(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
窒化アルミニウム板上にメッキ層を有する金属回路が設けてなる窒化アルミニウム回路基板であって、該金属回路端部側面のメッキ厚さの最大値が１．５μｍ以上５μｍ以下であり、しかも金属回路端部側面のメッキ厚さの最大値と最小値の比が１以上３以下であることを特徴とする窒化アルミニウム回路基板。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高い信頼性、放熱性を要する電子部品のパワーモジュール等に使用される金属回路を有する窒化アルミニウム回路基板に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から各種電子機器の構成部品として、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、酸化ベリリウム（ＢｅＯ）などのセラミックス焼結体基板表面に導電層として銅（Ｃｕ）回路板等を一体に接合した回路基板が広く使用されている。
【０００３】
このうち窒化アルミニウム回路基板は、熱伝導性および電気伝導性に優れたＣｕ等の金属により回路を形成しているため、回路動作の遅延が低減するとともに回路配線の寿命も向上する。
【０００４】
窒化アルミニウム回路基板の製造方法としてはいくつかの方法が知られているが、良好な生産性を得るためには、フルエッチ法がよく使われる。フルエッチ法は、窒化アルミニウム板の全面にろう材ペーストを塗布し、それを覆うように全面に金属板を接合し、回路面とする金属板上に回路パターンをエッチングレジストにより形成させた後、エッチング処理して不要部分を除去する。さらに金属板の腐食防止やハンダ接合性の向上のためにＮｉ系などのメッキ層により金属板の表面を被覆するのが一般的である。フルエッチ法は、生産性は良好であるが、不要な回路及びろう材除去工程を経るため、エッチング後回路パターンの端の窒化アルミニウム板や回路パターン間の窒化アルミニウム板に他の方法に比較して大きな引張応力が残留する特徴がある。
【０００５】
また、一般に金属回路の表面はＮｉ系などのメッキ層が施されており、半田等の接合材料に対する濡れ性が向上し、金属回路に半導体素子（ＩＣチップ）や電極板を高い接合強度で接合することができ、その結果、半導体素子からの発熱の放散性や素子の動作信頼性を良好に保つことができるという利点を有している。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
したがって、窒化アルミニウム回路基板は、パワーモジュールへの実装工程や使用時のヒートサイクルなどの熱応力によって金属回路間の窒化アルミニウム板や金属回路の端部の窒化アルミニウム板にクラックが発生し、さらにクラックが進展して破壊や絶縁耐圧の低下に至り、使用不能となる問題があった。特に金属回路にニッケルメッキ等を実施するとクラックが顕著に生成すると云う問題があった。
【０００７】
すなわち、金属回路にメッキ処理をした窒化アルミニウム回路基板をパワーモジュールに実装する場合、熱処理を施してヒートシンク銅板へハンダで接合する。さらに半導体チップや電極が回路基板の金属回路部にハンダで接合される。これらの熱処理工程は、エッチング後の金属回路間の窒化アルミニウム板や金属回路の端部の窒化アルミニウム板に残留する大きな引張応力をさらに増大させるため、回路基板にクラックが発生し易いと云う問題があった。
【０００８】
以上の問題に対して、日本電子材料技術協会秋期講演大会講演概要集２９巻（１９９２）ｐｐ．１０３「耐熱衝撃性に優れたセラミックス−金属接合基板」によれば、アルミナ基板上の銅板に施した無電解Ｎｉ−Ｐメッキの厚さが１μｍを越えると加熱冷却試験による耐熱衝撃性が減少することが報告されている。
【０００９】
しかしメッキ厚さ１μｍ以下にすると、高温になりやすいパワーモジュール用途では酸化等の腐食保護能力が少なく、回路の寿命が短くなる等未だ解決すべき課題があった。本発明は、上記状況に鑑みてなされたものであり、回路基板の耐食性、絶縁耐圧を損なうことなく、クラック発生を低減させ、信頼性の高いパワーモジュール用回路基板を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、金属回路表面に施されるメッキ層について検討した結果、メッキ層の平均的な厚さではなく、金属回路端部側面のメッキ層の厚さの最大値と厚さの最大値と最小値の比が回路基板のクラック発生に関係していることを見出し、本発明を完成した。特に窒化アルミニウム板は金属に比べて熱膨張係数が小さく、金属回路との間に応力が発生しやすい為、本発明によるクラック防止効果が顕著である。
【００１１】
すなわち、本発明は窒化アルミニウム板上にメッキ層を有する金属回路が設けてなる窒化アルミニウム回路基板であって、該金属回路端部側面のメッキ厚さの最大値が１．５μｍ以上５μｍ以下であり、しかも該メッキ厚さの最大値と最小値の比が１以上３以下であることを特徴とする窒化アルミニウム回路基板である。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、さらに詳しく本発明について説明する。窒化アルミニウム板として特に制限はないが、良好な放熱性を示すためには、熱伝導率が８０Ｗ／ｍＫ以上のものが適している。また、曲げ強さについては、回路基板形成後の強さに影響を及ぼすため３５０ＭＰａ以上のものが適当である。また、窒化アルミニウム板の形状は通常矩形であることが多いが、形状は用途によって適宜選択されるものであり、本発明は回路基板の形状に何ら制約を受けるものではない。
【００１３】
窒化アルミニウム板の厚さは、要求される回路基板の強さによって異なるが、通常、０．３ｍｍから１．５ｍｍのものが使われる。窒化アルミニウム板に形成される金属回路及び金属放熱板について、その材質は、銅、ニッケル、アルミニウム、モリブデン、タングステン等の純金属もしくは合金が用いられる。金属回路又は金属放熱板の厚さは０．１〜２．０ｍｍが通常使われている。
【００１４】
接合する金属回路の厚さは極めて重要で、０．０７５ｍｍ程度の厚さでは、活性金属法の場合、接合時に若干の荷重をかけるため、金属板の膨張が妨げられ、金属板にシワを生じることがあり、量産性に欠けるという問題がある。従って、０．１ｍｍ以上のものを用いるのが好ましいが、あまり厚くなると、接合金属板による熱応力によって、金属回路の剥離や窒化アルミニウム板にクラックが発生するようになり、０．２ｍｍ以下とする必要がある。
【００１５】
接合処理は、１０-4ｔｏｒｒ以下の真空中、ろう材の融点以上の温度で行われるが、一般的な条件、すなわちろう材の融点の５０℃程度上の温度を選択するのが無難である。その後接合体の金属板部分を、目的形状とするため、化学エッチング等の方法で不要な金属板及びろう材を除去して、パターニングすなわち金属回路を形成する。またＤＢＣ法等の方法を用いて回路を形成する事も可能である。
【００１６】
さらに、パターニングして回路形成後、金属部分にメッキ処理を施す。メッキ方法は電解メッキ法や無電解メッキ法など特に限定されるものではない。ただし、電解メッキ法ではパターンが複雑で電極設定位置が取り難いことから、無電解メッキ法が好適である。無電解メッキの場合、金属回路端部側面のメッキ厚さとその均一性を制御する条件としては、触媒液濃度と温度、浸漬時間及びメッキ液濃度と温度、浸漬時間、触媒液とメッキ液の攪拌条件などが重要である。触媒濃度が高すぎて攪拌が不十分な場合には触媒が不均一に付着しやすくなり均一なメッキ厚さを得ることが難しくなる。一方、触媒濃度が低すぎると触媒の付着が不十分な部分が発生し、この場合もメッキ厚さの均一性を低下する。また、触媒濃度が高い程、メッキの付着が速くなり、触媒濃度が低いと逆に付着速度は低いものとなる。また、メッキ液の金属塩濃度が高く、温度が高いほどメッキ層形成速度が速くメッキが不均一になる傾向がある。攪拌条件などのメッキ液の流動状態は特にメッキ厚さの均一性に影響があり、攪拌を十分に行なうほど、メッキ厚さの均一性が向上する傾向がある。
【００１７】
本発明において重要なことは、金属回路端部側面のメッキ厚さの最大値が１．５μｍ以上５μｍ以下であり、しかも該メッキ厚さの最大値と最小値の比が１以上３以下であることである。最大値が５μｍを越えると、ヒートシンクの取り付け時、または素子の発熱等によるヒートサイクルを受けた時に熱膨張差により発生する応力が大きくなり、金属回路間又は凸部周囲のセラミックス基板にクラックの発生率が大きくなり好ましくない。また、１．５μｍ未満ではメッキ厚さを均一に形成することが難しく、被覆不十分なところが形成されやすい。そのため、メッキ層の目的である金属回路の腐食防止やハンダ接合性の向上が達成されにくく好ましくない。したがって、金属回路端部側面のメッキ厚さの最大値が１．５μｍ以上５μｍ以下であり、さらに好ましくは２．０μｍ以上４μｍ以下である。
【００１８】
また、最大値が１．５μｍ以上５μｍ以下であると同時に最大値と最小値の比が１以上３以下であることが重要である。最大値と最小値の比が３を越えるとメッキ層の厚さの均一性が低くなり、熱膨張差による発生応力が不均一となり、メッキ厚さの大きい部分の応力が増幅され、セラミック基板にクラックが起こりやすく好ましくない。
【００１９】
本発明にいう金属回路端部側面のメッキ厚さとは、図１の矢印に示すように、金属回路の厚さ方向の周囲を形成する面に付着したメッキ厚さを云う。以下実施例により、更に詳しく説明する
【００２０】
【実施例】
窒化アルミニウム粉末に酸化イットリウム粉末２〜４重量％配合しドクターブレード法を用いて成形した成型体を１８５０℃〜１９００℃で窒素雰囲気中で焼成して窒化アルミニウム板を得た。得られた窒化アルミニウム板の物性は熱伝導率１５０Ｗ／（ｍ・Ｋ）、相対密度９９．９％であった。又形状は５０×６０×厚さ０．６３５ｍｍのものとした。
次いで、銀、銅及びジルコニウムの各金属粉末を、銀粉末７５重量部、銅粉末２５重量部にジルコニウム粉末１５重量部及びテルピネヲ−ル１５重量部と有機結合材としてポリイソブチルメタアクリレ−トのトルエン溶液を固形分で１．５重量部加えてよく混練し、ロウ材ペ−ストを調整した。このロウ材ペ−ストを窒化アルミニウム焼結基板の両面にスクリ−ン印刷によって全面塗布した。その際の塗布量は（乾燥後）６〜８ｍｇ／ｃｍ2 とした。
【００２１】
次に、ろう材ペ−ストを塗布した窒化アルミニウム基板の両面に銅板（厚さ：金属回路用銅板０．３ｍｍ、金属放熱用銅板０．１５ｍｍ）を接触配置し炉に投入し、１×１０-4ｔｏｒｒの真空下、温度９００℃で３０分加熱した後、２℃／ｍｉｎ．の降温速度で冷却して接合体を製造した。
【００２２】
次いで、この接合体の銅板上に紫外線硬化タイプのエッチングレジストをスクリ−ン印刷法によりパターン印刷し、塩化第２銅溶液を用いて不要銅部分を溶解除去し、さらにパターン外に残った不要ろう材や反応生成物を、６０℃、１０％弗化アンモニウム溶液で溶解除去した。この後、５％苛性ソ−ダ溶液でエッチングレジストを剥離し、目的形状の回路基板を得た。これに、無電解Ｎｉ−Ｐメッキ処理を施し、銅回路部分に選択的にメッキ膜を形成させた。まず、１０％の硝酸水溶液に１分間浸漬して前処理し、蒸留水で十分洗浄した。次に、市販のＨ２Ｏ２−Ｈ２ＳＯ４系化研液（奥野製薬製：商品名ＣＰＢ）の２倍希釈の水溶液を５０℃に保持し、２分間浸漬したのち、蒸留水で十分洗浄した。そののち、１０％の硫酸水溶液に５秒間浸漬処理し、蒸留水で十分洗浄した。
【００２３】
次に触媒処理液に室温で１分間浸漬して触媒処理を行なった。触媒処理液は市販のＰｄ系触媒原液（奥野製薬製：商品名アクチベータ）を表１に示す濃度で調製して用いた。触媒処理したのち蒸留水で２分間超音波洗浄した。次に、表１に示した温度に保持したＮｉ−Ｐ系無電解メッキ液に表１に示す時間浸漬した。メッキ液は市販のＮｉ−Ｐ系メッキ原液（奥野製薬製：商品名ニムデンＳＸ）を表１に示す濃度で調製して用いた。メッキ液に浸漬している際に回転羽による攪拌と超音波による攪拌を行なった。このようにして表１に示す種々の条件で金属回路端部側面のメッキ厚さをもった回路基板を作製した。なお、表１中の濃度ｍＬ／Ｌは原液の量ｍｌを蒸留水で希釈して１Ｌとした場合の濃度である。
【００２４】
これらの回路基板のヒートサイクル試験を、−４０℃で３０分間保持し、１２５℃で３０分間保持する加熱冷却操作を１サイクルとし、ＪＩＳ−Ｃ−００２５温度変化試験方法に準じて２００サイクル実施した。試験後、回路間の窒化アルミニウム焼結基板に発生したクラックの有無を蛍光探傷検査により観察することで行なった。クラックの確認された回路基板の割合をクラック発生率として示した。また、銅回路板端部側面のメッキ厚さの測定は、個々の試験後のサンプルを０．３ｍｍ厚さの金属回路板銅板の表面から深さ０．１５ｍｍまで研削及び研磨加工により銅回路板を除去し、端部側面のメッキ厚さをＳＥＭにて観察することにより行なった。メッキ最大膜厚さと最小膜厚さを測定し、最大膜厚さと最小膜厚さの比を算出した。これらの銅回路板端部側面のメッキ厚さの最大値及び最大値と最小値の比とクラック発生率の関係を表１にまとめて示した。
【００２５】
【表１】
0004059539.tif 000002
【００２６】
表１から明らかなように金属回路板端部側面のメッキ厚さの最大値が５μｍを越えると急激にクラック発生率が増加していることがわかる。また、メッキ厚さの最大値と最小値との比が小さいほどクラック発生率が小さいことがわかる。したがって、これらの実施例及び比較例の結果から、本発明の範囲内に金属回路板端部側面のメッキ厚さを制御することによって信頼性の高い回路基板を作製することが判明した。
【００２７】
【発明の効果】
本発明によれば、ヒートサイクルによるクラックの発生率を抑えた高信頼性の窒化アルミニウム回路基板を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  メッキされた金属回路板端部付近の断面概念図
【符号の説明】
１：窒化アルミニウム板
２：ろう材層
３：金属回路板
４：メッキ層（実際は数μｍであり、金属回路板との大きさは実際と異なる）
５：金属回路板端部側面のメッキ厚さ
【図１】
0004059539.tif 000003