(57)【要約】【課題】本発明は回路パターンが厚いセラミックス回路基板であっても、回路パターンの寸法精度が良好で、簡単な工程で短時間に製造することができるセラミックス回路基板の製造方法を提供することを目的とする。【解決手段】本発明のセラミックス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面に金属パターンが形成されたセラミックス回路基板の製造方法において、金属板の一面を所定の深さまで切削加工し、金属パターンと反対勝手のパターンをなすような金属パターン要素部が加工底部で連結された金属パターン板を形成する工程と、この金属パターン板をセラミックス基板に切削加工面側を接するように接合して接合体を形成する工程とを有することを特徴としている。【選択図】図１
2007043002.tif 000002
【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面に金属パターンが形成されたセラミックス回路基板の製造方法において、
金属板の一面を所定の深さまで切削加工し、金属パターンと反対勝手のパターンをなすような金属パターン要素部が加工底部で連結された金属パターン板を形成する工程と、
この金属パターン板をセラミックス基板に切削加工面側を接するように接合して接合体を形成する工程と、
この接合体の金属パターン板の加工底部を切削除去し、所定のパターンをなす金属パターン要素に分離する金属パターンを形成する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２】
金属パターンを形成する工程において、切削工具は、金属パターン板の所定加工深さと接合体の反り量を基にしてセラミックス基板と接触しないように設定された切り込み量で加工底部を切削除去することを特徴とする請求項１記載のセラミックス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面に金属パターン要素が所定のパターンをなすようにろう材で接合されたセラミックス回路基板において、
金属パターン要素のセラミックス基板との接合面側のエッジ部に面取りが形成されていることを特徴とするセラミックス回路基板。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、セラミックス回路基板の製造方法およびセラミックス回路基板に関する。
【背景技術】
【０００２】
セラミックス回路基板は、パワー半導体モジュール等に用いられており、自動車、産業機器、および重電分野などに幅広く使用されている。
【０００３】
セラミックス基板の一面に金属板を接合して回路パターンを形成したセラミックス回路基板を製造する方法として、例えば特許文献１に示されているように、予め各回路パターン要素間を数箇所のブリッジで連結した金属パターン板を、エッチングまたはプレスにより製作し、これをセラミックス基板に接合し、ブリッジを手、治具、或いは機械的にめくり上げて除去することでセラミックス基板上に回路パターンを形成する方法が提案されている。しかし、パワー半導体の大容量化に伴い金属板は厚板化傾向にあり、金属板が厚くなると、エッチングでは回路パターン要素間の上面の幅が下面の幅より大きくなるため、回路パターン要素間の寸法精度を満足することができなくなるという問題があった。また、プレスやエッチングで回路用金属板を製作すると、金型やマスクを製作しなければならず、短納期で製造することが難しくなるという問題があった。そこで、これらの問題点を解決する製造方法として、セラミックス基板に平板状の金属板を接合し、回路パターン要素以外の金属板を切削加工により除去し、セラミクス基板上に回路パターンを形成する方法が特許文献２で提案されている。
【特許文献１】特開平８−１８１４１６号公報
【特許文献２】特開２００４−２９６６１９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
一般に、セラミックス基板に金属板を接合する場合、活性金属ろう付け法やＤＢＣ法などが用いられるが、これらの接合方法には加熱工程があるため、金属とセラミックスの熱膨張差が原因で接合体には反りが発生し、反りは金属板が厚いほど大きくなる。この反りに対して、特許文献２では、セラミックス基板の反り形状に沿って切削工具を数値制御により輪郭制御することで金属板の回路パターン要素以外をセラミックス基板表面から除去する方法を提案している。しかしながら、回路パターン要素以外の導電性材料を確実にセラミックス基板から除去して回路パターン間のショートを防ぐためには、切削工具はセラミックス基板に切り込まざるを得ず、工具の寿命低下やセラミックス基板のクラック発生という問題が生じる。さらに、切削工具を輪郭制御するためには、接合体の全面にわたり反り量を詳細に測定する必要があり、３次元測定器のような高価な測定装置が必要となるだけでなく、測定時間もかかり製造時間が長くなる。
【０００５】
なお、特許文献２において、接合方法として活性金属ろう付け法を用い、金属板とセラミックス基板の間にろう材を介することにより、切削工具をセラミックス基板に接触させないようにすることが考えられる。ろう材の塗布方法としては、セラミックス基板上全面に塗布する方法と、回路パターン要素との接合面のみに塗布する方法が考えられる。ろう材をセラミックス基板上全面に塗布した場合、ろう材は導体のため回路パターン要素以外から除去しなければならないが、前述したと同様切削時にろう材だけを除去することは難しく、後工程でエッチングまたは砥粒噴射加工で除去する必要があり、製造プロセスが複雑になるという問題がある。一方、ろう材を回路パターン要素との接合面のみにスクリーン印刷で塗布する場合、ろう材を厚くしないと、切削工具はセラミックス基板に接触し易くなってしまう。しかし、ろう材塗布量が多くなると、接合時の圧着で回路パターン要素からろう材が多くはみ出し、隣接する回路パターン要素をショートさせる恐れがある。
【０００６】
従って、本発明は回路パターンが厚いセラミックス回路基板であっても、回路パターンの寸法精度が良好で、簡単な工程で短時間に製造することができるセラミックス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】
【０００７】
本発明のセラミックス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面に金属パターンが形成されたセラミックス回路基板の製造方法において、金属板の一面を所定の深さまで切削加工し、金属パターンと反対勝手のパターンをなすような金属パターン要素部が加工底部で連結された金属パターン板を形成する工程と、この金属パターン板をセラミックス基板に切削加工面側を接するように接合して接合体を形成する工程とを有することを特徴としている。
【０００８】
また本発明は、金属パターンを形成する工程において、切削工具は、金属パターン板の所定加工深さと接合体の反り量を基にしてセラミックス基板と接触しないように設定された切り込み量で加工底部を切削除去することを特徴としている。前記設定された切り込み量は、1種類でよい場合や複数種類必要な場合があり、複数種類の場合は横送り時の途中で複数回所定の設定値に変更するが、数値制御での輪郭加工におけるような精密な加工パス制御とは異なるものである。従って、反り測定に当たっては精密な輪郭データを得るためのような膨大な測定データは必要なく、代表的な個所を数点〜数十点程度測定すればよく、場合によっては、反り量が所定量より大きいか否かのNO−GO判定だけであってもよく、また、測定をしなくてもよい場合もある。
【０００９】
本発明のセラミックス回路基板は、セラミックス基板の少なくとも一面に金属パターン要素が所定のパターンをなすようにろう材で接合されたセラミックス回路基板において、
金属パターン要素のセラミックス基板との接合面側のエッジ部に面取りが形成されていることを特徴としている。
【００１０】
上記本発明に係わるセラミックス回路基板は、パワー半導体等を搭載し電気的に接続するためのセラミックス基板上の一面に金属板からなる回路パターンが形成されたものを言うが、他面にパワー半導体等から発熱する熱量を逃がすための放熱金属板が接合されていてもよい。従って、前記金属パターンは少なくとも回路パターンを指すものであるが、放熱金属板が金属パターンをなすような場合は、放熱パターンについても対象とすることができる。なお、放熱用の金属パターンでは必ずしも面取りを形成しなくてもよい。
【発明の効果】
【００１１】
本発明は次の効果を有している。
（１）本発明のセラミックス回路基板の製造方法は、切削加工で金属パターンを形成するので、プレスやエッチングで金属パターン板の製作に必要であった金型やマスクを必要とせず、短納期でセラミックス回路基板を製作することができる。また、エッチングと比較して、金属板の板厚に関係なく金属パターン要素間の寸法精度が良好である。
（２）また、切削工具は、その先端がセラミックス基板と加工底部間の空隙にあればよく、容易にセラミックス基板と接触することなく加工底部を除去することができるため、工具寿命は向上し、セラミックス基板にクラックを発生させることも無くなる。
（３）また、接合体が反っている場合でも厳密な反りデータを必要とせずに加工底部を除去できるため、測定時間を短縮できる。
（４）更に金属パターン板は面状の加工底部により剛性を保たれており、金属パターン要素部をセラミックス基板に印刷したろう材に精度良く一致させることができる。
（５）本発明のセラミックス回路基板は、金属パターン要素のセラミックス基板との接合面側のエッジ部に面取りを形成している。これにより、ろう材のはみ出しを抑制でき、隣接する回路パターン要素がショートするという危険性を抑制できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、本発明を、セラミックス基板の一面に回路パターンを形成する場合を例に説明する。図１は本発明の製造工程を説明するための図である。図２は本説明のセラミックス回路基板２の平面図で、セラミックス基板３の一面に形成された回路パターンの一例を示すものであり、この回路パターンは、金属板から形成された回路パターン要素１Ａ、１Ｂ、１Ｃが所定の位置に形成されている。
【００１３】
図１（１）は金属パターン板１を形成する工程を説明する図である。銅または銅合金製で板厚Ｔが回路パターン要素１Ａ、１Ｂ、１Ｃの厚さと同一で、平面寸法がセラミックス基板３とほぼ同一の平板状金属板を準備し、その一面から、図３に示す回路パターン要素部１ａ、１ｂ、１ｃ以外の部分を、表面から所定深さＨ１にエンドミルを用いて切削加工する。凸状に形成された回路パターン要素部１ａ、１ｂ、１ｃは、図２に示すセラミックス回路基板２の回路パターンと丁度裏表が反対勝手のパターンに配設されており、加工底部１ｄを介して連結されている。加工深さＨ１は金属パターン板１が大きなたわみやねじりを生じないかぎり大きい方がよく、板厚Ｔや板面積、回路パターン要素部の配置などにより決めればいいが、通常板厚の６０〜９５％とするとよい。回路パターン要素部１ａ、１ｂ、１ｃが形成された後、回路パターン要素部１ａ、１ｂ、１ｃの外周エッジ部に面取部５を加工する。面取部５の大きさは接合に用いるろう材の厚さに応じて決めるとよく、ろう材が厚いほど大きくするとよい。なお、剛性面で問題がなければ加工底部１ｄに貫通部があってもよい。
【００１４】
図１（２）、（３）は金属パターン板１とセラミックス基板３を接合して接合体を形成する工程を説明する図である。図１（２）はセラミックス基板３上にろう材４ａ、４ｂ、４ｃを塗布した状態を示す。スクリーン印刷機を用いて、セラミックス基板３上に銀、銅、活性金属および有機溶剤からなる活性金属ろう材を、回路パターン要素１Ａ、１Ｂ、１Ｃがなす回路パターンとほぼ同じパターンに印刷する。この時のろう材４ａ、４ｂ、４ｃの塗布寸法は、回路パターン要素１Ａ、１Ｂ、１Ｃの寸法より小さくするが、前記面取部５の面取り幅分小さくするとよい。乾燥後のろう材の厚みは対象の回路基板により異なるが、５〜５０μmの間の所定厚さとする。
【００１５】
図１（３）はろう材を印刷したセラミックス基板３上に、金属パターン板１を接合した図である。金属パターン板１は反転され、回路パターン要素部１ａ、１ｂ、１ｃの凸部平面部がろう材４ａ、４ｂ、４ｃと一致するように重ね合わされ、圧着保持され、約８００℃で所定時間加熱し接合される。この時、ろう材は塗布された面積以上に広がるが、前記したようにろう材塗布寸法を設定しているので、ほとんどの場合、回路パターン要素部１ａ、１ｂ、１ｃの投影面積以上には広がらない。また、万一、スクリーン印刷においてろう材塗布量が所定量より多くなるなど、ろう材が回路パターン要素部よりはみ出るような状況が生じても、はみ出す分が表面張力により面取り部５に入り込むため、ろう材が回路パターン要素部よりはみ出して、隣接する回路パターン要素とショートすることを抑制できる。
【００１６】
図１（４）は回路パターンを形成する工程を説明する図である。接合体を構成する金属パターン板１の加工底部１ｄをエンドミルを用いて除去し、回路パターン要素部１ａ、１ｂ、１ｃを分離して電気的に絶縁された回路要素１Ａ、１Ｂ、１Ｃを形成する。この時、エンドミルは、その先端がセラミックス基板と加工底部間の空隙にあるように横送りすればセラミックス基板と接触することはなく、接合体に反りが生じていても、切り込み深さは当初の設定位置のまま、或いは途中何回かの変更を行うだけでよい。以下、加工底部１ｄ側が凸状に反っている場合を例に、図４、５をもとにその方法を説明する。なお、この図は反り状態を誇張して表している。
【００１７】
加工底部１ｄを除去するため、接合体を加工機に例えば図４に示すようにセラミックス基板３の底部を加工基準としてセットするとした場合、加工基準からのセラミックス基板３の最大高さをＨ２、加工底部１ｄの最小高さをＨ３、エンドミル６の先端位置をＨ４とすると、図４に示すようにＨ２＜Ｈ３であれば、エンドミル６の先端位置をＨ２＜Ｈ４＜Ｈ３となるように設定すれば、加工基準に平行にエンドミル６を１回送るだけで、セラミックス基板３に接触することなく加工底部１ｄを除去することができる。
【００１８】
しかし、図５に示すように反りが大きくＨ２≧Ｈ３であれば、Ｈ４を一定としたままで横送りすれば、途中でセラミックス基板３に接触することはあきらかである。従って、加工開始時は、Ｈ４＜Ｈ３なるＨ４を設定して横送りするが、セラミックス基板３の上面高さがＨ４とほぼ等しくなる横方向位置Ｌ１の手前で、エンドミル６の先端位置をＨ４からＨ２＜Ｈ５となるようなＨ５の値に変更し横方向に平行に送る。エンドミル６をそのままＨ５の高さで送ると、図５でわかるように横方向位置Ｌ２より先では加工底部１ｄが除去できなくなる。このため、Ｌ２の手前でエンドミル６の先端位置を、加工底部１ｄは除去できるがセラミックス基板２には接触しないように変えて横送りを行うようにする。このように、エンドミル６の先端位置を接合体の反り状況に合わせて何回か段階的に変えるだけで、エンドミル６をセラミックス基板３へ接触させることなく、加工底部１ｄを除去することができる。
【００１９】
上述したように、加工底部１ｄを除去するに当り、Ｈ２とＨ３の値を知る必要があるが、Ｈ２は接合体の反り量Ｃとして、またＨ３はセラミックス基板２の厚さＴ１と金属パターン板１の加工深さＨ１の和とし、各々Ｈ２＝Ｃ、Ｈ３＝Ｔ１＋Ｈ１として簡易的に求めることができる。反り量Ｃは未知の値であるが、Ｈ３は既知の値でありＨ１が大きい程大きい値となる。ここで、図４に示すように反り量ＣがＣ＜Ｈ３であれば、上述したようにエンドミル６は先端位置を所定のＨ４に維持した状態で横送りすればよいことになる。従って、測定器を用いて反り量Ｃを求める場合、Ｃ＜Ｈ３であるか否かを判定するだけでよいので非常に簡単であり、測定器に代えてゲージ等を用いてチェックするようにしてもよい。このように、回路パターン形成工程における加工底部１ｄの除去加工に先立ち、接合体は反りが所定値以下であるか否かがチェックされるとよい。なお、製造条件等により、接合体の反りが安定的にＣ＜Ｈ３であることが期待される場合には、反りのチェックは省略してもよい。
【００２０】
一方、図５に示すように反り量CがＣ≧Ｈ３の場合、エンドミル６を一定の高さで横送りしたのでは途中でセラミックス基板３を切り込むことになるため、途中で高さを変えなければならない。このためには、接合体の概略の反り形状を知る必要があり、例えば図６に示すように９箇所の平面位置７で、ダイヤルゲージ、レーザーセンサー等を用いて接合体の高さを測定し、コンピュータ処理をもとにエンドミルのパス経路を決定する。即ち、加工底部１ｄに沿ってセラミックス基板２上面及び加工底部１ｄの概略曲率を計算し、エンドミル６先端の送りラインとの交点を計算することで、これをもとに自動的或いは人為的に決めることができる。エンドミルのパス経路の作成に当たっては、エンドミル先端はセラミックス基板３の上面と加工底部１ｄの間の高さＨ１の空隙部にあればよいので、厳密な反りデータは必要なく、このための反りの測定データ数は少なくてよく、測定に要する時間は非常に短時間でよい。
【００２１】
前述したように、金属パターン板１の加工深さＨ１は大きい方が好ましい。即ち、Ｈ１が大きくなれば前記Ｈ３が大きくなり、エンドミルの横方向一回送りで加工底部を除去する場合に対応することができる接合体の反り範囲が拡大する。また、反り量が所定範囲内にあれば、エンドミルの先端位置Ｈ４の設定許容値が大きくなる。しかし、Ｈ１を大きくすると加工底部１ｄの厚さＴ１は薄くなるが、加工底部１ｄはパターン要素部１ａ、１ｂ、１ｃの周辺に全面的に形成されているので、薄くしても金属パターン板１の剛性は保ち易く、金属パターン板１を一枚の板としてハンドリングしても反りまたはねじれ等は抑制できる。このため、接合体を形成する工程において、ハンドリングが簡単であるだけでなく、回路パターン要素部１ａ、１ｂ、１ｃを相互位置関係を維持した状態でろう材４ａ、４ｂ、４ｃに精度良く一致させることができるので、回路パターン間の寸法精度は良好でありかつ回路パターン要素とろう材のヅレに起因する回路パターン間のショートという問題を防ぐことができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明のセラミックス回路基板の製造工程を説明するための図である。
【図２】本発明におけるセラミックス回路基板の平面図の一例を示す。
【図３】セラミックス回路基板の製造に使用する金属パターン板の平面図を示す。
【図４】回路パターンを形成する工程において、エンドミルがセラミックス基板に接触することなく、加工底部を１パスで除去する状態を示した説明図である。
【図５】回路パターンを形成する工程において、接合体の反りに合わせて切削工具の切り込み量を調整し、加工底部を除去する状態を示した説明図である。
【図６】本発明において、金属パターン板とセラミックス基板の接合体の反りを測定する測定位置を示した説明図である。
【符号の説明】
【００２３】
１                金属パターン板
１Ａ、１Ｂ、１Ｃ  回路パターン要素
１ａ、１ｂ、１ｃ  回路パターン要素部
１ｄ              加工底部
２                セラミックス回路基板
３                セラミックス基板
４ａ、４ｂ、４ｃ  ろう材
５                面取り
６                エンドミル
７                測定位置
【図１】
2007043002.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
2007043002.tif 000007
【図６】
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