JP3860425B2 - 回路基板、その製造方法、自動車用電子回路装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は電子回路を実装するための回路基板、その製造方法、およびそれを利用した自動車用電子回路装置に係り、特に、自動車等の過酷な温度環境に耐えるに適した回路基板に関する。
【0002】
【従来の技術】
回路基板に半導体パワー素子のように発熱性を有する回路素子を搭載する場合には、熱伝導の良いヒートシンクを用いて回路素子の熱を放熱している。最近では、このヒートシンクを回路基板上に配置するものに代わって、内層配線を有する積層型の回路基板の内部に埋設し、その一端面を回路基板上に位置させて、ヒートシンク上に半導体パワー素子を配置する技術が提案されている。
【0003】
この種の従来例としては、例えば、特開平7−162157号公報に開示されるように、回路基板(絶縁部材の積層体)としてアルミナを使用し、基板中に埋設されるヒートシンク(充填金属)としては、高融点材料であるMo(モリブデン)粒子とアルミナ粒子の混合物(金属ペースト)を用いたものや、w(タングステン)粒子とアルミナ粒子の混合物を用いたものが提案されている。また、この公報には、基板材質として、ガラスとガラスとセラミックの複合材料を用いてもよく、その場合の熱伝達導体としては、Ag,Ag−Pd,Cu等を用いることを提案している。
【0004】
なお、上記同様の材質を用いた回路基板,ヒートシンク(充填金属)を使用したその他の従来例としては、特開平8−335782号公報、特開平9−181457号公報がある。
【0005】
また、特開平10−154767号公報では、基板として低温で焼成可能(850℃〜1300℃)な絶縁体を用い、この絶縁体中にヒートシンク(Cu,Ag,Ni,Pd,Au等の低融点金属と、SiO2系化合物やAl2O3系化合物、炭酸塩、ガラス無機成分との複合体よりなるもので、焼成前は金属ペースト状)を埋設して、絶縁体と同時焼成するものが提案されている。
【0006】
特開平7−130907号公報では、基板としてガラスセラミックを用い、基板に埋設されるヒートシンク材として、金、銀、銅もしくはその合金のうち少なくとも1つの金属材料(粉末)と低融点ガラス成分と、有機バインダーと有機溶剤などを混練した金属ペーストを用いている。また、この公報では、基板とヒートシンク材を一体的に燒結するが、その燒結は、脱バインダ過程と焼成過程からなる方法を提案している。その他、同様の技術が特開平9−153679号公報においても開示されている。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
上記した従来の基板埋設型のヒートシンクは、焼成前は、多層基板(積層体)が積層される前過程で埋設対象の基板(単一板)の貫通孔(ビアホール、スルーホール等と称せられる)に、印刷技術を利用して金属ペーストの状態で充填される。
【0008】
このような金属ペーストの充填方式では、ヒートシンク容積を大きくとろうとしてビアホールの径を大きくとろうとすると、単層基板を積層しようとする場合などの移動過程で金属ペーストが自重により脱落してしまうため、ビアホールの径を大きくとれない。
【0009】
そのため、小径の多数のビアホールを形成することで上記課題に対処し、且つ放熱量を上げているが、多数のビアホールを形成する場合には、半導体パワー素子搭載面積が大きくなる傾向がある。
【0010】
充填する金属ペーストには、基板素材との接合を配慮して多くのガラスフリットが含まれる。ガラスフリットとは、比較的低い温度で焼成処理することによって、コージェライト、ムライト、アノーサイト、セルジアン、スピネル等やその置換誘導体の結晶相を少なくとも1種類析出するガラス組成物からなる。
【0011】
このような低融点ガラス成分は、焼成後にボイド(空乏)を発生させる因子となり、熱伝導性が低下させることも考えられる。ボイドは、製品個々に品質のばらつきを生じさせ、自動車の過酷な環境下ではその改善が望まれる。
【0012】
本発明の目的は、基板埋設型のヒートシンク材として従来のものに代わるものを提供し、それは、多層基板としてガラスセラミックのような低融点で焼成可能なものに対して相性が良く、ボイド発生防止などの品質向上が図れ、しかもヒートシンク単体あたりの容積を大きくできる大径のビアホールを形成可能な回路基板及びその製造方法を実現させることにある。
【0013】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記目的を達成するために、少なくとも発熱素子を搭載する電子回路の基板において、
前記基板は、セラミックとガラスの複合材を積層したものであり、この積層体の内部に前記発熱体の熱伝導体(ヒートシンク)となる銅と酸化銅の複合材が埋設し、このヒートシンク素材を前記積層体と共に焼成した回路基板を提案する。
【0014】
また、ガラスセラミックのグリーンシートを内層配線を含むように積層し、この積層体を焼成して回路基板を製造する方法において、
前記グリーンシートの積層体に熱伝導体として銅と酸化銅よりなる複合材を粉黛成形の状態で埋設し、その後、前記積層体中のバインダーを燃焼させる工程と、前記積層体と前記熱伝導体を同時に焼成する工程とを有してなる製造方法を提案する。
【0015】
【発明の実施の形態】
本発明の実施例を図によって説明する。
【0016】
図1は、本発明の一実施例に係る回路基板を用いた電子モジュール(電子回路装置)をカバーを取り去って示した平面図、図2は、上記電子モジュールをカバーを取付けた状態で示す縦断面図である。
【0017】
本実施例に係る電子モジュールは、例えば、自動車エンジンの運転を制御するモジュールであり、図示していないが、エンジン回転数、エンジンの吸い込む空気量、エンジンの温度等を入力し、マイクロコンピュータ(IC)48によってエンジン運転に最適な燃料供給、点火信号を出力する。
【0018】
まず、図1、2により基板および電子モジュールの構造を説明する。
【0019】
回路基板1は、複数の層1a〜1bよりなるガラスセラミックの多層基板(積層体)で、層間に配線パターンとなる内層導体12,13が形成され、基板上面にマイクロコンピュータ(ICチップ)、半導体パワー素子、抵抗、ボンディングパッドなどの電子部品41〜53及び配線パターンが設けられている。例えば、符号の48、51、50がICチップ、41、42が半導体パワー素子である。基板1の上面および層間の導体(配線)は、導電性金属を充填したビアホール20を介して電気的に接続されている。
【0020】
多層基板1の内部うち、半導体パワー素子41および42を配置する箇所に対応して、ヒートシンク(熱伝導体)2を埋設(充填)するための有底孔11が設けられている。
【0021】
孔11の底は、基板1の最下層1dにより構成されている。すなわち、孔11は、層1a〜1dにかけて形成されている。
【0022】
ヒートシンク2は、銅と酸化銅の複合材であり、ガラスセラミック多層基板(積層体)1と共に焼成されている。
【0023】
このヒートシンク2は、基板1の製造工程で基板1内に粉黛成形された状態でビルトインされた後に、基板と共に焼成されるものである。
【0024】
ヒートシンク2の一端面は基板1の表面に臨み、そのヒートシンク一端面と基板1の表面とは、ほぼ同一面をなしている。これは基板1に電子部品41〜53の搭載を容易にするためである。
【0025】
また基板1の表面(一端面)には、厚膜導体55が形成され、その上に導電性接合材57を介してベアチップ(裸素子)状態で半導体パワー素子41(42)が接合されている。圧膜導体55は、銀を主成分とした金属とガラスの混合体である。接合材57は、はんだ材又は導電性接着剤である。
【0026】
54は、基板1の表面に形成した酸化ルテニウム抵抗体である。電子部品43〜53も、導体55にはんだ57によって電気的に接続されていると共に、機械的に固定されている。
【0027】
ベアチップ41,42、48、50、51は電気的にはワイヤ−ボンディングのワイヤ58により回路と接続されている。基板1は放熱性に優れた金属ベース3に接着剤31によって接合されている。
【0028】
接着剤31は薄く、かつ熱ストレスをやわらげるためシリコーン系のものである。
【0029】
合成樹脂製のハウジング5は、回路基板1を収納するためのものであり、接着剤32を用いて金属ベース3と接合されている。
【0030】
さらにハウジング5には、回路モジュールの電気的入出力のためのターミナル54が樹脂成形により挿入され(インサート成形)、このターミナル54は、基板1上の電子回路とワイヤ56及びボンディングパッド53によって電気的に接続されている。6は樹脂製カバーでハウジング5に接着されている。
【0031】
ここで、図3〜図5を用いて、本実施例のヒートシンクの特性および回路基板1の製造方法を説明する。図3は、ヒートシンクの線膨張係数−熱伝導率特性とその素材である銅と酸化銅の配合比を示し、図4は、回路基板の製造工程を示し、図5は、製造工程の温度プロフィールを示す説明図である。
【0032】
本実施例では、ヒートシンク2の素材は、銅(Cu)と酸化銅(Cu2O)の複合材であり、それらの配合比によって熱伝導率と線膨張係数は、図3に示すような特性を示す。
【0033】
すなわち、酸化銅(Cu2O)100重量%では熱伝導率はほぼ0であるが、線膨張係数は3.0ppm/℃と小さい。一方、銅(Cu)100重量%では、線膨張係数18ppm/℃と大きいが、熱伝導率400W/m・℃と大きい。したがって、この配合比を適切に選ぶことによりガラスセラミック1の線膨張係数4.5〜7.5ppm/℃に合せることができる。ヒートシンク2の線膨張係数を4.5〜7.5ppm/℃にするには、Cuは70〜90重量%、Cu2Oは10〜30重量%の割合では配合すればよい。
【0034】
自動車のパワー素子のヒートシンクでは、熱伝導率は50W/m・℃以上あれば、ほぼ賄える。この実施例では、一例として、ガラスセラミックの線膨張係数6.8ppm/℃を選択し、熱伝導率を80W/m・℃程度に銅/酸化銅の配合比を設定している。この場合のヒートシンク複合材の配合比は、Cuはほぼ80〜重量%、Cu2Oは20重量%である。
【0035】
さらに、この複合材の焼結による収縮率は成形圧によって可変できるので、ガラスセラミックの多層板製作工程に内在させることが可能である。図4によってその製造工程を説明する。
【0036】
まず、ガラスセラミック基板1については、素材としてガラスとセラミックとを混合したグリーンシート61〜64を準備し、その表面に内層配線となる導体13,12を印刷により形成する。導体13,12の材料は、銀、あるいは銀/バラジウム、銀/白金ペーストといった厚膜材料である。また、シート61〜63にはヒートシンクを内在するための孔11があけてあるが、シート64は絶縁を確保するため孔は設けていない。これらのシート61〜64を重ねあわせ、多層シート65の形にする。
【0037】
一方、ヒートシンクはまず、銅粉(Cu粉)と酸化銅粉(Cu2O粉)を前述の配合比で配合し、十分攪拌する。
【0038】
次いで型に入れた後、適切な体積収縮率になる寸法に粉黛成形する。ここで適切な体積収縮率とは後のガラスセラミックとの焼結工程での寸法収縮率を合せることであり、ガラスセラミックの収縮率によって微妙に調整する。
【0039】
次いで、合体工程にてヒートシンク2の素材(粉黛成形体)をシート65の孔11へ挿入する。そして加圧プレスして、表裏の面を平坦にする。ここで必要に応じ、図2に示した厚膜導体55を塗布した後、次に述べる焼成(焼結)工程に付され、冷却工程を経て完成する。
【0040】
本実施例の焼成工程における特徴を図4説明する。
【0041】
本回路基板では、ガラスセラミックのバインダーを燃焼する工程と、ガラスセラミック(基板素材)およびヒートシンク素材(銅/酸化銅の複合体)を焼結(焼成)させる工程を経て回路基板が形成される。ガラスセラミックとヒートシンクは、燒結接合させるために同時の燒結工程が必要である。
【0042】
図5に示した本実施例の焼成(焼結)温度プロファイルを用いて焼結工程を説明する。まず、ガラスセラミック内の有機バインダーを500〜600℃にて概略5時間かけ、燃焼させる。この工程は、有機バインダーを燃焼させるため有酸素雰囲気で行なわれる。この工程において、ヒートシンク2の銅分の酸化は、厚膜ペースト21によって保護される。ついで、雰囲気を一旦室温まで開放でも連続的温度雰囲気でも良いが、無酸素雰囲気に切り替える。本実施例ではアルゴン雰囲気とした。そして温度を800〜1000℃で概略2時間保持する。この雰囲気により、ガラスセラミックの焼結と銅/酸化銅の夫々の焼結、そしてガラス中の酸素と銅の酸化がおこなわれガラスセラミックと銅/酸化銅の複合材の接合が行われ確実な接合を得ることができる。
【0043】
本焼成(焼結)によればガラスセラミック、銅/酸化銅の焼結と接合を確実に行うことができる。
【0044】
そして、本実施例によれば、ヒートシンク2を、銅と酸化銅の複合材にすることによりセラミック基板1との熱膨張係数をほぼ同値にし、ヒートシンクと基板の接合ストレスを緩和するとともに、ガラス材のボイドのような熱伝導性の変動要因を排除することで、品質の高い回路基板を低コストで提供することができる。
【0045】
また、ヒートシンク2は銅と酸化銅の複合材であるので、その配合比で決まる放熱特性でばらつきが少ない利点がある。
【0046】
さらに、ヒートシンク2は、粉黛成形および加圧プレス工程でグリーンシートに内在させることができるので、金属ペーストのようにグリーンシートから脱落することがなく、したがって、ヒートシンク2を大きくして、ベアチップ(41,42)と略同じ寸法にできるので、従来のような多数のヒートシンク用ビアホールを設けるものに較べてベアチップ搭載スペースを小さくすることができる。
【0047】
さらに、ヒートシンクの電気絶縁をガラスセラミックの単層で形成するため確実な絶縁が確保できる。
【0048】
さらに、ガラスセラミック内層に熱伝導の良い金属導体(配線)がヒートシンクの近傍外周に配することができるので基板としての放熱性に優れる。
【0049】
【発明の効果】
本発明によれば、大きな容量のヒーシンクを発熱素子のある位置の基板内に単体で埋設することで放熱機能を満足させるので、そのヒートシンク設置スペースのコンパクト化を図り得る。
【0050】
しかも、ヒートシンクに不安定要素が無いので、熱伝導率の安定したヒートシンク内蔵の回路基板を得ることができる。また、ヒートシンクの製造プロセスを回路基板の製造工程に内在できるので安価な回路基板を提供することができる。本発明の回路基板は小型で放熱特性が安定、絶縁安定性、価格性に優れており、使用環境の厳しい自動車に最適な回路基板ひいては電子回路装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施例に係る回路基板を用いた電子モジュールの平面図。
【図2】図1の電子モジュールの断面図。
【図3】上記実施例におけるヒートシンクの特性を示す説明図。
【図4】上記実施例の回路基板の製造工程を示す説明図。
【図5】上記実施例の焼成工程の温度プロファイルを示す図。
【符号の説明】
1…回路基板、2…ヒートシンク(熱伝導体)、3…ベース。
Claims (4)
- 少なくとも発熱素子を搭載する電子回路の基板において、
前記基板は、セラミックとガラスの複合材を積層したものであり、この積層体の内部に前記発熱素子の熱伝導体となる銅と酸化銅の複合材が埋設され、この熱伝導体は、前記積層体と共に焼成されており、
且つ前記熱伝導体は、粉黛成形された銅と酸化銅の複合材を焼成してなることを特徴とする回路基板。 - 前記熱伝導体は、その一端面が前記積層体の表面に臨み、この熱伝導体の一端面上に厚膜導体を形成し、その上に導電性接合材を介して前記発熱素子である半導体パワー素子を接合してなる請求項1記載の回路基板。
- 前記厚膜導体は、銀を主成分とした金属とガラスの混合体で、前記導電性接合材は、はんだ材又は導電性接着剤である請求項2記載の回路基板。
- ガラスセラミックのグリーンシートを内層配線を含むように積層し、この積層体を焼成して回路基板を製造する方法において、
前記グリーンシートの積層体に熱伝導体として銅と酸化銅よりなる複合材を粉黛成形の状態で埋設し、その後、前記積層体中のバインダーを燃焼させる工程と、前記積層体と前記熱伝導体を同時に焼成する工程とを有してなることを特徴とする回路基板の製造方法。
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