JP2005294668A - 金属−セラミックス接合基板及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】金属−セラミックス接合基板に、接合基板の小型化に寄与する構造の画像認識用位置決めマーカーを形成する。
【解決手段】セラミックス基板２の少なくとも一方の面に厚さｔが０．２ｍｍ以上の金属層３を形成し、位置決めマーカーとして、金属層表面に深さｄが０．１５ｍｍ以上、金属層表面開口部の直径ａが１．５ｍｍ以下、金属層表面開口部の直径ａと底部の直径ｂの差が０．２０ｍｍ以下、且つ凹状部底部の金属層の厚さｃが０．０５ｍｍ以上のサイズの、貫通しない凹状部をミリング加工により形成する。
【選択図】図３

Description

本発明は、特にパワーモジュールなどに使用される、チップ等の実装に好適な回路基板材料および回路基板材料の製造方法に関するものである。さらには、画像認識装置を用いてチップ等を実装する上で、位置の基準（原点）となるマーカー及びその作製に関するものである。

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・高能率部品などの実装のため、パワーデバイス搭載用回路基板及びそれを用いたパワーモジュールの開発改良が盛んに行われてきている。このような回路基板材料としては、電気的絶縁性に優れたセラミックス板等、絶縁体の一方の主面に回路形成用の金属層を、また他方の主面にヒートシンク（放熱用）用の金属層を形成した金属−絶縁体複合部材が用いられている。また、この種の回路基板材料に対する回路パターン、チップ部品搭載においては、回路パターンの一部に画像認識装置の位置決めの基準となる位置決めマーカー、即ち金属回路板の一部に円形の穴等を設け、予め記憶された回路形状などのデータと照合して、それらをもとにチップ部品の搭載を正確な位置に自動的に行っている。

特開平４−３４３２８７

近年より電車向け用途等で大電力を扱うために金属層を厚くしたり、また自動車搭載用途等で回路基板の信頼性の向上や軽量化のために銅系からアルミニウム系の材料に変更するために、Ｃｕと比べると劣る電気特性や放熱特性を向上させるためアルミニウム系材料の金属層を厚くした回路基板が増えてきている。
一方、同時にパワーモジュール等の小型化が要請され、回路基板も小型化の要請が強い。

回路基板にチップ等を搭載する上で、例えば、従来はエッチングによって、回路側金属板に絶縁基板（セラミックス基板）まで貫通した円形やスリット形状の穴を開け、金属板とセラミックス板との光の反射の差を画像処理装置により２値化して凹状部を認識して、チップ等を搭載する上で、位置決めの基準（位置決めマーカー）としていた。
この穴やスリットは、エッチングにより作成しているが、前述のように金属層が厚くなると、比較的大きな穴を開ける必要があった。すなわちエッチングで作製した穴の場合、金属表面の開口部の直径または幅と、底部の直径または幅の差がおおきいため（エッチングファクターという）、その分を回路パターンの設計に盛り込む必要があるため、回路基板の小型化が困難であった。さらには、穴やスリットを小さくしようとすると、前記エッチングファクターによりセラミックスに到達させることが困難であった。
一方、エッチングにより貫通させない穴をあけることも可能であるが、エッチングで作製した穴の場合、エッチングファクターにより、穴の側面からの反射があり前記画像処理を行っても、穴が位置決めマーカーとして判別できない場合があった。

穴をあける別の方法として、ミリングする機械的な方法があるが金属−セラミックス回路基板の場合は行われていない。なぜなら、金属層にミリング加工しセラミックス基板まで貫通穴をあけると、必ずセラミックスが割れ、回路基板として使用できないという問題がある。

発明者は前記課題を解決するために鋭意研究を行い、以下の発明を完成させた。
すなわち、金属層に所定寸法の貫通しない凹状部を設けることによる。貫通しないの凹状部はミリングにより形成することが好ましく、一定の厚さの金属層を残すことてセラミックス基板が割れることを防止する。また、貫通しないの凹状部は光学的な画像認識において、金属層の表面と金属層である凹状部の底部との差を判別する必要があり、従来の金属層表面とセラミックス基板の差を判別するのに比べ困難である。しかしながら、凹状部を所定の寸法に制御することでこれも解決することができた。

すなわち請求項１の発明は、セラミックス基板の少なくとも一方の面に金属層が形成された金属−セラミックス接合基板において、該金属層の厚さｔが０．２ｍｍ以上であり、該金属層表面にセラミックス基板まで貫通しない凹状部を有しており、該凹状部の深さｄが０．１５ｍｍ以上、該凹状部の金属層表面開口部の直径または幅ａが１．５ｍｍ以下、該凹状部の金属層表面開口部の直径または幅ａと底部の直径または幅ｂの差が０．２０ｍｍ以下であり、且つ該凹状部底部の金属層の厚さｃが０．０５ｍｍ以上であることを特徴とする、金属−セラミックス接合基板である。

請求項２の発明は、前記金属層の厚さｔが０．３ｍｍ以上であることを特徴とする、請求項１に記載の金属−セラミックス接合基板である。

請求項３の発明は、前記金属層の厚さｔが０．４ｍｍ以上であることを特徴とする、請求項１に記載の金属−セラミックス接合基板である。

請求項４の発明は、前記凹状部の深さｄが０．２５ｍｍ以上であることを特徴とする、請求項１〜３に記載の金属−セラミックス接合基板である。

請求項５の発明は、前記凹状部の金属層表面開口部の直径または幅ａが１．１ｍｍ以下であることを特徴とする、請求項１〜４に記載の金属−セラミックス接合基板である。

請求項６の発明は、前記凹状部の金属層表面開口部の直径または幅ａが０．７ｍｍ以下であることを特徴とする、請求項１〜５に記載の金属−セラミックス接合基板である。

請求項７の発明は、前記凹状部底部の金属層の厚さｃが０．１ｍｍ以上であることを特徴とする、請求項１〜６に記載の金属−セラミックス接合基板である。

請求項８の発明は、前記凹状部の金属層表面開口部の直径または幅ａと底部の幅または直径ｂの差が０．１５ｍｍ以下であることを特徴とする、請求項１〜７に記載の金属−セラミックス接合基板である。

請求項９の発明は、前記凹状部の金属層表面開口部の形状が、円形またはスリット形状であることを特徴とする、請求項１〜８に記載の金属−セラミックス接合基板である。

請求項１０の発明は、前記凹状部を、画像認識処理の位置決めマーカーとして利用するを特徴とする、請求項１〜９に記載の金属−セラミックス接合回路基板である。

請求項１１の発明は、請求項１〜１０に記載の凹状部を、ミリング加工により作製することを特徴とする、金属−セラミックス接合回路基板の製造方法である。

金属−セラミックス接合基板の金属層に、比較的小さい所定サイズの貫通しない凹状部を形成することにより、画像処理装置がそれを認識しチップ等の搭載の基準とすることができるとともに、金属−セラミックス接合基板を小型化することができる。また、凹状部に所定の厚さの金属層を残すことにより、ミリング加工を行う場合にもセラミックスの割れを防止することができる。さらには、金属層の厚さが比較的大きくなってもミリング加工により、前記所定のサイズの貫通しない凹状部を作製することができる。

本発明は、金属−セラミックス接合基板において、金属層の表面に貫通しない凹状部を有しており、該金属層の厚さｔが０．２ｍｍ以上であり、該凹状部の深さｄが０．１５ｍｍ以上、該凹状部の金属層表面開口部の直径または幅ａが１．５ｍｍ以下、該凹状部の金属層表面開口部の直径または幅ａと底部の直径または幅ｂの差が０．２０ｍｍ以下であり、且つ該凹状部底部の金属層の厚さｃが０．０５ｍｍ以上であることを特徴とする。

該凹状部において、深さｄが０．１５ｍｍ以上であり、直径または幅ａが１．５ｍｍ以下、金属層表面の開口部の直径または幅ａと底部の直径または幅ｂの差が０．２０ｍｍ以下であることが必要である。
これらのいずれか一つが範囲外であると、画像認識装置用の位置決めマーカー（基準）として、光学的に金属層の表面と凹状部を区別して認識することが困難となるからである。凹状部の形状は、画像認識装置が認識できる程度にその直径または幅が小さく、且つ深い方が良い。よって、該凹状部の金属層表面開口部の直径または幅ａが１．５ｍｍ以下、好ましくは１．１ｍｍ以下、さらに好ましくは０．７ｍｍ以下、さらに好ましくは０．５ｍｍ以下であり、また、凹状部の深さｄは０．１５ｍｍ以上、好ましくは０．２５ｍｍ以上である。

該凹状部の、金属層表面の開口部の直径または幅ａと、底部の直径または幅ｂの差が大きいと、該凹状部の側面からも光が反射することで、金属層表面と該凹状部からの光の反射の区別がつきにくくなり、マーカーとして認識が難しくなる場合がある。したがって、該凹状部の金属層開口部の直径または幅ａと底部の直径または幅ｂの差が０．２０ｍｍ以下であり、さらに好ましくは０．１５ｍｍ以下であり、さらに好ましくは０．１０ｍｍ以下である。

凹状部はミリング加工によって形成することが好ましい。しかしながら、ミリング加工のような機械的加工を行うことはセラミックスの割れを発生させるおそれがあるため、信頼性を必要とする金属−セラミックス接合基板に従来は実施されることはなかった。本発明においては、一定以上の厚さを残すことでセラミックスの割れ発生を防止できることを見出した。すなわち、該凹状部底部の金属層の厚さｃを０．０５ｍｍ以上、好ましくは０．１以上とすることである。

ミリング加工において、セラミックス基板が露出するまで加工すると、エンドミルとセラミックスが接触し割れが発生する。接触しないように、セラミックスの表面から金属層の厚さが０．０５ｍｍより小さくなるように、ミリング加工機で加工してもセラミックスは割れてしまう。これは、主にセラミックス基板には反りやうねりがあること及びミリング加工時の振動等の影響によると考えている。しかしながら、金属層をセラミックス基板表面から０．０５ｍｍ以上、好ましくは０．１ｍｍ以上残すようにミリング加工機で加工すると、セラミックスの割れの発生は抑制される。よって、前記凹状部の金属層の厚さｃを０．０５ｍｍ以上、好ましくは０．１ｍｍ以上とすることが必要である。この加工のために、３次元の位置制御機能を有するミリング加工装置を使用することが好ましい。
なお、金属層表面開口部の凹状部の形状は、円形やスリット形状が上記ミリング加工をする上で好ましい。スリット形状とは四角形で比較的細長いもの或いはそれに近い形状をいうが、本発明の場合正方形やそれに近い形状のものも含むものとする。

従来このような円形やスリット形状の凹状部の加工は、金属−セラミックス接合基板の場合、金属層表面に所定形状の大きさのエッチングマスクを形成し、エッチング液によりエッチング加工することがなされていた。しかしながら、本発明のような直径又は幅が小さく深いサイズの凹状部の形状はエッチング加工では非常に困難である。さらには、エッチング加工の特徴として凹状部の側面部は傾斜がつき、すなわち金属層表面の開口部と底部の直径または幅に大きな差が発生するため、前記寸法形状の貫通しない凹状部を形成することができなかった。

詳しくは、エッチング法については、例えば０．５ｍｍの厚さの金属層に直径０．５ｍｍの凹状部を形成するとエッチングファクターの関係で穴の形状がすりばち状になり、凹状部の側面からも光を反射しやすく、画像処理による金属層表面からの光の反射と凹状部からの光の反射を２値化しても区別が困難になり、さらに金属板の厚さが０．５ｍｍで０．３５ｍｍの直径の本発明の凹状部を形成することは、前記エッチングファクターを考えるとエッチングマスクの凹状部に対応する開口部分をを小さくする必要があり、本発明の深さを実現することはできない。即ち、深くエッチングをすると開口部が大きくなり、開口部を０．３５ｍｍをねらってエッチングすると、凹状部の深さ及び開口部と底部の直径の差を本発明の範囲に入れることはできないからである。
しかしながら、エッチングマスクを極端に小さくすることやエッチング液その他条件の変更などで、本発明の凹状部のサイズの範囲内に入れば、エッチング法で作製した本発明の金属−セラミックス基板を否定するものではない。

一方、近年大電力化や銅系材料からアルミニウム系材料に金属層が変わること等で、金属層の厚さの比較的大きなものが求められている。よって、金属層の厚さが０．３ｍｍ以上、好ましくは０．４ｍｍ以上のときに、本発明は特に有効になる。すなわち、該凹状部が小さく深く、また、その側面が金属層表面に対して９０°に近いもの（金属表面開口部の直径または幅ａと底部の直径または幅ｂとの差が０．２０ｍｍ以下）を作製するためにミリング加工を行い、該凹状部を形成するのである。
また、金属層の厚さが薄い側（下限）は０．２ｍｍであり、これより小さいと前記サイズの凹状部の形成ができない。

また、金属層として電気伝導性および熱伝導性から銅やアルミニウムさらにはそれらの合金が主として使用されることが好ましい。また、セラミックスとしては窒化アルミニウム、アルミナ、窒化珪素、炭化珪素などがそれぞれの特徴に合わせて、回路基板が設計され使用されるのが好ましい。

本発明の金属−セラミックス接合基板は、例えば以下の方法によって製造することができる。セラミックス基板の両面に金属板を直接接合、ろう材接合法、溶湯接合法等によって形成する。この金属板の一方の面の上に回路パターン状のエッチングレジストを、もう一方の面には放熱板を形成するためのベタ形状のエッチングレジストをスクリーン印刷等の方法により形成する。その後エッチングで回路パターン以外の金属層を除去し、エッチングレジストを除去して回路を作製する。
その後、金属板の所定の位置に、ミリング加工機によりセラミックス基板まで貫通しない凹状部（円形、スリット形状の穴）を形成するのである。
なお、金属−セラミックス接合基板の意味とは、金属層が少なくともセラミックスの一方の面に接合されており、該金属層に半導体チップ等の電子部品が搭載され回路が形成されることが特徴であって、それ以外は特に制限はない。即ち、もう一方の面の放熱部がセラミックスより大きいいわゆるベース板であってもよいし、また平板状でなく放熱フィン形状などでもかまわない。

図１は本発明の凹状部を形成した金属−セラミックス基板の上面図であり、図２はＡ−Ａ断面図、図３は凹状部の拡大図である。
図３のａは凹状部の金属層開口部の直径または幅を示しており、ｂは該凹状部の底部の直径または幅を示している。また、ｄは該凹状部の深さ、ｃは該凹状部底部の金属層の厚さ、ｔは金属層の厚さを示す。なお、ｔは凹状部を形成する側の金属層の厚さとする。

［実施例１］
サイズが２６ｍｍ×５１ｍｍ×０．６３５ｍｍの窒化アルミニウム基板の両面に、溶湯接合法でそれぞれ０．６ｍｍの厚さのアルミニウム層を接合した。その後、回路パターン形状及び放熱パターン形状のエッチングマスクをアルミニウム層表面上に印刷し、エッチングにより回路を形成し、その後、エッチングマスクを除去し接合基板を作製した。
次に３次元の位置制御のできるミリング装置により、回路基板中の所定の場所に直径０．６ｍｍで深さ０．４ｍｍの貫通しない円形の凹状部を狙い作製した。これを画像認識させたところ、充分マーカーとして使用できることがわかった。また、このときセラミックスに割れの発生はなかった。
さらに、凹状部の形状を調査するために、凹状部の部分について、接合基板切断、断面研磨を行い、形状を光学顕微鏡で実測した。
このとき、アルミニウム層表面開口部の直径ａは０．７０ｍｍで、底部の直径ｂは０．５７ｍｍであり、その差（ａ−ｂ）は０．１３ｍｍであった。

［実施例２］
直径が０．４ｍｍで深さ０．４ｍｍの貫通しない円形の凹状部を狙った以外は実施例１記載の金属−セラミックス回路基板と同じサンプルを作製した。これを画像認識させたところ、充分マーカーとして使用することができた。また、このときセラミックスに割れの発生はなかった。
実施例１と同様に凹状部の断面形状を調査したところ、アルミニウム層表面開口部の直径ａは０．５２ｍｍで、底部の直径ｂは０．３７ｍｍであり、その差（ａ−ｂ）は０．１５ｍｍであった。

［比較例１］
実施例１と同様の方法で、凹状部を作製する前の接合基板を作製した。
その後、直径が０．４ｍｍで深さ０．４ｍｍの貫通しない円形の凹状部を作製するために、エッチングレジストをアルミニウム層表面にスクリーン印刷し、開口部が０．４ｍｍになるようにエッチングレジストの形状及びエッチング条件を調節した。
その結果、凹状部が深く作製できず且つテーパーを持つ為、画像認識において穴の内部からも反射が大きくマーカーとして認識できなかった。
実施例１と同様に凹状部の断面形状を調査したところ、アルミニウム層表面開口部の直径ａは０．４５ｍｍで、底部の直径ｂは凹状部の形状がすり鉢状にテーパーがついていたため、測定できなかった。また、凹状部の深さ、即ちアルミニウム層表面からすり鉢形状の頂部までは０．２ｍｍであった。

は本発明の金属−セラミックス接合基板の上面図である。 は図１のＡ−Ａ断面図である。 は図２の凹状部拡大図である。

符号の説明

１．金属−セラミックス接合基板
２．セラミックス基板
３．金属層（回路側）
４．金属層（放熱側）
５．凹状部（円形）
６．凹状部（スリット形状）
ａ：凹状部の金属層開口部の直径または幅
ｂ：凹状部の底部の直径または幅
ｃ：凹状部底部の金属層の厚さ
ｄ：凹状部の深さ
ｔ：金属層の厚さ

Claims (11)

1. セラミックス基板の少なくとも一方の面に金属層が形成された金属−セラミックス接合基板において、該金属層の厚さｔが０．２ｍｍ以上であり、該金属層表面にセラミックス基板まで貫通しない凹状部を有しており、該凹状部の深さｄが０．１５ｍｍ以上、該凹状部の金属層表面開口部の直径または幅ａが１．５ｍｍ以下、該凹状部の金属層表面開口部の直径または幅ａと底部の直径または幅ｂの差が０．２０ｍｍ以下であり、且つ該凹状部底部の金属層の厚さｃが０．０５ｍｍ以上であることを特徴とする、金属−セラミックス接合基板。
2. 前記金属層の厚さｔが０．３ｍｍ以上であることを特徴とする、請求項１に記載の金属−セラミックス接合基板。
3. 前記金属層の厚さｔが０．４ｍｍ以上であることを特徴とする、請求項１に記載の金属−セラミックス接合基板。
4. 前記凹状部の深さｄが０．２５ｍｍ以上であることを特徴とする、請求項１〜３に記載の金属−セラミックス接合基板。
5. 前記凹状部の金属層表面開口部の直径または幅ａが１．１ｍｍ以下であることを特徴とする、請求項１〜４に記載の金属−セラミックス接合基板。
6. 前記凹状部の金属層表面開口部の直径または幅ａが０．７ｍｍ以下であることを特徴とする、請求項１〜５に記載の金属−セラミックス接合基板。
7. 前記凹状部底部の金属層の厚さｃが０．１ｍｍ以上であることを特徴とする、請求項１〜６に記載の金属−セラミックス接合基板。
8. 前記凹状部の金属層表面開口部の直径または幅ａと底部の直径または幅ｂの差が０．１５ｍｍ以下であることを特徴とする、請求項１〜７に記載の金属−セラミックス接合基板。
9. 前記凹状部の金属層表面開口部の形状が、円形またはスリット形状であることを特徴とする、請求項１〜８に記載の金属−セラミックス接合基板。
10. 前記凹状部を、画像認識処理の位置決めマーカーとして利用することを特徴とする、請求項１〜９に記載の金属−セラミックス接合基板。
11. 請求項１〜１０に記載の凹状部を、ミリング加工により作製することを特徴とする、金属−セラミックス接合基板の製造方法。

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