JP2005019645A

JP2005019645A - Circuit pattern forming method, and circuit board with circuit thereon using the same

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Publication number: JP2005019645A
Application number: JP2003181667A
Authority: JP
Inventors: Masahiro Sato; 正博佐藤; Naoto Ikegawa; 直人池川
Original assignee: Matsushita Electric Works Ltd
Current assignee: Panasonic Electric Works Co Ltd
Priority date: 2003-06-25
Filing date: 2003-06-25
Publication date: 2005-01-20
Anticipated expiration: 2023-06-25
Also published as: JP4437327B2

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To realize highly reliable insulation of a processed portion by irradiation of high-energy beam, in a circuit pattern forming method using an aluminum nitride as a substrate material and a circuit board on which the circuit pattern is formed using the forming method. <P>SOLUTION: The circuit pattern forming method has a step (S1) of preparing an aluminum nitride substrate, a step (S2) of applying heating/oxidizing processing to the substrate to form an oxidized layer on the surface, a step (S3) of forming a conductive thin film on the oxidized layer, and a step (S4) of irradiating the substrate with a high-energy beam to remove the conductive thin film on a border portion of a circuit section/non-circuit section and forming a circuit pattern. In the processed portion where the conductive thin film is removed, since the high-energy beam cannot reach the aluminum nitride, the substrate material, unless the high-energy beam passes through the oxidized layer, the oxidized layer prevents the decomposition of the aluminum nitride and the generation of the conductive material (aluminum) by the high-energy beam. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、窒化アルミニウム基板に導電回路を形成する回路パターン形成方法及び該形成方法を用いて回路パターンが形成された回路板に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、電子回路の放熱特性を改善するため樹脂基板に替えて、セラミックスを基板として用いたものがある。例えば、ＩＣチップと同程度の熱膨張率を持つなど、電子部品材料としての好特性を備えたものの中で、特に良熱伝導体である、窒化アルミニウムが用いられる。この窒化アルミニウムはアルミニウムの非酸化物系セラミックスであり、その加工方法において非酸化物系という特質に関連したものが知られている。例えば、その基板の切断や絶縁体である窒化アルミニウムの表面に設けた抵抗体や導体をトリミングするために酸化性ガス雰囲気下で高エネルギビームの照射を行い、加工部分に酸化物層を形成する回路パターン形成方法や回路板の製造方法がある。高エネルギビームが照射された部位の窒化アルミニウムが分解することにより導電性物質であるアルミニウムが生じるが、酸化性ガスにより、アルミニウムを絶縁物質である酸化アルミニウムに変質させることができるので、窒化アルミニウム基板の表面において上記加工後も絶縁された回路パターンを形成することができるとされる（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
【特許文献１】
特開平２−２２８０５０号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述した特許文献１に示されるような回路パターン形成方法や回路パターンが形成された回路板においては、窒化アルミニウム基板の表層の導電性物質（アルミニウム）は酸化されて絶縁物質（アルミナ）となるが、その絶縁層は薄く、深層の導電物質は酸化されずにそのまま残留することになる。そのため、信頼性の高い絶縁性確保が困難という問題がある。
【０００５】
本発明は、上記課題を解消するものであって、簡単な構成により、高エネルギビームの照射による加工部分に信頼性の高い絶縁性を実現できる、窒化アルミニウムを基板材として用いた回路パターン形成方法及び該形成方法を用いて回路パターンが形成された回路板を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段及び発明の効果】
上記課題を達成するために、請求項１の発明は、窒化アルミニウム基板の表面に導電性薄膜を形成し、その導電性薄膜における回路部と非回路部の少なくとも境界を含む領域に高エネルギビームを照射して導電性薄膜を除去して回路パターンを形成する回路パターン形成方法において、導電性薄膜を形成する工程の前に、窒化アルミニウム基板の表面を酸化処理して酸化層を形成する工程をさらに備えたものである。
【０００７】
上記方法においては、導電性薄膜を形成する工程の前に、窒化アルミニウム基板の表面を酸化処理して酸化層を形成する工程をさらに備えたので、高エネルギビームが照射された導電性薄膜の部位において、高エネルギビームは介在する酸化層を通過しなければ、基板材の窒化アルミニウムまで到達することがない。高エネルギビームの酸化層通過は、高エネルギビームのパワーや処理時間、及び酸化層の厚さの調整により確実に阻止でき、従って、高エネルギビームによる窒化アルミニウムの分解と導電性物質（アルミニウム）の発生を確実に防止できるので、高エネルギビームの照射による加工部分に信頼性の高い絶縁性を実現でき、非回路部分と回路部分とが導通する不具合がなくなる。
【０００８】
請求項２の発明は、請求項１に記載の回路パターンの形成方法において、高エネルギビームによる導電性薄膜の除去を、前記酸化層の一部が除去される探さまで行うものである。
【０００９】
上記方法においては、酸化層の内部まで入り込んだ導電物質が除去される探さまで導電性薄膜の除去を行うので、高エネルギビームの照射部位に導電性薄膜が残留して電気ショートが発生するのを確実に防止でき、また、酸化層の下の窒化アルミニウム層までは除去深さが達していないので、高エネルギビーム照射によって窒化アルミニウム変質による導電性物質（アルミニウム）が発生しない。従って、回路パターンにおける高い絶縁性の確保と回路板の信頼性向上が実現される。
【００１０】
請求項３の発明は、請求項２に記載の回路パターンの形成方法において、窒化アルミニウム基板の表面に形成する酸化層を、２μｍ以上２０μｍ以下の厚さに形成するものである。
【００１１】
上記方法においては、窒化アルミニウム基板の表面に形成する酸化層を、２μｍ以上２０μｍ以下という適切な厚さに形成するので、窒化アルミニウムによる放熱性と酸化層による回路パターンの絶縁性とを確保し、さらに各層間の接合信頼性、高エネルギビームによる加工時の信頼性を確保して回路板が実現できる。
【００１２】
例えば、酸化層の厚さが薄すぎて、２μｍ以下の場合、高エネルギビーム照射によって酸化層まで除去されてしまい、窒化アルミニウム層が露出し、高エネルギビーム照射によって窒化アルミニウム変質による導電性物質（アルミニウム）が発生する可態性がある。
【００１３】
また、酸化層が厚すぎて、２０μｍ以上となる場合、酸化層の剛性が大きくなるため、窒化アルミニウムと酸化物の界面で剥離などの不具合が発生しやすくなる。これは、次のような事情による。本発明においては、高エネルギビーム照射によって局所的に導電性薄膜の温度を高めて導電性薄膜の蒸発除去、等が行われる。窒化アルミニウムは、例えば樹脂基板の場合よりも熱伝導率が高いので、基板全体の温度が上昇する。そのため、窒化アルミニウム層、酸化層、導電性薄膜の各線膨張率の違いと温度上昇によって界面に応力が生じ、剥離などの不具合が発生する。特に窒化アルミニウム基板上に形成する酸化層の厚さが２０μｍ以上の場合、このような不具合が発生しやすくなる。
【００１４】
請求項４の発明は、請求項１に記載の回路パターンの形成方法において、高エネルギビーム照射時に、窒化アルミニウム基板を冷却するものである。
【００１５】
上記方法においては、高エネルギビーム照射時に基板を冷却するので、基板が高温となるのを防止でき、窒化アルミニウム層、酸化層、導電性薄膜の各層の線膨張率の違いに起因する界面での内部応力の発生や界面の部分的な剥離を防止できる。
【００１６】
請求項５の発明は、請求項１に記載の回路パターンの形成方法において、高エネルギビーム照射を不活性ガス雰囲気において行うものである。
【００１７】
上記方法においては、高エネルギビーム照射を不活性ガス雰囲気において行うので、導電膜除去部で局所的に酸化が進行するのを防止できる。前述したように高エネルギビーム照射時に基板の温度が上昇するため、導電膜除去部が酸化雰囲気であると、導電膜除去部で局所的に酸化が進行し、窒化アルミニウム基板表面の酸化層の厚さにバラツキが生じることになる。酸化層の厚さが一様でない場合、熱負荷により、酸化層の厚み変化部分に応力集中が生じ、酸化層の剥離という不具合が発生する。上記方法により、このような不具合が防止できる。
【００１８】
請求項６の発明は、請求項１に記載の回路パターンの形成方法において、窒化アルミニウム基板の表面に形成する酸化層を、算術平均粗さＲａが０．４μｍ〜４μｍとなるように形成するものである。
【００１９】
上記方法においては、算術平均粗さＲａが０．４μｍ〜４μｍとなるように酸化層を形成するので、酸化層の上に形成する導電性薄膜と酸化層との高い接合強度が得られ、また導電性薄膜の厚さ分布が一定範囲内に得られることで、高エネルギビーム照射による導電性薄膜の除去を確実に行うことができる。表面粗さＲａが０．４μｍ以下の場合、導電性薄膜と酸化層が接する面積が少なく、高い接合強度を得られない。また、表面粗さＲａが４μｍ以上の場合、表面が粗すぎて、高エネルギビーム照射時に導電性薄膜の除去残りが発生することがある。
【００２０】
請求項７の発明は、請求項１乃至請求項６のいずれかに記載の回路パターン形成方法を用いて回路パターンが形成された回路板である。この構成においては、上述の作用効果を有する回路板が実現される。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施形態に係る回路パターン形成方法及び該形成方法を用いて回路パターンが形成された回路板について、図面を参照して説明する。図１は回路板形成方法の概要を示すフローである。回路板は、大きく４つの工程を経て形成される。最初の２つの工程は、窒化アルミニウム粉体材料を成形して焼結する窒化アルミニウム基板の準備工程（Ｓ１）と、窒化アルミニウム基板を加熱してその表面を酸化処理して酸化層を形成する酸化層形成工程（Ｓ２）である。後の２つの工程は、形成された酸化層の上にスパッタリング、蒸着、イオンプレーティングなどの物理蒸着法による成膜を行う導電性薄膜の形成工程（Ｓ３）と、▲１▼高エネルギビームによる回路部／非回路部の分離、▲２▼回路部のめっきによる厚膜化、▲３▼非回路部の導電性薄膜除去からなる回路パターン形成工程（Ｓ４）である。
【００２２】
上述の工程に沿って、回路板の構造を示しながら回路パターン形成方法を説明する。図２は回路板の表面処理の様子を示す。まず、図２（ａ）に示すように、窒化アルミニウム基板１が粉末成形、焼結により形成される。次に、図２（ｂ）に示すように、窒化アルミニウム基板１の表面に酸化処理が行われ、酸化層２が形成される。次に、図２（ｃ）に示すように、酸化層２の上に、例えば銅をターゲットとするスパッタリングによって、導電性薄膜３が形成される。次に、図２（ｄ）に示すように、導電性薄膜３における回路部５と非回路部５ａの境界部分に高エネルギビーム、例えばレーザビームが照射され、その部分の導電性薄膜が蒸発除去されて、その除去部４によって回路部５と非回路部５ａが分離され、所定の回路パターンが形成される。
【００２３】
続いて、図２（ｅ）に示すように、回路部５の部分が、例えば電解銅めっきにより厚膜化され、厚膜化した回路部６が形成される。このとき、非回路部５ａには電解めっき工程において電流が流れず、従って、この部分はめっきされないので、その膜厚はもとのままの薄膜の状態にある。次に、図２（ｆ）に示すように、回路パターン形成面全体を軽くエッチングすることにより、下地の酸化層２が現れるように、前記非回路部５ａの導電性薄膜が除去されて、回路パターンが形成された回路板が完成する。この後、この回路板の使用用途に応じて、厚膜化した回路部の金めっき処理などが行われて電子部品、例えば発光ダイオードなどの実装等が行われる。
【００２４】
このように、本回路パターン形成方法では、導電性薄膜を形成する工程の前に、窒化アルミニウム基板の表面を酸化処理して酸化層を形成する工程を備えている。導電性薄膜と窒化アルミニウム間に酸化層が存在するため、高エネルギビームが照射された導電性薄膜の部位において、その介在する酸化層を通過しなければ、高エネルギビームが基板材の窒化アルミニウムまで到達することがない。高エネルギビームの酸化層通過は、高エネルギビームのパワーや処理時間、及び酸化層の厚さの調整により確実に阻止でき、従って、高エネルギビームによる窒化アルミニウムの分解と導電性物質（アルミニウム）の発生を確実に防止できる。
【００２５】
上述の高エネルギービームによる導電性薄膜の除去部４について、さらに説明する。図３は高エネルギービームにより導電性薄膜を除去した状態を示す。この図に示されるように、除去部４において導電性薄膜は完全に除去されて、回路部５と非回路部５ａとが完全に分離されている。また、除去部４において、酸化層２の表面の一部深さまで、除去部分が進行している。
【００２６】
このように、酸化層の一部が除去される探さまで導電性薄膜の除去を行うことで、高エネルギビームの照射部位に導電性薄膜が残留して電気ショートが発生するのを確実に防止でき、また、酸化層の下の窒化アルミニウム層までは除去深さが達していないので、高エネルギビーム照射によって窒化アルミニウム変質による導電性物質（アルミニウム）が発生しないようにできる。
【００２７】
次に、本発明の回路パターン形成方法により回路パターンが形成された回路板を用いたデバイス例を説明する。図４は本発明の回路板を光通信用モジュールに用いたものを示す。窒化アルミニウム基板１の上に酸化層２を介して回路部６が形成されている。回路部６に発光素子８を実装し、発光素子８の上部電極と回路パターンがボンディングワイヤ９によって電気接続されている。出力の大きな発光素子８を用いたり、またスイッチング周波数の高い発光素子８を用いると、発光素子８の消費電力が大きくなり、発熱量が高くなるので、放熱が効率よく行われないと、発光効率が低下する。
【００２８】
そこで、回路板として窒化アルミニウム基板１による回路板を用いると、発光素子で生じた熱が、窒化アルミニウム基板を通じて放熱されるので、発光素子の効率低下を抑制することができ、従って、消費電力を低減することが可能になる。このように、本回路パターンの形成方法による回路板は、加工エネルギを集束することができる高エネルギビームの照射によって加工精度の高い回路パターンを形成でき、さらに放熱性の高い窒化アルミニウムを用いることから、発熱量の高い高周波用の光通信機器モジュールのパッケージなどに好適に用いることができる。以下において、各工程の詳細、及び実施例について説明する。
【００２９】
（基板材原料の準備）
窒化アルミニウム基板材の形成に用い原料である窒化アルミニウム粉は、還元窒化法、直接窒化法，気相合成法などの方法を用いて製造される。本発明において基板材原料の製造方法は特に限定されない。また、窒化アルミニウムは難焼結材料であるため、イットリア（Ｙ_２Ｏ_３）やカルシア（ＣａＯ）などを焼結助剤として原料に添加してもよい。
【００３０】
（成形・脱脂・焼結）
窒化アルミニウム粉を基板の形状に成形する方法は、通常セラミックスの成形で用いられる圧縮成形、押出成形、射出成形、テープ成形などの方法を適用することができる。特に、平板状の成形品を得るためには、圧縮成形やテープ成形が、また三次元形状を得るためには、射出成形が好適に用いられる。また、成形方法によっては、原料に流動性や可塑性を付与するために、有機溶剤や樹脂などの有機物を添加することもできる。
【００３１】
上述により原材料を成形後、必要に応じて、成形品に含まれる有機物を除去するために脱脂が行われる。この脱脂工程では、室温から６００℃程度まで徐々に温度を上げていき、成形品に含まれる有機物を溶出させる。脱脂時の雰囲気は、大気下でも窒素などの不活性ガス下でもよい。
【００３２】
その後、成形品を焼結することで緻密化された焼結体として窒化アルミニウム基板が得られる。この焼結工程は、雰囲気を窒素などの不活性ガスに置換し、１８００℃程度まで徐々に温度を上げて行われる。大気中などで焼結を行うと、窒化アルミニウムの粒界にアルミナが析出してしまう。そのため、焼結速度が低下するばかりではなく、窒化アルミニウム以外の成分が混入し、焼結体の熱伝導率も低下する。そこで、窒化アルミニウムの焼結は、窒素などの不活性雰囲気下で行う必要がある。
【００３３】
（酸化処理）
次に、上述の工程で得られた窒化アルミニウム基板は、前述のように回路パターン形成時の高エネルギビーム照射後において高い絶縁性を維持するため、その表面を酸化処理して酸化層が形成される。酸化層を形成する酸化処理の方法として、例えば大気中での加熱処理が行われる。この方法では、窒化アルミニウム基板材は、室温から１０００℃まで毎時１００℃程度で昇温させた後、１０００℃で数時間〜数十時間保持され、その表面に酸化層が形成される。加熱温度や処理時間は、形成する酸化膜の厚さに応じて設定される。また、大気中ではなく加圧した水蒸気中で処理を行うことによって、大気中の場合と比較してより低温かつ短時間で酸化処理を行うこともできる。また、酸化層の形成は、加熱による酸化処理に限定されず、他の成膜方法、例えば、化学気相成長法（ＣＶＤ法）や、スパッタリング法で行ってもよい。そして、これらの方法を比較すると、膜厚管理が最も容易であるのは、大気中での加熱処理である。
【００３４】
（導電性薄膜形成）
上述の窒化アルミニウム基板の表面に形成された酸化層の上に形成する導電性薄膜は、スパッタリング、真空蒸着、イオンプレーティングなどの物理蒸着法（ＰＶＤ法）により形成される。しかし、ＰＶＤ法に限定されることなくＣＶＤ法などの他の方法で行ってもよい。導電性薄膜は、銅、ニッケル、金、アルミニウム、チタン、モリブデン、クロム、タングステン、スズ、鉛などの単体金属、又は黄銅、ＮｉＣｒなどの合金を用いて行われる。
【００３５】
ここで、スパッタリングとしては、例えばＤＣスパッタ方式を適用できる。チャンバ内に窒化アルミニウム基板材を配置した後、真空ポンプによりチャンバ内の圧力が１０^−４Ｐａ以下になるまで真空引きし、この状態でチャンバ内にアルゴン等の不活性ガスを０．１Ｐａのガス圧になるように導入する。次に、５００Ｖのスパッタ用直流電圧を印加することによって、銅ターゲットがアルゴンイオンによりボンバードされ、スパッタされた銅粒子により、窒化アルミニウム基板の酸化層の上に銅の薄膜が形成される。銅薄膜は、例えば３００〜５００ｎｍ程度の膜厚とされる。
【００３６】
また、真空蒸着法を用いる場合、例えば、電子線加熱式真空蒸着方式を適用することができる。真空ポンプによりチャンバ内の圧力が１０^−３Ｐａ以下になるまで真空引きし、４００〜８００ｍＡの電子流により坩堝の中の蒸着材料に衝突させて加熱・蒸発させる。上記同様に、３００ｎｍ〜５００ｎｍ程度の膜厚の銅などの金属層が窒化アルミニウム基板材の酸加層表面に形成して用いられる。
【００３７】
また、イオンプレーティング法を用いる場合、チャンバ内の圧力を１０^−４Ｐａ以下になるまで真空引きし、上述の真空蒸着と同様の条件で蒸着材料を蒸発させると共に、基板材と坩堝の間にアルゴン等の不活性ガスを導入し、ガス圧を０．０５〜０．１Ｐａとなるようにして、誘導アンテナからの電力でプラズマを発生させる。誘導アンテナには、１３．５６ＭＨｚの高周波で５００Ｗのパワーを投入すると共に、１００〜５００Ｖの直流のバイアス電圧が印加される。上記同様に、３００〜５００ｎｍ程度の膜厚の銅などの金属層が窒化アルミニウム基板材の酸加層表面に形成して用いられる。
【００３８】
（回路パターン形成）
上述の導電性薄膜において回路部／非回路部を分離するための高エネルギビームとして、電磁波ビームであるレーザ光を用いることができる。回路部と非回路部の境界に沿ってレーザ光を照射し、この境界部分の導電性薄膜を蒸発させて除去することにより、回路部が非回路部から電気絶縁される。レーザ光として、ＣＯ_２レーザ、ＹＡＧレーザやその高調波（第２高調波；ＳＨＧ−ＹＡＧ、第３高調波；ＴＨＧ−ＹＡＧ）レーザを用いることができる。このうち、加工速度の観点からＴＨＧ−ＹＡＧレーザが好適である。
【００３９】
また、高エネルギビームとして、上述の電磁波ビームの他に、粒子ビームであるイオンビーム、例えば集束イオンビーム（ＦＩＢ）、や電子線ビームを用いることができる。
【００４０】
上述の処理によって回路部／非回路部を分離して形成された回路パターンの回路部に、必要に応じて電気めっきが施され、所望の膜厚の回路部が形成される。その後、非回路部に残る導電性薄膜がソフトエッチング処理によって除去され、所望の回路パターンを形成した窒化アルミニウム基板による回路板が得られる。上述のように、高エネルギビームを用いることによって回路パターンを加工精度良く形成することができ、また、高エネルギビームを照射するプログラムを変更することによって回路パターンを変更できるので、回路板の設計変更に容易に対応することができる。
【００４１】
【実施例】
（基板材）
厚さ３ｍｍの窒化アルミニウム製平板（ＳＨ−１５、トクヤマ）から４０ｍｍ×３０ｍｍの大きさで切り出したものを、以後の評価で用いる試験体の窒化アルミニウム基板とした。表面粗さを非接触３次元計測装置（ＮＨ−３Ｎ，三鷹光器）で計測したところ、算術平均粗さＲａは０．３μｍであった。
【００４２】
（酸化処理）
続いて、電気マッフル炉（ＫＭ−６００、アドバンテック）を用いて大気雰囲気で加熱することで上記試験体の表面を酸化処理し、酸化層を形成した。酸化層形成条件は、室温から１０００℃まで毎時１００℃の昇温、及び１０００℃における２４時間保持である。この酸化条件により、窒化アルミニウム試験体表面に厚さ約５μｍの酸化層（アルミナ層）が形成された。
【００４３】
（導電性薄膜形）
上記試験体表面の酸化層をプラズマ処理により表面清浄化、及び活性化した後、ＤＣマグネトロンスパッタリング装置を用いて、酸化層表面に導電性薄膜を形成した。まず、試験体をプラズマ処理装置のチャンバ内にセットし、チャンバ内を１０^−４Ｐａ程度に減圧した後、１５０℃で３分間、試験体を予備加熱した。その後、チャンバ内に酸素ガスを流通させると共に、チャンバ内のガス圧を１０Ｐａ程度に制御し、電極間に１ｋＷの高周波電圧（ＲＦ：１３．５６ＭＨｚ）を３００秒間印加することによって、プラズマ処理を行った。
【００４４】
続いて、チャンバ内の圧力を１０^−４Ｐａ以下にし、この状態でチャンバ内にアルゴンガスを０．６Ｐａのガス圧になるように導入した後、５００Ｖの直流電圧を印加することによって、銅ターゲットを用いたスパッタリングにより、試験体表面に膜厚が約３００ｎｍの銅の導電性薄膜を形成した。
【００４５】
（回路パターン形成）
大気中でＹＡＧレーザの第３高調波（ＴＨＧ−ＹＡＧレーザ）を用いて、平均出力６Ｗ、スポット径４０μｍ、走査速度毎秒２００ｍｍの条件で試験体表面にパターンを形成した。ピール強度評価用の試験体では、５ｍｍの間隔で平行にレーザを走査し、絶縁性評価用の試験体では、一辺５ｍｍの正方形状にレーザを走査して、導電性薄膜を除去した試験パターンを形成した。
【００４６】
（めっき）
ピール強度評価用の試験体に対しては、レーザで上記試験パターンを形成した後、試験体表面に電解めっきにより銅めっきを施し、回路部の導電性薄膜の厚さを約１５μｍの厚さとした。また、絶縁性評価用の試験体にはめっき処理を行わず、上記パターン形成後にそのまま絶縁性試験に供した。
【００４７】
（絶縁抵抗計測）
上述の一辺５ｍｍの正方形の内部とその外部間で、導電性薄膜を除去してできた絶縁部の抵抗値を、デジタルＭΩ抵抗計（ＭＯＤＥＬ３５７１Ａ−０２，鶴賀電機）を用いて、印加電圧を５００Ｖ、チャージ時間を１分間として計測した。そして、抵抗値が１ＧΩ以上のものを良、それ未満のものを不良とした。
【００４８】
（ピール強度計測）
剥離強度試験（９０度ピール試験）は、万能材料試験機（オートグラフＡＧ１０ＴＤ，島津製作所）を用いて、室温・大気雰囲気下で、試験速度毎秒５０ｍｍの一定速度で行った。ＪＩＳＣ６４８１に準拠して、単位幅あたりの引き剥がし強度（９０度ピール強度）を算出した。
【００４９】
（実施例１、比較例１）
上述した、基板材からピール強度計測までの一連の内容に従って形成及び計測された試験体を実施例１とする。また、実施例１において切り出した窒化アルミニウム製平板に酸化処理を施さずに、その後の処理は実施例１と同一として導電性薄膜形成、回路パターン形成、めっき処理を行って、比較例１の試験体を形成した。実施例１と比較例１の形成条件と評価結果を表１に示す。
【００５０】
【表１】

【００５１】
評価の結果、表１に示すように、絶縁性、ピール強度の双方において実施例１が比較例１よりも優れた性能を示していることが分かる。この結果は、実施例１における酸化層の存在の効果を裏付けるものである。
【００５２】
（比較例２）
試験体表面における導電性薄膜の形成までは実施例１と同一条件で行い、その後の回路パターンの形成において、実施例１よりもレーザの走査速度を遅くすることで、除去深さが７μｍになるようにして、比較例２の試験体を形成した。この除去深さは、酸化層の厚さ５μｍよりも深い条件となっており、窒化アルミニウムまで高エネルギビームが達している。そして、ピール強度計測用の試験体に対しては実施例１と同様のめっき処理を施し、絶縁評価用の試験体に対してはめっき処理をせず、そのまま試験に供した。比較例２の形成条件と評価結果を表２に示す。
【００５３】
【表２】

【００５４】
評価の結果、表２に示すように、絶縁性において実施例１に比べて劣っていることが分かる。実施例１では、高エネルギビーム照射による除去深さが、酸化層の一部が除去される深さとされており、高エネルギビームの照射部位に導電性薄膜が残留することを防止できると共に、除去深さを酸化膜厚より小さくすることで、高エネルギビーム照射によって窒化アルミニウムが露出することがなく、また窒化アルミニウムからアルミニウムが析出することもなく、結露等により酸化層と回路パターンが絶縁不良となる不具合の発生がない。上述の評価結果は、比較例２におけるように、酸化層の下の窒化アルミニウム層に除去深さが達すると、酸化層の効果が失われることを示しており、このことは逆に、実施例１における酸化層の存在の効果を裏付けるものである。
【００５５】
（比較例３、比較例４）
実施例１における酸化処理条件を変えて、酸化層厚さが実施例１よりも薄い１μｍとした他は、実施例１と同一の形成条件として、比較例３の試験体を形成した。また、実施例１における酸化処理条件を変えて、酸化層厚さが実施例１よりも厚い３０μｍとした他は、実施例１と同一の形成条件として、比較例４の試験体を形成した。比較例３と比較例４の形成条件と評価結果を表３に示す。
【００５６】
【表３】

【００５７】
評価の結果、表３に示すように、比較例３では絶縁性において、また比較例４ではピール強度において、実施例１よりもそれぞれ劣っていることが分かる。窒化アルミニウム基板上に形成する酸化層の厚さが、実施例１では２μｍ〜２０μｍの範囲である５μｍとされているのに対し、比較例３では１μｍと薄すぎであり、比較例４では３０μｍと厚すぎになっている。
【００５８】
酸化層の厚さが２μｍ以下の場合、酸化層の内部に入り込んでいる導電膜が除去できるようなエネルギで高エネルギビーム照射を行うと酸化層が除去され、窒化アルミニウム層が露出することにより絶縁性に不具合が発生する可能性がある。また、酸化層の厚さが２０μｍ以上の場合，酸化層の剛性が大きくなるため、窒化アルミニウム層、酸化層、金属薄膜のそれぞれの線膨張率の違いから、温度上昇によって界面に応力が生じ、窒化アルミニウムと酸化物の界面で剥離などの不具合が発生しやすくなる。上述の評価結果は、実施例１における酸化層の厚さが適切な厚さに形成されていることを裏付けるものである。
【００５９】
（実施例２）
実施例１における回路パターン形成の際に、ペルチエ素子から成る冷却ユニットを備えたステージに試験体を固定し、試験体を冷却しながら試験体表面にパターンを形成した他は、実施例１と同一条件として実施例２の試験体を形成した。実施例２の形成条件と評価結果を表４に示す。
【００６０】
【表４】

【００６１】
評価の結果、表４に示すように、実施例２では、絶縁性は実施例１と同等であるが、ピール強度において実施例１よりも向上していることが分かる。これは、高エネルギビーム照射時に基板を冷却するので、基板が高温となるのを防止でき、窒化アルミニウム層、酸化層、導電性薄膜の各層の線膨張率の違いに起因する界面での内部応力の発生や界面の部分的な剥離を防止できる。
【００６２】
（実施例３）
実施例１における回路パターン形成の際に、窒素雰囲気中で高エネルギビーム照射を行った他は、実施例１と同一条件として実施例３の試験体を形成した。実施例３の形成条件と評価結果を表５に示す。
【００６３】
【表５】

【００６４】
評価の結果、表５に示すように、実施例３では、絶縁性は実施例１と同等であるが、ピール強度において実施例１よりも向上していることが分かる。これは、高エネルギビーム照射を不活性ガス雰囲気において行うので、導電膜除去部が温度上昇しても酸化が進行することがなく、従って、窒化アルミニウム基板表面における局所的な酸化進行による酸化層の厚さバラツキ及び熱負荷の相乗作用が発生することがなく、酸化層厚み変化部分における応力集中と酸化層の剥離という不具合が防止されることによる。
【００６５】
（実施例４）
実施例１における導電性薄膜を形成するためのプラズマ処理後のスパッタリング成膜時に、最初の１００ｎｍの薄膜形成はチャンバ内にアルゴンガスと酸素ガスを分圧比４：１、合計ガス圧０．６Ｐａになるように流入させ、残りの２００ｎｍの薄膜形成は、実施例１と同様にアルゴンガスのみをガス圧０．６Ｐａになるようにチャンバ内に流入させた他は、実施例１と同一条件として実施例４の試験体を形成した。比較例４の形成条件と評価結果を表６に示す。
【００６６】
【表６】

【００６７】
評価の結果、表６に示すように、実施例４では、絶縁性は実施例１と同等であるが、ピール強度において実施例１よりも向上していることが分かる。これは、導電性薄膜形成をその初期段階は酸化雰囲気で行うので、下地の酸化層（酸化アルミニウム）と界面を形成する導電性薄膜中に酸化金属層が形成されることになり、従って、この界面において酸化物同士が酸素原子を介して強固に結合するようになり、導電性薄膜の接合性が向上してピール強度が向上したことによる。
【００６８】
（実施例５，比較例５）
実施例１における酸化処理の前に、試験体を濃度２０％、温度３０度の水酸化ナトリウム（ＮａＯＨ）水溶液に１時間浸した後、十分に水洗を行った他は、実施例と同一条件として実施例５の試験体を形成した。この処理によって、実施例５の試験体において酸化層の表面粗さが、実施例１よりも粗くＲａ＝０．７３μｍとなった。また、実施例１における酸化処理の前に、試験体表面にサンドブラストによって表面粗化処理を行った他は、実施例１と同一条件として比較例５の試験体を形成した。この処理によって、比較例５の試験体において酸化層の表面粗さが、実施例５よりもさらに粗くＲａ＝４．５μｍとなった。実施例５と比較例５の形成条件と評価結果を表７に示す。
【００６９】
【表７】

【００７０】
評価の結果、表７に示すように、実施例５では、絶縁性は実施例１と同等であるが、ピール強度において実施例１よりも向上し、比較例５では、ピール強度において実施例１、さらには実施例５よりも高い値が得られたものの、絶縁性において不良となることが分かる。これは、算術平均粗さＲａが、０．４μｍ〜４μｍとなるように酸化層を形成すれば、高エネルギビーム照射による導電性薄膜の除去を確実に行うことができることに加え、導電性薄膜と酸化層との高い接合強度が得られるが、酸化層の表面が粗すぎると、高い接合強度は得られるものの高エネルギビーム照射による導電性薄膜の除去において除去残りが発生して絶縁不良が発生することによる。
【００７１】
上述の実施例５の場合、予め窒化アルミニウム基板の表面が適度に粗化されている。窒化アルミニウムを水酸化ナトリウム（ＮａＯＨ）水溶液などの薬液によって粗化する場合、窒化アルミニウムは一様に溶けずに、まず粒界から溶解し、次に結晶粒が外れることによって表面が粗化される。この場合、表面粗さは処理時間や薬液濃度に依存せず、窒化アルミニウム基板の粒径に依存する。そこで、所定の範囲の粒径からなる窒化アルミニウム粉を原料として焼結した基板を用いれば、実施例５の場合のように、薬液処理によって所望の表面粗さＲａとなるように粗化させることができる。
【００７２】
（実施例６、比較例６）
実施例１における回路パターン形成の後に、追加処理として、窒素雰囲気で２０分間、１０７０℃の温度で試験体を加熱し、その後、ピール強度評価用の試験体に対しては銅めっきを施し、絶縁性評価用の試験体はそのままとして、実施例６の試験体を形成した。また、実施例１における導電性薄膜形成後、つまり好エネルギビーム照射前に、追加処理として、窒素雰囲気で２０分間、１０７０℃の温度で試験体を加熱し、その他は、実施例と同一条件として比較例６の試験体を形成した。実施例６と比較例６の形成条件と評価結果を表８に示す。
【００７３】
【表８】

【００７４】
評価の結果、表８に示すように、実施例６では、絶縁性は実施例１と同等でピール強度が向上し、また、比較例６では、ピール強度において実施例１よりも高い値が得られたものの、絶縁性において不良となることが分かる。これは、高エネルギビーム照射処理終了後に、不活性ガス雰囲気で基板を加熱処理することにより、酸化層と金属薄膜が酸素原子を介して化学結合されるので、実施例６の場合のように、導電性薄膜と酸化層の界面における接合性が向上したことによる。また、高エネルギビーム照射処理前に上述の加熱処理を行う場合、加熱処理によって窒化アルミニウム基板表面の酸化物と金属からなる層が厚くなるため、比較例６の場合のように、高エネルギビーム照射による金属除去が困難になり、除去残りによって絶縁不良が発生したことによる。
【００７５】
（比較例７）
実施例１における回路パターン形成の際、ＣＯ_２レーザ（波長１０．６μｍ）を用いて走査速度毎分３．２ｍｍでパターン形成を行った他は、実施例１と同一条件として比較例７の試験体を形成した。比較例７の形成条件と評価結果を表９に示す。
【００７６】
【表９】

【００７７】
評価の結果、表９に示すように、比較例７ではエネルギ密度の低いＣＯ_２レーザを用いるので除去残りがないように、実施例１よりも加工速度を遅くしたのであるが、それにも関わらず絶縁性が不良となることが分かる。これは、高エネルギビームとして電磁波ビームであるレーザ光を用いる場合、レーザの波長が２００ｎｍ〜６００ｎｍのものが好適に用いられるが、レーザの波長が６００ｎｍ以上の場合、レーザ照射部のエネルギ密度を十分高くすることができないため、導電性薄膜の除去が不完全となり絶縁不良となったことによる。また、このような長波長のレーザを用いる場合、導電性薄膜除去加工に多大な時間を要し、さらに、金属が銅の場合、高エネルギビームの吸収率が低下するので、除去加工に多大な時間を要することになる。また、波長が２００ｎｍ以下の場合、現状では実用的なレーザ装置がなく、生産に使用することができない。なお、本発明は、上記構成に限られることなく種々の変形が可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係る回路パターン形成方法の概略工程フロー図。
【図２】（ａ）〜（ｆ）は本発明の一実施形態に係る回路パターン形成方法を説明する回路板の断面斜視図。
【図３】本発明の一実施形態に係る回路パターン形成方法を説明する回路板の断面図。
【図４】本発明の一実施形態に係る回路板を用いた光通信用モジュールを示す断面図。
【符号の説明】
１窒化アルミニウム
２酸化層
３導電性薄膜
４除去部
５、６回路部
５ａ非回路部[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a circuit pattern forming method for forming a conductive circuit on an aluminum nitride substrate and a circuit board on which a circuit pattern is formed using the forming method.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, in order to improve the heat dissipation characteristics of an electronic circuit, there is one using ceramics as a substrate instead of a resin substrate. For example, aluminum nitride, which is a good heat conductor, is used among those having good characteristics as an electronic component material, such as having a thermal expansion coefficient comparable to that of an IC chip. This aluminum nitride is a non-oxide ceramic of aluminum, and what is related to the property of non-oxide is known in its processing method. For example, in order to cut the substrate or trim a resistor or conductor provided on the surface of aluminum nitride as an insulator, a high energy beam is irradiated in an oxidizing gas atmosphere to form an oxide layer in the processed portion There are a circuit pattern forming method and a circuit board manufacturing method. The aluminum nitride in the portion irradiated with the high energy beam is decomposed to produce aluminum as a conductive material. However, the aluminum nitride substrate can be transformed into aluminum oxide as an insulating material by an oxidizing gas. It is assumed that an insulated circuit pattern can be formed on the surface of the substrate even after the above processing (see, for example, Patent Document 1).
[0003]
[Patent Document 1]
JP-A-2-228050
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the circuit pattern forming method and the circuit board on which the circuit pattern is formed as described in Patent Document 1 described above, the conductive material (aluminum) on the surface of the aluminum nitride substrate is oxidized to form an insulating material (alumina). However, the insulating layer is thin, and the deep conductive material remains as it is without being oxidized. Therefore, there is a problem that it is difficult to ensure highly reliable insulation.
[0005]
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention solves the above-mentioned problems, and a circuit pattern forming method using aluminum nitride as a substrate material capable of realizing highly reliable insulation in a processed part by irradiation with a high energy beam with a simple configuration. Another object of the present invention is to provide a circuit board on which a circuit pattern is formed using the forming method.
[0006]
[Means for Solving the Problems and Effects of the Invention]
In order to achieve the above object, according to the first aspect of the present invention, a conductive thin film is formed on the surface of an aluminum nitride substrate, and a high energy beam is applied to a region of the conductive thin film including at least a boundary between a circuit portion and a non-circuit portion. In the circuit pattern forming method of forming a circuit pattern by removing the conductive thin film by irradiation, a step of forming an oxide layer by oxidizing the surface of the aluminum nitride substrate is further included before the step of forming the conductive thin film. It is provided.
[0007]
The above method further includes a step of forming an oxide layer by oxidizing the surface of the aluminum nitride substrate before the step of forming the conductive thin film, so that the portion of the conductive thin film irradiated with the high energy beam is provided. In this case, the high energy beam does not reach the aluminum nitride of the substrate material unless it passes through the intervening oxide layer. The passage of the high energy beam through the oxide layer can be reliably prevented by adjusting the power of the high energy beam, the processing time, and the thickness of the oxide layer. Therefore, the decomposition of the aluminum nitride by the high energy beam and the conductive material (aluminum) can be prevented. Since generation | occurrence | production can be prevented reliably, the reliable insulation can be implement | achieved in the process part by irradiation of a high energy beam, and the malfunction which a non-circuit part and a circuit part conduct | electrically_connect is eliminated.
[0008]
According to a second aspect of the present invention, in the method for forming a circuit pattern according to the first aspect, the conductive thin film is removed by a high energy beam until a search for removing a part of the oxide layer is performed.
[0009]
In the above method, the conductive thin film is removed until the conductive material that has penetrated into the oxide layer is removed, so that the conductive thin film remains at the irradiation site of the high energy beam and an electrical short circuit occurs. Since the removal depth has not reached the aluminum nitride layer below the oxide layer, the conductive material (aluminum) due to the alteration of aluminum nitride is not generated by high energy beam irradiation. Therefore, it is possible to secure high insulation in the circuit pattern and improve the reliability of the circuit board.
[0010]
According to a third aspect of the present invention, in the method for forming a circuit pattern according to the second aspect, the oxide layer formed on the surface of the aluminum nitride substrate is formed to a thickness of 2 μm or more and 20 μm or less.
[0011]
In the above method, since the oxide layer formed on the surface of the aluminum nitride substrate is formed to an appropriate thickness of 2 μm or more and 20 μm or less, heat dissipation by the aluminum nitride and insulation of the circuit pattern by the oxide layer are ensured, Furthermore, it is possible to realize a circuit board while ensuring the reliability of bonding between the respective layers and the reliability at the time of processing with a high energy beam.
[0012]
For example, when the thickness of the oxide layer is too thin and is 2 μm or less, the oxide layer is removed by high energy beam irradiation, the aluminum nitride layer is exposed, and the conductive material (although the aluminum nitride is altered by high energy beam irradiation) (Aluminum).
[0013]
In addition, when the oxide layer is too thick and has a thickness of 20 μm or more, the rigidity of the oxide layer increases, so that defects such as peeling are likely to occur at the interface between the aluminum nitride and the oxide. This is due to the following circumstances. In the present invention, the conductive thin film is evaporated and removed by locally raising the temperature of the conductive thin film by high energy beam irradiation. Aluminum nitride has a higher thermal conductivity than, for example, a resin substrate, so that the temperature of the entire substrate rises. For this reason, stress is generated at the interface due to the difference in linear expansion coefficient between the aluminum nitride layer, the oxide layer, and the conductive thin film, and the temperature rise, causing problems such as peeling. In particular, when the thickness of the oxide layer formed on the aluminum nitride substrate is 20 μm or more, such a problem is likely to occur.
[0014]
According to a fourth aspect of the present invention, in the method for forming a circuit pattern according to the first aspect, the aluminum nitride substrate is cooled when the high energy beam is irradiated.
[0015]
In the above method, the substrate is cooled at the time of irradiation with a high energy beam, so that the substrate can be prevented from being heated to a high temperature, and at the interface caused by the difference in the linear expansion coefficient of each layer of the aluminum nitride layer, oxide layer, and conductive thin film. Generation of internal stress and partial peeling of the interface can be prevented.
[0016]
A fifth aspect of the present invention is the circuit pattern forming method according to the first aspect, wherein the high energy beam irradiation is performed in an inert gas atmosphere.
[0017]
In the above method, since high-energy beam irradiation is performed in an inert gas atmosphere, it is possible to prevent local oxidation from proceeding at the conductive film removal portion. As described above, the temperature of the substrate rises when irradiated with a high energy beam. Therefore, if the conductive film removal portion is in an oxidizing atmosphere, oxidation proceeds locally in the conductive film removal portion, and the thickness of the oxide layer on the surface of the aluminum nitride substrate. Variations will occur. When the thickness of the oxide layer is not uniform, stress concentration occurs in the thickness change portion of the oxide layer due to a thermal load, and a problem of peeling of the oxide layer occurs. Such a problem can be prevented by the above method.
[0018]
According to a sixth aspect of the present invention, in the method for forming a circuit pattern according to the first aspect, the oxide layer formed on the surface of the aluminum nitride substrate is formed such that the arithmetic average roughness Ra is 0.4 μm to 4 μm. It is.
[0019]
In the above method, since the oxide layer is formed so that the arithmetic average roughness Ra is 0.4 μm to 4 μm, a high bonding strength between the conductive thin film formed on the oxide layer and the oxide layer can be obtained. By obtaining the thickness distribution of the conductive thin film within a certain range, it is possible to reliably remove the conductive thin film by high energy beam irradiation. When the surface roughness Ra is 0.4 μm or less, the area where the conductive thin film and the oxide layer are in contact with each other is small, and high bonding strength cannot be obtained. In addition, when the surface roughness Ra is 4 μm or more, the surface is too rough, and the removal of the conductive thin film may occur when the high energy beam is irradiated.
[0020]
A seventh aspect of the present invention is a circuit board on which a circuit pattern is formed by using the circuit pattern forming method according to any one of the first to sixth aspects. In this configuration, a circuit board having the above-described effects is realized.
[0021]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, a circuit pattern forming method according to an embodiment of the present invention and a circuit board on which a circuit pattern is formed using the forming method will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a flowchart showing an outline of a circuit board forming method. The circuit board is largely formed through four steps. The first two steps are an aluminum nitride substrate preparation step (S1) for forming and sintering an aluminum nitride powder material, and an oxidation for heating the aluminum nitride substrate to oxidize the surface to form an oxide layer. This is a layer forming step (S2). The latter two steps are a conductive thin film forming step (S3) in which a film is formed on the formed oxide layer by a physical vapor deposition method such as sputtering, vapor deposition, or ion plating, and (1) a high energy beam. A circuit pattern forming step (S4) comprising separation of the circuit part / non-circuit part, (2) thickening of the circuit part by plating, and (3) removal of the conductive thin film of the non-circuit part.
[0022]
A circuit pattern forming method will be described along the above-described steps while showing the structure of the circuit board. FIG. 2 shows the surface treatment of the circuit board. First, as shown in FIG. 2A, an aluminum nitride substrate 1 is formed by powder molding and sintering. Next, as shown in FIG. 2B, an oxidation treatment is performed on the surface of the aluminum nitride substrate 1 to form an oxide layer 2. Next, as shown in FIG. 2C, the conductive thin film 3 is formed on the oxide layer 2 by sputtering using, for example, copper as a target. Next, as shown in FIG. 2 (d), the boundary between the circuit portion 5 and the non-circuit portion 5a in the conductive thin film 3 is irradiated with a high energy beam, for example, a laser beam, and the conductive thin film in that portion is evaporated and removed. Then, the circuit portion 5 and the non-circuit portion 5a are separated by the removing portion 4, and a predetermined circuit pattern is formed.
[0023]
Subsequently, as shown in FIG. 2E, the circuit portion 5 is thickened by, for example, electrolytic copper plating, and the thickened circuit portion 6 is formed. At this time, no current flows through the non-circuit portion 5a in the electroplating process, and therefore, this portion is not plated, so that the film thickness remains as it is. Next, as shown in FIG. 2 (f), the entire circuit pattern forming surface is lightly etched to remove the conductive thin film of the non-circuit portion 5a so that the underlying oxide layer 2 appears. The circuit board on which the pattern is formed is completed. Thereafter, depending on the intended use of the circuit board, the thickened circuit portion is subjected to gold plating or the like to mount an electronic component such as a light emitting diode.
[0024]
Thus, this circuit pattern forming method includes a step of forming an oxide layer by oxidizing the surface of the aluminum nitride substrate before the step of forming the conductive thin film. Since an oxide layer exists between the conductive thin film and the aluminum nitride, the high energy beam reaches the aluminum nitride of the substrate material unless it passes through the intervening oxide layer at the portion of the conductive thin film irradiated with the high energy beam. Never reach. The passage of the high energy beam through the oxide layer can be reliably prevented by adjusting the power of the high energy beam, the processing time, and the thickness of the oxide layer. Therefore, the decomposition of the aluminum nitride by the high energy beam and the conductive material (aluminum) can be prevented. Occurrence can be reliably prevented.
[0025]
The conductive thin film removing unit 4 using the high energy beam will be further described. FIG. 3 shows a state where the conductive thin film is removed by a high energy beam. As shown in this figure, the conductive thin film is completely removed in the removing section 4, and the circuit section 5 and the non-circuit section 5a are completely separated. Further, in the removal portion 4, the removal portion proceeds to a partial depth of the surface of the oxide layer 2.
[0026]
In this way, by removing the conductive thin film until the part where the oxide layer is partially removed is removed, it is possible to reliably prevent the conductive thin film from remaining in the irradiated area of the high energy beam and causing an electrical short circuit. In addition, since the removal depth has not reached the aluminum nitride layer below the oxide layer, the conductive material (aluminum) due to the aluminum nitride alteration can be prevented from being generated by high energy beam irradiation.
[0027]
Next, an example of a device using a circuit board on which a circuit pattern is formed by the circuit pattern forming method of the present invention will be described. FIG. 4 shows a circuit board according to the present invention used in an optical communication module. Circuit portion 6 is formed on aluminum nitride substrate 1 with oxide layer 2 interposed. A light emitting element 8 is mounted on the circuit unit 6, and an upper electrode of the light emitting element 8 and a circuit pattern are electrically connected by a bonding wire 9. If the light-emitting element 8 having a large output or the light-emitting element 8 having a high switching frequency is used, the power consumption of the light-emitting element 8 is increased and the amount of heat generation is increased. Decreases.
[0028]
Therefore, when the circuit board made of the aluminum nitride substrate 1 is used as the circuit board, the heat generated in the light emitting element is dissipated through the aluminum nitride substrate, so that a reduction in efficiency of the light emitting element can be suppressed. It becomes possible to reduce. As described above, the circuit board formed by this circuit pattern forming method can form a circuit pattern with high processing accuracy by irradiation with a high energy beam capable of focusing processing energy, and further uses aluminum nitride having high heat dissipation. It can be suitably used for a package of a high-frequency optical communication device module having a high calorific value. Below, the detail of each process and an Example are demonstrated.
[0029]
(Preparation of substrate material)
Aluminum nitride powder, which is a raw material used for forming an aluminum nitride substrate material, is manufactured using a method such as a reduction nitridation method, a direct nitridation method, or a vapor phase synthesis method. In the present invention, the method for producing the substrate material is not particularly limited. In addition, since aluminum nitride is a hardly sintered material, yttria (Y ₂ O ₃ ) Or calcia (CaO) may be added to the raw material as a sintering aid.
[0030]
(Molding / Degreasing / Sintering)
As a method for forming the aluminum nitride powder into the shape of the substrate, methods such as compression molding, extrusion molding, injection molding, tape molding, etc., which are usually used for molding ceramics can be applied. In particular, compression molding or tape molding is suitably used to obtain a flat molded product, and injection molding is suitably used to obtain a three-dimensional shape. Further, depending on the molding method, an organic substance such as an organic solvent or a resin can be added in order to impart fluidity and plasticity to the raw material.
[0031]
After molding the raw material as described above, degreasing is performed as necessary to remove organic substances contained in the molded product. In this degreasing step, the temperature is gradually raised from room temperature to about 600 ° C. to elute organic substances contained in the molded product. The atmosphere during degreasing may be in the air or under an inert gas such as nitrogen.
[0032]
Thereafter, an aluminum nitride substrate is obtained as a compacted sintered body by sintering the molded product. This sintering step is performed by substituting the atmosphere with an inert gas such as nitrogen and gradually raising the temperature to about 1800 ° C. When sintering is performed in the air or the like, alumina is precipitated at the grain boundaries of aluminum nitride. Therefore, not only the sintering speed decreases, but also components other than aluminum nitride are mixed, and the thermal conductivity of the sintered body also decreases. Therefore, it is necessary to sinter aluminum nitride under an inert atmosphere such as nitrogen.
[0033]
(Oxidation treatment)
Next, the aluminum nitride substrate obtained in the above process is oxidized to form an oxide layer in order to maintain high insulation after irradiation with a high energy beam during circuit pattern formation as described above. The As a method of oxidation treatment for forming the oxide layer, for example, heat treatment in the atmosphere is performed. In this method, the aluminum nitride substrate material is heated from room temperature to 1000 ° C. at about 100 ° C. per hour and then held at 1000 ° C. for several hours to several tens of hours to form an oxide layer on the surface. The heating temperature and processing time are set according to the thickness of the oxide film to be formed. Further, by performing the treatment not in the atmosphere but in pressurized water vapor, the oxidation treatment can be performed at a lower temperature and in a shorter time than in the atmosphere. The formation of the oxide layer is not limited to the oxidation treatment by heating, but may be performed by other film formation methods such as chemical vapor deposition (CVD) or sputtering. When these methods are compared, it is the heat treatment in the atmosphere that makes it easy to control the film thickness.
[0034]
(Conductive thin film formation)
The conductive thin film formed on the oxide layer formed on the surface of the aluminum nitride substrate described above is formed by physical vapor deposition (PVD method) such as sputtering, vacuum vapor deposition, or ion plating. However, the method is not limited to the PVD method and may be performed by other methods such as a CVD method. The conductive thin film is formed using a single metal such as copper, nickel, gold, aluminum, titanium, molybdenum, chromium, tungsten, tin, or lead, or an alloy such as brass or NiCr.
[0035]
Here, as sputtering, for example, a DC sputtering method can be applied. After the aluminum nitride substrate material is placed in the chamber, the pressure in the chamber is reduced to 10 by a vacuum pump. ^-4 A vacuum is drawn until the pressure is lower than Pa, and in this state, an inert gas such as argon is introduced into the chamber at a gas pressure of 0.1 Pa. Next, by applying a DC voltage for sputtering of 500 V, the copper target is bombarded with argon ions, and a copper thin film is formed on the oxide layer of the aluminum nitride substrate by the sputtered copper particles. The copper thin film has a thickness of about 300 to 500 nm, for example.
[0036]
Moreover, when using a vacuum evaporation method, for example, an electron beam heating vacuum evaporation method can be applied. The pressure in the chamber is 10 by the vacuum pump. ^-3 Vacuuming is performed until the pressure becomes Pa or less, and the vapor deposition material in the crucible is collided with an electron flow of 400 to 800 mA to heat and evaporate. Similarly to the above, a metal layer such as copper having a thickness of about 300 nm to 500 nm is formed and used on the surface of the acid-added layer of the aluminum nitride substrate material.
[0037]
Further, when the ion plating method is used, the pressure in the chamber is set to 10 ^-4 Vacuuming is performed until the pressure is reduced to Pa or less, the evaporation material is evaporated under the same conditions as the above-described vacuum evaporation, and an inert gas such as argon is introduced between the substrate material and the crucible, and the gas pressure is set to 0.05 to 0. The plasma is generated by the electric power from the induction antenna so that the pressure becomes 1 Pa. The induction antenna is supplied with 500 W of power at a high frequency of 13.56 MHz and a DC bias voltage of 100 to 500 V is applied. Similarly to the above, a metal layer such as copper having a thickness of about 300 to 500 nm is formed and used on the surface of the acid-added layer of the aluminum nitride substrate material.
[0038]
(Circuit pattern formation)
As the high energy beam for separating the circuit portion / non-circuit portion in the above-described conductive thin film, a laser beam that is an electromagnetic wave beam can be used. By irradiating a laser beam along the boundary between the circuit portion and the non-circuit portion and evaporating and removing the conductive thin film at the boundary portion, the circuit portion is electrically insulated from the non-circuit portion. As laser light, CO ₂ A laser, a YAG laser, or a harmonic thereof (second harmonic; SHG-YAG, third harmonic; THG-YAG) laser can be used. Among these, the THG-YAG laser is preferable from the viewpoint of processing speed.
[0039]
In addition to the above-described electromagnetic wave beam, an ion beam that is a particle beam, such as a focused ion beam (FIB), or an electron beam can be used as the high energy beam.
[0040]
The circuit portion of the circuit pattern formed by separating the circuit portion / non-circuit portion by the above-described processing is subjected to electroplating as necessary to form a circuit portion having a desired film thickness. Thereafter, the conductive thin film remaining in the non-circuit portion is removed by a soft etching process to obtain a circuit board made of an aluminum nitride substrate on which a desired circuit pattern is formed. As described above, the circuit pattern can be formed with high processing accuracy by using the high energy beam, and the circuit pattern can be changed by changing the program for irradiating the high energy beam. Can be easily accommodated.
[0041]
【Example】
(Substrate material)
What was cut out in a size of 40 mm × 30 mm from a 3 mm-thick aluminum nitride flat plate (SH-15, Tokuyama) was used as an aluminum nitride substrate as a test specimen used in the subsequent evaluation. When the surface roughness was measured with a non-contact three-dimensional measuring device (NH-3N, Mitaka Kogyo), the arithmetic average roughness Ra was 0.3 μm.
[0042]
(Oxidation treatment)
Subsequently, the surface of the specimen was oxidized by heating in an air atmosphere using an electric muffle furnace (KM-600, Advantech) to form an oxide layer. The oxide layer forming conditions are a temperature increase of 100 ° C. per hour from room temperature to 1000 ° C., and a holding at 1000 ° C. for 24 hours. Under this oxidation condition, an oxide layer (alumina layer) having a thickness of about 5 μm was formed on the surface of the aluminum nitride specimen.
[0043]
(Conductive thin film type)
After the oxide layer on the surface of the specimen was cleaned and activated by plasma treatment, a conductive thin film was formed on the oxide layer surface using a DC magnetron sputtering apparatus. First, the specimen is set in the chamber of the plasma processing apparatus, and the chamber is filled with 10 ^-4 After reducing the pressure to about Pa, the specimen was preheated at 150 ° C. for 3 minutes. Thereafter, oxygen gas is circulated in the chamber, the gas pressure in the chamber is controlled to about 10 Pa, and a 1 kW high-frequency voltage (RF: 13.56 MHz) is applied between the electrodes for 300 seconds to perform plasma treatment. It was.
[0044]
Subsequently, the pressure in the chamber is set to 10 ^-4 In this state, after introducing argon gas into the chamber so as to have a gas pressure of 0.6 Pa, a DC voltage of 500 V is applied, and a film is formed on the surface of the specimen by sputtering using a copper target. A copper conductive thin film having a thickness of about 300 nm was formed.
[0045]
(Circuit pattern formation)
A pattern was formed on the surface of the specimen using the third harmonic of a YAG laser (THG-YAG laser) in the atmosphere under the conditions of an average output of 6 W, a spot diameter of 40 μm, and a scanning speed of 200 mm per second. In the test body for peel strength evaluation, the laser was scanned in parallel at intervals of 5 mm, and in the test body for insulation evaluation, the laser was scanned in a square shape with a side of 5 mm, and the test pattern with the conductive thin film removed was obtained. Formed.
[0046]
(Plating)
For the test body for peel strength evaluation, after forming the above test pattern with a laser, the surface of the test body was subjected to copper plating by electrolytic plating, so that the thickness of the conductive thin film in the circuit portion was about 15 μm. . Moreover, the test body for insulation evaluation was not subjected to plating treatment, and was directly subjected to an insulation test after the pattern was formed.
[0047]
(Insulation resistance measurement)
Using a digital MΩ resistance meter (MODEL3571A-02, Tsuruga Electric Co., Ltd.), the applied voltage is set to 500 V between the inside of the square with a side of 5 mm and the outside thereof by removing the conductive thin film. The charge time was measured as 1 minute. A resistance value of 1 GΩ or higher was determined to be good, and a resistance value lower than that was determined to be defective.
[0048]
(Peel strength measurement)
The peel strength test (90-degree peel test) was performed at a constant speed of 50 mm / sec at room temperature / atmosphere using a universal material testing machine (Autograph AG10TD, Shimadzu Corporation). Based on JISC6481, the peeling strength per unit width (90 degree peel strength) was calculated.
[0049]
(Example 1, Comparative Example 1)
A test body formed and measured according to a series of contents from the substrate material to peel strength measurement described above is referred to as Example 1. In addition, the aluminum nitride flat plate cut out in Example 1 was not subjected to the oxidation treatment, and the subsequent treatment was the same as in Example 1 to perform conductive thin film formation, circuit pattern formation, and plating treatment. Formed body. Table 1 shows the formation conditions and evaluation results of Example 1 and Comparative Example 1.
[0050]
[Table 1]

[0051]
As a result of the evaluation, as shown in Table 1, it can be seen that Example 1 shows better performance than Comparative Example 1 in both insulation and peel strength. This result supports the effect of the presence of the oxide layer in Example 1.
[0052]
(Comparative Example 2)
The formation of the conductive thin film on the surface of the test body is performed under the same conditions as in Example 1, and in the subsequent circuit pattern formation, the removal depth becomes 7 μm by making the laser scanning speed slower than in Example 1. Thus, the test body of Comparative Example 2 was formed. This removal depth is deeper than the thickness of the oxide layer of 5 μm, and the high energy beam reaches the aluminum nitride. Then, the same plating treatment as in Example 1 was performed on the test body for measuring the peel strength, and the test body for insulation evaluation was subjected to the test without being subjected to the plating treatment. The formation conditions and evaluation results of Comparative Example 2 are shown in Table 2.
[0053]
[Table 2]

[0054]
As a result of the evaluation, as shown in Table 2, it can be seen that the insulating property is inferior to that of Example 1. In Example 1, the removal depth by the high energy beam irradiation is set to a depth at which a part of the oxide layer is removed, so that the conductive thin film can be prevented from remaining in the irradiation portion of the high energy beam and removed. By making the depth smaller than the oxide film thickness, aluminum nitride is not exposed by high energy beam irradiation, and aluminum is not precipitated from the aluminum nitride. There is no occurrence of malfunction. The above evaluation results show that the effect of the oxide layer is lost when the removal depth reaches the aluminum nitride layer below the oxide layer as in Comparative Example 2, which is contrary to the example. 1 supports the effect of the presence of the oxide layer in 1.
[0055]
(Comparative Example 3, Comparative Example 4)
A test body of Comparative Example 3 was formed under the same formation conditions as in Example 1, except that the oxidation treatment conditions in Example 1 were changed to 1 μm, which was thinner than that of Example 1. Moreover, the test body of the comparative example 4 was formed on the same formation conditions as Example 1 except having changed the oxidation process conditions in Example 1 into 30 micrometers thicker than the oxide layer thickness in Example 1. FIG. Table 3 shows the formation conditions and evaluation results of Comparative Example 3 and Comparative Example 4.
[0056]
[Table 3]

[0057]
As a result of the evaluation, as shown in Table 3, it can be seen that Comparative Example 3 is inferior to Example 1 in terms of insulation and Comparative Example 4 in terms of peel strength. The thickness of the oxide layer formed on the aluminum nitride substrate is 5 μm, which is in the range of 2 μm to 20 μm in Example 1, whereas it is too thin at 1 μm in Comparative Example 3, and 30 μm in Comparative Example 4. It is too thick.
[0058]
When the thickness of the oxide layer is 2 μm or less, the oxide layer is removed when the high energy beam is irradiated with such an energy that the conductive film entering the oxide layer can be removed, and the aluminum nitride layer is exposed to be insulated. May cause problems. In addition, when the thickness of the oxide layer is 20 μm or more, the rigidity of the oxide layer increases, and therefore, stress is generated at the interface due to the temperature rise due to the difference in linear expansion coefficient between the aluminum nitride layer, the oxide layer, and the metal thin film, Problems such as peeling are likely to occur at the interface between aluminum nitride and oxide. The above evaluation results confirm that the thickness of the oxide layer in Example 1 is formed to an appropriate thickness.
[0059]
(Example 2)
Example 1 is the same as Example 1 except that when the circuit pattern was formed in Example 1, the test specimen was fixed to a stage equipped with a cooling unit composed of Peltier elements, and the test specimen surface was formed while cooling the test specimen. As a condition, the test body of Example 2 was formed. Table 4 shows the formation conditions and evaluation results of Example 2.
[0060]
[Table 4]

[0061]
As a result of the evaluation, as shown in Table 4, it can be seen that in Example 2, the insulation is equivalent to Example 1, but the peel strength is improved as compared with Example 1. This is because the substrate is cooled during irradiation with a high energy beam, so that the substrate can be prevented from reaching a high temperature, and the internal stress at the interface caused by the difference in the linear expansion coefficient of each layer of the aluminum nitride layer, oxide layer, and conductive thin film. Generation and partial peeling of the interface can be prevented.
[0062]
Example 3
The test body of Example 3 was formed under the same conditions as in Example 1 except that high-energy beam irradiation was performed in a nitrogen atmosphere during circuit pattern formation in Example 1. Table 5 shows the formation conditions and evaluation results of Example 3.
[0063]
[Table 5]

[0064]
As a result of the evaluation, as shown in Table 5, in Example 3, the insulation is equivalent to Example 1, but it can be seen that the peel strength is improved as compared with Example 1. This is because the high energy beam irradiation is performed in an inert gas atmosphere, so that the oxidation does not proceed even if the temperature of the conductive film removal portion rises. Therefore, the oxide layer formed by the local oxidation progress on the aluminum nitride substrate surface. This is because synergistic effects of thickness variation and thermal load do not occur, and the problem of stress concentration and oxide layer peeling at the oxide layer thickness change portion is prevented.
[0065]
(Example 4)
At the time of sputtering film formation after the plasma treatment for forming the conductive thin film in Example 1, the first 100 nm thin film formation is performed by setting the argon gas and oxygen gas in the chamber to a partial pressure ratio of 4: 1 and a total gas pressure of 0.6 Pa. The remaining 200 nm thin film was formed under the same conditions as in Example 1 except that only argon gas was allowed to flow into the chamber to a gas pressure of 0.6 Pa as in Example 1. The specimen of Example 4 was formed. Table 6 shows the formation conditions and evaluation results of Comparative Example 4.
[0066]
[Table 6]

[0067]
As a result of the evaluation, as shown in Table 6, in Example 4, the insulation is equivalent to Example 1, but it can be seen that the peel strength is improved as compared with Example 1. This is because the conductive thin film is formed in an oxidizing atmosphere in the initial stage, so that a metal oxide layer is formed in the conductive thin film that forms an interface with the underlying oxide layer (aluminum oxide). This is because oxides are firmly bonded to each other through oxygen atoms at the interface, and the bondability of the conductive thin film is improved and the peel strength is improved.
[0068]
(Example 5, Comparative Example 5)
Before the oxidation treatment in Example 1, the specimen was immersed in an aqueous solution of sodium hydroxide (NaOH) at a concentration of 20% and a temperature of 30 ° C. for 1 hour, and then thoroughly washed with water. The test body of Example 5 was formed. By this treatment, the surface roughness of the oxide layer in the test body of Example 5 was rougher than that of Example 1, and Ra = 0.73 μm. Moreover, the test body of Comparative Example 5 was formed under the same conditions as in Example 1 except that the surface of the test body was subjected to surface roughening treatment by sandblasting before the oxidation treatment in Example 1. By this treatment, the surface roughness of the oxide layer in the test body of Comparative Example 5 was further rougher than that of Example 5, and Ra = 4.5 μm. Table 7 shows the formation conditions and evaluation results of Example 5 and Comparative Example 5.
[0069]
[Table 7]

[0070]
As a result of the evaluation, as shown in Table 7, in Example 5, the insulation is equivalent to that in Example 1, but the peel strength is improved from that in Example 1, and in Comparative Example 5, the peel strength is in Example 1. Furthermore, although a value higher than that of Example 5 was obtained, it can be seen that the insulation is poor. This is because if the oxide layer is formed so that the arithmetic average roughness Ra is 0.4 μm to 4 μm, the conductive thin film can be reliably removed by irradiation with a high energy beam. High bonding strength with the oxide layer can be obtained, but if the surface of the oxide layer is too rough, high bonding strength can be obtained, but removal of the conductive thin film by high energy beam irradiation will cause residual removal, resulting in poor insulation. It depends.
[0071]
In the case of Example 5 described above, the surface of the aluminum nitride substrate is appropriately roughened in advance. When aluminum nitride is roughened with a chemical solution such as an aqueous solution of sodium hydroxide (NaOH), the aluminum nitride does not melt uniformly, but first dissolves from the grain boundary, and then the surface is roughened by the removal of the crystal grains. . In this case, the surface roughness does not depend on the processing time or the chemical concentration, but depends on the particle size of the aluminum nitride substrate. Therefore, if a substrate sintered with aluminum nitride powder having a particle diameter in a predetermined range as a raw material is used, it is roughened to a desired surface roughness Ra by chemical treatment as in the case of Example 5. Can do.
[0072]
(Example 6, Comparative Example 6)
After the circuit pattern formation in Example 1, as an additional treatment, the test specimen is heated at a temperature of 1070 ° C. for 20 minutes in a nitrogen atmosphere, and then copper plating is applied to the test specimen for evaluation of peel strength to provide insulation. The test body of Example 6 was formed with the test body for property evaluation as it was. Further, after the formation of the conductive thin film in Example 1, that is, before irradiation with the energetic beam, as an additional treatment, the test specimen was heated at a temperature of 1070 ° C. for 20 minutes in a nitrogen atmosphere, and the other conditions were the same as in the example The test body of Comparative Example 6 was formed. Table 8 shows the formation conditions and evaluation results of Example 6 and Comparative Example 6.
[0073]
[Table 8]

[0074]
As a result of the evaluation, as shown in Table 8, in Example 6, the insulation is equivalent to that in Example 1, and the peel strength is improved. In Comparative Example 6, the peel strength is higher than that in Example 1. However, it can be seen that the insulation is poor. This is because the oxide layer and the metal thin film are chemically bonded through oxygen atoms by heat-treating the substrate in an inert gas atmosphere after the high energy beam irradiation treatment is completed, as in the case of Example 6. This is because the bondability at the interface between the conductive thin film and the oxide layer has been improved. Further, when the above heat treatment is performed before the high energy beam irradiation treatment, the oxide and metal layers on the surface of the aluminum nitride substrate are thickened by the heat treatment. Therefore, as in the case of Comparative Example 6, the high energy beam irradiation is performed. It is difficult to remove the metal by, and insulation failure occurs due to the remaining removal.
[0075]
(Comparative Example 7)
When forming the circuit pattern in Example 1, CO ₂ A test body of Comparative Example 7 was formed under the same conditions as Example 1 except that pattern formation was performed using a laser (wavelength 10.6 μm) at a scanning speed of 3.2 mm per minute. Table 9 shows the formation conditions and evaluation results of Comparative Example 7.
[0076]
[Table 9]

[0077]
As a result of the evaluation, as shown in Table 9, in Comparative Example 7, CO having a low energy density was used. ₂ Since the laser is used, the processing speed is slower than that of Example 1 so that there is no residual removal, but it can be seen that the insulating property is unsatisfactory despite this. This is because when a laser beam that is an electromagnetic wave beam is used as a high energy beam, a laser having a wavelength of 200 nm to 600 nm is preferably used. However, when the laser wavelength is 600 nm or more, the energy density of the laser irradiation portion is sufficient. Since it cannot be increased, the conductive thin film is not completely removed, resulting in poor insulation. Further, when such a long wavelength laser is used, it takes a lot of time to remove the conductive thin film. Further, when the metal is copper, the absorption rate of the high energy beam is lowered, so that the removal process is very large. It will take time. On the other hand, when the wavelength is 200 nm or less, there is no practical laser device at present and it cannot be used for production. The present invention is not limited to the above-described configuration, and various modifications can be made.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic process flow diagram of a circuit pattern forming method according to an embodiment of the present invention.
FIGS. 2A to 2F are cross-sectional perspective views of a circuit board for explaining a circuit pattern forming method according to an embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a cross-sectional view of a circuit board for explaining a circuit pattern forming method according to an embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a cross-sectional view showing an optical communication module using a circuit board according to an embodiment of the present invention.
[Explanation of symbols]
1 Aluminum nitride
2 Oxide layer
3 Conductive thin film
4 removal section
5, 6 Circuit part
5a Non-circuit part

Claims

窒化アルミニウム基板の表面に導電性薄膜を形成し、その導電性薄膜における回路部と非回路部の少なくとも境界を含む領域に高エネルギビームを照射して導電性薄膜を除去して回路パターンを形成する回路パターン形成方法において、
前記導電性薄膜を形成する工程の前に、窒化アルミニウム基板の表面を酸化処理して酸化層を形成する工程をさらに備えたことを特徴とする回路パターンの形成方法。A conductive thin film is formed on the surface of the aluminum nitride substrate, and a circuit pattern is formed by removing the conductive thin film by irradiating a region containing at least the boundary between the circuit portion and the non-circuit portion in the conductive thin film. In the circuit pattern forming method,
The method of forming a circuit pattern, further comprising the step of oxidizing the surface of the aluminum nitride substrate to form an oxide layer before the step of forming the conductive thin film.

前記高エネルギビームによる導電性薄膜の除去を、前記酸化層の一部が除去される探さまで行う請求項１に記載の回路パターンの形成方法。The method of forming a circuit pattern according to claim 1, wherein the conductive thin film is removed by the high energy beam up to a search for removing a part of the oxide layer.

前記窒化アルミニウム基板の表面に形成する酸化層を、２μｍ以上２０μｍ以下の厚さに形成する請求項２に記載の回路パターンの形成方法。The method for forming a circuit pattern according to claim 2, wherein the oxide layer formed on the surface of the aluminum nitride substrate is formed to a thickness of 2 μm to 20 μm.

前記高エネルギビーム照射時に、窒化アルミニウム基板を冷却する請求項１に記載の回路パターンの形成方法。The method of forming a circuit pattern according to claim 1, wherein the aluminum nitride substrate is cooled during the high energy beam irradiation.

前記高エネルギビーム照射を不活性ガス雰囲気において行う請求項１に記載の回路パターンの形成方法。The circuit pattern forming method according to claim 1, wherein the high energy beam irradiation is performed in an inert gas atmosphere.

前記窒化アルミニウム基板の表面に形成する酸化層を、算術平均粗さＲａが０．４μｍ〜４μｍとなるように形成する請求項１に記載の回路パターンの形成方法。The method for forming a circuit pattern according to claim 1, wherein the oxide layer formed on the surface of the aluminum nitride substrate is formed so that the arithmetic average roughness Ra is 0.4 μm to 4 μm.

請求項１乃至請求項６のいずれかに記載の回路パターン形成方法を用いて回路パターンが形成されたことを特徴とする回路板。A circuit board, wherein a circuit pattern is formed by using the circuit pattern forming method according to claim 1.