JPH0292887A - セラミック基材への銅膜形成法 - 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、電気回路の基板等となるセラミック基材へ
の銅膜形成法（銅メタライズ法）に関する。

〔従来の技術］ 従来、セラミック基材への銅膜（金属銅ＩＪ）の形成法
として、湿式メツキ法あるいは乾式メツキ法が広く行わ
れている。この湿式メツキ法とは、いわゆる無電解メツ
キ法、電解メツキ法のことであり、セラミック基材に対
するｍ膜の密着力を上げるため、銅膜形成前に、予めセ
ラミック基材表面を粗化するようにしている。また、乾
式メツキ法は、真空蒸着、スパッタリング、イオンブレ
ーティング、溶射等を総称するものである。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかしながら、上記従来法により形成された銅膜は、セ
ラミック基材に対する密着力が充分ではない、という問
題があった。これは、銅膜とセラミック基材との接合は
、主としてアンカー効果に依存する機械的なものである
のだが、このアンカー効果が不充分になりやすいためで
ある。

これを具体的に、セラミック基材に対する無電解銅メツ
キの場合を例に説明すると、同法では、まずセラミック
基材表面にＰｄを付着させ、次いでこのＰｄを核として
Ｃｕ粒子を析出させるのであるが、強い密着力を得るた
めに、上記のように、予めセラミック基材の表面を粗化
しておく、といった工夫がなされている。すなわち、セ
ラミック基材表面を粗化しておくことにより、Ｐｄ核は
セラミック基材表面の凹凸部、つまりセラミックス粒子
間の隙間に入り込んで付着し、それを核としてＣｕ粒子
が析出していくようになるため、形成された銅膜はセラ
ミック基材表面の凹凸に対して機械的に引っ掛かった状
態となり、これにより密着力を得ているのである（アン
カー効果）。

ところが、この方法では、連字の場合、セラミック基材
を処理液（Ｐｄイオンを含む混合溶液）に浸ｌ責してＰ
ｄを付着させるようにするため、セラミックス粒子間の
非常に狭い隙間にまでＰｄを付着させることは困難であ
る。また、銅粒子の析出によりセラミックス粒子間の隙
間が表面付近で塞がれてしまい、そのため、セラミ・ツ
ク基材表面の凹凸に銅粒子が充分に入り込まないうちに
膜が形成されてしまう。その結果、アンカー効果は不充
分なものとなり、強い密着力を得ることは非常に困難に
なるのである。

他方、たとえば、スパッタリング法により９６％アルミ
ナ基板に銅をメタライズして作製した、セラミック回路
基板の銅電極にリードビンをろう接した場合、銅膜とア
ルミナ基板間の密着力は、ろう接を行う前は２．５　ｋ
ｇｆ／−であったものが、ろう接を行うことにより、０
．６ｋｇｆ／−にまで劣化することが、発明者による実
験で確認されている。

これでは、密着力が弱すぎて、回路基板としての実用に
は即しない。このよ・うに、ろう接により密着力が低下
する原因としては、ろう接温度下での銅とセラミックス
との熱膨張率差、銅の結晶粒成長、およびろう接により
銅膜とアルミナ基板との間に加わる応力等が推察される
が、加えて、アンカー効果の弱さゆえに、ろう接による
密着力の低下がより一層大きくなったものと考えられる
。

以上の事情に鑑み、この発明は、ろう接によっても低下
しない高度な密着力を有する銅膜を、セラミック基材上
に容易に形成できる方法を提供することを課題とする。

〔課題を解決するための手段〕

上記課題を解決するため、この発明にかかるセラミック
基材への銅模形成法では、セラミック基材上に金属銅膜
を形成するにあたり、前記セラミック基材上にｉｌｌ化
合物膜を形成したのち、熱処理により同銅化合物膜を金
属銅膜に還元するようにする。

また、別法としては、セラミック基材上に銅化合物膜を
形成したのら、同銅化合物膜上にさらに金属銅膜を形成
し、次いで熱処理により前記銅化合物膜を金属銅膜に還
元することもできる。

なお、特公昭５９−２４５５８号公報には、銅薄膜から
なる配線パターンを有する配線基板の製法において、酸
化銅と共晶反応する金属酸化物よりなる下地絶縁体くた
とえばアルミナ基板）上に、■酸化↑１−１薄膜、およ
び■金属銅薄膜（配線パターン形成用）をこの順に形成
した後、これを中性雰囲気下で焼成して前記下地絶縁体
と酸化銅■とを共晶させることにより、付着性の良好な
金属銅薄膜（配線パターン）■を有する配線基板を得る
技術が開示されている。

〔作　用〕

この発明では、セラミック基材上にいったん銅化合物膜
を形成してから、熱処理により、この銅化合物を金属銅
に還元１分解するのであるが、その際生成する金属銅は
非常に活性であって、セラミックス粒子に対する“濡れ
”が良好である。したがって、第２図にその一例（断面
）を模式的に示したように、銅化合物膜２の金属銅膜３
への還元時に、金属銅は生成と同時にセラミック基材１
表面の微細な凹凸の隙間４・・・に拡がり、同隙間４・
・・を埋めて非常に強力なアンカー効果を生ずるのであ
る。さらに、加熱処理後の冷却時には、熱膨張率の差に
より、生成した金１ｉｉ１１１膜３がセラミック基材に
対して圧縮応力をかけるため、このアンカー効果はさら
に強力なものとなる。

また、セラミック基材上に銅化合物膜を形成したのち、
同銅化合物膜上にさらに金属銅膜を形成し、次いで熱処
理により前記銅化合物膜を金属銅膜に還元するようにす
ると、銅化合物膜２上の場合に比べて、膜厚の大きい金
属銅膜を容易に得ることができる。

〔実　施　例〕

以下に、この発明を、図面を参照しつつさらに詳しく説
明する。

基材となるセラミックスとしては、特に限定されず、任
意のものを用いることができる。具体的には、たとえば
、アルミナ、マグネシア、ジルコニア、ムライｌ−，コ
ージェライト等の酸化物系セラミック基材、あるいは、
窒化アルミニウム、窒化ケイ素、窒化ホウ素、炭化ケイ
素等の各種非酸化物系セラミックスが挙げられる。これ
らのセラミック基材表面は、必要に応じて、常法に従い
、物理的、化学的に粗面化しておいてもよい。

上記セラミック基材表面に、まず、任意の銅化合物膜を
形成する。この銅化合物としては、還元により金属銅と
なるものであれば、特に限定はされないが、たとえば、
酸化銅、硫化銅などが好例として挙げられる。膜の形成
方法についても、特に限定はないが、たとえば、酸化銅
膜の場合、無電解メツキ法により直接酸化銅膜を形成す
る、あるいは、無電解メツキ３真空蒸着、スパッタリン
グ等の方法により金属銅膜を形成したのちこれを酸化雰
囲気下で加熱処理して酸化させる、等の方法が挙げられ
る。硫化銅膜の場合では、酸化銅膜と同様に金属銅膜を
形成した後、硫化水素ガス中で加熱処理するか、あるい
は、硫化カリウム（ＫＳ）と塩化アンモニウムの混合水
溶液を使用して硫化する、などの方法が挙げられる。

こうして、第１図にその断面例を模式的に示したように
、セラミック基材１上に任意の銅化合物膜２を形成した
後、これに熱処理を施して金属銅膜３に還元するのであ
るが、場合によっては、銅化合物膜２上に、さらに常法
により金属銅膜３を形成し、そののち熱処理を行うよう
にして、より厚い金属銅膜３を得ることもできる。いず
れの構成においても、形成される銅化合物や金属銅の各
膜厚は、特に限定されない。

熱処理条件については、上記銅化合物が金属銅に還元さ
れるように設定すればよく、特に限定はされない。たと
えば、雰囲気に関しては、非酸化性雰囲気下、すなわち
、還元性あるいは不活性（中性）ガス雰囲気（Ｈｚ、Ｎ
ｚ等）、または真空雰囲気下で行う必要がある。大気の
ような酸化性雰囲気下では、たとえば酸化銅のような銅
化合物が還元され難く、また、硫化銅の場合は分解した
後に酸化されてしまい、最終的に金属銅膜を得ることが
できなくなる。温度に関しては、前記のような雰囲気下
で任意の銅化合物を還元１分解して金属銅にするのに必
要な温度以上であればよい。

ただし、銅の融点（１０８３℃）以上になると、銅膜の
形状が損なわれてしまうことから、上記融点未満に設定
するとよい。具体的には、５００℃以上１０８３℃未満
の温度範囲が好ましい。すなわち、５００℃未満では金
属銅への還元が困難になる恐れがあり、１０８３℃以上
では銅が融解して、銅膜の形が崩れてしまうためである
。

この加熱処理により、銅化合物は還元８分解され、セラ
ミック基材上には、強力なアンカー効果を受けて密着力
に優れた金属銅膜が形成されるのである。

続いて、この発明のさらに詳しい実施例について、比較
例と併せて説明する。

一実施例１ 無電解メツキ法を用いて、アルミナ基Ｆｊ、（Ａ１．０
．９６％）に厚み１０μ讃の酸化銅膜を形成した。次い
で、この基板に対し、水素雰囲気下、８００℃／３０分
間の加熱処理を行い、金属銅膜を形成した。

実施例２− スパッタリング法を用いて、窒化アルミニウム基板（Ａ
ＩＮ９８％）に厚み５μｍの銅膜を形成した後、これを
酸素雰囲気下で５００°Ｃ／１時間の加熱処理して酸化
させ、金属銅を全て酸化銅に変えた。次いで、この基板
に対し、水素雰囲気下、７００℃／３０分間の加熱処理
を行い、金属銅膜を得た。

一実施例３− スパッタリング法を用いて、アルミナ基板（Δ＋ｚｏ＊
９６％）に厚み０．４μ璽の銅膜を形成した後、加熱し
た“硫化銅生成溶液”　（ＫｚＳ：１５ｙ、ＮＨ４ＣＩ
：１０Ｂ、Ｈ２０：１ｊり中に１分間浸漬して、金属銅
を完全に硫化させた。次いで、得られた硫化銅膜上に、
再びスパッタリング法を用いて厚み１０μｍの銅膜を形
成し、その後、この基板に対し、窒素雰囲気下で９００
℃／１０分間の加熱処理を行って金属銅膜を完成させた
。

実施例４− アルミナ基板（ＡＩ！０ｔ９６％）を水酸化ナトリウム
を用いて粗面化した後、無電解メツキ法により厚み２ｐ
■の銅膜を形成した。次いで、この基板を、上記実施例
３と同じ組成の“硫化銅生成溶液”　（５０℃）中に５
分間浸漬して、金属銅を完全に硫化銅とした。その後、
得られた基板に対し、水素雰囲気下で１０００℃／１０
分間の加熱処理を行い、金属銅膜を完成させた。

実施例５− 真空蒸着法により窒化アルミニウム基板（ＡｔＮ９８％
）に厚み０．５　ｔｔ＊の銅膜を形成したのち、大気雰
囲気下で５００℃／３０分間の加熱処理を行い、金属銅
を全て酸化銅にした。次いで、得られた酸化銅膜上に、
スパッタリング法を用いて厚み１０μの銅膜を形成した
。その後、この基板に対し、窒素雰囲気下、８００℃／
１０分間の加熱処理を行い、金属銅膜を完成させた。

−比較例− 窒化アルミニウム基ｔ＆（ＡｔＮ９８％）に、スパッタ
リング法を用いて厚み５μ重の金属銅膜を形成した。

得られた実施例および比較例の金属銅膜について、それ
ぞれ、以下のサンプルを用いて垂直引張り試験を行い、
銅膜完成直後およびリードビンろう接後の接合強度を測
定した。

すなわち、得られた各基板上の金属銅膜を、塩化第二銅
を用いて２ｍｌ１φの円形パターンにエツチングし、さ
らにこの円形パターン上に、電解ニッケルメッキにより
５ｐ盪のニッケル膜を形成した。

銅膜完成直後の強度測定用サンプルとしては、得られた
ニッケル膜上に０．８　鶴φのスズメツキ軟銅線をハン
ダ付けしたものを用いた。リードビンろう接後の銅膜の
強度測定用サンプルとしては、０゜４５龍φのＦｅ−４
２Ｎｉ合金（インバー・４２アロイ；Ｎｉ４２％、Ｆｅ
５８％）で作製した引張り試験用リードビンを、銀ろう
“ＢＡｇ−８”（Ａｇニア２％、Ｃｕ：２８％、共晶温
度７８０’ｃ　）を用いて上記ニッケル膜上にろう接し
たものを用いた。ろう接は、Ｈｚ　＋　Ｎ　２　フォー
ミングガス中で行い、ろう接プロファイルについては、
８３０゛Ｃまで２０分間かけて昇温し、１分間保持後３
０分間かけて室温まで冷却した。

以上の結果を、第１表に示す。

第　　１　　表 第１表にみるように、この発明の実施例では、形成され
た銅膜は非常に強固にセラミック基材に接合しており、
リードビンをろう付けしても、なお高度な接合強度を維
持している。それに対して比較例では、銅膜の接合強度
が低く、リードビンのろう接により、さらに著しく劣化
している。

〔発明の効果〕

以上述べたように、この発明にかかるセラミック基材へ
の銅膜形成法により得られた金属銅膜は、セラミック基
材に対して非常に強いアンカー効果を生じるために、高
度に優れた接合強度を有している。この接合強度は、ろ
う接処理によってもほとんど低下しないことから、高い
接合強度を有するろう接部材を得ることが可能である。

【図面の簡単な説明】

第１図および第２図は、この発明のセラミック基材への
銅膜形成法を模式的に説明する断面図である。 ｌ・・・セラミック基材　２・・・銅化合物膜　３・・
・金属銅膜 代理人　弁理士　　松　本　武　彦

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １　セラミック基材上に金属銅膜を形成するにあたり、
   前記セラミック基材上に銅化合物膜を形成したのち、熱
   処理により同銅化合物膜を金属銅膜に還元することを特
   徴とするセラミック基材への銅膜形成法。 ２　セラミック基材上に金属銅膜を形成するにあたり、
   前記セラミック基材上に銅化合物膜を形成したのち、同
   銅化合物膜上にさらに金属銅膜を形成し、次いで熱処理
   により前記銅化合物膜を金属銅膜に還元することを特徴
   とするセラミック基材への銅膜形成法。