JP5720861B1 - セラミックス回路基板の製造方法及びセラミックス回路基板 - Google Patents
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Abstract
Description
セラミックス基板に、ろう材粉末と有機バインダとを含むろう材領域を形成するろう材領域形成工程と、
前記セラミックス基板に、前記形成したろう材領域を介して金属基板を載置し、前記セラミックス基板、前記ろう材領域、及び前記金属基板を加熱し、前記セラミックス基板と前記金属基板とを、前記ろう材からなるろう材層を介して接合して接合体を形成する接合工程と、
前記接合体を、次亜塩素酸塩を含む薬剤で洗浄する洗浄工程と
を有することを特徴とする。
本発明のセラミックス回路基板の製造方法は、(a)セラミックス基板に、ろう材粉末と有機バインダとを含むろう材領域を形成するろう材領域形成工程と、(b)前記セラミックス基板に、前記形成したろう材領域を介して金属基板を載置し、前記セラミックス基板、前記ろう材領域、及び前記金属基板を加熱し、前記セラミックス基板と前記金属基板とを、前記ろう材からなるろう材層を介して接合して接合体を形成する接合工程と、(c)前記接合体を、次亜塩素酸塩を含む薬剤で洗浄する洗浄工程とを有することを特徴とする。
セラミックス基板に、ろう材粉末と有機バインダとを含むろう材領域を形成する。前記ろう材としては、Ag・Cu等を所定の組成で含む金属粉が挙げられ、前記有機バインダとしては、様々な有機系樹脂を使用することができる。ろう材領域の形成は、ろう材粉末と有機バインダとを含むペースト状ろう材を、スクリーン印刷等の方法でセラミックス基板上に塗布し行う。
(i)セラミックス基板、(ii)前記セラミックス基板に形成された、ろう材粉末と有機バインダとを含むろう材領域、及び(iii)前記ろう材領域を介して載置された金属基板を加熱することで、セラミックス基板と金属基板とがろう材層を介して接合される。加熱は、真空中又は還元雰囲気中で行うのが好ましく、昇温過程でろう材ペースト中の有機成分の分解除去のため、バインダの分解温度近傍(たとえば400℃付近)で一旦保持し、その後ろう付け温度で10分以上保持して行う。ろう付け温度とは、適切にろう材層を形成できる温度、すなわちろう材の融点以上の温度である必要がある。ろう付け温度は、通常は前記昇温過程の最高温度である。
前記接合工程において、分解したろう材中に含まれる有機バインダが、セラミックス基板の金属基板で覆われていない表面、即ち、セラミックス基板が露出した表面に付着する場合がある。この有機バインダに起因すると考えられる付着物を除去するために、次亜塩素酸塩を含む薬剤で洗浄する。
前記接合工程後及び洗浄工程前に、さらに、(d1)接合工程で形成されたろう材層の外縁に沿うパターンで金属基板の表面にレジスト膜を形成し、エッチングして金属基板を分割し、回路パターンを形成する回路パターン形成工程と、(d2)回路パターン形成工程の後に、不要なろう材層を除去するろう材層除去工程とを有するのが好ましい。回路パターン形成工程及びろう材除去工程の後に前記洗浄工程を設けることで、回路パターン形成工程及び/又はろう材層除去工程でセラミックス基板表面に発生する付着物を、前記洗浄工程で併せて除去することができる。このように前記洗浄工程を回路パターン形成工程及びろう材除去工程の後で実施することにより、付着物の発生を考慮せずに、回路パターン形成及びろう材除去の処理を最適な条件で実施することができるため、レジスト膜及び金属基板が両工程で受ける損傷をより低減することが可能となる。前記レジスト膜は、前記接合工程で形成された前記ろう材層の外縁に沿うパターンで形成することが好ましい。
(1) 構成
本発明の回路基板は、セラミックス基板と、前記セラミックス基板に間隙を介して形成された二のろう材層と、前記二のろう材層を介し各々接合された二の金属基板とを有するセラミックス回路基板であって、前記二の金属基板間の絶縁抵抗が、500 MΩ/mm以上であることを特徴とする。ろう材層及び接合する金属基板の数はに2つに限定されず、3つ以上設けることもでき、その場合、接合する金属基板も3つ以上設けることができる。前記二の金属基板間の絶縁抵抗が500 MΩ/mm以上であるので、前記二の金属基板に半導体素子が搭載されたセラミックス回路基板を構成した場合に、二の金属基板間の絶縁が破壊され過大な電流が半導体素子に流れるようなトラブルの発生を防止することが可能となる。本発明のセラミックス回路基板は、好ましくは前述の本発明のセラミックス回路基板の製造方法により形成される。
セラミックス基板Sの露出した表面に付着した付着物を除去することをその要旨とする本発明においては、前記セラミックス回路基板Wに使用するセラミックス基板Sの材質は特に限定されず、基本的に電気絶縁材料からなる焼結体で構成することができる。しかしながら、セラミックス回路基板Wに実装される半導体素子は、近年、発熱量が増大しかつその動作速度も高速化しているため、前記セラミックス基板Sとしては、高い熱伝導率を有する窒化物セラミックスが特に好ましい。具体的には窒化アルミニウムを主体とした粒子からなる主相と前記粒子の間に存在する焼結助剤を主体とした粒界相とを含む窒化アルミニウム焼結体、又は窒化珪素を主体とした粒子からなる主相と前記粒子の間に存在する焼結助剤を主体とした粒界相とを含む窒化珪素質焼結体でセラミックス基板Sを構成するのが好ましく、特に強度及び破壊靭性など機械的強度の面で優れた窒化珪素質焼結体でセラミックス基板Sを構成するのがより好ましい。
前記セラミックス回路基板Wを構成する金属基板M1〜M3についても、その材質は特に限定されず、ろう材で接合できかつ融点がろう材よりも高ければ特に制約はない。例えば、銅、銅合金、アルミニウム、アルミニウム合金、銀、銀合金、ニッケル、ニッケル合金、ニッケルメッキを施したモリブデン、ニッケルメッキを施したタングステン、ニッケルメッキを施した鉄合金を前記金属基板として用いることが可能である。これらの中でも銅又は銅を含む合金が、電気的抵抗及び延伸性、高熱伝導性(低熱抵抗性)、マイグレーションが少ない等の点から最も好ましい。アルミニウム又はアルミニウムを含む合金は、電気的抵抗、高熱伝導性(低熱抵抗性)は、銅に劣るものの、その塑性変形性を利用して、冷熱サイクルに対する実装信頼性を有する点で好ましい。
セラミックス基板Sと金属基板M1〜M3を接合するろう材層C1〜C3の材質は特段限定されないが、代表的には、高強度・高封着性等が得られる、共晶組成であるAg及びCuを主体としTi・Zr・Hf等の活性金属を添加したAg-Cu系活性ろう材が好ましい。さらにセラミックス基板Sと金属基板M1〜M3の接合強度の観点から、前記Ag-Cu系活性ろう材にInが添加された三元系のAg-Cu-In系活性ろう材がより好ましい。セラミックス基板Sと金属基板との接合は、前述したように、前記ろう材成分の粉末と有機バインダとを含むろう材ペーストを用いて行う。
本発明を以下の実施例によりさらに詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
(a)実施例1
図1(a)及び図1(b)に示すような、セラミックス基板Sと、セラミックス基板Sの上面(一面)に間隙Gを介して形成された二のろう材層C1,C2(以下、第1のろう材層C1及び第2のろう材層C2と言う場合がある。)と、前記セラミックス基板Sの上面側に前記二のろう材層C1,C2を介し各々接合された二の金属基板M1,M2(以下、第1の金属基板M1及び第2の金属基板M2と言う場合がある。)と、前記二の金属基板M1,M2の表面に形成したNiメッキ層と、セラミックス基板Sの下面(他面)に、ろう材層C3を介し接合された金属基板M3とを有するセラミックス回路基板Wを以下に記載する方法に従って作製した。
70.6質量%のAg、2.9質量%のIn、1.9質量%のTi、残部Cu及び微量の不純物の構成となるよう調整されたろう材粉末100質量部に対し、有機バインダとして5.3質量部のポリアクリル酸エステル、有機溶剤として19.1質量部のα-テルピネオール、分散剤として0.5質量部のポリオキシアルキレンアルキルエーテル及びアルキルベンゼンスルホンサン塩を混合してなるろう材ペーストを使用して、図2(a)に示すように、セラミックス基板Sの上面(一面)に、厚みがいずれも40μmの二のろう材領域c1,c2を、平面方向において間隙Gを介してスクリーン印刷法で形成した。図2(a)に示す紙面において、第1のろう材領域c1の大きさは縦横が各々27.6 mm及び11.6 mm、第2のろう材領域c2の大きさは縦横が各々27.6 mm及び23.6 mmであり、間隙Gのろう材領域c1,c2間の距離は1.0 mmであった。
前記ろう材領域形成工程の後、図2(b)に示す接合工程において、ろう材領域c1,c2にろう材領域c1,c2を覆う大きさの厚みが0.5 mmの無酸素銅基板C1020H材(JIS規格 H3100)からなる一枚の金属基板Mを配置した後、セラミックス基板S、ろう材領域c1,c2及び金属基板Mを一組とした被接合体を加熱炉に挿入し、真空雰囲気下で加熱し、ろう材層C1,C2を介しセラミックス基板Sと金属基板Mとを接合して接合体を形成した。なお、接合工程における金属基板Mの熱膨張を考慮し、図2(b)に示す紙面における金属基板Mの縦横の大きさは、各々29.5 mm及び39.5 mmであり、セラミックス基板Sの大きさより小さいものを使用した。
接合工程の後、図2(c)に示すように、前記接合体を構成する金属基板Mの表面に所望のパターンで二のレジスト膜R1,R2を形成し、その後エッチング処理を施して金属基板Mの不要部を除去し、図2(d)に示すように、平面方向において間隙Gを挟む状態で、回路パターンである二の金属基板M1,M2を形成した。具体的には、紫外線硬化型エッチングレジストを、下記の第1の金属基板M1及び第2の金属基板M2の寸法に対応したパターンで金属基板Mの表面にスクリーン印刷法で塗布した接合体を、液温50℃でエッチング液[塩化第2鉄(FeCl3)溶液(46.5Be)]に浸漬し、金属基板M1,M2を形成した。なお、図2(d)に示す紙面において、第1の金属基板M1の縦横の大きさは各々28 mm及び12 mm、及び第2の金属基板M2の縦横の大きさは各々28 mm及び24 mmとした。
図2(d)に示すように、金属基板M1,M2の表面に形成したレジスト膜を除去した後、金属基板M1,M2の外縁からはみ出した不要なろう材層Dを、過酸化水素26質量%及び酸性フッ化アンモニウムを含むろう材除去液で液温40℃及び処理時間40分で除去した。なお、前記回路パターン形成工程及びろう材除去工程は、下記の洗浄工程の後に設けてもよい。しかしながら、金属基板M1,M2の損傷を抑制するためには、接合工程と洗浄工程の間に回路パターン形成工程及びろう材層除去工程を設けるのが好ましい。
前記ろう材層除去工程の後、例えば図2(e)に示すように、セラミックス基板Sの露出した表面に付着物Kが付着した接合体が得られた。この付着物Kは分析の結果、大部分が炭素質のものであった。この接合体を、表1に示す濃度及びpH値の次亜塩素酸ナトリウム水溶液を洗浄用薬剤として使用し、表1に示す温度及び時間条件で洗浄した。その結果、図2(f)に示すように、セラミックス基板Sの露出した表面に付着した付着物Kの大部分が除去され、前記付着物Kが僅かに残るのみのセラミックス回路基板Wを得た。なお、洗浄工程で使用した次亜塩素酸ナトリウムを含む薬剤は、実施例16で使用した14.0質量%の次亜塩素酸ナトリウム水溶液を純水で希釈して調節したものであり、特にpH調節は行わなかった。
洗浄工程を経た接合体を、ニッケル(Ni)を主成分としリン(P)の濃度が8質量%に調整された無電解メッキ液(85℃)中に20〜30分間浸漬することにより、金属(銅)基板の表面に厚みが5μmのNiメッキ層を形成し、セラミックス回路基板を得た。
洗浄用薬剤、洗浄温度及び時間を表1に示すように変更した以外は実施例1と同様にしてセラミックス回路基板を作製した。
比較例1は、洗浄工程を省略した以外は実施例1と同様にしてセラミックス回路基板を作製した例である。比較例2は、洗浄用薬剤として、次亜塩素酸ナトリウム水溶液の代わりに、3質量%の過酸化水素及び12質量%の硫酸を含む水溶液を使用して、表1に記載した洗浄温度及び時間で洗浄した以外は実施例1と同様にしてセラミックス回路基板を作製した例である。
得られた実施例及び比較例のセラミックス回路基板の、付着物Kの面積率、絶縁抵抗(最小値)、絶縁破壊電圧、及び平均抗折強度を以下のようにして測定した。結果を表2に示す。
100枚のセラミックス回路基板の中から無作為に抽出した20枚のセラミックス回路基板について、セラミックス基板Sの露出した表面(図2(g)の間隙Gの部分)を光学顕微鏡で撮像し、その画像を2値化処理して付着物Kの像を分離した。前記画像の任意の位置に0.8 mm×0.8 mmの矩形領域Fを複数設定し、各矩形領域Fに存在する付着物Kの面積割合を算出し、全矩形領域Fの平均値を求めた。2値化処理の閾値の設定は、モード法を用い、各セラミックス回路基板の画像で求めた明暗の濃度分布から求めた閾値をさらに平均した値を閾値とした。
絶縁抵抗は、図1(a)に示すように、第1の金属基板M1の任意の箇所及び第2の金属基板M2の任意の箇所に接するように、それぞれ絶縁抵抗試験用の球形電極A、Bを配置し、第1の金属基板M1と第2の金属基板M2との間に1000 Vの直流電圧を印圧し、30秒後の抵抗値を絶縁抵抗値とした。絶縁抵抗は、各実施例及び比較例ともに100枚のセラミックス回路基板について求めた抵抗値の最小値で評価した。
絶縁破壊電圧は、セラミックス回路基板の表裏間に交流電圧を印加したときの絶縁破壊電圧である。図1(a)に記載したように、第1の金属基板M1及び第2の金属基板M2に球形電極A及びBを配置し(A及びBは電気的に短絡)、さらにセラミックス回路基板の裏面の金属基板M3に同様にして電極C(図示せず)を配置し、このセラミックス回路基板をシリコーン絶縁油中(室温)にセットし、菊水電子工業製の耐電圧試験器TOS5101で回路基板の表裏間に交流電圧を0〜10 kVまで昇圧速度0.1 kV/secで徐々に上げながら印加し、漏れ電流の上限を超える電流が流れたときの電圧値を絶縁破壊電圧とした。この測定を、5個の試料について行いそれらの平均値で評価した。
抗折強度は、薬液で処理を施したセラミックス基板から切り出した、長さ20 mm、幅4 mm、厚さ0.32 mmの試験片を用いて、オートグラフ(島津製作所製AG−50KNG)によりクロスヘッド速度0.5 mm/minで3点曲げ試験(2点の間隔は7 mm)により求めた。この試験片のセラミックス基板は、回路パターンを形成しない窒化珪素基板を準備し、銅接合せずに、セラミックス回路基板と同等の化学工程を施したものである。すなわち、試験片で抗折強度を測定することで、窒化珪素基板の強度変化を求めた。センサーとしてロードセル(型式SBL-1kN)を使用した。なお平均抗折強度は10個の試験片によって求めた値の平均値である。
前記(c)の絶縁破壊試験結果において、表裏間で絶縁破壊した試料には、セラミックス基板内部で放電が生じる貫通破壊と、セラミックス基板外表面に沿って放電が生じる沿面破壊の二種類の絶縁破壊モードが認められる。このセラミックス基板Sの縁の面(表面から裏面にわたる領域)を沿面と呼び、この部分に導電性異物などが付着すると、沿面での絶縁破壊が生じやすいことから、絶縁破壊の有無を分類して評価した。
注(1):沿面での絶縁破壊の発生が見られた。
注(2):沿面での絶縁破壊の発生が多数見られた。
注(3):粒界ガラス相溶出が見られた。
実施例1〜30のセラミックス回路基板は、いずれも二の金属基板M1,M2の間隙Gに露出したセラミックス基板表面に存在する付着物Kの面積率が10%以下であり、金属基板M1,M2間の絶縁抵抗の最小値は500 MΩ/mm以上であった。これに対して、洗浄工程を設けない比較例1のセラミックス回路基板は、付着物Kの面積率が17.6%と大きく、絶縁抵抗の最小値は0.4×103 MΩ/mmと極めて低く、絶縁破壊電圧が6.2 kVと低かった。比較例1のセラミックス回路基板は、絶縁抵抗の測定ごとのばらつきが大きく、付着物Kの面積率が大きいためと考えられる。さらに沿面での破壊が多数見られた。洗浄用薬剤として、過酸化水素と硫酸との混合水溶液を使用した比較例2のセラミックス回路基板は、付着物Kの面積率が0.17%と低い値であり、絶縁抵抗の最小値も92×103 MΩ/mmと比較的高かったが、絶縁破壊電圧が4.9 kVと非常に低かった。実施例9及び比較例2のセラミックス基板の断面写真(それぞれ図5(a)及び図5(b))の比較から、比較例2(図5(b))の絶縁破壊電圧の低下は、表面付近の粒界ガラス相(図中で白い部分)が溶出し、ガラスよりも誘電率の低い気孔(図中で黒く抜けた部分)になったことによるものと推定される。さらに平均抗折強度が659 MPaと低く、セラミックス基板の劣化が起こっていることが分かる。
Claims (5)
- セラミックス基板に、ろう材粉末と有機バインダとを含むろう材領域を形成するろう材領域形成工程と、
前記セラミックス基板に、前記形成したろう材領域を介して金属基板を載置し、前記セラミックス基板、前記ろう材領域、及び前記金属基板を加熱し、前記セラミックス基板と前記金属基板とを、前記ろう材からなるろう材層を介して接合して接合体を形成する接合工程と、
前記接合体を、次亜塩素酸塩を含む薬剤で洗浄する洗浄工程と
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。 - 請求項1に記載のセラミックス回路基板の製造方法において、前記接合工程後及び前記洗浄工程前に、前記金属基板の表面にレジスト膜を形成した後、前記金属基板をエッチングして回路パターンを形成する回路パターン形成工程と、前記回路パターン形成工程の後に、不要な前記ろう材層を除去するろう材層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。
- 請求項1又は2に記載のセラミックス回路基板の製造方法において、次亜塩素酸塩の濃度が、次亜塩素酸ナトリウム換算で2.5〜13.5質量%であることを特徴とするセラミックス回路基板の製造方法。
- 請求項1〜3のいずれかに記載のセラミックス回路基板の製造方法において、前記薬剤のpH値が9以上であることを特徴とするセラミックス回路基板の製造方法。
- 請求項1〜4のいずれかに記載のセラミックス回路基板の製造方法において、前記洗浄は、30℃以上で5分以上行うことを特徴とするセラミックス回路基板の製造方法。
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