(57)【要約】【課題】段部やフィレットの幅や厚さを自由に変更することができ且つ繰り返しヒートサイクルに対してより高い信頼性の金属−セラミックス接合回路基板を精度よく且つ効率的に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と金属板１２とを接合した後に金属板１２上の所定の領域にレジスト１４を形成してエッチングすることにより金属板１２を所定の形状の金属回路板に形成する金属−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１４の外周から所定の間隔だけ内側に離間した所でレジスト１４の外周に沿って帯状に延びる部分に、レーザー光を照射することにより、その照射部分のレジスト１４を除去してレジスト除去部１６を形成した後、エッチングによって金属回路板を形成する際に、金属回路板の周縁部を薄くして金属回路板の外周に段部を形成する。【選択図】図２Ａ
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
セラミックス基板と金属板とを接合した後に金属板上の所定の領域にレジストを形成してエッチングすることにより金属板を所定の形状の金属回路板に形成する金属−セラミックス接合回路基板の製造方法において、レジストの外周から所定の間隔だけ内側に離間した所でレジストの外周に沿って帯状に延びる部分に、レーザー光を照射することにより、その照射部分のレジストを除去した後、エッチングによって金属回路板を形成する際に、金属回路板の周縁部を薄くして金属回路板の外周に段部を形成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】
前記所定の間隔が０．０１〜２ｍｍであり、前記帯状に延びる部分が０．０１〜０．５ｍｍの幅の帯状の部分であることを特徴とする、請求項１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３】
前記帯状に延びる部分が前記レジストの外周の全部に沿って延び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４】
前記照射部分の形状が帯状であることを特徴とする、請求項１乃至３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５】
前記照射部分の形状が互いに離間して配置された複数の略円形または略矩形であることを特徴とする、請求項１乃至３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】
前記セラミックス基板と前記金属板とを直接接合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】
前記段部の幅が０．０１〜２ｍｍであり且つその厚さが前記金属板の厚さの０．５〜７０％であることを特徴とする、請求項６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】
前記セラミックス基板と前記金属板とを活性金属含有ろう材を介して接合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９】
前記エッチングによって金属回路板を形成する際に、前記金属回路板の外周に前記金属含有ろう材のフィレットを形成することを特徴とする、請求項８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】
前記段部と前記フィレットの幅の和が０．０１〜２ｍｍであり且つそれらの厚さの和が前記金属板の厚さと前記活性金属含有ろう材の厚さの和の０．５〜７０％であることを特徴とする、請求項９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】
前記レーザー光の照射が、ＹＡＧレーザー照射装置、Ｙｂレーザー照射装置またはＹＶＯ４レーザー照射装置によって行われ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。
【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、セラミックス基板に接合した金属回路板（電子部品搭載用金属板）の周縁部に段構造またはフィレットが形成された金属−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】
従来、電気自動車、電車、工作機械などの大電力を制御するためにパワーモジュールが使用されており、このパワーモジュール用の絶縁基板として、セラミックス基板の表面に金属回路板を接合した金属−セラミックス接合回路基板が使用されている。
【０００３】
このような金属−セラミックス接合回路基板では、接合後の熱衝撃によりセラミックス基板と金属回路板との間に発生する熱膨張差による熱応力により、セラミックス基板中にクラックが発生し易い。このような熱応力を緩和させる方法として、金属回路板の沿面部分を薄くする方法、すなわち金属回路板の周縁部に段構造またはフィレットを形成する方法が知られている。
【０００４】
このような構造を実現するため、セラミックス基板と金属回路板を接合するための銀を母材とする金属ろう材と金属回路板のエッチング速度の差を利用してフィレットを形成する方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００５】
しかし、この方法では、段部やフィレットの寸法を制御することが困難である。すなわち、段部やフィレットの幅や厚さを自由に変更することが困難であり、繰り返しヒートサイクルに対してより高い信頼性の金属−セラミックス接合回路基板を提供することが困難である。
【０００６】
このような問題を解消するため、セラミックス基板上にろう材ペースト介して金属板を接合した後、金属板上にエッチングレジストを塗布し、エッチング処理により回路パターンを形成し、不要なろう材を除去した後、２回目のレジストを塗布し、エッチング処理により端部を２段とし、最下段にろう材が端部となる回路を形成する方法が提案されている（例えば、特許文献２参照）。
【０００７】
また、セラミックス基板と金属板とを接合した後に金属板上の所定の領域にレジストを形成してエッチングすることにより金属板を所定の形状に形成する金属−セラミックス接合回路基板の製造方法において、レジストの外周から所定の間隔（例えば０．０１〜０．５ｍｍ）だけ内側に離間した所に（例えば０．０１〜０．５ｍｍの幅の帯状の）レジストを形成しない部分を設けて、金属板の外周部のエッチング速度を制御することにより、段部やフィレットの幅や厚さを自由に変更することができ（例えば金属板の外周部に０．０５〜０．５ｍｍの幅で０．００５〜０．２５ｍｍの厚さの段部（または段部およびフィレット）を形成することができ）且つ繰り返しヒートサイクルに対してより高い信頼性の金属−セラミックス接合回路基板を製造する方法も提案されている（例えば、特許文献３参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開平１０−３２６９４９号公報（段落番号００２３−００２４）
【特許文献２】特開平１０−１２５８２１号公報（段落番号０００５−０００６）
【特許文献３】特開２００４−１４５８９号公報（段落番号０００５−０００６）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかし、特許文献２の方法では、レジストを２回塗布して、エッチング処理も２回する必要があるので、段部やフィレットを形成する工程数が多く、時間がかかる。
また、特許文献３の方法では、金属板上の所定の領域にスクリーン印刷によりレジストを形成しており、レジストを形成しない帯状部分の幅が細くなると、その帯状部分を精度よく形成し難い場合がある。特に、スクリーン印刷によってレジストを形成する場合、レジストを形成しない帯状部分の幅が細くなると、スクリーン版の寿命が短くなり、また、レジストを薄く形成しないと、レジストを形成しない帯状部分の幅を細くするのが困難である。
【００１０】
したがって、本発明は、このような従来の問題点に鑑み、段部やフィレットの幅や厚さを自由に変更することができ且つ繰り返しヒートサイクルに対してより高い信頼性の金属−セラミックス接合回路基板を精度よく且つ効率的に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。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
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、セラミックス基板と金属板とを接合した後に金属板上の所定の領域にレジストを形成してエッチングすることにより金属板を所定の形状の金属回路板に形成する金属−セラミックス接合回路基板の製造方法において、レジストの外周から所定の間隔だけ内側に離間した所でレジストの外周に沿って帯状に延びる部分に、レーザー光を照射することにより、その照射部分のレジストを除去した後、エッチングによって金属回路板を形成する際に、金属回路板の周縁部を薄くして金属回路板の外周に段部を形成することによって、段部やフィレットの幅や厚さを自由に変更することができ且つ繰り返しヒートサイクルに対してより高い信頼性の金属−セラミックス接合回路基板を精度よく且つ効率的に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。
【００１２】
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、セラミックス基板と金属板とを接合した後に金属板上の所定の領域にレジストを形成してエッチングすることにより金属板を所定の形状の金属回路板に形成する金属−セラミックス接合回路基板の製造方法において、レジストの外周から所定の間隔だけ内側に離間した所でレジストの外周に沿って帯状に延びる部分に、レーザー光を照射することにより、その照射部分のレジストを除去した後、エッチングによって金属回路板を形成する際に、金属回路板の周縁部を薄くして金属回路板の外周に段部を形成することを特徴とする。
【００１３】
この金属−セラミックス接合回路基板の製造方法において、所定の間隔が０．０１〜２ｍｍであり、帯状に延びる部分が０．０１〜０．５ｍｍの幅の帯状の部分であるのが好ましい。また、帯状に延びる部分がレジストの外周の全部に沿って延びるのが好ましい。また、レーザー光の照射部分の形状が帯状であるのが好ましい。あるいは、レーザー光の照射部分の形状を互いに離間して配置された複数の略円形または略矩形にしてもよい。
【００１４】
また、セラミックス基板と金属板とを直接接合してもよいし、活性金属含有ろう材を介して接合してもよい。直接接合する場合には、段部の幅が０．０１〜２ｍｍであり且つその厚さが金属板の厚さの０．５〜７０％であるのが好ましい。活性金属含有ろう材を介して接合する場合には、エッチングによって金属回路板を形成する際に、金属回路板の外周に金属含有ろう材のフィレットを形成するのが好ましい。この場合、段部とフィレットの幅の和が０．０１〜２ｍｍであり且つそれらの厚さの和が金属板の厚さと活性金属含有ろう材の厚さの和の０．５〜７０％であるのが好ましい。また、レーザー光の照射が、ＹＡＧレーザー照射装置、Ｙｂレーザー照射装置またはＹＶＯ４レーザー照射装置によって行われるのが好ましい。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、段部やフィレットの幅や厚さを自由に変更することができ且つ繰り返しヒートサイクルに対してより高い信頼性の金属−セラミックス接合回路基板を精度よく且つ効率的に製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１Ａ】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における製造工程を示す平面図である。
【図１Ｂ】図１ＡのＩＢ−ＩＢ線断面図である。
【図２Ａ】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における製造工程を示す平面図である。
【図２Ｂ】図２ＡのＩＩＢ−ＩＩＢ線断面図である。
【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実施の形態によりセラミックス基板に金属板が直接接合されて製造された金属−セラミックス接合回路基板の周縁部を示す拡大断面図である。
【図４】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により活性金属含有ろう材を介してセラミックス基板に金属板が接合されて製造された金属−セラミックス接合回路基板の周縁部を示す拡大断面図である。
【図５】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の変形例として、レジスト除去部の形状を略円形にした例を示す平面図である。
【図６】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の他の変形例として、レジスト除去部の形状を略矩形にした例を示す平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
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の形態を説明する。
【００１８】
まず、図１Ａおよび図１Ｂに示すように、セラミックス基板１０上に直接または（図４において参照符号１８で示す）活性金属含有ろう材を介して金属板１２を配置して加熱接合する。この加熱接合した金属板１２上の所定の領域（例えば回路形成領域）に紫外線硬化型レジストなどのレジスト１４をスクリーン印刷などにより形成する。なお、レジスト１４は、スクリーン印刷の他、ドライフィルム、ディップ、スピンコータ、ロールコータなどにより形成してもよい。
【００１９】
次に、図２Ａおよび図２Ｂに示すように、レジスト１４の外周から内側に所定の間隔だけ離間した所でレジスト１４の外周に沿って帯状に延びる部分に、レーザー光を照射することにより、その照射部分のレジスト１４を除去して、所定の幅のレジスト除去部１６を形成する。なお、レジスト除去部１６は、レーザー光を連続的に照射して、レジスト１４の外周に沿って連続的に帯状に延びるように形成しているが、このような帯状のレジスト除去部１６に代えて、レーザー光を断続的に照射して、図５または図６に示すように、レジスト１１４または２１４の外周に沿って互いに離間して配置された多数のドット状の略円形のレジスト除去部１１６または略矩形のレジスト除去部２１６を形成してもよい。
【００２０】
次に、エッチングにより金属板１２（または金属板１２および活性金属含有ろう材１８）の不要部分を除去した後、レジスト１４を除去すると、図３または図４に示すように、金属板１２の外周部に所定の幅（段幅Ｌ）の所定の厚さ（段厚Ｔ）の段部（または段部およびフィレット）が形成される。その後、金属板１２（または金属板１２および活性金属含有ろう材１８）上に無電解ニッケルメッキを施してもよい。
【００２１】
上述したように、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の実施の形態では、セラミックス基板上に直接または活性金属含有ろう材を介して金属板を配置し、実質的に真空または非酸化性雰囲気中で加熱した後に冷却することにより、セラミックス基板と金属板を接合する。その後、外周から内側に所定の間隔（０．０１〜２ｍｍ、好ましくは０．０２〜０．５ｍｍ）だけ離間して外周の全部または一部に沿って帯状に延びる部分にレーザー光を照射することにより、その照射部分のレジストを除去して、所定の幅（０．０１〜０．５ｍｍ、好ましくは０．０２〜０．２ｍｍ）のレジスト除去部を形成することにより、エッチング速度を制御して、金属板の外周部に所定の幅（０．０１〜２ｍｍ、好ましくは０．０３〜１ｍｍ、さらに好ましくは０．０５〜０．５ｍｍ）の所定の厚さ（金属板の厚さ（または金属板の厚さと塗布したろう材の厚さの和）の０．５〜７０％の厚さ、好ましくは１〜５０％の厚さ）の段部（または段部およびフィレット）を有する金属回路を形成することができる。さらに、段部（または段部およびフィレット）の幅を広くしたい場合には、レジストの印刷部とレジスト除去部を２つ以上交互に形成することによって広くすることができる。また、レジスト除去部の幅を小さくすることにより、段部の厚さがその端部に向かって漸減するようなスカート状の段部を形成することができる。
【００２２】
段部（または段部およびフィレット）の幅を０．０１〜２ｍｍとするのは、段部（または段部およびフィレット）の幅が０．０１ｍｍより小さいと、繰り返しヒートサイクル１００回未満でクラックの発生がみられ、一方、段部（または段部およびフィレット）の幅が２ｍｍより大きいと、回路のファインパターン化に支障をきたすからである。なお、段部（または段部およびフィレット）の幅が０．３ｍｍ以上になると、強度や耐通炉クラック特性が特に高くなり、車両などの特に高信頼性を要求される分野にも適用可能になり、繰り返しヒートサイクルによるクラックの発生を防止する効果が顕著になる。
【００２３】
また、段部（または段部およびフィレット）の厚さを金属板の厚さ（金属板の厚さと塗布したろう材の厚さの和）の０．５〜７０％の厚さとするのは、金属板の厚さの０．５％より薄いと、ヒートサイクルによりその部分が破断し、応力緩和効果を失い、信頼性が低下するおそれがあり、一方、７０％より厚いと、厚さによる応力の増大により信頼性が低下するおそれがあるからである。
【００２４】
セラミックス基板としては、アルミナやシリカなどの酸化物や、窒化アルミニウムや窒化ケイ素などの非酸化物などのセラミックス基板を使用することができ、通常、一辺の長さが１０〜３００ｍｍで厚さが０．２５〜３．０ｍｍのセラミックス基板が使用される。また、金属板としては、銅、アルミニウム、ニッケルなどの単一金属の箔や板材、またはマンガニン、黄銅、ステンレスなどの合金の箔や板材を使用することができ、０．１〜５．０ｍｍの厚さの箔や板材を使用することが多い。しかし、本発明では、セラミックス基板や金属板の大きさや厚さは、特に限定されるものではない。
【００２５】
また、本発明による金属−セラミックス接合回路基板の特に効果が大きい用途は、電子回路用の金属−セラミックス接合基板であり、この接合基板を使用してパワーモジュールを作成すると、接合基板の信頼性の向上により、パワーモジュールの信頼性も向上し、高信頼性を有するパワーモジュールを提供することができる。
【実施例】
【００２６】
以下、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。
【００２７】
［実施例１］
７６ｍｍ×５９ｍｍ×０．６ｍｍの窒化アルミニウムからなるセラミックス基板の一方の面に、活性金属としてＴｉを含有するＡｇ−Ｃｕ系ろう材を介して、７６ｍｍ×５９ｍｍ×０．３ｍｍの無酸素銅からなる金属板を接合した。
【００２８】
次に、金属板上の回路形成領域に回路形成用レジストをスクリーン印刷した後、レジストの外周から内側に２００μｍ離間した所でレジストの外周の全体に沿って帯状に延びる部分と、その部分から内側に１７０μｍ離間した所でレジストの外周の全体に沿って帯状に延びる部分に、レーザー光を照射することにより、それらの部分のレジストを除去して、幅１００μｍの２本のレジスト除去部を形成した。なお、レーザー光の照射によるレジストの除去は、スポット径６０μｍ、出力３０ＷのＹＡＧレーザー照射装置（キーエンス社製のＹＡＧレーザー）により、出力８０％、スキャン速度２０００ｍｍ／秒で、上記の帯状に延びる部分と略平行に照射することによって行った。
【００２９】
次に、回路形成用レジストを印刷した基板を塩化銅と過酸化水素水の混合液からなるエッチング液によりエッチングし、外周部に幅７００μｍ、厚さ７０μｍの段部を有する金属回路板を形成した。
【００３０】
このようにして得られた金属−セラミックス接合回路基板について、室温×１０分→−９０℃×３０分→室温×１０分→１２５℃×３０分→室温×１０分を１サイクルとする繰り返しヒートサイクルを５００回行った後に、金属回路板とろう材を除去してセラミックス基板の表面を光学顕微鏡で観察したところ、セラミックス基板にクラックが発生していなかった。
【００３１】
［実施例２］
レジストの外周から内側に１１０μｍ離間した所から互いに１６０μｍ離間した４本のレジスト除去部を形成して、外周部に幅７５０μｍ、厚さ３０μｍの段部を有する金属回路板を形成した以外は、実施例１と同様の方法により作製した金属−セラミックス接合回路基板について、実施例１と同様の方法により、繰り返しヒートサイクル５００回後のセラミックス基板の表面を観察したところ、セラミックス基板にクラックが発生していなかった。
【００３２】
［実施例３］
ＹＡＧレーザー照射装置の代わりに、スポット径２０μｍ、平均出力４ＷのＹＶＯ４レーザー照射装置（キーエンス社製のＹＶＯ４レーザー）を使用し、出力８０％、スキャン速度１２０ｍｍ／秒で、レジストの外周から内側に１５０μｍ離間した所から互いに１８０μｍ離間した幅２１μｍの５本のレジスト除去部を形成して、外周部に幅９９０μｍ、厚さ６０μｍの段部を有する金属回路板を形成した以外は、実施例１と同様の方法により作製した金属−セラミックス接合回路基板について、実施例１と同様の方法により、繰り返しヒートサイクル５００回後のセラミックス基板の表面を観察したところ、セラミックス基板にクラックが発生していなかった。
【００３３】
［実施例４］
レジストの外周から内側に５０μｍ離間した所から互いに１６０μｍ離間した５本のレジスト除去部を形成して、外周部に幅８００μｍ、厚さ２２μｍのスカート状の段部を有する金属回路板を形成した以外は、実施例３と同様の方法により作製した金属−セラミックス接合回路基板について、実施例１と同様の方法により、繰り返しヒートサイクル５００回後のセラミックス基板の表面を観察したところ、セラミックス基板にクラックが発生していなかった。
【００３４】
［実施例５］
レジストの外周から内側に２２０μｍ離間した所から互いに２４０μｍ離間した４本のレジスト除去部を形成して、外周部に幅１０１０μｍ、厚さ８０μｍの段部を有する金属回路板を形成した以外は、実施例３と同様の方法により作製した金属−セラミックス接合回路基板について、実施例１と同様の方法により、繰り返しヒートサイクル５００回後のセラミックス基板の表面を観察したところ、セラミックス基板にクラックが発生していなかった。
【００３５】
［実施例６］
レジストの外周から内側に２００μｍ離間した所から互いに２００μｍ離間した２本のレジスト除去部を形成して、外周部に幅４６０μｍ、厚さ８０μｍの段部を有する金属回路板を形成した以外は、実施例３と同様の方法により作製した金属−セラミックス接合回路基板について、実施例１と同様の方法により、繰り返しヒートサイクル５００回後のセラミックス基板の表面を観察したところ、セラミックス基板にクラックが発生していなかった。
【００３６】
［実施例７］
レジストの外周から内側に１４０μｍ離間した所に１本のレジスト除去部を形成して、外周部に幅１６０μｍ、厚さ５０μｍの段部を有する金属回路板を形成した以外は、実施例３と同様の方法により作製した金属−セラミックス接合回路基板について、実施例１と同様の方法により、繰り返しヒートサイクル５００回後のセラミックス基板の表面を観察したところ、セラミックス基板にクラックが発生していなかった。
【００３７】
［比較例１］
金属板上にエッチングレジストを塗布し、エッチング処理により回路パターンを形成して、不要なろう材を除去した後、２回目のレジストを塗布し、エッチング処理により外周部に幅５００μｍ、厚さ１５０μｍの段部を有する金属回路板を形成した以外は、実施例１と同様の方法により作製した金属−セラミックス接合回路基板について、実施例１と同様の方法により、繰り返しヒートサイクル５００回後のセラミックス基板の表面を観察したところ、セラミックス基板にクラックが発生していなかった。
【００３８】
［比較例２］
レジストの外周から２００μｍ離間した所から互いに２５０μｍ離間した２本の無印刷部（レジストが印刷されていない部分）がレジストの外周の全体に沿って延びるようにレジストをスクリーン印刷した以外は、実施例１と同様の方法により金属−セラミックス接合回路基板を作製したが、形成する段部に対応する部分の金属板が溶解して、金属回路板の外周部に段部を形成することができなかった。
【符号の説明】
【００３９】
１０  セラミックス基板
１２  金属板
１４  レジスト
１６  レジスト除去部
１８  活性金属含有ろう材
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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