JPH09260532A - セラミック基板の加熱処理方法及び加熱処理用治具 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 従来、セラミック基板に形成された金属層に
Ｎｉ−Ｂめっき被膜を形成した後、開放型の加熱処理用
治具を用いて外部接続ピンのろう付けを行っていた。し
かし、炉内のガス中には窒素が多量に含まれているた
め、セラミック基板周囲の窒素とＮｉ−Ｂめっき被膜中
のＢとが反応し、Ｎｉ−Ｂめっき被膜表面に窒化ホウ素
（ＢＮ）が形成されていた。ＢＮは、絶縁体であり、ま
た濡れ性が非常に悪いため、次工程でＮｉ−Ｂめっき被
膜の上に形成するＮｉ−Ｐめっき被膜との密着強度が大
きく低下するという課題があった。 【解決手段】 その表面に部分的に金属層１５ａ、１６
ａ、１８ａが形成され、金属層１５ａ、・・・ 上にＮｉ−
Ｂめっき被膜が形成されたセラミック基板１１を、密閉
構造を有する加熱処理用治具２１に収容した後、加熱処
理を行う。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明はセラミック基板の加
熱処理方法及び加熱処理用治具に関し、より詳細には半
導体素子を搭載するセラミック基板を製造する際に採用
されるセラミック基板の加熱処理方法及び加熱処理用治
具に関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体装置を構成する集積回路などの半
導体素子は、通常、パッケージ用の基板に設けられたキ
ャビティ部に収納され、該キャビティ部がリッドで気密
に封止され、実用に供されている。アルミナ等のセラミ
ックは耐熱性、耐久性、信頼性などに優れるため、この
種の基板及びリッドの材料として好適であり、アルミナ
等からなるセラミック製のＩＣパッケージ（以下、セラ
ミックパッケージと記す）は現在盛んに使用されてい
る。

【０００３】図４は、ＰＧＡ（Pin Grid Array）タイプ
のセラミックパッケージに使用されるセラミック基板に
半導体素子等が搭載された状態を模式的に示した断面図
である。

【０００４】セラミック基板１１の中央部にはキャビテ
ィ部１２が形成され、その周囲外方にはリッド（図示せ
ず）で封止する際に用いられる下地金属層１６が形成さ
れ、さらに下地金属層１６の周囲外方には図示しないマ
ザーボードに接続するための外部接続ピン１７が外部接
続ピン用パッド１８に固着されている。キャビティ部１
２は通常その周辺部分が階段状に構成されており、階段
部にはワイヤボンディングのためのパッド部１５が形成
され、また底面部分には半導体素子搭載部１３が形成さ
れ、ＬＳＩ等の半導体素子１４が載置されている。そし
て、半導体素子１４に形成されたパッド（図示せず）と
セラミック基板１１上のパッド部１５とは、ワイヤ１９
を用いたワイヤボンディングにより接続されている。

【０００５】セラミック基板１１表面に形成されたパッ
ド部１５、及び下地金属層１６は、いずれも焼結体表面
に部分的に形成されたＷやＭｏ等の金属層１５ａ、１６
ａ、及びこれら金属層１５ａ、１６ａの上に順次形成さ
れたＮｉめっき被膜（図示せず）とＡｕめっき被膜（図
示せず）とにより構成されている。また、外部接続ピン
用パッド１８にはＮｉめっき被膜を介して外部接続ピン
１７がろう付けにより固着されており、さらにその上に
Ｎｉめっき被膜とＡｕめっき被膜（共に図示せず）とが
順次形成されている。

【０００６】この外部接続ピン１７等が配設されたセラ
ミック基板１１は、以下のような工程を経て製造され
る。まず、セラミック原料粉末及びバインダ等からなる
スラリをドクターブレード法等により成形してグリーン
シートを作製した後、該グリーンシートの所定箇所にＷ
等を含む導電性ペーストを印刷する。次に、該導電性ペ
ーストが印刷されたグリーンシートを含む複数枚のグリ
ーンシートを積層し、グリーンシート積層体を作製す
る。次に、該グリーンシート積層体を脱脂、焼成するこ
とによりセラミック基板１１を製造する。

【０００７】前記工程により製造されたセラミック基板
１１の表面には、図４に示したパッド部１５、下地金属
層１６、及び外部接続ピン用パッド１８を構成するＷ等
よりなる金属層１５ａ、１６ａ、１８ａが形成されてい
る。しかし、これら金属層１５ａ、１６ａ、１８ａの上
に直接半田層を形成したり、ろう付けすると、半田やろ
う材と金属層１５ａ、１６ａ、１８ａとの間に十分な密
着強度が得られない。そのため、セラミック基板１１に
種々のめっき処理を施し、半田等との密着強度を確保す
ると同時に耐食性等を付与する。

【０００８】従来よりめっき処理の方法として、電解法
と無電解法とが存在するが、近年の電子機器の駆動速度
の高速化に伴い、セラミック基板に形成された電解めっ
き用の引き出し線（図示せず）が電気的特性に悪影響を
与えるようになり、そのため最近では無電解めっき法が
採用されるようになってきている。

【０００９】無電解めっき法を採用した場合、まず、セ
ラミック基板１１に無電解Ｎｉ−Ｂめっき処理を施し、
金属層１５ａ、１６ａ、１８ａの上にＢを含有するＮｉ
−Ｂめっき被膜を形成する。この後、還元性雰囲気でシ
ンタ処理を行い、Ｎｉ−Ｂめっき被膜を金属層１５ａ、
・・・ に密着させると同時にピンホール等の欠陥を無く
す。形成されためっき被膜の厚さ等の条件により、上記
シンタ処理を行わない場合もある。

【００１０】次に、Ｎｉ−Ｂめっき被膜が形成された金
属層１５ａ、・・・ のうち、金属層１８ａ部分に外部接続
ピン１７をろう付けする。

【００１１】次に、外部接続ピン１７が固着されたセラ
ミック基板１１に無電解Ｎｉ−Ｐめっき処理を施し、外
部接続ピン１７上及び前記Ｎｉ−Ｂめっき被膜が形成さ
れた金属層１５ａ、１６ａ等の上にＮｉ−Ｐめっき被膜
を形成する。その後、通常は還元性雰囲気中、７００℃
程度の温度でシンタ処理を施して、Ｎｉ−Ｐめっき被膜
中に存在するピンホール等を無くし、内部にトラップさ
れたガスを取り除くが、条件によってはＮｉ−Ｐめっき
後にシンター処理を行わない場合もある。

【００１２】次に、シンタ処理が施されたセラミック基
板１１に、ｐＨが３〜５の酸性めっき浴中で置換型Ａｕ
めっき処理を施し、前記Ｎｉ−Ｐめっき被膜と接着性の
良好なＡｕめっき被膜を形成した後、還元型Ａｕめっき
処理を施すことにより、前記金属層の最上層にＡｕめっ
き被膜を有するセラミック基板１１を製造する。

【００１３】上記した従来のパッケージ用セラミック基
板１１の製造方法において、無電解Ｎｉ−Ｂめっき処理
が施されたセラミック基板１１にシンター処理を施した
り、外部接続ピン１７をろう付けする際、窒素を８０容
量％程度含有する還元性雰囲気中、９００℃程度の温度
で加熱を行う。

【００１４】図５は、外部接続ピン１７をろう付けする
際、加熱処理用治具４１にセラミック基板１１を設置し
た状態を模式的に示した断面図である。

【００１５】加熱処理用治具４１は、底部部材４４、ピ
ン接合用部材４５、及び側部部材４３により構成されて
いる。板状の底部部材４４の上に、主面が一回り小さ
い、同じく板状のピン接合用部材４５が載置されてお
り、ピン接合用部材４５には、その上に配置するセラミ
ック基板１１の外部接続ピン１７をろう付けする外部接
続ピン用パッド１８の位置に外部接続ピン１７とほぼ同
じ大きさの貫通孔（図示せず）が形成されている。ま
た、側部部材４３は板状部材の周囲を残して、中央の大
部分がくり貫かれた形状をしており、くり貫かれた部分
に、ピン接合用部材４５及びセラミック基板１１が入る
ようになっている。また、加熱処理用治具４１を構成す
るいずれの部材も黒鉛等の炭素材を用いて形成されてい
る。

【００１６】セラミック基板１１に外部接続ピン１７を
ろう付けする場合には、図５に示したように、上端に銀
ろう（図示せず）を付着させた外部接続ピン１７をピン
接合用部材４５に形成された貫通孔４５ａの全てに入
れ、その上にセラミック基板１１を設置する。このと
き、外部接続ピン１７の上端は外部接続ピン用パッド１
８と接触した状態となっており、セラミック基板１１は
側部部材４３により位置決めされている。次に、セラミ
ック基板１１を収容した加熱処理用治具４１を加熱処理
炉に入れ、窒素が８０容量％、及び水素が２０容量％か
らなる混合ガスを流しながら、炉内を９００℃程度まで
昇温させ、外部接続ピン１７を外部接続ピン用パッド１
８にろう付けする。

【００１７】

【発明が解決しようとする課題】上記外部接続ピン１７
のろう付け工程において、前記加熱処理炉内のガス中に
は窒素が多量に含まれているため、セラミック基板１１
周囲の窒素とＮｉ−Ｂめっき被膜中のＢとが反応し、Ｎ
ｉ−Ｂめっき被膜表面に窒化ホウ素（ＢＮ）が生成す
る。ＢＮは、絶縁体であり、またメッキ液等との濡れ性
が非常に悪いため、次の工程でＮｉ−Ｂめっき被膜の上
に形成するＮｉ−Ｐめっき被膜との密着強度が小さくな
り、例えば下地金属層１６にリッドを半田付けした際、
下地金属層１６とリッドとの密着強度が大きく低下する
という課題があった。

【００１８】上記した加熱処理時のＢＮの生成を防止す
るためには、窒素を除いた雰囲気、すなわち水素が１０
０容量％のガス中、又は水素とアルゴン（Ａｒ）とを含
んだ雰囲気中で加熱処理を施せばよい。しかし、上記雰
囲気とするためには、高価なガスを使用しなければなら
ず、製造コストが上昇する。

【００１９】本発明は上記課題に鑑みなされたものであ
り、表面に部分的に金属層が形成され、該金属層上にＮ
ｉ−Ｂめっき被膜が形成されたセラミック基板に加熱処
理を施す際、Ｎｉ−Ｂめっき被膜中にＢＮが形成されな
いように加熱処理を施すことができるセラミック基板の
加熱処理方法及び加熱処理用治具を提供することを目的
としている。

【００２０】

【課題を解決するための手段及びその効果】上記目的を
達成するために本発明に係るセラミック基板の加熱処理
方法は、その表面に部分的に金属層が形成され、該金属
層上にＮｉ−Ｂめっき被膜が形成されたセラミック基板
を、密閉構造を有する加熱処理用治具に収容した後、加
熱処理を行うことを特徴としている。

【００２１】上記セラミック基板の加熱処理方法によれ
ば、前記加熱処理用治具が密閉構造を有するので、窒素
が外部より供給されず、かつ加熱処理用治具内部に存在
する窒素量も少ないため、上記加熱処理によりＮｉ−Ｂ
めっき被膜表面にＢＮが生成するのを防止することがで
きる。その結果、前記Ｎｉ−Ｂめっき被膜上に該Ｎｉ−
Ｂめっき被膜との密着強度が大きいＮｉ−Ｐめっき被膜
を形成することができ、またろう付けや半田付け等にお
ける接合強度の低下を防止することができる。

【００２２】また、本発明に係る加熱処理用治具は、セ
ラミック基板を収容した際、該セラミック基板との間に
空隙部を有さない状態で、密閉する構造となっているこ
とを特徴としている。

【００２３】上記加熱処理用治具を用いてＮｉ−Ｂめっ
き被膜が形成されたセラミック基板に加熱処理を施せ
ば、該加熱処理によりＮｉ−Ｂめっき被膜表面にＢＮが
生成するのを防止することができる。

【００２４】

【発明の実施の形態】以下、本発明に係るセラミック基
板の加熱処理方法及び加熱処理用治具の実施の形態を図
面に基づいて説明する。

【００２５】実施の形態に係るセラミック基板の加熱処
理方法及び加熱処理用治具において、対象とするセラミ
ック基板のタイプは特に限定されないが、その一例とし
て、セラミックパッケージを構成するＰＧＡタイプのセ
ラミック基板１１（図４）が挙げられる。以下において
は、前記ＰＧＡタイプのセラミック基板１１を例にとっ
て説明する。

【００２６】まず、表面に部分的にＷ等からなる金属層
１５ａ、１６ａ、１８ａが形成されたセラミック基板１
１を製造する。セラミック基板１１の製造方法は、従来
の方法と同様であり、ここではその詳しい説明を省略す
る。

【００２７】次に、得られたセラミック基板１１を、Ｎ
ｉの塩及びホウ素含有化合物等を含んだ５０〜８０℃の
めっき浴に３〜６０分間浸漬し、無電解Ｎｉ−Ｂめっき
処理を施す。上記Ｎｉ−Ｂめっき処理により、セラミッ
ク基板表面に形成された金属層１５ａ、・・・ 上に、０．
５〜８μｍの厚さのＢを含有するＮｉ−Ｂめっき被膜が
形成される。この後、還元性雰囲気でシンタ処理を行
い、Ｎｉ−Ｂめっき被膜を金属層１５ａ、・・・ に密着さ
せると同時にピンホール等の欠陥を無くす。形成された
めっき被膜の厚さ等の条件により、前記シンタ処理を行
わない場合もある。

【００２８】次に、セラミック基板１１に形成された金
属層１５ａ、・・・ のうち、金属層１８ａに、還元性雰囲
気中、銀ろうを用いて外部接続ピン１７をろう付けす
る。

【００２９】図１は、外部接続ピン１７をろう付けする
際、加熱処理用治具２１内にセラミック基板１１を収容
した状態を模式的に示した断面図である。

【００３０】加熱処理用治具２１は、底部部材２４、ピ
ン接合用部材２５、側部部材２３、及び上部部材２２に
より構成されている。上部部材２４以外の部材は従来の
ものとほぼ同様に構成されているので、ここではその詳
しい説明を省略する。上部部材２２も炭素材料により形
成されており、板状で、その外周形状は側部部材２３の
外周形状と同じ大きさに設定されており、側部部材２３
の上に重ねられている。上部部材２２を側部部材２３の
上に重ねることにより、内部は密閉状態となる。

【００３１】セラミック基板１１に外部接続ピン１７を
ろう付けする場合には、従来の場合と同様に、上端に銀
ろう（図示せず）を付着させた外部接続ピン１７をピン
接合用部材２５に形成された貫通孔の全てに入れ、その
上にセラミック基板１１を設置し、底部部材２４の上に
側部部材２３を配置し、側部部材２３の上に上部部材２
２を重ねる。底部部材２４と側部部材２３との接触面、
及び側部部材２３と上部部材２２との接触面は密着する
ように平面状態に形成されており、セラミック基板１１
を収容した加熱処理用治具２１の内部は密閉状態とな
り、かつキャビティ部１２を除いて殆ど空隙部を有さな
い状態になる。密閉状態を完全にするために、加熱処理
用治具２１の上に重し等を置いてもよく、セラミック基
板１１を収容した加熱処理用治具２１を数段積み重ねて
もよい。

【００３２】次に、セラミック基板１１を収容した加熱
処理用治具２１を加熱処理炉に入れ、窒素が８０容量
％、及び水素が２０容量％からなる混合ガスを流しなが
ら、炉内を９００℃程度まで昇温させ、外部接続ピン１
７を外部接続ピン用パッド１８に接合させる。

【００３３】上記加熱処理の際、セラミック基板１１の
周囲に窒素は殆ど存在しないため、Ｎｉ−Ｂめっき被膜
表面にＢＮはごく少量しか生成されない。

【００３４】図２は別の実施の形態に係る加熱処理用治
具を模式的に示した断面図である。この加熱処理用治具
３１においては、図１に示した加熱処理用治具２１の上
部部材２２と側部部材２３とが一体となった上部部材３
２が使用されているため、密閉効果が一層高くなる。

【００３５】次に、外部接続ピン１７等がろう付けされ
たセラミック基板１１を、Ｎｉの塩及び次亜リン酸塩等
を含んだ７０〜９０℃のめっき浴に５〜６０分間浸漬
し、Ｎｉ−Ｐめっき処理を施す。前記Ｎｉ−Ｐめっき処
理工程により、Ｎｉ−Ｂめっき被膜を有する金属層及び
外部接続ピン１７の上に０．５〜１０μｍの厚さのＰを
含有するＮｉ−Ｐめっき被膜が形成される。

【００３６】この場合、下地のＮｉ−Ｂめっき被膜には
ＢＮがごく少量しか含まれていないため、Ｎｉ−Ｐめっ
き被膜と下地のＮｉ−Ｂめっき被膜との密着性は良好で
ある。従って、めっき処理等を終了した後、セラミック
基板１１の下地金属層１６にリッド等の半田付けを行っ
ても十分な密着強度が確保される。

【００３７】次に、還元性雰囲気中、前記工程を経たセ
ラミック基板１１に４００〜７００℃でシンタ処理を施
し、Ｎｉ−Ｐめっき被膜を下地に密着させると同時にＮ
ｉ−Ｐめっき被膜中に存在するピンホール等を塞ぐ。

【００３８】前記シンタ処理工程が終了したセラミック
基板１１を、ジシアノ金（Ｉ）酸カリウム（Ｋ［Ａｕ
（ＣＮ）₂ ］）、エチレンジアミン四酢酸（ＥＤＴ
Ａ）、クエン酸等を含んだｐＨが３〜５、温度が７０〜
１００℃のめっき浴に１〜３０分間浸漬し、置換型Ａｕ
めっき処理を施す。前記置換型Ａｕめっき処理により、
Ｎｉ−Ｐめっき被膜上に厚さが０．０１〜０．３μｍで
該Ｎｉ−Ｐめっき被膜との密着性に優れたＡｕめっき被
膜が形成される。

【００３９】次に、置換型Ａｕめっき処理が施されたセ
ラミック基板１１を、ジシアノ金（Ｉ）酸カリウム、水
素化ホウ素ナトリウム等を含んだｐＨが１２．５〜１
３．５、温度が５０〜８０℃のめっき浴に２０〜３０分
間浸漬し、還元型Ａｕめっき処理を施す。該還元型Ａｕ
めっき処理を施すことにより、前記置換型Ａｕめっき処
理により形成された薄いＡｕめっき被膜の上に、１〜２
μｍの厚さのＡｕめっき被膜が形成される。

【００４０】

【実施例及び比較例】以下、本発明に係るセラミック基
板の加熱処理方法及び加熱処理用治具の実施例を説明す
る。なお、比較例として、従来の方法によりセラミック
基板の加熱処理を行う場合についても説明する。

【００４１】実施例１、２の場合には、図１及び図２に
示した加熱処理用治具２１（実施例１）及び加熱処理用
治具３１（実施例２）を用い、比較例１の場合には、従
来の加熱処理用治具４１（図５）を用い、下記のに示
す条件で外部接続ピン１７のろう付けを行った。各処理
条件を以下に示すが、実施例の場合及び比較例の場合と
も用いる加熱処理用治具を除いて同じ条件である。

【００４２】 使用したセラミック基板（図４に示し
たものと同一の構造）の寸法 辺部の寸法：約５５ｍｍ×約５５ｍｍ キャビティ部１２の厚さ：２ｍｍ 外周部分の厚さ：３ｍｍ 金属層１５ａ、１６ａ、１８ａの厚さ：約１５μｍ 無電解Ｎｉ−Ｂめっき処理工程 めっき浴の組成 硫酸ニッケル（六水和物）：２７ｇ／リットル ジメチルアミンボラン：３．５ｇ／リットル ｐＨ：６．４ めっき処理条件 めっき浴の温度：６４℃ 浸漬時間：２０分間 めっき被膜の厚さ：３μｍ 外部接続ピンの銀ろう付け工程 外部接続ピン１７の寸法：０．４６ｍｍφ×３．１８ｍ
ｍ 材質：コバール 銀ろうの組成 Ａｇ−Ｃｕ合金（Ａｇ：Ｃｕ＝８５：１
５） 銀ろう付けの際の雰囲気 Ｈ₂ ：２０容量％、Ｎ₂ ：８
０容量％ 処理温度：９００℃ 処理時間：１．５時間 加熱処理用治具２１、３１、４１の材質：黒鉛（密度
１．８ｇ／ｃｍ² ） Ｎｉ−Ｐめっき処理工程 めっき浴の組成 硫酸ニッケル：２０ｇ／リットル 次亜リン酸ナトリウム：２０ｇ／リットル ｐＨ：４．６ めっき処理条件 めっき浴の温度：８０℃ 浸漬時間：１８分間 めっき被膜の厚さ：３μｍ シンタ処理工程 雰囲気：還元性雰囲気 温度：７００℃ 時間：２０分間 置換型Ａｕめっき処理工程 めっき浴の組成 ジシアノ金（Ｉ）酸カリウム：５．９ｇ／リットル ＥＤＴＡ：６ｇ／リットル クエン酸ナトリウム：３ｇ／リットル ｐＨ：４．０ めっき処理条件 めっき浴の温度：９０℃ 浸漬時間：１０分間 めっき被膜の厚さ：０．１μｍ 還元型Ａｕめっき処理工程 めっき浴の組成 ジシアノ金（Ｉ）酸カリウム：５．１ｇ／リットル 水素化ホ素ナトリウム：１５ｇ／リットル ｐＨ：１３．０ めっき処理条件 めっき浴の温度：７０℃ 浸漬時間：３０分間 めっき被膜の厚さ：２μｍ ＜評価＞上記の銀ろう付け工程の終了後、実施例１及
び比較例１に係るセラミック基板１１のＮｉ−Ｂめっき
表面をＥＳＣＡ（electron spectroscopy for chemical
analysis)を用いて分析した。図３はその結果を示した
チャートであり、縦軸に強度、横軸に結合エネルギーを
とっている。また、ピークが形成されている位置がＢＮ
が生成した場合のＮの１ｓ軌道の結合エネルギーを示し
ており、ＢＮが生成するとこのピークの強度が大きくな
る。

【００４３】図３に示したチャートより明らかなよう
に、比較例１の場合には、かなりの量のＢＮが生成して
おり、一方実施例１の場合には、比較例１と比較すると
ＢＮ生成量が極めて少ない。

【００４４】別の評価方法として、上記〜の工程を
経た実施例１、２及び比較例１に係るセラミック基板１
１の下地金属層１６につき、ピーリングテストを行って
接着強度を評価した。サンプル数は５個とした。

【００４５】なお、ピーリングテストは、Ａｕめっき後
の製品のＡｕめっき部にスコッチ社製ピーリングテスト
用テープをはりつけ、手で瞬間的にはがした時、めっき
膜がテープ側に粘着し、製品から剥れるか否かを調査し
た。

【００４６】その結果、実施例１、２の場合には、５個
のうち剥れが０であったのに対し、比較例１の場合に
は、５個のうち、全てに剥れが生じ、実施例１、２の場
合に形成されためっき被膜は金属層１６ａとの密着性に
優れていることが実証された。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態に係る加熱処理用治具にセ
ラミック基板等を設置した状態を模式的に示した断面図
である。

【図２】別の実施の形態に係る加熱処理用治具にセラミ
ック基板等を設置した状態を模式的に示した断面図であ
る。

【図３】実施例及び比較例の場合に、外部接続ピンを銀
ろう付けした後のＮｉ−Ｂめっき被膜の表面の結合エネ
ルギー状態をＥＳＣＡにより分析した結果を示すグラフ
である。

【図４】ＰＧＡタイプのセラミック基板を模式的に示し
た断面図である。

【図５】従来の加熱処理用治具にセラミック基板等を設
置した状態を模式的に示した断面図である。

【符号の説明】

１１ セラミック基板 １５ａ、１６ａ、１８ａ 金属層 １５ パッド部 １６ 下地金属層 １８ 外部接続ピンパッド ２１、３１ 放熱処理用治具

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 その表面に部分的に金属層が形成され、
   該金属層上にＮｉ−Ｂめっき被膜が形成されたセラミッ
   ク基板を、密閉構造を有する加熱処理用治具に収容した
   後、加熱処理を行うことを特徴とするセラミック基板の
   加熱処理方法。
2. 【請求項２】 セラミック基板を収容した際、該セラミ
   ック基板との間に空隙部を有さない状態で、密閉する構
   造となっていることを特徴とする加熱処理用治具。