JPH0455145B2 - - Google Patents
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- JPH0455145B2 JPH0455145B2 JP61023826A JP2382686A JPH0455145B2 JP H0455145 B2 JPH0455145 B2 JP H0455145B2 JP 61023826 A JP61023826 A JP 61023826A JP 2382686 A JP2382686 A JP 2382686A JP H0455145 B2 JPH0455145 B2 JP H0455145B2
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- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10W—GENERIC PACKAGES, INTERCONNECTIONS, CONNECTORS OR OTHER CONSTRUCTIONAL DETAILS OF DEVICES COVERED BY CLASS H10
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- H10W70/60—Insulating or insulated package substrates; Interposers; Redistribution layers
- H10W70/67—Insulating or insulated package substrates; Interposers; Redistribution layers characterised by their insulating layers or insulating parts
- H10W70/69—Insulating materials thereof
- H10W70/692—Ceramics or glasses
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- Ceramic Products (AREA)
Description
〔産業上の利用分野〕
本発明は、炭化珪素系セラミツクス焼結体を他
のセラミツクス焼結体或は金属と接合してなる接
合部材およびその接合方法に係る。炭化珪素系セ
ラミツクスを他のセラミツクス焼結体に接合した
ものとして例えば半導体装置を収納するセラミツ
クスパツケージがあり、本発明はかかるセラミツ
クスパツケージに適用するのに好適である。 〔従来の技術〕 セラミツクス焼結体を他のセラミツクス焼結体
又は金属と接合する場合に、セラミツクス焼結体
表面を金属化（メタライズ）することが知られて
いる。一例として、特開昭55−113683号公報に
は、炭化珪素系セラミツクス焼結体の表面に元素
周期律表ａ，ａ，ａ，ａ族の少なくとも
１種以上の粉末を塗布し、非酸化性雰囲気中で焼
成して金属化することが記載されている。そし
て、このようにして金属化した表面にニツケル、
銅等のめつきを行つたのち、種々の金属と半田付
け或いはろう付することが記載されている。 〔発明が解決しようとしている問題点〕 前記従来技術には、炭化物系セラミツクス焼結
体を金属或いは他のセラミツクス焼結体に実際に
接合した例は記載されておらず、接合時の問題点
について全く配慮されていない。 本発明の目的は、炭化珪素系セラミツクス焼結
体の表面を金属化し、他のセラミツクス焼結体又
は金属とろう付するときの問題点を解決し、信頼
性の高い接合部が得られるようにした接合部材お
よびその製造方法を提供するにある。 〔問題点を解決するための手段〕 本発明は、炭化珪素系セラミツクス焼結体の被
接合面を金属化し、他のセラミツクス焼結体又は
金属とろう付してなる接合部材において、前記炭
化珪素系セラミツクス焼結体の被接合面にクロム
シリサイドとクロム炭化物との混在層、その上に
クロム層およびニツケルと銅の少なくとも１つよ
りなる層を有し、且つ前記他のセラミツクス焼結
体又は金属とのろう付面間に熱応力緩和材を有す
ることを特徴とするものである。 〔作 用〕 炭化珪素系セラミツクス焼結体の被接合面にク
ロム層を形成し、その上にニツケルと銅と銀の少
くとも１つよりなる層を形成してろう付すること
により、ろう付部或いはニツケルと銅の少なくと
も１つよりなる層から剥離するのを防止すること
ができる。 しかし、炭化珪素系セラミツクス焼結体の表面
にクロム層に直接形成したのでは、ろう付後に熱
疲労試験を行つたときに焼結体とクロム層との界
面から剥離してしまうことがわかつた。 本発明者らは、炭化珪素系セラミツクス焼結体
の表面にクロムシリサイドとクロム炭化物との混
在層を有し、その上にクロム層を有するときに、
クロム層から剥離しなくなることを究明した。こ
のようにクロム層の剥離を防止できるのは、クロ
ムシリサイドとクロム炭化物との混在層が、炭化
珪素系セラミツクス焼結体とクロム層とを強固に
結合する作用をなし、しかもこの混在層がろう付
温度に耐える耐熱性を有していることに基づいて
いる。 なお、炭化珪素系セラミツクス焼結体を他のセ
ラミツクス焼結体又は金属とろう付する場合に、
両者の間に熱膨張率の違いがあり、しかもろう材
との間にも熱膨張率差があるので、ろう付後の冷
却過性で熱応力が発生し、炭化珪素系セラミツク
ス焼結体が割れることがわかつた。一例として炭
化珪素系セラミツクス焼結体とアルミナとをろう
付した場合には、ろう付後の冷却過程で炭化珪素
系セラミツクス焼結体が割れた。なお、この場合
の炭化珪素セラミツクスの熱膨張係数は約3.7×
10-6／℃であり、アルミナの熱膨張係数は約7.0
×10-6／℃である。この割れは、炭化珪素系セラ
ミツクス焼結体表面の金属化層の有無に関係なく
生ずる。 熱応力による炭化珪素系セラミツクス焼結体の
割れを防止するために、ろう付部に熱応力緩和材
を介在させることが必要である。炭化珪素系セラ
ミツクス焼結体が割れるのは、ろう付後の冷却過
程でのろう付の収縮にセラミツクス焼結体が追従
していかず熱応力を生ずることが原因である。熱
応力緩和材をろう付面に介在させ、この熱応力緩
和材をろう材の収縮に追従させることにより、炭
化珪素系セラミツクス焼結体の割れを防止でき
た。 熱応力緩和材の厚さは、100μm以上が好まし
く、特に100μm〜1000μmの薄板を用いることが
好ましい。熱応力緩和材の材料としては、ろう付
性がよくしかも熱伝導性のよい銀、銅或いはそれ
らの合金を用いることが好ましい。 本発明において、炭化珪素系セラミツクス焼結
体の被接合面にクロムシリサイドとクロム炭化物
との混在層を形成し、その上にクロム層を形成す
る方法としては、下記の方法が非常に好ましい。
すなわち、炭化珪素系セラミツクス焼結体の表面
にクロム粉末を塗布し、非酸化性雰囲気中で加熱
して焼成する方法である。加熱温度は900〜1300
℃の範囲が好ましい。加熱雰囲気は不活性雰囲気
又は酸素分圧が10-2torr以下の雰囲気が好まし
い。この焼成によつて、炭化珪素系セラミツクス
焼結体表面にクロムシリサイドとクロム炭化物と
の混在層が生成し、その上にクロムが生成し、更
にその上にクロム酸化物を含む層が生成する。こ
の後、クロム酸化物を含む層を除去しクロム層を
露出させる。 クロム酸化物層又はクロム酸化物を含む層の上
にニツケルと銅の少なくとも１つよりなる層を形
成してろう付すると、クロム酸化物とその上の層
との界面から剥離するので、避けなければならな
い。 本発明の炭化珪素セラミツクス接合部材におけ
る相手材には、炭化物系セラミツクス、酸化物系
セラミツクス、非酸化物系セラミツクス及び各種
の金属を用いることができる。炭化物系セラミツ
クスとしては同種の炭化珪素系セラミツクスを用
いることができる。酸化物系セラミツクスの例と
してはアルミナがある。 炭化珪素系セラミツクス焼結体を他のセラミツ
クス焼結体にろう付した具体例として半導体装置
用パツケージがある。半導体装置の高密度化、高
速度化に伴つて発熱量が増加し、パツケージの放
熱性を高めることが要求され、この結果、炭化珪
素系セラミツクス焼結体をアルミナに接合してパ
ツケージとすることが行われるようになつた。集
積回路を有する半導体装置を搭載した炭化珪素系
セラミツクス焼結体基板をアルミナ枠体にろう付
し、炭化珪素系セラミツクス焼結体基板に放熱フ
インを取付けて放熱性を改善しようというもので
ある。 本発明の接合部材およびその製造方法を、かか
る半導体装置用パツケージに適用することはきわ
めて有効であり、接合強度および気密性の点でき
わめて信頼性の高いセラミツクスパツケージを得
ることができる。 セラミツクス焼結体の表面を金属化する他の方
法として、アルミナ等の酸化物系セラミツクスの
表面にマンガンとモリブデンの混合粉末を塗布
し、フオーミングガス中で高温に加熱して焼成す
る方法があるが、この方法は炭化物系セラミツク
スには適用できない。 特開昭59−195590号公報には、Fe，Ni，Cr，
Mnのうち少なくとも１種類以上の金属成分と、
Ｃ，Si，Ｂのうち少なくとも１種類以上の成分を
混合した組成物を、粉末あるいは箔の形で窒化物
系セラミツクス体の表面に載置し、非酸化性また
は弱酸化性雰囲気下において前記組成物を溶融さ
せることが記載されているが、炭化珪素系セラミ
ツクスについては述べられていない。 炭化珪素系セラミツクスのメタライズ方法とし
て、特開昭58−99184号公報にはＷ，Mo，Ti，
Mn等の粉末を塗付し、これを非酸化性雰囲気内
で焼成する方法が記載されているが、焼成温度が
140℃以上と高いため、メタライズ時の熱応力が
大きく信頼性のあるメタライズ部が得られない。 〔実施例〕 本発明者らは、炭化珪素系セラミツクス表面に
各種金属の粉末を塗付し、これを非酸化性雰囲気
内で1000℃に加熱した場合の該セラミツクスと金
属との反応状態を調べた、その結果、次のような
新しい現象を発見した。 すなわち、Ti，Zr，Nb，Ｖ等の元素周期律表
第ａ族及び第ａ族の金属を塗布した場合、
1000℃の加熱温度では反応が進まず、結合反応を
生じさせるためには1000℃を越えて該金属の融点
近くまで加熱温度を高める必要がある。しかし、
加熱温度を融点近くまで高めるとメタライズド界
面に該金属の炭化物及びシリサイド等の脆い化合
物層が厚く形成し、十分なメタライズ強度が得ら
れないことが判明した。 また、前記金属粉によつて形成されたメタライ
ズ層の厚さは炭化珪素セラミツクス表面に塗布、
または印刷した該金属粉末の厚さと同程度の
10μm以上となつた。このため該セラミツクス表
面に生ずる熱応力によつて該セラミツクスの破壊
が生じた。 Fe，Ni，Mn，Co等の第ａ族及び第ａ族
金属を塗布した場合には、1000℃の加熱温度で該
セラミツクスとの結合反応が過剰に進み、接合界
面には該金属の脆いシリサイドまたは炭化物層及
び遊離炭素が厚く形成されて十分なメタライズ強
度が得られないことが判明した。 一方、Cr，Mo，Ｗ等の第ａ族金属の中で特
にCr粉末を塗布した場合には、該セラミツクス
の母相上にCrシリサイドとCr炭化物との混在層、
更にその外側上に金属クロム層が全体で10μm以
下と薄く形成されることが判明した。このCrシ
リサイドとCr炭化物との混在層およびCr層は該
セラミツクスと強固に結合されており、その厚さ
は塗布したCr粉末の厚さに影響されず、加熱温
度が900〜1300℃の場合全体で１〜10μmと極めて
薄いことが判明した。このため、該セラミツクス
表面に生ずる熱応力も小さくなり、該セラミツク
スの熱応力破壊が生ぜずメタライズ強度が向上す
る。 炭化珪素セラミツクス表面にクロム粉末を塗布
して非酸化性雰囲気中で焼成した場合、金属クロ
ム層の外側に更にCr2O3等のクロム酸化物を一部
含む未反応Cr層が比較的厚く形成される。この
未反応クロム層はクロムメタライズ層との結合力
が弱い。このような未反応クロム層を、前記クロ
ムでメタライズされた面への金属部材の接合前に
除去することによつて、該金属部材の接合強度に
亜影響を及ぼさないようにすることができる。こ
のクロム酸化物を含む未反応クロム層の除去に
は、研摩、ブラシによる除去、ホーニング等の方
法を用いればよい。 本発明において、炭化珪素系セラミツクスの中
でも焼結助剤として１〜２重量％のBeOを添加
した炭化珪素系セラミツクスが特に高強度のメタ
ライズ層が得られた。 なお、該セラミツクス表面に形成したCrメタ
ライズ層のままでは他の金属又はセラミツクスと
接合するためのろう付性またははんだ付性が十分
でないため、該クロム層表面にCuまたはAgまた
はNi層を設けた後、該金属又は他のセラミツク
スをろう付により接合することが望ましい。該
Cr層の表面にCuまたはNi層を形成するには、電
気めつき、化学めつき、蒸着スパツタリング等の
方法が可能である。これらの層の厚さは３〜8μm
とすることが望ましい。更に該Cr層とCuまたは
Ni層との結合状態を高めるため500℃〜800℃の
温度で再び拡散処理を行うのが望ましいが、ろう
付をこの温度範囲で行う場合には、省略できる。 前記方法により炭化珪素系セラミツクス表面に
メタライズ膜をクロムで形成後、ろう材により他
の金属部材と接合することにより、20Kg／mm2以上
の曲げ強度が得られ、耐熱性も600℃以上である。 炭化珪素系セラミツクスの表面に塗布するクロ
ム粉末の粒径は100μm以下であり、好ましくは
50μm以下が望ましい。これより大きい粒径では、
結果として、形成された金属クロム層で覆われな
いセラミツクス面の部分が生じ易い。またクロム
粉末の塗布厚は10μm〜30μmが好ましく、少なす
ぎると結果的に金属クロム層で覆われないセラミ
ツクス表面部ができ易く、多すぎるとクロム酸化
物を含む未反応層が増すだけで経済的に好ましく
ない。クロム粉末は適宜のペースト剤と共にペー
スト状にして塗布するのがよい。クロム粉末を塗
布したセラミツクスを900℃〜1300℃に加熱する
時間は10分以上１時間以内が望ましい。 なお、Crメタライズの焼成温度が900℃以下で
はCrメタライズ層が形成されず、1300℃以上で
はCrメタライズ層の厚さが10μm以上になり、Cr
メタライズ層の強度が極端に低下する。熱応力緩
和材にはろう付がぬれ易く、融点がろう付温度よ
り高く、弾性係数Ｅの小さい銀（Ｅ＝7.7×103Kg
ｆ／mm2）、銅（Ｅ＝11×103Kgｆ／mm2）を用いるこ
とが好ましい。アルミニウム（Ｅ＝7.0×103Kg
ｆ／mm2）を用いるともできるが、この場合には表
面にニツケル又は銅の薄層を形成しておくことが
好ましい。熱応力緩和材の厚みは薄すぎると緩和
効果が小さくなつたり、ろう付による食われの問
題があるので0.1mm以上が好ましい。また上限厚
さは１mmより厚いと熱応力緩和効果が乏しい。
0.1〜0.8mmの厚さが好適である。 ろう付時の雰囲気は非酸化性雰囲気であればよ
く、不活性ガス雰囲気、還元性ガス雰囲気あるい
は真空中のいずれでも良い。使用するろう材の成
分によつて雰囲気を使い分けることが望ましい。
例えば銀７重量％−銅28重量％の共晶ろうを用い
る場合には、いずれの雰囲気でもよいが、蒸気圧
の高いZn，Cd等が入つている銀ろう材を用いる
場合には、不活性ガス雰囲気または還元性ガス雰
囲気とすることが望ましい。不活性ガスあるいは
窒素ガスと水素ガスの混合ガス雰囲気も効果があ
る。 実施例 １ 約２重量％のBeOを焼結助剤とする厚さ１mm、
縦・横各20mmのホツトプレス製炭化珪素系セラミ
ツクス板の一面にジメチルエチルセルローズによ
りペースト状にしたCr粉末を約１mmの厚さで全
面に塗布し、これをAr雰囲気内で1100℃、30分
間焼成後自然冷却した。この結果、該セラミツク
スの母板の表面には約3μm厚さのCrシリサイド
およびCr炭化物の混在層が形成されその上に金
属Cr層が形成され、最外層にCr酸化物を一部含
む未反応Cr層が形成された。次に該未反応Cr層
を刃物により除去しクロム層を露出させた。そし
てCr層にCu膜を電気めつきによつて約5μm形成
した。 上記方法により形成されたメタライズ膜を有す
る炭化珪素焼結体と厚さ１mm、幅５mmのステンレ
ス鋼板とを厚さ500μm、幅５mmのCu板よりなる
熱応力緩和材を介してAgろう付で接合した。接
合後、引張試験を行つたところ、20Kg／mm2の引張
強度が得られた。 また、このメタライズ部の耐熱性試験を行つた
結果、700℃まで接合強度の低下は認められなか
つた。 実施例 ２ 約５重量％のAlNを焼結助剤とする厚さ２mm、
縦・横各20mmのホツトプレス製炭化珪素セラミツ
クス板の一面に前記実施例１と同様のペースト状
にしたCr粉末を約0.5mmの厚さで全面に塗布し、
これを10-4torrの真空中で1050℃、30分間焼成
後、自然冷却した。その結果、該セラミツクス表
面に厚さ約5μmのCrシリサイドおよびCr炭化物
の混在層およびその上に金属Cr層が形成され、
最外層にCr酸化物を含む未反応Cr層が形成され
た。次に最外層に形成された該未反応Cr層を研
摩により除去し、該セラミツクス表面の該金属
Cr層にNiを約5μm電気めつきした。 上記方法により形成されたメタライズ膜を有す
る炭化珪素セラミツクス焼結体と、厚さ１mm、幅
５mmのステンレス鋼板とを熱応力緩和材として厚
さ500μm、幅５mmの銀板を介して銀ろう付した、
銀ろうにはPd−Agろうを用い、900℃で接合し
た。その後、引張試験を行つたところ、約30Kg／
mm2の引張強度が得られ、700℃まで接合強度の低
下は認められなかつた。 実施例 ３ 本発明における半導体装置用パツケージを第１
図および第２図によつて説明する。 厚さ１mm、縦・横各15mm、焼結助剤として２重
量％のBeOを含む高熱伝導性炭化珪素セラミツ
クスを冷却基板１として、該冷却基板１の片面の
外縁に沿つて幅２mmのCrメタライズ層を形成し
た。形成条件はジメチルセルローズによりペース
ト状にした粒径10μmのCr粉末を約30μmの厚さで
所定の位置に塗布し、これをAr雰囲気内で1050
℃、30分間焼成後自然冷却した。次に最外層の
Cr酸化物層をブラシ研摩により除却し、金属Cr
層２に電気めつきによつて約5μmのNi層３を形
成した。 上記方法により形成されたメタライズ膜を有す
る冷却基板１に対向しているアルミナセラミツク
ス枠体４は三層構造を有しており層間には配線パ
ターン８がある。冷却基板１と接合される該枠体
４の最上層（第１層と呼ぶ）はその中央に半導体
装置を収納するに十分な開孔を有し、第２層、第
３層と順次開口部は大きくなつていて、入出力ピ
ン１０と配線パターン８に接続している配線部９
がある。該配線部９は冷却基板１にAu−Siメタ
ライズ層１１によつて接合され半導体装置の電極
部との接続端子である。該枠体４の第１層表面に
はMo−Mnメタライズ層５とNi層３が冷却基板
１のメタライズ部に合う位置に施してある。 冷却基板１と枠体４の接合は銀ろう付によつて
行つた。ろう付方法は、50μmの銀ろう（BAg−
７：56重量％Ag−22重量％Cu−17重量％Zn−５
重量％Sn）箔７および所定の厚みの熱応力緩和
材６（銀板、無酸素銅板）をメタライズドパター
ンに打抜き、銀ろう箔７、熱応力緩和材６、銀ろ
う箔７の順で冷却基板１と枠体４の中間に設置
し、流量5.5l／minのN2−10％H2ガス雰囲気中で
700〜710℃に加熱してろう付した。冷却速度は
500℃までは20℃／min、500℃以下は５〜10℃／
minで、150℃まで炉中冷却を行い、その後大気
中で室温まで自然冷却した。 次にろう付後の半導体パツケージのHeリーク
テストを行つた。リークテストを熱疲労試験前後
について行い、その条件は−50℃〜＋150℃を１
時間１サイクルとした熱サイクルで1000サイクル
行つた。リークテストの合格ラインを１×
10-8atm・c.c.／ｓとした場合の試験結果を第１表
に示す。
のセラミツクス焼結体或は金属と接合してなる接
合部材およびその接合方法に係る。炭化珪素系セ
ラミツクスを他のセラミツクス焼結体に接合した
ものとして例えば半導体装置を収納するセラミツ
クスパツケージがあり、本発明はかかるセラミツ
クスパツケージに適用するのに好適である。 〔従来の技術〕 セラミツクス焼結体を他のセラミツクス焼結体
又は金属と接合する場合に、セラミツクス焼結体
表面を金属化（メタライズ）することが知られて
いる。一例として、特開昭55−113683号公報に
は、炭化珪素系セラミツクス焼結体の表面に元素
周期律表ａ，ａ，ａ，ａ族の少なくとも
１種以上の粉末を塗布し、非酸化性雰囲気中で焼
成して金属化することが記載されている。そし
て、このようにして金属化した表面にニツケル、
銅等のめつきを行つたのち、種々の金属と半田付
け或いはろう付することが記載されている。 〔発明が解決しようとしている問題点〕 前記従来技術には、炭化物系セラミツクス焼結
体を金属或いは他のセラミツクス焼結体に実際に
接合した例は記載されておらず、接合時の問題点
について全く配慮されていない。 本発明の目的は、炭化珪素系セラミツクス焼結
体の表面を金属化し、他のセラミツクス焼結体又
は金属とろう付するときの問題点を解決し、信頼
性の高い接合部が得られるようにした接合部材お
よびその製造方法を提供するにある。 〔問題点を解決するための手段〕 本発明は、炭化珪素系セラミツクス焼結体の被
接合面を金属化し、他のセラミツクス焼結体又は
金属とろう付してなる接合部材において、前記炭
化珪素系セラミツクス焼結体の被接合面にクロム
シリサイドとクロム炭化物との混在層、その上に
クロム層およびニツケルと銅の少なくとも１つよ
りなる層を有し、且つ前記他のセラミツクス焼結
体又は金属とのろう付面間に熱応力緩和材を有す
ることを特徴とするものである。 〔作 用〕 炭化珪素系セラミツクス焼結体の被接合面にク
ロム層を形成し、その上にニツケルと銅と銀の少
くとも１つよりなる層を形成してろう付すること
により、ろう付部或いはニツケルと銅の少なくと
も１つよりなる層から剥離するのを防止すること
ができる。 しかし、炭化珪素系セラミツクス焼結体の表面
にクロム層に直接形成したのでは、ろう付後に熱
疲労試験を行つたときに焼結体とクロム層との界
面から剥離してしまうことがわかつた。 本発明者らは、炭化珪素系セラミツクス焼結体
の表面にクロムシリサイドとクロム炭化物との混
在層を有し、その上にクロム層を有するときに、
クロム層から剥離しなくなることを究明した。こ
のようにクロム層の剥離を防止できるのは、クロ
ムシリサイドとクロム炭化物との混在層が、炭化
珪素系セラミツクス焼結体とクロム層とを強固に
結合する作用をなし、しかもこの混在層がろう付
温度に耐える耐熱性を有していることに基づいて
いる。 なお、炭化珪素系セラミツクス焼結体を他のセ
ラミツクス焼結体又は金属とろう付する場合に、
両者の間に熱膨張率の違いがあり、しかもろう材
との間にも熱膨張率差があるので、ろう付後の冷
却過性で熱応力が発生し、炭化珪素系セラミツク
ス焼結体が割れることがわかつた。一例として炭
化珪素系セラミツクス焼結体とアルミナとをろう
付した場合には、ろう付後の冷却過程で炭化珪素
系セラミツクス焼結体が割れた。なお、この場合
の炭化珪素セラミツクスの熱膨張係数は約3.7×
10-6／℃であり、アルミナの熱膨張係数は約7.0
×10-6／℃である。この割れは、炭化珪素系セラ
ミツクス焼結体表面の金属化層の有無に関係なく
生ずる。 熱応力による炭化珪素系セラミツクス焼結体の
割れを防止するために、ろう付部に熱応力緩和材
を介在させることが必要である。炭化珪素系セラ
ミツクス焼結体が割れるのは、ろう付後の冷却過
程でのろう付の収縮にセラミツクス焼結体が追従
していかず熱応力を生ずることが原因である。熱
応力緩和材をろう付面に介在させ、この熱応力緩
和材をろう材の収縮に追従させることにより、炭
化珪素系セラミツクス焼結体の割れを防止でき
た。 熱応力緩和材の厚さは、100μm以上が好まし
く、特に100μm〜1000μmの薄板を用いることが
好ましい。熱応力緩和材の材料としては、ろう付
性がよくしかも熱伝導性のよい銀、銅或いはそれ
らの合金を用いることが好ましい。 本発明において、炭化珪素系セラミツクス焼結
体の被接合面にクロムシリサイドとクロム炭化物
との混在層を形成し、その上にクロム層を形成す
る方法としては、下記の方法が非常に好ましい。
すなわち、炭化珪素系セラミツクス焼結体の表面
にクロム粉末を塗布し、非酸化性雰囲気中で加熱
して焼成する方法である。加熱温度は900〜1300
℃の範囲が好ましい。加熱雰囲気は不活性雰囲気
又は酸素分圧が10-2torr以下の雰囲気が好まし
い。この焼成によつて、炭化珪素系セラミツクス
焼結体表面にクロムシリサイドとクロム炭化物と
の混在層が生成し、その上にクロムが生成し、更
にその上にクロム酸化物を含む層が生成する。こ
の後、クロム酸化物を含む層を除去しクロム層を
露出させる。 クロム酸化物層又はクロム酸化物を含む層の上
にニツケルと銅の少なくとも１つよりなる層を形
成してろう付すると、クロム酸化物とその上の層
との界面から剥離するので、避けなければならな
い。 本発明の炭化珪素セラミツクス接合部材におけ
る相手材には、炭化物系セラミツクス、酸化物系
セラミツクス、非酸化物系セラミツクス及び各種
の金属を用いることができる。炭化物系セラミツ
クスとしては同種の炭化珪素系セラミツクスを用
いることができる。酸化物系セラミツクスの例と
してはアルミナがある。 炭化珪素系セラミツクス焼結体を他のセラミツ
クス焼結体にろう付した具体例として半導体装置
用パツケージがある。半導体装置の高密度化、高
速度化に伴つて発熱量が増加し、パツケージの放
熱性を高めることが要求され、この結果、炭化珪
素系セラミツクス焼結体をアルミナに接合してパ
ツケージとすることが行われるようになつた。集
積回路を有する半導体装置を搭載した炭化珪素系
セラミツクス焼結体基板をアルミナ枠体にろう付
し、炭化珪素系セラミツクス焼結体基板に放熱フ
インを取付けて放熱性を改善しようというもので
ある。 本発明の接合部材およびその製造方法を、かか
る半導体装置用パツケージに適用することはきわ
めて有効であり、接合強度および気密性の点でき
わめて信頼性の高いセラミツクスパツケージを得
ることができる。 セラミツクス焼結体の表面を金属化する他の方
法として、アルミナ等の酸化物系セラミツクスの
表面にマンガンとモリブデンの混合粉末を塗布
し、フオーミングガス中で高温に加熱して焼成す
る方法があるが、この方法は炭化物系セラミツク
スには適用できない。 特開昭59−195590号公報には、Fe，Ni，Cr，
Mnのうち少なくとも１種類以上の金属成分と、
Ｃ，Si，Ｂのうち少なくとも１種類以上の成分を
混合した組成物を、粉末あるいは箔の形で窒化物
系セラミツクス体の表面に載置し、非酸化性また
は弱酸化性雰囲気下において前記組成物を溶融さ
せることが記載されているが、炭化珪素系セラミ
ツクスについては述べられていない。 炭化珪素系セラミツクスのメタライズ方法とし
て、特開昭58−99184号公報にはＷ，Mo，Ti，
Mn等の粉末を塗付し、これを非酸化性雰囲気内
で焼成する方法が記載されているが、焼成温度が
140℃以上と高いため、メタライズ時の熱応力が
大きく信頼性のあるメタライズ部が得られない。 〔実施例〕 本発明者らは、炭化珪素系セラミツクス表面に
各種金属の粉末を塗付し、これを非酸化性雰囲気
内で1000℃に加熱した場合の該セラミツクスと金
属との反応状態を調べた、その結果、次のような
新しい現象を発見した。 すなわち、Ti，Zr，Nb，Ｖ等の元素周期律表
第ａ族及び第ａ族の金属を塗布した場合、
1000℃の加熱温度では反応が進まず、結合反応を
生じさせるためには1000℃を越えて該金属の融点
近くまで加熱温度を高める必要がある。しかし、
加熱温度を融点近くまで高めるとメタライズド界
面に該金属の炭化物及びシリサイド等の脆い化合
物層が厚く形成し、十分なメタライズ強度が得ら
れないことが判明した。 また、前記金属粉によつて形成されたメタライ
ズ層の厚さは炭化珪素セラミツクス表面に塗布、
または印刷した該金属粉末の厚さと同程度の
10μm以上となつた。このため該セラミツクス表
面に生ずる熱応力によつて該セラミツクスの破壊
が生じた。 Fe，Ni，Mn，Co等の第ａ族及び第ａ族
金属を塗布した場合には、1000℃の加熱温度で該
セラミツクスとの結合反応が過剰に進み、接合界
面には該金属の脆いシリサイドまたは炭化物層及
び遊離炭素が厚く形成されて十分なメタライズ強
度が得られないことが判明した。 一方、Cr，Mo，Ｗ等の第ａ族金属の中で特
にCr粉末を塗布した場合には、該セラミツクス
の母相上にCrシリサイドとCr炭化物との混在層、
更にその外側上に金属クロム層が全体で10μm以
下と薄く形成されることが判明した。このCrシ
リサイドとCr炭化物との混在層およびCr層は該
セラミツクスと強固に結合されており、その厚さ
は塗布したCr粉末の厚さに影響されず、加熱温
度が900〜1300℃の場合全体で１〜10μmと極めて
薄いことが判明した。このため、該セラミツクス
表面に生ずる熱応力も小さくなり、該セラミツク
スの熱応力破壊が生ぜずメタライズ強度が向上す
る。 炭化珪素セラミツクス表面にクロム粉末を塗布
して非酸化性雰囲気中で焼成した場合、金属クロ
ム層の外側に更にCr2O3等のクロム酸化物を一部
含む未反応Cr層が比較的厚く形成される。この
未反応クロム層はクロムメタライズ層との結合力
が弱い。このような未反応クロム層を、前記クロ
ムでメタライズされた面への金属部材の接合前に
除去することによつて、該金属部材の接合強度に
亜影響を及ぼさないようにすることができる。こ
のクロム酸化物を含む未反応クロム層の除去に
は、研摩、ブラシによる除去、ホーニング等の方
法を用いればよい。 本発明において、炭化珪素系セラミツクスの中
でも焼結助剤として１〜２重量％のBeOを添加
した炭化珪素系セラミツクスが特に高強度のメタ
ライズ層が得られた。 なお、該セラミツクス表面に形成したCrメタ
ライズ層のままでは他の金属又はセラミツクスと
接合するためのろう付性またははんだ付性が十分
でないため、該クロム層表面にCuまたはAgまた
はNi層を設けた後、該金属又は他のセラミツク
スをろう付により接合することが望ましい。該
Cr層の表面にCuまたはNi層を形成するには、電
気めつき、化学めつき、蒸着スパツタリング等の
方法が可能である。これらの層の厚さは３〜8μm
とすることが望ましい。更に該Cr層とCuまたは
Ni層との結合状態を高めるため500℃〜800℃の
温度で再び拡散処理を行うのが望ましいが、ろう
付をこの温度範囲で行う場合には、省略できる。 前記方法により炭化珪素系セラミツクス表面に
メタライズ膜をクロムで形成後、ろう材により他
の金属部材と接合することにより、20Kg／mm2以上
の曲げ強度が得られ、耐熱性も600℃以上である。 炭化珪素系セラミツクスの表面に塗布するクロ
ム粉末の粒径は100μm以下であり、好ましくは
50μm以下が望ましい。これより大きい粒径では、
結果として、形成された金属クロム層で覆われな
いセラミツクス面の部分が生じ易い。またクロム
粉末の塗布厚は10μm〜30μmが好ましく、少なす
ぎると結果的に金属クロム層で覆われないセラミ
ツクス表面部ができ易く、多すぎるとクロム酸化
物を含む未反応層が増すだけで経済的に好ましく
ない。クロム粉末は適宜のペースト剤と共にペー
スト状にして塗布するのがよい。クロム粉末を塗
布したセラミツクスを900℃〜1300℃に加熱する
時間は10分以上１時間以内が望ましい。 なお、Crメタライズの焼成温度が900℃以下で
はCrメタライズ層が形成されず、1300℃以上で
はCrメタライズ層の厚さが10μm以上になり、Cr
メタライズ層の強度が極端に低下する。熱応力緩
和材にはろう付がぬれ易く、融点がろう付温度よ
り高く、弾性係数Ｅの小さい銀（Ｅ＝7.7×103Kg
ｆ／mm2）、銅（Ｅ＝11×103Kgｆ／mm2）を用いるこ
とが好ましい。アルミニウム（Ｅ＝7.0×103Kg
ｆ／mm2）を用いるともできるが、この場合には表
面にニツケル又は銅の薄層を形成しておくことが
好ましい。熱応力緩和材の厚みは薄すぎると緩和
効果が小さくなつたり、ろう付による食われの問
題があるので0.1mm以上が好ましい。また上限厚
さは１mmより厚いと熱応力緩和効果が乏しい。
0.1〜0.8mmの厚さが好適である。 ろう付時の雰囲気は非酸化性雰囲気であればよ
く、不活性ガス雰囲気、還元性ガス雰囲気あるい
は真空中のいずれでも良い。使用するろう材の成
分によつて雰囲気を使い分けることが望ましい。
例えば銀７重量％−銅28重量％の共晶ろうを用い
る場合には、いずれの雰囲気でもよいが、蒸気圧
の高いZn，Cd等が入つている銀ろう材を用いる
場合には、不活性ガス雰囲気または還元性ガス雰
囲気とすることが望ましい。不活性ガスあるいは
窒素ガスと水素ガスの混合ガス雰囲気も効果があ
る。 実施例 １ 約２重量％のBeOを焼結助剤とする厚さ１mm、
縦・横各20mmのホツトプレス製炭化珪素系セラミ
ツクス板の一面にジメチルエチルセルローズによ
りペースト状にしたCr粉末を約１mmの厚さで全
面に塗布し、これをAr雰囲気内で1100℃、30分
間焼成後自然冷却した。この結果、該セラミツク
スの母板の表面には約3μm厚さのCrシリサイド
およびCr炭化物の混在層が形成されその上に金
属Cr層が形成され、最外層にCr酸化物を一部含
む未反応Cr層が形成された。次に該未反応Cr層
を刃物により除去しクロム層を露出させた。そし
てCr層にCu膜を電気めつきによつて約5μm形成
した。 上記方法により形成されたメタライズ膜を有す
る炭化珪素焼結体と厚さ１mm、幅５mmのステンレ
ス鋼板とを厚さ500μm、幅５mmのCu板よりなる
熱応力緩和材を介してAgろう付で接合した。接
合後、引張試験を行つたところ、20Kg／mm2の引張
強度が得られた。 また、このメタライズ部の耐熱性試験を行つた
結果、700℃まで接合強度の低下は認められなか
つた。 実施例 ２ 約５重量％のAlNを焼結助剤とする厚さ２mm、
縦・横各20mmのホツトプレス製炭化珪素セラミツ
クス板の一面に前記実施例１と同様のペースト状
にしたCr粉末を約0.5mmの厚さで全面に塗布し、
これを10-4torrの真空中で1050℃、30分間焼成
後、自然冷却した。その結果、該セラミツクス表
面に厚さ約5μmのCrシリサイドおよびCr炭化物
の混在層およびその上に金属Cr層が形成され、
最外層にCr酸化物を含む未反応Cr層が形成され
た。次に最外層に形成された該未反応Cr層を研
摩により除去し、該セラミツクス表面の該金属
Cr層にNiを約5μm電気めつきした。 上記方法により形成されたメタライズ膜を有す
る炭化珪素セラミツクス焼結体と、厚さ１mm、幅
５mmのステンレス鋼板とを熱応力緩和材として厚
さ500μm、幅５mmの銀板を介して銀ろう付した、
銀ろうにはPd−Agろうを用い、900℃で接合し
た。その後、引張試験を行つたところ、約30Kg／
mm2の引張強度が得られ、700℃まで接合強度の低
下は認められなかつた。 実施例 ３ 本発明における半導体装置用パツケージを第１
図および第２図によつて説明する。 厚さ１mm、縦・横各15mm、焼結助剤として２重
量％のBeOを含む高熱伝導性炭化珪素セラミツ
クスを冷却基板１として、該冷却基板１の片面の
外縁に沿つて幅２mmのCrメタライズ層を形成し
た。形成条件はジメチルセルローズによりペース
ト状にした粒径10μmのCr粉末を約30μmの厚さで
所定の位置に塗布し、これをAr雰囲気内で1050
℃、30分間焼成後自然冷却した。次に最外層の
Cr酸化物層をブラシ研摩により除却し、金属Cr
層２に電気めつきによつて約5μmのNi層３を形
成した。 上記方法により形成されたメタライズ膜を有す
る冷却基板１に対向しているアルミナセラミツク
ス枠体４は三層構造を有しており層間には配線パ
ターン８がある。冷却基板１と接合される該枠体
４の最上層（第１層と呼ぶ）はその中央に半導体
装置を収納するに十分な開孔を有し、第２層、第
３層と順次開口部は大きくなつていて、入出力ピ
ン１０と配線パターン８に接続している配線部９
がある。該配線部９は冷却基板１にAu−Siメタ
ライズ層１１によつて接合され半導体装置の電極
部との接続端子である。該枠体４の第１層表面に
はMo−Mnメタライズ層５とNi層３が冷却基板
１のメタライズ部に合う位置に施してある。 冷却基板１と枠体４の接合は銀ろう付によつて
行つた。ろう付方法は、50μmの銀ろう（BAg−
７：56重量％Ag−22重量％Cu−17重量％Zn−５
重量％Sn）箔７および所定の厚みの熱応力緩和
材６（銀板、無酸素銅板）をメタライズドパター
ンに打抜き、銀ろう箔７、熱応力緩和材６、銀ろ
う箔７の順で冷却基板１と枠体４の中間に設置
し、流量5.5l／minのN2−10％H2ガス雰囲気中で
700〜710℃に加熱してろう付した。冷却速度は
500℃までは20℃／min、500℃以下は５〜10℃／
minで、150℃まで炉中冷却を行い、その後大気
中で室温まで自然冷却した。 次にろう付後の半導体パツケージのHeリーク
テストを行つた。リークテストを熱疲労試験前後
について行い、その条件は−50℃〜＋150℃を１
時間１サイクルとした熱サイクルで1000サイクル
行つた。リークテストの合格ラインを１×
10-8atm・c.c.／ｓとした場合の試験結果を第１表
に示す。
【表】
熱疲労試験に合格した半導体装置用パツケージ
開孔部のAu−Siメタライズ部１１にLSIを接合し
て、該LSIの電極部と枠体４の配線部９をAl細線
により接続し、外気に触れないよう密封した。ま
た冷却基板１上面には炭化珪素セラミツクスの放
熱フイン１２を熱伝導性接着剤１３により接着
し、半導体装置用パツケージとした。 実施例 ４ 実施例３に用いたのと同じ冷却基板１と枠体４
の接合において、熱応力緩和材、ろう付及びろう
付条件を変えて製作した接合体の熱サイクルによ
る疲労試験後のHeリークテスト結果を第２表に
示す。尚、熱応力緩和材の厚み500μmとし、Ar
の流量は8l／min、真空度は５×10-5torrである。
開孔部のAu−Siメタライズ部１１にLSIを接合し
て、該LSIの電極部と枠体４の配線部９をAl細線
により接続し、外気に触れないよう密封した。ま
た冷却基板１上面には炭化珪素セラミツクスの放
熱フイン１２を熱伝導性接着剤１３により接着
し、半導体装置用パツケージとした。 実施例 ４ 実施例３に用いたのと同じ冷却基板１と枠体４
の接合において、熱応力緩和材、ろう付及びろう
付条件を変えて製作した接合体の熱サイクルによ
る疲労試験後のHeリークテスト結果を第２表に
示す。尚、熱応力緩和材の厚み500μmとし、Ar
の流量は8l／min、真空度は５×10-5torrである。
【表】
以上説明したように本発明によれば、ろう付後
の冷却過程で炭化珪素系セラミツクス焼結体が割
れたりせず、しかも金属化層から剥離するのを防
止することができ、信類性の高い接合部材を得る
ことができる。
の冷却過程で炭化珪素系セラミツクス焼結体が割
れたりせず、しかも金属化層から剥離するのを防
止することができ、信類性の高い接合部材を得る
ことができる。
第１図は本発明の一実施例を示す半導体装置用
パツケージの断面図、第２図は第１図のＡ部の拡
大図である。 １……冷却基板、２……Cr層、３……Ni層、
４……アルミナセラミツクス枠体、５……Mo−
Mnメタライズ層、６……熱応力緩和材、７……
銀ろう箔。
パツケージの断面図、第２図は第１図のＡ部の拡
大図である。 １……冷却基板、２……Cr層、３……Ni層、
４……アルミナセラミツクス枠体、５……Mo−
Mnメタライズ層、６……熱応力緩和材、７……
銀ろう箔。
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 １ 被接合面に金属化層を有する炭化珪素系セラ
ミツクス焼結体と他のセラミツクス又は金属との
接合部材において、前記金属化層がクロムシリサ
イドとクロム炭化物との混在層、その上のクロム
層およびニツケルと銅の少なくとも１つよりなる
最外層の三層構造からなり、前記他のセラミツク
スまたは金属との接合面間に熱応力緩和材を有す
ることを特徴とする炭化珪素系セラミツクスの接
合部材。 ２ 特許請求の範囲第１項において、前記熱応力
緩和材が銀、銅の少なくとも１つよりなることを
特徴とする炭化珪素系セラミツクスの接合部材。 ３ 特許請求の範囲第１項において、前記熱応力
緩和材の厚さが100〜1000μmよりなることを特徴
とする炭化珪素系セラミツクスの接合部材。 ４ 特許請求の範囲第１項において、前記他のセ
ラミツクスがアルミナよりなることを特徴とする
炭化珪素系セラミツクスの接合部材。 ５ 特許請求の範囲第１項において、前記金属化
層におけるクロムシリサイドとクロム炭化物の混
在層およびその上のクロム層が、前記炭化珪素系
セラミツクス焼結体表面にクロム粉末を塗布して
非酸化性雰囲気で焼成し、最外層に形成されるク
ロム酸化物を含む層を除去して得られることを特
徴とする炭化珪素系セラミツクスの接合部材。 ６ 特許請求の範囲第１項において、前記炭化珪
素系セラミツクス焼結体がベリリウム酸化物を１
〜２重量％含むことを特徴とする炭化珪素系セラ
ミツクスの接合部材。 ７ 被接合面に金属化層を有する炭化珪素系セラ
ミツクス焼結体と他のセラミツクスまたは金属と
接合してなる接合部材の製法において、前記金属
化層の形成工程として、前記炭化珪素系セラミツ
クス焼結体表面にクロム粉を塗布後非酸化性雰囲
気中で加熱してクロムシリサイドとクロム炭化物
の混在層、その上のクロム層およびクロム酸化物
を含む最外層を形成する工程、前記最外層を除去
する工程およびその後、ニツケルと銅の少なくと
も１つを被覆する工程を含み、前記金属化層と前
記他のセラミツクス又は金属との接合面間に熱応
力緩和材を介してろう付することを特徴とする炭
化珪素系セラミツクス接合部材の製造方法。 ８ 特許請求の範囲第７項において、前記非酸化
性雰囲気で900〜1300℃の温度に加熱することを
特徴とする炭化珪素系セラミツクス接合部材の製
造方法。 ９ 特許請求の範囲第７項において、前記熱応力
緩和材として銅、銀の少なくとも１つを用いるこ
とを特徴とする炭化珪素系セラミツクス接合部材
の製造方法。 １０ 特許請求の範囲第８項において、厚さ100
〜1000μmの熱応力緩和材を介在させることを特
徴とする炭化珪素系セラミツクス焼結体の製造方
法。 １１ 特許請求の範囲第７項において、前記ろう
付を銀ろうを用いて施すことを特徴とする炭化珪
素系セラミツクス接合部材の製造方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP61023826A JPS62183542A (ja) | 1986-02-07 | 1986-02-07 | 炭化珪素系セラミツクスの接合部材およびその製造方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP61023826A JPS62183542A (ja) | 1986-02-07 | 1986-02-07 | 炭化珪素系セラミツクスの接合部材およびその製造方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS62183542A JPS62183542A (ja) | 1987-08-11 |
| JPH0455145B2 true JPH0455145B2 (ja) | 1992-09-02 |
Family
ID=12121172
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP61023826A Granted JPS62183542A (ja) | 1986-02-07 | 1986-02-07 | 炭化珪素系セラミツクスの接合部材およびその製造方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPS62183542A (ja) |
-
1986
- 1986-02-07 JP JP61023826A patent/JPS62183542A/ja active Granted
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPS62183542A (ja) | 1987-08-11 |
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