(57)【要約】【課題】配線基板の信頼性を向上させる。【解決手段】セラミック配線基板は、ヤング率が１８０ＧＰａ以下の軟質材料で基板本体上に形成されたＣｕメッキ層５３と、Ｎｉを主成分とする材料でＣｕメッキ層５３上に形成された表面メッキ層５４とを備える。そしてセラミック配線基板では、表面メッキ層５４は、Ｃｕメッキ層５３上に形成された第１メッキ層６１と、第１メッキ層６１上に形成された第２メッキ層６２とを備える。第１メッキ層６１は、結晶質であり、且つ、平均結晶粒径が０．１μｍ以上の結晶粒子で構成される。第２メッキ層６２は、非晶質であるか、あるいは第１メッキ層６１より平均結晶粒径が小さい結晶粒子で構成される。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ヤング率が１８０ＧＰａ以下の軟質材料でセラミック基板上に形成された配線層と、Ｎｉを主成分とする材料で前記配線層上に形成されたＮｉメッキ層とを備える配線基板であって、
前記Ｎｉメッキ層は、前記配線層上に形成された第１メッキ層と、前記第１メッキ層上に形成された第２メッキ層とを備え、
前記第１メッキ層は、結晶質であり、且つ、平均結晶粒径が０．１μｍ以上の結晶粒子で構成され、
前記第２メッキ層は、非晶質であるか、あるいは前記第１メッキ層より平均結晶粒径が小さい結晶粒子で構成される、
ことを特徴とする配線基板。
【請求項２】
ヤング率が１８０ＧＰａ以下の軟質材料でセラミック基板上に形成された配線層を備える配線基板の製造方法であって、
電解法により、Ｎｉを主成分とする材料で、前記配線層上に、結晶質であり且つ平均結晶粒径が０．１μｍ以上の結晶粒子で構成される第１メッキ層を形成する第１メッキ工程と、
無電解法により、Ｎｉを主成分とする材料で、前記第１メッキ層上に、非晶質であるか、前記第１メッキ層より平均結晶粒径が小さい結晶粒子で構成される第２メッキ層を形成する第２メッキ工程と
を備える配線基板の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、セラミック基板上に形成された配線層を備える配線基板およびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１には、銅（Ｃｕ）等の材料でセラミック基板上に形成された配線層と、配線層上に形成されたＮｉメッキ層とを備える配線基板が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平１０−１９０１７６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ＳｉＣ半導体およびＧａＮ半導体は、現在主流のＳｉ半導体に比べて、低抵抗であり且つ高温動作が可能である。このため、ＳｉＣ半導体またはＧａＮ半導体を用いたインバータモジュールは、Ｓｉ半導体を用いたインバータモジュールに比べて、より高温での動作が期待されている。インバータモジュールにおいてより高温での動作を可能とするためには、インバータモジュールを構成するセラミック配線基板においても、より高温での動作を可能とする必要がある。
【０００５】
このため、セラミック配線基板における高温動作での信頼性として、従来と比較して温度領域が広い（例えば、−４０℃〜＋２５０℃）温度サイクル試験において１０００サイクル以上を満たす必要がある。なお、従来の温度サイクル試験における温度領域は、例えば−４０℃〜＋１２５℃である。
【０００６】
しかし、従来と比較して温度領域が広い上記の温度サイクル試験を行うと、配線層を被覆するＮｉメッキ層にクラックが発生することがあった。なお、従来の温度サイクル試験では、Ｎｉメッキ層にクラックが発生しない。
【０００７】
Ｎｉメッキ層にクラックが発生すると、このクラックを起点として配線層にもクラックが延びて、配線層の電気抵抗が増大したり配線層が剥離したりするため、セラミック配線基板の信頼性が低下する。
【０００８】
本開示は、配線基板の信頼性を向上させることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本開示の一態様は、ヤング率が１８０ＧＰａ以下の軟質材料でセラミック基板上に形成された配線層と、Ｎｉを主成分とする材料で配線層上に形成されたＮｉメッキ層とを備える配線基板である。
【００１０】
そして、本開示の配線基板では、Ｎｉメッキ層は、配線層上に形成された第１メッキ層と、第１メッキ層上に形成された第２メッキ層とを備える。第１メッキ層は、結晶質であり、且つ、平均結晶粒径が０．１μｍ以上の結晶粒子で構成される。第２メッキ層は、非晶質であるか、あるいは第１メッキ層より平均結晶粒径が小さい結晶粒子で構成される。
【００１１】
このように構成された本開示の配線基板は、温度領域が−４０℃〜＋２５０℃に設定された温度サイクル試験において１０００サイクル経過後であってもＮｉメッキ層にクラックが発生しないため、信頼性を向上させることができる。
【００１２】
本開示の別の態様は、ヤング率が１８０ＧＰａ以下の軟質材料でセラミック基板上に形成された配線層を備える配線基板の製造方法である。
そして、本開示の配線基板の製造方法は、第１メッキ工程と、第２メッキ工程とを備える。
【００１３】
第１メッキ工程では、電解法により、Ｎｉを主成分とする材料で、配線層上に、結晶質であり且つ平均結晶粒径が０．１μｍ以上の結晶粒子で構成される第１メッキ層を形成する。第２メッキ工程では、無電解法により、Ｎｉを主成分とする材料で、第１メッキ層上に、非晶質であるか、あるいは第１メッキ層より平均結晶粒径が小さい結晶粒子で構成される第２メッキ層を形成する。
【００１４】
このように構成された本開示の配線基板の製造方法は、本開示の配線基板、すなわち、温度領域が−４０℃〜＋２５０℃に設定された温度サイクル試験において１０００サイクル経過後であってもＮｉメッキ層にクラックが発生しない配線基板を製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】インバータ１の構成を示す断面図である。
【図２】表層電極２２，２３，２４の一部分を示す断面図である。
【図３】Ｃｕメッキ層５３および表面メッキ層５４の断面図である。
【図４】セラミック配線基板２の製造方法を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下に本開示の実施形態を図面とともに説明する。
本実施形態のインバータ１は、自動車などで用いられる電力変換機器であり、図１に示すように、セラミック配線基板２と、電力用半導体素子３と、放熱基板４と、金属ブロック５と、電極端子６，７とを備える。
【００１７】
セラミック配線基板２は、基板本体２１と、表層電極２２，２３，２４と、ビア２５，２６とを備える。
基板本体２１は、例えばアルミナなどのセラミックを材料として板状に形成された基板であり、表面２１ａおよび裏面２１ｂを有する。
【００１８】
表層電極２２は、裏面２１ｂに形成される金属層であり、電力用半導体素子３と電気的に接続させるための電極である。表層電極２３は、裏面２１ｂに形成される金属層であり、金属ブロック５と電気的に接続させるための電極である。表層電極２４は、表面２１ａに形成される金属層であり、表層電極２２，２３と電気的に接続させるための電極である。
【００１９】
ビア２５は、基板本体２１を貫通して形成される導体であり、表層電極２２と表層電極２４とを電気的に接続する。ビア２６は、基板本体２１を貫通して形成される導体であり、表層電極２３と表層電極２４とを電気的に接続する。これにより、表層電極２２，２３，２４とビア２５，２６とを介して、電力用半導体素子３と、金属ブロック５とが電気的に接続される。
【００２０】
本実施形態の電力用半導体素子３は、例えばパワーＭＯＳＦＥＴである。そして電力用半導体素子３の図示しないソース端子は、バンプ８を介して表層電極２２に接合される。また、電力用半導体素子３の図示しないドレイン端子は、接合層９を介して後述する電極４２に接合される。電力用半導体素子３は、ドレイン端子とソース端子との間で電流が流れる電流経路を形成するオン状態と、この通電経路を遮断するオフ状態との何れかの状態に切り替わるスイッチング動作を行う。
【００２１】
放熱基板４は、絶縁基板４１と電極４２，４３とを備える。絶縁基板４１は、アルミナなどのセラミックを材料として板状に形成された基板であり、表面４１ａおよび裏面４１ｂを有する。電極４２は、電力用半導体素子３と電極端子６とを電気的に接続させるために表面４１ａに形成された金属部材である。なお、電力用半導体素子３は電極４２と表層電極２２との間に配置されている。そして電極４２は、接合層９を介して電力用半導体素子３に接合される。電極４３は、金属ブロック５と電極端子７とを電気的に接続させるために表面４１ａに形成された金属部材である。
【００２２】
金属ブロック５は、表層電極２３と電極４３とを電気的に接続させるために表層電極２３と電極４３との間に設置される金属部材である。金属ブロック５は、接合層１０を介して表層電極２３に接合され、接合層１１を介して電極４３に接合される。
【００２３】
電極端子６は、接合層１２を介して電極４２に接合される。電極端子７は、接合層１３を介して電極４３に接合される。
これにより、電流が電極端子６から電極４２、電力用半導体素子３、表層電極２２、ビア２５、表層電極２４、ビア２６、表層電極２３、金属ブロック５および電極４３を順次流れて電極端子７に至る電流経路が形成される。
【００２４】
セラミック配線基板２の表層電極２２，２３，２４は、図２に示すように、基板本体２１上にメタライズ層５１、Ｎｉメッキ層５２、Ｃｕメッキ層５３および表面メッキ層５４が順次積層されて形成されている。
【００２５】
メタライズ層５１は、タングステン（Ｗ）およびモリブデン（Ｍｏ）の少なくとも一方を含む導電性の層である。Ｎｉメッキ層５２は、メタライズ層５１の表面全体を覆うように形成される。本実施形態では、Ｎｉメッキ層５２の厚さは、２〜６μｍである。
【００２６】
Ｃｕメッキ層５３は、Ｎｉメッキ層５２の表面の一部を覆うように形成される。本実施形態では、Ｃｕメッキ層５３の厚さは、６０〜１００μｍである。
表面メッキ層５４は、Ｃｕメッキ層５３の表面全体と、Ｃｕメッキ層５３より外周側のＮｉメッキ層５２の露出部分とを覆うように形成される。
【００２７】
表面メッキ層５４は、図３に示すように、第１メッキ層６１および第２メッキ層６２が順次積層されて形成されている。本実施形態では、第１メッキ層６１は電解Ｎｉメッキ層であり、第２メッキ層６２は無電解Ｎｉ−Ｐメッキ層である。また、第１メッキ層６１の厚さは２〜５μｍであり、第２メッキ層６２の厚さは１〜４μｍである。
【００２８】
第１メッキ層６１は、結晶質であり、且つ、平均結晶粒径が０．１μｍ以上の結晶粒子で構成される。第２メッキ層６２は、非晶質であるか、あるいは第１メッキ層６１より平均結晶粒径が小さい結晶粒子で構成される。
【００２９】
次に、セラミック配線基板２の製造方法を説明する。
セラミック配線基板２を製造するためには、図４に示すように、まず、Ｓ１０にて、基板本体２１用のセラミックグリーンシートを準備する。具体的には、まず、アルミナ粉末、樹脂バインダおよび溶剤などからなる原料を混合して、セラミックスラリーを調製する。そして、ドクターブレード法などの汎用の方法により、調製されたセラミックスラリーをシート状とし、基板本体２１用のセラミックグリーンシートを作製する。
【００３０】
次にＳ２０にて、基板本体２１用のセラミックグリーンシートに、例えば炭酸ガスレーザを照射して、ビア２５，２６用のビアホールを形成する。
さらにＳ３０にて、Ｓ２０で形成されたビアホールの内部に、例えばタングステン粉末を含む導電性ペーストを充填する。
【００３１】
またＳ４０にて、基板本体２１用のセラミックグリーンシートの表面および裏面における必要な箇所に、導電性ペーストを用いて、スクリーン印刷によって、メタライズ層５１となる配線パターンを形成する。
【００３２】
そしてＳ５０にて、メタライズ層５１の配線パターンが表面および裏面に形成されたセラミックグリーンシートを所定の温度で同時焼成することにより、表面および裏面にメタライズ層５１が形成された基板本体２１を作製する。
【００３３】
次にＳ６０にて、電解メッキにより、基板本体２１においてメタライズ層５１の表面全体を覆うようにＮｉメッキ層５２を形成する。
さらにＳ７０にて、電解メッキにより、Ｎｉメッキ層５２の表面の一部を覆うようにＣｕメッキ層５３を形成する。
【００３４】
またＳ８０にて、電解メッキにより、Ｃｕメッキ層５３の表面全体と、Ｃｕメッキ層５３より外周側のＮｉメッキ層５２の露出部分とを覆うように第１メッキ層６１を形成する。本実施形態のＮｉメッキ条件、電流の大きさ、通電時間、浴温度、撹拌条件およびメッキ液濃度などは適宜設定される。
【００３５】
そしてＳ９０にて、無電解メッキにより、第１メッキ層６１の表面全体を覆うように第２メッキ層６２を形成し、セラミック配線基板２の製造を終了する。
次に、セラミック配線基板２の信頼性を評価するために実施した評価試験の試験結果について説明する。
【００３６】
本評価試験では、Ｃｕメッキ層５３のヤング率、第１メッキ層６１の材質および第１メッキ層６１の平均結晶粒径を変化させてセラミック配線基板の信頼性を評価した。
【００３７】
本評価試験では、微小硬さ試験機（フィッシャー・インストルメント社製  ＨＭ−２０００シリーズ）を用いて、試料にダイヤモンド圧子を荷重１０００ｍＮにて押し込み、その押し込み深さと反力とからヤング率を算出した。
【００３８】
また本評価試験では、走査電子顕微鏡（以下、ＳＥＭ）を用いて２００００倍以上の倍率で試料の断面を観察することにより、試料に含まれる複数（本実施形態では１００個以上）の結晶粒の面積の円相当径を算出し、算出した複数の円相当径の平均値を平均結晶粒径として算出した。ＳＥＭは、Scanning Electron Microscopeの略である。但し、ＳＥＭ観察により結晶粒が明確に観察されない場合には、Ｘ線回折により非晶質であるか否かを測定した。
【００３９】
実施例１〜３および比較例のセラミック配線基板は、Ｃｕメッキ層５３のヤング率、第１メッキ層６１の材質、第１メッキ層６１の平均結晶粒径、第２メッキ層６２の材質および第２メッキ層６２の平均結晶粒径を表１に示すように設定して作製された。なお、比較例のセラミック配線基板は、第２メッキ層６２を備えていない点が実施例１〜３のセラミック配線基板と異なる。
【００４０】
【表１】
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表１に示すように、実施例１〜３のセラミック配線基板では、Ｃｕメッキ層５３のヤング率が１８０ＧＰａ以下であり、且つ、第１メッキ層６１が結晶質であり、且つ、第１メッキ層６１が０．１μｍ以上の結晶粒子で構成され、且つ、第２メッキ層６２が非晶質である。比較例のセラミック配線基板では、Ｃｕメッキ層５３のヤング率が１７６ＧＰａであり、且つ、第１メッキ層６１が非晶質である。
【００４１】
そして本評価試験では、信頼性評価のために、冷熱衝撃装置（ＥＳＰＥＣ社製  Ｍｏｄｅｌ：ＴＳＡシリーズ）を用いた。具体的には、温度領域を−４０℃〜＋２５０℃として、１サイクル１８分で温度サイクルテストを行った。そして、０，１００，２５０，５００，１０００サイクルにて各試料を取り出して、倍率５０倍の金属顕微鏡にて、セラミック配線基板の表層電極の表面におけるクラック発生の有無を確認した。本評価試験の結果を表２に示す。
【００４２】
【表２】
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実施例１〜３のセラミック配線基板では、１０００サイクル経過後であっても表層電極の表面にクラックの発生が確認されなかった。一方、比較例のセラミック配線基板では、５００サイクル経過後に表層電極の表面にクラックの発生が確認された。
【００４３】
このように構成されたセラミック配線基板２は、ヤング率が１８０ＧＰａ以下の軟質材料で基板本体２１上に形成されたＣｕメッキ層５３と、Ｎｉを主成分とする材料でＣｕメッキ層５３上に形成された表面メッキ層５４とを備える。
【００４４】
そしてセラミック配線基板２では、表面メッキ層５４は、Ｃｕメッキ層５３上に形成された第１メッキ層６１と、第１メッキ層６１上に形成された第２メッキ層６２とを備える。第１メッキ層６１は、結晶質であり、且つ、平均結晶粒径が０．１μｍ以上の結晶粒子で構成される。第２メッキ層６２は、非晶質であるか、第１メッキ層６１より平均結晶粒径が小さい結晶粒子で構成される。
【００４５】
このように構成されたセラミック配線基板２は、温度領域が−４０℃〜＋２５０℃に設定された温度サイクル試験において１０００サイクル経過後であっても表面メッキ層５４にクラックが発生しないため、信頼性を向上させることができる。
【００４６】
また、セラミック配線基板２の製造方法は、Ｓ８０の工程と、Ｓ９０の工程とを備える。
Ｓ８０の工程では、電解法により、Ｎｉを主成分とする材料で、Ｃｕメッキ層５３上に、結晶質であり且つ平均結晶粒径が０．１μｍ以上の結晶粒子で構成される第１メッキ層６１を形成する。Ｓ９０の工程では、無電解法により、Ｎｉを主成分とする材料で、第１メッキ層６１上に、非晶質である第２メッキ層６２を形成する。
【００４７】
このように構成されたセラミック配線基板２の製造方法は、セラミック配線基板２、すなわち、温度領域が−４０℃〜＋２５０℃に設定された温度サイクル試験において１０００サイクル経過後であっても表面メッキ層５４にクラックが発生しない配線基板を製造することができる。
【００４８】
なお、「主成分」とは、最も多く含まれる成分を意味する。
以上説明した実施形態において、セラミック配線基板２は配線基板に相当し、基板本体２１はセラミック基板に相当し、Ｃｕメッキ層５３は配線層に相当し、表面メッキ層５４はＮｉメッキ層に相当する。
【００４９】
また、Ｓ８０は第１メッキ工程としての処理に相当し、Ｓ９０は第２メッキ工程としての処理に相当する。
【００５０】
以上、本開示の一実施形態について説明したが、本開示は上記実施形態に限定されるものではなく、種々変形して実施することができる。
例えば上記実施形態では、電解メッキにより第１メッキ層６１を形成する形態を示したが、第１メッキ層はＮｉを主成分とする材料で形成されたメッキ層であればよく、例えば電解Ｎｉ−Ｃｏメッキ層であってもよい。
【００５１】
上記実施形態では、本開示の配線基板がインバータに適用される形態を示したが、インバータ以外に、他の電力変換機器（例えば、ＤＣ−ＤＣコンバータなど）、半導体モジュール、半導体パッケージおよびセラミックパッケージなどに適用するようにしてもよい。
【００５２】
上記実施形態では、表面メッキ層５４上にメッキ層が形成されない形態を示したが、表面メッキ層５４上に更にＡｕメッキ層を形成するようにしてもよい。
また、上記実施形態における１つの構成要素が有する機能を複数の構成要素に分担させたり、複数の構成要素が有する機能を１つの構成要素に発揮させたりしてもよい。また、上記実施形態の構成の一部を省略してもよい。また、上記実施形態の構成の少なくとも一部を、他の上記実施形態の構成に対して付加、置換等してもよい。なお、特許請求の範囲に記載の文言から特定される技術思想に含まれるあらゆる態様が本開示の実施形態である。
【符号の説明】
【００５３】
２…セラミック配線基板、２１…基板本体、５３…Ｃｕメッキ層、５４…表面メッキ層、６１…第１メッキ層、６２…第２メッキ層
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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