JP2006161158A - 金属−セラミックス接合基板の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】パターンの直線性を改善し且つ不めっきの発生を防止することにより、めっきの外観不良を改善するとともに、めっきの密着性を確保することができる、金属−セラミックス接合基板の製造方法を提供する。
【解決手段】セラミックス基板１０の少なくとも一方の面にＡｌまたはＡｌ合金からなる金属板１２を接合して回路パターンを形成した後、 金属板１２の表面の所定の部分に無電解Ｎｉ合金めっき１８を施す、金属−セラミックス接合基板の製造方法において、金属板の表面全体にめっきを施した後に、めっきが必要な部分にレジスト２０を塗布し、酸性エッチング液によりレジスト２０が付着していない部分のめっきを除去する。
【選択図】図３

Description

本発明は、金属−セラミックス接合基板の製造方法に関し、特にパワーモジュールなどに使用されるチップ部品の実装に好適な金属−セラミックス接合基板の製造方法に関する。また、本発明は、特に高い信頼性が要求される車両などに搭載されるアルミニウムまたはアルミニウム合金とセラミックスとの接合基板の製造方法に関し、チップ部品や端子の半田付けが必要な部分などのアルミニウムまたはアルミニウム合金上に部分的にニッケルめっきが施された金属−セラミックス基板の製造方法に関する。

車両などの特に高信頼性が必要とされるパワーモジュール用の金属−セラミックス接合基板の電極として、アルミニウムまたはアルミニウム合金が使用されることが多い。アルミニウムまたはアルミニウム合金を電極として使用する場合、チップやヒートシンクなどの半田付けや耐環境性を向上させるために、一般にその電極の表面に電気ニッケルめっきやＮｉ−Ｐ、Ｎｉ−Ｂなどの無電解合金めっきが施される。また、回路パターンが比較的複雑で電気めっきをするための電極を設けることが技術的またはコスト的に難しい場合には、無電解めっきが行われる。

アルミニウムまたはアルミニウム合金上に無電解ニッケル合金めっきを施す方法として、めっきの前処理法として、基板を脱脂し、強酸性溶液で表面酸化膜の除去処理を行い、硝酸に浸漬した後、表面に亜鉛置換被膜を形成し、再び硝酸に浸漬し、亜鉛置換した後、ニッケル合金めっきを施す亜鉛置換法が知られている（例えば、特許文献１参照）。また、この特許文献１は、めっきの前処理として、アルミニウムまたはアルミニウム合金の表面にパラジウムなどの無電解ニッケル合金めっきに対して自己触媒性を有する金属または金属イオンを吸着させ、この上に無電解ニッケル合金めっきを施す方法（以下、「パラジウム活性法」という）も開示している。

また、アルミニウムまたはアルミニウム合金上に部分的にめっきする方法として、アルカリ剥離型レジストを使用し、前処理として中性の脱脂液を使用するパラジウム活性法が開示され（例えば、特許文献２参照）、アンモニア基を有するキレート剤を添加し、弱アルカリ性にしたパラジウム活性液で処理した後、無電解ニッケル合金めっきを行う方法が開示されている（例えば、特許文献３参照）。

特開平５−３２５１８５号公報 特開平３−２６７３７７号公報 特開平９−３１６６５０号公報

しかし、亜鉛置換法では、めっき前処置工程に硝酸や強アルカリの亜鉛置換処置液を使用するため、アルカリ剥離タイプのレジストは全く耐性がなく、所定の箇所に部分的にめっきすることができない。

また、アルミニウムまたはアルミニウム合金上の所定の部分のみに無電解ニッケル合金めっきを施す方法としては、アルカリ剥離タイプのレジストで不要な部分をマスクして、前述したパラジウム活性の前処理を行い、無電解ニッケル合金めっきを行う方法が知られている。この場合、工程中に中性や弱アルカリ性の液が存在するが、レジストの耐性が完全ではなく、ラインが欠けるなどによりパターンの直線性が悪くなり、また、レジストの液中への溶出のためか否かは明確ではないが、レジストの周囲にめっきが析出し難くなり、不めっきと呼ばれる不良が発生し易い。

したがって、本発明は、このような従来の問題点に鑑み、パターンの直線性を改善し且つ不めっきの発生を防止することにより、めっきの外観不良を改善するとともに、めっきの密着性を確保することができる、金属−セラミックス接合基板の製造方法を提供することを目的とする。

本発明者らは、上記課題を解決するために鋭意研究した結果、セラミックス基板の少なくとも一方の面にアルミニウムまたはアルミニウム合金からなる金属板を接合して回路パターンを形成した後、 金属板の表面の所定の部分に無電解ニッケル合金めっきを施す、金属−セラミックス接合基板の製造方法において、金属板の表面全体に無電解ニッケル合金めっきを施した後に、ニッケル合金めっきが必要な部分にレジストを塗布し、酸性エッチング液によりレジストが付着していない部分のニッケル合金めっきを除去することにより、パターンの直線性を改善し且つ不めっきの発生を防止して、めっきの外観不良を改善するとともに、めっきの密着性を確保することができる、金属−セラミックス接合基板の製造方法を提供することができることを見出し、本発明を完成するに至った。

すなわち、本発明による金属−セラミックス接合基板の製造方法は、セラミックス基板の少なくとも一方の面にアルミニウムまたはアルミニウム合金からなる金属板を接合して回路パターンを形成した後、 金属板の表面の所定の部分に無電解ニッケル合金めっきを施す、金属−セラミックス接合基板の製造方法において、無電解ニッケル合金めっきを施す前に、金属板の表面全体に対して、亜鉛置換法またはパラジウム活性法による前処理を行い、無電解ニッケル合金めっきを施し、その後、所定形状のレジストをニッケル合金めっきの表面に付着させ、酸性薬液によりレジストが付着していない部分のニッケル合金めっきをエッチング除去した後、レジストを剥離することを特徴とする。

この金属−セラミックス接合基板の製造方法において、レジストがアルカリ剥離タイプまたは有機溶剤剥離タイプのレジストであり、このレジストをアルカリ溶液または有機溶剤により剥離するのが好ましい。また、セラミックス基板の主成分が、アルミナ、窒化アルミニウムまたは窒化硅素であり、アルミニウム合金が、アルミニウム−シリコン系合金、アルミニウム−マグネシウム系合金またはアルミニウム−マグネシウム−シリコン系合金であるのが好ましい。また、金属板のセラミックスへの接合が、溶湯接合法またはろう材接合法によって行われるのが好ましい。また、パラジウム活性法による前処理工程において使用する脱脂液および化学研磨液が、酸性で且つ硝酸を含まないのが好ましい。さらに、めっきの密着強度を上げるために熱処理を施すのも好ましい。

本発明によれば、セラミックス基板の少なくとも一方の面にアルミニウムまたはアルミニウム合金からなる金属板を接合して回路パターンを形成した後、 金属板の表面の所定の部分に無電解ニッケル合金めっきを施す、金属−セラミックス接合基板の製造方法において、金属板の表面全体に無電解ニッケル合金めっきを施した後に、ニッケル合金めっきが必要な部分にレジストを塗布し、酸性エッチング液によりレジストが付着していない部分のニッケル合金めっきを除去することにより、パターンの直線性を改善し且つ不めっきの発生を防止して、めっきの外観不良を改善するとともに、めっきの密着性を確保することができる、特性的にも優れた部分的にニッケルめっきが施された金属−セラミックス接合基板の製造方法を提供することができる。

本発明による金属−セラミックス接合基板の製造方法の実施の形態では、セラミックス基板として、アルミナまたはＡｌＮ、Ｓｉ_３Ｎ_４を主成分とする基板を使用し、その少なくとも一方の面にアルミニウムまたはアルミニウム合金からなる金属板を接合する。アルミナ基板は安価、ＡｌＮ基板は高熱伝導率、Ｓｉ_３Ｎ_４基板は高強度であるというように、セラミックス基板にはそれぞれ特徴があり、目的に応じて使い分けられる。また、アルミニウムまたはアルミニウム合金からなる金属板を接合するのは、耐力の小さい金属を使用し、接合時にセラミックス基板に発生する応力を小さくし、耐熱衝撃性などの信頼性の高い基板を作製するためである。

アルミニウムまたはアルミニウム合金からなる金属板のセラミックス基板への接合方法としては、例えば、アルミニウムまたはアルミニウム合金を溶かしてその溶湯中でセラミックス基板を移動させる溶湯接合法や、Ａｌ−Ｓｉ系などのろう材を用いて接合するろう接法などを利用することができる。

セラミックス基板にアルミニウムまたはアルミニウム合金からなる金属板を接合した後に回路パターンを形成するために、例えば、アルカリ剥離タイプのレジストを用いて、所定の回路パターン形状にマスキングし、その後、塩化鉄などによるエッチングにより不要な金属を溶解除去し、回路パターンを形成する方法がある。他の回路パターン形成方法として、例えば、溶湯接合の場合は、回路パターン形状の鋳型を使用することにより、接合後に既に回路パターンの形成も終了して、その後のエッチングなどのパターンニング工程が不要な場合があり、また、ろう接法の場合も、接合時に予め回路パターン形状の金属板をろう材により接合することにより、後工程としてパターンニングが不要な方法を採ることもできる。

レジストの付着は、通常、スクリーン印刷やドライフィルムによる方法などを採ることができ、レジストは紫外線や熱により硬化する。

このように回路パターン形成が終了した金属−セラミックス接合基板に対して、以下の工程により必要な部分にめっきを施す。

（１）有機溶剤剥離タイプのレジストを使用する場合
めっきマスク材として有機溶剤剥離タイプのレジストを使用し、亜鉛置換法またはパラジウム活性法により部分的に無電解ニッケル合金めっきを行い、その後、有機溶剤によりレジストを剥離する。このタイプのレジストは、強アルカリおよび強酸のいずれにも耐性が高いため、めっき工程の薬液として、有機溶剤以外は殆ど制約なく使用できる。したがって、亜鉛置換法およびパラジウム活性法のいずれの前処理方法も採ることが可能であり、無電解ニッケル合金めっき液に対しても問題ない。レジストの剥離には、有機溶剤としてトリクレンやパークレンを用いるのが一般的である。

（２）後エッチングによりニッケルめっきを部分的に剥離する場合
亜鉛置換法またはパラジウム活性法で前処理を行い、金属板の表面の全面に無電解ニッケル合金めっきを施す。その後、例えば、アルカリ除去タイプのレジストをニッケルめっきが必要な部分に付着させ、塩化鉄溶液などにより不要な部分のニッケルめっきを溶解し、最後に、アルカリ薬液として水酸化ナトリウムなどを使用してレジストを剥離する。

（３）パラジウム活性法を適用する場合
アルカリ剥離タイプのレジストを付着させ、めっきの前処理液としての脱脂液、化学研磨液、活性化液を全て酸性の液とするパラジウム活性法により、無電解ニッケル合金めっきを行った後、アルカリ薬液である水酸化ナトリウムなどを使用してレジストを剥離する。

以下、添付図面を参照して、本発明による金属−セラミックス接合基板の製造方法の実施例について詳細に説明する。

［実施例１］
図１に示すように、セラミックス基板１０として窒化アルミニウム（ＡｌＮ）基板を用意し（図１（ａ））、溶湯接合法により純アルミニウム１２をＡｌＮ基板に接合した（図１（ｂ））後、アルカリ除去タイプのレジスト１４を回路パターン形状に印刷し（図１（ｃ））、塩化鉄溶液により不要部分をエッチング除去して（図１（ｄ））、回路を形成した（図１（ｅ））。

その後、図２に示すように、はんだ付けが必要な部分などの所定の部分のみにめっきを施すため、スクリーン印刷により、溶剤剥離タイプのレジスト１６としての市販のレジスト（太陽インキ製造（株）製のＭ−８５Ｋ）をアルミニウム１２の表面に塗布した（図２（ａ））。その後、亜鉛置換法およびパラジウム活性法による前処理を行った後、それぞれ厚さ４μｍ程度の無電解Ｎｉ−Ｐめっき１８を施した（図２（ｂ））。すなわち、亜鉛置換前処理法の場合は、酸化被膜を除去した後、水洗、硝酸に浸漬、水洗、亜鉛置換、水洗、硝酸に浸漬、水洗、亜鉛置換、水洗の各工程を経て、無電解Ｎｉ−Ｐめっきを行い、その後、水洗し、乾燥した。一方、パラジウム活性前処理法の場合は、脱脂、水洗、化学研磨、水洗、パラジウム活性、水洗の各工程を経て、無電解Ｎｉ−Ｐめっきを行い、その後、水洗し、乾燥した。無電解Ｎｉ−Ｐめっき１８を施した後、トリクレンによりレジスト１６を剥離し、水洗し、乾燥して、それぞれの前処理法によるサンプルを得た（図２（ｃ））。

これらのサンプルについて、目視により外観をチェックするとともに、ワイヤボンディング性、ニッケルめっきの密着性およびを半田濡れ性を評価した。

外観については、ラインの直線性が良好である場合、ラインの一部が侵食されている場合、レジストが剥離して全面にめっきされた場合（後述する表１においてそれぞれ○、△、×で示す）に分類して評価した。その結果、本実施例では、ラインの直線性が良好であった。
ワイヤボンディング性については、超音波ワイヤボンダ（超音波工業製のＵＳＷ−２０ＺＤＥ６０Ｓ−Ｃ）により、荷重４４０ｇ、時間０．５秒および出力７．０の超音波条件で、直径０．３ｍｍのアルミニウムワイヤをニッケルめっき表面にループ状に接合させた後、そのループの頂部を引っ張り、アルミニウムワイヤが切れた時の荷重を測定した。その結果、本実施例では、全てのサンプルが５００ｇ以上の強さを有し、十分な強さであった。

ニッケルめっきの密着性は、カッターナイフで約１ｍｍの間隔で碁盤の目状に切り込みを入れ、テープ剥離試験を行うことにより、めっきが剥離しない場合、一部のめっきが剥離する場合、ほぼ全面的にめっきが剥離する場合（後述する表１においてそれぞれ○、△、×で示す）に分類して評価した。その結果、本実施例では、ニッケルめっきの剥離は見られなかった。

半田濡れ性は、フラックスを使用し、２３０℃×２０秒の共晶半田槽へのディップにより９５％以上の面積が濡れることを良好とし、それ以下を不良とした。その結果、本実施例では、半田濡れ性は良好であった。

［実施例２］
図３に示すように、セラミックス基板１０としてＡｌＮ基板およびアルミナ基板の２種類の基板を用意し、実施例１と同じ方法で回路形成までの工程を行い、実施例１と同様の亜鉛置換およびパラジウム活性の前処理により、金属の全面にそれぞれ無電解Ｎｉ−Ｐめっきを行った（図３（ａ））。その後、スクリーン印刷により、ニッケルめっきが必要な所定の部分のみにアルカリ剥離タイプのレジスト２０を塗布した（図３（ｂ））後、硝酸と硫酸の混酸により不要なニッケルめっきを除去して、下地のアルミニウムの表面を露出させ、部分的にＮｉ−Ｐめっきが施される状態にした（図３（ｃ））。その後、レジスト２０をアルカリ（ＮａＯＨ）で剥離した後、実施例１と同じ方法により、それぞれのサンプルを得た（図３（ｄ））。

これらのサンプルについて、実施例１と同様に、目視により外観をチェックするとともに、ワイヤボンディング性、ニッケルめっきの密着性およびを半田濡れ性を評価した。

その結果、外観については、ラインの直線性が良好であり、ワイヤボンディング性については、全てのサンプルが５００ｇ以上の強さを有し、十分な強さであった。また、 ニッケルめっきの密着性については、ニッケルめっきの剥離は見られず、半田濡れ性は良好であった。

［実施例３］
図４に示すように、セラミックス基板１０としてＡｌＮ基板およびアルミナ基板の２種類の基板を用意し、実施例１と同じ方法で回路形成までの工程を行った。

その後、はんだ付けが必要な部分などの所定の部分のみにめっきを施すため、スクリーン印刷により、アルカリ剥離タイプのレジスト２０としての市販のレジスト（三井化学（株）製のＭＴ−ＵＶ−５２０３）をアルミニウム１２の表面に塗布した（図４（ａ））。その後、全て酸性の薬液を使用するパラジウム活性法による前処理を行った後、無電解Ｎｉ−Ｐめっき１８を施した（図４（ｂ））。前処理工程は、実施例１のパラジウム活性と同じ工程を使用した。その後、熱処理を行い、水酸化ナトリウム３％溶液により、レジスト２０を剥離し（図４（ｃ））、中和後、水洗、乾燥を行い、それぞれのサンプルを得た。

これらのサンプルについて、実施例１と同様に、目視により外観をチェックするとともに、ワイヤボンディング性、ニッケルめっきの密着性およびを半田濡れ性を評価した。

その結果、外観については、ラインの直線性が良好であり、ワイヤボンディング性については、全てのサンプルが５００ｇ以上の強さを有し、十分な強さであった。また、 ニッケルめっきの密着性については、ニッケルめっきの剥離は見られず、半田濡れ性は良好であった。

［実施例４］
セラミックス基板１０としてＡｌＮ基板を使用し、溶湯接合法によりＡｌ−０．５％Ｓｉ合金をＡｌＮ基板に接合した以外は、実施例３と同じ方法によりサンプルを作製し、実施例１と同様の評価を行った。

その結果、外観については、ラインの直線性が良好であり、ワイヤボンディング性については、全てのサンプルが５００ｇ以上の強さを有し、十分な強さであった。また、 ニッケルめっきの密着性については、ニッケルめっきの剥離は見られず、半田濡れ性は良好であった。

［実施例５］
セラミックス基板１０としてＡｌＮ基板を使用し、Ａｌ−Ｓｉ系ろう材により純アルミニウムをＡｌＮ基板に接合した以外は、実施例３と同様の方法によりサンプルを作製し、実施例１と同様の評価を行った。

その結果、外観については、ラインの直線性が良好であり、ワイヤボンディング性については、全てのサンプルが５００ｇ以上の強さを有し、十分な強さであった。また、 ニッケルめっきの密着性については、ニッケルめっきの剥離は見られず、半田濡れ性は良好であった。

［実施例６］
セラミックス基板１０としてＡｌＮ基板を使用し、Ａｌ−Ｓｉ系ろう材によりＪＩＳ６０６１相当のＡｌ−Ｍｇ−Ｓｉ合金をＡｌＮ基板を接合した以外は、実施例３と同様の方法によりサンプルを作製し、実施例１と同様の評価を行った。

その結果、外観については、ラインの直線性が良好であり、ワイヤボンディング性については、全てのサンプルが５００ｇ以上の強さを有し、十分な強さであった。また、 ニッケルめっきの密着性については、ニッケルめっきの剥離は見られず、半田濡れ性は良好であった。

［比較例１］
亜鉛置換法の前処理を行った以外は、実施例３と同様の方法により無電解Ｎｉ−Ｐめっきを試みたが、硝酸による化学研磨工程において、レジストが全て剥離し、部分的にめっきすることができなかった。

［比較例２］
市販のアルカリ系脱脂液を使用した以外は、実施例３と同様の方法により無電解Ｎｉ−Ｐめっきを試みたが、レジストが剥離し、部分的にめっきすることができなかった。

［比較例３］
比較例２と同様のアルカリ系脱脂液を酸で中和して中性にした以外は、実施例３と同様の方法によりサンプルを作製し、実施例１と同様の評価を行った。

その結果、外観については、ラインの一部が侵食され、ワイヤボンディング性については、全てのサンプルが３００ｇ以上の強さを有するに過ぎなかった（良好な条件として４５０ｇ以上の強さが要求されるが、全てのサンプルがその強さに満たない強さであった）。また、 ニッケルめっきの密着性については、 ニッケルめっきの一部が剥離したが、半田濡れ性は良好であった。

なお、実施例１〜６および比較例１〜３についての評価結果をまとめて表１に示す。

実施例１において回路パターンを形成するまでの工程を示す断面図。 実施例１において回路パターンの形成後に金属−セラミックス接合基板を製造する工程を示す断面図。 実施例２において回路パターンの形成後に金属−セラミックス接合基板を製造する工程を示す断面図。 実施例３において回路パターンの形成後に金属−セラミックス接合基板を製造する工程を示す断面図。

符号の説明

１０ セラミックス基板
１２ アルミニウム
１４ アルカリ除去タイプのレジスト
１６ 溶剤剥離タイプのレジスト
１８ 無電解Ｎｉ−Ｐめっき
２０ アルカリ剥離タイプのレジスト

Claims (6)

1. セラミックス基板の少なくとも一方の面にアルミニウムまたはアルミニウム合金からなる金属板を接合して回路パターンを形成した後、 金属板の表面の所定の部分に無電解ニッケル合金めっきを施す、金属−セラミックス接合基板の製造方法において、無電解ニッケル合金めっきを施す前に、金属板の表面全体に対して、亜鉛置換法またはパラジウム活性法による前処理を行い、無電解ニッケル合金めっきを施し、その後、所定形状のレジストをニッケル合金めっきの表面に付着させ、酸性薬液によりレジストが付着していない部分のニッケル合金めっきをエッチング除去した後、レジストを剥離することを特徴とする、金属−セラミックス接合基板の製造方法。
2. 前記レジストがアルカリ剥離タイプまたは有機溶剤剥離タイプのレジストであり、このレジストをアルカリ溶液または有機溶剤により剥離することを特徴とする、請求項１に記載の金属−セラミックス接合基板の製造方法。
3. 前記セラミックス基板の主成分が、アルミナ、窒化アルミニウムまたは窒化硅素であることを特徴とする、請求項１または２に記載の金属−セラミックス接合基板の製造方法。
4. 前記アルミニウム合金が、アルミニウム−シリコン系合金、アルミニウム−マグネシウム系合金またはアルミニウム−マグネシウム−シリコン系合金であることを特徴とする、請求項１乃至３のいずれかに記載の金属−セラミックス接合基板の製造方法。
5. 前記金属板のセラミックス基板への接合が、溶湯接合法またはろう材接合法によって行われることを特徴とする、請求項１乃至４のいずれかに記載の金属−セラミックス接合基板の製造方法。
6. 前記パラジウム活性法による前処理工程において使用する脱脂液および化学研磨液が、酸性で且つ硝酸を含まないことを特徴とする、請求項１乃至５のいずれかに記載の金属−セラミックス接合基板の記載の製造方法。
   

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