JP2571233B2 - 回路基板の製造方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、銅を貼りつけたセラミック基板等からなる
特に大電力パワー・モジュール用複合基板や金属放熱用
ヒートシンクを裏張りした大電力容量用の複合基板の製
造に適する回路基板の製造方法に関するものである。

（従来の技術） 従来より、金属と金属、セラミックとセラミックのよ
うに同一材質間の接合法、或いは金属とセラミックの異
材質間の接合法としては様々な接合法が知られている。

例えば、金属と金属の接合法としては電気溶接、ガス
溶接、摩擦溶接等々の融接法があり、基材を溶融しない
方法としてロウ付け処理や有機接着剤による接着法があ
る。

また、セラミックとセラミックの接合法としては有機
接着剤による接着法や耐熱金属法（特開昭61−58870号
参照）などがある。

これらの同一材質間の接合に対し、金属とセラミック
との異材質間の接合法としては、有機接着剤による接着
法や活性金属法、焼きばめ法、固相反応法などがあり、
またセラミック基材にMoやＷなどでメタライズした後に
ニッケルメッキを施し、金属基材と半田付けする耐熱金
属法があり、最近の技術では酸化物系の無機接着剤を使
用して水和化合物をつくるなどの化学反応による接合法
も出現している。

（発明が解決しようとする問題点） しかし、上記各種接合法のうち、金属同志の固有な接
合法である融接法を除けば、いずれも熱に弱く、接着強
度も充分でないという欠点がある。

一方、僅かに、蒸着、スパッタリング、溶射等による
接合技術や箔状のインサート材を使用する接合技術も提
案されてはいるが、接着力に乏しいという欠点があるば
かりでなく、使用範囲が限定されるなどのため、実用性
に乏しく、経済性でも満足し得る接合法とは云えない。

特に、セラミック基板に銅板を貼り合せたパワー・モ
ジュール用複合基板や、金属放熱用ヒートシンクを裏張
りした大電力容量用の複合基板の製造の場合、Al₂O₃等
々のセラミック基板と銅箔等の金属板との接合が必須で
あるが、殊に、前者の場合には、打抜き銅板を貼り合せ
た後にブリッジ部を除去する際、基板に無理な力が加わ
り、基板に疵や割れが発生する原因となる。また後者の
場合には、接着が不充分であると放熱性が低下するなど
の問題がある。いずれの場合でも、温度変化が繰り返さ
れると収縮、膨張によりセラミック基板と金属板とが剥
離しやすいという問題がある。しかし、接合状態がよ
く、耐熱性、耐熱衝撃性のよい接着材料は未だ見い出さ
れていない。

本発明は、上記従来技術の欠点を解消し、耐熱性を有
し、かつ、接着強度が高く、しかも金属とセラミックの
異材質間の接合に簡便に利用でき、実用性、経済性を満
足する新規な接着材料を使用し、セラミックと銅板を貼
り合せたパワー・モジュール用複合基板や金属放熱用ヒ
ートシンクを裏張りした大電力容量用の複合基板等々の
回路基板を製造する方法を提供することを目的とするも
のである。

（問題点を解決するための手段） 上記目的を達成するため、本発明者は、耐熱性を確保
するためにまず接着材料を金属質のものとし、この金属
質の接着材料において特に接着強度を高め得る方策につ
いて鋭意研究したところ、従来の金属ロウの如く（例、
特公昭61−10235号）、単にその化学成分を調整するだ
けではその用途が制限され、しかも耐熱性、衝撃性、接
着強度の向上の要請に対して限界があることが判明し、
したがって、化学成分の調整はもとより、加えて接着材
料の物理的構造面に重点をおいて実験研究を重ねた結
果、Agを必須成分として含む特定組成であって、しかも
接着材料の構造として各成分を混合状態で、かつ共存せ
しめた複合微細な粉末構造とし、この複合粉末を有機溶
媒中に分散させペースト状にして回路基板を製造するこ
とにより、上記目的が達成できることを見い出した。ま
た、その際、接着ペーストの使用条件について固有の条
件を見い出し、本発明をなしたものである。

すなわち、本発明法で使用する接着ペーストは、Cu及
びNiのうちの少なくとも１種を10〜60％、Ti、Zr及びNb
のうちの少なくとも１種を10〜60％含み、残部が実質的
にAgからなる組成を有し、かつ各成分がメカニカルアロ
イ法によって互に機械的に噛合結合した複合粉末を有機
溶媒中に分散させてペースト状にしたものであり、この
ペースト状接着剤をセラミック基板又は銅板等の金属板
の所要個所の表面に印刷塗布し、乾燥し、500〜700℃で
脱脂し、次いで820〜920℃に加熱焼成して、回路基板を
得る方法である。

以下に本発明を更に詳細に説明する。

まず、本発明に用いる接着ペーストについて説明す
る。

第１図は本発明で用いる接着ペーストを構成する金属
質の接着材料の成分系並びに組成域（wt％）を示す図で
あり、Ａ成分はCu及びNiのうちの少なくとも１種からな
り、Ｂ成分はTi、Nb及びZrのうちの少なくとも１種から
なり、残部は実質的にAgからなるＣ成分である系におい
て、Ａ成分:10〜60％、Ｂ成分:0.5〜10％、Ｃ成分：残
部の図示の斜線領域が接着ペーストとして所望の性能を
発揮でき、特に冷熱サイクルによる接合力劣化に起因す
る剥離を防止できる組成範囲である。なお、Ａ成分が10
％未満及び60％を超えると接着力が出ないので、好まし
くない。またＢ成分は10％を超えると耐熱衝撃力が低下
し、一方、0.5％未満では活性不充分となって拡散接合
が不良となるので、好ましくない。

上記化学成分を有する金属質の接着材料は、いわゆる
メカニカルアロイ法によって製造する必要がある。その
ためには、各成分の金属粉末を擂潰機、ボールミル、ア
トライター等の撹拌機を用いて拘束、高エネルギー下で
所要時間混合撹拌して粉砕することにより、各成分が機
械的に噛合結合したいわゆるメカニカルアロイ形態の混
合粉末を得ることができる。

このような複合粉末にすると、接合温度を適切に選ぶ
ならば接合強度が顕著に向上できる。これは、第２図に
示すように、各成分の微粉が機械的に噛合結合されてい
るため、接合温度において緻密に隣接する各成分微粉が
表面で溶融して粒子間結合が強固になり、これが一種の
ノリの役目を果たして接合強度が増大するものと考えら
れる。因みに、そのような適切な接合温度（Ag−Cu系で
800〜900℃）を超える高温で各成分が合金化した状態で
使用した場合には、その効果が低下する現象がみられ
た。また単純混合状態では各成分が分離した混合状態に
あるために加熱しても上記効果は期待できなかった。

この場合、、このような複合粉末の粒度は５μｍ以下
の粒径（５μｍのメッシュをオールパスしたもの）に
し、活性を高めるのが好ましい。これにより、少量の活
性金属（Ti、Zr、Nb）のもとで強固な接合力が得られ、
特に冷熱サイクルに対しても接合力劣化を極めて小さく
することができる。なお、上記粒度の複合粉末を得るに
は、メカニカルアロイング用原料として10μｍ以下の微
粉末を使用すればよい。また、複合粉末は金属質接着材
料全体の80％以上を占めるのが好ましく、多少のCu、A
g、Ti粉などの各成分粉末が混入していても支障はな
い。

このような複合粉末から実質的になる金属質接着材料
は、有機バインダー、有機溶媒中に分散させベースト状
にして接着ペーストとする。

次に、この接着ペーストを用いて回路基板を製造する
プロセスについて説明する。

まず、回路基板を構成するセラミック基板又は金属板
の所要表面に上記接着ペーストを印刷塗布し、乾燥、脱
脂する。

セラミック基板としては、Al₂O₃、SiC、AlN等よりな
り、用途に応じて厚み0.5〜1mm程度のものが使用され
る。金属板としては、導体回路用でも或いはヒートシン
ク用でもよく、厚み0.5〜2.0mm程度の銅箔が例示され
る。

塗布量は焼成後の膜厚が10〜30μｍ程度がよい。あま
り薄いと拡散不充分となって接着強度が上がらず、また
100μｍ以上に厚くなりすぎるとセラミック基板に使用
した場合、熱膨張差が大きくなり、基板に亀裂が生じる
ようになるので、好ましくない。

乾燥、脱脂を含む乾燥工程では、80〜120℃で約30分
間程度乾燥すればよいが、脱脂は真空又は不活性雰囲気
下で500〜700℃で行うのが好ましい。700℃を超えると
接着材料中で合金化が生じ、接合力が急激に低下し、一
方、500℃未満ではバインダーが分解しないので好まし
くない。脱脂せず、乾燥のままでも接合は可能である
が、セラミックのパターン間にカーボンがディポジット
するため、パターン解像性の面からは脱脂した方が好ま
しい。なお、上記脱脂温度では10分間脱脂すればよい。

乾燥工程後、非酸化性雰囲気中又は真空中（例、10^-2
Torr以下）で820〜920℃に加熱焼成する。加熱焼成温度
が820℃より低くなると接合が不可能になる。一方、920
℃を超えると経済的にも意味がなくなり、また金属板が
銅の場合、銅板の融点近くまでなるため、接合時に接合
治具と溶着したり、パターンずれが生じたりするので好
ましくない。接合の場合、１〜100kg/cm²程度の荷重を
かれながら行うのがよい。

（実施例） 次に本発明の実施例を示す。

実施例１ まず、第１表に示す各成分について10μｍ以下の粉末
を準備した。なお、チタンは44μｍ以下のスポンジチタ
ンをN₂気流中で分級し、10μｍのものを得た。同様にア
トマイズ銅粉も、気流粉級で10μｍ以下のものを得た。
銀粉末は、硝酸銀から得た平均粒径1.7μｍ（フィッシ
ャー径）の粉末を使用した。

次いで、第１表に示すように、Ａ成分、Ｂ成分及びＣ
成分の各粉末を含有量を種々変えて配合し、ボールミル
を使用して混合粉砕した。粉砕時間は、７時間で、フィ
ッシャー平均粒径で、2.1〜3.2μｍの複合粉末を得るこ
とができた。

次いで、この複合粉末を３本ロールミルで混練し、以
下に示す配合割合のペーストとした。

複 合 粉 末 24 重量部 エチルセルロース 4.4 〃 テキサノール 5 〃 界面活性剤 0.54 〃 次に、接合する一方の基板として同表に示すセラミッ
ク基板（50mm×50mm□サイズ）を用い、上記ペースト
（インサート材）をスクリーン印刷機を用いて所定の寸
法の銅板に厚み30μｍ、所定の形状に印刷した。なお、
使用したスクリーンはステンレス製200メッシュ、バイ
アス張りで、エマルジョン厚さ54μｍ、所定の形状にパ
ターン化されているものである。

印刷後、10分間室温にてレベリングした後に105℃で3
0分間乾燥した。乾燥したものを更に膜厚焼成炉を使用
し、窒素雰囲気中で脱脂した。700℃以上の高温で焼成
すると最終的に接合しなくなるので、本実施例では、ピ
ーク温度は600℃×８分間で60分間プロファィルとし
た。この焼成の目的はペースト中のバインダー成分を発
揮させることにある。

脱脂後、第３図に示す表パターンの場合は、50mm×50
mmで厚さ0.635mmのセラミック基板上にパターン間隔2mm
にて48mm×16mm寸法の銅板（タフピッチ銅、無酸素銅）
を重ねた状態で、また第４図に示す裏パターンの場合
は、同様のセラミック基板上に4.6mm□の銅板を重ねた
状態で、N₂気流中又は10^-4Torrの真空下で10kg/cm²の荷
重をかけて850℃×（10〜15）分間で接合した。

接合後、接合状態を調べると共に、各接合サンプルに
ついて冷熱サイクル試験機により、−55℃×30分間＋15
0℃×30分間を１サイクルとして、耐熱衝撃性（剥離ま
でのサイクル回数）を調べた。それらの結果を同表に併
記する。

第１表より明らかなとおり、本発明例はいずれも接合
状態が良好であり、50回以上の耐熱衝撃性を有するのに
対し、比較例のものは、活性成分（Ti）量が少なく接合
せず（No.12）、或いは脱脂温度が高すぎて接合せず（N
o.15）、接合温度が高すぎて融着してしまい（No.1
6）、接合しても可能サイクル回数が30回以下で、耐熱
衝撃性が劣っている（No.13、No.14）。

（発明の効果） 以上詳述したように、本発明によれば、新規な組成で
金属質の複合粉末からなる接着ペーストを用いてセラミ
ック基板又は金属板の表面に印刷塗布し、適切なプロセ
ス条件にて回路基板を製造するので、接着強度が高く、
耐熱性、特に耐熱衝撃性が優れた各種の回路基板を得る
ことができる。特に、銅を貼り付けたセラミック基板等
からなる大電力パワー・モジュール用複合基板、金属放
熱用ヒートシンクを裏張りした大電力容量用の複合基板
の製造に適している。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に用いる接着ペーストを構成する金属質
の複合粉末の成分系及び組成域を示す図であり、 第２図は上記複合粉末の粉末形態を示す説明図であり、 第３図及び第４図は実施例において用いた回路基板を示
す説明図で、第３図は表パターンを示し、第４図は裏パ
ターンを示している。 １……セラミック基板、２……金属板。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 Ｈ０１Ｌ 23/36 Ｈ０１Ｌ 23/12 Ｊ Ｈ０５Ｋ 3/20 23/36 Ｃ

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】重量％で（以下、同じ）、Cu及びNiのうち
   の少なくとも１種を10〜60％、Ti、Zr及びNbのうちの少
   なくとも１種を0.5〜10％含み、残部が実質的にAgから
   なる組成を有し、かつ各成分がメカニカルアロイ法によ
   って互に機械的に噛合結合した複合粉末を有機溶媒中に
   分散させてなる接着用ペーストをセラミック基板又は金
   属板の表面に印刷塗布した後、乾燥し、500〜700℃で脱
   脂し、次いで非酸化性雰囲気中又は真空中で820〜920℃
   に加熱焼成することを特徴とする回路基板の製造方法。