JP5840945B2 - 回路基板およびこれを備える電子装置 - Google Patents

Description

本発明は、回路基板およびこの回路基板に電子部品を搭載してなる電子装置に関するものである。

半導体素子、発熱素子、ペルチェ素子等の各種電子部品の搭載に用いられる回路基板は、セラミック焼結体の少なくとも一方の主面に金属配線層を備えてなるものであり、この回路基板における金属配線層上に電極パッド等を介して電子部品を搭載してなる電子装置が各種機器において使用されている。

そして、このような回路基板には、搭載される電子部品の作動時に生じる熱によってセラミック焼結体から金属配線層が剥離しないことが求められていることから、セラミック焼結体と金属配線層との密着強度を向上させるべく金属配線層となるペースト材の構成や金属配線層の形成方法の検討がなされている。

例えば、特許文献１には、銅導体ペーストを基板上に印刷し、焼成することにより銅膜を形成する厚膜回路基板の製造方法において、セラミックス基板上にガラスフリットを含有する銅導体ペーストを印刷、乾燥した１層目の層を形成し、続いてその上にガラスフリットを含有しない銅導体ペーストを印刷、乾燥した層を少なくとも１層形成した後、焼成して厚膜の銅膜を形成することを特徴とする銅導体ペーストを用いた厚膜回路基板の製造方法が提案されている。

特開2003−243804号公報

近年の電子部品の高集積化、電子装置の小型化や薄型化によって、回路基板の体積当たりに加わる熱量が大きくなってきていることから、これまで以上に信頼性の高い回路基板とすべく、電子部品の作動によって生じる熱を素早く放熱することができるとともに、電子部品の作動と停止とを繰り返したときの冷熱サイクルによる剥離が少なくすることが求められている。

本発明は、上記要求を満たすべく案出されたものであり、長期間にわたって使用可能な信頼性の高い回路基板およびこの回路基板に電子部品を搭載してなる電子装置を提供するものである。

本発明の回路基板は、セラミック焼結体の少なくとも一方の主面に金属配線層を備えてなり、該金属配線層は、前記主面に接する第１の領域と、該第１の領域上の第２の領域とからなり、前記主面に垂直な方向の断面において、前記第２の領域の気孔の平均面積占有率が、前記第１の領域の気孔の平均面積占有率よりも小さく、かつ0.1面積％以下であり
、前記第１の領域の平均結晶粒径が9.0μｍ以上13.0μｍ以下であることを特徴とするも
のである。

また、本発明の電子装置は、上記構成の本発明の回路基板に電子部品を搭載してなることを特徴とするものである。

本発明の回路基板によれば、特に第２の領域が放熱特性に優れているため、電子部品の作動によって生じる熱を素早く放熱することができ、第１の領域は、電子部品の作動によって生じる熱が第２の領域を介して伝達されたとき、第１の領域内に存在する気孔によって熱膨張が緩和されるため、電子部品の作動と停止とを繰り返したときの冷熱サイクルによる金属配線層の剥離が少ない、信頼性の高い回路基板とすることができる。

また、本発明の電子装置によれば、上記構成の本発明の回路基板に電子部品を搭載してなることにより、長期間にわたって使用可能な信頼性の高い電子装置とすることができる。

本実施形態の回路基板を備える電子装置の一例を示す断面図である。 本実施形態の他の例の回路基板を備える電子装置を示す断面図である。

以下、本実施形態の一例について図面を参照しながら説明する。

図１は、本実施形態の回路基板を備える電子装置の一例を示す断面図である。本実施形態の回路基板10は、セラミック焼結体11の少なくとも一方主面に金属配線層12を備えてなるものであり、本実施形態の電子装置１は、回路基板10上に電子部品13を搭載してなるものである。そして、図１においては、回路基板10は、セラミック焼結体11の一方主面11ａに金属配線層12を備えている例を示し、電子装置１は、回路基板10上である、金属配線層12上に電極パッド14を介して電子部品13を搭載している例を示している。

本実施形態の回路基板10において、金属配線層12は、主面11ａに接する第１の領域12ａと、第１の領域12ａ上の第２の領域12ｂとからなり、主面11ａに垂直な方向の断面（以下の記載において、記載が明瞭となるように、断面Ａとして記す。なお、図１は断面Ａを示したものである。）において、第２の領域12ｂにおける気孔の平均面積占有率が、第１の領域12ａよりも小さく、かつ0.1面積％以下であることを特徴とする。

この金属配線層12を構成する第２の領域12ｂは、気孔の面積占有率が第１の領域12ａよりも小さく、その値が0.1面積％以下であることからわかるように、気孔が少なく緻密で
あることから、高い放熱特性を有し、電子部品13の作動によって生じる熱を素早く放熱することができる。逆に、第１の領域12ａは、気孔の面積占有率が第２の領域12ｂよりも大きいことから、電子部品13の作動によって生じる熱が第２の領域12ｂを介して伝達されたとき、第１の領域12ａ内に存在する気孔によって熱による膨張が緩和されるため、セラミック焼結体11から金属配線層12（第１の領域12ａ）が剥離するおそれを少なくすることができる。

ここで、上述した気孔の平均面積占有率は、以下の方法により算出することができる。例えば、セラミック焼結体11の主面11ａに金属配線層12を備えてなる回路基板10を、主面11ａに垂直な方向に切断し、クロスセクションポリッシャー（ＣＰ）にて研磨した断面Ａを測定面とする。次に、測定面における金属配線層12の第１の領域12ａおよび第２の領域12ｂについて、ＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）を用いて3000倍の倍率で観察し、画像解析ソフト「Ａ像くん」（登録商標、旭化成エンジニアリング（株）製）を用いて、観察領域における気孔の面積比率を求める。そして、第１の領域12ａおよび第２の領域12ｂの各５箇所における気孔の面積比率を求め、算出した各領域における気孔の面積比率の平均値を気孔の面積占有率とする。

なお、第１の領域12ａと第２の領域12ｂとの境界は、例えば、以下の方法で確認することができる。上述した断面Ａである測定面において、金属配線層12について、主面11ａと垂直な方向に等間隔で３箇所の気孔の面積占有率の測定を行ない、気孔の面積占有率に差を有する２つの測定箇所において、等間隔で３箇所の気孔の面積占有率の測定を行ない、これを繰り返し、気孔の面積占有率に差が無くなったところを境界と判断する。

また、最初の３箇所の気孔の面積占有率の測定において、差が確認できないときには、セラミック焼結体11に最も近い測定箇所と、セラミック焼結体11と第１の領域12ａとの界面の間、もしくは、第２の領域12ａの上面（露出面）に最も近い測定箇所と第２の領域12ａの上面との間において、等間隔で３箇所の測定箇所を設定して気孔の面積占有率を測定し、測定箇所の設定と測定とを繰り返し、気孔の面積占有率に差が無くなったところを境界と判断すればよい。なお、各測定箇所において、気孔の面積占有率が差を有しているというのは、比較する測定箇所における気孔の面積占有率において、0.5面積％以上の差を
有している場合をいう。

そして、セラミック焼結体11と第１の領域12ａとの界面からこの境界までの距離が、第１の領域12ａの厚みであり、第２の領域12ｂの厚みは、境界から第２の領域12ｂの上面までの距離または金属配線層12の厚みから第１の領域12ａの厚みを差し引いたものである。

次に、本実施形態の回路基板10において、第２の領域12ｂの厚みは、主面11ａ上における金属配線層12の厚みの70％以上90％以下であることが好ましい。これにより、特に第２の領域12ｂにおいて電子部品13の作動によって生じる熱を素早く放熱することができるとともに、第１の領域12ａに伝達される熱量を小さくすることができる。そして、第１の領域12ａは、第１の領域12ａ内に存在する気孔によって熱による膨張を緩和することができることから、セラミック焼結体11から金属配線層12が剥離するおそれを少なくすることができる。そのため、優れた放熱特性を有し、セラミック焼結体11から剥離することの少ない金属配線層12を備えている回路基板10は、信頼性のより高いものとなる。

また、断面Ａにおける第１の領域12ａの気孔の平均面積占有率は、3.0面積％以上5.0面積％以下であることが好ましい。断面Ａにおける第１の領域12ａの気孔の平均面積占有率が3.0面積％以上5.0面積％以下であるときには、セラミック焼結体11の主面11ａ上に良好に密着することができるとともに、電子部品13の作動によって生じる熱による膨張を効果的に緩和することができるため、セラミック焼結体11から金属配線層12（第１の領域12ａ）が剥離するおそれをさらに少なくすることができる。

また、断面Ａにおける第１の領域12ａの平均結晶粒径は、9.0μｍ以上13.0μｍ以下で
あることが好ましい。第１の領域12ａの平均結晶粒径が9.0μｍ以上13.0μｍ以下である
ときには、第１の領域12ａの平均結晶粒径が9.0μｍ未満であるときよりも、第１の領域12ａと第２の領域12ｂとの界面の凹凸を少なくすることができることから、電子部品13の
搭載面に影響する金属配線層12の表面、すなわち第２の領域12ｂの表面の算術平均粗さ（Ｒａ）の値を小さくすることができる。それにより、電子部品13を搭載しやすくなり、電子部品13から金属配線層12への熱伝達をスムーズに行なうことができ、優れた放熱特性を発揮することができる。また、第１の領域12ａにおける平均結晶粒径が13.0μｍを超えるときよりも、セラミック焼結体11と良好に密着することができることから、断面Ａにおける第１の領域12ａの平均結晶粒径は、9.0μｍ以上13.0μｍ以下であることが好ましい。

なお、断面Ａにおける第１の領域12ａの平均結晶粒径は、断面Ａである測定面における第１の領域12ａについて、ＳＥＭを用いて3000倍の倍率で観察し、画像解析ソフト「Ａ像くん」（登録商標、旭化成エンジニアリング（株）製）を用いて結晶粒径を求め、これを
５箇所において行ない、平均値を算出して求めればよい。

次に、本実施形態の回路基板10を構成する金属配線層12は、第１の領域12ａおよび第２の領域12ｂが同じ金属で構成されても良いが、異なる金属で構成されてもよい。金属としては、例えば、銅、銀またはアルミニウムが好ましく、特に銅からなるときには、銅は熱伝導性が高いため放熱特性を高めることができる。また、銅を主成分とし、ジルコニウム、チタン、モリブデン，スズまたは亜鉛のうち少なくとも１種を副成分として含有してもよい。なお、ここで主成分とは、第１の領域12ａであれば、第１の領域12ａを構成する全成分100質量％のうち、50質量％を超える成分のことをいう。

また、第１の領域12ａはガラス成分を含有していることが好ましい。これにより、セラミック焼結体11との密着強度を高めることができる。そして、第２の領域12ｂには、ガラス成分を含んでいないことが好ましい。第２の領域12ｂに、ガラス成分を含んでいないことにより、電気抵抗が高くなるおそれがないことから、優れた放熱特性を十分に発揮することができる。

また、第２の領域12ｂの熱膨張係数が、第１の領域12ａの熱膨張係数よりも大きいことが好ましい。第２の領域12ｂの熱膨張係数が、第１の領域12ａの熱膨張係数よりも大きいときには、電子部品13の作動時に生じる熱を、電子部品13に近い第２の領域12ｂで素早く放熱することができ、第１の領域12ａ、セラミック焼結体11へ伝達される熱量を少なくすることができる。そして、第１の領域12ａの熱膨張係数は、第２の領域12ｂの熱膨張係数よりも小さいことから、金属よりも熱膨張係数の小さいセラミック焼結体11の熱膨張係数との差が小さくなるため、電子部品13の作動時に生じる熱が第２の領域12ｂを介して伝達されたとき、第１の領域12ａとセラミック焼結体11との間において、この伝達された熱による膨張に起因する剥離が少なくなる。

第２の領域12ｂの熱膨張係数が、第１の領域12ａの熱膨張係数よりも大きい例としては、第１の領域12ａの主成分が銅であるとき、第２の領域12ｂの主成分を銅よりも熱膨張係数の大きい金属とすればよく、このような金属として銀が挙げられる。

図２は、本実施形態の他の例の回路基板を備える電子装置を示す断面図である。図２に示す例の回路基板10は、セラミック焼結体11が主面11aに垂直な方向に貫通する貫通孔11
ｂを有し、貫通孔11ｂ内に金属からなる貫通導体15を備え、断面Ａにおける貫通導体15の気孔の平均面積占有率が、第２の領域12ｂの気孔の平均面積占有率よりも大きいとともに、貫通導体15が第１の領域12ａに覆われて接続されてなるものである。なお、他の構成は、図１と同じである。また、電子部品13の搭載される側であるセラミック焼結体11の主面11ａ側の貫通孔11ｂの開口面積よりも、他方主面側の貫通孔11ｂの開口面積を大きくし、貫通孔11ｂ内に金属からなる貫通導体15を備えた方が放熱特性を高めることができるため、図２に示す例のように、貫通孔11ｂ（貫通導体15）の断面形状としては、他方主面側に広がっている形状であることが好ましい。

図２に示す回路基板10において、貫通導体15の気孔の面積占有率が第２の領域12ｂの気孔の平均面積占有率よりも大きいことにより、電子部品13の作動によって生じる熱が第２に領域12ｂ、第１の領域12ａを介して貫通導体15に伝達されたとき、貫通導体15内に存在する気孔によって膨張が緩和されるため、貫通孔11ｂの表面からから貫通導体15が剥離するおそれを少なくすることができる。

また、セラミック焼結体11が主面11aに垂直な方向に貫通する貫通孔11ｂを有し、貫通
孔11ｂ内に金属からなる上記構成の貫通導体15を備えていることにより、放熱特性にさらに優れた回路基板10とすることができる。

また、本実施形態の回路基板10を構成するセラミック焼結体11は、酸化アルミニウム質焼結体、酸化ジルコニウム質焼結体、酸化アルミニウムと酸化ジルコニウムの複合焼結体、窒化珪素質焼結体、窒化アルミニウム質焼結体またはムライト質焼結体を用いることができる。なお、加工性が比較的容易でありながら機械的強度に優れている点で、セラミック焼結体11は、酸化アルミニウム質焼結体からなることが好ましい。

また、回路基板10上に搭載される電子部品13としては、例えば、絶縁ゲート・バイポーラ・トランジスタ（ＩＧＢＴ）素子、インテリジェント・パワー・モジュール（ＩＰＭ）素子、金属酸化膜型電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）素子、発光ダイオード（ＬＥＤ）素子、フリーホイーリングダイオード（ＦＷＤ）素子、ジャイアント・トランジスタ（ＧＴＲ）素子、ショットキー・バリア・ダイオード（ＳＢＤ）等の半導体素子、昇華型サーマルプリンタヘッドまたはサーマルインクジェットプリンタヘッド用の発熱素子、ペルチェ素子等を用いることができる。

以下、本実施形態の回路基板10の製造方法の一例について説明する。

まず、酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）の粉末と、焼結助剤である酸化珪素（ＳｉＯ_２）、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）、酸化カルシウム（ＣａＯ）等の粉末とを用いて公知の方法により酸化アルミニウム質焼結体を作製する。

次に、金属配線層12の第１の領域12ａを形成する金属ペーストの一例について説明する。まず、銅、銀またはアルミニウムを主成分とする金属粉末と、ガラス粉末と、有機ビヒクルとを準備する。また、必要に応じて金属ペーストには、金属酸化物粉末を加えてもよい。

具体的には、平均粒径が1.0μｍ以上6.0μｍ以下である金属粉末を準備する。また、第１の領域12ａの平均結晶粒径を9.0μｍ以上13.0μｍ以下とするには、金属粉末の平均粒
径を3.0μｍ以上5.0μｍ以下とすればよい。

次に、ガラス粉末としては、例えば、ＳｉＯ_２系、ＺｎＯ系、Ｒ_２Ｏ−ＳｉＯ_２系（Ｒ：アルカリ金属元素）、Ｒ_２Ｏ−ＺｎＯ−ＳｉＯ_２系、ＳｉＯ_２−Ｂ_２Ｏ_３系、ＳｉＯ_２−ＺｎＯ−Ｂ_２Ｏ_３系、Ｒ_２Ｏ−ＳｉＯ_２−Ｂ_２Ｏ_３系、Ｒ_２Ｏ−ＺｎＯ−ＳｉＯ_２−Ｂ_２Ｏ_３系、ＳｉＯ_２−Ｂ_２Ｏ_３−Ｂｉ_２Ｏ_３系、ＳｉＯ_２−ＺｎＯ−Ｂ_２Ｏ_３−Ｂｉ_２Ｏ_３系、Ｒ_２Ｏ−ＳｉＯ_２−Ｂ_２Ｏ_３−Ｂｉ_２Ｏ_３系、Ｒ_２Ｏ−ＳｉＯ_２−ＺｎＯ−Ｂ_２Ｏ_３−Ｂｉ_２Ｏ_３系などが挙げられる。特に、Ｂｉ_２Ｏ_３を含有するガラス粉末を用いることが好ましい。これは、Ｂｉ_２Ｏ_３を含有するガラス粉末を用いたときには、セラミック焼結体11に対する第１の金属ペーストの濡れ性が良好となり、セラミック焼結体11と第１の領域12ａとの密着強度を高められるからである。

また、有機ビヒクルは、有機バインダを有機溶剤に溶解したものであり、例えば、有機バインダと有機溶剤との比率は、有機バインダ１に対し、有機溶剤が２〜６である。そして、有機バインダとしては、例えば、ポリブチルメタクリレート、ポリメチルメタクリレート等のアクリル類、ニトロセルロース、エチルセルロース、酢酸セルロース、ブチルセルロース等のセルロース類、ポリオキシメチレン等のポリエーテル類、ポリブタジエン、ポリイソプレン等のポリビニル類から選択される１種もしくは２種以上を混合して用いることができる。

また、有機溶剤としては、例えば、カルビトール、カルビトールアセテート、テルピネオール、メタクレゾール、ジメチルイミダゾール、ジメチルイミダゾリジノン、ジメチル
ホルムアミド、ジアセトンアルコール、トリエチレングリコール、パラキシレン、乳酸エチル、イソホロンから選択される１種もしくは２種以上を混合して用いることができる。

そして、第１の領域12ａを形成する金属ペーストにおける金属粉末、ガラス粉末、有機ビヒクルの配合比としては、第１の領域12ａを形成する金属ペーストを100質量％とした
とき、金属粉末を77.0質量％以上87.0質量％以下、ガラス粉末を0.5質量％以上５質量％
以下、有機ビヒクルを10質量％以上20質量％以下の範囲とする。

また、セラミック焼結体11が酸化アルミニウム質焼結体であり、第１の領域12ａを形成する金属ペーストに金属酸化物を含有させるときには、金属酸化物が酸化銅（ＣｕＯまたはＣｕ_２Ｏ）であることが好ましい。第１の領域12ａを形成する金属ペーストに含有させる金属酸化物が酸化銅であるときには、アルミン酸銅（ＣｕＡｌ_２Ｏ_４またはＣｕＡｌＯ_２）が生成されやすくなり、セラミック焼結体11と第１の領域12ａとの密着強度を高くすることができる。

また、第１の領域12ａを形成する金属ペーストに含有させる金属酸化物が酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）であれば、第１の領域12ａの熱膨張係数を酸化アルミニウム質焼結体の熱膨張係数に近づけることができ、セラミック焼結体11と第１の領域12ａとの熱膨張係数の差によって、セラミック焼結体11と第１の領域12ａとが剥離するおそれを少なくすることができる。

次に、上述した金属ペーストを用いた第１の領域12ａの形成方法について説明する。まず、公知のスクリーン印刷法により金属ペーストをセラミック焼結体11の主面11ａに印刷し、乾燥させた後に非酸化雰囲気で焼成することにより、第１の領域12ａを形成する。

具体的には、金属ペーストの乾燥を80℃以上150℃以下の温度で行ない、焼成について
は、金属粉末が銅であるときには、850℃以上1050℃以下の最高温度で0.5時間以上３時間以下保持して焼成する。なお、金属粉末がアルミニウムであるときには、500℃以上600℃以下の最高温度で0.5時間以上３時間以下保持して焼成すればよい。また、金属粉末が銀
であるときには、800℃以上1000℃以下の最高温度で0.5時間以上３時間以下保持して焼成すればよい。なお、上述した焼成条件である、焼成温度および焼成時間を調整することによって、第１の領域12ａの気孔の平均面積占有率を調整することができる。

また、金属ペーストは、第１の領域12ａを所望の厚みとするために、複数層で構成してもよいことは言うまでもないが、印刷、乾燥を繰り返してから焼成するよりも、印刷、乾燥するたびに焼成することが好ましい。このように、印刷、乾燥するたびに焼成すれば、金属ペースト中に含まれる有機ビヒクルを十分に蒸発させて取り除くことができるので、形成された第１の領域12ａに膨れが生じることは少なく、有機物の残存によって放熱特性が低下するおそれを少なくすることができる。

次に、金属配線層12の第２の領域12ｂを形成する方法の一例について説明する。第２の領域12ｂの形成方法には、めっき法を用いることが好ましい。めっき法としては公知の方法でよいが、例えば、第２の領域12ｂの主成分となる金属を含有した無電解めっき液を浴槽に入れて、所望の浴槽温度に調整し、セラミック焼結体11に第１の領域12ａまでを形成した複合体を浸漬することにより、セラミック焼結体11の主面11ａに、セラミック焼結体11の主面11ａに接する第１の領域12ａと、第１の領域12ａ上の第２の領域12ｂとからなる金属配線層12を備える回路基板10を得ることができる。なお、第２の領域12ｂの厚みは浸漬時間で調整すればよい。

なお、めっき法によって、形成された第２の領域12ｂの気孔の面積占有率は0.1面積％
以下であり、結晶粒径は、４万倍程度のＳＥＭの確認では、粒界が確認できない程の大きさであり、具体的な結晶粒径は20〜100ｎｍである。このように、第２の領域12ｂをめっ
き法で形成することにより、気孔が少なく緻密な第２の領域12ｂとすることができることから、高い放熱特性を有し、電子部品13の作動によって生じる熱を素早く放熱することができる。

また、金属配線層12の表面に部分的もしくは全面に金めっき、銀めっきまたはニッケル−金めっきなどのめっき処理を施してもよい。このようにめっき処理を行なうことによって、電極パッド14やボンディングワイヤなどの密着処理がしやすくなり、金属配線層12が酸化腐蝕するのを抑制することができる。

また、金属配線層12の形成において、セラミック焼結体11の主面11ａの例えば全面に第１の領域12ａと第２の領域12ｂとを有する金属配線層12を形成してから、金属配線層12の必要領域にレジスト膜を形成し、塩化第二鉄、塩化第二銅またはアルカリからなるエッチング液等を用いてエッチングし、その後、水酸化ナトリウム水溶液等を用いてレジスト膜を除去することで、必要領域に金属配線層12を形成してもよい。

また、金属配線層12の厚みは20μｍ以上80μｍ以下であることが好ましい。金属配線層12の厚みが20μｍ以上80μｍ以下であるときには、電子部品13の作動による熱を放熱することができるとともに、セラミック焼結体11との高い密着強度が得られ、エッチングによる金属配線層12の形成において、金属配線層12の間隔を狭くすることができ、狭ピッチ化および細線化を図ることができる。さらに、金属配線層12においては、第１の領域12ａの厚みが10％以上30％以下であり、第２の領域12ｂの厚みが70％以上90％以下であることが好ましい。

次に、セラミック焼結体11が貫通孔11ｂを有し、貫通孔11ｂ内に金属からなる貫通導体15を備える方法について説明する。なお、断面Ａにおける貫通導体15の気孔の平均面積占有率は、第２の領域12ｂの気孔の平均面積占有率よりも大きいものである。

まず、貫通孔11ｂを有するセラミック焼結体11を準備する。貫通孔11ｂは、セラミック焼結体11の形成において、公知の金型を用いて成形したり、成形後や焼成後にレーザーなどによって加工すればよい。

そして、貫通導体15を形成する金属ペーストとしては、第１の領域12ａを形成する金属ペーストを用いることが好ましい。これは、公知のスクリーン印刷法によって、また、同じ焼成条件によって、貫通導体15と第１の領域12ａとを形成することができるからである。

また、貫通導体15をスクリーン印刷法によって形成すれば、めっき法で形成したときよりも貫通孔11ｂに相当する位置の貫通導体15（同時形成の場合は、第１の領域12ａ）の表面の凹凸が小さく、この上に形成される第２の領域12ｂの表面の算術平均粗さ（Ｒａ）を小さくすることができるため、電子部品13を搭載しやすくなり、電子部品13から金属配線層12への熱伝達をスムーズに行なうことができ、優れた放熱特性を発揮することができる。また、貫通導体15をスクリーン印刷法によって形成すれば、めっき法で形成したときよりも熱膨張が緩和されることから、冷熱サイクルによって貫通孔11ｂの表面から貫通導体15が剥離するおそれを少なくすることができる。

そして、上述した製造方法により得られた本実施形態の回路基板10は、金属配線層12が電子部品13の作動によって生じる熱を素早く放熱可能な優れた放熱特性を有しているとともに、電子部品13の作動と停止とを繰り返したときの冷熱サイクルによる金属配線層12の
剥離が少ないことから、長期間にわたって使用可能な信頼性の高い回路基板10とすることができる。

また、本実施形態の回路基板10の製造方法は上述した製造方法に限るものではない。なお、回路基板10は、分割溝が形成されたセラミック焼結体を用いて、上述した方法で金属配線層12を形成した後分割すれば、本実施形態の回路基板10を効率よく作製可能である。

そして、金属配線層12上に、例えば電極パッド14を介して電子部品13を搭載することにより、本実施形態の電子装置１とすることができる。この本実施形態の電子装置１は、上述したように長期間にわたって使用可能な信頼性の高い本実施形態の回路基板10に電子部品13を搭載してなることから、本実施形態の電子装置１についても、長期間にわたって使用可能な信頼性の高いものとなる。

以下、本発明の実施例を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。

第１の領域12ａおよび第２の領域12ｂの気孔の平均面積占有率と金属配線層における厚みの割合とを異ならせた試料を作製し、熱伝導率の測定およびヒートサイクル試験を行なった。

まず、酸化珪素および酸化マグネシウムを焼結助剤とし、酸化アルミニウムの含有量が96質量％の酸化アルミニウム質焼結体を作製した。なお、セラミック焼結体には、試料を多数個取りできるように、溝加工を施した。

次に、試料Ｎｏ．１〜６の第１の領域12ａを形成する金属ペーストは、銅からなる金属粉末（平均粒径が2.8μｍ）を82質量％と、平均粒径が2.5μｍであり、軟化点が550℃の
Ｂｉ_２Ｏ_３−ＳｉＯ_２−Ｂ_２Ｏ_３系ガラス粉末を３質量％と、有機ビヒクル（有機バインダであるアクリル樹脂：有機溶剤であるテルピネオール＝１：４）を15質量％とを調合して作製した。

そして、得られた金属ペーストを用いてスクリーン印刷法によりセラミック焼結体の一方主面に印刷を行なった。なお、金属配線層12の厚みを70μｍとし、第１の領域12ａは、表１に示す厚みの割合となるように印刷回数を調整し、印刷する毎に乾燥および焼成を行なった。また、乾燥は100℃にて行ない、その後、酸素濃度を５ｐｐｍに調整した窒素雰
囲気において、870℃の最高温度で0.8時間保持することにより焼成して、試料Ｎｏ．１の回路基板を得た。

そして、試料Ｎｏ．１については、以下の金属ペーストを用いて第２の領域12ｂを形成した。銅からなる金属粉末（平均粒径が2.8μｍ：平均粒径が0.4μｍ＝７：３の質量比率で混合）を82質量％と、平均粒径が2.5μｍであり、軟化点が550℃のＢｉ_２Ｏ_３−ＳｉＯ_２−Ｂ_２Ｏ_３系ガラス粉末を３質量％と、有機ビヒクル（有機バインダであるアクリル樹脂：有機溶剤であるテルピネオール＝１：４）を15質量％とを調合して金属ペーストを作製した。そして、得られた金属ペーストを用いてスクリーン印刷法により、第１の領域12ａ上に印刷を行なった。なお、第２の領域12ｂの厚みが表１に示す厚みの割合となるように、印刷、乾燥および焼成を繰り返した。

次に、試料Ｎｏ．２〜６については、第２の領域12ｂの主成分となる金属を含有した無電解銅めっき液の入った浴槽に、セラミック焼結体上に第１の領域12ａを形成した複合体を浸漬して第２の領域12ｂを形成し、試料Ｎｏ．２〜６の回路基板を得た。なお、第２の
領域12ｂの厚みは、浸漬時間によって調整した。

そして、第１の領域12ａと第２の領域12ｂとの境界を確認した。まず、セラミック焼結体の主面に金属配線層12を備えてなる回路基板を、主面11ａに垂直な方向に切断し、クロスセクションポリッシャーを用いて研磨した断面Ａを測定面とした。次に、この断面Ａである測定面において、金属配線層12について、主面11ａと垂直な方向に等間隔で３箇所の気孔の面積占有率の測定を行ない、気孔の面積占有率に差を有する２つの測定箇所において、等間隔で３箇所の気孔の面積占有率の測定を行ない、これを繰り返し、気孔の面積占有率に差が無くなったところを境界と判断した。そして、セラミック焼結体11と金属配線層12との界面からこの境界までの距離が、第１の領域12ａの厚みであり、第２の領域12ｂの厚みは、金属配線層12の厚みから第１の領域12ａの厚みを差し引いて求め、厚みの割合を求め、表１に示した。

また、気孔の平均面積占有率は、断面Ａである測定面おける金属配線層12の第１の領域12ａおよび第２の領域12ｂについて、ＳＥＭを用いて3000倍の倍率で観察し、画像解析ソフト「Ａ像くん」（登録商標、旭化成エンジニアリング（株）製）を用いて観察領域における気孔の面積比率を求めた。そして、第１の領域12ａおよび第２の領域12ｂの各５箇所における気孔の面積比率を求め、算出した各領域における気孔の面積比率の平均値を気孔の面積占有率として表１に示した。

次に、熱伝導率を測定した。まず、各試料からセラミック焼結体11と金属配線層12とが密着された直径が10ｍｍの試験片を切り出し、アルキメデス法で密度を求めた後、ＪＩＳ
Ｒ1611−2100に準拠したレーザーフラッシュ法によって測定して求めた。結果を表１に示す。

また、冷熱衝撃試験装置を用いて各試料の環境温度を、室温から−45℃に降温して15分保持してから、昇温して125℃で15分保持した後、室温まで降温するというサイクルを１
サイクルとしたヒートサイクル試験を行なった。なお、各試料20個試験し、2000サイクル、以降は50サイクル毎に各試料につき１つずつ取出し、セラミック焼結体11と金属配線層12との界面について、ＳＥＭを用いて1000倍の倍率で観察を行ない、剥離が確認されたときのサイクル回数を表１に示した。

表１に示すように、主面11ａに垂直な方向の断面における気孔の平均面積占有率は、第１の領域12ａよりも第２の領域12ｂの方が小さいものの、第２の領域12ｂの気孔の平均面積占有率が0.1面積％を超える試料Ｎｏ．１は、熱伝導率が100Ｗ／ｍ・Ｋであり、サイクル回数が2000回と低かった。これに対し、主面11ａに垂直な方向の断面における気孔の平均面積占有率は、第１の領域12ａよりも第２の領域12ｂの方が小さく、第２の領域12ｂの
気孔の平均面積占有率が0.1面積％以下である試料Ｎｏ．２〜６は、熱伝導率が試料Ｎｏ
．１よりも高く、サイクル回数が多くなっており、放熱特性が高く、信頼性が高い回路基板であることがわかった。

さらに、第２の領域12ｂの厚みが金属配線層の厚みの70％以上90％以下である試料Ｎｏ．３〜５は、熱伝導率が110Ｗ／ｍ・Ｋ以上であり、サイクル回数が2450回以上であり、
放熱特性がより高く、信頼性がより高い回路基板であることがわかった。

次に、第１の領域12ａの気孔の平均面積占有率を異ならせた試料を作製し、熱伝導率の測定およびヒートサイクル試験を行なった。

なお、第１の領域12ａの気孔の平均面積占有率を異ならせる方法は、実施例１で第１の領域12ａの形成に用いた同じ金属ペーストを印刷して焼成する際に、焼成温度および焼成時間を調整することによって行なった。そして、第２の領域12ｂについては、実施例１と同様にめっき法によって形成し、試料Ｎｏ．７〜11の回路基板を得た。なお、金属配線層12における厚みの比率は、第１の領域12ａが20％であり、第２の領域12ｂが80％であり、試料Ｎｏ．11は、実施例１の試料Ｎｏ．４と同じものである。

そして、実施例１と同様の方法により、境界を確認し、厚みの割合を求めた。また、実施例１と同様の方法により、気孔の平均面積占有率を測定した。さらに、実施例１と同様の方法により、熱伝導率の測定およびヒートサイクル試験を行なった。結果を表２に示す。

表２に示すように、試料Ｎｏ．８〜10は、試料Ｎｏ．７，11よりもヒートサイクル試験の結果が上回っており、第１の領域12ａの気孔の平均面積占有率が3.0面積％以上5.0面積％以下であることによって、長期間にわたって使用可能な信頼性の高い回路基板10とできることがわかった。

次に、金属配線層12における厚みの割合と、第１の領域12ａおよび第２の領域12ｂの気孔の平均面積占有率を同じとし、第１の領域12ａの平均結晶粒径を異ならせた試料を作製し、熱伝導率および金属配線層12の表面の算術平均粗さＲａの測定ならびにヒートサイクル試験を行なった。

なお、第１の領域12ａの平均結晶粒径は、金属ペーストに用いる金属粉末の大きさを調整することにより行なった。それ以外は、実施例２と同様の方法によって、試料Ｎｏ．12〜16の回路基板を得た。なお、試料Ｎｏ．12は、実施例２の試料Ｎｏ．９と同じものであ
る。

そして、実施例１と同様の方法により、境界を確認し、厚みの割合を求めた。また、実施例１と同様の方法により、気孔の平均面積占有率を測定した。また、平均結晶粒径については、断面Ａである測定面おける金属配線層12の第１の領域12ａについて、ＳＥＭを用いて3000倍の倍率で観察し、実施例１と同様の画像解析ソフトを用いて結晶粒径を求め、これを５箇所において行ない、平均値を算出して求めた。

また、接触式の表面粗さ計を用いて、金属配線層12の表面における算術平均粗さＲａを、ＪＩＳ Ｂ0601−2001に基づいて測定し、結果を表３に示した。

さらに、実施例１と同様の方法により、熱伝導率の測定およびヒートサイクル試験を行なった。結果を表３に示す。

表３に示すように、試料Ｎｏ．13〜15は、試料Ｎｏ．12，16よりも、ヒートサイクル試験の結果が上回っており、第１の領域12ａの平均結晶粒径が9.0μｍ以上13.0μｍ以下で
あることによって、長期間にわたって使用可能な信頼性の高い回路基板10とできることがわかった。また、試料Ｎｏ．13〜15は、金属配線層12の表面における算術平均粗さＲａが小さいので、電子部品13を搭載しやすくなり、電子部品13から金属配線層12への熱伝達をスムーズに行なうことができ、優れた放熱特性を発揮できることがわかった。

次に、金属配線層12における厚みの割合と、第１の領域12ａおよび第２の領域12ｂの気孔の平均面積占有率を同じとし、第１の領域12ａの主成分と第２の領域12ｂの主成分を異ならせた試料を作製し、熱伝導率の測定およびヒートサイクル試験を行なった。

第１の領域12ａおよび第２の領域12ｂの主成分には、銅または銀を用いた。なお、試料Ｎｏ．17は試料Ｎｏ．９と同じ方法で作製したものであり、第１の領域12ａの形成する金属ペーストの作製に用いた銅からなる金属粉末を銀としたり、第２の領域12ｂを形成する無電解めっき液の成分を銅から銀にしたりすること以外は、同じ方法により作製した。

そして、実施例１と同様の方法により、熱伝導率の測定およびヒートサイクル試験を行なった。結果を表４に示す。

表４に示すように、第１の領域12ａの主成分が銅であり、第２の領域12ｂの主成分が銀である試料Ｎｏ．18は、試料Ｎｏ．17，19よりもヒートサイクル試験の結果が上回っており、第２の領域12ｂの熱膨張係数が第１の領域12ａの熱膨張係数よりも大きいことによって、長期間にわたって使用可能な信頼性の高い回路基板10とできることがわかった。

次に、金属配線層12の構成は同じとし、セラミック焼結体11における貫通孔11ｂの有無と、貫通孔11ｂ内に備える貫通導体15の構成を異ならせた試料を作製し、貫通孔15の直上の金属配線層12の表面の算術平均粗さＲａの測定およびヒートサイクル試験を行なった。

なお、試料Ｎｏ．20は、実施例２の試料Ｎｏ．９と同じものであり、試料Ｎｏ，21，22については、図２に示すような形状の最大径が150μｍ、最小径が120μｍとなるように貫通孔11ｂを有するものを用いた。

また、貫通導体15の形成方法としては、試料Ｎｏ．21はめっき法で形成し、金属配線層12の形成方法は、試料Ｎｏ．20と同じとした。また、試料Ｎｏ．22は試料Ｎｏ．９の第１の領域12ａの形成に用いた金属ペーストを用いてスクリーン印刷法によって加圧印刷し、貫通導体15および第１の領域12ａを形成し、その後めっき法により第２の領域12ｂを形成した。

そして、貫通孔15の直上の金属配線層12の表面の算術平均粗さＲａの測定を実施例３と同様の方法で行なった。また、ヒートサイクル試験については実施例１と同様の方法で行なったが、剥離の確認については、セラミック焼結体11と金属配線層12との界面だけでなく、貫通孔11ｂと貫通導体15の界面についても、ＳＥＭを用いて1000倍の倍率で観察を行ない、剥離が確認されたときのサイクル回数を表５に示した。結果を表５に示す。

表５に示すように、試料Ｎｏ．20，21は、貫通導体15を有していることにより、試料Ｎｏ．20よりも、ヒートサイクル試験の結果が上回っていた。また、試料Ｎｏ．22は、試料Ｎｏ．21よりもヒートサイクル試験の結果が上回っており、貫通導体15の気孔の平均面積占有率が、第２の領域12ａの気孔の平均面積占有率よりも大きいことによって、さらに長期間にわたって使用可能な信頼性の高い回路基板10とできることがわかった。

１：電子装置
10：回路基板
11：セラミック焼結体
11ａ：主面
11ｂ：貫通孔
12：金属配線層
12ａ：第１の領域
12ｂ：第２の領域
13：電子部品
14：電極パッド
15：貫通導体

Claims (6)

1. セラミック焼結体の少なくとも一方の主面に金属配線層を備えてなり、該金属配線層は、前記主面に接する第１の領域と、該第１の領域上の第２の領域とからなり、前記主面に垂直な方向の断面において、前記第２の領域の気孔の平均面積占有率が、前記第１の領域の気孔の平均面積占有率よりも小さく、かつ０．１面積％以下であり、前記第１の領域の平均結晶粒径が９．０μｍ以上１３．０μｍ以下であることを特徴とする回路基板。
2. 前記セラミック焼結体が前記主面に垂直な方向に貫通する貫通孔を有し、該貫通孔内に金属からなる貫通導体を備え、前記断面における前記貫通導体の気孔の平均面積占有率が、前記第２の領域の気孔の平均面積占有率よりも大きいとともに、前記貫通導体が前記第１の領域に覆われて接続されてなることを特徴とする請求項１に記載の回路基板。
3. 前記第２の領域の厚みが、前記金属配線層の厚みの７０％以上９０％以下であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の回路基板。
4. 前記断面における前記第１の領域の気孔の平均面積占有率が３．０面積％以上５．０面積％以下であることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の回路基板。
5. 前記第２の領域の熱膨張係数が、前記第１の領域の熱膨張係数よりも大きいことを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の回路基板。
6. 請求項１乃至請求項５のいずれかに記載の回路基板に電子部品を搭載してなることを特徴とする電子装置。