JP5413485B2 - 回路基板の製造方法および回路基板 - Google Patents

Description

本発明は、セラミックス基板上に金属層パターンが形成された構造を有する回路基板の製造方法、及びこれによって製造された回路基板に関する。

例えば、電動車両用インバータとして高電圧、大電流動作が可能なパワー半導体モジュール（例えばＩＧＢＴモジュール）が用いられている。こうした半導体モジュールには、電気的絶縁性と熱伝導率が高く、機械的強度の高い回路基板に半導体チップが接合された形態のものが用いられる。回路基板は、例えば絶縁性のセラミックス基板上に配線となる金属回路板が形成されて構成される。半導体チップは、この回路基板に搭載され、半導体チップにおける配線は、金属回路板とはんだやボンディングワイヤなどによって電気的に接続される。セラミックス基板の材料としては、例えば窒化珪素が用いられ、金属回路板の材料としては、例えば銅が用いられる。

この際、１枚の大きなセラミックス基板上に多数の金属回路板パターンを形成し、その後にセラミックス基板を分割することにより、１枚のセラミックス基板から多数個の回路基板を得ることにより、その製造コストを低下させることができる。

この回路基板は、例えば、図７に示す製造方法によって製造することができる。図７はこの製造方法を示す工程断面図である。まず、図７（ａ）に示されるように、セラミックス基板５１に銅板５２をろう付け、あるいはＤＢＣ（Ｄｉｒｅｃｔ Ｂｏｎｄｉｎｇ Ｃｏｐｐｅｒ）法によって接合する。次に、図７（ｂ）に示されるように、銅板をウェットエッチング等の方法によって部分的にエッチングすることによって金属回路板５３となるパターンにパターニングする。更に、図７（ｃ）に示されるように、金属回路板５３上にははんだ濡れ性向上および金属回路板の防錆などを目的として、めっき層５４が形成される。最後に、図７（ｄ）に示されるように、セラミックス基板５１が分割され、多数の回路基板５０が得られる。この分割は、セラミックス基板５１にスクライブ線を形成することによって、容易に行うことができる。

ここで、めっき層５４を形成する際には、金属回路板５３のパターンが形成されており、分離されたパターンが存在する場合には、同時に全てのパターンに通電することは困難である。従って、めっき層５４の形成には通電の不要な無電解めっきが用いられる。従って、ここで形成されるめっき層５４としては、無電解めっきが容易なＮｉ−Ｐ層、すなわちニッケル（Ｎｉ）にリン（Ｐ）が添加された層が用いられる。

一方、Ｐが添加されないＮｉめっき層は、電解めっきを行うことで簡便に均一なめっき層を形成することができ、はんだ濡れ性もＮｉ−Ｐめっき層と比較して良好である。しかしながら、このＮｉ層（Ｐが添加されていない層）は無電解めっきによって形成することが困難である。従って、上記の製造方法ではこのＮｉめっき層を金属回路板５３上に形成することは困難である。

このため、例えば特許文献１には、図７に示す製造方法においても電解めっきを使用できる製造方法が記載されている。この製造方法においては、図７（ｂ）において形成されるパターンの中に、本来独立しているパターン同士を電気的に接続する小パターン（タイバー）を設ける。このタイバーの大きさは、カッターで容易に切断できる長さ、太さとする。従って、セラミックス基板５１の分割（図７（ｄ））後に、このタイバーを容易に切断することができる。従ってこの製造方法により、所望の金属回路板パターン上に、電解めっきを行うことができる。

なお、上記の例では、金属回路板について記載したが、セラミックス基板の他方の面には、やはり銅で構成された金属放熱板が形成される場合もある。これを形成する方法も、金属回路板の場合と同様である。

特開平１１−２０４９２１号公報

しかしながら、前記の製造方法によっても、その製造コストを充分に低下させることは困難であった。

前記の製造方法において、一度に多数個の回路基板を得るためには、まず、大きなセラミックス基板に大きな銅板を接合することが必要である。この接合は、前記の通り、ろう付けやＤＢＣ法によるが、その際にこれらは高温となり、セラミックス基板（窒化珪素）と銅板との熱膨張係数は異なる。従って、接合後には、熱膨張係数の差に起因した反りが生じ、この反りはその後の金属回路板のパターニングの際に悪影響を与え、反りが大きい場合には基板割れやクラックが発生することもある。

従って、用いられるセラミックス基板の大きさには限度があり、充分にその製造コストを低下させることは困難であった。

本発明は、斯かる問題点に鑑みてなされたものであり、上記問題点を解決する発明を提供することを目的とする。

本発明は、上記課題を解決すべく、以下に掲げる構成とした。
請求項１に記載の発明の要旨は、セラミックス基板上にパターン化された金属層が形成された形態の回路基板を１枚のセラミックス基板から複数個製造する、回路基板の製造方法であって、前記金属層のパターンが複数個配列された回路パターン部を具備し、独立した箇所間が結合部によって接続されて一体化されている金属パターン板を製造する金属パターン板製造工程と、前記１枚のセラミックス基板上に前記金属パターン板を接合する接合工程と、前記金属パターン板が接合された前記セラミックス基板をスクライブ線に沿って分割する分割工程と、前記セラミックス基板上に接合した前記金属パターン板の前記結合部を除去する結合部除去工程と、を具備し、前記金属パターン板製造工程において、前記配列が同一ピッチでなされると共に異なるパターンを具備する２種類の金属パターン板が製造され、前記接合工程において、前記２種類の金属パターン板は、前記２種類の金属パターン板における回路パターン部が対応するべく目合わせされ、前記セラミックス基板の相異なる面に接合される、ことを特徴とする回路基板の製造方法に存する。
請求項２に記載の発明の要旨は、前記接合工程より後であり前記分割工程および前記結合部除去工程より前に前記金属パターン板表面にめっき層を形成するめっき工程を行うことを特徴とする請求項１に記載の回路基板の製造方法に存する。
請求項３に記載の発明の要旨は、前記めっき工程において、電解めっき法が用いられることを特徴とする請求項２に記載の回路基板の製造方法に存する。
請求項４に記載の発明の要旨は、前記接合工程において、前記１枚のセラミックス基板と前記金属パターン板との接合にろう付けが用いられることを特徴とする請求項１から３までのいずれか１項に記載の回路基板の製造方法に存する。
請求項５に記載の発明の要旨は、前記接合工程において、前記１枚のセラミックス基板と前記金属パターン板との接合にＤＢＣ（Ｄｉｒｅｃｔ Ｂｏｎｄｉｎｇ Ｃｏｐｐｅｒ）法が用いられることを特徴とする請求項１から３までのいずれか１項に記載の回路基板の製造方法に存する。
請求項６に記載の発明の要旨は、前記金属パターン板は、前記回路パターン部の周辺に、前記回路パターン部を支持する周辺部を具備し、前記回路パターン部と前記周辺部とが前記結合部によって結合されていることを特徴とする請求項１から請求項５までのいずれか１項に記載の回路基板の製造方法に存する。
請求項７に記載の発明の要旨は、前記金属パターン板は、前記結合部と前記金属パターン板における独立した箇所との接合部において、前記金属パターン板における独立した箇所は前記結合部側と反対側に引き込んだ形状を具備することを特徴とする請求項１から請求項６までのいずれか１項に記載の回路基板の製造方法に存する。
請求項８に記載の発明の要旨は、前記金属パターン板において、前記結合部の厚さは、前記接合されるセラミックス基板側において、前記結合部と隣接する金属パターン板の一部よりも小さいことを特徴とする請求項１から請求項７までのいずれか１項に記載の回路基板の製造方法に存する。
請求項９に記載の発明の要旨は、前記金属パターン板製造工程において、プレス加工が用いられることを特徴とする請求項１から請求項８までのいずれか１項に記載の回路基板の製造方法に存する。
請求項１０に記載の発明の要旨は、前記金属パターン板は銅又は銅合金で形成されることを特徴とする請求項１から９までのいずれか１項に記載の回路基板の製造方法に存する。
請求項１１に記載の発明の要旨は、請求項１から請求項１０までのいずれか１項に記載の回路基板の製造方法によって製造された回路基板に存する。

本発明は以上のように構成されているので、１枚のセラミックス基板から多数個の回路基板を低コストで得ることができる。

本発明の実施の形態に係る回路基板の製造方法の各工程を示す図である。 本発明の実施の形態に係る回路基板の製造方法において用いられる金属パターン板の構成を示す図である。 図２に示す金属パターン板を用いて製造される回路基板における金属回路板のパターンを示す図である。 本発明の実施の形態に係る回路基板の製造方法の分割工程における破断箇所を示す図である。 本発明の実施の形態に係る回路基板の製造方法において用いられる金属パターン板における結合部付近の構成の一例を示す図である。 本発明の実施の形態に係る回路基板の製造方法において用いられる金属パターン板における結合部付近の構成の他の一例を示す断面図である。 従来の回路基板の製造方法の一例を示す図である

以下、本発明について具体的な実施形態を示しながら説明する。ただし、本発明はこれらの実施形態に限定されるものではない。

この製造方法においては、１枚の大きなセラミックス基板から、多数個の回路基板が作成される。図１はこの製造方法を示す図である。ここで製造される回路基板は、セラミックス基板上にパターン化された金属層（ここでは金属回路板）が形成された構造を具備する。なお、図１において、（ａ）〜（ｄ）は製造された形態の斜視図であり、（ｅ）、（ｆ）は平面図となっている。

まず、図１（ａ）に示されるように、１枚の大きなセラミックス基板１１と、図１（ｂ）に示されるように、これとほぼ同じ大きさであり、パターン化された金属パターン板１２が準備される。その後これらは図１（ｃ）に示されるように接合される（接合工程）。この接合は、ろう付け、あるいはＤＢＣ（Ｄｉｒｅｃｔ Ｂｏｎｄｉｎｇ Ｃｏｐｐｅｒ）法により、例えば７００℃以上の温度で行われる。

ここで用いられるセラミックス基板１１は、絶縁性、熱伝導率、機械的強度が高いセラミックス材料として、例えば窒化珪素セラミックスで構成される。その大きさは、ここから多数個の回路基板を分割して作成するため、例えば１０ｃｍ角程度の大きさである。厚さは０．３２ｍｍ程度である。

金属パターン板１２を図１中の上側から見たときの平面図が図２である。この金属パターン板１２は金属回路板となる材料である銅又は銅合金で構成され、その厚さは例えば０．１〜３ｍｍ程度である。

金属パターン板１２は、中央の縦２列×横３列の同一パターン（単位パターン）が配列された回路パターン部１２ａと、その周辺にある周辺部１２ｂとに大別される。回路パターン部１２ａと周辺部１２ｂのどちらにおいても、これらを構成する個々のパターン（図２中ではいずれも矩形パターン）は、これらよりも小さい結合部１３で結合されている。

回路パターン部１２ａにおける２×３個の計６個の同一パターンは、製造される回路基板における金属回路板（金属層）１６のパターンに対応している。ただし、ここで最終的に得られる金属回路板のパターンは、図３に示すように、電気的に独立したＡとＢの２つの箇所から構成される。従って、金属パターン板１２においては、ＡとＢとが結合部１３で結合された構成となっており、本来の金属回路板のパターンに結合部１３が加わった構成となっている。この結合部１３の幅は１ｍｍ程度とすることが、各パターンを固定するための強度が確保できること、および後述する切断時の作業が容易になることから、好ましい。

周辺部１２ｂは複数の矩形パターンから構成されているが、同様に、各矩形パターンは結合部１３により結合されている。また、周辺部１２ｂと回路パターン部１２ａとの間も結合部１３によって結合されている。従って、回路パターン部１２ａは周辺部１２ｂによって支持された形態となっている。

従って、金属パターン板１２においては、本来独立した箇所であり後で独立した形状とすべき箇所（図３中のＡとＢ）同士、及び金属パターン板１２におけるその他の箇所結合部１３によって結合された形状となっている。これにより、金属パターン板１２における各箇所は、回路パターン部１２ａ、周辺部１２ｂを通じて機械的及び電気的に一体化されている。

なお、上記のパターンは、金属パターン板製造工程によって製造される。ここでは、例えば、所望の厚さの１枚の銅板に対して、ウェットエッチングを施すことによって作成することができる。あるいは、銅板をプレス加工することによって作成することができる。

図１（ｃ）に示されるようにセラミックス基板１１に上記の金属パターン板１２が接合された（接合工程）後、図１（ｄ）に示されるように、電解めっき液に浸漬され、金属パターン板１２に通電される。これによって、金属パターン板１２の表面全面にめっき層１４が形成される（めっき工程）。ここで、めっき層として、Ｎｉからなる層を電解めっきによって形成することができる。この際、金属パターン板１２は電気的に一体化されているため、その全面にめっき層１４を形成することができる。

その後、金属パターン板１２における図４に破線で示す方向にセラミックス基板１１を割って分割することによって、図１（ｅ）にその上面図を示す６個の分割ユニット１５が得られる（分割工程）。この作業は、セラミックス基板１１の図４中の破線で示された箇所に対応したスクライブ線を設けておくことによって特に容易に行うことができる。

この分割の際に、全ての結合部１３のうち一部は破壊されるが、図１（ｅ）に示されるように、他の一部、特に一つの回路基板内にある結合部１３はその形態を維持している。この結合部１３は、分割後に例えばカッターやニッパーを用いて容易にこれを切断することができる（結合部除去工程）。これにより、セラミックス基板１１上に、その表面にめっき層１４が形成された金属回路板１６が形成された図１（ｆ）の形態の回路基板１０とすることができる。従って、所望の形態の６個の回路基板１０が得られる。

なお、上記の例では分割工程後に結合部除去工程を行っていたが、結合部除去工程後に分割工程を行ってもよい。

なお、はんだ付けが容易な材料で金属パターン板１２を形成した場合には、めっき工程（図１（ｄ））は不要である。また、上記の例ではめっき工程は接合工程の直後に行っていたが、接合工程より後であり分割工程及び結合部除去工程よりも前に行えばよい。

また、上記の製造方法では、金属回路板１６をセラミックス基板１１上に形成する場合について記載したが、同様に、セラミックス基板１１の裏面にパターン化された金属放熱板を形成することもできる。この場合には、金属パターン板製造工程において、配列が同一ピッチでなされた２種類の金属パターン板を製造する。一方（第１の金属パターン板）における回路パターン部の単位パターンは、前記の金属回路板に対応するパターンとし、他方（第２の金属パターン板）における回路パターン部の単位パターンは金属放熱板に対応するパターンとする。この際、これらの配列のピッチは同一とする。その後、接合工程において、この２種類の金属パターン板は、これらの金属パターン板における回路パターン部が対応するべく目合わせされ、セラミックス基板１１の相異なる面（表面及び裏面）にそれぞれが接合される。その後、前記のめっき工程（図１（ｄ））以降を行う。ただし、この場合のめっき工程は各面について独立に行ってもよく、同時に行ってもよい。あるいは、一方の面についてのみ行ってもよい。

上記の製造方法では、接合工程（図１（ｃ））において、金属パターン板１２とセラミックス基板１１とはろう付けやＤＢＣ法によって高温、例えば７００℃以上の温度で強固に接合される。その後、これらは室温にまで冷却されるが、その際に、セラミックス基板（窒化珪素）と銅との熱膨張係数の差によって、応力が発生し、反りの原因となる。

しかしながら、ここで接合される金属パターン板１２は図２に示すようにパターン化されているため、応力が集中するのはこのパターンにおける各部、例えば図３におけるＡ、Ｂや周辺部１２ｂにおける各矩形パターンである。この各部の大きさは、図２に示されるように、セラミックス基板１１全体の大きさに比べて小さい。従って、この各部における反りは問題にはならない。また、この各部間においては応力の影響は存在するが、この箇所においては、小さく細い結合部１３がこの応力に従って変形することによって、セラミックス基板１１等における反りが緩和される。従って、金属パターン板１２が接合された後の形態（図１（ｃ））における反り量は小さくなる。この効果は、セラミックス基板１１及び金属パターン板１２が大きな場合、及び、金属パターン板１２における各部の数が多い場合に顕著である。従って、１枚の大きなセラミックス基板１１から多数の回路基板１０を製造する場合に特に大きな効果が得られる。

これに対し、特許文献１に記載の製造方法においては、まずセラミックス基板と同形状のパターニングされていない銅板を準備し、これをセラミックス基板に接合した後で例えば図２の形状にパターニングする。このため、この接合後に冷却された後では、特にセラミックス基板が大きな場合に、前記の反りの影響が大きくなる。

更に、特許文献１に記載の製造方法においては、まず、銅板をセラミックス基板と同形状（例えば矩形）に加工し、更に接合後に例えば図２の形状にパターニングするという、２回にわたる銅板の加工が必要になる。これに対し、この実施の形態の製造方法においては、必要なのは接合前の１回の加工だけであるため、その製造コストを低下させることができる。特にこの加工にプレス加工を用いた場合には、所望の大きさであり、かつ図２の形状にパターニングすることを１回で容易に行うことができる。

また、めっき工程（図１（ｄ））において、金属パターン板１２が電気的及び機械的に一体化された構造であるため、電解めっきを容易に適用することができる。従って、Ｐが添加されないＮｉ層を電解めっきによって金属回路板の表面に形成することができる。従って、安価ではんだ付けが容易なめっき層を形成することができる。ただし、無電解めっきを適用することも可能である。

従って、１枚のセラミックス基板から多数個の回路基板を低コストで得ることができる。

なお、前記の金属パターン板１２において、結合部１３周辺の形状を、図１（ｅ）の形態から結合部１３を除去することが特に容易である形状とすることが好ましい。

このための形状の一例における、結合部１３の周辺を拡大した平面図が図５である。この形状においては、２つの回路パターン（金属パターン板１２の一部）１７、１８が結合部１３によって結合されている。本来の金属回路板の構成としては回路パターン１７と１８とは電気的に分離されているものとする。ここで、分割後に結合部１３をカッター等で除去した際にバリが残ると、このバリによってこれらが電気的に短絡することがある。この例においては、この短絡を防止するために、回路パターン１７及び１８と結合部１３との接合部を結合部１３と反対側に距離ｄだけ引き込んだ形状としている。これにより、切断後のバリによる回路パターン１７、１８間の短絡を抑制することができる。

また、他の一例における結合部１３周辺の形状の断面図が図６である。この例においては、回路パターン１９と２０との間に結合部１３が設けられている。これらは、前記の通り、銅板で一体化されて形成されているが、回路パターン１９、２０における厚さがｔ１であるのに対し、結合部１３ではｔ２（ｔ２＜ｔ１）となっている。すなわち、結合部１３でその厚さが薄くなっている。これにより、特に分割後の結合部１３の除去を容易に行うことができる。

特に、図６のように、結合部１３の厚さを、セラミックス基板１１側において、隣接する金属パターン板１２における箇所１９、２０よりも薄くした形状とすることが好ましい。この場合、金属パターン板１２をろう付けによって接合する場合に、ろう材が結合部１３の下面（接合される側の面）に付着することが抑制されるため、分割後の結合部１３の除去が特に容易となる。ＤＢＣ法によって接合する場合においても、接合部１３自身がセラミックス基板１１に接合されないため、同様にその除去が容易となる。

図６の形状は、例えば金属パターン板１２をパターニング（図１（ｂ））した後、結合部１３の下面を選択的にウェットエッチングすることによって容易に形成することができる。

また、図５に示された平面形状と図６に示された断面形状とを同時に用いれば、より好ましい。この場合には、結合部１３の除去が特に容易であり、除去後の回路パターン間の短絡も抑制することができる。

これらの構造を、特に回路パターン部１２ａ内における結合部に適用することにより、回路パターン間のショートを抑制することができる。

なお、金属パターン板１２の構成は、図２に示されるように、回路パターン部１２ａと周辺部１２ｂとからなるものとしたが、これに限られるものではない。周辺部１２ｂを設けず、全てを回路パターン部１２ａ、すなわち、金属回路板パターンの繰り返しパターンとしてもよい。この場合には、より多くの回路基板を同時に得ることができる。

また、図２の例では、回路パターン部１２ａを、図３に示された回路パターンの繰り返しパターンとしたが、これに限られるものではない。後で分割することが容易である構成であれば、異なる回路パターンを配列し、異なる種類の回路基板を同時に製造することもできる。この場合には、分割を特に容易とするため、その大きさ（縦横の長さ）は同一とすることが好ましい。また、配列は２次元ではなく、１次元に配列した構成としてもよい。

１０、５０ 回路基板
１１、５１ セラミックス基板
１２ 金属パターン板
１２ａ 回路パターン部
１２ｂ 周辺部
１３ 結合部
１４、５４ めっき層
１５ 分割ユニット
１６、５３ 金属回路板
１７、１８、１９、２０ 回路パターン（金属パターン板の一部）
５２ 銅板

Claims (11)

1. セラミックス基板上にパターン化された金属層が形成された形態の回路基板を１枚のセラミックス基板から複数個製造する、回路基板の製造方法であって、
   前記金属層のパターンが複数個配列された回路パターン部を具備し、独立した箇所間が結合部によって接続されて一体化されている金属パターン板を製造する金属パターン板製造工程と、
   前記１枚のセラミックス基板上に前記金属パターン板を接合する接合工程と、
   前記金属パターン板が接合された前記セラミックス基板をスクライブ線に沿って分割する分割工程と、
   前記セラミックス基板上に接合した前記金属パターン板の前記結合部を除去する結合部除去工程と、
   を具備し、
   前記金属パターン板製造工程において、前記配列が同一ピッチでなされると共に異なるパターンを具備する２種類の金属パターン板が製造され、
   前記接合工程において、前記２種類の金属パターン板は、前記２種類の金属パターン板における回路パターン部が対応するべく目合わせされ、前記セラミックス基板の相異なる面に接合される、
   ことを特徴とする回路基板の製造方法。
2. 前記接合工程より後であり前記分割工程および前記結合部除去工程より前に前記金属パターン板表面にめっき層を形成するめっき工程を行うことを特徴とする請求項１に記載の回路基板の製造方法。
3. 前記めっき工程において、電解めっき法が用いられることを特徴とする請求項２に記載の回路基板の製造方法。
4. 前記接合工程において、前記１枚のセラミックス基板と前記金属パターン板との接合にろう付けが用いられることを特徴とする請求項１から３までのいずれか１項に記載の回路基板の製造方法。
5. 前記接合工程において、前記１枚のセラミックス基板と前記金属パターン板との接合にＤＢＣ（Ｄｉｒｅｃｔ Ｂｏｎｄｉｎｇ Ｃｏｐｐｅｒ）法が用いられることを特徴とする請求項１から３までのいずれか１項に記載の回路基板の製造方法。
6. 前記金属パターン板は、
   前記回路パターン部の周辺に、前記回路パターン部を支持する周辺部を具備し、前記回路パターン部と前記周辺部とが前記結合部によって結合されていることを特徴とする請求項１から請求項５までのいずれか１項に記載の回路基板の製造方法。
7. 前記金属パターン板は、
   前記結合部と前記金属パターン板における独立した箇所との接合部において、前記金属パターン板における独立した箇所は前記結合部側と反対側に引き込んだ形状を具備することを特徴とする請求項１から請求項６までのいずれか１項に記載の回路基板の製造方法。
8. 前記金属パターン板において、
   前記結合部の厚さは、前記接合されるセラミックス基板側において、前記結合部と隣接する金属パターン板の一部よりも小さいことを特徴とする請求項１から請求項７までのいずれか１項に記載の回路基板の製造方法。
9. 前記金属パターン板製造工程において、プレス加工が用いられることを特徴とする請求項１から請求項８までのいずれか１項に記載の回路基板の製造方法。
10. 前記金属パターン板は銅又は銅合金で形成されることを特徴とする請求項１から９までのいずれか１項に記載の回路基板の製造方法。
11. 請求項１から請求項１０までのいずれか１項に記載の回路基板の製造方法によって製造された回路基板。