JPH02125456A - 半導体装置及びその製造方法 - 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〕 本発明は半導体装置の構成、及び、ＩＩ造方法に係り、
特に、窒化アルミニウムセラミックによって半導体素子
からの熱を外部に放出し、かつ、半導体素子を外気から
密閉する構造の半導体装置の構造とその製造方法に関す
る。

〔従来の技術〕

窒化アルミニウム（以下Ａｌ２Ｎ）、または、炭化珪素
（以下５ｉＣ）セラミックスの優れた熱伝導性と電気絶
縁性に注目して、これを半導体素子の放熱用基板材料に
採用することは、すでに、特開昭５３−１０２３１０号
、特開昭６０−２５７１５６号公報等で公知である。

しかし、従来法の半導体装置の半導体素子からの熱を外
部に放出する部分と、半導体素子を外気から密閉する部
分とを機械加工等により一体で製作した場合、セラミッ
クスが難加工性材であるため困難である。従って、半導
体素子からの熱を外部に放出する冷却機能をもつ部材と
、半導体素子とを外気から密閉する部材にわけて加工し
、金属的接合によって一体化することが望まれている。

一方、ＡＱＮセラミックスの接合方法として、特開昭５
０−７５２０８号公報のようなＭ　ｏ　−Ｍ　ｎメタラ
イズ法による方法または、ＳｉＣセラミックスの接合法
として特願昭６１−１１９２７号のようなりロムメタラ
イズ法が公知である。しかし、この方法は、いずれも、
セラミックス表面を予めメタライズ（金属化）後、硬ろ
う、または、軟ろう等により接合するため、接合作業が
煩雑である。

また、この公知例による方法で本発明の半導体装置を製
造した場合、半導体装置に必要な５×１０−’ａｔｍ−
ｃｃ　／　Ｓ以下の気密性の確保が難しい等の問題があ
る。また、メタライズを施さずにＡＱＮセラミックスを
直接接合する方法として、特開昭６０−１７７６３５号
、特開昭６０−１０８３７６号、特開昭６０−７７１７
７号公報等が公知である。

例えば、特開昭６０−１０８３７６号公報ではＣｕ箔と
の間にＴｉ、または、Ｚｒ箔をはさみ９００℃以上に加
熱して接合している。また、特開昭６０−１７７６３５
号公報ではＡｇ、または、Ｃｕ単体にＴｉ、または、Ｚ
ｒを添加した合金箔により９００℃以上に加熱して接合
している。

これらの方法では、いずれも、メタライズ、及び、接合
を１０−’Ｔｏｒｒ以下の真空中、または、−気圧の不
活性ガス雰囲気中で行っている。しかし、真空中の場合
は金属蒸気によって接合部、または、メタライズ面以外
のセラミックス表面が汚染され、セラミックスの表面抵
抗が劣化するという問題がある。

特に、活性金属ろう材にＡｇ、Ｉｎ、Ｚｎ等の蒸気圧の
高い元素を含む場合は、蒸発が著しいため、接合部、ま
たは、メタライズ部以外にも金属が付着し、セラミック
ス特有の絶縁性が失われ、半導体用絶縁基板としての機
能が失われる。

なお、ｌ　０−４Ｔｏｒｒ以上の真空中ではろう材が酸
化するという問題があり、信頼性の点では好ましくない
。

一方、−気圧以上の不活性ガス、あるいは、Ｎ２ガス雰
囲気内で行った場合は、メタライズ、及び、接合部にガ
スが残留し、内部にブローホールが発生する。

特に、ろう材が有機溶剤と混合したペースト状の場合は
、ブローホールは多く発生し、接合部の強度、気密性等
の劣化原因となり、信頼性の点で問題がある。

また、接合温度が、いずれも、９００℃以上と高い従来
法ではろう材の蒸発量も多く、かつ、接合部の残留応力
も大きくなる点で好ましくない。

一方、発明者らはＴｉまたはＺｒを含むろう材によるメ
タライズ部の表面層にはチタン、または、ジルコニウム
酸化膜が形成される。という新しい現象を発見した。前
述の酸化膜が形成されたメタライズ表面に直接Ｎｉめつ
きを施し、はんだ付けした場合は、メタライズ表面とＮ
ｉめつきとの密着性が悪く、Ｎｉめつきはメタライズ表
面から容易に剥離するという問題がある。

〔発明が解決しようとする課題〕

上記従来沢術では、前述の間層点について考慮がされて
おらず、信頼性の高い半導体装置を製造する場合に問題
があった。

本発明は信頼性の高い半導体装置とその製造方法を提供
することを目的とする。

すなわち、内部に多層配線回路をもつムライト、あるい
は、アルミナ焼結体からなる回路基板上に半導体素子が
設けられ、この半導体素子をセラミックスまた金属によ
って外気から密閉する構造の半導体装置では、回路基板
とセラミックスまたは金属とを高い気密性を確保できる
ように封止接合する必要がある。この封止接合のために
は、回路基板はもちろん、回路基板と接するセラミック
ス表面に予めメタライズを施し、半導体素子が熱的に損
傷を受けない３００℃以下のはんだ材で封止接合するこ
とが望ましい。

一方、セラミックスは難加工材であるため、半導体素子
を外気から密閉し、′かつ、半導体素子からの熱を効率
的に放出するための冷却部材と密閉するフレーム部材に
わけ、両者を接合によって一体化することが望ましい。

メタライズとの接合ははんだの融点（３００℃）以上の
耐熱性があればできるかぎり低温で、かつ、セラミック
スのメタライズと接合を同一プロセスで同時に行うこと
により、半導体素子を安価に製造できる。

本発明の目的の第一はＡＱＮセラミックス表面のメタラ
イズとＡＱＮまたはＳｉＣ同士の接合をできるかぎり低
温で、かつ、同一プロセスで同時に行うことにある。

本発明の目的の第二は、信頼性の高い半導体装置を得る
ために、メタライズ部、及び、接合部以外にろう材の付
着によるセラミックスの表面抵抗の劣化と接合部のブロ
ーホールを防止する点にある。

さらに、本発明の目的の第三はメタライズ層を介して回
路基板にはんだ付けされる封止接合部の信頼性を高める
ために、メタライズの表面層に形成される酸化膜を除去
することにある。

〔課題を解決するための手段〕

本発明は、これらの目的を達成するため、Ａｇ−Ｃｕの
合金、゛または、Ａｇ−Ｃｕ−Ｉｎの合金にＴｉ、また
は、Ｚｒを１〜６ｗｔ％含むろう材を用い、１０″″２
Ｔｏｒｒ〜１００　Ｔｏｒｒに減圧されたＡｒ、または
、Ｎ２ガス雰、囲気内でろう材の融点以上に加熱する工
程、この方法によって得られたメタライズ表面を機械的
、または、化学的手法によって３〜５０μｍ除去する工
程、メタライズ表面にＮｉめつき後、はんだ付けする工
程を実施する。

〔作用〕

本発明の第一の目的であるＡＱＮ、または。

ＳｉＣ表面のメタライズとＡＱＮ、または、ＳｉＣ同士
の接合を９００℃以下の低温で、かつ、同一プロセスで
同時に行うためにＡｇとＣｕとの合金（混合も含む）、
または、Ａｇ−Ｃｕ−Ｉｎの合、金（混合も含む）中に
、Ｔｉ、あるいは、Ｚｒの中から選ばれる一種以上を１
〜６ｗｔ％含むろう材を用いることにより達成できる。

すなわち、Ａｇ−Ｃｕ合金の場合は、７２ｗｔ％Ａｇ−
２８ｗｔ％Ｃｕの組成比で融点（７８０℃）に達し、Ａ
ｇ−Ｃｕ−Ｉｎ合金の場合は。

３５〜４５ｗｔ％−２５〜３５ｗｔ％−３〜６ｗｔ％で
融点（６９０℃）に達し、前者は８００〜８５０℃、後
者は７００〜７５０℃に加熱することによりメタライズ
、または、接合が可能になる。この組成比の合金にＴｉ
あるいはＺｒの中から選ばれる一種以上を６ｗｔ％まで
添加しても合金の融点は変らず、８５０℃以下の比較的
低温でメタライズを接合することができる。また、ろう
材中のＴｉあるいはＺｒの添加量が１ｗｔ％以下ではろ
う材のぬれ性が悪く、６ｗｔ％以上ではろう材の融点が
上昇するため、１〜６ｗｔ％が望ましい。

さらに、Ｔｉ添加量が６ｗｔ％以上になるＴｉとＡＱＮ
との反応生成物であるＴｉＮ、及び、その他Ｔｉ−Ｃｕ
、Ｔｉ−Ａｇ等の化合物層の厚さが増加し、メタライズ
部の強度低下の原因になる。

このため、ＴｉまたはＺｒとの反応によって形成される
この化合物層全体の厚さは１μｍ以上１５μｍ以下が望
ましい、この化合物層の厚さはＴｉ、または、Ｚｒの添
加量が１〜６ｗｔ％でもメタライズ層の厚さによって増
加する。

また、後述のように、メタライズ層の表面を３〜３０μ
ｍ＃、去することが望ましいことなどから、全体のメタ
ライズ層の厚さは５０〜２００μｍが望ましい。

ろう材を有機溶剤と混合し、ペースト状にしたものをＳ
ｉＣまたはＡｎＮ製フレーム部材表面に印刷し、ペース
トが印刷されたフレーム部材の一方の面をセラミックス
製の冷却部材に重ね合せ、ろう材の融点以上に加熱する
ことにより、同一プロセスで同時にＳｉＣ，または、Ａ
ＱＮ製フレーム部材の一方の面はメタライズが形成され
、他方の面はセラミックス製冷却部材と接合される。

本発明の第二の目的であるろう材の蒸発によるセラミッ
クス表面抵抗の劣化防止と接合部のブローホール防止の
ために、加熱雰囲気の検討を行った。その結果、１０−
２Ｔｏｒｒ〜１００　Ｔｏｒｒに減圧されたＡ　ｒ　Ｉ
　Ｎ２　、または、ＡｒとＮｚとの混合ガス雰囲気内で
メタライズとの接合を行うことにより、セラミックス表
面抵抗の劣化と接合部のブローホールを防ぐことができ
ることを確認した。

すなわち１本発明はｌ　０−２Ｔｏｒｒ〜１００　Ｔｏ
ｒｒに減圧されたＡｒ、または、Ｎｘガス雰囲気内でメ
タライズ及び接合を行うことにより、ろう材の蒸発によ
るＡＱＮセラミックスの表面抵抗の劣化と接合部のブロ
ーホールを防止したものである。

なお、１０−”Ｔｏｒｒ以下ではろう材の蒸発が多く、
またｌ　Ｏ０Ｔｏｒｒ以上ではブローホールを完全に防
止できないため、１０″″２Ｔｏｒｒ〜ｌ　ＯＯＴｏｒ
ｒ内がろう材の蒸発及びブローホールの防止の点で最も
望ましい。

なお、この場合に使用するＡｒ、または、Ｎ２中のＯｘ
ガス量は１０ｐｐｍ以下が望ましい。

本発明の第三の目的である方法によって形成されたメタ
ライズ層を介して回路基板にはんだ付けされる封止接合
部の信頼性を高めるため、メタライズ表面層を３〜５０
μｍ除去した後、Ｎｉめっきを施す。

すなわち、この方法によって形成されたメタラィズ表面
層には厚さ３〜３０μｍのチタン、または、ジルコニウ
ム酸化物層が形成されていることを解明した。また、こ
のチタン酸化物層を除去せずにＮｉめつきを施した場合
は、Ｎｉめつきがメタライズ層表面から容易に剥離し、
信頼性の高い封止接合部が得られないという問題がある
。

従って１本発明の第三の目的は、メタライズ表面のチタ
ン、または、ジルコニウム酸化物層を３〜５０μｍ除去
後、Ｎｉめつきを施すことによって達成される。メタラ
イズ表面層のチタン酸化物層等の除去はホーニング、ま
たは、研磨等の機械的方法及び電解エツチング等の化学
的方法によって容易に可能である。

メタライズ表面に除去量が３μｍ以下では効果はなく、
５０μｍ以上では不経済である。

一方、半導体素子を外部から密閉するための部材が、金
属の場合は前記窒化アルミニウムまたは炭化珪素セラミ
ックスと直接接合するとセラミックスが熱応力破壊する
ため、予め前記セラミックスにメタライズ層を形成後、
融点が４００℃以下のはんだ材によって接合することが
望ましい、このメタライズ層の形成は、前記ろう材によ
って直接または金属製の箔を前記ろう材によって接合す
ることによって達成される。

なお、前記金属の箔は厚さ１０〜５００μｍのＮｉまた
はＣｕが望ましい。さらに、Ｃｕ、Ｗ。

Ｎｂ、Ｔａ、Ｍｏの少なくとも一方の面にＮｉめつきが
施された複合材がより望ましい。

また、前記はんだ材はＡ　ｕ　−Ｓ　ｎ系、Ａｕ−Ｇｅ
系、Ｐｂ−５ｎ系が望ましい。

〔実施例〕

〈実施例■〉 第１図は本発明の代表的実施例を示す。１はアルミナ又
はムライト焼結体からなる印刷焼成プロセスにより製造
され内部に多層配線回路をもつ多層回路基板である。２
は高集積密度の半導体素子（ＬＳＩ素子）で、例えば、
９７ｗｔ％ｐｂ−３ｗｔ％Ａｇからなる複数のはんだボ
ール３を介して多層回路基板１に接続されている。４は
ＬＳＩ素子２の背面上に接する高熱伝導（）１５０Ｗ／
ｍ、Ｋ）　　・電気絶縁（＜１０”Ω−Ｇ）性のＡｌ２
Ｎセラミツクス製の可動フィンである。ＬＳＩ素子２か
らの熱は可動フィン４を伝達して、同材質のＡＱＮセラ
ミックス製の冷却基板５に形成された固定フィン６を通
して外部へ放出される。

一方、ＬＩＳ素子２を外気から密閉するためのフレーム
７はＡＱＮセラミックスからなる額縁状のもので、ＡＱ
Ｎセラミックスキャップ５、及び、多層回路基板１に金
属的に接合される。

フレーム７のＡＱＮセラミックスの冷却基板５、及び、
多層回路基板１と接合される面には７２ｗし％Ａｇ−２
８ｗｔ％Ｃｕの合金粉末に２ｗｔ％のＴｉ粉末を添加し
、更に、有機溶剤と混合したペースト状のろう材を厚さ
１５０μｍ印刷した。

次に、これを放熱用フィンと一体化された冷却基板５と
重ね合せ、Ｉ　Ｔｏｒｒに減圧されたＡｒ雰囲気内でろ
う材の融点である７８０℃よりわずかに高い８３０℃に
加熱した。

この加熱によって、フレーム７の一方の面は冷却基板５
と接合８され、他の一方のＡＱＮセラミックス製フリフ
レーム７面は同時にメタライズ９が施された。

く加熱冷却後〉 メタライズ９の表面をホーニングにより約２０μｍ研磨
後、Ｎｉめつき１０を施した。多層回路基板１に形成さ
れたタングステンメタライズ１１面にはんだ１２により
封止接合し、半導体装置とした。

〈実施例■〉 第１図のフレーム７の両面に４０ｗｔ％Ａｇ−３０ｗｔ
％Ｃｕ−２０ｗｔ％Ｉｎの合金粉末に３ｗｔ％Ｔｉ粉末
を添加し、更に、有機溶剤と混合したペースト状のろう
材を厚さ２００μｍ印刷した。次に、これをＡＱＮキャ
ップ５に重ね合せ、３　Ｔｏｒｒに減圧されたＡｒ雰囲
気内でろう材の融点である６９０”Ｃよりわずかに高い
７３０℃に加熱した。

この加熱によってフレーム７の一方の面はＡＱＮキャッ
プ５と接合８され、他の一方のフレーム表面にはメタラ
イズ９が施された。

メタライズ９の表面層を機械的研磨により、約３０μｍ
除去後、厚さ２〜３μｍのＮｉめつき９を施した。最後
に、このＮｉめつき面が施されたＡＱＮ製フレーム７を
６３ｗｔ％５ｎ−３７ｔｚｔ％ｐｂ組成のはんだ１２に
より、多層回路基板１にはんだ付けし、半導体装置とし
た。

〈実施例■〉 第１図のＬ　Ｓ　’Ｉ素子２の背面に接する可動フィン
４、並びに、固定フィン６と一体のキャップ材に焼結助
剤として約１２ｗｔ％のＢｅＯを用いた熱伝導率が２５
０Ｗ／　ｍ、Ｋ　、　Ｍｌｌ低抵抗１０１２Ω・国のＳ
ｉＣのセラミックスを用いた。ただし、フレーム７には
、ＢとＣを焼結助剤とする常圧焼結１１ｊｓｉｃセラミ
ツクスを用いた。

フレーム７のキャップ５、及び、多層回路基板と接合さ
れる面には４０ｗｔ％Ａｇ−３０ｗｔ％Ｃｕ−２０ｗｔ
％Ｉｎの合金粉末に２ｗｔ％のＴｉ粉末を添加したペー
スト状のものを厚さ２００μｍに印刷した。次に、これ
をＱ　、　５　Ｔｏｒｒに減圧されたＡｒ雰囲気内で、
ろう材の融点である６９０℃よりわずかに高い７３０℃
に加熱した。

この加熱によってフレーム７の一方の面はＡＱＮキャッ
プ５と接合され、他の一方の面にはメタライズ９が施さ
れた。

メタライズ９の表面層を約２０μｍ除去後、Ｎｉめつき
９を施した。最後にこのＮｉめつきが施されたＳｉＣ製
フレーム７を６３ｗｔ％Ｓｎ−３７ｗｔ％ｐｂはんだ１
２により多層回路基板とはんだ付けし、半導体装置とし
た。

〈実施例■〉 第１図のＬＳＩ素子２を冷却するための冷却基板５には
窒化アルミニウムセラミックスを、また、ＬＳＩ素２を
外気から密閉するためのフレーム７は４２ｗｔ％−Ｎｉ
−Ｆｅ合金を用いた。

予め窒化アルミニウムセラミックス製冷却基板５の接合
部に厚さ１００μｍのＣｕ箔を３Ｔｉ−７０Ａｇ２７Ｃ
ｕ　（ｗｔ％）の合金からなるろう材によって接合し、
メタライズ層を形成した。前記メタライズ層にＡｕＡｕ
−１２Ｇｅ％合金からなる融点が３５６℃のはんだによ
って４２Ｎｉ−Ｆｅ製のフレーム７を接合した。前記フ
レーム７の他方の面を多層回路基板１に融点が１８０℃
よりなる６３ｗｔ％Ｓ　ｎ　−３７ｗ　ｔ％ｐｂのはん
だ材によってＨｅ中で接合し、半導体装置とした。

〔発明の効果〕

本発明によれば、ＡＱＮセラミックスの絶縁抵抗を劣化
せず、かつ、気密性、及び、冷却特性に優れた半導体装
置を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の断面図を示す。 １・・・多層回路基板、２・・・半導体素子、３・・・
はんだボール、４・・・ＡＱＮセラミックス製可動フィ
ン、５・・・ＡｆｌＮセラミックス製キャップ、６・・
・ＡＱＮセラミックス製固定フィン、７・・・ＡＱＮセ
ラミックス製フリフレーム・・・接合部、９・・・メタ
ライズ部、第 図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、回路基板上に半導体素子が設けられ、前記半導体素
   子からの熱を窒化アルミニウムセラミックス、または、
   炭化珪素セラミックスを介して外部に放出し、かつ前記
   セラミックスによつて前記半導体素子を外部から密閉す
   る半導体装置において、 前記セラミックスは、予め前記半導体素子からの熱を外
   部に放出する冷却機能をもつ部材と前記半導体素子を外
   気から密閉する機能をもつ部材にわけて製作し、前記両
   部材は金属的接合によつて組立てられていることを特徴
   とする半導体装置。 ２、特許請求項第１項において、 前記半導体素子を外部から密閉する機能をもつ前記窒化
   アルミニウムまたは前記炭化珪素セラミックスの前記回
   路基板に接する面にはメタライズが施されていることを
   特徴とする半導体装置。 ３、特許請求の範囲第１〜３項記載の半導体素子を密閉
   する部材は、前記セラミックスと同系列のセラミックス
   または熱膨張率が前記セラミックスに近い金属であるこ
   とを特徴とする半導体装置。 ４、特許請求項第１項または第２項の前記金属的接合及
   び前記メタライズは、ＡｇとＣｕとの合金、または、Ａ
   ｇ−Ｃｕ−Ｉｎの合金中に、Ｔｉ、または、Ｚｒの中か
   ら選ばれる少なくとも一種を１〜６ｗｔ％含む箔状また
   はペースト状のろう材によつて施されていることを特徴
   とする半導体装置。 ５、特許請求項第３項の前記ろう材による接合及び前記
   メタライズは、１０＾−＾２Ｔｏｒｒ〜１００Ｔｏｒｒ
   に減圧された不活性ガス、窒素ガスまたは不活性ガスと
   窒素ガスとの混合ガス中で、前記ろう材の融点以上に加
   熱し、前記半導体素子を密閉する部材がセラミックスの
   場合は前記メタライズと接合が同時に行われることを特
   徴とする半導体装置。 ６、特許請求項第４項の前記メタライズの表面層を厚さ
   ３〜３０μｍ除去後に、Ｎｉめつきが施され、前記回路
   基板とはんだ付されていることを特徴とする半導体装置
   。 ７、特許請求項第４項の前記メタライズの表面層を除去
   前の前記メタライズ層の厚さは５０〜２００μｍである
   ことを特徴とする半導体装置。 ８、半導体素子を外気から密閉するセラミックスの両面
   にペースト状のろう材を印刷する工程、前記ペースト状
   のろう材が印刷されたセラミックスを前記半導体素子か
   らの熱を外部に放出する冷却機能をもつ窒化アルミまた
   は炭化珪素セラミックスに重ね合せ一体化する工程、前
   記一体化されたものを１０＾−＾２Ｔｏｒｒ〜１００Ｔ
   ｏｒｒに減圧された不活性ガス中で前記ろう材の融点以
   上に加熱する工程、前記加熱によつて形成されたメタラ
   イズ表面層を除去する工程、前記メタライズ表面にＣｕ
   またはＮｉめつきを施す工程、前記めつき層と前記回路
   基板とをはんだ付けする工程よりなる半導体装置の製造
   方法。 ９、半導体素子からの熱を外部に放出するための窒化ア
   ルミニウムまたは炭化珪素セラミックスの半導体素子を
   外気から密閉する部材との接合面に予め、前記ペースト
   状または箔状のろう材によつて直接または金属の箔を重
   ねた接合によつてメタライズ層を形成する工程、前記メ
   タライズ層を介して半導体素子を外部から密閉するため
   の前記金属製フレーム材を融点が４００℃以下のはんだ
   材によつて接合することを特徴とする半導体装置の製造
   方法。 １０、特許請求の範囲第９項記載の金属の箔は厚さ１０
   〜５００μｍのＮｉ、Ｃｕ単体またはＣｕ、Ｗ、Ｔａ、
   Ｍｏ、Ｎｂから選ばれる少なくとも一方の面にＮｉめつ
   きが施されている複合材であることを特徴とする半導体
   装置の製造方法。 １１、前記はんだ材は融点が４００℃以下のＡｕ−Ｓｎ
   系、Ａｕ−Ｇｅ、Ｐｂ−Ｓｎ系のいずれか一種であるこ
   とを特徴とする半導体装置の製造方法。