JP4362597B2 - 金属−セラミックス回路基板およびその製造方法 - Google Patents

金属−セラミックス回路基板およびその製造方法 Download PDF

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Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、金属−セラミックス回路基板およびその製造方法に関し、特に、セラミックス基板上にアルミニウム回路またはアルミニウム合金回路などの金属回路が形成された金属−セラミックス回路基板およびその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、パワーモジュール用の金属−セラミックス回路基板の金属回路板として銅板が使用されている。また、近年、より高い熱サイクル耐性を実現するために、金属−セラミックス回路基板の金属回路板としてアルミニウム板を使用することが提案され、実用化されている。
【０００３】
このようなアルミニウム−セラミックス回路基板のアルミニウム回路を形成するために、セラミックス基板に接合されたアルミニウム板を３０〜４０重量％の塩化第二鉄と５〜１５重量％の塩酸と残部の水との混合液からなるエッチング液を使用してアルミニウム回路を形成する方法が知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
【特許文献１】
特開平９−３６６２号公報（段落番号００１４−００１５）
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、特許文献１に開示されたエッチング液を使用してアルミニウム板をエッチングする場合には、アルミニウムの溶解が激し過ぎてアルミニウム回路の精度が良好でない場合がある。また、金属回路が純粋なアルミニウムからなる場合には比較的良好にエッチングすることができるが、金属回路がＳｉなどを含むアルミニウム合金からなる場合やアルミニウムからなる金属回路をＡｌ−Ｓｉ系などのろう材を介して接合する場合には、金属回路パターンの周縁の直線性が低下して波打つ形状になり、金属回路の周縁部のスカート長さがばらつくという問題がある。そのため、金属回路間や基板の縁面間の所定の寸法を確保できなくなり、また、モジュールを組み立てた際に異常放電し易くなるという問題がある。
【０００６】
したがって、本発明は、このような従来の問題点に鑑み、金属回路が純粋なアルミニウムからなる場合だけでなくアルミニウム合金からなる場合や、アルミニウム合金のろう材を介してアルミニウム板をセラミックス基板に接合して金属回路を形成する場合にも、金属回路パターンの周縁の波打ち幅が小さく且つスカート長さのばらつきが小さい金属−セラミックス回路基板およびその製造方法を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、上記課題を解決するために鋭意研究した結果、セラミックス基板上に形成されたアルミニウムまたはアルミニウム合金からなる金属層などの主成分としてアルミニウムを含む金属層をエッチングして金属回路を形成する際に、酸を添加することなく塩化第二鉄と水を混合した混合液からなるエッチング液を使用することにより、金属回路パターンの周縁の波打ち幅が小さく且つスカート長さのばらつきが小さい金属−セラミックス回路基板を製造することができることを見出し、本発明を完成するに至った。
【０００８】
すなわち、本発明による金属−セラミックス回路基板の製造方法は、セラミックス基板の少なくとも一方の面に金属回路が形成された金属−セラミックス回路基板の製造方法において、セラミックス基板の少なくとも一方の面にアルミニウムまたはアルミニウム合金からなる金属層などの主成分としてアルミニウムを含む金属層を形成し、この金属層上に所定の形状のレジストを形成した後、酸を添加することなく塩化第二鉄と水を混合した混合液からなるエッチング液によって金属層の不要部分をエッチングして除去することにより、セラミックス基板の少なくとも一方の面に金属回路を形成することを特徴とする。
【０００９】
この金属−セラミックス回路基板の製造方法において、エッチング液中の塩化第二鉄のボーメ濃度は、好ましくは４０°Ｂｅ'以上の濃度であり、さらに好ましくは４４°Ｂｅ'より高い濃度である。また、エッチング液中の遊離の酸の濃度は１０ｇ／Ｌ以下であるのが好ましい。また、アルミニウム合金が、Ｓｉ、ＣｕおよびＡｇの少なくとも１つから選ばれる元素を５重量％以下含有するのが好ましく、セラミックス基板が、Ａｌ２Ｏ３、ＡｌＮ、Ｓｉ３Ｎ４およびＳｉＣの少なくとも１つ以上を含むのが好ましい。さらに、金属層がセラミックス基板の少なくとも一方の面に直接またはろう材を介して形成されるのが好ましい。
【００１０】
また、本発明による金属−セラミックス回路基板は、セラミックス基板の少なくとも一方の面に金属回路が形成された金属−セラミックス回路基板において、セラミックス基板の少なくとも一方の面にアルミニウムまたはアルミニウム合金からなる金属回路などの主成分としてアルミニウムを含む金属回路が形成され、この金属回路の周縁の波打ち幅が２００μｍ以下であり、且つ金属回路の周縁部のスカート長さが２００μｍ以下または金属回路の厚さｄに対するスカート長さＬｓの比Ｌｓ／ｄが０．５以下であることを特徴とする。
【００１１】
この金属−セラミックス回路基板において、アルミニウム合金が、Ｓｉ、ＣｕおよびＡｇの少なくとも１つから選ばれる元素を５重量％以下含有するのが好ましく、セラミックス基板が、Ａｌ２Ｏ３、ＡｌＮ、Ｓｉ３Ｎ４およびＳｉＣの少なくとも１つ以上を含むのが好ましい。
【００１２】
さらに、本発明によるパワーモジュールは、上記のいずれかの金属−セラミックス回路基板を用いたことを特徴とする。
【００１３】
なお、図１に示すように、本明細書中において、セラミックス基板１０上に形成された金属回路１２の周縁部の底部と上部における寸法差（金属回路の底部の一端における金属回路の主面の方向に垂直な面とその一端と同じ側の金属回路の上部の一端における金属回路の主面の方向に垂直な面との間の距離であり、上面の面積よりも底面の面積の方が大きい場合を正（＋）とする）Ｌｓを「スカート長さ」という。また、図２に示すように、本明細書中において、金属回路１２の周縁の直線からのずれの幅Ｗを「波打ち幅」という。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照して、本発明による金属−セラミックス回路基板およびその製造方法の実施の形態について説明する。
【００１５】
まず、図３に示すように、Ａｌ２Ｏ３、ＡｌＮ、Ｓｉ３Ｎ４またはＳｉＣからなるセラミックス基板１０を用意し（図３（ａ））、このセラミックス基板１０の両面に、溶湯接合法やろう接法などの接合法によって、アルミニウム、またはＳｉ、ＣｕおよびＡｇの少なくとも１つから選ばれる元素を５重量％以下含有するアルミニウム合金からなる金属板１２を接合した（図３（ｂ））後、金属板１２上に所定の形状のエッチングレジスト１４を形成する（図３（ｃ））。なお、アルミニウム合金中のＳｉ、ＣｕおよびＡｇの少なくとも１つから選ばれる元素の含有量を５重量％以下とするのは、この含有量を超えると、金属板１２の導電率およびエッチング特性や、金属−セラミックス回路基板の耐熱衝撃性が低下する場合があるからである。
【００１６】
次に、塩化第二鉄のボーメ濃度が４０°Ｂｅ'以上、好ましくは４４°Ｂｅ'より高くなるように塩化第二鉄と水を混合し且つ酸を添加しないで調製した混合液からなるエッチング液を使用し、図４に示すように、金属板１２をエッチングして金属回路を形成した（図４（ａ））後、エッチングレジスト１４を除去する（図４（ｂ））。
【００１７】
このようにして金属−セラミックス回路基板を製造することにより、金属回路の周縁の波打ち幅を２００μｍ以下にし、スカート長さを２００μｍ以下または金属回路の厚さｄに対するスカート長さＬｓの比Ｌｓ／ｄを０．５以下にすることができる。このような波打ち幅およびスカート長さまたは金属回路の厚さに対するスカート長さの比にすることにより、所定の金属回路間の寸法や回路基板の表裏間の寸法（縁面間距離）を確保することができ、この金属−セラミックス回路基板を使用してモジュールを組み立てた際の異常放電を防ぐことができる。また、異常放電の防止や金属−セラミックス回路基板の小型化のために、金属回路の周縁の波打ち幅を１５０μｍ以下にし、スカート長さを１５０μｍ以下または金属回路の厚さｄに対するスカート長さＬｓの比Ｌｓ／ｄを０．３８以下にするのがさらに好ましい。このような金属−セラミックス回路基板を得るためには、エッチング液中の塩化第二鉄のボーメ濃度が４４°Ｂｅ'より高いのが好ましい。
【００１８】
なお、エッチング液中に遊離酸が存在すると、塩化第二鉄以外の副次的な溶解反応が生じて、塩化第二鉄との溶解バランスを制御し難くなり、特に遊離酸のアルミニウム単体とアルミニウム合金との溶解速度差があると、金属回路の周縁の波打ち幅が大きくなる可能性が高くなるため、エッチング液中の遊離酸の濃度が１０ｇ／Ｌ以下であるのが好ましく、１ｇ／Ｌ以下であるのがさらに好ましい。
【００１９】
また、エッチング液を経済的に利用するとともにエッチング速度を一定に管理して工業的に量産できるように、エッチング液の酸化還元電位（ＯＲＰ）を所定範囲に制御することが好ましい。
【００２０】
すなわち、エッチングの際には塩化第二鉄が作用するが、この作用後にエッチング能力がない塩化第一鉄が生成するので、この塩化第一鉄を塩化第二鉄に再生しなければ、エッチング速度を一定にすることができず、エッチング自体を行うことができなくなる場合ある。この塩化第一鉄と塩化第二鉄の量の関係を代用する特性として酸化還元電位がある。したがって、良好なエッチングを行うためには、エッチング液の液温や濃度によってエッチング液の酸化還元電位を所定の範囲に制御するのが好ましい。
【００２１】
実際には、エッチング液に過酸化水素を補充して酸化還元電位を調整するのが好ましい。また、エッチング液中に不可避的に酸が入るような状況においても、過酸化水素の物質量ＡＨ２Ｏ２モルと酸の水素当量物質量ＡＨ（ａｃｉｄ）モルとの比ＡＨ２Ｏ２／ＡＨ（ａｃｉｄ）が０．５以上であるのが好ましい。
【００２２】
【実施例】
以下、本発明による金属−セラミックス回路基板およびその製造方法の実施例について詳細に説明する。
【００２３】
［実施例１］
４Ｎのアルミニウムを使用し、溶湯接合法によって、７７ｍｍ×８８ｍｍ×０．６３５ｍｍの大きさのＡｌＮ基板の一方の面に厚さ０．４ｍｍのアルミニウム板を接合するとともに、他方の面に厚さ０．１５ｍｍのアルミニウム板を接合した。この接合体の両面に、金属回路の形状に近似した形状のアルカリ剥離型エッチングレジストをスクリーン印刷法によって形成した。
【００２４】
次に、塩化第二鉄のボーメ濃度が４７°Ｂｅ'になるように塩化第二鉄と水を混合して且つ酸を添加しないで調製した混合液からなるエッチング液を使用して、液温４０℃、スプレー圧１．０ｋｇｆ／ｃｍ２とし、接合体とエッチングスプレーノズルとの平均距離が１１０ｍｍとなるようにして、アルミニウム板をエッチングした。なお、エッチング液中の遊離酸の濃度は、１ｇ／Ｌ以下であった。次に、室温で３％ＮａＯＨ溶液に３分以内浸漬してエッチングレジストを除去した。
【００２５】
この方法により、１０枚のアルミニウム−セラミックス回路基板を製造し、それぞれのアルミニウム−セラミックス回路基板の厚さ０．４ｍｍのアルミニウム板側のアルミニウム回路について、スカート長さとパターンの波打ち幅を測定した。その結果、スカート長さの最大値は１２１μｍ、最小値は７７μｍ、平均値は１０２μｍ、ばらつきは４４μｍであった。また、パターンの波打ち幅の最大値は１０３μｍ、最小値は３１μｍ、平均値は６９μｍであり、良好な結果が得られた。
【００２６】
［実施例２］
アルミニウムの代わりに０．５重量％のＳｉを含有するアルミニウム合金を使用した以外は実施例１と同様の方法により、１０枚のアルミニウム−セラミックス回路基板を製造した。なお、エッチング液中の遊離酸の濃度は、１ｇ／Ｌ以下であった。
【００２７】
このようにして製造したそれぞれのアルミニウム−セラミックス回路基板の厚さ０．４ｍｍのアルミニウム板側のアルミニウム回路について、スカート長さとパターンの波打ち幅を測定した。その結果、スカート長さの最大値は１２３μｍ、最小値は６５μｍ、平均値は９５μｍ、ばらつきは５８μｍであった。また、パターンの波打ち幅の最大値は１３１μｍ、最小値は４０μｍ、平均値は９１μｍであり、良好な結果が得られた。
【００２８】
［実施例３］
塩化第二鉄液のボーメ濃度４５°Ｂｅ'とした以外は実施例２と同様の方法により、１０枚のアルミニウム−セラミックス回路基板を製造した。なお、エッチング液中の遊離酸の濃度は、１ｇ／Ｌ以下であった。
【００２９】
このようにして製造したそれぞれのアルミニウム−セラミックス回路基板の厚さ０．４ｍｍのアルミニウム板側のアルミニウム回路について、スカート長さとパターンの波打ち幅を測定した。その結果、スカート長さの最大値は１４１μｍ、最小値は７１μｍ、平均値は９９μｍ、ばらつきは７０μｍであった。また、パターンの波打ち幅の最大値は１２９μｍ、最小値は５０μｍ、平均値は８９μｍであり、良好な結果が得られた。
【００３０】
［実施例４］
塩化第二鉄液のボーメ濃度４３°Ｂｅ'とした以外は実施例２と同様の方法により、１０枚のアルミニウム−セラミックス回路基板を製造した。なお、エッチング液中の遊離酸の濃度は、１ｇ／Ｌ以下であった。
【００３１】
このようにして製造したそれぞれのアルミニウム−セラミックス回路基板の厚さ０．４ｍｍのアルミニウム板側のアルミニウム回路について、スカート長さとパターンの波打ち幅を測定した。その結果、スカート長さの最大値は１３４μｍ、最小値は８１μｍ、平均値は１０３μｍ、ばらつきは５３μｍであった。また、パターンの波打ち幅の最大値は１７７μｍ、最小値は７０μｍ、平均値は１３９μｍであり、良好な結果が得られた。
【００３２】
［実施例５］
塩化第二鉄液のボーメ濃度４０°Ｂｅ'とした以外は実施例２と同様の方法により、１０枚のアルミニウム−セラミックス回路基板を製造した。なお、エッチング液中の遊離酸の濃度は、１ｇ／Ｌ以下であった。
【００３３】
このようにして製造したそれぞれのアルミニウム−セラミックス回路基板の厚さ０．４ｍｍのアルミニウム板側のアルミニウム回路について、スカート長さとパターンの波打ち幅を測定した。その結果、スカート長さの最大値は１３９μｍ、最小値は７０μｍ、平均値は１００μｍ、ばらつきは６９μｍであった。また、パターンの波打ち幅の最大値は１９６μｍ、最小値は８９μｍ、平均値は１６３μｍであり、良好な結果が得られた。
【００３４】
［比較例１］
ボーメ濃度２２°Ｂｅ'の塩化第二鉄と４重量％のＨＣｌと水との混合液からなるエッチング液を使用し、液温を３５℃とした以外は、実施例２と同様の方法により、１０枚のアルミニウム−セラミックス回路基板を製造した。なお、エッチング液中の遊離酸の濃度は、約４０ｇ／Ｌであった。
【００３５】
このようにして製造したそれぞれのアルミニウム−セラミックス回路基板の厚さ０．４ｍｍのアルミニウム板側のアルミニウム回路について、スカート長さとパターンの波打ち幅を測定した。その結果、スカート長さの最大値は２９４μｍ、最小値は１１９μｍ、平均値は２０１μｍ、ばらつきは１７４μｍであり、スカート長さが長く、ばらつきが大きかった。また、パターンの波打ち幅の最大値は３８７μｍ、最小値は１７７μｍ、平均値は２９８μｍであり、パターンの波打ち幅が大きかった。
【００３６】
［比較例２］
塩化第二鉄液のボーメ濃度３７°Ｂｅ'とした以外は実施例２と同様の方法により、１０枚のアルミニウム−セラミックス回路基板を製造した。なお、エッチング液中の遊離酸の濃度は、１ｇ／Ｌ以下であった。
【００３７】
このようにして製造したそれぞれのアルミニウム−セラミックス回路基板の厚さ０．４ｍｍのアルミニウム板側のアルミニウム回路について、スカート長さとパターンの波打ち幅を測定した。その結果、スカート長さの最大値は２０５μｍ、最小値は１００μｍ、平均値は１４１μｍ、ばらつきは１０５μｍであり、スカート長さが長く、ばらつきが大きかった。また、パターンの波打ち幅の最大値は２８９μｍ、最小値は１３５μｍ、平均値は２２１μｍであり、パターンの波打ち幅が大きかった。
【００３８】
なお、実施例および比較例の結果を表１にまとめて示す。
【００３９】
【表１】
Figure 0004362597
【００４０】
【発明の効果】
上述したように、本発明によれば、金属回路が純粋なアルミニウムからなる場合だけでなくアルミニウム合金からなる場合にも金属回路パターンの波打ち幅が小さく且つスカート長さのばらつきが小さい金属−セラミックス回路基板およびその製造方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】セラミックス基板上に形成された金属回路の周縁部のスカート長さを説明する図。
【図２】金属回路の周縁の波打ち幅を説明する図。
【図３】本発明による金属−セラミックス回路基板の製造方法の実施の形態を説明する断面図。
【図４】本発明による金属−セラミックス回路基板の製造方法の実施の形態を説明する断面図。
【符号の説明】
１０ セラミックス基板
１２ 金属板（金属回路）
１４ エッチングレジスト

Claims (6)

  1. セラミックス基板の少なくとも一方の面に金属回路が形成された金属−セラミックス回路基板の製造方法において、セラミックス基板の少なくとも一方の面にアルミニウムまたはアルミニウム合金からなる金属層を形成し、この金属層上に所定の形状のレジストを形成した後、塩化第二鉄のボーメ濃度が４０°Ｂｅ'以上になるように塩化第二鉄と水を混合し且つ酸を添加しないで調整した混合液からなるエッチング液を使用して、前記金属層の不要部分をエッチングして除去することにより、セラミックス基板の少なくとも一方の面に金属回路を形成することを特徴とする、金属−セラミックス回路基板の製造方法。
  2. 前記エッチング液中の塩化第二鉄のボーメ濃度が４４°Ｂｅ'より高いことを特徴とする、請求項１に記載の金属−セラミックス回路基板の製造方法。
  3. 前記エッチング液中の遊離の酸の濃度が１０ｇ／Ｌ以下であることを特徴する、請求項１または２に記載の金属−セラミックス回路基板の製造方法。
  4. 前記アルミニウム合金が、Ｓｉ、ＣｕおよびＡｇの少なくとも１つから選ばれる元素を５重量％以下含有することを特徴とする、請求項１乃至３のいずれかに記載の金属−セラミックス回路基板の製造方法。
  5. 前記セラミックス基板が、Ａｌ２Ｏ３、ＡｌＮ、Ｓｉ３Ｎ４およびＳｉＣの少なくとも１つ以上を含むことを特徴とする、請求項１乃至４のいずれかに記載の金属−セラミックス回路基板の製造方法。
  6. 前記金属層が前記セラミックス基板の少なくとも一方の面に直接またはろう材を介して形成されていることを特徴とする、請求項１乃至５のいずれかに記載の金属−セラミックス回路基板の製造方法。
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