JP2014168053A - 回路基板およびこれを備える電子装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 サージの影響によって電子部品に不具合が生じることが少なく、放熱特性に優れており、長期間にわたって使用可能な信頼性の高い回路基板およびこの回路基板に電子部品を搭載してなる電子装置を提供する。
【解決手段】 セラミック焼結体が複数の貫通孔を有しており、電子部品の搭載領域の貫通孔に放熱ビア、搭載領域外の少なくとも１つの貫通孔に導通ビアを備え、セラミック焼結体の一方主面側に第１の金属層、他方主面側に第２の金属層を備え、導通ビアの表面はそれぞれ第１の金属層および第２の金属層に覆われ、放熱ビアは、一方主面側の表面が第１の金属層に覆われ、他方主面側の表面がガラスに覆われ、さらにガラスが第２の金属層に覆われており、貫通孔の貫通方向に断面視したとき、ガラスが半楕円状の回路基板である。
【選択図】 図１

Description

本発明は、回路基板およびこの回路基板に電子部品を搭載してなる電子装置に関する。

回路基板上に接合された金属配線層等を介して、半導体素子、発熱素子、ペルチェ素子等の各種電子部品が搭載された電子装置が用いられている。そして、これらの電子部品は作動時に熱を生じるものであり、近年の電子部品の高集積化、電子装置の小型化や薄型化によって、回路基板の体積当たりに加わる熱量は大きくなっていることから、接合が剥がれないことに加えて、放熱特性の高い回路基板が求められている。

そのため、回路基板を構成する支持基板において、電子部品の搭載領域にあたる部位に貫通孔を形成し、この貫通孔内に設けた放熱ビアを利用して放熱特性を向上させることが行なわれている。また、落雷などの影響で一時的に電圧が異常に高くなる現象「サージ」の影響によって、電子部品に不具合が生じることを少なくすべく、電子部品の搭載側とは反対面において、放熱ビアと金属配線層との間に中間部材を配置して絶縁を取る構成が知られている。

例えば、特許文献１には、セラミックスからなる絶縁基体と、前記絶縁基体を貫通して設けられ、前記絶縁基体よりも高い熱伝導率を有し、金属を主成分とする貫通金属体と、該貫通金属体および該貫通金属体と前記絶縁基体との境界を越えて前記貫通金属体を被覆するように形成され、金属を主成分とする被覆金属層と、前記貫通金属体の表面の中心部と前記被覆金属層との間に介在するように配設され、セラミックスを主成分とする中間層と、を具備し、前記被覆金属層が発光素子を搭載する搭載部である発光素子用配線基板が提案されている。

特開2007−123482号公報

近年において回路基板には、サージの影響によって電子部品に不具合が生じることの少ない構造において、放熱特性に優れているとともに、電子部品の動作時や、この動作と非動作とを繰り返したときの冷熱サイクルに対する高い信頼性を有していることが求められている。

本発明は、上記要求を満たすべく案出されたものであり、サージの影響によって電子部品に不具合が生じることが少なく、放熱特性に優れており、長期間にわたって使用可能な信頼性の高い回路基板およびこの回路基板に電子部品を搭載してなる電子装置を提供するものである。

本発明の回路基板は、セラミック焼結体に設けられた複数の貫通孔のうち、電子部品の搭載領域の前記貫通孔に放熱ビア、前記搭載領域外に導通ビアを備えるとともに、前記セラミック焼結体の一方主面側に第１の金属層、他方主面側に第２の金属層を備え、前記導通ビアの表面はそれぞれ前記第１の金属層および前記第２の金属層に覆われ、前記放熱ビアは、前記一方主面側の表面が前記第１の金属層に覆われ、前記他方主面側の表面がガラ
スに覆われ、さらに該ガラスが前記第２の金属層に覆われており、前記貫通孔の貫通方向に断面視したとき、前記ガラスが半楕円状であることを特徴とするものである。

また、本発明の電子装置は、上記構成の本発明の回路基板の前記放熱ビア上における前記第１の金属層を介して電子部品を搭載してなることを特徴とするものである。

本発明の回路基板によれば、サージの影響によって電子部品へ不具合が生じることが少なく、放熱特性に優れている。そして、ガラスを断面視したときの形状が半楕円状であることにより、矩形状であるときよりも、ガラスの表面積が大きく、第２の金属層によって覆われるガラスの表面に角部が存在しないことから、電子部品の動作時や、この動作と非動作とを繰り返したときの冷熱サイクルによって、ガラスの表面から第２の金属層が剥がれるおそれが少ないため、長期間にわたる使用が可能であり、高い信頼性を有する。

また、本発明の電子装置によれば、上記構成の本発明の回路基板の前記放熱ビア上における前記第１の金属層を介して電子部品を搭載してなることにより、長期間にわたる使用が可能であり、高い信頼性を有する。

本実施形態の回路基板を備える電子装置の一例を示す断面図である。 本実施形態の回路基板を備える電子装置の他の例を示す断面図である。 本実施形態の回路基板を備える電子装置の他の例を示す断面図である。 本実施形態の回路基板を備える電子装置の他の例を示す断面図である。 本実施形態の回路基板を備える電子装置の他の例を示す断面図である。 密着強度の測定方法を示す概略断面図である。

以下、本実施形態の一例について図面を参照しながら説明する。図１は、本実施形態の回路基板を備える電子装置の一例を示す断面図である。なお、以降の図において同一の部材については、同一の番号を付するものとする。

図１に示すように、本実施形態の回路基板10は、セラミック焼結体１に設けられた複数の貫通孔のうち、電子部品12の搭載領域の貫通孔に放熱ビア２、搭載領域外に導通ビア８を備えるとともに、セラミック焼結体１の一方主面１ａ側に第１の金属層３、他方主面１ｂ側に第２の金属層４を備え、導通ビア８の表面はそれぞれ第１の金属層３および第２の金属層４に覆われ、放熱ビア２は、一方主面１ａ側の表面が第１の金属層３によって覆われ、他方主面１ｂ側の表面がガラス５に覆われ、さらにガラス５が第２の金属層４に覆われているものである。

そして、本実施形態の回路基板10は、放熱ビア２上における第１の金属層３を介しての電子部品12の搭載において用いられるものであり、図１においては、第１の金属層３と電子部品12との間に電極パッド11を介している例を示している。また、図１において、電子部品12は、ボンディングワイヤ13により、第１の金属層３に並設された第３の金属層６に電気的に接続されている例を示している。また、図１においては、第３の金属層６が、導通ビア８ｂを通じて第４の金属層７に電気的に接続されている例を示している。

そして、本実施形態の回路基板10は、図１に示すように、貫通孔の貫通方向に断面視したとき、ガラス５が半楕円状である。なお、本実施形態において、半楕円状とは、この断面視において、ガラス５の中央部と端部とにおいて厚みの変化量に違いがあり、中央部において厚みの変化が少なく、端部において中央部より厚みが薄くかつ中央部よりも厚みの
変化が大きいものであり、少なくとも端部の表面が弧状のものである。ここで、断面視したときのガラス５の中央部および端部とは、例えば、図１において、放熱ビアの直下部分が中央部であり、中央部以外が端部であり、断面視したときの長さで言えば、他方主面１ｂにおけるガラス５の長さの１／５が端部であり、３／５が中央部である。

そして、本実施形態の回路基板10は、導通ビア８を備えていることは基より、電子部品12の搭載領域の貫通孔に放熱ビア２を備えていることにより、セラミック焼結体１に熱を伝えて放熱することができるため、放熱特性に優れている。そして、他方主面１ｂ側の放熱ビア２の表面がガラス５に覆われており、放熱ビア２を介しての第１の金属層３と第２の金属層４とは電気的絶縁性が保たれる構成とされているため、サージの影響によって電子部品12に不具合が生じることが少ない。さらに、断面視においてガラス５が半楕円状という特徴的な形状であることから、断面視した形状が矩形状であるときよりも、表面積が大きいとともに、第２の金属層４によって覆われる表面に角部が存在しないことから、電子部品12の動作時や、この動作と非動作とを繰り返したときの冷熱サイクルによって、ガラス５の表面から第２の金属層４が剥がれるおそれが少ない。それゆえ、本実施形態の回路基板10は、長期間にわたる使用が可能であり、高い信頼性を有する。

なお、ガラス５が半楕円状であるか否かの確認方法としては、まず、回路基板10を、貫通孔の軸の中心を通るように貫通方向に切断し、クロスセクションポリッシャー（ＣＰ）にて研磨した断面を観察面として、ＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）を用いて1000倍以上3000倍以下の倍率で確認すればよい。

図２は、本実施形態の回路基板を備える電子装置の他の例を示す断面図であり、他方主面１ｂ側における放熱ビア２の表面が凹凸を有している例を示している。

このように、他方主面１ｂ側における放熱ビア２の表面が凹凸を有しているときには、アンカー効果により、放熱ビア２と放熱ビア２の表面を覆うガラス５との密着強度が高まることから、さらに回路基板10の信頼性が高まる。

図３は、本実施形態の回路基板を備える電子装置のさらに他の例を示す断面図であり、第２の金属層４に覆われるガラス５の表面が凹凸を有している例を示している。

このように、第２の金属層４に覆われるガラス５の表面が凹凸を有しているときには、アンカー効果により、ガラス５とガラス５を覆う第２の金属層４との密着強度が高まることから、さらに回路基板10の信頼性が高まる。

なお、上述した凹凸とは、隣り合う凸部の頂きと凹部の底との差が２μｍ以上であり、他方主面１ｂ側における放熱ビア２の表面において、凸部若しくは凹部が少なくとも10点以上確認される場合を、凹凸を有しているものとする。また、確認方法としては、顕微鏡等を用いて、貫通孔の貫通方向に断面視した部分を撮影した写真や画像を用いて確認すればよい。

次に、図４は、本実施形態の回路基板を備える電子装置の他の例を示す断面図であり、一方主面１ａ側よりも他方主面１ｂ側における放熱ビア２の表面の面積が小さい例を示している。このような構成であるときには、放熱ビア２とガラス５とが接する界面の面積が小さくなることから、放熱ビア２と第２の金属層４との電気的絶縁性を保ちつつ、ガラス５を小さくできるため、電子部品12の動作時や、この動作と非動作とを繰り返したときの冷熱サイクルによって、ガラス５の表面から第２の金属層４が剥がれるおそれをさらに少なくすることができる。

次に、図５は、本実施形態の回路基板を備える電子装置の他の例を示す断面図である。これまで、電子部品12の搭載領域における貫通孔が１つのものを示したが、図５に示すように、貫通孔が複数からなるものであってもよい。貫通孔に備えられる放熱ビア２は、めっき法やペーストを用いた印刷法のいずれにおいても、貫通孔径が大きいときには特に表面に凹みが生じやすいものである。これに対し、図５に示すように、小さい貫通孔内に放熱ビア２を備えることによって表面の凹みを抑えることができ、この表面を覆う第１の金属層３の凹みをも抑えることができるため、電子部品12を搭載しやすくなり、電子装置100の信頼性を向上することができる。

次に、本実施形態の回路基板10を構成する各部材について説明する。

まず、本実施形態の回路基板10を構成するセラミック焼結体１は、酸化アルミニウム質焼結体、酸化ジルコニウム質焼結体、酸化アルミニウムおよび酸化ジルコニウムの複合焼結体、窒化珪素質焼結体、窒化アルミニウム質焼結体、炭化珪素質焼結体またはムライト質焼結体を用いることができる。なお、加工性が比較的容易でありながら機械的強度に優れている観点から、セラミック焼結体１は酸化アルミニウム質焼結体からなることが好ましい。

次に、本実施形態の回路基板10を構成する放熱ビア２、導通ビア８、第１の金属層３、第２の金属層４、第３の金属層６、第４の金属層７は、例えば、主成分が銅または銀からなることが好ましく、主成分が銅または銀からなるときには、熱伝導性が高いため放熱特性を高めることができる。また、銅または銀を主成分とし、ジルコニウム、チタン、モリブデンまたはスズのうち少なくとも１種を副成分として含有するものであってもよい。なお、主成分とは、各金属層を構成する全成分の50質量％以上を占める成分をいう。

次に、本実施形態の回路基板10を構成するガラス５は、その主成分がＳｉＯ_２およびＢ_２Ｏ_３からなり、熱伝導率が２Ｗ/(ｍ・Ｋ)以上であることが好ましい。

ガラス５の主成分がＳｉＯ_２およびＢ_２Ｏ_３からなり、熱伝導率が２Ｗ/(ｍ・Ｋ)以上
であるときには、ガラス５の電気抵抗値が高いため、放熱ビア２と第２の金属層４との電気的絶縁性を保つことができる。また、放熱ビア２から伝わる熱を、第２の金属層４に伝えることができるため、放熱特性に優れた回路基板10とすることができる。

ここで、ガラス５の主成分とは、ガラス５を構成する全成分の80質量％以上のことを指し、ＳｉＯ_２およびＢ_２Ｏ_３の含有比率は、ＳｉＯ_２およびＢ_２Ｏ_３の合計量を100質量
％としたとき、ＳｉＯ_２が65質量％以上90質量％以下、Ｂ_２Ｏ_３が10質量％以上35質量％以下であることが好ましい。なお、ガラス５には、ＳｉＯ_２およびＢ_２Ｏ_３以外に、ＴｉＯ_２、ＺｒＯ_２、アルカリ金属酸化物、アルカリ土類金属酸化物などを含有しても構わない。

ここで、ガラス５の成分の同定については、ＳＥＭもしくはＴＥＭ（透過型電子顕微鏡）に付設のＥＤＳ（エネルギー分散型Ｘ線分析装置）を用いることによって確認すればよい。また、ガラス５の熱伝導率は、例えば、確認された組成と同じになるように調合したガラス粉末を用いて試験片（直径が10ｍｍ、厚みが１ｍｍ）を作製し、アルキメデス法で密度を求めた後、ＪＩＳ Ｒ1611−2010に準拠したレーザーフラッシュ法によって求めればよい。

また、本実施形態の回路基板10は、ガラス５が、放熱ビア２の成分の拡散領域を有していることが好ましい。具体的には、放熱ビア２が、銅または銀を主成分とし、Ｂｉ_２Ｏ_３またはＺｎＯを含有しているとき、ガラス５中に、放熱ビア２に含まれている成分である
Ｂｉ_２Ｏ_３またはＺｎＯが拡散していることにより、ガラス５と放熱ビア２との接合強度を向上させることができる。

ここで、ガラス５における放熱ビア２成分の拡散領域を有しているか否かについては、ＳＥＭもしくはＴＥＭに付設のＥＰＭＡ（電子線マイクロアナライザ）によるマッピングによって確認すればよい。

また、本実施形態の回路基板10は、他方主面１ｂ側における貫通孔の周縁に、セラミック焼結体１成分および放熱ビア２成分からなる化合物が存在していることが好ましい。このように、他方主面１ｂ側における貫通孔の周縁に、セラミック焼結体１成分および放熱ビア２成分からなる化合物が存在しているときには、セラミック焼結体１と放熱ビア２との接合強度の向上はもとより、この化合物とガラス５との濡れ性がよいため、セラミック焼結体１とガラス５、放熱ビア２とガラス５の接合強度を高めることができる。

具体的な化合物としては、セラミック焼結体１が酸化アルミニウム質焼結体や窒化アルミニウム質焼結体であり、放熱ビア２が銅であるとき、アルミン酸銅（ＣｕＡｌ_２Ｏ_４）がこれに当たる。

なお、化合物の存在については、まず、回路基板10を、貫通孔の軸の中心を通るように貫通方向に切断し、クロスセクションポリッシャー（ＣＰ）にて研磨した断面を観察面として、ＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）を用いて1000倍以上3000倍以下の倍率で確認すればよい。また、化合物の同定については、ＳＥＭもしくはＴＥＭに付設のＥＤＳを用いる、またはＴＥＭによる電子回折法によって確認すればよい。

以下、本実施形態の回路基板10の製造方法の一例について説明する。なお、ここでは、セラミック焼結体１が酸化アルミニウム質焼結体からなる例を説明する。セラミック焼結体１の製造方法としては、酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）の粉末と、焼結助剤である酸化珪素（ＳｉＯ_２）、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）、酸化カルシウム（ＣａＯ）等の粉末とを用い、公知の成形方法および焼成方法により作製すればよい。また、酸化バリウム（ＢａＯ）や酸化ジルコニウム（ＺｒＯ_２）を含ませることにより、セラミック焼結体１の反射率を向上させることができる。

また、セラミック焼結体１に対して貫通孔を形成する方法としては、焼成する前の成形体に対しパンチング、ブラストまたはレーザーによる加工によって形成するか、焼成後の焼結体にブラストまたはレーザーで加工すればよい。なお、一方主面１ａ側よりも他方主面１ｂ側における放熱ビア２の表面の面積を小さくするには、加工条件等の調整を図ればよい。

次に、放熱ビア２、導通ビア８、第１の金属層３および第２の金属層４を形成するための金属ペーストを準備する。まず、銅または銀を主成分とする金属粉末と、無機粉末と、有機ビヒクルとを準備する。ここで、金属粉末としては、例えば、平均粒径が1.0μｍ以
上3.5μｍ以下である第１の金属粉末と、平均粒径が第１の金属粉末より小さい第２の金
属粉末とを準備し、混合した金属粉末を用いればよい。特に、第１の金属粉末を65質量％以上95質量％以下、第２の金属粉末５質量％以上35質量％以下で混合した金属粉末を用いることが好ましい。ここで、第２の金属粉末の平均粒径の大きさは、セラミック焼結体１の成分および放熱ビア２の成分からなる化合物の形成に寄与する。

また、無機粉末は、軟化点が500℃以上700℃以下のものを用いることが好ましく、特に、600℃以上700℃以下のものが好ましい。また、無機粉末の平均粒径は、第１の金属粉末の平均粒径に対して８％以上60％以下であることが好ましい。軟化点が600℃以上700℃以
下であるとき、また、無機粉末の平均粒径が、第１の金属粉末の平均粒径に対して８％以上60％以下であるときには、金属ペースト中に含まれる無機粉末が、焼成の際に軟化しやすく、セラミック焼結体１側へ動きやすくなり、セラミック焼結体１と、放熱ビア２、第１の金属層３、第２の金属層４のそれぞれとの接合強度を向上させることができる。

そして、この様な無機粉末の種類としては、例えば、Ｒ_２Ｏ−Ｂ_２Ｏ_３−ＳｉＯ_２系（Ｒ：アルカリ金属元素）、ＳｉＯ_２−Ｂｉ_２Ｏ_３−Ｂ_２Ｏ_３系、Ｒ_２Ｏ−ＳｉＯ_２−Ｂ_２Ｏ_３−Ｂｉ_２Ｏ_３系、ＳｉＯ_２−ＺｎＯ−Ｂ_２Ｏ_３系、Ｒ_２Ｏ−ＳｉＯ_２−Ｂ_２Ｏ_３−ＺｎＯ系などが挙げられる。

特に、無機粉末がＢｉ_２Ｏ_３やＺｎＯを含有するときには、ガラス５にＢｉ_２Ｏ_３やＺｎＯが拡散することによって、放熱ビア２とガラス５との接合強度が向上することができ、長期間にわたって使用可能な信頼性の高い回路基板10とすることができる。

また、有機ビヒクルは、有機バインダを有機溶剤に溶解したものであり、例えば、有機バインダと有機溶剤との比率は、有機バインダ１に対し、有機溶剤が２〜６である。そして、有機バインダとしては、例えば、ポリブチルメタクリレート、ポリメチルメタクリレート等のアクリル類、ニトロセルロース、エチルセルロース、酢酸セルロース、ブチルセルロース等のセルロース類、ポリオキシメチレン等のポリエーテル類、ポリブタジエン、ポリイソプレン等のポリビニル類から選択される１種もしくは２種以上を混合して用いることができる。

また、有機溶剤としては、例えば、カルビトール、カルビトールアセテート、テルピネオール、メタクレゾール、ジメチルイミダゾール、ジメチルイミダゾリジノン、ジメチルホルムアミド、ジアセトンアルコール、トリエチレングリコール、パラキシレン、乳酸エチル、イソホロンから選択される１種もしくは２種以上を混合して用いることができる。

そして、金属ペーストとなる、金属粉末、無機粉末、有機ビヒクルの配合比としては、例えば、金属ペースト100質量％のうち、金属粉末を77.0質量％以上87.0質量％以下、無
機粉末を0.5質量％以上５質量％以下、有機ビヒクルを10質量％以上20質量％以下の範囲
とすればよい。

次に、放熱ビア２の表面を覆うガラス５を形成するためのガラスペーストを準備する。まず、ガラス粉末と、有機ビヒクルとを準備する。ここで、ガラス粉末としては、例えば、ＳｉＯ_２およびＢ_２Ｏ_３を含有することが好ましい。ＳｉＯ_２およびＢ_２Ｏ_３を含有するときには、ガラス５の電気抵抗値が高いため、放熱ビア２と第２の金属層４との電気的絶縁性を保つことができる。

そして、ガラス５を構成する全成分のうち、ＳｉＯ_２およびＢ_２Ｏ_３が80質量％以上であることが好ましく、ＳｉＯ_２およびＢ_２Ｏ_３の含有比率は、ＳｉＯ_２およびＢ_２Ｏ_３の合計量を100質量％としたとき、ＳｉＯ_２が65質量％以上90質量％以下、Ｂ_２Ｏ_３が10質
量％以上35質量％以下であることが好ましい。また、ガラス粉末の平均粒径としては0.5
μｍ以上3.0μｍ以下であり、軟化点が500℃以上700℃以下であることが好ましい。

なお、有機ビヒクルとしては、金属ペースト作製時と同様のものを用いればよく、ガラス粉末、有機ビヒクルの配合比としては、例えば、ガラスペースト100質量％のうち、ガ
ラス粉末80質量％以上92質量％以下、有機ビヒクルを８質量％以上20質量％以下の範囲とすればよい。

次に、準備した金属ペーストを用いて、公知の印刷法により金属ペーストをセラミック
焼結体１の貫通孔に充填する。次に、貫通孔に充填した金属ペーストを80℃以上150℃以
下で乾燥する。その後、金属ペーストを構成する金属粉末の主成分が銅であるときには、最高温度850℃以上980℃以下、保持時間0.5時間以上３時間以下で焼成する。特に、最高
温度920℃以上980℃以下とすることにより、金属ペーストを構成する第２の金属粉末である銅（Ｃｕ）と、セラミック焼結体１を構成するアルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）との化合物であるアルミン酸銅（ＣｕＡｌ_２Ｏ_４）を形成しやすい。

また、金属ペーストを構成する金属粉末の主成分が銀であるときには、最高温度820℃
以上900℃以下、保持時間0.5時間以上３時間以下で焼成する。なお、この焼成時の雰囲気は、金属ペーストの酸化を抑制すべく非酸化雰囲気で焼成する。ここで、電子部品12の搭載領域の貫通孔内に形成されたものが放熱ビア２であり、搭載領域外の貫通孔内に形成されたものが導通ビア８である。

そして、放熱ビア２の他方主面１ｂ側における表面が凹凸を有しているものとするには、放熱ビア２形成後、放熱ビア２の他方主面１ｂ側における表面以外の領域をマスクしてからブラスト処理等を施せばよい。

次に、他方主面１ｂ側における放熱ビア２の表面をガラス５で覆うために、ガラスペーストを公知の印刷法を用いて印刷する。そして、印刷したガラスペーストを80℃以上150
℃以下で乾燥する。その後、ガラスペーストを最高温度850℃以上1000℃以下、保持時間0.5時間以上３時間以下で焼成する。ここで、本実施形態の回路基板10を得るにあたっては、ガラス５を半楕円状とするため、第２の金属層４と同時焼成とはせず、ガラス５を形成した後に、第２の金属層４で覆う。そして、第２の金属層４に覆われるガラス５の表面が凹凸を有しているものとするには、放熱ビア２形成後、第２の金属層４に覆われるガラス５の表面以外の領域をマスクしてからブラスト処理等を施せばよい。

なお、放熱ビア２の他方主面１ｂ側における表面および第２の金属層４に覆われるガラス５の表面に凹凸を設ける際のブラスト処理に使用される砥粒の種類としては、窒化アルミニウム、窒化硅素、炭化硅素またはダイアモンドが好ましい。これらの砥粒は、電気抵抗率が高い上に熱伝導率も高いため、ブラスト処理後に砥粒を除去せずに残存させることにより、放熱特性を向上することができる。

次に、セラミック焼結体１の一方主面１ａ側および他方主面１ｂ側に対し、第１の金属層３および第２の金属層４を形成するために、金属ペーストを公知の印刷法を用いて印刷する。なお、乾燥および焼成における最高温度および保持時間は、放熱ビア２および導通ビア８の形成時と同じで構わない。

また、第１の金属層３および第２の金属層４の形成においては、放熱ビア２や導通ビア８と同じ金属ペーストを用いなければならないわけではなく、無機粉末を含んでいない金属ペーストを用いてもよい。また、印刷、乾燥、脱脂および焼成を繰り返したり、印刷、乾燥および脱脂までの工程を複数回行なった後に一括して焼成したりして、第１の金属層３および第２の金属層４を所望の厚みとしてもよい。

そして、第１の金属層３および第２の金属層４の厚みは、例えば、20μｍ以上100μｍ
以下であり、エッチングによる第１の金属層３および第２の金属層４形成を行なえば、狭ピッチ化および細線化を図ることがでる。また、放熱ビア２と第２の金属層４の電気的絶縁性を保つには、ガラス５の厚みは、例えば、中心部において、第２の金属層４の厚みに対し、0.2倍以上0.4倍以下とすればよい。また、貫通孔２の周縁において、第２の金属層４の厚みに対し、0.2倍以上の厚みを有していることが好ましい。

また、第１の金属層３および第２の金属層４の表面の全面もしくは部分的にめっき処理を行なってもよい。このようにめっき処理を行なうことによって、電極パッド11やボンディングワイヤ13などの密着処理がしやすくなり、第１の金属層３および第２の金属層４が酸化腐蝕するのを抑制することができる。めっきの種類としては公知のめっきであればよく、例えば、金めっき、銀めっきまたはニッケル−金めっきなどが挙げられる。

そして、上述した製造方法により得られた本実施形態の回路基板10は、ガラス５が半楕円状であるという特徴的な形状を為していることから、断面が矩形状であるときよりも、表面積が大きいとともに、第２の金属層４によって覆われる表面に角部が存在しないことから、電子部品12の動作時や、この動作と非動作とを繰り返したときの冷熱サイクルによって、ガラス５の表面から第２の金属層４が剥がれるおそれが少ない。また、貫通孔に、導通ビア８とともに放熱ビア２を備えていることにより、放熱特性に優れており、他方主面１ｂ側における放熱ビア２の表面がガラス５で覆われていることで、サージの影響によって、電子部品12に不具合が生じることが少ないものであることから、長期間にわたって使用可能な信頼性の高い回路基板10とすることができる。

また、本実施形態の回路基板の作製において、分割溝が形成されたセラミック焼結体１を用いて、上述した方法により放熱ビア２、導通ビア８、ガラス５、第１の金属層３および第２の金属層４を形成し、その後分割すれば、多数個の回路基板10を効率よく作製可能である。なお、本実施形態の回路基板10の製造方法は上述した製造方法に限るものではない。

次に、本実施形態の電子装置100については、例えば、本実施形態の回路基板10の放熱
ビア２上における第１の金属層３上に、電極パッド11を設け、この電極パッド11上に電子部品12を搭載することにより得ることができる。なお、図１に示す構成の回路基板10を形成しようとするとき、第３の金属層６や第４の金属層７については、上述した製造方法と同様の方法により形成すればよい。このようにして作製された本実施形態の電子装置100
は、本実施形態の回路基板10の放熱ビア２上における第１の金属層３を介して電子部品12を搭載してなることにより、長期間にわたって使用可能な信頼性の高いものとなる。

なお、回路基板10上に実装される電子部品12としては、例えば、絶縁ゲート・バイポーラ・トランジスタ（ＩＧＢＴ）素子、インテリジェント・パワー・モジュール（ＩＰＭ）素子、金属酸化膜型電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）素子、発光ダイオード（ＬＥＤ）素子、フリーホイーリングダイオード（ＦＷＤ）素子、ジャイアント・トランジスタ（ＧＴＲ）素子、ショットキー・バリア・ダイオード（ＳＢＤ）等の半導体素子、昇華型サーマルプリンタヘッドまたはサーマルインクジェットプリンタヘッド用の発熱素子、ペルチェ素子等を用いることができる。

以下、本発明の実施例を具体的に説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。

断面視したときのガラスの形状が異なる試料を作製し、密着強度および熱的信頼性について確認した。まず、酸化珪素および酸化マグネシウムを焼結助剤とし、酸化アルミニウムの含有量が96質量％の酸化アルミニウム質焼結体からなるセラミック焼結体を作製した。そして、直径が140μｍとなるようにレーザーによって貫通孔を設けた。

次に、放熱ビア、第１の金属層および第２の金属層となる金属ペーストとして、次のものを準備した。まず、平均粒径が2.8μｍである第１の金属粉末を70質量％、平均粒径が1.1μｍである第２の金属粉末を30質量％で混合した銅からなる金属粉末を準備した。また
、平均粒径が1.3μｍであり、軟化点が630℃であるＲ_２Ｏ−Ｂ_２Ｏ_３−ＳｉＯ_２系の無機粉末を準備した。

そして、金属粉末を82質量％と、無機粉末を３質量％と、有機ビヒクルを15質量％（有機バインダであるアクリル樹脂を３質量％と、有機溶剤であるテルピネオールを12質量％）とを調合して金属ペーストを作製した。

また、ガラスとなるガラスペーストとして、次のものを準備した。まず、Ｂ_２Ｏ_３を6.5質量％、ＳｉＯ_２を92.0質量％、その他の成分としてＴｉＯ_２、ＺｒＯ_２、アルカリ金
属酸化物、アルカリ土類金属酸化物の合計1.5質量％を混合した平均粒径が1.5μｍであるガラス粉末を用意した。

そして、ガラス粉末を88質量％と、有機ビヒクルを12質量％（有機バインダであるアクリル樹脂を2.5質量％と、有機溶剤であるテルピネオールを9.5質量％）とを調合してガラスペーストを作製した。また、比較例として、同じ組成からなるガラスシートを作製した。

そして、本発明の試料については、得られた金属ペーストを用いて、公知の印刷法により金属ペーストをセラミック焼結体の貫通孔に充填した。次に、貫通孔に充填した金属ペーストを100℃で乾燥した。その後、非酸化雰囲気で最高温度900℃、保持時間１時間で焼成した。

次に、他方主面側における放熱ビアの表面にガラスペーストを公知の印刷法を用いて印刷した。そして、印刷したガラスペーストを100℃で乾燥した後、ガラスペーストを最高
温度900℃、保持時間１時間で焼成した。

次に、セラミック焼結体の一方主面側および他方主面側に対し、第１の金属層および第２の金属層を形成するために、金属ペーストを公知の印刷法を用いて印刷した。なお、乾燥および焼成における最高温度および保持時間は、放熱ビアと同じとし、第１の金属層と第２の金属層の厚みが70μｍとなるように印刷、乾燥、焼成の工程を数回繰り返した。

次に、本発明の試料と、比較例の試料とを用いて、貫通孔の軸の中心を通るように貫通方向に切断し、クロスセクションポリッシャー（ＣＰ）にて研磨した断面を観察面として、ＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）を用いて2000倍の倍率でガラスの形状を確認した。その結果、本発明の試料におけるガラスは、半楕円状であったのに対し、比較例の試料におけるガラスは矩形状であった。

次に、図６の概略断面図を用いて密着強度の測定方法を説明する。密着強度とは、半田30を介して第２の金属層４に接合されためっき導線31を引っ張り、金属配線層13がガラス５もしくはセラミック焼結体１から剥離するときの強度を測定したものである。

まず、密着強度を測定するための準備として、各試料ともに貫通孔が中心であり、第２の金属層４の大きさが２×２ｍｍ^２となるようにエッチングを施した。次に、フラックス（タムラ化研株式会社製 ＸＡ−100）と、Ｓｎ−Ｐｂ（６：４）系で全体に対してＡｇ
を２質量％含む半田30を用い、この第２の金属層４の表面に、厚みが0.6ｍｍのめっき導
線（銅線にＳｎめっき）31を接合（半田付け）した。

次に、試験装置として、ＡＮＺＡ ＴＥＣＨ社製のダイ・シェアリング・テスタ（型番
：520Ｄ）を用いて、めっき導線31を7.62ｍｍ／分の速度で引っ張り、第２の金属層４が
ガラス５もしくはセラミック焼結体１から剥離したときの強度を測定した。なお、測定数
は各試料につき10個測定し、10個の測定値の平均を密着強度として表１に示した。

また、熱的信頼性の評価として、ヒートサイクル試験を行なった。なお、このときの試料は、ガラスの形状以外については、図１に示す構成の電子装置100を作製した。なお、
導通ビア、第３の金属層、第４の金属層の形成方法については、放熱ビアや第１，２の金属層の形成方法と同じであるため省略した。

そして、ヒートサイクル試験は、各試料を18個用意し、冷熱衝撃試験装置を用いて、各試料の環境温度を室温（25℃）から−45℃に降温して15分保持してから、昇温して125℃
で15分保持した後、室温まで降温するというサイクルを１サイクルとし、300サイクル〜1150サイクルの間で50サイクル毎に各試料につき１つずつ取出して観察を行ない、剥離が
確認されたときのサイクル回数を表１に示した。剥離の確認は、ＳＥＭを用いて1000倍の倍率で観察して行なった。

表１に示すように、ガラスが半楕円状であることにより、密着強度および熱的信頼性を高められることがわかった。

次に、組成の異なるガラスを形成し、密着強度および熱的信頼性について確認した。ガラスペーストを表２に示す組成となるように調合されたガラス粉末を用いたこと以外は、実施例１の本発明の試料作製時と同じ方法で作製した。なお、試料Ｎｏ．４は実施例１の本発明の試料と同じである。

なお、各試料におけるガラスの熱伝導率は、直径が10ｍｍ、厚みが１ｍｍの試験片を用いて、アルキメデス法で密度を求めた後、ＪＩＳ Ｒ1611−2010に準拠したレーザーフラ
ッシュ法によって求めた。また、密着強度の試験とヒートサイクル試験は実施例１と同じ方法で行なった。これらの試験結果を表２に示す。

表２に示すように、ガラスの主成分がＳｉＯ_２およびＢ_２Ｏ_３からなり、熱伝導率が２Ｗ／ｍ・Ｋ以上であることにより、密着強度および熱的信頼性を高められることがわかった。

また、各試料につき、放熱ビアの他方主面側における表面にブラスト処理を施し、凹凸
を形成した試料を作製して密着強度を確認したところ、いずれの試料においても密着強度の向上が確認された。さらに、第２の金属層に覆われるガラスの表面にブラスト処理を施し、凹凸を形成した試料を作製して密着強度を確認したところ、いずれの試料においても密着強度の向上が確認された。また、放熱ビアの他方主面側における表面および第２の金属層に覆われるガラスの表面のいずれも凹凸を形成して密着強度を確認したところ、放熱ビアの他方主面側における表面および第２の金属層に覆われるガラスの表面のいずれもが凹凸を有している方が密着強度が高いことが確認された。

次に、ガラスにおける拡散領域の有無の異なる試料を作製し、密着強度および熱的信頼性について確認した。金属ペーストに用いる無機粉末として、試料Ｎｏ．５にＲ_２Ｏ−ＳｉＯ_２−Ｂ_２Ｏ_３−Ｂｉ_２Ｏ_３系、試料Ｎｏ．６にＲ_２Ｏ−ＳｉＯ_２−Ｂ_２Ｏ_３−ＺｎＯ系、試料Ｎｏ．７にＲ_２Ｏ−Ｂ_２Ｏ_３−ＳｉＯ_２系を用いたこと以外は、実施例２の試料Ｎｏ．１作製時と同じ方法で作製した。なお、試料Ｎｏ．７は実施例２の試料Ｎｏ．１と同じである。

そして、ガラスにおける拡散領域の有無については、ＳＥＭもしくはＴＥＭに付設のＥＰＭＡによるＢｉまたはＺｎを指定したマッピングによって確認した。また、密着強度の試験とヒートサイクル試験は実施例１と同じ方法で行なった。これらの試験結果を表３に示す。

表３に示すように、ガラスが、放熱ビア成分の拡散領域を有していることにより、密着強度および熱的信頼性を高められることがわかった。

次に、他方主面側における貫通孔の周縁に、セラミック焼結体成分および放熱ビア成分からなる化合物の存在の有無が異なる試料を作製し、密着強度および熱的信頼性について確認した。

セラミック焼結体、金属ペーストおよびガラスペーストは実施例２の試料Ｎｏ．１と同じものを用意した。試料Ｎｏ．９は実施例２の試料Ｎｏ．１と同じであり、試料Ｎｏ．８の作製において、試料Ｎｏ．９と異ならせたのは、金属ペーストの焼成温度を950℃とし
たことだけである。

そして、セラミック焼結体成分および放熱ビア成分からなる化合物の存在については、ＳＥＭを用いて3000倍の倍率で確認し、同定については、ＳＥＭに付設のＥＤＳを用いて元素の組成比を確認した。また、密着強度の試験とヒートサイクル試験は実施例１と同じ方法で行なった。これらの試験結果を表４に示す。

表４に示すように、他方主面側における貫通孔の周縁に、セラミック焼結体成分および放熱ビア成分からなる化合物が存在していることにより、密着強度および熱的信頼性を高められることがわかった。

次に、一方主面側と他方主面側における放熱ビアの表面の面積が異なる試料を作製し、密着強度および熱的信頼性について確認した。表５に示した大きさの貫通孔を有するセラミック焼結体を用意したこと以外は、実施例２の試料Ｎｏ．１と同じ製造方法で作製した。また、密着強度の試験とヒートサイクル試験は実施例１と同じ方法で行なった。これらの試験結果を表５に示す。

表５に示すように、一方主面側よりも他方主面側の放熱ビアの表面の面積が小さいことにより、密着強度および熱的信頼性を高められることがわかった。

１：セラミック焼結体
２：放熱ビア
３：第１の金属層
４：第２の金属層
５：ガラス
６：第３の金属層
７：第４の金属層
８：導通ビア
10：回路基板
11：電極パッド
12：電子部品
13：ボンディングワイヤ
100：電子装置

Claims (8)

1. セラミック焼結体が複数の貫通孔を有しており、電子部品の搭載領域の前記貫通孔に放熱ビア、前記搭載領域外の少なくとも１つの前記貫通孔に導通ビアを備え、前記セラミック焼結体の一方主面側に第１の金属層、他方主面側に第２の金属層を備え、前記導通ビアの表面はそれぞれ前記第１の金属層および前記第２の金属層に覆われ、前記放熱ビアは、前記一方主面側の表面が前記第１の金属層に覆われ、前記他方主面側の表面がガラスに覆われ、さらに該ガラスが前記第２の金属層に覆われており、前記貫通孔の貫通方向に断面視したとき、前記ガラスが半楕円状であることを特徴とする回路基板。
2. 前記他方主面側における前記放熱ビアの表面が凹凸を有していることを特徴とする請求項１に記載の回路基板。
3. 前記第２の金属層に覆われる前記ガラスの表面が凹凸を有していることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の回路基板。
4. 前記ガラスの主成分がＳｉＯ_２およびＢ_２Ｏ_３からなり、熱伝導率が２Ｗ/(ｍ・Ｋ)以
   上であることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の回路基板。
5. 前記ガラスが、前記放熱ビア成分の拡散領域を有していることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の回路基板。
6. 前記他方主面側における前記貫通孔の周縁に、前記セラミック焼結体成分および前記放熱ビア成分からなる化合物が存在していることを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれかに記載の回路基板。
7. 前記一方主面側よりも前記他方主面側における前記放熱ビアの表面の面積が小さいことを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれかに記載の回路基板。
8. 請求項１乃至請求項７のいずれかに記載の回路基板の前記放熱ビア上における前記第１の金属層を介して電子部品を搭載してなることを特徴とする電子装置。

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