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JP4160518B2 - 金属−セラミックス接合部材およびその製造方法 - Google Patents

金属−セラミックス接合部材およびその製造方法 Download PDF

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Description

本発明は、セラミックス部材上に金属部材を接合した金属−セラミックス接合部材およびその製造方法に関し、特に、パワーモジュール用などの大電力素子搭載用の金属−セラミックス回路基板およびその製造方法に関する。
従来、金属−セラミックス回路基板の金属回路板の表面の所定の部分にめっきを施す方法として、有機溶剤剥離タイプのレジストを塗布し、アルカリ性の亜鉛置換めっき液で活性化処理（化学研磨性の強い亜鉛置換による活性化処理）した後、無電解ニッケルめっきを施し、その後、有機溶剤でレジストを除去する方法（亜鉛置換法）や、アルカリ剥離タイプのレジストを塗布し、パラジウム活性化処理を行った後、無電解ニッケルめっきを施し、その後、アルカリでレジストを除去する方法（パラジウム活性法）が知られている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００３−３１７２０号公報（段落番号０００８−００１２）
従来の亜鉛置換法では、亜鉛置換液がＮａＯＨをベースにした強アルカリ性であり、アルカリ剥離タイプのレジストを使用するとレジストが溶解してしまうため、上記の特許文献１に記載されたように有機溶剤剥離タイプのレジストを使用している。しかし、有機溶剤剥離タイプのレジストを使用すると、多量の有機溶剤を使用する必要があるため、設備、薬剤、環境に関するコストの点で大きな障害がある。
亜鉛置換法においてアルカリ剥離タイプのレジストを使用するとともに、亜鉛置換液として塩化亜鉛の塩酸溶液のような酸性の亜鉛置換液を使用すれば、有機溶剤剥離タイプのレジストを使用した場合の問題を解消することができるとともに、レジストの溶解も防止することができる。しかし、このような酸性の亜鉛置換液を使用した場合、亜鉛置換が不均一になってめっきムラが起こり易くなったり、化学研磨効果が不十分になってめっきの外観が悪くなったり、レジストの近傍で不めっきになる場合があった。
また、上記の特許文献１に開示されたパラジウム活性化処理では、母材とのめっきの密着性を向上させるために、めっき後に熱処理を施す必要がある。
したがって、本発明は、このような従来の問題点に鑑み、有機溶剤剥離タイプのレジストを使用せず且つ熱処理工程を行わなくてもめっきの密着性および生産性を向上させることができる、金属−セラミックス接合部材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、金属−セラミックス接合部材の製造方法において、アルカリ剥離タイプのレジストを使用して亜鉛置換法による活性化処理を行う際に、フッ化物または珪フッ化物を含有する酸性の亜鉛置換液を使用することにより、亜鉛置換が不均一になってめっきムラが起こり易くなるのを防止し、化学研磨効果が不十分になってめっきの外観が悪くなるのを防止し、レジストの近傍で不めっき（めっきされない状態）になるのを防止することができ、その結果、有機溶剤剥離タイプのレジストを使用せず且つ熱処理工程を行わなくてもめっきの密着性および生産性を向上させ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、本発明による金属−セラミックス接合部材の製造方法は、セラミックス部材に金属部材を接合した後、金属部材の表面の所定の部分に無電解ニッケル合金めっきを施す、金属−セラミックス接合部材の製造方法において、無電解ニッケル合金めっきを施す前に、所定形状のアルカリ剥離タイプのレジストを金属部材の表面に付着させ、このレジストが付着していない金属部材の表面の部分に対して、フッ化物または珪フッ化物を含有する酸性の亜鉛置換液により活性化処理を行い、無電解ニッケル合金めっきを施した後、レジストをアルカリで剥離することにより所定の形状のめっきを施すことを特徴とする。
この金属−セラミックス接合部材の製造方法において、金属部材がアルミニウムまたはアルミニウム合金からなり、アルミニウム合金が、アルミニウム−シリコン系合金、アルミニウム−マグネシウム系合金、アルミニウム−シリコン−ボロン系合金またはアルミニウム−マグネシウム−シリコン系合金であるのが好ましい。また、活性化処理が、ダブルジンケート法による処理であるのが好ましい。この場合、亜鉛置換膜除去液として、硝酸、塩酸、硫酸および酢酸の水溶液の少なくとも一つからなる酸性の水溶液を使用し、この亜鉛置換膜除去液により亜鉛置換膜を除去するのが好ましい。また、セラミックス部材の主成分が、アルミナ、窒化アルミニウム、炭化珪素または窒化硅素であるのが好ましく、金属部材のセラミックス部材への接合が、溶湯接合法、含浸接合法、ろう材接合法または直接接合法によって行われるのが好ましい。さらに、無電解ニッケル合金めっきが、ニッケル−リン合金めっき、ニッケル−ホウ素合金めっき、またはニッケル−リン合金めっきとニッケル−ホウ素合金めっきの複合めっきであるのが好ましい。また、セラミックス部材がセラミックス基板であり、金属部材が所定の回路パターンの金属回路板であるのが好ましい。また、活性化処理の前に脱脂処理および化学研磨処理の少なくとも一方を行うのが好ましい。
また、本発明による金属−セラミックス接合部材は、上記の金属−セラミックス接合部材の製造方法により製造されることを特徴とする。
本発明によれば、金属−セラミックス接合部材の製造方法において、アルカリ剥離タイプのレジストを使用して亜鉛置換法による活性化処理を行う際に、フッ化物または珪フッ化物を含有する酸性の亜鉛置換液を使用することにより、亜鉛置換が不均一になってめっきムラが起こり易くなるのを防止し、化学研磨効果が不十分になってめっきの外観が悪くなるのを防止し、レジストの近傍で不めっきになるのを防止することができ、その結果、有機溶剤剥離タイプのレジストを使用せず且つ熱処理工程を行わなくてもめっきの密着性および生産性を向上させることができる。
本発明による金属−セラミックス接合部材の製造方法の実施の形態としての金属−セラミックス接合基板では、セラミックス部材に金属部材を接合した後にエッチングにより金属部材を所望の回路形状にするか、セラミックス部材に予めプレス成形などにより所望の回路形状にした金属部材を接合することにより、所望の回路パターンの金属回路板を形成する。その後、この金属回路板の表面のチップ搭載部などのめっきが必要な部分以外の部分に、スクリーン印刷法または露光法などによりアルカリ剥離タイプのレジストを付着させ、このレジストが付着していない金属回路板の表面の部分に対して、フッ化物または珪フッ化物を含有する酸性の亜鉛置換液により活性化処理を行い、無電解ニッケル合金めっきを施した後、レジストをアルカリで剥離することにより所望の形状のめっきを施す。
金属部材として、一般に厚さ０．１〜０．５ｍｍ程度のアルミニウムまたはアルミニウム合金からなる金属板を使用することができ、アルミニウム合金として、アルミニウム−シリコン系合金（Ａｌ−Ｓｉ）、アルミニウム−マグネシウム系合金（Ａｌ−Ｍｇ）、アルミニウム−シリコン−ボロン系合金（Ａｌ−Ｓｉ−Ｂ）またはアルミニウム−マグネシウム−シリコン系合金（Ａｌ−Ｍｇ−Ｓｉ）を使用することができる。金属回路板の表面のめっきを施していない部には、容易にＡｌワイヤーボンディングを行うことができる。
セラミックス部材として、一般に厚さ０．２〜１．０ｍｍ程度のアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、炭化珪素（ＳｉＣ）または窒化珪素（Ｓｉ３Ｎ４）を主成分とするセラミックス基板を使用することができる。
セラミックス部材に金属部材を接合する方法として、溶湯接合法、含浸接合法、ろう材接合法および直接接合法などの方法を使用することができる。
金属回路板の表面に施す無電解ニッケル合金めっきは、ニッケル−リン合金めっき（Ｎｉ−Ｐ）、ニッケル−ホウ素合金めっき（Ｎｉ−Ｂ）、またはニッケル−リン合金めっきとニッケル−ホウ素合金めっきの複合めっき（Ｎｉ−Ｐ／Ｎｉ−Ｂ）のいずれでもよく、めっきの厚さは、１〜７μｍであるのが好ましく、２〜６μｍであるのがさらに好ましい。１μｍより薄くなると半田濡れ性が劣るとともに耐候性も劣り、７μｍより厚くなると応力が増大するからである。めっきの密着性の評価は、クロスカット法またはワイヤーボンディング法により行うことができる。
フッ化物または珪フッ化物を含有する酸性の亜鉛置換液による活性化処理（亜鉛置換）は、５〜３０℃の温度においてｐＨ１〜５．５で行うのが好ましい。この温度の範囲よりも低いと置換反応が小さく、高いと金属回路板（アルミニウム板またはアルミニウム合金板）の表面の腐食が過度に進行するからである。また、このｐＨの範囲よりも低いとアルミニウムの溶解が過度に進行し、高いと亜鉛置換のムラが発生し易いからであり、また、ｐＨの調整はフッ酸または珪フッ酸によって行うのが好ましい。
フッ化物または珪フッ化物の濃度は、アルミニウムまたはアルミニウム合金の組成によって適宜変更することができるが、１〜１０重量％であるのが好ましい。この範囲より低いとアルミニウムまたはアルミニウム合金の表面の活性面が形成し難くなり、この範囲より高いとアルミニウムまたはアルミニウム合金の表面の腐食が過度に進行するとともに、セラミックスが腐食して強度が劣化するおそれがあるからである。
亜鉛置換液中の亜鉛の塩は特に限定されないが、アルミニウムと不溶性塩を形成しない硫酸塩、塩化物または酢酸塩のいずれかを使用するのが好ましい。
１回の亜鉛置換では表面の亜鉛置換膜が粗くて不均一になる傾向があるので、亜鉛置換を行った後に薬液により亜鉛置換膜を溶解除去し、再び亜鉛置換膜を形成するダブルジンケート処理（２回亜鉛置換）を行うことが好ましい。ダブルジンケート処理を行う場合には、亜鉛置換膜を溶解除去するために、亜鉛置換膜除去液として、希硝酸、希硫酸、希塩酸または希酢酸のいずれかを使用するのが好ましい。亜鉛置換膜をムラ無く形成させることができるからである。これらの酸の希釈濃度は、レジストの耐薬液性にもよるが、亜鉛置換膜の除去のためには３〜５００倍希釈の水溶液にするのが好ましい。
アルミニウムまたはアルミニウム合金の表面の付着物質の除去や、アンカー効果によるめっきの密着性を改善するために、亜鉛置換処理の前に、酸性液により脱脂処理および化学研磨処理の少なくとも一方を行うのが好ましい。脱脂処理は、金属部材の表面への油分の付着による不良の発生を防ぐ効果があり、化学研磨処理は、金属部材の表面を活性化し、亜鉛置換処理（活性化処理）工程における亜鉛置換のムラを抑え、その後のめっきムラを防止するとともに、レジスト近傍の不めっきを防止する効果がある。
無電解ニッケル合金めっきは、レジストのｐＨ安定性にもよるが、ｐＨ５．５以下で行うのが好ましい。また、無電解ニッケル合金めっきの上にさらにめっき処理を行ってもよい。また、めっき後に熱処理を行うことにより、めっきの密着性および半田濡れ性をさらに向上させることもできる。この熱処理は、水素還元雰囲気において行うのが好ましい。
上述した本発明による金属−セラミックス接合部材の製造方法により製造した金属−セラミックス接合部材は、パワーモジュール用などの大電力素子搭載用の絶縁回路基板として使用することができる。
以下、添付図面を参照して、本発明による金属−セラミックス接合部材およびその製造方法の実施例について詳細に説明する。
［実施例１］
図１〜図４に示すように、セラミックス基板１０として４１ｍｍ×３５．５ｍｍ×０．６３５ｍｍの大きさの窒化アルミニウム（ＡｌＮ）基板を用意し（図１）、溶湯接合法により厚さ０．４ｍｍの純アルミニウム板１２をＡｌＮ基板１０に接合して研磨した（図２）後、アルカリ剥離タイプのレジスト（三井化学（株）製のＭＴ−ＵＶ−５２０３Ｐ）１４を回路パターン形状にスクリーン印刷し（図３）、塩化鉄溶液により不要部分をエッチング除去して回路を形成した（図４）。
次に、図５および図６に示すように、３％ＮａＯＨ溶液によりレジスト１４を剥離した（図５）後、チップ搭載部など所定の部分のみにめっきを施すために、所望のパターンになるようにアルカリ剥離タイプのレジスト（三井化学（株）製のＭＴ−ＵＶ−５２０３Ｐ）１６を金属回路部にスクリーン印刷して硬化させた（図６）。
次に、図７に示すように、アルミニウム用の脱脂液および化学研磨液で処理した後、フッ化物を含有する酸性の亜鉛置換液（（株）ワールドメタル製のアルボンドＡＭ）を用いて、亜鉛置換、水洗、１．４重量％の硝酸に浸漬、水洗、亜鉛置換、水洗の順で活性化処理し、無電解ニッケルめっき液（上村工業（株）製のニムデンＳＸ）によってニッケル−リンの合金めっき１８を施した。次に、図８に示すように、３％ＮａＯＨ溶液によりレジスト１６を溶解除去した。
このようにして得られた金属−セラミックス回路基板について、めっきの密着性および半田濡れ性を評価した。めっきの密着性は、めっき膜をカッターで１ｍｍ四方にカットしたものを１００個以上作成し、それらにセロテープを貼り付けて剥離したときに剥がれないものを良好として評価した。半田濡れ性は、めっき面にＳｎ−Ｐｂ共晶半田ペースト（２０ｍｍ角、約０．８ｇ）を塗布した後、金属−セラミックス回路基板をホットプレート上において２７０℃で２０秒間加熱したときに、めっきされた面の９５％以上の面積が半田に濡れたものを良好として評価した。その結果、めっきの密着性および半田濡れ性が良好な所望のめっきパターンが得られた。また、目視による外観検査では、めっきムラもなく、レジストがあった部分の近傍にもめっきが析出しており、良好な外観であった。
［実施例２］
３％ＮａＯＨ溶液によりレジスト１６を溶解除去した後に８０％の窒素と２０％の水素を含むガス雰囲気下において２８０℃で熱処理した以外は実施例１と同様の方法により金属−セラミックス回路基板を作製した。このようにして得られた金属−セラミックス回路基板について、実施例１と同様にめっきの密着性および半田濡れ性の評価と外観検査を行ったところ、めっきの密着性および半田濡れ性が良好な所望のめっきパターンが得られ、外観も良好であった。
［実施例３］
純アルミニウム板１２の代わりにＡｌ−０．５重量％Ｓｉからなる金属板を接合した以外は実施例２と同様の方法により金属−セラミックス回路基板を作製した。このようにして得られた金属−セラミックス回路基板について、実施例１と同様にめっきの密着性および半田濡れ性の評価と外観検査を行ったところ、めっきの密着性および半田濡れ性が良好な所望のめっきパターンが得られ、外観も良好であった。
［比較例１］
アルカリ性の亜鉛置換液（上村工業（株）製のＡＺ−３０１−３Ｘ）の水溶液を使用した以外は実施例１と同様の方法により金属−セラミックス回路基板を作製した。このようにして得られた金属−セラミックス回路基板について、実施例１と同様にめっきの密着性および半田濡れ性の評価と外観検査を行ったところ、めっきの密着性および半田濡れ性は良好であったが、亜鉛置換工程でレジストが剥離して所望のめっきパターンが得られず、ほぼ全面にめっきが形成された。
［比較例２］
レジスト１６として有機溶剤剥離タイプのレジスト（太陽インキ製造（株）製のＭ−８５Ｋ）を使用した以外は実施例１と同様の方法により金属−セラミックス回路基板を作製した。このようにして得られた金属−セラミックス回路基板について、実施例１と同様にめっきの密着性および半田濡れ性の評価と外観検査を行ったところ、めっきの密着性および半田濡れ性が良好であり、所望のめっきパターンが得られたが、レジストが残存していたため、Ａｌワイヤーボンディングができなかった。
［比較例３］
亜鉛置換液としてフッ化物を含有しない薬液（０．０３重量％の塩酸の水溶液に１重量％の塩化亜鉛を溶解した薬液）を使用した以外は実施例１と同様の方法により金属−セラミックス回路基板を作製した。このようにして得られた金属−セラミックス回路基板について、実施例１と同様にめっきの密着性および半田濡れ性の評価と外観検査を行ったところ、めっきの密着性および半田濡れ性は良好であったが、外観にめっきムラが見られ、さらにレジストがあった部分の近傍に不めっきが見られた。
本発明による金属−セラミックス接合部材の製造工程を示す断面図。 本発明による金属−セラミックス接合部材の製造工程を示す断面図。 本発明による金属−セラミックス接合部材の製造工程を示す断面図。 本発明による金属−セラミックス接合部材の製造工程を示す断面図。 本発明による金属−セラミックス接合部材の製造工程を示す断面図。 本発明による金属−セラミックス接合部材の製造工程を示す断面図。 本発明による金属−セラミックス接合部材の製造工程を示す断面図。 本発明による金属−セラミックス接合部材の製造工程を示す断面図。
符号の説明
１０ セラミックス基板
１２ アルミニウム板
１４ レジスト
１６ レジスト
１８ 合金めっき

Claims (10)

  1. セラミックス部材にアルミニウムまたはアルミニウム合金からなる金属部材を接合した後、金属部材の不要部分をエッチングして金属回路板を形成し、この金属回路板の表面の所定の部分に無電解ニッケル合金めっきを施す、金属−セラミックス接合部材の製造方法において、セラミックス部材に接合した金属部材の表面に所定形状のアルカリ剥離タイプのレジストを付着させ、金属部材の不要部分をエッチング除去して金属回路板を形成し、この金属回路板の表面に付着したアルカリ剥離タイプのレジストを除去した後、所定形状のアルカリ剥離タイプのレジストを金属回路板の表面に付着させ、このレジストが付着していない金属回路板の表面の部分に対して、フッ化物または珪フッ化物を含有する酸性の亜鉛置換液により活性化処理を行い、無電解ニッケル合金めっきを施した後、レジストをアルカリで剥離することにより所定の形状のめっきを施すことを特徴とする、金属−セラミックス接合部材の製造方法。
  2. 前記アルミニウム合金が、アルミニウム−シリコン系合金、アルミニウム−マグネシウム系合金、アルミニウム−シリコン−ボロン系合金またはアルミニウム−マグネシウム−シリコン系合金であることを特徴とする、請求項１に記載の金属−セラミックス接合部材の製造方法。
  3. 前記活性化処理が、ダブルジンケート法による処理であることを特徴とする、請求項１または２に記載の金属−セラミックス接合部材の製造方法。
  4. 前記ダブルジンケート法による処理において、亜鉛置換膜除去液として、硝酸、塩酸、硫酸および酢酸の水溶液の少なくとも一つからなる酸性の水溶液を使用し、この亜鉛置換膜除去液により亜鉛置換膜を除去することを特徴とする、請求項３に記載の金属−セラミックス接合部材の製造方法。
  5. 前記セラミックス部材の主成分が、アルミナ、窒化アルミニウム、炭化珪素または窒化硅素であ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金属−セラミックス接合部材の製造方法。
  6. 前記金属部材のセラミックス部材への接合が、溶湯接合法、含浸接合法、ろう材接合法または直接接合法によって行われることを特徴とする、請求項１乃至５のいずれかに記載の金属−セラミックス接合部材の製造方法。
  7. 前記無電解ニッケル合金めっきが、ニッケル−リン合金めっき、ニッケル−ホウ素合金めっき、またはニッケル−リン合金めっきとニッケル−ホウ素合金めっきの複合めっきであることを特徴とする、請求項１乃至６のいずれかに記載の金属−セラミックス接合部材の製造方法。
  8. 前記セラミックス部材がセラミックス基板であることを特徴とする、請求項１乃至７のいずれかに記載の金属−セラミックス接合部材の製造方法。
  9. 前記活性化処理の前に脱脂処理および化学研磨処理の少なくとも一方を行うことを特徴とする、請求項１乃至８のいずれかに記載の金属−セラミックス接合部材の製造方法。
  10. 請求項１乃至９のいずれかに記載の金属−セラミックス接合部材の製造方法により製造される金属−セラミックス接合部材。
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