JP2010241627A - 金属−セラミックス接合基板およびそれに用いるろう材 - Google Patents
金属−セラミックス接合基板およびそれに用いるろう材 Download PDFInfo
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Abstract
【課題】接合ボイドの発生が少なく且つ耐ヒートサイクル性に優れた金属−セラミックス接合基板およびその金属−セラミックス接合基板に使用するろう材を提供する。
【解決手段】５〜３０質量％のＣｕと、０．５〜３．０質量％の活性金属と、０．０５〜０．３５質量％のＢｉ系ガラス（好ましくは６５質量％以上のＢｉ２Ｏ３を含むガラス）と、残部としてＡｇを含む粉体をビヒクルに添加して混練することによって作製したペースト状ろう材をセラミックス基板に塗布した後、ろう材の上に金属板を配置して加熱することによって、ろう材を介して金属板をセラミックス基板に接合して金属−セラミックス接合基板を製造する。
【選択図】なし
【解決手段】５〜３０質量％のＣｕと、０．５〜３．０質量％の活性金属と、０．０５〜０．３５質量％のＢｉ系ガラス（好ましくは６５質量％以上のＢｉ２Ｏ３を含むガラス）と、残部としてＡｇを含む粉体をビヒクルに添加して混練することによって作製したペースト状ろう材をセラミックス基板に塗布した後、ろう材の上に金属板を配置して加熱することによって、ろう材を介して金属板をセラミックス基板に接合して金属−セラミックス接合基板を製造する。
【選択図】なし
Description
本発明は、金属−セラミックス接合基板およびそれに用いるろう材に関し、特に、ろう材を介して金属板がセラミックス基板に接合された金属−セラミックス接合基板およびそれに用いるろう材に関する。
従来、電気自動車、電車、工作機械などの大電流を制御するためにパワーモジュールが使用されており、パワーモジュールには、セラミックス基板の両面に金属板が接合した金属−セラミックス接合基板が使用されている。このような金属−セラミックス接合基板の一方の面（裏面、放熱面）には、比較的厚い銅板などの放熱板（ベ−ス板）が半田付けにより固定され、他方の面（上面、パターン面）には、半導体チップが半田付けにより固定されている。
このような金属−セラミックス接合基板のセラミックス基板として、軽量且つ高硬度で、電気絶縁性、耐熱性、耐食性などに優れた窒化アルミニウム（ＡｌＮ）などの窒化物系セラミックス材料などからなる基板が使用されている。このようなＡｌＮ基板などのセラミックス基板と銅板などの金属板との間に、活性金属を含むろう材を介在させて、加熱処理により金属板をセラミックス基板を接合する方法（活性金属法）が知られている（例えば、特許文献１参照）。
また、金属−セラミックス接合基板に放熱板（ベ−ス板）や半導体チップを半田付けする際に、金属−セラミックス接合基板の抗折強度が低下して割れ易くなるのを防止するために、Ａｇ−Ｃｕ系ろう材にホウケイ酸鉛ガラスまたはホウケイ酸鉛亜鉛ガラスを添加することが知られている（例えば、特許文献２参照）。また、アルミニウム板をＡｌＮ基板に接合する際に、ろう材中に多数のボイドが発生して接合界面の熱伝導が十分でなくなるのを防止するために、Ａｌ−Ｓｉ系ろう材にホウケイ酸鉛ガラスを添加することが知られている（例えば、特許文献３参照）。
近年、環境汚染の防止の観点から、金属−セラミックス接合基板のろう材として、Ｐｂを含まないろう材を使用することが望まれている。また、Ｐｂを含まないろう材を使用しても、金属板をセラミックス基板に接合する際に、ろう材中に多数のボイドが発生して接合界面の熱伝導が十分でなくなるのを防止するとともに、金属−セラミックス接合基板に放熱板（ベ−ス板）や半導体チップを半田付けする際に、金属−セラミックス接合基板の抗折強度が低下して割れ易くなるのを防止することが望まれている。特に、接合欠陥であるボイドの検査装置（例えば、超音波探傷機）の進化により、従来では検出困難であった微細なボイドも容易に検出可能になったので、このような微細なボイドの発生も抑制することが望まれる。
したがって、本発明は、このような従来の問題点に鑑み、接合ボイドの発生が少なく且つ耐ヒートサイクル性に優れた金属−セラミックス接合基板およびその金属−セラミックス接合基板に使用するろう材を提供することを目的とする。
本発明者らは、上記課題を解決するために鋭意研究した結果、ろう材を介して金属板がセラミックス基板に接合された金属−セラミックス接合基板において、金属板をセラミックス基板に接合するためのろう材として、５〜３０質量％のＣｕと、０．５〜３．０質量％の活性金属と、０．０５〜０．３５質量％のＢｉ系ガラスと、残部としてＡｇを含む粉体をビヒクルに添加して混練したろう材を使用することにより、接合ボイドの発生が少なく且つ耐ヒートサイクル性に優れた金属−セラミックス接合基板を製造することができることを見出し、本発明を完成するに至った。
すなわち、本発明による金属−セラミックス接合基板は、ろう材を介して金属板がセラミックス基板に接合された金属−セラミックス接合基板において、金属板をセラミックス基板に接合するためのろう材として、５〜３０質量％のＣｕと、０．５〜３．０質量％の活性金属と、０．０５〜０．３５質量％のＢｉ系ガラスと、残部としてＡｇを含む粉体をビヒクルに添加して混練したろう材を使用することを特徴とする。この金属−セラミックス接合基板において、Ｂｉ系ガラスが、６５質量％以上のＢｉ２Ｏ３を含むガラスであるのが好ましい。また、金属板が銅板であり、セラミックス基板が窒化アルミニウム基板であるのが好ましい。
また、本発明によるろう材は、５〜３０質量％のＣｕと、０．５〜３．０質量％の活性金属と、０．０５〜０．３５質量％のＢｉ系ガラスと、残部としてＡｇを含む粉体がビヒクルに添加されて混練されていることを特徴とする。このろう材において、Ｂｉ系ガラスが、６５質量％以上のＢｉ２Ｏ３を含むガラスであるのが好ましい。
本発明によれば、接合ボイドの発生が少なく且つ耐ヒートサイクル性に優れた金属−セラミックス接合基板を製造することができる。
本発明による金属−セラミックス接合基板の実施の形態では、ろう材を介して金属板がセラミックス基板に接合された金属−セラミックス接合基板において、金属板をセラミックス基板に接合するためのろう材として、５〜３０質量％のＣｕと、０．５〜３．０質量％の活性金属と、０．０５〜０．３５質量％のＢｉ系ガラスと、残部としてＡｇを含む粉体をビヒクルに添加して混練したろう材を使用する。
ビヒクルに添加される粉体中のＡｇの量は、Ｃｕと活性金属とＢｉ系ガラスの残部の量であるが、７０質量％未満や９５質量％を超えると接着力が弱くなるので、７０〜９５質量％であるのが好ましく、８０〜９２．５質量％であるのがさらに好ましい。
また、粉体中のＣｕの量は、５質量％未満や３０質量％を超えると耐ヒートサイクル性が低下するので、５〜３０質量％であるのが好ましく、５〜１７質量％であるのがさらに好ましい。
また、粉体中に添加する活性金属としては、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆなどの少なくとも一種またはその水素化合物を使用することができる。粉体中の活性金属の量は、０．５質量％未満では金属板とセラミックス基板の間に生成される窒化物層が少なくなって接着強度が非常に弱くなり、一方、３．０質量％を超えると接着強度が高くなるが接合後に半田やセラミックス基板にクラックが生じ易くなるので、０．５〜３．０質量％であるのが好ましく、１．０〜２．５質量％であるのがさらに好ましい。
さらに、粉体中に添加するＢｉ系ガラスの量は、０．０５〜０．３５質量％であるのが好ましく、０．１０〜０．３５質量％であるのがさらに好ましい。また、Ｂｉ系ガラスとして、６５質量％以上のＢｉ２Ｏ３を含むガラスを使用するのが好ましく、７０質量％以上のＢｉ２Ｏ３を含むガラスを使用するのがさらに好ましい。
なお、金属−セラミックス接合基板の接合界面にボイドが発生する原因は、接合の初期段階でろう材中の銀と接触している銅板が共晶組成で溶融するため、基板の表面のうねりや基板に塗布されたろう材の表面の凹凸により、ろう材の銀と接触している銅板の部分から溶融が開始し、ろう材の凸部が収縮して、銅板が表面張力によりろう材に引っ張られて、ろう材中に大きな空洞（巣）ができ、その後、接合の中期段階で銅と銀が相互に拡散して、溶解しながらろう材が収縮し、接合が進むにつれて巣が埋められていくが、埋めきれない部分がボイドとして残るためであると考えられる。
本発明による金属−セラミックス接合基板の実施の形態では、Ｂｉ系ガラスが接合の初期段階の加熱により軟化して、ろう材成分の銀、銅、チタンなどを表面張力により引き付けることにより、ろう材が接合開始前に収縮して、ろう材の表面の凹凸をレベリングし、銅板との接触ムラを小さくするため、溶融体が均一に生成してボイドの発生が抑えられると考えられる。
以下、本発明による金属−セラミックス接合基板およびそれに用いるろう材の実施例について詳細に説明する。
［比較例１］
まず、固形分として、９２．２０質量％のＡｇ粉と、６．０質量％のＣｕ粉と、１．８質量％のＴｉ粉とからなる粉体１００重量部に、７．２重量部のビヒクル（アクリル系のバインダと溶剤を含むビヒクル）を添加して、３本ロールで混練することによって、（後述する実施例との比較対象となる）ペースト状のろう材を作製した。
まず、固形分として、９２．２０質量％のＡｇ粉と、６．０質量％のＣｕ粉と、１．８質量％のＴｉ粉とからなる粉体１００重量部に、７．２重量部のビヒクル（アクリル系のバインダと溶剤を含むビヒクル）を添加して、３本ロールで混練することによって、（後述する実施例との比較対象となる）ペースト状のろう材を作製した。
このろう材ペーストを４２ｍｍ×３２ｍｍ×０．６３５ｍｍのＡｌＮ基板（セラミックス基板）の両面の全体に厚さ３０μｍになるように塗布した後、このろう材ペーストを介してセラミックス基板の各々の面に４２ｍｍ×３２ｍｍ×０．３ｍｍの銅板（金属板）を重ねて接合炉に入れ、真空中で８５０℃に加熱して金属板をセラミックス基板に接合した。その後、一方の金属板上に所定の回路パターン形状のエッチングレジストを形成し、薬液で不要な金属およびろう材を除去し、エッチングレジストを除去することにより、所定の回路パターンが形成された金属−セラミックス接合基板を得た。
得られた金属−セラミックス接合基板について、超音波探傷機（日立建機ファインテック株式会社製の型番ＦＳ１００ＩＩ、商品名ＦｉｎｅＳＡＴ）により周波数５０ＭＨｚで測定した探傷結果の写真から、回路パターンが形成された金属板の表面（パターン面）側の接合界面のボイドの個数を求めるとともに、パターン面側および裏面（パターン面と反対側の金属板の表面）側の各々について、全接合面積に対するボイド（接合欠陥）が占める面積の割合（ボイド率）を算出した。その結果、パターン面側のボイド個数は２８個であり、パターン面側のボイド率は１．００％、裏面側のボイド率は１．１０％であった。
また、得られた１０枚の金属−セラミックス接合基板について、通炉処理（還元雰囲気（水素／窒素＝２０／８０）下において３５０℃で１０分間加熱した後に室温まで冷却する処理）を繰り返し、１０回、１５回、２０回、２５回および３０回の通炉処理後に、セラミックス基板にクラックが発生するか否かを拡大鏡で外観検査して、（１０枚のセラミックス基板中の）クラックが発生したセラミックス基板の枚数（通炉耐量）を調べることにより、金属−セラミックス接合基板の信頼性を評価した。その結果、１０回、１５回、２０回、２５回および３０回の通炉処理後のクラック発生枚数は、それぞれ０枚、０枚、３枚、６枚および６枚であった。
また、得られた金属−セラミックス接合基板について、パターン面を下にして配置した後にスパン間距離３０ｍｍの中間の部分に上から荷重を加えるＪＩＳ Ｂ７７７８に準じて、金属−セラミックス接合基板に割れ（クラック）が生じた時点の荷重から、初期および通炉３回後（還元雰囲気（水素／窒素＝２０／８０）下において３５０℃で１０分間加熱した後に室温まで冷却する処理を３回繰り返した後）の３点曲げ抗折強度を測定した。この通炉後の３点曲げ抗折強度が高い程、金属−セラミックス接合基板の耐ヒートサイクル性が高い。その結果、初期抗折強度は６４１ＭＰａ、通炉３回後の抗折強度は４０４ＭＰａであった。
また、この３点曲げ抗折強度の際に金属−セラミックス接合基板が破壊された時の金属板のたわみ量を測定したところ、初期たわみ量は０．３０ｍｍ、通炉３回後のたわみ量は０．２１ｍｍであった。
［実施例１］
固形分として、９２．０５質量％のＡｇ粉と、６．０質量％のＣｕ粉と、１．８質量％のＴｉ粉と、０．１５質量％のガラスＡ（７０質量％のＢｉ２Ｏ３を含み、残部としてＳｉＯ２とＡｌ２Ｏ３とＢ２Ｏ３とＺｎＯを含むガラス、軟化点４４５℃）とからなる粉体を使用した以外は、比較例１と同様の方法により、金属−セラミックス接合基板を得た。
固形分として、９２．０５質量％のＡｇ粉と、６．０質量％のＣｕ粉と、１．８質量％のＴｉ粉と、０．１５質量％のガラスＡ（７０質量％のＢｉ２Ｏ３を含み、残部としてＳｉＯ２とＡｌ２Ｏ３とＢ２Ｏ３とＺｎＯを含むガラス、軟化点４４５℃）とからなる粉体を使用した以外は、比較例１と同様の方法により、金属−セラミックス接合基板を得た。
得られた金属−セラミックス接合基板について、比較例１と同様の方法により、ボイド個数、ボイド率を求めたところ、パターン面側のボイド個数は６個であり、パターン面側のボイド率は０．７３％、裏面側のボイド率は１．００％であり、ガラスを含まないろう材を使用した比較例１と比べて、接合ボイドの発生が抑制されていた。
また、得られた金属−セラミックス接合基板について、比較例１と同様の方法により、通炉耐量（クラック発生枚数）、初期および通炉３回後の３点曲げ抗折強度、初期および通炉３回後のたわみ量を測定したところ、１０回、１５回、２０回、２５回および３０回の通炉処理後のクラック発生枚数は、それぞれ０枚、０枚、２枚、２枚および２枚であり、初期抗折強度は６４２ＭＰａ、通炉３回後の抗折強度は４７４ＭＰａ、初期たわみ量は０．２７ｍｍ、通炉３回後のたわみ量は０．２３ｍｍであった。
［実施例２］
固形分として、９２．００質量％のＡｇ粉と、６．０質量％のＣｕ粉と、１．８質量％のＴｉ粉と、０．２０質量％のガラスＡとからなる粉体を使用した以外は、比較例１と同様の方法により、金属−セラミックス接合基板を得た。
固形分として、９２．００質量％のＡｇ粉と、６．０質量％のＣｕ粉と、１．８質量％のＴｉ粉と、０．２０質量％のガラスＡとからなる粉体を使用した以外は、比較例１と同様の方法により、金属−セラミックス接合基板を得た。
得られた金属−セラミックス接合基板について、比較例１と同様の方法により、ボイド個数、ボイド率を求めたところ、パターン面側のボイド個数は２個であり、パターン面側のボイド率は０．８３％、裏面側のボイド率は０．７４％であり、ガラスを含まないろう材を使用した比較例１と比べて、接合ボイドの発生がかなり抑制されていた。
また、得られた金属−セラミックス接合基板について、比較例１と同様の方法により、通炉耐量（クラック発生枚数）、初期および通炉３回後の３点曲げ抗折強度、初期および通炉３回後のたわみ量を測定したところ、１０回、１５回、２０回、２５回および３０回の通炉処理後のクラック発生枚数は、それぞれ０枚、０枚、４枚、５枚および５枚であり、初期抗折強度は５３０ＭＰａ、通炉３回後の抗折強度は４５３ＭＰａ、初期たわみ量は０．２８ｍｍ、通炉３回後のたわみ量は０．２１ｍｍであった。
［実施例３］
固形分として、９１．９５質量％のＡｇ粉と、６．０質量％のＣｕ粉と、１．８質量％のＴｉ粉と、０．２５質量％のガラスＡとからなる粉体を使用した以外は、比較例１と同様の方法により、金属−セラミックス接合基板を得た。この金属−セラミックス接合基板では、ガラスを含まないろう材を使用した比較例１と比べて、接合ボイドの発生が抑制されていた。
固形分として、９１．９５質量％のＡｇ粉と、６．０質量％のＣｕ粉と、１．８質量％のＴｉ粉と、０．２５質量％のガラスＡとからなる粉体を使用した以外は、比較例１と同様の方法により、金属−セラミックス接合基板を得た。この金属−セラミックス接合基板では、ガラスを含まないろう材を使用した比較例１と比べて、接合ボイドの発生が抑制されていた。
［実施例４］
固形分として、９１．７５質量％のＡｇ粉と、６．０質量％のＣｕ粉と、２．１質量％のＴｉ粉と、０．１５質量％のガラスＡとからなる粉体を使用した以外は、比較例１と同様の方法により、金属−セラミックス接合基板を得た。
固形分として、９１．７５質量％のＡｇ粉と、６．０質量％のＣｕ粉と、２．１質量％のＴｉ粉と、０．１５質量％のガラスＡとからなる粉体を使用した以外は、比較例１と同様の方法により、金属−セラミックス接合基板を得た。
得られた金属−セラミックス接合基板について、比較例１と同様の方法により、ボイド個数、ボイド率を求めたところ、パターン面側のボイド個数は２個であり、パターン面側のボイド率は０．５３％、裏面側のボイド率は０．８４％であり、ガラスを含まないろう材を使用した比較例１と比べて、接合ボイドの発生がかなり抑制されていた。
また、得られた金属−セラミックス接合基板について、比較例１と同様の方法により、通炉耐量（クラック発生枚数）、初期および通炉３回後の３点曲げ抗折強度、初期および通炉３回後のたわみ量を測定したところ、１０回、１５回、２０回、２５回および３０回の通炉処理後のクラック発生枚数は、それぞれ０枚、０枚、２枚、３枚および４枚であり、初期抗折強度は６３９ＭＰａ、通炉３回後の抗折強度は４０９ＭＰａ、初期たわみ量は０．２８ｍｍ、通炉３回後のたわみ量は０．２１ｍｍであった。
［実施例５］
固形分として、９１．７０質量％のＡｇ粉と、６．０質量％のＣｕ粉と、２．１質量％のＴｉ粉と、０．２０質量％のガラスＡとからなる粉体を使用した以外は、比較例１と同様の方法により、金属−セラミックス接合基板を得た。
固形分として、９１．７０質量％のＡｇ粉と、６．０質量％のＣｕ粉と、２．１質量％のＴｉ粉と、０．２０質量％のガラスＡとからなる粉体を使用した以外は、比較例１と同様の方法により、金属−セラミックス接合基板を得た。
得られた金属−セラミックス接合基板について、比較例１と同様の方法により、ボイド個数、ボイド率を求めたところ、パターン面側のボイド個数は０個であり、パターン面側のボイド率は０．５８％、裏面側のボイド率は０．６３％であり、ガラスを含まないろう材を使用した比較例１と比べて、接合ボイドの発生がかなり抑制されていた。
また、得られた金属−セラミックス接合基板について、比較例１と同様の方法により、通炉耐量（クラック発生枚数）、初期および通炉３回後の３点曲げ抗折強度、初期および通炉３回後のたわみ量を測定したところ、１０回、１５回、２０回、２５回および３０回の通炉処理後のクラック発生枚数は、それぞれ０枚、０枚、２枚、４枚および８枚であり、初期抗折強度は７１０ＭＰａ、通炉３回後の抗折強度は４３４ＭＰａ、初期たわみ量は０．２９ｍｍ、通炉３回後のたわみ量は０．２０ｍｍであった。
［実施例６〜１２］
固形分として、それぞれ、９１．６５質量％のＡｇ粉と、６．０質量％のＣｕ粉と、２．１質量％のＴｉ粉と、０．２５質量％のガラスＡとからなる粉体（実施例６）、９２．４０質量％のＡｇ粉と、６．０質量％のＣｕ粉と、１．５質量％のＴｉ粉と、０．１０質量％のガラスＡとからなる粉体（実施例７）、９２．３５質量％のＡｇ粉と、６．０質量％のＣｕ粉と、１．５質量％のＴｉ粉と、０．１５質量％のガラスＡとからなる粉体（実施例８）、９２．３０質量％のＡｇ粉と、６．０質量％のＣｕ粉と、１．５質量％のＴｉ粉と、０．２０質量％のガラスＡとからなる粉体（実施例９）、９２．２５質量％のＡｇ粉と、６．０質量％のＣｕ粉と、１．５質量％のＴｉ粉と、０．２５質量％のガラスＡとからなる粉体（実施例１０）、９２．２０質量％のＡｇ粉と、６．０質量％のＣｕ粉と、１．５質量％のＴｉ粉と、０．３０質量％のガラスＡとからなる粉体（実施例１１）、９１．７５質量％のＡｇ粉と、６．０質量％のＣｕ粉と、２．０質量％のＴｉ粉と、０．２５質量％のガラスＡとからなる粉体（実施例１２）を使用した以外は、比較例１と同様の方法により、金属−セラミックス接合基板を得た。これらの金属−セラミックス接合基板では、ガラスを含まないろう材を使用した比較例１と比べて、接合ボイドの発生が抑制されていた。
固形分として、それぞれ、９１．６５質量％のＡｇ粉と、６．０質量％のＣｕ粉と、２．１質量％のＴｉ粉と、０．２５質量％のガラスＡとからなる粉体（実施例６）、９２．４０質量％のＡｇ粉と、６．０質量％のＣｕ粉と、１．５質量％のＴｉ粉と、０．１０質量％のガラスＡとからなる粉体（実施例７）、９２．３５質量％のＡｇ粉と、６．０質量％のＣｕ粉と、１．５質量％のＴｉ粉と、０．１５質量％のガラスＡとからなる粉体（実施例８）、９２．３０質量％のＡｇ粉と、６．０質量％のＣｕ粉と、１．５質量％のＴｉ粉と、０．２０質量％のガラスＡとからなる粉体（実施例９）、９２．２５質量％のＡｇ粉と、６．０質量％のＣｕ粉と、１．５質量％のＴｉ粉と、０．２５質量％のガラスＡとからなる粉体（実施例１０）、９２．２０質量％のＡｇ粉と、６．０質量％のＣｕ粉と、１．５質量％のＴｉ粉と、０．３０質量％のガラスＡとからなる粉体（実施例１１）、９１．７５質量％のＡｇ粉と、６．０質量％のＣｕ粉と、２．０質量％のＴｉ粉と、０．２５質量％のガラスＡとからなる粉体（実施例１２）を使用した以外は、比較例１と同様の方法により、金属−セラミックス接合基板を得た。これらの金属−セラミックス接合基板では、ガラスを含まないろう材を使用した比較例１と比べて、接合ボイドの発生が抑制されていた。
［比較例２〜３］
固形分として、それぞれ、９２．１０質量％のＡｇ粉と、６．０質量％のＣｕ粉と、１．５質量％のＴｉ粉と、０．４０質量％のガラスＡとからなる粉体（比較例２）、９２．００質量％のＡｇ粉と、６．０質量％のＣｕ粉と、１．５質量％のＴｉ粉と、０．５０質量％のガラスＡとからなる粉体（比較例３）を使用した以外は、比較例１と同様の方法により、金属−セラミックス接合基板を得た。これらの金属−セラミックス接合基板では、ガラスを含まないろう材を使用した比較例１と比べて、接合ボイドの発生が悪化していた。
固形分として、それぞれ、９２．１０質量％のＡｇ粉と、６．０質量％のＣｕ粉と、１．５質量％のＴｉ粉と、０．４０質量％のガラスＡとからなる粉体（比較例２）、９２．００質量％のＡｇ粉と、６．０質量％のＣｕ粉と、１．５質量％のＴｉ粉と、０．５０質量％のガラスＡとからなる粉体（比較例３）を使用した以外は、比較例１と同様の方法により、金属−セラミックス接合基板を得た。これらの金属−セラミックス接合基板では、ガラスを含まないろう材を使用した比較例１と比べて、接合ボイドの発生が悪化していた。
［比較例４〜５］
固形分として、それぞれ、９２．４０質量％のＡｇ粉と、６．０質量％のＣｕ粉と、１．５質量％のＴｉ粉と、０．１０質量％のガラスＢ（日本フリット株式会社製のＣＹ００３７（Ｂ２Ｏ３とＺｎＯを含むガラス、軟化点５４０℃））とからなる粉体（比較例４）、９２．２０質量％のＡｇ粉と、６．０質量％のＣｕ粉と、１．５質量％のＴｉ粉と、０．３０質量％のガラスＢとからなる粉体（比較例５）を使用した以外は、比較例１と同様の方法により、金属−セラミックス接合基板を得た。比較例４の金属−セラミックス接合基板では、ガラスを含まないろう材を使用した比較例１と比べて、接合ボイドの発生が抑制されておらず、比較例５の金属−セラミックス接合基板では、比較例１と比べて、接合ボイドの発生が悪化していた。
固形分として、それぞれ、９２．４０質量％のＡｇ粉と、６．０質量％のＣｕ粉と、１．５質量％のＴｉ粉と、０．１０質量％のガラスＢ（日本フリット株式会社製のＣＹ００３７（Ｂ２Ｏ３とＺｎＯを含むガラス、軟化点５４０℃））とからなる粉体（比較例４）、９２．２０質量％のＡｇ粉と、６．０質量％のＣｕ粉と、１．５質量％のＴｉ粉と、０．３０質量％のガラスＢとからなる粉体（比較例５）を使用した以外は、比較例１と同様の方法により、金属−セラミックス接合基板を得た。比較例４の金属−セラミックス接合基板では、ガラスを含まないろう材を使用した比較例１と比べて、接合ボイドの発生が抑制されておらず、比較例５の金属−セラミックス接合基板では、比較例１と比べて、接合ボイドの発生が悪化していた。
［比較例６］
固形分として、９２．２０質量％のＡｇ粉と、６．０質量％のＣｕ粉と、１．５質量％のＴｉ粉と、０．３０質量％のガラスＣ（日本電子硝子株式会社製のＧＡ−１２（Ｂ２Ｏ３とＺｎＯとＮａ２Ｏを含むガラス、軟化点５６０℃））とからなる粉体を使用した以外は、比較例１と同様の方法により、金属−セラミックス接合基板を得た。この金属−セラミックス接合基板では、ガラスを含まないろう材を使用した比較例１と比べて、接合ボイドの発生が悪化していた。
固形分として、９２．２０質量％のＡｇ粉と、６．０質量％のＣｕ粉と、１．５質量％のＴｉ粉と、０．３０質量％のガラスＣ（日本電子硝子株式会社製のＧＡ−１２（Ｂ２Ｏ３とＺｎＯとＮａ２Ｏを含むガラス、軟化点５６０℃））とからなる粉体を使用した以外は、比較例１と同様の方法により、金属−セラミックス接合基板を得た。この金属−セラミックス接合基板では、ガラスを含まないろう材を使用した比較例１と比べて、接合ボイドの発生が悪化していた。
［比較例７］
固形分として、９２．２０質量％のＡｇ粉と、６．０質量％のＣｕ粉と、１．５質量％のＴｉ粉と、０．３０質量％のガラスＤ（日本電子硝子株式会社製のＧＡ−４（ＳｉＯ２とＢ２Ｏ３とＮａ２Ｏを含むガラス、軟化点６２５℃））とからなる粉体を使用した以外は、比較例１と同様の方法により、金属−セラミックス接合基板を得た。この金属−セラミックス接合基板では、ガラスを含まないろう材を使用した比較例１と比べて、接合ボイドの発生が悪化していた。
固形分として、９２．２０質量％のＡｇ粉と、６．０質量％のＣｕ粉と、１．５質量％のＴｉ粉と、０．３０質量％のガラスＤ（日本電子硝子株式会社製のＧＡ−４（ＳｉＯ２とＢ２Ｏ３とＮａ２Ｏを含むガラス、軟化点６２５℃））とからなる粉体を使用した以外は、比較例１と同様の方法により、金属−セラミックス接合基板を得た。この金属−セラミックス接合基板では、ガラスを含まないろう材を使用した比較例１と比べて、接合ボイドの発生が悪化していた。
［比較例８］
固形分として、９２．２０質量％のＡｇ粉と、６．０質量％のＣｕ粉と、１．５質量％のＴｉ粉と、０．３０質量％のガラスＥ（日本電子硝子株式会社製のＧＡ−５９（ＳｉＯ２とＢ２Ｏ３とＺｎＯを含むガラス、軟化点６４５℃））とからなる粉体を使用した以外は、比較例１と同様の方法により、金属−セラミックス接合基板を得た。この金属−セラミックス接合基板では、ガラスを含まないろう材を使用した比較例１と比べて、接合ボイドの発生が悪化していた。
固形分として、９２．２０質量％のＡｇ粉と、６．０質量％のＣｕ粉と、１．５質量％のＴｉ粉と、０．３０質量％のガラスＥ（日本電子硝子株式会社製のＧＡ−５９（ＳｉＯ２とＢ２Ｏ３とＺｎＯを含むガラス、軟化点６４５℃））とからなる粉体を使用した以外は、比較例１と同様の方法により、金属−セラミックス接合基板を得た。この金属−セラミックス接合基板では、ガラスを含まないろう材を使用した比較例１と比べて、接合ボイドの発生が悪化していた。
［比較例９〜１０］
固形分として、それぞれ、９２．３５質量％のＡｇ粉と、６．０質量％のＣｕ粉と、１．５質量％のＴｉ粉と、０．１５質量％のガラスＦ（日本フリット株式会社製のＣＫ１１４９（ＳｉＯ２とＡｌ２Ｏ３とＺｎＯとを含むガラス、軟化点４８０℃））とからなる粉体（比較例９）、９２．２５質量％のＡｇ粉と、６．０質量％のＣｕ粉と、１．５質量％のＴｉ粉と、０．２５質量％のガラスＦとからなる粉体（比較例１０）を使用した以外は、比較例１と同様の方法により、金属−セラミックス接合基板を得た。これらの金属−セラミックス接合基板では、ガラスを含まないろう材を使用した比較例１と比べて、接合ボイドの発生が抑制されていなかった。
固形分として、それぞれ、９２．３５質量％のＡｇ粉と、６．０質量％のＣｕ粉と、１．５質量％のＴｉ粉と、０．１５質量％のガラスＦ（日本フリット株式会社製のＣＫ１１４９（ＳｉＯ２とＡｌ２Ｏ３とＺｎＯとを含むガラス、軟化点４８０℃））とからなる粉体（比較例９）、９２．２５質量％のＡｇ粉と、６．０質量％のＣｕ粉と、１．５質量％のＴｉ粉と、０．２５質量％のガラスＦとからなる粉体（比較例１０）を使用した以外は、比較例１と同様の方法により、金属−セラミックス接合基板を得た。これらの金属−セラミックス接合基板では、ガラスを含まないろう材を使用した比較例１と比べて、接合ボイドの発生が抑制されていなかった。
［比較例１１〜１２］
固形分として、それぞれ、９２．３０質量％のＡｇ粉と、６．０質量％のＣｕ粉と、１．５質量％のＴｉ粉と、０．２０質量％のＢ２Ｏ３とからなる粉体（比較例１１）、９２．３５質量％のＡｇ粉と、６．０質量％のＣｕ粉と、１．５質量％のＴｉ粉と、０．１５質量％のＢ２Ｏ３とからなる粉体（比較例１２）を使用した以外は、比較例１と同様の方法により、金属−セラミックス接合基板を得た。比較例１１の金属−セラミックス接合基板では、ガラスを含まないろう材を使用した比較例１と比べて、接合ボイドの発生が悪化し、比較例１２の金属−セラミックス接合基板では、比較例１と比べて、接合ボイドの発生が抑制されていなかった。
固形分として、それぞれ、９２．３０質量％のＡｇ粉と、６．０質量％のＣｕ粉と、１．５質量％のＴｉ粉と、０．２０質量％のＢ２Ｏ３とからなる粉体（比較例１１）、９２．３５質量％のＡｇ粉と、６．０質量％のＣｕ粉と、１．５質量％のＴｉ粉と、０．１５質量％のＢ２Ｏ３とからなる粉体（比較例１２）を使用した以外は、比較例１と同様の方法により、金属−セラミックス接合基板を得た。比較例１１の金属−セラミックス接合基板では、ガラスを含まないろう材を使用した比較例１と比べて、接合ボイドの発生が悪化し、比較例１２の金属−セラミックス接合基板では、比較例１と比べて、接合ボイドの発生が抑制されていなかった。
実施例１〜１２および比較例１〜１２のろう材の成分および接合ボイドの抑制の評価を表１に示し、実施例１、２、４、５および比較例１のボイド個数、ボイド率、抗折強度、たわみ量および通炉耐量を表２に示す。なお、表１では、接合ボイドの発生が、比較例１と比べて、かなり抑制された場合を◎、抑制された場合を○、抑制されなかった場合を△、悪化した場合を×で示している。
Claims (5)
- ろう材を介して金属板がセラミックス基板に接合された金属−セラミックス接合基板において、金属板をセラミックス基板に接合するためのろう材として、５〜３０質量％のＣｕと、０．５〜３．０質量％の活性金属と、０．０５〜０．３５質量％のＢｉ系ガラスと、残部としてＡｇを含む粉体をビヒクルに添加して混練したろう材を使用することを特徴とする、金属−セラミックス接合基板。
- 前記Ｂｉ系ガラスが、６５質量％以上のＢｉ２Ｏ３を含むガラスであることを特徴とする、請求項１に記載の金属−セラミックス接合基板。
- 前記金属板が銅板であり、前記セラミックス基板が窒化アルミニウム基板であることを特徴とする、請求項１または２に記載の金属−セラミックス接合基板。
- ５〜３０質量％のＣｕと、０．５〜３．０質量％の活性金属と、０．０５〜０．３５質量％のＢｉ系ガラスと、残部としてＡｇを含む粉体がビヒクルに添加されて混練されていることを特徴とする、ろう材。
- 前記Ｂｉ系ガラスが、６５質量％以上のＢｉ２Ｏ３を含むガラスであることを特徴とする、請求項４に記載のろう材。
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