JP4930833B2

JP4930833B2 - セラミックス回路基板およびその製造方法

Info

Publication number: JP4930833B2
Application number: JP2006333383A
Authority: JP
Inventors: 卓藤田; 渡辺　　純一
Original assignee: Hitachi Metals Ltd
Current assignee: Hitachi Metals Ltd
Priority date: 2006-12-11
Filing date: 2006-12-11
Publication date: 2012-05-16
Anticipated expiration: 2026-12-11
Also published as: JP2008147446A

Description

本発明は高信頼性および高放熱性を要するパワーモジュール等に使用されるセラミックス回路基板に関する。

近年、高周波トランジスタ、パワーＩＣ等の発熱量の大きい半導体素子の発展に伴い、良好な熱伝導を有するセラミックス基板に銅やアルミニウム等の金属板を接合した、セラミックス回路基板の需要が増加している。また、上記のセラミックス回路基板を使用するインバータは小型化の一途を辿っており、よってセラミックス回路基板の小型化も要求されている。その結果、回路パターン間をより狭くすることにより微細パターン化する必要がある。

しかし、微細パターン化することによりセラミックス基板と金属板の接合に用いるろう材やエッチング後の導体残留物の一部が基板上のギャップに存在し、隣り合う回路パターン間の絶縁性が低下したり、ショートするという問題が発生した。

この問題を解決するために、エッチング処理後にろう材除去工程を行われている。ろう材除去には特許文献１などで報告されているサンドブラスト法や、特許文献２などで報告されているフッ化アンモニウム溶液を用いた方法などが行われている。しかし、サンドブラストによるろう材除去では、物理的衝撃によるセラミックス基板のクラック発生が懸念される。一方、フッ化アンモニウム溶液を用いたろう材除去では、基板へのダメージは少ないが、フッ化アンモニウム溶液は銅板も溶かすため、長時間基板を浸漬させた場合、溶液が著しく劣化し交換頻度が高くなるためコストがかかってしまう。また、銅板の溶出によりエッチング後の回路パターン寸法が更に小さくなり、目標回路パターン寸法と製品の回路パターン寸法が異なってしまう可能性などが考えられる。
特開２００２−１７１０２９号公報特開平９−１８１４２３号公報

そのため、フッ化アンモニウム溶液を用いたろう材除去を施す前に、ろう材除去を阻害するエッチング処理後の導体残留物やろう材とエッチング溶液の反応物を、酸洗浄によって取り除くことで、ろう材除去時間の短縮化が行われている。

しかし、酸洗浄溶液はセラミックス基板表面から粒界相中のガラス相（例えばＳｉＯ_２など）を溶出させる。その結果、溶出部分は空隙となった変質層がセラミックス基板表面に形成され、セラミックス基板の特長である電気絶縁性を低下させてしまうといった問題があった。変質した部分の絶縁抵抗は小さいため実質的に変質層の厚さ分だけセラミックス基板は薄くなり、とりわけセラミックス基板の厚み方向の絶縁性能を大幅に低下させてしまう。

本発明は前記問題点を解決するためになされたものであり、反応物を除去する洗浄およびろう材を除去する洗浄を施した後においても、優れた電気絶縁性を有するセラミックス回路基板を提供することを目的とする。

本発明者らは前記目的を達成するため、ろう材除去処理前の酸洗浄工程を見直した。そして、酸溶液の代わりに中性洗剤を加えた水溶液を用いた洗浄は、酸洗浄と同等の洗浄能力を有し、かつ酸洗浄のようなガラス相の溶出が起こらないという第一の知見を得た。本知見にたどり着くため、本発明者らはエッチング工程後に生成する反応生成物の性状解析を行った。その結果、反応生成物は銀もしくは銅の化合物、たとえば酸化銀や塩化銅などから成り、これらを化学的に除去するためには硫酸や塩酸などの酸性の薬液を用いた溶解が必要である。しかし、反応生成物の形態は塵状の集合体のような形状であり、反応生成物下部にあるろう材層との密着力は小さいことがわかった。そこで中性洗剤水溶液を用いた物理的な洗浄でも反応生成物を充分に除去できるという結論に至った。更に、酸洗浄に用いる酸溶液の濃度および処理時間を最適化することで、ガラス相の溶出量を減少させることができる、という第二の知見を得た。

本発明者らは、前記知見に基づいて本発明に至ったものである。すなわち本願第一の発明は、窒化珪素基板と、前記窒化珪素基板にろう材層を介して接合された金属回路板とを有するセラミックス回路基板であって、前記金属回路板はギャップによって分割されており、前記ギャップに形成される前記窒化珪素基板の表面変質層の最大厚さが１１μｍ以下であり、前記窒化珪素基板厚みが０．３５ｍｍ以下であり、前記窒化珪素基板の単位厚み当たりの絶縁耐圧がＡＣ２３．３ｋＶ／ｍｍ以上であることを特徴とし、前記表面変質層とは、前記窒化珪素基板中のガラス相が溶出することによりできるセラミックス基板の表面層であるセラミックス回路基板である。

本願第二の発明は、上記第一発明であるセラミックス回路基板の製造方法であって、窒化珪素基板にろう材層を介して金属回路板を接合して接合体を得る接合工程と、前記接合体をエッチング溶液に浸漬して金属回路板の不要部分を除去してギャップを形成し回路パターンとするパターン形成工程と、回路パターンを形成した接合体を中性洗浄液に浸漬して超音波洗浄を行い、ギャップにはみ出たろう材層を覆う前記パターン形成工程において生成したエッチング溶液とろう材の反応生成物を除去してろう材層を露出させる第一除去工程と、フッ化アンモニウム溶液で露出した前記ろう材層を除去する第二除去工程とを有することを特徴とする。

表面変質層とは、セラミックス基板が酸洗浄溶液等に曝された際にセラミックス基板中のガラス相が溶出することによりできるセラミックス基板の表面層である。この表面層はガラス相が溶出した後にできる空隙を有しており実質的に電気絶縁性に寄与しない。その結果、表面変質層を有するセラミックス基板は電気絶縁に寄与する実質的な厚さが減少したことになり絶縁耐圧が著しく低下する。本発明ではセラミックス回路基板の製造過程で化学的又は物理的影響を受けたことにより実質的に電気絶縁性に寄与しなくなった表面層をセラミックス基板の表面変質層と定義する。前記ギャップに露出しているセラミックス基板の表面変質層の最大厚さの測定方法として、ギャップに露出しているセラミックス基板の断面を１視野以上観察する。この時、分析能の観点から走査型電子顕微鏡を使用することが好ましい。なお、最大厚さに着目するのは、セラミックス基板の絶縁耐圧が当該基板の最小厚さ、即ち表面変質層の最大厚さに依存する傾向があるためである。

また、絶縁耐圧は、信頼性の観点より同一手順を用いて製造した２０枚以上のセラミックス回路基板を用いて、絶縁破壊電圧を測定し、その結果のワイブルプロットより求めた破壊確率１０ｐｐｍにおける絶縁破壊電圧の値と定義する。

本発明によれば、ろう材除去を施した後においても、優れた電気絶縁性を有するセラミックス回路基板を提供することができる。

本発明に関わるセラミックス回路基板は、例えば図1に示す手順で製造される。

接合工程（Ｓ１）
まずセラミックス基板と金属板を用意して、活性金属ろう材をスクリーン印刷法にてセラミックス基板の表面にパターン印刷する。この時、活性金属ろう材の塗布高さは、セラミックス基板と金属板との熱膨張差をより緩和させるために２０〜５０μｍ程度であることが好ましい。次に活性金属ろう材を塗布したセラミックス基板に銅板を加圧密着させ、真空中やアルゴン雰囲気のような不活性雰囲気中にて、前記活性金属ろう材の溶融温度以上で接合処理を行いセラミックス基板と金属板が一体となった接合体を得る。

パターン形成工程（Ｓ２）
その後、前記接合体にエッチング処理にてパターン外の不要な金属板の除去を行う。この際にエッチング処理後の導体残留物やろう材とエッチング溶液とが反応して生成する反応生成物がろう材層を覆うように残留する。この反応生成物はろう材除去液では除去が困難であるばかりか、ろう材除去液と回路パターンからはみ出たろう材との接触の妨げとなる。よって、回路パターンからはみ出たろう材を除去する前に、この反応生成物は除去されなければならない。

第一除去工程（Ｓ３）
次に前記の反応生成物を除去するため、回路パターン形成後の接合体に酸洗浄もしくは中性洗剤溶液中にて超音波洗浄を施す。反応生成物は除去されその下から回路パターンからはみ出たろう材が露出する。中性洗浄溶液中ではセラミックス基板からガラス相が溶出することは殆どない。

第二除去工程（Ｓ４）
その後、前記反応生成物を除去した接合体をフッ化アンモニウム溶液に浸漬してろう材除去処理を行う。フッ化アンモニウム溶液中では金属回路板およびセラミックス基板のガラス相が溶出するが、前工程で既に反応生成物が除去されているため、短い浸漬時間でろう材除去は完了し、金属回路板寸法の縮小およびガラス相の溶出を抑制することができる。

研磨工程（Ｓ５）、めっき工程（Ｓ６）
さらに化学研磨処理を行い、最後に防錆処理やめっきを施すことで所定の金属回路パターンを有するセラミックス回路基板が製造される。

以下、本発明を実施例、参考例および比較例をあげて図２を参照しながら具体的に説明する。

Ａｇ、Ｃｕを主原料とする活性金属ろう材５，６をスクリーン印刷法を用いて□５０ｍｍ×厚み１５０μｍ，２００μｍ，３２０μｍに加工した窒化珪素焼結体２の両面に塗布する。ろう材塗布済み基板を乾燥後、回路パターン側および放熱パターン側にそれぞれ０．３ｍｍの銅板３，４を接触配置させ、真空中加圧下にて７５０〜８５０℃で２０分熱処理して窒化珪素基板と銅板の接合体１を製造した（図２）。

次いで、この接合体の銅板上に紫外線硬化タイプのエッチングレジストを塗布し、エッチングレジストパターンを形成した後、塩化第２鉄溶液にてパターン外の不要な銅板の除去を行い銅板３にギャップ９を形成し回路パターンを形成した。その後前記レジストを除去した。ギャップ９では窒化珪素焼結体２の表面にろう材層７がはみ出し、それを覆うように反応生成物８が残留する（図３）。反応生成物８を除去するため、アルキルエーテル硫酸エステルナトリウムを含む中性洗剤が３０ｗｔ％入った２５℃の水溶液中にエッチング後の窒化珪素回路基板を投入し、およそ２０分間、６００Ｗ、３５ｋＨｚの超音波洗浄を行ってろう材７を露出させた後（図４）、４０℃の市販フッ化アンモニウム溶液に浸漬してろう材７が銅回路パターン間（ギャップ９）から無くなるまでろう材除去を施した。その後化学研磨およびニッケルめっきを施した。このようにして表１および表２および表３の実施例１および実施例２および実施例４に示す窒化珪素回路基板を完成させた。

た、中性洗剤溶液の超音波洗浄を用いずに、酸洗浄として２０％硫酸溶液に１５分浸漬し、エッチング処理後の導体残留物やろう材とエッチング溶液の黒色反応物を除去した窒化珪素回路基板を比較例１および参考例１および参考例２とした。以上の工程のうち、酸洗浄処理、ろう材除去処理および化学研磨処理を施すことによりセラミックス基板２からガラス相が溶出して表面変質層２ａが形成される（図５）。

また、前記酸洗浄の処理時間を６０分に変更した窒化珪素回路基板を比較例２〜４とした。なお、酸洗浄時間を１０分に変更した接合体では、反応生成物８がろう材７の上に残留していた。

実施例１、２及び４、参考例１及び２並びに比較例１〜４の回路パターン間のセラミックス基板の断面を、ＳＥＭを用いて観察し、表面変質層の最大厚みを測定した。その結果を表１〜３に合わせて示す。

これら一連の処理にて製造された回路基板について、絶縁耐圧試験を実施した。表１〜３に示す各条件で作成した窒化珪素回路基板各２０枚を用いて、シリコンオイル中にて回路基板の放熱面側銅板と回路面側銅板間に周波数５０Hｚの交流電圧を徐々に加え、絶縁が保てなくなった時の電圧値を測定した。この測定結果のワイブルプロットより求めた破壊確率１０ｐｐｍの破壊電圧を表１〜３に合わせて示す。なお、絶縁破壊の状況は全てセラミックス基板を貫通するものだった。

表１に示すとおり、本発明の実施例１では、セラミックス基板の厚みｔと回路パターン間のセラミックス基板表面のガラス相が溶出した表面変質層の最大厚みＡの比Ａ／ｔは全て０．０８以下であった。また、絶縁耐圧測定結果も全て３ｋＶ以上であった。これに対し、比較例１および比較例２はＡ／ｔは０．０８を超えており、絶縁耐圧測定結果も３ｋＶ未満であった。

また、表２に示すとおり、本発明の実施例２および参考例１では、セラミックス基板の厚みｔと回路パターン間のセラミックス基板表面のガラス相が溶出した表面変質層の最大厚みＡの比Ａ／ｔは全て０．０８以下であった。また、絶縁耐圧測定結果も全て５ｋＶ以上であった。これに対し、比較例３はＡ／ｔは０．０８を超えており、絶縁耐圧測定結果も５ｋＶ未満であった。

また、表３に示すとおり、本発明の実施例４および参考例２では、セラミックス基板の厚みｔと回路パターン間のセラミックス基板表面のガラス相が溶出した表面変質層の最大厚みＡの比Ａ／ｔは全て０．０５以下であった。また、絶縁耐圧測定結果も全て７ｋＶ以上であった。これに対し、比較例４はＡ／ｔは０．０５を超えており、絶縁耐圧測定結果も７ｋＶ未満であった。

本発明の実施例では、最適条件の中性洗剤溶液を用いた超音波洗浄を行うことで、電気絶縁性を損なわないことが明らかとなった。なお、本実施例ではアルキルエーテル硫酸エステルナトリウムを含む溶剤を中性洗剤として用いたが、アルキルエーテル硫酸エステルナトリウムを含む中性洗剤に限定されるものではなく、その他の中性洗剤でも同様の効果が得られる。

本発明は、高信頼性および高放熱性を要するパワーモジュール等に使用されるセラミックス回路基板に利用できる。

本発明のセラミックス回路基板の各製造工程を示すフローである。接合工程後のセラミックス回路基板の状況を示す図である。パターン形成工程後のセラミックス回路基板の状況を示す図である。第一除去工程（反応生成物除去）後のセラミックス回路基板の状況を示す図である。第二除去工程（ろう材除去）工程後または化学研磨工程後のセラミックス回路基板の状況を示す図である。

符号の説明

１・・・接合体
２・・・窒化珪素焼結体
２ａ・・・表面変質層
３，４・・・銅板
５，６・・・ろう材
７・・・ろう材層
８・・・反応生成物
９・・・ギャップ

Claims

窒化珪素基板と、前記窒化珪素基板にろう材層を介して接合された金属回路板とを有するセラミックス回路基板であって、前記金属回路板はギャップによって分割されており、前記ギャップに形成される前記窒化珪素基板の表面変質層の最大厚さが１１μｍ以下であり、前記窒化珪素基板厚みが０．３５ｍｍ以下であり、前記窒化珪素基板の単位厚み当たりの絶縁耐圧がＡＣ２３．３ｋＶ／ｍｍ以上であることを特徴とし、前記表面変質層とは、前記窒化珪素基板中のガラス相が溶出することによりできるセラミックス基板の表面層であるセラミックス回路基板。
請求項１に記載のセラミックス回路基板の製造方法であって、窒化珪素基板にろう材層を介して金属回路板を接合して接合体を得る接合工程と、前記接合体をエッチング溶液に浸漬して金属回路板の不要部分を除去してギャップを形成し回路パターンとするパターン形成工程と、回路パターンを形成した接合体を中性洗浄液に浸漬して超音波洗浄を行い、ギャップにはみ出たろう材層を覆う前記パターン形成工程において生成したエッチング溶液とろう材の反応生成物を除去してろう材層を露出させる第一除去工程と、フッ化アンモニウム溶液で露出した前記ろう材層を除去する第二除去工程とを有することを特徴とするセラミックス回路基板の製造方法。