JPH026096A - 金属―セラミックス接合用ろう材ペースト及び電子部品 - 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】 ［発明の目的］ （産業上の利用分野） 本発明は、金属とセラミックスの接合に用いるろう材ペ
ーストに関する。

（従来の技術） 半導体装置が装備される回路基板には、樹脂基板、金属
基板、セラミックス基板などがあるが、中でもセラミッ
クス基板は、他の基板に比べて放熱性、電気特性及び信
頼性の点で総合的に優れていることから、広く使用され
ている。特に、近年は熱伝導性が高く、放熱性の優れた
セラミックスが開発されてきたことから、ますますセラ
ミック基板の需要が増加している。

ところで、金属とセラミックスを接合するとき、例えば
セラミックス回路基板へ入出力端子ビンを接合する場合
は、従来はセラミックス回路基板のビン接合位置に、Ｎ
ｉメツキなどの処理を施して金属ろう材との馴染みが良
好なパッド部を形成した後、端子ビンを該パッド部に金
属ろう付は又は半田付けしていた。しかし、このような
方法では、ビンの接合強度を向上させるため広いパッド
部が必要で、高密度な端子ビンの接合が困難であった。

また基板材料の異なるセラミックスによっては、基板と
ろう材溶融物又は半田溶融物との濡れ性が悪く、端子ビ
ンを強固に接合できないという問題かあった。

このため、活性金属ろう材を用いて、セラミックス回路
基板と端子ビンとを真空炉中で接合する方法が開発され
た。しかし、真空炉を用いる接合では量産性に欠け、実
用化の点で問題があった。

そこで真空炉を用いない方法として、窒素ガス雰囲気中
で活性金属添加ペーストを用いることが考えられた。し
かしこのペーストを用いると、後に加熱してペーストを
脱気・固化したとき、ベストが周囲に飛散してろう材表
面の平滑性が悪くなり、外観が損われ、電気的な不良（
絶縁抵抗の低下）も発生した。

（発明が解決しようとする課題） そこで本発明は回路基板等のセラミックスと入出力用端
子ビンなどの金属を、連続処理の可能なＮ２ガス雰囲気
下でろう材の飛散なしにかつ高強度で接合できるろう材
ペーストを提供することを目的とする。

［発明の構成］ （課題を解決するための手段及び作用）本発明によれば
、金属ろう材粉末に少なくとも１種類のＩＶＡ族元素及
び融点が該ろう材より高い金属を含有させたことを特徴
とする金属−セラミックス接合用ろう材ペーストが提供
される。

本発明のろう材ペーストは、Ｎ２ガス雰囲気中で加熱し
ても、ろう材が飛散しないため金属とセラミックスを高
密度で外観よく接合することができ、かつ接合強度にお
いても優れている。

本発明において、金属とセラミックスを接合させる金属
ろう材には、Ｃｕろう、Ｎ１ろう、Ａｇろうなどがある
が、低温での接合を実現できること、及び金属との濡れ
性が良好なことを考慮するとＡｇろう若しくはＣｕろう
、又はＡｇとＣｕを主成分とするろう材が望ましい。

本発明において、金属ろう材中に含まれるＩＶａ族元素
には、Ｔｉｓ　Ｚｒ５Ｈｆなどかあるが、加熱すると活
性作用が高くなるＴｉ又はＺｒを用いるのが好ましい。

本発明においては、この成分の働きによりろう材のセラ
ミックスに対する濡れ性が増す。金属ろう材中における
ＩＶａ族元素の含有量は、２〜１０重量％が望ましい。

その理由は、２重量％未満にすると、セラミックスとろ
う材との濡れ性が悪化し、ろう材がセラミックス上に凝
集して金属をセラミックスに良好に接合できなくなり、
他方１０重量％を超えると接合部の抵抗が増加しかつろ
う材と金属の密着性が低下するおそれがあるからである
。

本発明における融点がろう材より高い金属は、ろう材の
融点が８００〜８５０℃なので、それ以上の融点を有す
ることになる。この金属を加える理由は、例えばろう材
をバインダと混練してペーストをつくったとき、加熱に
よってろう材を溶融させ金属とセラミックスを接合する
際にバインダが蒸発するが、その際この金属はろう材よ
り融点が高いため溶融せず、粒子状のままろう材と均一
に混じり合ってろう材の飛散を防ぐからである。

このような金属としては、Ｍｎ、Ｗ、Ｍｏ、Ｔａなどが
ある。ろう材粉末に加える融点がろう材より高い金属の
量は、２〜５０重量％が望ましい。

その理由は、２重量％未満にすると、上述の効果が得ら
れずろう材が飛散するし、他方５０重量％を超えると、
ろう材の融点が上昇しすぎ、加熱後溶けない金属粒子の
ため表面に凹凸ができ、接合部の抵抗も増加するためで
ある。Ｍ　ｎ　２〜１０重量％など各種元素について適
宜重量範囲を定めることができる。

ろう材粉末を有機バインダと混練することにより、接合
に適用しやすいろう材ペーストが得られる。このような
有機バインダとしては、窒素ガス中で飛散しにくいこと
から、アクリル系バインダが好ましく、かつペースト・
中での分散性がよいことからカルボキシル基を置換基と
して含有するポリアクリル酸エステル、ポリメタクリル
酸エルテル、又は一部をスチレンなどで重合したポリア
クリル酸エステル、ポリメタクリル酸エステルなどがよ
い。このようなアクリル系バインダに置換基として導入
されるカルボキシル基の含有量は、１〜５重量％が望ま
しい。この理由は、１重二％未満にするとアクリル系バ
インダ中で金属ろう材粉末が凝縮してセラミックスとの
密着性が悪化するし、他方５重量％を超えると、バイン
ダが不安定になりゲル化しやすくなってペースト化が困
難となる。また、アクリル系バインダの分子量は５００
０〜１５０００が望ましい。５０００未満にするとバイ
ンダが揮発しやすくペーストの接着性が低下するおそれ
があり、他方１５０００を超えると、加熱後接合部に炭
素が多量に残留し、金属とセラミックスとの接合性が低
下するおそれがあるからである。

上記アクリル系バインダの配合量は、ろう材粉末１００
重二重二対して３〜１５重量部が望ましい。その理由は
、３重量部未満にすると粘性が低くなりすぎてペースト
化が困難になり、他方１５雷量部を超えると、接合工程
で加熱するとき炭素が残留しやすくなって接合強度の低
下を招くおそれがあるからである。より好ましいアクリ
ル系バインダの配合量は、金属ろう材粉末１００重量部
に対して５〜１０重量部である。

本発明のペーストにおいては、流延性を増すため有機溶
剤を加える。このような溶剤としては、テレピネオール
、ジエチレングリコール、モノ−ローブチルエーテルな
どがある。この溶剤はペーストの加熱前に乾燥によって
揮発する。

次に本発明のろう材ペーストによる金属とセラミックス
の接合について説明する。まず、少なくとも１種のＩＶ
ａ族元素を含有する金属ろう材粉末と、カルボキシル基
を置換基として含有するアクリル系バインダと、有機溶
剤とからなるろう材ベストをセラミックスの接合部にス
クリーン印刷法、ポツティング法等により塗布して所望
形状のペースト層を形成する。つづいて、前記ペースト
層上に金属を載置した後、窒素を主体とする雰囲気中で
加熱して金属をセラミックスに対して接合する。

本発明の電子部品におけるセラミックス基板としては、
セラミックスだけからなるもの、セラミックス基材の表
面に導体層が形成されたもの、又はセラミックス基材の
表面と内部に導体層が形成されかつ内部の導体層間や表
面の導体層と内部の導体層を接続するためのスルーホー
ルが形成されたものなどがある。またその材料としては
、例えばＡｇ２Ｏ３を主成分とするもの、ガラスセラミ
ツクス、ＢａＳｎ　（ＢＯ３）　、ホウケイ酸鉛系ガラ
ス、ホウケイ酸亜鉛系ガラスなどの低温焼成セラミック
ス、例えば窒化アルミニウム、炭化ケイ素などの高熱伝
導性のもの等を挙げることができる。ここで窒化アルミ
ニウムとしては、窒化アルミニウム単独の焼結体の他に
、Ｙなどの希土類元素やＣａなどのアルカリ土類元素を
焼結助剤として含む焼結体を用いることができる。

本発明のろう材ペーストでセラミックスと接合する金属
としては、例えば入出力用端子ビン、リードフレームな
どの端子がある。

本発明においては窒素ガスを主体とする雰囲気下でろう
材を加熱することができるが、このような雰囲気は、窒
素ガス単独の雰囲気だけでなく、酸素を２０　ｐｐｍま
で含む窒素ガス雰囲気でもよい。

こうした雰囲気は例えばトンネル炉内で実現できる。ま
た、このような雰囲気下におけるセラミックスと金属を
ろう材ペーストを介して接合する際の加熱は、該ろう材
ペースト中の金属ろう材の融点より高い温度でかつろう
材より高い融点を有する金属の融点以下で行、えばよい
。例えばＡｇろう材を用いた場合には、８００〜８５０
　’Ｃで加熱する。

本発明のろう材ペーストによれば、セラミックス（例え
ばセラミックス回路基板）に金属（例えば入出力用端子
ビン）を、窒素ガスを主体とする雰囲気中で加熱す゛る
ことによって高精度、高密度かつ高強度な金属とセラミ
ックスの接合が達成される。即ち、ＩＶａ族元素及び融
点がろう材より高い金属を添加したろう材をペースト化
することによって、印刷法等の塗布手段を採用できるた
め、金属ろう材のみを用いる場合に比べて、セラミック
スの接合領域に高精度かつ高密度でろう材ペーストの接
合層を形成できる。また、窒素ガスを主体とする雰囲気
中での加熱によって、ろう材ペースト中の金属ろう材が
融液となるが、その融液中の活性化されたＩＶａ族元素
の作用により、金属ろう材がセラミックス基材を良好に
濡らすため、高強度の接合が可能になる。さらに融点が
ろう材より高い金属により、ペーストの脱ガスがろう材
ペーストを飛散することなく行われるため、絶縁性か不
良になることもない。しかも、ペースト中のアクリル系
バインダは、前記雰囲気中での加熱により容易に分解す
るため、接合部に濡れ性を阻害する炭素が残留するのを
防止できる。このように本発明によれば、真空炉での接
合を必要とする従来技術に比べ、例えばセラミックス回
路基板に入出力用端子ピンを接合したセラミックスパッ
ケージを信頼性よく簡単な工程で量産できる。

（実施例） 実施例］ 以下、本発明の実施例を第１（ａ）図及び第１（ｂ）図
を参照して説明する。

まず、融点がろう材より高い金属がＭｎであるものを示
す。Ｍｎの含有量が１．３．５．１０．４０及び５５重
量％で、Ｔｉの含有量が５重量％、残部がＡｇ及びＣｕ
からなる金属ろう材粉末１００重量部に、置換基として
Ｃ０ＯＨ基を３重量％含有するアクリル系樹脂（アクリ
ル酸エステル二分子ｍｌｏ、０００）を５重量部それぞ
れ配合し、これらをテレピネオールで溶解した後、乳鉢
により１時間混練し、Ｍｎの含有量が異なる６種のろう
材ペーストを調製した。

次いで、第１（ａ）図に示すように内部にタングステン
導体層６を有するＡρＮセラミックス５でできた多層回
路基板１を用意し、該回路基板１のスルーホール２にタ
ングステンを充填したビン取り付は位置に直径１　ｍｍ
の印刷部が打ち抜かれた厚さ２００μｍのステンレスス
クリーン（図示せず）を設置し、上記ペーストをこのス
クリーンに流延してビン取付は位置にスクリーン印刷し
た。

次いで１２０℃で１０分間乾燥してテレピネオールを蒸
発させろう材ペースト層３を形成した。続いて、ろう材
ペースト層３に４２％Ｎ１−ＦｅＫの入出力用端子ビン
４を炭素治具（図示せず）を用いて当接させ、位置ずれ
のないように保持した。

引き続いて端子ビン４を炭素治具で保持した状態でベル
ト式トンネル炉（図示せず）内に送込み、該トンネル炉
内の酸素濃度１６　ｐｐｍの窒素ガス雰囲気中で８３０
°Ｃで１０分間加熱して、第１（ｂ）図に示すように回
路基板１に端子ピン４が金属ろう材層７を介して接合さ
れた６種のセラミックスパッケージ９を製造した。

得られた各セラミックスパッケージのうち、ペースト中
のＭｎ含有量が１重１％であったものは、ペーストが飛
散して外観が不良であった。またペースト中のＭｎ含有
量が５５重量％のセラミックスパッケージも加熱後表面
に凹凸ができて外観不良であった。これに対し、Ｍｎ含
有量が２〜４０重量％のペーストを用いたセラミックス
パッケージは、回路基板とビンとの濡れ性が良好であっ
た。

ビンの回路基板に対する密着強度を１ｎｓｔｒｏｎ社製
の引張り試験機により測定したところ、平均で１０ｋｇ
ｆ／ビン、最低でも６Ｋｇｆ／ビンと極めて強固であり
、かつ強度のばらつきの小さい接合がなされていること
が確認された。また、ビン４とタングステン導体層６の
間の抵抗値を導通テストにより１ｉｌＪ定したところ、
従来のタングステンを充填したスルーホールを下に有す
るタングステン導体部上にＮｉメツキを施した後、端子
ピンをＡｇろう利で接合した場合と比べ、抵抗値の増加
は５０ｍΩ以下と少なかった。また全てのビンがスルー
ホールの導通部に良好に導通されていることが確認され
た。

実施例２ 次にＷ粉末を含有するペーストを用いて、実験を行った
。実施例１と同様の方法でＷの含有量がそれぞれ１．３
．８．１０．３０及び６０重量％で、Ｔｉ、金属ろう材
、バインダの含全は実施例１と同一である。以上のペー
ストを６種類調製した。次に実施例１と同様にして入出
力用端子ビンをＡ、ＱＮ基板に当接して６種のセラミッ
クスパッケージを製造した。得られた各セラミックスパ
ッケージのうちＷの含有量が１重量％のペーストを用い
て接合したパッケージは、ろう材が飛散して外観が不良
であった。他方Ｗ含有量が６０重量％のペーストで接合
したパッケージは、ＡρＮへのろう材の濡れ性が低下し
、接合強度もＩＫｇｆ／ピン以下と低かった。これに対
しＷ含有量が３．８．１０及び３０重量％のペーストを
用いたものは回路基板とビンとの濡れ性が良好であり、
密着強度の測定においては最低で５．５ｋｇｆ／ピンと
極めて強固であり、かつ強度のばらつきの少ない接合が
なされていることが確認された。

［発明の効果コ 以上説明したように、本発明によれば回路基板等のセラ
ミックスと入出力用端子ビンなどの金属を、真空炉を用
いずにＮ２ガスなどの雰囲気下でろう材の飛散なしにか
つ高強度で接合できる。その結果高密度なセラミックス
パッケージの量産も可能になる。

【図面の簡単な説明】

第１（ａ）図及び第１（ｂ）図は本発明のペーストを用
いたセラミックスパンケージの製造工程を示す断面図で
ある。 ３・・ろう材ペースト、４・・・端子ビン、５・・・セ
ラーミックス基板。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）金属ろう材粉末に少なくとも１種類のIVＡ族元素
   及び融点が該ろう材より高い金属を含有させたことを特
   徴とする金属−セラミックス接合用ろう材ペースト。
2. （２）前記金属ろう材粉末中のIVＡ族元素の含有量が２
   〜１５重量％、及び前記融点がろう材より高い金属の含
   有量が２〜５０重量％であることを特徴とする請求鋼１
   記載のペースト。
3. （３）請求項１又は２記載のペーストを用いて端子がセ
   ラミックス基板に接続されたことを特徴とする電子部品
   。