JPH05243725A - セラミック基板と銅の直接接合法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 セラミック基板の表面と裏面とで所要の回路
導体パターンの面積の大きさがが異なるときにも、良好
なはんだ付けが行えるセラミック基板と銅との直接接合
法を提供すること。 【構成】 セラミック基板１の両面に、それぞれ所要面
積の大きさが異なる回路導体の銅を密着して配置し、所
定の酸素濃度の雰囲気中で所定の温度に加熱し、セラミ
ック基板１の両面に銅を接合するセラミックと銅の直接
接合法において、銅の所要面積の大きさが小さい側のセ
ラミック基板の面で、所要の銅が配置されない空き領域
４１、４２に疑似導体の銅を密着して配置する

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、マイクロ波集積回路や
高周波平面回路、あるいは半導体搭載回路やマイクロ波
非可逆回路などに用いられるセラミックの基板、例えば
アルミナやフェライト、窒化アルミの基板に回路導体で
ある銅を接合するセラミック基板と銅の直接接合法に関
する。

【０００２】

【従来の技術】セラミックは、その耐熱性や絶縁性、あ
るいは機械的特性が優れ、直流から超高周波まで電子回
路用の基板として幅広く利用されている。その材質も、
古くはアルミナやステアタイト、フォルステライト、フ
ェライトなどが、近年では窒化アルミや炭化硅素などい
わゆるファインセラミックスと呼ばれるものが用いられ
ている。

【０００３】このセラミックを電子回路用の基板として
用いるとき、その表面に金属導体膜を形成することが多
い。

【０００４】従来、セラミックに金属導体膜を形成する
方法としては、（ａ）モリブデン粉末などをセラミック
の表面に塗布して焼結後、ニッケルなどの金属メッキを
施して銀ろうなどによって導体膜を接合・形成するろう
付け法、（ｂ）銅や金あるいは銀・パラジウムなどの粉
末ペーストを塗布後、焼結して導体膜を形成する厚膜
法、（ｃ）真空中で金属を溶融・蒸発させて導体膜を形
成する真空蒸着法、（ｄ）導体となる金属とセラミック
の間にチタン合金などの活性金属を介在させて焼結・接
合を行う活性金属法、などがある。

【０００５】しかし近年、銅とセラミックとを他の金属
を介在することなしに、直接接合するダイレクト・ボン
ド・カッパー（以下略してＤＢＣと記する。）法が、そ
の工程の単純性や熱伝導の良さなどの点から用いられる
ようになってきた。

【０００６】ＤＢＣ法は、セラミックと銅を密着させて
適度な酸素濃度を有する雰囲気（例えば窒素ガス）中
で、適度な温度に加熱し表面層の銅のみを溶融させ、こ
の溶融した銅がセラミック表面を濡らすことによってセ
ラミックと銅を接合する方法である。

【０００７】図２は銅Ｃｕと酸素Ｏ_２の相態図を示した
もので、縦軸は温度（単位は℃）横軸は酸素濃度（単位
は重量％）である。銅を加熱したとき、銅自身の酸素含
有量を含む雰囲気中の酸素濃度によって銅の相状態がど
のように変化するかを示したものである。

【０００８】常温から温度が上昇すると、銅は酸素濃度
が０のとき１０８３℃で溶解する。しかし酸素の有る状
態では酸素との共晶状態が存在し、溶解温度は低下す
る。銅と酸素の共晶温度は１０６５℃であり、図２にお
ける領域ＤおよびＥは共晶状態のない固相である。

【０００９】酸素濃度が０．００８重量％のときから共
晶状態が存在し、また完全に溶解する温度は１０８３℃
より徐々に低下して、酸素濃度が０．３９重量％のとき
共晶温度と一致する（図中Ｆ点）。領域Ａは液相であ
り、領域Ｂは低濃度酸素における酸化第１銅の固溶体相
を示し、固体と液体の混合相である。酸素濃度が０．３
９重量％を超えると銅は酸素リッチな酸化第２銅の固溶
体相（領域Ｃ）を呈するが、もはやこの固溶体はセラミ
ックになじまず接合はできない。

【００１０】ＤＢＣ法が可能な銅の温度範囲は１０６５
〜１０８３℃で、かつ所要酸素濃度が０．３９重量％以
下の図１の領域Ｂ（斜線部）である。

【００１１】実際にＤＢＣ法によってセラミック基板を
作成する手順としては、先ずセラミック基板の両面に所
要の形状の銅板を密着させ、それを前述の温度および酸
素濃度条件を満たす電気炉内に配置し、適当な時間放置
するだけで良い。

【００１２】しかし領域Ｂの温度差は１８℃、酸素濃度
差は０．３９重量％と狭く、セラミックや銅板の大きさ
や厚さによって電気炉の温度や雰囲気中の酸素の量の制
御が困難になってくる。特に銅板の厚さが薄いときは温
度が数℃上昇したり、酸素の量が数十ｐｐｍ増加すると
銅板は表面層だけでなく全体が溶解する。電気炉の温度
制御もその中に収納する材料の種類や大きさ、量によっ
て定常的に一定に保つことは難しい。

【００１３】また作成するセラミック基板は、その用途
によって直流からマイクロ波までさまざまな形態があ
る。例えば導体は片面のみに接合するだけでよいもの、
あるいは両面必要なもの、接合する銅板が厚くなければ
ならないもの、あるいは薄い必要性のあるものなどであ
る。

【００１４】しかし両面に導体を必要とする場合、その
大半は両面の導体形状が異なっている。それは片面を電
気的に接地導体として使用するためにセラミック基板の
全面に導体を接合するからである。これに対し他の面に
は例えば半導体チップを配置するための導体部や外部線
路との接続を行うための配線部などの導体パターンが接
合され、必ずしもセラミック基板の全面に導体が接合さ
れない。

【００１５】図３はこのような導体パターンを密着・配
置したＤＢＣ前のセラミック基板１を示したものであ
る。

【００１６】セラミック基板１の裏面は図３（ｂ）に示
すようにセラミック基板のほぼ全面に接地導体３が配置
され、表面は図３（ａ）に示すように所望の導体２１〜
２４が配置される。表面の導体２１〜２４は必ずしもセ
ラミック基板１の全面にわたって配置されない。

【００１７】

【発明が解決しようとする課題】導体パターンを密着・
配置したセラミック基板１を電気炉に入れ加熱した場
合、表面の銅板と裏面の銅板の温度が同じであれば良い
が、表面と裏面の銅板の量が異なるため、セラミック基
板の面の温度分布が不均一になる。

【００１８】図４は図３（ａ）のＡーＢ断面を示したも
ので、この断面においてセラミック基板１の表面側にお
ける熱分布は、導体のある部分の方が導体のない空き領
域４１、４２の部分より低くなる。これは銅板が有るか
無いかでこのミクロ的な領域の熱容量が異なるからであ
る。

【００１９】このため温度の僅かな上昇によって裏面の
接地導体３のうち領域３１、３２の部分が溶解するとい
う欠点があった。領域３１、３２の部分が溶解しないよ
うに温度を下げると、表面の導体２１が温度不足となり
接合不良を生じる。

【００２０】なお領域３１、３２の部分が溶解すると、
図５に示すようにその部分が表面張力によって丸く固ま
ったり、接地導体３の中央部に引き寄せられてしまう。

【００２１】このようになったセラミック基板は、例え
ば放熱板にはんだ付けや圧着などで取り付けるとき空気
層が生じたり放熱面積が狭くなったりして、高電力半導
体を装荷することができなくなる。またマイクロ波帯で
は接地導体３をキャリアプレートと呼ばれる金属板には
んだ付けすることが良く行われる。この場合はんだ付け
の面積が狭くなり機械的総合力の低下をきたし衝撃や振
動に対してはがれなどを生じる。

【００２２】本発明は上記の欠点を解決するもので、セ
ラミック基板の表面と裏面とで所要の回路導体パターン
の面積の大きさがが異なるときにも、良好なはんだ付け
が行えるセラミック基板と銅との直接接合法を提供する
ことを目的とする。

【００２３】

【課題を解決するための手段】本発明は、セラミック基
板の両面に所要の回路導体パターンの面積の大きさが異
なる銅を密着して配置し、所定の酸素濃度の雰囲気中で
所定の温度に加熱し、セラミック基板の両面に銅を接合
する場合に、所要の回路導体パターンの面積が小さい側
のセラミック基板の面で、所要の銅が配置されない空き
領域に疑似導体の銅を密着して配置する。

【００２４】

【作用】上記のようなセラミック基板と銅の直接接合法
によれば、セラミック基板の両面で銅の面積がほぼ等し
いため、セラミック基板の全面にわたって温度分布が一
様にでき、熱容量の差が少ない状態でセラミック基板と
銅の直接接合が行える。

【００２５】

【実施例】以下、本発明の一実施例を図面を参照して説
明する。なお、各図面において従来の技術の説明で参照
した図面と同一部分には同一符号を付して詳細な説明を
省略する。

【００２６】図１はセラミック基板１の表面側の回路導
体パターンを示す図で、所要の回路導体２１〜２４の他
に、所要の回路導体のない空き領域４１、４２にも疑似
導体の銅５１、５２を配置している。なお銅５１、５２
の配置にあたっては、本来の所要の回路導体２１〜２４
の機能、例えば絶縁性や高周波伝送特性などに影響を与
えないようにする。

【００２７】図５ではセラミック基板１の裏面側の接地
導体３の導体パターンは特に示していないが、例えば図
３（ｂ）のように全面にわたって銅を配置する。

【００２８】なお銅５１、５２は回路導体２１〜２４と
同じ厚さでもあるいは異なっても良いが、熱容量を詳し
く予測することは困難なため、例えば試行錯誤的に決め
ることになる。

【００２９】このようにセラミック基板の表面側と裏面
側とで回路導体パターンが異なる場合、所要の回路導体
パターンの面積が小さい側に、言わば疑似導体パターン
としての導体を配置している。

【００３０】

【発明の効果】本発明によれば、セラミック基板の面の
全体にわたって温度分布が均一化し、熱容量差のないＤ
ＢＣ条件を得ることができ、セラミック基板の表面側と
裏面側とで所要の回路導体パターンの面積の大きさがが
異なるときにも、セラミック基板と銅との良好な直接接
合が可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例を説明する斜視図である。

【図２】銅と酸素の相状態を示す図である。

【図３】従来の技術を説明する図である。

【図４】従来の技術を説明する図である。

【図５】従来の技術を説明する図である。

【符号の説明】

１…セラミック基板 ２１〜２４…回路導体 ３…接地導体 ４１，４２…空き領域 ５１、５２…疑似導体の銅

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 セラミック基板の両面に、それぞれ所要
   面積の大きさが異なる回路導体の銅を密着して配置し、
   所定の酸素濃度の雰囲気中で所定の温度に加熱し、セラ
   ミック基板の両面に銅を接合するセラミックと銅の直接
   接合法において、回路導体の銅の所要面積の大きさが小
   さい側のセラミック基板の面で、所要の銅が配置されな
   い空き領域に疑似導体の銅を密着して配置するセラミッ
   ク基板と銅の直接接合法。