JP7257867B2

JP7257867B2 - 回路基板およびこれを備える電子装置

Info

Publication number: JP7257867B2
Application number: JP2019084249A
Authority: JP
Inventors: 嘉雄倉元
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2019-04-25
Filing date: 2019-04-25
Publication date: 2023-04-14
Anticipated expiration: 2039-04-25
Also published as: JP2020181899A

Description

本開示は、回路基板およびこれを備える電子装置に関する。

消費電力の少ない発光素子として、ＬＥＤ（発光ダイオード）が用いられている。そして、このような発光素子の搭載には、絶縁性の基板と、この基板上に位置する金属層と、この金属層に繋がって位置する素子搭載部と、回路形成のための配線層と、を備える回路基板が用いられている（例えば、特許文献１を参照）。

発光素子は、動作時に熱を生じるものである。発光素子が有する性能（輝度）を最大限に発揮させるには、回路基板が放熱特性に優れている必要がある。

特開２００５－３４７３５５号公報

回路基板の放熱特性を向上させるには、発光素子の直下に位置する金属層の面積を広げればよいが、絶縁性の基板上においては、金属層だけではなく、回路形成のための配線層の配置領域も必要であることから、金属層の面積を単に広げることができない。

また、絶縁性の基板に貫通孔を設け、ビア導体を形成し、発光素子が搭載される側と反対側の面を利用すれば、放熱特性を向上させることができるが、ビア用の孔開け、ビア埋め、上記反対面への金属層の印刷は、作業性を含めて作製コストが掛かってしまう。

本開示は、このような事情を鑑みて案出されたものであり、放熱特性に優れた回路基板と、この回路基板を備える電子装置とを提供することを目的とする。

本開示の回路基板は、第１面を有する基板と、前記第１面上に位置する第１金属層と、該第１金属層上において繋がって位置する素子搭載部と、前記第１金属層上に位置するガラス層と、該ガラス層上に位置する第２金属層と、を備える。また、前記第１金属層は、前記第１面に交わる断面において、端部形状がＲ状である。

また、本開示の電子装置は、上記回路基板と、該回路基板上に位置する素子とを備える。

本開示の回路基板は、放熱特性に優れる。

また、本開示の電子装置は、素子が有する性能を十分に発揮することができる。

本開示の電子装置の一例を模式的に示す平面図である。図１のii－ii線における断面図である。本開示の電子装置の他の例を示す、断面図である。本開示の電子装置の他の例を示す、断面図である。本開示の電子装置の他の例を示す、断面図である。本開示の電子装置の他の例を示す、断面図である。

以下、本開示の回路基板および電子装置について、各図を参照しながら説明する。なお、以下の説明においては、素子として発光素子、装置として発光装置を例に説明する。図１は、本開示の電子装置である発光装置の一例を模式的に示す平面図である。図２は、図１のii－ii線における断面図である。図３～図６は、発光装置の構成の他の例を示す、断面図であり、切断箇所は図１に示すii－ii線と同様である。

なお、図３～図６においては、図２と異なる部分を有する構成部材は、アルファベットを付して示している。また、図３～図６においては、回路基板に付す符号も変えている。

本開示の発光装置２０は、回路基板１０と、回路基板上に位置する発光素子７とを備える。なお、図１の平面図においては、本開示の回路基板１０を構成する部材を明瞭に示すため、本開示の回路基板１０を構成する部材以外（例えば、電力供給経路や抵抗体など）は省略している。

本開示の回路基板１０は、第１面１ａを有する基板１と、第１面１ａに位置する第１金属層２と、第１金属層２上において繋がって位置する素子搭載部３と、第１金属層２上に位置するガラス層４と、ガラス層４上に位置する第２金属層５と、を備える。ここで、発光素子７は、素子搭載部３上に搭載され、ボンディングワイヤ６により第２金属層５に電気的に接続されている。第２金属層５は、言い換えれば、回路形成のための配線層である。そして、第１金属層２は、素子搭載部３を介して、発光素子７の動作時の熱が伝わる部分であり、熱を逃がすものであることから、放熱層と言えるものである。なお、素子搭載部３は、素子を搭載する部分であればよく、第１金属層２と別の材料からなるものであってもよいが、第１金属層２と同じ材料であり、第１金属層２から突出した凸部であってもよい。

上記構成を満たす回路基板１０は、基板１における第１面１aにおいて、これまで少な
くとも第１金属層２および第２金属層５の配置領域が必要であったところ、第１金属層２を覆ったガラス層４上を第２金属層５の配置領域としたことにより、第１面１ａ上を第１金属層２の配置領域とすることができることから、第１金属層２の配置領域を広く取ることができる。そのため、本開示の回路基板１０は、優れた放熱特性を有する。具体的には、基板１の第１面１ａの面積に対する面積占有率は、５０面積％以上でもよく、７０面積％以上でもよく、９０面積％以上でもよい。

また、第２金属層５においても、ガラス層４上を配置領域とすることができることから、回路の設計の自由度が向上する。ガラス層４上において、第２金属層５の配置を必要としない領域があるとすれば、ガラス層４上に第３金属層を配置し、ビア導体を介して第１金属層２に繋げれば、さらに放熱特性が高まる。

本開示の回路基板１０は、基板１の第１面１ａにおいて、第１金属層２を広く配置すれば、第１面１ａに向かって視た平面透視において、第１金属層２と第２金属層５とが、重なって存在する。上記平面透視において、第２金属層５のすべてが第１金属層２と重なっているときは、第１面１aにおいて、これまで少なくとも第１金属層２および第２金属層
５の配置領域が必要であったときに比べ、有効な配置であり、放熱特性に優れる。

さらに、本開示の回路基板１０は、ビア用の孔開け、ビア埋め、第１面１ａと反対面への金属層の印刷などを行わずとも、基板１の第１面１ａ上の構成のみにおいて、放熱特性
に優れるものであるため、作業性がよく、作製コストが少ない。

また、第１金属層２は、第１面１ａに交わる断面において、端部形状がＲ状であってもよい。ここで、第１面１ａに交わる断面とは、図２～図６に示すような断面のことである。図３においては、図２との形状の違いを明確にするため、第１金属層２ａ、回路基板１１と記載している。なお、ここでいうＲ状とは、凸Ｒ状のことである。図３に示す第１金属層２ａのように、端部形状がＲ状であるときには、放熱特性に優れながら、熱膨張差による亀裂が入りにくいため、回路基板１１は高い信頼性を有する。

また、ガラス層４は、金属を含有するものであってもよい。ガラス層４が、金属を含有するときには、熱伝導率が向上するため、放熱特性が向上する。なお、ガラス層４に含まれる金属は、ガラス層４を形成するガラスペーストの段階から含まれているものであっても、焼成時において、第１金属層２から拡散してきたものであってもよい。上記金属が、第１金属層２から拡散してきたものであるときには、ガラス層４において第１金属層２に近い部分に存在することとなる。このように、第１金属層２に近い部分に金属を含有しているときには、放熱特性の向上に加えて、ガラス層４と第１金属層２とが剥がれにくくなる。

また、素子搭載部３は、基板１に向かって径が拡がっていてもよい。図４においては、図２との形状の違いを明確にするため、素子搭載部３ａ、回路基板１２と記載している。なお、基板１に向かって径が拡がっているとは、図３に示すように、発光素子７を搭載する部分から第１金属層２に繋がる部分までである厚みの全てにおいて、漸増するものに限らない。例えば、厚みの半分の位置から第１金属層２に繋がる部分までが径が拡がっているものでもよい。素子搭載部３ａのように、基板１に向かって径が拡がっているときには、発光素子７で生じた熱を第１金属層２に伝えやすくなり、伝熱速度が向上するため、回路基板１２は、さらに高い放熱特性を有する。

次に、図５を用いて説明する。図５に示す素子搭載部３ｂは、素子搭載面Ａと、素子搭載面Ａか記第１金属層２にわたる周面Ｂとを備える。周面Ｂは、素子搭載面Ａに繋がる部分を含み、素子搭載面Ａに向かって径が小さくなる第１部位Ｂ１を有する。そして、このとき、ガラス層４が、第１部位Ｂ１に接していてもよい。このような構成を満たす回路基板１３は、ガラス層４と素子搭載部３との接触面積の増加により、密着力が向上し、ガラス層４が剥がれにくくなる。また、発光素子７の動作によって生じた熱の入側の径が小さく、第１金属層側に向かって大きくなっていることから、伝熱速度が向上し、さらに放熱特性が向上する。

次に、図を用いて説明する。図６に示す素子搭載部３ｃは、素子搭載面Ａと、素子搭載面Ａか記第１金属層２にわたる周面Ｂとを備える。周面Ｂは、第１金属層２に繋がる部分を含み、第１金属層２に向かって径が小さくなる第２部位Ｂ２を有する。そして、このとき、ガラス層４が、第２部位Ｂ２に接していてもよい。このような構成を満たす回路基板１４は、ガラス層４が剥がれにくくなることから、信頼性に優れる。

ここまで、素子として発光素子７を例に説明してきたが、これに限らず、例えば、絶縁ゲート・バイポーラ・トランジスタ（ＩＧＢＴ）素子、インテリジェント・パワー・モジュール（ＩＰＭ）素子、金属酸化膜型電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）素子、フリーホイーリングダイオード（ＦＷＤ）素子、ジャイアント・トランジスタ（ＧＴＲ）素子、ショットキー・バリア・ダイオード（ＳＢＤ）、高電子移動トランジスタ（ＨＥＭＴ）素子、相補型金属酸化膜半導体（ＣＭＯＳ）等の半導体素子、昇華型サーマルプリンタヘッドまたはサーマルインクジェットプリンタヘッド用の発熱素子、ペルチェ素子等を用いることができる。

そして、本開示の発光装置２０は、回路基板１０～１４と、回路基板１０～１４上に位置する発光素子７とを備え、回路基板１０～１４が、放熱特性に優れたものであることから、発光素子７が有する性能を十分に発揮することができる。

以下に、各構成部材について説明する。

基板１は、絶縁体であればよく、例えば、セラミックスからなるものであってもよい。

ここで、セラミックスとしては、例えば、酸化アルミニウム質セラミックス、酸化ジルコニウム質セラミックス、酸化アルミニウムおよび酸化ジルコニウムの複合セラミックス、窒化珪素質セラミックス、窒化アルミニウム質セラミックス、炭化珪素質セラミックスまたはムライト質セラミックス等が挙げられる。

なお、基板１が酸化アルミニウム質セラミックスからなるときには、基体１に要求される機械的強度を有しつつ、加工性に優れる。また、基板１が窒化アルミニウム質セラミックスからなるときには、放熱性に優れる。

ここで、例えば、酸化アルミニウム質セラミックスとは、セラミックスを構成する全成分１００質量％のうち、酸化アルミニウムを７０質量％以上含有するものである。そして、本開示の回路基板１０における基板１の材質は、以下の方法により確認することができる。まず、Ｘ線回折装置（ＸＲＤ）を用いて、基板１を測定し、得られた２θ（２θは、回折角度である。）の値よりＪＣＰＤＳカードを用いて同定を行なう。次に、ＩＣＰ（Inductively Coupled Plasma）発光分光分析装置（ＩＣＰ）または蛍光Ｘ線分析装置（ＸＲＦ）を用いて、含有成分の定量分析を行なう。そして、例えば、上記同定により酸化アルミニウムの存在が確認され、ＸＲＦで測定したＡｌの含有量から酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）に換算した含有量が７０質量％以上であれば、酸化アルミニウム質セラミックスである。なお、他のセラミックスに関しても、同じ方法で確認できる。

次に、第１金属層２は、金属が主成分である。金属が銅または銀であるときには、電気抵抗率が低く、熱伝導率が高いことから、発熱量の大きい発光素子７の搭載が可能となる。また、金属がタングステンであるときには、セラミックスからなる基板１と同時に焼成を行なうことができる。さらに、金属がモリブデン－マンガンであるときには、セラミックスからなる基板１との接合強度が高い。

次に、素子搭載部３は、金属が主成分である。上述したように、素子搭載部３は、第１金属層２と別の材料からなるものであってもよいし、第１金属層２と同じ材料であってもよい。

次に、第２金属層５は、金属が主成分であり、金属としては銅または銀が挙げられる。なお、第１金属層２、素子搭載部３、第２金属層５において、金属が主成分であるとは、第１金属層２、素子搭載部３、第２金属層５をそれぞれ構成する全成分１００質量％のうち、金属が５０質量％以上占めることをいう。それぞれの含有量は、ＩＣＰまたはＸＲＦを用いて測定することにより確認できる。

次に、ガラス層４は、主成分として、Ｒ_２Ｏ－Ｂ_２Ｏ_３－ＳｉＯ_２系（Ｒ：アルカリ金属元素）、ＳｉＯ_２－Ｂｉ_２Ｏ_３－Ｂ_２Ｏ_３系、Ｒ_２Ｏ－ＳｉＯ_２－Ｂ_２Ｏ_３－Ｂｉ_２Ｏ_３系のいずれかが挙げられる。また、ガラス層４が含有する金属としては、銅、銀などが挙げられる。第１金属層２の主成分と同じ金属であるとよい。

また、ガラス層４は、白色を呈するものであってもよい。このように、ガラス層４が白色を呈するものとするには、チタンおよび酸素を含む化合物を含有させればよい。ガラス層４が、白色を呈するときには、可視光領域において高い反射率を有する。上記化合物の大きさは、例えば、直径が０．２μｍ以上２．０μｍ以下である。

ガラス層４の主成分は、ＩＣＰまたはＸＲＦを用いて測定することにより確認できる。また、ガラス層４に含まれる金属の存在は、電子線マイクロアナライザ（ＥＰＭＡ）を用いて確認すればよい。ＥＰＭＡであれば、ガラス層４の全体を確認することにより、第１金属層２の近くに位置しているか否かを確認することができる。

さらに、ガラス層４に含まれる化合物は、ＸＲＤを用いてガラス層４を測定し、得られた結果をＪＣＰＤＳカードと照合することにより確認すればよい。

または、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）に付設のエネルギー分散型Ｘ線分析装置（ＥＤＳ）を用いて、ガラス層４に含まれる化合物を確認することもできる。まず、回路基板１０～１４を切断し、クロスセクションポリッシャー（ＣＰ）にて研磨する。次に、研磨した断面を観察面として、ＳＥＭを用いて１０００倍以上１００００倍以下の倍率で観察する。次に、ＳＥＭに付設のＥＤＳにより、粒子として視認される箇所にＸ線を照射する。そして、この箇所にＴｉおよびＯの存在が確認されば、チタンおよび酸素を含む化合物が存在しているとみなすことができる。

以下、本開示の回路基板の製造方法の一例について説明する。

まず、基板として、公知の成形方法および焼成方法により、例えば、窒化アルミニウム質セラミックスや酸化アルミニウム質セラミックス等の第１面を有するセラミックスを準備する。なお、酸化アルミニウム質セラミックスの作製にあたっては、基板の反射率を向上させるべく、酸化バリウム（ＢａＯ）や酸化ジルコニウム（ＺｒＯ_２）等を含有させてもよい。なお、基板の厚みは、例えば、０．１５ｍｍ以上１．５ｍｍ以下である。

次に、銅を主成分とする金属ペーストを用いて、基体１の第１面１ａにスクリーン印刷した後、焼成することによって第１金属層を形成することができる。なお、第１金属層の厚みは、例えば、１０μｍ以上１８μｍ以下である。この方法によれば、第１金属層の形状は図３に示す形状のものとなる、また、金属ペーストの印刷と乾燥とを繰り返した重ね塗りを行ない、厚みの厚い部分を形成して焼成してもよいし、金属ペーストの印刷、乾燥、焼成を繰り返すことにより、素子搭載部を形成してもよい。第１金属層に加えて素子搭載部を形成する場合、合計の厚みとしては、例えば、１０μｍ以上２００μｍ以下である。

次に、ガラスペーストを準備する。まず、Ｒ_２Ｏ－Ｂ_２Ｏ_３－ＳｉＯ_２系（Ｒ：アルカリ金属元素）、ＳｉＯ_２－Ｂｉ_２Ｏ_３－Ｂ_２Ｏ_３系、Ｒ_２Ｏ－ＳｉＯ_２－Ｂ_２Ｏ_３－Ｂｉ_２Ｏ_３系のいずれかを主成分とするガラス粉末を準備する。なお、ガラス粉末の平均粒径としては、例えば、２μｍ以上４μｍ以下である。

また、ガラス層が白色を呈するものとするには、平均粒径が０．１μｍ以上２．０μｍ以下である酸化チタン粉末を準備し、ガラス粉末１００質量部に対して１５質量部以上２５質量部以下となるように酸化チタン粉末を秤量して添加すればよい。

次に、有機ビヒクルを準備する。なお、有機ビヒクルとは、有機バインダを有機溶剤に溶解したものであり、例えば、有機バインダと有機溶剤との質量比率は、有機バインダ１に対し、有機溶剤が２～６である。そして、有機バインダとしては、例えば、ポリブチル
メタクリレート、ポリメチルメタクリレート等のアクリル類、ニトロセルロース、エチルセルロース、酢酸セルロース、ブチルセルロース等のセルロース類、ポリオキシメチレン等のポリエーテル類、ポリブタジエン、ポリイソプレン等のポリビニル類から選択される１種もしくは２種以上を混合して用いることができる。

また、有機溶剤としては、例えば、カルビトール、カルビトールアセテート、テルピネオール、メタクレゾール、ジメチルイミダゾール、ジメチルイミダゾリジノン、ジメチルホルムアミド、ジアセトンアルコール、トリエチレングリコール、パラキシレン、乳酸エチル、イソホロンから選択される１種もしくは２種以上を混合して用いることができる。

そして、ガラス粉末、酸化チタン粉末、有機ビヒクルを所望量秤量して混合することにより、ガラスペーストを作製する。このときの配合量としては、例えば、ガラスペースト１００質量部に対し、ガラス粉末および酸化チタン粉末の混合粉末の量を６０質量部以上８０質量部以下とし、残部を有機ビヒクルとすればよい。

また、ガラス層４に金属を含有させるには、平均粒径が０．１μｍ以上５μｍ以下である金属粉末を準備し、ガラス粉末１００質量部に対して０．１質量部以上３０質量部以下となるように秤量し、上記ガラスペーストに添加すればよい。

そして、得られたガラスペーストを、第１金属層における所望領域を覆うように印刷し、８０℃以上１４０℃以下の温度で乾燥、脱脂を行なう。次に、印刷したガラスペーストを、窒素雰囲気下で８００℃以上９５０℃以下の最高温度で２分以上１５分以下保持して熱処理することによりガラス層を形成することができる。

なお、第１金属層の形成時に素子搭載部を形成していないときには、ガラス層形成後に、第１金属層に到達するように穴加工を行ない、形成された穴に金属ペーストを流し込み、乾燥・焼成することによって、素子搭載部を形成することができる。

次に、第２金属層については、銅を主成分とする金属ペーストを用いて、ガラス層上に回路パターンをスクリーン印刷した後、焼成することによって形成することができる。

このように、第２金属層までを形成することによって、本開示の回路基板を得ることができる。

なお、図４に示す素子搭載部とするには、金属ペーストの印刷による重ね塗り時に層毎に印刷面積を小さくしたり、基板に向かって径が拡がるようなマスクに金属ペーストを流し込んだりした後に乾燥させて焼成すればよい。

また、図５に示す素子搭載部とするには、金属ペーストの印刷による重ね塗り時に、素子搭載部の上部に位置する辺りから印刷面積を小さくしたり、図５に示す素子搭載部となるようなマスクに金属ペーストを流し込んだりした後に乾燥させて焼成すればよい。

また、図６に示す素子搭載部とするには、素子搭載部となる領域を確保できるようにガラス層を先に形成した後に、確保した領域に金属ペーストを流し込み、その後、乾燥して焼成すればよい。若しくは、ガラス層形成後に、第１金属層に到達するように穴加工を行ない、形成された穴に金属ペーストを流し込み、乾燥・焼成することによって形成してもよい。

次に、本開示の電子装置の一例である発光装置は、例えば、本開示の回路基板上に発光素子を搭載することによって得ることができる。

１：基板
２：第１金属層
３：素子搭載部
４：ガラス層
５：第２金属層
６：ボンディングワイヤ
７：素子（発光素子）
１０～１４：回路基板
２０：電子装置（発光装置）

Claims

第１面を有する基板と、
前記第１面上に位置する第１金属層と、
該第１金属層上において繋がって位置する素子搭載部と、
前記第１金属層上に位置するガラス層と、
該ガラス層上に位置する第２金属層と、を備え、
前記第１金属層は、前記第１面に交わる断面において、端部形状がＲ状である、回路基板。
前記ガラス層は、金属を含有する、請求項１に記載の回路基板。
前記素子搭載部は、前記基板に向かって径が拡がっている、請求項１または２に記載の回路基板。
前記素子搭載部は、素子搭載面と、該素子搭載面から前記第１金属層にわたる周面とを備え、該周面は、前記素子搭載面に繋がる部分を含み、該素子搭載面に向かって径が小さくなる第１部位を有し、前記ガラス層は、前記第１部位に接している、請求項１乃至請求項３のいずれか１つに記載の回路基板。
前記素子搭載部は、素子搭載面と、該素子搭載面から前記第１金属層にわたる周面とを備え、該周面は、前記第１金属層に繋がる部分を含み、前記第１金属層に向かって径が小さくなる第２部位を有し、前記ガラス層は、前記第２部位に接している、請求項１、２、４のいずれか１つに記載の回路基板。
第１面を有する基板と、
前記第１面上に位置する第１金属層と、
該第１金属層上において繋がって位置する素子搭載部と、
前記第１金属層上に位置するガラス層と、
該ガラス層上に位置する第２金属層と、を備え、
前記ガラス層は、金属を含有する、回路基板。
請求項１乃至請求項６のいずれかに記載の回路基板と、該回路基板上に位置する素子とを備える電子装置。