JP2007134563A

JP2007134563A - 段差回路基板、その製造方法およびそれを用いた電力制御部品。

Info

Publication number: JP2007134563A
Application number: JP2005327338A
Authority: JP
Inventors: Makoto Fukuda; 誠福田
Original assignee: Denki Kagaku Kogyo KK
Current assignee: Denka Co Ltd
Priority date: 2005-11-11
Filing date: 2005-11-11
Publication date: 2007-05-31
Anticipated expiration: 2025-11-11
Also published as: JP4703377B2

Abstract

【課題】パワーモジュールのパワー部と制御部の回路パターンを一つの基板上に生産性よく形成することが可能で、小型化、軽量化可能な段差回路基板およびその製造方法を提供する。
【解決手段】セラミックス回路基板の製造において、金属回路パターンを形成する工程が、（１）金属板に回路パターン形状にハーフエッチングを施す工程、（２）エッチング面をセラミックス基板に接合する工程、（３）金属板の非接合面にエッチングレジストを塗布し、ハーフエッチングを施して段差を形成する工程、からなることを特徴とする段差回路基板の製造方法。
【選択図】図１

Description

本発明は、段差を有するセラミックス回路基板、その製造方法およびそれを用いた電力制御部品に関する。

パワーモジュール等に利用される回路用基板として、熱伝導率やコスト、安全性等の点から、アルミナ、ベリリア、窒化ケイ素、窒化アルミニウム等のセラミックス基板や、金属板に絶縁接着層を介し導体箔が張り合わされた金属基板が利用されている。これらの基板は、ＣｕやＡｌ等の金属回路や放熱板を接合し回路基板として用いられる。これの基板は、その高い熱伝導性よりパワーモジュール等の大電力基板として主に用いられている。

近年、パワーモジュールにおいても、小型化、軽量化、高性能化が求められてきている。
従来、大電力を用い発熱量の大きい部分は、セラミック基板や金属基板で、電力をそれほど消費しない制御部は樹脂基板というように使い分けがなされていたが、これらを一体化し小型・軽量化した基板が求められてきている。また、新しい放熱構造として半導体素子を高放熱基板で挟み込み、上下から放熱させることも行われている。

パワー部と制御部では素子に流れる電流量が異なるため、大電流が流れるパワー部では、金属回路の幅を広くするか、厚みを厚くする必要がある。金属回路の幅を広くすると、基板の面積が大きくなるため小型化が難しく、一般に、パワー部の金属回路を厚くすることが行われる。一方、制御部には大電流が流れないため、微細なパターンを形成することが可能であるが、微細なパターンをエッチングで作製するためには、金属回路をできるだけ薄くする必要がある。そのため、パワーモジュール用の小型・軽量化した基板を作製するには、一つの基板上に、金属回路の厚い部分と薄い部分を形成する必要がある。

従来、回路パターンの一部分に厚みの差を設ける試みがなされており、厚み差を持った金属板を張り合わせて段差回路基板を形成する提案がある（特許文献１）。しかしながら、この方法では、金属板を一枚一枚取り外す必要があるため生産性が悪く、微細なパターンを形成することができないという課題がある。
特開平７−１５１００号公報

本発明の目的は、上記課題に鑑み、パワーモジュールのパワー部と制御部の回路パターンを一つの基板上に生産性よく形成することが可能で、小型化、軽量化可能な段差回路基板およびその製造方法を提供することである。

即ち、本発明は、セラミックス回路基板の製造において、金属回路パターンを形成する工程が、（１）金属板に回路パターン形状にハーフエッチングを施す工程、（２）エッチング面をセラミックス基板に接合する工程、（３）金属板の非接合面にエッチングレジストを塗布し、ハーフエッチングを施して段差を形成する工程、からなることを特徴とする段差回路基板の製造方法であり、金属回路の最大厚みａと最小回路パターン間隔ｂがａ≧ｂである前記製造方法により得られる段差回路基板であり、段差の深さｃと最小回路パターン間隔ｂが２c≧ｂである前記製造方法により得られる段差回路基板であり、金属回路の最大厚みａと最小回路パターン間隔ｂがａ≧ｂであり、且つ、段差の深さｃと最小回路パターン間隔ｂが２c≧ｂである前記製造方法により得られる段差回路基板であり、段差部分の平面度が10μｍ以下である前記段差回路基板である。

また、段差部分に半導体素子を取り付けることを特徴とする前記製造方法により得られる段差回路基板であり、段差部分に半導体素子を取り付けることを特徴とする前記段差回路基板であり、前記製造方法により得られる段差回路基板を用いてなるモジュールであり、前記段差回路基板を用いてなるモジュールである。

さらに、セラミックス基板の裏面に放熱板に接合するための金属層を有し、前記セラミックス基板の表面の金属回路パターン上には、半導体チップ等の回路部品が搭載される電力制御部品において、前記製造方法により得られる段差回路基板を使用することを特徴とする電力制御部品であり、前記段差回路基板を使用することを特徴とする電力制御部品である。

本発明によれば、パワーモジュールのパワー部と制御部の回路パターンを一つの基板上に生産性よく形成することが可能で、経済性に優れ、かつ、小型化、軽量化可能な段差回路基板およびその製造方法が提供される。

セラミックス回路基板の製造において、セラミックス基板と金属板とを接合した後、金属板に回路パターン形状にハーフエッチングを施し、エッチング面をセラミックス基板と接合し、更に金属板の非接合面にエッチングレジストを塗布し、ハーフエッチングを施すことにより容易に金属回路パターンに段差を形成することができる。

セラミックス基板は特に限定されないが、熱伝導性、強度等の観点より、窒化アルミニウム基板、または窒化珪素基板が好ましい。また、その厚みは使用目的により異なるが、０．３〜３．０ｍｍ程度のものが一般的である。

金属板としては、銅、アルミニウム、タングステン、モリブデン等が使用されるが、銅、アルミニウム又はそれらの合金が一般的である。金属板の厚みは特に限定されず、流れる電流に応じて適宜決められる。一般に、厚みが０．１〜１．０ｍｍのものが用いられることが多い。

金属板に回路パターン形状にハーフエッチングを施す方法は特に限定されるものではなく、その一例としては、金属板の片面の全面にエッチングレジストを塗布、他面にエッチングレジストにより回路パターンを描いた後、エッチングする方法を挙げることができる。エッチングレジストを除去する工程については、公知の方法を用いることができる。エッチングレジストとしては、公知の紫外線硬化型や熱硬化型のものを用いることができる。また、エッチング液は、用いる金属板の種類に応じて好適なエッチング液を選択して用いる。例えば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、好ましいものとして、塩化第２鉄溶液、塩化第２銅溶液が挙げられる。なお、ここで言うハーフエッチングとは、回路を形成する金属板を厚み方向に途中までエッチングすることを言う。

次に、セラミックス基板と金属板のハーフエッチング面を接合する。接合方法としては、ＤＢＣ法、活性金属ろう付け法のいずれをも採用することができる。活性金属ろう付け法で用いられるろう材は、銀と銅を主成分とし、活性金属を副成分としたものである。活性金属の具体例をあげれば、チタン、ジルコニウム、ハフニウム、ニオブ、タンタル、バナジウムやこれらの化合物である。これら金属成分の割合の一例を挙げると、銀８０〜９７質量部と銅２０〜３質量部の合計１００質量部あたり活性金属１〜１０質量部である。

ろう材は、箔、粉末を用いてもよいが、ペーストで用いることが好ましい。ペーストは、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、ニーダー、万能混合機、らいかい機等の公知の混合機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。

セラミックス基板と金属板との間にろう材を介在させ、真空中、加熱・冷却することによって接合体が製造される。ろう材は、セラミックス基板、又は、金属板のハーフエッチング面のどちらに塗布、或いは配置してもよい。合金箔を用いる場合は、予め金属板と合金箔をクラッド化しておくことも可能である。加熱条件は使用するろう材の応じて適宜決められるが、その一例を示せば、Ag70wt%／Cu27wt%／Ti3wt%の組成のろう材を用いたの場合、温度８３０〜８６０℃、加熱時間３０〜６０分間、真空度１．０×１０^−１０〜５×１０^−５Ｐａの加熱条件にて接合を行う。

ろう材の塗布量は、乾燥基準で５〜２０ｍｇ／ｃｍ^２が好ましい。塗布量が５ｍｇ／ｃｍ^２未満では未反応の部分が生じる場合があり、一方、２０ｍｇ／ｃｍ^２を超えると、接合層を除去する時間が長くなり生産性が低下する場合がある。塗布方法は特に限定されず、スクリーン印刷法、ロールコーター法等の公知の塗布方法を採用できる。

セラミックス基板と金属板の接合体に金属回路を形成する為、前記したハーフエッチング面と反対側の面にエッチングレジストを塗布しハーフエッチングする。エッチングレジストとしては、前記の通り、公知の紫外線硬化型や熱硬化型のものを用いることができる。

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み出した不要ろう材が残存している。そのため、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、それらを除去することが好ましい。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％が一般的である。その後、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。

本発明においては、金属回路の最大厚みａと最小回路パターン間隔ｂが、ａ≧ｂであることが好ましい。ａ≧ｂを満たさない条件すなわち、最小回路パターン間隔が、金属回路の最大厚みよりも大きいと、細かい回路を形成することが出来ないため、基板が大きくなり、小型化、軽量化することができない場合がある。

また、本発明においては、段差の深さｃと最小回路パターン間隔ｂが２c≧ｂであることが好ましい。２ｃ≧ｂの条件を満たさない場合、即ち、回路パターン間隔の最小部よりも段差の深さを２倍した長さが小さいと、２回目のエッチング時に、段差の低い部分の回路を過剰にエッチングしてしまうため、微細な回路パターンを形成することが困難となる場合がある。

本発明においては、段差部分の平面度が10μｍ以下であることが好ましい。平面度が10μｍを超えると、はんだボイドが発生しやすくなり、その部分の熱伝導性が低下して放熱を阻害するため、はんだ付けをした電子部品が発生した熱により、破壊する場合がある。

本発明においては、更に必要に応じてニッケルめっき等のめっき処理を回路に施すことが可能である。その場合めっきレジストは特に限定されず、溶剤乾燥タイプインク、ＵＶ硬化タイプインク等が使用できる。塗布方法は特に限定されず、スクリーン印刷法、ロールコーター法等の公知の塗布方法を採用できる。塗布厚は、乾燥後で0.005〜0.07ｍｍの厚みとなるように塗布することが望ましい。厚みが0.005ｍｍより薄いと、部分的に金属が表出してしまう場合があり、一方、0.07ｍｍより厚いと、めっきレジストの除去に時間がかかり、生産性が低下する場合がある。

めっき処理は、特に限定されないが、作業性、コスト等の面から、無電解ニッケルめっき、無電解ニッケル金めっき、はんだめっきが好ましい。めっき層の厚みは特に限定されないが、２〜８μｍが好ましい。めっき厚が、２μｍ未満であると、はんだ濡れ性、ワイヤーボンディング特性等の実装特性に悪影響を与える場合がある。一方、めっき厚みが８μｍを超えると、めっき被膜の剥がれ等により基板特性に悪影響を及ぼす場合がある。

めっきレジストの除去方法は特に限定されず、例えば、エタノールやトルエンのような有機溶剤を用いて除去する方法や、アルカリ水溶液に浸漬させる方法が挙げられる。

このようにして作製された回路基板は、はんだによりベース板や半導体素子等の電子部品と接合される。はんだの種類は特に限定されないが、通常、錫、鉛、銀、ビスマス等が一般的である。はんだ付け方法は特に限定されないが、例えば、はんだペーストをスクリーン印刷法等で所定の部分に塗布し、部品等を搭載し、はんだが溶融する所定の温度の炉内にいれることではんだ付けされる。はんだが金属板側面に接触しない方が、セラミックス回路基板の信頼性の点で好ましい。

厚み０．５ｍｍの無酸素銅板にスクリーン印刷法で片面にパターンを、他方の面は全面にエッチングレジストを塗布厚が約25μｍとなるように塗布した後、塩化銅水溶液を用いてエッチングレジストが塗布されていない金属板の厚みが０．２５ｍｍ程度になるようにエッチングを行い、ハーフエッチング銅版を作製した。その後、厚み０．６３５ｍｍ窒化アルミニウム基板又は窒化珪素基板の両主面に接合材を置き、当該ハーフエッチング銅板を、パターン面がセラミックス側になるように重ね、クッション材としてカーボンコンポジット板(厚さ２mm)に挟んで、ホットプレス装置により、窒化アルミニウム基板に垂直方向に均等に２ＭＰａで加圧しながら、Ｎ2中で８２０℃、４時間加熱し、接合した。この接合体の銅板上に、エッチングレジストをスクリーン印刷法で塗布厚が約25μｍとなるように塗布した後、塩化銅水溶液で段差部の深さが０．３ｍｍになるようにエッチングを行い、パターンを形成した。その後、めっき厚みが５μｍとなるように無電解ニッケルめっきを行った。得られた銅回路基板の最小パターン間隔、段差の深さ、平面度の測定を行った。結果を表１に示す。

〈使用材料〉
窒化アルミニウム基板：電気化学工業社製商品名「デンカＡＮプレート」
窒化珪素基板：電気化学工業社製商品名「デンカＳＮプレート」
接合材：Ａg／９．５質量％Cu／１質量％Ti合金箔。厚み２０μｍ。
無酸素銅板：ＪＩＳＣ１０２０材。
エッチングレジスト：太陽インキ製造社製商品名「PER-27B-6」

〈評価方法〉
金属回路の最大厚み（ａ）：輪郭形状測定機（キーエンス製：ＶＦ−Ｌ２５）を用いて測定した。
最小回路パターン間隔（ｂ）：最小回路パターン間隔は、工具顕微鏡（ミツトヨ製：ＴＦ−５１０Ｆ）にて測定した。パターンのセラミックス基板と接している側の最小間隔を、最小回路パターン間隔とした。
段差の深さ（ｃ）：パターンのトップ部とエッチングにて作製した平坦部までを段差の深さとした。段差の深さは、輪郭形状測定機（キーエンス製：ＶＦ−Ｌ２５）を用いて測定した。
平面度：表面粗さ計（ミツトヨ製：サーフテストＳＪ−３０１）にて測定を行った。

段差回路基板の作製方法を示すフロー図。本願発明による段差回路基板の一実施の形態を示す説明図。

符号の説明

１金属回路の最大厚み（ａ）
２最小回路パターン間隔（ｂ）
３段差の深さ（ｃ）

Claims

セラミックス回路基板の製造において、金属回路パターンを形成する工程が、
（１）金属板に回路パターン形状にハーフエッチングを施す工程、
（２）エッチング面をセラミックス基板に接合する工程、
（３）金属板の非接合面にエッチングレジストを塗布し、ハーフエッチングを施して段差を形成する工程、
からなることを特徴とする段差回路基板の製造方法。
金属回路の最大厚みａと最小回路パターン間隔ｂがａ≧ｂであることを特徴とする請求項１記載の製造方法により得られる段差回路基板。
段差の深さｃと最小回路パターン間隔ｂが２c≧ｂであることを特徴とする請求項１記載の製造方法により得られる段差回路基板。
金属回路の最大厚みａと最小回路パターン間隔ｂがａ≧ｂであり、且つ、段差の深さｃと最小回路パターン間隔ｂが２c≧ｂであることを特徴とする請求項１記載の製造方法により得られる段差回路基板。
段差部分の平面度が10μｍ以下であることを特徴とする請求項２〜４のうちいずれか一項記載の段差回路基板。
段差部分に半導体素子を取り付けることを特徴とする請求項１記載の製造方法により得られる段差回路基板。
段差部分に半導体素子を取り付けることを特徴とする請求項２〜５のうちいずれか一項記載の段差回路基板。
請求項１記載の製造方法により得られる段差回路基板を用いてなるモジュール。
請求項２〜７のうちいずれか一項記載の段差回路基板を用いてなるモジュール。
セラミックス基板の裏面に放熱板に接合するための金属層を有し、前記セラミックス基板の表面の金属回路パターン上には、半導体チップ等の回路部品が搭載される電力制御部品において、請求項１記載の製造方法により得られる段差回路基板を使用することを特徴とする電力制御部品。
セラミックス基板の裏面に放熱板に接合するための金属層を有し、前記セラミックス基板の表面の金属回路パターン上には、半導体チップ等の回路部品が搭載される電力制御部品において、請求項２〜７のうちいずれか一項記載の段差回路基板を使用することを特徴とする電力制御部品。