JP3354002B2 - 回路基板の製造方法 - Google Patents
回路基板の製造方法Info
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、金属回路がセラミック
基板の片面のみに形成されておりその反対面には放熱金
属板のない回路基板の製造方法に関する。
基板の片面のみに形成されておりその反対面には放熱金
属板のない回路基板の製造方法に関する。
【０００２】近年、ロボットやモーター等の産業機器の
高性能化にともない、大電力・高効率インバーター等大
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
く放散させるため、大電力モジュール基板では従来より
様々な方法がとられてきた。最近では、良好な熱伝導を
有するセラミック基板が利用できるようになったため、
セラミック基板の表裏両面に銅板等の金属板を接合し、
エッチングによって一方の面に金属回路、他方の面に放
熱金属板を形成した後、そのままあるいはメッキ等の処
理を施してから金属回路部分に半導体素子を実装し、反
対面をベース銅板と半田付けしヒートシンクに取り付け
て使用されている。
高性能化にともない、大電力・高効率インバーター等大
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
く放散させるため、大電力モジュール基板では従来より
様々な方法がとられてきた。最近では、良好な熱伝導を
有するセラミック基板が利用できるようになったため、
セラミック基板の表裏両面に銅板等の金属板を接合し、
エッチングによって一方の面に金属回路、他方の面に放
熱金属板を形成した後、そのままあるいはメッキ等の処
理を施してから金属回路部分に半導体素子を実装し、反
対面をベース銅板と半田付けしヒートシンクに取り付け
て使用されている。
【０００３】金属とセラミックスを接合する方法には種
々あるが、回路基板の製造という点からは活性金属ろう
付け法、ＤＢＣ法が一般的である。特に大電力モジュー
ル基板では高熱伝導性の窒化アルミニウム基板が使用さ
れており、窒化アルミニウム基板と銅板の接合方法とし
ては、両者の間に活性金属を含むろう材を介在させ加熱
処理して接合体とする活性金属ろう付け法（例えば特開
昭６０−１７７６３４号公報）や、表面を酸化処理した
窒化アルミニウム基板と銅板を銅の融点以下でＣｕＯ−
Ｏの共晶温度以上で加熱接合するＤＢＣ法（例えば特開
昭５６−１６３０９３号公報）がある。
々あるが、回路基板の製造という点からは活性金属ろう
付け法、ＤＢＣ法が一般的である。特に大電力モジュー
ル基板では高熱伝導性の窒化アルミニウム基板が使用さ
れており、窒化アルミニウム基板と銅板の接合方法とし
ては、両者の間に活性金属を含むろう材を介在させ加熱
処理して接合体とする活性金属ろう付け法（例えば特開
昭６０−１７７６３４号公報）や、表面を酸化処理した
窒化アルミニウム基板と銅板を銅の融点以下でＣｕＯ−
Ｏの共晶温度以上で加熱接合するＤＢＣ法（例えば特開
昭５６−１６３０９３号公報）がある。
【０００４】活性金属ろう付け法は、ＤＢＣ法に比べて
（１）上記接合体を得るための処理温度が低いので窒化
アルミニウム基板と銅板の熱膨張差によって生じる残留
熱応力が小さい、（２）ろう材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、等の利点がある。
（１）上記接合体を得るための処理温度が低いので窒化
アルミニウム基板と銅板の熱膨張差によって生じる残留
熱応力が小さい、（２）ろう材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、等の利点がある。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、活性金
属ろう付け法を用いてもヒートショックやヒートサイク
ル等の熱衝撃、熱履歴によって生じる損傷に対して十分
な耐久性があるとはいえず新しい技術の提案が待たれて
いた。そこで、金属回路の体積を放熱金属板の体積の５
０〜９０％にしたり（特開昭６３−２４８１５号公
報）、金属放熱板の厚みを金属回路の厚みの５０％以下
とする（特開平５−１７０５６４号公報）ことによりあ
る程度は改善された。
属ろう付け法を用いてもヒートショックやヒートサイク
ル等の熱衝撃、熱履歴によって生じる損傷に対して十分
な耐久性があるとはいえず新しい技術の提案が待たれて
いた。そこで、金属回路の体積を放熱金属板の体積の５
０〜９０％にしたり（特開昭６３−２４８１５号公
報）、金属放熱板の厚みを金属回路の厚みの５０％以下
とする（特開平５−１７０５６４号公報）ことによりあ
る程度は改善された。
【０００６】ところが、これらの技術においては、金属
回路と放熱金属板の材質は共に銅であるので両者の体積
を変えるということは熱膨張による応力のバランスを異
なったものとすることと同等である。その結果、接合体
自体の耐熱衝撃性は良好となり、金属回路又は放熱金属
板がセラミック基板から剥離することが少なくなった
が、放熱金属板にヒートシンクを取り付けるためのベー
ス銅板や、金属回路に半導体素子を半田付けする際の急
激な温度上昇によって回路基板の反りの変位量が著しく
なって放熱金属板とベース銅板との間に隙間ができ、そ
の部分が半田付け後にボイドとなる危険性があった。
回路と放熱金属板の材質は共に銅であるので両者の体積
を変えるということは熱膨張による応力のバランスを異
なったものとすることと同等である。その結果、接合体
自体の耐熱衝撃性は良好となり、金属回路又は放熱金属
板がセラミック基板から剥離することが少なくなった
が、放熱金属板にヒートシンクを取り付けるためのベー
ス銅板や、金属回路に半導体素子を半田付けする際の急
激な温度上昇によって回路基板の反りの変位量が著しく
なって放熱金属板とベース銅板との間に隙間ができ、そ
の部分が半田付け後にボイドとなる危険性があった。
【０００７】本発明は、以上の問題を解消することを目
的とするものであり、放熱金属板をなくした回路基板の
セラミック基板部分をベース銅板に半田付けすることな
く直接ヒートシンクに取り付けても回路基板に反り等の
問題の起こらない回路基板の製造方法を提供するもので
ある。
的とするものであり、放熱金属板をなくした回路基板の
セラミック基板部分をベース銅板に半田付けすることな
く直接ヒートシンクに取り付けても回路基板に反り等の
問題の起こらない回路基板の製造方法を提供するもので
ある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】すなわち、本発明は、金
属回路がセラミック基板の片面のみに形成されており、
その反対面には放熱金属板のない回路基板を製造するに
あたり、セラミック基板の表裏両面に金属板を接合した
後、エッチングによって一方の金属板に金属回路を形成
させると共にその反対面の金属板の全てを取り去ること
を特徴とする回路基板の製造方法である。
属回路がセラミック基板の片面のみに形成されており、
その反対面には放熱金属板のない回路基板を製造するに
あたり、セラミック基板の表裏両面に金属板を接合した
後、エッチングによって一方の金属板に金属回路を形成
させると共にその反対面の金属板の全てを取り去ること
を特徴とする回路基板の製造方法である。
【０００９】以下、さらに詳しく本発明を説明する。
【００１０】本発明で用いられるセラミック基板の材質
としては、窒化アルミニウム、アルミナ、ベリリア等い
ずれでも良いが、好ましくは窒化アルミニウム、アルミ
ナである。その焼結密度は、機械的強度及び電気特性の
点から相対密度９５％以上であることが望ましい。
としては、窒化アルミニウム、アルミナ、ベリリア等い
ずれでも良いが、好ましくは窒化アルミニウム、アルミ
ナである。その焼結密度は、機械的強度及び電気特性の
点から相対密度９５％以上であることが望ましい。
【００１１】一方、金属回路を形成させるための金属板
の材質としては、銅、アルミニウム、タングステン、モ
リブデン等が使用されるが、銅が一般的である。金属回
路の厚みとしては、近年、電流密度が向上していく傾向
から０．３ｍｍよりも厚い方が好ましい。
の材質としては、銅、アルミニウム、タングステン、モ
リブデン等が使用されるが、銅が一般的である。金属回
路の厚みとしては、近年、電流密度が向上していく傾向
から０．３ｍｍよりも厚い方が好ましい。
【００１２】セラミック基板の一方の面に金属回路を形
成する方法としては、セラミック基板と金属板との接合
体をエッチングする方法、金属板から打ち抜かれた金属
回路をセラミック基板に接合する方法等によって行うこ
とができるが、この場合、セラミック基板の片面のみに
金属板を接合すると熱膨張係数のバランスから、得られ
た接合体の反り量が著しく大きくなってしまうので、本
発明においては、セラミック基板の表裏両面に金属板を
接合し、エッチングによって金属回路を形成すると同時
に反対側の金属板を取り去る方法を採用する。
成する方法としては、セラミック基板と金属板との接合
体をエッチングする方法、金属板から打ち抜かれた金属
回路をセラミック基板に接合する方法等によって行うこ
とができるが、この場合、セラミック基板の片面のみに
金属板を接合すると熱膨張係数のバランスから、得られ
た接合体の反り量が著しく大きくなってしまうので、本
発明においては、セラミック基板の表裏両面に金属板を
接合し、エッチングによって金属回路を形成すると同時
に反対側の金属板を取り去る方法を採用する。
【００１３】セラミック基板と金属板との接合体を製造
する方法としては、活性金属ろう付け法やＤＢＣ法等を
採用することができる。
する方法としては、活性金属ろう付け法やＤＢＣ法等を
採用することができる。
【００１４】活性金属ろう付け法におけるろう材の金属
成分は、銀と銅を主成分とし、溶融時のセラミック基板
との濡れ性を確保するために活性金属を副成分とする。
この活性金属成分は、セラミック基板と反応して酸化物
や窒化物を生成させ、それらの生成物がろう材とセラミ
ック基板との結合を強固なものにする。活性金属の具体
例をあげれば、チタン、ジルコニウム、ハフニウム、ニ
オブ、タンタル、バナジウム及びこれらの化合物であ
る。これらの比率としては、銀６９〜７５重量部と銅２
５〜３１重量部の合計量１００重量部あたり活性金属３
〜３５重量部である。
成分は、銀と銅を主成分とし、溶融時のセラミック基板
との濡れ性を確保するために活性金属を副成分とする。
この活性金属成分は、セラミック基板と反応して酸化物
や窒化物を生成させ、それらの生成物がろう材とセラミ
ック基板との結合を強固なものにする。活性金属の具体
例をあげれば、チタン、ジルコニウム、ハフニウム、ニ
オブ、タンタル、バナジウム及びこれらの化合物であ
る。これらの比率としては、銀６９〜７５重量部と銅２
５〜３１重量部の合計量１００重量部あたり活性金属３
〜３５重量部である。
【００１５】活性金属ろう付け法で使用されるろう材ペ
ーストは、上記ろう材の金属成分に有機溶剤及び必要に
応じて有機結合材を加え、ロール、ニーダ、万能混合
機、らいかい機等で混合することによって調整すること
ができる。有機溶剤としては、メチルセルソルブ、テル
ピネオール、イソホロン、トルエン等、また有機結合材
としては、エチルセルロース、メチルセルロース、ポリ
メタクリレート等が使用される。
ーストは、上記ろう材の金属成分に有機溶剤及び必要に
応じて有機結合材を加え、ロール、ニーダ、万能混合
機、らいかい機等で混合することによって調整すること
ができる。有機溶剤としては、メチルセルソルブ、テル
ピネオール、イソホロン、トルエン等、また有機結合材
としては、エチルセルロース、メチルセルロース、ポリ
メタクリレート等が使用される。
【００１６】セラミック基板と金属板との接合体から金
属回路を形成すると共に反対面の金属板を取り去るには
エッチング法が採用される。エッチングレジストとして
は、紫外線硬化型や熱硬化型が使用され、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銅液、硫酸、過酸化水素水等の溶
液が使用されるが、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
合金の場合は塩化第２鉄溶液が用いられる。
属回路を形成すると共に反対面の金属板を取り去るには
エッチング法が採用される。エッチングレジストとして
は、紫外線硬化型や熱硬化型が使用され、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銅液、硫酸、過酸化水素水等の溶
液が使用されるが、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
合金の場合は塩化第２鉄溶液が用いられる。
【００１７】
【実施例】以下、本発明を実施例と比較例をあげて具体
的に説明する。
的に説明する。
【００１８】実施例１ 窒化アルミニウム粉末９６重量部、焼結助剤（イットリ
ア）４重量部、ポリビニルブチラール６重量部、ブチル
フタレート３重量部、グリセリントリオレート１重量部
及びトルエン６０重量部をナイロンポットにて２４時間
混合した。得られたスラリーをドクターブレーディング
によりＰＥＴフィルム上に広げ、風乾後、１２０℃で３
時間乾燥して所定の厚みをもつグリーンシートを成形し
た。このグリーンシートを６０×３５ｍｍの大きさに打
ち抜き、１０枚づつ重ねてタングステンの重しを載せ、
空気中５００℃で１時間加熱して脱脂を行った後、窒素
雰囲気下、１９００℃にて１時間保持する条件で常圧焼
結して窒化アルミニウム基板を製造した。
ア）４重量部、ポリビニルブチラール６重量部、ブチル
フタレート３重量部、グリセリントリオレート１重量部
及びトルエン６０重量部をナイロンポットにて２４時間
混合した。得られたスラリーをドクターブレーディング
によりＰＥＴフィルム上に広げ、風乾後、１２０℃で３
時間乾燥して所定の厚みをもつグリーンシートを成形し
た。このグリーンシートを６０×３５ｍｍの大きさに打
ち抜き、１０枚づつ重ねてタングステンの重しを載せ、
空気中５００℃で１時間加熱して脱脂を行った後、窒素
雰囲気下、１９００℃にて１時間保持する条件で常圧焼
結して窒化アルミニウム基板を製造した。
【００１９】銀粉末７５重量部、銅粉末２５重量部、ジ
ルコニウム粉末１５重量部、テルピネオール１５重量部
及びポリイソブチルメタアクリレートのトルエン溶液を
固形分で１重量部加えて良く混練し、ろう材ペーストを
調製した。このろう材ペーストを窒化アルミニウム基板
の表裏両面に全面塗布した。その際の塗布量（乾燥後）
は６〜８ｍｇ／ｃｍ2 とした。
ルコニウム粉末１５重量部、テルピネオール１５重量部
及びポリイソブチルメタアクリレートのトルエン溶液を
固形分で１重量部加えて良く混練し、ろう材ペーストを
調製した。このろう材ペーストを窒化アルミニウム基板
の表裏両面に全面塗布した。その際の塗布量（乾燥後）
は６〜８ｍｇ／ｃｍ2 とした。
【００２０】次に、ろう材ペーストの塗布された窒化ア
ルミニウム基板の表裏両面に厚み０．５ｍｍの銅板を接
触配置してから、真空度１×１０-5Ｔｏｒｒ以下の真空
下、温度９００℃で３０分加熱した後、２℃／分の降温
速度で冷却して接合体を製造した。
ルミニウム基板の表裏両面に厚み０．５ｍｍの銅板を接
触配置してから、真空度１×１０-5Ｔｏｒｒ以下の真空
下、温度９００℃で３０分加熱した後、２℃／分の降温
速度で冷却して接合体を製造した。
【００２１】次いで、接合体の銅板上にＵＶ効果タイプ
のエッチングレジストをスクリーン印刷で片面のみに塗
布後、塩化第２銅溶液を用いてエッチング処理を行って
一方の面に銅回路を形成させると共に反対面の銅板を溶
解除去し、さらにエッチングレジストを５％苛性ソーダ
溶液で剥離した。このエッチング処理後の基板には、銅
回路間に残留不要ろう材や活性金属成分と窒化アルミニ
ウム基板との反応物があるので、それを除去するため、
温度６０℃、１０％フッ化アンモニウム溶液に１０分間
浸漬して回路基板を製作した。
のエッチングレジストをスクリーン印刷で片面のみに塗
布後、塩化第２銅溶液を用いてエッチング処理を行って
一方の面に銅回路を形成させると共に反対面の銅板を溶
解除去し、さらにエッチングレジストを５％苛性ソーダ
溶液で剥離した。このエッチング処理後の基板には、銅
回路間に残留不要ろう材や活性金属成分と窒化アルミニ
ウム基板との反応物があるので、それを除去するため、
温度６０℃、１０％フッ化アンモニウム溶液に１０分間
浸漬して回路基板を製作した。
【００２２】比較例１ ろう材ペーストを窒化アルミニウム基板の片面に塗布
し、その面のみに銅板を接触配置してから接合体を得た
こと以外は、実施例１と同様にして回路基板を製作し
た。
し、その面のみに銅板を接触配置してから接合体を得た
こと以外は、実施例１と同様にして回路基板を製作し
た。
【００２３】これら一連の処理を経て製作された回路基
板の２５℃における反り量をダイヤルゲージで測定し
た。また、ヒートサイクル（熱衝撃）試験を行った。ヒ
ートサイクル試験は、気中、−４０℃×３０分保持後、
２５℃×１０分間放置、更に１２５℃×３０分保持後、
２５℃×１０分間放置を１サイクルとして行い、回路基
板１０枚の少なくとも１枚に最初に銅板が剥離したヒー
トサイクル回数を銅板剥離開始回数として測定した。そ
れらの結果を表１に示す。
板の２５℃における反り量をダイヤルゲージで測定し
た。また、ヒートサイクル（熱衝撃）試験を行った。ヒ
ートサイクル試験は、気中、−４０℃×３０分保持後、
２５℃×１０分間放置、更に１２５℃×３０分保持後、
２５℃×１０分間放置を１サイクルとして行い、回路基
板１０枚の少なくとも１枚に最初に銅板が剥離したヒー
トサイクル回数を銅板剥離開始回数として測定した。そ
れらの結果を表１に示す。
【００２４】
【表１】 （反りの方向は銅回路面が凸の方向を−とする）
【００２５】
【発明の効果】本発明によれば、回路基板をヒートシン
クに取り付けるためのベース銅板との半田付け工程をな
くすることができ、ヒートサイクルに対する信頼性の高
い回路基板を安価に製造することができる。
クに取り付けるためのベース銅板との半田付け工程をな
くすることができ、ヒートサイクルに対する信頼性の高
い回路基板を安価に製造することができる。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平２−205096（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−170564（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−287989（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−248195（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) H05K 3/06
Claims (1)
- 【請求項１】 金属回路がセラミック基板の片面のみに
形成されており、その反対面には放熱金属板のない回路
基板を製造するにあたり、セラミック基板の表裏両面に
金属板を接合した後、エッチングによって一方の金属板
に金属回路を形成させると共にその反対面の金属板の全
てを取り去ることを特徴とする回路基板の製造方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP12367394A JP3354002B2 (ja) | 1994-06-06 | 1994-06-06 | 回路基板の製造方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP12367394A JP3354002B2 (ja) | 1994-06-06 | 1994-06-06 | 回路基板の製造方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH07336016A JPH07336016A (ja) | 1995-12-22 |
| JP3354002B2 true JP3354002B2 (ja) | 2002-12-09 |
Family
ID=14866473
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP12367394A Expired - Fee Related JP3354002B2 (ja) | 1994-06-06 | 1994-06-06 | 回路基板の製造方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3354002B2 (ja) |
-
1994
- 1994-06-06 JP JP12367394A patent/JP3354002B2/ja not_active Expired - Fee Related
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| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH07336016A (ja) | 1995-12-22 |
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