JP2020161524A - 絶縁回路基板の製造方法及びその絶縁回路基板 - Google Patents
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Abstract
Description
このため、接合後に回路層の表面を過硫酸や塩化鉄水溶液等で洗浄することが行われるが、ろう染みを十分に除去することは難しい。
そして、この二次洗浄で塩化銅を洗浄した後、表面を硫酸、過硫酸塩、硫酸と過酸化水素の混合液のいずれか一つ以上を含む水溶液で洗浄することにより、銅層を平滑な表面に形成することができる。
なお、銅層がろう付け後のエッチングによりパターン化される場合は、周縁部が除去されるので、ろう染みの問題は発生しない。銅層の厚さが大きくなると、エッチングに時間がかかり不経済であるため、回路層の場合は予め回路パターンに形成した銅板を接合する方が経済的である。このように銅層をエッチングしない場合として、銅層の厚さが0.1mm以上の場合に本発明を用いると効果的であり、0.5mm以上の場合にさらに効果的である。
本実施形態の絶縁回路基板は電源回路に用いられるパワーモジュール用基板である。このパワーモジュール用基板10は、図2に示すように、セラミックス基板11と、そのセラミックス基板11の一方の面に形成された回路層12と、セラミックス基板11の他方の面に形成された放熱層13と、を有している。
このパワーモジュール用基板10は、図1に示すように、銅板等作製工程、接合工程、1次洗浄工程、2次洗浄工程、3次洗浄工程の順に製造される。以下、工程順に説明する。
回路層12及び放熱層13を形成するための銅板12´,13´をプレス加工等によって打抜き形成する。この場合、回路層12となる銅板12´は、回路層12としての所定のパターン形状を有している。
また、これら回路層12及び放熱層13が形成されるセラミックス基板11を用意する。または、複数のセラミックス基板11に分割可能なスクライブラインを形成したセラミックス板を用意する。この複数のセラミックス基板11に分割可能なセラミックス板を用いる場合、最終的には、回路層12及び放熱層13を有する個々のセラミックス基板11に分割されるが、後述の接合工程及び各洗浄工程は単独のセラミックス基板11に対するものと同様であるので、以下では、セラミックス基板11に回路層12及び放熱層13を形成するものとして説明する。
図3に示すように、セラミックス基板11の両面にろう材21,22を介して銅板12´,13´を配置し、これらを積層する。ろう材21,22としては、Ag−Ti又はAg−Cu−Tiからなるろう材が用いられる。このろう材21,22は、箔の形態で供給されるが、スクリーン印刷法等によってセラミックス基板11にろう材のペーストを塗布することによって形成してもよい。
この場合、各ろう材21,22とも、接合する銅板12´,13´の外形と同じか、それよりわずかに大きい外形に形成されることが好ましい。これらろう材21,22の厚さは10μm以上300μm以下とされる。
前述したろう染みは、パワーモジュール用基板11と銅板12´,13´との接合時に、溶融状態のろう材がセラミックス基板11と銅板12´,13´との間からはみ出して銅板12´,13´の側面を伝って這い上がることにより回路層12及び放熱層13の表面に形成され、後述の洗浄工程によっても大部分が除去される。
接合工程後のパワーモジュール用基板10の銅層(回路層12及び放熱層13)表面を1次洗浄液で洗浄する。
1次洗浄液としては、塩化鉄又は塩化銅の水溶液が用いられる。塩化鉄としては、塩化鉄(III)(FeCl3)を用いることが好ましい。塩化銅としては塩化銅(II)(CuCl2)を用いることが好ましい。
また、容量比率等が限定されるものではないが、塩化鉄水溶液としては、例えば30質量%以上45質量%以下のFeCl3水溶液、塩化銅水溶液としては、例えば15質量%以上25質量%以下のCuCl2と3質量%以上15質量%以下のHClとの混合水溶液が用いられる。
この1次洗浄液を30℃以上60℃以下の温度に保持して、パワーモジュール用基板10を0.5分以上10分以下の時間浸漬する。
この1次洗浄により、銅層の表面が洗浄され、回路層12及び放熱層13の表面に形成されていたろう染みは、その全部または大部分が除去される。なお、回路層12及び放熱層13の側面には、固化したろう材が存在しているが、固化したろう材は厚く形成されているため、1次洗浄工程後もその一部が残存している場合もあるが、影響はない。
1次洗浄工程後に、銅層の表面を2次洗浄液で洗浄する。
2次洗浄液としては、塩化鉄及び塩化銅以外の塩化物、アンモニア、シアン化物、チオ硫酸塩のいずれか一つ以上を含む水溶液が用いられる。
塩化鉄及び塩化銅以外の塩化物としては、金属元素の塩化物や塩酸を用いることができる。金属元素の塩化物としては、例えば、Li、Na、K、Be、Mg、Ca、Sr、Ba、Alの塩化物を用いることができる。
シアン化物としては、シアン化ナトリウム、シアン化カリウム、シアン化カルシウム、シアン化マグネシウム等があげられる。
チオ硫酸塩としては、チオ硫酸ナトリウム、チオ硫酸カリウム、チオ硫酸アンモニウム等があげられる。
なお、容量比率等が限定されるものではないが、例えば1質量%以上35質量%以下の塩酸、1質量%以上30質量%以下の塩化カリウム水溶液、1質量%以上30質量%以下のアンモニア水溶液等が用いられる。
この2次洗浄液を15℃以上40℃以下の温度に保持して、パワーモジュール用基板10を0.5分以上10分以下の時間浸漬する。
1次洗浄後に、その洗浄液である塩化鉄又は塩化銅により、銅層表面の銅が酸化される過程で発生した塩化銅、特に塩化銅(I)が銅層の表面に残存する場合があり、この塩化銅は水に溶けにくい。このため、2次洗浄により、銅層表面に残存した塩化銅を錯体化し、溶けやすくする。
2次洗浄後に、銅層の表面を3次洗浄液で洗浄する。
3次洗浄液としては、硫酸、過硫酸塩、硫酸と過酸化水素の混合液のいずれか一つ以上を含む水溶液が用いられる。過硫酸塩としては過硫酸ナトリウム、過硫酸カリウム、過硫酸アンモニウム等が挙げられる。容量比率等が限定されるものではないが、3質量%以上30質量%以下の硫酸水溶液、3質量%以上30質量%以下の過硫酸塩水溶液、1質量%以上15質量%以下の過酸化水素水と3質量%以上20質量%以下の硫酸との混合水溶液が用いられる。
この3次洗浄液を15℃以上40℃以下の温度に保持して、パワーモジュール用基板10を0.5分以上10分以下の時間浸漬する。
この3次洗浄工程により、銅層(回路層12及び放熱層13)が平滑な表面に形成される。
このようにして3次洗浄まで終了したパワーモジュール用基板10は、回路層12及び放熱層13とも表面にろう染みがなく、ろう染みの除去に用いた洗浄液に起因する塩化物も残存していないため、表面にめっき膜を形成する場合のめっき膜の密着性に優れたものとなる。また、はんだ濡れ性、ボンディングワイヤや封止樹脂の密着性も良好となる。
実施形態ではセラミックス基板の両面に銅層が形成されているものとしたが、少なくとも回路層としての銅層が形成されていればよい。
また、各洗浄液にパワーモジュール用基板を浸漬するものとしたが、洗浄液を銅層にスプレー等で供給する場合も含むものとする。
実施形態ではパワーモジュール用基板として説明したが、パワーモジュール用基板以外の絶縁回路基板に適用可能である。
表中、1次洗浄工程及び3次洗浄工程の洗浄液は以下の通りとした。
「塩化鉄」:42質量%FeCl3水溶液
「塩化銅」:21質量%CuCl2と9質量%HClとの混合水溶液
「硫酸+過酸化水素」:15質量%硫酸と2質量%の過酸化水素との混合水溶液
「硫酸」:10質量%の硫酸水溶液
「過硫酸ナトリウム」:15質量%過硫酸ナトリウム水溶液
また、2次洗浄工程には、表1の各欄に記載の薬液とした。各洗浄の後には接合体を純水で洗浄した。
この洗浄工程においては、1次洗浄を42℃の温度で2分、2次洗浄を常温(25℃)で1分、3次洗浄を常温(25℃)で1分施した。表1中「−」は、その工程の洗浄を行わなかったことを示す。
銅層表面の塩素及び銅の濃度の測定は、走査型電子顕微鏡(SEM)を用いたエネルギー分散型X線分光法(EDX)により、銅層表面から放出される特性X線を元素分析して測定した。銅層の表面の任意の15か所について、CuとClの定量値(at%)の比(Cl/Cu)を測定し、その平均を求めた。各条件ごとに15枚の接合体の銅層についてそれぞれ測定し、その平均値を求め、その値を表面の塩素/銅濃度比とした。
銅層表面を上から目視し、黒色となっている領域(黒色部)をろう染みとみなし、銅層の端部から、黒色部と黒色部以外の領域との境までの距離を各辺について測定した。最も距離の大きかった箇所をろう染みの幅Wとし、各条件ごとに15枚の接合体について測定し平均値を求めた。その幅が50μm以下の場合に「A」、50μmを超えていた場合に「B」と評価した。
変色については、接合体を温度60℃、湿度30%の恒温恒湿環境下に100時間放置し、銅層表面に銅層よりも濃い茶色の領域が観察されるか、または、白色のムラが観測された場合を「B」、それ以外の場合を「A」と評価した。
これらの結果を表2に示す。
これに対して、比較例1は2次洗浄を施さなかったため、銅層表面の塩素/銅濃度比が0.45を超えており、変色が生じた。比較例2は1次洗浄を施さなかったため、ろう染みが生じた。
11 セラミックス基板
12 回路層(銅層)
13 放熱層(銅層)
12´,13´ 銅板
21,22 ろう材層
Claims (2)
- セラミックス基板と銅又は銅合金からなる銅板とをろう材を介して接合してセラミックス基板の表面に銅層を形成する接合工程と、接合工程後に前記銅層の表面を塩化鉄又は塩化銅を含む水溶液によって洗浄する一次洗浄工程と、該一次洗浄工程後に前記銅層の表面を、塩化鉄及び塩化銅以外の塩化物、アンモニア、シアン化物、チオ硫酸塩のいずれか一つ以上を含む水溶液で洗浄する二次洗浄工程と、前記二次洗浄工程の後に、硫酸、過硫酸塩、硫酸と過酸化水素の混合液のいずれか一つ以上を含む水溶液で洗浄する三次洗浄工程を有することを特徴とする絶縁回路基板の製造方法。
- セラミックス基板の表面に銅層がろう付けされてなる絶縁回路基板であって、前記銅層の表面に形成されたろう染みは前記銅層の端部からの幅が50μm以下であり、前記銅層の表面の塩素/銅濃度比が0.45以下であることを特徴とする絶縁回路基板。
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