JP2011077113A - 多層セラミックス基板およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】高輝度LED素子等の実装に好適な放熱性に優れた多層セラミックス基板を提供する。
【解決手段】複数のガラスセラミックス層を積層した低温焼成多層セラミックス基板１１であって、複数のガラスセラミックス層は、ガラス成分とセラミックス成分とから構成されるガラスセラミックス層１１ａと、該層にＡｇ微粒子を分散させたガラスセラミックス層１１ｂからなる二層を隣接して積層される。ガラス成分とセラミックス成分とから構成されるガラスセラミックス層を積層した層１１ａの表面に、電極配線層１５を備え、該電極配線層にＬＥＤ素子１６を搭載する。Ａｇ微粒子を分散させたガラスセラミックス層１１ｂの裏面に、電極層１３を備え、該電極層１３を冷却体１７に接続して固定する。
【選択図】図６

Description

本発明は、電子部品等を実装するセラミックス基板に係り、特に複数のガラスセラミックス層が積層された低温焼成（ＬＴＣＣ）多層セラミックス基板に関する。

近年、照明・表示用にＬＥＤ素子が広く採用される傾向にあり、これらを実装する基板には高い放熱性が要求される。従来から、これらＬＥＤ素子の実装にはガラスエポキシ系基材に銅箔を接着したプリント基板が用いられているが、放熱性に問題があり、プリント基板を冷却用の金属板に接着剤で貼り合わせることが行われている。しかしながら、高輝度のＬＥＤ素子では動作中の温度上昇が高く、長期使用において接着界面が劣化するなど、耐熱温度に制約が生じるという問題がある。

一方で、電気絶縁材料粉と金属粉および電気絶縁材料粉と金属粉の混合粉を成形金型に積層充填して圧縮成型し、金属粉の融点より低い温度で焼結する、粉末冶金法による熱電変換素子用熱応力緩和パッドの製造方法が知られている（特許文献１）。また、複数のガラスセラミックス層が積層された多層セラミックス基板であって、ガラスセラミックス層はガラス成分とセラミックス成分とから構成され、ガラス成分中にＡｇが溶け込んでいて、内部導体周囲に生じる欠陥を確実に解消するようにした多層セラミックス基板が知られている（特許文献２）。

特開２００５−３３０６９号公報 特開２００７−８１３２１号公報

本発明の多層セラミックス基板は、放熱性の高いＡｇ微粒子を分散したガラスセラミックス層と通常のガラスセラミックス層を組み合わせて隣り合わせに接着することにより、こうした問題を解決しようとするものである。すなわち、本発明は、上述の事情に基づいてなされたもので、ＬＥＤ素子等の実装に好適な放熱性に優れた多層セラミックス基板を提供することを目的とする。

本発明の多層セラミックス基板は、複数のガラスセラミックス層を積層した多層セラミックス基板であって、前記複数のガラスセラミックス層は、ガラス成分とセラミックス成分とから構成されるガラスセラミックス層と、該層にＡｇ微粒子を分散させたガラスセラミックス層からなる二層を隣接して積層したことを特徴とする。

Ａｇ微粒子を分散させたガラスセラミックス層は、Ａｇ微粒子を分散させていない通常のガラスセラミックス層と比較して格段に熱伝導率が向上する。従って、Ａｇ微粒子分散ガラスセラミックス層を含むことで、多層セラミックス基板の熱伝導率を向上させることができる。しかしながら、Ａｇ微粒子分散ガラスセラミックス層は絶縁性が低下する。従って、通常のガラスセラミックス層を積層した層の表面に、電極配線層を備え、該電極配線層にＬＥＤ素子を搭載することで、多層セラミックス基板表面での絶縁性を維持しつつ、全体としての熱伝導率を向上させることができ、高輝度のＬＥＤ素子から生じる熱を効率的に冷却体に逃がすことができる。

本発明の一実施例の多層セラミックス基板の断面図である。 （ａ）はＡｇ添加量と熱伝導率の関係を示すグラフであり、（ｂ）はＡｇ添加量と収縮率の関係を示すグラフである。 （ａ）はＣｕ添加量と熱伝導率の関係を示すグラフであり、（ｂ）はＣｕ添加量と収縮率の関係を示すグラフである。 （ａ）はＡｌ添加量と熱伝導率の関係を示すグラフであり、（ｂ）はＡｌ添加量と収縮率の関係を示すグラフである。 （ａ）はフェライト添加量と熱伝導率の関係を示すグラフであり、（ｂ）はフェライト添加量と収縮率の関係を示すグラフである。 図１に示す多層セラミックス基板の実装状態を示す断面図である。

以下、本発明の実施形態について、図１乃至図６を参照して説明する。なお、各図中、同一または相当する部材または要素には、同一の符号を付して説明する。

図１は、本発明の多層セラミック基板の一実施例を示す。この基板は、高輝度ＬＥＤ素子等の実装に好適な放熱性に優れた多層セラミックス基板１１であって、ガラス成分とセラミックス成分とから構成される低温焼成（ＬＴＣＣ）多層セラミックス基板である。この多層セラミックス基板１１は、通常のガラス成分とセラミックス成分とから構成されるガラスセラミックス層１１ａと、該層にＡｇ微粒子を分散させたガラスセラミックス層１１ｂとが、積層されている。

この実施例では、通常のガラス成分とセラミックス成分とから構成されるガラスセラミックス層を２層積層した層１１ａの上に、Ａｇ微粒子を分散させたガラスセラミックス層を７層積層した層１１ｂを、隣接して積層している。単位となるガラスセラミックス層は５０−２００μｍ程度の厚さを有し、全体としての多層セラミックス基板１１の厚さは１ｍｍ程度とすることが好ましい。

通常のガラス成分とセラミックス成分とから構成されるガラスセラミックス層を積層した層１１ａの表面に、電極配線層１５を備え、該電極配線層１５にＬＥＤ素子１６を接続して搭載する（実装状態の図６参照）。Ａｇ微粒子を分散させたガラスセラミックス層１１ｂは後述するように熱伝導率が格段に向上するが、絶縁性が低下するという問題がある。このため、電極配線層１５を配置する層に絶縁性に優れた通常のガラスセラミックス層１１ａを用いることで、多層セラミックス基板１１の部品実装面での絶縁性を損なうことなく、全体としての熱伝導率を格段に向上させることができる。

すなわち、放熱性を重視し、ＡｇやＣｕなどの金属微粒子をガラスセラミックス層に分散すると導電しやすくなり、金属微粒子を分散したガラスセラミックス層は絶縁性が低下してしまう。また、分散する金属の材質と量によっては熱収縮に変化が生じ、ガラスセラミックス基板の反りを生じてしまうことになる。そして、焼成時の基板の反りを材質の異なるガラスセラミックス層を隣り合わせに積層することにより、この基板の反りや歪みを軽減することができる。

電極配線層１５としては、ガラスセラミックス層への密着性に優れたＡｇ−Ｐｄ系の厚膜電極配線とすることが好ましい。これにより、グリーンシート積層体を焼成して多層セラミックス基板を形成する際に、Ａｇ−Ｐｄ系の導電性ペーストを焼成して同時に厚膜の電極配線層を形成することができる。なお、図示はしないが、通常のガラスセラミックス層１１ｂの内部にＡｇ−Ｐｄ系の内部厚膜電極配線層を配置してもよい。

Ａｇ微粒子を分散させたガラスセラミックス層を積層した層１１ｂの裏面に、電極層１３を備え、該電極層１３を冷却体１７に接続して固定する（実装状態の図６参照）。電極層１３は、Ａｇ−Ｐｄ系の厚膜導体層１３ａとＣｕメッキ層１３ｂとの二層構造を用いることが好ましい。Ａｇ−Ｐｄ系の厚膜導体層１３ａは、多層セラミックス基板１１の表面のＡｇ−Ｐｄ系の厚膜の電極配線層１５と同様に形成でき、これに電解メッキを施すことでＣｕメッキ層１３ｂを容易に形成できる。

これにより、電極層１３を例えばアルミ板からなる冷却体（ヒートシンク）１７に、溶接、ロー付け、ハンダ接合等の手段により直接固定することができる。従って、多層セラミックス基板１１の裏面の電極層１３を冷却体１７に直接固定することで、機械的にも熱的にも強固な且つ安定した接続状態が得られ、ＬＥＤ素子１６から生じる熱を効率的に冷却体１７に逃がすことができる。

Ａｇ微粒子は、Ａｇのｎｍ（ナノメートル）サイズの粒子が好ましい。このような微小サイズのＡｇ粒子を用いることで、ガラスセラミックス層の焼成時の収縮率等への影響を最小限に止め、且つ熱伝導率の格段の向上という結果が得られると考えられる。また、Ａｇ微粒子の添加量は以下のように、１−５wt％が適当である。

図２（ａ）はＡｇ添加量と熱伝導率の関係を示すグラフであり、（ｂ）はＡｇ添加量と収縮率の関係を示すグラフである。（ａ）のグラフに示すように、Ａｇの添加量が増えるにつれ、熱伝導率は添加無しの２．３W/m・Kから５wt％添加で８．１W/m・Kへと向上する。一般的なガラスエポキシ基板の熱伝導率が０．４〜１．０W/m・Kであることから、熱伝導性が一般的なガラスエポキシ基板に対してはるかに高い。そして、通常の多層セラミック基板の２．３W/m・KからＡｇ５wt％添加で８．１W/m・Kへと向上するので、通常の多層セラミック基板に対しても３倍程度熱伝導性が向上することが分かる。

しかしながら、（ｂ）のグラフに示すように、Ａｇ添加量が６wt％以上になると、収縮率比とそのバラつきが大きくなってしまう。多層セラミックス基板の収縮率比は±２％以内が望ましく、このため、Ａｇの添加量は１wt％から５wt％の間が適当である。

図３（ａ）はＣｕ添加量と熱伝導率の関係を示すグラフであり、（ｂ）はＣｕ添加量と収縮率の関係を示すグラフである。Ｃｕ添加量が増えるにつれ、熱伝導率は添加無しの２．３W/m・Kから５wt％添加で７．４Ｗ/m・Kへと向上する。ただし、Ｃｕ添加量が３wt％以上になると、収縮率比とそのバラつきが大きくなってしまう。このため、Ｃｕの添加量は１〜２ｗt％に制限され、Ａｇと比較して添加量が小さな範囲に制限される。

図４および図５は、Ａｌ微粒子およびフェライト微粒子を添加した場合の同様なグラフである。Ａｌ添加量が増えるにつれ、熱伝導率は２．３W/m・Kから６．８W/m・Kへと向上するが、Ａｌ添加量が３wt％以上になると、収縮率比とそのバラつきが大きくなってしまい、このため、Ａｌの添加量は１〜２wt％の間が望ましい。また、フェライト添加量が増えるにつれ、熱伝導率は２．３W/m・Kから４．０W/m・Kへと向上するが、フェライト添加量が９wt％以上になると、収縮率比とそのバラつきが大きくなってしまい、このため、フェライトの添加量は１〜８wt％の間が望ましい。

上記のデータで添加した４種類の金属微粒子のサイズは、Ａｇ、Ｃｕ、Ａｌについてはメジアン径５０ｎｍ、Ｆｅについては０．５μｍの粒体を利用した。以上の結果から、ガラスセラミックス層に関して、収縮率比に影響を与えない範囲でその熱伝導率を向上させるには、ｎｍサイズのＡｇ微粒子をガラスセラミックス層に１−５wt％添加することが最適であると考えられる。

次に、本発明の多層セラミックス基板の製造方法について説明する。まず、アルミナ粉末等のセラミックス原料４０〜６０wt％とホウケイ酸ガラス粉末等のガラス原料６０〜４０wt％とにフィラーを加え、有機ビヒクルに溶解して混練したスラリーから第１のグリーンシートを作成する。そして、上述のセラミックス原料粉末とガラス原料粉末に、これらの原料に対して１−５wt％のＡｇ微粒子を分散混合して形成したスラリーから第２のグリーンシートを作成する。

そして、第１のグリーンシートを複数枚（この実施例では２枚）重ねて積層し、これに隣接して第２のグリーンシートを複数枚（この実施例では７枚）重ねて積層し、加圧成形することで積層体を形成する。そして、積層体の第１のグリーンシート側表面にＡｇ−Ｐｄ系の厚膜導体配線パターン材料をスクリーン印刷にて形成し、積層体の第２のグリーンシート側表面に同様にＡｇ−Ｐｄ系の厚膜導体層材料をスクリーン印刷等で形成する。

次に、導体の融点以下の低温（例えば９００℃）で焼成し、通常のガラスセラミックス層１１ａを積層形成し、その上に順にＡｇ微粒子を分散させたガラスセラミックス層１１ｂを、隣接して積層形成する。この時、焼成により、多層セラミックス基板１１の表面にＡｇ−Ｐｄ系の電極配線層１５が形成され、多層セラミックス基板１１の裏面にＡｇ−Ｐｄ系の電極層１３が形成される。なお、Ａｇ−Ｐｄ系の厚膜材料のスクリーン印刷は、積層体形成前にグリーンシートの段階で行うようにしても良い。

図６は、本発明の多層セラミックス基板１１の使用例を示す。この例では、表面の電極配線層１５に高輝度のＬＥＤ素子１６を実装し、裏面の電極層１３をアルミ板からなる冷却体１７に溶接等により直接接合したものである。本発明の多層セラミックス基板１１は、薄型高強度で高い耐熱性を有し、従来の多層セラミックス基板よりも高い熱伝導率を有し、且つ従来の多層セラミックス基板と同等の絶縁性を有する。従って、高輝度のＬＥＤ素子１６で発生した熱を高い熱伝導率を有する多層セラミックス基板１１を介して効率的に冷却体１７に逃がすことができ、高輝度ＬＥＤ素子等の長時間の安定した運転が可能となる。

なお、この実施例では、Ａｇ−Ｐｄ系の厚膜導体配線である電極配線層１５にＬＥＤ素子１６を接続して搭載する例について説明したが、Ａｇ−Ｐｄ系の電極配線層１５にハンダメッキ層またはＣｕメッキ層等を設けて、該メッキ層を介して接続するようにしてもよい。

これまで本発明の一実施形態について説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されず、その技術的思想の範囲内において種々異なる形態にて実施されてよいことは言うまでもない。

本発明は、各種電子部品を実装する多層セラミックス基板に利用可能であり、特に発熱量が大きい高輝度ＬＥＤ素子の実装基板として好適に利用可能である。

１１…多層セラミックス基板
１１ａ…通常のガラスセラミックス層
１１ｂ…Ａｇ微粒子を分散したガラスセラミックス層
１３…電極層
１３ａ…Ａｇ−Ｐｄ系の厚膜導体層
１３ｂ…Ｃｕメッキ層
１５…電極配線層
１６…ＬＥＤ素子
１７…冷却体

Claims (5)

1. 複数のガラスセラミックス層を積層した低温焼成多層セラミックス基板であって、
   前記複数のガラスセラミックス層は、ガラス成分とセラミックス成分とから構成されるガラスセラミックス層と、該層にＡｇ微粒子を分散させたガラスセラミックス層からなる二層を隣接して積層し、
   前記Ａｇ微粒子は前記ガラスセラミックス層に１−５ｗｔ％添加したことを特徴とする多層セラミックス基板。
2. 前記ガラス成分とセラミックス成分とから構成されるガラスセラミックス層を積層した層の表面に、電極配線層を備え、該電極配線層にＬＥＤ素子を搭載する、請求項１に記載の多層セラミックス基板。
3. 前記Ａｇ微粒子を分散させたガラスセラミックス層を積層した層の裏面に、電極層を備え、該電極層を冷却体に接続して固定する、請求項１または２に記載の多層セラミックス基板。
4. 前記Ａｇ微粒子は、ｎｍ（ナノメートル）サイズの粒子である、請求項１または３に記載の多層セラミックス基板。
5. ガラス原料とセラミックス原料とを混合して形成したスラリーから第１のグリーンシートを作成し、
   ガラス原料とセラミックス原料と、これらの原料に対して１−５wt％のＡｇ微粒子とを混合して形成したスラリーから第２のグリーンシートを作成し、
   第１のグリーンシートを複数枚重ねて積層し、これに第２のグリーンシートを複数枚重ねた積層体を形成し、前記積層体を焼成し、
   前記ガラスセラミックス層を積層した層と、前記Ａｇ微粒子を分散させたガラスセラミックス層を積層した層を、隣接して積層することを特徴とする多層セラミックス基板の製造方法。

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