JP2019067854A

JP2019067854A - 金属−セラミックス接合回路基板の製造方法

Info

Publication number: JP2019067854A
Application number: JP2017189941A
Authority: JP
Inventors: 尭出野; Takashi Ideno
Original assignee: Dowa Metaltech Co Ltd
Current assignee: Dowa Metaltech Co Ltd
Priority date: 2017-09-29
Filing date: 2017-09-29
Publication date: 2019-04-25

Abstract

【課題】金属−セラミックス接合回路基板の大きさや回路パターンの形状が決定した後に、短期間で金属−セラミックス接合回路基板を製造することができる、金属−セラミックス接合回路基板の製造方法を提供する。【解決手段】セラミックス基板の一方の面の略全面に、活性金属含有ろう材を塗布し、このろう材上に金属板を配置して、セラミックス基板に金属板を接合した後、金属板の略全面にレジストを形成し、このレジストにレーザー照射することによりレジストの所定の部分を除去して回路パターン形成用レジストを形成し、金属板の不要な部分をエッチングした後、回路パターン形成用レジストを除去して回路パターン１２を形成するとともに、活性金属含有ろう材の不要な部分を除去し、その後、セラミックス基板の一方の面の隣接する回路パターンの間にスクライブラインを形成し、このスクライブラインに沿ってセラミックス基板を分割する。【選択図】図１

Description

本発明は、金属−セラミックス接合回路基板の製造方法に関し、特に、セラミックス基板に金属板が接合した金属−セラミックス接合回路基板を製造する方法に関する。

従来、電気自動車、電車、工作機械などの大電力を制御するためにパワーモジュールが使用されており、このようなパワーモジュール用の金属−セラミックス絶縁基板として、セラミックス基板の表面にアルミニウムやアルミニウム合金などの金属からなる金属回路板を接合した金属−セラミックス接合回路基板が使用されている。

このような金属−セラミックス接合回路基板を製造する方法として、セラミックス基板と金属板の間にろう材を介在させ、不活性雰囲気中または真空下で加熱処理して、セラミックス基板に金属板を接合させる方法が知られている（例えば、特許文献１参照）。

しかし、特許文献１の方法によって金属−セラミックス接合回路基板を大量生産する場合には、１枚の大きなセラミックス基板を複数のセラミックス基板に分割した後に、個々のセラミックス基板に金属板を接合させる必要があり、製造時間が長くなって製造コストが高くなる。

金属−セラミックス接合回路基板を大量生産する方法として、セラミックス基板の一方の面を複数の領域に分けるスクライブラインを形成し、セラミックス基板の一方の面に金属板を接合して金属−セラミックス接合体を得た後、スクライブラインが露出するように金属板を加工して複数の回路パターンを形成し、金属−セラミックス接合体をスクライブラインに沿って分割することによって、複数の金属−セラミックス接合基板を製造する方法が提案されている（例えば、特許文献２参照）。

また、セラミックス母材に形成されたスクライブラインに沿ってセラミックス母材を複数のセラミックス基板に分割して、セラミックス基板に金属層が積層されたパワーモジュール用基板を複数製造する方法であって、セラミックス母材にレーザー光を照射してスクライブラインを形成し、このスクライブラインが形成されたセラミックス母材をアルミニウム用エッチング液で洗浄した後、セラミックス母材に金属層を形成する金属板をろう付け接合し、セラミックス母材に接合された金属板をエッチングすることによりパターンを形成した後、セラミックス母材をスクライブラインに沿って分割する方法が提案されている（例えば、特許文献３参照）。

特開２００５−２３０８５８号公報（段落番号００１０）特開２００９−２５２９７１号公報（段落番号００１４）特開２０１５−１８５６０６号公報（段落番号００１０）

しかし、特許文献２〜３の方法では、セラミックス基板と金属板を接合する前にスクライブラインを形成しているため、複数の金属−セラミックス接合回路基板の大きさや回路パターンの形状が決定した後でなければ、金属−セラミックス接合回路基板の製造を開始することができない。

そのため、金属−セラミックス接合回路基板の大きさや回路パターンの形状が決定した後に、短期間で金属−セラミックス接合回路基板を製造することが困難であった。

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−セラミックス接合回路基板の大きさや回路パターンの形状が決定した後に、短期間で金属−セラミックス接合回路基板を製造することができる、金属−セラミックス接合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（または両面）の略全面に、活性金属含有ろう材を塗布し、この活性金属含有ろう材の上に金属板を配置して、セラミックス基板の一方の面（または両面）に金属板を接合した後、金属板の略全面にレジストを形成し、このレジストにレーザー照射することによりレジストの所定の部分を除去して、セラミックス基板の一方の面の金属板上に回路パターン形成用レジストを形成（またはセラミックス基板の一方の面の金属板上に回路パターン形成用レジストを形成するとともに他方の面の金属板上に放熱板形成用レジストを形成）し、金属板の不要な部分をエッチングした後、回路パターン形成用レジストを除去して複数の回路パターンを形成（または回路パターン形成用レジストを除去して複数の回路パターンを形成するとともに放熱板形成用レジストを除去して複数の放熱板を形成）するとともに、活性金属含有ろう材の不要な部分を除去し、その後、セラミックス基板の一方の面の隣接する回路パターンの間（または他方の面の隣接する放熱板の間）にスクライブラインを形成し、このスクライブラインに沿ってセラミックス基板を分割することにより、金属−セラミックス接合回路基板の大きさや回路パターンの形状が決定した後に、短期間で金属−セラミックス接合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−セラミックス接合回路基板の製造方法は、セラミックス基板の一方の面の略全面に、活性金属含有ろう材を塗布し、この活性金属含有ろう材の上に金属板を配置して、セラミックス基板に金属板を接合した後、金属板の略全面にレジストを形成し、このレジストにレーザー照射することによりレジストの所定の部分を除去して回路パターン形成用レジストを形成し、金属板の不要な部分をエッチングした後、回路パターン形成用レジストを除去して複数の回路パターンを形成するとともに、活性金属含有ろう材の不要な部分を除去し、その後、セラミックス基板の一方の面の隣接する回路パターンの間にスクライブラインを形成し、このスクライブラインに沿ってセラミックス基板を分割することにより、複数の金属−セラミックス接合回路基板を製造することを特徴とする。

また、本発明による金属−セラミックス接合回路基板の製造方法は、セラミックス基板の両面の略全面に、活性金属含有ろう材を塗布し、この活性金属含有ろう材の上に金属板を配置して、セラミックス基板の両面に金属板を接合した後、それぞれの金属板の略全面にレジストを形成し、このレジストにレーザー照射することによりレジストの所定の部分を除去して、セラミックス基板の一方の面の金属板上に回路パターン形成用レジストを形成するとともに他方の面の金属板上に放熱板形成用レジストを形成し、金属板の不要な部分をエッチングした後、回路パターン形成用レジストおよび放熱板用レジストを除去してそれぞれ複数の回路パターンおよび放熱板を形成するとともに、活性金属含有ろう材の不要な部分を除去し、その後、セラミックス基板の一方の面の隣接する回路パターンの間または他方の面の隣接する放熱板の間にスクライブラインを形成し、このスクライブラインに沿ってセラミックス基板を分割することにより、複数の金属−セラミックス接合回路基板を製造することを特徴とする。

これらの金属−セラミックス接合回路基板の製造方法において、セラミックス基板は、窒化アルミニウム、アルミナ、窒化珪素またはジルコニア含有アルミナを主成分とするのが好ましく、金属板は、銅、銅合金、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い。また、活性金属含有ろう材は、銀と銅と錫と活性金属を含有するのが好ましく、活性金属は、チタンまたはジルコニウムであるのが好ましい。また、レジストは、紫外線硬化アルカリ剥離型レジストであるのが好ましい。

本発明によれば、金属−セラミックス接合回路基板の大きさや回路パターンの形状が決定する前に、大きい金属−セラミックス接合基板を製造して保管しておくことができるので、金属−セラミックス接合回路基板の大きさや回路パターンの形状が決定した後に、短期間で金属−セラミックス接合回路基板を製造することができる。

金属−セラミックス接合基板に回路パターン形成用レジストを形成する工程を説明する図である。金属−セラミックス接合基板に放熱板形成用レジストを形成する工程を説明する図である。

本発明による金属−セラミックス接合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両面の略全面に、活性金属含有ろう材を塗布し、この活性金属含有ろう材の上に金属板を配置して、セラミックス基板に金属板を接合して（図１および図２において参照符号１０で示す）金属−セラミックス接合基板を製造した後、それぞれの金属板の略全面にレジストを形成し、このレジストにレーザー照射することによりレジストの所定の部分を除去して、セラミックス基板の一方の面の金属板上に複数（図示した実施の形態では１２個（＝３×４個））の（図１において参照符号１２で示す）回路パターン形成用レジストを形成するとともに、他方の面に複数（図示した実施の形態では１２個）の（図２において参照符号１４で示す）放熱板形成用レジストを形成し、金属板の不要な部分をエッチングした後、回路パターン形成用レジスト１２および放熱板形成用レジスト１４を除去してそれぞれ複数の回路パターンおよび放熱板を形成するとともに、活性金属含有ろう材の不要な部分を除去し、その後、セラミックス基板の一方の面の隣接する回路パターンの間または他方の面の隣接する放熱板の間にスクライブラインを形成し、このスクライブラインに沿ってセラミックス基板を分割することにより、複数の金属−セラミックス接合回路基板を製造する。なお、回路パターン形成用レジスト１２および放熱板形成用レジスト１４の除去は、活性金属含有ろう材の不要な部分を除去する前でも、除去した後でもよい。

セラミックス基板は、窒化アルミニウム、アルミナ、窒化珪素またはジルコニア含有アルミナを主成分とするのが好ましく、金属板は、銅、銅合金、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い。セラミックス基板の大きさは、複数の金属−セラミックス接合回路基板に分割することができる（例えば、平面形状が略矩形のセラミックス基板では一辺の長さが５０ｍｍ以上の）大きさであり、このセラミックス基板の少なくとも一方の面の略全面に、活性金属含有ろう材（好ましくは銀と銅と活性金属を含有するろう材、さらに好ましくは銀と銅と錫と活性金属を含有するろう材（例えば、金属成分として５〜５０質量％のＣｕと１〜８質量％のＳｎと１〜５質量％の活性金属とＡｇを含むろう材））を塗布し、この活性金属含有ろう材の上に（好ましくは、セラミックス基板の各辺から１〜２ｍｍ程度はみ出す大きさか、あるいは、セラミックス基板の各辺から１〜２ｍｍ程度小さい大きさの）金属板を配置して、セラミックス基板に金属板を接合する。また、セラミックス基板の厚さは、０．２５〜２ｍｍ程度であるのが好ましく、０．３〜１．５ｍｍであるのがさらに好ましい。また、使用するセラミックス基板は、予めレーザー加工やスクライブ加工により寸法精度の高い外形寸法にしておくのが好ましい。活性金属含有ろう材は、一辺の長さが８０ｍｍ以上の略矩形の大きいセラミックス基板を金属板と接合する場合にも、セラミックス基板の端部に（ひび割れやボイドなどの）接合不良が生じないように、錫を含むのが好ましい。この活性金属含有ろう材の活性金属は、チタンまたはジルコニウムであるのが好ましい。なお、活性金属含有ろう材の塗布は、セラミックス基板の側面を位置決めの基準とする位置決め治具で固定して行うのが好ましい。

このようにして大きいセラミックス基板に金属板を接合した大きい金属−セラミックス接合基板を在庫として保管しておけば、金属−セラミックス接合回路基板の大きさや回路パターンの形状が決定した後に、短期間で金属−セラミックス接合回路基板を製造することができる。

また、金属−セラミックス接合基板を製造した後、金属板の略全面を覆うように紫外線硬化アルカリ剥離型レジストインクをスクリーン印刷し、紫外線を露光してレジストインクを硬化させて、レジストを形成する。また、紫外線硬化アルカリ剥離型レジストに代えて、電着レジストを使用してもよい。なお、レジストインクの印刷は、セラミックス基板の側面を位置決めの基準とする位置決め治具で固定して行うのが好ましい。

このようにしてレジストを形成した後、このレジストにレーザー照射することによりレジストの所定の部分を除去して回路パターン形成用レジストおよび放熱板形成用レジストを形成する。このレーザー照射では、セラミックス基板の側面を位置決めの基準とする位置決め治具で固定して、セラミックス基板の中心を基準として、レーザーマーカーにより不要なレジストを除去して、回路パターンおよび放熱板の形状を描画する。

このようにして回路パターン形成用レジストを形成した後、塩化銅と塩酸と水の混合溶液などのエッチング液や、塩化鉄を含むエッチング液によって、金属板の不要な部分をエッチングし、レジスト除去液（アルカリ剥離型レジストの場合は水酸化ナトリウム水溶液などのアルカリ溶液）により回路パターン形成用レジストおよび放熱板形成用レジストを除去して、複数の金属回路パターンおよび放熱板を形成する。

このようにして複数の金属回路パターンおよび放熱板を形成するとともに、活性金属含有ろう材の不要な部分を除去した後、スクライブ装置を使用して（単結晶ダイヤモンドの回転刃で複数回加工して）セラミックス基板の一方の面の隣接する回路パターンの間または他方の面の隣接する放熱板の間にスクライブラインを形成し、このスクライブラインに沿ってセラミックス基板を分割する。

このようにしてセラミックス基板を分割した後、あるいは、スクライブラインを形成する前に、金属回路パターンをＮｉなどによりめっきしてもよい。

以下、本発明による金属−セラミックス接合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］
セラミックス基板としての１２５ｍｍ×１０５ｍｍ×０．６ｍｍの大きさの平面形状が略矩形のＡｌＮ基板の両面の略全面に、金属成分として８３質量％の銀と１０質量％の銅と５質量％の錫と（活性金属成分としての）２質量％のチタンを含有するペースト状の活性金属含有ろう材（Ａｇ：Ｃｕ：Ｓｎ：Ｔｉ＝８３：１０：５：２）を厚さ２０μｍになるようにスクリーン印刷し、その上に１２１ｍｍ×１０１ｍｍ×０．２５ｍｍの大きさの銅板を配置し、真空中で８５０℃に加熱してＡｌＮ基板の両面に銅板を接合することにより、金属−セラミックス接合基板を製造した。

次に、ＡｌＮ基板の両面に接合した銅板の略全面に紫外線硬化アルカリ剥離型レジストをスクリーン印刷により塗布し、レジストに紫外線を照射して硬化させた。

次に、ＡｌＮ基板の一方の面に接合した銅板（回路用銅板）の略全面に塗布されたレジストに、出力３０ＷのＹｂレーザー（株式会社キーエンス社製のＦ３００ＦＡＹｂ）によりレーザー照射してレジストの所定の部分を除去して、９個（＝３×３個）の回路パターン形成用レジストを形成した。また、ＡｌＮ基板の他方の面に接合した銅板（放熱用銅板）の略全面に塗布されたレジストに、同様のレーザーによりレーザー照射してレジストの所定の部分を除去して、９個（＝３×３個）の放熱板形成用レジストを形成した。

次に、塩化銅と塩酸と水とからなるエッチング液により回路用銅板の不要な部分をエッチングし、水酸化ナトリウム水溶液によりレジストを除去して９個の銅回路パターンを形成した。

次に、希硫酸に２０秒間浸漬して酸洗し、ＥＤＴＡとアンモニア水と過酸化水素水を含むキレート水溶液に浸漬することにより、活性金属含有ろう材の不要な部分を除去した。

次に、隣接する銅回路パターンの間の略中央線に沿ってスクライブ装置（株式会社ナガセインテグレックス製のＳＰＳ１５０）によりＡｌＮ基板の表面にスクライブラインを形成し、このスクライブラインに沿ってＡｌＮ基板を分割して、４０ｍｍ×３０ｍｍの大きさの９個の金属−セラミックス接合回路基板を得た。

このようにして得られた金属−セラミックス接合回路基板を光学顕微鏡により観察（外観検査）して、ＡｌＮ基板に対する回路パターンのずれを測定したところ、設計値に対して±０．３ｍｍの範囲であり、精度は良好であった。

また、得られた金属−セラミックス接合回路基板について、回路パターン面を下にして配置した後にスパン間距離３０ｍｍの中間の部分に上から荷重を加えるＪＩＳＢ７７７８に準じて、金属−セラミックス接合基板に割れ（クラック）が生じた時点の荷重から、３点曲げによる（初期の）抗折強度を測定したところ、初期の抗折強度は約６００ＭＰａであり、金属−セラミックス接合回路基板の強度は十分であった。また、通炉３回後（還元雰囲気（水素／窒素＝２０／８０）下において３５０℃で１０分間加熱した後に室温まで冷却する処理を３回繰り返した後）の３点曲げによる抗折強度を測定したところ、通炉３回後の抗折強度は約４００ＭＰａであり、金属−セラミックス接合回路基板の耐ヒートサイクル性は高かった。

また、得られた金属−セラミックス接合回路基板について、室温から１０分間で３８０℃まで昇温させて１０分間保持した後に５分間で室温に戻す通炉処理を５回繰り返したときに、ＡｌＮ基板にクラックが発生するか否かを目視により観察したところ、いずれもクラックの発生はなかった。また、上記の通炉処理を１０回繰り返しても、いずれもクラックの発生はなく、通炉処理を繰り返しても（クラックの発生などの）異常が生じない通炉回数（通炉耐量）は１０回以上であった。

［比較例］
セラミックス基板としての９０ｍｍ×８０ｍｍ×０．６ｍｍの大きさの平面形状が略矩形のＡｌＮ基板の一方の面を６つの領域に分割するようにレーザー加工によりスクライブラインを形成した後、実施例１と同様の方法により、セラミックス基板の両面の略全面にペースト状の活性金属含有ろう材を印刷し、その上に銅板を配置し、ＡｌＮ基板の両面に銅板を接合することにより、金属−セラミックス接合基板を製造した後、６個の金属−セラミックス接合回路基板を得た。

このようにして得られた金属−セラミックス接合回路基板を光学顕微鏡により観察（外観検査）して、ＡｌＮ基板に対する回路パターンのずれを測定したところ、設計値に対して±０．３ｍｍの範囲であり、精度は良好であった。また、得られた金属−セラミックス接合回路基板について、実施例１と同様の方法により、３点曲げによる（初期の）抗折強度と通炉３回後の抗折強度を測定したところ、初期の抗折強度は約６００ＭＰａであり、通炉３回後の抗折強度は約４００ＭＰａであった。また、実施例１と同様の通炉処理を１０回繰り返しても、いずれもクラックの発生はなかった。

このように、実施例で作製した金属−セラミックス接合回路基板は、比較例で作製した従来の金属−セラミックス接合回路基板と同等の特性を有するが、金属−セラミックス接合回路基板の大きさや回路パターンの形状が決定する前に、大きい金属−セラミックス接合基板を製造して保管しておくことができるので、金属−セラミックス接合回路基板の大きさや回路パターンの形状が決定した後に、短期間で金属−セラミックス接合回路基板を製造することができる。

１０金属−セラミックス接合基板
１２回路パターン形成用レジスト
１４放熱板形成用レジスト

Claims

セラミックス基板の一方の面の略全面に、活性金属含有ろう材を塗布し、この活性金属含有ろう材の上に金属板を配置して、セラミックス基板に金属板を接合した後、金属板の略全面にレジストを形成し、このレジストにレーザー照射することによりレジストの所定の部分を除去して回路パターン形成用レジストを形成し、金属板の不要な部分をエッチングした後、回路パターン形成用レジストを除去して複数の回路パターンを形成するとともに、活性金属含有ろう材の不要な部分を除去し、その後、セラミックス基板の一方の面の隣接する回路パターンの間にスクライブラインを形成し、このスクライブラインに沿ってセラミックス基板を分割することにより、複数の金属−セラミックス接合回路基板を製造することを特徴とする、金属−セラミックス接合回路基板の製造方法。
セラミックス基板の両面の略全面に、活性金属含有ろう材を塗布し、この活性金属含有ろう材の上に金属板を配置して、セラミックス基板の両面に金属板を接合した後、それぞれの金属板の略全面にレジストを形成し、このレジストにレーザー照射することによりレジストの所定の部分を除去して、セラミックス基板の一方の面の金属板上に回路パターン形成用レジストを形成するとともに他方の面の金属板上に放熱板形成用レジストを形成し、金属板の不要な部分をエッチングした後、回路パターン形成用レジストおよび放熱板用レジストを除去してそれぞれ複数の回路パターンおよび放熱板を形成するとともに、活性金属含有ろう材の不要な部分を除去し、その後、セラミックス基板の一方の面の隣接する回路パターンの間または他方の面の隣接する放熱板の間にスクライブラインを形成し、このスクライブラインに沿ってセラミックス基板を分割することにより、複数の金属−セラミックス接合回路基板を製造することを特徴とする、金属−セラミックス接合回路基板の製造方法。
前記セラミックス基板が、窒化アルミニウム、アルミナ、窒化珪素またはジルコニア含有アルミナを主成分とすることを特徴とする、請求項１または２に記載の金属−セラミックス接合回路基板の製造方法。
前記金属板が、銅、銅合金、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３のいずれかに記載の金属−セラミックス接合回路基板の製造方法。
前記活性金属含有ろう材が、銀と銅と錫と活性金属を含有す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−セラミックス接合回路基板の製造方法。
前記活性金属が、チタンまたはジルコニウムであ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−セラミックス接合回路基板の製造方法。
前記レジストが、紫外線硬化アルカリ剥離型レジストであ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−セラミックス接合回路基板の製造方法。