JP3095490B2 - Ceramic-metal joint - Google Patents

Ceramic-metal joint

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JP3095490B2
JP3095490B2 JP03316998A JP31699891A JP3095490B2 JP 3095490 B2 JP3095490 B2 JP 3095490B2 JP 03316998 A JP03316998 A JP 03316998A JP 31699891 A JP31699891 A JP 31699891A JP 3095490 B2 JP3095490 B2 JP 3095490B2
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Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は、セラミックス部材と金
属部材との接合体に係り、特に耐冷熱サイクル特性に優
れたセラミックス−金属接合体に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a joined body of a ceramic member and a metal member, and more particularly to a joined body of a ceramic member and a metal member which is excellent in cold-heat cycle resistance.

【0002】[0002]

【従来の技術】窒化物系セラミックス材料は、一般に、
軽量でかつ高硬度を有する、電気絶縁性に優れる、耐熱
性や耐食性に優れる等という特徴を有しており、これら
の特徴を生かして構造用材料や電気部品用材料等として
利用されている。ところで、例えば窒化物系セラミック
ス材料を構造材として使用する場合、セラミックス材料
は本来脆性材料であるため、金属材料と接合して用いる
ことが一般的である。一方、窒化物系セラミックス材料
の高電気絶縁性という特性を利用して、電子部品の搭載
基板等として使用する際にも、電気回路の形成等を目的
として、金属と接合することが行われている。このよう
に、窒化物系セラミックス材料の実用化を考えた場合、
金属材料との接合が重要な技術となる。
2. Description of the Related Art In general, nitride ceramic materials are
It has features such as light weight and high hardness, excellent electrical insulation, excellent heat resistance and corrosion resistance, and is utilized as a structural material, a material for electric parts, etc. by utilizing these characteristics. By the way, when a nitride-based ceramic material is used as a structural material, for example, the ceramic material is a brittle material by nature, so that it is generally used by bonding with a metal material. On the other hand, by using the high electrical insulation properties of the nitride ceramic material, when used as a mounting substrate for electronic components, for example, bonding with a metal is performed for the purpose of forming an electric circuit. I have. Thus, when considering the practical use of nitride ceramic materials,
Joining with metal materials is an important technology.

【0003】上述したような窒化物系セラミックス部材
と金属部材との接合方法としては、従来から、MoやW 等
の高融点金属を用いる方法や、IVa 族元素や Va 族元素
のような活性金属を用いる方法等が知られており、中で
も、高強度、高封着性、高信頼性等が得られることか
ら、活性金属法が多用されている。
[0003] As a method of joining the nitride-based ceramic member and the metal member as described above, a method using a high melting point metal such as Mo or W or an active metal such as an IVa group element or a Va group element has been used. Are known, and among them, the active metal method is frequently used because high strength, high sealing property, high reliability and the like can be obtained.

【0004】上記活性金属法は、Ti、Zr、Nb等の金属元
素が窒化物系セラミックス材料に対して濡れやすく、反
応しやすいことを利用した接合法であり、具体的には活
性金属を添加したろう材を用いたろう付け法や、窒化物
系セラミックス部材と金属部材との間に活性金属の箔や
粉体を介在させ、加熱接合する方法(固相拡散接合)等
として利用されている。また、被接合体となる金属部材
として、活性金属を直接使用することも行われている。
一般的に、取扱い性や処理のしやすさ等から、CuとAgと
の共晶ろう材(Ag:72wt%)にTi等の活性金属を添加し、
これをセラミックス部材と金属部材との間に介在させ、
適当な温度で熱処理して接合する方法が多用されてい
る。
The active metal method is a joining method utilizing the fact that metal elements such as Ti, Zr, and Nb are easily wetted and reacted with a nitride-based ceramic material. It is used as a brazing method using a brazing material that has been used, a method of interposing an active metal foil or powder between a nitride ceramic member and a metal member, and heating and joining (solid phase diffusion joining). Also, an active metal is directly used as a metal member to be joined.
Generally, active metals such as Ti are added to the eutectic brazing material of Cu and Ag (Ag: 72wt%) from the viewpoint of easy handling and processing.
This is interposed between the ceramic member and the metal member,
A method of joining by heat treatment at an appropriate temperature is often used.

【0005】[0005]

【発明が解決しようとする課題】ところで、窒化物系セ
ラミックス部材と金属部材との接合部品には、高接合強
度が求められる一方、セラミックス材料の熱膨張率は金
属材料のそれに比べて小さいため、この熱膨張差に起因
する欠点の発生を抑制することが強く求められている。
すなわち、熱膨張率が大きく異なるセラミックス材料と
金属材料とを接合すると、接合後の冷却過程で熱膨張差
に起因する残留応力が生じ、外部応力との相乗によって
接合強度が大幅に低下したり、また接合後の冷却過程や
冷熱サイクルの付加によって応力の最大点からクラック
が発生したり、さらにはセラミックス材料が破壊される
等の問題を招いてしまう。
By the way, high bonding strength is required for the joining parts of the nitride ceramic member and the metal member, but the thermal expansion coefficient of the ceramic material is smaller than that of the metal material. There is a strong demand to suppress the occurrence of defects caused by this difference in thermal expansion.
In other words, when a ceramic material and a metal material having significantly different coefficients of thermal expansion are joined to each other, a residual stress due to a difference in thermal expansion occurs in a cooling process after the joining, and a joint strength with an external stress significantly reduces the joining strength, In addition, cracks are generated from the maximum stress point due to the cooling process after the joining or the addition of the cooling / heating cycle, and further, the ceramic material is broken.

【0006】このような点に対して、上述した従来の活
性金属ろう材を用いた接合方法では、比較的接合強度が
高い接合体は得られるものの、冷熱サイクル等の付加に
対して十分な信頼性を有する接合体を再現性よく得るま
でには至っていないのが現状である。例えば、窒化物系
セラミックス部材上に銅板等を活性金属ろう材を用いて
接合したものを、半導体素子等の搭載用基板として用い
ているが、近年の半導体素子の高集積化や大電力化によ
って、半導体素子からの放熱量は飛躍的に増大してお
り、搭載基板側への熱伝達量が増加していることから、
冷熱サイクル等に対する信頼性の向上が強く望まれてい
る。
[0006] In view of such a point, in the above-mentioned joining method using the active metal brazing material, although a joined body having a relatively high joining strength can be obtained, sufficient joining reliability such as cooling and heating cycles can be obtained. At present, it has not been possible to obtain a conjugate having good reproducibility. For example, a substrate obtained by bonding a copper plate or the like on a nitride-based ceramic member using an active metal brazing material is used as a mounting substrate for a semiconductor element or the like. Since the amount of heat radiation from the semiconductor element has increased dramatically, and the amount of heat transferred to the mounting substrate has increased,
There is a strong demand for improvement in reliability for cooling and heating cycles and the like.

【0007】本発明は、このような課題を解決するため
になされたもので、高接合強度を満足すると共に、冷熱
サイクル等の付加に対して高い信頼性が得られるセラミ
ックス−金属接合体を提供することを目的としている。
The present invention has been made in order to solve such problems, and provides a ceramic-metal bonded body which satisfies high bonding strength and has high reliability against the application of a cooling / heating cycle or the like. It is intended to be.

【0008】[0008]

【課題を解決するための手段と作用】本発明のセラミッ
クス−金属接合体は、窒化物系セラミック部材と、T
i、ZrおよびNbから選ばれた少なくとも1種の活性
金属を含み、Cuを15〜35wt%含むAg−Cu系
ろう材層を介して、前記窒化物系セラミック部材に接合
された金属部材とを具備するセラミックス−金属接合体
において、前記窒化物系セラミック部材側の接合界面に
は、厚さ7μm以下の前記活性金属が偏析した層が連続
して存在することを特徴としている。
The ceramic-metal joined body of the present invention comprises a nitride-based ceramic member,
i, see contains at least one active metal selected from Zr and Nb, via a Ag-Cu-based brazing material layer containing 15~35Wt% of Cu, and a metal member bonded to the nitride-based ceramic member Wherein the active metal segregated layer having a thickness of 7 μm or less is continuously present at the bonding interface on the nitride-based ceramic member side.

【0009】本発明に用いられる窒化物系セラミックス
部材としては、窒化アルミニウム、窒化ケイ素、サイア
ロン等が例示される。また、窒化物系セラミックス部材
自体の材料特性は、特に限定されるものではないが、特
に破壊靭性値KICが4.5MPa・m1/2 以上のものを用いる
ことが好ましい。本発明のセラミックス−金属接合体
は、ろう材層自体の構成によって、耐冷熱サイクル特性
や接合強度の向上を図ったものであるが、さらに破壊靭
性値KICが4.5MPa・m 1/2 以上の窒化物系セラミックス
部材を用いることにより、より一層耐冷熱サイクル特性
の向上を図ることができる。すなわち、窒化物系セラミ
ックス部材の破壊靭性値KICが4.5MPa・m1/2 以上であ
ると、冷熱サイクル等が接合体に付加された際に、窒化
物系セラミックス部材にクラックが生じることが抑制さ
れる。
Examples of the nitride ceramic member used in the present invention include aluminum nitride, silicon nitride, sialon and the like. The material properties of the nitride ceramic member itself are not particularly limited, but it is particularly preferable to use one having a fracture toughness value K IC of 4.5 MPa · m 1/2 or more. The ceramic-metal joined body of the present invention is intended to improve the cold / heat cycle resistance and the joining strength by the structure of the brazing material layer itself, and has a fracture toughness value K IC of 4.5 MPa · m 1/2 or more. By using the nitride-based ceramic member, it is possible to further improve the cold-heat cycle resistance. That is, if the fracture toughness value K IC of the nitride-based ceramic member is 4.5 MPa · m 1/2 or more, cracks may occur in the nitride-based ceramic member when a thermal cycle or the like is applied to the joined body. Is suppressed.

【0010】また、金属部材は、用途に応じて各種の金
属材料から適宜選択すればよく、例えば構造材料として
は、鋼材、耐熱合金、超硬合金等が例示され、また電子
部品材料としては、Cu、Cu合金、Ni、Ni合金、W 、Mo等
が例示される。
The metal member may be appropriately selected from various metal materials according to the application. Examples of the structural material include a steel material, a heat-resistant alloy, a cemented carbide, and the like. Examples thereof include Cu, Cu alloy, Ni, Ni alloy, W, and Mo.

【0011】本発明のセラミックス−金属接合体は、上
述したような窒化物系セラミックス部材と金属部材と
を、 Ag-Cuの共晶組成(72wt%Ag-28wt%Cu)もしくはその
近傍の組成を主とし、これにTi、ZrおよびNbから選ばれ
た少なくとも 1種の活性金属を適量配合した Ag-Cu系ろ
う材により接合したものである。
[0011] The ceramic-metal bonded body of the present invention is characterized in that the above-mentioned nitride ceramic member and metal member are formed by changing the eutectic composition of Ag-Cu (72 wt% Ag-28 wt% Cu) or a composition in the vicinity thereof. It is mainly joined with an Ag-Cu brazing material containing an appropriate amount of at least one active metal selected from Ti, Zr and Nb.

【0012】そして、本発明のセラミックス−金属接合
体においては、上記ろう材中の活性金属を窒化物系セラ
ミックス部材側の接合界面に偏析させており、この偏析
層は基本的には活性金属の窒化物により主として構成さ
れたものである。この活性金属の偏析層は、接合界面に
連続して形成されていることが重要であり、これにより
接合強度や耐冷熱サイクル特性の向上を図ることができ
る。
In the ceramic-metal bonded body of the present invention, the active metal in the brazing material is segregated at the bonding interface on the side of the nitride-based ceramic member, and the segregation layer is basically formed of the active metal. It is mainly composed of nitride. It is important that the segregation layer of the active metal is formed continuously at the bonding interface, so that the bonding strength and the thermal cycling resistance can be improved.

【0013】上記活性金属の偏析層は、上述したように
ろう材中の活性金属とセラミックス部材中の窒素との反
応による窒化物により主に構成されたものである。この
ような反応層を窒化物系セラミックス部材側の接合界面
に連続して形成することによって、安定して高接合強度
が得られると共に、活性金属の偏析層が応力緩和層とし
て機能するため、冷熱サイクル付加等によって窒化物系
セラミックス部材にクラックが生じることを抑制するこ
とができる。このクラックの抑制は、前述したように、
破壊靭性値KICが4.5MPa・m 1/2 以上の窒化物系セラミ
ックス部材を用いることによって一層効果的となる。
As described above, the active metal segregation layer is mainly composed of a nitride formed by a reaction between the active metal in the brazing material and nitrogen in the ceramic member. By continuously forming such a reaction layer at the bonding interface on the nitride ceramic member side, high bonding strength can be stably obtained, and the segregation layer of the active metal functions as a stress relaxation layer. Cracks can be suppressed from occurring in the nitride-based ceramic member due to the addition of a cycle or the like. The suppression of this crack, as described above,
The use of a nitride ceramic member having a fracture toughness value K IC of 4.5 MPa · m 1/2 or more is more effective.

【0014】ただし、TiNのような活性金属の窒化物
自体は脆性材料であり、あまり層厚が厚くなると逆にク
ラックの起点となる恐れがあるため、活性金属の偏析層
の厚さは7μm以下とする。また、層厚があまり薄いと
一様に形成することが困難となるため、4μm以上とす
ることが好ましい。よって、活性金属の偏析層の厚さ
は、4μm〜7μmの範囲とすることが好ましい。な
お、偏析層は接合界面に一様に連続して形成されていれ
ばその機能を果たすため、均一であればその層厚は4μ
m未満でもよい。
However, the nitride of an active metal such as TiN itself is a brittle material, and if the thickness is too large, there is a risk that the nitride may be a starting point of cracks. Therefore, the thickness of the active metal segregation layer is 7 μm or less. It shall be the. Further, if the layer thickness is too small, it is difficult to form the layer uniformly, so that the thickness is preferably 4 μm or more. Therefore, the thickness of the active metal segregation layer is preferably in the range of 4 μm to 7 μm. The segregation layer performs its function if it is formed uniformly and continuously at the bonding interface.
m.

【0015】また、上述したように活性金属の窒化物は
本来脆性材料であるため、上記偏析層を主に構成する化
合物を、セラミックス部材の他方の構成材料をさらに含
む複合化合物とすることによって、より一層耐冷熱サイ
クル特性を向上させることができる。例えば、セラミッ
クス部材が窒化アルミニウム焼結体であるとすると、活
性金属−アルミニウム−窒素の三元化合物とすることが
好ましい。このように、例えばアルミニウムを含有させ
ることによって化合物の延性が大きくり、偏析層がクラ
ックの起点となることを防止することができる。
Further, since the nitride of the active metal is originally a brittle material as described above, the compound mainly constituting the above-mentioned segregation layer is formed as a composite compound further containing the other material constituting the ceramic member. It is possible to further improve the cooling / heating cycle characteristics. For example, if the ceramic member is an aluminum nitride sintered body, it is preferable to use a ternary compound of active metal-aluminum-nitrogen. Thus, for example, by containing aluminum, the ductility of the compound is increased, and it is possible to prevent the segregation layer from becoming a starting point of cracks.

【0016】本発明に用いられる Ag-Cu系ろう材は、前
述したように、 Ag-Cuの共晶組成もしくはその近傍の組
成を主とし、これにTi、ZrおよびNbから選ばれた少なく
とも2種の活性金属を適量配合したものである。上記活
性金属は、熱処理温度(接合温度)で活性化し、窒化物
系セラミックス部材と反応して例えば窒化物となり、接
合強度や耐冷熱サイクル特性の向上に寄与するものであ
る。ただし、あまり多量に添加すると、接合強度は増大
するものの、冷熱サイクルが付加された際にクラックの
発生原因となる恐れがあるため、10重量%未満とするこ
とが好ましい。一方、活性金属の配合量があまり少ない
と、十分な接合強度が得られないため、1重量%以上と
することが好ましい。また、ろう材の主体となる Ag-Cu
合金は、基本的には共晶組成を満足するものとするが、
全ろう材成分中のCu量が15重量%〜35重量%程度であれ
ば同様な効果を得ることができる。
As described above, the Ag-Cu-based brazing material used in the present invention mainly has a eutectic composition of Ag-Cu or a composition in the vicinity thereof, and has at least two components selected from Ti, Zr and Nb. It contains a suitable amount of various active metals. The active metal is activated at a heat treatment temperature (joining temperature) and reacts with the nitride-based ceramic member to form, for example, a nitride, which contributes to the improvement of the joint strength and the thermal cycling resistance. However, if added in an excessively large amount, although the joining strength is increased, it may cause cracks when a cooling / heating cycle is added. Therefore, it is preferably less than 10% by weight. On the other hand, if the amount of the active metal is too small, sufficient bonding strength cannot be obtained, so that the content is preferably 1% by weight or more. In addition, Ag-Cu
The alloy shall basically satisfy the eutectic composition,
A similar effect can be obtained if the Cu content in all brazing filler metal components is about 15% by weight to 35% by weight.

【0017】本発明のセラミックス−金属接合体は、例
えば以下のようにして製造される。まず、窒化物系セラ
ミックス部材と金属部材とを用意し、上述したような活
性金属を含む Ag-Cu系ろう材をペースト化したものを窒
化物系セラミックス部材側に塗布する。ここで、本発明
で規定するように、活性金属が偏析した層を窒化物系セ
ラミックス部材側の接合界面に一様に形成するには、ろ
う材ペーストを窒化物系セラミックス部材側に塗布する
ことが重要である。ろう材ペーストを金属部材側に塗布
したのでは、塗布したペースト層の表面に、接合工程ま
での間に微量な酸素が付着し、この酸素が活性金属が窒
化物系セラミックス部材側に移行することを妨げる。よ
って、活性金属が偏析した層を一様に形成することが困
難となる。従来法ではろう材ペーストを金属部材側に塗
布することが一般的であった。なお、上述した Ag-Cu系
ろう材の使用形態としては、Ag、Cuおよび活性金属を含
むペーストとして使用することが好ましいが、必ずしも
箔の積層体のような状態で使用することを除外するもの
ではない。
The ceramic-metal bonded body of the present invention is manufactured, for example, as follows. First, a nitride-based ceramic member and a metal member are prepared, and a paste of an Ag-Cu-based brazing material containing an active metal as described above is applied to the nitride-based ceramic member side. Here, as specified in the present invention, in order to uniformly form a layer in which the active metal is segregated on the bonding interface on the nitride ceramic member side, a brazing material paste is applied to the nitride ceramic member side. is important. When the brazing material paste is applied to the metal member side, a small amount of oxygen adheres to the surface of the applied paste layer before the joining process, and this oxygen transfers the active metal to the nitride ceramic member side. Hinder. Therefore, it is difficult to uniformly form a layer in which the active metal is segregated. In the conventional method, it was common to apply a brazing material paste to the metal member side. The use form of the above-mentioned Ag-Cu-based brazing material is preferably used as a paste containing Ag, Cu and an active metal, but is not necessarily used in the form of a foil laminate. is not.

【0018】次に、ろう材ペーストを塗布した窒化物系
セラミックス部材と金属部材とを積層し、真空中または
窒素雰囲気のような不活性雰囲気にて、Ag-Cu共晶が形
成される温度で熱処理し、この共晶液相および活性金属
とセラミックス部材との反応等を利用して、窒化物系セ
ラミックス部材と金属部材とを接合する。
Next, the nitride-based ceramic member coated with the brazing material paste and the metal member are laminated, and in a vacuum or an inert atmosphere such as a nitrogen atmosphere, at a temperature at which the Ag-Cu eutectic is formed. Heat treatment is performed to join the nitride ceramic member and the metal member by utilizing the eutectic liquid phase and the reaction between the active metal and the ceramic member.

【0019】この際、一般的には接合温度は800℃〜
900℃程度で、接合時間(加熱時間)は5分〜15分
程度であるが、活性金属を窒化物系セラミックス部材に
一様に偏析させるためには、830℃〜870℃程度
で、5〜10分程度とすることが好ましい。さらに、活
性金属を偏析させる条件としては、真空度を10-4 To
rr以下に保持すること等が挙げられる。
At this time, the bonding temperature is generally 800 ° C.
The bonding time (heating time) is about 5 minutes to 15 minutes at about 900 ° C., but in order to uniformly segregate the active metal into the nitride-based ceramic member, about 830 ° C. to 870 ° C. Preferably, the time is about 10 minutes. Further, as a condition for segregating the active metal, the degree of vacuum is set to 10 -4 To
rr or less.

【0020】また、偏析層を構成する化合物を、例えば
活性金属−アルミニウム−窒素等の複合化合物とするた
めには、高温でかつ比較的短時間で処理するか、あるい
は中温度以上で長時間処理することが好ましい。これら
のように、接合時の反応性を高めることによって、活性
金属と窒素とが反応した後、それにアルミニウム等が固
溶しやすくなり、複合化合物が形成されやすくなる。
In order to make the compound constituting the segregation layer into a complex compound such as active metal-aluminum-nitrogen, the compound is treated at a high temperature and for a relatively short time, or at a medium temperature or higher for a long time. Is preferred. As described above, by increasing the reactivity at the time of bonding, after the active metal reacts with nitrogen, aluminum or the like is easily dissolved in the active metal and nitrogen, and a composite compound is easily formed.

【0021】[0021]

【実施例】次に、本発明の実施例について説明する。Next, an embodiment of the present invention will be described.

【0022】実施例1 まず、窒化物系セラミックス部材として厚さ0.8mmtの板
状の窒化アルミニウム焼結体、および金属部材として厚
さ0.3mmtの銅板(無酸素銅)を用意した。一方、重量比
でAg:Cu:Ti=70.6:27.4:2.0のろう材を用意し、このろう
材に樹脂バインダおよび分散媒を適量加え、十分に混合
して接合用ペーストを作製した。
Example 1 First, a plate-like sintered aluminum nitride having a thickness of 0.8 mmt was prepared as a nitride-based ceramic member, and a copper plate (oxygen-free copper) having a thickness of 0.3 mmt was prepared as a metal member. On the other hand, a brazing filler metal having a weight ratio of Ag: Cu: Ti = 70.6: 27.4: 2.0 was prepared, and an appropriate amount of a resin binder and a dispersion medium were added to the brazing filler metal and mixed sufficiently to prepare a bonding paste.

【0023】次に、図1(a)に示すように、窒化アル
ミニウム焼結体1の一方の主面1aに、上記した接合用
ペースト2をスクリーン印刷し、乾燥させた後、接合用
ペースト2の塗布層上に銅板3を積層、配置した。この
後、上記積層物に対して 1×10-4Torr以下の真空中に
て、 850℃×10分(昇温速度:10℃/分、降温:炉冷)
の温度プロファイルで熱処理を施し、図1(b)に示す
ように、窒化アルミニウム焼結体1と銅板3とをろう材
層4を介して接合し、目的とするセラミックス−金属接
合体5を得た。
Next, as shown in FIG. 1A, the bonding paste 2 is screen-printed on one main surface 1a of the aluminum nitride sintered body 1 and dried, and then the bonding paste 2 is formed. The copper plate 3 was laminated and arranged on the coating layer of the above. Thereafter, the above-mentioned laminate is placed in a vacuum of 1 × 10 −4 Torr or less at 850 ° C. × 10 minutes (heating rate: 10 ° C./min, cooling: furnace cooling)
1B, the aluminum nitride sintered body 1 and the copper plate 3 are joined via the brazing material layer 4 to obtain the desired ceramic-metal joint 5 as shown in FIG. Was.

【0024】比較例1 上記実施例1において、接合用ペーストを銅板側に塗布
する以外は、同一条件でセラミックス−金属接合体を作
製した。
Comparative Example 1 A ceramic-metal joined body was produced under the same conditions as in Example 1 except that the joining paste was applied to the copper plate side.

【0025】比較例2 重量比でAg:Cu:Ti=27.4:70.6:2.0のろう材を用意し、実
施例1と同様にして接合用ペーストを作製した。そし
て、この接合用ペーストを銅板側に塗布する以外は、実
施例1と同一条件でセラミックス−金属接合体を作製し
た。
Comparative Example 2 A brazing material having a weight ratio of Ag: Cu: Ti = 27.4: 70.6: 2.0 was prepared, and a bonding paste was prepared in the same manner as in Example 1. Then, a ceramic-metal joined body was produced under the same conditions as in Example 1 except that the joining paste was applied to the copper plate side.

【0026】上記実施例1および比較例1、2で作製し
た各セラミックス−金属接合体(窒化アルミニウム−
銅)の界面分析をEPMAにより行った。図2に実施例
1のEPMAによる分析結果を模式的に示す。また、図
3に比較例2のEPMAによる分析結果を模式的に示
す。図2から明らかなように、実施例1によるセラミッ
クス−金属接合体では、窒化アルミニウム側の接合界面
にTiが偏析した層が連続して形成されていることが分か
る。このTiの偏析層の厚さは、約 4.5μm であった。ま
た、このTiの偏析層は、 TiNにより主に構成されている
ことをX線回折によって確認した。一方、比較例2によ
るセラミックス−金属接合体では、図3に示すように、
窒化アルミニウム側の接合界面にTiが偏析した層が形成
されていたが、このTiの偏析層はとぎれている部分が存
在し、またその厚さは約 3μm であった。なお、比較例
1によるセラミックス−金属接合体は、Tiの偏析層の厚
さが約1.5μm とさらに薄く、形成状態も不連続であっ
た。
Each of the ceramic-metal joints (aluminum nitride) produced in Example 1 and Comparative Examples 1 and 2 was manufactured.
Copper) was analyzed by EPMA. FIG. 2 schematically shows the result of the analysis by EPMA of Example 1. FIG. 3 schematically shows the result of analysis of Comparative Example 2 by EPMA. As is clear from FIG. 2, in the ceramic-metal bonded body according to Example 1, a layer in which Ti segregated was continuously formed at the bonding interface on the aluminum nitride side. The thickness of the Ti segregation layer was about 4.5 μm. Further, it was confirmed by X-ray diffraction that this segregation layer of Ti was mainly composed of TiN. On the other hand, in the ceramic-metal joined body according to Comparative Example 2, as shown in FIG.
A layer in which Ti segregated was formed at the bonding interface on the aluminum nitride side. However, the Ti segregation layer had a discontinuous portion, and its thickness was about 3 μm. In the ceramic-metal bonded body according to Comparative Example 1, the thickness of the segregation layer of Ti was further reduced to about 1.5 μm, and the formation state was discontinuous.

【0027】また、各セラミックス−金属接合体の接合
界面において、Tiの偏析層を中心とした10μm ×10μm
の面積の成分比をEPMAにより分析したところ、表1
に示すような結果が得られた。
Further, at the bonding interface of each ceramic-metal bonded body, 10 μm × 10 μm centered on the segregation layer of Ti.
When the component ratio of the area of was analyzed by EPMA, Table 1
The result as shown in FIG.

【0028】[0028]

【表1】 表1に示す分析結果も、実施例1によるセラミックス−
金属接合体では、窒化アルミニウム側界面にTiが偏析し
ていることを裏付けている。
[Table 1] The analysis results shown in Table 1 also indicate that the ceramics of Example 1
The metal bonded body supports that Ti is segregated at the aluminum nitride-side interface.

【0029】次に、上記実施例1および比較例1、2で
作製した各セラミックス−金属接合体の特性を以下のよ
うにして評価した。まず、各セラミックス−金属接合体
に対して冷熱サイクル試験(TCT) を施した。 TCTは-40
℃×30分+RT×10分+ 125℃×30分+RT×10分を 1サイ
クルとした。 TCT後の評価方法としては、銅板のピール
強度の測定とクラック有無を確認することにより行っ
た。 TCTサイクル数とピール強度およびクラック発生と
の関係を図4に示す。図4から明らかなように、実施例
1によるセラミックス−金属接合体は、初期の接合強度
が極めて大きいと共に、冷熱サイクルが印加された状態
においても強度低下が少なく、さらに TCTによるクラッ
クも 100サイクルまでは認められなかった。これに対し
て、比較例1および比較例2によるセラミックス−金属
接合体は、それぞれ初期の接合強度が低く、かつクラッ
クも50サイクル程度で発生しており、その後の強度低下
も大きいものであった。
Next, the characteristics of each of the ceramic-metal joined bodies produced in Example 1 and Comparative Examples 1 and 2 were evaluated as follows. First, a thermal cycle test (TCT) was performed on each ceramic-metal joint. TCT is -40
One cycle consisted of 30 ° C x 30 minutes + RT x 10 minutes + 125 ° C x 30 minutes + RT x 10 minutes. The evaluation method after TCT was performed by measuring the peel strength of the copper plate and checking for the presence or absence of cracks. FIG. 4 shows the relationship between the number of TCT cycles, the peel strength, and the occurrence of cracks. As is clear from FIG. 4, the ceramic-metal bonded body according to Example 1 has an extremely large initial bonding strength, a small reduction in strength even when a cooling / heating cycle is applied, and a crack by TCT of up to 100 cycles. Was not found. On the other hand, the ceramic-metal joints according to Comparative Examples 1 and 2 each had a low initial bonding strength, cracks occurred in about 50 cycles, and a large reduction in strength thereafter. .

【0030】実施例2 実施例1における接合温度条件を、850 ℃×10分から85
0 ℃×30分と変更する以外は、実施例1と同一条件でセ
ラミックス−金属接合体を作製した。
Example 2 The bonding temperature condition in Example 1 was changed from 850 ° C. × 10 minutes to 85 ° C.
A ceramic-metal joined body was produced under the same conditions as in Example 1 except that the temperature was changed to 0 ° C. × 30 minutes.

【0031】このセラミックス−金属接合体の界面分析
をEPMAにより行ったところ、窒化アルミニウム側の
接合界面にTiが偏析した層が連続的に形成されている
(層厚は実施例1と同等)と共に、このTiの偏析層にAl
が拡散しており、 Ti-Al-N化合物が形成されていること
を確認した。なお、実施例1によるセラミックス−金属
接合体においても、Tiの偏析層にAlが拡散していること
が確認されたが、量的には実施例2によるセラミックス
−金属接合体の方が多かった。
When the interface analysis of this ceramic-metal bonded body was performed by EPMA, a layer in which Ti segregated was continuously formed at the bonding interface on the aluminum nitride side (the layer thickness was equivalent to that in Example 1). , Al
Was diffused, and it was confirmed that a Ti-Al-N compound was formed. In the ceramic-metal joined body according to Example 1, it was confirmed that Al was diffused into the segregation layer of Ti, but the quantity of the ceramic-metal joined body according to Example 2 was larger. .

【0032】この実施例2によるセラミックス−金属接
合体の TCTによるクラック発生の有無を確認したとこ
ろ、300 サイクルまでクラックの発生は認められず、さ
らに耐冷熱サイクル特性に優れることが判明した。な
お、ピール強度の測定値は実施例1とほぼ同程度であっ
た。
When the occurrence of cracks in the ceramic-metal joined body according to Example 2 was confirmed by TCT, no crack was observed up to 300 cycles, and it was found that the ceramics-metal joined body was excellent in the thermal cycling resistance. The measured values of the peel strength were almost the same as those in Example 1.

【0033】実施例3〜5 破壊靭性値KICがそれぞれ4.7MPa・m 1/2 、4.1MPa・m
1/2 、4.0MPa・m 1/2 の 3種類の窒化アルミニウム焼結
体を用意し、これらを各々用いて実施例1と同一条件
で、それぞれセラミックス−金属接合体(実施例3〜
5)を作製した。
Examples 3 to 5 The fracture toughness values K IC were 4.7 MPa · m 1/2 and 4.1 MPa · m, respectively.
Three kinds of aluminum nitride sintered bodies of 1/2 and 4.0 MPa · m 1/2 were prepared, and each of them was used under the same conditions as in Example 1 to obtain a ceramic-metal joined body (Examples 3 to 4).
5) was produced.

【0034】これら 3種類のセラミックス−金属接合体
のピール強度を測定すると共に、それぞれ実施例1と同
一条件の TCTを 100サイクル施し、それぞれ窒化アルミ
ニウム焼結体のファインクラックの有無を以下に示す方
法によって確認した。まず、銅板およびろう材層をエッ
チング除去し、窒化アルミニウム焼結体表面のファイン
クラックの有無を、蛍光浸透探傷(PT)検査で判定するこ
とによって行った。
The peel strength of these three types of ceramic-metal joints was measured, and TCT under the same conditions as in Example 1 was performed for 100 cycles, and the presence or absence of a fine crack of the aluminum nitride sintered body was determined as follows. Confirmed by. First, the copper plate and the brazing material layer were removed by etching, and the presence or absence of a fine crack on the surface of the aluminum nitride sintered body was determined by a fluorescent penetrant inspection (PT) inspection.

【0035】その結果、ピール強度の初期の測定値はい
ずれのセラミックス−金属接合体も実施例1とほぼ同程
度であったが、実施例3(AlN:KIC= 4.7MPa・ m1/2
のセラミックス−金属接合体では TCT 100サイクル後に
おいてもクラックは認められなかったのに対し、他のセ
ラミックス−金属接合体(実施例4、5)では微細なク
ラックが発生していた。
As a result, the initial measured values of the peel strength were almost the same for all the ceramic-metal joints as in Example 1, but in Example 3 (AlN: K IC = 4.7 MPa · m 1/2). )
No crack was observed in the ceramic-metal joined body of Example 1 even after 100 cycles of TCT, whereas fine cracks occurred in other ceramic-metal joined bodies (Examples 4 and 5).

【0036】[0036]

【発明の効果】以上説明したように、本発明のセラミッ
クス−金属接合体によれば、窒化物系セラミックス部材
側の接合界面に、反応層である活性金属の偏析層が適度
な層厚で連続して形成されているため、安定して高接合
強度が得られると共に、冷熱サイクルの付加等によって
窒化物系セラミックス部材にクラックが生じることを抑
制することができる。よって、高接合強度を有すると共
に、冷熱サイクルに対して優れた信頼性を示すセラミッ
クス−金属接合体を、再現性よく提供することが可能と
なる。
As described above, according to the ceramic-metal bonded body of the present invention, a segregation layer of an active metal, which is a reaction layer, is continuously formed at an appropriate thickness at the bonding interface on the nitride ceramic member side. As a result, a high bonding strength can be stably obtained, and the occurrence of cracks in the nitride-based ceramic member due to the addition of a thermal cycle can be suppressed. Therefore, it is possible to provide a ceramic-metal bonded body having high bonding strength and excellent reliability with respect to a thermal cycle with good reproducibility.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明の一実施例におけるセラミックス−金属
接合体の製造工程を示す図である。
FIG. 1 is a view showing a manufacturing process of a ceramic-metal joined body in one embodiment of the present invention.

【図2】本発明の一実施例によるセラミックス−金属接
合体の接合界面のEPMA分析結果を模式的に示す図で
ある。
FIG. 2 is a view schematically showing an EPMA analysis result of a bonding interface of a ceramic-metal bonded body according to one embodiment of the present invention.

【図3】本発明との比較として示したセラミックス−金
属接合体の接合界面のEPMA分析結果を模式的に示す
図である。
FIG. 3 is a diagram schematically showing an EPMA analysis result of a bonding interface of a ceramic-metal bonded body shown as a comparison with the present invention.

【図4】本発明の一実施例によるセラミックス−金属接
合体の TCTサイクル数とピール強度との関係を従来例と
比較して示す図である。
FIG. 4 is a diagram showing the relationship between the number of TCT cycles and the peel strength of the ceramic-metal joined body according to one embodiment of the present invention, in comparison with a conventional example.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1……窒化アルミニウム焼結体 2……接合用ペースト 3……銅板 4……ろう材層 5……セラミックス−金属接合体 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Sintered aluminum nitride 2 ... Paste for joining 3 ... Copper plate 4 ... Brazing material layer 5 ... Ceramic-metal joined body

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平3−18087(JP,A) 特開 平2−149478(JP,A) 特開 昭64−65859(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) C04B 37/02 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continuation of the front page (56) References JP-A-3-18087 (JP, A) JP-A-2-149478 (JP, A) JP-A-64-65859 (JP, A) (58) Survey Field (Int.Cl. 7 , DB name) C04B 37/02

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】 窒化物系セラミック部材と、Ti、Zr
およびNbから選ばれた少なくとも1種の活性金属を含
み、Cuを15〜35wt%含むAg−Cu系ろう材層
を介して、前記窒化物系セラミック部材に接合された金
属部材とを具備するセラミックス−金属接合体におい
て、 前記窒化物系セラミック部材側の接合界面には、厚さ7
μm以下の前記活性金属が偏析した層が連続して存在す
ることを特徴とするセラミックス−金属接合体。
1. A nitride ceramic member, Ti, Zr
And at least one active metal selected from Nb and Nb.
And a metal member joined to the nitride-based ceramic member via an Ag-Cu-based brazing material layer containing 15 to 35 wt% of Cu. Has a thickness of 7
A ceramic-metal joined body , wherein a layer in which the active metal having a thickness of not more than μm is continuously present.
【請求項2】 請求項1記載のセラミックス−金属接合
体において、 前記活性金属の偏析層の厚さは、4〜7μmの範囲であ
ることを特徴とするセラミックス−金属接合体。
2. The ceramic-metal bonded body according to claim 1, wherein the thickness of the active metal segregation layer is in a range of 4 to 7 μm.
【請求項3】 請求項2記載のセラミックス−金属接合
体において、 前記活性金属の偏析層は、前記活性金属の窒化物から主
として構成されていることを特徴とするセラミックス−
金属接合体。
3. The ceramic-metal joined body according to claim 2, wherein the segregation layer of the active metal is mainly composed of a nitride of the active metal.
Metal joint.
【請求項4】 請求項1記載のセラミックス−金属接合
体において、 前記窒化物系セラミック部材は、窒化アルミニウム焼結
体からなり、かつ前記活性金属の偏析層は、前記活性金
属とアルミニウムと窒素との化合物を構成要素として含
むことを特徴とするセラミックス−金属接合体。
4. The ceramic-metal joined body according to claim 1, wherein said nitride-based ceramic member is made of an aluminum nitride sintered body, and said active metal segregation layer is formed of said active metal, aluminum and nitrogen. A ceramic-metal joined body comprising the compound of the above as a constituent element.
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