JP3706317B2 - 低温焼成セラミック基板構造体 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、一般に、基板構造体(substrate structure)に関し、特に、二重用途の埋め込み層を有する低温焼成セラミック基板構造体に関する。
【0002】
【従来の技術】
種々の形式の誘電体材料を用いて、電子応用の基板を形成している。基板に利用される一般的な材料の1つは、アルミナ・セラミック材料であり、基板の上面には、従来の厚膜抵抗器い又は薄膜抵抗器や金属被覆が形成される。アルミナ・セラミック基板の利点は、熱的導伝性であり、基板上に取り付けられた集積回路が発生する熱を散逸させるのを助ける。一方、アルミナ・セラミック基板の欠点は、基板内に内部層を形成するのが困難な点である。
【0003】
また、低温焼成セラミック(LTCC:Low Temperature Co-fired Ceramic)材料を用いて、電子応用のための誘電体基板も形成されている。LTCC材料の利点は、抵抗、コンデンサ、インダクタ、変圧器などの埋め込み材料を基板内に形成できることである。アメリカ合衆国特許第5604673号は、電力変換用の低温焼成セラミック基板を開示している。この低温焼成セラミック基板は、多くの層を有し、種々の金属化導体をこの基板の外側面に有すると共に、種々の基板内側層も有する。集積回路が配置される空洞を形成する際、この空洞の直下の基板内に形成される熱ビア(通路)を有する場合と有さない場合とがある。ヒートシンクは、基板の下部に位置決めされ、この基板は、熱ビアと一致して、基板上に形成された電子回路用の熱管理を行う。代わりに、集積回路素子を基板の上面に配置して、熱ビアを基板の真下に形成してもよい。ヒートシンクを受ける基板の対向側から、基板に空洞を形成する。熱管理のために、集積回路素子の下の熱ビアとヒートシンクが一致する。さらに別の従来例では、例えば、アメリカ合衆国特許第5386339号に記載のように、高熱導伝性LTCCテープを用いて、低温焼成セラミック基板内の本来の位置にヒートシンクを形成している。なお、集積回路の下の低温焼成セラミック基板を高熱導伝性LTCCテープと交換する。
【0004】
種々のストリップ・ライン・コンポーネント及び受動素子は、特定の回路設計の要求に応じて、低温焼成セラミック基板に形成されている。例えば、コンデンサは、2個の平行な導電プレート構造体を配置することにより形成できる。なお、これらプレート構造体は、互いに隣接しており、低温焼成セラミック層が間に入って分離されている。導電ビアを用いて、これらプレートを、基板内の他の埋め込みコンポーネント上の基板の表面上のコンポーネントに接続できる。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
上述の焼成セラミック構造体の欠点は、適切な電圧を集積回路素子に供給する際に、その素子が発生した熱の管理を行わなければならないことである。一般的に、表面実装集積回路素子の底面は、電圧入力リードとして作用する。従来技術では、ヒートシンク及びビアを介して、このリードを接地電位に結合している。しかし、あるアプリケーションにおいては、集積回路の底部の電圧入力リードは、負の電圧源の電圧の如きある電圧レベルである必要がある。よって、LTCC基板構造体にとっては、集積回路の底面電圧入力リードが、接地でない電圧供給源に結合される一方、ヒートシンクを接地電位に維持して、集積回路素子が発生する熱を管理する必要がある。かかる構造体では、基板全体にわたって生じる影響は最小でなければならない。基板構造体は、この基板構造体の上及び内部に形成された種々のコンポーネントを割り付けて接続する際に柔軟性がなければならない。さらに、熱管理構造体の要素をコンポーネント構造体と組み合わせても、基板を最小のサイズに維持する必要がある。
【0006】
したがって、本発明は、集積回路の底面電圧入力リードが、接地でない電圧供給源に結合される一方、ヒートシンクを接地電位に維持して、集積回路素子が発生する熱を容易に管理できると共に、基板全体に対する熱の影響が最小であり、コンポーネントの割り付け及び接続に柔軟性があり、基板を最小のサイズにできる低温焼成セラミック基板構造体を提供するものである。
【0007】
【課題を解決するための手段】
よって、本発明の低温焼成セラミック基板構造体は、上面及び底面を夫々有する第1及び第2誘電体層を有する。第1誘電体層の上面は、そこに形成された第1導電パターンを有し、第1導電要素がコンデンサの第1プレートとして作用する。第1誘電体層の上面に形成された第2導電要素は、集積回路素子の電位リードとして作用し、その集積回路素子の底面は、この集積回路素子の電圧入力リードである。第2導電パターンは、第1及び第2誘電体層の間に配列され、且つ第1導電パターンの下に配置され、コンデンサの第2プレートとして機能すると共に、集積回路素子の熱導伝性熱伝達層としても機能する。少なくとも1個の熱導伝性ビアが、第2誘電体層の上面及び底面の間で、第1誘電体層の上面の第2導電要素の下に形成される。このビアは、第2導電パターンに熱結合される。
【0008】
好ましくは、基板構造体は、配列パターンとして集積回路素子の下に形成された複数の熱導伝性ビアを有する。ヒートシンクは、第2誘電体層の底面に隣接して配置され、単一又は複数の熱導伝性ビアに熱結合される。本発明の好適実施例において、第3導電パターンを第2誘電体層の底面に形成し、この第2誘電体層は、単一又は複数の熱導伝性ビアに熱結合している。ヒートシンクは、第2誘電体層の底面に隣接して配置され、第3導電パターンに熱結合される。単一又は複数の熱導伝性ビアは、好適には、金などの高い熱導伝性物質が詰まった筒状のボアで形成されている。また、単一又は複数の熱導伝性ビアは、導電体であることが好ましい。
【0009】
好ましくは、第1誘電体層の厚さは、0.004インチ(0.1016mm)のレンジであり、第2誘電体層の厚さは、0.025インチ(0.635mm)のレンジである。導電パターンの厚さは、0.0005インチ(0.0127mm)のレンジである。この配列の熱導伝性ビアの各々のボアの直径は、0.010インチ(0.254mm)のレンジであり、中心から中心までの間隔は、0.020インチ(0.508mm)のレンジである。
【0010】
本発明の目的、利点及び新規な特徴は、添付図を参照した以下の説明から明らかになろう。なお、本明細書での上や底などの相対的な用語は、添付図を基準にしているが、低温焼成セラミック基板構造体の向きを変えることにより相対的な用語も変わるので、これら用語は、特許請求の範囲を含めて絶対的な意味で用いるものではない。
【0011】
【発明の実施の形態】
図1は、本発明の低温焼成セラミック(LTCC)基板構造体10の第1実施例の平面図である。この基板構造体10は、図1の線A−A’に沿った側断面図である図2から判るように、誘電体LTCC材料の個別層から形成した多層構造である。基板構造体10は、好ましくは、デュポン社製951型LTCC材料を用いて実施するが、このデュポン社製951型LTCC材料と類似の特性を有する他のLTCC材料を本発明に同様に用いることもできる。
【0012】
基板構造体10は、夫々上面及び底面を有する第1誘電体層12及び第2誘電体層14を有する。第1誘電体層12の上面は、そこに形成された第1導電パターン16を有する。導電パターン16は、コンデンサ20の第1プレートとして機能する第1導電要素18を有する。第2導電要素22は、第1誘電体層12の上面に形成され、集積回路素子24の電位リードとして機能する。好適実施例において、表面実装演算増幅器の如き集積回路素子24は、この素子の底面をこの素子の電位リードとして用い、一般的には、この電位リードに供給される負電位となる。第1誘電体層12及び第2誘電体層14の間で、第1導電パターン16の下には、第2導電パターン26が配置される。第2導電パターン26は、コンデンサ20の第2プレートとして機能すると共に、集積回路素子24用の熱導伝性熱伝達層としても機能する。すなわち、二重の用途となる。熱導伝性ビア28は、第2誘電体層14の上面及び底面の間で、且つ誘電体層12の上面の第2導電要素22の下に形成される。ヒートシンク30は、好ましくは、第2誘電体層14の底面の近傍に配置され、ビア28を介して第2導電パターン26に熱結合される。
【0013】
第2導電パターン26は、基板構造体10の回路要素及び熱伝達層の両方として機能する。第1誘電体層12の厚さは、誘電体層材料の熱特性の関数である。デュポン社製951型LTCC材料を用いた第1誘電体層12の厚さは、好適には、0.004インチ(0.1016mm)のレンジである。同じLTCC材料を用いる第2誘電体層14の厚さは、0.025インチ(0.635mm)のレンジである。第1導電パターン16及び第2導電パターン26は、周知の厚膜処理又は薄膜処理を用いて形成できる。好適実施例において、第1導電パターン16及び第2導電パターン26の厚さは、0.0005インチ(0.0127mm)のレンジである。第2誘電体層14内に形成された筒状ボアは、好ましくは、金などの熱導伝性金属で埋まっており、熱導伝性ビア28を作る。当該技術分野で既知の材料を用いて、LTCC材料における熱導伝性ビアを作ってもよい。好適実施例において、熱導伝性ビアは、導電性である。これにより、本発明の基板構造体を用いる回路設計に柔軟性ができ、第2導電パターン26、ビア28及びヒートシンク30を接地に電気的に結合できる。
【0014】
図3は、本発明のLTCC基板構造体10の好適な第2実施例の平面図であり、図4は、図3の線B−B’に沿った側断面図である。図3及び図4に示す素子の内、図1及び図2に示す素子と同じものは、同じ参照符号で示す。第1導電パターン16及び第2導電パターン26の互いの相対位置と、第1誘電体層12及び第2誘電体層14に対するこれら導電パターンの位置とは、上述の第1実施例の場合と同じである。さらに、誘電体層12及び14と導電パターン16及び26との厚さは、上述の第1実施例の場合と同じである。この好適な第2実施例では、単一の導電ビアの代わりに、第2導電要素22の下に複数の熱導伝性ビア40を用いている。これら複数の熱導伝性ビアは、第2誘電体層14の上面及び底面の間に形成された筒状ボアである。これらボアの直径は、0.010インチ(0.254mm)のレンジであり、ボアの中心から中心の間隔は、0.020インチ(0.508mm)のレンジである。これらボアは、金の如き導電性の熱導伝性材料が充填されている。これらビアは、熱的且つ電気的に、第2導電パターン26と、第2誘電体層の底面の第3導電パターン42とを結合している。ヒートシンク30は、第3導電パターン42の近傍に配置されており、この第3導電パターンに熱的且つ電気的に結合されている。
【0015】
本発明の基板構造体10は、基板の大きさが非常に重要な高速プローブ回路用ハイブリッドに有利に用いることができる。第1導電要素18及び第2導電要素26により形成されたコンデンサ20は、差動減衰器の入力並列抵抗器/コンデンサ回路網の一部であってもよい。高速アプリケーションにおいて、表面実装緩衝増幅器集積回路を差動減衰器の直ぐ近くに配置する。緩衝増幅器の底面は、電圧入力リードとして構成され、第2導電要素22を介して負電圧源に結合される。ヒートシンク30は、接地に電気的に結合される。第1誘電体層12は、負電位の第2導電要素を熱伝達層から遮断する。この熱伝達層は、熱導伝性ビアを介してヒートシンクに結合している。第1誘電体層12も、コンデンサ20の一方のプレートを形成する第1導電要素と、コンデンサ20の他方のプレートを形成する第2導電パターン26との間を電気的に遮断する。代わりに、第2導電パターン26を接地に電気的に結合して、複数のビア40を介してヒートシンクを接地に電気的に結合することもできる。
【0016】
本発明の基板構造体10は、図示の如く、2個のLTCC誘電体層を用いており、第1誘電体層12の上面が基板の上面である。本発明の基板構造体10は、LTCC基板内に同様に使用することができ、第1誘電体層12及び第2誘電体層14がLTCC誘電体層の大きな積み重ね内に配置される。かかる構成において、基板は、集積回路素子24を受けるようにその基板に形成された空洞を有する。第1導電パターン16の第2導電要素22は、空洞の内部平面上に露出しており、第1導電要素18は、重なった誘電体層の下に埋め込まれている。第2導電パターンは、第1誘電体層12及び第2誘電体層14の間に配置される。第2誘電体層14は、LTCC材料の多数の個別層から形成してもよく、この場合、これら個別層の間に形成された変成器、インダクタ、コンデンサ、抵抗器などの受動電気要素を具えている。また、単一又は複数の熱導伝性ビアがこれら個別層を介して形成されている。
【0017】
上述した本発明の低温焼成セラミック基板構造体は、コンデンサのプレート及びヒートシンク層として機能する二重の用途の埋め込み層を有する。この埋め込み層は、第1及び第2誘電体層の間に配置されている。導電パターンは、埋め込み二重用途層を覆う第1誘電体層の上面に形成される。上面の導電パターンは、コンデンサの他方のプレートとして機能する第1導電要素と、第2導電要素上に設けられた集積回路用の電位リードとして機能する第2導電要素とを有する。1個以上の熱導伝性ビアを第2導電要素の下の第2誘電体基板内に形成する。これらビアは、二重用途の埋め込み層に熱的に結合され、基板内で発生する熱を管理する。第3導電パターンは、ビアに熱結合された第2誘電体層の底面に形成できる。ヒートシンクは、ビアに熱結合された第2誘電体層の底面の近傍に配置できる。本発明の好適実施例において、ビアは、導電性である。
【0018】
本発明の要旨を逸脱することなく、本発明の上述の実施例の細部を変更することが当業者には容易であろう。よって、本発明の要旨は、特許請求の範囲により限定される。
【0019】
【発明の効果】
上述の如く、本発明の低温焼成セラミック基板構造体によれば、集積回路の底面の電圧入力リードを、接地でない電圧供給源に結合できる一方、ヒートシンクを接地電位に維持して、集積回路素子が発生する熱を容易に管理できる。また、基板全体に対する熱の影響を最小にでき、コンポーネントの割り付け及び接続に柔軟性があり、基板を最小のサイズにできる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明による低温焼成セラミック基板構造体の第1実施例の平面図である。
【図2】図1に示す本発明による低温焼成セラミック基板構造体の第1実施例の線A−A’に沿った断面図である。
【図3】本発明による低温焼成セラミック基板構造体の第2実施例の平面図である。
【図4】図3に示す本発明による低温焼成セラミック基板構造体の第2実施例の線B−B’に沿った断面図である。
【符号の説明】
10 低温焼成セラミック(LTCC)基板構造体
12 第1誘電体層
14 第2誘電体層
16 第1導電パターン
18 第1導電要素
20 コンデンサ
22 第2導電要素
24 集積回路素子
26 第2導電パターン
28 ビア
30 ヒートシンク
40 ビア
42 第3導電パターン
Claims (8)
- 上面及び底面を夫々有する第1誘電体層及び第2誘電体層と、
該第1誘電体層の上記上面に形成され、コンデンサの第1プレートとして機能する第1導電要素、及び集積回路素子用の電位リードとして機能する第2導電要素を有し、上記集積回路素子の底面が上記集積回路素子の電圧入力リードである第1導電パターンと、
上記第1誘電体層及び上記第2誘電体層の間に配置され、且つ上記第1導電パターンの下に配置されて、上記コンデンサの第2プレートとして機能すると共に上記集積回路素子用の熱導伝性熱伝達層として機能する第2導電パターンと、
該第2誘電体層の上面及び底面の間で、且つ上記第2導電要素の下側で、上記第2導電パターンに熱的に結合された少なくとも1つの熱導伝性ビアと
を具えた低温焼成セラミック基板構造体。 - 上記熱導伝性ビアは、金が詰まった筒状ボアであることを特徴である請求項1の低温焼成セラミック基板構造体。
- 上記第2誘電体層の底面近傍に配置され、上記熱導伝性ビアに熱的に結合されたヒートシンクを更に具えることを特徴とする請求項1の低温焼成セラミック基板構造体。
- 上記熱導伝性ビアに熱的に結合された上記第2誘電体層の底面に形成された第3導電パターンを更に具えることを特徴とする請求項1の低温焼成セラミック基板構造体。
- 上記第2導電要素の下の上記第2誘電体層の上面及び底面の間に形成され、上記第2導電要素に熱的に結合した複数の熱導伝性ビアを更に具えることを特徴とする請求項1の低温焼成セラミック基板構造体。
- 上記第1誘電体層の厚さは、0.1016mmのレンジであることを特徴とする請求項1の低温焼成セラミック基板構造体。
- 上記第2誘電体層の厚さは、0.635mmのレンジであることを特徴とする請求項1の低温焼成セラミック基板構造体。
- 上記第1及び第2導電パターンの厚さは、0.0127mmのレンジであることを特徴とする請求項1の低温焼成セラミック基板構造体。
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