(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ｐＨ１０以上、酸化還元電位−８００ｍＶ以下、電気伝導度１０．０ｍＳ／ｍ以上の電解水で、金属回路に施されたＮｉめっき膜面を洗浄することを特徴とするセラミックス回路基板の半田濡れ性向上方法。
【請求項２】
洗浄する前のＮｉめっき膜面が、１Ｐａ以下の真空中、温度２８０±１０℃で熱処理されていることを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項３】
請求項１又は２の方法によって洗浄されたセラミックス回路基板。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、回路基板及び回路基板の半田濡れ性向上方法に関する。詳しくは、Ｎｉめっきの施された金属回路に、シリコンチップ等の半導体素子を半田付けする際に、半田ボイドといわれている欠陥を激減することができる技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体素子の搭載されたモジュールが解決すべき今日の課題は、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、回路基板の耐久性を高めるとともに、半導体素子から発生した熱を効率よく速やかに系外に逃がすこと、例えば熱伝導を阻害する半田ボイドを低減することである。
【０００３】
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、金属放熱板面にヒートシンク取付用のベース板が半田付けされる。
【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、両者を「金属回路等」という。）と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、クラックの発生を抑制するため、金属回路等の材質として、熱応力がＣｕよりも小さいＡｌが用いられるようになっている。
【０００６】
Ａｌ回路と半導体素子や、Ａｌ放熱板とベース板の接合には、Ｐｂ−Ｓｎ系の半田が用いられるため、金属（Ａｌ）回路等表面には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等が採用されている。
【０００７】
半田ボイドが発生する要因の１つに、金属回路等表面のＮｉめっき膜に対する半田の濡れ性がある。濡れ性が不十分であると、半田ボイドの原因となり、逆に強すぎると、半田付け部分以外への半田流れが原因となるので、金属回路等表面のＮｉめっき膜に対する半田濡れ性には適正値がある。この濡れ性は、目視では判断できないような微小な酸化皮膜、有機物の存在によって悪化するものであるところ、適切に評価する方法はない。
【０００８】
そこで、従来は経験に頼り、適度な組成持つ洗浄水で洗浄してから、半導体素子が半田付けされていると考えられる。しかしながら、その洗浄水の組成は明白にされておらず、また半田ボイドも激減されずに、半田ボイド率として数％、多い場合には数十％もあったので、更なる改善の余地があった。
【０００９】
【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、半田ボイドが激減する回路基板を提供することである。本発明の目的は、特定組成の電解水を用い、金属回路等に施されたＮｉめっき膜面を洗浄することによって達成することができる。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
すなわち、本発明は、ｐＨ１０以上、酸化還元電位−８００ｍＶ以下、電気伝導度１０．０ｍＳ／ｍ以上の電解水で、金属回路に施されたＮｉめっき膜面を洗浄することを特徴とする回路基板の半田濡れ性向上方法である。この場合において、洗浄する前のＮｉめっき膜面が、１Ｐａ以下の真空中、温度２８０±１０℃で熱処理されていることが好ましい。また、本発明は、このような方法で洗浄された回路基板である。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、更に詳しく本発明を説明する。
【００１２】
本発明が洗浄の対象している回路基板は、セラミックス基板に金属回路等が形成され、Ｎｉめっきが施されているものである。このような回路基板には多くの市販品と先行技術文献があり、本発明ではそれを用いることができるが、以下、概説する。
【００１３】
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。
【００１４】
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。
【００１５】
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。
【００１６】
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。接合は、活性金属ろう付け法が好適であるが、ＤＢＣ法等であってもよい。
【００１７】
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。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２〜８μｍであることが好ましい。
【００１８】
また、Ｎｉめっき膜と半田のＳｎ成分との反応性を高めるため、Ｎｉめっき膜を１Ｐａ以下の真空中、温度２８０±１０℃で熱処理を行い、Ｎｉの結晶性を高めておくこと好ましい。真空度が１Ｐａをこえると、Ｎｉめっき膜の酸化が著しくなり、Ｓｎ成分との反応性が逆に悪化する。一方、熱処理温度が２７０℃未満ではＮｉの結晶性が十分に高まらず、また２９０℃超ではＮｉめっき膜の硬化が起こり、回路基板に損傷を与える恐れがある。熱処理時間は、１０〜３０分間が好ましい。
【００１９】
本発明においては、このＮｉめっき膜面を、ｐＨ１０以上、酸化還元電位−８００ｍＶ以下、電気伝導度１０．０ｍＳ／ｍ以上の電解水で洗浄することが大きな特徴である。洗浄形態は、シャワーリング、揺動浸漬等が可能であるが、シャワーリングが好ましい。洗浄は、Ｎｉめっき後に行ってもよく、半導体素子を半田付けする直前に行ってもよい。前者には、めっき工程後に洗浄槽を設ければよい工程上の利点があり、後者には、新たな酸化膜や有機物等がＮｉめっき面に形成・付着することから回避して半田付けできる利点がある。また、洗浄は両方で行ってもよい。
【００２０】
電解水のｐＨが１０よりも小さいと、半田濡れ性に有効なＯＨ基の生成が不十分となる。酸化還元電位が−８００ｍＶよりも高いと、酸化膜の生成を抑制できにくい。電気伝導度が１０．０ｍＳ／ｍよりも小さいと、金属イオンを含む微粒子が除去されづらい。電解水の不純物は、可及的に少ない方が好ましく、例えばＣｌ-やＳＯ42-等のマイナスイオン、Ｃｕ2+、Ｎａ+等のプラスイオン等の濃度は、それぞれ０．１ｍｇ／Ｌ以下であることが望ましい。
【００２１】
このような電解水は、電解槽内で食塩や希塩酸を加え、目的特性となるまで電解を行う、超音波を照射する等によって製造することができる。また、これの市販品、例えば日本アクア社、森永乳業社、旭ガラスエンジニアリング社等（ウルトラクリーンテクノロジー  Ｖｏｌ．１１  Ｎｏ．１  ｐ１９  参照）があるので、使用することもできる。
【００２２】
このようにして洗浄された本発明の回路基板を用いれば、そのＮｉめっき膜面に半導体素子を半田付けしても、その半田ボイド率が１．０％よりも小さいくなり、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格段に向上する。半田ボイド率の測定は、軟Ｘ線探傷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。測定装置の一例をあげれば、軟Ｘ線探傷装置（ソフテックス社製「ＰＲＯ−ＴＥＳＴ  １００」）、超音波探傷装置（本多電子社製「ＨＡ−７０１」）である。
【００２３】
回路基板の金属回路面に半導体素子、金属放熱板面にベース板を半田付けするにはＰｂ−Ｓｎ系の半田が用られる。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が、工程の簡略化と環境問題の点から後者が望ましい。
【００２４】
以上のように、モジュールの放熱特性はその半田ボイド率が少ない方ほど優れ、特に半田ボイド率２％を境にして大きく変化する。そこで、回路基板を量産する場合、以下の簡易試験を行い、試験数１０の半田ボイド率の平均値（＋４σ）が２％以下になるように製造管理することが望ましい。
【００２５】
すなわち、回路基板の金属回路にＰｂ（９０％）−Ｓｎ（１０％）半田片を挟んでシリコンチップを置く。半田片寸法は底面積５〜２２５ｍｍ2×厚さ０．１〜０．５ｍｍとし、シリコンチップ寸法は底面積５〜２２５ｍｍ2×厚さ０．４〜１．０ｍｍとする。その後、水素雰囲気下、温度１５０℃までを１５〜２０℃／分の速度で、その後は２．３〜２．５℃／分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。ここで、１５０℃までの昇温速度が１５℃／分よりも遅いか、又は３５０℃までの昇温速度が２．３℃／分よりも遅いと、Ｎｉめっき膜面が酸化され、また３５０℃までの昇温速度を２．５℃／分よりも速くすると、半田の溶融が十分でなくなり、いずれの場合も半田濡れ性を正しく評価することができない。一方、１５０℃までの昇温速度を１２０℃／分よりも速くするには装置が大がかりとなる。
【００２６】
【実施例】
以下、実施例をあげて更に具体的に本発明を説明する。
【００２７】
実施例１〜５  比較例１〜５
セラミックス基板として、窒化アルミニウム基板の市販品を用意した。大きさは２インチ角×厚み０．６３５ｍｍで、レーザーフラッシュ法による熱伝導率１７５Ｗ／ｍＫ、３点曲げ強度４２０ＭＰａである。Ａｌ板は、回路形成用が２インチ角×厚み０．４ｍｍ、放熱板形成用が２インチ角×厚み０．１ｍｍのものを用いた。
【００２８】
セラミックス基板の表裏面に、Ａｌ板を接合材（Ａｌ９６．０％、Ｃｕ３．５％、Ｍｇ０．５％の合金箔で厚みは２０μｍ）を介して重ね、カーボン板をねじ込んで基板に押しつけできる治具を用い、セラミックス基板に対して垂直方向に均等に加圧した。接合は、真空又は窒素雰囲気下、温度５５０〜６３５℃で加圧をしながら行った。
【００２９】
接合後、エッチングレジストをスクリーン印刷してＦｅＣｌ3液でエッチングした。パターンは、回路、放熱板共に正方形（コーナーＲは２ｍｍ）で、セラミックス基板中央部に形成（沿面距離１ｍｍ）させた。ついで、エッチングレジストを剥離した後、市販のアルカリ系エッチング剤（主成分：苛性ソーダ）を用いて、Ａｌ表面の酸化物除去を行った。
【００３０】
以上のようにして製造された回路基板のＡｌ回路面に、無電解Ｎｉ−Ｐメッキ（奥野製薬社製「ニムデンＳＸ」）を行って、５μｍ厚のＮｉめっき膜を形成させた。一部の回路基板については、１Ｐａ以下の真空中、温度２８０℃、時間２０分の条件でＮｉめっき膜の熱処理を行った。その後、表１に示される各種の電解水を用い、１０分間のシャワー又は浸漬による洗浄を行った。
【００３１】
これらの回路基板を用いて実際のモジュール製造を想定した以下の半田付けを行い、半田ボイド率を測定した。それらの結果を表１に示す。その
【００３２】
半田ボイド率の測定
Ａｌ回路面にＰｂ（９０％）−Ｓｎ（１０％）半田片（底面積１６９ｍｍ2×厚さ０．１ｍｍ）を挟んでシリコンチップ（底面積１６９ｍｍ2×厚さ０．４ｍｍ）を置き、水素雰囲気中にて、温度１５０℃までを１５℃／分の速度で、その後は２．５℃／分の速度で昇温して温度３５０℃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い、半田ボイド率を軟Ｘ線探傷装置（ソフテックス社製「ＰＲＯ−ＴＥＳＴ  １００」）を用いて測定し、試験数１０の平均値を求めた。
【００３３】
【表１】
0003827605.tif 000002
【００３４】
表１の実施例と比較例の対比から、本発明の洗浄方法によれば、半田ボイドが１％以下に激減することがわかる。また、実施例１と実施例５の対比から、洗浄する前のＮｉめっき膜に熱処理が行われていると、半田ボイドが更に減少することがわかる。
【００３５】
【発明の効果】
本発明によれば、半田ボイドが激減する回路基板が提供される。