JP2013247230A - 多層配線基板および電子装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 搭載された電子部品の温度を保ちつつ、第１の金属回路板の放熱性を向上できる多層配線基板を提供する。
【解決手段】 第１のセラミック基体11ａおよび第１のセラミック基体11ａの上下面にそれぞれ接合されている第１の金属回路板12ａを含む第１の配線基板１ａと、第１のセラミック基体11ａよりも高い熱伝導率を有する第２のセラミック基体11ｂを含んでおり、第１の配線基板１ａの下面に接合された第２の配線基板１ｂとを有している多層配線基板１である。
【選択図】図２

Description

本発明は、電子部品が搭載される多層配線基板および電子装置に関するものである。

パワーモジュールまたはスイッチングモジュール等の例えばＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）などの電子部品を有する電子装置に用いられる配線基板として、セラミック基体に金属回路板が接合された配線基板が用いられている。このような配線基板は高密度化が要求されており、配線基板を高密度化する方法として、複数の配線基板を積層した多層配線基板が知られている（例えば、特許文献１を参照。）。

特開2006-66595号公報

上記した多層配線基板の金属回路板は大電流を流すためのものであり、金属回路板に大電流を流すと金属回路板で熱が生じて多層配線基板が高温となるので、多層配線基板には高い放熱性が要求されている。このような多層配線基板の放熱性向上のために、セラミック基体を熱伝導率の高い材料にすることが考えられるが、例えばＩＧＢＴなどの電子部品は一定の温度域で効率良く動作するという特性を有するので、電子部品を保温する必要があった。一方で、金属回路板は電気抵抗の低減のために放熱される必要があった。

本発明の一つの態様による多層配線基板は、第１のセラミック基体および第１のセラミック基体の上下面にそれぞれ接合されている第１の金属回路板を含む第１の配線基板と、第１のセラミック基体よりも高い熱伝導率を有する第２のセラミック基体を含んでおり、第１の配線基板の下面に接合された第２の配線基板とを有している。

本発明の他の態様による電子装置は、上記構成の多層配線基板と、配線基板の金属板に搭載された電子部品とを含んでいる。

本発明の一つの態様による多層配線基板は、第２のセラミック基体の熱伝導率が第１のセラミック基体の熱伝導率よりも高いことから、電子部品の搭載された多層配線基板を外部の回路基板に搭載した際に、多層配線基板に搭載された電子部品の温度を保ちつつ、第１のセラミック基体の下面に接合されている第１の金属回路板の放熱性を向上できる。

本発明の他の態様による電子装置は、上記構成の多層配線基板と、多層配線基板の金属板に搭載された電子部品とを含んでいることから、電子部品を作動に適した温度に保つとともに第１のセラミック基体の下面に接合されている第１の金属回路板の放熱性を向上できるので、電子装置の作動効率を向上できる。

本発明の第１の実施形態における電子装置の平面図である。 図１に示された電子装置のＡ−Ａ線における断面図である。 本発明の第２の実施形態における電子装置の断面図である。

以下、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。

（第１の実施形態）
図１および図２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。本実施形態における電子装置は、多層配線基板１と、多層配線基板１に搭載された電子部品２とを有している。なお、図１および図２において、電子装置は、仮想のｘｙｚ空間内に設けられて、ｘｙ平面上に載置されている。また、本実施形態における上方とは仮想のｚ軸の正方向のことである。

多層配線基板１は第１の配線基板１ａと第２の配線基板１ｂとを含んでいる。第１の配線基板１ａおよび第２の配線基板１ｂは、それぞれセラミック基体11および金属板12により構成されている。セラミック基体11は、第１のセラミック基体11ａと第１のセラミック基体11ａよりも高い熱伝導率を有する第２のセラミック基体11ｂとを含んでいる。金属板12は、第１の金属回路板12ａと第２の金属回路板12ｂとを含んでいる。第１の配線基板１ａは、第１のセラミック基体11ａと第１のセラミック基体11ａの上下面にそれぞれ接合された第１の金属回路板12ａとを含んでいる。第２の配線基板１ｂは、第２のセラミック基体11ｂと、第２のセラミック基体11ｂの上下面に接合された第２の金属回路板12ｂとを含んでおり、第１の配線基板１ａの下面に接合されている。なお、本実施形態において、多層配線基板１は、第１の配線基板１ａの第１の金属回路板12ａと第２の配線基板１ｂの第２の金属回路板12ｂとが接合材３によって接合された構造を有している。

セラミック基体11は、略四角形状であり、金属板12を支持する支持部材として機能する。セラミック基体11は、電気絶縁材料からなり、例えば、酸化アルミニウム質セラミックス，ムライト質セラミックス，炭化ケイ素質セラミックス，窒化アルミニウム質セラミックス，または窒化ケイ素質セラミックス等のセラミックスからなる。これらセラミック材料の中では放熱性に影響する熱伝導性の点に関して、炭化ケイ素質セラミックス，窒化アルミニウム質セラミックス，または窒化ケイ素質セラミックスが好ましく、強度の点に関して、窒化ケイ素質セラミックスまたは炭化ケイ素質セラミックスが好ましい。セラミック基体11が窒化ケイ素質セラミックスのように比較的強度の高いセラミック材料からなる場合、より厚みの大きい金属板12を用いたとしてもセラミック基体11にクラックが入る可能性が低減されるので、小型化を図りつつより大きな電流を流すことができる多層配線基板１を実現することができる。

セラミック基体11の厚みは、薄い方が熱伝導性の点ではよく、例えば約0.1ｍｍ〜１ｍ
ｍであり、多層配線基板１の大きさまたは用いる材料の熱伝導率または強度に応じて選択すればよい。

セラミック基体11は、例えば窒化ケイ素質セラミックスからなる場合であれば、窒化ケイ素，酸化アルミニウム，酸化マグネシウム，および酸化イットリウム等の原料粉末に適当な有機バインダー，可塑剤，および溶剤を添加混合して泥漿物に従来周知のドクターブレード法またはカレンダーロール法を採用することによってセラミックグリーンシート（セラミック生シート）を形成し、次にこのセラミックグリーンシートに適当な打ち抜き加工等を施して所定形状となすとともに、必要に応じて複数枚を積層して成形体となし、しかる後、これを窒化雰囲気等の非酸化性雰囲気にて1600〜2000℃の温度で焼成することによって製作される。

第２のセラミック基体11ｂは、第１のセラミック基体11ａよりも高い熱伝導率を有する。例えば、第１のセラミック基体11ａの材料として窒化ケイ素質セラミックスを用いる場
合であれば、第２のセラミック基体11ｂの材料としては窒化アルミニウム質セラミックスを用いる。このようなセラミック基体11を用いた多層配線基板１が加熱された場合には、窒化アルミニウム質セラミックスの熱膨張よりも窒化ケイ素質セラミックスの熱膨張の方が小さいので、第２のセラミック基体11ｂの熱膨張が第１のセラミック基体11ａによって抑制される。

本実施形態において、第１のセラミック基体11ａよりも高い熱伝導率を有する第２のセラミック基体11ｂが、多層配線基板１の外部回路基板への実装面である下面側に位置していることから、第１の配線基板１ａと第２の配線基板１ｂとの間に設けられている金属板12に生じる熱を外部回路基板へ効率よく放熱できる。

金属板12は、複数の第１の金属回路板12ａと第２の金属回路板12ｂとを含んでいる。本実施形態において、第１の金属回路板12ａは第１のセラミック基体11ａの上下面に設けられている。第２の金属回路板12ｂは第２のセラミック基体11ｂの上下面に設けられている。

第１の金属回路板12ａは、第１のセラミック基体11ａの上下面に取着され、第１のセラミック基体11ａの上面の第１の金属回路板12ａ上に搭載される電子部品２と外部回路基板とを電気的に接続するための配線として機能する。また、第２のセラミック基体11ｂの下面に取着された第２の金属回路板12ｂは、第２の配線基板１ｂに生じる熱を放熱するための放熱板として機能する。

金属板12は、放熱性の観点から、熱伝導率の高い金属材料が用いられ、例えば銅等の高熱伝導率の金属材料が好適に用いられる（銅の熱伝導率：395Ｗ／ｍ・Ｋ）。銅のインゴ
ット（塊）に圧延加工法または打ち抜き加工法等の機械的加工、またはエッチング等の化学的加工のような金属加工法を施すことによって、例えば厚さが10〜300μｍの平板状で
所定パターンに形成される。

第２のセラミック基体11ｂの下面に設けられた第２の金属回路板12ｂは、図１に示された例のように、第２のセラミック基体11ｂの下面のほぼ全面に形成され、多層配線基板１の放熱性を高めるようにすることが好ましい。

金属板12の材料が銅である場合には、金属板12に用いられる銅は、無酸素銅であることが好ましい。無酸素銅を用いると、金属板12とセラミック基体11とを接合する際に、銅の表面が銅中に存在する酸素によって酸化されることが低減されるとともに、接合材３との濡れ性が良好となるので、金属板12とセラミック基体11との接合強度が向上される。

なお、金属板12は、例えば銅およびモリブデンを用いた複数層の金属層から構成されたいわゆるクラッド部材であってもよい。

金属板12をセラミック基体11に接合した後に、金属板12をエッチングによって金属板12の所定パターン形状に加工する場合は、例えば以下のように加工する。セラミック基体11の上に接合された金属板12の表面にエッチングレジストインクをスクリーン印刷法等の技術を用いて所定パターン形状に印刷塗布してレジスト膜を形成した後、例えばリン酸、酢酸、硝酸、過酸化水素水、硫酸、ふっ酸、塩化第２鉄、塩化第２銅溶液等を単体もしくは混合したエッチング液に浸漬したり、エッチング液を吹き付けたりしておよび金属板12の所定パターン以外の部分を除去し、その後にレジスト膜を除去すればよい。

なお、セラミック基体11に接合された金属板12に導電性が高くかつ耐蝕性およびろう材との濡れ性が良好な金属をめっき法により被着させておくと、金属板12と外部電気回路（
図示せず）との電気的接続を良好なものとすることができる。この場合は、内部に燐を８〜15質量％含有させてニッケル−燐のアモルファス合金としておくと、ニッケルからなるめっき層の表面酸化を抑制してろう材との濡れ性等を長く維持することができるので好ましい。ニッケルに対する燐の含有量が８質量％以上15質量％以下であると、ニッケル−燐のアモルファス合金を形成しやすくなってめっき層に対する半田の接着強度を向上させることができる。このニッケルからなるめっき層は、その厚みが1.5μｍ以上であると、金
属板12の露出した表面を被覆しやすく、金属板12の酸化腐蝕を抑制することができる。また、10μｍ以下であると、特にセラミック基体11の厚さが300μｍ未満の薄いものになっ
た場合には、めっき層の内部に内在する内在応力を低減させることができ、金属板12に生じる反り、およびそれによって生じるセラミック基体11の反りまたは割れ等を低減できる。

金属板12は、接合金属層等の接合材３を介してセラミック基体11に接合される。接合材３用のろう材ペーストは、例えば銀および銅粉末，銀−銅合金粉末，またはこれらの混合粉末からなる銀ろう材（例えば、銀：７２質量％−銅：２８質量％）粉末に、チタン，ハフニウム，ジルコニウムまたはその水素化物等の活性金属を銀ろう材に対して２〜５質量％添加混合し、適当なバインダーと有機溶剤および溶媒とを添加混合し、混練することによって製作される。銀ろう材の接合温度は780℃〜900℃であり、接合温度または接合材３の硬度を低下させる目的でインジウム（Ｉｎ）またはスズ（Ｓｎ）を１〜10質量％程度添加しても良い。

第１のセラミック基体11ａの上下面に設けられた第１の金属回路板12ａは、図２に示された例のように、必要に応じて貫通導体13によって電気的に接続されていてもよい。貫通導体13は、例えば以下のようにして作製する。第１のセラミック基体11ａ用のセラミックグリーンシートに金型やパンチングによる打ち抜き加工またはレーザー加工等の加工方法によって貫通導体13用の貫通孔を形成し、この貫通孔に貫通導体13用のメタライズペーストを印刷手段によって充填しておき、第１のセラミック基体11ａ用のセラミックグリーンシートとともに焼成することによって形成する。貫通導体13の材料としては、金属板12と同様の材料を用いることができる。

多層配線基板１は、第１の配線基板１ａと第２の配線基板１ｂとが接合されることによって作製される。第１の配線基板１ａおよび第２の配線基板１ｂのそれぞれが、セラミック基体11の上下面に金属板12の接合された構造である場合には、多層配線基板１は第１の配線基板１ａおよび第２の配線基板１ｂの金属板12同士を接合材３によって接合することによって作製される。すなわち、第１の配線基板１ａの第１の金属回路板12ａと第２の配線基板１ｂの第２の金属回路板12ｂとを接合することによって、第１の配線基板１ａと第２の配線基板１ｂとを接合する。また、第１の配線基板１ａの下面に第２の金属回路板12ｂを接合した後、第２の金属回路板12ｂの下面と第２の配線基板１ｂの第２のセラミック基体11ｂの上面とを接合して、多層配線基板１を作製してもよい。

このような多層配線基板１の上面にダイボンド材４を介して電子部品２を搭載し、電子部品２を複数のボンディングワイヤ５によって金属板12に電気的に接続して電子装置を構成するものとなる。なお、ダイボンド材４は、例えば、金属接合材または導電性樹脂からなる。このような金属接合材は、例えば、半田、金−スズ（Ａｕ−Ｓｎ）合金、またはスズ−銀−銅（Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ）合金等である。電子部品２は、例えば、トランジスタ、ＣＰＵ（Central Processing Unit）用のＬＳＩ（Large Scale Integrated circuit）、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）、またはＭＯＳ−ＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor - Field Effect Transistor）等の半導体素子である。

本実施形態の多層配線基板１は、第１のセラミック基体11ａおよび第１のセラミック基
体11ａの上下面にそれぞれ接合されている第１の金属回路板12ａを含む第１の配線基板１ａと、第１のセラミック基体11ａよりも高い熱伝導率を有する第２のセラミック基体11ｂを含んでおり、第１の配線基板１ａの下面に接合された第２の配線基板１ｂとを有している。第２のセラミック基体11ｂの熱伝導率が第１のセラミック基体11ａの熱伝導率よりも高いことから、電子部品２の搭載された多層配線基板１を外部の回路基板に搭載した際に、多層配線基板１に搭載された電子部品２の温度を保ちつつ、第１のセラミック基体11ａの下面に接合されている第１の金属回路板12ａの放熱性を向上できる。

また、本実施形態の多層配線基板１において、第２の配線基板１ｂが、第２のセラミック基体11ｂの上面に接合された第２の金属回路板12ｂをさらに有していることから、第１の金属回路板12ａと第２の金属回路板12ｂとが接合された多層配線基板１であるので、金属同士の結合によって、第１の配線基板１ａと第２の配線基板１ｂとの接合強度を向上できる。

本実施形態の電子装置は、上記構成の多層配線基板１と、多層配線基板１の金属板12に搭載された電子部品２とを含んでいることから、電子部品２を作動に適した温度に保つことができるので、電子装置の作動効率を向上できる。

（第２の実施形態）
次に、本発明の第２の実施形態による電子装置について図３を参照しつつ説明する。

本発明の第２の実施形態における電子装置において、上記した第１の実施形態の電子装置と異なる点は、図３に示された例のように、第１の金属回路板12ａと第２のセラミック基体11ｂとが接合されている点である。本実施形態の多層配線基板１は、第１のセラミック基体11ａと第２のセラミック基体11ｂとの間に設けられた金属板12の厚さを低減できるので、多層配線基板１を低背化できる。

また、第１の金属回路板12ａに例えば銅等の熱伝導率の高い金属材料を用いたときに、第１のセラミック基体11ａと第２のセラミック基体11ｂとの間に設けられた金属板12が１枚の金属板であることから、金属板12が２枚の金属板を接合材３で接合されたものである場合に比べて、金属板12の熱伝導率を向上できるので、多層配線基板１の放熱性を向上できる。

本実施形態の多層配線基板は、第１のセラミック基体11ａの上下面に第１の金属回路板12ａの設けられた第１の配線基板１ａと、第２のセラミック基体11ｂの下面に第２の金属回路板12ｂの設けられた第２の配線基板１ｂとを接合することによって作製される。すなわち、第１の配線基板１ａの下面の第１の金属回路板12ａと第２の配線基板１ｂの上面とを接合材３によって接合することによって、多層配線基板１が作製される。

１・・・・多層配線基板
１ａ・・・第１の配線基板
１ｂ・・・第２の配線基板
11・・・・セラミック基体
11ａ・・・第１のセラミック基体
11ｂ・・・第２のセラミック基体
12・・・・金属板
12ａ・・・第１の金属回路板
12ｂ・・・第２の金属回路板
13・・・・貫通導体
２・・・・電子部品
３・・・・接合材
４・・・・ダイボンド材
５・・・・ボンディングワイヤ

Claims (3)

1. 第１のセラミック基体および該第１のセラミック基体の上下面にそれぞれ接合されている第１の金属回路板を含む第１の配線基板と、前記第１のセラミック基体よりも高い熱伝導率を有する第２のセラミック基体を含んでおり、前記第１の配線基板の下面に接合された第２の配線基板とを備えていることを特徴とする多層配線基板。
2. 前記第２の配線基板が、前記第２のセラミック基体の上面に接合された第２の金属回路板をさらに有することを特徴とする請求項１記載の多層配線基板。
3. 請求項１記載の多層配線基板と、該多層配線基板に搭載された電子部品とを備えていることを特徴とする電子装置。

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