JP2018195784A - セラミックス回路基板の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】環境への負荷が低減されており、金属回路の剥離が抑制され、且つ、セラミックス回路基板の反りが抑制されており、容易にセラミックス回路基板を製造することができる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方法は、セラミックス基板１０の少なくとも一方の面に、厚みが０．１μｍ以上の金属膜２０を積層する工程、金属膜の表面に、厚みが５〜１００μｍの金属箔３０を２５℃〜２５０℃の温度で、表面活性化接合法により接合する工程及び金属膜及び金属箔を回路パターン状にエッチングする工程を含むことを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、セラミックス回路基板の製造方法に関する。

従来、大容量のパワートランジスタ、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ等のパワー半導体に用いられる基板として、セラミックス基板が用いられている。このようなセラミックス基板は、絶縁性及び放熱性を付与するために、セラミックス板に回路パターン状の導体や冷却のための金属板が接合される。

上述のようなセラミックス基板を製造する方法として、窒化物セラミックス基板に冷却板としての銅板をスズ鉛ハンダ層を介して３５０℃で熱処理して接合する方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

また、窒化物セラミックス基板と銅板を、厚さ１０〜２００μｍのＡｌ層又はＡｌ合金層を介して５７０〜６８０℃の熱処理によって接合する方法が提案されている（例えば、特文２参照）。

特開２０００−８６３６８号公報 特開２０００−１１９０７１号公報

しかしながら、特許文献１に記載の方法では、セラミックス基板と金属板とを接合するためにはんだを用いており、環境負荷が高いという問題がある。また、特許文献１に記載の方法では、はんだシートをロウ材層の上の所定の位置に設置するための工程や窒素対水素が１：１等の雰囲気制御された場所で、３５０℃で５分間熱処理工程を行うことが必要であり、工数が多く煩雑であるという問題がある。

また、特許文献２に記載の方法では、窒化物セラミックス基板と銅板とをＡｌ層やＡｌ合金層を介して接合する際に、５７０℃という高い温度で熱処理が行われており、熱処理後に室温まで冷却された際に、セラミックス基板と金属板との熱膨張係数の差に起因する内部応力や残留歪により、セラミックス基板の接合部分に反りが発生するという問題がある。また、当該反りに起因して、セラミックス基板と金属回路との接合部分に破断が生じ、金属回路の接合強度が低下するという問題がある。

従って、環境への負荷が低減されており、金属回路の剥離が抑制され、且つ、セラミックス回路基板の反りが抑制されており、容易にセラミックス回路基板を製造することができる製造方法の開発が求められている。

本発明は、環境への負荷が低減されており、金属回路の剥離が抑制され、且つ、セラミックス回路基板の反りが抑制されており、容易にセラミックス回路基板を製造することができる製造方法を提供することを目的とする。

本発明者は、上記目的を達成すべく鋭意研究を重ねた結果、セラミックス基板の少なくとも一方の面に特定の厚みの金属膜を積層する工程１、上記金属膜の表面に、特定の厚みの金属箔を特定の温度範囲で表面活性化接合法により接合する工程２、及び上記金属膜及び前記金属箔を回路パターン状にエッチングする工程３を含むセラミックス回路基板の製造方法によれば、上記目的を達成できることを見出し、本発明を完成するに至った。

即ち、本発明は下記のセラミックス回路基板の製造方法に関する。
１．（１）セラミックス基板の少なくとも一方の面に、厚みが０．１μｍ以上の金属膜を積層する工程１、
（２）前記金属膜の表面に、厚みが５〜１００μｍの金属箔を２５℃〜２５０℃の温度で、表面活性化接合法により接合する工程２、及び
（３）前記金属膜及び前記金属箔を回路パターン状にエッチングする工程３
を含むことを特徴とする、セラミックス回路基板の製造方法。
２．前記金属膜は金属蒸着及びスパッタリングからなる群より選択される少なくとも１種の方法により前記セラミックス基板に積層される、項１に記載のセラミックス回路基板の製造方法。
３．前記金属膜及び金属箔は、アルミニウム、銅、金、銀、スズ、鉄、及びステンレスからなる群より選択される少なくとも１種の金属を主成分とする、項１又は２に記載のセラミックス回路基板の製造方法。
４．前記金属膜と、前記金属箔とが同一の金属を主成分とする、項１〜３のいずれかに記載のセラミックス回路基板の製造方法。

本発明のセラミックス回路基板の製造方法によれば、セラミックス基板と金属回路とをはんだを用いて接合する必要がなく、環境への負荷が低減されている。また、本発明の製造方法によれば、金属回路の剥離が抑制され、且つ、セラミックス回路基板の反りが抑制されており、容易にセラミックス回路基板を製造することができる。

本発明の製造方法の各工程における状態を示す断面模式図である。 接合強度の測定方法に用いたセラミックス回路基板を示す模式図である。

本発明のセラミックス回路基板の製造方法は、（１）セラミックス基板の少なくとも一方の面に、厚みが０．１μｍ以上の金属膜を積層する工程１、（２）前記金属膜の表面に、厚みが５〜１００μｍの金属箔を２５℃〜２５０℃の温度で、表面活性化接合法により接合する工程２、及び（３）前記金属膜及び前記金属箔を回路パターン状にエッチングする工程３を含むセラミックス回路基板の製造方法である。本発明の製造方法は、上記構成を有することにより、工程２において、セラミックス基板に積層された金属膜と、金属箔とが強固に接合され、工程３で金属膜及び金属箔が回路パターン状にエッチングされても、回路の剥離が抑制される。また、工程２において、金属膜と金属箔とを２５℃〜２５０℃の温度範囲で表面活性化接合法により接合するので、従来のように高温で接合されておらず、セラミックス回路基板の反りが抑制される。また、本発明の製造方法によれば、工程２により表面活性化接合法により金属膜と金属箔とが強固に接合されるので、はんだを用いる必要がなく、且つ、煩雑な工程が不要であり、環境への負荷を低減しつつ、容易にセラミックス回路基板を製造することができる。すなわち、本発明のセラミックス回路基板の製造方法によれば、環境への負荷が低減されており、金属回路の剥離が抑制され、且つ、セラミックス回路基板の反りが抑制されており、容易にセラミックス回路基板を製造することができる。

以下、本発明のセラミックス基板の製造方法について詳細に説明する。

（１）工程１
工程１は、セラミックス基板の少なくとも一方の面に、厚みが０．１μｍ以上の金属膜を積層する工程である。

（セラミックス基板）
セラミックス基板としては特に限定されず、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）、ジルコニア、チタン酸バリウム(ＢａＯ_３Ｔｉ)等の酸化物；ハイドロキシアパタイト等の水酸化物；炭化ケイ素(ＳｉＣ)等の炭化物；炭酸塩；窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、窒化ケイ素(Ｓｉ_３Ｎ_４)等の窒化物系化合物；蛍石等のハロゲン化物；リン酸塩化合物からなる群から選択される少なくとも１種により構成されるセラミックスの基板を用いることができる。

セラミックス基板の大きさは特に限定されない。セラミックス基板の厚みは１００〜１０００μｍが好ましい。セラミックス基板の厚みが上記範囲であると、セラミックス基板の絶縁性がより一層向上し、好適に用いることができる。

セラミックス基板の少なくとも一方の面には、金属膜が積層される。当該金属膜が、セラミックス基板の片方の面のみに積層される場合、セラミックス基板の金属膜が積層される面とは反対側の面には、印刷層、端子、放熱部材等を適宜設けてもよい。また、金属膜は、セラミックス基板の両面に積層されていてもよい。

（金属膜）
金属膜としては、回路基板に用いられる公知の金属からなる金属膜を用いることができる。上記金属膜としては、アルミニウム、銅、金、銀、ニッケル、スズ、鉄、ステンレスからなる群より選択される少なくとも１種の金属を主成分とする金属膜が好ましい。これらの中でも、軽量性に優れる点でアルミニウムがより好ましく、また、低抵抗性に優れる点で、銅がより好ましい。なお、ここでいう「主成分」とは、金属膜の成分のうち５０質量％以上含まれる成分をいう。金属膜は、主成分として上記金属を含んでいることが好ましく、残部には上記金属以外に適宜不純物として他の金属や有機物を含んでいてもよい。すなわち、金属膜は金属単体から構成されていても合金から構成されていても、化合物から構成されていてもよい。中でも、表面活性化接合をより一層容易にすることができる点で、金属膜は金属単体であることが好ましい。

金属膜の積層方法としては特に限定されず、従来公知の方法により積層することができる。金属膜の積層方法としては、表面をより平滑にすることができ、金属膜と金属箔との密着性をより一層向上させることができる点で、金属蒸着及びスパッタリングからなる群より選択される少なくとも１種の方法が好ましく、より一層平坦な金属膜が形成できるためスパッタリングがより好ましい。

金属膜の厚みは０．１μｍ以上である。金属膜の厚みが０．１μｍ未満であると、金属膜の表面を均一に形成し難くなり、金属膜と金属箔との接合強度が低下して、金属回路の接合強度が十分でない。また、金属膜の厚みは、２．０μｍ以下が好ましく、１．０μｍ以下がより好ましく、０．５μｍ以下が更に好ましい。金属膜の厚みの上限を上記範囲とすることにより、金属膜の形成に時間がかからず、且つ、金属膜の表面を平滑に形成し易くなり、金属膜と金属箔との層間での空隙の形成が抑制され、金属膜と金属箔との接合性がより一層向上する。

図１は、本発明の製造方法の各工程における状態を示す断面模式図である。図１の（ａ）及び（ｂ）は、工程１における状態を示している。図１の（ａ）では、セラミックス基板１０が示されており、（ｂ）では、セラミックス基板１０の一方の面に金属膜２０が積層されている。

以上説明した工程１により、セラミックス基板の少なくとも一方の面に、厚みが０．１μｍ以上の金属膜が積層される。

（２）工程２
工程２は、金属膜の表面に、厚みが５〜１００μｍの金属箔を２５℃〜２５０℃の温度で、表面活性化接合法により接合する工程である。

（金属箔）
金属箔としては、回路基板に用いられる公知の金属からなる金属箔を用いることができる。上記金属箔としては、アルミニウム、銅、金、銀、ニッケル、スズ、鉄、及びステンレスからなる群より選択される少なくとも１種の金属を主成分とすることが好ましい。これらの中でも、軽量性に優れる点でアルミニウムがより好ましく、また、低抵抗性に優れる点で、銅がより好ましい。なお、ここでいう「主成分」とは、金属箔の成分のうち５０質量％以上含まれる成分をいう。金属箔は、主成分として上記金属を含んでいることが好ましく、残部には上記金属以外に適宜不純物として他の金属や有機物を含んでいてもよい。すなわち、金属箔は金属単体から構成されていても合金から構成されていても、化合物から構成されていてもよい。中でも、表面活性化接合を容易にすることができる点で、金属箔は金属単体であることが好ましい。

金属箔の厚みは５〜１００μｍである。厚みが５μｍ未満であると、金属膜のハンドリング性に劣る。厚みが１００μｍを超えると、工程３によりエッチングを行う際に、金属箔の断面がエッチングされる、いわゆるサイドエッチングを生じるため、配線幅の制御性に劣る。

金属箔は、上記金属膜と同一の金属を主成分とすることが好ましい。金属膜と、金属箔とが同一の金属を主成分とすることにより、金属膜と金属箔との接合性がより一層向上する。

（表面活性化接合法）
表面活性化接合法は、金属膜と金属箔の両方、又はいずれか一方の接合面の表面を表面活性化処理し、金属膜の接合面と金属箔の接合面とを接触させることにより接合させる接合方法である。金属膜と金属箔との接合性をより一層向上させることができる点で、金属膜及び金属箔の両方の接合面の表面に表面活性化処理を施すことが好ましい。

表面化活性化処理は、金属膜及び／又は金属箔の接合面の表面にスパッタエッチング等のドライエッチングを施して、接合面の酸化被膜を含む表面を除去する処理である。スパッタエッチングとしては、接合面の表面に不活性化ガスの中性原子ビーム、プラズマ等を照射するエッチングが挙げられ、中でも、接合面の表面や表面活性化処理を行う設備に、削りカスが付着し難い点で、中性原子ビームを照射するスパッタエッチングが好ましい。すなわち、上記工程２は、金属膜及び／又は金属箔の接合面に、中性原子ビームを照射する照射工程を含むことが好ましい。

上記不活性ガスとしては、アルゴン、ネオン、キセノン、クリプトンが挙げられ、アルゴンを用いることが好ましい。上記不活性ガスは、単独又は２種以上を混合して用いることができる。

不活性ガスの中性原子ビーム等の照射時間は、６０〜６００秒が好ましい。照射時間を上記範囲とすることにより、金属膜及び金属箔の接合面のＲａの過剰な増加を抑制することができ、金属膜と金属箔との接合性をより一層向上させることができる。

表面活性化処理でのスパッタエッチングの加速電圧は、１〜２ｋＶが好ましい。加速電圧を上記範囲とすることにより、金属膜及び金属箔を損傷させずに、これらの表面を活性化することができる。

表面活性化接合法で接合する際の温度は２５℃〜２５０℃である。温度が２５℃未満であると、金属膜と金属箔との接合性が低下する。また、温度が２５０℃を超えると、セラミックス回路基板に反りが生じる。上記温度は、１８０℃〜２２０℃が好ましい。

なお、表面活性化接合法で接合する際の温度とは、金属膜及び金属箔の温度をいう。金属膜及び金属箔の温度を２５℃〜２５０℃の範囲とする方法としては、表面活性化処理において、金属膜が積層されたセラミックス基板及び金属箔を加熱機能を備える平板に設置して加熱する方法が挙げられる。

工程２では、上記照射工程の後に、金属膜の接合面と金属箔の接合面とを接触させて積層体を形成し、当該積層体の両側から押圧する押圧工程を有することが好ましい。上記照射工程の後に押圧工程を行なうことにより、金属膜と金属箔との接合強度をより一層向上させることができる。

押圧方法としては特に限定されず、従来公知の方法により押圧することができる。このような押圧方法としては、例えば、積層体を両側から平板で挟持し、当該平板により積層体の両側から圧力をかけて押圧する方法が挙げられる。

押圧の際の圧力は、０．０１〜１００ＭＰａが好ましく、０．１〜３０ＭＰａがより好ましい。圧力を上記範囲とすることにより、金属膜及び金属箔の損層を抑制しながら、金属膜と金属箔との接合性をより一層向上させることができる。

押圧工程は、２５℃〜２５０℃の温度範囲で行なうことができる。接合性がより一層向上する点で、１８０〜２２０℃が好ましい。なお、ここでいう押圧工程での温度とは、金属膜および金属箔の温度をいう。金属膜および金属箔の温度を２５℃〜２５０℃の範囲にする方法としては、金属膜が積層されたセラミックス基板及び金属箔を加熱機能を備える平板に設置して加熱する方法が挙げられる。

押圧工程は、真空中で行うことが好ましい。真空中で押圧工程を行なうことにより、金属膜と金属箔とを均一に接合することができるので接合強度をより一層向上させることができる。また、真空中で押圧工程を行なうことにより、表面活性化処理を施した金属膜及び／又は金属箔の表面に酸素が再吸着することによる接合性の低下を抑制することができる。押圧工程は、１×１０^−５Ｐａ以下の条件下で行うことが好ましい。

押圧工程は、また、不活性ガス中で行なってもよい。不活性ガス中で押圧工程を行なうことにより、表面活性化処理を施した金属膜及び／又は金属箔の表面に酸素が再吸着することによる接合性の低下を抑制することができる。上記不活性ガスとしては、アルゴン、ネオン、キセノン、クリプトンが挙げられ、アルゴンを用いることが好ましい。上記不活性ガスは、単独又は２種以上を混合して用いることができる。

図１の（ｃ）は、工程２における状態を示している。（ｃ）では、セラミックス基板１０の一方の面に金属膜２０が積層され、当該金属膜２０の表面に金属箔３０が接合されている。

以上説明した工程２により、金属膜の表面に、厚みが５〜１００μｍの金属箔が２５℃〜２５０℃の温度で、表面活性化接合法により接合される。

（工程３）
工程３は、金属膜及び金属箔を回路パターン状にエッチングする工程である。なお、本明細書において、「回路パターン」は、回路として機能するパターンに限定されず、電極も含まれる。

エッチング方法としては特に限定されず、例えば、金属箔上に回路パターン状にレジストインクを塗工した後に、塩酸、リン酸、硝酸、及び酢酸からなる群から選択される少なくとも１種のエッチング液により、金属膜及び金属箔をエッチングして、回路パターン状に形成する公知のエッチング方法によりエッチングを行えばよい。

金属膜と、金属箔とが同一の金属を主成分とする場合、金属膜と金属箔とを同一手法（同一のエッチング液を用いたウェットエッチング）により一度にエッチングを行うことができる。

図１の（ｄ）及び（ｅ）は、工程３における状態を示している。（ｄ）では、セラミックス基板１０の一方の面に金属膜２０が積層され、当該金属膜２０の表面に金属箔３０が接合されている。また、当該金属箔３０上に、回路パターン状にレジストインク４０が塗工されている。また、（ｅ）では、金属膜及び金属箔がエッチングされ、レジストインクも除去されており、金属膜２０及び金属箔３０が回路パターン状に形成されている。

以上説明した工程３により、金属膜及び金属箔が回路パターン状にエッチングされ、セラミックス回路基板が製造される。

以下に実施例を示して本発明を具体的に説明する。但し、本発明は実施例に限定されない。

実施例１
（工程１）
セラミックス基板として、大きさが２０ｍｍ×２０ｍｍであり、厚みが３５０μｍのアルミナ基板を用意した。次いで、セラミックス基板上に金属膜を形成するために、セラミックス基板を蒸着装置内に設置した。蒸着材料として、純度９９．９ｗｔ％以上の銅を用い、蒸着により、セラミックス基板上に厚み０．１μｍの銅膜を形成した。

（工程２）
金属箔として、厚みが３５μｍ、純度９９．０ｗｔ％以上の銅箔を用意した。次いで、工程１により銅膜を形成したセラミックス基板と、銅箔とををそれぞれチャンバー内（（株）ムサシノエンジニアリング製）に設置して、減圧した。チャンバー内の圧力が１×１０^−５Ｐａ以下に達した後、セラミックス基板上に形成された銅膜及び銅箔の接合面それぞれに、加速電圧２．０ｋVの条件でＡｒ中性原子ビームを１８０秒間照射して表面活性化処理を行った。表面活性化処理の際、銅膜を形成したセラミックス基板及び銅箔の温度は２００℃であった。次いで、２００℃に維持したまま、バッチ式のプレス機により平板で１０ＭＰａの圧力で６０秒間押圧して、銅膜を形成したセラミックス基板と銅箔とを接合した。押圧の際、銅膜を形成したセラミックス基板及び銅箔の温度は２００℃であった。

（工程３）
セラミックス基板上の銅箔及び銅膜を、フォトリソグラフィー及びウェットエッチングにより、まとめてパターン化処理を行った。具体的には、銅箔上に、株式会社アサヒ化学研究所製耐酸性／アルカリ剥離タイプエッチングレジストインキＵＶＲ−Ｅ２１Ｂをスクリーン印刷方式で図２で示されるパターン形状に塗工して、ＵＶ照射により硬化させた。図２で示されるレジストインキのパターン形状は、１．５ｍｍ×１．５ｍｍのサイズの正方形の形状が、０．５ｍｍ離間して、縦に１０個、横に１０個配列する形状であった。

次いで、塩化鉄による銅膜及び銅箔のエッチング、及び水酸化ナトリウム水溶液によるエッチングレジストインクの剥離を行い、銅膜及び銅箔を回路パターン状にエッチングして、セラミックス回路基板を製造した。

実施例２
工程２の表面活性化接合法における温度を２５℃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製造した。

実施例３
工程１の銅膜の厚みを０．３μｍとし、工程２の表面活性化接合法における温度を１５０℃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製造した。

実施例４
工程１の銅膜の厚みを０．３μｍとし、工程２の表面活性化接合法における温度を１８０℃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製造した。

実施例５
工程１の銅膜の厚みを０．５μｍ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製造した。

実施例６
工程１の蒸着材料をアルミニウム（純度９９．９％以上）に変更し、セラミックス基板上に厚み０．１μｍのアルミニウム膜を形成した。また、工程２の金属箔として、厚みが３５μｍ、純度９９．０ｗｔ％以上のアルミニウム箔を用いた以外は実施例１と同様にして、セラミックス回路基板を製造した。

実施例７
工程１の蒸着材料をアルミニウム（純度９９．９％以上）に変更し、セラミックス基板上に厚み０．１μｍのアルミニウム膜を形成した。また、工程２の金属箔として、厚みが２０μｍ、純度９９．０ｗｔ％以上のアルミニウム箔を用いた以外は実施例１と同様にして、セラミックス回路基板を製造した。

比較例１
工程１の銅膜の厚みを０．０５μｍ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製造した。

比較例２
金属膜を形成せず、セラミックス基板上に直接銅箔を表面活性化接合により積層した以外は実施例１と同様にして、セラミックス回路基板を製造した。

＜評価＞
実施例及び比較例のセラミックス回路基板について、以下の評価を行った。

（接合強度）
エッチング後のセラミックス回路基板の金属膜及び金属箔の剥離を目視で観察し、以下の評価基準に従って評価した。なお、金属箔だけが剥離して金属膜だけが残ることは生じなかったため、金属箔が剥離していた場合はこれに対応する部位の金属膜も剥離していた。
Ａ：金属箔が、剥離を生じなかった。
Ｂ：５０％以上の面積の金属箔が残存していた。
Ｃ：金属箔が５０％未満の面積しか残存していなかった。

（反りの発生）
実施例及び比較例のセラミックス回路基板の反りを目視にて確認したところ、いずれの実施例および比較例においても、セラミックス回路基板の反りの発生が見られなかった。

結果を表１に示す。

１０…セラミックス基板
２０…金属膜
３０…金属箔
４０…レジストインク

Claims (4)

1. （１）セラミックス基板の少なくとも一方の面に、厚みが０．１μｍ以上の金属膜を積層する工程１、
   （２）前記金属膜の表面に、厚みが５〜１００μｍの金属箔を２５℃〜２５０℃の温度で、表面活性化接合法により接合する工程２、及び
   （３）前記金属膜及び前記金属箔を回路パターン状にエッチングする工程３
   を含むことを特徴とする、セラミックス回路基板の製造方法。
2. 前記金属膜は金属蒸着及びスパッタリングからなる群より選択される少なくとも１種の方法により前記セラミックス基板に積層される、請求項１に記載のセラミックス回路基板の製造方法。
3. 前記金属膜及び金属箔は、アルミニウム、銅、金、銀、スズ、鉄、及びステンレスからなる群より選択される少なくとも１種の金属を主成分とする、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。
4. 前記金属膜と、前記金属箔とが同一の金属を主成分とする、請求項１〜３のいずれかに記載のセラミックス回路基板の製造方法。