JP2014160694A

JP2014160694A - セラミック配線基板とバリスタ内蔵セラミック配線基板

Info

Publication number: JP2014160694A
Application number: JP2013029606A
Authority: JP
Inventors: Motohiro Shimizu; 基尋清水; Masahiro Hiraga; 将浩平賀; Shusuke Uematsu; 秀典植松; Fuyuki Abe; 冬希阿部
Original assignee: Panasonic Corp
Current assignee: Panasonic Corp
Priority date: 2013-02-19
Filing date: 2013-02-19
Publication date: 2014-09-04

Abstract

【課題】セラミック基板とめっき電極間で生じる熱応力によって発生するセラミック基板の割れやデラミネーションを抑制することを目的とする。
【解決手段】本発明のセラミック配線基板は、セラミック基板と、セラミック基板内部に形成された配線電極と、セラミック基板の一主面上方に配置され、セラミック基板の前記一主面と略平行な上面を有し、配線電極と電気的に接続されたＣｕめっき電極と、セラミック基板とＣｕめっき電極間の少なくとも一部に配置される支持層とを有し、Ｃｕめっき電極の上面の周縁部における主面に垂直方向の前記Ｃｕめっき電極の厚みは、Ｃｕめっき電極の周縁部よりも内方の主面に垂直方向のＣｕめっき電極の厚みよりも薄いものである。
【選択図】図１

Description

本発明はめっき電極を備えたセラミック配線基板およびバリスタ内蔵セラミック配線基板に関する。

図５にはセラミック基板１０１の上面にＣｕ配線パターン膜１０２が配置され、両者の熱膨張係数差によりセラミック基板に発生するクラックを抑制する技術として、Ｃｕ配線パターン膜１０２に熱処理を施す技術が開示されている。

このような特許文献としては、特許文献１があげられる。

特開２０１１−９７０３８号公報

本発明のセラミック基板は特許文献１の技術に加えて、さらにセラミック基板に発生するクラックを抑制することを目的とする。

上記課題を解決するために本発明のセラミック配線基板は、上面を有するセラミック基板と、前記セラミック基板に形成された配線電極と、前記上面に配置されるとともに、前記配線電極と電気的に接続されためっき電極と、前記めっき電極の周縁部直下における、前記上面と前記めっき電極との間に配置された支持層とを備え、前記めっき電極の周縁部における前記主面に対して垂直方向の前記めっき電極の厚みは、前記周縁部より内方における前記主面に対して垂直方向の前記めっき電極の厚みより薄いものとする。

本発明のセラミック基板は上記構成により、さらにセラミック基板とめっき電極間で生じる熱応力によって発生するセラミック基板の割れやデラミネーションを抑制することができる。

（ａ）本発明の一実施の形態におけるセラミック配線基板の断面模式図、（ｂ）その上面図（ａ）（ｂ）（ｃ）図１（ａ）におけるＡ部の拡大断面図本発明の一実施の形態におけるセラミック配線基板の製造工程フロー図本発明の一実施の形態におけるバリスタ内蔵セラミック配線基板の断面模式図従来におけるセラミック配線基板の断面模式図

（実施の形態１）
以下、本発明のセラミック配線基板６を図１を用いて詳細に説明する。

本発明のセラミック配線基板６は上面を有するセラミック基板１と、セラミック基板１に形成された配線電極４と、上面に配置されるとともに配線電極４と電気的に接続されためっき電極２と、めっき電極２の周縁部直下における、上面とめっき電極２との間に配置された支持層３とを備え、めっき電極２の周縁部における上面に対して垂直方向の前記めっき電極の厚みは、前記周縁部より内方における上面に対して垂直方向の前記めっき電極の厚みより薄いものである。また、本実施の形態においては、このセラミック配線基板６の実装基板への実装は、半田８を介して実装基板７に配置され、ＬＥＤ素子５も同様に半田８を介してセラミック配線基板６に実装される。

ここで、図１に示すようにＬＥＤ素子５の直下のみならず、セラミック基板１を介して反対側にもめっき電極２を形成することで、より効率的にＬＥＤ素子５から発生する熱を実装基板７に放熱することができる。これらめっき電極２はより厚い方が好ましく、ＬＥＤ素子５からの熱をめっき電極２やセラミック基板１に伝達することができるとともにＬＥＤ素子５のＨｉ−Ｗａｔｔ化に寄与するものとなるが、セラミック配線基板６の全体の製品設計によってめっき電極の厚みの上限が制限されるものとなる。

しかしながら、このような厚いめっき電極２をセラミック基板１に配置し、例えば半田実装のための熱処理を施すと両者の熱膨張係数の違いによって熱応力が生じ、セラミック基板１にクラックが生じ問題となる。

さらに、このクラックの発生は前述したセラミック基板１とめっき電極２間に発生する熱応力に加えて、めっき電極２をめっきプロセスで形成することにも大きく起因するものである。めっきプロセスで生成されためっき電極２は、めっき電極２内部に空間（空隙）が形成されやすく、このめっき電極２に、前記熱処理を施すとめっき金属粒子同士が焼結することで空隙が低減され、めっき電極２自体が収縮する。

この熱処理によるめっき金属粒子の収縮応力と、前記熱処理におけるめっき金属材料自体の膨張、収縮による応力が足し合わされてめっき電極２のトータルの応力となる。

これら応力は特にめっき電極２の体積に大きく起因するものであり、めっき電極２の体積が大きいほどめっき電極２の収縮が大きくなるため、セラミック基板１にクラックが発生しやすくなる。

また、セラミック基板１におけるクラックの大きさや発生頻度は、セラミック基板１自体の機械的強度にも関連するものであり、製品設計上、電気抵抗の低い配線電極４（ＡｇまたはＣｕ）とセラミック基板１を一体同時焼成する際に、各々に最も適した焼成温度域で焼成することが困難な場合があり、セラミック基板１の焼結性が必ずしも十分でない事象が起こり得る。

本発明のセラミック配線基板６は、上述したセラミック基板１の焼結性が不十分で機械強度が比較的弱い場合でも、前記応力により発生するセラミック基板１のクラックを抑制するものである。

セラミック基板１としては高熱伝導率を有するものが良くめっき電極２を介して伝わるＬＥＤ素子５から生じたより多くの熱をセラミック基板１の全体、さらには実装基板７にも伝えるものであれば良い。高熱伝導を有するセラミック材料としてはチッ化アルミ基板、アルミナ基板、チッ化珪素基板があげられる。また、電気伝導性の良好なＣｕやＡｇを配線電極４とした場合、これらＣｕやＡｇと一体同時焼成を考慮すると、低温で焼成可能なセラミック基板が好ましく、ＬＴＣＣ（Low Temperature Co-fired Ceramics）などが一般的に用いられる。また、タングステンやモリブデン等、比較的焼結温度域が高い電極と一体同時焼成する際は、高熱伝導を有するアルミナ基板を用いることができ、これらは使用する電極材料によって適宜選択することができる。また、高熱伝導率を有し、かつＣｕやＡｇと同時焼成が可能なセラミック基板１の材料組成としては、Ａｌ₂Ｏ₃を主成分とし副成分としてＣｕ−Ｔｉ−Ｎｂ系材料、Ｍｎ−Ｂｉ系材料、Ｍｎ−Ｖ系材料、Ｂｉ−Ｖ系材料があげられ１０００℃前後での焼成が可能であるとともにＬＴＣＣのように、熱伝導率が低いガラス成分を含んでいないため熱伝導率も良好なセラミック基板１が得られる。

本発明の支持層３を図２（ａ）を用いて説明する。

図２（ａ）に示すように支持層３はセラミック基板１とめっき電極２間に配置され、少なくともめっき電極２の周縁部直下に配置される。これはセラミック基板１における応力集中箇所がめっき電極２の周縁部直下であるためである。すなわち、前述したようにセラミック基板１にかかる応力はめっき電極２の体積に大きく寄与するものであり、めっき電極２の周縁部におけるめっき電極２の厚みβをめっき電極２の周縁部よりも内方の厚みαよりも薄くすることで、セラミック基板１にかかる応力を低減することができる。また、支持層３の構造としてはめっき電極２の周縁部の厚みβをめっき電極２の周縁部よりも内方の厚みαよりも小さくするものであればよく、図２（ｂ）に示すように段差構造としてもよい。ここでめっき電極２の周縁部よりも内方の厚みαとは、セラミック基板１−めっき電極２界面からのめっき電極２厚みもしくは支持層３−めっき電極２界面からのめっき電極厚みいずれを指すこともできる。また、図２（ｃ）に示すように、めっき電極の周縁部におけるセラミック基板の上面からめっき電極上面までの高さを、この周縁部よりも内方におけるめっき電極上面までの高さよりも低い構成とすることにより、さらに周縁部直下におけるめっき電極の厚みを薄くすることができるため好ましい。

支持層３の材料としてはセラミック基板１と同一の材料組成系が好ましく、セラミック基板１−支持層３における相互拡散により両界面における密着性が高いものとなるとともに製造プロセスも簡素化されるため好ましい。また、Ａｇ、Ｃｕ、Ｐｄもしくはこれらの合金を用いることもできる。これらの金属は電気抵抗が低く、めっき電極２と同じく電極としても機能するものとなる。また、セラミックは脆性材料であり、セラミック基板１はめっき電極２からの応力により破壊されやすい。このため支持層３の弾性係数としてはセラミック基板１の弾性係数よりも小さいものが好ましく、支持層３に発生するクラックを抑制することができる。一般的に金属およびその合金はセラミックよりも弾性係数が低いことから上述したＡｇ、Ｃｕ、Ｐｄもしくはこれらの合金が好ましい。

めっき電極２としては、その厚みが厚いほどＬＥＤ素子５から生じた熱をめっき電極２に伝えることができ、その厚さは３０μｍ以上の厚みを有することが好ましい。ここでめっき電極２としてはＣｕめっき、Ｓｎめっき、Ｎｉめっき、Ａｇめっき等があげられるが、電気抵抗が低くかつ熱伝導率が高いＣｕめっきがより好ましい。しかしながらＣｕめっきは他のめっき材料よりも、めっき形成後の熱処理による膨張収縮応力が大きく、セラミック基板１のクラック発生が顕著となるため、本発明におけるセラミック配線基板６の構成は特に有効となる。

配線電極４としては、特に限定されるものではなくＡｇ、Ｃｕ、Ｐｄ、Ｗ、Ｍｏまたはこれらの合金があげられる。また、電気抵抗が低いＡｇやＣｕまたはこれらの合金がより好ましく、セラミック基板１と一体同時焼成する場合は各々の焼成温度域に合わせた材料を適宜選択すればよい。

次に、図３を用いて本発明のセラミック配線基板６の製造方法について説明する。

まず、セラミック基板１を構成する原材料として、Ａｌを主成分とするＣｕ−Ｔｉ−Ｎｂ系の材料を用いた。セラミック基板１の原材料としては原材料の全重量を１００重量％としたときに、主成分のＡｌ₂Ｏ₃を９２．３重量％、副成分としてＴｉＯを２．２重量％、ＣｕＯを２．２重量％、Ｎｂ₂Ｏ₃を３．２重量％を配合し、さらにバインダ樹脂、可塑剤、および溶剤とを混合分散してスラリーを作製、厚さ５６μｍのセラミックシートを得た。

なお、以後の説明では図３（ａ）〜（ｇ）に示すように、１つのセラミック配線基板６をもってセラミック配線基板６の製造方法を説明するが、生産効率を考慮して一度製造フローにて積層、焼成後に個片に分離して複数個のセラミック配線基板６が得られるように製造することが好ましい（図３（ｈ））。

まず、図３（ａ）に示すようにメカニカルパンチャー法でセラミックシートの所定位置にビアホールを形成し、Ａｇ粉末と有機バインダーからなる電極ペーストをスクリーン印刷法で充填した後、大気中９００℃で焼成してビアホールに配線電極４が埋設され、厚さ４５μｍのセラミック基板１を得た（図３（ｂ））。

次に、このセラミック基板１の上面および下面に、上述したセラミック基板１と同じ、Ａｌを主成分とするＣｕ−Ｔｉ−Ｎｂ系の材料と、有機バインダーとからなる支持層３ペーストを、スクリーン印刷で所定位置に塗布した後、９００℃で熱処理して支持層３を形成した（図３（ｃ））。

次に、支持層３が形成されたセラミック基板１の上面および下面にＴｉスパッタ膜とＣｕスパッタ膜を順次形成した（図示せず）。ここでＴｉスパッタ膜はめっき電極２と、セラミック基板１界面における密着性向上のために形成するものであり、Ｃｕスパッタ膜は、めっき電極２を電解めっきで形成する際の通電電極となる。このＣｕスパッタ膜上にフォトレジストを形成し、所定位置をマスクして後、露光してＣｕめっき電極２形成部を作製した（図３（ｄ））。

次に、めっき電極２を電解めっきで形成した後、残りのフォトレジストを苛性ソーダ溶液で剥離し、表層に露出したＴｉスパッタ膜およびＣｕスパッタ膜を化学溶液にてエッチングしてセラミック配線基板６を得る（図３（ｅ））。

次に、半田実装にて、ＬＥＤ素子５をめっき電極２の上面に実装した後（図３（ｆ））、ＬＥＤ素子５が実装されたセラミック配線基板６を、実装基板７に半田実装して形成される（図３（ｇ））。なお、半田実装温度はいずれも２４０℃〜２６０℃程度となる。

以上のような工程を経ることで本発明のセラミック配線基板６を作製することができる。

（実施の形態２）
次に本発明のバリスタ内蔵セラミック配線基板１２について説明する。なお、実施の形態１の構成および製造方法と同一のものは説明を省略する。

ＬＥＤ素子５は静電気パルスにより破壊されやいため、ＬＥＤ素子５を使用する際には静電気パルスからＬＥＤ素子５を保護する静電気対策部品が必要となる。本実施の形態２では実施の形態１におけるセラミック配線基板６にバリスタを内蔵したバリスタ内蔵セラミック配線基板１２に関し、バリスタ層９をセラミック基板１に内蔵することでＬＥＤ素子５を静電気パルスから保護するとともに、部品の実装面積を低減させることができるものである。

図４は本発明のバリスタ内蔵セラミック配線基板１２を示す断面模式図である。

本発明のバリスタ内蔵セラミック配線基板１２は、セラミック基板１の直下に配線電極４と電気的に接続された内部電極１０が内蔵されたバリスタ層９と、このバリスタ層９を介して絶縁基板１１が配置される。

本実施の形態におけるセラミック基板１および絶縁基板１１としては、バリスタ層９の絶縁を保つものであればよい。これらとバリスタ層９を一体同時焼成する際には、セラミック基板１および絶縁基板１１のいずれか一方は焼成済みの基板を用いて拘束焼成が好ましく、基板の反り、もしくは基板平面方向における焼成収縮を抑制することができる。

また、セラミック基板１および絶縁基板１１の形成をシート積層でバリスタ層９と一体同時焼成する場合、上述したＣｕ−Ｔｉ−Ｎｂ系の材料を用いると、このＣｕ元素が焼成時にバリスタ層９に拡散することでバリスタ特性を劣化させるため好ましくない。好ましくはバリスタ層９の焼成温度域である１０００℃で焼成が可能なものであり、セラミック基板１および絶縁基板１１の元素成分が焼成時にバリスタ層９に拡散しないもしくは拡散してもバリスタ特性に影響しない元素である必要がある。絶縁基板１１としてはＡｌを主成分としＭｎ−Ｂｉ−Ｎｂ系の材料をバリスタ層９と一体同時焼成するものが好ましく、バリスタ層９と一体同時焼成することで、バリスタ層９のＺｎ成分が絶縁基板１１全体に拡散し絶縁基板１１はＺｎＡｌ₂Ｏ₄が主たる材料となる。本来ＺｎＡｌ₂Ｏ₄は１５００℃前後で焼結するものであり、バリスタ層９（１０００℃〜１２００℃）もしくは配線電極４としてＡｇやＣｕとの一体同時焼成した場合、このガーナイトは焼結性が十分ではなく機械的強度が低いものとなる。

バリスタ層９としては特に限定されるものではなく、従来から広く用いられているＢｉ系もしくはＰｒ系のバリスタ材料があげられる。Ｂｉ系バリスタ材料はその焼成温度域が１０００℃前後の焼成温度域であり、ＺｎＯを主成分とし添加元素としてＢｉ₂Ｏ₃、Ｃｏ₃Ｏ₄、ＭｎＯ₂、Ｓｂ₂Ｏ₃、ＳｉＯ₂およびＮｉＯを混合、焼成してなる。また、Ｐｒ系バリスタ材料はその焼成温度域が１２００℃前後とＢｉ系バリスタ材料よりも高く、ＺｎＯを主成分とし添加元素としてＰｒ₆Ｏ₁₁、ＣｏＯ、ＣａＣＯ₃およびＳｉＯ₂を混合、焼成してなることで、各々良好なバリスタ特性を発現することができる。

バリスタ層９の内部電極１０としては電気抵抗が低く、かつ酸化等の劣化がしにくいものが好ましくＡｇ、Ｐｄまたはこれらの合金があげられる。

次に、本発明のバリスタ内蔵セラミック配線基板１２の製造方法について説明する。

まず、セラミック基板１としては焼成済みのアルミナ基板を用いた。

バリスタ層９の原材料としてはバリスタ材料の全重量を１００重量％としたときに、主成分のＺｎＯを８８．４重量％、副成分としてＢｉ₂Ｏ₃を５．２重量％、ＭｎＯ₂を１．０重量％、Ｓｂ₂Ｏ₃を１．６重量％、Ｃｏ₃Ｏ₄を１．９重量％を配合し、さらにバインダ樹脂、可塑剤、および溶剤とを混合分散してスラリーを作製、厚さ２４μｍのバリスタシートを得た。

同様に絶縁基板１１としてはＡｌを主成分としＭｎ−Ｂｉ−Ｎｂ系の材料を用い、原材料としてセラミック成分を１００重量％としたときに、Ａｌ₂Ｏ₃を９０．０重量％、ＭｎＯ₂を２．０重量％、Ｂｉ₂Ｏ₃を６．０重量％、ＮｂＯを２．０重量％配合してバインダ樹脂、可塑剤、および溶剤とを混合分散してスラリーを作製、厚さ４０μｍの絶縁基板１１シートを得た。

また、アルミナ基板は配線電極４形成部となるビアホールをレーザーで形成するとともに、バリスタ用シートには内部電極１０としてＡｇが８０％、Ｐｄが２０％のＡｇ−Ｐｄ合金粉末と有機バインダーを含む内部電極ペーストを内部電極４の構成が一対となるように印刷した。

次に、絶縁基板１１シートに内部電極ペーストが印刷された所定枚数のバリスタシートを積層しバリスタ積層体を作製する。このバリスタ積層体の上に、上述したバリスタ層９と同一の原材料と有機バインダーを混合してなるバリスタペースト（図示せず）を、バリスタシートのアルミナ基板が積層される面に塗布した後にアルミナ基板を積層して積層体を得る。これは焼成済みのアルミナ基板はバリスタシートとの密着性が低いためであり、バリスタペーストの融着力によりアルミナ基板とバリスタシートの密着性を向上させるものである。さらに密着性向上のため積層体に静水圧プレスを行っても良い。

次に、この積層体を大気中１０００℃で焼成することで、上述したようにバリスタ層９のＺｎ成分が絶縁基板１１の全体に拡散し、この絶縁基板１１はＺｎＡｌ₂Ｏ₄が主たる材料となる。

次に予め形成したアルミナ基板のビアホールを再度レーザーを照射することでバリスタ層９と絶縁基板１１にも同様にビアホールを形成し、Ａｇが８０％、Ｐｄが２０％のＡｇ−Ｐｄ合金粉末と、有機バインダーを含む配線電極４ペーストをスクリーン印刷にてビアホールに埋め込み、大気中９００℃で焼成して配線電極が形成された焼成体を得る。

以後の工程は実施の形態１と同様のため説明を省略する。

以上のように、本発明のセラミック配線基板６およびバリスタ内蔵セラミック配線基板１２は、簡易な製造工程で表面酸化を抑制しためっき電極２を形成することができ、セラミック基板１とめっき電極間で生じる熱応力によって発生するセラミック基板の割れやデラミネーションを抑制することができる。

本発明によれば、ＬＥＤ素子５から生じた熱を効率的に放熱するセラミック配線基板に有用である。

１セラミック基板
２めっき電極
３支持層
４配線電極
５ＬＥＤ素子
６セラミック配線基板
７実装基板
８半田
９バリスタ層
１０内部電極
１１絶縁基板
１２バリスタ内蔵セラミック配線基板
１０１セラミック基板
１０２Ｃｕ配線パターン膜

Claims

上面を有するセラミック基板と、
前記セラミック基板に形成された配線電極と、
前記上面に配置されるとともに、前記配線電極と電気的に接続されためっき電極と、
前記めっき電極の周縁部直下における、前記上面と前記めっき電極との間に配置された支持層とを備え、
前記めっき電極の周縁部における前記上面に対して垂直方向の前記めっき電極の厚みは、前記周縁部より内方における前記上面に対して垂直方向の前記めっき電極の厚みより薄いセラミック配線基板。
上面を有するセラミック基板と、
前記セラミック基板に形成された配線電極と、
前記上面に配置されるとともに、前記配線電極と電気的に接続されためっき電極と、
前記めっき電極の周縁部直下における、前記上面と前記めっき電極との間に配置された支持層とを備え、
前記支持層の弾性率は前記セラミック基板の弾性率より小さいセラミック配線基板。
前記めっき電極は少なくともＣｕを含む請求項１および２のいずれかに記載のセラミック配線基板。
前記めっき電極の前記周縁部における前記上面からの前記めっき電極の高さは、前記周縁部よりも内方における前記めっき電極の高さよりも低い請求項１および２のいずれかに記載のセラミック配線基板。
請求項１に記載のセラミック配線基板と、前記セラミック基板の下面に設けられ、前記配線基板と電気的に接続した内部電極を有するバリスタ層を備えた、バリスタ内蔵セラミック配線基板。