JPS58137285A - 金属板付セラミック基板の製造法 - 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】 本発明は、金属板付セラミック基板およびその製造法に
係り、時に混成半導体集積回路用基板として使用するに
好適な金属板付セラミック基板およびその製造法に関す
る。

一般に、混成集積回・路と呼ばれる半導体装置は、基本
的には、第１図に示す例のごとく、複数岡の半導体素子
１をリード板５上に取り付けて回路網を構成し、リード
１ｉｉ５は絶縁板（アルミナ等）６で支持されている０
、 また、ｍｓｂ中に、半導体素子１内で発生する熱を有効
に除去するため、前記絶縁板６の反対向に放熱ｆＥ７が
取り付けられ九構造となっている。

しかし、実際上は、これら部品は、ろう付等のため、１
膚、めっき等によシ、その表面に金属皮膜を設け、ろう
材によって接合一体化されている。

そのため、構造が４雑であるばかりでなく、熱抵抗が大
となり、またコスＦ高とな９やすい欠点がある。

第２図に、従来の混成集積回１ｌＩＩ装置の、より具体
的な構成例を示す。シリコン半導体素子１には、Ｎｉ　
　膜２が設けられる。さらに、リード１［（例えば、Ｃ
ｕ）　Ｓと前記亭導体素子ｌとの間に発生する熱応力を
緩和するために、両省間にＩＩｋｌＩ板（例えｔｆ、　
Ｍｏ　板）４が介在させられる。

なお、図に明示したように、前記緩衝板４の両面にもＮ
ｉ　膜２が形成される。そして、Ｎｉ　、１１２付自の
シリコン半導体素子ｌと、同じ＜Ｎｉ　馬２付きの緩衝
材４とは、はんだ層（例えば、ｐｂ−８ｎはんだ）３４
介してろう付されている。

一方、絶縁板としてのセラミック（アルミナ）板６にも
、その両面にＮｌ膜２が設けられ、リード板５とはんだ
層３を介してろう付される。さらに、絶縁板（アルミナ
板）６は、例えは銅よりなる放熱板７とはんだ付される
。

これら構成部品のうち、はんだ（Ｐｂ−Ｓｎ系）ノー３
及び絶縁板（アルミナ）６の熱伝導率は、リード１ｉ５
や銅製放熱板７に比べて悪い。し九がって、搭載される
半導体装置の電力容量を大きくするためには、はん疋層
の省略、及び薄い絶縁板（アルミナ板）よシなる低熱抵
抗の金属板付セラミック基板の実現が望まれている。

本発明の目的は、Ｃｕ−ＣＣ鋼・縦索）繊Ｉｍ複合材ま
たは他の金属板と絶縁板（アルミナ板）との１ 接着を、Ｃｎ２Ｏ＝　ＣｕあるいはＣｕＯ−Ｃｕなどの
蝕化銅−銅系ろう材によりて行なうことにより、熱抵抗
の小さい金ｓ１［付セラミック基板およびその製造法を
提供することにある。

半導体の熱抵抗を小さくするには、基本的には１１１図
の構造とすることによって適せられる。

即ち、ｊｌＫ２図におけるろう材またははんに層３ある
いは緩衝板（Ｍｏ　板）４を省略すること、又は、ろう
材を九ははんだ層を高熱伝導の材料で代替し、Ｎｌメッ
キ等の表面皮膜を省略すること、さらにアルミナの板厚
を極力薄くすることなどによって達成される。

Ｃｕにａｌｌ紬を場込んだＣｕ−Ｃ繊維複合材料は、Ｃ
ｕの高熱伝導・為導電性とＣ繊維の低熱膨張特性を併せ
もち、しか−〇繊維含有量によりて熱膨張係数を任意に
変えることができるという特徴があるＯ すなわち、このＣｕ−Ｃａｌｌ−複合材は、ＣＩｌ繍量
を一筆することにより、アルミナあるいは半導体材＄４
（８１）の熱膨張係数に合せることがで自るので、−抵
抗の小さい薄いアルミナ板あるいはＳｔと適合させるこ
とが害鳥である。

それ故に、このＣｕ−ＣＩＩＬ維複合材は、放Ｓ板やリ
ード板の材料として好適である。

しかしながら、Ｃｕ−Ｃ＠維複合材はＣＩｌ雑の配列に
よって、熱膨張特性の異方性が生ずる７、その丸め、半
導体用のＣｕ−Ｃ＠維複合材は、ＣＩＩＩ維をうず巻状
、漂状、無方向（ランダム）、網状、二方向放射状な、
どに配列したＣｕ　−Ｃ＠維が用いられる。

特に、混成集積回路のリード板や放熱板として用いるに
は、任意の形状にしても特性の変らない綱状Ｃｕ−Ｃ繊
維複合材が選ばれる。その−例としては、例えば％ＪＩ
ａ図のように、Ｃ繊維１１ｔ−網状にし、これを積層し
、Ｃｕ１２と複合化した構造がある。

この＃Ｉ４状Ｃｕ−ＣＦ）製造方法は、つぎのとおりで
ある。

（１）　６〜９　μｍの直径を−ｃｍｍにＣｕメッキを
施す。

（２）　ＣｕメッキＣ繊維を複数−の束にして網状とし
、温度５００’　ｔｌ：　〜Ｃｕの融点、圧力１５０〜
４００ｈｆ／ｃｊの条件でホットプレスし、Ｃｕ（メッ
キ）とＣ繊維を複合化する。

このような、Ｃｕ−Ｃ繊Ｉａ複合材を用いることによっ
て、以下に詳述するように、第２図の構造を簡略化し、
かつアルミナ板を薄くできるので、半導体素子と放熱＋
１［関の熱抵抗を小とすることがで自る。

良く知られているように、ＪＩ２図における論緩衝板４
は、ヘリード板５と半導体索子１ｔ−直接ろう付すると
、その熱廖ｌｌｌ差によって半導体素子ｌＫ熱応力が発
生するので、これを防ぐ友め、両者間に、挿入されるも
のである。このように、熱膨張係数が半導体材料に近い
Ｍｏ　を介在さぜることにより、熱応力を緩和すること
ができ、る。

しかし、リード１［５，としてＣｕ−Ｃ＠雑複合材を用
いる場合には、その導電性あるいは熱伝導性と低ＳＳ＊
％性とによって、第２図のＮｏ　板４とリード板５の両
者を、一つのＣｕ−Ｃ繊維複合材のみで代替で龜る。ま
た、ｊｌＫ２図のＭｏ板４とリード４Ｉｓ閣のはんだ層
３および金属（Ｎｉ）皮１［２を省略で自る。

このように、Ｍｏ　ＩＥ　４とリード板５の代替物とな
るＣｕ−Ｃ繊維複合材の熱＊＊特性は、本来は、半導体
索子ｌの熱膨張係数と、アルミナ板６の熱膨張係数を基
準にして選ばれなければなら′ない。

しかし、実際は、半導体材料であるシリコンとアルミナ
の熱膨張係数が本質的ＫＡなるので、実際上は、半導体
素子ｌのチップの形状とｉ容される熱疲労とによって決
定される。

Ｃ繊維の弾性係数によって４異なるが、通常は、３５〜
５　＠　ｖｏｌＸのｃ＠艙をもっＣｕ−ｃ　＊維嶺合材
が選ばれる。

一方において、熱伝導の悪いアルミナ板を薄くすること
も、半導体素子訃よび放熱板間の熱抵抗を小さくする上
で大なる効果を生ずる。しかし、この場合は、アルζす
のｆｍＪ１１Ｍ係数と放熱板の熱膨張係数とが等しいか
、あるいは、はｙ等しいことが要求される。

なぜならば、熱膨張係数が異なると、放熱板とアルミナ
板爾接着するさい、アルンナに反りあるいは割れが発生
するからである。一般に、高熱伝導のＣｕが放熱板とし
て用いられるが、ＣｕＱ熱影脹係数が大きいため比較的
厚い−すなわち、熱抵抗の大きいアルミナ板が用いられ
ている。

ところが、Ｃｕ−Ｃ繊維複合材は、そこに含有されるＣ
繊維量を適当に選定することによって、七〇熱廖繰係数
をアルミナの熱ｊｌ績係数と一致させることができゐ。

この九め、アルきす板を薄くでき半導体素子および放熱
板間の熱抵抗を小さくすることができる。

そのための最適Ｃ繊維量は、Ｃ繊維の弾性係数によって
も異なるが、通常は、３０〜４５　ｖｏｌ　ＸのＣ繊維
量をもつＣｕ−ＣＩＩＩ　１ｍ　［合材が遺ばれる。

以上に＆いて説明したのは、半導体装置の熱抵抗を小さ
くすることｔｆＡ的とし喪、 （１）　Ｍｏ　ＩＥ　４とリード板５とｔ　Ｃｕ　−Ｃ
繊織複合材料で代替することによるはんだ層３２よび金
属ｆＩＬ１ｓ２の省略、ならびに、 （２）放熱板７　ｔ　Ｃｕ−Ｃ繊維複合材料で代替する
ことによるアルミナ板６の薄板化という、構成材料の面
からの改良がある。

他方において、これらの構成材料を固着一体化するはん
だを、熱伝導のよいろう材で置換することも、熱抵抗を
改良する上で１豐である。

第２図における半導体素子１ｆ）１１着については、製
造プロセス上、はんだを用いる利点があるが、半導体索
子ＩＫ連続する他の構成材料−すなわち、Ｃｕ−Ｃ繊維
リード板、アルミナ板、Ｃｕ−Ｃ放＃１嶺などの接着は
、半田の代９に、熱伝導のよいろう材を用いる仁とによ
って、さらに熱抵抗を小さくすることができる。

さらに、熱抵抗の低減という目的を高度に満連するには
、ろう付の丸めの金属皮膜も省略し、Ｃｕ−Ｃ繊−複合
材よりなる放熱板とアルミナの二重、さらには、龜−Ｃ
繊維複合材よりなる放熱板、アルミナンよびＣｕ−Ｃ繊
維複合材よｐなるリード也の三者を直接ろう材で接着で
きることがｆｆｌまれる。

本発明看等は、アルミナ板は酸素雰囲気中でＣｕとぬれ
る点に注目し、Ｃｕ嘗０−　Ｃｕ筐九はＣｕＯ−Ｃｕな
どの酸化銅−銅系組成物をろう材として用いることを着
想した。

そして、不＋２！ｒ性あるいは穐ｊス専−気中で、直襞
、Ｃｕ−Ｃ繊維複合材、または、その他Ｃｕなどの金属
板とアルｑす板を接着し九構造の低熱抵抗の金属板付セ
ラミック基板、ンよびその製造法を見出した。

Ｃｕ宜０−ＣｕあるいはＣｕＯ−Ｃｕ系組成物は、その
成分比をコン）ａ−ルするために粉末とし、水あるいは
メチルセルース水ｉＩ液に混合攪拌し、スラリー化して
ろう材とする。

すなわち、アルミナ板に直接上記スラ９−１ｔ有して、
Ｃｕ−Ｃ繊維複合材放熱板及びＣｕ−Ｃ複合材リード板
を積層し、ろう付するものである。この場合のろう付温
度Ｃｕ宜０−　Ｃｕ　、　ＣｕＯ−Ｃｕ成分比あるいは
ろう付荷型は重要であり、特に、ＣｕｂＯ。

ＣｕＯの酸化物と−の成分比は重要である。

ＣｕｂＯ−Ｃｕ、　ＣｕＯ−ＣｕＪｉｌＥ分比ｔｍ々に
かえて実験を行なった結果、アルンナ板とＣｕ−Ｃ繊維
複合材の接着性の点から、歳も棗好な成分比は％　Ｃｕ
ｍ０１）を３．５ｗｔＸとし、残りをＣｕ１ｔとしたＣ
ｕ−３，５ｖｔＸＣｕ雪０が最も、接着性がよいことが
わかり九。これはＣｕｂＯ−Ｃｏ二成分系における共晶
組成である。ま丸、ろう付温度を、１０６５℃以上、Ｃ
ｕの融点以下とした場合に、嵐好な接着が得られた。

一方、ＣｕｂＯ−Ｃｕ系の場合に、Ｃｕ１Ｏの成分比を
１〜２３　ｖＬＸとし九とき、訃よびＣｕＯ−Ｃｕ系の
Ｊｉｈ会に、ＣｕＯの成分比を２　ｖｔＸとしたときで
も、ろう付温度を１０６５℃以上とすれば、実用上十分
な厳會効果が得られることが１１１Ｉｉされた。

このように、実際上は、Ｃｕ鵞０、ＣｕＯとＣｕとの成
分比は杵容巾をもっている。しかし、基本的にはＣｕ−
３，５ｗｔ％Ｃｕ１Ｏが、その接着性の点からみて理想
的であシ、ＣｕＯま良はＣｕ１Ｏ＆　１〜５　ｗｔＸと
したものが時に嵐好である。

なお、これらのろう材は、Ｃｕ１（ｊのＯ２比やＣｕＯ
０Ｏ比を変動させないため、接着工種は不活性わるいは
Ｎ、ガス寥囲気中で行なうことが不可欠である。

還元性ガス、たとえば塩ガス中に訃いては、ＣｕＯ中Ｃ
ｕ１Ｏが遮元され：□接着性が愚くなる。

このＣｕ”　ＣｕｔｉｔたはＣｕ−ＣｕＯろう材は、七
〇ｍ成の大部分がＣｕであるため、熱伝導性が嵐好であ
るばかりでなく、アルミナ及びＣｕ−Ｃ繊ｍ複合材と曳
くぬれるので、ぬれ性改善のための金属皮膜及びはんだ
層を省略でき、低熱抵抗基板の実現が可能となる。

なお、Ｃｕ　−Ｃｕ１Ｏのろう付温ｆ（１０６５℃以上
）は、Ｃｕ−Ｃ繊維複合材の製造温度範囲にある。した
がって、Ｃｕ−Ｃ繊維複合材の原料である゛Ｃｔ＋Ｃｕ
メッキＣ繊維束Ｃｕ−Ｃｕ１Ｏろう材となるべきＣｕ＠
・Ｃｕ１Ｏ粉の混合物層を介して、アルミナ板と直接ホ
ットプレスすることもできる。このようにすれば、基板
製造プロセスを短縮でき、また加圧により、良好１ｋｌ
１着が可能となる。

ａ１４ａｌｌは、本発明による金属板付セラミック基Ｉ
ｉＥを用いた半導体装置を示したもので、ＩＥＩ　、１
１１２図と同一の符号は同一を九は同等部分を示してい
る。４ムは銅箔、５ム、７ムはＣｕ−Ｃ繊維複合材より
なるリード板ンよび放熱板、８　ｄ　Ｃｕ−ｅｕρまた
Ｆｉｃｕ−ＣｕＯろう材層である。

図から明らかなように、Ｃｕ−Ｃ繊維複合材よシなる放
熱板７ムとアルミナ＠Ｓとの間、訃よび前記アルずす板
６とＣｕ−Ｃ繊維複會材す−ド横５との関は、Ｃｕ−Ｃ
ｕＯまたはへ−ＣｕｌＯろう層８によりて固着されてい
る。

なお、ＣｕｗＡ４ムは、半導体素子１とＣｕ　−Ｃ繊維
複合材リード板５人のはんだぬれ性を改良するために＃
けられたものである。このＣｕ箔４Ａは、ｃｕ−Ｃ繊維
複合材をホットプレスするさい同時に接着できる。この
ようにすれば、Ｃｕ−Ｃ繊維複合材のはんだぬれ性を改
善するＮｉ６るいはＣｕメッキエ橿を省略できる。

以下、本発明の具体的数値例について述べる。

直径６ａｍ、ＩＯＣ繊維にＣｕメッキを施し九〇繊維束
（３０００本束）を準備し、縦糸と横糸を交叉させて編
んだＣｕメッキＣ繊維束の網（平織り）を準備した。次
にその網を黒鉛鋳ＩＪＫ入れ、温度１０００℃、圧力２
５０に／−でホットプレスして、第３図に示したような
綱状Ｃｕ　−Ｃ＠維複合材を作製し九。

なお、作震し九綱状龜−Ｃ繊維複合材は、リード板用の
ものとしては、Ｃ繊維量５４　ｖｏｌ　Ｘ、巾３０■角
、厚さ０．５雪であり、を九、放熱板用のものとしては
、Ｃ繊維量３５　ｖｏｌ　Ｘｌ　巾３０■角、厚さ２−
である。さらに、リード板用のものは、片面に２０μｍ
の厚さのＣｕ箔を、ホットプレスの際に貼付けた構造と
なっている。

一方、Ｃｕ１Ｏ＠及びＣｕ１）を−３２５メ７　ｙ　ｚ
の粉末として準備し、Ｃｕｊｌ＆　９６　ｗｔＸ　、　
Ｃｕ１Ｏ４ｗｔＸの比で混合した後、ＩＸメチルセルロ
ース水溶液を、ＣｕｚＯ−Ｃｕ混合金粉ＩＩｊ３倍加え
て混合攪拌し、Ｃｕ意０−Ｃｕ看のスラリー（泥状質）
を作製した。

このスラリーを、別途準備した厚さ０．２５■、巾３０
■角のアルミナ板の両面に塗布し、温ｔ５０℃で乾燥し
友。その後、上述したＣｕ−Ｃ繊維複合材のＣｕ痛打付
リード板Ｃｕ−Ｃ繊維複合材側を下側にして、１Ａｅｌ
ｃ、　Ｃｕ！Ｏ−Ｃｕ１ｉ付アルミナ板及びＣｕ−Ｃｌ
１纏複合材の放電板を重ね合せた。さらに、その上にス
テンレス製の重ｂｔのせ、＃囲気Ｎ、中で温度１０６６
〜１０７５℃に加熱し喪。

以上のようにして、ｊ１４ｇ！に示したように、セラミ
ック板６の上面にリード板５ムを搭載し、かつその下面
に放熱板７人が間層された金属板付セラミック基板を作
製した。

その結果、基板の反りは、Ｃｕ−Ｃ繊維複合材よシなる
リード板５Ａ及び放熱板７Ａと同寸法の、Ｑ板を用いて
作製した従来の金属板付セラミック基板と比幀すると、
へ板の場合は、接着後１００〜２００Ｊ１ｍの反）を生
ずるのに対して、Ｃｕ−Ｃ繊維複合材の場合は、０〜４
０　ｐｍの反如しか生じなかった。

このように、反りの点からも、Ｃｕ−Ｃ繊維複合材は、
絶縁板としてのセラミック板と接着されるリード板並び
に放熱板として、きわめて効果があるものであることが
確認された。

また、前述のようにして作製し九Ｃｕ−Ｃ繊維板合材付
セラミック基板に、第４図に準じ、半導体（Ｓｌ）チッ
プ（５−角、厚さ２２０ｍｍ）ＩＱｉを半田付し、その
熱抵抗を測定した結果、０．８〜１．２いであった。　
　　　□ 一方、これと比較するために、セラミック板６、Ｃｕ−
Ｃ繊維複合材の放熱板７ム及びリード板５Ａに、それぞ
れ厚さ５〜７　ｊｌｌｌｌのＮ１メッキを施し、Ｃｕ１
Ｏ−Ｃｕろう付層の代りに、従来のｒ・ｂ−５ｎろうで
接着し、熱抵抗を測定し九緒呆、１．３〜１．６　Ｊで
あった。

このことから、Ｃｕｌ０−　Ｃｕろうを用いることによ
って、熱抵抗低減に効果があることが確認された。

なお、以上ではセラミック板とＣｕ−Ｃ繊維複合材とを
Ｃｕ１Ｏ−Ｃｕろう材で接着する例のみについて述べた
が、Ｃｕ０−Ｃｕｔろう材として用いても、はぼ一様の
効果が連成で自る。また、これらの銅−酸化銅系ろう材
は、セラミック板とＣ罐とのろう付けにも適用すること
ができる。

以上においてａ＃４したような、アルミナ板とＣｕ−Ｃ
繊−複合材とを、Ｃｕ１Ｏ−Ｃｕｌ九はＣｕＯ−Ｃｕな
どの鋼−酸化銅系ろう材によって接着して得られた金属
板付セラ建ツク基板は、Ｃｕ−Ｃ繊維複合材電極を用い
えナイリスタのゲート取出口の絶縁に応用で自、絶縁管
（アルミナ）の固定を強化にし、信頼性を向上できると
いう効果がある。

を九、嬉４図のような混成集積回路に適用すれば、リー
ド板を薄くできる上に、ろう付層の低電抵抗化ができる
ので、半導体装置の電力容量を増大できるという効果が
ある。

【図面の簡単な説明】

第１図は半導体混成集積回路の基本的構成を示すｌｌ’
ｒ面図、第２図は従来の半導体混成集積回路の断面図、
第３図（イ）（ロ）は本発明に好適なＣｕ−Ｃ繊維複合
材の平面図およびｌｌｆｆｉ図、３１４図は本Ａ＃４の
一実施例のｆｒｒＭ図である。 １・・・半導体素子、２・・・Ｎｉ膜、３・・・はんだ
層（Ｐｂ−５ｎ）　、４　Ａ・Ｃｕｌ、５　Ａ　−Ｃｕ
−Ｃ繊維複合材リード板、６・・・１ラミツク（アルミ
ナ）板、７Ａ・・・Ｃｕ　−Ｃ＠維複合材放熱板、８・
：・酸化銅−鋼糸ろう鍵 代理人弁理士　　平　木　道　人 第１図 才３図 粛２に イ躬４！Ｉ！１

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. （１）銅に炭″ａ繊繍を鳳込んだ端一炭素繊維複合材な
   どの金属板と、アルミナなどのセラミック板とを、酸化
   鋼および銅の混合物から成るろう材で接着したことをｌ
   ｌｌ１ｌとする金属板付セラミック基板。
2. （２）酸化１１１１＆よび銅の混合物が、酸化鋼を、重
   量比で１〜２３Ｘ會むことを特徴とする特許請求の範囲
   第１項記載の金１４板付セラミック基板。
3. （３）アルミナなどのセラミック板の両面に、銅に炭素
   繊維を場込んだ銅−炭素繊ｍ＊合材などの金属板を配置
   し、これら三者を、酸化鋼および鋼の混合物からなるろ
   う材で接着したことを特徴とする金属板付セラミック基
   板。
4. （４）酸化鋼２よび錆の混合４１が、酸化鋼を、重量比
   で１〜２３％含むことを特徴とする特許請求の範囲籐３
   項記載の金属板付セラミック基板。
5. （５）銅に炭素繊維を鳳込んだ鋼−縦素繊ｍ複合材など
   の金属板と、アルミナなどのセラミック板とを、酸化鋼
   および銅の混合物から成るろう材で接層したことを特徴
   とする金属板付セラミック基板の製造法であって、銅を
   その表面に付着したＩＲ素繊繕の網を、酸化銅粉および
   銅粉の混合物層を介して、アルミナなどのセラミック板
   上に載置し、これらを加圧、加熱して前記酸化銅粉２よ
   び鋼粉の混合物を溶融させ、全体を溶着一体化すること
   を特許とする金属板付セラミック基板の製造法。