JP6400501B2

JP6400501B2 - 金属−セラミックス回路基板の製造方法

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Publication number: JP6400501B2
Application number: JP2015029354A
Authority: JP
Inventors: 小山内　英世; 英世小山内
Original assignee: Dowa Metaltech Co Ltd
Current assignee: Dowa Metaltech Co Ltd
Priority date: 2015-02-18
Filing date: 2015-02-18
Publication date: 2018-10-03
Anticipated expiration: 2035-02-18
Also published as: JP2016152324A

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、セラミックス基板の一方の面に金属回路板が形成された金属−セラミックス回路基板の製造方法に関する。

従来、電気自動車、電車、工作機械などの大電流を制御するために使用されるパワーモジュールでは、セラミックス基板の一方の面に所定の回路パターンを有する金属回路板が形成された金属−セラミックス回路基板が使用されている。

このような金属−セラミックス回路基板では、金属回路板上に搭載された半導体チップにより発生した熱の放散性を向上させるためには、金属回路板が厚い方が望ましい。しかし、セラミックス基板に接合した金属板をエッチング処理して金属回路板を形成する場合には、金属板が厚くなると、エッチング処理時間が長くなり、製造コストが増大する。

このような問題を解消するため、絶縁層上に張り合わせた金属箔を加工して回路パターンを形成した後、回路パターン上にコールドスプレー法により金属材料を積層して厚みを上積みする方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００６−３１９１４６号公報（段落番号００１４）

しかし、特許文献１のように、コールドスプレー法（金属材料の融点または軟化温度より低い温度の作動ガスにより金属微粒子を固相状態のまま基材に超音速で衝突させて金属皮膜を形成する技術）により金属回路板上の所定の部分に金属皮膜を形成する場合には、金属皮膜に対応する形状の開口部が形成されたマスクを介して金属回路板上に金属微粒子を衝突させるので、マスクを精度よく位置決めする必要があり、また、セラミックス基板の一方の面に金属回路板が形成された金属−セラミックス回路基板では、セラミックス基板上に金属微粒子が衝突して付着することによって絶縁不良を生じるおそれがある。また、マスク上にも金属微粒子が付着して堆積するため、メタルマスクの交換が必要になり、製造コストが増大する。

一方、コールドスプレー法により金属板上に金属皮膜を形成した後、回路パターンに対応する形状のレジストを金属皮膜上に形成してエッチング処理により回路パターンを形成することもできるが、金属皮膜による肉盛分だけエッチング処理時間が長くなり、製造コストが増大する。また、コールドスプレー法により形成された金属皮膜は多孔であり、表面が粗くなっているので、表面にレジストやエッチング液の残渣が生じ易く、表面の変色や腐食が生じるおそれがあり、表面の半田濡れ性が低下したり、表面にめっきする場合にめっきの密着性が低下するおそれがある。

したがって、本発明は、このような従来の問題点に鑑み、セラミックス基板の一方の面に形成した金属回路板上にコールドスプレー法により形成した金属皮膜の表面を滑らかにするとともにセラミックス基板の一方の面の金属回路板以外の部分に付着した金属皮膜を除去することができる、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一方の面に形成した金属回路板上にコールドスプレー法により金属皮膜を形成した後、金属回路板上の金属皮膜の表面と、セラミックス基板の一方の面の金属回路板以外の部分をブラスト処理することにより、金属回路板上の金属皮膜の表面を滑らかにするとともにセラミックス基板の一方の面の金属回路板以外の部分に付着した金属皮膜を除去することができる、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一方の面に形成した金属回路板上にコールドスプレー法により金属皮膜を形成した後、金属回路板上の金属皮膜の表面と、セラミックス基板の一方の面の金属回路板以外の部分をブラスト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、ブラスト処理がウェットブラスト処理であるのが好ましい。また、ブラスト処理の前または後に熱処理するのが好ましく、この熱処理を３５０〜４００℃で０．５〜５時間行うのが好ましい。また、金属回路板がアルミニウムまたはアルミニウム合金からなるのが好ましく、金属皮膜が銅または銅合金からなるのが好ましい。また、セラミックス基板の他方の面にベース板を形成してもよい。

本発明によれば、セラミックス基板の一方の面に形成した金属回路板上にコールドスプレー法により形成した金属皮膜の表面を滑らかにするとともにセラミックス基板の一方の面の金属回路板以外の部分に付着した金属皮膜を除去することができる、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において、セラミックス基板に金属回路板を接した状態を示す断面図である。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おいて、金属皮膜を形成した状態を示す断面図である。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おいて、ブラスト処理後の状態を示す断面図である。

以下、添付図面を参照して、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ついて説明する。

まず、図１に示すように、セラミックス基板１０の一方の面に金属回路板１２が接合した金属−セラミックス回路基板を製造する。この金属−セラミックス回路基板は、鋳型内において金属溶湯をセラミックス基板１０の一方の面に接触させ、冷却して固化させること（所謂溶湯接合法）により回路用金属板を形成してセラミックス基板１０の一方の面に接合することによって金属−セラミックス接合基板を製造した後、回路用金属板上に回路パターンに対応する形状のレジストを形成してエッチング処理により金属回路板１２を形成することによって製造することができる。この場合、金属溶湯がアルミニウムまたはアルミニウム合金の溶湯であるのが好ましい。あるいは、所謂溶湯接合法に代えて、セラミックス基板１０の一方の面にアルミニウムまたはアルミニウム合金からなる金属回路板１２を直接またはろう材を介して接合してもよい。

次に、図２に示すように、セラミックス基板１０の一方の面に形成した金属回路板１２上にコールドスプレー法により金属皮膜１４を形成する。金属皮膜１２の材料として、銅、銀、ニッケルまたはこれらの合金を使用することができるが、銀は高価であり、ニッケルは導電率が低いため、銅または銅合金を使用するのが好ましい。このコールドスプレーでは、金属皮膜１４の材料の融点または軟化温度より低い温度の（空気、ヘリウム、窒素などの）作動ガスにより、金属微粒子（好ましくは銅または銅合金の微粒子）を固相状態のまま金属回路板１２に超音速で衝突させて（好ましくは銅または銅合金からなる）金属皮膜１４を形成する。このコールドスプレーにより、金属回路板１２上に金属皮膜１４が形成されるとともに、セラミックス基板１０の一方の面（の金属回路板１２以外の部分（金属回路板１２間を含む金属回路板１２の周囲の部分））にも（金属回路板１２上の金属皮膜１４より薄い）金属皮膜（または金属微粒子）１４’が付着する。また、このコールドスプレーは、セラミックス基板１０の一方の面（の金属回路板１２以外の部分）に付着する金属皮膜（または金属微粒子）１４’の付着強度が小さくなるように行えばよく、一般的なコールドスプレーの条件で行うことができる。なお、このようにコールドスプレーにより金属回路板１２上に金属皮膜１４を形成して肉盛することにより、みかけの導電率を向上させることができる。

次に、図３に示すように、金属回路板１２上の金属皮膜１４の表面と、セラミックス基板１０の一方の面の金属回路板１２以外の部分をブラスト処理して、不要な金属皮膜（または金属微粒子）１４’を除去する。このブラスト処理は、金属回路板１２上の金属皮膜１４の表面を滑らかにすることができるとともにセラミックス基板１０の一方の面（の金属回路板１２以外の部分）に付着した金属皮膜（または金属微粒子）１４’を除去することができるように、セラミックス基板１０が割れない程度の一般的なブラスト処理の条件で行えばよい。このようなブラスト処理により、セラミックス基板１０の一方の面（の金属回路板１２以外の部分）に付着した金属皮膜（または金属微粒子）１４’を機械的に除去しても、金属回路板１２上に形成された金属皮膜１４は、セラミックス基板１０と金属皮膜（または金属微粒子）１４’との密着強度と比べて、金属回路板１２との密着強度が高いので、除去されないことがわかった。金属回路板１２上の金属皮膜１４の表面をブラスト処理することにより、表面が滑らかになるとともに、金属皮膜１４中の空隙部（ボイド）を低減することができる。このブラスト処理は、（液体中に微粒子を含む研磨材スラリーを被処理面に噴射する）ウェットブラスト処理であるのが好ましい。

また、金属回路板１２と金属皮膜１４との密着性を向上させるとともに金属皮膜１４中のボイドを低減するために、ブラスト処理の前または後に（金属回路板１２と金属皮膜１４が溶融しない温度で）熱処理してもよい。この熱処理を３５０〜４００℃で０．５〜５時間行うのが好ましい。この熱処理により、金属皮膜１４を緻密化することができるとともに、金属皮膜１４上の半田濡れ性を改善することができる。この熱処理は、金属皮膜１４の酸化を防止するために、窒素などの不活性雰囲気中において行うのが好ましい。

また、上述した実施の形態の金属−セラミックス回路基板の製造方法により、パワーモジュール用の金属−セラミックス回路基板を製造する場合には、金属回路板１２上に金属皮膜１４を形成して肉盛することにより、みかけの導電率を向上させて、大電流を流すことができるようにするために、金属皮膜１４の厚さが１５０μｍ以上であるのが好ましく、２００μｍ以上であるのがさらに好ましく、２５０μｍ以上であるのが最も好ましい。

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］
まず、セラミックス基板として９０ｍｍ×４０ｍｍ×０．６４ｍｍの大きさのＡｌＮ基板を鋳型内に配置し、アルミニウム溶湯をＡｌＮ基板の両面に接触させ、冷却して固化させることにより、８６ｍｍ×３６ｍｍ×０．４ｍｍの大きさの回路用アルミニウム板を形成してＡｌＮ基板の一方の面に接合するとともに、１１０ｍｍ×５０ｍｍ×５ｍｍの大きさのアルミニウムベース板を形成してＡｌＮ基板の他方の面に接合して、ＡｌＮ基板の両面にそれぞれ回路用アルミニウム板とアルミニウムベース板が直接接合した金属−セラミックス接合基板を製造した。

次に、スプレーコートにより回路用アルミニウム板上の全面にフォトレジストインクを塗布し、このフォトレジストインクを紫外線照射により硬化させてレジストを形成し、回路パターンに対応する部分以外のレジストにレーザーを照射してレジストの不要部分を除去し、塩化第二鉄溶液で湿式エッチング処理を行うことにより、回路用アルミニウム板の不要部分を除去して所望の回路パターンの（互いに離間した２つの）アルミニウム回路板を形成した後、フォトレジストを剥離した。このフォトレジスト剥離後のＡｌＮ基板の表面の表面粗さとして算術平均粗さＲａを算出したところ、０．２μｍであった。

次に、コールドスプレー装置（ＣＧＴ社製のＫＩＮＥＴＩＣ３０００）を使用し、作動ガスとしての６００℃（銅の融点または軟化温度より低い温度）の窒素ガスにより、銅微粒子（福田金属箔粉工業株式会社製、粒径２０μｍ）を固相状態のままアルミニウム回路板に超音速で衝突させて、アルミニウム回路板上に厚さ０．２ｍｍの銅皮膜を形成した。このコールドスプレーにより、アルミニウム回路板上に銅皮膜が形成されるとともに、ＡｌＮ基板の一方の面（のアルミニウム回路板以外の部分）にも銅皮膜（または銅微粒子）が付着していた。このアルミニウム回路板上の銅皮膜の表面の算術平均粗さＲａを算出したところ、４．０μｍであった。なお、ＡｌＮ基板の一方の面（のアルミニウム回路板以外の部分）に付着した銅皮膜（または銅微粒子）のうち、アルミニウム回路板間に付着した銅皮膜（または銅微粒子）の厚さは、アルミニウム回路板上の銅皮膜の厚さの５０〜７０％程度であったが、それ以外の部分に付着した銅皮膜（または銅微粒子）はわずかな量であった。

次に、アルミニウム回路板上に形成された銅皮膜の表面と、ＡｌＮ基板の一方の面（のアルミニウム回路板以外の部分）に付着した銅皮膜（または銅微粒子）をウェットブラスト装置により研磨した。このウェットブラスト装置の処理条件として、ブラストエアー圧０．２ＭＰａ、処理速度２ｍ／分、放射角度９０°とし、水中に平均粒径１４μｍのアルミナ粒子を１５体積％含む研磨材スラリーを使用した。

このようにして作製した金属−セラミックス回路基板について、アルミニウム回路板上の銅皮膜の表面と、ＡｌＮ基板の一方の面のアルミニウム回路板が形成されていない部分（アルミニウム回路板の回りの部分）を光学顕微鏡により観察したところ、アルミニウム回路板上の銅皮膜の表面が滑らかになり、ＡｌＮ基板に付着していた不要な銅皮膜（または銅微粒子）が十分に除去され、ＡｌＮ基板の一方の面のアルミニウム回路板の回りの部分が十分に露出して、アルミニウム回路板間の絶縁が確保されていた。なお、ブラスト処理後の銅皮膜とセラミックス基板の表面の算術平均粗さＲａを算出したところ、それぞれ１．９μｍと０．２μｍであった。また、アルミニウム回路板の導電率を渦流式導電率計により測定したところ、７０．５％ＩＡＣＳであった。

また、ＡｌＮ基板に接合したアルミニウム回路板上に形成された銅皮膜を窒素雰囲気中においてアルミニウムの融点以下の温度３７０℃で１時間加熱して熱処理を行った後、ＡｌＮ基板の接合面に略垂直な方向に切断した断面を光学顕微鏡により観察したところ、アルミニウム回路板と銅皮膜の界面に、明らかに異なる２つの組織が認められ、金属間化合物が生成していることが確認された。また、この熱処理後の金属−セラミックス接合基板を−４０℃×３０分→１２５℃×３０分を１サイクルとしたヒートサイクル試験を１０００サイクル行った後にも、銅皮膜はアルミニウム回路板から剥離しなかった。

［実施例２］
銅皮膜の厚さを０．３ｍｍとした以外は、実施例１と同様の方法により、金属−セラミックス回路基板を作製し、ブラスト処理後のアルミニウム回路板上の銅皮膜の表面とＡｌＮ基板の一方の面のアルミニウム回路板が形成されていない部分（アルミニウム回路板の回りの部分）を観察したところ、アルミニウム回路板上の銅皮膜の表面が滑らかになり、ＡｌＮ基板に付着していた不要な銅皮膜（または銅微粒子）が十分に除去され、ＡｌＮ基板の一方の面のアルミニウム回路板の回りの部分が十分に露出して、アルミニウム回路板間の絶縁が確保されていた。

また、ＡｌＮ基板に接合したアルミニウム回路板上に形成された銅皮膜を窒素雰囲気中においてアルミニウムの融点以下の温度３７０℃で１時間および２時間加熱して熱処理を行った後、アルミニウム回路板の導電率を実施例１と同様の方法により測定したところ、それぞれ８７．９％ＩＡＣＳおよび８８．２％ＩＡＣＳであった。

［実施例３］
銅皮膜の厚さを０．１ｍｍとした以外は、実施例１と同様の方法により、金属−セラミックス回路基板を作製し、ブラスト処理後のアルミニウム回路板上の銅皮膜の表面とＡｌＮ基板の一方の面のアルミニウム回路板が形成されていない部分（アルミニウム回路板の回りの部分）を観察したところ、アルミニウム回路板上の銅皮膜の表面が滑らかになり、ＡｌＮ基板に付着していた不要な銅皮膜（または銅微粒子）が十分に除去され、ＡｌＮ基板の一方の面のアルミニウム回路板の回りの部分が十分に露出して、アルミニウム回路板間の絶縁が確保されていた。

１０セラミックス基板
１２金属回路板
１４金属皮膜
１４’ 金属皮膜（または金属微粒子）

Claims

セラミックス基板の一方の面に形成した金属回路板上にコールドスプレー法により金属皮膜を形成した後、金属回路板上の金属皮膜の表面と、セラミックス基板の一方の面の金属回路板以外の部分をブラスト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。
前記ブラスト処理がウェットブラスト処理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。
前記ブラスト処理の前または後に熱処理す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。
前記熱処理を３５０〜４００℃で０．５〜５時間行うことを特徴とする、請求項３に記載の金属−セラミックス回路基板の製造方法。
前記金属回路板がアルミニウムまたはアルミニウム合金からなることを特徴とする、請求項１乃至４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。
前記金属皮膜が銅または銅合金からなることを特徴とする、請求項１乃至５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。
前記セラミックス基板の他方の面にベース板を形成することを特徴とする、請求項１乃至６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。