JP4326706B2

JP4326706B2 - 回路基板の評価方法、回路基板及びその製造方法

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Publication number: JP4326706B2
Application number: JP2001001155A
Authority: JP
Inventors: 佳孝谷口; 信行吉野; 好彦辻村; 浩二西村
Original assignee: Denki Kagaku Kogyo KK
Current assignee: Denka Co Ltd
Priority date: 2001-01-09
Filing date: 2001-01-09
Publication date: 2009-09-09
Anticipated expiration: 2021-01-09
Also published as: JP2002207018A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体素子等の電子部品を搭載したモジュールとして用いられる回路基板に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体素子等の電子部品を搭載したモジュールは、近来のエレクトロニクス技術の発展に伴う高出力化が進む中、達成すべき課題は、電子部品搭載用回路基板の耐久性を高めるとともに、電子部品から発生した熱を効率よく速やかに系外に逃がすため、電子部品から回路基板への熱伝導を阻害する半田ボイドを低減することである。
【０００３】
電子部品搭載用回路基板の基本構造は、セラミックス基板の表面に金属回路、裏面に金属放熱板が形成され、該金属回路と金属放熱板にＮｉめっきが施されている。そして、モジュールの組み立ての際に、金属回路に半導体素子が搭載され、金属放熱板面をベース板に半田付けして固定される。
【０００４】
セラミックス基板の材質としては、アルミナ、窒化アルミニウム、窒化ケイ素等、また金属回路、金属放熱板、ベース板の材質としては、銅、アルミニウム、それらの合金等が用いられている。また、セラミックス基板と金属回路、金属放熱板との接合は、Ａｇ、Ｃｕ又はＡｇ−Ｃｕ合金とＴｉ、Ｚｒ、Ｈｆ等の活性金属成分を含むろう材を用いる活性金属ろう付け法が主流となっている。
【０００５】
回路基板にヒートサイクル等の熱負荷が加わると、セラミックス基板と金属の熱膨張差に起因する熱応力が発生し、セラミックス基板と金属回路、金属放熱板（以下、両者を「金属回路等」という。）の接合端面において、セラミックス基板にクラックが発生する。このクラックは、熱負荷のサイクル数の増加と共に進展し、極端な場合には絶縁破壊に至る。このような、クラックの発生を抑制するため、金属回路の材質として、熱応力が小さいＡｌが用いられるようになってきている。
【０００６】
Ａｌ回路と半導体素子（シリコンチップ等）や、Ａｌ放熱板とベース板の接合には、Ｐｂ−Ｓｎ系の半田を用いて行われるため、Ａｌ表面にはＮｉめっきを施す必要がある。金属回路等がＣｕ材質である場合も、酸化防止や半田との反応による信頼性低下を防ぐため、一般的にはＮｉめっきが施される。半田付けには、フラックスを用いて大気中又は窒素中でリフローする方法と、フラックスを用いないで水素雰囲気下でリフローする方法がある。工程の簡略化と環境問題のためには後者が望ましいが、めっきされたＮｉと半田のＳｎとの反応性が良くないので、半田ボイドといわれる空隙が発生し、熱抵抗が増大することが問題となる。
【０００７】
これを解決するには、純度の高い電気Ｎｉめっき法を採用すればよいが、取り扱いが煩雑となるためにコスト高となるだけでなく、ファインパターンに適用できないことが問題となる。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、安価な無電解Ｎｉめっきを用いて、電子部品と回路基板との間の半田ボイド率が小さくなる回路基板を提供することである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
すなわち、本発明は、次のとおりである。
（請求項１）セラミックス基板の表面に金属回路、裏面に金属放熱板が形成されてなる回路基板の評価方法であって、上記金属回路の表面に、Ｐｂ（９０％）−Ｓｎ（１０％）半田片を挟んでシリコンチップを載置し、それを水素雰囲気下、温度１５０℃までを１５〜２０℃／ｍｉｎの速度で、その後は２．３〜２．５℃／ｍｉｎの速度で昇温して温度３５０℃±５℃まで高めた後、速やかに、室温下、自然冷却して半田付けを行い、その半田ボイド率を測定することによって、上記回路基板を用いて組み立てられたモジュールの放熱特性を知ることを特徴とする回路基板の評価方法。
（請求項２）セラミックス基板の表面に金属回路、裏面に金属放熱板が形成され、該金属回路と金属放熱板にＮｉめっきが施されてなる回路基板であって、請求項１の方法によって測定された半田ボイド率が１．２％よりも小さいものであることを特徴とする回路基板。
（請求項３）セラミックス基板の表面に金属回路、裏面に金属放熱板を形成後、該金属回路と金属放熱板に無電解Ｎｉめっきを施した後、１Ｐａ以下の真空中、温度２８０±１０℃で１０〜３０分熱処理することを特徴とする請求項２記載の回路基板の製造方法。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、更に詳しく本発明を説明する。
【００１１】
本発明で用いられるセラミックス基板の材質は、高信頼性及び高絶縁性の点から、窒化アルミニウム又は窒化ケイ素が好ましい。セラミックス基板の厚みは目的によって自由に変えられる。通常は０．６３５ｍｍであるが、０．５〜０．３ｍｍ程度の薄物でもよい。高電圧下での絶縁耐圧を著しく高めたいときには、１〜３ｍｍの厚物が用いられる。
【００１２】
金属回路等の材質としては、Ａｌ、Ｃｕ又はＡｌ−Ｃｕ合金であることが好ましい。これらは、単体ないしはこれを一層として含むクラッド等の積層体の形態で用いられる。Ａｌは、Ｃｕよりも降伏応力が小さく、塑性変形に富み、ヒートサイクルなどの熱応力負荷時において、セラミックス基板にかかる熱応力を大幅に低減できるので、Ｃｕよりもセラミックス基板に発生するクラックを抑制することが可能となり、高い信頼性回路基板となる。
【００１３】
金属回路の厚みは、電気的、熱的特性の面からＡｌ回路の場合は０．４〜０．５ｍｍ、Ｃｕ回路は０．３〜０．５ｍｍであることが好ましい。一方、金属放熱板の厚みは、半田付け時の反りを生じさせないように決定される。具体的には、Ａｌ放熱板の場合は０．１〜０．４ｍｍ、Ｃｕ放熱板は０．１５〜０．４ｍｍであることが好ましい。
【００１４】
セラミックス基板に金属回路等を形成させるには、金属板とセラミックス基板とを接合した後、エッチングする方法、金属板から打ち抜かれた回路及び放熱板のパターンをセラミックス基板に接合する方法等によって、行うことができる。
【００１５】
Ｎｉめっきが施される前の金属回路等の表面は、研削、物理研磨、化学研磨等によって平滑化されていることが好ましく、表面粗さがＲａ≦０．２μｍであることが好ましい。
【００１６】
Ｎｉめっきは無電解法が好ましく、これによってファインパターンに対応可能となる。Ｎｉめっき膜厚は２〜８μｍであることが好ましい。
【００１７】
本発明の回路基板は、上記Ｎｉめっきの施された回路基板であって、後述する半田ボイド率が１．２％よりも小さいものである。このような回路基板を用いて組み立てられたモジュールの放熱特性は、Ｎｉめっき法が無電解法であるにもかかわらず良好となる。
【００１８】
本発明の回路基板は、上記Ｎｉめっきの施された回路基板を１Ｐａ以下の真空中、温度２８０±１０℃で１０〜３０分熱処理することによって製造することができる。
【００１９】
本発明におけるＮｉめっきの熱処理は、Ｎｉの結晶性を高め半田のＳｎ成分との反応性を高めるために行うものである。１Ｐａ以下の真空中で熱処理することによって、めっき表面の酸化膜が還元され、Ｓｎ成分との反応性が向上する。真空度が１Ｐａをこえると、Ｎｉめっき面の酸化が著しくなり、Ｓｎ成分との反応性が逆に悪化する。一方、熱処理温度が２７０℃未満ではＮｉの高結晶性が十分でなく、Ｓｎ成分との反応性を目的とするレベルまでに高めることができない。また、２９０℃超ではＮｉめっき膜の硬化が起こり、回路基板に損傷を与えてしまう。
【００２０】
つぎに、本発明の回路基板の評価方法について説明すると、本発明の評価方法は、金属回路にシリコンチップを特定条件で半田付けしてから半田ボイド率を測定し、その大きさによって、その回路基板が用いられたモジュールの放熱特性を判断するものである。
【００２１】
本発明では、金属回路にＰｂ（９０％）−Ｓｎ（１０％）半田片を挟んでシリコンチップを載置する。半田片とシリコンチップの寸法は、底面積５〜２５ｍｍ²×厚さ０．５〜１．０ｍｍの板が望ましい。
【００２２】
半田付けは、水素雰囲気下、温度１５０℃までを１５〜２０℃／ｍｉｎの速度で、その後は２．３〜２．５℃／ｍｉｎの速度で昇温して温度３５０℃±５℃まで高めた後、速やかに室温下で自然冷却することによって行われる。
【００２３】
１５０℃までを１５〜２０℃／ｍｉｎにて昇温する理由については、１５℃／ｍｉｎよりも遅いとＮｉめっき面が酸化されてしまい、本来の半田濡れ性を正しく評価することができない。また、２０℃／ｍｉｎよりも速くするには装置が大がかりとなる。３５０℃までを２．３〜２．５℃／ｍｉｎにて昇温する理由については、２．３℃／ｍｉｎよりも遅いとＮｉめっき面が酸化されてしまい、本来の半田濡れ性を正しく評価することができない。２．５℃／ｍｉｎよりも速くすると、半田の溶融が十分でなく、本来の半田濡れ性を正しく評価することができない。
【００２４】
半田ボイド率の測定は、軟Ｘ線探傷装置又は超音波探傷装置を用いて、自動的に測定することができる。測定装置の市販品をあげれば、例えば、軟Ｘ線探傷装置としては、ソフテックス社製「ＰＲＯ−ＴＥＳＴ１００」、超音波探傷装置としては、本多電子社製「ＨＡ−７０１」等である。
【００２５】
半田ボイド率が２％を境にして、その回路基板を用いて組み立てられたモジュールの放熱特性が大きく変化する。量産に適用する場合は、試料数１０個の平均値＋４σの値が２％以下になるよう管理することが望ましい。
【００２６】
【実施例】
以下、実施例と比較例をあげて更に具体的に本発明を説明する。
【００２７】
実施例１〜４比較例１〜４参考例１〜４
０．６３５ｍｍ×５８×３３ｍｍの窒化アルミニウム基板（熱伝導率１７０Ｗ／ｍＫ、３点曲げ強度４００ＭＰａ）の表面にＡｌ回路形成用Ａｌ板（厚み０．４ｍｍ、純度＞９９．９％）を、また裏面にはＡｌ放熱板形成用Ａｌ板（厚み０．１ｍｍ、純度＞９９．９％）を、ろう材（Ａｌ−Ｃｕ（４％）合金箔、厚み３０μｍ）を挟んでホットプレス装置に配置し、温度６３０℃、３ＭＰａに加圧して接合した。
【００２８】
得られた接合体にエッチングレジストを塗布し、ＦｅＣｌ₃液でエッチングを行って、端部が縁取りされただけのベタＡｌ回路とベタＡｌ放熱板を有する回路基板を作製した。
【００２９】
得られた回路基板に、表１に示す各種条件にて無電解Ｎｉ−Ｐめっき（奥野製薬社製「ニムデンＳＸ」）を施してから熱処理を行い、半田ボイド率を以下に従って測定した。また、上記回路基板を用いて組み立てられたモジュールの放熱特性を以下に従って測定した。それらの結果を表１に示す。
【００３０】
（１）半田ボイド率の測定
回路基板の金属回路にＰｂ（９０％）−Ｓｎ（１０％）半田片（底面積１６９ｍｍ²×厚さ０．１ｍｍの板）を挟んでシリコンチップ（底面積１６９ｍｍ²×厚さ０．４ｍｍの板）を載置する。これを、水素雰囲気中、表１に示す各種条件で加熱して半田付けを行い、半田ボイド率を軟Ｘ線探傷装置（ソフテックス社製「ＰＲＯ−ＴＥＳＴ１００」）を用いて測定した。
（２）モジュールの放熱特性
図１に示される簡易モジュールに組み立て、シリコンチップへの電力供給量１４５Ｗ、Ａｌヒートシンク温度６５℃の条件下、シリコンチップからＡｌ放熱板の間の熱抵抗を測定し、放熱特性を評価した。
【００３１】
【表１】

【００３２】
表１の実施例１〜３と参考例１〜４との対比から、本発明の評価方法は、信頼性の高いものであることがわかる。また、実施例１〜４及び参考例１〜４と比較例１〜４との対比から、本発明の製造方法によって得られた回路基板を用いて組み立てられたモジュールは、熱抵抗が小さいものであることがわかる。
【００３３】
【発明の効果】
本発明によれば、モジュールを組み立てたときの放熱特性を知ることができる回路基板の評価方法が提供される。
【００３４】
本発明によれば、放熱特性に優れたモジュールを組み立てることのできる回路基板が提供される。
【００３５】
本発明によれば、純度の高い電気Ｎｉめっき法によらず、無電解Ｎｉめっき法によって、放熱特性に優れたモジュールを組み立てることのできる回路基板の製造方法が提供される。
【図面の簡単な説明】
【図１】放熱特性を測定するための簡易モジュール組立図である。

Claims

セラミックス基板の表面に金属回路、裏面に金属放熱板が形成されてなる回路基板の評価方法であって、上記金属回路の表面に、Ｐｂ（９０％）−Ｓｎ（１０％）半田片を挟んでシリコンチップを載置し、それを水素雰囲気下、温度１５０℃までを１５〜２０℃／ｍｉｎの速度で、その後は２．３〜２．５℃／ｍｉｎの速度で昇温して温度３５０℃±５℃まで高めた後、速やかに、室温下、自然冷却して半田付けを行い、その半田ボイド率を測定することによって、上記回路基板を用いて組み立てられたモジュールの放熱特性を知ることを特徴とする回路基板の評価方法。
セラミックス基板の表面に金属回路、裏面に金属放熱板が形成され、該金属回路と金属放熱板に無電解Ｎｉめっきが施されてなる回路基板であって、請求項１の方法によって測定された半田ボイド率が１．２％よりも小さいものであることを特徴とする回路基板。
セラミックス基板の表面に金属回路、裏面に金属放熱板を形成後、該金属回路と金属放熱板に無電解Ｎｉめっきを施した後、１Ｐａ以下の真空中、温度２８０±１０℃で１０〜３０分熱処理することを特徴とする請求項２記載の回路基板の製造方法。