JPS63166984A - 金属層と非金属系基板との結合強さの改良法 - Google Patents

金属層と非金属系基板との結合強さの改良法

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JPS63166984A JP62313096A JP31309687A JPS63166984A JP S63166984 A JPS63166984 A JP S63166984A JP 62313096 A JP62313096 A JP 62313096A JP 31309687 A JP31309687 A JP 31309687A JP S63166984 A JPS63166984 A JP S63166984A
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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。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は析出した金属と非金属系基板との結合強さの改
良法、特に析出した銅層と電子回路製造用セラミック基
板との結合強さの改良法に関する。
電子回路、たとえばプリント回路アセンブリーおよびハ
イブリッド回路を製造するためには、一般に基板に導電
性金属層を施し、これから金属化導線パターンを形成し
うる。基板を金属(たとえば銅)で被覆することにより
、次いで他の金属(たとえばニッケルまたは金)による
めっきを行うことができる。
ハイブリッド回路を製造するためにはセラミック基板が
しばしば用いられる。一般にセラミック基板に銅の無電
解めっき法により銅の薄層が施される。この場合、化学
的手段により銅が基板上にめっきされ、あるいは析出す
る。セラミック基板は多数の化学薬品溶液に暴露される
可能性があり、これにはたとえばパラジウムを含む活性
剤溶液が含まれる。活性剤パラジウムは無電解洛中の銅
を基板上に層状に析出させる。次いで銅を食刻して電気
回路のための目的とするパターンおよびI・レースを形
成する。
銅層をセラミック基板に付着させるためのこの方法およ
び他の方法の問題点の1つは、基板への金属層の付着が
しばしば貧弱であることである。
その結果、回路パターンまたはI・レースが小さな力で
引張った際に!(Ilt、、あるいは回路を特に高温度
において使用する際、および熱循環が施される際にセラ
ミックから浮き上がる可能性がある。
トレースの剥離はトレースが精密になるほど結合領域が
小さくなるため大きな問題となる。
米国特許第3,994,430号明m書(クサノら)に
は金属シートを直接にセラミックおよび他の金属に接着
する方法が示される。この明m書には接着剤が金属シー
トと共融合金を形成して基板へ接着する接着法が示され
ている。−最に比較的薄い金属シート〈たとえば銅)が
、目的とする回路パターンをもつ工作物に切削される。
制御された量の接着剤を基板または工作物上に施し、こ
の金属工作物を基板上に配置する。次いで金属工作物お
よび基板を窒素炉内で、共融温度と金属の融点の間の温
度に、金属工作物と基板の間の共融物を形成するのに十
分な期間加熱する。金属が冷却し、再固化すると、結合
が形成される。
クサノの方法によりふくれを生じることなく十分に銅箔
を付着させるためには、(1)銅シートを慎重に酸化し
て黒色表面にしなければならず;(2)その銅酸化物の
厚さを慎重に制御しなければならず; (3)銅シート
中の酸素の量を制御しなければならず:(4)窒素炉の
酸素含量を制御された水準に維持して、きわめて緩和な
酸化雰囲気を維持しなければならず;かつ(5)温度を
きわめて小さな範囲内に制御しなければならない。
従ってこの方法は操作および制御するのが困難であり、
かつ費用がかかる。
クサノの方法に関する他の欠点は、基板を貫通する孔、
たとえば多くのハイブリッド回路用に見られるものがこ
の方法では金属化されないであろうということである。
クサノの方法はセラミックの表面を金属で覆うことはで
きるが、基板の内部へまたはこれを貫通して機械加工さ
れた孔(ハイブリッド回路および多層回路において電気
的接続を完成するためにしばしば必要とされる)の壁に
は金属を施さない。
クサノの方法に関する第3の欠点は、金属シートをセラ
ミックに乗せる際に、セラミックの孔に気体が存在する
なめ、シート下に気体が閉じ込められる可能性がある点
である。これらの閏じ込められた気体は基板が結合を形
成するために必要な加熱を施される際に膨張し、これに
より金属シート下で気泡またはふくれを生じるであろう
。これらの欠陥は回路の性能を著しく妨害する可能性が
ある。トレースが基板からIlt離する可能性があるか
らである。さらに、きわめて細い線および空間が回路に
用いられている場合に特に、短絡または開回路を生じる
可能性がある。
閉じ込められた気体およびふくれによる問題は、クサノ
の方法により被覆しうる表面積の大きさをも制限する。
たとえば、比較的大きな面積を金属で被覆する際にふく
れの問題はより大きくなり、加熱中にこれらの気体が逃
出するための小孔を金層工作物に設けることがしばしば
必要となる。しかしある種の用途(たとえばマイクロ波
シールドの場合)においては、小孔を含む金属層は!!
能しないであろう。
クサノの明細書に記載された方法に関する第4の欠点は
、金属層を取扱い、がっ目的の形状に加工するためには
、金属ががなり厚くなければならないということである
。クサノは25.4ミクロン(1ミル)の厚さの銅を接
着しうると述べているが、これは特に目的のパターンに
切削された状憩では、容易に取扱うには薄すぎるであろ
う、クサノの方法により加工および接着しうる銅の最小
厚さは恐らく約76.2ミクロン(3ミル)であろう。
本方法においてはきわめて薄い金属層を基板に析出させ
、接着することができる。
金属シートを非金属系基板に直接に接着することに関す
る他の特許は、米国特許第3,766.634号(バブ
コックら)である。バブコックは、接着剤は用いないが
金属異子を非金属系基板に乗せ、加熱する方法も示して
いる。この方法はクサノの場合と同じ多くの問題をもつ
、これには貫通孔の被覆が行われないこと、金属下に気
体が閉じ込められること、ならびに有効に取扱いおよび
処理しうる金属層の厚さが制限されることが含まれる。
本発明は析出した金属層と非金属系基板との結合強さの
改良法である。この方法は、基板をベーキングして基板
またはそこにある孔もしくはくぼみに、またはそれらの
内部に存在する有機(ヒ合物を除去し、基板の表面およ
び孔の内部に金属(たとえば銅)の層を析出させ、そし
て基板を金属の共融点よりもわずかに高い温度で焼成し
て、金属層とセラミック基板の間に酸素二重結合を形成
させる工程からなる。
本発明は析出した金属(たとえば銅)と非金属系基板(
たとえばセラミック)との結合強さを改良する方法であ
る。
一般的なハイブリッド回路製造技術においては金属の導
電層をセラミック基板上に析出させる。
この基板はブランクとも呼ばれる。セラミック基板の例
には酸化アルミニウム、アルミナ、酸化ベリリウム、チ
タン酸ベリリウムおよびフェライト、あるいは同様な特
性をもつ他の基板が含まれる。
さらにコーニング・グラス・ワークにューヨーク)によ
りフォトセランの名称で販売される製品も基板として使
用できる。
基板は後記のように必要な焼成時間の間、基板の品質に
不利な影響を与えることなく金属の共融温度に耐えうる
必要がある。たとえば基板は流れ、ふくれまたは破断す
ることなく共融温度に耐えうるものでなければならない
、さらに基板は金属が適正に結合するために酸化アルミ
ニウム(A I! 20コ)を含有しなければならない
基板中の酸化アルミニウムはランダムまたは結晶形のい
ずれで存在してもよい、上記の基板はランダム形酸化ア
ルミニウムの例である。サファイアは結晶形基板の一例
であり、本発明方法において基板として使用できる。た
とえば光学用合成サファイアを本発明により金属化およ
び処理して、電子回路を製造することができる。
セラミックブランクをi終的な電子回路に必要な形状に
するために、ブランクをレーザーその池の適切な手段に
より機械加工して、目的とする線、孔その他の表面特性
を作成する。多層回路における回路トレース間または眉
間の電気的接続を完成するために、あるいは他の電気部
品への接続を可能にするために、基板を貫通する孔がし
ばしば必要とされる。
目的に応じてセラミックブランクを機械加工したのち、
これをキルンその他の適切な加熱装置内で925℃(1
697°F)の温度に加熱する。
不純物、たとえば有機化合物を基板からベーキング除去
するために、この温度を30〜40分間維持する。次い
でブランクをキルン内で徐々に室温にまで放冷する。こ
の工程は1日かかるであろう。
次いで金属層(たとえば銅またはニッケル)を基板の表
面、およびセラミック基板に作成された孔の壁にめっき
する。この銅層は多数の無電解法および電解法のいずれ
によってもめつきすることができる。この種の方法の1
つは、“°セラミック基板の金属化法′°と題する出願
中の米国特許出願第889,678号明細書(1986
年7月24日出願、同一発明者)に記載された方法であ
り、これをここに参考として引用する。
この方法では、基板をまず加熱して表面不純物を除去す
る。次いで表面を酸食刻剤により食刻し、活性剤(たと
えばパラジウム)を含有するアルカリ溶液に浸漬する。
活性剤にIkBされた表面を次いで無電解浴中で処理し
て、金8(たとえば銅)の薄層を表面に析出させる。一
般に銅を基板上に約12.7ミクロン(0,5ミル)の
厚さに析出させる。さらに数層の銅を常法により金属上
に無電解めっきまたは電解めっきしてもよい。この方法
により、セラミック基板上に無電解めっきされた金属層
が生成する。
銅層を施すための池の方法は米国特許第4.574,0
94号明細書(デル−力ら)に示されている。一般にデ
ル−力はセラミック基板上にプリント回路を作成するた
めの下記の方法を示している。
まずセラミック表面を1種または2種以上のアルカリ金
属化合物からなる溶融物で処理して表面を食刻し、また
は付着を促進する。次いで表面を吸着促進剤に731し
て、表面への触媒の吸着を促進し、かつ表面に付着金属
層のベアスポット(barespot)が生じるのを防
ぐ、吸着促進剤に暴露されたセラミック表面を次いで金
属の無電解めっき用触媒で処理する1次いで通常のプリ
ント回路法により、表面にプリント回路パターンを付与
する。
基板上に金属を析出させるための他の方法は以下の工程
からなる。セラミックブランクをベーキングして表面不
純物を除去し、パラジウム約2g/!を含有する濃パラ
ジウム溶液にブランクを浸漬する。次いで基板を風乾し
たのち約450℃の炉内で1時間ベーキングする。この
ベーキングされた基板を次いで無電解銅溶液中で処理し
て、表面に銅を析出させる0次いで光沢剤を含まない電
解めっき銅を基板に施し、これを本発明に従って焼成す
ることができる。
金属銅を上記の方法またはこれに類する方法によりセラ
ミック基板の表面に析出させたのち、2.54mm(1
00ミル)のパッド当たり約4.5〜6.8kg(10
〜15ボンド)の平均引張強さが得られた。引張強さは
金属領域、すなわち゛バッド”をセラミック基板から分
離するのに必要な力の大きさを示すものであり、−mに
力量計その他の適切なフォースゲージを用いて測定され
る。
金属層を基板上に析出させたのち、本発明に従って基板
を炉内で焼成する。これにより基板および析出した銅層
に金属の共融点付近の温度が与えられる。
ここで用いる共融温度という語は、金属層およびセラミ
ック基板の原子の混合物が融解する温度を意味する。こ
の温度は一最に純金属自体の融解温度よりもわずかに低
い。たとえば銅の共融温度!、を約1066〜1075
℃(1950〜1967°F)であるが、銅の融点は約
1083℃(1981“F)である。これらの温度にお
いて、酸化銅は析出した銅層の銅原子と基板の酸化アル
ミニウムの酸素原子を結合させる。
基板を焼成して金属の共融点付近の温度を得るためには
、セラミック基板を炉その他の適切な加熱装置内で焼成
する。たとえば最高温度1100℃をもち、長さ8.2
m(27フイート)の炉に対し約15.24cm/分く
6インチ/分)の移動速度をもつフロースルー型ハイブ
リッド電気炉を用いることができる。この炉を用いてセ
ラミック基板に約3分間、最高温度を与える。もちろん
厚い銅層はど共融温度に達するのにより長期間を必要と
し、従って最高炉温度をより長期間与える必要があろう
。炉内で焼成されたのち、常法による後続処理のなめに
基板を放冷する。
炉にはカバーガスを用いる。これは本質的には窒素ガス
、または酸素と非反応性の他のガス、たとえはヘリウム
である。焼成されるべき部品がすでに酸化されていない
場合には、酸化銅層を形成するためにさらに約10〜5
0ppm強の濃度の酸素を炉に添加することができる。
一般に酸素の必要量は銅層の厚さに正比例する。たとえ
ば2.54ミクロン(0,1ミル)の銅は約10ppm
の酸素を必要とし、一方25.4ミクロン(1,0ミル
)の銅は50 to+mの酸素を必要とする。この必要
な酸素は酸素ガスを制御された速度で炉内に導入するか
、焼成前にスクリーニングまたはこれに類する方法によ
り金rjq酸化物層を析出させるか、あるいは部品を炉
内で酸化することにより供給しうる。
基板および金属を焼成し、放冷したのち、析出した金属
層と基板の間に強固な結合が形成される。
たとえば処理済み銅層の引張強さは、焼成されていない
銅層の引張強さの2倍以上であろう。たとえば本発明方
法による2、54mm(100ミルのパッド)は、2.
54nn(100ミル)のパッド当たり9〜14kg(
20〜30ボンド)の引張強さをもつと判定された。ま
た厚さ635ミクロン(25ミル)のセラミック基板上
の2 、54 mm (100ミル)の銅バッドは銅を
基板から引きはがすことができる前に基板が破砕するで
あろうということが試験において示された。
本発明を好ましい形態に関連して記述したが当業者には
本発明の精神および範囲から逸脱することなく形状およ
び詳細において変更をなしうろことが認識されるであろ
う。
(外4名)

Claims (16)

    【特許請求の範囲】
  1. (1)基板上に金属層をめっきし;そして 基板および金属層をほぼ金属の共融温度において焼成し
    て、金属と基板の間に結合を形成する工程からなる、金
    属と非金属系基板との結合強さを高める方法。
  2. (2)基板が酸化アルミニウムからなる、特許請求の範
    囲第1項に記載の方法。
  3. (3)基板がセラミックである、特許請求の範囲第1項
    に記載の方法。
  4. (4)めっきされた金属が銅である、特許請求の範囲第
    1項に記載の方法。
  5. (5)金属がニッケルである、特許請求の範囲第1項に
    記載の方法。
  6. (6)金属が約1066〜1075℃において焼成され
    る、特許請求の範囲第4項に記載の方法。
  7. (7)基板および金属が炉内で焼成される、特許請求の
    範囲第1項に記載の方法。
  8. (8)基板および金属が酸素の存在下で焼成される、特
    許請求の範囲第1項に記載の方法。
  9. (9)基板およびめっきされた金属をほぼ金属の共融温
    度において焼成する 工程により改良された、非金属系基板上にめつきされた
    金属層の結合強さを高めるための改良法。
  10. (10)基板をベーキングして不純物を除去し;基板上
    に金属層をめっきし;そして 基板および金属層をほぼ金属の共融温度において焼成す
    る 工程からなる、金属と非金属系基板との結合強さを高め
    る方法。
  11. (11)基板がセラミックである、特許請求の範囲第1
    0項に記載の方法。
  12. (12)基板が約925℃で30〜40分間ベーキング
    される、特許請求の範囲第11項に記載の方法。
  13. (13)金属が銅である、特許請求の範囲第11項に記
    載の方法。
  14. (14)金属が無電解金属めっき法によりめつきされる
    、特許請求の範囲第11項に記載の方法。
  15. (15)基板および金属が約1066〜1075℃で焼
    成される、特許請求の範囲第11項に記載の方法。
  16. (16)基板および金属が酸素の存在下で焼成される、
    特許請求の範囲第11項に記載の方法。
JP62313096A 1986-12-22 1987-12-10 金属層と非金属系基板との結合強さの改良法 Pending JPS63166984A (ja)

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