JP2007109995A

JP2007109995A - 回路基板の実装方法

Info

Publication number: JP2007109995A
Application number: JP2005301269A
Authority: JP
Inventors: Seiji Yano; 清治矢野; Makoto Fukuda; 誠福田
Original assignee: Denki Kagaku Kogyo KK
Current assignee: Denka Co Ltd
Priority date: 2005-10-17
Filing date: 2005-10-17
Publication date: 2007-04-26

Abstract

【課題】熱履歴を繰り返し受けてもセラミックス基板やはんだにクラック発生が少ない、セラミックス回路基板の実装方法を提供する。
【解決手段】セラミックス基板とアルミニウム金属回路とが接合層を介して接合された回路基板に電子部品を実装する方法であって、アルミニウム金属回路端面の下部より１ｍｍ以上内側の金属回路面にはんだ層を形成して電子部品を実装する回路基板の実装方法であり、セラミックス基板が窒化アルミニウム基板である回路基板の実装方法であり、アルミニウム金属回路の純度が９９．９９質量％以上である回路基板の実装方法である。
【選択図】図１

Description

本発明は、セラミックス回路基板の実装方法に関する。

近年、パワーモジュールは、従来のエレベーター、ＵＰＳ、産業機械等の分野に加えて、より高い信頼性を求められる電気鉄道用途やハイブリッドカー等に使用されるようになった。特に、電気鉄道用途の場合、従来の使用電圧である１〜３ｋＶに対して、６〜９ｋＶというように、より高電圧化が進んできている。これに従い、本用途に使用されるセラミックス回路基板に関して、これに十分耐えるものが要求されている。

セラミックス回路基板において、回路又は放熱板の材質としてこれまでＣｕが主に用いられてきた（例えば、特許文献１）。しかし、高信頼性が求められる分野においては、Ｃｕを用いると、セラミックス基板やはんだとの熱膨張差に起因する熱応力の発生が避けられず、繰り返しの熱履歴によってセラミックス基板やはんだにクラックが発生し、信頼性が十分でないという課題があった。一方、アルミニウムを回路及び放熱板の材質として選定すれば、熱伝導性や電気伝導性ではややＣｕに劣るものの、熱応力を受けても容易に塑性変形するのでセラミックス基板やはんだへかかる応力が緩和され、Ｃｕを用いるよりも信頼性が改善される（例えば、特許文献２）。しかしながら、近年の更に厳しい高電圧、高信頼性が求められる用途に対しては十分ではなかった。
特開平４−２５５２９６号公報特開平９−２８６６８１号公報

本発明の目的は、熱履歴を繰り返し受けてもセラミックス基板やはんだにクラック発生が少ない、セラミックス回路基板の実装方法を提供することである。

即ち本発明は、セラミックス基板とアルミニウム金属回路とが接合層を介して接合された回路基板に電子部品を実装する方法であって、アルミニウム金属回路端面の下部より１ｍｍ以上内側の金属回路面にはんだ層を形成して電子部品を実装する回路基板の実装方法であり、セラミックス基板が窒化アルミニウム基板である回路基板の実装方法であり、アルミニウム金属回路の純度が９９．９９質量％以上である回路基板の実装方法である。

本発明によれば、熱履歴を繰り返し受けても、セラミックス基板やはんだにクラックの発生が少ない、セラミックス回路基板の実装方法が提供される。

本発明においては、熱伝導性の観点より、窒化アルミニウム基板が好ましい。また、その厚みは使用目的により異なるが、０．３〜３．０ｍｍ程度のものを必要に応じて用いることができる。

本発明においてアルミニウム金属回路およびアルミニウム金属放熱板の材質は、アルミニウムを主成分とする金属であり、純度が９９．８５質量％以上のものが好ましく、９９．９９質量％以上のものがさらに好ましい。純度が９９．９９質量％以上のものを用いると、セラミックス回路基板の信頼性をより高めることができる。また、アルミニウムと共存する元素は特に限定されないが、通常、Ｓｉ、Ｆｅ、Ｃｕ、Ｍｎ、Ｍｇ、Ｚｎ、Ｔｉ、のうち一種以上が共存する場合が多い。アルミニウム金属回路の厚みは特に限定されず、流れる電流に応じて適宜決められる。一般に、厚みが０．１〜１．０ｍｍのものが用いられることが多い。

本発明において、回路材および放熱部材として用いるアルミニウム板とセラミックス基板との接合方法は、活性金属ろう付け法が好ましい。Ｓｉ、Ｍｇ、Ｃｕ、Ａｌ、Ｇｅ、Ａｇ、Ｔｉなどの金属合金がろう材として用いられるが、本発明ではＡｌ−Ｃｕ系合金、Ａｌ合金、Ｃｕ合金、Ｍｇ合金が好ましい。ろう材は、ペースト又は箔として用いられる。ろう材は、セラミックス基板、又は、アルミニウム金属回路もしくは金属放熱板のどちらに塗布、或いは配置してもよく、合金箔を用いる場合は、予めアルミニウム板と合金箔をクラッド化しておくこともできる。

ろう材の塗布量は、乾燥基準で５〜２０ｍｇ／ｃｍ^２が好ましい。塗布量が５ｍｇ／ｃｍ^２未満では未反応の部分が生じる場合があり、一方、２０ｍｇ／ｃｍ^２を超えると、接合層を除去する時間が長くなり生産性が低下する場合がある。塗布方法は特に限定されず、スクリーン印刷法、ロールコーター法等の公知の塗布方法を採用できる。

本発明において、めっきレジストは特に限定されず、溶剤乾燥タイプインク、ＵＶ硬化タイプインク等が使用できる。塗布方法は特に限定されず、スクリーン印刷法、ロールコーター法等の公知の塗布方法を採用できる。塗布厚は、乾燥後で０．００５〜０．０７ｍｍの厚みとなるように塗布することが望ましい。厚みが０．００５ｍｍより薄いと、部分的にアルミニウムが表出してしまう場合があり、一方、０．０７ｍｍより厚いと、めっきレジストの除去に時間がかかり、生産性が低下する場合がある。

めっきレジストの除去方法は特に限定されず、例えば、エタノールやトルエンのような有機溶剤を用いて除去する方法や、アルカリ水溶液に浸浸させる方法が挙げられる。

本発明において、めっき処理は特に限定されないが、作業性、コスト等の面から、無電解ニッケルめっき、無電解ニッケル金めっき、はんだめっきが好ましいものとして挙げられる。なお、めっき層の厚みは特に限定されないが、２〜８μｍが望ましい。めっき厚が、２μｍ未満であると、はんだ濡れ性、ワイヤーボンディング特性等の実装特性に悪影響を与える場合がある。一方、めっき厚みが８μｍを超えると、めっき被膜の剥がれ等により基板特性に悪影響を及ぼす場合がある。

本発明に係るセラミックス回路基板の製造方法について例示すると、セラミックス基板に接合されたアルミニウムにエッチングレジストを塗布しエッチングする。エッチングレジストとしては、紫外線硬化型や熱硬化型のものが挙げられる。また、エッチング液としては、塩化第２鉄溶液、塩化第２銅液、硫酸、過酸化水素水等の溶液が使用できるが、好ましいものとして、塩化第２鉄溶液、或いは塩化第２銅溶液が挙げられる。

エッチングによって不要な金属部分が除去されたセラミックス回路基板には、塗布したろう材、その合金層および窒化物層等が残っているので、ハロゲン化アンモニウム水溶液、硫酸、硝酸等の無機酸、過酸化水素水を含む溶液を用いて、それらを除去するのが一般的である。

セラミックス回路基板にはんだにより半導体素子等の電子部品が実装されるが、アルミニウム金属回路端面の下部より１ｍｍ以上内側の金属回路面にはんだ層を形成して電子部品を実装することが必要である（図１）。従来、アルミニウム金属回路上部より側面部へはんだが連続的に回り込んだり（図２）、アルミニウム金属回路端面の下部より１ｍｍ未満しかはんだ層までの距離が確保されていない場合（図３）があった。この場合、熱履歴を繰り返し受けたときに生じるアルミニウム金属回路との熱膨張差に起因する熱応力が接合層とセラミックス基板界面に集中し、セラミックス回路基板の信頼性が充分に確保されない場合があった。しかし、前述のように、アルミニウム金属回路端面の下部より１ｍｍ以上内側の金属回路面はんだ層を形成することで、熱履歴を繰り返し受けたときに生じるアルミニウム金属回路との熱膨張差に起因する熱応力の発生を低減することができ、セラミックス回路基板の信頼性を飛躍的に高めることが可能となった。

本発明に係るはんだの種類は特に限定されず、鉛フリーはんだに加えて、通常のスズ−鉛系共晶はんだを用いることも可能である。はんだ付け方法は、アルミニウム金属回路端面の下部より１ｍｍ以上内側の金属回路面にはんだ層を形成するようにすれば特に限定されないが、例えば、はんだペーストをスクリーン印刷法等で所定の部分に塗布し、部品等を搭載し、はんだが溶融する所定の温度の炉内に入れることではんだ実装される。

鉛フリーはんだは、特に限定されるものではなく、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ系、Ｓｎ−Ｃｕ系、Ｓｎ−Ｚｎ系、Ｓｎ−Ｂｉ系、Ｓｎ−Ａｇ系、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ−Ｂｉ系、Ｓｎ−Ａｇ−Ｉｎ−Ｂｉ系、Ｓｎ−Ｓｂ系等、公知の組成のものが使用できる。使用方法は、フラックスを添加してペースト状にした鉛フリーはんだペーストを塗布後、リフローして使用する方法が一般的である。

厚み０．６３５ｍｍの市販の窒化アルミニウム基板（電気化学工業社製、商品名「デンカＡＮプレート」）に、回路形成用、並びに、反対側に放熱板用の厚さ０．４ｍｍのアルミニウム板（１０８５材、純度９９．８５％）を、接合材（Ａｌ−Ｍｇ−Ｃｕ系合金）を介してセットした。これを、クッション材としてカーボンコンポジット板(厚さ２mm)に挟んで、ホットプレス装置により、窒化アルミニウム基板に垂直方向に均等に５ＭＰａで加圧しながらＮ₂中で５５０〜６２０℃に加熱し、所定温度に達した時点で２０分保持して接合した。この接合体のアルミニウム板上に、エッチングレジストインク（太陽インキ製造社製商品名「ＰＥＲ−２７Ｂ−６」）を用い、スクリーン印刷法でエッチングレジストパターンを印刷して、塩化鉄水溶液を用いてエッチングを行い、アルミニウム金属回路を形成した。エッチング後、エッチングレジストを剥離した。次に、めっき厚みが５μｍとなるように無電解ニッケルめっきを行った。

このセラミックス回路基板に、はんだ用マスキングテープ（千住金属工業社製商品名「エコマスキングテープタイプＥ−３００」）をアルミニウム回路端面の下部より１ｍｍ内側となるように貼り付け、はんだペースト（千住金属工業社製ソルダーペースト「Ｍ７０５−ＰＬＧ−３２−１１」）を用いて半導体素子をはんだ付けし、はんだ付け終了後マスキングテープを取り外した。

（実施例２、比較例１〜３）
はんだ用マスキングテープをアルミニウム回路端面の下部より１．５ｍｍ内側に貼り付けたこと（実施例２）、はんだ用マスキングテープをアルミニウム回路端面の下部より０．９ｍｍおよび０．５ｍｍ内側に貼り付けたこと（比較例１、２）、はんだ用マスキングテープを取り付けずにはんだ付けを行ったこと（比較例３）以外は、実施例１と同様にして、半導体素子を実装したアルミニウム回路基板を作製した。

回路形成用及び放熱板用のアルミニウム板の材質として、１Ｎ９９（純度：９９．９９％）を用いたこと以外は実施例１と同様に、半導体素子を実装したアルミニウム回路基板を作製した。

作製したそれぞれのアルミニウム金属回路基板について、耐ヒートショック性試験を行った。結果を表１に示す。

〈耐ヒートショック性試験方法〉
−４０℃（１０分間）→＋１２５℃（１０分間）を１サイクルとし、アルミニウム回路基板を各１００枚ずつ試験に供し、ヒートショック試験を行い、アルミニウム板と窒化アルミニウム基板との界面の剥離の有無を評価した。超音波探査装置（日立建機社製商品名「ＡＴ−７０００」を用いてセラミック基板に剥離があるかどうか観察した。

本発明の回路基板の一実施の形態を示す説明図。従来の回路基板の一実施の形態を示す説明図。従来の回路基板の一実施の形態を示す説明図。

符号の説明

１金属放熱板
２接合層
３セラミックス基板
４アルミニウム金属回路
５はんだ層
６半導体素子

Claims

セラミックス基板とアルミニウム金属回路とが接合層を介して接合された回路基板に電子部品を実装する方法であって、アルミニウム金属回路端面の下部より１ｍｍ以上内側の金属回路面にはんだ層を形成して電子部品を実装することを特徴とする回路基板の実装方法。
セラミックス基板が窒化アルミニウム基板であることを特徴とする請求項１記載の回路基板の実装方法。
アルミニウム金属回路の純度が９９．９９質量％以上であることを特徴とする請求項１または２記載の回路基板の実装方法。