(57)【要約】多層セラミック回路板は金属などの高導電率材料のコアおよび外表面を有する電気絶縁性セラミックの重なり層を含む。本発明によれば、高電力構成要素を受ける回路板には外表面の上または近くの熱拡散層および拡散層をコアに熱的に接合するためのセラミックを通る１つまたは複数の熱バイアが設けられる。バイアおよび拡散層は電気絶縁性、熱伝導性材料を含む。得られた構造は拡散層の上または近くに形成または実装される高電力構成要素のための高速熱放散を与える。【特許請求の範囲】
【請求項１】
電力構成要素に対する強化された熱放散を有する多層セラミック回路板を製作する方法であって、
電気伝導性コア層、および前記コア層に重なり、外表面を有する電気絶縁性セラミック層を含む未焼結多層セラミック回路板を設ける工程と、
前記外表面から前記セラミック層を通って前記コア層まで延びる１つまたは複数の熱バイアを形成する工程と、
前記熱バイアに熱的に結合された表面上に熱拡散層を形成する工程と、
前記拡散層に熱的に結合された前記電力構成要素を形成または実装し、それによって前記電力構成要素からの熱が前記拡散層を通って前記バイアに到り、次いで前記コア層に到る工程と
を含むことを特徴とする方法。
【請求項２】
前記未焼結回路板がＬＴＣＣまたはＬＴＣＣ−Ｍセラミック板を含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記コアがコバール、銅、またはモリブデンを含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記熱バイアが、前記セラミック層に穴を形成し、熱伝導性、電気絶縁性材料を形成するためのインクで前記穴を充填することによって形成されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記熱拡散層が、電気絶縁性、熱伝導性インクの層を前記表面に塗布することによって形成されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記電力構成要素が抵抗であることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項７】
前記抵抗が、前記拡散層に重なるまたは隣接する接続層間に抵抗性インクを印刷することによって形成されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項８】
金属コア・サポート板と、
前記金属コア・サポート板上に配設され、外表面を有するセラミック層と、
前記セラミック層の前記外表面に配設された熱伝導性材料の熱拡散層と、
前記熱拡散層を前記金属コア・サポート板に熱的に結合する１つまたは複数の熱伝導性バイアと、
電力構成要素の温度を制御するためのバイアと、
前記熱拡散層上に配設され、それを回路に接続するための導電性リード線を有する電力構成要素と
を含むことを特徴とする低温同時焼成セラミック金属（ＬＴＣＣ−Ｍ）集積パッケージ。
【請求項９】
前記電力構成要素が抵抗であることを特徴とする請求項８に記載のＬＴＣＣ−Ｍパッケージ。
【請求項１０】
前記電力構成要素が電力半導体であることを特徴とする請求項８に記載のＬＴＣＣ−Ｍパッケージ。
【請求項１１】
前記コアがコバール、銅またはモリブデンを含むことを特徴とする請求項８に記載のＬＴＣＣ−Ｍパッケージ。
【請求項１２】
前記熱伝導性バイアが焼結印刷可能インクを含むことを特徴とする請求項８に記載のＬＴＣＣ−Ｍパッケージ。
【請求項１３】
前記印刷可能インクが、ダイヤモンド、窒化アルミニウム、酸化ベリリウム、および炭化シリコンからなるグループから選択される材料を含むことを特徴とする請求項１２に記載のＬＴＣＣ−Ｍパッケージ。
【請求項１４】
前記セラミック層が複数のセラミック回路板を含み、少なくとも１つのセラミック回路板が電気構成要素および導電性トレースを含むことを特徴とする請求項８に記載のＬＴＣＣ−Ｍパッケージ。
【請求項１５】
前記電力構成要素が、前記セラミック回路板の１つに配設された前記拡散層上に配設され、前記拡散層が前記熱バイアによって前記金属コア・サポート板に熱的に接続されることを特徴とする請求項１４に記載のＬＴＣＣ−Ｍパッケージ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、多層セラミック回路板の中または上に実装された電力構成要素の強化された温度制御のための方法および構造に関する。より詳細には、本発明は、低温同時焼成セラミック回路板（ＬＴＣＣ板）上またはＬＴＣＣ金属板（ＬＴＣＣ−Ｍ板）上に高電力構成要素を形成または実装するための方法および構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
多層セラミック回路板はグリーン・セラミック・テープの層から製作される。グリーン・テープは、テープを形成するために有機結合剤および溶剤と混合、鋳造および切断される特定のガラス組成および随意のセラミック粉末から製作される。配線パターンをテープ層にスクリーン印刷して様々な機能を行うことができる。次いでバイアをテープに穿孔し、導電性インクで充填して１つのグリーン・テープ上の配線を別のグリーン・テープ上の配線に接続する。次いでテープを整列させ、貼り合わせ、焼成して有機材料を除去し、金属パターンを焼結し、ガラスを結晶化する。これは一般に約１０００℃を下回る温度で、好ましくは約７５０℃〜９５０℃から行われる。ガラスの組成は熱膨脹の係数、誘電定数および様々な電子構成要素に対する多層セラミック回路板の適合性を決定する。
【０００３】
最近、グリーン・テープをサポートするために基板サポート基板（金属板）が使用されている。金属板はガラス層に力を与える。さらに、グリーン・テープ層は金属板の両面に実装することができ、適切な結合ガラスで金属板に固定することができるので、金属板は回路およびデバイスの複雑度および密度の増加を可能にする。加えて、抵抗、インダクタ、コンデンサなどの受動および能動構成要素を追加の機能のために回路板に組み込むことができる。したがって低温同時焼成セラミック金属サポート板またはＬＴＣＣ−Ｍとして知られるこのシステムは単一パッケージにおける様々なデバイスおよび回路の高集積のための手段であることがわかっている。システムは、たとえば、サポート板の金属およびグリーン・テープのガラスの適切な選択によってシリコンベース・デバイス、インジウムリン化物ベース・デバイスおよびガリウムヒ素ベース・デバイスを含むデバイスに適合可能なように調整することができる。
【０００４】
ＬＴＣＣ−Ｍ構造のセラミック層は金属サポート板の熱膨張係数に一致しなければならない。様々な金属または金属マトリックス複合材の熱膨脹特性に一致するガラス・セラミック組成が知られている。これらの組成は、たとえば、Ｔｏｒｍｅｙ他の米国特許第５６２５８０８号、Ｋｕｍａｒ他の米国特許第６０１７６４２号、Ｃｈｅｒｕｋｕｒｉ他の第５２５６４６９号およびＡｚｚａｒｏ他の米国特許第５５６５２６２号に開示されており、Ｐｒａｂｈｕ他の米国特許第５５８１８７６号はセラミック層を金属サポート基板に固定するための結合ガラス組成を開示している。これらの組成特許は参照により本明細書に組み込まれる。
【特許文献１】Ｔｏｒｍｅｙ他の米国特許第５６２５８０８号
【特許文献２】Ｋｕｍａｒ他の米国特許第６０１７６４２号
【特許文献３】Ｃｈｅｒｕｋｕｒｉ他の第５２５６４６９号
【特許文献４】Ａｚｚａｒｏ他の米国特許第５５６５２６２号
【特許文献５】Ｐｒａｂｈｕ他の米国特許第５５８１８７６号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
従来のＬＴＣＣおよびＬＴＣＣ−Ｍ板はたいていの共通回路構成要素に適した優れた温度制御および熱放散を与えるが、それらは高電力抵抗などの高電力構成要素の全ての形態に対して十分な電力放散を与えないことがある。たとえば、板は板表面への一般的な高電力抵抗の印刷を可能にしない。それどころか、それらはより大きい費用および作製の複雑度の表面実装チップ電力抵抗の使用を必要とする。したがって、多層ＬＴＣＣおよびＬＴＣＣ−Ｍ板の強化された温度制御の方法および構造を提供することが望ましいであろう。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
多層セラミック回路板は金属などの高導電率材料のコアおよび外表面を有する電気絶縁セラミックの重なり層を含む。本発明によれば、高電力構成要素を受けるための回路板は、外表面の上または近くの熱拡散層および拡散層をコアに熱的に結合するためのセラミックを通る１つまたは複数の熱バイアを備える。バイアおよび拡散層は電気絶縁熱伝導性材料を含む。得られた構造は拡散層の上または近くに形成または実装される高電力構成要素のための高速熱放散を与える。
【０００７】
本発明の利点、性質および様々な追加の特徴は添付の図面とともに次に説明する例示的な実施形態を検討すればより完全にわかるであろう。
【０００８】
これらの図面は本発明の概念を説明するためのものであり、縮尺が一定ではないことを理解すべきである。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
図面を参照すると、図１は強化された温度制御を有する多層セラミック回路板デバイスを設けることに関連する工程の略ブロック図である。ブロックＡに示される第１の工程は、電気伝導性コア層、およびコア層に重なり、外表面を有する電気絶縁性セラミック層を備える未焼結多層セラミック回路板を設けることである。未焼結回路板はグリーン・テープ技術を使用して形成されたＬＴＣＣおよびＬＴＣＣ−Ｍセラミックとすることができる。ガラスから構成されるコア・グリーン・セラミック・テープに約８００℃〜９５０℃で緻密化するガラス・セラミック材料を塗布することによって形成することができる。コアはコバール、銅、またはモリブデン銅などの金属とすることができる。
【００１０】
ブロックＢに示される次の工程は、外表面からセラミック層を通ってコアまで延びる１つまたは複数の熱バイアを形成することである。バイア穴は一般にグリーン・セラミック・テープに穴を穿孔することによって形成され、穴は高熱伝導性、電気絶縁性材料を形成するためのスクリーン印刷可能インクでスクリーン印刷などによって充填される。本明細書で使用される熱伝導性材料という用語は４０ワット／ｍ°Ｋを超える熱伝導率を有する窒化アルミニウム（ＡｌＮ）などの材料を指す。インクはダイヤモンド、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、酸化ベリリウム（ＢｅＯ）または炭化シリコン（ＳｉＣ）などの熱伝導性材料の粉末、あるいはＳｉＣまたは炭素から製造された繊維／ウィスカーを含むことができる。それはまたＰｂＯおよび／またはＢｉ２Ｏ３あるいは８００℃〜９５０℃の範囲で緻密化する他の低融点酸化物などのガラスまたはガラス形成粉末を含むことができる。粉末の混合物は多層セラミックの焼成収縮と熱膨張係数（ＴＣＥ）を一致させるように選択される。有利なインク混合物は高導電率材料の３０〜７０容量パーセントおよびガラスおよび低融点酸化物の残りを含む。
【００１１】
ガラス質ガラス材料の代替として、第１に粘性流れによって緻密化し、次いで焼成サイクルで後で結晶化する結晶化材料を使用することができる。結晶セラミックは一般にガラス質セラミックよりも高い導電率を有するので、バイア・インクに結晶化ガラスを使用することは導電率をさらに高める追加の利点を有する。
【００１２】
第３の工程（ブロックＣ）は、充填された熱バイアに熱的に結合された表面に熱拡散層を形成することである。この工程は、表面に電気絶縁性高熱伝導性インクの薄層をスクリーン印刷することによって行うことができる。熱拡散層用のインクはバイアを充填するのに使用するものと同じまたは同様の材料から構成することができるが、有利にはより低い粘度を有する。
【００１３】
ブロックＤに示される次の工程は、拡散層に熱的に結合された高電力構成要素を形成または実装することである。本明細書で使用される高電力構成要素という用語は、電力抵抗または２０Ｗを超える電力放散を有する電力半導体などの構成要素を指す。たとえば、高電力抵抗を接続する必要な導電性インクを印刷した後、拡散層に重なるまたは隣接する接続層間に抵抗性インクでスクリーン印刷することができる。次いで構造を当技術分野でよく知られている技法に従って緻密化および焼成する。
【００１４】
図２は図１の方法に従って作製された例示的なデバイスの略断面図である。多層セラミック板デバイス２０は外表面２３を有する重なりセラミック層２２を支持する金属コア・サポート板２１を含む。熱拡散層２４が表面２３の上または近くに配設され、複数の充填されたバイア２５が表面２３からセラミック層２２を通って金属コア２１まで延びる。バイア２５は物理接触などによって表面２３上の熱拡散層２４に熱的に結合される。抵抗などの高電力構成要素２６が拡散層２４に熱的に結合される。高電力構成要素２６は金属リード線２７Ａ、２７Ｂ間に延びることができる。
【００１５】
図３は図２のデバイスの有利な形態の平面図である。ここで高電力抵抗２６は拡散層２４に隣接する導線２７Ａ、２７Ｂ間に延びる。
【００１６】
熱バイア組成に結晶化ガラスを使用することは、結晶セラミックは非結晶（ガラス状）セラミックよりも高い導電率を有するので、それらが得られたバイアの熱伝導率をさらに高めることができるという追加の利点を有する。バイア・インクに使用されるものと同じまたは同様の組成を使用してグリーン・テープの表面に薄層として塗布されるスクリーン印刷可能艶出しインク（バイア・インクよりも低粘度であるが同じ無機組成）を作製することができ、それによってｘ、ｙ平面内で（図１および図２に示すように）熱バイアを接続し、熱デバイスの直ぐ下の熱拡散／放散をさらに高める。
【００１７】
熱バイアに適したガラス組成はＬＴＣＣグリーン・テープを形成するために使用されるガラス材料と同じまたは同様のガラス組成であり、（コバールおよび銅−モリブデン−銅などの金属サポート基板上のＬＴＣＣ同時焼成に対する特許第５６２５８０８号および第６０１７６４２号に開示されているものなど）Ｚｎ−Ｍｇ−ホウケイ酸、Ｚｎ−Ｍｇ−Ａｌ−ホウケイ酸、Ｍｇ−Ａｌ−ホウケイ酸、Ｐｂ−Ｚｎ−Ａｌ−ケイ酸、Ｃａ−Ａｌ−ホウケイ酸およびＰｂ−Ａｌ−ケイ酸を含むことができる。ＬＴＣＣ−Ｍシステムにおいて、熱バイアの使用は、それらが熱放散をさらに助ける集積高導電率金属コアに直接接続することができるという（単独ＬＴＣＣの利点に勝る）追加の利点を有する。
【００１８】
多くの場合、電力抵抗などの電力構成要素の熱発生表面は、ヒート・シンクに電気的に接続されるその熱交換表面を有することができない。電力構成要素の場合、熱交換に使用される多数の電気伝導性バイアは抵抗を短絡するであろう。したがって、バイアの誘電性質は、堆積またはフィルム集積構成要素から導電性コア・ヒート・シンクへの熱流れに関するたいていの適用例において重要である。
【００１９】
次に本発明は以下の特定の実施例を検討することによってより明確に理解することができる。
【実施例１】
【００２０】
たとえば、熱伝導性バイアを５０容量％のダイヤモンド粉末（４〜８ミクロンの粒子サイズをもつＳＪＫ−５の名前でＧＥ  Ｍｉｃｒｏｎ  Ｐｒｏｄｕｃｔｓによって販売されているものまたはＳｉＣウィスカー、ＡｌＮ粉末、炭素繊維などの高熱伝導率をもつ別の材料など）および有機ビークルに結合され、３−ロール・ミルで混合されてスクリーン印刷可能な一様な混合物を形成する無機部分を構成する５０％ガラス粉末（Ｃｕ−Ｍｏｌｙ−Ｃｕシステム用のＫＵ−８ガラス、コバール・システム用のＨＥＧ−１２ガラス）からなるインクから形成することができる。そのようなインクを使用して金属ステンシルによってそれをスクリーン印刷することによってＬＴＣＣテープ層の穿孔されたバイア穴を充填することができる。次いでいくつかのそのようなバイア充填テープ層をスタック化し、一緒に積層して積層を形成し、それによってバイアを互いの上にスタックし、それによってスタック上から金属コアへの直接熱経路を与え、それに積層が取り付けられる。同じ無機組成であるがより低い固形分を有するインクを使用して、バイアを一緒に結合し、上表面上の熱拡散器として働く上テープ層上のパッドに印刷することができる。
【００２１】
【表１】
2006506810.tif 000002
【００２２】
ここで本発明は、電気伝導性コア層、コア層に重なり、外表面を有する電気絶縁性セラミック・テープ層を含む未焼結多層セラミック回路板を設ける工程を含む、電力構成要素用の強化された熱放散を有する多層セラミック回路板を製作する方法を含むことがわかる。外表面からセラミック層を通ってコア層まで延びる１つまたは複数の熱バイアを形成し、形成した場合、熱バイアに熱的に結合された表面上に熱拡散層を形成する。拡散層に熱的に結合された電力構成要素を形成または実装し、それによって電力構成要素からの熱が拡散層を通ってバイアに到り、次いでコア層に到る。
【００２３】
未焼結回路板はＬＴＣＣまたはＬＴＣＣ−Ｍセラミック板を含むことができる。また、コアはコバール、銅、またはモリブデンを含むことができる。熱バイアはセラミック層に穴を形成し、熱伝導性、電気絶縁性材料を形成するためのインクで穴を充填することによって形成することができる。熱拡散層は電気絶縁性、熱伝導性インクの層を表面に塗布することによって形成することができる。
【００２４】
本発明はまた、金属コア・サポート板と、金属コア・サポート板上に配設され、外表面を有するセラミック層と、セラミック層の外表面上に配設された熱拡散層とを含む低温同時焼成セラミック金属（ＬＴＣＣ−Ｍ）集積パッケージを提供する。１つまたは複数の熱伝導性のバイアは熱拡散層を金属コア・サポート板に熱的に結合している。バイアは熱拡散層の上または近くに配設された電力構成要素の温度を制御する。電力構成要素は抵抗でとすることができる。抵抗は拡散層に重なるまたは隣接する接続層間に抵抗性インクを印刷することによって形成することができる。
【００２５】
電力構成要素は抵抗または電力半導体とすることができる。コアはコバール、銅またはモリブデンを含むことができる。熱伝導性バイアは焼結印刷可能インクを含む。印刷可能インクはダイヤモンド、窒化アルミニウム、酸化ベリリウム、炭化シリコンからなるグループから選択される材料を含むことができる。セラミック層は複数のセラミック回路板であり、少なくとも１つのセラミック回路板は電気構成要素および導電性トレースを含むことができる。
【００２６】
上述の実施形態は本発明の適用例を表すことができる多くの可能な特定の実施形態のごく一部を示すものにすぎないことが理解される。当業者は本発明の趣旨および範囲から逸脱することなく多数の様々な他の構成を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】強化された温度制御を有する多層セラミック回路板デバイスを提供する方法における工程の流れ図である。
【図２】図１のプロセスによって製作された例示的なデバイスの略断面図である。
【図３】図１のデバイスの有利な形態の平面図である。
【図１】
2006506810.tif 000003
【図２】
2006506810.tif 000004
【図３】
2006506810.tif 000005
【国際調査報告】
2006506810.tif 000006