JP4756169B2 - セラミックス回路基板及びその製造方法 - Google Patents
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まず、図9に示すように、セラミックス基板1の表面上に、ろう材ペーストを円形点状に印刷した点状塗布ろう材2と、部分的にろう材を全面印刷した部分全面塗布部3を形成する。この部分全面塗布部3は半導体チップ等を搭載する半導体搭載部とされる。また、セラミックス回路基板1の裏面上に全面塗布ろう材6(図10に示す)を形成する。
なお、ろう材を全面印刷すると上記のような隙間がないためエッチング残渣は発生しないが、耐熱衝撃性が劣ることになる。
前記ろう材パターン上に接合された金属板と、
前記セラミックス基板と前記接合された金属板の間の隙間と、
を具備し、
前記隙間が、前記セラミックス基板と、前記金属板と、前記ろう材パターンとで囲まれていることを特徴とする。
前記ろう材パターン上に接合された金属板と、
前記セラミックス基板と前記接合された金属板の間の隙間と、
を具備し、
前記ろう材パターンは、前記金属板の端部に沿ったろう材パターンを有し、
前記隙間は、前記ろう材パターンの内側に位置することを特徴とする。
尚、ここでいうろう材パターンは、その幅が一定でないものも含まれる。幅が一定でなくてもエッチング液が入り込むのを防止する効果が得られるからである。
前記ろう材パターン上に接合された金属板と、
を具備し、
前記ろう材パターンは、前記金属板の端部に沿ったラインパターンを有し、
前記セラミックス基板と前記金属板との間には前記ラインパターンの内側に位置する隙間が形成されていることを特徴とする。
尚、ここでいうラインパターンは、その幅が一定でないものも含まれる。幅が一定でなくてもエッチング液が入り込むのを防止する効果が得られるからである。
前記ろう材パターン上に接合された回路パターン部と、
を具備し、
前記ろう材パターンは、前記回路パターン部の端部に沿ったラインパターンを有し、
前記セラミックス基板と前記回路パターン部との間には前記ラインパターンの内側に位置する隙間が形成されていることを特徴とする。
尚、ここでいうラインパターンは、その幅が一定でないものも含まれる。幅が一定でなくてもエッチング液が入り込むのを防止する効果が得られるからである。
前記ろう材パターン上に金属板を接合する工程と、
前記金属板、または前記金属板と前記ろう材パターンを選択的にエッチングすることにより、前記ろう材パターン上に該金属板からなる回路パターン部を形成する工程と、
を具備し、
前記セラミックス基板と、前記金属板と、前記ろう材パターンとで囲まれた隙間を有することを特徴とする。
前記ろう材パターン上に金属板を接合する工程と、
前記金属板、または前記金属板と前記ろう材パターンを選択的にエッチングすることにより、前記ろう材パターン上に該金属板からなるパターン部を形成する工程と、
を具備し、
前記ろう材パターンは、前記金属板からなるパターン部の端部に沿ったろう材パターンと該ろう材パターンの内側に位置する隙間を有することを特徴とする。
なお、上記本発明に係るセラミックス回路基板の製造方法は、少なくとも次の二通りの製造方法を含むものである。
第1の製造方法は、セラミックス基板上に例えばスクリーン印刷によってろう材パターンを形成し、前記ろう材パターン上に金属板を接合し、前記金属板を選択的にエッチングすることにより、前記ろう材パターン上に該金属板からなる回路パターン部を形成するものであり、この回路パターン部を形成した際に該回路パターン部の下以外にろう材パターンが存在しないものである。
第2の製造方法は、セラミックス基板上に例えばスクリーン印刷によってろう材パターンを形成し、前記ろう材パターン上に金属板を接合し、前記金属板と前記ろう材パターンを選択的にエッチングすることにより、前記ろう材パターン上に該金属板からなる回路パターン部を形成するものであり、前記スクリーン印刷によって形成したろう材パターンは、前記セラミックス基板と前記回路パターン部との間に設ける隙間の部分のみろう材を印刷せず、それ以外は例えばセラミックス基板のほぼ全面にろう材を塗布したものである。即ち回路パターン間やその周辺にろう材を塗布し、絶縁を確保する等のために不要なろう材を除去する必要がある場合は、前記金属板と前記ろう材パターンを選択的にエッチングする。
なお、第1の製造方法の場合も、例えばろう材が接合時に流れ出す(所定のろう材パターンからはみ出す)場合があるので、その場合は第2の製造方法のエッチングと同様、前記金属板とともに前記ろう材を除去することが好ましい。
(実施の形態1)
図1〜図4は、本発明の実施の形態1によるセラミックス回路基板の製造方法を示す図であり、(A)は平面図であり、(B)は(A)に示すB−B線に沿った断面図である。
また、セラミックス基板の厚さは、回路基板用として通常に使用されている0.1mm程度から3mm程度のものが利用できる。また、セラミックス基板のより好ましい厚さは、特に多く使用されている比較的安価な0.25〜1mm程度である。
ろう材パターン9は、部分的に全面塗布部9aを有し、他の部分は後に形成する所定の回路パターンの端部、即ちライン状に縁取りしたパターン形状からなるラインパターンである。この全面塗布部9aは例えば特に放熱を必要とする半導体チップ等を搭載する半導体搭載部とされる。また、図1(B)に示すパターン形状の開口部を有する第2のスクリーン版(図示せず)を準備し、セラミックス基板1の裏面上に第2のスクリーン版を配置し、ペースト状のろう材をスクリーン印刷する。これにより、セラミックス基板1の裏面上にろう材パターン10が形成される。ろう材パターン10は、セラミックス基板の裏面にほぼ全面塗布したパターン形状である。
なお、ろう材パターンは隙間部(即ち浮きパターン部)のみろう材を印刷しない以外は、セラミックス基板のほぼ全面に塗布しても良い。この場合後のエッチング工程で、金属板だけでなく、ろう材も薬液で除去して、回路パターンを形成すれば良い。
ろう材としては、上記Ag-Cu-Ti系、Al-Si-Ti系などのセラミックスと金属の接合に使用される、いわゆる活性金属含有ろう材を用いることが好ましい。ろう材パターンの厚さは5〜30μm程度が好ましく、この厚さが後に形成されるセラミックス基板と金属回路板の隙間の大きさと略一致する。ろう材パターンの厚さが5μmより小さいとセラミックス基板と金属回路板の接合強度が弱く剥がれる恐れがあり、また30μmより大きいと接合強度が強すぎてセラミックス基板に大きな応力が発生し、耐熱衝撃性が劣化する恐れがあるからである。より好ましいろう材パターンの厚さは10〜25μmである。
本願発明の回路基板の用途として、大電力素子を搭載するパワーモジュール用の回路基板が想定される。その場合、0.1mmより小さいと電力に対する容量が不足し、また1.0mmより大きいと回路基板の耐熱衝撃性が劣化する場合がある。よって、上記厚さの範囲が好ましい。
このようにして製造されたセラミックス回路基板は、図4に示すような構造を有する。つまり、セラミックス基板1上にはろう材パターン8,9が形成されており、このろう材パターン8,9の上には回路パターン部17a,17bが接合されている。前記ろう材パターン8,9は、前記回路パターン部17a,17bの端部に沿ったラインパターン又は前記端部を縁取ったラインパターンを有している。尚、本実施の形態では、ラインパターンの幅を一定にしているが、ラインパターンの幅は必ずしも一定である必要はない。
浮きパターンの面積は4mm2以上が好ましい。4mm2より小さいと熱応力を緩和する効果が十分でないからである。さらに好ましくは9mm2以上である。
また、浮きパターン部の少なくとも1箇所はラインパターンに隣接することが好ましい。浮きパターンが直線を含む形状、たとえば略長方形の場合では、少なくとも1辺が前記ラインパターンに隣接することが好ましい。より好ましくは2辺が、さらに好ましくは3辺以上が前記ラインパターンに隣接することである。これはラインパターンに隣接することで、熱応力の緩和効果がよく得られるからである。
また、前記端子などの部材を搭載する部分である浮きパターンの回路板の表面(即ち半田付部)のみに隙間を形成しても良い。
また、セラミックス回路基板にヒートサイクルが加えられた後に、そのヒートサイクルによる破壊がセラミックス回路基板に発生したとしても、ろう材をラインパターンとし浮きパターンを形成することにより、その破壊がろう材のラインパターンとセラミックス基板との接合界面あるいはセラミックス基板のごく表層に発生するに止めることができ、セラミックス基板に致命的なクラックが入ることを抑制できる。致命的なクラックとは、セラミックス基板に表裏を貫通するものや、比較的深いクラック(板厚が0.6mmであれば、およそ0.2mm以上(板厚の約1/3以上))を示し、回路基板として基本的な特性である表裏の絶縁が破壊される、または絶縁破壊のおそれがあるものをいう。
また、前記端子などの部材を半田付けする時にもその半田付け部分に対応するセラミックス基板に大きな熱応力が発生して、致命的なクラック発生の原因になるが、本実施の形態はこれも解決できる。
図5及び図6は、本発明の実施の形態2によるセラミックス回路基板の製造方法を示す図であり、(A)は平面図であり、(B)は(A)に示すB−B線に沿った断面図であり、図1〜図4と同一部分には同一符号を付す。尚、本実施の形態が実施の形態1の異なる点は、ろう材パターン8,9に円形の点状パターンが付加されている点である。
また、前記点状パターンの間隔は、円の外周と外周の間で0.05〜1mmであることが好ましく、より好ましくは0.1〜0.65mm程度である。その理由は、0.05mmより小さいと間隔がせますぎ接合時に隣同士の円がつながる恐れがあり、またあまり円で接合された密度が大きいと隙間を設けることによる耐熱衝撃性が十分に得られない場合があるからである。また1mmより大きいと、円形接合部(即ち点状パターンと後述する金属板との接合部)の1個1個に発生する応力が大きくなり、耐熱衝撃性などが十分に得られないことがあるからである。なお、前記点状パターンの形状を円形から他の形状、例えば三角形又は四角形等に変更してもよいが、上記の円の場合の面積に相当する面積にすることが好ましい。
また、図5(B)に示すパターン形状の開口部を有する第2のスクリーン版(図示せず)を準備し、セラミックス基板1の裏面上に第2のスクリーン版を配置し、ペースト状のろう材をスクリーン印刷する。これにより、セラミックス基板1の裏面上にろう材パターン10が形成される。ろう材パターン10は、全面塗布したパターン形状である。
また、回路パターン部17a,17bが点状パターン8a,9bによって接合しているため、回路パターン部17a,17bに端子等を半田付けする時、半田付けの熱によって回路パターン部にふくれが発生することがわかってきたが、これを抑制できる。
ふくれの原因はわかっていないが、何らかの理由で水分あるいはろう材中の有機物などガス化するものが浮きパターン部に含有されていた、または金属板の熱膨張によるものと推測される。
図12は、本発明の実施の形態3によるセラミックス回路基板の製造方法を示す図であり、(A)は裏面側の平面図であり、(B)は表面側の平面図であり、(C)は(A),(B)に示すC−C線に沿った断面図であり、図1〜図4と同一部分には同一符号を付す。尚、本実施の形態が実施の形態1の異なる点は、表面側及び裏面側それぞれのろう材パターンの形状である。
また、図12(A)、(C)に示すろう材パターンのパターン形状の開口部を有する第2のスクリーン版(図示せず)を準備し、セラミックス基板1の裏面上に第2のスクリーン版を配置し、ペースト状のろう材をスクリーン印刷する。これにより、セラミックス基板1の裏面上にろう材パターン23,23aが形成される。ろう材パターン23は実施の形態1と同様に長方形をライン状に縁取りしたラインパターンである。ろう材パターン23aは、ろう材パターン23の内側に全面塗布したパターン形状である。ろう材パターン23aとろう材パターン23との間には隙間部23bが設けられている。
なお、前記第1及び第2の隙間部22a,22bが形成されている理由は、前記隙間部22a,22bそれぞれの上に位置する回路パターン部17bに外部と接続する端子(図示せず)を配置(半田付け)する際に耐熱衝撃性を得るためである。隙間部22aは略長方形の3辺以上、隙間部22bは略長方形の3辺がラインパターンに隣接している。
なお、該AlN基板の裏面には表面と対称の位置に、外形が28mm×14mm×0.15mmで表面側のCu板と同形状のCu板が全面にろう材のある状態で接合されている(図示せず)。さらに、Cu板の上に無電界Ni−P合金めっきを3μm施した。
なお、該AlN基板の裏面には表面と対称の位置に、外形が28mm×14mm×0.15mmで表面側のCu板と同形状のCu板が全面にろう材のある状態で接合されている(図示せず)。さらに、Cu板の上に無電界Ni−P合金めっきを3μm施した。
実施例14は、図7に示す実施例2のサンプルにおける点状パターンの円の直径をφ0.2mmとし、点状パターンの間隔を0.3mmとし、縁取り幅を0.2mmとした点以外は実施例2と全く同様の方法でサンプルを作製したものである。
実施例15は、図8に示す実施例5のサンプルにおけるラインパターンの内側に、ラインパターンに沿って幅2mmの(ろう材を塗布しない)隙間部を形成し、その内側の部分は全面ろう材を塗布して接合した以外は、実施例5と同様の方法でサンプルを作製したものである。
比較例3は、図8に示す実施例5のサンプルにおけるラインパターンの幅を2.5mmとした点以外は実施例5と全く同様の方法でサンプルを作製したものである。
比較例4は、図8に示す実施例5のサンプルにおけるラインパターンの幅を0.025mmとした点以外は実施例5と全く同様の方法でサンプルを作製したものである。
上記実施例1〜14及び比較例1〜4それぞれのセラミックス回路基板において、エッチング液のしみ込みの有無を調べた。その結果を下記及び表1に示す。
比較例1のセラミックス回路基板のCu板を引き剥がしてみると、Cu板の裏とAlN基板の表面に緑色の塩化銅と思われるエッチング残渣が付着しており、また、一部が銀色のNiメッキと思われるものが付着していた。このようなエッチング残渣等のコンタミはセラミックス回路基板の絶縁不良やCu板の腐食の原因となると考えられる。
実施例1〜14それぞれのセラミックス回路基板のCu板を引き剥がしたが、Cu板の裏やAlN基板の表面に上記のようなコンタミは無かった。
比較例2、3のセラミックス回路基板のCu板を引き剥がしてみたが、ろう材パターンが全面塗布パターンで浮きパターン(非接合部)が無いので、上記のようなコンタミは無かった。
比較例4においては、エッチングにおいて、ろう材パターンとレジストが少しずれたため、一部ラインパターンにも開口部が生じ、エッチング液のしみ込みがみられた。
上記実施例1〜14及び比較例1〜4それぞれのセラミックス回路基板に対してヒートサイクル試験を行った。1サイクルを、室温から−40℃まで冷却した後に、−40℃で30分間保持し、次に、−40℃から室温に戻した後に、室温で10分間保持し、次に室温から125℃まで加熱した後に、125℃で30分間保持し、次に、125℃から室温に戻した後に、室温で10分間保持することとした。100サイクル後、200サイクル後、300サイクル後のセラミックス回路基板の外観を目視で観察した。その結果を表1に示す。観察された破壊モードは、セラミックス破壊と接合界面(またはセラミックス基板表層部)での破壊の2種類であった。セラミックス破壊は、セラミックス基板でクラックが入ることであり、セラミックス基板表裏の絶縁破壊またはその可能性があるので好ましくない。接合界面(セラミックス基板表層部の破壊を含む)での破壊は、ろう材パターンとセラミックス基板との接合界面で剥がれが生じることであり、セラミックス基板表裏間の破壊は発生せず、機能的に問題になることはない。但し、最も好ましいのは、ヒートサイクル後の破壊が観察されないことである。
セラミックス回路基板のCu板の端部に、厚さ1mm、幅3mmの銅端子を半田付けし、その時の半田の回り込みを観察した。その結果を下記及び表1に示す。尚、ここで用いた半田は共晶半田箔であり、半田箔の上に銅端子を配置し230℃で1分間加熱した。
実施例1〜14及び比較例2それぞれのセラミックス回路基板はCu板の端部までろう材パターンに接合されているため、Cu板の裏側(即ちCu板とAlN基板との間の隙間)まで半田が回り込むことは無かった。比較例1のセラミックス回路基板は、Cu板とAlN基板との間の隙間に半田の回り込みが観察された。
上記の半田付け時の熱処理条件をセラミックス回路基板に施した後に、Cu板がふくれているかを目視で観察した。問題となるほどのふくれは観察されなかったが、実施例4,5のセラミックス回路基板ではほんのわずかふくれているようにも見えた。
2…点状塗布ろう材
3…部分全面塗布部
4,14…上部金属板
5,15…下部金属板
6…全面塗布ろう材
7,17a,17b…回路パターン部
8,9,10…ろう材パターン
8a,9b,21b…点状パターン
9a…全面塗布部
11a,11b,12…エッチングレジスト
21…ろう材パターン
21a…ラインパターン
Claims (10)
- セラミックス基板上に形成されたろう材パターンと、
前記ろう材パターン上に接合された金属板と、
前記セラミックス基板と前記接合された金属板の間の隙間と、
を具備し、
前記ろう材パターンは、前記金属板の端部に沿ったろう材パターン及び該ろう材パターンの内側に配置された点状パターンを有し、
前記隙間は、前記ろう材パターンの内側に位置し、
前記隙間が、前記セラミックス基板と、前記金属板と、前記ろう材パターンとで囲まれており、
前記金属板が回路パターンであり、
前記隙間は、前記回路パターンにおいて端子部材を半田付けによって搭載する部分の下に位置することを特徴とするセラミックス回路基板。 - 請求項1において、前記金属板の端部に沿ったろう材パターンの幅が0.05〜2mmであることを特徴とするセラミックス回路基板。
- 請求項1において、前記金属板の端部に沿ったろう材パターンの幅が0.1〜1.5mmであることを特徴とするセラミックス回路基板。
- 請求項1乃至3のいずれか一項において、前記金属板にNi又はNi合金めっきが施されていることを特徴とするセラミックス回路基板。
- 請求項1乃至3のいずれか一項において、前記金属板の端部に沿ったろう材パターンの幅が一定でないものを含むことを特徴とするセラミックス回路基板。
- 請求項1乃至5のいずれか一項において、前記隙間が設けられている前記回路パターンの面積は、9mm2以上であることを特徴とするセラミックス回路基板。
- セラミックス基板上にろう材パターンを形成する工程と、
前記ろう材パターン上に金属板を接合する工程と、
前記金属板、または前記金属板と前記ろう材パターンを選択的にエッチングすることにより、前記ろう材パターン上に該金属板からなる回路パターン部を形成する工程と、
を具備し、
前記セラミックス基板と、前記金属板と、前記ろう材パターンとで囲まれた隙間を有し、
前記ろう材パターンは、前記金属板の端部に沿ったろう材パターン及び該ろう材パターンの内側に配置された点状パターンを有し、
前記金属板が回路パターンであり、
前記隙間は、前記回路パターンにおいて端子部材を半田付けによって搭載する部分の下に位置することを特徴とするセラミックス回路基板の製造方法。 - 請求項7において、
前記ろう材パターンを形成する工程は、前記セラミックス基板上にスクリーン印刷によってろう材パターンを形成する工程であり、
前記回路パターン部を形成した際に該回路パターン部の下以外にろう材パターンが存在しないことを特徴とするセラミックス回路基板の製造方法。 - 請求項7において、
前記ろう材パターンを形成する工程は、前記セラミックス基板上にスクリーン印刷によってろう材パターンを形成する工程であり、
前記スクリーン印刷によって形成したろう材パターンは、前記セラミックス基板と前記回路パターン部との間に設ける隙間の部分のみろう材を印刷せず、それ以外は前記セラミックス基板のほぼ全面にろう材を塗布したものであることを特徴とするセラミックス回路基板の製造方法。 - 請求項7乃至9において、前記ろう材パターンは、その幅が一定でないものを含むものであることを特徴とするセラミックス回路基板の製造方法。
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