JPH02196074A - セラミックスと金属の接合体の製造法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

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をろう材によ
り接合する方法に関し、より詳しくは、接合された部材
に繰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接合体の製造法に関する。

〔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
た真空気密性がよく、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張差を緩和
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
されている。

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は割れが発生する。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
熱膨張差による残留応力が発生し、セラミックスの方に
割れが生じゃすく、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ＩＶａ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〜ＰＩ
Ｏ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（米国特許節２８５７［ｆ８３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Ｃ
ｕ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押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
性または電気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
が明らかになってきた。

〔課題を解決するための手段及び作用〕本発明者らは、
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して、信頼性の高い部品とし
て使用できる接合体を得るべく研究を進め、先ず、セラ
ミックス部材の片側のみに金属部材を接合する場合、加
熱時にこれら部材の熱膨張率の差によりセラミックス部
材が弯曲する問題に対して、セラミックス部材の両側に
金属部材を接合させることによってこれを防止した上、
さらに、得られた接合体に繰返し熱衝撃が与えられた際
にセラミックス部材中に発生するクラックの問題に取組
み鋭意研究の結果、金属部材の縁部からはみ出したろう
材の露出部分（フィレットと称する）が少なくとも０．
５龍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ができるようにすれ
ば、接合体の耐熱衝撃性が大幅に向上することを見出し
た。

すなわち、本発明は、セラミックス部材の両面に金属部
材を活性金属ろう材を介して接触配置した金属−セラミ
ックス複合体を、真空または非酸化性雰囲気中で加熱し
た後冷却することによって、金属部材の縁部からはみ出
したろう材のフィレット部が少なくとも０，５ｍｍ幅の
縁取りで金属板の周囲を囲んでセラミックス部材上に存
在する仕上りとなるように金属とセラミックスとを接合
することを特徴とするセラミックスと金属との接合体の
製造方法を提供するものである。

第１図ａ　−ｃは本発明の方法によって製造される接合
体の構成を示すものであり、ａ及びｂはそれぞれ平面図
及びその断面図であって、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。

本発明の方法によれば、セラミックス部材（例えばアル
ミナ基板）１の両面に金属部材（例えば銅板）２が活性
金属ろう材３を介して接触配置されており、その際、銅
板２の縁部からはみ出したろう材３のフィレット部４が
アルミナ基板１上に存在するよう積層配置されている。

次いでこの積層体は真空または非酸化性雰囲気中で加熱
後冷却され、接合体が得られる。

なお、本発明に使用される活性金属ろうとしてはＧＴＥ
プロダクツコーポレーションで製造されクジル（Ｃｕｓ
ｌｌ）なる商品名で販売されている金属ろうに代表され
るＣｕ　−Ａｇ−Ｔ１合金ろうが好ましく、組成：Ａｇ
６０〜８５％、Ｃｕ１４〜３８％、ＴＩ　１〜５％のも
のが使用される。

繰返し熱衝撃耐性が上記フィレット部の形成により向上
する理由は明確ではないが、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
により発生した応力が金属部材縁部直下のセラミックス
部材に作用する時、セラミックス部とフィレットとの接
する面積がある程度拡大するためセラミックス部に作用
する応力が分散され、金属部材縁部に接するセラミック
ス部への応力が小さくなるためであると考えられる。

フィレット部を形成するためには次の２点が重要である
。

先ず第１に、ろう付けを真空または非酸化性雰囲気で行
なう必要がある。理由はフィレット部を形成する都合上
、ろう材は金属部材よりも大きい寸法のものを使用する
ため、加熱時にろう材、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が酸化すればろう材はセラミックスと反応せず、フ
ィレット部の役割を果さない。特にフィレット部となる
ろう材は加熱前から雰囲気に接するためセラミックス部
材と金属部材にはさまれているろう材よりも酸化され易
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である必
要がある。これは冷却中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ＯＪｍｍの無酸素銅板を２０ｍ１１
角に切出したものを用意した。ろう材はシート状に厚さ
５０庫に圧延された活性金属ろう（ＧＴＥプロダクツコ
ーポレーションのＷＥＳＧＯデイビジョンにより製造さ
れた「クジル」）で銅２７．５１量％、チタン２，０重
量％、残部が銀からなる組成のものを前述のフィレット
部の幅が０〜約２．０＋ｕになるようにそれぞれ所定の
サイズに切断して使用した。セラミックス部材として、
市販の９Ｂ％アルミナからなり厚さ０．６３５ｍｍ、大
きさ４６Ｘ３２ｍｍのアルミナ基板を１６した。

次いで、銅板を活性金属ろうを介してアルミナ基板の両
面に配置した後、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Ｉ　Ｘ　１０
’Ｔｏｒｒの真空中で行なった。

炉の温度条件は２０℃／分で昇温し、８２５℃で１０分
間保持後、２０℃／分で降温し、炉内が外気温度と同等
の温度になったところで接合体を取り出した。

各接合体のフィレット幅を測定した後、接合体を繰返し
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返す熱衝撃試験に供した
。

なお、炉の温度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。

１００サイクルに達する繰返し熱衝撃試験後、接合体を
取出し、銅板及びろう材を薬品で溶解し、アルミナ基板
のみとし、アルミナ基板に有色の油性インクを塗布し、
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８０ｍｍ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。

このグラフから判るように、フィレット部の幅が０．５
ｍｍより小さい接合体ではアルミナ基板の銅板の縁部に
接していた部分に多数のクラックが発生するが、フィレ
ット部の幅が０．５■■以上のものについては全くクラ
ックが見られないかクラックが発生しても極めて少なく
割れ率がいずれも１０％以下であった。

〔実施例２〕 実施例１で作成した接合体の中、前述のフィレット部の
幅を１．０＋ａｍとしたものについて、実施例１と同じ
要領でさらに１５０サイクルまでの繰返し熱衝撃試験を
実施し、同じくアルミナ基板に発生するクラックを調べ
たところ、使用したサンプル５個いずれにもクラックは
見出されなかった。

〔実施例３〕 実施例１で作成した接合体の中、フィレット部の幅が０
．ｈ鳳のものと同０＋ｍのものについて、接合体が破壊
するに到るまでの繰返し熱衝撃試験を行なった。フィレ
ット部の幅０龍の接合体は１５０サイクルまでにサンプ
ル５個すべてがアルミナ基板側から破壊してしまったの
に対し、フィレット部の幅０．６ｍの接合体の方は２０
０サイクルまでの試験では顕著な破壊は見られなかった
。

なお、実施例１で作成した接合体について、フィレット
部の幅が０．０．５　、１．０及び２．０鰭のものにつ
いて接合強度を測定した。

接合強度はアルミナ基板に対し垂直方向に引張応力を与
える９０＠プル強度法に従った。すなわち、第３図は接
合強度の測定方法を説明した図であって、アルミナ基板
１にろう材３を介して銅板２を接合したのち、その上に
棒を半田付は部５によって固定し、この棒をチャック６
にて保持するようにし、アルミナ基板に対し垂直方向（
矢印方向）に引張応力を与えた。試験結果を第１表に示
す。

この表から判るように、接合体の接合強度はフィレット
部の有無又はその幅の大小によって影響を受けていない
。

第　　　１　　　表 また、繰返し熱衝撃試験後の接合体サンプルについても
その接合強度のＤＩ定を試みたが、繰返し熱衝撃耐性の
良否と接合強度の関連はなかった。

〔発明の効果〕

以上説明した如く、本発明の方法によれば、セラミック
ス部材の両面に金属部材を配するとともに、さらに、金
属部材の縁部からはみ出したろう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返し熱衝撃耐性に
優れた接合体の製造を可能とするので、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ａ、　ｂ及びＣは、本発ＩＩＦの方法によって製
造された接合体の構成を示す図であって、ａは平面図、
ｂは断面図であり、Ｃはセラミックス部材にろう材を介
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、金属部材の縁部からはみ出たろう材のフィレ
ット部の幅とセラミックス部材に生じた割れとの関係を
示すグラフである。 第３図は、接合体の接合強度を測定する方法を示す図で
ある。 符号の説明

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）セラミックス部材の両面に金属部材を活性金属ろ
   う材を介して接触配置し、該構成体を実質的に眞空また
   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ろう
   材によって形成されるフィレット部が０．５ｍｍ以上の
   帯幅で、製品接合体のセラミックス部材上金属部材周囲
   に露出して存在する仕上りとなるようにろう材を配置す
   ることを特徴とするセラミックスと金属との接合体の製
   造法。
2. （２）上記活性金属ろう材の組成が、実質的に銀６０〜
   ８５重量％、銅１４〜３８重量％、チタン１〜５重量％
   である請求項１記載の製造法。