JPH02209792A

JPH02209792A - セラミックス基板上の導体回路形成方法

Info

Publication number: JPH02209792A
Application number: JP3066289A
Authority: JP
Inventors: Yumiko Kouno; 有美子河野; Nobuo Totsuka; 戸塚　信夫; Masato Kumagai; 正人熊谷; Kenichi Otsuka; 大塚　研一
Original assignee: Kawasaki Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 1989-02-09
Filing date: 1989-02-09
Publication date: 1990-08-21

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】〈産業上の利用分野〉本発明は、電気的絶縁性を有するセラミックス板上に金
属板を接合してなる積層体に、導体回路を形成する方法
に関する。

〈従来の技術〉パワースイッチ、パワーの制御回路、モータの制御回路
、高周波発振出力、広帯域電力増幅などに用いられるパ
ワー半導体モジュールは、近年、高密度集積化、大電流
制御化の傾向にあり、それらモジュールに用いられる基
板には、素子から出る多量の熱を速やかに放出する放熱
性とモジュールの高密度集積化に対応する導体回路パタ
ーンの微細化・高精度化が求められている。

従来、このような半導体モジュール基板として、第３図
に示すように、電気的絶縁性を有するセラミックス板１
の１つの面に回路パターンを有する金属板２を接合し、
その上に素子４を塔載し、発生した熱を、金属板２から
セラミックス板１を伝導させ、さらに他方の側に接合し
た金属板３を介して放熱板５へと放散させる機構が用い
られており、例えば、金属板としてあらかじめ所要のパ
ターンに切りぬかれた銅板を、絶縁性を有するセラミッ
クスとしてＡＩＬｘＯ３を用い、加熱によりＣｕ−０共
晶を発生させるいわゆる共晶法で両者を接合したものが
商品化されている。

このような半導体モジュール基板の放熱性を改良する手
段としては、セラミックスの熱伝導性を向上させる傾向
にあり、ＡｆＬ２０．に替ってＢｅｄ、ＡｉＬＮなど熱
伝導率のより高い材料の使用が試みられている。　この
ような新材料の中には、パターン化した銅板を共晶法に
より接合する方法を直接適用することがむずかしいもの
もあり、たとえば、ＡｕＮは、熱伝導率こそＢｅＯに劣
るものの、ＢｅＯのような毒性を心配する必要もなく、
期待される材料であるが、共晶法を適用するためには、
基板を予め酸化処理し、表面にＡ　ｆｌ　２０　ｓ層を
形成することが必要である。　そのため、ＡｕＮについ
ては、活性金属を含有するろう材を用いて銅板と接合す
る方法が試みられている。

一方、導体回路パターンの微細化・高精度化を達成する
手段としては、金属板を接合した後にフォトエツチング
によりパターンを形成する方法がある。　この場合、エ
ツチングは接合層メタル部分および金属板を完全に除去
することが要求され、エツチング深さは、金属板の厚さ
（通常は０．１〜０．４ｍｍ）に接合層厚さを加えると
０．１〜０．５ｍｍにもおよぶため、エツチングが完了
するまでに長時間を要する上、マスクしである部分のふ
ちだれ（サイドエッチ）、マスクの損傷などの問題が生
ずる可能性があり、また、このような片面エツチングの
深さ７幅（＝ｄ／Ｗ）はｄ／ｗ＜０．５であることから
、エツチング可能な間隙の幅は、接合する金属板厚さに
より制限を受け、たとえば金属板厚さ０．２ｍｍ、接合
層厚さ０．０５ｍｍのとき、エツチング可能な間隙の最
小値は０．５ｍｍとなる。

〈発明が解決しようとする課題〉上述の如く、半導体モジュール基板の放熱性を改良する
ために、Ａｊ２Ｎ等の熱伝導性の高いセラミックスの使
用が試みられており、それに伴い、金属板とセラミック
ス板との接合も、活性金属を含有するろう材を用いる等
、新しい方法が試みられている。

一方、導体回路パターンの微細化・高精度化の達成のた
めに、セラミックス板に金属板を接合した後、フォトエ
ツチングにより回路パターンを形成する方法が行われて
いる。

ところが、金属板のセラミックス板への接合方法として
、上述の活性金属を含有するろう材を用いて行った場合
に、フォトエツチングにより金属板部分を除去してパタ
ーンを形成する従来の方法では、金属板とろう行部分と
でエッチンダ液を変える必要があり、工程が複雑になる
、活性金属がセラミックスと安定な化合物を生成し、エ
ツチングの負荷が大きくなるなどの問題が発生する可能
性がある。

たとえば、活性金属としてＴｉを含むＡｇ−Ｃｕろう材
を用い、ＡＪ２Ｎセラミックスに銅板を接合してなる基
板は、銅板のエツチングに用いられる塩化鉄系エツチン
グ液では、ろう材部分の完全な除去は行われず、硝酸系
に液を改める必要がある。　　また、この時、Ａｌ１Ｎ
とろう材の界面には、導電性を有し、しかも安定な化合
物（ＴｉＮ）が形成され、その完全な除去には、フッ硝
酸などかなり活性の高いエツチング液を使用しなければ
ならない。

本発明は、セラミックス板に接合された金属板をエツチ
ングして導体回路パターンを形成するに際し、従来のフ
ォトエツチングプロセスで生じる上述した問題を解決し
ようとするものであり、セラミックス板と金属板との接
合を活性金属を含むろう材で行ったとしても、そして、
その淳みが厚くなったとしても適用可能な、操作が簡便
で、精度が高く、かつセラミックス板の侵食のないエツ
チングによるセラミックス基板上の導体回路形成方法を
提供することを目的とする。

く課題を解決するための手段〉以上のような問題点を解決するためには、■　金属板お
よび接合部、また、活性金属を含有するろう材を用いた
場合のろう材および活性金属とセラミックスが反応して
できた化合物の全てに対して有効であるような、活性な
エツチング液を用い、１回の工程でエツチングすること
、 ■　加圧、揺動、電圧印加（電解）など、腐食を促進す
るような補助手段を用いてエツチングの速度を高め、か
つエツチング力をコントロールすること、 ■　マスクの材質および装着方法を、活性なエツチング
液と腐食促進手段に耐えられるような構成にすること、の３点が必要である。

本発明によれば、このような条件を満たす方法として、
電気的絶縁性を有するセラミックス板の少なくとも片側
に金属板を接合してなる積層体の該金属板表面に、電気
的絶縁性を有し、腐食用溶媒と反応しない物質で構成さ
れ、かつエツチングされる導体回路パターンに対応する
パターンを有するマスクを密接させた後、前記金属板上
に、前記マスクのパターンを介して、硝酸、硫酸、塩酸
およびふつ酸から選ばれた少なくとも１種の酸、および
／または、塩化第２鉄および塩化第２銅から選ばれた少
なくとも１　ｆｆｆｉの塩類を単独または混合したもの
に、水を加えてペースト化されたものは勿論、さらには
、ポリアクリル酸ソーダ、アルギン酸ソーダ、ザンサン
ガム、二酸化ケイ素、アルミナ、水ガラス等のペースト
化剤によってペースト化された前記腐食用溶媒を塗布し
、続いて、該腐食用溶媒の塗布面に電極を設置し、該電
極と前記金属板との間に２（Ａ／ｃｍ’）以下の電流密
度の電流を通ぜしぬることにより、前記金属板を前記マ
スクのパターンに応じてエツチングすることを特徴とす
るセラミックス基板上の導体回路形成方法が提供される
。

尚、前記電流密度は０．１　（Ａ／ａｍ２）以上である
ことが好ましい。

また、セラミックス板と金属板との接合は、活性金属を
含むろう材を用い、真空または不活性雰囲気中で行うの
がよい。

前記腐食用溶媒のペースト化剤は、ポリアクリル酸ソー
ダ、アルギン酸ソーダ、ザンサンガム、二酸化ケイ素、
アルミナおよび水ガラスから選ばれた１種以上または水
であるのが好ましい。

また、電解エツチングは、直流または交番電流で行なう
ことができる。

以下に、本発明を、添付の図面を参照しながらさらに詳
細に説明する。

第１図は、本発明による方法で、電気的絶縁性を有する
セラミックス板１に金属板２および３を接合してなる積
層体の金属板をエツチングすることにより導体回路パタ
ーンを形成しているところを示す図である。　エツチン
グされる金属板２の表面に、エツチングされるべきパタ
ーン（模様）、すなわち、腐食用溶媒透過部分１１ａお
よび不透過部分１１ｂを有するスクリーン１１を密接さ
せ、このスクリーン１１を介して、ペースト化した腐食
用溶媒７を塗布している。　６はスクリーンの固定枠で
ある。　尚、第１図においては、エツチングされるべき
パターンを規定するマスクとしてスクリーンを用いてい
るが、これは、スクリーンに限定されず、テープでもよ
い。

積層体は、セラミックス板１と金属板２．３との接合が
、一般に用いられているＡｇ−Ｃｕ系のろう材、たとえ
ば、Ａｇ、Ｃｕなどを含むペースト、あるいはＡｇ、Ｃ
ｕなどを含む箔を用いてなされたものでもよいが、Ｔｉ
、Ｚｒ。

Ｈｆなどのセラミックスとの結合を促進する活性金属を
含むＡｇ、−Ｃｕ系の上記ろう材を用いてなされたもの
でもよい。　本発明は、特に活性金属を含むろう材を用
いて接合された積層体をエツチングするのに好適である
。

尚、セラミックス板と金属板との接合は、酸化を防止す
るため、Ａｒ、Ｈｅ％Ｎ２などの不活性雰囲気中でなさ
れるのがよい。　また、真空中でなされてもよい。

また、セラミックス板の材質としてはアルミナ、窒化ア
ルミニウム等が、金属板の材質としては銅、ニッケル、
モリブデン等があげられる。

エツチングされるべきパターンを有するマスクとしてス
クリーンを用いる場合は、スクリーンは、電気的絶縁性
を有し、腐食用溶媒と反応しない物質で構成されていれ
ば、通常のスクリーン印刷に使用される様なナイロン、
テトロン、ポリエステル等のスクリーン上にレジストを
印刷したものでも、ナイロン、塩ビ、テフロン、ステン
レス等のシートを印刻したものでも良い。　ただし、ス
テンレス製のスクリーンを使用する場合は、適当な防食
コーティングを施す必要がある。

このスクリーン１１は、第１図に示すように、適当な固
定枠６に固定されて用いられ、たわみなく、スクリーン
自体が適度な弾性をもって、エツチングされる金属板表
面に密着できるものであることが望ましい。

また、マスクとしてテープを用いる場合は、テープは、
電気的絶縁性を有し、腐食用溶媒と反応しないポリイミ
ド、塩化ビニル、ポリプロピレン等の物質で構成されて
いればよい。　テープへのパターンの形成は、金属板へ
の密着前でも密着後でもよく、その方法は、レーザー加
工、切り抜ぎ等でよい６腐食用溶媒７としては、硝酸、硫酸、塩酸およびふつ酸
から選ばれた少なくとも１種の酸、および／または、塩
化第２鉄および塩化第２銅から選ばれた少なくとも１種
の塩類を単独または混合したものに、水を加えてペース
ト化されたものは勿論、さらには、ポリアクリル酸ソー
ダ、アルギン酸ソーダ、ザンサンガム、二酸化ケイ素、
アルミナ、水ガラス等のペースト化剤によってペースト
化されたものを用いる。

このように、腐食用溶媒をペースト化することにより、
その流動性や反応性を適宜調整することができる。　か
くしてエツチングに際して、従来技術のように特に、被
処理材（金属板）の表面に密着したフォトレジスト層を
設けなくとも、エツチングパターンを規定したマスクを
密接させるという簡便な方法によって、サイドエッチの
ない鮮明なエツチングパターンを得ることかできる６かかるペースト化による腐食用溶媒の反応性や流動性は
、被処理材の材質、使用するマスクの材質、マスクがス
クリーンの場合はそのメツシュ間隔、模様の大きさや要
求される精度、処理時間、被処理方法（連続処理、バッ
チ処理等）等に応じて、適宜選択することができる。

また、ペーストの粘度は、５０００〜５００００ｃｐｓ
程度にしておくのがよい。

エツチングは、第１図に示すように、腐食用溶媒７の塗
布面に通電可能なように電極８が設置され、電極８およ
び金属板２が、それぞれリード線９を介して電解用電源
１０に接続され、この電極８と金属板２との間に、スク
リーン１１の透過部分１１ａを透過した腐食用溶媒７を
介して電流が通ることにより行われ、金属板２の腐食用
溶媒７と接している部分のみが電解エツチングされる。

本発明においては、エツチングの際の電流密度を２（Ａ
／ｃｍ２）以下とする。　これは、電流密度が上記の値
より大であると、特にエツチングの幅に対して深さが犬
である場合におけるサイドエッチやセラミックス板の侵
食等の不都合が生じやすいためである。　尚、エツチン
グに要する時間を考慮すると、エツチングの際の電流密
度は、０．１　（Ａ／ｃｍ２）以上とすることが好まし
い。

電極は、固定式でもＢ動式でもよい。

電極には、銅、ニッケル、ステンレス鋼、普通鋼、チタ
ンその他の金属のほかに、カーボン、導電性セラミック
ス等を使用することができ、形状も、積層体の形状にあ
わせて任意に選択できる。

電源には、通常のメツキ電源、ポテンショスタット、ガ
ルバノスタット等を用いることができ、目的に応じて選
択できる。

その際、極性、通電パターンは、金属板や腐食用溶媒に
より適宜選択すればよいが、交番電流を印加すると、サ
イドエッチ防止に効果がある場合がある。　直流電解を
行う場合には、エツチングされる金属板を陽極、対極を
陰極とするのが良い。

第２図に、本発明により製造された回路基板を示す。　
このように、本発明の方法で導体回路を形成すると、サ
イドエッチがないため、鋭利な断面を有し、しかもセラ
ミックス板への侵食のない導体回路が形成される。

〈実施例〉以下に、本発明を実施例に基づいて具体的に説明する。

（実施例）セラミックス板としてアルミナ（厚さ０．６３５ｍｍ、
直径２０ｍｍ）を用い、金属板として銅板（厚さ０．３
ｍｍ、直径２０ｍｍ）を用い、共晶法により、すなわち
Ｎ２−０□霊囲気（０２０，２％）、１０７０℃に５分
間保持することによって接合し、積層体（Ａ）を得た。

また、セラミックス板として窒化アルミニウム（ＡｆＬ
Ｎ）（厚さ０．６３５　ｍ　ｍ　、直径２０ｍｍ）を用
い、金属板として銅板（厚さ０．２ｍｍ、直径２０　ｍ
ｍ）を用い、ろう材として活性金属Ｔｉを１重量％含む
Ａｇ−Ｃｕろう材を用い、真空炉にて、８００℃に１０
分間保持することによって接合し、積層体（Ｂ）を得た
。

これらの積層体を、腐食用溶媒として下記組成の従来の
エツチング液および本発明におけるペーストを用い、種
々の電流強度で、長さ２０ｍｍ、幅０．２ｍｍの十字形
状（面積４ｘ　１０−２０−２ａをエツチングし、形成
された導体回路を評価した。

その結果を表１に示す。

（エツチング液およびペーストの組成）１）１５重量％
ＨＮＯ，＋２重量％ＨＦ＋２０重二％塩化第２鉄水ｉ′
８液（液状）２）　２０重量％塩化第２鉄水溶液＋３重量％ポリアク
リル酸゛ソーダ（ペースト状）３）　１５重量％ＨＮＯ
３＋２重量％ＨＦ＋１０重量％アエロジル（ペースト状
）（電解条件） ■８ｍＡ　　（０，２Ａ／ａｍ’　＞　　１５分■２０
ｍＡ　（０，５Ａ／ｃｍ’　）　　１０分■０．４Ａ　
（１０Ａ／ｃｍ’　）　　　２０分〈発明の効果〉本発明においては、所定の活性の腐食用溶媒を用い、所
定の電流密度で電解エツチングを行うので、サイドエッ
チやセラミックス板の侵食が生じにくい。　　また、エ
ツチングの幅に対して深さが犬である場合でも、精度高
くエツチングが行われつる。

本発明においては、ペースト状腐食用溶媒を用いるので
、従来のエツチング液におけるような操作性の悪さが解
決され、工程が簡潔になる。

以上より、積層体として、セラミックス板と金属材とが
接合強度が犬となる活性金属を含むろう材を用いて接合
されたものを用いても、エツチング精度およびエツチン
グ操作性を向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明による方法で、セラミックス板に接合
された金属板をエツチングする方法の一例を示す説明図
である。第２図は、本発明による方法で製造された回路基板を示
す断面図である。第３図は、従来使用されていた半導体モジュール基板を
示す断面図である。符号の説明１・・・絶縁性を有するセラミックス板、２・・・回路
パターンが形成される、あるいは回路パターンを有する金属板、３・・・金属板
、４・・・素子、５・・・放熱板、６・・・スクリーン固定枠、７・・・ペースト化した腐食用溶媒、８・・・電極、９・・・リード線、１０・・・電源、１１・・・スクリーン、１１ａ・・・腐食用溶媒透過部分、ｂ・・・腐食用溶媒不透過部分Ｆ　Ｉ　Ｇ。ＦＩＧ、２

Claims

【特許請求の範囲】

（１）電気的絶縁性を有するセラミックス板の少なくと
も片側に金属板を接合してなる積層体の該金属板表面に、電気的絶縁性を有し、腐食用溶
媒と反応しない物質で構成され、かつエッチングされる
導体回路パターンに対応するパターンを有するマスクを
密接させた後、前記金属板上に、前記マスクのパターン
を介して、硝酸、硫酸、塩酸、ふっ酸から選ばれた少な
くとも１種の酸、および／または、塩化第２鉄および塩
化第２銅から選ばれた少なくとも１種の塩類を単独また
は混合したものを含有するペースト化された前記腐食用
溶媒を塗布し、続いて、該腐食用溶媒の塗布面に電極を
設置し、該電極と前記金属板との間に２（Ａ／ｃｍ＾２
）以下の電流密度の電流を通ぜしめることにより、前記金属板を前記マスクのパターンに応じてエッチ
ングすることを特徴とするセラミックス基板上の導体回
路形成方法。
（２）前記電流密度が０．１（Ａ／ｃｍ＾２）以上であ
る請求項１に記載のセラミックス基板上の導体回路形成
方法。
（３）セラミックス板と金属板との接合は、活性金属を
含むろう材を用いて真空または不活性雰囲気中で行う請
求項１または２に記載のセラミックス基板上の導体回路
形成方法。
（４）前記腐食用溶媒のペースト化剤が、ポリアクリル
酸ソーダ、アルギン酸ソーダ、ザンサンガム、二酸化ケ
イ素、アルミナおよび水ガラスから選ばれた１種以上ま
たは水である請求項１〜３のいずれかに記載のセラミッ
クス基板上の導体回路形成方法。
（５）前記エッチングを直流または交番電流で行う請求
項１〜４のいずれかに記載のセラミックス基板上の導体
回路形成方法。