JPS6387790A

JPS6387790A - 高放熱性回路基板の製造方法

Info

Publication number: JPS6387790A
Application number: JP23280486A
Authority: JP
Inventors: 孝志荘司
Original assignee: Showa Denko KK
Current assignee: Resonac Holdings Corp
Priority date: 1986-09-30
Filing date: 1986-09-30
Publication date: 1988-04-19

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）本発明は回路基板の製造に係り、特にＳｉＣ基板を使用
した回路基板を経済的に製造する方法に関する。（従来の技術）従来、いわゆるハイブリット基板と称される混成集積回
路基板等々の回路基板は、一般に、メッキ処理を含む多
数の工程で製造されていた。例えば、第３図に示すように、アルミナ（９６％）のセ
ラミック基板１の両面にＭＯｌＭ　ｏ　−Ｍ　ｎやＷ等
の金属ペースト２０を印刷し、乾燥後、水素気流中にて
約１２００〜１６ｏＯ℃で焼成してメタライズ層を形成
し、その上にＮｉメッキ処理を施してメッキＭ２１を形
成し脱水素処理した後、ヒートシンクとして銅板又はＮ
ｉメッキ処理銅板２２を半田２３にて接合するという多
段工程による方法である。しかし、このような方法は水素気流中で、しかも高温で
焼成したり、メッキ処理したり、或いは更にヒートシン
クを半田付けするなど複雑な工程を必要とすると共に、
ＭＯｌＷ等を介して接合した場合の回路面には抵抗体と
してはチップ抵抗しか使用できず、また回路面はせいぜ
い５００μ程度であるので細線を描くことができず、シ
ート抵抗も高いという欠点がある。更に、銅板（ヒート
シンク）の接合は半田付けによるために接合面に気泡が
介在したり、回路面に半田付けする場合には銅板の接合
に用いた半田を使用できず、銅板自身が酸化変色したり
、回路面も酸化したりしていた。またこの方法でＭＯメ
タライズを使用する方式は、通常の厚膜ペーストを用い
た回路基板の製造は大気中で厚膜ペーストを焼成するの
で適用できず、樹脂等で接合するという制約がある。一方、貴金属ペーストを使用し、導体、抵抗体、誘電体
ペーストを印刷して８５０℃付近で焼成し、回路を形成
する方法もあるが、この場合のヒートシンクへの接合に
は放熱グリースや放熱シートを用い、有機接着剤に無機
フィラーを添加したものを用いているので、放熱性に大
きな問題があるうえ、耐熱性にも問題があった。このように、従来の回路基板の製造では、メッキ処理を
含む多段工程で製造されていたために上記のような諸問
題があるが、更には、基板材料としてアルミナを使用し
ているために特に放熱性に問題があり、場合により放熱
グリースや放熱シートを用いなければならないという欠
点があった。この点、基板材料としてＳｉＣを使用すれば放熱性は向
上するが、逆にＳｉＣ基板上に厚膜ペーストにより回路
を形成することが極めて困難で、不可能と云われている
。本発明は、上記従来技術の欠点を解消し、基板材料とし
てＳｉＣ基板を使用でき、各種部品の接合や回路形成が
容易で優れた放熱性を有する回路基板を経済的に製造し
得る方法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、従来の回路基板
の製造工程が多数工程となる原因を究明したところ、導
電ペーストが接着強度や耐熱性に問題があると共に半田
付けのためにメッキ処理を必要とする組成物であること
が判明した。そこで、これらの問題を解決し且つＳｉＣ
基板に対する回路形成を可能にする導電ペーストを開発
できるならば、メッキ処理を必要とせず簡易な工程で、
しかもＳｉＣ基板を使用できることに想到し、新規な導
電ペーストを見い出すべく鋭意研究に努めた。その結果、貴金属を主体としない金属質で接着強度並び
に耐熱性に優れた導電性接着ペーストを開発するに至り
、このペーストを使用して接着並びに回路形成する回路
基板の製造方法を確立したものである。すなわち、本発明は、Ｔｉ、Ｚｒ及びＮｂのうちの１種
又は２種以上＝１５〜２５％、Ｎｉ：５〜１５％、Ａｇ
：３５〜４５％、Ｃｕ：２５〜３５％及びＳｉ：１〜７
％からなる組成を有し、かつ、少なくとも、各成分粉末
がメカニカルアロイ法によって機械的に噛合結合した複
合粉末を含有し、ビヒクルにてペースト状にした導電ペ
ーストを使用して、ＳｉＣ基板の接合面に全面印刷する
と共に該基板の回路形成面にスクリーン印刷法で導電回
路を形成した後、不活性雰囲気中で脱脂処理し、次いで
、１０″″３Ｔｏｒｒ以下の減圧下又は不活性雰囲気中
、８００〜９３０℃で熱処理することを特徴とする高放
熱性回路基板の製造方法を要旨とするものである。以下に本発明を実施例に基づいて詳細に説明する。前述の如く、本発明法に用いる導電ペーストは、セラミ
ックであるＳｉＣ基板に対して接着剤と導電体の双方の
性質を兼備しているので、ＳｉＣ基板とヒートシンクで
ある金属板等との接着並びにＳｉＣ基板上への回路印刷
が可能となるものである。まず、本発明法に用いる導電ペーストの各成分の限定理
由を示す。Ｔｉは基板材料であるＳｉＣの界面にＴｉＣ層を形成す
るが、’ｒｉｃｅのみでは接合強度が不充分であるので
、後述のＳｉの添加と共にＳｉＣ界面に（Ｔｉ、５ｉ）
Ｃ複合炭化物層を形成させ、接合強度の向上を図るため
に必要である。そのためには１５〜２５％、好ましくは
２０％程度を添加する。１５％未満では上記複合炭化物層の形成が不充分であり
、２５％を超えて多量に添加すると、接着層（インサー
ト層）とヒートシンク銅板が接合できなくなる。Ｔｉの代わりにＺｒ又はＮｂ或いはこれらを複数使用し
ても同じ効果が得られる。ＳＬは、Ｔｉと同様、ＳｉＣ界面に（Ｔｉ、　５ｉ）Ｃ
複合炭化物層を形成するためのＳＬ源として添加する。そのためには、ＳｉＣ基板自体にフリーなＳｉが存在し
ていることを考慮し、１〜７％、好ましくは３〜４％程
度添加する。１％未満では上記複合炭化物の形成が不充
分となり、逆に７％を超えて多すぎると接合層に寄与し
なくなり、接合が不可能となる。Ｎｉ、Ａｇ、ＣｕはＮｉ−Ａｇ−Ｃｕ系のロウ材的役目
を果たし、接合強度を高めるために必要である。更に、Ｎｉは特にＳｉＣ基板に金属板を接合する場合、
接合後の冷却時に金属板側が剥離するのを防止するのに
有効で、熱膨張率を緩和する作用があり、またＣｕは接
合温度を低くし、回路形成の場合、表面層がＡｇ／Ｃｕ
リッチ層となるため、半田濡れ性が向上する。これらの
ためにはそれぞれ、Ｎｉは５〜１５％、好ましくは１０
％程度、Ａｇは３５〜４５％、好ましくは４０％程度、
Ｃｕは２５〜３５％、好ましくは３０％程度を添加する
必要がある。上記化学成分を有する導電ペーストは、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
属粉末を摺潰機、ボールミル、アトライター等の微粉砕
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１
０μｍ以下のものが５０ｗｔ％以上である微粉末が望ま
しい。このように複合粉末形態の粒子を少なくとも含有してい
る粉末は、ペースト状にするために有機溶媒（ビヒクル
）中に分散させる。有機溶媒としては、テレピネオール
、ブチルカルピトール、テキサノール、ブチルカルピト
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６０〜９０ｔｚｔ％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。次に、上記導電ペーストを使用して回路基板を製造する
プロセスについて説明する。第１図は上記プロセスの一例を示しており、まず、所定
の形状、寸法のＳｉＣ基板１を準備する（ａ）６次いで
、スクリーン印刷機を用いてＳｉＣ基板１の回路形成面
に回路２を印刷形成すると共にＳｉＣ基板１の接合面に
全面印刷して接着層（インサートｆｆ）３を形成する（
ｂ）。印刷後は乾燥し、印刷面を脱脂処理する。この脱脂処理
はＮ２等の不活性雰囲気中で行い、バインダー分（ビヒ
クル成分）を脱脂せしめるが、６００℃以下の温度で１
０分間以上加熱するとよい。なお、６００℃以上の高温下で脱脂処理すると接着能力
が低下するので留意する。次いで、ヒートシンク銅板等々の必要な接合部品の取付
けが行われる。ヒートシンクとしては敢えてＮｉメッキ
処理銅板を使用する必要はなく、銅板等の金属板４をそ
のまま用い、これをＳｉＣ基板の接合面に印刷された接
着Ｍ３に重ね合わせる。このように取付けを行った後、ＳｉＣ基板上に形成した
接着層並びに印刷回路を熱処理し、次の条件により加熱
接着及び焼成を行う。すなわち、接合部品をＳｉＣ基板に接合するに当っては
、上記のようにして銅板などのヒートシンクを接着層を
介してＳｉＣ基板に重ね合せた状態で、１〜１０ｋｇ／
ａ１の荷重をかけながら、１０′″３Ｔｏｒｒ以下の減
圧下或いはＮ２等の不活性雰囲気中で８ｏＯ〜９３０℃
の温度で所要時間（例、１０分間以上）熱処理する。加
熱温度が９３０’Ｃ以上の高温であると溶着現象が生じ
、また８００℃以下では接合が不充分となる。また印刷
回路を焼成する場合並びに接合部品を重ね合せないで接
着面を焼成する場合には、勿論、荷重をかける必要はな
く、上記熱処理条件と同じ条件で熱処理する必要がある
が、不活性雰囲気で焼成すると回路面の半田濡れ性が悪
くなるので、留意する。なお、ヒートシンクの接合を必要としない場合でも、接
合面に接着層を形成して上記熱処理を施しておけば電、
Ｎｉメッキを行わずとも半田付けによってマザー・ボー
ドに貼り付けることができる。また、抵抗体が必要な場合には市販のＲｕｂ、系ペース
トを併わせて使用することができる。勿論、放熱グリー
スや放熱シートを使用する必要はない。実装に際しては、導電ペーストが熱処理されているので
、従来のようにメッキ処理を施すことなく、通常の半田
処理を容易に行うことができる。次に、本発明の実施例を示す。（実施例）いずれも３２５メツシユ以下の粉末である各成分の粉末
を、Ｔｉ粉末２０ｇ、Ｎｉ粉末１０ｇ、Ａｇ粉末４０ｇ
、Ｃｕ粉末３０ｇ及びＳＬ粉末３ｇの割合で配合し、摺
潰機にて約３時間混合粉砕し、粒度を１０μｍ以下に微
粉砕した。次いで、ペースト状にするために次の割合で配合した。上記混合微粉末　　　　　１００ｇエチルセルロース　　　　　１８．３ｇテキサノール　
　　　　　　２０．８ｇ　　、活性剤　　　　　　　　
　　　２．２ｇこの組成物１４１．３ｇを万能ミキサー
にて予備混練した後、３本ロール・ミルを用いて本混棟
し、ペーストとした。次に、２５ｍｍ口ｘ１ｍｌ！ｌｔのＳＩＣ基板の片面に
上記ペーストをスクリーン印刷機にて全面印刷した。スクリーンはステンレス製２００メツシユ、バイアス張
りで、エマルジョン厚さ４５μｍのものを使用した。印
刷後、室温にて１０分間レベリングし、更に１０５℃で
３０分間乾燥した。またＳ１Ｃ基板の反対側にも同様に
して回路パターンを印刷し、１０５℃で３０分間乾燥し
た。なお、焼成後の膜厚が１５〜１８μｍとなるように
印刷した。乾燥後、厚膜焼成炉を使用し、窒素気流中でピーク温度
６００℃×８分間の６０分間プロファイルにて脱脂処理
を施した。次いで、上記ＳｉＣ基板について印刷回路の焼成を行う
と共に、全面印刷面に銅板（ヒートシンク）を熱間圧着
により（本発明例１）或いは該印刷面の焼成後に半田付
けにより（本発明例２）取付けた。その際の熱間圧着条
件としては、２５ｍｍＸ２５ｍｍＸ　２＋＋＋ｍｔの銅
板をＳｉＣ基板の全面印刷面に重ね合せた状態で１　ｋ
ｇ／ａＪの荷重をかけ、１Ｏ−５Ｔ　ｏｒｒの真空下、
８５０℃Ｘ３０分間加熱処理した。また印刷回路の焼成
及び全面印刷面に銅板を半田付けする前の焼成の各条件
は上記加熱処理と同様である。得られた各基板の構造は、第２図に示すように、ＳｉＣ
基板１の一方の面には印刷回路２が焼成されており、他
方の面には、本発明例１の場合、全面印刷されたインサ
ート層３を介して銅板４が熱間圧着されており、本発明
例２の場合、全面印刷された後に焼成したインサート層
３に銅板４が半田層５を介して半田付けされている。これらの構造の回路基板について各種試験を実施し、第
１表に示す結果を得た。同表から明らかなように、回路
面の半田濡れ性も全面印刷焼成面の半田濡れ性も良好で
あり、したがって、銅板を半田付けした場合（本発明例
２）には接着強度が大きい、勿論、銅板を熱間圧着して
直接接合した場合（本発明例１）でも接着強度が充分得
られ、通常の厚膜ペーストに比べて２倍位大きい。また
導電ペーストにフリットが含まれていないのでシート抵
抗が低く接着強度が大きいので、信頼性が高く、特に高
周波領域で使用する回路形成も可能となる７更に熱抵抗
も小さいので、ＳｉＣ基板の使用と相俟って回路基板の
放熱性が極めてよい。

【以下余白】

（発明の効果）以上詳述したように、本発明によれば、貴金属を主体に
しない特定成分の接着兼導電ペーストを使用するので、
ＳｉＣ基板を使用することができ、したがって、特に放
熱性の優れた回路基板を複雑な工程によらずに経済的に
製造できるのみならず、以下に示すような多くの利点が
得られる。（１）　　接着強度、耐熱性等に優れたペーストを使用
するので、従来不可能であったＳｉＣ基板上の印刷回路
の形成が可能である。（２）基板上の回路形成と反対面の接着層（インサート
層）形成とを同時に行うことができ、しかもメッキ処理
を要しないので、製造工程を大幅に短縮でき、また導電
ペーストが貴金属を主体にしないものであるので、極め
て経済的に回路部板を製造することができる。（３）　　通常の厚膜ペーストはフリット（ガラス）を
含んでいるのでシート抵抗が高く、熱ショック、熱サイ
クル等の信頼性に難があるのに対し１本発明による印刷
回路にはフリットが含まれていないのでシート抵抗が低
く、接着強度や耐熱性に優れているので、信頼性が高＜
°、特に高周波領域で使用する回路の形成も可能である
。（４）ペーストのＡｇ含有量が低いので、通常重訳され
ているＡｇ／Ｐｄペーストよりもシルバー・マイグレー
ション及び半田層れ性において極めて優れている。（５）　　ＳｉＣ基板と金属との境界面でＳｉＣ側に（
Ｔｉ、５ｉ）Ｃの複合炭化物が形成され、金属側はＡｇ
−Ｃｕで接合されているので、接着強度も通常の厚膜ペ
ーストに比べて約２倍程度大きい。（６）回路面及び接着面はＡ　ｇ／　Ｃｕリッチである
ので半田濡れ性が良好であり、したがって、メッキ処理
を必要とせずに接合部品の半田付けが可能である。また
、金属板のヒートシンクの接合を必要としない場合でも
、ＳｉＣ基板の接着面に全面印刷し焼成しておけば、半
田付けによりマザー・ボードに貼り付けることができる
。（７）異形状の部品も接合、配線可能であり、抵抗体が
必要であれば、市販のＲｕｂ、系ペーストを併せて使用
することもできる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の製造プロセスを示す工程図
、第２図（ａ）、（ｂ）は上記実施例により製造された回
路基板の構造を示す断面図、第３図はアルミナ基板を用いた従来の回路基板の製造プ
ロセスを示す工程図である。１・・・基板、２・・・印刷回路、３・・・接着層（イ
ンサート層）、４・・・銅板（ヒートシンク）、５・・
・半田層。

Claims

【特許請求の範囲】

（１）重量％で（以下、同じ）、Ｔｉ、Ｚｒ及びＮｂの
うちの１種又は２種以上：１５〜２５％、Ｎｉ：５〜１
５％、Ａｇ：３５〜４５％、Ｃｕ：２５〜３５％及びＳ
ｉ：１〜７％からなる組成を有し、かつ、少なくとも、
各成分粉末が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含有し、ビヒクルにてペースト状に
した導電ペーストを使用して、ＳｉＣ基板の接合面に全
面印刷すると共に該基板の回路形成面にスクリーン印刷
法で導電回路を形成した後、不活性雰囲気中で脱脂処理
し、次いで、１０＾−＾３Ｔｏｒｒ以下の減圧下又は不
活性雰囲気中、８００〜９３０℃で熱処理することを特
徴とする高放熱性回路基板の製造方法。
（２）前記複合粉末は、粒度が１０μｍ以下で、全粉末
の５０ｗｔ％以上含まれている特許請求の範囲第１項記
載の方法。
（３）接合部品をＳｉＣ基板に接合する場合には、接合
面に１〜１０ｋｇ／ｃｍ＾２の荷重をかけながら前記熱
処理を行う特許請求の範囲第１項又は第２項記載の方法
。