JPH0234579A - セラミック−金属複合基板の製造方法 - 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］ この発明は、例えば半導体の実装に用いられるセラミッ
クと金属を接合することにより製造されるセラミック−
金属複合基板の製造方法に間するものである。

［従来の技術］ 第３図は例えば特開昭６０−１５５５８０号公報に示さ
れた従来のセラミック基材と金属部材が直接接合された
半導体装用の複合基板を示す断面図であり、図において
、（１）はセラミック基材の９６％純度のアルミナ部材
、（２Ａ）、（２Ｂ）はアルミナ部材（１）に形成され
た金属部材で、電気回路を形成するためなどの例えば無
ｒｔ１素銅板、（７Ａ）（７Ｂ）はアルミナ部材（１）
と銅板（２Ａ）、（２Ｂ）を直接接合した接合面である
。

この従来例における複合基板の製造方法の一例を以下に
示す。アルミナ部材（１）と銅板（２Ａ）（２Ｂ）の接
合性を向上させるため、銅板（２Ａ）（２Ｂ）の接合面
（７Ａ）（７Ｂ）となる側の表面近傍に微量の酸素を含
有させる０ｗ４に酸素を含有させた場合、その状態図か
らも明らかなように、融点は　純銅の場合の１０８３℃
より低下し、共晶点では１０６５℃となる。次に上記処
理を行った後、温度が１０６５〜１０８３℃の間になる
ように調節することにより、接合界面（７Ａ）（７Ｂ）
を選択的に溶融させる。その結果アルミナ部材（１）と
銅板（２Ａ）（２Ｂ）は強固に接合できる。

次に、上記半導体装用基板の動作について説明する。第
４図は従来の半導体装用基板を用いた一実施態様を示す
斜視図であり、半導体を実装したモジュール構造の一例
を示す。図において、（４）は半導体、（５）は半導体
（４）を銅板（２ｂ）に実装するためのはんだ、（６ａ
Ｘ６ｂ）は　それぞれ半導体（４）を動作させるために
銅板（２ｂ）とは電気的に絶縁された別の銅板（２ａ）
（２ｃ）に接続した、例えばアルミニウム製のボンディ
ングワイヤである。

上記のように構成されたモジュールの半導体、特に大電
力半導体を動作させると、半導体（４）は大量の熱を発
生する。また、当然のことながら上記モジュールは繰り
返し使用される。従って、半導体装用基板としては以下
のことが要求される。

二 半導体（４）から発生する熱を十分逃がす―とができる
こと、半導体（４）の動作・非動作に伴うヒートサイク
ルによって発生する基板の熱膨張・収縮により　半導体
（４）を破壊しないこと、さらに、このヒートサイクル
によりアルミナ部材自体が破壊しないことである。

［発明が解決しようとする課Ｂ］ しかるに、上記のような基板構造では、セラミック部材
（１）は−船釣に熱膨張係数が小さく・上記実施例のア
ルミナセラミックでは７　Ｘ　１０−６であるため、熱
膨張係数り月７Ｘ　１０−’の銅板（２Ａ）（２Ｂ）と
直接接合した場合、熱膨張係数差により接合面（７Ａ）
（７Ｂ）の近傍に応力を発生した。このような接合体が
ヒートサイクルを受けると上記接合面（７Ａ）（７Ｂ）
近傍には大きな応力が繰り返し発生し、硬いが脆いアル
ミナ部材（１）はその応力に耐えられず割れが発生し、
ついには分離してしまうという問題点があった。第５図
の断面図に典型的な割れ形状を示す、　　（８Ａ）（８
ＢＸ８Ｃ）（８Ｄ）が割れである。このように割れ（８
Ａ）〜（８Ｄ）は応力が集中するセラミック部材（１）
と銅板（２ＡＸ２Ｂ）の角部から発生した。

また、銅板（２Ａ）（２Ｂ）はアルミナ部材（１）に強
固に接合されているため、その熱膨張係数は銅単体の場
合に比べ小さくなってはいるものの、熱膨張係数が５　
Ｘ　１０−６と小さいシリコン半導体（４）を例えばは
んだ付により実装すると、半導体（４）にも割れが発生
するという問題点があった。これらの問題点は、半導体
（４）の動作電流を上げるために、銅板（２ＡＸ２Ｂ）
を厚くしたときや、大面積の半導体（４）を実装したと
きに顕著に現われた。

上記割れの発生はアルミナ部材（１）を厚くスルことに
より若干の改善は図れるものの、半導体（４）からの放
熱特性はアルミナ部材（１）の熱抵抗が高いため劣化し
てしまう。例えば、０．４ｍの板厚のアルミナ部材（１
）を０．６３ｍｍに増加させることにより一４０℃〜１
５０℃の耐ヒートサイクル特性は１．２倍程度向上する
が、逆に熱の逃げを妨げる熱抵抗値は約１．６倍高くな
り、半導体（４）の機能やセラミック部材（１）のコス
ト等を考慮した場合有効な方法ではない。

従って、これらの問題を避けるためには、半導体（４）
のパワーや形状を制限する、銅板（２Ａ）、（２Ｂ）を
薄く、幅広くして実装密度を下げるなどの対策が必要で
あり、モジュールの高機能化、高密度化にとって大きな
障害となっていた。

この発明は上記のような問題点を解消するためになされ
たもので、過酷な使用環境下においても、例えば半導体
から発生する熱を逃がし、かつセラミック部材等に破壊
が生じない信頼性の高いセラミック−金属複合基板を製
造する方法を提供することを目的とする。

［課題を解決するための手段］ この発明のセラミック−金属複合基板の製造方法は、セ
ラミック基材にニオブ部材を直接接触させ加熱加圧して
接合する工程、上記ニオブ部材に異種元素を添加して少
なくとも表面部を硬化する工程、及び硬化したニオブ部
材とセラミック部材との複合部材のニオブ部材側に銅ま
たは銅合金部材を直接または硬ろう材を介在させて加熱
接合する工程を施すものである。

［作用］ この発明においては、例えばアルミナセラミック基材に
アルミナと熱膨張係数がほぼ等しいニオブ部材を接合し
、かつニオブの硬度を高めた後、熱膨張係数の大きい銅
部材を接合することにより、脆性材料であるアルミナ基
材表面を強度が高められたニオブで強固に拘束し、銅部
材からの熱応力を低減させ、アルミナ基材が熱応力によ
り破壊するのを防止する。

［実施例］ 以下、この発明の一実施例を図について説明する。第１
１ｆｆｌ（ａ）（ｂ）（ｃ）はこの発明の一実施例のセ
ラミック−金属複合基板の製造方法を工程順に示す構成
図である０図において、（１）はセラミック基材で　こ
の場合は純度９６％のアルミナ基材、（２Ａ）（２Ｂ）
はアルミナ基材（１）の−面と他面にそれぞれ設けられ
た銅部材で、この場合はｐ！！酸素鋼部材、（３ＡＸ３
Ｂ）は　それぞれアルミナ基材（１）と銅部材（２Ａ）
（２Ｂ）の間に接合された純度９９．９％のニオブ部材
、（４Ａ）（４Ｂ）はそれぞれアルミナ基材（１）とニ
オブ部材（３Ａ）（３Ｂ）を加圧・加熱する治具、（５
）はニオブ部材（４Ａ）（４Ｂ）を硬化するために添加
される異種元素（硬化物質）、この場合は酸素分子であ
る。同図（ａ）はアルミナ基材（１）とニオブ部材（３
ＡＸ３Ｂ）を接合する工程、同図（ｂ）はニオブ部材（
３Ａ）（３Ｂ）を硬化する工程、同図（Ｃ）は（ａ）工
程にて接合されたアルミナ基材（１）とニオブ部材（３
Ａ）（３Ｂ）の複合部材のニオブ部材上に銅部材（２Ａ
）（２Ｂ）を接合する工程を示している。

まず、（ａ）工程においてアルミナ基材（１）とニオブ
部材（３Ａ）（３Ｂ）を加圧・加熱し接合する。アルミ
ナ基材（１）とニオブ部材（３Ａ）（３Ｂ）は！＠膨張
係数がほぼ等しいため、接合することによって接合界面
に応力が発生することもほとんどなく、整合性よく接合
できる。接合には従来の方法が適用でき、例えば真空雰
囲気中で適当な治具（４Ａ）（４Ｂ）により２にｇ／ｍ
ｗ２程度の圧力をかけて、１４５０℃で３０分加熱する
ことにより強固に接合できた。セラミックであるアルミ
ナ基材（１）は硬いが脆性であるという性質があり、一
方金属材料のニオブ部材（３Ａ）（３Ｂ）は延性である
が柔らかいという性質がある。（ａ）工程により接合さ
れた複合部材は、アルミナ単体に比べもろさの改善は図
れるものの、表面近くの剛性が不十分である。つまり、
従来の基板において問題となっていたのはヒートサイク
ル時に発生する応力であり、この応力をアルミナ基材（
１）に極力伝えない必要がある。従来、ニオブ部材を用
いて、セラミック接合時の応力を緩和するためには、１
１？１Ｉ１１程度以上の厚さを有するものが必要とされ
ていた・　（例えばセラミックと鋼を接合した構造材に
おいて、熱膨張差による内部応力を緩和させる方法とし
て、両者の接合面の閘に、ニオブ中ｒＷ１層を設ける方
法が雑誌二金属１９８６年５月号４５〜５０頁に記載さ
れている。）　しかし半導体装用基板にとっては、従来
例で示したように良好な熱伝導性が必要とされるため、
゛鋼部材に比べ熱伝導率が約１／７と低いニオブ部材を
厚く介在させることは、機能的にもコスト的にも価値が
ない。そこで、（ｂ）工程に示すニオブ硬化処理を（ａ
）工程と同時または（ａ）工程に続けて行い、ニオブ部
材（３Ａ）（３Ｂ）の少なくとも表面部分を硬化してニ
オブ部材（３Ａ）（３Ｂ）の硬さを高める。この場合、
この硬化処理は５００℃以上の高温・真空中に僅かな＃
素を導入し、ニオブ部材（３Ａ）（３Ｂ）に酸素を０．
５％程度含有させるようにしたが、他にカーボンパウダ
中に上記複合部材を入れて加熱し、浸炭させる方法、窒
化する方法等があるが、要はニオブ部材を硬化させ、次
の工程で接合する銅部材（２Ａ０２Ｂ）からの応力を緩
和できればよく、硬さの値としてはビッカース硬さで５
００程度以上にすると有効である。この値は銅部材の約
１０倍、アルミナ基材の約１／３、通常のニオブ部材の
約５倍である０次に（Ｃ）工程において、銅部材（２Ａ
）（２Ｂ）と硬化したニオブ（３Ａ）（３Ｂ）を接合し
、冷却する。接合には拡散接合法が適用でき、例えば真
空中ｌにｇｌｌＩＩ＋２の加圧力、１０００℃、３０分
で、ビール強さ５　Ｋｇ／ｃｔｒ＋以上で接合できる。

以上の工程により製造されたセラミック−金属複合基板
の耐ヒートサイクル特性を調べた。その結果を第２図の
グラフに従来例とともに示す。縦軸は耐ヒートサイクル
回数（アルミナ基材が割れるまでの回数）を示している
。なお、試料としてアルミナ基材の厚さが０．６４ｗ＊
、ニオブ部材の厚さが０．１ｓｎｗ、銅部材の厚さが１
．ＯｎｍＯものを用いた。

ヒートサイクルの条件は　−４０℃〜１５０℃である。

この場合、−４０℃〜１５０℃のヒートサイクルに対し
て従来の１０倍以上の耐力が得られた。

なお、上記実施例では純度９６％のアルミナ基材、純度
９９．９％のニオブ部材、無酸素鋼部材を用いる場合に
次いて述べたが、これらの組成に限るものではなく、そ
れぞれ熱膨張係数や電気伝導度などの物性値が大幅に変
化しない限り、上記成分を主成分とする材料、例えば銅
合金部材でも同様の効果が期待できる。またセラミック
基材としてはアルミナに限るものではなく、例えば窒化
アルミニウムでもよいが、その場合窒化アルミニウム基
材の表面を酸化しておくか、あるいは酸化膜を形成して
おくとニオブ部材との接合性がよくなる。

また、上記部材の接合方法は、上述したように従来の方
法が適用できるが、この発明の複合基板はそれぞれが強
固に接合され拘束しあうことが必要であるため、融点が
低く柔らかい、例えば共晶はんだのような軟ろうによる
接合方法は避けた方がよい。

［発明の効果］ 以上のように、この発明によれば、セラミック基材にニ
オブ部材を直接接触させ加熱加圧して接合する工程、上
記ニオブ部材に異種元素を添加して少なくとも表面部を
硬化する工程、及び硬化したニオブ部材とセラミック部
材との複合部材のニオブ部材側に銅または銅合金部材を
直接または硬ろう材を介在させて加熱接合する工程を施
すことにより、過酷な使用環境下においてもセラミック
基材や実装される半導体のの破壊を防止できるセラミッ
ク−金属複合基板が得られる効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）（ｂ）（ｃ）はこの発明の一実施例のセラ
ミック−金属複合基板の製造方法を工程順に示す構成図
、第２図はこの発明の一実施例により得られたセラミッ
ク−金属複合基板の耐ヒートサイクル特性の改善効果を
従来例とともに示すグラフ、第３図は従来のセラミック
−金属複合基板を示す断面図、第４図は一般的なセラミ
ック−金属複合基板の一実施ａｍを示す斜視図、第５図
は従来のセラミック−金属複合基板に発生した割れを示
す断面図である。 図において、（１）はセラミック基材、（２ＡＸ２Ｂ）
は銅部材、（３Ａ）（３Ｂ）ニオブ部材、（４）は加圧
・加熱する治具、（５）は異種元素（ｉ！ｌ素分子分子
ある。 なお、図中、同一符号は同一または相当部分を示す。 第１図 （ａ）

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. セラミック基材にニオブ部材を直接接触させ加熱加圧し
   て接合する工程、上記ニオブ部材に異種元素を添加して
   少なくとも表面部を硬化する工程、及び硬化したニオブ
   部材とセラミック部材との複合部材のニオブ部材側に銅
   または銅合金部材を直接または硬ろう材を介在させて加
   熱接合する工程を施すセラミック−金属複合基板の製造
   方法。