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技術 ロウ材

出願人 京セラ株式会社
発明者 栂孝義池田成智
出願日 1998年11月25日 (20年9ヶ月経過) 出願番号 1998-334648
公開日 2000年6月13日 (19年3ヶ月経過) 公開番号 2000-158180
状態 特許登録済
技術分野 はんだ付・ろう付 はんだ付・ろう付材料 溶融はんだ付 セラミックスの接合 半導体容器とその封止
主要キーワード 多孔部分 金属複合材 アルミニウム複合材 ロウ付け温度 絶縁容器 銀ロウ材 水素化チタン 凹部底面
関連する未来課題
重要な関連分野

この項目の情報は公開日時点(2000年6月13日)のものです。
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図面 (2)

課題

セラミックアルミニウム複合材と、セラミック材金属材、セラミックー金属複合材とをロウ付け取着する際、セラミックーアルミニウム複合材のアルミニウムがロウ付けの熱で溶出してしまう。

解決手段

チタンもしくはその水素化物が10乃至17重量%、シリコンが9乃至15重量%、残部がアルミニウムから成るロウ材

概要

背景

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。

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。

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。

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。

そこで上記欠点を解消するために、軽量で、かつ良熱放散性セラミックアルミニウム複合材、具体的には、例えば、炭化珪素アルミニウム複合材を放熱板として使用することが考えられる。

概要

セラミックーアルミニウム複合材と、セラミック材金属材、セラミックー金属複合材とをロウ付け取着する際、セラミックーアルミニウム複合材のアルミニウムがロウ付けの熱で溶出してしまう。

チタンもしくはその水素化物が10乃至17重量%、シリコンが9乃至15重量%、残部がアルミニウムから成るロウ材。

目的

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セラミック材や金属材、或いはセラミックーアルミニウム複合材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。

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
0件

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請求項1

チタンもしくはその水素化物が10乃至17重量%、シリコンが9乃至15重量%、残部がアルミニウムから成り、セラミックアルミニウム複合材と、セラミック材金属材、またはセラミックー金属複合材とを接合させるためのロウ材

技術分野

0001

本発明はセラミックアルミニウム複合材セラミック材金属材、またはセラミックー金属複合材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。

背景技術

0002

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、炭化珪素アルミニウム複合材を放熱板として使用することが考えられる。

発明が解決しようとする課題

0007

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セラミック材や金属材、或いはセラミックーアルミニウム複合材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。

課題を解決するための手段

0010

本発明のロウ材は、セラミックーアルミニウム複合材と、セラミック材、金属材、またはセラミックー金属複合材とを接合させるためのロウ材であって、チタンもしくはその水素化物が10乃至17重量%、シリコンが9乃至15重量%、残部がアルミニウム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、チタンもしくはその水素化物が10乃至17重量%、シリコンが9乃至15重量%、残部がアルミニウムから成り、そのロウ付け温度が640℃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、セラミック材や金属材、或いはセラミックー金属複合材にロウ付けする際、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、セラミック材や金属材、或いはセラミックー金属複合材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もしくはその水素化物が10乃至17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セラミック材にロウ付け取着させる際、セラミック材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セラミック材等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。

発明を実施するための最良の形態

0013

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を収容する絶縁容器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、ムライト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り、例えば、酸化アルミニウム質焼結体から成る場合には、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、かつ放熱板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、絶縁基体1の熱膨張係数(絶縁基体1が酸化アルミニウム質焼結体で形成されている場合は約7×10-6/℃、ムライト質焼結体で形成されている場合は約4×10-6/℃、ガラスセラミックス焼結体で形成されている場合は約4×10-6/℃)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、チタンもしくはその水素化物が10乃至17重量%、シリコンが9乃至15重量%、残部がアルミニウムから成るロウ材9を介して行われる。

0029

前記チタンもしくはその水素化物が10乃至17重量%、シリコンが9乃至15重量%、残部がアルミニウムから成るロウ材9はその溶融温度が640℃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もしくはその水素化物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はそれを構成するチタンもしくはその水素化物がロウ材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10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17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のチタンもしくはその水素化物はその含有量が10乃至17重量%の範囲に特定される。

0032

また、前記ロウ材9を構成するシリコンはアルミニウムと共晶を形成し、該共晶物によって絶縁基体1と放熱板8とを接合させる作用をなし、その含有量が9重量%未満、或いは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のシリコンはその含有量が9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とから成る絶縁容器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、セラミック材とセラミックーアルミニウム複合材の取着に使用したが、金属材或いは、セラミックー金属複合材とセラミックーアルミニウム複合材とのロウ付け取着にも使用し得る。

0035

また上述の実施例では、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で説明したが、セラミックとして炭化珪素に限定されるものではなく、酸化アルミニウム等のセラミックを使用してもよい。

0036

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。

0037

まず炭化珪素が50重量%、アルミニウムが50重量%から成る幅:10mm、長さ:10mm、厚さ:10mmの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幅:10mm、長さ:10mm、厚さ:10mmのセラミック材の表面に表1に示す所定量のチタン(Ti)、水素化チタン(TiH2 )、シリコン(Si)及びアルミニウム(Al)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。

0038

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。

0039

なお、試料番号12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。

0040

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タングステン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10μm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。

0041

0042

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800℃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640℃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。

発明の効果

0043

本発明のロウ材は、チタンもしくはその水素化物が10乃至17重量%、シリコンが9乃至15重量%、残部がアルミニウムから成り、そのロウ付け温度が640℃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、セラミック材や金属材、或いはセラミックー金属複合材にロウ付けする際、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、セラミック材や金属材、或いはセラミックー金属複合材に極めて強固にロウ付け取着することができる。

0044

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もしくはその水素化物が10乃至17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セラミック材にロウ付け取着させる際、セラミック材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セラミック材等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

0045

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。

--

0046

1・・・・・・・・絶縁基体
2・・・・・・・・蓋体
3・・・・・・・・半導体素子
4・・・・・・・・絶縁容器
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

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