(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
以下のａ〜ｅ工程を含むことを特徴とする回路基板の製造方法。
ａ工程：セラミック基板（２）の表面に回路形成用金属板（１）、裏面に放熱板形成用金属板（３）を接合する工程
ｂ工程：上記金属板（１）及び／又は金属板（３）の表面からセラミック基板内部に達する分割溝（４）を加工する工程
ｃ工程：分割溝で区画された各々の領域に、回路パターンと放熱パターンをレジストインク（５）印刷し乾燥する工程
ｄ工程：エッチングにより不要金属部分と接合層を除去して回路と放熱板を形成させるとともに、分割溝の上面をセラミック基板面に露出させる工程
ｅ工程：レジストインクを剥離し、必要に応じてメッキを施した後、分割溝に沿って複数の回路基板に分割する工程、又は分割溝に沿って複数の回路基板に分割した後、レジストインクを剥離し、必要に応じてメッキを施す工程
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、パワーモジュールに使用される回路基板の生産性向上製法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、ロボット・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み、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、良好な熱伝導を有する窒化アルミニウム、窒化珪素等のセラミック基板と、その表裏両面に銅板、アルミニウム板等の金属板とを接合し、エッチングによって一方の面に回路、他方の面に放熱板を形成させた後、そのままあるいはＮｉ、Ｎｉ−Ｐ等のメッキ処理を施して回路基板となし、その回路部分に半導体素子、放熱板にベース板を半田付けしてからヒートシンクに取り付けて使用されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
当該分野における今日の課題は、これまでと同等又はそれ以上の高信頼性回路基板の低コスト化であり、本発明の目的はこの課題を達成することである。
【０００４】
本発明の目的は、多数個取り回路基板の製造方法において、セラミック基板に分割溝を形成させる段階を、従来（特開平８−３２２０４号公報）は金属板と接合する前の段階で行っていたのを金属板の接合後に行い、それによって、金属板接合時の熱膨張係数の違いによる応力に起因するセラミック基板が分割溝から割れるという不良を減少させ、生産性を著しく向上させることにより、達成させることができる。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
すなわち、本発明は、以下のａ〜ｅ工程を含むことを特徴とする回路基板の製造方法である。
ａ工程：セラミック基板（２）の表面に回路形成用金属板（１）、裏面に放熱板形成用金属板（３）を接合する工程
ｂ工程：上記金属板（１）及び／又は金属板（３）の表面からセラミック基板内部に達する分割溝（４）を加工する工程
ｃ工程：分割溝で区画された各々の領域に、回路パターンと放熱パターンをレジストインク（５）印刷し乾燥する工程
ｄ工程：エッチングにより不要金属部分と接合層を除去して回路と放熱板を形成させるとともに、分割溝の上面をセラミック基板面に露出させる工程
ｅ工程：レジストインクを剥離し、必要に応じてメッキを施した後、分割溝に沿って複数の回路基板に分割する工程、又は分割溝に沿って複数の回路基板に分割した後、レジストインクを剥離し、必要に応じてメッキを施す工程
【０００６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を図面を参照しながら詳しく説明する。
【０００７】
図１は、本発明の回路基板の製造方法の工程説明図であり、１は回路形成用金属板、２はセラミック基板、３は放熱板形成用金属板、４は分割溝、５はレジストインクである。
【０００８】
本発明で用いられるセラミック基板２は、窒化アルミニウム又は窒化珪素を主体とするものが好ましい。窒化アルミニウムを主体とするものは、曲げ強度、熱伝導率、純度がそれぞれ４００ＭＰａ以上、１５０Ｗ／ｍＫ以上、９３％以上であることが好ましく、また窒化珪素を主体とするものは、それぞれ６００ＭＰａ以上、５０Ｗ／ｍＫ以上、９３％以上であることが好ましい。これらのセラミック基板には市販品があるのでそれを用いることができる。セラミック基板の厚みは０．３ｍｍ〜１．０ｍｍ程度、広さは特に規定しないが、８０ｍｍ×８０ｍｍ以上のものが用いると効果が著しい。
【０００９】
回路形成用金属板１、放熱板形成用金属板３としては、材質が銅又は銅合金、アルミニウム又はアルミニウム合金等、厚みが０．３ｍｍ〜１．０ｍｍ程度でセラミック基板よりも薄いもの、また広さがセラミック基板と同程度のものが使用される。
【００１０】
セラミック基板と、回路形成用金属板、放熱板形成用金属板との接合にはろう材が用いられ、上記金属板が銅又は銅合金の場合は、Ｔｉ、Ｚｒ等の活性金属とＡｇとＣｕを含むろう材ペースト又は合金箔（例えば特許第２６１２０９３号公報）、また金属板がアルミニウム又はアルミニウム合金である場合は、Ａｌ−Ｃｕ−Ｍｇ系合金箔等（例えばヨーロッパ公開公報１０５６３２１号）が用いられる。
【００１１】
その概要を説明すると、セラミック基板の表裏面にろう材を挟んで回路形成用金属板と放熱板形成用金属板を積層し、その積層体の１セット又は２セット以上を圧力０．５ＭＰａ以上で一軸加圧をしながら、真空中又は酸素濃度０．１〜１００ｐｐｍの窒素雰囲気下、金属が銅の場合は、温度７５０〜８５０℃で０．５〜２時間保持して、また金属がアルミニウムの場合は、温度６００〜７００℃で０．１〜２時間保持して接合体を製造する。
【００１２】
本発明の大きな特徴は、上記で製造された接合体の金属板表面から分割溝を加工し、後記エッチングによって個々の回路基板に分割できる状態にすることである。分割溝は、回路形成用金属板、放熱板形成用金属板又はその両方のいずれからでも形成させることできるが、いずれにしてもセラミック基板を貫通させないことが重要なことである。セラミック基板を貫通させて分割溝を形成させると、後でエッチングを行った直後にその部分から回路基板が切り離され不都合となる。セラミック基板内部への分割溝の到達深さは、手で折り曲げて容易にセラミック基板を割れることができる程度あれば良く、具体的には分割溝を形成させない長さを０．８ｍｍ以下とすることである。分割溝の形成面は、回路形成用金属板面、放熱板形成用金属板面のいずれでもよいが、一般的に回路よりも放熱板の厚みが薄く設計されるので、加工時の機器に対する負担を考慮し、放熱板側に形成させることが好ましい。図１には、放熱板形成用金属板の表面から分割溝を形成させ、セラミック基板の表面からほぼ中心にまでそれが到達している例を示した。
【００１３】
分割溝の形成は、レーザー加工又は機械加工によって行われる。レーザー加工では出力の高い炭酸ガスレーザーが好ましく、機械加工では円盤状の砥石を回転させて切断する「スライサー」又は「ダイサー」と呼ばれる機械を用いることが好ましい。金属板の分割溝加工とセラミック基板の分割溝加工とで、その手法を違えてもよい。たとえば、銅板加工を円盤状砥石を用いた機械加工で行い、窒化アルミニウム基板の加工を炭酸ガスレーザーで行うことによって、分割溝以外の部分に損傷を与えることがなくなるという利点がある。
【００１４】
本発明の特徴は、セラミック基板と金属板とを接合した後に分割溝を形成させるため、あらかじめセラミック基板に分割溝を形成させた場合に比べ、接合時の熱膨張差による応力に起因するセラミック基板の分割溝からの割れという問題が著しく減少することである。
【００１５】
ついで、分割溝で区画された各領域に、所定形状の回路パターンと、放熱板パターンを形成させるようにレジストインクをスクリーン印刷する。この際、回路パターンと放熱金属板パターンの位置が合うように調整しておくことが肝要なことである。使用するレジストインクは、熱乾燥型、ＵＶ乾燥型のいずれでも良いが、過剰な熱履歴を嫌う場合はＵＶ乾燥型が用いられる。
【００１６】
その後、不要金属部分と接合層のエッチングを行う。金属部分のエッチング液には、塩化第二銅溶液、塩化第二鉄溶液等が、接合層のエッチング液には、フッ化物溶液、過酸化水素水等が用いられる。この際、分割溝が後の分割に際して問題がない程度にセラミック基板面に露出していることが必要である。
【００１７】
エッチング後、レジストインクを剥離し、必要に応じてメッキを施した後、分割溝に沿って複数の回路基板に分割する。分割は、レジストインクの剥離前、また、メッキの前でも問題ないが、生産性を考慮した場合、全ての工程が終了した後分割することが効率的である。
【００１８】
【実施例】
以下、本発明を実施例、比較例をあげて具体的に説明する。なお、本明細書に記載の「％」、「部」はいずれも質量基準である。
【００１９】
実施例１
【００２０】
窒化アルミニウム粉末（電気化学工業社製）９６部、イットリア粉末（阿南化成社製）４部、オレイン酸２部を振動ミルにて予備混合を行い、次いで有機結合剤（エチルセルロース）６部、可塑剤（グリセリン）２部及び水１２部を加えてミキサーで混合し、それを成形速度１．０ｍ／ｍｉｎ、成形圧力５〜７ＭＰａで押出成形した。
【００２１】
その後、遠赤外線にて温度１２０℃、１０分間乾燥を行った後、プレス成形機で１２０×８０ｍｍの形状に１８００枚打ち抜いた。この際の所要時間は２時間３０分であった。これの表面にＢＮ粉離型剤を塗布した後、空気中で温度４５０℃、５時間で脱脂を行い、１７５０℃にて６時間保持する条件で焼成し、窒化アルミニウム基板（サイズ：１２０ｍｍ×８０ｍｍ×０．６５ｍｍ  曲げ強さ：５００ＭＰａ  熱伝導率：１５５Ｗ／ｍＫ、純度９５％以上）を製造した
【００２２】
銀粉末（１．１μｍ、９９．３％）８３部、銅粉末（１４．１μｍ、９９．８％）９部、チタン粉末（５．５μｍ、９９．９％）８部を混合した金属成分と、ポリイソブチルメタアクリレートのテルピネオール溶液を加えて混練し、金属成分７１．４％を含むろう材ペーストを調製した。
【００２３】
このろう材ペーストを上記で製造された窒化アルミニウム基板の両面にロールコーターによって全面に塗布した。その際の塗布量は乾燥基準で９ｍｇ／ｃｍ2 とした。
【００２４】
つぎに、窒化アルミニウム基板の銅回路形成面に１２０ｍｍ×８０ｍｍ×０．３ｍｍの無酸素銅板（酸素量：１０ｐｐｍ）を、また放熱銅板形成面に１２０ｍｍ×８０ｍｍ×０．１５ｍｍの無酸素銅板（酸素量：１０ｐｐｍ）を１８００枚分接触配置してから、８５０℃で１時間保持する条件で接合した。そして、後の分割によって、４０ｍｍ×４０ｍｍの大きさの回路基板が６個とれるように、放熱板形成用銅板側から、不二越社製「高精度スライサーＳＭＧ２０Ｐ」を用いて分割溝を加工した。分割溝は銅板を貫通し、窒化アルミニウム基板表面から０．２ｍｍまでとした。
【００２５】
銅回路形成用銅板面には所定形状の回路パターンに、放熱板形成用銅板面には放熱板パターンに、レジストインクをそれぞれスクリーン印刷してから不要銅部分と接合層のエッチングを行った後、分割溝に沿って個々の回路基板に分割して計１０８００枚の回路基板を製造した。レジストインクをスクリーン印刷する工程の所要時間は、２時間３０分であった。また、分割溝から割れが発生しているものは１枚もなかった。
【００２６】
実施例２
分割する前の基板の回路面と放熱板面に、無電解Ｎｉ−Ｐメッキ（厚み３μｍ）を施したこと以外は、実施例１と同様にして計１０８００枚の回路基板を作製した。その結果、途中の工程で分割溝から割れが発生しているものは１枚もなかった。
【００２７】
実施例３
窒化珪素粉末（電気化学工業社製）９２部、イットリア粉末（阿南化成社製）５部、酸化マグネシウム粉末（岩谷化学社製）３部、オレイン酸２部を振動ミルにて予備混合を行い、次いで有機結合剤（エチルセルロース）６部、可塑剤（グリセリン）２部及び水１２部を加えてミキサーで混合し、それを成形速度１．０ｍ／ｍｉｎ、成形圧力５〜７ＭＰａで押出成形した。
【００２８】
その後、遠赤外線にて温度１２０℃、１０分間乾燥を行った後、プレス成形機で１２０×８０ｍｍの形状に１８００枚打ち抜いた。この際の所要時間は２時間３０分であった。これの表面にＢＮ粉離型剤を塗布した後、空気中で温度４５０℃、５時間で脱脂を行い、０．９ＭＰａの圧力下、１８５０℃にて６時間保持する条件で焼成し、窒化珪素基板（サイズ：１２０ｍｍ×８０ｍｍ×０．３２ｍｍ曲げ強さ：７００ＭＰａ  熱伝導率：７０Ｗ／ｍＫ、純度９２％以上）を製造した。
【００２９】
上記窒化珪素基板を用いたこと以外は、実施例１と同様にして、計１０８００枚の回路基板を作製した。その結果、分割溝から割れが発生しているものは１枚もなかった。
【００３０】
比較例１
実施例１と同様に窒化アルミニウム原料を押し出し成形し、プレス成形機で４０×４０ｍｍの形状に１０８００枚打ち抜いた。この際の所要時間は１５時間であった。これの表面にＢＮ粉離型剤を塗布した後、空気中で温度４５０℃、５時間で脱脂を行い、１７５０℃にて６時間保持する条件で焼成し、窒化アルミニウム基板（サイズ：４０ｍｍ×４０ｍｍ×０．６５ｍｍ  曲げ強さ：５００ＭＰａ
熱伝導率：１５５Ｗ／ｍＫ、純度９５％以上）を製造した。
【００３１】
つぎに、窒化アルミニウム基板の銅回路形成面に４０ｍｍ×４０ｍｍ×０．３ｍｍの無酸素銅板（酸素量：１０ｐｐｍ）を、また放熱銅板形成面に４０ｍｍ×４０ｍｍ×０．１５ｍｍの無酸素銅板（酸素量：１０ｐｐｍ）を１０８００枚分接触配置してから、８５０℃で１時間保持する条件で接合した。
【００３２】
銅回路形成用銅板面には所定形状の回路パターンに、放熱板形成用銅板面には放熱板パターンに、レジストインクをそれぞれスクリーン印刷してから不要銅部分と接合層のエッチングを行い、回路基板を計１０８００枚作製した。この場合のレジストインクをスクリーン印刷する工程の所要時間は、１５時間であった。
【００３３】
以上のことから、同じ形状の回路基板を１０８００枚製造するのに、実施例１と比較例１とでは計２５時間の差が生じた。しかし、ピール強度、ヒートサイクル後の強度、水平クラックの進展度合いを評価したところ、実施例１と比較例１とには差異が認められなかった。
【００３４】
比較例２
あらかじめ深さ０．０７ｍｍの分割溝を設けた窒化アルミニウム基板を用いたこと以外は、実施例１に準じて銅板を接合し、レジストインク印刷、エッチングを行い、計１０８００枚の回路基板を製造した。その結果、分割溝から割れが発生しているものが、元の接合体１８００枚中２００枚あった。
【００３５】
比較例３
あらかじめ深さ０．０７ｍｍの分割線を設けた窒化珪素基板を用いたこと以外は、実施例３に準じて銅板を接合し、レジストインク印刷、エッチングを行い、計１０８００枚の回路基板を製造した。その結果、分割溝から割れが発生しているものが、元の接合体１８００枚中１００枚あった。
【００３６】
【発明の効果】
本発明によれば、高信頼性回路基板の生産性を著しく向上させることができるので低コスト化が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の工程説明図
【符号の説明】
１  回路形成用金属板
２  セラミック基板
３  放熱板形成用金属板
４  分割溝
５  レジストインク
【図１】
0004663899.tif 000002