JPS604154B2 - セラミツクからなる基体に銅部材を結合する方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明はセラミックのごとき基体に銅部材を直接結合す
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。

本発明はまた、半導体パッケージとりわけ電力半導体用
の加圧実装−両側冷却型半導体パッケージにも関する。
セラミッ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
り長期間にわたって数多くの業界の関心の的となってき
た。たとえば、点火プラグ製造業者は点火プラグの金属
ベースにセラミッ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
べき都村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って水素化チタン
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２５７０３４８
号明細書中に記載されている。セラミックに金属を結合
するための別の方法はフィリップス研究所のジェー。

ティー。クロンプ（Ｊ．Ｔ．Ｋ１ｏｍｐ）によって記載
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ｌｋ９′地の高圧下でセラミッ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ーセラミック間の接触を
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っ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ック基体との間に生
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ェームズ・ィー・ベ
ッグス（ＪａｍｅｓＥ．＆ｇ鮮）の米国特許第２８５７
６６３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Ｗｂ族に属するチタン族金属と銅、ニ
ッケル、モリブデン、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、隣接する都材間に
強固な結合が生じる。この方法は多くの用途にとって満
足できるものであったが、結合の完全性を改善し、金属
部村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った
。

たとえば、ある種の金属ははんだの使用によって互いに
結合できる。また、アーク溶接や点溶接のごとき溶接方
法によっ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
部材の使用によっ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
って金属に金属を結合する方法およびセラミックに金属
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談受人に譲
渡されたパージヱス（Ｂｕｒｇｅｓｓ）等の米国特許第
３７４４１２ぴ号およびバブコック（Ｂａｂｏｃｋ）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一気体共晶法に従え
ば、先ず結合すべき金属がセラミックまは金属基体上に
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ックに銅を結
合する場合、反応性雰囲気を使用すると鋼上に酸化鋼被
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。従って、従来技術における上記の欠点を解決
しながらセラミックに銅部材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・ヱフ・ルーテンス（Ｗｉｌｌｉａｍｆ．Ｌ
ｏｏｔｅｎｓ）の米国特許第３５９９０５７号によって
例示されるような加圧実装−両側冷却型半導体パッケー
ジは、電力半導体分野において広く使用されている。

かかるパッケージは、幾つかの特徴により、半導体装置
設計者にとって極めて魅力あるものとなっている。たと
えば丈夫であり、半導体べレッ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（ｈｅａｔｓｉｎｋ）
へ効果的に伝達する。しかしながら、かかるパッケージ
は安価に製造できるわけではない。

経済上の問題点の１つは金属接点アセンブリとセラミッ
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０を呼ぶに違いない。従って、金属とセラミック
との間により安価な封止構造を有するにもかかわらず上
記の要求条件は満たすように改良された加圧実装−両側
冷却型半導体パッケージを提供することも本発明の目的
の１つである。

また、かかるパッケージの製造方法を提供することも本
発明の目的の１つである。本発明はセラミックに銅部材
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
ックから成る特定の基体に側部村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鋼部材が配置される。

次に、銅部材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秒にわたり鋼部材およ
び基材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銅のみが存在する。析出ま
たは遊離した結合剤は存在しない。従って、銅は本釆の
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、銅が主として固体状態に留まるという利点も追加
される。従って、それの寸法および構造の一体性並びに
良好な表面品質が維持されることになる。銅部村と結合
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
結合剤を含有する銅部材を選ぶことが最も容易な方法で
ある。たとえばタフピッチ電解鋼の中には、それ以上の
酸素を添加しなくても、アルミナまたはべりリアのごと
きセラミッ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
量の結合剤を銅部材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銅部材の表面上に生成
される。

かかる反応は任意の通常方法によって実施すればよい。
かかる化合物の薄層は鋼部材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。かかる化合物が銅部材の
一方の側だけに設置され、しかもそれが結合操作時に基
体の反対側にあったとしても、十分な時間さえかければ
、結合温度下の銅部村を通っ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、結合剤と鍵との粒状の化合物を基体ま
たは銅部材上に付着させるというものである。

次いで、基体および銅部村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
ためバィンダ・一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、セラミッ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
ッ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は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って公知である。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ット数を容易
に求め得ることが見出された。

メリット数とは、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。このメリット数は１〜１０ぴ０／原子％結合
剤の範囲内にあることが好ましい。また、メリット数が
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。メリッ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、またメリット数が小さいこ
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ッケージが挙げられ
る。

環状セラミッ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
半導体パッケージが得られる。その場合の連結は結合剤
の存在下で金属とセラミックとを直接結合すれば達成さ
れる。かかるパッケージの内部には通常の半導体べレツ
トサプアセンブリが保持される。このような直接結合技
術は他のセラミッ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。かかるパッケージの１つの
製造方法に従えば、先ず、セラミッ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べレットサブアセ
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簿されかつ周辺に沿って溶接される
。その結果、丈夫で完全に気密の半導体パッケージが得
られることになる。その際、セラミックとしてアルミナ
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
環状のセラミッ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。

このようにすれば、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
。

共鼠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って、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って結合
を生み出すに足るだけの共晶を含んでいるわけである。
基体はセラミックである。セラミックという術語は広義
に解釈すべきであって、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。前述のパージ
ェスおよびバブコックの米国特許（いずれも本発明の場
合と同じ該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ック
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
的に異なっている。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。パージェス、バブコックおよ
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
って、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、
１４０６ｋ９′地（２００００ポンド／平方ィンチ）を
越える結合強および１２．５ｋ９′弧（７０ポンド／ィ
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、酸化鋼共晶はセラミックと
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、鋼が酸化鋼との間に結合を
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、硫化鋼はステンレス鋼と
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って、適切な共晶およ
び基体の選定は当業老の能力の範囲内にある。かかる選
定はパージヱスおよびバブコックによって明示されたよ
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を選ばれなければならな
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。状態図中に
おける２つの重要な点は、１０６チ０の温度および１．
５弘慕子％の酸素舎量に対応する共晶点Ｅ並びに１０８
３午Ｃに位置する銅の融点である。最初に、前述のパー
ジェスおよびバブコッ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、バフコックの特許がセラミックに金属を結合す
る場合に関係するのに対し、パージェスの特許は金属に
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。本発明にとって重要なのは、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。パージェスおよびバブコックの方法に従え
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、それによって結合を生み出すのである。
パージェスおよびバブコッ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
。従って、曲線は酸素含量＝○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、従って
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１０
６５ｑ○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、パージェスおよびバブコック
の方法を表わす曲線は約１０３０ｑｏ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１
０６５ｑＣ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。パージェス
およびバブコッ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の分岐曲線によっ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
っ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、１０６
５℃以上における領域２３は過共晶となって固体酸化第
一鋼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
って結合が生み出されるわけである。パージェスおよび
バブコックの方法の場合、凝固後の領域２３が金属鋼お
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鋼とほ
とんど同じであり、従っ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、
従って金属鋼からの性質の相違が大きい。英国特許第７
６１０４５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（１０８ｙ０）より高いが酸化第一銅の
融点（約１２００００）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ってもし、
。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。従って、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
第二鋼の表層が酸化第一鋼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。従って、この英国特許
明細書に従って実施した場合、凝固後の結合領域２３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っく
りと酸化物と化合して共晶相を生成し、そのため酸化物
領域の鋼含量は増大するからである。本発明の直接結合
法を銅および酸化鋼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鋼で酸化させられる。

この酸化銅は薄いもので各種の方法によって生成させる
ことができる。たとえば、熱的に生成させても、陽極酸
化によって生成せても、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、米国コネチカット州ニ
ューヘブン市のェンソン社（Ｅｎｔｈｏｎｅ．Ｉｎｃ．
）からェボノールＣ（ＥめｎｏＩＣ）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。英国特許
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。従って、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
方法に従って生成された酸化物層は英国特許の方法に従
っ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Ｖ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。従って、
凝固によっ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、酸化鋼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、パ
ージェスおよびバブコックの方法もまた上記のごとき利
点を持った亜共晶結合領域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。

既に指摘された通り、共晶温度より上方かつ固相線と液
相線との間にある函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渥合物が存在する。

ここで、１／２原子％の酸素舎量および約１０６７０の
温度に対応する点×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×と固相線との間に直線距離を
Ｌとし、また点×と液相線との間の直線距離をＳとすれ
ば、点×における液体共晶の割合はＬ／（Ｌ＋Ｓ）に等
しくなる。従って、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以上が固体鋼である。温度が上昇
するのに伴い、混合物中の液体は増加する。

やがて、点Ｙによって表わされる約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。従って、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１０７か０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
く保つことのもう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′幻京子％になったとすると、
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って削減される。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うか
を判定するためのメリット数が選定された。

かかるメリット数は第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って求められたものであ
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、メリット数はその直線の勾配を℃／原子％単位
で表わした値である。かかるメリット数は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
に関するメリット数は約１１。７℃／原子％であって、
これは鋼一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。先ず第５Ａ
図を見ると、基体２２Ａに隣接した側に酸化鋼層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っ
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２４Ａが暴露されることになる。酸化鋼層２４
Ａ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
薄い酸化鋼層を使用することが好ましく、またその逆も
言える。かかる酸化鋼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−酸化鋼系の共
晶温度と銅の融点との間に温度に加熱すれば、界面に融
体が生成される。前述の通り、その場合の温度は１０７
２０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（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。酸化鋼は任意適宜
の方法によっ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
は前記のェボノールＣまたはその他任意の酸化剤を用い
て化学的に酸化鋼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、
粒状の酸化鋼を適当なピ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（Ｓｉ
ｌｋＳｃｒｅｅｎｉｎｇ）またはその他任意の適当な技
術が使用できる。上記のビーヒクルは加熱工程中に蒸発
する有機化合物であり、従って最終的な結合領域中には
存在しないことが好ましい。かかる粒状酸化鋼の付着が
非常に高い酸素含量をもたらし、そのため最終的な結合
領域が過共晶となっ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中の酸素舎量を減らせばよい。厚さ
１０ミルの銅をセラミッ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、それにより窒素中雌し、て３〜３参で約岬肌
燃される。

４分間にわたりその温度に保ってから冷却すれば、目的
の結合が得られる。

１０６５ｏ０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約２１５００オングス
トロームの融体を生成する。

１０７ｙＣでは、融体の厚さは約４００００オングスト
ロームとなる。

なお、１０ミルは、２５０００００オングストロームに
等しい。かかる好適な方法における融体の厚さは４００
００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、従って寸法
安定性が得られることになる。次に第５Ｂ図を見ると、
酸化鋼層２４８が銅２１Ｂ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。

酸化鋼層２４Ｂ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
とく粒状の酸化鋼を層２４Ｂとして付着させてもよい。
銅２１８を矢印の方向に移動させて基体２２Ｂ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鋼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。従って、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、酸化鋼層は第５Ａ図の
構成において使用される酸化鋼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
坂上に酸化鋼層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鋼層
２４Ｃと接触することになるから、酸化鋼層２４Ｃがど
ちらかの薄板上に位置するかは重要でない。勿論、酸化
鋼層２４Ｃは任意の前記技術によっ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枚の銅薄坂間の
界面に留まっている。冷却後、銅薄板同士は両者間の融
体によって結合され、また下方の銅薄板２１Ｃと基体２
２Ｃとは両者間の敵体によって結合される。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、酸化鋼層２４０が基体２２０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、あるいはスパッタ一、黍着また
は化学めつきによっ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２
１Ｄを矢印の方向へ移動させて酸化鋼層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。従って、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
っ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
ピッチ電解銅であって、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。典型的なタフピッチ電
解鋼は約１００〜２００奴奴の酸素を溶解酸素または酸
化鋼の形で含有している。タフピッ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。従って、タフピッチ
電解鋼を使用した場合、結合剤の団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
却型半導体パッケージ３１が示されている。

このパッケージ３１は環状のセラミックハウジング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
に沿ってセラミックハウジング３２に結合されている。
セラミックハウジング３２の池端には、薄いフランジ３
６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は周辺に沿っ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
ゴム製のりング４１によって中央に保持された通常の半
導体べレットサブアセンプリ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
って「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。かかるパッケージに関し
て更に多くの情報が所望されるならば、米国ニューヨー
ク州シラキューズ市のゼネラル・エレクトリック・カン
パニー（蛇ｎｅｒａＩＥｌｅｃｔｒｉｃ Ｃｏｍｐａｎ
ｙ）発行「ＳＣＲ便覧（ＳＣＲＭａｎ肌１）」（１９７
２年）を参照されたい。かかるパッケージ３１は、以下
に記載されるごとく、本発明の直接結合法によって有利
に製造することができる。次に第８図を見ると、上端お
よび下端に酸化鋼層４２の付着したセラミックハウジン
グ３２が示されている。

酸化銅層４２は任意適宜の方法によって付着させ得るが
、有機ビヒクル中の粒状酸化鋼および粒状鋼をスクリー
ン印刷することによって付着させるのが好ましい。酸化
鋼層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、セラミック
ハウジング３２と薮点円板３５およびフランジ３６との
間に直接結合が生じる。勿論、セラミックハウジング３
２上ではなく接点円板３５およびフランジ３６上にも酸
化鋼層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
ックハウジング３２に接点板３５およびフランジ３６を
結合した後、リング４１を伴ったべレットサブアセンブ
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とを周辺に沿って
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〜バフコックの方法を使用す
るならば酸化鋼層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聯合して結合を生
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、酸化鋼層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し予備酸化
時に接点円板およびフランジを遮蔽することにより、セ
ラミックハウジング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、結合に先立っ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ＩＳ図を見ると「同様なパッケージ組立技
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
１４５を各々の界面に導入することによって酸素が供給
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
１０〜２０ミルの銅から成る接点円板およびフランジが
優れたパッ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１／４ミルの総合厚さを得るためには酸化物層の厚
さを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ッケージ１５１の製造技術が示
されている。

環状のセラミックハウジング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１４
５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って非常に軟らか
いためである。すなわち、かかるおもりによって金属は
セラミッ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ッ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。

従って、接点円板１５２およびフランジー５３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メッシュの範囲内の粒度を
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
ことがあっても、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１５
２は、ハウジングと接点円板との同Ｄ性を保証するため
、セラミックハウジング１３２の内面に整合して肩部１
５８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の関口ＩＳＩ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１６３には、セラミッ
クハウジング１３２の内面に整合した肩部１６２が同０
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
が可能であって、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。パッケージ
１５１の組立はパッケージ３１の場合と同様にして完成
される。

詳しく言えば、半導体べレットサブアセンブリ１３９を
セラミックハウジング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って溶接（一般に冷間溶接）され
る。パッケージ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、図示夕の通り、
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１６
５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
。０ 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、半導体べレットサブアセンブリが接点坂上に配置
されかつクＲＴＶゴム製のりング１４１によって同心的
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１６３と接
点円板１６４とが周囲に沿って溶接される。以上で装置
の組立が完了する。０ 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ッ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。かかるパッ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、半導体べレットサ
ブアセンブリの耐熱性が許す限りは、フランジ３６を省
き、そしてセラミッ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を包含するりードフレーム５９が示されている。
回路基板中の導電ｉ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によって支持体に連
結されている。かかるリードフレームは任意の従来技術
によっ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、アルミナまたはべりリアのごとき基体２２上に配置
されたりードフレーム５Ｑ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って、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、従っ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５９および銅
薄板２１は本明細書中に記載された技術によってセラミ
ック２２１こ結合することができる。

そのためにはト酸素のごとき結合剤が系内に存在しなけ
ればならない。酸化鋼の導入は任意の前記技術によって
達成できる。たとえば、金属部品を予め酸化してもャ粒
状の酸化銅を付着させても、あるいはタフピッチ電解鋼
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
には小さなノッチ６２が設けられている。

かかるノッ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／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
って）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、ノッチ６２の位憎までタブが分離
すると、その部分の強度は残りの銅をセラミックから引
離すには不十分である。従って、第１２図に図式的に示
されているようにタプはノッチの位置で折れる。厚さ１
０ミルの銅には７ミルのノッチを設ける（従って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って結合されたも
のに比べると銅が比較的厚いため「その電流容量は大き
くなっている。たとえば「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
、セラミックと共に使用すると基体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ックに銅が
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べレッ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ト第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、１９７必王１
２月２３印こ提出された「周囲のくぼんだ取付板を含む
半導体アセンブリ」と題するピー８ダブリュー・ケーニ
ッグ（Ｐ．Ｗ．Ｋｏｅｎｉｇ）の米国特許出願第５３５
６７０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、半導体べレ
ツト４０およびそれに結合された下部取付板４１から成
るべレツトアセンプリ９１を包含する半導体アセンブリ
１０１を取出したものである。べレツト４０がコ−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ってリボン形のゲートリー
ド９４が結合されている。同機に、カソード接点にもは
んだ付け等の方法によって別のＩＪ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、従って通常
のｌｊ−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９
７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つの俵点の全てが
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のべ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、リードをべレ
ット上に配置して加熱するだけでリードがべレットに結
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。セラミック基体１０２には導電性の
平面ＩＪ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図に示されたりード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１０
２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ＩＪードと半導体べレツトとの間あ
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、従って確実である。
更にまた、下部取付板４１およびセラミック基体１０２
はいずれも良好な熱伝導体であるため、良好な熱の流略
を与える系によって基体を放熱器に敬付ければべレット
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
個のワィパアーム１０６を設置することができる。アー
ム１０６は、ばね作用によって平面リード１０３〜１０
５に接触させてもよいし、あるいははんだ付け等によっ
て接点領域に永久的に結合してもよい。このようにすれ
ば、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ッドリードが永久的に連結
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。以上の記載に照らせば、本発明の数多〈の変
形実施例が当業者にとって明らかとなろう。

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図は本発明に従っ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タ第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０方
法を図解する概略図、第７図は本発明方法によって有利
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図は本明細書中の記載に従って導電
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図のりードフレー
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
たセラミッ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結合された第９図のりードフ
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図に示されたりードフレームの使用によって形
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のが結合剤の導入に
は別の方法を使用した組立工程を示す概略分解図、第１
７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‘ま金属（銅部材）、２２は基体、２３は共
晶層または結合領域、２１Ａ〜２１Ｄは銅薄板、２２Ａ
〜２２Ｄは基体、２４Ａ〜２４Ｄは酸化鋼層、３川ま半
導体パッケージ、３２はセラミックハウジング、３３は
下部金属接点アセンブリ〜 ３４は下部金属接点板、３
５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
導体べレツトサプアセンプリ、４０‘ま上部金属接点ア
センブリ、４１‘まＲＴＶゴム製リング、４２は酸化鋼
層、５０‘まリードフレーム、５１は周辺支持体、５２
〜５８はランド部、６１はタブ、６２は／ツチ、９１お
よび９４はリボン形リード、１００‘ま半導体アセンブ
リ、１０２は基体、１０３〜１０５は平面リード、１０
６はワイパーアーム・１３２はセラミックハウジング、
１３９は半導体べレツトサブアセンブリ、１４１１まＲ
ＴＶゴム製リング、１４５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１５５は耐火レンガ「 １５６はおもり、１５７‘
ま耐火性粉末、１５８，１５９，１６２および１６３は
肩部、１６４は上部金属接点円板、そして１６５および
１６６は金属接点板を表わす。 ＦＩＧ．ｌ．ＦＩＧ．２． ＦＩＧ．３． ＦＩＧ．４． ＦＩＧ．５Ａ． ＦＩＧ．５Ｂ． ＦＩＧ．５Ｃ． ＦＩＧ．５Ｄ． ＦＩＧ．６． ＦＩＧ．７， ＦＩＧ．８． ＦＩＧ．９． ＦＩＧ．ｌ０． ＦＩＧ．ｌｌ． ＦＩＧ．ｌ２． ＦＩＧ．！３． ＦＩＧ．ｌ４． ＦＩＧ．ｌ５． Ｆ！Ｇ．’６ ＦＩＧ．′フ ＦＩＧ．′８

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 次の各工程からなる、セラミツクからなる基体に銅
   部材を結合する方法、（ａ）銅部材の表面に２００〜５
   ０００オングストロームの厚さの銅の酸化物層を形成す
   る工程。 （ｂ）基体上に前記銅部材を配置する工程。 （ｃ）前記銅部材と前記基体を不活性雰囲気中において
   、前記銅部材と前記基体との界面に前記銅部材と前記銅
   酸化物の亜共晶融体を生成させるに十分な少なくとも数
   秒の時間にわたり１０６５℃と１０８３℃との間の温度
   に加熱する工程。（ｄ）前記亜共晶融体を冷却して、前
   記銅部材と前記基体との間に直接結合を形成する工程。
   ２ 前記銅部材の酸化物層が前記基体と接触するように
   前記基体上に前記銅部材を配置することからなる特許請
   求の範囲第１項記載の結合する方法。 ３ 前記銅部材の酸化物層が前記基体と反対側にあるよ
   うに前記基体上に前記銅部材を配置することからなる特
   許請求の範囲第１項記載の結合する方法。 ４ 次の各工程からなる、セラミツクからなる基体に銅
   部材を結合する方法、（ａ）基体上に２００〜５０００
   オングストロームの厚さの銅の酸化物層を形成する工程
   。 （ｂ）前記基体の銅酸化物層の上に銅部材を配置する工
   程。 （ｃ）前記銅部材と前記基体を不活性雰囲気中において
   、前記銅部材と前記基体との界面に、前記銅部材と前記
   銅酸化物層の亜共晶融体を生成させるに十分な少なくと
   も数秒の時間にわたり１０６５℃と１０８３℃との間の
   温度に加熱する工程。 （ｄ）前記亜共晶融体を冷却して、前記銅部材と前記基
   体との間に直接結合を形成する工程。