JP6010333B2 - 配線基板および電子装置 - Google Patents

Description

本発明は、半導体素子または発光素子等の電子部品を搭載するための配線基板に関するものである。

従来、電子部品を搭載し電子機器に組み込まれる配線基板は、例えば酸化アルミニウム質焼結体（アルミナセラミックス）等のセラミックス製の絶縁基体が用いられている。配線基板には、放熱性の向上等を目的として、絶縁基体内に放熱部材が埋設されているものがある（例えば、特許文献１を参照。）。

放熱部材は、例えば配線基板に実装された電子部品で生じた熱を外部に逃がして、放熱性を高めるために用いられる。絶縁基体がセラミックス製である場合には、放熱部材は、熱伝導率がセラミックスよりも高く、熱膨張率がセラミックスと同程度の材料で作製される。例えば、絶縁基体の材料が酸化アルミニウム質焼結体である場合には、放熱部材の材料には銅タングステン（ＣｕＷ）が含まれることがある。

また、このような配線基板には、放熱部材または絶縁基体の表面に設けられた表面金属層を有したものがある。このような表面金属層の材料は、放熱部材がＣuＷのように高融
点金属材料を含んだ材料であるときには、放熱部材と同様に、熱伝導率がセラミックスよりも高いＣuＷのような高融点金属材料を含んだ材料が用いられる。

特開2006−066409号公報

ＣｕＷを主成分とする表面金属層とＣｕＷを含む放熱部材とを用いた配線基板では、表面金属層から放熱部材へのＣｕの移動を低減するために、表面金属層と放熱部材との間に例えば、Ｃｕよりも融点の高いバリア層が設けられた構造も考えられる。

しかしながら、表面金属層と放熱部材との間にバリア層が設けられていると、バリア層によって表面金属層と放熱部材との間における熱伝導が妨げられることから、配線基板の表面金属層上に電子部品を実装して電子装置とした際に、電子部品で発生する熱が放熱部材へと伝わることが低減される。

本発明の一つの態様による配線基板は、絶縁基体と、絶縁基体から部分的に露出するように絶縁基体内に設けられており、ＣｕＷを含む放熱部材と、放熱部材に接して放熱部材、および放熱部材と絶縁基体との境界を覆うように放熱部材および絶縁基体の表面に設けられており、主成分としてＣｕよりも融点の高い金属またはセラミック材料を含むバリア層と、バリア層上に設けられており、主成分としてＣｕＷを含む表面金属層とを有しており、バリア層はＣｕをさらに含んでいる。

本発明の一つの態様による配線基板によれば、絶縁基体と、絶縁基体から部分的に露出するように絶縁基体内に設けられており、ＣｕＷを含む放熱部材と、放熱部材に接して放熱部材、および放熱部材と絶縁基体との境界を覆うように放熱部材および絶縁基体の表面に設けられており、主成分としてＣｕよりも融点の高い金属またはセラミック材料を含むバリア層と、バリア層上に設けられており、主成分としてＣｕＷを含む表面金属層とを有しており、バリア層はＣｕをさらに含んでいることから、バリア層に含まれているＣｕを介して熱が伝わりやすいため、表面金属層と放熱部材との間における熱伝導性を向上できる。配線基板の表面金属層上に電子部品を実装して電子装置とした際に、電子部品で発生する熱の放熱部材への熱伝導を向上できる。

（ａ）は、本発明の第１の実施形態における配線基板の上面図であり、（ｂ）は（ａ）の下面図である。 （ａ）は、図１（ａ）のＡ−Ａ線における断面図であり、（ｂ）は（ａ）のＡ部における拡大図である。 （ａ）は、本発明の第２の実施形態における配線基板の上面図であり、（ｂ）は（ａ）の下面図である。 （ａ）は、図３（ａ）のＡ−Ａ線における断面図であり、（ｂ）は（ａ）のＡ部における拡大図である。 （ａ）は、本発明の第３の実施形態における配線基板の上面図であり、（ｂ）は（ａ）の下面図である。 （ａ）は、図５（ａ）のＡ−Ａ線における断面図であり、（ｂ）は（ａ）のＡ部における拡大図である。 （ａ）は、本発明の第１の実施形態の変形例における配線基板の上面図であり、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線における断面図である。 （ａ）および（ｂ）は、本発明の第１の実施形態の変形例における配線基板の上面図の一例である。

以下、本発明のいくつかの例示的な実施形態について図面を参照して説明する。

（第１の実施形態）
本発明の第１の実施形態における電子装置は、配線基板１と電子部品２とを有している。

本実施形態における配線基板１は、図１および図２に示された例のように、絶縁基体11と、絶縁基体11から部分的に露出するように絶縁基体11内に設けられている放熱部材12と、放熱部材12に接して放熱部材12を覆うように絶縁基体11の表面に設けられているバリア層13と、バリア層13上に設けられている表面金属層14と、絶縁基体11の表面および内部に設けられている配線導体15とを有している。なお、図１および図２において、電子装置は、仮想のｘｙｚ空間内に設けられており、以下便宜的に「上方向」とは仮想のｚ軸の正方向のことをいう。また、図２（ｂ）の拡大断面図においてバリア層13に含まれているＣｕは符号Ｃで示す。

絶縁基体11は、電子部品２の搭載領域を含む上面を有しており、平面視において矩形の板状の形状を有している。絶縁基体11は、電子部品２を支持するための支持体として機能し、上面中央部の搭載領域上に電子部品２が低融点ろう材または導電性樹脂等の接合剤を介して接着され固定される。

絶縁基体11の材料は、例えば酸化アルミニウム質焼結体（アルミナセラミックス），窒化アルミニウム質焼結体，ムライト質焼結体等のセラミックスである。

絶縁基体11は、例えば酸化アルミニウム質焼結体である場合であれば、酸化アルミニウム，酸化珪素，酸化マグネシウム，酸化カルシウム等の原料粉末に適当な有機バインダーおよび溶剤等を添加混合して泥漿状となし、これを従来周知のドクターブレード法またはカレンダーロール法等によりシート状に成形してセラミックグリーンシートを得て、しか
る後、セラミックグリーンシートに適当な打ち抜き加工を施すとともにこれを複数枚積層し、高温（約1300℃〜1400℃）で焼成することによって製作される。

放熱部材12は、配線基板１に実装された電子部品２で生じる熱を配線基板１の外に逃がして、配線基板１の放熱性を高めるためのものであり、絶縁基体11の上面および下面において絶縁基体11から部分的に露出するように絶縁基体11に埋設されている。また、放熱部材12は、例えば平面視において角部が円弧状の矩形状または円形状の柱状の形状を有している。なお、放熱部材12は、平面視において電子部品２よりも大きい形状を有している。放熱部材12は主成分としてＣｕＷを含んでいる。本明細書中において、主成分とは含有成分の中で最も多い成分のことである。主成分は好ましくは含有成分の全体に対して50質量％以上含まれていることが好ましい。放熱部材12を構成する成分中においては、ＣｕＷの含有量が最も多い。また、放熱部材12を構成する成分中においては、50質量％以上含まれていればよい。

このような放熱部材12は、絶縁基体11用のセラミックグリーンシートに金型またはパンチングによる打ち抜き加工またはレーザ加工によって穴を設けた後、設けられた穴に放熱部材12用の金属シートまたは金属ペーストを配置することによって作製される。

放熱部材12用の金属シートの作製方法は、まず金属粉末に有機バインダおよび有機溶剤を必要に応じて所定量の可塑剤および分散剤を加えてスラリーを得る。次に、スラリーをＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）等の樹脂または紙製の支持体上にドクターブレード法，リップコーター法またはダイコーター法等の成形方法によって塗布してシート状に成形する。その後、温風乾燥，真空乾燥または遠赤外線乾燥等の乾燥方法によって乾燥することによって作製する。

金属粉末としては、タングステン（Ｗ）および銅（Ｃｕ）からなる粉末が用いられる。金属粉末は混合，合金のいずれの形態であってもかまわない。Ｃｕ粉末とＷ粉末とを混合した金属シートを用いると、放熱性に優れた銅タングステン（ＣｕＷ）からなる放熱部材12とすることができる。

放熱部材12用の金属ペーストは、主成分である上記の金属粉末に有機バインダーおよび有機溶剤、また必要に応じて分散剤等を加えてボールミル，三本ロールミルまたはプラネタリーミキサー等の混練手段によって混合および混練することで作製する。

このような放熱部材12用の金属ペーストに用いられる有機バインダの添加量は、焼成時に分解・除去されやすく、かつ金属粉末を分散できる量であればよく、金属粉末に対して５乃至20質量％程度の量であることが望ましい。溶剤は金属粉末に対して４乃至15質量％の量で加えられ、15000乃至40000ｃｐｓ程度となるように調整される。

なお、金属ペーストには、焼成時のセラミックグリーンシートの焼成収縮挙動または収縮率と合わせるため、または焼成後の放熱部材12の接合強度を確保するために、ガラスまたはセラミックスの粉末を添加してもよい。

また、放熱部材12用の金属材料として金属ペーストを用いる場合には、金属ペーストはセラミックグリーンシートの穴に保持されるような粘度に調整されていればよいが、セラミックグリーンシートの穴を底のあるものとしておくことが好ましい。

バリア層13は、放熱部材12に接して放熱部材12を覆うように絶縁基体11の上面および下面に設けられる。バリア層13は、主成分としてＣｕよりも融点の高い金属またはセラミック材料を含んでいる。なお、上述のようなバリア層13の主成分である金属またはセラミッ
ク材料は、放熱部材12および表面金属層14と比較して熱伝導率が低いものが一般的である。バリア層13はＣｕを含んでおり、Ｃｕはバリア層13の全体に分散されて含まれている。バリア層13は、例えば10μｍ〜50μｍ程度の厚みに形成される。バリア層13を構成する成分中においては、Ｃｕよりも融点の高い金属またはセラミック材料の含有量が最も多い。また、バリア層13を構成する成分中においては、Ｃｕよりも融点の高い金属またはセラミック材料が50質量％以上含まれていればよい。

図２（ｂ）に示された例のように、バリア層13に含まれているＣｕは、表面金属層14または放熱部材12に接している。バリア層13に含まれているＣｕが表面金属層14に接していることから、表面金属層14とバリア層13との間の熱伝導を向上できる。また、バリア層13に含まれているＣｕが放熱部材12に接していることから、バリア層13と放熱部材12との間の熱伝導を向上できる。

平面視において、電子部品２の搭載領域となる中央におけるバリア層13内のＣｕの含有量が、平面視において、絶縁基体11と接する端部におけるバリア層13内のＣｕの含有量よりも多くなるようにしておくと、電子部品２の熱を放熱部材12に伝達させるのに有効である。

また、平面視において端部におけるバリア層13内のセラミックスまたはガラスの含有量が、平面視において中央におけるバリア層13内のセラミックスまたはガラスの含有量よりも多いときには、バリア層13の剥離の起点となりやすいバリア層13の端部と絶縁基体11との接合を強固にできる。

バリア層13がＣｕよりも融点の高い金属材料からなる場合は、ＷまたはＭｏ等の高融点金属粉末に、有機バインダーおよび有機溶剤、また必要に応じて分散剤等を加えて製作したメタライズペーストを、セラミックグリーンシート上に放熱部材12を覆うように、スクリーン印刷法等を用いて印刷することにより製作される。なお、絶縁基体11が酸化アルミニウム質焼結体からなる場合は、バリア層13としてＭｏを用いることが好ましい。

バリア層13がセラミック材料からなる場合は、絶縁基体11と実質的に同じセラミック粉末に、有機バインダーおよび有機溶剤、また必要に応じて分散剤等を加えて製作したセラミックペーストを、セラミックグリーンシート上に放熱部材12を覆うように、スクリーン印刷法等を用いて印刷することにより製作される。

このようなバリア層13は表面金属層14から放熱部材12へのＣｕの移動を低減するためのものである。表面金属層14から放熱部材12へのＣｕの移動を低減することによって、表面金属層14の表面がポーラスとなることを抑制できる。

絶縁基体11用のセラミック生成形体をＣｕの融点よりも高い温度にて焼成すると、ＣｕおよびＷを含む放熱部材12用の金属シートまたは金属ペーストに含まれるＣｕが溶けて、バリア層13内に拡散する。このことによって、バリア層13はＣｕを含んだものとなる。また、バリア層13用の金属ペーストまたはセラミックペーストに、Ｃｕ粉末を0.05質量％〜５質量％程度含有させておくことによって、バリア層13にＣｕを含ませてもよい。なお、バリア層13に含まれるＣｕの含有量は、Ｃｕよりも融点の高い金属またはセラミック材料に対して0.1質量％〜30質量％程度としておくことが好ましい。

表面金属層14は、バリア層13上に設けられている。表面金属層14は、平面視で少なくとも搭載される電子部品２よりも広い領域に設けられることが好ましく、図１および図２に示された例のように、バリア層13の全面を覆うように設けておくことが好ましい。

表面金属層14は、主成分としてＣｕＷを含んだ金属粉末メタライズからなる。金属粉末は、混合、合金のいずれの形態であっても構わない。ＷまたはＭｏ等の高融点金属粉末に、有機バインダーおよび有機溶剤、また必要に応じて分散剤等を加えて製作したメタライズペーストを、セラミックグリーンシート上にバリア層13を覆うように、スクリーン印刷法等を用いて印刷することにより製作される。表面金属層14を構成する成分中においては、主成分であるＣｕＷの含有量が最も多い。また、表面金属層14を構成する成分中においては、ＣｕＷが50質量％以上含まれていればよい。

配線導体15は、絶縁基体11の表面および内部に設けられており、配線導体15は、配線基板１に搭載された電子部品２と外部の回路基板とを電気的に接続するためのものである。配線導体15は、タングステン（Ｗ），モリブデン（Ｍｏ），マンガン（Ｍｎ），銀（Ａｇ），銅（Ｃｕ）等の金属粉末メタライズから成る。配線導体15は、絶縁基体11の表面または内部に設けられた配線導体と、絶縁基体11を構成する絶縁層を貫通して上下に位置する配線導体同士を電気的に接続する貫通導体とを含んでいる。なお、配線導体15は、絶縁基体11の表面または内部において放熱部材12または表面金属層14に部分的に接触していてもよい。

絶縁基体11の内部に配置される配線導体15は、例えば絶縁基体11用のセラミックグリーンシートに配線導体15用のメタライズペーストをスクリーン印刷法等の印刷手段によって印刷塗布し、絶縁基体11用のセラミックグリーンシートとともに焼成することによって形成される。また、貫通導体は、例えば絶縁基体11用のセラミックグリーンシートに金型またはパンチングによる打ち抜き加工またはレーザー加工等の加工方法によって貫通導体用の貫通孔を形成し、この貫通孔に貫通導体用のメタライズペーストを上記印刷手段によって充填しておき、絶縁基体11用のセラミックグリーンシートとともに焼成することによって形成される。

表面金属層14と配線導体15の露出部の表面には、ニッケル，金等の耐蝕性に優れる金属めっき層が被着される。表面金属層14および配線導体15が腐食することを抑制することができるとともに、電子部品２、ボンディングワイヤまたは外部回路基板と表面金属層14および配線導体15とを強固に接合できる。例えば、露出部の表面には、厚さ１〜10μｍ程度のニッケルめっき層と厚さ0.1〜３μｍ程度の金めっき層とが順次被着される。

また、電子部品２として、発光素子が用いられる場合には、表面金属層14または配線導体15の露出部の最表面に、１〜10μｍ程度の銀めっき層を被着させておいてもよい。表面金属層14の露出部の最表面を銀めっき層としておくと、発光素子から表面金属層14側に放出された光を良好に反射できる発光装置とすることができる。

また、電子部品２が搭載される表面金属層14の露出部には、Ｃｕめっき層を被着させても構わない。例えば、ニッケルめっき層と金めっき層との間またはニッケルめっき層と金めっき層の下地層に10〜80μｍ程度のＣｕめっき層を被着させることで、電子部品２の発する熱を表面金属層14に良好に伝熱させるとともに、信頼性に優れた電子装置とすることができる。

配線基板１の上面には、平面視で放熱部材12と重なるように電子部品２が接合されて搭載される。電子部品２は、例えば半導体素子または発光素子等である。また、半導体素子または発光素子等とともにコンデンサまたはダイオード等の小型電子部品が搭載されていてもよい。電子部品２は、金（Ａｕ）−シリコン（Ｓｉ）合金から成るろう材または銀（Ａｇ）を含むエポキシ樹脂等の導電性接合材によって配線基板１の上面に接合される。また、電子部品２の電極と配線導体15とが、例えばＡｕを主成分とするボンディングワイヤ等の接続部材３を介して電気的に接続される。電子部品２は樹脂材料等の封止材４によっ
て封止されている。また、半田バンプまたは金バンプ等によって、電子部品２の電極と配線導体15とが電気的に接続されていてもよい。

本実施形態の配線基板１は、絶縁基体11と、絶縁基体11から部分的に露出するように絶縁基体11内に設けられており、ＣｕＷを含む放熱部材12と、放熱部材12に接して放熱部材12を覆うように絶縁基体11の表面に設けられており、主成分としてＣｕよりも融点の高い金属またはセラミック材料を含むバリア層13と、バリア層13上に設けられており、主成分としてＣｕＷを含む表面金属層14とを有しており、バリア層13はＣｕをさらに含んでいる。このような構成であることから、バリア層13に含まれているＣｕを介して熱が伝わりやすいため、表面金属層14と放熱部材12との間における熱伝導性を向上できる。配線基板１の表面金属層14上に電子部品２を実装して電子装置とした際に、電子部品２で発生した熱の放熱部材12への熱伝導を向上できる。

（第２の実施形態）
次に、本発明の第２の実施形態による電子装置について、図３および図４を参照しつつ説明する。

本発明の第２の実施形態における電子装置において、上記した第１の実施形態の電子装置と異なる点は、図３および図４に示された例のように、バリア層13に含まれるＣｕが放熱部材12側から表面金属層14側までつながっている点である。すなわち、バリア層13に含まれているＣｕが、放熱部材12に含まれているＣｕおよび表面金属層14に含まれているＣｕに接している。また、本実施形態においては、表面金属層14と配線導体15の１つとが配線基板１の上面で接続されている。また、放熱部材12は絶縁基体11の上面において絶縁基体11から部分的に露出するように絶縁基体11に埋設されている。

このように、バリア層13に含まれているＣｕが、放熱部材12に含まれているＣｕおよび表面金属層14に含まれているＣｕに接合されていることによって、電子部品２で発生した熱の放熱部材12への熱伝導をより向上できる。また、放熱部材12とバリア層13との接合強度、およびバリア層13と表面金属層14との接合強度を向上できる。

（第３の実施形態）
次に、本発明の第３の実施形態による電子装置について、図５および図６を参照しつつ説明する。

本発明の第３の実施形態における電子装置において、上記した第１の実施形態の電子装置と異なる点は、図５および図６に示された例のように、平面視において、放熱部材12およびバリア層13と重なる表面金属層14が複数設けられている点である。また、図６に示された例のように、放熱部材12の上面側と下面側との大きさが異なっている。また、表面金属層14と配線導体15とが配線基板１の下面で接続されている。

第３の実施形態におけるバリア層13は、複数の表面金属層14同士が電気的に短絡することを低減するために、材料としてセラミックスが用いられることが好ましい。また、バリア層13内に含まれているＣｕは、放熱部材12に含まれているＣｕおよび表面金属層14に含まれているＣｕとつながらないように、分散されていることが好ましい。

放熱部材12は、図５および図６に示された例のように、平面視において配線基板１の上面側の大きさが、配線基板１の下面側の大きさよりも小さく、上面側と下面側との間に段差を有している。このような構造であると、絶縁基体11の上面側で配線導体15を配置するための領域を確保するのに有効である。

本実施形態の放熱部材12は、第１のセラミックグリーンシートに第１貫通孔を形成し、第２のセラミックグリーンシートに第１貫通孔よりも大きい第２貫通孔を形成し、これらの貫通孔に放熱部材12となる金属シートまたは金属ペーストを充填して、第１および第２のセラミックグリーンシートを積層して加圧した後、焼成することによって作製される。

金属シートを用いる場合には、金属シートは、セラミックグリーンシートに打ち抜き加工で穴を設けるときに同時に埋設されると成形体を効率よく作製できる。例えば、絶縁基体11用のセラミックグリーンシートの上面に金属シートを配置し、セラミックグリーンシートに貫通孔を形成する打ち抜き金型を用いて、金属シート側から金属シートとセラミックグリーンシートとを打抜くと、セラミックグリーンシートの貫通孔内に、この貫通孔と同サイズに打ち抜かれた金属シートを嵌め込むことができる。

また、図６に示された例のように、放熱部材12の厚みが絶縁基体11の厚みよりも薄く、表面金属層14と配線導体15とが同じ高さに位置していてもよい。

なお、本発明は上述の実施の形態の例に限定されるものではなく、種々の変更は可能である。例えば、図７に示された例のように、外部回路基板に接合される配線導体15を絶縁基体11の上面側に導出させていてもよい。この場合は、図７に示された例のように、配線基板１の下面にＣｕＷまたはアルミニウム（Ａｌ）等の金属体５を接合させて、放熱性を向上できる。

また、電子部品２として発光素子を実装する場合には、絶縁基体11は凹部16を有し、凹部16の内壁面に発光素子が発する光を反射させるための反射層17を設けておいてもよい。反射層17は、例えば絶縁基体11にメタライズ層とめっき層とを順に被着したり、樹脂膜または金属膜を被着したりすることによって形成される。反射層の露出する表面にはニッケル，金または銀等の金属が被着される。

また、図８に示された例のように、配線基板１は複数の電子部品２が搭載されていてもよい。この場合、図８（ａ）に示された例のように、複数の電子部品２は、平面視で１つの放熱部材12上に設けられていてもよいし、図８（ｂ）に示された例のように、それぞれ異なる放熱部材12上に設けられていてもよい。

１・・・配線基板
２・・・電子部品
11・・・絶縁基体
12・・・放熱部材
13・・・バリア層
14・・・表面金属層
15・・・配線導体
16・・・凹部
17・・・反射層
３・・・接続部材
４・・・封止材
５・・・金属体

Claims (3)

1. 絶縁基体と、
   該絶縁基体から部分的に露出するように前記絶縁基体内に設けられており、ＣｕＷを含む放熱部材と、
   該放熱部材に接して前記放熱部材、および前記放熱部材と前記絶縁基体との境界を覆うように前記放熱部材および前記絶縁基体の表面に設けられており、主成分としてＣｕよりも融点の高い金属またはセラミック材料を含むバリア層と、
   該バリア層上に設けられており、主成分としてＣｕＷを含む表面金属層とを備えており、前記バリア層はＣｕをさらに含んでいることを特徴とする配線基板。
2. 前記バリア層に含まれているＣｕが、前記放熱部材に含まれているＣｕおよび前記表面金属層に含まれているＣｕに接していることを特徴とする請求項１記載の配線基板。
3. 請求項１に記載の配線基板と、
   該配線基板に実装された電子部品とを備えたことを特徴とする電子装置。

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