JP5677585B2 - 回路基板およびこれを備える電子装置 - Google Patents

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Description

本発明は、回路基板およびこの回路基板に電子部品を搭載してなる電子装置に関するものである。
半導体素子、発熱素子、ペルチェ素子等の各種電子部品の搭載に用いられる回路基板は、セラミック焼結体の少なくとも一方の主面に金属配線層を備えてなるものであり、この回路基板における金属配線層上に電極パッド等を介して電子部品を搭載してなる電子装置が各種機器において使用されている。
そして、このような回路基板においては、回路基板に搭載される電子部品の動作時に生じる熱によって、金属配線層がセラミック焼結体から剥離することを少なくするため、セラミック焼結体との密着強度を向上させるべく金属配線層となるペーストの材料開発や金属配線層の形成方法の検討がなされている。
例えば、特許文献１には、銅導体ペーストを基板上に印刷し、焼成することにより銅膜を形成する厚膜回路基板の製造方法において、セラミックス基板上にガラスフリットを含有する銅導体ペーストを印刷、乾燥した１層目の層を形成し、続いてその上にガラスフリットを含有しない銅導体ペーストを印刷、乾燥した層を少なくとも１層形成した後、焼成して厚膜の銅膜を形成することを特徴とする銅導体ペーストを用いた厚膜回路基板の製造方法が提案されている。
特開2003−243804号公報
近年の電子部品の高集積化、電子装置の小型化や薄型化によって、回路基板の体積当たりに加わる熱量が大きくなってきていることから、今般、回路基板を構成する金属配線層には、電子部品の動作によって生じる熱を素早く放熱可能な優れた放熱特性と、セラミック焼結体との高い密着強度とによって、電子部品の動作と非動作とを繰り返したときの冷熱サイクルによる剥離が少ないことが求められており、このような要求を満たす信頼性の高い回路基板が求められている。
本発明は、上記要求を満たすべく案出されたものであり、長期間にわたって使用可能な信頼性の高い回路基板およびこの回路基板に電子部品を搭載してなる電子装置を提供するものである。
本発明の回路基板は、酸化アルミニウム質焼結体、酸化ジルコニウム質焼結体、酸化ア
ルミニウムと酸化ジルコニウムの複合焼結体、窒化珪素質焼結体、窒化アルミニウム質焼結体またはムライト質焼結体のいずれかからなるセラミック焼結体の少なくとも一方の主面に、主成分が銅からなる金属配線層を備えてなり、前記金属配線層は、前記主面に接し、ガラス成分を含有する第１の領域と、該第１の領域の上に位置し、ガラス成分を含有しない第２の領域とを有し、前記第１の領域の厚みが前記金属配線層の厚みの３５％以上７０％以下であり、前記第１の領域における銅の平均粒径が前記第２の領域における銅の平均粒径よりも小さいことを特徴とするものである。
また、本発明の電子装置は、上記構成の本発明の回路基板に電子部品を搭載してなることを特徴とするものである。
本発明の回路基板は、金属配線層がセラミック焼結体に対する高い密着強度と優れた放熱特性とを併せ持つことから、電子部品の動作と非動作とを繰り返したときの冷熱サイクルによって、セラミック焼結体から金属配線層が剥離することの少ない、信頼性の高い回路基板とすることができる。
また、本発明の電子装置によれば、上記構成の本発明の回路基板に電子部品を搭載してなることにより、長期間にわたって使用可能な信頼性の高い電子装置とすることができる。
本実施形態の回路基板を備える電子装置の一例を示す断面図である。
以下、本実施形態の一例について図面を参照しながら説明する。図１は、本実施形態の回路基板を備える電子装置の一例を示す断面図である。本実施形態の電子装置１は、セラミック焼結体11の一方の主面に金属配線層12を備えてなる回路基板10上に、電子部品13を搭載してなるものである。なお、図１において、電子部品13は、金属配線層12上の電極パッド14を介して搭載された例を示している。
そして、本実施形態の回路基板10において、金属配線層12は、セラミック焼結体11の一方の主面に接し、ガラス成分を含有する第１の領域12ａと、第１の領域12ａの上に位置し、ガラス成分を含有しない第２の領域12ｂとを有してなる。また、第１の領域の厚み12ａが金属配線層12の厚みの35％以上70％以下であり、第１の領域12ａにおける金属の平均粒径が第２の領域12ｂにおける金属の平均粒径よりも小さいものである。
本実施形態の回路基板10は、金属配線層12がセラミック焼結体11に対する高い密着強度と優れた放熱特性とを併せ持つことから、電子部品13の動作と非動作とを繰り返したときの冷熱サイクルによって、セラミック焼結体11から金属配線層12が剥離することの少ない、信頼性の高い回路基板10とすることができる。
以下に、金属配線層12がセラミック焼結体11に対する高い密着強度と優れた放熱特性とを併せ持つことができる理由について説明する。
まず、第１の領域12ａに含まれるガラス成分が、第１の領域12ａの形成時において、金属粒子の成長を抑制するため、第１の領域12ａを緻密に形成することができる。そして、このように緻密であることによって、金属粒子間に存在するガラス成分を強固に支えることができるため、セラミック焼結体11に対する密着強度を向上させることができる。また、第２の領域12ｂは、ガラス成分を含んでいないため、電気抵抗が高くなって放熱特性を低下させることがない。
また、金属配線層12の厚みに対する第１の領域12ａの厚みを35％以上70％以下としたのは、金属配線層12の厚みに対する第１の領域12ａの厚みが35％未満では、セラミック焼結体11に対する密着強度を高めることができないからであり、また、金属配線層12の厚みに対する第１の領域12ａの厚みが70％を超えるときには、第２の領域12ｂの厚みが薄くなり、放熱特性を高めることができなくなるからである。
また、第１の領域12ａにおける金属の平均粒径が、第２の領域12ｂにおける金属の平均粒径よりも小さいことにより、セラミック焼結体11に対する密着強度を向上させることができる。そして、第２の領域12ｂにおける金属の平均粒径が、第１の領域ａにおける金属の平均粒径よりも大きいことによって金属配線層12の放熱特性を高めることに寄与するのである。
次に、第１の領域12ａと第２の領域12ｂとの境界は、例えば、以下の方法で確認することができる。まず、セラミック焼結体11の主面に金属配線層12を備える回路基板10を厚み方向に切断した面を測定面とする。そして、この測定面について、電子線マイクロアナライザー分析装置（ＥＰＭＡ）を用いることによってマッピング化し、このマッピングを確認することにより、第１の領域12ａと第２の領域12ｂとの境界を確認できる。具体的には、ガラス成分として酸化珪素を含むものであるとき、ＳｉのマッピングとＯのマッピングとにおいて、各存在領域の重なるところが第１の領域12ａであり、それ以外が第２の領域12ｂである。なお、Ｏのマッピングと重ねずとも、Ｓｉのマッピングのみで、存在領域の境界が確認できれば、その境界は、第１の領域12ａと第２の領域12ｂとの境界ということができる。
また、平均粒径の測定方法については、まず、セラミック焼結体11上の金属配線層12にめっき銅線等を半田付けした後にこのめっき銅線を引っ張って金属配線層12をセラミック焼結体11から剥離する。ここで、剥離面が第１の領域12ａにおける金属の平均粒径測定用の測定面となり、剥離面の反対側の面が第２の領域12ｂにおける金属の平均粒径測定用の測定面となる。なお、前処理としては、各測定面につき、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）を用いて3000倍の倍率で観察し、画像解析ソフト「Ａ像くん」（登録商標、旭化成エンジニアリング（株）製）を用いることにより平均粒径を算出することができる。
そして、第１の領域12ａにおける金属の平均粒径が3.0μｍ以上8.0μｍ以下であることが好ましい。第１の領域12ａにおける平均粒径が3.0μｍ以上8.0μｍ以下であるときには、密着強度を向上させることができるとともに、第１の領域12ａにおける放熱特性を向上させることができる。
また、第２の領域12ｂにおける平均粒径が9.0μｍ以上13.0μｍ以下であることが好ましい。第２の領域12ｂにおける平均粒径が9.0μｍ以上13.0μｍ以下であるときには、優れた放熱特性を有しつつ、電子部品13の搭載面となる金属配線層12の表面、すなわち第２の領域12ｂの表面の算術平均粗さ（Ｒａ）の値を小さくすることができる。なお、以下の記載において、金属配線層12の表面とは、図１において第２の領域の上面のことを指す。
次に、本実施形態の回路基板10を構成する金属配線層12は、銅、銀またはアルミニウムを主成分とすることが好ましく、特に銅を主成分とすることが好ましい。金属配線層12が銅を主成分とするときには、銅は熱伝導性が高いため放熱特性を高めることができる。また、副成分として、ジルコニウム、チタン、モリブデン，スズまたは亜鉛のうち少なくとも１種を含有してもよい。なお、金属配線層12の主成分とは、金属配線層12を構成する成分のうち、50質量％を超える成分のことをいう。
また、金属配線層12の表面に酸化銅が存在し、1000μｍ２の観察領域における粒界に、この酸化銅が15個以上80個以下存在することが好ましい。金属配線層12が気孔を有するものであるとき、金属配線層12の表面にめっき処理を施した際、めっき液が気孔を伝って浸透すれば、ガラス成分が侵食されてセラミック焼結体11に対する密着強度低が低下することとなる。特に、ガラス成分にＢｉが含まれる場合に侵食が顕著である。これに対し、金属配線層12の表面に酸化銅が存在し、1000μｍ２の視野における粒界に、この酸化銅が15個以上80個以下存在することにより、粒界に存在する酸化銅によって気孔が埋められることから気孔を減らすことができるため、めっき処理後においても高い密着強度を維持することができる。また、酸化銅が15個以上80個以下であれば、電気抵抗が高くなるおそれも少ないため、めっき処理後においても高い密着強度を維持することができるとともに、低い電気抵抗を維持することができる。
なお、酸化銅のカウント方法は、ＳＥＭを用いて金属配線層12の表面を3000倍の倍率で観察し、観察領域における粒界の存在箇所を確認する。次に、ＥＰＭＡを用いて得られたＣｕのマッピングとＯのマッピングとにおいて、各存在領域の重なるところが酸化銅の存在箇所となる。そして、粒界の存在箇所と酸化銅の存在箇所とを照らし合わせ、各存在箇所の重なるところが粒界に存在する酸化銅であり、この数をカウントすればよい。
また、観察領域が1000μｍ２よりも小さいもしくは大きい場合は、実際の測定における観察領域で得られた酸化銅の数を、1000μｍ２の観察領域における酸化銅の数に換算すればよい。
また、第１の領域12ａに含まれるガラス成分を構成する酸化珪素が、第１の領域12ａにおける主面側よりも第２の領域12ｂ側に多いことが好ましい。このような構成であるときには、金属配線層12の表面にめっき処理を施した際、金属配線層12の内部にめっき液が浸透したとしても、第１の領域12ａにおける第２の領域12ｂ側に耐薬品性の高い酸化珪素が多く存在していることから、セラミック焼結体11に対する金属配線層12の密着強度に大きな影響を及ぼす第１の領域12ａにおける主面側のガラス成分が侵食されるおそれは少なくなるため、めっき処理後においても高い密着強度を維持することができる。
なお、第１の領域12ａにおける主面側とは、セラミック焼結体11の主面から第１の領域12ａの厚みの１／５にあたる部分までのことであり、第２の領域12ｂ側とは、第１の領域12ａと第２の領域12ｂとの境界から第１の領域12ａの厚みの１／５にあたる部分までのことである。また、主面側および第２の領域12ｂ側における酸化珪素の含有量は、セラミック焼結体11の主面に金属配線層12を備える回路基板10を厚み方向に切断し、クロスセクションポリッシャ加工を行なった後、第１の領域12ａにおける主面側および第２の領域12ｂ側について、ＳＥＭを用いて3000倍の倍率で観察し、付設のエネルギー分散型分析装置（ＥＤＳ)を用いて求めればよい。
また、本実施形態の回路基板10を構成するセラミック焼結体11は、酸化アルミニウム質焼結体、酸化ジルコニウム質焼結体、酸化アルミニウムと酸化ジルコニウムの複合焼結体、窒化珪素質焼結体、窒化アルミニウム質焼結体またはムライト質焼結体を用いることができる。なお、原料コストを含めた作製コストや基板の加工性の観点から、セラミック焼結体11は酸化アルミニウム質焼結体からなることが好ましい。
また、回路基板10に搭載される電子部品13としては、例えば、絶縁ゲート・バイポーラ・トランジスタ（ＩＧＢＴ）素子、インテリジェント・パワー・モジュール（ＩＰＭ）素子、金属酸化膜型電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）素子、発光ダイオード（ＬＥＤ）素子、フリーホイーリングダイオード（ＦＷＤ）素子、ジャイアント・トランジスタ（ＧＴＲ）素子、ショットキー・バリア・ダイオード（ＳＢＤ）等の半導体素子、昇華型サーマルプリンタヘッドまたはサーマルインクジェットプリンタヘッド用の発熱素子、ペルチェ素子等を用いることができる。
以下、本実施形態の回路基板10の製造方法の一例について説明する。
まず、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）の粉末と、焼結助剤である酸化珪素（ＳｉＯ２）、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）、酸化カルシウム（ＣａＯ）等の粉末とを用いて公知の方法により酸化アルミニウム質焼結体を作製する。
次に、金属配線層12となる金属ペーストを準備する。なお、この金属ペーストとしては、第１の領域12ａを形成する第１の金属ペーストと、第２の領域12ｂを形成する第２の金属ペーストとを準備する。第１の金属ペーストは、銅、銀またはアルミニウムを主成分とする金属粉末と、ガラス粉末と、有機ビヒクルとを含有する。また、第２の金属ペーストは、銅、銀またはアルミニウムの少なくとも１種を主成分とする金属粉末と、有機ビヒクルとを含有する。また、必要に応じて各金属ペーストには、金属酸化物粉末を加えても良い。
ここで、第１の領域12ａを形成する第１の金属ペーストの一例について、銅を主成分とする場合について説明する。まず金属粉末としては、平均粒径が1.0μｍ以上3.5μｍ以下であり、第１の金属粉末と、平均粒径が第１の金属粉末の平均粒径の13.5％以上16.5％以下であり、第２の金属粉末とを準備する。そして、第１の金属粉末を65質量％以上75質量％以下、第２の金属粉末を25質量％以上35質量％以下とした混合金属粉末を用いる。特に、第１の金属粉末を68質量％以上72質量％以下、第２の金属粉末を28質量％以上32質量％以下で混合した金属粉末を用いることが好ましい。なお、銀やアルミニウムを主成分とする場合も同様に混合した金属粉末を用いることが好ましい。
このような割合の混合金属粉末を用いれば、平均粒径の大きい第１の金属粉末の粒子同士の隙間に、平均粒径が第１の金属粉末の平均粒径の13.5％以上16.5％以下である第２の金属粉末が入ることによって、第１の金属粉末の粒子同士の隙間を埋めるとともに、第１の金属ペーストの焼結性を向上させることができるため、第１の領域12ａを緻密に形成することができる。
次に、ガラス粉末としては、軟化点が600℃以上700℃以下のものを用いることが好ましい。軟化点が600℃以上700℃以下であるときには、第１の金属のペーストの焼成において、軟化点が600℃未満のものよりも金属粉末の粒子の成長を抑制することによって第１の領域12ａを緻密にすることができるとともに、軟化点が700℃を超えるものよりもセラミック焼結体11と第１の領域12ａとの界面に密着強度を向上させるガラス成分が存在しやすくなることから、セラミック焼結体11と第１の領域12ａとの密着強度を向上させることができる。
このガラス粉末の種類としては、例えば、ＳｉＯ２系、ＺｎＯ系、Ｒ２Ｏ−ＳｉＯ２系（Ｒ：アルカリ金属元素）、Ｒ２Ｏ−ＺｎＯ−ＳｉＯ２系、ＳｉＯ２−Ｂ２Ｏ３系、ＳｉＯ２−ＺｎＯ−Ｂ２Ｏ３系、Ｒ２Ｏ−ＳｉＯ２−Ｂ２Ｏ３系、Ｒ２Ｏ−ＺｎＯ−ＳｉＯ２−Ｂ２Ｏ３系、ＳｉＯ２−Ｂ２Ｏ３−Ｂｉ２Ｏ３系、ＳｉＯ２−ＺｎＯ−Ｂ２Ｏ３−Ｂｉ２Ｏ３系、Ｒ２Ｏ−ＳｉＯ２−Ｂ２Ｏ３−Ｂｉ２Ｏ３系、Ｒ２Ｏ−ＳｉＯ２−ＺｎＯ−Ｂ２Ｏ３−Ｂｉ２Ｏ３系などが挙げられる。特に、Ｂｉ２Ｏ３を含有するガラス粉末を用いることが好ましい。これは、Ｂｉ２Ｏ３を含有するガラス粉末を用いたときには、セラミック焼結体11に対する第１の金属ペーストの濡れ性が良好となり、セラミック焼結体11と第１の領域12ａとの密着強度を高められるからである。
また、ガラス粉末の平均粒径は0.5μｍ以上4.0μｍ以下であることが好ましい。特に、第１の金属ペーストに用いる金属粉末の構成が上述した範囲であるとき、ガラス粉末の平均粒径が0.5μｍ以上4.0μｍ以下であれば、第１の領域12ａをより緻密にすることができるとともに、セラミック焼結体11と第１の領域12ａとの密着強度をさらに向上させることができる。
また、有機ビヒクルは、有機バインダを有機溶剤に溶解したものであり、例えば、有機バインダと有機溶剤の比率は、有機バインダ１に対し、有機溶剤が２〜６である。そして、有機バインダとしては、例えば、ポリブチルメタクリレート、ポリメチルメタクリレート等のアクリル類、ニトロセルロース、エチルセルロース、酢酸セルロース、ブチルセルロース等のセルロース類、ポリオキシメチレン等のポリエーテル類、ポリブタジエン、ポリイソプレン等のポリビニル類から選択される１種もしくは２種以上を混合して用いることができる。
また、有機溶剤としては、例えば、カルビトール、カルビトールアセテート、テルピネオール、メタクレゾール、ジメチルイミダゾール、ジメチルイミダゾリジノン、ジメチルホルムアミド、ジアセトンアルコール、トリエチレングリコール、パラキシレン、乳酸エチル、イソホロンから選択される１種もしくは２種以上を混合して用いることができる。
そして、第１の金属ペーストにおける金属粉末、ガラス粉末、有機ビヒクルの配合比としては、第１の金属ペーストを100質量％としたとき、金属粉末を77.0質量％以上87.0質量％以下、ガラス粉末を0.5質量％以上５質量％以下、有機ビヒクルを10質量％以上20質量％以下の範囲とする。
また、セラミック焼結体11が酸化アルミニウム質焼結体であり、第１の金属ペーストに含有させる金属酸化物が酸化銅（ＣｕＯまたはＣｕ２Ｏ）であるときには、アルミン酸銅（ＣｕＡｌ２Ｏ４またはＣｕＡｌＯ２）が生成されやすくなり、セラミック焼結体11と第１の領域12ａとの密着強度を高くすることができる。また、第１の金属ペーストに含有させる金属酸化物が酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）であるときには、第１の領域12ａの熱膨張係数を酸化アルミニウム質焼結体の熱膨張係数に近づけることができ、セラミック焼結体11と第１の領域12ａとの熱膨張係数差によって、セラミック焼結体11と第１の領域12ａとが剥離するおそれを少なくすることができる。
次に、第２の領域12ｂを形成する第２の金属ペーストについて説明する。金属粉末としては、平均粒径が2.0μｍ以上4.5μｍ以下である金属粉末を用いる。また、有機ビヒクルおよび有機溶剤は、第１の金属ペーストで用いたものと同じものを使用すれば良い。
そして、第２の金属ペーストにおける金属粉末、有機ビヒクルの配合比としては、第２の金属ペーストを100質量％としたとき、金属粉末を80質量％以上90質量％以下、有機ビヒクルを10質量％以上20質量％以下の範囲とする。第２の金属ペーストを上述した構成とし、第２の金属ペーストにはガラス粉末を含まないことで、金属粉末の粒子の成長が抑制されないことから、第２の領域12ｂの平均粒径は、第１の領域12ａの平均粒径よりも大きくなり、第２の領域12ｂは放熱特性に優れたものとすることができる。
次に、第１の金属ペーストおよび第２の金属ペーストを用いた金属配線層12の形成方法について説明する。まず、公知のスクリーン印刷法により第１の金属ペーストをセラミック焼結体11の主面に印刷し、乾燥させた後に焼成することにより、第１の領域12ａを形成する。次に、第１の領域12ａの上に、第２の金属ペースト２を印刷し、乾燥させた後に焼成することによって、第２の領域12ｂを形成することができ、これにより、第１の領域12ａと第２の領域12ｂとからなる金属配線層12が形成されることとなる。
なお、第１の金属ペーストおよび第２の金属ペーストは、所望の厚みとするために、印刷、乾燥のサイクルを複数回行なって焼成してもよいが、ガラス粉末を含む第１の金属ペーストと、第２の金属のペーストとを同時に焼成したときには、第１の金属ペーストに含まれていたガラス成分が移動して、第２の領域12ｂにガラス成分が残存するおそれが生じる。そのため、第２の金属ペーストの印刷は、焼成を終えた第１の領域12ａの上に行なうことが好ましい。これにより、第２の領域12ｂにガラス成分が残存することはないため、放熱特性を十分に発揮することができる。
また、印刷した毎に乾燥させて焼成すれば、金属ペースト中に含まれる有機ビヒクルを十分に蒸発させて取り除くことができるので、形成された金属配線層12に膨れが生じることは少なく、有機物の残存も少ないことから、放熱特性の低下を招くおそれを少なくすることができる。
そして、上述した第１の金属ペーストおよび第２の金属ペーストの乾燥は、80℃以上150℃以下の温度で行ない、焼成については、850℃以上1050℃以下の最高温度で0.5時間以上３時間以下保持して焼成する。なお、金属粉末がアルミニウムであるときには、500℃以上600℃以下の最高温度で0.5時間以上３時間以下保持して焼成すればよい。また、金属粉末が銀であるときには、800℃以上1000℃以下の最高温度で0.5時間以上３時間以下保持して焼成すればよい。なお、この焼成時の雰囲気は、金属ペーストの酸化を抑制すべく例えば、酸素濃度の低い窒素雰囲気で焼成する。そして、以上の製造方法により、セラミック焼結体11の主面に金属配線層12を備えた回路基板10を得ることができる。
また、金属配線層12の表面の部分的もしくは全面にめっき処理を行なってもよい。このようにめっき処理を行なうことによって、電極パッド14やボンディングワイヤ15などの密着処理がしやすくなり、金属配線層12が酸化腐蝕するのを抑制することができる。めっきの種類としては公知のめっきであればよく、例えば、金めっき、銀めっきまたはニッケル−金めっきなどが挙げられる。
また、金属配線層12の形成において、セラミック焼結体11の主面の例えば全面に第１の領域12ａと第２の領域12ｂとを有する金属配線層12を形成してから、金属配線層12の必要領域にレジスト膜を形成し、塩化第二鉄、塩化第二銅またはアルカリからなるエッチング液等を用いてエッチングし、その後、水酸化ナトリウム水溶液等を用いてレジスト膜を除去することで、必要領域に金属配線層12を形成してもよい。
また、金属配線層12の厚みは30μｍ以上80μｍ以下であることが好ましい。金属配線層12の厚みが30μｍ以上80μｍ以下であるときには、電子部品13の動作による熱を放熱することができるとともに、セラミック焼結体11との高い密着強度が得られ、エッチングによる金属配線層12の形成において、金属配線層12の間隔を狭くすることができ、狭ピッチ化および細線化を図ることができる。
また、セラミック焼結体11に貫通孔を設けて、貫通孔内に例えば第１の金属ペーストを用いて貫通導体を形成して、金属配線層12と繋げて放熱特性を向上させてもよい。また、セラミック焼結体11の他方主面にも金属配線層12を形成し、貫通導体と繋げることによってさらに放熱特性を向上させてもよい。
また、金属配線層12の表面に酸化銅を存在させるには、用いる金属粉末を銅とし、焼成時における焼成雰囲気中の酸素濃度を調整すればよい。金属配線層12の表面の1000μｍ２の観察領域における粒界に、15個以上80個以下の酸化銅を存在させるには、用いる金属粉末として、粒度分布におけるｄ10が１〜２μｍのものを用い、焼成雰囲気中の酸素濃度を30〜120ｐｐｍとすればよい。
また、第１の領域12ａに含まれるガラス成分を構成する酸化珪素が、第１の領域12における主面側より第２の領域12ｂ側で多いものとするには、第１の領域12を形成する第１の金属ペーストとして、酸化珪素の含有量の異なる２種類のペーストを用意し、主面側に酸化珪素の含有量の少ない方、第２の領域12ｂ側に酸化珪素の含有量の多い方のペーストを用いて第１の領域12ａを形成すればよい。
そして、上述した製造方法により得られた本実施形態の回路基板10は、金属配線層12が電子部品の動作によって生じる熱を素早く放熱可能な優れた放熱特性を有しているとともに、セラミック焼結体との高い密着強度によって、電子部品13の動作と非動作とを繰り返したときの冷熱サイクルによる金属配線層12の剥離が少ないことから、長期間にわたって使用可能な信頼性の高い回路基板10とすることができる。
また、本実施形態の回路基板10の製造方法は上述した製造方法に限るものではない。なお、回路基板10は、分割溝が形成されたセラミック焼結体11を用いて、上述した方法で金属配線層12を形成した後分割すれば、本実施形態の回路基板10を効率よく作製可能である。
そして、金属配線層12上に、例えば電極パッド14を介して電子部品13を搭載することにより、本実施形態の電子装置１とすることができる。この本実施形態の電子装置１は、上述したように長期間にわたって使用可能な信頼性の高い本実施形態の回路基板10に電子部品13を搭載してなることから、本実施形態の電子装置１についても、長期間にわたって使用可能な信頼性の高いものとなる。
以下、本発明の実施例を具体的に説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。
第１の領域および第２の領域の金属の平均粒径と金属配線層における厚みの割合とを異ならせた試料を作製し、密着強度および熱伝導率の測定、ならびにヒートサイクル試験を行なった。
まず、酸化珪素および酸化マグネシウムを焼結助剤とし、酸化アルミニウムの含有量が96質量％の酸化アルミニウム質焼結体を作製した。なお、セラミック焼結体11には、試料を多数個取りできるように、溝加工を施した。
次に、試料Ｎｏ．１〜７の第１の領域を形成する第１の金属ペーストは、銅からなり、平均粒径の異なる金属粉末を混合した混合金属粉末（平均粒径が2.8μｍ：平均粒径が0.4μｍ＝７：３）を82質量％と、平均粒径が2.5μｍであり、軟化点が630℃のＢｉ２Ｏ３−ＳｉＯ２−Ｂ２Ｏ３系ガラス粉末を３質量％と、有機ビヒクル（有機バインダであるアクリル樹脂：有機溶剤であるテルピネオール＝１：４）を15質量％とを調合して作製した。
また、試料Ｎｏ．１〜７の第２の領域を形成する第２の金属ペーストは、平均粒径が2.8μｍの銅からなる金属粉末を85質量％と、有機ビヒクル（有機バインダであるアクリル樹脂：有機溶剤であるテルピネオール＝１：４）を15質量％とを調合して作製した。
そして、得られた第１の金属ペーストを用いてスクリーン印刷法によりセラミック焼結体11の一方の主面に印刷を行なった。なお、印刷の回数は、表１に示す第１の領域の厚みとなるように調整し、印刷するごとに乾燥および焼成を行なった。そして、第１の領域の上に、第２の金属ペーストを印刷した。また、印刷の回数は、表１に示す第１の領域の厚みとなるように調整し、印刷するごとに乾燥および焼成を行なった。
なお、金属配線層12の厚みは70μｍとなるように形成した。また、乾燥は100℃にて行ない、その後、酸素濃度を５ｐｐｍに調整した窒素雰囲気において、900℃の最高温度で0.8時間保持することにより焼成した。これにより、セラミック焼結体11の一方の主面に金属配線層12を備えた試料Ｎｏ．１〜７の回路基板を得た。
また、試料Ｎｏ．８については、第１の金属ペーストにおいて、平均粒径が5.9μｍを７、平均粒径が0.84μｍを３の比率の金属粉末を用い、第２の金属ペーストにおいて、平均粒径が1.3μｍの金属粉末を用いたこと以外は、試料Ｎｏ．１〜７の作製時と同様の方法で作製した。
次に、各試料を厚み方向に切断した面を測定面とし、この測定面について、ＥＰＭＡを用いることによってＳｉのマッピングを確認することにより、第１の領域と第２の領域との境界を確認し、主面から境界までの距離を第１の領域の厚み、境界から表面までの距離を第２の領域の厚みとして表１に示した。
また、熱伝導率の測定方法は、各試料からセラミック焼結体11と金属配線層12とが密着された直径が10ｍｍの試験片を切り出し、アルキメデス法で密度を求めた後、ＪＩＳ Ｒ1611−2100に準拠したレーザーフラッシュ法によって求め、表１に示した。
次に、密着強度の測定方法について説明する。まず、密着強度を測定するための準備として、ＳｎとＰｂの６：４の共晶半田に、全体に対して２質量％のＡｇを含む半田16を用い、フラックスには、ロジン系合成樹脂にケトンとアルコール系溶剤とを混合したものを用いて、２ｍｍ×２ｍｍの大きさの金属配線層12の表面に、半田付け装置（例えば、タムラ化研株式会社製 ＸＡ−100）により、225±５℃の温度で径が0.6ｍｍのＳｎめっき銅線を半田付けした。
次に、ＡＮＺＡ ＴＥＣＨ社製のダイ・シェアリング・テスタ（型番：520Ｄ）を使用し、Ｓｎめっき銅線を7.62ｍｍ／分の速度で引っ張り、金属配線層がセラミック焼結体から剥離するときの強度を測定してセラミック焼結体に対する金属配線層の密着強度を測定した。なお、測定数は各試料につき10個とし、その平均値を表１に示した。
また、密着強度の測定において剥離した金属配線層を用いて、剥離面（剥離前の主面側）を第１の領域における金属の平均粒径測定用の測定面とし、剥離面の反対側の面（剥離前の金属配線層の表面）を第２の領域における金属の平均粒径測定用の測定面としたＳＥＭを用いて3000倍の倍率で観察し、画像解析ソフト「Ａ像くん」（登録商標、旭化成エンジニアリング（株）製）を用いることにより平均粒径を算出し、表１に示した。
また、冷熱衝撃試験装置を用いて各試料の環境温度を、室温から−45℃に降温して15分保持してから、昇温して125℃で15分保持した後、室温まで降温するというサイクルを１サイクルとしたヒートサイクル試験を行なった。なお、各試料20個試験し、2000サイクル〜3000サイクルの間で50サイクル毎に各試料につき１つずつ取出し、セラミック焼結体と金属配線層との界面について、ＳＥＭを用いて1000倍の倍率で観察を行ない、剥離が確認されたときのサイクル回数を表１に示した。
Figure 0005677585
表１から、第１の領域の厚みが金属配線層の厚みの35％未満である試料Ｎｏ．１は、密着強度が28Ｎ／２×２ｍｍ２と低かった。また、第１の領域の厚みが金属配線層の厚みの70％を超える試料Ｎｏ．７は、熱伝導率が74Ｗ／ｍ・Ｋと低かった。また、第２の領域よりも第１の領域の平均粒径が大きい試料Ｎｏ．８は、密着強度が20Ｎ／２×２ｍｍ２と低かった。また、試料Ｎｏ．１，７，８はヒートサイクル試験の結果が2150回以下であり、熱的信頼性が低かった。
これに対し、試料Ｎｏ．２〜６は、密着強度が35Ｎ／２×２ｍｍ２以上であり、熱伝導率が83Ｗ／ｍ・Ｋ以上であり、ヒートサイクル試験の結果が2250回以上であった。この結果、第１の領域の厚みが金属配線層の厚みの35％以上70％以下であり、第１の領域における金属の平均粒径が第２の領域における金属の平均粒径よりも小さいことにより、密着強度が高く、放熱特性に優れ、信頼性の高い回路基板となることがわかった。
次に、金属配線層12における第１の領域と第２の領域との厚みの割合と、第２の領域の平均粒径を同じとし、第１の領域の平均粒径を異ならせた試料を作製し、密着強度および熱伝導率の測定、ならびにヒートサイクル試験を行なった。
なお、第１の領域の平均粒径は、第１の金属ペーストに用いる混合金属粉末の大きさを調整することにより行なった。また、各種測定および算出については実施例１と同様の方法で行なった。結果を表２に示す。
Figure 0005677585
表２から、試料Ｎｏ．10〜14は、試料Ｎｏ．９，15よりも、密着強度または熱伝導率が高く、ヒートサイクル試験の結果が上回っており、第１の領域の平均粒径が3.0μｍ以上8.0μｍ以下であることにより、回路基板の信頼性を高められることがわかった。
次に、金属配線層12における第１の領域と第２の領域との厚みの割合と、第１の領域の平均粒径を同じとし、第２の領域の平均粒径を異ならせた試料を作製し、密着強度および熱伝導率の測定、ならびにヒートサイクル試験を行なった。
なお、第２の領域の平均粒径は、第２の金属ペーストに用いる金属粉末の大きさを調整することにより行なった。また、各種測定および算出については実施例１と同様の方法で行なった。また、接触式の表面粗さ計を用いて、金属配線層12の表面における算術平均粗さ（Ｒａ）を、ＪＩＳ Ｂ0601−2001に基づいて測定し、結果を表３に示す。
Figure 0005677585
表３から、試料Ｎｏ．17〜21は、試料Ｎｏ16，22よりも、密着強度または熱伝導率が高く、ヒートサイクル試験の結果が上回っており、第２の領域の平均粒径が9.0μｍ以上13.0μｍ以下であることにより、回路基板の信頼性を高められることがわかった。
また、第２の領域の平均粒径は、金属配線層の表面の算術平均粗さ（Ｒａ）に影響を与えることから、上述した特性を含め、第２の領域の平均粒径は9.0μｍ以上13.0μｍ以下であることが好ましいことがわかった。
次に、金属配線層の表面において、粒界に存在する酸化銅の個数の異ならせた試料を作製し、体積抵抗率およびめっき処理前後の密着強度の測定を行なった。
なお、作製にあたり、第２の金属ペーストに、粒度分布におけるｄ10が1.3μｍの金属粉末を用い、焼成時の雰囲気を表１に示す酸素濃度に調整したこと以外については実施例３の試料Ｎｏ．19と同じ方法により試料Ｎｏ．23〜27を作製した。なお、めっきについては、公知の無電解メッキ法でニッケル（Ｎｉ）膜を４μｍ、パラジウム（Ｐｄ）膜を0.1μｍ、金（Ａｕ）膜を0.1μｍ形成した。
そして、粒界に存在する酸化銅のカウントについては、まず、ＳＥＭを用いて金属配線層の表面を3000倍の倍率で観察し、観察領域における粒界の存在箇所を確認した。次に、ＥＰＭＡを用いて得られたＣｕのマッピングとＯのマッピングとにおいて、各存在領域の重なるところを酸化銅の存在箇所とし、粒界の存在箇所と酸化銅の存在箇所とを照らし合わせ、各存在箇所の重なるところが粒界に存在する酸化銅としてカウントした。
また、金属配線層の体積抵抗率については、ＪＩＳ Ｃ5012−1993に準拠し、４端子法で測定した。また、めっき前およびめっき後の密着強度の測定は、実施例１と同様の方法で行なった。結果を表４に示す。
Figure 0005677585
表４から、試料Ｎｏ．24〜26は、試料Ｎｏ．23と比較したとき、めっき前後の密着強度の差が小さく、試料Ｎｏ．27と比較したとき、体積固有抵抗率が低かった。この結果より、1000μｍ２の観察領域における粒界に酸化銅が15個以上80個以下存在することにより、めっき処理後においても高い密着強度を維持することができるとともに、低い電気抵抗を維持できることがわかった。
次に、第１の領域における主面側と第２領域側との酸化珪素の含有量を異ならせた試料を作製し、めっき処理前後の密着強度の測定を行なった。
まず、金属配線層の第１の領域を形成する第１の金属ペーストを２種類用意した。１つ目として、実施例３の試料Ｎｏ．19を作製したときと同じ第１の金属ペースト（Ａ）を用意し、２つ目として、ガラスの組成において、Ｂｉ２Ｏ３の含有量を減らし酸化珪素の含有量を増やした第１の金属ペースト（Ｂ）を用意した。そして、セラミック焼結体11の主面上に第１の金属ペースト（Ａ）を印刷して乾燥した後、第１の金属ペースト（Ｂ）を印刷して乾燥した後に焼成することによって第１の領域を形成した。なお、２種類の金属ペーストを用いたこと以外は、実施例３の試料Ｎｏ．19を作製したときと同じ方法により試料Ｎｏ．29を作製した。なお、試料Ｎｏ．28は、実施例３の試料Ｎｏ．19と同じものである。
そして、主面側および第２領域側の第１の領域に含まれる酸化珪素の含有量については、試料を厚み方向に切断し、クロスセクションポリッシャ加工を行なった後、第１の領域における主面側および第２の領域側について、ＳＥＭを用いて3000倍の倍率で観察し、付設のＥＤＳを用いて求めた。また、めっき前およびめっき後の密着強度の測定は、実施例１と同様の方法で行なった。結果を表５に示す。
Figure 0005677585
表５から、試料Ｎｏ．29は、試料Ｎｏ28よりも、めっき前後の密着強度の差が無かった。この結果より、第１の領域に含まれるガラス成分を構成する酸化珪素が、主面側よりも第２の領域側に多いことにより、回路基板の信頼性を高められることがわかった。
１：電子装置
10：回路基板
11：セラミック焼結体
12：金属配線層
12ａ：第１の領域
12ｂ：第２の領域
13：電子部品
14：電極パッド

Claims (6)

  1. 酸化アルミニウム質焼結体、酸化ジルコニウム質焼結体、酸化アルミニウムと酸化ジルコニウムの複合焼結体、窒化珪素質焼結体、窒化アルミニウム質焼結体またはムライト質焼結体のいずれかからなるセラミック焼結体の少なくとも一方の主面に、主成分が銅からなる金属配線層を備えてなり、前記金属配線層は、前記主面に接し、ガラス成分を含有する第１の領域と、該第１の領域の上に位置し、ガラス成分を含有しない第２の領域とを有し、前記第１の領域の厚みが前記金属配線層の厚みの３５％以上７０％以下であり、前記第１の領域における銅の平均粒径が前記第２の領域における銅の平均粒径よりも小さいことを特徴とする回路基板。
  2. 前記第１の領域における金属の平均粒径が３．０μｍ以上８．０μｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載の回路基板。
  3. 前記第２の領域における金属の平均粒径が９．０μｍ以上１３．０μｍ以下であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の回路基板。
  4. 前記金属配線層の表面に酸化銅が存在し、１０００μｍ２の観察領域における粒界に、前記酸化銅が１５個以上８０個以下存在することを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の回路基板。
  5. 前記第１の領域に含まれるガラス成分を構成する酸化珪素が、前記第１の領域における前記主面側よりも前記第２の領域側に多いことを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の回路基板。
  6. 請求項１乃至請求項５のいずれかに記載の回路基板に電子部品を搭載してなることを特徴とする電子装置。
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