JP5507278B2 - マシナブルセラミックス回路基板及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、半導体検査装置や車載用電子機器などに供されるマシナブルセラミックス回路基板及びその製造方法に関する。

ＩＴ（情報技術）産業を支える各種機器に組み込まれる半導体等の電子部品には、雰囲気温度が変化しても安定した電気的特性を発揮することが求められる。

このため、例えば半導体検査装置や車載電子機器等の、電子部品が組み込まれた各種機器では、検査対象となる電子部品の雰囲気温度を大きく変化させながら電気的特性を検査することが行われる。

このように雰囲気温度が大きく変化するような過酷な温度環境下では、例えば、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）や窒化珪素（Ｓｉ_３Ｎ_４）からなるセラミックス回路基板が広く用いられている。このセラミックス回路基板は、セラミックス基板の一側面に、例えば銅箔に回路配線パターンが形成された配線部を接合してなる。

セラミックス回路基板では、セラミックス基板と配線部との接合は、例えば、銅直接接合（ＤＢＣ：Direct Bonding Copper）法や活性金属ろう付け法等が用いられ、熱膨張率が大きく異なるセラミックス基板と配線部との間で行われる。

このため、接合後の冷却過程でセラミックス基板と配線部との間に熱応力が生じる。この熱応力は、セラミックス基板と配線部との接合部付近で収縮と伸長に係る応力として残留し、セラミックス基板にクラックを生じさせ、絶縁耐圧不良を起こし、或いは配線部を剥離させるなどの不具合を招来するおそれがあった。

かかる課題を解決するためのアプローチのひとつとして、特許文献１には、セラミックス基板と、セラミックス基板の一側面に接合された銅製回路板と、セラミックス基板の他側面に接合された銅製放熱板とからなり、銅製回路板の銅の平均再結晶粒子径を、銅製放熱板の銅の平均再結晶粒子径以下としたセラミックス回路基板が開示されている。

しかしながら、特許文献１に係るセラミックス回路基板では、以下の課題があった。第一に、脆く壊れやすいため機械加工が出来ず、形状設計の自由度を確保できない。第二に、銅製回路板（配線部）を構成する銅の平均再結晶粒子径を調整するための工程を別途要し、この工程が煩に耐えない。

特開２００７−６６９９５号公報

解決しようとする問題点は、従来技術では、形状設計の自由度が損なわれる点、並びに雰囲気温度が大きく変動するような過酷な温度環境下で基板と配線部間の接合信頼性を確保しようとすると煩雑な工程を強いられる点である。

本発明は、形状設計の自由度を確保すると共に、過酷な温度環境に置かれた場合であっても、基板と配線部間の接合信頼性を確保可能なマシナブルセラミックス回路基板を簡素な工程で得ることを目的とする。

前記目的を達成するために、本発明に係るマシナブルセラミックス回路基板は、マシナブルセラミックスで形成された基板の配線面に配線部を接合してなるマシナブルセラミックス回路基板であって、前記基板の配線面と前記配線部との間を接合する接着シート部材を備えた、ことを最も主要な特徴とする。

本発明に係る回路基板では、基板の素材に体積含有率７０〜９０体積％のマイカと体積含有率１０〜３０体積％の二酸化ケイ素とを含む混合物を焼結して前記マイカを一方向に配向させたマシナブルセラミックスを採用したため、高精度かつ形状設計の自由度を確保することができる。また、基板の配線面と前記配線部との間を接合する接着シート部材を備えたため、接着シート部材の介在によって、基板と配線部間の熱膨脹係数の差等に起因して生じる熱応力が緩和され、基板のクラックや基板からの配線部の剥離等が抑制される。

従って、本発明によれば、高精度かつ形状設計の自由度を確保すると共に、過酷な温度環境に置かれた場合であっても、基板と配線部間の接合信頼性を確保可能なマシナブルセラミックス回路基板を簡素な工程で得ることができる。

実施例１に係るマシナブルセラミックス回路基板の製造方法を示す工程図であり、（Ａ）は、マシナブルセラミックス基板の配線面に配線基材を接着シート部材で接合した接合工程を示す断面図、（Ｂ）は、接合後の配線基材に所定の配線パターンのエッチング処理を施して配線部を形成した配線形成工程を示すマシナブルセラミックス回路基板の断面図である。 実施例２に係るマシナブルセラミックス回路基板の製造方法を示す工程図であり、（Ａ）は、マシナブルセラミックス基板の両側面に配線基材を接着シート部材でそれぞれ接合した接合工程を示す断面図、（Ｂ）は、回路基板に貫通孔を形成した貫通孔形成工程を示す断面図、（Ｃ）は、回路基板を銅メッキした導通接続工程を示す断面図、（Ｄ）は、各導体層に所定の配線パターンのエッチング処理を施して配線部をそれぞれ形成した配線形成工程を示す断面図である。

高精度かつ形状設計の自由度を確保すると共に過酷な温度環境に置かれた場合であっても基板と配線部間の接合信頼性を確保可能なマシナブルセラミックス回路基板を簡素な工程で得るといった目的を、マシナブルセラミックス基板の配線面と配線部との間を接着シート部材で接合することによって実現した。

以下、本発明の実施例１に係るマシナブルセラミックス回路基板及びその製造方法について、図面を参照しつつ詳細に説明する。

［実施例１に係るマシナブルセラミックス回路基板の概要］
図１は、実施例１に係るマシナブルセラミックス回路基板の製造方法を示す工程図であり、図１（Ａ）は、マシナブルセラミックス基板の配線面に配線基材を接着シート部材で接合した接合工程を示す断面図、図１（Ｂ）は、接合後の配線基材に所定の配線パターンのエッチング処理を施して配線部を形成した配線形成工程を示すマシナブルセラミックス回路基板の断面図である。

図１（Ｂ）に示すように、実施例１に係るマシナブルセラミックス回路基板（以下、単に「回路基板」と称す。）１０は、基板１１の配線面１１ａに配線部１３ａ，１３ｂを接合してなる。

基板１１は、マシナブルセラミックスで形成されている。マシナブルセラミックスは、例えば、体積含有率が７０〜９０体積％のマイカと、体積含有率が１０〜３０体積％の二酸化ケイ素とを含む混合物を焼結し、前記マイカを一方向に配向させることにより、シリコンに近い熱膨張係数（５×１０^-6／°Ｃ以下）を有すると共に良好な機械加工性を備えている。

配線部１３ａ，１３ｂは、例えば銅箔等のシート状層により所定の回路配線パターンを形成している。この配線部１３ａ，１３ｂの厚みは、例えば１８〜３６μｍである。配線部１３ａ，１３ｂが銅製の場合、その熱膨張係数は１６×１０^-6／°Ｃ程度である。

基板１１の配線面１１ａと配線部１３ａ，１３ｂとの間は接着シート部材１５で接合されている。配線部１３ａ，１３ｂは、接着シート部材１５を介して配線面１１ａに規定の配線間隔で配線されている。

接着シート部材１５は、例えば、フッ素系樹脂、ポリイミド系樹脂、液晶樹脂等の３００〜３５０°Ｃ程度の熱に耐え得る高耐熱性並びに柔軟性を有するシート状の樹脂を基材とし、その両側面１５ａ，１５ｂにシリコン系又はアクリル系等の粘着剤を担持させてなる。但し、接着シート部材１５は、粘着性のあるシート状の樹脂のみで形成され、粘着剤を有さない構成にすることもできる。

接着シート部材１５は、配線部１３ａ，１３ｂ側の粘着面１５ａの面方向（剪断方向）の伸縮が前記基板１１側で拘束される肉厚に設定されている。その肉厚は、好ましくは３０μｍ以下である。また、前記接着シート部材１５の熱膨張係数は、基材樹脂の種類によって異なるが、およそ２０×１０^-6〜３０×１０^-6／°Ｃ程度である。

したがって、熱環境の変化に係わらず配線部１３ａ，１３ｂの規定の配線間隔を許容値内に保持することができる。

上述のように構成された実施例１に係る回路基板１０によれば、基板の素材にマシナブルセラミックスを採用したため、穴あけ、ザグリ、段差形成等の機械加工が可能であり、高精度かつ形状設計の自由度を確保することができる。

また、前記基板１１の配線面１１ａと前記配線部１３ａ，１３ｂとの間は接着シート部材１５で接合されたため、接着シート部材１５の介在によって、前記基板１１と前記配線部１３ａ，１３ｂ間の熱膨脹係数の差等に起因して生じる熱応力が緩和され、基板のクラックや基板からの配線部の剥離等が抑制される。

従って、実施例１に係る回路基板１０によれば、高精度かつ形状設計の自由度を確保すると共に、例えば半導体検査装置や車載用電子機器等に搭載されることによって過酷な温度環境に置かれた場合であっても、基板と配線部間の接合信頼性を十全に確保可能なマシナブルセラミックス製のいわゆる片面回路基板を得ることができる。

また、前記接着シート部材１５の肉厚を、前記配線部１３ａ，１３ｂ側の粘着面１５ａの面方向（剪断方向）の伸縮が前記基板１１側で拘束される肉厚（例えば３０μｍ以下）に設定したため、前記配線部１３ａ，１３ｂの位置ずれを抑制して微細かつ精密な片面配線パターンを形成及び維持することができる。

さらに、熱膨張係数が５ｐｐｍ／°Ｃ以下であるマシナブルセラミックス基板を採用した場合、製造工程（焼成前後）での外形形状に係る寸法の変化が抑制されるため、仕上がり時の面の平滑性並びに外形形状寸法精度の良好な片面回路基板を得ることができる。

次に、実施例１に係る回路基板１０の製造方法について説明する。

［実施例１に係る回路基板の製造方法］
実施例１に係る回路基板の製造方法は、図１に示すように、接合工程（図１（Ａ）参照）と、配線形成工程（図１（Ｂ）参照）と、を備える。

前記接合工程では、図１（Ａ）に示すように、前記基板１１の配線面１１ａに前記配線部１３ａ，１３ｂとなる配線基材１３を前記接着シート部材１５で接合し、回路基板半製品１０Ａを形成する。

前記配線形成工程では、図１（Ｂ）に示すように、前記接合後の配線基材１３に所定の配線パターンでエッチング処理を施して配線部１３ａ，１３ｂを形成し、回路基板１０とする。

上述のように構成された実施例１に係る回路基板１０の製造方法によれば、接合工程と、この接合後に遂行される配線形成工程とを備えたため、高精度かつ形状設計の自由度を確保すると共に、過酷な温度環境下であっても基板と配線部間の接合信頼性を十全に確保可能な回路基板１０を、通常の例えばガラスエポキシ基板と同様の簡素な工程で得ることができる。

さらに、熱膨張係数が５ｐｐｍ／°Ｃ以下であるマシナブルセラミックス製の基板１１を採用した場合、製造工程（焼成前後）での外形形状に係る寸法の変化が抑制されるため、仕上がり時の面の平滑性並びに外形形状寸法精度の良好な回路基板を得ることができる。

次に、本発明の実施例２に係るマシナブルセラミックス回路基板及びその製造方法について、図面を参照しつつ詳細に説明する。実施例１はいわゆる片面回路基板であるのに対し、実施例２はいわゆる両面回路基板である。

初めに、実施例２に係るマシナブルセラミックス回路基板の概要について説明する。

［実施例２に係るマシナブルセラミックス回路基板の概要］
図２は、実施例２に係るマシナブルセラミックス回路基板の製造方法を示す工程図であり、図２（Ａ）は、マシナブルセラミックス基板の両側面に配線基材を接着シート部材でそれぞれ接合した接合工程を示す断面図、図２（Ｂ）は、回路基板に貫通孔を形成した貫通孔形成工程を示す断面図、図２（Ｃ）は、回路基板を銅メッキした導通接続工程を示す断面図、図２（Ｄ）は、各導体層に所定の配線パターンのエッチング処理を施して配線部をそれぞれ形成した配線形成工程を示す断面図である。

実施例２に係るマシナブルセラミックス回路基板（以下、単に「回路基板」と称す。）２０は、図２（Ｄ）に示すように、基板２１の表裏の各配線面２１ａ，２１ｂに各配線部２３，２５，２７を接合してなる。

基板２１は、実施例１に係る基板１１と同様にマシナブルセラミックスで形成されている。

各配線部２３，２５，２７は、例えば銅箔等のシート状層２４ａと銅等の金属メッキ層２６ａとを積層して一体化された導体配線積層２８ａで形成され、所定の回路配線パターンを形成してなる。この導体配線積層２８ａの肉厚は、例えば10〜300 μｍである。導体配線積層２８ａが銅製の場合、その熱膨張係数は１６×１０^-6／°Ｃ程度である。

配線部２７は、配線部２３，２５と大きさ形状は異なるが、同様の積層構造であり、同符号を付しておく。

前記基板２１の表裏の各配線面２１ａ，２１ｂと前記各配線部２３，２５，前記配線部２７との各間は各接着シート部材３１，３３でそれぞれ接合されている。

配線部２３，２５は、接着シート部材３１を介して配線面２１ａに規定の配線間隔で配線されている。配線部２３，２５と配線部２７との間も、規定の寸法位置で設定されている。

この接着シート部材３１，３３は、実施例１と同様に、例えば、フッ素系樹脂、ポリイミド系樹脂、液晶樹脂等の３００〜３５０°Ｃ程度の熱に耐え得る高耐熱性並びに柔軟性を有するシート状の樹脂を基材とし、その両側面３１ａ，３１ｂ、３３ａ，３３ｂにシリコン系又はアクリル系等の粘着剤を担持させてなる。但し、接着シート部材３１，３３は、粘着性のあるシート状の樹脂のみで形成され、粘着剤を有さない構成にすることもできる。

前記接着シート部材３１，３３は、前記各配線部２３，２５，２７側の粘着面３１ａ，３３ａの面方向（剪断方向）の伸縮が前記基板２１側で拘束される肉厚に設定されている。その肉厚は、好ましくは３０μｍ以下である。また、前記接着シート部材３１の熱膨張係数は、基材樹脂の種類によって異なるが、およそ２０×１０^-6〜３０×１０^-6／°Ｃ程度である。

したがって、熱環境の変化に係わらず配線部２３，２５の規定の配線間隔を許容値内に保持することができる。また、配線部２３，２５と配線部２７，２９との間も、規定の寸法位置に保持することができる。

前記回路基板２０には、円筒形状の一対の貫通孔３５，３７が設けられている。これら貫通孔３５，３７は、不図示の電子部品の電極端子を半田接合する際等に用いられる。前記貫通孔３５，３７の内周面は、前記金属メッキ層２６ａで覆われている。これにより、前記貫通孔３５，３７を通して前記基板２１の各配線部２３，２５と配線部２７との間を導通接続する導通接続部３５ａ，３７ａがそれぞれ形成されている。

上述のように構成された実施例２に係る回路基板によれば、基板２１の素材にマシナブルセラミックスを採用し、各配線部２３，２５，２７を接着シート部材３１，３３により基板２１に接合させたため、いわゆる両面回路基板にて実施例１同様の効果を奏することができる
次に、実施例２に係るマシナブルセラミックス回路基板の製造方法について説明する。

［実施例２に係るマシナブルセラミックス回路基板の製造方法］
実施例２に係るマシナブルセラミックス回路基板の製造方法は、図２に示すように、接合工程（図２（Ａ）参照）と、貫通孔形成工程（図２（Ｂ）参照）と、導通接続工程（図２（Ｃ）参照）と、配線形成工程（図２（Ｄ）参照）と、を備える。

前記接合工程では、図２（Ａ）に示すように、前記基板２１の表裏の各配線面２１ａ，２１ｂに前記配線部２３，２５，２７を形成するための導体層である配線基材２４を接着シート部材３１，３３でそれぞれ接合し、第１の回路基板半製品２０Ａとする。

前記貫通孔形成工程では、図２（Ｂ）に示すように、第１の回路基板半製品２０Ａに、一対の貫通孔３５，３７をドリル等によりそれぞれ形成し、第２の回路基板半製品２０Ｂとする。貫通孔３５，３７は、基板２１を貫通して各配線基材２４に亘るように形成される。

前記導通接続工程では、図２（Ｃ）に示すように、前記貫通孔３５，３７を通して前記基板２１の各配線面２１ａ，２１ｂの配線基材２４間を導通接続する。
この導通接続は、貫通孔３５，３７形成後の第２の回路基板半製品２０Ｂに積層形成した金属メッキ層２６で行われる。この金属メッキ層２６は、各配線基材２４の表面に銅等の金属メッキを施して積層され、導体積層２８が形成される。すなわち、前記金属メッキによって前記貫通孔３５，３７の内周面が金属メッキ層２６で覆われ、前記導通接続が実現し、第３の回路基板半製品２０Ｃとなる。

前記配線形成工程では、図２（Ｄ）に示すように、第３の回路基板半製品２０Ｃの各導体積層２８に対して所定の配線パターンのエッチング処理を施して配線部２３，２５，２７をそれぞれ形成し、製品としての回路基板２０を得る。

上述のように構成された実施例２に係る回路基板の製造方法によれば、接合工程と、貫通孔形成工程と、導通接続工程と、配線形成工程と、を備えたため、高精度かつ形状設計の自由度を確保すると共に、過酷な温度環境下であっても基板と配線部間の接合信頼性を確保可能なマシナブルセラミックス製の両面回路基板を、通常の例えばガラスエポキシ基板と同様の簡素な工程で得ることができる。

［その他］
本発明は、上述した実施例に限られるものではなく、請求の範囲及び明細書全体から読み取れる発明の要旨、あるいは技術思想に反しない範囲で適宜変更可能であり、そのような変更を伴うマシナブルセラミックス回路基板及びその製造方法もまた、本発明における技術的範囲の射程に包含されるものである。

例えば、本発明実施例中、配線基材又は金属メッキ層の素材として銅を例示して説明したが、本発明はこの例に限定されない。電気伝導性の良好な金属素材であれば、いかなる素材であっても採用することができる。

１０，２０ 回路基板
１１，２１ 基板
１３，２４ 配線基材（導体層）
１３ａ，１３ｂ，２３，２５，２７ 配線部
１５，３１，３３ 接着シート部材
２６ 金属メッキ層
３５，３７ 貫通孔
３５ａ，３７ａ 導通接続部

Claims (6)

1. マシナブルセラミックスで形成された基板の配線面に配線部を接合してなるマシナブルセラミックス回路基板であって、
   前記基板の配線面と前記配線部との間を接合する接着シート部材を備え、
   前記基板を形成するマシナブルセラミックスは、体積含有率７０〜９０体積％のマイカと、体積含有率１０〜３０体積％の二酸化ケイ素とを含む混合物を焼結して前記マイカを一方向に配向させた構成である、
   ことを特徴とするマシナブルセラミックス回路基板。
2. マシナブルセラミックスで形成された基板の表裏の各配線面に各配線部を接合してなるマシナブルセラミックス回路基板であって、
   前記各配線面と前記各配線部との各間を接合する各接着シート部材と、
   前記基板を貫通して前記各配線部に亘る貫通孔と、
   前記貫通孔を通して前記各配線部間を導通接続する導通接続部とを備え、
   前記基板を形成するマシナブルセラミックスは、体積含有率７０〜９０体積％のマイカと、体積含有率１０〜３０体積％の二酸化ケイ素とを含む混合物を焼結して前記マイカを一方向に配向させた構成である、
   ことを特徴とするマシナブルセラミックス回路基板。
3. 請求項１又は２記載のマシナブルセラミックス回路基板であって、
   前記配線部は、前記配線面に規定の配線間隔又は配線位置で配線され、
   前記接着シート部材は、前記配線部側の面方向の伸縮が前記基板側で拘束される肉厚に設定され、
   前記規定の配線間隔又は配線位置を許容値内に保持する、
   ことを特徴とするマシナブルセラミックス回路基板。
4. 請求項３記載のマシナブルセラミックス回路基板であって、
   前記基板の熱膨張係数は５ｐｐｍ／°Ｃ以下であり、
   前記接着シート部材の肉厚は３０μｍ以下である、
   ことを特徴とするマシナブルセラミックス回路基板。
5. マシナブルセラミックスで形成された基板の配線面に配線部を接合してなるマシナブルセラミックス回路基板の製造方法であって、
   前記基板を、体積含有率７０〜９０体積％のマイカと体積含有率１０〜３０体積％の二酸化ケイ素とを含む混合物を焼結して前記マイカを一方向に配向させたマシナブルセラミックスで形成し、
   前記配線面に前記配線部を形成するための導体層を接着シート部材で接合する接合工程と、
   前記接合後の導体層に所定の配線パターンでエッチング処理を施し前記配線部を形成する配線形成工程と、
   を備えたことを特徴とするマシナブルセラミックス回路基板の製造方法。
6. マシナブルセラミックスで形成された基板の表裏の各配線面に各配線部を接合してなるマシナブルセラミックス回路基板の製造方法であって、
   前記基板を、体積含有率７０〜９０体積％のマイカと体積含有率１０〜３０体積％の二酸化ケイ素とを含む混合物を焼結して前記マイカを一方向に配向させたマシナブルセラミックスで形成し、
   前記各配線面に前記各配線部を形成するための各導体層を各接着シート部材でそれぞれ接合する接合工程と、
   前記基板を貫通して前記各導体層に亘る貫通孔を形成する貫通孔形成工程と、
   前記各導体層間を導通接続する導通接続工程と、
   前記各導体層に所定の配線パターンのエッチング処理を施して前記各配線部をそれぞれ形成する配線形成工程と、
   を備えたことを特徴とするマシナブルセラミックス回路基板の製造方法。