(57)【要約】【課題】ダイキャップコンデンサのクラックを抑制する電子部品の実装構造を提供する。【解決手段】電子部品の実装構造である。金属製のベースと、ベース上に共晶半田を介して搭載されるセラミック基板（第２アルミナ基板２２で例示）と、セラミック基板上でセラミック基板の一縁に搭載されたダイキャップコンデンサ４０と、を備える。セラミック基板が、ベースに対向する基板裏面２８に、共晶半田に接合する裏面金属２９を有している。基板裏面が、ダイキャップコンデンサの少なくとも外形をトレースする投影領域３１、及び投影領域からセラミック基板の一縁までの周縁領域３２に、裏面金属を設けない基板露出部３０を有する。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電子部品の実装構造であって、
金属製のベースと、
該ベース上に共晶半田を介して搭載されるセラミック基板と、
該セラミック基板上で該セラミック基板の一縁に搭載されたダイキャップコンデンサと、を備え、
前記セラミック基板が、前記ベースに対向する基板裏面に、前記共晶半田に接合する裏面金属を有し、
該基板裏面が、前記ダイキャップコンデンサの少なくとも外形をトレースする投影領域、及び該投影領域から前記セラミック基板の前記一縁までの周縁領域に、前記裏面金属を設けない基板露出部を有する、電子部品の実装構造。
【請求項２】
前記ベースは、銅層、モリブテン層、銅層からなる積層構造で形成され、前記セラミック基板は、アルミナで形成され、前記ダイキャップコンデンサは、チタン酸バリウムを主材として形成されている、請求項１に記載の電子部品の実装構造。
【請求項３】
前記セラミック基板は、厚さが０．４±０．０５（ｍｍ）で形成され、前記ダイキャップコンデンサは、前記セラミック基板の前記一縁から該セラミック基板の内側に０．５（ｍｍ）離間して搭載されている、請求項１または２に記載の電子部品の実装構造。
【請求項４】
前記裏面金属がチタン、パラジウム、金のいずれかであり、前記共晶半田が金錫である、請求項１から３のいずれか一項に記載の電子部品の実装構造。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電子部品の実装構造に関し、詳しくは、金属製のベース上に搭載されるセラミック基板と、セラミック基板上に搭載されたダイキャップコンデンサと、を備えた電子部品の実装構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
電子部品の実装構造では、金属とセラミックを組み合わせた基板が多く使用される。この基板には、金属とセラミックとの線膨張係数の違いに起因してセラミックに発生するクラックを抑えることが要求される。例えば、特許文献１には、基板の縁の内側に溝を設けて応力を分散させる構造が開示され、特許文献２には、導体パターンの縁に応力緩和用の窪みを設けた構造が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００２−３４４０９４号公報
【特許文献２】特開２００９−０９４１３５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、衛星搭載用の素子では、金属製のベースにセラミック基板を搭載するものがある。セラミック基板の表面にはダイキャップコンデンサなどの電子部品が搭載され、セラミック基板の裏面には、ベースに実装するための裏面金属が設けられている。裏面金属はベタ電極であり、共晶半田を用いてベースに接合される。そして、ベースとセラミック基板との線膨張係数の違いに起因して、セラミック基板に歪が誘起され、結果、セラミック基板に搭載されたダイキャップコンデンサに応力が加わるので、ダイキャップコンデンサにクラックが発生することがある。
【０００５】
本発明は、上述のような実情に鑑みてなされたもので、ダイキャップコンデンサのクラックを抑制する電子部品の実装構造を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の一態様に係る電子部品の実装構造は、電子部品の実装構造であって、金属製のベースと、該ベース上に共晶半田を介して搭載されるセラミック基板と、該セラミック基板上で該セラミック基板の一縁に搭載されたダイキャップコンデンサと、を備え、前記セラミック基板が、前記ベースに対向する基板裏面に、前記共晶半田に接合する裏面金属を有し、該基板裏面が、前記ダイキャップコンデンサの少なくとも外形をトレースする投影領域、及び該投影領域から前記セラミック基板の前記一縁までの周縁領域に、前記裏面金属を設けない基板露出部を有する。
【発明の効果】
【０００７】
上記によれば、ダイキャップコンデンサのクラック発生を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明の一実施形態に係る増幅器モジュールを説明するための図である。
【図２】応力解析用のモデルを説明するための図である。
【図３】応力解析結果を説明するための図である。
【図４】第１実施例のセラミック基板を説明するための図である。
【図５】第２実施例のセラミック基板を説明するための図である。
【図６】第３実施例のセラミック基板を説明するための図である。
【図７】第４実施例のセラミック基板を説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
［本発明の実施形態の詳細］
以下、添付図面を参照しながら、本発明に係る電子部品の実装構造の具体例について説明する。図１は、本発明の一実施形態に係る電子部品の実装構造の一例として、増幅器モジュールを示している。
増幅器モジュール１は衛星搭載用の２ＧＨｚ帯の製品である。図１（Ａ）の外観斜視図に示すように、第１ベース１０は、銅製であり、幅（図示のＸ方向の長さ）が２０（ｍｍ）、長さ（図示のＹ方向の長さ）が２５（ｍｍ）、厚さ（図示のＺ方向の長さ）が０．８（ｍｍ）の板状に形成される。第１ベース１０の周縁には、固定用の螺子（図示省略）を挿通するネジ固定部１１が４箇所設けられている。
【００１０】
第１ベース１０上には第２ベース１２が設置される。第２ベース１２は、銅層、モリブテン層、銅層の順に積層された構造であり、幅が１１（ｍｍ）、長さが２５（ｍｍ）、厚さが１．２（ｍｍ）の板状に形成される。なお、第２ベース１２が本発明の金属製のベースに相当する。第２ベース１２の端部には、Ｉｎ端子１５、Ｏｕｔ端子１６が設置される。
第２ベース１２上には、幅が１１（ｍｍ）、長さが２５（ｍｍ）、枠の厚みが１（ｍｍ）の枠体１３が載っており、枠体１３のトップには、厚さが０．４（ｍｍ）のリッド１４が蝋材を介して固定されている。なお、増幅器モジュール１全体（リッド１４を含む）の厚さは４．４（ｍｍ）である。
【００１１】
図１（Ｂ）は、リッド１４を取り外し、枠体１３の内側に搭載されている回路素子を模式的に示している。第２ベース１２上には、第１〜第４アルミナ基板２１〜２４が搭載されている。なお、第１〜第４アルミナ基板２１〜２４が本発明のセラミック基板に相当する。
第１アルミナ基板２１、第４アルミナ基板２４は、幅が８（ｍｍ）、長さが６（ｍｍ）、厚さが０．４±０．０５（ｍｍ）の板状に形成され、所定の配線パターンを有している。第１アルミナ基板２１はＩｎ端子１５の近くに配置され、第４アルミナ基板２４はＯｕｔ端子１６の近くに配置される。
【００１２】
第２アルミナ基板２２、第３アルミナ基板２３は、第１アルミナ基板２１と第４アルミナ基板２４との間に配置されている。第２アルミナ基板２２、第３アルミナ基板２３は、幅が８（ｍｍ）、長さが３．５（ｍｍ）、厚さが０．４±０．０５（ｍｍ）の板状に形成され、所定の配線パターンを有している。第２アルミナ基板２２は第１アルミナ基板２１の近くに配置され、第３アルミナ基板２３は第４アルミナ基板２４の近くに配置されている。
【００１３】
第２アルミナ基板２２と第３アルミナ基板２３とは近接配置されるのに対し、第２アルミナ基板２２と第１アルミナ基板２１との間、第３アルミナ基板２３と第４アルミナ基板２４との間は、第２ベース１２がそれぞれ露出しており、これら露出した第２ベース１２上に、半導体素子（Field Effect Transistor（ＦＥＴ）、図示省略）がそれぞれ搭載される。このため、図示の増幅器モジュール１は２段の増幅器を構成する。
【００１４】
第１〜第４アルミナ基板２１〜２４上には、入力／出力マッチング回路、段間整合回路等の伝送線が形成され、また、図１（Ｂ）に示すように、第１，２，４アルミナ基板２１，２２，２４上には、ダイキャップコンデンサ（die-capacitor：平行平板コンデンサともいう）４０も搭載されている。なお、ダイキャップコンデンサ４０が本発明の電子部品に相当する。ダイキャップコンデンサ４０は、幅が１（ｍｍ）、長さが１（ｍｍ）、厚さが０．１（ｍｍ）の板状に形成され、チタン酸バリウム等の高誘電体の母材の表裏面にそれぞれ金、銅、ニッケル等で構成された表面電極と裏面電極が設けられている。
【００１５】
第２アルミナ基板２２を一例に挙げて説明すると、図１（Ｂ）に示すように、ダイキャップコンデンサ４０は、その表面電極を第３アルミナ基板２３上の配線パターンに最短のボンディングワイヤ（図示省略）で接続するために、第２アルミナ基板２２の基板表面２７上であって、第２アルミナ基板２２の一縁（第３アルミナ基板２３に対向する縁）から第２アルミナ基板２２の内側（図示のＹ方向）に０．５（ｍｍ）程度離間して搭載されている。
【００１６】
ところで、上記増幅器モジュール１のような衛星搭載用の素子では、地上よりも劣悪な環境下で性能を発揮でき、かつ、衛星を打ち上げた後にはその交換が不可能なため、極めて高度な信頼性が要求される。具体的には、温度サイクル試験として−５５℃〜１２５℃、５００サイクルを満足しなければならないが、第２アルミナ基板２２に搭載されたダイキャップコンデンサ４０が、１００サイクルでクラックが発生することがあった。
【００１７】
このため、第２アルミナ基板２２上に９個（３×３）のダイキャップコンデンサを搭載したモデルを用いて応力解析を行った。図２は、応力解析用のモデルを説明するための図である。
図２（Ａ）に示すように、第２ベース１２上には第２アルミナ基板２２が搭載され、第２アルミナ基板２２の裏面は、ベタ接地電極のみで形成されている。また、第２アルミナ基板２２の表面上には、図２（Ｂ）に示すように、計９箇所（４０ａ〜４０ｉ）をダイキャップコンデンサの設置位置とし、これら９箇所それぞれダイキャップコンデンサを１個ずつ設置した９つの配置についての応力解析を行った。ダイキャップコンデンサ４０ｇ、４０ｈ、４０ｉが、第３アルミナ基板２３の近傍で、第２アルミナ基板２２の一縁で図示のＸ方向に沿って配置され、ダイキャップコンデンサ４０ａ、４０ｂ、４０ｃが、第２アルミナ基板２２の当該一縁に対して奥側の一縁で図示のＸ方向に沿って配置されている。なお、ダイキャップコンデンサ４０ｄ、４０ｅは、図示のＸ方向に沿って配置されているが、ダイキャップコンデンサ４０ａとダイキャップコンデンサ４０ｇとの間、ダイキャップコンデンサ４０ｂとダイキャップコンデンサ４０ｈとの間にそれぞれ配置されており、第２アルミナ基板２２の一縁には配置されていない。また、ダイキャップコンデンサ４０ｃ、４０ｆ、４０ｉは、第２アルミナ基板２２の一縁で図示のＹ方向に沿って配置されている。
【００１８】
そして、−５５℃〜１２５℃のヒートサイクル試験にて応力解析を行った。なお、第２ベース１２を構成する銅のヤング率、線膨張係数は１．１４×１０5（ＭＰａ）、６．７×１０-6（／Ｋ）、モリブテンのヤング率、線膨張係数は３．２０×１０5（ＭＰａ）、４．９×１０-6（／Ｋ）であり、また、第２アルミナ基板２２を構成するアルミナのそれらは、２．８０×１０5（ＭＰａ）、７．０×１０-6（／Ｋ）であり、ダイキャップコンデンサ４０ａ〜４０ｉを構成するチタン酸バリウムのそれらは、１×１０5（ＭＰａ）、１１×１０-6（／Ｋ）が知られている。
【００１９】
図３は、応力解析結果を説明するための図であり、ダイキャップコンデンサ４０ａ〜４０ｉに及ぼされる応力の分布を俯瞰した。なお、各ダイキャップコンデンサ４０ａ〜４０ｉへの応力を詳細に調べるために１１×１１のブロックに分割し、各ブロックを０（ＭＰａ）〜４５（ＭＰａ）の範囲の１６段階で表示した。
これにより、第２アルミナ基板２２の縁の近傍で、かつ、この縁に沿う方向で大きな応力が蓄積されることが理解される。
【００２０】
詳しくは、まず、図３（Ｄ）のダイキャップコンデンサ４０ｄに生ずる応力の最大値は３３．７０（ＭＰａ）、図３（Ｅ）のダイキャップコンデンサ４０ｅに生ずる応力の最大値は３２．９１（ＭＰａ）であり、第２アルミナ基板２２の中央位置では、大きな応力が残っていない。
これに対し、図３（Ａ）のダイキャップコンデンサ４０ａに生ずる応力の最大値は４１．３１（ＭＰａ）、図３（Ｂ）のダイキャップコンデンサ４０ｂに生ずる応力の最大値は４１．０６（ＭＰａ）、図３（Ｆ）のダイキャップコンデンサ４０ｆに生ずる応力の最大値は３９．０８（ＭＰａ）、図３（Ｇ）のダイキャップコンデンサ４０ｇに生ずる応力の最大値は４３．３６（ＭＰａ）、図３（Ｈ）のダイキャップコンデンサ４０ｈに生ずる応力の最大値は４３．１２（ＭＰａ）であり、第２アルミナ基板２２の中央位置に比べて、大きな応力が残っていた。
【００２１】
また、図３（Ａ）のダイキャップコンデンサ４０ａ、図３（Ｂ）のダイキャップコンデンサ４０ｂ、図３（Ｇ）のダイキャップコンデンサ４０ｇ、図３（Ｈ）のダイキャップコンデンサ４０ｈの各応力分布図に示すように、第２アルミナ基板２２の縁に沿う方向（図示のＸ方向）で大きな応力が残り、この縁に垂直な方向（図示のＹ方向）では大きな応力が残っていない。また、図３（Ｆ）のダイキャップコンデンサ４０ｆの応力分布図に示すように、第２アルミナ基板２２の縁に沿う方向（図示のＹ方向）で大きな応力が残り、この縁に垂直な方向（図示のＸ方向）では大きな応力が残っていない。なお、各応力分布図の最外周では、大きな応力は残っておらず、この最外周から内側の位置で、大きな応力が残っている。
【００２２】
さらに、図３（Ｃ）のダイキャップコンデンサ４０ｃに生ずる応力の最大値は、４２．８９（ＭＰａ）、図３（Ｉ）のダイキャップコンデンサ４０ｉに生ずる応力の最大値は、４４．４８（ＭＰａ）であり、また、図３（Ｃ）のダイキャップコンデンサ４０ｃ、図３（Ｉ）のダイキャップコンデンサ４０ｉでは、第２アルミナ基板２２の縁に沿う２方向（図示のＸ方向とＹ方向の双方）で大きな応力が残っており、第２アルミナ基板２２のコーナー部分で最も大きな応力が残っていることが分かる。
このように、第２アルミナ基板２２の縁に配置したダイキャップコンデンサ４０ａ，４０ｂ，４０ｃ，４０ｆ，４０ｇ，４０ｈ，４０ｉには高応力の箇所が発生している。
【００２３】
その理由は次のように説明できる。ダイキャップコンデンサ４０ａ〜４０ｉ（厳密にはその主材料であるチタン酸バリウム）の線膨張係数は、第２アルミナ基板２２の線膨張係数よりも大きいため、低温時にはダイキャップコンデンサ４０ａ〜４０ｉの収縮を第２アルミナ基板２２が妨げ、ダイキャップコンデンサ４０ａ〜４０ｉに引張応力が発生する。
一方、第２アルミナ基板２２と第２ベース１２の線膨張係数の関係から、第２ベース１２が第２アルミナ基板２２を圧縮し、この圧縮力は第２アルミナ基板２２を介し、ダイキャップコンデンサ４０ａ〜４０ｉにも伝わる。そのため、第２アルミナ基板２２の中央位置に配置されたダイキャップコンデンサ４０ｄ，４０ｅに発生する引張応力は小さくなる。
【００２４】
しかし、第２アルミナ基板２２の縁部分では、第２アルミナ基板２２は片側に自由に変形できる。この変形によって、第２ベース１２の圧縮力は逃がされ、ダイキャップコンデンサ４０ａ，４０Ｂ，４０ｃ，４０ｆ，４０ｇ，４０ｈ，４０ｉには圧縮力は伝わらない。そのため、第２アルミナ基板２２の縁部分に配置されたダイキャップコンデンサ４０ａ，４０Ｂ，４０ｃ，４０ｆ，４０ｇ，４０ｈ，４０ｉに発生する引張応力は大きくなってしまい、ダイキャップコンデンサにクラックを発生させると考えられる。これは、実際、増幅器モジュールにおいて、第２アルミナ基板２２の縁部分に搭載されたダイキャップコンデンサ４０の、ヒートサイクル試験後のチップ割れ故障を招く結果を裏付ける解析である。同様に、電子部品（Ｃ，Ｒ，Ｌ）をソルダリング等、応力吸収効果の小さい方法で搭載した場合にも、同じメカニズムにより破壊に至ることを示唆している。
【００２５】
このように、第２ベース１２と第２アルミナ基板２２との線膨張係数の違いに起因して、ダイキャップコンデンサ４０にクラックが発生することがあるため、第２アルミナ基板２２の縁部に蓄積する応力が緩和されるように、基板露出部を設けた。そして、所定の設定温度（２０℃〜５５℃：温度差３５℃）に対してダイキャップコンデンサに及ぼされる応力（平均応力）を見積もった。
【００２６】
上記と同様に、第２アルミナ基板２２を一例に挙げて説明する。まず、参照例として、第２アルミナ基板２２の裏面をベタ電極のみで形成し、基板露出部を全く設けない場合、ダイキャップコンデンサに生ずる平均応力は３６．８８（ＭＰａ）であった。
【００２７】
図４は、第１実施例のセラミック基板を説明するための図である。
図４（Ａ），（Ｂ）に示すように、第２アルミナ基板２２は、図１で説明した基板表面２７の反対側に基板裏面２８を有し、この基板裏面２８には、第２ベース１２に実装するための裏面金属２９が設けられている。裏面金属２９はチタン（Ｔｉ）、パラジウム（Ｐｄ）、金（Ａｕ）の三層金属で形成されたベタ電極であり、金錫（ＡｕＳｎ）の共晶半田を用いて第２ベース１２に接合される。これにより、第２ベース１２と第２アルミナ基板２２とを良好に接合できる。
【００２８】
そして、図４（Ａ）に示すように、基板裏面２８は、ダイキャップコンデンサ４０に対応する位置に、基板露出部３０を有している。具体的には、基板露出部３０は、ダイキャップコンデンサ４０の外形をトレースする投影領域３１と、この投影領域３１から第２アルミナ基板２２の一縁（投影領域３１に直近の縁）までの周縁領域３２とで裏面金属２９を除去している。正方形状の投影領域３１、長方形状の周縁領域３２により、一辺が第２アルミナ基板２２の縁に位置する四角形状に形成されている。この例の場合、ダイキャップコンデンサに生ずる平均応力は３３．０１（ＭＰａ）であり、上記の参照例よりも小さくなった。
【００２９】
続いて、図５は、第２実施例のセラミック基板を説明するための図である。この例の基板露出部３０は、投影領域３１の側方に張り出し領域３３をそれぞれ有している。張り出し領域３３は二等辺三角形状に形成され、投影領域３１の側辺及び周縁領域３２の側辺に対峙する底辺と、第２アルミナ基板２２の縁に沿う方向（図示のＸ方向）に頂点を有している。投影領域３１、周縁領域３２、張り出し領域３３により、六角形状、より具体的には、第２アルミナ基板２２の縁に沿った方向（図示のＸ方向）に引き伸ばされた六角形状に形成され、裏面金属２９が除去されている。この例の場合、ダイキャップコンデンサに生ずる平均応力は３１．１２（ＭＰａ）であり、上記の第１実施例よりもさらに小さくなった。
【００３０】
次いで、図６は、第３実施例のセラミック基板を説明するための図である。この例の基板露出部３０は、第２実施例で説明した投影領域３１、周縁領域３２、張り出し領域３３の他、投影領域３１の奥方に張り出し領域３４を有している。張り出し領域３４は二等辺三角形状に形成され、投影領域３１の奥辺（第２アルミナ基板２２側の縁に対して奥側の辺）に対峙する底辺と、第２アルミナ基板２２の中央に向かう頂点を有している。投影領域３１、周縁領域３２、張り出し領域３３、張り出し領域３４により、四角形状、より具体的には、一角（第２アルミナ基板２２の縁に面する角）を面取りしたような四角形状に形成され、裏面金属２９が除去されている。この四角形の各辺の長さは、ダイキャップコンデンサの辺の長さの√２倍に相当する。この例の場合、ダイキャップコンデンサに生ずる平均応力は３１．９５（ＭＰａ）であり、上記の第１実施例よりは小さくなった、が上記第２実施例の場合と同程度であった。
【００３１】
次に、図７は、第４実施例のセラミック基板を説明するための図である。この例の基板露出部３０は、第２実施例と同様に、投影領域３１の側方に張り出し領域３５をそれぞれ有している。張り出し領域３５は、長方形状に形成され、その長辺が投影領域３１の側辺に対峙し、張り出し領域３５の長辺の中点と投影領域３１の側辺の中点が一致している。この長方形の長辺の長さは、投影領域３１の辺の長さの１／２に相当し、この長方形の短辺の長さは、投影領域３１の辺の長さの１／４に相当する。投影領域３１、周縁領域３２、張り出し領域３３、張り出し領域３５により、耳付きの四角形状で形成され、裏面金属２９が除去されている。この例の場合、ダイキャップコンデンサに生ずる平均応力は３３．７８（ＭＰａ）であり、上記の第１実施例とほぼ同等であった。
【００３２】
第１〜４実施例のように、少なくとも投影領域３１、周縁領域３２で、ダイキャップコンデンサ４０の下方に裏面金属２９を設けないため、この範囲では第２ベース１２と第２アルミナ基板２２とが接合されない。よって、第２ベース１２と第２アルミナ基板２２との線膨張係数の違いに起因して第２アルミナ基板２２に蓄積される応力を緩和でき、ダイキャップコンデンサ４０のクラック発生を抑制することができる。
【００３３】
また、第２アルミナ基板２２の縁の近傍で、かつ、この縁に沿う方向（図示のＸ方向）で大きな応力が蓄積されるため、第２，３実施例のように、基板露出部３０を、第２アルミナ基板２２の縁に沿う方向（図示のＸ方向）で長くなる形状にすれば、第２アルミナ基板２２に蓄積される応力をより一層緩和できる。
【００３４】
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した意味ではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【符号の説明】
【００３５】
１…増幅器モジュール、１０…第１ベース、１１…ネジ固定部、１２…第２ベース、１３…枠体、１４…リッド、１５…Ｉｎ端子、１６…Ｏｕｔ端子、２１〜２４…第１〜第４アルミナ基板、２７…基板表面、２８…基板裏面、２９…裏面金属、３０…基板露出部、３１…投影領域、３２…周縁領域、３３〜３５…張り出し領域、４０、４０ａ〜４０ｉ…ダイキャップコンデンサ。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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