JP6275990B2 - Ceramic wiring board - Google Patents

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Description

本発明は、基板両面にある電極パッド同士を接続する複数のビア導体からなるビア導体群を備えたセラミック配線基板に関するものである。   The present invention relates to a ceramic wiring board provided with a via conductor group composed of a plurality of via conductors connecting electrode pads on both sides of a board.

電力変換機器(インバータやDC−DCコンバータ)などの大電流を流す機器には、電力用のパワー半導体素子が用いられており、そのパワー半導体素子は、セラミック配線基板に実装された状態で使用されている(例えば、特許文献1参照)。特許文献1のセラミック配線基板には、半導体素子の入力電流や出力電流を流すための導体層(回路パターン)やビア導体(主電力ストレートビア)が形成されている。特許文献1に記載のビア導体は、半導体素子が搭載されている表面側とその裏面側とを導通させるべく基板の厚さ方向に延設された貫通導体であり、銀、銅、タングステン、モリブデンなどの導電性材料を用いて形成されている。   In power conversion devices (inverters and DC-DC converters) such as devices that pass large currents, power semiconductor elements for power are used, and the power semiconductor elements are used in a state of being mounted on a ceramic wiring board. (For example, refer to Patent Document 1). In the ceramic wiring board of Patent Document 1, a conductor layer (circuit pattern) and a via conductor (main power straight via) for flowing an input current and an output current of a semiconductor element are formed. The via conductor described in Patent Document 1 is a through conductor extending in the thickness direction of the substrate so that the front surface side on which the semiconductor element is mounted and the back surface side thereof are electrically connected, and silver, copper, tungsten, molybdenum It is formed using a conductive material.

セラミック配線基板において、セラミック層とビア導体とでは熱膨張係数が異なる。また、ビア導体に大電流が流れると、ジュール熱によって発熱する。このため、ビア導体とセラミック層との境界部分では熱膨張差に起因する応力によってクラックが発生することが懸念される。また、複数のビア導体からなるビアアレイ(ビア導体群)に電流を流すように構成したセラミック配線基板がある。このセラミック配線基板では、複数のビア導体間にセラミック層が介在するため、熱膨張差に起因する応力を分散させることが可能となる。   In the ceramic wiring board, the thermal expansion coefficient differs between the ceramic layer and the via conductor. Further, when a large current flows through the via conductor, heat is generated by Joule heat. For this reason, there is a concern that cracks may occur due to stress caused by the difference in thermal expansion at the boundary between the via conductor and the ceramic layer. In addition, there is a ceramic wiring board configured to allow a current to flow through a via array (via conductor group) including a plurality of via conductors. In this ceramic wiring board, since the ceramic layer is interposed between the plurality of via conductors, it is possible to disperse the stress caused by the difference in thermal expansion.

特開2013−70018号公報JP 2013-70018 A

従来のシリコンデバイスを用いたパワー半導体素子は、シリコンデバイス自体の耐久温度が低いため一般的に180℃以下の温度域で用いられる。一方で、炭化珪素デバイスなどを用いたパワー半導体素子は、デバイスの耐久温度が高いため、50℃〜300℃程度の高温の温度域で用いられる。また、使用される環境下(寒冷地での使用)では、低温になる場合もある。従って、高温で使用される半導体素子が実装されるセラミック配線基板には、半導体素子がオンオフすることによって、大きな熱ストレスが繰り返しかかることとなる。このようなセラミック配線基板では、複数のビア導体(ビアアレイ)を通して電流を流すように構成しても、応力の分散が不十分となるため、ビア導体間のセラミック層にクラックが発生してしまう。そして、それらクラックの発生により、基板表面の導体層(回路パターン)とビア導体との接続不良や、回路パターン自体の破損に進展することが懸念される。   A power semiconductor element using a conventional silicon device is generally used in a temperature range of 180 ° C. or lower because the durability temperature of the silicon device itself is low. On the other hand, a power semiconductor element using a silicon carbide device or the like is used in a high temperature range of about 50 ° C. to 300 ° C. because the durability temperature of the device is high. Moreover, it may become low temperature in the environment (use in a cold region) used. Therefore, a large thermal stress is repeatedly applied to the ceramic wiring board on which the semiconductor element used at a high temperature is mounted when the semiconductor element is turned on and off. In such a ceramic wiring board, even if the current is passed through a plurality of via conductors (via array), the stress is not sufficiently distributed, so that a crack is generated in the ceramic layer between the via conductors. There is a concern that the occurrence of such cracks may lead to poor connection between the conductor layer (circuit pattern) on the substrate surface and the via conductor, or damage to the circuit pattern itself.

なお、ビアアレイの形成領域において、ビア導体の占める面積比率を小さくすると、発生する応力を小さくすることができるが、その場合にはビア導体の電気抵抗が大きくなる。このため、ビアアレイ全体の電気抵抗を小さく維持しつつ、ビア導体の面積比率を小さくする場合には、セラミック配線基板におけるビアアレイの形成面積を大きくする必要がある。しかし、セラミック配線基板の小型化が要求される場合には、ビアアレイの形成面積を大きくすることができないといった問題がある。   If the area ratio occupied by the via conductor is reduced in the via array formation region, the generated stress can be reduced, but in that case, the electrical resistance of the via conductor is increased. For this reason, in order to reduce the area ratio of the via conductors while keeping the electrical resistance of the entire via array small, it is necessary to increase the formation area of the via array in the ceramic wiring substrate. However, when downsizing of the ceramic wiring board is required, there is a problem that the formation area of the via array cannot be increased.

本発明は上記の課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、ビア導体群を構成するビア導体間でのクラックの発生を抑制し、製品信頼性の高いセラミック配線基板を提供することにある。   The present invention has been made in view of the above problems, and an object thereof is to provide a ceramic wiring board having high product reliability by suppressing the occurrence of cracks between via conductors constituting a via conductor group. is there.

そして上記課題を解決するための手段(手段1)としては、セラミック材料を用いて第1面及び第2面を有する板状に形成される基板本体と、前記第1面上に配置される第1面側電極パッドと、前記第2面上に配置される第2面側電極パッドと、前記第1面側電極パッドと前記第2面側電極パッドとを接続する複数のビア導体からなるビア導体群とを備え、前記第1面側電極パッド、前記第2面側電極パッド及び前記複数のビア導体に電気的に接続される電力用半導体素子が前記第1面側に搭載可能なセラミック配線基板であって、前記ビア導体群は、最外周に配置される複数個の外側ビア導体と、前記複数個の外側ビア導体によって包囲される複数個の内側ビア導体とによって構成され、同じビア導体群を構成する前記複数のビア導体は、外周側のビア導体であるほど前記基板本体との熱膨張係数差が小さくなっていることを特徴とするセラミック配線基板がある。   As means (means 1) for solving the above-mentioned problems, a substrate body formed in a plate shape having a first surface and a second surface using a ceramic material, and a first body disposed on the first surface are used. Vias comprising a first surface side electrode pad, a second surface side electrode pad disposed on the second surface, and a plurality of via conductors connecting the first surface side electrode pad and the second surface side electrode pad A ceramic wiring having a conductor group and on which the power semiconductor element electrically connected to the first surface side electrode pad, the second surface side electrode pad, and the plurality of via conductors can be mounted on the first surface side The via conductor group includes a plurality of outer via conductors arranged on an outermost periphery and a plurality of inner via conductors surrounded by the plurality of outer via conductors. The plurality of via conductors constituting the group, There is a ceramic wiring substrate, wherein the thermal expansion coefficient difference between the substrate main body as is the periphery of the via conductor is small.

従って、手段1に記載の発明によると、電力用半導体素子を駆動する際に、ビア導体群を構成する複数のビア導体には、第1面側電極パッドや第2面側電極パッドを介して同じ方向に電流が流れ、ジュール熱が発生する。また、基板本体の第1面に搭載された電力用半導体素子にも電流が流れてその半導体素子が発熱する。このとき、ビア導体群においてビア導体とセラミックとの熱膨張係数の違いによって応力が発生する。なお、応力は、ビア導体群の中心部よりも外周部で顕著に発生する。本発明のセラミック配線基板では、同じビア導体群において、外周側のビア導体であるほど基板本体との熱膨張係数差を小さくしている。このようにすると、基板本体においてビア導体間の領域に発生する応力をビア導体群の外周側と内周側とで均一にすることができるため、ビア導体群全体に加わる応力を緩和することができる。この結果、セラミック配線基板において、熱ストレスが加わる頻度を抑えることができ、ビア導体間でのクラックの発生を抑制することができる。   Therefore, according to the first aspect of the invention, when driving the power semiconductor element, the plurality of via conductors constituting the via conductor group are connected to the first surface side electrode pads and the second surface side electrode pads. Current flows in the same direction, generating Joule heat. In addition, a current also flows through the power semiconductor element mounted on the first surface of the substrate body, and the semiconductor element generates heat. At this time, stress is generated in the via conductor group due to a difference in thermal expansion coefficient between the via conductor and the ceramic. Note that the stress is more remarkably generated in the outer peripheral portion than in the central portion of the via conductor group. In the ceramic wiring board of the present invention, in the same via conductor group, the thermal expansion coefficient difference from the board body is reduced as the via conductor on the outer peripheral side. In this way, since the stress generated in the region between the via conductors in the substrate body can be made uniform on the outer peripheral side and the inner peripheral side of the via conductor group, the stress applied to the entire via conductor group can be reduced. it can. As a result, in the ceramic wiring board, the frequency at which thermal stress is applied can be suppressed, and the occurrence of cracks between via conductors can be suppressed.

ここで、ビア導体群は、複数個の外側ビア導体が複数個の内側ビア導体を包囲するように設けられていればよく、例えば、格子状や千鳥状に各ビア導体が設けられていてもよいし、不規則な配置状態で各ビア導体が設けられていてもよい。具体例として、ビア導体群は、3行以上×3列以上の格子状となるよう配置されたビアアレイであってもよい。このようにビアアレイを構成すると、ビア導体とセラミックとの熱膨張係数の違いによる発生応力を確実に分散させることができる。   Here, the via conductor group only needs to be provided so that a plurality of outer via conductors surround the plurality of inner via conductors. For example, each via conductor may be provided in a lattice shape or a staggered shape. Alternatively, each via conductor may be provided in an irregular arrangement state. As a specific example, the via conductor group may be a via array arranged in a lattice shape of 3 rows or more × 3 columns or more. By configuring the via array in this way, the generated stress due to the difference in thermal expansion coefficient between the via conductor and the ceramic can be reliably dispersed.

なお、同じビア導体群において、外側ビア導体の熱膨張係数が内側ビア導体の熱膨張係数よりも大きく、基板本体の熱膨張係数が外側ビア導体の熱膨張係数よりも大きくなっていてもよいし、外側ビア導体の熱膨張係数が内側ビア導体の熱膨張係数よりも小さく、基板本体の熱膨張係数が外側ビア導体の熱膨張係数よりも小さくなっていてもよい。上記のようにすれば、同じビア導体群において、内側ビア導体と基板本体との熱膨張係数差よりも、外側ビア導体と基板本体との熱膨張係数差が小さくなる。即ち、外周側のビア導体であるほど基板本体との熱膨張係数差が確実に小さくなり、ビア導体間の領域に発生する応力をビア導体群の外周側と内周側とで確実に均一にすることができるため、ビア導体群全体に加わる応力を確実に緩和できる。   In the same via conductor group, the thermal expansion coefficient of the outer via conductor may be larger than the thermal expansion coefficient of the inner via conductor, and the thermal expansion coefficient of the board body may be larger than the thermal expansion coefficient of the outer via conductor. The thermal expansion coefficient of the outer via conductor may be smaller than the thermal expansion coefficient of the inner via conductor, and the thermal expansion coefficient of the substrate body may be smaller than the thermal expansion coefficient of the outer via conductor. According to the above, in the same via conductor group, the difference in thermal expansion coefficient between the outer via conductor and the substrate body becomes smaller than the difference in thermal expansion coefficient between the inner via conductor and the substrate body. That is, as the via conductor on the outer peripheral side is, the difference in thermal expansion coefficient from the substrate body is surely reduced, and the stress generated in the area between the via conductors is surely uniform between the outer peripheral side and the inner peripheral side of the via conductor group. Therefore, the stress applied to the entire via conductor group can be surely alleviated.

電力用半導体素子は、10A以上の電流が流れることで200℃以上の温度に発熱するパワー半導体素子であってもよい。パワー半導体素子を搭載するセラミック配線基板では、使用時における熱ストレスが大きくなる。このセラミック配線基板において、上記のように外周側のビア導体であるほど基板本体との熱膨張係数差を小さくしビア導体群全体での発生応力を緩和することにより、ビア導体間でのクラックの発生を確実に防止することができる。   The power semiconductor element may be a power semiconductor element that generates heat to a temperature of 200 ° C. or higher when a current of 10 A or more flows. In a ceramic wiring board on which a power semiconductor element is mounted, thermal stress during use increases. In this ceramic wiring board, as the via conductor on the outer peripheral side as described above, the difference in thermal expansion coefficient from the board body is reduced and the stress generated in the entire via conductor group is reduced, thereby reducing cracks between the via conductors. Occurrence can be reliably prevented.

セラミック配線基板において、電流の流れる方向が異なる複数のビア導体群を備えていてもよい。この場合、各ビア導体群を繋ぐようにクラックが発生すると、沿面放電が生じやすくなる。これに対して、本発明のようにビア導体群での発生応力を緩和することにより、ビア導体群の外側へのクラックを抑制することができる。このため、複数のビア導体群間における沿面放電を確実に回避することができる。   The ceramic wiring board may include a plurality of via conductor groups having different current flowing directions. In this case, if a crack occurs so as to connect the via conductor groups, creeping discharge is likely to occur. On the other hand, the crack to the outer side of a via conductor group can be suppressed by relieving the generated stress in a via conductor group like this invention. For this reason, creeping discharge between a plurality of via conductor groups can be reliably avoided.

セラミック配線基板において、基板本体の第2面側には、第1面側電極パッド、第2面側電極パッド及び複数のビア導体に電気的に接続される受動部品が搭載可能であってもよい。上述したように基板本体の第1面にパワー半導体素子が搭載される場合、第1面側は高温となる。この場合、耐熱性が比較的低い受動部品(コンデンサや抵抗などの電子部品)を第2面側に搭載すると、セラミック配線基板が有する断熱効果により第1面側の熱が第2面側に直接伝わらないため、受動部品の熱による性能劣化を低く抑えることができる。   In the ceramic wiring board, a passive component electrically connected to the first surface side electrode pad, the second surface side electrode pad, and the plurality of via conductors may be mounted on the second surface side of the substrate body. . As described above, when the power semiconductor element is mounted on the first surface of the substrate body, the first surface side is at a high temperature. In this case, when passive components (electronic components such as capacitors and resistors) having relatively low heat resistance are mounted on the second surface side, the heat on the first surface side is directly applied to the second surface side due to the heat insulating effect of the ceramic wiring board. Since it is not transmitted, the performance degradation due to the heat of the passive component can be kept low.

セラミック配線基板の基板本体は、ビア導体部が設けられた複数のセラミック層を積層配置してなり、ビア導体は、複数のビア導体部をセラミック層の積層方向に連結することによって構成され、複数のビア導体部は、セラミック層の積層方向において同軸上に配置されていてもよい。   The substrate body of the ceramic wiring board is formed by laminating a plurality of ceramic layers provided with via conductor portions, and the via conductor is configured by connecting the plurality of via conductor portions in the laminating direction of the ceramic layers. The via conductor portions may be arranged coaxially in the stacking direction of the ceramic layers.

基板本体を構成するセラミック層としては、酸化アルミニウム(アルミナ)、窒化アルミニウム、窒化ホウ素、炭化珪素、窒化珪素などといった高温焼成セラミックの焼結体が好適に使用される。また、ホウケイ酸系ガラスやホウケイ酸鉛系ガラスにアルミナ等の無機セラミックフィラーを添加したガラスセラミックのような低温焼成セラミックの焼結体を使用してもよい。   As the ceramic layer constituting the substrate body, a sintered body of high-temperature fired ceramic such as aluminum oxide (alumina), aluminum nitride, boron nitride, silicon carbide, silicon nitride or the like is preferably used. Alternatively, a sintered body of low-temperature fired ceramic such as glass ceramic obtained by adding an inorganic ceramic filler such as alumina to borosilicate glass or lead borosilicate glass may be used.

ビア導体群を構成するビア導体や電極パッドとしては特に限定されないが、例えば、メタライズ導体であってもよい。同時焼成法によってメタライズ導体及びセラミック層を形成する場合、メタライズ導体中の金属粉末は、セラミック層の焼成温度よりも高融点である必要がある。例えば、セラミック層がいわゆる高温焼成セラミック(例えばアルミナ等)からなる場合には、メタライズ導体中の金属粉末として、ニッケル(Ni)、タングステン(W)、モリブデン(Mo)、マンガン(Mn)、タンタル(Ta)、チタン(Ti)、ニオブ(Nb)等やそれらの混合系が選択可能である。セラミック層がいわゆる低温焼成セラミック(例えばガラスセラミック等)からなる場合には、メタライズ導体中の金属粉末として、銅(Cu)または銀(Ag)等やそれらの混合系が選択可能である。   Although it does not specifically limit as a via conductor and electrode pad which comprise a via conductor group, For example, a metallized conductor may be sufficient. When the metallized conductor and the ceramic layer are formed by the simultaneous firing method, the metal powder in the metallized conductor needs to have a melting point higher than the firing temperature of the ceramic layer. For example, when the ceramic layer is made of a so-called high-temperature fired ceramic (for example, alumina), nickel (Ni), tungsten (W), molybdenum (Mo), manganese (Mn), tantalum (metal powder in the metallized conductor) Ta), titanium (Ti), niobium (Nb), etc., or a mixed system thereof can be selected. When the ceramic layer is made of a so-called low-temperature fired ceramic (for example, glass ceramic), copper (Cu), silver (Ag), or a mixed system thereof can be selected as the metal powder in the metallized conductor.

なお、同じビア導体群を構成する複数のビア導体のそれぞれは、金属材料として、熱膨張係数が互いに異なる金属単体、合金または金属の化合物を2種類以上含み、外側ビア導体は、2種類以上の金属材料のうち熱膨張係数が最も大きい金属材料の含有量が最も多く、内側ビア導体は、2種類以上の金属材料のうち熱膨張係数が最も小さい金属材料の含有量が最も多くてもよい。このようにすれば、外側ビア導体の熱膨張係数を内側ビア導体の熱膨張係数よりも大きくすることができるため、基板本体の熱膨張係数が外側ビア導体の熱膨張係数よりも大きい場合には、外周側のビア導体であるほど基板本体との熱膨張係数差を小さくすることができる。よって、ビア導体間の領域に発生する応力をビア導体群の外周側と内周側とで均一にすることができるため、ビア導体群全体に加わる応力を確実に緩和できる。ここで、金属材料の具体例としては、タングステン(熱膨張係数:4.6ppm/K)、モリブデン(熱膨張係数:5.7ppm/K)、タンタル(熱膨張係数:6.3ppm/K)、チタン(熱膨張係数:8.5ppm/K)、ニオブ(熱膨張係数:7.0ppm/K)の中から選択される2つの金属単体などが挙げられる。   Each of the plurality of via conductors constituting the same via conductor group includes, as a metal material, two or more kinds of single metals, alloys or metal compounds having different thermal expansion coefficients, and the outer via conductors include two or more kinds of outer via conductors. The metal material having the largest thermal expansion coefficient among the metal materials may have the largest content, and the inner via conductor may have the largest content of the metal material having the smallest thermal expansion coefficient among the two or more types of metal materials. In this way, since the thermal expansion coefficient of the outer via conductor can be made larger than the thermal expansion coefficient of the inner via conductor, the thermal expansion coefficient of the substrate body is larger than the thermal expansion coefficient of the outer via conductor. The difference in the thermal expansion coefficient from the substrate body can be reduced as the via conductor on the outer peripheral side is located. Therefore, since the stress generated in the region between the via conductors can be made uniform on the outer peripheral side and the inner peripheral side of the via conductor group, the stress applied to the entire via conductor group can be surely reduced. Here, specific examples of the metal material include tungsten (thermal expansion coefficient: 4.6 ppm / K), molybdenum (thermal expansion coefficient: 5.7 ppm / K), tantalum (thermal expansion coefficient: 6.3 ppm / K), Examples thereof include two simple metals selected from titanium (thermal expansion coefficient: 8.5 ppm / K) and niobium (thermal expansion coefficient: 7.0 ppm / K).

さらに、同じビア導体群を構成する複数のビア導体は、絶縁性を有する無機フィラーを含み、外側ビア導体における無機フィラーの含有量と、内側ビア導体における無機フィラーの含有量とが互いに異なっていてもよい。このようにすれば、外側ビア導体と内側ビア導体とで無機フィラーの含有量を変化させることにより、外側ビア導体の熱膨張係数と内側ビア導体の熱膨張係数とを異ならせることができ、ひいては、ビア導体群の中心部(内周部)及び外周部に発生する応力を調節することができる。また、外側ビア導体における無機フィラーの含有量は、内側ビア導体における無機フィラーの含有量よりも大きくてもよい。このようにすれば、外側ビア導体の熱膨張係数を内側ビア導体の熱膨張係数よりも大きくすることができるため、基板本体の熱膨張係数が外側ビア導体の熱膨張係数よりも大きい場合には、外周側のビア導体であるほど基板本体との熱膨張係数差を小さくすることができる。よって、ビア導体間の領域に発生する応力をビア導体群の外周側と内周側とで均一にすることができるため、ビア導体群全体に加わる応力を確実に緩和できる。   Furthermore, the plurality of via conductors constituting the same via conductor group include an inorganic filler having insulating properties, and the content of the inorganic filler in the outer via conductor and the content of the inorganic filler in the inner via conductor are different from each other. Also good. In this way, by changing the content of the inorganic filler between the outer via conductor and the inner via conductor, the thermal expansion coefficient of the outer via conductor and the thermal expansion coefficient of the inner via conductor can be made different, and thus The stress generated in the central portion (inner peripheral portion) and outer peripheral portion of the via conductor group can be adjusted. Further, the content of the inorganic filler in the outer via conductor may be larger than the content of the inorganic filler in the inner via conductor. In this way, since the thermal expansion coefficient of the outer via conductor can be made larger than the thermal expansion coefficient of the inner via conductor, the thermal expansion coefficient of the substrate body is larger than the thermal expansion coefficient of the outer via conductor. The difference in the thermal expansion coefficient from the substrate body can be reduced as the via conductor on the outer peripheral side is located. Therefore, since the stress generated in the region between the via conductors can be made uniform on the outer peripheral side and the inner peripheral side of the via conductor group, the stress applied to the entire via conductor group can be surely reduced.

ここで、無機フィラーとしては特に限定されないが、例えば、セラミックフィラー(アルミナ等)、シリカフィラー、金属フィラー、ガラスフィラーなどが挙げられる。なお、複数のビア導体は、基板本体を構成するセラミック材料と同じ材質の無機フィラーを含んでいてもよい。この場合、ビア導体の熱膨張係数を基板本体の熱膨張係数に近付けやすくなるため、ビア導体と基板本体との境界部分に発生する応力を確実に緩和することができ、応力に起因するビア導体間でのクラックの発生をより確実に抑制できる。   Here, although it does not specifically limit as an inorganic filler, For example, a ceramic filler (alumina etc.), a silica filler, a metal filler, a glass filler etc. are mentioned. The plurality of via conductors may include an inorganic filler made of the same material as the ceramic material constituting the substrate body. In this case, since the thermal expansion coefficient of the via conductor is easily brought close to the thermal expansion coefficient of the substrate body, the stress generated at the boundary portion between the via conductor and the substrate body can be surely relieved, and the via conductor caused by the stress The generation of cracks between them can be more reliably suppressed.

手段1のセラミック配線基板、及び、セラミック配線基板の第1面側に搭載される電力用半導体素子によってセラミックパッケージが構成される。このセラミックパッケージでは、セラミック配線基板におけるクラックの発生を抑制できることから、製品信頼性を高めることができる。   A ceramic package is constituted by the ceramic wiring board of means 1 and the power semiconductor element mounted on the first surface side of the ceramic wiring board. In this ceramic package, since the generation of cracks in the ceramic wiring substrate can be suppressed, product reliability can be improved.

本実施の形態におけるセラミックパッケージの概略構成を示す断面図。Sectional drawing which shows schematic structure of the ceramic package in this Embodiment. 図1におけるA−A線での断面図。Sectional drawing in the AA in FIG. ビアアレイを示す拡大断面図。The expanded sectional view which shows a via array. 従来例であるベースモデルのビア配置を示す説明図。Explanatory drawing which shows the via arrangement | positioning of the base model which is a prior art example. 対策後のモデルのビア配置を示す説明図。Explanatory drawing which shows the via arrangement | positioning of the model after a countermeasure. 従来例であるベースモデルのシミュレーション結果を示す説明図。Explanatory drawing which shows the simulation result of the base model which is a prior art example. 対策後のモデルのシミュレーション結果を示す説明図。Explanatory drawing which shows the simulation result of the model after a countermeasure. ビア導体を千鳥状に配置した別の実施の形態におけるビアアレイを示す拡大断面図。The expanded sectional view which shows the via array in another embodiment which has arrange | positioned the via conductor in zigzag form.

以下、本発明を具体化した一実施の形態を図面に基づき詳細に説明する。   Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

図1は、本実施の形態のセラミックパッケージ10の概略構成を示す断面図であり、図2は、図1におけるA−A線での断面図である。   FIG. 1 is a cross-sectional view showing a schematic configuration of a ceramic package 10 of the present embodiment, and FIG. 2 is a cross-sectional view taken along line AA in FIG.

図1に示されるように、セラミックパッケージ10は、自動車などにおける電力変換器(例えばインバータ)に用いられるパワーモジュールであり、セラミック配線基板11、電力用半導体素子12、受動部品13(コンデンサ、抵抗などの低発熱部品)、放熱基板14、及び放熱器15等を備えている。   As shown in FIG. 1, a ceramic package 10 is a power module used for a power converter (for example, an inverter) in an automobile or the like, and includes a ceramic wiring board 11, a power semiconductor element 12, a passive component 13 (capacitor, resistor, etc.). Low heat-generating component), a heat radiating substrate 14, a heat radiator 15 and the like.

セラミック配線基板11は、第1面21(図1では下面)及び第2面22(図1では上面)を有する板状に形成された基板本体23と、第1面21上に配置される第1面側電極パッド24と、第2面22上に配置される第2面側電極パッド25と、第1面側電極パッド24と第2面側電極パッド25とを接続する複数のビア導体27からなる電力用のビアアレイ28(ビア導体群)とを備える。セラミック配線基板11は、縦28mm×横20mm×厚さ1.0mmの平面視矩形状をなしている。   The ceramic wiring board 11 includes a board body 23 formed in a plate shape having a first surface 21 (lower surface in FIG. 1) and a second surface 22 (upper surface in FIG. 1), and a first body 21 disposed on the first surface 21. The first surface side electrode pad 24, the second surface side electrode pad 25 disposed on the second surface 22, and a plurality of via conductors 27 connecting the first surface side electrode pad 24 and the second surface side electrode pad 25. Power via array 28 (via conductor group). The ceramic wiring board 11 has a rectangular shape in plan view of 28 mm length × 20 mm width × 1.0 mm thickness.

セラミック配線基板11において、基板本体23の第1面21側には、第1面側電極パッド24、第2面側電極パッド25及び複数のビア導体27に電気的に接続される電力用半導体素子12が搭載される。また、基板本体23の第2面22側には、第1面側電極パッド24、第2面側電極パッド25及び複数のビア導体27に電気的に接続される受動部品13が搭載されている。なお、基板本体23の第2面22には、電力の入出力用のバスバー(図示略)も搭載されている。また、電力用半導体素子12は、例えば、パワーMOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor )や、ダイオード(ショットキーバリアダイオード)などのパワー半導体素子(パワーデバイス)である。この電力用半導体素子12には、例えば50A程度の大電流が流れ、その際には250℃程度の温度に発熱する。   In the ceramic wiring substrate 11, a power semiconductor element electrically connected to the first surface side electrode pad 24, the second surface side electrode pad 25, and the plurality of via conductors 27 on the first surface 21 side of the substrate body 23. 12 is mounted. Further, the passive component 13 that is electrically connected to the first surface side electrode pad 24, the second surface side electrode pad 25, and the plurality of via conductors 27 is mounted on the second surface 22 side of the substrate body 23. . In addition, a bus bar (not shown) for power input / output is also mounted on the second surface 22 of the substrate body 23. The power semiconductor element 12 is, for example, a power semiconductor element (power device) such as a power MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor) or a diode (Schottky barrier diode). A large current of, for example, about 50 A flows through the power semiconductor element 12 and heat is generated at a temperature of about 250 ° C. at that time.

放熱基板14は、セラミックからなる絶縁基板を含み、ガラスシートからなる接合部を介してセラミック配線基板11の下面(基板本体23の第1面21)に設けられている。放熱器15は、熱伝導性に優れる金属(例えば、アルミニウム)からなり、放熱基板14の下面に複数のネジ(図示略)を用いて固定されている。この放熱器15には、表面積を増すためのフィン(図示略)が複数設けられており、放熱器15の放熱性能が高められている。   The heat dissipation substrate 14 includes an insulating substrate made of ceramic, and is provided on the lower surface of the ceramic wiring substrate 11 (the first surface 21 of the substrate body 23) via a joint portion made of a glass sheet. The radiator 15 is made of a metal (for example, aluminum) having excellent thermal conductivity, and is fixed to the lower surface of the heat radiating substrate 14 using a plurality of screws (not shown). The heat radiator 15 is provided with a plurality of fins (not shown) for increasing the surface area, so that the heat radiation performance of the heat radiator 15 is enhanced.

セラミック配線基板11の基板本体23は、ビア導体部31が設けられた複数(本実施の形態では2層)のセラミック層32と導体層33とを積層配置してなる焼結体である。ビア導体27は、2つのビア導体部31をセラミック層32の積層方向に連結することによって構成されている。各ビア導体部31は、セラミック層32の積層方向において同軸上に配置されている。   The substrate body 23 of the ceramic wiring substrate 11 is a sintered body formed by laminating a plurality of (two layers in this embodiment) ceramic layers 32 provided with via conductor portions 31 and conductor layers 33. The via conductor 27 is configured by connecting two via conductor portions 31 in the stacking direction of the ceramic layers 32. Each via conductor portion 31 is arranged coaxially in the stacking direction of the ceramic layers 32.

各セラミック層32は、セラミック材料としてのアルミナ(Al)を用いて形成されている。セラミック層32は、平面方向(XY方向)における熱膨張係数が7.6ppm/Kとなっている。なお、セラミック層32の熱膨張係数は、0℃から400℃まで昇温したときの膨張量を単位温度当たりの膨張量に換算した値(熱膨張係数=0℃から400℃まで昇温したときのセラミック層32の膨張量/400℃)をいう。各セラミック層32の間に設けられている導体層33は、例えばタングステン、モリブデン、又はこれらの合金のメタライズ層からなる。この導体層33は、電力用半導体素子12の駆動信号を伝達する制御回路用配線を含む。各ビア導体27(ビア導体部31)も、導体層33と同様にタングステン、モリブデン、又はこれらの合金のメタライズ層からなる。また、基板本体23における第1面21及び第2面22に形成される第1面側電極パッド24及び第2面側電極パッド25は、銅からなる導体層である。さらに、基板本体23の第1面21及び第2面22に形成される導体層としては、各電極パッド24,25以外に図示しない回路パターンや部品実装用のパッドなどを含んでいる。 Each ceramic layer 32 is formed using alumina (Al 2 O 3 ) as a ceramic material. The ceramic layer 32 has a thermal expansion coefficient of 7.6 ppm / K in the plane direction (XY direction). The thermal expansion coefficient of the ceramic layer 32 is a value obtained by converting the expansion amount when the temperature is increased from 0 ° C. to 400 ° C. into the expansion amount per unit temperature (thermal expansion coefficient = 0 when the temperature is increased from 0 ° C. to 400 ° C. Of the ceramic layer 32/400 ° C.). The conductor layer 33 provided between the ceramic layers 32 is made of, for example, a metallized layer of tungsten, molybdenum, or an alloy thereof. The conductor layer 33 includes control circuit wiring for transmitting a drive signal for the power semiconductor element 12. Each via conductor 27 (via conductor portion 31) is also made of a metallized layer of tungsten, molybdenum, or an alloy thereof, like the conductor layer 33. The first surface side electrode pad 24 and the second surface side electrode pad 25 formed on the first surface 21 and the second surface 22 of the substrate body 23 are conductor layers made of copper. Furthermore, the conductor layers formed on the first surface 21 and the second surface 22 of the substrate body 23 include circuit patterns and component mounting pads (not shown) in addition to the electrode pads 24 and 25.

なお、電力用半導体素子12が搭載された第1面側電極パッド24、及び、受動部品13が搭載された第2面側電極パッド25は、基板厚さ方向(図1では上下方向)から見たときに、大部分が重なるように対向配置(即ち、一部が重ならないように対向配置)されている。一方、電力用半導体素子12が搭載されていない第1面側電極パッド24、及び、受動部品13が搭載された第2面側電極パッド25は、基板厚さ方向から見たときに完全に重なるように対向配置されている。本実施の形態において、各電極パッド24,25の平面形状は、長方形状である。各電極パッド24,25の縦及び横の長さは、4mm×7mm程度であり、各電極パッド24,25の厚さは、100μm程度である。   The first surface side electrode pad 24 on which the power semiconductor element 12 is mounted and the second surface side electrode pad 25 on which the passive component 13 is mounted are viewed from the substrate thickness direction (vertical direction in FIG. 1). Are arranged opposite to each other so that most of them overlap (that is, they face each other so that some do not overlap). On the other hand, the first surface side electrode pad 24 on which the power semiconductor element 12 is not mounted and the second surface side electrode pad 25 on which the passive component 13 is mounted completely overlap when viewed from the substrate thickness direction. So as to face each other. In the present embodiment, the planar shape of each electrode pad 24, 25 is rectangular. The vertical and horizontal lengths of the electrode pads 24 and 25 are about 4 mm × 7 mm, and the thicknesses of the electrode pads 24 and 25 are about 100 μm.

図1及び図2に示されるように、ビアアレイ28を構成する複数のビア導体27は、共通の第1面側電極パッド24及び第2面側電極パッド25に接続される。つまり、ビアアレイ28を構成する複数のビア導体27は、第1面側電極パッド24及び第2面側電極パッド25に対して並列に接続されている。また、基板厚さ方向から見たとき、ビアアレイ28を構成する各ビア導体27は、各電極パッド24,25の内側となる領域に配置される。   As shown in FIGS. 1 and 2, the plurality of via conductors 27 constituting the via array 28 are connected to the common first surface side electrode pad 24 and second surface side electrode pad 25. That is, the plurality of via conductors 27 constituting the via array 28 are connected in parallel to the first surface side electrode pad 24 and the second surface side electrode pad 25. Further, when viewed from the thickness direction of the substrate, each via conductor 27 constituting the via array 28 is disposed in a region inside each electrode pad 24, 25.

セラミック配線基板11では、複数(本実施の形態では3つ)のビアアレイ28が設けられており、隣接する2つのビアアレイ28には、それぞれ異なる方向に電流が流れる。具体的には、図1の右側のビアアレイ28(各ビア導体27)には例えば下側(第1面21側)から上側(第2面22側)に電流が流れ、左側のビアアレイ28(各ビア導体27)には上側から下側に向けて電流が流れるようになっている。これらビアアレイ28を構成する複数のビア導体27は、基板本体23の厚さ方向に直線的に延設された主電力用のストレートビアである。   The ceramic wiring substrate 11 is provided with a plurality of (three in this embodiment) via arrays 28, and currents flow in different directions in the two adjacent via arrays 28. Specifically, for example, current flows from the lower side (first surface 21 side) to the upper side (second surface 22 side) in the right via array 28 (each via conductor 27) in FIG. A current flows through the via conductor 27) from the upper side to the lower side. The plurality of via conductors 27 constituting the via array 28 are straight vias for main power extended linearly in the thickness direction of the substrate body 23.

図3に示されるように、本実施の形態のビアアレイ28は、全体として例えば5行×7列の格子状となるように複数のビア導体27が配置されている。1つのビアアレイ28は、最外周に配置される複数個の外側ビア導体27aと、それら外側ビア導体27aによって包囲される複数個の内側ビア導体27bとによって構成される。なお、図3では、説明の便宜上、縦方向(図3では上下方向)に5個のビア導体27a,27bが配置され、横方向(図3では左右方向)に7個のビア導体27a,27bが配置されたビアアレイ28を図示したが、実際にはさらに多くのビア導体27a,27bが存在している。   As shown in FIG. 3, the via array 28 of the present embodiment has a plurality of via conductors 27 arranged so as to form a grid of 5 rows × 7 columns as a whole. One via array 28 includes a plurality of outer via conductors 27a arranged on the outermost periphery and a plurality of inner via conductors 27b surrounded by the outer via conductors 27a. In FIG. 3, for convenience of explanation, five via conductors 27a and 27b are arranged in the vertical direction (vertical direction in FIG. 3), and seven via conductors 27a and 27b are arranged in the horizontal direction (horizontal direction in FIG. 3). Although the via array 28 in which is arranged is illustrated, more via conductors 27a and 27b actually exist.

本実施の形態において、各外側ビア導体27a及び各内側ビア導体27bは断面円形状をなし、外側ビア導体27aと内側ビア導体27bとが同じ直径を有している。具体的には、これらビア導体27a,27bの直径は200μmである。また、各ビア導体27a,27bのピッチ(中心間距離)は300μmである。   In the present embodiment, each outer via conductor 27a and each inner via conductor 27b have a circular cross section, and the outer via conductor 27a and the inner via conductor 27b have the same diameter. Specifically, the via conductors 27a and 27b have a diameter of 200 μm. The via conductors 27a and 27b have a pitch (center distance) of 300 μm.

なお、各外側ビア導体27a及び各内側ビア導体27bは、金属材料として、熱膨張係数が互いに異なる2種類の金属単体(本実施の形態では、タングステン及びモリブデン)をそれぞれ含んでいる。ここで、タングステンの熱膨張係数は4.6ppm/Kであり、モリブデンの熱膨張係数は5.7ppm/Kである。なお、タングステン及びモリブデンの熱膨張係数は、0℃から400℃まで昇温したときの膨張量を単位温度当たりの膨張量に換算した値(熱膨張係数=0℃から400℃まで昇温したときのタングステンまたはモリブデンの膨張量/400℃)をいう。また、外側ビア導体27aは、2種類の金属材料のうち熱膨張係数が大きい方の金属材料(モリブデン)の含有量が最も多くなっている。本実施の形態では、外側ビア導体27aにおけるタングステンの含有量は18.9体積%であり、外側ビア導体27aにおけるモリブデンの含有量は22.8体積%である。一方、内側ビア導体27bは、2種の金属材料のうち熱膨張係数が小さい方の金属材料(タングステン)の含有量が最も多くなっている。本実施の形態では、内側ビア導体27bにおけるタングステンの含有量は52.2体積%であり、内側ビア導体27bにおけるモリブデンの含有量は22.8体積%である。   In addition, each outer via conductor 27a and each inner via conductor 27b include two kinds of single metals (tungsten and molybdenum in the present embodiment) having different thermal expansion coefficients as metal materials. Here, the thermal expansion coefficient of tungsten is 4.6 ppm / K, and the thermal expansion coefficient of molybdenum is 5.7 ppm / K. The thermal expansion coefficient of tungsten and molybdenum is a value obtained by converting the expansion amount when the temperature is increased from 0 ° C. to 400 ° C. into the expansion amount per unit temperature (thermal expansion coefficient = 0 when the temperature is increased from 0 ° C. to 400 ° C. Of tungsten or molybdenum / 400 ° C.). The outer via conductor 27a has the highest content of the metal material (molybdenum) having the larger thermal expansion coefficient of the two types of metal materials. In the present embodiment, the tungsten content in the outer via conductor 27a is 18.9% by volume, and the molybdenum content in the outer via conductor 27a is 22.8% by volume. On the other hand, the inner via conductor 27b has the highest content of the metal material (tungsten) having the smaller thermal expansion coefficient of the two types of metal materials. In the present embodiment, the content of tungsten in the inner via conductor 27b is 52.2% by volume, and the content of molybdenum in the inner via conductor 27b is 22.8% by volume.

さらに、本実施の形態のビア導体27a,27bは、絶縁性を有する無機フィラーとしてセラミックフィラー(アルミナ)を含有している。即ち、ビア導体27a,27bは、セラミック層32を構成するセラミック材料と同じ材質のセラミックフィラーを含んでいる。ここで、アルミナの熱膨張係数は7〜8ppm/Kである。なお、アルミナの熱膨張係数は、0℃から400℃まで昇温したときの膨張量を単位温度当たりの膨張量に換算した値(熱膨張係数=0℃から400℃まで昇温したときのアルミナの膨張量/400℃)をいう。また、外側ビア導体27aにおけるセラミックフィラーの含有量は58.3体積%であり、内側ビア導体27bにおけるセラミックフィラーの含有量は25.0体積%である。即ち、外側ビア導体27aにおけるセラミックフィラーの含有量、及び、内側ビア導体27bにおけるセラミックフィラーの含有量は、互いに異なっており、外側ビア導体27aにおけるセラミックフィラーの含有量が、内側ビア導体27bにおけるセラミックフィラーの含有量よりも大きくなっている。そして、外側ビア導体27a全体の熱膨張係数は6.6ppm/Kとなり、内側ビア導体27b全体の熱膨張係数は5.6ppm/Kとなる。なお、ビア導体27a,27bの熱膨張係数は、0℃から400℃まで昇温したときの膨張量を単位温度当たりの膨張量に換算した値(熱膨張係数=0℃から400℃まで昇温したときのビア導体27a,27bの膨張量/400℃)をいう。   Furthermore, the via conductors 27a and 27b according to the present embodiment contain a ceramic filler (alumina) as an insulating inorganic filler. That is, the via conductors 27 a and 27 b include a ceramic filler made of the same material as the ceramic material constituting the ceramic layer 32. Here, the thermal expansion coefficient of alumina is 7 to 8 ppm / K. The thermal expansion coefficient of alumina is a value obtained by converting the expansion amount when the temperature is raised from 0 ° C. to 400 ° C. into an expansion amount per unit temperature (thermal expansion coefficient = 0 alumina when the temperature is raised from 0 ° C. to 400 ° C. Expansion amount / 400 ° C.). Further, the content of the ceramic filler in the outer via conductor 27a is 58.3% by volume, and the content of the ceramic filler in the inner via conductor 27b is 25.0% by volume. That is, the content of the ceramic filler in the outer via conductor 27a and the content of the ceramic filler in the inner via conductor 27b are different from each other, and the content of the ceramic filler in the outer via conductor 27a is different from the ceramic in the inner via conductor 27b. It is larger than the filler content. The thermal expansion coefficient of the entire outer via conductor 27a is 6.6 ppm / K, and the thermal expansion coefficient of the entire inner via conductor 27b is 5.6 ppm / K. The thermal expansion coefficients of the via conductors 27a and 27b are values obtained by converting the expansion amount when the temperature is increased from 0 ° C. to 400 ° C. into the expansion amount per unit temperature (thermal expansion coefficient = 0 ° C. to 400 ° C. (Expansion amount of via conductors 27a, 27b / 400 ° C.).

そして、同じビアアレイ28を構成する複数のビア導体27は、外周側のビア導体27であるほど基板本体23との熱膨張係数差が小さくなっている。例えば、図3に示されるビアアレイ28においては、外側ビア導体27aの熱膨張係数(6.6ppm/K)が内側ビア導体27bの熱膨張係数(5.6ppm/K)よりも大きくなる。また、基板本体23のセラミック層32の熱膨張係数(7.6ppm/K)は、外側ビア導体27aの熱膨張係数よりも大きくなる。   A plurality of via conductors 27 constituting the same via array 28 have a smaller difference in thermal expansion coefficient with the substrate body 23 as the via conductors 27 on the outer peripheral side. For example, in the via array 28 shown in FIG. 3, the thermal expansion coefficient (6.6 ppm / K) of the outer via conductor 27a is larger than the thermal expansion coefficient (5.6 ppm / K) of the inner via conductor 27b. Further, the thermal expansion coefficient (7.6 ppm / K) of the ceramic layer 32 of the substrate body 23 is larger than the thermal expansion coefficient of the outer via conductor 27a.

次に、本実施の形態におけるセラミック配線基板11の製造方法について説明する。   Next, a method for manufacturing the ceramic wiring substrate 11 in the present embodiment will be described.

まず、アルミナ粉末を主成分とするセラミック材料を用いてグリーンシートを複数枚形成する。詳述すると、アルミナ粉末及び熱分解性の有機結着材を、有機溶媒や水等の溶媒を用いて混練し、原料スラリーを作製する。次に、この原料スラリーを用いて、ドクターブレード法によるシートキャスティングによるシート成形や、押出成型によるシート成形等を行って、所定厚さのグリーンシートを複数枚形成する。そして、複数枚のグリーンシートに対し、レーザ加工を行って、所定の位置に複数の貫通孔を形成する。なお、貫通孔の形成は、パンチング加工、ドリル加工等によって行ってもよい。   First, a plurality of green sheets are formed using a ceramic material mainly composed of alumina powder. More specifically, the alumina powder and the thermally decomposable organic binder are kneaded using a solvent such as an organic solvent or water to prepare a raw material slurry. Next, by using this raw material slurry, sheet forming by sheet casting by the doctor blade method, sheet forming by extrusion molding or the like is performed to form a plurality of green sheets having a predetermined thickness. Then, laser processing is performed on the plurality of green sheets to form a plurality of through holes at predetermined positions. The through hole may be formed by punching, drilling, or the like.

その後、従来周知のペースト印刷装置(図示略)を用い、各グリーンシートの貫通孔に任意の導電性ペースト(具体的には、タングステンやモリブデンのようなビア導体27の形成材料及び熱分解性の有機結着材を、有機溶媒や水等の溶媒を用いて混練してなるペースト)を充填し、ビア導体27となる未焼成のビア導体部31を形成する。なお、本実施の形態では、ビアアレイ28の中心部となりうる貫通孔に対して、セラミックフィラーの含有量が相対的に少ない導電性ペーストを充填する第1充填工程と、ビアアレイ28の外周部となりうる貫通孔に対して、セラミックフィラーの含有量が相対的に多い導電性ペーストを充填する第2充填工程とを別々に行う。さらに、従来周知のペースト印刷装置を用いて、導電性ペーストを印刷して未焼成の導体層33を形成する。なお、導電性ペーストの充填及び印刷の順序は逆にしてもよい。   Thereafter, using a conventionally known paste printing apparatus (not shown), an arbitrary conductive paste (specifically, a material for forming the via conductor 27 such as tungsten or molybdenum, and a thermally decomposable material in the through hole of each green sheet is used. The organic binder is filled with a paste (kneaded using an organic solvent or a solvent such as water) to form an unfired via conductor portion 31 to be the via conductor 27. In the present embodiment, the first filling step of filling the through-hole that can be the center of the via array 28 with a conductive paste having a relatively small ceramic filler content, and the outer periphery of the via array 28 can be achieved. A second filling step of filling the through-hole with a conductive paste having a relatively high ceramic filler content is performed separately. Furthermore, the conductive paste 33 is printed using a conventionally known paste printing apparatus to form the unfired conductor layer 33. The order of filling and printing of the conductive paste may be reversed.

そして、導電性ペーストの乾燥後、それら複数枚のグリーンシートを積み重ねて配置し、シート積層方向に押圧力を付与することにより、各グリーンシートを圧着、一体化してセラミック積層体を形成する。次に、セラミック積層体を脱脂し、さらに所定温度で所定時間焼成を行う。その結果、グリーンシートのアルミナ及びペースト中のタングステンが同時焼結し、ビア導体27及び導体層33を有する基板本体23が形成される。さらに、基板本体23の第1面21及び第2面22に、銅ペーストを用いた印刷によって第1面側電極パッド24及び第2面側電極パッド25を形成する。なお、各電極パッド24,25は、銅ペーストの印刷以外に銅めっき等によって形成してもよい。また、導体層33と同様に導電性ペーストの印刷後、グリーンシートと同時焼結させることで各電極パッド24,25を形成してもよい。以上の工程によってセラミック配線基板11が製造される。   Then, after the conductive paste is dried, the plurality of green sheets are stacked and disposed, and a pressing force is applied in the sheet stacking direction, whereby the green sheets are pressed and integrated to form a ceramic laminate. Next, the ceramic laminate is degreased and fired at a predetermined temperature for a predetermined time. As a result, the alumina of the green sheet and the tungsten in the paste are simultaneously sintered, and the substrate body 23 having the via conductor 27 and the conductor layer 33 is formed. Further, the first surface side electrode pad 24 and the second surface side electrode pad 25 are formed on the first surface 21 and the second surface 22 of the substrate body 23 by printing using a copper paste. In addition, you may form each electrode pad 24 and 25 by copper plating etc. besides printing of a copper paste. Similarly to the conductor layer 33, the electrode pads 24 and 25 may be formed by simultaneously sintering with a green sheet after printing the conductive paste. The ceramic wiring board 11 is manufactured through the above steps.

本実施の形態のセラミックパッケージ10では、電力用半導体素子12がオンオフすることで、セラミック配線基板11に熱ストレスが加わる。このとき、セラミック配線基板11の各ビアアレイ28では、ビア導体27a,27b間の発生応力が緩和されるため、クラックの発生が抑制される。   In the ceramic package 10 of the present embodiment, thermal stress is applied to the ceramic wiring substrate 11 by turning on and off the power semiconductor element 12. At this time, in each via array 28 of the ceramic wiring substrate 11, the stress generated between the via conductors 27a and 27b is relieved, so that the generation of cracks is suppressed.

本発明者らは、シミュレーション解析により、ビアアレイ28を構成する複数のビア導体27のうち、最外周に配置される外側ビア導体27aにおいて、セラミック層32に発生する応力が緩和されることを確認した。ここでは、外側ビア導体27a及び内側ビア導体27bを同じ材料で形成したものを対策前のベースモデル(図4参照)とする。また、外側ビア導体27a及び内側ビア導体27bを互いに異なる材料で形成することにより、外側ビア導体27aの熱膨張係数を内側ビア導体27bの熱膨張係数よりも大きくしたものを対策後のモデル(図5参照)とする。そして、各モデルにおいて高温から低温に温度変化させたときの外側ビア導体27aの周囲及び内側ビア導体27bの周囲に働く応力を確認した。なお、ベースモデルでは、セラミック層32(アルミナ)の熱膨張係数を7.6ppm/K、ビア導体27a,27bの熱膨張係数を5.6ppm/K、温度変化を焼成温度である1540℃から−50℃(熱サイクル最低温度)を計算条件として、シミュレーションを行った。一方、対策後のモデルでは、セラミック層32の熱膨張係数を7.6ppm/K、外側ビア導体27aの熱膨張係数を6.6ppm/K、内側ビア導体27bの熱膨張係数を5.6ppm/K、温度変化を焼成温度である1540℃から−50℃(熱サイクル最低温度)を計算条件として、シミュレーションを行った。   The present inventors have confirmed by simulation analysis that stress generated in the ceramic layer 32 is relieved in the outer via conductor 27a arranged on the outermost periphery among the plurality of via conductors 27 constituting the via array 28. . Here, an outer via conductor 27a and an inner via conductor 27b formed of the same material are used as a base model before countermeasures (see FIG. 4). In addition, a model after taking countermeasures in which the outer via conductor 27a and the inner via conductor 27b are formed of different materials so that the thermal expansion coefficient of the outer via conductor 27a is larger than the thermal expansion coefficient of the inner via conductor 27b (see FIG. 5). In each model, the stress acting on the periphery of the outer via conductor 27a and the periphery of the inner via conductor 27b when the temperature was changed from high temperature to low temperature was confirmed. In the base model, the thermal expansion coefficient of the ceramic layer 32 (alumina) is 7.6 ppm / K, the thermal expansion coefficients of the via conductors 27a and 27b are 5.6 ppm / K, and the temperature change is from the firing temperature of 1540 ° C. − The simulation was performed using 50 ° C. (minimum thermal cycle temperature) as a calculation condition. On the other hand, in the model after the countermeasure, the thermal expansion coefficient of the ceramic layer 32 is 7.6 ppm / K, the thermal expansion coefficient of the outer via conductor 27a is 6.6 ppm / K, and the thermal expansion coefficient of the inner via conductor 27b is 5.6 ppm / K. The simulation was performed with K and temperature change from 1540 ° C. to −50 ° C. (minimum temperature of thermal cycle) as a calculation condition.

その結果、ベースモデルでは、外側ビア導体27aの周囲には最大で986MPaの応力が加わり、内側ビア導体27bの周囲には最大で914MPaの応力が加わることが確認された(図6参照)。一方、対策後のモデルでは、外側ビア導体27aの周囲に加わる最大応力が967MPa、内側ビア導体27bの周囲に加わる最大応力が483MPaであるため、最大応力が減少していることが確認された(図7参照)。   As a result, in the base model, it was confirmed that a maximum stress of 986 MPa was applied around the outer via conductor 27a and a maximum stress of 914 MPa was applied around the inner via conductor 27b (see FIG. 6). On the other hand, in the model after the countermeasure, it was confirmed that the maximum stress applied to the periphery of the outer via conductor 27a was 967 MPa and the maximum stress applied to the periphery of the inner via conductor 27b was 483 MPa. (See FIG. 7).

また、本発明者らは、上記のように製造したセラミック配線基板11について、−50℃〜240℃の熱衝撃試験を繰り返し行い、ビア導体27間のセラミック層32において、クラックの発生が抑制されることを確認した。   Further, the present inventors repeatedly perform a thermal shock test at −50 ° C. to 240 ° C. for the ceramic wiring board 11 manufactured as described above, and the occurrence of cracks in the ceramic layer 32 between the via conductors 27 is suppressed. I was sure that.

従って、本実施の形態によれば以下の効果を得ることができる。   Therefore, according to the present embodiment, the following effects can be obtained.

(1)本実施の形態のセラミック配線基板11では、電力用半導体素子12を駆動する際に、ビアアレイ28を構成する複数のビア導体27には、第1面側電極パッド24や第2面側電極パッド25を介して同じ方向に電流が流れ、ジュール熱が発生する。また、基板本体23の第1面21に搭載された電力用半導体素子12にも電流が流れてその電力用半導体素子12が発熱する。このとき、ビアアレイ28においてビア導体27とセラミックとの熱膨張係数の違いによって応力が発生する。なお、応力は、ビアアレイ28の中心部よりも外周部で顕著に発生する。そこで、本実施の形態では、同じビアアレイ28において、外周側のビア導体27であるほど基板本体23との熱膨張係数差を小さくしている。このようにすると、基板本体23においてビア導体27間の領域に発生する応力をビアアレイ28の外周側と内周側とで均一にすることができるため、ビアアレイ28全体に加わる応力を緩和することができる。この結果、セラミック配線基板11において、熱ストレスが加わる頻度を抑えることができ、ビア導体27間でのクラックの発生を抑制することができる。   (1) In the ceramic wiring substrate 11 of the present embodiment, when the power semiconductor element 12 is driven, the plurality of via conductors 27 constituting the via array 28 include the first surface side electrode pad 24 and the second surface side. A current flows in the same direction through the electrode pad 25 and Joule heat is generated. Further, a current also flows through the power semiconductor element 12 mounted on the first surface 21 of the substrate body 23, and the power semiconductor element 12 generates heat. At this time, stress is generated in the via array 28 due to a difference in thermal expansion coefficient between the via conductor 27 and the ceramic. Note that the stress is remarkably generated in the outer peripheral portion rather than the central portion of the via array 28. Therefore, in the present embodiment, in the same via array 28, the thermal expansion coefficient difference from the substrate body 23 is reduced as the outer peripheral via conductor 27. In this way, the stress generated in the region between the via conductors 27 in the substrate body 23 can be made uniform between the outer peripheral side and the inner peripheral side of the via array 28, so that the stress applied to the entire via array 28 can be relaxed. it can. As a result, in the ceramic wiring substrate 11, it is possible to suppress the frequency with which thermal stress is applied, and to suppress the occurrence of cracks between the via conductors 27.

(2)本実施の形態において、セラミック配線基板11に搭載される電力用半導体素子12は、10A以上の電流が流れることで200℃以上の温度に発熱するパワー半導体素子である。このような電力用半導体素子12を搭載するセラミック配線基板11では、使用時における熱ストレスが大きくなるが、上記のようにビアアレイ28におけるビア導体27間での発生応力を抑制することにより、クラックの発生を確実に防止することができる。   (2) In the present embodiment, the power semiconductor element 12 mounted on the ceramic wiring substrate 11 is a power semiconductor element that generates heat at a temperature of 200 ° C. or more when a current of 10 A or more flows. In the ceramic wiring substrate 11 on which such a power semiconductor element 12 is mounted, thermal stress during use increases, but cracks can be prevented by suppressing the generated stress between the via conductors 27 in the via array 28 as described above. Occurrence can be reliably prevented.

(3)本実施の形態のセラミック配線基板11は、電流の流れる方向が異なる複数のビアアレイ28を備えている。このセラミック配線基板11では、ビアアレイ28間でのクラックの発生を抑制できることから、異なる方向に電流が流れる2つのビアアレイ28を近接して設けることが可能となり、セラミック配線基板11の小型化が可能となる。   (3) The ceramic wiring substrate 11 according to the present embodiment includes a plurality of via arrays 28 having different current flowing directions. In this ceramic wiring board 11, since the generation of cracks between the via arrays 28 can be suppressed, two via arrays 28 in which current flows in different directions can be provided close to each other, and the ceramic wiring board 11 can be downsized. Become.

なお、本発明の実施の形態を以下のように変更してもよい。   In addition, you may change embodiment of this invention as follows.

・上記実施の形態では、同じビアアレイ28において、外周側のビア導体27であるほど、モリブデンの含有量が多くなるとともに、セラミックフィラーの含有量が多くなっていた。しかし、全てのビア導体27においてセラミックフィラーの含有量を同一にするとともに、外周側のビア導体27であるほどモリブデンの含有量を多くしてもよい。逆に、全てのビア導体27においてモリブデンの含有量を同一にするとともに、外周側のビア導体27であるほどセラミックフィラーの含有量を多くしてもよい。また、全てのビア導体27においてセラミックフィラー及びモリブデンの含有量を同一にするとともに、外周側のビア導体27であるほどビア導体27の密度を小さくしてもよい。   In the above embodiment, in the same via array 28, the molybdenum conductor content and the ceramic filler content increase as the via conductor 27 on the outer peripheral side increases. However, the content of the ceramic filler may be the same in all the via conductors 27, and the molybdenum content may be increased as the via conductors 27 on the outer peripheral side. Conversely, the content of molybdenum in all the via conductors 27 may be the same, and the content of the ceramic filler may be increased as the via conductors 27 on the outer peripheral side. Further, the content of the ceramic filler and molybdenum may be the same in all the via conductors 27, and the density of the via conductors 27 may be reduced as the via conductors 27 on the outer peripheral side.

・上記実施の形態では、ビアアレイ28において外側ビア導体27aの熱膨張係数と内側ビア導体27bの熱膨張係数とで2段階に変化させていたが、3段階以上の多段階にビア導体27の熱膨張係数を変化させてもよい。例えば、複数個の内側ビア導体27bは、熱膨張係数が外周側に行くに従って段階的に小さくなっていてもよい。このようにすると、ビアアレイ28において各ビア導体27間のセラミック層32に発生する応力を十分に緩和することができるため、クラックの発生を確実に防止することができる。   In the above embodiment, in the via array 28, the thermal expansion coefficient of the outer via conductor 27a and the thermal expansion coefficient of the inner via conductor 27b are changed in two stages, but the heat of the via conductor 27 is divided into three or more stages. The expansion coefficient may be changed. For example, the plurality of inner via conductors 27b may have a stepwise decrease in thermal expansion coefficient toward the outer peripheral side. In this way, since the stress generated in the ceramic layer 32 between the via conductors 27 in the via array 28 can be sufficiently relaxed, the generation of cracks can be reliably prevented.

・上記実施の形態のセラミック配線基板11において、ビアアレイ28は、複数のビア導体27(外側ビア導体27a及び内側ビア導体27b)を格子状に配置していたが、これに限定されるものではない。例えば、図8に示されるビアアレイ41のように、複数のビア導体42(外側ビア導体42a及び内側ビア導体42b)を千鳥状に配してもよい。   In the ceramic wiring substrate 11 of the above embodiment, the via array 28 has a plurality of via conductors 27 (outer via conductors 27a and inner via conductors 27b) arranged in a lattice pattern, but is not limited thereto. . For example, a plurality of via conductors 42 (outer via conductors 42a and inner via conductors 42b) may be arranged in a staggered manner as in the via array 41 shown in FIG.

・上記実施の形態のセラミック配線基板11は、電流の流れる方向が異なる複数のビアアレイ28を備えていた。しかし、ビアアレイ28を構成する複数のビア導体27には、それぞれ同じ方向に電流が流れるようになっていてもよい。   The ceramic wiring substrate 11 of the above embodiment includes a plurality of via arrays 28 having different current flowing directions. However, current may flow through the plurality of via conductors 27 constituting the via array 28 in the same direction.

・上記実施の形態において、ビアアレイ28を構成するビア導体27の断面形状が円形であったが、これに限定されるものではない。例えば、楕円形、三角形、四角形などの断面形状を有する複数のビア導体によってビアアレイを形成してもよい。   In the above embodiment, the cross-sectional shape of the via conductors 27 constituting the via array 28 is circular, but the present invention is not limited to this. For example, the via array may be formed by a plurality of via conductors having a cross-sectional shape such as an ellipse, a triangle, and a quadrangle.

・上記実施の形態では、ビア導体27が、2つのビア導体部31をセラミック層32の積層方向に連結することによって構成されていた。しかし、ビア導体27は、基板本体23の第1面21から第2面22に延びる1本の導体であってもよい。   In the above embodiment, the via conductor 27 is configured by connecting the two via conductor portions 31 in the stacking direction of the ceramic layers 32. However, the via conductor 27 may be a single conductor extending from the first surface 21 of the substrate body 23 to the second surface 22.

次に、特許請求の範囲に記載された技術的思想のほかに、前述した実施の形態によって把握される技術的思想を以下に列挙する。   Next, in addition to the technical ideas described in the claims, the technical ideas grasped by the embodiments described above are listed below.

(1)手段1において、同じビア導体群を構成する前記複数のビア導体は、外周側のビア導体であるほど密度が高くなることを特徴とするセラミック配線基板。   (1) The ceramic wiring substrate according to means 1, wherein the plurality of via conductors constituting the same via conductor group has a higher density as the outer via conductors are arranged.

(2)手段1において、同じビア導体群を構成する前記複数のビア導体のそれぞれは、金属材料として、熱膨張係数が互いに異なる金属単体を含み、前記金属材料は、タングステン、モリブデン、タンタル、チタン、ニオブ、銅、銀の中から選択される2つの金属単体であることを特徴とするセラミック配線基板。   (2) In the means 1, each of the plurality of via conductors constituting the same via conductor group includes a single metal having a different thermal expansion coefficient as a metal material, and the metal material includes tungsten, molybdenum, tantalum, titanium. A ceramic wiring board comprising two simple metals selected from niobium, copper, and silver.

(3)手段1において、前記ビア導体群は、3行以上×3列以上の格子状となるよう配置されたビアアレイであることを特徴とするセラミック配線基板。   (3) The ceramic wiring board according to means 1, wherein the via conductor group is a via array arranged so as to have a grid shape of 3 rows or more and 3 columns or more.

(4)手段1において、前記ビア導体は断面円形状をなすことを特徴とするセラミック配線基板。   (4) The ceramic wiring board according to means 1, wherein the via conductor has a circular cross section.

(5)手段1において、前記電力用半導体素子は、200℃以上の温度に発熱するパワー半導体素子であることを特徴とするセラミック配線基板。   (5) The ceramic wiring board according to means 1, wherein the power semiconductor element is a power semiconductor element that generates heat at a temperature of 200 ° C. or higher.

(6)手段1において、前記電力用半導体素子は、10A以上の電流が流れるパワー半導体素子であることを特徴とするセラミック配線基板。   (6) The ceramic wiring board according to means 1, wherein the power semiconductor element is a power semiconductor element in which a current of 10 A or more flows.

(7)手段1において、同じビア導体群を構成する前記複数のビア導体にはそれぞれ同じ方向に電流が流れることを特徴とするセラミック配線基板。   (7) The ceramic wiring board according to means 1, wherein current flows in the same direction through the plurality of via conductors constituting the same via conductor group.

(8)手段1において、電流の流れる方向が異なる複数の前記ビア導体群を備えていることを特徴とするセラミック配線基板。   (8) The ceramic wiring board characterized in that the means 1 includes a plurality of the via conductor groups having different current flowing directions.

(9)手段1において、前記第2面側には、前記第1面側電極パッド、前記第2面側電極パッド及び前記複数のビア導体に電気的に接続される受動部品が搭載可能であることを特徴とするセラミック配線基板。   (9) In the means 1, on the second surface side, passive components that are electrically connected to the first surface side electrode pad, the second surface side electrode pad, and the plurality of via conductors can be mounted. A ceramic wiring board characterized by that.

(10)手段1において、前記基板本体は、ビア導体部が設けられた複数のセラミック層を積層配置してなり、前記ビア導体は、複数の前記ビア導体部を前記セラミック層の積層方向に連結することによって構成され、複数の前記ビア導体部は、前記セラミック層の積層方向において同軸上に配置されていることを特徴とするセラミック配線基板。   (10) In means 1, the substrate body is formed by laminating a plurality of ceramic layers provided with via conductor portions, and the via conductors connect the plurality of via conductor portions in the laminating direction of the ceramic layers. The plurality of via conductor portions are arranged coaxially in the stacking direction of the ceramic layers.

(11)セラミック材料を用いて第1面及び第2面を有する板状に形成される基板本体と、前記第1面上に配置される第1面側電極パッドと、前記第2面上に配置される第2面側電極パッドと、前記第1面側電極パッドと前記第2面側電極パッドとを接続する複数のビア導体からなるビア導体群とを備えるセラミック配線基板、及び、前記第1面側に搭載され、前記第1面側電極パッド、前記第2面側電極パッド及び前記複数のビア導体に電気的に接続される電力用半導体素子からなるセラミックパッケージであって、前記ビア導体群は、最外周に配置される複数個の外側ビア導体と、前記複数個の外側ビア導体によって包囲される複数個の内側ビア導体とによって構成され、同じビア導体群を構成する前記複数のビア導体は、外周側のビア導体であるほど前記基板本体との熱膨張係数差が小さくなっていることを特徴とするセラミックパッケージ。   (11) A substrate body formed in a plate shape having a first surface and a second surface using a ceramic material, a first surface-side electrode pad disposed on the first surface, and on the second surface A ceramic wiring board comprising: a second surface side electrode pad disposed; and a via conductor group including a plurality of via conductors connecting the first surface side electrode pad and the second surface side electrode pad; and A ceramic package comprising a power semiconductor element mounted on one surface side and electrically connected to the first surface side electrode pad, the second surface side electrode pad, and the plurality of via conductors, the via conductor The group is composed of a plurality of outer via conductors arranged on the outermost periphery and a plurality of inner via conductors surrounded by the plurality of outer via conductors, and the plurality of vias constituting the same via conductor group Conductor is the outer via Ceramic package, characterized in that the thermal expansion coefficient difference between the substrate body The more the body is smaller.

11…セラミック配線基板
12…電力用半導体素子
21…第1面
22…第2面
23…基板本体
24…第1面側電極パッド
25…第2面側電極パッド
27,42…ビア導体
27a,42a…ビア導体としての外側ビア導体
27b,42b…ビア導体としての内側ビア導体
28,41…ビア導体群としてのビアアレイ
DESCRIPTION OF SYMBOLS 11 ... Ceramic wiring board 12 ... Power semiconductor element 21 ... 1st surface 22 ... 2nd surface 23 ... Substrate body 24 ... 1st surface side electrode pad 25 ... 2nd surface side electrode pad 27, 42 ... Via conductor 27a, 42a ... Outer via conductors 27b and 42b as via conductors ... Inner via conductors 28 and 41 as via conductors ... Via array as a via conductor group

Claims (6)

セラミック材料を用いて第1面及び第2面を有する板状に形成される基板本体と、前記第1面上に配置される第1面側電極パッドと、前記第2面上に配置される第2面側電極パッドと、前記第1面側電極パッドと前記第2面側電極パッドとを接続する複数のビア導体からなるビア導体群とを備え、前記第1面側電極パッド、前記第2面側電極パッド及び前記複数のビア導体に電気的に接続される電力用半導体素子が前記第1面側に搭載可能なセラミック配線基板であって、
前記ビア導体群は、最外周に配置される複数個の外側ビア導体と、前記複数個の外側ビア導体によって包囲される複数個の内側ビア導体とによって構成され、
同じビア導体群を構成する前記複数のビア導体は、外周側のビア導体であるほど前記基板本体との熱膨張係数差が小さくなっている
ことを特徴とするセラミック配線基板。
A substrate body formed in a plate shape having a first surface and a second surface using a ceramic material, a first surface side electrode pad disposed on the first surface, and disposed on the second surface. A second surface side electrode pad; and a via conductor group composed of a plurality of via conductors connecting the first surface side electrode pad and the second surface side electrode pad, the first surface side electrode pad, A ceramic wiring board capable of mounting on the first surface side a power semiconductor element electrically connected to the second surface side electrode pad and the plurality of via conductors,
The via conductor group is composed of a plurality of outer via conductors arranged on the outermost periphery and a plurality of inner via conductors surrounded by the plurality of outer via conductors,
The ceramic wiring board, wherein the plurality of via conductors constituting the same via conductor group has a smaller difference in thermal expansion coefficient from the substrate body as the outer via conductors.
同じビア導体群において、前記外側ビア導体の熱膨張係数が前記内側ビア導体の熱膨張係数よりも大きく、前記基板本体の熱膨張係数が前記外側ビア導体の熱膨張係数よりも大きいことを特徴とする請求項1に記載のセラミック配線基板。   In the same via conductor group, the thermal expansion coefficient of the outer via conductor is larger than the thermal expansion coefficient of the inner via conductor, and the thermal expansion coefficient of the substrate body is larger than the thermal expansion coefficient of the outer via conductor. The ceramic wiring board according to claim 1. 同じビア導体群を構成する前記複数のビア導体は、絶縁性を有する無機フィラーを含み、
前記外側ビア導体における前記無機フィラーの含有量と、前記内側ビア導体における前記無機フィラーの含有量とが互いに異なる
ことを特徴とする請求項1または2に記載のセラミック配線基板。
The plurality of via conductors constituting the same via conductor group includes an inorganic filler having insulating properties,
3. The ceramic wiring board according to claim 1, wherein a content of the inorganic filler in the outer via conductor and a content of the inorganic filler in the inner via conductor are different from each other.
前記外側ビア導体における前記無機フィラーの含有量は、前記内側ビア導体における前記無機フィラーの含有量よりも大きいことを特徴とする請求項3に記載のセラミック配線基板。   4. The ceramic wiring board according to claim 3, wherein a content of the inorganic filler in the outer via conductor is larger than a content of the inorganic filler in the inner via conductor. 前記複数のビア導体は、前記基板本体を構成するセラミック材料と同じ材質の前記無機フィラーを含むことを特徴とする請求項3または4に記載のセラミック配線基板。   5. The ceramic wiring board according to claim 3, wherein the plurality of via conductors include the inorganic filler made of the same material as a ceramic material constituting the substrate body. 同じビア導体群を構成する前記複数のビア導体のそれぞれは、金属材料として、熱膨張係数が互いに異なる金属単体、合金または金属の化合物を2種類以上含み、
前記外側ビア導体は、2種類以上の前記金属材料のうち熱膨張係数が最も大きい前記金属材料の含有量が最も多く、
前記内側ビア導体は、2種類以上の前記金属材料のうち熱膨張係数が最も小さい前記金属材料の含有量が最も多い
ことを特徴とする請求項1乃至5のいずれか1項に記載のセラミック配線基板。
Each of the plurality of via conductors constituting the same via conductor group includes, as a metal material, two or more kinds of simple metals, alloys or metal compounds having different thermal expansion coefficients,
The outer via conductor has the largest content of the metal material having the largest coefficient of thermal expansion among the two or more types of metal materials,
6. The ceramic wiring according to claim 1, wherein the inner via conductor has the largest content of the metal material having the smallest thermal expansion coefficient among the two or more kinds of the metal materials. substrate.
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