JP2003060111A - セラミックス回路基板の製造方法 - Google Patents
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Abstract
た金属板を所定形状にエッチングした後の露出したろう
材等は回路パターン間の絶縁に有害なため除去する必要
があるが、従来はハロゲン化水素等を含有する薬液を使
用する場合にはセラミックス基板も同時に腐食されてし
まい、一方、硝酸を含有する薬液を使用する場合には回
路金属板も同時に腐食されてしまうという問題があり、
エッチング後の露出したろう材等を選択的に溶解する方
法の開発が望まれていた。 【解決手段】 AlN基板の両面にAg-Cu-Ti-T
iO2のろう材ペーストを印刷し、その上に銅板を配置
し真空中で加熱し接合させる。次いで、この銅板の表面
に所望の回路パターンのレジストを塗布しエッチングを
行う。その後、EDTA、アンモニア、過酸化水素水の
混合溶液を用いて、セラミックス基板と金属板を腐食す
ることなく、回路パターン間に残った不要なろう材等を
溶解除去する。
Description
上にろう材を介して金属板を接合して回路を形成した、
パワーモジュール用等の大電力素子搭載用に好適なセラ
ミックス回路基板およびモジュールに関し、さらにはセ
ラミックス回路基板上の絶縁に有害な、金属板エッチン
グ後の金属回路パターン間や縁部等の不要なろう材等を
除去する方法に関するものである。
用いられるセラミックス回路基板の製造方法においては
まず金属板とセラミックス基板の接合が行われる。例え
ばセラミックス基板に銅板を直接に接触配置し、不活性
ガス中で加熱して接合させる直接接合法が工業的に利用
されている。また、セラミックス基板に銅板をTi、Z
r、Hf等の活性金属を含有したろう材を介して配置さ
せ、真空中で加熱接合するろう接法がありこれも工業的
に利用されている。このろう接法では、活性金属がセラ
ミックス基板と金属板との接合に関与し、セラミックス
基板とろう材は反応生成物を形成する。ろう材は一般に
Al2O3等の酸化物系セラミックス基板とは活性金属
の酸化物、AlNやSi3N4等の非酸化物系セラミッ
クス基板とは活性金属の窒化物を生成し接合していると
言われている。
した後、所定の回路形状等にパターニングする方法とし
て、プリント回路基板等にも利用されているエッチング
法があり、ファインパターンが得やすく回路設計変更の
対応も比較的簡単にできるため広く実施されている。例
えば銅等の金属板のエッチング液には通常塩化鉄あるい
は塩化銅と塩酸と過酸化水素水の混合溶液が使用され
る。前述の銅の直接接合法では、反応生成物は無視でき
るため問題なくエッチングされ、パターニングできる。
これに対し、ろう接法の場合は、銅板は溶けるがろう材
およびろう材とセラミックス基板との反応生成物(ろう
材と反応生成物とを総称して、ろう材等という。)を溶
かすことができず、それらは回路パターン間あるいは基
板の縁面に残存することになる。これらのろう材等は導
体であるため、回路パターン間あるいは基板の表裏間の
絶縁をとるといった回路基板の基本的な特性を満たすこ
とができない。よって、このろう材等を除去する方法と
して、(1)フッ酸単独、(2)硝酸、硫酸および塩酸
から選ばれた少なくとも一種の無機酸とフッ酸との混
酸、(3)王水、(4)水酸化ナトリウム及び/又は水
酸化カリウム溶液で、処理し除去する例がある(特許第
2594475号)。また、ハロゲン化水素及び/又は
ハロゲン化アンモニウムを含む水溶液で、次いで無機酸
と過酸化水素水を含む水溶液で処理することで除去する
例がある。
路基板のろう材等の除去に関する従来技術の問題点の抽
出] (1)フッ酸やその混酸、フッ化アンモニウム等に代表
されるハロゲン化水素またはハロゲン化アンモニウムを
含む薬液を使用すると、ろう材等の除去と同時にセラミ
ックス基板も腐食され、セラミックス回路基板としての
信頼性に関する特性が劣化する場合がある。また、セラ
ミックス基板の腐食を抑えようとすると、回路パターン
間のろう材等が完全に除去できずろう材等の残り不良が
発生する。 (2)フッ酸等ハロゲン化合物は腐食性が大きいため、
生産設備や廃液処理施設、廃液処理等コストも割高とな
り、製品の製造コストが高くなる傾向がある。 (3)特に硝酸を含んだ薬液では、ろう材等と同時にC
u等の回路金属板を腐食し、回路パターンの形状や寸法
精度等の不良発生の原因となる。 (4)ろう材の種類や厚さ、薬液によっては、ろう材等
が溶けなかったり、長時間あるいは高温の処理を要する
等、管理や取扱が難しい。
が無いよう最小限に抑える。 (2)廃液処理施設等の設備、処理を簡易なものとす
る。 (3)金属回路板への腐食を問題のないレベルに抑え
る。 (4)薬液のコストを小さくする。 (5)薬液の管理や取り扱いが容易で、製品の量産がで
きる。
題に基づき、前記セラミックス回路基板のエッチング後
に残った不要なろう材等を選択的に除去する薬液とし
て、 (1)セラミックス基板への腐食が小さい (2)廃液処理等、取扱や処理が簡易 (3)金属回路板を腐食しにくい (4)低コストまたはリサイクル可能 (5)薬液の管理や取り扱いが容易 等の要件を満たす薬液を見いだし、またそれを適当な条
件で使用することによって本発明をなすに至った。
基板の少なくとも一方の面にろう材を介して金属板を接
合した後、該金属板を所定形状にエッチングし、次いで
該エッチングによって露出した該ろう材等をキレート試
薬および過酸化水素水を含有する薬液またはキレート試
薬、過酸化水素水およびアルカリを含有する薬液で除去
する、ことを特徴とするセラミックス回路基板の製造方
法であり、第2に、前記ろう材等を除去後、さらに前記
金属板上にNiめっきまたはNi合金めっきを施す、第
1記載のセラミックス回路基板の製造方法であり、第3
に、前記キレート試薬がEDTA、NTA、CyDT
A、DTPA、TTHA、GEDTAおよびそれらの塩
からなる群から選ばれる少なくとも一種の化合物であ
る、第1または2記載のセラミックス回路基板の製造方
法であり、第4に、前記アルカリがアンモニア、NaO
HおよびKOHからなる群から選ばれる少なくとも一種
の化合物である、第1〜3のいずれかに記載のセラミッ
クス回路基板の製造方法であり、第5に、前記ろう材が
Agと活性金属元素を含有するろう材である、第1〜4
のいずれかに記載のセラミックス回路基板の製造方法で
あり、第6に、前記セラミックス基板がAl2O3、A
lNまたはSi3N4を主成分とするセラミックス基板
である、第1〜5のいずれかに記載のセラミックス回路
基板の製造方法であり、第7に、前記ろう材等除去時の
前記薬液の液温が40℃以下である、第1〜6のいずれ
かに記載のセラミックス回路基板の製造方法であり、第
8に、第1〜7のいずれかの方法によって製造された、
パワーモジュール用セラミックス回路基板であり、第9
に、第1〜7のいずれかの方法によって製造されたセラ
ミックス回路基板を用いたモジュールであり、第10
に、セラミックス基板の一方または両方の面にろう材を
介して接合された金属板からなる回路パターンを有し、
該回路パターン間および表裏間にDC1000Vの電圧
をかけたときの室温における絶縁抵抗が1000MΩ以
上であることを特徴とするセラミックス回路基板であ
る。
去する薬液は、室温程度で十分な溶解度があり温度コン
トロールが簡易で良いが、より早くろう材等を溶かすた
めに溶解反応が激しくならない程度に液加温することも
できる。また、薬液処理はスプレー法やディップ浸漬で
行うことができる。また、セラミックス基板へのダメー
ジも小さいため、ハロゲン化水素等の混酸を用いた場合
と比較し信頼性に有利である。キレート試薬、過酸化水
素水、アルカリの濃度が低いとろう材等の溶解速度や溶
解度が低下するためろう材等が溶け残り易くなる。その
ため、長時間処理や極端に液量を増やす等の対応が必要
となるがこれは工業的利用としては好ましくない。また
濃度が高いとキレート試薬の場合溶解度の問題があり試
薬の溶け残りが発生し、また過酸化水素水とアルカリの
濃度が高い場合は異常反応として薬液の突沸などが起こ
りやすくなる。従って濃度には工業的利用に関し適当な
範囲があり、キレート試薬は1〜3wt%、アルカリで
アンモニア水使用の場合は5〜25%、過酸化水素水は
5〜20%の範囲が好ましい。キレート試薬としては安
価なEDTAが好ましい。また、薬液にアルカリが添加
されない場合はpHが低くなり、キレート試薬の溶解度
が低下する。このため、ろう材等除去に要する溶解時間
が長くなったり、またはろう材等が溶け残り易い状況に
なる。よってアルカリ性にキープするのが好ましい。こ
れは例えばEDTAの4Na塩(水溶液はアルカリ性)
の溶液でも同様で、ろう材等の溶解が進むとpHが低く
なるためで、このときアルカリはバッファーの役割もす
る。
が容易な薬液を提供するために、40℃以下の液温に管
理することが好ましく、30℃以下がより好ましい。こ
れは液温が40℃を超えた場合、この系の薬液はろう材
等を多量に溶かすとその反応熱で薬液が突沸するためで
ある。よって、扱いづらく危険をともなう薬液処理とな
り、工業的に多量の製品を処理するには適当ではない。
しかしながら、本発明者等の発明したセラミックス回路
基板のろう材等を除去するために適した薬液組成、液温
管理、更にはろう材やセラミックス基板の検討等によ
り、取り扱いが容易かつ安全で、廃液処理も簡単で低コ
ストかつ工業的に量産可能なセラミックス回路基板の製
造方法が提供できるようになった。
材としては、AgあるいはAg−Cuを含有するろう材
に活性金属としてTi、Zr、Hf等の中から少なくと
も一種の元素を添加したものが用いられる。セラミック
ス回路基板の金属板として電気伝導特性の優れたCu板
等を接合し、その上にレジストを被覆しCu板等を所定
の回路パターン等にエッチングし、レジストを除去する
方法が実施されている。このあと、ろう材等を除去する
わけであるが、Cu板等も露出しているため、薬液の種
類によってはCu等へのアタックが激しく、パターン形
状を損なったりCu等厚が極端に薄くなったりする。こ
の場合AgあるいはAg−Cuを含むろう材が好ましい
理由は、本発明の薬液はAgとCuの比較において圧倒
的にろう材等の成分のAgの溶解速度が大きく、ろう材
等の成分と比較してCu回路板の腐食が非常に少なく好
都合であり好ましいからである。そのため、ろう材の金
属成分の組成としてはAgが65〜99wt%で、活性
金属が1〜10wt%、残りが実質的にCuであること
が好ましい。また、ろう材はセラミックス基板の全面に
配置されたり、所定の場所にのみ配置されたりする場合
があり、用途等により必要に応じて使い分けられる。金
属板としては熱伝導率、電気伝導率の大きい銅(Cuと
いうことがある。)板が用いられることが多く、薬液が
硝酸を含まないことでCu回路の腐食が抑えられ、さら
に本発明の薬液によればAgを含むろう材等の溶解速度
がCuに比べ圧倒的に高いため結果としてCu回路板の
腐食が無視できる範囲のうちに不要なろう材等の除去が
終了する。
液から、キレート試薬の再生、回収が可能なため、コス
ト的にもメリットが大きい。すなわち、キレート試薬、
例えばEDTAは強酸性域では水にあまり溶けない
(0.2%程度)ので、ろう材等溶解後の廃液に硫酸等
の酸を添加するか、または予め蒸発などの減容化後に硫
酸等の酸を添加(添加する酸としては硫酸等の不揮発性
・安価な酸が好ましい)して沈殿させ濾別して回収すれ
ば良い。セラミックス回路基板表面の回路パターンとな
る金属板の耐候性向上、半田濡れ性等の経時変化防止の
ためにNiめっきまたはNi合金めっきを行うことが好
ましい。めっき工程としては、脱脂、化学研磨、Pd活
性化の薬液による前処理工程を経て、Ni−P無電解め
っき液として次亜リン酸塩を含有した薬液で行う通常の
無電解めっきの方法、あるいは電極をパターンに接触さ
せ電気めっきを行う方法で行う。
ては、Al2O3(アルミナということがある。)は安
価であり、AlNは高価であるが熱伝導性が良好であ
り、Si3N4は熱伝導性はAl2O3とAlNの中間
であり高価であるが強度や靭性が高い、という特徴があ
る。これらのセラミックス基板の特徴を生かし、Al2
O3は安価なセラミックス回路基板を提供でき、AlN
は優れた放熱性を利用し大電力チップ等発熱の大きい半
導体に対応するセラミックス回路基板を提供でき、また
Si3N4はその優れた強度を生かし耐熱衝撃性や耐環
境性に強く自動車等厳しい環境で使用されるセラミック
ス回路基板を提供することができる。本発明で得られた
セラミックス回路基板は、その金属回路板上に半導体チ
ップ、抵抗体、その他の電気・電子部品が半田付け等に
よって搭載され、さらにその反対側の面は放熱板が半田
付け等によって接合される。さらにプラスチックケース
等を接着、外部端子と回路基板との超音波ボンディング
ワイヤーによる接続、絶縁ゲル注入、上蓋の接着等の工
程を経てモジュールとして完成され使用されることがで
きる。
明するが、本発明の技術的範囲はこれらに限定されるも
のではない。
-1.5Ti-0.5TiO2(wt%)になるよう金属
粉等を秤量し、これに対し約10%のアクリル系のビヒ
クルを加え乳鉢、3本ロールミル等通常の方法で混錬し
ペースト状のろう材を作製した(以下に、実施例におけ
る製造工程を図1を用いながら説明する)。セラミック
ス基板(図1a)の両面にこのろう材をスクリーン印刷
で配置し(図1b)その両側にCu板を配置し、真空炉
中850℃で接合した(図1c)。なお、接合後サンプ
ルを切断しろう材等の厚さを測定したところ20ミクロ
ン厚であった。またセラミックス基板はATG社製Sグ
レードのAlN基板を使用した。サンプルを真空炉中か
ら取り出し、接合されたCu表面の両面に所望の回路パ
ターン等のレジストインクを塗布し(図1d)、塩化第
2銅、塩酸と過酸化水素水の混合液によりCu板の不要
部分を除去し、レジストをアルカリの薬液で除去して回
路を形成した(図1e)。この状態では回路パターン間
や基板縁面に不要なろう材等が溶けきらずに残留してい
るため、回路間や表裏間に必要な絶縁がなされていな
い。この回路間や基板縁面の不要なろう材等を除去する
ため、EDTAとアンモニアと過酸化水素水の混合溶液
中に40分間ディップした後、水洗乾燥した(図1
f)。さらにその後Ni-Pの無電解めっきを金属板表
面に選択的に行った。このサンプル作製条件と得られた
基板の評価結果を表1に示す。AlN基板に残留したろ
う材等は問題なく溶け基板の変色も認めらず、また、ろ
う材等は除去され電気特性にも影響がなかった。
ものをOKとし、ろう材等が一部残っているものをNG
とした。絶縁抵抗については、回路基板のパターン間及
び表裏間を絶縁抵抗測定装置(鶴賀電機製モデル851
1)によりDC1000Vで測定し、1000MΩ以上
(室温)の場合を良品とした。 ラインの直線性:目視により回路パターンのラインの直
線性が良好なものを○、波打っているものを×とした。
Nに代えてニッコー製96%グレードのアルミナ基板を
使用した以外は実施例1と同様に行った。アルミナ基板
はもともと白色の基板であるが、残留したろう材等の除
去後はごく薄い灰色っぽい色になったが、ろう材等は除
去され電気特性にも影響がなかった。このサンプル作製
条件と得られた基板の評価結果を表1に示す。
ンであること以外は実施例1と同様の方法でサンプルを
作製し評価した。このサンプル作製条件と得られた基板
の評価結果を表1に示す。
27Cu-2Ti(wt%)であること以外は実施例1
と同様の方法でサンプルを作製し評価した。このサンプ
ル作製条件と得られた基板の評価結果を表1に示す。
材等の厚さが50ミクロンであること、処理時間が80
分であること以外は実施例4と同様の方法でサンプルを
作製し評価した。このサンプル作製条件と得られた基板
の評価結果を表1に示す。
17Cu-1.5Ti-0.5TiO2(wt%)である
こと以外は実施例1と同様の方法でサンプルを作製し評
価した。このサンプル作製条件と得られた基板の評価結
果を表1に示す。
17Cu-1.5Ti-0.5TiO2(wt%)である
こと以外は実施例2と同様の方法でサンプルを作製し評
価した。このサンプル作製条件と得られた基板の評価結
果を表1に示す。
7Cu-1.5Ti-0.5TiO2(wt%)であるこ
と以外は実施例1と同様の方法でサンプルを作製し評価
した。このサンプル作製条件と得られた基板の評価結果
を表1に示す。
に示される組成であること以外は実施例8と同様の方法
でサンプルを作製し評価した。このサンプル作製条件と
得られた基板の評価結果を表1に示す。
示される温度であること以外は実施例8と同様の方法で
サンプルを作製し評価した。このサンプル作製条件と得
られた基板の評価結果を表1に示す。
状に噴射すること以外は実施例8と同様の方法でサンプ
ルを作製し評価した。このサンプル作製条件と得られた
基板の評価結果を表1に示す。
こと以外は実施例8と同様の方法でサンプルを作製し評
価した。このサンプル作製条件と得られた基板の評価結
果を表1に示す。これについては、表1のとおり特性は
クリアし、ろう材等は溶けるが、薬液の発泡が活発にな
ってきた。
と以外は実施例8と同様の方法でサンプルを作製し評価
した。このサンプル作製条件と得られた基板の評価結果
を表1に示す。これについては、表1のとおり特性はク
リアし、ろう材等は溶けるが、薬液の発泡が激しく突沸
の恐れもあり、取り扱い上工業的利用は難しい。またC
u板表面の変色がみられる。
と、過酸化水素水が340ml/lであること以外は実
施例8と同様の方法でサンプルを作製し評価した。この
サンプル作製条件と得られた基板の評価結果を表1に示
す。これについては、表1のとおり特性はクリアし、ろ
う材等は溶けるが、薬液の発泡が激しく突沸の危険性が
高く、取り扱い上工業的利用は困難である。
2に示す組成とし、液温40℃とすること以外は実施例
8と同様の方法でサンプルを作製し評価した。このサン
プル作製条件と得られた基板の評価結果を表2に示す。
これについては、比較例3、4においてはろう材等が除
去されず、比較例5、6においてはろう材等が溶けたも
ののラインが波打つ状況となった。
板、さらには生産設備や廃液処理設備の腐食を防止し
て、金属板のエッチング後に残った不要なろう材等を選
択的に効率よく溶解除去して、パワーモジュール用に最
適な高精度の回路パターンが形成されたセラミックス回
路基板を製造し、これを用いたモジュールを提供するこ
とができる。さらに、不要なろう材等を溶解除去した後
の廃液を処理してキレート試薬を再生、回収することが
でき製造コストを大幅に低減することができる。
って、(a)はセラミックス基板の断面模式図、(b)
はセラミックス基板の両面にろう材を印刷した断面模式
図、(c)はろう材の両面に金属板を接合した断面模式
図、(d)は金属板の両面にレジストを印刷した断面模
式図、(e)はレジストが印刷された金属板の両面をエ
ッチングし次いで該レジストを除去した断面模式図、
(f)はレジスト除去後の不要なろう材等を除去して回
路パターンを形成した断面模式図である。
Claims (10)
- 【請求項1】 セラミックス基板の少なくとも一方の面
にろう材を介して金属板を接合した後、該金属板を所定
形状にエッチングし、次いで該エッチングによって露出
したろう材等をキレート試薬および過酸化水素水を含有
する薬液またはキレート試薬、過酸化水素水およびアル
カリを含有する薬液で除去する、ことを特徴とするセラ
ミックス回路基板の製造方法。 - 【請求項2】 前記ろう材等を除去後、さらに前記金属
板上にNiめっきまたはNi合金めっきを施す、請求項
1記載のセラミックス回路基板の製造方法。 - 【請求項3】 前記キレート試薬がEDTA、NTA、
CyDTA、DTPA、TTHA、GEDTAおよびそ
れらの塩からなる群から選ばれる少なくとも一種の化合
物である、請求項1または2記載のセラミックス回路基
板の製造方法。 - 【請求項4】 前記アルカリがアンモニア、NaOHお
よびKOHからなる群から選ばれる少なくとも一種の化
合物である、請求項1〜3のいずれかに記載のセラミッ
クス回路基板の製造方法。 - 【請求項5】 前記ろう材がAgと活性金属元素を含有
するろう材である、請求項1〜4のいずれかに記載のセ
ラミックス回路基板の製造方法。 - 【請求項6】 前記セラミックス基板がAl2O3、A
lNまたはSi3N 4を主成分とするセラミックス基板
である、請求項1〜5のいずれかに記載のセラミックス
回路基板の製造方法。 - 【請求項7】 前記ろう材等除去時の前記薬液の液温が
40℃以下である、請求項1〜6のいずれかに記載のセ
ラミックス回路基板の製造方法。 - 【請求項8】 請求項1〜7のいずれかの方法によって
製造された、パワーモジュール用セラミックス回路基
板。 - 【請求項9】 請求項1〜7のいずれかの方法によって
製造されたセラミックス回路基板を用いたモジュール。 - 【請求項10】 セラミックス基板の一方または両方の
面にろう材を介して接合された金属板からなる回路パタ
ーンを有し、該回路パターン間および表裏間にDC10
00Vの電圧をかけたときの室温における絶縁抵抗が1
000MΩ以上であることを特徴とするセラミックス回
路基板。
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