JP2909856B2 - セラミックス基板と金属の接合体 - Google Patents

セラミックス基板と金属の接合体

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【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板と金属
との接合体に関し、たとえばパッケージ・多層基板にお
ける金具(入出力ピン、シールリング、リード等)の接
合に好適に利用される。
【0002】
【従来の技術】従来、ICパッケージには主としてアル
ミナ基板(α=6.8×10-6/℃)が用いられており、メタ
ライズ・薄膜等を介して銀ロー(共晶Agロー等)によ
りコバール(Fe−Ni−Co)、42アロイ(Fe-Ni) の金具
の接合がなされている。
【0003】しかしアルミナには誘電率が比較的大きく
信号伝播遅延を引き起こす、熱膨張係数が大きくシリコ
ン半導体チップと大きな差がある、焼成温度が高く金・
銀・銅等の良好な導電体と同時焼成できない、等の欠点
がある。そこで高密度、高速化に対応するため、アルミ
ナに替わる材料として誘電率が低く、熱膨張係数がシリ
コン半導体チップに近く、焼成温度が低いなどの特性を
持つ低熱膨張材料、低誘電率材料の開発が求められてい
る。これらの要求を満たす材料としてガラスセラミック
ス(α=1.5〜5.0 ×10-6/℃)、窒化アルミニウム(α
=4.4×10-6/℃)、ムライト(α=3.8×10-6/℃)等の
基板の使用が検討されている(特公平3−37308、
特開平3−21046)。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】しかし、上記の低熱膨
張材料は、熱膨張係数がシリコンチップ(α=3.0〜3.5
×10-6/℃)に近いという特性ゆえに、金具の接合に際
しては、先に述べたようにアルミナ基板(α=6.8×10-6
/℃)の金具接合において用いられるロー材(共晶銀ロ
ー)、金属(コバール、42アロイ)を用いた場合、基
板と金属の熱膨張係数差が大きくなってしまい、熱応力
によりクラックなどの不具合が生じてしまい良好な接合
状態が得られないといった問題があった。
【0005】本発明は、低熱膨張セラミック基板と金属
との気密性良好な接合体および接合方法を提供すること
を目的とする。
【0006】
【課題を解決するための手段】その手段は、30〜40
0℃における熱膨張係数が1.5〜5.0×10−6
℃であるセラミック基板の所定部分に、セラミックス
基板側より順にスパッタ層およびメッキ層が積層された
多層構造の金属膜を形成し、この金属膜に同じく熱膨張
係数が1.5〜5.0×10−6/℃である金属を、A
g−Cu−In合金からなるロー材により接合したこと
を特徴とするセラミック基板と金属の接合体、にあ
る。
【0007】また、望ましい手段は、セラミックス基板
が、AlN、SiC、ムライト、Si、コージェ
ライトを主成分とするセラミックス、ガラス・セラミッ
クスまたは結晶化ガラスからなる上記の接合体にある。
同じく望ましい手段は、金属が、低熱膨張コバールであ
る上記の接合体にある。上記低熱膨張コバールとして
は、特にはNi 31%(重量%、以下同じ)、Co
14%、残部の主成分がFeである31Ni−14Co
−Fe合金が好ましい。同じく望ましい手段は、銀系ロ
ー材が、Ag−Cu−In合金である上記の接合体にあ
る。上記Ag−Cu−In合金としては、特にはAg
72%(重量%、以下同じ)、Cu 22%、In 1
5%のAg−Cu−Inロー材が好ましい。同じく望ま
しい手段は、金属膜が、セラミックス基板側より順に
パッタ層およびメッキ層が積層された多層構造をなして
いる上記の接合体にある。上記金属膜としては、特には
セラミックス基板側より順にTiスパッタ膜、Moスパ
ッタ膜、Cuスパッタ膜、CuメッキおよびNiメッキ
が積層された多層構造であることが好ましい。
【0008】ここで、低熱膨張コバールとは、表1に示
すように、特に500℃未満で従来のコバール(29N
i−16Co−Fe)よりも熱膨張係数の低いNi−C
o−Fe系合金をいい、例えば31Ni−14Co−F
e合金がある。
【0009】
【表1】
【作用】固相線650℃以下の銀系ロー材(例えばAg
72%(重量%、以下同じ)、Cu 22%、In
15%のAg−Cu−Inロー:固相線 600〜65
0℃)を用いることにより、従来から用いていた共晶A
gロー(Ag72−Cu28:固相線 780℃、液相
線 780℃)よりもロー材が耐力を持ち始める温度が
約100℃ぐらい低くなる。そして、30〜400℃に
おける熱膨張係数が1.5〜5.0×10−6/℃であ
る金属を低熱膨張セラミック基板の相手材として用い
ることにより、ロー材が耐力を持っている温度範囲でセ
ラミック基板と基板との熱膨張差がすくなくなり、そ
の結果、熱応力の緩和が可能になるが、それだけでは十
分な熱応力の低減をはかることはできない。 そこで本願
発明では、セラミックス基板の所定部分に、熱応力緩和
層としての機能を付与した多層構造の金属膜を形成し、
この金属膜を介してAg−Cu−In合金からなるロー
材により接合することで、係る問題を解決した。
【0010】すなわち、セラミックス基板側より順にT
iスパッタ膜、Moスパッタ膜、Cuスパッタ膜、Cu
メッキおよびNiメッキが積層された多層構造をなす
属膜を介して基板と金具のロー付けを行うので、ロー
材の濡れ性の向上、密着強度の向上、金属膜が熱応
力緩和層として作用する、などの効果が得られる。な
お、Ag−Cu−In合金からなるロー材を用いるか
ら、接合後の工程、例えばシリコンチップ搭載、リッド
シールなどにおいて支障をきたすことがない。また、金
属膜のうち、Tiスパッタ膜は、セラミック基板との
密着強度を確保し、Moスパッタ膜はロー材が拡散して
ロー材とチタン膜とが反応して金属膜の密着強度が劣化
するのを防止し、Cuスパッタ膜はスパッタ膜と銅メッ
キとの密着性を向上させるし、Cuメッキは熱応力緩和
のための緩衝材として作用し、Niメッキはロー材との
濡れ性を向上させるほか、ロー材による銅のくわれを防
止する。
【0011】
【実施例】
〔実施例1〕熱膨張係数が3.0×10-6/℃(室温〜
400℃)、誘電率が5.1(1MHZ ,室温)、組成
がZnO:4wt%,MgO:13wt%,Al
2 3 :23wt%,SiO2 :58wt%,B
2 3 :1wt%,P2 5 :1wt%の結晶化ガラス
からなり、20×20×1.0 mmの方形セラミック基板、外
径□20×内径□18.5×0.03mmの金属製シールリングお
よびシールリングとほぼ同形のロー材プリフォームを用
いて以下のような手順でテストを行った。
【0012】セラミック基板のロー付けする部分にスパ
ッタリングによってTi膜2000Å、Mo膜300
0、Cu膜5000を順次形成しその上にCuめっき1
0μm、Niめっき0.5μmを行った後、ベルト炉
(約500℃、N2 中)にてめっきのシンターをおこな
って接合テスト用基板とした。ロー材には低融点ロー材
(Ag63-Cu22-In15:固相線 630 ℃、液相線 685 ℃)
を用い、比較例のために共晶銀ロー(Ag72-Cu28 :固相
線 780 ℃、液相線780 ℃)でもテストを行った。金属
は、低熱膨張コバールの他にコバール、42アロイでも
比較例としてテストした。
【0013】接合の良否は、外観の検査(クラックの
有無)、気密性テスト(Heリークテスト3×10-8
STD・CC/SEC以下を合格)、環境試験(温度サイクル
テスト 150℃30分→−65℃30分を 100サイクル、熱
衝撃テスト 150 ℃30分→−65℃30分を 100サイク
ル、プレッシャー・クッカー・テスト 125℃ 1.7atm100
h)後の気密性テスト、3つのテストを行い判定し
た。その結果を表2に示す。
【0014】
【表2】 テストの結果、低融点ロー材と低熱膨張コバールの組み
合わせではクラックは発生せず、気密性及び環境試験後
の気密性もともに良好であった。その他の組み合わせで
は基板のクラックや気密性不良などの不具合が発生して
しまい良好な接合を得ることができなかった。
【0015】〔実施例2〕実施例1のセラミック基板と
同一組成の結晶化ガラスからなるセラミック基板(5層
ラミネート)、低熱膨張コバール製シールリング、及び
セラミック製もしくは金属製キャップシールを用いて、
□30×2.0 mmのICパッケージを作製した。実施例1
と同様の環境試験を行った後、気密性テストを行った結
果、合格であった。
【0016】「実施例3」実施例1のセラミック基板と
同一組成の結晶化ガラスからなるセラミック基板(8層
ラミネート)、低熱膨張コバール製ピンを用いて、□36
×3.0 tの132ピンのピングリッドアレイ・パッケー
ジを作製した。実施例1と同様の環境試験を行った後、
気密性テストを行った結果、合格であった。
【0017】〔実施例4〕実施例1の結晶化ガラスに代
えて表3に示す性質の窒化アルミニウム焼結体、炭化ケ
イ素焼結体、ムライト焼結体、窒化ケイ素焼結体または
アルミナ焼結体を方形セラミック基板の材質とした以外
は、実施例1の表2No.1と同一条件で接合テスト用
基板を製造し、前記3つのテストを行った。
【表2】その結果、アルミナ焼結体からなる方形セラミ
ック基板を用いた場合のみ、クラックが発生し、他は良
好な接合状態であった。
【0018】
【発明の効果】以上説明したように、本発明の接合体を
採用することにより、ガラス・セラミック等の低熱膨張
基板に金具(入出力ピン、シールリング、リード等)を
接合することが可能となりICパッケージ、多層基板等
に利用することができる。
【表3】
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 FI H05K 1/03 610 H05K 1/03 610B (56)参考文献 特開 昭63−18648(JP,A) 特開 昭59−198741(JP,A) 特開 昭62−27518(JP,A) 特開 昭62−167833(JP,A) 特開 昭59−175521(JP,A) 特開 昭51−109479(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) C04B 37/02 B23K 1/19

Claims (5)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 30〜400℃における熱膨張係数が
    1.5〜5.0×10−6/℃であるセラミック基板
    の所定部分に、セラミックス基板側より順にスパッタ層
    およびメッキ層が積層された多層構造の金属膜を形成
    し、この金属膜に同じく熱膨張係数が1.5〜5.0×
    10−6/℃である金属を固相線650℃以下の銀系ロ
    ー材により接合したことを特徴とするセラミック基板
    と金属の接合体。
  2. 【請求項2】 前記セラミックス基板は、AlN、Si
    C、ムライト、Si、コージェライトを主成分と
    するセラミックス、ガラス・セラミックスまたは結晶化
    ガラスからなる請求項1記載の接合体。
  3. 【請求項3】 前記金属は、低熱膨張コバールである請
    求項1乃至請求項2に記載の接合体。
  4. 【請求項4】 前記銀系ロー材は、Ag−Cu−In合
    金である請求項1乃至請求項3に記載の接合体。
  5. 【請求項5】 前記金属膜は、セラミックス基板側より
    順にTiスパッタ膜、Moスパッタ膜、Cuスパッタ
    膜、CuメッキおよびNiメッキが積層された多層構造
    をなしている請求項1乃至請求項4に記載の接合体。
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