JPH05148053A - セラミツクス−金属接合体 - Google Patents
セラミツクス−金属接合体Info
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- JPH05148053A JPH05148053A JP31699891A JP31699891A JPH05148053A JP H05148053 A JPH05148053 A JP H05148053A JP 31699891 A JP31699891 A JP 31699891A JP 31699891 A JP31699891 A JP 31699891A JP H05148053 A JPH05148053 A JP H05148053A
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Abstract
(57)【要約】
【目的】 高接合強度を満足すると共に、冷熱サイクル
等の付加に対して高い信頼性が得られるセラミックス−
金属接合体を提供する。 【構成】 窒化物系セラミック部材と、Ti、ZrおよびNb
から選ばれた少なくとも1種の活性金属を含む Ag-Cu系
ろう材層を介して、窒化物系セラミックス基板に接合さ
れた金属部材とを具備するセラミックス−金属接合体で
ある。窒化物系セラミック部材側の接合界面には、ろう
材中の活性金属が偏析した層が 4μm 〜 7μm 程度の厚
さで連続して存在している。活性金属の偏析層は、活性
金属と窒化物系セラミックス部材中の窒素との反応物に
より主として構成されている。
等の付加に対して高い信頼性が得られるセラミックス−
金属接合体を提供する。 【構成】 窒化物系セラミック部材と、Ti、ZrおよびNb
から選ばれた少なくとも1種の活性金属を含む Ag-Cu系
ろう材層を介して、窒化物系セラミックス基板に接合さ
れた金属部材とを具備するセラミックス−金属接合体で
ある。窒化物系セラミック部材側の接合界面には、ろう
材中の活性金属が偏析した層が 4μm 〜 7μm 程度の厚
さで連続して存在している。活性金属の偏析層は、活性
金属と窒化物系セラミックス部材中の窒素との反応物に
より主として構成されている。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、セラミックス部材と金
属部材との接合体に係り、特に耐冷熱サイクル特性に優
れたセラミックス−金属接合体に関する。
属部材との接合体に係り、特に耐冷熱サイクル特性に優
れたセラミックス−金属接合体に関する。
【０００２】
【従来の技術】窒化物系セラミックス材料は、一般に、
軽量でかつ高硬度を有する、電気絶縁性に優れる、耐熱
性や耐食性に優れる等という特徴を有しており、これら
の特徴を生かして構造用材料や電気部品用材料等として
利用されている。ところで、例えば窒化物系セラミック
ス材料を構造材として使用する場合、セラミックス材料
は本来脆性材料であるため、金属材料と接合して用いる
ことが一般的である。一方、窒化物系セラミックス材料
の高電気絶縁性という特性を利用して、電子部品の搭載
基板等として使用する際にも、電気回路の形成等を目的
として、金属と接合することが行われている。このよう
に、窒化物系セラミックス材料の実用化を考えた場合、
金属材料との接合が重要な技術となる。
軽量でかつ高硬度を有する、電気絶縁性に優れる、耐熱
性や耐食性に優れる等という特徴を有しており、これら
の特徴を生かして構造用材料や電気部品用材料等として
利用されている。ところで、例えば窒化物系セラミック
ス材料を構造材として使用する場合、セラミックス材料
は本来脆性材料であるため、金属材料と接合して用いる
ことが一般的である。一方、窒化物系セラミックス材料
の高電気絶縁性という特性を利用して、電子部品の搭載
基板等として使用する際にも、電気回路の形成等を目的
として、金属と接合することが行われている。このよう
に、窒化物系セラミックス材料の実用化を考えた場合、
金属材料との接合が重要な技術となる。
【０００３】上述したような窒化物系セラミックス部材
と金属部材との接合方法としては、従来から、MoやW 等
の高融点金属を用いる方法や、IVa 族元素や Va 族元素
のような活性金属を用いる方法等が知られており、中で
も、高強度、高封着性、高信頼性等が得られることか
ら、活性金属法が多用されている。
と金属部材との接合方法としては、従来から、MoやW 等
の高融点金属を用いる方法や、IVa 族元素や Va 族元素
のような活性金属を用いる方法等が知られており、中で
も、高強度、高封着性、高信頼性等が得られることか
ら、活性金属法が多用されている。
【０００４】上記活性金属法は、Ti、Zr、Nb等の金属元
素が窒化物系セラミックス材料に対して濡れやすく、反
応しやすいことを利用した接合法であり、具体的には活
性金属を添加したろう材を用いたろう付け法や、窒化物
系セラミックス部材と金属部材との間に活性金属の箔や
粉体を介在させ、加熱接合する方法（固相拡散接合）等
として利用されている。また、被接合体となる金属部材
として、活性金属を直接使用することも行われている。
一般的に、取扱い性や処理のしやすさ等から、CuとAgと
の共晶ろう材（Ag:72wt%）にTi等の活性金属を添加し、
これをセラミックス部材と金属部材との間に介在させ、
適当な温度で熱処理して接合する方法が多用されてい
る。
素が窒化物系セラミックス材料に対して濡れやすく、反
応しやすいことを利用した接合法であり、具体的には活
性金属を添加したろう材を用いたろう付け法や、窒化物
系セラミックス部材と金属部材との間に活性金属の箔や
粉体を介在させ、加熱接合する方法（固相拡散接合）等
として利用されている。また、被接合体となる金属部材
として、活性金属を直接使用することも行われている。
一般的に、取扱い性や処理のしやすさ等から、CuとAgと
の共晶ろう材（Ag:72wt%）にTi等の活性金属を添加し、
これをセラミックス部材と金属部材との間に介在させ、
適当な温度で熱処理して接合する方法が多用されてい
る。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】ところで、窒化物系セ
ラミックス部材と金属部材との接合部品には、高接合強
度が求められる一方、セラミックス材料の熱膨張率は金
属材料のそれに比べて小さいため、この熱膨張差に起因
する欠点の発生を抑制することが強く求められている。
すなわち、熱膨張率が大きく異なるセラミックス材料と
金属材料とを接合すると、接合後の冷却過程で熱膨張差
に起因する残留応力が生じ、外部応力との相乗によって
接合強度が大幅に低下したり、また接合後の冷却過程や
冷熱サイクルの付加によって応力の最大点からクラック
が発生したり、さらにはセラミックス材料が破壊される
等の問題を招いてしまう。
ラミックス部材と金属部材との接合部品には、高接合強
度が求められる一方、セラミックス材料の熱膨張率は金
属材料のそれに比べて小さいため、この熱膨張差に起因
する欠点の発生を抑制することが強く求められている。
すなわち、熱膨張率が大きく異なるセラミックス材料と
金属材料とを接合すると、接合後の冷却過程で熱膨張差
に起因する残留応力が生じ、外部応力との相乗によって
接合強度が大幅に低下したり、また接合後の冷却過程や
冷熱サイクルの付加によって応力の最大点からクラック
が発生したり、さらにはセラミックス材料が破壊される
等の問題を招いてしまう。
【０００６】このような点に対して、上述した従来の活
性金属ろう材を用いた接合方法では、比較的接合強度が
高い接合体は得られるものの、冷熱サイクル等の付加に
対して十分な信頼性を有する接合体を再現性よく得るま
でには至っていないのが現状である。例えば、窒化物系
セラミックス部材上に銅板等を活性金属ろう材を用いて
接合したものを、半導体素子等の搭載用基板として用い
ているが、近年の半導体素子の高集積化や大電力化によ
って、半導体素子からの放熱量は飛躍的に増大してお
り、搭載基板側への熱伝達量が増加していることから、
冷熱サイクル等に対する信頼性の向上が強く望まれてい
る。
性金属ろう材を用いた接合方法では、比較的接合強度が
高い接合体は得られるものの、冷熱サイクル等の付加に
対して十分な信頼性を有する接合体を再現性よく得るま
でには至っていないのが現状である。例えば、窒化物系
セラミックス部材上に銅板等を活性金属ろう材を用いて
接合したものを、半導体素子等の搭載用基板として用い
ているが、近年の半導体素子の高集積化や大電力化によ
って、半導体素子からの放熱量は飛躍的に増大してお
り、搭載基板側への熱伝達量が増加していることから、
冷熱サイクル等に対する信頼性の向上が強く望まれてい
る。
【０００７】本発明は、このような課題を解決するため
になされたもので、高接合強度を満足すると共に、冷熱
サイクル等の付加に対して高い信頼性が得られるセラミ
ックス−金属接合体を提供することを目的としている。
になされたもので、高接合強度を満足すると共に、冷熱
サイクル等の付加に対して高い信頼性が得られるセラミ
ックス−金属接合体を提供することを目的としている。
【０００８】
【課題を解決するための手段と作用】本発明のセラミッ
クス−金属接合体は、窒化物系セラミック部材と、Ti、
ZrおよびNbから選ばれた少なくとも 1種の活性金属を含
む Ag-Cu系ろう材層を介して、前記窒化物系セラミック
ス基板に接合された金属部材とを具備するセラミックス
−金属接合体において、前記窒化物系セラミック部材側
の接合界面には、前記活性金属が偏析した層が連続して
存在することを特徴としている。
クス−金属接合体は、窒化物系セラミック部材と、Ti、
ZrおよびNbから選ばれた少なくとも 1種の活性金属を含
む Ag-Cu系ろう材層を介して、前記窒化物系セラミック
ス基板に接合された金属部材とを具備するセラミックス
−金属接合体において、前記窒化物系セラミック部材側
の接合界面には、前記活性金属が偏析した層が連続して
存在することを特徴としている。
【０００９】本発明に用いられる窒化物系セラミックス
部材としては、窒化アルミニウム、窒化ケイ素、サイア
ロン等が例示される。また、窒化物系セラミックス部材
自体の材料特性は、特に限定されるものではないが、特
に破壊靭性値ＫICが4.5MPa・m1/2 以上のものを用いる
ことが好ましい。本発明のセラミックス−金属接合体
は、ろう材層自体の構成によって、耐冷熱サイクル特性
や接合強度の向上を図ったものであるが、さらに破壊靭
性値ＫICが4.5MPa・m 1/2 以上の窒化物系セラミックス
部材を用いることにより、より一層耐冷熱サイクル特性
の向上を図ることができる。すなわち、窒化物系セラミ
ックス部材の破壊靭性値ＫICが4.5MPa・m1/2 以上であ
ると、冷熱サイクル等が接合体に付加された際に、窒化
物系セラミックス部材にクラックが生じることが抑制さ
れる。
部材としては、窒化アルミニウム、窒化ケイ素、サイア
ロン等が例示される。また、窒化物系セラミックス部材
自体の材料特性は、特に限定されるものではないが、特
に破壊靭性値ＫICが4.5MPa・m1/2 以上のものを用いる
ことが好ましい。本発明のセラミックス−金属接合体
は、ろう材層自体の構成によって、耐冷熱サイクル特性
や接合強度の向上を図ったものであるが、さらに破壊靭
性値ＫICが4.5MPa・m 1/2 以上の窒化物系セラミックス
部材を用いることにより、より一層耐冷熱サイクル特性
の向上を図ることができる。すなわち、窒化物系セラミ
ックス部材の破壊靭性値ＫICが4.5MPa・m1/2 以上であ
ると、冷熱サイクル等が接合体に付加された際に、窒化
物系セラミックス部材にクラックが生じることが抑制さ
れる。
【００１０】また、金属部材は、用途に応じて各種の金
属材料から適宜選択すればよく、例えば構造材料として
は、鋼材、耐熱合金、超硬合金等が例示され、また電子
部品材料としては、Cu、Cu合金、Ni、Ni合金、W 、Mo等
が例示される。
属材料から適宜選択すればよく、例えば構造材料として
は、鋼材、耐熱合金、超硬合金等が例示され、また電子
部品材料としては、Cu、Cu合金、Ni、Ni合金、W 、Mo等
が例示される。
【００１１】本発明のセラミックス−金属接合体は、上
述したような窒化物系セラミックス部材と金属部材と
を、 Ag-Cuの共晶組成（72wt%Ag-28wt%Cu)もしくはその
近傍の組成を主とし、これにTi、ZrおよびNbから選ばれ
た少なくとも 1種の活性金属を適量配合した Ag-Cu系ろ
う材により接合したものである。
述したような窒化物系セラミックス部材と金属部材と
を、 Ag-Cuの共晶組成（72wt%Ag-28wt%Cu)もしくはその
近傍の組成を主とし、これにTi、ZrおよびNbから選ばれ
た少なくとも 1種の活性金属を適量配合した Ag-Cu系ろ
う材により接合したものである。
【００１２】そして、本発明のセラミックス−金属接合
体においては、上記ろう材中の活性金属を窒化物系セラ
ミックス部材側の接合界面に偏析させており、この偏析
層は基本的には活性金属の窒化物により主として構成さ
れたものである。この活性金属の偏析層は、接合界面に
連続して形成されていることが重要であり、これにより
接合強度や耐冷熱サイクル特性の向上を図ることができ
る。
体においては、上記ろう材中の活性金属を窒化物系セラ
ミックス部材側の接合界面に偏析させており、この偏析
層は基本的には活性金属の窒化物により主として構成さ
れたものである。この活性金属の偏析層は、接合界面に
連続して形成されていることが重要であり、これにより
接合強度や耐冷熱サイクル特性の向上を図ることができ
る。
【００１３】上記活性金属の偏析層は、上述したように
ろう材中の活性金属とセラミックス部材中の窒素との反
応による窒化物により主に構成されたものである。この
ような反応層を窒化物系セラミックス部材側の接合界面
に連続して形成することによって、安定して高接合強度
が得られると共に、活性金属の偏析層が応力緩和層とし
て機能するため、冷熱サイクル付加等によって窒化物系
セラミックス部材にクラックが生じることを抑制するこ
とができる。このクラックの抑制は、前述したように、
破壊靭性値ＫICが4.5MPa・m 1/2 以上の窒化物系セラミ
ックス部材を用いることによって一層効果的となる。
ろう材中の活性金属とセラミックス部材中の窒素との反
応による窒化物により主に構成されたものである。この
ような反応層を窒化物系セラミックス部材側の接合界面
に連続して形成することによって、安定して高接合強度
が得られると共に、活性金属の偏析層が応力緩和層とし
て機能するため、冷熱サイクル付加等によって窒化物系
セラミックス部材にクラックが生じることを抑制するこ
とができる。このクラックの抑制は、前述したように、
破壊靭性値ＫICが4.5MPa・m 1/2 以上の窒化物系セラミ
ックス部材を用いることによって一層効果的となる。
【００１４】ただし、 TiNのような活性金属の窒化物自
体は脆性材料であり、あまり層厚が厚くなると逆にクラ
ックの起点となる恐れがあるため、活性金属の偏析層の
厚さは 7μm 以下とすることが好ましい。また、層厚が
あまり薄いと一様に形成することが困難となるため、 4
μm 以上とすることが好ましい。よって、活性金属の偏
析層の厚さは、 4μm〜 7μm の範囲とすることが好ま
しい。なお、偏析層は接合界面に一様に連続して形成さ
れていればその機能を果たすため、均一であればその層
厚は 4μm 未満でもよい。
体は脆性材料であり、あまり層厚が厚くなると逆にクラ
ックの起点となる恐れがあるため、活性金属の偏析層の
厚さは 7μm 以下とすることが好ましい。また、層厚が
あまり薄いと一様に形成することが困難となるため、 4
μm 以上とすることが好ましい。よって、活性金属の偏
析層の厚さは、 4μm〜 7μm の範囲とすることが好ま
しい。なお、偏析層は接合界面に一様に連続して形成さ
れていればその機能を果たすため、均一であればその層
厚は 4μm 未満でもよい。
【００１５】また、上述したように活性金属の窒化物は
本来脆性材料であるため、上記偏析層を主に構成する化
合物を、セラミックス部材の他方の構成材料をさらに含
む複合化合物とすることによって、より一層耐冷熱サイ
クル特性を向上させることができる。例えば、セラミッ
クス部材が窒化アルミニウム焼結体であるとすると、活
性金属−アルミニウム−窒素の三元化合物とすることが
好ましい。このように、例えばアルミニウムを含有させ
ることによって化合物の延性が大きくり、偏析層がクラ
ックの起点となることを防止することができる。
本来脆性材料であるため、上記偏析層を主に構成する化
合物を、セラミックス部材の他方の構成材料をさらに含
む複合化合物とすることによって、より一層耐冷熱サイ
クル特性を向上させることができる。例えば、セラミッ
クス部材が窒化アルミニウム焼結体であるとすると、活
性金属−アルミニウム−窒素の三元化合物とすることが
好ましい。このように、例えばアルミニウムを含有させ
ることによって化合物の延性が大きくり、偏析層がクラ
ックの起点となることを防止することができる。
【００１６】本発明に用いられる Ag-Cu系ろう材は、前
述したように、 Ag-Cuの共晶組成もしくはその近傍の組
成を主とし、これにTi、ZrおよびNbから選ばれた少なく
とも2種の活性金属を適量配合したものである。上記活
性金属は、熱処理温度（接合温度）で活性化し、窒化物
系セラミックス部材と反応して例えば窒化物となり、接
合強度や耐冷熱サイクル特性の向上に寄与するものであ
る。ただし、あまり多量に添加すると、接合強度は増大
するものの、冷熱サイクルが付加された際にクラックの
発生原因となる恐れがあるため、10重量％未満とするこ
とが好ましい。一方、活性金属の配合量があまり少ない
と、十分な接合強度が得られないため、1重量％以上と
することが好ましい。また、ろう材の主体となる Ag-Cu
合金は、基本的には共晶組成を満足するものとするが、
全ろう材成分中のCu量が15重量％〜35重量％程度であれ
ば同様な効果を得ることができる。
述したように、 Ag-Cuの共晶組成もしくはその近傍の組
成を主とし、これにTi、ZrおよびNbから選ばれた少なく
とも2種の活性金属を適量配合したものである。上記活
性金属は、熱処理温度（接合温度）で活性化し、窒化物
系セラミックス部材と反応して例えば窒化物となり、接
合強度や耐冷熱サイクル特性の向上に寄与するものであ
る。ただし、あまり多量に添加すると、接合強度は増大
するものの、冷熱サイクルが付加された際にクラックの
発生原因となる恐れがあるため、10重量％未満とするこ
とが好ましい。一方、活性金属の配合量があまり少ない
と、十分な接合強度が得られないため、1重量％以上と
することが好ましい。また、ろう材の主体となる Ag-Cu
合金は、基本的には共晶組成を満足するものとするが、
全ろう材成分中のCu量が15重量％〜35重量％程度であれ
ば同様な効果を得ることができる。
【００１７】本発明のセラミックス−金属接合体は、例
えば以下のようにして製造される。まず、窒化物系セラ
ミックス部材と金属部材とを用意し、上述したような活
性金属を含む Ag-Cu系ろう材をペースト化したものを窒
化物系セラミックス部材側に塗布する。ここで、本発明
で規定するように、活性金属が偏析した層を窒化物系セ
ラミックス部材側の接合界面に一様に形成するには、ろ
う材ペーストを窒化物系セラミックス部材側に塗布する
ことが重要である。ろう材ペーストを金属部材側に塗布
したのでは、塗布したペースト層の表面に、接合工程ま
での間に微量な酸素が付着し、この酸素が活性金属が窒
化物系セラミックス部材側に移行することを妨げる。よ
って、活性金属が偏析した層を一様に形成することが困
難となる。従来法ではろう材ペーストを金属部材側に塗
布することが一般的であった。なお、上述した Ag-Cu系
ろう材の使用形態としては、Ag、Cuおよび活性金属を含
むペーストとして使用することが好ましいが、必ずしも
箔の積層体のような状態で使用することを除外するもの
ではない。
えば以下のようにして製造される。まず、窒化物系セラ
ミックス部材と金属部材とを用意し、上述したような活
性金属を含む Ag-Cu系ろう材をペースト化したものを窒
化物系セラミックス部材側に塗布する。ここで、本発明
で規定するように、活性金属が偏析した層を窒化物系セ
ラミックス部材側の接合界面に一様に形成するには、ろ
う材ペーストを窒化物系セラミックス部材側に塗布する
ことが重要である。ろう材ペーストを金属部材側に塗布
したのでは、塗布したペースト層の表面に、接合工程ま
での間に微量な酸素が付着し、この酸素が活性金属が窒
化物系セラミックス部材側に移行することを妨げる。よ
って、活性金属が偏析した層を一様に形成することが困
難となる。従来法ではろう材ペーストを金属部材側に塗
布することが一般的であった。なお、上述した Ag-Cu系
ろう材の使用形態としては、Ag、Cuおよび活性金属を含
むペーストとして使用することが好ましいが、必ずしも
箔の積層体のような状態で使用することを除外するもの
ではない。
【００１８】次に、ろう材ペーストを塗布した窒化物系
セラミックス部材と金属部材とを積層し、真空中または
窒素雰囲気のような不活性雰囲気にて、Ag-Cu共晶が形
成される温度で熱処理し、この共晶液相および活性金属
とセラミックス部材との反応等を利用して、窒化物系セ
ラミックス部材と金属部材とを接合する。
セラミックス部材と金属部材とを積層し、真空中または
窒素雰囲気のような不活性雰囲気にて、Ag-Cu共晶が形
成される温度で熱処理し、この共晶液相および活性金属
とセラミックス部材との反応等を利用して、窒化物系セ
ラミックス部材と金属部材とを接合する。
【００１９】この際、一般的には接合温度は 800℃〜 9
00℃程度で、接合時間（加熱時間）は 5分〜15分程度で
あるが、活性金属を窒化物系セラミックス部材に一様に
偏析させるためには、 830℃〜870℃程度で、 5分〜10
分程度とすることが好ましい。さらに、活性金属を偏析
させる条件としては、真空度を10-4rr以下に保持するこ
と等が挙げられる。
00℃程度で、接合時間（加熱時間）は 5分〜15分程度で
あるが、活性金属を窒化物系セラミックス部材に一様に
偏析させるためには、 830℃〜870℃程度で、 5分〜10
分程度とすることが好ましい。さらに、活性金属を偏析
させる条件としては、真空度を10-4rr以下に保持するこ
と等が挙げられる。
【００２０】また、偏析層を構成する化合物を、例えば
活性金属−アルミニウム−窒素等の複合化合物とするた
めには、高温でかつ比較的短時間で処理するか、あるい
は中温度以上で長時間処理することが好ましい。これら
のように、接合時の反応性を高めることによって、活性
金属と窒素とが反応した後、それにアルミニウム等が固
溶しやすくなり、複合化合物が形成されやすくなる。
活性金属−アルミニウム−窒素等の複合化合物とするた
めには、高温でかつ比較的短時間で処理するか、あるい
は中温度以上で長時間処理することが好ましい。これら
のように、接合時の反応性を高めることによって、活性
金属と窒素とが反応した後、それにアルミニウム等が固
溶しやすくなり、複合化合物が形成されやすくなる。
【００２１】
【実施例】次に、本発明の実施例について説明する。
【００２２】実施例１ まず、窒化物系セラミックス部材として厚さ0.8mmtの板
状の窒化アルミニウム焼結体、および金属部材として厚
さ0.3mmtの銅板（無酸素銅）を用意した。一方、重量比
でAg:Cu:Ti=70.6:27.4:2.0のろう材を用意し、このろう
材に樹脂バインダおよび分散媒を適量加え、十分に混合
して接合用ペーストを作製した。
状の窒化アルミニウム焼結体、および金属部材として厚
さ0.3mmtの銅板（無酸素銅）を用意した。一方、重量比
でAg:Cu:Ti=70.6:27.4:2.0のろう材を用意し、このろう
材に樹脂バインダおよび分散媒を適量加え、十分に混合
して接合用ペーストを作製した。
【００２３】次に、図１（ａ）に示すように、窒化アル
ミニウム焼結体１の一方の主面１ａに、上記した接合用
ペースト２をスクリーン印刷し、乾燥させた後、接合用
ペースト２の塗布層上に銅板３を積層、配置した。この
後、上記積層物に対して 1×10-4Torr以下の真空中に
て、 850℃×10分（昇温速度：10℃／分、降温：炉冷）
の温度プロファイルで熱処理を施し、図１（ｂ）に示す
ように、窒化アルミニウム焼結体１と銅板３とをろう材
層４を介して接合し、目的とするセラミックス−金属接
合体５を得た。
ミニウム焼結体１の一方の主面１ａに、上記した接合用
ペースト２をスクリーン印刷し、乾燥させた後、接合用
ペースト２の塗布層上に銅板３を積層、配置した。この
後、上記積層物に対して 1×10-4Torr以下の真空中に
て、 850℃×10分（昇温速度：10℃／分、降温：炉冷）
の温度プロファイルで熱処理を施し、図１（ｂ）に示す
ように、窒化アルミニウム焼結体１と銅板３とをろう材
層４を介して接合し、目的とするセラミックス−金属接
合体５を得た。
【００２４】比較例１ 上記実施例１において、接合用ペーストを銅板側に塗布
する以外は、同一条件でセラミックス−金属接合体を作
製した。
する以外は、同一条件でセラミックス−金属接合体を作
製した。
【００２５】比較例２ 重量比でAg:Cu:Ti=27.4:70.6:2.0のろう材を用意し、実
施例１と同様にして接合用ペーストを作製した。そし
て、この接合用ペーストを銅板側に塗布する以外は、実
施例１と同一条件でセラミックス−金属接合体を作製し
た。
施例１と同様にして接合用ペーストを作製した。そし
て、この接合用ペーストを銅板側に塗布する以外は、実
施例１と同一条件でセラミックス−金属接合体を作製し
た。
【００２６】上記実施例１および比較例１、２で作製し
た各セラミックス−金属接合体（窒化アルミニウム−
銅）の界面分析をＥＰＭＡにより行った。図２に実施例
１のＥＰＭＡによる分析結果を模式的に示す。また、図
３に比較例２のＥＰＭＡによる分析結果を模式的に示
す。図２から明らかなように、実施例１によるセラミッ
クス−金属接合体では、窒化アルミニウム側の接合界面
にTiが偏析した層が連続して形成されていることが分か
る。このTiの偏析層の厚さは、約 4.5μm であった。ま
た、このTiの偏析層は、 TiNにより主に構成されている
ことをＸ線回折によって確認した。一方、比較例２によ
るセラミックス−金属接合体では、図３に示すように、
窒化アルミニウム側の接合界面にTiが偏析した層が形成
されていたが、このTiの偏析層はとぎれている部分が存
在し、またその厚さは約 3μm であった。なお、比較例
１によるセラミックス−金属接合体は、Tiの偏析層の厚
さが約1.5μm とさらに薄く、形成状態も不連続であっ
た。
た各セラミックス−金属接合体（窒化アルミニウム−
銅）の界面分析をＥＰＭＡにより行った。図２に実施例
１のＥＰＭＡによる分析結果を模式的に示す。また、図
３に比較例２のＥＰＭＡによる分析結果を模式的に示
す。図２から明らかなように、実施例１によるセラミッ
クス−金属接合体では、窒化アルミニウム側の接合界面
にTiが偏析した層が連続して形成されていることが分か
る。このTiの偏析層の厚さは、約 4.5μm であった。ま
た、このTiの偏析層は、 TiNにより主に構成されている
ことをＸ線回折によって確認した。一方、比較例２によ
るセラミックス−金属接合体では、図３に示すように、
窒化アルミニウム側の接合界面にTiが偏析した層が形成
されていたが、このTiの偏析層はとぎれている部分が存
在し、またその厚さは約 3μm であった。なお、比較例
１によるセラミックス−金属接合体は、Tiの偏析層の厚
さが約1.5μm とさらに薄く、形成状態も不連続であっ
た。
【００２７】また、各セラミックス−金属接合体の接合
界面において、Tiの偏析層を中心とした10μm ×10μm
の面積の成分比をＥＰＭＡにより分析したところ、表１
に示すような結果が得られた。
界面において、Tiの偏析層を中心とした10μm ×10μm
の面積の成分比をＥＰＭＡにより分析したところ、表１
に示すような結果が得られた。
【００２８】
【表１】 表１に示す分析結果も、実施例１によるセラミックス−
金属接合体では、窒化アルミニウム側界面にTiが偏析し
ていることを裏付けている。
金属接合体では、窒化アルミニウム側界面にTiが偏析し
ていることを裏付けている。
【００２９】次に、上記実施例１および比較例１、２で
作製した各セラミックス−金属接合体の特性を以下のよ
うにして評価した。まず、各セラミックス−金属接合体
に対して冷熱サイクル試験(TCT) を施した。 TCTは-40
℃×30分＋RT×10分＋ 125℃×30分＋RT×10分を 1サイ
クルとした。 TCT後の評価方法としては、銅板のピール
強度の測定とクラック有無を確認することにより行っ
た。 TCTサイクル数とピール強度およびクラック発生と
の関係を図４に示す。図４から明らかなように、実施例
１によるセラミックス−金属接合体は、初期の接合強度
が極めて大きいと共に、冷熱サイクルが印加された状態
においても強度低下が少なく、さらに TCTによるクラッ
クも 100サイクルまでは認められなかった。これに対し
て、比較例１および比較例２によるセラミックス−金属
接合体は、それぞれ初期の接合強度が低く、かつクラッ
クも50サイクル程度で発生しており、その後の強度低下
も大きいものであった。
作製した各セラミックス−金属接合体の特性を以下のよ
うにして評価した。まず、各セラミックス−金属接合体
に対して冷熱サイクル試験(TCT) を施した。 TCTは-40
℃×30分＋RT×10分＋ 125℃×30分＋RT×10分を 1サイ
クルとした。 TCT後の評価方法としては、銅板のピール
強度の測定とクラック有無を確認することにより行っ
た。 TCTサイクル数とピール強度およびクラック発生と
の関係を図４に示す。図４から明らかなように、実施例
１によるセラミックス−金属接合体は、初期の接合強度
が極めて大きいと共に、冷熱サイクルが印加された状態
においても強度低下が少なく、さらに TCTによるクラッ
クも 100サイクルまでは認められなかった。これに対し
て、比較例１および比較例２によるセラミックス−金属
接合体は、それぞれ初期の接合強度が低く、かつクラッ
クも50サイクル程度で発生しており、その後の強度低下
も大きいものであった。
【００３０】実施例２ 実施例１における接合温度条件を、850 ℃×10分から85
0 ℃×30分と変更する以外は、実施例１と同一条件でセ
ラミックス−金属接合体を作製した。
0 ℃×30分と変更する以外は、実施例１と同一条件でセ
ラミックス−金属接合体を作製した。
【００３１】このセラミックス−金属接合体の界面分析
をＥＰＭＡにより行ったところ、窒化アルミニウム側の
接合界面にTiが偏析した層が連続的に形成されている
（層厚は実施例１と同等）と共に、このTiの偏析層にAl
が拡散しており、 Ti-Al-N化合物が形成されていること
を確認した。なお、実施例１によるセラミックス−金属
接合体においても、Tiの偏析層にAlが拡散していること
が確認されたが、量的には実施例２によるセラミックス
−金属接合体の方が多かった。
をＥＰＭＡにより行ったところ、窒化アルミニウム側の
接合界面にTiが偏析した層が連続的に形成されている
（層厚は実施例１と同等）と共に、このTiの偏析層にAl
が拡散しており、 Ti-Al-N化合物が形成されていること
を確認した。なお、実施例１によるセラミックス−金属
接合体においても、Tiの偏析層にAlが拡散していること
が確認されたが、量的には実施例２によるセラミックス
−金属接合体の方が多かった。
【００３２】この実施例２によるセラミックス−金属接
合体の TCTによるクラック発生の有無を確認したとこ
ろ、300 サイクルまでクラックの発生は認められず、さ
らに耐冷熱サイクル特性に優れることが判明した。な
お、ピール強度の測定値は実施例１とほぼ同程度であっ
た。
合体の TCTによるクラック発生の有無を確認したとこ
ろ、300 サイクルまでクラックの発生は認められず、さ
らに耐冷熱サイクル特性に優れることが判明した。な
お、ピール強度の測定値は実施例１とほぼ同程度であっ
た。
【００３３】実施例３〜５ 破壊靭性値ＫICがそれぞれ4.7MPa・m 1/2 、4.1MPa・m
1/2 、4.0MPa・m 1/2 の 3種類の窒化アルミニウム焼結
体を用意し、これらを各々用いて実施例１と同一条件
で、それぞれセラミックス−金属接合体（実施例３〜
５）を作製した。
1/2 、4.0MPa・m 1/2 の 3種類の窒化アルミニウム焼結
体を用意し、これらを各々用いて実施例１と同一条件
で、それぞれセラミックス−金属接合体（実施例３〜
５）を作製した。
【００３４】これら 3種類のセラミックス−金属接合体
のピール強度を測定すると共に、それぞれ実施例１と同
一条件の TCTを 100サイクル施し、それぞれ窒化アルミ
ニウム焼結体のファインクラックの有無を以下に示す方
法によって確認した。まず、銅板およびろう材層をエッ
チング除去し、窒化アルミニウム焼結体表面のファイン
クラックの有無を、蛍光浸透探傷(PT)検査で判定するこ
とによって行った。
のピール強度を測定すると共に、それぞれ実施例１と同
一条件の TCTを 100サイクル施し、それぞれ窒化アルミ
ニウム焼結体のファインクラックの有無を以下に示す方
法によって確認した。まず、銅板およびろう材層をエッ
チング除去し、窒化アルミニウム焼結体表面のファイン
クラックの有無を、蛍光浸透探傷(PT)検査で判定するこ
とによって行った。
【００３５】その結果、ピール強度の初期の測定値はい
ずれのセラミックス−金属接合体も実施例１とほぼ同程
度であったが、実施例３（AlN:ＫIC= 4.7MPa・ m1/2 ）
のセラミックス−金属接合体では TCT 100サイクル後に
おいてもクラックは認められなかったのに対し、他のセ
ラミックス−金属接合体（実施例４、５）では微細なク
ラックが発生していた。
ずれのセラミックス−金属接合体も実施例１とほぼ同程
度であったが、実施例３（AlN:ＫIC= 4.7MPa・ m1/2 ）
のセラミックス−金属接合体では TCT 100サイクル後に
おいてもクラックは認められなかったのに対し、他のセ
ラミックス−金属接合体（実施例４、５）では微細なク
ラックが発生していた。
【００３６】
【発明の効果】以上説明したように、本発明のセラミッ
クス−金属接合体によれば、窒化物系セラミックス部材
側の接合界面に、反応層である活性金属の偏析層が適度
な層厚で連続して形成されているため、安定して高接合
強度が得られると共に、冷熱サイクルの付加等によって
窒化物系セラミックス部材にクラックが生じることを抑
制することができる。よって、高接合強度を有すると共
に、冷熱サイクルに対して優れた信頼性を示すセラミッ
クス−金属接合体を、再現性よく提供することが可能と
なる。
クス−金属接合体によれば、窒化物系セラミックス部材
側の接合界面に、反応層である活性金属の偏析層が適度
な層厚で連続して形成されているため、安定して高接合
強度が得られると共に、冷熱サイクルの付加等によって
窒化物系セラミックス部材にクラックが生じることを抑
制することができる。よって、高接合強度を有すると共
に、冷熱サイクルに対して優れた信頼性を示すセラミッ
クス−金属接合体を、再現性よく提供することが可能と
なる。
【図１】本発明の一実施例におけるセラミックス−金属
接合体の製造工程を示す図である。
接合体の製造工程を示す図である。
【図２】本発明の一実施例によるセラミックス−金属接
合体の接合界面のＥＰＭＡ分析結果を模式的に示す図で
ある。
合体の接合界面のＥＰＭＡ分析結果を模式的に示す図で
ある。
【図３】本発明との比較として示したセラミックス−金
属接合体の接合界面のＥＰＭＡ分析結果を模式的に示す
図である。
属接合体の接合界面のＥＰＭＡ分析結果を模式的に示す
図である。
【図４】本発明の一実施例によるセラミックス−金属接
合体の TCTサイクル数とピール強度との関係を従来例と
比較して示す図である。
合体の TCTサイクル数とピール強度との関係を従来例と
比較して示す図である。
１……窒化アルミニウム焼結体 ２……接合用ペースト ３……銅板 ４……ろう材層 ５……セラミックス−金属接合体
Claims (5)
- 【請求項１】 窒化物系セラミック部材と、Ti、Zrおよ
びNbから選ばれた少なくとも 1種の活性金属を含む Ag-
Cu系ろう材層を介して、前記窒化物系セラミックス基板
に接合された金属部材とを具備するセラミックス−金属
接合体において、 前記窒化物系セラミック部材側の接合界面には、前記活
性金属が偏析した層が連続して存在することを特徴とす
るセラミックス−金属接合体。 - 【請求項２】 請求項１記載のセラミックス−金属接合
体において、 前記活性金属の偏析層の厚さは、 4μm 〜 7μm の範囲
であることを特徴とするセラミックス−金属接合体。 - 【請求項３】 請求項２記載のセラミックス−金属接合
体において、 前記活性金属の偏析層は、前記活性金属の窒化物から主
として構成されていることを特徴とするセラミックス−
金属接合体。 - 【請求項４】 請求項１記載のセラミックス−金属接合
体において、 前記窒化物系セラミック部材は、窒化アルミニウム焼結
体からなり、かつ前記活性金属の偏析層は、前記活性金
属とアルミニウムと窒素との化合物を構成要素として含
むことを特徴とするセラミックス−金属接合体。 - 【請求項５】 請求項１記載のセラミックス−金属接合
体において、 前記窒化物系セラミック部材は、破壊靭性値ＫICが4.5M
Pa・m 1/2 以上であることを特徴とするセラミックス−
金属接合体。
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP03316998A JP3095490B2 (ja) | 1991-11-29 | 1991-11-29 | セラミックス−金属接合体 |
| JP2000187958A JP3370060B2 (ja) | 1991-11-29 | 2000-06-22 | セラミックス−金属接合体 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP03316998A JP3095490B2 (ja) | 1991-11-29 | 1991-11-29 | セラミックス−金属接合体 |
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| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2000187958A Division JP3370060B2 (ja) | 1991-11-29 | 2000-06-22 | セラミックス−金属接合体 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH05148053A true JPH05148053A (ja) | 1993-06-15 |
| JP3095490B2 JP3095490B2 (ja) | 2000-10-03 |
Family
ID=18083279
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP03316998A Expired - Lifetime JP3095490B2 (ja) | 1991-11-29 | 1991-11-29 | セラミックス−金属接合体 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3095490B2 (ja) |
Cited By (12)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2009131217A1 (ja) | 2008-04-25 | 2009-10-29 | 京セラ株式会社 | 放熱基体およびこれを用いた電子装置 |
| WO2010087432A1 (ja) | 2009-01-29 | 2010-08-05 | 株式会社オクテック | 放熱基体およびこれを用いた電子装置 |
| JP2014187411A (ja) * | 2012-02-01 | 2014-10-02 | Mitsubishi Materials Corp | パワーモジュール用基板、ヒートシンク付パワーモジュール用基板、パワーモジュール及びパワーモジュール用基板の製造方法、並びに、銅部材接合用ペースト |
| KR20140127228A (ko) * | 2012-02-01 | 2014-11-03 | 미쓰비시 마테리알 가부시키가이샤 | 파워 모듈용 기판, 히트 싱크가 부착된 파워 모듈용 기판, 파워 모듈, 파워 모듈용 기판의 제조 방법, 및 동 부재 접합용 페이스트 |
| CN104690385A (zh) * | 2015-02-02 | 2015-06-10 | 哈尔滨工业大学 | 一种复合中间层及其钎焊金属与陶瓷及陶瓷基复合材料的方法 |
| KR20150092150A (ko) * | 2012-12-06 | 2015-08-12 | 미쓰비시 마테리알 가부시키가이샤 | 파워 모듈용 기판, 히트 싱크가 부착된 파워 모듈용 기판, 파워 모듈, 파워 모듈용 기판의 제조 방법, 동판 접합용 페이스트, 및 접합체의 제조 방법 |
| JP2018008869A (ja) * | 2016-06-30 | 2018-01-18 | 三菱マテリアル株式会社 | 銅／セラミックス接合体、及び、絶縁回路基板 |
| JPWO2019044752A1 (ja) * | 2017-08-29 | 2019-11-07 | 京セラ株式会社 | 回路基板およびこれを備える電子装置 |
| JPWO2021044854A1 (ja) * | 2019-09-02 | 2021-03-11 | ||
| WO2021117327A1 (ja) * | 2019-12-12 | 2021-06-17 | 三菱マテリアル株式会社 | 銅／セラミックス接合体、及び、絶縁回路基板 |
| JP2021095327A (ja) * | 2019-12-12 | 2021-06-24 | 三菱マテリアル株式会社 | 銅／セラミックス接合体、及び、絶縁回路基板 |
| CN115667186A (zh) * | 2020-05-20 | 2023-01-31 | 株式会社东芝 | 接合体、陶瓷铜电路基板、及半导体装置 |
-
1991
- 1991-11-29 JP JP03316998A patent/JP3095490B2/ja not_active Expired - Lifetime
Cited By (22)
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| US9504144B2 (en) | 2012-02-01 | 2016-11-22 | Mitsubishi Materials Corporation | Power module substrate, power module substrate with heat sink, power module, method of manufacturing power module substrate, and copper member-bonding paste |
| JP2014187411A (ja) * | 2012-02-01 | 2014-10-02 | Mitsubishi Materials Corp | パワーモジュール用基板、ヒートシンク付パワーモジュール用基板、パワーモジュール及びパワーモジュール用基板の製造方法、並びに、銅部材接合用ペースト |
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| US10375825B2 (en) | 2012-02-01 | 2019-08-06 | Mitsubishi Materials Corporation | Power module substrate, power module substrate with heat sink, power module, method of manufacturing power module substrate, and copper member-bonding paste |
| JP2015180600A (ja) * | 2012-02-01 | 2015-10-15 | 三菱マテリアル株式会社 | パワーモジュール用基板、ヒートシンク付パワーモジュール用基板、パワーモジュール及びパワーモジュール用基板の製造方法、並びに、銅部材接合用ペースト |
| KR20150092150A (ko) * | 2012-12-06 | 2015-08-12 | 미쓰비시 마테리알 가부시키가이샤 | 파워 모듈용 기판, 히트 싱크가 부착된 파워 모듈용 기판, 파워 모듈, 파워 모듈용 기판의 제조 방법, 동판 접합용 페이스트, 및 접합체의 제조 방법 |
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| US11948900B2 (en) | 2019-09-02 | 2024-04-02 | Kabushiki Kaisha Toshiba | Bonded body, circuit board, and semiconductor device |
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