JPH03112874A - セラミック基体と銅の接合方法 - 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〕 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。