(57)【要約】【課題】自動車での使用に適した小型で熱的安定性に優れ、低価格であるヒートシンク内蔵回路基板を提供する。【解決手段】基板１には焼成温度が低いガラスセラミックの多層板を、またヒートシンク２にはガラスセラミックの線膨張係数に近づけることが可能な銀（Ａｇ）配合比１０〜９０重量％と酸化銅（ＣｕＯあるいはＣｕ２Ｏ　）の複合材料をその配合率を最適にして用い、両者を酸化雰囲気中にて焼成により同時成形した。本発明によれば、大きな容量のヒーシンクを発熱素子のある位置の基板内に単体で埋設することで放熱機能を満足させるので、そのヒートシンク設置スペースのコンパクト化を図り得る。【選択図】　図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも発熱素子を搭載する電子回路の基板において、
前記基板は、セラミックとガラスの複合材料を積層したものであり、この積層体の内部に前記発熱体の熱伝導体となる銀（Ａｇ）と酸化銅（ＣｕＯあるいは
Ｃｕ２Ｏ　）の複合材料が埋設されて前記積層体と共に焼成されていることを特徴とする回路基板。
【請求項２】
前記熱伝導体は、粉体成形された銀（Ａｇ）と酸化銅（ＣｕＯあるいはＣｕ２Ｏ）の複合材料を焼成してなる請求項１記載の回路基板。
【請求項３】
銀（Ａｇ）と酸化銅（ＣｕＯあるいはＣｕ２Ｏ　）の複合材料で、銀（Ａｇ）配合比１０〜９０重量％である複合材料を特徴とする、特許請求項１又は２記載の回路基板。
【請求項４】
銀（Ａｇ）と酸化銅（ＣｕＯあるいはＣｕ２Ｏ　）の複合材料で、銀（Ａｇ）配合比２０〜８０重量％である複合材料を特徴とする、特許請求項１又は２記載の回路基板。
【請求項５】
前記熱伝導体は、その一端面が前記積層体の表面に臨み、この熱伝導体の一端面上に厚膜導体を形成し、その上に導電性接合材を介して半導体パワー素子を接合してなる請求項１又は２記載の回路基板。
【請求項６】
前記厚膜導体は、銀（Ａｇ）を主成分とした金属とガラスの混合体で、前記導電性接合材は、はんだ材又は導電性接着剤である請求項５記載の回路基板。
【請求項７】
ガラスセラミックのグリーンシートを内層配線を含むように積層し、この積層体を焼成して回路基板を製造する方法において、
前記グリーンシートの積層体に熱伝導体として銀（Ａｇ）と酸化銅（ＣｕＯあるいはＣｕ２Ｏ　）の複合材料を粉体成形の状態で埋設し、その後、前記積層体中のバインダーを燃焼させる工程と、前記積層体と前記熱伝導体を酸化雰囲気中で同時に焼成する工程とを有してなることを特徴とする回路基板の製造方法。
【請求項８】
自動車用の電子回路を回路基板に搭載してなる自動車用の電子回路装置において、
前記回路基板は、セラミックとガラスの複合材料を積層したものであり、この積層体の内部に熱伝導体となる銀（Ａｇ）と酸化銅（ＣｕＯあるいはＣｕ２Ｏ　）の複合材料が埋設されて前記積層体と共に焼成されており、この熱伝導体の一端面が回路基板表面に位置して、この熱伝導体の一端面にベアチップ状の半導体パワー素子が配置されていることを特徴とする自動車用電子回路装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は電子回路を実装するための回路基板、その製造方法、およびそれを利用した自動車用電子回路装置に係り、特に、自動車等の過酷な温度環境に耐えるに適した回路基板に関する。
【０００２】
【従来の技術】
回路基板に半導体パワー素子のように発熱性を有する回路素子を搭載する場合には、熱伝導の良いヒートシンクを用いて回路素子の熱を放熱している。最近では、このヒートシンクを回路基板上に配置するものに代わって、内層配線を有する積層型の回路基板の内部に埋設し、その一端面を回路基板上に位置させて、ヒートシンク上に半導体パワー素子を配置する技術が提案されている。
【０００３】
この種の従来例としては、例えば、特開平７−１６２１５７号公報に開示されるように、回路基板（絶縁部材の積層体）としてアルミナを使用し、基板中に埋設されるヒートシンク（充填金属）としては、高融点材料であるＭｏ（モリブデン）粒子とアルミナ粒子の混合物（金属ペースト）を用いたものや、ｗ（タングステン）粒子とアルミナ粒子の混合物を用いたものが提案されている。また、この公報には、基板材質として、ガラスとセラミックの複合材料を用いてもよく、その場合の熱伝達導体としては、Ａｇ，Ａｇ−Ｐｄ，Ｃｕ等を用いることを提案している。
【０００４】
なお、上記同様の材質を用いた回路基板，ヒートシンク（充填金属）を使用したその他の従来例としては、特開平８−３３５７８２号公報，特開平９−１８１４５７号公報がある。
【０００５】
また、特開平１０−１５４７６７号公報では、基板として低温で焼成可能
（８５０℃〜１３００℃）な絶縁体を用い、この絶縁体中にヒートシンク（Ｃｕ，Ａｇ，Ｎｉ，Ｐｄ，Ａｕ等の低融点金属と、ＳｉＯ２　系化合物やＡｌ２Ｏ３系化合物，炭酸塩，ガラス無機成分との複合体よりなるもので、焼成前は金属ペースト状）を埋設して、絶縁体と同時焼成するものが提案されている。
【０００６】
特開平７−１３０９０７号公報では、基板としてガラスセラミックを用い、基板に埋設されるヒートシンク材として、金，銀，銅もしくはその合金のうち少なくとも１つの金属材料（粉末）と低融点ガラス成分と、有機バインダーと有機溶剤などを混練した金属ペーストを用いている。また、この公報では、基板とヒートシンク材を一体的に燒結するが、その燒結は、脱バインダ過程と焼成過程からなる方法を提案している。その他、同様の技術が特開平９−１５３６７９号公報においても開示されている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
上記した従来の基板埋設型のヒートシンクは、焼成前は、多層基板（積層体）が積層される前過程で埋設対象の基板（単一板）の貫通孔（ビアホール，スルーホール等と称せられる）に、印刷技術を利用して金属ペーストの状態で充填される。
【０００８】
このような金属ペーストの充填方式では、ヒートシンク容積を大きくするためにビアホールの径を大きくとろうとすると、単層基板を積層する場合などの移動過程で金属ペーストが自重により脱落してしまうため、ビアホールの径を大きくとれない。
【０００９】
そのため、小径の多数のビアホールを形成することで上記課題に対処し、且つ放熱量を上げているが、多数のビアホールを形成する場合には、半導体パワー素子搭載面積が大きくなる傾向がある。
【００１０】
充填する金属ペーストには、基板素材との接合を配慮して多くのガラスフリットが含まれる。ガラスフリットとは、比較的低い温度で焼成処理することによって、コージェライト，ムライト，アノーサイト，セルジアン，スピネル等やその置換誘導体の結晶相を少なくとも１種類析出するガラス組成物からなる。
【００１１】
このような低融点ガラス成分は、焼成後にボイド（空乏）を発生させる因子となり、熱伝導性が低下させる。ボイドは、製品個々に品質のばらつきを生じさせ、自動車の過酷な環境下ではその改善が望まれる。
【００１２】
本発明の目的は、基板埋設型のヒートシンク材として従来のものに代わるものを提供し、それは、多層基板としてガラスセラミックのような低融点で焼成可能なものに対して相性が良く、ボイド発生防止などの品質向上が図れ、しかもヒートシンク単体あたりの容積を大きくできる大径のビアホールを形成可能な回路基板及びその製造方法を実現させることにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記目的を達成するために、少なくとも発熱素子を搭載する電子回路の基板において、
前記基板は、セラミックとガラスの複合材を積層したものであり、この積層体の内部に前記発熱体の熱伝導体（ヒートシンク）となる銀（Ａｇ）と酸化銅（ＣｕＯあるいはＣｕ２Ｏ　）の複合材料が埋設し、このヒートシンク素材を前記積層体と共に焼成した回路基板を提案する。
【００１４】
また、ガラスセラミックのグリーンシートを内層配線を含むように積層し、この積層体を焼成して回路基板を製造する方法において、
前記グリーンシートの積層体に熱伝導体として銀（Ａｇ）と酸化銅（ＣｕＯあるいはＣｕ２Ｏ　）の複合材料を粉体成形の状態で埋設し、その後、前記積層体中のバインダーを燃焼させる工程と、前記積層体と前記熱伝導体を酸化雰囲気中で同時に焼成する工程とを有してなる製造方法を提案する。
【００１５】
【発明の実施の形態】
本発明の実施例を図によって説明する。
【００１６】
図１は、本発明の一実施例に係る回路基板を用いた電子モジュール（電子回路装置）をカバーを取り去って示した平面図、図２は、上記電子モジュールをカバーを取付けた状態で示す縦断面図である。
【００１７】
本実施例に係る電子モジュールは、例えば、自動車エンジンの運転を制御するモジュールであり、図示していないが、エンジン回転数，エンジンの吸い込む空気量，エンジンの温度等を入力し、マイクロコンピュータ（ＩＣ）４８によってエンジン運転に最適な燃料供給，点火信号を出力する。
【００１８】
まず、図１，図２により基板および電子モジュールの構造を説明する。
【００１９】
回路基板１は、複数の層６１〜６４よりなるガラスセラミックの多層基板（積層体）で、層間に配線パターンとなる内層導体１２，１３が形成され、基板上面にマイクロコンピュータ（ＩＣチップ），半導体パワー素子，抵抗，ボンディングパッドなどの電子部品４１〜５３及び配線パターンが設けられている。例えば、符号の４８，５１，５０がＩＣチップ、４１，４２が半導体パワー素子である。基板１の上面および層間の導体（配線）は、導電性金属を充填したビアホール２０を介して電気的に接続されている。
【００２０】
多層基板１の内部うち、半導体パワー素子４１および４２を配置する箇所に対応して、ヒートシンク（熱伝導体）２を埋設（充填）するための有底孔１１が設けられている。
【００２１】
孔１１の底は、基板１の最下層６４により構成されている。すなわち、孔１１は、層６１〜６３にかけて形成されている。
【００２２】
ヒートシンク２は、銀（Ａｇ）と酸化銅（ＣｕＯあるいはＣｕ２Ｏ　）の複合材料であり、ガラスセラミック多層基板（積層体）１と共に焼成されている。
【００２３】
このヒートシンク２は、基板１の製造工程で基板１内に粉体成形された状態でビルトインされた後に、基板と共に焼成されるものである。
【００２４】
ヒートシンク２の一端面は基板１の表面に臨み、そのヒートシンク一端面と基板１の表面とは、ほぼ同一面をなしている。これは基板１に電子部品４１〜５３の搭載を容易にするためである。
【００２５】
また基板１の表面（一端面）には、厚膜導体５５が形成され、その上に導電性接合材５７を介してベアチップ（裸素子）状態で半導体パワー素子４１（４２）が接合されている。圧膜導体５５は、銀を主成分とした金属とガラスの混合体である。接合材５７は、はんだ材又は導電性接着剤である。
【００２６】
４５は、基板１の表面に形成した酸化ルテニウム抵抗体である。電子部品４３〜５３も、導体５５にはんだ５７によって電気的に接続されていると共に、機械的に固定されている。
【００２７】
ベアチップ４１，４２，４８，５０，５１は電気的にはワイヤ−ボンディングのワイヤ５８により回路と接続されている。基板１は放熱性に優れた金属ベース３に接着剤３１によって接合されている。
【００２８】
接着剤３１は薄く、かつ熱ストレスをやわらげるためシリコーン系のものである。
【００２９】
合成樹脂製のハウジング５は、回路基板１を収納するためのものであり、接着剤３２を用いて金属ベース３と接合されている。
【００３０】
さらにハウジング５には、回路モジュールの電気的入出力のためのターミナル５４が樹脂成形により挿入され（インサート成形）、このターミナル５４は、基板１上の電子回路とワイヤ５６及びボンディングパッド５３によって電気的に接続されている。６は樹脂製カバーでハウジング５に接着されている。
【００３１】
ヒートシンク２の熱は、ガラスセラミックの最下層６４，シリコーン系接着剤３１および金属ベース３を介して外気あるいは、設置面へ逃がすことができる。
【００３２】
ここで、図３〜図５を用いて、本実施例のヒートシンクの特性および回路基板１の製造方法を説明する。図３は、ヒートシンクの線膨張係数−熱伝導率特性とその素材である銀（Ａｇ）と酸化銅（ＣｕＯ）の配合比を示し、図４は、回路基板の製造工程を示し、図５は、製造工程の温度プロファイルを示す説明図である。
【００３３】
本実施例では、ヒートシンク２の素材は、銀（Ａｇ）と酸化銅（ＣｕＯ）の複合材料であり、それらの配合比によって熱伝導率と線膨張係数は、図３に示すような特性を示す。
【００３４】
すなわち、酸化銅（ＣｕＯ）１００重量％では熱伝導率はほぼ１２Ｗ／ｍ・Ｋであるが、線膨張係数は３．０ｐｐｍ／℃と小さい。一方、銀（Ａｇ）１００重量％では、線膨張係数２０ｐｐｍ／℃　と大きいが、熱伝導率４２５Ｗ／ｍ・℃と大きい。したがって、この配合比を適切に選ぶことによりガラスセラミック１の線膨張係数４．５〜１１ｐｐｍ／℃　に近づけることができる。
【００３５】
ここで、銀（Ａｇ）の配合比が１０重量％未満では、燒結時に接合剤の役割をしている銀（Ａｇ）が少ないため、結合力が弱い。
【００３６】
反対に銀（Ａｇ）の配合比が９０重量％を超えると、線膨張係数が１６ｐｐｍ／℃を超え、ガラスセラミックとの線膨張係数差による、熱応力により、ガラスセラミックに反り、あるいはクラックを生じる。
【００３７】
上記を満足するためには、銀（Ａｇ）の配合比は１０〜９０重量％の割合にすれば良い。さらに、上記をより満足するには、銀（Ａｇ）の配合比は２０〜８０重量％にすれば良い。
【００３８】
自動車のパワー素子のヒートシンクでは、熱伝導率は５０Ｗ／ｍ・℃以上あれば、ほぼ賄える。この実施例では、一例として、ガラスセラミックの線膨張係数に近い１２ｐｐｍ／℃　を選択し、熱伝導率を５０Ｗ／ｍ・℃程度に銀（Ａｇ）／酸化銅（ＣｕＯ）の配合比を設定している。この場合のヒートシンク複合材料の配合比は、銀（Ａｇ）はほぼ３５重量％，酸化銅（ＣｕＯ）は６５重量％である。
【００３９】
さらに、この複合材の焼結による収縮率は成形圧によって可変できるので、ガラスセラミックの多層板製作工程に内在させることが可能である。図４によってその製造工程を説明する。
【００４０】
まず、ガラスセラミック基板１については、素材としてガラスとセラミックとを混合したグリーンシート６１〜６４を準備し、その表面に内層配線となる導体１３，１２を印刷により形成する。導体１３，１２の材料は、銀、あるいは銀／バラジウム，銀／白金ペースト，銀／酸化銅といった厚膜材料である。また、シート６１〜６３にはヒートシンクを内在するための孔１１があけてあるが、シート６４は絶縁を確保するため孔は設けていない。これらのシート６１〜６４を重ねあわせ、多層シート６５の形にする。
【００４１】
一方、ヒートシンクはまず、銀（Ａｇ）粉と酸化銅（ＣｕＯ）粉を前述の範囲で任意の配合比で配合し、十分攪拌する。
【００４２】
次いで型に入れた後、適切な体積収縮率になる寸法に粉体成形する。ここで適切な体積収縮率とは後のガラスセラミックとの焼結工程での寸法収縮率を合せることであり、ガラスセラミックの収縮率によって微妙に調整する。
【００４３】
とくに銀（Ａｇ）配合比１０〜９０重量％では、型に入れる銀（Ａｇ）粉と酸化銅（ＣｕＯ）粉の重量を増やして、成形後の理論密度を、通常の理論密度の
５０〜８０％に対して、８０〜１００％にすることで、燒結後の密度を改善し、熱伝導率向上，熱膨張係数の低減を図ることができる。
【００４４】
また、銀（Ａｇ）配合比１０〜９０重量％では、型で粉体成形する際にアルコールなどの粉体の流動を助ける潤滑剤を混合粉末に少量添加することにより、複合材料の密度を改善し、熱伝導率向上，熱膨張係数の低減を図ることができる。
【００４５】
また、銀（Ａｇ）配合比１０〜９０重量％では、型で粉体成形する際に成形金型に抜きテーパを設け、さらに、離型剤、例えばアクラワックスを０．１　〜１重量％配合することにより、金型から予備成形体の形状を保つことにより、複合材料の密度を改善し、熱伝導率向上，熱膨張係数の低減を図ることができる。
【００４６】
さらに、銀（Ａｇ）と酸化銅（ＣｕＯ）からなる複合材料は加工が容易であり、圧延する事でヒートシンクの熱伝導率を向上，熱膨張係数の低減を図ることができる。
【００４７】
次いで、合体工程にてヒートシンク２の素材（粉体成形体）をシート６５の孔１１へ挿入する。そして加圧プレスして、表裏の面を平坦にする。ここで必要に応じ、図２に示した厚膜導体５５を塗布した後、次に述べる焼成（焼結）工程に付され、冷却工程を経て完成する。
【００４８】
本回路基板では、ガラスセラミックのバインダーを燃焼する工程と、ガラスセラミック（基板素材）およびヒートシンク素材（銀（Ａｇ）と酸化銅（ＣｕＯ）の複合材料）を焼結（焼成）させる工程を経て回路基板が形成される。ガラスセラミックとヒートシンクは、燒結接合させるために同時の燒結工程が必要である。
【００４９】
図５に示した本実施例の焼成（焼結）温度プロファイルを用いて焼結工程を説明する。まず、ガラスセラミック内の有機バインダーを５００〜６００℃にて概略５時間かけ、燃焼させる。この工程は、有機バインダーを燃焼させるため酸化雰囲気で行われる。この工程において、ヒートシンク２の銀（Ａｇ）の酸化は、銀（Ａｇ）が酸素を多く取りこまない性質によって保護される。ついで、雰囲気を一旦室温まで開放でも連続的温度雰囲気でも良いが、必要に応じて無酸素雰囲気に切り替える。本実施例では酸化雰囲気のままとした。そして温度を８００〜１０００℃で概略２時間保持する。この雰囲気により、ガラスセラミックの焼結と銀（Ａｇ）／酸化銅（ＣｕＯ）の夫々の焼結、そしてガラス中の酸素と銀（Ａｇ）の酸化が行われガラスセラミックと銀（Ａｇ）／酸化銅（ＣｕＯ）の複合材料の接合が行われ確実な接合を得ることができる。
【００５０】
本焼成（焼結）によればガラスセラミック，銀（Ａｇ）と酸化銅（ＣｕＯ）の焼結と接合を確実に行うことができる。
【００５１】
そして、本実施例によれば、ヒートシンク２を、銀（Ａｇ）と酸化銅（ＣｕＯ）の複合材料にすることによりセラミック基板１との熱膨張係数を近づけ、ヒートシンクと基板の接合ストレスを緩和するとともに、ガラス材のボイドのような熱伝導性の変動要因を排除することで、品質の高い回路基板を低コストで提供することができる。
【００５２】
また、ヒートシンク２は銀（Ａｇ）と酸化銅（ＣｕＯ）の複合材料であるので、その配合比で決まる放熱特性でばらつきが少ない利点がある。
【００５３】
さらに、ヒートシンク２は、粉体成形および加圧プレス工程でグリーンシートに内在させることができるので、金属ペーストのようにグリーンシートから脱落することがなく、したがって、ヒートシンク２を大きくして、ベアチップ（４１，４２）と略同じ寸法にできるので、従来のような多数のヒートシンク用ビアホールを設けるものに比べてベアチップ搭載スペースを小さくすることができる。
【００５４】
さらに、ヒートシンクの電気絶縁をガラスセラミックの単層で形成するため確実な絶縁が確保できる。
【００５５】
さらに、ガラスセラミック内層に熱伝導の良い金属導体（配線）がヒートシンクの近傍外周に配することができるので基板としての放熱性に優れる。
【００５６】
【発明の効果】
本発明によれば、大きな容量のヒーシンクを発熱素子のある位置の基板内に単体で埋設することで放熱機能を満足させるので、そのヒートシンク設置スペースのコンパクト化を図り得る。
【００５７】
しかも、ヒートシンクに不安定要素が無いので、熱伝導率の安定したヒートシンク内蔵の回路基板を得ることができる。また、ヒートシンクの製造プロセスを回路基板の製造工程に内在できるので安価な回路基板を提供することができる。本発明の回路基板は小型で放熱特性が安定し、絶縁安定性，価格性に優れており、使用環境の厳しい自動車に最適な回路基板ひいては電子回路装置を提供することができる。
【００５８】
また、ガラスセラミックのグリーンシートを内層配線を含むように積層し、この積層体を焼成して回路基板を製造する方法において、
前記グリーンシートの積層体に熱伝導体として銀（Ａｇ）と酸化銅（ＣｕＯあるいＣｕ２Ｏ　）よりなる複合材を粉体成形の状態で埋設し、その後、前記積層体中のバインダーを燃焼させる工程と、前記積層体と前記熱伝導体を酸化雰囲気中で同時に焼成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例に係る回路基板を用いた電子モジュールの平面図。
【図２】図１の電子モジュールの断面図。
【図３】本発明の実施例におけるヒートシンクの特性を示す説明図。
【図４】本発明の実施例の回路基板の製造工程を示す説明図。
【図５】本発明の実施例の焼成工程の温度プロファイルを示す図。
【符号の説明】
１…回路基板、２…ヒートシンク（熱伝導体）、３…ベース、５…合成樹脂製のハウジング、６…樹脂製カバー、１１…ヒートシンク（熱伝導体）２を埋設（充填）するための有底孔、１２，１３…内層導体、２０…導電性金属を充填したビアホール、２１…はんだ又は導電性接着剤よりなる導電性接合剤、３１…シリコーン系接着剤、３２…接着剤、４１，４２…ベアチップタイプの半導体パワー素子、４３，４４，４６，４７，５２…ＩＣチップ，抵抗チップなどの電子部品、４５…酸化ルテニウム抵抗体、４８，５０，５１…ベアチップタイプのＩＣチップ、５３…ボンディングパッド、５４…ターミナル、５５…厚膜導体、５６…ワイヤ、５７…導電性接合材、５８…ボンディングワイヤ、６１〜６５…ガラスセラミックの多層基板の複数の層。
【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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