回路基板の製造方法及び設計方法並びに回路基板
【課題】セラミックス基板上の金属回路板と信号端子との接合面積を充分に確保し、電気抵抗を小さくする。
【解決手段】セラミックス基板１１の一方の面に金属回路板１２が形成されている。金属回路板１２には信号端子１３が接合されており、信号端子１３はセラミックス基板１１から大きく突出した形態となっている。金属回路板１２と信号端子１３とは接合される。この接合においては、超音波接合が用いられる。ただし、超音波接合の前には金属回路板１２及び信号端子１３における接合部分における酸化皮膜を除去する酸化皮膜除去工程が行われる。本願発明においては、接合部の酸素の状態を制御することによって金属回路板１２と信号端子１３との接合を良好にすることができる。
【解決手段】セラミックス基板１１の一方の面に金属回路板１２が形成されている。金属回路板１２には信号端子１３が接合されており、信号端子１３はセラミックス基板１１から大きく突出した形態となっている。金属回路板１２と信号端子１３とは接合される。この接合においては、超音波接合が用いられる。ただし、超音波接合の前には金属回路板１２及び信号端子１３における接合部分における酸化皮膜を除去する酸化皮膜除去工程が行われる。本願発明においては、接合部の酸素の状態を制御することによって金属回路板１２と信号端子１３との接合を良好にすることができる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体チップを搭載する回路基板の製造方法、この回路基板の構造、この回路基板の設計方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、電動車両用インバータとして高電圧、大電流動作が可能なパワー半導体モジュール（例えばＩＧＢＴモジュール）が用いられている。こうした半導体モジュールには、セラミックス基板上に銅やアルミニウムなどからなる金属回路板等が形成された回路基板に半導体チップが接合された形態のものが用いられる。このセラミックス基板としては、特に電気的絶縁性と熱伝導率が高く、機械的強度の高い窒化珪素や窒化アルミニウムが用いられる。こうした回路基板の構造として、図５にその断面図を示すように、セラミックス基板９１から信号端子９３を大きく突出させ、信号端子９３からの信号を金属回路板９２上の半導体チップに送る必要がある場合がある。なお、図５は断面図であるが、実際には金属回路板９２、信号端子９３はパターン化されており、特に金属回路板９２は矩形形状のセラミックス基板９１の表面にパターン化されて形成されている。なお、セラミックス基板９１における金属回路板９２が形成された面と反対側の面にやはり熱伝導率の高い金属からなる金属放熱板が形成されることもある。
【０００３】
図５の構造を製造するにあたっては、例えば、（１）大きなセラミックス基板上に銅板を貼り付け、この銅板を金属回路板９２及び信号端子９３の形状になるべくパターニングし、その後にセラミックス基板９１を小さくするべく加工する、（２）金属回路板９２をセラミックス基板９１上に形成した後で、信号端子９３を金属回路板９２に接合する、の二つの方法が適用できる。
【０００４】
しかしながら、上記（１）の方法は、コストの高い大きなセラミックス基板を必要とする上、セラミックス基板の加工も容易ではないために、その製造コストが高くなる。従って、（２）の方法が好ましく用いられるが、信号端子９３と金属回路板９２とを接合する方法にはろう付けと超音波接合の２種類がある。
【０００５】
ろう付けの場合には、その後はんだ付けを行うことから、はんだよりも接合温度が高い（４００℃以上）ろう材を使用しなければならないため、ろう付け時に回路基板全体の温度が上昇し、この際に金属回路板（銅）とセラミックス基板（窒化珪素）との熱膨張係数の差によって大きな反りが発生し、セラミックス基板が割れることがある。
【０００６】
一方、超音波接合は、接合すべき金属（この場合は銅）同士を積層させ、加圧しつつ超音波を印加することによりこれらを直接接合する技術であり、ろう付けと異なり、常温における接合も可能である。ただし、加圧しながら超音波が印加されたことにより、接合部直下のセラミックス基板９１にクラックや割れが生ずることがある。この点を改善して超音波接合を利用して図５の構造を作成する技術は、例えば特許文献１に記載されている。
【０００７】
この技術においては、特に金属回路板と信号端子を同一の材質とすることによって、接合部の相互拡散が均一に行われ、超音波の印加パワーおよび加圧力が低い場合であっても強固な接合を得ることができた。これにより、図５に示す構造の回路基板を高い歩留まりで製造することができた。
【０００８】
【特許文献１】特開２００６−２０３２２９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、例えば信号端子の電気抵抗を充分に小さくするためには信号端子を厚くすることが必要になる。この場合、超音波の印加パワーが低い場合は信号端子を充分に厚くしても、接合面積が小さく、電気抵抗が充分には小さくならない。また、接合面積を信号端子厚みに対して充分に確保するためには、超音波の印加パワーおよび加圧力を高くすることが必要となるが、この場合には接合部直下のセラミックス基板にクラックや割れを生ずることがあった。
【００１０】
従って、信号端子が厚い構造の回路基板において、セラミックス基板上の金属回路板と信号端子との接合面積を確保することは困難であった。
【００１１】
本発明は、斯かる問題点に鑑みてなされたものであり、上記問題点を解決する発明を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明は、上記課題を解決すべく、以下に掲げる構成とした。
請求項１記載の発明の要旨は、セラミックス基板の表面に形成された金属回路板に信号端子が接合された形状の回路基板の製造方法であって、前記金属回路板と前記信号端子とが接合される面における酸化層を除去する酸化皮膜除去工程と、前記金属回路板と前記信号端子とを積層し、超音波接合によって前記金属回路板と前記信号端子とを接合する接合工程と、を具備することを特徴とする回路基板の製造方法に存する。
請求項２記載の発明の要旨は、前記接合工程における超音波接合において、１０００〜１５００Ｐａの範囲の圧力が前記信号端子に印加されることを特徴とする請求項１に記載の回路基板の製造方法に存する。
請求項３記載の発明の要旨は、前記金属回路板及び前記信号端子は銅又は銅合金で形成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の回路基板の製造方法に存する。
請求項４記載の発明の要旨は、前記酸化皮膜除去工程において、前記金属回路板及び前記信号端子は酸性溶液に浸漬されることを特徴とする請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載の回路基板の製造方法に存する。
請求項５記載の発明の要旨は、前記酸性溶液は、硫酸又は塩酸を含むことを特徴とする請求項４に記載の回路基板の製造方法に存する。
請求項６記載の発明の要旨は、請求項１から請求項５までのいずれか１項に記載の回路基板の製造方法によって製造されたことを特徴とする回路基板に存する。
請求項７記載の発明の要旨は、セラミックス基板の表面に形成された金属回路板に信号端子が接合された形状の回路基板であって、前記金属回路板及び前記信号端子は銅からなり、前記金属回路板と前記信号端子との間に形成された接合部の断面を、スポット径を１μｍとした走査電子顕微鏡観察した際に、銅に対する酸素の存在比が１％以下である領域の存在比率が８０％以上であることを特徴とする回路基板に存する。
請求項８記載の発明の要旨は、前記接合部の面積は前記信号端子の断面積よりも大きいことを特徴とする請求項７に記載の回路基板に存する。
請求項９記載の発明の要旨は、前記信号端子の厚さが１５００μｍ以上であることを特徴とする請求項８に記載の回路基板に存する。
請求項１０記載の発明の要旨は、セラミックス基板の表面に形成され、銅からなる金属回路板に、銅からなる信号端子が超音波接合された形状の回路基板の設計方法であって、前記金属回路板と前記信号端子との間に形成された接合部の断面を、スポット径を１μｍとした走査電子顕微鏡観察した際の、銅に対する酸素の存在比が１％以下である領域の存在比率を８０％以上とすることを特徴とする回路基板の設計方法に存する。
請求項１１記載の発明の要旨は、前記接合部の面積を前記信号端子の断面積よりも大きくすることを特徴とする請求項１０に記載の回路基板の設計方法に存する。
請求項１２記載の発明の要旨は、前記信号端子の厚さを１５００μｍ以上とすることを特徴とする請求項１１に記載の回路基板の設計方法に存する。
【発明の効果】
【００１３】
本発明は以上のように構成されているので、セラミックス基板上の金属回路板と信号端子との接合面積を充分に確保し、電気抵抗を小さくすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明について具体的な実施形態を示しながら説明する。ただし、本発明はこれらの実施形態に限定されるものではない。
【００１５】
発明者は、信号端子がセラミックス基板から突出した構造の回路基板において、信号端子と金属回路板とを超音波接合する際に、接合界面部の酸素量を減らす、あるいはこの酸素の接合面内における分布を制御することにより、電気抵抗を減少させることができることを知見した。
【００１６】
ここで用いられる超音波接合においては、金属回路板と信号端子とを部分的に積層させ、積層箇所に超音波が印加されたホーンを圧着させる。これにより、金属回路板と信号端子との接合部分に超音波によるエネルギーが加わり、活性化された金属原子が相互拡散した接合部が形成され、安定な接合が得られる。この際、特に接合界面の酸素（酸化物）の状態を制御することにより、電気抵抗を小さくする。
【００１７】
ここで製造される回路基板１０の斜視図が図１である。ここで、セラミックス基板１１の一方の面に金属回路板１２が形成されている。金属回路板１２には信号端子１３が接合されており、信号端子１３はセラミックス基板１１から大きく突出した形態となっている。
【００１８】
セラミックス基板１１は機械的強度が高く、かつ電気絶縁性および熱伝導率が高い窒化珪素で構成される。その厚さは例えば０．３２ｍｍとすることができ、その形状は任意であるが、例えば矩形形状の板状である。
【００１９】
金属回路板１２は電気伝導度及び熱伝導率が高い銅や銅合金で形成され、この回路基板に搭載される半導体チップの配線となり、かつ半導体チップからセラミックス基板１１への放熱も行う。従って、図１中では単純な矩形の板状としてあるが、配線となるべくパターニングされている。その厚さは例えば０．１〜３．０ｍｍ程度である。ただし、電気抵抗を小さくする観点からは厚い方が好ましい。
【００２０】
信号端子１３は金属回路板１２から外部に配線を引き出すために金属回路板１２に接合される。従って、信号端子１３も配線の一部となるため、金属回路板１２と同様の材質である銅又は銅合金が用いられ、金属回路板１２と同様にその形状も適宜パターニングされる。また、その厚さについても金属回路板１２と同様であり、電気抵抗を小さくする観点からは厚い方が好ましい。また、一般には信号端子１３が厚い方が金属回路板１２との接合が困難となるが、本発明の回路基板の製造方法によれば、この場合においても接合を強固にして、その電気抵抗を小さくすることができる。このため、信号端子１３の厚さは１．５ｍｍ（１５００μｍ）以上であることが特に好ましい。
【００２１】
図１に示されるように、金属回路板１２と信号端子１３とは接合される。この接合方法を示す工程断面図が図２である。この接合においては、超音波接合が用いられる。ただし、超音波接合の前には金属回路板１２及び信号端子１３における接合部分における酸化皮膜を除去する酸化皮膜除去工程が行われる。
【００２２】
図２（ａ）においては、セラミックス基板１１上にろう付けによって金属回路板１２が接合される。ろう材としては、例えば銀（Ａｇ）−銅（Ｃｕ）−チタン（Ｔｉ）系の活性金属ろう材を用いることができ、７００℃以上でこれらを接合することができる。あるいは、セラミックス基板１１上にパターン化されていない板状の銅又は銅合金の板を同様にろう付けによって接合し、その後で銅又は銅合金の板をリソグラフィ、エッチングによってパターニングしてもよい。
【００２３】
次に、図２（ｂ）に示すように、予めパターニングされた信号端子１３及び金属回路板１２の表面に対して酸化皮膜除去工程を行う。ここで、酸化皮膜除去工程とは、銅の酸化膜（Ｃｕ２Ｏ、ＣｕＯ）を除去する工程である。具体的には、酸性溶液、例えば硫酸又は塩酸を含む液に信号端子１３及び金属回路板１２の接合面を浸漬することによりなされる。例えば、濃度５％の硫酸水溶液に、２５℃で３ｍｉｎ浸漬する。
【００２４】
次に、図２（ｃ）に示すように、金属回路板１２と信号端子１３とが所望の形状となるべく積層する。
【００２５】
次に、図２（ｄ）に示すように、金属回路板１２と信号端子１３とが積層された状態で、超音波接合用のホーン２０を圧着し、超音波を印加する接合工程を行う。この時の圧力は例えば１５００Ｐａ程度、超音波の周波数は２０ｋＨｚ、振幅は４０μｍ程度で１秒程度の時間である。
【００２６】
これにより、図２（ｅ）に示すように、金属回路板１２と信号端子１３との間には接合部２１が形成される。この接合部２１は、金属回路板１２と信号端子１３の材質（どちらも銅又は銅合金）において超音波によって相互拡散が促進され、相互拡散によって形成された混合層である。接合部２１の面積は、ホーン２０によって超音波が印加される箇所から超音波が信号端子厚み内を拡散した面積となるため、超音波の印加パワーおよび加圧力が充分な場合は、ホーン２０が信号端子１３に接する面積以上となる場合もある。
【００２７】
ここで、接合後の接合部の分析、特にこの接合部２１における酸素に着目した分析を行った。図３はこの接合部２１における接合界面（接合部２１が形成される前の金属回路板１２と信号端子１３との界面）と垂直な方向の断面ＳＥＭ（走査顕微鏡）写真である。ここで、金属回路板１２と信号端子１３は共に銅で形成されている。図３（ａ）において、縦方向における中心が接合の界面であり、これより下が金属回路板１２、上側が信号端子１３側となっている。図３（ｂ）はこの中の四角形で囲まれた部分（接合界面付近）の拡大図である。この接合界面には酸素の偏析が見られるが、特に酸素（銅の酸化層）は界面に一様に分布していない。図３（ｂ）における四角形で囲まれた２箇所の領域の拡大写真が図３（ｃ）、（ｄ）である。図３（ｃ）において見られる黒い領域においては、酸素が銅に対して１％よりも多く含まれており、銅の酸化物が含まれることが、ＳＥＭ−ＥＤＸ分析によって確認された。一方、図３（ｄ）においては黒い領域は全く見られない。従って、酸化物層は接合界面において局所的に分布していることが確認された。従って、銅の酸化層の状況を表す指数としては、この金属回路板と信号端子との接合界面における酸化層が形成された密度が好ましい。特に、接合界面の断面における密度は断面ＳＥＭによって容易に測定できるため、好ましい。
【００２８】
図３の場合と同様にこの接合界面の分析を行い、界面における酸化物層の状況と接合面積および接合界面の電気抵抗について調べた。ここで、各試料においては、金属回路板１２と信号端子１３の材質は共に銅（純銅）であり、超音波印加時の圧力および酸化皮膜除去工程の有無を変えることにより、接合界面の状況が異なる複数の試料を作成した。金属回路板１２の厚さは１ｍｍ、信号端子１３の厚さは２ｍｍ、信号端子の幅は１３ｍｍ（信号端子の断面積が２６ｍｍ２）とした。また、ホーン２０が信号端子に接する面積は約６ｍｍ×６ｍｍであり、超音波の周波数は２０ｋＨｚ、超音波振幅は約４０μｍで約１秒間、超音波印加時の圧力は１０００〜２０００Ｐａとした。
【００２９】
ここで、引張試験後の試料の形状写真を図４に示す。ここで、左側の矩形部が剥離後の金属回路板１２の表面（接合面側）であり、右側の矩形部は剥離後の信号端子１３の表面（接合面側）である。この写真から、剥離後の金属回路板１２の表面における荒れた箇所が接合部となっている。従って、この状況から接合部の面積を換算することができる。
【００３０】
また、酸化物層の状況については、図３と同様の断面ＳＥＭ（電子加速エネルギー２０ｋＶ）写真において、７００μｍの長さの接合界面において、電子ビームのスポット径を１μｍとしたときの酸素の含有量が銅に対して１％以下であった領域が存在している割合を調べた。この割合と、接合面積及び接合界面の電気抵抗との関係について調べた。表１にその結果を示す。
【００３１】
【表１】
【００３２】
この結果から、接合面積が信号端子の断面積（２６ｍｍ２）よりも大きく、かつ酸素の含有量が１％以下である領域の割合が８０％以上である場合に、電気抵抗が５×１０−４Ω以下の値が得られた。すなわち、この場合に、金属回路板１２と信号端子１３との良好な接合が得られた。この際の超音波印加時の圧力は１０００〜１５００Ｐａの範囲であった。
【００３３】
また、超音波印加時の圧力が低い比較例１では接合面積がこれよりも小さく、電気抵抗がこれよりも高くなった。超音波印加時の圧力が高い比較例２では接合面積が大きく、電気抵抗は低いものの、クラックが発生した。酸化皮膜除去工程を行わない比較例３では超音波印加時の圧力が充分であり、接合面積が大きくなっても電気抵抗が高くなった。また、比較例３においては酸素の含有量が銅に対して１％以下である領域の割合は８０％よりも小さくなった。
【００３４】
すなわち、本願発明においては、接合部の酸素の状態を制御することによって金属回路板１２と信号端子１３との接合を良好にすることができる。更に、この接合部の面積が信号端子１３の断面積よりも大きくなるべく超音波接合を行えば、更にこの接合を良好にすることができる。なお、上記の例においては金属回路板１２及び信号端子１３は銅であるとしたが、銅を主成分とする銅合金であっても同様である。
【００３５】
従って、信号端子が厚い構造の回路基板において、セラミックス基板上の金属回路板と信号端子との接合界面の電気抵抗を低下させることができる。これにより、信頼性の高い信号端子付き回路基板を製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本発明の実施の形態に係る回路基板の外観斜視図である。
【図２】本発明の実施の形態に係る回路基板製造方法の工程断面図である。
【図３】本発明の実施の形態に係る回路基板における金属回路板と信号端子との接合界面付近の断面ＳＥＭ観察結果である。
【図４】本発明の実施の形態に係る回路基板における金属回路板と信号端子との剥離試験後の外観写真である。
【図５】従来の回路基板の一例の断面図である。
【符号の説明】
【００３７】
１０、９０ 回路基板
１１、９１ セラミックス基板
１２、９２ 金属回路板
１３、９３ 信号端子
２０ ホーン
２１ 接合部
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体チップを搭載する回路基板の製造方法、この回路基板の構造、この回路基板の設計方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、電動車両用インバータとして高電圧、大電流動作が可能なパワー半導体モジュール（例えばＩＧＢＴモジュール）が用いられている。こうした半導体モジュールには、セラミックス基板上に銅やアルミニウムなどからなる金属回路板等が形成された回路基板に半導体チップが接合された形態のものが用いられる。このセラミックス基板としては、特に電気的絶縁性と熱伝導率が高く、機械的強度の高い窒化珪素や窒化アルミニウムが用いられる。こうした回路基板の構造として、図５にその断面図を示すように、セラミックス基板９１から信号端子９３を大きく突出させ、信号端子９３からの信号を金属回路板９２上の半導体チップに送る必要がある場合がある。なお、図５は断面図であるが、実際には金属回路板９２、信号端子９３はパターン化されており、特に金属回路板９２は矩形形状のセラミックス基板９１の表面にパターン化されて形成されている。なお、セラミックス基板９１における金属回路板９２が形成された面と反対側の面にやはり熱伝導率の高い金属からなる金属放熱板が形成されることもある。
【０００３】
図５の構造を製造するにあたっては、例えば、（１）大きなセラミックス基板上に銅板を貼り付け、この銅板を金属回路板９２及び信号端子９３の形状になるべくパターニングし、その後にセラミックス基板９１を小さくするべく加工する、（２）金属回路板９２をセラミックス基板９１上に形成した後で、信号端子９３を金属回路板９２に接合する、の二つの方法が適用できる。
【０００４】
しかしながら、上記（１）の方法は、コストの高い大きなセラミックス基板を必要とする上、セラミックス基板の加工も容易ではないために、その製造コストが高くなる。従って、（２）の方法が好ましく用いられるが、信号端子９３と金属回路板９２とを接合する方法にはろう付けと超音波接合の２種類がある。
【０００５】
ろう付けの場合には、その後はんだ付けを行うことから、はんだよりも接合温度が高い（４００℃以上）ろう材を使用しなければならないため、ろう付け時に回路基板全体の温度が上昇し、この際に金属回路板（銅）とセラミックス基板（窒化珪素）との熱膨張係数の差によって大きな反りが発生し、セラミックス基板が割れることがある。
【０００６】
一方、超音波接合は、接合すべき金属（この場合は銅）同士を積層させ、加圧しつつ超音波を印加することによりこれらを直接接合する技術であり、ろう付けと異なり、常温における接合も可能である。ただし、加圧しながら超音波が印加されたことにより、接合部直下のセラミックス基板９１にクラックや割れが生ずることがある。この点を改善して超音波接合を利用して図５の構造を作成する技術は、例えば特許文献１に記載されている。
【０００７】
この技術においては、特に金属回路板と信号端子を同一の材質とすることによって、接合部の相互拡散が均一に行われ、超音波の印加パワーおよび加圧力が低い場合であっても強固な接合を得ることができた。これにより、図５に示す構造の回路基板を高い歩留まりで製造することができた。
【０００８】
【特許文献１】特開２００６−２０３２２９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、例えば信号端子の電気抵抗を充分に小さくするためには信号端子を厚くすることが必要になる。この場合、超音波の印加パワーが低い場合は信号端子を充分に厚くしても、接合面積が小さく、電気抵抗が充分には小さくならない。また、接合面積を信号端子厚みに対して充分に確保するためには、超音波の印加パワーおよび加圧力を高くすることが必要となるが、この場合には接合部直下のセラミックス基板にクラックや割れを生ずることがあった。
【００１０】
従って、信号端子が厚い構造の回路基板において、セラミックス基板上の金属回路板と信号端子との接合面積を確保することは困難であった。
【００１１】
本発明は、斯かる問題点に鑑みてなされたものであり、上記問題点を解決する発明を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明は、上記課題を解決すべく、以下に掲げる構成とした。
請求項１記載の発明の要旨は、セラミックス基板の表面に形成された金属回路板に信号端子が接合された形状の回路基板の製造方法であって、前記金属回路板と前記信号端子とが接合される面における酸化層を除去する酸化皮膜除去工程と、前記金属回路板と前記信号端子とを積層し、超音波接合によって前記金属回路板と前記信号端子とを接合する接合工程と、を具備することを特徴とする回路基板の製造方法に存する。
請求項２記載の発明の要旨は、前記接合工程における超音波接合において、１０００〜１５００Ｐａの範囲の圧力が前記信号端子に印加されることを特徴とする請求項１に記載の回路基板の製造方法に存する。
請求項３記載の発明の要旨は、前記金属回路板及び前記信号端子は銅又は銅合金で形成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の回路基板の製造方法に存する。
請求項４記載の発明の要旨は、前記酸化皮膜除去工程において、前記金属回路板及び前記信号端子は酸性溶液に浸漬されることを特徴とする請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載の回路基板の製造方法に存する。
請求項５記載の発明の要旨は、前記酸性溶液は、硫酸又は塩酸を含むことを特徴とする請求項４に記載の回路基板の製造方法に存する。
請求項６記載の発明の要旨は、請求項１から請求項５までのいずれか１項に記載の回路基板の製造方法によって製造されたことを特徴とする回路基板に存する。
請求項７記載の発明の要旨は、セラミックス基板の表面に形成された金属回路板に信号端子が接合された形状の回路基板であって、前記金属回路板及び前記信号端子は銅からなり、前記金属回路板と前記信号端子との間に形成された接合部の断面を、スポット径を１μｍとした走査電子顕微鏡観察した際に、銅に対する酸素の存在比が１％以下である領域の存在比率が８０％以上であることを特徴とする回路基板に存する。
請求項８記載の発明の要旨は、前記接合部の面積は前記信号端子の断面積よりも大きいことを特徴とする請求項７に記載の回路基板に存する。
請求項９記載の発明の要旨は、前記信号端子の厚さが１５００μｍ以上であることを特徴とする請求項８に記載の回路基板に存する。
請求項１０記載の発明の要旨は、セラミックス基板の表面に形成され、銅からなる金属回路板に、銅からなる信号端子が超音波接合された形状の回路基板の設計方法であって、前記金属回路板と前記信号端子との間に形成された接合部の断面を、スポット径を１μｍとした走査電子顕微鏡観察した際の、銅に対する酸素の存在比が１％以下である領域の存在比率を８０％以上とすることを特徴とする回路基板の設計方法に存する。
請求項１１記載の発明の要旨は、前記接合部の面積を前記信号端子の断面積よりも大きくすることを特徴とする請求項１０に記載の回路基板の設計方法に存する。
請求項１２記載の発明の要旨は、前記信号端子の厚さを１５００μｍ以上とすることを特徴とする請求項１１に記載の回路基板の設計方法に存する。
【発明の効果】
【００１３】
本発明は以上のように構成されているので、セラミックス基板上の金属回路板と信号端子との接合面積を充分に確保し、電気抵抗を小さくすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明について具体的な実施形態を示しながら説明する。ただし、本発明はこれらの実施形態に限定されるものではない。
【００１５】
発明者は、信号端子がセラミックス基板から突出した構造の回路基板において、信号端子と金属回路板とを超音波接合する際に、接合界面部の酸素量を減らす、あるいはこの酸素の接合面内における分布を制御することにより、電気抵抗を減少させることができることを知見した。
【００１６】
ここで用いられる超音波接合においては、金属回路板と信号端子とを部分的に積層させ、積層箇所に超音波が印加されたホーンを圧着させる。これにより、金属回路板と信号端子との接合部分に超音波によるエネルギーが加わり、活性化された金属原子が相互拡散した接合部が形成され、安定な接合が得られる。この際、特に接合界面の酸素（酸化物）の状態を制御することにより、電気抵抗を小さくする。
【００１７】
ここで製造される回路基板１０の斜視図が図１である。ここで、セラミックス基板１１の一方の面に金属回路板１２が形成されている。金属回路板１２には信号端子１３が接合されており、信号端子１３はセラミックス基板１１から大きく突出した形態となっている。
【００１８】
セラミックス基板１１は機械的強度が高く、かつ電気絶縁性および熱伝導率が高い窒化珪素で構成される。その厚さは例えば０．３２ｍｍとすることができ、その形状は任意であるが、例えば矩形形状の板状である。
【００１９】
金属回路板１２は電気伝導度及び熱伝導率が高い銅や銅合金で形成され、この回路基板に搭載される半導体チップの配線となり、かつ半導体チップからセラミックス基板１１への放熱も行う。従って、図１中では単純な矩形の板状としてあるが、配線となるべくパターニングされている。その厚さは例えば０．１〜３．０ｍｍ程度である。ただし、電気抵抗を小さくする観点からは厚い方が好ましい。
【００２０】
信号端子１３は金属回路板１２から外部に配線を引き出すために金属回路板１２に接合される。従って、信号端子１３も配線の一部となるため、金属回路板１２と同様の材質である銅又は銅合金が用いられ、金属回路板１２と同様にその形状も適宜パターニングされる。また、その厚さについても金属回路板１２と同様であり、電気抵抗を小さくする観点からは厚い方が好ましい。また、一般には信号端子１３が厚い方が金属回路板１２との接合が困難となるが、本発明の回路基板の製造方法によれば、この場合においても接合を強固にして、その電気抵抗を小さくすることができる。このため、信号端子１３の厚さは１．５ｍｍ（１５００μｍ）以上であることが特に好ましい。
【００２１】
図１に示されるように、金属回路板１２と信号端子１３とは接合される。この接合方法を示す工程断面図が図２である。この接合においては、超音波接合が用いられる。ただし、超音波接合の前には金属回路板１２及び信号端子１３における接合部分における酸化皮膜を除去する酸化皮膜除去工程が行われる。
【００２２】
図２（ａ）においては、セラミックス基板１１上にろう付けによって金属回路板１２が接合される。ろう材としては、例えば銀（Ａｇ）−銅（Ｃｕ）−チタン（Ｔｉ）系の活性金属ろう材を用いることができ、７００℃以上でこれらを接合することができる。あるいは、セラミックス基板１１上にパターン化されていない板状の銅又は銅合金の板を同様にろう付けによって接合し、その後で銅又は銅合金の板をリソグラフィ、エッチングによってパターニングしてもよい。
【００２３】
次に、図２（ｂ）に示すように、予めパターニングされた信号端子１３及び金属回路板１２の表面に対して酸化皮膜除去工程を行う。ここで、酸化皮膜除去工程とは、銅の酸化膜（Ｃｕ２Ｏ、ＣｕＯ）を除去する工程である。具体的には、酸性溶液、例えば硫酸又は塩酸を含む液に信号端子１３及び金属回路板１２の接合面を浸漬することによりなされる。例えば、濃度５％の硫酸水溶液に、２５℃で３ｍｉｎ浸漬する。
【００２４】
次に、図２（ｃ）に示すように、金属回路板１２と信号端子１３とが所望の形状となるべく積層する。
【００２５】
次に、図２（ｄ）に示すように、金属回路板１２と信号端子１３とが積層された状態で、超音波接合用のホーン２０を圧着し、超音波を印加する接合工程を行う。この時の圧力は例えば１５００Ｐａ程度、超音波の周波数は２０ｋＨｚ、振幅は４０μｍ程度で１秒程度の時間である。
【００２６】
これにより、図２（ｅ）に示すように、金属回路板１２と信号端子１３との間には接合部２１が形成される。この接合部２１は、金属回路板１２と信号端子１３の材質（どちらも銅又は銅合金）において超音波によって相互拡散が促進され、相互拡散によって形成された混合層である。接合部２１の面積は、ホーン２０によって超音波が印加される箇所から超音波が信号端子厚み内を拡散した面積となるため、超音波の印加パワーおよび加圧力が充分な場合は、ホーン２０が信号端子１３に接する面積以上となる場合もある。
【００２７】
ここで、接合後の接合部の分析、特にこの接合部２１における酸素に着目した分析を行った。図３はこの接合部２１における接合界面（接合部２１が形成される前の金属回路板１２と信号端子１３との界面）と垂直な方向の断面ＳＥＭ（走査顕微鏡）写真である。ここで、金属回路板１２と信号端子１３は共に銅で形成されている。図３（ａ）において、縦方向における中心が接合の界面であり、これより下が金属回路板１２、上側が信号端子１３側となっている。図３（ｂ）はこの中の四角形で囲まれた部分（接合界面付近）の拡大図である。この接合界面には酸素の偏析が見られるが、特に酸素（銅の酸化層）は界面に一様に分布していない。図３（ｂ）における四角形で囲まれた２箇所の領域の拡大写真が図３（ｃ）、（ｄ）である。図３（ｃ）において見られる黒い領域においては、酸素が銅に対して１％よりも多く含まれており、銅の酸化物が含まれることが、ＳＥＭ−ＥＤＸ分析によって確認された。一方、図３（ｄ）においては黒い領域は全く見られない。従って、酸化物層は接合界面において局所的に分布していることが確認された。従って、銅の酸化層の状況を表す指数としては、この金属回路板と信号端子との接合界面における酸化層が形成された密度が好ましい。特に、接合界面の断面における密度は断面ＳＥＭによって容易に測定できるため、好ましい。
【００２８】
図３の場合と同様にこの接合界面の分析を行い、界面における酸化物層の状況と接合面積および接合界面の電気抵抗について調べた。ここで、各試料においては、金属回路板１２と信号端子１３の材質は共に銅（純銅）であり、超音波印加時の圧力および酸化皮膜除去工程の有無を変えることにより、接合界面の状況が異なる複数の試料を作成した。金属回路板１２の厚さは１ｍｍ、信号端子１３の厚さは２ｍｍ、信号端子の幅は１３ｍｍ（信号端子の断面積が２６ｍｍ２）とした。また、ホーン２０が信号端子に接する面積は約６ｍｍ×６ｍｍであり、超音波の周波数は２０ｋＨｚ、超音波振幅は約４０μｍで約１秒間、超音波印加時の圧力は１０００〜２０００Ｐａとした。
【００２９】
ここで、引張試験後の試料の形状写真を図４に示す。ここで、左側の矩形部が剥離後の金属回路板１２の表面（接合面側）であり、右側の矩形部は剥離後の信号端子１３の表面（接合面側）である。この写真から、剥離後の金属回路板１２の表面における荒れた箇所が接合部となっている。従って、この状況から接合部の面積を換算することができる。
【００３０】
また、酸化物層の状況については、図３と同様の断面ＳＥＭ（電子加速エネルギー２０ｋＶ）写真において、７００μｍの長さの接合界面において、電子ビームのスポット径を１μｍとしたときの酸素の含有量が銅に対して１％以下であった領域が存在している割合を調べた。この割合と、接合面積及び接合界面の電気抵抗との関係について調べた。表１にその結果を示す。
【００３１】
【表１】
【００３２】
この結果から、接合面積が信号端子の断面積（２６ｍｍ２）よりも大きく、かつ酸素の含有量が１％以下である領域の割合が８０％以上である場合に、電気抵抗が５×１０−４Ω以下の値が得られた。すなわち、この場合に、金属回路板１２と信号端子１３との良好な接合が得られた。この際の超音波印加時の圧力は１０００〜１５００Ｐａの範囲であった。
【００３３】
また、超音波印加時の圧力が低い比較例１では接合面積がこれよりも小さく、電気抵抗がこれよりも高くなった。超音波印加時の圧力が高い比較例２では接合面積が大きく、電気抵抗は低いものの、クラックが発生した。酸化皮膜除去工程を行わない比較例３では超音波印加時の圧力が充分であり、接合面積が大きくなっても電気抵抗が高くなった。また、比較例３においては酸素の含有量が銅に対して１％以下である領域の割合は８０％よりも小さくなった。
【００３４】
すなわち、本願発明においては、接合部の酸素の状態を制御することによって金属回路板１２と信号端子１３との接合を良好にすることができる。更に、この接合部の面積が信号端子１３の断面積よりも大きくなるべく超音波接合を行えば、更にこの接合を良好にすることができる。なお、上記の例においては金属回路板１２及び信号端子１３は銅であるとしたが、銅を主成分とする銅合金であっても同様である。
【００３５】
従って、信号端子が厚い構造の回路基板において、セラミックス基板上の金属回路板と信号端子との接合界面の電気抵抗を低下させることができる。これにより、信頼性の高い信号端子付き回路基板を製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本発明の実施の形態に係る回路基板の外観斜視図である。
【図２】本発明の実施の形態に係る回路基板製造方法の工程断面図である。
【図３】本発明の実施の形態に係る回路基板における金属回路板と信号端子との接合界面付近の断面ＳＥＭ観察結果である。
【図４】本発明の実施の形態に係る回路基板における金属回路板と信号端子との剥離試験後の外観写真である。
【図５】従来の回路基板の一例の断面図である。
【符号の説明】
【００３７】
１０、９０ 回路基板
１１、９１ セラミックス基板
１２、９２ 金属回路板
１３、９３ 信号端子
２０ ホーン
２１ 接合部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
セラミックス基板の表面に形成された金属回路板に信号端子が接合された形状の回路基板の製造方法であって、
前記金属回路板と前記信号端子とが接合される面における酸化層を除去する酸化皮膜除去工程と、
前記金属回路板と前記信号端子とを積層し、超音波接合によって前記金属回路板と前記信号端子とを接合する接合工程と、
を具備することを特徴とする回路基板の製造方法。
【請求項２】
前記接合工程における超音波接合において、１０００〜１５００Ｐａの範囲の圧力が前記信号端子に印加されることを特徴とする請求項１に記載の回路基板の製造方法。
【請求項３】
前記金属回路板及び前記信号端子は銅又は銅合金で形成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の回路基板の製造方法。
【請求項４】
前記酸化皮膜除去工程において、前記金属回路板及び前記信号端子は酸性溶液に浸漬されることを特徴とする請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載の回路基板の製造方法。
【請求項５】
前記酸性溶液は、硫酸又は塩酸を含むことを特徴とする請求項４に記載の回路基板の製造方法。
【請求項６】
請求項１から請求項５までのいずれか１項に記載の回路基板の製造方法によって製造されたことを特徴とする回路基板。
【請求項７】
セラミックス基板の表面に形成された金属回路板に信号端子が接合された形状の回路基板であって、
前記金属回路板及び前記信号端子は銅からなり、
前記金属回路板と前記信号端子との間に形成された接合部の断面を、スポット径を１μｍとした走査電子顕微鏡観察した際に、銅に対する酸素の存在比が１％以下である領域の存在比率が８０％以上であることを特徴とする回路基板。
【請求項８】
前記接合部の面積は前記信号端子の断面積よりも大きいことを特徴とする請求項７に記載の回路基板。
【請求項９】
前記信号端子の厚さが１５００μｍ以上であることを特徴とする請求項８に記載の回路基板。
【請求項１０】
セラミックス基板の表面に形成され、銅からなる金属回路板に、銅からなる信号端子が超音波接合された形状の回路基板の設計方法であって、
前記金属回路板と前記信号端子との間に形成された接合部の断面を、スポット径を１μｍとした走査電子顕微鏡観察した際の、銅に対する酸素の存在比が１％以下である領域の存在比率を８０％以上とすることを特徴とする回路基板の設計方法。
【請求項１１】
前記接合部の面積を前記信号端子の断面積よりも大きくすることを特徴とする請求項１０に記載の回路基板の設計方法。
【請求項１２】
前記信号端子の厚さを１５００μｍ以上とすることを特徴とする請求項１１に記載の回路基板の設計方法。
【請求項１】
セラミックス基板の表面に形成された金属回路板に信号端子が接合された形状の回路基板の製造方法であって、
前記金属回路板と前記信号端子とが接合される面における酸化層を除去する酸化皮膜除去工程と、
前記金属回路板と前記信号端子とを積層し、超音波接合によって前記金属回路板と前記信号端子とを接合する接合工程と、
を具備することを特徴とする回路基板の製造方法。
【請求項２】
前記接合工程における超音波接合において、１０００〜１５００Ｐａの範囲の圧力が前記信号端子に印加されることを特徴とする請求項１に記載の回路基板の製造方法。
【請求項３】
前記金属回路板及び前記信号端子は銅又は銅合金で形成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の回路基板の製造方法。
【請求項４】
前記酸化皮膜除去工程において、前記金属回路板及び前記信号端子は酸性溶液に浸漬されることを特徴とする請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載の回路基板の製造方法。
【請求項５】
前記酸性溶液は、硫酸又は塩酸を含むことを特徴とする請求項４に記載の回路基板の製造方法。
【請求項６】
請求項１から請求項５までのいずれか１項に記載の回路基板の製造方法によって製造されたことを特徴とする回路基板。
【請求項７】
セラミックス基板の表面に形成された金属回路板に信号端子が接合された形状の回路基板であって、
前記金属回路板及び前記信号端子は銅からなり、
前記金属回路板と前記信号端子との間に形成された接合部の断面を、スポット径を１μｍとした走査電子顕微鏡観察した際に、銅に対する酸素の存在比が１％以下である領域の存在比率が８０％以上であることを特徴とする回路基板。
【請求項８】
前記接合部の面積は前記信号端子の断面積よりも大きいことを特徴とする請求項７に記載の回路基板。
【請求項９】
前記信号端子の厚さが１５００μｍ以上であることを特徴とする請求項８に記載の回路基板。
【請求項１０】
セラミックス基板の表面に形成され、銅からなる金属回路板に、銅からなる信号端子が超音波接合された形状の回路基板の設計方法であって、
前記金属回路板と前記信号端子との間に形成された接合部の断面を、スポット径を１μｍとした走査電子顕微鏡観察した際の、銅に対する酸素の存在比が１％以下である領域の存在比率を８０％以上とすることを特徴とする回路基板の設計方法。
【請求項１１】
前記接合部の面積を前記信号端子の断面積よりも大きくすることを特徴とする請求項１０に記載の回路基板の設計方法。
【請求項１２】
前記信号端子の厚さを１５００μｍ以上とすることを特徴とする請求項１１に記載の回路基板の設計方法。
【図１】
【図２】
【図５】
【図３】
【図４】
【図２】
【図５】
【図３】
【図４】
【公開番号】特開２００９−２００２４３（Ｐ２００９−２００２４３Ａ）
【公開日】平成２１年９月３日（２００９．９．３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−４０２２１（Ｐ２００８−４０２２１）
【出願日】平成２０年２月２１日（２００８．２．２１）
【出願人】（０００００５０８３）日立金属株式会社 (2,051)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年９月３日（２００９．９．３）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年２月２１日（２００８．２．２１）
【出願人】（０００００５０８３）日立金属株式会社 (2,051)
【Ｆターム（参考）】
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