JPH0429390A - セラミックス回路基板の製造方法 - Google Patents
セラミックス回路基板の製造方法Info
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Abstract
め要約のデータは記録されません。
Description
合したセラミックス回路基板の製造方法に関する。
からなる基材に銅部材を接合した回路基板を製造するに
は、活性金属であるTi、Zrのペーストや箔を前記基
材と銅部材の間に挟持し、真空中で加熱することによっ
て接合する方法(例えば特開昭60−32343号)が
知られている。しかしながら、かかる方法ではペースト
を塗布したり、箔を基材や銅部材の大きさに切断したり
する必要があり、更に真空中で加熱接合を行う必要があ
るため、バッチ式の炉でで加熱処理する必要がある。
合した回路基板の製造方法としては、特開昭59−30
77号公報の方法が知られている。この方法は、Aj7
Nセラミックスの基材表面を酸化し、酸素を100〜2
000ppm含む銅部材を接触させた後窒素ガスやアル
ゴンなどの不活性ガス雰囲気中で加熱して前記基材に銅
部材を接合して回路基板を製造するものである。
で加熱を行うため、銅部材中に酸素を含んでいるにもか
かわらず接合界面での亜共晶合金液相が一部分解する。
ける 2Cu20# 4Cu+02の平行酸素分圧が1
.5X to−6気圧であり、亜共晶合金液相も同様に
起こることが期待されるが、不活性ガス中での加熱のた
めに亜共晶合金液相が一部分解する。更に、接合のため
の加熱温度は亜共晶領域の共晶線以上の温度であるので
、その温度での平衡酸素分圧はさらに大きくなる。その
結果、還元作用により銅部材中に生成する共晶合金液相
が減少する。従って、接合界面には極微量の共晶合金液
相しか生成しておらず、接合に関与できないため、微視
的には接合されていない箇所が発生したり、接合強度の
低い回路基板になるという問題を生じる。
の部材を使用した場合、酸素を0.03〜0.1体積%
を含む反応性ガス雰囲気中で加熱してAINセラミック
スの基材と前記無酸素銅部材を接合することが記載され
ている。しかしながら、かかる方法にあっても次のよう
な問題を生じる。
、適度の酸化反応を起こさせるための制御が困難となる
ばかりか、過度に表面酸化が進行する。このため、接合
工程後に酸化層をエツチング等により除去したり、水素
不雰囲気中で還元して除去する必要があるため、表面荒
れを招くばかりか、工程が増えて量産性の点でも問題と
なる。
なる基材に銅部材を接合したアルミナセラミックス回路
基板の製造方法として、英国特許第761045号明細
書に記載された方法が知られている。この方法は、予め
銅部材を酸化し、その酸化層側をアルミナセラミックス
の基材上に配置し、銅の融点(1083℃)より高く、
酸化第一銅の融点(約1200℃)より低い温度で加熱
するものである。
解されないと同明細書に記載されている。
0ppmの点)よりも酸素の多い側での接合である。こ
の方法では、銅部材の酸化は避けられないため、回路基
板への応用を考えた場合には酸化層の除去工程が必要と
なり、銅部材の表面荒れを招く。
合する別の方法としては、米国特許箱3744120号
明細叢書に記載された方法が知られている。しかしなが
ら、これらの方法は酸素濃度が0.01〜0.5体積%
の反応性ガス雰囲気中で行うため、銅部材表面に酸化層
が生成され、これを除去するための煩雑な工程が必要と
なるばかりか、表面荒れを生じるという問題がある。
接合が開示されている。この方法は、銅部材の表面を酸
化した後、不活性ガス中で接合を行うが、A11Nの場
合と同様に接合剤となる共晶合金液相は、接合温度(1
070℃程度)では分解し、かつ還元反応により共晶合
金液相は減ることになる。その結果、接合温度ではAN
20i全面に共晶合金液相が供給されずに、微視的には
接合されない部分ができる。事実、明細書中には銅表面
に酸化の記載はない。更に、かかる明細書には結合剤を
導入する方法として銅表面を酸化する方法の他に、結合
剤と銅とからなる粒状化合物をAN20i側の銅部材上
に付着させてもよいことが記載されている。この方法で
導入しても平衡酸素分圧以下の不活性ガス中で接合する
ことから、還元作用は当然起こる。また、結合剤の導入
工程が必要となる点で工程が煩雑となる。
製造できないのが現状である。
もので、銅部材表面での酸化を殆ど生じることなく、セ
ラミックス基材に銅部材を強固に接合した回路基板を製
造し得る方法を提供しようとするものである。
成されたAIIN焼結体からなる基材の酸化物層上に、
酸素を100〜1000 ppI11含む銅部材を接触
させた後、Cu−Cu2Oの2元系相図の亜共晶領域の
純銅を含む側の液相線以下で、かつ銅と酸化第一銅の組
成間で結ばれる共晶線の温度以上である温度にて1=1
00ppmの酸素を含む不活性ガス雰囲気中で加熱して
前記基材に銅部材を直接接合することを特徴とするセラ
ミックス回路基板の製造方法である。
例えばa Ap 20 s 、酸窒化アルミニウム等
を挙げることができる。かかる酸化物層の厚さを限定し
たのは、次のような理由によるものである。酸化物層の
厚さを0.1μm未満にすると酸化物層のむらが存在し
、AJNの基材が直接銅部材に接触する箇所が生じるた
め、加熱に際して共晶合金液相がAl)Nによって還元
され、目的とする接合強度を得ることができなくなる。
ックスに比べて熱膨張率が大きい該酸化物層との熱膨張
差が顕在化してビール強度の低下を招く。
常に重要である。つまり、本発明では接合に際して雰囲
気中からの接合界面への酸素の供給を意図せず、逆に酸
素を供給すると銅部材の酸化が激しくなって表面荒れ等
の原因となることから、接合時での酸素供給を専ら銅部
材中の酸素によって行うものである。銅部材中に含まれ
る酸素は、α−Ai)203等の酸化物層全面を濡らす
のに必要な量の共晶合金液相を生成する以上含んている
ことが必要である。この酸素量は、1100pp以上で
ある。即ち、酸素量を1100pp未満にすると銅部材
から接合界面に十分な量の共晶合金液相が生成しないた
め、微視的には部分的にしか接合されず、十分なビール
強度を有する回路基板が得られなくなる。一方、銅部材
に含まれる酸素量が11000pp+を越えると接合時
の加熱処理により表面荒れを生じ、回路基板としての信
頼性を損なう。
00ppmの範囲である。
図の亜共晶領域の純銅を含む側の液相線以下で、かつ銅
と酸化第一銅の組成間で結ばれる共晶線の温度以上であ
る温度、つまり同第1図の斜線で示す温度領域で行なう
。
、アルゴン、ヘリウムなどの不活性ガス雰囲気で行なう
。かかる雰囲気中の酸素量を限定した理由を以下に詳述
する。例えば、1065℃でのCu2Oの平衡酸素分圧
は1.6X 10−’気圧であり、この値より炉内雰囲
気中の酸素量が少ないと、Cu2Oが分解する。共晶合
金液相も同様な作用により減少し、接合に関与する結合
剤が少なくなり、ApN焼結体からなる基材と銅部材の
接合が十分に行なえなくなる。従って、雰囲気中の酸素
含有量は1ppI11以上にすることが必要である。ま
た、平衡酸素分圧より雰囲気中の酸素量が僅かに少ない
程度であれば、共晶合金液相は殆ど還元されず、予め銅
部材に前記範囲(100〜1010001)l)の酸素
量を含有させることによって雰囲気を平衡酸素分圧に近
似させることが可能となる。但し、i ppm未満の酸
素量の雰囲気ではl[lO(lppmの酸素を含む銅部
材でも前記基祠表面の酸化物層に対するビール強度が実
用上の許容される強度以下となる。
雰囲気中に存在すると、銅部材が過度に酸化されて、回
路基板としてそのまま使用することができなくなる。従
って、雰囲気中の酸素量の上限値を1100ppとする
ことが必要である。また、かかる酸素量の雰囲気中で接
合する際、反応時間は数秒から数分間程度と短時間であ
ると同時に、その量は平衡酸素分圧よりも僅かに多い程
度であるため、際だった酸化反応は進行せず実用上問題
とならない。より好ましい雰囲気中の酸素量の範囲は、
1〜50ppmである。
素を100〜1000 ppm含む銅部材を接触させた
後、Cu−Cu2Oの2元系相図の亜共晶領域の純銅を
含む側の液相線以下で、かつ銅と酸化第一銅の組成間で
結ばれる共晶線の温度以上である温度にて11−1O0
ppの酸素を含む不活性ガス雰囲気中で加熱して前記基
材に銅部材を直接接合することを特徴とするセラミック
ス回路基板の製造方法である。
ニウムとの接合の上で非常に重要である。
面への酸素の供給を意図せず、逆に酸素を供給すると銅
部材の酸化が激しくなって表面荒れ等の原因となること
から、接合時での酸素供給を専ら銅部材中の酸素によっ
て行うものである。銅部材中に含まれる酸素は、酸化ア
ルミニウム基材全面を濡らすのに必要な量の共晶合金液
相を生成する以上含んでいることが必要である。この酸
素量は100ppm以上である。即ち、酸素量を110
0pp未満にすると銅部材から接合界面に十分な量の共
晶合金液相が生成しないため、微視的には部分的にしか
接合されず、十分なビール強度を有する回路基板が得ら
れなくなる。一方、銅部材に含まれる酸素量が1100
0ppを越えると接合時の加熱処理により表面荒れを生
じ、回路基板としての信頼性を損なう。より好ましい銅
部材中に含まれる酸素量は、 100〜BOOppmの
範囲である。
亜共晶領域の純銅を含む側の液相線以下で、かつ銅と酸
化第一銅の組成間で結ばれる共晶線の温度以上である温
度、つまり同第1図の斜線で示す温度領域で行なう。
、アルゴン、ヘリウムなどの不活性ガス雰囲気で行なう
。かかる雰囲気中の酸素量を限定した理由を以下に詳述
する。例えば、1065℃でのCLI20の平衡酸素分
圧は1.6X 10−6気圧であり、この値より炉内雰
囲気中の酸素量が少ないと、Cu2Oが分解する。共晶
合金液相も同様な作用により減少し、接合に関与する結
合剤が少なくなり、酸化アルミニウム基材と銅部材の接
合が十分に行なえなくなる。従って、雰囲気中の酸素含
有量はlppm以上にすることが必要である。また、平
衡酸素分圧より雰囲気中の酸素量が僅かに少ない程度で
あれば、共晶合金液相は殆ど還元されず、予め銅部材に
前記範囲(100〜101000ppの酸素量を含有さ
せることによって雰囲気を平衡酸素分圧に近似させるこ
とが可能となる。但し、lppm未満の酸素量の雰囲気
では1000ppa+の酸素を含む銅部材を用いても前
記酸化アルミニウム基材に対するビール強度が実用上の
許容される強度以下となる。一方、接合温度での平衡酸
素分圧を大きく越える酸素が雰囲気中に存在すると、銅
部材が過度に酸化されて、回路基板としてそのまま使用
することができなくなる。従って、雰囲気中の酸素量の
上限値を1100ppとすることが必要である。また、
かかる酸素量の雰囲気中で接合する際、反応時間は数秒
から数分間程度と短時間であると同時に、その量は平衡
酸素分圧よりも作かに多い程度であるため、際たった酸
化反応は進行せず実用上問題とならない。より好ましい
雰囲気中の酸素量の範囲は、1〜50pp11である。
たAΩN焼結体からなる基材の酸化物層上に、所定の酸
素を含む銅部材を接触させた後、Cu−Cu2Oの2元
系相図の亜共晶領域の純銅を含む側の液相線以下で、か
つ銅と酸化第一銅の組成間で結ばれる共晶線の温度以上
である温度にて所定の酸素を含む不活性ガス雰囲気中で
加熱することによって、前記銅部材表面が過度に酸化さ
れて酸化膜が生成されることなく、前記AIN焼結体か
らなる基材表面の酸化物層に銅部材を良好に直接接合し
たビール強度の高い高信頼性のセラミックス回路基板を
製造できる。
に、所定の酸素を含む銅部材を接触させた後、Cu−C
u2Oの2元系相図の亜共晶領域の純銅を含む側の液相
線以下で、かつ銅と酸化第一銅の組成間で結ばれる共晶
線の温度以上である温度にて所定の酸素を含む不活性ガ
ス雰囲気中で加熱することによって、前記銅部材表面が
過度に酸化されて酸化膜が生成されることなく、前記酸
化アルミニウム基材に銅部材を良好に直接接合したビー
ル強度の高い高信頼性のセラミックス回路基板を製造で
きる。
するA、9N焼結体を加工して35mmX 55mmX
O,7tsの板状セラミックス基材を作製し、この
セラミックス基材を空気中で1130℃、3時間加熱す
ることによりセラミックス基材表面に厚さ 1μmのα
−A1203層を形成した。つづいて、前記セラミック
ス基村上下のα−A1203層に20wIIIX 50
mmX O,3mmで酸素を400pI)In含有す
る板状銅部材を接触させ、酸素を7ppi含有する窒素
ガス雰囲気中で、最高温度1070℃、3分間保持して
加熱した。はぼ室温まで冷却した後、A、QN焼結体か
らなる基材と銅部材との接合状態を観察したところ、強
固な接合が得られた。また、ビール強度試験を行なった
ところ、l1kgf/cmと高い強度を有することが確
認された。
ス基材を空気中で加熱処理せずにそのまま酸素を400
pp11含有する板状銅部材を接触させ、酸素を7pp
c含有する窒素ガス雰囲気中で、最高温度1070℃、
3分間保持して加熱した。その結果、セラミックス基材
に銅部材が一部のみ接合され、その接合部のビール強度
は1kgr/Cmと不十分であった。
材を空気中で1130℃、3時間加熱処理を行なった。
する板状銅部材を接触させ、酸素を0、lppm含有す
る窒素ガス雰囲気中で、最高温度】070℃、3分間保
持して加熱した。その結果、セラミックス基材と銅部材
の接合部のビール強度は4kgr/cmで、不十分であ
った。
ス基材を空気中で1130℃、3時間加熱処理を行なっ
た。つづいて、前記基材の上下面に無酸素の銅部材を接
触させ、酸素を300ppm含有する窒素ガス雰囲気中
で、最高温度1070℃、30秒間保持して加熱した。
強度は8kgr/ca+であった。
変色した。
する酸化アルミニウム焼結体を加工して35+a+aX
55IX 0.7nvの板状セラミックス基材を作
製した。つづいて、このセラミックス基材の上下面にI
O■X 50nvX 0.3mmで酸素を400pp
m含有する板状銅部材を接触させ、酸素を7ppm含有
する窒素ガス雰囲気中で、最高温度1070℃、3分間
保持して加熱した。はぼ室温まで冷却した後、酸化アル
ミニウム焼結体からなる基材と銅部材との接合状態を観
察したところ、強固な接合が得られた。また、ビール強
度試験を行なったところ、 l1kgr/cIIと高い
強度を有することが確認された。
ラミックス基材の上下面に酸素を4001)Ill含有
する板状銅部材を接触させ、酸素をO,lppm含有す
る窒素ガス雰囲気中で、最高温度1070℃、3分間保
持して加熱した。その結果、セラミックス基材と銅部材
の接合部のビール強度は4kgr/cmで、不十分であ
った。
ラミックス基材の上下面に無酸素の銅部材を接触させ、
酸素を300ppm含有する窒素ガス雰囲気中で、最高
温度1070℃、30秒間保持して加熱した。その結果
、セラミックス基材と銅部材の接合部のビール強度は8
kgr/cmであった。しかしながら、銅部材表面が過
度に酸化されて赤紫色に変色した。
を殆ど生じることなく、AIIN焼結体又は酸化アルミ
ニウム焼結体からなるセラミックス基材に銅部材を強固
に接合した回路基板を簡単かつ量産的に製造し得る方法
を提供できる。
Claims (2)
- (1)表面に厚さ0.1〜5μmの酸化物層が形成され
た窒化アルミニウム焼結体からなる基材の酸化物層上に
、酸素を100〜1000ppm含む銅部材を接触させ
た後、Cu−Cu_2Oの2元系相図の亜共晶領域の純
銅を含む側の液相線以下で、かつ銅と酸化第一銅の組成
間で結ばれる共晶線の温度以上である温度にて1〜10
0ppmの酸素を含む不活性ガス雰囲気中で加熱して前
記基材に銅部材を直接接合することを特徴とするセラミ
ックス回路基板の製造方法。 - (2)酸化アルミニウムからなる基材上に、酸素を10
0〜1000ppm含む銅部材を接触させた後、Cu−
Cu_2Oの2元系相図の亜共晶領域の純銅を含む側の
液相線以下で、かつ銅と酸化第一銅の組成間で結ばれる
共晶線の温度以上である温度にて1〜100ppmの酸
素を含む不活性ガス雰囲気中で加熱して前記基材に銅部
材を直接接合することを特徴とするセラミックス回路基
板の製造方法。
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