JP4401124B2 - 接合体の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、回路基板の製造に有用なセラミックス基板と金属板からなる接合体の製造方法に関する。

窒化ケイ素、窒化アルミニウム等のセラミックス基板に、Ｃｕ、Ａｌ等の金属回路を形成させるとともに、この金属回路に半導体素子を半田付けされた回路基板は、エレベーター、車両、ハイブリッドカー等のパワーモジュールに使用されている。

このような回路基板は、セラミックス基板と金属板からなる接合体を製造する工程を経て製造されるが、回路基板の生産性を高める観点から、用いるセラミックス基板や金属板には様々な工夫が施されている。たとえば、セラミックス基板として、ブレイクラインをあらかじめ施しておき、金属回路形成後にその部分から割って多数個取りができるような大判セラミックス基板を用いる工夫、あるいは金属板として、回路パターンに加工した金属板、接合後に回路を形成させるべきベタ金属板、ないしは回路形成が容易となるようにハーフブリッジされた金属板を用いる等の工夫などである（特許文献１、２）。
特開昭６２−２８２４８９号公報 特開平０６−８０４８２号公報

しかし、これらの工夫には一長一短がありまだまだ改善の余地がある。たとえば、ハーフブリッジ金属板、すなわち回路部とハーフブリッジ部を有する金属板を用いる場合、ハーフブリッジ部で繋げることができない中央部付近には回路部を設けることができないので、回路形状に制約を受けた。しかも、ハーフブリッジ金属板の回路部をセラミックス基板上に位置精度よく配置することは困難であった。

さらには、通常の回路基板は、沿面放電防止のため、セラミックス基板端部から１．５ｍｍ程度離してから金属回路が形成されるが、これをハーフブリッジ金属板により形成しよとすると、セラミックス基板端部から１．５ｍｍ内側の部分をもハーフエッチングしておかなければならず、このようなハーフブリッジ金属板は、うねりや反りが少しでもあるようなセラミックス基板との密着が悪いので、接合不良をなくするのに別の配慮が必要であった。

本発明の目的は、ハーフブッリジ金属板を用いる上記課題を解決するものであり、回路形状の制約がなく、セラミックス基板上に位置精度よく金属回路を形成することができ、しかも接合不良を増加させない回路基板の製造が可能な、セラミックス基板と金属板からなる接合体の製造方法を提供することである。

すなわち、本発明は、金属板端部近傍を連続又は不連続に周回する溝１ａとハーフブリッジ部（１ｅ）を有する金属板であって、その溝の外縁部の幅が金属板厚みの１／３〜３／４倍であり、しかもハーフブリッジの深さと溝の深さが、いずれも金属板厚みの１／３〜３／４倍である金属板１を、該溝を上面に、しかも該溝がセラミックス基板端部よりも内側に位置させて、セラミックス基板２に接合した後、該溝の底部１ｂと外縁部１ｃとに存在する金属をエッチング除去することを特徴とする接合体の製造方法である。

本発明によれば、回路形状の制約がなく、セラミックス基板上に位置精度よく金属回路を形成することができ、しかも接合不良を増加させない回路基板の製造が可能な、セラミックス基板と金属板からなる接合体の製造方法が提供される。

本発明で使用されるセラミックス基板としては、アルミナ、窒化珪素、窒化アルミニウム等があげられるが、熱伝導率の高い窒化アルミニウムが特に望ましい。セラミックス基板の厚みとしては、厚すぎると熱抵抗が大きくなり、薄すぎると耐久性が小さくなるので、０．１〜１．０ｍｍが好ましい。金属板としては、銅、アルミニウム、タングステン、モリブデン等が使用されるが、銅、アルミニウム又はそれらの合金が一般的である。金属板の厚みは、０．３〜１．０ｍｍが好ましい。

セラミックス基板と金属板とを接合するには、ＤＢＣ法、活性金属ろう付け法のいずれをも採用することができる。活性金属ろう付け法で用いられるろう材は、銀と銅を主成分とし、活性金属を副成分としたものである。活性金属の具体例をあげれば、チタン、ジルコニウム、ハフニウム、ニオブ、タンタル、バナジウムやこれらの化合物である。これら金属成分の割合としては、銀８０〜９７質量部と銅２０〜３質量部の合計１００質量部あたり活性金属１〜１０質量部である。

ろう材は、箔、粉末でもよいが、ペーストで用いることが好ましい。ペーストは、ろう材の金属成分に有機溶剤及び必要に応じて有機結合剤を加え、ロール、ニーダ、万能混合機、らいかい機等で混合することによって調製することができる。有機溶剤としては、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、また有機結合剤としては、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が使用される。

セラミックス基板と金属板との間にろう材を介在させ、真空中、加熱・冷却することによって接合体が製造される。加熱条件の一例を示せば、温度８３０〜８６０℃、時間３０〜６０分間、真空度１×１０^−６〜５×１０^−５ｔｏｒｒである。

本発明で重要なことは、上記一連の工程で用いられる金属板の形状である。これを実施態様の一例である図面にもとづいて説明する。図１は、本発明によって製造された接合体の上面図であり、図２は図１のＡ−Ａ断面図である。符号の１は金属板、１ａは金属板に設けられた溝、１ｂは溝の低部、１ｃは溝の外縁部、１ｄは金属板の回路部、１ｅは金属板のハーフブリッジ部、２はセラミックス基板である。

すなわち、本発明で用いられる金属板の形状は、金属板の端部近傍を連続又は不連続に周回する溝１ａを有するものである。図１に示される溝１ａは、金属板の端部近傍を連続的に周回しているが、これを間欠的（不連続）に周回させてもよい。溝の深さは、金属板を接合する際の強度とその取扱い性、エッチングの作業性、エッチング形状の観点から、金属板厚みの１／３〜３／４倍とすることが好ましい。溝の深さが３／４より深いと金属板が折れ曲がったりして接合不良を生じることがある。また、１／３より浅いとエッチングに時間がかかり作業性が低下する。溝の深さは全て同じにする必要はない。また、溝の底部１ｂには適宜貫通孔を設けることもできる。一方、溝を形成する外縁部１ｃの幅は、外縁部を完全にエッチング除去する必要上、溝の深さと同等である金属板厚みの１／３〜３／４倍とすることが好ましい。

本発明において、金属板はハーフブリッジ金属板であることが好ましい。本発明で好適なハーフブリッジ金属は、図１のように、溝１ａの他に、エッチングによって回路となる回路部１ｄと、回路部を繋ぐハーフブリッジ部１ｅとから構成されている。回路部とハーフブリッジ部の形状は全く任意であるが、ハーフブリッジ部の深さは、金属板を接合する際の強度とその取扱い性、エッチングの作業性、エッチング形状の観点から、金属板厚みの１／３〜３／４倍とすることが好ましい。ハーフブリッジ部の深さは全て同じにする必要はなく、また底部には適宜貫通孔を設けることもできる。

本発明においては、金属板をセラミックス基板に配置する際、金属板に設けられた溝を上面に、しかも該溝がセラミックス基板端部よりも内側に位置させて配置される。その配置位置は、後で溝１ａの底部１ｂと外縁部１ｃ等とをエッチング除去して回路基板を製造した際、セラミックス基板端部から２ｍｍまでの領域にはいかなる金属回路をも有させないようにして決定することが望ましい。

本発明によって製造された接合体から回路基板を製造するには、金属板にエッチングレジストを塗布しエッチングする方法が採用される。エッチングによって除去される金属部分は、少なくとも溝１ａの底部１ｂと外縁部１ｃであり、更に金属板がハーフブリッジ金属板であるときはハーフブッリジ部１ｅである。金属板がハーフブリッジ金属板でないときは、金属板にエッチングレジストによる回路パターンが描かれ、不要金属がエッチング除去されて金属回路が形成される。

エッチングによって不要な金属部分が除去されたセラミックス基板には、もともと塗布したろう材やその合金層・窒化物層等が残っているので、ハロゲン化アンモニウム水溶液、硫酸、硝酸等の無機酸、過酸化水素水を含む溶液等を用いて除去する。

参考例１
窒化アルミニウム基板（６０ｍｍ×５０ｍｍ×１ｍｍ、熱伝導率１８０Ｗ／ｍ・Ｋ、曲げ強さ３６０ＭＰａ）に、銅板（６０ｍｍ×５０ｍｍ×０．３ｍｍのベタ板で、銅板端部近傍を連続に周回する溝１ａが施されており、その深さが０．２ｍｍ、その幅が０．２ｍｍ、外縁部１ｃの幅が０．２ｍｍのものである。）を、ろう材を介在させ、窒化アルミニウム基板と銅板の端部を揃えて配置した。ろう材は、銀粉末９０質量部、銅粉末１０質量部、チタン粉末３質量部及びジルコニウム粉末２質量部、テルピネオール１５質量部、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質量部からなるろう材ペーストであり、これを窒化アルミニウム基板の表面にロールコーターで全面塗布した。その際の塗布量（乾燥後）を７〜８ｍｇ／ｃｍ2 とした。これを、５×１０−６ｔｏｒｒの真空炉中、８３５℃×５０分間保持した後、２℃／分の降温速度で冷却して銅板と窒化アルミニウム基板との接合体を製造した。

参考例２
銅板端部近傍を周回する溝（深さ０．２ｍｍ、幅が０．２ｍｍ、長さ５ｍｍ）を０．３ｍｍ間隔毎に間欠的（不連続）に設けたこと以外は、参考例１と同様にして接合体を製造した。

実施例３、４、参考例５ 比較例１
表１、図１に示されるハーフブリッジ銅板を用いたこと以外は、参考例１と同様にして接合体を製造した。

得られた各接合体の銅板の表面にＵＶ硬化タイプのエッチングレジストをスクリーン印刷により塗布した後、塩化第２銅溶液でエッチング処理を行って、溝１ａの底部１ｂと外縁部１ｃの銅を除去した。ハーフブリッジ銅板を用いた実施例３〜５と比較例１ではハーフブッリジ部１ｅの銅も除去した。実施例１、２の接合体の場合には、Ｌ字状銅回路が得られるように銅板にエッチングレジストを塗布してからエッチングをした。その後、エッチングレジストを５％苛性ソーダ溶液で剥離し、更に６０℃、１０％フッ化アンモニウム溶液に１０分間浸漬して残留不要ろう材等を除去した。

得られた回路基板について、銅回路と窒化アルミニウム基板との接合状態を超音波探査装置（日立建機社製「ＡＴ−７０００」）により測定し、接合状態（％）＝接合面積×１００／回路面積、を求めた。また、位置ズレを、工具顕微鏡（ミツトヨ社製「ＭＦ−１０１０」）を用いて測定し、銅回路中心と回路基板中心との差より算出した。これらの結果を表１に示す。

本発明によれば、回路形状の制約がなく、セラミックス基板上に位置精度よく金属回路を形成することができ、しかも接合不良を増加させない回路基板の製造が可能な、セラミックス基板と金属板からなる接合体の製造方法が提供される。本発明によって製造された接合体は、エレベーター、車両、ハイブリッドカー等のパワーモジュール用回路基板の製造に用いられる。

接合体の上面図 図１のＡ−Ａ断面図

符号の説明

１ 金属板
１ａ 金属板に設けられた溝
１ｂ 溝の底部
１ｃ 溝の外縁部
１ｄ 金属板の回路部
１ｅ 金属板のハーフブリッジ部
２ セラミックス基板

Claims (1)

1. 金属板端部近傍を連続又は不連続に周回する溝（１ａ）と該溝の内側で、該溝と同一面側であって、かつ、回路が形成される回路部間の全面に凹部を形成されたハーフブリッジ部（１ｅ）を有する金属板であって、該溝の外縁部の幅が金属板厚みの１／３〜３／４倍であり、しかもハーフブリッジ部の深さと該溝の深さが、いずれも金属板厚みの１／３〜３／４倍である金属板（１）を、該溝を上面に、しかも該溝がセラミックス基板端部よりも内側に位置させて、セラミックス基板（２）に接合した後、該溝の底部（１ｂ）と外縁部（１ｃ）およびハーフブリッジ部（１ｅ）に存在する金属をエッチング除去することを特徴とする、セラミックス基板と金属板からなる接合体の製造方法。
   

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