JPH0558048B2 - - Google Patents

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JPH0558048B2
JPH0558048B2 JP12438186A JP12438186A JPH0558048B2 JP H0558048 B2 JPH0558048 B2 JP H0558048B2 JP 12438186 A JP12438186 A JP 12438186A JP 12438186 A JP12438186 A JP 12438186A JP H0558048 B2 JPH0558048 B2 JP H0558048B2
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JP
Japan
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copper
exceed
oxygen
ppm
bonding
Prior art date
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JP12438186A
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JPS62282797A (ja
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Naoyuki Kanehara
Tetsuo Kohata
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Dowa Holdings Co Ltd
Original Assignee
Dowa Mining Co Ltd
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Description

【発明の詳細な説明】
本発明は、セラミツクスに銅を直接接合させる
目的に特に良く適したセラミツクス−銅直接接合
用銅材に関する。 セラミツクスに銅を接合した接合体が電子部品
等に多く用いられている。これら接合体の製造
は、従来、モリブデンやタングステンなどの有機
バインダーを含む金属ペーストをセラミツクスに
印刷した後雰囲気炉で加熱したメタライズさせて
回路を形成し、次いでメタライズ層をニツケルメ
ツキした後ハンダ付けを行なつて銅の放熱板を接
合させるといつた種々の工程を含む複雑な方法で
行なわれていた。これに対し、セラミツクスと銅
との接合界面に銅の酸化物(Cu2O)を生成させ
てセラミツクスと銅を直接接合させるという簡単
な工程からなる方法が開発され、注目されてい
る。この方法では、セラミツクスと銅を直接接触
させた状態で単に加熱処理して接合させる。銅−
酸素の2元状態図から理解されるように、1065℃
以上の温度に加熱して酸素を接触界面に供給する
ことにより、Cu2O液相を形成させることができ
る。これを利用してセラミツクスと銅を直接接合
させるのである。酸素の供給方法には銅中の酸素
による方法と雰囲気中に存在させた酸素による方
法とがある。 この直接接合法はそれ以前に接合法に比べて工
程も簡単で種々の利点を有しているが、尚解決す
べき問題点が幾つか残つている。その一つは、銅
が融点近傍まで加熱されて保持されるため、局所
的に融点が著しく低下して、銅の表面が極端に荒
れる現象や、接触面で同様の局所的融点低下が起
つてぬれの面積が減り良好な接合が得られないと
いう現象が起る場合があるなどである。このた
め、接合歩留りが極端に悪くなつてコストアツプ
の一因となること、また銅表面が荒れて電子部品
の搭載が不可能となる場合が生じるなどの欠点が
あつた。 本発明は上述のごとき欠点がなく、健全なセラ
ミツクス−銅直接接合体の容易かつ安定な製造を
可能とする改良された鋼材を提供するものであ
る。 セラミツクスとの直接接合には、JIS H3108に
定められた規格を満たす電子管用無酸素銅やタフ
ピツチ銅などの比較的純度の高い銅材が用いられ
ている。それにもかかわらず直接接合に際し既に
述べたような不都合な現象が生じるのは、特定の
不純物が微量でも局所的な融点の低下に大きく影
響するためであろうと考えて、本発明者は、接合
に用いる銅材中の不純物の種類と濃度が及ぼす影
響について詳しく研究した。その結果SiとTeの
存在が微量でも接合の結果を著しく影響するこ
と、無酸素銅を用いる場合はJIS規格を満たすだ
けでは駄目でSの量をJIS H3108で定められてい
る上限値よりもつと遥かに低くする必要があるこ
とを見出し、さらにその他の不純物の影響やSi、
Te、Sとの相互関係についても研究し次のこと
を見出して本発明を達成した。すなわち、酸素濃
度が500ppmを越えず、不可避不純物であるS、
Ag、Ni、Fe、Pb、SiおよびTeの濃度がそれぞ
れ、Sは5ppmを越えず、Agは10ppmを越えず、
Niは5ppmを越えず、Feは10ppmを越えず、Pb
は10ppmを越えず、Siは1ppmを越えずそしてTe
は1ppmを越えないという条件を満たし、残部は
実質上Cuである改良されたタフピツチ銅からな
るセラミツクス−銅直接接合用銅材または酸素濃
度が10ppmを越えず、不可避不純物であるP、
Zn、Cd、PbおよびBiの濃度がそれぞれ、Pは
3ppmを越えず、Znは1ppmを越えず、Cdは1ppm
を越えず、Pbは10ppを越えず、かつBiは10ppm
を越えないという条件を満たし、さらにS、Siお
よびTeの濃度がそれぞれSは5ppmを越えずSiは
1ppmを越えず、Teは1ppmを越えないという第
二の条件を満たし、残部は実質上Cuである改良
された無酸素銅からなるセラミツクス−銅直接接
合用銅材はセラミツクス−銅直接接合用の銅材と
して好適であり、そのような銅材を用いれば、接
合時に生じる前述のごとき欠点は生じ難く、した
がつてセラミツクス−銅の直接接合を連続工程に
よつても安定に、高い歩留りで実施できることが
わかつた。 一般に電子部品として使用されるセラミツクス
−銅直接接合体の製造に用いられる銅材は、電気
伝導性、熱伝導性などの見地から、無酸素銅また
はタフピツチ銅が用いられている。しかしなが
ら、通常製造、販売されている無酸素銅やタフピ
ツチ銅は、特にSi、Te、Sの含有量に関して本
発明の銅材について規定した条件を満たしていな
い。すなわち、本発明の銅材は、特に明確な目標
を定めて意図的にSi、Teの量あるいはSの量を
低下させないと製造することができない。このよ
うな銅材は従来市場にも出ていなかつた。したが
つて本発明の銅材は新規な銅材である。 これらの銅材は、通常99.9%の市販の電解銅を
特定の条件下で電解精製し、さらに溶解処理を行
つて得られる。無酸素銅の場合は、電解精製した
銅を真空溶解炉で溶解して、酸素濃度を10ppm以
下にする。一方、タフピツチ銅の場合は、電解精
製した銅を炉中で溶解して適当な形状寸法の鋳塊
となすが、炉内雰囲気を酸化性にして溶銅中の酸
素濃度を増加させる一方水素含量を低下させ、そ
の後ポーリングを行つて酸素含量が500ppm以下
になるもで脱酸して金型に鋳込むことによつて、
本発明品を得てもよい。 本発明の銅材で製造した成形銅板は、セラミツ
クス板と直接接触させて1000℃以上の高温下で、
接合面に微量の酸素を存在させて保持することに
より、良好なセラミツクス−銅直接接合体とする
ことができる。このようにして製造した直接接合
体は、優秀な性能をもつパワーモジユール基板、
高周波用回路基板、ハイブリツド基板等の電子部
品として使用することができる。 直接接合の方法は、たとえば本発明の銅材から
つくつた成形銅材を、セラミツクス板と直接接触
させて、1000℃以上で銅板の融点より低い高温に
保持するたけでよい。この際接合面に微量
(0.5ppm〜1000ppm)の酸素が供給される必要が
あるが、それに必要な酸素は銅板中に存在してい
る酸素だけを利用することもできるし、反応を窒
素雰囲気中で行ない、雰囲気中に微量の酸素を存
在させて供給することもできる。以下実施例によ
りさらに具体的に説明する。 実施例 1 純度99.97%のスクラツプ銅を陽極に用い、硫
酸酸性硫酸銅溶液中で下記の条件下で電解精製を
行つた。 溶液中の成分濃度 銅:25g/ 遊離硫酸:200g/ 遊離塩素:30mg/ ゼラチン:45g/t電着銅 溶液温度:50℃ 電流密度:50A/m2(No.1) 150A/m2(No.2) 次いで、得られた精製銅をそれぞれ真空溶解炉
に入れて、酸素含量をJIS H3108に規定する範囲
内に調整した。このようにして得られた無酸素銅
を分析したところ第1表(No.1およびNo.2)に示
す組成であつた。 これらの銅材を厚さ0.3mm、サイズ30×50mmの
無酸素銅材に加工して、供試材とした。 このように得られた無酸素銅材No.1およびNo.2
をそれぞれ使用し、1070℃のN2中で酸素濃度
20ppm±5ppmにコントロールされた炉内に、厚
さ0.635mm、サイズ50×100mmのアルミナ(96%
Al2O3)基板と無酸素銅材とを接触させて置き、
10分間保持した。その後、No.1及びNo.2各銅板の
接合状態をチエツクすると、No.1の銅板を使用し
たものは、アルミナとの接合は良好であつた。し
かし、No.2の銅板を使用したものは、接合されて
いなかつた。この時のNo.1、No.2の接合後の銅板
表面の光学顕微鏡写真を第1図a,bにそれぞれ
示す。接合したNo.1銅板の結晶粒は均一で粒界に
Cu2Oができていたが、No.2銅板では粒界で一部、
溶融が起きており、凹凸ができていた。 No.1銅板、No.2銅板共にJIS H3108の規格を満
たしているが、JISに示されていないSiとTe量に
大きな違いがあり、これらの影響によるものであ
ることがわかる。又Pbは接合されなかつたNo.2
銅板の方が少なく、接合しなかつた理由が、Pb
の有害な影響でないことは明白である。 実施例 2 実施例1と同様の方法による電解精製によつて
精製銅No.3(電流密度50A/m2)およびNo.4(電流
密度150A/m2)を得た。これらの精製銅を反射
炉で溶解したが、この場合、炉内雰囲気を酸化性
にして銅中の水素含量を低下させた後、ポーリン
グを行つて脱酸処理をした。このようにして得ら
れたタフピツチ銅を分析したところ、第2表(No.
3およびNo.4)に示す組成であつた。 これらの銅材を厚さ0.3mm、サイズ30×50mmの
タフピツチ銅板に加工して、供試材とした。 このようにして得られたタフピツチ銅板No.3お
よびNo.4をそれぞれ使用し、実施例1と同様の方
法でアルミナ−銅直接接合体を作製した。No.3銅
板を用いたアルミナ−銅直接接合体の接合状態は
良好であつた。しかし、No.4銅板は実施例1で示
した比較材No.2銅板と同様、アルミナと接合せ
ず、銅板の表面に凹凸が発生していた。 実施例2より銅に含まれる酸素濃度の違いによ
る影響はなく、銅に微量に含まれているSiとTe
の影響によるものであることがわかる。事実これ
らによる影響であることを同様の実験をくり返し
て確認した。又、良好に接合したNo.1銅板及びNo.
3銅板の加工率、すなわち内部残留応力を変えて
も接合が良好であつた。 実施例 3 実施例1に記載した方法で銅材を電解精製と酸
素含量の調整を行うことにより、無酸素銅板No.5
およびNo.6を得た(電解精製の際の電流密度はと
もに50A/m2)。これらの組成を第3表に示す。 これらの無酸素銅板No.5およびNo.6をそれぞれ
使用し、実施例1と同様の方法でアルミナ−銅直
接接合体を作製した。S量が9ppm存在している
No.6銅板はNo.5銅板に比べ表面の荒れが激しく、
アルミナの接触していた全面にわたつて接合され
ず、局所的に接合されているに過ぎなかつた。S
以外の不純物量はほぼ同じであり、銅に含まれて
いたSの影響と考えられたので、同様の実験を数
回くり返しSの影響であることを確認した。 上記のごとき本発明の銅材は、銅に含まれる特
定の微量不純物が規定した量に限定されている
為、良好なセラミツクス−銅直接接合体が安定に
得られ、しかも特定の不純物濃度を意図的に制御
すること以外は通常の無酸素銅及びタフピツチ銅
と同様の製造方法で製造出来、セラミツクス−銅
直接接合体の接合歩留りが改善されるという多く
の利益をもたらすものである。
【表】
【表】
【表】 【図面の簡単な説明】
第1図aは本発明の銅材を用いてアルミナセラ
ミツクス板に直接接合した場合の銅板表面の結晶
粒の状態を示す光学顕微鏡写真である。第1図b
は通常のJIS H3108規格無酸素銅の成形銅板を用
いたこと以外は第1図aの場合と全く同様に直接
接合した接合体の銅板表面を結晶粒の状態を示す
光学顕微鏡写真である。図中の失印は表面に凹み
が生じたことを示している。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1 酸素濃度が500ppmを越えず、S、Ag、Ni、
    Fe、Pb、SiおよびTeの濃度がそれぞれ、Sは
    5ppmを越えず、Agは10ppmを越えず、Niは
    5ppmを越えず、Feは10ppmを越えず、Pbは
    10ppmを越えず、Siは1ppmを越えずそしてTeは
    1ppmを越えないという条件を満たし、残部は実
    質上Cuである改良されたタフピツチ銅からなる
    セラミツクス−銅直接接合用銅材。 2 酸素濃度が10ppmを越えず、P、Zn、Cd、
    PbおよびBiの濃度がそれぞれ、Pは3ppmを越え
    ず、Znは1ppmを越えず、Cdは1ppm越えず、Pb
    は10ppmを越えず、かつBiは10ppmを越えない
    という条件を満たし、さらにS、SiおよびTeの
    濃度がそれぞれSは5ppmを越えずSiは1ppmを越
    えず、Teは1ppmを越えないという第二の条件を
    満たし、残部は実質上Cuである改良された無酸
    素銅からなるセラミツクス−銅直接接合用銅材。
JP12438186A 1986-05-29 1986-05-29 セラミツクス−銅直接接合用銅材 Granted JPS62282797A (ja)

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