JP2015178424A - セラミックス回路基板の製造方法 - Google Patents
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Abstract
Description
セラミックス基板に、ろう材粉末と有機バインダとを含むろう材領域を形成するろう材領域形成工程と、
前記セラミックス基板に、前記形成したろう材領域を介して金属基板を配置し、前記セラミックス基板、前記ろう材領域、及び前記金属基板を加熱し、前記セラミックス基板と前記金属基板とを、前記ろう材からなるろう材層を介して接合して接合体を形成する接合工程と、
前記接合体を酸素を含む雰囲気中で250〜500℃に加熱する加熱工程と、
前記加熱工程を経た接合体を薬剤に浸漬して洗浄する洗浄工程と
を有することを特徴とする。
本発明のセラミックス回路基板の製造方法は、(a)セラミックス基板に、ろう材粉末と有機バインダとを含むろう材領域を形成するろう材領域形成工程と、(b)前記セラミックス基板に、前記形成したろう材領域を介して金属基板を配置し、前記セラミックス基板、前記ろう材領域、及び前記金属基板を加熱し、前記セラミックス基板と前記金属基板とを、前記ろう材からなるろう材層を介して接合して接合体を形成する接合工程と、(c) 前記接合体を酸素を含む雰囲気中で250〜500℃に加熱する加熱工程と、(d)前記加熱工程を経た接合体を薬剤に浸漬して洗浄する洗浄工程を有する。以下、前記(a)〜(d)の工程、および工程に関係する要素について説明する。
図2(a)に示すように、セラミックス基板Sに、間隙Gをおいて、ろう材粉末と有機バインダとを含むろう材領域c1,c2を形成する。前記ろう材粉末としては、Ag,Cu等を所定の組成で含むろう材粉末が挙げられ、前記有機バインダとしては、様々な有機系樹脂を使用することができる。ろう材領域の形成は、ろう材粉末と有機バインダとを含むろう材ペーストを、スクリーン印刷等の方法でセラミックス基板上に塗布し行う。
図2(b)に示すように、(i)セラミックス基板S、(ii)前記セラミックス基板に形成された、ろう材粉末と有機バインダとを含むろう材領域C1,C2、及び(iii)前記ろう材領域を介して載置された金属基板Mを加熱することで、セラミックス基板Sと金属基板Mとがろう材層を介して接合され、接合体が形成される。接合する為の加熱は、真空中又は還元雰囲気中で行うのが好ましく、昇温過程でろう材ペースト中の有機成分を除去するため、有機バインダの揮発温度近傍(たとえば400℃付近)で一旦保持し(保持工程)、その後ろう付け温度で10分以上保持して行う(ろう付け工程)。ろう付け温度とは、適切にろう材層を形成できる温度、すなわちろう材の融点以上の温度である必要がある。ろう付け温度は、通常は前記昇温過程の最高温度である。
加熱工程において、接合工程で得られた接合体を酸素を含む雰囲気中で250〜500℃に加熱する。好ましくは、350〜490℃に加熱する。付着物は二酸化炭素や水分などとして雰囲気中に放出されると考えられる。なお、加熱時間及び加熱温度のプロファイルにおいて、所定の温度で一定時間加熱する最高温度の領域を保持帯と呼ぶ。
洗浄工程において、前記加熱工程を経た接合体を薬剤に浸漬して洗浄する。前記加熱工程で金属基板の表面が酸化して電気伝導性の低下やはんだ付け性の低下を招くことがあるので好ましくない。そこで、加熱工程後の接合体を過酸化水素、硫酸、塩酸、塩化アンモニウムから選ばれる少なくとも1種を含む薬剤に浸漬して洗浄することにより、金属基板表面の酸化物を除去する。前記薬剤として硫酸を用いることが好ましい。
前記接合工程後及び加熱工程前に、さらに、図2(c)に示すように(e1)接合工程で形成されたろう材層の外縁に沿うパターンで金属基板Mの表面にレジスト膜R1,R2を形成し、エッチングして金属基板Mを分割し、図2(d)に示すように回路パターンM1,M2を形成する回路パターン形成工程と、(e2)回路パターン形成工程の後に、不要なろう材層を除去するろう材層除去工程とを有するのが好ましい。回路パターン形成工程及びろう材層除去工程の後に前記加熱工程を設ける。このように前記加熱工程を回路パターン形成工程及びろう材層除去工程の後で実施することにより、付着物の発生を考慮せずに、回路パターン形成及びろう材層除去の処理を最適な条件で実施することができるため、レジスト膜及び金属基板が両工程で受ける損傷をより低減することが可能となる。前記レジスト膜は、前記接合工程で形成された前記ろう材層の外縁に沿うパターンで形成することが好ましい。
本発明を以下の実施例によりさらに詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
(a)実施例1
図1(a)及び図1(b)に示すような、セラミックス回路基板Wを以下に記載する方法に従って作製した。
70.6質量%のAg、2.9質量%のIn、1.9質量%のTi、残部Cu及び微量の不純物の構成となるよう調整されたろう材粉末100質量部に対し、有機バインダとして5.3質量部のポリアクリル酸エステル、有機溶剤として19.1質量部のα-テルピネオール、分散剤として0.5質量部のポリオキシアルキレンアルキルエーテル及びアルキルベンゼンスルホンサン塩を混合してなるろう材ペーストを使用して、図2(a)に示すように、セラミックス基板Sの上面(一面)に、厚みがいずれも40μmの二のろう材領域c1,c2を、平面方向において間隙Gを介してスクリーン印刷法で形成した。図2(a)に示す紙面において、第1のろう材領域c1の大きさは縦横が各々27.6mm及び11.6mm、第2のろう材領域c2の大きさは縦横が各々27.6mm及び23.6mmであり、間隙Gのろう材領域c1,c2間の距離は1.0mmであった。
前記ろう材領域形成工程の後、図2(b)に示す接合工程において、ろう材領域c1,c2にろう材領域c1,c2を覆う大きさの厚みが0.5mmの無酸素銅基板C1020H材(JIS規格 H3100)からなる一枚の金属基板Mを配置した後、セラミックス基板S、ろう材領域c1,c2及び金属基板Mを一組とした被接合体を加熱炉に挿入し、真空雰囲気下で加熱し、ろう材層C1,C2を介しセラミックス基板Sと金属基板Mとを接合して接合体を形成した。なお、接合工程における金属基板Mの熱膨張を考慮し、図2(b)に示す紙面における金属基板Mの縦横の大きさは、各々29.5mm及び39.5mmであり、セラミックス基板Sの大きさより小さいものを使用した。
接合工程の後、図2(c)に示すように、前記接合体を構成する金属基板Mの表面に所望のパターンで二のレジスト膜R1,R2を形成し、その後エッチング処理を施して金属基板Mの不要部を除去し、図2(d)に示すように、平面方向において間隙Gを挟む状態で、回路パターンである二の金属基板M1,M2を形成した。具体的には、紫外線硬化型エッチングレジストを、下記の第1の金属基板M1及び第2の金属基板M2の寸法に対応したパターンで金属基板Mの表面にスクリーン印刷法で塗布した接合体を、液温50℃でエッチング液[塩化第2鉄(FeCl3)溶液(46.5Be)]に浸漬し、金属基板M1,M2を形成した。なお、図2(d)に示す紙面において、第1の金属基板M1の縦横の大きさは各々28mm及び12mm、及び第2の金属基板M2の縦横の大きさは各々28mm及び24mmとした。
図2(d)に示すように、金属基板M1,M2の表面に形成したレジスト膜を除去した後、金属基板M1,M2の外縁からはみ出した不要なろう材層を、過酸化水素7.6mol/L及び酸性フッ化アンモニウムを含むろう材除去液で液温40℃及び処理時間40分で除去した。
ろう材層除去工程を経た接合体を大気中で、温度260℃及び時間5分という表1に示す条件で加熱した。室温から一定の昇温速度で加熱して、260℃で5分保持する保持帯を経たのちに降温するという温度パターンで行った。加熱後に、炭素を主成分とする付着物はセラミックス基板上において目視ではほとんど観察されなくなり、金属基板の表面の色は黒色となった。
前記加熱工程の後、セラミックス回路基板を濃度1mol/L、温度50℃の硫酸に10分間浸漬して洗浄したところ、金属基板(銅)の表面の色は黒色から銅色に変化した。
洗浄工程を経た接合体を、ニッケル(Ni)を主成分としリン(P)の濃度が8質量%に調整された無電解メッキ液(85℃)中に20〜30分間浸漬することにより、金属(銅)基板の表面に厚みが5μmのNiメッキ層を形成したセラミックス回路基板を得た。
加熱工程で保持帯の温度及び時間を表1に示すように変更した以外は実施例1と同様にしてセラミックス回路基板を作製した。
比較例1は、ろう材領域形成工程、接合工程、回路パターン形成工程及びろう材層除去工程を実施例1と同様に行った後、加熱工程を行わず、ついで洗浄工程及びNiメッキ工程を行ってセラミックス回路基板を作製した例である。比較例2は、加熱工程で保持帯の温度を650℃、時間を0.5分とした以外は、実施例1と同様にしてセラミックス回路基板を作製した例である。比較例3は、加熱工程で保持帯の温度を100℃、時間を10分とした以外は実施例1と同様にしてセラミックス回路基板を作製した例である。
比較例4は、洗浄工程を行わなかったこと以外は、実施例1と同様にしてセラミックス回路基板を作製した例である。
実施例1〜5、比較例1〜4のセラミックス回路基板の外観観察及び絶縁抵抗の測定を行った。
絶縁抵抗は、図1(a)に示すように、第1の金属基板M1の任意の箇所及び第2の金属基板M2の任意の箇所に接するように、それぞれ絶縁抵抗試験用の球形電極A、Bを配置し、第1の金属基板M1と第2の金属基板M2との間に1000 Vの直流電圧を印圧し、30秒後の抵抗値を絶縁抵抗値とした。絶縁抵抗は、各実施例及び比較例ともに10枚のセラミックス回路基板について求めた抵抗値の最小値で評価した。
実施例1〜5の製造方法で作製したセラミックス回路基板は外観検査の結果は良好であり、高い絶縁抵抗を得た。これに対して、加熱工程を設けない比較例1の製造方法で作製したセラミックス回路基板は外観検査の結果は良好であったが、低い絶縁抵抗となった。比較例2の製造方法では、高い絶縁抵抗を得たが、金属基板の端部に剥がれを生じたことが外観検査で判った。比較例3の製造方法で作製したセラミックス回路基板は外観検査の結果は良好であったが、低い絶縁抵抗となった。比較例4の製造方法で作製したセラミックス回路基板は高い絶縁抵抗を得たが、金属基板表面が黒色を生じたことが外観検査で判った。黒色を生じた金属基板は半導体素子のろう付けやボンディングワイヤーの接合には適さなかった。
C1,C2,C3:ろう材層、
c1,c2:ろう材領域、
G:間隙、
M1,M2,M3:金属基板、
M:金属基板、
R1,R2:レジスト膜、
S:セラミックス基板、
W:セラミックス回路基板
Claims (4)
- セラミックス基板に、ろう材粉末と有機バインダとを含むろう材領域を形成するろう材領域形成工程と、
前記セラミックス基板に、前記形成したろう材領域を介して金属基板を配置し、前記セラミックス基板、前記ろう材領域、及び前記金属基板を加熱し、前記セラミックス基板と前記金属基板とを、前記ろう材からなるろう材層を介して接合して接合体を形成する接合工程と、
前記接合体を酸素を含む雰囲気中で250〜500℃に加熱する加熱工程と、
前記加熱工程を経た接合体を薬剤に浸漬して洗浄する洗浄工程とを有することを特徴とするセラミックス回路基板の製造方法。 - 前記加熱工程で300〜500℃に加熱することを特徴とする請求項1に記載のセラミックス回路基板の製造方法。
- 前記接合工程後及び前記加熱工程前に、前記金属基板の表面にレジスト膜を形成した後、前記金属基板をエッチングして回路パターンを形成する回路パターン形成工程と、前記回路パターン形成工程の後に、不要な前記ろう材層を除去するろう材層除去工程とを有することを特徴とする請求項1又は2に記載のセラミックス回路基板の製造方法。
- 前記洗浄工程で使用する薬剤は、過酸化水素、硫酸、塩酸、塩化アンモニウムから選ばれる少なくとも1種を含むことを特徴とする請求項1乃至3のいずれかに記載のセラミックス回路基板の製造方法。
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