JP2000086367A - 接合体及びそれを用いた回路基板 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】高信頼性窒化アルミニウム回路基板の量産化。 【解決手段】分割溝を有する窒化アルミニウム基板と、
接合ろう材の塗布された金属板とが加熱接合されてなる
ことを特徴とする接合体、及びこの接合体を用いて製造
された回路基板。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、窒化アルミニウム
基板に金属回路、又は金属回路と金属放熱板とが形成さ
れてなる高信頼性の回路基板とそれを製造するに好適な
接合体に関するものであり、回路基板の量産化を目的と
するものである。本発明の回路基板は、電子部品のパワ
ーモジュール等の組立に好適なものである。

【０００２】

【従来の技術】電子機器の小型化、多機能化、多様化に
より、パワーモジュール等の用途範囲は広範囲に及び、
過酷な条件での利用も増加してきている。これに伴い、
パワーモジュール用高熱伝導性絶縁回路基板にはより高
い信頼性を求められるようになった。これに応えるた
め、高熱伝導性の窒化アルミニウム基板を構成要素とす
る回路基板が開発され、実用化されている。

【０００３】窒化アルミニウム基板を構成要素とする回
路基板は、窒化アルミニウム基板に活性金属ろう付け法
や直接接合法等により金属板を接合し、それをエッチン
グして所定パターンの金属回路を形成させることによっ
て製造されている。また、金属回路を形成させた反対面
には金属放熱板を形成させた構造のものもある。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】これによって、所定パ
ターンの金属回路を有する窒化アルミニウム回路基板の
製造が容易となった。更なる量産化を達成するため、銅
−アルミナ回路基板で実用化されているような多数個取
り法、すなわち分割溝を有する窒化アルミニウム基板に
銅板を接合し、それをエッチングして所定パターンの銅
回路を形成させ、次いで分割溝に沿って分割する技術を
採用することも考えられている（特開平８−３２２０４
号公報）。しかしながら、この先行技術は、接合ろう材
を窒化アルミニウム基板上に塗布するものであるので、
分割溝の深さによっては、溝の中に残留した接合ろう材
が、回路パターン形成後の不要ろう材除去工程で除去し
きれずに製造工程終了時においても残留し、回路基板の
絶縁性を大きく損なわせる恐れがあった。

【０００５】本発明は、上記に鑑みてなされたものであ
り、その目的は多数個取り法による窒化アルミニウム回
路基板の量産化時の接合ろう材残りの問題を解決するこ
とである。

【０００６】

【課題を解決するための手段】すなわち、本発明は、以
下を要旨とするものである。 （請求項１）分割溝を有する窒化アルミニウム基板と、
接合ろう材の塗布された金属板とが加熱接合されてなる
ことを特徴とする接合体。 （請求項２）分割溝底部における窒化アルミニウム基板
の肉厚が０．４〜０．６ｍｍである分割溝を有する窒化
アルミニウム基板と、金属板とが接合ろう材を介して接
合されてなることを特徴とする請求項１記載の接合体。 （請求項３）窒化アルミニウム基板が、分割溝の施され
たグリーン成形体の焼結体からなることを特徴とする請
求項１記載の接合体。 （請求項４）窒化アルミニウム基板が、窒化アルミニウ
ム焼結体にレーザー加工によって分割溝が施こされたも
のであることを特徴とする請求項１記載の接合体。 （請求項５）金属板表面、又はメッキの施された金属板
のメッキ表面に、半田レジストパターンが形成されてな
ることを特徴とする請求項１、２又は３記載の接合体。 （請求項６）請求項１、２又は３記載の接合体の金属板
は、所定パターンの金属回路であり、しかも分割溝に沿
って分割されて得られたものであることを特徴とする回
路基板。 （請求項７）請求項４記載の接合体の金属板は、所定パ
ターンの金属回路であり、しかも分割溝に沿って分割さ
れて得られたものであることを特徴とする回路基板。

【０００７】

【発明実施の形態】以下、更に詳しく本発明を説明する
と、本発明で使用される窒化アルミニウム基板は、熱伝
導率１２０Ｗ／ｍＫ以上、抗折強度３５ｋｇ／ｍｍ²以
上であり、厚みは０．６ｍｍ〜３ｍｍであることが好ま
しい。

【０００８】このような窒化アルミニウム基板は、窒化
アルミニウム粉末とイットリア等の焼結助剤とバインダ
−とを含む混合物をグリーン成形体に成形し、脱脂・焼
結を行って窒化アルミニウム焼結体となし、それを加工
することによって製造することができる。窒化アルミニ
ウム基板の表面性状は重要であり、微少な欠陥や窪み等
は、金属板との接合時の接触面積に大きな影響を与える
ため、平滑であることが望ましく、ホーニング処理や機
械加工等によって研磨処理が行われていることが望まし
い。

【０００９】本発明において、分割溝の施こされた窒化
アルミニウム基板とするには、焼結時の収縮を考慮して
所定寸法の分割溝をグリーン成形体に形成した後、脱脂
・焼結する方法、窒化アルミニウム焼結体に所定寸法の
分割溝をレーザー加工もしくは高水圧加工によって直接
形成する方法が採用される。前者によれば、工程が単純
化され更なる量産化が可能となり、また後者によれば、
より精密な寸法精度での分割が可能となる利点がある。
回路基板の用途によって、いずれかの方法が選択され
る。

【００１０】窒化アルミニウム基板に施される分割溝の
形状は任意であるが、通常は、表面幅が１００μｍ程度
で、断面形状がＶ字状又は凹状である。本発明において
は、分割溝底部における窒化アルミニウム基板の肉厚が
重要であり、０．４〜０．６ｍｍとすることが望まし
い。これによって、分割溝に沿って不都合なく分割する
ことが可能となる。すなわち、分割溝底部の肉厚が０．
６ｍｍより厚いと、分割溝をはずれて分割され、所定の
モジュールに組み込みが不可能な不良品となることがあ
る。また、分割溝底部の肉厚が０．４ｍｍ未満である
と、グリーン成形体に分割溝を形成する方法を採用した
場合には、脱脂・焼結時に窒化アルミニウム基板が割れ
ることがあり、一方、窒化アルミニウム焼結体に分割溝
を直接形成する方法を採用した場合には、これまた作業
中に分割溝からそれて割れが発生したり、更には窒化ア
ルミニウム基板の表裏全面に接合ろう材を塗布する方法
を採用した場合に、分割溝内に入り込んだ接合ろう材成
分を除去することが困難となる。

【００１１】本発明において、分割溝は、窒化アルミニ
ウム基板の一方の面に形成させてもよく、また表裏両面
に形成させてもよい。分割溝を窒化アルミニウム基板の
一方の面にしか施さない場合には、その面に金属回路又
は放熱金属板のいずれかを形成させることになるが、金
属回路を形成させることが望ましい。

【００１２】本発明で使用される金属板としては、銅、
ニッケル、アルミニウム、モリブデン等の金属から選ば
れる少なくとも１種の金属単板、上記金属の２種以上か
らなる積層板、もしくは上記金属の２種以上からなる合
金板であるが、窒化アルミニウム基板に接合されている
ときの形態は、通常、積層構造もしくは合金構造をとっ
ている。金属回路の厚みは０．３〜０．５ｍｍ程度、ま
た放熱側の金属の厚みは０．１〜０．３ｍｍ程度である
ことが好ましい。

【００１３】本発明の接合体は、ベタ金属板の全面又は
一部にろう材ペーストの塗布された金属板、ないしはパ
ターン化された金属板の全面もしくは一部に接合ろう材
ペーストの塗布された金属板と、上記分割溝の施された
窒化アルミニウム基板とを接面させた後、例えば上記金
属板に窒化アルミニウム基板を載置した後、熱処理する
ことによって製造することができる。本発明の接合体に
おいては、金属板は窒化アルミニウム基板の一方の面に
しか接合されていない構造であってもよいし、また少な
くとも表裏両面に接合された構造であってもよい。接合
の熱処理は、真空度１×１０^-5〜１×１０^-6Ｔｏｒｒの
高真空中、温度８００〜８４０℃程度で行われる。

【００１４】本発明のように、接合ろう材を金属板側に
塗布することによって、それが窒化アルミニウム基板に
施された分割溝内部に侵入することが殆どなく、また侵
入しても極微量であるため後工程の不要ろう材除去工程
でその大部分を除去することができ、その結果、沿面放
電を起こしたり、回路基板の絶縁性が大きく損なう恐れ
をなくすることができる。

【００１５】本発明で用いられる接合ろう材ペーストの
金属成分は、Ａｇ成分とＣｕ成分を主成分とし、溶融時
の窒化アルミニウム基板との濡れ性を確保するために、
活性金属を副成分とする。この活性金属成分は、窒化ア
ルミニウム基板と反応して酸化物や窒化物を生成させ、
それらの生成物がろう材と窒化アルミニウム基板との結
合を強固なものにする。活性金属の具体例をあげれば、
Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｖやこれらの化合物で
ある。これらの重量比率としては、Ａｇ８０〜９５部と
Ｃｕ２０〜５部の合計量１００部あたり活性金属１〜７
部である。

【００１６】接合ろう材ペーストは、上記接合ろう材の
金属成分に有機溶剤及び必要に応じて有機結合剤を加
え、ロール、ニーダ、万能混合機、らいかい機等で混合
することによって調製することができる。有機溶剤とし
ては、メチルセルソルブ、テルピネオール、イソホロ
ン、トルエン等、また有機結合剤としては、エチルセル
ロース、メチルセルロース、ポリメタクリレート等が使
用される。

【００１７】本発明の回路基板は、パターン化された金
属板を用いて製造することもできるが、ベタ金属板を用
いる場合には、例えば次のようにして製造する。まず、
上記で得られた接合体の金属板上に所定の金属回路パタ
ーンのエッチングレジストを塗布する。金属回路の反対
面に放熱金属板を形成させる構造のものにおいては、そ
の反対面の金属板上にも所定の放熱金属板パターンのエ
ッチングレジストを塗布する。次いで、塩化第二鉄溶
液、塩化第二銅溶液等のエッチング溶液で回路以外の金
属部分と、分割溝上面に存在する金属部分を溶解除去す
る。更には、塩酸、硫酸、過酸化水素水、ハロゲン化フ
ッ素化合物等の接合ろう材の除去液によって短絡の原因
となる不要な接合層除去する。これによって、分割溝で
区画された複数個の回路基板を備えた基板が製造され
る。この基板に、折り曲げ等の小さな外力を付加すると
分割溝に沿って単一の回路基板が切り離され、複数個の
回路基板が製造される。

【００１８】本発明においては、単一の回路基板に切り
離される前の基板の段階で、その基板の金属回路及び／
又は金属放熱板に、ニッケル、金等のメッキを施すこと
ができる。更には、これらのメッキの施されたあるいは
施されていない金属回路及び／又は金属放熱板の表面に
は、半田レジストをパターン印刷し、それを紫外線や加
熱等により硬化させ、所定の半田レジストパターンを形
成させることもできる。これらの措置によって、工程処
理数が低減し、更なる量産化が可能となる。

【００１９】特に、半田レジストパターンを分割前の基
板に形成させておくことによって、従来の金属回路中に
スリットを設けて半田流を防止する方式に比べて飛躍的
に強度特性が改善される。しかも、この半田レジストパ
ターンの形成には、多くの労力を有することから、単一
の回路基板にそれを形成させる場合よりも、大幅な労力
の低減が可能となる。

【００２０】半田レジストには、半導体チップ、電極端
子等を半田付けする際の所定位置以外への半田の流れ出
しと、それに伴う半導体チップ等の搭載位置ズレを防止
する効果がある。従って、本発明で使用される半田レジ
ストは、半導体チップ等の形状、サイズに合わせ、太さ
１．０ｍｍ程度にしてチップ搭載位置の周囲を囲むよう
に塗布することが望ましい。

【００２１】

【実施例】以下、実施例、比較例をあげて更に具体的に
本発明を説明する。

【００２２】実施例１ 窒化アルミニウム焼結体（寸法：６０×３０×０．６３
５ｍｍ、熱伝導率：１３８Ｗ／ｍ・Ｋ、３点曲げ強度：
４００ＭＰａ）の片面に、断面がＶ字状、表面幅が９５
μｍ、分割溝底部における窒化アルミニウム基板の肉厚
が０．４５ｍｍである分割溝の４本をＹＡＧレーザーに
より施した。

【００２３】接合ろう材ペースト（金属成分：Ａｇ８０
％、Ｃｕ１５％、Ｔｉ３％、Ｚｒ３％）を、厚み０．３
ｍｍのベタ銅板と厚み０．１５ｍｍのベタ銅板に塗布
し、それを上記窒化アルミニウム基板の表裏面に配置し
てから、真空中、８３０℃で熱処理してそれらを接合し
た。なお、分割溝の施された窒化アルミニウム基板面に
厚み０．３ｍｍのベタ銅板を配置した。

【００２４】次いで、分割溝によって四面に区画された
（但し、分割溝は銅板によって覆われている）厚み０．
３ｍｍの銅板のそれぞれの区画面に、パターン率２０％
の銅回路を形成させるためのエッチングレジストを塗布
すると共に、それぞれの反対面には放熱銅板を形成させ
るために、分割溝に対応した裏面の仮想分割線より１ｍ
ｍ離して、厚み０．１５ｍｍの銅板面にエッチングレジ
ストを塗布した後、塩化第二鉄溶液からなるエッチング
溶液、及び過酸化水素水とフッ化アンモニウムの混合溶
液からなるろう材除去液を用いてエッチングを行い、不
要な銅板部分と不要なろう材（接合層）部分を除去し
た。この操作によって、分割溝によって４個の回路基板
に区画され、しかも各区画面にはパターン率２０％の銅
回路とその反対面には放熱銅板を有する基板が製造され
た。

【００２５】次いで、各回路基板のそれぞれの銅回路と
放熱銅板にＮｉメッキを施してから、人手により分割溝
に沿って力を加えたところ、分割は分割溝に沿って行わ
れ、４個の回路基板が製造された。得られた回路基板に
は割れ等がなく良好なものであった。

【００２６】実施例２ 分割溝底部における窒化アルミニウム基板の肉厚を０．
５５ｍｍにしたこと以外は実施例１と同様にして回路基
板を製造したところ、実施例１とほぼ同等の好結果が得
られた。

【００２７】実施例３ 分割溝の形成を、金型に設けられたカッターを用いてグ
リーン成形体に形成し、それを脱脂・焼結して得られた
窒化アルミニウム基板を用いたこと以外は実施例２と同
様にして回路基板を製造した。その結果、実施例１とほ
ぼ同等の好結果が得られた。

【００２８】実施例４ 分割溝底部の窒化アルミニウム基板の肉厚を０．４５ｍ
ｍとし、しかも分割前にＮｉメッキを施した銅回路上に
半田レジストを所定のパターンに塗布した後、紫外線で
硬化させ、半田レジストパターンを形成させたこと以外
は実施例４と同様にして回路基板を製造した。その結
果、分割溝内に進入した不要ろう材の除去性、基板の分
割性、回路基板の割れ等は、実施例１とほぼ同等の好結
果であった。

【００２９】実施例５ 厚み１．０ｍｍの窒化アルミニウム基板を用い、分割溝
底部における窒化アルミニウム基板の肉厚を０．４５ｍ
ｍとしたこと以外は実施例４と同様にして回路基板を製
造した。その結果、分割溝内に進入した不要ろう材の除
去性、基板の分割性、回路基板の割れ等は、実施例４と
ほぼ同等の好結果であった。

【００３０】比較例１ 接合ろう材を窒化アルミニウム基板の表裏両面に全面塗
布し、銅板にはそれを塗布しなかったこと以外は実施例
４と同様にして回路基板を製造した。その結果、エッチ
ング後には分割溝内に接合ろう材成分が残留しており、
再度エッチング処理が必要となった。

【００３１】上記で得られた回路基板の信頼性試験を特
願平１０−２２７９０２号明細書の実施例に従い行っ
た。その結果、実施例１〜５の回路基板及び比較例１の
再度エッチング後の回路基板のいずれもは、１０００回
程度の高信頼性を示した。

【００３２】

【発明の効果】本発明によれば、高信頼性窒化アルミニ
ウム回路基板の量産化が可能となる。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 辻村 好彦 福岡県大牟田市新開町１ 電気化学工業株 式会社大牟田工場内 Ｆターム(参考） 4G026 AA06 AB08 AC01 AD04 AD05 AF03 AG01 5E338 AA18 BB47 BB71 BB75 EE32

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 分割溝を有する窒化アルミニウム基板
   と、接合ろう材の塗布された金属板とが加熱接合されて
   なることを特徴とする接合体。
2. 【請求項２】 分割溝底部における窒化アルミニウム基
   板の肉厚が０．４〜０．６ｍｍである分割溝を有する窒
   化アルミニウム基板と、金属板とが接合ろう材を介して
   接合されてなることを特徴とする請求項１記載の接合
   体。
3. 【請求項３】 窒化アルミニウム基板が、分割溝の施さ
   れたグリーン成形体の焼結体からなることを特徴とする
   請求項１記載の接合体。
4. 【請求項４】 窒化アルミニウム基板が、窒化アルミニ
   ウム焼結体にレーザー加工によって分割溝が施こされた
   ものであることを特徴とする請求項１記載の接合体。
5. 【請求項５】 金属板表面、又はメッキの施された金属
   板のメッキ表面に、半田レジストパターンが形成されて
   なることを特徴とする請求項１、２又は３記載の接合
   体。
6. 【請求項６】 請求項１、２又は３記載の接合体の金属
   板は、所定パターンの金属回路であり、しかも分割溝に
   沿って分割されて得られたものであることを特徴とする
   回路基板。
7. 【請求項７】 請求項４記載の接合体の金属板は、所定
   パターンの金属回路であり、しかも分割溝に沿って分割
   されて得られたものであることを特徴とする回路基板。