JP3795038B2 - 回路基板及びその製造方法 - Google Patents

Description

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。

パワーモジュール等に利用される半導体装置用回路基板として、熱伝導率やコスト、安全性等の点から、アルミナ、ベリリア、窒化ケイ素、窒化アルミニウム等のセラミックス基板が利用されている。これらのセラミックス基板に、ＣｕやＡｌ等の金属回路や放熱板を接合し回路基板として用いられている。これらは、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。これらのセラミックスのうちで、窒化アルミニウムは、高熱伝導率、高絶縁性、無害性等の点で特に好適な材料である。

近年のパワーモジュールの傾向は、従来のエレベーター，ＵＰＳ，産業機械等の分野に加えて、より信頼性を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おり、特に、電気鉄道用途の場合、従来の使用電圧（１〜３ｋＶ）に対して、６〜９ｋＶというように、より高電圧化が進んできている。これに従い、本用途に使用されるセラミックス回路基板に対してもこれに十分耐えるものが要求されている。

高電圧に対するセラミックス回路基板の絶縁性については、セラミックス基板の厚みを厚くすることや、金属回路形状を変更することによって対応可能であるが、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部分からの放電については、有効な対策が見出されていない。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ので、その解決が急務となっている。沿面距離を広く取れば解決できるが、回路基板サイズが大きくなるという課題がある。そこで、セラミックス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が鋭意検討されているが、十分な解決策が見い出されていないのが現状である。

一方、パワーモジュール用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比較的長くしたり（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ことの提案がある（特許文献２）。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回路パターントップのエッジ部（ｃ部）からの放電対策について言及されていない。
特開平１０−１９０１７６号公報 特開平１０−２１４９１５号公報

本発明の目的は、上記課題に鑑み、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、使用電圧が例えば６〜９ｋＶのような高電圧であっても、絶縁性や部分放電特性に関して十分に高い耐久性を示すセラミックス回路基板を提供することである。

すなわち、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てなり、金属回路端部よりセラミックス基板表面の全面または一部がコーティング材で覆われていることを特徴とするセラミック回路基板であり、コーティング材の比誘電率が、セラミックス基板の比誘電率以下で、且つ、セラミックス基板用封止材料の比誘電率以上であり、コーティング材の比誘電率が、3.0〜10.0であることを特徴とするセラミックス回路基板である。さらに、該接合層の金属回路からのはみ出し長さ（ａ部）が２０〜１００μｍであり、回路パターントップにせり出し（ｂ部）がなく、回路パターントップのエッジ部（ｃ部）のＲサイズが１０〜１００μｍであることを特徴とするセラミックス回路基板である。

また、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エッチングし、コーティング材を塗布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である。

本発明によれば、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、使用電圧が６〜９ｋＶのような高電圧であっても、絶縁性や部分放電特性に対して十分に高い耐久性、信頼性を示すセラミックス回路基板が得られる。また、本発明のセラミックス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。

本発明のセラミックス回路基板は、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面の反対面に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Ｎｉめっきが施されているもの等も本発明の対象である。

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。

金属回路の材質としては、Ａｌ、Ｃｕ又はＡｌ−Ｃｕ合金が好ましい。これらは、単体ないしは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、塑性変形が大きいため、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可能となり、高信頼性セラミックス回路基板となる。

金属放熱板の材質は、金属回路と同一のものであることが一般的である。

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。一方、金属放熱板を設ける場合その厚みは、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回路の場合は０．１〜０．４ｍｍ、Ｃｕ回路は０．１５〜０．４ｍｍであることが好ましい。

セラミックス基板に金属回路を形成させるには、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。

接合層は、セラミックス基板に金属回路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。接合層の厚みは、厚すぎるとろう材成分が銅に拡散し銅を硬化させ信頼性に悪影響を与えるため、７μｍ以下であることが好ましい。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。チタン以外の活性金属として、ジルコニウム、ハフニウム、ニオブ、タンタル、バナジウム等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。

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。

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、ニーダー、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一般的に使用される。

本発明では、セラミックス回路基板の金属回路端部よりセラミックス基板の表面の全面または一部がコーティング材で覆われている。なお、このコーティング材の比誘電率は、セラミックス基板の比誘電率以下で、且つ、セラミックス基板の封止材料、例えば、シリコンゲル、エポキシ樹脂、絶縁オイル、絶縁ガス等の比誘電率以上であることが好ましい。具体的には比誘電率が一般的な封止材料の比誘電率３．０以上で、窒化アルミニウムの比誘電率１０以下であることが電界強度を緩和し放電開始電圧を低減出来るため好ましい。

コーティング材料は、特に限定されるものではなく、例えば、ポリイミド樹脂、エポキシ樹脂、シリコン樹脂、または、これらの樹脂にアルミナやシリカ、窒化アルミニウムといったフィラーが混合されているものや、アルミナゾルなどの無機物が使用可能であるが、中でもフィラー含有ポリイミド樹脂の使用が作業性、耐熱性の点で好ましい。

コーティング材の厚みは特に限定されないが、５μｍ〜３００μｍが好ましく、２０μｍ〜１５０μｍがより好ましい。５μｍ未満であるとコーティング被膜が薄すぎ回路端部の電界集中を緩和できないし、一方、３００μｍを超えると、セラミックス基板との熱膨張率の差異により熱衝撃等で剥離が発生する場合がある。

本発明のセラミックス回路基板は、接合層のはみ出し長さが２０〜１００μｍであることが好ましく、３０〜５０μｍがより好ましい。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場合がある。一方、１００μｍより大きくなると、使用電圧が６〜９ｋＶのような高電圧において、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。ここではみ出し長さとは、金属部材の端部よりはみ出した接合層の長さを意味する。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、塗布条件によって調整することができる。接合層は、上記ろう材の金属成分、その合金、その窒化物などで構成されている。

金属回路のエッジ部の形状は、回路パターントップのエッジ部（ｃ部）のＲサイズが１０〜１００μｍであることが好ましく、４０〜８０μｍであることがより好ましい。Ｒサイズが１０μｍ未満では、高電圧を印加した際パターンより放電する場合があり、一方、１００μｍを超えると、基板上にはんだ等で実装部品を搭載する際、部品が傾いたり、実装できなくなる場合がある。また、エッジ部の形状は、パターンエッチング後にパターン表面をエッチングすることで調整可能である。

本発明においては、回路端部にコーティング材を塗布すること、接合層のはみ出し長さと、エッジ部の形状を特定することによって、使用電圧が例えば６〜９ｋＶにおいても、部分放電電荷量を１０ｐＣ未満とすることが可能である。この理由は明確でないが、恐らく、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、さらに、滑らかな形状であるため部品実装後に封入される放電防止用ゲルとの密着性が向上したことと関係があるものと推定している。

本発明における金属回路の形状は、セラミックス回路基板を切断した断面を顕微鏡で観察して確認できる。断面形状観察用サンプル作成の際は、必要に応じて樹脂包埋や研磨を施す場合がある。また、観察には、光学顕微鏡または走査型電子顕微鏡が使用可能である。

さらに、本発明のセラミックス回路基板においては、回路パターントップにせり出し（ｂ部）がないことが好ましい。ここで、せり出しとは、回路基板の回路パターン部を断面より見た際の金属表面のパターントップ部がせり出している箇所を意味する（図２の従来品を参照）。せり出し部があると、放電の開始電圧が低くなり好ましくない。せり出しをなくすには、回路パターンを形成後、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。

本発明においては、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エッチング除去することが、放電の開始電圧が高くなり好ましい。エッチング条件は特に限定されないが、塩化銅や塩化鉄水溶液といったハロゲン系エッチング液、フッ化水素アンモニウム等のハロゲン化アンモニウム、ハロゲン化水素、無機酸、過酸化水素等が使用可能であり、処理温度３０〜４０℃、処理時間５〜１０分程度の比較的穏やかな条件で処理することが好ましい。Ｎｉめっきを施す場合は、この後に行われる。その後、金属回路端部よりセラミックス基板表面の全面または一部にコーティング材を塗布する。金属端部のはみ出し部はコーティング材で完全に被覆されることが必要であり、コーティング材による金属端部の被覆長さは１００μｍ以上であることが好ましい。

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、即ち、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は、従来一般的に用いられている方法が使用でき、特別な手段は特に必要でない。

接合体を製造するためのろう材ペーストとしては、前記のものを用い、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 を超えると接合層を除去する時間が長くなる。塗布方法は特に限定されないが、例えばスクリーン印刷法、ロールコーター法等を採用することができる。

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。熱処理温度が８３０℃未満及び／又は熱処理時間が３０分未満では、未反応の部分を生じる場合があり、一方、熱処理温度が８６０℃を超える場合及び／又は熱処理時間が６０分を超える場合は、反応層の均一性を保つことができなくなる恐れがある。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場合があり、一方、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場合がある。

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のものが挙げられる。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できるが、好ましいものとして、塩化第２鉄溶液、塩化第２銅溶液が挙げられる。

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ことが好ましい。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。

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。

この後、金属回路を再度エッチングするが、エンチング量は２０〜６０μｍが好ましく、３０〜５０μｍがより好ましい。エッチング量が１０μｍ程度でも金属回路エッジ部のＲサイズは１０μｍ以上となるが、回路パターントップのせり出しがあるので、少なくとも２０μｍのエッチング除去が必要となる。一方、エッチング量が６０μｍよりも大きいと、金属回路エッジ部のＲサイズが１００μｍよりも大きくなる。

その後、必要に応じニッケル等のめっき処理を回路に施すことも可能である。コーティング材を塗布する工程はこの後に行う。コーティング方法は特に限定されないが、例えばスクリーン印刷法、スプレー法、ディッピング法等が挙げられる。

窒化アルミニウム基板にろう材ペースト（Ag９０部、Cu１０部、Ti３部、Zr２部を両主面に１０mg／cm²塗布した後に銅板をその上に配置し、８５０℃で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、銅回路を形成した。

エッチングレジストをアルカリ剥離液（炭酸水素ナトリウム１０％水溶液）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、セラミックス回路基板を製造した。なお、再エッチング量は、前後の厚みをマイクロメータで測定し、１０枚の平均値を求めた。この後、スクリーン印刷法でコーティング材を回路端部とセラミックス基板の回路面全面に塗布した。なお、コーティング材による金属端部の被覆長さは１５０μｍであった。

得られたセラミックス回路基板について、（１）金属回路の断面形状、（２）部分放電開始電圧、（３）Ｃ部における放電の有無を測定した。結果を表１に示す。

〈使用材料〉
窒化アルミニウム基板：電気化学工業社製。寸法 ６０ｍｍ×５０ｍｍ×１ｍｍ、熱伝導率 １５０Ｗ／ｍ・Ｋ、曲げ強さ３６０ＭＰａ。
ろう材ペースト：Ag９０部、Cu１０部、Ti３部、Zr２部
エッチングレジスト：互応化学工業製。商品名：ＰＥＲ−２７Ｂ。
ポリイミド樹脂：宇部興産製。商品名：ユピコート。比誘電率３．２。
フィラー含有ポリイミド樹脂：（実施例２）ポリイミド樹脂３０質量部にアルミナ（昭和電工製、商品名：ＡＬ１７０）を７０質量部混合したもの。比誘電率６．２。（実施例３）ポリイミド樹脂１７質量部にアルミナ（昭和電工製、商品名：ＡＬ１７０）を８３質量部混合したもの。比誘電率７．９。
アルミナゾル：日産化学製、商品名：アルミナゾル５２０。
エポキシ樹脂：油化シェル製。エピコート８２８。比誘電率３．６。
フィラー含有エポキシ樹脂：エポキシ樹脂２０質量部にアルミナ（昭和電工製、商品名：ＡＬ１７０）を８０質量部混合したもの。比誘電率８．１（実施例９）

〈測定方法〉
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し、その面を研磨してから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）、回路パターントップのせり出し長さ（ｂ部）、回路パターントップのエッジ部（ｃ部）のＲサイズについて、いずれも平均値を示した。図１に、その模式図を示す。
部分放電開始電圧：絶縁油（住友３Ｍ社製「フロリナートＦＣ−７７」）にセラミックス回路基板を浸漬し、電圧を印可したときの部分放電電荷量が１０ｐＣを超えたときの電圧値を測定した。
ｃ部における放電の有無：放電したセラミックス回路基板を目視により観察した。放電すると放電箇所が黒く焦げるため放電箇所がどこかを確認した。

表１から明らかなように、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ｃ部における放電のないことが判る。

セラミックス回路基板端部の模式図（本発明） セラミックス回路基板端部の模式図（従来品）

Claims (5)

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てなるセラミックス回路基板において、接合層の金属回路からのはみ出し長さが２０〜１００μｍであり、回路パターントップにせり出しがなく、回路パターントップのエッジ部のＲサイズが１０〜１００μｍであり、さらに、金属回路端部よりセラミックス基板表面の全面または一部がコーティング材で覆われていることを特徴とするセラミックス回路基板。
2. コーティング材の比誘電率が、セラミックス基板の比誘電率以下で、且つ、セラミックス基板用封止材料の比誘電率以上であ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。
3. コーティング材の比誘電率が、3.0〜10.0であることを特徴とする請求項１又は２記載のセラミックス回路基板。
4. コーティング材がポリイミド樹脂またはフィラー含有ポリイミド樹脂であることを特徴とする請求項１〜３のうちいずれか一項記載のセラミックス回路基板。
5. 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エッチングし、コーティング材を塗布することを特徴とする請求項１〜４のうちいずれか一項記載のセラミックス回路基板の製造方法。
   
   
   

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