JPH0631167B2 - ろう材の濡れ性が異なる部材の接合方法、該接合体および該接合用ろう材 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、ろう材の濡れ性が異なる部材の接合に係り、
特にセラミックスと金属の接合方法、該接合体および該
接合用ろう材に関する。

〔従来の技術〕

ろう材の濡れ性が異なる部材、例えばセラミックスと金
属との接合は、Ｃｕ，ＡｇまたはＣｕ−Ａｇ合金中にＴ
ｉまたはＺｒを配合したいわゆる活性金属含有ろう材を
用いることによって、セラミックス表面にメタライズ等
の前処理を行なわずに、金属と直接接合できることが知
られている（米国特許第２７３９３７５号、同４４７１
０２６号）。

更にまた、ＴｉやＺｒ等の活性金属を含ませた銀ろうの
微粉末をペースト状にしたものをアルミナセラミックス
の表面に塗布し、乾燥固着した後、インゴットから形成
した箔状のろう材、あるいは活性金属の含有量が、上記
アルミナセラミックスの表面に塗布したものより少ない
箔状のろう材を重ね、接合する金属をこれに当接して、
不活性雰囲気中で加熱することによりろう付けする方法
が提案されている（特開昭６２−２１７５３３号）が、
これは上記アルミナセラミックスと活性金属とを良く反
応させるためである。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかし、上記の活性金属を含むろう材でセラミックス
（ろう材の濡れにくい部材）と、金属（ろう材の濡れ易
い部材）を直接接合した場合、前記ろう材は加熱によっ
て溶融し始めると、セラミックスに対するよりも金属に
対する方が格段に濡れ性がよいため、金属の接合部以外
にも濡れ広がってセラミックス側のろう材の不足をきた
すと同時に、セラミックスとの接合に寄与すべき活性金
属が接合部以外の金属部に濡れ広がって、ろう材の組成
が変化して、正常な接合を行うことができないと云う問
題があった。

また、セラミックス側に活性金属を含むろう材を配置し
ても、金属側に配置するろう材の融点が低い（活性金属
の含有量少ない）と、先に溶出した金属側のろう材によ
ってセラミックス側のろう材によってセラミックス側の
ろう材が溶融侵食され、活性金属が溶出してろう材の組
成比が変化し、セラミックスとの濡れ（反応）が阻害さ
れ、その結果セラミックス側のろう材が金属側に濡れ広
がり、完全な接合ができないと云う問題があった。

こうした上記の接合不良は、特に高い気密性が要求され
る装置の接合には、重大な欠点となる。

本発明の目的は、ろう材の濡れ性が異なる部材、例え
ば、セラミックスと金属の接合、特に真空封止接合に好
適な接合方法および該接合体、ならびに該接合用ろう材
を提供することにある。

〔課題を解決するための手段〕

前記目的を達成する本発明の要旨は、下記のとおりであ
る。

ろう材の濡れ性が異なる部材の接合方法において、ろう
材の濡れ性が劣る部材側の接合面に先に溶融して濡れ広
がるろう材を配し、ろう材の濡れ性が良い部材側の接合
面に後から溶融して濡れ広がるろう材を配し、前記ろう
材を加熱溶融して接合することを特徴とするろう材の濡
れ性が異なる部材の接合方法並びに該接合体にある。

また、前記ろう材の濡れ性が劣る部材がセラミックスで
あり、ろう材の濡れ性が良い部材が金属であることを特
徴とするろう材の濡れ性が異なる部材の接合方法並びに
該接合体にある。

上記の接合方法において、例えば、セラミックスと金属
を接合する場合、ろう材が加熱されると、まずセラミッ
クスに接して配した前記ろう材が溶融を開始する。溶融
した該ろう材は、セラミックスの接合面と優先的に濡れ
広がり、セラミックスと反応する。

次に、金属側に配したろう材が溶融して金属の接合面に
濡れ広がり、上記セラミックス側に配したろう材と金属
側に配したろう材とが融合した頃に冷却することによっ
て、両ろう材が凝固し、セラミックスと金属とが強固に
接合される。

これによって、前記セラミックス側に配したろう材が金
属側の面に濡れ広がり、接合が不完全となることが防止
されるので、良好なフィレットが形成される。

上記において、セラミックス側に配されるろう材は、Ａ
ｇ，Ｃｕ，Ｎｉ，Ｍｎ，Ａｇ−Ｃｕ，Ｎｉ−Ｃｕ，Ｃｕ
−Ｍｎ，Ａｇ−Ｃｕ−Ｐｄ，Ａｇ−Ｃｕ−Ｉｎ，Ａｇ−
Ｃｕ−Ｓｎの少なくとも１種に、Ｔｉ、ＺｒおよびＨｆ
の少なくとも１種０．５〜１０重量％含むものである。

特に、低融点のろう材とするため、Ａｇ：Ｃｕが７２重
量％：２８重量％の比率の共晶組成から成るろう材に前
記活性金属を０．５〜１０重量％配合したものが望まし
い。

更に、融点を低下させるには、周期率表のIIｂ〜IVｂ族
から選ばれた１種以上の元素を配合することができる。
配合量としては、前記ろう材に対して５〜３０重量％が
よい。特に、濡れ性向上には、Ａｇ−Ｃｕ合金中にＩ
ｎ，Ｓｎ，Ｚｎ等を配合したものがよい。

上記において、Ａｇ：Ｃｕ：Ｉｎの比が５０〜７０重量
％：１５〜３０重量％：５〜３０重量％からなる合金
に、ＴｉまたはＺｒを０．５〜１０重量％配合すること
によって溶融温度８００℃以下のろう材を得ることがで
きる。

上記に対して、金属側に配するろう材としては、前記活
性金属を含むろう材が溶融することによって、金属の接
合面側に濡れ広がり、該金属によってろう材組成の変化
を防止するため、活性金属を含むろう材よりもその溶融
温度が２０℃以上高いことが望ましい。こうしたろう材
としては、Ａｇ−Ｃｕ，Ａｕ−Ｃｕ，Ｐｄ−Ａｇ−Ｃ
ｕ，Ｐｄ−Ａｇ等がある。

前記２種のろう材は、粉末状、ペースト状あるいは箔状
のいずれでも、本発明の目的を達成することができる。

また、前記２種のろう材は、複合化、例えばクラッドし
ておき、セラミックスに接する側に活性金属を含むろう
材層を、また、金属に接する側に上記活性金属を含むろ
う材よりも高融点のろう材層がそれぞれ接するようにし
て用いることによっても、本発明の目的を達成すること
ができる。

更にまた、前記２種のろう材が、それぞれの接合面間に
濃度勾配を有するように構成され、溶融温度が温度勾配
を持つように複合されていてもよい。

上記のような複合ろう材を用いることによって接合の作
業性を向上することができる。

前記複合ろう材の製法としては、両ろう材を重ねて圧延
等により形成することができる。また、ペースト状のろ
う材を印刷等により積層して形成してもよい。

本発明のセラミックス材料としては、Ａｌ_２Ｏ_３，Ｍｇ
Ｏ，ＺｒＯ_２等の酸化物系、Ｓｉ_３Ｎ_４，ＡｌＮ等の窒
化物系、或いはＳｉＣ，ＷＣ等の炭化物系がある。

こうしたセラミックスと金属との接合は、Ａｒ_２やＮ_２
等の非酸化性雰囲気中で行なうのがよい。ただし、上記
非酸化性雰囲気とは、酸素を含まない方がよいが、接合
に悪影響を及ぼさない程度の酸素含有量であれば差し支
えない。例えば、数百ｐｐｍ以下と云うオーダならば許
される場合が多い。

こうした接合体の代表的なものとしては、真空遮断機等
のバルブ、或いは一般の半導体装置等がある。また、コ
ードウッドモヂュールやマイクロモヂュールにも応用す
ることができる。

更にまた、こうした接合を必要とする工業製品に、広く
応用することができる。

〔作用〕

本発明は、接合用ろう材の濡れ性の異なるものを、セラ
ミックス側と金属側とに分けて配し、特に前者のろう材
がセラミックス接合面に濡れ広がってから、後者のろう
材が溶融して金属接合面に溶融して広がるようにしたこ
とにより、セラミックス側の接合用ろう材が効果的に作
用した後に、金属側のろう材が反応するため、金属側に
濡れ広がらず、そのために両接合部に均一なフィレット
が形成さできるものとかんがえる。

特に、金属がＮｉであるか、Ｎｉめっきが施してある部
材においては、セラミックス側のろう材にＮｉとの反応
性が顕著なＴｉ，Ｚｒ或いはＨｆ等の活性金属が存在し
ていても、その影響を受けること無く接合することがで
きるのは、金属側に配したろう材が、セラミックス側の
ろう材が濡れ広がる間、障壁となる効果があるためと考
えられる。

次に、実施例により本発明を具体的に説明する。

実施例 １ 本発明を、真空遮断器のバルブへ適用した例について説
明する。

本実施例では、第１図に示すような真空遮断器バルブの
円筒形アルミナセラミックス１（外径７５ｍｍ×長さ１
０８ｍｍ×厚さ５ｍｍｔ）の端部に、表面にＮｉめっき
を施したコバール製キャップ４（最大外径７１ｍｍ×
０．８５ｍｍ厚さ）の端部を接合した。

なお、前記真空遮断器バルブ内には、固定ホルダ７に固
定電極９が取付けられており、可動ホルダ１８にはベロ
ーズ８と可動電極１０が取付けられ、前記円筒形アルミ
ナセラミックス１で外気と遮蔽されている。

前記バルブの円筒形アルミナセラミックス１側端面に、
Ａｇ−Ｃｕ−Ｔｉ−Ｉｎ（重量比で６２．３：２０．
２：２．５：１５）合金から成る箔状（０．１５ｍｍ）
の活性金属含有ろう材２を配し、他方、コバール製キャ
ップ４の端面側にはＡｇ−Ｃｕ（重量比で７２：２８）
共晶合金から成る箔状（０．１ｍｍ）のろう材３を配し
て、前記両者の端部を突合せる。

なお、前記ろう材２およびろう材３の融点は、前者６８
０℃、後者７８０℃である。

上記を３×１０^−５Ｔｏｒｒの減圧下、昇温速度５０℃
／分で８１０℃まで昇温し、４分間保持した後、降温速
度５０℃／分で室温まで冷却した。

上記バルブのコバール製キャップ４と円筒形アルミナセ
ラミックス１の接合部の断面模式図を第２図に示す。

前記活性金属含有ろう材２が、円筒形アルミナセラミッ
クス１のセラミックスと反応した後に、前記ろう材３が
溶融したため、極めて良好なフィレット５が形成され、
円筒形アルミナセラミックス１とキャップ４とは接合部
６によって強固に接合された。

なお、該接合体の接合部のＨｅガスによるリーク試験の
結果は、５×１０^−５ａｔｍ．ｃｃ／秒以下であり、極
めて気密性の優れた真空遮断器用バルブが得られた。

実施例 ２ マグネトロン用アルミナセラミックス管に、Ｎｉめっき
が施された軟鋼管を、実施例１と同様にして接合した。

該接合体のＨｅガスのリーク量は５×１０^−１０ａｔ
ｍ．ｃｃ／秒以下であり、高気密性のマグネトロン用ア
ルミナセラミックス接合体が得られた。

実施例 ３ 第３図は、本発明の半導体装置の縦断面概略図を示すも
のである。

本実施例で用いた半導体装置は、放熱のための窒化アル
ミニウム製基板１１に半導体素子１５が搭載され、外部
接続用リードフレーム１６とボンディングワイヤ１７で
接続されている。該半導体素子１５は保護のためにコバ
ール製キャップ１４によって封止されている。

上記において、窒化アルミニウム製基板１１とコバール
製キャップ１４との間に、基板１１の接合面側に融点が
約７３０℃のＡｇ−Ｃｕ−Ｉｎ−Ｔｉ（重量比で６２：
２５：１０：２）合金から成る箔状（０．１ｍｍ）の活
性金属含有ろう材１２を配し、コバール製キャップ１３
の接合面側には融点が約７８０℃のＡｇ−Ｃｕ（重量比
で７２：２８）合金から成る箔状（０．０５ｍｍ）のろ
う材を配した。

これを１ＴｏｒｒのＡｒ雰囲気中で８１０℃まで実施例
１に準じて昇温，降温して接合した。

上記の方法で得られた半導体装置の接合部のＨｅリーク
試験によるＨｅリーク量は、５×１０^−１０ａｔｍ．ｃ
ｃ／秒以下であり、高い気密性の半導体装置が得られ
た。

なお、前記基板１１として、窒化アルミニウムに換えて
高熱伝導性、電気絶縁性のＳｉＣセラミックス基板を用
いたものも、前記と同様に高い気密性が得られた。

実施例 ４ 第４図に示すようなアルミナセラミックス基板２１（２
ｍｍｔ×５０ｍｍ×５０ｍｍ）の接合面に、実施例１で
用いたＡｇ−Ｃｕ−Ｔｉ−Ｉｎ合金から成る箔状（０．
１５ｍｍ）の活性金属含有ろう材２２を配し、その上に
実施例１で用いたＡｇ−Ｃｕ共晶合金から成る箔状
（０．１ｍｍ）のろう材２３を配した。その上にコバー
ル製板２４（１ｍｍ×１０ｍｍ×５０ｍｍ）を逆Ｔ字形
になるように配置した。

これを、実施例１と同じ条件で加熱−冷却した。第５図
に該接合体の断面形状を示す。

ろう材２２は、ろう材２３の作用によって、アルミナセ
ラミックスと優先的に反応し、アルミナ基板側に濡れ広
がり、ろう材２３はコバール製板２４と反応結合した。
これによってろう材２２とコバール製板２４との反応が
防止され、良好なフィレット２５が形成され、緊密で強
力な接合体を得ることができた。

実施例 ５ 実施例４と同様に、アルミナセラミックス基板２１（２
ｍｍｔ×５０ｍｍ×５０ｍｍ）の接合面に、Ａｇ−Ｃｕ
−Ｔｉ（重量比で７１：２７：２）合金から成る箔状
（０．１ｍｍ）の活性金属含有ろう材２２を配し、その
上にＡｕ−Ｃｕ（重量比で８０：２０）共晶合金から成
る箔状（０．１ｍｍ）のろう材２３を配した。そして、
その上にコバール製板２４（１ｍｍ×１０ｍｍ×５０ｍ
ｍ）を逆Ｔ字形になるように配置した。

これを、実施例１と同じ条件で９００℃まで加熱し、冷
却した。

実施例４と同様に第５図に示すような良好なフィレット
２５が形成され、緊密で強力な接合体が得られた。

実施例 ６ 融点が約７１０℃のＡｇ−Ｃｕ−Ｉｎ−Ｔｉ（重量比で
６３：２２：１２：３）合金から成る活性金属含有ろう
材（厚さ７０μｍ）と、融点約７８０℃のＡｇ−Ｃｕ
（重量比で７２：２８）共晶合金から成るろう材（厚さ
１００μｍ）を重ね合わせて、室温で加圧延伸し、複合
ろう材（厚さ１００μｍ）を作製した。

該複合ろう材は、実施例４と同様な構成のセラミックス
と金属と、を緊密に接合することができた。また、その
作業性においても優れたものを得ることができた。

実施例 ７ 融点が約７２０℃のＡｇ−Ｃｕ−Ｉｎ−Ｔｉ（重量比で
６２．３：２０．２：１５：２．５）合金粉末１０ｇに
対して有機バインダとそてエチルセルロース（和光純薬
工業製）を０．２ｇと、該バインダの溶剤としてジエチ
レングリコール・モノエチルエーテルアセテート１．８
ｇ配合し，ペースト状とした該ろう材を、ポリエチレン
テレフタレートフイルム（厚さ０．１ｍｍ）の表面に、
ドクターブレードを用いて、約１００μｍ厚さに塗布し
た。

上記を、約１００℃で前記溶剤を乾燥後、その上に同様
にして融点が７８０℃のＡｇ−Ｃｕ（重量比で７２：２
８）共晶合金粉末を同じく１００μｍに塗布し、乾燥後
前記フイルムを剥がして、約２００μｍの複合ろう材を
作製した。

該複合ろう材は、実施例４と同様な構成のセラミックス
と金属を緊密に接合することができ、また、その作業性
においても優れたものを得ることができた。なお、前記
バインダは上記接合時の加熱によっって除去することが
できた。

実施例 ８ 第６図に、本発明の大型計算機用冷却モヂュールの断面
模式図を示す。

セラミックス基板１１に搭載されたＬＳＩ４１の背面
に、高熱伝導性セラミックスから成る冷却フイン４２が
はんだ層４３によって接着されており、該冷却フイン４
２はベローズ４５を有するコバール製キャップ４４と接
続され、前記ベローズ４５介して冷却装置４６と接続さ
れている。そして、冷却装置は冷媒４７を循環すること
により、前記ＬＳＩが発生する熱を放散できるように構
成されている。

本実施例において、前記冷却フイン４２とコバール製キ
ャップ４３とを、前記実施例３の半導体装置の場合と同
様にろう材により接合した。

接合後のＨｅリーク試験を実施したところ、Ｈｅガスリ
ーク量は５×１０^−１０ａｔｍ．ｃｃ／秒以下であり、
高気密性の該冷却モヂュールを得ることができた。

〔発明の効果〕

ろう材の濡れ性が劣る部材（セラミックス）側の接合面
に先に溶融して濡れ広がるろう材を配し、ろう材の濡れ
性が良い部材（金属）側の接合面に後から溶融して濡れ
広がるろう材を配したことにより、後者の接合部にろう
材の過剰な濡れ広がりが防止されるため均一なフィレッ
ットが形成されて、両部材を緊密に接合することができ
る。

特に気密性を必要とする半導体装置のセラミックス基板
と金属キャップ等の部品の接合に、極めて優れた接合を
与えるので、高気密性の装置が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、真空遮断器バルブの断面図、第２図は真空遮
断器バルブのコバール製キャップと円筒形アルミナセラ
ミックスの接合部の断面模式図、第３図はセラミックス
基板と金属製キャップを備えた半導体装置の概略図、第
４図および第５図は、セラミックス製板と金属性板の接
合の前後の状態を示す断面図、第６図は本発明の大型計
算機用冷却モヂュールの断面模式図である。 １…円筒形アルミナセラミックス、２，１２，２２…活
性金属含有ろう材、３，１３，２３…金属ろう材、４，
１４，４４…コバール製キャップ、２５…フィレット、
６，２６…接合部、７…固定ホルダ、８，４５…ベロー
ズ、９…固定電極、１０…可動電極、１１…セラミック
ス基板、１５…半導体素子、１６…リードフレーム、１
７…ボンディングワイヤ、１８…可動ホルダ、２１…ア
ルミナセラミックス製板、２４…コバール製板、４１…
ＬＳＩ、４２…冷却フイン、４３…はんだ層、４６…冷
却装置、４７…冷媒。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 舟本 孝雄 茨城県日立市久慈町4026番地 株式会社日 立製作所日立研究所内 (56)参考文献 特開 昭59−207885（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−103672（ＪＰ，Ａ)

Claims (11)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】ろう材の濡れ性が異なる部材の接合方法に
   おいて、ろう材の濡れ性が劣る部材側の接合面に先に溶
   融して濡れ広がるろう材を配し、ろう材の濡れ性が良い
   部材側の接合面に後から溶融して濡れ広がるろう材を配
   し、前記ろう材を加熱溶融して接合することを特徴とす
   るろう材の濡れ性が異なる部材の接合方法。
2. 【請求項２】ろう材の濡れ性が異なる部材の接合方法に
   おいて、ろう材の濡れ性が劣る部材側の接合面に先に濡
   れ広がり、ろう材の濡れ性が良い部材側の接合面に後か
   ら濡れ広がるように接合界面に温度勾配を付して加熱す
   ることを特徴とするろう材の濡れ性が異なる部材の接合
   方法。
3. 【請求項３】ろう材の濡れ性が異なる部材の接合方法に
   おいて、ろう材の濡れ性が劣る部材側の接合面に先に濡
   れ広がり、ろう材の濡れ性が良い部材側の接合面に後か
   ら濡れ広がるよう溶融温度が異なるろう材を複合したろ
   う材を介して接合することを特徴とするろう材の濡れ性
   が異なる部材の接合方法。
4. 【請求項４】セラミックスと金属との接合方法におい
   て、 前記セラミックス側に活性金属を含むろう材を配し、前
   記金属側に該活性金属を含むろう材よりも後から溶融す
   るろう材を配し、 非酸化性雰囲気中で加熱溶融して接合することを特徴と
   するろう材の濡れ性が異なる部材の接合方法。
5. 【請求項５】セラミックスと金属との接合方法におい
   て、 前記セラミックス側に活性金属を含むろう材層を配し、
   前記金属側に活性金属を含む前記ろう材よりも高融点の
   ろう材層が接するよう配した複合ろう材を用い、非酸化
   性雰囲気中で加熱して接合することを特徴とするろう材
   の濡れ性が異なる部材の接合方法。
6. 【請求項６】ろう材の濡れ性が劣る部材側の接合面に溶
   融して濡れ広がったろう材と、ろう材の濡れ性が良い部
   材側の接合面に前記ろう材の溶融後に濡れ広がったろう
   材とによって接合されていることを特徴とするろう材の
   濡れ性が異なる部材の接合体。
7. 【請求項７】活性金属を含むろう材がセラミックス側の
   接合面に、前記活性金属を含む前記ろう材よりも高融点
   のろう材が金属側に配されたろう材によって接合されて
   いることを特徴とするセラミックスと金属の接合体。
8. 【請求項８】セラミックス基板上に搭載された半導体素
   子と、該半導体素子を前記セラミックス基板とその上に
   設けた金属製キャップとによって気密に封止された半導
   体装置において、 活性金属を含むろう材が前記セラミックス基板の接合面
   に、前記ろう材よりも高融点のろう材が前記金属キャッ
   プの接合面に配された複合ろう材によって気密に接合さ
   れていることを特徴とする半導体装置。
9. 【請求項９】ろう材の濡れ性が異なる部材の接合用ろう
   材において、前記部材の一方に対する濡れ性が異なるろ
   う材が積層され構成されていることを特徴とするろう材
   の濡れ性が異なる部材の接合用ろう材。
10. 【請求項１０】セラミックス側のろう材が、金属側のろ
    う材よりも先に溶融し、前記セラミックス側のろう材
    が、前記金属側のろう材よりも先に濡れるよう構成され
    ていることを特徴とするセラミックスと金属との接合用
    ろう材。
11. 【請求項１１】活性金属を含むろう材層と該ろう材より
    も高融点のろう材層との積層体から成ることを特徴とす
    るセラミックスまたは金属の接合用ろう材。