JPH02177463A - セラミック―金属複合基板の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は半導体装置を製造する際に使用されるセラミッ
ク−金属複合基板の製造方法に関するものである。

〔従来の技術〕

従来、セラミック基材と金属部材とが直接に接合された
半導体素子実装用のセラミック−金属複合基板の製造方
法としてはへ特開昭６０−１５５５８０号公報に開示さ
れたものが知られている。ところが、この製造方法によ
って形成された基板は、半導体装置用の基板として使用
するにはヒートサイクルに対して弱いという不具合があ
った。この不都合を解消するために、半導体素子と接合
される金属部材と、セラミック基材に接合される金属部
材との間にモリブデン等の熱拘束部材を介在させてクラ
ツド材を形成し、このクラツド材をセラミック基材に接
合させるセラミック−金属複合基板の製造方法が本願出
願人によって提案されている。これを図によって説明す
る。

第５図（ａ）〜（ｃ）は従来のセラミック−金属複合基
板の製造方法を説明するための断面図で、同図において
、１はセラミック基材、２ａ、　２ｂ、　２ｃは電気回
路を形成するための銅部材で、これらの銅部材２ａ、２
ｂ、２ｃはそれぞれ銅あるいは銅合金によって形成され
ており、銅部材２ａ　、２ｂはセラミック基材１の両面
に配置され、銅部材２ｃは前記銅部材２ａに後述する拘
束部材を介して配置されている。この銅部材２ｃは半導
体素子の大容量化のために追加されたものであり、この
銅部材２ｃ上に半導体素子が実装される。３は前記銅部
材２ａ　、２ｃの熱膨張を拘束するための拘束部材で、
この拘束部材３は例えばモリブデンによって形成されて
いる。

次に、これらの各部材によってセラミック−金属複合基
板を製造する方法について説明する。前記各部材は半田
等の中間層を介在させずにそれぞれ接合させることが望
ましいため、先ず、第５図（ａ）に示すように、銅部材
２ａと銅部材２Ｃによって拘束部材３を挟み、これらを
爆発圧接法等の接合方法によって一体化させる。この際
、拘束部材３と両銅部材２ａ、２ｃとの接合面４ａ　、
４ｂは機械的に強固なものが得られる０次いで、上記工
程によって製造されたクラツド材を、例えば打ち抜き等
の方法によって成形し所望の電気回路パターンを形成す
る。そして、第５図（ｂ）に示すように、前記クランド
材と銅部材２ｂによってセラミック基材１を挟み、クラ
ツド材の銅部材２ａと銅部材２ｂとをセラミック基材ｌ
にそれぞれ接合させる。このセラミック基材１と銅部材
２ａ、　２ｂとの接合は、例えば、前記特開昭６０−１
５５５８０号公軸に示された酸素を媒介とする所謂ＤＢ
Ｃ法や活性金属法が採用される。

なお、同図中５はセラミック基材ｌと銅部材２ａ　＋２
ｂを強固に接合させるための酸素である。前記ＤＢＣ法
や活性金属法によれば、銅部材２ａ　、２ｂとセラミッ
ク基材１との接合面６ａ　、６ｂに厚みが数十μｍ前後
の溶融層が形成され、この溶融層によって銅部材２ａ　
、２ｂとセラミック基材１とが濡らされるようにして接
合されるために、銅部材２ａ　、２ｂはセラミック基材
１に強固に接合されることになる。

第６図は従来のセラミック−金属複合基板に半導体素子
を接合させた状態を示す斜視図で、同図において前記第
５図で説明したものと同一部材については同一符号を付
し、ここにおいて詳細な説明は省略する。第６図におい
て、７は半導体素子で、この半導体素子７は銅部材２Ｃ
上に半田８を介して実装されている。９は外部接続用電
極としての銅板で、この銅板９はセラミック基材１上に
接合されており、前記銅部材２Ｃとは電気的に絶縁され
ている。１０は前記半導体素子７の表面電橋（図示せず
）と前記銅板９とを接続するためのボンディングワイヤ
で、このボンディングワイヤ１０はアルミニウムによっ
て形成されている。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかるに、上述したようなセラミック−金属複合基板の
製造方法では、金属どうしを接合する工程と、金属とセ
ラミックとを接合する工程とで２工程必要となるため製
造コストが高くなる。このため、基板構造としては優れ
ているもののコスト面で実用化に際しては大きな妨げと
なっていた。

また、銅部材２ａ　、２ｃと拘束部材３とを前工程で接
合させると、拘束部材３を中心として銅部材２ａ＋２０
の板厚を同一にした対称形をとる必要があった。

すなわち、対称形でない場合には、銅部材２ａ　、２ｃ
と拘束部材３の熱膨張差によって反りが発生し、次の工
程へ移れなくなる場合があるからである。

このため、電気回路としては自由度がなく、例えば、銅
部材２ｃの厚みを薄くしかつ銅部材２ａの厚みを厚く形
成し、電気回路上に実装される半導体素子７への熱応力
を減少させることによって半導体素子７の破損防止策を
講じることは困難であった。

さらに、半導体素子７を実装する面は銅部材２　ａ　＋
２ｃと拘束部材３とが一体化された複合材を所望の形状
に加工し、電気回路を形成する必要があるーが、従来、
少量生産向きに多用される化学エツチングによる加工法
では、銅部材２ａ　、２ｃと拘束部材３のエツチング速
度が異なるために加工が難しかった。

このため、従来においては高価な金型を製作し、打ち抜
き加工によって所望の形状に成形しなければならなかっ
た。

このような問題を解消するためには各部材を一括に接合
させればよいが、従来の製造方法を組合わせて１工程に
しただけでは以下に示す問題が生じる。先ず、金属どう
しを接合する場合について詳述する。銅部材２ａ、２ｃ
と拘束部材３は融点が大きく異なるため、前記爆発圧接
を特徴とする特許接合やろう付は等の接合法によって接
合させることが必要である。一般のろう付けは、接合界
面の品質を考えると未接合部が多く残存されてしまうた
め、強固に接合させることができないばかりか、ろう材
を介して密着される部材間の熱抵抗が大きくなり高熱伝
導性を有する基板が得にくい、したがって、銅部材２ａ
　、２ｃと拘束部材３との接合は固相接合を行なう必要
がある。固相接合の原理は被接合物どうしの界面を原子
間距離にまで接近させることによって両者を接合させる
ことであるから、両者を接合させるための加圧力が必要
であり、また、加圧した状態で拡散反応されるまで所定
時間保持しなければならない。一方、銅部材２ａ　、２
ｂとセラミック基材１との接合は、一般にＤＢＣ法や活
性金属法が採用される。この際、接合界面には数十μｍ
前後の溶融層が形成され、金属とセラミックとの濡れを
確保することにより短時間で安定した強度が得られる。

なお、この際には加圧力は不要である０以上の二種類の
接合方法を同時に実施して一括に接合させた場合に生じ
る問題点を第７図（ａ）および第７図（ｂ）によって説
明する。第７図において前記第５図で説明したものと同
一部材については同一符号を付し、ここにおいて詳細な
説明は省略する。第７図（ａ）は同相接合を確実に行な
うために加圧させたものを示し、第７図（ｂ）は加圧せ
ずに接合させた例を示す。第７図（ａ）に示すように、
銅部材２ａ　、２ｃと拘束部材３とを同相接合によって
確実に接合させると、セラミック基材ｌと銅部材２ａ　
、２ｂとの接合面から反応溶融層１１が排出されてしま
い、電気回路がショートしてしまうという問題が発生す
る。一方、加圧力を加えない第７図（ｂ）においては、
接合面４ａ　、４ｂが確実に接合されず接合強度が得ら
れない、また、接合に必要となる反応時間、温度も異な
り、銅部材２ａ＋２ｂとセラミック基材１は長時間高温
中に保持すると、銅部材２ａ　、２ｂと溶融層の反応が
進み過ぎ銅部材２ａ　、２ｂが変質、変形されてしまう
。

本発明はこのような問題点を解決するためになされたも
ので、安価でかつ信頼性の高い接合部を有するセラミッ
ク−金属複合基板を製造する方法を得ることを目的とす
る。

〔課題を解決するための手段〕

本発明に係るセラミック−金属複合基板の製造方法は、
セラミック板の両面に厚み０．１　μｍ〜３μｍの活性
金属からなる薄膜層を介して第一および第二の銅部材を
密接させると共に前記両銅部材のうち一方の銅部材の末
対接面に熱糧衝用金属板を介して半導体素子接合用銅部
材を密接させてなる基板部材を、前記第一および第二の
銅部材と活性金属とによって形成される合金の融点から
第一および第二の銅部材の融点未満の温度に前記活性金
属と反応されにくい雰囲気中で加熱させ、かつ厚み方向
に加圧するものである。

〔作　用〕

複合基板の各構成部材間の接合を一括に行なうことがで
きる。

（実施例〕 以下、本発明の一実施例を第１図ないし第４図によって
詳細に説明する。

第１図（ａ）および第１図（ｂ）は本発明のセラミック
−金属複合基板の製造方法を説明するための図で、同図
（ａ）は接合前の状態を示す各部材の断面、同図（ｂ）
は接合後の状態を示す各部材の断面図である。第２図は
本発明に係る銅部材と拘束部材とのビール強度と温度の
関係を示す特性図、第３図は本発明に係るセラミック基
材と銅部材とのビール強度と温度の関係を示す特性図、
第４図は本発明に係るセラミック基材と銅部材とのビー
ル強度と膜厚の関係を示す特性図である。これらの図に
おいて前記第５図で説明したものと同一もしくは同等部
材については同一符号を付し、ここにおいて詳細な説明
は省略する。なお、本実施例では、セラミック基材１と
してアルミナ部材を使用した例について説明する。第１
図（ａ）において、２１は活性金属からなる薄膜層で、
この薄膜層２１はＴｉを銅部材２ａ、２ｂのそれぞれの
一面に一連に真空蒸着させることによって形成され、そ
の厚み寸法が０．１　μｍ〜３μｍに設定されている。

次に、本発明に係るセラミック−金属複合基板の製造方
法について説明する。

先ず、セラミック基材１と銅部材２ａ　、２ｂとの接合
性を確保するためにセラミック基材１あるいは銅部材２
ａ　、２ｂの接合面６ａ　、６ｂに厚み０．１μｍ〜３
μｍの活性金属をプリコートすることによって薄膜層２
１を形成する。プリコートはセラミック基材１あるいは
銅部材２ａ　、２ｂのいずれに形成してもよいが、生産
性を考慮すると、ロール状に巻いた銅部材用の板材を使
用して連続蒸着を実施することが可能であるという利点
から、銅部材２ａ　、２ｂ側に形成するのが望ましい。

本実施例では薄膜層２１を銅部材２ａ　、２ｂ側に形成
した例について説明する。

次いで、銅部材２ａ、　２ｂ、　２ｃおよび拘束部材３
を例えば化学エツチング法によって所定の形状に成形す
る。以上の工程によって形成されたセラミ・ツク基材１
．ｔＩｉ４部材２ａ、２ｂ、２ｃおよび拘束部材３とを
第１図（ａ）に示すように、カーボン製の治具上に所定
の順序で重ね、装着させる。この際、薄膜１２１がセラ
ミック基材ｌに対接されるように銅部材２ａ。

２ｂをセラミック基材１の両側に装着させる。そして、
この治具ごと各部材を接合装置としての真空ホットプレ
ス装置に装着させる。接合装置としては、雰囲気形成、
加圧、加熱が可能な装置であれば、前記ホットプレス装
置以外の装置でもよい。

接合装置内に装着された後、接合装置内にアルゴンガス
や窒素ガスあるいは１０−’Ｔｏｒｒ程度の真空等活性
金属と反応されにくい雰囲気を形成し、次いで、第１図
（ｂ）に示すように、加圧、加熱を行なう。なお、同図
中矢印Ａは加圧方向を示す。この際、加圧時期は加熱前
であっても、また、ある−定の温度に達してからでもよ
く、要はセラミック基材１．銅部材２ａ、　２ｂ、　２
ｃおよび拘束部材３が反応する温度において加圧するこ
とによって密着化が図れればよい。また、加熱速度も接
合性にとって大きな影響はなく、例えば、５０℃／ｗｉ
ｎ程度でよい。

なお、被接合物が所定の温度に達してからは接合に十分
なだけの反応時間（接合時間）が必要である。接合終了
後、セラミック基材１に割れが生じない程度の、例えば
、１０℃／ｓ＋ｉｎの冷却速度をもって冷却させること
によりセラミック−金属複合基板が得られる。

次に、−括接合を行なう際の接合時の現象について詳述
する。

先ず、銅部材２ａ　、２ｃと拘束部材３との接合に関し
て第２図によって説明する。以下、銅部材２ａ　。

２ｃを銅によって形成し、拘束部材３をモリブデンによ
って形成した場合を例に説明する。第２図は横軸に温度
、縦軸にビール強度をとり、両者の関係を示した特性図
である。同図中Ａは加圧力が１ＭＰａの場合を示し、Ｂ
は加圧力が２０ＭＰａの場合を示す。なお、銅とモリブ
デンとの接合は固相状態の接合となるため、接合時間が
比較的長く必要であり、接合時間は従来の固相接合（拡
散接合）と同程度の２０分としている。第２図に示すよ
うに、接合強度は９００℃前後から安定した値が得られ
ている。加圧力は１ＭＰａ以下では密着化が不十分とな
り、安定した強度は得られない。また、２０Ｍｐａ以上
の加圧力では強度の向上効果が得られないばかりか、銅
部材２ａ　、２ｃが変形されてしまい実用上価値が減少
されてしまう、一方、銅部材２ａ。

２ｂとセラミック基材１とを確実に接合させるためには
接合面６ａ　、６ｂにおける反応速度を前記固相接合の
速度と合致させる必要がある。

第３図は第２図と同様に横軸に温度、縦軸にビール強度
をとり、銅とアルミナの関係を示した特性図で、活性金
属としてはチタンを例にとっている。同図においてＡ、
Ｂは加圧力がＩＭＰａの場合を示し、Ｃ，Ｄは加圧力が
２０ＭＰａの場合を示す。また、実線は薄膜層２１の厚
みが１μｍの場合を示し、破線は同じく３μｍの場合を
示す。銅とチタンの共晶温度は約８８０℃であり、銅お
よびチタンの融点より低く、共晶組成はこれ以上の温度
となると溶融を開始する。従来より利用されているろう
付は法は、数種類の材料が混合され被接合物の融点より
低い融点を有する厚み数十μｍ程度の厚いろう材が使用
され、ろう材が融点以上の温度に加熱されると急激に溶
融されるが、本発明においては活性金属からなる薄膜層
２１と銅部材２ａ　＋２ｂとが反応して初めて溶融層が
形成されるため、この薄膜層２１の厚みを変えて形成す
ることによって溶融層の量を変えることができ、反応速
度も制御することができる。第３図に示すように、チタ
ンからなる薄膜層２１の膜厚を１μｍとした場合は、加
圧力の差によるビール強度の差が膜厚を３μｍとした場
合よりも大きい。すなわち、膜厚が薄い場合には、反応
により形成される溶融層も薄（、アルミナとの密着・接
合を促すために加圧力が必要であることを示している。

また、膜厚が厚くなると、流動され易い溶融層が増加さ
れるため加圧力の影響が少なく、低温でも密着・接合が
容易に行われるが、溶融層を厚くし過ぎると溶融層が排
出されるという問題が生じる。第４図は横軸に膜厚、縦
軸にビール強度をとり、接合時間の影響を示した特性図
で、同図において実線は接合時間が６０分の場合を示し
、破線は接合時間が２０分の場合を示す。なお、両者と
も加圧力は１０ＭＰａとした。

同図によれば、膜厚が薄いと接合に時間が多くかかるこ
とが明確に示されている。膜厚が０．１　μｍ以下であ
ると、銅が変形される限界まで加圧力を増大させても反
応が遅く、工業的価値が低い。逆に、膜厚が３μｍ以上
であると反応は速く進行するが、前記固相接合させるた
めの最低圧力であるＩＭＰａでも溶融層が排出されてし
まうため、電気回路として使用しにくくなる。

以上のことから銅部材２ａ　、２ｂとセラミック基材１
との接合は、薄１１！ＪＩｉ２１の厚みを０．１　μｍ
〜３μｍとし、接合加圧力を１〜２０ＭＰａ、接合温度
を薄膜２１と銅部材２ａ　、２ｂとによって形成される
合金の融点以上で銅部材２ａ　＋２ｂの融点未満の範囲
と設定することにより、銅部材２ａ　、２ｃと拘束部材
３との接合と同時に行なうことができる。

なお、前記実施例ではプリコートする薄膜層２１をチタ
ンによって形成した例を示したが、チタンに限定される
ことなく、例えば、ジルコニウム等の他の活性金属でも
よく、また、その成分は一種類に限定されることはなく
、例えば銀等を同時にプリコートしてもよい。但し、銅
部材２ａ　、２ｃと拘束部材３との接合強度は９００℃
程度以上の温度で安定した値が得られるため、銅部材２
ａ　、２ｂと薄膜層２１によって形成される合金の融点
は排出現象等を抑制するために９００℃に近いことが望
ましい。

また、前記実施例では活性金属のプリコートを真空蒸着
により形成した例を示したが、これに限るものではなく
、薄膜層２１が０．１／Ｊｍ〜３μｍの厚みをもって形
成されれば、どのような方法を採っても本発明と同様の
効果が得られる。

さらにまた、前記実施例ではセラミック基材１としてア
ルミナ部材、拘束部材３としてモリブデン部材を使用し
た例を示したが、アルミナの代わりに窒化アルミニウム
部材等別の絶縁基板材料を使用しても、活性金属を用い
ることによって本発明と同様の効果が得られ、モリブデ
ン部材の代わりに、銅部材と略同程度の接合特性を有す
るタングステン部材を利用することもできる。

本実施例で使用したセラミック部材、銅部材および拘束
部材はそれぞれ純度が１００％の同一材料によって形成
させる必要もな（、接合性が大幅に変化されない限り上
記成分を主成分とする合金物質、例えば、銅合金、モリ
ブデン合金であってもよい。

〔発明の効果〕

以上説明したように本発明に係るセラミック金属複合基
板の製造方法は、セラミック板の両面に厚み０．１μｍ
〜３μｍの活性金属からなる薄膜層を介して第一および
第二の銅部材を密接させると共に前記両銅部材のうち一
方の銅部材の未対接面に熱緩衝用金属板を介して半導体
素子接合用銅部材を密接させてなる基板部材を、前記第
一および第二の銅部材と活性金属とによって形成される
合金の融点から第一および第二の銅部材の融点未満の温
度に前記活性金属と反応されにくい雰囲気中で加熱させ
、かつ厚み方向に加圧するため、複合基板の各構成部材
間の接合を一括に行なうことができる。したがって、信
頼性の高い接合部を有するセラミック−金属複合基板を
安価に得ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）および（ｂ）は本発明のセラミック金属複
合基板の製造方法を説明するための図で、同図（ａ）は
接合前の状態を示す各部材の断面、同図（ｂ）は接合後
の状態を示す各部材の断面図である。第２図は本発明に
係る銅部材と拘束部材とのビール強度と温度の関係を示
す特性図、第３図は本発明に係るセラミック基材と銅部
材とのビール強度と温度の関係を示す特性図、第４図は
本発明に係るセラミック基材と銅部材とのビール強度と
膜厚の関係を示す特性図、第５図（ａ）〜（ｃ）は従来
のセラミック−金属複合基板の製造方法を説明するため
の図で、同図（ａ）は拘束部材と銅部材とが接合される
状態を示す断面図、同図（ｂ）はセラミック基材と銅部
材とが接合される状態を示す断面図、同図（ｃ）は接合
終了後の状態を示す断面図である。第６図は従来のセラ
ミック−金属複合基板に半導体素子を接合させた状態を
示す斜視図、第７図（ａ）および（ｂ）は従来の製造方
法によって一括接合させた際の各部材の状態を示す断面
図で、同図（ａ）は加圧させた場合、同図（ｂ）は加圧
させない場合を示す。 ｌ・・・・セラミック基材、２ａ、　２ｂ、　２ｃ・・
・・銅部材、３・・・・拘束部材、２１・・・・薄膜層
。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. セラミック板の両面に厚み０．１μｍ〜３μｍの活性金
   属からなる薄膜層を介して第一および第二の銅部材を密
   接させると共に前記両銅部材のうち一方の銅部材の未対
   接面に熱緩衝用金属板を介して半導体素子接合用銅部材
   を密接させてなる基板部材を、前記第一および第二の銅
   部材と活性金属とによって形成される合金の融点から第
   一および第二の銅部材の融点未満の温度に前記活性金属
   と反応されにくい雰囲気中で加熱させ、かつ厚み方向に
   加圧することを特徴とするセラミック−金属複合基板の
   製造方法。