JP2016092034A - 金属セラミック回路基板の製造方法、金属セラミック回路基板、回路基板用基材、及び、回路基板用積層体 - Google Patents

Abstract

【課題】低コストで製造することのできる金属セラミック回路基板の製造方法を提供する。【解決手段】窒化物セラミック基板の少なくとも一方の表面側に導体層を設け、該導体層に回路パターンを形成して、金属セラミック回路基板を製造するに当り、金属及び／又は金属合金からなるとともに、所定のパターンを有し、窒化物セラミック基板１と導体層４との接合をもたらす接合層パターン３ａを、窒化物セラミック基板１の表面１ａ上に形成する接合層パターン形成工程と、窒化物セラミック基板１の表面１ａ上に、前記接合層パターン３ａおよび、該接合層パターン３ａの存在しない箇所の少なくとも一部を、金属箔状の導体層４で覆って、該導体層を接合させる導体層形成工程と、窒化物セラミック基板の前記表面上で、前記接合層パターン３ａの存在しない箇所を覆う導体層部分を除去し、導体層４に回路パターンを形成する回路パターン形成工程とを含むものである。【選択図】図１

Description

この発明は、セラミック基板の表面に、回路パターンが形成される導体層を積層させてなる金属セラミック回路基板の製造方法、金属セラミック回路基板、回路基板用基材、及び、回路基板用積層体に関するものであり、特には、製造コストの低減に寄与することのできる技術を提案するものである。

大電力化、高速化、高集積化の進むパワートランジスタ等の高熱を発する半導体素子が搭載され、この半導体素子の発熱により生じる熱を速やかに放散して半導体素子の信頼性を維持させることができるパワーモジュール用回路基板は、民生機器用や、ガソリン自動車、電気自動車その他の車載用等として採用されている。

一般に、このようなパワーモジュール用回路基板を製造するには、特許文献１等に記載されているように、セラミック基板の両面に、該セラミック基板の寸法と略同等もしくは若干小さめの銅板等からなる導体層を、銅の融点を利用する直接接合法により、直接的に加熱接合し、または、活性金属ろう材接合法により、活性金属ろうを介して加熱接合する。
そして、セラミック基板の表裏面の略全体に接合された導体層に対し、一方の面に形成された導体層にはエッチングを施して、該導体層上に搭載される半導体素子との電気的導通状態をもたらすための回路パターンを形成するとともに、他方の面に形成された導体層を、半導体素子から発生する熱を伝導及び放散させるための放熱用として利用される。

ここで、上述したパワーモジュール用回路基板に用いるセラミック基板としては通常、導体層と直接的に接合させることができるアルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃）が用いられているが、たとえば、特許文献２〜４に記載されているように、優れた熱伝導性を有する窒化アルミニウム（ＡｌＮ）等の窒化物セラミック基板を用いることがある。

但し、この窒化アルミニウム基板等の窒化物セラミック基板は、金属との濡れ性に乏しいことから、それに導体層を直接的に接合することは困難である。そのため、かかる窒化アルミニウム基板等を用いる場合には、窒化アルミニウム基板と導体層との間に、チタン等からなる接合層を介在させることにより、窒化アルミニウム基板に導体層を間接的に接合させる。

特開２０１４−１１４２３号公報 特公平６−９７６７１号公報 特許第２５６３８０９号公報 特開平５−２１８２２９号公報

ところで、上記の窒化物セラミック基板を用いて、パワーモジュール用回路基板を製造するに当って、窒化物セラミック基板上に、接合層及び導体層を順次に形成した後に、エッチングにより、それらの接合層及び導体層の両層に回路パターンを形成する場合には、エッチングに使用するエッチング液の使用量および処理時間や、多数枚処理を行う場合のエッチング量のばらつきを管理すること等が必要であり、このことが製造コストを引き上げるという問題がある。

なお、回路パターンを形成するには、上記のエッチング処理の他、スクリーン印刷によっても行うことができるが、このスクリーン印刷は、ネガ型フォトレジストを使用していることからパターンが膨潤して変形するため、回路パターンの配線幅は３０μｍ程度が限界であり、配線幅が１０μｍ程度の細線の回路パターンを形成する場合に適用することが不可能であった。

この発明は、このような問題を解決することを課題とするものであり、それの目的とするところは、熱伝導性に優れた窒化物セラミック基板を用いた場合であって、エッチング液の使用量や処理時間等に起因する製造コストの増大を招くことなく、比較的低コストで製造することのできる金属セラミック回路基板の製造方法、金属セラミック回路基板、回路基板用基材、及び、回路基板用積層体を提供することにある。

発明者は、パワーモジュール用回路基板に、先述したような窒化物セラミック基板を用いる場合に、窒化物セラミック基板が金属との濡れ性に乏しいことに起因して、窒化物セラミック基板と導体層との間に、接合層を介在させる必要がある点に着目し、この接合層を窒化物セラミック基板上に設ける際に、創意を加えることで、導体層に、容易に回路パターンを形成できることを見出した。

このような知見に基き、この発明の金属セラミック回路基板の製造方法は、窒化物セラミック基板の少なくとも一方の表面側に導体層を設け、該導体層に回路パターンを形成して、金属セラミック回路基板を製造するに当り、金属及び／又は金属合金からなるとともに、所定のパターンを有し、窒化物セラミック基板と導体層との接合をもたらす接合層パターンを、窒化物セラミック基板の表面上に形成する接合層パターン形成工程と、窒化物セラミック基板の表面上に、前記接合層パターンおよび、該接合層パターンの存在しない箇所の少なくとも一部を、金属箔状の導体層で覆って、該導体層を接合させる導体層形成工程と、窒化物セラミック基板の前記表面上で、前記接合層パターンの存在しない箇所を覆う導体層部分を除去し、導体層に回路パターンを形成する回路パターン形成工程とを含むものである。

ここで、前記接合層パターン形成工程では、はじめに、前記窒化物セラミック基板の表面上に、所定のパターンを有するマスクパターンを設置し、次いで、スパッタリング法又は蒸着法により、窒化物セラミック基板の表面上に、前記マスクパターンを介して、金属及び／又は金属合金を付着させ、その後、当該マスクパターンを、窒化物セラミック基板の表面から除去することで、窒化物セラミック基板の表面上に、前記接合層パターンを形成することが好ましい。

この場合においては、金属製の前記マスクパターンを用いること、又は、ポリマー製の前記マスクパターンを用いることが好ましい。
またこの場合、前記接合層パターン形成工程では、窒化物セラミック基板の表面上に、前記マスクパターンを介して、Ｔｉ、ＺｒおよびＨｆからなる群から選択される少なくとも一種を、スパッタリングすることが好ましい。

あるいは、前記接合層パターン形成工程では、はじめに、窒化物セラミック基板の表面に、フォトリソグラフィによる露光・現像により、所定のパターンを有するレジストパターンを形成し、次いで、スパッタリング法又は蒸着法により、窒化物セラミック基板の表面上に、前記レジストパターンを介して、金属及び／又は金属合金を前記レジストパターンの厚み以下の厚みで付着させ、その後、当該レジストパターンを、窒化物セラミック基板の表面からエッチングにより除去することで、レジストパターンとその上に付着した金属及び／又は金属合金を同時に除去して、窒化物セラミック基板の表面上に、前記接合層パターンを形成することもまた好ましい。この場合、金属及び／又は金属合金の厚みが前記レジストパターンの厚み以下とすると、レジストパターン部分とその上の金属及び／又は金属合金との積層部分が、エッチング液によって、レジストパターン部分と直接、浸食させることができるのでより好ましい。そしてここでは、レジストパターンと、その上に付着した金属及び／又は金属合金との積層部分を同時に除去でき、またレジストパターンのない窒化物セラミック基板上に直接付着した金属及び／または金属合金のみが残されることになり、窒化物セラミック基板上に残ったこの金属及び／又は金属合金で接合層のパターンが形成される。

この場合においても、前記接合層パターン形成工程で、窒化物セラミック基板の表面上に、前記マスクパターンを介して、Ｔｉ、ＺｒおよびＨｆからなる群から選択される少なくとも一種を、スパッタリングすることが好適である。

またここで、前記回路パターン形成工程では、前記接合層パターンの存在しない箇所を覆う導体層部分の除去を、液中での超音波振動の作用により行うことが好ましい。

そしてまた、前記導体層形成工程にて、窒化物セラミック基板の前記表面で、前記接合層パターン上を覆う導体層部分と窒化物セラミック基板との常態ピール強度を０．６ｋＮ／ｍ以上とし、窒化物セラミック基板の前記表面で、前記接合層パターンの存在しない箇所を覆う導体層部分と窒化物セラミック基板との常態ピール強度を０．１ｋＮ／ｍ以下とすることが好ましい。

なおここで、前記導体層形成工程で、窒化物セラミック基板の前記表面上に、Ｃｕ、Ｃｕ合金およびＡｌからなる群から選択される少なくとも一種からなる金属箔状の導体層を、加熱圧着により接合させることが好ましい。
より詳細には、前記導体層形成工程で、前記加熱圧着を、真空または不活性ガス雰囲気の下、６００℃以上かつ１０００℃以下の温度条件で、０．１ＭＰａ以上かつ１０ＭＰａ以下の加圧力を作用させることにより行うことが好適である。

上述した製造方法では、窒化アルミニウムまたは窒化珪素を主成分とする窒化物セラミック基板を用いることが好ましい。
上記の金属セラミック回路基板は、パワーモジュール用回路基板であることが好ましい。または、前記金属セラミック回路基板は、ＬＥＤ用回路基板であることが好ましい。

また、この発明の金属セラミック回路基板は、上述したいずれかの金属セラミック回路基板の製造方法により製造されたものである。

この発明の回路基板用基材は、窒化物セラミック基板上に、接合層パターンを介して、回路パターンを形成した導体層が接合されてなる金属セラミック回路基板の製造に用いるものであって、窒化物セラミック基板と、該窒化物セラミック基板の少なくとも一方の表面に形成された接合層パターンとを備え、窒化物セラミック基板上の前記接合層パターンが、金属及び／又は金属合金からなるとともに、所定のパターンを有するものである。

この回路基板用基材では、前記接合層パターンが、Ｔｉ、ＺｒおよびＨｆからなる群から選択される少なくとも一種を含むことが好ましく、また、前記窒化セラミック基板が、窒化アルミニウムまたは窒化珪素を主成分とすることが好ましい。

そしてまた、この発明の回路基板用積層体は、窒化物セラミック基板上に、接合層パターンを介して、回路パターンを形成した導体層が接合されてなる金属セラミック回路基板の製造に用いるものであって、窒化物セラミック基板と、該窒化物セラミック基板の少なくとも一方の表面に形成された接合層パターンと、前記窒化物セラミック基板の前記表面に、前記接合層パターンを介して接合された金属箔状の導体層とを備え、窒化物セラミック基板と導体層との間の前記接合層パターンが、金属及び／又は金属合金からなるとともに、所定のパターンを有し、前記導体層が、窒化物セラミック基板の前記表面上で、前記接合層パターンの存在する箇所と、該接合層パターンの存在しない箇所の少なくとも一部とを覆って、該表面に接合されてなるものである。

上記の回路基板用積層体では、前記接合層パターンが、Ｔｉ、ＺｒおよびＨｆからなる群から選択される少なくとも一種を含むこと、前記窒化セラミック基板が、窒化アルミニウムまたは窒化珪素を主成分とすること、及び、前記導体層が、Ｃｕ、Ｃｕ合金およびＡｌからなる群から選択される少なくとも一種を含むことがそれぞれ好適である。

この発明では、窒化物セラミック基板と導体層との間に介在させて、それらの接合をもたらす接合層を予め、所定のパターンを有する接合層パターンとして、窒化物セラミック基板の表面上に形成し、その後に、窒化物セラミック基板の表面上に、その接合層パターンを介して、導体層を形成することにより、接合層パターンを覆う導体層部分は、その接合層パターンによって、窒化物セラミック基板と強固に接合される一方で、接合層パターンの存在しない箇所を覆う導体層部分は、窒化物セラミック基板とほとんど接合せず、たとえば、それらの間に空隙ができるので、接合層パターンの存在しない箇所を覆うその不要な導体層部分を容易に除去することができる。それにより、導体層に所望の回路パターンを容易に形成することができる。
従って、この発明によれば、導体層の形成に先立って、所定のパターンを有する接合層パターンを形成するので、従来技術のような接合層及び導体層の両方をエッチングする場合の、エッチング液の使用量および処理時間やエッチング量のばらつきの管理等に起因する製造コストの増大を有効に防止することができる。その結果として、パワーモジュール用回路基板を、比較的低コストで製造することができる。

この発明の一の実施形態に係る製造方法の工程を概略的に示す、窒化物セラミック基板を含む断面図である。 図１に続く工程を概略的に示す同様の断面図である。 図２に続く工程を概略的に示す同様の断面図である。 図３に続く工程を概略的に示す同様の断面図である。 図４に続く工程を概略的に示す同様の断面図である。

以下に図面を参照しつつ、この発明の実施の形態について詳細に説明する。
図１〜５に、この発明のパワーモジュール用回路基板の製造方法の一の実施形態を概略的に示す。

この製造方法は、窒化物セラミック基板１の少なくとも一方の表面、図では一方の表面１ａ上に導体層４を設け、その導体層４に所定の回路パターンを形成して、パワーモジュール用回路基板を製造するものである。
より詳細には、上記の製造方法には、金属及び／又は金属合金からなるとともに、所定のパターンを有し、窒化物セラミック基板１と導体層４との接合をもたらす接合層パターン３ａを、窒化物セラミック基板１の表面１ａ上に形成する接合層パターン形成工程と、窒化物セラミック基板１の表面１ａ上に、前記接合層パターン３ａおよび、該接合層パターン３ａの存在しない箇所の少なくとも一部を覆って、導体層４を接合させる導体層形成工程と、窒化物セラミック基板１の表面１ａ上で、接合層パターン３ａの存在しない箇所を覆う導体層部分を除去し、導体層４に回路パターンを形成する回路パターン形成工程とが含まれる。
なお、図示の実施形態では、窒化物セラミック基板１の一方の表面１ａだけに、導体層４を設けているが、図示は省略するが、窒化物セラミック基板１の両面のそれぞれに導体層４を設けることも可能である。

（窒化物セラミック基板）
この製造方法で用いる窒化物セラミック基板１は、窒化物を含む様々な公知のセラミック基板を用いることができるが、なかでも、熱伝導性に優れる窒化アルミニウム（ＡｌＮ）又は窒化珪素（Ｓｉ₃Ｎ₄）を含むものとすることが、放熱性の観点から好適である。

たとえば、窒化アルミニウムを含む窒化物セラミック基板１とした場合、この窒化物セラミック基板１中の窒化アルミニウムの濃度は、たとえば、９０質量％〜９９．５質量％とすることができる。窒化アルミニウムは、アルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃）等に比して熱伝導性に優れるのみならず、熱膨張率が低いことから、この種のパワーモジュール用基板のセラミック基板として用いることが特に有効である。
あるいは、窒化珪素を含む窒化物セラミック基板１とした場合、この窒化物セラミック基板１の窒化珪素の濃度は、たとえば、９０質量％〜９９．５質量％とすることができる。
このような窒化物セラミック基板１は、窒化アルミニウム又は窒化珪素の他、Ｃａ、Ｙ及びОからなる群から選択される一種以上の元素を含有することができ、この場合、Ｃａ、Ｙ及びОの濃度は合計で、０．５質量％〜１０質量％とすることができる。

なお、窒化物セラミック基板１の厚みは、たとえば、１５０μｍ〜８００μｍとすることができる。
また、窒化セラミック基板１の、後述のマスクパターン２又はレジストパターンを配置する表面１ａの表面粗さＲａは、ショットブラスト等によって調整して、たとえば、０．１μｍ〜５．０μｍとすることが好ましく、特に０．１μｍ〜１．０μｍとすることがより好ましい。この表面粗さＲａは、算術平均粗さを意味し、ＪＩＳ Ｂ０６０１、ＪＩＳ Ｂ００３１に準拠して測定することができる。

このような窒化物セラミック基板１は、優れた熱伝導性を有することから、パワートランジスタ等の高熱を発する半導体素子が搭載されるパワーモジュール用回路基板に用いることで、半導体素子により発生する熱を有効に放散させて、半導体素子の信頼性を、長期間にわたって高く維持することができる。
但し、窒化物セラミック基板１に含まれる窒素は、導体層４に含まれ得る銅等と結びついて窒化物を形成した場合に熱力学的に不安定であるので、窒化物セラミック基板１と導体層４とを直接的に接合することは困難であることが多い。そのため、以下に詳説するように、窒化物セラミック基板１と導体層４との間に、接合層パターン３ａを介在させて、窒化物セラミック基板１と導体層４とを強固に接合させる。

（接合層パターン形成工程）
この実施形態では、上記の窒化セラミック基板１の少なくとも一方の表面１ａ上に、図１に示すように、所定のパターンを有するマスクパターン２を接合させて設ける。後に窒化物セラミック基板１上から除去されるこのマスクパターン２は、たとえば、最終的に導体層４に形成される回路パターン形状を打ち抜いた形状をなす所定のパターンが形成されたものとすることができる。

ここで、マスクパターン２は、たとえば、ステンレス、銀その他の金属材料または、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）等のポリマー材料からなるものとすることができる。
そして、このようなマスクパターン２は、テープや固定治具その他の適切な固定手段で、窒化物セラミック基板１の表面１ａの所定の位置に設置して、窒化物セラミック基板１の表面１ａ上に、所定の厚みＴｍで配置することができる。このマスクパターン２の厚みＴｍは、たとえば、５μｍ〜１００μｍとすることができる。

次いで、上述したようにマスクパターン２を配置した窒化物セラミック基板１の表面１ａに対し、スパッタリング法又は蒸着法を施して、図２に示すように、窒化物セラミック基板１の表面１ａ上に金属及び／又は金属合金３を付着させる。これにより、窒化物セラミック基板１の表面１ａ上で、マスクパターン２の存在しない箇所では、窒化物セラミック基板１の表面１ａ上に直接的に金属及び／又は金属合金３ａが付着し、この一方で、マスクパターン２が存在する箇所では、窒化物セラミック基板１の表面１ａがそのマスクパターン２によって保護されるので、この箇所では金属及び／又は金属合金３ｂは、窒化物セラミック基板１の表面１ａ上に直接形成されず、マスクパターン２上に付着することになる。
なおここで、スパッタリング、イオンプレーティング又は真空蒸着等の公知の薄膜形成方法を用いることができるが、基板全体に均一な厚みで、高い密着力で成膜するとの観点から、スパッタリングを用いることが好適である。

ここにおいて、上記のスパッタリング等は、窒化物セラミック基板１の表面１ａ上の金属及び／又は金属合金３の厚みＴｊが、マスクパターン２の厚みＴｍを超える前に終了させて、金属及び／又は金属合金３の厚みＴｊを、図２に示すように、マスクパターン２の厚みＴｍ以下とする。それにより、後述のマスク剥離工程でのマスクパターン２の剥離を有効に行うことができる。
具体的には、この金属及び／又は金属合金３の厚みＴｊは、マスクパターン２の厚みＴｍ以下であることを前提として、たとえば、０．５μｍ〜３．０μｍとすることができる。

窒化物セラミック基板１の表面１ａ上に直接的に付着した金属及び／又は金属合金３ａは、マスクパターン２の除去後に接合層パターン３ａとなって、金属との濡れ性に乏しい窒化物セラミック基板１と、導体層４とを強固に接合させるべく機能するものである。このような金属及び／又は金属合金３は、スパッタリングにより、Ｔｉ、ＺｒおよびＨｆからなる群から選択される少なくとも一種を、窒化物セラミック基板１の表面１ａ上および、マスクパターン２上に付着させることにより形成することが好ましい。
このなかでも、特に、Ｔｉからなる金属及び／又は金属合金３は、窒化物セラミック基板１と導体層４との十分強固な接合をもたらすので好ましい。
なお、ここでのスパッタリングは、アルゴン等の希ガスや窒素を導入気体として、既に知られている条件および方法により行うことができる。

金属及び／又は金属合金３を形成した後は、マスクパターン２を固定していたテープや治具を取り除き、マスクパターン２を除去することができる。
ここでは、図２に示すように、金属及び／又は金属合金３の厚みＴｊをマスクパターン２の厚みＴｍ以下としたことにより、マスクパターン２の存在しない箇所で窒化物セラミック基板１の表面１ａ上に直接形成された金属及び／又は金属合金３ａと、マスクパターン２上の金属及び／又は金属合金３ｂとの間で、マスクパターン２の側面が僅かに露出することになるので、マスクパターン２を容易に剥離することが可能になる。

このようにマスクパターン２を剥離することにより、マスクパターン２上に位置する金属及び／又は金属合金３ｂは、マスクパターン２とともに除去されるので、窒化物セラミック基板１の表面１ａ上には、図３に示すように、金属及び／又は金属合金３ａが残り、この金属及び／又は金属合金３ａには、マスクパターン２と対応するパターン、すなわち、マスクパターン２の空所と略同一の形状をなすパターンが付与されて、接合層パターン３ａが形成される。

上述したようなマスク蒸着による接合層パターン形成工程の他、他の実施形態の接合層パターン形成工程では、窒化物セラミック基板の表面に、一般的に広く知られているフォトリソグラフィによってレジストパターンを形成することにより、所定のパターンを有する接合層パターンを形成することも可能である。

このような他の実施形態の一例としては、図示は省略するが、はじめに、窒化物セラミック基板の表面に、スピンコート又は吹付け等により、レジストを塗布した後、マスクを用いて該レジストを露光し、レジスト上に所定のパターンを描く。その後、現像液に接触させて、レジストの不要な部分を除去することで、レジストパターンを形成する。

次いで、スパッタリング法又は蒸着法により、窒化物セラミック基板の表面に、上記のレジストパターンを介して、金属及び／又は金属合金を付着させて、レジストパターンから露出する窒化物セラミック基板の表面に接合層パターンを形成する。
その後、たとえばアセトン等の有機溶剤を用いてレジストパターンを除去する。このとき、金属及び／又は金属合金の厚みを前記レジストパターンの厚み以下とした場合、レジストパターン部分とその上の金属及び／又は金属合金との積層部分を、エッチング液によって、レジストパターン部分と直接、浸食させることができるので特に好ましい。そしてここでは、レジストパターンと、その上に付着した金属及び／又は金属合金との積層部分を同時に除去でき、またレジストパターンのない窒化物セラミック基板上に直接付着した金属及び／または金属合金のみが残されることになり、窒化物セラミック基板上に残ったこの金属及び／又は金属合金で接合層のパターンが形成される。それにより、窒化物セラミック基板の表面上に、所定のパターンを有する接合層パターンを形成することができる。
なお、金属及び／又は金属合金の厚みを、レジストパターンの厚み以下とするためには、たとえば、窒化物セラミック基板の表面へのレジスト塗布の際に、スピンコードの速度を調整して、レジストパターンの厚みを厚くすること等が考えられる。

なおここでは、上述した方法の他、窒化物セラミック基板の表面上に接合層パターンを形成するための公知の方法を用いることができる。

このようにして、図３に示すように、窒化物セラミック基板１と、窒化物セラミック基板１の少なくとも一方の表面に形成された接合層パターン３ａとを備える回路基板用基材７を製造することができ、ここでは、接合層パターン３ａが、金属及び／又は金属合金からなるとともに、所定のパターンを有する。この回路基板用基材７を用いて、後述する導体層形成工程を実施することができる。

（導体層形成工程）
上記のマスクパターン２剥離工程の後、回路基板用基材７の接合層パターン３ａが残った窒化物セラミック基板１の表面１ａ上に、たとえば、図４に示すように、その全体にわたって導体層４を配置し、該導体層４により、接合層パターン３ａと、接合層パターン３ａの存在しない箇所の少なくとも一部とを被覆させて、該表面１ａ上に導体層４を接合させる。
これにより形成される回路基板用積層体５は、図４に示すように、窒化物セラミック基板１と、窒化物セラミック基板１の少なくとも一方の表面１ａに形成されて、所定のパターンを有する接合層パターン３ａと、窒化物セラミック基板１の表面１ａに、接合層パターン３ａを介して接合されて、窒化物セラミック基板１の表面１ａで、接合層パターン３ａの存在する箇所を覆うとともに、接合層パターン３ａの存在しない箇所の少なくとも一部を覆う導体層４とを備えてなる。

この回路基板用積層体５では、導体層４と窒化物セラミック基板１との間で、接合層パターン３ａが存在する箇所では、その接合層パターン３ａによる接合力の付与の下、導体層４と窒化物セラミック基板１とが強固に接合される。一方、導体層４と窒化物セラミック基板１との間で、接合層パターン３ａが存在しない箇所では、導体層４と、窒化物セラミック基板１との間に空隙ができ、接合力は接合層パターン３ａと接合層パターン３ａの存在しない部分との境界部分のみの接合力となり、極めて小さく、また、接合層パターン３ａが存在しない部分の大半では、導体層４は全く接合されない。

具体的には、たとえば、窒化物セラミック基板１の表面１ａで、接合層パターン３ａ上に位置する導体層４と、窒化物セラミック基板１との常態ピール強度は、ＪＩＳ Ｃ６４７１に準拠して測定して、０．６ｋＮ／ｍ以上とすることができる。また、接合層パターン３ａが存在しない箇所に位置する導体層４と、窒化物セラミック基板１との常態ピール強度は、０．１ｋＮ／ｍ以下とすることができる。

このように、窒化物セラミック基板１の表面１ａに部分的に存在する接合層パターン３ａの有無に基き、窒化物セラミック基板１の表面１ａに、導体層４と窒化物セラミック基板１との接合力が異なる箇所を作り出すことにより、後述するパターン形成工程にて、不要な導体層部分だけを有利に除去して、導体層４に所定の回路パターンを形成することが可能になる。

このような観点から、接合層パターン３ａが存在する箇所での窒化物セラミック基板１と導体層４との常態ピール強度は、０．６ｋＮ／ｍ以上、特に、１．０ｋＮ／ｍ以上とすることがより好ましい。
また、接合層パターン３ａが存在しない箇所での窒化物セラミック基板１と導体層４との常態ピール強度は、０．１ｋＮ／ｍ以下、特に、０．０３ｋＮ／ｍ以下とすることがより好ましい。

この導体層４は、Ｃｕ、Ｃｕ合金、Ａｌからなる群から選択される少なくとも一種からなる金属箔状のものとすることが好ましく、このような金属箔状の導体層４を、加熱圧着により、窒化物セラミック基板１の表面１ａに接合させることが好適である。
このように導体層４を加熱圧着させる場合は、真空または不活性ガス雰囲気で、温度条件を、好ましくは６００℃以上かつ１０００℃以下、より好ましくは６００℃〜９５０℃とし、窒化物セラミック基板１の表面１ａ上に導体層４を配置した状態で、それらを挟んで両側から、好ましくは０．１ＭＰａ以上かつ１０ＭＰａ以下の加圧力を作用させて、特に接合層パターン３ａと導体層４とを、固相接合等によって強固に接合する。この圧力は、１０分〜３時間、なかでも２０分〜１時間にわたって作用させることが好ましい。

上記の導体層４は、純Ｃｕ、ＩＡＣＳ８０％以上の銅合金のいずれかの材料からなるものとすることがより好ましい。
なお、導体層４の厚みは、たとえば、５μｍ〜１００μｍとすることができる。

（回路パターン形成工程）
以上のようにして導体層４を形成した後は、窒化物セラミック基板１の表面１ａにおける各箇所での、接合層パターン３ａの有無に起因する導体層４と窒化物セラミック基板１との接合力の違いを利用し、たとえば図４に矢印で示すように超音波振動を作用させること等により、図５に示すように、接合層パターン３ａが存在しない箇所の導体層部分を剥離させて除去する。
これにより、導体層４には良好な回路パターンが形成されることになる。

ここで、所定の導体層部分の除去は、たとえば、フォトエッチング、レーザーエッチング等によっても行うことができるが、超音波振動を用いることが有効かつ容易に剥離除去できる点で好ましい。

このような超音波振動を作用させることにより、接合層パターン３ａが存在する箇所での導体層４と窒化物セラミック基板１との接合は維持しつつも、接合層パターン３ａが存在しない箇所では、それらを選択的に剥離させることができて、不要な導体層部分だけを有効に除去することができる。

ここで、超音波振動は、たとえば、接合層パターン３ａ、導体層４及び窒化物セラミック基板１を備える回路基板用積層体５を、純水またはアルカリ剥離剤等の液体中に浸漬または接触させた状態で作用させることができる。超音波の付与により、接合層パターン３ａがなく密着力の低い導体層部分は窒化物セラミック基板１から容易に剥離する。そして、接合層パターン３ａが有る導体層部分では、密着力の高い部分との境界線を起点にして、その浮き上がった導体層部分が振動する。この振動により境界線の部分に応力が集中し、不要な導体層部分が切り離され、回路パターンが現れる。導体層４として必要強度や、超音波振動による剥離性を考慮すると、導体層４の厚みは１０〜３５μｍがより好ましい。

以上に述べたようにして、図５に示すように、導体層４に所期したとおりの回路パターンが形成された金属セラミック回路基板としてのパワーモジュール用回路基板６を製造することができる。
そしてここでは、回路パターンを形成した導体層４が、窒化物セラミック基板１上に、接合層パターン３ａを介して強固に接合されるとともに、このパワーモジュール用回路基板６に搭載される図示しない半導体素子が、使用に際して生じさせる熱を、熱伝導性に優れる窒化物セラミック基板１で有効に放散させることができる。
またこの実施形態に係る製造方法は、特に、配線幅が１０μｍ付近の回路パターンを導体層として形成する場合に、スクリーン印刷によっては形成し得ない精細な配線パターンを可能とするので特に有利である。
またこの実施形態に係る製造方法により製造された金属セラミック回路基板は、ＬＥＤ用回路基板として用いることにも適している。

次に、この発明のパワーモジュール用回路基板の製造方法を試験的に実施し、その効果を確認したので以下に説明する。但し、ここでの説明は、単なる例示を目的としたものであり、それに限定されることを意図するものではない。

実施例１〜３０では、図１及び２に示すように、窒化物セラミック基板の表面に、接合層パターンを形成した後、その接合層パターンを介して、金属箔状の導体層を、ホットプレスにて接合させるとともに、導体層の不要部分を除去して、金属セラミック回路基板を製造した。各実施例１〜３０の具体的な製造方法を表１に示し、また、それにより製造された金属セラミック回路基板を表３に示す。

一方、比較例１〜３では、表２に示すように、窒化物セラミック基板の表面の全面にわたって、スパッタリングを施して接合層を形成し、その接合層を介して、金属箔状の導体層をホットプレス（ＨＰ）にて接合させた後、導体層及び接合層に、フォトリソグラフィによって回路パターンのレジストを形成し、エッチングにより回路パターンを形成した。それにより製造された金属セラミック回路基板を表４に示す。

上記の実施例１〜３０及び比較例１〜３の方法により製造した金属セラミック回路基板に対し、ＪＩＳ Ｂ０６０１に従ってピール強度試験を行い、それらのピール強度を測定した。このピ−ル強度試験は具体的には、導体層の一端部が基板の外部に５ｍｍ程度突出するように、また、接合面積を１０ｍｍ×１０ｍｍとして接合し、これを５０ｍｍ／ｍｉｎの速度で９０度上方に引っ張り上げるのに要する単位幅当りの力（剥離強度）を算出し、評価した。

表１及び２に示すところから解かるように、窒化物セラミック基板の表面全体に接合層及び導体層を形成した後に回路パターンを形成した比較例１〜３では、回路パターンを形成する際に、導体層の不要部分は除去できたものの、接合層の不要部分が一部残留し、またレジストパターン直下の回路パターンとして残したい部分の導体層も一部除去され、高い精度で回路パターンを形成することができなかった。
これに対し、窒化物セラミック基板の表面に接合層パターンを形成した後に導体層を接合させて、導体層の不要部分を除去した実施例１〜３０では、所期したとおりの高い精度で、回路パターンを形成することができた。
従って、この発明の製造方法によれば、回路パターンを有効に形成できることが解かった。

１ 窒化物セラミック基板
１ａ 窒化物セラミック基板の表面
２ マスクパターン
３ 接合層（金属及び／又は金属合金）
３ａ 接合層パターン（金属及び／又は金属合金）
３ｂ 金属及び／又は金属合金
４ 導体層
５ 回路基板用積層体
６ パワーモジュール用回路基板（金属セラミック回路基板）
７ 回路基板用基材

Claims (22)

1. 窒化物セラミック基板の少なくとも一方の表面側に導体層を設け、該導体層に回路パターンを形成して、金属セラミック回路基板を製造するに当り、
   金属及び／又は金属合金からなるとともに、所定のパターンを有し、窒化物セラミック基板と導体層との接合をもたらす接合層パターンを、窒化物セラミック基板の表面上に形成する接合層パターン形成工程と、窒化物セラミック基板の表面上に、前記接合層パターンおよび、該接合層パターンの存在しない箇所の少なくとも一部を、金属箔状の導体層で覆って、該導体層を接合させる導体層形成工程と、窒化物セラミック基板の前記表面上で、前記接合層パターンの存在しない箇所を覆う導体層部分を除去し、導体層に回路パターンを形成する回路パターン形成工程とを含む、金属セラミック回路基板の製造方法。
2. 前記接合層パターン形成工程で、はじめに、前記窒化物セラミック基板の表面上に、所定のパターンを有するマスクパターンを設置し、次いで、スパッタリング法又は蒸着法により、窒化物セラミック基板の表面上に、前記マスクパターンを介して、金属及び／又は金属合金を付着させ、その後、当該マスクパターンを、窒化物セラミック基板の表面から除去することで、窒化物セラミック基板の表面上に、前記接合層パターンを形成する、請求項１に記載の金属セラミック回路基板の製造方法。
3. 金属製の前記マスクパターンを用いる、請求項２に記載の金属セラミック回路基板の製造方法。
4. ポリマー製の前記マスクパターンを用いる、請求項２に記載の金属セラミック回路基板の製造方法。
5. 前記接合層パターン形成工程で、窒化物セラミック基板の表面上に、前記マスクパターンを介して、Ｔｉ、ＺｒおよびＨｆからなる群から選択される少なくとも一種を、スパッタリングする、請求項２〜４のいずれか一項に記載の金属セラミック回路基板の製造方法。
6. 前記接合層パターン形成工程で、はじめに、窒化物セラミック基板の表面に、フォトリソグラフィによる露光・現像により、所定のパターンを有するレジストパターンを形成し、次いで、スパッタリング法又は蒸着法により、窒化物セラミック基板の表面上に、前記レジストパターンを介して、金属及び／又は金属合金を付着させ、その後、当該レジストパターンを、窒化物セラミック基板の表面から除去することで、窒化物セラミック基板の表面上に、前記接合層パターンを形成する、請求項１に記載の金属セラミック回路基板の製造方法。
7. 前記接合層パターン形成工程で、窒化物セラミック基板の表面上に、前記マスクパターンを介して、Ｔｉ、ＺｒおよびＨｆからなる群から選択される少なくとも一種を、スパッタリングする、請求項６に記載の金属セラミック回路基板の製造方法。
8. 前記回路パターン形成工程で、前記接合層パターンの存在しない箇所を覆う導体層部分の除去を、液中での超音波振動の作用により行う、請求項１〜７のいずれか一項に記載の金属セラミック回路基板の製造方法。
9. 前記導体層形成工程にて、窒化物セラミック基板の前記表面で、前記接合層パターン上を覆う導体層部分と窒化物セラミック基板との常態ピール強度を０．６ｋＮ／ｍ以上とし、窒化物セラミック基板の前記表面で、前記接合層パターンの存在しない箇所を覆う導体層部分と窒化物セラミック基板との常態ピール強度を０．１ｋＮ／ｍ以下とする、請求項１〜８のいずれか一項に記載の金属セラミック回路基板の製造方法。
10. 前記導体層形成工程で、窒化物セラミック基板の前記表面上に、Ｃｕ、Ｃｕ合金およびＡｌからなる群から選択される少なくとも一種からなる金属箔状の導体層を、加熱圧着により接合させる、請求項１〜９のいずれか一項に記載の金属セラミック回路基板の製造方法。
11. 前記導体層形成工程で、前記加熱圧着を、真空または不活性ガス雰囲気の下、６００℃以上かつ１０００℃以下の温度条件で、０．１ＭＰａ以上かつ１０ＭＰａ以下の加圧力を作用させることにより行う、請求項１０に記載の金属セラミック回路基板の製造方法。
12. 窒化アルミニウムまたは窒化珪素を主成分とする窒化物セラミック基板を用いる、請求項１〜１１のいずれか一項に記載の金属セラミック回路基板の製造方法。
13. 前記金属セラミック回路基板が、パワーモジュール用回路基板である、請求項１〜１２のいずれか一項に記載の金属セラミック回路基板の製造方法。
14. 前記金属セラミック回路基板が、ＬＥＤ用回路基板である、請求項１〜１２のいずれか一項に記載の金属セラミック回路基板の製造方法。
15. 請求項１〜１４のいずれか一項に記載の金属セラミック回路基板の製造方法により製造された金属セラミック回路基板。
16. 窒化物セラミック基板上に、接合層パターンを介して、回路パターンを形成した導体層が接合されてなる金属セラミック回路基板の製造に用いる回路基板用基材であって、
    窒化物セラミック基板と、該窒化物セラミック基板の少なくとも一方の表面に形成された接合層パターンとを備え、
    窒化物セラミック基板上の前記接合層パターンが、金属及び／又は金属合金からなるとともに、所定のパターンを有する回路基板用基材。
17. 前記接合層パターンが、Ｔｉ、ＺｒおよびＨｆからなる群から選択される少なくとも一種を含む請求項１６に記載の回路基板用基材。
18. 前記窒化セラミック基板が、窒化アルミニウムまたは窒化珪素を主成分とする請求項１６又は１７に記載の回路基板用基材。
19. 窒化物セラミック基板上に、接合層パターンを介して、回路パターンを形成した導体層が接合されてなる金属セラミック回路基板の製造に用いる回路基板用積層体であって、
    窒化物セラミック基板と、該窒化物セラミック基板の少なくとも一方の表面に形成された接合層パターンと、前記窒化物セラミック基板の前記表面に、前記接合層パターンを介して接合された金属箔状の導体層とを備え、
    窒化物セラミック基板と導体層との間の前記接合層パターンが、金属及び／又は金属合金からなるとともに、所定のパターンを有し、前記導体層が、窒化物セラミック基板の前記表面上で、前記接合層パターンの存在する箇所と、該接合層パターンの存在しない箇所の少なくとも一部とを覆って、該表面に接合されてなる回路基板用積層体。
20. 前記接合層パターンが、Ｔｉ、ＺｒおよびＨｆからなる群から選択される少なくとも一種を含む請求項１９に記載の回路基板用積層体。
21. 前記窒化セラミック基板が、窒化アルミニウムまたは窒化珪素を主成分とする請求項１９又は２０に記載の回路基板用積層体。
22. 前記導体層が、Ｃｕ、Ｃｕ合金およびＡｌからなる群から選択される少なくとも一種を含む請求項１９〜２１のいずれか一項に記載の回路基板用積層体。