JP3871472B2 - はんだ付け用Ｎｉ部材、電気部品と放熱部品の製造方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体素子等をはんだ付けするセラミックス回路基板、ＩＣパッケージ等の電気部品に関するものであり、特に前記電気部品に接触して用いられる金属−セラミックス複合材等からなる放熱部品とその製法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、半導体素子を搭載するための回路基板として、セラミックス回路基板や樹脂回路基板等の種々の絶縁性回路基板が用いられているが、近年、回路基板の小型化、半導体素子の高集積化が進むに従い、これらの回路基板における絶縁材料の放熱特性の一層の向上が望まれている。前記セラミックス基板材料としては、ベリリア（ＢｅＯ）を添加した炭化珪素（ＳｉＣ）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、窒化珪素（Ｓｉ₃Ｎ₄）等が公知である。
【０００３】
セラミックスを回路基板やパッケージ用基体等として用いる場合、半導体素子からの発生熱を回路基板裏面等に設けられる放熱部品を介して外部に発散させて、半導体素子の動作特性を確保している。前記放熱部品材料としては、Ｃｕ、Ｍｏ／Ｗ、最近では、炭化珪素、窒化アルミニウム、酸化アルミニウム、窒化珪素等の多孔質セラミックスの空隙部にアルミニウム、銅等の金属や合金を含浸し複合一体化した金属−セラミックス複合体などが用いられる。
【０００４】
回路基板の放熱部品への接合は、通常、はんだ付けにより行われるので、回路基板及び放熱部品のはんだ付けする表面には、はんだ濡れ性の良好なＮｉめっき膜を形成することが行われている。
【０００５】
はんだとしてはフラックス入りのものが多く用いられてきたが、近年、フラックスを用いない（いわゆる、フラックスレスの）はんだをリフロー炉により接合する方法が作業上、環境上好ましいことから、採用されるようになってきている。
【０００６】
しかし、フラックスレスはんだの場合、Ｎｉめっき表面の酸化などにより、はんだ濡れ不良が発生し、接合不良を起こすという問題がある。また、濡れ性が良好な場合においては、フィレットとよばれるはんだ側面形状が斜めに形成されるが、濡れ広がりが悪い場合には、前記フィレットの形状がいびつになり、これが原因して接合後に熱疲労を受けて、クラックが発生する問題もある。
【０００７】
表面が酸化しにくいＮｉ膜を得る方法として、電気めっきによる方法があるが、後述する無電解めっき法に比べて、コストが掛かること、部材の形状や面積によって所定膜厚を得るために、条件をその都度設定する必要があり、またエッジ部の電流集中による膜厚分布の不均一が発生したり、めっき工程のスループットが無電解めっきに比べ悪いという製造上の問題点がある。
【０００８】
一方、無電解めっき法でＮｉ膜を得る方法では、コスト的には優位に得ることが出来るものの、Ｎｉめっき表面が酸化し易く、はんだ濡れ不良を生じやすいという問題があり、例えば、次亜リン酸ナトリウムなどを還元剤の存在下で形成した無電解Ｎｉ−Ｐめっき膜を採用すること、或いは、ジメチルアミンボランなどを還元剤とする無電解Ｎｉ−Ｂめっきを形成する方法が試みられている。
【０００９】
尚、無電解めっきにより得られるＮｉ膜は、その膜厚が薄いと、ピンホールが残り、耐食性の観点で問題であるので、通常５μｍから１０μｍとする必要があるが、Ｎｉ−ＢはＮｉ−Ｐに比べコストが高いために、Ｎｉ−Ｐを下地としてＮｉ−Ｂをその上にめっきする場合が多い。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
即ち、電気めっき法によるＮｉ膜は、一般的にはんだ濡れ性が良好であるもののコスト的に満足できるものではないし、無電解めっき法によるものでははんだ濡れ性が劣り、接合不良を発生することがあり、高安定で、信頼性の高いはんだ接合が達成可能なＮｉ材が、特に電気部品とその放熱部品の分野で切望されている。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであって、その目的は、無電解めっきのプロセス上の特徴を生かし、電気メッキ法のＮｉと同等以上にはんだ濡れ性に優れたＮｉ材を提供すること、特に、半導体を搭載する回路基板に適用して高い信頼性のはんだ接合が確保できる放熱部品を提供することにある。
【００１２】
即ち、本発明は、Ｂを含有し、Ｘ線回折によるＮｉ（１１１）の半価幅が１．０度以下のクラックの無い表面を有することを特徴とするはんだ付け用Ｎｉ材である。
【００１３】
また、本発明は、前記はんだ付け用Ｎｉ材を用いたことを特徴とする電気部品であり、放熱部品である。
【００１４】
更に、本発明は、基板上にＢを含有するＮｉを無電解めっきし、非酸化性雰囲気中で熱処理することを特徴とするはんだ付け用Ｎｉ材の製造方法であり、金属−セラミックス複合体上にＢを含有するＮｉを無電解めっきし、非酸化性雰囲気中で熱処理することを特徴とする放熱部品の製造方法である。
【００１５】
【発明の実施の形態】
はんだ付けが良好に行われるためには、溶融状態にあるはんだが母材に対して濡れ性がよいことが重要である。溶融したはんだが母材に濡れ広がる１つの機構として、界面における金属原子の相互拡散、合金層形成があげられるが、それらを妨げる要因の１つにＮｉ表面の酸化がある。
【００１６】
Ｎｉ表面の酸化状態を知ることについては、ＸＰＳによるＮｉ₂Ｏ₃とＮｉの強度比をとることにより定量が可能である（表面技術；Ｖｏｌ．４４、Ｎｏ．１１、１９９３）。はんだ濡れ性に違いのある電気めっき法のＮｉと無電解めっき法のＮｉとを比較すると、めっき直後においてはその値に違いは認められないが、経時的に無電解Ｎｉの方が大きくなる傾向があり、特にＰを含有するＮｉ−Ｐにおいて顕著に認められる。
【００１７】
本発明者らは、この原因について検討し、ＢやＰを含有する無電解めっきで得られたＮｉは、電気めっきで得られたものほどに結晶性が良くないためにはんだ濡れ性に劣っていること、また、酸化の進行速度の相違がＮｉの結晶性の違いによるものであること、そして、はんだ濡れ性が不良である前記ＢやＰを含有する無電解めっき法で得られるＮｉを、非酸化性雰囲気中で加熱処理し、特定な値以上にまで結晶性を高めることにより、はんだ濡れ性を大幅に改良できるということを見出し、本発明に至ったものである。
【００１８】
即ち、本発明のＮｉ材は、Ｂを含有するＮｉ材であり、しかもＸ線回折による（１１１）の半値幅が１．０度以下である面を有することを特徴とする。即ち、はんだ接合に用いる面が、（１１１）の半値幅が１．０度を超える程度に結晶性が悪い面ばかりのＮｉ材では、本発明の目的を達成できない。
【００１９】
電気めっき法のＮｉと無電解めっき法のＮｉの両者について、後述する方法により、Ｘ線回折測定した。Ｎｉは面心立方構造の結晶構造を有しており、通常は（１１１）と（２００）の配向を持っている。電気Ｎｉめっき膜の各回折ピークの半価幅が小さいの対し、無電解ＮｉＢめっきの各回折ピークの半価幅が大きく、電気めっきの方が結晶性が良好である。そして、結晶性が良好であるほど、表面の酸化は進行しにくく、結果として、はんだ濡れ性が高いレベルで維持されると推察される。
【００２０】
また、一般に、固体表面に液滴を置くと、固体と液体の性質によってある形状になるが、この場合、液体と固体が接する点における液体表面と固体−液体界面とのなす角を接触角と呼び、濡れ性を表す尺度にされている。Ｙｏｕｎｇ及びＤｕｐｒｅの式から、接触角が小さいほど、そして母材（固体）の表面エネルギーが大きいほど、二相間の界面を引き離して、二つの新しい表面をつくるのに必要は仕事（付着仕事）が大きくなり、結果的にはんだが濡れ広がる。母材の表面エネルギーについては、結晶の配向により異なり、面心立方構造をもつＮｉの場合には、（１１１）の方が（２００）よりも表面エネルギーが大きいので、（１１１）の配向がはんだ濡れ性に重要な影響を与える。以上の通りに、結晶性もさることながら、配向性も重要であり、（１１１）の配向性が大きいほど好ましい。
【００２１】
また、本発明において、Ｎｉ材がＢを含有する理由については、次の通りである。無電解Ｎｉめっきについては、前述したように次亜リン酸ナトリウムなどを還元剤とするＮｉ−Ｐめっきや、ジメチルアミンボランなどを還元剤とするＮｉ−Ｂがあり、両者とも熱処理により結晶性の向上を図ることができるが、Ｎｉ−Ｐめっきの結晶性はＮｉ−Ｂめっきの結晶性より悪く、本発明の結晶性が高いＮｉ材をえる素材としてはＮｉ−Ｂの方がより好ましいからである。
【００２２】
尚、本発明において、めっき膜厚については特に限定する特段の理由はないが、あまりに薄いと光沢が出ない、ピンホールが残り、耐食性が充分でない等の問題が生じる恐れがあるので、５μｍ以上とすることが好ましい。
【００２３】
本発明のＮｉ材を得る方法としては、まず、従来公知の無電解めっき法によりＢを含有するＮｉ材を準備し、これを非酸化雰囲気中で熱処理するだけで得ることができる。
【００２４】
熱処理時の雰囲気は、表面にＮｉ酸化膜の形成を抑制することを目的としているので、例えば、真空中、水素、窒素、アルゴン、ヘリウム等を選択すればよいが、これらのうちで、水素を選択すれば、表面の酸化膜を還元する効果もあるので、より好ましい。
【００２５】
熱処理時の温度は２５０℃から３００℃が好ましい。２５０℃未満の温度では結晶化が十分になされず、３００℃を超える温度では、結晶化は速やかに進むものの、Ｎｉ表面にマイクロクラックが発生し、はんだ濡れ広がりを物理的に抑制する場合がある。
【００２６】
熱処理中の前記温度領域での保持時間については、１５分から１時間程度で十分であるが、さらに長くしても特に問題はない。
【００２７】
＜Ｘ線回折測定方法＞
本発明におけるＸ線回折測定方法は、例えば、ＭＸＰ−１８型Ｘ線回折装置（マックスサイエンス社製）を用い、Ｘ線源としてＣｕ陰極を用い、印加電圧５０ｋＶ、印加電流３００ｍＡで得られるＣｕＫα線（λ＝０．１５４ｎｍ）を線源とする。走査はＦＴ法で、入射角を２度と固定し、２θスキャンし、平行光学系で行う。測定範囲は３０〜６０度を０．０２度ステップで測定時間を５秒／ステップとする。また、フィラメントコイルの断面方向からＸ線を取り出すポイント光源を採用する。
【００２８】
上記で得られたチャートから次の手順で結晶性の評価をする。まず、測定データに対し、半価幅＝１度（５０点スムージング）にてスムージング処理を行い、Ｎｉ（１１１）及び（２００）の両回折ピークが得られるように、２θ＝４１．５度、５１．５度付近にピークトップを設定して多重ピーク分離処理をする。その際、Ｋα１とＫα２のピーク分離は行わない。そのピークについて半価幅（ＦＷＨＭ）の測定を行い、結晶性の指標とする。
【００２９】
＜はんだ濡れ性試験＞
はんだは、フラックスレスＰｂ−Ｓｎ共晶はんだ（千住金属工業製）で、１０ｍｍ×２０ｍｍ×１．５ｍｍの板状に加工したものを用いる。はんだリフローは、ワーク上に前記板状のはんだを載せ、ガラスチューブオーブン（柴田科学製）により、真空引き後に水素１００％で置換した雰囲気中で、２００℃２０分＋２６０℃１５分加熱後、室温まで冷却し、その状態での接合界面における接触面積の初期接触面積に対する増加分をはんだ濡れ広がり率（％）とする。
【００３０】
【実施例】
以下、実施例と比較例に基づいて、本発明を更に詳細に説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。
【００３１】
〔実施例１〜６、比較例１〜４〕
金属−セラッミクス複合体として、焼結して得られた炭化珪素質多孔体にアルミニウム合金の溶湯を流し込み、高圧でプレスして炭化珪素質多孔体に合金を含浸させたＡｌ−ＳｉＣを用いた。最終的に２０ｍｍ×４０ｍｍ×３ｍｍの板状に加工された前記複合体に、無電解Ｎｉ−Ｐ及び無電解Ｎｉ−Ｂめっきを行った。実施例１、２、４、５及び比較例２〜４では、まず無電解Ｎｉ−Ｐめっきを５μｍ形成し、水洗後、乾燥させることなく無電解Ｎｉ−Ｂめっきを２μｍ行った。実施例３、６及び比較例１では、Ｎｉ−ＰまたはＮｉ−Ｂを単層で表１に示す膜厚で無電解めっきを行った。なお、めっきの膜厚は蛍光Ｘ線膜厚計（セイコーインスツルメンツ製）を用いて測定した。
【００３２】
無電解Ｎｉ−Ｐめっき及び無電解Ｎｉ−Ｂめっきについては、めっき液を奥野製薬製めっき液（Ｎｉ−Ｐ；トップニコロンＺ、Ｎｉ−Ｂ；トップケミアロイＢ−１）を用いて行い、めっき温度はＮｉ−Ｐを８５℃、Ｎｉ−Ｂを６５℃とした。
【００３３】
また、前記のめっきを施した金属−セラミックス複合体について、乾燥後、ガラスチューブオーブン（柴田科学製）により表１に示す各種条件により熱処理をを行った。
【００３４】
【表１】

【００３５】
実施例１から実施例６、及び比較例１から比較例４までのＸ線回折による半価幅（ＦＷＨＭ）及びはんだ濡れ試験によるはんだ濡れ広がり率の結果を表１に示した。熱処理温度の上昇に伴い、半値幅（ＦＷＨＭ）が減少して、結晶化が進んでいることがわかる。濡れ広がり率は概ね３０〜４０％であり、はんだ側面にヒケを生じている等の異常も認められなかった。Ｎｉ−Ｂのみを５μｍの実施例３において、２層めっきしたものとの有意差も認められず、また、熱処理雰囲気が窒素である実施例５においても水素中加熱のものとの有意差は認められない。
【００３６】
Ｎｉ−Ｐめっきのみをした比較例１では、熱処理後のＦＷＨＭが実施例１〜６に比較して大きく、はんだ濡れ広がり率も小さい。Ｎｉ−Ｂのみを２μｍめっきした実施例６では、薄膜由来の表面非光沢及びピンホールが認められたが、結晶性向上及びはんだ濡れ性は良好であった。比較的低温で熱処理した比較例３では、熱処理しない比較例２に比べ、結晶性の向上がややみられるものの、はんだ濡れ性の改善までには至っていない。熱処理温度の高い比較例４においては、熱処理後のＮｉ−Ｂ表面にマイクロクラックが観察され、著しい結晶性の向上がみられるものの、はんだ濡れ広がり率は小さい。
【００３７】
尚、比較例１から比較例４において、実施例１から実施例６でみられなかったはんだ側面のヒケが全てにおいて部分的に認められた。これは実際に基板などをはんだ接合する際のフィレット形状に悪影響を与え、熱衝撃を受けたとき応力集中によるクラックの原因となるので好ましくない。
【００３８】
【発明の効果】
本発明のはんだ付け用Ｎｉ部材は、はんだ付けする表面のＮｉが結晶性に優れ、耐酸化性にも優れているので、はんだ濡れ性が極めて優れている。本発明のＮｉ材を用いた電気部品、更に電気用途等で用いられる放熱部品は、前記Ｎｉ材の特徴故に高信頼性のはんだ接合が可能であり、産業上大いに有用である。
【００３９】
本発明によれば、基材に安価で再現性に優れる無電解めっき法を使用して、熱処理するのみで、前記のはんだ付け特性に優れるＮｉ材を確実に得ることができるという効果を有するし、セラミックス基板等にはんだ接合されるＡｌ−ＳｉＣ等の金属−セラミックス複合体を安価に多量に提供できる。

Claims (5)

1. 基板上に無電解Ｎｉ−Ｂめっきを施し、非酸化性雰囲気で、熱処理温度が２５０℃から３００℃、保持時間が１５分から１時間程度の条件で熱処理することを特徴とするはんだ付け用Ｎｉ材の製造方法。
2. 金属−セラミックス複合体上に、無電解Ｎｉ−Ｂめっきを施し、非酸化性雰囲気で、熱処理温度が２５０℃から３００℃、保持時間が１５分から１時間程度の条件で熱処理することを特徴とする放熱部品の製造方法。
3. 請求項１に記載された製造方法によって得られる、Ｂを含有し、しかもＸ線回折によるＮｉ（１１１）の半価幅が１．０度以下のクラックの無い表面を有するはんだ付け用Ｎｉ材。
4. 請求項３記載のＮｉ材を用いることを特徴とする電気部品。
5. 放熱部品として用いられることを特徴とする請求項４記載の電気部品。