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JP2001130986A - 銅メッキセラミックス基板、及びそれを用いたペルチィエ素子、並びに銅メッキセラミックス基板の製造方法 - Google Patents

銅メッキセラミックス基板、及びそれを用いたペルチィエ素子、並びに銅メッキセラミックス基板の製造方法

Info

Publication number
JP2001130986A
JP2001130986A JP2001003865A JP2001003865A JP2001130986A JP 2001130986 A JP2001130986 A JP 2001130986A JP 2001003865 A JP2001003865 A JP 2001003865A JP 2001003865 A JP2001003865 A JP 2001003865A JP 2001130986 A JP2001130986 A JP 2001130986A
Authority
JP
Japan
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copper
ceramic substrate
layer
plated
film
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP2001003865A
Other languages
English (en)
Inventor
Iwao Numakura
巌 沼倉
Noriaki Tsukada
典明 塚田
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Yamatoya and Co Ltd
Original Assignee
Yamatoya and Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Yamatoya and Co Ltd filed Critical Yamatoya and Co Ltd
Priority to JP2001003865A priority Critical patent/JP2001130986A/ja
Priority to US09/833,162 priority patent/US6391473B2/en
Priority to TW090109152A priority patent/TW528814B/zh
Priority to KR1020010022769A priority patent/KR20010104634A/ko
Publication of JP2001130986A publication Critical patent/JP2001130986A/ja
Pending legal-status Critical Current

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Abstract

(57)【要約】 【課題】 電子部品用の銅メッキセラミックス基板の高
信頼性を図るために、従来のセラミックス基板に対する
銅メッキ層の密着性を大幅に改善する。 【解決手段】 銅メッキセラミックス基板の製造法にお
いて、(1).セラミックス基板上に乾式薄膜クロム層を形
成する第一工程、(2).次いで前記薄膜クロム層上に乾式
薄膜金（キン）層を形成する第二工程、(3).次いで前記
薄膜金（キン）層上に銅メッキを行う第三工程、から成
ることを特徴とする銅メッキセラミックス基板の製造方
法。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、高性能、高信頼性
に優れた電子部品用の銅メッキセラミックス基板、及び
それを用いたペルチィエ素子、並びに銅メッキセラミッ
クス基板の製造方法に関するものである。
【０００２】更に詳しくは、本発明は、半田付け等にお
ける衝撃熱で、被加工物（セラミックス基板）とメッキ
層の膨れや剥離性を完全に防止することが出来る新規な
銅メッキセラミックス基板の製造方法を中核とし、か
つ、前記製造方法により得られる銅メッキセラミックス
基板、及び、前記銅メッキセラミックス基板を応用した
ペルチィエ素子に関する。
【０００３】
【従来の技術】産業界において、銅メッキ応用製品は広
く使用されている。例えば、銅メッキ液、シアン化銅メ
ッキ液、ピロ燐酸銅メッキ液を用いて、被加工物を陰極
とし、金属銅を陽極として直流電流を与え、被加工物に
銅が析出した銅メッキ物、あるいは、無電解銅メッキ液
を用い、被加工物に銅が析出した銅メッキ物が広く使用
されている。なお、前記銅メッキ物において、被加工物
の素材がセラミックス基板の場合、銅メッキセラミック
ス基板といわれている。また、素材がプラスチック基板
の場合、銅メッキプラスチック基板といわれているが、
業界によってはプリント基板と呼ばれることもある。
【０００４】従来から銅メッキセラミックス基板は、種
々の電子部品に使用されている。例えば、半導体機器、
小型通信機器、中継機器、チップキャリヤー、ペルチィ
エ素子などの電子部品に多用されている。
【０００５】従来から銅メッキセラミックス基板は、セ
ラミックス表面をアルカリ、酸、サンドブラストなどに
より表面処理した後に、無電解銅メッキ処理を行った
後、電解銅メッキを施したり、あるいは、セラミックス
基板上に他の金属を乾式薄膜法（蒸着法など）により形
成した後に銅メッキを施すことにより製造されている。
前記した金属としては、コバルト、ニオブ、タンタル、
チタン、鉄−ニッケル−クロム合金、モリブデン、タン
グステンなどがある（高塩治男、セラミックス接合・接
着技術集成，昭和６０年）。
【０００６】当業界において、銅メッキセラミックス基
板のその他の製造方法としては、次のようなものが知ら
れている。 ．セラミックス基板上に直接銅箔（または銅板）を接
合する方法がある（Ａ．Ｋ．Ｖａｒｃｈｎｅｙａ ａｎ
ｄ Ｒ．Ｊ．Ｐｅｔｔｉ， Ｊ．Ａｍ Ｃｅｒａｍ，
Ｓｏｃ． ６１，１９７８年）。 ．セラミックス基板上に、導電性物質（銀、金、銅、
ニッケルなど）のペーストを印刷法、その他の方法で塗
布し、この上にそのままメッキを施す方法、あるいは、
数百度で焼成した後にメッキを施す方法、または、焼成
後そのまま用いる方法がある。
【０００７】しかしながら、従来の方法においては、銅
メッキ層とセラミックス基板との密着性が不十分であ
り、半田付けや高温使用において銅メッキ層が膨れたり
剥離したりする欠点がある。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】本発明は、前記した従
来技術の限界に鑑み創案されたものである。本発明者
は、銅メッキセラミックス基板において、セラミックス
基板上に銅メッキ層を設ける際、予めセラミックス基板
上に乾式薄膜クロム層と乾式薄膜金（キン）層を設けた
とき、格段に銅メッキ層の密着性が向上することを見い
出した。
【０００９】本発明は前記した知見をベースとするもの
であり、本発明により電子部品、特にペルチィエ素子用
の基板として有用な高信頼性の銅メッキセラミックス基
板が提供される。
【００１０】
【課題を解決するための手段】本発明を概説すれば、本
発明は、銅メッキセラミックス基板、及びそれを用いた
ペルチィエ素子、並びに銅メッキセラミックス基板の製
造方法に関するものであり、より具体的には、(1).セラ
ミックス基板上に、薄膜クロム層と、薄膜金（キン）層
と、銅メッキ層とを順次積層したことを特徴とする銅メ
ッキセラミックス基板、(2).前記銅メッキセラミックス
基板に、異種の導体又は半導体を搭載したことを特徴と
するペルチィエ素子、及び、(3).前記銅セラミックス基
板の製造方法として、 ．セラミックス基板上に乾式薄膜クロム層を形成する
第一工程、 ．次いで前記クロム層面上に乾式薄膜金層を形成する
第二工程、 ．次いで前記薄膜金層上に銅メッキを行う第三工程、 を含むことを特徴とする銅メッキセラミックス基板の製
造法に関するものである。
【００１１】以下、本発明の技術的構成及び実施態様に
ついて詳しく説明する。
【００１２】従来の銅メッキセラミックス基板の製造方
法において、例えば、セラミックス基板の表面を粗面化
処理し、これに無電解銅メッキ及び電解銅メッキを施す
方法、または、伝導性物質のペーストを塗布後、銅メッ
キを施す方法は、次のような欠点がある。
【００１３】セラミックス基板表面を粗面化処理するこ
とにより、その表面は凹凸状になり、これに無電解銅メ
ッキを施すと前記凹凸部に結晶化していない粒状の銅が
析出し、通電が可能となり電気銅メッキを施すことがで
きる。また、セラミックス基板上に伝導性物質のペース
トを塗布することにより、無電解銅メッキまたは電気銅
メッキを施すことができる。
【００１４】しかしながら、無電解銅メッキにより析出
する銅粒子の粒径が大きいため、銅粒子とセラミックス
基材の表面の凹凸部との接触面積が小さい。即ち、アン
カー効果が劣るため、銅粒子とセラミックス基板との密
着力は弱いものである。また、析出粒子が大きいため、
凹部における細心部は空間となり、ここに処理する薬品
などが付着するため、析出銅は薬品により腐食され、密
着性が低下する。更にまた、伝導性物質のペーストを用
いたときは、前記と同様に粒径が無電解銅メッキの数十
倍と大きいため、伝導性物質の粒子とセラミックス基材
の表面の凹凸部との接触面積が非常に小さいものとな
る。従って、アンカー効果が劣るため、密着力は非常に
弱いものである。
【００１５】本発明は、前記欠点を改良するためにセラ
ミックス基板上に、まず乾式薄膜クロム層を施すという
技術的構成を採用する。セラミックス基板上に金属蒸着
などにより乾式薄膜クロム層を形成することにより、ク
ロムが原子状の微粒子となるため、セラミックス基板の
凹凸面との接触面積が格段に大きくなる。即ち、アンカ
ー効果が強力となり、クロム粒子とセラミックス基板と
の密着力は向上する。
【００１６】また、クロム層は乾式薄膜法により形成さ
れるため、従来のように薬剤使用によるクロム粒子の腐
食の問題は解消される。
【００１７】しかしながら、乾式薄膜クロム層上に直
接、銅メッキを施すことは、次の理由により困難であ
る。これは、クロムは親水性が強く、これに対して銅金
属は親油性が強いため、互いに反発し合うため密着力が
低下するためである。また、空気中の酸素によりクロム
金属は酸化され、銅金属層との境界部に酸化物が介在す
るようになるため密着力は低下する。
【００１８】本発明者は前記乾式薄膜クロム層の特性に
鑑み、これを改良すべく鋭意検討を加えた。その結果、
乾式薄膜クロム層の上に乾式薄膜金（キン）層を形成す
ることが極めて有効であることを見出した。
【００１９】乾式薄膜クロム層の上に乾式薄膜金（キ
ン）層を形成することの利点は次の通りである。金（キ
ン）は非常に安定な金属であるため大気中において酸化
されないこと、次工程での銅メッキ工程において析出さ
れる銅との間に密着力を低下させるような不純物を形成
しないこと、更に、金と銅との境界部において金が銅へ
拡散しアンカー効果が大きくなり密着力が向上する。
【００２０】前記したことから明らかのように、本発明
において金と銅が下地に接するという層構成が極めて重
要なポイントである。
【００２１】本発明において、セラミックス基材上に形
成された乾式薄膜クロム層の上に、直ちに前記した乾式
薄膜金（キン）層を形成するという方式にかえて、前記
乾式薄膜クロム層の上に他の金属の乾式薄膜層を形成
し、次いで前記乾式薄膜金（キン）層を形成してもよ
い。この種の他の金属の乾式薄膜を形成するために使用
する金属としては、ニッケル、モリブデン、タングステ
ン、チタン、銀など乾式の薄膜製作法に適用できる金属
がある。
【００２２】本発明において、前記したクロム、金（キ
ン）、などの金属を用いて乾式により薄膜を形成するに
は、通常の態様に従えばよい。なお、本発明でいう乾式
の薄膜製作法には、真空蒸着法、陰極スパタリング法、
化学蒸気分解法（ＣＶＤ）などがある。
【００２３】本発明において、セラミックス基板として
は種々のものが使用できることはいうまでもないことで
ある。例えば、酸化アルミニウム、窒化アルミニウム、
炭化ケイ素などのセラミックス基板が使用できる。
【００２４】図１に、本発明の第一実施態様の銅メッキ
セラミックス基板の断面図を示す。図示されるように、
本発明の第一実施態様の銅メッキセラミックス基板は、
セラミックス基板（１）の片面上に、順次に、乾式薄膜
クロム層（２）、乾式薄膜金（キン）層、銅メッキ層
（４）を形成して構成されたものである。
【００２５】図２に、本発明の第二実施態様の銅メッキ
セラミックス基板の断面図を示す。図示されるように、
本発明の第二実施態様の銅メッキセラミックス基板は、
セラミックス基板（１）の両面上に、順次に、乾式薄膜
クロム層（２）、乾式薄膜金（キン）層、銅メッキ層
（４）を形成して構成されたものである。
【００２６】本発明において、銅メッキセラミックス基
板（図１，２）の、最上面層である銅表面の酸化防止対
策として、産業界で一般に用いられている方法、例えば
ニッケルメッキ、金メッキ、ハンダメッキ、スズーアン
チモンメッキ、などの単独のメッキ被膜、または、複合
のメッキ被膜を施したり、あるいは、有機化合物で被覆
したりしてもよい。
【００２７】図３に、本発明の前記のようにして製作し
た銅メッキセラミックス基板の応用例としてのペルチィ
エ素子の概略断面図を示す。
【００２８】ペルチィエ素子とは、異種の導体（または
半導体）の接点に電流を通すとき、接点でジュール熱以
外の熱の発生または吸熱が起きる現象を、１８３４年
Ｊ．Ｃ．Ａ，Ｐｅｌｔｉｒによって発見され、これをペ
ルチィエ効果といい、この効果を利用するために図３の
ようにモジュール化したものがペルチィエ素子といわれ
ているものである。
【００２９】ペルチィエ素子の用途としては、例えば、
光通信に用いる半導体レーザー装置の冷却装置などがあ
る。前記半導体レーザー装置は、光信号を波長変換機で
波長多重〔ＷＤＭ（Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ Ｄｉｖｉｓ
ｉｏｎ Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ）〕にできるような
形に変換し一括して伝送路に送出する。伝送路上（光フ
ァイバー）は波長多重された形で信号がながれ、波長多
重で送られて来た信号は波長変換機で元の光信号に変換
される。このため、数十種類の信号を一つの信号として
取り扱うことができるため、一本の光ファイバーで数十
種類の信号を送ることができ、伝送路としての光ファイ
バーは数十分の１ですむことになる。
【００３０】前記した光通信用の半導体レーザー装置の
冷却装置としてペルチィエ素子を応用するときの、要求
性能についてみると、次の通りである。波長多重に変換
する信号の波長をコントロールする制御温度の範囲が非
常に狭くなる（一説によれば、０．０ｎ℃）と共に半導
体レーザーが小型化し、使用するペルチィエ素子も小型
化し、従来の銅板などの貼りあわせによる製造方法では
対応が難しくなってきつつある。また、このようにして
製作された貼り合わせタイプのペルチィエ素子の基板の
密着強度は、大きな総体面積でカバーしなければならな
いという欠点があり、小型化、超小型化には限界があ
る。
【００３１】前記した小型化の問題に対応していくため
には、写真法とメッキ法を併用せざるを得ないが、小型
化にともないセラミックス基板と導体回路の密着面積が
極端に少なくなり、両者の間の密着強度の改善が非常に
重要な課題である。
【００３２】本発明の前記した銅メッキセラミックス基
板の製造方法で製造した銅メッキセラミックス基板は、
小型化した半導体レーザーの冷却装置として用いられる
ペルチィエ素子用の基板として十分に対応できるもので
ある。
【００３３】従来使用されていたペルチィエ素子用基板
の製造方法は、前記したように、(1).銅板または銅箔を
プレスなどを用いて抜き加工し、セラミックス基板に貼
りあわせて製造する方法、(2).伝導性物質のペーストを
セラミックス基板に塗布し、焼成後銅メッキを施して製
造する方法、などがある。しかしながら、前記の方法で
製造されたペルチィエ素子用基板には、次のような欠点
がある。
【００３４】銅板などの貼り合わせ方法による製造では
小型化ができず、また、貼りあわせに使用する接着剤な
どの有機化合物が介在し、熱の伝導性が悪く、消費電力
が多くなり不経済である。また、伝導性物質のペースト
を用いた場合は、前記したように、伝導性物質の粒子径
の問題で、セラミックス基板との密着強度が非常に低
く、信頼性にかける。更に、両製品とも有機化合物が介
在することになり、有機化合物が劣化し、密着強度は更
に低下することになる。
【００３５】本発明の銅メッキセラミックス基板は、セ
ラミックス基板上に、有機化合物などが介在せず、ま
た、前記したようにセラミックス基板上に原子状の金属
が強力にアンカーされ、更に、薄膜金（キン）層と銅
は、メッキ方法により強力に被着し、しかも、金（キ
ン）の拡散によって薄膜金（キン）層と銅メッキ層とは
強力に密着する。即ち、セラミックス基板との密着強度
は強く、更に、有機化合物の介在がないため、熱の伝導
性がよい。また、メッキ方法で製造できることから、写
真法と併用することにより、微細な銅メッキセラミック
ス基板の製造が可能である。
【００３６】以上の結果から、本発明の、銅メッキセラ
ミックス基板は、ペルチィエ効果を利用した、冷却と加
熱を同じに行うことができるペルチィエ素子用の基板と
して有益である。
【００３７】以下、本発明を実施例により更に詳しく説
明する。なお、本発明は実施例のものに限定されないこ
とはいうまでもないことである。
【００３８】
【実施例】セラミックス基板として、酸化アルミニウ
ム、窒化アルミニウム、炭化ケイ素を用い、各セラミッ
クス基材の表面を超音波洗浄機を用いて表面のクリーニ
ングをし、クリーンベンチで熱風乾燥を行った。次い
で、乾式の薄膜製作法の一つである真空蒸着法を用い、
上記で清浄化したセラミックス基板を、真空蒸着機の釜
に入れ、真空度を１Ｐａ±１０％に保ち、温度を３１０
℃±５℃でコントロールし、まず、クロムを蒸発させセ
ラミックス基板に規定厚みまでの薄膜を形成させる。次
いで、金（キン）を蒸発させ規定厚みまでの薄膜を形成
して、銅メッキ前のクロム−金の薄膜セラミックス基板
を作成した。また、前記同様にして、クロム−ニッケル
−金の薄膜セラミックス基板を作成した。
【００３９】次に、ワールドメタル（株）社製の無電解
銅メッキ液を用い、液温７０℃±２℃に保ち無電解銅メ
ッキを行った。また、アドテックジャパン（株）社製品
の硫酸銅メッキ液を用い、液温２５℃±１℃に保ち電解
銅メッキをおこなった。更に、前記二つの組合わせによ
る方法で規定厚みの銅メッキ層を形成した。
【００４０】前記のようにして製作した銅メッキセラミ
ックス基板について、島津製作所社製のＡＧＳ−５０Ｂ
を用いて密着力の強弱判断であるピール強度の測定を行
った。結果を、下記の表１〜表３に示す。表３は、薄膜
クロム層と薄膜金層の間に薄膜ニッケル層を施した場合
のものである。なお、下表において数値が大きいほど密
着力は強いことを示す。
【００４１】
【表１】
【００４２】
【表２】
【００４３】
【表３】
【００４４】
【比較例】セラミックス基板を溶融したカセイソーダー
に浸漬し表面粗化を行った後、超音波洗浄を行い表面を
クリーニングした。次いで、無電解銅メッキを施し、更
に電解銅メッキを施した。また、無電解銅メッキ処理を
行う前にクロム蒸着された試料も製作した。なお、この
場合のクロム蒸着品は、前記実施例と同様にして前処理
を行った。結果を下記の表４に示す。
【００４５】
【表４】
【００４６】
【発明の効果】本発明の銅メッキセラミックス基板は、
セラミックス基板上に乾式法によりクロム薄膜層を形成
するとともに前記クロム薄膜層上に乾式法により金（キ
ン）薄膜層を施しているため、最外層の銅との密着力
は、従来の方法と比較して、約２．５〜５．０倍の密着
力を示す。特に、ペルチィエ素子の場合、密着力は最低
でもピール測定値が０．４００ｋｇ／ｍｍ2 以上必要で
あり、本発明の銅メッキセラミックス基板は、この要求
を十分に満足するものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の、銅メッキセラミックス基板の第一
の実施形態の拡大断面図である。
【図２】 本発明の、銅メッキセラミックス基板の第二
の実施形態の拡大断面図である。
【図３】 本発明の、銅メッキセラミックス基板を用い
たペルチィエ素子の拡大断面図である。
【符号の説明】
（１） ………… セラミックス基板 （２） ………… 薄膜クロム層 （３） ………… 薄膜金（キン）層 （４） ………… 銅メッキ層 Ａ ………… ペルチィエ素子 ａ ………… 銅セラミックス基板 ｂ ………… 半導体 ｃ ………… （内部）導体回路 ｄ ………… （外部）導体回路 Ａ1 ………… 吸熱側 Ａ2 ………… 発熱側

Claims (10)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 セラミックス基板上に、薄膜クロム層
    と、薄膜金（キン）層と、銅メッキ層とを順次積層した
    ことを特徴とする銅メッキセラミックス基板。
  2. 【請求項２】 薄膜クロム層と薄膜金（キン）層との間
    に、乾式の薄膜製作法に適用できる他の金属の薄膜層を
    形成した請求項１記載の銅メッキセラミックス基板。
  3. 【請求項３】 他の金属が、ニッケル、モリブデン、タ
    ングステン、チタン、銀、のなかから選ばれた少なくと
    も１つである請求項２記載の銅メッキセラミックス基
    板。
  4. 【請求項４】 セラミックス基板が、酸化アルミニウ
    ム、窒化アルミニウム、炭化ケイ素、のなかから選ばれ
    た少なくとも１つである請求項１〜３のいずれか１項に
    記載の銅メッキセラミックス基板。
  5. 【請求項５】 銅メッキが、電解銅メッキまたは無電解
    銅メッキである請求項１〜４のいずれか１項に記載の銅
    メッキセラミックス基板。
  6. 【請求項６】 請求項１〜５のいずれか１項に記載の銅
    メッキセラミックス基板に、異種の導体、又は、半導体
    を搭載したことを特徴とするペルチィエ素子。
  7. 【請求項７】 銅メッキセラミックス基板の製造法にお
    いて、 (1).セラミックス基板上に乾式薄膜クロム層を形成する
    第一工程、 (2).次いで前記薄膜クロム層上に乾式薄膜金（キン）層
    を形成する第二工程、 (3).次いで前記薄膜金（キン）層上に銅メッキを行う第
    三工程、から成ることを特徴とする銅メッキセラミック
    ス基板の製造方法。
  8. 【請求項８】 第一工程と第二工程の間に、他の金属の
    乾式薄膜を形成する工程を付加した請求項７記載の銅メ
    ッキセラミックス基板の製造方法。
  9. 【請求項９】 セラミックス基板が、酸化アルミニウ
    ム、窒化アルミニウム、炭化ケイ素のなかから選ばれた
    少なくとも１つである請求項７または８記載の銅メッキ
    セラミックス基板の製造法。
  10. 【請求項１０】 銅メッキが、電解銅メッキまたは無電
    解銅メッキである請求項７〜９のいずれか１項に記載の
    銅メッキセラミックス基板の製造法。
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