JPS6126231A - 金属‐セラミツク複合素子およびその製法 - Google Patents
金属‐セラミツク複合素子およびその製法Info
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- H05K3/38—Improvement of the adhesion between the insulating substrate and the metal
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Abstract
(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。
め要約のデータは記録されません。
Description
【発明の詳細な説明】
産業上の利用分野:
本発明は特許請求の範囲第1項の上位概念による金属−
セラミック複合素子およびこの複合素子の製法に関する
。この複合素子はたとえば米国特許第3766634号
明細書から公知である。
セラミック複合素子およびこの複合素子の製法に関する
。この複合素子はたとえば米国特許第3766634号
明細書から公知である。
従来の技術:
パワー半導体およびノ1イゾリツド回路またはパワーモ
ジュールの技術にはロク接または接着なしにいわゆる“
直接ボンディング法により製造する金属−セラミック結
合が内第に多(使用される(たとえば米国特許第699
4450号明細書参照)。
ジュールの技術にはロク接または接着なしにいわゆる“
直接ボンディング法により製造する金属−セラミック結
合が内第に多(使用される(たとえば米国特許第699
4450号明細書参照)。
この直接ボンディング法の場合、金属層はその下にある
セラミック基材と共晶中間層によって強固に結合される
。共晶中間層は金属層の金属(たとえばCu )とその
金属化合物(たとえばCu2O)で形成される共晶から
なり、その融点は純金属のそれより低い。
セラミック基材と共晶中間層によって強固に結合される
。共晶中間層は金属層の金属(たとえばCu )とその
金属化合物(たとえばCu2O)で形成される共晶から
なり、その融点は純金属のそれより低い。
結合をつくる際金属層を箔の形でセラミック基材上に配
置し、このように形成した積層配置を共晶温度と純金属
の融点の間の温度に加熱する。セラミック基材を゛ぬら
す゛溶融共晶中間層がこの条件下に形成され、その際加
熱を反応性雰囲気中で実施しく米国特許第376663
4号明細書参照)、または金属層が銅の場合所要の酸素
を銅箔のあらかじめの酸化により中間層へ導入する(米
国特許第3994430号明細書参照)。
置し、このように形成した積層配置を共晶温度と純金属
の融点の間の温度に加熱する。セラミック基材を゛ぬら
す゛溶融共晶中間層がこの条件下に形成され、その際加
熱を反応性雰囲気中で実施しく米国特許第376663
4号明細書参照)、または金属層が銅の場合所要の酸素
を銅箔のあらかじめの酸化により中間層へ導入する(米
国特許第3994430号明細書参照)。
公知法によれば種々の金属層と(に銅層と1’J、20
3またはBeOのセラミック層の間の強固な結合が好結
果をもって製造され、たとえば)・イブリッド回路の基
板として使用された。金属層はこのような場合パターン
化され、個々の素子をはんだ付けする導体面および導体
路を形成する。このようなハイブリッド回路の熱負荷性
はほぼセラミック基材の熱伝導性によって決定され、こ
の基材を介して構成素子に発生する熱が冷却面または周
囲へ放出される。
3またはBeOのセラミック層の間の強固な結合が好結
果をもって製造され、たとえば)・イブリッド回路の基
板として使用された。金属層はこのような場合パターン
化され、個々の素子をはんだ付けする導体面および導体
路を形成する。このようなハイブリッド回路の熱負荷性
はほぼセラミック基材の熱伝導性によって決定され、こ
の基材を介して構成素子に発生する熱が冷却面または周
囲へ放出される。
しかし集積回路の場合もパワーエレクトロニクスのモジ
ュールでも能動素子の表面および単位面積当り導出する
損失パワーは次第に太き(なる。熱負荷のこの増大によ
り構成素子の熱的結合およびしたがってセラミック基材
の熱的性質に対する要求が高(なる。
ュールでも能動素子の表面および単位面積当り導出する
損失パワーは次第に太き(なる。熱負荷のこの増大によ
り構成素子の熱的結合およびしたがってセラミック基材
の熱的性質に対する要求が高(なる。
(たとえば直接ポンディングによって)金属化したAt
203セラミツク基材を個々の構成素子またはチップの
支持体として使用する常用法は現在すでにその限界に達
している。その理由はAt203セラミツクの比較的低
い熱伝導度約20〜25w−m−1・k−1および常用
半導体材料ケイ素の2倍より大きい膨張係数にある。熱
伝導度の高いBeOセラミックをAt20’3の代りに
使用することは加工の際発圧するダストの毒性のため通
常は困難である。
203セラミツク基材を個々の構成素子またはチップの
支持体として使用する常用法は現在すでにその限界に達
している。その理由はAt203セラミツクの比較的低
い熱伝導度約20〜25w−m−1・k−1および常用
半導体材料ケイ素の2倍より大きい膨張係数にある。熱
伝導度の高いBeOセラミックをAt20’3の代りに
使用することは加工の際発圧するダストの毒性のため通
常は困難である。
上記理由から最近高い熱伝導度のほかに小さい膨張係数
および高い電気的絶縁性を有するセラミック材料が太き
(注目されてきた。このセラミック材料にはチツ化物セ
ラミックと(にAlNおよびSi3N4が属する。チッ
化アルミニウムセラミックはこれまで使用したA/!、
203セラミツクより4倍高い約100w−m”・k−
1の熱伝導度を有する。
および高い電気的絶縁性を有するセラミック材料が太き
(注目されてきた。このセラミック材料にはチツ化物セ
ラミックと(にAlNおよびSi3N4が属する。チッ
化アルミニウムセラミックはこれまで使用したA/!、
203セラミツクより4倍高い約100w−m”・k−
1の熱伝導度を有する。
しかしチツ化物セラミックをパワー構成素子組立のため
の金属化した基材として使用することは常用の金属化法
と(に前記直接ボンディング法によって十分強固な金属
−セラミック結合が生じないので問題である。公知の積
層順序、銅−金属層、Cu−Cu2Oの共晶中間層およ
びセラミック基材を有する工業的に重要な鋼−セラミッ
ク直接結合はチツ化物セラミックからなるセラミック基
材の場合付着力不足のため不適当である。
の金属化した基材として使用することは常用の金属化法
と(に前記直接ボンディング法によって十分強固な金属
−セラミック結合が生じないので問題である。公知の積
層順序、銅−金属層、Cu−Cu2Oの共晶中間層およ
びセラミック基材を有する工業的に重要な鋼−セラミッ
ク直接結合はチツ化物セラミックからなるセラミック基
材の場合付着力不足のため不適当である。
発明が解決しようとする問題点:
それゆえ本発明の目的は公知金属−AA!203複合素
子に比して機械的強度をほとんど低下せずに明らかに改
善された熱伝導度を有する金属−セラミック複合素子お
よびこのような複合素子の製法を得ることである。
子に比して機械的強度をほとんど低下せずに明らかに改
善された熱伝導度を有する金属−セラミック複合素子お
よびこのような複合素子の製法を得ることである。
問題点を解決するための手段:
この目的は釘記の金属−セラミック複合素子が特許請求
の範囲第1項の特徴部に記載の特徴を有することによっ
て解決される。製法は特許請求の範囲第5項記載の特徴
によって解決される。
の範囲第1項の特徴部に記載の特徴を有することによっ
て解決される。製法は特許請求の範囲第5項記載の特徴
によって解決される。
作用:
本発明の要旨はチツ化物セラミックからなるセラミック
基材を使用し、チツ化物セラミックと共晶中間層の間の
付着力をチツ化物セラミックと固(結合した、共晶中間
層にぬれる酸化物中間層によって改善することにある。
基材を使用し、チツ化物セラミックと共晶中間層の間の
付着力をチツ化物セラミックと固(結合した、共晶中間
層にぬれる酸化物中間層によって改善することにある。
本発明の製法は基材としてチツ化物セラミックを使用し
、このセラミックをまず酸素含有雰囲気中の熱処理によ
って酸化物中間層で被覆し、次に公知法で金属化するこ
とからなる。
、このセラミックをまず酸素含有雰囲気中の熱処理によ
って酸化物中間層で被覆し、次に公知法で金属化するこ
とからなる。
実施例:
次に本発明の実施例を1図面により説明する。
本発明による金属セラミック複合素子の積層順序が第1
図に示される。チツ化物セラミックからなるセラミック
基材4に後述の方法によるセラミック基材4のi oo
o℃を超える酸素含有雰囲気中の熱処理によって製造し
た成長した酸化物中間層3が配置される。酸化物中間層
3はその製法に基きセラミック基材4と固(結合し、そ
の含有酸素により公知のAt203またはBeOセラミ
ックの表面のように作用し、すなわち接触するi融状態
の共晶中間層2によって直接ボンディング過程の間ぬら
される。
図に示される。チツ化物セラミックからなるセラミック
基材4に後述の方法によるセラミック基材4のi oo
o℃を超える酸素含有雰囲気中の熱処理によって製造し
た成長した酸化物中間層3が配置される。酸化物中間層
3はその製法に基きセラミック基材4と固(結合し、そ
の含有酸素により公知のAt203またはBeOセラミ
ックの表面のように作用し、すなわち接触するi融状態
の共晶中間層2によって直接ボンディング過程の間ぬら
される。
冷却後に凝固した共晶中間層2は酸化物中間層3と上に
ある金属層10間の強固な結合に作用する。金属層はパ
ターン化されていてよ(、たとえば能動素子の導体路お
よび導体表面を形成する。
ある金属層10間の強固な結合に作用する。金属層はパ
ターン化されていてよ(、たとえば能動素子の導体路お
よび導体表面を形成する。
セラミック基材4はと< Ic A、aNまたはS i
3N4からなり、チツ化アルミニウムはチツ化ケイ素
に比して熱伝導度が高いことで優れている。しかし他の
適当なチツ化物を同様使用することができる。
3N4からなり、チツ化アルミニウムはチツ化ケイ素
に比して熱伝導度が高いことで優れている。しかし他の
適当なチツ化物を同様使用することができる。
共晶中間層2は金属層1の金属と適当な金属化合物の共
晶合金からなる。金属および金属化合物の例は米国特許
第3994430号明細書に記載される。とくに金属層
1は銅からなり、共晶中間層2は約1065°Cの比較
的低い共晶温度を有するCu−Cu 20合金からなる
。
晶合金からなる。金属および金属化合物の例は米国特許
第3994430号明細書に記載される。とくに金属層
1は銅からなり、共晶中間層2は約1065°Cの比較
的低い共晶温度を有するCu−Cu 20合金からなる
。
酸化物中間層3の正確な組成はなお明らかでない。しか
し酸素分は明らかに50%を超え、酸素原子はAt20
3(A/!、Nの場合)もしくはS 102(Si3N
4の場合)またはオキシドニトリドの形で結合している
。
し酸素分は明らかに50%を超え、酸素原子はAt20
3(A/!、Nの場合)もしくはS 102(Si3N
4の場合)またはオキシドニトリドの形で結合している
。
酸素含有雰囲気中の熱処理時間に依存する酸化物中間層
3の厚さは金属層1とセラミック基材4の間の十分な付
着を保証するため最小値より太き(なければならない。
3の厚さは金属層1とセラミック基材4の間の十分な付
着を保証するため最小値より太き(なければならない。
さらにこの厚さは第1図の積層順序による熱伝導度が酸
化物中間層の厚さの上昇とともに低(なるので、あまり
太き(選択することは有利でない。有利な厚さ範囲は約
0.5〜0.5μmにわたる。
化物中間層の厚さの上昇とともに低(なるので、あまり
太き(選択することは有利でない。有利な厚さ範囲は約
0.5〜0.5μmにわたる。
改善された熱伝導度を有する金属−セラミック複合素子
を製造する本発明の方法の場合第2A図に示すチツ化物
セラミックのセラミック基材4から出発する。
を製造する本発明の方法の場合第2A図に示すチツ化物
セラミックのセラミック基材4から出発する。
セラミック基材4上に高熱酸化によって酸化物中間層3
が形成される(第2B図)。この場合次のとおり実施さ
れるセラミック基材4を洗浄し、乾燥し、次に1100
〜1600℃の温度の炉内で空気または純酸素中で5〜
60分の時間灼熱(熱処理)する。その際チツ化物セ2
ミックの表面に固(付着する薄い酸化物中間層が形成さ
れる。熱処理時間が長いほど、または熱処理温度が高い
ほど、酸化物中間層3の厚さは大きくなるので、温度お
よび時間パラメータの孟田鎮+y >リイ画イ4勿旦1
r偽11愈す1.’−L清2鳴き墨。
が形成される(第2B図)。この場合次のとおり実施さ
れるセラミック基材4を洗浄し、乾燥し、次に1100
〜1600℃の温度の炉内で空気または純酸素中で5〜
60分の時間灼熱(熱処理)する。その際チツ化物セ2
ミックの表面に固(付着する薄い酸化物中間層が形成さ
れる。熱処理時間が長いほど、または熱処理温度が高い
ほど、酸化物中間層3の厚さは大きくなるので、温度お
よび時間パラメータの孟田鎮+y >リイ画イ4勿旦1
r偽11愈す1.’−L清2鳴き墨。
公知の直接ボンディング法によるセラミック基材の引続
(金属化のため、この厚さは前記のように一定の最小値
を超えなければならない。
(金属化のため、この厚さは前記のように一定の最小値
を超えなければならない。
というのはボンディング過程で酸化物中間層は一部溶融
共晶中間層に溶解するからである。
共晶中間層に溶解するからである。
AlN基材の熱酸化にはこの場合次のパラメータがとく
に適することが実証された: 熱処理時間:30分 温度 :1200°C 雰 囲 気:空気 第2B図による酸化物中間層3の形成後、セラミック基
材4は公知の直接ボンディング法によって金属化するこ
とができる。これは第2C図に例として米国特許第39
94430号明、細書から公知の方法による銅箔1の被
覆で示される。
に適することが実証された: 熱処理時間:30分 温度 :1200°C 雰 囲 気:空気 第2B図による酸化物中間層3の形成後、セラミック基
材4は公知の直接ボンディング法によって金属化するこ
とができる。これは第2C図に例として米国特許第39
94430号明、細書から公知の方法による銅箔1の被
覆で示される。
この場合熱酸化したセラミック基材4の酸化物中間層3
上へ金属層1および金属酸化物層5からなる前酸化した
銅箔が配置される。共晶温度(Cu−Cu2Oの場合1
065℃)より高い温度へ加熱することに3よって第2
D図に示すように溶融共晶中間層2が形成されるので、
冷却後第1図に示す積層体が発生する。
上へ金属層1および金属酸化物層5からなる前酸化した
銅箔が配置される。共晶温度(Cu−Cu2Oの場合1
065℃)より高い温度へ加熱することに3よって第2
D図に示すように溶融共晶中間層2が形成されるので、
冷却後第1図に示す積層体が発生する。
金属化はもちろんここに例として挙げた方法に制限され
ず、酸化物セラミック工業から公知のすべての方法で実
施することができる。
ず、酸化物セラミック工業から公知のすべての方法で実
施することができる。
発明の効果:
チン化物セラミック上の酸化物中間層によって達成され
る金属層の付着強度はAt2o3セラミツク上の強度と
比較しうるので、本発明によりその熱的性質が同じ機械
的強度のもとに著しく優れた金属−セラミック複合素子
を簡単に得ることができる。
る金属層の付着強度はAt2o3セラミツク上の強度と
比較しうるので、本発明によりその熱的性質が同じ機械
的強度のもとに著しく優れた金属−セラミック複合素子
を簡単に得ることができる。
第1図は本発明による金属−セラミック複合素子の縦断
面図、第2A図、第2B図、第2c図および第2D図は
本発明による金属−セラミック複合素子製造の過程を示
す縦断面図である。 1・・・金属層 2・−・共晶中間層 3・・・酸化物
中間層 4・・・セラミック基材 5・・・金属酸化物
層! F 林 心d
面図、第2A図、第2B図、第2c図および第2D図は
本発明による金属−セラミック複合素子製造の過程を示
す縦断面図である。 1・・・金属層 2・−・共晶中間層 3・・・酸化物
中間層 4・・・セラミック基材 5・・・金属酸化物
層! F 林 心d
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 1、セラミック基材(4)、その上にある金属層(1)
およびセラミック基材(4)と金属層(1)の間にある
共晶中間層(2)を有する金属−セラミック複合素子に
おいて、セラミック基材(4)がチッ化物セラミックか
らなり、共晶中間層(2)とセラミック基材(4)の間
に酸化物中間層(3)が配置されていることを特徴とす
る金属−セラミック複合素 子。 2、チッ化物セラミックがAlNまたはSi_3N_4
からなる特許請求の範囲第1項記載の複合素子。 3、金属層(1)が銅からなり、共晶中間層(2)が銅
および酸化銅(Cu_2O)からなる特許請求の範囲第
1項記載の複合素子。 4、酸化物中間層の厚さが0.2〜5μmである特許請
求の範囲第1項記載の複合素子。 5、セラミック基材(4)、その上にある金属層(1)
およびセラミック基材(4)と金属層(1)の間にある
共晶中間層(2)を有し、金属層(1)を共晶中間層(
2)の形成によつてセラミック基材(4)と結合する金
属−セラミック複合素子の製法において、セラミック基
材(4)としてチッ化物セラミックを使用し、共晶中間
層(2)の形成前にセラミック基材の金属層側の面に酸
化物中間層(3)を製造することを特徴とする金属−セ
ラミック複合素子の製法。 6、チッ化物セラミックとしてAlNまたはSi_3N
_4セラミックを使用し、酸化物中間層(3)を製造す
るためセラミック基材(4)を1000℃より高い酸素
含有雰囲気中で熱処理する特許請求の範囲第5項記載の
製法。 7、チッ化物セラミックとしてAlNセラミックを使用
し、酸化物中間層(3)を製造するためセラミック基材
(4)を1100〜1300℃の温度の酸素含有雰囲気
中で5〜60分間熱処理する特許請求の範囲第6項記載
の方法。 8、酸素含有雰囲気として空気または純酸素を使用する
特許請求の範囲第7項記載の製法。 9、酸素含有雰囲気として空気を使用し、セラミック基
材(4)を30分間、1200℃の温度で熱処理する特
許請求の範囲第8項記載の製法。
Applications Claiming Priority (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
CH3275/84-0 | 1984-07-06 | ||
CH3275/84A CH660176A5 (de) | 1984-07-06 | 1984-07-06 | Metall-keramik-verbundelement und verfahren zu dessen herstellung. |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPS6126231A true JPS6126231A (ja) | 1986-02-05 |
Family
ID=4252466
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP14595185A Pending JPS6126231A (ja) | 1984-07-06 | 1985-07-04 | 金属‐セラミツク複合素子およびその製法 |
Country Status (4)
Country | Link |
---|---|
EP (1) | EP0170012B1 (ja) |
JP (1) | JPS6126231A (ja) |
CH (1) | CH660176A5 (ja) |
DE (1) | DE3569513D1 (ja) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2020072207A (ja) * | 2018-11-01 | 2020-05-07 | 國家中山科學研究院 | セラミックス搭載板と厚膜回路の接着力を高める方法 |
Families Citing this family (9)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE3633907A1 (de) * | 1986-08-02 | 1988-02-04 | Altan Akyuerek | Verfahren zum haftfesten verbinden eines kupferkoerpers mit einem substrat |
US5077244A (en) * | 1986-08-13 | 1991-12-31 | Hitachi Metals, Ltd. | Aluminum nitride sintered body and semiconductor substrate thereof |
US4883704A (en) * | 1987-03-30 | 1989-11-28 | Kabushiki Kaisha Toshiba | Circuit substrate comprising nitride type ceramics, method for preparing it, and metallizing composition for use in it |
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FR2658504B1 (fr) * | 1990-02-20 | 1993-08-27 | Telemecanique | Procede de liaison d'une feuille de metal, telle que du cuivre, sur un substrat en nitrure d'aluminium, et produit obtenu. |
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FR2692887B1 (fr) * | 1992-06-29 | 1996-11-29 | Alsthom Cge Alcatel | Procede pour realiser une liaison entre du cuivre et un substrat pour l'electronique de puissance en ceramique non oxyde. |
AT407987B (de) * | 1999-11-17 | 2001-07-25 | Electrovac | Verfahren zur vorbereitung eines a1n-substrates auf die verbindung mit einer kupferschicht |
WO2012102267A1 (ja) * | 2011-01-28 | 2012-08-02 | 株式会社日立製作所 | 回路基板、及びそれを用いた半導体装置 |
Family Cites Families (9)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
GB1294695A (en) * | 1969-11-07 | 1972-11-01 | Gen Electric | Improvements in ceramic-metal or glass-metal seals |
GB1508798A (en) * | 1974-09-10 | 1978-04-26 | Atomic Energy Authority Uk | Porous silicon nitride bodies |
US3994430A (en) * | 1975-07-30 | 1976-11-30 | General Electric Company | Direct bonding of metals to ceramics and metals |
FR2445747A1 (fr) * | 1979-01-05 | 1980-08-01 | Armines | Procede de fabrication de pieces en silicium nitrure |
US4457958A (en) * | 1980-05-02 | 1984-07-03 | Rockwell International Corporation | Method of strengthening silicon nitride ceramics |
JPS5899183A (ja) * | 1981-12-09 | 1983-06-13 | 株式会社日立製作所 | 厚膜回路を有する非酸化物系セラミツク体 |
JPS58223678A (ja) * | 1982-06-16 | 1983-12-26 | 株式会社日立製作所 | 金属化層を有するSiC焼結体とその製法 |
JPS59121175A (ja) * | 1982-12-28 | 1984-07-13 | 株式会社東芝 | 放熱体の製造方法 |
JPS59190279A (ja) * | 1983-04-13 | 1984-10-29 | 株式会社東芝 | セラミツクス構造体及びその製造方法 |
-
1984
- 1984-07-06 CH CH3275/84A patent/CH660176A5/de not_active IP Right Cessation
-
1985
- 1985-06-12 DE DE8585107213T patent/DE3569513D1/de not_active Expired
- 1985-06-12 EP EP85107213A patent/EP0170012B1/de not_active Expired
- 1985-07-04 JP JP14595185A patent/JPS6126231A/ja active Pending
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2020072207A (ja) * | 2018-11-01 | 2020-05-07 | 國家中山科學研究院 | セラミックス搭載板と厚膜回路の接着力を高める方法 |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
EP0170012A3 (en) | 1986-02-12 |
EP0170012A2 (de) | 1986-02-05 |
DE3569513D1 (en) | 1989-05-24 |
CH660176A5 (de) | 1987-03-31 |
EP0170012B1 (de) | 1989-04-19 |
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