JP4685245B2

JP4685245B2 - Circuit board and manufacturing method thereof

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Publication number: JP4685245B2
Application number: JP2001001154A
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: 2011-05-18
Anticipated expiration: 2021-01-09
Also published as: JP2002208760A

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が搭載されたモジュールの組み立てに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共に、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、回路基板からベース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によって固定される。
【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、金属回路と金属放熱板の両者を「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、セラミックス基板のクラックを抑制するため、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】
この場合、Ａｌ回路と半導体素子（シリコンチップ等）の接合は、Ａｌ放熱板とベース板の接合は、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】
この問題を解決するには、純度の高い電気Ｎｉめっき法を採用すればよいが、この方法の問題点は、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である。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、このような状況に鑑みてなされたものであり、電気Ｎｉめっき法によらずとも、安価な無電解Ｎｉめっき法によって半田ボイド率の小さくなる回路基板、すなわち放熱特性の良好なモジュールを組み立てることのできる回路基板を提供することを目的とする。
【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おり、該金属回路及び金属放熱板の表面に３〜８μｍ厚みの無電解Ｎｉめっきが施されてなる回路基板において、本発明で定義された無電解Ｎｉめっき膜の結晶性が０．８度以下、酸化度が０．６以下であることを特徴とする回路基板。結晶性：Ｘ線結晶回折（ＣｕＫα２θ）におけるＮｉ（１１１）面のピークの半価幅。酸化度：Ｘ線光電子分光法（ＥＳＣＡ）におけるＮｉ−metalに対するＮｉ−Ｏ（Ｎｉ−Ｏ／Ｎｉ−metal）のピーク面積比。
（請求項２）セラミックス基板の表面に金属回路、裏面に金属放熱板を形成後、該金属回路と金属放熱板に２〜５μｍ厚みの無電解Ｎｉ−Ｐめっきを行ってから、全Ｎｉめっき膜厚が３〜８μｍとなるように、無電解Ｎｉ−Ｂめっきを析出速度０．７〜３μｍ／Ｈｒで行うことを特徴とする請求項１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】
本発明で使用さ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であることが好ましい。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。セラミックス基板と金属回路等との接合は、Ａｇ、Ｃｕ又はＡｇ−Ｃｕ合金と、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ等の活性金属成分とを含むろう材を用いる活性金属ろう付け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。表面粗さの測定は、接触式、非接触式のいずれでもよいが、Ａｌのような軟らかい金属の測定には、レーザー式のような非接触式の表面粗さ計を用いるのが望ましい。
【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３〜８μｍ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、Ｎｉめっき膜のＸ線結晶回折（ＣｕＫα２θ）におけるＮｉ（１１１）面のピークの半価幅として定義される「結晶性」が０．８度以下で、しかもＸ線光電子分光法（ＥＳＣＡ）におけるＮｉ−metalに対するＮｉ−Ｏ（Ｎｉ−Ｏ／Ｎｉ−metal）のピーク面積比として定義される「酸化度」が０．６以下のものである。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】
Ｎｉめっき膜の結晶性０．８以下かつ酸化度０．６以下の要件は、Ｎｉ成分と半田のＳｎ成分との反応性を高めるために必要となる。結晶性が０．８超ではＮｉの高結晶性が十分でなくなり、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、酸化度が０．６超では、その酸化層によってこれまたＮｉ成分と半田の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。
【００１９】
本発明の回路基板は、セラミックス基板の表面に金属回路、裏面に金属放熱板を形成させた後、金属回路等に２〜５μｍ厚みの無電解Ｎｉ−Ｐめっきを行ってから、全Ｎｉめっき膜厚が３〜８μｍとなるように、無電解Ｎｉ−Ｂめっきを析出速度０．７〜３μｍ／Ｈｒで行うことによって製造することが好ましい。このような二段階の無電解Ｎｉよらずとも、一段階の無電解Ｎｉ−Ｂめっきによっても製造することができるが、時間がかかりすぎて生産性に劣る。セラミックス基板に金属回路等を形成させる方法については上記した。
【００２０】
本発明においては、金属回路等にＮｉめっきを施すにあたり、まず２〜５μｍ厚み、好ましくは３．５〜４．５μｍ厚みの無電解Ｎｉ−Ｐめっきを施す。無電解Ｎｉ−Ｐめっきの方法については、一般的に知られている公知の方法で十分である。無電解Ｎｉ−Ｐめっきの析出速度を可及的に速めても悪影響はない。
【００２１】
ついで、１〜３μｍ厚み、好ましくは１．５〜２．５μｍ厚みの無電解Ｎｉ−Ｂめっきを施し、全Ｎｉめっき膜厚を３〜８μｍとする。無電解Ｎｉ−Ｂめっきの析出速度が重要であり、０．７〜３μｍ／Ｈｒとする。本発明においてはめっき膜中のＢ濃度が多くても０．１％以下となるように、無電解Ｎｉ−Ｂめっき液を調整しておくことが好ましい。
【００２２】
無電解Ｎｉ−Ｂめっきによる部分が１μｍ未満で、全厚みが３μｍ未満であると、Ｎｉめっき膜の結晶性の不足と酸化度が増し、半田の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。一方、無電解Ｎｉ−Ｂめっきによる部分が３μｍ超であっても酸化度の低減効果は大きくならない。また、全厚みが８μｍ超であると、Ｎｉめっき膜の結晶性が乱れると共に、Ｎｉめっき膜の応力が大きくなり回路基板の信頼性が損なわれる。析出速度が０．７μｍ／Ｈｒ未満では生産性が悪く、また不純物をＮｉめっき膜内に取り込む可能性が高くなり、３μｍ／Ｈｒ超であると、Ｎｉめっきの膜質が不均一となり、高結晶性のＮｉめっき膜が得られない。
【００２３】
Ｎｉめっき膜の更なる低酸化度を実現し、半田のＳｎ成分との反応性を高めるために、無電解Ｎｉ−Ｂめっき後に、十分な洗浄・乾燥を行うことが望ましい。洗浄は、水洗後に、オレイン酸等の不飽和脂肪酸を含む表面処理剤で処理することが好ましい。表面処理剤は、Ｎｉめっき膜に撥水性を付与するものや、Ｎｉめっき膜の酸化物をエッチング除去できるものが好ましい。前者には例えば奥野製薬工業社製商品名「サフスルー」があり、後者には例えば５％硫酸水溶液がある。乾燥は、アルコール溶剤で置換してから行うことが望ましい。
【００２４】
本発明の回路基板の評価、すなわち放熱特性の良好なモジュールとなる回路基板あるかどうかの評価は、金属回路等にシリコンチップを半田付けしその半田ボイド率を測定することによって行うことができる。
【００２５】
すなわち、まず、金属回路等に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、いずれも底面積５〜２５ｍｍ²×厚さ０．４〜１．０ｍｍであることが望ましい。
【００２６】
ついで、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して半田付けを行う。
【００２７】
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（半田ボイド率）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。
【００２８】
半田ボイド率の測定は、軟Ｘ線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、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。
【００２９】
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。
【００３０】
【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。
【００３１】
実施例１〜６比較例１〜７
窒化アルミニウム基板（厚み０．６３５ｍｍ×３５ｍｍ角、熱伝導率１７０Ｗ／ｍＫ、３点曲げ強度４００ＭＰａ）又は窒化ケイ素基板（厚み０．６３５ｍｍ×３５ｍｍ角、熱伝導率７０Ｗ／ｍＫ、３点曲げ強度８００ＭＰａ）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０．１〜０．４ｍｍ、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。
【００３２】
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。
【００３３】
無電解Ｎｉ−Ｐめっき(めっき液：奥野製薬工業社製商品名「トップニコロン」)及び無電解Ｎｉ−Ｂめっき(めっき液：上村工業社製商品名「ＢＥＬ８０１」)をそれぞれ表１に示す条件で施した。無電解Ｎｉ−Ｂめっきの際に、液温を調節して析出速度を表１のようにし、Ｎｉめっき膜の結晶性を調整した。
【００３４】
その後、一部の回路基板については、撥水性付与を目的に市販エッチング液（奥野製薬工業社製商品名「サフスルー」）を用い、また酸化物の除去を目的に市販エッチング液（ワールドメタル社製商品名「ＥＴ−１４０」）を用いて、Ｎｉめっき膜の表面処理を行った後、イソプロピルアルコールで置換し、エアブロー乾燥を行った。
【００３５】
得られた回路基板について、Ｎｉめっき膜の厚み、結晶性及び酸化度、並びに半田ボイド率を以下に従って測定した。それらの結果を表２に示す。
【００３６】
（１）Ｎｉめっき膜厚
蛍光Ｘ線めっき厚測定装置（フイッシャー社製「ＸＡ−１０５０」）を用いて測定した。
（２）Ｎｉめっき膜の結晶性
Ｘ線結晶回折（ＣｕＫα２θ）装置（理学電機社製「ガイガーフレックスＲＡＤ−ＩＩＸ」）において測定されたＮｉ（１１１）面のピークの半価幅を求めた。
（３）Ｎｉめっき膜の酸化度
Ｘ線光電子分光（ＥＳＣＡ）測定装置（島津製作所社製「ＥＳＣＡ−１０００」）において測定したＮｉ−metalに対するＮｉ−Ｏ（Ｎｉ−Ｏ／Ｎｉ−metal）のピーク面積比を求めた。
（４）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、温度１５０℃までを１７℃／ｍｉｎの速度で、その後は２．４℃／ｍｉｎの速度で昇温して温度３５０℃まで高めた後、速やかに、室温下、自然冷却する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。
【００３７】
【表１】

【００３８】
表１から明らかなように、本発明の実施例はいずれも半田濡れ性の良好な回路基板が得られたのに対し、比較例では半田濡れが悪く、半田ボイドが多く発生し、実用には耐え得ないものであった。
【００３９】
つぎに、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。その結果を表１に示す。
【００４０】
【発明の効果】
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。
【００４１】
本発明によれば、純度の高い電気Ｎｉめっき法によらずとも、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。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a circuit board used for assembling a module on which an electronic component such as a semiconductor element is mounted.
[0002]
[Prior art]
Modules equipped with electronic components such as semiconductor elements are becoming more powerful with the recent development of electronics technology. This is to reduce solder voids that hinder heat conduction from the circuit board to the base plate in order to efficiently and quickly release the generated heat to the outside of the system.
[0003]
The basic structure of the electronic component mounting circuit board is such that a metal circuit is formed on the surface of the ceramic substrate, a metal heat sink is formed on the back surface, and Ni plating is applied to the metal circuit and the metal heat sink. When the module is assembled, the semiconductor element is mounted on the metal circuit, and the metal heat radiating plate surface is fixed to the base plate by soldering.
[0004]
As the material of the ceramic substrate, alumina, aluminum nitride, silicon nitride, etc., and as the material of the metal circuit, the metal heat sink, and the base plate, copper, aluminum, alloys thereof and the like are used. Also, the active metal brazing method using a brazing material containing an active metal component such as Ti, Zr, Hf and the like is mainly used for joining the ceramic substrate to the metal circuit and the metal heat sink. ing.
[0005]
When a thermal load such as a heat cycle is applied to a circuit board, thermal stress is generated due to the difference in thermal expansion between the ceramic substrate and the metal, and the ceramic substrate and the metal circuit, the metal heat sink (hereinafter referred to as both the metal circuit and the metal heat sink). Are referred to as “metal circuit etc.”), cracks occur in the ceramic substrate. This crack progresses with an increase in the number of cycles of the thermal load, and in the extreme case, leads to dielectric breakdown. In order to suppress such cracks in the ceramic substrate, Al having a low thermal stress has been used as the material of the metal circuit.
[0006]
In this case, since the Al circuit and the semiconductor element (silicon chip, etc.) are joined using the Pb—Sn solder, the Al surface needs to be plated with Ni. is there. Even when the metal circuit or the like is made of a Cu material, Ni plating is generally applied in order to prevent oxidation and deterioration of reliability due to reaction with solder. For soldering, there are a method of reflowing in the air or nitrogen using a flux, and a method of reflowing in a hydrogen atmosphere without using a flux. The latter is desirable for simplification of the process and environmental problems. However, the reactivity between the plated Ni and the Sn of the solder is not good, so that a void called a solder void is generated and the thermal resistance increases. It becomes.
[0007]
In order to solve this problem, it is sufficient to adopt a high-purity electric Ni plating method. However, the problem of this method is not only high cost due to complicated handling, but also cannot be applied to fine patterns. It is.
[0008]
[Problems to be solved by the invention]
The present invention has been made in view of such circumstances, and a circuit board having a low solder void ratio by an inexpensive electroless Ni plating method, that is, a module having a good heat dissipation characteristic, regardless of the electric Ni plating method. An object of the present invention is to provide a circuit board that can be assembled.
[0009]
[Means for Solving the Problems]
That is, the present invention is as follows.
(Claim 1) A circuit board in which a metal circuit is formed on the surface of a ceramic substrate, a metal heat sink is formed on the back surface, and electroless Ni plating having a thickness of 3 to 8 μm is applied to the surfaces of the metal circuit and the metal heat sink. The circuit board according to claim 1, wherein the electroless Ni plating film defined in the present invention has a crystallinity of 0.8 degrees or less and an oxidation degree of 0.6 or less. Crystallinity: half width of peak of Ni (111) plane in X-ray crystal diffraction (CuKα2θ). Oxidation degree: Peak area ratio of Ni-O (Ni-O / Ni-metal) to Ni-metal in X-ray photoelectron spectroscopy (ESCA).
(Claim 2) After forming a metal circuit on the surface of the ceramic substrate and a metal heat sink on the back surface, electroless Ni-P plating with a thickness of 2 to 5 μm is performed on the metal circuit and the metal heat sink, and then the entire Ni plating film 2. The method of manufacturing a circuit board according to claim 1, wherein the electroless Ni-B plating is performed at a deposition rate of 0.7 to 3 [mu] m / Hr so that the thickness is 3 to 8 [mu] m.
[0010]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, the present invention will be described in more detail.
[0011]
The material of the ceramic substrate used in the present invention is preferably aluminum nitride or silicon nitride from the viewpoint of high reliability and high insulation. The thickness of the ceramic substrate can be freely changed according to the purpose. Usually, it is 0.635 mm, but a thin object of about 0.5 to 0.3 mm may be used. When it is desired to remarkably increase the withstand voltage under high voltage, a thickness of 1 to 3 mm is used.
[0012]
The material for the metal circuit or the like is preferably Al, Cu, or an Al—Cu alloy. These are used in the form of a single body or a laminated body such as a clad including this as a single layer. Al has a lower yield stress than Cu, is rich in plastic deformation, and can significantly reduce the thermal stress applied to the ceramic substrate when subjected to thermal stress such as a heat cycle, thus suppressing cracks generated in the ceramic substrate more than Cu. And a highly reliable circuit board.
[0013]
The thickness of the metal circuit is preferably 0.4 to 0.5 mm in the case of an Al circuit and 0.3 to 0.5 mm in the case of a Cu circuit in terms of electrical and thermal characteristics. On the other hand, the thickness of the metal heat radiating plate is determined so as not to cause warpage during soldering. Specifically, it is preferable that the Al heat sink is 0.1 to 0.4 mm, and the Cu heat sink is 0.15 to 0.4 mm.
[0014]
In order to form a metal circuit or the like on the ceramic substrate, it is possible to perform etching by joining the metal plate and the ceramic substrate, or by joining a circuit punched from the metal plate and the pattern of the heat sink to the ceramic substrate. it can. The ceramic substrate and the metal circuit or the like can be joined by an active metal brazing method using a brazing material containing Ag, Cu or an Ag—Cu alloy and an active metal component such as Ti, Zr, and Hf.
[0015]
The surface of the metal circuit or the like before being subjected to Ni plating is preferably smoothed by grinding, physical polishing, chemical polishing or the like, and the surface roughness is preferably Ra ≦ 0.2 μm. The measurement of the surface roughness may be either a contact type or a non-contact type, but it is desirable to use a non-contact type surface roughness meter such as a laser type for the measurement of a soft metal such as Al.
[0016]
The Ni plating is preferably an electroless method, which makes it possible to handle fine patterns. The Ni plating film thickness is preferably 3 to 8 μm.
[0017]
The circuit board of the present invention is a circuit board on which the Ni plating is applied, and is defined as “half-value width of peak of Ni (111) plane in X-ray crystal diffraction (CuKα2θ) of Ni plating film” ”Is 0.8 degrees or less, and the“ oxidation degree ”defined as the peak area ratio of Ni—O (Ni—O / Ni-metal) to Ni—metal in X-ray photoelectron spectroscopy (ESCA) is 0.00. 6 or less. The heat dissipation characteristics of a module assembled using such a circuit board are good even though the Ni plating method is an electroless method.
[0018]
The requirement that the crystallinity of the Ni plating film is 0.8 or less and the oxidation degree is 0.6 or less is necessary to increase the reactivity between the Ni component and the Sn component of the solder. If the crystallinity exceeds 0.8, the high crystallinity of Ni is insufficient, and the reactivity with the Sn component cannot be increased to the target level. On the other hand, when the degree of oxidation exceeds 0.6, the reactivity of the Ni component and the Sn component of the solder cannot be increased to a target level by the oxide layer.
[0019]
In the circuit board of the present invention, after forming a metal circuit on the surface of the ceramic substrate and a metal heat sink on the back surface, electroless Ni-P plating with a thickness of 2 to 5 μm is performed on the metal circuit or the like, and then the entire Ni plating film It is preferable to manufacture by performing electroless Ni—B plating at a deposition rate of 0.7 to 3 μm / Hr so that the thickness becomes 3 to 8 μm. Even if it is not based on such two-stage electroless Ni, it can be produced by one-stage electroless Ni-B plating, but it takes too much time and is inferior in productivity. The method for forming a metal circuit or the like on the ceramic substrate has been described above.
[0020]
In the present invention, when Ni plating is applied to a metal circuit or the like, first, electroless Ni—P plating having a thickness of 2 to 5 μm, preferably 3.5 to 4.5 μm is applied. As a method for electroless Ni—P plating, a generally known method is sufficient. There is no adverse effect even if the deposition rate of the electroless Ni—P plating is increased as much as possible.
[0021]
Next, electroless Ni-B plating with a thickness of 1 to 3 [mu] m, preferably 1.5 to 2.5 [mu] m is applied to make the total Ni plating film thickness 3 to 8 [mu] m. The deposition rate of the electroless Ni—B plating is important, and is set to 0.7 to 3 μm / Hr. In the present invention, it is preferable to adjust the electroless Ni—B plating solution so that the B concentration in the plating film is at most 0.1% at most.
[0022]
When the electroless Ni—B plating portion is less than 1 μm and the total thickness is less than 3 μm, the crystallinity of the Ni plating film is insufficient and the degree of oxidation increases, and the level of reactivity with the Sn component of the solder is reached. Can not be increased. On the other hand, even if the portion formed by electroless Ni—B plating exceeds 3 μm, the effect of reducing the degree of oxidation does not increase. On the other hand, if the total thickness exceeds 8 μm, the crystallinity of the Ni plating film is disturbed, and the stress of the Ni plating film increases to impair the reliability of the circuit board. If the deposition rate is less than 0.7 μm / Hr, the productivity is poor, and the possibility of incorporating impurities into the Ni plating film is high. If it exceeds 3 μm / Hr, the Ni plating film quality becomes non-uniform and high crystallinity. Ni plating film cannot be obtained.
[0023]
In order to realize a further low degree of oxidation of the Ni plating film and increase the reactivity with the Sn component of the solder, it is desirable to perform sufficient cleaning and drying after the electroless Ni-B plating. Washing is preferably performed with a surface treatment agent containing an unsaturated fatty acid such as oleic acid after washing with water. The surface treating agent is preferably one that imparts water repellency to the Ni plating film or one that can etch away the oxide of the Ni plating film. The former includes, for example, trade name “Saf Thru” manufactured by Okuno Pharmaceutical Co., Ltd., and the latter includes, for example, 5% sulfuric acid aqueous solution. Drying is preferably performed after substitution with an alcohol solvent.
[0024]
The evaluation of the circuit board of the present invention, that is, the evaluation of whether or not there is a circuit board that is a module with good heat dissipation characteristics can be performed by soldering a silicon chip to a metal circuit or the like and measuring the solder void ratio.
[0025]
That is, first, a silicon chip is placed with a Pb (90%)-Sn (10%) solder piece sandwiched between a metal circuit and the like. The dimensions of the solder pieces and the silicon chip are preferably 5-25 mm ^{2 in} bottom area and 0.4-1.0 mm in thickness.
[0026]
Then, after raising the temperature up to 150 ° C. at a rate of 15 to 20 ° C./min and then increasing the temperature to 350 ° C. ± 5 ° C. at a rate of 2.3 to 2.5 ° C./min. Quickly, naturally cool and solder at room temperature.
[0027]
Regarding the reason for raising the temperature up to 150 ° C. at 15 to 20 ° C./min, if it is slower than 15 ° C./min, the Ni plating surface is oxidized, and the original solder wettability (solder void ratio) is correctly evaluated. I can't. Moreover, the apparatus becomes a large scale in order to make it faster than 20 ° C./min. Regarding the reason for raising the temperature up to 350 ° C. at 2.3 to 2.5 ° C./min, if it is slower than 2.3 ° C./min, the Ni plating surface is oxidized, and the original solder wettability is correctly evaluated. Can not do it. If it is faster than 2.5 ° C./min, the solder is not sufficiently melted and the original solder wettability cannot be correctly evaluated.
[0028]
The solder void ratio can be automatically measured using a soft X-ray apparatus or an ultrasonic flaw detector. Examples of commercially available measuring devices include "PRO-TEST100" manufactured by Softex Corporation as a soft X-ray flaw detector, and "HA-701" manufactured by Honda Electronics Co., Ltd. as an ultrasonic flaw detector.
[0029]
When the solder void ratio is 2%, the heat dissipation characteristic of the module assembled using the circuit board changes greatly.
[0030]
【Example】
Hereinafter, the present invention will be described more specifically with reference to examples and comparative examples.
[0031]
Examples 1-6 Comparative Examples 1-7
Aluminum nitride substrate (thickness 0.635 mm × 35 mm square, thermal conductivity 170 W / mK, three-point bending strength 400 MPa) or silicon nitride substrate (thickness 0.635 mm × 35 mm square, thermal conductivity 70 W / mK, three-point bending strength 800 MPa ) On the surface of the Al plate (thickness 0.4 mm, purity> 99.9%), and on the back surface is the Al heat sink forming Al plate (thickness 0.1-0.4 mm, purity> 99). .9%) was placed in a hot press apparatus with a brazing material (Al—Cu (4%) alloy foil, thickness 30 μm) sandwiched between them and pressed at a temperature of 630 ° C. and 3 MPa for bonding.
[0032]
An etching resist was applied to the obtained joined body, and etching was performed with an FeCl ₃ solution, so that a circuit board having a solid Al circuit and a solid Al heat radiating plate whose edges were just edged was produced.
[0033]
Table 1 shows electroless Ni-P plating (plating solution: trade name “Top Nicolon” manufactured by Okuno Pharmaceutical Co., Ltd.) and electroless Ni—B plating (plating solution: trade name “BEL801” manufactured by Uemura Kogyo Co., Ltd.). Applied under conditions. During electroless Ni-B plating, the liquid temperature was adjusted to set the deposition rate as shown in Table 1, thereby adjusting the crystallinity of the Ni plating film.
[0034]
After that, for some circuit boards, a commercially available etchant (trade name “Saff Through” manufactured by Okuno Seiyaku Kogyo Co., Ltd.) was used for the purpose of imparting water repellency, and a commercially available etchant (made by World Metal Co., Ltd.) for the purpose of removing oxides. After performing the surface treatment of the Ni plating film using a trade name “ET-140”), the Ni plating film was replaced with isopropyl alcohol, and air blow drying was performed.
[0035]
The obtained circuit board was measured for the thickness, crystallinity and degree of oxidation of the Ni plating film, and the solder void ratio as follows. The results are shown in Table 2.
[0036]
(1) Ni plating film thickness It measured using the fluorescent X-ray-plating thickness measuring apparatus ("XA-1050" by a Fischer company).
(2) The half-value width of the peak of the Ni (111) plane measured with a crystalline X-ray crystal diffraction (CuKα2θ) apparatus (“Geiger Flex RAD-IIX” manufactured by Rigaku Corporation) of the Ni plating film was determined.
(3) Oxidation degree of Ni plated film X-ray photoelectron spectroscopy (ESCA) measuring device (“ESCA-1000” manufactured by Shimadzu Corporation) peak of Ni—O (Ni—O / Ni-metal) with respect to Ni-metal The area ratio was determined.
(4) Measurement of solder void ratio A silicon chip (bottom area 169 mm) with a Pb (90%)-Sn (10%) solder piece (bottom area 169 mm ² × thickness 0.1 mm plate) sandwiched between metal circuits of a circuit board ² × plate having a thickness of 0.4 mm). In a hydrogen atmosphere, the temperature was increased to 150 ° C. at a rate of 17 ° C./min, and then increased to a temperature of 350 ° C. at a rate of 2.4 ° C./min. Heating was performed under cooling conditions to perform soldering, and the solder void ratio was measured using a soft X-ray flaw detector (“PRO-TEST100” manufactured by Softex).
[0037]
[Table 1]

[0038]
As can be seen from Table 1, in all of the examples of the present invention, a circuit board with good solder wettability was obtained, whereas in the comparative example, the solder wettability was poor and many solder voids were generated. It was unbearable.
[0039]
Next, the simple module shown in FIG. 1 was assembled, and the thermal resistance between the silicon chip and the Al heat radiating plate was measured under the conditions of an electric power supply amount of 145 W to the silicon chip and an Al heat sink temperature of 65 ° C., and the heat radiation characteristics were evaluated. The results are shown in Table 1.
[0040]
【The invention's effect】
ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the circuit board which can assemble the module excellent in the thermal radiation characteristic is provided.
[0041]
ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the manufacturing method of the circuit board which can assemble the module excellent in the heat dissipation characteristic by the electroless Ni plating method is provided without using the high-purity electric Ni plating method.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a simplified module assembly diagram for measuring heat dissipation characteristics.

Claims

In a circuit board in which a metal circuit is formed on the surface of a ceramic substrate and a metal heat sink is formed on the back surface, and electroless Ni plating having a thickness of 3 to 8 μm is applied to the surface of the metal circuit and the metal heat sink. A circuit board, wherein the defined electroless Ni plating film has a crystallinity of 0.8 degrees or less and an oxidation degree of 0.6 or less. Crystallinity: half width of peak of Ni (111) plane in X-ray crystal diffraction (CuKα2θ). Oxidation degree: Peak area ratio of Ni-O (Ni-O / Ni-metal) to Ni-metal in X-ray photoelectron spectroscopy (ESCA).

After forming a metal circuit on the surface of the ceramic substrate and a metal heat sink on the back surface, electroless Ni-P plating with a thickness of 2 to 5 μm is performed on the metal circuit and the metal heat sink, and then the total Ni plating film thickness is 3 to 8 μm. 2. The method of manufacturing a circuit board according to claim 1, wherein the electroless Ni—B plating is performed at a deposition rate of 0.7 to 3 μm / Hr.