JP2017010981A - 配線基板の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】金属箔が接合されるとともに貫通孔にロー材が充填された配線基板を効率よく製造できる配線基板の製造方法を提供すること。
【解決手段】配線基板１の製造方法では、第１工程にて、セラミック基板３の表面（上面７）にロー材箔２１を配置し、第２工程にて、ロー材箔２１を覆うように金属箔１７を配置する。そして、第３工程にて、ロー材が溶融する温度に加熱して、溶融したロー材を貫通孔１１に充填し、その後冷却してロー材を固化させる。これによって、貫通孔１１にロー材を充填してビア１３を形成できるとともに、セラミック基板３と金属箔１７とをロー材によって接合できる。つまり、ビア１３の形成と金属箔１７の接合とを同時行うことができるので、配線基板１を効率良く製造できる。
【選択図】図２

Description

本発明は、例えばＬＥＤ等の発熱量の多い半導体などを搭載する配線基板の製造方法に関するものである。

従来より、高放熱性が求められる配線基板としては、例えばセラミック基板に金属製の配線（配線層）が形成されたセラミック配線基板が知られている。また、この種のセラミック配線基板では、一対の主面間を導通するために、各種の層間接続構造が用いられている。

例えば、セラミック基板に配線層や層間接続構造を形成する方法としては、下記のような方法が知られている。
＜配線層の形成方法＞
セラミック基板の表面に配線層を形成する方法としては、まず、周知の印刷、メッキ、スパッタリング、金属部材（例えば金属箔）の接合等によって金属層を形成し、次に、周知のエッチング、ブラスト、レーザー等によって、金属層を端子等の配線層の形状に加工する方法が知られている。なお、例えば金属箔を用いる場合には、ロー材を介してセラミック基板に固着される（特許文献１、２参照）。

また、高放熱性が求められる配線基板の配線層としては、３０μｍ程度以上の厚い配線厚が求められるが、上述した印刷、メッキ、スパッタリングでは、厚さの制御が困難である。また、十分な厚みの配線層を得るためには、非常に多くに工数がかかる。そのため、高放熱性が求められる配線基板の配線層を形成するために、金属箔を接合する方法がよく用いられる。

＜層間接続構造の形成方法＞
セラミック基板の表裏面の導通をとる層間接続構造を形成する方法としては、基板側面に電極を形成する方法や、基板に貫通孔を設け、この貫通孔内に導電経路を設ける方法がある。

例えば特許文献３には、焼成済みのセラミック基板に、機械的、熱的、化学的方法によって貫通孔を開ける方法や、焼成前のグリーンシートに、パンチングやレーザーで貫通孔を開ける方法が開示されている。さらに、貫通孔に導電経路を設ける方法として、貫通孔にスパッタリングによってスパッタリング膜を設け、このスパッタリング膜上にメッキする方法や、貫通孔に金属ペーストを充填してビアを設ける方法が開示されている。

特開平０６−３１０８５０号公報 特開昭６０−１７７６３４号公報 特開２０１３−１５３０５１号公報

しかしながら、上述したように、セラミック基板の側面に電極を形成するために、側面印刷する方法では、一度に多数個処理することが困難である。また、貫通孔にビアを設けるために、スパッタリングやメッキを行う場合には、貫通孔が充填されるまで、時間がかかる。

このため、貫通孔に金属ペーストを充填してビアを設けることが考えられるが、セラミック基板に配線層となる金属箔を接合する場合には、ビアの形成と金属箔の接合とを行う必要があるので、配線基板の製造に手間がかかるという問題があった。

本発明は、前記課題を解決するためになされたものであり、その目的は、金属箔が接合されるとともに貫通孔にロー材が充填された配線基板を効率よく製造できる配線基板の製造方法を提供することである。

（１）本発明の第１態様の配線基板の製造方法は、一対の表面と一対の表面を貫通する貫通孔とを有するセラミック基板の少なくとも一方の表面に、ロー材を配置する第１工程と、ロー材を覆うように金属箔を配置する第２工程と、ロー材が溶融する温度に加熱して、溶融したロー材を貫通孔に充填し、その後冷却してロー材を固化させる第３工程と、を有する。

本第１態様では、第１工程にて、セラミック基板の少なくとも一方の表面にロー材を配置し、第２工程にて、ロー材を覆うように金属箔を配置する。そして、第３工程にて、ロー材が溶融する温度に加熱して、溶融したロー材を貫通孔に充填し、その後冷却してロー材を固化させる。これによって、セラミック基板と金属箔とをロー材によって接合する際に、貫通孔にロー材を充填してビアを形成することができる。

つまり、本第１態様では、金属箔の接合とビアの形成とを同時行うことができるので、放熱性に優れた配線基板を効率良く製造できるという顕著な効果を奏する。
（２）本発明の第２態様の配線基板の製造方法では、第３工程の後に、ロー材及び金属箔のうち、配線層が形成される箇所以外を除去して、配線層を形成する第４工程を有する。

本第２態様では、第４工程にて、ロー材及び金属箔で形成された金属部分に対して、端子等の配線層となる部分以外の不要な箇所を除去することにより、容易に所望の形状の配線層を形成することができる。

（３）本発明の第３態様の配線基板の製造方法では、第１工程にて、貫通孔を覆うように金属箔を配置する。
本第３態様では、ビアとなる貫通孔の開口部分を覆うように金属箔を配置するので、ビア上に設けられる端子等の配線層の厚みを十分に確保できる。

（４）本発明の第４態様の配線基板の製造方法では、第１工程にて、貫通孔を覆うようにロー材及び金属箔を配置する。
本第４態様では、貫通孔の開口部分を覆うようにロー材及び金属箔を配置するので、加熱によって溶融したロー材を容易に貫通孔内に導入できる。また、ビアとなる貫通孔を覆うように金属箔を配置するので、ビア上に設けられる端子等の配線層の厚みを十分に確保することができる。

（５）本発明の第５態様の配線基板の製造方法では、金属箔の表面上に、金属又はセラミックの拘束板を配置する。
本第５態様では、ロー付けの際には金属箔の表面上に拘束板を配置するので、拘束板によって金属箔を十分に押さえることができる。そのため、金属箔を確実に接合することができる。また、拘束板で押さえてロー付けを行うことにより、ロー付けの際の金属箔の表面（従ってロー付け後の金属箔の表面）がシワになり難いので、端子等の配線層の表面を滑らかで好適な形状とすることができる。

（６）本発明の第６態様の配線基板の製造方法では、金属箔の熱膨張率と拘束板の熱膨張率とが、実質的に同一である。
本第６態様では、金属箔の熱膨張率と拘束板の熱膨張率とが、実質的に同一であるので、ロー付けの際の加熱及び冷却によって、金属箔と拘束板とが膨張及び収縮しても、その温度変化に伴う両部材の寸法の変化が同様である。つまり、温度が変化しても金属箔と拘束板とがずれ難いので、金属箔の表面（従って配線層の表面）がシワになり難いという利点がある。

ここで、熱膨張率が実質的に同一とは、熱膨張率の差が２．０×１０^−６／℃以下であることを示している。
（７）本発明の第７態様の配線基板の製造方法では、金属箔の材料と拘束板の材料が、実質的に同一であること。

本第７態様では、金属箔の材料と拘束板の材料が、実質的に同一であるので、ロー付けの際の加熱及び冷却によって、金属箔と拘束板とが膨張及び収縮しても、その温度変化に伴う両部材の寸法の変化が同様である。つまり、温度が変化しても金属箔と拘束板とがずれ難いので、金属箔の表面（従って配線層の表面）がシワになり難いという利点がある。

ここで、材料が実質的に同一とは、材料のうち異なる成分が１重量％以下であることを示している。
（８）本発明の第８態様の配線基板の製造方法では、拘束板の厚みは、金属箔の厚みより大きい。

本第８態様では、拘束板の厚みは金属箔の厚みより大きいので、拘束板によって十分に金属箔を押さえることができる。よって、金属箔の表面（従って配線層の表面）がシワになり難いという利点がある。

＜本発明の各構成＞
ここで、本発明の各構成について説明する。
・前記セラミック基板の材料としては、酸化物系セラミック（例えば酸化アルミニウム、酸化ケイ素、酸化カルシウム、酸化マグネシウム等）や、窒化物系セラミック（例えば窒化アルミニウム、窒化ケイ素等）を用いることができる。なお、高放熱性が要求される場合には、熱伝導率の高い窒化アルミニウムが好適である。

・前記貫通孔の形成は、セラミック基板の焼成の前後のどちらに行ってもよい。例えば、焼成前のグリーンシートに、パンチングやレーザー等で孔をあけ、その後グリーンシートを焼成してもよい。或いは、焼成済みのセラミック基板に対して、レーザーやブラスト等で孔をあけてもよい。

・前記ロー材の材料としては、共晶銀ロー、７２％Ａｇ−２８％Ｃｕ等を用いることができる。
このロー材としては、薄膜の部材（ロー材箔）を用いることができ、その厚みとしては、１０〜５０μｍのを採用することができる。なお、ロー材の厚みが１０μｍより薄いと貫通孔に十分にロー材を供給できない恐れがあり、５０μｍより厚いとパターンの形成が困難になる恐れがある。

・前記金属箔の材料としては、ＭｏやＣｕを用いることができる。それ以外には、ＫＯＶＡＲ等を用いることができる。
この金属箔としては、例えば３０〜１００μｍの厚さの材料を使用できる。なお、金属箔の厚みが３０μｍより薄いと十分な厚みの端子等の配線層（パターン）の形成が困難となる恐れがあり、１００μｍより厚いと、エッチングの精度の確保が困難なので、配線層の形成が困難になる恐れがある。

・前記拘束板としては、金属やカーボンやセラミックからなる板材を用いることができる。金属としては、ステンレス（ＳＵＳ）を用いることができ、セラミックとしては、酸化アルミニウム、窒化アルミニウム等を用いることができる。

（ａ）は第１実施形態における配線基板の平面図、（ｂ）は図１（ａ）のＡ−Ａ断面図である。 第１実施形態の配線基板の製造方法を示す説明図である。 （ａ）は第２実施形態における配線基板の平面図、（ｂ）は図３（ａ）のＢ−Ｂ断面図である。 第２実施形態の配線基板の製造方法を示す説明図である。 他の実施形態における配線基板を厚み方向に破断した断面図である。

以下、本発明の実施形態を、図面を参照しながら説明する。
［第１実施形態］
ａ）まず、本第１実施形態の配線基板の製造方法によって製造される配線基板について説明する。

図１に示す様に、本第１実施形態における配線基板１は、例えば窒化アルミニウムからなるセラミック基板３の一方の面（主面）に、配線層である端子５が形成されたものである。

つまり、セラミック基板３は、第１主面である上面（図１（ｂ）の上方）７及び第２主面である下面（図１（ｂ）の下方）９を有する平板であり、その上面７に平板状の端子５が、例えば２箇所に形成されている。

詳しくは、セラミック基板３には、セラミック基板３を厚み方向に貫いて、上面７及び下面９に開口する貫通孔１１が設けられており、この貫通孔１１には導電材料であるロー材が充填されてビア１３が形成されている。なお、ロー材としては、例えば共晶銀ローが用いられる。

一方、端子５は、ロー材からなる平板状のロー材層１５とロー材層１５の上面全体を覆う金属箔１７とから形成されている。つまり、金属箔１７は、ロー材層１５によって、セラミック基板３の上面７に接合されている。

ここで、金属箔１７は例えばＣｕからなり、その厚みは３０〜１００μｍの範囲内の例えば８０μｍである。ロー材層１５の厚み（溶融後の厚み）は３〜１５μｍの範囲内の例えば５μｍである。従って、端子５の厚みは３３〜１１５μｍの範囲内の例えば８５μｍである。

この端子５は、複数のビア１３のうち、端子５の形成位置（平面視での投影領域）に設けられた特定のビア１３の厚み方向の端部を覆うよう設けられており、ビア１３に接合されるとともに電気的に導通している。

なお、ビア１３中のロー材とロー材層１５を構成するロー材は、後述するように同一のものであり、ビア１３とロー材層１５とは一体となっている。
また、図示しないが、セラミック基板３の上面７には、セラミック基板３とロー材との密着性を向上させるために、例えばＴｉやＰｄからなる下地金属層を形成してもよい。

ｂ）次に、本第１実施形態の配線基板１の製造方法を説明する。
図２（ａ）に示すように、定法によって、窒化アルミニウムからなるセラミック基板３を作製する。

例えば窒化アルミニウム粉末に、有機バインダ、溶剤、可塑剤等を混合してスラリーを作製し、このスラリーを用いて、周知の手法（例えばドクターブレード法やカレンダーロール法）によってグリーンシートを作製し、このグリーンシートを焼成してセラミック基板３を作製する。

また、セラミック基板３の上面７に、スパッタリング又はメッキ等によって、Ｔｉ又はＰｄからなる下地金属層を形成する。なお、下地金属層を形成しなくともよい。
次に、図２（ｂ）に示すように、セラミック基板３の所定の複数の箇所に、レーザーやブラスト等によって貫通孔１１をあける。

次に、図２（ｃ）に示すように、セラミック基板３の上面７全体を覆うように（即ち貫通孔１１を覆うように）、例えば共晶銀ローである例えば厚さ３０μｍのロー材からなるシート（ロー材箔）２１を配置する（第１工程）。

更に、ロー材箔２１の上面全体を覆うように、例えばＣｕからなる例えば厚さ８０μｍの金属箔１７を配置する（第２工程）。
次に、図２（ｄ）に示すように、金属箔１７の上面全体を覆うように、例えば金属箔１７と同様な材料（例えばＣｕ）からなる拘束板２３を載置する。この拘束板２３の厚みは、金属箔１７の厚みより大きく、例えば５００μｍである。なお、拘束板２３の材料としては、金属以外に、例えばセラミック（例えば酸化アルミニウム）等の材料を使用できる。

また、セラミック基板３の下面９側には、下面９全体を覆うように下基板２５を配置する。この下基板２５としては、ロー材と接合しにくい例えば酸化アルミニウム等のセラミック基板を使用できる。

これによって、ロー付けの際に必要な、図２（ｄ）の構造の組付体２７が形成される。
次に、図２（ｅ）に示すように、前記組付体２７を、図示しないベルト炉内に配置して、ロー付けを行う（第３工程）。

詳しくは、組付体２７を、Ｈ_２の還元雰囲気中で、ロー材が溶融し且つ金属箔１７が溶融しない８００〜９００℃の温度範囲で加熱して、ロー材を溶融させる。これにより、ロー材箔２１は溶融し、溶融したロー材の一部は貫通孔１１内に流入する。そして、この温度状態に５分間保った後に、徐々に自然冷却させる。この冷却に伴ってロー材が固化し、ビア１３が形成されるとともに、金属箔１７とセラミック基板３とがロー材層１５によって接合される。

次に、図２（ｆ）に示すように、ロー付け後のセラミック基板３から、拘束板２３と下基板２５とを取り除く。
次に、図２（ｇ）に示すように、金属箔１７がロー付けされたセラミック基板３の上面側に対して、周知のエッチングやブラスト加工によって、端子５以外の部分（端子５以外のロー材層１５及び金属箔１７）を除去し、端子５を形成する（第４工程）。

これによって、配線基板１が完成する。
ｃ）次に、本第１実施形態の効果を説明する。
第１実施形態では、第１工程にて、セラミック基板３の表面（上面７）にロー材箔２１を配置し、第２工程にて、ロー材箔２１を覆うように金属箔１７を配置する。そして、第３工程にて、ロー材が溶融する温度に加熱して、溶融したロー材を貫通孔１１に充填し、その後冷却してロー材を固化させる。これによって、貫通孔１１にロー材を充填してビア１３を形成できるとともに、セラミック基板３と金属箔１７とをロー材によって接合できる。

つまり、第１実施形態では、ビア１３の形成と金属箔１７の接合とを同時行うことができるので、端子５の厚みが大きく放熱性に優れた配線基板１を効率良く製造できるという顕著な効果を奏する。

また、第１実施形態では、第４工程にて、ロー材及び金属箔１７で形成された金属部分に対して、端子５部分以外の不要な箇所を除去することにより、容易に所望の形状の端子５を形成することができる。

更に、第１実施形態では、貫通孔１１の開口部分を覆うようにロー材箔２１及び金属箔１７を配置するので、加熱によって溶融したロー材を容易に貫通孔１１内に導入できる。また、ビア１３となる貫通孔１１を覆うように金属箔１７を配置するので、ビア１３上に設けられる端子５の厚みを十分に確保することができる。

また、第１実施形態では、ロー付けの際には金属箔１７の表面上に拘束板２３を配置するので、拘束板２３によって金属箔１７を十分に押さえることができる。そのため、金属箔１７を確実に接合することができる。また、ロー付け後の金属箔１７の表面がシワになり難いので、端子５の表面を滑らかに形成することができる。

さらに、第１実施形態では、金属箔１７と拘束板２３の材料が同じであるので、熱膨張率も同じである。よって、ロー付けの際の加熱及び冷却によって、金属箔１７と拘束板２３とが膨張及び収縮しても、その温度変化に伴う両部材の寸法の変化が同様である。つまり、温度が変化しても金属箔１７と拘束板２３とがずれ難いので、ロー付け後の金属箔１７の表面が一層シワになり難いという利点がある。

しかも、第１実施形態では、拘束板２３の厚みは金属箔１７の厚みより大きいので、拘束板２３によって十分に金属箔１７を押さえることができる。よって、ロー付け後の金属箔１７の表面がより一層シワになり難いという利点がある。
［第２実施形態］
次に、第２実施形態について説明するが、前記第１実施形態と同様な内容の説明は省略又は簡略化する。また、第１実施形態の構成と同じ構成は、同じ番号を使用する。

ａ）まず、第２実施形態の配線基板の製造方法によって製造される配線基板について説明する。
図３に示すように、第２実施形態における配線基板３１は、セラミック基板３の上面７及び下面９に、同様に端子５（上端子５ａ、下端子５ｂ）を形成したものである。

つまり、セラミック基板の複数のビア１３のうち、端子５の形成位置（平面視での投影領域）に設けられた特定のビア１３の上面７側には、ロー材層１５（上ロー材層１５ａ）及び金属箔１７（上金属箔１７ａ）からなる上端子５ａが設けられている。同様に、特定のビア１３の下面９側には、ロー材層１５（下ロー材層１５ｂ）及び金属箔１７（下金属箔１７ｂ）からなる下端子５ｂが設けられている。

ｂ）次に、第２実施形態の配線基板３１の製造方法について説明する。
図４（ａ）に示すように、まず、窒化アルミニウムからなるセラミック基板３を作製する。なお、セラミック基板３の上面７及び下面９に下地金属層を形成してもよい。

次に、図４（ｂ）に示すように、セラミック基板３の複数の箇所に貫通孔１１をあける。
次に、図４（ｃ）に示すように、セラミック基板３の上面７全体を覆うように、上ロー材箔２１ａを配置するとともに、下面９全体を覆うように、下ロー材箔２１ｂを配置する。

更に、上ロー材箔２１ａの上面全体を覆うように上金属箔１７ａを配置するとともに、下ロー材箔２１ｂの下面全体を覆うように、下金属箔１７ｂを配置する。
次に、図４（ｄ）に示すように、上金属箔１７ａの上面全体を覆うように上拘束板２３ａを配置するとともに、下金属箔１７ｂの下面全体を覆うように下拘束板２３ｂを載置する。なお、上拘束板２３ａ及び下拘束板２３ｂは、金属箔１７と同じ材料からなる。

次に、図４（ｅ）に示すように、前記図４（ｄ）の構造の組付体３３を、図示しないベルト炉内に配置して、前記第１実施形態と同様にしてロー付けを行う。
このとき、上下のロー材箔２１ａ、２１ｂは溶融し、溶融したロー材は貫通孔１１内に流入する。そして、冷却に伴ってロー材が固化し、ビア１３が形成される。その際に、上金属箔１７ａとセラミック基板３の上面７とが上ロー材層１５ａによって接合されるとともに、下金属箔１７ｂとセラミック基板３の下面９とが下ロー材層１５ｂによって接合される。

次に、図４（ｆ）に示すように、ロー付け後のセラミック基板３から、上下の拘束板２３ａ、２３ｂを取り除く。
次に、図４（ｇ）に示すように、上金属箔１７ａがロー付けされたセラミック基板３の上面７側と下金属箔１７ｂがロー付けされたセラミック基板３の下面９側とに対して、周知のエッチングやブラスト加工によって、上端子５ａ及び下端子５ｂ以外の部分を除去し、上端子５ａ及び下端子５ｂを形成する。これによって、配線基板３１が完成する。

第２実施形態では、上述した配線基板の製造方法によって、第１実施形態と同様な効果を奏する。
尚、本発明は前記実施形態等になんら限定されるものではなく、本発明を逸脱しない範囲において種々の態様で実施しうることはいうまでもない。

（１）例えば、本発明は、図５に例示するように、複数のセラミック層４１が積層されたセラミック基板４３を有する配線基板４５の製造方法に適用することができる。この場合には、複数のセラミック層４１を貫くように貫通孔４７（従ってビア４９）が形成される。

（２）前記実施形態では、貫通孔を覆うようにロー材箔を配置したが、ロー付けの際に、ロー材が貫通孔に流入してビアを形成するとともに、ロー材によって金属箔をセラミック基板に接合できる限りは、それに限定されるものではない。つまり、貫通孔を覆わないように、例えば貫通孔に近接してロー材箔を配置した場合も、本発明の範囲である。

１、３１、４５…配線基板
３、４３…セラミック基板
５…端子
１１、４７…貫通孔
１３、４９…ビア
１５、１５ａ、１５ｂ…ロー材層
１７、１７ａ、１７ｂ…金属箔
２１、２１ａ、２１ｂ…ロー材箔
２３、２３ａ、２３ｂ…拘束板

Claims (8)

1. 一対の表面と前記一対の表面を貫通する貫通孔とを有するセラミック基板の少なくとも一方の表面に、ロー材を配置する第１工程と、
   前記ロー材を覆うように金属箔を配置する第２工程と、
   前記ロー材が溶融する温度に加熱して、前記溶融したロー材を前記貫通孔に充填し、その後冷却して前記ロー材を固化させる第３工程と、
   を有することを特徴とする配線基板の製造方法。
2. 前記第３工程の後に、前記ロー材及び前記金属箔のうち、配線層が形成される箇所以外を除去して、前記配線層を形成する第４工程を有することを特徴とする請求項１に記載の配線基板の製造方法。
3. 前記第１工程にて、前記貫通孔を覆うように前記金属箔を配置することを特徴とする請求項１又は２に記載の配線基板の製造方法。
4. 前記第１工程にて、前記貫通孔を覆うように前記ロー材及び前記金属箔を配置することを特徴とする請求項３に記載の配線基板の製造方法。
5. 前記金属箔の表面上に、金属又はセラミックの拘束板を配置することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の配線基板の製造方法。
6. 前記金属箔の熱膨張率と前記拘束板の熱膨張率とが、実質的に同一であることを特徴とする請求項５に記載の配線基板の製造方法。
7. 前記金属箔の材料と前記拘束板の材料が、実質的に同一であることを特徴とする請求項５又は６に記載の配線基板の製造方法。
8. 前記拘束板の厚みは、前記金属箔の厚みより大きいことを特徴とする請求項５〜７のいずれか１項に記載の配線基板の製造方法。

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