JP7490950B2

JP7490950B2 - 絶縁回路基板の製造方法

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Publication number: JP7490950B2
Application number: JP2019224389A
Authority: JP
Inventors: 拓也松尾
Original assignee: Mitsubishi Materials Corp
Current assignee: Mitsubishi Materials Corp
Priority date: 2019-12-12
Filing date: 2019-12-12
Publication date: 2024-05-28
Anticipated expiration: 2039-12-12
Also published as: JP2021093482A

Description

本発明は、パワーモジュール用基板等の絶縁回路基板の製造方法に関する。

パワーモジュール用基板として、セラミックス基板からなる絶縁層の一方の面に回路層が形成されるとともに、他方の面に放熱層が形成されたものが知られている。また、電子部品の小型化や高出力化により、高いパワー密度が求められる場合には、回路層の放熱性を高めるために、回路層に銅又は銅合金が用いられている。
特許文献１には、銅板に活性金属ろうの薄板をクラッドした複合ろう材をプレス抜き又は放電加工して回路パターンを形成し、この回路パターンを形成した複合ろう材を活性金属ろうの薄板側でセラミックス基板上に接合し、その後、複合ろう材の回路パターンの繋ぎ部分をエッチングして除去することが記載されている。
この場合、プレス抜きにより銅板を回路パターンに形成する場合に比べて、ワイヤカット放電加工により回路パターンに形成する方が、プレス金型の製作を省略できる分、納期を短くすることができる。

特開平６－１７７５１３号公報

ところで、活性金属ろう材を用いて銅板をセラミックス基板に接合すると、溶融したろう材の余剰分がセラミックス基板と銅板との間から漏れ出し、銅板の側面を伝って上昇して銅板の表面に這い上がる現象が生じる場合がある。この銅板の表面に這い上がったろう材がそのまま固化すると、回路層の表面にろうのシミ（ろうシミと称す）となって残存する。このろうシミは、回路層の周縁から面方向に濡れ広がっており、目視では、回路層の表面が荒れたように見える。このろうシミが形成された状態で電子部品が搭載されると、ワイヤボンディングなどの際に接合不良が生じるおそれがある。

特許文献１記載のプレス抜きにより銅板を打抜いて回路パターンに形成する場合に比べて、放電加工（ワイヤカット放電加工）により回路パターンに形成した場合に、ろうシミの発生が顕著になる。ただし、この特許文献１記載の回路基板の場合は、セラミックス基板に接合した後に、回路層における回路パターンの繋ぎ部分をエッチングにより除去しているため、接合後にろうシミが形成されたとしても、エッチングにより除去することが可能である。
しかしながら、回路パターンに繋ぎ部分を形成しない場合など、エッチングを施さない場合には、ろうシミが残ったままとなる。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、銅板をワイヤカット放電加工により回路パターンに形成してセラミックス基板に接合する場合のろうシミの発生を防止できる絶縁回路基板の製造方法を提供することを目的とする。

本発明者は、ろうシミの防止策について鋭意研究し、以下の知見を得た。
接合時に溶融して液相となったろう材は、セラミックス基板と銅板との間から余剰分が漏れ出た後、銅板の側面を伝って上昇し、側面から表面にかけて這い上がることで、回路層の表面にろうシミを形成する。このため、回路層表面のろうシミの発生を防止するためには、セラミックス基板と銅板との間からの溶融ろう材の漏れ出し、銅板の側面での上昇、側面から表面への這い上がりの三つの形態のうちのいずれかを抑制する必要がある。

特許文献１記載のプレス抜きにより銅板を打抜いて回路パターンに形成する場合、回路パターンの周縁にバリが生じるため、このバリが銅板の表裏面と側面との間でのろう材の移動を妨げることができると考えられる。しかし、ワイヤカット放電加工により銅板を回路パターンに形成する場合は、バリが生じないため、前述の三つの形態のうち、セラミックス基板と銅板との間からのろう材の漏れ出し、及び銅板の切断端面（側面）から表面への這い上がりを抑制することは難しい。また、回路層の周縁まで良好な接合を得るため、ろう材の漏れ出しを完全になくすことは不可能である。このため、このワイヤカット放電加工によって銅板を形成する場合にあっては、銅板の切断端面（側面）でのろう材の上昇を防止できなければ、ろうシミの発生を防止できない。

そこで、ワイヤカット放電加工により切断した銅板の切断端面（側面）とプレスにより打抜いた銅板の打ち抜き端面（側面）の状態を比較調査するために、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ：ＳｃａｎｎｉｎｇＥｌｅｃｔｒｏｎＭｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）を用いたエネルギー分散型Ｘ線分光法（ＥＤＸ：ＥｎｅｒｇｙＤｉｓｐｅｒｓｉｖｅＸ-ｒａｙＳｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）により銅板の側面をそれぞれ成分分析したところ、銅以外に炭素、酸素、亜鉛が多く確認された。そして、この分析結果に基づきワイヤカット放電加工による銅板の切断端面（側面）におけるろう材の上昇防止策を研究したところ、切断端面の亜鉛濃度が高いと、ろう材が切断端面を伝って上昇し易いことを見出し、この亜鉛濃度を所定値以下に抑えることで、切断端面におけるろう材の上昇を防止して、表面のろうシミの発生を抑制できるとの結論に至った。

すなわち、本発明は、セラミックス基板の表面に、回路パターンに形成された回路層を有する絶縁回路基板の製造方法であって、銅又は銅合金からなる銅板をワイヤカット放電加工により前記回路パターンに切断して、切断端面の亜鉛濃度が１．２１ａｔ％以下の回路層用銅板を形成する回路層用銅板形成工程と、前記回路層用銅板を前記セラミックス基板に活性金属ろう材によって接合して前記回路層を形成する接合工程とを有する。

銅板をワイヤカット放電加工により回路パターンに形成すると、切断端面の亜鉛濃度が増大する傾向にあり、その亜鉛濃度が１．２１ａｔ％を超えていると、その銅板をセラミックス基板に活性金属ろう材によって接合したときに、セラミックス基板と銅板との間から漏れ出た溶融ろう材が銅板の切断端面を伝って上昇して表面に這い上がり、回路層にろうシミが生じ易い。この亜鉛濃度を１．２１ａｔ％以下とすることにより、接合時に溶融したろう材が銅板の切断端面（側面）を伝って表面まで上昇する現象を抑制でき、ろうシミの発生を防止できる。

この製造方法の好ましい実施態様として、ワイヤカット放電加工の電極として用いられるワイヤの表面の亜鉛濃度が２０質量％以下であるとよい。

ワイヤカット放電加工の電極として用いられるワイヤとしては、銅と亜鉛の合金である黄銅（真鍮）（但し、亜鉛の量は２０質量％以下）、無酸素銅、タングステンなどが材料として用いられる。また、黄銅等の素線の外周面に亜鉛のコーティングをしたものも存在する。これらワイヤのうち、加工時に銅板に接近して放電するワイヤの表面の亜鉛濃度が高いと、加工後の銅板の切断端面の亜鉛濃度が高くなる。前述した銅板の切断端面の亜鉛濃度を１．２１ａｔ％以下に抑えるためには、ワイヤの表面の亜鉛濃度を２０質量％以下にするとよい。

本発明によれば、銅板をワイヤカット放電加工により回路パターンに形成してセラミックス基板に接合する場合のろうシミの発生を防止できる。

本発明の一実施形態に係る絶縁回路基板の正面図である。図１に示す絶縁回路基板の平面図である。図１に示す絶縁回路基板の回路層用銅板をワイヤカット放電加工している状態を示す模式図である。図１に示す絶縁回路基板の接合前の状態を示す図である。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。

［絶縁回路基板の構成］
絶縁回路基板１は、セラミックス基板１１と、セラミックス基板１１の一方の面に形成された回路層１２と、セラミックス基板１１の他方の面に形成された放熱層１３とを備える。

セラミックス基板１１は、回路層１２と放熱層１３の間の電気的接続を防止する矩形板状の絶縁基板であって、例えば窒化けい素（Ｓｉ_３Ｎ_４）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）等により形成され、その厚さは例えば０．２ｍｍ～１．２ｍｍである。なお、セラミックス基板１１の両面に形成される回路層１２及び金属層１３がいずれも銅又は銅合金からなる場合には、セラミックス基板を窒化けい素により構成することが好ましい。

セラミックス基板１１の平面サイズは特に限定されないが、例えば（４０ｍｍ～１４０ｍｍ）×（４０ｍｍ～１００ｍｍ）に設定されている。

回路層１２は、セラミックス基板１１の上面（一方の面）に形成され、純度９９質量％以上の銅又は銅合金が用いられ、その厚さは、例えば０．２ｍｍ以上２．０ｍｍ以下である。

回路層１２の平面サイズはセラミックス基板１１よりも小さく、特に限定されないが、例えば（３６ｍｍ～１３６ｍｍ）×（３６ｍｍ～９６ｍｍ）に設定されている。また、図２に示すように、複数の小回路層１２１，１２２が所定の間隔をおいて並べられて一つの回路層１２が構成されており、回路層１２としての平面サイズは、これら小回路層１２１，１２２と小回路層１２１，１２２間の隙間を含む全体のサイズである。なお、回路層１２が一枚の金属板から構成される、いわゆる、ベタ回路層であってもよい。

放熱層１３は、セラミックス基板１１の下面（他方の面）に形成され、純度９９質量％以上の銅又は銅合金を用いることができる。その厚さは、例えば０．２ｍｍ以上２．０ｍｍ以下である。

また、放熱層１３の平面サイズはセラミックス基板１１よりも小さく、特に限定されないが、例えば回路層１２と同じ（３６ｍｍ～１３６ｍｍ）×（３６ｍｍ～９６ｍｍ）に設定されている。この放熱層１３は、図示例では一枚の金属板により構成されているが、例えば回路層１２の小回路層１２１，１２２と同様に、複数枚の金属板によって構成されていてもよい。

なお、回路層１２及び放熱層１３は、銅又は銅合金として同じ組成でもよいが、異なる組成としてもよい。回路層１２及び放熱層１３の厚さ及び大きさも、同じの場合もあるが、異なる場合もある。

［絶縁回路基板の製造方法］
次に、本実施形態の絶縁回路基板１の製造方法について説明する。

（回路層１２及び放熱層１３に用いられる金属板の形成工程（回路層用銅板形成工程））
銅又は銅合金からなる平板状の銅板をワイヤカット放電加工により切断して、回路層用銅板及び放熱層用銅板を形成する。図３には平板状の銅板１５０から小回路層用銅板１５１，１５２を形成する場合について示している。
ワイヤカット放電加工は、例えば０．２ｍｍ～０．３ｍｍ程度の直径のワイヤ（電極線）２０にパルス電流を流して、ワーク（銅板１５０）との間で放電現象を発生させながら、例えば図３の矢印Ａで示すようにワイヤ２０を走行させ、ワイヤ２０の長さ方向と直交する方向にワーク（銅板１５０）を矢印Ｂで示すように移動させることにより、ワーク（銅板１５０）をワイヤ２０に対向する部分で局部的に溶融除去しつつ切断加工するものである。この場合、ワイヤ２０及びワーク（銅板１５０）の冷却、加工粉の除去等のために、切断部分の全体を水等の加工液中に浸漬させた状態で加工する。

このワイヤカット放電加工により銅板１５０を切断加工する場合、ワイヤ２０と銅板１５０とは数μｍ～数十μｍの距離で接近して放電する。電極としてのワイヤ２０には、亜鉛が４０質量％程度含まれる黄銅（真鍮）が用いられることが多い。黄銅（真鍮）のように亜鉛を含む素材からなる場合、放電により切断された回路層用銅板１５１，１５２の切断端面Ｓ２に亜鉛が付着する。この回路層用銅板１５１，１５２の切断端面Ｓ２の亜鉛濃度が高いと、次の接合工程において、切断端面Ｓ２における溶融ろう材の上昇を防止できず、回路層１２表面Ｓ１にろうシミが発生する。亜鉛濃度がろうシミの発生に影響する理由は定かでないが、ろうシミが発生しないようにするためには、回路層用銅板１５１，１５２の切断端面Ｓ２の亜鉛濃度は１．２１ａｔ％以下にする必要がある。

そこで、ワイヤカット放電加工による切断加工後の回路層用銅板１５１，１５２の切断端面Ｓ２の亜鉛濃度が１．２１ａｔ％以下となる条件で放電加工する。亜鉛濃度が１．２１ａｔ％以下となる条件としては、無酸素銅やタングステンからなるワイヤを用いるとよいが、Ｃｕ－Ｚｎ系合金のように亜鉛を含む場合、亜鉛濃度が２０質量％以下であれば、加工後の回路層用銅板１５１，１５２の切断端面Ｓ２を１．２１ａｔ％以下にすることができる。なお、亜鉛濃度が２０質量％を超えたワイヤは、これを用いると切断端面Ｓ２の亜鉛濃度が１．２１ａｔ％を超えるため、使用できない。

また、ワイヤの表面に亜鉛コーティングしたものも使用可能であるが、その場合も表面の亜鉛濃度が２０質量％以下であれば使用できる。
また、プレス加工により回路層用銅板を形成する場合等には、加工後に回路層用銅板を脱脂・洗浄することが行われるが、このワイヤカット放電加工により形成された回路層用銅板１５１，１５２については、脱脂・洗浄の処理を施すことなく、加工後にそのまま次の接合工程に供される。

なお、回路層用銅板１５１，１５２は回路層１２がパターンに形成されるため、ワイヤカット放電加工によって形成されるが、放熱層用銅板１３０については、ワイヤカット放電加工によって形成してもよいし、プレスによる打ち抜き加工によって形成してもよい。この場合、放熱層１３については、その表面にヒートシンク等が接合され、回路層１２と異なり、ワイヤボンディング等がなされないので、ろうシミが生じていたとしても接合への影響は少ないが、外観を損なうので、ワイヤカット放電加工する場合は、回路層用銅板１５１，１５２の場合と同様、表面の亜鉛濃度を２０質量％以下のワイヤ２０を用いて、切断端面の亜鉛濃度を１．２１ａｔ％以下にするとよい。

（接合工程）
以上のようにして回路層用銅板１５１，１５２及び放熱層用銅板１３０を形成した後、セラミックス基板１１に回路層用銅板１５１，１５２及び放熱層用銅板１３０をそれぞれＡｇ－Ｔｉ系又はＡｇ－Ｃｕ－Ｔｉ系の活性金属ろう材を用いて接合する。具体的には、図４に示すように、セラミックス基板１１の両面に、それぞれＡｇ－Ｃｕ－Ｔｉ系等からなるろう材箔３０を介在させて回路層用銅板１５１，１５２及び放熱層用銅板１３０を積層する。そして、これらの積層体をカーボン板（図示略）により挟持し、積層方向に荷重をかけながら真空中で加熱することにより、セラミックス基板１１と回路層用銅板１５１，１５２及び放熱層用銅板１３０を接合する。これにより、セラミックス基板１１の上面に回路層１２が接合部（ろう付け部）を介して接合され、下面に放熱層１３が接合部（ろう付け部）を介して接合された絶縁回路基板１が形成される。

セラミックス基板１１と回路層用銅板１５１，１５２及び放熱層用銅板１３０とを接合する際、積層方向への加圧力は０．１ＭＰａ～１．０ＭＰａ、加熱温度は８００℃～９３０℃とするとよい。また、Ａｇ－Ｃｕ－Ｔｉ系等のろう材箔３０は、厚さ５μｍ～１５μｍであるとよい。箔に代えて、ペーストとしてもよく、ペーストを例えばセラミックス基板１１の両面に塗布し、その上に回路層用銅板１５１，１５２及び放熱層用銅板１３０を積層して接合すればよい。

この接合工程において、セラミックス基板１１と回路層用銅板１５１，１５２との間に介在したろう材箔３０が溶融し、余剰分がセラミックス基板１１と回路層用銅板１５１，１５２との間から漏れ出したとしても、回路層用銅板１５１，１５２の側面（ワイヤカット放電加工時の切断端面）Ｓ２における亜鉛の濃度が低いため、この側面Ｓ２を伝って溶融ろう材が上昇する現象が抑制され、その結果、回路層１２表面Ｓ１のろうシミの発生が防止される。

その他、細部構成は上記実施形態の構成のものに限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。
例えば、上記実施形態ではセラミックス基板の回路層とは反対側の面に放熱層が形成されているが、放熱層を有しない絶縁回路基板にも本発明を適用することができる。

無酸素銅からなる厚さ０．８ｍｍの銅板をワイヤカット放電加工により回路パターンに切断加工し、回路層用銅板を作製した。
このとき、ワイヤカット放電加工に使用したワイヤ表面及び回路層用銅板の切断端面をそれぞれ走査型電子顕微鏡を用いたエネルギー分散型Ｘ線分光法（ＳＥＭ－ＥＤＸ）により成分分析して、その亜鉛濃度を測定した。
次いで、ワイヤカット後の銅板を窒化けい素からなるセラミックス基板の表面に厚さ１０μｍとなるように塗布したＡｇ－Ｃｕ－Ｔｉの活性金属ろう材ペーストを介して積層し、これを加圧加熱することによって接合した。このときの接合条件は、真空雰囲気下、加圧力を０．２ＭＰａ、温度を８１５℃とした。

得られた接合体について、回路層表面のろうシミの有無を確認した。ろうシミが生じる場合は、回路層の周縁から表面へ面方向に濡れ広がって形成されており、銅表面に対してろうシミの部分が荒れたように見えることから、目視により、荒れたように見えた部分が存在するか否かでろうシミの有無を判断した。
その結果を表１に示す。

表１に示す結果から明らかなように、接合前の銅板の切断端面の亜鉛濃度が１．２１ａｔ％以下であると、ろうシミの発生が抑制できている。また、ワイヤカット放電加工の際に使用されるワイヤ表面の亜鉛濃度が２０質量％以下の場合に、銅板の切断端面の亜鉛濃度が１．２１ａｔ％以下となり、ろうシミの発生を抑制できることがわかった。

１０絶縁回路基板
１１セラミックス基板
１２回路層
１２１，１２２小回路層
１５０銅板
１５１，１５２回路層用銅板
Ｓ１表面
Ｓ２切断端面（側面）
１３放熱層
１３１放熱層用金属板
２０ワイヤ
３０活性金属ろう材箔

Claims

セラミックス基板の表面に、回路パターンに形成された回路層を有する回路基板の製造方法であって、銅又は銅合金からなる銅板をワイヤカット放電加工により前記回路パターンに切断して、切断端面（ただし、該切断端面に突出部が形成されているものを除く）の亜鉛濃度が１．２１ａｔ％以下の回路層用銅板を形成する回路層用銅板形成工程と、前記回路層用銅板を前記セラミックス基板に活性金属ろう材によって接合して前記回路層を形成する接合工程とを有することを特徴とする絶縁回路基板の製造方法。
ワイヤカット放電加工に用いられるワイヤの表面の亜鉛濃度が２０質量％以下であることを特徴とする請求項１記載の絶縁回路基板の製造方法。