JP4630041B2

JP4630041B2 - 配線基板の製造方法

Info

Publication number: JP4630041B2
Application number: JP2004329815A
Authority: JP
Inventors: 誠永井; 節男矢田; 敦士内田; 雅仁森田
Original assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Current assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Priority date: 2004-11-12
Filing date: 2004-11-12
Publication date: 2011-02-09
Anticipated expiration: 2024-11-12
Also published as: JP2006140360A

Description

本発明は、比較的発熱量が多い発光素子を実装するための配線基板の製造方法に関する。

近年、フリップチップ型の配線基板には、発光ダイオードなどの比較的発熱量が多い発光素子を実装することが求められている。前記発光ダイオード素子（ＬＥＤ素子）は、その動作に伴って従来の電子部品に比べ多量の熱を発生する。このため、ＬＥＤ素子を実装する配線基板の表面やキャビティの底面に位置する実装エリアの直下には、放熱孔や当該孔に金属ペーストを充填することが提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００２−３５３５１５号公報（図１，図７）

前記特許文献１に開示された放熱孔は、ＬＥＤ素子を実装する補助セラミックシートの直下に位置するセラミック基板の中間を貫通して形成されている。このため、大型化するＬＥＤ素子から発熱される大量の熱を迅速且つ効率良く放熱することができない。また、上記放熱孔に金属ペーストを充填しても、ＬＥＤ素子自体は補助セラミックシート上に実装されているため、やはり放熱特性が不十分となる、という問題点があった。

本発明は、前記背景技術における問題点を解決し、比較的発熱量が多い発光素子を実装しても、当該発光素子から発生する熱を迅速且つ確実に外部に放熱できる配線基板の製造方法を提供する、ことを課題とする。

課題を解決するための手段および発明の効果

本発明は、前記課題を解決するため、熱伝導率の高い金属製のビア導体を電子部品の実装エリアの直下に配置する、ことに着想して成されたものである。
即ち、本発明による配線基板の配線基板（請求項１）は、セラミックからなり且つ表面および裏面を有する基板本体と、かかる基板本体の表面に位置する発光素子の実装エリアと、かかる実装エリアを含む上記基板本体の表面と裏面との間を貫通するＡｇ−Ｃｕ系合金から形成された単数のビア導体と、を含み、平面視において、上記ビア導体の断面積は、上記実装エリアの面積よりも大である、配線基板の製造方法であって、
複数枚のグリーンシートを積層した積層体を焼成し、セラミックからなり、表面と裏面との間を貫通するビアホールを有する基板本体を形成する工程と、
Ａｇ−Ｃｕ系合金からなるプリフォーム片をリフローし、且つ上記ビアホール内で溶かして充填する工程と、を含む、ことを特徴とする。

これによれば、得られる配線基板において、比較的発熱量の多い発光素子から発生した熱は、その実装エリアの直下に上端が位置する単数のビア導体に吸熱されると共に、かかるビア導体を介して基板本体の裏面側に放熱される。また、ビア導体内を伝導する熱の一部は、当該ビア導体と接続された内部電極または内部配線、あるいは基板本体を形成する絶縁材中にも分散して放熱される。しかも、前記ビア導体は、その断面積が前記実装エリアの面積よりも大であり、且つ比較的高い熱伝導率のＡｇ−Ｃｕ系合金からなるプリフォーム片をリフローし且つ溶かして形成するため、上記熱を迅速に伝導して放熱できる。従って、比較的発熱量の多い発光素子を実装しても、正確な動作を容易に保証できるセラミック製の配線基板を提供することが可能となる。

尚、前記絶縁材には、例えばアルミナを主成分とするセラミックが含まれる。また、前記基板本体の表面には、かかる表面に開口するキャビティおよびその底面も含まれる。更に、前記ビア導体は、前記基板本体に内蔵された内部電極や内部配線に接続されていても良い。加えて、前記Ａｇ−Ｃｕ系合金は、Ａｇを７２〜８５ｗｔ％含み且つ残部がＣｕからなる。

更に、前記基板本体の平面視において、前記電子部品の実装エリアに対する前記ビア導体の断面積の割合を大きくするに連れて、放熱の効果も大きくできる。

付言すれば、本発明の対象となる配線基板には、前記基板本体の裏面に露出する当該ビア導体の下端には、当該基板本体の裏面に形成した配線層または表面電極が接続されている、ものも含まれる。これよる場合、ビア導体内を伝導してきた前記熱を、基板本体の裏面に位置する上記配線層または表面電極を介して、当該配線基板の外部に一層効率良く迅速に放熱することが可能となる。

尚、上記表面電極には、基板本体の裏面に形成された平坦な導体層のほか、かかる導体層にロウ付けされた導体ピンなども含まれる。

以下において、本発明を実施するための最良の形態について説明する。
図１は、本発明により得られる配線基板１を示す垂直断面図、図２は、図１の部分拡大平面図である。
配線基板１は、図１に示すように、セラミック（絶縁材）ｓからなり表面３および裏面４を有する基板本体２と、かかる基板本体２の表面３に開口するキャビティ５の底面６に位置する発光素子８の実装エリアａと、かかる実装エリアａを含む上記底面６と基板本体２の裏面４との間を、基板本体２の厚み方向に沿って貫通するビア導体（以下、単にビアと称する）１０と、を含んでいる。
基板本体２は、例えばアルミナを主成分とする複数枚のグリーンシートを積層・圧着した後、所定の温度帯で焼成する工程により得られたセラミック（絶縁材）ｓからなり、その内部には、図示しない内部配線層または内部電極が所要のパターンで形成されている。上記キャビティ５は、平面視が矩形（正方形または長方形）、または円形を呈する。

また、上記発光素子（例えば、発光ダイオード）８は、比較的発熱量が多く、図１に示すように、キャビティ５の底面６における実装エリアａに、例えばＡｕ−Ｓｎ系などの低融点合金からなるロウ材７を介して実装されている。かかる発光素子８は、平面視で矩形を呈する。尚、ロウ材７に替えて、エポキシ系樹脂材を用いても良い。
前記ビア１０は、比較的熱伝導率が高いＡｇ、Ａｇ−１５〜２８ｗｔ％Ｃｕ系合金、またはＣｕ粉末を含む導電性ペーストからなり、これらを前記グリーンシートの積層体を焼成して得られた基板本体２におけるキャビティ５の底面６と基板本体２の裏面４との間を貫通するビアホールｖに充填して得られた円柱形の導体である。
本発明では、前記ビア１０は、上記Ａｇ−Ｃｕ系合金からなり且つ球形または柱体形のプリフォーム片を配置した後、これをリフロー（再加熱）し且つビアホールｖ内で溶かすことで、当該ビアホールｖ内にＡｇ−Ｃｕ系合金のビア１０を充填する工程により形成される。

図１と図２の部分拡大図に示すように、当該ビア１０の上端１１は、キャビティ５の底面６に露出すると共に、かかる底面６に位置する実装エリアａよりもやや大きい。ビア１０の下端１２は、基板本体２の裏面４に露出すると共に、かかる裏面４に形成された表面電極１３に接続されている。因みに、基板本体２の平面視において上記実装エリアａに対するビア１０の断面積の割合は、約１４０％である。
尚、キャビティ５の側面には、発光素子８から発光された光を反射するＡｇなどからなる反射層９が全周に沿って形成されている。また、表面電極１３は、Ａｇ、Ａｇ−１５〜２８ｗｔ％Ｃｕ系合金、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｗ、またはＭｏから形成されている。更に、ビア１０を形成する際、前記基板本体２のうち、キャビティ５となる基板本体２の内側の凹所に別のセラミック体を挿入した状態で、当該積層体の裏面側から前記導電性ペーストが充填される。
上記ビア１０は、上記Ａｇ−Ｃｕ系合金の前記プリフォーム片を配置した後、これをリフローし且つビアホールｖ内で溶かして充填する工程により形成される。

以上のような本発明により得られる配線基板１によれば、発光素子８から発生した熱は、ロウ材７またはエポキシ系樹脂材を介して、その実装エリアａの直下に上端１１が位置するビア１０に吸熱され、かかるビア１０を介して下端１２から基板本体２の裏面４の表面電極１３に放熱される。同時に、ビア１０内を伝導する熱の一部は、当該ビア１０と接続された内部電極または内部配線、あるいは基板本体２を形成するセラミックｓ中にも分散して放熱される。しかも、ビア１０は、比較的高い熱伝導率のＡｇ−Ｃｕ系合金からなるプリフォーム片をリフローし且つビアホールｖ内で溶かして充填されるため、上記熱を迅速に伝導して放熱することができる。従って、比較的発熱量の多い発光素子８を実装しても、正確な動作を容易に保証できる配線基板を提供することが可能となる。
尚、ロウ材７には、ビア１０の合金よりも低融点の合金、またはエポキシ系樹脂材を用いても良い。

図３は、参考形態の配線基板１ａを示す垂直断面図、図４は、図３中における発光素子８などの平面的な位置関係を示す部分拡大図である。
配線基板１ａは、図３および図４に示すように、前記同様の基板本体２と、前記同様の実装エリアａと、かかる実装エリアａを含むキャビティ５の底面６と基板本体２の裏面４との間を厚み方向に沿って貫通する複数（５個）のビア１４，１７と、を含んでいる。
即ち、図４に示すように、実装エリアａの中央に上端１５が露出するビア１４と、実装エリアａの四隅の各コーナ付近に上端１８が露出する４個のビア１７とからなり、これらの各下端１６，１９は基板本体２の裏面４に露出し、且つかかる裏面４に形成された表面電極１３にそれぞれ接続されている。
因みに、基板本体２の平面視において、上記実装エリアａに対するビア１４，１７全体の断面積の割合は、約５０〜９０％である。

尚、４個のビア１７が実装エリアａの四隅の各コーナから一部が外側に出ているのは、これらのビア１７を充填・形成するためのビアホールｖを形成し易くすると共に、発光素子８からの発熱を、基板本体２のセラミックｓにも容易に放熱するためである。また、複数のビア１４，１７は、２個以上であれば良く、実装エリアａの直下に一対、３個、または４個以上を等間隔で配置するほか、中央のビア１４を周囲の各ビア１７よりも大径としても良い。
以上のような参考形態の第１の配線基板１ａによっても、発光素子８から発生した熱は、ロウ材７またはエポキシ系樹脂材を介して、その実装エリアａの直下に上端１５，１８が位置する複数のビア１４，１７に吸熱され、これらを介して下端１６，１９から基板本体２の裏面４の表面電極１３に放熱される。同時に、ビア１４，１７内を伝導する熱の一部は、これらと接続された内部電極または内部配線、あるいは基板本体２を形成するセラミックｓ中にも分散して放熱される。従って、配線基板１ａの実装エリアａに発光素子８を実装しても、正確な動作を容易に保証することが可能となる。

図５は、異なる参考形態の配線基板１ｂを示す垂直断面図である。
配線基板１ｂは、図５に示すように、前記同様の基板本体２と、前記同様の実装エリアａと、かかる実装エリアａを含むキャビティ５の底面６と基板本体２の裏面４との間を厚み方向に沿ってほぼ貫通し且つ下端１２ａが基板本体２の裏面４に露出しないビア１０ａと、を含んでいる。
以上のような第２の配線基板１ｂによれば、発光素子８から発生した熱は、実装エリアａの直下に上端１１が位置する比較的熱伝導率の高い複数のビア１０ａに吸熱されると共に、これらを介して当該ビア１０ａと接続された内部電極または内部配線、あるいは基板本体２を形成するセラミックｓ中に分散して放熱される。従って、比較的発熱量の多い発光素子８を実装しても、正確な動作を比較的容易に保証することが可能となる。

図６は、更に異なる参考形態の配線基板１ｃを示す垂直断面図である。
配線基板１ｃは、図６に示すように、前記同様の基板本体２と、前記同様の実装エリアａと、実装エリアａを含むキャビティ５の底面６と基板本体２の裏面４との間を厚み方向に沿ってほぼ貫通し且つ下端１６ａ，１９ａが基板本体２の裏面４に露出しない前記同様の５個のビア１４ａ，１７ａと、を含んでいる。
配線基板１ｂ，１ｃの基板本体２の裏面４には、厚みが約１００μｍ前後のセラミック層ｓが残留している。尚、実装エリアａに対するビア１０ａまたはビア１４ａ，１７ａの断面積の割合は、前記形態と同様である。

図７は、別なる参考形態の配線基板１ｄを示す垂直断面図である。
配線基板１ｄは、図７に示すように、前記同様の基板本体２と、前記同様の実装エリアａと、実装エリアａを含むキャビティ５の底面６と基板本体２の裏面４との間を厚み方向に沿ってほぼ貫通し且つ上端１１ａがキャビティ５の底面６に露出しないビア１０ｂと、を含んでいる。
上記配線基板１ｄの基板本体２の表面３に開口するキャビティ５の底面６には、厚みが約１００μｍ前後のセラミック層ｓが残留している。尚、実装エリアａに対するビア１０ｂの断面積の割合は、前記形態と同様である。
以上のような配線基板１ｄによれば、発光素子８から発生した熱は、その実装エリアａの直下に位置するキャビティ５の底面６を形成する厚みが約１００μｍのセラミック層ｓを介して、比較的高い熱伝導率の高いビア１０ｂに吸熱される。更に、上記熱は、かかるビア１０ｂを介して基板本体２の裏面４に接続する表面電極１３に伝導され、これを介してを外部に放熱される。また、ビア１０ｂ内を伝導する熱の一部は、これらと接続された内部電極、内部配線、あるいは基板本体２のセラミックｓ中にも分散して放熱される。従って、比較的発熱量の多い発光素子８を実装しても、正確な動作を比較的容易に保証することが可能となる。

図８は、更に別なる参考形態の配線基板１ｅを示す垂直断面図である。
配線基板１ｅは、図８に示すように、前記同様の基板本体２と、前記同様の実装エリアａと、実装エリアａを含むキャビティ５の底面６と基板本体２の裏面４との間を厚み方向に沿ってほぼ貫通し且つ上端１５ａ，１８ａがキャビティ５の底面６に露出しない前記同様の５個のビア１４ｂ，１７ｂと、を含んでいる。
配線基板１ｅの基板本体２の表面３に開口するキャビティ５の底面６には、厚みが約１００μｍ前後のセラミック層ｓが残留している。尚、実装エリアａに対するビア１４ｂ，１７ｂの断面積の割合は、前記形態と同様である。

図９は、本発明により得られる異なる形態の配線基板１ｆを示す垂直断面図である。
配線基板１ｆは、図９に示すように、前記キャビティ５がない平坦な表面３および裏面４を有する基板本体２ａと、かかる基板本体２ａの表面３のほぼ中央に位置する実装エリアａと、かかる実装エリアａを含む基板本体２ａの表面３と裏面４との間を厚み方向に沿って貫通し且つ下端１２が裏面４に露出するビア１０と、を含んでいる。
実装エリアａには、ロウ材７を介して前記同様の電子部品２０が実装されている。また、ビア１０の下端１２には、基板本体２ａの裏面４に形成された表面電極１３が接続されている。更に、基板本体２ａの表面３には、複数の接続端子２１が形成されると共に、これらはワイヤ２２を介して発光素子２０と接続されている。尚、上記接続端子２１は、基板本体２ａに内蔵された図示しない内部配線や内部電極と接続されている。

以上のような配線基板１ｆによっても、発光素子２０から発生した熱は、ロウ材７またはエポキシ系樹脂材を介して、その実装エリアａの直下に上端１１が位置するビア１０に吸熱され、これを介して下端１２から基板本体２ａの裏面４の表面電極１３に放熱される。同時に、ビア１０内を伝導する熱の一部は、これらと接続された内部電極または内部配線、あるいは基板本体２ａのセラミックｓ中にも分散して放熱される。更に、ビア１０は、熱伝導率が比較的高いため、上記熱を迅速に伝導して放熱することができる。従って、比較的発熱量の多い発光素子２０を実装しても、正確な動作を容易に保証することが可能となる。

図１０は、別個の参考形態である配線基板１ｇを示す垂直断面図である。
配線基板１ｇは、図１０に示すように、前記同様平坦な表面３および裏面４を有する基板本体２ａと、前記同様の実装エリアａと、かかる実装エリアａを含む基板本体２ａの表面３と裏面４との間を厚み方向に沿って貫通し且つ下端１６，１９が裏面４に露出する複数（５個）のビア１４，１７と、を含んでいる。
実装エリアａには、前記同様の発光素子２０が実装され、各ビア１４，１７の下端１６，１９下端１２には、前記同様の表面電極１３が接続されている。また、基板本体２ａの表面３に形成された複数の接続端子２１は、前記同様にワイヤ２２を介して電子部品２０と接続されている。

図１１は、更に異個の参考形態である配線基板１ｈを示す垂直断面図である。
配線基板１ｈは、図１１に示すように、平坦な表面３および裏面４を有する基板本体２ａと、かかる基板本体２ａの表面３のほぼ中央に位置する実装エリアａと、かかる実装エリアａを含む基板本体２ａの表面３と裏面４との間を厚み方向に沿ってほぼ貫通し且つ下端１２ａが裏面４に露出しないビア１０ａと、を含んでいる。
実装エリアａには、前記同様にして発光素子２０が実装されている。また、ビア１０の下端１２ａは、基板本体２ａの裏面４側に位置する厚み約１００μｍ前後のセラミック層ｓに覆われている。更に、基板本体２ａの表面３に形成された複数の接続端子２１は、前記同様にワイヤ２２を介して電子部品２０と接続されている。

以上のような配線基板１ｈによっても、発光素子８から発生した熱は、ロウ材７またはエポキシ系樹脂材を介して、その実装エリアａの直下に上端１１が位置するビア１０ａに吸熱され、これを介して内部電極または内部配線、あるいは基板本体２ａのセラミックｓ中に分散して放熱される。更に、ビア１０ａは、熱伝導率が比較的高い金属からなるため、上記熱を迅速に伝導して放熱することができる。従って、比較的発熱量の多い発光素子２０を実装しても、正確な動作を容易に保証することが可能となる。

図１２は、別異の参考形態である配線基板１ｊを示す垂直断面図である。
配線基板１ｊは、図１２に示すように、前記同様の基板本体２ａと、前記同様の実装エリアａと、かかる実装エリアａを含む基板本体２ａの表面３と裏面４との間を厚み方向に沿ってほぼ貫通し且つ下端１６ａ，１９ａが裏面４に露出しない複数（５個）のビア１４ａ，１７ａと、を含んでいる。
実装エリアａには、前記同様に発光素子２０が実装され、ビア１４ａ，１７ａの下端１６ａ，１９ａは、基板本体２ａの裏面４側のセラミック層ｓに覆われると共に、基板本体２ａの表面３に形成された複数の接続端子２１は、前記同様にワイヤ２２を介して電子部品２０と接続されている。

図１３は、更に別異の参考形態である配線基板１ｋを示す垂直断面図である。
配線基板１ｋは、図１３に示すように、前記同様の基板本体２ａと、前記同様の実装エリアａと、かかる実装エリアａを含む基板本体２ａの表面３と裏面４との間を厚み方向に沿ってほぼ貫通し且つ上端１１ａが表面３に露出しないビア１０ｂと、を含んでいる。
実装エリアａには、前記同様に発光素子２０が実装されている。また、ビア１０ｂの上端１１ａは、基板本体２ａの表面３側に位置する厚み約１００μｍ前後のセラミック層ｓに覆われている。更に、基板本体２ａの表面３に形成された複数の接続端子２１は、前記同様にワイヤ２２を介して発光素子２０と接続される。

以上のような配線基板１ｋによっても、発光素子２０から発生した熱は、ロウ材７またはエポキシ系樹脂材および実装エリアａの直下のセラミック層ｓを介して、表面３に上端１１ａが近接するビア１０ｂに吸熱され、これを介して下端１２から裏面４側に放熱される。また、一部の熱は、ビア１０ｂを経て、基板本体２ａの内部電極または内部配線、あるいはセラミックｓ中に分散して放熱される。更に、ビア１０ｂは、熱伝導率が比較的高い金属からなるため、上記熱を迅速に伝導して放熱することができる。従って、比較的発熱量の多い発光素子２０を実装しても、正確な動作を容易に保証することが可能となる。

図１４は、別なる参考形態の配線基板１ｍを示す垂直断面図である。
配線基板１ｍは、図１４に示すように、前記同様の基板本体２ａと、前記同様の実装エリアａと、かかる実装エリアａを含む基板本体２ａの表面３と裏面４との間を厚み方向に沿ってほぼ貫通し且つ上端１５ａ，１８ａが表面３に露出しない複数（５個）のビア１４ｂ，１７ｂと、を含んでいる。
実装エリアａには、前記同様に発光素子２０が実装され、ビア１４ｂ，１７ｂの上端１５ａ，１８ａは、基板本体２ａの表面３側のセラミック層ｓに覆われると共に、基板本体２ａの表面３に形成された複数の接続端子２１は、前記同様にワイヤ２２を介して発光素子２０と接続されている。

本発明は、以上において説明した各形態に限定されるものではない。
前記基板本体２，２ａを形成する絶縁材であるセラミックｓは、例えばムライトや窒化アルミニウムを主成分とするものとしても良い。

更に、ビアの断面形状は、前記円形の形態に限らず、前記実装エリアａの外形と相似形、またはこれに近似した矩形、正多角形、または変形多角形としても良い。

尚、図１５に示すように、基板本体２の表面３に平面視が円形のキャビティ５ａおよびその底面６ａが形成され、かかる底面６ａに位置する円形の実装エリアａにロウ材７を介して平面視が円形の発光素子２４を実装する参考形態の配線基板としても良い。この参考形態では、図示のように、実装エリアａの中心部に大径のビア２６を、実装エリアａの周囲に沿って４個の小径のビア２８を配置しても良い。かかるビア２６，２８は、前記第１乃至第３の何れかの配線基板と同様にして、底面６ａと基板本体２の底面４との間を貫通するか、あるいは、ほぼ貫通し且つ上端または下端が露出しないようにされる。

また、図１５で示したように、前記キャビティおよびその底面は、平面視が円形を呈する形態としても良く、発光素子が円盤形状の実装に好適に用いられる。
更に、本発明の配線基板は、１個の配線基板の表面に複数の実装エリアを形成したり、あるいはかかる表面に開口するキャビティを複数とし、これらの実装エリアに発光素子を個別に実装する形態とすることも可能である。

本発明により得られる配線基板を示す垂直断面図。図１中の一部を拡大した平面図。参考形態の配線基板を示す垂直断面図。図３中の一部における平面的な位置関係を示す概略図。異なる参考形態の配線基板を示す垂直断面図。更に異なる参考形態の配線基板を示す垂直断面図。別なる参考形態の配線基板を示す垂直断面図。更に別なる参考形態の配線基板を示す垂直断面図。本発明により得られる異なる形態の配線基板を示す垂直断面図。別の参考形態の配線基板を示す垂直断面図。更に別の形態である配線基板を示す垂直断面図。別異の参考形態の配線基板を示す垂直断面図。更に別異な形態の配線基板を示す垂直断面図。別個の参考形態である配線基板を示す垂直断面図。別の参考形態の実装エリアとビアの平面的な位置関係を示す概略図。

１，１ｆ…………………………………配線基板
２，２ａ…………………………………基板本体
３…………………………………………表面
４…………………………………………裏面
５…………………………………………キャビティ(表面)
６…………………………………………底面(表面)
８，２０…………………………………発光素子
１０………………………………………ビア導体
１１………………………………………上端
１２………………………………………下端
ａ…………………………………………実装エリア
ｓ…………………………………………セラミック(絶縁材)

Claims

セラミックからなり且つ表面および裏面を有する基板本体と、かかる基板本体の表面に位置する発光素子の実装エリアと、かかる実装エリアを含む上記基板本体の表面と裏面との間を貫通するＡｇ−Ｃｕ系合金から形成された単数のビア導体と、を含み、平面視において、上記ビア導体の断面積は、上記実装エリアの面積よりも大である、配線基板の製造方法であって、
複数枚のグリーンシートを積層した積層体を焼成し、セラミックからなり、表面と裏面との間を貫通するビアホールを有する基板本体を形成する工程と、
Ａｇ−Ｃｕ系合金からなるプリフォーム片をリフローし、且つ上記ビアホール内で溶かして充填する工程と、を含む、
ことを特徴とする配線基板の製造方法。