(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
セラミック基板の両主面に略同じ厚みの金属板を接合する工程と、
前記セラミック基板の一方の主面の前記金属板の表面にレジスト膜を回路パターン状に形成するとともに他方の主面の前記金属板の全面に前記レジスト膜を形成する工程と、
前記セラミック基板の一方の主面の前記金属板をエッチング処理して前記回路パターン状の前記レジスト膜に対応した回路を形成する工程と、
前記セラミック基板の他方の主面の前記金属板の全面に形成された前記レジスト膜を剥離する工程と、
前記セラミック基板の他方の主面の前記金属板の全面を所定厚みまでエッチングする工程と、
前記セラミック基板の一方の主面の前記金属板の表面に形成された回路パターン状の前記レジスト膜を剥離する工程と
を順次行なうことを特徴とするセラミック回路基板の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、パワーモジュール等に用いられるセラミック回路基板の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、パワーモジュール用基板やスイッチングモジュール用基板等の回路基板として、セラミック基板上に銀−銅合金にチタン・ジルコニウム・ハフニウムおよびこれらの水素化物の少なくとも１種を添加した活性金属ろう材を介して銅等から成る金属回路板を接合させて成るセラミック回路基板、あるいはセラミックス基板に銅等から成る金属回路板をろう材を介さずに接合させて成るセラミック回路基板等が用いられている。
【０００３】
このようなセラミック回路基板は、セラミック基板が一般には、酸化アルミニウム質焼結体や窒化アルミニウム質焼結体・窒化珪素質焼結体・ムライト質焼結体等の電気絶縁性のセラミックス材料から成っており、例えば、セラミック基板が酸化アルミニウム質焼結体から成る場合、および接合をろう材を介して行なう場合には、以下に説明する方法によって製作される。
【０００４】
まず、銀−銅合金にチタン・ジルコニウム・ハフニウムおよびこれらの水素化物の少なくとも１種を添加した活性金属粉末に有機溶剤と溶媒を添加混合して成る活性金属ろう材ペーストを準備する。次に、酸化アルミニウムや酸化珪素・酸化マグネシウム・酸化カルシウム等のセラミック原料粉末に適当な有機バインダー・可塑剤・溶剤等を添加混合して泥漿状と成すとともにこれを従来周知のドクターブレード法やカレンダーロール法等のテープ成形技術を採用して複数のセラミックグリーンシートを得るとともに所定寸法に形成した後、セラミックグリーンシートを還元雰囲気中、約1600℃の温度で焼成し、セラミックグリーンシートを焼結一体化させて酸化アルミニウム質焼結体から成るセラミック基板を形成する。
【０００５】
次に、セラミック基板の一方の主面または両方の主面上に、間に活性金属ろう材ペーストを挟んで銅等から成る金属板を載置させる。そして最後に、セラミック基板と金属板との間に配されている活性金属ろう材ペーストを非酸化性雰囲気中で約900℃の温度に加熱し、金属板をセラミック基板に接合させる。そして、金属板の表面にエッチングレジストインクをスクリーン印刷法等の技術を採用して回路パターン状に印刷塗布し、さらに、金属板をエッチング処理して回路パターン状とすることによりセラミック回路基板が製作される。
【０００６】
なお、セラミック基板の両主面に金属板を接合する際、約900℃の温度で加熱するが、セラミック基板の熱膨張係数が３〜７ｐｐｍ／℃（酸化アルミニウム質焼結体：約７ｐｐｍ／℃、窒化アルミニウム質焼結体：約４ｐｐｍ／℃、窒化珪素質焼結体：約３ｐｐｍ／℃）であるのに対して銅やアルミニウム等から成る金属板の熱膨張係数が18〜23ｐｐｍ／℃（銅：約18ｐｐｍ／℃、アルミニウム：約23ｐｐｍ／℃）であることから、セラミック回路基板を接合温度から室温に冷却する過程で、金属板の熱膨脹係数とセラミック基板の熱膨張係数の相違に起因する大きな熱応力がセラミック回路基板の内部に生じてしまう。そして、この応力は金属板側に引っ張り応力、セラミック基板側に圧縮応力として残留するので、この影響でセラミック回路基板の両主面に接合された金属板をエッチング処理により異なる形状のパターンに形成した場合、セラミック回路基板に反りが発生してしまう。また、この残留応力はセラミック基板にクラックを生じさせたり、あるいは金属板剥離の発生原因等となり、さらにセラミック基板にクラックが生じないまでも、セラミック基板の強度を低下させるという悪影響をおよぼしてしまう。
【０００７】
なお、上述のような冷却過程で発生した残留応力は、冷却速度の調整等によりある程度は軽減できるものの、反りの防止には至らず重大な問題となっている。このような問題点を解決するために、セラミック基板の両主面に接合する金属板の厚みをあらかじめ異ならせておき、セラミック基板とこの両主面に接合するそれぞれの金属板との残留応力を調整して、パターンを形成した後のセラミック回路基板の反りを防止する方法が広く用いられている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、セラミック回路基板の反り防止のためセラミック基板の両主面に異なる厚みの金属板を接合した場合、金属板の接合後でエッチング処理前の段階でセラミック回路基板に反りが発生し、とりわけ両主面の金属板の厚み差が大きい場合、金属板の接合後に発生する反りも大きくなってしまうという問題点を有していた。その結果、金属板の接合後でエッチング処理前の段階におけるセラミック回路基板に多大な反りがあると、セラミック基板の両主面に接合された金属板の表面にエッチングレジストインクをスクリーン印刷法等の技術を採用して印刷塗布する際、エッチングレジストインクが塗布し難い、あるいは塗布できない等の理由で金属板を所望のパターン形状に形成することができない等の問題点を有していた。
【０００９】
本発明は、このような課題に鑑みて完成されたもので、その目的は、金属板の接合後でエッチング処理前の段階でのセラミック回路基板の反りを抑え、かつエッチング処理後のセラミック回路基板の反りも抑える製造方法を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明のセラミック基板の製造方法は、セラミック基板の両主面に略同じ厚みの金属板を接合する工程と、セラミック基板の一方の主面の金属板の表面にレジスト膜を回路パターン状に形成するとともに他方の主面の金属板の全面にレジスト膜を形成する工程と、セラミック基板の一方の主面の金属板をエッチング処理して回路パターン状のレジスト膜に対応した回路を形成する工程と、セラミック基板の他方の主面の金属板の全面に形成されたレジスト膜を剥離する工程と、セラミック基板の他方の主面の金属板の全面を所定厚みまでエッチングする工程と、セラミック基板の一方の主面の金属板の表面に形成された回路パターン状のレジスト膜を剥離する工程とを順次行なうことを特徴とするものである。
【００１１】
本発明のセラミック回路基板の製造方法によれば、セラミック基板の両主面に略同じ厚みの金属板を接合するので、セラミック基板の両主面に金属板を接合後、セラミック基板が反ることはなく、その結果、金属板の表面にエッチングレジストインクをスクリーン印刷法を用いて印刷塗布する際、エッチングレジストインクを回路パターン状に良好に印刷することができ、金属板を所望のパターン形状に容易に形成することができる。また、一方の主面の金属板をエッチング処理して回路パターン状のレジスト膜に対応した回路を形成した後に、セラミック基板の他方の主面の金属板の全面を所定厚みまでエッチングして一方の主面の金属板の厚みと他方の主面の金属板の厚みとを異ならせたので、セラミック基板とこの表裏面に接合するそれぞれの金属板との残留応力がほぼ等しいものとなり、その結果、反りのないセラミック回路基板を得ることができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
次に、本発明のセラミック回路基板の製造方法を、添付の図面に基づいて詳細に説明する。
図１（ａ）〜（ｆ）は、本発明のセラミック回路基板の製造方法を説明するための工程毎の断面図である。この図において、１および３は金属板、２はセラミック基板であり、４および５はレジスト膜である。
【００１３】
まず、図１（ａ）に断面図で示すように、セラミック基板２の両面に略同じ厚みの金属板１・３を接合する。
【００１４】
セラミック基板２は、縦・横の長さが50ｍｍ×50ｍｍ程度、厚みが250  〜1000μｍ程度で、酸化アルミニウム質焼結体やムライト質焼結体・炭化珪素質焼結体・窒化アルミニウム質焼結体等の電気絶縁材料から成り、セラミック基板２の両主面に接合される金属板１・３を支持する支持部材として機能する。
【００１５】
金属板１・３は銅やアルミニウム等の金属材料から成り、セラミック回路基板に実装される半導体素子等の電子部品（図示せず）に電気信号や電力を供給する作用をなし、セラミック基板２の一方の主面に接合した金属板１（３）に半田等の接着材を介して半導体素子等の電子部品を電気的に接続させるとともに他方の主面に接合した金属板３（１）を外部電気回路に接続することにより、半導体素子等の電子部品が金属板１・３を介して外部電気回路に電気的に接続されることとなる。
【００１６】
なお、セラミック基板２の一方の主面に接合される金属板１（３）と他方の主面に接合される金属板３（１）の厚みは略同じである。また、本発明においては、このことが重要である。本発明のセラミック回路基板の製造方法によれば、セラミック基板２の一方の主面に接合される金属板１（３）と他方の主面に接合される金属板３（１）の厚みとを略同じとしたことから、セラミック基板２の両主面に金属板１・３を接合後、セラミック基板２が反ることはなく、その結果、金属板１の表面にエッチングレジストインクをスクリーン印刷法を用いて印刷塗布する際、エッチングレジストインクを回路パターン状に良好に印刷することができ、金属板１を所望のパターン形状に容易に形成することができる。
【００１７】
なお、ここでいう略同じ厚みとは、金属板１と金属板３の厚み差が50μｍ以内であることをいう。金属板１と金属板３の厚み差が50μｍを超えると、セラミック基板２が、その両面に金属板１・３を接合した後に大きく反ってしまい、金属板１の表面にエッチングレジストインクをスクリーン印刷法を用いて印刷塗布する際、エッチングレジストインクを回路パターン状に良好に印刷することができくなってしまう傾向がある。
【００１８】
このようなセラミック基板２と金属板１・３との接合は、以下に述べる方法により行なわれる。
まず、セラミック基板２と金属板１・３とを準備する。
セラミック基板２は、酸化アルミニウム質焼結体やムライト質焼結体・炭化珪素質焼結体・窒化アルミニウム質焼結体・窒化珪素質焼結体等の電気絶縁材料から成り、例えば、セラミック基板２が酸化アルミニウム質焼結体から成る場合には、酸化アルミニウム・酸化珪素・酸化マグネシウム・酸化カルシウム等の原料粉末に適当な有機バインダー・可塑剤・溶剤を添加混合して泥漿状となすとともにこの混合物を従来周知のドクターブレード法やカレンダーロール法を採用することによってセラミックグリーンシート（セラミック生シート）を得、しかる後、セラミックグリーンシートに適当な打ち抜き加工を施すとともにこれを複数枚積層し、約1600℃の高温で焼成することによって製作される。
【００１９】
また、金属板１・３は、例えば金属板１・３が銅から成る場合、銅のインゴット（塊）に圧延加工法や打ち抜き加工法等、従来周知の金属加工法を施すことによって、厚さが500μｍ程度で、縦・横の長さがセラミック基板２と同等の大きさに形成される。
【００２０】
次に、セラミック基板２の両主面にろう材を用いたろう付法、もしくはろう材を用いない直接接合法等を用いて略同一厚みの金属板１・３を接合する。
【００２１】
例えばろう付法を用いてセラミック基板２の両主面に金属板１・３を接合する場合、次に述べる方法により接合する。
まず、銀粉末および銅粉末、または銀−銅合金粉末、またはこれらの混合粉末から成るろう材粉末、ならびにチタン・ジルコニウム・ハフニウムおよびこれらの水素化物の少なくとも１種より成る活性金属粉末から成る活性金属ろう材に、融点が1200℃以上で平均粒径が1〜10μｍの高融点金属粉末を5〜20重量％および適当な有機溶剤、溶媒を添加混合し、混練することによって活性金属ろう材を得る。
【００２２】
次に、セラミック基板２の両主面にろう材ペーストを従来周知のスクリーン印刷技法を用いて、例えば、20〜50μｍの厚さで所定回路パターン形状あるいは略全面にベタ状に印刷塗布するとともにこれを乾燥して活性金属ろう材層を形成し、この活性金属ろう材層上に金属板１・３を載置する。
【００２３】
次に、セラミック基板２と金属板１・３との間に配されている活性金属ろう材を、金属板１・３に５〜10ｋＰａの荷重をかけながら水素ガス雰囲気や水素・窒素ガス雰囲気等の非酸化性雰囲気中で900℃に加熱し、活性金属ろう材の有機溶剤や溶媒・分散剤を気散させるとともに活性金属ろう材を溶融させてセラミック基板２の両主面と金属板１・３に接合させることによって、セラミック基板２の両主面に金属板１・３が取着されることとなる。
【００２４】
次に、図１（ｂ）に断面図で示すように、セラミック基板２の一方の主面の金属板１の表面にレジスト膜４を回路パターン状に形成するとともに他方の主面の金属板３の全面にレジスト膜５を形成する。
【００２５】
このようなレジスト膜４・５は、従来周知のスクリーン印刷法等を用いて、レジスト膜４・５となる周知のレジスト用ペーストをセラミック基板２の一方の主面の金属板１の表面に例えば、10μｍ程度の厚さで所定回路パターン形状に印刷塗布するとともに乾燥し、しかる後、他方の主面の金属板３の全面に印刷塗布するとともに乾燥することによって形成される。
【００２６】
なお、本実施例においては、セラミック基板２の一方の主面の金属板１の表面に形成されるレジスト膜４が、他方の主面の金属板３の全面に形成されるレジスト膜５を剥離する剥離液によって、剥離不可能であることが好ましい。これは、後述するように、レジスト膜４をエッチング処理した後、レジスト膜４を回路パターン状に残した状態でレジスト膜５を剥離するためであり、レジスト膜５を剥離する際にレジスト膜４が剥離してしまうと、他方の主面の金属板３をエッチングする際に一方の主面の金属板１までエッチングしてしまい、良好な金属回路を形成することが困難となることによるものである。
【００２７】
このようなレジスト膜４・５としては、例えば他方の主面に接合された金属板３に水酸化ナトリウム１〜３％で剥離可能なレジスト膜５を用い、一方の主面に接合された金属板１に水酸化ナトリウム１〜３％では剥離不可能で、かつ、水酸化ナトリウム10％以上で剥離可能なレジスト膜４を用いればよい。このようなレジスト膜４のペーストとしてはアクリル樹脂系の熱硬化型強アルカリ溶解除去タイプのインクが、レジスト膜５のペーストとしてはアクリル樹脂系の熱硬化型弱アルカリ溶解除去タイプのインクが用いられる。
【００２８】
次に、図１（ｃ）に断面図で示すように、セラミック基板２の一方の主面の金属板１をエッチング処理して回路パターン状のレジスト膜に対応した回路を形成する。このような金属板１のエッチングは、例えば、金属板が銅または銅合金であり、エッチング液が塩化第２鉄である場合、比重が42〜47ボーメで、温度が45℃程度の塩化第２鉄溶液を用い、両面スプレー方式のエッチング装置に金属板１・３を接合したセラミック基板２を投入し、スプレー圧2.5×105Ｐａ程度で行なわれる。
【００２９】
なお、エッチング時間は、銅または銅合金の塩化第２鉄溶液に対する溶解量・金属板の厚み等により調整される。また、エッチングの後処理は、市水等にて両面スプレー方式でエッチング液の除去を行った後、エアナイフ乾燥等を用いて乾燥することにより行なわれる。また、このとき一方の金属板１のみがエッチングされるため、金属板１とセラミック基板２との間の残留応力が緩和され、セラミック基板２は、図１（ｃ）に断面図で示すように、一方の主面側に凸の状態で反ることになる。
【００３０】
次に、図１（ｄ）に断面図で示すように、セラミック基板２の他方の主面の金属板３の全面に形成されたレジスト膜５を剥離する。レジスト膜５の剥離は、剥離液として前述した濃度が１〜３％で液温が35℃程度の水酸化ナトリウム水溶液を用い、両面スプレー方式のレジスト剥離装置に金属板１・３を接合したセラミック基板２を投入し、スプレー圧1.5×105Ｐａ程度で約１分間スプレーすることにより行なわれる。なお、剥離後は、市水等にて両面スプレー方式で剥離液の除去を行った後エアナイフ乾燥等と用いて乾燥を行う。
【００３１】
次に、図１（ｅ）に断面図で示すように、セラミック基板２の他方の主面の金属板３の全面を所定厚みまでエッチングする。金属板３のエッチングは、図１（ｃ）の工程と同様の条件でエッチング装置に金属板１・３を接合したセラミック基板２を投入して行う。なお、このとき他方の金属板３をエッチングして所定厚みにするので、セラミック基板２とこの表裏面に接合するそれぞれの金属板１・３の残留応力がほぼ等しいものとなり、その結果、図１（ｅ）に断面図で示すように、セラミック基板２の反りはなくなる。
【００３２】
なお、セラミック基板２の反りがなくなる金属板３の厚みは、金属板１の回路パターン形状や金属板１の厚みによって異なるので、金属板３のエッチング後の厚みは、回路パターン形状により適宜決められる。。
【００３３】
そして最後に、セラミック基板２の一方の主面の金属板１の表面に形成された回路パターン状のレジスト膜４を剥離する。レジスト膜４の剥離は金属板１・３を接合したセラミック基板２を前述した水酸化ナトリウム10％以上の水溶液を用い、図１（ｄ）の工程と同様の条件でレジスト剥離装置に金属板１・３を接合したセラミック基板２を投入して行う。
【００３４】
かくして本発明のセラミック回路基板の製造方法によれば、セラミック基板の両主面に略同じ厚みの金属板を接合するので、セラミック基板の両主面に金属板を接合後、セラミック基板が反ることはなく、その結果、金属板の表面にエッチングレジストインクをスクリーン印刷法を用いて印刷塗布する際、エッチングレジストインクを良好に回路パターン状に印刷することができ、金属板を所望のパターン形状に容易に形成することができる。また、一方の主面の金属板をエッチング処理して回路パターン状のレジスト膜に対応した回路を形成した後に、セラミック基板の他方の主面の金属板の全面を所定厚みまでエッチングして一方の主面の金属板の厚みと他方の主面の金属板の厚みとを異ならせたので、セラミック基板とこの表裏面に接合するそれぞれの金属板との残留応力がほぼ等しいものとなり、その結果、反りのないセラミック回路基板を得ることができる。
【００３５】
なお、本発明の製造方法は上述の実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲であれば種々の変更は可能であり、例えば、上述の実施例ではセラミック基板がアルミニウム質焼結体で形成された例を示したが、電子部品が多量の熱を発し、この熱を効率良く除去したい場合にはセラミック基板を熱伝導率の高い窒化アルミニウム質焼結体や窒化珪素質焼結体で形成すれば良く、金属板に高速の電気信号を伝播させたい場合には、セラミック基板２を誘電率の低いムライト質焼結体で形成すれば良い。
【００３６】
【発明の効果】
本発明のセラミック回路基板の製造方法によれば、セラミック基板の両主面に略同じ厚みの金属板を接合するので、セラミック基板の両主面に金属板を接合後、セラミック基板が反ることはなく、その結果、金属板の表面にエッチングレジストインクをスクリーン印刷法を用いて印刷塗布する際、エッチングレジストインクを良好に回路パターン状に印刷することができ、金属板を所望のパターン形状に容易に形成することができる。また、一方の主面の金属板をエッチング処理して回路パターン状のレジスト膜に対応した回路を形成した後に、セラミック基板の他方の主面の金属板の全面を所定厚みまでエッチングして一方の主面の金属板の厚みと他方の主面の金属板の厚みとを異ならせたので、セラミック基板とこの表裏面に接合するそれぞれの金属板との残留応力がほぼ等しいものとなり、その結果、反りのないセラミック回路基板を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）〜（ｆ）は、本発明のセラミック回路基板の製造方法を説明するための工程毎の断面図である。
【符号の説明】
１、３・・・・・・・・金属板
２・・・・・・・・・・セラミック基板
４、５・・・・・・・・レジスト膜
【図１】
0003924479.tif 000002