JP5947401B2 - 銅メタライズ配線セラミック基板及びその製造方法 - Google Patents
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Description
(1)樹脂、銅粉、ガラスフリットを混合したペーストを基板に印刷し還元性雰囲気中800〜900℃で焼成する厚膜印刷法、
(2)基板上にCrあるいはTi薄膜層を設け、その上に銅を付着させるスパッタリング法、
(3)セラミックス表面に微細な凹凸を形成し無電解メッキあるいは電解メッキを施す直接めっき法。
これらの手法によれば微細な配線形成が可能であるが、このうち厚膜印刷法では導体が焼結体であるため導体抵抗が高く、またスパッタリング法では厚い配線層の形成自体が困難であり、大電流の通電には不向きである。これに対し、直接めっき法では電解めっきにより配線層の膜厚制御も可能であり、大電流に対応した厚い配線層と微細な配線引き回しを同一基板内に共存させることができるので、求められる強い密着強度を得ることができればセラミック配線基板の小型化に大きく寄与できる技術となる。
しかしながら、これらの方法はいずれもセラミック基板上に大電流に対応した厚い配線層を形成した場合の密着強度が十分ではなく、銅メタライズ配線セラミックパワーモジュール用基板として使用することはできない。
[1]亜鉛めっき液に浸漬する湿式法によりセラミック基板上に1μm2あたり150〜250本の直径20〜100nm、長さ120〜280nmの針状酸化亜鉛結晶よりなる膜を形成する工程、大気雰囲気下、500℃以上900℃未満の温度で熱処理を行う工程、無電解銅めっき及び電解銅めっきを行って銅めっき皮膜を形成する工程、及びエッチングレジストにて銅めっき皮膜をパターンニングして配線パターンを形成する工程を有することを特徴とする銅メタライズ配線セラミック基板の製造方法。
[2]針状酸化亜鉛結晶の直径が40〜80nm、長さが150〜250nmであり、熱処理温度が700℃以上900℃未満の温度である前項1に記載の銅メタライズ配線セラミック基板の製造方法。
[3]セラミック基板が、アルミナ、アルミナジルコニア、窒化アルミニウム及び窒化ケイ素基板から選択される前項1または2に記載の銅メタライズ配線セラミック基板の製造方法。
[4]スルーホールあるいはビア用の貫通孔を備えた基板を使用し、表裏導通が可能な前項1〜3のいずれかに記載の銅メタライズ配線セラミック基板の製造方法。
[5]電解銅めっき時に基板表面の一部を遮蔽板にて遮蔽し、基板内に銅めっき配線厚が50〜100μmの部分と5〜10μmの部分とからなる銅めっき皮膜を形成する前項1〜4のいずれかに記載の厚みの異なる配線を有する銅メタライズ配線セラミック基板の製造方法。
[6]前項1〜5のいずれかに記載の方法で得られた銅メタライズ配線セラミック基板。
[7]銅配線パターンの密着強度が1.5kgf/2mm□以上である前項6に記載の銅メタライズ配線セラミック基板。
[8]前項6または7に記載の銅メタライズ配線セラミック基板を用いたパワーモジュール用配線基板。
本発明ではセラミック基板として、アルミナ、アルミナジルコニア、窒化アルミニウム及び窒化ケイ素基板から選択されるものを使用する。具体的には、99質量%アルミナ、96質量%アルミナ、92質量%アルミナ、アルミナジルコニア、窒化アルミニウム、窒化ケイ素などが挙げられる。例えば、好ましく用いられるアルミナジルコニア基板はアルミナ94質量%、部分安定化ジルコニア5質量%、残成分はマグネシア、シリカ、カルシアのいずれかあるいは2つ以上が含まれる助剤成分よりなる。
これらの基板は、表面の有機物を取り除くために、例えばUV(紫外線)オゾン処理などで清浄化する。清浄化できるものであれば、その手段は特に限定されるものではない。また、基板が焼成直後である場合など有機物汚染がない状態であれば、清浄化工程を省略してもよい。
めっき条件を選択することによってセラミック基板上に、基板面と配線層間の接合層として、直径20〜100nm、特に望ましくは直径40〜80nm、長さ120〜280nm、特に望ましくは長さ150〜250nm、1μm2あたり150〜250本の針状酸化亜鉛結晶よりなる膜を形成することが本発明の第1の特徴である。
次ぎにセラミック基板と針状酸化亜鉛結晶間で相互拡散を起こし、セラミック基板と針状酸化亜鉛結晶間の密着力を高めるために十分な温度で針状酸化亜鉛結晶膜を形成したセラミック基板を熱処理する。一方で針状酸化亜鉛結晶が粒成長を起こし形状が崩れると、後工程で形成する銅めっき膜とのアンカー効果による密着が期待できなくなるので、密着力が確保できる結晶となる温度で処理する必要がある。前記工程1で形成した針状酸化亜鉛結晶に対して、500℃以上900℃未満、特に望ましくは700℃以上900℃未満で熱処理を行うことが本発明の第2の特徴である。
熱処理時間は特に限定されないが15分以上3時間以下が好ましい。これより短いと熱処理による効果を得ることができず、長いと経済的ではない。
焼成炉としては、バッチ式、ベルト式などの焼成方式に限定されるものではない。また焼成時の雰囲気は窒素雰囲気や還元雰囲気であると酸化亜鉛結晶が分解され、接着層としての効果が発現できなくなるため、大気雰囲気など酸化雰囲気で行うことが好ましい。
次ぎに熱処理したセラミック基板の針状酸化亜鉛結晶膜上に無電解銅めっき皮膜を形成した後、所望の厚みに電解銅めっき皮膜を形成しエッチングレジストにて銅めっき皮膜をパターンニングして配線パターンを形成する。
無電解銅めっきの前処理として触媒付与液を用いて触媒付与を行うが、触媒付与液は無電解銅めっき皮膜の形成が達成できるものであれば特に限定するものではなく、市販のものが用いられる。また、無電解銅めっき液についても同様に市販のものが使用できる。前述した針状酸化亜鉛結晶膜に沿って無電解銅めっき皮膜が形成されることでアンカー効果が発現し、酸化亜鉛膜と銅めっき皮膜間で強固な密着強度を得ることができる。
本発明の方法により得られる銅メタライズ配線セラミック基板は、実施例に記載の方法にて測定した平均密着強度が1.5kgf/2mm□以上の強固な密着性を有する。
なお、下記の実施例及び比較例で形成した基板上の銅配線パターンの密着性(平均密着強度(kgf/2mm□))は下記の方法で測定した。
2mm角の銅めっきパターンのランドにリード線をL字形に曲げて、リード線が垂直に立つように半田付けする。このリード線を垂直方向に引っ張り、リード線が半田付けされた部分から剥がれる強度(Kgf)をプッシュプルゲージで測定した。測定値は20個の平均値である。測定値が高いほど密着強度が大きい。
アルミナ94質量%、部分安定化ジルコニア5質量%と助剤成分としてマグネシア、シリカ、カルシアのいずれか1つあるいは2つ以上が含まれる組成のアルミナジルコニアでありスルーホール用の貫通孔(直径130μm)を備えた基板を用意した。この基板面に対してUVオゾン処理を10分間行い、有機物を除去した。酸化亜鉛層形成のための前処理として市販の触媒付与液(奥野製薬工業(株)製、テクノクリアSN,AG,PD)を用い、Sn−Ag−Pd触媒核を基板表面に付与した。その後硝酸亜鉛30mM、ジメチルアミンボラン5mMが含まれる水溶液を調製し、65℃、60分間浸漬処理し酸化亜鉛層の形成を行った。次にバッチ炉にて大気雰囲気下800℃で1時間保持する熱処理を行った。焼成後の基板表面のFE−SEM(Field Emission Scanning Electron Microscope)(電界放射型走査型電子顕微鏡)観察像ではセラミック基板上に直径60nm、長さ200nm、1μm2あたり、およそ200本の針状酸化亜鉛結晶よりなる膜が形成されていることを確認した(図1参照)。
アルミナ96質量%と助剤成分としてマグネシア、シリカ、カルシアのいずれか1つあるいは2つ以上が含まれる組成のアルミナでありビア用に直径100μmの貫通孔を備えた基板を用意した。実施例1と同様にUVオゾン処理後酸化亜鉛層を形成し、ベルト炉にて大気雰囲気下800℃で15分間保持させる熱処理を行った。その後無電解銅めっき皮膜を形成し、電解銅めっきでは室温、陰極電流密度6A/dm2で45分通電し、厚さ50μmの銅めっき皮膜を得た。ビアは貫通孔側面部からの電解銅皮膜の成長により、銅で充填されていた。また電解めっきの際、基板表面の一部を遮蔽板にて遮蔽した。遮蔽板は電解めっき液中の被めっき物と陽極との間に配置し、電流の流れを抑制することにより基板内に銅厚み10μmとなる部分も同時に作製した。皮膜をエッチングレジストにて非エッチング部を被覆後、塩化鉄エッチング液でエッチングを行い、パワーモジュール基板用の配線パターンを形成した。得られた銅パターンは密着性に非常に優れたものとなった。
窒化物である窒化ケイ素基板を用意した。バッチ炉にて大気雰囲気、800℃にて60分間熱処理を行い、窒化物基板表面に薄い酸化皮膜層を形成した。その後は実施例1と同様にUVオゾン処理後酸化亜鉛層を形成し、大気中800℃で熱処理を行った。無電解銅めっき皮膜を形成し、電解銅めっきにて45分通電し、厚さ50μmの銅めっき皮膜を得た。皮膜をエッチングレジストにて非エッチング部を被覆後、塩化鉄エッチング液でエッチングを行いパターンニングしたが、得られた銅パターンは密着性に非常に優れたものとなった。
アルミナ94質量%、部分安定化ジルコニア5質量%と助剤成分としてマグネシア、シリカ、カルシアのいずれか1つあるいは2つ以上が含まれる組成のアルミナジルコニアであり、スルーホール用の貫通孔を備えた基板を複数枚用意した。各基板面に対して実施例1と同様にUVオゾン処理を10分間行い、有機物を除去した。酸化亜鉛層形成のための前処理では市販の触媒付与液(奥野製薬工業(株)製、テクノクリアSN,AG,PD)を用い、Sn−Ag−Pd触媒核を基板表面に付与した。
酸化亜鉛層の形状の長さの影響を見るため、硝酸亜鉛30mM、ジメチルアミンボラン5mMを含む水溶液を調製し、65℃で、浸漬時間を変えて酸化亜鉛長さを変更した。焼成後の基板表面のFE−SEM観察像ではセラミック基板上に直径60nm、長さはそれぞれ120nmと280nm、1μm2あたりおよそ200本の針状酸化亜鉛結晶よりなる膜が形成されていることを確認した(図2(A)及び(B)参照)。実施例1と同様に無電解銅めっき皮膜を形成し、電解銅めっきにて45分通電し、厚さ50μmの銅めっき皮膜を得た。皮膜をエッチングレジストにて非エッチング部を被覆後、塩化鉄エッチング液でエッチングを行いパターンニングしたが、得られた銅パターンは平均密着強度がそれぞれ3.18kgf/2mm□、2.57kgf/2mm□となり、密着性は実施例1にやや劣るものとなったが実用に耐えうるものであった(図6参照)。
アルミナ94質量%、部分安定化ジルコニア5質量%と助剤成分としてマグネシア、シリカ、カルシアのいずれか1つあるいは2つ以上が含まれる組成のアルミナジルコニアであり,スルーホール用の貫通孔を備えた基板を複数枚用意した。実施例1と同様に各基板面に対してUVオゾン処理を10分間行い有機物の除去を行った。酸化亜鉛層形成のための前処理では市販の触媒付与液(奥野製薬工業(株)製、テクノクリアSN、AG、PD)を用い、Sn−Ag−Pd触媒核を基板表面に付与した。
酸化亜鉛層の形状の直径の影響を見るため、硝酸亜鉛濃度を10mMと50mMにそれぞれ変更し、ジメチルアミンボランが5mM含まれる水溶液を調製し、65℃で、浸漬時間を変えて酸化亜鉛長さは一定とした。焼成後の基板表面のFE−SEM観察像ではセラミック基板上に直径がそれぞれ20nmと100nm、長さが200nm、1μm2あたりおよそ200本の針状酸化亜鉛結晶よりなる膜が形成されていることを確認した(図3(A)及び(B)参照)。実施例1と同様に無電解銅めっき皮膜を形成し、電解銅めっきにて45分通電し、厚さ50μmの銅めっき皮膜を得た。皮膜をエッチングレジストにて非エッチング部を被覆後、塩化鉄エッチング液でエッチングを行い、パターンニングしたが、得られた銅パターンは平均密着強度がそれぞれ3.06kgf/2mm□、1.77kgf/2mm□となり、密着性が実施例1にやや劣るものとなったが実用に耐えうるものであった(図6参照)。
アルミナ94質量%、部分安定化ジルコニア5質量%と助剤成分としてマグネシア、シリカ、カルシアのいずれか1つあるいは2つ以上が含まれる組成のアルミナジルコニアでありスルーホール用の貫通孔を備えた基板を用意した。実施例1と同様にUVオゾン処理後、酸化亜鉛層を形成したが、熱処理は行わなかった。その後、無電解銅めっき皮膜を形成し、電解銅めっきでは室温、陰極電流密度6A/dm2で45分通電したが、酸化亜鉛層の密着が不十分で、基板、銅めっき皮膜間ではく離した(図7参照)。
アルミナ94質量%、部分安定化ジルコニア5質量%と助剤成分としてマグネシア、シリカ、カルシアのいずれか1つあるいは2つ以上が含まれる組成のアルミナジルコニアでありスルーホール用の貫通孔を備えた基板を用意した。基板面に対して実施例1と同様にUVオゾン処理後、酸化亜鉛層を形成し、バッチ炉にて大気雰囲気下、処理温度が900℃で1時間焼成した。基板表面のFE−SEM像の観察で、セラミック基板上の酸化亜鉛結晶は溶融し形状が崩れていることを確認した(図4参照)。次いで、基板について無電解銅めっき皮膜を形成した後、室温にて陰極電流密度6A/dm2で45分通電し電解銅めっきを行った。銅めっきの密着強度は1.12kgf/2mm□で、密着が不十分で、基板、銅めっき皮膜間ではく離した。
アルミナ94質量%、部分安定化ジルコニア5質量%と助剤成分としてマグネシア、シリカ、カルシアのいずれか1つあるいは2つ以上が含まれる組成のアルミナジルコニアでありスルーホール用の貫通孔を備えた基板を4枚用意し、比較例2(実施例1)と同様にUVオゾン処理後、酸化亜鉛層を形成した後、熱処理温度の影響を見るために、500℃(実施例6)、600℃(実施例7)、及び700℃(実施例8)と温度を変えて各1時間バッチ炉にて大気雰囲気下、保持する熱処理を行った。その後、各基板について比較例2と同様に無電解銅めっき及び電解銅めっきを行い銅皮膜を形成した。銅めっきの密着強度を、実施例1、比較例1及び2の密着強度と共に表1及び図7に示す。
アルミナ94質量%、部分安定化ジルコニア5質量%組成のアルミナジルコニアでありスルーホール用の貫通孔を備えた基板を複数用意した。実施例1と同様に各基板面に対してUVオゾン処理を10分間行い、有機物を除去した。酸化亜鉛層形成のための前処理では市販の触媒付与液(奥野製薬工業(株)製、テクノクリアSN,AG,PD)を用い、Sn−Ag−Pd触媒核を基板表面に付与した。
Claims (5)
- アルミナ、アルミナジルコニア、窒化アルミニウム及び窒化ケイ素基板から選択されるセラミック基板を、硝酸亜鉛及びジメチルアミンボランを含む亜鉛めっき液に浸漬して基板上に亜鉛結晶よりなる膜を形成する工程であって、めっき液の硝酸亜鉛濃度、浸漬時間及び浸漬温度を、前記セラミック基板上に1μm 2 あたり150〜250本の直径20〜100nm、長さ120〜280nmの針状酸化亜鉛結晶よりなる膜を形成する条件で浸漬する工程、大気雰囲気下、500℃以上900℃未満の温度で熱処理を行う工程、無電解銅めっき及び電解銅めっきを行って銅めっき皮膜を形成する工程、及びエッチングレジストにて銅めっき皮膜をパターンニングして配線パターンを形成する工程を有することを特徴とする銅配線パターンの密着強度が1.5kgf/2mm□以上である銅メタライズ配線セラミック基板の製造方法。
- 針状酸化亜鉛結晶の直径が40〜80nm、長さが150〜250nmであり、熱処理温度が700℃以上900℃未満の温度である請求項1に記載の銅メタライズ配線セラミック基板の製造方法。
- スルーホールあるいはビア用の貫通孔を備えた基板を使用して、表裏導通が可能な基板を製造する請求項1または2に記載の銅メタライズ配線セラミック基板の製造方法。
- 電解銅めっき時に基板表面の一部を遮蔽板にて遮蔽し、基板内に銅めっき配線厚が50〜100μmの部分と5〜10μmの部分とからなる銅めっき皮膜を形成し、エッチングレジストにて厚みの異なる配線パターンを形成する請求項1〜3のいずれかに記載の銅メタライズ配線セラミック基板の製造方法。
- 前記基板が、パワーモジュール用配線基板に用いる基板である請求項1〜4のいずれかに記載の銅メタライズ配線セラミック基板の製造方法。
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