JPH03112638A - 直接結合された対称型金属積層物／基板構造物 - Google Patents
直接結合された対称型金属積層物／基板構造物Info
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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】
（発明の分野）
本発明は直接結合金属／基板構造物に関し、特にこの種
の熱的に釣り合った構造物に関する。
の熱的に釣り合った構造物に関する。
（発明の背景）
半導体デバイスのパッケージおよびその他の技術分野で
は、金属とセラミック構造物の間または二個の金属構造
物間を密封し且つ高い加工および使用温度には耐える結
合部を形成する必要性が頻繁にある。米国特許第３．７
４４．１２０号、同第３，９１１．５５３号、同第３．
７６６．６３４号、同第３，９９３．４１１号、同第３
，９９４．４３０号、同第４，１２９，２４３号、同第
４．４０９．２７８号並びに同第４．５６３．３８３号
の明細書に記載されている直接結合銅処理法は、金属鋼
とアルミナやベリリアのようなセラミック物質の双方を
湿潤し、かっ固化時に両部材を結合する銅酸素共融混合
物を形成することにより上記の要件を満足させている。
は、金属とセラミック構造物の間または二個の金属構造
物間を密封し且つ高い加工および使用温度には耐える結
合部を形成する必要性が頻繁にある。米国特許第３．７
４４．１２０号、同第３，９１１．５５３号、同第３．
７６６．６３４号、同第３，９９３．４１１号、同第３
，９９４．４３０号、同第４，１２９，２４３号、同第
４．４０９．２７８号並びに同第４．５６３．３８３号
の明細書に記載されている直接結合銅処理法は、金属鋼
とアルミナやベリリアのようなセラミック物質の双方を
湿潤し、かっ固化時に両部材を結合する銅酸素共融混合
物を形成することにより上記の要件を満足させている。
この方法は長年使用されている。
これらの米国特許のうちの基本的なもの（第３゜７６６
．６３４号、第３．９９３，４１１号、第３．７４４．
１２０号および第３，８５４．９８２号）には、それぞ
れ「結合の強靭さと均一性に影響すると考えられる一つ
の因子は金属部材の融点と共融温度との間の関係である
。例えば、共融温度が金属部材の融点の約３０乃至５０
℃の範囲内であれば、その金属部材は基板部材の形状に
可塑的に順応して、金属部材の融点より約５０℃以上低
い温度で液化する共融物の場合よりも良好な結合を作り
出す。結合の均一性は、従って、融点の近傍でのみ少な
からぬものになる金属のクリープに関連していると思わ
れる。表１ （ここには掲載していない）から、例えば
、下記の共融性化合物がこの要求に合致することが理解
され得る。すなわち、銅−酸化鋼、ニッケルー酸化ニッ
ケル、コバルト−酸化コバルト、鉄−酸化鉄および銅−
硫化銅である。」と記述されている。従って、この分野
では、金属部材が液体状の共融混合物の張力によって基
板の表面に順応し得るよう、結合工程中は金属部材はそ
の融点近傍にあることが重要であると考えられる。
．６３４号、第３．９９３，４１１号、第３．７４４．
１２０号および第３，８５４．９８２号）には、それぞ
れ「結合の強靭さと均一性に影響すると考えられる一つ
の因子は金属部材の融点と共融温度との間の関係である
。例えば、共融温度が金属部材の融点の約３０乃至５０
℃の範囲内であれば、その金属部材は基板部材の形状に
可塑的に順応して、金属部材の融点より約５０℃以上低
い温度で液化する共融物の場合よりも良好な結合を作り
出す。結合の均一性は、従って、融点の近傍でのみ少な
からぬものになる金属のクリープに関連していると思わ
れる。表１ （ここには掲載していない）から、例えば
、下記の共融性化合物がこの要求に合致することが理解
され得る。すなわち、銅−酸化鋼、ニッケルー酸化ニッ
ケル、コバルト−酸化コバルト、鉄−酸化鉄および銅−
硫化銅である。」と記述されている。従って、この分野
では、金属部材が液体状の共融混合物の張力によって基
板の表面に順応し得るよう、結合工程中は金属部材はそ
の融点近傍にあることが重要であると考えられる。
より大きな基板とパッケージへの必要性が高まるにつれ
、セラミック゛基板と組み合わせて直接結合するために
銅が使用されているが、銅が約１６の相対熱膨張係数を
持つのに対して、アルミナが約７の相対熱膨張係数を持
ち、またベリリアが約８の相対熱膨張係数を持つので、
熱的に不釣り合いの問題が生じた。銅−酸化銅共融構造
に於ける共融結合は１０６５℃で形成されるので、大き
な構造物ではその冷却の際にかなりの応力と反りが引き
起こされる。この問題を解決すべく多数の技術手法が用
いられた。この技術手法の一つは、連続的銅層でなくて
、セラミックに結合した銅の大きな膨張を避けるために
、バイメタル・ストリップを形成するような小さい銅の
単位から成るマトリックスをセラミックに結合するもの
である。その代りの別の手法では、平坦区域相互間にフ
ープを有し、そのフープより応力を逃すようにして平坦
区域のみをセラミックに直接結合する大面積の銅箔が形
成される。この両方の技術は（熱的に不釣り合いの問題
でなくても）単一連続結合銅層の場合よりも複雑な構造
が作られ、複雑な製作手順が必要となり、後者の場合に
は、平面でない表面が生じるという欠点を持っている。
、セラミック゛基板と組み合わせて直接結合するために
銅が使用されているが、銅が約１６の相対熱膨張係数を
持つのに対して、アルミナが約７の相対熱膨張係数を持
ち、またベリリアが約８の相対熱膨張係数を持つので、
熱的に不釣り合いの問題が生じた。銅−酸化銅共融構造
に於ける共融結合は１０６５℃で形成されるので、大き
な構造物ではその冷却の際にかなりの応力と反りが引き
起こされる。この問題を解決すべく多数の技術手法が用
いられた。この技術手法の一つは、連続的銅層でなくて
、セラミックに結合した銅の大きな膨張を避けるために
、バイメタル・ストリップを形成するような小さい銅の
単位から成るマトリックスをセラミックに結合するもの
である。その代りの別の手法では、平坦区域相互間にフ
ープを有し、そのフープより応力を逃すようにして平坦
区域のみをセラミックに直接結合する大面積の銅箔が形
成される。この両方の技術は（熱的に不釣り合いの問題
でなくても）単一連続結合銅層の場合よりも複雑な構造
が作られ、複雑な製作手順が必要となり、後者の場合に
は、平面でない表面が生じるという欠点を持っている。
熱的に不釣り合いの問題が実質的にない直接結合金属セ
ラミック構造が必要である。
ラミック構造が必要である。
先に引用した米国特許第４．５６３，３８３号明細書に
は、熱膨張係数の不釣り合いにより引き起こされる曲が
りのないセラミック／金属積層構造物の製作方法が開示
されている。まず、二個の実質的に同一なセラミックＵ
板の各々の一方の表面に薄い銅箔が共融結合される。そ
れから、これら二個の基板は、中心銅箔をはさむように
銅被覆側をその箔に向けて配置され、共融結合が中心箔
と各セラミック基板にすでに結合されている箔との間に
形成される。この代りに、上記の３つの共融結合を一回
の加熱工程で形成してもよい。生じる構造物は対称型で
あり、従って熱膨張係数の不釣り合いにより引き起こさ
れる曲がりがない。生じるセラミック基板は適当な用途
には有益であるが、その性質上、非対称型であるか非対
称にする必要のあるセラミック／金属構造物では、熱膨
張係数の不釣り合いにより引き起こされる曲がりの問題
は解決されない。
は、熱膨張係数の不釣り合いにより引き起こされる曲が
りのないセラミック／金属積層構造物の製作方法が開示
されている。まず、二個の実質的に同一なセラミックＵ
板の各々の一方の表面に薄い銅箔が共融結合される。そ
れから、これら二個の基板は、中心銅箔をはさむように
銅被覆側をその箔に向けて配置され、共融結合が中心箔
と各セラミック基板にすでに結合されている箔との間に
形成される。この代りに、上記の３つの共融結合を一回
の加熱工程で形成してもよい。生じる構造物は対称型で
あり、従って熱膨張係数の不釣り合いにより引き起こさ
れる曲がりがない。生じるセラミック基板は適当な用途
には有益であるが、その性質上、非対称型であるか非対
称にする必要のあるセラミック／金属構造物では、熱膨
張係数の不釣り合いにより引き起こされる曲がりの問題
は解決されない。
銅−モリブデンー銅（Ｃｕ−１％−ＣＬＬ）の対称型バ
イメタル積層物が開発されて、銅とモリブデンの中間の
熱膨張係数を持ち、かつ熱膨張係数の不釣り合いにより
引き起こされる曲がりのない金属部材が提供されている
。その対称型バイメタル箔は、温度の変化に応じて曲が
るように意図されている代表的なバイメタル・ストリッ
プとは、銅がサンドイッチのパンに相当し、モリブデン
がサンドイッチの詰め物に相当するようにした対称型サ
ンドイッチ構造が生じるように中心のモリブデンをはさ
んで二個の同様な銅層が積層されている点で違っている
。両側の銅層は同じ組成と同じ厚みを持つので、熱膨張
係数の不釣り合いにより引き起こされる応力は中心のモ
リブデン層の両側で等しく、従って曲がりは発生しない
。
イメタル積層物が開発されて、銅とモリブデンの中間の
熱膨張係数を持ち、かつ熱膨張係数の不釣り合いにより
引き起こされる曲がりのない金属部材が提供されている
。その対称型バイメタル箔は、温度の変化に応じて曲が
るように意図されている代表的なバイメタル・ストリッ
プとは、銅がサンドイッチのパンに相当し、モリブデン
がサンドイッチの詰め物に相当するようにした対称型サ
ンドイッチ構造が生じるように中心のモリブデンをはさ
んで二個の同様な銅層が積層されている点で違っている
。両側の銅層は同じ組成と同じ厚みを持つので、熱膨張
係数の不釣り合いにより引き起こされる応力は中心のモ
リブデン層の両側で等しく、従って曲がりは発生しない
。
この対称型バイメタル積層物は両側の層と中心の層との
中間の熱膨張係数が望まれる場合に用途がある。銅−タ
ングステンー銅のような他のこの種の積層物も有用であ
ろう。
中間の熱膨張係数が望まれる場合に用途がある。銅−タ
ングステンー銅のような他のこの種の積層物も有用であ
ろう。
Ｃｕ−ａ−Ｃｕ積層物はローラーをかけることで形成さ
れて容易に得られる。本発明者はローラーで積層したα
−Ｗ−α積層物を発見し得なかった。
れて容易に得られる。本発明者はローラーで積層したα
−Ｗ−α積層物を発見し得なかった。
Ｃｕ−Ｗ−Ｃｕ積層物は、タングステンがマトリックス
または格子状で、銅層がタングステンの両側を覆い且つ
マトリックスまたは格子中の孔の中で合体した、銅浸入
構造物として知られているものが得られると報告されて
いるに過ぎない。
または格子状で、銅層がタングステンの両側を覆い且つ
マトリックスまたは格子中の孔の中で合体した、銅浸入
構造物として知られているものが得られると報告されて
いるに過ぎない。
このように、非対称型であって熱膨張係数の不釣り合い
により引き起こされる曲がりが実質的にない金属／セラ
ミック複合物の製作方法が要求されている。
により引き起こされる曲がりが実質的にない金属／セラ
ミック複合物の製作方法が要求されている。
（発明の目的）
従って本発明の第一の目的は、非対称型であって熱膨張
係数の不釣り合いにより引き起こされる曲がりが実質的
にない金属／セラミック複合物の製作方法を提供するこ
とである。
係数の不釣り合いにより引き起こされる曲がりが実質的
にない金属／セラミック複合物の製作方法を提供するこ
とである。
他の目的は、金属及びセラミック部が釣り合った熱膨張
係数を持つ金属／セラミック複合物を提供することであ
る。
係数を持つ金属／セラミック複合物を提供することであ
る。
更に他の目的は、対称型金属／セラミック複合構造物を
提供することである。
提供することである。
（発明の要旨）
図面を含めて本明細書全体から明らかになる上記及び他
の目的は、本発明によれば、対称型バイメタル積層物を
金属またはセラミックのような基板に共融結合すること
により達成される。基板がセラミックである場合は、好
ましくはセラミックに対称型バイメタル積層物の外側層
と同じ金属の箔が共融結合され、次にこの箔が対称型バ
イメタル積層物に共融結合される。
の目的は、本発明によれば、対称型バイメタル積層物を
金属またはセラミックのような基板に共融結合すること
により達成される。基板がセラミックである場合は、好
ましくはセラミックに対称型バイメタル積層物の外側層
と同じ金属の箔が共融結合され、次にこの箔が対称型バ
イメタル積層物に共融結合される。
（発明の詳細な説明）
第１図には、金属の基板３０の上面に共融層２８によっ
て結合されている対称型バイメタル積層物２０を持つ複
合構造物１０が示されている。この構造の主たる応用は
、二つの外側層２２と２６として銅を、内側の中心層２
４としてモリブデンやタングステンのような低い熱膨張
係数の金属を持つ対称型バイメタル積層物２０に関して
である。
て結合されている対称型バイメタル積層物２０を持つ複
合構造物１０が示されている。この構造の主たる応用は
、二つの外側層２２と２６として銅を、内側の中心層２
４としてモリブデンやタングステンのような低い熱膨張
係数の金属を持つ対称型バイメタル積層物２０に関して
である。
第１図の複合構造物１０゛は次のようにして形成できる
。まず、銅の基板３０の表面を酸化して、第２図に示さ
れるような薄い酸化物層３４を形成する。それから、第
３図に示されるように対称型バイメタル積層物２０を基
板３０に対して所望の位置に配置して、銅酸化物層３４
と接触させる。
。まず、銅の基板３０の表面を酸化して、第２図に示さ
れるような薄い酸化物層３４を形成する。それから、第
３図に示されるように対称型バイメタル積層物２０を基
板３０に対して所望の位置に配置して、銅酸化物層３４
と接触させる。
次いで、複合構造物全体を、銅の基板３０と対称型バイ
メタル積層物２０との間の銅−酸化銅共融結合を得るた
めに直接結合用温度分布が生じるように加熱する。銅の
場合、構造物を少なくとも１０６５℃、しかし１０８３
℃（銅の融点）よりは低い温度に加熱する。この温度範
囲では、銅−酸化銅混合物は液体であるが銅金属はそう
ではない。
メタル積層物２０との間の銅−酸化銅共融結合を得るた
めに直接結合用温度分布が生じるように加熱する。銅の
場合、構造物を少なくとも１０６５℃、しかし１０８３
℃（銅の融点）よりは低い温度に加熱する。この温度範
囲では、銅−酸化銅混合物は液体であるが銅金属はそう
ではない。
この加熱工程は、結合部を形成するために銅−酸化銅共
融物中に十分な酸素を保持し、同時に共融混合物が結合
部を形成しない酸化銅に完全には変換しない状態を確保
するために、前記した特許の教示に従って、酸素の含有
量を制御した雰囲気中で行われる。腹合構造物は、共融
物を形成する温度に数秒から何分かの間保たれた後、１
０６５℃より低い温度まで冷却されて、共融混合物を固
化し、それにより対称型バイメタル積層物２０と銅基板
３０との間にしっかりした結合部を形成する。
融物中に十分な酸素を保持し、同時に共融混合物が結合
部を形成しない酸化銅に完全には変換しない状態を確保
するために、前記した特許の教示に従って、酸素の含有
量を制御した雰囲気中で行われる。腹合構造物は、共融
物を形成する温度に数秒から何分かの間保たれた後、１
０６５℃より低い温度まで冷却されて、共融混合物を固
化し、それにより対称型バイメタル積層物２０と銅基板
３０との間にしっかりした結合部を形成する。
これは、半田や接着剤のような仲介物質に拠らずに共融
混合物で直接に二個の部材の間の結合が形成されるので
、直接結合として知られている。
混合物で直接に二個の部材の間の結合が形成されるので
、直接結合として知られている。
共融物の形成温度より５０℃以上は十分高い、対称型バ
イメタル銅−モリブデンー銅積層物の中心層の高い融点
（２６１０℃）にも拘わらず、この方法が空隙のない完
全な共融封止結合を形成することが分かった。構造物が
銅の外側層の融点（１０８３℃）に極めて接近するにも
拘わらず、対称型バイメタル積層物は明らかにこれらの
温度に影響されず剥離しない。各構成部品が実質的に同
じ熱膨張係数を持ち、このため熱応力および熱膨張係数
の不釣り合いにより引き起こされる曲がりが実質的に排
除されるセラミック／対称型バイメタル積層物の構造物
を形成することが可能であるので、この予期せざる結果
は電子技術分野で大きい利点を提供する。このような複
合構造物は先行技術の銅／セラミック複合構造物で可能
であったよりも遥かに大きなサイズでの使用に適する。
イメタル銅−モリブデンー銅積層物の中心層の高い融点
（２６１０℃）にも拘わらず、この方法が空隙のない完
全な共融封止結合を形成することが分かった。構造物が
銅の外側層の融点（１０８３℃）に極めて接近するにも
拘わらず、対称型バイメタル積層物は明らかにこれらの
温度に影響されず剥離しない。各構成部品が実質的に同
じ熱膨張係数を持ち、このため熱応力および熱膨張係数
の不釣り合いにより引き起こされる曲がりが実質的に排
除されるセラミック／対称型バイメタル積層物の構造物
を形成することが可能であるので、この予期せざる結果
は電子技術分野で大きい利点を提供する。このような複
合構造物は先行技術の銅／セラミック複合構造物で可能
であったよりも遥かに大きなサイズでの使用に適する。
これはまた、大きなセラミック構造物に対して、熱膨張
係数の不釣り合いにより引き起こされる応力をその構造
物内に持ち込むことなしに対称型バイメタル積層物の熱
導体を設けることができるという利点を提供する。上記
のような応力の存在下での多数の熱サイクルの影響の蓄
積により密封シールが劣化し、最約時に結合部の分離が
発生することになるので（これは装置の劣化と機能不全
の危険を増加する）、電子装置のパッケージに於けるこ
のような応力の存在は、長期信頼性に対する重大な懸念
を生ぜしめ名ことになる。また別の利点は、セラミック
と釣り合わない熱膨張係数を持つ他の物質が、熱膨張係
数の不釣り合いにより引き起こされる応力を減少させる
ようにして、セラミックに結合させる手段としてのバイ
メタル積層物の外側の銅層に結合できるということであ
る。
係数の不釣り合いにより引き起こされる応力をその構造
物内に持ち込むことなしに対称型バイメタル積層物の熱
導体を設けることができるという利点を提供する。上記
のような応力の存在下での多数の熱サイクルの影響の蓄
積により密封シールが劣化し、最約時に結合部の分離が
発生することになるので（これは装置の劣化と機能不全
の危険を増加する）、電子装置のパッケージに於けるこ
のような応力の存在は、長期信頼性に対する重大な懸念
を生ぜしめ名ことになる。また別の利点は、セラミック
と釣り合わない熱膨張係数を持つ他の物質が、熱膨張係
数の不釣り合いにより引き起こされる応力を減少させる
ようにして、セラミックに結合させる手段としてのバイ
メタル積層物の外側の銅層に結合できるということであ
る。
従来では、このような他の物質はセラミックとその物質
との間に銅層を持つようにして基板に結合されていたが
、それは他の応力を補償する過程で一つの応力を引き起
こす。この目的に、本発明の対称型バイメタル積層物／
セラミック複合体を使用すると、銅層の結合性と応力軽
減の利点を保持しつつ、銅／セラミックの熱膨張係数の
不釣り合いの影響を避ける。
との間に銅層を持つようにして基板に結合されていたが
、それは他の応力を補償する過程で一つの応力を引き起
こす。この目的に、本発明の対称型バイメタル積層物／
セラミック複合体を使用すると、銅層の結合性と応力軽
減の利点を保持しつつ、銅／セラミックの熱膨張係数の
不釣り合いの影響を避ける。
すなわち、例示の構造は、対称型バイメタル積層物の３
つの層２２．２４および２６の組成と相対厚みを適当に
選んで、セラミックと実質的に同じ熱膨張係数を持つよ
うに対称型バイメタル積層物を選べるので、セラミック
および他の比較的低い熱膨張係数の物体を銅の基板３０
に取り付けるのに有利である。
つの層２２．２４および２６の組成と相対厚みを適当に
選んで、セラミックと実質的に同じ熱膨張係数を持つよ
うに対称型バイメタル積層物を選べるので、セラミック
および他の比較的低い熱膨張係数の物体を銅の基板３０
に取り付けるのに有利である。
製作された構造物ではＣｕ−Ｍｏ−Ｃｕの対称型バイメ
タル積層物を使用したが、この方法は、以下に述べるよ
うに高融点の中心層の存在が外側層とセラミックや他の
物質との間の直接結合の形成を妨げないことを確実なも
のとしているので、対称型バイメタル積層物の結合に一
般的に適用できる。
タル積層物を使用したが、この方法は、以下に述べるよ
うに高融点の中心層の存在が外側層とセラミックや他の
物質との間の直接結合の形成を妨げないことを確実なも
のとしているので、対称型バイメタル積層物の結合に一
般的に適用できる。
従って、これは、タングステンの中心層を持つ対称型バ
イメタル積層物に対してもを用であろう。
イメタル積層物に対してもを用であろう。
同じ理由で、この方法はまた、中心層が銅で充填された
開口を持っている銅浸入構造物にも応用可能である。
開口を持っている銅浸入構造物にも応用可能である。
第１図に示された構造は、第２−４図に関連して記載さ
れた好みの順序に従って製作されるが、共融層２８は銅
を主成分とし、僅かなパーセントの酸素しか含まないの
で、実際的な目的のためには、層２８は対称型バイメタ
ル積層物の下側の層２６の一部の箔であると見なすこと
ができる。
れた好みの順序に従って製作されるが、共融層２８は銅
を主成分とし、僅かなパーセントの酸素しか含まないの
で、実際的な目的のためには、層２８は対称型バイメタ
ル積層物の下側の層２６の一部の箔であると見なすこと
ができる。
従って、この方法で形成される大面積の結合部（または
厚い箔）の場合は、最初の対称型バイメタル積層物２０
の下側の層２６は上側の層２２よりも箔層２８の厚さだ
け薄い層とし、結合処理の完了時に真の対称型バイメタ
ル積層物がその構造物の中に存在するようにしてもよい
。
厚い箔）の場合は、最初の対称型バイメタル積層物２０
の下側の層２６は上側の層２２よりも箔層２８の厚さだ
け薄い層とし、結合処理の完了時に真の対称型バイメタ
ル積層物がその構造物の中に存在するようにしてもよい
。
第５図には、セラミック／対称型バイメタル積層物複合
構造物１１０が示されている。これは、セラミックの基
板１３０と、その」二面に直接結合された二個の分離し
た対称型バイメタル積層物１２０とを有する。この構造
物は、ストリップ状の対称型バイメタル積層物１２０の
一方だけが片持ち梁部分なしに存在するように次に述べ
る方法で形成された。アルミナセラミックの基板１３０
の上面の、対称型バイメタル積層物を結合すべき所望の
場所に薄い銅箔１３２を配置した（第６図参照）。この
箔を、直接結合温度分布でよく知られた方法でセラミッ
クに直接結合した。それから冷却して、第６図に示され
る構造物が得られた。
構造物１１０が示されている。これは、セラミックの基
板１３０と、その」二面に直接結合された二個の分離し
た対称型バイメタル積層物１２０とを有する。この構造
物は、ストリップ状の対称型バイメタル積層物１２０の
一方だけが片持ち梁部分なしに存在するように次に述べ
る方法で形成された。アルミナセラミックの基板１３０
の上面の、対称型バイメタル積層物を結合すべき所望の
場所に薄い銅箔１３２を配置した（第６図参照）。この
箔を、直接結合温度分布でよく知られた方法でセラミッ
クに直接結合した。それから冷却して、第６図に示され
る構造物が得られた。
次に第７図に示すように、銅−モリブデン−銅積層物１
２０の露出した銅面を酸化して薄い酸化物層１２５（お
よび１２３）を形成し、この対称型バイメタル積層物を
酸化物層１２５が基板に而するように箔１３２の上に置
いた。酸化物層１２５の目的は、対称型バイメタル積層
物１２０の下側層の銅箔１２６とセラミック基板１３０
に既に直接結合している銅箔１３２との間に銅−酸化銅
共融結合部を形成するのに必要な酸素を供給することで
ある。この複合構造物は、１０６５℃と１０８３℃との
間の温度にその複合構造の温度を上昇することによる銅
−銅酸化物共融のための共融結合温度分布を通過させた
。共融液体が形成されて、箔１３２と１２６の双方を湿
潤したあと、この複合構造物を冷却して、共融物１２８
を固化し、第８図に示されるように箔１２６と１３２の
間に恒久的結合部を形成した。上側の銅層１２２上の酸
化物層１２３および上側の銅層上の共融物１２１は、そ
れぞれ酸化および共融結合工程の結果として生じるが、
この腹合構造物の形成には参加しない。
２０の露出した銅面を酸化して薄い酸化物層１２５（お
よび１２３）を形成し、この対称型バイメタル積層物を
酸化物層１２５が基板に而するように箔１３２の上に置
いた。酸化物層１２５の目的は、対称型バイメタル積層
物１２０の下側層の銅箔１２６とセラミック基板１３０
に既に直接結合している銅箔１３２との間に銅−酸化銅
共融結合部を形成するのに必要な酸素を供給することで
ある。この複合構造物は、１０６５℃と１０８３℃との
間の温度にその複合構造の温度を上昇することによる銅
−銅酸化物共融のための共融結合温度分布を通過させた
。共融液体が形成されて、箔１３２と１２６の双方を湿
潤したあと、この複合構造物を冷却して、共融物１２８
を固化し、第８図に示されるように箔１２６と１３２の
間に恒久的結合部を形成した。上側の銅層１２２上の酸
化物層１２３および上側の銅層上の共融物１２１は、そ
れぞれ酸化および共融結合工程の結果として生じるが、
この腹合構造物の形成には参加しない。
第９図は、共融層２２８によって相互に結合された二個
の別個の対称型バイメタル積層物２２０と２２０′から
成る複合構造物２１０を示す。複合構造物２１０では、
上部の対称型バイメタル積層物２２０′は開口を持つ長
方形枠、即ち「額縁」の形状を有し、これにより四部２
４０を提供し、その中に例えば半導体チップや他の部品
を搭載して枠２２０′の上に蓋をすることにより密封す
ることができる。
の別個の対称型バイメタル積層物２２０と２２０′から
成る複合構造物２１０を示す。複合構造物２１０では、
上部の対称型バイメタル積層物２２０′は開口を持つ長
方形枠、即ち「額縁」の形状を有し、これにより四部２
４０を提供し、その中に例えば半導体チップや他の部品
を搭載して枠２２０′の上に蓋をすることにより密封す
ることができる。
複合構造物２１０は、解放した枠形の対称型バイメタル
積層物２２０′と板状の下部のバイメタル積層物２２０
を用意し、下部のバイメタル積層物２２０の上面または
上部のバイメタル積層物２２０′の下面のいずれかを酸
化し、その二層を接触させて所望の配向で置き、結合層
２２８を形成する共融物質を得るために該構造物を直接
結合温度分布を通過させることにより製作される。
積層物２２０′と板状の下部のバイメタル積層物２２０
を用意し、下部のバイメタル積層物２２０の上面または
上部のバイメタル積層物２２０′の下面のいずれかを酸
化し、その二層を接触させて所望の配向で置き、結合層
２２８を形成する共融物質を得るために該構造物を直接
結合温度分布を通過させることにより製作される。
第１０図は、他のパッケージ装置３１０が示されている
。このパッケージでは、セラミック基板３３０の上面に
、そのパッケージのための外部リード並びにパッケージ
の密封シールの貫通導体として働く複数の対称型バイメ
タル部材３２０が直接結合されている。図の後方に向け
て示されているだけのガラス製シールリング３５０は、
パッケージの内部空所を密封するため該空所を覆ってカ
バー、即ちＭ３５２を密封する。ガラス（３５０）の組
成を、その熱膨張係数がセラミック基板３３０のそれと
釣り合うように選び、また対称型バイメタル積層物３２
０の三層の組成と相対厚みも同様に選ぶ。カバー３５２
はまた、好ましくは、ガラスのシールリング３５０と同
じ熱膨張係数を持つ対称型バイメタル積層物とする。こ
のパッケージの実質的な利点は、総ての部品が本質的に
同じ熱膨張係数を持つということと、どの部品も磁性を
持たないということである。このことは、磁性物質の存
在が装置内のインダクタンスを望ましくない程度にまで
増加させるような高周波電子装置のパッケージに特に有
利である。好ましくは対称型バイメタル積層物である蓋
３５２は、該蓋とガラス製シールリング３５０との間の
結合を形成するために半田ガラスを使用してシールリン
グ３５０に封止される。
。このパッケージでは、セラミック基板３３０の上面に
、そのパッケージのための外部リード並びにパッケージ
の密封シールの貫通導体として働く複数の対称型バイメ
タル部材３２０が直接結合されている。図の後方に向け
て示されているだけのガラス製シールリング３５０は、
パッケージの内部空所を密封するため該空所を覆ってカ
バー、即ちＭ３５２を密封する。ガラス（３５０）の組
成を、その熱膨張係数がセラミック基板３３０のそれと
釣り合うように選び、また対称型バイメタル積層物３２
０の三層の組成と相対厚みも同様に選ぶ。カバー３５２
はまた、好ましくは、ガラスのシールリング３５０と同
じ熱膨張係数を持つ対称型バイメタル積層物とする。こ
のパッケージの実質的な利点は、総ての部品が本質的に
同じ熱膨張係数を持つということと、どの部品も磁性を
持たないということである。このことは、磁性物質の存
在が装置内のインダクタンスを望ましくない程度にまで
増加させるような高周波電子装置のパッケージに特に有
利である。好ましくは対称型バイメタル積層物である蓋
３５２は、該蓋とガラス製シールリング３５０との間の
結合を形成するために半田ガラスを使用してシールリン
グ３５０に封止される。
第１１図では、対称型セラミック／バイメタル積層物４
１０が示されている。この対称型積層物は、対称型バイ
メタル積層物４２０の両側に共融結合によって結合され
ている二個のセラミック基板４３０と４３０′を有する
。この複合物を作るには、好ましくは、上部の基板４３
０の下側にまず銅箔４３２を直接結合し、下部の基板４
３０′の上側に同様な箔４３２′を直接結合する。薄い
酸化物層がそれから箔４３２と４３２′のそれぞれの露
出面上に形成される。それから、対称型バイメタル積層
物４２０の銅層を銅箔４３２と４３２′上の酸化物層に
接触させるようにして、対称型バイメタル積層物４２０
が二個の基板４３０と４３０′とに重ねられる。こうし
て出来た複合構造物全体は、これから、箔４３２と４３
２′に対称型バイメタル積層物を結合する共融層４２８
と４２８′を形成するための銅−酸化銅共融のために直
接結合温度分布を通過させられる。−旦、共融液体が固
化すると、各部品が実質的に同じ熱膨張係数を持つ単一
体構造物が生じる。特に厳密な熱膨張係数の合致が所望
である場合、この目的のためには、箔４３２と対称型バ
イメタル積層物４２０の上部の銅層４２２との合計厚み
は、対称型バイメタル積層物の上層を形成する銅箔の厚
みと見なされるべきである。同様に、積層物４２０の下
部の箔４２６と下部の基板４３０′上の箔４３２′とは
、バイメタル積層物の下部の箔と見なされるべきである
。バイメタル積層物の中心層４２４はその厚みを、熱膨
張係数が実質的に二個の基板４３０と４３０′のそれと
同一な対称型バイメタル積層物を生じるように選ぶ。
１０が示されている。この対称型積層物は、対称型バイ
メタル積層物４２０の両側に共融結合によって結合され
ている二個のセラミック基板４３０と４３０′を有する
。この複合物を作るには、好ましくは、上部の基板４３
０の下側にまず銅箔４３２を直接結合し、下部の基板４
３０′の上側に同様な箔４３２′を直接結合する。薄い
酸化物層がそれから箔４３２と４３２′のそれぞれの露
出面上に形成される。それから、対称型バイメタル積層
物４２０の銅層を銅箔４３２と４３２′上の酸化物層に
接触させるようにして、対称型バイメタル積層物４２０
が二個の基板４３０と４３０′とに重ねられる。こうし
て出来た複合構造物全体は、これから、箔４３２と４３
２′に対称型バイメタル積層物を結合する共融層４２８
と４２８′を形成するための銅−酸化銅共融のために直
接結合温度分布を通過させられる。−旦、共融液体が固
化すると、各部品が実質的に同じ熱膨張係数を持つ単一
体構造物が生じる。特に厳密な熱膨張係数の合致が所望
である場合、この目的のためには、箔４３２と対称型バ
イメタル積層物４２０の上部の銅層４２２との合計厚み
は、対称型バイメタル積層物の上層を形成する銅箔の厚
みと見なされるべきである。同様に、積層物４２０の下
部の箔４２６と下部の基板４３０′上の箔４３２′とは
、バイメタル積層物の下部の箔と見なされるべきである
。バイメタル積層物の中心層４２４はその厚みを、熱膨
張係数が実質的に二個の基板４３０と４３０′のそれと
同一な対称型バイメタル積層物を生じるように選ぶ。
本発明による更に別の複合構造物が、第１２図に５１０
で全体的に示されている。この複合構造物は、セラミッ
ク物質の中心基板５３０の上面と下面に結合されて、一
体構造の複合物を形成する対称型バイメタル積層物５２
０と５２０′を持つ。
で全体的に示されている。この複合構造物は、セラミッ
ク物質の中心基板５３０の上面と下面に結合されて、一
体構造の複合物を形成する対称型バイメタル積層物５２
０と５２０′を持つ。
この構造物を作るには、好ましくは、二個の銅箔層５３
２と５３２′を基板５３０の相同する主面に直接結合す
る。それから、層５３２と５３２′の露出面を酸化し、
結合層５２８と５２８′を形成するための銅−酸化銅共
融のために直接結合温度分布を通過させて、対称型バイ
メタル積層物を箔５３２と５３２′に結合する。
２と５３２′を基板５３０の相同する主面に直接結合す
る。それから、層５３２と５３２′の露出面を酸化し、
結合層５２８と５２８′を形成するための銅−酸化銅共
融のために直接結合温度分布を通過させて、対称型バイ
メタル積層物を箔５３２と５３２′に結合する。
銅の外側層とモリブデン（またはタングステン）の中心
層よりなる対称型バイメタル積層物が好ましいが、他の
対称型バイメタル積層物も使用できる。特に、本明細書
中に参考文献として示した米国特許明細書に示されてい
るように、銅、ニッケル、コバルトまたは鉄を外側層と
して使用できる。
層よりなる対称型バイメタル積層物が好ましいが、他の
対称型バイメタル積層物も使用できる。特に、本明細書
中に参考文献として示した米国特許明細書に示されてい
るように、銅、ニッケル、コバルトまたは鉄を外側層と
して使用できる。
しかし、非磁性構造が望まれる場合には、磁性物質は使
わない。
わない。
所望であれば、図示され記述された複合構造物を形成す
る過程で、セラミック基板が使用される場合には、銅箔
の対称型バイメタル積層物への結合に先立って銅箔をそ
の基板にまず結合する工程は省略され得る。その場合に
は、セラミック基板に対称型バイメタル積層物は直接結
合される。しかし、その手順は、対称型バイメタル積層
物全体としての可塑性の不足により、好ましい方法によ
って形成されるものよりも低い品質の、セラミックと対
称型バイメタル積層物との間の結合部が形成されるので
、この場合好ましくない。
る過程で、セラミック基板が使用される場合には、銅箔
の対称型バイメタル積層物への結合に先立って銅箔をそ
の基板にまず結合する工程は省略され得る。その場合に
は、セラミック基板に対称型バイメタル積層物は直接結
合される。しかし、その手順は、対称型バイメタル積層
物全体としての可塑性の不足により、好ましい方法によ
って形成されるものよりも低い品質の、セラミックと対
称型バイメタル積層物との間の結合部が形成されるので
、この場合好ましくない。
対称型バイメタル積層物がセラミックに結合されている
構造物では、共融物の形成に必要な酸素を供給する酸化
銅層は積層物上およびセラミックに結合された銅箔上の
一方または両方にあってよい。あるいは、その酸化物層
は省略して、共融混合物が酸化鋼に変換される点にまで
過剰の酸素を供給することなしに共融物の形成に必要な
酸素を供給する雰囲気中で直接結合過程を行なってもよ
い。
構造物では、共融物の形成に必要な酸素を供給する酸化
銅層は積層物上およびセラミックに結合された銅箔上の
一方または両方にあってよい。あるいは、その酸化物層
は省略して、共融混合物が酸化鋼に変換される点にまで
過剰の酸素を供給することなしに共融物の形成に必要な
酸素を供給する雰囲気中で直接結合過程を行なってもよ
い。
各図は対称型バイメタル積層物を幅の広い平坦な物とし
て示しているが、対称型バイメタル積層物は任意の所望
の形状であってよく、任意の所望の方法で形成できるこ
とが理解されよう。バイメタル積層物の重要な点は、そ
れは熱膨張係数の不釣り合いにより引き起こされる曲が
りがなく、そして所望の熱膨張係数を持つということで
ある。
て示しているが、対称型バイメタル積層物は任意の所望
の形状であってよく、任意の所望の方法で形成できるこ
とが理解されよう。バイメタル積層物の重要な点は、そ
れは熱膨張係数の不釣り合いにより引き起こされる曲が
りがなく、そして所望の熱膨張係数を持つということで
ある。
したがって、この発明は、ＡとＣは同じ金属であってよ
いが、ＡとＢとＣが相異なる金属を表わす場合に、ＣＢ
ＡＢＣならびにＢＡＢの構造を持つ多層積層物に適用可
能である。ＣＢＡＢＣの構造は、内部構造ＢＡＢは単層
として作用するので「対称型バイメタル積層物」と見な
すことができる。モリブデンのような一つの物質の芯と
銅のような他の金属のさやを持つワイヤーや棒は、熱膨
張係数の不釣り合いにより引き起こされる直がりが発生
しないように、芯に対して対称な応力がかかるので、対
称型バイメタル積層物を構成する。
いが、ＡとＢとＣが相異なる金属を表わす場合に、ＣＢ
ＡＢＣならびにＢＡＢの構造を持つ多層積層物に適用可
能である。ＣＢＡＢＣの構造は、内部構造ＢＡＢは単層
として作用するので「対称型バイメタル積層物」と見な
すことができる。モリブデンのような一つの物質の芯と
銅のような他の金属のさやを持つワイヤーや棒は、熱膨
張係数の不釣り合いにより引き起こされる直がりが発生
しないように、芯に対して対称な応力がかかるので、対
称型バイメタル積層物を構成する。
このようなシリンダー型対称型バイメタル積層物は、そ
の熱膨張係数をセラミックと釣り合わせて、それとセラ
ミックとの間の結合部にかかる応力を最小にし、それに
より信頼性を増すことができるので、セラミック絶縁体
の貫通導体として特に有用である。
の熱膨張係数をセラミックと釣り合わせて、それとセラ
ミックとの間の結合部にかかる応力を最小にし、それに
より信頼性を増すことができるので、セラミック絶縁体
の貫通導体として特に有用である。
本発明を、幾つかの好ましい具体例を用いて詳述したが
、同業者にはこれらに多くの変更をなすことができよう
。従って、請求の範囲は本発明の趣旨と範囲内に入る全
てのかかる変更を含むものである。
、同業者にはこれらに多くの変更をなすことができよう
。従って、請求の範囲は本発明の趣旨と範囲内に入る全
てのかかる変更を含むものである。
第１図は銅基板に直接結合した対称型バイメタル積層物
を示す斜視図である。 第２図乃至４図は、第１図の構造物を製造する方法を例
示する斜視図である。 第５図はセラミック基板に直接結合した対称型バイメタ
ル積層物を示す斜視図である。 第６乃至８図は、第５図の構造物を製造する方法を例示
する斜視図である。 第９図は本発明によって製作された密封凹部を示す斜視
図である。 第１０図は本発明によるセラミック、ガラスおよび対称
型バイメタル積層物の複合体を示す斜視図である。 第１１図はそれ自体が対称型である本発明によるセラミ
ック／対称型バイメタル積層物の構造物を示す斜視図で
ある。 第１２図はそれ自体が対称型である本発明によるもう一
つのセラミック／対称型バイメタル積層物の構造物を示
す斜視図である。 ［主な符号の説明］ １０７ Ｌ’；１合構造物 ２０：対称型バイメタル積層物 ２２：外側層 ２４：中心層 ２６：外側層 ２８：共融層 ３０：基板 ３４：銅酸化物層
を示す斜視図である。 第２図乃至４図は、第１図の構造物を製造する方法を例
示する斜視図である。 第５図はセラミック基板に直接結合した対称型バイメタ
ル積層物を示す斜視図である。 第６乃至８図は、第５図の構造物を製造する方法を例示
する斜視図である。 第９図は本発明によって製作された密封凹部を示す斜視
図である。 第１０図は本発明によるセラミック、ガラスおよび対称
型バイメタル積層物の複合体を示す斜視図である。 第１１図はそれ自体が対称型である本発明によるセラミ
ック／対称型バイメタル積層物の構造物を示す斜視図で
ある。 第１２図はそれ自体が対称型である本発明によるもう一
つのセラミック／対称型バイメタル積層物の構造物を示
す斜視図である。 ［主な符号の説明］ １０７ Ｌ’；１合構造物 ２０：対称型バイメタル積層物 ２２：外側層 ２４：中心層 ２６：外側層 ２８：共融層 ３０：基板 ３４：銅酸化物層
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 １）電気的絶縁性基板と対称型バイメタル積層物との組
合せ体であって、該積層物が該積層物の外側層の金属を
有する共融物質によって該基板に結合されている組合せ
体。 ２）前記対称型バイメタル積層物と前記電気的絶縁性基
板との間に配置されていて、該基板と該対称型バイメタ
ル積層物の双方に共融結合されている追加の金属層を更
に含む請求項１記載の組合せ体。 ３）前記対称型バイメタル積層物が、モリブデンとタン
グステンの一種またはそれ以上より成る芯、および銅、
ニッケル、コバルトまたは鉄の一種またはそれ以上より
成る外側層から成る請求項２記載の組合せ体。 ４）前記基板がアルミナとベリリアの一種またはそれ以
上より成る請求項２記載の組合せ体。 ５）前記対称型バイメタル積層物が、モリブデンとタン
グステンの一種またはそれ以上より成る芯、および銅、
ニッケル、コバルトまたは鉄の一種またはそれ以上より
成る外側層から成る請求項１記載の組合せ体。 ６）前記基板がアルミナとベリリアの一種またはそれ以
上より成る請求項１記載の組合せ体。 ７）金属基板および該金属基板に直接結合された対称型
バイメタル積層物より成る複合物。 ８）前記対称型バイメタル積層物が、モリブデンとタン
グステンの一種またはそれ以上より成る芯、および銅、
ニッケル、コバルトまたは鉄の一種またはそれ以上より
成る外側層から成る請求項７記載の複合物。 ９）セラミック基板および該セラミック基板に直接結合
された対称型バイメタル積層物より成る複合構造物。 １０）前記対称型バイメタル複合物の各層の組成と相対
厚みの選択により該対称型バイメタル積層物が前記セラ
ミック基板と実質的に同じ熱膨張係数を有している請求
項９記載の複合構造物。 １１）前記対称型バイメタル積層物が、モリブデンとタ
ングステンの一種またはそれ以上より成る芯、および銅
、ニッケル、コバルトまたは鉄の一種またはそれ以上よ
り成る外側層から成る請求項１０記載の複合構造物。 １２）前記対称型バイメタル積層物が、モリブデンとタ
ングステンの一種またはそれ以上より成る芯、および銅
、ニッケル、コバルトまたは鉄の一種またはそれ以上よ
り成る外側層から成る請求項９記載の複合構造物。 １３）セラミック基板、該セラミック基板に直接結合さ
れた複数の対称型バイメタルストリップ、および該セラ
ミック基板と該対称型バイメタルストリップとに結合さ
れていると共に蓋にも結合されて、密封した内部空所を
形成する電気絶縁性封止リングを有する密封パッケージ
。 １４）前記の各部材が実質的に同じ熱膨張係数を持つ請
求項１３記載のパッケージ。 １５）前記対称型バイメタルストリップが前記密封した
内部空所の中から外へと伸び出して、該密封した内部空
所と外部との間の電気的貫通導体を構成している請求項
１３記載のパッケージ。 １６）前記対称型バイメタル積層物が、モリブデンとタ
ングステンの一種またはそれ以上より成る芯、および銅
、ニッケル、コバルトまたは鉄の一種またはそれ以上よ
り成る外側層から成る請求項１５記載のパッケージ。 １７）類似の寸法と組成を持つ第一および第二セラミッ
ク基板、ならびに第一および第二主面を持つ対称型バイ
メタル積層物を有し、該第一セラミック基板が該対称型
バイメタル積層物の該第一主面に直接結合され且つ該第
二セラミック基板が該対称型バイメタル積層物の該第二
主面に直接結合されている複合構造物。 １８）前記対称型バイメタル積層物が、モリブデンとタ
ングステンの一種またはそれ以上より成る芯、および銅
、ニッケル、コバルトまたは鉄の一種またはそれ以上よ
り成る外側層から成る請求項１７記載の複合構造物。 １９）対向した第一および第二主面を持つセラミック基
板、ならびに類似の組成と形状の第一および第二バイメ
タル積層物層を有し、該第一バイメタル積層物層が該セ
ラミック基板の該第一主面に直接結合され且つ該第二バ
イメタル積層物層が該セラミック基板の該第二主面に直
接結合されている複合物。 ２０）前記対称型バイメタル積層物が、モリブデンとタ
ングステンの一種またはそれ以上より成る芯、および銅
、ニッケル、コバルトまたは鉄の一種またはそれ以上よ
り成る外側層から成る請求項１９記載の複合物。 ２１）高い温度で液体共融物質を形成するのに適した組
成の外面を持つ対称型バイメタル積層物を用意し、 該共融物質が結合し得る基板を用意し、 該対称型バイメタル積層物と該基板を近接して配置し、 その複合物を該共融物質の形成温度に加熱して、液体の
該共融物を生じさせ、これにより該対称型バイメタル積
層物と該基板の双方を湿潤し、該共融物の液体／固体遷
移温度以下に該複合物を冷却して、該対称型バイメタル
積層物と該基板を一体に結合する各工程を含む、基板／
対称型バイメタル積層物複合体の形成方法。 ２２）前記バイメタル積層物がモリブデンの芯および銅
の外側層を持つ請求項２１記載の方法。 ２３）前記銅の外側層が前記バイメタル積層物の少なく
とも一つの主面で露出されている請求項２２記載の方法
。 ２４）前記加熱工程の完了前に、前記バイメタル積層物
または前記基板の露出面に酸化物層を形成する工程を更
に含んでいる請求項２１記載の方法。 ２５）前記バイメタル積層物がタングステンの芯および
銅の外側層を持つ請求項２１記載の方法。
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|---|---|---|---|
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