JP2004172182A - 回路基板及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】金属回路の形状を著しく変更することなしに、使用電圧６〜９ｋＶであっても、絶縁性や部分放電特性に対して十分に高い耐久性を示す回路基板を提供する。
【解決手段】セラミックス基板と金属回路とが接合層を介して接合された回路基板であり、該接合層の金属回路からのはみ出し長さが２０〜６０μｍであり、パターントップにせり出し部がなく、パターントップのコーナー部のＲサイズが１０〜１００μｍで、金属回路の表面粗さ（Ｒｚ）が３μｍ以下であることを特徴とする回路基板。金属板とセラミックス基板の接合体から、金属の不要部分をエッチングで除去して金属回路を形成させた後、全てのエッチングレジストを除いてから更に金属回路表面を２０〜６０μｍエッチングすることを特徴とする上記回路基板の製造方法。
【選択図】 図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高耐電圧の回路基板及びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、パワーモジュール等に利用される回路基板は、セラミックス基板として、アルミナ、ベリリア、窒化ケイ素、窒化アルミニウム等の材質を、熱伝導率、コスト、安全性等から選択し、それにＣｕ、Ａｌ等の材質の金属回路や放熱板を厚付けして用いられてきた。この回路基板は、樹脂基板や樹脂層を絶縁材とする金属基板に対し、高い絶縁性が安定して得られる点が特長である。
【０００３】
近年のパワーモジュールの傾向は、従来のエレベーター，産業機械等の分野に加えて、より信頼性が求められる電気鉄道用途やハイブリッドカー等に使用されるようになっている。電気鉄道用途の場合、従来の使用電圧＝１〜３ｋＶに対して６〜９ｋＶというより高電圧が必要となるため、回路基板はこれに十分耐えるものでなければならない。
【０００４】
高電圧に対する耐久性は、セラミックス基板厚みを厚くする、金属回路形状を変更する、などによって向上させることができる。しかし、高電圧を印可することによって生じる部分放電電荷量の増加や、金属回路表面からの放電防止はできない。部分放電電荷量が増大すると、その部分で局所的な材料劣化が起こり最終的には絶縁破壊に至る恐れがある。この問題は、沿面距離を広く取ることによって解決できるが、回路基板サイズが大きくなるので推奨できる方法ではない。そこで、回路基板の金属回路とセラミクス基板の材質ないしは形状等の観点からの検討が行われているが、良好な解決策が見いだされていないのが現状である。
【０００５】
一方、回路基板の耐ヒートサイクル性を向上させるため、接合層のはみ出しを長くしたり（特許文献１）、金属回路のコーナー部の曲率半径を特定する（特許文献２）ことの提案がある。しかしながら、これらの特許文献には、部分放電電荷量の増加や金属回路表面からの放電対策については言及がない。
【０００６】
【特許文献１】
特開平１０−１９０１７６号公報
【特許文献２】
特開平１０−２１４９１５号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、上記に鑑み、回路基板サイズを大きくしたり、金属回路の形状を著しく変更することなしに、使用電圧６〜９ｋＶであっても、絶縁性や部分放電特性に対して十分に高い耐久性を有する回路基板を提供することである。本発明の目的は、金属板とセラミックス基板の接合体から、金属の不要部分をエッチング除去して金属回路を形成させた後、エッチングレジストを全て除去してから更に金属回路表面をエッチングし、回路基板を製造することによって達成することができる。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
すなわち、本発明は、本発明は、セラミックス基板と金属回路とが接合層を介して接合された回路基板であり、該接合層の金属回路からのはみ出し長さが２０〜６０μｍであり、パターントップにせり出し部がなく、パターントップのコーナー部のＲサイズが１０〜１００μｍで、金属回路の表面粗さ（Ｒｚ）が３μｍ以下であることを特徴とする回路基板である。
【０００９】
また、本発明は、金属板とセラミックス基板の接合体から、金属の不要部分をエッチングで除去して金属回路を形成させた後、全てのエッチングレジストを除いてから更に金属回路表面を２０〜６０μｍエッチングすることを特徴とする上記回路基板の製造方法である。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しながら、更に詳しく本発明について説明する。図１は、本発明の回路基板の形状を説明するための回路基板端部断面の図面代用走査型電子顕微鏡写真であり、図２は従来品のそれである。
【００１１】
本発明の回路基板は、セラミックス基板と金属回路とが接合層を介して接合された構造を基本としている。金属回路を形成させた反対面には金属放熱板を形成させた構造のものや、金属回路又は金属放熱板に更にＮｉめっきが施されているものをも本発明が対象としている。このような回路基板には、その形状、材質等において多くの市販品と先行技術文献があるが、本発明においては特に限定はなく、いずれも使用可能である。まず、これについて概説する。
【００１２】
セラミックス基板の材質は、高信頼性及び高絶縁性の点から、窒化アルミニウム又は窒化ケイ素が好ましい。セラミックス基板の厚みは目的によって自由に変えられる。通常は０．６３５ｍｍであるが、０．５〜０．３ｍｍ程度の薄物でもよい。高電圧下での絶縁耐圧を著しく高めたいときには、１〜３ｍｍの厚物が用いられる。
【００１３】
金属回路又は金属放熱板の材質としては、Ａｌ、Ｃｕ又はＡｌ−Ｃｕ合金であることが好ましい。これらは、単体ないしはこれを一層として含むクラッド等の積層体の形態で用いられる。Ａｌは、Ｃｕよりも降伏応力が小さく、塑性変形に富み、ヒートサイクルなどの熱応力負荷時において、セラミックス基板にかかる熱応力を大幅に低減できるので、Ｃｕよりもセラミックス基板に発生するクラックを抑制することができ、より高信頼性回路基板が得られる。
【００１４】
金属回路の厚みは、電気的、熱的特性の面からＡｌ回路の場合は０．４〜０．５ｍｍ、Ｃｕ回路の場合は０．３〜０．５ｍｍであることが好ましい。金属放熱板を形成させる場合、その厚みは半田付け時の反りを生じさせないように決定される。具体的には、Ａｌ放熱板の場合は０．１〜０．４ｍｍ、Ｃｕ放熱板の場合は０．１５〜０．４ｍｍであることが好ましい。
【００１５】
セラミックス基板に金属回路又は金属放熱板を形成させるには、金属板とセラミックス基板とを接合した後、エッチングする方法、金属板から打ち抜かれた回路及び放熱板のパターンをセラミックス基板に接合する方法等によって行うことができる。これらの接合には、活性金属ろう付け法が用いられる。
【００１６】
Ｎｉめっきが施される前の金属回路又は金属放熱板の表面は、研削、物理研磨、化学研磨等によって平滑化されていることが好ましく、表面粗さがＲａ≦０．２μｍであることが好ましい。Ｎｉめっきは無電解法によることが好ましく、これによってファインパターンに対応可能となる。Ｎｉめっき膜厚は２〜８μｍであることが好ましい。
【００１７】
接合層は、セラミックス基板に金属回路又は金属放熱板を活性金属ろう付け法によって接合したときに形成される。ろう材の金属成分は銀及び／又は銅を主成分とし、溶融時のセラミックス基板との濡れ性を確保するためにチタンを副成分とする。このチタンは、セラミックス基板の窒素成分と反応して窒化物（ＴｉＮ）となり接合体の結合を強固なものとする。チタンの活性金属は、ジルコニウム、ハフニウム、ニオブ、タンタル、バナジウム等のチタン以外の活性金属と併用することもできる。これらのチタン以外の活性金属はろう材の融点を降下させる。
【００１８】
ろう材の金属成分の割合の一例を示せば、銀８０〜１００部（質量部、以下同じ）、銅２０〜０部の合計１００部に対し、チタン２〜４部、チタン以外の活性金属０〜６部、特に銀８５〜９０部、銅１５〜１０部の合計１００部に対し、チタン２〜４部、チタン以外の活性金属２〜５部であることが好ましい。
【００１９】
ろう材はペースト又は箔として用いられる。ペーストは、上記ろう材の金属成分に有機溶剤及び必要に応じて有機結合剤を加え、ロール、ニーダ、万能混合機、らいかい機等で混合することによって調製することができる。有機溶剤としては、メチルセルソルブ、テルピネオール、イソホロン、トルエン等、また有機結合剤としては、エチルセルロース、メチルセルロース、ポリメタクリレート等が使用される。
【００２０】
本発明の回路基板は、上記基本構造にして、接合層のはみ出し長さと、金属回路のパターントップのコーナー部の形状を適正化したことに特徴がある。
【００２１】
まず、本発明における接合層のはみ出し長さとは、金属回路の端部よりはみ出した接合層の長さを意味する（図１のａで示される長さ）。本発明においては、はみ出し長さが２０〜６０μｍ、好ましくは３０〜５０μｍであることが必要である。６０μｍより大きくなると、使用電圧６〜９ｋＶにおいて、部分放電電荷量が１０ｐＣ以上となり部分放電特性の改善が十分でなくなる。また、はみ出し長さが２０μｍ未満であると、熱衝撃によりセラミックス基板にクラックが入り絶縁不良を起こす恐れがある。なお、接合層の厚みは、７μｍ以下であることが好ましい。接合層のはみ出し長さと厚みは、接合層のエッチング条件、ろう材の塗布条件によって調整することができる。接合層の成分は、上記ろう材の金属成分、金属成分の合金、金属成分の窒化物などで構成されている。
【００２２】
金属回路のパターントップのコーナー部（図１のＣで示される部分）の形状は、そのＲサイズが１０〜１００μｍ、好ましくは４０〜８０μｍであることが必要である。Ｒが大きいほど放電が起こりにくくなるが、１００μｍをこえると金属回路に実装部品を半田付けする際に、部品が傾くなどの支障を来す。また、Ｒサイズが１０μｍ未満では、高電圧を印加すると放電する。コーナー部の形状は、パターンエッチング後に更にパターン表面をエッチングすることによって調整することができる。
【００２３】
本発明においては、接合層のはみ出し長さと、パターントップのコーナー部の形状を特定することによって、使用電圧６〜９ｋＶにおいても部分放電電荷量が１０ｐＣ未満となる。この理由は定かでないが、回路形状自体に鋭い部分がないので電界集中が発生しにくくなったので、部品の実装後に封入する放電防止用のゲルの密着性が向上したためであると考えている。なお、本発明において、ゲル中への放電は、回路基板に半導体チップを半田付けし、ケースに組み込み、放電防止ゲルにて樹脂封止した後、通電を行い、目視で観察した。
【００２４】
さらには、本発明の回路基板には、パターントップにせり出しがないことが必要である。ここで、「せり出し」とは、金属回路の上面が、断面より観察して外側にせり出ている（図２のｂで示される部分）ことを意味する。せり出しをなくすには、回路パターンを形成した後、エッチングレジストを全て剥離し再度エッチングすることによって行うことができる。
【００２５】
この再度エッチングによる利点は、金属回路の表面が一段と滑らかになることであり、その表面粗さＲｚが３μｍ以下となることである。これによって、金属回路にワイヤーボンディングする際、密着力を一段と向上させることができる。
【００２６】
なお、本発明における回路基板の断面形状は、走査型電子顕微鏡によって観察される。試料の作製に際しては、必要に応じて樹脂包埋や研磨が施こされる。
【００２７】
つぎに、本発明の回路基板の製造方法について説明する。この発明においては、金属板とセラミックス基板の接合体から、金属回路をエッチングによって形成させた後、全てのエッチングレジストを除去し、さらに金属回路の表面を２０〜６０μｍ、好ましくは３０〜５０μｍエッチング除去される。Ｎｉめっきを施す場合にはこの後に行われる。
【００２８】
本発明において、全てのエッチングレジストを除去するまでの工程は、従来と同様にして行われる。すなわち、金属板とセラミクス基板の接合体を製造する工程、エッチングレジストを印刷する工程、エッチングを行い金属回路を形成する工程、エッチングレジストを除去する工程を経る。
【００２９】
接合体を製造するためのろう材ペーストとしては、上記したものを用い、その塗布量を乾燥基準で５〜２０ｍｇ／ｃｍ^２ とする。塗布量が５ｍｇ／ｃｍ^２ 未満では未反応の部分が生じ、また２０ｍｇ／ｃｍ^２ をこえると接合層を除去するのに手間取る。塗布には、スクリーン印刷法、ロールコーター法等が採用される。
金属放熱板を形成させる場合には、裏面にも塗布する。
【００３０】
その後、ろう材ペーストの塗布されたセラミックス基板に金属板を配置し、真空中、熱処理してから冷却する。熱処理の温度は８３０〜８６０℃、時間は３０〜６０分間、真空度は１×１０^−６〜５×１０^−５ｔｏｒｒであることが好ましい。熱処理条件が上記よりも緩やかであると未反応の部分が生じ、また過激であると反応層の均一性を保つことができなくなる。また、真空度が１×１０^−６ｔｏｒｒよりも高いと反応が活発となりすぎて接合層の均一性を保つことが困難となる。真空度が５×１０^−５ｔｏｒｒよりも低いとＴｉ等の活性金属の活性が失われ反応不足となる。
【００３１】
接合体から金属回路を形成するには、接合体の金属板にエッチングレジストを塗布しエッチングする。エッチングレジストとしては、紫外線硬化型や熱硬化型が用いられる。また、エッチング液としては、金属が銅であるときには、塩化第２鉄溶液、塩化第２銅液、硫酸、過酸化水素水等の溶液が使用される。好ましくは、塩化第２鉄溶液、塩化第２銅溶液である。
【００３２】
エッチングによって不要な金属部分が除去された回路基板の金属回路間には、もともと塗布したろう材やその合金層・窒化物層、更には金属回路パターン外には、必要長さ以上にはみ出した不要ろう材がまだ残っている。そこで、まず第１処理としてＮＨ_４ Ｆ等のハロゲン化アンモニウム水溶液、第２処理として硫酸、硝酸等の無機酸と過酸化水素水を含む溶液を用いてそれらを除去する。無機酸の濃度は２〜４質量％、過酸化水素の濃度は０．５〜１質量％が望ましい。
【００３３】
その後に、全てのエッチングレジストをアルカリ溶液によって除去する。
【００３４】
本発明で重要なことは、この後に金属回路を再度エッチングし、更に２０〜６０μｍ除去することである。エッチング量が１０μｍ程度でも金属回路コーナー部のＲサイズが１０μｍ以上となるが、パターントップのせり出しがあるので、少なくとも２０μｍの除去が必要となる。エッチング量を６０μｍよりも大きくすると、金属回路コーナー部のＲサイズが６０μｍよりも大きくなる。
【００３５】
【実施例】
以下、実施例と比較例をあげて更に具体的に本発明を説明する。
【００３６】
実施例１
市販窒化アルミニウム基板（寸法６０ｍｍ×５０ｍｍ×１ｍｍ、熱伝導率 １５０Ｗ／ｍ・Ｋ、曲げ強さ３６０ＭＰａ）にろう材ペースト（Ａｇ９０、Ｃｕ１０、Ｔｉ３）を表裏面に塗布した後に銅板を配置し、８５０℃×１時間加熱して接合した後、所定のエッチングレジストパターンを印刷してから、塩化銅水溶液、次いで過酸化水素と酸性フッ化アンモニウムの混合液を用いてエッチングを行い、金属（銅）回路と金属（銅）放熱板を形成した。
【００３７】
ついで、エッチングレジストをアルカリ剥離液で剥離した後、再度、塩化銅水溶液にてエッチングを行い、表１に示す量だけ除去した後、Ｎｉめっきを施して回路基板を製造した。なお、再度エッチング量は、前後の厚みをマイクロメータで測定し、１０枚の平均値を算出した。
【００３８】
得られた回路基板について、（１）金属回路の表面粗さ、（２）金属回路の断面形状、（３）部分放電電荷量、（４）パターントップのコーナー部（Ｃ部）における放電の有無、（５）ワイヤーボンディング性を以下に従って測定した。それらの結果を表１に示す。
【００３９】
（１）金属回路の表面粗さ：市販表面粗さ計（ミツトヨ社製商品名「サーフテスト３０１」）にて測定した。
（２）金属回路の断面形状：回路基板を樹脂包埋してから観察部位を切断・研磨し、走査型電子顕微鏡写真を撮影し、金属回路からのはみ出し長さ（ａ部）、パターントップのせり出し長さ（ｂ部）、パターントップのコーナー部（ｃ部）のＲサイズについて、いずれも最小値を測定した。図１に、実施例３の写真、図２に比較例１の写真を示す。
（３）部分放電電荷量：絶縁油（住友３Ｍ社製商品名「フロリナートＦＣ−７７」）に回路基板を浸漬し、９ｋＶの電圧を印可したときの部分放電電荷量の最大値を測定した。
（４）ｃ部における放電の有無：回路基板に半導体チップを半田付けし、ースに組み込み、実装面上をシリコーンゲルにて封止した。この回路基板に、電圧６．５ｋＶを１時間印可したときのパターントップのコーナー部（ｃ部）からの放電の有無を目視により観察した。放電するとゲルが黒く焦げるため目視で確認できる。
（５）ワイヤーボンディング性：アルミニウムワイヤー（直径２５０μｍ）を金属回路上にワイヤーボンディングを２０本行った際の界面剥離した本数を測定した。
【００４０】
【表１】

【００４１】
表１から明らかなように、本発明の実施例によれば、使用電圧６〜９ｋＶであっても、部分放電放電電荷量が１０ｐＣ以下で、しかもコーナー部（ｃ部）における放電のない電気的特性に優れた回路基板が製造された。
【００４２】
【発明の効果】
本発明によれば、金属回路の形状を著しく変更することなしに、使用電圧６〜９ｋＶであっても、絶縁性や部分放電特性に対して十分に高い耐久性を示す回路基板が提供される。また、本発明の回路基板の製造方法によれば、上記特性を有する回路基板を容易に製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例３で得られた本発明の回路基板基板端部断面の図面代用走査型電子顕微鏡写真。
【図２】比較例１で得られた回路基板基板端部断面の図面代用走査型電子顕微鏡写真。

Claims (2)

1. セラミックス基板と金属回路とが接合層を介して接合された回路基板であり、該接合層の金属回路からのはみ出し長さが２０〜６０μｍであり、パターントップにせり出し部がなく、パターントップのコーナー部のＲサイズが１０〜１００μｍで、金属回路の表面粗さ（Ｒｚ）が３μｍ以下であることを特徴とする回路基板。
2. 金属板とセラミックス基板の接合体から、金属の不要部分をエッチングで除去して金属回路を形成させた後、全てのエッチングレジストを除いてから更に金属回路表面を２０〜６０μｍエッチングすることを特徴とする請求項１記載の回路基板の製造方法。

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