JP6208618B2

JP6208618B2 - 素子実装基板および実装構造体

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Publication number: JP6208618B2
Application number: JP2014090844A
Authority: JP
Inventors: 芳規川頭
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2014-04-25
Filing date: 2014-04-25
Publication date: 2017-10-04
Anticipated expiration: 2034-04-25
Also published as: JP2015211096A

Description

本発明は、素子実装基板およびその素子実装基板を用いる実装構造体に関する。

従来から、素子を実装する素子実装基板が知られている（例えば、下記特許文献１参照）。特に、半導体素子を実装する素子実装基板は、モジュールを小型化にするために、半導体素子の小型化とともに、素子実装基板も小型化にする傾向がある。ところが、素子実装基板は、素子実装基板とともに半導体素子が小型化になると、半導体素子からの発熱密度が増加し、半導体素子の熱の影響によって素子実装基板の温度が上昇することとなり、小型化になるにつれて破壊する虞が高くなる。そこで、半導体素子の発する熱を如何に効率よく外部に放熱するかが重要である。また、熱の影響によっては、素子実装基板の電気特性にも悪影響を与える。そこで、素子実装基板は、小型化を実現するとともに、電気特性の優れたものが求められている。

特開２０００−３１１９０７号公報

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、電気特性の優れた素子実装基板およびその素子実装基板を用いる実装構造体を提供することを目的とする。

本発明の一実施形態に係る素子実装基板は、上面に素子を実装する基板と、前記基板の側面から前記基板の下面にかけて設けられた切欠き部と、前記基板上から前記基板内をとおって、前記切欠き部の内面に形成され、且つ前記基板内から前記基板の下面にかけて形成された電極と、を備え、下面視して、前記切欠き部の内面は、開口幅が大きい個所と小さい個所を有しており、前記電極が、前記開口幅が大きい個所に形成されていることを特徴とする。

本発明の一実施形態に係る実装構造体は、前記素子実装基板と、前記素子実装基板上に実装された素子と、前記素子実装基板上に前記素子を覆った蓋体とを備えたことを特徴とする。

本発明によれば、電気特性に優れた素子実装基板および実装構造体を提供することができる。

本発明の一実施形態に係る実装構造体であって、蓋体を取り外した状態を示した外観斜視図である。本発明の一実施形態に係る実装構造体であって、素子実装基板、素子および蓋体を別々にした状態を示した外観斜視図である。本発明の一実施形態に係る素子実装基板の外観斜視図である。図３に示した素子実装基板の切欠き部を示した側面図である。図３に示した素子実装基板の上面図である。図３に示した素子実装基板の下面図である。図６の一部Ａを拡大した下面図である。図３に示した素子実装基板の内部を透過した外観斜視図である。図３に示した素子実装基板の切欠き部を透過した外観斜視図である。図３に示した素子実装基板の配線パターンのみを示した外観斜視図である。一変形例に係る素子実装基板の外観斜視図である。図１１に示した素子実装基板の配線パターンのみを示した外観斜視図である。図１１に示した素子実装基板の切欠き部を示した側面図である。図１１に示した素子実装基板の上面図である。図１１に示した素子実装基板の下面図である。図１５の一部Ｂを拡大した下面図である。

以下に添付図面を参照して、本発明に係る素子実装基板および実装構造体の実施形態を詳細に説明する。なお、本発明は以下の実施形態に限定されないものである。

＜実装構造体の構成＞
図１は、本実施形態に係る実装構造体１を示す概観斜視図であって、蓋体４を取り外した状態を示している。図２は、図１の実装構造体１を素子実装基板２、素子３および蓋体４に分解した状態を示している。図３から図９は、本実施形態に係る素子実装基板２を示している。図１０は、本実施形態に係る素子実装基板２の電極２２を示している。実装構造体１は、テレビ等の家電機器、携帯電話、コンピュータ機器、無線基地局または衛星搭載機器等の電子機器に用いるものである。特に、マイクロ波、ミリ波等の高周波で用いられる電子機器の高周波回路に用いられる。

実装構造体１は、素子実装基板２と、素子実装基板２に実装された素子３と、素子実装基板２上に素子３を覆った蓋体４とを備えている。素子実装基板２は、例えば、半導体素子、光半導体素子、トランジスタ、ダイオードまたはサイリスタ等の能動素子、あるいは抵抗器、コンデンサ、太陽電池、圧電素子、水晶振動子またはセラミック発振子等の受動素子からなる素子３を実装するのに用いるものである。

素子実装基板２上にＩＣまたはＬＳＩ等の半導体素子を実装する場合、素子３としての半導体素子は、例えばシリコン、ゲルマニウム、ガリウム砒素、ガリウム砒素リン、窒化ガリウムまたは炭化珪素等を用いることができる。また、素子３の上面と、後述する基板２１上の電極２２とがボンディングワイヤを介して電気的に接続されている。

素子実装基板２は、上面に素子３を実装する基板２１と、基板２１の側面から基板２１の下面にかけて設けられた切欠き部Ｃ１と、基板２１上から基板２１内をとおって、切欠き部Ｃ１の内面に形成され、且つ基板２１の内面から基板２１の下面にかけて形成された電極２２と、を備えている。素子実装基板２は、図７に示すように、下面視して、切欠き部Ｃ１の内面は、開口幅が大きい個所Ｐ１と小さい個所Ｐ２を有している。そして、電極２２が、開口幅が大きい個所Ｐ１に形成されている。

素子３は、基板２１上に実装される。素子３の上面には、配線パターンが形成されている。配線パターンの一部は、ワイヤボンディングを用いて、基板２１上に形成された電極２２と電気的に接続される。なお、配線パターンは、信号が伝送されるパターンと、所定の電位に維持されるパターンとがある。所定の電位とは、例えばグランド等の接地電位のことである。

基板２１は、素子３を実装するものである。基板２１は、マイクロ波、ミリ波等の高周波の信号を伝送するためのものである。基板２１は、矩形状であって、複数の絶縁層と複数の金属層を積層した構造である。基板２１は、平面視して一辺の長さが２ｍｍ以上５０ｍｍ以下に設定されている。また、基板２１は、上下方向の厚みが０．４ｍｍ以上４ｍｍ以下に設定されている。なお、金属層が電極２２や後述する第２の電極２３として機能する。

絶縁層は、例えば、酸化アルミニウム質焼結体、ムライト質焼結体、炭化珪素質焼結体、窒化アルミニウム質焼結体、窒化珪素質焼結体またはガラスセラミックス等のセラミック材料から成る。なお、絶縁層の比誘電率は、例えば４．７以上９．９以下である。また、金属層は、導電材料からなり、例えば、銅、鉄、タングステン、モリブデン、ニッケルまたはコバルト等の金属材料、あるいはこれらの金属材料を含有する合金から成る。なお、絶縁層の熱膨張率は、例えば６．４×１０−６以上８．０×１０−６以下であって、金属層の熱膨張率は、例えば４ｐｐｍ／℃以上１８ｐｐｍ／℃以下である。

ここで、基板２１の作製方法について説明する。基板２１は、例えば酸化アルミニウム質焼結体から成る場合であれば、酸化アルミニウム、酸化珪素、酸化マグネシウムおよび酸化カルシウム等の原料粉末に、有機バインダー、可塑剤または溶剤等を添加混合して混合物を得るとともにシート状に形成したグリーンシートを得る。なお、グリーンシートは、パンチ等を用いて必要に応じて貫通孔を形成し、貫通孔に金属ペーストを充填することで、ビア導体を形成することができる。

また、金属層の原料となる、タングステンまたはモリブデン等の高融点金属粉末を準備し、この粉末に有機バインダー、可塑剤または溶剤等を添加混合して金属ペーストを得る。そして、未焼成のグリーンシートを所定形状に型を抜き、所定箇所に金属ペーストを印刷する。このようにして、金属ペーストを印刷したグリーンシートを複数層積層して、所定の温度で同時に焼成することで一体的に形成された基板２１を得る。

基板２１は、基板２１の側面から基板２１の下面にかけて切欠き部Ｃ１が設けられている。切欠き部Ｃ１は、図７に示すように、切欠き部Ｃ１の内面は、開口幅が大きい個所Ｐ１と小さい個所Ｐ２を有している。切欠き部Ｃ１は、基板２１の側面側に開口幅の大きい個所Ｐ１が位置しており、開口幅の大きい個所Ｐ１よりも内側に開口幅の小さい個所Ｐ２が位置している。切欠き部Ｃ１は、開口した箇所が最も幅広に形成されており、図６または図７に示すように、下面視して、段状に形成されている。切欠き部Ｃ１は、開口幅の大きい個所Ｐ１の長さが０．３ｍｍ以上３０ｍｍ以下に設定されている。また、切欠き部Ｃ１は、開口幅の小さい個所Ｐ２の長さが０．２ｍｍ以上２０ｍｍ以下に設定されている。さらに、切欠き部Ｃ１は、上下方向の長さが、０．２ｍｍ以上２ｍｍ以下に設定されている。

切欠き部Ｃ１が形成された箇所は、グリーンシートの縁の一部を矩形状に打抜き、矩形状に打抜いた箇所をさらに内側に一部切り欠いた形状である。そして、電極２２は、グリーンシートの縁を一部矩形状に打抜いた箇所の内面のみに形成されている。電極２２は、さらに内側に一部切り欠いた箇所には形成されていない。

電極２２は、図１０に示すように、基板２１上から基板２２内をとおって、切欠き部Ｃ１の内面に形成されている。さらに、電極２２は、基板２１内から基板２２の下面にかけて形成されている。電極２２は、素子３の信号を外部の電子機器に伝える機能を有する。電極２２は、基板２１上に露出しており、ビア導体を介して基板２１内の内層の金属層と電気的に接続される。さらに、内層の金属層から切欠き部Ｃ１の内面にかけて形成されて
おり、切欠き部Ｃ１の内面の下端から基板２１の下面に引き延ばされている。本実施形態では、電極２２は、素子実装基板２に一つ設けられているが、一つに限られない。

電極２２は、所定の電気信号を伝達することができる。電極２２は、例えば、マイクロストリップ線路またはコプレーナ線路として用いる。電極２２は、例えば、タングステン、モリブデンまたはマンガン等で形成された金属層上に、ニッケルメッキ層および金メッキ層が形成されてなる。また、電極２２の線路幅は、電極２２に伝わる信号の波長の４分の１以下であって、例えば０．３ｍｍ以上３０ｍｍ以下に設定されている。なお、基板２１の下面に形成された電極２２は、導電部材を介して外部の電子機器と接続される。

第２の電極２３は、基板２１上から基板２１内をとおって、基板２１の下面に形成されている。第２の電極２３は、電気的に所定電位となる機能を有する。具体例としては、第２の電極２３は、グランド電極として機能する。基板２１の上面には、第２の電極２３と接続される金属層が形成されている。かかる金属層は、基板２１上の素子３が実装される領域に形成されている。そして、素子３が金属層上に実装される。金属層は、一対のビア導体を介して基板２１の下面に形成された一対の第２の電極２３と電気的に接続される。一対の第２の電極２３は、図６または図７に示すように、下面視して、電極２２を間に挟んで形成されている。

基板２１の側面には、図１から図４に示すように、切欠き部Ｃ１と隣接して、基板２１の側面から基板２１の下面にかけて第２の切欠き部Ｃ２が設けられている。第２の切欠き部Ｃ２は、切欠き部Ｃ１と間を空けて設けられている。また、基板２１の一側面には、切欠き部Ｃ１と第２の切欠き部Ｃ２の両方が設けられている。そして、下面視して、基板２１の下面に形成された電極２２は、切欠き部Ｃ１と第２の切欠き部Ｃ２の間に形成されている。第２の切欠き部Ｃ２は、開口幅の長さが０．２ｍｍ以上２０ｍｍ以下に設定されている。また、第２の切欠き部Ｃ２は、上下方向の長さが、０．２ｍｍ以上２ｍｍ以下に設定されている。

電極２２は、基板２１の小型化にともない、基板２１の上面から基板２１の下面までの引き伸ばす長さを如何に短くするかが必要となっている。そこで、電極２２の一部は、基板２１の側面に露出するようにして形成されている。電極２２は、切欠き部Ｃ１の開口幅が大きい個所Ｐ１であって、段状に形成された内面に形成されている。電極２２は、切欠き部Ｃ１の開口縁から段状となっている切欠き部Ｃ１の内面にかけて形成されている。

蓋体４は、素子３を覆うように、素子実装基板２上に設けられる。蓋体４は、素子３を気密封止するものである。蓋体４は、例えば、銅、タングステン、鉄、ニッケルまたはコバルト等の金属、或いはこれらの金属を複数種含む合金、或いは酸化アルミニウム質焼結体、ムライト質焼結体、炭化珪素質焼結体、窒化アルミニウム質焼結体、窒化珪素質焼結体またはガラスセラミックス等のセラミックスからなる。また、蓋体４は、素子実装基板２上に半田またはろう材等の接合部材を介して接合される。なお、蓋体４で囲まれた領域は、真空状態または窒素ガス等が充填されている。

本実施形態に係る素子実装基板２によれば、下面視して、切欠き部Ｃ１の内面が、開口幅が大きい個所Ｐ１と小さい個所Ｐ２を有しており、電極２２が、開口幅が大きい個所Ｐ２に形成されていることで、電極２２と外部の電子機器との間の特性インピーダンスを調整することができる。切欠き部Ｃ１は、開口幅が大きい個所Ｐ１においては、空隙となる箇所であって、大気中の空気とふれる箇所が大きく設定されている。空隙を設けることで低誘電率の空気を存在させることで、係る箇所における静電容量を大きくすることができる。その結果、静電容量を大きくし、特性インピーダンスが大きくなるのを抑制することができ、特性インピーダンスの変化量を小さくすることで、特性インピーダンスを所定値
に近づけることができる。

高周波の信号を素子実装基板２の電極２２に流す場合は、電極２２と外部の電子機器との間では、特性インピーダンスの不整合が生じやすいため、素子実装基板２の電極２２と外部の電子機器との間の特性インピーダンスをマッチングさせる必要がある。電極２２と第２の電極２３との間の静電容量は、両者の間の誘電率が大きいほど大きくなり、あるいは両者の間の距離が小さくなるほど大きくなる。切欠き部Ｃ１の内面に形成された電極２２の周囲は、空気が存在するため、空気が存在しない場合と比較して、誘電率が小さい。そのため、仮に、特性インピーダンスを導く各種パラメータに変動がなく、誘電率のみが小さくなる場合は、特性インピーダンスが大きくなる。本実施形態に係る実装構造体１および素子実装基板２は、切欠き部Ｃ１の開口幅が大きい個所Ｐ１に電極２２を形成することで、電極２２の面積を増加することができ、電極２２とその周囲との間に生じる静電容量を増加することができ、特性インピーダンスを低くおさえることができる。その結果、切欠き部Ｃ１内の電極２２の周囲における実効誘電率を下げて、特性インピーダンスを小さくするとともに所定値にすることができ、高周波数帯での周波数特性を良好にすることができる。このようにすることで、素子実装基板２と外部の電子機器との特性インピーダンス整合を良好にとることができる。

また、本実施形態に係る素子実装基板２によれば、基板２１の側面に第２の切欠き部Ｃ２を設け、下面視して、基板２１の下面に形成された電極２２は、切欠き部Ｃ１と第２の切欠き部Ｃ２の間に形成されていることで、基板２１の下面に形成された電極２２とその周囲との間に生じる静電容量を小さくすることができ、特性インピーダンスを大きくすることができるという作用効果を奏する。すなわち、素子実装基板２を小型化にする際に、基板２１の下面に形成された、隣接する電極２２同士の距離や、電極２２と第２の電極層２３との距離が短くなり、隣接する電極２２同士の間で生じる静電容量や、電極２２と第２の電極層２３との間に生じる静電容量が大きくなり、電極２２の特性インピーダンスが小さくなる。従って、隣接する電極２２同士の間や、電極２２と第２の電極層２３との間に切欠き部Ｃ１と第２の切欠き部Ｃ２を設けることにより、隣接する電極２２同士の間で生じる静電容量や、電極２２と第２の電極層２３との間に生じる静電容量を小さくでき、電極２２の特性インピーダンスが大きくすることができる。

また、本実施形態に係る素子実装基板２によれば、下面視して、一対の第２の電極２３が、電極２２を間に挟んで形成されていることで、電極２２と基板２１および大気中との間に生じる不要な電界分布の広がりを抑制することができ、電極２２と第２の電極２３との間で所望の電界分布を生じさせやすくなることから、電極２２における特性インピーダンスの変動を抑制できるという作用効果を奏する。

本発明は上述の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更、改良等が可能である。以下、本実施形態の変形例について説明する。なお、本実施形態の変形例に係る実装構造体および素子収納用パッケージのうち、本実施形態に係る実装構造体１および素子実装基板２と同様な部分については、同一の符号を付して適宜説明を省略する。図１１から図１６は、一変形例に係る素子実装基板を説明する図面である。図１１は、一変形例に素子実装基板の外観斜視図である。図１２は、図１１に示した素子実装基板の配線パターンのみを示した外観斜視図である。図１３は、図１１に示した素子実装基板の切欠き部を示した側面図である。図１４は、図１１に示した素子実装基板の上面図である。図１５は、図１１に示した素子実装基板の下面図である。図１６は、図１５の一部Ｂを拡大した下面図である。

上述した実施形態と異なり、電極２２が複数存在しても構わない。例えば、図１０から図１４に示すように、素子３からの信号が伝達される箇所である電極２２が二つ存在する
構造であってもよい。また、電極２２が二つ存在するため、それに対応させて第２の切欠き部Ｃ２ｘが二つ存在する。一変形例に係る素子実装基板２は、切欠き部Ｃ１ｘの形状が、開口幅が大きい個所Ｐ１ｘの中央部分に開口幅の小さい個所Ｐ２ｘが設けられている。そして、開口幅が大きい個所Ｐ１ｘの対向する両内面のそれぞれに電極２２が形成されている。なお、一対の電極２２は、電気的に独立している。

切欠き部Ｃ１ｘの開口幅Ｐ１の対向する内面のそれぞれに電極２２を設けることで、それぞれの電極２２が対向する面積を任意に変えることにより、それぞれの電極２２の間に生じる静電容量を任意に設定することができる。これにより、切欠き部Ｃ１ｘの大きさによって変化する電極２２の特性インピーダンスを所望の値に近づけることができるという作用効果を奏する。

＜実装構造体の製造方法＞
ここで、図１に示す実装構造体１の製造方法を説明する。まず、基板２１を準備する。ここでは、基板２１の材料として、酸化アルミニウム質焼結体、窒化アルミニウム質焼結体またはムライト質焼結体等を用いることができる。基板２１の材料が酸化アルミニウム質焼結体からなる場合、まず、酸化アルミニウム、酸化珪素、酸化マグネシウムまたは酸化カルシウム等の原料粉末に有機バインダー、可塑剤または溶剤等を添加混合して泥漿状と成すとともに、シート状に成形、乾燥されたグリーンシートを準備する。さらに、これを所定形状に打ち抜き加工して、切欠き部Ｃ１および第２の切欠き部Ｃ２を形成する。

また、タングステンまたはモリブデン等の高融点金属粉末を準備し、この粉末に有機バインダー、可塑剤または溶剤等を添加混合して金属ペーストを得る。そして、打抜き加工された焼結前のグリーンシートの切欠き部Ｃ１の内面の一部に対して、例えばスクリーン印刷法を用いて、金属ペーストを塗って電極２２を形成する。また、グリーンシートの上面や下面に対して、例えばスクリーン印刷法を用いて、金属ペーストを塗って金属層を形成する。

次に、焼結前の複数のグリーンシートを積層して加圧することで、両者を密着させる。そして、金属ペーストを印刷塗布した積層体を約１６００℃の温度で焼成することにより、電極２２や第２の電極層２３が形成されたセラミックスからなる素子実装基板２を作製することができる。

さらに、素子実装基板２の上面に半田を介して素子３を実装し、素子３の電極を基板２１上の電極２２にボンディングワイヤを介して電気的に接続する。さらに、基板２１上に、接合部材を介して蓋体４を接合することで、実装構造体１を作製することができる。

１実装構造体
２素子実装基板
２１基板
２２電極
２３第２の電極
３素子
４蓋体
Ｃ１切欠き部
Ｃ２第２の切欠き部
Ｐ１開口幅が大きい個所
Ｐ２開口幅が小さい個所

Claims

上面に素子を実装する基板と、
前記基板の側面から前記基板の下面にかけて設けられた切欠き部と、
前記基板上から前記基板内をとおって、前記切欠き部の内面に形成され、且つ前記基板内から前記基板の下面にかけて形成された電極と、を備え、
下面視して、前記切欠き部の内面は、開口幅が大きい個所と小さい個所を有しており、前記電極が、前記開口幅が大きい個所に形成されていることを特徴とする素子実装基板。
請求項１に記載の素子実装基板であって、
前記基板の側面には、前記切欠き部と隣接して、前記基板の側面から前記基板の下面にかけて第２の切欠き部が設けられており、
下面視して、前記基板の下面に形成された電極は、前記切欠き部と前記第２の切欠き部の間に形成されていることを特徴とする素子実装基板。
請求項２に記載の素子実装基板であって、
前記基板上から前記基板内をとおって、前記基板の下面に形成された一対の第２の電極を備えており、
下面視して、前記一対の第２の電極は、前記電極を間に挟んで形成されていることを特徴とする素子実装基板。
請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の素子実装基板と、
前記素子実装基板上に実装された素子と、
前記素子実装基板上に前記素子を覆った蓋体とを備えたことを特徴とする実装構造体。