JP3353990B2 - 回路基板の製造方法 - Google Patents

回路基板の製造方法

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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、パワー半導体モジュー
ル等に使用される回路基板の製造方法に関する。
【0002】近年、ロボットやモーター等の産業機器の
高性能化に伴い、大電力・高能率インバーター等大電力
モジュールの変遷が進んでおり、半導体素子から発生す
る熱も増加の一途をたどっている。この熱を効率よく放
散させるため、大電力モジュール基板では従来より様々
な方法がとられてきた。特に最近、良好な熱伝導性を有
するセラミックス基板の出現により、その基板上に銅板
等の金属板を接合してから回路を形成後、そのままある
いはメッキ等の処理を施してから半導体素子を搭載する
構造も採用されている。
【0003】金属とセラミックスを接合する方法には種
々あるが、大電力モジュール基板においては、銅板と窒
化アルミニウム基板との間に活性金属を含むろう材を介
在させ加熱接合する活性金属ろう付け法(例えば特開昭
60-177634 号公報)と、表面が酸化処理された窒化アル
ミニウム基板と銅板とを銅の融点以下でCu-Oの共晶温度
以上で加熱接合するDBC法(例えば特開昭56-163093
号公報)が一般的である。
【0004】活性金属ろう付け法は、DBC法に比べ
て、(1)窒化アルミニウム基板と銅板との接合体を得
るための接合温度が低いので両者の熱膨張差によって生
じる残留熱応力が小さい、(2)ろう材(接合層)が延
性金属であるのでヒートショックやヒートサイクルに対
する耐久性が大である等の利点がある。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】本出願人は、セラミッ
クス基板の表裏面にろう材ペーストを塗布してから銅板
を接合しエッチングにより銅回路を形成後、回路間に存
在する不要ろう材をフッ酸単独又は無機酸とフッ酸との
混酸等の薬液を用いて除去するか(WO91/16805号公
報)、又はハロゲン化水素及び/又はハロゲン化アンモ
ニウムを含む水溶液で処理後更に無機酸と過酸化水素を
含む水溶液で処理して除去し(特開平 5-13920号公報)
回路基板を製造することを提案した。
【0006】しかしながら、上記方法においては、薬液
がフッ酸単独の場合には不要ろう材を充分に除去するに
は高温処理が必要となるので危険性が高く、また形成さ
せた銅回路の接合層までも浸食してしまう恐れがある。
一方、無機酸とフッ酸又は過酸化水素を含む薬液の場合
にはその液管理を充分に行わないと形成させた銅回路及
びその接合層までが浸食されて不都合が生じ、加えて薬
液中の金属イオン濃度が急激に高くなって過酸化水素の
分解が促進され、薬液の管理には多大の労力・費用が必
要となり危険性も高く、更には薬液の寿命も短いという
問題が未解決であった。
【0007】本発明は、以上の問題を解消することを目
的とするものであり、不要ろう材を除去する薬液の管理
が容易であり、過剰な金属回路の浸食を生じさせること
なく不要ろう材を容易に除去することのできる回路基板
の製造方法を提案するものである。
【0008】
【課題を解決するための手段】すなわち、本発明は、活
性金属を含むろう材を用いてセラミックス基板と金属板
とを接合する工程(接合体の製造工程)、その金属板に
エッチングレジストを所望形状の回路パターンに印刷す
る工程(回路パターンの印刷工程)、エッチングにより
不要金属部分を除去する工程(回路の形成工程)、エッ
チングレジストを剥離せずにフッ素化合物と過酸化水素
を含むが、硫酸、硝酸の無機酸(以下、単に「無機酸」
という。)を含まない水溶液で不要ろう材を除去する工
程(不要ろう材の除去工程)、及びエッチングレジスト
を剥離する工程(レジスト膜の剥離工程)を順に行うこ
とを特徴とする回路基板の製造方法である。
【0009】本発明の最大の特徴は、不要ろう材の除去
処理を、その薬液としてフッ素化合物と過酸化水素を含
むが無機酸を含まない水溶液を用い、しかも金属回路面
にエッチングレジストを残したまま行うことである。以
下、工程順に更に詳しく本発明を説明する。
【0010】接合体の製造工程で使用されるセラミック
ス基板としては、窒化ケイ素、窒化アルミニウム、窒化
ホウ素、酸化アルミニウム等及びこれらの複合系を主成
分とするものであるが、酸化アルミニウムと窒化アルミ
ニウムが一般的である。特に、パワー半導体モジュール
基板としては窒化アルミニウムが最適である。セラミッ
クス基板の厚みは0.3〜0.8mmであることが好ま
しい。0.3mmよりも薄いと熱衝撃に対し構造的に耐
久力がなくなり、また0.8mmよりも厚いと熱抵抗を
下げる原因となる。
【0011】本発明で使用される金属板としては、銅、
ニッケル、アルミニウム及びこれらを成分とする合金等
であるが、パワー半導体モジュール基板には無酸素銅板
が最適である。金属板の厚みは、近年の電流密度の増大
傾向に対処してセラミックス基板の表面に形成される金
属回路形成用金属板については0.3mm以上であるこ
とが好ましい。また、セラミックス基板の裏面にヒート
シンクを取り付けるための金属放熱板を形成させた構造
のものもあるが、その金属放熱板形成用金属板について
は0.2mm以下であることが好ましい。
【0012】セラミックス基板と金属板の接合には、活
性金属ろう付け法やDBC法等が採用されるが、活性金
属ろう付け法には上記した利点がある。活性金属ろう付
け法で使用される活性金属種については、セラミックス
基板と反応してろう材の濡れ性が確保されれば特に限定
されるものではないが、使用の容易さとセラミックス基
板との反応の容易さを考慮すると、チタン、ジルコニウ
ム、ハフニウム及びこれらを主成分とする合金、更には
ろう材の融点までに分解して活性金属種となる化合物が
好ましく、中でもチタン又はジルコニウムの水素化物が
最適である。
【0013】一方、ろう材の金属成分としては、ニッケ
ル、銅、銀−銅、銀−ニッケル等があるが、ろう材の溶
融温度の低さと使用の容易さから銀−銅が最適である。
活性金属を含むろう材の金属成分の割合は、活性金属以
外の金属成分100重量部に対し活性金属3〜35重量
部である。活性金属以外の金属成分が銀−銅である場合
には、銀69〜75%、銅31〜25%であることが好
ましい。
【0014】活性金属を含むろう材は、通常、ペースト
で使用され、その調製にはメチルセルソルブ、テルピネ
オール、イソホロン、トルエン等の有機溶媒が用いら
れ、必要に応じてエチルセルロース、メチルセルロー
ス、ポリメタクリレート等の有機結合剤が添加される。
【0015】回路パターンの印刷工程では、接合体の製
造工程で得られた接合体の金属面にエッチングレジスト
が所望の回路パターンに印刷される。エッチングレジス
トは、紫外線硬化型、熱硬化型等いずれでも使用するこ
とができ、また回路パターンの印刷方法としては、スク
リーン印刷、ロールコーターに塗布が採用される。
【0016】回路の形成工程においては、エッチング液
によって回路以外の金属部分が除去され、金属回路表面
にはまだエッチングレジストが残ったままの金属回路が
形成される。エッチング液としては、金属板が銅板又は
銅合金板である場合には塩化第2鉄溶液や塩化第2銅溶
液が使用される。
【0017】次いで、不要ろう材の除去工程では、金属
回路表面にエッチングレジストが残ったままの状態で金
属回路パターン間に存在する不要ろう材をその除去薬液
で除去される。不要ろう材の成分は、調製されたたまま
のろう材ばかりでなく、ろう材の活性金属成分とセラミ
ックス基板とが反応して生成した窒化物層や酸化物層、
更には金属とセラミックス基板とが反応して生成した合
金層等である。
【0018】不要ろう材の除去薬液はフッ素化合物と過
酸化水素と水で構成される。フッ素化合物としては、フ
ッ酸及びナトリウム、カリウム、カルシウム、アンモニ
ウム等のフッ化物であるが、安全性と不要ろう材の除去
効果の面からフッ化アンモニウムが最適である。フッ素
化合物の濃度としては、5〜55重量%特に20〜45
重量%が好ましく30〜40重量%が最適である。5重
量%よりも小さいと不要ろう材の除去効果が不十分とな
り、一方55重量%よりも大きいと取扱性と安全性が悪
くなり、更には金属回路部のろう材まで浸食されて必要
な接合強度を確保することができなくなる。
【0019】過酸化水素は、フッ素化合物による不要ろ
う材の除去効果を助長させるために使用されるものであ
り、その濃度としては2〜35重量%特に10〜25重
量%が好ましく15〜20重量%が最適である。2重量
%よりも小さいと上記助長効果が充分でなくなり、また
35重量%よりも大きいと過酸化水素の分解が激しくな
って薬液組成のコントロールが困難となる。フッ素化合
物と過酸化水素は、金属光沢を増加させる化学研磨材と
しても作用する。
【0020】本発明に係る薬液を使用して不要ろう材を
除去するには、被処理物を薬液に浸漬する方法でもよい
が、薬液を被処理物にシャワーする方法が処理時間を短
縮できるので好適である。
【0021】薬液による処理温度としては、20〜80
℃特に30〜50℃が好ましい。20℃よりも低温では
不要ろう材の充分な除去効果は得られず、また80℃よ
りも高温であると過酸化水素の分解が激しくなり、更に
は金属回路部のろう材も侵食される。処理時間について
は1〜10分特に2〜5分が好ましい。
【0022】最後のレジスト膜の剥離工程では、金属回
路面に残存しているレジスト膜が剥離される。その方法
は、一般に採用されている溶剤又はアルカリによる剥離
法が採用される。このようにして製造された回路基板に
は、通常、回路面を保護するために無電解ニッケルメッ
キが施される。
【0023】
【作用】本発明における不要ろう材の除去処理は、金属
回路表面にエッチングレジストを残したまま行われるの
で薬液等によって金属回路面が傷ついたり浸食されたり
するのが回避される。また、本発明で使用される不要ろ
う材の除去薬液は、フッ素化合物と過酸化水素を含むが
無機酸を含まない水溶液であるのでその管理は極めて容
易となり危険性も小さく薬液の使用寿命も延びる。本発
明で使用される薬液には無機酸を含ませないのでその分
不要ろう材との反応性は低下するが、それは処理時間を
延長することによって補うことができ、その処理時間に
ついても生産性に支障をきたすほどの長時間ではない。
更には、エッチングレジストの剥離は最終工程で行われ
るのでそれまでの工程は常に金属回路表面がエッチング
レジストで保護されてた状態で行われるので金属回路面
が損傷する機会が極めて少なく高品質が保たれる。
【0024】
【実施例】以下、実施例と比較例をあげてさらに具体的
に本発明を説明する。
【0025】実施例1〜5 比較例1〜6 重量割合で、銀粉末72部、銅粉末28部、金属ジルコ
ニウム粉末15部、テレピネオール15部及びポリイソ
ブチルメタアクリレートのトルエン溶液を固形分で1.
5部を加えてよく混練し、ろう材ペーストを調製した。
このろう材ペーストを70mm×40mm×厚み0.6
5mmの窒化アルミニウム基板の両面にロールコータ印
刷機を用いて塗布した。
【0026】得られた基板を150℃で5分間乾燥後、
両面に70mm×40mm×厚み0.25mmの銅板を
接触配置し炉に投入し、まず高純度窒素ガス気流中40
0℃で熱処理して有機成分を充分除去してから、1×1
- 5 Torrの高真空中、880℃で30分加熱した
後、2℃/分の速度で室温まで冷却して接合体を製造し
た。
【0027】この接合体の銅板上に紫外線硬化型のエッ
チングレジストをスクリーン印刷機を用いて回路パター
ンに印刷後、塩化第2銅溶液でエッチングを行って不要
銅板部分を除去した。
【0028】得られた接合体には銅回路パターン間に不
要ろう材がまだ残っているので、銅回路面にエッチング
レジストを残したままで、それを表1に示す各種の条件
で処理し、次いで3%NaOH水溶液によりエッチング
レジストを剥離して回路基板を製造した。以上の製造試
験を不要ろう材の除去薬液の管理を行わないで20回繰
り返して行った。
【0029】以上の繰り返し試験において、不要ろう材
の除去工程後の不要ろう材の除去状態とエッチングレジ
スト膜の剥離状態及びレジスト膜の剥離工程後の銅回路
面の状態を観察し、また接合強度を測定した。それらの
結果のうち、1回目と20回目の製造試験結果を表1に
示す。
【0030】
【表1】
【0031】表1から、実施例は1〜20回の回路基板
の繰り返し製造試験においても薬液の温度・濃度の変化
は殆どなかったので、銅回路面の状態が良好で充分な実
用強度をもった回路基板を製造することができた。特に
シャワーリング法を採用することによって処理時間を短
縮することができた。
【0032】これに対し、薬液がフッ素化合物単独の場
合には、温度50℃の処理温度では不要ろう材の除去効
果が不十分であったので(比較例1)その温度を80℃
に高めたが今度はレジスト膜が剥離し銅回路とその接合
層までが浸食されてしまい接合強度が低下した(比較例
2)。また、無機酸を含ませた薬液を用いた場合(比較
例3〜6)には、薬液の温度が開始時の50℃から80
℃以上にまで上昇し一定の条件で処理することができ
ず、また銅回路面の状態もよくなく接合強度も低下し
た。
【0033】
【発明の効果】本発明によれば、不要ろう材を除去する
薬液の管理が容易であり、過剰な金属回路の浸食を生じ
させることなく回路基板を製造することができ、工程上
の歩留りが大幅に向上し、生産性が高まる。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 寺野 克典 福岡県大牟田市新開町1 電気化学工業 株式会社 大牟田工場内 (56)参考文献 特開 平4−322491(JP,A) 特開 平5−327180(JP,A) 特公 昭59−2748(JP,B2) 特公 平1−23554(JP,B2) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H05K 3/02 - 3/38 C23F 1/00 - 4/04

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 活性金属を含むろう材を用いてセラミッ
    クス基板と金属板とを接合する工程、その金属板にエッ
    チングレジストを所望形状の回路パターンに印刷する工
    程、エッチングにより不要金属部分を除去する工程、エ
    ッチングレジストを剥離せずにフッ素化合物と過酸化水
    素を含むが硫酸、硝酸の無機酸を含まない水溶液で不要
    ろう材を除去する工程、及びエッチングレジストを剥離
    する工程を順に行うことを特徴とする回路基板の製造方
    法。
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