JP2013030523A - Method of manufacturing metal-ceramic junction circuit board - Google Patents
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Description
本発明は、金属−セラミックス接合回路基板の製造方法に関し、特に、セラミックス基板の一方の面に電子部品搭載用の金属板(金属回路板)が形成され、他方の面に放熱用の金属ベース板が形成された金属−セラミックス接合回路基板の製造方法に関する。 The present invention relates to a method of manufacturing a metal / ceramic bonding circuit board, and in particular, a metal plate (metal circuit board) for mounting electronic components is formed on one surface of a ceramic substrate, and a metal base plate for heat dissipation is formed on the other surface. The present invention relates to a method for manufacturing a metal / ceramic bonding circuit board on which is formed.
電気自動車、電車、工作機械などの大電流を制御するために使用されている従来のパワーモジュールでは、ベース板と呼ばれている金属板または複合材の一方の面に金属−セラミックス絶縁基板が半田付けにより固定され、この金属−セラミックス絶縁基板上に半導体チップが半田付けにより固定されている。また、ベース板の他方の面(裏面)には、ねじ止めなどにより熱伝導グリースを介して金属製の放熱フィンや冷却ジャケットが取り付けられている。 In conventional power modules used to control large currents in electric vehicles, trains, machine tools, etc., a metal-ceramic insulating substrate is soldered to one side of a metal plate or composite material called a base plate. The semiconductor chip is fixed on the metal-ceramic insulating substrate by soldering. Further, a metal radiating fin or a cooling jacket is attached to the other surface (back surface) of the base plate through heat conductive grease by screwing or the like.
この金属−セラミックス絶縁基板へのベース板や半導体チップの半田付けは加熱により行われるため、半田付けの際に接合部材間の熱膨張係数の差によりベース板の反りが生じ易い。また、半導体チップから発生した熱は、金属−セラミックス絶縁基板と半田とベース板を介して放熱フィンや冷却ジャケットにより空気や冷却水に逃がされるため、半田付けの際にベース板の反りが生じると、放熱フィンや冷却ジャケットをベース板に取り付けたときのクリアランスが大きくなり、放熱性が極端に低下する。さらに、半田自体の熱伝導率が低いため、大電流を流すパワーモジュールでは、より高い放熱性が求められている。 Since the base plate and the semiconductor chip are soldered to the metal-ceramic insulating substrate by heating, the base plate is likely to warp due to the difference in thermal expansion coefficient between the joining members during soldering. Also, the heat generated from the semiconductor chip is released to the air and cooling water by the heat radiation fins and the cooling jacket through the metal-ceramic insulating substrate, the solder, and the base plate, so that the base plate warps during soldering. , The clearance when radiating fins and cooling jackets are attached to the base plate is increased, and the heat dissipation is extremely reduced. Furthermore, since the thermal conductivity of the solder itself is low, a higher heat dissipation is required for a power module through which a large current flows.
これらの問題を解決するため、セラミックス基板の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ベース板が直接接合するとともに、他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回路用金属板が直接接合した金属−セラミックス接合基板が提案されている(例えば、特許文献1参照)。この金属−セラミックス接合基板は、鋳型の内部にセラミックス基板を配置し、アルミニウムまたはアルミニウム合金の溶湯を鋳型の内部に注湯してセラミックス基板の両面に接触させた後に冷却して固化させること(所謂溶湯接合)によって製造することができる。 In order to solve these problems, a metal base plate made of aluminum or aluminum alloy is directly bonded to one surface of the ceramic substrate, and a metal plate for circuit made of aluminum or aluminum alloy is directly bonded to the other surface. A ceramic bonded substrate has been proposed (see, for example, Patent Document 1). In this metal-ceramic bonding substrate, a ceramic substrate is arranged inside a mold, a molten aluminum or aluminum alloy is poured into the mold, brought into contact with both surfaces of the ceramic substrate, and then cooled and solidified (so-called so-called). It can be manufactured by molten metal bonding).
このような金属−セラミックス接合基板を使用して金属−セラミックス回路基板を製造するために、セラミックス基板に接合した回路用金属板および金属ベース板の表面を研磨および機械加工した後、回路用金属板上にUV硬化型レジストインクを回路パターン形状にスクリーン印刷してUV硬化させることによって回路パターン形状のレジストを形成するとともに、金属ベース板の全面に熱硬化型レジストをディスペンサーで塗布して熱硬化させることによって金属ベース板の全面にレジストを形成した後に金属ベース板の端部に耐薬品のテープを貼った後、金属−セラミックス接合基板(ワーク)をエッチング治具に固定してエッチングし、その後、エッチング治具からワークを外した後、レジストを剥離するとともにテープを剥がしている。 In order to manufacture a metal-ceramic circuit board using such a metal-ceramic bonding board, the surface of the circuit metal plate and the metal base board bonded to the ceramic substrate is polished and machined, and then the circuit metal board A UV-curable resist ink is screen printed in a circuit pattern shape and UV cured to form a circuit pattern resist, and a thermosetting resist is applied to the entire surface of the metal base plate with a dispenser and thermally cured. After a resist is formed on the entire surface of the metal base plate, a chemical-resistant tape is applied to the end of the metal base plate, the metal-ceramic bonding substrate (workpiece) is fixed to an etching jig, and then etched. After removing the workpiece from the etching jig, remove the resist and remove the tape. That.
一方、導体となる金属箔上にレジストを被覆し、レーザー照射してレジストの所定部分を除去した後に、エッチングによりパターンを形成してプリント配線板を製造する方法が提案されている(例えば、特許文献2参照)。 On the other hand, a method for manufacturing a printed wiring board by coating a resist on a metal foil to be a conductor, forming a pattern by etching after removing a predetermined portion of the resist by laser irradiation (for example, a patent) Reference 2).
しかし、セラミックス基板の一方の面に金属回路板が接合するとともに他方の面に放熱用の金属ベース板が接合した金属−セラミックス接合回路基板を製造する場合には、平板状のプリント配線基板と異なり、エッチング前に、回路用金属板上に回路パターン形状のレジストを形成するだけでなく、金属ベース板の表面にレジストを形成する必要があり、また、レジストを形成した金属ベース板の端部に手作業でテープを貼る必要があるので、労力や時間がかかり、コストが高くなる。 However, when manufacturing a metal / ceramic bonding circuit board in which a metal circuit board is bonded to one surface of a ceramic substrate and a metal base plate for heat dissipation is bonded to the other surface, unlike a flat printed wiring board. Before etching, it is necessary not only to form a circuit pattern resist on the circuit metal plate, but also to form a resist on the surface of the metal base plate, and at the end of the metal base plate on which the resist is formed. Since it is necessary to apply the tape manually, labor and time are required, and the cost increases.
したがって、本発明は、このような従来の問題点に鑑み、セラミックス基板の一方の面に金属回路板が接合するとともに他方の面に放熱用の金属ベース板が接合した金属−セラミックス接合回路基板を容易に且つ安価に製造することができる、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。 Therefore, in view of such a conventional problem, the present invention provides a metal-ceramic bonding circuit board in which a metal circuit board is bonded to one surface of a ceramic substrate and a metal base plate for heat dissipation is bonded to the other surface. It is an object of the present invention to provide a method for producing a metal / ceramic bonding circuit board which can be easily and inexpensively produced.
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、セラミックス基板の一方の面に回路用金属板が接合するとともに他方の面に金属ベース板が接合した金属−セラミックス接合基板を製造し、この金属−セラミックス接合基板の回路用金属板および金属ベース板の表面を覆うようにレジストを形成し、このレジストにレーザー光を照射することによりレジストの不要部分を除去した後、回路用金属板および金属ベース板の表面が露出している部分をエッチングすることにより、セラミックス基板の一方の面に金属回路板が接合するとともに他方の面に放熱用の金属ベース板が接合した金属−セラミックス接合回路基板を容易に且つ安価に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。 As a result of diligent research to solve the above problems, the inventors of the present invention manufactured a metal-ceramic bonding substrate in which a circuit metal plate was bonded to one surface of a ceramic substrate and a metal base plate was bonded to the other surface. Then, a resist is formed so as to cover the surfaces of the metal plate for circuit and metal base plate of the metal-ceramic bonding substrate, and the resist is irradiated with laser light to remove unnecessary portions of the resist, and then the circuit metal Metal-ceramic bonding in which a metal circuit board is bonded to one surface of a ceramic substrate and a metal base plate for heat dissipation is bonded to the other surface by etching the exposed portions of the surface of the plate and the metal base plate The present inventors have found that a circuit board can be easily and inexpensively manufactured and have completed the present invention.
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、セラミックス基板の一方の面に回路用金属板が接合するとともに他方の面に金属ベース板が接合した金属−セラミックス接合基板を製造し、この金属−セラミックス接合基板の回路用金属板および金属ベース板の表面を覆うようにレジストを形成し、このレジストにレーザー光を照射することによりレジストの不要部分を除去した後、回路用金属板および金属ベース板の表面が露出している部分をエッチングして、セラミックス基板の一方の面に金属回路板が接合するとともに他方の面に金属ベース板が接合した金属−セラミックス接合回路基板を製造することを特徴とする。 That is, the method for producing a metal / ceramic bonding circuit board according to the present invention produces a metal / ceramic bonding board in which a circuit metal plate is bonded to one surface of a ceramic substrate and a metal base plate is bonded to the other surface, A resist is formed so as to cover the surfaces of the circuit metal plate and the metal base plate of the metal-ceramic bonding substrate, and unnecessary portions of the resist are removed by irradiating the resist with laser light, and then the circuit metal plate and Etching the exposed surface of the metal base plate to manufacture a metal-ceramic bonding circuit board in which the metal circuit board is bonded to one surface of the ceramic substrate and the metal base plate is bonded to the other surface It is characterized by.
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、金属−セラミックス接合基板が、セラミックス基板の一方の面に回路用金属板が直接接合するとともに他方の面に金属ベース板が直接接合した金属−セラミックス接合基板であり、金属−セラミックス接合回路基板が、セラミックス基板の一方の面に金属回路板が直接接合するとともに他方の面に金属ベース板が直接接合した金属−セラミックス接合回路基板であるのが好ましい。また、金属−セラミックス接合基板が、鋳型の内部にセラミックス基板を配置し、金属溶湯を鋳型の内部に注湯してセラミックス基板の両面に接触させた後に冷却して固化させることによって製造されるのが好ましい。 In this metal-ceramic bonding circuit board manufacturing method, a metal-ceramic bonding board is a metal-ceramic bonding board in which a circuit metal plate is directly bonded to one surface of a ceramic substrate and a metal base plate is directly bonded to the other surface. The metal-ceramic bonding circuit board is preferably a metal-ceramic bonding circuit board in which the metal circuit board is directly bonded to one surface of the ceramic substrate and the metal base plate is directly bonded to the other surface. In addition, the metal-ceramic bonding substrate is manufactured by disposing a ceramic substrate inside the mold, pouring a molten metal into the mold, bringing it into contact with both surfaces of the ceramic substrate, and then cooling and solidifying it. Is preferred.
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、回路用金属板および金属ベース板の上面を覆うように形成されたレジストの部分を、回路用金属板の上面を覆う平面領域である第1の領域と、金属ベース板の上面を覆う段差を含む平面領域である第2の領域と、第1の領域と第2の領域の間の傾斜面を含む領域である第3の領域に分割し、それぞれの領域毎にレーザー光の高さ方向の焦点深度を調整してレーザー光を照射するのが好ましい。また、レーザー光の照射が、炭酸ガスレーザー照射装置またはYbレーザー照射装置によって行われるのが好ましい。 Further, in the above method for manufacturing a metal / ceramic bonding circuit board, the resist portion formed so as to cover the upper surfaces of the circuit metal plate and the metal base plate is a planar region that covers the upper surface of the circuit metal plate. 1 area, a second area that is a plane area including a step covering the upper surface of the metal base plate, and a third area that is an area including an inclined surface between the first area and the second area. In addition, it is preferable to irradiate the laser light by adjusting the depth of focus in the height direction of the laser light for each region. Moreover, it is preferable that laser beam irradiation is performed by a carbon dioxide laser irradiation apparatus or a Yb laser irradiation apparatus.
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、レジストを形成する前に、回路用金属板および金属ベース板の表面を研磨するのが好ましい。また、レジストを形成する前に、金属ベース板のセラミックス基板のエッジ部をR状に面取りするのが好ましく、この面取りがR0.15〜5.0mmになるように行われるのが好ましい。 In the method for producing a metal / ceramic bonding circuit board, the surfaces of the circuit metal plate and the metal base plate are preferably polished before the resist is formed. Also, before forming the resist, it is preferable to chamfer the edge portion of the ceramic substrate of the metal base plate in an R shape, and this chamfering is preferably performed so as to be R0.15 to 5.0 mm.
さらに、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、レジストの形成が、スプレーコートにより回路用金属板および金属ベース板の全面にレジストインクを塗布して硬化させることによって行われるのが好ましい。この場合、レジストを形成する前に、金属−セラミックス接合基板を予め加熱するのが好ましい。また、レジストインクが、アクリルポリマーを含有する紫外線硬化型のレジストインクまたはアリカリ除去タイプのレジストインクであるのが好ましい。 Furthermore, in the above-described method for producing a metal / ceramic bonding circuit board, the resist is preferably formed by applying a resist ink to the entire surface of the circuit metal plate and the metal base plate by spray coating and curing the resist ink. In this case, it is preferable to heat the metal / ceramic bonding substrate in advance before forming the resist. Further, it is preferable that the resist ink is an ultraviolet curable resist ink containing acryl polymer or a resist removal type resist ink.
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、回路用金属板および金属ベース板が、アルミニウムまたはアルミニウム合金からなるのが好ましい。 In the method for producing a metal / ceramic bonding circuit board, the circuit metal plate and the metal base plate are preferably made of aluminum or an aluminum alloy.
本発明によれば、セラミックス基板の一方の面に金属回路板が接合するとともに他方の面に放熱用の金属ベース板が接合した金属−セラミックス接合回路基板を容易に且つ安価に製造することができる。 According to the present invention, it is possible to easily and inexpensively manufacture a metal-ceramic bonding circuit board in which a metal circuit board is bonded to one surface of a ceramic substrate and a metal base plate for heat dissipation is bonded to the other surface. .
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では、セラミックス基板の一方の面に回路用金属板が(直接)接合するとともに他方の面に放熱用の金属ベース板が(直接)接合した金属−セラミックス接合基板を製造し、この金属−セラミックス接合基板の回路用金属板および金属ベース板の表面を覆うようにレジストを形成し、このレジストにレーザー光を照射することによりレジストの不要部分を除去した後、回路用金属板および金属ベース板の表面が露出している部分をエッチングして、セラミックス基板の一方の面に金属回路板が(直接)接合するとともに他方の面に金属ベース板が(直接)接合した金属−セラミックス接合回路基板を製造する。 In the embodiment of the method for manufacturing a metal / ceramic bonding circuit board according to the present invention, a circuit metal plate is bonded (directly) to one surface of the ceramic substrate, and a metal base plate for heat dissipation is (directly) bonded to the other surface. A bonded metal-ceramic bonding substrate is manufactured, a resist is formed so as to cover the surfaces of the circuit metal plate and metal base plate of the metal-ceramic bonding substrate, and the resist is unnecessary by irradiating the resist with laser light. After removing the portion, the exposed portions of the circuit metal plate and the metal base plate are etched so that the metal circuit plate is (directly) bonded to one surface of the ceramic substrate and the metal base is bonded to the other surface. A metal-ceramic bonding circuit board in which the plates are (directly) bonded is manufactured.
この金属−セラミックス接合回路基板の製造方法の実施の形態によって、例えば、図1A〜図1Cに示すように、略矩形のセラミックス基板12の一方の面にセラミックス基板12より小さい平面形状の略矩形の金属回路板14が直接接合するとともに、セラミックス基板12の一他方の面にセラミックス基板12より大きい平面形状の略矩形の金属ベース板16が直接接合した金属−セラミックス接合回路基板10を製造することができる。
According to the embodiment of the manufacturing method of the metal-ceramic bonding circuit board, for example, as shown in FIGS. 1A to 1C, a substantially rectangular shape of a rectangular shape smaller than the
この金属−セラミックス接合回路基板10は、例えば、図2A〜図2Bに示す鋳型20を使用して、セラミックス基板の一方の面に回路用金属板が直接接合するとともに他方の面に金属ベース板が直接接合した金属−セラミックス接合基板を製造した後、回路用金属板および金属ベース板の不要部分をエッチングすることによって製造することができる。
The metal-ceramic
図2A〜図2Bに示すように、鋳型20は、平面形状が略矩形の下側鋳型部材22と、この下側鋳型部材22の蓋体としての略平板状の上側鋳型部材24とから構成されている。下側鋳型部材22の底面には、金属ベース板を形成するための凹部(金属ベース板形成部)22aが形成され、この凹部22aの底面には、セラミックス基板を収容するための凹部(セラミックス基板収容部)22bが形成され、この凹部22bの底面には、回路用金属板を形成するための凹部(回路用金属板形成部)22cが形成されている。上側鋳型部材24には、鋳型20内に溶湯を注湯するための注湯口24aが形成されている。なお、下側鋳型部材22には、金属ベース板形成部22aと回路用金属板形成部22cとの間に延びる(図示しない)溶湯流路(湯道)が形成され、セラミックス基板収容部22b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22aと回路用金属板形成部22cとの間が連通するようになっている。
As shown in FIGS. 2A to 2B, the
この鋳型20の内部にセラミックス基板12を配置し、アルミニウムまたはアルミニウム合金などの金属の溶湯を鋳型20の内部に注湯してセラミックス基板12の両面に接触させた後に冷却して固化させることによって金属−セラミックス接合基板を製造すると、図3Aに示すように、セラミックス基板12の一方の面に回路用金属板14’が直接接合するとともに他方の面に金属ベース板16が直接接合しているが、鋳型20の金属ベース板形成部22aと回路用金属板形成部22cとの間に延びる溶湯流路(湯道)に充填された金属の溶湯によって、回路用金属板14’と金属ベース板16の間が同じ金属によって接続されており、この接続部18などの不要な部分をエッチングして除去する必要がある。
The
そのため、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では、図3Bに示すように、金属−セラミックス接合基板の回路用金属板14’および金属ベース板16の表面を覆うようにレジスト26を形成し、このレジスト26にレーザー光を照射することにより、レジスト26の不要部分(金属回路板14を形成するために不要な部分に対応する部分や接続部18に対応する部分など)を除去した後、回路用金属板14’および金属ベース板16の表面が露出している部分(金属回路板14を形成するために不要な部分や接続部18など)をエッチングして除去する。
Therefore, in the embodiment of the method for producing a metal / ceramic bonding circuit board according to the present invention, as shown in FIG. 3B, the surfaces of the metal plate for
なお、金属−セラミックス接合基板では、平板状のプリント配線基板と異なり、表面の段差が大きい凹凸形状であるため、金属ベース板16のエッジ部においてレジスト26の膜厚が不均一になり、その後のエッチング工程で薬液に耐えられず、エッチング不良を起こすおそれがある。
In the metal-ceramic bonding substrate, unlike the flat printed wiring board, the unevenness of the surface is large, so that the film thickness of the resist 26 becomes uneven at the edge portion of the
そのため、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では、レジスト26を形成する前に、金属ベース板16のエッジ部をR状に面取りするのが好ましく、この面取りがR0.15〜5.0mmになるように行われるのが好ましく、R0.15〜1.0mmになるように行われるのがさらに好ましい。また、金属回路板14および金属ベース板16の寸法精度を向上させるとともに回路用金属板14’および金属ベース板16へのレジスト26の密着性を向上させるために、レジスト26を形成する前に、回路用金属板14’および金属ベース板16の表面を研磨するのが好ましい。また、レジスト26の形成が、スプレーコートにより回路用金属板14’および金属ベース板16の全面にレジストインクを塗布して硬化させることによって行われるのが好ましい。この場合、レジストインクが、アクリルポリマーを含有する紫外線硬化型のレジストインクまたはアリカリ除去タイプのレジストインクであるのが好ましい。さらに、レジストを形成する前に、金属−セラミックス接合基板を予め加熱するのが好ましい。
Therefore, in the embodiment of the method for manufacturing a metal / ceramic bonding circuit board according to the present invention, it is preferable that the edge portion of the
また、金属−セラミックス接合基板では、平板状のプリント配線基板と異なり、表面の段差が大きい凹凸形状であるため、スプレーコートにより回路用金属板14’および金属ベース板16の全面にレジストインクを塗布して硬化させて、回路用金属板14’および金属ベース板16の表面を覆うようにレジスト26を形成した場合に、セラミックス基板12の縁面と金属ベース板16の間の段差部などにレーザー照射してレジスト26の不要部分を除去することが困難になる場合がある。なお、ワークの表面の凹凸形状に追従するようにワーク固定台の高さを上下に移動させるなどによってワークに焦点を合わせる機能を有するレーザー加工機もあるが、ワークの表面の凹凸形状に合わせた三次元のパターンデータを作成してレーザー加工機に入力するのに非常に時間と手間がかかる。
In addition, unlike a flat printed wiring board, a metal-ceramic bonding substrate has an uneven shape with a large step on the surface, so that resist ink is applied to the entire surface of the circuit metal plate 14 'and the
そのため、レジスト26の不要部分を除去する方法として、回路用金属板14’および金属ベース板16の上面を覆うように形成されたレジスト26の部分を、回路用金属板14’の上面を覆う平面領域である第1の領域Aと、金属ベース板16の上面を覆う段差を含む平面領域である第2の領域Bと、第1の領域Aと第2の領域Bの間の傾斜面を含む領域である第3の領域Cに分割し、それぞれの領域毎にレーザー光の高さ方向の焦点深度を調整してレーザー光を照射するのが好ましい。この場合、レーザー光の高さ方向の焦点深度は、第1の領域Aでは回路用金属板14’の上面、第2の領域Bでは金属ベース板16の上面、第3の領域Cでは回路用金属板14’の上面と金属ベース板16の上面とほぼ中間の高さに調整するのが好ましい。この方法では、二次元(座標)のパターンデータを作成してレーザー加工機に入力すればよいので、パターンデータの作成と入力が簡単であり、三次元のパターンデータを作成してレーザー加工機に入力する場合と比べて1/2〜1/3の時間で済む。
Therefore, as a method of removing unnecessary portions of the resist 26, a portion of the resist 26 formed so as to cover the upper surfaces of the
また、レーザー光の照射が、炭酸ガスレーザー照射装置またはYbレーザー照射装置によって行われるのが好ましい。 Moreover, it is preferable that laser beam irradiation is performed by a carbon dioxide laser irradiation apparatus or a Yb laser irradiation apparatus.
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。 Hereinafter, embodiments of the method for producing a metal / ceramic bonding circuit board according to the present invention will be described in detail.
[実施例1]
図2A〜図2Bに示す鋳型20と同様の鋳型のセラミックス基板収容部内にAlNからなるセラミックス基板を収容した後、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アルミニウム溶湯を充填し、その後、冷却してアルミニウム溶湯を固化させること(所謂溶湯接合法)により、セラミックス基板の一方の面に金属ベース板が直接接合するとともに他方の面に回路用金属板が直接接合した金属−セラミックス接合基板を製造した。
[Example 1]
2A to 2B, a ceramic substrate made of AlN is accommodated in a ceramic substrate accommodating portion of a mold similar to the
このようにして製造した金属−セラミックス接合基板の回路用金属板および金属ベース板の表面を機械研磨して平坦にした後、回路用金属板および金属ベース板の表面(全面)に、アクリル系のエッチングレジストインクを希釈剤(プロピレングリコールモノメチルエーテル)で希釈比6:4(レジストインク:希釈剤)に希釈してスプレーコータにより塗布し、温風循環オーブンにより60℃で10分間加熱してレジストインクを硬化させ、厚さ25μmのレジストを形成した。 After the surfaces of the metal plate for circuit and metal base plate of the metal-ceramic bonding substrate manufactured in this way are mechanically polished and flattened, the surface of the metal plate for circuit and metal base plate (entire surface) is coated with acrylic resin. The etching resist ink is diluted with a diluent (propylene glycol monomethyl ether) to a dilution ratio of 6: 4 (resist ink: diluent), applied by a spray coater, and heated at 60 ° C. for 10 minutes in a warm air circulating oven to obtain resist ink. Was cured to form a resist having a thickness of 25 μm.
このように回路用金属板および金属ベース板の表面(全面)にレジストが形成された金属−セラミックス接合基板を用意し、レーザー照射により回路用金属板の表面に幅1.6mmの2本のレジストのラインが1mm間隔で形成されるように、出力30WのYbレーザー(キーエンス社製のF300FAYb)によりレジストにレーザーを照射してレジストの所定の部分を除去した後、形成されたレジストのラインの一方について長手方向に1mm間隔で離間した15箇所でレジストのラインの幅を測定したところ、最小値は1.60mm、最大値は1.70mm、平均値は1.65mmであった。 Thus, a metal-ceramic bonding substrate having a resist formed on the surface (entire surface) of the circuit metal plate and the metal base plate is prepared, and two resists having a width of 1.6 mm are formed on the surface of the circuit metal plate by laser irradiation. The resist is irradiated with a laser with a 30 W output Yb laser (Keyence F300FAYb) to remove a predetermined portion of the resist so that one of the resist lines is formed. When the width of the resist line was measured at 15 points spaced at 1 mm intervals in the longitudinal direction, the minimum value was 1.60 mm, the maximum value was 1.70 mm, and the average value was 1.65 mm.
[実施例2]
レジストの厚さを15μmとした以外は、実施例1と同様の方法により、回路用金属板および金属ベース板の表面(全面)にレジストが形成された金属−セラミックス接合基板を用意し、レーザー照射により形成されたレジストのラインについて長手方向に1mm間隔で離間した15箇所で2本のレジストのラインの間隔を測定したところ、最小値は1.07mm、最大値は1.12mm、平均値は1.09mmであった。
[Example 2]
A metal-ceramic bonding substrate having a resist formed on the surface (entire surface) of the circuit metal plate and metal base plate was prepared in the same manner as in Example 1 except that the resist thickness was 15 μm, and laser irradiation was performed. When the distance between two resist lines was measured at 15 points spaced apart by 1 mm in the longitudinal direction with respect to the resist lines formed by the above, the minimum value was 1.07 mm, the maximum value was 1.12 mm, and the average value was 1 0.09 mm.
[比較例1]
実施例1と同様の方法により製造した金属−セラミックス接合基板の回路用金属板の表面に、スクリーン印刷により幅1.6mmの2本のレジストのラインが1mm間隔で形成されるように、スクリーン印刷機のスキージをラインと平行に移動させ、形成されたレジストのラインの一方について長手方向に1mm間隔で離間した15箇所でレジストのラインの幅を測定したところ、最小値は1.66mm、最大値は1.71mm、平均値は1.68mmであった。
[Comparative Example 1]
Screen printing is performed so that two resist lines having a width of 1.6 mm are formed at intervals of 1 mm by screen printing on the surface of the circuit metal plate of the metal-ceramic bonding substrate manufactured by the same method as in Example 1. The width of the resist line was measured at 15 points spaced apart by 1 mm in the longitudinal direction for one of the formed resist lines by moving the squeegee in parallel with the line. The minimum value was 1.66 mm and the maximum value was Was 1.71 mm, and the average value was 1.68 mm.
[比較例2]
スクリーン印刷機のスキージをラインと直交する方向に移動させた以外は、比較例1と同様の方法により、形成されたレジストのラインの一方について長手方向に1mm間隔で離間した15箇所でレジストのラインの幅を測定したところ、最小値は1.68mm、最大値は1.79mm、平均値は1.75mmであった。
[Comparative Example 2]
Except that the squeegee of the screen printing machine was moved in the direction perpendicular to the line, the resist line was formed at 15 points spaced apart by 1 mm in the longitudinal direction for one of the formed resist lines by the same method as in Comparative Example 1. When the width was measured, the minimum value was 1.68 mm, the maximum value was 1.79 mm, and the average value was 1.75 mm.
上述した実施例1〜2および比較例1〜2の結果から、実施例1〜2のようにYbレーザーによるレーザー照射により形成したアクリル系レジストのラインの直線性は、比較例1〜2のようにスクリーン印刷により形成したアクリル系レジストのラインの直線性と同等以上であることがわかった。 From the results of Examples 1-2 and Comparative Examples 1-2 described above, the linearity of the acrylic resist line formed by laser irradiation with a Yb laser as in Examples 1-2 is as in Comparative Examples 1-2. It was found that the linearity of the acrylic resist line formed by screen printing was equal to or better than that.
また、実施例1〜2および比較例1〜2の金属−セラミックス接合基板について、エッチング液として塩化第2鉄溶液(比重1.4g/mL)を使用してエッチングしたところ、実施例1〜2のようにレーザー照射によりレジストのラインを形成した場合と、比較例1〜2のようにスクリーン印刷によりレジストのラインを形成した場合では、エッチングによるラインの直線性の差異はみられなかった。 Moreover, when the metal-ceramic bonding substrates of Examples 1-2 and Comparative Examples 1-2 were etched using a ferric chloride solution (specific gravity 1.4 g / mL) as an etching solution, Examples 1-2 were obtained. When the resist line was formed by laser irradiation as in the above and when the resist line was formed by screen printing as in Comparative Examples 1 and 2, there was no difference in line linearity due to etching.
[実施例3]
セラミックス基板上のレジストをレーザー照射で除去したときに、セラミックス基板にレーザーが照射される可能性があるため、以下のように、レーザー照射によるセラミックス基板の強度の影響について調べた。
[Example 3]
When the resist on the ceramic substrate is removed by laser irradiation, there is a possibility that the ceramic substrate may be irradiated with laser. Therefore, the influence of the strength of the ceramic substrate by laser irradiation was examined as follows.
まず、図4(a)に示すように、セラミックス基板として90mm×80mm×0.6mmのAlN基板112の一方の面の略中心を通るように金型により縦横に溝112aを形成し、図4(b)に示すように4分の1に分割した後、出力30WのYbレーザー(キーエンス社製のF300FAYb)により、出力40%、スキャン速度3000mm/秒で、分割したセラミックス基板112’の一方の面の中心線を通る線幅約1mm(スポット径60μmで平行に17本スキャンさせて線幅約1mmとした)のレーザー照射領域112’aを形成した。
First, as shown in FIG. 4A,
このようにしてレーザー照射領域112’aを形成した5枚のセラミックス基板112’を用意し、図5に示すように、それぞれのセラミックス基板112’をレーザー照射領域112’aを下側にして、一対の下部支点120上に載せ、負荷速度0.5mm/分、スパン間距離30mmの測定条件下でセラミックス基板112’のレーザー照射領域112’aと反対側(上側)に垂直に上部支点122が当たるように負荷することによって3点曲げ抗折強度を測定したところ、最大値は360MPa、最小値は331MPa、平均値は346MPaであった。
In this way, five
[実施例4]
Ybレーザーの出力を30%とした以外は、実施例3と同様の方法により、レーザー照射領域112’aを形成した5枚のセラミックス基板を用意し、3点曲げ抗折強度を測定したところ、最大値は530MPa、最小値は424MPa、平均値は465MPaであった。
[Example 4]
Except that the output of the Yb laser was set to 30%, five ceramic substrates on which the
[実施例5]
Ybレーザーの出力を30%とし、スキャン速度を8000mm/秒とした以外は、実施例3と同様の方法により、レーザー照射領域112’aを形成した5枚のセラミックス基板を用意し、3点曲げ抗折強度を測定したところ、最大値は563MPa、最小値は489MPa、平均値は514MPaであった。
[Example 5]
Except for setting the Yb laser output to 30% and the scan speed to 8000 mm / sec, five ceramic substrates on which the laser irradiation region 112'a was formed were prepared in the same manner as in Example 3, and three-point bending was performed. When the bending strength was measured, the maximum value was 563 MPa, the minimum value was 489 MPa, and the average value was 514 MPa.
[実施例6〜7]
Ybレーザーの代わりに出力30WのCO2レーザー(キーエンス社製のML−Z9500(波長10.6μm))を使用し、レーザーの出力を80%とし、スキャン速度をそれぞれ400mm/秒(実施例6)および2000mm/秒(実施例7)とした以外は、実施例3と同様の方法により、レーザー照射領域112’aを形成した5枚のセラミックス基板を用意し、3点曲げ抗折強度を測定したところ、実施例6では、最大値は566MPa、最小値は536MPa、平均値は551MPa、実施例7では、最大値は555MPa、最小値は532MPa、平均値は546MPaであった。
[Examples 6 to 7]
Instead of a Yb laser, a CO 2 laser with an output of 30 W (ML-Z9500 (wavelength 10.6 μm) manufactured by Keyence) was used, the laser output was 80%, and the scanning speed was 400 mm / second (Example 6). And 5 mm / sec (Example 7), except that the
[実施例8]
分割したセラミックス基板の一方の面の中心線を通る線幅約1mm(スポット径60μmで(梯子状に)直交させてスキャンさせて線幅約1mmとした)のレーザー照射領域112’aを形成した以外は、実施例7と同様の方法により、レーザー照射領域112’aを形成した5枚のセラミックス基板を用意し、3点曲げ抗折強度を測定したところ、最大値は563MPa、最小値は539MPa、平均値は551MPaであった。
[Example 8]
A laser irradiation region 112'a having a line width of about 1 mm passing through the center line of one surface of the divided ceramic substrate (with a spot diameter of 60 μm (scanned like a ladder) and scanned to a line width of about 1 mm) was formed. Except for the above, in the same manner as in Example 7, five ceramic substrates on which the
[比較例3]
レーザー照射領域112’aを形成しない以外は、実施例3と同様の方法により、5枚のセラミックス基板を用意し、3点曲げ抗折強度を測定したところ、最大値は569MPa、最小値は532MPa、平均値は559MPaであった。
[Comparative Example 3]
Except for not forming the
実施例3〜8および比較例3のAlN基板の3点曲げ抗折強度の平均値を図6に示す。なお、AlN基板の3点曲げ抗折強度は、300MPa以上であるのが好ましく、400MPa以上であるのがさらに好ましく、500MPa以上であるのが最も好ましいが、CO2レーザーによりレーザー照射した場合にはAlN基板の強度が低下しない。 The average value of the three-point bending strength of the AlN substrates of Examples 3 to 8 and Comparative Example 3 is shown in FIG. The three-point bending strength of the AlN substrate is preferably 300 MPa or more, more preferably 400 MPa or more, and most preferably 500 MPa or more. However, when laser irradiation is performed with a CO 2 laser, The strength of the AlN substrate does not decrease.
また、実施例1と同様の方法によって作製した金属−セラミックス接合基板について、実施例3〜8においてレーザー照射領域112’aを形成した際の照射条件と同じ条件で、レジストにレーザー光を照射したところ、その照射部分のレジストを除去することができた。
In addition, with respect to the metal / ceramic bonding substrate manufactured by the same method as in Example 1, the resist was irradiated with laser light under the same irradiation conditions as in the case of forming the
[実施例9]
図2A〜図2Bに示す鋳型20と同様の鋳型のセラミックス基板収容部内にAlNからなるセラミックス基板を収容した後、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アルミニウム溶湯を充填し、その後、冷却してアルミニウム溶湯を固化させること(所謂溶湯接合法)により、セラミックス基板の一方の面に金属ベース板が直接接合するとともに他方の面に回路用金属板が直接接合した金属−セラミックス接合基板を製造した。
[Example 9]
2A to 2B, a ceramic substrate made of AlN is accommodated in a ceramic substrate accommodating portion of a mold similar to the
このようにして製造した金属−セラミックス接合基板の回路用金属板の表面および金属ベース板のセラミックス基板との接合面と反対側の面を機械研磨して平坦にした後、金属ベース板のセラミックス基板との接合面と反対側の面の4辺(エッジ部)をR状に面取りし(手作業によるバフ研磨によってR0.2mmとし)、温風循環オーブンにより60℃で10分間加熱(プレヒート)した後、金属ベース板の表面(全面)に、厚さ約15μmのレジストを形成するために、アクリル系のエッチングレジストインクを希釈剤(プロピレングリコールモノメチルエーテル)で希釈比6:4(レジストインク:希釈剤)に希釈してスプレーコートにより塗布し、温風循環オーブンにより80℃で10分間加熱してレジストインクを硬化させ、エッジ部の厚さが10μmで平面部(セラミックス基板と反対側の平面部)の厚さが20μmのレジストを形成した。 The surface of the metal plate for circuit of the metal-ceramic bonding substrate thus manufactured and the surface of the metal base plate opposite to the bonding surface with the ceramic substrate are mechanically polished and flattened, and then the ceramic substrate of the metal base plate 4 sides (edge part) of the surface opposite to the joint surface with C are chamfered into an R shape (R0.2 mm by manual buffing), and heated (preheated) at 60 ° C. for 10 minutes in a hot air circulating oven. After that, an acrylic etching resist ink was diluted with a diluent (propylene glycol monomethyl ether) at a dilution ratio of 6: 4 (resist ink: diluted) to form a resist having a thickness of about 15 μm on the surface (entire surface) of the metal base plate. And is applied by spray coating, heated in a hot air circulating oven at 80 ° C. for 10 minutes to cure the resist ink, The thickness of the flat portion in the thickness of the section is 10 [mu] m (plane portion of the ceramic substrate opposite to side) to form a resist 20 [mu] m.
このように金属ベース板の全面にレジストが形成された4枚の金属−セラミックス接合基板を用意し、それぞれの金属−セラミックス接合基板の金属ベース板の表面のレジストに、エッチング液として35℃の塩化第2鉄溶液(比重1.4g/mL)を10分間×3回スプレーして、金属ベース板のセラミックス基板と反対側の4辺(エッジ部)の腐食の有無を調べた。それぞれの金属−セラミックス接合基板の金属ベース板のセラミックス基板と反対側の全辺数(4辺×4枚)に対する腐食した辺の数をエッジ腐食率(%)とすると、エッジ腐食率は25%であった。なお、本実施例では、手作業によるバフ研磨を行ったため、金属ベース板のエッジ部のR状の面取りにばらつきがあり、エッジ腐食率が25%になったと推測される。 In this way, four metal-ceramic bonding substrates having a resist formed on the entire surface of the metal base plate are prepared, and the resist on the surface of the metal base plate of each metal-ceramic bonding substrate is subjected to chloride at 35 ° C. as an etching solution. Ferric solution (specific gravity 1.4 g / mL) was sprayed for 10 minutes × 3 times, and the presence or absence of corrosion on the four sides (edge portions) on the opposite side of the ceramic substrate of the metal base plate was examined. When the number of corroded sides relative to the total number of sides (4 sides x 4) of the metal base plate of each metal-ceramic bonding substrate opposite to the ceramic substrate is the edge corrosion rate (%), the edge corrosion rate is 25%. Met. In this example, since buffing was performed manually, the edge chamfering of the edge portion of the metal base plate was uneven, and the edge corrosion rate was estimated to be 25%.
[比較例4]
金属ベース板の面取りを行わずに略直角のエッジ部とした以外は、実施例9と同様の方法により、エッジ部の厚さが2μmで平面部の厚さが18μmのレジストを形成した4枚の金属−セラミックス接合基板を用意し、エッジ腐食率を調べたところ、エッジ腐食率は100%であった。
[Comparative Example 4]
4 pieces of resist in which the edge portion has a thickness of 2 μm and the planar portion has a thickness of 18 μm by the same method as in Example 9 except that the metal base plate is not chamfered and the edge portion has a substantially right angle. When the edge corrosion rate was examined, the edge corrosion rate was 100%.
[比較例5]
金属ベース板の面取りを行わずに略直角のエッジ部とし、レジストインクの希釈比をそれぞれ5:5とした以外は、実施例9と同様の方法により、レジストを形成した4枚の金属−セラミックス接合基板を用意し、エッジ腐食率を調べたところ、エッジ腐食率は100%であった。
[Comparative Example 5]
Four metal-ceramics having a resist formed in the same manner as in Example 9, except that the metal base plate is not chamfered and the edge portion is substantially perpendicular, and the resist ink dilution ratio is 5: 5, respectively. A bonded substrate was prepared and the edge corrosion rate was examined. The edge corrosion rate was 100%.
[比較例6]
金属ベース板の面取りを行わずに略直角のエッジ部とし、レジストインクの希釈比をそれぞれ4:6とした以外は、実施例9と同様の方法により、エッジ部の厚さが2μmで平面部の厚さが23μmのレジストを形成した4枚の金属−セラミックス接合基板を用意し、エッジ腐食率を調べたところ、エッジ腐食率は100%であった。
[Comparative Example 6]
Except that the metal base plate is not chamfered to have a substantially right edge portion, and the dilution ratio of the resist ink is 4: 6, respectively, the edge portion has a thickness of 2 μm and a flat portion by the same method as in Example 9. Four metal-ceramic bonding substrates on which a resist having a thickness of 23 μm was prepared and the edge corrosion rate was examined. The edge corrosion rate was 100%.
[比較例7]
金属ベース板の4辺をR状に面取りする代わりにC状に面取り(CカットによりC0.25)し、レジストインクの希釈比をそれぞれ4:6とした以外は、実施例9と同様の方法により、エッジ部の厚さが2μmで平面部の厚さが24μmのレジストを形成した4枚の金属−セラミックス接合基板を用意し、エッジ腐食率を調べたところ、エッジ腐食率は94%であった。
[Comparative Example 7]
A method similar to Example 9 except that the four sides of the metal base plate are chamfered instead of chamfering in a C shape (C0.25 by C cut), and the dilution ratio of the resist ink is set to 4: 6, respectively. Then, four metal-ceramic bonding substrates on which resists having an edge portion thickness of 2 μm and a planar portion thickness of 24 μm were prepared and the edge corrosion rate was examined. The edge corrosion rate was 94%. It was.
[比較例8]
プレヒートの温度を80℃とし、金属ベース板の面取りを行わずに略直角のエッジ部とした以外は、実施例9と同様の方法により、エッジ部の厚さが3μmで平面部の厚さが15μmのレジストを形成した4枚の金属−セラミックス接合基板を用意し、エッジ腐食率を調べたところ、エッジ腐食率は50%であった。
[Comparative Example 8]
The thickness of the edge portion was 3 μm and the thickness of the flat portion was the same as in Example 9, except that the preheating temperature was 80 ° C. and the metal base plate was not chamfered and the edge portion was substantially perpendicular. When four metal-ceramic bonding substrates on which a 15 μm resist was formed were prepared and the edge corrosion rate was examined, the edge corrosion rate was 50%.
[比較例9]
プレヒートの温度を80℃とし、金属ベース板の面取りを行わずに略直角のエッジ部とし、レジストインクの希釈比をそれぞれ5:5とした以外は、実施例9と同様の方法により、レジストを形成した4枚の金属−セラミックス接合基板を用意し、エッジ腐食率を調べたところ、エッジ腐食率は75%であった。
[Comparative Example 9]
The resist was prepared in the same manner as in Example 9 except that the preheating temperature was 80 ° C., the metal base plate was not chamfered and the edge portion was substantially perpendicular, and the dilution ratio of the resist ink was 5: 5. When four formed metal-ceramic bonding substrates were prepared and the edge corrosion rate was examined, the edge corrosion rate was 75%.
[比較例10]
プレヒートの温度を80℃とし、金属ベース板の面取りを行わずに略直角のエッジ部とし、レジストインクの希釈比をそれぞれ4:6とした以外は、実施例9と同様の方法により、エッジ部の厚さが7μmで平面部の厚さが20μmのレジストを形成した4枚の金属−セラミックス接合基板を用意し、エッジ腐食率を調べたところ、エッジ腐食率は88%であった。
[Comparative Example 10]
The edge portion was formed by the same method as in Example 9 except that the preheating temperature was 80 ° C., the edge portion was substantially perpendicular without chamfering the metal base plate, and the dilution ratio of the resist ink was 4: 6. 4 metal-ceramic bonding substrates on which a resist having a thickness of 7 μm and a planar portion of 20 μm was prepared, and the edge corrosion rate was examined. The edge corrosion rate was 88%.
比較例5〜7のように、金属−セラミックス接合基板の温度を予め80℃に加熱すれば、スプレーされたレジストインクが着床後短時間でレジストインクの溶剤分が揮発してチクソ性が上昇し、スプレーで付着したままの膜厚が維持されることが推測されたが、比較例5〜7の結果から、金属ベース板のエッジ部のレジストの膜厚が数μm以下であり、耐エッチング性として不十分であるため、金属ベース板のエッジ部のレジストの膜厚を十分に確保することが必要であることがわかる。一方、実施例9のように、金属ベース板のエッジ部をR状に面取りすれば、金属ベース板のエッジ部のレジストを厚くすることができる。なお、エッジ部のレジストを厚くするためにはレジストインクの粘度が高い方がよい。 If the temperature of the metal / ceramic bonding substrate is preheated to 80 ° C. as in Comparative Examples 5 to 7, the solvent content of the resist ink is volatilized and the thixotropy increases in a short time after the sprayed resist ink is deposited. However, it was estimated that the film thickness remained adhered by spraying was maintained, but from the results of Comparative Examples 5 to 7, the resist film thickness at the edge of the metal base plate was several μm or less, and was resistant to etching. It is understood that it is necessary to sufficiently secure the resist film thickness at the edge portion of the metal base plate. On the other hand, if the edge portion of the metal base plate is chamfered in an R shape as in Example 9, the resist on the edge portion of the metal base plate can be thickened. In order to increase the thickness of the resist at the edge portion, it is preferable that the resist ink has a high viscosity.
[実施例10〜11、比較例11]
研磨材を混入した樹脂製のカップブラシをフライスに取り付けて、3600rpm、250mm/分(金属−セラミックス接合基板1枚当たり約30秒)の条件で、それぞれウェット加工により金属ベース板のR状の面取り(R寸法:0.2〜0.3mm)(実施例10)およびドライ加工によりR状の面取り(R寸法:0.4〜0.6mm)(実施例11)を行った以外は、実施例9と同様の方法により、レジストを形成した10枚の金属−セラミックス接合基板を用意し、それぞれ4枚(実施例10)および6枚(実施例11)の金属−セラミックス接合基板について、エッジ腐食率を調べたところ、実施例10および11のいずれもエッジ腐食率は0%であった。また、金属ベース板の面取りを行わずに略直角のエッジ部とした以外は、実施例9と同様の方法により、3枚の金属−セラミックス接合基板を用意し、エッジ腐食率を調べたところ、腐食した辺の数は9であり、エッジ腐食率は75%であった。
[Examples 10 to 11, Comparative Example 11]
A resin-made cup brush mixed with abrasives is attached to a milling cutter, and the metal base plate is chamfered by wet machining under conditions of 3600 rpm and 250 mm / min (approximately 30 seconds per metal-ceramic bonding substrate). Example (R dimension: 0.2-0.3 mm) (Example 10) and R-shaped chamfering (R dimension: 0.4-0.6 mm) (Example 11) by dry processing. 10 metal-ceramic bonding substrates on which resists were formed by the same method as in No. 9, and the edge corrosion rate for four (Example 10) and six (Example 11) metal-ceramic bonding substrates, respectively. As a result, in all of Examples 10 and 11, the edge corrosion rate was 0%. In addition, except that the metal base plate was not chamfered and made a substantially right-angled edge portion, by preparing the three metal-ceramic bonding substrates by the same method as in Example 9, and examining the edge corrosion rate, The number of corroded sides was 9, and the edge corrosion rate was 75%.
10 金属−セラミックス接合回路基板
10’ 金属−セラミックス接合基板
12 セラミックス基板
14 金属回路板
14’ 回路用金属板
16 金属ベース板
20 鋳型
22 下側鋳型部材
22a 凹部(金属ベース板形成部)
22b 凹部(セラミックス基板収容部)
22c 凹部(回路用金属板形成部)
24 上側鋳型部材
24a 注湯口
26 レジスト
112 セラミックス基板(AlN基板)
112a 溝
112’ 分割したセラミックス基板
112’ a レーザー照射領域
120 下部支点
122 上部支点
DESCRIPTION OF
22b Concave portion (ceramic substrate receiving portion)
22c Recess (Circuit metal plate forming part)
24
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