JP2003258408A - セラミック回路基板の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 両面に金属板を接合して成るセラミック回路
基板が反る。 【解決手段】 セラミック基板２の両主面に略同じ厚み
の金属板１・３を接合する工程と、セラミック基板２の
一方の主面の金属板１の表面にレジスト膜４を回路パタ
ーン状に形成するとともに、他方の主面の金属板３の全
面にレジスト膜５を形成する工程と、セラミック基板２
の一方の主面の金属板１をエッチング処理して回路パタ
ーン状のレジスト膜４に対応した回路を形成する工程
と、セラミック基板２の他方の主面の金属板３の全面に
形成されたレジスト膜５を剥離する工程と、セラミック
基板２の他方の主面の金属板３の全面を所定厚みまでエ
ッチングする工程と、セラミック基板２の一方の主面の
金属板１の表面に形成された回路パターン状のレジスト
膜４を剥離する工程とを順次行う製造方法。

Description

【発明の詳細な説明】 【０００１】 【発明の属する技術分野】本発明は、パワーモジュール
等に用いられるセラミック回路基板の製造方法に関す
る。 【０００２】 【従来の技術】近年、パワーモジュール用基板やスイッ
チングモジュール用基板等の回路基板として、セラミッ
ク基板上に銀−銅合金にチタン・ジルコニウム・ハフニ
ウムおよびこれらの水素化物の少なくとも１種を添加し
た活性金属ろう材を介して銅等から成る金属回路板を接
合させて成るセラミック回路基板、あるいはセラミック
ス基板に銅等から成る金属回路板をろう材を介さずに接
合させて成るセラミック回路基板等が用いられている。 【０００３】このようなセラミック回路基板は、セラミ
ック基板が一般には、酸化アルミニウム質焼結体や窒化
アルミニウム質焼結体・窒化珪素質焼結体・ムライト質
焼結体等の電気絶縁性のセラミックス材料から成ってお
り、例えば、セラミック基板が酸化アルミニウム質焼結
体から成る場合、および接合をろう材を介して行なう場
合には、以下に説明する方法によって製作される。 【０００４】まず、銀−銅合金にチタン・ジルコニウム
・ハフニウムおよびこれらの水素化物の少なくとも１種
を添加した活性金属粉末に有機溶剤と溶媒を添加混合し
て成る活性金属ろう材ペーストを準備する。次に、酸化
アルミニウムや酸化珪素・酸化マグネシウム・酸化カル
シウム等のセラミック原料粉末に適当な有機バインダー
・可塑剤・溶剤等を添加混合して泥漿状と成すとともに
これを従来周知のドクターブレード法やカレンダーロー
ル法等のテープ成形技術を採用して複数のセラミックグ
リーンシートを得るとともに所定寸法に形成した後、セ
ラミックグリーンシートを還元雰囲気中、約1600℃の温
度で焼成し、セラミックグリーンシートを焼結一体化さ
せて酸化アルミニウム質焼結体から成るセラミック基板
を形成する。 【０００５】次に、セラミック基板の一方の主面または
両方の主面上に、間に活性金属ろう材ペーストを挟んで
銅等から成る金属板を載置させる。そして最後に、セラ
ミック基板と金属板との間に配されている活性金属ろう
材ペーストを非酸化性雰囲気中で約900℃の温度に加熱
し、金属板をセラミック基板に接合させる。そして、金
属板の表面にエッチングレジストインクをスクリーン印
刷法等の技術を採用して回路パターン状に印刷塗布し、
さらに、金属板をエッチング処理して回路パターン状と
することによりセラミック回路基板が製作される。 【０００６】なお、セラミック基板の両主面に金属板を
接合する際、約900℃の温度で加熱するが、セラミック
基板の熱膨張係数が３〜７ｐｐｍ／℃（酸化アルミニウ
ム質焼結体：約７ｐｐｍ／℃、窒化アルミニウム質焼結
体：約４ｐｐｍ／℃、窒化珪素質焼結体：約３ｐｐｍ／
℃）であるのに対して銅やアルミニウム等から成る金属
板の熱膨張係数が18〜23ｐｐｍ／℃（銅：約18ｐｐｍ／
℃、アルミニウム：約23ｐｐｍ／℃）であることから、
セラミック回路基板を接合温度から室温に冷却する過程
で、金属板の熱膨脹係数とセラミック基板の熱膨張係数
の相違に起因する大きな熱応力がセラミック回路基板の
内部に生じてしまう。そして、この応力は金属板側に引
っ張り応力、セラミック基板側に圧縮応力として残留す
るので、この影響でセラミック回路基板の両主面に接合
された金属板をエッチング処理により異なる形状のパタ
ーンに形成した場合、セラミック回路基板に反りが発生
してしまう。また、この残留応力はセラミック基板にク
ラックを生じさせたり、あるいは金属板剥離の発生原因
等となり、さらにセラミック基板にクラックが生じない
までも、セラミック基板の強度を低下させるという悪影
響をおよぼしてしまう。 【０００７】なお、上述のような冷却過程で発生した残
留応力は、冷却速度の調整等によりある程度は軽減でき
るものの、反りの防止には至らず重大な問題となってい
る。このような問題点を解決するために、セラミック基
板の両主面に接合する金属板の厚みをあらかじめ異なら
せておき、セラミック基板とこの両主面に接合するそれ
ぞれの金属板との残留応力を調整して、パターンを形成
した後のセラミック回路基板の反りを防止する方法が広
く用いられている。 【０００８】 【発明が解決しようとする課題】しかしながら、セラミ
ック回路基板の反り防止のためセラミック基板の両主面
に異なる厚みの金属板を接合した場合、金属板の接合後
でエッチング処理前の段階でセラミック回路基板に反り
が発生し、とりわけ両主面の金属板の厚み差が大きい場
合、金属板の接合後に発生する反りも大きくなってしま
うという問題点を有していた。その結果、金属板の接合
後でエッチング処理前の段階におけるセラミック回路基
板に多大な反りがあると、セラミック基板の両主面に接
合された金属板の表面にエッチングレジストインクをス
クリーン印刷法等の技術を採用して印刷塗布する際、エ
ッチングレジストインクが塗布し難い、あるいは塗布で
きない等の理由で金属板を所望のパターン形状に形成す
ることができない等の問題点を有していた。 【０００９】本発明は、このような課題に鑑みて完成さ
れたもので、その目的は、金属板の接合後でエッチング
処理前の段階でのセラミック回路基板の反りを抑え、か
つエッチング処理後のセラミック回路基板の反りも抑え
る製造方法を提供することにある。 【００１０】 【課題を解決するための手段】本発明のセラミック基板
の製造方法は、セラミック基板の両主面に略同じ厚みの
金属板を接合する工程と、セラミック基板の一方の主面
の金属板の表面にレジスト膜を回路パターン状に形成す
るとともに他方の主面の金属板の全面にレジスト膜を形
成する工程と、セラミック基板の一方の主面の金属板を
エッチング処理して回路パターン状のレジスト膜に対応
した回路を形成する工程と、セラミック基板の他方の主
面の金属板の全面に形成されたレジスト膜を剥離する工
程と、セラミック基板の他方の主面の金属板の全面を所
定厚みまでエッチングする工程と、セラミック基板の一
方の主面の金属板の表面に形成された回路パターン状の
レジスト膜を剥離する工程とを順次行なうことを特徴と
するものである。 【００１１】本発明のセラミック回路基板の製造方法に
よれば、セラミック基板の両主面に略同じ厚みの金属板
を接合するので、セラミック基板の両主面に金属板を接
合後、セラミック基板が反ることはなく、その結果、金
属板の表面にエッチングレジストインクをスクリーン印
刷法を用いて印刷塗布する際、エッチングレジストイン
クを回路パターン状に良好に印刷することができ、金属
板を所望のパターン形状に容易に形成することができ
る。また、一方の主面の金属板をエッチング処理して回
路パターン状のレジスト膜に対応した回路を形成した後
に、セラミック基板の他方の主面の金属板の全面を所定
厚みまでエッチングして一方の主面の金属板の厚みと他
方の主面の金属板の厚みとを異ならせたので、セラミッ
ク基板とこの表裏面に接合するそれぞれの金属板との残
留応力がほぼ等しいものとなり、その結果、反りのない
セラミック回路基板を得ることができる。 【００１２】 【発明の実施の形態】次に、本発明のセラミック回路基
板の製造方法を、添付の図面に基づいて詳細に説明す
る。図１（ａ）〜（ｆ）は、本発明のセラミック回路基
板の製造方法を説明するための工程毎の断面図である。
この図において、１および３は金属板、２はセラミック
基板であり、４および５はレジスト膜である。 【００１３】まず、図１（ａ）に断面図で示すように、
セラミック基板２の両面に略同じ厚みの金属板１・３を
接合する。 【００１４】セラミック基板２は、縦・横の長さが50ｍ
ｍ×50ｍｍ程度、厚みが250 〜1000μｍ程度で、酸化
アルミニウム質焼結体やムライト質焼結体・炭化珪素質
焼結体・窒化アルミニウム質焼結体等の電気絶縁材料か
ら成り、セラミック基板２の両主面に接合される金属板
１・３を支持する支持部材として機能する。 【００１５】金属板１・３は銅やアルミニウム等の金属
材料から成り、セラミック回路基板に実装される半導体
素子等の電子部品（図示せず）に電気信号や電力を供給
する作用をなし、セラミック基板２の一方の主面に接合
した金属板１（３）に半田等の接着材を介して半導体素
子等の電子部品を電気的に接続させるとともに他方の主
面に接合した金属板３（１）を外部電気回路に接続する
ことにより、半導体素子等の電子部品が金属板１・３を
介して外部電気回路に電気的に接続されることとなる。 【００１６】なお、セラミック基板２の一方の主面に接
合される金属板１（３）と他方の主面に接合される金属
板３（１）の厚みは略同じである。また、本発明におい
ては、このことが重要である。本発明のセラミック回路
基板の製造方法によれば、セラミック基板２の一方の主
面に接合される金属板１（３）と他方の主面に接合され
る金属板３（１）の厚みとを略同じとしたことから、セ
ラミック基板２の両主面に金属板１・３を接合後、セラ
ミック基板２が反ることはなく、その結果、金属板１の
表面にエッチングレジストインクをスクリーン印刷法を
用いて印刷塗布する際、エッチングレジストインクを回
路パターン状に良好に印刷することができ、金属板１を
所望のパターン形状に容易に形成することができる。 【００１７】なお、ここでいう略同じ厚みとは、金属板
１と金属板３の厚み差が50μｍ以内であることをいう。
金属板１と金属板３の厚み差が50μｍを超えると、セラ
ミック基板２が、その両面に金属板１・３を接合した後
に大きく反ってしまい、金属板１の表面にエッチングレ
ジストインクをスクリーン印刷法を用いて印刷塗布する
際、エッチングレジストインクを回路パターン状に良好
に印刷することができくなってしまう傾向がある。 【００１８】このようなセラミック基板２と金属板１・
３との接合は、以下に述べる方法により行なわれる。ま
ず、セラミック基板２と金属板１・３とを準備する。セ
ラミック基板２は、酸化アルミニウム質焼結体やムライ
ト質焼結体・炭化珪素質焼結体・窒化アルミニウム質焼
結体・窒化珪素質焼結体等の電気絶縁材料から成り、例
えば、セラミック基板２が酸化アルミニウム質焼結体か
ら成る場合には、酸化アルミニウム・酸化珪素・酸化マ
グネシウム・酸化カルシウム等の原料粉末に適当な有機
バインダー・可塑剤・溶剤を添加混合して泥漿状となす
とともにこの混合物を従来周知のドクターブレード法や
カレンダーロール法を採用することによってセラミック
グリーンシート（セラミック生シート）を得、しかる
後、セラミックグリーンシートに適当な打ち抜き加工を
施すとともにこれを複数枚積層し、約1600℃の高温で焼
成することによって製作される。 【００１９】また、金属板１・３は、例えば金属板１・
３が銅から成る場合、銅のインゴット（塊）に圧延加工
法や打ち抜き加工法等、従来周知の金属加工法を施すこ
とによって、厚さが500μｍ程度で、縦・横の長さがセ
ラミック基板２と同等の大きさに形成される。 【００２０】次に、セラミック基板２の両主面にろう材
を用いたろう付法、もしくはろう材を用いない直接接合
法等を用いて略同一厚みの金属板１・３を接合する。 【００２１】例えばろう付法を用いてセラミック基板２
の両主面に金属板１・３を接合する場合、次に述べる方
法により接合する。まず、銀粉末および銅粉末、または
銀−銅合金粉末、またはこれらの混合粉末から成るろう
材粉末、ならびにチタン・ジルコニウム・ハフニウムお
よびこれらの水素化物の少なくとも１種より成る活性金
属粉末から成る活性金属ろう材に、融点が1200℃以上で
平均粒径が1〜10μｍの高融点金属粉末を5〜20重量％お
よび適当な有機溶剤、溶媒を添加混合し、混練すること
によって活性金属ろう材を得る。 【００２２】次に、セラミック基板２の両主面にろう材
ペーストを従来周知のスクリーン印刷技法を用いて、例
えば、20〜50μｍの厚さで所定回路パターン形状あるい
は略全面にベタ状に印刷塗布するとともにこれを乾燥し
て活性金属ろう材層を形成し、この活性金属ろう材層上
に金属板１・３を載置する。 【００２３】次に、セラミック基板２と金属板１・３と
の間に配されている活性金属ろう材を、金属板１・３に
５〜10ｋＰａの荷重をかけながら水素ガス雰囲気や水素
・窒素ガス雰囲気等の非酸化性雰囲気中で900℃に加熱
し、活性金属ろう材の有機溶剤や溶媒・分散剤を気散さ
せるとともに活性金属ろう材を溶融させてセラミック基
板２の両主面と金属板１・３に接合させることによっ
て、セラミック基板２の両主面に金属板１・３が取着さ
れることとなる。 【００２４】次に、図１（ｂ）に断面図で示すように、
セラミック基板２の一方の主面の金属板１の表面にレジ
スト膜４を回路パターン状に形成するとともに他方の主
面の金属板３の全面にレジスト膜５を形成する。 【００２５】このようなレジスト膜４・５は、従来周知
のスクリーン印刷法等を用いて、レジスト膜４・５とな
る周知のレジスト用ペーストをセラミック基板２の一方
の主面の金属板１の表面に例えば、10μｍ程度の厚さで
所定回路パターン形状に印刷塗布するとともに乾燥し、
しかる後、他方の主面の金属板３の全面に印刷塗布する
とともに乾燥することによって形成される。 【００２６】なお、本実施例においては、セラミック基
板２の一方の主面の金属板１の表面に形成されるレジス
ト膜４が、他方の主面の金属板３の全面に形成されるレ
ジスト膜５を剥離する剥離液によって、剥離不可能であ
ることが好ましい。これは、後述するように、レジスト
膜４をエッチング処理した後、レジスト膜４を回路パタ
ーン状に残した状態でレジスト膜５を剥離するためであ
り、レジスト膜５を剥離する際にレジスト膜４が剥離し
てしまうと、他方の主面の金属板３をエッチングする際
に一方の主面の金属板１までエッチングしてしまい、良
好な金属回路を形成することが困難となることによるも
のである。 【００２７】このようなレジスト膜４・５としては、例
えば他方の主面に接合された金属板３に水酸化ナトリウ
ム１〜３％で剥離可能なレジスト膜５を用い、一方の主
面に接合された金属板１に水酸化ナトリウム１〜３％で
は剥離不可能で、かつ、水酸化ナトリウム10％以上で剥
離可能なレジスト膜４を用いればよい。このようなレジ
スト膜４のペーストとしてはアクリル樹脂系の熱硬化型
強アルカリ溶解除去タイプのインクが、レジスト膜５の
ペーストとしてはアクリル樹脂系の熱硬化型弱アルカリ
溶解除去タイプのインクが用いられる。 【００２８】次に、図１（ｃ）に断面図で示すように、
セラミック基板２の一方の主面の金属板１をエッチング
処理して回路パターン状のレジスト膜に対応した回路を
形成する。このような金属板１のエッチングは、例え
ば、金属板が銅または銅合金であり、エッチング液が塩
化第２鉄である場合、比重が42〜47ボーメで、温度が45
℃程度の塩化第２鉄溶液を用い、両面スプレー方式のエ
ッチング装置に金属板１・３を接合したセラミック基板
２を投入し、スプレー圧2.5×10⁵Ｐａ程度で行なわれ
る。 【００２９】なお、エッチング時間は、銅または銅合金
の塩化第２鉄溶液に対する溶解量・金属板の厚み等によ
り調整される。また、エッチングの後処理は、市水等に
て両面スプレー方式でエッチング液の除去を行った後、
エアナイフ乾燥等を用いて乾燥することにより行なわれ
る。また、このとき一方の金属板１のみがエッチングさ
れるため、金属板１とセラミック基板２との間の残留応
力が緩和され、セラミック基板２は、図１（ｃ）に断面
図で示すように、一方の主面側に凸の状態で反ることに
なる。 【００３０】次に、図１（ｄ）に断面図で示すように、
セラミック基板２の他方の主面の金属板３の全面に形成
されたレジスト膜５を剥離する。レジスト膜５の剥離
は、剥離液として前述した濃度が１〜３％で液温が35℃
程度の水酸化ナトリウム水溶液を用い、両面スプレー方
式のレジスト剥離装置に金属板１・３を接合したセラミ
ック基板２を投入し、スプレー圧1.5×10⁵Ｐａ程度で約
１分間スプレーすることにより行なわれる。なお、剥離
後は、市水等にて両面スプレー方式で剥離液の除去を行
った後エアナイフ乾燥等と用いて乾燥を行う。 【００３１】次に、図１（ｅ）に断面図で示すように、
セラミック基板２の他方の主面の金属板３の全面を所定
厚みまでエッチングする。金属板３のエッチングは、図
１（ｃ）の工程と同様の条件でエッチング装置に金属板
１・３を接合したセラミック基板２を投入して行う。な
お、このとき他方の金属板３をエッチングして所定厚み
にするので、セラミック基板２とこの表裏面に接合する
それぞれの金属板１・３の残留応力がほぼ等しいものと
なり、その結果、図１（ｅ）に断面図で示すように、セ
ラミック基板２の反りはなくなる。 【００３２】なお、セラミック基板２の反りがなくなる
金属板３の厚みは、金属板１の回路パターン形状や金属
板１の厚みによって異なるので、金属板３のエッチング
後の厚みは、回路パターン形状により適宜決められ
る。。 【００３３】そして最後に、セラミック基板２の一方の
主面の金属板１の表面に形成された回路パターン状のレ
ジスト膜４を剥離する。レジスト膜４の剥離は金属板１
・３を接合したセラミック基板２を前述した水酸化ナト
リウム10％以上の水溶液を用い、図１（ｄ）の工程と同
様の条件でレジスト剥離装置に金属板１・３を接合した
セラミック基板２を投入して行う。 【００３４】かくして本発明のセラミック回路基板の製
造方法によれば、セラミック基板の両主面に略同じ厚み
の金属板を接合するので、セラミック基板の両主面に金
属板を接合後、セラミック基板が反ることはなく、その
結果、金属板の表面にエッチングレジストインクをスク
リーン印刷法を用いて印刷塗布する際、エッチングレジ
ストインクを良好に回路パターン状に印刷することがで
き、金属板を所望のパターン形状に容易に形成すること
ができる。また、一方の主面の金属板をエッチング処理
して回路パターン状のレジスト膜に対応した回路を形成
した後に、セラミック基板の他方の主面の金属板の全面
を所定厚みまでエッチングして一方の主面の金属板の厚
みと他方の主面の金属板の厚みとを異ならせたので、セ
ラミック基板とこの表裏面に接合するそれぞれの金属板
との残留応力がほぼ等しいものとなり、その結果、反り
のないセラミック回路基板を得ることができる。 【００３５】なお、本発明の製造方法は上述の実施例に
限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範
囲であれば種々の変更は可能であり、例えば、上述の実
施例ではセラミック基板がアルミニウム質焼結体で形成
された例を示したが、電子部品が多量の熱を発し、この
熱を効率良く除去したい場合にはセラミック基板を熱伝
導率の高い窒化アルミニウム質焼結体や窒化珪素質焼結
体で形成すれば良く、金属板に高速の電気信号を伝播さ
せたい場合には、セラミック基板２を誘電率の低いムラ
イト質焼結体で形成すれば良い。 【００３６】 【発明の効果】本発明のセラミック回路基板の製造方法
によれば、セラミック基板の両主面に略同じ厚みの金属
板を接合するので、セラミック基板の両主面に金属板を
接合後、セラミック基板が反ることはなく、その結果、
金属板の表面にエッチングレジストインクをスクリーン
印刷法を用いて印刷塗布する際、エッチングレジストイ
ンクを良好に回路パターン状に印刷することができ、金
属板を所望のパターン形状に容易に形成することができ
る。また、一方の主面の金属板をエッチング処理して回
路パターン状のレジスト膜に対応した回路を形成した後
に、セラミック基板の他方の主面の金属板の全面を所定
厚みまでエッチングして一方の主面の金属板の厚みと他
方の主面の金属板の厚みとを異ならせたので、セラミッ
ク基板とこの表裏面に接合するそれぞれの金属板との残
留応力がほぼ等しいものとなり、その結果、反りのない
セラミック回路基板を得ることができる。

【図面の簡単な説明】 【図１】（ａ）〜（ｆ）は、本発明のセラミック回路基
板の製造方法を説明するための工程毎の断面図である。 【符号の説明】 １、３・・・・・・・・金属板 ２・・・・・・・・・・セラミック基板 ４、５・・・・・・・・レジスト膜

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 5E339 AB06 AD01 BC02 BD06 BE13 CE18 GG10

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 【請求項１】セラミック基板の両主面に略同じ厚みの金
   属板を接合する工程と、 前記セラミック基板の一方の主面の前記金属板の表面に
   レジスト膜を回路パターン状に形成するとともに他方の
   主面の前記金属板の全面に前記レジスト膜を形成する工
   程と、 前記セラミック基板の一方の主面の前記金属板をエッチ
   ング処理して前記回路パターン状の前記レジスト膜に対
   応した回路を形成する工程と、 前記セラミック基板の他方の主面の前記金属板の全面に
   形成された前記レジスト膜を剥離する工程と、 前記セラミック基板の他方の主面の前記金属板の全面を
   所定厚みまでエッチングする工程と、 前記セラミック基板の一方の主面の前記金属板の表面に
   形成された回路パターン状の前記レジスト膜を剥離する
   工程とを順次行なうことを特徴とするセラミック回路基
   板の製造方法。