JPH04310582A - セラミックス−金属接合体の製造方法 - 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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はセラミックス−金属接合
体の製造方法、特には熱伝導性、絶縁性のすぐれている
ことから、パワー半導体モジュール用基板、ハイブリッ
ドＩＣ用基板などとして有用とされるセラミックス−金
属接合体の製造方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】セラミックス−金属接合体の製造方法に
ついては、セラミックスと金属、例えばセラミックスと
銅との間に銅の酸化物層を配置し、この積層体を銅と酸
素との共晶温度以上で、かつ銅の融点以下の温度に加熱
して銅と酸素との共晶融体を形成させ、これによってセ
ラミックス部材と銅の両者をぬらしたのち、この積層体
を冷却してセラミックスと銅とを結合させるという方法
が公知とされている（特公昭６０−４１５４号公報参照
）が、この方法には銅と酸素との共晶温度が１，０６５
℃、銅の融点が１，０８３℃でその差がわずか２０℃で
あるためにこの温度コントロールが難しく、量産性に欠
けるという不利がある。

【０００３】そのため、このセラミックス−金属接合体
の製造については、セラミックス部材と金属部材との間
に活性金属箔を介在させるという方法が提案されており
（特開昭６０−３２３４３号公報参照）、これによれば
セラミックス部材と金属部材をぬらす共晶融点の発生温
度を活性金属と金属との共晶温度から銅の融点までとす
ればよいので、熱処理温度を下げることができ、温度コ
ントロールの範囲を広げることが可能になるという有利
性が与えられるが、このセラミックス−金属接合体の製
造についてはセラミックス部材と金属部材との間に気相
成長法でアルミニウム層とチタン層を作り、これを真空
中で加熱処理するという方法も提案されている（特開昭
６０−２３０５７８号公報参照）。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかし、この金属箔を
使用する方法にはこの活性金属箔が非常に高価なもので
あるために低コスト化が難しく、これにはまたセラミッ
クス部材と金属部材との膨張率の差を緩和することがで
きないのでセラミックス部材にひずみや割れが発生し、
さらには接合後の接合体をウェットエッチングする際に
用いるエッチング剤に対する耐性もわるいという問題点
があり、上記した気相成長法でアルミニウム層とチタン
層を設けるという方法には気相成長させる段階で多くの
工数が必要とされるために低コスト化が難しく、工業的
な量産には適さないという不利がある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明はこのような不利
を解決したセラミックス−金属接合体の製造方法に関す
るものであり、これはセラミックスと金属との間にチタ
ン粉末４５〜９８重量％と銅粉末５５〜２重量％とから
なる金属粉末混合物を介在させ、真空中または不活性ガ
ス雰囲気下において８３０〜１，０８３℃の温度範囲で
熱処理することを特徴とするものである。

【０００６】すなわち、本発明者らはセラミックス−金
属接合体を容易に、かつ安価に製造する方法について種
々検討した結果、セラミックス部材と金属部材との間に
チタン粉末と銅粉末との金属粉末混合物を介在させ、真
空中または不活性ガス雰囲気下で熱処理すると、セラミ
ックス部材と金属部材とが容易に、かつ強固に接合され
るし、この接合体についてはその熱応力が緩和されるの
でこの接合体にひずみや割れの発生することが防止され
、さらにこのものは耐酸性が飛躍的に向上されるのでエ
ッチング液に対する耐性も付与されるということを見出
し、ここに使用する金属粉末混合物の組成比、熱処理条
件などについての研究を進めて本発明を完成させた。 以下にこれをさらに詳述する。

【０００７】

【作用】本発明はセラミックス−金属接合体の製造方法
に関するものであり、これはセラミックスと金属との間
にチタン粉末４５〜９８重量％と銅粉末５５〜２重量％
との金属粉末混合物を介在させ、真空中または不活性ガ
ス雰囲気下に熱処理することを要旨とするものである。

【０００８】本発明はセラミックス−金属接合体の製造
方法に関するものであるが、ここに使用されるセラミッ
クス部材としては窒化アルミニウム、窒化けい素、窒化
ほう素、炭化けい素、アルミナ、ムライト、マグネシア
、ベリリア、サイアロンなどのような各種金属の窒化物
、酸化物、炭化物などが例示されるが、これらの中では
窒化アルミニウム、表面を酸化した窒化アルミニウム、
アルミナが熱伝導性、絶縁性がすぐれたものであること
から好ましいものとされる。また、ここに使用される金
属部材としては銅、ニッケル、クロム、鉄、金、銀、ア
ルミニウム、パラジウム、亜鉛、すず、シリコン、モリ
ブデン、タングステンおよびこれらの合金が例示される
が、これらの中では安価であり、大電流が流せるという
ことから銅または銅合金が好ましいものとされる。

【０００９】本発明によるセラミックス−金属接合体の
製造は、上記したようなセラミックスと金属との間にチ
タン粉末と銅粉末とからなる金属粉末混合物を介在させ
、これを真空中または不活性ガス雰囲気中で熱処理する
ことによって行なわれるが、ここに使用されるチタン粉
末、銅粉末の粒径は細かい程反応が良好に行なわれるし
、セラミックス部材、金属部材の表面のうねりや凹凸に
追従し易くなるので、細かい程よいけれども、これは粒
径が１〜５０μｍ程度のものとすればよい。

【００１０】本発明においてこのチタン粉末と銅粉末は
混合物として使用され、これによればこの加熱処理によ
り作られるチタン粉末と銅粉末との共晶組成物によって
セラミックス部材と金属部材とが強固に接合されるので
あるが、ここに使用される金属粉末混合物におけるチタ
ン粉末と銅粉末との混合比はチタン粉末を４５重量％未
満とするとその接合強度が大幅に低下し、これを９８重
量％より多くするとこの金属粉末混合物から得られる共
晶体が硬度の高すぎるものとなってセラミックス部材に
割れやクラックを与えるおそれがあるので、これはチタ
ン粉末４５〜９８重量％と銅粉末５５〜２重量％からな
るものとする必要がある。

【００１１】また、このチタン粉末と銅粉末とからなる
金属粉末混合物はこれをそのままセラミックス部材と金
属部材の間に介在させればよいが、これはエチルセルロ
ース、ポリビニルブチラールなどの有機バインダーとテ
ルピンなどの溶剤を添加し、撹拌してペースト状とした
ものをスクリーン印刷法、スプレー法などでセラミック
ス部材上に厚さ１００〜２００μｍに塗布するようにし
てもよい。

【００１２】このようにして上記したチタン粉末と銅粉
末とからなる金属粉末混合物がその間に介在しているセ
ラミックス部材と金属部材との積層体はついで熱処理さ
れるのであるが、この熱処理はここに使用されるチタン
粉末、銅粉末が酸化され易いものであることから真空下
または不活性ガス雰囲気下で行なうことが必要とされる
。また、熱処理は電気炉中において、必要に応じこの積
層体に荷重を加えて加熱すればよいが、この加熱温度は
８３０℃未満では接着せず、１，０８３℃以上とすると
銅が溶融するので８３０〜１，０８３℃の範囲とすれば
よい。

【００１３】なお、この熱処理は通常３０分程度とすれ
ばよく、これはもっと短かくても、もっと長くしてもよ
いが、金属粉末混合物を上記したようにペーストとして
塗布した場合には、まず酸素雰囲気下に４００℃程度に
加熱して有機成分を燃焼させたのち、この雰囲気を真空
または不活性ガス雰囲気として上記温度で熱処理するこ
とがよい。

【００１４】このように熱処理することによってセラミ
ックス部材と金属部材はチタン粉末と銅粉末との混合物
により強固に接合されるのであるが、ここに使用される
チタン粉末、銅粉末が粒径の小さいものであり、これは
またペーストとして添加されるので、これらがセラミッ
クス部材や金属部材となじんだ状態で接触するし、セラ
ミックス部材や金属部材表面のうねりや凹凸にもよく追
従できるのでセラミックス部材と金属部材との接合をよ
り強固のものとすることができ、また同時にセラミック
ス部材と金属部材との間の応力、熱応力が緩和されるの
で、この接合体に生じるひずみや割れが防止され、さら
には金属部材の表面に回路を形成する場合に行なわれる
ケミカルエッチングの際の耐酸性も向上されるという有
利性が与えられる。

【００１５】

【実施例】つぎに本発明の実施例、比較例をあげる。 実施例１ 窒化アルミニウム粉末１００重量部に焼結助剤としてイ
ットリア５重量部を添加し成形後、常圧焼結して大きさ
が２インチ平方で厚さが０．６３５ｍｍであり、熱伝導
度が２００Ｗ／ｍｍＫである窒化アルミニウム部材を作
ると共に、５０×５０×０．５ｍｍの酸素を含有しない
無酸素銅板をアセトン液中での超音波洗浄で洗浄して銅
部材を作成した。また、これとは別に粒径がほぼ１０μ
ｍであるチタン粉末６．０ｇと粒径がほぼ３０μｍの銅
粉末４．０ｇに、結合剤としてのエチルセルロース１０
重量％と溶剤としてのテルピネオール１０重量％を加え
、よく撹拌して金属粉末混合物のペーストを作成した。

【００１６】ついで上記の窒化アルミニウム部材の一面
に上記のペーストをスクリーン印刷法で厚さ３０μｍに
塗布したのち、この上に上記の銅部材を載置し、この積
層体を電気炉に入れ、炉内を４００℃に加熱してペース
ト中の有機成分を燃焼除去したのち、炉内を１×１０−
４トールの真空として８３０℃まで昇温し、この温度に
３０分間保持し、その後室温まで冷却したところ、窒化
アルミニウム部材と銅部材とが強固に接着した接合体が
得られ、この接合体についてのピール強度をしらべたと
ころ、後記する第１表に示したとおりの結果が得られた
。

【００１７】実施例２ 実施例１で得られた窒化アルミニウム部材の一面に、粒
径がほぼ１０μｍであるチタン粉末４．５ｇと粒径がほ
ぼ３０μｍである銅粉末５．５ｇにエチルセルロース１
０重量％とテルピネオール１０重量％を加え、撹拌して
得たペーストをスクリーン印刷法で厚さ３０μｍに塗布
したのち、この上に実施例１で得た銅部材を載置し、実
施例１と同じ条件で焼成して窒化アルミニウム部材と銅
部材との接合体を作成し、この接合体についてのピール
強度をしらべたところ、後記する第１表に示したとおり
の結果が得られた。

【００１８】比較例１〜２ 実施例１で使用した窒化アルミニウム部材と銅部材とを
接合すべく、この窒化アルミニウム部材と銅部材の間に
厚さ５０μｍのチタン箔を置く（比較例１）か、あるい
はこの窒化アルミニウム部材と銅部材の間にチタン粉末
２．８ｇ（２８重量％）と銅粉末７．２ｇ（７２重量％
）とからなる金属粉末混合物を介在させ（比較例２）、
これらを８８５℃で３０分間焼成して窒化アルミニウム
−銅接合体を作り、これらのピール強度をしらべたとこ
ろ、つぎの第１表に示したとおりの結果が得られた。

【００１９】

【表１】

【００２０】

【発明の効果】本発明はセラミックス−金属接合体の製
造方法に関するものであり、これは前記したようにセラ
ミックスと金属との間に、チタン粉末４５〜９８重量％
と銅粉末５５〜２重量％とからなる金属粉末混合物を介
在させ、真空中または不活性ガス雰囲気において熱処理
することを特徴とするものであるが、これによれば従来
法にくらべて低い焼成温度でセラミックス部材と金属部
材とが強固に接着されたセラミックス−金属接合体を容
易に、かつ安価に得ることができるし、セラミックス部
材と金属部材との間の応力、熱応力が緩和されるのでこ
の接合体のひずみ、割れを防止することができ、さらに
はこのもののエッチング液に対する耐酸性を向上させる
ことができるという有利性が与えられる。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　セラミックスと金属との間に、チタン
   粉末４５〜９８重量％と銅粉末２〜５５重量％とからな
   る金属粉末混合物を介在させ、真空中または不活性ガス
   雰囲気下において８３０〜１，０８３℃の温度範囲で熱
   処理することを特徴とするセラミックス−金属接合体の
   製造方法。
2. 【請求項２】　　セラミックスが窒化アルミニウムまた
   はアルミナである請求項１に記載したセラミックス−金
   属接合体の製造方法。
3. 【請求項３】　　金属が銅である請求項１に記載したセ
   ラミックス−金属接合体の製造方法。