JPH0324431B2 - - Google Patents

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JPH0324431B2
JPH0324431B2 JP58097901A JP9790183A JPH0324431B2 JP H0324431 B2 JPH0324431 B2 JP H0324431B2 JP 58097901 A JP58097901 A JP 58097901A JP 9790183 A JP9790183 A JP 9790183A JP H0324431 B2 JPH0324431 B2 JP H0324431B2
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JP
Japan
Prior art keywords
bonding agent
bonding
ceramics
weight
silicon carbide
Prior art date
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Application number
JP58097901A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JPS59223279A (en
Inventor
Hidetoshi Yamauchi
Shoji Tanigawa
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Ibiden Co Ltd
Original Assignee
Ibiden Co Ltd
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Publication date
Application filed by Ibiden Co Ltd filed Critical Ibiden Co Ltd
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Publication of JPS59223279A publication Critical patent/JPS59223279A/en
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Description

【発明の詳細な説明】[Detailed description of the invention]

本発明は、セラミツクスよりなる物体を接合す
るのに適したセラミツクス用接合剤およびセラミ
ツクスの接合方法に関し、特に本発明は、同種ま
たは異種のセラミツクスよりなる物体を互いにあ
るいはセラミツクスよりなる物体と金属よりなる
物体とを強固に接合することのできるセラミツク
ス用接合剤およびセラミツクスの接合方法に関す
る。 近年、工業技術の発展に伴い従来知られた金属
材料や有機質材料に比較して高温強度、耐熱性、
耐薬品性あるいは電気的特性等に優れた種々のセ
ラミツクスが注目されており、例えば高温構造用
材料、化学工業用材料、電子工業用材料等に適用
することのできる高機能材料としての関発が進め
られている。 しかしながら、前述の如き高機能材料において
要求される種々の性能を一種類のセラミツクスで
満足させることは極めて困難であり、前述の如き
高機能材料において要求される種々の性能を満足
させることのできる材料としては、一般的に異種
のそれぞれ異なつた特性を有するセラミツクスよ
りなる物体を互いにあるいはセラミツクスよりな
る物体と金属よりなる物体とを接合し複合化する
ことにより、前述の如き高機能材料において要求
される種々の性能を相互に補完した複合材料を適
用することが考えられる。 例えば、本発明者らは先に集積回路用基板ある
いはICパツケージ用材料としての特性に優れた
電子回路用基板について研究し、炭化珪素質薄板
と異種のセラミツクス薄板とを接合することによ
り、集積回路用基板あるいはICパツケージ用材
料としての特性に極めて優れた特性を発揮させる
ことができることに想到し、特願昭58−16078号
により「106Ωcm以上の体積固有抵抗率を有する
セラミツクス薄板が少なくとも1種の金属を主成
分とする接合層によつて炭化珪素質薄板の表面に
接合されてなる電子回路用炭化珪素質基板。」お
よびその製造方法に係る発明を提案している。 ところで、前記発明における炭化珪素質焼結体
薄板と異種のセラミツクス薄板とは少なくとも1
種の金属を主成分とする接合層によつて接合され
るが、前述の如き接合層では特に熱膨張係数の大
きく異なる物体を接合して広い温度域にわたつて
適用する場合には、それぞれの熱膨張差により生
ずる応力によつて剥離したり、物体が破損したり
する場合があり、広い温度域にわたつて強固な結
合力を維持することは困難であつた。 上述の如き観点に基づき、本発明者らは特に熱
膨張係数の大きく異なる物体を接合するに達した
接合剤を開発すべく種々研究した結果、比較的融
点が低くかつ軟い金属に比較的融点の高い金属を
合金化せしめることによつて得られる合金が比較
的少量でもつて極めて強固な接合強度を発揮し、
しかも接合されたそれぞれの物体の熱膨張差によ
つて生ずる応力を吸収、緩和する効果が大きな特
性を有することを知見し、本発明を完成するに至
つた。 本発明は、同種または異種のセラミツクスより
なる物体を互いにあるいはセラミツクスよりなる
物体と金属よりなる物体とを強固に接合すること
のできるセラミツクス用接合剤およびセラミツク
スの接合方法、すなわち特に熱膨張係数の大きく
異なる物体を接合するに適したセラミツクス用接
合剤および該接合剤を用いる接合法を提供するこ
とを目的とするものである。 次に本発明を詳細に説明する。 本発明において、前記接合剤はPbおよびSnを
それらの合計含有量で50〜99.7重量%含み、そし
てCuを1〜98重量%含むものからなるセラミツ
クス用接合剤よりなることが必要である。その理
由は、前述の如き組成の接合剤より形成される合
金はセラミツクスよりなる物体の接合性に極めて
優れており、比較的少量で極めて強固な接合層を
形成させることができるばかりでなく、靭性が高
くしかも可塑性を有するため熱膨張係数の大きく
異なる物体を接合した場合にそれぞれの熱膨張差
あるいは熱収縮差によつて生ずる応力を吸収、緩
和する効果が顕著であり、温度サイクルあるいは
サーマルシヨツクなどの熱ストレスによる破壊を
防止し、かつ緻密で気密性に優れた接合層を得る
ことができるからである。また前記接合剤の組成
範囲を前記範囲内に限定する理由は、前記Pb1Sn
の合計含有量が前記範囲内でないと得られる接合
層の融点を400〜1200℃の範囲および硬度(Hv)
を50Kg/mm2以下に維持することが困難であるから
である。 本発明において、前記接合剤は、Pb、Sn、Cu
の3元系で主として構成されることが必要であ
る。その理由は、前記PbおよびSnはいずれも接
合剤中に含有される他の金属と合金化して均一な
接合層を容易に形成することができ、しかも接合
層の硬度を比較的軟く維持し好適な可塑性を発揮
させるため、極めて接合性に優れた接合層となす
ことができるからであり、一方前記Cuは接合剤
中に含有される他の金属と合金化させることによ
つて硬度や可塑性をそれ程劣化させることなく接
合層の融点を高くする効果を有するので、接合剤
の温度的な適用範囲を広くすることができるから
である。なお、前記Snは前述の如き作用効果の
他に接合層を形成する合金中を拡散し易く接合層
の接合性を著しく向上させる効果をも有する。 本発明において、前記接合剤に含有されるPb、
SnよびCuの成分比は重量比で添付図面第1図に
示すように点A(Pb:97%、Sn:2%、Cu:1
%)、点B(Pb:35%、Sn:55%、Cu:10%)、
点C(Pb:0%、Sn:93.8%、Cu:6.2%)、点D
(Pb:0%、Sn:2%、Cu:98%)で囲まれた
範囲内であり、前記Pb、SnおよびCuの配合量の
合計は金属成分の合計の少なくとも70重量%であ
ることによつて極めて接合性に優れた接合層を形
成することができる。 本発明において、前記接合剤は粉末状あるいは
あらかじめ成形された薄板状の形状が好適であ
る。 前記接合剤が粉末状の場合に前記接合剤中に含
有される金属は平均粒径が200μm以下であるこ
とが好ましい。その理由は、前記接合剤が粉末状
の場合には前記接合剤は通常ペースト状あるいは
スラリー状であり、この接合剤は接合される物体
の少なくともいずれかの接合面に塗布される。し
たがつて前記金属の平均粒径を200μm以下とす
ることによつて極めて均一に塗布することがで
き、均一で緻密質の接合層を容易に形成すること
ができるからである。 一方、前記接合剤があらかじめ成形された薄板
状の場合には接合される物体の間に前記薄板状の
接合剤を挾持した後加熱することにより比較的簡
便に接合することができる。 本発明において、前記接合剤中の金属はあらか
じめ合金化されたものであることが好ましい。そ
の理由は、前記接合中の金属をあらかじめ合金化
しておくことにより均一な接合層を比較的短時間
のうちに容易に形成することができるからであ
る。 本発明において、前記接合剤が粉末状で使用さ
れる場合には、有機質バインダー等のビヒクルを
前記接合剤に混合して塗布し易くして使用するこ
とが有利である。前記ビヒクルとしては例えばブ
チルカルビトールアセテート、テルピノール、ポ
リエチレングリコール、メチルセルロース、エチ
ルセルロース、ポリビニルアルコール、ポリアク
リル酸、ポリアクリル酸エステル、ポリメタクリ
ル酸、ポリメタクリル酸エステルより選ばれるい
ずれか少なくとも1種を使用することが有利であ
る。 前記接合剤より形成される合金の融点は接合さ
れた機能材料の使用条件および接合条件を決定づ
けるため、使用条件からはなるべく高いほうが、
また接合条件からはなるべく低いほうが有利であ
るが、本発明において、前記接合剤によつて接合
される機能材料の主な用途が基板材料である場合
には、チツプを基板に載置して固定するダイボン
デイング工程において一般的に用いられる放熱
性、耐熱性およびオーミツクコタクト性などに優
れたAu−Si共晶合金法の作業温度が400℃前後で
あること、また基板の気密封止工程において広く
用いられる電気絶縁性および金属、ガラス、セラ
ミツクスなどとの濡れ性に優れた低融点ガラス法
の作業温度が400〜500℃であることから、前記接
合剤から形成される合金の融点は400℃以上であ
ることが好ましく、また前記接合剤の融点が余り
高いと接合時の加熱温度が高くなるため、熱膨張
差の影響が著しくなり冷却中に一旦接合された材
料が破損したり剥離し易くなることから接合剤の
融点は1200℃以下であることが好ましい。 本発明において、前記接合剤より形成される合
金の硬度(Hv)は50Kg/mm2以下であることが好ま
しい。その理由は、前記硬度が50Kg/mm2より硬い
と接合層の可塑性が不充分で熱膨張差により生ず
る応力を吸収、緩和する効果が小さいからであ
り、なかでも30Kg/mm2以下であることがより好適
である。また前記硬度は熱膨張差により生ずる応
力の吸収、緩和の作用を考慮するとなるべく軟い
ほうが有利であるが、余り軟すぎると接合強度が
不充分になることから少なくとも2Kg/mm2である
ことが有利である。 次に本発明の接合剤を使用するセラミツクスの
接合方法について説明する。 本発明によれば、同種または異種のセラミツク
スよりなる物体を互いにあるいはセラミツクスよ
りなる物体と金属よりなる物体とを接合するにあ
たり、前記接合される物体のいずれか少なくとも
一方の接合面にPb、Sn、Cuよりなる接合剤を塗
布あるいは載置した後、前記接合面を前記接合剤
を介して重ね合わせ、次いで400〜1300℃の温度
範囲内に加熱することにより、前記接合剤より生
成する合金よりなる接合層を形成せしめて接合さ
れる。 本発明によれば、前記接合剤は炭化珪素、ベリ
リア、ジルコニア、ムライト、シリマナイト、コ
ージエライト、サイアロン、窒化珪素、窒化ホウ
素、アルミナ、チタニア、スピネル、ステアタイ
ト、フオルステライトより選ばれるいずれか少な
くとも1種を主成分とするセラミツクスに適用す
ることが好適である。 なお、本発明によれば、接合される物体のいず
れかに炭化珪素質焼結体を使用し、前記炭化珪素
質焼結体に対する被接合物体としてアルミナ、ム
ライト、シリマナイト等の焼結体を使用する際に
好適な結果が得られる。 また、前記接合剤はセラミツクスよりなる物体
と金属よりなる物体との接合にも好適に適用する
ことができるが、前記セラミツクスよりなる物体
と金属よりなる物体との接合強度および取扱い性
の面を考慮すると前記セラミツクスよりなる物体
と金属よりなる物体とは相互の熱膨張係数の差が
5×10-6/℃以下の組合せになるよう選択するこ
とが有利である。 本発明によれば、前記セラミツクスよりなる物
体の接合面にあらかじめ金属化層を形成させて前
記接合剤より形成される接合層との接合性をさら
に向上させて使用することもできる。前記セラミ
ツクスよりなる物体に対する金属化層の形成方法
としては例えば耐熱金属粉末焼結法、活性金属
法、厚膜法、薄膜法等の従来知られた電子回路用
基板の表面に金属化層を施す方法を適用すること
ができる。 また、本発明によれば、前述の如き金属化層を
施す際にセラミツクス粉末を前記金属化層中に分
散させたサーメツト層を形成させて前記接合剤よ
り形成される接合層との接合性を向上させること
もできる。 本発明によれば、接合される物体のいずれかに
炭化珪素質焼結体を使用する場合、前記炭化珪素
質焼結体はあらかじめ酸化性雰囲気中で加熱して
表面を酸化せしめ酸化被膜層を形成したものであ
ることが好ましい。その理由は、酸化被膜層が形
成された炭化珪素質焼結体は表面に炭化珪素と酸
化物が入り組んだ遷移層が形成されており接合層
あるいは金属化層の接合性に優れた特性を有する
からである。前記酸化被膜層が形成された炭化珪
素質焼結体が接合層あるいは金属化層との接合性
に優れる機構は、炭化珪素質焼結体の表面に付着
している異物例えば遊離炭素等の不純物が酸化さ
れて除去されていることあるいは炭化珪素質焼結
体の表面が酸化されることによつてミクロ的に粗
化された状態となり実質的な接合面積が増加され
ていることによるものと推察される。 本発明によれば、前記炭化珪素質焼結体の表面
に均一で緻密な酸化被膜層が要求される場合に
は、あらかじめ炭化珪素質焼結体の表面にAl、
P、B、Ge、Ae、Sb、Bi、V、Zn、Cd、Pb、
Na、K、Li、Be、Ca、Mg、Ba、SrあるいはZr
より選ばれる元素あるいはそれらの化合物のいず
れかを主成分とする組成物を塗布した後、酸化性
雰囲気中で加熱して共融酸化物層を生成させるこ
とにより、炭化珪素質焼結体の酸化によつて生成
するSiO2のクリストバライト化を防止すること
が有利であり、なかでもAlあるいはその化合物
例えばアルミナゾルを塗布することが最も好適で
ある。 前記酸化性雰囲気中における加熱温度は750〜
1650℃の範囲内とすることが有利である。 本発明によれば、前記接合層の厚さを0.01〜
3.0mmの範囲内とすることが好ましい。その理由
は、前記接合層の厚さが0.01mmより薄いと接合さ
れる物体相互の接合強度を十分に得ることができ
ないばかりでなく、接合後の冷却時における接合
される物体相互の熱収縮差により生ずる応力を吸
収、緩和することが困難で、剥離し易いからであ
り、一方3.0mmより厚くすると接合強度が劣化す
るからである。前記接合層の厚さは0.1〜1.0mmの
範囲内で最も好適な結果が得られる。 本発明によれば、前記接合層は400〜1300℃の
温度範囲内で形成せしめることが必要である。そ
の理由は前記接合層は接合後の冷却時における接
合される物体相互の熱収縮差により生ずる応力を
考慮するとなるべく低い温度で接合層を形成せし
めることが望ましいが、本発明において好適な接
合層の合金の旅点が400℃以上であることから400
℃より低い温度では本発明の目的とする取扱い性
に優れた接合層となすことが困難であるからであ
り、一方1300℃より高いと接合後の冷却時におけ
る接合される物体相互の熱収縮差により生ずる応
力の影響が顕著になるため冷却時に剥離し易いか
らである。 なお、本発明によれば、前記接合層を形成せし
める際の雰囲気としてはなるべく非酸化性雰囲気
とすることが有利であるが、前記接合層を形成す
るための接合剤に接合時に保護膜としての作用効
果を有する酸化物が混合されている場合あるいは
加熱温度がそれ程高くなく接合層の酸化による影
響が小さい場合には非酸化性雰囲気以外の雰囲気
例えば空気中雰囲気においても好適に接合層を形
成することができる。 次に本発明を実施例について説明する。 実施例 1 平均粒径が20μmの鉛粉末88.8重量部と平均粒
径が約10μmの銅粉末5重量部と平均粒径が約
20μmの錫粉末4.8重量部と平均粒径が約15μmの
銀粉末1.4重量部とエチルアルコール100重量部を
乳鉢中に投入し十分混合した後乾燥して混合物を
得た。この混合物100重量部に対してエチルセル
ロース15重量部とブチルカルビトールアセテート
85重量部を加え乳鉢中で混合し、セラミツクス用
接合剤を得た。 次いで、密度が3.16g/cm3、形状が30×30×2
mmの炭化珪素焼結体薄板と密度が3.75g/cm3、形
状が30×30×1mmのアルミナ焼結体薄板の表面に
前記接合剤をそれぞれスクリーン印刷法によつて
塗布した後前記接合剤の塗布された面を重ね合せ
て焼成し炭化珪素結体薄板とアルミナ焼結体薄板
を接合した。 得られた接合層の厚さは約100μm、硬度(Hv)
は約12Kg/mm2であることが認められた。 なお、前記炭化珪素焼結体薄板は厚さが約3μ
mでAl2O3/SiO2モル比が0.27の酸化被膜層と前記
酸化被膜層上に約20μmのMo−Mn層を施したも
のであり、一方前記アルミナ焼結体薄板は厚さが
約20μmのMo−Mn金属化層を施したものであ
る。前記金属化層はいずれもMo−Mnペースト
をスクリーン印刷法によつて塗布した後水素ガス
気流中で焼成することによつて形成した。 前述の如くして得られた接合体の接合強度は第
2図に示すように引張強度測定用治具を前記接合
体に有機樹脂接着剤で接着し、引張応力をかけて
接合強度を測定したところ剥離が発生する際の応
力は300Kgであることが認められた。 実施例 2 第1表に示す如き配合組成のセラミツクス用接
合剤を調製し、実施例1と同様の操作であるが焼
成温度を適宜変えて接合体を得た。 得られた接合層の硬合(Hv)はいずれも20Kg/
mm2より軟らかく接合性に極めて優れていることが
認められた。また実施例1と同様にして測定した
接合強度は第1表に示した。
The present invention relates to a ceramic bonding agent suitable for bonding objects made of ceramics and a method of bonding ceramics, and in particular, the present invention relates to a bonding agent for ceramics suitable for bonding objects made of ceramics and a method of bonding ceramics. The present invention relates to a bonding agent for ceramics that can firmly bond objects and a method for bonding ceramics. In recent years, with the development of industrial technology, high-temperature strength, heat resistance,
A variety of ceramics with excellent chemical resistance and electrical properties are attracting attention, and they are gaining attention as high-performance materials that can be applied to high-temperature structural materials, chemical industry materials, electronic industry materials, etc. It is progressing. However, it is extremely difficult to satisfy the various performances required for high-performance materials as described above with a single type of ceramic, and materials that can satisfy the various performances required for high-performance materials as described above are needed. Generally speaking, by bonding and combining dissimilar objects made of ceramics with different properties to each other or an object made of ceramics and an object made of metal, it is possible to achieve the requirements of high-performance materials such as those mentioned above. It is conceivable to use composite materials with mutually complementary performance. For example, the present inventors have previously researched electronic circuit substrates that have excellent characteristics as integrated circuit substrates or IC package materials, and by bonding silicon carbide thin plates and different types of ceramic thin plates, integrated circuit They realized that it is possible to exhibit extremely excellent characteristics as a material for a substrate or an IC package, and in Japanese Patent Application No. 16078/1987, it was proposed that a ceramic thin plate having a specific volume resistivity of 10 6 Ωcm or more is A silicon carbide substrate for an electronic circuit, which is bonded to the surface of a silicon carbide thin plate by a bonding layer containing a metal as a main component, and a method for manufacturing the same. By the way, the silicon carbide sintered body thin plate and the different ceramic thin plate in the invention have at least one
The bonding layer is mainly composed of metals, but the bonding layer described above is particularly important when bonding objects with widely different coefficients of thermal expansion and applying them over a wide temperature range. Stress caused by the difference in thermal expansion can cause peeling or damage to objects, and it has been difficult to maintain strong bonding strength over a wide temperature range. Based on the above-mentioned viewpoints, the inventors of the present invention have conducted various studies to develop a bonding agent that can join objects with significantly different coefficients of thermal expansion. The alloy obtained by alloying metals with high
Furthermore, the inventors discovered that the method has a great effect of absorbing and relieving the stress caused by the difference in thermal expansion between the joined objects, leading to the completion of the present invention. The present invention relates to a bonding agent for ceramics and a method for bonding ceramics that can firmly bond objects made of the same or different types of ceramics to each other or objects made of ceramics and objects made of metal, that is, a bonding method for ceramics that has a particularly large coefficient of thermal expansion. The object of the present invention is to provide a ceramic bonding agent suitable for bonding different objects and a bonding method using the bonding agent. Next, the present invention will be explained in detail. In the present invention, it is necessary that the bonding agent for ceramics contains 50 to 99.7% by weight of Pb and Sn in total, and 1 to 98% by weight of Cu. The reason for this is that the alloy formed from the bonding agent with the composition described above has extremely excellent bonding properties for ceramic objects, and not only can an extremely strong bonding layer be formed with a relatively small amount, but also has high toughness. It is highly effective in absorbing and alleviating the stress caused by the difference in thermal expansion or contraction when objects with significantly different coefficients of thermal expansion are bonded together. This is because it is possible to prevent destruction due to thermal stress and to obtain a bonding layer that is dense and has excellent airtightness. Further, the reason why the composition range of the bonding agent is limited to the above range is that the Pb 1 Sn
If the total content of
This is because it is difficult to maintain the weight below 50Kg/mm 2 . In the present invention, the bonding agent is Pb, Sn, Cu
It is necessary to be mainly composed of a ternary system. The reason for this is that both Pb and Sn can easily form a uniform bonding layer by alloying with other metals contained in the bonding agent, and they also maintain the hardness of the bonding layer relatively soft. This is because Cu exhibits suitable plasticity, making it possible to form a bonding layer with extremely excellent bonding properties.On the other hand, when Cu is alloyed with other metals contained in the bonding agent, it improves hardness and plasticity. This is because the bonding agent has the effect of increasing the melting point of the bonding layer without significantly degrading the bonding agent, thereby widening the temperature range of application of the bonding agent. In addition to the above-mentioned effects, Sn also has the effect of significantly improving the bonding properties of the bonding layer because it easily diffuses into the alloy forming the bonding layer. In the present invention, Pb contained in the bonding agent,
The component ratios of Sn and Cu are as shown in Figure 1 of the attached drawing at point A (Pb: 97%, Sn: 2%, Cu: 1%).
%), point B (Pb: 35%, Sn: 55%, Cu: 10%),
Point C (Pb: 0%, Sn: 93.8%, Cu: 6.2%), Point D
(Pb: 0%, Sn: 2%, Cu: 98%), and the total amount of Pb, Sn and Cu must be at least 70% by weight of the total metal components. Therefore, a bonding layer with extremely excellent bonding properties can be formed. In the present invention, the bonding agent is preferably in the form of a powder or a preformed thin plate. When the binder is in powder form, the metal contained in the binder preferably has an average particle size of 200 μm or less. The reason is that when the bonding agent is in powder form, it is usually in the form of a paste or slurry, and this bonding agent is applied to at least one of the joining surfaces of the objects to be joined. Therefore, by setting the average particle size of the metal to 200 μm or less, it is possible to apply the metal extremely uniformly, and it is possible to easily form a uniform and dense bonding layer. On the other hand, when the bonding agent is in the form of a thin plate formed in advance, the bonding can be performed relatively easily by sandwiching the thin plate-like bonding agent between objects to be bonded and then heating them. In the present invention, the metal in the bonding agent is preferably alloyed in advance. The reason for this is that by alloying the metals to be bonded in advance, a uniform bonding layer can be easily formed in a relatively short time. In the present invention, when the binder is used in powder form, it is advantageous to mix a vehicle such as an organic binder with the binder to facilitate application. As the vehicle, at least one selected from, for example, butyl carbitol acetate, terpinol, polyethylene glycol, methyl cellulose, ethyl cellulose, polyvinyl alcohol, polyacrylic acid, polyacrylic ester, polymethacrylic acid, and polymethacrylic ester is used. That is advantageous. The melting point of the alloy formed from the bonding agent determines the usage conditions and bonding conditions of the bonded functional materials, so the higher the melting point, the better, based on the usage conditions.
Also, from the bonding conditions, it is advantageous to have the bonding temperature as low as possible, but in the present invention, if the functional material to be bonded with the bonding agent is mainly used as a substrate material, the chip is placed on the substrate and fixed. The working temperature of the Au-Si eutectic alloy method, which is generally used in the die bonding process and has excellent heat dissipation, heat resistance, and ohmic contactability, is around 400℃, and the hermetic sealing process of the substrate is also important. Since the working temperature of the low melting point glass method, which is widely used in electrical insulation and has excellent wettability with metals, glass, ceramics, etc., is 400 to 500°C, the melting point of the alloy formed from the bonding agent is 400°C. ℃ or more. If the melting point of the bonding agent is too high, the heating temperature during bonding will be high, and the effect of the difference in thermal expansion will be significant, causing damage or peeling of the bonded materials during cooling. It is preferable that the melting point of the bonding agent is 1200° C. or lower because it makes it easier to bond. In the present invention, the hardness (Hv) of the alloy formed from the bonding agent is preferably 50 Kg/mm 2 or less. The reason for this is that if the hardness is harder than 50Kg/mm 2 , the bonding layer will have insufficient plasticity and will be less effective in absorbing and relaxing the stress caused by the difference in thermal expansion. is more suitable. In addition, it is advantageous for the hardness to be as soft as possible considering the effect of absorbing and relaxing the stress caused by the difference in thermal expansion, but if it is too soft, the bonding strength will be insufficient, so it should be at least 2 kg/mm 2 . It's advantageous. Next, a method for bonding ceramics using the bonding agent of the present invention will be explained. According to the present invention, when joining objects made of the same or different types of ceramics to each other or an object made of ceramics and an object made of metal, Pb, Sn, After applying or placing a bonding agent made of Cu, the bonded surfaces are overlapped via the bonding agent, and then heated within a temperature range of 400 to 1300°C, thereby forming an alloy formed from the bonding agent. A bonding layer is formed and bonded. According to the present invention, the bonding agent is at least one selected from silicon carbide, beryllia, zirconia, mullite, sillimanite, cordierite, sialon, silicon nitride, boron nitride, alumina, titania, spinel, steatite, and forsterite. It is suitable for application to ceramics containing as a main component. According to the present invention, a silicon carbide sintered body is used as one of the objects to be joined, and a sintered body of alumina, mullite, sillimanite, etc. is used as the object to be joined to the silicon carbide sintered body. Good results can be obtained when Further, the bonding agent can be suitably applied to bonding an object made of ceramics and an object made of metal, but consideration should be given to the bonding strength and handleability between the object made of ceramics and the object made of metal. Then, it is advantageous to select a combination of the ceramic object and the metal object such that the difference in thermal expansion coefficient between them is 5×10 -6 /°C or less. According to the present invention, a metallized layer may be formed in advance on the bonding surface of the ceramic object to further improve the bondability with the bonding layer formed from the bonding agent. Methods for forming a metallized layer on an object made of ceramics include forming a metallized layer on the surface of an electronic circuit board using conventionally known methods such as heat-resistant metal powder sintering method, active metal method, thick film method, and thin film method. method can be applied. Further, according to the present invention, when applying the metallized layer as described above, a cermet layer with ceramic powder dispersed in the metallized layer is formed to improve the bondability with the bonding layer formed from the bonding agent. It can also be improved. According to the present invention, when a silicon carbide sintered body is used for any of the objects to be joined, the silicon carbide sintered body is heated in an oxidizing atmosphere in advance to oxidize the surface and form an oxide film layer. It is preferable that it is formed. The reason for this is that silicon carbide sintered bodies with an oxide film layer have a transition layer in which silicon carbide and oxide are intricately formed on the surface, and have excellent bonding properties for bonding layers or metallized layers. It is from. The mechanism by which the silicon carbide sintered body on which the oxide film layer is formed has excellent bonding properties with the bonding layer or the metallized layer is due to the presence of foreign substances such as free carbon and other impurities adhering to the surface of the silicon carbide sintered body. It is presumed that this is because the surface of the silicon carbide sintered body is oxidized and removed, or the surface of the silicon carbide sintered body is microscopically roughened and the actual bonding area is increased. be done. According to the present invention, when a uniform and dense oxide film layer is required on the surface of the silicon carbide sintered body, Al is applied to the surface of the silicon carbide sintered body in advance.
P, B, Ge, Ae, Sb, Bi, V, Zn, Cd, Pb,
Na, K, Li, Be, Ca, Mg, Ba, Sr or Zr
The silicon carbide sintered body is oxidized by applying a composition mainly composed of selected elements or their compounds, and then heating the composition in an oxidizing atmosphere to form a eutectic oxide layer. It is advantageous to prevent cristobalite formation of SiO 2 produced by the process, and it is most preferable to apply Al or a compound thereof such as alumina sol. The heating temperature in the oxidizing atmosphere is 750~
Advantageously, the temperature is within the range of 1650°C. According to the present invention, the thickness of the bonding layer is from 0.01 to
Preferably, it is within the range of 3.0 mm. The reason for this is that if the thickness of the bonding layer is thinner than 0.01 mm, not only will it be impossible to obtain sufficient bonding strength between the objects to be bonded, but also there will be a difference in thermal shrinkage between the objects to be bonded during cooling after bonding. This is because it is difficult to absorb and relieve the stress caused by this, and it is easy to peel off.On the other hand, if it is thicker than 3.0 mm, the bonding strength will deteriorate. The most suitable result can be obtained when the thickness of the bonding layer is within the range of 0.1 to 1.0 mm. According to the present invention, the bonding layer needs to be formed within a temperature range of 400 to 1300°C. The reason for this is that it is desirable to form the bonding layer at a temperature as low as possible considering the stress caused by the difference in thermal contraction between the objects to be bonded during cooling after bonding. 400 since the travel point of the alloy is over 400°C.
This is because if the temperature is lower than 1300°C, it is difficult to form a bonding layer with excellent handling properties, which is the objective of the present invention.On the other hand, if the temperature is higher than 1300°C, there will be a difference in thermal shrinkage between the objects to be joined during cooling after joining. This is because the effect of the stress caused by this becomes significant, making it easy to peel off during cooling. According to the present invention, it is advantageous to use a non-oxidizing atmosphere as much as possible as the atmosphere when forming the bonding layer. When oxides having effects are mixed, or when the heating temperature is not so high that the effect of oxidation on the bonding layer is small, the bonding layer can be suitably formed in an atmosphere other than a non-oxidizing atmosphere, such as an air atmosphere. be able to. Next, the present invention will be explained with reference to examples. Example 1 88.8 parts by weight of lead powder with an average particle size of 20 μm, 5 parts by weight of copper powder with an average particle size of about 10 μm, and 88.8 parts by weight of lead powder with an average particle size of about 10 μm
4.8 parts by weight of tin powder having a diameter of 20 μm, 1.4 parts by weight of a silver powder having an average particle size of about 15 μm, and 100 parts by weight of ethyl alcohol were placed in a mortar, thoroughly mixed, and then dried to obtain a mixture. 15 parts by weight of ethyl cellulose and butyl carbitol acetate per 100 parts by weight of this mixture.
85 parts by weight were added and mixed in a mortar to obtain a bonding agent for ceramics. Next, the density is 3.16g/cm 3 and the shape is 30 x 30 x 2.
The bonding agent was applied to the surfaces of a silicon carbide sintered thin plate of 1.0 mm in diameter and an alumina sintered thin plate of 3.75 g/cm 3 in density and 30 x 30 x 1 mm in shape by screen printing. The coated surfaces were overlapped and fired to join the silicon carbide compact thin plate and the alumina sintered compact thin plate. The thickness of the obtained bonding layer is approximately 100μm, hardness (Hv)
was found to be approximately 12Kg/mm 2 . Note that the silicon carbide sintered thin plate has a thickness of approximately 3 μm.
m, and an oxide film layer with an Al 2 O 3 /SiO 2 molar ratio of 0.27, and a Mo-Mn layer of about 20 μm on the oxide film layer, while the alumina sintered thin plate has a thickness of about 20 μm. It has a 20 μm Mo-Mn metallization layer. Each of the metallized layers was formed by applying a Mo--Mn paste by screen printing and then firing it in a hydrogen gas stream. The bonding strength of the bonded body obtained as described above was determined by adhering a tensile strength measuring jig to the bonded body using an organic resin adhesive, as shown in Figure 2, and measuring the bonding strength by applying tensile stress. However, it was confirmed that the stress at which peeling occurred was 300 kg. Example 2 A bonding agent for ceramics having a composition as shown in Table 1 was prepared, and a bonded body was obtained in the same manner as in Example 1, except that the firing temperature was changed as appropriate. The hardness (Hv) of the resulting bonding layers was 20Kg/
It was found that it is softer than mm 2 and has extremely excellent bonding properties. Further, the bonding strengths measured in the same manner as in Example 1 are shown in Table 1.

【表】【table】

【表】 実施例 3 実施例1で調製した鉛、銅、錫および銀とから
なる混合物を3t/cm2の圧力でプレス成形し、厚さ
が150μmの成形体を得た。前記成形体を実施例
1で使用した炭化珪素焼結体薄板とアルミナ焼結
体薄板の間に挾持しながら実施例1と同様の条件
で焼成し接合体を得た。 前記接合層の厚さは約100μmであり、ピンホ
ール等の欠陥も殆ど観察されなかつた。また実施
例1と同様にして測定した接合強度は290Kgであ
つた。 実施例 4 実施例1で調整したものと同じ組成の混合物を
ルツボ中に装入し、900℃で溶融合金化した。つ
いで前記合金を冷却固化した後約100μmの厚さ
まで圧延した。前記圧延体を実施例3と同様に炭
化珪素焼結体薄板とアルミナ焼結体薄板の間に挾
持しながら実施例1と同様の条件で焼成し接合体
を得た。 実施例1と同様にして測定した接合強度は350
Kgであつた。 実施例 5 実施例1で調製したものと同様であるが、ビヒ
クルとしてメチルセルロース20重量部とテルピノ
ール80重量部を添加して調整したセラミツクス用
接合剤、厚さが約20μmのSi−Ni金属化層を施し
た炭化珪素焼結体薄板および厚さが約25μmの
Mo−Mn金属化層を施したアルミナ焼結体薄板
を使用して接合体を得た。 実施例1と同様にして測定した接合強度は300
Kgであつた。 実施例 6 実施例1と同様であるが、厚さが15μmのWc
−Niサーメツト層を施した炭化珪素焼体薄板お
よび厚さ15μmのW金属化層を施したアルミナ焼
結体薄板を使用して接合体を得た。 実施例1と同様にして測定した接合強度は320
Kgであつた。 実施例 7 実施例1と同様であるが、厚さが15μmのMo
−Mn金属化層を施した窒化珪素焼結体薄板およ
び厚さが15μmのMo−Mn金属化層を施したアル
ミナ焼結体薄板を使用して接合体を得た。 実施例1と同様にし測定した接合強度は280Kg
であつた。 なお、前記窒化珪素焼結体薄板はあらかじめア
ルミナゾル水溶液を塗布した後酸化処理し酸化被
膜層を形成させたものを使用した。 実施例 8 実施例1と同様であるが、表面をあらかじめ酸
化処理した後厚さ20μmのMo−Mn金属化層を施
したサイアロン薄板と厚さ20μmのMo−Mn金属
化層を施したフオルステライト薄板を使用して接
合体を得た。 実施例1と同様にして測定した接合強度は200
Kgであつた。 以上述べた如く、本発明は、同種または異種の
セラミツクスよりなる物体を互いにあるいはセラ
ミツクスよりなる物体と金属よりなる物体とを強
固に接合することができる接合剤およびこの接合
剤を用いる接合方法に関するものであり、例えば
高温構造用材料、化学工業用材料、電子工業用材
料等の高機能材料において要求される種々の性能
を満足させることのできる複合材料を容易に製造
することができ、産業上に寄与する効果は極めて
大きい。
[Table] Example 3 The mixture of lead, copper, tin, and silver prepared in Example 1 was press-molded at a pressure of 3 t/cm 2 to obtain a molded product with a thickness of 150 μm. The molded body was sandwiched between the silicon carbide sintered thin plate and the alumina sintered thin plate used in Example 1 and fired under the same conditions as in Example 1 to obtain a joined body. The thickness of the bonding layer was about 100 μm, and almost no defects such as pinholes were observed. Furthermore, the bonding strength measured in the same manner as in Example 1 was 290 kg. Example 4 A mixture having the same composition as that prepared in Example 1 was charged into a crucible and melted into an alloy at 900°C. The alloy was then cooled and solidified and then rolled to a thickness of about 100 μm. The rolled body was sandwiched between a silicon carbide sintered thin plate and an alumina sintered thin plate as in Example 3, and fired under the same conditions as in Example 1 to obtain a joined body. The bonding strength measured in the same manner as in Example 1 was 350.
It was Kg. Example 5 A ceramic bonding agent similar to that prepared in Example 1, but with the addition of 20 parts by weight of methylcellulose and 80 parts by weight of terpinol as a vehicle, a Si-Ni metallization layer with a thickness of approximately 20 μm. A silicon carbide sintered thin plate with a thickness of about 25 μm
A bonded body was obtained using an alumina sintered thin plate coated with a Mo-Mn metallization layer. The bonding strength measured in the same manner as in Example 1 was 300.
It was Kg. Example 6 Same as Example 1 but with 15 μm thick Wc
A bonded body was obtained using a silicon carbide sintered thin plate coated with a -Ni cermet layer and an alumina sintered thin plate coated with a 15 μm thick W metallized layer. The bonding strength measured in the same manner as in Example 1 was 320
It was Kg. Example 7 Same as Example 1, but with a thickness of 15 μm.
A bonded body was obtained using a silicon nitride sintered thin plate with a -Mn metallization layer and an alumina sintered thin plate with a 15 μm thick Mo-Mn metallized layer. The bonding strength measured in the same manner as in Example 1 was 280Kg.
It was hot. The thin plate of silicon nitride sintered body used was one in which an alumina sol aqueous solution was coated in advance and then oxidized to form an oxide film layer. Example 8 Same as Example 1, but sialon thin plate with a 20 μm thick Mo-Mn metallized layer after pre-oxidation treatment on the surface and forstellite with a 20 μm thick Mo-Mn metallized layer A bonded body was obtained using a thin plate. The bonding strength measured in the same manner as in Example 1 was 200
It was Kg. As described above, the present invention relates to a bonding agent that can firmly bond objects made of the same or different types of ceramics to each other or objects made of ceramics and objects made of metal, and a bonding method using this bonding agent. Therefore, it is possible to easily produce composite materials that can satisfy the various performances required in high-performance materials such as high-temperature structural materials, chemical industry materials, and electronic industry materials, and is suitable for industrial use. The contribution effect is extremely large.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of the drawing]

第1図は、本発明のセラミツクス接合剤に含有
されるPb、Sn、Cuの好適組成範囲を示す図、第
2図は、本発明の実施例において実施した接合体
の接合強度測定用治具の取付け形態を示す図であ
る。 1,2…被接合体、3…接合層、4…引張強度
測定用治具、5…有機樹脂接着剤層。
Fig. 1 is a diagram showing the preferred composition ranges of Pb, Sn, and Cu contained in the ceramic bonding agent of the present invention, and Fig. 2 is a jig for measuring the bonding strength of the bonded body carried out in the examples of the present invention. It is a figure showing an attachment form. DESCRIPTION OF SYMBOLS 1, 2...Object to be joined, 3...Joining layer, 4...Jig for measuring tensile strength, 5...Organic resin adhesive layer.

Claims (1)

【特許請求の範囲】 1 PbおよびSnをそれらの合計含有量で50〜
99.7重量%含み、そしてCuを1〜98重量%含むも
のからなるセラミツクス用接合剤。 2 前記接合剤に含有されるPb、SnおよびCuの
成分比は、重量比で、添付図面第1図に示すよう
に、点A(Pb:97%、Sn:2%、Cu:1%)、点
B(Pb:35%、Sn:55%、Cu:10%)、点C
(Pb:0%、Sn:93.8%、Cu:6.2%)、点D
(Pb:0%、Sn:2%、Cu:98%)で囲まれた
範囲内である特許請求の範囲第1項記載の接合
剤。 3 前記接合剤中に含有される金属は、平均粒径
が200μm以下の粉末である特許請求の範囲第1
項または第2項に記載の接合剤。 4 前記金属粉末は、あらかじめ合金化されたも
のの粉末である特許請求の範囲第3項記載の接合
剤。 5 前記接合剤は、あらかじめ薄板状に成形され
てなる特許請求の範囲第1〜4項のいずれか1つ
に記載の接合剤。 6 前記接合剤の融点は、400〜1200℃の範囲内
でかつ前記接合剤を溶接後凝固させたものの硬度
(Hv)は、50Kg/mm2以下である特許請求の範囲第
1〜5項のいずれか1つに記載の接合剤。 7 PbおよびSnをそれらの合計含有量で50〜
99.7重量%含み、そしてCuを1〜98重量%含有
し、残部としてAgを含むものからなるセラミツ
クス用接合剤。 8 同種または異種のセラミツクスよりなる物体
を互いにあるいはセラミツクスよりなる物体と金
属よりなる物体とを接合するにあたり、前記接合
される物体のいずれか少なくとも一方の接合面
に、PbおよびSnをそれらの合計含有量で50〜
99.7重量%含み、そしてCuを1〜98重量%含むも
のからなるセラミツクス用接合剤を塗布あるいは
載置した後、前記接合面を前記接合剤を介して重
ね合わせ、次いで400〜1300℃の温度範囲内に加
熱することを特徴とするセラミツクスの接合方
法。 9 前記セラミツクスは、炭化珪素、ベリリア、
ジルコニア、ムライト、シリマナイト、コージエ
ライト、サイアロン、窒化珪素、窒化ホウ素、ア
ルミナ、チタニア、スピネル、ステアタイト、フ
オルステライトより選ばれるいずれか少なくとも
1種を主成分とする特許請求の範囲第8項記載の
接合方法。 10 前記セラミツクスよりなる物体の接合面
は、あらかじめ金属化されてなる特許請求の範囲
第8または9項記載の接合方法。 11 前記セラミツクスよりなる物体の少なくと
もいずれかは、炭化珪素質焼結体である特許請求
の範囲第8項記載の接合方法。 12 前記炭化珪素焼結体の接合面は、あらかじ
め酸化性雰囲気中で加熱して表面を酸化せしめて
酸化皮膜層を形成させた後金属化されてなる特許
請求の範囲第11項記載の接合方法。
[Claims] 1 Pb and Sn in a total content of 50 to
A bonding agent for ceramics comprising 99.7% by weight and 1 to 98% by weight of Cu. 2 The component ratio of Pb, Sn, and Cu contained in the bonding agent is, in terms of weight ratio, as shown in Figure 1 of the attached drawings, point A (Pb: 97%, Sn: 2%, Cu: 1%). , point B (Pb: 35%, Sn: 55%, Cu: 10%), point C
(Pb: 0%, Sn: 93.8%, Cu: 6.2%), point D
The bonding agent according to claim 1, which is within the range surrounded by (Pb: 0%, Sn: 2%, Cu: 98%). 3. Claim 1, wherein the metal contained in the bonding agent is a powder with an average particle size of 200 μm or less.
The bonding agent according to item 1 or 2. 4. The bonding agent according to claim 3, wherein the metal powder is a powder that has been alloyed in advance. 5. The bonding agent according to any one of claims 1 to 4, wherein the bonding agent is formed into a thin plate shape in advance. 6. The melting point of the bonding agent is within the range of 400 to 1200°C, and the hardness (Hv) of the bonding agent solidified after welding is 50 Kg/mm 2 or less. The bonding agent according to any one of the above. 7 Their total content of Pb and Sn is 50~
A bonding agent for ceramics comprising 99.7% by weight of Cu, 1 to 98% by weight of Cu, and the balance containing Ag. 8 When joining objects made of the same or different types of ceramics to each other or to an object made of ceramics and an object made of metal, the joint surface of at least one of the objects to be joined contains a total of Pb and Sn. 50~ in quantity
After applying or placing a ceramic bonding agent containing 99.7% by weight and 1 to 98% by weight of Cu, the bonded surfaces are overlapped via the bonding agent, and then heated in a temperature range of 400 to 1300°C. A method for joining ceramics characterized by internal heating. 9 The ceramics include silicon carbide, beryllia,
The bond according to claim 8, which has at least one selected from zirconia, mullite, sillimanite, cordierite, sialon, silicon nitride, boron nitride, alumina, titania, spinel, steatite, and forsterite as a main component. Method. 10. The bonding method according to claim 8 or 9, wherein the bonding surface of the ceramic object is metallized in advance. 11. The joining method according to claim 8, wherein at least one of the ceramic objects is a silicon carbide sintered body. 12. The joining method according to claim 11, wherein the joining surface of the silicon carbide sintered body is heated in advance in an oxidizing atmosphere to oxidize the surface to form an oxide film layer, and then metallized. .
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