JP3914648B2 - 金属−セラミックス接合基板 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は金属−セラミックス接合基板、より詳細には銅−窒化アルミニウム接合基板に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
金属とセラミックス、例えばＣｕとＡＩＮ基板を接合する場合、ろう付け方法（特開昭６０−１７７６３４号、特開平３−１０１１５３号）や直接接合法（特開昭５６−１６３０９３号）などが知られている。このうち、ろう付け方法である特開昭６０−１７７６３４号には、ＣｕとＡＩＮ基板の間に活性金属として、Ｔｉ箔を挿入して、これを加熱溶融することでＣｕとＡＩＮを接合することが開示されている。また、特開平３−１０１１５３号には、銅、銀及び活性金属として、水素化チタンの粉末に有機溶剤、有機結合剤を配合したろう材を用いて、ＣｕとＡＩＮを接合させている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
然しながら、Ｔｉなどの活性金属を含有したろう材を用いて銅と窒化アルミニウムを接合させた基板は、半導体組立て工程、即ち半導体素子と銅板を接合するための半田付け工程などの温度上昇を伴う熱処理工程を経ると、接合基板の抗折強度が、熱処理前の初期の接合状態の時に比較して大きく低下してしまうという問題点があった。
【０００４】
そこで、本発明においては、接合基板の抗折強度が半田付け工程の熱処理によっても低下しにくい金属−セラミックス接合基板を提供することを課題としている。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明は金属とセラミックス、例えば銅と窒化アルミニウム基板を接合するに際して、Ｔｉなどの活性金属を添加したろう材の替わりに、ホウケイ酸鉛ガラス或いはホウケイ酸鉛亜鉛ガラスを添加したろう材、或いは更に添加成分として活性金属であるＴｉ，Ｈｆ，Ｚｒの少なくとも１種を添加したろう材を用いることを特徴としている。
【０００６】
接合基板の抗折強度が低下する原因は良く判っていないが、例えば銅と窒化アルミニウムを接合した後に再度熱を加えることによって残留応力が基板に発生して、その影響で基板の抗折強度が低下すると考えられる。そこで、ホウケイ酸鉛ガラス或いはホウケイ酸鉛亜鉛ガラスといったガラス成分を添加したろう材を接合基板に用いることで、従来のケミカルボンドと言われる接合状態からガラスボンドの接合状態にすることにより、接合基板に発生する残留応力をこのガラスボンドによってうまく緩和或いは吸収するものと考えられる。その結果接合基板の加熱後の抗折強度も、従来のケミカルボンドの接合基板に比較すると、その低下の割合が低く抑えられる効果がある。
【０００７】
本発明の金属−セラミックス接合基板は、銅板と窒化アルミニウム基板が、ＡｇとＣｕとホウケイ酸鉛ガラスを含むろう材により接合されていることを特徴とする。
【０００９】
上記ホウケイ酸鉛ガラスは、その成分として７０ｗｔ％以上の酸化鉛を含んでいることを特徴とする。
【００１０】
また、本発明の金属−セラミックス接合基板は、銅板と窒化アルミニウム基板が、ＡｇとＣｕとホウケイ酸鉛亜鉛ガラスを含むろう材により接合されていることを特徴とする。
【００１２】
上記ホウケイ酸鉛亜鉛ガラスは、その成分として５ｗｔ％以上の酸化亜鉛を含んでいることを特徴とする。
【００１４】
上記ろう材は、活性金属としてＴｉ，Ｈｆ，Ｚｒの少なくとも１種を含むことを特徴とする。
【００１５】
【発明の実施の形態】
本発明においては、金属とセラミックス接合基板を接合するに当たって、Ａｇ−Ｃｕ系ろう材にホウケイ酸鉛ガラス或いはホウケイ酸鉛亜鉛ガラスに更に活性金属としてＴｉ，Ｈｆ，Ｚｒの中の少なくとも１種類が添加されたろう材を用い、このろう材をセラミックス基板の表面に塗布し、これに銅板（好ましくは無酸素銅）を接触配置し、この基板を真空中で加熱接合したのち、エッチングにより所定の回路パターンを作成し、更に半導体素子と銅板との接合に際して半田付け工程と同様な加熱処理を行う。
【００１６】
Ａｇ−Ｃｕ系のろう材としては、実施例に記載された成分に限定されるものでなく、通常使用されているＡｇ−Ｃｕ系のろう材であれば差し支えない。また、ホウケイ酸鉛ガラスは７０ｗｔ％以上の酸化鉛を、ホウケイ酸鉛亜鉛ガラスは５ｗｔ％以上の酸化亜鉛を含んでいることが好ましい。さらに、各特性を向上させる元素や特性を著しく劣化させない不純物を含むことは差し支えない。
【００１７】
なお、金属とセラミックス基板の接合方法及び回路製造方法は必ずしも上記工程に限定されるものでなく、金属とセラミックス基板を接合する際にろう材を用いる方法であれば、どのような方法を用いても差し支えない。
【００１８】
（実施例１）
【００１９】
ＰｂＯ及びＺｎＯが表１に示すように含有されたガラス粉末Ａ，Ｂ，Ｃ及びＤを準備した。
【００２０】
【表１】

【００２１】
表２の実施例１で示すようにＡｇ粉末７０．７ｗｔ％，Ｃｕ粉末２７．３ｗｔ％，そしてガラス粉末Ａを２．０ｗｔ％を混合し、更にバインダーを溶む溶剤を添加し、３本ロールで混練してろう材をペースト状に調整し、このペースト状のろう材を市販の窒化アルミニウム基板（岩城硝子製：１３０Ｗ／ｍｋ）の両面に厚さ３０μｍとなるように塗布した。
【００２２】
【表２】

【００２３】
窒化アルミニウム基板の寸法は縦５０ｍｍ，横３０ｍｍ，厚さ０．６３５とした。これに０．３ｍｍ及び０．１５ｍｍの厚さで窒化アルミニウムと同じ面積の無酸素銅を接触配置し、これを８５０℃の真空中で加熱して銅と窒化アルミニウムを接合した。
【００２４】
銅板の一方の表面にエッチングレジストを所定の回路に合わせて塗布し、銅板をエッチング処理して、所定の回路を持つ基板を形成し、更に半田付けと同じ条件として３７０℃で１０分間加熱処理した。
【００２５】
得られた金属−セラミックス接合基板の抗折強度、たわみ量等について加熱処理の前後について測定した。
【００２６】
抗折強度は、スパン間距離が３０ｍｍの上に回路面を下にして基板を置き、スパンの中間部分を上から荷重を加えるＪＩＳＢの７７７８に準じて三点曲げ測定方法で行ない基板に割れが生じた時点の荷重から抗折強度を算出した。
【００２７】
たわみ量は、同様の三点曲げ測定方法を行ない、基板に割れが生じた時点の基板の初期の状態からの荷重負荷部のたわみ量を測定した。
【００２８】
その結果を表３の実施例１に示す。
【００２９】
【表３】

【００３０】
（実施例２−２３）
【００３１】
ろう材の含有成分を表２の実施例２〜２３に示すような成分に調整した以外はすべて実施例１と同じ方法でＣｕ−ＡＩＮ基板を作製し、実施例１と同様に抗折強度，たわみ量を測定した。その結果を表３の実施例２〜２３に示す。
【００３２】
（比較例１−３）
【００３３】
表２の比較例１〜３で示したろう材の成分を用いた以外は、実施例１〜２３と同様な方法で基板を作製し、同様な測定を行った。その結果を表３の比較例１〜３に示す。
【００３４】
上記実施例に示した基板はろう材の成分の差によって初期（加熱処理前）の抗折強度に差が見られるが、熱処理後は何れも２３Ｋｇｆ／ｍｍ² 以上を示しており、比較例と比べると、抗折強度の低下は少ない。たわみ量についても熱処理後のたわみ量は比較例に比べると大きい。
【００３５】
【発明の効果】
本発明のように、Ａｇ−Ｃｕ系のろう材にホウケイ酸鉛ガラスやホウケイ酸鉛亜鉛ガラス或いは、Ｔｉ，Ｈｆ，Ｚｒを含んだろう材を金属とセラミックスの接合に用いると、従来の活性金属が主体のろう材による接合に比較して、加熱処理後の抗折強度の低下も少なく、良好な接合基板を得ることが出来るようになる大きな利益がある。

Claims (5)

1. 銅板と窒化アルミニウム基板が、ＡｇとＣｕとホウケイ酸鉛ガラスを含むろう材により接合されていることを特徴とする金属−セラミックス接合基板。
2. 上記ホウケイ酸鉛ガラスが、その成分として７０ｗｔ％以上の酸化鉛を含んでいることを特徴とする請求項１記載の金属−セラミックス接合基板。
3. 銅板と窒化アルミニウム基板が、ＡｇとＣｕとホウケイ酸鉛亜鉛ガラスを含むろう材により接合されていることを特徴とする金属−セラミックス接合基板。
4. 上記ホウケイ酸鉛亜鉛ガラスが、その成分として５ｗｔ％以上の酸化亜鉛を含んでいることを特徴とする請求項３記載の金属−セラミックス接合基板。
5. 上記ろう材が、活性金属としてＴｉ，Ｈｆ，Ｚｒの少なくとも１種を含むことを特徴とする請求項１、２、３または４記載の金属−セラミックス接合基板。