JP3638294B2 - セラミックス基板と金属端子との接合体の製造方法及びその接合体を容器とする半導体装置の製造方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、セラミックス基板と金属端子との接合体及びその接合体を容器とする半導体装置の製造方法に関するものであり、たとえばＩＣパッケ−ジ・多層基板におけるセラミックス配線基板と金具（Ｉ／Ｏピン、シ−ルリング、リ−ド等）との接合に好適に利用される。
【０００２】
【従来の技術】
従来、ＩＣパッケ−ジには主としてアルミナ基板（熱膨張係数α＝６．８×１０^-6／℃）が用いられており、メタライズ・薄膜等を介して銀ロ−（共晶Ａｇロ−等）によりコバ−ル（Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ）、４２アロイ（Ｆｅ−Ｎｉ）、Ｃｕ合金等の低膨張金属よりなる金具との接合がなされている。
【０００３】
しかし、アルミナには誘電率が比較的大きく信号伝播遅延を引き起こす、熱膨張係数が大きくシリコン半導体チップと大きな差がある、焼成温度が高く金・銀・銅等の良好な導電体と同時焼成できない、等の欠点がある。そこで高密度、高速化に対応するため、アルミナに替わる材料として誘電率が低く、熱膨張係数がシリコン半導体チップに近く、焼成温度が低いなどの特性を持つ低熱膨張材料、低誘電率材料の開発が求められている。これらの要求を満たす材料としてガラスセラミックス（α＝１．５〜５．０×１０^-6／℃）、窒化アルミニウム（α＝４．４×１０^-6／℃）、ムライト（α＝３．８×１０^-6／℃）等の基板の使用が検討されている。
【０００４】
【発明が解決しょうとする課題】
ガラスセラミックス等の低熱膨張基板は熱膨張係数がシリコンチップ（α＝３．０〜３．５×１０^-6／℃）のそれに近いという特性ゆえに、７２Ａｇ−２８Ｃｕ共晶ロ−等の高温ロ−材を用いて高温で金具との接合しようとすると、基板と金属の熱膨張係数差が大きくなりすぎ、熱応力によりクラックなどの不具合が生じて良好な接合状態が得られないといった問題があった。
【０００５】
それゆえ低熱膨張基板の金具接合にはＡｕ−Ｓｎ系、Ｐｂ−Ｓｎ系等の低温ロ−材を用い、金具（Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金、Ｆｅ−Ｎｉ合金）の転移点（４５０℃、３５０℃）以下の温度でロ−付けを行うことも考えられる。なぜならこれらの金属の熱膨張係数は転移点で低熱膨張から高熱膨張へと変わるため、転移点以下でロ−付けを行えば基板と金属の熱膨張係数差を抑制することができ良好な接合状態を得ることが可能だからである。
【０００６】
しかし、これらのロ−材の融点はＳｉチップの接合に用いられるＡｕ−Ｓｉ共晶ローの接合温度よりも低い。Ａｕ−Ｓｉ共晶ローの液相線温度は３６３℃であるが、ロー材による接合温度は、通常、その液相線温度よりも２０〜１００℃高いからである。従って、通常のステップ・ロ−付けには適さないため、低温ロー材で金具を接合したセラミックス基板にＳｉチップを接合する際には、例えばシリコンチップ接合部のみを局所加熱するなどして金具接合部に熱が伝わらないようにする必要があり、コスト増を招いていた。
本発明は、低熱膨張セラミック基板と金属との接合において、後工程でシリコンチップ等の他の部品が良好に接合された接合体を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
その手段は、
低熱膨張セラミック基板とＦｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金、Ｆｅ−Ｎｉ合金及びＣｕ合金のいずれかの金属よりなる端子部材とを、固相線温度が３６０℃以上かつ液相線温度が７００℃以下である銀系ロ−材であって金を含まないものを用いて接合することを特徴とする。
特にロ−材は、その固相線温度が４５０℃以上、液相線温度が６００℃以下のものであるものが望ましい。
【０００８】
同じく他の手段は、低熱膨張セラミック基板とＦｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金、Ｆｅ−Ｎｉ合金及びＣｕ合金のいずれかの金属よりなる端子部材とを、固相線温度が３６０℃以上かつ液相線温度が７００℃以下である銀系ロ−材であって金を含まないものを用いて接合した後、そのロー材の固相線温度とほぼ同等又はそれ以下の温度で半導体シリコンを前記低熱膨張セラミック基板に接合することを特徴とする。
【０００９】
ここで、低熱膨張セラミック基板とは、熱膨張係数αがα≦５．０×１０^-6／℃の関係を充足するもので、例えば、ＡｌＮセラミックス、ＳｉＣセラミックス、ムライトセラミックス、Ｓｉ₃ Ｎ₄ セラミックス、結晶化ガラスもしくはガラス・セラミックス複合体材料である。
【００１０】
なかでも結晶化ガラスもしくはガラス・セラミックス複合体材料としては、ＳｉＯ₂：５５〜６３重量％、Ａｌ₂０₃：２０〜２８重量％、ＭｇＯ：１０〜１８重量％、ＺｎＯ：２〜６重量％からなる主成分に、Ｂ₂ ０₃及び／又はＰ₂０₅：０．１〜６重量％添加した結晶化ガラス成分を粉砕してフリット化し、成形後、再度焼成結晶化させてなる結晶化ガラス体（特開昭５９−９２９４３号公報）、ＳｉＯ₂：５５〜６３重量％、Ａｌ₂０₃：２０〜２８重量％、ＭｇＯ：１０〜２０重量％、Ｙ₂Ｏ₃：１〜８重量％からなる主成分に、Ｂ₂０₃及び／又はＰ₂０₅：０．１〜５重量％添加した結晶化ガラス成分を粉砕してフリット化し、成形後、再度焼成結晶化させてなる結晶化ガラス体（特公昭６３−６４９９号公報）、ＳｉＯ₂：４０〜５２重量％、Ａｌ₂０₃：２７〜３７重量％、ＭｇＯ：１１〜１３重量％、Ｂ₂Ｏ₃：２〜８重量％、ＣａＯ：２〜８重量％、ＺｒＯ₂：０．１〜３重量％からなる結晶化ガラス成分を粉砕してフリット化し、成形後、再度焼成結晶化させてなる結晶化ガラス体（特公昭６３−３１４２０号公報）
等が良い。
【００１１】
【作用】
これまでセラミック基板の金具ロ−付けには前述のようにＡｇ系ロ−材（主には７２Ａｇ−２８Ｃｕ、８５Ａｇ−１５Ｃｕ）を用いた高温（８００℃以上）でのロ−付け、Ａｕ系ロ−材（Ａｕ−Ｓｎ系、Ａｕ−Ｇｅ系、Ａｕ−Ｓｉ系）もしくはハンダ（Ｐｂ−Ｓｎ系等）を用いた低温（４５０℃以下）でのロ−付けは一般的であったが、その中間の温度域（４５０℃〜７００℃ぐらい）でのロ−付けは行われていなかった。
【００１２】
本件では、中間の温度域にてロ−付け可能なロ−材を低熱膨張基板の金具接合に利用し、金具の熱膨張の転移点より０℃〜２００℃高い温度でロ−付けを行うことによって、７２Ａｇ−２８Ｃｕ共晶ロ−でのロ−付けと比べると低熱膨張基板と金具との熱膨張係数差が比較的小さい温度域にてロ−付けが可能となった。その結果、良好な接合状態が得られかつ後工程でＡｕ系もしくはＰｂ−Ｓｎ系等の低温ロ−材を用いたステップロ−付けが可能になった。
【００１３】
すなわち、一般にロ−材が耐力を持ち始める温度は液相線温度より２００℃程度低い。従って、液相線温度が７００℃以下のロ−材を用いる事により、ロ−材が耐力を持ち始める温度が端子金属の転移点よりも低くなった。その結果、セラミックス基板と端子金属との熱膨張差が少なくなり、残留応力が軽減される。
【００１４】
一方、固相線温度が３６０℃以上のロ−材を用いる事により、後工程でセラミック基板のダイアタッチ部分に対して半導体シリコンをその固相線以下の温度でロー付けし、次いでセラミック基板のシール部分に対してリッドをロー付けするといった、ステップ・ロ−付けを可能とするにあたり、Ａｕ−Ｓｉ系、Ａｕ−Ｇｅ系、Ａｕ−Ｓｎ系、Ｐｂ−Ｓｎ系等低温ロ−材の選択範囲が広くなった。
【００１５】
【実施例】
次に本発明を実施例に基づいてその具体例を詳細に説明する。
−実施例−
本実施例では、３０×３０×１．０ｍｍの大きさのガラスセラミック基板（α＝３．０×１０^-6／℃）と、接合端面の面積が０．４ｍｍ²でＣｕ合金製のＩ／Ｏピンを用いて以下のような手順でテストを行った。
【００１６】
ロ−付けする部分にスパッタにてＴｉ０．２μｍ、Ｍｏ０．３μｍ、Ｃｕ０．５μｍの薄膜を順に形成し、その上にＣｕ１０μｍとＮｉ０．５μｍをめっきして接合テスト用のセラミックス基板とした。
そして、セラミックス基板と前記Ｉ／Ｏピンとの間に表１に示すロー材を介在させて、表１に示す温度で接合した。
【００１７】
【表１】

接合の良否は、（１）初期接合強度、（２）環境試験（熱衝撃テストＣＯＮＤＩＴＩＯＮ Ｃ ５０サイクル）後の接合強度、（３）後工程（Ａｕ−Ｓｎロ−付けスケジュ−ル：３５０℃ｍａｘ）を通した後のピン接合強度、で判断した。
接合強度は、ピンをセラミックス基板に対して４５°方向に引っ張り、接合部が破断したときの引っ張り荷重を測定することによって評価した。測定結果を表２に示す。
【００１８】
【表２】

テストの結果、Ｎｏ．１ではピンの接合温度が高すぎるため基板にクラックが生じた。Ｎｏ．２〜Ｎｏ．６ではピンの接合強度は初期および環境試験後も良好であり、後工程でのＡｕ−Ｓｎロ−付けスケジュ−ル（３５０℃ｍａｘ）を通したのちの強度劣化もなかった。
【００１９】
Ｎｏ．７ではピンの接合強度はＮｏ．２〜Ｎｏ．６同様良好であるが、ピンのロ−付け温度が低いためＡｕ−Ｓｎのスケジュ−ルに通すと強度は劣化してしまった。
尚、Ｃｕ合金のように比較的軟らかい材質を用いることは、それ自体が弾性変形することによって残留応力が軽減されるため、本実施例の如き高い接合強度を得る上で有利である。
【００２０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の製造方法を採用することにより、ガラス・セラミック等の低熱膨張基板と端子金属（入出力ピン、シ−ルリング、リ−ド等）との良好な接合体を得ることが可能となりＩＣパッケ−ジ、多層基板等に利用することができる。

Claims (5)

1. 低熱膨張セラミック基板とＦｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金、Ｆｅ−Ｎｉ合金及びＣｕ合金のいずれかの金属よりなる端子部材とを、固相線温度が３６０℃以上かつ液相線温度が７００℃以下である銀系ロ−材であって金を含まないものを用いて接合することを特徴とするＩＣパッケージの製造方法。
2. 前記ロ−材は、その固相線温度が４５０℃以上、液相線温度が６００℃以下のものである請求項１に記載のＩＣパッケージの製造方法。
3. 低熱膨張セラミック基板とＦｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金、Ｆｅ−Ｎｉ合金及びＣｕ合金のいずれかの金属よりなる端子部材とを、固相線温度が３６０℃以上かつ液相線温度が７００℃以下である銀系ロ−材であって金を含まないものを用いて接合した後、そのロー材の固相線温度とほぼ同等又はそれ以下の温度で半導体シリコンを前記低熱膨張セラミック基板に接合することを特徴とする、セラミックス基板と金属端子との接合体を容器とする半導体装置の製造方法。
4. 低熱膨張セラミック基板とＦｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金、Ｆｅ−Ｎｉ合金及びＣｕ合金のいずれかの金属よりなる端子部材とを、固相線温度が３６０℃以上かつ液相線温度が７００℃以下である銀系ロ−材であって金を含まないものを用いて接合することを特徴とする多層基板の製造方法。
5. 低熱膨張セラミック基板とＦｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金、Ｆｅ−Ｎｉ合金及びＣｕ合金のいずれかの金属よりなる端子部材とを、固相線温度が３６０℃以上かつ液相線温度が７００℃以下である銀系ロ−材であって金を含まないものを用いて接合した後、そのロー材の固相線温度とほぼ同等又はそれ以下の温度で他の部品を前記低熱膨張セラミック基板に接合することを特徴とする多層基板の製造方法。