JPH05139857A - セラミツクス基板と金属の接合体 - Google Patents

セラミツクス基板と金属の接合体

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JPH05139857A
JPH05139857A JP32712691A JP32712691A JPH05139857A JP H05139857 A JPH05139857 A JP H05139857A JP 32712691 A JP32712691 A JP 32712691A JP 32712691 A JP32712691 A JP 32712691A JP H05139857 A JPH05139857 A JP H05139857A
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ceramic
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尚之 岡本
Hiroshi Iwata
浩 岩田
Kazunori Miura
一則 三浦
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Abstract

(57)【要約】 【目的】低熱膨張セラミック基板と金属との気密性良好
な接合体 【構成】30〜400 ℃における熱膨張係数が1.5 〜5.0 ×
10-6/℃であるセラミック基板の所定部分に金属膜を形
成し、この金属膜に同じく熱膨張係数が1.5 〜5.0 ×10
-6/℃である金属を固相線650℃以下の銀系ロー材に
より接合したことを特徴とするセラミック基板と金属の
接合体。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明はセラミックス基板と金属
との接合体に関し、たとえばパッケージ・多層基板にお
ける金具(入出力ピン、シールリング、リード等)の接
合に好適に利用される。
【0002】
【従来の技術】従来、ICパッケージには主としてアル
ミナ基板(α=6.8×10-6/℃)が用いられており、メタ
ライズ・薄膜等を介して銀ロー(共晶Agロー等)によ
りコバール(Fe−Ni−Co)、42アロイ(Fe-Ni) の金具
の接合がなされている。
【0003】しかしアルミナには誘電率が比較的大きく
信号伝播遅延を引き起こす、熱膨張係数が大きくシリコ
ン半導体チップと大きな差がある、焼成温度が高く金・
銀・銅等の良好な導電体と同時焼成できない、等の欠点
がある。そこで高密度、高速化に対応するため、アルミ
ナに替わる材料として誘電率が低く、熱膨張係数がシリ
コン半導体チップに近く、焼成温度が低いなどの特性を
持つ低熱膨張材料、低誘電率材料の開発が求められてい
る。これらの要求を満たす材料としてガラスセラミック
ス(α=1.5〜5.0 ×10-6/℃)、窒化アルミニウム(α
=4.4×10-6/℃)、ムライト(α=3.8×10-6/℃)等の
基板の使用が検討されている(特公平3−37308、
特開平3−21046)。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】しかし、上記の低熱膨
張材料は、熱膨張係数がシリコンチップ(α=3.0〜3.5
×10-6/℃)に近いという特性ゆえに、金具の接合に際
しては、先に述べたようにアルミナ基板(α=6.8×10-6
/℃)の金具接合において用いられるロー材(共晶銀ロ
ー)、金属(コバール、42アロイ)を用いた場合、基
板と金属の熱膨張係数差が大きくなってしまい、熱応力
によりクラックなどの不具合が生じてしまい良好な接合
状態が得られないといった問題があった。
【0005】本発明は、低熱膨張セラミック基板と金属
との気密性良好な接合体および接合方法を提供すること
を目的とする。
【0006】
【課題を解決するための手段】その手段は、30〜400 ℃
における熱膨張係数が1.5 〜5.0 ×10-6/℃であるセラ
ミック基板の所定部分に金属膜を形成し、この金属膜に
同じく熱膨張係数が1.5 〜5.0 ×10-6/℃である金属を
固相線650℃以下の銀系ロー材により接合したことを
特徴とするセラミック基板と金属の接合体、にある。
【0007】また、望ましい手段は、セラミック基板
が、AlN、SiC、ムライト、Si3 4 、コージェ
ライトを主成分とするセラミックス、ガラス・セラミッ
クスまたは結晶化ガラスである上記の接合体にある。同
じく望ましい手段は、金属が、低熱膨張コバールである
上記の接合体にある。同じく望ましい手段は、銀系ロー
材が、Ag−Cu−In合金である上記の接合体にあ
る。同じく望ましい手段は、金属膜が、セラミック基板
側より順にTiスパッタ膜、Moスパッタ膜、Cuスパ
ッタ膜、CuメッキおよびNiメッキが積層された多層
構造をなしている上記の接合体にある。
【0008】ここで、低熱膨張コバールとは、表1に示
すように、特に500℃未満で従来のコバール(29N
i−16Co−Fe)よりも熱膨張係数の低いNi−C
o−Fe系合金をいい、例えば31Ni−14Co−F
e合金がある。
【0009】
【表1】
【作用】固相線650℃以下の銀系ロー材(例えばAg−
Cu−In共晶ロー:固相線 600〜650 ℃)を用いることに
より、従来から用いていた共晶Agロー(Ag72−Cu28:固
相線 780℃、液相線 780℃)よりもロー材が耐力を持ち
始める温度が約100℃ぐらい低くなる。そして、30〜
400 ℃における熱膨張係数が1.5 〜5.0 ×10-6/℃であ
る金属を低熱膨張セラミック基板の相手材として用いる
ことにより、ロー材が耐力を持っている温度範囲でセラ
ミック基板と金属との熱膨張差がすくなくなり、その結
果、熱応力の緩和ができる。
【0010】更に、金属膜を介して基板と金具のロー付
けを行うので、ロー材の濡れ性の向上、密着強度の
向上、金属膜が熱応力緩和層として作用する、などの
効果が得られる。なお、銀系ロー材を用いているから、
接合後の工程、例えばシリコンチップ搭載、リッドシー
ルなどにおいて支障をきたすことがない。また、金属膜
のうち、Tiスパッタ膜は、セラミック基板との密着強
度を確保し、Moスパッタ膜はロウ材が拡散してロー材
とチタン膜とが反応するのを防止し、Cuスパッタ膜は
スパッタ膜と銅メッキとの密着性を向上させるし、Cu
メッキは緩衝材として作用し、Niメッキはロー材との
濡れ性を向上させるほか、ロー材による銅のくわれを防
止する。
【0011】
【実施例】
〔実施例1〕熱膨張係数が3.0×10-6/℃(室温〜
400℃)、誘電率が5.1(1MHZ ,室温)、組成
がZnO:4wt%,MgO:13wt%,Al
2 3 :23wt%,SiO2 :58wt%,B
2 3 :1wt%,P2 5 :1wt%の結晶化ガラス
からなり、20×20×1.0 mmの方形セラミック基板、外
径□20×内径□18.5×0.03mmの金属製シールリングお
よびシールリングとほぼ同形のロー材プリフォームを用
いて以下のような手順でテストを行った。
【0012】セラミック基板のロー付けする部分にスパ
ッタリングによってTi膜2000Å、Mo膜300
0、Cu膜5000を順次形成しその上にCuめっき1
0μm、Niめっき0.5μmを行った後、ベルト炉
(約500℃、N2 中)にてめっきのシンターをおこな
って接合テスト用基板とした。ロー材には低融点ロー材
(Ag63-Cu22-In15:固相線 630 ℃、液相線 685 ℃)
を用い、比較例のために共晶銀ロー(Ag72-Cu28 :固相
線 780 ℃、液相線780 ℃)でもテストを行った。金属
は、低熱膨張コバールの他にコバール、42アロイでも
比較例としてテストした。
【0013】接合の良否は、外観の検査(クラックの
有無)、気密性テスト(Heリークテスト3×10-8
STD・CC/SEC以下を合格)、環境試験(温度サイクル
テスト 150℃30分→−65℃30分を 100サイクル、熱
衝撃テスト 150 ℃30分→−65℃30分を 100サイク
ル、プレッシャー・クッカー・テスト 125℃ 1.7atm100
h)後の気密性テスト、3つのテストを行い判定し
た。その結果を表2に示す。
【0014】
【表2】 テストの結果、低融点ロー材と低熱膨張コバールの組み
合わせではクラックは発生せず、気密性及び環境試験後
の気密性もともに良好であった。その他の組み合わせで
は基板のクラックや気密性不良などの不具合が発生して
しまい良好な接合を得ることができなかった。
【0015】〔実施例2〕実施例1のセラミック基板と
同一組成の結晶化ガラスからなるセラミック基板(5層
ラミネート)、低熱膨張コバール製シールリング、及び
セラミック製もしくは金属製キャップシールを用いて、
□30×2.0 mmのICパッケージを作製した。実施例1
と同様の環境試験を行った後、気密性テストを行った結
果、合格であった。
【0016】「実施例3」実施例1のセラミック基板と
同一組成の結晶化ガラスからなるセラミック基板(8層
ラミネート)、低熱膨張コバール製ピンを用いて、□36
×3.0 tの132ピンのピングリッドアレイ・パッケー
ジを作製した。実施例1と同様の環境試験を行った後、
気密性テストを行った結果、合格であった。
【0017】〔実施例4〕実施例1の結晶化ガラスに代
えて表3に示す性質の窒化アルミニウム焼結体、炭化ケ
イ素焼結体、ムライト焼結体、窒化ケイ素焼結体または
アルミナ焼結体を方形セラミック基板の材質とした以外
は、実施例1の表2No.1と同一条件で接合テスト用
基板を製造し、前記3つのテストを行った。
【表2】その結果、アルミナ焼結体からなる方形セラミ
ック基板を用いた場合のみ、クラックが発生し、他は良
好な接合状態であった。
【0018】
【発明の効果】以上説明したように、本発明の接合体を
採用することにより、ガラス・セラミック等の低熱膨張
基板に金具(入出力ピン、シールリング、リード等)を
接合することが可能となりICパッケージ、多層基板等
に利用することができる。
【表3】
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.5 識別記号 庁内整理番号 FI 技術表示箇所 H05K 1/03 B 7011−4E

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】30〜400 ℃における熱膨張係数が1.5 〜5.
    0 ×10-6/℃であるセラミック基板の所定部分に金属膜
    を形成し、この金属膜に同じく熱膨張係数が1.5 〜5.0
    ×10-6/℃である金属を固相線650℃以下の銀系ロー
    材により接合したことを特徴とするセラミック基板と金
    属の接合体。
  2. 【請求項2】セラミック基板はAlN、SiC、ムライ
    ト、Si3 4 、コージェライトを主成分とするセラミ
    ックス、ガラス・セラミックスまたは結晶化ガラスであ
    る請求項1記載の接合体。
  3. 【請求項3】金属は、低熱膨張コバールである請求項1
    記載の接合体。
  4. 【請求項4】銀系ロー材は、Ag−Cu−In合金であ
    る請求項1記載の接合体。
  5. 【請求項5】金属膜は、セラミック基板側より順にTi
    スパッタ膜、Moスパッタ膜、Cuスパッタ膜、Cuメ
    ッキおよびNiメッキが積層された多層構造をなしてい
    る請求項1記載の接合体。
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