JP2016176098A - Method for manufacturing plated power module substrate - Google Patents
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Abstract
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であって、回路層に無電解ニッケルめっきを施しためっき付きパワーモジュール用基板の製造方法に関する。 The present invention relates to a power module substrate for use in a semiconductor device that controls a large current and a high voltage, and relates to a method for manufacturing a plated power module substrate in which a circuit layer is subjected to electroless nickel plating.
従来のパワーモジュール基板として、セラミックス基板の一方の面にアルミニウム又は銅からなる回路層が積層されるとともに、他方の面にアルミニウムからなる金属層が積層されたものが知られている。また、このパワーモジュール用基板の金属層に放熱板が接合され、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、パワーモジュールが製造される。 A conventional power module substrate is known in which a circuit layer made of aluminum or copper is laminated on one surface of a ceramic substrate, and a metal layer made of aluminum is laminated on the other surface. In addition, a heat sink is bonded to the metal layer of the power module substrate, and an electronic component such as a semiconductor chip is soldered on the circuit layer to manufacture a power module.
この種のパワーモジュール用基板においては、はんだ濡れ性を向上させて電子部品との接合性を高めるために、回路層の表面にめっき処理が施される。このように、セラミックス基板を挟んで配置される回路層と金属層のうちの一方の層だけにめっきを行うために、めっきを形成したくない部分には部分的にマスキング処理を行い、マスキング部分へのめっきの形成を防止して部分的にめっきをすることが行われている。 In this type of power module substrate, the surface of the circuit layer is subjected to plating in order to improve solder wettability and enhance the bondability with electronic components. Thus, in order to perform plating only on one of the circuit layer and the metal layer arranged with the ceramic substrate interposed therebetween, the masking portion is partially masked on the portion where plating is not desired. It has been practiced to partially plate by preventing the formation of plating.
このようなマスキング技術としては、めっきの形成を防止する部分に半導体レジスト等のマスキング材を形成しておく方法が一般的であるが、特許文献１及び特許文献２に記載されているように、マスキング材を使用せずに通電を利用した方法が知られている。
特許文献１には、金属板（Ｉ）の主面の少なくとも片面に、絶縁層を介して別の金属板（ＩＩ）が配置された板状金属に、めっき液と逆極性の電流を流し、金属板（ＩＩ）に部分的に無電解めっきを施すことが記載されている。
また、特許文献２には、絶縁層を挟む第１、第２アルミニウム電極層のうち、第１アルミニウム電極板にのみ部分的にめっきを行うために、第２アルミニウム電極層に亜鉛析出防止用の電位を印加した状態でジンケート処理を行うことにより、第１アルミニウム電極層のみに亜鉛置換膜を形成することが記載されており、その後に無電解めっき処理を施すことによって、第１アルミニウム電極層のみに無電解ニッケル被膜を形成することとしている。
As such a masking technique, a method of forming a masking material such as a semiconductor resist in a portion for preventing the formation of plating is common, but as described in Patent Document 1 and
In Patent Document 1, an electric current having a polarity opposite to that of the plating solution is passed through a plate-like metal in which another metal plate (II) is disposed via an insulating layer on at least one side of the main surface of the metal plate (I). It is described that the electroless plating is partially applied to the metal plate (II).
Further, in
ところで、回路層にニッケルめっきを形成する場合には、パワーモジュール用基板を無電解ニッケルめっき液に浸漬させる。この際、アルミニウムに銅が接合されている場合は、局部電池の形成によりアルミニウムが溶出し、放出された電子が銅に移動することによりニッケルが析出し、無電解めっき反応が開始する。
そのため、回路層とは反対側の金属層にアルミニウム層及び銅層の積層体が用いられていると、その金属層を冷却器に接合するためにめっきを付けたくない場合でも、その金属層の表面にもめっきが形成されてしまう。
By the way, when nickel plating is formed on the circuit layer, the power module substrate is immersed in an electroless nickel plating solution. At this time, when copper is bonded to aluminum, the aluminum is eluted by formation of the local battery, and the emitted electrons move to the copper, so that nickel is deposited and the electroless plating reaction starts.
Therefore, when a laminate of an aluminum layer and a copper layer is used for the metal layer opposite to the circuit layer, even if it is not desired to apply plating to join the metal layer to the cooler, the metal layer Plating is also formed on the surface.
本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、セラミックス基板を介して回路層とは反対側の金属層がアルミニウム層及び銅層の積層体である場合も、この積層体へのめっき形成を防止して銅の回路層への部分的なめっきを可能にするめっき付きパワーモジュール用基板の製造方法を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of such circumstances, and even when the metal layer opposite to the circuit layer is a laminate of an aluminum layer and a copper layer through a ceramic substrate, the plating on the laminate is also performed. It is an object of the present invention to provide a method for manufacturing a plated power module substrate that prevents formation and enables partial plating of a copper circuit layer.
本発明のめっき付きパワーモジュール用基板の製造方法は、セラミックス基板の一方の面に直接又はアルミニウム接合層を介して銅回路層を有する回路層が接合されるとともに、前記セラミックス基板の他方の面にアルミニウム金属層及び銅金属層の積層体が接合されてなるパワーモジュール用基板の前記回路層にめっきを施して、めっき付きパワーモジュール用基板を製造する方法であって、前記パワーモジュール用基板の前記積層体に０．１Ｖ以上６Ｖ以下の正電位を印加した状態で前記パワーモジュール用基板をニッケルめっき液中に浸漬して前記回路層上に無電解ニッケルめっき被膜を形成するめっき処理工程を有する。 In the method for manufacturing a substrate for a power module with plating according to the present invention, a circuit layer having a copper circuit layer is bonded to one surface of a ceramic substrate directly or via an aluminum bonding layer, and the other surface of the ceramic substrate is bonded. A method of manufacturing a power module substrate with plating by plating the circuit layer of a power module substrate formed by bonding a laminate of an aluminum metal layer and a copper metal layer, wherein the power module substrate includes: A plating treatment step of forming an electroless nickel plating film on the circuit layer by immersing the power module substrate in a nickel plating solution in a state where a positive potential of 0.1 V or more and 6 V or less is applied to the laminate.
積層体に０．１Ｖ以上６Ｖ以下の正電位を印加した状態で、パワーモジュール用基板をＮｉＰ等のニッケルめっき液中に浸漬させることで、積層体へのめっき反応を抑制することができる。したがって、積層体へのマスキング処理を行う等の煩雑な作業を必要とせずに積層体へのめっき形成を防止することができ、簡素化された工程により、回路層のみに無電解ニッケルめっき被膜を形成することができる。また、回路層がアルミニウム接合層を介して接合される場合には、そのアルミニウム接合層の側面では無電解めっき反応が生じることもあるが、ごく僅かであり、使用上の問題を生ずることはない。 The plating reaction to the laminate can be suppressed by immersing the power module substrate in a nickel plating solution such as NiP with a positive potential of 0.1 V or more and 6 V or less applied to the laminate. Therefore, it is possible to prevent the formation of plating on the laminate without requiring complicated work such as masking treatment to the laminate, and the electroless nickel plating film is applied only to the circuit layer by a simplified process. Can be formed. In addition, when the circuit layer is bonded through the aluminum bonding layer, an electroless plating reaction may occur on the side surface of the aluminum bonding layer, but it is very slight and does not cause a problem in use. .
この場合、積層体への印加電位が０．１Ｖ未満では、積層体への無電解ニッケルめっきの析出を完全に防止することが難しい。一方、積層体への印加電圧が６Ｖを超えると、アルミニウム金属層がめっき液に溶出する。
また、積層体に電位を印加する方法は、定電流、定電圧のどちらでも構わないが、定電圧で行うことが好ましい。定電流で行う場合は、電流密度を一定にするために、積層体のサイズごとにその表面積を考慮して行う必要があり、作業が煩雑となるからである。
In this case, when the applied potential to the laminate is less than 0.1 V, it is difficult to completely prevent the electroless nickel plating from being deposited on the laminate. On the other hand, when the voltage applied to the laminate exceeds 6 V, the aluminum metal layer is eluted into the plating solution.
Further, the method of applying a potential to the laminate may be a constant current or a constant voltage, but is preferably performed at a constant voltage. In the case of performing constant current, in order to make the current density constant, it is necessary to consider the surface area for each size of the laminate, and the work becomes complicated.
本発明によれば、マスキング処理による煩雑な作業を必要とせずに積層体へのめっき形成を防止することができ、簡素化された工程により回路層への部分的なめっきを形成することができる。 According to the present invention, it is possible to prevent the formation of a plating on a laminate without requiring a complicated operation by a masking process, and it is possible to form a partial plating on a circuit layer by a simplified process. .
以下、本発明の実施形態について説明する。
図２は、本発明の第１実施形態の製造方法により製造されるめっき付きパワーモジュール用基板を示しており、このめっき付きパワーモジュール用基板１は、セラミックス基板２の一方の面に銅回路層を備える回路層３が接合され、他方の面に複数のアルミニウム金属層及び銅金属層の積層体４が接合されており、回路層３の表面に無電解ニッケルめっき被膜５が形成されている。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described.
FIG. 2 shows a power module substrate with plating manufactured by the manufacturing method according to the first embodiment of the present invention. This power module substrate with plating 1 has a copper circuit layer on one surface of a
このめっき付きパワーモジュール用基板１では、回路層３は、セラミックス基板２に接合されたアルミニウム接合層１１と、このアルミニウム接合層１１の上に接合された銅回路層１２とからなり、積層体４は、セラミックス基板２に接合された第１アルミニウム金属層１５と、この第１アルミニウム金属層１５のセラミックス基板２とは反対の面に接合された銅金属層１６と、この銅金属層１６の第１アルミニウム金属層１５とは反対の面にさらに接合された第２アルミニウム金属層１７とにより構成されている。
In the power module substrate 1 with plating, the
セラミックス基板２は、回路層３と積層体４との間の電気的接続を防止するものであって、ＡｌＮ（窒化アルミニウム）、Ｓｉ３Ｎ４（窒化珪素）、Ａｌ２Ｏ３（アルミナ）等のセラミックス材料により矩形状に形成され、例えば０．２ｍｍ〜１ｍｍの厚みとされる。
回路層３のアルミニウム接合層１１及び積層体４の第１アルミニウム金属層１５は、純度９９．００質量％以上の純アルミニウム又はアルミニウム合金により形成され、例えば０．１ｍｍ〜５ｍｍの厚みとされ、通常はセラミックス基板１１より小さい矩形状に形成される。これらアルミニウム接合層１１及び第１アルミニウム金属層１５は、セラミックス基板２に、Ａｌ−Ｓｉ系、Ａｌ−Ｇｅ系、Ａｌ−Ｃｕ系、Ａｌ−Ｍｇ系またはＡｌ−Ｍｎ系等の合金のろう材により、ろう付け接合される。
また、これらアルミニウム接合層１１及び第１アルミニウム金属層１５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、いずれかの方法を採用することができる。
The
The
In addition, the
また、銅回路層１２及び銅金属層１６は、無酸素銅やタフピッチ銅等の純銅又は銅合金により形成され、例えば０．１ｍｍ〜５ｍｍの厚みで平板状に形成される。そして、これら銅回路層１２及び銅金属層１６は、それぞれアルミニウム接合層１１又は第１アルミニウム金属層１５に固相拡散接合により接合される。
さらに、銅金属層１６に接合される第２アルミニウム金属層１７は、ヒートシンクとして機能するもので、A３００３等のアルミニウム合金により形成される。この第２アルミニウム金属層１７と銅金属層１６とは固相拡散接合により接合される。
なお、この第２アルミニウム金属層１７の形状は特に限定されるものではなく、平板状や、平板の表面にフィンが形成されたもの等の適宜の形状のものが含まれ、その平板部分の厚みは例えば０．４ｍｍ〜６ｍｍとされる。
The
Further, the second
Note that the shape of the second
なお、各部材の好ましい組み合わせ例としては、セラミックス基板２が厚み０．６３５ｍｍのＡｌＮ、アルミニウム接合層１１が厚み０．４ｍｍの純アルミニウム板（純度９９．９９質量％以上の４Ｎ‐Ａｌ）、第１アルミニウム金属層１５が厚み０．４ｍｍの純アルミニウム板（純度９９．９９質量％以上の４Ｎ‐Ａｌ）で構成される。さらに、銅回路層１２及び銅金属層１６が厚み０．３ｍｍの無酸素銅板、第２アルミニウム金属層１７が厚み３ｍｍのＡ３００３アルミニウム合金板で構成される。
As a preferable combination example of each member, the
そして、このめっき付きパワーモジュール用基板１の回路層３には、所望の回路パターンが形成されており、その表面に無電解ニッケルめっき被膜５が形成されている。この無電解ニッケルめっき被膜５は、ＮｉＰめっきにより、例えば厚み１μｍ〜９μｍに形成される。
A desired circuit pattern is formed on the
次に、本実施形態のめっき付きパワーモジュール用基板１の製造方法について説明する。
（パワーモジュール用基板形成工程）
まず、セラミックス基板２の各面にろう材を介してアルミニウム接合層１１及び第１アルミニウム金属層１５となるアルミニウム板を積層し、これらの積層構造体を積層方向に加圧した状態で加熱し、ろう材を溶融させることによってアルミニウム接合層１１及び第１アルミニウム金属層１５となるアルミニウム板をそれぞれセラミックス基板２にろう付け接合し、アルミニウム接合層１１及び第１アルミニウム金属層１５を形成する。具体的には、ろう材としてＡｌ−７％Ｓｉろう材を用い、真空雰囲気中で６１０℃以上６５０℃以下のろう付け温度で１分〜６０分加熱することにより、セラミックス基板２にアルミニウム接合層１１及び第１アルミニウム金属層１５となるアルミニウム板をろう付け接合する。
Next, the manufacturing method of the board | substrate 1 for power modules with plating of this embodiment is demonstrated.
(Power module substrate formation process)
First, an aluminum plate serving as the
そして、このセラミックス基板２とアルミニウム接合層１１及び第１アルミニウム金属層１５との接合体のアルミニウム接合層１１のセラミックス基板２とは反対の面に銅回路層１２となる銅板、及び第１アルミニウム金属層１５のセラミックス基板２とは反対の面に銅金属層１６となる銅板をそれぞれ重ね、さらに銅金属層１６の第１アルミニウム金属層１５とは反対の面に第２アルミニウム金属層１７となるアルミニウム板を重ねた状態とし、これらの積層構造体を積層方向に加圧した状態で銅とアルミニウムの共晶温度未満で加熱することにより、銅とアルミニウムとを相互に拡散させて固相拡散接合により接合する。具体的には、真空雰囲気中で、加熱温度４００℃以上５４８℃未満で、５分〜２４０分保持することにより固相拡散接合することができる。
And the copper plate used as the
（ソフトエッチング処理工程）
次に、めっき処理工程の前に、回路層３の銅回路層１２とニッケルめっきとの密着性を確保するため、回路層３にソフトエッチング処理を行い、回路層３の表面の酸化膜を除去する。具体的には、過硫酸塩水溶液（例えば、過硫酸ナトリウムの５ｗｔ％〜３０ｗｔ％水溶液等）、過酸化水素水と硫酸（例えば、過酸化水素濃度：５ｗｔ％、硫酸：１０ｗｔ％）などからなるエッチング液に３０秒から２分浸漬させることにより、ソフトエッチング処理を行う。
(Soft etching process)
Next, before the plating process, in order to ensure the adhesion between the
（めっき処理工程）
そして、図１に示すように、ソフトエッチング処理後の接合体Ｓを、ＮｉＰめっき液Ｍ中に浸漬することによって回路層３に無電解ニッケルめっき被膜５を形成する。このめっき処理は、ＮｉＰめっき液Ｍ中でアルミニウム接合層１１と銅回路層１２との間で局部電池が形成され、アルミニウム接合層１１が溶出し、これにより放出された電子が銅回路層１２に移動することで銅回路層１２上にもニッケルが析出する。このニッケルを触媒としてめっき反応を進行させることにより、銅回路層１２上に無電解ニッケルめっき被膜５が形成されるものである。この際、回路層３とは反対側の積層体４もアルミニウムと銅との積層構造とされていることより、その状態でめっき処理すると、回路層３と同様にめっき反応が生じる。
(Plating process)
Then, as shown in FIG. 1, the electroless
そこで、この積層体４へのめっき反応を抑制するために、積層体４に０．１Ｖ以上６Ｖ以下の正電位を印加した状態で、接合体ＳをＮｉＰめっき液Ｍ中に浸漬する。具体的には、図１に示すように、電源２１の正極に接合体Ｓの積層体４を接続するとともに、電源２１の負極にステンレス鋼等からなる電極２２を接続した状態とし、これら接合体Ｓと電極２２とをＮｉＰめっき液Ｍが貯留されためっき漕２３に浸漬することにより、積層体４に正電位を印加した状態とする。これにより、正電位が印加された積層体４へのめっき反応を抑制することができる一方で、回路層３上には無電解ニッケルめっき被膜５を形成することができる。
Therefore, in order to suppress the plating reaction to the
この場合、積層体４への印加電位が０．１Ｖ未満では、積層体４へのめっき析出を完全に防止することが難しくなる。一方、積層体４への印加電圧が６Ｖを超えると、両アルミニウム金属層１５，１７の溶解が生じる。
なお、積層体４に電位を印加する方法は、定電流、定電圧のどちらでも構わないが、定電圧で行うことが好ましい。定電流で行う場合は、電流密度を一定にするために、積層体４のサイズごとにその表面積を考慮して行う必要があり、作業が煩雑となるからである。
In this case, if the applied potential to the
Note that the method of applying a potential to the
なお、回路層３上に無電解ニッケルめっき被膜５が形成されためっき付きパワーモジュール用基板１には、その回路層３の上面に電子部品２５がはんだ付けされ、電子部品２５と回路層３との間がボンディングワイヤ等で接続されて、パワーモジュールが製造される。
The plated power module substrate 1 having the electroless
このように、本実施形態のめっき付きパワーモジュール用基板１の製造方法においては、積層体４に０．１Ｖ以上６Ｖ以下の正電位を印加した状態で、接合体ＳをＮｉＰめっき液Ｍ中に浸漬させることで、積層体４へのめっき反応を抑制することができる。したがって、積層体４へのマスキング処理を行う等の煩雑な作業を必要とせずに積層体４へのめっき形成を防止することができ、簡素化された工程により回路層３のみに無電解ニッケルめっき被膜５を形成することができる。したがって、めっき付きパワーモジュール用基板１を効率的に製造することができ、生産性を向上させることができる。
Thus, in the manufacturing method of the substrate 1 for a power module with plating of the present embodiment, the joined body S is placed in the NiP plating solution M in a state where a positive potential of 0.1 V or more and 6 V or less is applied to the
なお、本発明においては、銅回路層１２はセラミックス基板２にアルミニウム接合層１１を介さずに直接接合されていてもよい。図３に示す第２実施形態は、セラミックス基板２の一方の面に銅回路層１２が直接接合され、他方の面にも銅金属層１６が直接接合した、いわゆるＤＢＣ基板に本発明を適用した実施形態である。この第２実施形態のめっき付きパワーモジュール用基板３１の銅金属層１６に、ヒートシンクとしてアルミニウム金属層１７が接合されており、銅回路層１２（この場合はこの銅回路層１２のみが回路層となる）の表面に無電解ニッケルめっき被膜５が形成されている。
In the present invention, the
この第２実施形態のめっき付きパワーモジュール用基板３１を製造する場合、セラミックス基板２の両面にＡｇ−Ｃｕ−Ｔｉ又はＡｇ−Ｔｉからなる活性金属を含有するペーストを印刷し、その上に銅回路層１２及び銅金属層１６となる銅板をそれぞれ積層し、その積層構造体を積層方向に加圧し、真空雰囲気下で８００℃以上９３０℃以下に１分以上６０分以下加熱してセラミックス板２に銅回路層１２及び銅金属層１６となる銅板を活性金属ろう付け法によって接合し、銅回路層１２と銅金属層１６を形成する。
When manufacturing the
次に、銅金属層１６のセラミックス基板２とは反対の面にアルミニウム金属層１７を重ねて、これらを固相拡散接合する。これにより、セラミックス基板２の銅回路層１２とは反対側が、銅金属層１６とアルミニウム金属層１７との積層体３２となる。固相拡散接合は第１実施形態に記載した方法で行うことができる。
そして、第１実施形態と同様に、銅回路層１２に対するソフトエッチング処理を経た後、めっき処理工程を実施する。
Next, the
Then, similarly to the first embodiment, after performing the soft etching process on the
このめっき処理工程においては、積層体３２を陽極として、０．１Ｖ以上６Ｖ以下の正電位を印加した状態でめっき液中に浸漬させるが、回路層は銅回路層１２のみからなるので、そのままではめっきすることができず、既にめっき液中でめっき反応が起きている陰極又は鉄や銅などめっきが可能な金属に予めめっきを析出させたダミー陰極を銅回路層１２に接触することにより、あるいは別途用意した乾電池などの微小電源から微電流を流すことにより、銅回路層１２にめっき反応を開始させる。
In this plating process, the laminate 32 is used as an anode and immersed in a plating solution with a positive potential of 0.1 V or more and 6 V or less applied. However, since the circuit layer is composed only of the
この第２実施形態においても、積層体３２へのマスキング処理を行う等の煩雑な作業を必要とせずに積層体３２へのめっき形成を防止することができ、銅回路層１２のみに無電解ニッケルめっき被膜５を形成することができる。
Also in the second embodiment, it is possible to prevent plating from being formed on the laminated body 32 without requiring a complicated operation such as performing a masking process on the laminated body 32, and electroless nickel is applied only to the
また、図４は第３実施形態を示しており、セラミックス基板２の一方の面に銅回路層１２が直接接合され、他方の面に第１アルミニウム金属層１５を介して銅金属層１６が接合され、その銅金属層１６にヒートシンクとしての第２アルミニウム金属層１７が接合されている。そして、銅回路層１２に無電解ニッケルめっき被膜５が形成されている。
このめっき付きパワーモジュール用基板３５を製造する場合は、セラミックス基板２の一方の面に銅回路層１２となる銅板をまず活性金属ろう材を用いてろう付け接合した後、セラミックス基板２の他方の面に第１アルミニウム金属層１５となるアルミニウム板をＡｌ−７％Ｓｉ等のろう材を用いてろう付け接合する
FIG. 4 shows a third embodiment, in which the
When manufacturing the
次いで、その第１アルミニウム金属層１５のセラミックス基板２とは反対の面に銅金属層１６となる銅板を介して第２アルミニウム金属層１７となるアルミニウム板を重ねて、これらを固相拡散接合することにより一体化する。
そして、銅回路層１２に対するソフトエッチング処理を行った後、めっき処理工程を実施する。
このめっき処理工程においても、積層体４を陽極として、０．１Ｖ以上６Ｖ以下の正電位を印加した状態でめっき液中に浸漬させ、銅回路層１２に対して、既にめっき液中でめっき反応が起きている陰極又は鉄や銅などめっきが可能な金属に予めめっきを析出させたダミー陰極を接触することにより、あるいは別途用意した乾電池などの微小電源から微電流を流すことにより、銅回路層１２にめっき反応を開始させる。
Next, an aluminum plate to be the second
And after performing the soft etching process with respect to the
Also in this plating process, the
この第３実施形態においても、積層体４へのマスキング処理を行う等の煩雑な作業を必要とせずに積層体４へのめっき形成を防止することができ、銅回路層１２のみに無電解ニッケルめっき被膜５を形成することができる。
Also in the third embodiment, it is possible to prevent the formation of plating on the
なお、本発明は、上記実施形態の構成のものに限定されるものではなく、細部構成においては、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。
例えば、上記実施形態ではＮｉＰめっき液を用いたが、これに限らず、ＮｉＢめっき液や、他の無電解ニッケルめっき液を用いることが可能である。
また、ソフトエッチング処理工程後に硫酸などによる酸洗浄を行ってもよい。酸洗浄は、例えば１００ｇ／Ｌ硫酸に、室温で３０秒から１分程度浸漬することで行うことができる。
In addition, this invention is not limited to the thing of the structure of the said embodiment, In a detailed structure, it is possible to add a various change in the range which does not deviate from the meaning of this invention.
For example, although the NiP plating solution is used in the above embodiment, the present invention is not limited to this, and a NiB plating solution or other electroless nickel plating solution can be used.
In addition, acid cleaning with sulfuric acid or the like may be performed after the soft etching treatment step. The acid cleaning can be performed, for example, by immersing in 100 g / L sulfuric acid for 30 seconds to 1 minute at room temperature.
本発明の効果を確認するために、めっき付きパワーモジュール用基板を作製してめっき試験を行った。
まず、ＡｌＮからなるセラミックス基板（６０ｍｍ×６０ｍｍ×０．６３５ｍｍｔ）の両面に純度９９．９９質量％以上のアルミニウム（４Ｎ‐Ａｌ）からなるアルミニウム接合層及び第１アルミニウム金属層（いずれも５８ｍｍ×５８ｍｍ×０．４ｍｍｔ）をＡｌ‐Ｓｉ系ろう材によりろう付け接合することにより形成した。また、アルミニウム金属層及び第１アルミニウム金属層に、それぞれ無酸素銅からなる銅回路層及び銅金属層（いずれも５８ｍｍ×５８ｍｍ×０．４ｍｍｔ）を重ね、銅金属層にＪＩＳ３００３アルミニウム合金からなる第２アルミニウム金属層（１２０ｍｍ×８０ｍｍ×３ｍｍｔ）を重ねて、これらを固相拡散接合によって接合し、各試料の接合体を作製した。
In order to confirm the effect of the present invention, a power module substrate with plating was prepared and a plating test was performed.
First, on both surfaces of a ceramic substrate made of AlN (60 mm × 60 mm × 0.635 mmt), an aluminum bonding layer made of aluminum (4N-Al) having a purity of 99.99% by mass or more and a first aluminum metal layer (both 58 mm × 58 mm). × 0.4 mmt) was formed by brazing with an Al—Si brazing material. In addition, a copper circuit layer and a copper metal layer (both 58 mm × 58 mm × 0.4 mmt) made of oxygen-free copper are stacked on the aluminum metal layer and the first aluminum metal layer, respectively, and the copper metal layer is made of a JIS3003 aluminum alloy. Two aluminum metal layers (120 mm × 80 mm × 3 mmt) were stacked and bonded together by solid phase diffusion bonding to prepare a bonded body of each sample.
各試料への無電解ニッケルめっき被膜は、以下に示す手順で作製した。
まず、銅回路層の表面に付着している油分を除去するため、銅洗浄剤ＡＣＬ−００７（上村工業製）を用い、５０℃で５分浸漬させることにより脱脂を行った。
次に、脱脂処理後の接合体について、ソフトエッチング処理を行った。ソフトエッチング処理は、接合体を過硫酸ナトリウム１００ｇ／Ｌの溶液に室温で２分浸漬させることにより行った。
そして、ソフトエッチング処理を終えた接合体に、めっき被膜と回路層との密着性を確保するため、硫酸１００ｇ／Ｌの溶液を用い、室温にて１分浸漬して酸洗浄を行った。
The electroless nickel plating film to each sample was produced in the procedure shown below.
First, in order to remove oil adhering to the surface of the copper circuit layer, degreasing was performed by dipping at 50 ° C. for 5 minutes using a copper cleaner ACL-007 (manufactured by Uemura Kogyo).
Next, a soft etching process was performed on the bonded body after the degreasing process. The soft etching treatment was performed by immersing the joined body in a solution of sodium persulfate 100 g / L at room temperature for 2 minutes.
And in order to ensure the adhesiveness of a plating film and a circuit layer to the conjugate | zygote which finished the soft etching process, the sulfuric acid 100g / L solution was used for 1 minute at room temperature, and acid cleaning was performed.
酸洗浄後の接合体について、第２アルミニウム金属層にアルミニウム線で作られたラックを接触させて定電圧電源の正極に接続した。また、定電圧電源の負極には、ＳＵＳ３０４製の直径５ｍｍの棒を接続して陰極とし、予めめっき液に浸漬した。そして、第２アルミニウム金属層に通電した状態で、定電圧電源に接続された接合体をめっき液に浸漬することにより、無電解ニッケルめっき被膜を形成した。
めっき液は、低リンタイプ（メルテックス製エンプレート：ＮＩ‐２４６、Ｎｉ５．７ｇ／Ｌ、ｐＨ６．７、８０℃）、中リンタイプ（上村工業製ニムデン：ＮＰＲ‐４、Ｎｉ５．０ｇ／Ｌ、ｐＨ４．６、８０℃）、ＮｉＢタイプ（上村工業製ベルニッケル、Ｎｉ６．７ｇ／Ｌ、ｐＨ６．６、６０℃）を用いて、めっき処理を行った。また、めっき膜厚はいずれも５μｍを目途にめっき時間を設定し、低リンタイプでは１６分、中リンタイプでは２６分、ＮｉＢタイプでは６０分とした。
About the joined body after acid cleaning, a rack made of aluminum wire was brought into contact with the second aluminum metal layer and connected to the positive electrode of the constant voltage power source. Moreover, the negative electrode of the constant voltage power source was connected to a 5 mm diameter rod made of SUS304 as a cathode, and was previously immersed in a plating solution. And the electroless nickel plating film was formed by immersing the joined body connected to the constant voltage power supply in the plating solution in the state which supplied with electricity to the 2nd aluminum metal layer.
The plating solution is low phosphorus type (Meltex Enplate: NI-246, Ni 5.7 g / L, pH 6.7, 80 ° C.), medium phosphorus type (Nimden Uemura Kogyo: NPR-4, Ni 5.0 g / L). , PH 4.6, 80 ° C.), and NiB type (Uemura Kogyo Belnickel, Ni 6.7 g / L, pH 6.6, 60 ° C.) was used for plating. In addition, the plating film thickness was set to 5 μm in all cases, and was set to 16 minutes for the low phosphorus type, 26 minutes for the medium phosphorus type, and 60 minutes for the NiB type.
そして、このようにして作製した各試料について、「アルミニウム金属層の溶出」と「アルミニウム金属層へのめっき析出」とを評価した。
「アルミニウム金属層の溶出」の評価は、各試料へのめっき処理工程後のめっき液中のＡｌ濃度を、誘導結合プラズマ発光分光分析装置（Ｐｅｒｋｉｎ Ｅｌｍｅｒ社製のＯｐｔｉｍａ ３０００ＸＬ）により測定して行った。そして、めっき液中のＡｌ濃度が０．１ｍｇ／Ｌ以下とされるものについては、アルミニウム金属層（第１アルミニウム金属層及び第２アルミニウム金属層）からのＡｌ溶出がないものとして「◎」と評価し、Ａｌ濃度が０．１ｍｇ／Ｌを超え０．３ｍｇ／Ｌ未満については「○」、０．３ｍｇ／Ｌ以上については「×」と評価した。
And about each sample produced in this way, "elution of an aluminum metal layer" and "plating precipitation to an aluminum metal layer" were evaluated.
Evaluation of “elution of the aluminum metal layer” was performed by measuring the Al concentration in the plating solution after the plating process on each sample by an inductively coupled plasma emission spectrometer (Optima 3000XL manufactured by Perkin Elmer). . And about what the Al density | concentration in a plating solution shall be 0.1 mg / L or less, it is "◎" as what does not elute from an aluminum metal layer (a 1st aluminum metal layer and a 2nd aluminum metal layer) Evaluation was made such that when the Al concentration was more than 0.1 mg / L and less than 0.3 mg / L, “◯” was evaluated, and for 0.3 mg / L or more, “X” was evaluated.
「アルミニウム金属層へのめっき析出」の評価は、第２アルミニウム金属層の表面（セラミックス基板側とは反対側）を走査電子顕微鏡（日立ハイテクノロジーズ製Ｓ‐３４００Ｎ、１０ｋＶ）で２５倍の視野でＥＤＳ（Ｅｎｅｒｇｙ Ｄｉｓｐｅｒｓｉｖｅ Ｘ−Ｒａｙ Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ）観察することにより行った。そして、ＥＤＳでＮｉのピークが確認されなかったものをめっき析出がないものとして「○」と評価し、Ｎｉのピークが確認されたものを「×」と評価した。
表１に結果を示す。
The evaluation of “plating deposition on the aluminum metal layer” is performed by scanning the surface of the second aluminum metal layer (the side opposite to the ceramic substrate side) with a scanning electron microscope (S-3400N, 10 kV, manufactured by Hitachi High-Technologies Corp.) at 25 times the field of view This was performed by observing EDS (Energy Dispersive X-Ray Spectrometry). And what was not confirmed the peak of Ni by EDS was evaluated as "(circle)" as a thing without plating deposition, and the thing in which the peak of Ni was confirmed was evaluated as "x".
Table 1 shows the results.
表１からわかるように、印加電圧が０．１Ｖ以上の範囲では、第２アルミニウム金属層へのめっき析出が発生しなかった。また、めっき液が低リンタイプ又はＮｉＢタイプの場合、印加電圧が６Ｖ以下の範囲では、第２アルミニウム金属層のＡｌ溶出が発生しないことを確認できた。めっき液が中リンタイプの場合、印加電圧６Ｖではアルミニウム金属層の溶出が若干認められるが、問題となる量ではない。めっき液として中リンタイプを用いる場合、印加電圧が５Ｖ以下の範囲ではＡｌ溶出が発生しないことから、印加電圧が５Ｖ以下の範囲で用いることがより好ましい。 As can be seen from Table 1, no plating deposition occurred on the second aluminum metal layer in the range where the applied voltage was 0.1 V or more. Moreover, when the plating solution was a low phosphorus type or a NiB type, it was confirmed that Al elution of the second aluminum metal layer did not occur in the range where the applied voltage was 6 V or less. When the plating solution is a medium phosphorous type, elution of the aluminum metal layer is slightly observed at an applied voltage of 6 V, but this is not a problem amount. When the medium phosphorus type is used as the plating solution, Al elution does not occur when the applied voltage is in the range of 5 V or less, so it is more preferable to use the applied voltage in the range of 5 V or less.
１ めっき付パワーモジュール用基板
２ セラミックス基板
３ 回路層
４ 積層体
５ 無電解ニッケルめっき被膜
１１ アルミニウム接合層
１２ 銅回路層
１５ 第１アルミニウム金属層
１６ 銅金属層
１７ 第２アルミニウム金属層
２１ 電源
２２ 電極
２３ めっき槽
２５ 電子部品
３１ めっき付きパワーモジュール用基板
３２ 積層体
３５ めっき付きパワーモジュール用基板
Ｓ 接合体
Ｍ めっき液
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Substrate for power modules with plating 2
Claims (1)
A circuit layer having a copper circuit layer is bonded to one surface of the ceramic substrate directly or via an aluminum bonding layer, and a laminate of an aluminum metal layer and a copper metal layer is bonded to the other surface of the ceramic substrate. A method for producing a power module substrate with plating by applying plating to the circuit layer of the power module substrate, wherein a positive potential of 0.1 V or more and 6 V or less is applied to the laminate of the power module substrate. A method for producing a substrate for a power module with plating, comprising: a plating treatment step of immersing the power module substrate in a nickel plating solution in a state of being formed to form an electroless nickel plating film on the circuit layer.
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