(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
窒化ケイ素基板に活性金属を含むろう材を介して銅板を対接する工程と、ろう材の融点以上、銅の融点以下に加熱して上記窒化ケイ素基板に上記銅板を接合する工程と、上記銅板にエッチングにより銅回路を形成する工程と、更に窒素雰囲気中３３０℃以上で加熱する工程とより成ることを特徴とする窒化ケイ素回路基板製造方法。
【請求項２】
上記ろう材の活性金属がＴｉ、Ｚｒ、またはＨｆを含むことを特徴とする請求項１記載の窒化ケイ素回路基板製造方法。
【請求項３】
上記窒化ケイ素基板が、窒化ケイ素にＡｌ、Ｙ、Ｙｂ、Ｍｇ、Ｚｒ、Ｔｉ、 Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、 Ｃｒ、 Ｍｏ、Ｗなどの酸化物、炭化物、窒化物、けい化物、硼化物からなる群より選択された少なくとも１種を添加し、焼結して形成したものであることを特徴とする請求項１または２記載の窒化ケイ素回路基板製造方法。
【請求項４】
上記ろう材がＡｇ−Ｃｕ−Ｔｉペースト状ろう材であることを特徴とする請求項１、２または３記載の窒化ケイ素回路基板製造方法。
【請求項５】
上記銅回路を形成する工程のエッチング液として、塩化鉄の溶液で不要部分の銅を溶かし、次いでフッ化アンモニアを含む硝酸溶液で不要なろう材を除去することを特徴とする請求項１、２、３または４記載の窒化ケイ素回路基板製造方法。
【請求項６】
上記ろう材が有機バインダー及び溶剤を含み、銅板を接合する工程の前に、低温で加熱しろう材中の有機バインダー及び溶剤を蒸発せしめる工程を有することを特徴とする請求項１、２、３、４または５記載の窒化ケイ素回路基板製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は窒化ケイ素回路基板、特に高熱伝導率及び高信頼性が要求される自動車、電車、新幹線などの交通手段に使用するパワーモジュール及びペルチェ素子の実装に最適な窒化ケイ素回路基板製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、パワーモジュール及びペルチェ素子の実装には銅張り窒化アルミニウム回路基板が広く使用されている。
【０００３】
銅と窒化アルミニウムとはその熱膨張係数が互いに異なるため、高温で接合し室温で冷却した場合、基板の内部で大きな熱応力が発生する。この熱応力の影響で、使用中に窒化アルミニウム基板の内部にクラックが発生し、基板の表裏に貫通するクラックによる絶縁破壊が発生する。
【０００４】
クラックの発生を防止する為に窒化ケイ素回路基板が開発されるようになった。窒化ケイ素は窒化アルミニウムに比べてクラック発生に対する抵抗力が大きい。材料のクラックの進展に対する抵抗力を通常破壊靱性値で評価するが、窒化ケイ素の破壊靱性値は窒化アルミニウムの２倍以上もあるため、窒化ケイ素回路基板の使用により、クラックの発生は押さえられ、基板の信頼性は大きく改善された。
【０００５】
特開平４−２１２４４１号公報、特開平７−４８１７４号公報に窒化ケイ素回路基板が開示されている。この例では、窒化ケイ素回路基板にＡｌ、Ｙ、Ｙｂ、Ｍｇ、Ｚｒ、Ｔｉ、  Ｈｆ、  Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、  Ｃｒ、  Ｍｏ、Ｗなどの酸化物、炭化物、窒化物、けい化物、硼化物からなる群より選択された少なくとも１種を添加し、焼結している。
【０００６】
また、特開平９−６９５９０号公報、特開平９−６９６７２号公報にも窒化ケイ素回路基板及びその製造方法が開示されている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
近年環境保護の機運が高まり、電子機器作動時のロスの低減に対する要望は日増しに強くなっている。そのため基板の絶縁抵抗改善に対する要望も高まってきている。
【０００８】
また、パワーモジュールの使用時には基板の温度が最高125℃に達する場合があり、高温での絶縁抵抗も重要視されるようになったが、従来のものは高温での絶縁抵抗が低く、所期の目的を達成できない欠点があった。
【０００９】
本発明者はかかる問題を解決するために鋭意研究した結果、窒化ケイ素基板の上に活性金属ろう材を介して銅回路を形成したのち、窒素雰囲気に於いて加熱することによって、窒化ケイ素回路基板の絶縁抵抗が向上することを見出した。
【００１０】
本発明はかかる知見を基に成されたものである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明者が検討したところ絶縁抵抗が低いと基板の使用時に頻繁にリーク電流が発生し、作動時の誤動作を起こす恐れがある。絶縁抵抗は２０００ＭΩ以上であることが必要で好ましくは１００００ＭΩ以上が良いことがわかった。２０００ＭΩ以上で作動時のロスが１／２０以下に低減できる。
【００１２】
本発明の窒化ケイ素回路基板製造方法は、窒化ケイ素基板に活性金属を含むろう材を介して銅板を対接する工程と、ろう材の融点以上、銅の融点以下に加熱して上記窒化ケイ素基板に上記銅板を接合する工程と、上記銅板にエッチングにより銅回路を形成する工程と、更に窒素雰囲気中３３０℃以上で加熱する工程とより成ることを特徴とする。
【００１３】
上記ろう材の活性金属は、Ｔｉ、Ｚｒ、またはＨｆを含むことを特徴とする。
【００１４】
上記窒化ケイ素基板は、窒化ケイ素にＡｌ、Ｙ、Ｙｂ、Ｍｇ、Ｚｒ、Ｔｉ、 Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、 Ｃｒ、 Ｍｏ、Ｗなどの酸化物、炭化物、窒化物、けい化物、硼化物からなる群より選択された少なくとも１種を添加し、焼結して形成したものであることを特徴とする。
【００１５】
上記窒化ケイ素基板と銅板は、窒素雰囲気中で３８０℃以上の温度で加熱処理されることを特徴とする。
【００１６】
上記ろう材はＡｇ−Ｃｕ−Ｔｉペースト状ろう材であることを特徴とする。
【００１７】
上記銅回路を形成する工程のエッチング液として、塩化鉄の溶液で不要部分の銅を溶かし、次いでフッ化アンモニアを含む硝酸溶液で不要なろう材を除去することを特徴とする。
【００１８】
上記ろう材は、有機バインダー及び溶剤を含み、銅板を接合する工程の前に、低温で加熱しろう材中の有機バインダー及び溶剤を蒸発せしめる工程を有することを特徴とする。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下本発明の実施例を説明する。
【００２０】
本発明においては、窒化ケイ素基板の両面にＡｇ−Ｃｕ−Ｔｉペースト状ろう材をスクリーン印刷法で全面或いはパターン形状に印刷した後、この窒化ケイ素基板をその両面に銅板を対接した状態で真空中において低温で加熱し、ペースト状ろう材中の有機バインダー及び溶剤を蒸発させてから、更にろう材の融点以上、銅の融点以下の高温度に加熱し、銅板と窒化ケイ素基板をろう接する。
【００２１】
次いで、銅板の表面にエッチングレジストを所望のパターン形状に印刷し、塩化鉄の溶液でエッチングして不要部分の銅を溶かし、銅回路を形成する。
【００２２】
次いで、フッ化アンモニウムと硝酸の混液に銅回路の形成された回路基板を浸漬し、基板上に付着している余分のろう材を除去する。
【００２３】
最後に、上述の方法で作製した銅張り窒化ケイ素回路基板を窒素雰囲気に於いて加熱し、高温での回路基板の絶縁抵抗を高める。
【００２４】
なお、窒素中で加熱すると銅板の表面は黒く変色する。この変色層を除去するためには、硫酸と硝酸との混液でエッチング処理すれば良い。
【００２５】
更に作製した銅張り窒化ケイ素回路基板の一部又は全面に対して、無電解メッキ法でニッケルめっき層を形成しても良い。
【００２６】
本発明によれば窒素雰囲気中での加熱は絶縁抵抗の向上に有効であることを示しているが、其の理由についてはまだ解明されていない。なお、比較例に示すように水素を含む窒素雰囲気で同じ温度に加熱する場合絶縁抵抗はむしろ悪くなったことと、空気中に於いては水の蒸発温度以上の125 ℃で長時間加熱しても絶縁抵抗の改善は見られなかったことから、エッチングの時に基板の表面に付着している水の影響ではないと考えられる。
【００２７】
また、ろう接時に窒化ケイ素の分解が起こり、基板の表面にわずかなケイ素層が形成された可能性があり、これが何等かの働きをしていると思われる。
【００２８】
（実施例１）
【００２９】
銀粉72重量部、銅粉28重量部、合計１００重量部に対して、Ｔｉ粉末２重量部及びバインダー７重量部、溶剤８重量部を添加し、ペースト状のろう材を作成した。
【００３０】
このろう材を厚さ0.3mm の窒化ケイ素基板の一面上に所定のパターン形状に厚さ２０μｍ印刷し、８０℃に加熱して溶剤分を蒸発し、ろう材を乾燥させた。ついでに反対面も同じようにろう材を印刷した。
【００３１】
このろう材の印刷された基板の両面に厚さ0.25mmの銅板を積層し、 10 -5torrの真空中に於いて６００℃で３時間保温し、ろう材中のバインダーを十分に除去してから８３０℃に加熱し、３０分間保温して銅板と窒化ケイ素基板をろう接し、次いで、銅板の表面にエッチングレジストを所定のパターン状に印刷し、塩化鉄の溶液でエッチングして不要部分の銅を溶かし、所定の回路パターンを形成した。
【００３２】
次いで、この回路基板を１０％のフッ化アンモニアを含む硝酸溶液に浸漬し、窒化ケイ素回路基板の表面に付着している不要なろう材を除去した。
【００３３】
次いで、この基板を窒素雰囲気連続炉で３０分かけて３３０℃に加熱し、１０分間保温してから、２０分かけて室温に冷却した。
【００３４】
次いで、窒素雰囲気中で加熱された基板を硫酸20％と硝酸10％の水溶液に浸漬し、銅表面の変色層を除去し、本発明の銅張り窒化ケイ素回路基板を作製した。この回路基板の１２５℃での絶縁抵抗を測定したところ、２０００ＭΩ以上有ることが分かった。
【００３５】
（実施例２）
【００３６】
実施例１の工程中窒素雰囲気炉での処理温度を３８０℃にした以外は実施例１と同一にした。この銅張窒化ケイ素回路基板の１２５℃の絶縁抵抗を測定したところ、１００００ＭΩ以上あることがわかった。
【００３７】
（実施例３）
【００３８】
実施例１と同じ工程を施した後、通常の無電解めっき法で銅板の上に厚み３μｍのニッケルめっき層を形成した。この銅張り窒化ケイ素回路基板の１２５℃の絶縁抵抗を測定したところ、１００００ＭΩ以上あることが分かった。
【００３９】
（比較例１）
【００４０】
実施例１の工程中、基板を窒素雰囲気中で加熱処理することを除いて実施例１と同一に処理した。この銅張り窒化ケイ素回路基板の１２５℃の絶縁抵抗を測定したところ、１００ＭΩ未満であることが分かった。
【００４１】
（比較例２）
【００４２】
実施例１の工程中基板を窒素雰囲気中で加熱温度が３２０℃であることを除いて実施例１と同一に処理した。この銅張り窒化ケイ素回路基板の１２５℃の絶縁抵抗を測定したところ１００ＭΩ未満であることがわかった。
【００４３】
（比較例３）
【００４４】
実施例１の工程中、基板を窒素雰囲気連続炉で加熱処理する代りに空気中において１２５℃で４時間加熱したことを除いて実施例１と同一に処理した。この銅張り窒化ケイ素回路基板の１２５℃の絶縁抵抗を測定したところ、１００ＭΩ未満であることが分かった。
【００４５】
（比較例４）
【００４６】
実施例１の工程中、上記加熱処理を水素20％、窒素80％の雰囲気中で行ったことを除いて実施例１と同一に処理した。この銅張り窒化ケイ素回路基板の１２５℃の絶縁抵抗を測定したところ、１ＭΩ未満であることが分かった。
【００４７】
表１は、上記実施例及び比較例におけるサンプル１〜５を比較した表である。
【００４８】
【表１】
0003824044.tif 000002
【００４９】
【発明の効果】
上記のように本発明によれば、窒素中での加熱処理によって１２５℃においても高絶縁抵抗を有する銅張り窒化ケイ素回路基板を作製でき、この回路基板を使って組み立てたパワーモジュールの作動時のロスを大幅に低下させる大きな効果が得られる。