JPH07336016A - Manufacture of circuit board - Google Patents

Abstract

PURPOSE:To make it possible to dispense with a process of soldering with a base copper plate for fitting a circuit board to a heat sink and to manufacture inexpensively the circuit board having a high reliability in respect to a heat cycle. CONSTITUTION:A manufacture of a circuit board which is featured by that metal plates are joined to both of the surface and the rear of a ceramic base and then a metal circuit is formed in one metal plate by etching, while the whole of the metal plate on the opposite side of the base is removed.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【０００１】[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。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a method of manufacturing a circuit board in which a metal circuit is formed only on one surface of a ceramic board and the opposite surface thereof has no heat radiating metal plate.

【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。In recent years, with the high performance of industrial equipment such as robots and motors, the transition of high power and high efficiency inverters and other high power modules has progressed, and the heat generated from semiconductor elements has also continued to increase. . In order to efficiently dissipate this heat, various methods have been conventionally used in high power module substrates. Recently, ceramic substrates with good thermal conductivity have become available,
Join metal plates such as copper plates on both sides of the ceramic substrate,
After forming a metal circuit on one side and a heat-dissipating metal plate on the other side by etching, mount the semiconductor element on the metal circuit part as it is or after performing treatment such as plating, and solder the opposite side to the base copper plate Used by attaching to a heat sink.

【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。Although there are various methods for joining metal and ceramics, the active metal brazing method and the DBC method are common from the viewpoint of manufacturing a circuit board. Particularly in high power module substrates, high thermal conductivity aluminum nitride substrates are used, and as a method for joining the aluminum nitride substrate and the copper plate, a brazing material containing an active metal is interposed between them to perform heat treatment to form a joined body. Active metal brazing method (for example, Japanese Patent Laid-Open No. 60-177634), or an aluminum nitride substrate whose surface is subjected to an oxidation treatment and a copper plate at a melting point of copper of CuO-
There is a DBC method (for example, JP-A-56-163093) in which heat bonding is performed at a temperature higher than the eutectic temperature of O.

【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。Compared with the DBC method, the active metal brazing method (1) has a lower processing temperature for obtaining the above-mentioned joined body, so that the residual thermal stress caused by the difference in thermal expansion between the aluminum nitride substrate and the copper plate is small, (2) Since the brazing material is a ductile metal, it has advantages such as great durability against heat shock and heat cycle.

【０００５】[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。However, even if the active metal brazing method is used, it cannot be said that the active metal brazing method has sufficient durability against damage caused by heat shock such as heat shock or heat cycle, or heat history, and thus a new technique. Was awaited. Therefore, the volume of the metal circuit is set to 5 times the volume of the heat dissipation metal plate.
It has been improved to some extent by adjusting the thickness to 0 to 90% (Japanese Patent Laid-Open No. 63-24815) or setting the thickness of the metal radiator plate to 50% or less of the thickness of the metal circuit (Japanese Laid-Open Patent Publication No. 5-170564).

【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。However, in these techniques, since the metal circuit and the heat dissipation metal plate are both made of copper, changing the volumes of both is equivalent to making the stress balance due to thermal expansion different. . As a result, the thermal shock resistance of the bonded body itself became good, and the metal circuit or the heat dissipation metal plate was less likely to peel off from the ceramic substrate.However, the base copper plate for attaching the heat sink to the heat dissipation metal plate, or the semiconductor on the metal circuit. There is a risk that the amount of warp displacement of the circuit board will increase due to the rapid temperature rise when soldering the element, and a gap will be created between the heat dissipation metal plate and the base copper plate, and that part will become a void after soldering. It was

【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。It is an object of the present invention to solve the above problems, and the circuit board can be directly attached to a heat sink without soldering the ceramic board portion of the circuit board without the heat radiation metal plate to the base copper plate. It is intended to provide a method for manufacturing a circuit board, in which a problem such as warpage of the board does not occur.

【０００８】[0008]

【課題を解決するための手段】すなわち、本発明は、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。That is, according to the present invention, after metal plates are bonded to both front and back surfaces of a ceramic substrate, a metal circuit is formed on one metal plate by etching and all the metal plates on the opposite surface are formed. It is a method of manufacturing a circuit board, which is characterized in that the circuit board is removed.

【０００９】以下、さらに詳しく本発明を説明する。The present invention will be described in more detail below.

【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。The material of the ceramic substrate used in the present invention may be any of aluminum nitride, alumina, beryllia and the like, but aluminum nitride and alumina are preferable. The sintered density is preferably 95% or more in relative density from the viewpoint of mechanical strength and electrical characteristics.

【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。On the other hand, as the material of the metal plate for forming the metal circuit, copper, aluminum, tungsten, molybdenum or the like is used, but copper is generally used. The thickness of the metal circuit is preferably thicker than 0.3 mm in recent years because the current density tends to improve.

【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。As a method of forming a metal circuit on one surface of the ceramic substrate, a method of etching a bonded body of the ceramic substrate and the metal plate, a method of bonding a metal circuit punched from the metal plate to the ceramic substrate, or the like is used. However, in this case, if a metal plate is bonded to only one surface of the ceramic substrate, the amount of warpage of the obtained bonded body becomes significantly large due to the balance of the thermal expansion coefficients. A method of joining metal plates on both front and back sides and forming a metal circuit by etching and simultaneously removing the metal plate on the opposite side is adopted.

【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。As a method for producing a joined body of a ceramic substrate and a metal plate, an active metal brazing method, a DBC method or the like can be adopted.

【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。The metal component of the brazing filler metal in the active metal brazing method contains silver and copper as main components, and the active metal as a secondary component for ensuring wettability with the ceramic substrate during melting.
This active metal component reacts with the ceramic substrate to form oxides and nitrides, and these products strengthen the bond between the brazing material and the ceramic substrate. Specific examples of the active metal include titanium, zirconium, hafnium, niobium, tantalum, vanadium and compounds thereof. The ratio of these is 69 to 75 parts by weight of silver and 2 parts of copper.
5 to 31 parts by weight of active metal 3 per 100 parts by weight of active metal
~ 35 parts by weight.

【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。The brazing material paste used in the active metal brazing method is prepared by adding an organic solvent and, if necessary, an organic binder to the metal components of the brazing material described above, and using a roll, a kneader, a universal mixer, a raider machine or the like. It can be adjusted by mixing. As the organic solvent, methyl cellosolve, terpineol, isophorone, toluene, etc., and as the organic binder, ethyl cellulose, methyl cellulose, polymethacrylate, etc. are used.

【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。An etching method is used to form a metal circuit from a joined body of a ceramic substrate and a metal plate and remove the metal plate on the opposite surface. An ultraviolet curing type or a thermosetting type is used as the etching resist, and as the etching liquid, if the metal plate is a copper plate or a copper alloy plate, ferric chloride solution, cupric chloride liquid, sulfuric acid, hydrogen peroxide. A solution such as water is used, but ferric chloride solution and cupric chloride solution are preferable. On the other hand, when the metal plate is nickel or a nickel alloy, a ferric chloride solution is used.

【００１７】[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。EXAMPLES The present invention will be specifically described below with reference to Examples and Comparative Examples.

【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。Example 1 96 parts by weight of aluminum nitride powder, 4 parts by weight of sintering aid (yttria), 6 parts by weight of polyvinyl butyral, 3 parts by weight of butyl phthalate, 1 part by weight of glycerin trioleate and 60 parts by weight of toluene were added to a nylon pot. And mixed for 24 hours. The obtained slurry was spread on a PET film by doctor blading, air-dried, and then 3 at 120 ° C.
It was dried for an hour to form a green sheet having a predetermined thickness. This green sheet is punched out into a size of 60 × 35 mm, 10 sheets are piled up and a weight of tungsten is placed,
After degreasing by heating in air at 500 ° C. for 1 hour, pressureless sintering was performed under a nitrogen atmosphere at 1900 ° C. for 1 hour to produce an aluminum nitride substrate.

【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。75 parts by weight of silver powder, 25 parts by weight of copper powder, 15 parts by weight of zirconium powder, 15 parts by weight of terpineol and 1 part by weight of a toluene solution of polyisobutyl methacrylate are added in a solid content and well kneaded to form a brazing paste. Prepared. This brazing paste was applied over the entire surface of the aluminum nitride substrate. Application amount at that time (after drying)
Was 6 to 8 mg / cm ² .

【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。Next, a copper plate having a thickness of 0.5 mm is placed in contact with both sides of the aluminum nitride substrate coated with the brazing material paste, and the temperature is 900 ° C. under a vacuum of 1 × 10 ⁻⁵ Torr or less. After heating for 30 minutes, the joined body was manufactured by cooling at a temperature decrease rate of 2 ° C./minute.

【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。Then, a UV effect type etching resist is applied on one surface of the joined copper plate by screen printing, and then an etching treatment is carried out using a cupric chloride solution to form a copper circuit on one surface. The copper plate on the opposite surface was dissolved and removed, and the etching resist was peeled off with a 5% caustic soda solution. The substrate after this etching treatment has residual unnecessary brazing filler metal or active metal components and the reaction product of the aluminum nitride substrate between the copper circuits.
A circuit board was manufactured by immersing in a 10% ammonium fluoride solution at a temperature of 60 ° C. for 10 minutes.

【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。Comparative Example 1 A circuit board was manufactured in the same manner as in Example 1 except that a brazing paste was applied to one surface of an aluminum nitride substrate, and a copper plate was placed in contact with only that surface to obtain a bonded body. did.

【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。The warp amount at 25 ° C. of the circuit board manufactured through the series of treatments was measured with a dial gauge. Further, a heat cycle (thermal shock) test was conducted. The heat cycle test was carried out in air after holding at -40 ° C for 30 minutes,
Leave at 25 ° C for 10 minutes, hold at 125 ° C for 30 minutes,
The cycle of leaving at 25 ° C. for 10 minutes was performed as one cycle, and the number of heat cycles in which at least one of the ten circuit boards had the copper plate first peeled off was measured as the number of times the copper plate peeled off. The results are shown in Table 1.

【００２４】[0024]

【表１】 （反りの方向は銅回路面が凸の方向を−とする）[Table 1] (As for the direction of warp, the direction in which the copper circuit surface is convex is-)

【００２５】[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。According to the present invention, it is possible to eliminate the step of soldering the circuit board to the base copper plate for attaching the circuit board to the heat sink, and it is possible to inexpensively manufacture a circuit board having high reliability against heat cycles. .

Claims (1)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項１】 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。1. A method for manufacturing a circuit board, comprising: joining metal plates to both front and back surfaces of a ceramic substrate; then forming a metal circuit on one metal plate by etching and removing all metal plates on the opposite surface. Method.