JPH02209795A

JPH02209795A - 回路基板の製造方法

Info

Publication number: JPH02209795A
Application number: JP3066689A
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
板を接合してなる放熱性、耐熱性に優れた回路基板の製
造方法の改良に関する。

〈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しする。

従来このような半導体モジュール基板として、第４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を搭載し、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し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、
ＡｆｌｚＯ３を用いて加熱によりＣｕ−０共晶を発生さ
せるいわゆる共晶法で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、Ａ　ＩＩ　２０３に替ってＢｅｄ、ＡｆｌＮ
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応用することがむすかし
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、共晶法を応用するために
は、基板を予しめ酸化処理して表面にＡ１２０３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。

〈発明が解決しようとする課題〉一方、導体回路パターンの＠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。　この場合にエ
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、エツチング深さとしては金属板の
厚さ（通常は０．１〜０．４ｍｍ）に接合厚さを加えて
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／巾（＝ｄ／Ｗ）はｄ／ｗ＜０．５であることか
ら、エツチングの巾は、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。

さらに、金属板の接合方法として、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パターンを形成するこの従来
方法は金属板とろう材部分とでエツチング液を変える必
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。

たとえば、ＡｆｌＮセラミックスに銅板を活性金属とし
てＴｉを含むＡｇ−Ｃｕろう材で接合してなる基板は、
銅板のエツチングに用いた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、ＡｆｌＮとろう材の界面
には導電性を有して、しかも安定な化合物（ＴｉＮ）が
形成され、その完全な除去には硝ふフ酸などかなり活性
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場合に従来のフ
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
の淳みが厚くなっても、エツチング操作が簡潔で、エツ
チング精度を向上させることのできる特に大電力用の回
路基板の製造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造にすることの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ものとして、
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で構成され、該金属板上
に導体回路パターンを有する回路基板を製造するに際し
、前記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前記回路パターンに対応
するエツチングされるべｅ　４！様を有するマスクを密
接させ、該金属板上に前記マスクの模様を介して、粘性率ρ（ｃｐｓ）が６００≦ρ≦ａｏｏｏ。

であるペースト化した腐食用溶媒を塗布し、さらに前記
腐食用溶媒の塗布面に電極を設置したのち、前記電極と
金属板との間に前記腐食用溶媒を介して電流を通じて電
解エツチングし、該金属板を前記マスクの模様に応じて
蝕刻して前記絶縁性セラミックス板上に導体回路パター
ンを形成することを特徴とする回路基板の製造方法が提
供される。

そして、前記セラミックス板と前記金属板との接合は、
活性金属を含むろう材を用いて真空または不活性７囲気
中で行うのがよい。

前記ペースト化腐食用溶媒が、硝酸、硫酸、塩酸および
ふり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、水あるいはポリ
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少
なくとも１種のペースト化剤を加えてなるペーストであ
るのが好ましい。

また、前記電解エツチングは、直流または交番二流で行
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、上記の絶縁性を有するセ
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して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を有するマスク１１を密接させ、このマスクを介
して、ペースト化した腐食用溶媒７を塗布している。　
　６はマスクの固定枠である。

本発明においてペースト化した腐食用溶媒７は下式で示
されるような粘性率ρ（ｃｐｓ）を有するものを用いる
のがよい。　また、第３図は、セラミックス板として窒
化アルミニウム（ＡｕＮ）（厚さ０．６３５ｍｍ、直径
２０ｍｍ）を用い、金属板として銅板（厚さ０．２ｍｍ
、直径２０　ｍｍ）を用い、ろう材として活性金属Ｔｉ
を１重量％含むＡｇ−Ｃｕろう材を用いて真空炉にて８
００℃、１０分の条件で接合し、積層体を得た後、この
積層体を下記組成の本発明におけるペーストを用いて長
さ２０ｍｍ％　ＩＩ　Ｏ−２ｍ　ｍおよび長さ２０ｍｍ
、幅２．０ｍｍの十字形状を電解エツチングした時の実
験結果を示すグラフであり、ペーストの組成１５重量％ＨＮＯ３＋２重量％ＨＦ＋１０重量％アエロジル電解条件電流　２００ｍＡ電圧　　　４■ 電解時間　１５分このとき、アエロジルの重量比を変化させて粘度の異な
るペーストを調製して行ったエツチングの良品歩留りを
、ペースト粘度に対し示しである（ただし、この場合、
良品とはエツチングにより独立すべきパターン間に導通
がなく、マスクされた部分が腐食されることなくパター
ン公差が±０．１ｍｍ以下の範囲に入っているものをさ
す）。　その結果、下式で表される範囲内で良品を得る
ことができる。

６００≦ρ≦５ｏｏｏ。

なお、エツチングに当りて、ペーストの粘性率を決める
場合は、エツチングすべき模様の最小の間隔を考慮し、
上記範囲内で、腐食用溶媒７の流出を防ぎ、サイドエッ
チやスクリーン、シール等のエツチングマスクの下方へ
の回り込み等の問題が生じないように、また、逆にエツ
チングすべき模様の（政綱部にはいっていかないことの
ないように、マスクの密着性やエツチング幅等に留意し
て定めるのがよい。

また、このペースト化した腐食用溶媒７としては、硝酸
、硫酸、塩酸、ぶつ酸等の酸および／または塩化第２鉄
、塩化第２銅等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るものは勿論、さらにポリアク
リル酸ソーダ、ザンサンガム、あるいは二酸化ケイ素、
アルミナ、水ガラス等のようなペースト化剤を加えて成
るペーストであればどのような方法で製造されたもので
も用いることができる。

また、セラミックス板１と金属板２．３との接合は、一
般に用いられているＡｇ−Ｃｕ系のろう材を用いてもよ
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系のろう材を用いて
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した積
層体をエツチングするのに好適である。

セラミックス板と金属板との接合を行なうときには、酸
化を防止するためＡｒ、Ｈｅ％Ｎ２などの不活性雰囲気
を用いるのがよい。　また真空を用いてもよい。

用いるろう材はＡｇ、Ｃｕなどを含むペースト、あるい
はＡｇ、Ｃｕなどを含む箔を用いてもよく、上記ろう材
中には上記活性金属を含ましめることもできる。

このエツチングされるべき模様を有するマスク１１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
れていれはどのようなマスクでもよく、スクリーン、ポ
ジ型・ネガ型フォトマスク、あるいはテープ等でもよい
。　さらに具体的には、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、ステンレスのスクリーンを使用する場
合、適当な防食コーティングを施す必要がある。　この
マスク１１は適当な固定枠６に固定され、たわみなく、
マスク自体に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。

かかるペースト化による腐食用溶媒の反応性は、被処理
材の材質、使用するマスクの材質、模様の大きさや要求
される精度、マスクのメツシュ間隔、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。

しかし、活性金属を含むろう材を用いて接合するときに
は、硝酸、硝ぶつ酸などを含むペースト状腐食用溶媒を
用いるのがよい。

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とも
にそれぞれリード線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、マスク１１の透過
部分１１ａを透過した腐食用溶媒７を介して電流を通じ
ることにより、金属板２の中でマスク１１のエツチング
すべき部分１１ａを介して、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。　電極は固定式でも
８動式でもよい。

第２図に本発明により製造された回路基板を示す。

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、形状も被処理材の形状にあわ
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、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
エツチング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。

〈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１）セラミックス板としてアルミナ（厚さ０．６３５ｍｍ、
直径２０　ｍｍ）を用い、金属板として銅板（厚さ０．
３ｍｍ、直径２０　ｍｍ）を用い、共晶法により１０７
０℃に加熱接合して積層体を得た。

この積層体を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て長さ１０ｍｍ、幅１．２ｍ
ｍの十字形状にエツチングした。　なお、このときのエ
ツチング液の粘性率は８０００ｃｐｓであった。　結果
を表１に示す。

（１）従来のエツチング液の組成２０重量％塩化第２鉄水溶液（２）本発明におけるペーストの組成２０重量％塩化第２鉄水溶液＋３重量％ポリアクリル酸ソーダ水溶液ペーストを用い
たと籾の電解条件電流　２００ｍＡ電圧　　　４■ 電解時間　１５分表　　１（実施例２）セラミックス板として窒化アルミニウム（Ａｊ２Ｎ）（
厚さ０．６３５ｍｍ、直径２０ｍｍ）を用い、金属板と
して銅板（厚さ０．　２ｍｍ、直径２０ｍｍ）を用い、
ろう材として活性金属Ｔｉを１重量％含むＡｇ−Ｃｕろ
う材を用いて接合し、積層体を得た。　接合の条件は以
下の通りである。

真空炉にて８００℃、１０分この積層体を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て長さ２０ｍｍ、幅０．２ｍ
ｍの十字形状をエツチングした。　なお、このときのエ
ツチング液の粘性率は３０００ｃｐｓであった。　結果
を表２に示す。

（１）従来のエツチング液の組成１５重量％ＨＮ　Ｏ３＋　２重量％ＨＦ（２）本発明に
おけるペーストの組成１５重量％ＨＮＯ３＋２重量％ＨＦ＋１０重量％アエロジルペーストを用いたときの電解条件電流　２００ｍＡ電圧　　４Ｖ電解時間　１５分表　　２〈発明の効果〉本発明においては、エツチングすべき模様の幅に応じ、
適度な粘性率のエツチング液を用いるので従来のような
操作性の悪さが解決され、サイドエッチ等の問題もなく
、工程が簡潔に゛なる。

また、セラミックス板と金属材との接合強度が大となる
活性金属を含むろう材を用いても、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
れた金属板に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図はエツチング液の粘性率と良品歩留りとの関係を
示すグラフである。第４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
パターンを有する金属板、３・・・金属板、４・・・素子、５・・・放熱板、６・・・マスク固定枠、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・・・マスク、１１ａ・・・腐食用溶媒透過部分、ｊｌｂ・・・腐食用溶媒不透過部分ＦＩＧ、１ＦＩＧ、４

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で構成され、該金
属板上に導体回路パターンを有する回路基板を製造する
に際し、前記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前記回路パターンに対応す
るエッチングされるべき模様を有するマスクを密接させ
、該金属板上に前記マスクの模様を介して、粘性率ρ（ｃｐｓ）が６００≦ρ≦８００００であるペースト化した腐食用溶媒を塗布し、さらに前記
腐食用溶媒の塗布面に電極を設置したのち、前記電極と
金属板との間に前記腐食用溶媒を介して電流を通じて電
解エッチングし、該金属板を前記マスクの模様に応じて
蝕刻して前記絶縁性セラミックス板上に導体回路パター
ンを形成することを特徴とする回路基板の製造方法。
（２）前記セラミックス板と前記金属板との接合は、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に記載の回路基板の製造方法。
（３）前記ペースト化腐食用溶媒が、硝酸、硫酸、塩酸
および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に、水あるい
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
れた少なくとも１種のペースト化剤を加えてなるペース
トである請求項１または２に記載の回路基板の製造方法
。
（４）前記電解エッチングは、直流または交番電流で行
なう請求項１ないし３のいずれかに記載の回路基板の製
造方法。