JP2022162216A - 配線基板 - Google Patents

Abstract

【課題】熱膨張による変動量に起因する破損を抑制した上で、配線基板の設計の自由度を向上させる。【解決手段】第１の面と、第１の面と反対側の第２の面とを有し、第２の面に長方形状の開口を有する孔が形成された基板と、開口を塞ぐように第２の面上に配置される第３の面であり、第２の面に接合される第３の面を有する金属からなる板状部材と、を備えた配線基板は、配線基板の厚み方向から見たときに、第３の面は、開口を塞ぎ、開口の長辺に平行な第１の方向に沿う長辺を有する長方形領域と、長方形領域の長辺から突出する突出領域と、を有し、開口を第３の面に投影したときに、突出領域のうち、第１の方向に垂直な方向において長方形領域の長辺から最も遠い位置である最遠部が、第１の方向において長方形領域の長辺の両端よりも内側にあり、かつ、開口の長辺と向かい合っている。【選択図】図４

Description

本発明は、配線基板に関する。

中央に貫通孔が形成されたセラミック基板に、放熱部材としてのヒートシンクが接合された配線基板が知られている。例えば、特許文献１に記載された配線基板（電子部品パッケージ）では、セラミック基板の下面に接合されたヒートシンクは、貫通孔に挿入される突出部を有している。この突出部は、上側ほど貫通孔を形成する内周面に対して隙間が大きくなる凸形状を有している。

特開平１０－２９６８７号公報

配線基板において、貫通孔を有するセラミック基板と、セラミック基板に接合されたヒートシンクとを備える構成では、セラミック基板と金属製のヒートシンクとの熱膨張率が異なる。そのため、貫通孔の中央部におけるヒートシンクの形状の変動量は、貫通孔の端部における変動量と比べて大きく、変動量に耐えることができずに、セラミック基板またはヒートシンクが破損するおそれがあった。この破損は、セラミック基板とヒートシンクとの接合面積を大きくすることにより抑制できる。しかしながら、接合面積が増えると、セラミック基板がヒートシンクに対向している面のうち、ヒートシンクと接合されていない部分の面積が減少する。すなわち、セラミック基板に対して配線や素子を配置可能な部分の面積が減少してしまい、配線基板の設計自由度が低下するという課題がある。

本発明は、上述した課題を解決するためになされたものであり、熱膨張による変動量に起因する破損を抑制した上で、配線基板の設計の自由度を向上させることを目的とする。

本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであり、以下の形態として実現できる。

（１）本発明の一形態によれば、配線基板が提供される。この配線基板は、第１の面と、前記第１の面と反対側の第２の面とを有し、前記第２の面に長方形状の開口を有する孔が形成された基板と、前記開口を塞ぐように前記第２の面上に配置される第３の面であり、前記第２の面に接合される第３の面を有する金属からなる板状部材と、を備えた配線基板であって、前記配線基板の厚み方向から見たときに、前記第３の面は、前記開口を塞ぎ、前記開口の長辺に平行な第１の方向に沿う長辺を有する長方形領域と、前記長方形領域の長辺から突出する突出領域と、を有し、前記開口を前記第３の面に投影したときに、前記突出領域のうち、前記第１の方向に垂直な方向において前記長方形領域の長辺から最も遠い位置である最遠部が、前記第１の方向において前記長方形領域の長辺の両端よりも内側にあり、かつ、前記開口の長辺と向かい合っている。

この構成によれば、板状部材が突出領域を有することにより、突出領域を有していない場合と比較して、基板と板状部材との接合面積が増加する。突出領域の位置は、長方形領域の長辺における両端よりも内側であり、最遠部は、基板の開口と向かい合っている。これにより、突出領域は、開口の中央部付近の板状部材の形状に対する熱膨張による変動量に起因する破損を抑制できる。突出領域は、板状部材の形状変動が大きい部分付近に形成され、形状変動が小さい部分には形成されていない。この結果、本構成によれば、板状部材および基板の破損を抑制した上で、基板の第２の面において配線や素子を配置することが可能な部分の面積を確保して、配線基板の設計の自由度を向上させることができる。

（２）上記態様の配線基板において、前記第３の面の前記突出領域は、前記長方形領域の２つの長辺からそれぞれ突出してもよい。
この構成によれば、板状部材における第３の面が有する突出領域が１つの場合と比較して、形状の変動がより抑制される。

（３）上記態様の配線基板において、前記最遠部は、前記厚み方向視において、前記第２の面と重なる位置に配置されていてもよい。
この構成によれば、最遠部が基板の第２の面と重なっておらず、突出領域の一部と基板の第２の面とが接合されていない場合と比較して、形状の変動がより抑制される。また、基板と板状部材との接合面積の過剰な増加を抑制し、配線や素子を配置することが可能な部分の面積を維持できる。

（４）上記態様の配線基板において、前記最遠部は、前記第１の方向で前記開口の長辺の両端より内側に配置されていてもよい。
この構成によれば、最遠部は、長方形領域の長辺における両端よりも内側、かつ、開口の長辺における両端よりも内側に位置する。これにより、最遠部が開口の中央部のより近くに位置するため、板状部材の形状の変動がより抑制される。

（５）上記態様の配線基板において、前記最遠部は、前記開口の長辺の垂直二等分線と前記開口の長辺の一方の端部の内側において、前記開口の長辺の垂直二等分線から、前記第１の方向で前記長方形領域の長辺の一方の端部に向かって１／１０以内の位置に配置されていてもよい。
この構成によれば、垂直二等分線を基準とした開口と最遠部との寸法関係を規定することにより、突出領域が基板の第２の面に接合される接合面積を抑制した上で、板状部材の形状の変動を抑制する接合面積を確保できる。

なお、本発明は、種々の態様で実現することが可能であり、例えば、配線基板、電子部品パッケージ、半導体パッケージ、半導体装置、配線基板の製造方法、半導体パッケージの製造方法、およびこれらを備えるシステム等の形態で実現することができる。

本発明の第１実施形態としての配線基板の説明図である。 本発明の第１実施形態としての配線基板の説明図である。 本発明の第１実施形態としての配線基板の説明図である。 本発明の第１実施形態としての配線基板の説明図である。 第２実施形態の配線基板の概略下面図である。 第２実施形態のヒートシンクの概略斜視図である。 第３実施形態の配線基板の概略下面図である。 第３実施形態のヒートシンクの概略斜視図である。

＜第１実施形態＞
図１から図４までの各図は、本発明の第１実施形態としての配線基板１００の説明図である。本実施形態の配線基板１００は、半導体装置に用いられる基板である。配線基板１００には、発光ダイオードなどの半導体が載置される。載置された半導体は、図示されない電気配線によって配線基板１００の外部の制御装置と電気的に接続されており、発光が制御される。なお、半導体は、発光ダイオードに限定されず、例えば、パワーＭＯＳＦＥＴやダイオードなどから構成されるパワーデバイスであってもよいし、他の機能を有する半導体を含んでもよい。

図１には、配線基板１００の概略正面図が示されている。図２には、配線基板１００の概略上面図が示されている。図３には、配線基板１００の概略下面図が示されている。図４には、配線基板１００の概略の分解斜視図が示されている。図１，４に示されるように、本実施形態の配線基板１００は、長方形状の貫通孔（開口）１１ｈが形成されたセラミック基板（基板）１０と、基板１０の下面（第２の面）１０ｂに接合された板状のヒートシンク（板状部材）２０と、を備えている。

図１～３に示されるように、セラミック基板１０は、一定の厚さを有する長方形状の部材である。セラミック基板１０は、貫通孔１１ｈを形成する貫通孔形成部１１を有している。図１に示されるように、セラミック基板１０におけるヒートシンク２０が接合される反対側の上面（第１の面）１０ｔには、半導体等が載置される。なお、本実施形態では、図１から図４までの各図に示され、それぞれが対応している直交座標系ＣＳが定義されている。直交座標系ＣＳでは、セラミック基板１０の厚さ方向がＺ軸方向と定義され、長方形状のセラミック基板１０の長辺に平行な方向がＸ軸方向と定義され、セラミック基板１０の短辺に平行な方向がＹ軸方向として定義されている。本実施形態のセラミック基板１０およびヒートシンク２０は、重心を通るＺＸ平面とＹＺ平面とのそれぞれに対して線対称の形状を有している。

ヒートシンク２０は、金属製の部材である。図１～３に示されるように、ヒートシンク２０の重心Ｇ２は、セラミック基板１０の重心Ｇ１と同一のＺ軸線上に位置するように、セラミック基板１０の下面１０ｂに接合される。図１，３に示されるように、ヒートシンク２０は、上面（第３の面）２０ｔにおいて、貫通孔１１ｈを塞ぐようにセラミック基板１０の下面１０ｂに接合されている。図３，４に示されるように、ヒートシンク２０の上面２０ｔは、貫通孔１１ｈを塞いでいる長方形領域２２ｔと、長方形領域２２ｔの２つの長辺からＹ軸正方向およびＹ軸負方向に突出している２つの突出領域２１ｔと、を有する。長方形領域２２ｔは、Ｘ軸方向（第１の方向）に平行な長辺と、Ｙ軸方向に平行な短辺とから構成される領域である。なお、図３に破線で示される符番「２１ｔ」と「２２ｔ」とのそれぞれは、ヒートシンク２０の下面ではなく、ヒートシンク２０がセラミック基板１０に対向するＺ軸正方向の上面側を指している。

図３に示されるように、貫通孔１１ｈをヒートシンク２０の上面２０ｔに投影したときに、ヒートシンク２０の突出領域２１ｔのうち、Ｘ軸方向に直交するＹ軸方向に沿って長方形領域２２ｔの長辺から最も遠い位置である最遠部２１Ｅを定義する。本実施形態の最遠部２１Ｅは、長方形領域２２ｔの両端であるＸ軸正方向側端部とＸ軸負方向側端部とのそれぞれの内側にある。さらに、最遠部２１Ｅは、セラミック基板１０の貫通孔１１ｈと向かい合っている。また、本実施形態の最遠部２１Ｅは、セラミック基板１０の貫通孔１１ｈの両端であるＸ軸正方向側端部とＸ軸負方向側端部とのそれぞれの内側にある。また、本実施形態の最遠部２１Ｅは、Ｚ軸方向から見たときに、セラミック基板１０の下面１０ｂと重なる位置に配置されている。

図３に示されるように、ヒートシンク２０の重心Ｇ２を通る中心軸ＯＬ１から、長方形領域２２ｔの一方の端部であるＸ軸負方向側の端面までの長さは、Ｌ１である。また、中心軸ＯＬ１軸から、最遠部２１Ｅの一方の端部であるＸ軸負方向側の端面までの長さは、Ｌ２である。本実施形態では、最遠部２１Ｅの端面までの長さＬ２が長方形領域２２ｔの端面までの長さＬ１の１／１０以内になるように、最遠部２１Ｅが形成されている。換言すると、セラミック基板１０の貫通孔１１ｈの長辺の垂直二等分線である中心軸ＯＬ１から貫通孔１１ｈの長辺のＸ軸負方向側の端部までの内側において、最遠部２１Ｅの長さＬ２は、長方形領域２２ｔの端面までの長さＬ１の１／１０以内である。さらに、最遠部２１Ｅの端面までの長さＬ２は、中心軸ＯＬ１から貫通孔１１ｈのＸ軸負方向端部までの距離よりも小さい。

以上説明したように、本実施形態の配線基板１００では、ヒートシンク２０の上面２０ｔは、貫通孔１１ｈを塞いでいる長方形領域２２ｔと、長方形領域２２ｔの長辺からＹ軸正方向およびＹ軸負方向に突出している突出領域２１ｔと、を有する。また、本実施形態の突出領域２１ｔのうちの最遠部２１Ｅは、長方形領域２２ｔの両端であるＸ軸正方向側端部とＸ軸負方向側端部とのそれぞれの内側にある。さらに、最遠部２１Ｅは、セラミック基板１０の貫通孔１１ｈと向かい合っている。本実施形態のヒートシンク２０が突出領域２１ｔを有することにより、突出領域２１ｔを有していない場合と比較して、セラミック基板１０とヒートシンク２０との接合面積が増加する。突出領域２１ｔの位置は、長方形領域２２ｔの長辺における両端よりも内側であり、最遠部２１Ｅは、セラミック基板１０の貫通孔１１ｈと向かい合っている。これにより、突出領域２１ｔは、貫通孔１１ｈの中央部付近のヒートシンク２０の形状に対する熱膨張による変動量に起因する破損を抑制できる。突出領域２１ｔは、ヒートシンク２０の形状変動が大きい部分付近に形成され、形状変動が小さい部分には形成されていない。この結果、本実施形態では、ヒートシンク２０およびセラミック基板１０の破損を抑制した上で、セラミック基板１０の下面１０ｂにおいて配線や素子を配置することが可能な部分の面積を確保して、配線基板１００の設計の自由度を向上させることができる。

また、本実施形態のヒートシンク２０の上面２０ｔは、長方形領域２２ｔの２つの長辺からＹ軸正方向およびＹ軸負方向に突出している２つの突出領域２１ｔを有する。そのため、本実施形態の配線基板１００では、上面２０ｔが有する突出領域２１ｔが１つの場合と比較して、形状変動がより抑制される。

また、本実施形態のヒートシンク２０の上面２０ｔにおける最遠部２１Ｅは、Ｚ軸方向から見たときに、セラミック基板１０の下面１０ｂと重なる位置に配置されている。そのため、最遠部２１Ｅがセラミック基板１０の下面１０ｂと重なっておらず、突出領域２１ｔの一部とセラミック基板１０の下面１０ｂとが接合されていない場合と比較して、形状変動がより抑制される。また、セラミック基板１０とヒートシンク２０との接合面積の過剰な増加を抑制し、配線や素子を配置することが可能な部分の面積を維持できる。

また、本実施形態の最遠部２１Ｅは、セラミック基板１０の貫通孔１１ｈの両端であるＸ軸正方向側端部とＸ軸負方向側端部とのそれぞれの内側にある。すなわち、最遠部２１Ｅは、長方形領域２２ｔの長辺における両端よりも内側、かつ、貫通孔１１ｈの長辺における両端よりも内側に位置する。これにより、最遠部２１Ｅが貫通孔１１ｈの中央部のより近くに位置するため、ヒートシンク２０の形状変動がより抑制される。

また、本実施形態では、セラミック基板１０の貫通孔１１ｈの長辺の垂直二等分線である中心軸ＯＬ１から、貫通孔１１ｈの長辺のＸ軸負方向側の端部までの内側において、最遠部２１Ｅの長さＬ２は、長方形領域２２ｔの端面までの長さＬ１の１／１０以内である。この寸法関係により、突出領域２１ｔがセラミック基板１０の下面１０ｂに接合される接合面積を抑制した上で、ヒートシンク２０の形状変動を抑制する接合面積を確保できる。

＜第２実施形態＞
図５は、第２実施形態の配線基板１００ａの概略下面図である。図６は、第２実施形態のヒートシンク２０ａの概略斜視図である。第２実施形態の配線基板１００ａは、第１実施形態のセラミック基板１０と、八角形の上面２０ａｔを有する板状のヒートシンク２０ａと、を備えている。第２実施形態のヒートシンク２０ａは、第１実施形態のヒートシンク２０に対して、上面２０ａｔおよび下面の形状が異なり、他の形状等については第１実施形態のヒートシンク２０と同じである。そのため、第２実施形態では、第１実施形態と異なる形状について説明し、その他の形状等について説明を省略する。

第２実施形態のヒートシンク２０ａは、重心を通るＺＸ平面とＹＺ平面とのそれぞれに対して線対称の形状を有する。図５，６に示されるように、ヒートシンク２０ａの上面２０ａｔは、第１実施形態と同形状の長方形領域２２ｔと、長方形領域２２ｔの２つの長辺からＹ軸正方向およびＸ軸負方向に突出している２つの突出領域２１ａｔと、を有する。第２実施形態の突出領域２１ａｔは、第１実施形態と同形状の最遠部２１Ｅを有している。突出領域２１ａｔは、Ｚ軸方向から見たときに、第１実施形態の直方体形状である突出領域２１ｔと異なる台形形状を有する。この台形形状は、最遠部２１ＥにおけるＸ軸方向の両端点と、最遠部２１Ｅにおける両端点のそれぞれから長方形領域２２ｔのうち最遠部２１Ｅの両端点に近い頂点と、を結ぶ直線により構成された形状である。このように、突出領域２１ａｔと長方形領域２２ｔとを結ぶ直線については、第１実施形態のような長方形領域２２ｔに直交する直線ではなく、第２実施形態のような長方形領域２２ｔの長辺または短辺から９０度未満の角度を成して傾いた直線であってもよい。

＜第３実施形態＞
図７は、第３実施形態の配線基板１００ｂの概略下面図である。図８は、第３実施形態のヒートシンク２０ｂの概略斜視図である。第３実施形態の配線基板１００ｂでは、第１実施形態および第２実施形態の配線基板１００，１００ａと比較して、異なる形状のヒートシンク２０ｂを備える点が異なり、他の形状については第１実施形態および第２実施形態と同じである。そのため、第３実施形態では、第１実施形態および第２実施形態と異なる形状について説明し、その他の形状等について説明を省略する。

第３実施形態のヒートシンク２０ｂは、図７，８に示されるように、第１実施形態および第２実施形態と同形状の最遠部２１Ｅを有する。ヒートシンク２０ｂは、Ｚ軸方向から見たときに、最遠部２１Ｅと、長方形領域２２ｔの頂点のうちの最遠部２１Ｅから最も近い頂点と、を結ぶ線が、第２実施形態のヒートシンク２０ａのような直線ではなく、Ｒ曲線（円弧の一部）である突出領域２１ｂｔを有している。このように、突出領域２１ｂｔと長方形領域２２ｔとを結ぶ線については、第１実施形態および第２実施形態のような直線ではなく、円弧等の曲線であってもよい。

＜本実施形態の変形例＞
本発明は上記の実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。

上記第１実施形態から第３実施形態では、配線基板１００，１００ａ，１００ｂの一例について説明したが、配線基板が備える基板と板状部材としてのヒートシンクとの形状および材質については変形可能である。基板は、周知のセラミックにより構成されていてもよいし、セラミック以外の材料により構成されていてもよい。ヒートシンクは、Ｃｕ（銅）などの周知の金属で構成されていればよい。

上記第１実施形態のセラミック基板１０では、下面１０ｂに形成された長方形上の開口として貫通孔１１ｈを例に挙げて説明したが、開口の形状については変形可能である。例えば、開口は、セラミック基板１０を厚さ方向（Ｚ軸方向）に沿って貫通した孔ではなく、有底孔であってもよい。換言すると、開口は、下面１０ｂ側に形成された穴（凹部）であってもよい。長方形上の開口における頂点は、厚さ方向から見たときに、Ｃ面取りされていてもよいし、Ｒ加工されていてもよい。

上記第１実施形態のヒートシンク２０の上面２０ｔは、長方形領域２２ｔから突出した２つの突出領域２１ｔを有していたが、突出領域２１ｔの数は変形可能である。例えば、上面２０ｔは、１つの突出領域２１ｔを有していてもよいし、長方形領域２２ｔの長辺に沿って形成された３つ以上の突出領域２１ｔを有していてもよい。突出領域２１ｔの形状については、ヒートシンク２０の重心Ｇ２を通るＺＸ平面に線対称の形状でなくてもよく、複数の突出領域２１ｔが異なる形状を有していてもよい。突出領域２１ｔが長方形領域２２ｔから突出する位置については、必ずしも中心軸ＯＬ１上でなくてもよく、長方形領域２２ｔの長辺における両端よりも内側であればよい。

上記第１実施形態のヒートシンク２０の最遠部２１Ｅは、Ｚ軸方向から見たときに、セラミック基板１０の下面１０ｂと重なる位置に配置されて下面１０ｂに接合されていたが、下面１０ｂと重ならずに下面１０ｂからはみ出していてもよい。また、ヒートシンク２０の上面２０ｔの全てがセラミック基板１０の下面１０ｂに接合されていなくてもよい。また、最遠部２１Ｅは、長方形領域２２ｔと貫通孔１１ｈとの長辺に平行な面であったが、長方形領域２２ｔと貫通孔１１ｈとの長辺と交差する平面であってもよいし、曲面であってもよい。

上記第１実施形態では、ヒートシンク２０の上面２０ｔにおいて、突出領域２１ｔの最遠部２１Ｅにより規定される長さＬ２が、長方形領域２２ｔの長辺により規定される長さＬ１の１／１０以内であったが、長さＬ１と長さＬ２との寸法関係については、この限りではなく変形可能である。

上記第１実施形態から第３実施形態では、図１～８に示される直交座標系ＣＳが定義されたが、定義される座標系については、任意に変更可能である。上記第１実施形態では、厚さ方向に平行なＺ軸方向が定義され、セラミック基板１０を上側、ヒートシンク２０が下側として説明されたが、定義される座標系に応じて、上下方向等は対応させて表現できる。

上記第１実施形態のヒートシンク２０の長方形領域２２ｔは、厚さ方向から見たときに、角部をＲ加工されていてもよいし、短辺をＲ加工して楕円形状となっていてもよい。

以上、実施形態、変形例に基づき本態様について説明してきたが、上記した態様の実施の形態は、本態様の理解を容易にするためのものであり、本態様を限定するものではない。本態様は、その趣旨並びに特許請求の範囲を逸脱することなく、変更、改良され得ると共に、本態様にはその等価物が含まれる。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除することができる。

１０…セラミック基板（基板）
１０ｂ…セラミック基板の下面（第２の面）
１０ｔ…セラミック基板の上面（第１の面）
１１…貫通孔形成部
１１ｈ…貫通孔（開口）
２０，２０ａ，２０ｂ…ヒートシンク（板状部材）
２０ｔ，２０ａｔ…ヒートシンクの上面（第３の面）
２１ｔ，２１ａｔ，２１ｂｔ…突出領域
２１Ｅ…最遠部
２２ｔ…長方形領域
１００，１００ａ，１００ｂ…配線基板
ＣＳ…直交座標系
Ｇ１…セラミック基板の重心
Ｇ２…ヒートシンクの重心
Ｌ１，Ｌ２…長さ
ＯＬ１…中心軸（垂直二等分線）

Claims (5)

1. 第１の面と、前記第１の面と反対側の第２の面とを有し、
   前記第２の面に長方形状の開口を有する孔が形成された基板と、
   前記開口を塞ぐように前記第２の面上に配置される第３の面であり、前記第２の面に接合される第３の面を有する金属からなる板状部材と、
   を備えた配線基板であって、
   前記配線基板の厚み方向から見たときに、
   前記第３の面は、前記開口を塞ぎ、前記開口の長辺に平行な第１の方向に沿う長辺を有する長方形領域と、前記長方形領域の長辺から突出する突出領域と、を有し、
   前記開口を前記第３の面に投影したときに、
   前記突出領域のうち、前記第１の方向に垂直な方向において前記長方形領域の長辺から最も遠い位置である最遠部が、前記第１の方向において前記長方形領域の長辺の両端よりも内側にあり、かつ、前記開口の長辺と向かい合っていることを特徴とする配線基板。
2. 前記第３の面の前記突出領域は、前記長方形領域の２つの長辺からそれぞれ突出することを特徴とする、請求項１に記載の配線基板。
3. 前記最遠部は、前記厚み方向視において、前記第２の面と重なる位置に配置されていることを特徴とする、請求項１または請求項２に記載の配線基板。
4. 前記最遠部は、前記第１の方向で前記開口の長辺の両端より内側に配置されていることを特徴とする、請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の配線基板。
5. 前記最遠部は、前記開口の長辺の垂直二等分線と前記開口の長辺の一方の端部の内側において、前記開口の長辺の垂直二等分線から、前記第１の方向で前記長方形領域の長辺の一方の端部に向かって１／１０以内の位置に配置されていることを特徴とする、請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の配線基板。

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