JPH05319946A - 金属板接合セラミック基板 - Google Patents
金属板接合セラミック基板Info
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- JPH05319946A JPH05319946A JP15595992A JP15595992A JPH05319946A JP H05319946 A JPH05319946 A JP H05319946A JP 15595992 A JP15595992 A JP 15595992A JP 15595992 A JP15595992 A JP 15595992A JP H05319946 A JPH05319946 A JP H05319946A
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Abstract
(57)【要約】
【目的】 金属とセラミックとを接合する場合、熱膨張
率が大きく異なるため、熱衝撃を加えるとセラミック自
体にクラックが発生する欠点を解決し、熱衝撃に対する
耐久性に優れた信頼性の高い金属板接合セラミック基板
を提供すること。 【構成】 金属板接合セラミック基板のセラミック基板
と金属板との接合面内に接合部分と非接合部分をほぼ均
一に存在させ、かつ接合面に対する非接合部分の面積比
率を０．０１〜５０％とする。
率が大きく異なるため、熱衝撃を加えるとセラミック自
体にクラックが発生する欠点を解決し、熱衝撃に対する
耐久性に優れた信頼性の高い金属板接合セラミック基板
を提供すること。 【構成】 金属板接合セラミック基板のセラミック基板
と金属板との接合面内に接合部分と非接合部分をほぼ均
一に存在させ、かつ接合面に対する非接合部分の面積比
率を０．０１〜５０％とする。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、金属板とセラミック基
板とがろう材によって接合された金属板接合セラミック
基板に関する。
板とがろう材によって接合された金属板接合セラミック
基板に関する。
【０００２】
【従来の技術】従来、セラミック基板表面に金属板を冶
金的に接合する方法としては、種々の方法が知られてい
る。例えば、 １．セラミック基板の表面にモリブデンとタングステン
を主成分とする粉末と有機バインダ−の混合物を塗布
し、加湿した雰囲気中で１４００〜１７００℃に加熱し
て反応させることにより金属層を形成させた後、前記金
属層表面にＮｉメッキを施し、次いで、該Ｎｉメッキに
金属板（例えば銅板）をＰｂ−Ｓｎ系ハンダなどにより
接合する方法。 ２．金属板とセラミック基板とをＡｕ，Ｐｔのような貴
金属、つまり酸素との親和力の小さい金属を主成分とす
る合金を用いて接合する方法。 ３．金属板とセラミック基板との接合部にＴｉ，Ｎｂ，
Ｚｒなどの活性金属または熱処理によって活性金属に変
換される活性金属水素化物を介在させた後、高温，高圧
下で接合する方法等が知られている。
金的に接合する方法としては、種々の方法が知られてい
る。例えば、 １．セラミック基板の表面にモリブデンとタングステン
を主成分とする粉末と有機バインダ−の混合物を塗布
し、加湿した雰囲気中で１４００〜１７００℃に加熱し
て反応させることにより金属層を形成させた後、前記金
属層表面にＮｉメッキを施し、次いで、該Ｎｉメッキに
金属板（例えば銅板）をＰｂ−Ｓｎ系ハンダなどにより
接合する方法。 ２．金属板とセラミック基板とをＡｕ，Ｐｔのような貴
金属、つまり酸素との親和力の小さい金属を主成分とす
る合金を用いて接合する方法。 ３．金属板とセラミック基板との接合部にＴｉ，Ｎｂ，
Ｚｒなどの活性金属または熱処理によって活性金属に変
換される活性金属水素化物を介在させた後、高温，高圧
下で接合する方法等が知られている。
【０００３】しかしながら、上記１の方法は、エレクト
ロニクス部品において、絶縁体としてのセラミック基板
表面に導体としての銅板を接合する場合に多用されてい
る方法であるが、工程数が多く煩雑であるという欠点を
有し、上記２の方法は、簡単な工程で接合できるもの
の、高価な貴金属を使用するため経済的ではなく、しか
も金属母材とセラミックス母材が十分に接触するように
高い圧力を必要として、変形を嫌うエレクトロニクス部
品などの接合には好ましくない。さらに、上記３の方法
では、活性金属により強固な接合を行えるものの、高い
接合圧力を必要とするため前記２の方法と同様、変形を
嫌うエレクトロニクス部品などの接合には好ましくない
という欠点を有していた。
ロニクス部品において、絶縁体としてのセラミック基板
表面に導体としての銅板を接合する場合に多用されてい
る方法であるが、工程数が多く煩雑であるという欠点を
有し、上記２の方法は、簡単な工程で接合できるもの
の、高価な貴金属を使用するため経済的ではなく、しか
も金属母材とセラミックス母材が十分に接触するように
高い圧力を必要として、変形を嫌うエレクトロニクス部
品などの接合には好ましくない。さらに、上記３の方法
では、活性金属により強固な接合を行えるものの、高い
接合圧力を必要とするため前記２の方法と同様、変形を
嫌うエレクトロニクス部品などの接合には好ましくない
という欠点を有していた。
【０００４】このようなことから、例えばＴｉ，Ｚｒな
どの活性金属とＣｕ，Ｎｉ，Ｆｅなどの遷移金属との合
金を使用し、その共晶組成領域で活性金属の単体の融点
（Ｔｉ；１７２０℃、Ｚｒ；１８６０℃）および遷移金
属単体の融点（Ｃｕ；１０８３℃，Ｎｉ；１４５３℃，
Ｆｅ；１５３４℃）と比較して融点が数１００℃低いこ
とに着目し、遷移金属母材とセラミックス母材との接合
部に活性金属を介在させ、該接合部を遷移金属および活
性金属の合金の融点より高く、遷移金属の融点より低い
温度に加熱し、遷移金属と活性金属との原子を相互に拡
散させて合金化し、この合金によって遷移金属母材とセ
ラミックス母材とを接合する方法が米国特許第２８５７
６６３号明細書に開示されている。かかる方法によれ
ば、接合時において接合部に遷移金属と活性金属との合
金の融液により満たされ、金属母材とセラミックス母材
とを濡らすので、各母材を十分接触させるための接合時
の加圧をほとんど必要とせず、かつ、活性金属の効果に
よりそれら母材を強固に接合できる。
どの活性金属とＣｕ，Ｎｉ，Ｆｅなどの遷移金属との合
金を使用し、その共晶組成領域で活性金属の単体の融点
（Ｔｉ；１７２０℃、Ｚｒ；１８６０℃）および遷移金
属単体の融点（Ｃｕ；１０８３℃，Ｎｉ；１４５３℃，
Ｆｅ；１５３４℃）と比較して融点が数１００℃低いこ
とに着目し、遷移金属母材とセラミックス母材との接合
部に活性金属を介在させ、該接合部を遷移金属および活
性金属の合金の融点より高く、遷移金属の融点より低い
温度に加熱し、遷移金属と活性金属との原子を相互に拡
散させて合金化し、この合金によって遷移金属母材とセ
ラミックス母材とを接合する方法が米国特許第２８５７
６６３号明細書に開示されている。かかる方法によれ
ば、接合時において接合部に遷移金属と活性金属との合
金の融液により満たされ、金属母材とセラミックス母材
とを濡らすので、各母材を十分接触させるための接合時
の加圧をほとんど必要とせず、かつ、活性金属の効果に
よりそれら母材を強固に接合できる。
【０００５】ところで、金属とセラミックとは原子結合
状態が全く異なる物質である。このため金属とセラミッ
クスとを接合する場合、それらの反応性などの化学的性
質、熱膨張率、電気電導度などの物理的性質は大きく異
なる。従って、金属とセラミックとの接合部材に熱衝撃
を加えると、セラミック自体にクラックが発生する欠点
があり、金属とセラミックとを冶金的に接合し、熱衝撃
に対する耐久性に優れた信頼性の高い接合体を得ること
は極めて困難であった。
状態が全く異なる物質である。このため金属とセラミッ
クスとを接合する場合、それらの反応性などの化学的性
質、熱膨張率、電気電導度などの物理的性質は大きく異
なる。従って、金属とセラミックとの接合部材に熱衝撃
を加えると、セラミック自体にクラックが発生する欠点
があり、金属とセラミックとを冶金的に接合し、熱衝撃
に対する耐久性に優れた信頼性の高い接合体を得ること
は極めて困難であった。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】本発明は、前述のよう
な欠点を解決し、熱衝撃に対する耐久性に優れた信頼性
の高い金属板接合セラミック基板を提供することを目的
とするものであ。
な欠点を解決し、熱衝撃に対する耐久性に優れた信頼性
の高い金属板接合セラミック基板を提供することを目的
とするものであ。
【０００７】
【課題を解決するための手段および作用】本発明者は前
述の如き課題を解決すべく鋭意研究した結果、セラミッ
ク基板の表面に金属板がろう材によって接合されてなる
金属板接合セラミック基板において、前記金属板接合セ
ラミック基板のセラミック基板と金属板との接合面内に
接合部分と非接合部分をほぼ均一に存在させ、かつ接合
面に対する非接合部分の面積比率を０．０１から５０％
とすることにより、前述のような欠点を解決するに至
り、本発明を完成した。
述の如き課題を解決すべく鋭意研究した結果、セラミッ
ク基板の表面に金属板がろう材によって接合されてなる
金属板接合セラミック基板において、前記金属板接合セ
ラミック基板のセラミック基板と金属板との接合面内に
接合部分と非接合部分をほぼ均一に存在させ、かつ接合
面に対する非接合部分の面積比率を０．０１から５０％
とすることにより、前述のような欠点を解決するに至
り、本発明を完成した。
【０００８】本発明の金属板接合セラミック基板は、セ
ラミック基板と金属板との接合面内に接合部分と非接合
部分がほぼ均一に存在し、かつ接合面に対する非接合部
分の面積比率が０．０１から５０％であることが必要で
ある。その理由は、前記セラミック基板と金属板との接
合面内に接合部分と非接合部分がほぼ均一に存在してい
ないと、応力が偏在して集中し、耐熱衝撃性が著しく劣
化するからであり、また、接合強度に著しいバラツキが
生じるからである。
ラミック基板と金属板との接合面内に接合部分と非接合
部分がほぼ均一に存在し、かつ接合面に対する非接合部
分の面積比率が０．０１から５０％であることが必要で
ある。その理由は、前記セラミック基板と金属板との接
合面内に接合部分と非接合部分がほぼ均一に存在してい
ないと、応力が偏在して集中し、耐熱衝撃性が著しく劣
化するからであり、また、接合強度に著しいバラツキが
生じるからである。
【０００９】本発明の金属板接合セラミック基板は、セ
ラミック基板と金属板との接合面に対する非接合部分の
面積比率が０．０１から５０％であることが必要である
理由は、前記面積比率が０．０１％より低いと熱膨張収
縮に起因する応力を吸収する効果が殆ど期待できないか
らであり、一方５０％より高いと十分な接合強度が得ら
れないであるからである。本発明の金属板接合セラミッ
ク基板は、前記金属板接合セラミック基板のろう材との
接合面の接合部分には、活性金属の拡散層が形成されて
いることが好ましい。その理由は、前記拡散層が存在し
ないと十分な接合強度を得ることが困難であるからであ
る。
ラミック基板と金属板との接合面に対する非接合部分の
面積比率が０．０１から５０％であることが必要である
理由は、前記面積比率が０．０１％より低いと熱膨張収
縮に起因する応力を吸収する効果が殆ど期待できないか
らであり、一方５０％より高いと十分な接合強度が得ら
れないであるからである。本発明の金属板接合セラミッ
ク基板は、前記金属板接合セラミック基板のろう材との
接合面の接合部分には、活性金属の拡散層が形成されて
いることが好ましい。その理由は、前記拡散層が存在し
ないと十分な接合強度を得ることが困難であるからであ
る。
【００１０】本発明の金属板接合セラミック基板の接合
部分は、０．０１〜１００ｍｍ2 の島状の接合部分が、
点在してなるものであるか、または１〜１０4 μｍ2 の
島状の非接合部分が島状に点在してなるものであること
が好ましい。その理由は、上記のような形態とすること
により、接合部において発生する応力を分散させ微小化
し、接合面端部における応力を低減させるため、接合強
度のバラツキが小さく、かつ応力の集中を受け難い接合
を得ることができるからである。
部分は、０．０１〜１００ｍｍ2 の島状の接合部分が、
点在してなるものであるか、または１〜１０4 μｍ2 の
島状の非接合部分が島状に点在してなるものであること
が好ましい。その理由は、上記のような形態とすること
により、接合部において発生する応力を分散させ微小化
し、接合面端部における応力を低減させるため、接合強
度のバラツキが小さく、かつ応力の集中を受け難い接合
を得ることができるからである。
【００１１】本発明で使用されるセラミック基板は、ア
ルミナ、ムライト、コージェライト等の酸化物基板や窒
化珪素、窒化アルミニウム等の非酸化物基板であり、金
属板は、Ｃｕ，Ｎｉ，Ｆｅ或はその合金であり、ろう材
は、チタンおよびジルコニアから選択されるいずれか少
なくとも一種の活性金属を含有してなるものであること
が好ましい。その理由は、前記金属板の融点は、前記ろ
う材の融点より高く、しかもろう材と容易に合金を形成
し易いからであり、また前記ろう材は、セラミック基板
に拡散し易く容易に拡散層を形成することができるから
である。
ルミナ、ムライト、コージェライト等の酸化物基板や窒
化珪素、窒化アルミニウム等の非酸化物基板であり、金
属板は、Ｃｕ，Ｎｉ，Ｆｅ或はその合金であり、ろう材
は、チタンおよびジルコニアから選択されるいずれか少
なくとも一種の活性金属を含有してなるものであること
が好ましい。その理由は、前記金属板の融点は、前記ろ
う材の融点より高く、しかもろう材と容易に合金を形成
し易いからであり、また前記ろう材は、セラミック基板
に拡散し易く容易に拡散層を形成することができるから
である。
【００１２】本発明の金属板接合セラミック基板は、セ
ラミック基板の厚さが、０．１〜５ｍｍ、金属板の厚さ
が、０．０２〜１ｍｍおよびろう材層の厚さが、０．０
０３〜０．０３ｍｍであることが好ましい。セラミック
基板の厚さが、０．１〜５ｍｍであることが好ましい理
由は、０．１ｍｍより薄いと熱応力等ににより破壊され
易いからであり、一方５ｍｍより厚いとセラミック基板
の厚さが必要以上に厚くなるからである。また、金属板
の厚さが、０．０２〜１ｍｍであることが好ましい理由
は、０．０２ｍｍより薄いと回路としての抵抗値が高く
実用的でないからであり、一方１ｍｍより厚いと加熱冷
却時に多大な応力が発生し、セラミック基板が破壊され
易いからである。ろう材層の厚さが、０．００３〜０．
０３ｍｍであることが好ましい理由は、この範囲とする
ことにより、セラミック基板とろう材との好適な接合強
度を得ることができるからである。
ラミック基板の厚さが、０．１〜５ｍｍ、金属板の厚さ
が、０．０２〜１ｍｍおよびろう材層の厚さが、０．０
０３〜０．０３ｍｍであることが好ましい。セラミック
基板の厚さが、０．１〜５ｍｍであることが好ましい理
由は、０．１ｍｍより薄いと熱応力等ににより破壊され
易いからであり、一方５ｍｍより厚いとセラミック基板
の厚さが必要以上に厚くなるからである。また、金属板
の厚さが、０．０２〜１ｍｍであることが好ましい理由
は、０．０２ｍｍより薄いと回路としての抵抗値が高く
実用的でないからであり、一方１ｍｍより厚いと加熱冷
却時に多大な応力が発生し、セラミック基板が破壊され
易いからである。ろう材層の厚さが、０．００３〜０．
０３ｍｍであることが好ましい理由は、この範囲とする
ことにより、セラミック基板とろう材との好適な接合強
度を得ることができるからである。
【００１３】本発明の金属板接合セラミック基板の非接
合部分の界面に介在するろう材は、酸化物によって被覆
されてなることが好ましい。その理由は、ろう材の表面
を酸化物で被覆することによって、ろう材のセラミック
基板への拡散を防止することができ、ろう材とセラミッ
ク基板と間に非接合部分を形成することができるからで
ある。以下に本発明を実施例に基づいて詳細に説明す
る。
合部分の界面に介在するろう材は、酸化物によって被覆
されてなることが好ましい。その理由は、ろう材の表面
を酸化物で被覆することによって、ろう材のセラミック
基板への拡散を防止することができ、ろう材とセラミッ
ク基板と間に非接合部分を形成することができるからで
ある。以下に本発明を実施例に基づいて詳細に説明す
る。
【００１４】
（実施例１）４５ｍｍ×４５ｍｍ×０．６３５ｍｍの板
状の窒化珪素焼結体よりなる基板の表面に平均粒径が５
μｍで銀を７０．５重量部、銅を２７．５重量部、チタ
ンを２重量部を含有するろう材ペーストをスクリーン印
刷し、１０ｍｍ×２０ｍｍの形状で２５μｍの膜厚のろ
う材層を形成した後、室温で３０分間レペリングし、さ
らに６０℃の温度で３０分間乾燥した。次いで１０ｍｍ
×２０ｍｍ×０．３ｍｍの銅板を前記ろう材層を介して
窒化珪素焼結体よりなる基板に載置して加熱接合した。
加熱接合は、１０-2〜１０-3Ｔｏｒｒの減圧下で５００
℃で１時間保持した後、更に１×１０-4Ｔｏｒｒの減圧
下で９００℃で５分間保持することにより実施した。な
お、前記銅板には、接合時に１００ｇ／ｃｍ2 の荷重を
加えた。
状の窒化珪素焼結体よりなる基板の表面に平均粒径が５
μｍで銀を７０．５重量部、銅を２７．５重量部、チタ
ンを２重量部を含有するろう材ペーストをスクリーン印
刷し、１０ｍｍ×２０ｍｍの形状で２５μｍの膜厚のろ
う材層を形成した後、室温で３０分間レペリングし、さ
らに６０℃の温度で３０分間乾燥した。次いで１０ｍｍ
×２０ｍｍ×０．３ｍｍの銅板を前記ろう材層を介して
窒化珪素焼結体よりなる基板に載置して加熱接合した。
加熱接合は、１０-2〜１０-3Ｔｏｒｒの減圧下で５００
℃で１時間保持した後、更に１×１０-4Ｔｏｒｒの減圧
下で９００℃で５分間保持することにより実施した。な
お、前記銅板には、接合時に１００ｇ／ｃｍ2 の荷重を
加えた。
【００１５】得られた金属板接合セラミック基板の非接
合部比率は、２０％で極めて良好な接合状態であり、−
６５から１５０℃までを約３０分間で温度変化させる繰
り返し加熱冷却試験を実施したが、銅板の剥離や、基板
へのクラック等の不具合は全く認められなかった。
合部比率は、２０％で極めて良好な接合状態であり、−
６５から１５０℃までを約３０分間で温度変化させる繰
り返し加熱冷却試験を実施したが、銅板の剥離や、基板
へのクラック等の不具合は全く認められなかった。
【００１６】（実施例２〜５、比較例１）実施例１と同
様であるが、第１表に示すように金属板の種類、ろう材
に含有される活性金属の種類および加熱接合時の真空度
を変えて金属板接合セラミック基板を得た。接合状態等
については、第１表に示した。
様であるが、第１表に示すように金属板の種類、ろう材
に含有される活性金属の種類および加熱接合時の真空度
を変えて金属板接合セラミック基板を得た。接合状態等
については、第１表に示した。
【００１７】
【表１】
【００１８】
【発明の効果】金属とセラミックとを接合する場合、熱
膨張率が大きく異なるため、熱衝撃を加えるとセラミッ
ク自体にクラックが発生する欠点を解決し、熱衝撃に対
する耐久性に優れた信頼性の高い金属板接合セラミック
基板を提供することができる。
膨張率が大きく異なるため、熱衝撃を加えるとセラミッ
ク自体にクラックが発生する欠点を解決し、熱衝撃に対
する耐久性に優れた信頼性の高い金属板接合セラミック
基板を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本願発明の金属板接合セラミック基板
の接合状態を示す断面図。
の接合状態を示す断面図。
【図２】図２は、従来の金属板接合セラミック基板の接
合状態を示す断面図。
合状態を示す断面図。
１ セラミック基板、 ２ ロウ材、 ３ 金属板
Claims (6)
- 【請求項１】 セラミック基板の表面に金属板がろう材
によって接合されてなる金属板接合セラミック基板であ
って、前記金属板接合セラミック基板は、セラミック基
板と金属板との接合面内に接合部分と非接合部分がほぼ
均一に存在し、かつ接合面に対する非接合部分の面積比
率が、０．０１〜５０％であることを特徴とする金属板
接合セラミック基板。 - 【請求項２】 前記金属板接合セラミック基板のろう材
との接合面の接合部分には、チタンおよびジルコニアか
ら選択されるいずれか少なくとも一種の活性金属の拡散
層が形成されてなる請求項１記載の金属板接合セラミッ
ク基板。 - 【請求項３】 前記金属板接合セラミック基板は、０．
０１〜１００ｍｍ2の前記接合部分が、島状に点在して
なる請求項１記載の金属板接合セラミック基板。 - 【請求項４】 前記金属板接合セラミック基板は、１〜
１０4 μｍ2 の前記非接合部分が、島状に点在してなる
請求項１記載の金属板接合セラミック基板。 - 【請求項５】 前記金属板は、Ｃｕ，Ｎｉ，Ｆｅ或はそ
の合金である請求項１記載の金属板接合セラミック基
板。 - 【請求項６】 前記セラミック基板の厚さが、０．１〜
５ｍｍ、金属板の厚さが、０．０２〜１ｍｍおよびろう
材層の厚さが、０．００３〜０．３ｍｍである請求項１
記載の金属板接合セラミック基板。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP15595992A JPH05319946A (ja) | 1992-05-22 | 1992-05-22 | 金属板接合セラミック基板 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP15595992A JPH05319946A (ja) | 1992-05-22 | 1992-05-22 | 金属板接合セラミック基板 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH05319946A true JPH05319946A (ja) | 1993-12-03 |
Family
ID=15617277
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP15595992A Pending JPH05319946A (ja) | 1992-05-22 | 1992-05-22 | 金属板接合セラミック基板 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH05319946A (ja) |
Cited By (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2001032584A1 (fr) * | 1999-11-01 | 2001-05-10 | Mitsubishi Denki Kabushiki Kaisha | Procede d'assemblage pour ceramique et metal et corps de ceramique et metal assemble par ce procede |
| JP2006282417A (ja) * | 2005-03-31 | 2006-10-19 | Dowa Mining Co Ltd | 金属−セラミックス接合基板 |
| JP2007311528A (ja) * | 2006-05-18 | 2007-11-29 | Mitsubishi Materials Corp | パワーモジュール用基板およびパワーモジュール用基板の製造方法並びにパワーモジュール |
| JP2010173921A (ja) * | 2009-01-30 | 2010-08-12 | Taiheiyo Cement Corp | 炭化珪素接合体 |
| JP2019064865A (ja) * | 2017-09-29 | 2019-04-25 | Ｄｏｗａメタルテック株式会社 | 金属−セラミックス接合基板の製造方法 |
| JPWO2021044854A1 (ja) * | 2019-09-02 | 2021-03-11 |
-
1992
- 1992-05-22 JP JP15595992A patent/JPH05319946A/ja active Pending
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