JPS6334963A - 半導体装置用セラミツク基板の製造方法およびその方法に使用するクラツド材 - 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〉 本発明はアルミナ基板上に導体層あるいは放熱層として
のＣｕ層を有する半導体装置用セラミック基板の製造方
法に関し、特にアルミナ−銅の接合の信頼性が高く、接
合プロセスが簡素化、高率化される半導体装置用セラミ
ック基板の製造方法およびその方法に使用するクラッド
材に関する。

〈従来の技術〉 パワーＩＣ、ハイブリッドＩＣでは、素子組込み用の基
板として耐熱性、熱放散性および機械的強度に優れてい
るセラミック基板か多用されている。このようなセラミ
ック基板の中で厚膜ＩＣと呼ばれるものは、アルミナ基
板上に、通常、銀、パラジウム、ルテニウムなどの金属
微粉末に数日σ％のガラス粉末を添加して、これを打機
剤へ均一分散してなる厚ｌ１ｓ１体ペーストを印刷し、
焼結して導体層その他を形成したものである。

また、より一般的に使用されているのは、アルミナ基板
上にＷ、Ｍｏなとの金属微粉末からなる導体ペーストを
印刷、焼成してＷ、Ｍｏ導体を形成し、このＷ、Ｍｏ導
体にＮｉ、　Ｇｕ、へｕメツキを施したものがある。

第４図はこのようなセラミック基板の一例を示すもので
、セラミック基板４の表面には部分的に導体層として働
（Ｃｕ層１を、裏面には全面放熱層としてのＣｕ層１を
設ける。

このセラミック基板４の従来の製造法は、アルミナ等の
セラミック基板４め表面および裏面のそれぞれ所定位置
にまずＷ層３を印刷により形成し、このＷ層３上にメツ
キによるＮｉ層２を介して無電解メツキによるＣｕ層１
を２００μ〜３００μ施し、さらにこのＣｕメツキ上に
メツキによるＮｉ層２を施すものである。Ｗ層３および
Ｎｉメツキの厚さはそれぞれ数μ〜数十μの範囲である
。Ｗ層３はＷが金属としてはアルミナとの熱膨張係数の
整合性並びに密着性に優れている関係から設けられる。

またＮｉメツキはＣｕの下地メツキおよびＣｕの表面に
耐食性を付与するために設けられる。

しかし、このような製造法ではＮｉメツキ、Ｃｕメッキ
エ桿に著しく時間を要し、とくに無電解Ｃｕメツキ工程
により２００〜３００μの厚さのＣｕメツキを施すには
数日を要するという大きな問題がある。なお無電解Ｃｕ
メツキの方が膜厚の均一性に優れているという関係から
採用される。

このような事情は、より構造の簡単な、例えばセラミッ
ク上にニッケルめっき層を介して無電解銅めっき層を接
合したＩＣ基板等においても同様である。

一方、最近は金属とセラミックの接合に関して盛んに研
究が行われており、例えば銀ろう、Ａｎ−５ｉ合金ろう
を介して金属とセラミックを接合することが提案されて
いる。しかしここで提案されている金属とセラミックの
接合は、金属としては鉄系の金属例えば電子部品材料の
分野ではインバーや４２アロイ、また機械構造用材料の
分野では鋼や超硬合金を対象とするものである。ｃｕと
セラミックとくにＣｕとアルミナとの接合に関しては実
際に研究された例がなく、不明な点が多い。

このようなセラミック基板の製造において、Ｇｕのメツ
キ作業を廃止することができればその作業性が飛躍的に
向上することは明らかであり、そういう意味からＣｕメ
ツキ作業を廃止できる新しいセラミック基板の製造方法
が要望されている。

〈発明の目的〉 本発明の目的は、従来技術における問題点を解決し、製
造プロセスを簡素化し、容易に、かつ短時間でセラミッ
ク基板上にＣｕ層を１工程で接合することのできる半導
体装置用セラミック基板の製造方法、およびこの方法に
使用するクラッド材を提供せんとするものである。

く問題点を解決するための手段〉 パワーｔＣ、ハイブリッドＩＣの分野では従来から耐熱
性、熱放散性および機械的強度の面からアルミナのセラ
ミック基板が使用され、さらにその導体層および熱放散
層としてＣｕが使用されているにもかかわらず、このＣ
ｕを箔もしくはシートとして使用し、これを例えば銀ろ
う、　Ａｆｌ−５ｉ合金ろうを介してアルミナ基板上に
直接接合したという例がない。

本発明者等は、　１２０３等のセラミック基板とＣｕ板
を接合する際に、あらかじめＣｕ板にインサート金属と
してのＣｕ合金層を接合し、クラッド材としておけば、
セラミック板とＣｕ板との接合か効率良く行えることを
知見し、本発明に至った。

本発明の第１の態様は、アルミナ基板上にＣｕ層を形成
して半導体装置用セラミック基板を製造するに際し、予
め、Ｃｕ合金／Ｃｕ　、　Ｃｕ合金／［：ｕ／Ｎｉ、　
Ｃｕ合金／Ｃｕ／インバー／Ｃｕの群から選択されたい
ずれかのクラッド材を用意し、該クラッド材のＣｕ合金
側をアルミナ基板側に配置し、アルミナ基板−トに直接
加熱接合して、アルミナ基板上にＣｕ層を形成すること
を特徴とする半導体装置用セラミック基板の製造方法を
提供する。

本発明の第２の態様は、アルミナ基板上にＣｕ層を形成
するために用いられるクラッド材であって、Ｃｕ合金層
とＣｕ層が冷間圧接により一体化されていることを特徴
とするクラッド材を提供する。

本発明の第３の態様は、アルミナ基板上にＣｕ層を形成
するために用いられるクラッド材であって、Ｃｕ合金層
上にＣｕ層さらにその上にＮｉ層が冷間圧接により一体
化されていることを特徴とするクラッド材を提供する。

本発明の第４の態様は、アルミナ基板上にＣｕ層を形成
するために用いられるクラッド材であって、Ｃｕ合金層
とＣｕ層とインバー層とＣｕ層とがこの順序で冷間圧接
により一体化されていることを特徴とするクラッド材を
提供する。

〈発明の構成〉 以下に図面に示す好適実施例を用いて、本発明を詳述す
る。

本発明の製造方法は従来ＩＣ等を製造する際に、セラミ
ック基板上に順次設けられてきたインサート金属層、Ｃ
ｕ層等をあらかじめクラッド材としておき、このクラッ
ド材をセラミック基板上に１工程で接合することを特徴
とする。

セラミック基板上のＣｕ層は片面に設けられてもよいし
、両面に設けられてもよい。

ろう材を介してＣｕとアルミナを接合する場合、ろう材
としてはｅ１４とアルミナの双方に接合しやすいことが
必要である。実験によると安定した酸化１漠が形成され
やすいＣｕ合金はＧｕとアルミナの双方に接合しやすい
ことか判明した。

第１図は本発明の第２の態様のＣｕ合金／Ｃｕクラッド
材を示す断面図である。

００層１はいかなる銅を用いてもよいが、半導体デバイ
スの導体層あるいは放熱層として用いる場合は無酸素銅
が好ましい。

Ｃｕ合金層５は、ＡＪ２２０３等のセラミック板との接
合の際にセラミックとの接合性が良く熱膨張が少ないの
でインサート金属として作用する。

用いるＣｕ合金はセラミックとの加熱接合の際に、セラ
ミックとの密着性が良好な安定した酸化膜が形成されや
すいものが好ましく、Ｃｕ−Ｍｎ合金、Ｃｕ−Ｔｉ合金
、Ｃｕ−５ｉ合金が代表的に挙げられる。安定な酸化１
１ｉの形成は難しい合金であるが、接合性あるいはぬわ
性の面で利点があるＣｕ−Ｎｉ−へ２合金、Ｃｕ−Ｎ１
（モネル／７＃Ａ＞合金も好ましい。

合金中の銅以外の成分の含有率は２〜１８ｗｔ！ｔ；が
好ましい。それは２％未満では融点が高くなり、１８％
超では加工性が悪化し、ろう材としてもろくなるなどの
欠点があるためである。

銅合金層５はＣｕ層層上上冷間圧延圧接法によるクラッ
ド技術を使って接合する。

圧延圧接法によるクラッド材の製造は、圧延材の形状や
加工硬化曲線を勘案した圧延スケジュールや、圧延ロー
ル径などを配慮した圧延条件を適切に選定することが重
要である。

００層１とＣｕ合金層５の厚さは、１：１〜１０：１が
好ましい。

第２図は本発明の第３の態様のＣｕ合金／Ｃｕ／Ｎ　ｉ
クラッド材を示す断面図である。

００層１の１方の面にはＣｕ合金層５を、他方の面には
Ｎｉ層２を冷間圧延圧接法により接合し、クラッド材と
する。

接合の順序は三層同時に冷間圧延圧接してもよいし、順
次に冷間圧延圧接してもよい。

Ｃｕ合金層５．０１１層１およびＮｉ層２の厚さは、１
：１：Ｏ，１〜１：１０：０．１とするのが好ましい。

第３図は、本発明の第４の態様のＣｕ合金／Ｃｕ／イン
バー／Ｃｕクラッド材を示す断面図である。

Ｃｕ合金層５．００層１、インバー層６．００層１をこ
の順序で接合して一体とする。

上記の各層は４層同時に冷間圧延圧接してもよいし、部
分的にクラッド材としそのクラッド材同士をクラッドし
てもよいし、順次に冷間圧延圧接してもよい。

各層の厚さの比は０．１：１：１：１〜０．１　　：　
１：５：１とするのが好ましい。

Ｃｕ合金／Ｃｕ／インバー／Ｃｕクラッド材とすること
によりセラミックと銅との接合時の熱膨張の差をインバ
ー層で緩和することができ、セラミックと銅を一層なめ
らかに接合することかできる。

本発明の第１の態様である製造方法は、以上の本発明の
第２、第３、第４の態様のいずれかのクラッド材をあら
かじめ用意し、このクラッド材のＣｕ合金側をアルミナ
等のセラミック基板側に配置し、好ましくはアルゴン等
の不活性ガス容囲気中で、８５０℃以上好ましくは９０
０℃前後で加熱圧接して、短時間で接合し、アルミナ基
板上に銅層な導体層あるいは放熱層等として有する半導
体装置用セラミック基板を得るものである。

またセラミック基板上に接合されたＣｕ層上のパターン
回路は、従来ではタングステン印刷等で作成しているが
、本発明のクラッド材にあらかじめプレス加工等により
パターン回路を形成しておくことも可能であり、このよ
うな方法によりプロセスの簡素化および大幅なコストダ
ウンができる。

〈発明の効果〉 本発明の製造方法によれば、 従来のセラミック板上への金属のめっきプロセスに比べ
て、工程が省略でき、効率化がはかれるので、大幅なコ
スト低減が図れる。

すなわち、本発明のクラッド材を用いる製造方法により
、短時間で、しかも１工程で、セラミック板と銅との接
合ができる。

また、めっき工程不要による廃液処理等の管理上および
設備上のトラブル等が無い。

さらに本発明クラッド材は、あらかじめＣＪＪとインサ
ート金属同士が強力に接合されているうえに、Ｃｕ合金
とセラミックとの極めて良い接合性が利用できるので、
このクラッド材を用いて半導体装置用セラミック基板を
製造すれば、セラミック板と鋼材との接合の信頼性が大
幅に向上する。

また本発明のクラッド材にあらかじめパターン回路をプ
レス加工等により形成しておけば、さらにプロセスの簡
素化および大幅なコストダウンが可能である。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の第２の態様のＣｕ合金／Ｃｕクラッ
ド材の断面図である。 第２図は、本発明の第３の態様のＣｕ合金／Ｃｕ／Ｎｉ
クラッド材の断面図である。 第３図は、本発明の第４の態様のＣｕ合金／Ｃｕ／イン
バー／Ｃｕクラッド材の断面図である。 第４図は従来のセラミックー銅の接合方法を示す断面図
である。 符号の説明 １・・・・Ｃｕ層、２・・・・Ｎｉ層、３・・・・Ｗ層
、４・・・・セラミック基板、

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）アルミナ基板上にＣｕ層を形成して半導体装置用
   セラミック基板を製造するに際し、 予め、Ｃｕ合金／Ｃｕ、Ｃｕ合金／Ｃｕ／Ｎｉ、Ｃｕ合
   金／Ｃｕ／インバー／Ｃｕの群から選択されたいずれか
   のクラッド材を用意し、 該クラッド材のＣｕ合金側をアルミナ基板側に配置し、
   アルミナ基板上に直接加熱接合して、アルミナ基板上に
   Ｃｕ層を形成することを特徴とする半導体装置用セラミ
   ック基板の製造方法。
2. （２）アルミナ基板上にＣｕ層を形成するために用いら
   れるクラッド材であって、Ｃｕ合金層とＣｕ層が冷間圧
   接により一体化されていることを特徴とするクラッド材
   。
3. （３）アルミナ基板上にＣｕ層を形成するために用いら
   れるクラッド材であって、Ｃｕ合金層上にＣｕ層さらに
   その上にＮｉ層が冷間圧接により一体化されていること
   を特徴とするクラッド材。
4. （４）アルミナ基板上にＣｕ層を形成するために用いら
   れるクラッド材であって、Ｃｕ合金層とＣｕ層とインバ
   ー層とＣｕ層とがこの順序で冷間圧接により一体化され
   ていることを特徴とするクラッド材。