JPH0738423B2 - 混成集積回路基板及びその製造方法 - Google Patents

混成集積回路基板及びその製造方法

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JPH0738423B2
JPH0738423B2 JP61185914A JP18591486A JPH0738423B2 JP H0738423 B2 JPH0738423 B2 JP H0738423B2 JP 61185914 A JP61185914 A JP 61185914A JP 18591486 A JP18591486 A JP 18591486A JP H0738423 B2 JPH0738423 B2 JP H0738423B2
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Description

【発明の詳細な説明】 (産業上の利用分野) 本発明は混成集積回路基板及びその製造方法に関する。
(従来の技術及び解決しようとする問題点) 従来、パワーモジュール基板等の基板の製造は、アルミ
ナなどのセラミック基板にメタライズ化処理を施して表
面に金属層を形成する方法がとられており、例えば、基
板表面にW、Mo等の金属ペーストを用いる方法、金属粉
を含むガラスペーストを印刷する方法などがあり、これ
らを改良する方法として無電解メッキ等で直接金属メッ
キを施す方法(特開昭60-195079参照)などがある。し
かし、無電解メッキ法では一旦皮膜が形成されるとそれ
以上継続できないために膜厚がとれず、強度が不足する
という欠点がある。
これに対し、セラミック基板の両面に基板厚さよりも薄
い金属板(銅板)を接合する方法が研究されているが
(特開昭59-121890)、この方法では、片面にのみ金属
板を接合する場合に比べて反りや基板の割れなどを防止
できるものの、接合手段として銅と酸素との共晶を利用
する酸化処理法を採用しているため、制御が難しく、接
着強度上問題がある。
本発明は、上記従来技術の欠点を解消し、セラミック基
板と金属材との接着強度が大きく、かつ耐熱性、放熱性
に優れ、しかも任意厚さの金属材層を形成し得る混成集
積回路基板の製造技術を提供することを目的とするもの
である。
(問題点を解決するための手段) 上記目的を達成するため、本発明者は、上記従来技術に
係るセラミック基板両面への金属板接合法について検討
を加え、接合手段として新たな方策を見い出すべく鋭意
研究を重ねた結果、接着剤として特定のインサート材を
使用し特定の処理を施すことにより可能であることを知
得し、本発明をなしたものである。
すなわち、本発明に係る混成集積回路基板は、アルミナ
等のセラミック基板と、該基板の両面に印刷、焼成した
Cu及びNiのうち少なくとも1種を10〜60wt%、Ti、Zr、
Nbのうち少なくとも1種を10〜80wt%含み、残部がAgで
ある組成を有する金属からなるインサート材と、該基板
の一方の面に該インサート材を介して加熱接合された銅
箔並びに他方の面に該インサート材を介して加熱接合さ
れた銅板と、該銅箔及び銅板の表面に施されたレジスト
印刷層とからなることを特徴とするものである。
また、その製造方法は、アルミナ等のセラミック基板の
両面にCu及びNiのうち少なくとも1種を10〜60wt%、T
i、Zr、Nbのうち少なくとも1種を10〜80wt%、残部がA
gである組成の複合金属粉末をペースト状にしたインサ
ート材を印刷し、これを乾燥、焼成した後、該基板の一
方の面に該インサート材を介して銅箔を、また他方の面
に該インサート材を介して銅板を重ね合わせ、非酸化性
雰囲気中乃至は10-3Torr以下の真空中にて加熱して該基
板と銅箔及び銅板とを接合し、次いで該銅箔及び銅板の
表面にレジスト印刷を施すことを特徴とするものであ
る。
以下に本発明を実施例に基づいて詳細に説明する。
まず、セラミック基板としては、従来と同様の材質のも
のでよく、アルミナ、窒化アルミニウム等々のセラミッ
ク材料を用いるる。
このセラミック基板の両面に金属板を接合するに際して
は、特に、一方の面に銅箔を、また他方の面に銅板を後
述のインサート材を使用して加熱接合するものである。
銅板はヒートシンクとして並びに熱膨張の変化に追随し
得るためにある程度の厚みを必要とし、例えば、セラミ
ック基板の厚さ(通常、0.1〜1mm)よりも大きい板厚
(例、2mm)とする。一方、銅箔の場合、熱膨張の変化
に追随できるが、逆に厚くなると銅箔側へインサート成
分が拡散して表面層に変質を来たすので、拡散が生じな
い範囲で任意の厚みのものとし、特に大電流向けの場合
には厚みを大きくとる。
インサート材によるセラミック基板と銅箔及び銅板との
接合には、特定組成のペースト状インサート材をセラミ
ック基板の両面に印刷し、加熱接合処理する。すなわ
ち、そのためには、インサート材として、例えばAg系の
複合金属粉末をペースト状にしたものを用いる。
具体的には、例えば、Cu及びNiのうちの少なくとも1種
を10〜60wt%(以下、同じ)、Ti、Nb及びZrのうちの少
なくとも1種を10〜80%含み、残部が実質的にAgである
組成を有し、各成分をメカニカルアロイ法によって機械
的に噛合結合した複合粉末を有機溶媒中に分散させペー
スト状にしたインサート材、或いはCu及びNiのうちの少
なくとも1種を10〜60%、Ti、Nb及びZrのうちの少なく
とも1種を7〜80%、希土類元素(Yを含む)のうちの
少なくとも1種を5ppm〜3%含み、残部が実質的にAgで
ある組成を有し、各成分をメカニカルアロイ法によって
機械的に噛合結合した複合粉末を有機溶媒中に分散させ
ペースト状にしたインサート材などが好ましい。このよ
うな複合粉末は、いわゆるメカニカルアロイ法によって
製造することができ、各成分の金属粉末を擂潰機、ボー
ルミル、アトライター等の攪拌機を用いて高速、高エネ
ルギー下で所要時間混合攪拌して粉砕することにより、
各成分粒子が機械的に噛合結合した、いわゆるメカニカ
ルアロイ形態の複合粉末が得られる。この複合粉末の粒
度は44μm以下、好ましくは10μm以下のものが50wt%
以上である微粉末が望ましい。この複合粉末はペースト
状にするために有機溶媒中に分散させる。有機溶媒とし
ては、テレピネオール、ブチルカルビトール、テキサノ
ール、ブチルカルビトールアセテートなどを使用するこ
とができ、またペースト中の金属粉量は60〜90wt%とす
るのが適当である。なお、有機溶媒の他に界面活性剤
(例、ロジン・ワックス)を少量添加したり、またバイ
ンダーとしてエチルセルロースなどを添加してもよい。
次いで、第1図(a)、(b)に示すように、ペースト
状インサート材2をセラミック基板1の銅板4の接合側
には全面に、銅箔3の接合側にはコの字状の回路形成部
分に合わせて所要量印刷し、乾燥後、焼成(脱脂処理)
する。脱脂処理は、不活性雰囲気中で550〜600℃で焼成
するのが望ましく、これによりバインダー分を揮発させ
る。なお、インサート材及びセラミック基板の材質、銅
板及び銅箔の厚さにもよるが、銅板側の焼成膜厚が40〜
65μ、銅箔側の焼成膜厚が5〜10μとなるようにペース
ト状インサート材を印刷する。
その後、セラミック基板の両面に上記インサート材を介
して銅箔3及び銅板4を各々重ね合わせ、N2、Ar等の非
酸化性雰囲気中又は10-3Torr以下の真空中で所要時間加
熱し、接合する。なお、加熱温度は、上記組成のインサ
ート材を用いた場合には600〜900℃が好ましく、また1
〜100kg/cm2の加圧下で接合する。(第1図(c)参
照) 接合後、銅箔3及び銅板4の表面にレジスト印刷5を施
す。(第1図(d)参照)これは、後の回路エッチング
工程で銅も腐食されるので、これを防止するために行う
ものである。レジストとしては、塩化第二鉄溶液等の銅
をエッチングするためのエッチャントに耐えるものであ
れば良く、通常の電子材料製造工程で使用されている熱
硬化型や紫外線硬化型のものが利用できる。
上記の工程により第1図(e)に示すような本発明の基
板が製造されるが、インサート材としてAg系の複合金属
粉末を用いるので接着強度及び耐熱性の優れた接合面と
することができると共に、銅箔の厚みを自由に選択で
き、かつ、ヒートシンクとして銅板を用い、放熱シート
や放熱グリースなどを用いていないので放熱性が非常に
良い。また、得られた基板は更に半田でプリント基板や
金属ベース銅張り基板へ実装でき、その際、かゝる基板
の通常の製造工程で製造できる利点がある。
次に本発明の実施例を示す。
(実施例) −20μに分級したスポンジチタン粉末20部と平均粒径1.
6μの銀粉末40部と平均粒径1.5μの銅粉末40部とを合計
50g準備し、前処理として擂潰機で5時間混合粉砕し
た。混合粉砕後、フィッシャー・サブ・シーブ・サイザ
ー(粒度分布測定装置)で平均粒径を測定したところ、
1.3μであった。
更に、次の割合で擂潰機を使用して5時間、予備混練し
た。
上記混合粉砕物 80部 エチル・セルロース 1.5部 テキサノール 16.7部 界面活性剤 1.8部 予備混練の目的は、粉末表面を活性にし、ビヒクルと接
触させることによって分散性をよくするためである。予
備混練の終了後、三本ロール・ミルで本混練を行い、ペ
ースト状インサート材を得た。
一方、約25mm口×0.635mmtの96%Al2O3基板、25mm口×2
mmtの銅板並びに25mm口×35μtの銅箔を用意した。そ
して、銅板を貼り付ける側のAl2O3基板に対しては、焼
成膜厚が16μ、30μ、45μ、63μ、1mmになるように
(焼成膜厚45μとする乾燥膜厚は120〜130μ)、200メ
ッシュ、バイアス張り、エマルジョン厚さ45μのスクリ
ーンを使用したスクリーン印刷機により、上記ペースト
状インサート材を三回全面にわたって印刷した後、120
℃で30分間乾燥した。更に銅箔を貼り付ける側のAl2O3
基板に対しては、上記ペースト状インサート材をテキサ
ノールで1:1に希釈し、焼成膜厚が7μ、31μになるよ
うにスクリーン印刷した。その際に用いたスクリーンは
250メッシュ、バイアス張り、エマルジョン厚さ25μの
スクリーンで、1回で全面印刷した後、120℃で30分間
乾燥した。
上記乾燥後、膜厚焼成炉を使用し、N2気流中にて90分間
プロファイルで15分間ピーク温度(600℃)保持の焼成
を行い、含有しているバインダー(ビヒクル)成分を揮
発させた。
次いで、上記Al2O3基板の両面に銅板と銅箔を各々重ね
合わせ、更に全面1kgの荷重をかけ、真空炉に装入し、
真空度10-3Torr、接合温度850℃で1時間保持し、常温
になってから取り出した。なお、真空炉への装入に際し
ては、第2図に示すように、ステンレス鋼板6及び炉体
(缶体)7と銅板4及び銅箔3との融着を防止するため
並びに反りを防止するために上下にそれぞれAl2O3板8
を装着した。得られた銅接合基板にレジスト印刷を施し
た。先ず銅板4側の全面にUV硬化型のレジスト(太陽イ
ンキ(株)製、AS-500)をスクリーン印刷し、室温で2
分間レベリング処理した。この段階でレジストは銅板の
側面に拡散して行った。次いで紫外線を照射し、10分間
UV硬化処理を行った。さらに銅箔3側にもレジストをス
クリーン印刷し、レベリング、UV硬化処理を行って第1
図(d)に示すような基板を得た。
また、得られた基板の一部につき銅板4及び銅箔3の接
着強度を次のようにして調べた。
まず、銅板4の接合強度の測定方法について説明すると
MEEK加工機(放電砥石切断機)によって10mm口に切り出
した。サンプルは、1枚につき16ヶ切り出すことができ
た。このようなサンプルについて塩化第2鉄水溶液を用
いたエッチング処理で銅箔を取り除いた後、次のような
方法で銅板側の接着強度を測定した。すなわち、第3図
に示すように、アラルダイトAZ-15を使用して、25mm×5
0mm×2mmtのステンレス鋼板(SUS304)9の中央部に銅
板側を接着し、Al2O3基板1のアルミナ面(銅箔除去
面)に10mmφの銅リベット10を接合した後、プッシュ・
プル・テスター(今田製作所製)で銅板側の接着強度を
測定した。
また、銅箔側の接着強度は次のような方法で測定した。
すなわち、銅箔側にレジストを印刷すると共に粘着テー
プ(住友スリー・エム社製)にて全面マスクした後、エ
ッチング処理にて銅板を取り除き、次いでレジスト及び
粘着テープを剥離して、銅箔付きAl2O3基板を得た。接
着強度用テストパターンは2mm口とし、第4図に示すよ
うに、Al2O3基板1上のテストパターンである銅箔2mm口
パッド11に、L字型にした0.6mmφ銅線(スズ・メッキ
処理されたもの)12を半田にて接合した後、バーチカル
・ボンド・テスターによって銅箔側の接着強度(初期
値、高温強度)を測定した。これらの結果を第1表及び
第2表に示す。
第1表及び第2表からわかるように、Al2O3基板と銅板
又は銅箔との間のインサート材の焼成膜厚を適当に選ぶ
ならば(No.3、4、6)、接着強度の優れた接合面が得
られ、銅箔との接合面の耐熱性も優れている。なお、N
o.8は従来のメッキ法による接合の場合を示し、強度が
不足している。最後のレジストを硬化させた基板に40度
ボーメの塩化第二鉄水溶液を噴霧してエッチング処理
し、第1図(e)に示すような銅箔パターン3′を具備
した回路基板を得た。この回路基板は5%NaOH水溶液で
レジストを剥離し、水洗、乾燥して回路基板として使用
に付される。
(発明の効果) 以上詳述したように、本発明によれば、特定のペースト
状インサート材を使用してセラミック基板両面にそれぞ
れ銅板、銅箔を接合するので、接着強度及び耐熱性に優
れ、しかも銅箔の厚みを自由にとれるので特に大電流向
けに適し、また特別のヒートシンクを使用しないので放
熱性も非常に良い。更に、本発明の製造工程は通常のプ
リント基板製造工程を使用でき、得られた基板は半田付
けでプリント基板や金属ベース銅張り基板などに実装で
きる等のメリットもある。
【図面の簡単な説明】
第1図(a)〜(d)は本発明法の製造工程の一例を示
す説明図、 第2図は真空炉を用いて加熱接合する際の装入状態を示
す断面図、 第3図はAl2O3基板と銅板の接着強度を試験する時の試
料取付状態を示す断面図、 第4図はAl2O3基板と銅箔の接着強度を試験する時の試
料取付状態を示す断面図である。 1……Al2O3基板、2……インサート材、3……銅箔、
4……銅板、5……レジスト印刷層。

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】アルミナ等のセラミック基板と、該基板の
    両面に印刷、焼成したCu及びNiのうち少なくとも1種を
    10〜60wt%、Ti、Nb、Zrのうち少なくとも1種を10〜80
    wt%含み、残部がAgである組成を有する金属からなるイ
    ンサート材と、該基板の一方の面に該インサート材を介
    して加熱接合された銅箔並びに他方の面に該インサート
    材を介して加熱接合された銅板と、該銅箔並びに銅板の
    表面に施されたレジスト印刷層とからなることを特徴と
    する混成集積回路基板。
  2. 【請求項2】アルミナ等のセラミック基板の両面にCu及
    びNiのうち少なくとも1種を10〜60wt%、Ti、Nb、Zrの
    うち少なくとも1種を10〜80wt%含み、残部がAgである
    組成を有する複合金属粉末をペースト状にしたインサー
    ト材を印刷し、これを乾燥、焼成した後、該基板の一方
    の面に該インサート材を介して銅箔を、また他方の面に
    該インサート材を介して銅板を重ね合わせ、非酸化性雰
    囲気中乃至は10-3Torr以下の真空中にて加熱して該基板
    と銅箔及び銅板とを接合し、次いで該銅箔及び銅板の表
    面にレジスト印刷を施すことを特徴とする混成集積回路
    基板の製造方法。
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