JPS6318647A - 半導体装置用セラミツク基板の製造方法およびその方法に使用するクラツド材 - Google Patents

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】 〈産業上の利用分野〉 本発明はアルミナ基板上に導体層あるいは放熱層として
の銅層を有する半導体装置用セラミック基板の製造方法
に関し、特にアルミナ−鋼の接合の信頼性が高く、接合
プロセスが簡素化、高率化される半導体装置用セラミッ
ク基板の製造方法およびその方法に使用するクラッド材
に関する。

〈従来の技術〉 パワーＩＣ、ハイブリッドＩＣでは、素子組込み用の基
板として耐熱性、熱放散性および機械的強度に優れてい
るセラミック基板か多用されている。このようなセラミ
ック基板の中でノソ膜ＩＣと呼ばれるものは、アルミナ
基板上に、通常、銀、パラジウム、ルテニウムなどの金
属微粉末に数乗量％のガラス粉末を添加して、これを有
機剤へ均一分散してなる厚＋１！２導体ペーストを印刷
し、焼結して導体層その他を形成したものである。

また、より一般的に使用されているのは、アルミナ基板
上にＷ、Ｍｏなどの金属微粉末からなる導体ペーストを
印刷、焼成してＷ、Ｍｏ導体を形成し、このＷ、Ｍｏ導
体にＮｉ、　Ｃｕ、　Ａｕメッキを施したものがある。

第４図はこのようなセラミック基板の一例を示すもので
、セラミック基板４の表面には部分的に導体層として働
＜Ｃｕ層１を、裏面には全面放熱層としてのＣｕ層１を
設ける。

このセラミック基板４の従来の製造法は、アルミナ等の
セラミック基板４の表面および裏面のそれぞれ所定位置
にまずＷ層３を印刷により形成し、このＷ層３上にメッ
キによるＮ４層２を介して無電解メッキによるＣｕ層１
を２００μ〜３００μ施し、さらにこのＣｕメッキ上に
メッキによるＮ４層２を施すものである。Ｗ層３および
Ｎｉメッキの厚さはそれぞれ数μ〜数十μの範囲である
。Ｗ層３はＷが金属としてはアルミナとの熱膨張係数の
整合性並びに密着性に優れている関係から設けられる。

またＮｉメッキはＣｕの下地メッキおよびＣｕの表面に
耐食性を付与するために設けられる。

しかし、このような製造法ではＮｉメッキ、Ｃｕメッキ
工程に著しく時間を要し、とくに無電解Ｃｕメッキ工程
により２００〜３００μの厚さのＣｕメッキを施すには
数日を要するという大きな問題がある。なお無電解Ｃｕ
メッキの方が膜厚の均一性に優れているという関係から
採用される。

このような事情は、より構造の簡単な、例えばセラミッ
ク上にニッケルめっき層を介して無電解銅めっき層を接
合したＩＣ基板等においても同様である。

一方、最近は金属とセラミックの接合に関して盛んに研
究が行ねわでおり、例えば銀ろう、　、１−５ｉ合金ろ
うを介して金属とセラミックを接合することが提案され
ている。しかしここで提案されている金属とセラミック
の接合は、金属としては鉄系の金属例えば電子部品材料
の分野ではインバーや４２アロイ、また機械構造用材料
の分野では鋼や超硬合金を対象とするものである。Ｃｕ
とセラミックとくにＣｕとアルミナとの接合に関しては
実際に研究された例がなく、不明な点が多い。

このようなセラミック基板の製造において、Ｃｕのメッ
キ作業を廃止することができればその作業性が飛躍的に
向上することは明らかであり、そういう意味からＣＩメ
ッキ作業を廃止できる新しいセラミック基板の製造方法
が要望されている。

〈発明の目的〉 本発明の目的は、従来技術における問題点を解決し、製
造プロセスを簡素化し、容易に５かつ短時間でセラミッ
ク基板上に銅層を１工程で接合することのできる半導体
装置用セラミック基板の製造方法、およびこの方法に使
用するクラッド材を提供せんとするものである。

く問題点を解決するための手段〉 パワーＩＣ、ハイブリッドＩＣの分野では従来から耐熱
性、熱放散性および機械的強度の面からアルミナのセラ
ミック基板が使用され、さらにその導体層および熱放散
層としてＣｕが使用されているにもかかわらず、このＣ
ｕを箔もしくはシートとして使用し、これを例えばイン
サート金属層を介してアルミナ基板上に直接接合したと
いう例がない。

本発明者等は、　へ２□０３等のセラミック基板とＣｕ
板を接合する際に、あらかじめＣｕ板にインサート・金
属としての銀ろう層を接合し、クラッド材としておけば
、セラミック板とＣｕ板との接合か効率良く行えること
を知見し、本発明に至った。

本発明の第１の態様は、アルミナ基板上に銅層を形成し
て半導体装置用セラミック基板を製造するに際し、予め
、２艮ろう／　Ｃｕ、り艮ろう／Ｃｕ／Ｎｉ、　ｇ艮ろ
う／Ｃｕ／インバー／Ｃｕの群から選択されたいずれか
のクラッド材を用意し、該クラッド材の銀ろう側をアル
ミナ基板側に配置し、アルミナ基板上に直接加熱接合し
て、アルミナ基板上にＣｕ層を形成することを特徴とす
る半導体装置用セラミック人ζ板の製造方法を提供する
。

本発明の第２の態様は、アルミナ基板上にＣｕ層を形成
するために用いられるクラッド材であって、銀ろう層と
Ｃｕ層が冷間圧接により一体化されていることを特徴と
するクラッド材を提供する。

本発明の第３の態様は、アルミナ基板上にＣｕ層を形成
するために用いられるクラッド材であって、銀ろう層上
にＣｕ層さらにその上にＮｉ層が冷間圧接により一体化
されていることを特徴とするクラッド材を提供する。

本発明の第４の態様は、アルミナ基板上にＣｕ層を形成
するために用いられるクラッド材であって、銀ろう層と
Ｃｕ層とインバー層とＣｕ層とがこの順序で冷間圧接に
より一体化されていることを特徴とするクラッド材を提
供する。

〈発明の構成〉 以下に図面に示す好適実施例を用いて、本発明を詳述す
る。

本発明の製造方法は従来ＩＣ等を製造する際に、セラミ
ック基板上に順次設けられてきたインサート金属層、Ｃ
ｕ層等をあらかじめクラッド材としておき、このクラッ
ド材をセラミック基板上に１工程で接合することを特徴
とする。

セラミック基板上のＣｕ層は片面に設けられてもよいし
、両面に設けられてもよい。

ろう材を介してＣｕとアルミナを接合する場合、ろう材
としてはＣｕとアルミナの双方に接合しやすいことが必
要である。しかしこの場合Ｃｕと銀ろうの接合について
みると、Ｇｕと銀ろうの接合界面には接合温度が２００
℃以」二になると、脆い合金層が形成されやすくなるこ
とも判明した。Ｃｕと銀ろうの接合界面に１児い合金層
を形成させないためには接合温度を低くすれば良いが、
そうするとアルミナと銀ろうの接合が著しく困難となる
。Ｃｕと銀ろうを予め冷間圧接によりクラッド材として
おけば、冷間圧接ではＣｕと銀ろうとの間に脆い合金層
が形成されることがさけられる。熱間圧接法によるクラ
ッド材は金属間の熱拡散の問題が生じ好ましくない。

このようにして得たクラッド材を銀ろうをアルミナ側に
向けて配置して加熱接合したところ、クラッド材のＣｕ
と銀ろうの界面にほとんど脆い合金層を形成することな
く、十分な強度をもってクラッド材をアルミナ基板に接
合することができた。

第１図は本発明の第２の態様の銀ろう／Ｃｕクラッド材
を示す断面図である。

Ｃｒｕ層１はいかなる銅を用いてもよいが、半導体デバ
イスの導体層あるいは放熱層として用いる場合は無酸素
銅が好ましい。

銀ろう層５は、　へ２□０３等のセラミックとの密着性
が良好な上、ろう材としても安定した接合をもたらす。

銀ろう層５は、Ｃｕ層層上上冷間圧延圧接法によるクラ
ッド技術を使って接合する。

圧延圧接法によるクラッド材の製造は、圧延材の形状や
加工硬化曲線を勘案した圧延スケジュールや、圧延ロー
ル径などを配慮した圧延条件を適切に選定することが重
要である。

Ｃｕ層１と銀ろう層５の厚さは、１：１〜１０：１が好
ましい。

第２図は本発明の第３の態様の銀ろう／Ｃｕ／Ｎｉクラ
ッド材を示す断面図である。

Ｃｕ層１の１方の而には銀ろう層５を、他方の面にはＮ
ｉ層２を冷間圧延圧接法により接合し、クラッド材とす
る。

接合の順序は三層同時に冷間圧延圧接してもよいし、順
次に冷間圧延圧接してもよい。

銀ろう層５、Ｃｕ層１およびＮｉ層２の厚さは、１１：
Ｏ，Ｉ〜１：１０：０．１とするのが好ましい。

以上の接合とすることにより半導体装置の特性に応じて
接合比率の弾力的選択を行なえる等の利点がある。

第３図は、本発明の第４の態様の銀ろう／Ｃｕ　／イン
バー／Ｃｕクラッド材を示す断面図である。

銀ろう層５、Ｃｕ層１、インバー層６、Ｃｕ層１をこの
順序で接合して一体とする。

上記の各層は４層同時に冷間圧延圧接してもよいし、部
分的にクラッド材としそのクラッド材同士をクラッドし
てもよいし、順次に冷間圧延圧接してもよい。

各層の厚さの比は１：１：１〜１：５：１とするのか好
ましい。

銀ろう／Ｃｕ／インバー／Ｃｕクラッド材とすることに
よりセラミックと銅との接合時の熱膨張の差をインバー
層で緩和することができ、セラミックと銅を一層なめら
かに接合することができる。

本発明の第１の態様である製造方法は、以上の本発明の
第２、第３、第４の態様のいずれかのクラッド材をあら
かじめ用意し、このクラッド材の銀ろう側をアルミナ等
のセラミック基板側に配置し、好ましくは水素、アルゴ
ン、チッ素等の還元ガス雰囲気あるいは不活性ガス雰囲
気中で、７８０℃以上好ましくは８５０℃前後で加熱圧
接して、短時間で接合し、アルミナ基板上に銅層を導体
層あるいは放熱層等として存する半導体装置用セラミッ
ク基板を得るものである。

またセラミック基板上に接合されたＣｕ層上のパターン
回路は、従来ではタングステン印刷等で作成しているが
、本発明のクラッド材にあらかじめプレス加工等により
パターン回路を形成しておくことも可能であり、このよ
うな方法によりプロセスの簡素化および大幅なコストタ
ウンができる。

〈発明の効果〉 本発明の製造方法によれば、 従来のセラミック板上への金属のめっきプロセスに比へ
て、工程か省略でき、効率化がはかれるので、大幅なコ
スト低減が図れる。

すなわち、本発明のクラッド材を用いる製造方法により
、短時間で、しかも１工程で、セラミック板と銅との接
合ができる。

また、めっき工程不要による廃液処理等の管理上および
設備上のトラブル等が無い。

さらに本発明クラッド材は、あらかじめＣｕ材とインサ
ート金属同士が強力に接合されているうえに、銀ろうと
セラミックとの極めて良い接合性が利用できるので、こ
のクラッド材を用いて半導体装置用セラミック基板を製
造すれば、セラミック板と鋼材との接合の信頼性が大幅
に向上する。

また本発明のクラッド材にあらがしめパターン回路をプ
レス加工等により形成しておけば、さらにプロセスの簡
素化および大幅なコストダウンが可能である。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の第２の態様の銀ろう／Ｃｕクラッド
材の断面図である。 第２図は、本発明の第３の態様の銀ろう／Ｃｕ／Ｎｉク
ラッド材の断面図である。 第３図は、本発明の第４の態様の銀ろう／Ｃｕ／インバ
ー／Ｃｕクラッド材の断面図である。 第４図は従来のセラミックー銅の接合方法を示す断面図
である。 符号の説明 １・・・・Ｃｕ層、２・・・・Ｎｉ層、３・・・・Ｗ層
、４・・・・セラミック基板、

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）アルミナ基板上に銅層を形成して半導体装置用セ
   ラミック基板を製造するに際し、 予め、銀ろう／Ｃｕ、銀ろう／Ｃｕ／Ｎｉ、銀ろう／Ｃ
   ｕ／インバー／Ｃｕの群から選択されたいずれかのクラ
   ッド材を用意し、 該クラッド材の銀ろう側をアルミナ基板側に配置し、ア
   ルミナ基板上に直接加熱接合して、アルミナ基板上にＣ
   ｕ層を形成することを特徴とする半導体装置用セラミッ
   ク基板の製造方法。
2. （２）アルミナ基板上にＣｕ層を形成するために用いら
   れるクラッド材であって、銀ろう層とＣｕ層が冷間圧接
   により一体化されていることを特徴とするクラッド材。
3. （３）アルミナ基板上にＣｕ層を形成するために用いら
   れるクラッド材であって、銀ろう層上にＣｕ層さらにそ
   の上にＮｉ層が冷間圧接により一体化されていることを
   特徴とするクラッド材。
4. （４）アルミナ基板上にＣｕ層を形成するために用いら
   れるクラッド材であって、銀ろう層とＣｕ層とインバー
   層とＣｕ層とがこの順序で冷間圧接により一体化されて
   いることを特徴とするクラッド材。