JPH07197236A - セラミックス−金接合構造体 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】セラミックス基材表面上に形成される金電極、
デバイス間の金配線などにおいて、セラミックス基材に
対する接合力が高く、また、高温に加熱されても金の特
性が変化しないセラミックス−金の接合構造体を提供す
る。 【構成】セラミックス基材上に酸化ルテニウムの蒸着層
を介して金の蒸着層が形成されて成るセラミックス−金
接合構造体である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、セラミックス基材と金
の接合構造体に関し、特にセラミックス基材に対する金
の接合力の向上ならびに高温加熱時における安定性向上
が達成されたセラミックス−金接合構造体である。

【０００２】更に詳しくは、セラミックス基材表面上に
形成される金電極、デバイス間の金配線などにおいて、
セラミックス基材に対する接合力が高く、また、高温に
加熱されても金の特性が変化しないセラミックス−金の
接合構造体である。

【０００３】

【従来の技術】近年の電子機器の発展にはめざましいも
のがあり、ＬＳＩ、超ＬＳＩといった言葉で代表される
ように、高性能化、小型化、軽量化、高密度化、多機能
化などが急速に進展している。

【０００４】このような電子機器には電子部品を搭載す
るための基材が必要であり、その材料の一つとして、セ
ラミックス基材が使用されている。

【０００５】上記セラミックス基材表面上には、形成さ
れる電極やデバイス間の配線等、導電性を必要とする箇
所には、通常、金、銀、白金、銅などの金属層が形成さ
れるが、金のワイヤーボンディング法によって実装を行
う場合には、金よりなる金属層が一般に用いられる。

【０００６】従来、金よりなる金属層を形成する方法と
してよく知られているのが印刷法である。これはセラミ
ックス基材上にスクリーン印刷で金のペーストを印刷
し、焼成して電極などのパターンを形成するものであ
る。上記金のペーストは、金粉末に、数重量％のガラス
粉末を添加し、更に有機バインダー、有機溶剤を分散さ
せたものである。

【０００７】以上の印刷法は、スクリーン印刷という長
い歴史をもつ技術によって支えられてきたが、その利用
にあたっては以下の制約がある。 対象となる基材が、９６％アルミナのような特定の基
材に限られ、それ以外のものを用いると、金と基材との
接合力が著しく低下する。

【０００８】厚膜法においては、その厚みの影響によ
り、微細なパターンを形成することが困難である。

【０００９】金と基材との接合力が基材の表面状態に
大きく左右され、ある程度の表面荒さがないと実用に耐
えうる接合力を得ることができない。しかし、基材表面
を荒らすと、微細なパターンを形成できるはずの薄膜法
においても荒さの影響でパターンの断線、ゆがみ等が生
じる。

【００１０】かかる基材表面の金との接合性の改良にお
いて、表面荒さの影響を受けることなく基材と金ペース
トとの接合力を高めるために、使用する基材表面に平滑
なガラス層を設けたグレーズドセラミックスを用いる方
法が提案されているが、このような基材はある程度の厚
みがないと製造することができず、たとえば厚さ０．３
ｍｍ以下の基材に採用することができない。

【００１１】以上のように、印刷法は基材の材質、厚
さ、表面荒さに種々の制約があるため適用できる範囲が
必然的に限られてくる。このような印刷法による欠点を
解決するために、近年、真空蒸着、スパッタリング等に
代表される物理蒸着法による金とセラミックス基材との
接合方法が提案されている。

【００１２】この物理蒸着法は、膜形成物質を加熱や放
電などで一旦気相にし、基材上で固相に戻す方法であ
る。上記方法においては、通常、セラミックス基材と強
固に接合する物質、例えば、チタン、ジルコニウム、ク
ロム、モリブデン、タングステン等の金属蒸着層よりな
る接着層を形成後、金の蒸着層を形成する方法が行われ
る。また、上記方法により金の蒸着層を形成する場合、
接着層との間に拡散防止層と呼ばれる層を形成する金属
を介在させて３層構造とすることが一般に行われる。こ
の理由は、接着層を形成する金属の反応性が高いため
に、金と接着層が直接接触していると、わずかな加熱や
通電によって接着層を形成する金属が金に拡散し、金の
特性が著しく低下し、ワイヤーボンディング強度や導電
性の低下が引き起こされるからである。

【００１３】拡散防止層を形成する金属には白金やニッ
ケルなどが用いられ、その結果、物理蒸着法によって形
成される金とセラミックス基材の接合構造体において
は、チタンーニッケルやチタンー白金を介して金とセラ
ミックス基材とを接合させるのが一般的である。

【００１４】

【発明が解決しようとする課題】上述した蒸着方法によ
って得られる３層構造よりなる金とセラミックス基材と
の接合構造体は、セラミックス基材の材質、厚さ、表面
荒さの影響を全く受けることなく高い接合力を有する。
また、各層を構成する金属の厚さも自由に変えることが
できるため、あらゆる形状のパターンに対応することが
できるという特徴を有するものである。

【００１５】しかしながら、上記の接合構造体は、特に
３００℃以上の高温に加熱された場合の耐熱性において
未だ改良の余地があった。即ち、かかる接合構造体が約
３００℃以上に加熱されると、たとえ拡散防止層を設け
ていても異種金属間での拡散を防止することが困難とな
り、接着層と拡散防止層、拡散防止層と金、拡散防止層
を通過しての金と接着層の間で反応が進み、層構造が崩
壊する。

【００１６】その結果、接着層がセラミックス基材から
剥離し易くなったり、金の変質により導電性やワイヤー
ボンディング強度が著しく低下するといった問題が生じ
ていた。

【００１７】従って、加熱されてもセラミックス基材
と金との接合力が常に高く、加熱後のワイヤーボンデ
ィングが可能かつ強度が高く、長時間の加熱に対して
も劣化の少ないセラミックス−金の接合構造体が望まれ
ていた。

【００１８】

【課題を解決するための手段】本発明者らは、かかる特
性を有するセラミックスと金の接合構造体を開発すべく
研究を重ねた結果、セラミックス基材上に酸化ルテニウ
ムの蒸着層を介して金の蒸着層を形成させることによ
り、金とセラミックス基材との接合力が高く、しかも、
高温下に長時間曝されても金の変質が殆ど起こらない安
定した接合構造体が得られることを見い出し、本発明を
提案するに至った。

【００１９】すなわち、本発明は、セラミックス基材上
に酸化ルテニウムの蒸着層を介して金の蒸着層が形成さ
れて成るセラミックス−金接合構造体である。

【００２０】以下に、本発明の接合構造体の構成につい
て詳細に説明する。

【００２１】本発明において、酸化ルテニウムの蒸着層
は、金とセラミックス基材とを強固に接合させるために
必要なものであり、金およびセラミックス基材の双方に
対して高い接合力を有する。また、かかる蒸着層は３０
０℃以上の長時間加熱に対しても変質や劣化が生じるこ
とがなく、金およびセラミックス基材との反応や拡散も
引き起こさない。

【００２２】上記の酸化ルテニウムの蒸着層を構成する
酸素と金属ルテニウムの比率は、量論比であっても非量
論比であっても上記の性質を変えるものではない。ま
た、層を形成した場合の厚みについても制限は全くな
く、かかる厚みにおいて目的に応じたパターンを形成す
ることができる。一般には、量論比で１．５〜２．５の
範囲のものが好適に使用される。また、酸化ルテニウム
よりなる蒸着層の厚みは、０．００５〜３μｍ、好まし
くは０．０２〜２μｍに調節することが接着力を十分発
揮させるために好ましい。即ち、かかる蒸着層の厚みが
０．００５μｍより薄い場合、金の接着強度等が低下す
る傾向がある。一方、該蒸着層の厚みが３μｍを越えた
場合、金の接着強度の低下はないが、経済的に不利であ
る。

【００２３】本発明において、セラミックス基材は、酸
化物、窒化物、炭化物などの材質に関係なく、公知の材
質より特に制限なく選択することができる。また、基材
の厚み、形状、表面荒さ等についての制限も全くなく、
セラミックス基材の機械的強度が保たれる限りにおい
て、どのような態様をも採用することができる。

【００２４】代表的なセラミックス基材を例示すれば、
アルミナ、ムライト、チタニア、炭化ケイ素、窒化アル
ミニウム等が挙げられる。そのうち、特にアルミナが酸
化ルテニウムとの接着性の面で好適である。

【００２５】また、セラミックス基材の表面荒さは、Ｒ
ａ ０．０３〜０．５μｍ、好ましくは０．０４〜０．
３の範囲とすることが、蒸着層のパターン形成を精度よ
く実施する上で好ましい。

【００２６】上記セラミックス基材上には、酸化ルテニ
ウムの蒸着層を介して金の蒸着層が形成される。かかる
金の蒸着層は、セラミックス基材上に形成されるパター
ンの導体部、たとえば電極やデバイス間の配線として或
いは、金ワイヤーとのボンディングのために形成され
る。上記のように、酸化ルテニウムの蒸着層の上に形成
された金は、９００℃以下であれば長時間加熱されても
劣化することはなく、良好な導電性およびワイヤーボン
ディング性を保持できる。

【００２７】尚、金の蒸着層は、その厚みは特に制限さ
れるものではなく、かかる厚みにおいて、目的に応じた
パターンを形成すればよいが、一般に、０．３〜９μｍ
程度の厚みとすることが好ましい。

【００２８】本発明のセラミックス−金接合構造体の製
造方法は、特に制限されるものではなく、セラミックス
基材の表面に、公知の蒸着法により、酸化ルテニウム及
び金の蒸着層を順次形成することによってかかるセラミ
ックス−金接合構造体が得られる。

【００２９】上記各層を形成する蒸着層の形成方法とし
ては、抵抗加熱や電子ビームによる真空蒸着法、スパッ
タリング法など物理蒸着法が挙げられる。中でも、スパ
ッタリングによる方法が本発明の目的を達成するために
最適である。

【００３０】本発明の金−セラミック接合構造体は、蒸
着時に特定のパターンとなるように形成されてもよい
し、蒸着は全面に行い、後にエッチング等の手段により
パターニングすることも可能である。

【００３１】

【発明の効果】以上の説明より理解されるように、本発
明のセラミックス−金接合構造体は、金の蒸着層とセラ
ミックス基材との間に酸化ルテニウムの蒸着層を介在さ
せることにより、金とあらゆる材質、表面荒さ、形状を
有するセラミックス基材とが強固に接合する。特に、ア
ルミナ基材との接合は良好である。

【００３２】また、本発明の接合構造体は、高温で長時
間加熱されても、酸化ルテニウムと金、酸化ルテニウム
とセラミックス基材、酸化ルテニウムを通過しての金と
セラミックス基材成分との間で拡散や反応等が生じるこ
とがない。

【００３３】しかも、金、酸化ルテニウム及びセラミッ
クス基材自体が加熱によって変質することがないので、
加熱後も金の蒸着膜の表面状態を加熱前と同じ状態を保
つことができる。

【００３４】従って、本発明のセラミックス−金接合構
造体は、導電性や金のワイヤーボンディングを必要とす
る電子機器の素子として、幅広く活用することができ
る。特に、加熱の影響を受けないことから、デバイス等
の放熱によって高温にさらされる部材、あるいはガスセ
ンサーに代表されるような発熱体を有するセラミックス
基材に対して用いると、その効果は顕著である。

【００３５】

【実施例】本発明を具体的に説明するために以下の実施
例を挙げて説明するが、本発明はこれらの実施例に限定
されるものではない。

【００３６】尚、実施例及び比較例における各種試験は
下記の方法によって行った。

【００３７】（１）接合力測定試験 得られた接合構造体の金表面にニッケルめっきを施し
て、接合力測定試験片とした。ニッケルめっきを施した
のは、以下で用いるはんだが金と直接反応し、合金化す
るのを防止するためである。ニッケルめっきは電気めっ
き法によって行い、ニッケル浴としてワット浴を用い
た。ワット浴は、１００ｃｃの純水に硫酸ニッケルを２
４ｇ、塩化ニッケルを４．５ｇ、ほう酸を３ｇ加え、こ
れを均一に攪拌することによって作成した。めっき時の
液温度は６０℃とし、ニッケル板を陽極に用いて、電圧
１．５Ｖ、電流１００ｍＡでめっきを行った。めっき層
の厚さは、１．０μｍとした。

【００３８】次に、断面積が１ｍｍ² のステンレス棒
を、ニッケルめっき表面に対して垂直に取り付けた。ス
テンレス棒とニッケルめっきの接合は、その間にはんだ
を介在させることによって行った。

【００３９】はんだが正しく装着されたことを確認した
後、接合構造体を動かないように固定し、引張試験機に
よってステンレス棒を上方に引き上げた。そして、接合
構造体とステンレス棒が分離した瞬間の引張強度を、接
合構造体の接合力とした。

【００４０】接合力の測定は、接合構造体作成直後のも
のだけでなく、加熱後のものに対しても行った。すなわ
ち、めっきを施す前の試験片を、１００℃、３００℃、
６００℃、８００℃の各温度で１００時間加熱した後、
上記と同様の方法および条件で上記した接合力測定用試
験片を作成し、その接合力を測定した。上記試験を同一
の試験片に対して１０回行い、その平均を測定値とし
た。

【００４１】（２）ボンディング強度測定試験 得られた接合構造体の金表面の任意の１点に、長さ５ｍ
ｍ、直径２５μｍ、引張強度１０〜１３ｇの金線の一端
をワイヤーボンディングした。

【００４２】なお、ワイヤーボンディングは超音波圧着
方式のものを用い、圧着時の荷重を５ｇ、接合構造体の
加熱温度を１５０℃にしてボンディングを行った。金線
の他の一端は、最初にボンディングした位置から３ｍｍ
離れた地点に、先と同様の条件でワイヤーボンディング
した。

【００４３】このように、接合構造体の金にループ状に
取り付けられた金線を、プルテスターと呼ばれる低荷重
の引張試験機によって上方へ引き上げた。そして、金線
が接合構造体から分離した瞬間の引張強度を接合構造体
のボンディング強度とした。

【００４４】ボンディング強度の測定は、接合構造体作
成直後のものだけでなく、加熱後のものに対しても行っ
た。すなわち、試験片を、１００℃、３００℃、６００
℃及び８００℃の各温度で１００時間加熱した後、上記
と同様の方法で金線を取り付け、ボンディング強度を測
定した。

【００４５】上記試験を同一の試験片に対して１０回行
い、その平均を測定値とした。

【００４６】（３）抵抗率測定試験 得られた接合構造体の金の抵抗率が、加熱の影響でどの
様に変化するかを測定した。

【００４７】まず、前述のようにして得られた試験片の
金の抵抗率を、室温で四探針法によって測定した。

【００４８】次に、試験片を、１００℃、３００℃、６
００℃及び８００℃の各温度で１００時間加熱した後、
上記と同様の方法で抵抗率を測定した。

【００４９】抵抗率の変化は、式 ｛（加熱後の抵抗率）／（室温の抵抗率）｝×１００
（％） により評価した。

【００５０】（４）パターン精度試験 得られた接合構造体の金表面に、ポジ型の厚膜レジスト
材を膜厚が均一になるように塗布し、線幅５μｍ、線間
隔５μｍの線状パターンが５本得られるように露光、現
像した。

【００５１】次に、得ようとするパターン以外の部分の
金および酸化ルテニウムを、イオンミリング法によって
除去した。なお、イオンミリング時の加速電圧は６００
Ｗ、導入ガスはアルゴンとした。

【００５２】イオンミリング後の線状パターンを光学顕
微鏡によって観察し、断線やゆがみの有無を観察した。
断線やゆがみが存在しない場合は○、確認された場合は
×としてパターン精度を評価した。

【００５３】実施例１〜２５ 表１に示すような酸化ルテニウムの蒸着層を介して金の
蒸着層が形成されてなるセラミックス−金接合構造体を
次のようにして作成した。

【００５４】まず、１インチ角、厚さ０．６３５ｍｍの
純度９９．５％アルミナ、純度９６％アルミナ、窒化ア
ルミニウム、炭化けい素の各セラミックス基材を研削し
て、その形状を１インチ角、厚さ０．２ｍｍに仕上げ
た。なお、表面荒さはＲａ ０．０４μｍまたはＲａ
０．３μｍとした。

【００５５】次に、これら各種セラミックス基材の表面
全体に、スパッタリング法によって一定の厚みで酸化ル
テニウムを接合させた。スパッタリングは、高周波マグ
ネトロンスパッタリング方式を採用し、ターゲットは酸
化ルテニウム粉末を加圧焼結したものを用いた。高周波
の出力は１５０Ｗ、導入ガスはアルゴンとし、スパッタ
リング時の圧力は１０ｍＴｏｒｒとした。また、セラミ
ックス基材は１００℃に加熱保持し、ターゲットに対し
て静止させたままスパッタリングを行った。

【００５６】このようにして酸化ルテニウムの層を形成
した後、該層上全体にスパッタリング法によって一定の
厚みの金を接合させた。スパッタリングは高周波マグネ
トロンスパッタリング方式を採用し、ターゲットはペレ
ット状の金を用いた。かかる高周波の出力は４００Ｗ、
導入ガスはアルゴンとし、スパッタリング時の圧力は５
ｍＴｏｒｒとした。この間、酸化ルテニウム−セラミッ
クス接合体は１００℃に加熱保持し、ターゲットに対し
て静止させたままスパッタリングを行った。

【００５７】以上のようにして得られた接合構造体につ
き、前記試験を実施した結果を、各表に示す（接合力測
定試験の結果（表３）、ボンディング強度測定試験の結
果（表３）、抵抗率測定試験の結果（表５））。

【００５８】比較例１〜１３ 表２に示すセラミックス基材上にチタン−白金の蒸着層
を介して金の蒸着層が形成されてなるセラミックス−金
接合構造体である。

【００５９】試験片は前記実施例に準じて作成した。す
なわち、実施例と同様の方法で各種セラッミクス基材を
仕上げた後、その表面全体に、スパッタリング法によっ
てチタン、白金の順に層を形成した。スパッタリングの
条件は、実施例における金のスパッタリング条件と同様
である。

【００６０】これらの層を形成した後、この上に実施例
と同様の方法で金の層を形成した。

【００６１】以上のようにして得られた接合構造体につ
き、前記試験を実施した結果を、各表に示す（接合力測
定試験の結果（表４）、ボンディング強度測定試験の結
果（表４）、抵抗率測定試験の結果（表５））。

【００６２】比較例１４〜２９ 表２に示すような、金ペーストによってセラミックス基
材上に金の厚膜または薄膜の層が直に形成されたセラミ
ックス−金接合構造体を以下の方法により製造した。

【００６３】即ち、実施例と同様の方法でセラミックス
基材を仕上げた後、その表面全体にスクリーン印刷法に
よって金の層を形成した。

【００６４】なお、金の層を形成するためのペースト
は、厚膜ペースト（厚さ６μｍ）と薄膜ペースト（厚さ
０．８μｍ）とした。

【００６５】ペーストを印刷後、８００℃で１時間焼成
して接合体を完成させた。

【００６６】これらの接合構造体について、なお、表４
において、剥離とは金ペーストをセラッミックス基材上
に印刷した直後、金ペーストが基材から剥離したことを
意味し、不可能とはボンディングの金線が取り付け不可
能であったことを示す。

【００６７】以上のようにして得られた接合構造体につ
き、前記試験を実施した結果を、各表に示す（接合力測
定試験の結果（表４）、ボンディング強度測定試験の結
果（表４）、抵抗率測定試験の結果（表５））。

【００６８】

【表１】

【００６９】

【表２】

【００７０】

【表３】

【００７１】

【表４】

【００７２】

【表５】

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】セラミックス基材上に酸化ルテニウムの蒸
   着層を介して金の蒸着層が形成されて成るセラミックス
   −金接合構造体
2. 【請求項２】セラミックス基材の表面荒さ（Ｒａ）が、
   ０．０３〜０．５μｍである請求項１記載のセラミック
   ス−金接合構造体。
3. 【請求項３】酸化ルテニウムよりなる蒸着層の厚みが、
   ０．００５〜３μｍである請求項１記載のセラミックス
   −金接合構造体。