(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
アルミニウムが５７乃至６４重量％、銅が２８乃至３１重量％、チタンが５乃至１５重量％から成り、セラミックーアルミニウム複合材と、酸化アルミニウム質焼結体とを接合させるためのロウ材。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はセラミックーアルミニウム複合材と酸化アルミニウム質焼結体とを接合させロウ材に関し、より詳細には融点が低いロウ材に関するのである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、例えば、半導体素子を収容するための半導体素子収納用パッケージは、一般に酸化アルミニウム質焼結体等の電気絶縁材料から成り、上面に半導体素子を収容するための凹部を有し、下面に銅ータングステン合金等の金属材料から成る放熱板が銀ロウ材を介しロウ付け取着されている絶縁基体と、該絶縁基体の凹部周辺から外周縁にかけて被着導出されたタングステン、モリブデン、マンガン等の高融点金属粉末から成る複数個のメタライズ配線層と、内部に収容する半導体素子を外部電気回路に接続するために前記メタライズ配線層に銀ロウ等のロウ材を介し取着された外部リード端子と、蓋体とから構成されており、絶縁基体の凹部底面に半導体素子をガラス、樹脂、ロウ材等の接着剤を介して接着固定するとともに該半導体素子の各電極をボンディングワイヤを介してメタライズ配線層に電気的に接続し、しかる後、絶縁基体に蓋体をガラス、樹脂、ロウ材等から成る封止材を介して接合させ、絶縁基体と蓋体とから成る容器内部に半導体素子を気密に収容することによって製品としての半導体装置となる。
【０００３】
なお、上述の半導体素子収納用パッケージにおいては、絶縁基体の下面にロウ付け取着されている放熱板が銅ータングステン合金等の金属材料で形成されており、該銅ータングステン合金等は熱伝導性に優れていることから放熱板は半導体素子の作動時に発する熱を良好に吸収するとともに大気中に良好に放散させることができ、これによって半導体素子を常に適温とし半導体素子に熱破壊が発生したり、特性に熱劣化が発生したりするのを有効に防止している。
【０００４】
また前記銅ータングステン合金等から成る放熱板は絶縁基体の下面に予めタングステンやモリブデン、マンガン等の高融点金属粉末から成るメタライズ金属層を被着させておき、該メタライズ金属層に放熱板を銀ロウ材から成るロウ材を介しロウ付けすることによって絶縁基体の下面にロウ付け取着される。
【０００５】
しかしながら、この従来の半導体素子収納用パッケージは、放熱板が銅ータングステン合金で形成されており、該銅ータングステン合金は重いことから容器内部に半導体素子を気密に収容し、半導体装置となした際、半導体装置の重量が重くなり、近時の小型化、軽量化が進む電子装置にはその実装が困難となってしまう欠点を有していた。
【０００６】
そこで上記欠点を解消するために、軽量で、かつ良熱放散性のセラミックーアルミニウム複合材、具体的には、例えば、炭化珪素とアルミニウムの複合材を放熱板として使用することが考えられる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このセラミックーアルミニウム複合材を放熱板として使用するために酸化アルミニウム質焼結体から成る絶縁基体の下面に従来一般的に使用されている銀ロウ材を介してロウ付け取着した場合、該銀ロウ材のロウ付け温度は約９００℃と高いため、ロウ付け時にセラミックーアルミニウム複合材のアルミニウムが溶出してしまい、その結果、セラミックーアルミニウム複合材を放熱板として絶縁基体の下面にロウ付け取着することができないという欠点を有していた。
【０００８】
また酸化アルミニウム質焼結体から成る絶縁基体の下面にセラミックーアルミニウム複合材を放熱板として銀ロウ材を介してロウ付け取着する際、絶縁基体の下面に予めメタライズ金属層を被着形成させておかなければならず、メタライズ金属層の形成のために製造工程が大幅に増大し、多くの時間と、手間が必要となる欠点も有していた。
【０００９】
本発明は上述の欠点に鑑み案出されたもので、その目的はセラミックーアルミニウム複合材を、アルミニウムに溶出を起こさせることなく酸化アルミニウム質焼結体に直接接合させることができる新規のロウ材を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明のロウ材は、セラミックーアルミニウム複合材と、酸化アルミニウム質焼結体とを接合させるためのロウ材であって、アルミニウムが５７乃至６４重量％、銅が２８乃至３１重量％、チタンが５乃至１５重量％から成ることを特徴とするものである。
【００１１】
本発明のロウ材は、アルミニウムが５７乃至６４重量％、銅が２８乃至３１重量％、チタンが５乃至１５重量％から成り、そのロウ付け温度が６３０℃以下と低いことからセラミックーアルミニウム複合材を、酸化アルミニウム質焼結体にロウ付けする際、セラミックーアルミニウム複合材のアルミニウムが溶出することはなく、その結果、セラミックーアルミニウム複合材を、酸化アルミニウム質焼結体に極めて強固にロウ付け取着することができる。
【００１２】
また本発明のロウ材は、その内部に活性金属であるチタンが５乃至１５重量％含有されていることからセラミックーアルミニウム複合材を酸化アルミニウム質焼結体にロウ付け取着させる際、酸化アルミニウム質焼結体表面に予めメタライズ金属層を被着形成しておく必要はなく、その結果、セラミックーアルミニウム複合材と酸化アルミニウム質焼結体とのロウ付け取着が工程数を少なくして、極めて簡単に行うことができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
次に本発明を添付図面に基づき詳細に説明する。
図１は本発明のロウ材を半導体素子収納用パッケージの放熱板のロウ付けに適用した場合の一実施例を示し、図中、１は絶縁基体、２は蓋体である。この絶縁基体１と蓋体２とで半導体素子３を収容する容器４が構成される。
【００１４】
前記絶縁基体１はその上面に半導体素子３を収容するための空所を形成する凹部１ａが設けてあり、該凹部１ａ底面には半導体素子３が載置され、ガラス、樹脂、ロウ材等の接着剤を介して接着固定される。
【００１５】
前記絶縁基体１は酸化アルミニウム質焼結体から成り、例えば、酸化アルミニウム、酸化珪素、酸化マグネシウム、酸化カルシウム等の原料粉末に適当な有機バインダー、溶剤等を添加混合して泥漿物を作るとともに、該泥漿物をドクターブレード法やカレンダーロール法を採用することによってセラミックグリーンシート（セラミック生シート）と成し、しかる後、前記セラミックグリーンシートに適当な打ち抜き加工を施すとともにこれを複数枚積層し、約１６００℃の温度で焼成することによって製作される。
【００１６】
また前記絶縁基体１は凹部１ａ周辺から外周縁にかけて複数個のメタライズ配線層５が被着形成されており、該メタライズ配線層５の凹部１ａ周辺部には半導体素子３の各電極がボンディングワイヤ６を介して電気的に接続され、また絶縁基体１の上面外周縁に導出された部位には外部電気回路と接続される外部リード端子７が銀ロウ等のロウ材を介してロウ付け取着されている。
【００１７】
前記メタライズ配線層５は半導体素子３の各電極を外部電気回路に接続する際の導電路として作用し、タングステン、モリブデン、マンガン等の高融点金属粉末により形成されている。
【００１８】
前記メタライズ配線層５はタングステン、モリブデン、マンガン等の高融点金属粉末に適当な有機バインダー、溶剤等を添加混合して得た金属ペーストを絶縁基体１となるセラミックグリーンシートに予め従来周知のスクリーン印刷法により所定パターンに印刷塗布しておくことによって絶縁基体１の凹部１ａ周辺から外周縁にかけて被着形成される。
【００１９】
また前記メタライズ配線層５はその露出する表面にニッケル、金等の耐蝕性に優れ、かつロウ材との濡れ性に優れる金属を１μｍ〜２０μｍの厚みにメッキ法により被着させておくと、メタライズ配線層５の酸化腐蝕を有効に防止することができるとともにメタライズ配線層５への外部リード端子７のロウ付けを強固となすことができる。従って、前記メタライズ配線層５は、その露出する表面にニッケル、金等の耐蝕性に優れ、かつロウ材との濡れ性に優れる金属を１μｍ〜２０μｍの厚みに被着させておくことが好ましい。
【００２０】
更に前記メタライズ配線層５には外部リード端子７が銀ロウ等のロウ材を介してロウ付け取着されており、該外部リード端子７は容器４内部に収容する半導体素子３の各電極を外部電気回路に電気的に接続する作用をなし、外部リード端子７を外部電気回路に接続することによって容器４内部に収容される半導体素子３はメタライズ配線層５及び外部リード端子７を介して外部電気回路に接続されることとなる。
【００２１】
前記外部リード端子７は鉄ーニッケルーコバルト合金や鉄ーニッケル合金等の金属材料から成り、例えば、鉄ーニッケルーコバルト合金等の金属から成るインゴット（塊）に圧延加工法や打ち抜き加工法等、従来周知の金属加工法を施すことによって所定の形状に形成される。
【００２２】
前記外部リード端子７が被着された絶縁基体１はまたその下面に放熱板８がロウ材９を介して取着されており、該放熱板８は半導体素子３が作動時に発する熱を良好に吸収するとともに大気中に効率良く放散させて半導体素子３を常に適温となし、これによって半導体素子３は常に正常に作動することが可能となる。
【００２３】
前記放熱板８はセラミックーアルミニウム複合材から成り、例えば、炭化珪素とアルミニウムのセラミックー金属複合材で形成されている。
【００２４】
前記放熱板８を形成するセラミックーアルミニウム複合材はその熱伝導率が２００Ｗ／ｍ・Ｋ以上であり、熱を極めて伝え易い材料であることから絶縁基体１の下面に取着させた場合、半導体素子３の作動時に発する熱は絶縁基体１を介して放熱板８に良好に吸収され、かつ放熱体８を介して大気中に効率良く放散されることとなる。
【００２５】
また前記放熱板８を形成するセラミックーアルミニウム複合材はその熱膨張係数が６×１０−６／℃〜９×１０−６／℃であり、酸化アルミニウム質焼結体から成る絶縁基体１の熱膨張係数（約７×１０−６／℃）に近似することから絶縁基体１の下面に放熱板８を取着させた後、絶縁基体１と放熱板８に半導体素子３が作動時に発する熱等が印加されたとしても両者間には両者の熱膨張係数の相違に起因する熱応力が発生することはなく、その結果、絶縁基体１の下面に放熱板８を常に強固に取着し、半導体素子３が作動時に発した熱を放熱板８を介して大気中に常に良好に放散させることが可能となる。
【００２６】
なお、前記放熱板８を形成するセラミックーアルミニウム複合材は、炭化珪素とアルミニウムの複合材からなる場合、例えば、炭化珪素粉末（粒径約１０μｍ）を１０００ｋｇｆ／ｃｍ２  の圧力で加圧成形するとともにこれを還元雰囲気中、約１５００℃の温度で焼成して多孔質の炭化珪素焼結体を得、次に７００℃の温度で加熱溶融させたアルミニウムを炭化珪素焼結体の多孔部分及び表面に毛管現象等を利用して含浸させることによって製作される。
【００２７】
また前記放熱板８はその重量が銅ータングステン合金に比較して１／５程度であり、軽いことからこの放熱板８が取着された半導体素子収納用パッケージに半導体素子３を収容して半導体装置を形成した場合、該半導体装置の重量も極めて軽量なものとなり、近時の小型化、軽量化が進む電子装置にも実装が可能となる。
【００２８】
更に、前記セラミックーアルミニウム複合材から成る放熱板８の絶縁基体１下面への取着は、アルミニウムが５７乃至６４重量％、銅が２８乃至３１重量％、チタンが５乃至１５重量％から成るロウ材９を介して行われる。
【００２９】
前記アルミニウムが５７乃至６４重量％、銅が２８乃至３１重量％、チタンが５乃至１５重量％から成るロウ材９はその溶融温度が６３０℃以下であり、低いことから絶縁基体１の下面にセラミックーアルミニウム複合材から成る放熱板８をロウ材９を介して取着する際、ロウ材９を溶融させる熱が放熱板８に印加されたとしてもセラミックーアルミニウム複合材から成る放熱板８のアルミニウムが溶出することはなく、その結果、絶縁基体１の下面にセラミックーアルミニウム複合材から成る放熱板８をロウ材９を介して強固にロウ付け取着することができる。
【００３０】
また前記ロウ材９はその内部に活性金属であるチタンが含有されていることからセラミックーアルミニウム複合材から成る放熱板８を絶縁基体１にロウ付け取着させる際、絶縁基体１に予めメタライズ金属層を被着形成しておく必要はなく、その結果、絶縁基体１に対する放熱板８のロウ付け取着の作業が工程数の少ない、極めて簡単なものとなすことができる。
【００３１】
なお、前記ロウ材９はそれを構成するアルミニウムは銅と合金を形成して、絶縁基体１と放熱板８とを接合させる作用をなし、アルミニウムの量が５７重量％未満、銅の量が３１重量％を超えた場合、或いは、アルミニウムの量が６４重量％を超え、銅の量が２８重量％未満の場合、ロウ材９のロウ付け温度が高いものとなってしまう。従って、ロウ材９はアルミニウムの量は５７乃至６４重量％、銅の量は２８乃至３１重量％の範囲に特定される。
【００３２】
また前記ロウ材９はそれを構成するチタンがロウ材９と絶縁基体１とをメタライズ金属層を不要として直接接合させる作用をなし、その含有量が５重量％未満であるとロウ材９を絶縁基体１に強固に接合させることができず、また１５重量％を超えるとロウ材９のロウ付け温度が高いものとなってしまう。従って、ロウ材９のチタンはその含有量が５乃至１５重量％の範囲に特定される。
【００３３】
かくして、上述の半導体素子収納用パッケージによれば、絶縁基体１の凹部１ａ底面に半導体素子３をガラス、樹脂、ロウ材等から成る接着剤を介して接着固定するとともに該半導体素子３の各電極をボンディングワイヤ６を介して所定のメタライズ配線層５に接続させ、しかる後、前記絶縁基体１の上面に蓋体２をガラス、樹脂、ロウ材等から成る封止材を介して接合させ、絶縁基体１と蓋体２とから成る容器４内部に半導体素子３を気密に収容することによって製品としての半導体装置となる。
【００３４】
なお、本発明は上述の実施例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲であれば種々の変更は可能であり、例えば、上述の実施例では本発明のロウ材を半導体素子収納用パッケージの絶縁基体１と放熱板８との取着、即ち、酸化アルミニウム質焼結体と、炭化珪素とアルミニウムとの複合材との取着に使用したが、セラミックーアルミニウム複合材として、炭化珪素とアルミニウムの複合材に限定されるものではなく、セラミックとして炭化珪素以外の例えば、酸化アルミニウム等のセラミックも使用可能である。
【００３５】
（実験例）
次に、本発明の作用効果を以下に述べる実験例に基づき説明する。
まず炭化珪素が５０重量％、アルミニウムが５０重量％から成る直径６ｍｍ、長さ３ｍｍの円柱状をなすセラミックーアルミニウム複合材を準備し、次にこれを酸化アルミニウム質焼結体から成る直径６ｍｍ、長さ３ｍｍの円柱状セラミック材の表面に表１に示す所定量のアルミニウム（Ａｌ）、銅（Ｃｕ）及びチタン（Ｔｉ）から成る各種のロウ材試料を用いて所定のロウ付け温度で直接、ロウ付け取着し、しかる後、セラミックーアルミニウム複合材を酸化アルミニウム質焼結体から成るセラミック材より引っ張り、セラミックーアルミニウム複合材がセラミック材より剥がれた際の引っ張り力を接合強度として評価した。
【００３６】
また同時にセラミックーアルミニウム複合材と酸化アルミニウム質焼結体から成るセラミック材を顕微鏡で観察し、セラミックーアルミニウム複合材のアルミニウムの溶出を確認した。
【００３７】
なお、試料番号１７は本発明と比較するための比較試料であり、ロウ材として従来一般的に使用されている銀ロウ材（銀と銅の合金）を使用したものである。
【００３８】
またこの場合、銀ロウ材はセラミック材に直接接合しないことからセラミック材の表面には予めモリブデン（Ｍｏ）やマンガン（Ｍｎ）から成るメタライズ金属層が被着されており、更に該メタライズ金属層の表面には厚さ３μｍのニッケルメッキ層が被着されている。
上記の結果を表１に示す。
【００３９】
【表１】
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【００４０】
上記実験結果からも判るように、従来のロウ材、即ち、銀ロウ材はそのロウ付け温度が約９００℃と高いため、セラミックーアルミニウム複合材のアルミニウムが多量に溶出してしまうものであるのに対し、本発明のロウ材はそのロウ付け温度が６３０℃以下と低く、セラミックーアルミニウム複合材のアルミニウムに溶出が認められず、かつ接合強度を１ｋｇｆ／ｍｍ２  以上としてセラミック材に極めて強固にロウ付け取着させることが可能となる。
【００４１】
【発明の効果】
本発明のロウ材は、アルミニウムが５７乃至６４重量％、銅が２８乃至３１重量％、チタンが５乃至１５重量％から成り、そのロウ付け温度が６３０℃以下と低いことからセラミックーアルミニウム複合材を、酸化アルミニウム質焼結体にロウ付けする際、セラミックーアルミニウム複合材のアルミニウムが溶出することはなく、その結果、セラミックーアルミニウム複合材を、酸化アルミニウム質焼結体に極めて強固にロウ付け取着することができる。
【００４２】
また本発明のロウ材は、その内部に活性金属であるチタンが５乃至１５重量％含有されていることからセラミックーアルミニウム複合材を酸化アルミニウム質焼結体にロウ付け取着させる際、酸化アルミニウム質焼結体表面に予めメタライズ金属層を被着形成しておく必要はなく、その結果、セラミックーアルミニウム複合材と酸化アルミニウム質焼結体とのロウ付け取着が工程数を少なくして、極めて簡単に行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のロウ材を半導体素子収納用パッケージの絶縁基体と放熱板との接合に使用した場合の一実施例を示す断面図である。
【符号の説明】
１・・・・・・・・絶縁基体
２・・・・・・・・蓋体
３・・・・・・・・半導体素子
４・・・・・・・・容器
５・・・・・・・・メタライズ配線層
７・・・・・・・・外部リード端子
８・・・・・・・・放熱板
９・・・・・・・・ロウ材
【図１】
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