JPH0427195B2 - - Google Patents

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JPH0427195B2
JPH0427195B2 JP1096541A JP9654189A JPH0427195B2 JP H0427195 B2 JPH0427195 B2 JP H0427195B2 JP 1096541 A JP1096541 A JP 1096541A JP 9654189 A JP9654189 A JP 9654189A JP H0427195 B2 JPH0427195 B2 JP H0427195B2
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JP
Japan
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copper
metal
bonding
substrate
eutectic
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Application number
JP1096541A
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English (en)
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JPH01308885A (ja
Inventor
Ansonii Kusano Dominiku
Ansonii Raufuran Jemusu
Edomondo San Yuennshengu
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
General Electric Co
Original Assignee
General Electric Co
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Publication date
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Application filed by General Electric Co filed Critical General Electric Co
Publication of JPH01308885A publication Critical patent/JPH01308885A/ja
Publication of JPH0427195B2 publication Critical patent/JPH0427195B2/ja
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Description

【発明の詳細な説明】
本発明はセラミツクのごとき基体に金属を直接
結合する方法に関するもので、更に詳しく言え
ば、かかる結合操作を不活性雰囲気中において実
施する方法に関する。 セラミツクまたは他種金属に金属を結合すると
いう一般的な主題は別に新しいものではない。か
かる方法はかなり長期間にわたつて数多くの業界
の関心の的となつてきた。たとえば、点火プラグ
製造業者は点火プラグの金属ベースにセラミツク
絶縁体を結合する問題に長いこと取組んできたの
である。 金属部材に非金属部材を結合するためには、こ
れまで様々な方法が使用されてきた。かかる方法
の一例に従えば、金属化すなわち結合を行うべき
部材上に水素化チタンとろう付け金属（たとえば
銅、銀または金）との混合物が配置される。次
に、ろう付け金属の存在下で加熱を行うことによ
つて水素化チタンが解離させられる。この方法の
場合、加熱は純粋な乾燥窒素のごとき非酸化性雰
囲気中において行うことが好ましい。かかる方法
の典型例は米国特許第2570248号明細書中に記載
されている。 セラミツクに金属を結合するための別の方法は
フイリツプス研究所のジエー・テイー・クロンプ
（J.T.Klomp）によつて記載されている。この方
法は、酸素親和性の低い金属をたとえば１Kg／cm2
の高圧下でセラミツク上に設置するというもので
ある。酸素親和性の低い金属を使用した場合に
は、「酸化被膜を破壊して金属−セラミツク間の
接触を得るため」十分に高い圧力が要求される。
それ故、この方法は結合を達成するために極めて
高い圧力を使用する。かかる方法は多くの用途に
とつて望ましい結合を生じ得るものであるけれ
ど、最も望ましい結合系と言えば高圧を必要とす
ることなく銅とセラミツク基体との間に生み出さ
れた直接結合であることは言うまでもない。 金属結合を生み出すための別の方法はジエーム
ズ・イー・ベツグス（James E.Beggs）の米国
特許第2857663号明細書中に記載されている。基
本的には、この方法は周期表の第ｂ族に属する
チタン族金属と銅、ニツケル、モリブテン、白
金、コバルト、クロムまたは鉄のごとき合金金属
とを使用するものである。かかる合金金属および
チタン族金属の１員を耐火性金属材料または非耐
火性金属材料と金属材料との間に配置し、そして
共晶液相線を与える温度に加熱すれば、隣接する
部材間に強固な結合が生じる。この方法は多くの
用途にとつて満足できるものであつたが、結合の
完全性を改善し、金属部材と耐火性非金属部材と
の間の熱伝導率を大きくし、かつ耐火性非金属部
材上に電流容量の大きい導体を設置することが所
望されたため、研究者達は非金属に金属を結合す
るその他の方法をなおも探求してきた。 ２個の金属部材間の結合を生み出すためには各
種の方法があつた。たとえば、ある種の金属はは
んだの使用によつて互いに結合できる。また、ア
ーク溶接や点溶接のごとき溶接方法によつて互い
に結合される金属もある。互いに直接結合するこ
とのできない金属の場合には、一般に中間金属部
材の使用によつて結合が生み出される。しかし、
以上の方法は要求の厳しい用途（たとえば集積回
路の製造）に適合しないことが多く、またたとえ
適合したとしても経済的に引合わないことが多
い。 更に近年になると、結合剤として金属と気体と
の共晶のみを使用することによつて金属に金属を
結合する方法およびセラミツクに金属を結合する
方法が開発された。これらの方法はいずれも本発
明の場合と同じ譲受人に譲渡されたバージエス
（Burgess）等の米国特許第3744120号およびバブ
コツク（Babcock）等の同第3766634号明細書中
に記載されている。以上の特許明細書中に記載さ
れた金属−気体共晶法に従えば、先ず結合すべき
金属がセラミツクまたは金属基体上に配置され
る。次にかかる集合体が反応性気体の存在下にお
いて、金属の融点よりは低いが金属と気体との共
晶を生成させるためには十分に高い温度にまで加
熱される。この方法はある種の用途に対しては成
功をおさめたけれど、更に一層の改良が望まれ
た。改良が望まれた理由の１つは、気体と金属と
の間に反応が起ることである。特に要求の厳しい
用途の場合、これは問題を引起すことがある。た
とえば混成電子回路用としてセラミツクに銅を結
合する場合、反応性雰囲気を使用すると銅上に酸
化銅被膜が生成され、そのため酸化物除去工程が
必要となることがある。 従つて、従来技術における上記の欠点を解決し
ながらセラミツクまたは金属基体に金属を直接結
合する方法を提供することが本発明の目的の１つ
を成している。 ウイリアム・エフ・ルーテンス（WilliamF.
Lootens）の米国特許第3599057号によつて例示
されるような加圧実装−両側冷却型半導体パツケ
ージは、電力半導体分野において広く使用されて
いる。かかるパツケージは、幾つかの特徴によ
り、半導体装置設計者にとつて極めて魅力あるも
のとなつている。たとえば、それは丈夫であり、
半導体ペレツトに気密保護をもたらし、しかも実
質的な量の熱を放熱器（heat sink）へ効果的に
伝達する。 しかしながら、かかるパツケージは安価に製造
できるわけではない。経済上の問題点は１つは金
属接点アセンブリとセラミツクハウジングとの間
に生み出されなければならない結合に由来してい
る。その結合は、考えられるいかなる酷使にも耐
えるだけの丈夫さを有すると同時に、気密性をも
保証するものでなければならない。もしかかる結
合を一層安価に生み出す方法があれば、それは半
導体装置設計者の関心を呼ぶに違いない。 本発明はセラミツクまたは金属基体に金属を結
合する方法に関するものである。ろう付け金属な
どの中間層は存在しないため、こうして生み出さ
れた結合は直接結合であると見なされる。結合剤
は使用されるが、後記において明らかになるごと
く結合剤の量は極めて少ない。かかる結合剤は、
金属との間に、大部分がその金属から成るような
共晶合金を生成するものとして選ばれる。共晶温
度は金属の融点よりも低くなければならないが、
それに比較的接近していた方が好ましい。 セラミツクまたは金属から成り得る特定の基体
に特定の金属工作物を結合するためには、制御さ
れた少量の結合剤が系内に導入され、それから基
体上の結合すべき場所に工作物が配置される。次
に、金属と基体との間に亜共晶融体を生成させる
のに十分な時間、少なくとも２〜３秒にわたり金
属および基体が不活性雰囲気中において共晶温度
と金属の融点との間の温度に加熱される。かかる
融体を冷却して凝固させれば、結合が生じるわけ
である。 存在する結合剤の量は、少なくとも操作終了時
には結合剤と金属との混合物が全ての場所におい
て亜共晶となるように注意深く制御される。かか
る混合物が亜共晶であるため、融体中には２つの
相すなわち液体共晶合金および金属のみが存在す
る。析出または遊離した結合剤は存在しない。従
つて、金属は本来の性質（たとえば正常の耐熱性
や電気抵抗）の大部分を保有している。また、亜
共晶領域において操作が行われる結果、金属が主
として固体状態に留まるという利点も追加され
る。従つて、それの寸法および製造の一体性並び
に良好な表面品質が維持されることになる。 金属と結合剤とを合体させるためには、幾つか
の方法が選択可能である。加工上の見地からすれ
ば、十分量の溶解または析出した結合剤を含有す
る金属を選ぶことが最も容易な方法である。たと
えばタフピツチ電解銅の中には、それ以上の酸素
を添加しなくても、アルミナまたはベリリアのご
ときセラミツクへの直接結合を可能にするだけの
量の酸素を含有するものがある。 別の方法によれば、制御された量の結合剤を金
属と予め反応させることにより、２種の物質の化
合物の極めて薄い層が金属の表面上に生成され
る。かかる反応は任意の通常方法によつて実施す
ればよい。かかる化合物の薄層は金属のいずれの
側に存在していてもよいことが判明している。か
かる化合物が金属の一方の側だけに設置され、し
かもそれが結合操作時に基対の反対側にあつたと
しても、十分な時間さえかければ、結合温度下の
金属を通つて十分量の結合剤が拡散することによ
り結合が生じるのである。 結合剤を導入する更に別の方法は、粒状の結合
剤ないし結合剤と金属との化合物を基対または金
属上に付着させるというものである。次いで、基
体および金属が最終的な結合状態に重ね合わさ
れ、それから前述のようにして操作が進められ
る。粒状物質を付着させる際には、その取扱いを
容易にするためバインダーを使用することが好ま
しいものと判明している。ただし、かかるバイン
ダーは結合温度以下で蒸発するものとなるように
選ぶことが好ましい。 当業者には言うまでもないが、あらゆる基体に
あらゆる金属が結合するわけでないことは勿論で
ある。更にまた、特定の基体に特定の金属を結合
する結合剤が他の基体に同じ金属を結合するとは
限らないことも知られている。たとえば、セラミ
ツク基体に銅を結合するための結合剤として酸素
を使用することは非常に有効である。しかるに、
酸素はステンレス鋼に銅を結合するための結合剤
としては作用しない。また、硫黄は銅とステンレ
ス鋼との結合剤として有効に作用するが、銅とセ
ラミツク基体との結合剤としては働かない。この
ような挙動の理由はまだ十分に解明されていな
い、とは言え、金属と結合剤との共晶が基体を濡
らさなければならないことは知られている。更に
また、基体と共晶との間には潜在的に安定な化合
物が存在しなければならず、もしかかる化合物が
生成されなければ強固な結合は生じないことも理
論づけられている。しかし、これは理論に過ぎな
い。それでもなお、前述の通り、金属、基体およ
び結合剤のあらゆる可能な組合せが結合するわけ
でないことは直接結合技術界の当業者にとつて公
知である。それ故、前記特許請求の範囲は結合を
生じるような組合せのみを包含するものとして読
む必要がある。 選ばれた結合剤が金属および基体に適合してい
ること、すなわちそれが直接結合を生み出すこと
を仮定すれば、本発明方法に対するそれの適合性
を評価するためのメリツト数を容易に求め得るこ
とが見出された。メリツト数とは、金属および結
合剤に対する状態図上において金属の融点と共晶
点とを結んだ直線の勾配の絶対値である。このメ
リツト数は１〜100℃／原子％結合剤の範囲内に
あることが好ましい。また、メリツト数が約10
℃／原子％結合剤であれば一層好ましい。後記に
説明される理由により、共晶温度および金属の融
点は比較的接近していることが望ましい。また、
既に述べかつ後記にも説明される通り、共晶は大
部分が金属から成ることが望ましい。メリツト数
が大きいことは共晶中における結合剤の割合に比
べて融点と共晶温度との隔たりが比較的大きいこ
とを表わし、またメリツト数が小さいことは共晶
中に比較的多量の結合剤が存在することを表わ
す。 本発明の方法を使用して製造される装置の例と
しては、加圧実装−両側冷却型半導体パツケージ
が挙げられる。環状セラミツクハウジングの上端
および下端の周辺に上部および下部金属接点アセ
ンブリを連結すれば、かかる半導体パツケージが
得られる。その場合の連結は結合剤の存在下で金
属とセラミツクとを直接結合すれば達成される。
かかるパツケージの内部には通常の半導体ペレツ
トサブアセンブリが保持される。このような直接
結合技術は他のセラミツク金属化技術よりも経費
が安くかつ信頼性が高いことが判明した。 かかるパツケージの１つの製造方法に従えば、
先ず、セラミツクハウジングの下端および上端に
それぞれ下部金属接点円板および上部金属接点フ
ランジが直接結合される。次に、ハウジング内部
に通常の半導体ペレツトサブアセンブリが配置さ
れた後、上部金属接点フランジの上に上部金属接
点円板が配置されかつ周辺に沿つて溶接される。
その結果、丈夫で完全に気密の半導体パツケージ
が得られることになる。 その際、セラミツクとしてアルミナを、金属と
して銅を、かつ結合剤として酸素を使用すれば、
優れた密着性および気密性の得られることが判明
した。 一層大形の接点が所望される場合には、各々の
接点円板に内側を向いたくぼみを設け、そしてそ
のくぼみの中に大形の金属接点板を設置すればよ
い。 結合操作時にはアセンブリを積重ねてからそれ
に重みを加えるようにすれば、一層良好な結合の
生じることが判明した。そのためには、積重ねら
れたアセンブリを耐火性材料製の物体（たとえば
耐火レンガ）の間にはさんでから、上部耐火れん
がの上におもりを載せるようにすれば簡単であ
る。重量／熱容量比が大きい点から見ると、タン
グステンが優れたおもりとなる。 また、耐火れんがの開口や環状のセラミツクハ
ウジングに整合した肩部を下側接点円板及び接点
フランジの上に形成すれば、組立てが実質的に簡
単になることも判明した。このようにすれが、外
部締付け用具を使用しなくても、正しい位置合せ
および同心性が保証されるのである。 先ず第１図を見ると、界面共晶層２３をはさん
で基体２２に直接結合された金属２１の断面立面
図が示されている。共晶とは後述のごとき金属お
よび結合剤である。共晶層というのは便宜上の名
前であつて、本当は第２〜４図の検討から明らか
になる通り少量の共晶から成るものに過ぎない。
かかる共晶層は実際には主として金属から成るの
だが、まだ十分に解明されていない機構によつて
結合を生み出すに足るだけの共晶を含んでいるわ
けである。基体はセラミツクまたは金属であり得
るが、金属の場合、それは部材２１と同種のもの
であつても異種のものであつてもよい。セラミツ
クという術語は広義に解釈すべきであつて、その
中にはたとえばガラスおよび単結晶質や多結晶質
の固体が含まれる。 前述のバージエスおよびバブコツクの米国特許
（いずれも本発明の場合と同じ譲受人に譲渡され
ている）の明細書中には、反応性雰囲気中におい
て共晶により金属およびセラミツクに金属を結合
する方法が記載されている。後記において明らか
になる通り、これらの特許において使用された方
法は本発明において意図される方法と実質的に異
なつている。とは云え、得られる構造は似ている
から、結合およびその特性を理解するにはこれら
の特許を利用することができる。 バージエス、バブコツクおよび本発明の方法に
共通した特徴の１つは、結合操作が高温下で実施
されることである。詳しく言えば、金属２１およ
び基体２２が結合剤の存在下において金属の融点
よりも低い温度に加熱される。その場合の結合剤
は金属との間に共晶を生成するものであつて、加
熱温度は共晶点を越えるものとする。その結果、
液体共晶を含んだ融体が生じる。かかる融体は基
体を濡らさなければならないから、冷却凝固させ
た後には基体に対する強固な結合が得られること
になる。銅−酸化銅共晶を使用した銅とアルミナ
との結合を例に取れば、1406Kg／cm2（20000ポン
ド／平方インチ）を越える結合強さおよび12.5
Kg／cm（70ポンド／インチ）を越える剥離強さが
達成されている。 任意の金属２１および任意の基体２２を合わせ
て両者間に共晶融体を生成させただけでは、冷却
後に結合が得られるとは限らないことが了解され
るべきである。その結合の性質はまだ十分に解明
されていないが、共晶２３と基体２２との間に何
らかの結合（たとえば共有結合または潜在的な化
合物）が存在しなければならないと信じられてい
る。たとえば、酸化銅共晶はセラミツクとの間に
良好な結合を生じるが、ステンレス鋼とは結合し
ない。この場合には、問題の高温下では酸化銅よ
りも酸化鉄の方が安定であるため、鋼が酸化銅と
の間に結合を生じるよりもむしろ、銅が共晶から
酸素を掃去するものと信じられている。しかる
に、硫化銅はステンレス鋼と良く結合するが銅と
は結合しない。このような問題はかなり以前から
知られてきたのであつて、適切な共晶および基体
の選定は当業者の能力の範囲内にある。かかる選
定はバージエスおよびバブコツクによつて明示さ
れたような公知の有効な組合せに基づいて行えば
よく、また新しい組合せについては単純な試行錯
誤操作による確認を行えばよい。 特定の金属と特定の基体とを結合させるための
結合系の選定は二段操作であると言うことができ
る。第一に、基体に適合した結合剤は選ばなけれ
ばならない。第二に、その結合剤が金属と共にう
まく働くかどうかを判定しなければならない。し
かし本発明は、選ばれた共晶が基体と結合するこ
とを確かめるという問題には関係がない。本発明
は良い共晶を生成するため金属と結合剤との間に
存在すべき相互関係に関する指針を決定してい
る。更に、本発明は改良された結合方法の諸工程
を詳しく規定している。 次に第２図を見ると、銅および酸化第一銅に関
する状態図が示されている。この状態図を検討す
れば、最も関係の深い従来方法およびそれらの方
法と本発明方法との相違点と本出願人等の信じる
ものが明示され、更には従来方法と比べた場合の
本発明方法の利点が説明されることになる。な
お、銅−酸素状態図に関する以下の考察は例証的
なものに過ぎないことを強調しておかねばならな
い。本発明は銅や酸素のみに限定されるわけでは
なく、またここに引用した従来の発明についても
それが言える。状態図中における２つの重要な点
は、1065℃の温度および1.54原子％の酸素含量に
対応する共晶点Ｅ並びに1083℃に位置する銅の融
点である。 最初に、前述のバージエスおよびバブコツクの
米国特許明細書中に記載された方法を考えてみよ
う。それらの特許間における主な相違点は、バブ
コツクの特許がセラミツクに金属を結合する場合
に関係するのに対し、バージエスの特許は金属に
金属を結合する場合に関係することである。しか
しながら、第２図に関する以下の考察では、その
相違点は重要でない。共晶の扱い方に関する限
り、これら２つの方法は全く同じなのである。 前述の通り、結合が生じるのは少なくとも金属
２１と基体２２との界面に存在する共晶２３によ
る。本発明にとつて重要なのは、基体２２との界
面における共晶の組成である。特定の方法に関連
した第２図中の曲線は、それぞれの方法の実施中
における上記界面での共晶の組成（すなわち状態
図上の位置）を表わしている。 バージエスおよびバブコツクの方法に従えば、
基体上に銅が配置され、それから反応性雰囲気中
においてかかる集合体が加熱される。それらの記
載によれば、雰囲気中の反応性成分（考察中の例
では酸素）はほんの一部に過ぎない。たとえば、
かかる反応性成分は雰囲気全体の１％未満であ
る。しかるに、そのような少量の反応性成分から
供給された酸素が共晶を生成し、それによつて結
合を生み出すのである。 バージエスおよびバブコツクの方法を実施する
際にたどる経路は次の通りである。最初、銅２１
と基体２２との界面には酸素が存在しない。従つ
て、曲線は酸素含量＝０原子％の位置にある。時
間の経過および温度の上昇に伴い、銅２１の界面
付近の領域が（残りの全表面と共に）僅かに酸化
され、従つて曲線は酸素含有量＝０原子％の位置
からずれてくる。第２図および拡大された第３図
を観察すれば認められる通り、曲線のずれは高温
になると極めて急速になる。その理由は、系の温
度が融点に近づくに従い、多量の気体が銅中へ拡
散して銅と反応するためである。ひとたび1065℃
の共晶温度に到達すると液体共晶が存在すること
になる。その結果、液体中への拡散の方が固体中
への拡散よりも急速であるため、ずれは益々急速
になる。 例証を目的として述べれば、バージエスおよび
バブコツクの方法を表わす曲線は約1030℃におい
て２本の分岐曲線に分れる。第１の分岐曲線は、
第３図に極めて明確に示される通り、共晶温度を
越えても状態図の亜共晶領域すなわち共晶点の左
方に留まる。第３図に示される通り、亜共晶領域
は金属銅および液体共晶から成る二相組成物を表
わしている。この液体共晶こそ、基体２２を濡ら
し、そして1065℃より低い温度に冷却すれば凝固
して結合を生じるものである。第２図に極めて明
確に示されている通り、集合体が共晶温度よりも
著しく低い温度に冷却された後には、酸素含量は
ほとんど変化しない。 バージエスおよびバブコツクの方法を表わす曲
線の第２の分岐曲線は、雰囲気中からより多くの
酸素が吸収されるようなサイクルに対応してい
る。第２の分岐曲線によつて示されるように酸素
含量を増大させるためには、サイクルの時間幅を
長くし、それによつて系が長時間にわたり高温下
に留まるようにすればよい。サイクルが十分に遅
いか、あるいは雰囲気の酸素含有量が十分に多け
れば、共晶温度に到達するまでに領域２３は共晶
組成以上の酸素を含有することがある。その場合
には、第３図に極めて明確に示される通り、1065
℃以上における領域２３は過共晶となつて固体酸
化第一銅および液体共晶を含有する。この方法の
第１のサイクル例に関連して説明された通り、冷
却後には共晶によつて結合が生み出されるわけで
ある。 バージエスおよびバブコツクの方法の場合、凝
固後の領域２３が金属銅および固体共晶合金から
成ることを考えれば第１のサイクル例の方が好適
であることを強調しておかねばならない。なぜな
ら、領域２３は電気的および物理的に金属銅とは
ほとんど同じであり、従つて電気導体などの一部
として使用できるからである。第２のサイクル例
に従えば凝固後の領域２３は酸化第一銅および固
体共晶合金から成り、従つて金属銅からの性質の
相違が大きい。 英国特許第761045号明細書中に記載された方法
は、予め銅を強く酸化し、その銅を基体上に配置
し、それからかかる集合体を銅の融点（1083℃）
より高いが酸化第一銅の融点（1200℃）よりは低
い温度に加熱するというものである。雰囲気は反
応性または非反応性のいずれであつてもよい。 更に詳しく言えば、この方法は銅上に酸化銅の
層を形成することから始まる。ところで、当業界
において公知でありかつこの英国特許明細書中に
も指摘されている通り、加熱サイクル中に酸化第
二銅はほぼ完全に酸化第一銅に転化する。従つ
て、この方法を表わす曲線は第２図の状態図の右
側に高温下で登場するわけで、これは酸化第二銅
の表層が酸化第一銅に転化したことを示してい
る。更に操作を続ければ、金属は銅の融点より高
い温度に加熱される。この英国特許明細書中に
は、銅は融解するが酸化第一銅は融解しないこと
が強調されている。それ故、ここに規定された方
法が共晶点の右側において実施されることは明ら
かである。なぜなら、もし集合体が亜共晶領域に
おいて1083℃以上となれば、液体だけしか存在し
ないはずだからである。従つて、この英国特許明
細書に従つて実施した場合、凝固後の結合領域２
３は固体の酸化第一銅および共晶合金を含有する
ことになる。 この英国特許の方法を表わす曲線は、酸化第一
銅への転化が完了した後にも左方へ移動し続け
る。なぜなら、ここで問題となる高温下では液体
銅がゆつくりと酸化物と化合して共晶相を生成
し、そのため酸化物領域の銅含量は増大するから
である。 本発明の直接結合法を銅および酸化銅に関して
実施した場合、最も簡単には先ず銅の表面が酸化
銅で酸化させられる。この酸化銅は薄いもので各
種の方法によつて生成させることができる。たと
えば、熱的に生成させても、陽極酸化によつて生
成せても、あるいは化学的に生成させてもよい。
化学的な生成のためには、米国コネチカツト州ニ
ユーヘブン市のエンソン社（Enthone，Inc.）か
らエボノールＣ（Ebonol Ｃ）の名称で販売され
ている酸化性化合物を使用することができる。 米国特許に関連して既に説明した通り、高温下
では全ての酸化第二銅が酸化第一銅に転化する。
従つて、本発明方法を表わす曲線は第２図の状態
図中の純粋な酸化第一銅の位置に高温下で登場す
る。更に加熱を続けながら時間が経過すると、本
発明方法を表わす曲線は極めて急速に左方へ移動
する。ここに示された移動は英国特許の方法に関
連して示された移動よりも急速である。なぜな
ら、本発明方法に従つて生成された酸化物層は英
国特許の方法に従つて生成された酸化物層よりも
遥かに薄いからである。このことは、前述の英国
特許明細書中に記載された方法の場合、銅に寸法
安定性を与えるために厚い酸化物層が使用されて
いることからも明らかである。しかるに、本発明
方法の酸化物は結合操作用の酸化物を供給するた
めにのみ使用されるものである。その上、本発明
方法においては結合領域２３を亜共晶とすること
が意図されるから、酸素の供給量は少なくなけれ
ばならないのである。このように少量の酸素は銅
の表面から急速に拡散し、そのため表面における
銅の相対量は増大する。 後記の条件の範囲内で操作を行えば、1065℃の
共晶温度に到達する以前に結合領域２３の組成を
亜共晶とすることができる。その結果、第３図に
極めて明確に示されている通り、最初の液体が現
われた時の融体は亜共晶である。従つて、凝固に
よつて結合が生じた後の結合領域２３は銅および
共晶合金から成るもので、酸化銅は実質的に含ま
れていない。このように本発明方法が不活性雰囲
気中において実施される結果、高温下でも系内へ
の酸素の追加がなく、そのため最終的な融体が亜
共晶となることは重要である。 第２および３図を検討すれば明らかとなる通
り、バージエスおよびバブコツクの方法もまた上
記のごとき利点を持つた亜共晶結合領域２３を与
えることができる。しかしながら、特に要求の厳
しい用途の場合には、不活性雰囲気中において実
施される本発明方法の方が好ましいことがわかろ
う。なぜなら、本発明方法に従えば、結合操作後
にも銅が強く酸化されることはないからである。 本明細書中において使用される不活性雰囲気と
いう術語は、その雰囲気が関連温度下において金
属２１、結合剤および基体２２に対し不活性であ
ることを意味する。すなわち、窒素のごとき気体
が使用できるわけである。また、本発明方法は真
空中でも効果的に実施できる。要するに、かかる
雰囲気はアルゴンのごとき伝統的な「不活性気
体」の１つである必要はないのである。 次に第４図を見ると、銅−酸素状態図の拡大さ
れた亜共晶部分が再び示されている。なお、銅−
酸化銅系はやはり例証の目的にのみ使用されるも
のであつて、第４図に関連して述べられることは
任意の使用可能な共晶系に対して適用される。 既に指摘された通り、共晶温度より上方かつ固
相線と液相線との間にある亜共晶領域において
は、固体銅および液体共晶から成る二相混合物が
存在する。ここで、1/2原子％の酸素含量および
約1067℃の温度に対応する点Ｘを考えよう。第４
図に示されるごとく一定温度下における点Ｘと固
相線との間の直線距離をＬとし、また点Ｘと液相
線との間の直線距離をＳとすれば、点Ｘにおける
液体共晶の割合はＬ／（Ｌ＋Ｓ）に等しくなる。
従つて、第４図を観察すればわかるように、1/2
原子％の酸素含量および約1067℃の温度に対応す
る混合物は2/3以上が固体銅である。 温度が上昇するに伴い、混合物中の液体は増加
する。やがて、点Ｙによつて表わされる約1078℃
の温度下では、1/2原子％の酸素含量を有する混
合物は2/3以上が液体となる。最後に約1080℃の
温度下では、混合物は一相の液体のみとなる。 本発明方法は最も高い温度下でも領域２３の大
部分が固体であるように制御するのが最良である
と判明している。従つて、操作温度は金属の融点
よりも十分に低くかつ共晶温度に近く保つことが
有利である。たとえば、銅は1072℃で結合するの
が有利である。結合温度を金属の融点よりも十分
に低く保つことのもつ１つの利点は、第４図を更
に検討すれば明らかとなる。点Ｙにおいて、酸素
含量が1/2原子％ではなく不注意から3/4原子％に
なつたとすると、結合領域２３全体が液体となる
ことは明らかである。このような不注意による全
面融解の危険は低い温度下で結合操作を行うこと
によつて削減される。 以上の条件および以下に示すような諸点を考慮
することにより、与えられた共晶混合物が結合用
としてうまく作用するかどいうかを判定するため
のメリツト数が選定された。かかるメリツト数は
第４図に示されるような状態図中の亜共晶領域を
検討することによつて求められらたものである。
すなわち、金属の融点と共晶点とを結ぶ直線を引
いた場合、メリツト数はその直線の勾配を℃／原
子％単位で表わした値である。かかるメリツト数
は１〜100の範囲内にあることが好ましく、また
できるだけ10に近ければ最も好ましい。たとえば
第４図を観察すると、銅に関するメリツト数は約
11.7℃／原子％であつて、これは銅−酸化銅系が
結合用として魅力的な組合せであることを示して
いる。 本発明方法中には、金属と直接接触した結合剤
の固体状態供給源を使用することが要求される。
第５Ａ〜５Ｄ図は、かかる固体状態供給源を結合
系内に導入するための幾つかの方法を示してい
る。なお、これらの図に関する以下の説明の場合
にもやはり銅−酸化銅系が例証の目的で使用され
る。とは言え、これらの方法が銅−酸化銅系にの
み限定されないことは了解されるべきである。 先ず第５Ａ図を見ると、基体２２Ａに隣接した
側に酸化銅層２４Ａを有する薄板２１Ａが示され
ている。銅２１Ａは矢印で示された方向へ移動さ
せることによつて基体２２Ａ上に配置される。銅
２１Ａが基体２２Ａ上に配置されれば、酸化銅層
２４Ａは銅と基体との間にはさまれる。その結
果、銅２１Ａと基体２２Ａとの界面に酸化銅層２
４Ａが暴露されることになる。酸化銅層２４Ａ
は、最終的に生成される結合領域が第２および３
図に関連して説明されたごとく亜共晶となるよ
う、極めて薄いことが好ましい。たとえば、約
200〜5000オングストロームの範囲内の厚さを有
する酸化第二銅層を使用するのがよい。自明のこ
とながら、銅が薄くなるほど薄い酸化銅層を使用
することが好ましく、またその逆も言える。かか
る酸化銅層は極めて薄いため、本明細書中の記載
に際しては、銅２１Ａおよび基体２２Ａが直接に
接触した界面を有するものとして取扱われる。 銅２１Ａが基体２２Ａ上に配置された後、かか
る集合体を不活性雰囲気中において十分な時間に
わたり銅−酸化銅系の共晶温度と銅の融点との間
の温度に加熱すれば、界面に融体が生成される。
前述の通り、その場合の温度は1072℃付近である
ことが好ましい。また、かかる加熱工程は窒素雰
囲気の供給されたトンネルがま内で実施すること
が好ましい。過度の解離を防止するため、温度上
昇はかなり急速に（たとえば室温から共晶温度ま
でを３〜４分以内で）行うべきである。薄い
（0.00254〜0.0254cm（１〜10ミル）の）銅を結合
するためには、共晶温度を越えてから数秒の時間
で十分である。時間が数分を越えることは、銅が
厚い場合でも何ら利益はないようである。このよ
うな時間、温度および酸化銅層の厚さを使用すれ
ば、最終的な融体は亜共晶となる。冷却後、融体
は凝固して結合を生み出す。 もし両面をそのまま酸化する方が簡便であるな
らば、銅２１Ａの下面ばかりでなく上面をも酸化
してよいことが了解されるべきである。そのよう
な場合でも、上面の酸化銅が銅と基体との界面に
おける結合を妨害することはない。 酸化銅は任意適宜の方法によつて生成させるこ
とができる。たとえば、熱的に酸化銅を生成させ
てもよいし、あるいは前記のエボノールＣまたは
その他任意の酸化剤を用いて化学的に酸化銅を生
成させてもよい。更に別の方法は銅上に粒状の酸
化銅を層２４Ａとして付着させるというものであ
る。その場合には、取扱いを容易にするため、粒
状の酸化銅を適当なビヒクルと混合することが好
ましい。付着させるためには、塗布、スクリーン
印刷（Silk Screening）またはその他任意の適当
な技術が使用できる。上記のビヒクルは加熱工程
中に蒸発する有機化合物であり、従つて最終的な
結合領域中には存在しないことが好ましい。かか
る粒状酸化銅の付着が非常に高い酸素含量をもた
らし、そのため最終的な結合領域が過共晶となつ
て全ての銅が融解してしまうかも知れないと思わ
れる場合には、粒状の酸化銅と混合することによ
つて層２４Ａ中の酸素含量を減らせばよい。 厚さ0.0254cm（10ミル）の銅をセラミツクに結
合するための優れた方法は次の通りである。銅の
両面に厚さ1000オングストロームの酸化第二銅が
化学的に生成される。酸化後の銅を基体上に配置
した後、かかる集合体がトンネルがま内に通さ
れ、それにより窒素中において３〜３1/2分で約
1072℃に加熱される。４分間にわたりその温度に
保つてから冷却すれば、目的の結合が得られる。 1065℃における平衡状態では、厚さ1000オング
ストロームの酸化第一銅は厚さ21500オングスト
ロームの融体を生成する。1075℃では、融体の厚
さは約40000オングストロームとなる。なお、
0.0254cm（10ミル）は2500000オングストローム
に等しい。かかる好適な方向における融体の厚さ
は40000オングストロームより小さいから、
2400000オングストロームを越える（つまり0.023
cm（９ミル）を遥かに上回る）厚さの銅が実質的
に固体状態に留まり、従つて寸法安定性が得られ
ることになる。 次に第５Ｂ図を見ると、酸化銅層２４Ｂが銅２
１Ｂの上面に位置することを除けば第５Ａ図の場
合と同様な結合系が示されている。酸化銅層２４
Ｂは前述のごとく銅２１Ｂ上に化学的または熱的
に生成させてもよいし、あるいはやはり前述のご
とく粒状の酸化銅を層２４Ｂとして付着させても
よい。銅２１Ｂを矢印の方向に移動させて基体２
２Ｂ上に配置すれば、銅は基体に直接接触し、そ
して両者間に結合界面が形成される。 第５Ｂ図に示された構成の場合、加熱時におけ
る融体の大部分は上面の酸化銅２４Ｂの位置にあ
る。ところが、加熱温度が上昇するのに伴い、い
わゆる固相拡散により一定量の酸素が比較的薄い
銅中を拡散して下面に到達する。更にまた、温度
が共晶温度を越えると融体から成る若干の毛管路
が銅を貫通し、そのため少量の融体が銅２１Ｂの
下面に直接到達することも考えられる。銅２１Ｂ
および基体２２Ｂは界面において接触しているか
ら、界面を実質的に充填するにはほんの少量の融
体しか必要でない。従つて、冷却後には結合が得
られるわけである。上面を酸化した場合、酸化銅
層は第５Ａ図の構成において使用される酸化銅層
よりもやや厚いことが好ましいが、時間はほぼ同
じでよい。 次に第５Ｃ図を見ると、本発明方法の更に別の
変形例が示されている。この場合には、２枚の銅
薄板２１Ｃを使用することにより、両者間にはさ
まれるようにして少なくとも一方の薄板上に酸化
銅層２４Ｃが設置される。両方の薄板を矢印の方
向へ移動させた場合、いずれの薄板も薄い酸化銅
層２４Ｃと接触することになるから、酸化銅層２
４Ｃがどちらの薄板上に位置するかは重要でな
い。勿論、酸化銅層２４Ｃは任意の前記技術によ
つて設置することができる。 結合操作時には、先ず銅薄板の間に融体が生成
する。しかし最終的には、第５Ｂ図に関連して記
載された通り、一定の融体が下方の銅薄板２１Ｃ
と基体２２Ｃとの界面に到達する。なお、融体の
大部分は２枚の銅薄板間の界面に留まつている。
冷却後、銅薄板同士は両者間の融体によつて結合
され、また下方の銅薄板２１Ｃと基体２２Ｃとは
両者間の融体によつて結合される。 本発明方法の更に別の変形例が第５Ｄ図に示さ
れている。この場合には、酸化銅層２４Ｄが基体
２２Ｄ上に設置される。そのためには、前述のご
とき任意の通常技術を使用することができるし、
あるいはスパツター、蒸着または化学めつきによ
つて設置した銅層を酸化するようなその他の通常
技術を使用することもできる。次いで、銅２１Ｄ
を矢印の方向へ移動させて酸化銅層２４Ｄ上に載
せれば、以後の挙動は第５Ａ図に関連して記載さ
れた場合と同じになる。従つて、加熱冷却を行え
ば結合が得られることになる。 以上の方法では、そのいずれにおいても、酸素
の導入量および加熱サイクルを制御することによ
つて最終的な結合領域が亜共晶となることが保証
される。 次に第６図を見ると、本発明方法の更に別の変
形例が示されている。第６図中の金属２１は普通
に入手可能な形態を成すタフピツチ電解銅であつ
て、これは直接結合を達成するのに十分な量の酸
素を含有している。典型的なタフピツチ電解銅は
約100〜2000ppmの酸素を溶解酸素または酸化銅
の形で含有している。タフピツチ電解銅中に含有
される酸素は約1065℃で数秒の内に結合をもたら
すのに十分であることが判明している。従つて、
タフピツチ電解銅を使用した場合、結合剤の固体
状態供給源は銅それ自体である。 次に第７図を見ると、加圧実装−両側冷却型半
導体パツケージ３１が示されている。このパツケ
ージ３１は環状のセラミツクハウジング３２を包
含し、その下端には下部金属接点アセンブリ３３
が連結されている。接点アセンブリ３３は大形の
金属接点板３４および柔軟な接点円板３５から成
り、後者は周辺に沿つてセラミツクハウジング３
２に結合されている。セラミツクハウジング３２
の他端には、薄いフランジ３６を包含する上部金
属接点アセンブリ４０が結合されている。フラン
ジ３６は周辺に沿つて薄い柔軟な接点円板３７に
溶接されていて、後者は第２の大形金属接点板３
８を支持している。２個の接点板の間には、常温
加硫型ゴム製のリング４１によつて中央に保持さ
れた通常の半導体ペレツトサブアセンブリ３９が
位置している。ここまでに記載したような構造物
は従来通りのものであつて、これはSCRや整流
器のごとき各種の半導体装置を収容するために使
用できる。かかるパツケージに関して更に多くの
情報が所望されるならば、米国ニユーヨーク州シ
ラキユーズ市のゼネラル・エレクトリツク・カン
パニー（General Electric Company）発行
「SCR便覧（SCR Manual）」（1972年）を参照さ
れたい。 かかるパツケージ３１は、以下に記載されるご
とく、本発明の直接結合法によつて有利に製造す
ることができる。 次に第８図を見ると、上端および下端に酸化銅
層４２を付着したセラミツクハウジング３２が示
されている。酸化銅層４２は任意適宜の方法によ
つて付着させ得るが、有機ビヒクル中の粒状酸化
銅および粒状銅をスクリーン印刷することによつ
て付着させるのが好ましい。酸化銅層４２を付着
させた後、下部金属接点アセンブリ３３およびフ
ランジ３６が最終状態に配置し、そしてかかる集
合体に適切な加熱冷却サイクルを施せば、セラミ
ツクハウジング３２と接点円板３５およびフラン
ジ３６との間に直接結合が生じる。勿論、セラミ
ツクハウジング３２上ではなく接点円板３５およ
びフランジ３６上にも酸化銅層４２を生成ないし
付着させ得ることは言うまでもない。加熱時には
集合体上に小さなおもりを載せると、完成後の装
置において気密性を得るのに役立つ。 セラミツクハウジング３２に接点板３５および
フランジ３６を結合した後、リング４１を伴つた
ペレツトサブアセンブリ３９を配置し、上部金属
接点アセンブリ４０を配置し、それから接点円板
３７とフランジ３６とを周辺に沿つて溶接すれ
ば、装置の組立てが完了する。 ここに至れば明らかな通り、バブコツクの方法を
使用するならば酸化銅層４２の付着を省くことが
できる。すなわち、加熱操作時の雰囲気が特定の
結合剤を含有すれば、それ自体が十分量の結合剤
を供給して結合を生み出すことができるわけであ
る。 代用可能な別の方法は、接点円板３５およびフ
ランジ３６を予め酸化することである。かかる予
備酸化技術が使用された場合には、第３〜５図に
示される結合系に関連して説明されたごとく酸化
物が所要量の酸素を供給するから、酸化銅層４２
の付着は省くことができる。予備酸化技術を選ぶ
ならば、予備酸化時に接点円板およびフランジを
遮蔽することにより、セラミツクハウジング３２
との間に界面を形成する部分のみに予備酸化を限
定した方が望ましい場合もある。あるいは、接点
円板３５およびフランジ３６の全体を酸化した
後、結合に先立つて遮蔽および食刻工程より不要
の酸化物を化学的に除去してもよい。（更に簡便
には、全表面を酸化されたままにしておいてもよ
いことは勿論である。） 次に第１６図を見ると、同様なパツケージ組立
技術が示されている。なお、同じ構成部品には同
じ参照番号が付けられている。第１６図の実施例
では、予め酸化されたプレフオーム（予成形材）
１４５を各々の界面に導入することによつて酸素
が供給される。プレフオーム１４５は加熱工程中
に完全に液化する程度に強く酸化されていること
が好ましいが、接点円板３５およびフランジ３６
まで液化するほどに強く酸化されていてはならな
い。第１６図に示された装置の最終的な組立は第
８図に示された装置の場合と同じである。 いかなる結合技術が選ばれるかとは無関係に、
厚さ約0.0254〜0.051cm（10〜20ミル）の銅から
成る接点円板およびフランジが優れたパツケージ
を与えることが判明している。銅を使用する場
合、かかるプレフオームの厚さは0.00762〜
0.0127cm（３〜５ミル）の範囲内にあり、しかも
酸化物層の総合厚さは少なくとも0.000635cm（1/
４ミル）であることが好ましい。すなわち、プレ
フオームの両側を酸化するならば、プレフオーム
１個当り0.000635cm（1/4ミル）の総合厚さを得
るためには酸化物層の厚さを0.00032cm（1/8ミ
ル）とすればよいわけである。かかる厚さの酸化
物層を生成させれば、プレフオームは完全に液化
することが保証される。プレフオームの完全な液
化が所望されるのは、総合操作中に十分量の液体
が供給されれば気密性が高まるためである。 次に第１７図を見ると、もう１つの実施例を成
すパツケージ１５１の製造技術が示されている。
環状のセラミツクハウジング１３２が下部金属接
点円板１５２と上部接点フランジ１５３との間に
位置している。結合のため、かかる装置において
はプレフオーム１４５が配置されている。とは言
え、この気体元素を導入するための前記技術のい
ずれでも使用できることが了解されるべきであ
る。 積重ねられた集合体は耐火性材料製の下部物体
１５４と上部物体１５５との間に配置される。物
体１５４および１５５としてはK23耐火レンガが
役に立つ。結合時に圧力を加えて気密性を確保す
るため、集合体の頂上にはおもり１５６を載せる
ことが好ましい。気密性を得るためにおもりが有
効なのは、結合時の金属はその融点から数度以内
の温度にあつて非常に軟らかいためである。すな
わち、かかるおもりによつて金属はセラミツクハ
ウジングの外形に順応し得ることになる。おもり
の材料としては、重量／熱容量比が大きい点から
見てタングステンが優れている。 ところで、直接結合法はほとんど全てのセラミ
ツク材料に金属を結合する優れた方法であること
が判明している。従つて、接点円板１５２および
フランジ１５３が耐火レンガ１４５および１５５
に結合してしまうことのないように注意を払わな
ければならない。強固な結合が生じないようにす
るための簡単な方法は、接点円板１５２およびフ
ランジ１５３と耐火レンガ１５４および１５５と
の間に粗い耐火性粉末１５７を配置することであ
ると判明した。たとえば、70〜80メツシユの範囲
内の粒度を有する酸化アルミニウムが役に立つ。
かかる粗い粉末は不規則な形状を有するため、た
とえ金属部品に結合することがあつても、接触面
積が小さいから結合後における機械的な除去が容
易なのである。 下部金属接点円板１５２は、ハウジングと接点
円板との同心性を保証するため、セラミツクハウ
ジング１３２の内面に整合して肩部１５８を有し
ている。また、結合時に正しい位置合せを保証す
るため、耐火レンガ１５４の開口１６１に整合し
た第２の肩部１５９が設けられている。同じくフ
ランジ１５３には、セラミツクハウジング１３２
の内面に整合した肩部１６２が同心性を保証する
ために設けられ、また耐火レンガ１５５の突起に
整合した第２の肩部１６３が位置合せを保証する
ために設けられている。このように、結合を行う
ため第１７図のごとくに用意された集合体は自動
的な位置合せが可能であつて、それを整列状態に
保つために余分の締め金や固定金具が必要とされ
ることはない。 パツケージ１５１の組立はパツケージ３１の場
合と同様にして完成される。詳しくは言えば、半
導体ペレツトサブアセンブリ１３９をセラミツク
ハウジング１３２内に配置した後、上部金属接点
円板１６４がフランジ１５３の上方に配置され、
それから両者が周囲に沿つて溶接（一般に冷間溶
接）される。 パツケージ１５１において大形の金属接点板が
所望される場合には、それを追加することもでき
る。接点円板１５２および１６４の各々は、図示
の通り、中央に位置しかつ内側に向いたくぼみを
規定していることが認められよう。これらのくぼ
みが大形の接点板１６５および１６６を収容して
いる。なお、所望ならば、これらの接点板をくぼ
み内にはんだ付けすることもできる。 要するに、第１７図に示された集合体を加熱冷
却して直接結合を生じさせた後、接点板１６５が
配置され、そして所望ならば接点円板１５２のく
ぼみ内にはんだ付けされる。次に、半導体ペレツ
トサブアセンブリが接点板上に配置されかつ
RTVゴム製のリング１４１によつて同心的に保
持される。最後に、上部金属接点円板１６４およ
び接点板１６６が配置され、それからフランジ１
５３と接点円板１６４とが周囲に沿つて溶接され
る。以上で装置の組立が完了する。 なお、以上の記載に際して使用された上部およ
び下部という術語に特別の意味がないことは言う
までもない。これらは図面中に示されたものを説
明する際の便宜から使用されたに過ぎない。また
フランジを含む接点アセンブリは、必ずしも環状
セラミツクハウジングの上端に限らず、いずれか
一方または両方の端部に包含され得ることも勿論
である。 かかるパツケージのその他の変形実施例も可能
である。たとえば、金属と結合剤との組合せはそ
の他にも数多くのものが使用できる。あるいはま
た、半導体ペレツトサブアセンブリの耐熱性が許
す限りは、フランジ３６を省き、そしてセラミツ
クハウジングの両端に同様な接点円板３５または
１５２を（恐らくは同時に）結合することもでき
る。 次に、本発明方法のもう１つの応用例として電
気回路基板アセンブリの製造方法を説明しよう。
第９図には、周辺支持体５１および多数のランド
部５２〜５８を包含するリードフレーム５０が示
されている。回路基板中の導電性領域を形成する
のはランド部である。ランド部は比較的細いタブ
６１によつて支持体に連結されている。かかるリ
ードフレームは任意の従来技術によつて作製する
ことができる。たとえば、打抜きおよび食刻の技
術が有用であると判明している。 第１０図には、アルミナまたはベリリアのごと
き基体２２上に配置されたリードフレーム５０の
断面立面図が示されている。基体２２の下側には
むくの銅薄板２１が図示されている。かかるむく
の銅薄板は随意のものであつて、所望に応じてア
センブリ中に包含され得る。銅薄板２１が存在す
れば、アセンブリ全体を放熱器にはんだ付けまた
は直接結合することができ、従つて優れた熱的お
よび機械的連結が得られることになる。 リードフレーム５０および銅薄板２１は本明細
書中に記載された技術によつてセラミツク２２に
結合することができる。そのためには、酸素のご
とき結合剤が系内に存在しなければならない。酸
化銅の導入は任意の前記技術によつて達成でき
る。たとえば、金属部品を予め酸化しても、粒状
の酸化銅を付着させても、あるいはタフピツチ電
解銅を使用してもよい。 第１０図に極めて明確に示される通り、ランド
部５５を周辺支持体５１と連結するタブ６１には
小さなノツチ６２が設けられている。かかるノツ
チの機能は後記において明らかとなるはずであ
る。 第１１図は結合後におけるアセンブリのかど部
の斜面図である。第１１図からわかる通り、各々
のタブ６１は関連するランド部の近くに小さなノ
ツチ６２を有している。 結合後に周辺支持体５１を除去するためには、
支持体のかどをつかみ、そして（たとえば第１１
図中の矢印の方向に沿つて）上方へ動かせばよ
い。アセンブリと周辺支持体５１との間における
唯一の連結機構は多数のタブである。タブは、基
体２２に直接結合されているとは言え、寸法が小
さいために基体２２から分離する。ところが、ノ
ツチ６２の位置までタブが分離すると、その部分
の強度は残りの銅をセラミツクから引離すには不
十分である。従つて、第１２図に図式的に示され
ているようにタブはノツチの位置で折れる。厚さ
0.0254cm（10ミル）の銅には、0.018cm（７ミル）
のノツチを設ける（従つて0.0076cm（３ミル）の
銅を残す）ようにすればよいことが判明してい
る。 最後に第１３図を見ると、完成した回路基板ア
センブリが示されている。従来方法たとえばモリ
マンガン法によつて結合されたものに比べると銅
が比較的厚いため、その電流容量は大きくなつて
いる。たとえば、0.15cm（60ミル）を越える厚さ
の銅の結合にも成功が認められた。このような厚
さの場合でも、セラミツクと共に使用すると基板
の亀裂を起すことがあるという熱的不整合の問題
が見られるだけで、結合それ自体に関する問題は
見られない。更にまた、かかる回路基板の熱伝導
性も優れている。その理由は、良好な熱伝導体と
なるように選ぶことのできるセラミツクに銅が直
接結合されている上、底部に直接結合された銅お
よびはんだ連結部も効果的な熱伝導体だからであ
る。 今日、若干の半導体装置製造業者はペレツト状
の装置またはリードの連結された装置の販売を始
めている。かかる装置は印刷回路基板などに連結
できるものだが、第１３図に示されたような回路
基板と共に使用すれば特に有用である。このよう
な半導体装置は、たとえば、米国特許第3995310
号明細書中に記載されている。 次に第１４図を見ると、第１３図に示されたよ
うな回路基板の応用例が示されている。第１４図
に示されているのは、半導体ペレツト４０および
それに結合された下部取付板４１から成るペレツ
トアセンブリ９１を包含する半導体アセンブリ１
０１を取出したものである。ペレツト４０がコー
ナゲートを有するSCRであると仮定しよう。ゲ
ート接点には、はんだ付け等の方法によつてリボ
ン形のゲートリード９４が結合されている。同様
に、カソード接点にもはんだ付け等の方法によつ
て別のリボン形リード９５が結合されている。リ
ボン形という術語は、リード９４および９５は高
さよりも幅が実質的に大きく、従つて通常のリー
ド線よりもむしろリボンに似ていることを意味す
る。 各々のリボン形リードは末端平面部９６および
９７を有している。各々の末端平面部９６および
９７は下部取付板４１の下面と同じ平面内にあ
る。このように３つの接点の全てが１つの平面内
にある結果、アセンブリ９１は適切な図形を描く
基体上に配置して手早く結合することができる。 リード９４および９５のペレツトに隣接する表
面をはんだ被覆すれば、アセンブリ９１を更に改
良することができる。リードがはんだ被覆されて
いれば、リードをペレツト上に配置して加熱する
だけでリードがペレツトに結合される。更にま
た、下部取付板４１の下面もはんだ被覆されてい
れば、アセンブリ９１を基体上に配置してからア
センブリ全体を加熱するだけで基体に対しアセン
ブリ９１を電気的、機械的、かつ熱的に手早く容
易に結合することができる。 セラミツク基体１０２には導電性の平面リード
１０３が直接結合されている。リード１０３の結
合部分はリボン形リード９４の平面部９６に対応
していて、はんだ付け等により結合されている。
第１４図に示されたリード１０３の露出部分は外
部回路への接続のための接点領域である。 第２の導電性平面リード１０４が同様にして基
体１０２に直接結合され、そして前記の結合部分
は下部取付板４１の下面に結合されている。同様
に、リード１０４の露出部分は接点領域を成して
いる。 更にもう１つの導電性平面リード１０５が基体
１０２に直接結合されている。この場合にも、リ
ード９５の平面部９７に結合された結合部分およ
び露出した接点領域が含まれている。 アセンブリ１０１は簡単な構造のため極めて安
価であるにもかかわらず、幾つかの理由により信
頼性が極めて高い。たとえば、リボン形リードと
半導体ペレツトとの間あるいはリボン形リードと
平面リードとの間におけるいずれの連結部も面積
が比較的大きく、従つて確実である。更にまた、
下部取付板４１およびセラミツク基体１０２はい
ずれも良好な熱伝導体であるため、良好な熱の流
路を与える系によつて基体を放熱器に取付ければ
ペレツト４０は実質的な量の熱を放散させること
ができる。 平面リード１０３，１０４および１０５の接点
領域上には３個のワイパアーム１０６を設置する
ことができる。アーム１０６は、ばね作用によつ
て平面リード１０３〜１０５に接触させてもよい
し、あるいははんだ付け等によつて接点領域に永
久的に結合してもよい。このようにすれが、外部
からアセンブリ１０１への接続が手早く達成でき
ることが認められよう。 次に第１５図を見ると、基体１０２の変形応用
例が示されている。図を簡単にするため、アセン
ブリ９１は取除いてある。各々の接点領域にはネ
イルヘツドリードが永久的に連続されているた
め、外部回路への迅速な接続が容易になつてい
る。 以上の例証的な銅−酸化銅系のみに限られてい
たが、その他にも数多くの金属および結合剤が使
用できることは言うまでもない。たとえば、下記
の表は様々の可能な組合せの一部を例示するのに
役立つはずである。
【表】 上記の表は全ての組合せを尽しているわけでは
ない。金属および結合剤は、大部分が金属から成
りかつ金属の融点より低い共晶温度を有するよう
な共晶合金を生成しなけれがならないことを思い
起せば、状態図の検討によつてその他数多くの系
を識別することができる。そのための状態図は、
たとえばハンセン（Hansen）著「二元合金の構
造（Constitution of Binaty Alloys）」（マグロ
ーヒル・ブツク社、ニユーヨーク、1958年）中に
見出される。 以上の記載に照らせば、本発明の数多くの変形
実施例が当業者にとつて明らかとなろう。たとえ
ば、第１０図に示されるごとくセラミツクの両側
に金属を結合する場合、それらの金属は相異なつ
ていてもよい。唯一の制約は高い結合温度を要求
する方の工程を最初に実施すべきことであつて、
そうすれば次の低温側の結合工程によつて既に結
合した金属が融解したり損害を受けたりすること
がない。もう１つの例を挙げれば、その以上の酸
素を添加しなくても直接結合が可能となるような
酸素含量を有する鉄も利用することができる。 要するに、本発明は上記に詳しく記載された場
合とは異なるやり方でも実施できることが了解さ
れるべきである。
【図面の簡単な説明】
第１図は本発明に従つて結合された金属および
基体の立面図、第２図は本発明の幾つかの特徴を
図解する銅−酸素状態図の一部分、第３図は本発
明の幾つかの特徴を明示するために注釈を施した
第２図の状態図の拡大部分、第４図は本発明の方
法を更に説明するために別の注釈を施した第３図
拡大部分、第５Ａ〜５Ｄ図は金属−基体系内に結
合剤を導入するための幾つかの方法を図解する概
略図、第６図は結合剤を導入するための更に別の
方法を図解する概略図、第７図は本発明方法によ
つて有利に製造し得る加圧実装型半導体ハウジン
グの断面立面図、第８図は第７図に示されたハウ
ジングの組立工程を示す概略分解図、第９図は明
細書中の記載に従つて導電回路を形成するために
使用される金属リードフレームの平面図、第１０
図は一方の側には第９図のリードフレームが結合
されかつ他方の側にはむくの金属板が結合された
セラミツク基体の断面立面図、第１１および１２
図は第１０図に示されたごとくに結合された第９
図のリードフレームから支持部材を除去する所を
示す斜面図、第１３図は第９図に示されたリード
フレームの使用によつて形成された導電回路の平
面図、第１４図は第１３図に示されたものと同様
な回路の応用例を示す斜面図、第１５図は第１４
図の装置の変形応用例を示す斜面図、第１６図は
第８図に示されたものに相当するが結合剤の導入
には別の方法を使用した組立工程を示す概略分解
図、第１７図は結合に際して同心性を保証しなが
ら集合体に適切な圧力を加えるために使用される
積重ね方法を示す断面立図面、そして第１８図は
別の好適な加圧実装−両側冷却型半導体ハウジン
グの断面立図面である。 図中、２１は金属、２２は基体、２３は共晶層
または結合領域、２１Ａ〜２１Ｄは銅薄板、２２
Ａ〜２２Ｄは基体、２４Ａ〜２４Ｄは酸化銅層、
３１は半導体パツケージ、３２はセラミツクハウ
ジング、３３は下部金属接点アセンブリ、３４は
下部金属接点板、３５は下部金属接点円板、３６
は上部接点フランジ、３７は上部金属接点円板、
３８は上部金属接点板、３９は半導体ペレツトサ
ブアセンブリ、４０は上部金属接点アセンブリ、
４１はRTVゴム製リング、４２は酸化銅層、５
０はリードフレーム、５１は周辺支持体、５２〜
５８はランド部、６１はタブ、６２はノツチ、９
１および９４はリボン形リード、１００は半導体
アセンブリ、１０２は基体、１０３〜１０５は平
面リード、１０６はワイパーアーム、１３２はセ
ラミツクハウジング、１３９は半導体ペレツトサ
ブアセンブリ、１４１はRTVゴム製リング、１
４５はプレフオーム、１５２は下部金属接点円
板、１５３は上部接点フランジ、１５４および１
５５は耐火レンガ、１５６はおもり、１５７は耐
火性粉末、１５８，１５９，１６２および１６３
は肩部、１６４は上部金属接点円板、そして１６
５および１６６は金属接点板を表わす。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 １ セラミツク基体に銅板を結合する方法におい
    て、 (a) 別の銅板を用意し、 (b) 前記２枚の銅板の少なくとも一方の表面に総
    合厚さが200乃至5000オングストロームの銅の
    酸化物層を形成し、 (c) 前記２枚の銅板を、その間に前記酸化物層を
    はさむようにして、前記セラミツク基体上に配
    置し、 (d) 前記２枚の銅板とセラミツク基体とを不活性
    雰囲気中において、1065℃と1083℃との間の温
    度に加熱し、 (e) 前記銅板とセラミツク基体を冷却して、前記
    銅板とセラミツク基体との間に直接結合を形成
    する、ことからなる方法。 ２ 次の各工程からなる、セラミツク基体に銅部
    材を結合する方法。 (a) 厚さが762000乃至1270000オングストローム
    （３〜５ミル）の範囲内の銅のプレフオームを
    作り、 (b) 少なくとも63500オングストローム（1/4ミ
    ル）の総合厚さまで前記プレフオームを酸化
    し、 (c) 前記プレフオームを基体と銅部材との間の界
    面に配置し、 (d) 前記基体、前記銅部材、および前記プレフオ
    ームの組合せを不活性雰囲気中において、1065
    ℃と1083℃との間の温度に加熱して、前記プレ
    フオームが完全に液化して前記界面を満し、 (e) 前記組合せを冷却して、前記基体と前記銅部
    材の間に直接結合を形成する。
JP1096541A 1975-07-30 1989-04-18 セラミック基体に銅部材を結合する方法 Granted JPH01308885A (ja)

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