JP6912209B2 - セラミック配線基板および電子装置 - Google Patents

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Description

本発明は、半導体素子または発光素子等の電子部品を搭載するためのセラミック配線基板および、電子装置に関するものである。
従来、電子部品を搭載し電子機器に組み込まれる配線基板は、例えば酸化アルミニウム質焼結体（アルミナセラミックス）等のセラミックス製の絶縁基体が用いられている。このような配線基板には、絶縁基体の材料が上記したアルミナセラミックスのように焼結温度の高いセラミックス材料であるときには、導体層の材料は絶縁基体と同時に焼成することを目的として高融点金属材料を含む金属材料を用いることがある。例えば、絶縁基体の材料が酸化アルミニウム質焼結体である場合には、導体層の材料として銅タングステン（ＣuＷ）を用いる場合がある。引用文献１には、絶縁基体が窒化アルミニウムセラミックである場合に、導体層の材料として銅タングステン（ＣuＷ）を用いることが記載されている。
特開平２−１９７１８９号公報
しかしながら、半導体素子または発光素子等の電子部品を搭載するための配線基板導体層の材料としてＣｕＷを用いた配線基板は、焼成時に、導体層中のＣuが絶縁基体に拡散して導体層中のＣuが少なくなることがあった。導体層中のＣｕが少なくなると、導体層中のＷの比率が高くなり、導体層の電気抵抗が高くなるという問題があった。
本発明の目的は、Ｃｕを含んでいる内部配線から絶縁基板へのＣｕの拡散を抑制して、内部配線の電気抵抗を低く抑えることができるセラミック配線基板および、それを用いた電子装置を提供することである。
本開示のセラミック配線基板は、
アルミナ質焼結体からなる絶縁層が積層されてなる絶縁基板と、
前記絶縁基板内に埋設された、Ｃｕを含む内部配線と、
前記絶縁基板内に埋設された、Ｃｕを含む１または複数の金属層であって、少なくとも１つは前記内部配線よりも前記絶縁基板の積層方向表面側に位置する金属層と、を備え、
平面視において、前記金属層の少なくとも一部が前記内部配線と重なっており、
前記金属層は、前記積層方向と直交する方向に、前記内部配線に隣接して設けられた金属層を含み、
前記金属層は、前記内部配線と同一の層内において、前記内部配線に隣接して、前記内部配線の４方に設けられる。
また、本開示の電子装置は、前記セラミック配線基板と、前記セラミック配線基板に搭載される電子部品とを備えている。
本開示のセラミック配線基板によれば、Ｃｕを含んでいる内部配線から絶縁基板へのＣｕの拡散を抑制して、内部配線の電気抵抗を低く抑えることができる。
また、本開示の電子装置によれば、上記の前記配線基板を備えることで、配線基板の電気抵抗が高くなることを抑制することができる。
第１実施形態に係るセラミック配線基板の内部構成を示す縦方向の断面図である。 セラミック配線基板の平面図である。 第２実施形態に係るセラミック配線基板の内部構成を示す縦方向の断面図である。 セラミック配線基板１の平面図である。 第３実施形態に係るセラミック配線基板の内部構成を示す縦方向の断面図である。 セラミック配線基板１の平面図である。 第４実施形態に係るセラミック配線基板の内部構成を示す縦方向の断面図である。 金属層のレイアウトを示す平面図である。 金属層のレイアウトを示す平面図である。 金属層のレイアウトを示す平面図である。 第５実施形態に係るセラミック配線基板の内部構成を示す縦方向の断面図である。 セラミック配線基板の内部構成を示す縦方向の断面図である。 セラミック配線基板１の平面図である。 本発明のセラミック配線基板を用いた電子装置の概略構成図である。
図１は、第１実施形態に係るセラミック配線基板１の内部構成を示す縦方向の断面図である。図２は、セラミック配線基板１の平面図である。セラミック配線基板（以下、配線基板という）１は、絶縁基板２と内部配線３と金属層４とを備えている。内部配線３は、アルミナ質焼結体からなる複数の絶縁層２ａ，２ｂ，２ｃ等が積層された絶縁基板２の内部の層間に埋設される。金属層４は、内部配線３と同様にＣｕを含んでおり、少なくとも１つが、内部配線３よりも積層方向表面５側の絶縁基板２内に埋設される。表面５は積層方向の両面のうち、どちらの面でもよい。なお、高周波特性に優れるという理由から、絶縁基板２の内部の層間に、グランド層（アース）を設けることもできる。
絶縁基板２は、上述のように、アルミナを主結晶とするアルミナ質焼結体で形成された複数の絶縁層２ａ、２ｂ、２ｃ等からなるもので、それぞれの絶縁層２ａ、２ｂ、２ｃ等は、アルミナの割合が８５〜９５質量％であり、粒状または柱状の結晶として存在している。アルミナの割合が８５〜９５質量％であると、後述する組成をそれぞれ有する内部配線３および金属層４との同時焼成において、絶縁基体２の緻密化が図れる。
絶縁基板２は、酸化アルミニウム，酸化珪素，酸化マグネシウム，酸化カルシウム等の原料粉末に適当な有機バインダーおよび溶剤等を添加混合して泥漿状となし、これを従来周知のドクターブレード法またはカレンダーロール法等によりシート状に成形してセラミックグリーンシートを得て、しかる後、セラミックグリーンシートに適当な打ち抜き加工を施すとともにこれを複数枚積層し、高温（約１３００℃〜１４００℃）で焼成することによって製作される。
内部配線３は、主成分としてＣｕＷを含んだ金属粉末メタライズからなる。金属粉末は、混合、合金のいずれの形態であってもよい。例えば、Ｗの金属粉末とＣｕの金属粉末に、有機バインダーおよび有機溶剤、また必要に応じて分散剤等を加えて製作される。内部配線は、たとえば電源配線である。
金属層４は、内部配線３と同様に、Ｗの金属粉末とＣｕの金属粉末に、有機バインダーおよび有機溶剤を加えて製作される。
金属層４は、たとえば図１に示すように、内部配線３よりも絶縁基板２の積層方向表面５側に埋設されており、図２に示すように、積層方向の平面視において、金属層４の少なくとも一部が内部配線３と重なっている。なお、金属層４内には導体を含まない部分があってもよく、金属層４と内部配線３とが重なっていない部分の大きさは１００μｍ以下が好ましい。金属層４をメッシュ状に構成した場合に、金属層４が内部配線と重なっていない網目の大きさは１００μｍ以下が好ましい。
例えば、焼成時に表面５側から絶縁基板２の内部に伝わった熱によって、内部配線３よりも表面５側に位置する金属層４が先に加熱され、その後に内部配線３が加熱される。金属層４が先に加熱されて、金属層４内のＣｕが絶縁基板２へ拡散された状態で、内部配線３内のＣｕの絶縁基板２への拡散が開始されるので、内部配線３内のＣｕが拡散可能な絶縁基板２の領域が制限される。内部配線３内のＣｕが積層方向へ拡散されにくくなり、内部配線３内のＣｕの拡散が抑制される。これによって内部配線３内のＣｕが減少して内部配線３の電気抵抗が大きくなることを抑制することができる。
図３は第２実施形態に係る配線基板１の内部構成を示す縦方向の断面図である。図４は、配線基板１の平面図である。第１実施形態の説明と重複する部分については説明を省略して同一の参照符を用いる。
第１実施形態の配線基板１では、内部配線３よりも表面５側に金属層４が埋設されているが、本実施形態の配線基板１では、内部配線３よりも、さらに他方側の表面６側に金属層７が埋設されており、金属層のうちの２つの金属層４と７とが、内部配線３を積層方向に挟み込むように、内部配線３の両側に設けられている。
例えば、焼成時に絶縁基板２の内部に伝わった熱は、表面６側からも絶縁基板２の内部に伝わり、金属層７が先に加熱され、その後に内部配線３が加熱される。金属層４，７が内部配線３よりも先に加熱されて、金属層４，７内のＣｕが絶縁基板２へ拡散された状態で、内部配線３内のＣｕの絶縁基板２への拡散が開始されるので、内部配線３内のＣｕが拡散可能な絶縁基板２の領域がさらに制限される。内部配線３内のＣｕが積層方向へさらに拡散されにくくなり、内部配線３内のＣｕの拡散が抑制される。これによって内部配線３内のＣｕが減少して内部配線３の電気抵抗が大きくなることをさらに抑制することができる。
なお、内部配線３から表面５側の金属層４までの距離ｗ１と、内部配線３から表面６側の金属層７までの距離ｗ２とは同じであることが好ましい。内部配線３から金属層４までの距離と、内部配線３から金属層７までの距離とが異なる場合には、金属層４のＣｕの拡散量と、金属層７のＣｕの拡散量との差が大きくなり、絶縁基板２の歪や反りが生じやすくなる。
図５は第３実施形態に係る配線基板１の内部構成を示す縦方向の断面図である。図６は、配線基板１の平面図である。第１実施形態または第２実施形態の説明と重複する部分については説明を省略して同一の参照符を用いる。
本実施形態では、貫通導体８ａ，８ｂを備えている。貫通導体８ａ，８ｂは、金属層４，７と同様に、主成分としてＣｕＷを含んだ金属粉末メタライズからなる。金属粉末は、混合、合金のいずれの形態であってもよい。例えば、Ｗの金属粉末とＣｕの金属粉末に、有機バインダーおよび有機溶剤、また必要に応じて分散剤等を加えて製作される。
貫通導体は、たとえば貫通導体８ａ，８ｂの２箇所に設けられており、一端部が表面５に臨み、絶縁層の積層方向に絶縁層を貫通した状態で金属層４，７に接続されている。貫通導体８ａ，８ｂは、表面５側の金属層４を貫通し、表面６側の金属層７に接続された状態で、表面５側の金属層４と表面６側の金属層７とに接続されている。
例えば、焼成時に表面５側から伝わる熱は、表面５側から伝熱に優れた貫通導体８ａ，８ｂを介して、金属層４，７に伝えられる。焼成時の熱を、絶縁基板２を介して金属層４，７に伝える場合に比べて、温度低下が抑制された状態で，迅速に効率よく伝熱することができる。これによって金属層４，７から効果的にＣｕを拡散させることができる。
表面５側に設けられる金属層４と、表面６側に設けられる金属層７とで、内部配線３を挟み込んでいる場合には、表面５側の金属層４と、表面６側の金属層７との両方に貫通導体８ａ，８ｂを介して、温度低下が抑制された状態で伝熱することができるので、表面５側の金属層４のＣｕの拡散量と表面６側の金属層７のＣｕの拡散量との差を小さくするができ、Ｃｕの拡散量の差による磁器の歪や反りを抑制することができる。
図７は第４実施形態に係る配線基板１の内部構成を示す縦方向の断面図である。図８〜図１０は金属層のレイアウトを示す平面図である。第１実施形態〜第３実施形態の説明と重複する部分については説明を省略して同一の参照符を用いる。本実施形態では、内部配線３には、絶縁層の積層方向と直交する方向に隣接して、さらに金属層１１，１２，１３，１４が設けられている。
例えば、焼成時に表面５側から伝わった熱によって、内部配線３と金属層１１，１２，１３，１４とは略同時に加熱される。金属層１１，１２，１３，１４内のＣｕが、積層方向と直交する方向に拡散されることによって、内部配線３内のＣｕが、積層方向と直交する方向に拡散されにくくなり、内部配線３内のＣｕがさらに積層方向と直交する方向に拡散されることを抑制することができる。
図８は、内部配線３の４方に金属層１１，１２，１３，１４を設けた平面図であり、図９は、内部配線の３方に金属層１１，１２，１３を設けた平面図である。図１０は、内部配線３の２方に金属層１１，１２を設けた平面図である。図８に示すように、内部配線３の４方に金属層１１，１２，１３，１４を設けると、内部配線３内のＣｕが積層方向と直交する全方向に拡散されることを抑制することができる。内部配線３内のＣｕの積層方向の拡散量がわずかであれば、図９に示すように内部配線３の３方に金属層１１，１２，１３を設けることができ、あるいは図１０に示すように、内部配線３の２方に金属層１１，１２を設けることもできる。
なお、内部配線３が、積層方向と直交する方向に複数設けられている場合には、隣接する内部配線３の間１５にも金属層を設けることができる。
なお、各金属層１１，１２，１３，１４のＣｕの拡散量を均一にして、磁器の歪や反りを抑制するために、積層方向と直交する方向の内部配線３と金属層との間の距離ｗ３と、積層方向の内部配線と金属層との間の距離ｗ４とは同一とすることが好ましい。
図１１および図１２は、第５実施形態に係る配線基板１の内部構成を示す縦方向の断面図である。図１３は、図１１および図１２の平面図である。第１実施形態〜第４実施形態の説明と重複する部分については説明を省略して同一の参照符を用いる。本実施形態では、内部配線３よりも表面５側あるいは内部配線３よりも表面６側に、複数の金属層４，７，１６，１８が積層方向に並んで設けられている。
内部配線３よりも表面６側に位置する金属層７，１６は、内部配線３が加熱された後に加熱されるので、内部配線３内のＣｕが一部の絶縁基板２へ拡散された状態で、金属層７，１６の絶縁基板２への拡散が開始されるが、図１１に示すように、内部配線３よりも表面６側に、複数の金属層７，１６を積層方向に並べて設けることで、内部配線３よりも表面６側からのＣｕの拡散量を増加させることができる。
内部配線３よりも表面５側に、複数の金属層４，１８を積層方向に並べて埋設することで、複数の金属層４，１８内のＣｕが拡散された状態で、内部配線３内の絶縁基板２への拡散が開始されるので、内部配線３内のＣｕが拡散することをいっそう抑制することができる。
このように、内部配線３側に向かって積層方向に並んだ複数の金属層によるＣｕの拡散量を増加させ、内部配線３内のＣｕの積層方向への拡散を抑制して、内部配線３の電気抵抗が大きくなることを効果的に抑制することができる。
図１４は本発明の配線基板１を用いた電子装置２０の概略構成図である。電子装置２０は、電子部品２１と、電子部品２１が搭載される配線基板１と、配線基板１が配設される有機配線基板２２とを含んでいる。電子装置２０は、配線基板１を備えることで、電気抵抗が高くない配線基板１を備えた電子装置２０とすることができる。
１ 配線基板
２ 絶縁基板
２ａ，２ｂ，２ｃ 絶縁層
３ 内部配線
４，７，１１，１２，１３，１４，１６，１８ 金属層
５，６ 表面
８ａ，８ｂ 貫通導体
１５ 間
２０ 電子装置
２１ 電子部品
２２ 有機配線基板

Claims (5)

  1. アルミナ質焼結体からなる絶縁層が積層されてなる絶縁基板と、
    前記絶縁基板内に埋設された、Ｃｕを含む内部配線と、
    前記絶縁基板内に埋設された、Ｃｕを含む１または複数の金属層であって、少なくとも１つは前記内部配線よりも前記絶縁基板の積層方向表面側に位置する金属層と、を備え、
    平面視において、前記金属層の少なくとも一部が前記内部配線と重なっており、
    前記金属層は、前記積層方向と直交する方向に、前記内部配線に隣接して設けられた金属層を含み、
    前記金属層は、前記内部配線と同一の層内において、前記内部配線に隣接して、前記内部配線の４方に設けられることを特徴とするセラミック配線基板。
  2. 前記金属層の内の２つは、前記内部配線を積層方向に挟み込むように、前記内部配線の両側に設けられている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。
  3. 前記絶縁基板内に埋設された、前記絶縁層を前記積層方向に貫通する貫通導体であって、前記金属層に接続された貫通導体を備えてい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。
  4. 前記金属層は、前記積層方向に複数個が並んで設けられていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のセラミック配線基板。
  5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載されるセラミック配線基板と、前記セラミック配線基板に搭載される電子部品とを備えていることを特徴とする電子装置。
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