金属−セラミックス接合回路基板の製造方法
【課題】金属−セラミックス接合回路基板の断面形状を少ない工数または低コストで容易に制御することができ、且つ耐熱衝撃性または絶縁性に対してより高信頼性を有する金属−セラミックス接合回路基板を製造することができる、金属−セラミックス接合回路基板の製造方法を提供する。
【解決手段】セラミックス基板１０の両面にろう材１２を介してＣｕ板１４を接合した後、 Ｃｕ板１４の表面の所定の部分にＵＶ硬化アルカリ剥離型レジスト１６を塗布してＣｕ板１４の不要部分をエッチングすることにより金属回路部を形成し、レジスト１６を維持したまま、不要なろう材１２およびろう材１２とセラミックス基板１０との反応生成物を除去し（あるいは、不要なろう材１２およびろう材１２とセラミックス基板１０との反応生成物を除去し、金属回路部の側面部をエッチングし）、その後、レジスト１６を剥離し、 Ｎｉ−Ｐ無電解メッキ１８を施す。
【解決手段】セラミックス基板１０の両面にろう材１２を介してＣｕ板１４を接合した後、 Ｃｕ板１４の表面の所定の部分にＵＶ硬化アルカリ剥離型レジスト１６を塗布してＣｕ板１４の不要部分をエッチングすることにより金属回路部を形成し、レジスト１６を維持したまま、不要なろう材１２およびろう材１２とセラミックス基板１０との反応生成物を除去し（あるいは、不要なろう材１２およびろう材１２とセラミックス基板１０との反応生成物を除去し、金属回路部の側面部をエッチングし）、その後、レジスト１６を剥離し、 Ｎｉ−Ｐ無電解メッキ１８を施す。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、金属−セラミックス接合回路基板の製造方法に関し、特にセラミックス基板上にろう材を介して金属板を接合して回路が形成され、パワーモジュール用などの大電力素子搭載用に好適な金属−セラミックス接合回路基板の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
パワーモジュール用や半導体実装用などに用いられるセラミックス回路基板の製造方法においては、まず金属板とセラミックス基板の接合が行われる。例えば、セラミックス基板上に銅板を直接接触させて配置し、不活性ガス中で加熱してセラミックス基板と銅板を接合させる直接接合法が工業的に利用されている。また、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆなどの活性金属を含有するろう材を介して、セラミックス基板上に銅板を配置し、真空中で加熱してセラミックス基板と銅板を接合させるろう接法も工業的に利用されている。このろう接法では、活性金属がセラミックス基板と金属板との接合に関与し、セラミックス基板とろう材が反応生成物を形成する。一般に、ろう材は、Ａｌ２Ｏ３などの酸化物系セラミックス基板とは活性金属の酸化物を生成し、ＡｌＮやＳｉ３Ｎ４などの非酸化物系セラミックス基板とは活性金属の窒化物を生成し、ＳｉＣなどの炭化物系セラミックス基板とは活性金属の炭化物を生成し、この生成物によってセラミックス基板と銅板が接合していると考えられている。すなわち、接合後のろう材層は、ろう材の金属を主とする層とろう材とセラミックス基板との界面の界面生成物を主とする層からなっている。
【０００３】
また、回路用や放熱用として銅などの金属板を接合した後に所定の回路形状などにパターニングする方法として、プリント回路基板などにも利用されているエッチング法がある。この方法は、ファインパターンが得られ易く且つ回路設計の変更への対応も比較的簡単にできるため、広く利用されている。この方法では、例えば、銅などの金属板のエッチング液として、通常、塩化鉄または塩化銅と塩酸と過酸化水素水の混合溶液が使用されている。このエッチング液は、上述した銅の直接接合法の場合には、反応生成物を無視できるため、問題なくエッチングして、パターニングすることができる。しかし、このエッチング液は、ろう接法の場合には、金属板を溶かすことはできるが、ろう材およびろう材とセラミックス基板との反応生成物（以下、ろう材と反応生成物とを総称して「ろう材等」という）を溶かすことができず、これらが回路パターン間または基板の縁面に残存する。これらのろう材等は導体であるため、回路パターン間または基板の表裏間を絶縁するという回路基板の基本的な特性を満たすことができない。そのため、このろう材等を除去する方法として、フッ酸を単独で使用し、または硝酸、硫酸および塩酸から選ばれる少なくとも一種の無機酸とフッ酸との混酸を使用し、あるいは王水、水酸化ナトリウムおよび／または水酸化カリウムを含む溶液を使用し、ろう材等を処理して除去する方法が知られている（例えば、特許文献１参照）。また、ハロゲン化水素および／またはハロゲン化アンモニウムを含む水溶液で処理し、次いで無機酸と過酸化水素水を含む水溶液で処理することにより、ろう材等を除去する方法も知られている（例えば、特許文献２参照）。
【０００４】
また、ろう材を介して接合する金属−セラミックス接合回路基板の回路パターン端部の断面形状は、特性に大きく関係し、要求特性により最適な形状にするのが望ましい。すなわち、熱衝撃などに対する信頼性を高めるためには、銅板の端部からろう材をはみ出させることが、金属とセラミックスとの接合においてこれらの熱膨張係数から発生する熱応力の緩和に効果的である。
【０００５】
また、ろう材のはみ出しは耐熱衝撃に効果が大きいことがわかっているが、これまでその製造方法として、ろう材を除去する場合、２回レジスト２回エッチング法、１回レジスト（除去）法が採られている。２回レジスト２回エッチング法は、金属板の表面の所定の部分にレジストを塗布し、金属板の不要部分をエッチングして金属回路を形成した後、レジストを除去し、金属回路間に残留する不要なろう材を除去し、再度この金属回路の表面にレジストを塗布して再度エッチングし、レジストを剥離して除去する方法、すなわち、レジスト工程を２回、エッチング工程を２回行う方法である。一方、１回レジスト（除去）法は、金属板を接合した後に、金属板の表面の所定の部分にレジストを塗布し、金属板の不要部分をエッチングして金属回路を形成した後、レジストを剥離して除去し、金属回路間に残留する不要なろう材を、例えば弗化物系薬液で除去する方法である。前者は、大きなろう材はみ出しが得られるが、工数が多く、コスト面で不利である。後者は、工数は通常と同じであるが、薬液の性質上、はみ出しを大きくすることが困難であり、且つ薬液の性質上、セラミックス基板へのアタックも無視できないことがある。さらに、ろう材を除去する薬液により金属板のトップも同様に溶かされ、ダレが生じてしまうため、半導体などのチップ搭載に不具合が発生し、寸法を大きくするなどの設計変更を余儀なくされることもある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特許第２５９４４７５号公報（第２頁）
【特許文献２】特公平７−３６４６７号公報（段落番号０００６）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかし、従来の方法では、金属板の端部からろう材等がはみ出す長さ（以下、「ろう材はみ出し量」という）の制御が難しく、特に、ろう材はみ出し量を大きくとる場合、通常の工程より工数が増加し、製造コストが増加する。また、ろう材除去液により金属板のトップのダレが生じ、半導体などのチップ搭載時に寸法的な不具合を生ずる。
【０００８】
また、ろう材除去液として、フッ酸やその混酸、フッ化アンモニウムなどに代表されるハロゲン化水素またはハロゲン化アンモニウムを含む薬液を使用すると、ろう材等の除去と同時にセラミックス基板も腐食され、セラミックス回路基板としての信頼性に関する特性が劣化する場合がある。一方、セラミックス基板の腐食を抑えようとすると、回路パターン間のろう材等を完全に除去できず、ろう材等が残り、不良が発生する可能性がある。また、ろう材と金属板とのエッチングレートの比が小さいため、ろう材を大きく（例えば、＞３０μｍ）はみ出させることが難しい。さらに、フッ酸などのハロゲン化合物は、腐食性が大きいため、生産設備や廃液処理施設、廃液処理などのコストも割高となり、製品の製造コストが高くなる傾向がある。
【０００９】
一方、ろう材除去液として、キレート剤と過水のアルカリ性混合液（アルカリ系キレート除去液）を使用する場合には、セラミックスへのダメージが比較的小さく、ろう材の溶解性も良好であるが、汎用的に使用されるアルカリ剥離型エッチングレジストもろう材とともに除去されてしまう。そのため、金属回路部からろう材をはみ出させることによりさらに信頼性の高い基板を製造するためには、再度エッチングレジスト印刷およびエッチング工程を経なければならず、製造コストが通常より高くなる。
【００１０】
一方、有機溶剤剥離型エッチングレジストを使用すれば、アルカリ液にも耐性があるが、レジストを除去するためには、トリクロロエチレンなどの環境的に有害性の高い有機溶剤を使用しなければならない。ただし、設備による環境対策が可能である。
【００１１】
したがって、本発明は、このような従来の問題点に鑑み、金属−セラミックス接合回路基板の断面形状を少ない工数または低コストで容易に制御することができ、且つ耐熱衝撃性または絶縁性に対してより高信頼性を有する金属−セラミックス接合回路基板を製造することができる、金属−セラミックス接合回路基板の製造方法を提供することを目的とする。
【００１２】
また、本発明は、金属板のトップのダレを防止することができ、セラミックス基板へのアタックが少なく且つ環境に配慮した薬液を使用することができ、廃液処理施設などの設備や処理を簡易化できる、金属−セラミックス接合回路基板の製造方法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】
【００１３】
本発明者らは、上記課題を解決するために鋭意研究した結果、セラミックス基板の少なくとも一方の面にろう材を介して金属板を接合して回路パターンを形成するセラミックス回路基板の製造方法において、金属板を接合した後に、金属板の表面の所定の部分にレジストを塗布して金属板の不要部分をエッチングすることにより金属回路部を形成し、レジストを維持したまま、不要なろう材およびろう材とセラミックス基板との反応生成物を除去し（あるいは、不要なろう材およびろう材とセラミックス基板との反応生成物を除去し、金属回路部の側面部をエッチングし）、その後、レジストを剥離することにより、金属−セラミックス接合回路基板の断面形状を少ない工数または低コストで容易に制御することができ、且つ耐熱衝撃性または絶縁性に対してより高信頼性を有する金属−セラミックス接合回路基板を製造することができることを見出し、本発明を完成するに至った。
【００１４】
すなわち、本発明による金属−セラミックス接合回路基板の製造方法は、セラミックス基板の少なくとも一方の面にろう材を介して金属板を接合して回路パターンを形成するセラミックス回路基板の製造方法において、金属板を接合した後に、金属板の表面の所定の部分にレジストを塗布して金属板の不要部分をエッチングすることにより金属回路部を形成し、レジストを維持したまま、不要なろう材およびろう材とセラミックス基板との反応生成物を除去し、その後、レジストを剥離することを特徴とする。
【００１５】
また、本発明による金属−セラミックス接合回路基板の製造方法は、セラミックス基板の少なくとも一方の面にろう材を介して金属板を接合して回路パターンを形成するセラミックス回路基板の製造方法において、金属板を接合した後に、金属板の表面の所定の部分にレジストを塗布して金属板の不要部分をエッチングすることにより金属回路部を形成し、レジストを維持したまま、不要なろう材およびろう材とセラミックス基板との反応生成物を除去し、金属回路部の側面部をエッチングし、その後、レジストを剥離することを特徴とする。
【００１６】
これらの金属−セラミックス接合回路基板の製造方法において、不要なろう材およびろう材とセラミックス基板との反応生成物を除去する際に、金属の平均溶解速度／ろう材の平均溶解速度の値が１乃至２０であるのが好ましい。
【００１７】
さらに、本発明による金属−セラミックス接合回路基板の製造方法は、セラミックス基板の少なくとも一方の面にろう材を介して金属板を接合して回路パターンを形成するセラミックス回路基板の製造方法において、金属板を接合した後に、不要なろう材およびろう材とセラミックス基板との反応生成物を除去し、この除去の際に、金属の平均溶解速度／ろう材の平均溶解速度の値が１乃至２０である薬液を使用することを特徴とする。
【００１８】
これらの金属−セラミックス接合回路基板の製造方法において、レジストがアルカリ剥離型レジストであるのが好ましい。また、不要なろう材およびろう材とセラミックス基板との反応生成物を除去する際に、ｐＨが３乃至６．５のろう材除去薬液を使用するのが好ましい。あるいは、不要なろう材およびろう材とセラミックス基板との反応生成物を除去する際に、キレート剤と過酸化水素水から形成されるろう材除去薬液またはキレート剤と過酸化水素水とｐＨ調整剤とから形成されるろう材除去薬液を使用するのが好ましい。この場合、キレート剤が、ＥＤＴＡ、ＮＴＡ、ＣｙＤＴＡ、ＤＴＰＡ、ＴＴＨＡ、ＧＥＤＴＡおよびこれらの塩からなる群から選ばれる１または２以上の化合物であるのが好ましい。
【００１９】
また、セラミックス基板の材料は、窒化物、酸化物または炭化物のいずれかであるのが好ましい。ろう材は、Ａｇおよび活性金属を含む合金、化合物または混合物からなるのが好ましい。金属板は、Ｃｕ、Ａｌおよびこれらの合金からなる群から選ばれる１または２以上からなるのが好ましい。
【００２０】
また、金属板の不要部分をエッチングした後、不要なろう材およびろう材とセラミックス基板との反応生成物を除去する前に、ろう材の表面の塩化銀層を薬液処理により除去するのが好ましい。この場合、塩化銀層の除去に使用する薬液が、チオ硫酸アンモニウムまたはチオ硫酸のアルカリ塩の少なくとも１つであるのが好ましい。なお、塩化銀層は、主に金属板を前述した塩酸系の薬液でエッチングする際に生じると考えられ、あるいはエッチング工程後の水洗洗浄などにおいて生じると考えられる。
【００２１】
さらに、金属回路部の端部からろう材がはみ出す長さであるろう材はみ出し量が３０μｍ以上であるのが好ましい。また、レジストを剥離した後、金属回路部およびろう材の部分にＮｉメッキ、Ｎｉ合金メッキ、金メッキのいずれかを施すのが好ましい。また、メッキでなくても、防錆処理剤で金属板の表面を処理してもよい。
【００２２】
また、本発明によるパワーモジュール用金属−セラミックス接合回路基板は、上記の金属−セラミックス接合回路基板の製造方法によって製造されることを特徴とする。また、本発明によるモジュールは、上記の金属−セラミックス接合回路基板の製造方法によって製造される金属−セラミックス接合回路基板を用いて組み立てられることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２３】
本発明によれば、金属−セラミックス接合回路基板の断面形状を少ない工数または低コストで容易に制御することができ、且つ耐熱衝撃性または絶縁性に対してより高信頼性を有する金属−セラミックス接合回路基板を製造することができる。また、本発明によれば、金属板のトップのダレを防止することができ、セラミックス基板へのアタックが少なく且つ環境に配慮した薬液を使用することができ、廃液処理施設などの設備や処理を簡易化できる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明による金属−セラミックス接合回路基板の製造方法の工程を示す断面図である。
【図２】本発明による金属−セラミックス接合回路基板の製造方法の工程を示す断面図である。
【図３】本発明による金属−セラミックス接合回路基板の製造方法の工程を示す断面図である。
【図４】実施例１で得られた金属−セラミックス接合回路基板の断面を示す顕微鏡写真である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
本発明による金属−セラミックス接合回路基板の製造方法の実施の形態では、セラミックス基板の少なくとも一方の面にろう材を介して金属板を接合した後に、金属板の表面の所定の部分にレジストを塗布して金属板の不要部分をエッチングすることにより金属回路部を形成し、レジストを維持したまま、不要なろう材等を除去し（あるいは、不要なろう材等を除去し、金属回路部の側面部をエッチングし）、その後、レジストを剥離する。
【００２６】
金属板の不要部分のエッチング後に残った不要なろう材等を選択的に除去する方法として、（１）ろう材を薬液により除去する段階でレジストを除去しないことにより、断面形状の制御を容易にすること、（２）ろう材を薬液により除去する段階でレジストを除去しないで、その状態でさらに金属板の側面をエッチングすることにより、ろう材をはみ出させること、（３）ろう材除去液の特性により、金属板とろう材のエッチングレートの比を所定の比にすることで、断面形状の制御を容易にすること、（４）レジストを残すことにより金属板のトップのダレを防ぐこと、（５）セラミックスへのアタックが小さい薬液を使用すること、（６）ろう材除去液の選択により廃液処理設備を簡易化すること、（７）酸性側でろう材を除去することにより、アルカリ剥離型レジストを使用できるようにすること、という要件を単独で使用または複合して使用し、またはその要件を適当な条件で使用する。
【００２７】
本発明によれば、ろう材等の除去薬液の使用時もレジストを剥離しないことにより、金属板の端部からのろう材のはみ出しの制御を容易にし、且つ低コストで作製することができる。このときのろう材等の除去薬液については、以下の性質の薬液が好ましい。
【００２８】
本発明によれば、キレート剤と過酸化水素水から得られる薬液、キレート剤と過酸化水素水とｐＨ調整剤とから得られる薬液、または弗化物系の薬品を使用するのが好ましい。ろう材等を溶解除去する薬液は、より早くろう材等を溶かすために、レジストの耐液温度まで加温することもできる。また、薬液処理は、スプレー法やディップ浸漬により行うことができる。ディップ浸漬処理の場合には、液処理中には、処理基板を揺動させるなどして、液の循環性を良好にしておくことが均等性を上げるために好適である。また、キレート剤によりろう材等を溶解除去する場合、セラミックス基板へのアタックやダメージが小さいため、フッ化水素の混酸などを用いた場合と比較して、信頼性において有利であり好ましい。また、薬液のｐＨが６．５以上であるとアルカリ剥離型レジストの耐液性が低下し、ｐＨ３以下であるとろう材の溶解速度が低くなってしまうため、ｐＨ４．５〜５．８であることが好ましい。
【００２９】
キレート試薬や過酸化水素水の濃度が低い場合には、ろう材等の溶解速度や溶解度が低下するため、ろう材等が溶け残り易くなる。また、キレート試薬の濃度が高い場合には、溶解度の問題があり、試薬の溶け残りが生じ、過酸化水素水の濃度が高い場合には、異常反応として薬液の突沸などが起こり易くなる。したがって、キレート試薬および過酸化水素水の濃度には工業的利用に関して適当な範囲があり、キレート試薬の濃度は０．５〜１．５ｗｔ％、過酸化水素水の濃度は５〜２０％の範囲が好ましい。キレート剤としては、安価なＥＤＴＡが好ましい。溶解反応が進行すると、ｐＨが低下するため、これを一定にするために、ｐＨを制御して処理することにより、溶解工程を安定的に行うことができる。ｐＨ調整剤としては、キレート剤と可溶性の塩を生成するものが好ましく、価格・汎用性の点で、アンモニア水または水酸化アルカリが好ましい。キレート剤のカルボン酸基の水素イオンがＮａイオンなどに置き換えられた塩で、例えば、ＥＤＴＡの４Ｎａ塩のように、ｐＨ６．５を上回る水溶液の場合には、同じ酸根であるＥＤＴＡによってｐＨ調整することが、異なる化学種の存在による反応系の複雑化を回避するために好ましい。
【００３０】
セラミックス基板と金属板を接合するろう材としては、Ａｇを含有するろう材に活性金属としてＴｉ、Ｚｒなどの中から少なくとも一種の元素を添加したものが用いられ、応力緩和などのためにＴｉＯ２のような第４成分を微量添加することもある。一般に、金属板として電気伝導特性の優れたＣｕ板などを接合し、その上をレジストで被覆して、Ｃｕ板などを所定の回路パターンなどにエッチングする方法が行われている。
【００３１】
その後、不要なろう材等を除去する際に、ろう材の主成分がＡｇである場合には、ろう材等が溶解する一方で、金属回路部も相対的に溶解・後退するため、結果としてろう材が金属回路部からはみ出す形状になる。不要なろう材を除去する際には、ろう材のみが溶解する条件であると、ろう材層が逆にえぐれた状態になり易い。この状態では、化研処理（エッチング）を行い、金属層を数１０μｍ程度もエッチングすれば、ろう材のはみ出しを形成することができる。一方、（金属の平均溶解速度／ろう材の平均溶解速度）の値が１以上になると、ろう材除去工程においてろう材のはみ出しを形成できるが、この値が１より小さいとろう材のはみ出しが不十分になり、大きすぎると不要なろう材を除去している間に金属が溶解し過ぎて回路パターンのライン性が低下するため、例えば、ろう材の厚さが２０μｍであれば１．５〜５程度、５μｍであれば８〜１３程度が好ましい。ここでいうろう材の平均溶解速度とは、（ろう材層の厚さ／不要なろう材部を溶解・除去するのに要した時間）で与えられる数値である。この溶解関係を維持するため、ろう材の金属成分の組成としては、Ａｇが６５〜９９ｗｔ％、活性金属が１〜１０ｗｔ％、残りが実質的にＣｕであることが好ましい。また、ろう材は、セラミックス基板の全面に配置されたり、所定の場所だけに配置されたりする場合があり、用途などにより必要に応じて使い分けられる。また、配置するろう材としては、ペースト状のもの、箔状などの形状であっても差し支えない。さらに信頼性の高い基板を得る目的でろう材はみ出し量を大きくするために、レジストを維持した状態で、再度金属回路部の側面をエッチング処理（化学研磨処理）することができる。
【００３２】
通常の塩化銅によるエッチング処理では、ろう材層の表面に塩化銀の膜が生成し易く、ｐＨを３〜６．５に調整したキレート剤および過酸化水素水では、溶解に時間を要するため、前処理としてチオ硫酸アンモニウム水溶液などの薬液で表面の塩化銀を予備除去した後、ｐＨを３〜６．５に調整したキレート剤および過酸化水素水で処理することが好ましい。この前処理液については、液温は室温程度で十分であるが、操業安定化のため、３０℃程度に加熱して使用することも可能である。濃度は特に限定されないが、操業時の濃度変化率を低減するために、３０％程度に設定するのが望ましい。この条件であれば、チオ硫酸アンモニウム水溶液などの薬液への浸漬時間は１分程度で十分であるが、長すぎると金属回路部との接触などにより薬液劣化が進行するので、１〜３分が好ましい。このチオ硫酸塩処理で塩化銀層を除去することにより、他の薬液処理によっても、ろう材除去効率を改善することができる。
【００３３】
金属板としては、熱伝導率および電気伝導の大きいＣｕ板が用いられることが多い。若干電気特性が低下するものの、軽く軟らかいという特徴からＡｌが用いられる場合もある。また、金属の特性を変化させるため、用途に応じてこれらの合金が用いられる場合もある。
【００３４】
金属−セラミックス接合回路基板の表面の回路パターンとなる金属板の耐候性を向上させるとともに、半田濡れ性などの経時変化を防止するために、Ｎｉメッキ、Ｎｉ合金メッキまたはＡｕメッキを行うことが好ましい。メッキ工程は、脱脂、化学研磨、Ｐｄ活性化の薬液による前処理工程を経て、Ｎｉ−Ｐ無電解メッキ液として次亜リン酸塩を含有する薬液を使用する通常の無電解メッキの方法、あるいは電極をパターンに接触させて電気メッキを行う方法などにより行う。
【００３５】
本発明において使用するセラミックス基板の材料については、Ａｌ２Ｏ３（アルミナ）は安価であり、ＡｌＮは高価であるが熱伝導性が良好であり、Ｓｉ３Ｎ４およびＳｉＣは熱伝導性がＡｌ２Ｏ３とＡｌＮの中間であり高価であるが強度や靭性が高いという特徴がある。これらのセラミックス基板の特徴を生かし、Ａｌ２Ｏ３は安価なセラミックス回路基板を提供でき、ＡｌＮは優れた放熱性を利用して大電力チップなどの発熱の大きい半導体に対応するセラミックス回路基板を提供でき、また、Ｓｉ３Ｎ４およびＳｉＣは優れた強度を生かして耐熱衝撃性や耐環境性に強く自動車など厳しい環境で使用されるセラミックス回路基板を提供することができる。
【００３６】
本発明により製造される金属−セラミックス接合回路基板では、その金属回路板上には、半導体チップ、抵抗体、その他の電気・電子部品が半田付けなどによって搭載され、その反対側の面には、放熱板が半田付けなどによって接合される。さらに、プラスチックケースなどの接着、外部端子と回路基板との超音波ボンディングワイヤによる接続、絶縁ゲル注入、上蓋の接着などの工程を経て、モジュールとして完成して使用することができる。
【実施例】
【００３７】
以下、添付図面を参照して本発明による金属−セラミックス接合回路基板の製造方法の実施例について詳細に説明する。
【００３８】
［実施例１］
金属成分が９１Ａｇ−７Ｃｕ−１．５Ｔｉ−０．５ＴｉＯ２（ｗｔ％）になるように金属粉を秤量し、この金属粉に約１０％のアクリル系のビヒクルを加え、自動乳鉢や３本ロールミルなどにより通常の方法で混錬して、ペースト状のろう材を作製した。
【００３９】
次に、図１に示すように、セラミックス基板１０を用意し（図１（ａ））、スクリーン印刷によりセラミックス基板１０の両面にろう材１２を塗布し（図１（ｂ））、その両側に０．３ｍｍの厚さのＣｕ板１４を配置し（図１（ｃ））、真空炉中において８３５℃でセラミックス基板１０とＣｕ板１４を接合した。なお、接合後にサンプルを切断してろう材１２の厚さを測定したところ、約２０μｍであった。また、セラミックス基板１０として、ＡＴＧ社製ＳグレードＡｌＮ基板を使用した。
【００４０】
その後、サンプルを真空炉から取り出し、図２に示すように、接合したＣｕ板１４の両面に、所望の回路パターンのＵＶ硬化アルカリ剥離型レジスト１６（三井化学（株）製ＭＴ−ＵＶ−５２０３）を約１０〜１５μｍの厚さに塗布し（図２（ａ））、塩化銅と過酸化水素水と塩酸からなるエッチング液によりＣｕ板１４の不要部分を除去した（図２（ｂ））。
【００４１】
次に、この回路パターン間や基板の縁面の不要なろう材を除去するため、３０％チオ硫酸ナトリウム水溶液に室温で２分間浸漬した後、８３０ｇの純粋に対して１４ｇのＥＤＴＡおよび１７０ｍｌの過酸化水素水（３５ｗ／ｗ％）の割合で加えた溶液をｐＨ調整剤（アンモニア水（２８ｗ／ｗ％））によりｐＨ５．６に調整した混合溶液（液温４７℃）に１５０分間ディップして、ろう材１２を除去した後（図３（ａ））、レジスト１６を剥離し（図３（ｂ））、Ｎｉ−Ｐ無電解メッキ１８を施した（図３（ｃ））。Ｎｉ−Ｐメッキ液としては、上村工業社製ニムデンＳＸを使用した。この時の（Ｃｕの平均溶解速度／ろう材の平均溶解速度）の値は１．８であった。
【００４２】
この実施例で得られた金属−セラミックス接合回路基板のろう材はみ出し量は５０μｍであり、ろう材除去性および回路パターン性は良好であった。また、得られた金属−セラミックス接合回路基板の断面写真を図４に示す。
【００４３】
［実施例２］
実施例１においてＥＤＴＡと過酸化水素水とｐＨ調整剤の混合溶液により処理した後の基板を、再度塩化銅と塩酸と過酸化水素からなるエッチング液により処理し、次いでレジストを剥離し、Ｎｉ−Ｐ無電解メッキを施した。この実施例で得られた金属−セラミックス接合回路基板のろう材はみ出し量は１２０μｍであり、ろう材除去性および回路パターン性は良好であった。
【００４４】
［実施例３］
セラミックスとしてＡｌ２Ｏ３を使用した以外は実施例２と同一の処理を行った。この実施例で得られた金属−セラミックス接合回路基板のろう材はみ出し量も１２０μｍであり、ろう材除去性および回路パターン性は良好であった。
【００４５】
［比較例１］
ＥＤＴＡと過酸化水素水とｐＨ調整剤の混合溶液のｐＨを７．０に調整し、この混合溶液の液温を２３℃にし、ディップ時間を１２０分間にした以外は実施例２と同一の処理を行った。しかし、この比較例で使用したエッチングレジストは実施例１〜３と同様にアルカリ剥離型レジストであるため、レジストを維持できずに不要なろう材を除去した。その結果、この比較例で得られた金属−セラミックス接合回路基板のろう材はみ出し量は１２０μｍであり、ろう材除去性は良好であったが、回路パターン性は良好でなかった。
【００４６】
［比較例２］
７３０ｇの純粋に対して１４ｇのＥＤＴＡと１７０ｍｌの過酸化水素水（３５ｗ／ｗ％）と１１０ｍｌのアンモニア水（２８ｗ／ｗ％）の割合で加えてｐＨを１０以上に調整した混合溶液を用意し、この混合溶液の液温を２３℃にし、ディップ時間を４０分間とした以外は実施例１と同一の処理を行った。この比較例では、ろう材除去時にアルカリのためレジストが維持されなかった。この比較例で得られた金属−セラミックス接合回路基板のろう材除去性は良好であったが、回路パターン性は良好でなく、ろう材はみ出し量は−１００μｍであった。また、この場合の（Ｃｕの平均溶解速度／ろう材の平均溶解速度）の値は０．１以下であった。
【００４７】
なお、実施例１〜３、比較例１および２についての結果をまとめて表１に示す。
【００４８】
【表１】
【符号の説明】
【００４９】
１０ セラミックス基板
１２ ろう材
１４ Ｃｕ板
１６ ＵＶ硬化アルカリ剥離型レジスト
１８ Ｎｉ−Ｐ無電解メッキ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、金属−セラミックス接合回路基板の製造方法に関し、特にセラミックス基板上にろう材を介して金属板を接合して回路が形成され、パワーモジュール用などの大電力素子搭載用に好適な金属−セラミックス接合回路基板の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
パワーモジュール用や半導体実装用などに用いられるセラミックス回路基板の製造方法においては、まず金属板とセラミックス基板の接合が行われる。例えば、セラミックス基板上に銅板を直接接触させて配置し、不活性ガス中で加熱してセラミックス基板と銅板を接合させる直接接合法が工業的に利用されている。また、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆなどの活性金属を含有するろう材を介して、セラミックス基板上に銅板を配置し、真空中で加熱してセラミックス基板と銅板を接合させるろう接法も工業的に利用されている。このろう接法では、活性金属がセラミックス基板と金属板との接合に関与し、セラミックス基板とろう材が反応生成物を形成する。一般に、ろう材は、Ａｌ２Ｏ３などの酸化物系セラミックス基板とは活性金属の酸化物を生成し、ＡｌＮやＳｉ３Ｎ４などの非酸化物系セラミックス基板とは活性金属の窒化物を生成し、ＳｉＣなどの炭化物系セラミックス基板とは活性金属の炭化物を生成し、この生成物によってセラミックス基板と銅板が接合していると考えられている。すなわち、接合後のろう材層は、ろう材の金属を主とする層とろう材とセラミックス基板との界面の界面生成物を主とする層からなっている。
【０００３】
また、回路用や放熱用として銅などの金属板を接合した後に所定の回路形状などにパターニングする方法として、プリント回路基板などにも利用されているエッチング法がある。この方法は、ファインパターンが得られ易く且つ回路設計の変更への対応も比較的簡単にできるため、広く利用されている。この方法では、例えば、銅などの金属板のエッチング液として、通常、塩化鉄または塩化銅と塩酸と過酸化水素水の混合溶液が使用されている。このエッチング液は、上述した銅の直接接合法の場合には、反応生成物を無視できるため、問題なくエッチングして、パターニングすることができる。しかし、このエッチング液は、ろう接法の場合には、金属板を溶かすことはできるが、ろう材およびろう材とセラミックス基板との反応生成物（以下、ろう材と反応生成物とを総称して「ろう材等」という）を溶かすことができず、これらが回路パターン間または基板の縁面に残存する。これらのろう材等は導体であるため、回路パターン間または基板の表裏間を絶縁するという回路基板の基本的な特性を満たすことができない。そのため、このろう材等を除去する方法として、フッ酸を単独で使用し、または硝酸、硫酸および塩酸から選ばれる少なくとも一種の無機酸とフッ酸との混酸を使用し、あるいは王水、水酸化ナトリウムおよび／または水酸化カリウムを含む溶液を使用し、ろう材等を処理して除去する方法が知られている（例えば、特許文献１参照）。また、ハロゲン化水素および／またはハロゲン化アンモニウムを含む水溶液で処理し、次いで無機酸と過酸化水素水を含む水溶液で処理することにより、ろう材等を除去する方法も知られている（例えば、特許文献２参照）。
【０００４】
また、ろう材を介して接合する金属−セラミックス接合回路基板の回路パターン端部の断面形状は、特性に大きく関係し、要求特性により最適な形状にするのが望ましい。すなわち、熱衝撃などに対する信頼性を高めるためには、銅板の端部からろう材をはみ出させることが、金属とセラミックスとの接合においてこれらの熱膨張係数から発生する熱応力の緩和に効果的である。
【０００５】
また、ろう材のはみ出しは耐熱衝撃に効果が大きいことがわかっているが、これまでその製造方法として、ろう材を除去する場合、２回レジスト２回エッチング法、１回レジスト（除去）法が採られている。２回レジスト２回エッチング法は、金属板の表面の所定の部分にレジストを塗布し、金属板の不要部分をエッチングして金属回路を形成した後、レジストを除去し、金属回路間に残留する不要なろう材を除去し、再度この金属回路の表面にレジストを塗布して再度エッチングし、レジストを剥離して除去する方法、すなわち、レジスト工程を２回、エッチング工程を２回行う方法である。一方、１回レジスト（除去）法は、金属板を接合した後に、金属板の表面の所定の部分にレジストを塗布し、金属板の不要部分をエッチングして金属回路を形成した後、レジストを剥離して除去し、金属回路間に残留する不要なろう材を、例えば弗化物系薬液で除去する方法である。前者は、大きなろう材はみ出しが得られるが、工数が多く、コスト面で不利である。後者は、工数は通常と同じであるが、薬液の性質上、はみ出しを大きくすることが困難であり、且つ薬液の性質上、セラミックス基板へのアタックも無視できないことがある。さらに、ろう材を除去する薬液により金属板のトップも同様に溶かされ、ダレが生じてしまうため、半導体などのチップ搭載に不具合が発生し、寸法を大きくするなどの設計変更を余儀なくされることもある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特許第２５９４４７５号公報（第２頁）
【特許文献２】特公平７−３６４６７号公報（段落番号０００６）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかし、従来の方法では、金属板の端部からろう材等がはみ出す長さ（以下、「ろう材はみ出し量」という）の制御が難しく、特に、ろう材はみ出し量を大きくとる場合、通常の工程より工数が増加し、製造コストが増加する。また、ろう材除去液により金属板のトップのダレが生じ、半導体などのチップ搭載時に寸法的な不具合を生ずる。
【０００８】
また、ろう材除去液として、フッ酸やその混酸、フッ化アンモニウムなどに代表されるハロゲン化水素またはハロゲン化アンモニウムを含む薬液を使用すると、ろう材等の除去と同時にセラミックス基板も腐食され、セラミックス回路基板としての信頼性に関する特性が劣化する場合がある。一方、セラミックス基板の腐食を抑えようとすると、回路パターン間のろう材等を完全に除去できず、ろう材等が残り、不良が発生する可能性がある。また、ろう材と金属板とのエッチングレートの比が小さいため、ろう材を大きく（例えば、＞３０μｍ）はみ出させることが難しい。さらに、フッ酸などのハロゲン化合物は、腐食性が大きいため、生産設備や廃液処理施設、廃液処理などのコストも割高となり、製品の製造コストが高くなる傾向がある。
【０００９】
一方、ろう材除去液として、キレート剤と過水のアルカリ性混合液（アルカリ系キレート除去液）を使用する場合には、セラミックスへのダメージが比較的小さく、ろう材の溶解性も良好であるが、汎用的に使用されるアルカリ剥離型エッチングレジストもろう材とともに除去されてしまう。そのため、金属回路部からろう材をはみ出させることによりさらに信頼性の高い基板を製造するためには、再度エッチングレジスト印刷およびエッチング工程を経なければならず、製造コストが通常より高くなる。
【００１０】
一方、有機溶剤剥離型エッチングレジストを使用すれば、アルカリ液にも耐性があるが、レジストを除去するためには、トリクロロエチレンなどの環境的に有害性の高い有機溶剤を使用しなければならない。ただし、設備による環境対策が可能である。
【００１１】
したがって、本発明は、このような従来の問題点に鑑み、金属−セラミックス接合回路基板の断面形状を少ない工数または低コストで容易に制御することができ、且つ耐熱衝撃性または絶縁性に対してより高信頼性を有する金属−セラミックス接合回路基板を製造することができる、金属−セラミックス接合回路基板の製造方法を提供することを目的とする。
【００１２】
また、本発明は、金属板のトップのダレを防止することができ、セラミックス基板へのアタックが少なく且つ環境に配慮した薬液を使用することができ、廃液処理施設などの設備や処理を簡易化できる、金属−セラミックス接合回路基板の製造方法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】
【００１３】
本発明者らは、上記課題を解決するために鋭意研究した結果、セラミックス基板の少なくとも一方の面にろう材を介して金属板を接合して回路パターンを形成するセラミックス回路基板の製造方法において、金属板を接合した後に、金属板の表面の所定の部分にレジストを塗布して金属板の不要部分をエッチングすることにより金属回路部を形成し、レジストを維持したまま、不要なろう材およびろう材とセラミックス基板との反応生成物を除去し（あるいは、不要なろう材およびろう材とセラミックス基板との反応生成物を除去し、金属回路部の側面部をエッチングし）、その後、レジストを剥離することにより、金属−セラミックス接合回路基板の断面形状を少ない工数または低コストで容易に制御することができ、且つ耐熱衝撃性または絶縁性に対してより高信頼性を有する金属−セラミックス接合回路基板を製造することができることを見出し、本発明を完成するに至った。
【００１４】
すなわち、本発明による金属−セラミックス接合回路基板の製造方法は、セラミックス基板の少なくとも一方の面にろう材を介して金属板を接合して回路パターンを形成するセラミックス回路基板の製造方法において、金属板を接合した後に、金属板の表面の所定の部分にレジストを塗布して金属板の不要部分をエッチングすることにより金属回路部を形成し、レジストを維持したまま、不要なろう材およびろう材とセラミックス基板との反応生成物を除去し、その後、レジストを剥離することを特徴とする。
【００１５】
また、本発明による金属−セラミックス接合回路基板の製造方法は、セラミックス基板の少なくとも一方の面にろう材を介して金属板を接合して回路パターンを形成するセラミックス回路基板の製造方法において、金属板を接合した後に、金属板の表面の所定の部分にレジストを塗布して金属板の不要部分をエッチングすることにより金属回路部を形成し、レジストを維持したまま、不要なろう材およびろう材とセラミックス基板との反応生成物を除去し、金属回路部の側面部をエッチングし、その後、レジストを剥離することを特徴とする。
【００１６】
これらの金属−セラミックス接合回路基板の製造方法において、不要なろう材およびろう材とセラミックス基板との反応生成物を除去する際に、金属の平均溶解速度／ろう材の平均溶解速度の値が１乃至２０であるのが好ましい。
【００１７】
さらに、本発明による金属−セラミックス接合回路基板の製造方法は、セラミックス基板の少なくとも一方の面にろう材を介して金属板を接合して回路パターンを形成するセラミックス回路基板の製造方法において、金属板を接合した後に、不要なろう材およびろう材とセラミックス基板との反応生成物を除去し、この除去の際に、金属の平均溶解速度／ろう材の平均溶解速度の値が１乃至２０である薬液を使用することを特徴とする。
【００１８】
これらの金属−セラミックス接合回路基板の製造方法において、レジストがアルカリ剥離型レジストであるのが好ましい。また、不要なろう材およびろう材とセラミックス基板との反応生成物を除去する際に、ｐＨが３乃至６．５のろう材除去薬液を使用するのが好ましい。あるいは、不要なろう材およびろう材とセラミックス基板との反応生成物を除去する際に、キレート剤と過酸化水素水から形成されるろう材除去薬液またはキレート剤と過酸化水素水とｐＨ調整剤とから形成されるろう材除去薬液を使用するのが好ましい。この場合、キレート剤が、ＥＤＴＡ、ＮＴＡ、ＣｙＤＴＡ、ＤＴＰＡ、ＴＴＨＡ、ＧＥＤＴＡおよびこれらの塩からなる群から選ばれる１または２以上の化合物であるのが好ましい。
【００１９】
また、セラミックス基板の材料は、窒化物、酸化物または炭化物のいずれかであるのが好ましい。ろう材は、Ａｇおよび活性金属を含む合金、化合物または混合物からなるのが好ましい。金属板は、Ｃｕ、Ａｌおよびこれらの合金からなる群から選ばれる１または２以上からなるのが好ましい。
【００２０】
また、金属板の不要部分をエッチングした後、不要なろう材およびろう材とセラミックス基板との反応生成物を除去する前に、ろう材の表面の塩化銀層を薬液処理により除去するのが好ましい。この場合、塩化銀層の除去に使用する薬液が、チオ硫酸アンモニウムまたはチオ硫酸のアルカリ塩の少なくとも１つであるのが好ましい。なお、塩化銀層は、主に金属板を前述した塩酸系の薬液でエッチングする際に生じると考えられ、あるいはエッチング工程後の水洗洗浄などにおいて生じると考えられる。
【００２１】
さらに、金属回路部の端部からろう材がはみ出す長さであるろう材はみ出し量が３０μｍ以上であるのが好ましい。また、レジストを剥離した後、金属回路部およびろう材の部分にＮｉメッキ、Ｎｉ合金メッキ、金メッキのいずれかを施すのが好ましい。また、メッキでなくても、防錆処理剤で金属板の表面を処理してもよい。
【００２２】
また、本発明によるパワーモジュール用金属−セラミックス接合回路基板は、上記の金属−セラミックス接合回路基板の製造方法によって製造されることを特徴とする。また、本発明によるモジュールは、上記の金属−セラミックス接合回路基板の製造方法によって製造される金属−セラミックス接合回路基板を用いて組み立てられることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２３】
本発明によれば、金属−セラミックス接合回路基板の断面形状を少ない工数または低コストで容易に制御することができ、且つ耐熱衝撃性または絶縁性に対してより高信頼性を有する金属−セラミックス接合回路基板を製造することができる。また、本発明によれば、金属板のトップのダレを防止することができ、セラミックス基板へのアタックが少なく且つ環境に配慮した薬液を使用することができ、廃液処理施設などの設備や処理を簡易化できる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明による金属−セラミックス接合回路基板の製造方法の工程を示す断面図である。
【図２】本発明による金属−セラミックス接合回路基板の製造方法の工程を示す断面図である。
【図３】本発明による金属−セラミックス接合回路基板の製造方法の工程を示す断面図である。
【図４】実施例１で得られた金属−セラミックス接合回路基板の断面を示す顕微鏡写真である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
本発明による金属−セラミックス接合回路基板の製造方法の実施の形態では、セラミックス基板の少なくとも一方の面にろう材を介して金属板を接合した後に、金属板の表面の所定の部分にレジストを塗布して金属板の不要部分をエッチングすることにより金属回路部を形成し、レジストを維持したまま、不要なろう材等を除去し（あるいは、不要なろう材等を除去し、金属回路部の側面部をエッチングし）、その後、レジストを剥離する。
【００２６】
金属板の不要部分のエッチング後に残った不要なろう材等を選択的に除去する方法として、（１）ろう材を薬液により除去する段階でレジストを除去しないことにより、断面形状の制御を容易にすること、（２）ろう材を薬液により除去する段階でレジストを除去しないで、その状態でさらに金属板の側面をエッチングすることにより、ろう材をはみ出させること、（３）ろう材除去液の特性により、金属板とろう材のエッチングレートの比を所定の比にすることで、断面形状の制御を容易にすること、（４）レジストを残すことにより金属板のトップのダレを防ぐこと、（５）セラミックスへのアタックが小さい薬液を使用すること、（６）ろう材除去液の選択により廃液処理設備を簡易化すること、（７）酸性側でろう材を除去することにより、アルカリ剥離型レジストを使用できるようにすること、という要件を単独で使用または複合して使用し、またはその要件を適当な条件で使用する。
【００２７】
本発明によれば、ろう材等の除去薬液の使用時もレジストを剥離しないことにより、金属板の端部からのろう材のはみ出しの制御を容易にし、且つ低コストで作製することができる。このときのろう材等の除去薬液については、以下の性質の薬液が好ましい。
【００２８】
本発明によれば、キレート剤と過酸化水素水から得られる薬液、キレート剤と過酸化水素水とｐＨ調整剤とから得られる薬液、または弗化物系の薬品を使用するのが好ましい。ろう材等を溶解除去する薬液は、より早くろう材等を溶かすために、レジストの耐液温度まで加温することもできる。また、薬液処理は、スプレー法やディップ浸漬により行うことができる。ディップ浸漬処理の場合には、液処理中には、処理基板を揺動させるなどして、液の循環性を良好にしておくことが均等性を上げるために好適である。また、キレート剤によりろう材等を溶解除去する場合、セラミックス基板へのアタックやダメージが小さいため、フッ化水素の混酸などを用いた場合と比較して、信頼性において有利であり好ましい。また、薬液のｐＨが６．５以上であるとアルカリ剥離型レジストの耐液性が低下し、ｐＨ３以下であるとろう材の溶解速度が低くなってしまうため、ｐＨ４．５〜５．８であることが好ましい。
【００２９】
キレート試薬や過酸化水素水の濃度が低い場合には、ろう材等の溶解速度や溶解度が低下するため、ろう材等が溶け残り易くなる。また、キレート試薬の濃度が高い場合には、溶解度の問題があり、試薬の溶け残りが生じ、過酸化水素水の濃度が高い場合には、異常反応として薬液の突沸などが起こり易くなる。したがって、キレート試薬および過酸化水素水の濃度には工業的利用に関して適当な範囲があり、キレート試薬の濃度は０．５〜１．５ｗｔ％、過酸化水素水の濃度は５〜２０％の範囲が好ましい。キレート剤としては、安価なＥＤＴＡが好ましい。溶解反応が進行すると、ｐＨが低下するため、これを一定にするために、ｐＨを制御して処理することにより、溶解工程を安定的に行うことができる。ｐＨ調整剤としては、キレート剤と可溶性の塩を生成するものが好ましく、価格・汎用性の点で、アンモニア水または水酸化アルカリが好ましい。キレート剤のカルボン酸基の水素イオンがＮａイオンなどに置き換えられた塩で、例えば、ＥＤＴＡの４Ｎａ塩のように、ｐＨ６．５を上回る水溶液の場合には、同じ酸根であるＥＤＴＡによってｐＨ調整することが、異なる化学種の存在による反応系の複雑化を回避するために好ましい。
【００３０】
セラミックス基板と金属板を接合するろう材としては、Ａｇを含有するろう材に活性金属としてＴｉ、Ｚｒなどの中から少なくとも一種の元素を添加したものが用いられ、応力緩和などのためにＴｉＯ２のような第４成分を微量添加することもある。一般に、金属板として電気伝導特性の優れたＣｕ板などを接合し、その上をレジストで被覆して、Ｃｕ板などを所定の回路パターンなどにエッチングする方法が行われている。
【００３１】
その後、不要なろう材等を除去する際に、ろう材の主成分がＡｇである場合には、ろう材等が溶解する一方で、金属回路部も相対的に溶解・後退するため、結果としてろう材が金属回路部からはみ出す形状になる。不要なろう材を除去する際には、ろう材のみが溶解する条件であると、ろう材層が逆にえぐれた状態になり易い。この状態では、化研処理（エッチング）を行い、金属層を数１０μｍ程度もエッチングすれば、ろう材のはみ出しを形成することができる。一方、（金属の平均溶解速度／ろう材の平均溶解速度）の値が１以上になると、ろう材除去工程においてろう材のはみ出しを形成できるが、この値が１より小さいとろう材のはみ出しが不十分になり、大きすぎると不要なろう材を除去している間に金属が溶解し過ぎて回路パターンのライン性が低下するため、例えば、ろう材の厚さが２０μｍであれば１．５〜５程度、５μｍであれば８〜１３程度が好ましい。ここでいうろう材の平均溶解速度とは、（ろう材層の厚さ／不要なろう材部を溶解・除去するのに要した時間）で与えられる数値である。この溶解関係を維持するため、ろう材の金属成分の組成としては、Ａｇが６５〜９９ｗｔ％、活性金属が１〜１０ｗｔ％、残りが実質的にＣｕであることが好ましい。また、ろう材は、セラミックス基板の全面に配置されたり、所定の場所だけに配置されたりする場合があり、用途などにより必要に応じて使い分けられる。また、配置するろう材としては、ペースト状のもの、箔状などの形状であっても差し支えない。さらに信頼性の高い基板を得る目的でろう材はみ出し量を大きくするために、レジストを維持した状態で、再度金属回路部の側面をエッチング処理（化学研磨処理）することができる。
【００３２】
通常の塩化銅によるエッチング処理では、ろう材層の表面に塩化銀の膜が生成し易く、ｐＨを３〜６．５に調整したキレート剤および過酸化水素水では、溶解に時間を要するため、前処理としてチオ硫酸アンモニウム水溶液などの薬液で表面の塩化銀を予備除去した後、ｐＨを３〜６．５に調整したキレート剤および過酸化水素水で処理することが好ましい。この前処理液については、液温は室温程度で十分であるが、操業安定化のため、３０℃程度に加熱して使用することも可能である。濃度は特に限定されないが、操業時の濃度変化率を低減するために、３０％程度に設定するのが望ましい。この条件であれば、チオ硫酸アンモニウム水溶液などの薬液への浸漬時間は１分程度で十分であるが、長すぎると金属回路部との接触などにより薬液劣化が進行するので、１〜３分が好ましい。このチオ硫酸塩処理で塩化銀層を除去することにより、他の薬液処理によっても、ろう材除去効率を改善することができる。
【００３３】
金属板としては、熱伝導率および電気伝導の大きいＣｕ板が用いられることが多い。若干電気特性が低下するものの、軽く軟らかいという特徴からＡｌが用いられる場合もある。また、金属の特性を変化させるため、用途に応じてこれらの合金が用いられる場合もある。
【００３４】
金属−セラミックス接合回路基板の表面の回路パターンとなる金属板の耐候性を向上させるとともに、半田濡れ性などの経時変化を防止するために、Ｎｉメッキ、Ｎｉ合金メッキまたはＡｕメッキを行うことが好ましい。メッキ工程は、脱脂、化学研磨、Ｐｄ活性化の薬液による前処理工程を経て、Ｎｉ−Ｐ無電解メッキ液として次亜リン酸塩を含有する薬液を使用する通常の無電解メッキの方法、あるいは電極をパターンに接触させて電気メッキを行う方法などにより行う。
【００３５】
本発明において使用するセラミックス基板の材料については、Ａｌ２Ｏ３（アルミナ）は安価であり、ＡｌＮは高価であるが熱伝導性が良好であり、Ｓｉ３Ｎ４およびＳｉＣは熱伝導性がＡｌ２Ｏ３とＡｌＮの中間であり高価であるが強度や靭性が高いという特徴がある。これらのセラミックス基板の特徴を生かし、Ａｌ２Ｏ３は安価なセラミックス回路基板を提供でき、ＡｌＮは優れた放熱性を利用して大電力チップなどの発熱の大きい半導体に対応するセラミックス回路基板を提供でき、また、Ｓｉ３Ｎ４およびＳｉＣは優れた強度を生かして耐熱衝撃性や耐環境性に強く自動車など厳しい環境で使用されるセラミックス回路基板を提供することができる。
【００３６】
本発明により製造される金属−セラミックス接合回路基板では、その金属回路板上には、半導体チップ、抵抗体、その他の電気・電子部品が半田付けなどによって搭載され、その反対側の面には、放熱板が半田付けなどによって接合される。さらに、プラスチックケースなどの接着、外部端子と回路基板との超音波ボンディングワイヤによる接続、絶縁ゲル注入、上蓋の接着などの工程を経て、モジュールとして完成して使用することができる。
【実施例】
【００３７】
以下、添付図面を参照して本発明による金属−セラミックス接合回路基板の製造方法の実施例について詳細に説明する。
【００３８】
［実施例１］
金属成分が９１Ａｇ−７Ｃｕ−１．５Ｔｉ−０．５ＴｉＯ２（ｗｔ％）になるように金属粉を秤量し、この金属粉に約１０％のアクリル系のビヒクルを加え、自動乳鉢や３本ロールミルなどにより通常の方法で混錬して、ペースト状のろう材を作製した。
【００３９】
次に、図１に示すように、セラミックス基板１０を用意し（図１（ａ））、スクリーン印刷によりセラミックス基板１０の両面にろう材１２を塗布し（図１（ｂ））、その両側に０．３ｍｍの厚さのＣｕ板１４を配置し（図１（ｃ））、真空炉中において８３５℃でセラミックス基板１０とＣｕ板１４を接合した。なお、接合後にサンプルを切断してろう材１２の厚さを測定したところ、約２０μｍであった。また、セラミックス基板１０として、ＡＴＧ社製ＳグレードＡｌＮ基板を使用した。
【００４０】
その後、サンプルを真空炉から取り出し、図２に示すように、接合したＣｕ板１４の両面に、所望の回路パターンのＵＶ硬化アルカリ剥離型レジスト１６（三井化学（株）製ＭＴ−ＵＶ−５２０３）を約１０〜１５μｍの厚さに塗布し（図２（ａ））、塩化銅と過酸化水素水と塩酸からなるエッチング液によりＣｕ板１４の不要部分を除去した（図２（ｂ））。
【００４１】
次に、この回路パターン間や基板の縁面の不要なろう材を除去するため、３０％チオ硫酸ナトリウム水溶液に室温で２分間浸漬した後、８３０ｇの純粋に対して１４ｇのＥＤＴＡおよび１７０ｍｌの過酸化水素水（３５ｗ／ｗ％）の割合で加えた溶液をｐＨ調整剤（アンモニア水（２８ｗ／ｗ％））によりｐＨ５．６に調整した混合溶液（液温４７℃）に１５０分間ディップして、ろう材１２を除去した後（図３（ａ））、レジスト１６を剥離し（図３（ｂ））、Ｎｉ−Ｐ無電解メッキ１８を施した（図３（ｃ））。Ｎｉ−Ｐメッキ液としては、上村工業社製ニムデンＳＸを使用した。この時の（Ｃｕの平均溶解速度／ろう材の平均溶解速度）の値は１．８であった。
【００４２】
この実施例で得られた金属−セラミックス接合回路基板のろう材はみ出し量は５０μｍであり、ろう材除去性および回路パターン性は良好であった。また、得られた金属−セラミックス接合回路基板の断面写真を図４に示す。
【００４３】
［実施例２］
実施例１においてＥＤＴＡと過酸化水素水とｐＨ調整剤の混合溶液により処理した後の基板を、再度塩化銅と塩酸と過酸化水素からなるエッチング液により処理し、次いでレジストを剥離し、Ｎｉ−Ｐ無電解メッキを施した。この実施例で得られた金属−セラミックス接合回路基板のろう材はみ出し量は１２０μｍであり、ろう材除去性および回路パターン性は良好であった。
【００４４】
［実施例３］
セラミックスとしてＡｌ２Ｏ３を使用した以外は実施例２と同一の処理を行った。この実施例で得られた金属−セラミックス接合回路基板のろう材はみ出し量も１２０μｍであり、ろう材除去性および回路パターン性は良好であった。
【００４５】
［比較例１］
ＥＤＴＡと過酸化水素水とｐＨ調整剤の混合溶液のｐＨを７．０に調整し、この混合溶液の液温を２３℃にし、ディップ時間を１２０分間にした以外は実施例２と同一の処理を行った。しかし、この比較例で使用したエッチングレジストは実施例１〜３と同様にアルカリ剥離型レジストであるため、レジストを維持できずに不要なろう材を除去した。その結果、この比較例で得られた金属−セラミックス接合回路基板のろう材はみ出し量は１２０μｍであり、ろう材除去性は良好であったが、回路パターン性は良好でなかった。
【００４６】
［比較例２］
７３０ｇの純粋に対して１４ｇのＥＤＴＡと１７０ｍｌの過酸化水素水（３５ｗ／ｗ％）と１１０ｍｌのアンモニア水（２８ｗ／ｗ％）の割合で加えてｐＨを１０以上に調整した混合溶液を用意し、この混合溶液の液温を２３℃にし、ディップ時間を４０分間とした以外は実施例１と同一の処理を行った。この比較例では、ろう材除去時にアルカリのためレジストが維持されなかった。この比較例で得られた金属−セラミックス接合回路基板のろう材除去性は良好であったが、回路パターン性は良好でなく、ろう材はみ出し量は−１００μｍであった。また、この場合の（Ｃｕの平均溶解速度／ろう材の平均溶解速度）の値は０．１以下であった。
【００４７】
なお、実施例１〜３、比較例１および２についての結果をまとめて表１に示す。
【００４８】
【表１】
【符号の説明】
【００４９】
１０ セラミックス基板
１２ ろう材
１４ Ｃｕ板
１６ ＵＶ硬化アルカリ剥離型レジスト
１８ Ｎｉ−Ｐ無電解メッキ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
セラミックス基板の少なくとも一方の面にろう材を介して金属板を接合して回路パターンを形成するセラミックス回路基板の製造方法において、金属板を接合した後に、金属板の表面の所定の部分にレジストを塗布して金属板の不要部分をエッチングすることにより金属回路部を形成し、レジストを維持したまま、不要なろう材およびろう材とセラミックス基板との反応生成物を除去し、その後、レジストを剥離することを特徴とする、金属−セラミックス接合回路基板の製造方法。
【請求項２】
セラミックス基板の少なくとも一方の面にろう材を介して金属板を接合して回路パターンを形成するセラミックス回路基板の製造方法において、金属板を接合した後に、金属板の表面の所定の部分にレジストを塗布して金属板の不要部分をエッチングすることにより金属回路部を形成し、レジストを維持したまま、不要なろう材およびろう材とセラミックス基板との反応生成物を除去し、金属回路部の側面部をエッチングし、その後、レジストを剥離することを特徴とする、金属−セラミックス接合回路基板の製造方法。
【請求項３】
セラミックス基板の少なくとも一方の面にろう材を介して金属板を接合して回路パターンを形成するセラミックス回路基板の製造方法において、金属板を接合した後に、不要なろう材およびろう材とセラミックス基板との反応生成物を除去し、この除去の際に、金属の平均溶解速度／ろう材の平均溶解速度の値が１乃至２０である薬液を使用することを特徴とする、金属−セラミックス接合回路基板の製造方法。
【請求項４】
前記不要なろう材およびろう材とセラミックス基板との反応生成物を除去する際に、金属の平均溶解速度／ろう材の平均溶解速度の値が１乃至２０であることを特徴とする、請求項１または２に記載の金属−セラミックス接合回路基板の製造方法。
【請求項５】
前記レジストがアルカリ剥離型レジストであることを特徴とする、請求項１乃至４のいずれかに記載の金属−セラミックス接合回路基板の製造方法。
【請求項６】
前記不要なろう材およびろう材とセラミックス基板との反応生成物を除去する際に、ｐＨが３乃至６．５のろう材除去薬液を使用することを特徴とする、請求項１乃至５のいずれかに記載の金属−セラミックス接合回路基板の製造方法。
【請求項７】
前記不要なろう材およびろう材とセラミックス基板との反応生成物を除去する際に、キレート剤と過酸化水素水から形成されるろう材除去薬液またはキレート剤と過酸化水素水とｐＨ調整剤とから形成されるろう材除去薬液を使用することを特徴とする、請求項１乃至５のいずれかに記載の金属−セラミックス接合回路基板の製造方法。
【請求項８】
前記キレート剤が、ＥＤＴＡ、ＮＴＡ、ＣｙＤＴＡ、ＤＴＰＡ、ＴＴＨＡ、ＧＥＤＴＡおよびこれらの塩からなる群から選ばれる１または２以上の化合物であることを特徴とする、請求項７に記載の金属−セラミックス接合回路基板の製造方法。
【請求項９】
前記セラミックス基板の材料が、窒化物、酸化物または炭化物のいずれかであることを特徴とする、請求項１乃至８のいずれかに記載の金属−セラミックス接合回路基板の製造方法。
【請求項１０】
前記ろう材が、Ａｇおよび活性金属を含む合金、化合物または混合物からなることを特徴とする、請求項１乃至９のいずれかに記載の金属−セラミックス接合回路基板の製造方法。
【請求項１１】
前記金属板が、Ｃｕ、Ａｌおよびこれらの合金からなる群から選ばれる１または２以上からなることを特徴とする、請求項１乃至１０のいずれかに記載の金属−セラミックス接合回路基板の製造方法。
【請求項１２】
前記金属板の不要部分をエッチングした後、前記不要なろう材およびろう材とセラミックス基板との反応生成物を除去する前に、前記ろう材の表面の塩化銀層を薬液処理により除去することを特徴とする、請求項１乃至１１のいずれかに記載の金属−セラミックス接合回路基板の製造方法。
【請求項１３】
前記塩化銀層の除去に使用する薬液が、チオ硫酸アンモニウムまたはチオ硫酸のアルカリ塩の少なくとも１つであることを特徴とする、請求項１２に記載の金属−セラミックス接合回路基板の製造方法。
【請求項１４】
前記金属回路部の端部から前記ろう材がはみ出す長さであるろう材はみ出し量が３０μｍ以上であることを特徴とする、請求項１乃至１３のいずれかに記載の金属−セラミックス接合回路基板の製造方法。
【請求項１５】
前記レジストを剥離した後、前記金属回路部および前記ろう材の部分にＮｉメッキ、Ｎｉ合金メッキ、金メッキまたは防錆処理のいずれかを施すことを特徴とする、請求項１乃至１４のいずれかに記載の金属−セラミックス接合回路基板の製造方法。
【請求項１６】
請求項１乃至１５のいずれかに記載の方法によって製造されることを特徴とする、パワーモジュール用金属−セラミックス接合回路基板。
【請求項１７】
請求項１乃至１５のいずれかに記載の方法によって製造される金属−セラミックス接合回路基板を用いて組み立てられることを特徴とする、モジュール。
【請求項１】
セラミックス基板の少なくとも一方の面にろう材を介して金属板を接合して回路パターンを形成するセラミックス回路基板の製造方法において、金属板を接合した後に、金属板の表面の所定の部分にレジストを塗布して金属板の不要部分をエッチングすることにより金属回路部を形成し、レジストを維持したまま、不要なろう材およびろう材とセラミックス基板との反応生成物を除去し、その後、レジストを剥離することを特徴とする、金属−セラミックス接合回路基板の製造方法。
【請求項２】
セラミックス基板の少なくとも一方の面にろう材を介して金属板を接合して回路パターンを形成するセラミックス回路基板の製造方法において、金属板を接合した後に、金属板の表面の所定の部分にレジストを塗布して金属板の不要部分をエッチングすることにより金属回路部を形成し、レジストを維持したまま、不要なろう材およびろう材とセラミックス基板との反応生成物を除去し、金属回路部の側面部をエッチングし、その後、レジストを剥離することを特徴とする、金属−セラミックス接合回路基板の製造方法。
【請求項３】
セラミックス基板の少なくとも一方の面にろう材を介して金属板を接合して回路パターンを形成するセラミックス回路基板の製造方法において、金属板を接合した後に、不要なろう材およびろう材とセラミックス基板との反応生成物を除去し、この除去の際に、金属の平均溶解速度／ろう材の平均溶解速度の値が１乃至２０である薬液を使用することを特徴とする、金属−セラミックス接合回路基板の製造方法。
【請求項４】
前記不要なろう材およびろう材とセラミックス基板との反応生成物を除去する際に、金属の平均溶解速度／ろう材の平均溶解速度の値が１乃至２０であることを特徴とする、請求項１または２に記載の金属−セラミックス接合回路基板の製造方法。
【請求項５】
前記レジストがアルカリ剥離型レジストであることを特徴とする、請求項１乃至４のいずれかに記載の金属−セラミックス接合回路基板の製造方法。
【請求項６】
前記不要なろう材およびろう材とセラミックス基板との反応生成物を除去する際に、ｐＨが３乃至６．５のろう材除去薬液を使用することを特徴とする、請求項１乃至５のいずれかに記載の金属−セラミックス接合回路基板の製造方法。
【請求項７】
前記不要なろう材およびろう材とセラミックス基板との反応生成物を除去する際に、キレート剤と過酸化水素水から形成されるろう材除去薬液またはキレート剤と過酸化水素水とｐＨ調整剤とから形成されるろう材除去薬液を使用することを特徴とする、請求項１乃至５のいずれかに記載の金属−セラミックス接合回路基板の製造方法。
【請求項８】
前記キレート剤が、ＥＤＴＡ、ＮＴＡ、ＣｙＤＴＡ、ＤＴＰＡ、ＴＴＨＡ、ＧＥＤＴＡおよびこれらの塩からなる群から選ばれる１または２以上の化合物であることを特徴とする、請求項７に記載の金属−セラミックス接合回路基板の製造方法。
【請求項９】
前記セラミックス基板の材料が、窒化物、酸化物または炭化物のいずれかであることを特徴とする、請求項１乃至８のいずれかに記載の金属−セラミックス接合回路基板の製造方法。
【請求項１０】
前記ろう材が、Ａｇおよび活性金属を含む合金、化合物または混合物からなることを特徴とする、請求項１乃至９のいずれかに記載の金属−セラミックス接合回路基板の製造方法。
【請求項１１】
前記金属板が、Ｃｕ、Ａｌおよびこれらの合金からなる群から選ばれる１または２以上からなることを特徴とする、請求項１乃至１０のいずれかに記載の金属−セラミックス接合回路基板の製造方法。
【請求項１２】
前記金属板の不要部分をエッチングした後、前記不要なろう材およびろう材とセラミックス基板との反応生成物を除去する前に、前記ろう材の表面の塩化銀層を薬液処理により除去することを特徴とする、請求項１乃至１１のいずれかに記載の金属−セラミックス接合回路基板の製造方法。
【請求項１３】
前記塩化銀層の除去に使用する薬液が、チオ硫酸アンモニウムまたはチオ硫酸のアルカリ塩の少なくとも１つであることを特徴とする、請求項１２に記載の金属−セラミックス接合回路基板の製造方法。
【請求項１４】
前記金属回路部の端部から前記ろう材がはみ出す長さであるろう材はみ出し量が３０μｍ以上であることを特徴とする、請求項１乃至１３のいずれかに記載の金属−セラミックス接合回路基板の製造方法。
【請求項１５】
前記レジストを剥離した後、前記金属回路部および前記ろう材の部分にＮｉメッキ、Ｎｉ合金メッキ、金メッキまたは防錆処理のいずれかを施すことを特徴とする、請求項１乃至１４のいずれかに記載の金属−セラミックス接合回路基板の製造方法。
【請求項１６】
請求項１乃至１５のいずれかに記載の方法によって製造されることを特徴とする、パワーモジュール用金属−セラミックス接合回路基板。
【請求項１７】
請求項１乃至１５のいずれかに記載の方法によって製造される金属−セラミックス接合回路基板を用いて組み立てられることを特徴とする、モジュール。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図２】
【図３】
【図４】
【公開番号】特開２０１１−２１１２１７（Ｐ２０１１−２１１２１７Ａ）
【公開日】平成２３年１０月２０日（２０１１．１０．２０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１１６５２６（Ｐ２０１１−１１６５２６）
【出願日】平成２３年５月２５日（２０１１．５．２５）
【分割の表示】特願２００１−３０４４３４（Ｐ２００１−３０４４３４）の分割
【原出願日】平成１３年９月２８日（２００１．９．２８）
【出願人】（０００２２４７９８）ＤＯＷＡホールディングス株式会社 (550)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年１０月２０日（２０１１．１０．２０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年５月２５日（２０１１．５．２５）
【分割の表示】特願２００１−３０４４３４（Ｐ２００１−３０４４３４）の分割
【原出願日】平成１３年９月２８日（２００１．９．２８）
【出願人】（０００２２４７９８）ＤＯＷＡホールディングス株式会社 (550)
【Ｆターム（参考）】
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