JPH0572353B2

JPH0572353B2 -

Info

Publication number: JPH0572353B2
Application number: JP60138378A
Authority: JP
Inventors: Noboru Yamaguchi; Satoru Ogawa; Izuru Yoshizawa; Susumu Kajita; Kyotaka Waki
Original assignee: Matsushita Electric Works Ltd
Current assignee: Panasonic Electric Works Co Ltd
Priority date: 1985-06-25
Filing date: 1985-06-25
Publication date: 1993-10-12
Also published as: JPS61295280A

Description

【発明の詳細な説明】

〔技術分野〕この発明は、セラミツク基板と金属との強固な
接合方法に関するものである。〔背景技術〕従来、アルミナ等のセラミツク基板に金属層を
接合する方法として、例えば、モリブテンをペー
スト化してセラミツク基板上に印刷し、焼成した
後、メタライジング層を形成する。この表面にニ
ツケルめつきを施し、ろう材で金属板をろう付け
して接合る方法等が行われてきた。近年、このような方法にかわつて、セラミツク
基板に金属片を直接接触させて、酸素等の結合剤
を含むガス雰囲気中で加熱して接合させる方法、
あるいは、結合剤を含有する金属片セラミツク基
板に接触させて非酸化性雰囲気中で加熱する方法
が知られている。前者の方法は、加熱温度として
金属の融点以下で、かつ、金属と結合剤との共晶
合金の共晶温度以上という高温で加熱する必要が
ある。それゆえ、この方法を用いた場合、気泡状
の無付着箇所（プリスタ、または、ふくれ）が生
じたり、接合面でない側の金属表面が厚い金属酸
化層でおおわれたりする問題が生じる。他方、後
者の方法は、あらかじめ結合剤を含有する金属
片、例えば、銅の場合、タフピツチ銅を使用し、
非酸化性雰囲気中で加熱するようにするのである
が、この方法においては、純窒素雰囲気のような
完全な非酸化性雰囲気中では強固な接合を得るこ
とが困難であり、また、接合したとしても、依然
としてプリスタの問題が残る。また、タフピツチ
銅を用い酸化性雰囲気中で加熱する方法では、タ
フピツチ銅が非常に酸化しやすく、そのため、接
合面ではない側の金属表面がやはり厚い酸化物層
でおおわれ易い。タフピツチ銅の使用は、再結晶
による結晶の粗大化が著しく、非常にフアインな
条件コントロールを必要としている。表面のみをあらじめ酸化させた銅片を使用する
方法があるが、この方法においても、非酸化性雰
囲気中で加熱して接合させるとき、徐熱すると、
酸化銅がCuO→Cu₂O→Cuというように分解され
てしまうため、かなりの急熱が必要であり、酸化
性雰囲気中で加熱するとしても、予備酸化という
工程が必要であるため、工程が複雑となり、か
つ、コスト高の原因となる。〔発明の目的〕この発明は、プリスタの発生がなく、金属露出
面が酸化物でおおわれることもなく、しかも、セ
ラミツクと金属とを強固にかつ安価に接合する方
法を提供することを目的とする。〔発明の開示〕上記目的を達成するため、この発明は、下記の
第１の構成あるいは第２の構成を構成を採るもの
であり、すなわち、第１の構成の場合は、表面を
粗化しておいて金属層を形成させてなるセラミツ
ク基板に共晶反応を生じさせる、セラミツク基板
と金属との接合方法であつて、前記共晶反応を、
粗化表面に金属層を形成したセラミツク基板を、
制御した反応性ガス雰囲気下で、金属の融点より
低く、かつ、金属と金属および反応性のガスの間
で形成された化合物との共融点よりも高い温度ま
で昇温し、前記温度で暫時保持して共晶を生じさ
せたのち、雰囲気を非反応性雰囲気にして冷却を
行う方法により行うとともに、前記非反応性ガス
雰囲気が、純窒素または純アルゴン雰囲気であ
り、前記反応性ガス雰囲気が20〜100ppmの酸素
含有雰囲気であり、かつ、共晶時の保持時間が５
〜10分間であることを特徴とするセラミツク基板
と金属との接合方法を要旨としており、第２の構
成の場合は、表面を粗化しておいて金属層を形成
させてなるセラミツク基板に共晶反応を生じさせ
る、セラミツク基板と金属との接合方法であつ
て、前記共晶反応を、粗化表面に金属層を形成し
たセラミツク基板を真空中で高温処理する方法に
より行うとともに、前記真空中が0.25〜0.02torr
の範囲であり、前記高温処理での高温が1000〜
1300℃の範囲であり、かつ、高温での保持時間が
120分以下の範囲であることを特徴とするセラミ
ツク基板と金属との接合方法を要旨としている。以下にこれを詳しく述べる。この発明では、接合効果を高めるために、ま
ず、セラミツク基板の表面粗化を行う。これは、
いわゆるアンカー効果を得るためである。表面粗
化は、普通、化学的加工法による。従来、H₃PO₄、ホウ砂、V₂O₅などの溶液、融
液が、ガラスを含むセラミツクの化学的加工方法
および化学的研磨方法として用いられている。し
かし、セラミツクのメタライズ基板を作る目的で
セラミツク基板表面をミクロに粗化することに応
用した例はない。このようにして、表面粗化したセラミツク基板
表面に、めつき、PVD、CVD法などを用いてメ
タライジングする。これは、共晶反応を起こさ
せ、アンカー法にケミカルボンド法を付加する意
味を持つ。すなわち、前記表面粗化のみの状態で
は、アンカー効果を利用したセラミツクと金属と
の一接合方法にすぎないために、密着力がさほど
大きくないからである。この発明の第１の構成の場合、共晶反応を実現
するにあたり、基本的に次の方法に依つている。表面に金属層を形成したセラミツク基板を、制
御された反応性ガス雰囲気下で、金属より低く、
かつ、金属と金属および反応性ガスの間で形成さ
れた化合物との共融点よりも高い温度まで昇温
し、前記温度で暫時保持して共晶を生じさせたの
ち、雰囲気を非反応性雰囲気にして冷却を行い、
セラミツクと金属との結合を完成させる方法であ
る。この発明の第２の構成の場合、共晶反応を実現
するにあたり、基本的に次の方法に依つている。表面に金属層を形成したセラミツク基板を、真
空中で高温処理することにより、セラミツクと金
属とを強固に接合する。金属層の金属としては、銅、ニツケル、Fe等
全ての金属が考えられる。以下、この発明の具体的プロセスを、第１図に
基づいて詳しく説明する。これは、セラミツク基
板としてアルミナ、金属層としてCuかNiを取り
上げた例である。焼結したセラミツク基板を準備する。焼結基
板の材質としては、アルミナ、フオルステライ
ト、ステアタイト、ジルコン、ムライト、コー
ジライト、ジルコニア、チタニア、マグネシア
等の酸化物計セラミツクを主として考え、炭化
物系、および、窒化物系セラミツクも使用でき
る。なお、この場合、セラミツク基板の平均グレ
ーンサイズは、8μｍ以下にしておくことが好
ましい。これにより、後に表面粗化を行つたと
きに、好ましい表面粗度Rmax10μｍ以下（よ
り好ましくは5μｍ以下）が得られやすいから
である。セラミツク基板の表面粗化を行う。表面粗化
方法に用いるエツチング剤としては、従来より
知られているエツチング剤全てについて実験し
てみたが、エツチング剤が残つても密着力を低
下させず、メタライズした金属に対して悪影響
を与えないエツチング剤は、オルトリン酸、ピ
ロリン酸、メタリン酸等のリン酸溶液、あるい
は、溶融塩である。ちなみに、一般に良く知られているHFを90
℃にしてエツチングすると、セラミツク表面層
を粗化することは可能であるが、HFが残つた
場合、じわじわとエツチングが進行したり、セ
ラミツク基板が劣化したり、メタライズした金
属層を腐食したりする。また、微細で均一な粗
面化は不可能である。エツチング剤は、場合によつては添加剤を含
んでよい。添加剤としては、無機酸、有機酸お
よびその塩の中により、１種あるいは２種以上
を選択する。アルミナ基板を３〜８分間リン酸溶液に浸漬
させた場合の基板表面粗さRmaxと処理温度の
関係を第２図に示してある。図中、実線は、市
販のグレーンサイズ８〜30μｍの基板、破線
は、グレーンサイズを１〜１０μｍにコントロ
ールした基板についてのグラフである。この図
を見てもわかるように、250℃以下の処理温度
ではエツチング能力が低く、360℃以上でも分
解したり縮合がはげしくなるため、やはり、エ
ツチング能力が低い。250〜360℃の処理温度
で、１〜30分、好ましくは３〜10分処理する。
このようにすると、表面粗さRmax5〜15μｍで
も強度劣化がない表面粗化基板が得られる。なお、リン酸による粗化は、浸漬によるもの
でなくてもよい。セラミツク基板表面をメタライズする。メタ
ライジングは、たとえば、以下の方法で行う。 (イ) 化学めつき表面活性化処理を行う。この処理は、普
通、塩化第１錫溶液と塩化パラジウム溶液を
用いたセンシタイジング−アクチベーシヨン
法により、セラミツク基板表面に金属パラジ
ウムを析出させるものである。つづいて、化学めつきを行う。これは、普
通、化学銅めつき、あるいは、化学ニツケル
めつきにより行う。 (ロ) 電解めつき必要に応じ、電解めつきを行う。電解めつ
きは、必要とする金属層の厚みが厚い場合、
前記化学めつきを基板上に施したのち、銅め
つき、あるいは、ニツケルめつきをして行
う。 (ハ) PVD法やCVD法によつてセラミツク基板
表面にメタライズする。必要に応じ、化学め
つきや電解めつきを行う。 PVD法により金属層を形成する。これは、
蒸着、スパツタリング、イオンプレーテイン
グ等の一般的に用いられる方法を用いて銅、
ニツケル等の卑金属層を形成させる。これら
の方法のみでは、厚膜の金属層を形成させる
ことが非常に難しい。そこで、必要に応じ、
電解めつきを行う。それに先立つて、化学め
つきを行つてもよい。電解めつきは、必要と
する金属層の厚みが厚い場合、前記PVD法
による金属層の形成を基板上に施したのち、
銅めつき、あるいは、ニツケルめつき等をし
て行う。強固な密着接合処理をする。 (イ) 高温常圧処理の場合前記の方法により、たとえば表面に金属銅
層を形成したアルミナ基板を加熱炉内に入れ
る。加熱炉内を20ppmから100ppmまでの酸素
含有の窒素雰囲気にする。酸素含有量が
20ppm未満であると、金属とセラミツクとが
接合しない。また、100ppmを超えると、金
属露出面が、酸化物でおおわれ、さらに金属
片が溶け出して原形がくずれてしまう。加熱炉昇温速度を調整して、銅と酸素の共
融点以上で、かつ、銅の融点以下の所定の温
度まで、ゆつくりと炉温を上げる。まず、第
１段階として500〜700℃付近までは５〜20
℃／分の比較的ゆつくりした昇温速度にす
る。第２段階として、前記500〜700℃から、
30〜60℃／分の早い昇温速度で所定の温度に
する。第１段階で比較的ゆつくりした昇温速
度にしてあるのは、銅の酸化が300℃付近か
ら700℃付近までは急激に進行し、その後は
一定の割合で進むからである。さらに、銅が
700℃付近になると、かなり軟化するため、
軟化する以前で、かつ、酸化が急激に進み始
める温度域において、ゆつくり昇温させるこ
とによつて銅のアルミナとの接触面を均一に
酸化させるという目的からである。前記の昇
温速度以外であると、ブリスタが生じたりし
て接合が不十分になるか、または、金属片の
酸化が強過ぎてしまう可能性がある。前記所定の温度で、一定時間、加熱炉の温
度を保つ。この保持時間は、溶融状態の共晶
組成物を生成するのに十分な時間（好ましく
は、５〜10分間）だけとる必要があり、金属
片の厚みが厚いほど長い時間を要する。ここ
で、共晶組成物とは、金属と反応性ガスとの
原子混合物、または、金属と、金属および反
応性ガスの間で形成された化合物との原子混
合物のことであつて、たとえば、この実施例
の場合、銅と酸化銅の混合物である。そし
て、この共晶組成物が、相接するセラミツク
基板、および、金属をぬらす。この共晶組成
物は、冷却した時にセラミツク基板、およ
び、金属を強靭に結合させる。加熱炉内への酸素の混入を止め、純窒素雰
囲気にして冷却する。冷却を非酸化性雰囲気
で行うのは、冷却時の接合は、酸素を必要と
しないということと、金属露出面の余分な酸
化物層を還元させるためである。ところで、アルミナ基板は、半導体集積回
路、または、大電力電気回路に有用である大
きな熱伝導度を持つため、特に、ここで取り
上げたが、この発明では、他の非金属耐火材
料も用いることができ、また、金属片の材料
も銅に限るものではない。この発明は、酸素
含有雰囲気以外の他の反応性ガス雰囲気、た
とえば、硫黄含有雰囲気、リン含有雰囲気等
を条件に応じて用いても良い。また、上記実
施例では、非活性ガスとして窒素を使用した
が、アルゴン、またはヘリウム等の不活性ガ
スであつてもよい。要するに、この発明で
は、金属やセラミツクの材料に合わせた昇温
速度で、徐熱に続き急熱すればよいのであ
る。 (ロ) 真空処理の場合前記の方法により、表面に金属銅層を形成
したセラミツク基板を真空炉中に入れる。真空装置により、炉内を0.047Torrに減圧
し、炉内温度を1083℃に設定し、１分間保持
し、冷却する。真空度が0.25Torrより低い
場合は溶融した銅が丸くなる。0.25Torrよ
り真空度が高い場合には、セラミツクと銅の
ぬれ性が良く、強固接合が得られる。加熱温度としては、1000〜1300℃、好まし
くは、1050〜1200℃の範囲である。1000℃未
満であると接合しにくい。1300℃を超える
と、銅が溶融しすぎて、部分的にセラミツク
と銅とがぬれない所ができる。保持時間については、０〜120分、好まし
くは０〜90分。（実施例）平均グレーンサイズを１〜10μｍにコントロー
ルして、アルナ、ステアタイト、ジルコニア、ム
ライト等の厚み1.0mmの焼結セラミツク基板を製
作し、250〜360℃に加熱したリン酸浴に３〜10分
間浸漬し、基板表面を粗化した。粗化後、充分に水洗、洗浄し乾燥した。メタラ
イズ方法として、化学めつき、PVD法、CVD
法、必要とする場合は電解めつきも併用した。つ
づいて、このようにして作つた、表面に金属層を
形成したセラミツク基板の密着力強化処理を施し
た。高温常圧処理の場合は、20〜50ppmのO₂含有
窒素ガスを用い、加熱温度として1050〜1080℃、
保持時間として５分（一定）、非反応性ガス雰囲
気として、純窒素を用いて接合操作をした。真空処理の場合には、真空度0.05〜0.03Torr、
加熱温度1080〜1200度、保持時間として１分（一
定）という条件で接合操作をした。接合の評価メジヤーとして垂直引張り強度を測
定、外観評価をした。その結果を第１表に示し
た。併せて比較例もここに示す。

〔発明の効果〕

この発明の第１の構成の場合は、セラミツク基
板と金属層との間の接合が共晶反応によるもので
あるため強固な接合が得られるのに加えて、下記
のように共晶反応での条件が適切であるため、強
固な接合が確実に得られ、したがつて、非常に有
用性が高い。つまり、反応性ガス雰囲気での酸素
含有量が20〜100ppmと適切であるため、共晶反
応が十分に起こるとともに金属層における過度の
酸化や溶け出しが抑制され、さらに、共晶時の保
持軸感が５〜10分間と十分であるから適切な共晶
状態が現出する上、純窒素または純アルゴン雰囲
気という確実な比反応性をもつ雰囲気での冷却で
金属露出面の余分な酸化物を還元させられるた
め、強固な接合が確実に得られることとなるので
ある。また、この発明の第２の構成の場合も、セラミ
ツク基板と金属層との間の接合が共晶反応による
ものであるため強固な接合が得られるのに加え
て、下記のように共晶反応での条件が適切である
ため、強固な接合が確実に得られ、したがつて、
非常に有用性が高い。つまり、共晶反応での真空
度が0.25torr以下と金属のぬれ性が十分となる範
囲にあるとともに、高温処理での温度が1000〜
1300℃と十分な接合が起こるとともに溶融の過度
によるぬれ不良の起こらない範囲であるため、強
固な接合が確実に得られることとなるのである。

【図面の簡単な説明】

第１図は、この発明にかかるセラミツク配線基
板の製造プロセスを示すブロツク図、第２図は、
リン酸で粗化を行つた場合の表面粗さと処理温度
の関係を表すグラフである。

Claims

【特許請求の範囲】１表面を粗化しておいて金属層を形成させてな
るセラミツク基板に共晶反応を生じさせる、セラ
ミツク基板と金属との接合方法であつて、前記共
晶反応を、粗化表面に金属層を形成したセラミツ
ク基板を、制御した反応性ガス雰囲気下で、金属
の融点より低く、かつ、金属と金属および反応性
ガスの間で形成された化合物との共融点よりも高
い温度まで昇温し、前記温度で暫時保持して共晶
を生じさせたのち、雰囲気を非反応性雰囲気にし
て冷却を行う方法により行うとともに、前記非反
応性ガス雰囲気が、純窒素または純アルゴン雰囲
気であり、前記反応性ガス雰囲気が20〜100ppm
の酸素含有雰囲気であり、かつ、共晶時の保持時
間が５〜10分間であることを特徴とするセラミツ
ク基板と金属との接合方法。２表面を粗化しておいて金属層を形成させてな
るセラミツク基板に共晶反応を生じさせる、セラ
ミツク基板と金属との接合方法であつて、前記共
晶反応を、粗化表面に金属層を形成したセラミツ
ク基板を真空中で高温処理する方法により行うと
ともに、前記真空中が0.25〜0.02torrの範囲であ
り、前記高温処理での高温が1000〜1300℃の範囲
であり、かつ、高温での保持時間が120分以下の
範囲であることを特徴とするセラミツク基板と金
属との接合方法。