JP5011587B2 - 放熱板の製造法 - Google Patents

Description

本発明は、半導体素子を搭載する基板（本明細書において「半導体基板」という）に接合される銅または銅合金からなる放熱板であって、板面にＮｉめっきが施されているものに関する。

半導体素子から発生する熱を効率よく放散させるための手段として、半導体基板を熱伝導性の良い材料からなる「放熱板」の上に搭載する手段が広く採用されている。

図１に、放熱板の上に半導体基板を搭載した半導体モジュールの構成例を模式的に示す。アルミナや窒化アルミニウムなどのセラミックスからなる絶縁基板５の表面には銅パターン４が形成されており、その反対側の面には銅板などからなる導体層６が形成されている。絶縁基板５と銅パターン４および導体層６が一体となって半導体基板３を構成している。半導体基板３の銅パターン４が形成された面には、例えばはんだ層２を介して半導体素子７が搭載されている。銅パターン４と半導体素子７の間には必要に応じてＡｌなどの導電材料からなるリード線８が取り付けられ、回路を構成する。一方、半導体基板３の導体層６が形成された面は、はんだ層２を介して放熱板１と接合されている。

絶縁基板５は、半導体素子と同程度の小さい熱膨張係数を必要とすることから、例えばパワー半導体用絶縁基板としてはセラミックスで作られる。これに対し、放熱板１は直接半導体素子と接合されるものではないため半導体素子と同等の小さい熱膨張係数までは要求されず、むしろ熱伝導性の方が優先される。このため、放熱板には熱伝導性の良好な銅、銅合金、アルミニウムまたはアルミニウム合金の板が主として使用される。また、この放熱板は、はんだ付け時に基板との熱膨脹差に起因して「反り」が発生するため、この反りを相殺する目的で、予めプレス成形により逆方向に反り付けを行っておく手段が採られることがある。

銅または銅合金からなる放熱板はＮｉめっきが施されて使用されることが多い。その理由として、以下のことが挙げられる。
（i）はんだ接合面では、はんだ層中へのＣｕ原子の拡散を防止することが望ましい。特にＰｂフリーはんだ（例えばＳｎ−Ａｇ系など）ではＣｕの拡散によるボイドが発生しやすく、はんだクラックの発生や放熱性低下の要因になる。Ｎｉめっきを施すとはんだ層へのＣｕの拡散が抑制される。
（ii）半導体基板搭載面の裏面をアルミニウムの放熱フィンに取り付けて使用される場合が多く、その場合、放熱板表面に酸化物被膜が形成されると放熱性が低下する。Ｎｉめっきを施すと耐食性が向上し、このような酸化物被膜の形成が抑制される。

放熱板用途では、Ｎｉめっきの後にプレスを行うと、プレス打ち抜きで端面が露出し耐食性が劣化し、またプレスキズが発生しやすいため、従来、プレス打ち抜きや反り付け後にＮｉめっきを施していた。

特開２０００−３１１９７３号公報 特開２０００−２１９９９６号公報

ところが、従来、Ｎｉめっきを施した銅または銅合金製の放熱板においても、Ｐｂフリーはんだ使用時のＣｕ拡散に起因したボイドの形成が問題になることがあり、期待されたＮｉめっきの効果が十分発揮されないことがあった。また、通常のＰｂ入りはんだを使用した場合においても、はんだ濡れ性が低下する場合も見られた。さらに、放熱板をパワーモジュールの樹脂ケースにはめ込んで使用する際、放熱板の端面がＮｉめっきによって平滑化されているために、ケースとの良好な接合性が確保できない場合もあった。

一方、プレス打抜き前にＮｉめっきを施すと、特許文献２のような板厚１ｍｍ未満のバスバーや電極端子材での単なる打ち抜きでは問題とならなかった端面の露出による耐食性の劣化や表面キズの発生が、板厚１ｍｍ以上の放熱板においては悪影響を及ぼすことがあった。
本発明はコストを抑えながらこれらの問題の解消を図ることを目的とする。

発明者はＮｉめっきを施したにもかかわらず、はんだ層にボイドが形成されることがある原因を究明すべく、多くのサンプルを調査してきた。その結果、Ｎｉめっき厚さが薄い部分では、Ｃｕの拡散を十分抑止することができないために、結局Ｃｕがはんだ層にまで達し、ボイドが生じることがわかった。そこで、Ｎｉめっき厚さを十分に厚くする対策をとったところ、Ｃｕ拡散に伴うボイドの発生は回避された。しかし、プレスによる反り付けを施していても、あらかじめ付けていた反り付け量が変動し、狙いの反り付け量から外れてしまうことが多々あった。その原因について種々検討したところ、めっき工程の時にかかる熱や電着応力、放熱板の中心付近と端面付近とのめっき厚さの差、およびプレスの反り付け後に電気めっきが施されていることなどが要因として挙げられ、特に前記めっき厚さの差の制御が重要であることがわかってきた。すなわち、単にめっき厚さを厚くするだけでは、反り付け量変動の対策にならない。また、Ｎｉめっきを厚くすることはコスト増につながるため、好ましいとは言えない。
さらに、はんだ濡れ性の低下はＮｉめっき厚さが不均一であることが原因となりうることを突き止めた。

そこで、さらに詳細な研究を進めた結果、Ｎｉめっき厚さのバラツキを小さくした放熱板において、コストを抑えながらボイド発生の問題を解消できることがわかった。同時に、はんだ濡れ性不良についても大幅に改善されることが確認された。

すなわち本発明では、半導体基板をはんだ接合により搭載するための板厚１〜５ｍｍの銅または銅合金製の放熱板において、半導体基板を搭載する面（基板搭載面）およびその反対側の面（裏面）にＮｉめっきが施されており、板面を鉛直方向から見た場合に、ある端面に平行な方向をＸ方向、それに直角な方向をＹ方向と定め、Ｘ方向に対向するそれぞれの端面から４ｍｍの距離にあり且つＹ方向中央の板面上位置をそれぞれＸ₁、Ｘ₂とし、Ｙ方向に対向するそれぞれの端面から４ｍｍの距離にあり且つＸ方向中央の板面上位置をそれぞれＹ₁、Ｙ₂とし、直線Ｘ₁−Ｘ₂と直線Ｙ₁−Ｙ₂の交点における板面上位置をＰとしたとき、Ｎｉめっき厚さに関し、基板搭載面あるいはさらに裏面が下記（１）式を満たす放熱板が提供される。
ΔＡ≦２.０μｍ ……（１）
ここで、ΔＡ（μｍ）：Ｘ₁、Ｘ₂、Ｙ₁、Ｙ₂、Ｐの各位置におけるＮｉめっき厚さの最大値と最小値の差（絶対値）である。

Ｘ₁、Ｘ₂、Ｙ₁、Ｙ₂、Ｐの各位置におけるＮｉめっき厚さの平均値が、基板搭載面、あるいはさらに裏面において０.１〜１０μｍの範囲になるように調整することが好ましい。また、Ｎｉめっきが施されていない端面を有する放熱板が提供される。

このような放熱板は、Ｎｉめっきが施された銅または銅合金の条材をプレス打抜きする工程、あるいはさらに反り付けを施す工程を有する製造法によって実現できる。前記プレス打ち抜きする工程および反り付けを施す工程を順送金型プレスにより行い、その順送金型内での材料の移送を、当該金型内に設けられたサイドガイドにより材料をリフトさせて行うことにより、材料と下型との移送時の接触を回避すれば、プレス時におけるＮｉめっき面へのキズの発生が抑止できる。

さらに、前記プレス打ち抜きする工程または反り付けを施す工程の後に、打ち抜かれた板材をアルカリ、アルコールまたは炭化水素系の洗浄液を用いて脱脂した後、速やかに乾燥させる工程を有する製造法によると、例えば素地の露出した端面の酸化による変色が防止でき、かつ基板搭載面についてロジン系フラックスを用いてはんだ付けを行ったとき、はんだ濡れ面積が９５％以上となるような、はんだ濡れ性の良好な放熱板が提供できる。

本発明によれば、より少ないＮｉ付着量によって、Ｐｂフリーはんだ使用時のボイドの形成や、Ｐｂ入りはんだ使用によるはんだ濡れ性の低下を安定して防止することが可能になった。また、熱伝導率の低いＮｉの付着量が過剰にならないようにすることは、放熱性の向上につながる。さらに、Ｎｉめっきが施されていない端面を有する放熱板によって、パワーモジュール樹脂ケースとの接合性も向上した。Ｎｉ付着量が節約できること、および連続めっきラインを用いてＮｉめっきを施すことができることによって、製造コストも低減でき、かつめっき後にプレス打ち抜きを行った後に残存する加工油の洗浄を適正に行うことによって、良好なはんだ濡れ性を維持することが可能となる。

また、反り量の変動を起こすＮｉめっきを反り付け工程より前に施すことや、Ｎｉめっき厚さのバラツキを小さくした放熱板とすることで、プレス直後からの反り変動量を小さくすることが可能となる。板厚１〜５ｍｍの条材をプレスするときに生じてしまう有害なキズの発生も抑えられる。プレス打ち抜きを行った後に残存する加工油の洗浄を適正に行うことによって、良好なはんだ濡れ性が維持できるとともに、Ｎｉめっきの無い打ち抜き端面においても変色を防止することが可能になる。

図２にパワーモジュール用放熱板の板面におけるＮｉめっき厚さ測定位置を模式的に示す。発明者らは、プレス打抜き後に電気Ｎｉめっきを施して製造された従来の放熱板において、表面のＮｉめっき厚さを詳細に調べてきた。その結果、特に放熱板の中央部と端面付近の間でめっき厚さの差が生じやすいことがわかった。すなわち、基板搭載面、裏面とも、図２に示される中央位置Ｐと端面近傍位置Ｘ₁、Ｘ₂、Ｙ₁、Ｙ₂のめっき厚さの差が大きくなる傾向にある。したがって、これらの差を小さくすることが重要である。

前記端面近傍のＸ₁、Ｘ₂、Ｙ₁、Ｙ₂の板面上の位置は、それぞれの端面からの距離が４ｍｍで、かつ、Ｘ₁およびＸ₂についてはＹ方向中央の位置、Ｙ₁およびＹ₂についてはＸ方向中央の位置とする。なお、放熱板には用途に応じて部分的に穴が開けられたり、はんだ層厚さを確保するための突起が形成されたりすることがある。もし、上記の位置が穴や突起などの加工部位に当たっている場合は、前記加工部位の近傍（概ね４ｍｍ以内）で、端面から４ｍｍの距離にある板面上の位置を替わりに測定位置とすればよい。

また中央Ｐの板面上の位置は、直線Ｘ₁−Ｘ₂（図２のＬ_X）と直線Ｙ₁−Ｙ₂（図２のＬ_Y）の交点に設定する。もし、Ｐの位置が穴や突起などの加工部位に当たっている場合は、前記加工部位の近傍（概ね４ｍｍ以内）の板面上位置を替わりに測定位置とすればよい。
このように設定した板面上の位置Ｘ₁、Ｘ₂、Ｙ₁、Ｙ₂、ＰについてＮｉめっき厚さを測定することにより、放熱板としてのＮｉめっき厚さのバラツキを良好に評価することができる。

発明者の詳細な調査によれば、このようにして定めた測定位置について、Ｎｉめっき厚さを測定し、得られた各測定点のＮｉめっき厚さが前記（１）式を満たしているとき、基板搭載面では、Ｎｉめっき厚さのバラツキに伴うはんだ層中でのボイドの発生や、はんだ濡れ性不良が安定して防止される。また裏面では、銅または銅合金より熱伝導率の低いＮｉの付着量が均一化されることにより放熱性も均一化される。さらに、基板搭載面および裏面とも、必要なＮｉめっき厚さに対し過剰にＮｉ付着量を多くする必要がなくなり、材料コスト低減および放熱性の向上が実現できる。
なお、無電解めっきは厚さのバラツキの制御は容易であるが、コストやめっき応力が大きく、本発明では電気めっきを適用することが好ましい。

Ｎｉめっき厚さの測定は、後述するように、蛍光Ｘ線膜厚測定器、電解式膜厚測定器または断面観察により行う。なお、Ｘ₁、Ｘ₂、Ｙ₁、Ｙ₂、Ｐの各位置におけるＮｉめっき厚さの平均値が０.１〜１０μｍの範囲になるように調整されていることが望ましい。Ｎｉめっき厚さが薄すぎるとＣｕの拡散を十分に抑止することができず、過剰に厚いとコスト増につながり、また、めっき厚のバラツキを本発明の範囲に抑えることがだんだん難しくなる。Ｎｉめっき厚さの平均値は３〜７μｍであることが一層好ましい。

このような均一性の高いＮｉめっきは、プレス打抜きを行う前の「条」の状態で予めＮｉめっきを施す方法により実現できる。特に、銅または銅合金の条材の両面にＮｉめっきを施すことができ、また片面毎に独立しためっき厚制御が可能な連続電気めっきラインに条材を通板することによって、各々の面に目的に応じたＮｉめっき付着量を確保することも可能である。

めっき後は、プレス打抜きを含む加工工程を経ることによって基板搭載面および裏面にＮｉめっき層を形成した放熱板が構築される。先にＮｉめっきを施してから打ち抜くことにより、Ｎｉめっきが施されていない端面を有する放熱板が得られる。これにより、パワーモジュール樹脂ケースとの接合性を同時に向上させることができる。

プレス工程では、条から部品を切り離す打抜きの他、必要に応じて突起を形成したり、あるいはさらに、はんだ接合時の冷却過程で熱膨張に起因する「反り」を相殺するための「逆反り」を形成したりすることができる。これらの加工は順送金型を用いることにより効率的に実施できる。

プレス工程のあとには、打ち抜かれた板材をアルカリ、アルコールまたは炭化水素系の洗浄液を用いて脱脂した後、速やかに乾燥させる工程を実施することが望ましい。これにより、端面の耐変色性や良好なはんだ濡れ性を安定して確保することができる。ここでいうアルカリは例えば苛性ソーダや苛性カリ、無機ソーダ塩類等の物質である。炭化水素系の物質としてはパラフィン、アセトン、ジクロロメタン等が挙げられる。

本発明の放熱板には板厚１〜５ｍｍの銅（純度９９.９６％以上）または銅合金を使用する。銅合金としてはＣｕ−Ｆｅ−Ｐ系、Ｃｕ−Ｓｎ系などが挙げられる。加工ピンでリング状の窪みを付けてその中央に突起を隆起させる方法で突起を形成させる上で、ＨＶが７０〜２００好ましくは８０〜１５０程度の硬さに調整された板材をプレス成形に供することが望ましい。また、放熱板は矩形のものが多いが、少なくともその１辺の長さが５０ｍｍ以上、さらには１００ｍｍを超えるものが好ましく、本発明の効果をよく利用できる。

得られた本発明の放熱板に半導体基板を搭載する際には、通常用いられるＳｎ−Ｐｂ系はんだ、またはＳｎ−３.５Ａｇ、Ｓｎ−５Ｓｂ等のＰｂフリーはんだが適用できる。例えば、板面に所定量のフラックスとはんだを配置し、その上に複数の半導体基板を設置した状態ではんだの融点より概ね５０〜１００℃高い温度の炉（例えばＮ₂＋Ｈ₂雰囲気）に入れ、十分にはんだが溶けてから炉外に出して放冷する。

板厚３ｍｍ、幅２３５ｍｍのＣｕ−０.０７Ｆｅ−０.０２Ｐ合金（焼鈍後、約２５％の冷間圧延を行ったもの）の条材について、表面をアルカリおよび電解脱脂したのち、連続電気Ｎｉめっきラインに通板することにより両面にＮｉめっきを施した。両面ともＮｉめっき付着量が平均３.５μｍ厚さとなるように条件を設定した。
一方、比較材として、Ｎｉめっきを施していないことだけが上記と異なる条材を用意した。

これらの条材を用いて、順送金型により「突起形成」、「打抜き」、「逆反り形成」を行い、１００×７０ｍｍの放熱板をそれぞれ約５００個製造した。突起は、基板搭載面の半導体基板搭載位置に加工ピンでリング状の窪みを付けてその中央に突起を隆起させる方法で高さ約１５０μｍのものを合計１２個形成し、逆反りはプレス直後において反り量がＸ方向に３００μｍ、Ｙ方向に２００μｍとなるように金型およびプレス条件を設定した。また、比較材を用いたものについては、その後、バッチ処理にて従来の手法でＮｉめっきを施した。

反り量は、水平面上に置かれた被測定材料（板状部品）の表面についてダイヤルゲージ、レーザー変位計、接触式表面形状測定器などで測定することができるが、接触式表面形状測定器での測定が好ましい。「直線に沿って測定する」とは、水平面上に置かれた被測定材料の表面を鉛直方向から見たときの直線上を測定することをいう。反り量の値は、基準となる水平面に対する表面の相対的高さの、測定範囲内における最大値と最小値の差である。ここではダイヤルゲージを用いて測定した。

また、本発明のプレス加工後の製品については、炭化水素系の洗浄液（具体的にはノルマルパラフィンを９８.５％溶媒中に含むもの）で５分間超音波洗浄を施した後、速やかにブロワー乾燥をおこなった。

得られた放熱板から無作為に各１０個のサンプルを抽出し、図１に示したａ〜ｅおよびｆ〜ｊの各板面上位置（それぞれ前記Ｐ、Ｙ₁、Ｙ₂、Ｘ₁、Ｘ₂に対応）におけるＮｉめっき厚さを蛍光Ｘ線膜厚測定器により測定した。具体的には、それぞれの測定位置にＸ線を照射して表面から反射してきた蛍光Ｘ線を検出器で検出し、標準Ｎｉ薄膜試料であらかじめ作成してある検量線と検出されたＸ線強度からＮｉめっき膜厚を算出した。

その結果、Ｎｉめっきを施した後に打抜きを行って作製した本発明品はいずれも、Ｎｉめっき厚さが基板搭載面および裏面とも前記（１）式を満たしており、めっき厚さのバラツキが安定して非常に小さくなっていた。これに対し、比較材を用いてプレス後にＮｉめっきを行って作製した従来品では、全てのサンプルとも、基板搭載面または裏面の少なくとも一方で前記（１）式を満たしておらず、Ｎｉめっき厚のバラツキが大きかった。
表１には、あるサンプルについてのＮｉめっき厚さ測定結果を例示する。

表１のデータに見られるように、従来品は特に中央位置と端面位置のいずれかのめっき厚さの差が大きいことがわかる。他の９個のサンプルも概ねこれに近い状況である。

次に、上記本発明品と従来品からさらに各１０個のサンプルを抽出して反り付け直後から定常状態の反り量になるまでの反り変動量について調査した。
本発明品についてはプレス反り付け後にＸ方向３００μｍ、Ｙ方向２００μｍの目標値で反りをつけた後に洗浄工程を行い、その後トータルで７日間放置したものについて反り量を測定し、さらに７日間放置して反り量を測定することにより、反り量の変動が生じなくなったこと、すなわち定常状態の反り量になったことを確認した。なお、放置した放熱板の端面に変色等は観察されなかった。
また、比較材を用いた従来品はプレス反り付け直後にＸ方向３００μｍ、Ｙ方向２００μｍの目標値で反りをつけてからバッチ処理で電気Ｎｉめっきを施した後に反り量を測定し、さらに７日間放置して反り量を測定することにより、定常状態の反り量になったことを確認した。

上記のＸ方向３００μｍ、Ｙ方向２００μｍの目標値で反りを付けた直後の実測によるＸ方向の反り量をδ_X0、Ｙ方向の反り量をδ_Y0とし、定常状態の反り量になったときの実測によるＸ方向の反り量をδ_X1、Ｙ方向の反り量をδ_Y1とするとき、反り変動を下式により求めた。
Ｘ方向の反り変動量（％）＝｜δ_X0−δ_X1｜／δ_X0×１００
Ｙ方向の反り変動量（％）＝｜δ_Y0−δ_Y1｜／δ_Y0×１００
その結果、本発明では全てのサンプルにおいて、Ｘ方向およびＹ方向の反り変動量が７％以下であった。これに対し、比較材を用いた従来品では、３個のサンプルにおいてＸ方向、Ｙ方向の少なくとも１方の反り変動量が７％を超えていた。

次に、半導体基板として、窒化アルミニウム基板の表面に銅パターンを形成した厚さ約０.３ｍｍのもので、放熱板側のはんだ接合面（図１の導体層６に相当する表面）が７０×５０ｍｍのものを用意した。これを本発明品の放熱板および従来品の放熱板からそれぞれ無作為に抽出した各１００個の放熱板にはんだ接合により搭載した。はんだはロジン系フラックスを含有したＳｎ−３.５Ａｇ合金ペーストを用意し、これを放熱板の所定位置に通常の手法ではんだ層厚さに応じた適正量を塗布し、その上に半導体基板を載せて３００℃、Ｎ₂＋Ｈ₂雰囲気の炉に装入し、約１０分経過後に炉外に出して放冷した。

はんだ接合を終えた試料のうち、各５０個について、基板接合部の超音波写真を撮影し、得られた写真を画像解析することによって、はんだ層にボイドが発生した箇所、およびはんだ濡れ性が低下してはんだ濡れ面積が９５％以下の箇所（以下これらを「はんだ欠陥」という）があるかどうかを調べた。その結果、本発明品の放熱板を用いた試料には、５０個全てにおいてはんだ欠陥は認められなかった。これに対し従来品の放熱板を用いた試料には、５０個中５個にはんだ欠陥（実用上許容される程度のものも含む）が見つかった。

また、はんだ接合を終えた試料のうち残りの各５０個について、所定のパワーモジュールの樹脂ケース中に装入する操作を試みた。その結果、本発明品の放熱板は端面にＮｉめっきが施されていないので、端面にもＮｉめっきが施されている従来品の放熱板と比べ、端面と樹脂ケースとの間に安定した強い接合力が得られた。

放熱板の上に半導体基板を搭載した半導体モジュールの構成例を模式的に示した断面図。 放熱板の板面におけるめっき厚さ測定箇所を模式的に示した図。

Claims (2)

1. 半導体基板をはんだ接合により搭載するための板厚１〜５ｍｍの銅または銅合金製の放熱板において半導体基板を搭載する面およびその反対側の面に電気Ｎｉめっきが施されており、板面を鉛直方向から見た場合に、ある端面に平行な方向をＸ方向、それに直角な方向をＹ方向と定め、Ｘ方向に対向するそれぞれの端面から４ｍｍの距離にあり且つＹ方向中央の板面上位置をそれぞれＸ₁、Ｘ₂とし、Ｙ方向に対向するそれぞれの端面から４ｍｍの距離にあり且つＸ方向中央の板面上位置をそれぞれＹ₁、Ｙ₂とし、直線Ｘ₁−Ｘ₂と直線Ｙ₁−Ｙ₂の交点における板面上位置をＰとしたとき、電気Ｎｉめっき厚さに関し、少なくとも前記の半導体基板を搭載する面が下記（１）式を満たすパワーモジュール用放熱板の製造法であって、電気Ｎｉめっきが施された銅または銅合金の条材をプレス打抜きする工程と、その後に反り付けを施す工程を有する製造法であり、前記プレス打抜きする工程の前に、前記電気Ｎｉめっきが施された銅または銅合金の条材を突起形成する工程を有し、該突起形成する工程、前記プレス打抜きする工程および前記反り付けを施す工程を順送金型プレスにより行い、その順送金型内での材料の移送を、当該金型内に設けられたサイドガイドにより材料をリフトさせて行うことにより、材料と下型との移送時の接触を回避する、パワーモジュール用放熱板の製造法。
   ΔＡ≦２．０μｍ ……（１）
   ここで、ΔＡ（μｍ）は、Ｘ₁、Ｘ₂、Ｙ₁、Ｙ₂、Ｐの各位置における電気Ｎｉめっき厚さの最大値と最小値の差、である。
2. 前記プレス打抜きする工程または反り付けを施す工程の後に、打ち抜かれた板材をアルカリ、アルコールまたは炭化水素系の洗浄液を用いて脱脂した後、速やかに乾燥させる工程を有する請求項１に記載の製造法。

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