JPH0341428B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、金属片を張つた酸化物セラミツク基
板を酸素含有雰囲気中で金属と酸化物の共融点ま
で、但し金属の融点より下に熱することによつ
て、表面に金属酸化物層を着持する金属片と酸化
物セラミツク基板を直接結合する方法に関する。

上記の方法は西独公開特許公報第2508224号に
より公知である。この方法においては、大きな面
積の結合の場合でも金属とセラミツクスのあいだ
のすべての場所に付着を可能にするために、予め
酸化した金属が使用される。また金属片は加熱の
際に徐々にセラミツクス基板に接するように、予
めわん曲する。こうして金属とセラミツクスのあ
いだに生じる気泡を外へ押し出すのである。とこ
ろがこの方法は費用がかさみ、繁雑である。また
金属片ないしはセラミツクス基板が複雑に予備成
形されている場合は、金属片のわん曲がもはや可
能でないか、または金属片が十分に均一に基板に
接触しない。しかも約0.01ないし0.5容積％の酸
素（残量は窒素）から成る反応性雰囲気を使用す
れば、金属の露出面が酸化物層で蔽われ、これを
後で再び除去しなければならない。

金属箔、好ましくは銅箔をまず酸化し、次に酸
化物層を有する金属箔を好ましくは酸化アルミニ
ウムまたは酸化ベリリウムから成る酸化物セラミ
ツクス基板と接触させる方法が、西独公開特許公
報第2633869号により公知である。それによれば
金属箔と基板を不活性雰囲気で、銅および酸化銅
の共融点と銅の融点のあいだの温度で、銅と基板
の亜共晶熔融物が生じるまで加熱するのである。
ところが周囲の雰囲気に特定の最小酸素分圧が維
持されなければ、支えられた処理温度でCuOが
Cu₂Oに、そしてCu₂OがCuに還元されるので、不
活性雰囲気中の加熱は銅とセラミツクスのあいだ
に所望の強固に付着する結合をもたらさない。還
元された銅はセラミツクスと結合されないのであ
る。

また西独公開特許公報第2633869号で、予め酸
化した銅の代りに、酸化物被覆のない酸素含有銅
材料を使用することが提案される。この場合も炉
雰囲気中に最小酸素分圧が維持されなければ、銅
とセラミツクスのあいだに結合が生じないばかり
でなく、銅に溶解した酸素が銅とセラミツクスの
接触面に拡散し、そこに封入され、その結果、気
泡が発生し、金属とセラミツクスの結合の欠陥を
もたらすことが実験で明らかにされた。

予備酸化しない裸の金属箔、特に銅箔を反応性
の、特に酸素含有雰囲気で酸化物セラミツクスと
結合する点が前述の方法と相違する、金属と非金
属基板を結合する別の方法が西独公開特許公報第
2319854号により公知である。この方法では本来
の結合過程が進行する前に、雰囲気中の酸素がま
ず銅を表面酸化しなければならない。ところが特
にセラミツクスと銅のあいだの結合の面積が大き
い場合は、十分な量の酸素がセラミツクスと銅の
あいだのギヤツプに進入することができないた
め、気泡状の無付着個所が発生する。また0.01な
いし0.5容積％という前述の酸素量では銅箔のセ
ラミツクス基板背側が厚い黒色の酸化銅層で蔽わ
れる。特に半導体工業で再加工を行う前にこの酸
化銅層を補助工程で再び除去しなければならな
い。0.01容積％未満の酸素分は明らかに望ましく
ない。その場合は銅とセラミツクスのあいだに結
合が生じないからである。

また英国特許公報第761045号により銅とセラミ
ツクスの直接結合法が公知である。そこでは炉雰
囲気が少くとも一時的に酸化圧力と、少くとも一
時的に還元圧力を有する多数の変法が記載されて
いる。真空加熱も提案される。すべての変法に共
通するのは、銅とセラミツクスの結合が1083℃な
いし1235℃の温度域、すなわち銅の融点より上、
酸化銅の融点より下で行われることである。その
場合、銅の露出面上の温度に厚い酸化物層の形成
は、保護材料例えば酸化アルミニウムまたは銀に
よるマスキングで防止される。ところが保護材料
の覆設とその後の除去は、補助工程を必要とす
る。また必要な温度域が極めて高いのが欠点であ
る。

本発明の目的とするところは、金属片とセラミ
ツク基板のあいだの無気泡の完全な結合と共に、
酸化物のない金属表面が簡単に得られる、金属片
と酸化物セラミツク基板の直接結合のための改良
法を提供することである。

この目的は特許請求の範囲第１項に示した特徴
によつて達成される。

本発明によつて得られる利点は特に、適当な処
理操作によつて、その後の還元段階なしで、酸化
物のない金属表面が得られることにある。しかも
本方法は経済的な大量製造に適している。連続式
炉から取出した金属セラミツクス結合系の再加工
のための後処理が不要である。

本発明の好ましい実施態様は従属クレイムに示
す通りである。

次に実施例に基づいて本発明を詳述する。

本来の方法の実施の前に、金属片特に銅板に酸
化物層を具備せしめる。酸化物の厚みは、使用さ
れるセラミツク基板、例えば酸化アルミニウム・
セラミツクスの表面粗さの約10分の１に相当しな
ければならない。酸化は化学的に行うことが好ま
しい。銅板の片面または両面を酸化することがで
き、その酸化した側をセラミツク基板の上に平ら
に置く。銅とセラミツクスの熱膨張の相違に基づ
く熱応力による屈曲やわん曲を補償するために、
セラミツク基板の両側に銅板を設けることができ
る。

銅板は酸素を含まない銅で製造することが好ま
しく、平坦でなければならない。また切断縁にバ
リがあつてはならない。さもなければ酸化した銅
板とセラミツク基板のあいだに十分に密接な接触
が生じないのである。

第１図に示すように、銅板１を具備する基板２
を好ましくは炭化ケイ素または黒鉛心と炭化ケイ
素被覆から成る台板３の上に置く。台板３は連続
式炉５のチエーンコンベヤ４の上に載置される。

連続式炉５は両側が開放したトンネル（金属
筒）６を有する。トンネル６の中に実質的に５個
の、空間的に分割された温度帯、すなわちトンネ
ルの入口部分の昇温帯と中央部の３個の加熱帯
、、と出口部分の冷却帯が現れる。トン
ネル６の２つの開放端は、移動しうるように取付
けられた、気密でないバツフル（金属フラツプ）
７，８を具備する。トンネル６の中央部は加熱帯
，，を創出するために３個の発熱体９，１
０，１１によつて取囲まれる。トンネルは外側端
部に、その隔壁を取囲む冷却体１２を有する。３
個の発熱体１０，１１，１２によつて定常に保持
されるトンネル内部温度は、互いに独立に設定す
ることができ、１ないし2゜の精度で調節される。

またトンネル６は両端にガス入口連接管１３，
１４を有する。別のガス入口連接管１５，１６が
第１の発熱体９の手前または第３の発熱体１１の
後方にある。ガス入口連接管１５は二又になつて
いて、２個のガス供給管に接続する。ガス流量の
正確な調整のために、ガス入口連接管１３，１
６，１４に流量計１７，２０，２１が設けられて
いる。別の流量計１８，１９が２個のガス供給管
からガス入口連接管１５への途中にある。これら
の２個のガス供給管は所定の流量の正確な調整の
ための補助調整弁２２，２３を有する。上記の調
整弁２４がガス入口連接管１６にも設けられてい
る。

連続式炉５のエンドレス・チエーンコンベヤは
ローラ２５，２６を介して駆動される。トンネル
入口手前でチエーン４の上にある台板３は、開放
するバツフル７を通つて、トンネル内部の入口部
の昇温帯に到達する。バツフル７の後方のトン
ネル内に配設されたガス入口連接管１３を経て、
窒素が吹込まれる。この窒素はガスジヤケツトを
形成し、酸素が豊富な外気が（特にバツフル７の
開放の際に）トンネル内部に侵入することを防止
する。

銅板１を張つた基板２が台板３に載つて、昇温
帯と加熱帯を約20分で通過する。加熱帯の
中央区間は約960℃の温度値に調節される。加熱
帯の中央区間に進入すると、結合される部材は
銅と酸化銅の共融点（1065℃）および銅の融点
（1083℃）のあいだの温度、好ましくは1070℃な
いし1072℃の最高温度に到達し、銅板１とセラミ
ツクス基板２のあいだに共融熔融物が形成され
る。

銅を張つた基板は通過の際にこの高温反応帯に
約１ないし２分留まる。トンネル内部の昇温帯
と加熱帯およびには、20ないし50vpmの酸素
添加の窒素雰囲気が支配する。この雰囲気を維持
するために、ガス入口連接管１５を介して所定の
窒素・酸素混合物が絶えず吹き込まれ、その際酸
素供給に対して流量計１９−調節弁２３が、窒素
供給に対して流量計１８−調節弁２２が設けられ
ている。

混合物は乱流により区域，，に均一に分
配され、バツフル７を経てトンネル６を退出す
る。

結合過程すなわち共融熔融物の凝固の終了の後
に、チエーン４に載つて通過する台板３がトンネ
ル６の加熱帯から加熱帯に入る。金属・セラ
ミツクス複合系は、加加熱帯の中央区間で既に
約960℃に冷却されている。加熱帯と次の本来
の冷却帯での金属・セラミツクス複合系の冷却
は、純窒素雰囲気で行われる。両面を酸化した銅
板１を使用する時は、その際銅の表面が還元され
る。窒素雰囲気は、ガス入口連接管１６を介して
純窒素をトンネル内部に吹込むことによつて得ら
れる。窒素は乱流により区域およびに均一に
分配され、バツフル８を経てトンネル６を退出す
る。

ガス入口連接管１５，１６の特殊なノズル配列
またはノズル形状により、また２個の入口連接管
を通る流量の適当な調整によつて、区域，，
の窒素・酸素雰囲気と区域，の純窒素雰囲
気のあいだに、トンネル内部の補助バツフルなし
で、比較的鮮明な境界が得られる。

全冷却過程は約20分続く。金属・セラミツク複
合系の冷却を促進するために、トンネルの端部に
例えば水冷式の冷却体１２が使用される。ガス入
口連接管１４を経て、やはり窒素がガスジヤケツ
トの形成のために吹き込まれ、トンネル内部への
外気の侵入（特にバツフル８を開いた時）を防止
する。バツフル８を通つて連続式炉５を退出する
時、金属・セラミツク複合系は室温に冷却されて
いる。銅の表面は金属光沢があり、事実上再酸化
しない。酸化物が発生したとしてもごく微量であ
るから、その後のはんだ付け操作の時に慣用のフ
ラツクスによつてたやすく除去するこができる。
セラミツクスへの銅の付着はほとんど無気泡であ
り、すこぶる良好であるから、引き剥し試験でセ
ラミツクスの一部が銅と共に裂断される。

連続式炉の各区域に現れる温度勾配を第２図に
示す。その場合、、温度軸Ｔは約960℃ないし1072
℃の上部温度域だけを示す。特に加熱帯，，
で温度勾配がかなり急激に上昇し、または降下
することが第２図で明らかである。共融熔融物の
生成のために重要な1065℃以上の温度域には、加
熱帯の中央区間で到達する。最高温度1072℃か
ら、加熱帯およびの中央部の所定の温度Ｔ＝
960℃への温度勾配の両側の降下は急激である。
すなわち金属・セラミツクス複合系の温度上昇と
冷却は、960℃から1072℃までの温度範囲で極め
て急速に行われるのである。この処理操作（と上
述の窒素・酸素雰囲気の組合せ）によつて、光沢
ある金属表面を有する、ほとんど無気泡の金属・
セラミツクス複合系が特に得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本方法の実施に適した連続式炉の構造
図、第２図は連続式炉内の温度勾配の図を示す。 １……金属片−銅板、２……酸化物セラミツク
基板、５……連続式炉、６……トンネル、９，１
０，１１，１２……発熱体、１５，１６……入口
連接管、１７，１８，１９，２０，２１……流量
計、２２……調節弁。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 金属片を張つた酸化物セラミツク基板を酸素
   含有雰囲気中で金属と酸化物の共融点まで、但し
   金属の融点より下に熱することによつて、表面に
   金属酸化物層を着持する金属片と酸化物セラミツ
   ク基板を直接結合する方法において、加熱を連続
   式炉で20ないし50vpmの酸素添加の酸素含有雰囲
   気で行い、純窒素雰囲気で共融熔融物の凝固の
   後、連続式炉内で冷却することを特徴とする方
   法。 ２ 結合される部材の加熱も冷却も、上部温度域
   で急速に行うことを特徴とする、特許請求の範囲
   第１項に記載の方法。 ３ 金属片として銅板を使用することを特徴とす
   る、特許請求の範囲第１項または第２項に記載の
   方法。 ４ 酸化物セラミツク基板として酸化アルミニウ
   ムを使用することを特徴とする、特許請求の範囲
   第１項ないし第３項のいずれかの項に記載の方
   法。