JP2012244131A - パワーモジュール用基板及びその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】良好な放熱特性を有するとともに、はんだ濡れ性を向上させることができるパワーモジュール用基板及びその製造方法を提供する。
【解決手段】セラミックス基板２に金属層６および金属層７を積層するとともに、金属層６上に無電解ニッケルメッキ層６１を形成した後、その無電解ニッケルメッキ層６１を厚さが０．５μｍ以上２．０μｍ以下、算術平均粗さが０．１μｍ以上０．４μｍ以下となるように研磨してメッキ層６０を形成する。
【選択図】 図１
【解決手段】セラミックス基板２に金属層６および金属層７を積層するとともに、金属層６上に無電解ニッケルメッキ層６１を形成した後、その無電解ニッケルメッキ層６１を厚さが０．５μｍ以上２．０μｍ以下、算術平均粗さが０．１μｍ以上０．４μｍ以下となるように研磨してメッキ層６０を形成する。
【選択図】 図１
Description
本発明は、大電流、高電圧を制御する半導体装置に用いられるパワーモジュール用基板及びその製造方法に関する。
従来のパワーモジュールとして、セラミックス基板の一方の面に、回路層となるアルミニウム等の金属層が積層され、この回路層の上に半導体チップ等の電子部品がはんだ付けされるとともに、セラミックス基板の他方の面に放熱層となる金属層が形成され、この金属層にヒートシンクが接合された構成のものが知られている。
この種のパワーモジュールに用いられるパワーモジュール用基板においては、はんだ濡れ性向上のために、回路層の表面にニッケルメッキが施されたものが知られている。
例えば、特許文献１から特許文献３記載のパワーモジュール用基板においては、金属層の表面に無電解ニッケルメッキ又は電解ニッケルメッキを施している。また、特許文献４記載のパワーモジュール用基板では、回路層となるアルミニウム金属層上に、そのアルミニウム金属層と密着性の高い無電解ニッケルメッキを施し、その上にさらに電解ニッケルメッキを重ねてメッキ層を形成している。
例えば、特許文献１から特許文献３記載のパワーモジュール用基板においては、金属層の表面に無電解ニッケルメッキ又は電解ニッケルメッキを施している。また、特許文献４記載のパワーモジュール用基板では、回路層となるアルミニウム金属層上に、そのアルミニウム金属層と密着性の高い無電解ニッケルメッキを施し、その上にさらに電解ニッケルメッキを重ねてメッキ層を形成している。
しかしながら、前述の特許文献１から特許文献４に提案されているように、金属層に無電解ニッケルメッキを形成した場合、金属層との密着性は高いが、はんだ付け時に生じる金属層とメッキ層との熱膨張差によって、メッキ層に割れ（クラック）が発生することがある。そして、メッキ層内にクラックがあると、冷熱サイクル時にそのクラックを起点にして、はんだにもクラックが生じ、熱抵抗の上昇を招くという問題がある。
この場合、メッキ層を薄くすることで、はんだ付け時のクラックを防止することができると考えられるが、一方で、メッキ層を薄くすると、メッキ層内にピンホールが残り、はんだ付け時にボイドが発生し、そのボイドが起点となって冷熱サイクル時にはんだにクラックが発生するおそれがある。
この場合、メッキ層を薄くすることで、はんだ付け時のクラックを防止することができると考えられるが、一方で、メッキ層を薄くすると、メッキ層内にピンホールが残り、はんだ付け時にボイドが発生し、そのボイドが起点となって冷熱サイクル時にはんだにクラックが発生するおそれがある。
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、金属層との密着性及びはんだ濡れ性が良いとともに、はんだ付け時のクラック等の発生を確実に防止することができ、良好な放熱特性を有するパワーモジュール用基板及びその製造方法を提供する。
本発明のパワーモジュール用基板の製造方法は、セラミックス基板に金属層を積層するとともに、前記金属層上に無電解ニッケルメッキ層を形成した後に、前記無電解ニッケルメッキ層を厚さが０．５μｍ以上２．０μｍ以下、算術平均粗さが０．１μｍ以上０．４μｍ以下となるように研磨することを特徴とする。
無電解ニッケルメッキ層を薄く形成すると、そのメッキ層内にピンホールが生じやすいため、一度、無電解ニッケルメッキ層を厚く形成し（例えば５μｍ以上の厚さ）、その後、研磨して平滑化することで、ピンホールのないメッキ層を形成することができる。これにより、ピンホールに起因するはんだ付け時のボイド発生を抑制することができる。また、メッキ層を薄く形成することで、熱膨張差によって生じるメッキ層の割れを防止することができる。さらに、メッキ層の表面は平滑化されており、良好なはんだ濡れ性を有する。
無電解ニッケルメッキ層を薄く形成すると、そのメッキ層内にピンホールが生じやすいため、一度、無電解ニッケルメッキ層を厚く形成し（例えば５μｍ以上の厚さ）、その後、研磨して平滑化することで、ピンホールのないメッキ層を形成することができる。これにより、ピンホールに起因するはんだ付け時のボイド発生を抑制することができる。また、メッキ層を薄く形成することで、熱膨張差によって生じるメッキ層の割れを防止することができる。さらに、メッキ層の表面は平滑化されており、良好なはんだ濡れ性を有する。
本発明のパワーモジュール用基板の製造方法は、セラミックス基板に金属層を積層するとともに、前記金属層上に無電解ニッケルメッキ層を形成した後に、前記無電解ニッケルメッキ層を厚さが０．５μｍ以上２．０μｍ以下となるように研磨し、前記無電解ニッケルメッキ層上に算術平均粗さが０．１μｍ以上０．４μｍ以下となるように電解ニッケルメッキ層を形成することを特徴とする。
一度、無電解ニッケルメッキ層を厚く形成し、その後、研磨して平滑化することで、ピンホールに起因するはんだ付け時のボイド発生を抑制し、熱膨張差によって生じるメッキ層の割れを防止することができる。そして、電解ニッケルメッキ層の算術平均粗さ（Ｒａ）を０．１μｍ以上０．４μｍ以下に平滑化して形成しているので、良好なはんだ濡れ性を得ることができる。また、電解ニッケルメッキ層は、無電解ニッケルメッキ層よりも柔らかく、はんだ付け時に熱膨張差によって生じるメッキ層の割れを確実に防止することができる。
一度、無電解ニッケルメッキ層を厚く形成し、その後、研磨して平滑化することで、ピンホールに起因するはんだ付け時のボイド発生を抑制し、熱膨張差によって生じるメッキ層の割れを防止することができる。そして、電解ニッケルメッキ層の算術平均粗さ（Ｒａ）を０．１μｍ以上０．４μｍ以下に平滑化して形成しているので、良好なはんだ濡れ性を得ることができる。また、電解ニッケルメッキ層は、無電解ニッケルメッキ層よりも柔らかく、はんだ付け時に熱膨張差によって生じるメッキ層の割れを確実に防止することができる。
本発明のパワーモジュール用基板の製造方法は、セラミックス基板に金属層を積層するとともに、前記金属層の表面を算術平均粗さが０．１μｍ以上０．２μｍ以下に形成しておき、前記金属層の表面に、厚さが０．５μｍ以上２．０μｍ以下、算術平均粗さが０．１μｍ以上０．４μｍ以下となるように無電解ニッケルメッキ層を形成することを特徴とする。
予め下地となる金属層の表面を平滑化しておくことで、無電解ニッケルメッキ層を薄く形成した場合でも、メッキ層内にピンホールが生じにくく、また、メッキ層の表面を平坦に形成することができる。
予め下地となる金属層の表面を平滑化しておくことで、無電解ニッケルメッキ層を薄く形成した場合でも、メッキ層内にピンホールが生じにくく、また、メッキ層の表面を平坦に形成することができる。
本発明のパワーモジュール用基板の製造方法は、セラミックス基板に金属層を積層するとともに、前記金属層の表面を、算術平均粗さが０．１μｍ以上０．２μｍ以下に形成しておき、前記金属層の表面に、厚さが０．５μｍ以上２．０μｍ以下となるように無電解ニッケルメッキ層を形成し、前記無電解ニッケルメッキ層上に算術平均粗さが０．１μｍ以上０．４μｍ以下となるように電解ニッケルメッキ層を形成することを特徴とする。
電解ニッケルメッキ層の算術平均粗さ（Ｒａ）を０．１μｍ以上０．４μｍ以下に平滑化して形成しているので、良好なはんだ濡れ性を得ることができる。また、電解ニッケルメッキ層は、無電解ニッケルメッキ層よりも柔らかく、はんだ付け時に熱膨張によって生じるメッキ層の割れを確実に防止することができる。
電解ニッケルメッキ層の算術平均粗さ（Ｒａ）を０．１μｍ以上０．４μｍ以下に平滑化して形成しているので、良好なはんだ濡れ性を得ることができる。また、電解ニッケルメッキ層は、無電解ニッケルメッキ層よりも柔らかく、はんだ付け時に熱膨張によって生じるメッキ層の割れを確実に防止することができる。
本発明のパワーモジュール用基板は、セラミックス基板に金属層が積層されるとともに、前記金属層の表面にメッキ層が形成されてなるパワーモジュール用基板であって、前記メッキ層は、厚さが０．５μｍ以上２．０μｍ以下の無電解ニッケルメッキ層からなり、前記無電解メッキ層の算術平均粗さは０．１μｍ以上０．４μｍ以下とされていることを特徴とする。
金属層との密着性の高い無電解ニッケルメッキ層を、厚さの薄い０．５μｍ以上２．０μｍ以下に設けることで、はんだ付け時の熱膨張係数差によって生じるメッキ層の割れ（クラック）を防止することができ、冷熱サイクル時において、はんだへのクラック発生を防止することができる。また、メッキ層の算術平均粗さ（Ｒａ）を０．１μｍ以上０．４μｍ以下にしていることにより、良好なはんだ濡れ性を得ることができる。
また、本発明のパワーモジュール用基板は、セラミックス基板に金属層が積層されるとともに、前記金属層の表面にメッキ層が形成されてなるパワーモジュール用基板であって、前記メッキ層は、厚さが０．５μｍ以上２．０μｍ以下の無電解ニッケルメッキ層及び前記無電解ニッケルメッキ層上に形成された電解ニッケルメッキ層からなり、前記電解ニッケルメッキ層の算術平均粗さは０．１μｍ以上０．４μｍ以下とされていることを特徴とする。
電解ニッケルメッキ層の算術平均粗さ（Ｒａ）を０．１μｍ以上０．４μｍ以下に平滑化して形成しているので、良好なはんだ濡れ性を得ることができる。また、電解ニッケルメッキ層は、無電解ニッケルメッキ層よりも柔らかく、はんだ付け時に熱膨張差によって生じるメッキ層の割れを確実に防止することができる。
なお、冷熱サイクルの耐久性の観点から、電解ニッケルメッキ層の厚さは４μｍ以下に形成されているのが望ましい。
なお、冷熱サイクルの耐久性の観点から、電解ニッケルメッキ層の厚さは４μｍ以下に形成されているのが望ましい。
本発明によれば、金属層との密着性及びはんだ濡れ性が良く、はんだ付け時のクラック等の発生を確実に防止することができるので、良好な放熱特性を有することができる。
以下、本発明の実施形態を、図面を参照しながら説明する。
図１は、本発明の第１実施形態のパワーモジュール基板を用いたパワーモジュールを示している。この図１のパワーモジュール１００は、セラミックス基板２を有するパワーモジュール用基板３と、パワーモジュール用基板３の表面に搭載された半導体チップ等の電子部品４と、パワーモジュール用基板３の裏面に接合されたヒートシンク５とから構成される。
図１は、本発明の第１実施形態のパワーモジュール基板を用いたパワーモジュールを示している。この図１のパワーモジュール１００は、セラミックス基板２を有するパワーモジュール用基板３と、パワーモジュール用基板３の表面に搭載された半導体チップ等の電子部品４と、パワーモジュール用基板３の裏面に接合されたヒートシンク５とから構成される。
パワーモジュール用基板３は、セラミックス基板２の両面に金属層６，７が積層されており、その一方の金属層６が回路層となり、その表面に電子部品４が接合される。また、他方の金属層７は放熱層とされ、その表面にヒートシンク５が取り付けられる。
セラミックス基板２は、例えば、ＡｌＮ（窒化アルミニウム）、Ｓｉ３Ｎ４（窒化珪素）等の窒化物系セラミックス、もしくはＡｌ２Ｏ３（アルミナ）等の酸化物系セラミックスにより形成される。
両金属層６，７は、いずれも純度９９．９０質量％以上のアルミニウムが用いられ、ＪＩＳ規格では、１Ｎ９０（純度９９．９０質量％以上：いわゆる３Ｎアルミニウム）又は１Ｎ９９（純度９９．９９質量％以上：いわゆる４Ｎアルミニウム）を用いることができる。なお、金属層６，７には、アルミニウムの他、Ｃｕを用いることもできる。
両金属層６，７は、いずれも純度９９．９０質量％以上のアルミニウムが用いられ、ＪＩＳ規格では、１Ｎ９０（純度９９．９０質量％以上：いわゆる３Ｎアルミニウム）又は１Ｎ９９（純度９９．９９質量％以上：いわゆる４Ｎアルミニウム）を用いることができる。なお、金属層６，７には、アルミニウムの他、Ｃｕを用いることもできる。
セラミックス基板２及び両金属層６，７の平面状の大きさや厚さについての個々の寸法は特に限定されるものではないが、両金属層６，７の一辺が約５０ｍｍの略正方形に形成され、セラミックス基板２は、両金属層６，７より若干大きい矩形に形成される。また、セラミックス基板２の厚さは例えば６３５μｍ、両金属層６，７の厚さは６００μｍとされる。
また、両金属層６，７は、それぞれプレス加工により所望の外形に打ち抜いたものをセラミックス基板２に接合するか、あるいは、平板状のものをセラミックス基板２に接合した後に、エッチング加工により所望の外形に形成するか、いずれの方法も採用することができる。
また、両金属層６，７は、それぞれプレス加工により所望の外形に打ち抜いたものをセラミックス基板２に接合するか、あるいは、平板状のものをセラミックス基板２に接合した後に、エッチング加工により所望の外形に形成するか、いずれの方法も採用することができる。
両金属層６，７のうち、回路層である金属層６には所望の回路パターンが形成されており、その表面にはメッキ層６０が形成されている。このメッキ層６０は、Ｎｉ‐１〜３質量％Ｐや、Ｎｉ‐０．５質量％Ｂ等の無電解ニッケルメッキ層により、厚さが０．５μｍ以上２．０μｍ、算術平均粗さ（Ｒａ）が０．１μｍ以上０．４μｍ以下となるように形成されている。
また、セラミックス基板２と回路層及び放熱層となる金属層６，７とは、Ａｌ‐Ｓｉ系、Ａｌ‐Ｇｅ系、Ａｌ‐Ｃｕ系、Ａｌ‐Ｍｇ系またはＡｌ‐Ｍｎ系等のろう材によりろう付けされている。
なお、セラミックス基板２と金属層６，７とは、拡散接合（Ｔｒａｎｓｉｅｎｔ Ｌｉｑｕｉｄ Ｐｈａｓｅ Ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ Ｂｏｎｄｉｎｇ）によって接合してもよい。その接合方法について簡単に説明すると、金属層にスパッタリングによってＣｕ又はＡｇを含有する固着層を形成した後、その固着層をセラミックス基板に接触させた状態で積層し、この積層体を加圧、加熱することにより、Ｃｕ又はＡｇが金属層に拡散して金属層の固着層近傍の融点を低下させ、セラミックス基板と金属層との界面に溶融金属層を形成する。さらに、拡散が進むと、溶融金属層のＣｕ又はＡｇ濃度が低下して融点が上昇することにより凝固して、セラミックス基板と金属層とが接合される。
なお、セラミックス基板２と金属層６，７とは、拡散接合（Ｔｒａｎｓｉｅｎｔ Ｌｉｑｕｉｄ Ｐｈａｓｅ Ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ Ｂｏｎｄｉｎｇ）によって接合してもよい。その接合方法について簡単に説明すると、金属層にスパッタリングによってＣｕ又はＡｇを含有する固着層を形成した後、その固着層をセラミックス基板に接触させた状態で積層し、この積層体を加圧、加熱することにより、Ｃｕ又はＡｇが金属層に拡散して金属層の固着層近傍の融点を低下させ、セラミックス基板と金属層との界面に溶融金属層を形成する。さらに、拡散が進むと、溶融金属層のＣｕ又はＡｇ濃度が低下して融点が上昇することにより凝固して、セラミックス基板と金属層とが接合される。
金属層６と電子部品４との接合には、Ｓｎ‐Ｃｕ系，Ｓｎ‐Ａｇ系，Ｓｎ‐Ａｇ‐Ｃｕ系，Ｚｎ‐Ａｌ系もしくはＰｂ‐Ｓｎ系等のはんだ材が用いられる。図中符号８がそのはんだ接合層を示す。また、電子部品４と金属層６の端子部との間は、アルミニウム等からなるボンディングワイヤ（図示略）により接続される。
次に、このような構成のパワーモジュール用基板３の製造方法について説明する。
まず、セラミックス基板２の両面にろう材箔を介して回路層及び放熱層となる両金属層６，７を積層し、これら積層体を積層方向に加圧した状態で加熱し、ろう材箔を溶融させることによって両金属層６，７をそれぞれセラミックス基板２に接合する。そして、この回路層となる金属層６の表面に、無電解ニッケルメッキを施して、メッキ層６０を形成する。
まず、セラミックス基板２の両面にろう材箔を介して回路層及び放熱層となる両金属層６，７を積層し、これら積層体を積層方向に加圧した状態で加熱し、ろう材箔を溶融させることによって両金属層６，７をそれぞれセラミックス基板２に接合する。そして、この回路層となる金属層６の表面に、無電解ニッケルメッキを施して、メッキ層６０を形成する。
本実施形態においては、メッキ層６０は、この最終形態のメッキ層６０より肉厚に形成した無電解ニッケルメッキ層６１を研磨することによって形成される。具体的には、図２（ａ）に示すように、回路層となる金属層６の表面上に、５μｍ以上の厚さで無電解ニッケルメッキ層６１を形成する。その後、この無電解ニッケルメッキ層６１を、例えば硫酸濃度７５％、電流密度１．４Ａ／ｃｍ２、研磨時間２０ｓｅｃ、温度４０℃で電解研磨することにより、厚さを０．５μｍ以上２．０μｍ以下、算術平均粗さ（Ｒａ）を０．１μｍ以上０．４μｍ以下に仕上げることにより、メッキ層６０とする（図２（ｂ））。
このように、メッキ層６０を、金属層６との密着性の高い無電解ニッケルメッキ層により形成し、厚さの薄い０．５μｍ以上２．０μｍ以下に設けることで、はんだ付け時の熱膨張差によって生じるメッキ層６０の割れ（クラック）を防止することができる。これにより、冷熱サイクル時において、はんだへのクラック発生を防止することができる。また、メッキ層６０の算術平均粗さ（Ｒａ）を０．１μｍ以上０．４μｍ以下にして形成することにより、良好なはんだ濡れ性を得ることができる。
また、無電解ニッケルメッキ層は薄いとピンホールが生じ易いが、５μｍ以上の厚さに形成した場合はピンホールの発生を抑制することができる。本実施形態では、一度、無電解ニッケルメッキ層を５μｍ以上に厚く形成した後に、電解研磨して平滑化することで、ピンホールがなく、厚さの薄いメッキ層６０を形成することができる。これにより、ピンホールに起因するはんだ付け時のボイド発生を抑制することができる。
したがって、金属層６との密着性及びはんだ濡れ性が良く、はんだ付け時のクラック等の発生を確実に防止することができるメッキ層６０を形成することができるので、良好な放熱特性を有するパワーモジュール用基板を構成することができる。
したがって、金属層６との密着性及びはんだ濡れ性が良く、はんだ付け時のクラック等の発生を確実に防止することができるメッキ層６０を形成することができるので、良好な放熱特性を有するパワーモジュール用基板を構成することができる。
次に、本発明の第２実施形態を説明する。この第２実施形態では、最終形態は第１実施形態の図１及び図２（ｂ）と同様であるので、これらの図及びこれらの図に使用した符号を用いて説明する。
回路層である金属層６の表面を電解研磨、機械研磨（バフ研磨等）、ブラスト研磨、化学研磨等により研磨し、予め算術平均粗さ（Ｒａ）を０．１μｍ以上０．２μｍ以下に形成して、平滑化しておき、この平滑化した金属層６の表面に、厚さが０．５μｍ以上２．０μｍ以下の無電解ニッケルメッキ層６０（メッキ層）を形成する。なお、化学研磨には、５０℃の５％水酸化ナトリウム溶液や、５０℃の１０％リン酸溶液、又は７０℃の４％リン酸−６％硫酸溶液等の研磨液が利用できる。
金属層６の表面を平滑化しておくことで、無電解ニッケルメッキ層６０を厚さが２．０μｍ以下に薄く形成した場合でも、メッキ層内にピンホールが生じることなく、金属層６の表面に密着させて形成することができるとともに、メッキ層の表面を平坦に形成することができるので、良好なはんだ濡れ性を得ることができる。
回路層である金属層６の表面を電解研磨、機械研磨（バフ研磨等）、ブラスト研磨、化学研磨等により研磨し、予め算術平均粗さ（Ｒａ）を０．１μｍ以上０．２μｍ以下に形成して、平滑化しておき、この平滑化した金属層６の表面に、厚さが０．５μｍ以上２．０μｍ以下の無電解ニッケルメッキ層６０（メッキ層）を形成する。なお、化学研磨には、５０℃の５％水酸化ナトリウム溶液や、５０℃の１０％リン酸溶液、又は７０℃の４％リン酸−６％硫酸溶液等の研磨液が利用できる。
金属層６の表面を平滑化しておくことで、無電解ニッケルメッキ層６０を厚さが２．０μｍ以下に薄く形成した場合でも、メッキ層内にピンホールが生じることなく、金属層６の表面に密着させて形成することができるとともに、メッキ層の表面を平坦に形成することができるので、良好なはんだ濡れ性を得ることができる。
次に、本発明の第３実施形態を説明する。図３に示すとおり、この第３実施形態のパワーモジュール用基板においては、メッキ層７０は、無電解ニッケルメッキ層７１と、電解ニッケルメッキ層７２との二層構造とされている。すなわち、前述した第１実施形態及び第２実施形態に示すいずれかの方法で、金属層６の表面に厚さ０．５μｍ以上２．０μｍ以下で、無電解ニッケルメッキ層７１を形成した後に、その無電解ニッケルメッキ層７１上に算術平均粗さが０．１μｍ以上０．４μｍ以下となる電解ニッケルメッキ層７２を重ねることによりメッキ層７０を形成する。この場合、冷熱サイクルの耐久性の観点から、電解ニッケルメッキ層７２の厚さは、４．０μｍ以下に形成されていることが望ましく、１．０μｍ以上あるとよい。
この場合、電解ニッケルメッキ層７２の表面を算術平均粗さ（Ｒａ）が０．１μｍ以上０．２μｍ以下になるように平坦に形成することによって、良好なはんだ濡れ性を得ることができる。また、電解ニッケルメッキ層７２は、無電解ニッケルメッキ層７１よりも柔らかく、はんだ付け時に熱膨張差によって生じるメッキ層７０の割れを確実に防止することができる。
この場合、電解ニッケルメッキ層７２の表面を算術平均粗さ（Ｒａ）が０．１μｍ以上０．２μｍ以下になるように平坦に形成することによって、良好なはんだ濡れ性を得ることができる。また、電解ニッケルメッキ層７２は、無電解ニッケルメッキ層７１よりも柔らかく、はんだ付け時に熱膨張差によって生じるメッキ層７０の割れを確実に防止することができる。
次に、本発明の効果確認のために、アルミニウム製の金属層にメッキ層を形成した試料１〜２３を表１及び表２に示す条件で作成し、これらの「メッキ密着性」、「はんだ濡れ性」、「冷熱サイクル時の耐久性」をそれぞれ評価した。なお、本実施形態における算術平均粗さ（Ｒａ）は、光波干渉式表面粗さ測定器によって測定した。また、メッキ層の厚さは、蛍光Ｘ線膜厚計および電解式膜厚計によって測定した。
表１は、金属層に研磨処理を施さずに、メッキ層を形成した試料の評価結果を示し、表２は、金属層の表面を予め研磨した後に、メッキ層を形成した試料の評価結果を示す。
なお、無電解ニッケルメッキ層の上に、電解ニッケルメッキ層を重ねて形成した場合のみ、表１及び表２に電解ニッケルメッキ層の厚さｔ２を記載し、電解ニッケルメッキ層を形成しなかったものについては「‐」を記載した。
また、試料１〜１０は、無電解ニッケルメッキ層を５．０μｍの厚さで形成した後に、電解研磨して厚さｔ１に形成したものである。試料１１は、無電解ニッケルメッキ層を研磨することなく、初めから厚さｔ１で形成したものである。また、試料１２は、無電解ニッケルメッキ層を設けずに、直接、電解ニッケルメッキ層を厚さｔ２で形成したものである。
メッキ層の厚さｔ１，ｔ１とｔ２の総厚Ｔは、蛍光Ｘ線膜厚計により測定した。また、電解ニッケルメッキ層の厚さｔ２については、電解式膜厚計を用いて測定し、その時の無電解ニッケルメッキ層の厚さｔ１を、ｔ１＝Ｔ−ｔ２により求めた。そして、これらの測定は、膜厚計の視野中（１０×１５μｍ）で５点の厚さを測定して行い、その平均値を表１及び表２に記載した。
「メッキ添加物」の欄に、「Ｐ」が記載されている試料については、無電解ニッケルメッキ層としてＮｉ‐３質量％Ｐを用い、「Ｂ」が記載されている試料については、Ｎｉ‐０．５質量％Ｂを用いた。
表１は、金属層に研磨処理を施さずに、メッキ層を形成した試料の評価結果を示し、表２は、金属層の表面を予め研磨した後に、メッキ層を形成した試料の評価結果を示す。
なお、無電解ニッケルメッキ層の上に、電解ニッケルメッキ層を重ねて形成した場合のみ、表１及び表２に電解ニッケルメッキ層の厚さｔ２を記載し、電解ニッケルメッキ層を形成しなかったものについては「‐」を記載した。
また、試料１〜１０は、無電解ニッケルメッキ層を５．０μｍの厚さで形成した後に、電解研磨して厚さｔ１に形成したものである。試料１１は、無電解ニッケルメッキ層を研磨することなく、初めから厚さｔ１で形成したものである。また、試料１２は、無電解ニッケルメッキ層を設けずに、直接、電解ニッケルメッキ層を厚さｔ２で形成したものである。
メッキ層の厚さｔ１，ｔ１とｔ２の総厚Ｔは、蛍光Ｘ線膜厚計により測定した。また、電解ニッケルメッキ層の厚さｔ２については、電解式膜厚計を用いて測定し、その時の無電解ニッケルメッキ層の厚さｔ１を、ｔ１＝Ｔ−ｔ２により求めた。そして、これらの測定は、膜厚計の視野中（１０×１５μｍ）で５点の厚さを測定して行い、その平均値を表１及び表２に記載した。
「メッキ添加物」の欄に、「Ｐ」が記載されている試料については、無電解ニッケルメッキ層としてＮｉ‐３質量％Ｐを用い、「Ｂ」が記載されている試料については、Ｎｉ‐０．５質量％Ｂを用いた。
（メッキの密着性評価）
メッキ層の密着性評価は、碁盤目付着試験（一辺１ｍｍの１０×１０の升目状の切り目をカッターナイフで膜につけ、１８ｍｍ幅の粘着テープを貼り付けて剥がしたとき、剥がれずに残った升目の数で表す）で評価した。無電解ニッケルメッキ層のみを形成した試料については、無電解ニッケルメッキ層と金属層との密着性を評価した。また、無電解ニッケルメッキ層上に電解ニッケルメッキ層を形成した試料については、電解ニッケルメッキ層と無電解ニッケルメッキ層との密着性を評価した。
粘着テープで升目が剥がされることなく、残った升目の数が１００であったものを「○」、殆ど剥がされることなく、残った升目の数が９９〜９５だったものを「△」、残った升目の数が９４以下で升目の剥がれが多く発生したものを「×」として評価した。
メッキ層の密着性評価は、碁盤目付着試験（一辺１ｍｍの１０×１０の升目状の切り目をカッターナイフで膜につけ、１８ｍｍ幅の粘着テープを貼り付けて剥がしたとき、剥がれずに残った升目の数で表す）で評価した。無電解ニッケルメッキ層のみを形成した試料については、無電解ニッケルメッキ層と金属層との密着性を評価した。また、無電解ニッケルメッキ層上に電解ニッケルメッキ層を形成した試料については、電解ニッケルメッキ層と無電解ニッケルメッキ層との密着性を評価した。
粘着テープで升目が剥がされることなく、残った升目の数が１００であったものを「○」、殆ど剥がされることなく、残った升目の数が９９〜９５だったものを「△」、残った升目の数が９４以下で升目の剥がれが多く発生したものを「×」として評価した。
（はんだ濡れ性評価）
はんだの濡れ性は、図４（ａ）に示すように、各試料１〜２３の無電解ニッケルメッキ層６０又は電解ニッケルメッキ層７２の表面にはんだボール８０を形成し、これを溶融して同図（ｂ）に示すように濡れ拡がったときの濡れ拡がり率を下記に示す計算式（１）により評価した。符号Ｄは、濡れ拡がる前の形状を球とみなした場合のはんだボール８０の直径、符号Ｈは、図４（ｂ）に示す濡れ拡がり状態における高さを示す。
はんだの濡れ性は、図４（ａ）に示すように、各試料１〜２３の無電解ニッケルメッキ層６０又は電解ニッケルメッキ層７２の表面にはんだボール８０を形成し、これを溶融して同図（ｂ）に示すように濡れ拡がったときの濡れ拡がり率を下記に示す計算式（１）により評価した。符号Ｄは、濡れ拡がる前の形状を球とみなした場合のはんだボール８０の直径、符号Ｈは、図４（ｂ）に示す濡れ拡がり状態における高さを示す。
はんだの濡れ拡がり率が６０％より大きく、良好な濡れ拡がりが得られたものを「○」、５０％より大きいが６０％以下であったものを「△」、はんだが十分に濡れ拡がらず、５０％以下であったものを「×」として評価した。
（冷熱サイクルの耐久性評価）
各試料１〜２３のメッキ層６０の表面に電子部品をはんだ付けしたものを作製し、−４０℃から１０５℃に１０分間で上昇させ、１０５℃に１５分保持した後、１０５℃から−４０℃に１０分間で下降させ、−４０℃に１５分保持する温度履歴を１サイクルとした冷熱サイクルを３０００サイクル付与した。そして、超音波検査装置により、各試料１〜２３と電子部品との接合面におけるクラックの有無を確認した。３０００サイクル後のはんだ付け部分の面積におけるクラックの占める割合（欠損率）が３％以下のものを「◎」とし、３％を超えて５％以下のものを「○」、５％を超えて１０％以下のものを「△」、１０％を超えるものを「×」として評価した。
各試料１〜２３のメッキ層６０の表面に電子部品をはんだ付けしたものを作製し、−４０℃から１０５℃に１０分間で上昇させ、１０５℃に１５分保持した後、１０５℃から−４０℃に１０分間で下降させ、−４０℃に１５分保持する温度履歴を１サイクルとした冷熱サイクルを３０００サイクル付与した。そして、超音波検査装置により、各試料１〜２３と電子部品との接合面におけるクラックの有無を確認した。３０００サイクル後のはんだ付け部分の面積におけるクラックの占める割合（欠損率）が３％以下のものを「◎」とし、３％を超えて５％以下のものを「○」、５％を超えて１０％以下のものを「△」、１０％を超えるものを「×」として評価した。
表１からわかるように、金属層上に無電解ニッケルメッキ層を５．０μｍ以上の厚さで形成した後に、その無電解ニッケルメッキ層を厚さが０．５μｍ以上２．０μｍ以下、算術平均粗さ（Ｒａ）が０．１μｍ以上０．４μｍ以下となるように研磨して設けることで、メッキ層が形成される金属層の算術平均粗さ（Ｒａ）の値が大きい（０．６０）場合でも、「メッキ密着性」、「はんだ濡れ性」、「冷熱サイクル時の耐久性」に優れたメッキ層を形成することができる（試料１〜８）。
無電解ニッケルメッキ層の厚さが０．５μｍ以下で、無電解ニッケルメッキ層の算術平均粗さ（Ｒａ）を０．１μｍ未満で形成した場合（試料９）には、メッキ層の表面が平滑化しすぎて、「メッキ密着性」が低下することがわかる。一方で、無電解ニッケルメッキ層の厚みが２．０μｍ以上で厚すぎる場合（試料１０）は、メッキ層の表面が平滑化しきれず、「はんだ濡れ性」が悪くなり、また「冷熱サイクルの耐久性」も悪く、はんだにクラックが生じた。
さらに、無電解ニッケルメッキ層を研磨することなく、初めから厚さｔ１で形成しておき、その無電解ニッケルメッキ層の上に電解ニッケルメッキ層を形成した場合（試料１１）、無電解ニッケルメッキ層を設けずに、直接、金属層の上に電解ニッケルメッキ層を形成した場合（試料１２）では、表面粗さが０．４μｍを超えてしまい、「はんだ濡れ性」及び「冷熱サイクルの耐久性」が劣る結果となった。
無電解ニッケルメッキ層の厚さが０．５μｍ以下で、無電解ニッケルメッキ層の算術平均粗さ（Ｒａ）を０．１μｍ未満で形成した場合（試料９）には、メッキ層の表面が平滑化しすぎて、「メッキ密着性」が低下することがわかる。一方で、無電解ニッケルメッキ層の厚みが２．０μｍ以上で厚すぎる場合（試料１０）は、メッキ層の表面が平滑化しきれず、「はんだ濡れ性」が悪くなり、また「冷熱サイクルの耐久性」も悪く、はんだにクラックが生じた。
さらに、無電解ニッケルメッキ層を研磨することなく、初めから厚さｔ１で形成しておき、その無電解ニッケルメッキ層の上に電解ニッケルメッキ層を形成した場合（試料１１）、無電解ニッケルメッキ層を設けずに、直接、金属層の上に電解ニッケルメッキ層を形成した場合（試料１２）では、表面粗さが０．４μｍを超えてしまい、「はんだ濡れ性」及び「冷熱サイクルの耐久性」が劣る結果となった。
また、表２からわかるように、予め金属層の表面を、算術平均粗さ（Ｒａ）０．１μｍ以上０．２μｍ以下の平滑面に形成しておくことで、無電解ニッケルメッキ層を薄く設けた場合にも、メッキ層の算術平均粗さ（Ｒａ）を０．１μｍ以上０．４μｍ以下として平坦に形成することができる。これにより、メッキ層内のピンホール発生を防止することができるとともに、良好なはんだ濡れ性を得ることができる（試料１３〜１９）。
なお、金属層の算術平均粗さ（Ｒａ）を０．１μｍ未満とした場合（試料２１）には、その金属層とメッキ層との密着性が低下し、０．２μｍを超える場合（試料２０）には、メッキ層の算術平均粗さ（Ｒａ）を０．４μｍ以下に抑えることができずに、はんだ濡れ性が低下することがわかる。さらに、無電解ニッケルメッキ層の厚みを０．５μｍ未満とした場合（試料２２）及び無電解ニッケルメッキ層の厚みを２．０μｍを超えて形成した場合（試料２３）には、はんだにクラックを生じ、冷熱サイクルの耐久性が悪くなることがわかる。
なお、金属層の算術平均粗さ（Ｒａ）を０．１μｍ未満とした場合（試料２１）には、その金属層とメッキ層との密着性が低下し、０．２μｍを超える場合（試料２０）には、メッキ層の算術平均粗さ（Ｒａ）を０．４μｍ以下に抑えることができずに、はんだ濡れ性が低下することがわかる。さらに、無電解ニッケルメッキ層の厚みを０．５μｍ未満とした場合（試料２２）及び無電解ニッケルメッキ層の厚みを２．０μｍを超えて形成した場合（試料２３）には、はんだにクラックを生じ、冷熱サイクルの耐久性が悪くなることがわかる。
なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。
２ セラミックス基板
３ パワーモジュール用基板
４ 電子部品
５ ヒートシンク
６，７ 金属層
８ はんだ接合層
６０，７０ メッキ層
６１，７１ 無電解ニッケルメッキ層
７２ 電解ニッケルメッキ層
８０ はんだボール
１００ パワーモジュール
３ パワーモジュール用基板
４ 電子部品
５ ヒートシンク
６，７ 金属層
８ はんだ接合層
６０，７０ メッキ層
６１，７１ 無電解ニッケルメッキ層
７２ 電解ニッケルメッキ層
８０ はんだボール
１００ パワーモジュール
Claims (7)
- セラミックス基板に金属層を積層するとともに、前記金属層上に無電解ニッケルメッキ層を形成した後に、前記無電解ニッケルメッキ層を厚さが０．５μｍ以上２．０μｍ以下、算術平均粗さが０．１μｍ以上０．４μｍ以下となるように研磨することを特徴とするパワーモジュール用基板の製造方法。
- セラミックス基板に金属層を積層するとともに、前記金属層上に無電解ニッケルメッキ層を形成した後に、前記無電解ニッケルメッキ層を厚さが０．５μｍ以上２．０μｍ以下となるように研磨し、前記無電解ニッケルメッキ層上に算術平均粗さが０．１μｍ以上０．４μｍ以下となるように電解ニッケルメッキ層を形成することを特徴とするパワーモジュール用基板の製造方法。
- セラミックス基板に金属層を積層するとともに、前記金属層の表面を、算術平均粗さが０．１μｍ以上０．２μｍ以下に形成しておき、前記金属層の表面に、厚さが０．５μｍ以上２．０μｍ以下、算術平均粗さが０．１μｍ以上０．４μｍ以下となるように無電解ニッケルメッキ層を形成することを特徴とするパワーモジュール用基板の製造方法。
- セラミックス基板に金属層を積層するとともに、前記金属層の表面を、算術平均粗さが０．１μｍ以上０．２μｍ以下に形成しておき、前記金属層の表面に、厚さが０．５μｍ以上２．０μｍ以下となるように無電解ニッケルメッキ層を形成し、前記無電解ニッケルメッキ層上に算術平均粗さが０．１μｍ以上０．４μｍ以下となるように電解ニッケルメッキ層を形成することを特徴とするパワーモジュール用基板の製造方法。
- セラミックス基板に金属層が積層されるとともに、前記金属層の表面にメッキ層が形成されてなるパワーモジュール用基板であって、前記メッキ層は、厚さが０．５μｍ以上２．０μｍ以下の無電解ニッケルメッキ層からなり、前記無電解ニッケルメッキ層の算術平均粗さは０．１μｍ以上０．４μｍ以下とされていることを特徴とするパワーモジュール用基板。
- セラミックス基板に金属層が積層されるとともに、前記金属層の表面にメッキ層が形成されてなるパワーモジュール用基板であって、前記メッキ層は、厚さが０．５μｍ以上２．０μｍ以下の無電解ニッケルメッキ層及び前記無電解ニッケルメッキ層上に形成された電解ニッケルメッキ層からなり、前記電解ニッケルメッキ層の算術平均粗さは０．１μｍ以上０．４μｍ以下とされていることを特徴とするパワーモジュール用基板。
- 前記電解ニッケルメッキ層の厚さが４μｍ以下であることを特徴とする請求項６記載のパワーモジュール用基板。
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| JP2011116255A JP2012244131A (ja) | 2011-05-24 | 2011-05-24 | パワーモジュール用基板及びその製造方法 |
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2011
- 2011-05-24 JP JP2011116255A patent/JP2012244131A/ja active Pending
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