(57)【要約】【課題】  長期信頼性に優れた配線基板を提供する。【解決手段】  本発明の配線基板は、隣接した複数の凹部11ａを含む主面を有するセラミック基板11と、主面のうち複数の凹部11ａが設けられた領域に接合されている金属板12とを有している。セラミック基板11が、複数の凹部11ａに規則的に設けられた複数の凸部11ｂを有している。縦断面視において、複数の凸部11ｂが、複数の凹部11ａの深さよりも小さい高さであって、複数の凹部11ａの幅よりも小さい幅を有している。【選択図】図２
2014127503.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
隣接した複数の凹部を含む主面を有するセラミック基板と、
前記主面のうち前記複数の凹部が設けられた領域に接合されている金属板とを備えており、
前記セラミック基板が、前記複数の凹部に規則的に設けられた複数の凸部を有しており、縦断面視において、前記複数の凸部が、前記複数の凹部の深さよりも小さい高さであって、前記複数の凹部の幅よりも小さい幅を有していることを特徴とする配線基板。
【請求項２】
縦断面視において、前記複数の凸部のそれぞれが、前記複数の凹部のそれぞれの底部よりも前記複数の凹部同士の境界の近くに設けられていることを特徴とする請求項１に記載の配線基板。
【請求項３】
請求項１に記載の配線基板と、
前記配線基板に搭載された電子部品とを備えていることを特徴とする電子装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電子部品が搭載される配線基板およびそれを用いた電子装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
パワーモジュールまたはスイッチングモジュール等の例えばＩＧＢＴ（Insulated  Gate  Bipolar  Transistor）などの電子部品が搭載された電子装置に用いられる配線基板として、セラミック基板に例えば銅またはアルミニウム等からなる金属板が接合された配線基板が用いられる。電子部品は、金属板に搭載され、例えばボンディングワイヤによって配線導体に電気的に接続される。セラミック基板は、金属板に対する接合強度を向上するために、金属板の接合された領域に連続した複数の凹部を有しているものが知られている（例えば、特許文献１を参照。）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開2011−222551号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、従来、金属板とセラミック基板とが接合された配線基板は、金属板の熱膨張とセラミック基板の熱膨張との差によって生じる熱応力によって、金属板にクラックが発生したり、金属板がセラミック基板から剥がれてしまう場合があった。
【０００５】
特に、複数の凹部同士の境界において、セラミック基板の熱膨張と金属板の熱膨張との差によって生じる熱応力によって、複数の凹部同士の境界の先端から金属板に亀裂が生じることがあった。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の一つの態様による配線基板は、隣接した複数の凹部を含む主面を有するセラミック基板と、主面のうち複数の凹部が設けられた領域に接合されている金属板とを有している。セラミック基板が、複数の凹部のそれぞれの内面に規則的に設けられた複数の凸部を有している。縦断面視において、複数の凸部のそれぞれが、複数の凹部の深さよりも小さい高さであって、複数の凹部の幅よりも小さい幅を有していることを特徴とする。
【０００７】
本発明の他の態様による電子装置は、上記構成の配線基板と、配線基板の金属板に搭載された電子部品とを含んでいる。
【発明の効果】
【０００８】
セラミック基板が、複数の凹部のそれぞれの内面に規則的に設けられた複数の凸部を有しており、縦断面視において、複数の凸部が、複数の凹部の深さよりも小さい高さであって、複数の凹部の幅よりも小さい幅を有していることから、金属板の熱膨張とセラミック基板の熱膨張との差によって生じる熱応力が、複数の凸部に加わることによって、分散されるので、複数の凹部同士の境界の先端から金属板に生じる亀裂を低減できる。また、複数の凸部が複数の凹部内において規則的に設けられていることから、熱応力が複数の凹部のそれぞれにおいて規則的に分散されるので、複数の凹部同士の複数の境界のいずれかに熱応力が集中することが低減されて、複数の凹部同士の複数の境界の一部に熱応力が集中して金属板に亀裂が生じることを低減できる。
【０００９】
本発明の他の態様による電子装置は、上記構成の配線基板と、配線基板の金属板に搭載された電子部品とを含んでいるので、長期信頼性に優れたものとなる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の第１の実施形態の電子装置を示す断面図である。
【図２】図１のＡ部の拡大断面図である。
【図３】（ａ）および（ｂ）は、本発明の第１の実施形態における配線基板の製造方法の一工程を示す断面図である。
【図４】本発明の第２の実施形態の電子装置を示す拡大断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
本発明のいくつかの例示的な実施形態について、添付の図面を参照しつつ説明する。
【００１２】
（第１の実施形態）
本発明の第１の実施形態における電子装置は、図１および図２に示されているように配線基板１と、配線基板１に搭載された電子部品２とを含んでいる。
【００１３】
配線基板１は、セラミック基板11と、セラミック基板11上に設けられた金属板12とを含んでいる。
【００１４】
セラミック基板11は、略四角形状であり、金属板12を支持する支持部材として機能する。セラミック基板11は、図２に示された例のように、隣接した複数の凹部11ａを含む主面を有している。また、セラミック基板11は、複数の凹部11ａに規則的に設けられた複数の凸部11ｂを有している。複数の凸部11ｂは、複数の凹部11ａの深さＷ11ａ1よりも小さい
高さＷ11ｂ1であって、複数の凹部11ａの幅Ｗ11ａ2よりも小さい幅Ｗ11ｂ2を有している
。
【００１５】
規則的に設けられた複数の凸部11ｂとは、例えば図２に示された例のように複数の凸部11ｂ同士の間隔が等しい構造を含んでいる。なお、例えば複数の凸部11ｂが複数の凸部群を構成しており、複数の凸部群同士が等間隔に設けられた構造であってもよい。凸部群は、例えば凸部11ｂを２つまたは３つ含んでいるものである。また、複数の凸部11ｂ同士の間隔が規則的に変化していてもよく、例えば、複数の凹部11ａの底面における複数の凸部11ｂ同士の間隔は、複数の凹部11ａの側面における複数の凸部11ｂ同士の間隔よりも大きくてもよい。また、例えば複数の凸部11ｂ同士の間隔は、複数の凹部11ａにおいて上方に向かって、漸次小さくなっていてもよい。
【００１６】
複数の凸部11ｂは、凹部11ａの開口部よりも下方に位置するように設けられている。また、凸部11ｂの先端が鈍角であると、凸部11ｂの先端に熱応力が集中することを低減できるので好ましい。
【００１７】
また、隣接した複数の凹部11ａ同士の間は、断面視において鈍角もしくは平坦な形状であると、熱応力が集中することを低減できるので好ましい。
【００１８】
セラミック基板11は、電気絶縁材料からなり、例えば、酸化アルミニウム質セラミックス，ムライト質セラミックス，炭化ケイ素質セラミックス，窒化アルミニウム質セラミックス，または窒化ケイ素質セラミックス等のセラミックスからなる。これらセラミック材料の中では放熱性に影響する熱伝導性の点に関して、炭化ケイ素質セラミックス，窒化アルミニウム質セラミックス，または窒化ケイ素質セラミックスが好ましく、強度の点に関して、窒化ケイ素質セラミックスまたは炭化ケイ素質セラミックスが好ましい。セラミッ
ク基板11が窒化ケイ素質セラミックスのように比較的強度の高いセラミック材料からなる場合、より厚みの大きい金属板12を用いたとしてもセラミック基板11にクラックが入る可能性が低減されるので、小型化を図りつつより大きな電流を流すことができる配線基板１を実現することができる。
【００１９】
セラミック基板11の厚みは、薄い方が熱伝導性の点ではよく、例えば約０．１ｍｍ〜１ｍｍであり、配線基板１の大きさまたは用いる材料の熱伝導率または強度に応じて選択すればよい。
【００２０】
金属板12は、セラミック基板11の少なくとも１つの主面（上面または下面）に設けられる。本実施形態において金属板12は上面および下面に取着されている。金属板12は、金属板12上に搭載される電子部品２が発生する熱を放散するための放熱板または、電子部品２と電気的に接続される金属回路板として機能する。
【００２１】
金属板12は、放熱性の観点から、熱伝導率の高い金属材料が用いられ、例えば銅またはアルミニウム等の高熱伝導率の金属材料が好適に用いられる（銅の熱伝導率：３９５Ｗ／ｍ・Ｋ）。金属板12は、例えば銅のインゴット（塊）にエッチング等の化学的加工または、圧延加工法または打ち抜き加工法等の機械的加工のような金属加工法を施すことによって、例えば厚さが0.05〜１ｍｍの平板状で所定パターンとなるように加工される。なお、金属板12は、熱膨張を抑えるために、例えば銅より熱膨張係数の小さいモリブデン等の金属材料を用いて、銅およびモリブデンを複数層重ねた構成としてもよい。また、セラミック基板11の下面の金属板12は、図１に示された例のように、セラミック基板11の下面のほぼ全面に設けられ、配線基板１に搭載された電子部品２の放熱性を高めるようにするのが好ましい。
【００２２】
配線基板１の作製方法について、図３を参照して以下に具体例を説明する。
【００２３】
はじめに、図３（ａ）に示された例のような、規則的な凸部11ｂを含む上面を有するセラミック基板11を作製する。規則的な凸部11ｂとは、例えば図３（ａ）に示された例のように、複数の凸部11ｂ同士の間隔が等しい構造を含んでいる。なお、規則的な凸部11ｂとは、例えば複数の凸部11ｂが複数の凸部群を構成しており、複数の凸部群同士が等間隔に設けられた構造であってもよい。
【００２４】
セラミック基板11が、例えば窒化ケイ素質セラミックスからなる場合であれば、窒化ケイ素，酸化アルミニウム，酸化マグネシウム，および酸化イットリウム等の原料粉末に適当な有機バインダー，可塑剤，および溶剤を添加混合して泥漿物を作製する。この泥漿物を用いて、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を採用することによってセラミックグリーンシート（セラミック生シート）を形成する。次にこのセラミックグリーンシートに適当な打ち抜き加工を施して所定形状となすとともに、必要に応じて複数枚を積層して成形体とする。その後、成形体を窒化雰囲気等の非酸化性雰囲気にて1600〜2000℃の温度で焼成することによってセラミックス焼結体が製作される。作製したセラミックス焼結体の上面に凸部11ｂを形成することによってセラミック基板11が作製できる。セラミックス焼結体の凸部11ｂは、例えばエアロゾルデポジション法によって形成される。
【００２５】
エアロゾルデポジション法は、微小粉体を気体中に分散したエアロゾルを基体表面に吹き付けることで微小粉体から成る膜を形成する成膜方法である。エアロゾルデポジション法を用いた場合には、セラミック基体11の凸部11ｂは、セラミックス焼結体の主面にセラミックス微粒子の分散されたエアロゾルを吹き付けることによって形成される。
【００２６】
エアロゾルは、例えば容器内にセラミックス微粒子を投入し、配管付きの蓋をする。セラミック微粒子の材料はセラミックス焼結体に用いた材料と同じ材料を用いればよい。容器を振動させながら、容器内に分散媒となる気体を吹き込む。分散媒気体としては、窒素、ヘリウム、アルゴン、空気などが用いられる。さらに、この容器を一定周期で振動させ、エアロゾルを発生させる。この周期的振動によって、容器から外部へと吹き出すエアロゾルの濃度は規則的に変化する。周期的に濃度が変化するエアロゾルを、ノズルを介してセラミックス焼結体の表面に吹き付ける。このとき、セラミックス焼結体を往復移動させながら凸部11ｂを形成する。吹き付けられるエアロゾル濃度は周期的に変化するので、セラミックス焼結体に規則的な複数の凸部11ｂが設けられる。厚みが厚くなる部分が常に一致するように、セラミックス焼結体を一定周期で往復移動させることによって、厚みおよび幅が５〜10μｍの規則的な凸部11ｂが形成されたセラミック基板11が得られる。
【００２７】
次に、規則的な凸部11ｂを含む上面を有するセラミック基板11の主面上に金属板12を形成する。金属板12は、例えばコールドスプレー法によって形成される。
【００２８】
コールドスプレー法は、容器内において粉体を気体中に分散して混合物を作製し、容器内を加熱して加圧した後、加熱され加圧された混合物を容器から基体表面に向かって噴射することで粉体からなる膜を形成する成膜方法である。
【００２９】
コールドスプレー法は、例えば容器内に金属粒子６を投入し、配管付きの蓋をする。金属粒子６の材料は例えば、銅、アルミニウム等を用いればよい。容器内に分散媒となる気体を吹き込む。分散媒気体としては、窒素、ヘリウム、アルゴン、空気などが用いられる。その後、容器内を例えば200〜800℃に加熱し、１ＭＰａ〜３ＭＰａに加圧する。加熱され加圧された混合物は、図３に示された例のように、ノズル５からセラミック基板11の表面に噴射される。このとき、ノズル５またはセラミック基板11を移動させることによって、セラミック基体11の主面の所定の領域に噴射された混合物中の金属粒子６が被着されてゆくことによって金属板12が形成される。
【００３０】
このようにして金属板12をセラミック基板11の主面に形成すると、金属粒子６をセラミック基板11へ被着する際に、金属粒子６がセラミック基体11の主面へ衝突する。金属粒子６のセラミック基体11への衝突によって、図３（ｂ）に示された例のように、断面視においてセラミック基板11の主面に幅が10μｍ〜50μｍで、深さが５μｍ〜25μｍの凹部11ａが形成される。
【００３１】
次に、金属板12にエッチング等の化学的加工のような金属加工法を施し、金属板12を所定パターンに加工する。例えば、セラミック基板11の上に接合された金属板12の表面にエッチングレジストインクをスクリーン印刷法等の技術を用いて所定パターン形状に印刷塗布してレジスト膜を形成した後、例えばリン酸、酢酸、硝酸、過酸化水素水、硫酸、ふっ酸、塩化第２鉄、塩化第２銅溶液等を単体もしくは混合したエッチング液に浸漬したり、エッチング液を吹き付けたりして金属板12の所定パターン以外の部分を除去し、その後にレジスト膜を除去する。
【００３２】
なお、金属板12は、上記コールドスプレー法によってセラミック基板11の主面上に金属膜を形成した後、金属膜上に板状の金属部材を接合することによって作製してもよい。板状の金属部材の材料は例えば銅、アルミニウム、インバー等を用いることができる。
【００３３】
板状の金属部材は、複数の金属材料によって構成されていてもよい。このような板状の金属部材は、例えば銅とモリブデンとが積層されたものを用いることができる。このような板状の金属部材は、例えばモリブデン製の金属板と銅製の金属板とを圧延加工法によって一体化した後、一体化された金属板に打ち抜き加工法等の機械的加工またはエッチング
等の化学的加工のような金属加工法を施し所定寸法に加工して作製する。このようにして、例えば銅−モリブデン−銅の３層構成の板状の金属部材が作製できる。このような場合には、金属板12の熱膨張を低下させて、金属板12の熱膨張とセラミック基板11の熱膨張との差を低減できる。
【００３４】
なお、セラミック基板11に接合された金属板12に導電性が高くかつ耐蝕性およびろう材との濡れ性が良好な金属をめっき法により被着させておくと、金属板12と外部電気回路（図示せず）との電気的接続を良好なものとすることができる。この場合は、内部に燐を８〜１５質量％含有させてニッケル−燐のアモルファス合金としておくと、ニッケルからなるめっき層の表面酸化を抑制してろう材との濡れ性等を長く維持することができるので好ましい。ニッケルに対する燐の含有量が８質量％以上１５質量％以下であると、ニッケル−燐のアモルファス合金を形成しやすくなってめっき層に対する半田の接着強度を向上させることができる。このニッケルからなるめっき層は、その厚みが１．５μｍ以上であると、金属板12の露出した表面を被覆しやすく、金属板12の酸化腐蝕を抑制できる。また、１０μｍ以下であると、特にセラミック基板11の厚さが３００μｍ未満の薄いものになった場合には、めっき層の内部に内在する内在応力を低減させることができ、金属板12に生じる反り、およびそれによって生じるセラミック基板11の反りまたは割れ等を低減できる。
【００３５】
このようにして作製された配線基板１の上面にダイボンド材３を介して電子部品２が搭載され、電子部品２が複数のボンディングワイヤ４によって金属回路板として用いられる金属板12に電気的に接続されて電子装置となる。なお、ダイボンド材３は、例えば、金属接合材または導電性樹脂からなる。金属接合材は、例えば、半田、金−スズ（Ａｕ−Ｓｎ）合金、またはスズ−銀−銅（Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ）合金等である。電子部品２は、例えば、トランジスタ、ＣＰＵ（Central  Processing  Unit）用のＬＳＩ（Large  Scale  Integrated  circuit）、ＩＧＢＴ（Insulated  Gate  Bipolar  Transistor）、またはＭＯＳ−ＦＥＴ（Metal  Oxide  Semiconductor  -  Field  Effect  Transistor）等の半導
体素子である。
【００３６】
本実施形態の電子装置において、配線基板１は、隣接した複数の凹部11ａを含む主面を有するセラミック基板11と、主面のうち複数の凹部11ａが設けられた領域に接合されている金属板12とを有しており、セラミック基板11が、複数の凹部11ａのそれぞれの内面に規則的に設けられた複数の凸部11ｂを有しており、縦断面視において、複数の凸部11ｂのそれぞれが、複数の凹部11ａの深さよりも小さい高さであって、複数の凹部11ａの幅よりも小さい幅を有している。これらによって、金属板12の熱膨張とセラミック基板11の熱膨張との差によって生じる熱応力が、複数の凸部11ｂに加わることによって、分散されるので、複数の凹部11ａ同士の境界の先端から金属板12に生じる亀裂を低減できる。また、複数の凸部11ｂが複数の凹部11ａ内において規則的に設けられていることから、熱応力が複数の凹部11ａのそれぞれにおいて規則的に分散されるので、複数の凹部11ａ同士の複数の境界のいずれかに熱応力が集中することが低減されて、複数の凹部11ａ同士の複数の境界の一部に熱応力が集中して金属板12に亀裂が生じることを低減できる。
【００３７】
本実施形態の電子装置は、上記構成の配線基板１と、配線基板１の金属板12に搭載された電子部品２とを含んでいるので、長期信頼性に優れたものとできる。
【００３８】
（第２の実施形態）
次に、本発明の第２の実施形態による電子装置について図４を参照しつつ説明する。
【００３９】
本実施形態における電子装置において、上記した第１の実施形態の電子装置と異なる点は、縦断面視で複数の凸部11ｂのそれぞれが、複数の凹部11ａのそれぞれの底部よりも複
数の凹部11ａ同士の境界の近くに設けられている点である。このような場合には、複数の凹部11ａの境界に加わる熱応力が、複数の凹部11ａの境界の近傍においてより有効に分散されるので、複数の凹部11ａの境界の先端から金属板12に生じる亀裂を低減できる。
【００４０】
本実施形態において、複数の凸部11ｂ同士の間隔は、複数の凹部11ａにおいて上方に向かって漸次小さくなっていると、熱応力を複数の凹部11ａの境界の近くでより有効に分散できるので好ましい。
【符号の説明】
【００４１】
１・・・・配線基板
11・・・・セラミック基板
11ａ・・・凹部
11ｂ・・・凸部
12・・・・金属板
２・・・・電子部品
３・・・・ダイボンド材
４・・・・ボンディングワイヤ
５・・・・ノズル
６・・・・金属粒子
【図１】
2014127503.tif 000003
【図２】
2014127503.tif 000004
【図３】
2014127503.tif 000005
【図４】
2014127503.tif 000006