JPH04322491A - セラミックス回路基板の製造法 - Google Patents

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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、パワー半導体モジュー
ル等に使用される金属板をセラミックス基板に接合して
半導体回路を形成してなるセラミックス回路基板の製造
法に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、ロボットやモーター等の産業機器
の高性能化に伴い、大電力・高能率インバーターなど大
電力モジュールの変遷が進んでおり、半導体素子から発
生する熱も増加の一途をたどっている。この熱を効率よ
く放散するため、大電力モジュール基板では従来よりさ
まざまな方法がとられてきた。とくに最近、良好な熱伝
導率を有するセラミックス基板の出現により、基板上に
金属板を接合して回路を形成後、そのまま金属板上に半
導体素子を搭載する構造も採用されている。

【０００３】従来より、金属とセラミックスを接合する
方法には様々な方法があるが、とくに回路基板の製造と
いう点からはＭｏ−Ｍｎ法、活性金属ろう付法、硫化銅
法、ＤＢＣ法、銅メタライズ法があげられる。これらの
中で大電力モジュール基板の製造では、現在、金属とし
て銅を用い、セラミックスとの接合方法として活性金属
ろう付法又はＤＢＣ　法を用いることが主流となってお
り、さらに高熱伝導性を有する窒化アルミニウムを絶縁
基板として使用することが普及しつつある。

【０００４】従来の銅板と窒化アルミニウム基板を接合
する方法としては、銅板と窒化アルミニウム基板との間
に活性金属を含むろう材を介在させ、加熱処理し接合体
を形成する活性金属法（たとえば特開昭６０−１７７６
３４　号公報）　や、銅板と表面を酸化処理してなる窒
化アルミニウム基板とを銅の融点以下でＣｕ２Ｏ−Ｏの
共晶温度以上で加熱接合するＤＢＣ　法（たとえば特開
昭５６−１６３０９３　号公報）　などが知られている
。

【０００５】活性金属法はＤＢＣ　法に比べて次の利点
を有する。 （１）　接合処理温度が低いので、Ａｌｎ−Ｃｕの熱膨
張差によって生じる残留応力が小さい。 （２）　接合層が延性金属であるので、ヒートショック
やヒートサイクルに対して耐久性が大である。

【０００６】本出願人は、ろう材ペーストをセラミック
ス基板に全面塗布しその全面に金属板を接合した後に金
属をエッチングし、不要ろう材を薬液で除去してなる生
産性の大なるセラミックス回路基板の製造法を提案した
（ＰＣＴ／ＪＰ９０／０１５０２）　。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、上記発明の
改良であり、薬液としてハロゲン化アンモニウム水溶液
を用いることによって、１）安全性及び２）ピール強度
等をさらに高めた生産性の大なるセラミックス回路基板
を製造することを目的とするものである。

【０００８　】

【課題を解決するための手段】すなわち、本発明は、ろ
う材ペーストをセラミックス基板に塗布し、その上に金
属板を接合した後に金属をエッチングし、次いでハロゲ
ン化アンモニウムを含む水溶液で不要ろう材を除去する
ことを特徴とするセラミックス回路基板の製造法である
。

【０００９】以下、さらに詳しく本発明について説明す
る。

【００１０】本発明の最大の特徴は、不要ろう材の除去
薬液としてハロゲン化アンモニウム、その中でも特にフ
ッ化アンモニウムを用いることによって、中性（ｐＨ＝
７）又はその付近の条件でろう材を除去することである
。ｐＨが７付近で不要ろう材を除去する利点としては、
人体に与える害が少ないこと、及び金属回路を形成する
際に用いられる銅等の金属に対して浸食の程度が弱まる
ことである。しかも接合層が浸食されることもないので
ピール強度は低下しない。

【００１１】ハロゲン化アンモニウムとしては、フッ化
アンモニウム、塩化アンモニウム、臭化アンモニウム、
ヨウ化アンモニウム等をあげることができるが、これら
の中、フッ化アンモニウムは、金属光沢を増加させる化
学研磨材としての作用もあるので、それを用いることよ
って、不要ろう材の除去と共に、金属回路表面を研磨し
光沢を増すことができる。

【００１２】ハロゲン化アンモニウム水溶液の濃度は２
〜１５重量％が望ましい。２重量％未満では不要ろう材
の除去効果が十分でなく、一方１５重量％をこえると取
扱性と安全性が悪くなる。

【００１３】本発明でいう不要ろう材とは、金属回路パ
ターン間に存在するろう材を意味する。このような不要
ろう材は、金属回路パターン間にもともと存在している
ろう材（これは例えばろう材をセラミックス基板の全面
に配置した場合に起こる。）であるか、又は金属板の接
合時に金属回路パターン間にはみ出したろう材である。 不要ろう材の成分は、使用時に調整されたろう材成分ば
かりでなく、ろう材の活性金属成分がセラミックスと反
応して生成した窒化物層や金属とセラミックスとが反応
して生成した合金層などである。

【００１４】本発明で使用されるろう材の金属成分は、
Ｔｉ成分、Ｚｒ成分、Ｈｆ成分等の活性金属成分の一種
又は二種以上と銅（Ｃｕ）成分、ニッケル（Ｎｉ）成分
等の活性金属成分以外の金属成分の一種又は二種以上で
ある。ろう材の低融点化のために銀（Ａｇ）成分をさら
に存在させることもできる。

【００１５】本発明において活性金属成分以外の金属成
分として最も好適なＡｇ成分とＣｕ成分を併用した場合
、Ａｇ成分６０〜８５重量％でＣｕ成分４０〜１５重量
％の組成が望ましく、特に熱処理温度の低下と接合強度
の増大の点からＡｇ成分７２重量％でＣｕ成分２８重量
％のいわゆる共晶組成又はその付近の組成が最適である
。

【００１６】本発明で使用するろう材ペーストは、上記
ろう材の金属成分と有機溶剤とで構成されおり、取扱性
の点からさらに有機結合剤を含ませることもできる。金
属成分は、金属粉末、合金粉末及び化合物の中から適切
な形態で供給される。金属成分の具体的な組み合わせを
例示すれば次のとおりである。すなわち、Ａｇ−Ｃｕ−
Ｔｉ、Ａｇ−Ｃｕ−Ｚｒ、Ａｇ−Ｃｕ−Ｈｆ、Ａｇ−Ｃ
ｕ−ＴｉＨ２、Ｃｕ−Ｔｉ　、Ｃｕ−Ｚｒ　、Ｎｉ−Ｔ
ｉ、Ｎｉ−Ｚｒ　、Ｎｉ−ＺｒＨ２、Ｎｉ−ＴｉＨ２　
、Ｃｕ−ＴｉＨ２　、Ａｇ−Ｃｕ−Ｚｒ−Ｔｉ　、Ａｇ
−Ｃｕ−Ｚｒ−ＴｉＨ２　などである。ただし、活性金
属成分の化合物の場合には、接合温度までに分解してＴ
ｉ、Ｚｒ、Ｈｆ等の活性金属の単体を遊離するものでな
ければならない。

【００１７】本発明で使用するペーストには、上記金属
成分と共に副成分として、ＡｌＮ　、Ｓｉ３Ｎ４　、Ａ
ｌ２Ｏ３　、窒素ホウ素（ＢＮ）から選ばれた一種又は
二種以上のセラミックス粉末を含有させることもできる
。セラミックス粉末を含有させることによって、ペース
トを金属回路パターンに塗布した際に生じやすい不要ろ
う材の発生が起こりにくくなる。この理由については、
セラミックス粉末が過剰の活性金属成分を消費させてセ
ラミックス基板との過剰な濡れを抑えるため、金属回路
パターン外での不要ろう材（反応生成物層）の生成を防
ぎやすくできたためと本発明者らは考えている。

【００１８】セラミックス粉末の粒度としては、塗布し
たペーストの厚さが、通常、１０〜４０μｍ　であるこ
とを考慮すれば、最大径が５０μｍ　を越えるとよくな
いので、好ましくは３０μｍ　以下特に２０μｍ　以下
である。また、その平均粒径についても、あまり大きい
とセラミックス粉末の添加量が増えて接合状態に悪影響
を与えるので１５μｍ　を越えるものは望ましくなく、
好ましくは１０μｍ　以下特に５μｍ　以下である。

【００１９】以上の金属成分と必要に応じてのセラミッ
クス粉末とを用いてろう材ペーストを調整するには、有
機溶剤又は有機溶剤と有機結合剤と共に混合機例えばロ
ール、ニーダ、バンバリミキサー、万能混合機、らいか
い機等を用いて混合する。その際の有機溶剤としては、
メチルセルソルブ、エチルセルソルブ、テレピネオール
、イソホロン、トルエン等、また、有機結合剤としては
、エチルセルロース、メチルセルロース、ポリメチルメ
タアクリレート（ＰＭＭＡ）、ポリイソブチルメタアク
リレート（ＰＩＢＭＡ）　等が使用される。

【００２０】ろう材ペースト成分の量的割合については
、活性金属成分以外の金属成分１００重量部に対し活性
金属成分３〜４０重量部、セラミックス粉末０〜１０重
量部好ましくは活性金属成分の使用量よりも５〜３５重
量部少ない量特に１０〜３０重量部少ない量の範囲内に
あって１〜９重量部特に２〜８重量部、有機溶剤１０〜
３０重量部、有機結合剤０〜５重量部である。ろう材ペ
ーストの粘度としては１，０００　〜２０，０００ｃｐ
ｓ　が望ましい。

【００２１】本発明で使用されるセラミックス基板の材
質は、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）　、窒化ケイ素（Ｓ
ｉ３Ｎ４）　、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）　、ム
ライト等から選ばれた少なくとも一種又は二種以上を主
成分とするものであり、熱伝導率の大きい窒化アルミニ
ウムが好ましい。

【００２２】窒化アルミニウム基板としては、公知の方
法で製造されたものが不都合なく使用でき、その一例を
示せば、焼結助剤を添加せずにホットプレス法により焼
結したもの、酸化イットリウム、酸化セリウム、酸化サ
マリウム、酸化カルシウム、酸化マグネシウム等の　Ｉ
ＩＩａ　金属酸化物、希土類元素酸化物、アルカリ土類
金属酸化物などの焼結助剤を窒化アルミニウム粉末に添
加し、成形後、常圧焼結したものなどである。

【００２３】本発明で使用される金属板の材質について
は特に制限はなく、通常は、銅、ニッケル、銅合金、ニ
ッケル合金が用いられる。また、その厚みについても特
に制限はなく、通常、金属箔と言われている肉厚の薄い
ものでも使用可能であり、０．１　〜１．０ｍｍ　好ま
しくは０．２　〜０．５ｍｍ　のものが用いられる。金
属板の形状については以下の三種類のものが使用される
。

【００２４】■少なくとも金属回路パターンを含み、そ
れよりも広い面積を有する金属板（以下、この金属板を
ベタ金属板という）。ベタ金属板を使用する場合、ろう
材ペーストは、少なくとも金属回路パターンを含み、そ
れよりも広い面積にわたってセラミックス基板上に配置
する。従って、ろう材ペーストはセラミックス基板全面
に配置することもできるし、また金属回路パターンと同
形に配置することもできる。

【００２５】■金属回路部分と金属回路部分よりも薄い
肉厚を有する金属回路以外の部分とからなる金属板（以
下、この金属板をハーフエッチ金属板という）。金属回
路以外の部分（薄肉部）を形成するには化学エッチング
法による溶解が望ましく、またろう材は金属回路パター
ンと同形に配置することが望ましい。

【００２６】ハーフエッチ金属板を使用する利点は次の
とおりである。 ｉ）　　　金属回路パターンをエッチングで形成させる
場合のエッチングレジストの塗布は、ロールコーター等
の簡便で生産性の高い方法を採用することができる。 ｉｉ）　　スクリーン印刷によりエッチングレジストを
セラミックス基板全面に塗布することができる。 ｉｉｉ）　エッチングの際に、ハーフエッチ金属板の金
属回路以外の部分（薄肉部）にはエッチングレジスト塗
布膜がのらないため、金属回路部分と金属回路以外の部
分との切り離しが容易となる。 ｉｖ）　　金属回路パターン外に生じた不要ろう材は、
エッチング後のハロゲン化アンモニウム水溶液処理によ
って容易に除去することができる。

【００２７】■金属回路部分と金属回路以外の部分とか
らなっており、機械的な力を加えることによって両者を
容易に切り離すことができる状態になっている金属板（
以下、この金属板をプッシュバック金属板という）。 プッシュバック金属板は例えば次のようにして製造する
ことができる。 ｉ）　　　金属回路部分を金属板からいったん抜き落と
しその後もとの状態にはめ戻す。 ｉｉ）　　金属回路部分が抜け落ちる直前まで溝を設け
る。 ｉｉｉ）　上記ｉｉ）　において、溝の大部分を貫通さ
せ金属回路部分と金属回路以外の部分の大部分を切り離
しておく。 上記ｉ）〜ｉｉｉ）の方法において、金属回路部分と金
属回路以外の部分の厚みは同じであってもよく、また異
なっていてもよい。そして、金属回路部分の形成法とし
ては、金属回路パターンを備えたプレス金型、セーパー
、フライス等を用いてもよいし化学エッチングによって
もよい。

【００２８】プッシュバック金属板を使用するに際して
は、ろう材は金属回路パターンと同形に配置することが
望ましく、セラミックス基板にプッシュバック金属板を
接合させた後、金属回路以外の金属部分を引き離すこと
によって金属回路パターンを容易に形成させることがで
きる。金属回路パターン外に生じた不要ろう材は、ハロ
ゲン化アンモニウム水溶液で処理して除去する。

【００２９】セラミックス基板に金属板を接合後、金属
板にエッチングレジストを塗布しエッチングにより金属
回路パターンを形成する。プッシュバック金属板を用い
たときにはこの操作は必要でない。本発明に用いられる
エッチングレジストとしては、紫外線硬化型や熱硬化型
などがあげられる。また、エッチング液としては、金属
板が銅板又は銅合金板であれば、塩化第２鉄溶液、塩化
第２銅溶液、硫酸、過酸化水素等の溶液が使用される。 好ましくは、塩化第２鉄溶液、塩化第２銅溶液である。 一方、金属板がニッケル又はニッケル合金の場合は、通
常、塩化第２鉄溶液が用いられる。

【００３０】本発明は、上記材料を用い、セラミックス
基板にろう材ペーストを配置する工程、金属板を接合す
る工程、金属回路パターンを形成する工程及び不要ろう
材を除去する工程を経て、セラミックス回路基板が製造
される。

【００３１】セラミックス基板にろう材ペーストを配置
するには、スクリーン印刷法やロールコーターによる塗
布法が採用されるが、ペーストを基板全面に塗布する場
合は、生産性の点から後者が望ましい。

【００３２】ろう材ペーストが塗布されたセラミックス
基板は、そのペーストを覆うに十分な広さの金属板を配
置後熱処理される。熱処理温度は金属板とろう材の種類
によって適切な条件が異なるが、金属板の融点に満たな
い温度で行われなければならない。具体的な条件の例を
示すと、ろう材の金属成分として、Ａｇ−Ｃｕ−活性金
属系では８３０　℃以上、Ｃｕ−　活性金属系では９２
０　℃以上、Ｎｉ−　活性金属系では１０００℃以上な
どである。熱処理雰囲気としては、Ａｒ、Ｈｅ等の不活
性ガス雰囲気下でもよいが、真空雰囲気がろう材の濡れ
性の点で望ましい。熱処理後冷却することによって金属
板とセラミックス基板との接合体を得ることができる。 セラミックス基板と金属板との熱膨張係数の差が大きい
ので、熱処理後の冷却速度を大きくすると得られた接合
体には、残留応力に起因するクラックや欠損を生じるこ
とがある。そのため本発明では、残留応力を極力少なく
するために冷却速度を５℃／分以下特に２℃／分以下と
するのが望ましい。

【００３３】次に、エッチングレジストを用いて目的と
した金属回路パターンを形成する。ハーフエッチ金属板
を用いた場合は、エッチングレジストの塗布はロールコ
ーターで実施するのが望ましい。なぜならば、ロールコ
ーターでハースエッチ金属板の全面にエッチングレジス
トを塗布した場合であっても、金属回路以外の薄肉部に
は塗布されないので、その薄肉部の除去が容易となり、
生産性が高まるからである。プッシュバック金属板を用
いた場合、エッチングレジストの塗布は、特別の場合を
除き、行う必要がない。次いで、エッチングによって金
属の不要部分を除去した後、エッチングレジスト膜を剥
離し金属回路パターンを備えたセラミックス基板とする
。プッシュバック金属板の金属回路以外の部分を機械的
に引き離すことによって金属回路パターンを備えたセラ
ミックス基板となる。この段階においては、金属回路パ
ターン間にはもともと配置したろう材成分やその合金層
・窒化物層あるいは金属回路パターン外にはみ出した不
要ろう材がまだ残っている状態にあるので次の工程でそ
れを除去する。

【００３４】上記金属回路パターンが形成されたセラミ
ックス基板はハロゲン化アンモニウム水溶液で処理され
て不要ろう材が除去され、本発明のセラミックス回路基
板となる。処理時間は３　〜３０分、処理温度は２０〜
８０℃が好ましい。また処理と同時及び／又は処理後の
洗浄工程において超音波を付与することは効果的である
。

【００３５】

【実施例】以下、実施例をあげてさらに具体的に本発明
を説明する。

【００３６】実施例１　　比較例１ 重量割合で、銀粉末７２部、銅粉末２８部、金属ジルコ
ニウム粉末を２０部及びテレピネオール１５部を混合し
て、ろう材ペーストを調整した。これを６０ｍｍ×３０
ｍｍ×０．６５ｍｍｔ　の窒化アルミニウム基板の両面
にロールコーターを用いて基板全面に塗布した。塗布量
は７〜１０ｍｇ／ｃｍ２　とした。

【００３７】上記ろう材ペースト塗布基板を乾燥した後
、両面に６０ｍｍ×３０ｍｍ×０．２５ｍｍｔ　のベタ
銅板を接触配置してから炉に投入し、高真空中、９２０
　℃で０．３　時間加熱した後、２℃／分の速度で冷却
して接合体を製造した。 試料数はそれぞれ１０枚とした。

【００３８】次に、これらの接合体の銅板上に、スクリ
ーン印刷により紫外線硬化型エッチングレジストを回路
パターンに塗布後、塩化第２鉄溶液でエッチング処理を
行って不要銅板部分を除去し次いでエッチングレジスト
を剥離した。

【００３９】得られた接合体には、銅回路パターン間に
ろう材がまだ残っているのでこれを除去するため、４０
℃の５％のフッ化アンモニウム水溶液（実施例１）又は
４０℃の５％フッ酸水溶液（比較例１）でそれぞれ１５
分間の処理を行った。

【００４０】得られたセラミックス回路基板について、
銅回路パターンのピール強度を市販の測定器具を用いて
測定した。その結果を表１に示す。

【００４１】

【表１】

【００４２】実施例２〜８　　比較例２〜７重量割合で
銀粉末７２部、銅粉末２８部、ジルコニウム粉末又はチ
タン粉末を表２又は表３に示すような重量部で混合し、
さらに、テレピネオール１５部及びＰＩＢＭＡ１部を混
合してろう材ペーストを調整し、それらを実施例１と同
様な方法により窒化アルミニウム基板に塗布した。

【００４３】これらの基板上に実施例１と同様な銅板を
接触配置してからそれぞれ１０枚づつを炉に投入し、高
真空中、８８０　℃の温度で０．２　時間加熱した後、
冷却して接合体を製造した。

【００４４】次いで、実施例１と同様な方法により、エ
ッチングして不要銅板部分を除去した後、回路間に残っ
ている不要ろう材を表２に示す条件で除去し、セラミッ
クス回路基板を製造してピール強度を測定した。それら
の結果を表２及び表３に示す。

【００４５】

【表２】

【００４６】

【表３】

【００４７】

【発明の効果】本発明によれば、ピール強度の著しい低
下などを生じることのない金属板とセラミックス基板と
の接合体が得られ、工程上の歩留りが大幅に向上し、安
全性も高まる。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　ろう材ペーストをセラミックス基板上
   に塗布し、その上に金属板を接合した後に金属をエッチ
   ングし、次いでハロゲン化アンモニウムを含む水溶液で
   不要ろう材を除去することを特徴とするセラミックス回
   路基板の製造法。