(57)【要約】【課題】  電気素子を強固に接合することができ、接合時の接着材の流出や熱膨張差などによる接続信頼性の低下を有効に回避することができる配線基板を提供する。【解決手段】  絶縁基板と、該絶縁基板の表面または内部に形成された配線層とからなる配線基板において、前記絶縁基板の少なくとも一方の表面に、前記配線層と電気的に接続されている部品搭載用パッドが形成されており、該部品搭載用パッドの表面には、複数の凸部が略同一高さで形成されていることを特徴とする。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
絶縁基板と、該絶縁基板の表面または内部に形成された配線層とからなる配線基板において、
前記絶縁基板の少なくとも一方の表面に、前記配線層と電気的に接続されている部品搭載用パッドが形成されており、該部品搭載用パッドの表面には、複数の凸部が略同一高さで形成されていることを特徴とする配線基板。
【請求項２】
前記絶縁基板の部品搭載用パッド形成面には、複数のビアが突出しており、該ビア導体の突出部に対応して前記部品搭載用パッドの前記凸部が形成されている請求項１に記載の配線基板。
【請求項３】
前記ビアが導電性材料で形成されており、該ビアを介して、前記部品搭載用パッドが前記配線層に電気的に接続されている請求項２記載の配線基板。
【請求項４】
前記部品搭載用パッドに形成された凸部の高さが２０μｍ以上である請求項１乃至３の何れかに記載の配線基板。
【請求項５】
請求項１乃至４の何れかの配線基板の部品搭載用パッドに、導電性接着材を介して電気素子が接続固定されていることを特徴とする電気素子モジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、表面に電気素子が搭載される配線基板及び該配線基板に電気素子が搭載された電気素子モジュールに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、配線基板は、絶縁基板と、該絶縁基板の表面や内部に回路パターン状に形成された配線層（導体層）とから構成され、また配線基板（絶縁基板）の表面には、部品搭載用パッドが形成されている。セラミック製の絶縁基板を用いる場合には、セラミックからなるグリーンシートにＷ、Ｍｏ、Ｃｕ，Ａｇなどを主成分とする導体ペーストを塗布し、必要により、このようなグリーシートの複数を積層した状態で、還元雰囲気中で熱処理してセラミックを焼結することにより、配線基板を形成することができる。即ち、上記の導体ペーストにより、配線層や部品搭載用パッドが形成され、この部品搭載用パッド上に各種の電気素子（例えば、半導体素子や電極など）が接合される。
【０００３】
また、パワーモジュール用基板やスイッチングモジュール用基板などとして配線基板を用いる場合、大電流を許容する電極が必要であり、且つ放熱性も要求されるため、配線基板の表面の部品搭載用パッドには、ＣｕやＡｌからなる金属板が電極としてろう材により接合される。なお、前記導体ペーストにより形成される配線層や部品搭載用パッド（メタライズ金属層）の露出表面には、酸化腐蝕を有効に防止するとともに、電気素子を導電性接着材（例えば半田やＩｎなどの低融点金属）を用いて強固に接続させるために、耐蝕性に優れ且つ導電性接着材に対し濡れ性が良いニッケル等の金属がメッキ法等の技術を用いることによって所定厚みに被着されている。
【０００４】
このような配線基板と電気素子との接合により用いる導電性接着材は、ペースト状ならスクリーン印刷法等により、所定の厚みに形成し、箔状の場合には、所定の形状に加工し、接合部位に配置する。この上に電気素子を当接させ、これを所定温度に加熱し、溶融させ、電気素子を配線基板の部品搭載用パッドに接合させる（特許文献１，２）。
【特許文献１】特開２００２−５７４２０号公報
【特許文献２】特開２０００−１２４５７０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上記のように配線基板に電気素子を接合させたモジュールにおいては、半田等の導電性接着材を用いて電気素子を接合させる際、電気素子が沈み込んで接着材が配線基板の表面に大きく溶け広がり、その厚みが薄くなってしまい（通常、２０μｍ未満）、ボイド等の欠陥があると、厚みが薄いため、この欠陥が配線基板表面から電気素子面に貫通してしまい、配線基板面と電気素子面との接合強度が低下してしまうという問題がある。さらに、配線基板と電気素子に熱が作用した場合、配線基板と電気素子との熱膨張係数の相違（例えば、銅：１７ｐｐｍ／℃、シリコン素子：４ｐｐｍ／℃、半田：２３ｐｐｍ／℃）に起因する大きな熱応力が発生し、前記熱応力によって接合部（半田等の導電性接着材部）にクラックが発生し、電気素子が配線基板より剥離し、場合によっては電気素子が破損するという欠点を有していた。
【０００６】
また、半田等の接着材を多く使用し、接着材の厚みを厚くすることにより、配線基板に対する電気素子の接合強度を強いものとすることが考えられる。しかしながら、接着材の厚みを厚くしておくと、接着材を溶融させて電気素子を配線基板に接合する際、熔けた接着材が配線基板上から絶縁基板表面上に流れ出てしまうため、隣接する配線基板間（或いは配線層間）を短絡させ、電気素子の接続信頼性が低下してしまうという問題を生じる。また、電気素子と配線基板との間に熱伝導率の低い半田等の接着材が厚く介在することとなり、電気素子の作動時に発生する熱を配線基板に効率良く伝達させることができず、電気素子が高温になり、電機素子の熱破壊や特性低下などの問題を招いてしまうこともある。
【０００７】
従って本発明の目的は、電気素子を強固に接合することができ、接合時の接着材の流出や熱膨張差などによる接続信頼性の低下を有効に回避することができる配線基板を提供することにある。
本発明の他の目的は、上記のような配線基板に電気素子が強固に接合された電気素子モジュールを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明によれば、絶縁基板と、該絶縁基板の表面または内部に形成された配線層とからなる配線基板において、
前記絶縁基板の少なくとも一方の表面に、前記配線層と電気的に接続されている部品搭載用パッドが形成されており、該部品搭載用パッドの表面には、複数の凸部が略同一高さで形成されていることを特徴とする配線基板が提供される。
本発明によれば、また、上記配線基板の部品搭載用パッドに、導電性接着材を介して電気素子が接続固定されていることを特徴とする電気素子モジュールが提供される。
【０００９】
本発明の配線基板においては、
（１）前記絶縁基板の部品搭載用パッド形成面には、複数のビアが突出しており、該ビア導体の突出部に対応して前記部品搭載用パッドの前記凸部が形成されていること、
（２）前記ビアが導電性材料で形成されており、該ビアを介して、前記部品搭載用パッドが前記配線層に電気的に接続されていること、
（３）前記部品搭載用パッドに形成された凸部の高さが２０μｍ以上であること、
が好ましい。
【発明の効果】
【００１０】
本発明の配線基板では、電気素子等の電子部品が搭載されるパッドに複数の凸部が略同一高さで形成されているため、この配線基板に半田等の導電性接着材を介して電気素子等の部品を搭載した際に、凸部がスペーサーとして機能し、この結果、電気素子等の部品の沈み込みが抑制され、導電性接着材の薄肉化が防止され、該接着材を適度な厚みに均一に保持することができ、電気素子等の部品を強固に接合することができる。
【００１１】
また、導電性接着材の厚みを必要以上に厚くせずに電気素子等の部品を強固に接合できるため、接着材の流出による配線基板間（或いは配線層間）の短絡も有効に回避でき、さらには、熱伝導性の低下も回避でき、電気素子の作動時に発生する熱を有効に放熱することができ、熱による電気素子の破壊や特性低下を有効に防止することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
本発明を、以下、添付図面に示す具体例に基づいて説明する。
図１は、本発明の配線基板を用いて形成された電気素子モジュールの構造を、配線基板の構造と共に示す側断面図である。
【００１３】
図１において、この電気素子モジュールは、全体として１で示す配線基板に、電気素子５０１を接合することにより形成される。
【００１４】
配線基板１は、絶縁基板１０１を備えており、この絶縁基板１０１の表面に表面配線層３０１が形成され、絶縁基板１０１の内部には、内部配線層３０２が形成されている。即ち、絶縁基板１０１は、２つの絶縁層１０１ａ，１０１ｂを積層することにより形成されており、内部配線層３０２は、絶縁層１０１ａ，１０１ｂの層間に形成されている。勿論、絶縁基板１０１は、１つの絶縁層により形成されていてもよいし（この場合、内部配線層３０２は形成されず、表面配線層３０１のみが形成される）、３層以上の絶縁層により形成され、各絶縁層間に内部配線層３０２が形成されていてもよいし、或いは絶縁基板１０１の裏面にも表面配線層が形成された構造であってもよい。
【００１５】
また、この配線基板１において、絶縁基板１０１の電気素子５０１が搭載される表面部分には、電気導電性の部品搭載用パッド（以下、単にパッドと呼ぶことがある）４０１が形成されており、内部配線層３０２と、表面配線層３０１或いはパッド４０１とはビア導体２０２により互いに電気的に接続されている。また、電気素子５０１は、導電性接着材６０１により、上記のパッド４０１に接合されている。
【００１６】
本発明において、絶縁基板１０１を構成している絶縁層１０１ａ，１０１ｂは、各種の絶縁性セラミックス、例えば、酸化アルミニウム質焼結体、窒化アルミニウム質焼結体、窒化珪素質焼結体、ムライト質焼結体、ガラスセラミック焼結体から選ばれる１種からなることが望ましい。これらの絶縁性セラミックスは、強度と熱伝導性に優れており、機械的特性や放熱性、或いは電気特性に優れた配線基板１や電気素子モジュールを形成することができるからである。また、特に放熱性を向上させるという点では、窒化アルミニウム質焼結体、窒化珪素質焼結体が好適であり、配線層の電気特性を向上させるという点では、ガラスセラミック焼結体が好適である。
【００１７】
また、表面配線層３０１、内部配線層３０２並びに部品搭載用パッド４０１は、タングステン、モリブデン、マンガン等の高融点金属材料、或いは該高融点材料とＣｕ、Ａｇ、Ｐｔ等の低融点材料を含有する混合金属材料より形成される。
【００１８】
表面配線層３０１やパッド４０１と内部配線層３０２とを電気的に接続しているビア導体２０２は、各種金属材料、例えばＣｕ、Ａｇ、Ｐｔ、Ａｕ、W、Mo、Ｒｅから選ばれる少なくとも１種から形成される。特に、電気抵抗を小さくするという点では、Ｃｕ、Ａｇ、Ｐｔ、Ａｕなどの低抵抗金属を用いることが好ましく、許容電流値を大きくし、高出力系の基板として適用するときには、このような低抵抗金属をビア導体２０２として用いるのがよい。さらに、Ｗ、Ｍｏ或いはＲｅを用いた場合には、絶縁基板１０１との熱膨張率差を低減し、電気素子作動時の熱応力を低減する上で有利である。また、これらの金属材料を上記の低抵抗金属と併用することにより、熱伝導率を調整し、放熱性を高めることもできる。
【００１９】
電気素子５０１をパッド４０１に接合するための導電性接着材としては、一般的にＳｎ−Ｐｂはんだが使用されるが、対環境性の点でＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ、Ｓｎ−Ｃｕ−Ｎｉはんだを用いることもできる。
【００２０】
また、パッド４０１に接合する電気素子５０１としては、各種の半導体素子（例えばシリコン系半導体素子、ガリウム系半導体素子）のみならず、低抵抗金属板からなる電極などが使用される。
【００２１】
本発明においては、図１から理解されるように、部品搭載用パッド４０１の表面に、複数の凸部４０１ａが略同一高さで形成されていることが重要である。即ち、このような凸部４０１ａはスペーサーとして機能するため、導電性接着材６０１を用いて電気素子５０１を接合するとき、電気素子５０１の沈み込みが抑制され、このような沈み込みによる導電性接着材６０１の薄肉化が防止され、接着材６０１を適度な厚みに均一に保持することができる。従って、この接着材６０１にボイドが発生した場合にも、このボイドが配線基板１の表面（パッド４０１のフラットな面）から電気素子５０１の面に貫通することが有効に防止され、ボイドによる接合力の低下を有効に回避し、電気素子５０１を強固に接合することができ、接続信頼性を向上させることができる。また、凸部４０１ａの形成により、導電性接着材６０１の厚みを必要以上に厚くせずに電気素子等の部品を強固に接合できるため、熱膨張差によるクラックの発生を有効に回避でき、さらには、この接着材６０１の流出による配線基板１間（或いは配線層間）の短絡も有効に回避でき、しかも多量の導電性接着材６０１の使用による熱伝導性の低下も回避でき、電気素子５０１の作動時に発生する熱を有効に放熱し、熱による電気素子５０１の破壊や特性低下を防止する上でも有利となる。
【００２２】
本発明において、上記のような複数の凸部４０１ａは、略同一高さであることも重要であり、例えば、その高さｈのバラツキは±１０％の範囲内である。高さｈのバラツキが大きいと、導電性接着材６０１の厚みにバラツキを生じ、上述した凸部４０１ａのスペーサー効果が損なわれ、しかも電気素子５０１が傾斜して接合されたりしてしまい、実装信頼性が低下してしまうからである。
【００２３】
また、本発明においては、凸部４０１ａの高さｈは、平均して２０μｍ以上、特に３０乃至７０μｍの範囲にあることが好ましい。この高さｈがあまり低いと、そのスペーサー効果が低下し、ボイドなどによる接合力の低下が大きくなってしまう傾向があり、高さｈが必要以上に高いと、モジュールが大型化してしまったり、或いは接着材６０１の厚みが厚くなり、熱膨張差によるクラックの発生や放熱性の低下による電気素子５０１の特性低下などを生じ易くなってしまうからである。
【００２４】
尚、凸部４０１ａの数や大きさは、上記のようなスペーサー効果が十分に発揮されるように、電気素子５０１の大きさに応じて適宜設定されるべきであるが、一般的には、電気素子５０１の裏面の面積１ｃｍ２当り、３乃至５０個程度の凸部４０１ａが存在し、且つ凸部４０１ａの平面面積の合計が電気素子５０１の裏面の面積の１．０乃至５０％程度となるように、凸部４０１ａの数や大きさを定めることが好適である。
【００２５】
上述したパッド４０１の凸部４０１ａは、所定の導体ペーストを絶縁基板１（セラミックグリーンシート）の表面に塗布してパッド４０１を形成し、さらに、スクリーン印刷などにより、所定部分に導体ペーストを塗布して、当該部分の厚みを厚くすることに形成することができるが、凸部４０１ａを簡単に形成するために、図１に示されているように、絶縁基板１０１に、凸部形成用ビア２０１を形成することが好ましい。即ち、このビア２０１は、凸部４０１ａの高さと同程度、絶縁基板１０１の表面から突出しており、このようなビア２０１が形成されている状態で定法により導体ペーストを塗布してパッド４０１を形成すれば、ビア２０１が突出している部分に対応して凸部４０１ａが形成されることとなる。
【００２６】
上記のような凸部形成用ビア２０１は、一般に、金属材又はセラミック材料により形成することができる。
【００２７】
金属材料によりビア２０１を形成する場合には、図１に示されているように、このビア２０１を内部配線層３０２に接続し、ビア２０１を介してパッド４０１と内部配線層３０２とを電気的に接続することが好ましい。即ち、このようなビア２０１は、配線層としても利用でき、電気素子５０１作動時に発生する熱に対し、ビア２０１がサーマルビアとしての効果も発揮し、その放熱性を高め、電気素子５０１の誤作動を回避すると同時に、接続信頼性をも高めることが出来る。また、この場合には、ビア２０１によりパッド４０１と内部配線層３０２との電気的接続が確保されるため、パッド４０１と内部配線層３０２とを接続するビア導体２０２を省略することもできる。
【００２８】
かかる金属材料としては、前述したビア導体２０２形成用金属材料、例えばＣｕ、Ａｇ、Ｐｔ、Ａｕ、W、Ｍｏ、Ｒｅから選ばれる少なくとも１種を例示することができる。特に、低抵抗のＣｕ、Ａｇ、Ｐｔ、Ａｕを用いる場合には、電気抵抗を小さくできるため、許容電流値を大きくすることができ、このモジュールを高出力系の基板として使用する場合に有利となる。また、金属材料として、Ｗ、Ｍｏ或いはＲｅを用いた場合には、ビア導体２０２で説明した場合と同様、絶縁基板１０１との熱膨張率差を低減し、電気素子作動時の熱応力を低減する上で有利であり、また、これらの金属材料を上記の低抵抗金属と併用することにより、熱伝導率を調整し、放熱性を高めることもできる。
【００２９】
さらに、セラミック材料により凸部形成用ビア２０１を形成した場合には、絶縁基板１０１との熱膨張率差を低減することができ、電気素子作動時の熱応力を低減する上で極めて有利である。従って、かかるセラミック材料としては、前述した絶縁基板１形成用のセラミック材料、例えば、酸化アルミニウム、窒化アルミニウム、窒化珪素質、ムライト及びガラスセラミックの少なくとも１種が好適に使用される。また、この場合には、ビア２０１は、内部配線層３０２と接続されていなくともよい。
【００３０】
上述した構造を有する本発明の配線基板は、例えば以下のようにして製造することができる。
【００３１】
先ず、絶縁基板１形成用のセラミック粉末を、酸化珪素等のフィラーや、酸化マグネシウム、酸化カルシウム等の焼結助剤粉末と混合して原料粉末を調製し、この原料粉末に、適当な有機バインダー、可塑剤、溶剤を添加混合して成形用スラリーを調製する。この成形用スラリーを用いて、従来周知のドクターブレード法やカレンダーロール法を採用することによって、絶縁基板１を形成する絶縁層１０１ａ及び１０１ｂに相当するセラミックグリーンシートを作製する。
【００３２】
次いで、製造する配線基板１（絶縁基板１０１）の構造に応じて、絶縁層１０１ａに相当するグリーンシートの所定位置（ビア導体２０２及びビア２０１を形成する部分）にスルーホールを形成し、各スルーホールに、ビア導体２０２形成用或いはビア２０１形成用のペーストを充填する。この場合、ビア導体２０１形成用ペースト及びビア２０１形成用のペーストは、それぞれ、所定の金属粉末或いはセラミック粉末に、有機バインダー、可塑剤、溶媒等を混合することにより調製されるが、特にビア２０１形成用ペーストでは、以下の焼成工程での収縮がセラミックグリーンシートの収縮よりも小さくなるように成分調整されていることが必要である。具体的には、焼成により分解除去される有機バインダー、可塑剤或いは有機溶媒等の含有量が、セラミックグリーンシートのそれよりも少なくなるように成分調整される。これにより、焼成を行ったときに、ビア２０１が絶縁基板１０１の表面から突出するようになる。
【００３３】
次いで、上記のようにスルーホールのそれぞれにペーストが充填されている絶縁層１０１ａ用のセラミックグリーンシートの所定位置に、表面配線層３０１用或いはパッド４０１用の金属粉末を含有する導体ペーストをスクリーン印刷やドクターブレード等により塗布する。また、絶縁層１０１ｂ用のセラミックグリーンシートの所定位置には、内部配線層３０２用金属粉末を含有する導体ペーストが同様に塗布される。
【００３４】
このような絶縁層１０１ａ形成用及び絶縁層１０１ｂ形成用のセラミックグリーンシートを積層圧着し、セラミックグリーンシートを形成するセラミック材料の種類に応じて所定の温度（通常、１２００℃以上）で焼成を行う。これにより、セラミックグリーンシートは大きく収縮するがビア２０１用ペーストの収縮は小さいため、ビア２０１が絶縁基板１の表面から突出し、それに対応するパッド４０１の部分が盛り上がって凸部４０１が形成され、図１に示すような構造の配線基板１が得られる。
【００３５】
尚、パッド４０１用の導体ペーストは、上記の焼成後に塗布し、これを焼き付けることによってパッド４０１を形成することもできる。かかる場合にも、パッド４０１用の導体ペースト塗布時には、ビア２０１が絶縁基板１０１表面から突出しているため、容易にビア２０１に対応する部分に凸部４０１ａが形成される。
【００３６】
尚、絶縁基板１０１が２層の絶縁層１０１ａ，１０１ｂで形成されている場合を例にとって配線基板１の製造法を説明したが、絶縁基板１０１が単層で形成されている場合、或いは３層以上の多層で形成されている場合にも、上記に準拠して配線基板１を製造し得ることは容易に理解されよう。
【００３７】
また、上記のようにして形成される部品搭載用パッド４０１や表面配線層３０１には、その表面に良導電性で耐蝕性に優れ、さらには導電性接着材６０１との濡れ性が良好な金属（例えばニッケル、金など）による表面改質層をメッキ法により形成させておくことが好ましく、これにより、表面配線層３０１及び部品搭載用パッド４０１の酸化腐食を有効に防止することができる。また、部品搭載用パッド４０１と電気素子５０１との接合性を極めて強固になすことができる。このような表面改質層の厚みは、通常、１乃至２０μｍ程度である。
【００３８】
上記のようにして作製された配線基板１には、パッド４０１上に、前述した半田ペーストなどの導電性接着材６０１を塗布し、この接着材６０１上に電気素子５０１を載置し、３００℃乃至３５０℃の温度で熱処理することにより、電気素子５０１が搭載されたモジュールを得ることができる。
【００３９】
このような、配線基板を用いた電気素子モジュールは、電気素子５０１を接合した際に、接着材６０１の厚みを最適かつ均一に制御できるため、特殊な手法、部材、加工工程を必要とすることなく、接着材６０１の厚みバラツキによる接合信頼性の劣化が防止されている。
【実施例】
【００４０】
本発明を次の実験例で説明する。
【００４１】
（実験例１）
絶縁基板１０１用の絶縁材料、ビア２０１用材料として表１に示すものを使用し、前述した方法により、図１に示す構造を有し且つ表１に示すような凸部高さを有する部品搭載用パッドを備えた配線基板を作製した（試料１〜１９）。
【００４２】
尚、試料１を除き、ビア２０１用のペーストは、絶縁層用のセラミックグリーンシートに比して有機バインダー及び溶媒量を少なくして、表１に示すような高さの凸部４０１ａがパッド上に形成されるようにした。また、表面配線層３０１、内部配線層３０２及びビア導体２０２用の金属材料としては、Ｗ，Ｍｏ，Ｃｕ，Ａｇ，Ｐｔを用いた。
【００４３】
上記のようにして形成された配線基板の部品搭載用パッド４０１に、Ｓｎ−Ｐｂよりなる半田ペーストをスクリーン印刷法により印刷塗布し、その上に電気素子（ヒーターチップ、裏面面積０．６５ｃｍ２）を載置した後、３３０℃に加熱して電気素子を接合して評価用試料を、それぞれ２０個ずつ形成した。
【００４４】
各評価用試料において、凸部４０１ａの数は、電気素子当り４９個とし、且つ凸部４０１ａの合計の平面面積が電気素子の裏面面積の５％となるようにした。
【００４５】
上記で作製された評価用試料を用いて−２５℃〜１５０℃の温度サイクル評価を行い、１０００サイクル後に電気素子或いは配線基板の部品搭載用パッド４０１と半田との接合界面の剥離状態を評価用試料の断面観察により観察した。２０試料中の良品数を表１に示した。
【００４６】
【表１】
2006229094.tif 000003
ＳＮ；窒化珪素、ガラセラ；ガラスセラミック
【００４７】
表１の試験結果から明らかなように、本発明の範囲外の試料１では、部品搭載用パッドに凸部が形成されていないため、電気素子を実装した場合に電気素子の実装面内における導電性接着材のはんだ厚みが均一に保持できないため剥離発生率が高くなった。
一方、本発明にしたがいパッドに凸部を形成したものでは、導電性接着材のはんだ厚みが均一に保持され、剥離発生率が低く、特に凸部高さが３０μｍ以上の試料４〜１９では、接合界面部の剥離は全く発生しなかった。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】本発明の配線基板により作製された電気素子モジュールの概略断面を示す図である。
【符号の説明】
【００４９】
１：配線基板
１０１：絶縁基板
２０１：凸部形成用ビア
２０２：ビア導体
３０１：表面配線層
３０２：内部配線層
４０１：部品搭載用パッド
５０１：電気素子
６０１：導電性接着材
【図１】
2006229094.tif 000004