のうち、基板部分を製造する工程を表す断面図である。基板部分とは、金属部材付き配線基板１のうち、リード線５を除いた部分をいう。

（セラミックグリーンシートを準備する工程）
まず、図３（ａ）に示すように、複数のセラミックグリーンシート８を準備する。セラミックグリーンシート８は、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）、シリカ（ＳｉＯ_２）、カルシア（ＣａＯ）、およびマグネシア（ＭｇＯ）等の原料粉末に適当な有機溶剤および溶媒を添加混合して泥漿状となすとともにこれを従来周知のドクターブレード法やカレンダーロール法等を採用し、シート状に成形することによって得られる。

（穴部を形成する工程）
次に、図３（ｂ）に示すように、複数のセラミックグリーンシート８のうち少なくとも１つに穴部９を形成する。この穴部９はシート状に成型されたセラミックグリーンシートの適当な位置に、パンチングあるいはレーザー加工等で形成される。

（穴部に導体ペーストを注入する工程）
さらに、図３（ｃ）に示すように、セラミックグリーンシート８に形成された穴部９に、スクリーン印刷法等を用いて、導体ペースト１０を注入する。導体ペースト１０は、主成分であるモリブデン、タングステン、銅、銀、金、白金、またはこれらの合金粉末に有機バインダーおよび有機溶剤、並びに必要に応じて分散剤等を加えて、ボールミル、三本ロールミル、またはプラネタリーミキサー等の混練手段により混合および混練することで製造される。導体ペースト１０には、セラミックグリーンシート８の収縮挙動に合わせたり、セラミックグリーンシート８の熱膨張係数に合わせたりするために、適当な量のセラミックス粉末を添加してもよい。

（金属層を印刷する工程）
次に、図３（ｄ）に示すように、導体ペースト１０が注入された穴部９を覆うように、スクリーン印刷法等を用いて、セラミックグリーンシート８の主面側に導体ペースト１１を印刷する。導体ペースト１１は、後に記載する積層体を形成する工程において、積層体の最表面に露出する層のみに印刷しても良いし、全ての層の表面に印刷しても良い。また、最表面に露出する層に印刷する導体ペースト１１の厚みは、後に記載する抵抗溶接におけるセラミック基板２への影響を緩和するために、５０μｍ以上あることが望ましい。導体ペースト１１は、主成分であるモリブデン、タングステン、銅、銀、金、白金、またはこれらの合金粉末に有機バインダーおよび有機溶剤、並びに必要に応じて分散剤等を加えて、ボールミル、三本ロールミル、またはプラネタリーミキサー等の混練手段により混合および混練することで製造される。導体ペースト１１には、セラミックグリーンシート７の収縮挙動に合わせたり、アルミナセラミックスとの熱膨張係数に合わせたりするために、適当な材質および量のセラミックス粉末を添加してもよい。

（積層体を形成する工程）
次に、図３（ｅ）に示すように、セラミックグリーンシート８を積み重ねた後、圧着を行なうことにより、セラミックグリーンシートの積層体１２を形成する。圧着は３．０〜８．０ＭＰａ程度の圧力を加えて行ない、必要に応じて３５〜８０℃で加熱を行なう。また、セラミックグリーンシート８同士の十分な接着性を得るために、溶剤と樹脂バインダーを混合するなどして作製した接着剤を用いてもよい。セラミックグリーンシート８に印刷した導体ペースト１１は、圧着時にかかる圧力のためにセラミックグリーンシート８に埋没し、セラミックグリーンシート８の主面と導体ペースト１１の表面は、略同一平面となる。

（突起部を形成する工程）
次に、図２（ｆ）に示すように、積層体１２の表面に形成された導体ペースト１１の上に、焼成後に突起部４となる導体ペースト１３を形成する。導体ペースト１３は、例えば、半球状であり、スクリーン印刷法による印刷によって形成される。導体ペースト１３は、主成分であるモリブデン、タングステン、銅、銀、金、白金、またはこれらの合金粉末に有機バインダーおよび有機溶剤、並びに必要に応じて分散剤等を加えて、ボールミル、三本ロールミル、またはプラネタリーミキサー等の混練手段により混合および混練することで製造される。導体ペースト１３は、後に記載する焼成工程において、導体ペースト１１と化学反応を起こさない材料を選定する。導体ペースト１３には、焼成後にリード線５が溶接されるため、金属との濡れが悪いセラミックスのような成分は添加しない方が好ましい。導体ペースト１３は、積層体１２を主面側から平面透視したときに、貫通導体６を完全に覆うように形成される。また、導体ペースト１３は、積層体１２の主面側から平面視したときには円形となるが、その直径は貫通導体６の直径よりも例えば２００μｍ以上大きくする。また導体ペースト１３の厚みは、例えば１００μｍ以上にする。ここで、スクリーン印刷法にて厚さが１００μｍ以上の導体ペースト１３を形成するためには、導体ペースト１３に含有する溶剤の量を減らすか、有機バインダーの量を増やし、粘度を上げると良い。また、スクリーン印刷に使用するスクリーンを厚くすると良い。このような導体ペースト１３の大きさや配置の制約は、後に記載するリード線５を溶接する工程において、セラミック基板２、金属層３、突起部４、および貫通導体６への熱影響を軽減するためである。なお、以下では、導体ペースト１３が形成された積層体１２を焼成前積層体１４ともいう。突起部４は、ここに挙げたようにスクリーン印刷法による形成方法でなくても、予め粉末をプレスして形成したプレス体を配置するなどして形成してもよい。

（焼成する工程）
次に、図３（ｇ）に示すように、図３（ｄ）の焼成前積層体１４を焼成して焼成後積層体１５を生成する。このように焼成することにより、焼成後積層体１５は、図３（ｄ）の焼成前積層体１４よりも収縮する。焼成は大気雰囲気、窒素雰囲気あるいは還元雰囲気下の８００〜１８００℃の高温でなされる。還元雰囲気とは、例えば窒素に対し１０〜２０体積％の水素を加えたものである。窒素雰囲気若しくは還元雰囲気を使用する場合、セラミックグリーンシート８に加えられた有機溶剤を分解したり、導体の粒子成長を制御したりするために、適当な量の水蒸気を加えることが望ましい。

（金属部材を溶接する工程）
次に、図４（ａ）は、焼成後積層体１５の突起部４にリード線５を溶接する工程を表す。リード線５を溶接するには、抵抗溶接法を用いる。ここで、抵抗溶接を行うために、図４（ａ）に示すように、陽極Ｖａ、陰極Ｖｂを有する溶接電源Ｖを用いる。突起部４の頂点部分に接触するように、リード線５を配置し、それを抑えるように陽極Ｖａに電気的に接続された溶接電極１６ａを押し当てる。また、金属層３の一部であって、突起部４と接触していない部分の表面に、陰極Ｖｂに電気的に接続された溶接電極１６ｂを押し当てる。

図４（ｂ）は溶接電極を接触させる位置を示す平面図である。領域１９ａ、１９ｂは、それぞれ溶接電極１６ａ、１６ｂを接触させる領域を示している。溶接電極１６ａおよび１６ｂは、ばね等を用いて、領域１９ａでリード線５を、領域１９ｂで金属層３をそれぞれ加圧する。溶接は加圧力を維持したまま、溶接電源Ｖにより溶接電極１６ａ，１６ｂ間に電流を通じることによってなされる。電流や通電時間の最適値は、金属層３、突起部４、およびリード線５の固有抵抗および通電経路の断面積、並びに突起部４とリード線５との接点１７における接触抵抗によって異なる。電流を通じた際、電流は陽極Ｖａから溶接電極１６ａ、リード線５、突起部４、金属層３、溶接電極１６ｂ、および陰極Ｖｂの順に流れる。

以下、通電経路に沿って溶接工程による発熱量について記載する。溶接電極１６ａ、１６ｂは、銅などの熱伝導係数が大きく低抵抗の金属を主成分とし、通電経路の断面積が大きいことから、溶接の電流によってほとんど発熱しない。また、溶接電極１６ａとリード線５との接触部分、およびリード線５は、接触部分の断面積、およびリード線５の内部における通電経路の断面積が大きいことから、発熱量が小さい。リード線５と突起部４の接点１７では、リード線５の表面が平面で、突起部４の表面が曲面であることから、接触面積が小さく、通電経路の断面積が小さくなるため、接触抵抗が大きくなる。したがって、リード線５と突起部４との接点１７では接触抵抗による大きな熱が発生し、リード線５の突起部４側および突起部４のリード線５側が溶融し、結果としてリード線５と突起部４が溶接される。

突起部４と金属層３は焼結により一体化しており、両者の接触抵抗は小さいため、電気的には一体化していると見なしてよい。これを考慮すると、突起部４の金属層３側と、金属層３において突起部４に覆われる部分は通電経路の断面積が大きいことから、抵抗による発熱が小さい。金属層３において突起部４に覆われておらず、かつ溶接電極１６ｂに接触していない領域１８は、通電経路の断面積が小さくなるため、接点１７ほどではないが大きな抵抗発熱が起こる。しかし、セラミック基板２を平面透視した際に、突起部４の内側に貫通導体６を配置することにより、この抵抗発熱が貫通導体６に与える影響を低減することができる。本実施の形態による金属部材付き配線基板１では、突起部４の直径は貫通導体６の直径よりも２００μｍ以上大きいため、領域１８は貫通導体６の外周のどの地点からも１００μｍ以上離れた場所に位置する。これにより、領域１８の発熱が貫通導体６に与える影響は十分低減できる。仮に領域１８が発熱によって溶断したとしても、リード線５から貫通導体６を経て金属層７に電流を通じるという金属部材付き配線基板１の機能へは支障を与えない。

なお、平面視したとき、領域１８は、突起部４に隣接する。よって、貫通導体６の外周が突起部４の外周よりも１００μｍ以上内側にあるとき、領域１８は貫通導体６の外周のどの地点からも１００μｍ以上離れた場所に位置することになる。その結果、領域１８の発熱が貫通導体６に与える影響を十分に低減できる。

本実施の形態による金属部材付き配線基板１によれば、セラミック基板２を平面透視した際に、突起部４の内側に貫通導体６を配置することにより、通電による抵抗発熱が大きい箇所を貫通導体６から離間させることができる。その結果、貫通導体６への熱による影響を軽減することができる。

また、貫通導体６を突起部の下方に設けることにより、抵抗溶接によって発生した熱を、貫通導体６に伝えることができる。また、この熱が貫通導体６を介してセラミック基板２の内部および表面に伝わるため、抵抗溶接によって発生した熱を局所的に留まらせることなく、分散させることができる。結果として、抵抗溶接によって発生する熱が、セラミック基板２、金属層３、および貫通導体６を破断させるといった、熱による悪影響を抑制することができる。さらに、貫通導体６の上方でリード線５が溶接されるので、リード線５から貫通導体６までの経路を短くすることができ、配線抵抗を小さくすることができる。

また、リード線５と突起部４との接続部を平面視したときの面積よりも、突起部４に隣接する領域（この領域は、領域１９ｂを含んでいる）の面積を広くし、この部分に溶接電極１６ｂを接触させることから、通電による発熱量が最大となる箇所をリード線５と突起部との接続部分とすることができ、その接続部分以外に過大な熱影響を与えることなく溶接ができる。

なお、リード線５と突起部４が接続される接続部分の面積、および金属層３における突起部４以外の領域の面積を測定するためには、金属部材付き配線基板１を主面側から平面研磨して断面積を測定するとよい。突起部４は焼結して形成しているため粒界が存在し、リード線５と識別が可能である。また、突起部４と金属層３は、粒界の大きさや添加している酸化物の量または種類等で識別することが可能である。

以上に記載した本実施の形態による金属部材付き配線基板の製造方法を用いることにより、セラミック基板２および金属層３における損傷が無いか若しくは小さく、かつ金属層３とリード線５との接合強度が大きい金属部材付き配線基板を得ることができる。

１・・・・・・金属部材付き配線基板
２・・・・・・セラミック部材
３・・・・・・金属層
４・・・・・・突起部
５・・・・・・リード線
６・・・・・・貫通導体
７・・・・・・金属層
８・・・・・・セラミックグリーンシート
９・・・・・・穴部
１０・・・・・導体ペースト（貫通導体６を形成する）
１１・・・・・導体ペースト（金属層３を形成する）
１２・・・・・積層体
１３・・・・・導体ペースト（突起部４を形成する）
１４・・・・・焼成前積層体
１５・・・・・基板
Ｖ・・・・・・溶接電源
Ｖａ・・・・・溶接電源の陽極
Ｖｂ・・・・・溶接電源の陰極
１６ａ・・・・溶接電源の陽極と電気的に接続される溶接電極
１６ｂ・・・・溶接電源の陰極と電気的に接続される溶接電極
１７・・・・・突起部とリード線との接点
１８・・・・・金属層のうち、表面を突起部に覆われていない部分

Claims

絶縁基板と、
前記絶縁基板の表面に設けられた、突起部を有する金属層と、
前記金属層の前記突起部に抵抗溶接により接続された金属部材と、
前記金属部材の下方であって前記絶縁基板の内部に設けられ、前記突起部に電気的に接続される貫通導体と
を有する金属部材付き配線基板であって、
前記貫通導体は、平面透視したときに、前記突起部の内側にある金属部材付き配線基板。
前記貫通導体は、平面透視したときに、その外周が前記突起部の外周よりも１００μｍ以上内側にある請求項１に記載の金属部材付き配線基板。
絶縁基板と、該絶縁基板の表面に設けられた、突起部を有する金属層と、前記金属層の前記突起部に抵抗溶接により接続された金属部材とを有する金属部材付き配線基板の製造方法であって、
前記絶縁基板と、該絶縁基板の表面に設けられた、前記突起部を有する前記金属層と、前記絶縁基板の内部であって前記突起部の下方に設けられた、前記突起部に電気的に接続される貫通導体とを有する金属層付き基板を準備する工程と、
前記突起部に前記金属部材を接触させる工程と、
前記突起部に前記金属部材を介して第１の溶接電極を押し当て、前記金属層の前記突起部以外の領域に第２の溶接電極を押し当てる工程と、
前記第１の溶接電極と前記第２の溶接電極との間に電流を供給する工程と
を有する金属部材付き配線基板の製造方法。