(57)【要約】【課題】亀裂発生による脆性破壊を防ぐことができ、かつ高い熱伝導特性による良好な放熱性を有するセラミック・樹脂複合基板１を得る。【解決手段】２０〜４０体積％の気孔率を有し、かつ該気孔内に樹脂が含浸された高気孔率セラミック部分２と、０．１体積％以下の気孔率を有し、かつ基板の厚み方向に連続して設けられた低気孔率セラミック部分３とを備えることを特徴としており、好ましくは、高気孔率セラミック部分が、基板の少なくとも一方の主面に露出するように形成されていることを特徴としている。【選択図】図１
2007173536.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
２０〜４０体積％の気孔率を有し、かつ該気孔内に樹脂が含浸された高気孔率セラミック部分と、０．１体積％以下の気孔率を有し、かつ基板の厚み方向に連続して設けられた低気孔率セラミック部分とを備えることを特徴とするセラミック・樹脂複合基板。
【請求項２】
前記高気孔率セラミック部分が、基板の少なくとも一方の主面に露出するように形成されていることを特徴とする請求項１に記載のセラミック・樹脂複合基板。
【請求項３】
部品が実装される位置に合わせて、前記高気孔率セラミック部分及び前記低気孔率セラミック部分がパターン化されて配置されていることを特徴とする請求項１または２に記載のセラミック・樹脂複合基板。
【請求項４】
前記部品の実装面の周辺部に位置するように、前記高気孔率セラミック部分が設けられていることを特徴とする請求項３に記載のセラミック・樹脂複合基板。
【請求項５】
前記部品の実装面の中央部に位置するように、前記低気孔率セラミック部分が設けられていることを特徴とする請求項３または４に記載のセラミック・樹脂複合基板。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電子部品等を実装するためのセラミック・樹脂複合基板に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
半導体素子などの電子部品を実装する基板としては、従来より、酸化アルミニウムや窒化アルミニウムなどのセラミック基板や、エポキシ樹脂やポリイミド樹脂などの樹脂基板が用いられている。
【０００３】
しかしながら、セラミック基板においては、熱伝導率が高く、放熱性に優れているものの、衝撃に対して脆性破壊を生じやすく、機械的強度に問題があった。また、樹脂基板においては、柔軟性があり、衝撃に対して耐久性を有するものの、熱伝導率が低く、放熱性に問題があった。
【０００４】
セラミック基板及び樹脂基板における上記の問題を解決するため、特許文献１においては、絶縁性樹脂と絶縁性セラミックとからなる電気絶縁性の複合板において、対向する主面に対してセラミックスが垂直な方向に配向して配置されたセラミック・樹脂複合板が提案されている。また、特許文献２においては、無機フィラーと熱硬化性樹脂を含む電気絶縁性樹脂混合層が、リードフレーム表面まで充填一体化された熱伝導基板において、電気絶縁性樹脂混合層の厚さ方向の任意の部分にリードフレームに接するよう高熱伝導部が形成された熱伝導基板が提案されている。
【０００５】
しかしながら、上記公報に開示された基板であっても、十分に亀裂発生による脆性破壊を防ぐことができず、また良好な放熱性を有する基板とすることができなかった。
【特許文献１】特開２００１−２３４６５号公報
【特許文献２】特開２００１−１７７００６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明の目的は、亀裂発生による脆性破壊を防ぐことができ、かつ高い熱伝導特性による良好な放熱性を有するセラミック・樹脂複合基板を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明のセラミック・樹脂複合基板は、２０〜４０体積％の気孔率を有し、かつ該気孔内に樹脂が含浸された高気孔率セラミック部分と、０．１体積％以下の気孔率を有し、かつ基板の厚み方向に連続して設けられた低気孔率セラミック部分とを備えることを特徴としている。
【０００８】
本発明のセラミック・樹脂複合基板は、２０〜４０体積％の気孔率を有し、かつ該気孔内に樹脂が含浸された高気孔率セラミック部分を有している。この高気孔率セラミック部分は、気孔内に樹脂が含浸されているので、基板に柔軟性を付与することができる。従って、耐衝撃性を高めることができ、亀裂発生による脆性破壊を防ぐことができる。また、本発明のセラミック・樹脂複合基板は、０．１体積％以下の気孔率を有し、かつ基板の厚み方向に連続して設けられる低気孔率セラミック部分を有している。低気孔率セラミック部分は、気孔率が低いので、高い熱伝導特性を有しており、また基板の厚み方向に連続して設けられているので、基板の一方主面上に実装された部品からの熱を、基板の他方主面側に効率良く放熱することができる。従って、低気孔率セラミック部分の存在により、良好な放熱性を有する。
【０００９】
本発明のセラミック・樹脂複合基板においては、高気孔率セラミック部分が、基板の少なくとも一方主面に露出するように形成されていることが好ましい。これにより、高気孔率セラミック部分が露出した主面上に電子部品等の部品を実装した際、部品による応力集中のため基板に亀裂等が発生するのをより効率良く防止することができる。
【００１０】
本発明のセラミック・樹脂複合基板においては、部品が実装される位置に合わせて、高気孔率セラミック部分及び低気孔率セラミック部分がパターン化されて配置されていることが好ましい。部品による応力集中のため基板に亀裂等が発生しやすい箇所に、本発明における高気孔率セラミック部分を設けることが好ましい。
【００１１】
一般に応力が集中して亀裂等が発生しやすい箇所は、部品の実装面の周辺部である場合が多い。従って、部品の実装面の周辺部に位置するように、高気孔率セラミック部分を設けることが好ましい。
【００１２】
また、部品から生じた熱を放熱させるためには、部品の実装面の中央部に低気孔率セラミック部分が位置するように設けられることが好ましい。
【００１３】
本発明における各セラミック部分の気孔率は、例えば、ＪＩＳ−Ｚ  ２５０５に準拠して測定することができる。
【００１４】
本発明における高気孔率セラミック部分は、２０〜４０体積％の気孔率を有している。気孔率が低くなり過ぎると、気孔内に含浸される樹脂量が相対的少なくなるため、基板に与える柔軟性が低下し、亀裂発生による脆性破壊を防ぐ効果が十分に得られなくなる。また、気孔率が高くなり過ぎると、作製時の取り扱いが困難となるとともに熱伝導特性が低下する。
【００１５】
また、本発明における低気孔率セラミック部分の気孔率は、０．１体積％以下である。低気孔率セラミック部分は、一般的なセラミックと同程度の気孔率である。低気孔率セラミック部分における気孔率の下限値は理想的には０％とすることが望ましい。
【００１６】
高気孔率セラミック部分における気孔は、樹脂を含浸させる気孔であるので、独立した気孔ではなく、外部に開放された連続した気孔であることが好ましい。
【００１７】
本発明における高気孔率セラミック部分及び低気孔率セラミックを構成するセラミックとしては、Ａｌ2Ｏ3、ＳｉＯ2、ＺｎＯ、ＺｒＯ2、ＭｇＯ、ＰｂＯ、Ｂ2Ｏ3、Ｓｉ3Ｎ4、ＢＮ、ＡｌＮ、ＳｉＣ、ＧａＮなどのセラミック材料が挙げられる。また、高気孔率セラミック部分に含浸される樹脂としては、エポキシ樹脂、ポリイミド樹脂、トリマジン樹脂、ポリバラパン酸樹脂、ポリアミドイミド樹脂、シリコン樹脂、エポキシシリコン樹脂、アクリル酸樹脂、メタクリル酸樹脂、アニリン酸樹脂、フェノール樹脂、ウレタン系樹脂、フラン系樹脂、フッ素酸樹脂などが挙げられる。
本発明において、高気孔率セラミック部分に樹脂を含浸させる方法としては、樹脂を加熱溶融させて含浸させる方法、樹脂を溶剤に溶解させて含浸させる方法、樹脂をモノマーの状態で含浸させた後重合してポリマーにする方法、樹脂を微粒子化して分散液にし、この分散液を含浸して乾燥したさせた後、樹脂の溶融温度で焼き付ける方法などが挙げられる。なお、樹脂を含有させる際には、真空下で含浸させることが好ましい。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、部品を実装させる際の亀裂発生による脆性破壊を防ぐことができ、かつ高い熱伝導特性による良好な放熱性を有するセラミック・樹脂複合基板とすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、本発明を実施例により具体的に説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。
【００２０】
図１は、本発明のセラミック・樹脂複合基板１の一方主面の上に、パワー半導体素子などの電子部品５を実装し、セラミック・樹脂複合基板１の他方面に、放熱板４を取り付けた状態を示す断面図である。図２は、セラミック・樹脂複合基板１の平面図である。
【００２１】
図１及び図２に示すように、セラミック・樹脂複合基板１には、高気孔率セラミック部分２と、低気孔率セラミック部分３が形成されている。高気孔率セラミック部分２は、２０〜４０体積％の気孔率を有し、かつ該気孔内に樹脂が含浸されている。低気孔率セラミック部分３は、０．１体積％以下の気孔率を有している。図１に示すように、低気孔率セラミック部分３は、基板の厚み方向に連続して設けられている。
【００２２】
低気孔率セラミック部分３は、高い熱伝導特性を有しているので、実装された部品５で生じた熱は、この低気孔率セラミック部分３を通り、放熱板４に伝えられて放出される。従って、本発明のセラミック・樹脂複合基板１は良好な放熱性を有している。
【００２３】
また、高気孔率セラミック部分２は、樹脂が含浸されているので、基板１に柔軟性を付与する。このため、実装基板の落下等による衝撃によって、基板１に亀裂が発生するのを防止することができる。
【００２４】
高気孔率セラミック部分２の気孔には、樹脂が含有されており、高気孔率セラミック部分２における樹脂含浸率は、その気孔率にほぼ相当する。
【００２５】
セラミック・樹脂複合基板の高気孔率セラミック部分２及び低気孔率セラミック部分３のセラミックとして、酸化アルミニウム（アルミナ）（比熱８００Ｊ／（ｋｇＫ）、熱伝導率３８Ｗ／（ｍＫ）、密度３９００（ｋｇ／ｍ3））を用い、高気孔率セラミック部分２に含浸する樹脂として、エポキシ樹脂（比熱１１００Ｊ／（ｋｇＫ）、熱伝導率０．３Ｗ／（ｍＫ）、密度１８５０（ｋｇ／ｍ3））を用い、放熱板４の材質としてアルミ合金（比熱８８０Ｊ／（ｋｇＫ）、熱伝導率９６Ｗ／（ｍＫ）、密度２７００（ｋｇ／ｍ3））を用いた場合の樹脂含浸率と、所定の条件で部品５の温度が上昇したときの部品温度及び基板に一定の撓みが発生するときの最大応力との関係を表１に示す。また、樹脂含浸率と部品温度との関係を図３に、樹脂含浸率と最大応力との関係を図４に示す。
【００２６】
【表１】
2007173536.tif 000003
【００２７】
表１及び図３に示すように、樹脂含浸率が高くなるとともに、部品に生じた熱を放熱して部品を冷却する効果が減少し、部品温度が上昇することがわかる。このシミュレーションの条件では、部品温度としては１００℃以下であることが好ましいので、樹脂含浸率としては４０重量％以下であることが好ましいことがわかる。
【００２８】
また、樹脂含浸率の上昇とともに、基板に一定の撓みが発生する際の最大応力が小さくなっており、基板の柔軟性が向上していることがわかる。樹脂含浸率としては、２０重量％から最大応力の低減が大きくなっており、応力緩和の効果が顕著になることから、樹脂含浸率は２０重量％以上が好ましいことがわかる。
【００２９】
以上のように、熱伝導性の向上及び応力緩和の観点から、樹脂含浸率としては２０体積％〜４０体積％の範囲が好ましいことがわかる。従って、高気孔率セラミック部分の気孔率としても、２０体積％〜４０体積％が好ましいことがわかる。
【００３０】
（実施例１）
〔高気孔率セラミック部分形成用スラリー〕
セラミックとして、Ａｌ2Ｏ3（粒径１〜２μｍ）９５重量％、焼成助剤として、ＣｕＯ（粒径１μｍ）２重量％、ＴｉＯ2（粒径１μｍ）２重量％、及びＡｇＯ（粒径１μｍ）１重量％を用いた。さらに、気孔形成剤として、平均粒径２０μｍのトルエンスルホニルヒドラジン（ＴＳＨ）をセラミックに対して３０体積％となる割合で混合し、これらにイソプロピルアルコールなどのアルコール類、酢酸ブチル及びシンナーなどの溶媒と、ポリビニルブチラール（ＰＶＢ）などのバインダーと、可塑剤とを添加して、高気孔率セラミック部分形成用スラリーＡを調製した。なお、気孔形成剤は、焼成によってガス化して消失することにより、セラミックの焼成体中に気孔を形成させるものである。その他の気孔形成剤としては、アゾジカーボンアミド（ＡＤＣＡ）が挙げられる。
【００３１】
気孔形成剤の添加量とセラミック部分に形成される気孔率との関係を表２に示す。
【００３２】
【表２】
2007173536.tif 000004
【００３３】
表２に示すように、本実施例では、３８体積％の気孔率で気孔が形成される。
【００３４】
〔低気孔率セラミック部分形成用スラリー〕
セラミックとして、Ａｌ2Ｏ3（粒径１〜２μｍ）９５重量％、焼成助剤として、ＣｕＯ（粒径１μｍ）２重量％、ＴｉＯ2（粒径１μｍ）２重量％、ＡｇＯ（粒径１μｍ）１重量％を用い、これらにイソプロピルアルコールなどのアルコール類、酢酸ブチル及びシンナーなどの溶媒と、ポリビニルブチラール（ＰＶＢ）などのバインダーと、可塑剤とを添加して、低気孔率セラミック部分形成用スラリーＢを調製した。
【００３５】
〔セラミック・樹脂複合基板の製造〕
図５は、本実施例のセラミック・樹脂複合基板の製造工程を示す斜視図である。
【００３６】
図５（ａ）に示すように、上記のようにして形成した高気孔率セラミック部分形成用スラリーＡを用いてドクターブレード法によりグリーンシート１０を形成する。
【００３７】
図５（ｂ）に示すように、上記のようにして形成したグリーンシート１０を複数枚重ね合わせ、基板の厚さに相当する厚さのグリーンシート積層体１１を作製する。
【００３８】
図５（ｃ）に示すように、次に、グリーンシート積層体１１に、例えば２００μｍ〜３００μｍの直径の貫通孔１０ａを形成する。この貫通孔１０ａの部分に、上記のようにして調製した低気孔率セラミック部分形成用スラリーＢを注入する。
【００３９】
次に、１０００℃でこれを焼成することにより、セラミックを焼却するとともに、高気孔率セラミック部分に含有されている気孔形成剤をガス化して消失させ、高気孔率セラミック部分に気孔を形成する。
【００４０】
以上のようにして焼成して得られた焼結体を、真空下でエポキシ樹脂中に浸漬し、エポキシ樹脂を高気孔率セラミック部分に含浸させた後、１５０℃の温度で硬化させ、本実施例のセラミック・樹脂複合基板を得る。なお、真空下の樹脂含浸により、高気孔率セラミック部分の気孔の９５％程度に樹脂が含浸される。
【００４１】
なお、エポキシ樹脂としては、２液性タイプエポキシ樹脂を用いている。このような樹脂としては、商品名「ＭＥ−２６７／ＨＶ−１０８」（日本ペルノックス社製、粘度１８０００ｍＰａ・ｓ（２５℃）、硬化温度１５０°）が挙げられる。
【００４２】
図５（ｄ）は、以上のようにして製造した本実施例のセラミック・樹脂複合基板を示している。
【００４３】
（実施例２）
〔高気孔率セラミック部分形成用スラリー〕
セラミックとして、Ａｌ2Ｏ3（粒径１〜２μｍ）９５重量％、焼成助剤として、ＣｕＯ（粒径１μｍ）２重量％、ＴｉＯ2（粒径１μｍ）２重量％、及びＡｇＯ（粒径１μｍ）１重量％を用い、これらに炭素繊維（直径１４μｍ、繊維長６００μｍ）をセラミックに対して１５体積％、ナイロン繊維（直径１９μｍ、繊維長８００μｍ）をセラミックに対して１５体積％となるように混合し、これに実施例１と同様にバインダー、溶媒、及び可塑剤を添加して高気孔率セラミック部分形成用スラリーＣを調製した。
【００４４】
炭素繊維及びナイロン繊維は、スラリーを焼成する際にガス化して消失することにより、焼成体中に気孔を形成するため添加している。なお、繊維添加量とこれによってセラミック中に形成される気孔率との関係を表３に示す。
【００４５】
【表３】
2007173536.tif 000005
【００４６】
表３から明らかなように、本実施例では、繊維を３０体積％添加しているので、３９体積％の気孔率で気孔が形成されると考えられる。
【００４７】
〔セラミック・樹脂複合基板の製造〕
上記のようにして調製した高気孔率セラミック部分形成用スラリーＣを、図６に示すような押出し成形機２２に充填し、押出し成形機２２から押出すことにより、図７に示すようなグリーンシート２３を作製した。押出し成形機２２で押出し成形することにより、スラリー２０中に含有されている炭素繊維及びナイロン繊維２１が配向し、押出された成形物を図面の垂直方向に切断することにより、図７に示すような厚み方向に炭素繊維及びナイロン繊維２１が配向したグリーンシート２３が得られる。
【００４８】
以上のようにして得られたグリーンシート２３を、図８（ａ）に示すように複数枚積層してグリーンシートの積層体２４を形成し、この積層体２４に、貫通孔２３ａを形成する。形成した貫通孔２３ａに、実施例１で用いた低気孔率セラミック部分形成用スラリーＢを注入した後、１０００℃で焼成し、低気孔率セラミック部分を形成するとともに、高気孔率セラミック部分に含有された炭素繊維及びナイロン繊維をガス化して消失させ、高気孔率セラミック部分を形成する。
【００４９】
図８（ｂ）に示すように、高気孔率セラミック部分２と低気孔率セラミック部分３が形成された焼成体を、真空下でエポキシ樹脂中に浸漬し、高気孔率セラミック部分２にエポキシ樹脂を含浸させた後、１５０℃の温度でエポキシ樹脂を硬化させ、セラミック・樹脂複合基板１を得る。
【００５０】
（実施例３）
図９は、本実施例のセラミック・樹脂複合基板を製造する工程を示す斜視図である。
【００５１】
実施例１で用いた低気孔率セラミック部分形成用スラリーＢを用いて、ドクターブレード法によりグリーンシート３０を作製し、図９（ａ）に示すように、このグリーンシート３０を複数枚重ねてグリーンシート積層体３２を作製する。
【００５２】
次に、図９（ｂ）に示すように、このグリーンシート積層体３２の上方から、レーザを照射してレーザ加工法により、直径５０μｍの貫通孔３０ａを多数形成する。貫通孔３０ａは、図９に示すように、中央部には形成せずに、周辺部に形成する。
【００５３】
貫通孔３０ａを形成した積層体３２を１０００℃で焼成し、周辺部に貫通孔３０ａから形成された気孔を有するセラミック焼結体を得る。焼結体は周辺部に貫通孔３０ａによる気孔を多数有しており、周辺部が高気孔率セラミック部分となり、中央部が低気孔率セラミック部分となる。
【００５４】
次に、得られた焼結体を真空下でエポキシ樹脂中に浸漬し、周辺部の高気孔率セラミック部分の貫通孔３０ａからなる気孔部分にエポキシ樹脂を含浸させる。エポキシ樹脂を含浸させた後、１５０℃の温度で硬化させ、図９（ｃ）に示すセラミック・樹脂複合基板を得る。
【００５５】
本実施例のセラミック・樹脂複合基板は、中央部に低気孔率セラミック部分３が形成されており、周辺部に高気孔率セラミック部分２が形成されている。
【００５６】
（実施例４）
図１０及び図１１は、本実施例のセラミック・樹脂複合基板を製造する工程を示す斜視図である。
【００５７】
実施例１において用いた低気孔率セラミック部分形成用スラリーＢを用いてドクターブレード法により、図１０（ａ）に示すようなグリーンシート４０を作製する。グリーンシート４０の上には、必要な回路パターンをスクリーン印刷等により形成する。
【００５８】
次に、部品を実装する面である最上面のグリーンシート５０については、実装する部品の実装面の周辺部すなわちコーナ部に相当する箇所をパターニングまたはＮＣ加工等の方法により除去し、孔５０ａを形成する。
【００５９】
次に、図１０（ｃ）に示すように、グリーンシート５０の孔５０ａに、実施例１で用いた高気孔率セラミック部分形成用スラリーＡを注入し、スラリー注入部５１を形成する。その後、必要な回路パターンをスクリーン印刷等の方法によりグリーンシート５０の上に形成する。
【００６０】
次に、図１１（ｄ）に示すように、スラリー注入部５１を形成したグリーンシート５０を最上面にし、それより下にはグリーンシート４０を積み重ねて積層体４１を作製する。
【００６１】
この積層体４１を１０００℃で焼成し、セラミックを焼結させるとともに、スラリー注入部５１における気孔形成剤をガス化して消失させ、スラリー注入部５１に高気孔率セラミック部分２を形成する。
【００６２】
次に、この積層体を真空下でエポキシ樹脂中に浸漬し、高気孔率セラミック部分２にエポキシ樹脂を含浸させ、含浸後１５０℃の温度で硬化させ、エポキシ樹脂を含浸した高気孔率セラミック部分２を形成する。
【００６３】
図１１（ｅ）は、以上のようにして得られた本実施例のセラミック・樹脂複合基板１を示す斜視図である。
【００６４】
以上のようにして得られたセラミック・樹脂複合基板１の上に、図１１（ｆ）に示すように、部品５の周辺部を高気孔率セラミック部分２に配置して部品５を実装する。部品５の周辺部は、部品実装の際に応力が集中しやすい部分であり、応力が集中しやすい部分に柔軟性を有する高気孔率セラミック部分２を配置しておくことにより、落下時の衝撃などによる応力集中を緩和することができ、亀裂の発生による部品及び基板の脆性破壊を防止することができる。
【００６５】
また、部品５の実装面の中央部には、低気孔率セラミック部分３が位置しており、部品５で発生した熱は、低気孔率セラミック部分３を通り、外部に効率良く放出することができる。
【００６６】
以上、本発明を実施例により説明したが、本発明は上記の実施例に限定されるものではない。
【図面の簡単な説明】
【００６７】
【図１】本発明のセラミック・樹脂複合基板の一例を示す模式的断面図。
【図２】本発明のセラミック・樹脂複合基板の一例を示す平面図。
【図３】樹脂含浸率と部品温度の関係を示す図。
【図４】樹脂含有率と最大応力との関係を示す図。
【図５】本発明に従う実施例１の製造工程を示す斜視図。
【図６】本発明に従う実施例２における押出し成形の状態を示す模式的断面図。
【図７】本発明に従う実施例２で作製したグリーンシートの状態を示す断面図。
【図８】本発明に従う実施例２のセラミック・樹脂複合基板の製造工程を示す斜視図。
【図９】本発明に従う実施例３のセラミック・樹脂複合基板の製造工程を示す斜視図。
【図１０】本発明に従う実施例４のセラミック・樹脂複合基板の製造工程を示す図。
【図１１】本発明に従う実施例４のセラミック・樹脂複合基板の製造工程を示す図。
【符号の説明】
【００６８】
１…セラミック・樹脂複合基板
２…高気孔率セラミック部分
３…低気孔率セラミック部分
４…放熱板
５…部品
１０…グリーンシート
１０ａ…貫通孔
１１…グリーンシート積層体
２０…高気孔率セラミック部分形成用スラリー
２１…炭素繊維及びナイロン繊維
２２…押し出し成形機
２３…グリーンシート
２３ａ…貫通孔
２４…グリーンシート積層体
３０…グリーンシート
３０ａ…貫通孔
３１…樹脂含浸部
３２…グリーンシート積層体
４０…グリーンシート
４１…グリーンシート積層体
５０…グリーンシート
５０ａ…孔
５１…スラリー注入部
【図１】
2007173536.tif 000006
【図２】
2007173536.tif 000007
【図３】
2007173536.tif 000008
【図４】
2007173536.tif 000009
【図５】
2007173536.tif 000010
【図６】
2007173536.tif 000011
【図７】
2007173536.tif 000012
【図８】
2007173536.tif 000013
【図９】
2007173536.tif 000014
【図１０】
2007173536.tif 000015
【図１１】
2007173536.tif 000016