JPH0437660A - 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】 （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
セラミックスと金属とか強固に接合されており、熱伝導
性が高く、絶縁性もすぐれていることから、パワー半導
体モジュール用基板、ハイブリット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。

（従来の技術） セラミックス−金属接合体はセラミックスか通常熱伝導
性、絶縁性のすぐれたものであることからパワー半導体
モジュール用基板、ハイブリットＩＣ用基板などとして
有用なものとされているが、この製造についてはセラミ
ックスと金属、例えば銅との間に銅の酸化物層を介して
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、銅と酸素との共晶融液
を形成させ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部材と銅とを結
合させるという方法か、公知とされている（特公昭６０
−４１５４号公報参照）。

しかし、この方法では銅と酸素との共晶温度が１．０６
５℃であり、銅の融点が１，０８３℃で両者の差がわず
か２０℃程度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。

そのため、このセラミックス部材と金属部材との接合に
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６
０−３２３４３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液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
範囲を広げることも可能になるという有利性か与えられ
る。

また、このセラミックス部材と金属部材との接合につい
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６３−２
３０５７８号公報参照）。

（発明が解決しようとする課題） しかし、上記した活性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、またこれにはセラミックス部材と金属部材の表
面に生じているうねりや凹凸に箔が追従し切れないため
に、セラミックス部材と金属部材がうまくぬれず、した
がりて接着が不充分となるところが発生するという欠点
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大の
工数が必要とされるために低コスト化が難しく、これに
はまた工業的な量産に適しないという不利かあり、これ
らの解決が求められている。

（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金属の融点以下の温度で共晶を形成
する金属粉組成物を介在させ、真空中または不活性ガス
τ囲気下に熱処理することを特徴とするものである。

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内の間にこの金属部材の
融点以下の温度で共晶を形成する金属粉組成物を介在さ
せ、真空中または不活性ガス雰囲気下に熱処理すると、
この金属粉組成物から作られる共晶融体によってセラミ
ックス部材と金属部材の表面がぬらされ、冷却によるそ
の凝固によってセラミックス部材と金属部材が容易に、
かつ強固に接合されることを見出し、この接合条件など
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。

（作用） 本発明はセラミックス−金属接合体製造方法の改良に関
するものである。

本発明で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、窒化はう素、アリミナ、ムライ
ト、マグネシア、へりリア、サイアロン、炭化けい素な
どのような各種金属の窒化化物、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、アルミナか熱伝導性絶縁
性がすくねているものであることから好適とされるし、
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
す、シリコン、モリブデン、タングステンおよびこれら
の合金か例示されるが、これらの中では安価であり、大
電流か流せるということからは銅または銅合金か最適な
ものとされる。

本発明によるセラミックス−金属接合体の製造は、セラ
ミックス部材の上にここに使用される金属部材の融点以
下の温度で共晶を形成する金属粉組成物を載置したのち
、この上に金属部材を載置し、ついでこれを真空中また
は不活性ガス雰囲気下に熱処理するのであるか、ここに
使用される金属粉組成物としては下記の第１表に示した
ような共晶組成と共晶温度を有するものか例示される。

このものはその共晶温度がここに使用される金属部材の
融点以下であることか必要とされるので、この条件にも
とづいて選択すればよく、したかってここに使用される
金属部材が銅である場合には銅の融点か１，０８３℃で
あることからこれよりも低い共晶温度、融点をもつ銅粉
とチタン粉および／またはチタン水素化物とからなる組
成物またはニッケル粉とチタン粉および／またはチタン
水素化物とからなる組成物を選択すればよい。

第１表 また、この金属粉組成物は上記した２種または３種の金
属粉の混合物とされるか、これらはその粉末の粒径が細
かいほど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
適宜の粒径のものとすることがよいが、通常は粒径か１
〜５０μｍ程度の粉末とすればよい。なお、この合金粉
組成物における２種または３種の金属粉の配合比はそれ
らか共晶を形成する範囲とすれはよいか、このものはセ
ラミックス部材への添加に先立ってこの金属粉組成物に
エチルセルロース、ポリビニルブチラルなとの有機バイ
ンターとテルピンなとの溶剤を添加し、混練してペース
ト状としたものをスクリーン印刷、スプレーなどでセラ
ミックス部材上に塗布してもよい。

このように金属粉組成物か載置または塗布されたセラミ
ックス部材にはこの上にこのセラミックス部材と接合さ
れる金属部月を載置して積層体を作り、これをτ気炉の
中に必要に応し荷重を加えて配置してから加熱すれはよ
い。炉内の雰囲気は銅、チタンなとの金属粉か酸化され
易いものであるために真空とするか、不活性ガス雰囲気
とする必要があるか、この加熱は金属部材は溶融しない
力釈金属粉組成物が共晶体を形成するに充分な温度にま
で加熱する必要かある。したがって、この金属粉組成物
かＣｕ−Ｔｉ　（２８，０％ｉ）のときには８８０℃以
上、５ｉ−Ｔｉ　（７１，繋）のときには９５５℃以上
とする必要かあるが、この加熱時間は３０分程度とすれ
ばよく、これはもっと短かくしても長くしてもよいか、
金属粉組成物をペーストとして塗布した場合にはまず酸
素＝囲気下に４００℃程度に加熱して有機成分を燃焼さ
せたのちに、この雰囲気を真空または不活性ガス雰囲気
として上記温度に加熱するようにすれはよい。

このように加熱するとこの金属粉組成物が共晶体を形成
し、これか共晶融液を作り、これがセラミックス部材お
よび金属部材の表面をぬらすので、ついてこれを室温ま
で冷却すればこの共晶融液か凝固し、これによフてセラ
ミックス部材と金属部材とはこの凝固した共晶融液によ
って強固に接合したものとなるので、目的とするセラミ
ックス−金属接合体を容易に得ることができるという有
利性か与えられる。

（実施例） つきに本発明の実施例をあげる。

実施例 窒化アルミニウム粉末にその５重量％の焼結剤としての
イツトリアを添加し、常圧焼結して得た、大きさか２イ
ンチ平方で厚さか０６３５インチであり、熱伝導率か２
００Ｗ／ｍ−にである窒化アルミニウム部材と、５０Ｘ
　５０ｘ　３００μｍの酸素を含有しない無酸素銅板と
をアセトン液中ての超音波洗浄で脱脂した。

また、これとは別に才Ｆｊ、ｆｆかほぼ３０μｍの銅粉
末７．２ｇと粒径かほぼ１０μｍのチタン粉末２．８ｇ
１．：結合剤としてのエチルセルロース１０重王％と溶
剤としてのテルピネオール１０型皿％を加え、よく攪拌
してペーストを作成した。

ついて上記の窒化アルミニウム部材の一面に上記で得た
ペーストをスクリーン印刷て厚さ３０μｍに塗布したの
ち、この上に上記の銅板を載置し、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１ｘｌＱ−’ｔ−−ルの
真空としてから８８５℃まで昇温してこの温度に３０分
間保持し、その後室温にまで冷却したところ、窒化アル
ミニウム部材と銅板とか強固に接着した接合体か得られ
、この接合体についてのビール強度をしらべたところ、
第１表に示したとおりの結果が得られたが、これには比
較のためにチタンＶ３（５０，ｕｍ厚）を実施例１と同
一条件で用いた場合の結果も併記した。

第１表 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、これは前記したようにセラミックスと金属との
間に金属の融点以下の温度で共晶を形成する金属粉組成
物を介在させ、真空中または不活性ガス７囲気下に熱処
理することを特徴とするものであるが、これによればこ
こに使用される金属粉組成物が高価な活性金属箔にくら
べて安価であるし、この熱処理も金属粉組成物の共晶作
成温度とここに使用する金属の融点の間に設定すれはよ
いので簡単であり、量産性に冨んでいるので、目的とす
るセラミックス−金属接合体を容易に、かつ安価に得る
ことができるという工業的な有利性が与えられる。

また、これによれは、ここに使用される金属粉組成物か
粉体あるいはペースト状で使用されるので、これらかセ
ラミックス部材、金属部材になしんだ状態で接触するし
、これはまたセラミックス部材や金属部材表面のうねり
、凹凸にもうまく追従できるので、セラミックス部材と
金属部材の接合をより強固なものとすることができると
いう効果も与えられる。

特許出願人　信越化学工業株式会社

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、セラミックスと金属との間に金属の融点以下の温度
   で共晶を形成する金属粉組成物を介在させ、真空中また
   は不活性ガス雰囲気下に熱処理することを特徴とするセ
   ラミックス−金属接合体の製造方法。 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、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。 ４、金属粉組成物が銅粉末とチタン粉末および／または
   チタン水素化物粉末からなるものである請求項１に記載
   したセラミックス−金属接合体の製造方法。