JP2013045957A - Wiring board and electronic device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、配線基板および電子装置に関するものである。 The present invention relates to a wiring board and an electronic device.
例えば、照明分野において、近年、高出力の発光ダイオード素子が開発されるに従い、寿命が長いことや消費電力が小さいことによって発光ダイオード装置が照明用の光源に用いられるようになっている。このような、発光ダイオード装置には、セラミック基板の表面に配線導体を形成したり内部に貫通導体を形成した配線基板が用いられている。 For example, in the illumination field, as high-power light-emitting diode elements have been developed in recent years, light-emitting diode devices have been used as illumination light sources due to their long life and low power consumption. In such a light emitting diode device, a wiring substrate having a wiring conductor formed on the surface of a ceramic substrate or a through conductor formed therein is used.
配線基板は、例えば発光装置が小型化、高密度化または高出力化が要求されるに伴い高い放熱性や耐熱性等のセラミック基板の特徴が生かされることで需要が高まりつつある。発光装置を小型化にする方法として、配線基板に高密度に貫通孔を形成し、LED素子を高密度に実装する方法がある。 For example, as a light-emitting device is required to have a smaller size, a higher density, or a higher output, a demand for a wiring board is increasing due to the utilization of ceramic substrate characteristics such as high heat dissipation and heat resistance. As a method for reducing the size of a light emitting device, there is a method in which through holes are formed in a wiring substrate at a high density and LED elements are mounted at a high density.
その方法の1つとして、窒化アルミニウムを主成分とする絶縁基板に貫通孔を形成した後に貫通孔内に金属層を設ける場合、絶縁基板と金属層との密着性向上のために、金属層を設ける前に、蒸着法やイオンプレーティング法、スパッタリング法等の薄膜形成技術により薄膜層を形成することがある(例えば、特許文献1を参照)。 As one of the methods, when a metal layer is provided in the through hole after the through hole is formed in the insulating substrate mainly composed of aluminum nitride, the metal layer is used to improve the adhesion between the insulating substrate and the metal layer. Before providing, a thin film layer may be formed by thin film formation techniques, such as a vapor deposition method, an ion plating method, and a sputtering method (for example, refer patent document 1).
しかしながら、特許文献1のようにすると、小径の貫通孔を高い寸法精度で形成することはできるものの、貫通孔の高アスペクト比化に伴って、貫通孔の中央部分において薄膜層が設けられないことがあった。そのため、薄膜層が貫通孔の上端部から下端部にかけて連続して設けられず、十分な電気的経路を設けることが不可能なことがあった。そのため、小径でアスペクト比の高い貫通孔について安定して導通させるためには改善が必要なものであった。
However, according to
本発明の一つの態様による配線基板は、貫通孔を有しており、窒化アルミニウムを主成分として含んでいる絶縁基板と、前記貫通孔の内面の上端部から下端部にかけて設けられたアルミニウム層と、該アルミニウム層の表面に設けられた薄膜層と、該薄膜層の表面に設けられた金属層とを備えていることを特徴とする。 A wiring board according to one aspect of the present invention includes an insulating substrate having a through hole and containing aluminum nitride as a main component, and an aluminum layer provided from the upper end portion to the lower end portion of the inner surface of the through hole. And a thin film layer provided on the surface of the aluminum layer, and a metal layer provided on the surface of the thin film layer.
本発明の他の態様による電子装置は、配線基板と、該配線基板に搭載された電子部品を備えていることを特徴とする。 An electronic device according to another aspect of the present invention includes a wiring board and an electronic component mounted on the wiring board.
本発明の一つの態様による配線基板は、貫通孔を有しており、窒化アルミニウムを主成分として含んでいる絶縁基板と、貫通孔の内面の上端部から下端部にかけて設けられたアルミニウム層と、アルミニウム層の表面に設けられた薄膜層と、薄膜層の表面に設けられた金属層とを備えている。本発明の一つの態様による配線基板は、このような構成を含んでいることによって、貫通孔の高アスペクト比化が進んで仮に貫通孔の中央部分において
薄膜層が設けられなかったとしても、アルミニウム層によって貫通孔の上端部から下端部にかけて十分な電気的経路を設けることができる。
A wiring substrate according to one aspect of the present invention has a through hole, an insulating substrate containing aluminum nitride as a main component, an aluminum layer provided from the upper end to the lower end of the inner surface of the through hole, A thin film layer provided on the surface of the aluminum layer and a metal layer provided on the surface of the thin film layer are provided. Since the wiring board according to one aspect of the present invention includes such a configuration, even if a high aspect ratio of the through-hole is advanced and a thin film layer is not provided in the central portion of the through-hole, aluminum is used. The layer can provide a sufficient electrical path from the upper end to the lower end of the through hole.
本発明の他の態様による電子装置は、上記構成の配線基板を備えていることによって、アスペクト比の高い小径の貫通孔1aの導通性に関して向上されるものとなる。 The electronic device according to another aspect of the present invention includes the wiring board having the above-described configuration, whereby the electrical conductivity of the small-diameter through hole 1a having a high aspect ratio is improved.
本発明のいくつかの例示的な実施形態について図面を参照して説明する。 Several exemplary embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
(第1の実施形態)
図1(a)、(b)、図1に示された電子装置に使用される配線基板(母配線基板)の一つの実施形態を示す平面図である図2(a)、(b)、(c)および図2(c)に示された配線基板5の要部の拡大断面図である図3を参照して本発明の第1の実施形態における電子装置について説明する。図1(a)、(b)に示されているように、本実施形態における電子装置は、配線基板5と、配線基板5に搭載された電子部品6とを含んでいる。
(First embodiment)
FIGS. 2A and 2B are plan views showing one embodiment of a wiring board (mother wiring board) used in the electronic device shown in FIGS. The electronic device according to the first embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. 3 which is an enlarged cross-sectional view of the main part of the wiring board 5 shown in (c) and FIG. 2 (c). As shown in FIGS. 1A and 1B, the electronic device according to the present embodiment includes a wiring board 5 and an electronic component 6 mounted on the wiring board 5.
また、図1(a)、(b)、図2(a)、(b)、(c)および図3に示されているように、配線基板5は、貫通孔1aを有しており、窒化アルミニウムを主成分として含んでいる絶縁基板1と、貫通孔1aの内面の上端部から下端部にかけて設けられたアルミニウム層2と、アルミニウム層2の表面に設けられた薄膜層3と、薄膜層3の表面に設けられた金属層4とを含んでいる。
Also, as shown in FIGS. 1A, 1B, 2A, 2B, 3C and 3, the wiring board 5 has a through hole 1a.
また、配線基板5は、製品寸法が小さいことが多いため、図2(a)、(b)、(c)に示されているように、配線基板5が多数個形成された母配線基板5´を分割することによって作成される場合があるが、本発明においては母配線基板も配線基板に含まれる。 Further, since the wiring board 5 is often small in product size, as shown in FIGS. 2A, 2B, and 2C, the mother wiring board 5 in which a large number of wiring boards 5 are formed. In some cases, the mother wiring board is also included in the wiring board.
図2に示された本実施形態における母配線基板5´および母配線基板5´を分割してできる配線基板5の作成方法について、以下に説明を行う。窒化アルミニウムを主成分として含んでいる母絶縁基板1´は、主原料としての窒化アルミニウムに焼結助剤としてのイットリア、カルシア及び適当な有機溶剤、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を採用することによってグリーンシート(生シート)を形成し、しかる後、前記グリーンシートを高温(約1800℃)で焼成することによって製作される。なお、絶縁基板1は生産性を高めるために、通常は絶縁基板1を多数個集合した母絶縁基板の状態で作成し、母配線基板5´が完成した時点もしくは電子装置が完成した時点で分割されることが多いので、作成工程については主に母配線基板5´の作成工程とするが、母配線基板5´を分割すること無く、直接配線基板5を作成することも可能である。また、窒化アルミニウムを主成分として含むとは、絶縁基板1中に窒化アルミニウムが80質量%以上含むことを言う。絶縁基板1中に含まれる窒化アルミニウムが80質量%未満であると、貫通孔1a表面にアルミニウム層2を安定して形成し難い。好ましくは絶縁基板1中の窒化アルミニウムは95質量%以上含有されて
いることが好ましい。窒化アルミニウムが95質量%以上含まれていると、絶縁体の熱伝導率を170W/mK以上としやすいため、熱放散性に優れた配線基板5となるので好ましい。
A method of creating the wiring board 5 that is obtained by dividing the mother wiring board 5 ′ and the mother wiring board 5 ′ in the present embodiment shown in FIG. 2 will be described below. The
窒化アルミニウムからなる母絶縁基板1´の所定の部位にレーザー加工によって貫通孔1aを形成する。波長の短いYAGレーザーや、エキシマレーザーを使用すると、窒化アルミニウムが瞬時に蒸発してしまい、アルミニウム層2が貫通孔1aの内面に形成されにくく、CO2レーザーを使用すると、窒化アルミニウムの表面に安定してアルミニウム層2が形成され易いのでCO2レーザーを使用するのが好ましい。例えば、窒化アルミニウムの含有率が95質量%で熱伝導率が170W/mK、板厚0.38mmの絶縁基板を用い、出力20Wで焦点の径がφ0.1mmのCO2レーザー(波長10.6μm)を用いて貫通孔1aを形成すると、入射側の直径が0.13mmで、出射側の直径は0.06mmとなり、貫通孔1aの表面にアルミニウムが形成された貫通孔1aとすることができる。このときのアルミニウム層2の厚みは1〜16μmであった。
A through hole 1a is formed in a predetermined portion of the mother insulating substrate 1 'made of aluminum nitride by laser processing. If a YAG laser or excimer laser with a short wavelength is used, the aluminum nitride is instantly evaporated, and the
アルミニウム層2の形成方法は、窒化アルミニウムからなる母絶縁基板1´に貫通孔1aを形成するときの上述のレーザー加工により窒化アルミニウムが還元されることによるものであり、この形成方法により、アルミニウム層2が貫通孔1aの内面の上端部から下端部にかけて設けられるものとなる。
The
薄膜層3を構成する密着金属層は、母絶縁基板1´の表裏面の貫通孔1aの周囲にレーザー加工で形成される凸部を必要に応じて研磨等で除去平坦化し、絶縁基板1の表裏面および貫通孔1aの上下面付近に形成される。密着金属層は例えば、窒化タンタルやニッケルークロム、ニッケルークロムーシリコン、タングステンーシリコン、モリブデンーシリコン、タングステン、モリブデン、チタン、クロム等から成り、蒸着法やイオンプレーティング法、スパッタリング法等の薄膜形成技術を採用することにより貫通孔1a内のアルミニウム層2および絶縁基板1上に被着される。例えば真空蒸着法を用いて形成する場合には、母絶縁基板1´を真空蒸着装置の成膜室内に設置して、成膜室内の蒸着源に密着金属層と成る金属片を配置し、その後、成膜室内を真空状態(10−2Pa以下の圧力)にするとともに、蒸着源に配置された金属片を加熱して蒸着させ、この蒸着した金属片の分子を絶縁基板1に被着させることにより、密着金属層と成る薄膜金属の層を形成する。そして、薄膜金属層が形成された絶縁基板1にフォトリソグラフィ法を用いてレジストパターンを形成した後、エッチングによって余分な薄膜金属層を除去することにより、密着金属層が形成される。密着金属層の上面には薄膜層3を構成するバリア層が被着され、バリア層は密着金属層と主導体層と接合性、濡れ性が良く、密着金属層と主導体層とを強固に接合させるとともに密着金属層と主導体層との相互拡散を防止する作用をなす。バリア層は、例えば、ニッケルークロムや白金、パラジウム、ニッケル、コバルト等から成り、蒸着法やイオンプレーティング法、スパッタリング法等の薄膜形成技術により密着金属層の上面に被着される。
The adhesion metal layer constituting the
密着金属層の厚さは0.01〜0.5μm程度が良い。0.01μm未満では、絶縁基板
1およびアルミニウム層2上に密着金属層を強固に密着させることが困難となる傾向がある。0.5μmを超える場合は、密着金属層の成膜時の内部応力によって密着金属層の剥
離が生じ易くなる。
The thickness of the adhesion metal layer is preferably about 0.01 to 0.5 μm. If it is less than 0.01 μm, it tends to be difficult to firmly adhere the adhesion metal layer on the insulating
また、バリア層の厚さは0.05〜1μm程度が良い。0.05μm未満では、ピンホール等の欠陥が発生してバリア層としての機能を果たしにくくなる傾向がある。1μmを超える場合は、成膜時の内部応力によりバリア層の剥離が生じ易くなる。 The thickness of the barrier layer is preferably about 0.05 to 1 μm. If the thickness is less than 0.05 μm, defects such as pinholes tend to occur, and the function as a barrier layer tends not to be achieved. When the thickness exceeds 1 μm, the barrier layer is easily peeled off due to internal stress during film formation.
金属層4の形成方法は、絶縁基板1の表裏面共に、表面配線7を形成しない部分にレジ
スト膜(不図示)を形成し、薄膜層3およびアルミニウム層2の表面に銅を電解めっきで形成することによるものであり、この形成方法により、金属層4が貫通孔1a内に充填されると共に表面配線7となる部分に厚い導体層が形成される。
The
なお、密着金属層として、チタン(Ti)を用い、その上に銅(Cu)をこの順でスパッタを行うと、チタンと銅の接合部にはチタン/銅のバリア層が形成され、表面には銅の導体層が形成されるので、その表面に電解めっきで銅を形成すると、金属層4が全て銅で形成されることになるので、電気抵抗や熱抵抗が低くなると共に大電流を流しやすくなるので好ましい。
When titanium (Ti) is used as the adhesion metal layer and copper (Cu) is sputtered in this order, a titanium / copper barrier layer is formed at the junction between titanium and copper, and is formed on the surface. Since a copper conductor layer is formed, if copper is formed on the surface by electrolytic plating, the
表面配線層7の厚さは2〜200μm程度が良い。2μm未満では、十分に電流を流すことができない傾向があり、200μmを超えると、温度サイクル信頼性が低下する傾向がある。なお、表面配線層7の厚みが50μm以上となると絶縁基板1との熱膨張差が無視できなくなるが、上下の表面配線層7の厚みの差が5μm以下であると配線基板5に反りが発生し難くなるので好ましい。
The thickness of the
なお、金属層4および表面配線層7が銅の場合は、表面にニッケル層、金層をこの順に形成すると表面の腐食防止のために好ましい。
When the
次にレジストを剥離し、露出した薄膜層3をフッ酸でエッチングし除去することで、母配線基板5´となる。
Next, the resist is peeled off, and the exposed
焼成済みの母絶縁基板1´にレーザー加工によって貫通孔1aを形成し表面配線7を形成することにより、寸法精度の高い母配線基板5´とすることができるので、母配線基板上に自動機等で発光素子等の電子部品6を容易に配置したり、ボンディングワイヤ8による電気的な接続を行うことができるようになるので、生産性が高まり好ましい。
Since the through-hole 1a is formed in the fired mother insulating substrate 1 'by laser processing and the
母配線基板5´で電子装置まで組み立てた場合は、多数の電子装置を組み立てた状態から、ダイシングやレーザー割断等の方法で、個別の電子装置に分割する。もしくは、母配線基板5´を同様の方法で個別の配線基板5に分割してから同様に電子部品6を配置接続することで電子装置となる。 When the electronic device is assembled on the mother wiring board 5 ', the electronic device is divided into individual electronic devices by a method such as dicing or laser cleaving from the assembled state. Alternatively, after dividing the mother wiring board 5 ′ into individual wiring boards 5 by the same method, the electronic components 6 are arranged and connected in the same manner to obtain an electronic device.
本実施形態の配線基板5において、貫通孔1aを有しており、窒化アルミニウムを主成分として含んでいる絶縁基板1と、貫通孔1aの内面の上端部から下端部にかけて設けられたアルミニウム層2と、アルミニウム層2の表面に設けられた薄膜層3と、薄膜層3の表面に設けられた金属層4とを備えていることによって、貫通孔1aの高アスペクト比化が進んで仮に貫通孔1aの中央部分において薄膜層3が設けられなかったとしても、アルミニウム層2によって貫通孔1aの上端部から下端部にかけて十分な電気的経路を設けることができ、アスペクト比の高い小径の貫通孔1aの導通性に関して向上されるものとなる。
In the wiring substrate 5 of the present embodiment, the insulating
また、本実施形態の電子装置において、上記構成の配線基板5を備えていることによって、アスペクト比の高い小径の貫通孔1aの導通性に関して向上されるものとなる。 Moreover, in the electronic device of this embodiment, by providing the wiring substrate 5 having the above-described configuration, the electrical conductivity of the small-diameter through hole 1a having a high aspect ratio is improved.
(第2の実施形態)
図4を参照して本発明の第2の実施形態における電子装置について説明する。本実施形態の電子装置において、第1の実施形態と異なる点は、貫通孔1a内の金属層4の構造である。第1の実施形態において貫通孔1a内が金属層4で充填される構造であったが、本実施形態においては貫通孔1aの内面に層状に形成されており、貫通孔の一方は表面配線層7で塞がれているが、他方は開放している構造である。この第2の実施形態の構造にす
ることによって、絶縁基板1と金属層4の熱膨張差による応力が加わり難くなっていることで、貫通孔1aの配置密度が高くなったとしても、絶縁基板1に応力による割れが発生し難くなるので好ましい。
(Second Embodiment)
An electronic device according to the second embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. In the electronic device of the present embodiment, the difference from the first embodiment is the structure of the
(第3の実施形態)
図5を参照して本発明の第3の実施形態における電子装置について説明する。本実施形態の電子装置において、貫通孔1aを金属層4で充填した後に表裏面を研磨し、その後表面配線層7を形成した物であるが、この様に、貫通孔1a内の金属層4と表面配線層7を別に形成した場合は表面配線層7を金属層4と異なる金属とする事ができるので、表面配線層7として薄膜形成技術を用いた層以外に厚膜層を形成することも容易となり、また、薄膜形成技術を用いて形成する場合でも貫通導体まで形成した絶縁基板1を準備しておき、必要に応じて絶縁基板1の表裏面に様々な表面配線層7を形成することができるようになり、納期を短縮できるので好ましい。
(Third embodiment)
An electronic device according to a third embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. In the electronic device of the present embodiment, the through hole 1a is filled with the
1・・・・・絶縁基板
1a・・・・貫通孔
2・・・・・アルミニウム層
3・・・・・薄膜層
4・・・・・金属層
5・・・・・配線基板
6・・・・・電子部品
7・・・・・表面配線層
8・・・・・ボンディングワイヤ
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