JP2016507902A - セラミック基板に設けられたマルチレベル金属被覆部 - Google Patents

Abstract

本発明は、ＡｌＮまたはＡｌ₂Ｏ₃から成るセラミック基板（４）に、銅から成るマルチレベル金属被覆部を製造する方法に関する。この場合、１つの同じセラミック基板（４）に、電流容量が大きい金属被覆部を有する大電力領域（１）と、電流容量が小さい金属被覆部を有する小電力領域（２）とが形成される。本発明によれば、大電力領域において金属被覆部を複数回にわたり印刷することが提案される。

Description

本発明は、ＡｌＮまたはＡｌ₂Ｏ₃から成るセラミック基板に、銅から成るマルチレベル金属被覆部を製造する方法に関する。この場合、１つの同一セラミック基板に、電流容量が大きい金属被覆部を有する大電力領域と、電流容量が小さい金属被覆部を有する小電力領域とを形成する。

電力用エレクトロニクスの用途において、所要電流容量を確保する目的で、厚い銅層（一般に２００〜３００μｍ）により金属被覆されたセラミック基板（ボードとも称する）が必要とされる。この厚い銅層の上に、電力用半導体がはんだ付けされる。このような厚い銅層の上であると、比較的大雑把な導体路幅と間隔しか実現できない。

電力用半導体を制御するためには、電子回路が必要とされる。その際に利用されるデバイス（マイクロコントローラ、バスカプラ等）およびそれらの金属被覆支持基板の電気導体路とピッチ間隔は、電力用デバイスのための支持基板よりも微細で狭い。したがって、それらは別個の金属被覆支持基板に取り付けられる。両方の支持基板は、ワイヤを介して互いに電気的に接続される。そのような接続は、老化して故障に至る傾向にあり、それによって電力モジュール全体が故障してしまうことになる。

一般に金属被覆部とは、セラミック基板に設けられた電気導体路と平坦な金属被覆部のことを指し、この場合、電気導体路は電流を流すために用いられ、平坦な金属被覆部は、たとえば電力用半導体および端子部材のはんだ付けに用いられる。また、セラミック基板に設けられたマルチレベル金属被覆部とは、厚さが異なる複数の金属被覆部のことであると理解されたい。さらに金属被覆部の厚さとは、セラミック基板表面に対し垂直な方向での金属被覆部の寸法を意味する。この厚さのことを、「高さ」または「太さ」と表すこともできる。

これまでほとんど用いられていなかった別の方法として挙げられるのは、導体路の薄い銅層の上に、光化学的にまたはスクリーン印刷技術でパターニングされた電気的に絶縁性の層を被着し、被着が行われないまま残された領域に再度、銅を電気化学的に被着することである。これまで、このような多段の基板を製造する場合には、煩雑なガルバニック処理と、ガルバニックレジストおよびフォトオプティカルな現像そして最後にレジスト剥離という複数回にわたるパターニング処理とが必要とされていた。

本発明の課題は、請求項１の上位概念に記載の方法において、簡単な手段を利用して、大電力領域のための金属被覆部と小電力領域のための金属被覆部とを、部分的に互いに電気的に接続して、１つの同一のセラミック基板（セラミックプレート）に共に印刷できるようにし、その際、厚い導体路構造を含む大電力領域が、特に良好な熱伝導性を有するようにし、熱を良好に拡散できるようにすることである。

本発明によればこの課題は、請求項１記載の特徴により解決される。

以下のステップ、すなわち、
ａ）ガラスを含有する銅ベースペーストから成る、大電力領域と小電力領域のための共通のベース金属被覆部を、スクリーン印刷またはタンポ印刷によって２０〜５０μｍの厚さで印刷するステップと、
ｂ）ガラス成分のない銅補強ペーストを、銅の厚さ全体が３００〜５００μｍになるまでスクリーン印刷またはステンシル印刷によって複数回または多数回、前記ベース金属被覆部に印刷することによって、前記大電力領域において前記ベース金属被覆部を補強するステップと、
ｃ）金属被覆されたセラミック基板を、大電力領域および小電力領域と共に窒素中において８５０〜９５０℃で焼成するステップと、
ｄ）粗さＲ_z＜５μｍの平坦な表面を形成するために、大電力領域を機械的に平坦化するステップと、
を順次実施することによって、簡単な手段を利用して、大電力領域のための金属被覆部と小電力領域のための金属被覆部とを、部分的に互いに電気的に接続して、１つの同一のセラミック基板（セラミックプレート）に共に印刷できるようにし、その際、厚い導体路構造を含む大電力領域が、特に良好な熱伝導性を有するようにし、熱を良好に拡散できるようにすることできる。

窒化アルミニウムまたは酸化アルミニウムから成るセラミック基板の一部分を示す図

はんだ付けをいっそう簡単に行うために、平坦化後、大電力領域および／または小電力領域に、Ｎｉ，ＮｉＰ＋Ｐｄ＋Ａｕ，ＡｇまたはＮｉ＋Ａｕなどのような金属コーティングを、無電解で設けることができる。

セラミック基板をあとで個別の部分基板に分離するための準備として、印刷の前または後にセラミック基板をレーザスクライブにより加工処理することができる。

大電力領域の金属被覆部に、粗さＲ_z＜５μｍの平坦な表面をもたせるようにする目的で、つまりはデバイスと金属被覆部との接触面ができるかぎり広くなるようにする目的で、平坦化の際に１００〜１５０μｍの研削を行うのが有利である。平坦化は、有利には研磨によって行われる。

セラミック基板上でのガラス状の銅ベースペーストの付着力を向上させるため、ガラス状の銅ベースペーストにおけるガラスの割合を４〜８％とするのが有利であり、特に有利であるのは６％とすることである。

はんだ付けに際して、デバイスと金属被覆部との接触面をできるかぎり大きくするために有利であるのは、平坦化後、大電力領域の金属被覆部の厚さを１８０〜２２０μｍとすることである。

請求項１から６のいずれか１項記載の方法により製造される本発明によるセラミック基板は、ＡｌＮまたはＡｌ₂Ｏ₃から成り、さらに銅から成るマルチレベル金属被覆部が設けられている。この金属被覆部は、電流容量が大きい金属被覆部を有する大電力領域と、電流容量が小さい金属被覆部を有する小電力領域とを備えている。このように構成された本発明によるセラミック基板は、金属被覆部の厚さが、大電力領域では１８０〜２２０μｍであり、小電力領域では２０〜５０μｍであり、金属被覆部の付着力は６０Ｎ／ｑｍｍを超えた付近にあることを特徴としている。

大電力領域の金属被覆部のエッジ急峻度は、銅の厚さ全体が２００μｍであれば、１２０μｍ付近にある。

本発明による方法は、複数回にわたり被着される銅ペーストの金属被覆部に関するものである。ここで説明する技術的教示によれば、大電力領域を小電力領域と共に、ＡｌＮまたはＡｌ₂Ｏ₃から成る１つの共通のセラミック支持体もしくはセラミック基板に、並置して被着することができる。

この目的で最初に、ガラスを含有する銅ベースペーストから成る１つの共通のベース金属被覆部（大電力領域と小電力領域）を、スクリーン印刷または類似の技術たとえばタンポ印刷などによって、セラミック基板に被着する。銅ベースペーストにおけるガラス成分は、セラミック上での付着のために必要とされる。このベース金属被覆部の厚さは、本発明によれば２０〜５０μｍ付近にある。

次に、やはり回路の大電力領域１（図１の左側の矩形を参照）を複数回または多数回、スクリーン印刷またはステンシル印刷によって、さらに選択的に銅補強ペーストを用いて拡充もしくは強化し、これは有利には厚さが全体で３００〜５００μｍになるまで行われる。この銅補強ペーストは、ガラスを含有する銅ベースペーストの上に被着もしくは印刷されることから、ガラス成分を含有していない。銅ベースペーストがガラスを含有しているとしたならば、そのようなペーストははんだ補強には適していない。なぜならば、はんだの熱伝導性は銅よりも悪いからである。回路の大電力領域は、必要であれば、銅補強ペーストによって何度も重ね刷りされ、このような重ね刷りは必要とされる厚さに達するまで行われる。

次に、金属被覆されたセラミック基板を、大電力領域および小電力領域と共に、Ｎ₂中において８５０〜９５０℃で焼成する。これに続いて、セラミック基板もしくは大電力領域を機械的に平坦化し、必要に応じて、Ｎｉ，ＮｉＰ＋Ｐｄ＋Ａｕ，ＡｇまたはＮｉ＋Ａｕなどのような金属コーティングを無電解で設けることができる。セラミック基板の印刷の前または後にレーザスクラッチを行うことにより、多面取り基板を分離することができる。一般にできるかぎり薄いはんだ層によって取り付けられるデバイスのために、粗さＲ_z＜５μｍの平坦な表面を形成する目的で、厚い導体路構造を備えた大電力領域を、たとえば研磨プロセスによって平坦化する必要がある。これによって、デバイスと金属被覆部との接触面積が最大化される。平坦化されて薄くされた金属被覆部の熱伝導性は、平坦化されずそれよりも厚い金属被覆部よりも良好であることが判明した。平坦化に際して、熱伝導性を劣化させることなく、１００μｍ〜１５０μｍの研削を行うことが十分に可能である。

大電力領域と小電力領域を有する金属被覆されたセラミック基板のことを、マルチレベル基板とも称する。当然ながら、この種のマルチレベル基板の下側もパターニングして金属被覆することができ、それによって基板の下側にはんだ付けまたは接着により冷却器を取り付けることができる。

最初に、レーザが放射された厚さ０．６３ｍｍのＡｌＮから成るセラミック基板に対し、大電力領域と小電力領域とから構成された電気的なレイアウト全体が、ガラス成分を６％含有する銅ベースペーストによって、高さ５０μｍで印刷される。セラミック基板にレーザを放射することによって、レーザが放射された目標破断線に沿って折ることにより、後で基板を個別化できるようになる。次に、あとで電力部品がはんだ付けされることになる大電力領域もしくは大電力領域の金属被覆部だけを、ガラス成分のない銅補強ペーストを用いて、さらに多数回にわたりスクリーン印刷プロセスまたはステンシル印刷プロセスを行うことによって、金属被覆部の厚さを３５０μｍにする。その後、金属被覆されたコンポーネントが９１０℃で８分間、Ｎ₂中において焼成される。

この実施例では、金属被覆され焼成されたセラミック基板の大電力領域だけが、３１０μｍの高さで金属被覆されている。小電力領域の金属被覆部の高さは４０μｍである。次に、大電力領域に精度の高い水平面を形成する目的で、大電力領域もしくはその銅が研磨プロセスにより機械的に平坦化される。平坦化後、大電力領域において銅の厚さ全体は２００μｍとなる。

付着力は、６０Ｎ／ｑｍｍを超えた付近にある。大電力領域のエッジ急峻性は、銅の厚さ全体が２００μｍであれば、１２０μｍ付近にある。

様々な厚さのステンシルまたは印刷スクリーンを用いて印刷プロセスを調整することによって、大電力領域の層厚を所期のように厚くすることができ、もしくは、比較的小さい電流容量しか必要とされないケースでは、印刷プロセスの短縮またはステンシルの高さの低減によって、その間の層厚を実現することができる。

図１には、窒化アルミニウムまたは酸化アルミニウムから成るセラミック基板４の一部分が示されており、この基板には、大電力領域１と小電力領域２を含む金属被覆部が設けられている。図示されている金属被覆部はセラミック基板上で、大電力領域１において何度も同じように被着され、目標破断箇所３に沿って折ることにより個別に分離することができる。

セラミック基板上には、大電力領域１と小電力領域２が並置されて設けられている。ここで大電力領域１とは、その用途ゆえに大きい電流容量と高い熱伝導性を有する領域のことを意味する。大電力領域１には、動作中、著しく熱くなるデバイスおよび／または高い投入電力を有するデバイスたとえばＬＥＤまたは制御トランジスタなどが取り付けられる。このようなデバイスの大きい電力と放出熱を流さなければならず、もしくは排出しなければならない。

小電力領域２とは、熱放出を僅かなものとすることができる金属被覆部もしくは導体路のことである。これはたとえば、多くはロジック回路と呼ばれる回路における本来の導体路である。

本発明の１つの重要な特徴は、Ｒ_zが小さく（有利には５μｍ程度）波立った状態のない高い精度で水平な面を形成するために、大電力領域１が研磨プロセスにより平坦化されることにある。このようにするだけで、薄いはんだ層（有利には１０μｍ程度）によっても電力用デバイスの熱を十分に放出させることができる。

Claims (8)

1. ＡｌＮまたはＡｌ₂Ｏ₃から成るセラミック基板（４）に、銅から成るマルチレベル金属被覆部を製造する方法であって、１つの同じセラミック基板（４）に、電流容量が大きい金属被覆部を有する大電力領域（１）と、電流容量が小さい金属被覆部を有する小電力領域（２）とを形成する、
   マルチレベル金属被覆部を製造する方法において、
   以下のステップを以下の順序で実施する、すなわち、
   ｅ）ガラスを含有する銅ベースペーストから成る、前記大電力領域（１）と前記小電力領域（２）のための共通のベース金属被覆部を、スクリーン印刷またはタンポ印刷によって２０〜５０μｍの厚さで印刷するステップと、
   ｆ）ガラス成分のない銅補強ペーストを、銅の厚さ全体が３００〜５００μｍになるまでスクリーン印刷またはステンシル印刷によって複数回または多数回、前記ベース金属被覆部に印刷することにより、前記大電力領域（１）において前記ベース金属被覆部を補強するステップと、
   ｇ）金属被覆された前記セラミック基板（４）を、前記大電力領域（１）および前記小電力領域（２）と共に窒素中において８５０〜９５０℃で焼成するステップと、
   ｈ）前記大電力領域（１）を機械的に平坦化して、粗さＲ_z＜５μｍの平坦な表面を形成するステップと、
   を実施することを特徴とする、
   マルチレベル金属被覆部を製造する方法。
2. 前記平坦化の後、前記大電力領域（１）および／または前記小電力領域（２）に、Ｎｉ，ＮｉＰ＋Ｐｄ＋Ａｕ，ＡｇまたはＮｉ＋Ａｕなどの金属コーティングを無電解で設ける、
   請求項１記載の方法。
3. 前記セラミック基板（４）をあとで個別の部分基板に分離するための準備として、印刷の前または後に前記セラミック基板（４）をレーザスクライブ（３）により加工処理する、
   請求項１または２記載の方法。
4. 前記平坦化において１００〜１５０μｍの研削を行う、
   請求項１から３のいずれか１項記載の方法。
5. ガラスを含有する前記銅ベースペーストにおけるガラスの割合は４〜８％であり、有利には６％である、
   請求項１から４のいずれか１項記載の方法。
6. 前記平坦化の後、前記大電力領域（１）の金属被覆部の厚さは１８０〜２２０μｍである、
   請求項１から５のいずれか１項記載の方法。
7. 請求項１から６のいずれか１項記載の方法により製造される、ＡｌＮまたはＡｌ₂Ｏ₃から成るセラミック基板（４）であって、
   銅から成るマルチレベル金属被覆部が設けられており、該マルチレベル金属被覆部は、電流容量が大きい金属被覆部を有する大電力領域（１）と、電流容量が小さい金属被覆部を有する小電力領域（２）とを備えている、
   セラミック基板（４）において、
   前記金属被覆部の厚さは、前記大電力領域（１）では１８０〜２２０μｍであり、前記小電力領域（２）では２０〜５０μｍであり、前記金属被覆部の付着力は、６０Ｎ／ｑｍｍを超えた付近にあることを特徴とする、
   セラミック基板。
8. 前記大電力領域（１）の金属被覆部のエッジ勾配は、銅の厚さ全体が２００μｍであれば、１２０μｍ付近にある、
   請求項７記載のセラミック基板。

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