JP6046421B2 - 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および、電子装置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。

また、このような配線基板には、放熱部材に接続された導体層を有するものがある。すなわち放熱部材が電流経路をなしている。絶縁基体の材料が上記したアルミナセラミックスのように焼結温度の高いセラミックス材料であるときには、放熱部材および導体層の材料は絶縁基体と同時に焼成することを目的として高融点金属材料を含む金属材料を用いることがある。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、放熱部材および導体層の材料として銅タングステン（ＣuＷ）を用いる場合がある。

特開2006−066409号公報

しかしながら、放熱部材および導体層の材料としてＣｕＷを用いた配線基板は、焼成時に、導体層中のＣuが放熱部材に移動して導体層中のＣuが少なくなることがあった。導体層中のＣｕが少なくなると、導体層中のＷの比率が高くなり、ＣｕＷを用いた配線基板の焼結温度ではＷが焼結しないことから、導体層中に未焼結の領域が生じるので、導体層が絶縁基体から剥がれる可能性がある。

また、放熱部材へＣｕを供給するために、平面視において導体層の面積を大きくすると、導体層の周囲の絶縁基体の面積が小さくなるので、導体層の周囲の絶縁基体にクラックまたはデラミネーションの生じる可能性が高くなる。

本発明の一つの態様による配線基板は、絶縁基体と、絶縁基体内に設けられており、ＣｕＷを含む放熱部材と、放熱部材に接続されるように絶縁基体内に設けられており、ＣｕＷを含む導体層とを有している。導体層は、平面視において放熱部材に重なった第１領域と、第１領域の一部から延びるように設けられており、絶縁基体から部分的に露出された露出部を含む第２領域と、平面視において、第１領域の一部から延びるように設けられており、Ｃｕを含んだ第３領域とを有しており、露出部と放熱部材との距離より、第３領域と放熱部材との距離が小さい。

本発明の他の態様による電子装置は、配線基板と、配線基板に搭載された電子部品とを有する。

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、絶縁基体内に設けられており、ＣｕＷを含む放熱部材と、放熱部材に接続されるように絶縁基体内に設けられており、ＣｕＷを含む導体層とを有しており、導体層は、平面視において放熱部材に重なった第１領域と、第１領域の一部から延びるように設けられており、絶縁基体から部分的に露出された露出部を含む第２領域と、平面視において、第１領域の一部から延びるように設けられており、Ｃｕを含んだ第３領域とを有しており、露出部と放熱部材との距離より、第３領域と放熱部材との距離が小さい。このような構造であることから、放熱部材と導体層の露出部との距離を大きくできるので、導体層の露出部から放熱部材へのＣｕの移動を低減でき、未焼結の領域が生じることを抑制して、導体層が絶縁基体から剥がれる可能性を低減できる。また、平面視において導体層の周囲の絶縁基体の面積の減少を低減できるので、絶縁基体の強度低下を低減して、絶縁基体にクラックまたはデラミネーションの生じる可能性を低減できる。

本発明の他の態様によれば、電子装置は、上記構成の配線基板と、電子部品とを含んでいるので、配線基板と電子部品との接合強度を向上して長期信頼性に優れたものとできる。

（ａ）は、本発明の第１の実施形態における電子装置の上面図であり、（ｂ）は（ａ）の下面図である。 （ａ）は、本発明の第１の実施形態における配線基板の平面透視図であり、（ｂ）は図１（ａ）のＡ−Ａ線における断面図であり、（ｃ）は図１（ａ）のＢ−Ｂ線における断面図である。 （ａ）は、本発明の第２の実施形態における電子装置の上面図であり、（ｂ）は（ａ）の下面図である。 （ａ）は、本発明の第２の実施形態における配線基板の平面透視図であり、（ｂ）は図３（ａ）のＡ−Ａ線における断面図であり、（ｃ）は図３（ａ）のＢ−Ｂ線における断面図である。 本発明の第３の実施形態における電子装置の上面図である。 （ａ）は、本発明の第３の実施形態における配線基板の平面透視図であり、（ｂ）は図６（ａ）のＡ−Ａ線における断面図である。 本発明の第１の実施形態の変形例における電子装置の上面図である。 （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平面透視図であり、（ｂ）は図８（ａ）のＡ−Ａ線における断面図である。 本発明の第１の実施形態の変形例における電子装置の断面図である。

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内に設けられている放熱部材12と、絶縁基体11内に設けられている導体層13と、絶縁基体11の表面および内部に設けられている金属導体14とを有している。導体層13は放熱部材12に接続されている。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。

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。また、本実施形態において、絶縁基体11は、小型の電子部品２を搭載するための凹部15を有している。

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。

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。

導体層13は、絶縁基体11の内部に設けられ、第１領域13ａと第２領域13ｂとを有している。導体層13は、凹部15に搭載された小型の電子部品２と外部の回路基板とを電気的に接続したり、電子部品２の搭載部または外部の回路基板との接合部として用いられる。

第１領域13ａは、平面視で放熱部材12よりも広い領域に四角形状に設けられており、放熱部材12に重なっている。

第２領域13ｂは、第１領域13ａの一部から延びるように設けられており、部分的に絶縁基体11から露出されている。本実施形態において第２領域13ｂは凹部15内に露出されている。また、本実施形態において、第２領域13ｂは第１領域13ａの角部近傍から延びているので、放熱部材12との距離をより大きくすることができる。

導体層13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よい。例えば、Ｗの金属粉末とＣｕ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埋設された放熱部材12用の金属材料に重なるように、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。導体層13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、導体層13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。

金属導体14は、絶縁基体11の表面および内部に設けられており、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したり、電子部品２の搭載部または外部の回路基板との接合部として用いられる。金属導体14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。ＷまたはＭｏ等の高融点金属材料を用いる場合には、例えばＣｕと混合または合金化して用いる。金属導体14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、金属導体14は、絶縁基体11の表面または内部において放熱部材12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金属導体14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属導体14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。

導体層13と金属導体14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。導体層13および金属導体14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導体層13および金属導体14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、金属導体14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。発光素子が搭載される金
属導体14の露出部の最表面を銀めっき層としておくと、発光素子から金属導体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よい。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で生じる熱が表面金属層14に伝わりやすくなるので、放熱性の高い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の電子部品２が搭載されていてもよい。例えば、図１および図２に示された例においては、配線基板の上面に搭載される電子部品２が発光素子である場合には、凹部15の底面に露出した導体層13の露出部13ｃには、ツェナーダイオード等の電子部品２が搭載される。電子部品２は、金（Ａｕ）−シリコン（Ｓｉ）合金からなるろう材または銀（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の電極と導体層13または金属導体14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、必要に応じて、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の電極と導体層13または金属導体14とが電気的に接続されていてもよい。また、蓋体等によって封止されていてもよい。

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に接続されるように絶縁基体11内に設けられており、ＣｕＷを含む導体層13とを有しており、導体層13が、平面視において放熱部材12に重なっている第１領域13ａと、第１領域13ａの一部から延びるように設けられており、絶縁基体11から部分的に露出された露出部13ｃを含む第２領域13ｂとを有する。このような構成であることから、放熱部材12と導体層13の露出部13ｃとの距離を大きくできるので、導体層13の露出部13ｃから放熱部材12へのＣｕの移動を低減でき、未焼結の領域が生じることを抑制して、導体層13が絶縁基体11から剥がれる可能性を低減できる。また、平面視において導体層13の周囲の絶縁基体11の面積の減少を低減できるので、絶縁基体11の強度低下を低減して、絶縁基体11にクラックまたはデラミネーションの生じる可能性を低減できる。

本実施形態の電子装置は、上記の配線基板１と、配線基板１に搭載された電子部品２とを有していることから、配線基板１と電子部品２との接合強度を向上して長期信頼性に優れたものとできる。

（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、平面視において、導体層13が、第１領域13ａの一部から延びるように設けられており、Ｃｕを含んでいる第３領域13ｄをさらに有している点、放熱部材12が断面視において段差を有する形状である点および、絶縁基体11が上面の内周に沿って上面の中央を囲んでいる側壁部16を有する点である。本実施形態の電子装置によれば、第３領域13ｄから放熱部材12にＣｕが移動するので、露出部13ｃから放熱部材12にＣｕが移動することをさらに低減できる。また、露出部13ｃと放熱部材12との距離よりも、第３領域13ｄと放熱部材12との距離が小さいと、露出部13ｃから放熱部材12へのＣｕの移動量よりも第３領域13ｄから放熱部材12へのＣｕの移動量が多くなるので、露
出部13ｃのＣｕの減少を低減できる。

放熱部材12は、図３および図４に示された例のように、断面視において配線基板１の上方向の大きさが、下方向の大きさよりも小さく、上面と下面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の上方側に金属導体14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。

（第３の実施形態）
次に、本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。

本実施形態における電子装置において、上記した第１および第２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、露出部13ｃが第２領域13ｂの端部を除く領域の一部である点および、金属導体14が絶縁基体11の上面と内部にのみ設けられている点である。本実施形態の電子装置によれば、露出部13ｃに比較的Ｃｕの含有量の少ない第２領域13ｂの端部が含まれていないので、露出部13ｃにおけるＣｕの含有量を多くして、露出部13ｃが絶縁基体11から剥がれることをより有効に低減できる。また、絶縁基体11の下面の全体に絶縁基体11よりも熱伝導率の高い第２の放熱体（図示せず）を接合できるので、電子装置の放熱性をさらに向上できる。

第２の放熱体の材料としては、例えば、絶縁基体11が酸化アルミニウム質焼結体である場合であれば、銅（Ｃｕ），銅−タングステン（Ｃｕ−Ｗ）またはアルミニウム（Ａｌ）等の金属材料または窒化アルミニウム質焼結体のセラミック材料等が挙げられる。

また、本実施形態においては、配線基板１の上面の金属導体14の一部を外部の回路基板に接合する外部端子として用いる。

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および図８に示された例のように、導体層13が絶縁基体11の側面に露出していてもよい。導体層13を蓋体、外部端子等の金属部材または外部の回路基板との接合部として用いることができる。

また、図９に示された例のように、導体層13が絶縁基体11の下面に露出していてもよい。配線基板１の上面側における金属導体14の配置の自由度を高めることができる。

また、絶縁基体11の側面に溝が設けられており、溝の内面に導体の被着された、いわゆるキャスタレーション導体を有していてもよい。

また、側壁部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を設けておい
てもよい。反射層は、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、電子装置は３つ以上の電子部品２が搭載されたものであってもよい。この場合、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、内部に複数の放熱部材12を配置し、これらの放熱部材12上にそれぞれ設けられていてもよい。

１・・・配線基板
11・・・絶縁基体
12・・・放熱部材
13・・・導体層
13ａ・・第１領域
13ｂ・・第２領域
13ｃ・・露出部
13ｄ・・第３領域
14・・・金属導体
15・・・凹部
16・・・側壁部
２・・・電子部品
３・・・接続部材
４・・・封止材

Claims (3)

1. 絶縁基体と、
   前記絶縁基体内に設けられており、ＣｕＷを含む放熱部材と、
   前記放熱部材に接続されるように前記絶縁基体内に設けられており、ＣｕＷを含む導体層とを備えており、
   前記導体層は、平面視において前記放熱部材に重なった第１領域と、該第１領域の一部から延びるように設けられており、前記絶縁基体から部分的に露出された露出部を含む第２領域と、平面視において、前記第１領域の一部から延びるように設けられており、Ｃｕを含んだ第３領域とを有しており、
   前記露出部と前記放熱部材との距離より、前記第３領域と前記放熱部材との距離が小さいことを特徴とする配線基板。
2. 平面視において、前記露出部が、前記第２領域の端部を除く領域の一部であることを特徴とする請求項１に記載の配線基板。
3. 請求項１記載の配線基板と、
   前記配線基板に搭載された電子部品とを備えていることを特徴とする電子装置。

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