JP3689830B2

JP3689830B2 - 金属−セラミックス複合部材の接合方法

Info

Publication number: JP3689830B2
Application number: JP02312297A
Authority: JP
Inventors: 暁山寧; 正美桜庭; 敏和田中
Original assignee: Dowa Holdings Co Ltd; Dowa Mining Co Ltd
Current assignee: Dowa Holdings Co Ltd
Priority date: 1997-01-23
Filing date: 1997-01-23
Publication date: 2005-08-31
Anticipated expiration: 2017-01-23
Also published as: JPH10212171A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はセラミックス基板に金属板を直接接合する接合方法に関し、特に特定の大きさの平板状の治具を用いることにより、金属とセラミックス基板間に未接部分の無い複合部材を工業的に量産できる様に改善した接合方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、セラミックス基板としてのアルミナ基板と、金属板としての銅板とを接合する方法としては、バインダーを含んだ銅ペーストをアルミナ基板上に塗布し、乾燥焼成してアルミナ基板中のガラス形成物質と銅ペースト中のバインダーとを反応させ、かつ銅とも反応させて接合する方法がある。
【０００３】
また、アルミナ基板と銅板との間に反応金属（ろう材）をはさみ込み、反応金属の融点よりも高い温度で加熱してアルミナ基板と反応金属間、及び銅板と反応金属との間にそれぞれ拡散反応を起こさせて接合する方法などが知られている。
【０００４】
しかし最近の半導体は大電力化、高集積化およびモジュール化の方向に進展しており、セラミックス基板の高放熱化、半導体実装の簡略化、高信頼化の要求に対応して前述の銅ペーストやろう材を用いないでアルミナ基板上に銅回路板を直接接合する方法が用いられる様になった。
【０００５】
この製造方法の一例として、本出願人による特開昭６３−１６６７７４号「銅板とアルミナ基板との接合体の製造方法」には、相互に接触した銅板とアルミナ基板とを不活性雰囲気中において、１０８３℃よりも低い温度に加熱し、接触部に銅と銅酸化物の共晶液相を形成させることなく、銅とアルミナ基板表面のアルミナおよびガラス質形成物質との化合物を形成させた後、冷却する直接接合方法が開示されているが、この方法では、コンベア炉に直接接合される銅板とアルミナ基板とを搬入する際、ＳｉＣ製の台座上に配置して自動搬入してコンベア炉内で接合処理している。
【０００６】
この場合、上記ＳｉＣ製の台座では、製作段階でＳｉＣの焼結が難しく、且つ台座中に含まれる遊離Ｓｉが不活性雰囲気下で銅板と合金化して金色を呈するという問題が有り、これを解決するために本出願人は特開平３−８０１６３号「金属とセラミックスとの接合方法」において、治具本体に直交するアルミナ焼結板表面をＣｒ₂Ｏ₃で被覆した保持治具を使用してセラミックス基板上に銅板を接合する製造方法を開発した。
【０００７】
図３〜図５はその説明図であって、１は板状の２枚の治具本体、２はこの治具本体１上に直交して固定した、その表面をＣｒ₂Ｏ₃で被覆した厚さ０．６５ｍｍ、幅と長さが５ｍｍ×６０ｍｍの２枚のアルミナ焼結板、３はこのアルミナ基板焼結板２上に記載した厚さ、０．３ｍｍ、幅と長さが６５ｍｍ×８３ｍｍの２枚のタフピッチ銅板、４はこれら銅板間に介挿した厚さ０．６３５ｍｍ、幅と長さが６１ｍｍ×８８ｍｍの９５％アルミナ基板である。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような従来例では表面をＣｒ₂Ｏ₃で被覆した保持治具を用いるものであり、その後の試験によりサイズの大きい基板を使用する場合には、銅とアルミナ基板間に部分的に未接合を生ずることが判明した。
【０００９】
これらの問題点は、量産を計ろうとする場合の検査工程の増大につながり、コスト高の要因となるため、何らかの解決手段が求められていた。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明者等は斯る課題を解決する手段を鋭意研究したところ、保持治具として特定範囲の厚みと幅等を有する平板状の保持治具を用いると上記未接合を防止できることを見出し、本発明を達成することができた。
【００１１】
すなわち本発明の金属−セラミックス複合部材の接合方法は、相互に接触した金属板とセラミックス基板とを不活性雰囲気中において接合させる金属−セラミックス複合部材の接合方法において、厚さが０．１〜１．０ｍｍ、幅が５〜１５ｍｍ、長さが８０〜１５０ｍｍの大きさであり表面にＭｇＯ、Ａｌ ₂ Ｏ ₃ 、Ｙ ₂ Ｏ ₃ 、ＴｉＯ ₂ のグループから選ばれる少なくとも１種の塗布材を塗布したセラミックス平板からなる保持治具を用い、接合すべき金属板とセラミックス基板とを交互に重ねたものの中心部を該保持治具により支持し、８００℃以上の温度に保たれた不活性雰囲気中で接合処理することを特徴とする。
【００１３】
上記塗布材は、粒径が０．１〜１００μｍの粉末であることを特徴とする。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下本発明の実施例を詳細に説明する。
【００１７】
（実施例）
【００１８】
本発明においては図１及び図２に示すように治具本体１と、互いに接合させるための銅板およびアルミナ基板として、厚さ０．３ｍｍ、幅と長さが５５ｍｍ×８３ｍｍのタフピッチ銅板３と厚さ０．６３５ｍｍ、幅と長さが６０ｍｍ×９０ｍｍの９５％アルミナ基板４とを準備した。
【００１９】
表１に示すようなサイズである平板状の９５％アルミナ基板４から成るものを用い、該基板４上に塗布材として粉体粒径が２０μｍのＭｇＯ、Ａｌ₂Ｏ₃、Ｙ₂Ｏ₃、ＴｉＯ₂と比較のために従来のＣｒ₂Ｏ₃を用いて約２００μｍの厚さで接触面に塗布したものを夫々保持治具とした。その形態の一例を図１に示す。
【００２０】
【表１】

【００２１】
これらの保持治具を、接合炉に基板を搬入するベルト上に図２に示すように中心部に置き、この上に下板のタフピッチ銅とアルミナ基板と上板のタフピッチ銅とを重ね、接合炉中にて不活性雰囲気下で８５０℃で接合させたところ表１に示すように比較例のＣｒ₂Ｏ₃で塗布したもの以外には、銅とアルミナ基板間にふくれや未接合部分は生じなかった。また下板のタフピッチ銅板と保持治具はまったく接合されず、簡単に分離することができた。
【００２２】
本発明方法で使用する保持治具は、接合時の雰囲気を阻害しない安定な物質、即ち、高温下で分解や解離をすることがなく、且つ工業的に安定した物質で作られたものであって、接合処理後得られた接合体製品を容易に取り外しできるものであればよい。該治具の材質としては、本明細書中に示す実施例ではアルミナを用いたが、上記の要件を満たす材質であればステンレスなどの金属や上記のアルミナ以外のセラミックス材を用いることが勿論可能である。
【００２３】
また該治具の形状としては、厚みや幅によって上記未接合部分が生ずることから、本発明保持治具は、厚さが０．１〜１．０ｍｍ、幅が５〜１５ｍｍ、長さが８０〜１５０ｍｍの大きさである平板状のものを用いた。
【００２４】
上記板厚を０．１〜１．０ｍｍとする理由は、０．１ｍｍ以下であれば薄すぎて製造工程に難があり、逆に１．０ｍｍ以上だと熱伝導が悪くなることによる。幅や長さを限定するのは、接合工程において接合治具から基板への伝達熱を調節し、上記未接合の発生を防止するためである。
【００２５】
また本発明で使用する治具に塗布する粉末としては、粉末粒径が０．１〜１００μｍの範囲のＭｇＯ、Ａｌ₂Ｏ₃、Ｙ₂Ｏ₃、ＴｉＯ₂のグループから選ばれる少なくとも１種とする。この場合、０．１から１００μｍとする理由は、０．１μｍ以下であれば高価なものとなり、１００μｍ以上であれば治具と接合基板との間の隙間が大き過ぎて熱の伝達が悪いことによる。
【００２６】
本発明者等の実験では、上記塗布材の厚さとして少なくとも５μｍ以上の厚みがあれば、充分な効果が得られることを確認している。
【００２７】
本発明の保持治具は、アルミナなどのセラミックスの焼結体や、ステンレスなどの金属を所望形状に成形したものを治具本体として用い、その表面（少なくとも保持面）に、望ましくは９９％以上の純度を有する上記塗布材の粉末をアルコール、水などに混合して表面に塗布し、次いで乾燥させて作成することができ、あるいは直接、これらの粉末を治具本体中、または少なくとも保持面を含む表面部に含ませて一体的に焼結、合体させて作成することができる。
【００２８】
また、本発明で使用する接合体構成要素の銅板としては、タフピッチ銅板やその銅合金を用いることができるが、これらの銅板はその材質中に酸素を０．０１重量％以上含有するものであることが望ましい。これは０．０１重量％以下ではこれらの銅板とアルミナ基板との接合が充分でないという理由による。
【００２９】
本発明方法による接合は、１００ｐｐｍ以下、好ましくは１０ｐｐｍ以下の酸素を含有する不活性雰囲気下で、接合温度を８００℃以上として行なうことが望ましいことを確認している。
【００３０】
【発明の効果】
以上述べたように本発明によれば、銅板とアルミナ基板とを安定な雰囲気下で加熱・接合することができる。また、使用する保持治具としてはアルミナ材やステンレス材等安価な材料を用いることができることに加えて、ＭｇＯ、Ａｌ₂Ｏ₃、Ｙ₂Ｏ₃、ＴｉＯ₂の少なくとも１種の塗布材で被覆されていることにより、該治具と銅板との分離が簡単にできるため、治具の繰り返し使用ができ、作業者の取扱い上の負担を軽減する効果を併せて有するものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の保持治具の斜視図である。
【図２】本発明の保持治具を用いた金属−セラミックス複合部材の製造方法の説明図である。
【図３】従来の保持治具の平面図である。
【図４】従来の保持治具の正面図である。
【図５】従来の保持治具を用いた金属−セラミックス複合部材の製造方法の説明図である。
【符号の説明】
１治具本体
２アルミナ焼結板
３タフピッチ銅板
４アルミナ基板

Claims

相互に接触した金属板とセラミックス基板とを不活性雰囲気中において接合させる金属−セラミックス複合部材の接合方法において、厚さが０．１〜１．０ｍｍ、幅が５〜１５ｍｍ、長さが８０〜１５０ｍｍの大きさであり表面にＭｇＯ、Ａｌ ₂ Ｏ ₃ 、Ｙ ₂ Ｏ ₃ 、ＴｉＯ ₂ のグループから選ばれる少なくとも１種の塗布材を塗布したセラミックス平板からなる保持治具を用い、接合すべき金属板とセラミックス基板とを交互に重ねたものの中心部を該保持治具により支持し、８００℃以上の温度に保たれた不活性雰囲気中で接合処理することを特徴とする金属−セラミックス複合部材の接合方法。
上記塗布材は、粒径が０．１〜１００μｍの粉末であることを特徴とする請求項１記載の金属−セラミックス複合部材の接合方法。