JP4362600B2 - 金属−セラミックス接合部材 - Google Patents
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Description
本発明は、アルミニウムまたはアルミニウム合金からなる金属部材がセラミックス部材に接合した金属−セラミックス接合部材に関し、特に、パワーモジュール用などの大電力素子搭載用の金属−セラミックス回路基板として使用される金属−セラミックス接合部材に関する。
従来、アルミニウムフィンなどのアルミニウム部材の半田付けする面に、電気めっきまたは無電解めっきによって厚さ０．５〜２０μｍのニッケル含有めっきを施すことにより、熱放散能力および熱疲労特性を向上させるとともに、半田の接合強度を高めることが知られている（例えば、特許文献１参照）。
また、パワーモジュール用のアルミニウム−セラミックス接合基板では、セラミックス基板の一方の面にアルミニウム回路板が接合され、他方の面に放熱板が接合されている場合が多く、特に、アルミニウム回路板は複数のアイランド状に形成され、その上に電極を設置するために、アルミニウム回路板に安価な無電解ニッケル合金めっき、具体的には、数〜十数％のリン（Ｐ）やホウ素（Ｂ）を含有するＮｉ−ＰやＮｉ−Ｂなどのニッケル合金のめっきが施されている。
一方、近年、環境汚染の防止の観点から、電子材料の半田付けにおいてもＰｂフリー化が求められており、特に、Ｐｂフリー半田（実質的に鉛を含まない半田）としてＳｎリッチの半田が使用され始めている
しかし、従来の無電解Ｎｉ−Ｐめっきを施した上に、Ｐｂフリー半田（Ｓｎリッチ半田）によりチップや放熱板を半田付けすると、ヒートサイクルが繰り返された場合などに、半田にクラックが発生したり、チップが破損する場合があり、金属−セラミックス回路基板の信頼性を損なう場合がある。
したがって、本発明は、このような従来の問題点に鑑み、ヒートサイクルが繰り返し加えられても半田クラックの発生やチップの破損を防止することができる、高信頼性の金属−セラミックス接合部材を提供することを目的とする。
本発明者らは、上記課題を解決するために鋭意研究した結果、アルミニウムまたはアルミニウム合金からなる金属部材の全面または一部の面に１．０μｍより厚く且つ１５．０μｍ以下の厚さの電気ニッケルめっきを施すことにより、金属−セラミックス接合部材にヒートサイクルが繰り返し加えられても半田クラックの発生やチップの破損を防止することができることを見出し、本発明を完成するに至った。
すなわち、本発明による金属−セラミックス接合部材は、アルミニウムまたはアルミニウム合金からなる金属部材がセラミックス部材に接合した金属−セラミックス接合部材において、金属部材の全面または一部の面に１．０μｍより厚く且つ１５．０μｍ以下の厚さの電気ニッケルめっきが施されていることを特徴とする。この金属−セラミックス接合部材において、電気ニッケルめっきの厚さが１．５〜１５．０μｍであるのが好ましく、２．０〜１０．０μｍであるのがさらに好ましい。また、電気ニッケルめっき上に半田が付けられており、半田によりチップ部品または放熱板が半田付けされているのが好ましい。この半田は実質的に鉛を含まない半田であるのが好ましい。また、アルミニウム合金は、アルミニウム−シリコン系合金、アルミニウム−銅系合金、アルミニウム−マグネシウム系合金、アルミニウム−シリコン−ボロン系合金またはアルミニウム−マグネシウム−シリコン系合金であるのが好ましい。さらに、上記の金属−セラミックス接合部材は、金属部材が回路形状に形成されて、回路基板として使用することができる。
本発明によれば、金属−セラミックス接合部材にヒートサイクルが繰り返し加えられても、めっきの剥離を防止し、半田クラックの発生やチップの破損を防止することができる。
本発明による金属−セラミックス接合部材の実施の形態では、アルミニウムまたはアルミニウム合金からなる金属部材がセラミックス部材に接合した金属−セラミックス接合部材において、金属部材の全面または一部の面に１μｍより厚く且つ１５μｍ以下、好ましくは１．５〜１５μｍ、さらに好ましくは２〜１０μｍの厚さの電気ニッケルめっきが施されている。電気ニッケルめっきの厚さが１μｍ以下であると、チップなどを半田付けした場合に、半田のＳｎがＮｉめっき層を拡散し、金属部材中のＡｌと反応して脆化層を形成し、めっきの剥離などの不具合を生じ、一方、電気ニッケルめっきの厚さが１５μｍより厚いと、めっきを施すコストが高くなり、また、Ｎｉめっき層はＡｌと比べて硬いので、チップなどを半田付けした場合に、ヒートサイクル後に半田クラックの発生やチップの破損のおそれがあるからである。
金属部材は、アルミニウムまたはアルミニウム合金からなり、アルミニウム合金は、アルミニウム−シリコン系合金、アルミニウム−銅系合金、アルミニウム−マグネシウム系合金、アルミニウム−シリコン−ボロン系合金またはアルミニウム−マグネシウム−シリコン系合金であるのが好ましい。また、金属部材をセラミックス部材に接合したときや、接合部材にヒートサイクルが加わったときに、熱膨張差による応力が発生してセラミックス部材にクラックが発生するのを防止するため、金属部材がビッカース硬度Ｈｖ２０〜４０程度の比較的柔らかい部材であるのが好ましい。
セラミックス部材は、アルミナ、窒化アルミニウム、窒化珪素、炭化珪素などを主成分とする部材であるのが好ましい。
金属部材とセラミックス部材との接合には、ろう材接合法、直接接合法または溶湯接合法のいずれの接合法を使用してもよいが、柔らかく硬度が低い金属部材を得るためには溶湯接合法を使用するのが好ましい。
ニッケルめっきは、合金ではない電気ニッケルめっきであるのが好ましく、Ｐを含まないめっきであるのが好ましい。無電解Ｎｉ−Ｐめっきを使用すると、ヒートサイクル後に、Ｐがリッチな層が発生して、めっきの剥離の原因になるからである。また、電気ニッケルめっきの組成は、ニッケルを９９．５％以上含む組成が好ましい。
電気ニッケルめっき上にチップなどを半田付けするのに使用する半田は、通常のＳｎ／Ｐｂ系の半田でもよいが、実質的に鉛を含まない半田（Ｐｂフリー半田）を使用する場合に、本発明による効果が最も顕著に現れる。Ｐｂフリー半田には、Ｓｎ／Ａｇ系やＳｎ／Ａｇ／Ｃｕ系などの半田があり、いずれの半田も従来の半田より融点が高い。また、Ｐｂフリー半田は、Ｓｎリッチの組成であり、このＳｎがニッケルめっき層を拡散し、さらに金属部材のＡｌと反応することによって脆化層を形成し、めっきの剥離の原因になり易く、また、ヒートサイクル後に半田クラックの発生やチップの破損の原因にもなると考えられる。このようなＳｎの拡散を防止するために、本発明による金属−セラミックス接合部材の実施の形態では、金属部材上に所定の厚さの電気ニッケルめっきを施している。
以下、添付図面を参照して、本発明による金属−セラミックス接合部材の実施例について詳細に説明する。
［実施例１］
図１〜図５に示すように、セラミックス基板１０として１００ｍｍ×１００ｍｍ×０．６３５ｍｍの大きさの窒化アルミニウム（ＡｌＮ）基板を用意し（図１参照）、溶湯接合法により厚さ０．４ｍｍの純アルミニウムからなる金属板１２をＡｌＮ基板１０に接合して研磨した（図２参照）後、アルカリ剥離タイプのレジスト（三井化学（株）製のＭＴ−ＵＶ−５２０３Ｐ）１４を回路パターン形状にスクリーン印刷して硬化させ（図３参照）、塩化鉄溶液により不要部分をエッチング除去して回路を形成し（図４参照）、３％ＮａＯＨ溶液によりレジスト１４を剥離して金属−セラミックス回路基板を作製した（図５参照）。
図１〜図５に示すように、セラミックス基板１０として１００ｍｍ×１００ｍｍ×０．６３５ｍｍの大きさの窒化アルミニウム（ＡｌＮ）基板を用意し（図１参照）、溶湯接合法により厚さ０．４ｍｍの純アルミニウムからなる金属板１２をＡｌＮ基板１０に接合して研磨した（図２参照）後、アルカリ剥離タイプのレジスト（三井化学（株）製のＭＴ−ＵＶ−５２０３Ｐ）１４を回路パターン形状にスクリーン印刷して硬化させ（図３参照）、塩化鉄溶液により不要部分をエッチング除去して回路を形成し（図４参照）、３％ＮａＯＨ溶液によりレジスト１４を剥離して金属−セラミックス回路基板を作製した（図５参照）。
このようにして作製した金属−セラミックス回路基板を、アルミニウム用の脱脂液（上村工業（株）製のＵＡ−６８を５０ｇ／Ｌ含む）に５０℃で５分間浸漬して脱脂処理を行った後、アルミニウム用の化学研磨液（上村工業（株）製のＡＺ−１０２を５０ｇ／Ｌ含む）に５７℃で３分間浸漬して化学研磨処理を行った。次に、この化学研磨処理後の基板を、０．５Ｌ／Ｌの硝酸を含む水溶液に室温で３０秒間浸漬して酸洗して水洗した後、亜鉛置換液（上村工業（株）製のＡＺ−３０１−３Ｘを０．３３Ｌ／Ｌ含む）に室温で３０秒間浸漬して亜鉛置換処理を行って水洗した。さらに、この亜鉛置換処理後の基板を、０．５Ｌ／Ｌの硝酸を含む水溶液に室温で２０秒間浸漬して酸洗して水洗した後、亜鉛置換液（上村工業（株）製のＡＺ−３０１−３Ｘを０．３３Ｌ／Ｌ含む）に室温で２０秒間浸漬して再び亜鉛置換処理を行って水洗した。
その後、硫酸ニッケル（３００ｇ／Ｌ）と塩化ニッケル（４５ｇ／Ｌ）とホウ酸（３０ｇ／Ｌ）を含むめっき浴（ワット浴）中に、上記の前処理を行った基板を浸漬するとともに、アノードとしてＮｉ板を浸漬し、浴温を５０℃に保持し、電流密度を１０Ａ／ｄｍ２に設定し、電解時間を１分間として、図６に示すように、アルミニウムからなる金属板１２上に厚さ２μｍの電気ニッケルめっき１６を施した。
このようにめっきを施した金属板１２上にＳｎを含有する半田によりチップを半田付けした後、断面をＥＰＭＡ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｐｒｏｂｅ Ｍｉｃｒｏ Ａｎａｌｙｚｅｒ）で観察したところ、半田に含まれるＳｎがアルミニウムに拡散していなかった。また、上記の金属板１２上にめっきを施した金属−セラミックス回路基板について、１２５℃×３０分→室温×１０分→−４０℃×３０分→室温×１０分を１サイクルとするヒートサイクルを３００回行ったところ、半田クラックの発生やチップの破損などの異常はなかった。
［実施例２］
電解時間を２．５分間にして厚さ５μｍの電気ニッケルめっきを施した以外は実施例１と同様の方法により、金属板上に電気ニッケルめっきを施し、チップを半田付けした後、断面をＥＰＭＡで観察したところ、半田に含まれるＳｎがアルミニウムに拡散していなかった。また、実施例１と同様のヒートサイクル試験を行ったところ、半田クラックの発生やチップの破損などの異常はなかった。
電解時間を２．５分間にして厚さ５μｍの電気ニッケルめっきを施した以外は実施例１と同様の方法により、金属板上に電気ニッケルめっきを施し、チップを半田付けした後、断面をＥＰＭＡで観察したところ、半田に含まれるＳｎがアルミニウムに拡散していなかった。また、実施例１と同様のヒートサイクル試験を行ったところ、半田クラックの発生やチップの破損などの異常はなかった。
［比較例１］
電解時間を３０秒間にして厚さ１μｍの電気ニッケルめっきを施した以外は実施例１と同様の方法により、金属板上に電気ニッケルめっきを施し、チップを半田付けした後、断面をＥＰＭＡで観察したところ、半田に含まれるＳｎがアルミニウムに拡散しているのが確認された。また、実施例１と同様のヒートサイクル試験を行ったところ、半田クラックが発生し、チップが破損していた。
電解時間を３０秒間にして厚さ１μｍの電気ニッケルめっきを施した以外は実施例１と同様の方法により、金属板上に電気ニッケルめっきを施し、チップを半田付けした後、断面をＥＰＭＡで観察したところ、半田に含まれるＳｎがアルミニウムに拡散しているのが確認された。また、実施例１と同様のヒートサイクル試験を行ったところ、半田クラックが発生し、チップが破損していた。
［実施例３］
実施例１の亜鉛置換法による前処理（活性化処理）に代えてパラジウム活性化法による前処理を行った以外は実施例１と同様の方法により、金属板上に厚さ２μｍの電気ニッケルめっきを施した金属−セラミックス回路基板を作製した。この実施例の前処理では、アルミニウム用の脱脂液（上村工業（株）製のＬＣＬ−１Ｅを７．５重量％含む）に４０℃で５分間浸漬して脱脂処理を行い、アルミニウム用の化学研磨液（上村工業（株）製のＡＤ−１０１Ｆを１０重量％含む）に７０℃で５分間浸漬して化学研磨処理を行った後、１０重量％のパラジウム活性化液（上村工業（株）製のＡＴ−３６０）と１．５重量％の塩酸を含む水溶液に２３℃で２分間浸漬してパラジウム活性化処理を行った。この実施例で作製した金属−セラミックス回路基板にＳｎを含有する半田によりチップを半田付けした後、断面をＥＰＭＡで観察したところ、半田に含まれるＳｎがアルミニウムに拡散していなかった。また、実施例１と同様のヒートサイクル試験を行ったところ、半田クラックの発生やチップの破損などの異常はなかった。
実施例１の亜鉛置換法による前処理（活性化処理）に代えてパラジウム活性化法による前処理を行った以外は実施例１と同様の方法により、金属板上に厚さ２μｍの電気ニッケルめっきを施した金属−セラミックス回路基板を作製した。この実施例の前処理では、アルミニウム用の脱脂液（上村工業（株）製のＬＣＬ−１Ｅを７．５重量％含む）に４０℃で５分間浸漬して脱脂処理を行い、アルミニウム用の化学研磨液（上村工業（株）製のＡＤ−１０１Ｆを１０重量％含む）に７０℃で５分間浸漬して化学研磨処理を行った後、１０重量％のパラジウム活性化液（上村工業（株）製のＡＴ−３６０）と１．５重量％の塩酸を含む水溶液に２３℃で２分間浸漬してパラジウム活性化処理を行った。この実施例で作製した金属−セラミックス回路基板にＳｎを含有する半田によりチップを半田付けした後、断面をＥＰＭＡで観察したところ、半田に含まれるＳｎがアルミニウムに拡散していなかった。また、実施例１と同様のヒートサイクル試験を行ったところ、半田クラックの発生やチップの破損などの異常はなかった。
［実施例４］
電解時間を２．５分間にして厚さ５μｍの電気ニッケルめっきを施した以外は実施例３と同様の方法により、金属板上に電気ニッケルめっきを施し、チップを半田付けした後、断面をＥＰＭＡで観察したところ、半田に含まれるＳｎがアルミニウムに拡散していなかった。また、実施例１と同様のヒートサイクル試験を行ったところ、半田クラックの発生やチップの破損などの異常はなかった。
電解時間を２．５分間にして厚さ５μｍの電気ニッケルめっきを施した以外は実施例３と同様の方法により、金属板上に電気ニッケルめっきを施し、チップを半田付けした後、断面をＥＰＭＡで観察したところ、半田に含まれるＳｎがアルミニウムに拡散していなかった。また、実施例１と同様のヒートサイクル試験を行ったところ、半田クラックの発生やチップの破損などの異常はなかった。
［比較例２］
電解時間を３０秒間にして厚さ１μｍの電気ニッケルめっきを施した以外は実施例３と同様の方法により、金属板上に電気ニッケルめっきを施し、チップを半田付けした後、断面をＥＰＭＡで観察したところ、半田に含まれるＳｎがアルミニウムに拡散しているのが確認された。また、実施例１と同様のヒートサイクル試験を行ったところ、半田クラックが発生し、チップが破損していた。
電解時間を３０秒間にして厚さ１μｍの電気ニッケルめっきを施した以外は実施例３と同様の方法により、金属板上に電気ニッケルめっきを施し、チップを半田付けした後、断面をＥＰＭＡで観察したところ、半田に含まれるＳｎがアルミニウムに拡散しているのが確認された。また、実施例１と同様のヒートサイクル試験を行ったところ、半田クラックが発生し、チップが破損していた。
［比較例３］
実施例１の電気ニッケルめっきに代えて無電解Ｎｉ−Ｐめっきを施した以外は実施例１と同様の方法により、金属板上に厚さ１μｍの無電解Ｎｉ−Ｐめっきを施した金属−セラミックス回路基板を作製した。この比較例の無電解Ｎｉ−Ｐめっきは、１０重量％のＳＸ−Ｍ（上村工業（株）製）と５．５重量％のＳＸ−Ａ（上村工業（株）製）を含むめっき浴中に、８９℃で３分間浸漬することによって行った。この比較例で作製した金属−セラミックス回路基板にＳｎを含有する半田によりチップを半田付けした後、断面をＥＰＭＡで観察したところ、半田に含まれるＳｎがアルミニウムに拡散しているのが確認された。また、実施例１と同様のヒートサイクル試験を行ったところ、半田クラックが発生し、チップが破損していた。
実施例１の電気ニッケルめっきに代えて無電解Ｎｉ−Ｐめっきを施した以外は実施例１と同様の方法により、金属板上に厚さ１μｍの無電解Ｎｉ−Ｐめっきを施した金属−セラミックス回路基板を作製した。この比較例の無電解Ｎｉ−Ｐめっきは、１０重量％のＳＸ−Ｍ（上村工業（株）製）と５．５重量％のＳＸ−Ａ（上村工業（株）製）を含むめっき浴中に、８９℃で３分間浸漬することによって行った。この比較例で作製した金属−セラミックス回路基板にＳｎを含有する半田によりチップを半田付けした後、断面をＥＰＭＡで観察したところ、半田に含まれるＳｎがアルミニウムに拡散しているのが確認された。また、実施例１と同様のヒートサイクル試験を行ったところ、半田クラックが発生し、チップが破損していた。
［比較例４］
浸漬時間を６分間にして厚さ２μｍの無電解Ｎｉ−Ｐめっきを施した以外は比較例３と同様の方法により、金属板上に無電解Ｎｉ−Ｐめっきを施し、チップを半田付けした後、断面をＥＰＭＡで観察したところ、半田に含まれるＳｎがアルミニウムに拡散しているのが確認された。また、実施例１と同様のヒートサイクル試験を行ったところ、半田クラックが発生し、チップが破損していた。
浸漬時間を６分間にして厚さ２μｍの無電解Ｎｉ−Ｐめっきを施した以外は比較例３と同様の方法により、金属板上に無電解Ｎｉ−Ｐめっきを施し、チップを半田付けした後、断面をＥＰＭＡで観察したところ、半田に含まれるＳｎがアルミニウムに拡散しているのが確認された。また、実施例１と同様のヒートサイクル試験を行ったところ、半田クラックが発生し、チップが破損していた。
［比較例５］
浸漬時間を１５分間にして厚さ５μｍの無電解Ｎｉ−Ｐめっきを施した以外は比較例３と同様の方法により、金属板上に無電解Ｎｉ−Ｐめっきを施し、チップを半田付けした後、断面をＥＰＭＡで観察したところ、半田に含まれるＳｎがアルミニウムに拡散しているのが確認された。また、実施例１と同様のヒートサイクル試験を行ったところ、半田クラックが発生し、チップが破損していた。
浸漬時間を１５分間にして厚さ５μｍの無電解Ｎｉ−Ｐめっきを施した以外は比較例３と同様の方法により、金属板上に無電解Ｎｉ−Ｐめっきを施し、チップを半田付けした後、断面をＥＰＭＡで観察したところ、半田に含まれるＳｎがアルミニウムに拡散しているのが確認された。また、実施例１と同様のヒートサイクル試験を行ったところ、半田クラックが発生し、チップが破損していた。
［比較例６］
実施例３の電気ニッケルめっきに代えて比較例３の無電解Ｎｉ−Ｐめっきを行った以外は実施例３と同様の方法により、金属板上に厚さ１μｍの無電解Ｎｉ−Ｐめっきを施し、チップを半田付けした後、断面をＥＰＭＡで観察したところ、半田に含まれるＳｎがアルミニウムに拡散しているのが確認された。また、実施例１と同様のヒートサイクル試験を行ったところ、半田クラックが発生し、チップが破損していた。
実施例３の電気ニッケルめっきに代えて比較例３の無電解Ｎｉ−Ｐめっきを行った以外は実施例３と同様の方法により、金属板上に厚さ１μｍの無電解Ｎｉ−Ｐめっきを施し、チップを半田付けした後、断面をＥＰＭＡで観察したところ、半田に含まれるＳｎがアルミニウムに拡散しているのが確認された。また、実施例１と同様のヒートサイクル試験を行ったところ、半田クラックが発生し、チップが破損していた。
［比較例７］
浸漬時間を６分間にして厚さ２μｍの無電解Ｎｉ−Ｐめっきを施した以外は比較例６と同様の方法により、金属板上に無電解Ｎｉ−Ｐめっきを施し、チップを半田付けした後、断面をＥＰＭＡで観察したところ、半田に含まれるＳｎがアルミニウムに拡散しているのが確認された。また、実施例１と同様のヒートサイクル試験を行ったところ、半田クラックが発生し、チップが破損していた。
浸漬時間を６分間にして厚さ２μｍの無電解Ｎｉ−Ｐめっきを施した以外は比較例６と同様の方法により、金属板上に無電解Ｎｉ−Ｐめっきを施し、チップを半田付けした後、断面をＥＰＭＡで観察したところ、半田に含まれるＳｎがアルミニウムに拡散しているのが確認された。また、実施例１と同様のヒートサイクル試験を行ったところ、半田クラックが発生し、チップが破損していた。
［比較例８］
浸漬時間を１５分間にして厚さ５μｍの無電解Ｎｉ−Ｐめっきを施した以外は比較例６と同様の方法により、金属板上に無電解Ｎｉ−Ｐめっきを施し、チップを半田付けした後、断面をＥＰＭＡで観察したところ、半田に含まれるＳｎがアルミニウムに拡散しているのが確認された。また、実施例１と同様のヒートサイクル試験を行ったところ、半田クラックが発生し、チップが破損していた。
浸漬時間を１５分間にして厚さ５μｍの無電解Ｎｉ−Ｐめっきを施した以外は比較例６と同様の方法により、金属板上に無電解Ｎｉ−Ｐめっきを施し、チップを半田付けした後、断面をＥＰＭＡで観察したところ、半田に含まれるＳｎがアルミニウムに拡散しているのが確認された。また、実施例１と同様のヒートサイクル試験を行ったところ、半田クラックが発生し、チップが破損していた。
これらの実施例１〜４および比較例１〜８の結果を表１に示す。
表１に示すように、アルミニウムからなる金属板上に１μｍを超える厚さ、好ましくは２〜５μｍの厚さの電気ニッケルめっきを施すことにより、Ｓｎを含有する半田によりチップを金属板に半田付けした後に、半田に含まれるＳｎがアルミニウムに拡散するのを防止することができるとともに、ヒートサイクル後の半田クラックの発生やチップの破損を防止することができる。
１０ セラミックス基板
１２ 金属板
１４ レジスト
１６ 電気ニッケルめっき
１２ 金属板
１４ レジスト
１６ 電気ニッケルめっき
Claims (4)
- アルミニウムまたはアルミニウム合金からなる金属部材がセラミックス部材に接合した金属−セラミックス接合部材において、金属部材の全面または一部の面に１．５〜１５．０μｍの厚さの電気ニッケルめっきが施され、この電気ニッケルめっき上に、実質的に鉛を含まない半田によりチップ部品または放熱板が半田付けされていることを特徴とする、金属−セラミックス接合部材。
- 前記電気ニッケルめっきの厚さが２．０〜１０．０μｍであることを特徴とする、請求項１に記載の金属−セラミックス接合部材。
- 前記アルミニウム合金が、アルミニウム−シリコン系合金、アルミニウム−銅系合金、アルミニウム−マグネシウム系合金、アルミニウム−シリコン−ボロン系合金またはアルミニウム−マグネシウム−シリコン系合金であることを特徴とする、請求項１または２に記載の金属−セラミックス接合部材。
- 前記金属部材が回路形状に形成されて、回路基板として使用されることを特徴とする、請求項１乃至３のいずれかに記載の金属−セラミックス接合部材。
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