JP2004080060A

JP2004080060A - 電子部品用パッケージ及びその製造方法

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Publication number: JP2004080060A
Application number: JP2003400508A
Authority: JP
Inventors: Hideshi Matsubara; 松原　英志
Original assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Current assignee: Niterra Co Ltd
Priority date: 2003-11-28
Filing date: 2003-11-28
Publication date: 2004-03-11
Anticipated expiration: 2018-09-30
Also published as: JP4663975B2

Abstract

【課題】　パッケージ本体に銅製の放熱部材をロー付けした後、複数回Ｎｉメッキをかけることで製造されるパッケージで、放熱部材における２回目のＮｉメッキにフクレを発生させない。
【解決手段】　１回目にかけられるニッケルメッキ層３１の厚さを１．５〜２．５μｍとした。１回目のＮｉメッキ層３１の厚さを１．５μｍ以上と厚くしたため、放熱部材２１の銅の１回目のＮｉメッキ層３１への拡散があっても、その表面に存在するＣｕ−Ｎｉ合金層を少なくできる。したがって、２回目のＮｉメッキ層３２の密着性の低下が小さくなり、フクレの発生も防止される。１回目のＮｉメッキ層３１の厚さの上限を２．５μｍとしたため、同Ｎｉメッキ自体の密着性の低下もない。
【選択図】　　　　図１

Description

　本発明は、半導体集積回路素子等の電子部品の封止に用いられる電子部品用パッケージ（配線基板）に関し、詳しくはセラミックなどからなるパッケージ本体に、無酸素銅などからなる放熱部材（ヒートシンク）が接合され、その放熱部材及びこれを含む金属面にニッケルメッキが複数回かけられてなる電子部品用パッケージ（以下、単に「パッケージ」ともいう）に関する。

　この種の電子部品用パッケージは、例えばアルミナセラミックなどからなるパッケージ本体（以下、単に本体ともいう）の底面側に、例えば無酸素銅からなる放熱部材がＡｇ−Ｃｕ共晶合金でロー（ろう）付けされて構成される。このようなパッケージは、放熱部材のロー付け後、酸化（腐食）防止等のため、本体のボンディングパッド（以下、パッドともいう）などの金属面（メタライズ面）及び放熱部材の露出面（放熱面）にニッケルメッキ（以下、Ｎｉメッキともいう）及び金メッキ（以下、Ａｕメッキともいう）がかけられるのが普通である。

　ここにＮｉメッキは、耐蝕性さらにはＡｕメッキとの密着性を確保するためにかけられるのであるが、ピンホールの発生を防ぎ耐蝕性を高めるためには、なるべく厚めにかけるのが好ましく、この種のパッケージ部品では一般に２．５〜７．０μｍの厚さとされるのが普通である。しかし、このように一度に厚くかける場合には、メッキ後に発生する内部応力によりパッドなどをなすメタライズ層が剥離する危険性が高くなることや、そのＮｉメッキ自体の密着性が低下したり、フクレ（ブリスター）が発生する危険性が高くなり、パッケージの製品不良を招いてしまう。このため、Ｎｉメッキは複数回に分けてかけるのが好ましいとされている。

　そして複数回に分けてかける場合には、耐蝕性さらには生産効率（メッキ処理時間）やコスト面から、１回のメッキ厚は従来０．５〜１．３μｍの範囲とされるのがこの種の製品にかかわるメッキ技術における常識とされていた。そして、このようなメッキ工程では同メッキの密着性を高めるなどのため、１回目のＮｉメッキの後に、放熱部材のロー付け温度以下で例えば８００℃でロー付けした場合には５００〜７００℃で加熱処理（以下、熱処理ともいう）をし、その後２回目のＮｉメッキをかけていた。

　ところが、このように１回目のＮｉメッキをかけ、その後の加熱処理後にかけた２回目のＮｉメッキは、放熱部材において、その１回目のＮｉメッキ層との密着性が悪くフクレが発生しやすいといった原因不明の問題があった。こうした問題は、最終的にその上にＡｕメッキをかけた後の完成品の全数検査において発見される上、その不良は、従来３０〜５０％にも達しており、製品歩留まりの著しい低下を招いていた。そして、こうした問題は３回に分けてＮｉメッキをかけた場合においても同様に発生していた。

　こうした中、本願発明者らは、２回目のＮｉメッキ後の放熱部材におけるフクレの発生原因について次のように推論した。１回目のＮｉメッキをした後に熱処理することで放熱部材をなす銅がＮｉメッキ層（以下、Ｎｉメッキともいう）中に拡散し、そのＮｉメッキ層の表面にＣｕ−Ｎｉの合金層（以下、Ｃｕ−Ｎｉ合金層という）が形成される。そしてこのようなＣｕ−Ｎｉ合金層は、Ａｕメッキの下地としてかけられる２回目のＮｉメッキ層との密着性が悪く、同合金の存在が２回目のＮｉメッキのフクレの発生原因と考えられる。一方、放熱部材を成す銅の拡散量は、同じ温度、時間の熱処理条件下では一定と考えられる。そうとすれば、１回目のＮｉメッキ層の厚さを厚くすれば、１回目のＮｉメッキ層中に拡散し、その表面に存在する銅の量はその厚さに対応して稀釈され、或いは減少するはずである。したがって、１回目のＮｉメッキ層の厚さを所定の範囲に設定すれば２回目のＮｉメッキ層の密着性の低下を緩和ないし防止できると考えられる。

　このような考えに基づき本願発明者らは、１回目のＮｉメッキ層の厚さを種々変更した試料を多数作り、これらについて熱処理し、次いで２回目のＮｉメッキを一定厚さかけてフクレの発生状況、つまりはその密着性を各試料につき徹底的に調べた。その結果、１回目のＮｉメッキ層の厚さを所定範囲にした場合には、その後熱処理しても、１回目のＮｉメッキによるパッド用のメタライズ層の剥離や同メッキ自体のフクレの発生を招くこともなく、放熱部材における２回目のＮｉメッキについてもフクレの発生を格段と低減できることを知るに至った。

　本発明は、かかる知見に基づいてなされたもので、その目的とするところは、パッケージ本体に銅合金からなる放熱部材が接合され、該放熱部材に、Ｎｉメッキが複数回かけられてなる電子部品用パッケージにおいて、１回目のＮｉメッキ層の厚さを適切に設定することで、その後の加熱処理による同メッキの表面に、Ｃｕ−Ｎｉ合金層が存在するのを防ぎ、２回目のＮｉメッキの密着性を高めると共にフクレの発生を防止し、製品歩留まりの向上を図ることにある。

　前記目的を達成するため本発明は、パッケージ本体に銅又は銅合金からなる放熱部材が接合され、該放熱部材に、ニッケルメッキが複数回かけられてなる電子部品用パッケージにおいて、１回目にかけられるニッケルメッキ層の厚さを１．５〜２．５μｍとしたことを特徴とする。

　このような電子部品用パッケージは、パッケージ本体に銅又は銅合金（以下、銅合金ともいう）からなる放熱部材を接合した後、該放熱部材を含む金属面に、Ｎｉメッキをかけ、その後、加熱処理して再度Ｎｉメッキをかけることで製造される。この際、従来では１回目のＮｉメッキ層の厚さは、０．５〜１．３μｍであったのに対し、本発明では１回目のＮｉメッキ層の厚さが、１．５〜２．５μｍと、従来より厚い。一方、銅合金製の放熱部材は通常融点が８００℃程度の銀系ローでロー付けされるが、この場合には１回目のＮｉメッキの後に、最高温度が５００〜７００℃で加熱処理が行われる。

　この場合、１回目のＮｉメッキ層の厚さが従来のように０．５〜１．３μｍと薄いと、その後の熱処理により放熱部材の銅がそのＮｉメッキ層中に拡散し、その表面に多くのＣｕ−Ｎｉ合金層を形成してしまい、２回目のＮｉメッキの密着性を低下させる。これに対し本発明では１回目のＮｉメッキ層の厚さを１．５μｍ以上と厚くしたため、１回目のＮｉメッキ層への銅の拡散があっても、その表面に存在するＣｕ−Ｎｉ合金層を少なくできる。したがって、２回目のＮｉメッキの密着性の低下が小さくなり、その分、フクレの発生も防止される。しかも、１回目のＮｉメッキ層の厚さの上限を２．５μｍとしたため、放熱部材をロー付けした後でＮｉメッキをかけたとしても、同Ｎｉメッキが厚いことによるパッケージのボンディングパッド部位などのメタライズ層の剥がれや同Ｎｉメッキ自体の密着性の低下もない。

　なお、放熱部材をなす銅合金が酸化しやすい無酸素銅などの場合には、予めＮｉメッキをかけてから使用されることが多い。しかし、Ｎｉメッキをかけた放熱部材をロー付けすると、ロー付け時にその溶融ローがロー付け面からダイアタッチ面（半導体集積回路素子の搭載面）にまでも濡れ広がってその搭載（接合）に支障を来してしまう。このため放熱部材もこれをロー付けした後に他のメタライズ部位と同時にＮｉメッキを施すのが好ましい。

　本発明において１回目のＮｉメッキ層の厚さは１．５〜２．５μｍの範囲とすればよいが、より好ましくは、１．５〜２．０μｍの範囲である。このような範囲、つまり上限厚さを薄くすると、１回目のＮｉメッキ自体のフクレの発生を皆無とできるためである。なお、２回目以降のＮｉメッキ層の厚さは、そのメッキ自体による密着性の問題などがない範囲（例えば０．５〜２．５μｍ）で適宜に設定すればよいが、なるべく１回目と同一厚さとするのがメッキ作業上好ましい。

　本発明においてＮｉメッキは、２回に限られず３回以上であってもよいが、メッキ作業効率ないし生産性からは３回を限度とするのが適切である。因みに、メッキの密着安定化のためやメッキ層の内部応力の緩和のため、２回目のＮｉメッキ工程以後もそのメッキ後ごと加熱処理するのが好ましい。また、メッキはパッケージに応じて電解メッキや無電解メッキでかければよい。すなわち、被メッキ（対象）部位が相互に電気的導通が確保されているようなものでは電解メッキによればよいし、電気的に独立した被メッキ（対象）部位があるものでは無電解メッキやバレルメッキによればよいなど、適宜に実施すればよい。なお本発明におけるＮｉメッキには、Ｎｉ−Ｃｏメッキ、Ｎｉ−Ｂメッキ、Ｎｉ−Ｐメッキ等のＮｉ合金メッキも含まれる。

　また、本発明のパッケージの最表面のＮｉメッキ層の上には、通常は適宜の厚さ（例えば２．０〜３．０μｍ）Ａｕメッキがかけられるが、本発明ではこのＡｕメッキの有無自体は本質的に関係のないものである。そして、本発明において放熱部材をなす銅又は銅合金は、放熱性及び導電性の点を考慮し、無酸素銅、タフピッチ銅、りん青銅などの銅又は銅合金から選択される。なお、放熱部材の接合には、融点が熱処理の最高温度より高いロー材を用いればよい。

　以上の説明より明らかなように、本発明の放熱部材がロー付けされた電子部品用パッケージ及びその製法によれば次のような効果がある。すなわち、接合された放熱部材上の１回目のＮｉメッキ層の厚さを１．５〜２．５μｍとしたことから、加熱処理しても、そのメッキ自体のフクレもないし、放熱部材におけるそのニッケルメッキ層の表面にＣｕ−Ｎｉ合金層の発生を有効に防止できる。したがって、２回目のニッケルメッキのフクレの発生を効果的に防止できる。この結果、この種の電子部品パッケージの製造歩留まりを飛躍的に高めることができる。

　しかも、１回目のＮｉメッキ層の厚さの上限を２．５μｍとしたため、放熱部材をロー付けした後でＮｉメッキをかけたとしても、同Ｎｉメッキが厚いことによるパッケージのボンディングパッド部位などのメタライズ層の剥がれや同Ｎｉメッキ自体の密着性の低下もない。とりわけ、１回目のＮｉメッキ層の厚さの上限を２．５μｍとしたものでは、１回目のＮｉメッキ自体による他の部位のメタライズ層の剥離やそれ自体のフクレを発生を皆無とできる。

　本発明の実施の形態を図１を参照しながら詳細に説明する。図中１は、ヒートスラグ型といわれる電子部品用パッケージであって、セラミック製のパッケージ本体２と放熱部材２１とを主体として次のように構成されている。すなわち、セラミック製のパッケージ本体２は、詳しくは図示しないが複数の所定のグリーンシートを積層、熱圧着して焼成することにより平面視、略正方形の枠状に形成されてなるもので、上面には電子部品Ｓの電極とワイヤＷでボンディングするためのボンディングパッドをなすメタライズ層４やリード３の接続用のメタライズ層４が形成されている。そして、このメタライズ（金属）層４の上面には、絶縁材から成る枠状のリング５が同時焼成により形成され、メタライズ（金属）層４を内側と外側に分割すると共に、封止用の図示しないリッドの封止部を成すように構成されている。

　また、本体２の中央には、略正方形にて上下（上面から下面）に貫通（開口）する貫通孔７が形成されている。なお、本体２の下面８側における貫通孔７の開口の周縁面には所定の幅でもって図示はしないがタングステンからなるメタライズ層が本体２と同時焼成により形成され、その表面にはＮｉメッキ（図示せず）が施されている。一方、放熱部材２１は本例では無酸素銅からなり、本体２の貫通孔７の内側面７ａの平面形状より大きい略正方形板状をなす下段部２２と、この上面中央に一体的に形成された上段部２３とからなる断面凸型をなしている。なお、上段部２３は、貫通孔７の内側面７ａの平面形状よりやや小さい略正方形板状をなしている。

　しかして本例では、本体２の貫通孔７にその下面８側から、放熱部材２１がその上段部２３を隙間嵌め状態で挿入され、その中央に位置決めされ、下段部２２の上面（肩面）２４を本体２の下面８側におけるＮｉメッキ付きメタライズ層に、銀ロー（箔）２５を介し、例えば８００℃に加熱してロー付けにより固着されている。そして、放熱部材２１の上段部２３の上面が電子部品Ｓなどをハンダ付けして搭載するダイアタッチ面２６をなし、このダイアタッチ面２６と貫通孔７の内側面７ａの上寄り部位とでダイアタッチキャビティ（凹所）が形成されている。

　そして本例では、本体２に放熱部材２１やリード３をロー付けした後、ボンディングパッドなどをなすメタライズ層４の表面（金属面）やダイアタッチ面２６を含む放熱部材２１の表面（露出面）などの金属面に電解メッキ法によって、２層のニッケルメッキ層３１，３２がかけられ、その上にＡｕメッキ（層）３３がかけられている（以下、メッキ層は単にメッキともいう）。ただし、これらのメッキは、１回目のニッケルメッキ３１が例えば１．５〜２．５μｍの厚さでかけられ、次にロー付け温度を超えない範囲で、最高温度が５００〜７００℃で加熱処理され、そのＮｉメッキ層３１をメタライズ層４の表面や放熱部材２１の表面に密着させた。そして、２回目のＮｉメッキ３２を例えば０．５〜１．０μｍの厚さかけ、さらに同様の加熱処理をし、最後に仕上げメッキとしてＡｕメッキ３３を２．５μｍかけたものである。

　こうして製造された本例のパッケージは、１回目にかけられたＮｉメッキ層３１の厚さが１．５〜２．５μｍと厚いため、その後の熱処理で放熱部材（無酸素銅）２１から同Ｎｉメッキ層３１中に拡散する銅による、同Ｎｉメッキ層３１の表面におけるＣｕ−Ｎｉ合金層が存在しにくい厚さとされている。したがって、その上に被着形成される２回目のＮｉメッキ層３２の密着性の低下もなくフクレの発生もないのである。しかも１回目のＮｉメッキ層３１は２．５μｍ以下と、他の部位のメタライズ層４を剥離させたり、１回目のＮｉメッキ層３１自体が放熱部材２１などの表面でフクレを起こす厚さでもない。これにより、その上にＡｕメッキ３３をかけてなる製品においても不良の発生が防止され、パッケージ１の製造歩留まりを著しく向上させることができる。

　さて次に、前記形態のパッケージ１の製造において電解メッキ法により１回目にニッケルメッキを０．５〜３．０μｍの厚さかけた後、Ｈ_２雰囲気下で最高温度６００℃で熱処理し、そして、２回目に同Ｎｉメッキを０．５〜３．０μｍの厚さかけた。こうして製造したパッケージの試料（Ａｕメッキなし）について、２回目のＮｉメッキ層３２の放熱部材２１における密着性ないしフクレの発生状況を拡大鏡にて測定、確認した。結果は、表１に示した通りである。ただし、試料（パッケージ）数は各試料Ｎｏ．とも２０個であり、φ５０μｍ以上のフクレが放熱部材２１における２回目のＮｉメッキ層３２中に１か所でもあったものを「フクレ発生有り」としてカウントした。

　表１より、試料Ｎｏ．３、つまり１回目のＮｉメッキ層３１の厚さを１．３μｍとしたものでは、試料Ｎｏ．１，２のようにその厚さを０．５〜１．０μｍとしたものに比べ、フクレの発生割合が１０％と激減している。とりわけ１回目のＮｉメッキ層３１の厚さを１．５〜３．０μｍとしたもの（試料Ｎｏ．４〜９）ではフクレの発生は０であった。

　次に前記の形態において同様のメッキ法によって１回目のＮｉメッキ層３１を厚さ０．５〜３．０μｍかけた後、Ｈ_２雰囲気下、最高温度６００℃で熱処理し、そのＮｉメッキ層３１中に放熱部材２１の銅を拡散させ、同Ｎｉメッキ層３１の表面にＣｕ−Ｎｉ合金層を形成した試料を製造した。こうして製造した各試料について、同メッキ層３１の表面の銅含有量（拡散量）をＥＤＳ分析によって測定、確認した。結果は表２に示した通りである。ただし、ＥＤＳ分析による銅（Ｃｕ）含有量の分析・測定条件は、分析装置がノーランインスツルメント社製のＴＮ５５０２Ｎで、加速電圧２０ｋＶ、照射電流１．０×１０^−７ｍＡ、スポット径（分析面積）φ１．０μｍである。なお、Ｃｕ含有量（原子％）の結果は、各試料Ｎｏ．について１回目のＮｉメッキ層３１の厚さ条件ごと３つの試料（パッケージ）とし、その各々について放熱部材２１の裏面中央のＮｉメッキ層３１の表面の３点（箇所）を測定し、その９つの測定値の平均値である。

　この結果から明らかなように、１回目のＮｉメッキ層３１の厚さを厚くするほど、そのＮｉメッキ層３１の表面に存在するＣｕの量は減少している。なお、試料Ｎｏ．８０ものがそれより薄い試料Ｎｏ．６，７のものよりＣｕの拡散量が若干多かった。しかし、１回目のＮｉメッキ層３１の厚さを１．５μｍ以上とした試料Ｎｏ．４〜９のものにおいては、試料Ｎｏ．１と２のものより銅の拡散量が確実に小さく、１０原子ｗｔ％以下となっている。この結果よりＮｉメッキ層３１が厚くなる程、拡散した銅がＮｉメッキ層３１の表面に存在しにくいことがわかる。この結果より、Ｃｕ拡散量を減少する点からは、メッキ層３１の厚をなるべく厚くするのが好ましいことが分かる。

　次に前記形態のパッケージの製造において１回目のＮｉメッキ層３１を前と同様に電解メッキ法によりその厚さが０．５〜３．０μｍの範囲となるようにかけ、Ｈ_２雰囲気下、最高温度５００〜７００℃で熱処理し、その後、放熱部材２１における１回目のＮｉメッキ層３１自体の密着性についてフクレ発生状況を拡大鏡にて測定し確認した。結果は表３に示した通りである。ただし、試料数は各試料Ｎｏ．ごと２０個であり、φ５０μｍ以上のフクレが放熱部材２１のＮｉメッキ層３１中に１か所でもあったものを「フクレ発生有り」としてカウントした。

　この結果のように１回のＮｉメッキ層３１の厚さが、０．５〜２．５μｍのもの（試料Ｎｏ．１〜８）では、フクレの発生率は１０％以下であった。これに対して、試料Ｎｏ．９のように、３．０μｍとなるようにかけた場合には、そのＮｉメッキ層３１自体にフクレが６０％と多く発生した。これより、１回目のＮｉメッキ層３１の厚さは、２．５μｍを超えないようにするのが好ましく、とくに好ましくは２．０μｍ以下である。以上のことから、１回目のＮｉメッキ層３１の厚さは、１．５〜２．５μｍとするのが好ましく、より好ましくは１．５〜２．０μｍの範囲である。なお、Ｎｉメッキの全厚さは、パッケージに要求される設計に応じ設定すればよいし、その全厚さに応じてメッキ回数を決めればよい。なお、上記においては電解メッキによる場合で説明したが、無電解メッキでかける場合でも同様の結果である。

　なお前記形態では、パッケージ本体２の上下に貫通する貫通孔７に、段付き状に形成された放熱部材２１がその上段部２３をパッケージ本体２の下方から隙間嵌め状態で挿入されてなる電子部品用パッケージ１において説明したが、本発明はこのようなパッケージに限定されるものではない。図２に示したパッケージ４１のように、本体４２の底面４８に、無酸素銅製の平板状の放熱部材５１が接合されたものにおいても、その接合後Ｎｉメッキを複数回かけるものにおいて同様に適用でき同様の効果がある。なお、図２のものは、中央の凹部底面がダイアタッチ面４６とされ、ここに電子部品Ｓを搭載し、本体底面４８に放熱部材５１がロー付けされる構造を成すものであるが、前記形態におけるパッケージと、Ｎｉメッキの構成及びその効果について相違はないので詳細な説明は省略する。

　すなわち本発明はパッケージ本体に銅合金からなる放熱部材が接合され、該放熱部材を含む金属面にＮｉメッキが複数回かけられてなる電子部品用パッケージにおいて広く適用できる。もちろんＰＧＡ（ピングリッドアレイ）、ＬＧＡ（ランドグリッドアレイ）の各タイプの配線基板など、プリント基板（外部回路基板）との接続方式にかかわらず各種の電子部品用パッケージにおいて具体化できることは明らかである。また、パッケージ本体は、アルミナセラミック製に限られず、ガラスセラミック、ＡｌＮ、ムライト等からなるものでも広く適用できる。

本発明に係るパッケージを具体化した実施形態例の側面断面図。パッケージの別の形態を示す側面断面図。

符号の説明

　１，４１　電子部品用パッケージ
　２，４２　パッケージ本体
　４　メタライズ層
　７　貫通孔
２１，５１　放熱部材
３１，３２　Ｎｉメッキ層
３３　Ａｕメッキ層
　Ｓ　電子部品

Claims

　パッケージ本体に銅又は銅合金からなる放熱部材が接合され、該放熱部材に、ニッケルメッキが複数回かけられてなる電子部品用パッケージにおいて、
１回目にかけられるニッケルメッキ層の厚さを１．５〜２．５μｍとしたことを特徴とする電子部品用パッケージ。
　パッケージ本体に銅又は銅合金からなる放熱部材が接合され、該放熱部材に、ニッケルメッキが複数回かけられてなる電子部品用パッケージにおいて、
１回目にかけられるニッケルメッキ層の厚さを１．５〜２．０μｍとしたことを特徴とする電子部品用パッケージ。
　パッケージ本体に銅又は銅合金からなる放熱部材を接合した後、該放熱部材を含む金属面に、ニッケルメッキをかけ、その後、加熱処理して再度ニッケルメッキをかけることで電子部品用パッケージを製造する方法において、
１回目にかけるニッケルメッキ層の厚さを１．５〜２．５μｍとしたことを特徴とする電子部品用パッケージの製造方法。
　パッケージ本体に銅又は銅合金からなる放熱部材を接合した後、該放熱部材を含む金属面に、ニッケルメッキをかけ、その後、加熱処理して再度ニッケルメッキをかけることで電子部品用パッケージを製造する方法において、
１回目にかけるニッケルメッキ層の厚さを１．５〜２．０μｍとしたことを特徴とする電子部品用パッケージの製造方法。