(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
セラミックス基板の表面に金属回路、裏面に金属放熱板が形成されており、該金属回路及び金属放熱板の表面に３〜８μｍ厚みの無電解Ｎｉめっきが施されてなる回路基板において、本発明で定義された無電解Ｎｉめっき膜の結晶性が０．８度以下、酸化度が０．６以下であることを特徴とする回路基板。結晶性：Ｘ線結晶回折（ＣｕＫα２θ）におけるＮｉ（１１１）面のピークの半価幅。酸化度：Ｘ線光電子分光法（ＥＳＣＡ）におけるＮｉ−metalに対するＮｉ−Ｏ（Ｎｉ−Ｏ／Ｎｉ−metal）のピーク面積比。
【請求項２】
セラミックス基板の表面に金属回路、裏面に金属放熱板を形成後、該金属回路と金属放熱板に２〜５μｍ厚みの無電解Ｎｉ−Ｐめっきを行ってから、全Ｎｉめっき膜厚が３〜８μｍとなるように、無電解Ｎｉ−Ｂめっきを析出速度０．７〜３μｍ／Ｈｒで行うことを特徴とする請求項１記載の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、半導体素子等の電子部品が搭載されたモジュールの組み立てに用いられる回路基板に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体素子等の電子部品を搭載したモジュールは、近来のエレクトロニクス技術の発展に伴う高出力化が進む中、達成すべき課題は、電子部品搭載用回路基板の耐久性を高めると共に、電子部品から発生した熱を効率よく速やかに系外に逃がすため、回路基板からベース板への熱伝導を阻害する半田ボイドを低減することである。
【０００３】
電子部品搭載用回路基板の基本構造は、セラミックス基板の表面に金属回路、裏面に金属放熱板が形成され、該金属回路と金属放熱板にＮｉめっきが施されている。そして、モジュールの組み立ての際に、金属回路に半導体素子が搭載され、金属放熱板面をベース板に半田付けによって固定される。
【０００４】
セラミックス基板の材質としては、アルミナ、窒化アルミニウム、窒化ケイ素等、また金属回路、金属放熱板、ベース板の材質としては、銅、アルミニウム、それらの合金等が用いられている。また、セラミックス基板と金属回路、金属放熱板との接合は、Ａｇ、Ｃｕ又はＡｇ−Ｃｕ合金とＴｉ、Ｚｒ、Ｈｆ等の活性金属成分を含むろう材を用いる活性金属ろう付け法が主流となっている。
【０００５】
回路基板にヒートサイクル等の熱負荷が加わると、セラミックス基板と金属の熱膨張差に起因する熱応力が発生し、セラミックス基板と金属回路、金属放熱板（以下、金属回路と金属放熱板の両者を「金属回路等」という。）の接合端面において、セラミックス基板にクラックが発生する。このクラックは、熱負荷のサイクル数の増加と共に進展し、極端な場合には、絶縁破壊に至る。このような、セラミックス基板のクラックを抑制するため、金属回路の材質として、熱応力が小さいＡｌが用いられるようになってきている。
【０００６】
この場合、Ａｌ回路と半導体素子（シリコンチップ等）の接合は、Ａｌ放熱板とベース板の接合は、Ｐｂ−Ｓｎ系の半田を用いて行われるため、Ａｌ表面にはＮｉめっきを施す必要がある。金属回路等がＣｕ材質である場合も、酸化防止や半田との反応による信頼性低下を防ぐため、一般的にはＮｉめっきが施される。半田付けには、フラックスを用いて大気中又は窒素中でリフローする方法と、フラックスを用いないで水素雰囲気下でリフローする方法がある。工程の簡略化と環境問題のためには後者が望ましいが、めっきされたＮｉと半田のＳｎとの反応性が良くないので、半田ボイドといわれる空隙が発生し、熱抵抗が増大することが問題となる。
【０００７】
この問題を解決するには、純度の高い電気Ｎｉめっき法を採用すればよいが、この方法の問題点は、取り扱いが煩雑となるためにコスト高となるだけでなく、ファインパターンに適用できないことである。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、このような状況に鑑みてなされたものであり、電気Ｎｉめっき法によらずとも、安価な無電解Ｎｉめっき法によって半田ボイド率の小さくなる回路基板、すなわち放熱特性の良好なモジュールを組み立てることのできる回路基板を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
すなわち、本発明は、次のとおりである。
（請求項１） セラミックス基板の表面に金属回路、裏面に金属放熱板が形成されており、該金属回路及び金属放熱板の表面に３〜８μｍ厚みの無電解Ｎｉめっきが施されてなる回路基板において、本発明で定義された無電解Ｎｉめっき膜の結晶性が０．８度以下、酸化度が０．６以下であることを特徴とする回路基板。結晶性：Ｘ線結晶回折（ＣｕＫα２θ）におけるＮｉ（１１１）面のピークの半価幅。酸化度：Ｘ線光電子分光法（ＥＳＣＡ）におけるＮｉ−metalに対するＮｉ−Ｏ（Ｎｉ−Ｏ／Ｎｉ−metal）のピーク面積比。
（請求項２） セラミックス基板の表面に金属回路、裏面に金属放熱板を形成後、該金属回路と金属放熱板に２〜５μｍ厚みの無電解Ｎｉ−Ｐめっきを行ってから、全Ｎｉめっき膜厚が３〜８μｍとなるように、無電解Ｎｉ−Ｂめっきを析出速度０．７〜３μｍ／Ｈｒで行うことを特徴とする請求項１記載の回路基板の製造方法。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、更に詳しく本発明を説明する。
【００１１】
本発明で使用され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であることが好ましい。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。
【００１２】
金属回路等の材質としては、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可能となり、高い信頼性回路基板となる。
【００１３】
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回路は０．３〜０．５ｍｍであることが好ましい。一方、金属放熱板の厚みは、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放熱板は０．１５〜０．４ｍｍであることが好ましい。
【００１４】
セラミックス基板に金属回路等を形成させるには、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。セラミックス基板と金属回路等との接合は、Ａｇ、Ｃｕ又はＡｇ−Ｃｕ合金と、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ等の活性金属成分とを含むろう材を用いる活性金属ろう付け法等によって行うことができる。
【００１５】
Ｎｉめっきが施される前の金属回路等の表面は、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。表面粗さの測定は、接触式、非接触式のいずれでもよいが、Ａｌのような軟らかい金属の測定には、レーザー式のような非接触式の表面粗さ計を用いるのが望ましい。
【００１６】
Ｎｉめっきは無電解法が好ましく、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３〜８μｍであることが好ましい。
【００１７】
本発明の回路基板は、上記Ｎｉめっきの施された回路基板であって、Ｎｉめっき膜のＸ線結晶回折（ＣｕＫα２θ）におけるＮｉ（１１１）面のピークの半価幅として定義される「結晶性」が０．８度以下で、しかもＸ線光電子分光法（ＥＳＣＡ）におけるＮｉ−metalに対するＮｉ−Ｏ（Ｎｉ−Ｏ／Ｎｉ−metal）のピーク面積比として定義される「酸化度」が０．６以下のものである。このような回路基板を用いて組み立てられたモジュールの放熱特性は、Ｎｉめっき法が無電解法であるにもかかわらず良好となる。
【００１８】
Ｎｉめっき膜の結晶性０．８以下かつ酸化度０．６以下の要件は、Ｎｉ成分と半田のＳｎ成分との反応性を高めるために必要となる。結晶性が０．８超ではＮｉの高結晶性が十分でなくなり、Ｓｎ成分との反応性を目的とするレベルまでに高めることができない。また、酸化度が０．６超では、その酸化層によってこれまたＮｉ成分と半田のＳｎ成分との反応性を目的とするレベルまでに高めることができない。
【００１９】
本発明の回路基板は、セラミックス基板の表面に金属回路、裏面に金属放熱板を形成させた後、金属回路等に２〜５μｍ厚みの無電解Ｎｉ−Ｐめっきを行ってから、全Ｎｉめっき膜厚が３〜８μｍとなるように、無電解Ｎｉ−Ｂめっきを析出速度０．７〜３μｍ／Ｈｒで行うことによって製造することが好ましい。このような二段階の無電解Ｎｉよらずとも、一段階の無電解Ｎｉ−Ｂめっきによっても製造することができるが、時間がかかりすぎて生産性に劣る。セラミックス基板に金属回路等を形成させる方法については上記した。
【００２０】
本発明においては、金属回路等にＮｉめっきを施すにあたり、まず２〜５μｍ厚み、好ましくは３．５〜４．５μｍ厚みの無電解Ｎｉ−Ｐめっきを施す。無電解Ｎｉ−Ｐめっきの方法については、一般的に知られている公知の方法で十分である。無電解Ｎｉ−Ｐめっきの析出速度を可及的に速めても悪影響はない。
【００２１】
ついで、１〜３μｍ厚み、好ましくは１．５〜２．５μｍ厚みの無電解Ｎｉ−Ｂめっきを施し、全Ｎｉめっき膜厚を３〜８μｍとする。無電解Ｎｉ−Ｂめっきの析出速度が重要であり、０．７〜３μｍ／Ｈｒとする。本発明においてはめっき膜中のＢ濃度が多くても０．１％以下となるように、無電解Ｎｉ−Ｂめっき液を調整しておくことが好ましい。
【００２２】
無電解Ｎｉ−Ｂめっきによる部分が１μｍ未満で、全厚みが３μｍ未満であると、Ｎｉめっき膜の結晶性の不足と酸化度が増し、半田のＳｎ成分との反応性を目的とするレベルまでに高めることができない。一方、無電解Ｎｉ−Ｂめっきによる部分が３μｍ超であっても酸化度の低減効果は大きくならない。また、全厚みが８μｍ超であると、Ｎｉめっき膜の結晶性が乱れると共に、Ｎｉめっき膜の応力が大きくなり回路基板の信頼性が損なわれる。析出速度が０．７μｍ／Ｈｒ未満では生産性が悪く、また不純物をＮｉめっき膜内に取り込む可能性が高くなり、３μｍ／Ｈｒ超であると、Ｎｉめっきの膜質が不均一となり、高結晶性のＮｉめっき膜が得られない。
【００２３】
Ｎｉめっき膜の更なる低酸化度を実現し、半田のＳｎ成分との反応性を高めるために、無電解Ｎｉ−Ｂめっき後に、十分な洗浄・乾燥を行うことが望ましい。洗浄は、水洗後に、オレイン酸等の不飽和脂肪酸を含む表面処理剤で処理することが好ましい。表面処理剤は、Ｎｉめっき膜に撥水性を付与するものや、Ｎｉめっき膜の酸化物をエッチング除去できるものが好ましい。前者には例えば奥野製薬工業社製商品名「サフスルー」があり、後者には例えば５％硫酸水溶液がある。乾燥は、アルコール溶剤で置換してから行うことが望ましい。
【００２４】
本発明の回路基板の評価、すなわち放熱特性の良好なモジュールとなる回路基板あるかどうかの評価は、金属回路等にシリコンチップを半田付けしその半田ボイド率を測定することによって行うことができる。
【００２５】
すなわち、まず、金属回路等にＰｂ（９０％）−Ｓｎ（１０％）半田片を挟んでシリコンチップを載置する。半田片とシリコンチップの寸法は、いずれも底面積５〜２５ｍｍ2×厚さ０．４〜１．０ｍｍであることが望ましい。
【００２６】
ついで、水素雰囲気下、温度１５０℃までを１５〜２０℃／ｍｉｎの速度で、その後は２．３〜２．５℃／ｍｉｎの速度で昇温して温度３５０℃±５℃まで高めた後、速やかに室温下で自然冷却して半田付けを行う。
【００２７】
１５０℃までを１５〜２０℃／ｍｉｎにて昇温する理由については、１５℃／ｍｉｎよりも遅いとＮｉめっき面が酸化されてしまい、本来の半田濡れ性（半田ボイド率）を正しく評価することができない。また、２０℃／ｍｉｎよりも速くするには装置が大がかりとなる。３５０℃までを２．３〜２．５℃／ｍｉｎにて昇温する理由については、２．３℃／ｍｉｎよりも遅いとＮｉめっき面が酸化されてしまい、本来の半田濡れ性を正しく評価することができない。２．５℃／ｍｉｎよりも速くすると、半田の溶融が十分でなく、本来の半田濡れ性を正しく評価することができない。
【００２８】
半田ボイド率の測定は、軟Ｘ線装置又は超音波探傷装置を用いて、自動的に測定することができる。測定装置の市販品をあげれば、軟Ｘ線探傷装置としては、ソフテックス社製「ＰＲＯ−ＴＥＳＴ１００」、超音波探傷装置としては、本多電子社製「ＨＡ−７０１」等である。
【００２９】
半田ボイド率が２％を境にして、その回路基板を用いて組み立てられたモジュールの放熱特性が大きく変化する。
【００３０】
【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。
【００３１】
実施例１〜６  比較例１〜７
窒化アルミニウム基板（厚み０．６３５ｍｍ×３５ｍｍ角、熱伝導率１７０Ｗ／ｍＫ、３点曲げ強度４００ＭＰａ）又は窒化ケイ素基板（厚み０．６３５ｍｍ×３５ｍｍ角、熱伝導率７０Ｗ／ｍＫ、３点曲げ強度８００ＭＰａ）の表面に、Ａｌ回路形成用Ａｌ板（厚み０．４ｍｍ、純度＞９９．９％）を、また裏面にはＡｌ放熱板形成用Ａｌ板（厚み０．１〜０．４ｍｍ、純度＞９９．９％）を、ろう材（Ａｌ−Ｃｕ（４％）合金箔、厚み３０μｍ）を挟んでホットプレス装置に配置し、温度６３０℃、３ＭＰａに加圧して接合した。
【００３２】
得られた接合体にエッチングレジストを塗布し、ＦｅＣｌ3液でエッチングを行って、端部が縁取りされただけのベタＡｌ回路とベタＡｌ放熱板を有する回路基板を作製した。
【００３３】
無電解Ｎｉ−Ｐめっき(めっき液：奥野製薬工業社製商品名「トップニコロン」)及び無電解Ｎｉ−Ｂめっき(めっき液：上村工業社製商品名「ＢＥＬ８０１」)をそれぞれ表１に示す条件で施した。無電解Ｎｉ−Ｂめっきの際に、液温を調節して析出速度を表１のようにし、Ｎｉめっき膜の結晶性を調整した。
【００３４】
その後、一部の回路基板については、撥水性付与を目的に市販エッチング液（奥野製薬工業社製商品名「サフスルー」）を用い、また酸化物の除去を目的に市販エッチング液（ワールドメタル社製商品名「ＥＴ−１４０」）を用いて、Ｎｉめっき膜の表面処理を行った後、イソプロピルアルコールで置換し、エアブロー乾燥を行った。
【００３５】
得られた回路基板について、Ｎｉめっき膜の厚み、結晶性及び酸化度、並びに半田ボイド率を以下に従って測定した。それらの結果を表２に示す。
【００３６】
（１）Ｎｉめっき膜厚
蛍光Ｘ線めっき厚測定装置（フイッシャー社製「ＸＡ−１０５０」）を用いて測定した。
（２）Ｎｉめっき膜の結晶性
Ｘ線結晶回折（ＣｕＫα２θ）装置（理学電機社製「ガイガーフレックスＲＡＤ−ＩＩＸ」）において測定されたＮｉ（１１１）面のピークの半価幅を求めた。
（３）Ｎｉめっき膜の酸化度
Ｘ線光電子分光（ＥＳＣＡ）測定装置（島津製作所社製「ＥＳＣＡ−１０００」）において測定したＮｉ−metalに対するＮｉ−Ｏ（Ｎｉ−Ｏ／Ｎｉ−metal）のピーク面積比を求めた。
（４）半田ボイド率の測定
回路基板の金属回路にＰｂ（９０％）−Ｓｎ（１０％）半田片（底面積１６９ｍｍ2×厚さ０．１ｍｍの板）を挟んでシリコンチップ（底面積１６９ｍｍ2×厚さ０．４ｍｍの板）を載置する。これを、水素雰囲気中、温度１５０℃までを１７℃／ｍｉｎの速度で、その後は２．４℃／ｍｉｎの速度で昇温して温度３５０℃まで高めた後、速やかに、室温下、自然冷却する条件で加熱して半田付けを行い、半田ボイド率を軟Ｘ線探傷装置（ソフテックス社製「ＰＲＯ−ＴＥＳＴ１００」）を用いて測定した。
【００３７】
【表１】
0004685245.tif 000002
【００３８】
表１から明らかなように、本発明の実施例はいずれも半田濡れ性の良好な回路基板が得られたのに対し、比較例では半田濡れが悪く、半田ボイドが多く発生し、実用には耐え得ないものであった。
【００３９】
つぎに、図１に示される簡易モジュールに組み立て、シリコンチップへの電力供給量１４５Ｗ、Ａｌヒートシンク温度６５℃の条件下、シリコンチップからＡｌ放熱板の間の熱抵抗を測定し、放熱特性を評価した。その結果を表１に示す。
【００４０】
【発明の効果】
本発明によれば、放熱特性に優れたモジュールを組み立てることのできる回路基板が提供される。
【００４１】
本発明によれば、純度の高い電気Ｎｉめっき法によらずとも、無電解Ｎｉめっき法によって、放熱特性に優れたモジュールを組み立てることのできる回路基板の製造方法が提供される。
【図面の簡単な説明】
【図１】放熱特性を測定するための簡易モジュール組立図である。
【図１】
0004685245.tif 000003