JPH03112874A - セラミック基体と銅の接合方法 - Google Patents

セラミック基体と銅の接合方法

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JPH03112874A
JPH03112874A JP25119789A JP25119789A JPH03112874A JP H03112874 A JPH03112874 A JP H03112874A JP 25119789 A JP25119789 A JP 25119789A JP 25119789 A JP25119789 A JP 25119789A JP H03112874 A JPH03112874 A JP H03112874A
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ceramic substrate
substrate
ceramic base
junction
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Satoru Ogawa
悟 小川
Noboru Yamaguchi
昇 山口
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Matsushita Electric Works Ltd
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    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05K—PRINTED CIRCUITS; CASINGS OR CONSTRUCTIONAL DETAILS OF ELECTRIC APPARATUS; MANUFACTURE OF ASSEMBLAGES OF ELECTRICAL COMPONENTS
    • H05K1/00—Printed circuits
    • H05K1/02—Details
    • H05K1/03—Use of materials for the substrate
    • H05K1/0306—Inorganic insulating substrates, e.g. ceramic, glass
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05K—PRINTED CIRCUITS; CASINGS OR CONSTRUCTIONAL DETAILS OF ELECTRIC APPARATUS; MANUFACTURE OF ASSEMBLAGES OF ELECTRICAL COMPONENTS
    • H05K3/00—Apparatus or processes for manufacturing printed circuits
    • H05K3/38—Improvement of the adhesion between the insulating substrate and the metal

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  • Ceramic Products (AREA)

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〕 この発明は、セラミック基体と銅の接合方法に関し、詳
しくは、セラミック回路基板の表面に導体回路となる銅
金属層を形成する場合等、電子回路部品その他の製造分
野において、非金属材であるセラミック基体と金属材で
ある銅とを接合するための方法に関するものである。
〔従来の技術〕
従来、半導体や配線回路板の製造分野において、セラミ
ック基板上に、銅箔を接着したり、化学メツキやスパッ
タリング等で銅導体層を形成することが行われている。
このような場合、銅層はミクロン単位の非常に薄いもの
であるとともに、高密度な電気信号を正確に伝達する必
要があり、断線等の導通不良を起こしてはならないため
、セラミック基体に対して銅を確実強固に密着させて接
合しておく必要がある。
そのため、セラミック基板と銅の密着力を向上させる方
法が種々提案されている。
例えば、特開昭57−36892号公報等には、セラミ
ック基板上に、化学メツキまたはスパッタリング方で銅
導体層を形成した後、熱処理を行ってセラミック基板と
銅の密着力を向上させる方法が開示されている。
また、特公昭57−13515号公報には、セラミック
基体の上に銅の薄板を重ねた状態で、反応性ガス雰囲気
下で加熱して、銅と酸化銅の共晶を形成させることによ
って、セラミック基体と銅の密着力を向上させる方法が
開示されている。
〔発明が解決しようとする課題〕
ところが、上記した各先行技術の方法でも、セラミック
基体と銅の密着力が充分でなく、さらに改良が要望され
ている。
例えば、前記した、銅と酸化銅の共晶によって密着力の
向上を図る方法では、15μ麿程度以下の薄い銅板もし
くは銅膜をセラミック基体に接合しようとした場合、共
晶温度以上に加熱することによって薄い銅層が溶けてし
まうという問題があり、銅層が溶けない程度でかつ充分
な共晶を生成させるには、技術的に極めて困難な操作が
必要であった。また、加熱による接合方法では、フクレ
が発生し易いという問題もあった。
一方、セラミック基体の使用目的等によって、表面を粗
面化した状態で使用する場合があるが、このような粗面
化されたセラミック基体の表面に銅を接合しようとする
と、充分な密着力が得られないとう問題があった。これ
は、セラミック基体の表面を粗面化することによって、
基体表面のフラックス分が除去されるので、前記方法で
密着力の向上に寄与する共晶融液が、セラミック基体の
表面を充分に濡らすことができないためであると考えら
れている。その理由について、以下により詳しく説明す
る。
下記第1表は、セラミック基体として一般的な96%ア
ルミナ基板および99%アルミナ基板について、表面か
ら10〜15人程度の深さの層を、オージェ分析(AE
S)によって組成分析した結果を示す、公知データであ
る。CP、F、Becher &J、S、Murday
 : Proc、IStlM Int、Microel
ectronicSymp、(1976)より引用〕。
上記表をみると、未処理のアルミナ基板表面には、アル
ミナ基板のフラックス分、例えば5iOt 、MgO,
CaO等が偏析していることがわかる。このようなアル
ミナ基板を、HFで表面処理して粗面化させると、偏析
していたフラックス分、特に5iO=が除去されてA1
□0.リッチな組成になっていることがわかる。そのた
めに、アルミナ基板の表面に前記した共晶を作用させて
も、共晶融液がセラミック基板を充分に濡らすことが出
来ないのである。言い換えれば、フラックス分の存在に
よって、アルミナ基板表面に対する共晶の濡れ性を良好
にし、共晶がA1.O,だけでなく、フラックス分とも
結合して、強固な接合が得られるという、極めて重要な
作用を発揮していることになり、粗面化されたセラミッ
ク基体と銅の密着性が悪い理由もそこにある。
さらに、SiC,AIN等の非酸化物系セラミック基板
の場合、従来は、大気中で熱処理することによって、表
面に酸化物層を形成させて、この酸化物層によって銅と
の密着性を改善することが行われていたが、眉間での割
れが発生するという欠点があった。
そこで、この発明の課題は、前記したようなセラミック
基体と銅の接合方法において、薄層の銅であっても溶け
たり変形したりすることなく確実強固にセラミック基体
に接合することができ、接合工程でフクレや割れが発生
することもなく、特に、表面が粗面化されているセラミ
ック基体へも銅を強固に接合することのできる方法を提
供することにある。
〔課題を解決するための手段〕
上記課題を解決する、この発明のセラミック基体と銅の
接合方法は、セラミック基体の表面に、Be、Mg、C
a、Sr、Ba、B、A1.Y。
Si、Ti、Zr、Cuのうちの少なくとも1種の元素
を含む接合体を形成した後、この接合体を介してセラミ
ック基体と銅を加熱接合するようにしている。
セラミック基体としては、酸化物系、非酸化物系等、通
常の各種セラミック材料からなるものが使用できる。セ
ラミック基体は、使用目的によって、板状あるいはブロ
ック状等任意の形状で実施できる。
セラミック基体に接合する銅としては、図示した実施例
のように、銅板や銅箔等、予め製造された銅材料を用い
てもよいし、化学メツキやスパッタリング等で、セラミ
ック基体の表面に直接膜形成されるものであってもよい
。銅層の厚みは、特に限定されないが、好ましくは5n
以上で実施する。銅層は、セラミック基体の表面全体を
覆うもののほか、銅箔を打ち抜き加工したものを用いた
り、エツチング加工したりして、所定の形状に加工され
た銅層で実施することもできる。
なお、化学メツキやスパッタリング等で、セラミック基
体の表面に銅膜を形成する場合には、セラミック基板の
表面を、化学的もしくは物理的に粗面化しておくことに
よって、銅との初期密着力が向上し、加熱接合工程での
昇温時に、フクレやハガレが生じ難くなり、好ましい方
法である。
セラミック基体の表面に形成する接合体は、Be、Mg
、  Ca、  Sr、Ba、  B、Al、Y、  
Si、’rt、Zr、Cuのうちの少なくとも1種の元
素を含むものが使用される。そのうち、MgCa、AI
、Si、Ti、7.rを含むものが特に好ましい。これ
らの元素は、セラミック基板の表面におけるフラックス
成分として有効なものである。接合体は、前記のような
銅箔や銅膜等の銅層をセラミック基体の表面に接合する
前に、セラミック基体の表面に形成してお(。
セラミック基体の表面に接合体を形成するには、前記の
ような元素を含む化合物の形で、セラミック基体の表面
に処理する。
化合物としては、上記元素の単体であってもよいし、酸
化物、有機金属化合物、硝酸塩、ハロゲン化物等でもよ
く、大気中での熱処理等によって容易に酸化物になるも
のが好ましい。
化合物をセラミック基体の表面に処理して結合体を形成
させる処理方法としては、化合物が単体もしくは酸化物
の場合には、蒸着、スパッタリング等によって、基体表
面に付着させる。特に、単体の場合は、大気中で熱処理
して酸化物に変えて基体表面に付着させる。酸化物の場
合には、そのまま付着させるだけでもよいが、基体表面
とのなじみを良くするために、大気中で熱処理するのが
好ましい。
また、水または有機溶剤に可溶な化合物、例えば、硝酸
塩、ハロゲン化物、有機金属化合物等の場合には、溶液
にしたものを基体表面に塗布した後、大気中で、その化
合物の分解温度以上に加熱する方法が採用できる。この
ような処理を行うことによって、化合物が分解されて酸
化物となり、基体表面に付着する。
上記のような方法のうち、金属アルコキシド、カップリ
ング剤等の有機金属化合物を基体表面に塗布した後、熱
処理する方法が最も好ましい方法である。
セラミック基体の表面に形成する接合体の量は、フラッ
クス成分として有効な程度のわずかな量で充分であり、
具体的には、多くても膜厚がlfm程度以下になるよう
に形成するのが好ましい。
セラミック基体の表面に接合体を介して銅箔や銅膜を形
成した後、セラミック基体と銅を加熱接合させる。加熱
接合条件としては、銅の融点未満の加熱温度で、酸素濃
度11000pp以下の不活性雰囲気下で1〜20分間
保持する。さらに、好ましくは、銅と酸化銅の共晶温度
未満の加熱温度で、酸素濃度100ppn+以下の不活
性雰囲気下で1〜10分間保持しておく。セラミック基
体は、接合体の形成によって濡れ性が向上しているので
、共晶温度未満の加熱温度であっても、充分強固に接合
することができる。また、低い温度で実施するほうが、
フクレの防止にも有効である。特に、銅の厚みが25.
w程度以下の薄い銅層の場合は、酸化銅−銅の共晶融液
によって溶は易いため、−旦接合温度未満の温度で酸化
銅層を形成させた後、引き続いて、接合温度まで昇温さ
せて、不活性雰囲気下で接合させる方法が好ましい。
〔作  用〕
セラミック基体の表面に、前記した元素を含む接合体を
形成しておくと、接合体が、1種のフラックス成分と同
様の作用を果たして、基体表面の濡れ性が向上する。そ
の結果、銅とセラミック基体が接合体を介して強固に接
合される。接合体の介在によって、銅とセラミック基体
との接合性が良くなるので、加熱接合工程で高い温度ま
で加熱する必要がなくなり、比較的低い温度でも強固な
接合力が発揮できる。その結果、加熱接合工程でフクレ
や割れを起こす心配もなく、薄い銅層であっても溶ける
心配がない。
特に、セラミ7り基体の表面を粗面化していても、粗面
化によって失われたフラックス成分の代わりに接合体が
銅との密着力向上を果たすので、粗面化したために接合
力が低下するという問題が解消される。
〔実 施 例〕
ついで、この発明の実施例について、添付図面を参照し
ながら、以下に詳しく説明する。
工程(a)では、セラミック基板として、市販の96%
Al201基板10を準備する。
工程(blでは、接合体を形成させるための化合物を含
む処理剤として、Siを含有する市販のシランカフブリ
ング剤中にセラミック基板10を浸漬し、セラミック基
板10の表面にシランカフブリング剤20を塗布する。
工程(C)では、シランカップリング剤20を塗布した
基板10を、大気中で熱処理する。この処理によって、
シランカップリング剤20は酸化分解され、基板10の
表面にSingからなる接合体21が付着形成される。
工程(d)では、厚さ10〜200nの銅板30を、接
合体21の上からセラミック基板10に載せ、酸素濃度
11000pp以下の不活性雰囲気下で、銅の融点未満
の加熱温度で1〜20分間保持することによって、銅板
30をセラミック基板10に加熱接合させる。
さらに具体的な実施例について、以下に説明する。
一実施例1− 市販の96%アルミナ基板(100mm角×厚み0.8
m)を用い、Siを含有する化合物5t(0C,H,)
、中に浸漬することによって、金属アルコキシドS i
  (OC−Hs ) 4を基板表面に塗布し、大気中
900℃で1時間の熱処理を行って接合体を形成させた
。
つぎに、高速スパッタリング法で、基板表面の接合体の
上に、約10nの銅層を形成した。その後、銅層を所定
の回路パターンにエツチング加工した。
つぎに、加熱接合工程を行った。すなわち、Olを30
ppm含有するNt雰囲気下で、1000℃で10分間
保持した後、引き続き、N2雰囲気中1064℃で5分
間保持して、銅層とセラミック基板とを完全に接合した
。
得られたセラミック基板と銅層の密着力を測定したとこ
ろ、7kg/im”以上の密着力を示してセラミック基
板内で破断しており、セラミック基板とm層の密着力が
極めて高いものであることが実証できた。また、#i4
層のフクレ等の欠陥は全く見られなかった。
一実施例2− 市販の96%アルミナ基板(10(in角×厚み0.8
m)を、300℃に加熱したリン酸中に5分間浸漬して
、基板表面を粗面化した。つぎに、Siを含有するシラ
ンカップリング剤中に基板を浸漬した後、大気中100
0℃で1時間の熱処理を行って接合体を形成させた。
つぎに、公知のセンシーアクチ法によりPd核付は処理
を行った後、高速無電解銅メツキで約10gの銅層を形
成し、エンチング加工で所定の回路パターンに形成した
。
つぎに、加熱接合工程として、08を20ppm含むN
8雰囲気下で、まず、1000℃で10分間保持した後
、引き続いてN8雰囲気中で、1063℃で3分間保持
することによって、&v4層とセラミック基体とを完全
に接合させた。
得られたセラミック基体と銅層との密着力および接合状
態は、実施例1と同様に良好なものであった。
一実施例3 上記実施例2において、シランカップリング剤の代わり
に、Zr  (QC,H%)4のエタノール溶液を基板
表面に塗布した後、同じ条件で熱処理して接合体を形成
させた。
この基板の上に約20p重の銅箔を載せた後、加熱接合
させた。加熱接合条件は、0□を4. Oppm含むN
2雰囲気下で、1064℃5分間の熱処理を行った。
その結果、実施例1と同様の優れた接合力が得られた。
一実施例4− 市販のSiCセラミック基板(50+cm角×厚み0.
64m)を用い、基板表面に5iftをスパッタリング
して、膜厚0.1 viaのSin、層を形成した後、
N、雰囲気中1000℃で1時間の熱処理を行った。つ
いで、実施例3と同様の工程で、約20μlの銅箔を加
熱接合させた。
その結果、実施例1と同様の優れた接合力が得られた。
一実施例5 実施例2において、シランカップリング剤の代わりに、
T i  (iso−OCs Ht ) 4と5i(Q
C、Hi、を混合した溶液を用い、この溶液中に基板を
浸漬した以外は、実施例2と同様の工程を経て、セラミ
ック基板にfI層を接合した。
その結果は、実施例1と同様の優れた接合力が得られた
。
一比較例1− 市販の96%アルミナ基板(100++m角×厚み0.
8■■)の表面に、所定の形状に形成された厚み25μ
lの銅箔を載せて、0!を30ppm含むN。
雰囲気中で、1068℃で5分間保持して、銅箔を基板
に加熱接合させた。得られたセラミック基板と銅箔の密
着力は、5kg/vi”以上あったが、フクレの発生が
認められた。
一比較例2 実施例2と同様の工程で、アルミナ基板の表面を粗面化
した。つぎに、比較例Iと同様の工程で、粗面化された
セラミック基板の表面に銅箔を加熱接合した。ところが
、得られたセラミック基板と銅箔の密着力は1〜2kg
/n+”Lかなく、充分な接合力が発揮できていなかっ
た。
−比較例3一 実施例1において、Si  (QCs H% )4によ
る接合体の形成工程を行わなかったほかは、同様の工程
を経て、セラミック基板と銅層の接合を行った。
その結果、セラミック基板と銅層の密着力は3〜4kg
/n+”Lかなく、充分な接合力が発揮できていなかっ
た。
〔発明の効果〕
以上に述べた、この発明にかかるセラミック基体と銅の
接合方法によれば、セラミック基体と銅を加熱接合する
前に、セラミック基体の表面に、特定の元素を含む接合
体を形成しておくことによって、セラミック基体表面の
濡れ性が向上して、銅を強固に接合できるようになる。
その結果、加熱接合工程におけるフクレや割れの発生も
なくなる。従来のように、接合力を高めるために、加熱
温度を高(したり加熱時間を長くとる必要がなく、比較
的低い温度で短時間の加熱接合工程で充分に接合できる
ので、銅層の厚みが薄くても、溶けたり変形してしまう
心配はなく、正確な形状を維持した状態でセラミック基
体に接合される。
特に、セラミック基体の表面が粗面化されてフラックス
成分が除去されていても、フラックス成分の代わりに接
合体がセラミック基体と銅の接合力向上を果たすので、
従来問題となっていた、粗面化表面への銅の接合性を改
善することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
図は、この発明の実施例を工程順に示す模式的断面図で
ある。

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 1 セラミック基体の表面に、Be、Mg、Ca、Sr
    、Ba、B、Al、Y、Si、Ti、Zr、Cuのうち
    の少なくとも1種の元素を含む接合体を形成した後、こ
    の接合体を介してセラミック基体と銅を加熱接合するセ
    ラミック基体と銅の接合方法。
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