JPH04293742A - セラミックスとの接合性に優れた銅材およびその製造方法 - 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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、セラミックスとの接合
性に優れた銅材およびその製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】現在、セラミックスに銅材を接合した接
合体がハイブリッドＩＣなどの電子部品に多く用いられ
ている。

【０００３】セラミックスと銅材との接合は、従来、モ
リブデンやタングステンなどを有機バインダー中に含む
金属ペーストをセラミックス上に印刷した後、雰囲気炉
で加熱して金属ペーストをメタライズさせてメタライズ
層を形成し、次いで、メタライズ層上にニッケルめっき
層を形成した後、銅材をハンダ付けにより接合させると
いった種々の工程を含む複雑な方法で行なわれていた。

【０００４】これに対し、セラミックスと銅材との接合
界面に銅の酸化物（Ｃｕ２Ｏ）を生成させてセラミック
スと銅を直接接合させるという簡単な工程からなる方法
が開発され、注目されている。

【０００５】この方法は、セラミックスと銅材とを直接
接触させた状態で単に加熱処理して両者を接合させるも
のである。この方法は、銅−酸素の２元状態図から理解
されるように、１０６５℃以上の温度に加熱して酸素を
接合界面に供給することにより、接合界面にＣｕ２Ｏ液
相を形成させ、このＣｕ２Ｏ液相を利用してセラミック
スと銅材とを直接接合させるものである。

【０００６】酸素の供給方法には、銅材中の酸素による
方法（タフビッチ銅使用）と雰囲気の中に存在させた酸
素による方法（無酸素銅使用）とがあり、タフピッチ銅
を使った接合法が一般的に用いられている。

【０００７】これらの直接接合法はそれ以前の接合法に
比べて工程も簡単で種々の利点を有しているが、なお解
決すべき問題点が幾つか残っている。

【０００８】問題点を、ＩＣチップ搭載用の銅材を例に
とり図１に基づき説明する。

【０００９】この銅材３は、その一面において図１に示
すようにセラミックス基板４（例えば、Ａｌ２Ｏ３基板
）に接合され、他面にははんだ層２を介してＩＣチップ
１（例えば、Ｓｉ素子）が接合される。なお、５は例え
ば、Ｃｕからなる放熱用基板である。

【００１０】銅材３とセラミックス基板４との接合は、
窒素ガス雰囲気中において、Ｃｕ−Ｃｕ２Ｏの共晶温度
（１０６５℃）以上、Ｃｕの融点（１０８３℃）未満の
温度に加熱することにより、Ｃｕ２Ｏ液相によるセラミ
ックス（アルミナ）との共有結合を利用して接合される
。

【００１１】一方、ＩＣチップ１の搭載（ダイボンディ
ング）は、５％程度の水素ガスを含有する不活性ガス中
で高融点はんだ（９５％Ｐｂ−３％Ｓｎ−２％Ａｇ）を
ろう材として行われるが、タフピッチ銅の場合、水素脆
化によるボイドの発生という致命的な問題がある。

【００１２】さらに、酸素含有量が３００ｐｐｍ以上に
なると、ＩＣチップが搭載される表面の粒界に酸素が凝
集し、表面粗さを著しく低下させ、ダイボンディング性
も低下するという問題もある。

【００１３】したがって、素子の搭載される表面は、酸
素を含有しない純銅（無酸素銅）が適しているわけであ
るが、酸素の供給を行うためには無酸素銅の銅材とセラ
ミックスとの接合に際しては、酸化性ガス雰囲気中で行
わなければならないという制限を伴う。

【００１４】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、上記に説明
したような従来技術に鑑みなされたものであり、不活性
ガス中でセラミックスとの接合を行ってもボイドの発生
を伴うことなく、また、表面粗さの低下を招くことのな
いセラミックスとの接合性に優れた銅材を及びその製造
方法を提供することを目的とするものである。

【００１５】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
の本発明の要旨は、無酸素銅表面に、厚さ１μｍ以上の
ＣｕとＣｕ２Ｏとからなる膜層を有することを特徴とす
るセラミックスとの接合性に優れた銅材に存在する。

【００１６】また、本発明の他の要旨は、硝酸銅を２０
〜６０ｗｔ％含有する水溶液を電解液として、無酸素銅
表面に厚さ１μｍ以上のＣｕとＣｕ２Ｏとからなる膜を
生成させることを特徴とするセラミックスとの接合性に
優れた銅材の製造方法に存在する。

【００１７】

【作用】本発明の作用を発明の詳細な構成と共に説明す
る。

【００１８】本発明に係るセラミックスとの接合性に優
れた銅材は、無酸素銅表面に１μｍ以上の、ＣｕとＣｕ
２Ｏとの混合物を含有する膜（以下「Ｃｕ＋Ｃｕ２Ｏ膜
」という）を生成させる。

【００１９】酸素はセラミックスと銅材とを直接金属結
合させる上で必須の元素であり、接合界面での酸素の供
給量が不十分であると、接合不良となる。酸素の膜中に
おける含有量としては０．５ｗｔ％以上が好ましい。 ０．５ｗｔ％未満だと接合不良を生ずることがある。

【００２０】Ｃｕ＋Ｃｕ２Ｏ膜の厚さは１μｍ以上とす
る。１μｍ未満では、接合界面での濡れ性が均一ではな
く、セラミックスとの間で接合不良を発生する。なお、
Ｃｕ＋Ｃｕ２Ｏ膜の厚さの好ましい範囲は、１〜１０μ
ｍである。１０μｍを越えた厚みとしても効果は飽和す
るためである。

【００２１】本発明では、母材に無酸素銅を使用する。 母材に無酸素銅を使用するのは、ＩＣチップを搭載する
面に酸素があると水素脆化を招き、また、表面粗さが増
大し、ダイボンディング時にボイド発生等を起こすこと
により、接合不良となるためである。

【００２２】一方、Ｃｕ＋Ｃｕ２Ｏ膜を生成するにあた
り、電解液として、硝酸銅（Ｃｕ（ＮＯ３）２）を２０
〜６０ｗｔ％含有する水溶液を用いることが好ましく、
この方法は、本発明の要旨をなす。

【００２３】なお、この電解液に界面活性剤を添加する
ことが、電解めっき中における最大電流密度をより一層
高くすることが可能となるため好ましい。すなわち、界
面活性剤は、ＣｕおよびＣｕ２Ｏ粒子を安定して析出さ
せる添加剤であり、好ましくは、トリイソプロパノール
アシン、ゼラチン等を０．１〜１０ｐｐｍ添加すること
により最大電流密度も無添加の場合よりも１．５〜２．
５倍向上する。なお、電解液の液温としては、２０〜６
０℃が好ましい。

【００２４】電解液として硝酸銅（Ｃｕ（ＮＯ３）２）
を２０〜６０ｗｔ％含有する水溶液をベースとしたもの
を用いる場合、次に述べるように、工業的に安定したＣ
ｕ＋Ｃｕ２Ｏ膜を生成することが可能となる。

【００２５】すなわち、ハイブリッドＩＣ等に使用され
る、銅−セラミックス（Ａｌ２Ｏ３）基盤の銅材は、コ
イルフォームで製造され、所定の形状のフレームにエッ
チング加工あるいはプレス加工により製造されている。 その際、加工、めっきを連続して行うためにはめっき速
度を加工速度と同じあるいはそれ以上としなければなら
ない。しかるに、銅表面を酸化させる方法として知られ
ている、二酸化塩素水での浸漬処理あるいは種々の陽極
酸化処理等の化成処理方法（なお、この処理方法によっ
て形成される膜は、ＣｕとＣｕ２Ｏとの混合膜ではなく
、Ｃｕ２Ｏの単独膜であり、本発明の膜とは異なる。）
は、いずれも後処理（高温酸化処理）の複雑な処理工程
を必要とするし、また、めっき形成速度自体が遅いため
連続して加工、めっきを行うことはできない。

【００２６】しかるに、電解液として硝酸銅（Ｃｕ（Ｎ
Ｏ３）２）を２０〜６０ｗｔ％含有する水溶液をベース
としたものを用いると、電解処理のみで、高速度でＣｕ
＋Ｃｕ２Ｏ膜を安定して生成することができ、しかも高
温酸化処理等の後処理を行わずともＣｕ＋Ｃｕ２Ｏ膜を
形成することができることがわかり本発明をなすに至っ
た。

【００２７】硝酸銅含有量が２０ｗｔ％未満の場合、界
面活性剤を添加しても最大電流密度は、１０Ａ／ｄｍ２
以下であり、工業的に安定したＣｕ＋Ｃｕ２Ｏ膜が得ら
れない。また６０ｗｔ％を越えて含有されても、水への
固溶限が４０℃で６１．５ｗｔ％であることから不経済
である。したがって硝酸銅含有量は２０〜６０ｗｔ％と
する。

【００２８】なお、硝酸銅の含有量が２０〜６０ｗｔ％
の電解液を用いてめっきを行った場合、酸素を０．５〜
２．０ｗｔ％、Ｃｕ２Ｏの形で含有するＣｕ＋Ｃｕ２Ｏ
膜が得られる。

【００２９】Ｃｕ＋Ｃｕ２Ｏ膜の生成処理は素材（圧延
コイル）もしくはフレームどちらでも行なうことができ
る。なお、図２に示すようなＩＣチップ搭載用として用
いる場合には、無酸素銅表面の片面は、樹脂テープ等に
よりシールドを行ない、片面のみ電解処理を施せばよい
。

【００３０】次に、硝酸銅水溶液をベースとした電解液
でＣｕ＋Ｃｕ２Ｏ膜を生成した後、２００℃以上の温度
で５秒以上の熱処理を真空又は不活性ガス雰囲気中で行
なうのは、電解処理で生成したＣｕ＋Ｃｕ２Ｏ皮膜中に
存在する吸蔵ガス（水素ガス３０〜１００ｐｐｍ）を除
去するためであり、さらに、Ｃｕ＋Ｃｕ２Ｏ膜と母材と
の密着性をさらに向上させるためである。２００℃未満
の温度では、密着性のより一層の向上を図る上からは不
十分であり、工業的に連続焼鈍するまで時間を５秒以上
とした。焼鈍温度は２００〜５００℃が好ましい。

【００３１】なお、本発明において接合の対象となるセ
ラミックスの種類には特に限定されないが、たとえば、
Ａｌ２Ｏ３，ＡｌＯ３，ＳｉＯ２などがあげられ、また
、これらのセラミックスは適宜の基体上に形成された膜
であってもよい。

【００３２】

【実施例】本発明に係るセラミックスとの接合性に優れ
た銅材およびその製造方法をその実施例によって以下に
詳説する。

【００３３】

【実施例１】供試材として表１に示す０．３００ｍｍｔ
の無酸素銅（材料記号Ａ）を使用した。一方、比較材と
して２種類のタフピッチ銅（材料記号Ｂ）を使用した。

【００３４】

【表１】

【００３５】セラミックスはアルミナ質の１．５ｍｍｔ
×３０ｍｍｗ×５０ｍｍｌのものを使用した。

【００３６】接合させる銅材はあらかじめ０．３ｍｍｔ
×２５ｍｍｗ×４５ｍｍｌにエッチング加工にて準備し
た。

【００３７】本発明材は、さらに、硝酸銅を５０ｗｔ％
、界面活性材としてトリイソプロパノールアシンを１０
ｐｐｍ、ゼラチンを０．２ｐｐｍ添加した電解液で電流
密度１５Ａ／ｄｍ２、液温３０℃にてめっきを行いＣｕ
＋Ｃｕ２Ｏ膜を生成させた。

【００３８】さらに加熱処理として表２に示す条件で本
発明材および比較材を処理した。雰囲気はＮ２ガス１０
０％で露点−３０℃とした。

【００３９】接合試験は、セラミックスと銅材とを重ね
て、Ｎ２ガス１００％雰囲気中（露点ー５０℃）で、１
０７０℃×１０分加熱処理後、外観検査（×４０）を行
ない、フクレの発生有無にを観察することにより行った
。

【００４０】また、接合後の銅材表面の表面粗さを測定
した。試験結果を表２に示す。

【００４１】

【表２】

【００４２】表２から、明らかなように、Ｎｏ．１〜Ｎ
ｏ．３（実施例）は、いずれの比較例よりもフクレの発
生もなく、セラミックスとの接合性が良好である。

【００４３】これに対して、Ｎｏ．４（比較例）は、Ｃ
ｕ＋Ｃｕ２Ｏ膜が１μｍ未満であり接合性は悪かった。 Ｎｏ．５（実施例）およびＮｏ．６（実施例）は、比較
例よりはフクレの発生は少なかったが、加熱処理温度が
２００℃未満であり、Ｎｏ．１〜Ｎｏ．３（実施例）に
比べるとフクレの発生が多かった。また、Ｎｏ．７（比
較例）およびＮｏ．８（比較例）はタフピッチ銅であり
、Ｎｏ．７は不純物が比較的少なく、３００ｐｐｍの酸
素含有量によりセラミックスとの接合性は良好であるが
、表面粗さはＲｍａｘ７．９μｍと本発明より大きくな
っている。Ｎｏ．８はＮｏ．７より不純物含有量が多く
フクレ発生ならびに表面粗さのいずれも劣化している。 Ｎｏ．７，Ｎｏ．８（比較例）はタフピッチ銅であり、
Ｎｏ．７は不純物が比較的少なく、３００８いずれもタ
フピッチ銅であり、ダイボンディング時の水素脆化の問
題があった。

【００４４】（実施例２）表１に示す無酸素銅を供試材
として、硝酸銅含有量による電解液の許容最大電流密度
をハルセル試験法により測定した。その結果を表３に示
す。いずれの電解液にも、界面活性剤としてイソプロパ
ノールアシン１０ｐｐｍ、ゼラチン０．２ｐｐｍを添加
した。また液温は３０℃とした。

【００４５】

【表３】

【００４６】表３から明らかなように、Ｎｏ．１〜Ｎｏ
．３（実施例）の硝酸銅濃度が本発明範囲の２０〜６０
ｗｔ％であり、最大電流密度も１０Ａ／ｄｍ２以上であ
り、工業的に安定したＣｕ＋Ｃｕ２Ｏ皮膜を生成するこ
とが可能であることがわかる。これに対してＮｏ．４，
Ｎｏ．５（比較例）は、硝酸銅濃度が２０ｗｔ％未満で
あり、最大電流密度も１０Ａ／ｄｍ２未満であり、生産
性を考慮すると不十分である。

【００４７】なお、いずれの濃度も生成した膜はＣｕ＋
Ｃｕ２Ｏ膜であることをＸ線回折により確認した。

【００４８】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、タ
フビッチ銅を使用せず、セラミックスとの接合性に優れ
、ＩＣチップを搭載する表面も平滑でダイボンディング
性が優れる銅材を提供でき、電子部品としてのセラミッ
クス−銅複合基板の品質、生産性の向上に多大に寄与す
るものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】　　ＩＣチップ搭載例を示す概念図

【図２】　
　実施例に係る銅材の側面図

【符号の説明】

１…ＩＣチップ、２…はんだ層、３…銅材、４…セラミ
ックス基板、５…放熱用基板。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　無酸素銅表面に、厚さ１μｍ以上のＣ
   ｕとＣｕ２Ｏとからなる膜を有することを特徴とするセ
   ラミックスとの接合性に優れた銅材。
2. 【請求項２】　　硝酸銅を２０〜６０ｗｔ％含有する水
   溶液を電解液として、無酸素銅表面に厚さ１μｍ以上の
   ＣｕとＣｕ２Ｏとからなる膜を生成させることを特徴と
   するセラミックスとの接合性に優れた銅材の製造方法。
3. 【請求項３】　　前記ＣｕとＣｕ２Ｏとからなる膜を生
   成させた後、真空または不活性ガス雰囲気中で、２００
   ℃以上の温度で５秒以上加熱することを特徴とする請求
   項２記載のセラミックスとの接合性に優れた銅材の製造
   方法。