JP7141864B2

JP7141864B2 - 電子部品搭載基板およびその製造方法

Info

Publication number: JP7141864B2
Application number: JP2018118419A
Authority: JP
Inventors: 整哉結城
Original assignee: Dowa Metaltech Co Ltd
Current assignee: Dowa Metaltech Co Ltd
Priority date: 2018-06-22
Filing date: 2018-06-22
Publication date: 2022-09-26
Anticipated expiration: 2038-06-22
Also published as: JP2019220627A

Description

本発明は、電子部品搭載基板およびその製造方法に関し、特に、アルミニウムまたはアルミニウム合金からなる金属板がセラミックス基板に接合した金属－セラミックス接合基板の金属板の一方の面に半導体チップなどの電子部品が取り付けられた電子部品搭載基板およびその製造方法に関する。

従来、電気自動車、電車、工作機械などの大電流を制御するために、パワーモジュールが使用されている。従来のパワーモジュールでは、ベース板と呼ばれている金属板または複合材の一方の面に金属－セラミックス絶縁基板が固定され、この金属－セラミックス絶縁基板の金属板上に半導体チップが半田付けにより固定されている。

近年、銀微粒子を含む銀ペーストを接合材として使用し、被接合物間に接合材を介在させ、被接合物間に圧力を加えながら所定時間加熱して、接合材中の銀を焼結させて、（銀めっきされた銅材などの）被接合物同士を接合することが提案されており（例えば、特許文献１参照）、このような接合材を半田の代わりに使用して、金属－セラミックス絶縁基板の金属板上に半導体チップなどの電子部品を固定する試みがなされている。

また、アルミニウムまたはアルミニウム合金からなる金属板の一方の面にニッケルまたはニッケル合金のめっき皮膜を形成し、その上に銀接合層により電子部品を接合することが提案されている（例えば、特許文献２参照）。

特開２０１１－８０１４７号公報（段落番号００１４－００２０、００８５）特開２０１４－１３０９８９号公報（段落番号０００７－００１１）

しかし、特許文献１のように、銀めっきされた銅材に接合材により電子部品を接合したり、特許文献２のように、ニッケルまたはニッケル合金でめっきされた金属板に銀接合層により電子部品を接合する場合、電子部品としてパワー半導体を使用して、そのパワー半導体のオンとオフを数万回以上繰り返すパワーサイクル試験を行うと、パワー半導体が金属板から剥離するおそれがある。

したがって、本発明は、このような従来の問題点に鑑み、アルミニウムまたはアルミニウム合金からなる金属板上に電子部品を搭載した電子部品搭載基板において、パワーサイクル試験を行っても電子部品が金属板から剥離するのを防止することができる、電子部品搭載基板およびその製造方法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板の一方の面に電子部品が搭載された電子部品搭載基板の製造方法において、金属板の一方の面に、ニッケル皮膜とパラジウム皮膜と銀皮膜をこの順で形成し、銀皮膜上に銀ペーストを塗布してその上に電子部品を配置した後、銀ペースト中の銀を焼結させて銀接合層を形成し、この銀接合層によって電子部品を金属板の一方の面に接合することにより、パワーサイクル試験を行っても電子部品が金属板から剥離するのを防止することができる、電子部品搭載基板およびその製造方法を提供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、本発明による電子部品搭載基板の製造方法は、アルミニウムまたはアルミニウム合金からなる金属板の一方の面に電子部品が搭載された電子部品搭載基板の製造方法において、金属板の一方の面に、ニッケル皮膜とパラジウム皮膜と銀皮膜をこの順で形成し、銀皮膜上に銀ペーストを塗布してその上に電子部品を配置した後、銀ペースト中の銀を焼結させて銀接合層を形成し、この銀接合層によって電子部品を金属板の一方の面に接合することを特徴とする。

この電子部品搭載基板の製造方法において、ニッケル皮膜の厚さが０．５～１０μｍであるのが好ましく、パラジウム皮膜の厚さが０．０５～３μｍであるのが好ましく、銀皮膜の厚さが０．０５～５μｍであるのが好ましい。また、電子部品の金属板の一方の面に接合される面が、金、銀、銅およびパラジウムからなる群から選ばれる少なくとも一種の金属またはこれらの合金で被覆されているのが好ましい。また、金属板の他方の面にセラミックス基板の一方の面を接合するのが好ましい。

また、本発明による電子部品搭載基板は、アルミニウムまたはアルミニウム合金からなる金属板の一方の面に電子部品が搭載された電子部品搭載基板において、金属板の一方の面に、ニッケル皮膜とパラジウム皮膜と銀皮膜がこの順で形成され、銀皮膜上に銀接合層により電子部品が接合されていることを特徴とする。

この電子部品搭載基板において、ニッケル皮膜の厚さが０．５～１０μｍであるのが好ましく、パラジウム皮膜の厚さが０．０５～３μｍであるのが好ましく、銀皮膜の厚さが０．０５～５μｍであるのが好ましい。また、電子部品の金属板の一方の面に接合される面が、金、銀、銅およびパラジウムからなる群から選ばれる少なくとも一種の金属またはこれらの合金で被覆されているのが好ましい。また、金属板の他方の面にセラミックス基板の一方の面が接合されているのが好ましい。

本発明によれば、アルミニウムまたはアルミニウム合金からなる金属板上に電子部品を搭載した電子部品搭載基板において、パワーサイクル試験を行っても電子部品が金属板から剥離するのを防止することができる、電子部品搭載基板およびその製造方法を提供することができる。

本発明による電子部品搭載基板の実施の形態の断面図である。図１の電子部品搭載基板の斜視図である。

以下、添付図面を参照して、本発明による電子部品搭載基板およびその製造方法の実施の形態について詳細に説明する。

図１および図２に示すように、本発明による電子部品搭載基板の実施の形態では、平面形状が略矩形の金属板（電子部品搭載用金属板）１０の一方の主面に、ニッケル膜１２とパラジウム皮膜１４と銀皮膜１６がこの順に形成され、この銀皮膜１６の表面に（銀の焼結体を含む）銀接合層１８により電子部品２０が接合されている。また、金属板１０の他方の主面に、平面形状が略矩形のセラミックス基板２２の一方の主面を接合し、このセラミックス基板２２の他方の主面に、平面形状が略矩形の放熱用金属板（金属ベース板）２４を接合してもよい。

電子部品搭載用金属板１０および放熱用金属板２４は、アルミニウムまたはアルミニウム合金からなり、導電性や放熱性の観点から、好ましくは９９．５質量％以上、さらに好ましくは９９．９質量％のアルミニウムを含むのが好ましい。

セラミックス基板２２は、電子部品としてパワー半導体を搭載して大電流・高電圧が負荷された場合にも優れた絶縁性を発揮するセラミックス基板であるのが好ましく、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）、窒化珪素（ＳｉＮ）を主成分とするセラミックス基板であるのが好ましい。

電子部品搭載用金属板１０の一方の主面（の少なくとも銀接合層１８により電子部品２０が接合される部分）には、ニッケルまたはニッケル合金からなるニッケル皮膜１２が形成されている。このニッケル皮膜１２の厚さは、０．５～１０μｍであるのが好ましい。このニッケル膜１２が薄過ぎると、パラジウム皮膜１４との密着性が低下し、厚過ぎると導電性が低下し、製造コストが増加する。また、ニッケル皮膜１２は、ニッケルめっき皮膜または（ニッケルを８５質量％以上含有する）ニッケル合金めっき皮膜であるのが好ましく、電気めっきまたは無電解めっきにより形成することができる。ニッケル合金めっき皮膜の場合、Ｎｉ－Ｐ合金めっき皮膜でもよく、Ｎｉ－Ｂ合金めっき皮膜でもよい。Ｎｉ－Ｐ合金めっき皮膜の場合、パラジウム皮膜１４との良好な密着性を得るために、Ｐ濃度を６～１１質量％にするのが好ましく、６～８質量％にするのがさらに好ましい。このＰ濃度は、めっき液により調整することができる。

ニッケル皮膜１２の表面には、パラジウムまたはパラジウム合金からなるパラジウム皮膜１４が形成されている。このパラジウム皮膜１４をニッケル皮膜１２と銀皮膜１６の間に設けることにより、ニッケル皮膜１２と銀皮膜１６の密着性を向上させることができる。パラジウム皮膜１４の厚さは、０．０５～３μｍであるのが好ましい。パラジウム皮膜１４が薄過ぎると、ニッケル皮膜１２や銀皮膜１６との密着性が低下し、厚過ぎると高価なパラジウムの使用量が増えるので製造コストが増加する。また、パラジウム皮膜１４は、パラジウムめっき皮膜または（パラジウムを９５質量％以上含有する）パラジウム合金めっき皮膜であるのが好ましく、電気めっきまたは無電解めっきにより形成することができる。

パラジウム皮膜１４の表面には、銀または銀合金からなる銀皮膜１６が形成されている。この銀皮膜１６は、銀接合層１８との密着性を向上させることができる。銀皮膜１６の厚さは、０．０５～５μｍであるのが好ましい。銀皮膜１６が薄過ぎると、銀接合層１８との密着性が低下し、厚過ぎると製造コストが増大する。また、銀皮膜１６は、銀めっき皮膜または（銀を９５質量％以上含有する）銀合金めっき皮膜であるのが好ましく、電気めっきまたは無電解めっきにより形成することができる。

また、電子部品２０の金属板１０の一方の主面に接合される面が、金、銀、銅およびパラジウムからなる群から選ばれる少なくとも一種の金属またはこれらの合金のように、銀接合層１８と接合可能な金属で被覆されているのが好ましく、金、銀およびパラジウムからなる群から選ばれる少なくとも一種の金属またはこれらの合金で（電気めっきまたは無電解めっきにより）めっきされているのが好ましい。

本発明による電子部品搭載基板の製造方法の実施の形態では、アルミニウムまたはアルミニウム合金からなる金属板１０の一方の主面に電子部品２０が搭載された電子部品搭載基板の製造方法において、金属板１０の一方の主面（の少なくとも銀ペーストを塗布する部分）に、ニッケル皮膜１２とパラジウム皮膜１４と銀皮膜１６をこの順で形成し、銀皮膜１６上に銀ペーストを塗布してその上に電子部品２０を配置した後、銀ペースト中の銀を焼結させて銀接合層１８を形成し、この銀接合層１８によって電子部品２０を金属板１０の一方の面に接合する。

なお、銀ペースト中の銀の焼結は、２００～５００℃に加熱することによって行うのが好ましく、２２０～４００℃に加熱することによって行うのがさらに好ましい。この焼結の際の加熱時間は、１～１０分間であるのが好ましい。また、この焼結は、加圧しないで加熱することによって行うことができるが、金属板１０に対して電子部品２０を加圧しながら加熱することによって行ってもよい。この焼結の際に加圧する圧力は、１０ＭＰａ以下でよく、２～１０ＭＰａであるのが好ましく、３～８ＭＰａであるのがさらに好ましい。

また、金属板１０の他方の主面に、平面形状が略矩形のセラミックス基板２２の一方の主面を接合し、このセラミックス基板２２の他方の主面に、平面形状が略矩形の放熱用金属板（金属ベース板）２４を接合してもよい。この場合、これらの金属板１０とセラミックス基板２２の間およびセラミックス基板２２と金属ベース板２４の間の接合の後、金属板１０の一方の主面（電子部品２０が接合される面）に、ニッケル皮膜１２とパラジウム皮膜１４と銀皮膜１６をこの順で形成し、銀皮膜１６上に銀ペーストを塗布して電子部品２０を配置した後、銀ペースト中の銀を焼結させて銀接合層１８を形成し、この銀接合層１８によって電子部品２０を金属板１０の一方の主面に接合すればよい。なお、金属板１０とセラミックス基板２２の間およびセラミックス基板２２と金属ベース板２４の間の接合では、（図示しない）鋳型内にセラミックス基板２２を配置した後、セラミックス基板２２の両主面に接触するようにアルミニウムまたはアルミニウム合金の溶湯を注湯した後に溶湯を冷却して固化させることにより、セラミックス基板２２の各々の主面に金属板１０および金属ベース板２４を形成して直接接合させるのが好ましい。

また、銀ペーストとして、５００℃以下の温度で焼結可能な銀微粒子を含むペーストを使用することができ、炭素数８以下（好ましくは６～８）の有機化合物で被覆された平均一次粒子径１～２００ｎｍの銀微粒子が分散媒（好ましくは極性溶媒）に分散した接合材（例えば、ＤＯＷＡエレクトロニクス株式会社製のＰＡ－ＨＴ－１５０３Ｍ－Ｃ）を使用するのが好ましい。このような銀微粒子が分散した分散媒に平均一次粒径（Ｄ_５０径）が０．５～３．０μｍの銀粒子がさらに分散した接合材（例えば、ＤＯＷＡエレクトロニクス株式会社製のＰＡ－ＨＴ－１００１Ｌ）を使用してもよい。

以下、本発明による電子部品搭載基板およびその製造方法の実施例について詳細に説明する。

鋳型内に４５ｍｍ×２５ｍｍ×０．６ｍｍの大きさのＡｌＮ（窒化アルミニウム）からなるセラミックス基板を配置し、このセラミックス基板の両主面に接触するように９９．９質量％のアルミニウムの溶湯を注湯した後に溶湯を冷却して固化させることにより、セラミックス基板の各々の主面に４５ｍｍ×２３ｍｍ×０．４ｍｍの大きさの（電子部品搭載用）金属板と４５ｍｍ×２３ｍｍ×０．４ｍｍの大きさの（放熱用）金属ベース板を形成して、それぞれセラミックス基板の主面に直接接合させ、金属－セラミックス接合基板を作製した。

次に、めっきの前処理として、脱脂、化学研磨および酸洗を行い、ダブルジンケート処理（２回亜鉛置換）を行った後、金属－セラミックス接合基板を無電解Ｎｉ－Ｐめっき液（上村工業株式会社製のニムデンＮＰＲ－４）に浸漬することによって、（電子部品搭載用）金属板の表面に厚さ４μｍの無電解Ｎｉ－Ｐ合金めっき皮膜（Ｐ濃度が７質量％で残部がＮｉの無電解Ｎｉ－Ｐめっき皮膜）を形成した。

次に、このＮｉ－Ｐめっき皮膜が形成された金属－セラミックス接合基板を、無電解Ｎｉ－Ｐ合金めっきに対して自己触媒性を有する金属のめっき液として、自己触媒還元型無電解パラジウムめっき液（上村工業株式会社製のアルタレアＴＤＰ－３０－ＭＷ）に浸漬することによって、Ｎｉ－Ｐ合金めっき皮膜上に厚さ０．１μｍのパラジウムめっき皮膜を形成した。

次に、このパラジウムめっき皮膜が形成された金属－セラミックス接合基板を、無電解銀めっき液（上村工業株式会社製のアルジェントＲＳＤ－４）に浸漬することによって、パラジウムめっき皮膜上に厚さ０．１μｍの銀めっき皮膜を形成した。

次に、（電子部品搭載用）金属板上の銀めっき皮膜の表面の電子部品搭載部分に、銀ペースト（ＮＢＥＴｅｃｈ，ＬＬＣ社製のＮａｎｏＴａｃｈ）をスクリーン印刷により塗布し、その上に電子部品として底面（裏面）が銀めっきされた（縦７．１９ｍｍ×横６．７４ｍｍ×厚さ０．０７ｍｍの大きさの）パワー半導体シリコンチップ（Ｆａｉｒｃｈｉｌｄ社製のＳｉ－ＩＧＢＴチップ、型番ＰＣＦＧ７５Ｎ６０ＳＭＷ）を配置し、大気中において、加圧しないで、２５０℃で１０分間加熱することにより、銀ペースト中の銀を焼結させて銀接合層を形成し、この銀接合層により（電子部品搭載用）金属板にシリコンチップを接合した。なお、この接合後の銀接合層の厚さは約３０μｍであった。

このようにして作製した電子部品搭載基板について、シリコンチップの電極に試験電源を接続し、付加電流を３Ａ、付加電圧を１１Ｖに設定して、５０秒間電流を流した後に４０秒間電流を流さないようにオン／オフを繰り返すサイクル（電流をオンにすることによりシリコンチップが加熱されて５０秒後にシリコンチップの温度が約１７５℃まで上昇し、電流をオフにすることによち４０秒後にシリコンチップの温度が約４５℃まで降下するサイクル（ΔＴ＝１３０℃））を２０，０００サイクル行うパワーサイクル試験を行った。なお、パワー半導体シリコンチップのゲート－エミッタ間の電圧Ｖ_ｇｅとそのシリコンチップの温度との間に線形の関係があることから、予めその線形の関係を求めておき、ゲート－エミッタ間の電圧Ｖ_ｇｅからシリコンチップの温度を換算した。このパワーサイクル試験後のシリコンチップの温度の上昇（過渡熱抵抗の上昇）は、初期設定値（１７５℃）と比べて１０５％未満であり、シリコンチップに電気的な異常は生じなかった。

また、作製した電子部品搭載基板について、（電子部品搭載用）金属板とシリコンチップとの接合部を超音波探傷装置（ＳＡＴ）（日立建機ファインテック株式会社製のＦＳ１００ＩＩ）により観察したところ、銀接合層にボイドなどの欠陥は確認されず、シリコンチップの剥離も認められなかった。

また、比較例として、実施例１の無電解Ｎｉ－Ｐめっき液に代えて、無電解Ｎｉ－Ｐめっき液（上村工業株式会社製のニムデンＳＸ）を使用して無電解Ｎｉ－Ｐ合金めっき皮膜（リン濃度が１０質量％で残部がニッケルの無電解Ｎｉ－Ｐめっき皮膜）を形成し、実施例１の自己触媒還元型無電解パラジウムめっき液に浸漬することによってパラジウムめっき皮膜を形成する代わりに、パラジウム活性処理液（上村工業株式会社製のアクセマルタＭＰＤ－２２）に浸漬することによって活性化処理を行った以外は、実施例１と同様の方法により、電子部品搭載基板を作製した。この電子部品搭載基板について、実施例１と同様のパワーサイクル試験を行ったところ、９，０００サイクル経過後に、ゲート－エミッタ間の電圧Ｖ_ｇｅにノイズが生じ、シリコンチップの温度の上昇（過渡熱抵抗の上昇）が初期設定値（１７５℃）と比べて１０５％を超えたため、シリコンチップに電気的な異常が生じたと判断した。また、作製した電子部品搭載基板について、（電子部品搭載用）金属板とシリコンチップとの接合部を実施例と同様の超音波探傷装置（ＳＡＴ）により観察したところ、銀めっき皮膜の一部がニッケルめっき皮膜から剥離していることが確認され、シリコンチップに触れるとシリコンチップが簡単に脱落した。

１０電子部品搭載用金属板
１２ニッケル皮膜
１４パラジウム皮膜
１６銀皮膜
１８銀接合層
２０電子部品
２２セラミックス基板
２４放熱用金属板（金属ベース板）

Claims

アルミニウムまたはアルミニウム合金からなる金属板の一方の面に電子部品が搭載されるとともに他方の面にセラミックス基板の一方の面が接合された電子部品搭載基板の製造方法において、他方の面にセラミックス基板の一方の面が接合された金属板の一方の面に、ニッケル皮膜とパラジウム皮膜と銀皮膜をこの順で形成し、銀皮膜上に銀ペーストを塗布してその上に電子部品を配置した後、銀ペースト中の銀を焼結させて銀接合層を形成し、この銀接合層によって電子部品を金属板の一方の面に接合することを特徴とする、電子部品搭載基板の製造方法。
前記ニッケル皮膜の厚さが０．５～１０μｍであることを特徴とする、請求項１に記載の電子部品搭載基板の製造方法。
前記パラジウム皮膜の厚さが０．０５～３μｍであることを特徴とする、請求項１または２に記載の電子部品搭載基板の製造方法。
前記銀皮膜の厚さが０．０５～５μｍであ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電子部品搭載基板の製造方法。
前記電子部品の前記金属板の一方の面に接合される面が、金、銀、銅およびパラジウムからなる群から選ばれる少なくとも一種の金属またはこれらの合金で被覆されていることを特徴とする、請求項１乃至４のいずれかに記載の電子部品搭載基板の製造方法。
アルミニウムまたはアルミニウム合金からなる金属板の一方の面に電子部品が搭載されるとともに他方の面にセラミックス基板の一方の面が接合された電子部品搭載基板において、他方の面にセラミックス基板の一方の面が接合された金属板の一方の面に、ニッケル皮膜とパラジウム皮膜と銀皮膜がこの順で形成され、銀皮膜上に銀接合層により電子部品が接合されていることを特徴とする、電子部品搭載基板。
前記ニッケル皮膜の厚さが０．５～１０μｍであることを特徴とする、請求項６に記載の電子部品搭載基板。
前記パラジウム皮膜の厚さが０．０５～３μｍであることを特徴とする、請求項６または７に記載の電子部品搭載基板。
前記銀皮膜の厚さが０．０５～５μｍであることを特徴とする、請求項６乃至８のいずれかに記載の電子部品搭載基板。
前記電子部品の前記金属板の一方の面に接合される面が、金、銀、銅およびパラジウムからなる群から選ばれる少なくとも一種の金属またはこれらの合金で被覆されていることを特徴とする、請求項６乃至９のいずれかに記載の電子部品搭載基板。