JP2018524816A

JP2018524816A - セラミック回路基板の製造方法

Info

Publication number: JP2018524816A
Application number: JP2017567738A
Authority: JP
Inventors: ミンスキム; サンジュキム; ビョンキルキム
Original assignee: コメットネットワークシーオー．，エルティーディー．
Priority date: 2015-06-30
Filing date: 2016-06-23
Publication date: 2018-08-30
Also published as: KR20170003287A; WO2017003128A1; KR101740453B1; CN107852827A

Abstract

【課題】本発明は、セラミック回路基板の製造方法に関するものであって、更に詳しくは、印刷を介して回路パターンを形成するセラミック回路基板の製造方法に関するものである。【解決手段】本発明に係るセラミック回路基板の製造方法は、a）セラミック基板にチタン（Ti）薄膜層を形成する段階と、b）前記チタン（Ti）薄膜層の上に銅（Cu）薄膜層を形成する段階と、c）前記銅（Cu）薄膜層の上に銅（Cu）ペーストを用いて、銅（Cu）パターンを印刷した後、乾燥させる段階を一回以上行い、銅（Cu）パターン層を形成する段階と、d）前記銅（Cu）パターン層を焼結する段階と、e）前記銅（Cu）パターン層が形成されてない部分の銅（Cu）薄膜層を除去する段階と、f）前記銅（Cu）パターン層が形成されてない部分のチタン（Ti）薄膜層を除去する段階を含む。本発明に係るセラミック回路基板の製造方法によれば、金属パターンとセラミック基板との間の結合力に優れたセラミック回路基板を容易に製造することができる。【選択図】図１

Description

本発明は、セラミック回路基板の製造方法に関するものであって、更に詳細には、印刷を介して回路パターンを形成するセラミック回路基板の製造方法に関するものである。

電力供給のためのパワー素子など大電流、高電圧が要求される素子は、発熱量が非常に大きいので、これを搭載する基板としては、AlN、Si₃N₄等のセラミック材質からなる基板にAlやCuと同じ金属板を付着した基板を使用する。

これらの基板は、セラミック基板に金属板を取り付けて原板の製造後、フォトリソグラフィとエッチング工程などを通じて金属パターンを形成する方法で製造する。

原板を製造する方法では、韓国登録特許第０４７７８６６号には、はんだ付け材料を利用してセラミック基板と金属板を取り付ける金属-セラミックス複合基板の製造方法が開示されており、韓国公開特許第２０１４‐０１２７２２８号には、窒化物層と銅板の間に、厚さ１５μｍ以下のAg-Cuプロセス組織層を形成し、セラミック基板と銅板の間の結合力を向上させる方法が開示されている。また、韓国登録特許第１３９３７６０号には、セラミックス基板と金属薄膜の接合方法において、０.１〜１０.０μｍの粒度を有するフィラー（Ｆｉｌｌｅｒ）粉末を含む導電性ペーストを使用してセラミックス基板に厚膜を印刷する段階と、前記セラミックス基板に印刷された前記厚膜を乾燥する段階と、乾燥された前記厚膜の上に金属薄膜を積層した後、熱処理する段階を含むセラミックス基板と金属薄膜の接合方法が開示されている。

このように、先に原板製作の後、パターニング（Ｐａｔｔｅｒｎｉｎｇ）を介して金属パターンを形成する方法は、金属パターンを形成する過程で、比較的に厚い金属板の一部を湿式エッチングを利用して、削除しなければならない。削除する金属板の厚さが厚いため、エッチングの過程で金属板の断面方向にも腐食が進行される。また、金属板とセラミック基板の熱膨張係数の差から素子の発熱によってセラミック回路基板が加熱され、再冷却される過程が繰り返されると、金属板が剥離される可能性があるという問題もある。

これらの問題点を改善するために韓国公開特許第２０１４‐００９５０８３号には、窒化アルミニウム基板の上に粘度と組成が異なる銅ペーストを繰り返して印刷した後、焼結してパターンを形成する回路基板の製造方法が開示されている。本特許では、窒化アルミニウム基板と銅パターンとの間の接着力を向上させるために、銅ペーストにCuOまたはCu₂Oと接着ガラスを追加する方法が開示されている。しかし、銅ペーストに酸化銅と接着ガラスを含むさせるだけでは十分な接着力を得ることは難しいとの問題があった。

大韓民国登録特許第０４７７８６６号大韓民国公開特許第２０１４‐０１２７２２８号大韓民国登録特許第１３９３７６０号大韓民国公開特許第２０１４‐００９５０８３号

本発明は、上述した問題点を改善するためのものであり、金属パターンとセラミック基板との間の結合力に優れた金属ペースト印刷方式のセラミック回路基板の製造方法を提供することを目的とする。

本発明は、上述した目的を達成するため、a）セラミック基板にチタン（Ti）薄膜層を形成する段階と、b）前記チタン（Ti）薄膜層の上に銅（Cu）薄膜層を形成する段階と、c）前記銅（Cu）薄膜層の上に銅（Cu）ペーストを用いて、銅（Cu）パターンを印刷した後、乾燥する段階を一回以上行い、銅（Cu）パターン層を形成する段階と、d）前記銅（Cu）パターン層を焼結する段階と、e）前記銅（Cu）パターン層が形成されていない部分の銅（Cu）薄膜層を除去する段階と、f）前記銅（Cu）パターン層が形成されていない部分のチタン（Ti）薄膜層を除去する段階を含むセラミック回路基板の製造方法を提供する。

前記a）段階は、チタン（Ti）薄膜層を１０００〜１００００Åの厚さで形成する段階であることが好ましく、前記a）段階は、前記セラミック基板を２５０〜３５０℃に加熱した状態で、チタン（Ti）薄膜層を形成する段階であることが望ましい。

また、前記b）段階は、銅（Cu）薄膜層は、１０００〜１００００Åの厚さで形成する段階であることが望ましい。

また、前記c）段階の前記銅（Cu）ペーストは、球状銅（Cu）粉末やガラスフリット（ｇｌａｓｓｆｒｉｔ）、溶剤とバインダーを含むことが望ましい。

そして、a）段階のセラミック基板は、窒化物であることが好ましく、特に、AlNまたはSi₃N₄であることが望ましい。また、前記セラミック基板が窒化物である場合には、前記a）の段階前に、前記セラミック基板を８５０〜９５０℃、大気中で、５０〜７０分間熱処理して窒化物の表面に酸化層を形成するステップをさらに含むことが望ましい。

前記e）段階は、銅（Cu）を選択的に除去するエッチング液を用いる湿式エッチング段階の可能性もあり、前記f）段階は、チタン（Ti）を選択的に除去するエッチング液を利用する湿式エッチング段階かも知れない。

そして、前記c）段階は、１０〜４００μｍの厚さで銅（Cu）パターン層を形成する段階かも知れない。

本発明に係るセラミック回路基板の製造方法によれば、金属パターンとセラミック基板との間の結合力に優れたセラミック回路基板を容易に製造することができる。

は、本発明に係るセラミック回路基板の製造方法の一実施形態のフローチャートである。は、セラミック基板上にチタン（Ti）薄膜層が形成された状態を示した図である。は、チタン（Ti）薄膜層の上に銅（Cu）薄膜層が形成された状態を示した図である。は、銅（Cu）薄膜層の上に銅（Cu）パターン層が形成された状態を示した図である。は、銅（Cu）薄膜層が除去された状態を示した図である。は、チタン（Ti）薄膜層が除去された状態を示した図である

以下で、添付された図を参照して、本発明に係る基板製造方法の好ましい実施例について詳しく説明する。しかし、本発明は、以下で開示される実施例に限定されるものではなく、お互いに異なる多様な形態で具現されるものであり、単に本実施例は、本発明の開示が完全にし、通常の知識を有する者に発明のカテゴリーを完全に知らせるために提供されるものである。

図１は、本発明に係るセラミック回路基板の製造方法の一実施形態のフローチャートである。

図１を参考すると、本発明に係るセラミック回路基板製造方法の一実施例は、セラミック基板１０にチタン（Ti）薄膜層２０を形成する段階Ｓ１から始まる。

セラミック基板１０に制限は特にないが、窒化物であることが望ましい。例えば、AlNまたはSi₃N₄であることができる。AlNとSi₃N₄のような窒化物は、酸化物に比べて熱伝導率が高いため、発熱量が大きい素子を搭載する基板の素材として適している。セラミック基板１０に直ちにチタン（Ti）薄膜層２０を形成することもできるが、セラミック基板１０を８５０〜９５０℃、大気中で、５０〜７０分間熱処理して窒化物の表面に酸化層を形成した後チタン（Ti）薄膜層２０を形成することもできる。窒化物よりは酸化物が金属との接着力に優れているからである。

チタン（Ti）薄膜層２０は、１０００〜１００００Åの厚さで形成することが望ましい。チタン（Ti）薄膜層２０は、すでに知られている様々な方法で形成することができる。例えば、スパッタリング方法で形成することができる。チタン（Ti）薄膜層２０の形成段階は、セラミック基板１０を２５０〜３５０℃に加熱した状態で進行することが、チタン（Ti）薄膜層２０とセラミック基板１０との間の接着力を向上させることができるという点で好ましい。図２は、セラミック基板上にチタン（Ti）薄膜層が形成された状態を示した図である。

次に、チタン（Ti）薄膜層２０上に銅（Cu）薄膜層３０を形成するＳ２。銅（Cu）薄膜層３０は、すでに知られている様々な方法で形成することができる。銅（Cu）薄膜層３０は、１０００〜１００００Aの厚さで形成することが望ましい。図３は、チタン（Ti）薄膜層の上に銅（Cu）薄膜層が形成された状態を示した図である。

次に、銅（Cu）薄膜層３０上に銅（Cu）ペーストを利用して、銅（Cu）パターンを印刷した後、乾燥して、銅（Cu）パターン層４０を形成するＳ３。印刷と乾燥段階は、印刷層の厚さが１０〜４００μｍになるまで繰り返すことができる。

銅（Cu）ペーストは、球状銅（Cu）粉末、ガラスフリット（ｇｌａｓｓｆｒｉｔ）、溶剤とバインダーを含む。ガラスフリットは、銅（Cu）粉末の焼結を助ける焼結助剤であると同時に、銅パターン層４０とセラミック基板１０との間の熱膨張係数の差を補償する役割をする。図４は、銅（Cu）薄膜層の上に銅（Cu）パターン層が形成された状態を示した図である。

次に、銅（Cu）パターン層４０を焼結するＳ４。銅（Cu）パターン層４０を焼結する熱処理プロファイルは、バインダーを除去するために窒素雰囲気に水蒸気や酸素を少量供給するベークアウト（ｂａｋｅｏｕｔ）段階と、銅（Cu）粉末を液状焼結する段階と、冷却する段階を含む。銅（Cu）粉末を液状焼結する段階は、銅（Cu）の酸化を防止するために、窒素雰囲気で進行することが望ましい。このとき、ガラスフリットが銅（Cu）粉末にウェッティング（ｗｅｔｔｉｎｇ）に成りやすく少量の酸素を供給することができる。ベークアウトの段階は、３００〜５００℃程度で行われ、液状焼結する段階は、７００〜９００℃程度で行われることができる。全体焼結に要する時間は、約５０〜７０分間の程度であり、マッフル（ｍｕｆｆｌｅ）タイプ熱処理でのような連続式熱処理炉で行われるか、またはボックスオーブンのような配置タイプ熱処理炉で行われることができる。

次に、銅（Cu）パターン層が形成されていない部分の銅（Cu）薄膜層を除去するＳ５。この段階では、銅（Cu）を選択的に溶解するエッチング液を用いて行うことができる。エッチング液によって、焼結された銅（Cu）パターン層４５も一部溶解されるが、銅（Cu）パターン層４５の厚さが、銅（Cu）薄膜層３０の厚さに比べて断然厚いので問題されない。図５は、銅（Cu）薄膜層が除去された状態を示した図である。

最後に、銅（Cu）パターン層が形成されてない部分のチタン（Ti）薄膜層を除去するＳ６。この段階は、チタン（Ti）を選択的に溶解して銅（Cu）パターン層４５は溶解しないエッチング液を利用して行うことができる。図６は、チタン（Ti）薄膜層が除去された状態を示した図である。

必要な場合には、ニッケル（Ni）メッキ、金（Au）メッキ等を追加で行うことができ、メッキ後にはPSR（ｐｈｏｔｏｓｏｌｄｅｒｒｅｓｉｓｔ）ペーストを印刷した後、熱処理してリフロー工程を通したセラミック回路基板に素子を実装する過程で素子が歪むことを防止することができる。

以上で、本発明の好ましい実施例について図示して説明したが、本発明は、上述した特定の好ましい実施例に限定されず、請求範囲で請求する本発明の要旨を外れることなく、当該発明が属する技術分野で通常の知識を有する者であれば、誰でも様々な変形実施が可能であるのはもちろん、そのような変更は、請求範囲の記載範囲内にあるようになる。

10：セラミック基板
20、25：チタン（Ti）薄膜層
30、35：銅（Cu）薄膜層
40：銅（Cu）パターン層
45：焼結された銅（Cu）パターン層

Claims

a）セラミック基板にチタン（Ti）薄膜層を形成する段階と、
b）前記チタン（Ti）薄膜層の上に銅（Cu）薄膜層を形成する段階と、
c）前記銅（Cu）薄膜層の上に銅（Cu）ペーストを用いて、銅（Cu）パターンを印刷した後、乾燥する段階を一回以上行い、銅（Cu）パターン層を形成する段階と、
d）前記銅（Cu）パターン層を焼結するステップと、
e）前記銅（Cu）パターン層が形成されてない部分の銅（Cu）薄膜層を除去する段階と、
f）前記銅（Cu）パターン層が形成されていない部分のチタン（Ti）薄膜層を除去する段階とを含むセラミック回路基板の製造方法。
前記a）段階は、
チタン（Ti）薄膜層を1000〜10000Åの厚さで形成する段階である請求項１に記載のセラミック回路基板の製造方法。
前記a）段階は、
前記セラミック基板を250〜350℃に加熱した状態で、チタン（Ti）薄膜層を形成する段階である請求項１に記載のセラミック回路基板の製造方法。
前記b）段階は、
銅（Cu）薄膜層は、1000〜10000Åの厚さで形成する段階である請求項１に記載のセラミック回路基板の製造方法。
前記c）段階の前記銅（Cu）ペーストは、球状銅（Cu）粉末、ガラスフリット（glass frit）、溶剤とバインダーを含む請求項１に記載のセラミック回路基板の製造方法。
前記a）段階のセラミック基板は、窒化物である請求項１に記載のセラミック回路基板の製造方法。
前記窒化物はAlNまたはSi₃N₄である請求項６に記載のセラミック回路基板の製造方法。
前記a）の段階の前に、前記セラミック基板を８５０〜９５０℃、大気中で５０〜７０分間熱処理して窒化物の表面に酸化層を形成する段階をさらに含む請求項６に記載のセラミック回路基板の製造方法。
前記e）段階は、銅（Cu）を選択的に除去するエッチング液を用いる湿式エッチング段階である請求項１に記載のセラミック回路基板の製造方法。
前記f）段階は、チタン（Ti）を選択的に除去するエッチング液を用いる湿式エッチング段階である請求項１に記載のセラミック回路基板の製造方法。
前記c）段階は、１０〜４００μｍの厚さで銅（Cu）パターン層を形成する段階である請求項１に記載のセラミック回路基板の製造方法。