JP6775071B2 - 配線基板 - Google Patents

Description

本開示は、配線基板に関する。

半導体素子等の搭載部品の放熱性を高めるために、金属製の基材を枠体に取り付けた配線基板が公知である（特許文献１参照）。基材は、枠体に対し、ろう材等の接合材を介して接合される。特許文献１では、枠体に段差部を設けることによって、電子部品等の搭載部品の搭載が予定されてなる搭載エリアへの接合材の流れ込みを抑制している。

特開２０１５−２０４４２６号公報

上述のように枠体に段差部を設けることで接合材の流れを抑制する構成では、段差部によって基材と枠体との接合面積が減少する。その結果、接合部分の気密性が低下する可能性がある。

また、図４に示すように、基材１０２には、枠体１０３に加え、複数の搭載部品１０７，１０８を３次元的に配置するための台座１０４が設けられることがある。このような台座１０４を設けている場合、枠体１０３と基材１０２との接合時に、溶融した接合材が台座と基材との付け根部分１０４Ａに流れ込みやすく、付け根部分１０４Ａで接合材が硬化してフィレットＦが形成される。通常、搭載部品（図４では搭載部品１０８）は、台座１０４と並べられて基材１０２の表面に搭載されることになるが、搭載部品１０８の搭載が予定されている搭載エリアまでこのフィレットＦが到達していると、その後、搭載部品１０８を基材１０２の表面に搭載する際に、搭載部品１０８の基材への接合が不十分となったり、傾いたりする搭載不良が発生する。搭載不良は、搭載部品の接合強度、放熱性、搭載位置精度等を低下させる。

本開示の一局面は、基材と枠体との接合面積を維持しつつ、台座の付け根部分におけるフィレットの形成を抑制できる配線基板を提供することを目的とする。

本開示の一態様は、表面及び裏面を有する金属製の基材と、基材の表面に、接合材からなる接合層を介して接合された絶縁性の枠体と、基材の表面のうち、枠体よりも内側の領域に設けられた台座と、を備える配線基板である。配線基板は、基材の表面に配置された溝をさらに備える。基材の表面には、搭載部品の搭載が予定されてなる搭載エリアを有する。溝は、表面のうち平面視で少なくとも搭載エリアと台座との間の領域に配置されると共に、搭載エリアと台座との対向方向に対し交差する方向に延伸する。

このような構成によれば、基材と枠体との接合時に、接合層を形成する接合材が搭載エリアと台座との間の領域に配置された溝に流入し、接合材が台座の付け根にフィレットを形成することが抑制される。そのため、基材と枠体との接合面積を減らすことなく、台座の付け根部分におけるフィレットの形成を抑制できる。

本開示の一態様では、溝は、平面視で台座の搭載エリアと対向する外縁に隣接して形成されてもよい。このような構成によれば、フレットの形成要因となる台座の付け根部分に溝が設けられるので、より確実に台座の付け根部分におけるフィレットの形成を抑制できる。さらに、台座の付け根部分のうち、接合材によりフィレットが形成され得る領域を低減することができる。

本開示の一態様では、台座は、基材と一体に構成されてもよい。このような構成によれば、台座を容易に形成することができる。また、台座から基材までの熱の流れが阻害されることを抑制できるので、台座に搭載される搭載部品の放熱性を高めることができる。

本開示の一態様では、溝の少なくとも一方の端部は、平面視で、対向方向に対し垂直な方向において搭載エリアの一方の端よりも枠体側に突出してもよい。このような構成によれば、溝の一方の端部が搭載エリアよりも基材と枠体との接合箇所に近くなり、接合材が溝に導入されやすくなる。したがって、より確実に接合材が台座の付け根部分に到達することを抑制できる。

本開示の一態様では、溝の深さは、基材の厚みの１／２以下であってもよい。このような構成によれば、基材の放熱性の低下を抑制できる。さらに、基材の強度を低下させることも抑制できる。

本開示の一態様では、溝のうち搭載エリアと重なる部分の幅は、搭載エリアの対向方向における長さの１／３以下であってもよい。このような構成によれば、搭載エリアの大きさを十分に確保し、搭載部品の接合性を損なうことを抑制しつつ、フィレットの形成を抑制することができる。また、搭載部品が搭載された際に、搭載部品の放熱性を維持できる。

本開示の一態様では、枠体は、セラミックを主成分としてもよい。このような構成によれば、耐熱性の高い半導体パッケージを得ることができる。
本開示の一態様では、基材は、銅、銅合金及び銅複合体のうち少なくとも１つで構成されてもよい。このような構成によれば、基材の伝熱性を高めることができる。

本開示の一態様では、搭載エリアに搭載された搭載部品をさらに備えてもよい。このような構成によれば、信頼性の高い半導体パッケージが得られる。

図１Ａは、実施形態の配線基板の模式的な平面図であり、図１Ｂは、図１Ａ のＩＢ−ＩＢ線での模式的な断面図である。 図２Ａは、図１Ａとは異なる実施形態の配線基板の模式的な平面図であり、 図２Ｂは、図２ＡのＩＩＢ−ＩＩＢ線での模式的な断面図である。 図３は、図１Ａ及び図２Ａとは異なる実施形態の配線基板の模式的な平面図 である。 図４は、本発明の課題を説明するための配線基板の模式的な断面図である。

以下、本開示が適用された実施形態について、図面を用いて説明する。
［１．第１実施形態］
［１−１．構成］
図１Ａ，１Ｂに示す配線基板１は、基材２と、枠体３と、台座４と、溝５と、第１搭載部品７と、第２搭載部品８とを備える。

＜基材＞
基材２は、表面２Ａ及び裏面２Ｂを有する金属製の板材である。基材２は、第１搭載部品７及び第２搭載部品８の放熱部材として機能する。基材２は、伝熱性の観点から、銅、銅合金及び銅複合体のうち少なくとも１つで構成されるとよい。なお、銅合金としては、銅を主成分としつつ、ニッケル、リン、亜鉛、スズ、アルミニウム等が含有された合金が挙げられる。なお、「主成分」とは、９０質量％以上含まれる成分を意味する。また、銅複合体としては、例えば、タングステンにより骨格を形成する多孔体中に銅が含侵された複合体や、銅とモリブデンが交互に積層された多層構造の複合体等が挙げられる。一方、基材２の裏面２Ｂには、放熱フィン等を有するヒートシンクが取り付けられてもよい。

基材２の表面２Ａには、第２搭載部品８の搭載が予定されてなる搭載エリア２Ｃを有する。搭載エリア２Ｃは、平面視で（つまり、表面２Ａと垂直な方向から視て）第２搭載部品８の外縁と一致する領域である。

本実施形態では、搭載エリア２Ｃには第２搭載部品８が実際に搭載されているため、搭載エリア２Ｃは第２搭載部品８と完全に重なっている。第２搭載部品８は、例えば、ろう材、はんだ、樹脂接着剤等によって搭載エリア２Ｃに接合されている。

また、搭載エリア２Ｃは、平面視で、後述する枠体３と台座４とに挟まれた位置に設けられている。また、搭載エリア２Ｃは、枠体３と離間すると共に、台座４とも離間して配置されている。

＜枠体＞
枠体３は、基材２の表面２Ａの周囲に接合層３Ａを介して接合された絶縁性の部材である。枠体３は、平面視で搭載エリア２Ｃ及び台座４を囲むように、基材２に接合されている。

本実施形態では、枠体３は、複数の絶縁層を重ねた積層体である。また、枠体３には、配線（図示省略）が配置されている。この配線は、絶縁層の表面に配置された配線パターン、絶縁層を貫通する導体、搭載部品７，８に通電が必要な場合に搭載部品７，８と電気的に接続されるように構成された接続パッド等を含んでいる。

枠体３の絶縁層の材質は特に限定されないが、耐熱性の観点から枠体３はセラミックを主成分とするとよい。このセラミックとしては、例えば、アルミナ、ベリリア、窒化アルミニウム、窒化ホウ素、窒化ケイ素、ガラス等が挙げられる。これらのセラミックは単体で、又は２種以上組み合わせて使用することができる。

接合層３Ａは、流動性を有する接合材の凝固によって形成されている。接合層３Ａの融点としては、３００℃以上が好ましい。接合層３Ａを形成する接合材としては、例えば、ろう材、はんだ、樹脂接着剤等が挙げられる。これらの中でも耐熱性の観点から、ろう材又ははんだが好ましい。ろう材としては、銀系ろう材が例示される。はんだとしては、金錫はんだが例示される。

＜台座＞
台座４は、基材２の表面２Ａのうち、枠体３よりも内側の領域に設けられた金属製の部位である。

本実施形態では、台座４は、基材２と一体に構成されている。台座４は、基材２の表面２Ａの一部が盛り上がることによって構成されている。換言すれば、台座４は、基材２のうち、他の部位よりも厚みの大きい部位である。

台座４には、第１搭載部品７が配置されている。第１搭載部品７は、例えば、ろう材、はんだ、樹脂接着剤等によって台座４の表面に接合されている。また、台座４は、枠体３と離間して配置されている。

＜溝＞
溝５は、基材２の表面２Ａに配置されている。溝５は、基材２において、他の部位よりも厚みが小さくされた部位である。

溝５は、基材２の表面２Ａのうち平面視で少なくとも搭載エリア２Ｃと台座４との間の領域に配置されている。また、溝５は、搭載エリア２Ｃと台座４との対向方向（図１Ａ中左右方向）に対し交差する方向（図１Ａ中上下方向）に延伸している。

具体的には、溝５は、平面視で台座４の搭載エリア２Ｃと対向する外縁４Ａと重なると共に、外縁４Ａに沿って形成されている。つまり、溝５は、外縁４Ａに隣接して平行に延伸している。つまり、溝５の一方の側面は、台座４の第２搭載部品８と対向する側面と面一である。また、溝５は、平面視で搭載エリア２Ｃに幅方向（溝５における図１Ａの左右方向）の一部が重なっている。

さらに、溝５の２つの端部５Ａ，５Ｂは、平面視で、上記対向方向に対し垂直な方向（本実施形態では溝５の延伸方向）において搭載エリア２Ｃの端２Ｄ、２Ｅよりも枠体３側に突出している。つまり、溝５は、搭載エリア２Ｃと台座４との間の領域の一方の外側から、この領域を挟んだ反対の外側まで、この領域を通過するように延伸している。

このように溝５は、平面視で、基材２の表面２Ａのうち、台座４と搭載エリア２Ｃとに挟まれた領域全体にわたって形成されている。また、溝５は、台座４と搭載エリア２Ｃとに挟まれた領域の外側にも配置されている。

溝５の深さは、基材２の厚みの１／２以下が好ましい。溝５が深すぎると、基材２の体積が低減し、放熱性及び基材の強度が低下するおそれがある。
また、溝５のうち搭載エリア２Ｃと重なる部分の幅Ｗは、搭載エリア２Ｃの台座４との対向方向における長さＬの１／３以下が好ましい。搭載エリア２Ｃと重なる部分の幅Ｗが大きすぎると、第２搭載部品８と基材２との接合性が低下するおそれがある。また、第２搭載部品８を搭載した際に、基材２と第２搭載部品８との接触面積が低下するため、第２搭載部品８の放熱性が低下するおそれがある。

＜搭載部品＞
第１搭載部品７、及び第２搭載部品８は、それぞれ、稼働によって熱を発する部品である。

例えば、第１搭載部品７としてＬＥＤ（発光ダイオード）やＬＤ（レーザーダイオード）、第２搭載部品８として蛍光体を有する光波長変換部材を用いてもよい。この組み合わせにより、ヘッドランプ、各種照明機器、レーザープロジェクター等の光源用の配線基板が得られる。

第１搭載部品及び第２搭載部品８は、枠体３が接合層３Ａによって基材２に接合された後に、台座４又は基材２に直接取り付けられる。なお、各搭載部品に通電が必要な場合は、上述した枠体３の接続パッドに、例えばワイヤボンディングによって電気的に接続される。

［１−２．効果］
以上詳述した実施形態によれば、以下の効果が得られる。
（１ａ）基材２と枠体３との接合時に、接合層３Ａを形成する接合材が搭載エリア２Ｃと台座４との間の領域に配置された溝５に流入し、接合材が台座４の付け根にフィレットを形成することが抑制される。そのため、基材２と枠体３との接合面積を減らすことなく、台座４の付け根部分におけるフィレットの形成を抑制できる。

（１ｂ）溝５が平面視で台座４の搭載エリア２Ｃと対向する外縁４Ａに隣接して、つまり台座４の付け根部分に沿って形成されているため、フレットの形成要因となる台座の付け根部分に溝が設けられるので、より確実にフィレットの形成を抑制できる。さらに、台座４の付け根部分のうち、接合材によりフィレットが形成され得る領域を低減することができる。

（１ｃ）溝５の２つの端部５Ａ，５Ｂが、平面視で搭載エリア２Ｃの端２Ｄ、２Ｅよりも枠体３側に突出することで、接合材が溝５に導入されやすくなり、より確実に接合材が台座４の付け根部分に到達することを抑制できる。

（１ｄ）台座４が基材２と一体に構成されることで、台座４を容易に形成することができる。また、台座４から基材２までの熱の流れが阻害されることを抑制できるので、台座４に搭載される第１搭載部品７の放熱性を高めることができる。

［２．第２実施形態］
［２−１．構成］
図２Ａ，２Ｂに示す配線基板１１は、基材２と、枠体３と、台座４と、溝１５と、第１搭載部品７と、第２搭載部品８とを備える。基材２と、枠体３と、台座４と、第１搭載部品７と、第２搭載部品８とは、図１Ａの配線基板１と同様であるため、同一の符号を付して説明を省略する。

＜溝＞
溝１５は、平面視で搭載エリア２Ｃとは重なっていない（つまり、搭載エリア２Ｃと離間している）点を除いて、図１Ａの溝５と同じものである。

［２−２．効果］
以上詳述した実施形態によれば、以下の効果が得られる。
（２ａ）搭載エリア２Ｃ内に溝１５が設けられないため、第２搭載部品８と基材２との接合面積が大きくなる。その結果、第２搭載部品の接合性を高められる。また、第２搭載部品が搭載された際には、第２搭載部品８の放熱性を高められる。

［３．第３実施形態］
［３−１．構成］
図３に示す配線基板２１は、基材２と、枠体３と、台座４と、溝２５と、第１搭載部品７と、第２搭載部品８とを備える。基材２と、枠体３と、台座４と、第１搭載部品７と、第２搭載部品８とは、図１Ａの配線基板１と同様であるため、同一の符号を付して説明を省略する。

＜溝＞
溝２５は、図１Ａの溝５の一部を除去して第１部２５Ａと第２部２５Ｂとに分割したものである。

つまり、溝２５は、基材２の表面２Ａのうち平面視で搭載エリア２Ｃと台座４との間の領域から枠体３に向かって延伸する第１部２５Ａと、上記領域から第１部２５Ａとは逆向きに枠体３に向かって延伸する第２部２５Ｂとを有する。

第１部２５Ａと第２部２５Ｂとは溝２５の延伸方向に離間して配置されている。第１部２５Ａ及び第２部２５Ｂそれぞれの外側の（つまり枠体３に近い）端部は、搭載エリア２Ｃと台座４との対向方向に対し垂直な方向において搭載エリア２Ｃの端２Ｄ、２Ｅよりも枠体３側に突出している。

［３−２．効果］
以上詳述した実施形態によれば、以下の効果が得られる。
（３ａ）搭載エリア２Ｃと台座４との間の領域に溝２５が存在しない部分が設けられることで、基材２と第２搭載部品８との接合面積を維持しつつ、台座４の付け根部分におけるフィレットの形成を抑制することができる。

［４．他の実施形態］
以上、本開示の実施形態について説明したが、本開示は、上記実施形態に限定されることなく、種々の形態を採り得ることは言うまでもない。

（４ａ）上記実施形態の配線基板１，１１，２１は、複数の台座４を備えてもよい。また、基材２は、複数の搭載エリア２Ｃを有してもよい。
（４ｂ）上記実施形態の配線基板１，１１，２１において、基材２の表面２Ａのうち、搭載エリア２Ｃと台座４との間の領域以外に溝を設けてもよい。例えば、台座４を囲うように溝を設けてもよいし、搭載エリア２Ｃを囲うように溝を設けてもよい。また、台座４と搭載エリア２Ｃとを囲うように溝を設けてもよい。

（４ｃ）上記実施形態の配線基板１，１１，２１において、溝５，１５，２５は、必ずしも台座４の外縁４Ａと重ならなくてもよい。また、溝５，１５，２５は、必ずしも搭載エリア２Ｃと台座４との間の領域の外側まで延伸しなくてもよい。さらに、溝５，１５，２５は、必ずしも台座４の外縁４Ａに沿って形成されていなくてもよい。また、溝５，１５，２５の一端は、台座４の外縁４Ａよりも枠体３側に突出していてもよい。つまり、溝５，１５，２５は、枠体３の近くまで延伸してもよい。

（４ｄ）上記実施形態の配線基板１，１１，２１において、台座４は、必ずしも基材２と一体に構成されなくてもよい。例えば、台座４は、接合材によって基材２に接合されていてもよい。また、台座４を基材２と別部材として準備し、台座４と基材２とを接合する場合、台座４の材料は、基材２と同一又は異なる材料で形成されていてもよい。台座４と基材２とを異なる材料で形成する場合、台座４の材料は、例えば、窒化アルミニウム、アルミナ、銅、銅合金、銅複合体、アルミニウム、鉄ニッケル合金等の放熱性に優れる材料が好ましい。

（４ｅ）上記実施形態の配線基板１，１１，２１は、第１搭載部品７及び第２搭載部品８の少なくとも一方を備えていなくてもよい。つまり、本開示は、配線基板に搭載される複数の搭載部品のうち、一部又は全部の搭載部品が搭載される前の配線基板も含む概念である。

（４ｆ）上記実施形態における１つの構成要素が有する機能を複数の構成要素として分散させたり、複数の構成要素が有する機能を１つの構成要素に統合したりしてもよい。また、上記実施形態の構成の一部を省略してもよい。また、上記実施形態の構成の少なくとも一部を、他の上記実施形態の構成に対して付加、置換等してもよい。なお、特許請求の範囲に記載の文言から特定される技術思想に含まれるあらゆる態様が本開示の実施形態である。

［５．実施例］
以下に、本開示の効果を確認するために行った試験の内容とその評価とについて説明する。

＜実施例１＞
図１Ａの溝５を設けた基材２（平均厚み５００μｍ）に枠体３をろう付けした。ろう材により台座４の付け根部分に形成されたフィレットの厚みを計測したところ、０μｍであった。

＜比較例１＞
図１Ａの溝５を設けていない基材２（厚みは実施例１と同じ）に枠体３をろう付けした。ろう材により台座４の付け根部分に形成されたフィレットの厚みを計測したところ、５１μｍであった。

＜考察＞
実施例１と比較例１との結果から、溝５によって、台座４の付け根部分におけるフィレットの形成を抑制できることが示された。

１…配線基板、２…基材、２Ａ…表面、２Ｂ…裏面、２Ｃ…搭載エリア、３…枠体、
３Ａ…接合層、４…台座、４Ａ…外縁、５…溝、５Ａ，５Ｂ…端部、
７…第１搭載部品、８…第２搭載部品、１１…配線基板、１５…溝、２１…配線基板、
２５…溝、２５Ａ…第１部、２５Ｂ…第２部。

Claims (9)

1. 表面及び裏面を有する金属製の基材と、
   前記基材の前記表面に、接合材からなる接合層を介して接合された絶縁性の枠体と、
   前記基材の前記表面のうち、前記枠体よりも内側の領域に設けられた台座と、
   を備える配線基板であって、
   前記基材の前記表面に配置された溝をさらに備え、
   前記基材の前記表面には、搭載部品の搭載が予定されてなる搭載エリアを有し、
   前記溝は、前記表面のうち平面視で少なくとも前記搭載エリアと前記台座との間の領域に配置されると共に、前記搭載エリアと前記台座との対向方向に対し交差する方向に延伸する、配線基板。
2. 前記溝は、平面視で前記台座の前記搭載エリアと対向する外縁に隣接して形成される、請求項１に記載の配線基板。
3. 前記台座は、前記基材と一体に構成される、請求項１又は請求項２に記載の配線基板。
4. 前記溝の少なくとも一方の端部は、平面視で、前記対向方向に対し垂直な方向において前記搭載エリアの一方の端よりも枠体側に突出する、請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の配線基板。
5. 前記溝の深さは、前記基材の厚みの１／２以下である、請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の配線基板。
6. 前記溝のうち前記搭載エリアと重なる部分の幅は、前記搭載エリアの前記対向方向における長さの１／３以下である、請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の配線基板。
7. 前記枠体は、セラミックを主成分とする、請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の配線基板。
8. 前記基材は、銅、銅合金及び銅複合体のうち少なくとも１つで構成される、請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の配線基板。
9. 前記搭載エリアに搭載された前記搭載部品をさらに備える、請求項１から請求項８のいずれか１項に記載の配線基板。