電路基板以及具備該電路基板的電子裝置制造方法
電路基板以及具備該電路基板的電子裝置制造方法
【專利摘要】本發明提供一種接合強度高、散熱特性優異、且通過縮小在貫通導體上形成的金屬配線層的凹陷而能夠長期使用的可靠性高的電路基板以及在該電路基板上搭載電子部件而形成的電子裝置。電路基板(10)在貫通于陶瓷燒結體(11)的厚度方向的貫通孔(12)中具備由金屬構成的貫通導體(13)，并且具備將陶瓷燒結體(11)的至少一個主面側的貫通導體(13)的表面覆蓋而連接的金屬配線層(14)，貫通導體(13)具有在貫通孔(12)的內壁側沿著陶瓷燒結體(11)的厚度方向從貫通孔(12)的一端至另一端配置的第一區域(13a)以及與第一區域(13a)鄰接的第二區域(13b)，第二區域(13b)的平均結晶粒徑大于第一區域(13a)的平均結晶粒徑。
【專利說明】電路基板以及具備該電路基板的電子裝置
【技術領域】
[0001 ] 本發明涉及一種電路基板以及在該電路基板上搭載電子部件而形成的電子裝置。【背景技術】
[0002]使用通過接合于電路基板上的金屬配線層等而搭載有半導體元件、發熱元件、帕爾帖元件等各種電子部件的電子裝置。這些電子部件在工作時產生熱，而由于因近幾年的電子部件的高集成化、電子裝置的小型化及薄型化使得施加于電路基板的每單位體積的熱量變大，因此尋求一種接合不剝離且散熱特性高的電路基板。
[0003]為此，在構成電路基板的支承基板中，在位于電子部件的正下方的部位形成貫通孔，并利用設置在該貫通孔內的導體(以下記為貫通導體)來提高散熱特性。但是，在通過金屬鍍敷進行填埋而形成貫通導體的情況下，由于金屬鍍敷從貫通孔的內壁開始生長，因此在貫通導體的表面中央形成凹陷。并且，在填充金屬膏時，也會由于燒成時的收縮而在貫通導體的表面中央產生凹陷。而且，由于覆蓋該貫通導體的表面而形成的金屬配線層的表面性狀仿形于貫通導體的表面性狀，因此在金屬配線層的表面也產生凹陷，當在金屬配線層上通過電極墊片等搭載有電子部件時，存在在各構件間發生接合不良、接合面積小散熱特性降低的問題。
[0004]為了解決這種問題，例如在專利文獻I中提出了下述導體膏，該導體膏是包括以金屬粉末為主成分的導電粉末、膨脹劑以及栽色劑的無收縮性通孔填充用導體膏，在填充于形成在陶瓷基板的通孔中之后用于燒成。
[0005]【在先技術文獻】
[0006]【專利文獻】
[0007]專利文獻1 :日本特開平9-46013號公報
【發明內容】
[0008]【發明要解決的課題】
[0009]但是，在使用專利文獻I中記載的無收縮性通孔填充用導體膏而制作的電路基板的情況下，雖然能夠改善貫通導體的燒成時的收縮性，但是由于膨脹劑的導熱性低，因此不能得到散熱特性高的電路基板。
[0010]本發明提供一種接合強度高、散熱特性優異、且通過縮小在貫通導體上形成的金屬配線層的凹陷而能夠長期使用的可靠性高的電路基板以及在該電路基板搭載電子部件而形成的電子裝置。
[0011]【用于解決課題的手段】
[0012]本發明的電路基板在貫通陶瓷燒結體的厚度方向的貫通孔中具備由金屬構成的貫通導體，并且具備覆蓋所述陶瓷燒結體的至少一個主面側的所述貫通導體的表面而連接的金屬配線層，所述電路基板的特征在于，所述貫通導體具有在所述貫通孔的內壁側沿著所述陶瓷燒結體的厚度方向從所述貫通孔的一端至另一端配置的第一區域以及與該第一區域鄰接的第二區域，該第二區域的平均結晶粒徑大于所述第一區域的平均結晶粒徑。
[0013]而且，本發明的電子裝置的特征在于，在上述結構的本發明的電路基板的金屬配線層上搭載電子部件而形成。
[0014]【發明效果】
[0015]本發明的電路基板通過在貫通孔的孔徑中心側存在大的結晶粒徑的金屬粒子，使貫通孔的孔徑中心側的燒成時的金屬膏的收縮小，因此能夠減小貫通導體的凹陷。而且，通過在貫通孔的孔徑中心側具有平均結晶粒徑大的第二區域，能夠使傳遞至貫通孔的一端側的電子部件工作時產生的熱迅速地傳遞至另一端側，因此能夠提高散熱特性。進而，由于在貫通孔的內壁側平均結晶粒徑小的第一區域沿著陶瓷燒結體的厚度方向從貫通孔的一端至另一端配置，因此能夠提高貫通導體的接合強度。
[0016]而且，根據本發明的電子裝置，通過在本發明的電路基板的金屬配線層上搭載電子部件，能夠形成可靠性高的電子裝置。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0017]圖1是表示具備本實施方式的電路基板的電子裝置的一例的剖視圖。
[0018]圖2是提取圖 1所示的電子裝置的電路基板而進行表示的圖，(a)為俯視圖，(b)為(a)的A-A’線的剖視圖。
[0019]圖3是表示本實施方式的電路基板的其他示例的圖，(a)為俯視圖，(b)為(a)的B-B’線的剖視圖。
【具體實施方式】
[0020]以下，參照【專利附圖】
【附圖說明】本實施方式的一例。
[0021]圖1為表示具備本實施方式的電路基板的電子裝置的一例的剖視圖。本實施方式的電子裝置I具備電路基板10，該電路基板10在貫通于陶瓷燒結體11的厚度方向(圖的貫通孔12中具備由金屬構成的貫通導體13，并且具備將陶瓷燒結體11的一個主面側的貫通導體13的表面覆蓋而連接的金屬配線層14。而且，在構成該電路基板10的金屬配線層14上例如設置電極墊片16，在該電極墊片16上安裝電子部件15，并通過接合線17進行電氣接合，從而得到本實施方式的電子裝置I。
[0022]此處，作為電子部件15，例如，可以使用絕緣柵雙極性晶體管(IGBT)元件、智能功率模塊(IPM)元件、金屬氧化膜型場效晶體管(MOSFET)元件、發光二極管(LED)元件、續流二極管(FWD)元件、電力晶體管(GTR)元件、肖特基勢壘二極管(SBD)等半導體元件、升華型熱敏打印頭或熱敏噴墨打印頭用的發熱元件、帕爾帖元件等。
[0023]接下來，利用【專利附圖】
【附圖說明】本實施方式的電路基板10。圖2是提取圖1所示的電子裝置的電路基板10而進行表示的圖，(a)為俯視圖，(b)為(a)的A-A’線的剖視圖。需要說明的是，在以后的圖中，對同一構件使用與圖1同樣的符號而進行說明。
[0024]本實施方式的電路基板10的特征在于，如圖2所示的例子所示，在貫穿陶瓷燒結體11的厚度方向的貫通孔12中具備由金屬構成的貫通導體13，并且具備將陶瓷燒結體11的至少一個主面側的貫通導體13的表面覆蓋而連接的金屬配線層14，貫通導體13具有在貫通孔12的內壁側沿著陶瓷燒結體11的厚度方向從貫通孔12的一端至另一端配置的第一區域13a以及與第一區域13a鄰接的第二區域13b，第二區域13b的平均結晶粒徑大于第一區域13a的平均結晶粒徑。[0025]這樣，對于在貫通孔12的孔徑中心側具有平均結晶粒徑大的第二區域13b、即燒成金屬膏而形成的貫通導體13而言，通過在貫通孔12的孔徑中心側存在結晶粒徑大的金屬粒子，使貫通孔12的孔徑中心側的燒成時的金屬膏的收縮減小，故能夠減小貫通導體13的凹陷。因此，也能夠減小覆蓋貫通導體13的表面而連接的金屬配線層14的凹陷，當在金屬配線層14上通過電極墊片而搭載電子部件(未圖示)時，能夠減少因接觸面積小、散熱特性低、或電極墊片脫落而造成的不能發揮作為電子裝置的功能等不良情況的發生。另外，通過在貫通孔12的孔徑中心側具有平均結晶粒徑大的第二區域13b，能夠使傳遞至貫通孔12的一端側的電子部件(未圖示)工作時產生的熱迅速地傳遞至另一端側，因此能夠提高散熱特性。[0026]而且，在第一區域13a與第二區域13b，通過在貫通孔12的內壁側具有平均結晶粒徑小的第一區域13a，能夠提高貫通孔12內的貫通導體13的接合強度。[0027]需要說明的是，在圖2所示的例子的電路基板10的貫通導體13中，對于第一區域13a以及第二區域13b而言，例如，從圖2(b)所示的剖視圖的貫通孔12的孔徑中心到貫通孔12的內壁為止的半徑中，從中心開始到半徑的4/5的部分為第二區域13b，第二區域13b以外的到內壁側的部分為第一區域13a。例如，當貫通孔12的孔徑的大小(直徑)為130 μ m(半徑為651 μ m)時,從貫通孔12的孔徑中心朝向內壁相當于半徑52 μ m的圓的部分為第二區域13b，第二區域13b以外的到內壁側的部分為第一區域13a。[0028]而且，為了確認第一區域13a以及第二區域13b，例如，可以在陶瓷燒結體11的厚度方向上切斷貫通導體13，利用截面拋光儀(CP)，以在陶瓷燒結體11開口的貫通孔12的直徑成為剖面的方式進行研磨，并使用SEM(掃描型電子顯微鏡)以5000倍的倍率對所研磨的面進行確認。另外，為了確認貫通導體13的第一區域13a以及第二區域13b的平均結晶粒徑，可以分別選擇第一區域13a以及第二區域13b的任意5點進行觀察，對于各觀察圖像，利用圖像解析軟件求出結晶粒徑，并根據各結晶粒徑的值計算平均結晶粒徑。[0029]而且，能夠通過利用表面粗糙度計、激光位移計測定覆蓋貫通導體13的表面而連接的金屬配線層14的凹陷。例如，在通過激光位移計測定時，可以對位于未覆蓋貫通導體13表面的部位的金屬配線層14的表面、和位于覆蓋貫通導體13表面的部位的金屬配線層14的表面進行多處測定，并將測定值的最大值與最小值之差作為凹陷的值。[0030]在本實施方式的電路基板10中，優選在第二區域13b以50面積％以上存在結晶粒徑為貫通孔12的最小徑的4%以上10%以下的粒子。另外，對于貫通孔12的最小徑，可以利用SEM以2000倍的倍率確認與前述的平均結晶粒徑的計算時同樣的研磨面。當在第二區域13b以50面積以上存在結晶粒徑為貫通孔12的最小徑的4%以上10%以下的粒子時，能夠減小凹陷，并且能夠使向貫通孔12的一端側傳遞的電子部件工作時產生的熱更迅速地向另一端側傳遞，從而能夠提高散熱特性。[0031]需要說明的是，在第二區域13b中，對于結晶粒徑為貫通孔12的最小徑的4%以上10%以下的粒子的面積占有率而言，例如，可以與平均結晶粒徑的計算時同樣地，利用圖像解析軟件對觀察圖像計算第二區域13b中的貫通孔12的最小徑的4%以上10%以下的結晶粒徑的面積占有率。而且，優選第二區域13b中的平均結晶粒徑為貫通孔12的最小徑的3.1%以上5.8%以下。
[0032]當在第二區域13b以50面積％以上存在結晶粒徑為貫通孔12的最小徑的4%以上10%以下的粒子時，在構成本實施方式的電路基板10的貫通導體13的第二區域13b，以3面積％以上5面積％以下的范圍存在具有貫通孔12的最小徑的1%以上4%以下的平均徑的空隙。存在于該第二區域13b的空隙不會降低導熱性而有助于減小貫通導體13的凹陷。
[0033]需要說明的是，為了確認第二區域13b中的平均空隙徑以及空隙率，例如，與平均結晶粒徑的計算時同樣地，可以利用圖像解析軟件對觀察圖像進行二值化處理，由此來提取空隙，再計算平均空隙徑以及空隙率。
[0034]而且，在本實施方式的電路基板10中，優選第一區域13a中的平均結晶粒徑為貫通孔12的最小徑的1.5%以上且不足4%。當第一區域13a中的平均結晶粒徑為貫通孔12的最小徑的1.5%以上且不足4%時，能夠提高貫通孔12內的貫通導體13的接合強度，并且，在第一區域13b，也能夠將向貫通孔12的一端側傳遞的電子部件工作時產生的熱迅速地向另一端側傳遞。
[0035]而且，在本實施方式的電路基板10中，優選第二區域13b的平均結晶粒徑大于金屬配線層14的平均結晶粒徑。當第二區域13b的平均結晶粒徑大于金屬配線層14的平均結晶粒徑時，在電子部件15工作時產生的熱流動從金屬配線層14順暢地流向貫通導體13的第二區域13b，因此能夠提高散熱特性。此處，為了確認金屬配線層14的平均結晶粒徑，首先，在陶瓷燒結體11的厚度方向上切斷金屬配線層14，并利用截面拋光儀(CP)進行研磨。接下來，可以利用SEM以5000倍的倍率進行確認，并選擇任意的5點進行觀察，利用圖像解析軟件對各觀察圖像求出結晶粒徑，并根據各結晶粒徑的值計算平均結晶粒徑。
[0036]需要說明的是，在沿陶瓷燒結體11的厚度方向切斷的剖面中，將陶瓷燒結體11的表面的延線且連結貫通孔12的開口部的線作為貫通導體13與金屬配線層14的邊界。
[0037]而且，在本實施方式的電路基板10中，優選貫通導體13含有玻璃，且第二區域13b中的玻璃的含有量多于第一區域13a中的玻璃的含有量。當第二區域13b的玻璃的含有量多于第一區域13a的玻璃的含有量時，能夠緩和貫通導體13的占有體積率高的第二區域13b的熱膨脹，因此，能夠減小反復進行電子部件15工作與停止時的冷熱循環時的貫通導體13的形狀變化，從而難以發生貫通孔12與貫通導體13的接合的剝離。
[0038]需要說明的是，在第一區域13a以及第二區域13b的玻璃含有量的測定方法中，例如，在陶瓷燒結體11的厚度方向上切斷貫通導體13，并將利用截面拋光儀(CP)研磨的面作為測定面。接下來，通過上述的方法確認第一區域13a以及第二區域13b的邊界，利用附設于SEM的EDS (能量分散型X射線分析裝置)以2000倍的倍率分別確認第一區域13a以及第二區域13b，并選擇任意的5點進行觀察。而且，對于各觀察圖像可以利用圖像解析軟件求出玻璃的含有量，并將分別計算出平均值的值作為第一區域13a以及第二區域13b的玻璃的含有量。
[0039]而且，在本實施方式的電路基板10中，優選貫通導體13含有包括Bi的玻璃。當貫通導體13含有包括Bi的玻璃時，與陶瓷燒結體11的潤濕性良好，因此更能提高貫通孔12內的貫通導體13的接合強度。這是根據當貫通孔12內的貫通導體13的接合強度高時Bi大量存在于與貫通孔12的內壁的界面的情況。而且，作為含有Bi的玻璃例如有SiO2-B2O3-Bi2O3系玻璃、R2O-SiO2-B2O3-Bi2O3系玻璃(R:堿金屬)等，對Bi的確認，例如可以利用附設于TEM(透射型電子顯微鏡)、SEM的EDS進行確認。此處，玻璃的厚度例如為
0.5ym以上5.0ym以下。
[0040]圖3是表示本實施方式的電路基板的其他例子的圖，(a)為俯視圖，(b)為(a)的B-B’線的首I]視圖。
[0041]作為與在陶瓷燒結體11的一個主面(搭載有電子部件側的面)開口的貫通孔12的開口面積相比在另一個主面開口的貫通孔12的開口面積更大的例，圖3的電路基板10示出貫通孔12的孔徑從一個主面向另一個主面增大的例子。這樣，當與在陶瓷燒結體11的一個主面開口的貫通孔12的開口面積相比在另一個主面開口的貫通孔12的開口面積更大時，能夠使向貫通孔12的一端側傳遞的電子部件(未圖示)工作時產生的熱效率良好地在另一端側散熱，因此更能提高散熱特性。
[0042]構成本實施方式的電路基板10的陶瓷燒結體11可以使用從氧化鋁質燒結體、氧化鋯質燒結體、氮化硅質燒結體、氮化鋁質燒結體或莫來石質燒結體中選擇出的I種或者使用混合燒結體。當貫通導體13的主成分為銅時，只要陶瓷燒結體11為氧化鋁質燒結體或氮化鋁質燒結體，則通過在貫通孔12的內壁與貫通導體13的界面生成鋁酸銅(CuAl2O4或CuAlO2),便能夠提高貫通孔12與貫通導體13的接合強度。需要說明的是，從貫通孔12的形成等加工性的角度出發，優選陶瓷燒結體11由氧化鋁質燒結體構成。
[0043]而且，優選構成本實施方式的電路基板10的貫通導體13以銅、銀或鋁為主成分，特別優選以銅為主成分。當貫通導體13以銅為主成分時，由于銅的導熱性高，因此能夠提高散熱特性。當構成貫通導體13的金屬膏以銅為主成分，且含有軟化點在600°C以上700°C以下的玻璃時，通過以銅的熔點附近的溫度進行燒成，能夠得到高接合強度。而且，作為副成分，可以含有鋯、鈦、鑰、錫或鋅中的至少I種。需要說明的是，貫通導體13的主成分指構成貫通導體13的成分中超過50質量％的成分。
[0044]而且，優選構成本實施方式的電路基板10的金屬配線層14與貫通導體13相同地以銅、銀或鋁為主成分，特別優選將銅作為主成分。需要說明的是，在金屬配線層14中，可以對金屬配線層14的露出的表面上部分或全面進行鍍敷處理。這樣，通過進行鍍敷處理，能夠使電極墊片、接合線等的接合處理變得容易，而且能夠抑制金屬配線層14氧化腐蝕。鍍敷的種類只要是公知的鍍敷即可，例如，可以列舉金鍍敷、銀鍍敷或鎳-金鍍敷等。
[0045]以下，說明本實施方式的電路基板的制造方法。
[0046]首先，作為主成分而使用氧化鋁(Al2O3)，作為燒結助劑而使用氧化硅(SiO2)、氧化鎂(MgO)、氧化鈣(CaO)等的粉末，并通過公知的方法制作氧化鋁質燒結體。接下來，通過微型鉆頭、噴砂、微噴砂以及激光加工等進行貫通孔12的形成。需要說明的是，作為貫通孔12的形成方法，基于較少發生毛刺、崩碎且通過改變振蕩輸出而能夠自由變更陶瓷燒結體11的厚度方向上的貫通孔12的形狀的考慮出發，優選通過激光加工來形成貫通孔。
[0047]接下來，準備成為貫通導體13的金屬膏。該金屬膏含有金屬粉末、玻璃粉末、有機展色劑。而且，根據需要也可以加入金屬氧化物。并且，作為金屬粉末，可以使用例如平均粒徑不足Iym的金屬粉末、I μ m以上且不足3 μ m的金屬粉末、3 μ m以上且不足10 μ m的金屬粉末。這樣，如果使用不同粒徑的金屬粉末，則通過平均粒徑小的不足Iym的金屬粉末的存在，能夠提高貫通導體13的燒結性。而且，通過平均粒徑大的3 μ m以上且不足10 μ m的金屬粉末的存在，能夠提高導熱性。
[0048]此處，作為成為第一區域13a的金屬膏中含有的第一金屬粉末的配合比，在第一金屬粉末的總計100質量％中，例如，平均粒徑不足I μ m的金屬粉末為40質量％以上65質量％以下，Iym以上且不足3 μ m的金屬粉末為20質量％以上45質量％以下,3 μ m以上且不足10 μ m的金屬粉末為10質量％以上35質量％以下。
[0049]作為成為第二區域13b的金屬膏中含有的第二金屬粉末的配合比，在第二金屬粉末的總計100質量％中，例如，平均粒徑不足I μ m的金屬粉末為15質量％以上35質量％以下，I μ m以上且不足3 μ m的金屬粉末為20質量％以上45質量％以下,3 μ m以上且不足
10μ m的金屬粉末為40質量％以上65質量％以下。
[0050]玻璃粉末雖沒有特別限定，但優選使用軟化點在400°C以上700°C以下的玻璃粉末。尤其是如果軟化點在600°C以上700°C以下，則在燒成中能夠在金屬粉末燒結時防止結晶的粒生長，從而能夠減小結晶粒徑，提高貫通孔12內的貫通導體13的接合強度。該玻璃的種類可以列舉例如SiO2系、R2O-SiO2系(R:堿金屬元素)、Si02-B203系、R2O-SiO2-B2O3系、SiO2-B2O3-Bi2O3系、R2O-SiO2-B2O3-Bi2O3系等。其中，從提高貫通孔12的內壁與貫通導體13的接合強度的角度出發，優選使用包含Bi的玻璃。
[0051]有機展色劑為將有機粘合劑溶解于有機溶劑中的物質，例如，作為有機粘合劑與有機溶劑的比率，相對于有機粘合劑為1，有機溶劑為2?6。作為有機粘合劑，例如可以使用從聚甲基丙烯酸丁酯、聚甲基丙烯酸甲酯等丙烯酸類、硝化纖維、乙基纖維素、醋酸纖維素、丁基纖維素等纖維素類、聚甲醛等聚醚類、聚丁二烯、聚異戊二烯等聚乙烯基化合物類中選出的I種或者混合使用2種以上。
[0052]作為有機溶劑，例如可以使用從卡必醇、卡必醇醋酸酯、松油醇、間甲酚、二甲基咪唑、二甲基咪唑啉酮、二甲基甲酰胺、雙丙酮醇、三甘醇、對二甲苯、乳酸乙酯、異佛爾酮中選出的I種或者混合使用2種以上。
[0053]作為成為金屬膏的金屬粉末、玻璃粉末、有機展色劑的配合比，優選將金屬膏100質量％中的金屬粉末設置在77.0質量％以上87.0質量％以下，將玻璃粉末設置在0.5質量％以上5質量％以下,將有機展色劑設置在10質量％以上20質量％以下的范圍。而且，為了順暢地向貫通孔12填充金屬膏，優選粘度為0.8Pa.s以上1.3Pa.s以下。
[0054]當金屬膏含有金屬氧化物時，若陶瓷燒結體11為氧化鋁質燒結體或氮化鋁質燒結體，則優選含有氧化銅(CuO或Cu2O)。這樣，當金屬膏含有作為金屬氧化物的氧化銅時，容易生成鋁酸銅(CuAl2O4或CuAlO2),從而能夠進一步提高貫通孔12的內壁與貫通導體13的接合強度。
[0055]當陶瓷燒結體11為氧化鋁質燒結體時，若金屬膏含有的金屬氧化物為氧化鋁(Al2O3),則可以使金屬膏燒成而形成的貫通導體13的熱膨脹系數接近氧化鋁質燒結體的熱膨脹系數，從而能夠減少因陶瓷燒結體11與貫通導體13的熱膨脹系數之差所導致的接合剝離的產生等不良情況。
[0056]使用上述的第一金屬粉末、玻璃粉末、有機展色劑來制作成為第一區域13a的第一金屬膏，使用第二金屬粉末、玻璃粉末、有機展色劑來制作成為第二區域13b的第二金屬膏。而且，利用能夠在向貫通孔12的內壁側填充第一金屬膏的同時向貫通孔12的孔徑中心側填充第二金屬膏的噴嘴，向貫通孔12內進行填充。[0057]需要說明的是，通過使第一金屬膏以及第二金屬膏中的玻璃粉末的配合比不同，能夠調節第一區域13a與第二區域13b的玻璃的存在量。
[0058]接下來，以80°C以上150°C以下的溫度干燥填充于貫通孔12的金屬膏。若采取該溫度范圍，則金屬膏中的有機成分不會大量揮發，不會使散熱特性降低，能夠形成有助于減少凹陷的空隙。之后，當構成金屬膏的金屬粉末為銅時，使最高溫度為850°C以上1050°C以下，當構成金屬膏的金屬粉末為銀時，使最高溫度為800°C以上1000°C以下，當構成金屬膏的金屬粉末為鋁時，使最高溫度為500°C以上600°C以下，并以保持時間在0.5小時以上3小時以下的范圍進行燒成。需要說明的是，為了抑制金屬膏的氧化，以該燒成時的氣氛為非氧化氣氛進行燒成。
[0059]接下來，在陶瓷燒結體11的一個主面側的貫通導體13的表面形成金屬配線層14。雖然為了形成金屬配線層14而使用的金屬膏只要使用導電性以及導熱性優異的金屬膏即可，但由于使用與成為貫通導體13的任意一種金屬膏相同的金屬膏會使制造工序簡化，并且不存在貫通導體13與金屬配線層14的熱膨脹系數差，從而在燒結時不容易產生裂縫等，因此優選。
[0060]金屬配線層14可以通過利用公知的絲網印刷法印刷金屬膏后干燥燒成而進行制作。優選金屬配線層14的厚度為40 μ m以上,若金屬配線層14的厚度為40 μ m以上,貝Ij能夠具有導電性并表現出優異的散熱特性。金屬配線層14也可以通過在達到期望的厚度之前分多次反復進行印刷、干燥、燒成來形成。當然，也可以使金屬配線層14形成于陶瓷燒結體11的另一個主面側的貫通導體13的表面來進一步提高散熱特性。
[0061]在金屬配線層14的制作中，也可以印刷金屬膏直到成為金屬配線層14的必要區域以外的部分，在干燥燒成后，在金屬配線層14的必要區域形成抗蝕劑膜，利用由氯化鐵、氯化銅或堿構成的蝕刻液等進行蝕刻，之后，利用氫氧化鈉水溶液等去除抗蝕劑膜，由此在必要區域制作金屬配線層14。在如上述通過蝕刻制作金屬配線層14時，優選厚度為100 μ m以下。
[0062]按照以上順序可以得到如下所述的電路基板10，該電路基板10在陶瓷燒結體11的厚度方向上貫通的貫通孔12中具備由金屬構成的貫通導體13，并且具備將陶瓷燒結體11的至少一個主面側的貫通導體13的表面覆蓋而連接的金屬配線層14，貫通導體13具有在貫通孔12的內壁側沿著陶瓷燒結體11的厚度方向從貫通孔12的一端至另一端配置的第一區域13a以及與第一區域13a鄰接的第二區域13b，第二區域的平均結晶粒徑大于第一區域的平均結晶粒徑。
[0063]本實施方式的電路基板10的制造方法并不限定于上述的制造方法。需要說明的是，如果使用形成有分割槽的陶瓷燒結體11并通過上述的方法形成多個本實施方式的電路基板10，之后進行分割，則可以效率良好地制作電路基板10。
[0064]通過在金屬配線層14上例如設置電極墊片16并在該電極墊片16上安裝電子部件15，能夠形成本實施方式的電子裝置I。該本實施方式的電子裝置I通過在本實施方式的電路基板10上搭載電子部件15而形成，能夠形成可長期使用的可靠性高的電子裝置I。需要說明的是，為了形成散熱特性更優異的電子裝置I，優選電子部件15隔著金屬配線層14等位于成為陶瓷燒結體11的一個主面側的貫通導體13的表面上的部分。
[0065]以下，具體說明本發明的實施例，然而本發明并不限定于以下的實施例。[0066]【實施例1】
[0067]制作使第一區域13a與第二區域13b的平均結晶粒徑不同的試料，并進行關于貫通導體13的凹陷、散熱特性以及可靠性的試驗。
[0068]首先，將氧化硅以及氧化鎂作為燒結助劑，制作氧化鋁的含有量為96質量％的氧化鋁質燒結體。需要說明的是，對陶瓷燒結體11實施槽加工以能夠取得多個試料。
[0069]然后，對陶瓷燒結體11實施激光加工，從一端到另一端形成直徑為130 μ m的貫通孔12。接下來，對于為制作各試料而使用的金屬膏，將由銅構成并以使平均粒徑為0.5 μ m、
2μ m、6 μ m的金屬粉末的混合比率不同而成為表2所示的平均結晶粒徑的方式進行調節的金屬混合粉末設置為86質量％，將R2O-SiO2-B2O3系的玻璃粉末設置為3質量％，作為有機展色劑而設置為11質量％ (將有機粘合劑:丙烯樹脂設置為2.5質量％，將有機溶劑:α -松油醇設置為8.5質量％，將α -松油醇相對于丙烯樹脂的比率設置為3.4)，由此來調制第一金屬膏以及第二金屬膏。各金屬膏的粘度在0.8Pa *s以上1.3Pa *s以下的范圍內。
[0070]接下來，利用能夠在向貫通孔12的內壁側填充第一金屬膏的同時向貫通孔12的孔徑中心側填充第二金屬膏的噴嘴，向貫通孔12內進行填充。接下來，使用與試料N0.2的第二金屬膏同樣的金屬膏來進行絲網印刷，以形成覆蓋陶瓷燒結體11的一個主面的貫通導體13的表面而與貫通導體13相接的金屬配線層14。需要說明的是，以金屬配線層14的厚度成為40 μ m的方式進行形成。在空氣氣氛中以100°C進行干燥后，在氧氣濃度調節為5ppm的氮氣氣氛中，以燒成溫度為900°C燒成時間為I時間地進行燒成而形成貫通導體13以及金屬配線層14，得到試料N0.1~18。
[0071]接下來，將各試料的一部分切斷，利用截面拋光儀(CP)以在陶瓷燒結體11開口的貫通孔12的直徑的切斷線成為剖面的方式進行研磨后，利用公知的蝕刻溶液蝕刻該貫通導體13的剖面。之后，利用SEM(·掃描型電子顯微鏡)以5000倍的倍率選擇各個第一區域13a以及第二區域13b的任意的5點而進行觀察，對各觀察圖像利用圖像解析軟件求出結晶粒徑，并根據各結晶粒徑的值計算平均結晶粒徑。而且，計算平均結晶粒徑相對于貫通孔12的最小孔徑130μπι的比率。對于觀察的圖像，利用圖像解析軟件來計算貫通導體13的第二區域13b中的結晶粒徑為貫通孔12的最小孔徑的4%以上10%以下的面積占有率。
[0072]接下來，利用激光位移計，對不位于貫通導體13上的金屬配線層14的表面以及位于貫通導體13上的金屬配線層14的表面的多處進行測定，并將測定值的最大值與最小值的差作為凹陷的值。
[0073]接下來，作為散熱特性試驗，將電子部件15搭載在各試料上，并流通30A的電流。在流通電流之后放置5分鐘，然后通過溫度計(日本電子株式會社制造，型號JTG-7200)測定電子部件15的表面溫度。需要說明的是，測定距離設置為20cm。
[0074]接下來，作為加熱循環試驗，進行將如下的循環作為I個循環的加熱循環試驗，該循環為在使用冷熱沖擊試驗裝置而將各試料的環境溫度從室溫降溫至_45°C并保持15分鐘后，升溫并以125°C保持15分鐘，之后再降溫至室溫的循環。需要說明的是，將各試料的試料數設置為20個，在2000循環~3000循環之間每50循環將各試料提取一個，并進行貫通孔12的內壁與貫通導體13的界面的觀察，表1中示出確認有剝離時的循環次數。利用SEM以1000倍的倍率進行觀察來進行剝離的確認。表1示出以上的計算值、測定值等結果。
[0075][表 I]
【權利要求】
1.一種電路基板，其在貫通陶瓷燒結體的厚度方向的貫通孔中具備由金屬構成的貫通導體，并且具備覆蓋所述陶瓷燒結體的至少一個主面側的所述貫通導體的表面而連接的金屬配線層，所述電路基板的特征在于， 所述貫通導體具有在所述貫通孔的內壁側沿著所述陶瓷燒結體的厚度方向從所述貫通孔的一端至另一端配置的第一區域以及與該第一區域鄰接的第二區域，該第二區域的平均結晶粒徑大于所述第一區域的平均結晶粒徑。
2.如權利要求1所述的電路基板，其特征在于， 在所述第二區域以50面積％以上存在結晶粒徑為所述貫通孔的最小孔徑的4%以上10%以下的粒子。
3.如權利要求1或權利要求2所述的電路基板，其特征在于， 所述第一區域的平均結晶粒徑為所述貫通孔的最小孔徑的1.5%以上且不足4%。
4.如權利要求1至權利要求3中任一項所述的電路基板，其特征在于， 所述第二區域的平均結晶粒徑大于所述金屬配線層的平均結晶粒徑。
5.如權利要求1至權利要求4中任一項所述的電路基板，其特征在于， 所述貫通導體含有玻璃，所述第二區域的玻璃的含有量多于所述第一區域的玻璃的含有量。
6.如權利要求1至權利要求5中任一項所述的電路基板，其特征在于， 所述貫通導體中含有的玻璃包含Bi。
7.如權利要求1至權利要求6中任一項所述的電路基板，其特征在于， 與在所述陶瓷燒結體的一個主面開口的所述貫通孔的開口面積相比，在另一個主面開口的所述貫通孔的開口面積大。
8.一種電子裝置，其特征在于， 在權利要求1至權利要求7中任一項所述的電路基板的所述金屬配線層上搭載電子部件而形成。
【文檔編號】H01L23/13GK103583087SQ201280026481
【公開日】2014年2月12日 申請日期:2012年5月30日 優先權日:2011年6月8日
【發明者】中村清隆, 大橋嘉雄, 阿部裕一, 平野央介, 四方邦英, 關口敬一 申請人:京瓷株式會社
【專利摘要】本發明提供一種接合強度高、散熱特性優異、且通過縮小在貫通導體上形成的金屬配線層的凹陷而能夠長期使用的可靠性高的電路基板以及在該電路基板上搭載電子部件而形成的電子裝置。電路基板(10)在貫通于陶瓷燒結體(11)的厚度方向的貫通孔(12)中具備由金屬構成的貫通導體(13)，并且具備將陶瓷燒結體(11)的至少一個主面側的貫通導體(13)的表面覆蓋而連接的金屬配線層(14)，貫通導體(13)具有在貫通孔(12)的內壁側沿著陶瓷燒結體(11)的厚度方向從貫通孔(12)的一端至另一端配置的第一區域(13a)以及與第一區域(13a)鄰接的第二區域(13b)，第二區域(13b)的平均結晶粒徑大于第一區域(13a)的平均結晶粒徑。
【專利說明】電路基板以及具備該電路基板的電子裝置
【技術領域】
[0001 ] 本發明涉及一種電路基板以及在該電路基板上搭載電子部件而形成的電子裝置。【背景技術】
[0002]使用通過接合于電路基板上的金屬配線層等而搭載有半導體元件、發熱元件、帕爾帖元件等各種電子部件的電子裝置。這些電子部件在工作時產生熱，而由于因近幾年的電子部件的高集成化、電子裝置的小型化及薄型化使得施加于電路基板的每單位體積的熱量變大，因此尋求一種接合不剝離且散熱特性高的電路基板。
[0003]為此，在構成電路基板的支承基板中，在位于電子部件的正下方的部位形成貫通孔，并利用設置在該貫通孔內的導體(以下記為貫通導體)來提高散熱特性。但是，在通過金屬鍍敷進行填埋而形成貫通導體的情況下，由于金屬鍍敷從貫通孔的內壁開始生長，因此在貫通導體的表面中央形成凹陷。并且，在填充金屬膏時，也會由于燒成時的收縮而在貫通導體的表面中央產生凹陷。而且，由于覆蓋該貫通導體的表面而形成的金屬配線層的表面性狀仿形于貫通導體的表面性狀，因此在金屬配線層的表面也產生凹陷，當在金屬配線層上通過電極墊片等搭載有電子部件時，存在在各構件間發生接合不良、接合面積小散熱特性降低的問題。
[0004]為了解決這種問題，例如在專利文獻I中提出了下述導體膏，該導體膏是包括以金屬粉末為主成分的導電粉末、膨脹劑以及栽色劑的無收縮性通孔填充用導體膏，在填充于形成在陶瓷基板的通孔中之后用于燒成。
[0005]【在先技術文獻】
[0006]【專利文獻】
[0007]專利文獻1 :日本特開平9-46013號公報
【發明內容】
[0008]【發明要解決的課題】
[0009]但是，在使用專利文獻I中記載的無收縮性通孔填充用導體膏而制作的電路基板的情況下，雖然能夠改善貫通導體的燒成時的收縮性，但是由于膨脹劑的導熱性低，因此不能得到散熱特性高的電路基板。
[0010]本發明提供一種接合強度高、散熱特性優異、且通過縮小在貫通導體上形成的金屬配線層的凹陷而能夠長期使用的可靠性高的電路基板以及在該電路基板搭載電子部件而形成的電子裝置。
[0011]【用于解決課題的手段】
[0012]本發明的電路基板在貫通陶瓷燒結體的厚度方向的貫通孔中具備由金屬構成的貫通導體，并且具備覆蓋所述陶瓷燒結體的至少一個主面側的所述貫通導體的表面而連接的金屬配線層，所述電路基板的特征在于，所述貫通導體具有在所述貫通孔的內壁側沿著所述陶瓷燒結體的厚度方向從所述貫通孔的一端至另一端配置的第一區域以及與該第一區域鄰接的第二區域，該第二區域的平均結晶粒徑大于所述第一區域的平均結晶粒徑。
[0013]而且，本發明的電子裝置的特征在于，在上述結構的本發明的電路基板的金屬配線層上搭載電子部件而形成。
[0014]【發明效果】
[0015]本發明的電路基板通過在貫通孔的孔徑中心側存在大的結晶粒徑的金屬粒子，使貫通孔的孔徑中心側的燒成時的金屬膏的收縮小，因此能夠減小貫通導體的凹陷。而且，通過在貫通孔的孔徑中心側具有平均結晶粒徑大的第二區域，能夠使傳遞至貫通孔的一端側的電子部件工作時產生的熱迅速地傳遞至另一端側，因此能夠提高散熱特性。進而，由于在貫通孔的內壁側平均結晶粒徑小的第一區域沿著陶瓷燒結體的厚度方向從貫通孔的一端至另一端配置，因此能夠提高貫通導體的接合強度。
[0016]而且，根據本發明的電子裝置，通過在本發明的電路基板的金屬配線層上搭載電子部件，能夠形成可靠性高的電子裝置。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0017]圖1是表示具備本實施方式的電路基板的電子裝置的一例的剖視圖。
[0018]圖2是提取圖 1所示的電子裝置的電路基板而進行表示的圖，(a)為俯視圖，(b)為(a)的A-A’線的剖視圖。
[0019]圖3是表示本實施方式的電路基板的其他示例的圖，(a)為俯視圖，(b)為(a)的B-B’線的剖視圖。
【具體實施方式】
[0020]以下，參照【專利附圖】
【附圖說明】本實施方式的一例。
[0021]圖1為表示具備本實施方式的電路基板的電子裝置的一例的剖視圖。本實施方式的電子裝置I具備電路基板10，該電路基板10在貫通于陶瓷燒結體11的厚度方向(圖的貫通孔12中具備由金屬構成的貫通導體13，并且具備將陶瓷燒結體11的一個主面側的貫通導體13的表面覆蓋而連接的金屬配線層14。而且，在構成該電路基板10的金屬配線層14上例如設置電極墊片16，在該電極墊片16上安裝電子部件15，并通過接合線17進行電氣接合，從而得到本實施方式的電子裝置I。
[0022]此處，作為電子部件15，例如，可以使用絕緣柵雙極性晶體管(IGBT)元件、智能功率模塊(IPM)元件、金屬氧化膜型場效晶體管(MOSFET)元件、發光二極管(LED)元件、續流二極管(FWD)元件、電力晶體管(GTR)元件、肖特基勢壘二極管(SBD)等半導體元件、升華型熱敏打印頭或熱敏噴墨打印頭用的發熱元件、帕爾帖元件等。
[0023]接下來，利用【專利附圖】
【附圖說明】本實施方式的電路基板10。圖2是提取圖1所示的電子裝置的電路基板10而進行表示的圖，(a)為俯視圖，(b)為(a)的A-A’線的剖視圖。需要說明的是，在以后的圖中，對同一構件使用與圖1同樣的符號而進行說明。
[0024]本實施方式的電路基板10的特征在于，如圖2所示的例子所示，在貫穿陶瓷燒結體11的厚度方向的貫通孔12中具備由金屬構成的貫通導體13，并且具備將陶瓷燒結體11的至少一個主面側的貫通導體13的表面覆蓋而連接的金屬配線層14，貫通導體13具有在貫通孔12的內壁側沿著陶瓷燒結體11的厚度方向從貫通孔12的一端至另一端配置的第一區域13a以及與第一區域13a鄰接的第二區域13b，第二區域13b的平均結晶粒徑大于第一區域13a的平均結晶粒徑。[0025]這樣，對于在貫通孔12的孔徑中心側具有平均結晶粒徑大的第二區域13b、即燒成金屬膏而形成的貫通導體13而言，通過在貫通孔12的孔徑中心側存在結晶粒徑大的金屬粒子，使貫通孔12的孔徑中心側的燒成時的金屬膏的收縮減小，故能夠減小貫通導體13的凹陷。因此，也能夠減小覆蓋貫通導體13的表面而連接的金屬配線層14的凹陷，當在金屬配線層14上通過電極墊片而搭載電子部件(未圖示)時，能夠減少因接觸面積小、散熱特性低、或電極墊片脫落而造成的不能發揮作為電子裝置的功能等不良情況的發生。另外，通過在貫通孔12的孔徑中心側具有平均結晶粒徑大的第二區域13b，能夠使傳遞至貫通孔12的一端側的電子部件(未圖示)工作時產生的熱迅速地傳遞至另一端側，因此能夠提高散熱特性。[0026]而且，在第一區域13a與第二區域13b，通過在貫通孔12的內壁側具有平均結晶粒徑小的第一區域13a，能夠提高貫通孔12內的貫通導體13的接合強度。[0027]需要說明的是，在圖2所示的例子的電路基板10的貫通導體13中，對于第一區域13a以及第二區域13b而言，例如，從圖2(b)所示的剖視圖的貫通孔12的孔徑中心到貫通孔12的內壁為止的半徑中，從中心開始到半徑的4/5的部分為第二區域13b，第二區域13b以外的到內壁側的部分為第一區域13a。例如，當貫通孔12的孔徑的大小(直徑)為130 μ m(半徑為651 μ m)時,從貫通孔12的孔徑中心朝向內壁相當于半徑52 μ m的圓的部分為第二區域13b，第二區域13b以外的到內壁側的部分為第一區域13a。[0028]而且，為了確認第一區域13a以及第二區域13b，例如，可以在陶瓷燒結體11的厚度方向上切斷貫通導體13，利用截面拋光儀(CP)，以在陶瓷燒結體11開口的貫通孔12的直徑成為剖面的方式進行研磨，并使用SEM(掃描型電子顯微鏡)以5000倍的倍率對所研磨的面進行確認。另外，為了確認貫通導體13的第一區域13a以及第二區域13b的平均結晶粒徑，可以分別選擇第一區域13a以及第二區域13b的任意5點進行觀察，對于各觀察圖像，利用圖像解析軟件求出結晶粒徑，并根據各結晶粒徑的值計算平均結晶粒徑。[0029]而且，能夠通過利用表面粗糙度計、激光位移計測定覆蓋貫通導體13的表面而連接的金屬配線層14的凹陷。例如，在通過激光位移計測定時，可以對位于未覆蓋貫通導體13表面的部位的金屬配線層14的表面、和位于覆蓋貫通導體13表面的部位的金屬配線層14的表面進行多處測定，并將測定值的最大值與最小值之差作為凹陷的值。[0030]在本實施方式的電路基板10中，優選在第二區域13b以50面積％以上存在結晶粒徑為貫通孔12的最小徑的4%以上10%以下的粒子。另外，對于貫通孔12的最小徑，可以利用SEM以2000倍的倍率確認與前述的平均結晶粒徑的計算時同樣的研磨面。當在第二區域13b以50面積以上存在結晶粒徑為貫通孔12的最小徑的4%以上10%以下的粒子時，能夠減小凹陷，并且能夠使向貫通孔12的一端側傳遞的電子部件工作時產生的熱更迅速地向另一端側傳遞，從而能夠提高散熱特性。[0031]需要說明的是，在第二區域13b中，對于結晶粒徑為貫通孔12的最小徑的4%以上10%以下的粒子的面積占有率而言，例如，可以與平均結晶粒徑的計算時同樣地，利用圖像解析軟件對觀察圖像計算第二區域13b中的貫通孔12的最小徑的4%以上10%以下的結晶粒徑的面積占有率。而且，優選第二區域13b中的平均結晶粒徑為貫通孔12的最小徑的3.1%以上5.8%以下。
[0032]當在第二區域13b以50面積％以上存在結晶粒徑為貫通孔12的最小徑的4%以上10%以下的粒子時，在構成本實施方式的電路基板10的貫通導體13的第二區域13b，以3面積％以上5面積％以下的范圍存在具有貫通孔12的最小徑的1%以上4%以下的平均徑的空隙。存在于該第二區域13b的空隙不會降低導熱性而有助于減小貫通導體13的凹陷。
[0033]需要說明的是，為了確認第二區域13b中的平均空隙徑以及空隙率，例如，與平均結晶粒徑的計算時同樣地，可以利用圖像解析軟件對觀察圖像進行二值化處理，由此來提取空隙，再計算平均空隙徑以及空隙率。
[0034]而且，在本實施方式的電路基板10中，優選第一區域13a中的平均結晶粒徑為貫通孔12的最小徑的1.5%以上且不足4%。當第一區域13a中的平均結晶粒徑為貫通孔12的最小徑的1.5%以上且不足4%時，能夠提高貫通孔12內的貫通導體13的接合強度，并且，在第一區域13b，也能夠將向貫通孔12的一端側傳遞的電子部件工作時產生的熱迅速地向另一端側傳遞。
[0035]而且，在本實施方式的電路基板10中，優選第二區域13b的平均結晶粒徑大于金屬配線層14的平均結晶粒徑。當第二區域13b的平均結晶粒徑大于金屬配線層14的平均結晶粒徑時，在電子部件15工作時產生的熱流動從金屬配線層14順暢地流向貫通導體13的第二區域13b，因此能夠提高散熱特性。此處，為了確認金屬配線層14的平均結晶粒徑，首先，在陶瓷燒結體11的厚度方向上切斷金屬配線層14，并利用截面拋光儀(CP)進行研磨。接下來，可以利用SEM以5000倍的倍率進行確認，并選擇任意的5點進行觀察，利用圖像解析軟件對各觀察圖像求出結晶粒徑，并根據各結晶粒徑的值計算平均結晶粒徑。
[0036]需要說明的是，在沿陶瓷燒結體11的厚度方向切斷的剖面中，將陶瓷燒結體11的表面的延線且連結貫通孔12的開口部的線作為貫通導體13與金屬配線層14的邊界。
[0037]而且，在本實施方式的電路基板10中，優選貫通導體13含有玻璃，且第二區域13b中的玻璃的含有量多于第一區域13a中的玻璃的含有量。當第二區域13b的玻璃的含有量多于第一區域13a的玻璃的含有量時，能夠緩和貫通導體13的占有體積率高的第二區域13b的熱膨脹，因此，能夠減小反復進行電子部件15工作與停止時的冷熱循環時的貫通導體13的形狀變化，從而難以發生貫通孔12與貫通導體13的接合的剝離。
[0038]需要說明的是，在第一區域13a以及第二區域13b的玻璃含有量的測定方法中，例如，在陶瓷燒結體11的厚度方向上切斷貫通導體13，并將利用截面拋光儀(CP)研磨的面作為測定面。接下來，通過上述的方法確認第一區域13a以及第二區域13b的邊界，利用附設于SEM的EDS (能量分散型X射線分析裝置)以2000倍的倍率分別確認第一區域13a以及第二區域13b，并選擇任意的5點進行觀察。而且，對于各觀察圖像可以利用圖像解析軟件求出玻璃的含有量，并將分別計算出平均值的值作為第一區域13a以及第二區域13b的玻璃的含有量。
[0039]而且，在本實施方式的電路基板10中，優選貫通導體13含有包括Bi的玻璃。當貫通導體13含有包括Bi的玻璃時，與陶瓷燒結體11的潤濕性良好，因此更能提高貫通孔12內的貫通導體13的接合強度。這是根據當貫通孔12內的貫通導體13的接合強度高時Bi大量存在于與貫通孔12的內壁的界面的情況。而且，作為含有Bi的玻璃例如有SiO2-B2O3-Bi2O3系玻璃、R2O-SiO2-B2O3-Bi2O3系玻璃(R:堿金屬)等，對Bi的確認，例如可以利用附設于TEM(透射型電子顯微鏡)、SEM的EDS進行確認。此處，玻璃的厚度例如為
0.5ym以上5.0ym以下。
[0040]圖3是表示本實施方式的電路基板的其他例子的圖，(a)為俯視圖，(b)為(a)的B-B’線的首I]視圖。
[0041]作為與在陶瓷燒結體11的一個主面(搭載有電子部件側的面)開口的貫通孔12的開口面積相比在另一個主面開口的貫通孔12的開口面積更大的例，圖3的電路基板10示出貫通孔12的孔徑從一個主面向另一個主面增大的例子。這樣，當與在陶瓷燒結體11的一個主面開口的貫通孔12的開口面積相比在另一個主面開口的貫通孔12的開口面積更大時，能夠使向貫通孔12的一端側傳遞的電子部件(未圖示)工作時產生的熱效率良好地在另一端側散熱，因此更能提高散熱特性。
[0042]構成本實施方式的電路基板10的陶瓷燒結體11可以使用從氧化鋁質燒結體、氧化鋯質燒結體、氮化硅質燒結體、氮化鋁質燒結體或莫來石質燒結體中選擇出的I種或者使用混合燒結體。當貫通導體13的主成分為銅時，只要陶瓷燒結體11為氧化鋁質燒結體或氮化鋁質燒結體，則通過在貫通孔12的內壁與貫通導體13的界面生成鋁酸銅(CuAl2O4或CuAlO2),便能夠提高貫通孔12與貫通導體13的接合強度。需要說明的是，從貫通孔12的形成等加工性的角度出發，優選陶瓷燒結體11由氧化鋁質燒結體構成。
[0043]而且，優選構成本實施方式的電路基板10的貫通導體13以銅、銀或鋁為主成分，特別優選以銅為主成分。當貫通導體13以銅為主成分時，由于銅的導熱性高，因此能夠提高散熱特性。當構成貫通導體13的金屬膏以銅為主成分，且含有軟化點在600°C以上700°C以下的玻璃時，通過以銅的熔點附近的溫度進行燒成，能夠得到高接合強度。而且，作為副成分，可以含有鋯、鈦、鑰、錫或鋅中的至少I種。需要說明的是，貫通導體13的主成分指構成貫通導體13的成分中超過50質量％的成分。
[0044]而且，優選構成本實施方式的電路基板10的金屬配線層14與貫通導體13相同地以銅、銀或鋁為主成分，特別優選將銅作為主成分。需要說明的是，在金屬配線層14中，可以對金屬配線層14的露出的表面上部分或全面進行鍍敷處理。這樣，通過進行鍍敷處理，能夠使電極墊片、接合線等的接合處理變得容易，而且能夠抑制金屬配線層14氧化腐蝕。鍍敷的種類只要是公知的鍍敷即可，例如，可以列舉金鍍敷、銀鍍敷或鎳-金鍍敷等。
[0045]以下，說明本實施方式的電路基板的制造方法。
[0046]首先，作為主成分而使用氧化鋁(Al2O3)，作為燒結助劑而使用氧化硅(SiO2)、氧化鎂(MgO)、氧化鈣(CaO)等的粉末，并通過公知的方法制作氧化鋁質燒結體。接下來，通過微型鉆頭、噴砂、微噴砂以及激光加工等進行貫通孔12的形成。需要說明的是，作為貫通孔12的形成方法，基于較少發生毛刺、崩碎且通過改變振蕩輸出而能夠自由變更陶瓷燒結體11的厚度方向上的貫通孔12的形狀的考慮出發，優選通過激光加工來形成貫通孔。
[0047]接下來，準備成為貫通導體13的金屬膏。該金屬膏含有金屬粉末、玻璃粉末、有機展色劑。而且，根據需要也可以加入金屬氧化物。并且，作為金屬粉末，可以使用例如平均粒徑不足Iym的金屬粉末、I μ m以上且不足3 μ m的金屬粉末、3 μ m以上且不足10 μ m的金屬粉末。這樣，如果使用不同粒徑的金屬粉末，則通過平均粒徑小的不足Iym的金屬粉末的存在，能夠提高貫通導體13的燒結性。而且，通過平均粒徑大的3 μ m以上且不足10 μ m的金屬粉末的存在，能夠提高導熱性。
[0048]此處，作為成為第一區域13a的金屬膏中含有的第一金屬粉末的配合比，在第一金屬粉末的總計100質量％中，例如，平均粒徑不足I μ m的金屬粉末為40質量％以上65質量％以下，Iym以上且不足3 μ m的金屬粉末為20質量％以上45質量％以下,3 μ m以上且不足10 μ m的金屬粉末為10質量％以上35質量％以下。
[0049]作為成為第二區域13b的金屬膏中含有的第二金屬粉末的配合比，在第二金屬粉末的總計100質量％中，例如，平均粒徑不足I μ m的金屬粉末為15質量％以上35質量％以下，I μ m以上且不足3 μ m的金屬粉末為20質量％以上45質量％以下,3 μ m以上且不足
10μ m的金屬粉末為40質量％以上65質量％以下。
[0050]玻璃粉末雖沒有特別限定，但優選使用軟化點在400°C以上700°C以下的玻璃粉末。尤其是如果軟化點在600°C以上700°C以下，則在燒成中能夠在金屬粉末燒結時防止結晶的粒生長，從而能夠減小結晶粒徑，提高貫通孔12內的貫通導體13的接合強度。該玻璃的種類可以列舉例如SiO2系、R2O-SiO2系(R:堿金屬元素)、Si02-B203系、R2O-SiO2-B2O3系、SiO2-B2O3-Bi2O3系、R2O-SiO2-B2O3-Bi2O3系等。其中，從提高貫通孔12的內壁與貫通導體13的接合強度的角度出發，優選使用包含Bi的玻璃。
[0051]有機展色劑為將有機粘合劑溶解于有機溶劑中的物質，例如，作為有機粘合劑與有機溶劑的比率，相對于有機粘合劑為1，有機溶劑為2?6。作為有機粘合劑，例如可以使用從聚甲基丙烯酸丁酯、聚甲基丙烯酸甲酯等丙烯酸類、硝化纖維、乙基纖維素、醋酸纖維素、丁基纖維素等纖維素類、聚甲醛等聚醚類、聚丁二烯、聚異戊二烯等聚乙烯基化合物類中選出的I種或者混合使用2種以上。
[0052]作為有機溶劑，例如可以使用從卡必醇、卡必醇醋酸酯、松油醇、間甲酚、二甲基咪唑、二甲基咪唑啉酮、二甲基甲酰胺、雙丙酮醇、三甘醇、對二甲苯、乳酸乙酯、異佛爾酮中選出的I種或者混合使用2種以上。
[0053]作為成為金屬膏的金屬粉末、玻璃粉末、有機展色劑的配合比，優選將金屬膏100質量％中的金屬粉末設置在77.0質量％以上87.0質量％以下，將玻璃粉末設置在0.5質量％以上5質量％以下,將有機展色劑設置在10質量％以上20質量％以下的范圍。而且，為了順暢地向貫通孔12填充金屬膏，優選粘度為0.8Pa.s以上1.3Pa.s以下。
[0054]當金屬膏含有金屬氧化物時，若陶瓷燒結體11為氧化鋁質燒結體或氮化鋁質燒結體，則優選含有氧化銅(CuO或Cu2O)。這樣，當金屬膏含有作為金屬氧化物的氧化銅時，容易生成鋁酸銅(CuAl2O4或CuAlO2),從而能夠進一步提高貫通孔12的內壁與貫通導體13的接合強度。
[0055]當陶瓷燒結體11為氧化鋁質燒結體時，若金屬膏含有的金屬氧化物為氧化鋁(Al2O3),則可以使金屬膏燒成而形成的貫通導體13的熱膨脹系數接近氧化鋁質燒結體的熱膨脹系數，從而能夠減少因陶瓷燒結體11與貫通導體13的熱膨脹系數之差所導致的接合剝離的產生等不良情況。
[0056]使用上述的第一金屬粉末、玻璃粉末、有機展色劑來制作成為第一區域13a的第一金屬膏，使用第二金屬粉末、玻璃粉末、有機展色劑來制作成為第二區域13b的第二金屬膏。而且，利用能夠在向貫通孔12的內壁側填充第一金屬膏的同時向貫通孔12的孔徑中心側填充第二金屬膏的噴嘴，向貫通孔12內進行填充。[0057]需要說明的是，通過使第一金屬膏以及第二金屬膏中的玻璃粉末的配合比不同，能夠調節第一區域13a與第二區域13b的玻璃的存在量。
[0058]接下來，以80°C以上150°C以下的溫度干燥填充于貫通孔12的金屬膏。若采取該溫度范圍，則金屬膏中的有機成分不會大量揮發，不會使散熱特性降低，能夠形成有助于減少凹陷的空隙。之后，當構成金屬膏的金屬粉末為銅時，使最高溫度為850°C以上1050°C以下，當構成金屬膏的金屬粉末為銀時，使最高溫度為800°C以上1000°C以下，當構成金屬膏的金屬粉末為鋁時，使最高溫度為500°C以上600°C以下，并以保持時間在0.5小時以上3小時以下的范圍進行燒成。需要說明的是，為了抑制金屬膏的氧化，以該燒成時的氣氛為非氧化氣氛進行燒成。
[0059]接下來，在陶瓷燒結體11的一個主面側的貫通導體13的表面形成金屬配線層14。雖然為了形成金屬配線層14而使用的金屬膏只要使用導電性以及導熱性優異的金屬膏即可，但由于使用與成為貫通導體13的任意一種金屬膏相同的金屬膏會使制造工序簡化，并且不存在貫通導體13與金屬配線層14的熱膨脹系數差，從而在燒結時不容易產生裂縫等，因此優選。
[0060]金屬配線層14可以通過利用公知的絲網印刷法印刷金屬膏后干燥燒成而進行制作。優選金屬配線層14的厚度為40 μ m以上,若金屬配線層14的厚度為40 μ m以上,貝Ij能夠具有導電性并表現出優異的散熱特性。金屬配線層14也可以通過在達到期望的厚度之前分多次反復進行印刷、干燥、燒成來形成。當然，也可以使金屬配線層14形成于陶瓷燒結體11的另一個主面側的貫通導體13的表面來進一步提高散熱特性。
[0061]在金屬配線層14的制作中，也可以印刷金屬膏直到成為金屬配線層14的必要區域以外的部分，在干燥燒成后，在金屬配線層14的必要區域形成抗蝕劑膜，利用由氯化鐵、氯化銅或堿構成的蝕刻液等進行蝕刻，之后，利用氫氧化鈉水溶液等去除抗蝕劑膜，由此在必要區域制作金屬配線層14。在如上述通過蝕刻制作金屬配線層14時，優選厚度為100 μ m以下。
[0062]按照以上順序可以得到如下所述的電路基板10，該電路基板10在陶瓷燒結體11的厚度方向上貫通的貫通孔12中具備由金屬構成的貫通導體13，并且具備將陶瓷燒結體11的至少一個主面側的貫通導體13的表面覆蓋而連接的金屬配線層14，貫通導體13具有在貫通孔12的內壁側沿著陶瓷燒結體11的厚度方向從貫通孔12的一端至另一端配置的第一區域13a以及與第一區域13a鄰接的第二區域13b，第二區域的平均結晶粒徑大于第一區域的平均結晶粒徑。
[0063]本實施方式的電路基板10的制造方法并不限定于上述的制造方法。需要說明的是，如果使用形成有分割槽的陶瓷燒結體11并通過上述的方法形成多個本實施方式的電路基板10，之后進行分割，則可以效率良好地制作電路基板10。
[0064]通過在金屬配線層14上例如設置電極墊片16并在該電極墊片16上安裝電子部件15，能夠形成本實施方式的電子裝置I。該本實施方式的電子裝置I通過在本實施方式的電路基板10上搭載電子部件15而形成，能夠形成可長期使用的可靠性高的電子裝置I。需要說明的是，為了形成散熱特性更優異的電子裝置I，優選電子部件15隔著金屬配線層14等位于成為陶瓷燒結體11的一個主面側的貫通導體13的表面上的部分。
[0065]以下，具體說明本發明的實施例，然而本發明并不限定于以下的實施例。[0066]【實施例1】
[0067]制作使第一區域13a與第二區域13b的平均結晶粒徑不同的試料，并進行關于貫通導體13的凹陷、散熱特性以及可靠性的試驗。
[0068]首先，將氧化硅以及氧化鎂作為燒結助劑，制作氧化鋁的含有量為96質量％的氧化鋁質燒結體。需要說明的是，對陶瓷燒結體11實施槽加工以能夠取得多個試料。
[0069]然后，對陶瓷燒結體11實施激光加工，從一端到另一端形成直徑為130 μ m的貫通孔12。接下來，對于為制作各試料而使用的金屬膏，將由銅構成并以使平均粒徑為0.5 μ m、
2μ m、6 μ m的金屬粉末的混合比率不同而成為表2所示的平均結晶粒徑的方式進行調節的金屬混合粉末設置為86質量％，將R2O-SiO2-B2O3系的玻璃粉末設置為3質量％，作為有機展色劑而設置為11質量％ (將有機粘合劑:丙烯樹脂設置為2.5質量％，將有機溶劑:α -松油醇設置為8.5質量％，將α -松油醇相對于丙烯樹脂的比率設置為3.4)，由此來調制第一金屬膏以及第二金屬膏。各金屬膏的粘度在0.8Pa *s以上1.3Pa *s以下的范圍內。
[0070]接下來，利用能夠在向貫通孔12的內壁側填充第一金屬膏的同時向貫通孔12的孔徑中心側填充第二金屬膏的噴嘴，向貫通孔12內進行填充。接下來，使用與試料N0.2的第二金屬膏同樣的金屬膏來進行絲網印刷，以形成覆蓋陶瓷燒結體11的一個主面的貫通導體13的表面而與貫通導體13相接的金屬配線層14。需要說明的是，以金屬配線層14的厚度成為40 μ m的方式進行形成。在空氣氣氛中以100°C進行干燥后，在氧氣濃度調節為5ppm的氮氣氣氛中，以燒成溫度為900°C燒成時間為I時間地進行燒成而形成貫通導體13以及金屬配線層14，得到試料N0.1~18。
[0071]接下來，將各試料的一部分切斷，利用截面拋光儀(CP)以在陶瓷燒結體11開口的貫通孔12的直徑的切斷線成為剖面的方式進行研磨后，利用公知的蝕刻溶液蝕刻該貫通導體13的剖面。之后，利用SEM(·掃描型電子顯微鏡)以5000倍的倍率選擇各個第一區域13a以及第二區域13b的任意的5點而進行觀察，對各觀察圖像利用圖像解析軟件求出結晶粒徑，并根據各結晶粒徑的值計算平均結晶粒徑。而且，計算平均結晶粒徑相對于貫通孔12的最小孔徑130μπι的比率。對于觀察的圖像，利用圖像解析軟件來計算貫通導體13的第二區域13b中的結晶粒徑為貫通孔12的最小孔徑的4%以上10%以下的面積占有率。
[0072]接下來，利用激光位移計，對不位于貫通導體13上的金屬配線層14的表面以及位于貫通導體13上的金屬配線層14的表面的多處進行測定，并將測定值的最大值與最小值的差作為凹陷的值。
[0073]接下來，作為散熱特性試驗，將電子部件15搭載在各試料上，并流通30A的電流。在流通電流之后放置5分鐘，然后通過溫度計(日本電子株式會社制造，型號JTG-7200)測定電子部件15的表面溫度。需要說明的是，測定距離設置為20cm。
[0074]接下來，作為加熱循環試驗，進行將如下的循環作為I個循環的加熱循環試驗，該循環為在使用冷熱沖擊試驗裝置而將各試料的環境溫度從室溫降溫至_45°C并保持15分鐘后，升溫并以125°C保持15分鐘，之后再降溫至室溫的循環。需要說明的是，將各試料的試料數設置為20個，在2000循環~3000循環之間每50循環將各試料提取一個，并進行貫通孔12的內壁與貫通導體13的界面的觀察，表1中示出確認有剝離時的循環次數。利用SEM以1000倍的倍率進行觀察來進行剝離的確認。表1示出以上的計算值、測定值等結果。
[0075][表 I]
【權利要求】
1.一種電路基板，其在貫通陶瓷燒結體的厚度方向的貫通孔中具備由金屬構成的貫通導體，并且具備覆蓋所述陶瓷燒結體的至少一個主面側的所述貫通導體的表面而連接的金屬配線層，所述電路基板的特征在于， 所述貫通導體具有在所述貫通孔的內壁側沿著所述陶瓷燒結體的厚度方向從所述貫通孔的一端至另一端配置的第一區域以及與該第一區域鄰接的第二區域，該第二區域的平均結晶粒徑大于所述第一區域的平均結晶粒徑。
2.如權利要求1所述的電路基板，其特征在于， 在所述第二區域以50面積％以上存在結晶粒徑為所述貫通孔的最小孔徑的4%以上10%以下的粒子。
3.如權利要求1或權利要求2所述的電路基板，其特征在于， 所述第一區域的平均結晶粒徑為所述貫通孔的最小孔徑的1.5%以上且不足4%。
4.如權利要求1至權利要求3中任一項所述的電路基板，其特征在于， 所述第二區域的平均結晶粒徑大于所述金屬配線層的平均結晶粒徑。
5.如權利要求1至權利要求4中任一項所述的電路基板，其特征在于， 所述貫通導體含有玻璃，所述第二區域的玻璃的含有量多于所述第一區域的玻璃的含有量。
6.如權利要求1至權利要求5中任一項所述的電路基板，其特征在于， 所述貫通導體中含有的玻璃包含Bi。
7.如權利要求1至權利要求6中任一項所述的電路基板，其特征在于， 與在所述陶瓷燒結體的一個主面開口的所述貫通孔的開口面積相比，在另一個主面開口的所述貫通孔的開口面積大。
8.一種電子裝置，其特征在于， 在權利要求1至權利要求7中任一項所述的電路基板的所述金屬配線層上搭載電子部件而形成。
【文檔編號】H01L23/13GK103583087SQ201280026481
【公開日】2014年2月12日 申請日期:2012年5月30日 優先權日:2011年6月8日
【發明者】中村清隆, 大橋嘉雄, 阿部裕一, 平野央介, 四方邦英, 關口敬一 申請人:京瓷株式會社
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