JP2004172182A

JP2004172182A - Circuit board and its manufacturing method

Info

Publication number: JP2004172182A
Application number: JP2002333181A
Authority: JP
Inventors: Katsuki Yumoto; 勝喜湯本; Makoto Fukuda; 誠福田; Nobuyuki Yoshino; 信行吉野
Original assignee: Denki Kagaku Kogyo KK
Current assignee: Denka Co Ltd
Priority date: 2002-11-18
Filing date: 2002-11-18
Publication date: 2004-06-17

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a circuit substrate which shows sufficiently high durability with respect to insulation and partial discharge characteristics without remarkably changing the configuration of a metallic circuit even when a service voltage is 6-9kV. <P>SOLUTION: The circuit board is constituted of a ceramics substrate and the metallic circuit which are jointed through a bonding layer, and the protruding length of the bonding layer from the metallic circuit is 20-60μm while a pattern top is not provided with any projected part and the R-size of the corners of the pattern top is 10-100μm. Further, the surface roughness (Rz) of the metallic circuit is not higher than 3μm. The circuit board is manufactured by a method wherein the unnecessary part of metal is removed from the jointed body of a metallic plate and the ceramics substrate by etching to form the metallic circuit and, thereafter, all etching resists are removed and the surface of the metallic circuit is further etched by 20-60μm. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高耐電圧の回路基板及びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、パワーモジュール等に利用される回路基板は、セラミックス基板として、アルミナ、ベリリア、窒化ケイ素、窒化アルミニウム等の材質を、熱伝導率、コスト、安全性等から選択し、それにＣｕ、Ａｌ等の材質の金属回路や放熱板を厚付けして用いられてきた。この回路基板は、樹脂基板や樹脂層を絶縁材とする金属基板に対し、高い絶縁性が安定して得られる点が特長である。
【０００３】
近年のパワーモジュールの傾向は、従来のエレベーター，産業機械等の分野に加えて、より信頼性が求められる電気鉄道用途やハイブリッドカー等に使用されるようになっている。電気鉄道用途の場合、従来の使用電圧＝１〜３ｋＶに対して６〜９ｋＶというより高電圧が必要となるため、回路基板はこれに十分耐えるものでなければならない。
【０００４】
高電圧に対する耐久性は、セラミックス基板厚みを厚くする、金属回路形状を変更する、などによって向上させることができる。しかし、高電圧を印可することによって生じる部分放電電荷量の増加や、金属回路表面からの放電防止はできない。部分放電電荷量が増大すると、その部分で局所的な材料劣化が起こり最終的には絶縁破壊に至る恐れがある。この問題は、沿面距離を広く取ることによって解決できるが、回路基板サイズが大きくなるので推奨できる方法ではない。そこで、回路基板の金属回路とセラミクス基板の材質ないしは形状等の観点からの検討が行われているが、良好な解決策が見いだされていないのが現状である。
【０００５】
一方、回路基板の耐ヒートサイクル性を向上させるため、接合層のはみ出しを長くしたり（特許文献１）、金属回路のコーナー部の曲率半径を特定する（特許文献２）ことの提案がある。しかしながら、これらの特許文献には、部分放電電荷量の増加や金属回路表面からの放電対策については言及がない。
【０００６】
【特許文献１】
特開平１０−１９０１７６号公報
【特許文献２】
特開平１０−２１４９１５号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、上記に鑑み、回路基板サイズを大きくしたり、金属回路の形状を著しく変更することなしに、使用電圧６〜９ｋＶであっても、絶縁性や部分放電特性に対して十分に高い耐久性を有する回路基板を提供することである。本発明の目的は、金属板とセラミックス基板の接合体から、金属の不要部分をエッチング除去して金属回路を形成させた後、エッチングレジストを全て除去してから更に金属回路表面をエッチングし、回路基板を製造することによって達成することができる。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
すなわち、本発明は、本発明は、セラミックス基板と金属回路とが接合層を介して接合された回路基板であり、該接合層の金属回路からのはみ出し長さが２０〜６０μｍであり、パターントップにせり出し部がなく、パターントップのコーナー部のＲサイズが１０〜１００μｍで、金属回路の表面粗さ（Ｒｚ）が３μｍ以下であることを特徴とする回路基板である。
【０００９】
また、本発明は、金属板とセラミックス基板の接合体から、金属の不要部分をエッチングで除去して金属回路を形成させた後、全てのエッチングレジストを除いてから更に金属回路表面を２０〜６０μｍエッチングすることを特徴とする上記回路基板の製造方法である。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しながら、更に詳しく本発明について説明する。図１は、本発明の回路基板の形状を説明するための回路基板端部断面の図面代用走査型電子顕微鏡写真であり、図２は従来品のそれである。
【００１１】
本発明の回路基板は、セラミックス基板と金属回路とが接合層を介して接合された構造を基本としている。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や、金属回路又は金属放熱板に更にＮｉめっきが施されているものをも本発明が対象としている。このような回路基板には、その形状、材質等において多くの市販品と先行技術文献があるが、本発明においては特に限定はなく、いずれも使用可能である。まず、これについて概説する。
【００１２】
セラミックス基板の材質は、高信頼性及び高絶縁性の点から、窒化アルミニウム又は窒化ケイ素が好ましい。セラミックス基板の厚みは目的によって自由に変えられる。通常は０．６３５ｍｍであるが、０．５〜０．３ｍｍ程度の薄物でもよい。高電圧下での絶縁耐圧を著しく高めたいときには、１〜３ｍｍの厚物が用いられる。
【００１３】
金属回路又は金属放熱板の材質としては、Ａｌ、Ｃｕ又はＡｌ−Ｃｕ合金であることが好ましい。これらは、単体ないしはこれを一層として含むクラッド等の積層体の形態で用いられる。Ａｌは、Ｃｕよりも降伏応力が小さく、塑性変形に富み、ヒートサイクルなどの熱応力負荷時において、セラミックス基板にかかる熱応力を大幅に低減できるので、Ｃｕよりもセラミックス基板に発生するクラックを抑制することができ、より高信頼性回路基板が得られる。
【００１４】
金属回路の厚みは、電気的、熱的特性の面からＡｌ回路の場合は０．４〜０．５ｍｍ、Ｃｕ回路の場合は０．３〜０．５ｍｍであることが好ましい。金属放熱板を形成させる場合、その厚みは半田付け時の反りを生じさせないように決定される。具体的には、Ａｌ放熱板の場合は０．１〜０．４ｍｍ、Ｃｕ放熱板の場合は０．１５〜０．４ｍｍであることが好ましい。
【００１５】
セラミックス基板に金属回路又は金属放熱板を形成させるには、金属板とセラミックス基板とを接合した後、エッチングする方法、金属板から打ち抜かれた回路及び放熱板のパターンをセラミックス基板に接合する方法等によって行うことができる。これらの接合には、活性金属ろう付け法が用いられる。
【００１６】
Ｎｉめっきが施される前の金属回路又は金属放熱板の表面は、研削、物理研磨、化学研磨等によって平滑化されていることが好ましく、表面粗さがＲａ≦０．２μｍであることが好ましい。Ｎｉめっきは無電解法によることが好ましく、これによってファインパターンに対応可能となる。Ｎｉめっき膜厚は２〜８μｍであることが好ましい。
【００１７】
接合層は、セラミックス基板に金属回路又は金属放熱板を活性金属ろう付け法によって接合したときに形成される。ろう材の金属成分は銀及び／又は銅を主成分とし、溶融時のセラミックス基板との濡れ性を確保するためにチタンを副成分とする。このチタンは、セラミックス基板の窒素成分と反応して窒化物（ＴｉＮ）となり接合体の結合を強固なものとする。チタンの活性金属は、ジルコニウム、ハフニウム、ニオブ、タンタル、バナジウム等のチタン以外の活性金属と併用することもできる。これらのチタン以外の活性金属はろう材の融点を降下させる。
【００１８】
ろう材の金属成分の割合の一例を示せば、銀８０〜１００部（質量部、以下同じ）、銅２０〜０部の合計１００部に対し、チタン２〜４部、チタン以外の活性金属０〜６部、特に銀８５〜９０部、銅１５〜１０部の合計１００部に対し、チタン２〜４部、チタン以外の活性金属２〜５部であることが好ましい。
【００１９】
ろう材はペースト又は箔として用いられる。ペーストは、上記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。
【００２０】
本発明の回路基板は、上記基本構造にして、接合層のはみ出し長さと、金属回路のパターントップのコーナー部の形状を適正化したことに特徴がある。
【００２１】
まず、本発明における接合層のはみ出し長さとは、金属回路の端部よりはみ出した接合層の長さを意味する（図１のａで示される長さ）。本発明においては、はみ出し長さが２０〜６０μｍ、好ましくは３０〜５０μｍであることが必要である。６０μｍより大きくなると、使用電圧６〜９ｋＶにおいて、部分放電電荷量が１０ｐＣ以上となり部分放電特性の改善が十分でなくなる。また、はみ出し長さが２０μｍ未満であると、熱衝撃によりセラミックス基板にクラックが入り絶縁不良を起こす恐れがある。なお、接合層の厚みは、７μｍ以下であることが好ましい。接合層のはみ出し長さと厚みは、接合層のエッチング条件、ろう材の塗布条件によって調整することができる。接合層の成分は、上記ろう材の金属成分、金属成分の合金、金属成分の窒化物などで構成されている。
【００２２】
金属回路のパターントップのコーナー部（図１のＣで示される部分）の形状は、そのＲサイズが１０〜１００μｍ、好ましくは４０〜８０μｍであることが必要である。Ｒが大きいほど放電が起こりにくくなるが、１００μｍをこえると金属回路に実装部品を半田付けする際に、部品が傾くなどの支障を来す。また、Ｒサイズが１０μｍ未満では、高電圧を印加すると放電する。コーナー部の形状は、パターンエッチング後に更にパターン表面をエッチングすることによって調整することができる。
【００２３】
本発明においては、接合層のはみ出し長さと、パターントップのコーナー部の形状を特定することによって、使用電圧６〜９ｋＶにおいても部分放電電荷量が１０ｐＣ未満となる。この理由は定かでないが、回路形状自体に鋭い部分がないので電界集中が発生しにくくなったので、部品の実装後に封入する放電防止用のゲルの密着性が向上したためであると考えている。なお、本発明において、ゲル中への放電は、回路基板に半導体チップを半田付けし、ケースに組み込み、放電防止ゲルにて樹脂封止した後、通電を行い、目視で観察した。
【００２４】
さらには、本発明の回路基板には、パターントップにせり出しがないことが必要である。ここで、「せり出し」とは、金属回路の上面が、断面より観察して外側にせり出ている（図２のｂで示される部分）ことを意味する。せり出しをなくすには、回路パターンを形成した後、エッチングレジストを全て剥離し再度エッチングすることによって行うことができる。
【００２５】
この再度エッチングによる利点は、金属回路の表面が一段と滑らかになることであり、その表面粗さＲｚが３μｍ以下となることである。これによって、金属回路にワイヤーボンディングする際、密着力を一段と向上させることができる。
【００２６】
なお、本発明における回路基板の断面形状は、走査型電子顕微鏡によって観察される。試料の作製に際しては、必要に応じて樹脂包埋や研磨が施こされる。
【００２７】
つぎに、本発明の回路基板の製造方法について説明する。この発明においては、金属板とセラミックス基板の接合体から、金属回路をエッチングによって形成させた後、全てのエッチングレジストを除去し、さらに金属回路の表面を２０〜６０μｍ、好ましくは３０〜５０μｍエッチング除去される。Ｎｉめっきを施す場合にはこの後に行われる。
【００２８】
本発明において、全てのエッチングレジストを除去するまでの工程は、従来と同様にして行われる。すなわち、金属板とセラミクス基板の接合体を製造する工程、エッチングレジストを印刷する工程、エッチングを行い金属回路を形成する工程、エッチングレジストを除去する工程を経る。
【００２９】
接合体を製造するためのろう材ペーストとしては、上記したものを用い、その塗布量を乾燥基準で５〜２０ｍｇ／ｃｍ^２とする。塗布量が５ｍｇ／ｃｍ^２未満では未反応の部分が生じ、また２０ｍｇ／ｃｍ^２をこえると接合層を除去するのに手間取る。塗布には、スクリーン印刷法、ロールコーター法等が採用される。
金属放熱板を形成させる場合には、裏面にも塗布する。
【００３０】
その後、ろう材ペーストの塗布されたセラミックス基板に金属板を配置し、真空中、熱処理してから冷却する。熱処理の温度は８３０〜８６０℃、時間は３０〜６０分間、真空度は１×１０^−６〜５×１０^−５ｔｏｒｒであることが好ましい。熱処理条件が上記よりも緩やかであると未反応の部分が生じ、また過激であると反応層の均一性を保つことができなくなる。また、真空度が１×１０^−６ｔｏｒｒよりも高いと反応が活発となりすぎて接合層の均一性を保つことが困難となる。真空度が５×１０^−５ｔｏｒｒよりも低いとＴｉ等の活性金属の活性が失われ反応不足となる。
【００３１】
接合体から金属回路を形成するには、接合体の金属板にエッチングレジストを塗布しエッチングする。エッチングレジストとしては、紫外線硬化型や熱硬化型が用いられる。また、エッチング液としては、金属が銅であるときには、塩化第２鉄溶液、塩化第２銅液、硫酸、過酸化水素水等の溶液が使用される。好ましくは、塩化第２鉄溶液、塩化第２銅溶液である。
【００３２】
エッチングによって不要な金属部分が除去された回路基板の金属回路間には、もともと塗布したろう材やその合金層・窒化物層、更には金属回路パターン外には、必要長さ以上にはみ出した不要ろう材がまだ残っている。そこで、まず第１処理としてＮＨ_４Ｆ等のハロゲン化アンモニウム水溶液、第２処理として硫酸、硝酸等の無機酸と過酸化水素水を含む溶液を用いてそれらを除去する。無機酸の濃度は２〜４質量％、過酸化水素の濃度は０．５〜１質量％が望ましい。
【００３３】
その後に、全てのエッチングレジストをアルカリ溶液によって除去する。
【００３４】
本発明で重要なことは、この後に金属回路を再度エッチングし、更に２０〜６０μｍ除去することである。エッチング量が１０μｍ程度でも金属回路コーナー部のＲサイズが１０μｍ以上となるが、パターントップのせり出しがあるので、少なくとも２０μｍの除去が必要となる。エッチング量を６０μｍよりも大きくすると、金属回路コーナー部のＲサイズが６０μｍよりも大きくなる。
【００３５】
【実施例】
以下、実施例と比較例をあげて更に具体的に本発明を説明する。
【００３６】
実施例１
市販窒化アルミニウム基板（寸法６０ｍｍ×５０ｍｍ×１ｍｍ、熱伝導率１５０Ｗ／ｍ・Ｋ、曲げ強さ３６０ＭＰａ）にろう材ペースト（Ａｇ９０、Ｃｕ１０、Ｔｉ３）を表裏面に塗布した後に銅板を配置し、８５０℃×１時間加熱して接合した後、所定のエッチングレジストパターンを印刷してから、塩化銅水溶液、次いで過酸化水素と酸性フッ化アンモニウムの混合液を用いてエッチングを行い、金属（銅）回路と金属（銅）放熱板を形成した。
【００３７】
ついで、エッチングレジストをアルカリ剥離液で剥離した後、再度、塩化銅水溶液にてエッチングを行い、表１に示す量だけ除去した後、Ｎｉめっきを施して回路基板を製造した。なお、再度エッチング量は、前後の厚みをマイクロメータで測定し、１０枚の平均値を算出した。
【００３８】
得られた回路基板について、（１）金属回路の表面粗さ、（２）金属回路の断面形状、（３）部分放電電荷量、（４）パターントップのコーナー部（Ｃ部）における放電の有無、（５）ワイヤーボンディング性を以下に従って測定した。それらの結果を表１に示す。
【００３９】
（１）金属回路の表面粗さ：市販表面粗さ計（ミツトヨ社製商品名「サーフテスト３０１」）にて測定した。
（２）金属回路の断面形状：回路基板を樹脂包埋してから観察部位を切断・研磨し、走査型電子顕微鏡写真を撮影し、金属回路からのはみ出し長さ（ａ部）、パターントップのせり出し長さ（ｂ部）、パターントップのコーナー部（ｃ部）のＲサイズについて、いずれも最小値を測定した。図１に、実施例３の写真、図２に比較例１の写真を示す。
（３）部分放電電荷量：絶縁油（住友３Ｍ社製商品名「フロリナートＦＣ−７７」）に回路基板を浸漬し、９ｋＶの電圧を印可したときの部分放電電荷量の最大値を測定した。
（４）ｃ部における放電の有無：回路基板に半導体チップを半田付けし、ースに組み込み、実装面上をシリコーンゲルにて封止した。この回路基板に、電圧６．５ｋＶを１時間印可したときのパターントップのコーナー部（ｃ部）からの放電の有無を目視により観察した。放電するとゲルが黒く焦げるため目視で確認できる。
（５）ワイヤーボンディング性：アルミニウムワイヤー（直径２５０μｍ）を金属回路上にワイヤーボンディングを２０本行った際の界面剥離した本数を測定した。
【００４０】
【表１】

【００４１】
表１から明らかなように、本発明の実施例によれば、使用電圧６〜９ｋＶであっても、部分放電放電電荷量が１０ｐＣ以下で、しかもコーナー部（ｃ部）における放電のない電気的特性に優れた回路基板が製造された。
【００４２】
【発明の効果】
本発明によれば、金属回路の形状を著しく変更することなしに、使用電圧６〜９ｋＶであっても、絶縁性や部分放電特性に対して十分に高い耐久性を示す回路基板が提供される。また、本発明の回路基板の製造方法によれば、上記特性を有する回路基板を容易に製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例３で得られた本発明の回路基板基板端部断面の図面代用走査型電子顕微鏡写真。
【図２】比較例１で得られた回路基板基板端部断面の図面代用走査型電子顕微鏡写真。[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a high withstand voltage circuit board and a method for manufacturing the same.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, circuit boards used for power modules and the like are made of materials such as alumina, beryllia, silicon nitride, aluminum nitride, etc., selected from thermal conductivity, cost, safety, etc. It has been used with a thick metal circuit or heatsink. This circuit board is characterized in that high insulation is stably obtained with respect to a resin board or a metal board using a resin layer as an insulating material.
[0003]
In recent years, power modules have been used in electric railway applications and hybrid cars that require higher reliability in addition to conventional elevators, industrial machines, and other fields. In the case of an electric railway application, a higher voltage of 6 to 9 kV is required as compared with the conventional operating voltage of 1 to 3 kV, and the circuit board must sufficiently withstand this.
[0004]
The durability against a high voltage can be improved by increasing the thickness of the ceramic substrate, changing the shape of the metal circuit, and the like. However, it is not possible to increase the amount of partial discharge charge caused by applying a high voltage or to prevent discharge from the metal circuit surface. When the amount of the partial discharge charge increases, local material deterioration may occur at that portion, and ultimately dielectric breakdown may occur. This problem can be solved by increasing the creepage distance, but it is not a recommended method because the size of the circuit board increases. Therefore, studies have been made from the viewpoint of the material or the shape of the metal circuit of the circuit board and the ceramics board, but no good solution has been found at present.
[0005]
On the other hand, in order to improve the heat cycle resistance of a circuit board, there is a proposal to lengthen a protrusion of a bonding layer (Patent Document 1) or to specify a radius of curvature of a corner portion of a metal circuit (Patent Document 2). However, these patent documents do not refer to measures against an increase in the amount of partial discharge charge or discharge from a metal circuit surface.
[0006]
[Patent Document 1]
JP 10-190176 A [Patent Document 2]
JP-A-10-214915
[Problems to be solved by the invention]
SUMMARY OF THE INVENTION In view of the above, it is an object of the present invention to provide sufficient insulation and partial discharge characteristics even at a working voltage of 6 to 9 kV without increasing the size of a circuit board or significantly changing the shape of a metal circuit. Another object of the present invention is to provide a circuit board having high durability. An object of the present invention is to remove unnecessary portions of metal from a joined body of a metal plate and a ceramic substrate to form a metal circuit by etching and then remove all etching resists and then further etch the surface of the metal circuit to form a circuit. This can be achieved by manufacturing a substrate.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
That is, the present invention relates to a circuit board in which a ceramic substrate and a metal circuit are bonded via a bonding layer, the length of the bonding layer protruding from the metal circuit being 20 to 60 μm, and A circuit board characterized in that there is no overhanging portion, the R size at the corner of the pattern top is 10 to 100 μm, and the surface roughness (Rz) of the metal circuit is 3 μm or less.
[0009]
The present invention also provides a method of forming a metal circuit by removing unnecessary portions of metal from a joined body of a metal plate and a ceramics substrate by etching, removing all etching resists, and further increasing the metal circuit surface by 20 to 60 μm. A method for producing the circuit board, characterized by etching.
[0010]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to the drawings. FIG. 1 is a scanning electron micrograph instead of a drawing of a cross section of an end of a circuit board for explaining the shape of the circuit board of the present invention, and FIG. 2 is that of a conventional product.
[0011]
The circuit board of the present invention is based on a structure in which a ceramic substrate and a metal circuit are joined via a joining layer. The present invention is also directed to a structure in which a metal heat radiating plate is formed on the opposite surface on which the metal circuit is formed, and a structure in which the metal circuit or the metal radiating plate is further plated with Ni. Such circuit boards include many commercially available products and prior art documents in shape, material, and the like, but are not particularly limited in the present invention, and any of them can be used. First, this is outlined.
[0012]
The material of the ceramic substrate is preferably aluminum nitride or silicon nitride in terms of high reliability and high insulation. The thickness of the ceramic substrate can be freely changed depending on the purpose. Usually, it is 0.635 mm, but a thin material of about 0.5 to 0.3 mm may be used. When it is desired to significantly increase the dielectric strength under a high voltage, a thickness of 1 to 3 mm is used.
[0013]
The material of the metal circuit or the metal radiator plate is preferably Al, Cu or an Al-Cu alloy. These are used in the form of a single body or a laminated body such as a clad containing this as a single layer. Al has a lower yield stress than Cu, is rich in plastic deformation, and can significantly reduce the thermal stress applied to the ceramic substrate during thermal stress loads such as heat cycles, so it suppresses cracks generated in the ceramic substrate more than Cu. And a more reliable circuit board can be obtained.
[0014]
The thickness of the metal circuit is preferably 0.4 to 0.5 mm for an Al circuit and 0.3 to 0.5 mm for a Cu circuit from the viewpoint of electrical and thermal characteristics. When a metal heat sink is formed, its thickness is determined so as not to cause warpage during soldering. Specifically, it is preferable that the thickness is 0.1 to 0.4 mm in the case of the Al radiator and 0.15 to 0.4 mm in the case of the Cu radiator.
[0015]
In order to form a metal circuit or a metal heat sink on a ceramic substrate, a method of joining the metal plate and the ceramic substrate and then etching, a method of joining a circuit punched from the metal plate and a pattern of the heat sink to the ceramic substrate, etc. Can be done by Active metal brazing is used for these joints.
[0016]
The surface of the metal circuit or the metal radiator before Ni plating is preferably smoothed by grinding, physical polishing, chemical polishing or the like, and the surface roughness is preferably Ra ≦ 0.2 μm. . The Ni plating is preferably performed by an electroless method, which makes it possible to cope with a fine pattern. The Ni plating film thickness is preferably 2 to 8 μm.
[0017]
The bonding layer is formed when a metal circuit or a metal heat sink is bonded to a ceramic substrate by an active metal brazing method. The metal component of the brazing material contains silver and / or copper as a main component, and titanium as a subcomponent in order to ensure the wettability with the ceramic substrate during melting. This titanium reacts with the nitrogen component of the ceramic substrate to form nitride (TiN), thereby strengthening the bonding of the joined body. The active metal of titanium can be used in combination with an active metal other than titanium, such as zirconium, hafnium, niobium, tantalum, and vanadium. These active metals other than titanium lower the melting point of the brazing material.
[0018]
An example of the ratio of the metal component of the brazing material is as follows: 80 to 100 parts of silver (parts by mass, the same applies hereinafter); 20 to 0 parts of copper; It is preferable that 2 to 4 parts of titanium and 2 to 5 parts of an active metal other than titanium are used for 100 parts in total, that is, 85 to 90 parts of silver and 15 to 10 parts of copper.
[0019]
The brazing material is used as a paste or foil. The paste can be prepared by adding an organic solvent and, if necessary, an organic binder to the metal component of the brazing material, and mixing with a roll, a kneader, a universal mixer, a grinder, or the like. Examples of the organic solvent include methylcellosolve, terpineol, isophorone, and toluene, and examples of the organic binder include ethylcellulose, methylcellulose, and polymethacrylate.
[0020]
The circuit board of the present invention is characterized in that the protrusion length of the bonding layer and the shape of the corner of the pattern top of the metal circuit are optimized in the basic structure described above.
[0021]
First, the protruding length of the bonding layer in the present invention means the length of the bonding layer protruding from the end of the metal circuit (the length indicated by a in FIG. 1). In the present invention, the protruding length needs to be 20 to 60 μm, preferably 30 to 50 μm. If it is larger than 60 μm, the partial discharge charge becomes 10 pC or more at a working voltage of 6 to 9 kV, and the partial discharge characteristics are not sufficiently improved. If the protrusion length is less than 20 μm, cracks may occur in the ceramic substrate due to thermal shock and insulation failure may occur. The thickness of the bonding layer is preferably 7 μm or less. The protrusion length and thickness of the bonding layer can be adjusted by the etching conditions of the bonding layer and the application conditions of the brazing material. The components of the bonding layer are composed of a metal component of the brazing material, an alloy of the metal component, a nitride of the metal component, and the like.
[0022]
The shape of the corner portion (the portion shown by C in FIG. 1) of the pattern top of the metal circuit needs to have an R size of 10 to 100 μm, preferably 40 to 80 μm. Discharge is less likely to occur as R is larger, but if it exceeds 100 μm, when soldering a mounted component to a metal circuit, trouble such as tilting of the component occurs. When the R size is less than 10 μm, discharge occurs when a high voltage is applied. The shape of the corner can be adjusted by further etching the pattern surface after pattern etching.
[0023]
In the present invention, by specifying the protruding length of the bonding layer and the shape of the corner of the pattern top, the partial discharge charge amount is less than 10 pC even at a working voltage of 6 to 9 kV. The reason for this is not clear, but it is considered that the sharpness of the circuit shape itself makes it difficult for electric field concentration to occur, so that the adhesion of the anti-discharge gel to be sealed after the components are mounted is improved. In the present invention, the discharge into the gel was performed by soldering a semiconductor chip to a circuit board, assembling the case into a case, sealing the resin with a discharge prevention gel, energizing, and visually observing.
[0024]
Further, it is necessary that the circuit board of the present invention has no protrusion on the pattern top. Here, “projection” means that the upper surface of the metal circuit projects outward from the cross section (a portion shown by b in FIG. 2). In order to eliminate the protrusion, after forming the circuit pattern, it is possible to remove all the etching resist and perform etching again.
[0025]
The advantage of this re-etching is that the surface of the metal circuit is further smoothed, and the surface roughness Rz is 3 μm or less. Thereby, when performing wire bonding to the metal circuit, the adhesion can be further improved.
[0026]
The cross-sectional shape of the circuit board in the present invention is observed with a scanning electron microscope. In preparing the sample, resin embedding and polishing are performed as necessary.
[0027]
Next, a method for manufacturing a circuit board according to the present invention will be described. In the present invention, after a metal circuit is formed by etching from a joined body of a metal plate and a ceramic substrate, all etching resists are removed, and the surface of the metal circuit is further etched away by 20 to 60 μm, preferably 30 to 50 μm. Is done. If Ni plating is to be performed, it is performed thereafter.
[0028]
In the present invention, the steps up to removing all the etching resists are performed in the same manner as in the related art. That is, a step of manufacturing a joined body of a metal plate and a ceramics substrate, a step of printing an etching resist, a step of forming a metal circuit by etching, and a step of removing the etching resist are performed.
[0029]
As the brazing filler metal paste for producing the joined body, the above-mentioned brazing filler paste is used, and the coating amount is 5 to 20 mg / cm ² on a dry basis. And If the coating amount is less than 5 mg / cm ² , an unreacted portion occurs, and if it exceeds 20 mg / cm ² , it takes time to remove the bonding layer. For the coating, a screen printing method, a roll coater method or the like is employed.
When a metal heat sink is formed, it is also applied to the back surface.
[0030]
After that, the metal plate is placed on the ceramic substrate to which the brazing material paste has been applied, and is heat-treated in a vacuum and then cooled. It is preferable that the temperature of the heat treatment is 830 to 860 ° C., the time is 30 to 60 minutes, and the degree of vacuum is 1 × 10 ^{−6 to} 5 × 10 ⁻⁵ torr. If the heat treatment conditions are milder than the above, unreacted portions are generated, and if the heat treatment conditions are extreme, uniformity of the reaction layer cannot be maintained. On the other hand, if the degree of vacuum is higher than 1 × 10 ⁻⁶ torr, the reaction becomes too active and it is difficult to maintain the uniformity of the bonding layer. If the degree of vacuum is lower than 5 × 10 ⁻⁵ torr, the activity of the active metal such as Ti is lost and the reaction becomes insufficient.
[0031]
To form a metal circuit from the joined body, an etching resist is applied to a metal plate of the joined body and etched. As the etching resist, an ultraviolet curing type or a thermosetting type is used. When the metal is copper, a solution such as a ferric chloride solution, a cupric chloride solution, sulfuric acid, or a hydrogen peroxide solution is used as the etchant. Preferably, they are a ferric chloride solution and a cupric chloride solution.
[0032]
Unnecessary metal parts of the circuit board from which unnecessary metal parts have been removed by etching, the brazing material originally applied, its alloy layer / nitride layer, and unnecessary parts outside the metal circuit pattern that exceed the required length There is still brazing material left. Therefore, they are first removed using an aqueous solution of ammonium halide such as NH ₄ F as a first treatment, and a solution containing an inorganic acid such as sulfuric acid or nitric acid and a hydrogen peroxide solution as a second treatment. The concentration of the inorganic acid is desirably 2 to 4% by mass, and the concentration of hydrogen peroxide is desirably 0.5 to 1% by mass.
[0033]
After that, all the etching resist is removed by an alkaline solution.
[0034]
What is important in the present invention is that the metal circuit is etched again after this and further removed by 20 to 60 μm. Even if the etching amount is about 10 μm, the R size at the corner of the metal circuit becomes 10 μm or more. However, since the pattern top protrudes, it is necessary to remove at least 20 μm. When the etching amount is larger than 60 μm, the R size at the corner of the metal circuit becomes larger than 60 μm.
[0035]
【Example】
Hereinafter, the present invention will be described more specifically with reference to Examples and Comparative Examples.
[0036]
Example 1
A commercially available aluminum nitride substrate (size: 60 mm × 50 mm × 1 mm, thermal conductivity: 150 W / m · K, bending strength: 360 MPa) is coated with a brazing material paste (Ag90, Cu10, Ti3) on the front and back surfaces, and then a copper plate is placed thereon. After bonding by heating at 1 ° C. × 1 hour, a predetermined etching resist pattern is printed, and then etching is performed using a copper chloride aqueous solution and then a mixed solution of hydrogen peroxide and ammonium acid fluoride to form a metal (copper) circuit And a metal (copper) heatsink.
[0037]
Then, after the etching resist was stripped with an alkali stripping solution, etching was performed again with an aqueous solution of copper chloride, and only the amount shown in Table 1 was removed, followed by Ni plating to manufacture a circuit board. The etching amount was measured again by measuring the thickness before and after using a micrometer, and the average value of 10 sheets was calculated.
[0038]
Regarding the obtained circuit board, (1) surface roughness of the metal circuit, (2) cross-sectional shape of the metal circuit, (3) partial discharge charge amount, (4) presence or absence of discharge at the corner (C part) of the pattern top. , (5) The wire bonding properties were measured as follows. Table 1 shows the results.
[0039]
(1) Surface roughness of metal circuit: Measured with a commercially available surface roughness meter (trade name "Surftest 301" manufactured by Mitutoyo Corporation).
(2) Cross-sectional shape of metal circuit: After embedding the circuit board in resin, cut and polish the observation site, take a scanning electron micrograph, and measure the length of the protrusion from the metal circuit (part a) and the pattern top. The minimum values were measured for the protruding length (b) and the R size at the corner (c) of the pattern top. FIG. 1 shows a photograph of Example 3, and FIG. 2 shows a photograph of Comparative Example 1.
(3) Partial discharge charge: The circuit board was immersed in insulating oil (trade name “Fluorinert FC-77” manufactured by Sumitomo 3M), and the maximum value of the partial discharge charge when a voltage of 9 kV was applied was measured.
(4) Presence or absence of electric discharge in part c: A semiconductor chip was soldered to a circuit board, incorporated into a package, and the mounting surface was sealed with silicone gel. When a voltage of 6.5 kV was applied to this circuit board for 1 hour, the presence or absence of discharge from the corner (c portion) of the pattern top was visually observed. Upon discharge, the gel burns black and can be confirmed visually.
(5) Wire bonding property: The number of interface-peeled aluminum wires (diameter 250 μm) peeled off when 20 wires were bonded on a metal circuit was measured.
[0040]
[Table 1]

[0041]
As is clear from Table 1, according to the embodiment of the present invention, even when the working voltage is 6 to 9 kV, the electric discharge amount of the partial discharge is 10 pC or less and the electric discharge without the discharge at the corner portion (c portion). A circuit board having excellent characteristics was manufactured.
[0042]
【The invention's effect】
ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, even if the working voltage is 6-9 kV, the circuit board which shows sufficiently high durability with respect to insulation and partial discharge characteristics is provided, without changing the shape of a metal circuit remarkably. . Further, according to the method for manufacturing a circuit board of the present invention, a circuit board having the above characteristics can be easily manufactured.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a scanning electron microscope photograph of a cross section of an end portion of a circuit board substrate of the present invention obtained in Example 3 instead of a drawing.
FIG. 2 is a scanning electron microscope photograph as a drawing of a cross section of an end portion of a circuit board substrate obtained in Comparative Example 1.

Claims

A circuit board in which a ceramic substrate and a metal circuit are bonded via a bonding layer, the length of the bonding layer protruding from the metal circuit is 20 to 60 μm, the pattern top has no protrusion, and the pattern top has a corner. A circuit board, wherein the R size of the portion is 10 to 100 μm and the surface roughness (Rz) of the metal circuit is 3 μm or less.

Unnecessary portions of metal are removed by etching from a joined body of a metal plate and a ceramic substrate to form a metal circuit, and after removing all the etching resist, the metal circuit surface is further etched by 20 to 60 μm. The method for manufacturing a circuit board according to claim 1.