(57)【要約】【課題】鉄，ニッケルまたはコバルトの少なくとも１種を含有する金属部材を、活性金属としてＴｉ、ＺｒまたはＨｆの少なくとも１種を含有するＡｇ−Ｃｕ系ろう材を介してセラミックスに接合した場合、ろう材濡れの劣化やろう材内のクラックの発生により、信頼性の低下等の問題が発生する。【解決手段】活性金属であるＴｉ，ＺｒまたはＨｆの少なくとも１種とセラミックスとの反応層の厚みが０．２〜１μｍであり、Ａｇ−Ｃｕ系ろう材と金属部材の鉄，ニッケルまたはコバルトの少なくとも１種との合金層の厚みが１〜１５μｍであるセラミックス−金属部材接合体である。合金層が原因となるろう材融点の上昇に伴うろう材濡れの劣化や、ろう材内の応力集中によるクラックの発生による、信頼性の低下等の問題を発生させることなく、セラミックスとろう材との接合強度および金属部材とセラミックス材との接合強度を確保できる。【選択図】　なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
セラミックスから成る絶縁基体の表面に、鉄，ニッケルまたはコバルトの少なくとも１種を含有する金属部材を、活性金属としてＴｉ，ＺｒまたはＨｆの少なくとも１種を含有するＡｇ−Ｃｕ系ろう材を介して接合して成り、該ろう材と前記絶縁基体との間に前記活性金属と前記セラミックスとの反応層が形成されているとともに前記ろう材と前記金属部材との間に前記ろう材と鉄，ニッケルまたはコバルトの少なくとも１種との合金層が形成されたセラミックス−金属部材接合体において、前記反応層の厚みが０．２〜１μｍであり、前記合金層の厚みが１〜１５μｍであることを特徴とするセラミックス−金属部材接合体。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は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や回路基板・電子回路モジュール等に使用される配線基板に関し、特に絶縁基体の表面に取着された外部リード端子・ボール端子等の端子部材や放熱部材・シール部材等の金属部材の接合信頼性を高めたセラミックス−金属部材接合体に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
半導体集積回路素子等の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や、高周波回路や電力回路等を構成する回路基板あるいは電子回路モジュール等には、絶縁基体の表面および／または内部に配線導体を有する配線基板が使用される。また、この配線基板には、外部リード端子・ボール端子等の端子部材や放熱板・放熱フィン等の放熱部材、あるいは配線基板と蓋体とから成る容器の内部に半導体素子を気密に収容するために金属製蓋体を取着するためのシールリング等のシール部材といった金属部材が、配線基板の表面のメタライズ配線導体やメタライズ層に、あるいは配線基板の絶縁基体に直接にろう材を介して取着される。
【０００３】
例えば、半導体素子収納用パッケージの場合であれば、一般にアルミナセラミックス等の電気絶縁材料から成り、その上面の略中央部に半導体素子を収容するための凹部およびこの凹部周辺から外周端にかけて導出されたタングステン・モリブデン等の高融点金属粉末から成る複数のメタライズ配線導体を有する絶縁基体としての配線基板と、半導体素子を外部電気回路に電気的に接続するためにメタライズ配線導体にＡｇろう等のろう材を介して取着された外部リード端子・ボール端子等の端子部材と、蓋体とから構成され、また必要に応じて金属製放熱部材等が配線基板の表面に被着されたメタライズ層にろう材を介して取着されており、配線基板の凹部の底面に半導体素子をガラスや樹脂等から成る接着剤を介して接着固定し、半導体素子の各電極とメタライズ配線導体とをボンディングワイヤを介して電気的に接続させるとともに、配線基板の上面に蓋体をガラスや樹脂等の封止材を介して接合し、配線基板と蓋体とから成る容器の内部に半導体素子を気密に封止することによって半導体装置が構成される。
【０００４】
しかしながら、アルミナセラミックス等のセラミックスにおいては、焼成時に焼結収縮を引き起こすため、焼成後の寸法精度が悪く、ろう付け工程において接合位置ずれを起こしやすい。このような接合位置ずれを起こすと、ろう付けしたメタライズ配線導体やメタライズ層の端部に破壊応力が集中し、セラミックスとメタライズ配線導体やメタライズ層との界面において剥がれが生じたり、セラミックスそのものがその破壊応力に屈して破壊したりして、接合信頼性が低下するという問題があった。
【０００５】
そこで、活性金属としてＴｉ，ＺｒまたはＨｆの少なくとも１種を含有するＡｇ−Ｃｕ系ろう材を用いて、メタライズ配線導体やメタライズ層上にではなく、セラミックスに金属部材を直接接合する手法が提案された。
【０００６】
この手法では、焼成後のセラミックスにろう材ペーストを印刷し、メタライズ層を介さずにセラミックスと金属部材に直接ろう付けを行なうため、セラミックスの焼結収縮ばらつきによるメタライズ層の位置ずれを気にせずに精度良くセラミックスと金属部材とを接合することができる。
【０００７】
この活性金属を用いた接合法において、セラミックスが例えば酸化物系セラミックスの場合であれば、セラミックス中の酸素とろう材中の活性金属とが反応層を形成し、それによりセラミックスと金属部材とは強固な接合強度を得る。
【０００８】
ここで、活性金属を含有するＡｇ−Ｃｕ系ろう材とセラミックスとの接合強度は、活性金属とセラミックスとの反応層の厚みに依存するため、この反応層の厚みを適正な厚みに制御する必要がある。この反応層が薄すぎると、反応層を一様に形成することが困難となり、セラミックスとろう材との濡れが悪くなるため、接合強度が著しく低くなる。逆に厚すぎても、反応層内で破壊が始まり、接合強度が低くなる。例えば、窒化物系セラミックスに金属部材を接合する場合は、特開平５−１４８０５３号公報によれば、反応層の厚みとして４〜７μｍが推奨されている。ただし、反応層が連続的に形成されて均一であれば、厚みが４μｍ未満であっても良いとされている。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、セラミックスから成る絶縁基体の表面に、鉄，ニッケルまたはコバルトの少なくとも１種を含有する金属部材を、活性金属としてＴｉ，ＺｒまたはＨｆの少なくとも１種を含有するＡｇ−Ｃｕ系ろう材を介して接合した場合には、活性金属とセラミックスとの反応層（例えばアルミナセラミックスの場合であればＴｉと酸素との反応層）が形成されるが、それとともに、ろう材中の活性金属に対して金属部材の成分である鉄，ニッケル，コバルトの拡散速度が速いため、活性金属と鉄，ニッケルまたはコバルトの少なくとも１種とが反応してその合金層が生成されることとなる。その結果、この合金層が生成されることにより、ろう材の融点が上昇し、ろう材の濡れの劣化や、ろう材内の応力集中によるクラックの発生により、信頼性の低下等の問題が発生していた。
【００１０】
本発明は上記従来技術の問題点に鑑み案出されたものであり、その目的は、セラミックスとＡｇ−Ｃｕ系ろう材との接合強度を確保し、かつ鉄，ニッケルまたはコバルトの少なくとも１種を含有する金属部材とセラミックスとの接合強度を確保して、良好なろう付け状態のセラミックス−金属部材接合体を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明のセラミックス−金属部材接合体は、セラミックスから成る絶縁基体の表面に、鉄，ニッケルまたはコバルトの少なくとも１種を含有する金属部材を、活性金属としてＴｉ，ＺｒまたはＨｆの少なくとも１種を含有するＡｇ−Ｃｕ系ろう材を介して接合して成り、このろう材と前記絶縁基体との間に前記活性金属と前記セラミックスとの反応層が形成されているとともに前記ろう材と前記金属部材との間に前記ろう材と鉄，ニッケルまたはコバルトの少なくとも１種との合金層が形成されたセラミックス−金属部材接合体において、前記反応層の厚みが０．２〜１μｍであり、前記合金層の厚みが１〜１５μｍであることを特徴とするものである。
【００１２】
本発明のセラミックス−金属部材接合体によれば、ろう材と絶縁基体との間に形成される活性金属とセラミックスとの反応層の厚みを０．２〜１μｍとし、ろう材と金属部材との間に形成されるろう材と鉄，ニッケルまたはコバルトの少なくとも１種との合金層の厚みを１〜１５μｍとしたことにより、活性金属とセラミックスとの反応層およびろう材と金属部材との合金層をそれぞれ一様に連続して形成することが可能となるため、セラミックスとろう材の活性金属との反応層の形成不十分によるろう材の濡れ不良の発生を防止し、かつ金属部材へのろう材の濡れ性を確保することができ、また、活性金属とセラミックスとの反応層は脆弱であるため、反応層の厚みを１μｍ以下にすることにより、反応層とろう材あるいはセラミックスとの熱膨張差による反応層内での破壊の発生を防止し、かつ合金層の厚みを１５μｍ以下にすることにより、合金層が厚すぎることによるろう材融点の上昇に伴うろう材濡れの劣化や、ろう材内の応力集中によるクラックの発生による信頼性の低下等の問題を防止することができる。これにより、セラミックスとろう材との接合強度を確保し、かつ金属部材とセラミックスとの接合強度を確保した、良好なろう付け状態のセラミックス−金属部材接合体を提供することが可能となる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明のセラミックス−金属部材接合体について詳細に説明する。
【００１４】
図１は本発明のセラミックス−金属部材接合体の実施の形態の一例を示す断面図であり、この例ではセラミックパッケージとリードピンとの接合に適用した例を示している。図１において、１は活性金属ろう材、２は金属部材としてのリードピン、３はセラミックパッケージ、４は半導体素子である。セラミックパッケージ３のセラミックスから成る絶縁基体５の上面中央部には、半導体素子４を搭載するための半導体素子搭載部７を有している。
【００１５】
セラミックパッケージ３を構成するセラミックスから成る絶縁基体５は、酸化アルミニウム質焼結体・ムライト質焼結体・窒化珪素質焼結体・窒化アルミニウム質焼結体・ガラスセラミックス焼結体等の電気絶縁材料から成る例えば略四角形状の板体であり、その内部に配線導体６を有している。このようなセラミックパッケージ３は、例えば以下のようにして得られる。
【００１６】
絶縁基体５が酸化アルミニウム質焼結体から成る場合であれば、まず酸化アルミニウム・窒化珪素・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溶剤・溶媒を添加混合して泥漿状となすとともに、これを従来周知のドクターブレード法やカレンダーロール法によりシート状に成形してセラミックグリーンシート（セラミック生シート）を得る。
【００１７】
次に、このセラミックグリーンシートに、導体材料粉末をペースト化した導体ペーストをスクリーン印刷法やグラビア印刷法等により印刷するか、あるいは所定パターン形状の金属箔を転写する等の方法を用いて配線導体６を形成する。導体ペーストの導体材料としては、酸化アルミニウム質焼結体に対しては、ＷやＭｏ等が一般に用いられる。なお、この配線導体６には、絶縁基体５中で上下に位置する導体パターン同士を接続するためのビア導体やスルーホール導体等といった貫通導体の部分も含まれる。これら貫通導体は、例えば、パンチング加工等によりセラミック・グリーンシートに形成した貫通孔に導体ペーストを充填することによって形成される。
【００１８】
次に、この配線導体６を形成したセラミックグリーンシートを複数枚積層し、高温（酸化アルミニウムの場合であれば約１６００℃）で焼成することによって、セラミックパッケージ３が製作される。
【００１９】
そして、セラミックパッケージ３の表面の所定部位に活性金属としてＴｉ，ＺｒまたはＨｆの少なくとも１種を含有するＡｇ−Ｃｕ系ろう材である活性金属ろう材１をペースト化したものをスクリーン印刷法やグラビア印刷法等により印刷し、金属部材であるリードピン２とセラミックスであるセラミックパッケージ３の絶縁基体５との接合（ろう付け）を行なう。
【００２０】
セラミックスから成る絶縁基体５の表面に直接、活性金属ろう材１を介して接合される金属部材としては、リードピン２の他にも配線基板やこれを用いた半導体素子収納用パッケージ・電子回路モジュール等の仕様に応じて種々のものが用いられ、例えば、電気回路を構成するための金属回路板・金属配線板等や、外部電気回路との接続用のリード端子・ボール状端子等や、配線基板から外部に熱を放散させるための放熱板・ヒートシンク・放熱フィン等や、配線基板に金属蓋体等を取着するためのシールリング等がある。
【００２１】
これら金属部材の材質は、その用途等に応じて適切なものが用いられ、例えば、リード端子やリードピン２であればＦｅ−Ｎｉ合金・Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金・Ｎｉ・Ｎｉ−Ｃｕ合金等が、シールリングであればＦｅ−Ｎｉ合金・Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金・Ｆｅ系合金等が用いられる。
【００２２】
活性金属ろう材１となるＡｇ−Ｃｕ系ろう材は、ＢＡｇ−８（７２質量％Ａｇ−２８質量％Ｃｕ）ろう材を始めとして、Ａｇが６０〜８０質量％でＣｕが２０〜４０質量％の組成のろう材が用いられる。また、金属部材をセラミックスから成る絶縁基体５の表面に接合する活性金属ろう材１には、このＡｇ−Ｃｕ系ろう材に、活性金属であるＴｉ，ＺｒまたはＨｆの少なくとも１種を金属または水素化物の状態で外添加で２〜１０質量％添加して含有させたものが用いられる。
【００２３】
この活性金属ろう材１を介して金属部材であるリードピン２をセラミックスから成る絶縁基体５に接合するには、例えば、この活性金属ろう材１の粉末に有機溶剤・バインダ・溶媒を合わせて５〜１５質量％外添加で混合して得たろう材ペーストを、絶縁基体５の表面にスクリーン印刷法等によりリードピン２に対応した所定パターンに印刷し、これにリードピン２を載置して、これを真空中または中性雰囲気中もしくは還元雰囲気中で所定温度（約８００℃）で加熱処理し、活性金属ろう材１を溶融させて、絶縁基体５とリードピン２とをろう付け接合する。
【００２４】
このとき、活性金属ろう材１の融点およびろう付け後の接合部の外観や反応層および合金層の厚み等を考慮して、活性金属の含有量・ボリューム・ブレージング最高到達温度や活性金属ろう材１の融点以上の温度の保持時間等を決める必要がある。その一例として、７２質量％Ａｇ−２８質量％ＣｕのいわゆるＢＡｇ−８と呼ばれるろう材に活性金属としてＴｉＨ２を３質量％添加した活性金属ろう材１を用いて絶縁基体５にピン径が０．３ｍｍ，ヘッド径が０．４５ｍｍ，ヘッド厚みが０．２ｍｍのリードピン２を接合する場合ならば、活性金属ろう材１を直径を０．８８ｍｍかつ厚みを６０μｍとして絶縁基体５の表面に印刷し、真空炉にて最高温度７９５℃から８５０℃で５分から１時間保持すれば、良好な接合状態が得られる。
【００２５】
ここで、活性金属ろう材１中の活性金属とセラミックスとの反応層の厚みおよびろう材と金属部材の鉄，ニッケルまたはコバルトの少なくとも１種との合金層の厚みは、以下のような理由から、反応層の厚みを０．２〜１μｍ、合金層の厚みを１〜１５μｍの範囲としておくことが重要である。
【００２６】
反応層の厚みが０．２μｍより薄いときは、反応層を絶縁基体５上に一様に形成することが困難であり、まだら模様に反応層が形成されてしまう。一般的にＡｇ−Ｃｕ系ろう材とセラミックスから成る絶縁基体５とは濡れないため、反応層の厚みが０．２μｍより薄いときは、金属部材であるリードピン２およびセラミックスから成る絶縁基体５との活性金属ろう材１の濡れが悪くなる。それにより、特にリードピン２を接合した場合では、セラミックスから成る絶縁基体５とろう材１の反応層の界面において簡単に破壊してしまうこととなる。
【００２７】
逆に反応層の厚みが１μｍより厚いときは、反応層と活性金属ろう材１あるいは反応層と絶縁基体５との熱膨張差が起因となり、反応層内で破壊が生じてしまい、高強度の接合状態を保てなくなる。
【００２８】
また、合金層の厚みが１μｍより薄いときは、活性金属を含有しないＡｕ−Ｃｕ系ろう材とリードピン２との濡れが悪いため、リードピン２とろう材との密着が悪く、リードピン２が活性金属ろう材１からすっぽ抜けるような破壊を示す。
【００２９】
逆に、合金層の厚みが１５μｍよりも厚いときは、金属部材に熱応力や外部応力が生じたとき、合金層とろう材の硬度が異なることから、活性金属ろう材１中の合金層にその応力が集中し、その結果、合金層を基点として破壊が生じる。
【００３０】
このような活性金属ろう材１中の反応層や合金層の厚みは、波長分散型Ｘ線マイクロアナライザ（ＥＰＭＡ）や走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）を用いることにより、測定することができる。上述の数値は、波長分散型Ｘ線マイクロアナライザを用いて、加速電圧１５ｋＶ、プローブ電流０．５×１０−７Ａの測定条件において、１つの試料のそれぞれ１０箇所の反応層および合金層の厚みを測定し、平均化して求めたものである。
【００３１】
活性金属ろう材１中の反応層の厚みおよび合金層の厚みを変え、またその比率を変えるには、セラミックスから成る絶縁基体５に活性金属ろう材１を印刷し、その上に活性金属の含有量が異なる活性金属ろう材１を印刷することにより、活性金属ろう材１中の活性金属の濃度勾配を付けて、金属部材を接合する手法が効果的である。このように活性金属ろう材１中の活性金属の濃度勾配を付ける手法としては、この他に、セラミックスから成る絶縁基体５に活性金属ろう材１を印刷し、あらかじめ活性金属の含有量が異なる活性金属ろう材１をクラッドした金属部材を接合する手法もある。
【００３２】
例えば、ガラスセラミックスから成る絶縁基体５の表面に、Ａｇ：７２質量％とＣｕ：２８質量％とから成るＢＡｇ−８組成のＡｕ−Ｃｕ系ろう材に活性金属としてのＴｉＨ２およびバインダを１０質量％外添加したペースト状の活性金属ろう材１を絶縁基体５上および絶縁基体５上に印刷したろう材上にそれぞれ３０μｍの厚みで印刷して、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金製リードピン２を接合する場合であれば、絶縁基体５上に印刷する活性金属ろう材１に添加するＴｉＨ２量は２〜６質量％、その活性金属ろう材１上に印刷する活性金属ろう材１に添加するＴｉＨ２量は０〜６質量％で含有量が異なるものにすれば良い。
【００３３】
その他、セラミックスの材料を酸化アルミニウムセラミックス等の酸化物系セラミックスや窒化アルミニウムセラミックス等の窒化物系セラミックス等の材料に変更する場合、金属部材をＦｅ−Ｎｉ合金等に変更する場合、あるいは活性金属の種類をＴｉからＺｒやＨｆに変更する場合には、活性金属ろう材１に添加する活性金属の量を上記の範囲を超えて調整するか、ブレージング最高到達温度や活性金属ろう材１の融点以上の温度の保持時間を変更することにより、反応層の厚みを０．１〜１μｍに、合金層の厚みを１〜１５μｍにすることができる。
【００３４】
以上のようにして、リードピン２と絶縁基体５とを接合することにより、絶縁基体５のセラミックスと活性金属ろう材１との接合強度を確保し、かつリードピン２と絶縁基体５との接合強度を確保して、良好なろう付け状態のセラミックス−金属部材接合体を提供することが可能となる。
【００３５】
セラミックパッケージ３とリードピン２との接合前あるいは接合後に、絶縁基体５の表面に形成される配線導体６ならびにメタライズ層の露出する表面には、必要に応じて、耐蝕性に優れかつＡｇ−Ｃｕ系ろう材との濡れ性が良好なＮｉやＡｕ等の金属皮膜が１〜２０μｍの厚みでめっき法等により被着される。
【００３６】
Ｎｉめっき層は、例えばＰを４〜１２質量％程度含有する無電解Ｎｉ−Ｐめっきから成る。このようなＮｉめっき層は、まず、配線導体６が形成された絶縁基体５を界面活性剤と塩酸水溶液とから成る温度が２５〜５０℃の酸性の洗浄液に１〜５分間浸漬して配線導体６の表面を清浄とし、次にこれを純水で洗浄した後、塩化パラジウム・水酸化カリウム・エチレンジアミンテトラアセティクアシッドから成る温度が２５〜４０℃のパラジウム活性液中に１〜５分間程度浸漬して配線導体６の表面にパラジウム触媒を付着させ、次にこれを純水で洗浄した後、硫酸ニッケル・クエン酸ナトリウム・酢酸ナトリウム・次亜リン酸ナトリウム・塩化アンモニウムから成る温度が５０〜９０℃の無電解Ｎｉめっき液中に２〜６０分間浸漬することによって配線導体６の表面に被着される。
【００３７】
なお、Ｎｉめっき層は、その厚みが１μｍ未満では、絶縁基体５の表面に形成された配線導体６、図１に示す例では電極パッド８となる部位の表面を良好に被覆することができずに、配線導体６の表面に酸化や変色をきたす傾向にあり、他方、２０μｍを超えると、Ｎｉめっき層の内部応力によりＮｉめっき層にクラックや剥がれが発生してしまいやすい。したがって、Ｎｉめっき層の厚みは１〜２０μｍの範囲が好ましい。
【００３８】
また、Ｎｉめっき層を上述のように無電解Ｎｉ−Ｐめっきから形成する場合は、Ｎｉめっき層中のＰの含有量が４質量％未満であると、配線導体６にＮｉめっき層を被着させる際にＮｉめっきの析出速度が遅くなり、所定の厚みのＮｉめっき層を得るために長時間を要することとなるので生産性が極めて悪くなり、他方、１２質量％を超えると、Ｎｉめっき層上に被着させるＡｕめっき層との反応性が悪くなり、Ｎｉめっき層をＡｕめっき層で良好に被覆することが困難となる傾向にある。したがって、Ｎｉめっき層中のＰの含有量は、４〜１２質量％の範囲が好ましい。
【００３９】
特に、絶縁基体５とリードピン２との接合後に無電解めっき法によりＮｉ−Ｐめっきを施すときには、活性金属ろう材１の周りの絶縁基体５上にＮｉめっき層が広がってしまい、隣接する配線導体６が短絡してしまう場合がある。これを防止するには、活性金属ろう材ペースト中のバインダ量を少なくして、絶縁基体５のセラミックスの表面における炭素の残留を減らして絶縁基体５の表面にＮｉめっきがかかる要因を減らすか、めっきの前処理の段階でセラミックスの表面をエッチングすることにより、ろう付け時に溶融・気化して活性金属ろう材１の周りのセラミックスの表面に付着したＡｇやＣｕといったろう材成分を除去することによって回避することが可能である。ここで、活性金属ろう材ペースト中のバインダ量としては、以上のような理由と印刷性の観点から、８〜１２質量％外添加するのが適当である。さらに無電解めっき時の耐熱変色性の悪さを改善するために、めっき後に４００℃以上で加熱処理することにより、めっき皮膜を緻密化させることが効果的である。
【００４０】
そして、半導体素子搭載部７上にエポキシ樹脂や銀エポキシ樹脂等を用いて半導体素子４を搭載し、この半導体素子４上の電極と絶縁基体５の半導体素子搭載部７の近傍に形成され、配線導体６の一部として形成された電極パッド８とを金・銅・アルミニウム等の金属細線で電気的に接続した後、銅やアルミニウム等から成る金属製または酸化アルミニウム質焼結体等から成るセラミック製の蓋体９をエポキシ等の樹脂やＡｕＳｎ・ＡｕＧｅといった金属ろう材等による封着または溶接によって封止することによって、セラミックパッケージ３を用いた半導体装置となる。
【００４１】
【実施例】
次に、本発明のセラミックス−金属部材接合体について、具体例を説明する。
【００４２】
まず、ガラスセラミックスから成る絶縁基体の表面に、Ａｇ：７２質量％とＣｕ：２８質量％とから成るＢＡｇ−８組成のＡｕ−Ｃｕ系ろう材に活性金属としてのＴｉＨ２およびバインダを１０質量％外添加した活性金属ろう材ペーストをスクリーン印刷して直径０．８８ｍｍのろう材パターンを形成し、これを介して金属部材としてピン径が０．３ｍｍ，ヘッド径が０．４５ｍｍ，ヘッド厚みが０．２ｍｍのＦｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金製リードピンを真空炉にて最高温度８００℃で１５分保持することにより接合した。
【００４３】
その後、このリードピンの接合強度を４５°方向に１０ｍｍ／分の速度で引っ張る引っ張り試験により評価した。この形状のリードピンにおいては、接合強度が１５Ｎ以上あればリードピンは折り曲げに耐えうるが、１５Ｎ未満しか接合強度がない場合にはリードピンに外部から力が加わったときにリードピンが折れ曲がる前に破壊してしまうため、ソケット挿入時にリードピンが取れてしまうといった不具合が発生することとなる。これより、接合強度の判断基準としては、１５Ｎ以上であれば実用上問題ないとした。
【００４４】
そして、Ａｇ：７２質量％とＣｕ：２８質量％とから成るＢＡｇ−８組成のＡｕ−Ｃｕ系ろう材にＴｉＨ２を表１に示す実施例１〜５のそれぞれの添加量で添加した活性金属ろう材ペーストを、絶縁基体上および絶縁基体上に印刷したろう材上にそれぞれ３０μｍの厚みで印刷して、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金製リードピンを接合し、その断面状態を観察して、ろう材の活性金属とセラミックスとの反応層の厚みおよびろう材と金属部材の鉄，ニッケルまたはコバルトの少なくとも１種との合金層の厚みを調べるとともに、引っ張り試験によりリードピンの破壊強度を測定して接合強度を評価した。
【００４５】
接合部の断面状態の代表例として、実施例２のリードピンの接合部の断面ＳＥＭ写真を図２に、この断面について、Ｔｉ元素でＥＰＭＡ分析した結果を示す分布状態図を図３に示す。
【００４６】
図２および図３において、１０はリードピン、１１は活性金属ろう材、１１ａは合金層、１１ｂは反応層、１２は絶縁基体を示している。なお、図２の写真中には、１０μｍの長さが目安として白線で表示されている。
【００４７】
これらの図から、この接合部では、ろう材１１中において、リードピン１０側にろう材１１と鉄，ニッケル，コバルトとの合金層であるＡｇ−Ｃｕ−Ｔｉ−Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金層１１ａが６．２μｍの厚みで、また絶縁基体１２側に活性金属とセラミックスとの反応層であるＴｉ−Ｏ反応層１１ｂが０．５５μｍの厚みで形成されていることが分かる。
【００４８】
また、同様にして実施例１，３〜５についても断面状態を観察して、それぞれ合金層および反応層の厚みを求めた。これらの結果を表１に示す。
【００４９】
【表１】
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【００５０】
表１に示す結果から分かるように、実施例１〜５では、反応層の厚みが０．３７〜０．９２μｍで、かつ合金層の厚みが３．５〜１５μｍであり、リードピンの接合強度（破壊強度）が１５Ｎ以上であった。
【００５１】
次に、反応層の厚みと合金層の厚みとの比率を変えるため、実施例１〜５と同様にして、ＴｉＨ２を表１に示す実施例６〜１３のそれぞれの添加量で添加した活性金属ろう材を用いてリードピンを接合し、同じく反応層の厚み，合金層の厚みおよび破壊強度を求めた。
【００５２】
実施例６〜１３では反応層の厚みは０．３３〜０．５４μｍで、かつ合金層の厚みは１．３〜５．６μｍであり、リードピンの接合強度（破壊強度）は１５Ｎ以上であった。このように絶縁基体上のろう材とその上に印刷したろう材とのＴｉＨ２の添加量を変えることで合金層の厚みを薄くしたことにより、リードピンの接合強度が安定し、さらにろう材融点が合金層の周りで著しく上昇することもなく、リードピンへのろう材濡れも良好になった。
【００５３】
次に、比較例として、実施例１〜１３と同様にして、ＴｉＨ２を表１に示す比較例１〜３のそれぞれの添加量で添加した活性金属ろう材を用いてリードピンを接合し、同じく反応層の厚み，合金層の厚みおよび破壊強度を求めた。
【００５４】
比較例１・２では、反応層の厚みが０．１５μｍ以下で、かつ合金層の厚みが２μｍ以下であり、リードピンの破壊強度が１５Ｎ以下であって簡単に破壊してしまった。
【００５５】
一方、比較例３では、反応層の厚みが１．０７μｍで、かつ合金層の厚みが１８μｍであり、リードピンの破壊強度が１３Ｎであって絶縁基体のセラミックスを抉り取るように破壊してしまった。
【００５６】
以上のように、ガラスセラミックスから成る絶縁基体の表面に、Ａｇ：７２質量％とＣｕ：２８質量％とから成るＢＡｇ−８組成のＡｕ−Ｃｕ系ろう材に活性金属としてのＴｉＨ２およびバインダを１０質量％外添加したペースト状の活性金属ろう材を絶縁基体上および絶縁基体上に印刷したろう材上にそれぞれ３０μｍの厚みで印刷して、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金製リードピンを接合する場合であれば、絶縁基体上に印刷する活性金属ろう材に添加するＴｉＨ２量は２〜６質量％、その活性金属ろう材上に印刷する活性金属ろう材に添加するＴｉＨ２量は０〜６質量％で含有量が異なるものにすれば良い。
【００５７】
特に、反応層と合金層との厚みの比率を変えたいときは、活性金属ろう材中で活性金属の濃度勾配をつけて金属部材とセラミックスから成る絶縁基体とを接合すればよい。
【００５８】
その他、セラミックスの材料をガラスセラミックス以外の材料、例えば酸化アルミニウムセラミックス等の酸化物系セラミックスや窒化アルミニウムセラミックス等の窒化物系セラミックスに変更する場合、金属部材をＦｅ−Ｎｉ合金等に変更する場合、あるいは活性金属の種類をＴｉからＺｒやＨｆに変更する場合には、活性金属ろう材に添加する活性金属の量を上記の範囲を超えて調整するか、ブレージング最高到達温度や活性金属ろう材の融点以上の温度の保持時間を変更することにより、同様に反応層の厚みを０．１〜１μｍに、合金層の厚みを１〜１５μｍにして良好な接合状態を得ることができた。
【００５９】
なお、本発明は以上の実施の形態の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種々の変更を加えることは何ら差し支えない。
【００６０】
【発明の効果】
本発明のセラミックス−金属部材接合体によれば、ろう材と絶縁基体との間に形成される活性金属とセラミックスとの反応層の厚みを０．２〜１μｍとし、ろう材と金属部材との間に形成されるろう材と鉄，ニッケルまたはコバルトの少なくとも１種との合金層の厚みを１〜１５μｍとしたことにより、活性金属とセラミックスとの反応層およびろう材と金属部材との合金層をそれぞれ一様に連続して形成することが可能となるため、セラミックスとろう材の活性金属との反応層の形成不十分によるろう材の濡れ不良の発生を防止し、かつ金属部材へのろう材の濡れ性を確保することができ、また、活性金属とセラミックスとの反応層は脆弱であるため、反応層の厚みを１μｍ以下にすることにより、反応層とろう材あるいはセラミックスとの熱膨張差による反応層内での破壊の発生を防止することができ、かつ合金層厚みを１５μｍ以下にすることにより、合金層が厚すぎることが原因となるろう材融点の上昇に伴うろう材濡れの劣化や、ろう材内の応力集中によるクラックの発生による、信頼性の低下等の問題を発生させることなく、セラミックスとＡｇ−Ｃｕ系ろう材との接合強度を確保し、かつ鉄，ニッケルまたはコバルトの少なくとも１種を含有する金属部材とセラミックスとの接合強度を確保して、良好なろう付け状態のセラミックス−金属部材接合体を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のセラミックス−金属部材接合体の実施の形態の一例を示す断面図である。
【図２】本発明のセラミックス−金属部材接合体における絶縁基体とろう材とリードピンとの接合部の断面状態の例を示す断面ＳＥＭ写真である。
【図３】図２に示した断面についてＴｉ元素をＥＰＭＡ分析した結果を示す分布状態図である。
【符号の説明】
１・・・・活性金属ろう材
２・・・・リードピン
３・・・・セラミックパッケージ
４・・・・半導体素子
５・・・・絶縁基体
６・・・・配線導体
７・・・・半導体素子搭載部
１０・・・・Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金製リードピン
１１・・・・Ａｇ−Ｃｕ−Ｔｉろう材
１１ａ・・・・Ａｇ−Ｃｕ−Ｔｉ−Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金層
１１ｂ・・・・Ｔｉ−Ｏ反応層
１２・・・・ガラスセラミックスから成る絶縁基体
【図１】
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【図２】
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【図３】
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