JP4750325B2

JP4750325B2 - 回路基板の部分メッキ方法

Info

Publication number: JP4750325B2
Application number: JP2001242171A
Authority: JP
Inventors: 佳孝谷口; 信行吉野; 好彦辻村
Original assignee: Denki Kagaku Kogyo KK
Current assignee: Denka Co Ltd
Priority date: 2001-08-09
Filing date: 2001-08-09
Publication date: 2011-08-17
Anticipated expiration: 2021-08-09
Also published as: JP2003060129A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、パワーモジュール等に使用される回路基板及び回路基板の部分メッキ方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、パワーモジュール等の組み立てには、アルミナ、ベリリア、窒化ケイ素、窒化アルミニウム等のセラミックス基板の表面に回路、裏面に放熱板が形成された回路基板が用いられている。このような回路基板は、樹脂基板又は樹脂基板と金属基板との複合基板よりも高絶縁性であることが特長である。
【０００３】
回路及び放熱板の材質が、Ｃｕ又はＣｕ合金よりもＡｌ又はＡｌ合金とすることの利点は、Ｃｕ又はＣｕ合金では、セラミックス基板や半田との熱膨張差に起因する熱応力の発生が避けられないので、長期的な信頼性が不十分であるのに対し、Ａｌ又はＡｌ合金は、熱伝導性や電気伝導性ではＣｕ又はＣｕ合金よりもやや劣るが、熱応力を受けても容易に塑性変形するので、応力が緩和され、信頼性が飛躍的に向上するからである。
【０００４】
この場合、Ａｌ回路基板とＳｉ素子、ベース板の間は、一般的に使用されるＳｎ−Ｐｂ系の半田や、Ｓｎ−Ａｇ系などのＰｂフリー半田を用いて接合するため、Ａｌ表面にはＮｉメッキを施す必要がある。また、Ｃｕ回路基板においても酸化防止、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メッキが施される。回路面にＳｉ素子などを半田付けする場合には、半田の濡れ性を良好にするため、フラックスが用いられるが、半田付けの際にワイヤボンディング領域に半田が飛散する不具合が生じる。従って、ワイヤボンディング領域を確保するため、テープなどによるマスキングを行う場合があり、コストアップの要因となっている。そこで、一般的に使用されるＳｎ−Ｐｂ半田がＡｌ面には濡れない特性を活かして、半田付けする部分のみにメッキを施す部分メッキの手法が開発されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
Ａｌ回路の部分メッキを行う場合には、一般的に、メッキを施さない部分にあらかじめマスキングをする方法が用いられる。マスキングの方法には、テープなどを貼るテープレジストや、印刷機を用いてメッキレジストを塗布する方法がある。しかしながら、テープレジストを場合には、テープの端部が剥がれやすいため、メッキの寸法精度が低下する。同様に、メッキレジストを用いた場合においても、メッキの前処理においてＡｌ表面がエッチングされるため、メッキレジストの端部が剥がれ、メッキの寸法精度が低下する。そのため、Ｓｉ素子を半田付けする際に位置ずれや、半田同士のくっつきによる半田厚みのばらつきが生じるなどの問題が発生する。
【０００６】
メッキレジストには溶剤剥離型とアルカリ剥離型の２つがある。溶剤剥離型のメッキレジストを用いた場合には、メッキの際に一般的にＡｌとＮｉメッキの密着性が確保されるアルカリ系の前処理を行うことができる。しかし、溶剤剥離型のメッキレジストを使用する方法は、メッキ後にレジストを剥離する際、トルエンやトリクレンなどの有機溶媒を使用しなければならないため、廃液処理や環境問題の点から使用することは好ましくない。一方、廃液処理が容易であるアルカリ剥離型のメッキレジストの場合には、メッキを施す際の処理液が酸性系の処理になってしまうため、一般にアルカリ系のメッキ処理と比較して、Ａｌ面とメッキの密着性が低下する。従って、Ｓｉ素子などの半田付けの際や、ヒートサイクルなどの熱衝撃により生じる熱応力によってメッキの剥離が生じてしまう問題があった。
【０００７】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであり、その目的は、廃液処理の容易なアルカリ剥離型のメッキレジストを用いて、Ａｌ製又はＡｌ合金製のＡｌ回路及び／又は放熱板とＮｉ−Ｐメッキとの密着性を格段に高め、更にメッキの寸法精度を向上した高信頼性回路基板を提供することである。
【０００８】
本発明の目的は、アルカリ剥離型メッキレジストを部分的に塗布した後、Ｎｉ−Ｐメッキを施し、次いで該メッキレジストをＮａＣＯ₃、ＮａＯＨなどのアルカリ系の薬液により剥離することによって達成することができる。好適には、メッキレジストを塗布する前に、メッキレジスト塗布面の酸化膜をあらかじめ除去することである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
すなわち、本発明は、以下のとおりである。
（請求項１）セラミックス基板の一方の面に回路、他方の面に放熱板が接合されてなるものであって、回路及び放熱板がＡｌ製又はＡｌ合金製であり、Ａｌ回路にＮｉ−Ｐの部分メッキが施され、メッキの密着強度が５０Ｎ／ｃｍ以上であり、かつ部分メッキの寸法精度が±０．３ｍｍ以下であることを特徴とする回路基板。
（請求項２）セラミックス基板に形成されたＡｌ製又はＡｌ合金製の金属回路及び／又は金属放熱板に、アルカリ剥離型メッキレジストを部分的に塗布した後、Ｎｉ−Ｐメッキを施し、次いで該メッキレジストをＮａＣＯ₃、ＮａＯＨなどのアルカリ系の薬液により剥離することを特徴とする回路基板の部分メッキ方法。
（請求項３）アルカリ剥離型メッキレジストが塗布される面が、あらかじめ酸化膜除去処理が行われていることを特徴とする請求項２記載の回路基板の部分メッキ方法。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、更に詳しく本発明について説明する。
【００１１】
本発明の特徴は、廃液処理の容易なアルカリ剥離型のメッキレジスト塗布してからＮｉ−Ｐメッキを施して、Ａｌ製又はＡｌ合金製のＡｌ回路及び／又は放熱板（以下、これらを「Ａｌ回路等」ともいう。）と、Ｎｉ−Ｐメッキとの密着性を高め、かつメッキの寸法精度を向上させたことである。好ましくは、メッキレジストを塗布する前に、メッキレジスト塗布面の酸化膜をあらかじめ除去したことである。
【００１２】
従来、Ａｌ回路等のメッキについては、Ｎｉと半田中のＳｎとの反応性を向上させるために、純度の高い電気Ｎｉメッキを用いていた。しかしながらこの方法は、金属回路及び金属放熱板に電極を付けなければならないため、ファインパターンに用いることはできず、また取り扱いが煩雑なため、高コストであるという問題があった。
【００１３】
そこで、今日では、安価で、ファインパターンに適用可能な、無電解Ｎｉ−Ｐメッキを用いる場合が多い。一般にＡｌの無電解Ｎｉ−Ｐメッキの方法としては、Ｚｎ置換の手法を用いたジンケート処理によって行われる。ジンケート処理としては、アルカリ系の処理液を用いる場合と、酸性系の処理液を用いる２種類がある。
【００１４】
Ａｌ回路等とＮｉ−Ｐメッキの密着性は、このジンケート処理におけるＺｎの置換面積に影響され、置換面積が大きいほど、メッキの密着性は高くなる。このＺｎの置換面積を大きくとるためには、ジンケート処理前に行うＡｌ回路等の表面のエッチング処理において、表面酸化膜を除去する必要がある。酸性系のエッチング処理液を用いた場合、Ａｌ回路等との反応性が低いため、Ａｌ回路等の表面の酸化膜を十分に除去することができず、その後のジンケート処理において、Ｚｎの置換面積を大きくとることができない。その結果、メッキの密着性が損なわれ、Ｓｉ素子などの半田付けの際や、ヒートサイクルなどの熱衝撃により生じる熱応力によってメッキの剥離が生じてしまう。そこで、本発明では、Ａｌ回路等の面に部分メッキを施すに際し、Ａｌ回路等とＮｉ−Ｐメッキとの密着性を確保するため、溶剤剥離型のメッキレジストを用い、アルカリ系の薬液により剥離処理される。Ａｌ回路等とメッキの密着力としては、５０Ｎ／ｃｍが好ましく、さらに好ましくは６０Ｎ／ｃｍである。
【００１５】
溶剤剥離型のメッキレジストを用いた場合には、メッキ後に行うメッキレジスト剥離の際に、トルエンやトリクレンといった有機溶剤を使用しなければならず、廃液処理や環境の問題点からコスト高となり、本発明の目的を達成することができない。
【００１６】
一方、メッキレジストを用いた場合、従来、アルカリ系、酸性系のメッキ前処理に関わらず、Ａｌ回路等の表面の酸化膜がエッチングされる。この場合、メッキレジスト端部とＡｌ回路等の界面においてＡｌがエッチングされるので、メッキレジストとＡｌ回路等との密着性が損なわれ、メッキレジストが剥がれ、メッキの寸法精度が低下する。メッキの寸法精度が低下すると、部分メッキ部同士の距離が十分に取れないため、半田付け時に半田がブリッジを起こし、片方へ流れ込むことによる半田厚みのばらつきが生じるようになる。この半田厚みのばらつきは、モジュールにおける信頼性（熱抵抗、半田クラックなど）に大きな影響を及ぼす。従って、この対策としては、回路基板を十分大きくし、メッキレジストが多少剥がれても、十分なマスキング長さを確保する方法があるが、回路基板自体が大きくなってコスト高になる。
【００１７】
本発明が施した好適な手法は、メッキレジストを塗布する前にＡｌ回路等の表面の酸化物を除去したことであり、酸性系の処理液を用いたＮｉ−ＰメッキにおいてもＡｌ回路等とメッキの密着性を格段に高め、アルカリ剥離型のメッキレジストの使用を可能としたことである。更に、メッキレジスト塗布後の、Ａｌ回路等の表面の酸化物除去を省略することで、メッキレジストの剥離を抑制し、メッキの寸法精度を向上させたことである。メッキの寸法精度としては、±０．３ｍｍ以下が好ましく、さらに好ましくは、±０．２ｍｍ以下である。
【００１８】
本発明で使用されるセラミックス基板としては、窒化アルミニウム又は窒化ケイ素であり、高信頼性および高絶縁性を得ることができる。また、セラミックス基板の厚みは、通常０．６３５ｍｍであるが、０．３〜０．５ｍｍ程度の薄物でも良い。しかし、高電圧下での絶縁耐圧を著しく高めたいときは、１〜３ｍｍの厚物を用いることが好ましい。
【００１９】
また、本発明で使用される回路及び放熱板の材質は、Ａｌ又はＡｌ合金（以下、両者を「Ａｌ等」という。）であり、Ｃｕと比較して降伏応力が小さく、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ものである。従って、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、高い信頼性が得られる。
【００２０】
更に、回路及び放熱板の硬度が信頼性に与える影響は大きい。回路のビッカース硬度が２５０ＭＰａ以下が好ましく、それよりも大きいと、熱応力による塑性変形が不均一となり、部分的な変形が大きくなって、メッキやボンディングワイヤの剥離が生じる恐れがある。硬度は、小さい程好ましいが、あまり軟らかいと傷つきやすいので、好ましくは１８０〜２２０ＭＰａである。一方、放熱板のビッカース硬度は、３００〜４６０ＭＰａが好ましく、４６０ＭＰａ超であると塑性変形が困難になって、セラミックス基板、半田共にクラックが発生しやすくなる。また、３００ＭＰａ未満では塑性変形が容易となるので、繰り返しの熱履歴を受けると大きな変形が生じ、これまた半田クラックが発生しやすくなる。特に好ましい放熱板のビッカース硬度は３５０〜４３０ＭＰａである。
【００２１】
本発明における硬度は、回路及び放熱板の硬度であり、接合前のＡｌ等の硬度とは異なる。Ａｌ等は、通常、接合材を用い、５００〜６４０℃で加熱してセラミックス基板と接合されるため、熱処理を受けて微構造が変化し、また接合材が拡散してＡｌ等純度も低下する。さらには、接合後に熱処理をすることも行われており、それによってＡｌ等特性が変化する。これらの理由から、接合前のＡｌ等の硬度を厳格に規定してもあまり意味がない。
【００２２】
Ａｌ等硬度の調整方法には、材料を選択する方法と熱処理条件で調節する方法がある。材料については、接合後のＡｌ等は高純度ほど軟らかくなるため、純度を選択すればよい。通常、純Ａｌとして市販されているものは、通常９９．０〜９９．９９９％でかなり幅があり、硬度に大きな差がある。すなわち、９９．５％以下のＡｌは接合後のビッカース硬度を２５０ＭＰａ以下とするのは困難であり、９９．９％以上のＡｌは接合後に３００ＭＰａ以上とするのは難しい。従って、本発明においては、回路にはＡｌ合金でも可能であるが、高純度のＡｌ材を、また放熱板には比較的低純度のＡｌ等を使用することが好ましい。Ａｌ合金の一例を挙げれば、ＡＡ記号で３００３を始めとするＡｌ−Ｍｎ系合金や、５０５２を始めとするＡｌ−Ｍｇ系合金などである。
【００２３】
回路の厚みは、電気的、熱的特性の面から０．４〜０．５ｍｍであることが好ましい。一方、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する。具体的には、０．１〜０．４ｍｍであることが好ましい。
【００２４】
本発明の回路基板の製造方法について説明する。
【００２５】
セラミックス基板に回路及び放熱板を形成させるには、それらのパターンを接合するか、Ａｌ等の板を接合してからエッチングするか、又はその両方を併用する。いずれにしてもセラミックス基板と回路及び放熱板とを接合する必要がある。接合方法には、溶湯法のように接合材を使用しない方法もあるが、本発明ではＡｌ−Ｃｕ−Ｍｇ系合金箔を用いて接合することが好ましい。接合材は、これに限るものではなく、Ａｌ−Ｓｉ系、Ａｌ−Ｇｅ系、あるいはこれらにＭｇを加えた系も使用することができる。
【００２６】
接合材の厚みは、種類にもよるが、１０〜５０μｍが一般的である。厚みが１０μｍ未満では、接合が困難となり、５０μｍ超であると、合金成分がＡｌ等に拡散し硬い部分が多くなるので、熱履歴を受けた際に信頼性が低下する原因となる。好ましい接合材の厚みは、１５〜３５μｍである。接合材は、セラミックス基板側、Ａｌ等側のどちらに配置しても良い。
【００２７】
本発明において、セラミックス基板の両面に上記合金箔を介してＡｌ等の板、パターン又はその両方を配置し、それをセラミックス基板と垂直方向に１〜１０ＭＰａ、特に４〜８ＭＰａ（単位はあっているか）の圧力をかけることが好ましい。加圧は、積層体に重しを載せる、治具等を用いて機械的に挟み込む等によって行うことができる。
【００２８】
セラミックス基板と回路及び放熱板の接合温度は、５８０〜６４５℃にて行い、窒素の雰囲気下もしくは真空中で行われる。ついで、接合体は必要に応じてエッチングされる。
【００２９】
本発明においては、部分メッキ用のメッキレジストを塗布する前に、Ａｌ回路等の表面処理を行うことが好ましい。表面処理は、Ａｌ表面の酸化膜を除去することであり、これによって、その後に行う酸性系のジンケート処理において、Ｚｎの置換面積を大きくし、ＡｌとＮｉ−Ｐメッキとの密着性を高めることができる。表面処理液としては、アルカリ系のエッチング液が好ましい。酸性系のエッチング液では、Ａｌとの反応性が低いために、十分に酸化膜を除去することができない。
【００３０】
表面処理の施こされた面にアルカリ剥離型のメッキレジストを塗布する。メッキレジストの膜厚は、２０〜４０μｍが好ましい。膜厚が２０μｍ未満の場合には、メッキ処理の工程で、レジストの剥離が生じる。膜厚が４０μｍを超えた場合には、メッキレジストの直線性が損なわれる。
【００３１】
メッキは無電解のＮｉ−Ｐメッキを行う。メッキの前処理はすべて酸性系の処理液を用いる。メッキの厚みは２〜７μｍが好ましい。２μｍ未満では、Ｎｉの十分な結晶性が得られないため、半田濡れ性が低下する。７μｍを超える場合には、Ｎｉメッキ膜の応力が大きくなり、回路基板の信頼性を損なう。より好ましくは４〜６μｍである。
【００３２】
メッキ後のメッキレジストの剥離には、アルカリ系の薬液を用いる必要がある。薬液としては、トルエン、トリクレンなどの有機溶媒と比較して、廃液処理が安価にできるＮａＣＯ₃、ＮａＯＨなどが用いられる。
【００３３】
【実施例】
以下、実施例と比較例をあげて更に具体的に本発明を説明する。
【００３４】
実施例１〜４、参考例１、２、比較例１〜４
用いた窒化アルミニウム基板及び窒化ケイ素基板は市販品で、いずれも大きさ２インチ角で、レーザーフラッシュ法による熱伝導率が窒化アルミニウム１７５Ｗ／ｍＫ、窒化ケイ素７２Ｗ／ｍＫ、３点曲げ強度は窒化アルミニウムが４２０ＭＰａ、窒化ケイ素が７８０ＭＰａである。Ａｌ板は、回路形成用及び放熱板用のそれぞれについて、表１に示す各厚みのものを用いた。
【００３５】
セラミックス基板の表裏面に、表１に示すＡｌ板と接合材を重ね、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。
【００３６】
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。回路面、放熱面のパターンは、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。次いで、エッチングレジストを剥離した。
【００３７】
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（上村工業社製商品名「ＡＺ−１０２」）を用いて、Ａｌ表面の酸化物除去を行った（実施例１〜４、比較例４）。エッチング剤は、炭酸塩、ＮａＯＨを主成分とするアルカリ系のエッチング液を使用した。
【００３８】
Ａｌ回路等の面に市販のアルカリ剥離型のメッキレジスト（太陽インキ社製商品名「ＭＡ−８３０」）を塗布した。比較例４では、市販の溶剤剥離型レジストを塗布した。
【００３９】
メッキレジストの塗布されたＡｌ回路に、前処理を行ってから無電解Ｎｉ−Ｐメッキを５μｍ施した後、ＮａＣＯ₃溶液又はアンモニア水を用いてメッキレジストの剥離を行い、図１に示される回路基板を作製した。
【００４０】
得られた回路基板について、顕微鏡を用いてメッキの寸法を測定し、メッキの寸法精度をメッキ端部における最大長さＬ_Hと最小長さＬ_Lによって評価した（寸法精度＝±max（Ｌ_H，Ｌ_L））。測定方法を図２に、測定結果を表１に示す。
【００４１】
メッキの密着強度は、幅３ｍｍの銅板をメッキ面に半田付けした後、銅板の端を引っ張り、メッキが剥離したときの引っ張り荷重から算出した。それらの結果を表１に示す。
【００４２】
【表１】

【００４３】
表１から明らかなように、本発明の実施例は、いずれもメッキの寸法精度及び密着強度が高く、半田付け時やヒートサイクル後のメッキの剥離は生じなかった。これに対して、比較例では、メッキの密着強度が小さいか（比較例１〜３）、メッキの寸法精度が低い（比較例４）ものであったので、半田付け時やヒートサイクル後にメッキの剥離が生じる恐れが大であり、高信頼性回路基板としては、不十分なものであった。
【００４４】
【発明の効果】
本発明によれば、Ａｌ回路等の面とＮｉ−Ｐメッキとの密着性及びメッキの寸法精度が著しく高められた高信頼性の部分メッキ回路基板が提供される。
【図面の簡単な説明】
【図１】回路基板の説明図。
【図２】メッキの寸法精度測定方法の説明図。
【符号の説明】
１セラミックス基板
２Ａｌ回路
３Ａｌ放熱板
４Ｎｉ−Ｐメッキ

Claims

セラミックス基板のアルカリ剥離型メッキレジストを塗布する面を、前記アルカリ剥離型メッキレジストの塗布前に、アルカリ系エッチング液により酸化膜除去処理し、前記セラミックス基板に形成したＡｌ製又はＡｌ合金製の金属回路及び金属放熱板の両方又はどちらか一方に、前記アルカリ剥離型メッキレジストを部分的に塗布した後、Ｎｉ−Ｐメッキを施し、次いで該アルカリ剥離型メッキレジストをアルカリ系の薬液により剥離することを特徴とする回路基板の部分メッキ方法。
前記アルカリ系の薬液は、ＮａＣＯ_３溶液、ＮａＯＨ溶液又はアンモニア水であることを特徴とする請求項１記載の回路基板の部分メッキ方法。