JP2797011B2 - セラミックスと金属との接合体およびその製造法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、セラミックス部材と金属部材とが金属ペー
スト材により接合された接合体で構成されている電子部
品搭載用絶縁基板に関し、より詳しくは、接合された部
材に繰り返し熱衝撃が加えられた時にもセラミックス部
材内部に割れが生じ難い電子部品搭載用絶縁基板に関す
る。

［従来の技術］ 従来、セラミックス部材と金属部材とを接合する方法
としては、Mo−Mn法、Ｗメタライズ法等のように、高融
点金属でもってセラミックス部材の表面を金属化した
後、銀ろうBAg−８（JIS Z−3261号参照）などのろう材
で金属部材と接合する方法が採られてきた。また、セラ
ミックス部材を金属化せず直接活性金属ろうを使用して
接合するという方法もあるが、この方法は公開特許公報
昭49−81252に記載されているように黒鉛と金属との接
合にも利用できるので広い範囲で使用されている。

特に電子部品搭載用絶縁基板として使用されているメ
タライズした基板には電気絶縁性の観点からMo−Mn法、
Ｗメタライズ法が利用されており、これらの方法はまた
真空気密性が良く、サイリスタ等の絶縁管の製造にも利
用されている。

絶縁基板として使用されるセラミックスと金属との接
合体において、セラミックスの熱伝導性を向上させるた
めに、メタライズされたセラミックスに金属例えば銅が
ろう付けされる際、セラミックスと銅との熱膨脹差を緩
和するために、メタライズされたセラミックス表面と銅
との間に金属例えばMoを介在させて接合する方法も利用
せれている。

通常、接合は高温例えば850℃で行なわれ、その後接
合体は冷却される。この時、冷却速度が大きければセラ
ミックス自体が熱衝撃を受け割れが発生する。また冷却
速度が小さい場合でも金属部材とセラミックス部材との
熱膨脹差による残留応力が発生し、セラミックスの方に
割れが生じやすく、それを防ぐために上記のようにMo等
の低熱膨張金属が併用される。

活性金属ろうを使用して接合する方法については各種
の方法が開発されている。活性金属としてはTi、Zrなど
周期律表のIV a族の元素が用いられ、いずれも金属部材
とセラミックス部材との接合に有効であることが例えば
表面科学第４巻第１号（1983）p.1〜p.10に詳しく記載
されている。これら活性金属をろう材として使用する場
合、ろう材の融点を下げるためCu、Ni、Feなどの遷移金
属と合金化することにより共晶融点あるいはその近傍の
温度で接合することのできる組成を選択した方法も開発
されている（米国特許第2857663号明細書参照）。

さらに、接合時あるいは接合後の熱衝撃によりセラミ
ックス部材と金属部材との間に発生する熱膨張差による
熱応力によりセラミックス部材中にクラックが発生する
ので、このような応力を緩和させる方法として、CuやCu
合金のように延性に富む金属の薄板を熱応力緩衝層とし
て介在させ、発生する熱応力をそれら金属薄板の塑性変
形によって吸収して応力を緩和し、セラミックスのクラ
ックを防ぐ方法が公開特許公報昭56−163092号に開示さ
れている。

［発明が解決しようとする課題］ しかしながら、従来の金属−セラミックス接合体の製
造法のうち、タングステン等の高融点金属をセラミック
ス部材上にメタライズする方法では多くの工程を要し、
製造コストが上昇する上、セラミックスと金属との熱膨
張差を緩和する目的でMoなどの熱伝導率の低い金属を併
用するため接合体としての熱伝導性に不満があった。

そこで、活性金属ろうを用い、金属部材とセラミック
ス部材とを直接接合する方法が利用されるようになり、
接合体の冷却中に受ける熱応力についても緩衝層の採用
あるいは冷却速度のコントロールなどにより接合体特に
セラミックス部材に発生する割れを抑える工夫がなされ
てきた。

しかし、これら接合方法によって得られた接合体は、
接合後に繰り返し熱衝撃が加えられた際には、セラミッ
クス部材の内部に割れが発生し、接着強度、気密性、熱
伝導性または電子絶縁性が低下するなどの欠点があるた
め、信頼性の高い部品として使用するには不適当である
ことが明らかになった。

［課題を解決するための手段］ 本発明者らは、先に金属部材とセラミックス部材とを
接合する方法における前述のような問題点を解決する一
手段として、特願平１−14016号に開示した「セラミッ
クスと金属との接合体の製造法」の発明を完成し、金属
部材の縁部からはみ出したろう材の露出部材（フィレッ
ト）が少なくとも0.5mmのはみ出し幅で金属部材の周囲
をとり囲んでセラミックス部材上に存在する状態の製品
をつくるようにすれば、接合体の耐熱衝撃性が大幅に向
上することを明らかにした。

本発明者らは、さらに信頼性の高い部品として使用で
きる接合体を得るべく鋭意研究を進めた結果、前述のろ
う材に代えて活性金属ペースト材を用いることによって
先に成べたフィレットの帯幅を0.25mm程度まで縮めても
所望の特性を持つ接合体を製造することが十分に可能で
あることを見い出し、本発明を達成することができた。

すなわち本発明は、第１に、焼成された活性金属ペー
ストの層を介して相互に接合されたアルミナまたは窒化
アルミニウムのセラミックス部材と銅または銅合金の金
属部材とからなる接合体であって、接合面におけるセラ
ミックス部材の面積は金属部材の面積より少なくとも一
回り大きく、該接合面におけるセラミックス部材外周線
の周囲かつセラミックス部材面上には、少なくとも0.25
mm以上の帯幅で金属部材の周囲を包囲するフィレットが
前記焼成ペーストによって形成され、繰り返し耐熱衝撃
回数が200回以上を有することを特徴とする電子搭載用
絶縁基板；第２に、アルミナまたは窒化アルミニウムの
セラミックス部材と銅または銅合金の金属部材を、スク
リーン印刷された実質的に銀60〜95重量％、銅３〜38重
量％およびチタン１〜５重量％を合計100重量％になる
ように配合した金属粉末80〜90重量部とビヒクル10〜20
重量部とを合計100重量部となるように配合した組成を
持つ活性金属ペースト材を介して接触配置し、該構成体
を実質的に真空または非酸化性雰囲気中で加熱した後冷
却することからなり、前記配置に際し、金属部材の縁部
からはみ出した金属ペーストによって形成されるフィレ
ット部が0.25mm以上の帯幅で、製品接合体のセラミック
ス部上金属部材周囲に露出して存在する仕上がりとなる
ように金属ペースト材を配置し、繰り返し耐熱衝撃回数
が200回以上を有することを特徴とする電子部品搭載用
絶縁基板を提供するものである。

［作 用］ 本発明法で製造される接合体の耐熱衝撃性が上記フィ
レット部の形成により向上する理由は未だ十分に解明さ
れていないが、形成されたフィレット部の存在により、
金属部材とセラミックス部材との熱膨張差により発生す
る応力が金属部材外周線直下に対応するセラミックス部
材の垂直断面に集中的に作用する代りにセラミックスと
フィレットとの接する広い面において、これらの面を互
いにスライドさせようとする応力に変るため応力が分散
され、金属部材縁部（外周線）直下の位置におけるセラ
ミックス部材の垂直断面に生じる水平方向の応力が小さ
くなるためであると考えられる。

本発明者らの実験において活性金属ペースト材として
は、銀60〜95重量％、銅３〜38重量％、チタン１〜５重
量％を合計100重量％となるように配合した金属粉末80
〜90重量部をビヒクル20〜10重量部中に混合して全体が
100重量部となるようにしたものを自動乳鉢と３本ロー
ルミルを用いて混練しスクリーン印刷が可能なペースト
状組成物としたものを用いた。

本発明に従って、フィレット部を形成するためには次
の２点に注意すべきである。

先ず第１に、接合工程を真空または非酸化性雰囲気で
行う必要がある。理由はフィレット部を形成する都合
上、金属ペースト材が金属部材の周囲にはみ出すように
塗布して使用するため、加熱時にペースト材、特にセラ
ミックスとの反応に寄与するTiの酸化があってはならな
いからである。もしTiが酸化すればペーストはセラミッ
クスと反応せず、フィレット部の役割を果たさない。特
にフィレット部となるペースト材は加熱前から雰囲気に
接するためセラミックス部材と金属部材に挟まれている
ペースト材よりも酸化されやすいので雰囲気の選定は重
要である。

第２に、冷却中も真空あるいは非酸化性雰囲気中に置
かれている必要がある。これは冷却時においても高温で
あればTiが酸化してしまい良好な接合界面が得られない
からである。一方冷却速度は接合体の大きさ等によって
適切に選ぶ必要はあるが特に厳密に規定する必要はない
ことが確認されている。

次に、本発明を実施例に基づき詳細に説明する。

［実施例１］ 金属部材として厚さ0.3mmの無酸素銅板を20mm角に切
り出したものを用意した。活性金属ペースト材として、
銅27.5重量％、チタン2.0重量％、残部が銀から成る組
成の金属粉とビヒクルを混合し、自動乳鉢と３本ロール
ミルを用いて混練しスクリーン印刷が可能なペースト状
のものを作製した。セラミックス部材として市販の96％
アルミナからなり厚さ0.635mm、大きさ46mm×32mmのア
ルミナ基板を準備した。

上述の活性金属ペースト材を用いて、フィレット部の
幅が0mm、0.25mm、1mmとなるようにそれぞれ所定のサイ
ズのスクリーン板を用意し、それにより３種類のフィレ
ット幅のペースト材ができるようにアルミナ基板の両面
にスクリーン印刷した。次いで、銅板をペースト材が印
刷されたアルミナ基板の両面に配置した後、熱処理で接
合した。接合に用いた炉は、油拡散ポンプを持った抵抗
加熱式真空加熱処理炉で加熱、温度保持、冷却は１×10
^-4Torrの真空中で行なった。

炉の温度条件は10℃／分で600℃まで昇温し30分温度
保持し、次いで５℃／分で850℃まで昇温して20分間保
持し、５℃／分で室温まで冷却したところで接合体を取
り出した。

得られた接合体の構成を第１図（ａ）〜（ｃ）に示し
たが、図中第１図（ａ）は接合体の平面図、（ｂ）は断
面図であり、（ｃ）は、フィレット部をより明瞭に示す
ための（ｂ）の一部拡大図である。

各フィレット幅を測定した後、接合体を繰り返し熱衝
撃試験機に投入し、−40℃に30分保持後、室温で10分保
持し、その後125℃に加熱し30分保持、さらに室温に降
温し10分間保持する一連の工程を１サイクルとしてこの
サイクルを繰り返す熱衝撃試験に供した。

なお、試験温度の保持は大気を冷却あるいは加熱し、
接合体が投入されている試験機に低温または高温の空気
を送り込むことにより調節した。

接合体に上記の繰り返し熱衝撃を０、50、100、150、
200、250サイクル加えた後試験機から取り出し、銅板お
よびペースト材を薬品で溶解し、アルミナ基板のみと
し、アルミナ基板に有色の油性インキを塗布し、払拭
後、割れの発生状況を調べた。

割れ発生の程度を評価するため、割れ率として、銅板
の周囲長さ160mmに対し、クラックの発生した箇所の長
さを百分率で表わした指標を使用した。この評価方法に
よる調査結果を第２図のグラフに示す。

このグラフから理解されるように、フィレット部のな
いものつまりフィレット幅が0mmのものは50サイクルで
すでに15％以上の割れ率であり、さらにこの割れ率が10
0〜250サイクルにおいては30％以上であり一部のサンプ
ルは銅板がアルミナ基板から剥離してしまった。これに
対しフィレット部の幅が0.25mm、1mmのものについては
全くクラックが見られないか、あるいはクラックが発生
しても極めて少なく割れ率が５％以下であり、圧倒的に
優れた繰り返し耐熱衝撃性を持つことが判明した。

［実施例２］ セラミックス部材として、市販の96％アルミナからな
り厚さ0.635mm、大きさ56mm×27mmのアルミナ基板およ
びこれと同じ形状・寸法の窒化アルミニウム基板の２種
類を用意し、これら基板の一方の面には第３図に示すよ
うなパターン化した銅板を、反対面には20mm角の銅板を
それぞれ実施例１の場合と同様にして接合した。ただ
し、この場合のフィレット幅は0mmと0.25mmの２種類と
した。

得られた接合体に実施例１と同様に熱衝撃を０、50、
100、200サイクル加えた後、銅板およびペースト材を薬
品により溶解してセラミックス基板のみとし、セラミッ
クス基板に有色の油性インクを塗布し、払拭後割れの発
生状況を調べた。

各サイクルにつき全く同じ方法でつくった接合体を２
個ずつ準備して熱衝撃試験に供し、２個ともクラックが
なかった場合を○、１個についてのみクラックがあった
場合を△、２個ともクラックがあった場合を×として、
これらの結果を下記第１表に示した。

この表から理解されるように、フィレット幅が0.25mm
あればアルミナと窒化アルミニウムとで示されたように
セラミックスの材質に関わらず、優れた繰り返し耐熱衝
撃性があることが確認された。

なお、上記実施例１および実施例２で作製した接合体
についてそれぞれピール接合強度を測定したところ、い
ずれも5kg/cm以上の接合強度をもち実用上問題ないこと
が判明した。

［実施例３］ 金属部材として直径10mm、厚さ1mmの銅板を用意し
た。活性金属ペースト材として、銅６重量％、チタン2.
0重量％を含み、残部92重量％が銀からなる組成の金属
粉80重量部とビヒクル20重量部とを混合し、自動乳鉢と
３本ロールミルを用いて混練しスクリーン印刷が可能な
ペースト状の混合物を作製した。セラミックス部材とし
て厚さが3.0mm、対辺距離が16.0mmの正六角形のアルミ
ナ板を準備した。

これらのアルミナ板それぞれの片面に、スクリーン印
刷で直径11.0mmの円形にペースト材を印刷した。次い
で、その上に円形銅板の中心が印刷されたペースト材の
中心と一致するように重ねて前記フィレット部が0.5mm
になるように配置した後、熱処理炉で接合した。接合に
用いた炉は、油拡散ポンプを持った抵抗加熱式真空加熱
処理炉で、加熱、温度保持、冷却は１×10^-4Torrの真空
中で行った。

炉の温度条件は10℃／分で600℃まで昇温させ、30分
間この温度に保持した後、５℃／分で950℃まで昇温さ
せて40分間保持し、次いで５℃／分で室温まで冷却した
ところで第４図に示す接合体を取り出した。

さらに該接合体の銅板面上に、通常の銀ろう（商品名
BAg−８）を介して鋼板を重ね、890℃（炉の設定温度）
で接合した。

先ず熱衝撃試験にかける前の接合体の剪断強度を測定
し、次に、接合体を250℃に予熱されたオーブン（大気
中）中に15分間保持後、オーブンから取り出して室温に
戻すまでを１サイクルとして30サイクルの熱衝撃処理を
行った後、剪断強度を測定し熱衝撃を加える前と比較し
て剪断強度の劣化より繰り返し耐熱衝撃性を評価した。

この結果、剪断強度の劣化は見られず耐熱衝撃性の高
いことが確認された。剪断強度はかなりばらつきがある
ものの、窒化珪素またアルミナのどちらを用いた場合
も、最低でも2kg/mm²以上あるため実用上問題ないこと
がわかった。

また本実施例のように銀−銅の共晶から大幅にずれた
高融点組成の活性金属ペースト材を用いることにより、
その接合体と他の金属部材とを通常の銀ろう（例えばBA
g−８）で後付けできることがわかった。

［発明の効果］ 上述のように、本発明の方法によれば、金属部材の縁
部からはみ出したペースト材のフィレット部を所定幅以
上設けることにより、接合後の繰り返し耐熱衝撃性に優
れた接合体の製造が可能となるので、電子部品その他の
部品として信頼性の高い接合体を提供することができ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は実施例１によって製造された接合体の構成を示
す図であって、同図（ａ）は平面図、（ｂ）は断面図で
あり、（ｃ）はセラミックス部材に金属ペースト材を介
して接する金属部材の縁部の近傍を拡大した断面図であ
る。 第２図は、実施例１によって製造した接合体の繰り返し
耐熱衝撃特性をフィレット幅別に割れ率で示したもので
ある。 第３図は、実施例２によって製造された接合体のテスト
パターン面の平面図である。 第４図は、実施例３によって製造された接合体の平面図
である。 符号の説明 １……セラミックス ２……銅板 ３……金属ペースト材 ４……フィレット部

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 降幡 哲夫 東京都千代田区丸の内１丁目８番２号 同和鉱業株式会社内 (56)参考文献 特開 昭63−251127（ＪＰ，Ａ) 実開 昭60−200868（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) C04B 37/02

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】焼成された活性金属ペーストの層を介して
   相互に接合されたアルミナまたは窒化アルミニウムのセ
   ラミックス部材と銅または銅合金の金属部材とからなる
   接合体であって、接合面におけるセラミックス部材の面
   積は金属部材の面積より少なくとも一回り大きく、該接
   合面におけるセラミックス部材外周線の周囲かつセラミ
   ックス部材面上には、少なくとも0.25mm以上の帯幅で金
   属部材の周囲を包囲するフィレットが前記焼成ペースト
   によって形成され、繰り返し耐熱衝撃回数が200回以上
   を有することを特徴とする電子搭載用絶縁基板。
2. 【請求項２】アルミナまたは窒化アルミニウムのセラミ
   ックス部材と銅または銅合金の金属部材を、スクリーン
   印刷された実質的に銀60〜95重量％、銅３〜38重量％お
   よびチタン１〜５重量％を合計100重量％になるように
   配合した金属粉末80〜90重量部とビヒクル10〜20重量部
   とを合計100重量部となるように配合した組成を持つ活
   性金属ペースト材を介して接触配置し、該構成体を実質
   的に真空または非酸化性雰囲気中で加熱した後冷却する
   ことからなり、前記配置に際し、金属部材の縁部からは
   み出した金属ペーストによって形成されるフィレット部
   が0.25mm以上の帯幅で、製品接合体のセラミックス部上
   金属部材周囲に露出して存在する仕上がりとなるように
   金属ペースト材を配置し、繰り返し耐熱衝撃回数が200
   回以上を有することを特徴とする電子部品搭載用絶縁基
   板。