JP4731771B2

JP4731771B2 - 回路基板の製造方法

Info

Publication number: JP4731771B2
Application number: JP2001299948A
Authority: JP
Inventors: 佳孝谷口; 豪岩元; 好彦辻村; 信行吉野
Original assignee: Denki Kagaku Kogyo KK
Current assignee: Denka Co Ltd
Priority date: 2001-09-28
Filing date: 2001-09-28
Publication date: 2011-07-27
Anticipated expiration: 2021-09-28
Also published as: JP2003110223A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、パワーモジュール等に使用される寸法精度の高められた回路基板の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、パワーモジュール等に利用される半導体装置においては、アルミナ、ベリリア、窒化ケイ素、窒化アルミニウム等のセラミックス基板の表裏面に、Ｃｕ、Ａｌ、それらの金属を成分とする合金等の回路と放熱板とがそれぞれ形成されてなる回路基板が用いられている。このような回路基板は、樹脂基板と金属基板との複合基板ないしは樹脂基板よりも、高絶縁性が安定して得られることが特長である。
【０００３】
回路及び放熱板の材質としては、Ｃｕ（Ｃｕ又はＣｕ合金を指す）、Ａｌ（Ａｌ又はＡｌ合金を指す）を用いるのが一般的である。Ｃｕは、熱伝導性や電気伝導性に優れる反面、セラミックス基板との熱膨張差に起因する熱応力の発生が避けられないので、長期的な信頼性が不十分であるのに対し、Ａｌは、熱伝導性や電気伝導性ではややＣｕよりも劣るが、熱応力を受けても容易に塑性変形するので、応力が緩和され、信頼性が飛躍的に向上する。したがって、回路及び放熱板の材質は、必要とされる信頼性及び特性によって適宜選択される。
【０００４】
このような、回路基板の回路面にはＩＣチップやダイオードなどの素子が、また放熱板面にはベース板が半田付けされてモジュールとなる。ヒートサイクルなどの熱負荷時において、回路基板のセラミックス基板と放熱板又はベース板との熱膨張差により、セラミックス基板に熱応力がかかる。この熱応力が大きくなるとセラミックス基板にクラックが発生し、絶縁破壊に達する。そのため、高い信頼性を必要とする用途では、熱膨張率の大きな金属等のベース板ではなく、Ａｌ／ＳｉＣに代表されるような、セラミックス基板と同程度の熱膨張率を有するベース板を使用する検討が行われている。しかしながら、このようなベース板は、一般的な金属ベース板と比較して高価であるため、最近では、モジュールのコストダウンを目的に、高信頼性用途においても、ＣｕやＡｌといった比較的安価な金属ベース板を使用するようになってきている。ベース板の熱膨張率が大きくなるにしたがって、セラミックス基板にかかる熱応力は、増大する方向に向かっている。
【０００５】
そこで、熱応力に対して耐久性（高強度かつ高破壊靭性）の大なる窒化ケイ素基板をセラミックス基板として用い、その厚みを薄くして、窒化アルミニウム基板よりも低熱伝導性である短所を補うと共に、金属回路および金属放熱板の厚みを厚くし、回路基板全体の熱抵抗を低減化することが提案されるようになった。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、この技術においては、セラミックス基板と金属板からなる接合体をエッチングして所望の形状の回路を形成させる際に、金属板が厚くなる程、形成された回路の寸法精度のバラツキが大きくなる難点がある。そのため、細かい形状パターンのエッチングが困難となり、ＩＣチップやダイオードを半田付けする領域を確保できない問題が生じる。従来はこの問題を回路基板のサイズを大きくすることで対応していたが、コスト及び生産性の面で不利となり、しかも細かい回路形状を必要としない単純な形状の回路基板のみにしか適用できなかった。
【０００７】
本発明者は、上記に鑑み、回路の寸法精度を向上させるべくエッチング方法について種々検討した結果、エッチング速度、すなわち単位時間、単位面積当たりのエッチング量を規定することによって可能となることを見いだし、本発明を完成させたものである。
【０００８】
本発明の目的は、回路基板全体の熱抵抗を低減化させるべく、厚い回路を形成させた回路基板において、その回路形状の寸法精度を向上させ、もって細かい形状パターンの回路形成が可能な回路基板の製造方法を提供することである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
すなわち、本発明は、窒化アルミニウム基板又は窒化ケイ素基板と金属板とからなる接合体の金属不要部分をエッチング除去して、一方の面に回路、他方の面に放熱板を形成させるに際し、上記エッチング速度を０．０５ｇ／（min・cm²）以下とすることを特徴とする回路寸法精度±０．３ｍｍ以下の回路基板の製造方法。この場合において、エッチング速度０．０５ｇ／（min・cm²）以下の実現を、エッチング液の比重と温度、又はこれに更にシャワー圧との組み合わせによって行うことが好ましい。
【００１０】
【発明の実施．の形態】
以下、更に詳しく本発明について説明する。
【００１１】
本発明の大きな特徴は、厚い金属板をエッチングして回路を形成させる際に、エッチング速度を適正化して回路寸法精度±０．３ｍｍ以下の回路形成を実現させたことであり、これによって低熱抵抗回路基板にして細かい形状パターンの回路形成が容易となったことである。
【００１２】
現在使用されている回路基板の典型的な一例を図１に示す。図１は、回路基板の回路形成面からみた平面図である。図１のＡ部に示すような単純な回路形状を有する部位と、Ｂ部に示すような複雑な回路形状を有する部位を持ち合わせている。
【００１３】
ところで、セラミックス基板に回路を形成させる方法の１つに、あらかじめ所望される回路形状に金型を用いて打ち抜かれた回路を接合するパターン搭載法がある。しかしながら、この方法は、単純な形状の場合には適用可能であるが、回路形状が複雑になった場合には、使用する金型にコストがかかること、打ち抜かれた金属回路のハンドリング性が低下すること、などの問題がある。そこで、今日においては、セラミックス基板に金属板を接合した後、所望の回路形状部位にスクリーン印刷を用いてエッチングレジストインクのマスキングを行い、その後エッチング液によって不要な金属部分を溶解するエッチング法が主流となりつつある。この方法は、マスキングを行う印刷版すなわちスクリーン版の設計によって、細かな形状に対して容易に対応可能であり、しかも安価にできることが特長である。
【００１４】
このエッチング法においても、図１のＡ部及びＢ部における寸法のばらつきの問題が生じることがあり、エッチング液のシャワーリング方法の検討や細かなスクリーン版の設計に予って対応しているが、それでもその寸法精度は所望寸法に対して±０．３ｍｍ程度が限度である。そこで、これを改善するため、Ｃｕ板と活性金属ろう薄板とのクラッドをろう薄板側よりハーフエッチング加工して回路パターンを形成した後セラミックス基板に接合し、再度、上記クラッドのＣｕ板側より同じパターンでエッチングして回路を形成させる方法（特開平６−１７７５０７号公報）や、複数の回路要素を、この回路要素より厚さが薄い複数のブリッジ部で相互に接続して所定形状の銅回路を作製し、これを活性金属ろう材がパターン印刷されたセラミックス基板に接合し、エッチングもしくは引き剥がしによりブリッジ部を除去して回路を形成させる方法（特開平６−２１６４９９号公報）、などが提案されている。
【００１５】
しかしながら、これらの方法においては、回路形成のために２回のエッチング加工を必要とするばかりでなく、２回目のエッチングにおいては、スクリーン印刷時の位置合わせなど手間がかかるため、生産性の面で不利である。また、回路厚みが０．３ｍｍ以下の薄いものが対象であり、本発明のように、回路基板全体の熱抵抗を低減させるため、回路厚みを例えば０．３５ｍｍ以上により厚くすると、回路の寸法精度が劣り適用が困難であった。すなわち、本発明者の試験によれば、厚み０．３ｍｍの回路形成の場合、寸法精度が±０．３ｍｍであるが、厚み０．５ｍｍとなると±０．５ｍｍとなり、厚みが０．７ｍｍとなると±０．７ｍｍの寸法精度となった。
【００１６】
このような背景のもと、本発明者は、安価で生産性に優れたエッチング法を用い、厚み０．３５ｍｍ以上の厚い回路の寸法精度を高めて形成させる方法について、エッチング液の組成、濃度、温度、更にはエッチング液のシャワーリング方法（シャワー圧力、噴射角度）などの諸因子を種々組み合わせて多くの検討を行った。その結果、エッチング速度（単位時間当たりかつ単位面積当たりのエッチング量）を０．０５ｇ／（min・cm²）以下としたときに、目的を達成できることを見いだした。
【００１７】
金属板のエッチング液としては、一般的に、ＦｅＣｌ₃やＣｕＣｌ₂を主成分としたものを用いる。それぞれのエッチング液を使用して、Ｃｕをエッチングした際の反応式を以下に示す。
【００１８】
ＦｅＣｌ₃を用いた場合の反応式：Ｃｕ＋ＦｅＣｌ₃＝ＣｕＣｌ＋ＦｅＣｌ₂＋８８．７ｋＪ／ｍｏｌ
【００１９】
ＣｕＣｌ₂を用いた場合の反応式：Ｃｕ＋ＣｕＣｌ₂＝２ＣｕＣｌ＋６４．７ｋＪ／ｍｏｌ
【００２０】
反応式からも判るように、エッチングによるＣｕの溶解反応においては、大きな発熱を伴うため、エッチングされる部位においては、反応熱の蓄積により、温度上昇する。従って、図１の単純な回路形状を有するＡ部と複雑な回路形状を有するＢ部では、エッチングされるＣｕの量が異なるため、発熱量が単位面積当たりの発熱量が異なる。つまり、Ａ部とＢ部では、エッチング時の温度が異なる。化学反応においては、反応速度、ここではＣｕの溶解速度は、反応温度に対して指数的に変化するため、Ａ部とＢ部では、Ｃｕの溶解速度が大きな差があることが容易に理解できる。この現象は、溶解される回路金属の厚みによって更に大きく影響される。
【００２１】
このことは、回路の寸法精度及びばらつきの低減を行うためには、回路基板の各部位における反応温度差を低減させる必要があることを意味している。しかしながら、単位面積当たりのエッチング量が異なる場合に、単位時間当たりのエッチング量を同じにすることは非常に困難である。
【００２２】
エッチングは、通常シャワーリングによって、エッチングされる部位にエッチング液を供給する方法が用いられる。つまり、常に新しく供給されるエッチング液によって、Ｃｕが溶解する際の反応熱の一部は持ち去られる。そのため、単位面積当たりのエッチング量が異なる場合であっても、エッチング速度を制御してやれば反応温度差を低減でき、回路の寸法精度及びばらつきを低減させることができる。
【００２３】
本発明においては、エッチング速度を０．０５ｇ／（min・cm²）以下とする必要がある。エッチング速度が０．０５ｇ／（min・cm²）を超えると、単位面積当たりの反応熱量の違いにより、反応温度に大きな差を生じるため、所期の目的を達成することができない。エッチング速度の下限には制限はないが、エッチングの安定性の点から０．０２ｇ／（min・cm²）以上であることが好ましい。従来のエッチングにおいては、生産性の観点からエッチング速度が０．０７ｇ／（min・cm²）以上であったことと比較して特異的である。
【００２４】
エッチング速度０．０５ｇ／（min・cm²）以下の実現は、上記諸因子を種々組み合わせることによって可能となるが、本発明においては、効果・工程管理・作業能率・生産性の観点から、エッチング液の比重と温度、又はこれに更にシャワー圧との組み合わせによって行うことが好ましい。
【００２５】
すなわち、エッチング液が例えばＦｅＣｌ₃やＣｕＣｌ₂である場合、その比重と温度、更にはシャワー圧の変化によってエッチング速度がどのように変化するかをあらかじめ予備的実験で知っておき、その条件でエッチングすることによって所望のエッチング速度が得られる。エッチング液が高比重、高温、高シャワー圧になるに従いエッチング速度が増大する。
【００２６】
エッチング速度は、一定したエッチング速度であることが望ましいが、０．０５ｇ／（min・cm²）以下の範囲内における変動は問題とならない。エッチングは断続的に行うこともできる。つまり、エッチングによる反応熱がエッチングされる部位に蓄積され、瞬間のエッチング速度が大きくなることが予想される場合は、エッチングと冷却を交互に繰り返しながら行うこともできる。
【００２７】
本発明で使用されるセラミックス基板としては、窒化アルミニウム基板又は窒化ケイ素基板である。セラミックス基板の厚みは０．６３５ｍｍが一般的であるが、特に限定されるものではなく、熱抵抗を低減する際には、厚みを薄くし、強度（耐加重）向上又は高電圧使用において厚くする。
【００２８】
金属板（すなわち回路、放熱板）の材質としては、活性金属法とメタライズ法の場合には、Ｃｕ、Ａｌ、Ｗ、Ｍｏ等であるが、Ｃｕ、Ａｌ又はそれらの合金が一般的である。通常、回路はセラミックス基板の一方の面に接合され、他方の面には放熱板が接合される。
【００２９】
回路がＣｕである場合、活性金属法におけるろう材の金属成分は、ＡｇとＣｕを主成分とし、溶融時のセラミックス基板との濡れ性を確保するために活性金属を副成分とする。この活性金属成分の具体例をあげれば、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｖ及びこれらを成分とする化合物、合金である。これらの金属成分の割合、Ａｇ６９〜７５部（質量部、以下同じ）とＣｕ２５〜３１部の合計量１００部あたり活性金属３〜３５部である。
【００３０】
活性金属法又はメタライズ法で使用されるろう材は、通常、ペーストとして用いられ、それ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、バンバリミキサー、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、エチルセルソルブ、テレピネオール、イソホロン、トルエン等、また有機結合剤としては、メチルセルロース、エチルセルロース、ポリメチルメタクリレート等が使用される。
【００３１】
活性金属法又はメタライズ法の場合には、ろう材ペーストは、スクリーン印刷、ロールコーター法、刷毛塗り等によってセラミックス基板の表裏両面に塗布され、次いでその一方の面に回路形成用金属板が、また他方の面には放熱板形成用金属板が通常は積層される。
【００３２】
接合時の加熱処理条件は、活性金属法又はメタライズ法によるユニットの積層体の場合には、１×１０^-5Ｔｏｒｒの高真空下、温度８００〜９５０℃、０．１〜１時間である。
【００３３】
ろう材は、セラミックス基板側、金属板側のいずれに配置してもよい。
【００３４】
回路及び放熱板を形成させるため、セラミックス基板の表裏に金属板が接合された接合体の金属板面に、所望の形状のマスキングを行ったのち、上記に従いエッチングを行う。マスキングには、エッチングレジストインクを用い、スクリーン印刷等によって行われる。
【００３５】
【実施例】
以下、実施例と比較例をあげて更に具体的に説明する。
【００３６】
実施例１〜３比較例１〜５
７０ｍｍ×３０ｍｍ×０．６３５ｍｍの窒化アルミニウム基板（３点曲げ強度４３０ＭＰａ、熱伝導率は１８０Ｗ／ｍ・Ｋ）の表裏両面に、銀粉末７２部、銅粉末２８部、ジルコニウム粉末２５部、テレピネオール１５部及び有機結合剤としてエチルセルロースのトルエン溶液を固形分で１部混合して得られたろう材ペーストを７ｍｇ／ｃｍ²（乾燥後）塗布し乾燥後、７０ｍｍ×３０ｍｍのＣｕ板を表裏両面に積層した。用いたＣｕ板の厚みを表１に示す。この積層体を加圧しながら、高真空中、９００℃、３０分加熱して接合体を製造した。
【００３７】
得られた接合体の表側Ｃｕ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にて回路パターンに塗布した。また、裏側Ｃｕ板については、エッチングされないように、スクリーン印刷にて、全面をマスキングするようにエッチングレジストを塗布した。
【００３８】
エッチングは、ＣｕＣｌ₂液を用いてエッチング処理を行って不要部分を溶解除去し、Ｃｕ回路を形成した。ＣｕＣｌ₂の液比重は、１．２５とし、水を添加することで調整した。エッチング速度は、液温を表１に示す温度に調整することによって行った。エッチング液はシャワーリングによって供給し、シャワー圧を０．２ＭＰａとした。またエッチング時間は、Ｃｕが完全に溶解するまでとし、表１に示した。
【００３９】
エッチング速度の測定は、エッチング時に厚み３ｍｍの銅板を同時に搬送、回路形成前と回路形成後の質量を測定することによって行った。それらの結果を表１に示す。
【００４０】
実施例４
エッチング液は実施例１で用いた液を用い、液温度を４７℃に設定した。ここでは、１回当たりのエッチング時間を短く設定し、エッチングと冷却を断続的に行った。また、冷却時間は２分とした。１回当たりのエッチング時間及びエッチング〜冷却のサイクル回数を３回とした。
【００４１】
得られた回路基板について、図２に従い寸法精度を測定した。すなわち、単位面積当たりのエッチング量の異なるＡ部及びＢ部について、最大寸法（Ｌ_H）及び最小寸法（Ｌ_L）を測定し、基準寸法との差Ｄ_H及びＤ_Lを算出し、寸法精度を評価した。その結果を表１に示す。
Ｄ_H＝Ｌ_H−基準寸法
Ｄ_L＝Ｌ_L−基準寸法
寸法精度＝±ｍａｘ（Ｄ_H，Ｄ_L）
【００４２】
さらに、寸法のばらつきを評価した。上記Ａ部及びＢ部における寸法精度が±０．３ｍｍ以下のものを「良」とし、寸法精度が±０．３ｍｍを超えるものを「不良」とした。その結果を表１に示す。
【００４３】
【表１】

【００４４】
表１の実施例１〜３と比較例１〜５の対比から、エッチング速度を０．０５ｇ／（min・cm²）を超えたものについては、寸法精度及びばらつきが大きく、回路基板として好ましくはなかったが、エッチング速度が０．０５ｇ／（min・cm²）以下でエッチングして製造された回路基板においては、寸法精度の向上とばらつきの低減を図ることができた。また、実施例４からエッチングを断続的に行うことで、反応熱の蓄積を低減でき更に寸法精度を向上させることが可能であることが示された。また、本例では窒化アルミニウム基板を用いたが、窒化ケイ素基板を用いた場合にもほぼ同等傾向の好結果が得られた。
【００４５】
次に、実施例４において、液比重を１．１５とするとエッチング速度が０．０４ｇ／（min・cm²）となり、寸法精度はＡ部、Ｂ部の何れにおいても±０．３ｍｍと良好であった。また、実施例２において、シャワー圧を０．２５ＭＰａとすると更に寸法精度が向上し、±０．１５ｍｍとなった。
【００４６】
【発明の効果】
本発明によれば、厚みが０．３５ｍｍ以上の回路であっても、その高い寸法精度かつ小さいばらつきで形成させることができる。従って、回路基板全体の熱抵抗を低減させるべく、回路厚みを厚くした回路基板において、細かい形状パターンの回路を精度良く形成させることができ、極めて寸法精度の高い回路基板の製造が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】回路基板の回路形成面からみた平面図。
【図２】寸法精度を評価するための説明図
【符号の説明】
１セラミックス基板
２回路
Ｌ_H最大寸法
Ｌ_L最小寸法

Claims

窒化アルミニウム基板又は窒化ケイ素基板と厚さ０．３５〜０．７ｍｍのＣｕ又はＡｌ金属板とからなる接合体の金属不要部分をエッチング除去して、一方の面に回路、他方の面に放熱板を形成させるに際し、ＦｅＣｌ _３又はＣｕＣｌ _２エッチング液を用いて、エッチング液の比重を１．１５〜１．２５ｇ／ｃｍ ^３でかつ液温度を３８〜４２℃に調整し、シャワー圧力及びエッチング時間によりエッチング速度を０．０５ｇ／（ｍｉｎ・ｃｍ^２）以下とすることを特徴とする回路寸法精度±０．３ｍｍ以下の回路基板の製造方法。