JPWO2013191288A1 - 回路基板およびこれを備える電子装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】 長期間にわたって使用可能な信頼性の高い回路基板およびこの回路基板に電子部品を搭載してなる電子装置を提供する。【解決手段】 セラミック焼結体11の少なくとも一方の主面11ａにガラス層12を介して金属配線層13を備えてなり、セラミック焼結体11の主面11ａに対して垂直な断面を見たとき、主面11ａに沿う方向のガラス層12の長さ12ａに対するガラス層12と金属配線層13との界面15の長さの比率が、1.25以上1.80以下であることにより、放熱特性に優れているとともに、電子部品21の動作時や、この動作と非動作とを繰り返したときの冷熱サイクルによって、金属配線層13のセラミック焼結体11からの剥離が少ない、長期間にわたって使用可能な信頼性の高い回路基板である。【選択図】 図１

Description

本発明は、回路基板およびこの回路基板に電子部品を搭載してなる電子装置に関する。
半導体素子、発熱素子、ペルチェ素子等の各種電子部品の搭載に用いられる回路基板は、セラミック焼結体の少なくとも一方の主面に金属配線層を備えてなり、この回路基板の金属配線層上に電極パッド等を介して電子部品を搭載してなる電子装置が各種機器において使用されている。
そして、このような回路基板には、搭載される電子部品の動作時に生じる熱によるセラミック焼結体から金属配線層の剥離が少ないことが求められている。そのため、セラミック焼結体の少なくとも一方の主面に備える金属配線層を為すペーストにガラスを含有させ、ガラス層を介して金属配線層を設けることによって、セラミック焼結体と金属配線層との密着強度を向上させることが行なわれている。
例えば、特許文献１には、銅粉を主体とする導電性粉末、ガラスフリット、有機ビヒクルを少なくとも含有して形成される銅導体ペーストであって、ガラスフリットとして、900℃の窒素雰囲気中で、実質上表面が酸化されていない銅粉から形成される膜に対する接触角が60度以下であり、且つ、軟化点が700℃以下のホウケイ酸亜鉛系ガラスフリットと、25℃の10質量％濃度硫酸水溶液に対する溶解度が、１ｍｇ／ｃｍ2・ｈｒ以下であり、且つ、軟化点が700℃以下のホウケイ酸系ガラスフリットを少なくとも含有する銅導体ペーストが提案されている。
特開2008−226771号公報
近年の電子部品の高集積化、電子装置の小型化や薄型化によって、電子部品の動作時による回路基板の体積当たりに加わる熱量が大きくなってきている。そのため、放熱特性に優れているとともに、電子部品の動作時や、この動作と非動作とを繰り返したときの冷熱サイクルによって、セラミック焼結体から金属配線層が剥離することが少なく、長期間にわたって使用可能な信頼性の高い回路基板が求められている。
本発明は、上記要求を満たすべく案出されたものであり、長期間にわたって使用可能な信頼性の高い回路基板およびこの回路基板に電子部品を搭載してなる電子装置を提供するものである。
本発明の回路基板は、セラミック焼結体の少なくとも一方主面にガラス層を介して金属配線層を備えてなり、前記セラミック焼結体の前記主面に対して垂直な断面を見たときに、前記主面に沿う方向の前記ガラス層の長さに対する前記ガラス層と前記金属配線層との界面長さの比率が1.25以上1.80以下であることを特徴とするものである。
また、本発明の電子装置は、上記構成の本発明の回路基板に電子部品を搭載してなることを特徴とするものである。
本発明の回路基板は、放熱特性に優れているとともに、電子部品の動作時や、この動作と非動作とを繰り返したときの冷熱サイクルによって、セラミック焼結体から金属配線層が剥離することが少なく、長期間にわたって使用可能な信頼性の高い回路基板とすることができる。
また、本発明の電子装置によれば、上記構成の信頼性の高い回路基板に電子部品を搭載してなることにより、長期間にわたって使用可能な信頼性の高い電子装置とすることができる。
本実施形態の回路基板を備える電子装置の一例を示す、（ａ）は断面図であり、（ｂ）は（ａ）におけるＳ部の拡大図である。 密着強度の測定方法を示す断面概略図である。
以下、本実施形態の一例について図面を参照しながら説明する。図１は、本実施形態の回路基板を備える電子装置の一例を示す、（ａ）は断面図であり、（ｂ）は（ａ）におけるＳ部の拡大図である。
図１（ａ）に示すように、本実施形態の回路基板10は、セラミック焼結体11の少なくとも一方の主面11ａにガラス層12を介して金属配線層13を備えてなるものであり、本実施形態の電子装置20は、回路基板10上に電子部品21を搭載してなるものである。そして、図１（ａ）において電子装置20は、回路基板10を構成するセラミック焼結体11の一方の主面11ａに備える金属配線層13上に電極パッド22を介して電子部品21を搭載している例を示している。また、図１（ａ）において、電子部品21は、ボンディングワイヤ23により、並設された金属配線層13に電気的に接続されている例を示している。
そして、図１（ａ）におけるＳ部の拡大図である図１（ｂ）に示すように、本実施形態の回路基板10は、セラミック焼結体11の厚み方向断面、すなわち、主面11ａに対して垂直な断面を見たときに、主面11ａに沿う方向のガラス層12の長さ12ａ（以下、長さ12ａと略す場合がある。）に対するガラス層12と金属配線層13との界面15の長さ（以下、界面15の長さと略す場合がある。）の比率が、1.25以上1.80以下である。このように、界面15の長さの比率が1.25以上であることにより、ガラス層12と金属配線層13との接触面積が増えることとなるため、高い密着強度を得ることができる。
なお、この比率の値が大きくなるほど、界面15の長さが長く接触面積が増えることとなるが、界面15の長さが長くなるということは、うねりが多いということであり、このうねりが多い状態では、クラックの起点が増えて密着強度が低下したり、金属配線層13を構成する金属粒子が小さくなり過ぎて放熱特性が低下したりすることとなる。そのため、この比率の上限を1.80以下としている。また、ガラス層12の長さ12ａは、全長でも部分的でも構わないが、界面の長さ15ａと測定の対象となる領域が合っていればよい。
本実施形態の回路基板10は、上述した構成を満たしていることにより、放熱特性に優れているとともに、電子部品の動作時や、この動作と非動作とを繰り返したときの冷熱サイクルによって、金属配線層13のセラミック焼結体11からの剥離を少なくできることから、長期間にわたって使用可能な信頼性の高いものとなる。
ここで、長さ12ａに対する界面15の長さの比率の算出方法について説明する。まず、セラミック焼結体11の主面11ａにガラス層12を介して金属配線層13を備えてなる回路基板10を、セラミック焼結体11の厚み方向に切断し、クロスセクションポリッシャー（ＣＰ）にて研磨した断面を測定面とする。
次に、ＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）を用いて3000倍の倍率で観察する。なお、このときの観察領域は、例えば、横43μｍ×縦28μｍである。なお、図１（ｂ）は、この観察領域を概念的に示すものであり、界面15が横方向となるように観察する。そして、この観察領域における画像を基に、画像解析ソフト（例えばＩｍａｇｅＪ）を用いて解析し、この画像におけるガラス層12と金属配線層13との界面15の長さを求める。次に、この画像における長さ12ａの長さ（この領域においては43μｍ）で除すことにより、この画像における比率を算出する。そして、この作業を、観察領域を変えて計５箇所で行ない、これらの平均値を界面15の長さの比率とする。
また、本実施形態の回路基板10は、ガラス層12中に、円相当径が0.4μｍ以上2.0μｍ以下の結晶粒子14が存在しており、ガラス層12において、長さ12ａに対する結晶粒子14の存在比率が、0.5個／μｍ以上0.9個／μｍ以下であることが好適である。
このような構成を満たしているときには、放熱特性を低下させることなく、結晶粒子14の存在およびその存在比率によって生じるガラス層12のうねり間に金属配線層13中の金属粒子が入り込むことによって、密着強度をより高くすることができる。
ここで、ガラス層12中に存在する結晶粒子14は、アルミン酸亜鉛（ＺｎＡｌ2Ｏ4）、アルミン酸マグネシウム（ＭｇＡｌ2Ｏ4）、アルミン酸マンガン（ＭｎＡｌ2Ｏ4）、アルミン酸鉄（ＦｅＡｌ2Ｏ4）など結晶構造がスピネル型構造の結晶粒子14であることが好適である。結晶粒子14が、スピネル型構造であるときには、結晶粒子14が尖りを有しているため、界面15にうねりを生じやすく、このうねり間への金属配線層13の金属粒子の入り込みによって、密着強度を高くすることができる。
なお、上述したスピネル型構造の結晶粒子14の中では、アルミン酸亜鉛が好適である。これは、アルミン酸亜鉛はスピネル型構造の結晶粒子14の中でも尖りが大きいからである。また、アルミン酸亜鉛は、電気抵抗値が高いため、間隔が狭い状態で金属配線層13が並設される場合において、短絡が生じるおそれが少なく、回路基板10の信頼性が低下するおそれが少ないからである。
なお、結晶粒子14の存在については、例えば、長さ12ａに対する界面15の長さの比率の算出時と同様にＳＥＭを用いて3000倍の倍率で観察すればよく、その存在比率については、画像解析ソフト（例えばＩｍａｇｅＪ）を用いて、円相当径が0.4μｍ以上2.0μｍ以下の結晶粒子14の個数を算出し、長さ12ａの長さで除して求めればよい。なお、この存在比率の算出は、観察領域を変えて計５箇所で行ない、その平均値を存在比率とする。また、結晶粒子14の同定については、ＳＥＭまたはＴＥＭ（透過型電子顕微鏡）に付設のＥＤＳ（エネルギー分散型Ｘ線分析装置）を用いる、またはＴＥＭによる電子回折法によって確認すればよい。
また、本実施形態の回路基板10は、金属配線層13にアルミナ粒子が存在し、かつアルミナ粒子の存在領域にガラス層12を構成する成分と同じ成分のうち少なくとも１つの成分が存在していることが好適である。これは、ガラス成分を含む金属ペーストを用いて焼結させて金属配線層13を形成するとき、金属粒子に押し出されたガラス成分が金属配線層13の表面に露出するとめっき被着性が低下することとなるが、金属ペーストにアルミナ粒子を添加することによってめっき被着性の低下を抑制することができ、観察した結果、アルミナ粒子の存在領域にガラス層12を構成する成分と同じ成分が存在していたとの知見に基づくものである。
ここで、ガラス層12の構成成分と同じ成分のうち少なくとも１つの成分が、アルミナ粒子の存在領域に存在しているか否かについては、以下の方法で確認することができる。まず、ガラス層12の断面をＳＥＭに付設のＥＤＳを用いてガラス層12の構成成分を確認する。次に、金属配線層13の断面をＳＥＭまたはＴＥＭを用いて10000倍の倍率で観察する。このときの観察領域は、例えば、横６μｍ×縦７μｍである。そして、この観察領域につき、付設のＥＤＳを用いて得られたマッピングにより、アルミナ粒子の存在位置（アルミニウムと酸素とのマッピングが重なっている位置）に、先に確認していたガラス層12の構成成分と同じ成分（例えば、珪素（Ｓｉ））が存在しているか否かを確認すればよい。
また、本実施形態の回路基板10は、ガラス層12にジルコニア粒子が存在することが好適である。このような構成を満たしているときには、金属配線層13をエッチングする場合やめっき処理する場合に、ジルコニア粒子の高い耐薬品性により、エッチング液やめっき液によるガラス層12の浸食を少なくすることができることから、高い密着強度を維持することができる。
なお、ガラス層12におけるジルコニア粒子の存在については、以下の方法で確認することができる。まず、ガラス層12の断面をＳＥＭまたはＴＥＭを用いて10000倍の倍率で観察する。そして、この観察領域につき、付設のＥＤＳを用いて確認すればよい。また、ＴＥＭによる電子回折法によっても確認することができる。
また、本実施形態の回路基板10は、セラミック焼結体11が酸化アルミニウム質焼結体からなり、この酸化アルミニウム質焼結体の表面にジルコニア粒子が存在することが好適である。このような構成を満たしているときには、電子部品としてＬＥＤを回路基板10に搭載した場合のセラミック焼結体11の反射率を向上させることができる。なお、ジルコニア粒子は酸化アルミニウム質焼結体の表面に存在すればよく、酸化アルミニウム質焼結体の内部にまで存在することを要件とするものではないが、酸化アルミニウム質焼結体の内部にまでジルコニア粒子が存在するときには、機械的強度を向上させることができる。
そして、酸化アルミニウム質焼結体の表面におけるジルコニア粒子の存在については、例えば、セラミック焼結体11の表面をＳＥＭに付設のＥＤＳで確認すればよい。なお、セラミック11の表面とは、回路基板10ではガラス層12との界面にも当たるため、この界面が確認できる断面において、ジルコニアの存在をＳＥＭに付設のＥＤＳで確認してもよい。
以下、本実施形態の回路基板10の製造方法の一例について説明する。
本実施形態の回路基板10を構成するセラミック焼結体11は、酸化アルミニウム質焼結体、酸化ジルコニウム質焼結体、酸化アルミニウムと酸化ジルコニウムの複合焼結体、窒化珪素質焼結体、窒化アルミニウム質焼結体、炭化珪素質焼結体またはムライト質焼結体を用いることができるが、加工性が比較的容易でありながら機械的強度に優れている観点から、セラミック焼結体11として、酸化アルミニウム質焼結体の製造方法について説明する。
まず、酸化アルミニウム（Ａｌ2Ｏ3）の粉末と、焼結助剤である酸化珪素（ＳｉＯ2）、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）、酸化カルシウム（ＣａＯ）等の粉末とを用いて公知の方法により酸化アルミニウム質焼結体であるセラミック焼結体11を作製する。なお、酸化アルミニウム質焼結体の表面にジルコニア粒子を存在させるには、酸化アルミニウム質焼結体を作製した後に、酸化ジルコニウムの粉末を研磨材としてブラスト加工したり、酸化アルミニウム質焼結体の作製時において、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ2）の粉末を加えたりすればよい。ここで、酸化ジルコニウムの粉末の添加量は、例えば、酸化アルミニウムの粉末100質量部に対し５〜15質量部である。
次に、例えば、Ｒ2Ｏ−Ｂ2Ｏ3−ＳｉＯ2系（Ｒ：アルカリ金属元素）、ＳｉＯ2−Ｂｉ2Ｏ3−Ｂ2Ｏ3系、Ｒ2Ｏ−ＳｉＯ2−Ｂ2Ｏ3−Ｂｉ2Ｏ3系などのガラス粉末を用いて、熱処理することによってセラミック焼結体11の主面11ａ上にガラス層12を形成する。
なお、ガラス層12にジルコニア粒子を存在させるには、ガラス粉末に酸化ジルコニウムの粉末を加えればよい。ここで、酸化ジルコニウムの粉末の添加量は、例えば、ガラス粉末100質量部に対し２〜12質量部である。酸化ジルコニムの粉末の大きさとしては、例えば、0.05〜1.0μｍである。
そして、ガラス層12と金属配線層13との界面15となるガラス層12の表面にブラスト等の加工を施すことにより、本実施形態の回路基板10において特徴的なガラス層12と金属配線層13との界面15の表面性状とすることができる。
次に、銅または銀を主成分とする金属粉末と、有機ビヒクルとを準備して金属ペーストを作製し、公知のスクリーン印刷法により、セラミック焼結体11の主面11ａ上に形成したガラス層12の表面に印刷し、乾燥の後、非酸化雰囲気で焼成する。これにより、本実施形態の回路基板10を得ることができる。なお、金属配線層13を形成に用いる金属粉末としては、熱伝導性が高く放熱特性を高めることができるため銅であることが好適である。また、銅を主成分とし、ジルコニウム、チタン、モリブデンまたはスズのうち少なくとも１種を副成分として含有するものであってもよい。なお、ここで主成分とは、金属配線層13を構成する全成分100質量％のうち、50質量％を超える成分のことをいう。
また、金属粉末としては、例えば、平均粒径が1.0μｍ以上3.5μｍ以下である第１の金属粉末と、平均粒径が第１の金属粉末より小さい第２の金属粉末とを準備し、混合した金属粉末を用いれば良い。特に、第１の金属粉末を65質量％以上95質量％以下、第２の金属粉末５質量％以上35質量％以下で混合した金属粉末を用いることが好適である。
ここで、第２の金属粉末の平均粒径は、第１の金属粉末の平均粒径の30％以上50％以下であることが好適である。このような金属粉末を用いることにより、質量比率が高く、平均粒径の大きい第１の金属粉末の粒子同士の隙間に、平均粒径が第１の金属粉末の平均粒径よりも小さい第２の金属粉末が入ることによって、金属ペーストの焼結性を向上させることができる。
また、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。
次に、本実施形態の回路基板10の製造方法の他の例について説明する。
まず、上述したのと同様の作製方法により酸化アルミニウム質焼結体を準備する。次に、金属ペーストの作製のため、銅または銀を主成分とする金属粉末と、ガラス粉末と、ガラス層12中に存在させる結晶粒子14となる無機粉末と、有機ビヒクルとを準備する。なお、金属ペーストとなる、金属粉末、ガラス粉末、有機ビヒクルの配合比としては、例えば、金属ペースト100質量％のうち、金属粉末を77.0質量％以上87.0質量％以下、ガラス粉末を0.5質量％以上５質量％以下、有機ビヒクルを10質量％以上20質量％以下の範囲とする。そして、無機粉末は、ガラス粉末100質量部に対し、15質量部以上40質量部以下で添加することが好適である。
このように、金属ペーストにガラス粉末を含有させるとき、用いるガラス粉末の軟化点は、500℃以上700℃以下であることが好適であり、特に、600℃以上700℃以下であることが好適である。また、平均粒径の異なる上述した金属粉末を用いるとき、ガラス粉末の平均粒径は、第１の金属粉末の平均粒径に対して８％以上60％以下であることが好適である。軟化点が600℃以上700℃以下であるとき、また、ガラス粉末の平均粒径が、第１の金属粉末の平均粒径に対して８％以上60％以下であるときには、金属ペースト中に含まれるガラス粉末が、焼成の際に軟化しやすく、セラミック焼結体11側へ動きやすくなり、セラミック焼結体11の主面11ａ上にガラス層12が形成されやすくなる。
また、金属配線層13にアルミナ粒子を存在させるには、金属ペーストの作製時に、酸化アルミニウムの粉末を加えればよい。ここで、酸化アルミニウムの粉末の添加量は、例えば、金属粉末100質量部に対し0.05〜0.5質量部である。酸化アルミニウムの粉末の大きさとしては、例えば、0.05〜１μｍである。
また、無機粉末としては、酸化アルミニウムの粉末と酸化亜鉛の粉末とを混合し、あらかじめ仮焼処理を行なってアルミン酸亜鉛を生成させ、これを粉砕したものを用いることが好適である。これは、アルミン酸亜鉛がスピネル型構造であることに加えて、仮焼粉砕によってさらに尖りを有する形状とすることができるからである。なお、上述した粉末を用いた具体的な仮焼条件としては、仮焼温度を800℃以上950℃以下、仮焼時間を0.5時間以上３時間以下とすればよい。そして、得られた仮焼粉末を粉砕した後の平均粒径は、0.4μｍ以上2.0μｍ以下とすることが好適である。
また、アルミン酸マグネシウムを得るにあたっては、酸化アルミニウム粉末と酸化マグネシウム粉末、アルミン酸マンガンを得るにあたっては、酸化アルミニウム粉末と二酸化マンガン粉末、アルミン酸鉄を得るにあたっては、酸化アルミニウム粉末と酸化鉄粉末とを用いればよい。
そして、得られた金属ペーストを用いて、公知のスクリーン印刷法により、セラミック焼結体11の主面11ａ上に印刷し、乾燥および脱脂の後、非酸化雰囲気で焼成する。なお、ガラス粉末および無機粉末を含んでいない金属ペーストを用いて、さらに、印刷、乾燥および焼成を繰り返したり、印刷、乾燥までの工程を複数回行なった後に一括して焼成したりして、金属配線層13を所望の厚みとしてもよい。なお、セラミック焼結体11の主面11ａに印刷した金属ペーストは、酸化を防ぎつつ、短時間で乾燥すべきであることから、乾燥温度を80℃以上150℃以下とすることが好ましい。
また、金属ペーストを構成する金属粉末が銅であるときには、最高温度が900℃以上1050℃以下、焼成時間が0.5時間以上３時間以下で焼成すればよい。さらに、金属ペーストを構成する金属粉末が銀であるときには、最高温度が850℃以上1000℃以下、焼成時間が0.5時間以上３時間以下で焼成すればよい。
また、金属配線層13の形成方法として、セラミック焼結体11の主面11ａ上に金属層を形成した後、必要領域にレジスト膜を形成し、塩化第二鉄、塩化第二銅またはアルカリからなるエッチング液等を用いてエッチングし、その後、水酸化ナトリウム水溶液等を用いてレジスト膜を除去して金属配線層13を形成してもよい。
また、金属配線層13の表面の全面もしくは部分的にめっき処理を行なってもよい。このようにめっき処理を行なうことによって、電極パッド22やボンディングワイヤ23などの密着処理がしやすくなり、金属配線層13が酸化腐蝕するのを抑制することができる。めっきの種類としては公知のめっきであればよく、例えば、金めっき、銀めっきまたはニッケル−金めっきなどが挙げられる。
また、金属配線層13の厚みは８μｍ以上30μｍ以下であることが好ましい。金属配線層13の厚みが８μｍ以上30μｍ以下であるときには、回路基板10として使用するための必要な導電性を得られるとともに、エッチングによる複数の金属配線層13の形成において、各金属配線層13の間隔を狭くすることができ、狭ピッチ化および細線化を図ることができので、放熱特性をさらに向上することができる。
また、セラミック焼結体11に貫通孔を設けて、貫通孔内に金属ペーストを充填し、この貫通孔を覆うように金属ペーストを塗布して焼成したり、さらに、セラミック焼結体11の他方主面にも金属ペーストを塗布して焼成したりすることによって、放熱特性を向上させることもできる。
また、本実施形態の回路基板10を構成するセラミック焼結体11は、板状だけでなく、シートを積層することによって内部に流路を形成したものであってもよい。このように、セラミック焼結体11の内部に流路を形成したときには、気体や液体からなる冷媒を流すことによって放熱特性に著しく優れた回路基板10とすることができる。
そして、上述した製造方法により得られた本実施形態の回路基板10は、放熱特性に優れているとともに、電子部品21の動作時や、この動作と非動作とを繰り返したときの冷熱サイクルによる金属配線層13のセラミック焼結体11からの剥離が少なく、長期間にわたって使用可能な信頼性の高いものとなる。また、本実施形態の回路基板10の作製において、分割溝が形成されたセラミック焼結体11を用いて、上述した方法によりガラス層12および金属配線層13を形成し、その後分割すれば、多数個の回路基板10を効率よく作製可能である。なお、本実施形態の回路基板10の製造方法は上述した製造方法に限るものではない。
次に、本実施形態の電子装置20については、例えば、本実施形態の回路基板10を構成する金属配線層13上に、電極パッド22を設け、この電極パッド22上に電子部品21を搭載することにより、本実施形態の電子装置20とすることができる。この本実施形態の電子装置20は、本実施形態の回路基板10に電子部品21を搭載してなることにより、長期間にわたって使用可能な信頼性の高い電子装置20となる。
なお、回路基板10上に実装される電子部品21としては、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、発光ダイオード（ＬＥＤ）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）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。
以下、本発明の実施例を具体的に説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。
ガラス層12の長さ12ａに対するガラス層12と金属配線層13との界面15の長さの比率を異ならせた試料を作製し、密着強度および熱的信頼性について確認した。
まず、酸化珪素および酸化マグネシウムを焼結助剤とし、酸化アルミニウムの含有量が96質量％の酸化アルミニウム質焼結体を作製した。
次に、軟化点が630℃であるＲ2Ｏ−Ｂ2Ｏ3−ＳｉＯ2系のガラス粉末を用いて、熱処理することによってセラミック焼結体11の主面11ａにガラス層12を形成した。そして、ガラス層12と金属配線層13との界面15となるガラス層12の表面にブラスト等の加工を施した。なお、このときブラスト条件を異ならせてガラス層12の表面性状を異ならせた。
次に、金属配線層13となる金属ペーストを作製した。まず、平均粒径が2.8μｍである第１の金属粉末を70質量％、平均粒径が1.1μｍである第２の金属粉末を30質量％で混合した銅からなる金属粉末を準備した。そして、金属粉末を82.5質量％と、有機ビヒクルを17.5質量％（有機バインダであるアクリル樹脂を3.5質量％と、有機溶剤であるテルピネオールを14質量％）とを調合し金属ペーストを作製した。
そして、得られた金属ペーストを用いてセラミック焼結体11の主面11ａ上に形成したガラス層12の表面にスクリーン印刷を行ない、乾燥、脱脂および焼成を行なうことによって金属配線層13を形成した。なお、金属配線層13の厚みは20μｍとなるように形成した。また、乾燥は大気雰囲気において100℃で乾燥させ、焼成は、酸素濃度を５ｐｐｍに調整した窒素雰囲気の中で、焼成温度を950℃、焼成時間を0.8時間で焼成することにより、試料Ｎｏ．１〜９の回路基板を得た。
次に、各試料において、セラミック焼結体11を厚み方向（主面に垂直）に切断し、クロスセクションポリッシャー（ＣＰ）にて研磨した断面を測定面とし、ＳＥＭを用いて3000倍の倍率で観察した。なお、このときの観察領域は、横43μｍ×縦28μｍであった。そして、この観察領域における画像を基に、画像解析ソフト（ＩｍａｇｅＪ）を用いて解析し、この画像におけるガラス層12と金属配線層13との界面15の長さを求めた。次に、この画像における長さ12ａの長さ（43μｍ）で除すことにより、この画像における比率を算出した。そして、この作業を各試料ともに、観察領域を変えて計５箇所で行ない、これらの平均値を各試料における界面15の長さとして表１に示した。
次に、密着強度の測定方法を説明する。図２は、密着強度の測定方法を示す断面図であり、この密着強度とは、半田30を介して金属配線層13に接合されためっき導線31を引っ張り、金属配線層13がガラス層12もしくはセラミック焼結体11から剥離するときの強度を測定したものである。
まず、密着強度を測定するための準備として、各試料ともに金属配線層13の大きさが２×２ｍｍ2となるようにエッチングを施した。次に、フラックス（タムラ化研株式会社製 ＸＡ−100）と、Ｓｎ−Ｐｂ（６：４）系で全体に対してＡｇを２質量％含む半田30を用い、この金属配線層13の表面に、厚みが0.6ｍｍのめっき導線（銅線にＳｎめっき）31を接合（半田付け）した。
次に、試験装置として、ＡＮＺＡ ＴＥＣＨ社製のダイ・シェアリング・テスタ（型番：520Ｄ）を用いて、めっき導線31を7.62ｍｍ／分の速度で引っ張り、金属配線層13がガラス層12もしくはセラミック焼結体11から剥離したときの強度を測定した。なお、測定数は各試料につき10個測定し、10個の測定値の平均を密着強度として表１に示した。
また、熱的信頼性の評価として、ヒートサイクル試験を行なった。このヒートサイクル試験は、各試料を13個用意し、冷熱衝撃試験装置を用いて、各試料の環境温度を室温（25℃）から−45℃に降温して15分保持してから、昇温して125℃で15分保持した後、室温まで降温するというサイクルを１サイクルとし、1300サイクル〜1900サイクルの間で50サイクル毎に各試料につき１つずつ取出して観察を行ない、剥離が確認されたときのサイクル回数を表１に示した。剥離の確認は、ＳＥＭを用いて1000倍の倍率で観察して行なった。
Figure 2013191288
表１に示すように、ガラス層12の長さ12ａに対するガラス層12と金属配線層13との界面15の長さの比率が、1.25未満または1.80を超える試料Ｎｏ．１，９は、密着強度が低く、サイクル回数も1400以下であり、熱的信頼性が低かった。これに対し、ガラス層12の長さ12ａに対するガラス層12と金属配線層13との界面15の長さの比率が、1.25以上1.80以下である試料Ｎｏ．２〜８は、密着強度が20Ｎ／２×２ｍｍ2以上と高く、サイクル回数が1500以上であり、熱的信頼性が高かった。特に、ガラス層12の長さ12ａに対するガラス層12と金属配線層13との界面15の長さの比率が、1.45以上1.70以下である試料Ｎｏ．４〜７は、密着強度が33Ｎ／２×２ｍｍ2以上であり、サイクル回数が1700以上であり、より密着強度が高く、より熱的信頼性が高かった。
この結果より、セラミック焼結体11の少なくとも一方の主面11ａにガラス層12を介して金属配線層13を備えてなり、セラミック焼結体11の主面11に対して垂直な断面を見たときに、主面11ａに沿う方向のガラス層12の長さ12ａに対するガラス層12と金属配線層13との界面15の長さの比率が、1.25以上1.80以下であることにより、放熱特性に優れているとともに、電子部品21の動作時や、この動作と非動作とを繰り返したときの冷熱サイクルによる金属配線層13のセラミック焼結体11からの剥離が少なく、長期間にわたって使用可能な信頼性の高い回路基板10とできることがわかった。
次に、ガラス層12における結晶粒子14の存在比率を異ならせた試料を作製し、密着強度および熱的信頼性について確認した。
セラミック焼結体11については、実施例１と同じものを準備した。次に、金属ペーストとして、次のものを準備した。まず、平均粒径が2.8μｍである第１の金属粉末を70質量％、平均粒径が1.1μｍである第２の金属粉末を30質量％で混合した銅からなる金属粉末を準備した。また、無機粉末として、酸化アルミニウムの粉末と酸化亜鉛の粉末とをモル比１：１で混合し、仮焼温度を900℃、仮焼時間を１時間で仮焼処理を行なった後、平均粒径が1.0μｍに粉砕したアルミン酸亜鉛の粉末を準備した。さらに、酸化マグネシウムの粉末、酸化マンガン、酸化鉄の粉末を用いて、アルミン酸マグネシウム、アルミン酸マンガン、アルミン酸鉄の粉末も同様の方法により準備した。
また、平均粒径が1.3μｍであり、軟化点が630℃であるＲ2Ｏ−Ｂ2Ｏ3−ＳｉＯ2系のガラス粉末を準備した。そして、金属粉末を82質量％と、ガラス粉末を３質量％と、有機ビヒクルを15質量％（有機バインダであるアクリル樹脂を３質量％と、有機溶剤であるテルピネオールを12質量％）と、表２に示す質量となるガラス粉末100質量部に対する無機粉末とを調合して金属ペーストを作製した。
次に、得られた金属ペーストを用いてセラミック焼結体11の主面11ａにスクリーン印刷を行ない、乾燥および焼成を行なうことによってセラミック焼結体11の主面11ａ上にガラス層12および金属配線層13を形成した。なお、金属配線層13の厚みは20μｍとなるように形成した。また、乾燥は大気雰囲気において100℃で乾燥させ、焼成は、酸素濃度を５ｐｐｍに調整した窒素雰囲気の中で、焼成温度を930℃、焼成時間を0.8時間で焼成することにより、試料Ｎｏ．10〜20の回路基板を得た。
次に、実施例１と同様の方法で準備した各試料における断面を測定面とし、ＳＥＭを用いて3000倍の倍率で観察した。ここでの観察領域も、横43μｍ×縦28μｍである、そして、この観察領域における画像を基に、画像解析ソフト（ＩｍａｇｅＪ）を用いて、円相当径が0.4μｍ以上2.0μｍ以下の結晶粒子14の個数を算出し、長さ12ａの長さ（この領域においては43μｍ）で除すことにより、結晶粒子14の存在比率を求めた。なお、この存在比率の算出は、観察領域を変えて計５箇所で行ない、その平均値を各試料における結晶粒子14の存在比率として表２に示した。また、ＳＥＭに付設のＥＤＳを用いた確認により、各試料における結晶粒子14の同定を行なった。なお、この同定は、例えば、Ａｌ，Ｏ，Ｚｎが検出されれば、アルミン酸亜鉛であるとみなすものである。
また、実施例１と同様の方法により、密着強度およびサイクル回数を測定し、結果を表２に示した。
Figure 2013191288
表２に示すように、ガラス層12中における円相当径が0.4μｍ以上2.0μｍ以下の結晶粒子14の存在比率が、0.50個／μｍ以上0.90個／μｍ以下である試料Ｎｏ．11〜16および18〜20は、密着強度が35Ｎ／２×２ｍｍ2以上と高く、サイクル回数が1700以上であり、熱的信頼性の高いものであった。特に、ガラス層12中における結晶粒子14の存在比率が、0.70以上0.83以下である試料Ｎｏ．13〜15は、密着強度が50Ｎ／２×２ｍｍ2以上であり、サイクル回数が1800以上の結果が得られており、より密着強度が高く、より熱的信頼性が高かった。
また、無機粉末の添加量が一定であり、結晶粒子14の成分が異なる試料Ｎｏ．13，18，19，20の結果によれば、結晶粒子14がアルミン酸亜鉛であることが好適とわかった。
次に、金属ペーストの作製時に酸化アルミニウムの粉末の添加の有無等を異ならせた試料を作製し、めっき被着性について確認した。
金属ペーストの作製時において、酸化アルミニウムの添加の有無を異ならせたことと、酸化アルミニウム質焼結体の寸法を80ｍｍ×80ｍｍで厚みを0.7ｍｍとしたこと以外は、実施例２の試料Ｎｏ．13と同様とした。
次に、試料Ｎｏ．22，23については、金属ペーストの作製時において、表３に示す平均粒径の酸化アルミニウムの粉末を金属粉末100質量部に対して0.3質量部添加した。
そして、得られた金属ペーストを用いて、焼成後に２×２ｍｍ2の金属配線層13が225個（15×15）形成されるようにセラミック焼結体11の主面11ａにスクリーン印刷を行ない、乾燥および焼成を行なうことによって厚み20μｍの金属配線層13を形成した。その後の乾燥および焼成条件は実施例２と同様とした。
次に、Ｎｉめっき液を用いて金属配線層13上にめっき処理を行なった。具体的には、カルボン酸塩、リン酸塩および硫酸ニッケルを主成分とする公知の配合比であるＮｉめっきの新液を用いて、試験温度を84℃として、Ｎｉめっき厚みが４μｍ程度となるまで処理を行ない、試料Ｎｏ．21〜23の回路基板を得た。
まず、ガラス層12の断面をＳＥＭに付設のＥＤＳを用いてガラス層12の構成成分を確認した。そして、金属配線層13の断面をＳＥＭを用いて10000倍で観察し、付設のＥＤＳを用いて得られたマッピングにより、アルミナ粒子の存在位置（アルミニウムと酸素とのマッピングが重なっている位置）に、先に確認したガラス層12の構成成分と同じ成分として、ここでは珪素が存在しているか否かを確認し、表３に、アルミナ粒子の存在領域におけるガラス成分の有無を記載した。
また、金属顕微鏡を用いて、各試料に形成されている225個の金属配線層13上のめっき層を観察し、めっき未着箇所のある金属配線層13の個数をカウントした。結果を表３に示す。
Figure 2013191288
表３に示すように、金属配線層13にアルミナ粒子が存在し、ガラス層12の構成成分と同じ成分のうち少なくとも１つの成分が、アルミナ粒子の存在領域に存在していることにより、めっき被着性の低下を抑制できることがわかった。また、添加する酸化アルミニウムの粉末の平均粒径としては、ガラス粉末の平均粒径よりも小さいものを用いることが好適であることがわかった。
次に、ガラス層12におけるジルコニア粒子の存在を異ならせた試料を作製し、酸処理前後の密着強度について確認した。ガラス層12にジルコニア粒子が存在している試料Ｎｏ．25については、ガラス粉末100質量部に対し、酸化ジルコニウムの粉末を５質量部添加し、他の製造方法は実施例２の試料Ｎｏ．13と同様とした。酸化ジルコニウムの粉末を添加していない試料Ｎｏ．24は、試料Ｎｏ．13と同じである。なお、各試料ともに２個作製した。
そして、実施例１と同様の方法により、密着強度を測定した。また、残りの各試料について、10ｖｏｌ％硫酸水溶液に10分浸漬させる酸処理を施した、その後、実施例１と同様の方法により、密着強度を測定した。結果を表４に示す。なお、試料Ｎｏ．25については、ＳＥＭによりガラス層12にジルコニア粒子が存在していることを確認した。
Figure 2013191288
表４に示すように、ガラス層12にジルコニア粒子が存在することにより、高い密着強度を維持できることがわかった。
酸化アルミニウム質焼結体の表面におけるジルコニア粒子の存在を異ならせた試料を作製し、反射率について確認した。ジルコニア粒子の存在を異ならせる方法としては、酸化アルミニウム質焼結体の作製時に、酸化アルミニウムの粉末100質量部に対し、８質量部の酸化ジルコニウムの粉末を添加した。なお、試料Ｎｏ．26は、試料Ｎｏ．13と同じである。
そして、分光光度計を用い、基準に硫酸バリウム粉体とし、光源に50Ｗハロゲンランプと重水素ランプとを使用し、波長範囲を500ｎｍとし、測定範囲を７×９ｍｍ、スリット幅を20ｎｍとして、マスクを使用せずに反射率を測定した。結果を表５に示す。
Figure 2013191288
表５に示すように、酸化アルミニウム質焼結体の表面にジルコニア粒子が存在していることにより、反射率を向上できることがわかった。
10：回路基板
11：セラミック焼結体
11ａ：主面
12：ガラス層
12ａ：長さ
13：金属配線層
14：結晶粒子
15：界面
20：電子装置
21：電子部品
22：電極パッド
23：ボンディングワイヤ
本発明の回路基板は、セラミック焼結体の少なくとも一方主面にガラス層を介して金属配線層を備えてなり、前記セラミック焼結体の前記主面に対して垂直な断面を見たときに
、前記主面に沿う方向の前記ガラス層の長さに対する前記ガラス層と前記金属配線層との界面長さの比率が1.25以上1.80以下であることを特徴とするものである。
また、本発明の回路基板は、セラミック焼結体の少なくとも一方の主面にガラス層を介して金属配線層を備えてなり、前記セラミック焼結体の前記主面に対して垂直な断面を見たときに、前記ガラス層中に、円相当径が0.4μｍ以上2.0μｍ以下の結晶粒子が存在しており、前記ガラス層の長さに対する前記結晶粒子の存在比率が0.50個／μｍ以上0.90個／μｍ以下であることを特徴とするものである。

Claims (6)

  1. セラミック焼結体の少なくとも一方の主面にガラス層を介して金属配線層を備えてなり、前記セラミック焼結体の前記主面に対して垂直な断面を見たときに、前記主面に沿う方向の前記ガラス層の長さに対する前記ガラス層と前記金属配線層との界面長さの比率が１．２５以上１．８０以下であることを特徴とする回路基板。
  2. 前記ガラス層中に、円相当径が０．４μｍ以上２．０μｍ以下の結晶粒子が存在しており、前記ガラス層の長さに対する前記結晶粒子の存在比率が０．５０個／μｍ以上０．９０個／μｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載の回路基板。
  3. 前記金属配線層にアルミナ粒子が存在し、かつ該アルミナ粒子の存在領域に前記ガラス層の構成成分と同じ成分のうち少なくとも１つの成分が存在していることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の回路基板。
  4. 前記ガラス層に、ジルコニア粒子が存在することを特徴とする請求項１乃至請求項３に記載の回路基板。
  5. 前記セラミック焼結体が酸化アルミニウム質焼結体からなり、該酸化アルミニウム質焼結体の表面にジルコニア粒子が存在していることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の回路基板。
  6. 請求項１乃至請求項５のいずれかに記載の回路基板に電子部品を搭載してなることを特徴とする電子装置。
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