JPS6338244A - 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−にの利用分野〉 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
の銅層な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−銅の接合のイΔ頼性が高く、接
合プロセスか簡素化、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ｆ−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が多用されている。このようなセラ
ミック基板の中て厚膜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
属微粉末に数組ｈ１％のガラス粉末を添加して、これを
有機剤へ均一分散してなる厚膜導体ベーストを印刷し、
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Ｊ、
（板１−にＷ、ＭＯなど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、　Ｃｕ、へｕメツキを施したものかあ
る。

第４図はこのようなセラミック基板の−・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
働く銅層１を、裏面には全面放熱層としての銅層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の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−ににメ
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１００μ〜３００μ施し、さらにこのＣｕメツキ上
にメツキによる旧居２を施′１−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１−μの範囲
である。Ｗ層３はＷ層が金属としてはアルミナとの熱膨
４１＋係数の整合性並びに密着性に優れている関係から
設４−Ｊられる。またＮｉメツキはＣ【１のト”地メツ
キおよびＧｏ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、〔：１１メ
ツキ下程に著しく時間を要し、とくに無電解Ｃｕメツキ
下程により１００〜３００μの厚さの６１１メツキを施
すには数時間を要するという大きな問題がある。なお無
電解Ｇｏメツキの方が膜厚の内性に優れているという関
係から採用される。

一方、最近は金属とセラミックの接合に関して盛んに研
究が行わわており、例えば銀ろう、Ｉｎ−Ｓｉ合金ろう
な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４２７０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。篩とセ
ラミックとくにＣｔ＋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、Ｗ、Ｍｏ層
を不要にしく；１１のメツキ作業を廃１１−することが
できればその作業性が飛躍的に向トすることは明らかて
あり、このような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［１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、がっ短時間でセラミ
ック基板上にＣ１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。

〈問題点を解決するだめの手段〉 パワーＩＣ、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Ｇｏ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、　＋１ＩＪ２−Ｓｉ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、Ａｆｉ、０．等のセラミック基板と（：
１１板を接合する際に、あらかじめＣ１１板にＡｆｌ　
−Ｓｉ合金等のインサート金属を接合し、クラッド材と
しておけば、セラミック板とＧｕ板との接合が効率良く
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、アルミナ基板上に銅層を形成し
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／ＡＲ−５ｒ合金、Ｃｕ／Ｎｉ／Ａｎ−Ｓｉ合金
、Ｃ１＋／Ｓｎ／　１−Ｓｉ合金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Ａｆｆｉ
−Ｓｉ合金側をアルミナ基板側に配置し、アルミナ基板
−にに直接加熱接合して、アルミナ基板にに銅層を形成
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、アルミナ基板上に銅層を形成す
るために用いられるクラッド材であって、Ｃｕ層とへＩ
１．−Ｓｉ合金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、アルミナ基板上に銅層を形成す
るために用いられるクラッド材であって、Ｃ１１層にに
Ｓｎ層さらにその上にＡＪＺ−Ｓｉ合金層が冷間圧接に
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、アルミナ基板上に銅層を形成す
るために用いられるクラッド材であって、Ｃｕ層ににＮ
ｉ層さらにそのトにＡＭ−Ｓｉ合金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。

〈発明の構成〉 以ドに図面に示１−好適実施例を用いて、本発明を詳述
′４−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へｆｉ−Ｓｉ合金層、
Ｃｈｉ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にに１丁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Ｃ＋＋とアルミナを接合する場合、ろう
材としてはＣ１１とアルミナの双方に接合しやすいこと
か必要である。実験によると／Ａｌ−Ｓｉ合金はＣｕと
アルミナの双方に接合しやすいことか判明した。しかし
この場合Ｃ１１とＡｌ２−Ｓｉ合金の接合についてみる
と、Ｃｕと　へｆｌ−Ｓｉ合金の接合界面には接合温度
が２００℃以１−になると、脆い合金層が形成されやす
くなることも判明した。ＣｕとＡｆｆｉ−Ｓｉ合金層の
接合界面に脆い合金層を形成させないためには接合温度
を低くすれば良いが、そうするとアルミナとへ１−Ｓｉ
合金の接合が著しく困難となる。ＧｕとＡｆｉ−Ｓｉ合
金をｔめ冷間圧接によりクラッド材としておけば、冷間
圧接では（〕１１とＡｆｆｉ−Ｓｉ合金との間に脆い合
金層が形成されることがさけられる。熱間圧接法による
クラッド旧は金属間の熱拡散の問題が生じ好ましくない
。

このようにして得たクラッド材をＡｆｆｉ−Ｓｉ合金を
アルミナ側に向けて配置して加熱接合したところ、クラ
ッド材のＧｏとＡＱ−Ｓｉ合金の界面にほとんど脆い合
金層を形成することなく、１−分な強度をもってクラッ
ド材をアルミナ基板に接合することができた。

第１図は本発明の第２の態様の（：ｕ／Ａｌ１−Ｓｉ合
金クラッド材を示す断面図である。

Ｃｕ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
か好ましい。

へｆｆ１−Ｓｉ合金層５は、　１２０３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。合金中のＳ
ｉの含有率は５〜２０ｗＬ零が好ましい。それはろう接
着を促進し、接合を容易にするために必要な範囲だから
である。

Ａｌ１−Ｓｉ合金層５はＣ１１層１上に冷間圧延圧接法
によるクラッド技術を使って接合する。

圧廷圧接法によるクラッド材の製造は、圧延材の形状や
加圧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。

Ｃｕ層１とＩｎ−Ｓｉ合金層５のＪｌさは、１：１〜１
０：１が好ましい。

第２図は本発明の第３の態様の（：　ｕ　／　Ｓ　ｎ　
／ＡＱ　−Ｓｉ合金用クラッド材を示す断面図である。

Ｃｕ層１トにはＳｎ層６を介してＡｆｆｉ−Ｓｉ合金層
５を接合する。

Ｃｕ層１ＦにＳｎ層６を冷間圧延圧接法によりクラッド
し、その後へｊｌ−Ｓｉ合金層５を接合してもよいし、
Ｓｎ層６とＡｆｆｉ−Ｓｉ合金層５を同時に接合しても
よい。

Ｃｕ層１とＳｎ層６とＡｌ２−Ｓｉ合金層５との厚さは
１：Ｏ，ｌ：１〜１０：１：１とすることが好ましい。

Ｃｕ層１とへｎ−Ｓｉ合金層５との間にＳｎ層６を介す
ることにより、セラミックと銅との接合Ｐ１か良いばか
りでなく、銅とＡｆｆｉ−Ｓｉ合金との間の金属的接着
も良好となる。

また、Ｇｌｉ層１とへｆｉ−Ｓｉ合金層５との間のＳｎ
層６が拡散防１に層として働くのて、アルミナ↓（板と
クラッド材の接合に際し、Ｉ−分加熱しても（：　ｕ　
／／Ａｌ−Ｓｉ合金間に合金層が形成される恐れが全く
なくなり、加熱温度を上げて接合強度を強くすることが
できる。

第３図は、本発明の第４の態様のＧｕ／Ｎｉ／　Ａｆｆ
ｉ−Ｓｉ合金クラッド材を示す断面図である。

Ｇｕ層１ＦにはＮ４層２を介してＡｉＬ−Ｓｉ合金層５
を接合する。

Ｃｕ層１、Ｎ４層２、　へ辺−Ｓｉ合金層５は、順次あ
るいは五層同時に冷間圧延圧接法によりクラッドとする
。

Ｃｕ層１とＮ４層２とへ１−Ｓｉ合金層５との厚さは１
：０．Ｉ：１〜１０：１：１が好ましい。

Ｇｕ層１とへｉ−ｓ＋合金層５との間にＮ４層２を介す
ることにより、セラミックと銅との接合性ばかりでなく
、銅とへＱ−Ｓｉ合金との間の金属的接着も良好となる
。

また、Ｃ１１層１とへｊ！−Ｓｉ合金層５との間のＮ４
層２が拡散防１１一層として働き、アルミナ基板とクラ
ッド材の接合に際し、十分高温で加熱して接合強度をあ
げることができる。

本発明の製造方法は、以にの本発明の第２、第３、第４
の態様のいずれかのクラッド材をあらかしめ用意し、こ
のクラッド材のＡＱ−Ｓｉ合金側をアルミナ等のセラミ
ック」、（板側に配置し、好ましくはアルゴン等の不活
性ガス雰囲気中で、６００℃〜６５０℃で加熱圧接して
、短時間で接合し、アルミナ基板にに銅層を導体層ある
いは放熱層等として有するｔ導体装置用セラミック基板
を得るものである。

〈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
Ｗ、Ｍｏ層の形成及び金属のめっきプロセスに比べて、
玉梓が省略でき、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ｌ上程で、セラミック板と銅との接
合ができる。

さらに本発明クラッド材は、あらかしめＣＩＩ材とイン
サート金属間トが強力に接合されているうえに、へα−
Ｓｉ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＞ｔ’、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。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の第２の態様のＣｕ／ＡＩＬ−Ｓｉ合
金クラッＦ材の断面図である。 第２図は、本発明の第３の態様のＣｕ／Ｓｎ／　Ａｊｉ
ｔ−Ｓｉ合金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／Ｎｉ／　へｎ−
Ｓｉ合金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・・・・０１１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）アルミナ基板上に銅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／Ａｌ−Ｓｉ合金、Ｃｕ／Ｎｉ／Ａｌ−Ｓｉ
   合金、Ｃｕ／Ｓｎ／Ａｌ−Ｓｉ合金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Ａｌ−Ｓｉ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
   板上に銅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）アルミナ基板上に銅層を形成するために用いられ
   るクラッド材であって、Ｃｕ層とＡｌ−Ｓｉ合金層が冷
   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）アルミナ基板上に銅層を形成するために用いられ
   るクラッド材であって、Ｃｕ層上にＳｎ層さらにその上
   にＡｌ−Ｓｉ合金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）アルミナ基板上に銅層を形成するために用いられ
   るクラッド材であって、Ｃｕ層上にＮｉ層さらにその上
   にＡｌ−Ｓｉ合金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。