JP2005093965A - 金属−セラミックス接合回路基板の製造方法 - Google Patents

金属−セラミックス接合回路基板の製造方法 Download PDF

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Abstract

【課題】 金属溶湯をセラミックス基板に接触させた後に冷却して固化させることによりセラミックス基板に回路用金属板を接合し、この回路用金属板をエッチング処理して所望の回路パターンの金属回路板を形成する際に、回路用金属板が厚い場合でもファインパターンを形成することができるとともに、エッチング処理時間を短縮することができる、金属−セラミックス接合回路基板の製造方法を提供する。
【解決手段】 金属溶湯をセラミックス基板１０の両面に接触させた後に冷却して固化させることにより、セラミックス基板１０の一方の面に回路用金属板１２を接合するとともに他方の面に金属ベース板１４を接合し、この回路用金属板１２にエッチングレジスト１６を印刷し、エッチング処理を行って所望の回路パターンの金属回路板１２を形成する場合において、セラミックス基板１０に接合する回路用金属板１２の形状を予め回路パターンに類似した形状にする。
【選択図】 図２

Description

本発明は、セラミックス基板に金属回路板が接合した金属−セラミックス接合回路基板の製造方法に関し、特に、パワーモジュールなどに使用される金属−セラミックス接合回路基板の製造方法に関する。
従来、パワーモジュールなどに使用される金属−セラミックス接合回路基板の製造方法として、金属溶湯をセラミックス基板上に流し込んだ後に冷却して固化させることによりセラミックス基板に金属板を接合し、その後、スクリーン印刷などにより所望のパターン形状のエッチングレジストを印刷し、エッチング処理を行って回路パターンを形成した後、レジストを剥離することにより、所望の回路パターンの金属回路板を有する金属−セラミックス接合回路基板を製造する方法が知られている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００２−７６５５１号公報（段落番号００３０、００４８）
しかし、パワーモジュールなどに使用する金属−セラミックス接合回路基板では、金属回路板の厚さが数１００μｍ以上もあり、通常の紙やガラスエポキシなどを絶縁材として使用するプリント回路基板の金属回路板の厚さの数十倍の厚さであるため、特許文献１に開示された方法では、エッチング処理により形成されるスカートの長さやサイドエッチング量が大きくなるという問題がある。例えば、金属回路板の厚さが０．４〜０．６ｍｍの場合には、パターン間の距離が０．５ｍｍのエッチングレジストを形成した場合に、パターン間の絶縁距離（ボトム間距離）が最短でも０．９〜１．４ｍｍ程度と大きくなり、金属回路のトップ間距離はさらに大きくなっている。金属回路板がさらに厚くなると、これらの距離がさらに大きくなるという問題がある。また、金属回路板が厚くなるほどエッチング処理時間が長くなり、工数が増えてコストが増大するとともに、エッチングレジストの耐性にも注意しなければならなくなる。
したがって、本発明は、このような従来の問題点に鑑み、金属溶湯をセラミックス基板に接触させた後に冷却して固化させることによりセラミックス基板に回路用金属板を接合し、この回路用金属板をエッチング処理して所望の回路パターンの金属回路板を形成する際に、回路用金属板が厚い場合でもファインパターンを形成することができるとともに、エッチング処理時間を短縮することができる、金属−セラミックス接合回路基板の製造方法を提供することを目的とする。
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、金属溶湯をセラミックス基板に接触させた後に冷却して固化させることによってセラミックス基板に接合する回路用金属板の形状を、予め回路パターンに類似した形状にすることにより、所望の回路パターンの金属回路板を形成する際のエッチング処理時間を短縮することができるとともに、回路用金属板が厚い場合でもファインパターンを形成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。
すなわち、本発明による金属−セラミックス接合回路基板の製造方法は、金属溶湯をセラミックス基板の少なくとも一方の面に接触させた後に冷却して固化させ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板を接合し、この金属板をエッチング処理して所望の回路パターンの金属回路板を形成することにより金属−セラミックス接合回路基板を製造する方法において、セラミックス基板に接合する金属板の形状を予め回路パターンに類似した形状にすることを特徴とする。
この金属−セラミックス接合回路基板の製造方法において、セラミックス基板に接合する金属板の回路パターンに略対応する部分以外の厚さを、回路パターンに略対応する部分の厚さよりも薄くするのが好ましく、回路パターンに略対応する部分の厚さの１／２以下にするのがさらに好ましい。この場合、回路パターンに略対応する部分の厚さが０．１〜０．３ｍｍであるのが好ましい。
また、上記の金属−セラミックス接合回路基板の製造方法において、回路パターンに類似した形状の凹部を有する鋳型内にセラミックス基板を設置し、金属溶湯をセラミックス基板の少なくとも一方の面に接触するように鋳型の凹部内に注湯した後、冷却して固化させ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板を接合するのが好ましい。この場合、鋳型の凹部の回路パターンに略対応する部分以外の深さを、回路パターンに略対応する部分の深さよりも浅くするのが好ましく、回路パターンに略対応する部分の深さが０．１〜０．３ｍｍであるのが好ましい。
また、本発明による金属−セラミックス接合回路基板の製造方法は、鋳型内にセラミックス基板を設置した後、金属溶湯をセラミックス基板の少なくとも一方の面に接触するように鋳型内に注湯し、冷却して固化させ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板を接合し、この金属板をエッチング処理して所望の回路パターンの金属回路板を形成することにより金属−セラミックス接合回路基板を製造する方法において、回路パターンに類似した形状の凹部を有する鋳型を用意し、この鋳型の凹部内に金属溶湯を注湯することを特徴とする。この場合、鋳型の凹部の回路パターンに略対応する部分以外の深さを、回路パターンに略対応する部分の深さよりも浅くするのが好ましく、回路パターンに略対応する部分の深さが０．１〜０．３ｍｍであるのが好ましい。
上記の金属−セラミックス接合回路基板の製造方法において、金属溶湯をセラミックス基板の少なくとも一方の面に接触させる際に、金属溶湯をセラミックス基板の他方の面に接触させ、冷却して固化させることによりセラミックス基板の他方の面に金属部材を接合してもよい。また、金属溶湯がアルミニウムを主成分とする溶湯であるのが好ましい。
なお、本発明による金属−セラミックス接合回路基板の製造方法において、セラミックス基板に接合する金属板の形状を回路パターンと同一の形状ではなく、類似した形状としたのは、セラミックス基板に接合する金属板を鋳造により形成する場合には、所定の寸法精度で回路パターンと同一の形状にするのが困難であるためである。また、金属板の形状を回路パターンと同一の形状にするためには、鋳造により各々の回路パターンを形成するための注湯口をそれぞれ鋳型に形成する必要があり、鋳型が複雑になり、そのような鋳型を製造するのが困難であるためである。したがって、本明細書中において、「回路パターンに類似した形状」とは、鋳造により可能な限り回路パターンに類似した形状という意味である。特に、隣接するパターン間にも金属板を形成し且つこの部分の厚さを薄くすれば、各々の回路パターンを形成するための注湯口をそれぞれ鋳型に形成する必要がなく、金属板の形状を回路パターンに類似した形状にすることができる。
本発明によれば、金属溶湯をセラミックス基板に接触させた後に冷却して固化させることにより回路用金属板を接合し、この回路用金属板をエッチング処理して所望の回路パターンの金属回路板を形成する場合において、セラミックス基板に接合する回路用金属板の形状を予め回路パターンに類似した形状にすることにより、回路用金属板が厚い場合でもファインパターンを形成することができるとともに、所望の回路パターンの金属回路板を形成するためのエッチング処理時間を大幅に短縮することができる。
以下、添付図面を参照して、本発明による金属−セラミックス接合回路基板の製造方法の実施の形態について説明する。
まず、鋳型内にセラミックス基板を設置し、金属溶湯を流し込んで冷却して固化させることにより、セラミックス基板の一方の面金属ベース板が接合するとともに、他方の面に回路用金属板が接合した金属−セラミックス接合基板を製造する。
この金属−セラミックス接合基板の製造に使用する鋳型の下側鋳型部材の例を図１に示す。図１（ａ）および図１（ｂ）に示すように、下側鋳型部材１００は、平面形状が略矩形の底面部１００ａと、この底面部１００ａの周縁部から垂直方向上方に向かって延びる側壁部１００ｂとからなる。この下側鋳型部材１００の底面部１００ａの上面には、階段状の側壁を有する１つまたは複数（図１（ａ）および図１（ｂ）では２つを示す）凹部１００ｃが形成されている。これらの凹部１００ｃの各々は、金属回路板の回路パターンに類似した平面形状で且つ金属回路板の厚さと略等しい深さの１つまたは複数（図１（ａ）および図１（ｂ）では４つを示す）の回路用金属板形成部１００ｄと、この回路用金属板形成部１００ｄの上部に隣接して形成され、セラミックス基板と略等しい形状および大きさの１つまたは複数（図１（ａ）および図１（ｂ）では２つを示す）のセラミックス基板収容部１００ｅとからなる。回路用金属板形成部１００ｄは、図１（ｃ）に示すように、隣接するパターン間の部分の深さが金属回路板の回路パターンに略対応する部分の深さよりｄだけ浅くなっている。この下側鋳型部材１００の上部に平面形状が略矩形の（図示しない）上側鋳型を被せることによって内部に画定される空間のうち、下側鋳型部材１００の凹部１００ｃを除いた部分は、金属ベース板形成部１００ｆである。なお、上側鋳型には、金属溶湯を鋳型内に注湯するための（図示しない）注湯口が形成されている。また、下側鋳型部材１００には、金属ベース板形成部１００ｆと回路用金属板形成部１００ｄとの間に延びる（図示しない）溶湯流路が形成され、セラミックス基板収容部１００ｅ内にセラミックス基板を収容したときにも金属ベース板形成部１００ｆと回路用金属板形成部１００ｄとの間が連通するようになっている。
この鋳型の下側鋳型部材１００のセラミックス基板収容部１００ｅ内にセラミックス基板を収容した後、金属ベース板形成部１００ｆ内に金属溶湯を注湯し、（図示しない）溶湯流路を介して回路用金属板形成部１００ｄまで金属溶湯を充填し、その後、冷却して金属溶湯を固化させることにより、図２（ａ）に示すようなセラミックス基板１０の一方の面に金属ベース板１４が直接接合するとともに、他方の面に回路パターンに類似した形状の回路用金属板１２が直接接合した一体の金属−セラミックス接合基板が得られる。
次に、図２（ｂ）に示すように、回路用金属板１２の表面に所定の形状のエッチングレジスト１６を印刷し、塩化第二鉄溶液などのエッチング液によってエッチング処理を行って所望の回路パターンの金属回路板１２を形成した後、レジスト１６を剥離することにより、図２（ｃ）に示すように、所望の回路パターンの金属回路板を有する金属−セラミックス接合回路基板が得られる。
以下、本発明による金属−セラミックス接合回路基板の製造方法の実施例について詳細に説明する。
［実施例１］
下側鋳型部材の底面に、回路パターンに略対応する部分の厚さが０．６ｍｍであり、隣接するパターン間の部分の厚さが０．３ｍｍであり且つそれらの間隔が０．８ｍｍである回路用金属板（図３（ａ）を参照）と略等しい形状および大きさの凹部である回路用金属板形成部が形成され、この回路用金属板形成部の上部に隣接して、３２．５ｍｍ×４０ｍｍ×０．６３５ｍｍの大きさのセラミックス基板と略等しい形状および大きさの凹部であるセラミックス基板収容部が形成され、このセラミックス基板収容部の上部に隣接して、金属ベース板形成部が形成され、金属ベース板形成部と回路用金属板形成部との間に延びる溶湯流路が形成されたカーボン製の鋳型を用意した。
この鋳型の下側鋳型部材のセラミックス基板収容部内に３２．５ｍｍ×４０ｍｍ×０．６３５ｍｍの大きさの窒化アルミニウム基板を収容し、上側鋳型を被せて密閉した後、溶湯口から金属ベース板形成部内にアルミニウム溶湯を注湯し、溶湯流路を介して回路用金属板形成部まで金属溶湯を充填し、その後、冷却して金属溶湯を固化させることにより、図３（ａ）に示すように、セラミックス基板１０の一方の面に金属ベース板１４が直接接合するとともに、他方の面に回路パターンに類似した形状の回路用金属板１２が直接接合した一体の金属−セラミックス接合基板を得た。
この金属−セラミックス接合基板の回路用金属板の表面に、図３（ａ）に示すように、隣接するパターン間で１．２ｍｍ離間させてエッチングレジスト１６を印刷し、塩化第二鉄溶液によってエッチング処理を行って、所望の回路パターンの金属回路板を形成した後、エッチングレジスト１６を剥離して、図３（ｂ）に示すように、隣接するパターンのパターンボトム間の距離（絶縁距離）が１．６ｍｍの所望の回路パターンの金属回路板を有する金属−セラミックス接合回路基板を得た。
［実施例２〜４］
セラミックス基板の大きさを３２．５ｍｍ×７４ｍｍ×０．６３５ｍｍ（実施例２）、３２．５ｍｍ×４０ｍｍ×０．２５ｍｍ（実施例３）、３２．５ｍｍ×７４ｍｍ×０．２５ｍｍ（実施例４）とし、下側鋳型部材のセラミックス基板収容部の大きさをそれぞれのセラミックス基板の大きさと略等しい大きさにした以外は、実施例１と同様の方法により、金属−セラミックス接合回路基板を得た。
［実施例５〜８］
セラミックス基板をアルミナ基板にした以外は、実施例１〜４と同様の方法により、金属−セラミックス接合回路基板を得た。
［実施例９］
図４（ａ）に示すように、回路用金属板１２の隣接するパターン間の間隔を０．３ｍｍとし、隣接するパターンに印刷するエッチングレジスト１６の間隔を０．５ｍｍとした以外は、実施例１と同様の方法により、図４（ｂ）に示すように、隣接するパターンのパターンボトム間の距離（絶縁距離）が１．０ｍｍの所望の回路パターンの金属回路板１２を有する金属−セラミックス接合回路基板を得た。
［実施例１０〜１２］
セラミックス基板の大きさを３２．５ｍｍ×７４ｍｍ×０．６３５ｍｍ（実施例１０）、３２．５ｍｍ×４０ｍｍ×０．２５ｍｍ（実施例１１）、３２．５ｍｍ×７４ｍｍ×０．２５ｍｍ（実施例１２）とし、下側鋳型部材のセラミックス基板収容部の大きさをそれぞれのセラミックス基板の大きさと略等しい大きさにした以外は、実施例１と同様の方法により、金属−セラミックス接合回路基板を得た。
［実施例１３〜１６］
セラミックス基板をアルミナ基板にした以外は、実施例９〜１２と同様の方法により、金属−セラミックス接合回路基板を得た。
［比較例１〜１６］
回路用金属板形成部の深さを０．６ｍｍの一定の深さにした以外は実施例１〜８と同様の方法により、金属−セラミックス接合回路基板を得た。
比較例１〜１６ではエッチング時間が約３０分間であったが、実施例１〜１６ではエッチング時間が約１５分間であり、実施例１〜１６ではエッチング時間を大幅に短縮できることがわかった。また、隣接するパターンに印刷するエッチングレジスト１６の間隔を１．２ｍｍとした実施例１〜８では、絶縁距離（パターンボトム間の距離）が１．６ｍｍの所望の回路パターンを形成することができたが、同様にエッチングレジストの間隔を１．２ｍｍとした比較例１〜８では、絶縁距離が２．１ｍｍであり、所望の回路パターンを形成することができなかった。さらに、隣接するパターンに印刷するエッチングレジスト１６の間隔を０．５ｍｍとした実施例９〜１６では、絶縁距離が１．０ｍｍの所望のファインパターンを形成することができたが、同様にエッチングレジストの間隔を０．５ｍｍとした比較例９〜１６では、絶縁距離が１．４ｍｍであり、所望のファインパターンを形成することができなかった。
本発明による金属−セラミックス接合回路基板の製造方法の実施の形態に使用する鋳型の下側鋳型部材を示す図であり、図１（ａ）は平面図、図１（ｂ）は図１（ａ）のＢ−Ｂ線断面図、図１（ｃ）は図１（ｂ）の一部拡大図。 本発明による金属−セラミックス接合回路基板の製造方法の実施の形態の製造工程を示す断面図。 実施例１〜８において金属−セラミックス接合回路基板を製造する工程を説明する図。 実施例９〜１６において金属−セラミックス接合回路基板を製造する工程を説明する図。
符号の説明
１０ セラミックス基板
１２ 回路用金属板（金属回路板）
１４ 金属ベース板
１６ エッチングレジスト
１００ 下側鋳型部材
１００ａ 底面部
１００ｂ 側壁部
１００ｃ 凹部
１００ｄ 回路用金属板形成部
１００ｅ セラミックス基板収容部
１００ｆ 金属ベース板形成部

Claims (10)

  1. 金属溶湯をセラミックス基板の少なくとも一方の面に接触させた後に冷却して固化させ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板を接合し、この金属板をエッチング処理して所望の回路パターンの金属回路板を形成することにより金属−セラミックス接合回路基板を製造する方法において、セラミックス基板に接合する金属板の形状を予め回路パターンに類似した形状にすることを特徴とする、金属−セラミックス接合回路基板の製造方法。
  2. 前記セラミックス基板に接合する前記金属板の前記回路パターンに略対応する部分以外の厚さを、前記回路パターンに略対応する部分の厚さよりも薄くすることを特徴とする、請求項１に記載の金属−セラミックス接合回路基板の製造方法。
  3. 前記セラミックス基板に接合する前記金属板の前記回路パターンに略対応する部分以外の厚さを、前記回路パターンに略対応する部分の厚さの１／２以下にすることを特徴とする、請求項１に記載の金属−セラミックス接合回路基板の製造方法。
  4. 前記回路パターンに略対応する部分の厚さが０．１〜０．３ｍｍであることを特徴とする、請求項２または３に記載の金属−セラミックス接合回路基板の製造方法。
  5. 前記回路パターンに類似した形状の凹部を有する鋳型内に前記セラミックス基板を設置し、前記金属溶湯を前記セラミックス基板の少なくとも一方の面に接触するように前記鋳型の凹部内に注湯した後、冷却して固化させることにより前記セラミックス基板の少なくとも一方の面に前記金属板を接合することを特徴とする、請求項１に記載の金属−セラミックス接合回路基板の製造方法。
  6. 鋳型内にセラミックス基板を設置した後、金属溶湯をセラミックス基板の少なくとも一方の面に接触するように鋳型内に注湯し、冷却して固化させ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板を接合し、この金属板をエッチング処理して所望の回路パターンの金属回路板を形成することにより金属−セラミックス接合回路基板を製造する方法において、回路パターンに類似した形状の凹部を有する鋳型を用意し、この鋳型の凹部内に金属溶湯を注湯することを特徴とする、金属−セラミックス接合回路基板の製造方法。
  7. 前記鋳型の凹部の前記回路パターンに略対応する部分以外の深さを、前記回路パターンに略対応する部分の深さよりも浅くすることを特徴とする、請求項５または６に記載の金属−セラミックス接合回路基板の製造方法。
  8. 前記回路パターンに略対応する部分の深さが０．１〜０．３ｍｍであることを特徴とする、請求項７に記載の金属−セラミックス接合回路基板の製造方法。
  9. 前記金属溶湯を前記セラミックス基板の少なくとも一方の面に接触させる際に、前記金属溶湯を前記セラミックス基板の他方の面に接触させ、冷却して固化させることにより前記セラミックス基板の他方の面に金属部材を接合することを特徴とする、請求項１乃至８のいずれかに記載の金属−セラミックス接合回路基板の製造方法。
  10. 前記金属溶湯がアルミニウムを主成分とする溶湯であることを特徴とする、請求項１乃至９のいずれかに記載の金属−セラミックス接合回路基板の製造方法。

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