JP2016157848A - セラミック配線基板および電子部品実装パッケージ - Google Patents

Abstract

【課題】 クラックの発生を抑えることのできるセラミック配線基板および電子部品実装パッケージを提供する。
【解決手段】 セラミック絶縁基体１と、該セラミック絶縁基体１を厚み方向に貫通するように設けられた貫通導体３と、を備えており、貫通導体３がセラミック絶縁基体１内に曲がり部３ａを有している。曲がり部３ａの占める長さの割合が、セラミック絶縁基体１の厚みｔを全長としたときに、その全長の５０％以上である。貫通導体３は、曲がり部３ａが傾斜し、セラミック配線基板を厚み方向に投影視したときに、セラミック絶縁基体１の両面において露出した位置がずれている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、セラミック配線基板および電子部品実装パッケージに関する。

半導体素子を搭載するためのセラミック配線基板の例として、まず、ＬＳＩ（Large Scale Integration）に代表される、トランジスタが高密度に配置された半導体素子用のセ
ラミック配線基板が挙げられる。

図８は、ＬＳＩを搭載するために用いられる一般的なセラミック配線基板の断面模式図である。図８に示すセラミック配線基板は、セラミック絶縁基体１０１と、この表面および内部に形成された導体層１０３と、これらの導体層１０３を接続するビア導体１０５とを有する構成を基本にしている。

このようなセラミック配線基板において、ＬＳＩを動作させると、セラミック配線基板は瞬時に高温の状態に晒されることになるが、このようなセラミック配線基板では、通常、その内部に多数のビア導体１０５が配置されていることから、セラミック配線基板の中で、これらのビア導体１０５が放熱体の役割を果たし、耐熱衝撃性を高めていると考えられる。

一方、セラミック配線基板は、近年、ＬＥＤ（Light Emitting Diode）や水晶振動子用にも適用されている。その一例として、図９に、ＬＥＤを搭載するために用いられる一般的なセラミック配線基板の断面模式図を示している。ＬＥＤを搭載するためのセラミック配線基板は、貫通導体１０７の数が、搭載されるＬＥＤに対し２箇所ほどであるため、ＬＳＩを搭載するためのセラミック配線基板に比較して、貫通導体１０７の数がかなり少ない構成となっている。

特開２００１−１５８９５号公報

近年、ＬＥＤ（Light Emitting Diode）や水晶振動子の用途によっては、これを搭載するためのセラミック配線基板も小型化になり、セラミック配線基板を構成しているセラミック絶縁基体１０１もより薄いものになってきている。このようなセラミック配線基板に急激な熱衝撃が加わり、熱応力が発生した場合に、導体層１０３や貫通導体１０７付近のセラミック絶縁基体１０１にクラックが入りやすいという問題がある。

従って、本発明は、クラックの発生を抑えることのできるセラミック配線基板および電子部品実装パッケージを提供することを目的とする。

本発明のセラミック配線基板は、セラミック絶縁基体と、該セラミック絶縁基体を厚み方向に貫通するように設けられた貫通導体と、を備えているセラミック配線基板であって、前記貫通導体が曲がり部を有しているものである。

本発明の電子部品搭載パッケージは、上記のセラミック配線基板が、前記セラミック絶
縁基体の表面に、前記貫通導体に接続する導体層を有してなるとともに、該導体層上に電子部品が配置されているものである。

本発明によれば、クラックの発生を抑えることができる。

（ａ）は、本発明のセラミック配線基板の第１実施形態を示す断面模式図であり、（ｂ）は、（ａ）における貫通導体の部分を拡大した断面模式図である。 本発明のセラミック配線基板の第２実施形態を示す断面模式図である。 （ａ）は、本発明のセラミック配線基板の第３実施形態を示す断面模式図であり、（ｂ）は、（ａ）のＡ−Ａ線断面図である。 （ａ）は、本発明のセラミック配線基板の第４実施形態を示す斜視図であり、（ｂ）は（ａ）のＢ−Ｂ線断面図である。 （ａ）は、本発明のセラミック配線基板の第５実施形態を示す斜視図であり、（ｂ）は（ａ）のＣ−Ｃ線断面図である。 （ａ）は、本発明の電子部品実装パッケージの一実施形態を示す分解斜視図であり、（ｂ）は、（ａ）のＤ−Ｄ線断面図である。 第１実施形態のセラミック配線基板の製造工程を示す模式図である。 ＬＳＩを搭載するために用いられる一般的なセラミック配線基板の断面模式図である。 ＬＥＤを搭載するために用いられる一般的なセラミック配線基板の断面模式図である。

図１（ａ）は、本発明のセラミック配線基板の第１実施形態を示す断面模式図であり、（ｂ）は、（ａ）における貫通導体の部分を拡大した模式図である。

第１実施形態のセラミック配線基板は、セラミック絶縁基体１と、セラミック絶縁基体１を厚み方向に貫通するように設けられた貫通導体３と、を備えており、セラミック絶縁基体１の表面における貫通導体３の露出面には導体層５が設けられている。

ここで、第１実施形態のセラミック配線基板では、貫通導体３がセラミック絶縁基体１内に曲がり部３ａを有している。

この場合、貫通導体３の曲がり部３ａとは、図１（ａ）における破線で囲った部分のことを言う。すなわち、貫通導体３が下記のような曲がり部３ａの頂部３ａｔ、底部３ａｂを有する。図１（ｂ）を基に説明すると、この貫通導体３は、セラミック配線基板を断面視したときに、貫通導体３の曲がり部３ａの頂部３ａｔおよび底部３ａｂが、曲がり部３ａの上側および下側に位置する貫通導体３の蛇行していない部位３ｂの側面を結んだ直線Ｖ_１、Ｖ_２から膨らんだ状態にある。言い換えれば、貫通導体３が直線状であったときの位置Ｖ_１から膨らんだ頂部３ａｔまでの距離Ｘ_１、およびその反対側の位置Ｖ_２から底部３ａｂまでの距離Ｘ_２がそれぞれ部位３ｂの直径の平均値の３０％以上ずれている。

第１実施形態のセラミック配線基板によれば、セラミック絶縁基体１の内部に、貫通導体３が部分的に曲がっている曲がり部３ａを有していることから、貫通導体３が直線的に貫通している場合に比較して、貫通導体３が蛇行した長さの分だけセラミック配線基板中に熱伝導性の良い部材の体積割合を増やすことができる。これによりセラミック配線基板の貫通導体３および導体層５付近における熱応力を小さくすることができることから、セラミック配線基板の耐熱衝撃性が高まり、クラックの発生を低減することができる。

この場合、曲がり部３ａの占める長さＬ（セラミック絶縁基体１の厚み方向の長さＬ）の割合が、セラミック絶縁基体１の厚みを全長ｔとしたときに、その全長の５０％以上であることが望ましい。曲がり部３ａの長さＬが長いほどセラミック配線基板中に占める熱伝導性の良い部材の体積割合が増えるためセラミック配線基板の放熱性を高めることができる。

なお、貫通導体３の体積割合を増やす手段としては、貫通導体３の長さ方向の中央部辺りの直径を大きくした形状、いわゆる太鼓状にすることも考えられるが、直径を部分的に大きくした貫通導体３では、それ自体で変形し難くなるため、セラミック配線基板が熱膨張した際などに、セラミック絶縁基体１との間で機械的に応力が高まり、これによりクラックが発生するおそれがある。

図２は、第２実施形態のセラミック配線基板を示す断面模式図である。第２実施形態のセラミック配線基板は、貫通導体３を構成している曲がり部３ａが傾斜した構造を有している。また、セラミック配線基板を厚み方向に平面視したときに、セラミック絶縁基体１の両面に露出した貫通導体３の位置が平面方向にずれている。図２では、セラミック絶縁基体１の下面側の貫通導体３の露出面が上面側よりも外側に位置するようになっている。

貫通導体３の露出した位置がセラミック絶縁基体１の両面間で異なり、傾斜した構造であると、その分、貫通導体３における曲がり部３ａの占める長さＬの割合が長くなり、体積割合が増えるため、さらに放熱性を高めることができる。この場合、曲がり部３ａが傾斜した角度（θ）としては、５°以上が良いが、セラミック配線基板のサイズが有限であり、しかも小型化という点で３０°以下が好ましい。

図３（ａ）は、第３実施形態のセラミック配線基板を示す断面模式図であり、（ｂ）は、（ａ）のＡ−Ａ線断面図である。第３実施形態のセラミック配線基板は、複数の貫通導体３がセラミック絶縁基体１の周縁部に所定の間隔で周状に配置されており、それぞれの貫通導体３の曲がり部３ａが周縁部の外側に凸になるように向いている。この場合、貫通導体３の曲がり部３ａの頂部３ａｔおよび底部３ａｂがセラミック絶縁基体１の外側を向くように配置されているため、貫通導体３がセラミック絶縁基体１の外表面に近い位置になることから、セラミック配線基板の外側への放熱性をより高めることができる。この場合、周状に配置された全ての貫通導体３の曲がり部３ａの頂部３ａｔはセラミック絶縁基体１の全周において外側を向くように配置されていることが望ましく、同時に、曲がり部３ａの底部３ａｂも同じ方向に向いていることが望ましい。

図４（ａ）は、第４実施形態のセラミック配線基板を示す斜視図であり、（ｂ）は（ａ）のＢ−Ｂ線断面図である。第４実施形態のセラミック配線基板は、セラミック絶縁基体１がキャビティ構造を成すものであり、基板底部１ｂの周縁部に基板堤部１ｃが設けられた構造となっている。このような構造を有するセラミック絶縁基体１に、上記した曲がり部３ａを有する貫通導体３を設けた場合には、貫通導体３からセラミック絶縁基体１の外側への放熱性を高めることができる。

図４（ａ）（ｂ）に示すセラミック配線基板の場合に、基板堤部１ｃの上面に金属製の蓋体を接合しようとすると、通常、基板底部１ｂと基板堤部１ｃとの間の境界付近（図４（ｂ）における符号Ｋで示す。）にクラックが発生する場合があるが、貫通導体３が曲がり部３ａを有する第４実施形態のセラミック配線基板のケースでは、このようなクラックの発生を抑制することができる。

図５（ａ）は、第５実施形態のセラミック配線基板を示す斜視図であり、（ｂ）は（ａ
）のＣ−Ｃ線断面図である。第５実施形態のセラミック配線基板も、第４実施形態のセラミック配線基板と同様に、セラミック絶縁基体１がキャビティ構造を成すものであるが、第５実施形態のセラミック配線基板の場合、基板底部１ｂの表面にセラミック製の土台７が設けられ、この土台７の表面に導体層５が形成されている。この場合、セラミック製の土台７は基板底部１ｂの表面から突出している。貫通導体３は土台７の表面の導体層５から基板底部１ｂの裏面の導体層５まで繋がっており、基板底部１ｂの内部に曲がり部３ａを有している。ここで、第５実施形態のセラミック配線基板に形成されている土台７は導体層５に接続される電子部品をキャビティ内に浮かせて配置させるためのものであり、水晶発振子などの電子部品を搭載するセラミック配線基板の構造として有用なものとなる。

図５（ａ）（ｂ）に示すセラミック配線基板の場合には、第４実施形態のセラミック配線基板と同様の箇所（基板底部１ｂと基板堤部１ｃとの間の境界付近（図４（ｂ）における符号Ｋで示す。））に加えて、土台７と貫通導体３との間の熱膨張差に起因して基板底部１ｂと土台７との間に発生するクラックおよびその進展を抑制することができる。

図６は、本発明の電子部品実装パッケージの一実施形態を示す分解斜視図である。
図６は、図５（ａ）（ｂ）に示したセラミック配線基板を応用した例である。図６に示す電子部品実装パッケージは、セラミック配線基板Ａの基板底部１ｂの表面に電子部品９が搭載され、基板堤部１ｃの上面には蓋体１１が接合される構成となる。図６に示す電子部品実装パッケージによれば、基板堤部１ｃの上面に蓋体１１が接合される際にセラミック配線基板Ａが加熱されても貫通導体３からの放熱性が高いことから、クラックの発生の少ない電子部品実装パッケージを得ることができる。この場合、第４実施形態のセラミック配線基板を適用しても、第５実施形態のセラミック配線基板と同様にクラックの発生の少ない電子部品実装パッケージを得ることができる。

ここで、上記したセラミック配線基板を構成する各部材のサイズとしては、セラミック絶縁基体１（または基板底部１ｂ）の面積が０．５〜５ｍｍ^２、平均厚みが０．０５〜１ｍｍであり、基板堤部１ｃの高さが０.２５〜１.０ｍｍ、基板堤部１ｃの厚みが０．０５〜０．１５ｍｍ、貫通導体３の直径（曲がり部３ａと曲がっていない部位３ｂとの平均値）が０．０５〜０．２ｍｍであるような小型のセラミック配線基板に適したものとなる。

つまり、電子部品実装パッケージの外形のサイズ（体積）としては１０ｍｍ^３以下が好ましく、さらには、基板堤部１ｃの上面に蓋体１１が設けられて、蓋体１１とセラミック配線基板との熱膨張差が大きい構造の場合にさらに好適なものとなる。

貫通導体３が曲がり部３ａを有することは、セラミック配線基板の断面を観察した写真により確認できる。

セラミック絶縁基体１は、高い熱伝導性を有し、かつ高強度であるという点でアルミナを主成分とし、これにＳｉおよびＭｇなどの添加剤を含有するものが望ましい。貫通導体３および導体層５の材料としては、モリブデン（Ｍｏ）、タングステン（Ｗ）と銅（Ｃｕ）との複合金属などが好適である。

蓋体１１の材料としては、種々のセラミック材料や金属材料を適用することが可能であるが、セラミック絶縁基体１にアルミナを用いたときに好適な材料としてコバール（Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ）を挙げることができる。

次に、本実施形態のセラミック配線基板および電子部品実装パッケージの製造方法について説明する。図７には、第１の実施形態のセラミック配線基板の製造工程を示す模式図を示している。

まず、セラミック絶縁基体１を形成するためのシート状成形体２１を作製する。その組成は、例えば、Ａｌ_２Ｏ_３粉末を主成分とし、これにＳｉＯ_２粉末およびＭｇＯ粉末を所定量添加した混合粉末を用いる。

次に、この混合粉末に対して、有機バインダーを溶媒とともに添加してスラリーや混練物を調製した後、これをプレス法、ドクターブレード法、圧延法、射出法などの成形方法を用いてシート状成形体２１を形成する。

次に、図７（ａ）に示すように、シート状成形体２１の厚み方向に貫通穴を形成した後、貫通導体３となるビアパターン２３および導体層５となる導体パターン２３を形成してパターンシート２６を形成する。この場合、ビアパターン２３および導体パターン２５はシート状成形体２１の表面に印刷などにより直接形成しても良いが、図７（ａ）に示すように、ビアパターン２３および導体パターン２５を予め別のフィルム２７上に形成し、ビアパターン２３および導体パターン２５の付いた方のフィルム２７面をシート状成形体２１の表面に転写する方法を用いても良い。

シート状成形体２１の主成分がアルミナである場合には、導体ペーストとしては、同時焼成を可能にするという点で、モリブデン（Ｍｏ）を主成分とする金属材料か、または銅（Ｃｕ）とタングステン（Ｗ）との複合金属を主成分とするものが適している。

この場合、シート状成形体２１は、プレス成形において変形性が高いことが必要なため、弾性率の低いものが望ましい。例えば、７０℃における貯蔵弾性率が１０〜５０ＭＰａの範囲にあるものが良い。シート状成形体２１の貯蔵弾性率は、レオメータによって、温度２５〜１２５℃の範囲で測定した粘度特性から求める。

貫通導体３を形成するためのビアパターン２３は、金属粉末を主成分とする固形分比率が導体パターン用の導体ペーストの約１／２のものを用いるのが良い。その固形分比率は３０〜４０体積％であるものが好ましい。導体層５を形成するための導体パターン２５には、金属粉末を主成分とする固形分比率が６０〜７０体積％の導体ペーストを用いるのが良い。

次に、図７（ｂ）に示すように、一方の面に凹部を有する外側金型２９ａと凹部に嵌る内側金型２９ｂとを用意し、この一組の金型を用いて、作製したパターンシート２６をプレス成形する。このとき内側金型２９ｂの幅を両側にそれぞれ隙間Ｓの分だけ外側金型２９ａの凹部の幅よりも狭くしたものを用いる。以下、内側金型２９ｂの幅を両側にそれぞれ隙間Ｓの分だけ外側金型２９ａの幅よりも狭くした金型をモールド金型２９と言う場合がある。

金型として、上述したモールド金型２９を用いた場合には、パターンシート２６が内側金型２９ｂによって加圧された際にパターンシート２６が隙間Ｓ側に流れるようになり、同時にビアパターン２３が外側へ変形していく。

図２に示すような曲がり部３ａを有する貫通導体３を形成する場合には、外側金型２９ａの温度を内側金型２９ｂの温度よりも高めに設定する。これは外側金型２９ａ側に接した方のパターンシートの粘度が内側金型２９ｂ側に接した方よりも低くなり変形しやすくなるためである。こうして内部に曲がり部２３ａを有するビアパターン２３を備えた成形体３１を形成することができる。第３〜第５実施形態のセラミック配線基板についてもモールド金型２９の形状を適宜変更することによりそれぞれの形状を有する成形体３１を作製することができる。

最後に、成形体３１を所定の条件にて焼成を行う。こうして第１〜第５実施形態のセラミック配線基板を得ることができる。

Ａｌ_２Ｏ_３粉末９３質量％に対して、ＳｉＯ_２粉末を５質量％、ＭｇＯ粉末を２質量％の割合で混合した後、さらに、これらの固形分１００質量部に対して、有機バインダーとしてアクリル系バインダーを１９質量部添加してスラリーを調製した。その後、ドクターブレード法にて平均厚みが４００μｍのシート状成形体を作製した。

次に、得られたシート状成形体に、ＮＣパンチを用いて貫通穴を形成し、Ｍｏ粉末１００重量部に３０重量部のＡｌ_２Ｏ_３粉末、アクリル系バインダーを５重量部、テルピネオールで適宜添加した導体ペーストをスクリーン印刷により充填し、そののち、導体層となる導体パターンを形成してパターンシートを作製した。次いで、モールド金型を用いて、８０〜９０℃の温度でプレス成形を行い、所定のサイズに切断して成形体を作製した。曲がり部の変形の程度はプレス成形の温度を変更することによって調整した。図２の構造のセラミック配線基板を作製する際には、外側金型２９ａの温度を内側金型２９ｂの温度よりも１０℃ほど高めに設定した。

次に、これらの成形体を還元雰囲気中、最高温度が１４００℃となる条件にて１時間の焼成を行った。

作製したセラミック配線基板のサイズは、平板状のセラミック配線基板の場合、セラミック絶縁基体の面積が１×１．２ｍｍ^２、平均厚みが０．２ｍｍとなるようにした。キャビティ構造を有するセラミック配線基板については、基板底部は上記したセラミック絶縁基体と同様のサイズとした。基板堤部の高さは０.１ｍｍ、平均厚み（堤部の幅）は０．
１ｍｍであった。貫通導体は直径の平均が０．1ｍｍとなるように設定した。

次に、作製したセラミック配線基板を加熱した半田槽に約１秒間浸漬する方法で耐熱衝撃試験を行った。耐熱衝撃試験は半田槽の温度を３００℃と３５０℃の２つの温度に設定して行った。セラミック配線基板に発生したクラックの確認はセラミック配線基板を断面研磨した試料を実体顕微鏡により観察する方法により行った。試料数は各１０００個とした。

貫通導体が曲がり部を有することの確認、および曲がり部の長さの割合の評価は、セラミック配線基板の断面を観察した写真を用いて行った。作製した試料のうち試料Ｎｏ．１〜６については、貫通導体が曲がり部を有するものであった。曲がり部のずれ幅は貫通導体の直径の平均値の９０〜１７０％の範囲であった。曲がり部の長さの割合は、セラミック絶縁基体の厚みに対して４０〜６０％であった。

なお、内側金型と外側金型との間にほとんど隙間を有しない金型を用いて、図９に示すような平板状のセラミック配線基板作製し、これを比較例（試料Ｎｏ．７）として同様の評価を行った。

表１から明らかなように、曲がり部を有する貫通導体を備えた試料Ｎｏ．１〜６では、３００℃での耐熱衝撃試験においてもクラックの発生率が１０％以下、３５０℃の温度においても１４％以下であった。これらの試料の中で、貫通導体の数を２個とし、曲がり部の占める長さの割合を５５％以上かつ曲がり部のずれ幅を９０％以上とした試料（試料Ｎｏ．２、３、５および６）は、３５０℃の温度におけるクラックの発生率が９％以下であった。また、セラミック絶縁基体がキャビティ構造を有する試料（試料Ｎｏ．５、６）についてもクラック発生率の低減が図れることがわかった。

また、曲がり部が傾斜した貫通導体を備えた試料（試料Ｎｏ．３）は、曲がり部が傾斜していない試料（試料Ｎｏ．１）に比較して、３５０℃におけるクラックの発生率が低かった。

さらに、試料Ｎｏ．５のセラミック配線基板について、その搭載領域に電子部品を実装し、基板堤部の上面に蓋体を接合し、図６に示すような構造の電子部品実装パッケージを作製したが、この試料にクラックの発生は見られなかった。

これに対し、曲がり部を有しない貫通導体を備えた試料Ｎｏ．７では、３００℃の耐熱衝撃試験におけるクラックの発生率が３５％、３５０℃の温度においては５０％であった。

１・・・・・・・・・・セラミック絶縁基体
１ｂ・・・・・・・・・基板底部
１ｃ・・・・・・・・・基板堤部
３・・・・・・・・・・貫通導体
３ａ・・・・・・・・・曲がり部
３ｂ・・・・・・・・・貫通導体の蛇行していない部位
５・・・・・・・・・・導体層
７・・・・・・・・・・土台
９・・・・・・・・・・電子部品
１１・・・・・・・・・蓋体

Claims (7)

1. セラミック絶縁基体と、該セラミック絶縁基体を厚み方向に貫通するように設けられた貫通導体と、を備えているセラミック配線基板であって、前記貫通導体が曲がり部を有していることを特徴とするセラミック配線基板。
2. 前記曲がり部が占める前記厚み方向の長さの割合が、前記セラミック絶縁基体の厚みの５０％以上であることを特徴とする請求項１に記載のセラミック配線基板。
3. 前記貫通導体は、前記セラミック配線基板を厚み方向に平面視したときに、前記セラミック絶縁基体の両面で露出した位置が異なっていることを特徴とする請求項１または２に記載のセラミック配線基板。
4. 前記貫通導体が前記セラミック絶縁基体の周縁部に配置されているとともに、前記曲がり部は、その頂部が周縁部の外側を向くように配置されていることを特徴とする請求項１乃至３のうちいずれかに記載のセラミック配線基板。
5. 前記貫通導体が前記セラミック絶縁基体の周縁部に複数配置されているとともに、該周縁部に配置された複数の前記貫通導体は、その曲がり部がそれぞれ外側を向いていることを特徴とする請求項４に記載のセラミック配線基板。
6. 前記セラミック絶縁基体が、キャビティ構造を有していることを特徴とする請求項１乃至５のうちいずれかに記載のセラミック配線基板。
7. 請求項１乃至６のうちいずれかに記載のセラミック配線基板が、前記セラミック絶縁基体の表面に、前記貫通導体に接続する導体層を有してなるとともに、該導体層上に電子部品が配置されていることを特徴とする電子部品実装パッケージ。