JPS60131886A - 炭化ケイ素焼結体用メタライズペ−スト - 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】 〔発明の利用分野〕 本発明は新規な炭化ケイ素焼結体用メタライズペースト
に関する。

〔発明の背景〕

厚膜混成集積回路は、一般にセラミック基板上にスクリ
ーン印刷および焼成技術に工って形成された導体や抵抗
体などの素子に、半導体素子およびその他の電子部品を
接続することによって構成されている。そのセラミック
基板には、従来アルミナセラミックスが主として使用さ
れてきた。それに対して、アルミナに比べ約１０倍も大
きな熱伝導性を有し集積回路用基板として優ると期待さ
れる電気絶縁性の炭化ケイ素（ＳｉＣ）セラミックスが
開発され、基板としての検討が進められている。

厚膜混成集積回路をセラミックス焼結体上に形成するた
めには、メタライズペーストが使われ、該ペーストは、
焼成されたときに、良好な電気的性質を有するとともに
、セラミックス焼結体に密着し、かつ半導体素子、導体
その他の金属コネクター類を接合させる際のろうによる
濡れ性もそなえたメタライズ部を形成できることを要求
される。

従来、一般に酸化物系セラミックス焼結体に適用される
メタライズペーストでは、それに含まれるガラス成分が
溶融し該焼結体と反応することによって、メタライズ部
が焼結体と接着すると考えられている。しかし、このガ
ラス溶融体は、酸化物同志の反応の少ない炭化ケイ素焼
結体のような系とは容易に反応しないで数多くの気泡を
生じて接合不良になるとか、あるいは溶融ガラスの１部
がメタライズ部の表面に流出して該面を覆ってしまい、
半導体素子、導体または他の金属コネクターとメタライ
ズ部との接合を妨げるなどの欠点があった。

それゆえ、非酸化物系セラミックス焼結体上に導体、抵
抗体等の素子を形成するためのメタライズ方法並びに材
料については、すでに特開昭５５−５１７７４号、同５
５−１１３６８３号が開示されている。それらには、炭
化ケイ素に対し高い濡れ性をもつ金属と、低い熱膨張係
数と高い融点をもつタングステン・モリプデ／などの金
属とを含む組成物を、ペースト状にして焼結体に塗布し
たのち、非酸化性雰囲気中で焼成することからなるメタ
ライズ方法が提案されている。しかし、厚膜混成集積回
路を形成するに当って、タングステンやモリブデンなど
の高融点金属には半導体素子を直接接合しがたく、両者
を接着する材料の介在を要するという難点があった。

〔発明の目的〕

本発明は、該メタライズペーストをさらに改良し、半導
体素子との間に高い濡れ性と接着強度を有するとともに
、炭化ケイ素セラミックス、特に０．４ａｄ／ａｎ−ｓ
−ｔ：’以上の熱伝導率（室温）およ給体に対しても高
い接着性を保持するメタライズ層を提供するにある。

〔発明の概要〕

本発明は、金の粉末を主成分とし、これに銅及びゲルマ
ニウムそれぞれの粉末を含む混合粉末を、有機結合剤溶
液中に均一に分散させてガることである。

本発明は、特に、銅を加えることによって、炭化ケイ素
セラミックス焼結体との接着力が向上されるとの知見に
基づいている。すなわち、本発明において、銅粉末とは
、焼成時に炭化ケイ素セラミックス焼結体の表面に予め
形成されたケイ素酸化物皮膜と融合してガラス質化する
ことによって該セラミックスと金メタライズ部との界面
を強固に結着する作用をし、また、ゲルマニウム粉末は
、メタライズ部に、半導体素子との濡れ性を付与して両
者の接着性を高めるはたらきをする。金属成分の配合比
としては、　、 主成分である金９９．９８〜９７．００重量％に対し、
銅０．０１〜１．００重量％およびゲルマニウム０．０
１〜２．００重量−の範囲とするのがよい。銅の含有量
が多すぎると半導体素子−との接合性が低下し、ゲルマ
ニウムの含有量が高すぎると、炭化ケイ素セラミックス
焼結体との接着性が害される。また、銅成分として、銅
−リン化合物が使用されてもよく少量のリンの混入は炭
化ケイ素セラミックス焼結体やハンダに対する接合性の
点で有利である。

本発明に使用される金属粉末は、粒径約５μｍ以下で細
いほど好しいが、通常入手可能な約０．０５〜５μｍ程
度の粉末でよい。

また、本発明においては有機結合剤として、例エバエチ
ルセルローズやニトロセルローズ等の繊維素誘導体、メ
タクリル酸エステルやアクリル酸エステルの重合体のよ
うな、焼成条件において容易に分解し完全に揮散する重
合体が使用される。

さらに、本発明においては、結合剤を溶解して前記金属
粉末をよく濡らし得る有機溶剤が用いられ、例工ばグリ
コールエーテルエステル類やエステル。

ケトン、テレピネオールなどが挙げられる。

前記の有機結合剤と溶媒の配合量は、ペーストの印刷お
よびその後焼成までの工程において必要な作業性に応じ
て選択され、例えば金属粉末組成物１００重量部に対し
て、エチルセルローズ１〜１５重量部、ブチルカルピト
ール１００重量部はどでよい。配合方法は何ら限定され
ず、慣用の装置を利用して、予め調整された金属粉末混
合物に有機結合剤溶液を加えて混練するか、または有機
結合剤溶液中に各金属粉末を加えて混合して、均一な分
散体とすることができる。

本発明のメタライズペーストは、公知の技法によって炭
化ケイ素セラミックス焼結体に適用され、焼成される。

焼成は温度８００〜１００００％なるべくは９００Ｃ〜
９５０Ｃにおいて、圧縮空気中で行なわれることが好ま
しい。

本発明のメタライズペーストは、厚膜混成集積回路の形
成ばかシでなく、機器の構造部における接合の用にも適
する。

〔発明の実施例〕

第１表に示す組成に相当するメタライズペースト金属成
分の粉末（粒子径的２μｍ）を秤取し、Ｖ型ミキサーを
用りて混合した。

第１表 ※Ｃｕ−Ｐ　（ｓ　６＝１６１化合物　１重量％該金属
粉末混合物に、有機結合材としてエチルセルローズを濃
度６％に含むブチルカルピトール溶液を、金属成分１０
０重量部に対し２０重量部の割合で添加し混練して、ス
ラリー状のメタライズペーストを調製した。

次に、予め脱脂洗浄処理したベリリア２％含有炭化ケイ
素セラミックス基板の上に、該メタライズペーストをス
クリーン印刷したのち、大気中で焼成した。焼成処理は
、−次を加熱温度４５０〜５００Ｃ，２０分保持、二次
を加熱温度８００゜９００．９２５，９５０もしくは１
００ＯＣに１５分保持する二段法に従って行なわれた。

こうして作成された試料について、メタライズ部の基板
との密着状況を知るために、下記によって試験した。

まず、炭化ケイ素セラミックス基板（寸法２１．６咽Ｘ
２１．６ｍ、厚さ１咽）上に形成された寸法５ｗＸ５＋
＋ｏ＋＋、厚さ約１５μｍのメタライズ部に、銀−５０
重量部インジュム合金の半田を用いて、幅５ｗｍ’、厚
さ０．５ｍの銅帯を第１図に示されるように接着した試
験片を作成した。半田付けの方法は、予め、銀−インジ
ュム合金を半田槽内で２３０〜２５０Ｃに加熱、溶融さ
せておき、該メタライズ部の上に銅帯をのせた状態で、
溶融した半田槽内に３〜５秒間浸漬し、接合させた。該
試験片は治具を用いて引張り試験機にとシつけ、基板を
固定して、メタライズ層と基板との間の引き剥し接着強
さくＫ１）を測定した。結果は第２表に、厚膜の接着強
さとして示したとおシである。

また、メタライズ部の半導体素子との接合性を一下記の
方法によって評価した。

炭化ケイ素セラミックス基板上に形成されたメタライズ
部（寸法７ｗｎＸ７ｍｉ、厚さ約１５μｍ）にケイ素半
導体素子（底寸法４．５闘Ｘ　４．５　ｒｍｔｒ　）を
載置し、全体をヒータにのせて約４３０Ｃに熱するとと
もに、約３９００に熱せられた窒素を基板上に吹付ける
ことによって周囲と遮断し、該雰囲気中において前記素
子を基板に押圧し、Ａｕ−８ｔ合金を形成させて接合さ
せた。

得られた試片における半導体素子の接着部の状況を、Ｘ
線透過試験によって観察し、空孔の生じた面積の割合が
３０チ以上に及ぶ試片をＸ印、その割合が１０〜３０チ
の範囲にわる試片をΔ印、同割合が１０チ以下である試
片を○印として３段階に評価した。その結果は第２表に
素子接合性として示される。

次に、メタライズ部に接合した半導体素子に、エポキシ
樹脂を用すて３φのボルドーナツトを第２図に示される
ように接着した試験片を作成した。

該試験片を治具を用いて引張り試験機にとシつけ基板を
固定して、メタライズ層と半導体素子との間の接着強さ
くＫｇ）を測定した、結果は第２表に示されたとうりで
ある。

さらに、前述した実施例で用いたメタライズペーストを
用い大気中、二次加熱温度９２５Ｃに１５分保持して焼
成した後、半導体素子を接合した試験片の断面の走査型
電子顕微鏡写真（２０００倍）を第３図に示した。炭化
ケイ素セラミックス基板１とメタライズ金−シリコン反
応層との間に、厚さ約２〜３μｍの中間層が生じている
ことが確認された。Ｘ線による分析の結果この中間層は
、Ｓｉ、Ｃｕ、Ｇｅ及び０を含み、それからなる酸イビ
物の融合によって形成されていることが判明した。また
、素子とメタライズ層の間も密に接合されている。

〔発明の効果〕

前記の試験結果から、ゲルマニウムの配合は半導体素子
との接合性を与え、銅は、炭化ケイ素セラミックス基板
との接合性、接着力を付与するととが分る。特に本発明
のペーストは半導体素子接合後の接着強さを増大する。

さらに基板とメタライズ層が融合層を生じて密着してい
ることが確認された。この＝うに金と銅及びゲルマニウ
ムとからなる金属成分を基にした本発明のメタライズペ
ーストは、炭化ケイ素セラミックスを基板として厚膜混
成集積回路を形成するうえで、きわめて有用である。

【図面の簡単な説明】

第１図はセラミックス基板とメタライズ部との接着強含
を測るための試片の構成図、第２図は半導体素子接合後
のセラミックス基板及びメタライズ部と半導体素子部と
の接着強さを測るための構成図、第３図はメタライズし
た炭化ケイ素セラミックス基板に半導体素子を接合した
試片の断面の顕微鏡写真である。 １・・・セラミック基板、２・・・メタライズ層、５・
・・半導体素子。 代理人　弁理士　高橋明夫 蔓　２（２１

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １、金の粉末を主成分とし、銅及びゲルマニウムそれぞ
   れの粉末を含む混合粉末を有機結合剤溶液中に均一に分
   散させてなる炭化ケイ素焼結体用メタライズペースト。