JP2952303B2 - 複合型回路装置 - Google Patents

複合型回路装置

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Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は複合型回路装置に関する。
［従来の技術］ 従来複合型回路装置としては窒化アルミニウム（Al
N）基板とアルミナ（Al2O3）基板の間に接着のための金
属層と緩衝のための金属層を設けたものが特開昭63−18
687によって報告されているが、本質的に熱膨張係数の
異なるAlN基板とAl2O3基板を接合しているため、加速信
頼性試験、例えば、＋125℃〜−50℃、一周期30分1000
サイクルを実施した場合、接合部に剥離、クラック等の
欠陥が発生し、気密性が低下するという欠点があった。
［発明の解決しようとする課題］ 本発明は、従来技術の前述の欠点を解消する新規な複
合型回路装置の提供を目的とする。
［課題を解決するための手段］ 本発明は、窒化アルミニウム基板とガラスセラミック
ス基板とを接合してなる複合型回路装置において、ガラ
スセラミックス基板は重量％表示で本質的に、 Al2O3 50 〜91％、 SiO2 ５ 〜30％、 PbO ３ 〜20％、 B2O3 ０ 〜15％、 アルカリ土類金属酸化物 0.5〜15％、 TiO2＋ZrO2＋HfO2 ０ 〜 6％、 からなることを特徴とする複合型回路装置を提供する。
以下本発明を詳細に説明する。本発明は、AlN基板に
熱膨張率がほぼ同一のガラスセラミックス基板を接合さ
せ、クラック等の発生することが少ない信頼性の高い複
合型回路装置をつくることを目的とする。なおガラスセ
ラミックス基板とはガラスとセラミッスクフィラーから
なるものをいう。
第１図に本発明の複合型回路装置の代表的一例の断面
図を示す。第１図において１はAlN基板、２、３はガラ
スセラミックス基板、４は金（Au）層、５はAlN基板１
とガラスセラミックス基板２の接合部、６はガラスセラ
ミックス基板２の開口部、７はガラスセラミックス基板
２、３の側面、８はリードフレーム、９は上蓋とガラス
セラミックス基板３の接合部、10はガラスセラミックス
基板３の開口部、11はICのベアーチップ、12はワイヤ
ー、14はガラスセラミックス基板製上蓋、である。
AlN基板１としては、このAlN基板１上に搭載するICの
ベアーチップ11の熱放散のために、熱伝導率が100W/mk
以上のものが望ましい。かかるAlN基板１としては例え
ば市販の旭硝子製AGN−１、AGN−２（商標）等が使用で
きる。
ガラスセラミックス基板２、３としては、回路パター
ンを形成する必要があるため、例えば次の特性を有する
ものが望ましい。
熱膨張係数 43〜63×10-7℃-1 誘電率 9.0未満 使用導体 Au、Ag、Ag−Pd、Cu、Au−Pt 本発明におけるガラスセラミックス基板は熱膨張係数
がほぼ42〜63×10-7℃-1の範囲にあり、抗折強度がほぼ
2000kg/cm2以上である。
このガラスセラミックス基板はAl2O3を最も多く含ん
でおり、Al2O3の含有量はこのガラスセラミックス基板
の強度及び配線用等の導体との反応性に関係する。
Al2O3は50％未満ではこのガラスセラミックス基板と
表面導体との反応性が高まり、その結果、導体の半田濡
れ性を阻害し、91％超では誘電率が9.0を超えて高くな
る。また、Al2O3の含有量が多い方がこのガラスセラミ
ックス基板の抗折強度は大きくなる傾向にある。以上の
点を鑑みるとアルミナの必要な範囲は50〜91％である。
望ましい範囲は55〜80％、特に望ましい範囲は60〜70
％、である。
SiO2は５％未満ではこのガラスセラミックス基板が焼
結しにくくなり、30％超では抗折強度が低下するので、
５〜30％が必要である。望ましい範囲は10〜20％、特に
望ましい範囲は15〜19％、である。
PbOは３％未満ではこのガラスセラミックス基板が焼
結不良となり、20％超ではこのガラスセラミックス基板
の誘電率が大きくなるので、必要な範囲は３〜20％であ
る。望ましい範囲は10〜18％、特に望ましい範囲は14〜
17％、である。
B2O3はフラックス成分であり、15％超では耐水性が低
下するので、必要な範囲は０〜15％である。望ましい範
囲は0.5〜５％、特に望ましい範囲は１〜３％、であ
る。
アルカリ土類金属酸化物は0.5％未満では焼結不良に
なり、15％超ではこのガラスセラミックス基板の誘電率
が大きくなる。望ましい範囲は１〜５％、特に望ましい
範囲は1.5〜３％、である。
TiO2＋ZrO2＋HfO2（以下、単にMO2とも記す）は、添
加すると熱膨張率が小さくなるので好ましいが、６％超
では誘電率が悪くなる。望ましい範囲は３％以下、特に
望ましい範囲は１％以下である。なおTiO2＋ZrO3＋HfO2
は、この３つのうち１つだけでもよく、他の酸化物を含
まなくともよい。
なお、このガラスセラミックス基板組成物の一部が結
晶質であってもよく、その場合でも本発明の効果に変わ
りはない。
このガラスセラミックス基板組成物については、上記
の無機成分の総量に対して、ガラス溶解時に清澄剤、溶
融促進剤として硝酸塩、亜ヒ酸、酸化アンチモン、硫酸
塩、フッ化物、塩化物等を０〜５％添加してもよい。ま
た、着色剤（例えば耐熱性無機顔料、金属酸化物）を０
〜５％添加してもよい。
さらには、導体材料として、Cu、Ｗ、Mo−Mn、Ni等の
空気中で酸化される金属を用いる場合には、窒素等の不
活性雰囲気又は窒素−水素雰囲気中で、焼成する必要が
あり、その場合、該ガラスセラミックス基板中の脱バイ
ンダを促進するため、該ガラスセラミックス基板組成物
中に、酸化剤としてCr2O3、V2O5、CeO2、CoO、SnO2を該
ガラスセラミックス基板組成物の無機成分の総量に対
し、単独又は混合で0.05〜10％添加するのが好ましい。
添加量が10％超では該ガラスセラミックス基板の絶縁
抵抗値が低下するので好ましくなく、0.05％未満では脱
バインダが促進しにくくなる。上記酸化剤の添加量の望
ましい範囲は0.5〜５％、特に望ましい範囲は１〜３％
である。さらに上記５種の酸化剤のうち、Cr2O3、CoOが
望ましく、Cr2O3が特に望ましい。
このように上記酸化剤を添加して焼成されたセラミッ
クス基板は、無機成分が酸化物換算で実質的にAl2O3:50
〜91％、SiO2:5〜30％、PbO:3〜20％、B2O3:0〜15％、
アルカリ土類金属酸化物:0.5〜15％、MO2:0〜６％と、
上記無機成分の総量に対して実質的に酸化クロムをCr2O
3換算で、酸化バナジウムをV2O5換算で、酸化セリウム
をCeO2換算で、酸化コバルトをCoO換算で、酸化錫をSnO
2換算で、酸化クロム＋酸化バナジウム＋酸化セリウム
＋酸化コバルト＋酸化錫:0〜10％から構成されたものと
なる。
これらのガラスセラミックス基板は、例えば、次のよ
うにして製造される。
まず、これらのガラスセラミックス基板組成物に有機
バインダ、可塑剤、溶剤を添加し混練してスラリを作成
する。この有機バインダとしてはブチラール樹脂、アク
リル樹脂、可塑剤としてはフタル酸ジブチル、フタル酸
ジオクチル、フタル酸ブチルベンジル、溶剤としてはト
ルエン、アルコール等いずれも常用されているものが使
用できる。
次いでこのスラリをシートに成形し、乾燥して未焼結
のシート、いわゆるグリーンシートが作成される。次い
で、このグリーンシートにビアホール用等の穴を開け、
片面にCu、Ag、Ag−Pd、Au、Au−Pt、Ni、Ｗ、Mo−Mn、
Mo等のペーストを所定の回路に厚膜印刷する。このと
き、ビアホールにはCu、Ag、Ag−Pd、Au、Au−Pt、Ni、
Ｗ、Mo−Mn、Mo等のペーストが満たされる。次に、これ
らの印刷グリーンシートを所定の枚数重ね合わせ、熱圧
着により積層化し、焼成し、多層ガラスセラミックス基
板となる。
焼成条件としては、Ag−Pd、Au、Au−Pt導体を用いる
場合には、空気中で600〜1050℃で焼成を行い、Cu、N
i、Ｗ、Mo−Mnを用いる場合には、窒素等の不活性雰囲
気又は窒素−水素雰囲気中、600〜1400℃の温度で、焼
成を行う。
こうして製造された多層ガラスセラミックス基板は回
路が絶縁基板を介して多層に積層されたものとなる。
以上の説明は多層ガラスセラミックス基板について行
ったが、積層化を行わなければ単層セラミックス基板も
製造でき、こうして得られた単層、多層ガラスセラミッ
クス基板を上記複合型回路装置に使用する。
上記したAlN基板１と上記例示の数種のガラスセラミ
ックス基板２とを複合化した場合、AlN基板１の熱膨張
係数をβ、ガラスセラミックス基板２の500℃以下の熱
膨張係数をαとすると、熱膨張係数差｜α−β｜≦20×
10-7℃-1となり、AlN基板とAl2O3基板との熱膨張率差27
〜32×10-7℃-1に比較して非常に小さくなる。｜α−β
｜≦10×10-7℃-1がさらに信頼性の点でより望ましく、
特に望ましい範囲は３×10-7℃-1≦α−β≦６×10-7℃
-1である。
第４図にガラスセラミックス基板、AlN基板の熱膨張
率−温度特性を示す。第４図においてTgはガラスがガラ
ス化し始めるガラス転移点であり、700〜1000℃の範囲
内であって、約100℃の幅を有する。Tsはガラス軟化点
である。
第４図に示すようにガラスは温度がTsを超えると熱膨
張係数が約３倍に増大する。ガラスがこのような複雑な
特性を有するため、ガラスを含有したガラスセラミック
ス基板の熱膨張係数はTg間又はTg前後で変動する。
したがって、上記｜α−β｜の特に望ましい範囲はこ
のような理由によって特定される。第１図に示したAlN
基板１とガラスセラミックス基板２を接合する場合、銀
ロウを使用するにしてもガラス層を接合部５に使用する
にしても800〜1000℃程度の温度にしなければならず、
上記｜α−β｜の特に望ましい範囲は接合部５の内部応
力を小さくするのに有効である。
上記複合化により接合部５に、熱膨張の差を緩和する
ための特殊な金属層を形成する必要がなく、通常の接合
方法、例えば半田、銀ロウ等による金属接合や、低融点
ガラスを用いたガラス接合接着剤等で充分な信頼性が得
られる。接着剤による接合の場合は通常エポキシ系、ポ
リイミド系等の接着剤を使用できる。
｜α−β｜が20×10-7℃-1を超える場合には、熱膨張
差によって発生する応力を緩和する必要があり、特別な
構造を必要とするため好ましくない。
本発明の複合型回路装置は、第１図に示すような開口
部６、10を有するガラスセラミックス基板２、３を用い
ることによりICチップの封止が容易になるとともに生産
性の悪いAlN基板１の使用量が少なくなるという利点を
有する。
開口部６、10は、１箇所に限定されず、複数箇所有す
る構造でもよい。さらには、該ガラスセラミックス基板
２、３の誘電率は信号伝達速度の遅延を防止するため9.
0未満であることが好ましい。リードフレーム８は、コ
バール（商標）、42−アロイ（商標）等が材質として通
常使用される。
以上説明した第１図に示す複合型回路装置は以下のよ
うに製作される。
第２図は、第１図に示す複合型回路装置の製作手順を
示す各部品の断面図である。第２図において13はシール
用ガラス、15はリードフレーム８の上に形成されたAuメ
ッキ部である。
開口部６を有するガラスセラミックス基板２とAlN基
板１を準備し、ガラスセラミックス基板２上の接合部５
に接合用のAg、Ag−Pd、Cu等の金属ペーストを印刷等に
より形成し、焼成する。
次にAlN基板１上にベアーチップ11搭載用のAu層４用
のAuペーストを印刷等により形成し、さらに接合用の上
記の金属ペーストを印刷等により形成する。そして1000
℃以下の温度で焼成し、上記した数種のガラスセラミッ
クス基板２とAlN基板１の接合部５の少なくとも一方に
銀ロウ等を印刷又は塗布等の方法により形成し、加熱し
て、ガラスセラミックス基板２とAlN基板１を接合す
る。
なおこの銀ロウのかわりに半田付けを行って接合して
もよい。銀ロウ、半田を使用した場合はガラスセラミッ
クス基板２上の導体とAlN基板１上の導体を電気的に接
続できる利点がある。
このようにして接合されたAlN基板１とガラスセラミ
ックス基板２及び開口部10を有するガラスセラミックス
基板３を製作し、該ガラスセラミックス基板３の下面と
ガラスセラミックス基板２の上面の少なくとも一方にシ
ール用ガラスペーストを印刷等の手段により形成し、リ
ードフレーム８をガラスセラミックス基板２、３の間に
挟んで加熱する。
このようにしてガラスセラミックス基板２、３をそれ
らの間にAuメッキ部15を有したリードフレーム８を挟ん
で接合する。次にリードフレーム８を折り曲げ第１図に
示すようにする。
次に第１図に示すごとく開口部６の中にベアーチップ
11を入れ、Au層４上に搭載させて接合させ、シリコンと
金の共晶を生じさせて接合させ、Au等のワイヤー12でボ
ンディングを行う。最後にシール用ガラスペーストを上
蓋14とガラスセラミックス基板３の接合部９の少なくと
も一方に塗布、印刷等の方法で形成し、加熱して接合す
る。
また、ガラスセラミックス基板２とAlN基板１との別
の接合方法について説明する。ガラスフリットに有機ビ
ヒクルを加えて混練し、ペースト状としたものが接合部
５になるように塗布し、ガラスセラミックス基板２とAl
N基板１とを圧着して焼成し、固化させればよい。ペー
ストを塗布する部分としては、ガラスセラミックス基板
２又はAlN基板１のどちらでもよく、ガラスセラミック
ス基板２とAlN基板１の両方に塗布してもよい。
かかる接合部５のガラス層としては、このガラス層の
熱膨張係数であるγが、｜β−γ｜≦30×10-7℃-1であ
ることが必要とされる。｜β−γ｜が30×10-7℃-1を超
えると、該ガラス層と、ガラスセラミックス基板２又は
AlN基板１との熱膨張係数差が大きく、接合部５の充分
な信頼性が得られない。望ましくは｜β−γ｜≦20×10
-7℃-1、さらに望ましくは｜β−γ｜≦５×10-7℃-1で
ある。
さらに、ガラス層としては、ガラスフリットの他にア
ルミナ、マグネシア、ムライト、ホルステライト、ステ
アタイト、コージェライト、石英、窒化アルミニウム等
のセラミックス粉末をフィラーとして添加したものであ
っても上記の熱膨張係数の条件を満足すれば使用でき
る。
また、ガラスフリットの組成については、特に限定さ
れず、B2O3−SiO2系、B2O3−Al2O3−SiO2系、PbO−B2O3
−SiO2系、CaO−B2O3−SiO2−Al2O3系、BaO−B2O3−SiO
2−Al2O3系、ZnO−B2O3−SiO2系等が挙げられる。
さらに、有機ビヒクルとしては特に限定されず、エチ
ルセルロースやアクリル樹脂等の有機バインダにアセト
ンやα−テルピネオール等の溶剤を加えたものを使用で
きる。
また、別のタイムの複合型回路装置を、第３図を参照
して説明する。
開口部を有する２枚のガラスセラミックス基板のグリ
ーンシートにCuペースト、Agペースト、Ag−Pdペース
ト、Auペースト等を所定の回路に印刷等により形成した
後、積層して加圧し圧着する。さらにコバール製等の外
部端子ピン16を接合するため、上記２枚のグリーンシー
トの側面７に上記Cuペースト等をサイド印刷等により形
成し、焼成した後、外部端子ピン16を銀ロウ、半田等を
使用し加熱して接合する。
ワイヤー12は上記したCuペースト等からできたガラス
セラミックス基板上の導体上に形成されたAuメッキ部17
等の上に接続する。他のAlN基板１とガラスセラミック
ス基板の接合等については第１図に示した複合型回路装
置と同じである。
このようにして製作した複合型回路装置は、上記外部
端子ピン16がガラスセラミックス基板２、３の間に挟持
されていない構造となる。なお本発明の複合型回路装置
は第１図、第３図に示した構造に限定されず、ガラスセ
ラミックス基板２とAlN基板１とが接合されている構造
を有するものはすべて含まれる。
［実施例］ 「例１（実施例）」 本発明の複合型回路装置について使用する上記したガ
ラスセラミックス基板を作製するにあたり、酸化物に換
算して表２〜５に示した組成の粉末状のものとして用意
し、さらに上記酸化剤（酸化剤の添加量はAl2O3からMO2
までの無機成分の総量に対する割合である）を添加し、
次いで、これらに有機バインダとしてアクリル樹脂、可
塑剤としてフタル酸ジブチル、溶剤としてトルエンを添
加し、混練して粘度10000〜30000cPのスラリを作成し
た。
次いで、このスラリを約0.2mm厚のシートにした後、7
0℃で約２時間乾燥した。次いでこのシートを４層に積
層して、900℃で６時間焼成し、多層ガラスセラミック
ス基板を製造した。
この多層ガラスセラミックス基板について、気孔率
（単位：％）、誘電率、抗折強度（単位:kg/cm2）、熱
膨張係数（単位：×10-7℃-1）、絶縁抵抗（単位：×10
14Ω）を測定した。
さらに、この多層ガラスセラミックス基板にスクリー
ン印刷法で導体ペースト（表ではAg−Pd、Au−Pt、Mo−
MnをそれぞれAgPd、AuPt、MoMnと略記）を印刷し、表２
〜５に示した焼成雰囲気（表ではN2−H2をN2H2と略記）
中にて600〜900℃で焼成し、半田濡れ性（単位：％）を
評価し、結果を表２〜５に示した。なお表２〜５におい
て焼結性が悪いと気孔性が増大して抗折強度が低下す
る。
このガラスセラミックス基板を使用し、次のようにし
て複合型回路装置を作製した。すなわち、第２図のよう
に、まず、市販AlN基板（25×25×1.0mm）（旭硝子AGN
−２、熱伝導率200W/mK、熱膨張係数45×10-7℃-1）１
にAuペーストとAgペーストを印刷し、900℃で３時間空
気中で焼成し、Au層４と接合部５にAg層とを形成した。
ガラスセラミックス基板２にも同様の方法で接合部５に
Ag層を形成した。
次いで、このAlN基板１とガラスセラミックス基板２
を銀ロウ（Ag:72％、Cu:28％）にて接合した（900℃、1
0分間の加熱）。次いで、このガラスセラミックス基板
２の上面と別のガラスセラミックス基板３の下面にシー
ル用ガラスペーストを印刷し、コバール製リードフレー
ム８を挟み、680℃で10分間加熱してガラスセラミック
ス基板２とガラスセラミックス基板３とを接合した。
次いで、リードフレーム８を折り曲げ、開口部６にベ
アーチップを430℃で接合し、Auワイヤーでボンディン
グした。次いで、シール用ガラスペーストにより上蓋を
接合し、第１図に示す複合型回路装置を作製した。作製
した数量は、表２〜５の各試料番号につき100個ずつで
ある。
この複合回路装置各100個ずつを、＋250℃〜−50℃、
ヒートサイクル試験、一周期30分1000サイクルを行った
が、接合部の剥離、クラック等の欠陥の発生は全く、気
密性、信頼性ともに満足するものであった。
さらに表２〜５の試料番号５、８、14、18の各ガラス
セラミックス基板を用いた上記複合型回路装置計400個
（各試料番号につき100個）について、＋350℃〜−196
℃（液体窒素）のヒートサイクル試験を一周期30分2000
サイクルを行った。結果は表１のとおりである。
（例２（比較例）） 次のガラスセラミックス基板を用いて、例１と同様に
して複合型回路装置を100個作製した。ガラスセラミッ
クス基板の組成は、Al2O3:93％、SiO2:3％、PbO:3％、C
aO:1％からなる成分100％に対し、CoO:3％を添加したも
のであった。また、このガラスセラミックスは、気孔率
21％、誘電率9.3、抗折強度1600kg/cm2、熱膨張係数75
×10-7℃-1であった。
この複合型回路装置各100個を＋125℃〜50℃のヒート
サイクル試験一周期30分1000サイクルを実施した結果、
接合部の剥離が100個中22個に、接合部のクラックが100
個中２個に発生した。
［使用導体ペースト］ Ag−Pdペースト：田中マッセイ製TE−4846 Auペースト ：田中マッセイ製TR−130C Cuペースト ：デュポン社製9153 Au−Ptペースト:ESL社製5800B Niペースト :ESL社製COND 5557 Ｗペースト ：アサヒ化学研究所製WA−1200−AG2 Mo−Mnペースト：アサヒ化学研究所製WA−1200−AG1 ［特性評価法］ 気孔率：アルキメデス法により測定。
誘電率：安藤電気製交流ブリッジにより100kHzの特性
を測定。
温度25±１℃、湿度45±１％。
抗折強度：東洋ボールドウィン製強度試験機によって
測定。焼結基板を幅10mm、長さ50mmに切断し20mmの２点
支持。
半田濡れ性： Ag−Pd導体:Sn:63％、Pd:35％、Ag:2％の半田。
240±５℃、５秒間ディップ後、半田の濡れ
た面積割合を評価。
Cu、Ni、Au−Pt導体:Sn:64％、Pd:36％の半田。
250±５℃、５秒間ディップ後、半田の濡れ
た面積割合を評価。
Au導体:In:50％、Pd:50％の半田。
260±５℃、５秒間ディップ後、半田の濡れ
た面積割合を評価。
Ｗ、Mo−Mn導体：表面に下地メッキとしてNiメッキ
をほどこし、さらにNiメッキ表面にAuメッキを１〜２μ
ｍほどこした後、Sn:64％、Pd:36％の半田。
250±５℃、５秒間ディップ後、半田の濡れ
た面積割合を評価。
［発明の効果］ 本発明の複合型回路装置はベアーチップをAlN基板上
に搭載しているため放熱性に優れ、信頼性が高い。
さらに、AlN基板とガラスセラミックス基板の熱膨張
の差が小さいため、接合部に熱膨張の差を緩和するため
の特殊な金属層を形成する必要がない。しかも接合部に
応力が発生しにくく、接合部の剥離等の欠陥が発生しな
いという優れた効果も認められる。
【図面の簡単な説明】
第１図：本発明の複合型回路装置の代表的一例の断面
図。 第２図：第１図に示す複合型回路装置の製作手順を示す
各部品の断面図。 第３図：本発明の別のタイプの複合型回路装置の断面
図。 第４図：ガラスセラミックス基板とAlN基板の熱膨張率
−温度の特性図 1:AlN基板 ２、3:ガラスセラミックス基板 5:接合部

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】窒化アルミニウム基板とガラスセラミック
    ス基板とを接合してなる複合型回路装置において、ガラ
    スセラミックス基板は重量％表示で本質的に、 Al2O3 50 〜91％、 SiO2 ５ 〜30％、 PbO ３ 〜20％、 B2O3 ０ 〜15％、 アルカリ土類金属酸化物 0.5〜15％、 TiO2＋ZrO2＋HfO2 ０ 〜 6％、 からなることを特徴とする複合型回路装置。
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