JP4750325B2 - 回路基板の部分メッキ方法 - Google Patents

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【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LHと最小長さLLによって評価した(寸法精度=±max(LH,LL))。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
2 Al回路
3 Al放熱板
4 Ni−Pメッキ

Claims (2)

  1. セラミックス基板のアルカリ剥離型メッキレジスト塗布る面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。
  2. 前記アルカリ系の薬液、NaCO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。
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