JP2004356502A - 金属−セラミックス回路基板およびその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】セラミックス基板10の少なくとも一方の面にアルミニウムまたはアルミニウム合金からなる金属層12を形成し、この金属層12上に所定の形状のレジスト14を形成した後、塩化第二鉄と水と混合して且つ酸を添加しないで調製された混合液からなるエッチング液によって金属層12の不要部分をエッチングして除去することにより、セラミックス基板10の少なくとも一方の面に金属回路12を形成する。
【選択図】 図3
Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、金属−セラミックス回路基板およびその製造方法に関し、特に、セラミックス基板上にアルミニウム回路またはアルミニウム合金回路などの金属回路が形成された金属−セラミックス回路基板およびその製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来、パワーモジュール用の金属−セラミックス回路基板の金属回路板として銅板が使用されている。また、近年、より高い熱サイクル耐性を実現するために、金属−セラミックス回路基板の金属回路板としてアルミニウム板を使用することが提案され、実用化されている。
【0003】
このようなアルミニウム−セラミックス回路基板のアルミニウム回路を形成するために、セラミックス基板に接合されたアルミニウム板を30〜40重量%の塩化第二鉄と5〜15重量%の塩酸と残部の水との混合液からなるエッチング液を使用してアルミニウム回路を形成する方法が知られている(例えば、特許文献1参照)。
【0004】
【特許文献1】
特開平9−3662号公報(段落番号0014−0015)
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、特許文献1に開示されたエッチング液を使用してアルミニウム板をエッチングする場合には、アルミニウムの溶解が激し過ぎてアルミニウム回路の精度が良好でない場合がある。また、金属回路が純粋なアルミニウムからなる場合には比較的良好にエッチングすることができるが、金属回路がSiなどを含むアルミニウム合金からなる場合やアルミニウムからなる金属回路をAl−Si系などのろう材を介して接合する場合には、金属回路パターンの周縁の直線性が低下して波打つ形状になり、金属回路の周縁部のスカート長さがばらつくという問題がある。そのため、金属回路間や基板の縁面間の所定の寸法を確保できなくなり、また、モジュールを組み立てた際に異常放電し易くなるという問題がある。
【0006】
したがって、本発明は、このような従来の問題点に鑑み、金属回路が純粋なアルミニウムからなる場合だけでなくアルミニウム合金からなる場合や、アルミニウム合金のろう材を介してアルミニウム板をセラミックス基板に接合して金属回路を形成する場合にも、金属回路パターンの周縁の波打ち幅が小さく且つスカート長さのばらつきが小さい金属−セラミックス回路基板およびその製造方法を提供することを目的とする。
【0007】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、上記課題を解決するために鋭意研究した結果、セラミックス基板上に形成されたアルミニウムまたはアルミニウム合金からなる金属層などの主成分としてアルミニウムを含む金属層をエッチングして金属回路を形成する際に、酸を添加することなく塩化第二鉄と水を混合した混合液からなるエッチング液を使用することにより、金属回路パターンの周縁の波打ち幅が小さく且つスカート長さのばらつきが小さい金属−セラミックス回路基板を製造することができることを見出し、本発明を完成するに至った。
【0008】
すなわち、本発明による金属−セラミックス回路基板の製造方法は、セラミックス基板の少なくとも一方の面に金属回路が形成された金属−セラミックス回路基板の製造方法において、セラミックス基板の少なくとも一方の面にアルミニウムまたはアルミニウム合金からなる金属層などの主成分としてアルミニウムを含む金属層を形成し、この金属層上に所定の形状のレジストを形成した後、酸を添加することなく塩化第二鉄と水を混合した混合液からなるエッチング液によって金属層の不要部分をエッチングして除去することにより、セラミックス基板の少なくとも一方の面に金属回路を形成することを特徴とする。
【0009】
この金属−セラミックス回路基板の製造方法において、エッチング液中の塩化第二鉄のボーメ濃度は、好ましくは40°Be’以上の濃度であり、さらに好ましくは44°Be’より高い濃度である。また、エッチング液中の遊離の酸の濃度は10g/L以下であるのが好ましい。また、アルミニウム合金が、Si、CuおよびAgの少なくとも1つから選ばれる元素を5重量%以下含有するのが好ましく、セラミックス基板が、Al2O3、AlN、Si3N4およびSiCの少なくとも1つ以上を含むのが好ましい。さらに、金属層がセラミックス基板の少なくとも一方の面に直接またはろう材を介して形成されるのが好ましい。
【0010】
また、本発明による金属−セラミックス回路基板は、セラミックス基板の少なくとも一方の面に金属回路が形成された金属−セラミックス回路基板において、セラミックス基板の少なくとも一方の面にアルミニウムまたはアルミニウム合金からなる金属回路などの主成分としてアルミニウムを含む金属回路が形成され、この金属回路の周縁の波打ち幅が200μm以下であり、且つ金属回路の周縁部のスカート長さが200μm以下または金属回路の厚さdに対するスカート長さLsの比Ls/dが0.5以下であることを特徴とする。
【0011】
この金属−セラミックス回路基板において、アルミニウム合金が、Si、CuおよびAgの少なくとも1つから選ばれる元素を5重量%以下含有するのが好ましく、セラミックス基板が、Al2O3、AlN、Si3N4およびSiCの少なくとも1つ以上を含むのが好ましい。
【0012】
さらに、本発明によるパワーモジュールは、上記のいずれかの金属−セラミックス回路基板を用いたことを特徴とする。
【0013】
なお、図1に示すように、本明細書中において、セラミックス基板10上に形成された金属回路12の周縁部の底部と上部における寸法差(金属回路の底部の一端における金属回路の主面の方向に垂直な面とその一端と同じ側の金属回路の上部の一端における金属回路の主面の方向に垂直な面との間の距離であり、上面の面積よりも底面の面積の方が大きい場合を正(+)とする)Lsを「スカート長さ」という。また、図2に示すように、本明細書中において、金属回路12の周縁の直線からのずれの幅Wを「波打ち幅」という。
【0014】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照して、本発明による金属−セラミックス回路基板およびその製造方法の実施の形態について説明する。
【0015】
まず、図3に示すように、Al2O3、AlN、Si3N4またはSiCからなるセラミックス基板10を用意し(図3(a))、このセラミックス基板10の両面に、溶湯接合法やろう接法などの接合法によって、アルミニウム、またはSi、CuおよびAgの少なくとも1つから選ばれる元素を5重量%以下含有するアルミニウム合金からなる金属板12を接合した(図3(b))後、金属板12上に所定の形状のエッチングレジスト14を形成する(図3(c))。なお、アルミニウム合金中のSi、CuおよびAgの少なくとも1つから選ばれる元素の含有量を5重量%以下とするのは、この含有量を超えると、金属板12の導電率およびエッチング特性や、金属−セラミックス回路基板の耐熱衝撃性が低下する場合があるからである。
【0016】
次に、塩化第二鉄のボーメ濃度が40°Be’以上、好ましくは44°Be’より高くなるように塩化第二鉄と水を混合し且つ酸を添加しないで調製した混合液からなるエッチング液を使用し、図4に示すように、金属板12をエッチングして金属回路を形成した(図4(a))後、エッチングレジスト14を除去する(図4(b))。
【0017】
このようにして金属−セラミックス回路基板を製造することにより、金属回路の周縁の波打ち幅を200μm以下にし、スカート長さを200μm以下または金属回路の厚さdに対するスカート長さLsの比Ls/dを0.5以下にすることができる。このような波打ち幅およびスカート長さまたは金属回路の厚さに対するスカート長さの比にすることにより、所定の金属回路間の寸法や回路基板の表裏間の寸法(縁面間距離)を確保することができ、この金属−セラミックス回路基板を使用してモジュールを組み立てた際の異常放電を防ぐことができる。また、異常放電の防止や金属−セラミックス回路基板の小型化のために、金属回路の周縁の波打ち幅を150μm以下にし、スカート長さを150μm以下または金属回路の厚さdに対するスカート長さLsの比Ls/dを0.38以下にするのがさらに好ましい。このような金属−セラミックス回路基板を得るためには、エッチング液中の塩化第二鉄のボーメ濃度が44°Be’より高いのが好ましい。
【0018】
なお、エッチング液中に遊離酸が存在すると、塩化第二鉄以外の副次的な溶解反応が生じて、塩化第二鉄との溶解バランスを制御し難くなり、特に遊離酸のアルミニウム単体とアルミニウム合金との溶解速度差があると、金属回路の周縁の波打ち幅が大きくなる可能性が高くなるため、エッチング液中の遊離酸の濃度が10g/L以下であるのが好ましく、1g/L以下であるのがさらに好ましい。
【0019】
また、エッチング液を経済的に利用するとともにエッチング速度を一定に管理して工業的に量産できるように、エッチング液の酸化還元電位(ORP)を所定範囲に制御することが好ましい。
【0020】
すなわち、エッチングの際には塩化第二鉄が作用するが、この作用後にエッチング能力がない塩化第一鉄が生成するので、この塩化第一鉄を塩化第二鉄に再生しなければ、エッチング速度を一定にすることができず、エッチング自体を行うことができなくなる場合ある。この塩化第一鉄と塩化第二鉄の量の関係を代用する特性として酸化還元電位がある。したがって、良好なエッチングを行うためには、エッチング液の液温や濃度によってエッチング液の酸化還元電位を所定の範囲に制御するのが好ましい。
【0021】
実際には、エッチング液に過酸化水素を補充して酸化還元電位を調整するのが好ましい。また、エッチング液中に不可避的に酸が入るような状況においても、過酸化水素の物質量AH2O2モルと酸の水素当量物質量AH(acid)モルとの比AH2O2/AH(acid)が0.5以上であるのが好ましい。
【0022】
【実施例】
以下、本発明による金属−セラミックス回路基板およびその製造方法の実施例について詳細に説明する。
【0023】
[実施例1]
4Nのアルミニウムを使用し、溶湯接合法によって、77mm×88mm×0.635mmの大きさのAlN基板の一方の面に厚さ0.4mmのアルミニウム板を接合するとともに、他方の面に厚さ0.15mmのアルミニウム板を接合した。この接合体の両面に、金属回路の形状に近似した形状のアルカリ剥離型エッチングレジストをスクリーン印刷法によって形成した。
【0024】
次に、塩化第二鉄のボーメ濃度が47°Be’になるように塩化第二鉄と水を混合して且つ酸を添加しないで調製した混合液からなるエッチング液を使用して、液温40℃、スプレー圧1.0kgf/cm2とし、接合体とエッチングスプレーノズルとの平均距離が110mmとなるようにして、アルミニウム板をエッチングした。なお、エッチング液中の遊離酸の濃度は、1g/L以下であった。次に、室温で3%NaOH溶液に3分以内浸漬してエッチングレジストを除去した。
【0025】
この方法により、10枚のアルミニウム−セラミックス回路基板を製造し、それぞれのアルミニウム−セラミックス回路基板の厚さ0.4mmのアルミニウム板側のアルミニウム回路について、スカート長さとパターンの波打ち幅を測定した。その結果、スカート長さの最大値は121μm、最小値は77μm、平均値は102μm、ばらつきは44μmであった。また、パターンの波打ち幅の最大値は103μm、最小値は31μm、平均値は69μmであり、良好な結果が得られた。
【0026】
[実施例2]
アルミニウムの代わりに0.5重量%のSiを含有するアルミニウム合金を使用した以外は実施例1と同様の方法により、10枚のアルミニウム−セラミックス回路基板を製造した。なお、エッチング液中の遊離酸の濃度は、1g/L以下であった。
【0027】
このようにして製造したそれぞれのアルミニウム−セラミックス回路基板の厚さ0.4mmのアルミニウム板側のアルミニウム回路について、スカート長さとパターンの波打ち幅を測定した。その結果、スカート長さの最大値は123μm、最小値は65μm、平均値は95μm、ばらつきは58μmであった。また、パターンの波打ち幅の最大値は131μm、最小値は40μm、平均値は91μmであり、良好な結果が得られた。
【0028】
[実施例3]
塩化第二鉄液のボーメ濃度45°Be’とした以外は実施例2と同様の方法により、10枚のアルミニウム−セラミックス回路基板を製造した。なお、エッチング液中の遊離酸の濃度は、1g/L以下であった。
【0029】
このようにして製造したそれぞれのアルミニウム−セラミックス回路基板の厚さ0.4mmのアルミニウム板側のアルミニウム回路について、スカート長さとパターンの波打ち幅を測定した。その結果、スカート長さの最大値は141μm、最小値は71μm、平均値は99μm、ばらつきは70μmであった。また、パターンの波打ち幅の最大値は129μm、最小値は50μm、平均値は89μmであり、良好な結果が得られた。
【0030】
[実施例4]
塩化第二鉄液のボーメ濃度43°Be’とした以外は実施例2と同様の方法により、10枚のアルミニウム−セラミックス回路基板を製造した。なお、エッチング液中の遊離酸の濃度は、1g/L以下であった。
【0031】
このようにして製造したそれぞれのアルミニウム−セラミックス回路基板の厚さ0.4mmのアルミニウム板側のアルミニウム回路について、スカート長さとパターンの波打ち幅を測定した。その結果、スカート長さの最大値は134μm、最小値は81μm、平均値は103μm、ばらつきは53μmであった。また、パターンの波打ち幅の最大値は177μm、最小値は70μm、平均値は139μmであり、良好な結果が得られた。
【0032】
[実施例5]
塩化第二鉄液のボーメ濃度40°Be’とした以外は実施例2と同様の方法により、10枚のアルミニウム−セラミックス回路基板を製造した。なお、エッチング液中の遊離酸の濃度は、1g/L以下であった。
【0033】
このようにして製造したそれぞれのアルミニウム−セラミックス回路基板の厚さ0.4mmのアルミニウム板側のアルミニウム回路について、スカート長さとパターンの波打ち幅を測定した。その結果、スカート長さの最大値は139μm、最小値は70μm、平均値は100μm、ばらつきは69μmであった。また、パターンの波打ち幅の最大値は196μm、最小値は89μm、平均値は163μmであり、良好な結果が得られた。
【0034】
[比較例1]
ボーメ濃度22°Be’の塩化第二鉄と4重量%のHClと水との混合液からなるエッチング液を使用し、液温を35℃とした以外は、実施例2と同様の方法により、10枚のアルミニウム−セラミックス回路基板を製造した。なお、エッチング液中の遊離酸の濃度は、約40g/Lであった。
【0035】
このようにして製造したそれぞれのアルミニウム−セラミックス回路基板の厚さ0.4mmのアルミニウム板側のアルミニウム回路について、スカート長さとパターンの波打ち幅を測定した。その結果、スカート長さの最大値は294μm、最小値は119μm、平均値は201μm、ばらつきは174μmであり、スカート長さが長く、ばらつきが大きかった。また、パターンの波打ち幅の最大値は387μm、最小値は177μm、平均値は298μmであり、パターンの波打ち幅が大きかった。
【0036】
[比較例2]
塩化第二鉄液のボーメ濃度37°Be’とした以外は実施例2と同様の方法により、10枚のアルミニウム−セラミックス回路基板を製造した。なお、エッチング液中の遊離酸の濃度は、1g/L以下であった。
【0037】
このようにして製造したそれぞれのアルミニウム−セラミックス回路基板の厚さ0.4mmのアルミニウム板側のアルミニウム回路について、スカート長さとパターンの波打ち幅を測定した。その結果、スカート長さの最大値は205μm、最小値は100μm、平均値は141μm、ばらつきは105μmであり、スカート長さが長く、ばらつきが大きかった。また、パターンの波打ち幅の最大値は289μm、最小値は135μm、平均値は221μmであり、パターンの波打ち幅が大きかった。
【0038】
なお、実施例および比較例の結果を表1にまとめて示す。
【0039】
【表1】
【0040】
【発明の効果】
上述したように、本発明によれば、金属回路が純粋なアルミニウムからなる場合だけでなくアルミニウム合金からなる場合にも金属回路パターンの波打ち幅が小さく且つスカート長さのばらつきが小さい金属−セラミックス回路基板およびその製造方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】セラミックス基板上に形成された金属回路の周縁部のスカート長さを説明する図。
【図2】金属回路の周縁の波打ち幅を説明する図。
【図3】本発明による金属−セラミックス回路基板の製造方法の実施の形態を説明する断面図。
【図4】本発明による金属−セラミックス回路基板の製造方法の実施の形態を説明する断面図。
【符号の説明】
10 セラミックス基板
12 金属板(金属回路)
14 エッチングレジスト
Claims (13)
- セラミックス基板の少なくとも一方の面に金属回路が形成された金属−セラミックス回路基板の製造方法において、セラミックス基板の少なくとも一方の面に主成分としてアルミニウムを含む金属層を形成し、この金属層上に所定の形状のレジストを形成した後、酸を添加することなく塩化第二鉄と水を混合した混合液からなるエッチング液によって前記金属層の不要部分をエッチングして除去することにより、セラミックス基板の少なくとも一方の面に金属回路を形成することを特徴とする、金属−セラミックス回路基板の製造方法。
- 前記金属層がアルミニウムまたはアルミニウム合金からなることを特徴とする、請求項1に記載の金属−セラミックス回路基板の製造方法。
- 前記エッチング液中の塩化第二鉄のボーメ濃度が40°Be’以上であることを特徴とする、請求項1または2に記載の金属−セラミックス回路基板の製造方法。
- 前記エッチング液中の塩化第二鉄のボーメ濃度が44°Be’より高いことを特徴とする、請求項1または2に記載の金属−セラミックス回路基板の製造方法。
- 前記エッチング液中の遊離の酸の濃度が10g/L以下であることを特徴する、請求項1乃至4のいずれかに記載の金属−セラミックス回路基板の製造方法。
- 前記アルミニウム合金が、Si、CuおよびAgの少なくとも1つから選ばれる元素を5重量%以下含有することを特徴とする、請求項1乃至5のいずれかに記載の金属−セラミックス回路基板の製造方法。
- 前記セラミックス基板が、Al2O3、AlN、Si3N4およびSiCの少なくとも1つ以上を含むことを特徴とする、請求項1乃至6のいずれかに記載の金属−セラミックス回路基板の製造方法。
- 前記金属層が前記セラミックス基板の少なくとも一方の面に直接またはろう材を介して形成されていることを特徴とする、請求項1乃至7のいずれかに記載の金属−セラミックス回路基板の製造方法。
- セラミックス基板の少なくとも一方の面に金属回路が形成された金属−セラミックス回路基板において、セラミックス基板の少なくとも一方の面に主成分としてアルミニウムを含む金属回路が形成され、この金属回路の周縁の波打ち幅が200μm以下であり、且つ金属回路の周縁部のスカート長さが200μm以下または金属回路の厚さdに対するスカート長さLsの比Ls/dが0.5以下であることを特徴とする、金属−セラミックス回路基板。
- 前記金属回路がアルミニウムまたはアルミニウム合金からなることを特徴とする、請求項9に記載の金属−セラミックス回路基板。
- 前記アルミニウム合金が、Si、CuおよびAgの少なくとも1つから選ばれる元素を5重量%以下含有することを特徴とする、請求項9または10に記載の金属−セラミックス回路基板。
- 前記セラミックス基板が、Al2O3、AlN、Si3N4およびSiCの少なくとも1つ以上を含むことを特徴とする、請求項9乃至11のいずれかに記載の金属−セラミックス回路基板。
- 請求項9乃至12のいずれかに記載の金属−セラミックス回路基板を用いたパワーモジュール。
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