JP6162986B2 - 金属−セラミックス回路基板の製造方法 - Google Patents
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Description
本発明は、金属−セラミックス回路基板の製造方法に関し、特に、金属回路板がセラミックス基板に接合した金属−セラミックス回路基板の製造方法に関する。
近年、パワーモジュールなどに使用する回路基板として、銅回路板がセラミックス基板上に直接またはろう材を介して接合した金属−セラミックス回路基板が使用されている。また、このような金属−セラミックス回路基板の回路パターンとなる銅回路板の表面の変色を防止するとともに、半田付け工程における半田濡れ性や、耐腐食性や耐熱性などの耐候性を向上させるために、Ｎｉ、Ａｕまたはこれらの合金などのめっきや防錆処理が行われている。
このような回路基板の防錆処理として、回路基板の一方の面に形成された金属回路と他方の面に形成された金属放熱板を化学研磨して表面粗さＲａを０．１〜１．０μｍ（またはＲｍａｘを１．０〜５．０μｍ）にした後に、金属回路と金属放熱板にめっきを施さずにベンゾトリアゾール（ＢＴＡ）系の防錆剤を付与して厚さ０．０５〜１０μｍの防錆層を形成し、金属回路間の基板表面に残留する防錆剤を有機溶剤で洗浄して除去する方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
また、ベンゾトリアゾール（ＢＴＡ）系の防錆剤を使用しない防錆処理として、リードフレームの表面に非ベンゾトリアゾール（非ＢＴＡ）系の防錆剤を塗布した後、ダイボンディングとワイヤボンディングを行う方法が提案されている（例えば、特許文献２参照）。この方法で使用する非ＢＴＡ系の防錆剤は、ＢＴＡ系の防錆剤のように耐熱温度が高い防錆層を形成することなく、（ワイヤボンディングの際の温度より低い）２５０℃前後の低温で完全に分解する防錆被膜を形成する。そのため、この方法では、ワイヤボンディングの際に防錆被膜が分解して残留物を生成しないので、リードフレームの素地が露出して、信頼性の高いワイヤボンディングが可能になる。
さらに、有機溶剤を使用しない洗浄方法として、銅ベース板とダイレクトボンディングカッパー基板（ＤＢＣ）基板との間に半田付けされる領域のみをプラズマ照射により洗浄する方法が提案されている（例えば、特許文献３参照）。
しかし、銅回路板がセラミックス基板上に接合した金属−セラミックス回路基板では、（めっきを施さずに）防錆処理した銅回路板の表面に半導体チップなどの電子部品を半田付けする際に、短時間で半田付け温度まで昇温させると、ボイド欠陥が発生して半田濡れ性が低下するという問題がある。このようなボイド欠陥の発生は、半田付けする前に、防錆剤を有機溶剤やプラズマなどにより洗浄すれば防止することができるが、工程が増加して製造コストが上昇する。
一方、銅回路板に防錆処理を行わなければ、ボイド欠陥が発生するという問題はないが、銅回路板の表面の経時変化による酸化を十分に抑制することができずに半田濡れ性が低下するという問題がある。
したがって、本発明は、このような従来の問題点に鑑み、金属回路板がセラミックス基板に接合した金属−セラミックス回路基板の製造方法において、金属回路板を防錆処理した後に洗浄しなくても半田付け濡れ性が良好な金属−セラミックス回路基板を製造することができる、金属−セラミックス回路基板の製造方法を提供することを目的とする。
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、セラミックス基板の少なくとも一方の面に接合した金属回路板の表面を、防錆剤の濃度が０．０１３〜０．０７体積％の非ベンゾトリアゾール系の防錆剤の水溶液で防錆処理することにより、金属回路板を防錆処理した後に洗浄しなくても半田付け濡れ性が良好な金属−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。
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接合した金属回路板の表面を、防錆剤の濃度が０．０１３〜０．０７体積％の非ベンゾトリアゾール系の防錆剤の水溶液で防錆処理することを特徴とする。
この金属−セラミックス回路基板の製造方法において、防錆剤の濃度がヨウ素価法によって求められた濃度であるのが好ましい。また、金属回路板が銅回路板であるのが好ましい。さらに、防錆処理の前に、金属回路板の表面を化学研磨するのが好ましい。
本発明によれば、金属回路板がセラミックス基板に接合した金属−セラミックス回路基板の製造方法において、金属回路板を防錆処理した後に洗浄しなくても半田付け濡れ性が良好な金属−セラミックス回路基板を製造することができる。
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では、セラミックス基板の少なくとも一方の面に接合した銅回路基板などの金属回路板の表面を、好ましくは化学研磨した後、防錆剤の濃度が０．０１３〜０．０７体積％、好ましくは０．０１５〜０．０５体積％の非ベンゾトリアゾール系の防錆剤の水溶液で防錆処理する。
この金属−セラミックス回路基板の製造方法において、防錆剤の水溶液中の防錆剤の濃度は、例えば、以下のようなヨウ素価法（ウィイス法）により求めることができる。まず、防錆剤の水溶液１Ｌを正確に採取した後、ウィイス液（一塩化ヨウ素の酢酸溶液）６．２５ｍＬを正確に採取して防錆液に添加し、３０秒間攪拌して常温で暗所に１時間以上放置する。次に、１００ｇ／Ｌのヨウ化カリウム溶液５ｍＬを正確に採取して添加し、スターラーで攪拌した後、０．１モル／Ｌのチオ硫酸ナトリウム標準液で滴定する。この溶液が微黄色になったら、１０ｇ／Ｌのデンプン溶液を約５滴加えて滴定を続け、溶液の青〜褐色が消失するときを終点とする。このときの０．１モル／Ｌのチオ硫酸ナトリウム標準液の使用量をＢ（ｍＬ）とする。また、防錆剤の水溶液の希釈水のみで同様のブランクテストを行い、このときの０．１モル／Ｌのチオ硫酸ナトリウム標準液の使用量をＡ（ｍＬ）とし、防錆剤の濃度（体積％）＝０．０１５×（Ａ−Ｂ）×Ｆ−０．００１から、防錆剤の濃度を算出する（なお、式中、Ｆは０．１モル／Ｌのチオ硫酸ナトリウム標準液のファクター＝１．００５である）。
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により、金属回路板がセラミックス基板に接合した金属−セラミックス回路基板の製造方法において、金属回路板を防錆処理した後に洗浄しなくても半田付け濡れ性が良好な金属−セラミックス回路基板を製造することができる。特に、従来の金属−セラミックス回路基板では、半田付けの際の昇温速度が１℃／秒程度で半田付けが良好であったものの、昇温速度が２０℃／秒以上になると良好に半田付けを行うことができなかったが、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により製造された金属−セラミックス回路基板では、昇温速度が２０℃／秒以上でも良好に半田付けを行うことができる。
以下、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例について詳細に説明する。
［実施例１〜３］
まず、セラミックス基板として長さ５６ｍｍ、幅４７ｍｍ、厚さ０．６３ｍｍの平面形状が略矩形のＡｌＮ基板を用意し、このセラミックス基板の両面に、活性金属として２質量％のＴｉを含むＡｇ−Ｃｕろう材をスクリーン印刷で塗布し、その上に、それぞれ長さ５６ｍｍ、幅４７ｍｍ、厚さ０．２５ｍｍの平面形状が略矩形の無酸素銅からなる銅板を配置し、真空雰囲気中において８５０℃で３０分間加熱してセラミックス基板と銅板を接合して、金属−セラミックス接合基板を作製した。
まず、セラミックス基板として長さ５６ｍｍ、幅４７ｍｍ、厚さ０．６３ｍｍの平面形状が略矩形のＡｌＮ基板を用意し、このセラミックス基板の両面に、活性金属として２質量％のＴｉを含むＡｇ−Ｃｕろう材をスクリーン印刷で塗布し、その上に、それぞれ長さ５６ｍｍ、幅４７ｍｍ、厚さ０．２５ｍｍの平面形状が略矩形の無酸素銅からなる銅板を配置し、真空雰囲気中において８５０℃で３０分間加熱してセラミックス基板と銅板を接合して、金属−セラミックス接合基板を作製した。
このようにして作製した金属−セラミックス接合基板の銅板上にアルカリ剥離型のエッチングレジストを所定の形状に印刷した後、銅板とろう材の不要部分を塩化第二銅のエッチング液などで除去し、水酸化ナトリウム水溶液でエッチングレジストを剥離することにより、一方の銅板に回路パターンを形成した。
次に、前処理として硫酸と過酸化水素水からなる化学研磨液に３０秒間浸漬することによって銅板の表面を化学研磨した後、市販の非ベンゾトリアゾール（非ＢＴＡ）系の防錆剤（千代田ケミカル株式会社製のＣ−７１Ｎ）の濃度がそれぞれ０．０５体積％（実施例１）、０．０３体積％（実施例２）、０．０１５体積％（実施例３）になるように水で希釈した水溶液中に５５℃で１分間浸漬して防錆処理を行った。
なお、防錆処理の使用した水溶液中の防錆剤の濃度は、以下のようなヨウ素価法により求めた。まず、防錆剤の水溶液１Ｌを正確に採取した後、ウィイス液（和光純薬工業株式会社製の一塩化ヨウ素の酢酸溶液の試薬）６．２５ｍＬを正確に採取して防錆液に添加し、３０秒間攪拌して常温で暗所に１時間以上放置した。次に、１００ｇ／Ｌのヨウ化カリウム溶液５ｍＬを正確に採取して添加し、スターラーで攪拌した後、０．１モル／Ｌのチオ硫酸ナトリウム標準液で滴定した。この溶液が微黄色になったら、１０ｇ／Ｌのデンプン溶液を約５滴加えて滴定を続け、溶液の青〜褐色が消失するときを終点とした。このときの０．１モル／Ｌのチオ硫酸ナトリウム標準液の使用量をＢ（ｍＬ）とする。また、防錆剤の水溶液の希釈水のみで同様のブランクテストを行い、このときの０．１モル／Ｌのチオ硫酸ナトリウム標準液の使用量をＡ（ｍＬ）とし、防錆剤の濃度（体積％）＝０．０１５×（Ａ−Ｂ）×Ｆ−０．００１から、防錆剤の濃度を算出した（なお、式中、Ｆは０．１モル／Ｌのチオ硫酸ナトリウム標準液のファクタであり、Ｆ＝１．００５の標準液を使用した）。
このように防錆処理を行った金属−セラミックス接合基板の半田濡れ性を評価する１０ｍｍ×１０ｍｍの部分に厚さ０．１５ｍｍのＳｎＡｇＣｕ系板半田を載せた。次に、水素１００％の雰囲気中において昇温速度３０℃／秒で加熱して３２０℃（半田付け温度）で２６０秒間（半田付け温度保持時間）保持し、放冷後、半田濡れ性を評価する部分の面積（１００ｍｍ２）に対して溶融半田が濡れて占有する面積の割合（半田の濡れ広がり率）を測定した。なお、半田の濡れ広がり率の評価基準として、半田の濡れ広がり率が９９％以上の場合に半田濡れ性が非常に良好（表１において◎で示す）、９５％以上の場合に半田濡れ性が良好（表１において○で示す）であるとし、９５％未満の場合に半田濡れ性が不良（表１において×で示す）であるとした。その結果、半田濡れ性は、実施例１では良好、実施例２〜３では非常に良好であった。
また、防錆処理を行った金属−セラミックス接合基板を恒温恒湿試験機により８５℃で湿度８５％に２００時間保持した後、外観を目視する試験を行った。なお、この恒温恒湿試験の評価基準として、変色がほとんどない場合に非常に良好（表１において◎で示す）、変色が僅かな場合に良好（表１において○で示す）、変色が顕著な場合に不良（表１において×で示す）であるとした。その結果、恒温恒湿試験の結果は、実施例１〜３ではいずれも良好であった。
［比較例１〜４］
実施例１〜３と同様の方法により、金属−セラミックス接合基板を作製し、回路パターンを形成し、化学研磨した後、市販の非ベンゾトリアゾール（非ＢＴＡ）系の防錆剤（千代田ケミカル株式会社製のＣ−７１Ｎ）の濃度がそれぞれ１．５体積％（比較例１）、０．２体積％（比較例２）、０．１体積％（比較例３）、０．０１体積％（比較例３）になるように水で希釈した以外は、実施例１〜３と同様の方法により防錆処理を行った。
実施例１〜３と同様の方法により、金属−セラミックス接合基板を作製し、回路パターンを形成し、化学研磨した後、市販の非ベンゾトリアゾール（非ＢＴＡ）系の防錆剤（千代田ケミカル株式会社製のＣ−７１Ｎ）の濃度がそれぞれ１．５体積％（比較例１）、０．２体積％（比較例２）、０．１体積％（比較例３）、０．０１体積％（比較例３）になるように水で希釈した以外は、実施例１〜３と同様の方法により防錆処理を行った。
このように防錆処理を行った金属−セラミックス接合基板について、実施例１〜３と同様の方法により、半田濡れ性の評価と恒温恒湿試験を行ったところ、半田濡れ性は、比較例４では良好であったが、比較例１〜３では不良であり、恒温恒湿試験の結果は、比較例１〜３では非常に良好であったが、比較例４では不良であった。
［実施例４〜６］
実施例１〜３と同様の方法により、金属−セラミックス接合基板を作製し、回路パターンを形成し、化学研磨した後、市販の非ベンゾトリアゾール（非ＢＴＡ）系の防錆剤（千代田ケミカル株式会社製のＹ−８５９１）を使用した以外は、それぞれ実施例１〜３と同様の方法により防錆処理を行った。
実施例１〜３と同様の方法により、金属−セラミックス接合基板を作製し、回路パターンを形成し、化学研磨した後、市販の非ベンゾトリアゾール（非ＢＴＡ）系の防錆剤（千代田ケミカル株式会社製のＹ−８５９１）を使用した以外は、それぞれ実施例１〜３と同様の方法により防錆処理を行った。
このように防錆処理を行った金属−セラミックス接合基板について、実施例１〜３と同様の方法により、半田濡れ性の評価と恒温恒湿試験を行ったところ、半田濡れ性は、実施例４〜５では良好、実施例６では非常に良好であり、恒温恒湿試験の結果は、実施例４〜６ではいずれも良好であった。
［比較例５〜６］
実施例１〜３と同様の方法により、金属−セラミックス接合基板を作製し、回路パターンを形成し、化学研磨した後、市販の非ベンゾトリアゾール（非ＢＴＡ）系の防錆剤（千代田ケミカル株式会社製のＹ−８５９１）の濃度がそれぞれ１．５体積％（比較例５）、０．２体積％（比較例６）になるように水で希釈した以外は、実施例４〜６と同様の方法により防錆処理を行った。
実施例１〜３と同様の方法により、金属−セラミックス接合基板を作製し、回路パターンを形成し、化学研磨した後、市販の非ベンゾトリアゾール（非ＢＴＡ）系の防錆剤（千代田ケミカル株式会社製のＹ−８５９１）の濃度がそれぞれ１．５体積％（比較例５）、０．２体積％（比較例６）になるように水で希釈した以外は、実施例４〜６と同様の方法により防錆処理を行った。
このように防錆処理を行った金属−セラミックス接合基板について、実施例１〜３と同様の方法により、半田濡れ性の評価と恒温恒湿試験を行ったところ、半田濡れ性は、比較例５〜６ではいずれも不良であり、恒温恒湿試験の結果は、比較例５〜６ではいずれも非常に良好であった。
［比較例７〜１１］
実施例１〜３と同様の方法により、金属−セラミックス接合基板を作製し、回路パターンを形成し、化学研磨した後、市販のベンゾトリアゾール（ＢＴＡ）系の防錆剤（日本マクドーミット株式会社製のＭｅｔｅｘ Ｍ−６６７）の濃度がそれぞれ１．５体積％（比較例７）、０．２体積％（比較例８）、０．０５体積％（比較例９）、０．０３体積％（比較例１０）、０．０１５体積％（比較例１１）になるように水で希釈した水溶液中に室温で１分間浸漬して防錆処理を行った。
実施例１〜３と同様の方法により、金属−セラミックス接合基板を作製し、回路パターンを形成し、化学研磨した後、市販のベンゾトリアゾール（ＢＴＡ）系の防錆剤（日本マクドーミット株式会社製のＭｅｔｅｘ Ｍ−６６７）の濃度がそれぞれ１．５体積％（比較例７）、０．２体積％（比較例８）、０．０５体積％（比較例９）、０．０３体積％（比較例１０）、０．０１５体積％（比較例１１）になるように水で希釈した水溶液中に室温で１分間浸漬して防錆処理を行った。
このように防錆処理を行った金属−セラミックス接合基板について、実施例１〜３と同様の方法により、半田濡れ性の評価と恒温恒湿試験を行ったところ、半田濡れ性は、比較例７〜１１ではいずれも不良であったが、恒温恒湿試験の結果は、比較例７では良好であり、比較例８〜１１ではいずれも非常に良好であった。
［比較例１２〜１６］
実施例１〜３と同様の方法により、金属−セラミックス接合基板を作製し、回路パターンを形成し、化学研磨した後、市販のベンゾトリアゾール（ＢＴＡ）系の防錆剤（千代田ケミカル株式会社製のＣ−７１ＤＥ）の濃度がそれぞれ１．５体積％（比較例１２）、０．２体積％（比較例１３）、０．０５体積％（比較例１４）、０．０３体積％（比較例１５）、０．０１５体積％（比較例１６）になるように水で希釈した水溶液中に５５℃で１分間浸漬して防錆処理を行った。
実施例１〜３と同様の方法により、金属−セラミックス接合基板を作製し、回路パターンを形成し、化学研磨した後、市販のベンゾトリアゾール（ＢＴＡ）系の防錆剤（千代田ケミカル株式会社製のＣ−７１ＤＥ）の濃度がそれぞれ１．５体積％（比較例１２）、０．２体積％（比較例１３）、０．０５体積％（比較例１４）、０．０３体積％（比較例１５）、０．０１５体積％（比較例１６）になるように水で希釈した水溶液中に５５℃で１分間浸漬して防錆処理を行った。
このように防錆処理を行った金属−セラミックス接合基板について、実施例１〜３と同様の方法により、半田濡れ性の評価と恒温恒湿試験を行ったところ、半田濡れ性は、比較例１２〜１６ではいずれも不良であったが、恒温恒湿試験の結果は、比較例１２〜１６ではいずれも非常に良好であった。
これらの実施例および比較例の結果を表１に示す。
Claims (4)
- セラミックス基板の少なくとも一方の面に接合した銅回路板の表面を、防錆剤の濃度が０．０１３〜０．０７体積％の非ベンゾトリアゾール系の防錆剤の水溶液で防錆処理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。
- 前記防錆剤の濃度がヨウ素価法によって求められた濃度であることを特徴とする、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。
- 前記防錆剤の濃度がウィイス法によって求められた濃度であることを特徴とする、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。
- 前記防錆処理の前に、前記銅回路板の表面を化学研磨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。
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