JPH10335514A - 回路基板 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】セラミック絶縁基板にサーマルビアを形成した
構造において、放熱性の高い構造を提供する。 【解決手段】セラミック絶縁基板１の表面に金属導体層
３を介してＩＣなどの電子部品２を搭載し、裏面に放熱
体４を設け、金属導体層３と放熱体４とを熱的に接続す
るための３個以上の伝熱用ビアホール導体５とを具備
し、伝熱用ビアホール導体５を最大径ｄ０．１〜０．４
ｍｍの円柱体から構成し、各ビアホール導体を１．５ｄ
〜４．０ｄの間隔をもって、隣接する各ビアホール導体
の中心を結ぶ線分が正三角形をなすように配列する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ＩＣなどの発熱性
を有する電子部品を搭載する回路基板において、その熱
を効率的に放熱するための構造の改良に関する。

【０００２】

【従来技術】従来から、セラミックスまたは有機樹脂な
どからなる絶縁基板の表面に、ＩＣや抵抗素子などの電
子部品を搭載した回路基板が知られている。最近に至っ
て、これらの回路基板に搭載される電子部品の高集積化
等に伴い、たとえば、ＩＣ素子などの電子部品は、それ
自体が作動する時に発生する熱が大きくなりつつあり、
それに伴い、その熱によって、発熱する電子部品やその
他の電子部品に、作動状態に悪影響を及ぼすことから、
それらの熱をいかに効率的に放熱するかが大きな課題と
なっている。

【０００３】従来から用いられる一般的な放熱構造とし
ては、図３に示すように、絶縁基板１１の一方の表面に
ハイブリッドＩＣなどの電子部品１２が実装され、他方
の表面に放熱体１３を取付け、電子部品１２から発生す
る熱を絶縁基板１１内に設けられた伝熱用ビアホール導
体（以下、サーマルビアという。）１４を経由して放熱
体１３に伝えられ、その放熱体から直接またはそれに接
合された放熱フィンから大気に放出される構造からな
る。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、ハイブ
リッドＩＣなどのように複数のＩＣ素子が搭載される回
路基板においては、局所的な熱の淀みが点在するため
に、特に自動車などのエンジン制御などに用いられる回
路基板においては、ＩＣ部の温度が保証作動温度以上に
なる場合があった。その対策として、ヒートシンクが基
板背面に直接接着され、放熱の多くを放熱用サーマルビ
アを通して基板背面から行っていた。従って、そのサー
マルビアは、数多く、または太く形成した方が伝熱性に
優れる。

【０００５】しかしながら、アルミナ焼結体からなる絶
縁基板に対して、ＷやＭｏなどの高融点金属によってサ
ーマルビアを絶縁基板との同時焼成によって形成する場
合、アルミナ基板の熱膨張係数が８ｐｐｍ／℃、高融点
金属の熱膨張係数が約５ｐｐｍ／℃と異なるために、サ
ーマルビア径を０．５ｍｍ以上にしたり、数多く形成し
すぎると、焼成時に基板に反りが生じたり、サーマルビ
ア周辺またはサーマルビア間に亀裂が生じるなどの問題
があった。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明者らは、サーマル
ビアの径を大きくすることなく、しかもセラミック絶縁
基板との同時焼成によって形成した場合においても亀裂
の発生のない、放熱効率に優れたサーマルビアの配列に
ついて検討を重ねた結果、電子部品を金属導体層上に搭
載し、基板の裏面に設けた放熱体を３個以上の伝熱用ビ
アホール導体によって熱的に接続し、その伝熱用ビアホ
ール導体を特定の間隔をおいて三角格子状に配列するこ
とにより、放熱効率を高められるとともに、セラミック
絶縁基板との同時焼成において亀裂の発生が抑制できる
ことを見いだした。

【０００７】即ち、本発明の回路基板は、第１の表面
と、第２の表面を具備するセラミック絶縁基板と、前記
第１の表面に金属導体層を介して搭載された電子部品
と、前記第２の表面に一体的に形成された放熱体と、前
記金属導体層と前記放熱体とを熱的に接続するための３
個以上の伝熱用ビアホール導体とを具備する回路基板で
あって、前記伝熱用ビアホール導体は、最大径ｄが０．
１〜０．４ｍｍの円柱体から構成されるとともに、各ビ
アホール導体間が１．５ｄ〜４．０ｄの間隔をもって、
隣接する各ビアホール導体の中心を結ぶ線分が正三角形
をなすように配列したことを特徴とするものであり、特
に、前記絶縁基板が、アルミナ質焼結体からなり、前記
伝熱用ビアホール導体が、Ｗ（タングステン）またはＭ
ｏ（モリブデン）等の高融点金属からなる場合に、好適
に適用される。

【０００８】

【発明の実施の形態】以下、本発明の図１を参照して説
明する。図１は、本発明の回路基板の一実施例を説明す
るための概略断面図である。図１によれば、本発明の回
路基板によれば、絶縁基板１の一方の表面に、ＩＣ素子
などの電子部品２が搭載される。この電子部品２は、絶
縁基板１の表面に形成された金属導体層３を介して搭載
されている。また、電子部品２は、絶縁基板１の表面に
形成された配線層（図示せず）と電気的に接続されてい
る。

【０００９】絶縁基板１は、電気的に高電気抵抗を有す
る周知のセラミック絶縁材料から構成されるが、車載用
など過酷な条件下で優れた耐久性を保つ上で、アルミ
ナ、ＡｌＮ、Ｓｉ₃ Ｎ₄ などのセラミックスが望まし
い。また、絶縁基板１の内部には、電子部品２や表面配
線層と接続される内部配線層（図示せず）が形成される
場合もある。

【００１０】一方、金属導体層３は、それ自体、電子部
品と直接的に接触しているために、電子部品２から発生
した熱を効率的に伝達させる作用をなすものである。そ
のため、金属導体層３は、銅、銀などの高熱伝導性金属
から構成されることが望ましい。この金属導体層は、５
〜１５μｍの厚みが形成されるのが適当であり、絶縁基
板が、セラミックスからなる場合には、セラミックスの
表面に銅などの金属を含むペーストを塗布し、８００〜
１１００℃の適当な温度で焼き付け処理することにより
形成される。

【００１１】図１において、絶縁基板１の裏面には、放
熱体４が絶縁基板１の一体的に形成されている。この放
熱体は、それ自体、高熱伝導性材料から構成されるもの
で、例えば、銅−タングステン、コバー（Ｋｏｖａ
ｒ）、アルミニウムなどが挙げられる。この放熱体４
は、絶縁基板１に対してロウ付け、半田付け等の手法に
よって一体的に取り付けられている。

【００１２】また、本発明の回路基板においては、絶縁
基板１の内部に伝熱用ビアホール導体（以下、サーマル
ビアという場合がある。）５を有する。このサーマルビ
ア５は、金属導体層３と放熱体４とを熱的に接続するよ
うに、絶縁基板１内部を貫通するように形成される。ま
た、サーマルビア５は、金属からなる円柱体から構成さ
れる。

【００１３】本発明によれば、上記のサーマルビア５
は、３個以上有するものであり、その最大径ｄが０．１
〜０．４ｍｍ、特に０．１５〜０．３ｍｍであることが
必要である。これは、最大径が０．４ｍｍよりも大きい
と、セラミック絶縁基板との熱膨張差によって亀裂や基
板の反りが発生したり、０．１ｍｍよりも小さいとサー
マルビアの伝熱機能が低くなるためである。

【００１４】また、本発明によれば、３個以上のサーマ
ルビアが、図２の配置図に示すように、隣接するサーマ
ルビア同士の間隔ｃがすべて１．５ｄ〜４．０ｄ、特に
１．５ｄ〜３．０ｄの間隔をもつように配列する。それ
によって、隣接する各ビアホール導体の中心を結ぶ線分
によって正三角形が形成され、サーマルビアは三角格子
状に配列されることになる。

【００１５】このように、本発明では、サーマルビア同
士の間隔ｃを上記のように設定することにより、効率的
な熱伝達を行うとともに、セラミック絶縁基板との同時
焼成の場合においてもサーマルビア周辺、サーマルビア
間での亀裂の発生を抑制することができるものであり、
この間隔ｃが１．５ｄよりも小さいと、サーマルビア５
間に存在する絶縁基板のセラミックスの厚みが薄くなる
ことにより、このサーマルビア５を同時焼成によって形
成する場合において、亀裂が発生しやすくなるという問
題がある。また、間隔ｃが４．０ｄよりも大きいと、単
位面積当たりの放熱性が大幅に小さくなるために、放熱
効率が低下するためである。

【００１６】さらに、サーマルビアを四角格子状に形成
すると、単位面積あたりのサーマルビアの形成数が少な
くなり放熱性が低下するとともに、一個のサーマルビア
周辺のサーマルビアとの距離が四角格子状での辺と対角
線に位置するサーマルビアによって距離が異なる結果、
サーマルビアに対する周辺の応力分布が不均一となりサ
ーマルビア間のセラミックスに亀裂が発生しやすくな
る。

【００１７】本発明において、サーマルビア５をセラミ
ック絶縁基板１内に形成するには、例えば、アルミナを
主体とする混合粉末をスラリー化した後、これをドクタ
ーブレード法等のシート成形法によってグリーンシート
を作製し、このグリーンシートに対して所定径のホール
をマイクロドリル等によって形成し、その後、タングス
テン、モリブデンなどの高融点金属を含む導体ペースト
をそのホール内に充填する。そして、これを１５００〜
１８００℃の非酸化性雰囲気中で加熱して、グリーンシ
ートとサーマルビアを同時焼成することにより形成され
る。

【００１８】

【実施例】アルミナを主体とする混合粉末をスラリー化
した後、ドクターブレード法により、厚さ３００μｍの
グリーンシートを作製した。そして、このグリーンシー
トを６層積層した後、１０ｍｍ四方の領域にマイクロド
リルを用いて、焼成後の直径、ピッチが表１となるよう
にビアホールを形成した。そして、そのホール内にタン
グステンにアルミナを添加して混合した導体ペーストを
充填した。その後、これを１６００℃の還元雰囲気で同
時焼成して、回路基板を作製した。

【００１９】焼成後に基板のサーマルビアの端面が露出
した一方の表面に銅ペーストを塗布し９００℃で焼き付
け処理して１０μｍの厚さの金属導体層を形成した。ま
た、基板の他方の表面に、アルミニウムからなる放熱体
をサーマルビアと接続される位置にＳｉ系接着材を用い
て取付けた。なお、配列の比較例として、サーマルビア
を四角格子状に配列したものを上記と同様にして作製し
た。

【００２０】得られた各回路基板に対して、仕上がり状
況として、目視によるサーマルビア間の亀裂の発生およ
び基板の反りの発生を実体顕微鏡で観察した。また、回
路基板を金属導体層上にヒータチップを取付け、１００
℃の雰囲気中で一定の出力を加えて発熱させた時のアル
ミニウム放熱体の温度を測定した。測定の結果は、表１
に示した。

【００２１】

【表１】

【００２２】表１の結果から明らかなように、サーマル
ビア直径ｄが０．１〜０．４ｍｍ、ｃ／ｄが１．５〜
４．０の場合において、亀裂や反りの発生がなく、ヒー
トシンクの温度が１３０℃以上と高く、サーマルビアに
よる熱伝達性に優れることがわかった。

【００２３】これに対して、サーマルビア径ｄが０．４
ｍｍを越えた場合、サーマルビア周辺に多数の亀裂の発
生が観察された。また、ｃ／ｄが１．５より小さい場合
においても多数の亀裂が確認された。４．０より大きい
と熱伝達性が低下した。

【００２４】また、四角格子状に配列した試料Ｎo.１２
と、同一直径、同一ピッチで三角格子状に配列した試料
Ｎo.９と比較すると、三角格子状に配列した方が熱伝達
性に優れ、しかも四角格子状の場合、わずかに亀裂の発
生が認められた。

【００２５】

【発明の効果】以上詳述した通り、本発明の回路基板
は、複数個のサーマルビアの直径、ビア間距離および配
列を調整することにより、セラミック絶縁基板に同時焼
成によってサーマルビアを用いた場合に、反りや亀裂の
発生なく、放熱効率を高めることができる。これによ
り、ＩＣなどの電子部品から発生する熱を効率的に放熱
体に伝達することが可能となり、ＩＣの誤動作などの発
生のない信頼性の高い回路基板を提供できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の回路基板の一実施例を説明するための
概略断面図である。

【図２】本発明におけるサーマルビアを配置を説明する
ための概略図である。

【図１】従来の回路基板を説明するための概略断面図で
ある。

【符号の説明】

１ 絶縁基板 ２ 電子部品 ３ 金属導体層 ４ 放熱体 ５ サーマルビア

─────────────────────────────────────────────────────

【手続補正書】

【提出日】平成９年７月３１日

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】図面の簡単な説明

【補正方法】変更

【補正内容】

【図面の簡単な説明】

【図１】本考案の回路基板の一実施例を説明するための
概略断面図である。

【図２】本発明におけるサーマルビアの配置を説明する
ための概略図である。

【図３】従来の回路基板を説明するための概略断面図で
ある。

【符号の説明】 １ 絶縁基板 ２ 電子部品 ３ 金属導体層 ４ 放熱体 ５ サーマルビア

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】第１の表面と、第２の表面を具備するセラ
   ミック絶縁基板と、前記第１の表面に金属導体層を介し
   て搭載された電子部品と、前記第２の表面に一体的に形
   成された放熱体と、前記金属導体層と前記放熱体とを熱
   的に接続するための３個以上の伝熱用ビアホール導体と
   を具備する回路基板であって、前記伝熱用ビアホール導
   体は、最大径ｄが０．１〜０．４ｍｍの円柱体から構成
   されるとともに、各ビアホール導体間が１．５ｄ〜４．
   ０ｄの間隔をもって、隣接する各ビアホール導体の中心
   を結ぶ線分が正三角形をなすように配列したことを特徴
   とする回路基板。
2. 【請求項２】前記絶縁基板が、アルミナ質焼結体からな
   り、前記伝熱用ビアホール導体が、Ｗ（タングステン）
   またはＭｏ（モリブデン）等の高融点金属からなること
   を特徴とする請求項１記載の回路基板。