JPH06329481A

JPH06329481A - セラミックス−金属複合体およびその製造方法

Info

Publication number: JPH06329481A
Application number: JP14303393A
Authority: JP
Inventors: Masanori Hirano; 正典平野; Noriyoshi Yamauchi; 則義山内
Original assignee: Noritake Co Ltd
Current assignee: Noritake Co Ltd
Priority date: 1993-05-20
Filing date: 1993-05-20
Publication date: 1994-11-29

Abstract

(57)【要約】【目的】温度変化によるセラミック焼結体と金属の剥
離、セラミック焼結体のクラック等の問題を好適に解消
し得るセラミックス−金属複合体を提供する。【構成】複合基板３０は、アルミナ基板１６と、金属
層３４と、金属層３４を介してアルミナ基板１６に接合
されている銅板２６とから成る。この金属層３４は、低
熱膨張率であるタングステン層３４ａと、タングステン
と銀−銅合金の混合層３４ｂと、高熱膨張率である銀−
銅合金層３４ｃとから成り、混合層３４ｂは、アルミナ
基板１６から遠ざかるに従って、銀−銅合金の含有率の
タングステンの含有率に対する比率が大きくされてい
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、セラミックス−金属複
合体およびその製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】アルミナ、窒化ケイ素、窒化アルミニウ
ム等のセラミック焼結体は、耐熱性、耐摩耗性、絶縁性
等に優れているため、半導体用基板や自動車部品などに
広く用いられている。この中には、例えばパワーモジュ
ールやエンジン部品、ロケットの外壁材等のように放熱
性が共に要求される場合があるが、セラミック焼結体は
一般に熱伝導性に劣るため、このような場合には、熱伝
導性に優れた金属（例えば銅など）と接合して放熱性を
高めることが行われている。この接合方法には、例えば
銀ろう等を用いてセラミック焼結体に金属体をろう付す
る方法や、特公昭５７−１３５１５号公報に開示されて
いるようにセラミック焼結体を金属体に接触して位置さ
せ、所定の雰囲気下で共晶反応により接合する方法等が
ある。

【０００３】

【発明が解決すべき課題】しかしながら、一般的なセラ
ミック焼結体の熱膨張率は３〜１０×１０^-6／℃程度で
あるのに対し、例えば銅やステンレス鋼等の金属の熱膨
張率は１６〜１８×１０^-6／℃程度と大きい。したがっ
て、このようなセラミックス−金属複合体は、接合され
た両者の熱膨張率が大きく異なるため、その接合工程や
使用時の温度変化により熱膨張率の差に起因する応力
（熱応力）が発生し、接合界面で剥離が生じたり、セラ
ミック焼結体の強度が熱応力に比べて低い場合にはクラ
ック（ひび、割れ等）が発生することがある。そこで、
セラミック焼結体と金属の接合界面に、両者の中間の熱
膨張率を有する緩衝材や、特開昭５６−４１８７９号公
報に開示されているような熱応力を塑性変形により吸収
する延性に富む緩衝材を介挿する方法が行われている
が、前者の方法では、緩衝材とセラミック焼結体との間
にも相当の熱膨張率の差があるため、それに起因する熱
応力が生じるという問題があり、後者の方法では、発生
する熱応力がきわめて大きい場合には緩衝材の塑性変形
では応力が充分に吸収できないという問題があった。

【０００４】本発明は以上の事情を背景として為された
ものであって、その目的は、温度変化によるセラミック
焼結体と金属の剥離、セラミック焼結体のクラック等の
問題を好適に解消し得るセラミックス−金属複合体を提
供することにある。

【０００５】

【課題を解決するための第一の手段】斯かる目的を達成
するために、本発明のセラミックス−金属複合体の要旨
とするところは、セラミック焼結体と、そのセラミック
焼結体の少なくとも一部の表面上に固着された金属層と
を含むセラミックス−金属複合体であって、その金属層
は、高融点金属および銀−銅系合金を含み、その銀−銅
系合金の含有率の高融点金属の含有率に対する比率が、
前記セラミック焼結体の表面から遠ざかるに従って連続
的または段階的に大きくされたものであることにある。

【０００６】

【作用および第一発明の効果】このようにすれば、セラ
ミック焼結体上に固着された金属層は、銀−銅系合金の
含有率の高融点金属の含有率に対する比率が、前記セラ
ミック焼結体の表面から遠ざかるに従って連続的または
段階的に大きくされているため、金属層の熱膨張率はセ
ラミック焼結体側で比較的小さく、その反対側で比較的
大きくされる。これは、タングステン、モリブデン等の
高融点金属の熱膨張率が５×１０^-6／℃程度と小さく、
反対に銀−銅系合金の熱膨張率が１６〜１８×１０^-6／
℃と大きいため、金属層の熱膨張率は両者の含有率の比
率に応じてそれぞれの熱膨張率の中間の値に決定される
からである。したがって、セラミック焼結体と金属層と
の固着面における熱膨張率の差が小さくなり、温度変化
が生じた際にその差に起因する熱応力が小さくされて、
剥離やセラミック焼結体のクラックの発生が好適に解消
される。

【０００７】好適には、前記金属層において、前記高融
点金属と銀−銅系合金の界面にニッケル層が介在されて
いる。このようなセラミックス−金属複合体は、この高
融点金属と銀−銅系合金の接合が強固にされて、金属層
全体として緻密化するため一層熱伝導性に優れた金属層
が得られる。

【０００８】また、好適には、金属体が、前記金属層を
介して前記セラミック焼結体と接合されている。このよ
うなセラミックス−金属複合体は、温度変化が生じた際
の金属体の熱膨張に起因する熱応力が前記金属層によっ
て好適に緩和されて、剥離、クラックが生じないため信
頼性が高くなるとともに、セラミック焼結体側で発生し
た熱が接合された金属体により好適に放散されるため、
半導体基板やエンジン部品、ロケットの外壁材などの絶
縁性や耐熱性と共に放熱性が必要な部品に適している。

【０００９】また、好適には、前記セラミック焼結体は
基板であり、前記金属体は銅板または銅合金板である。
このような構造のセラミック基板は、パワーモジュール
や圧電素子用の半導体モジュール等に用いられた際に
は、半導体や電子部品等で発生した熱が金属体により放
散されて基板の温度上昇が好適に緩和されるとともに、
前述のように、温度変化が生じた際にも剥離、クラック
が発生せず、高温下で用いられる半導体や電子部品等の
基板として好適である。

【００１０】また、好適には、前記セラミック基板にお
いて、銅板または銅合金板の少なくとも一部に回路パタ
ーンが形成されている。このようなセラミック基板は、
大電流に対応できると共に、温度変化が生じた際に回路
パターンの剥離が生じず、信頼性の高いセラミック回路
基板が得られる。

【００１１】また、好適には、前記セラミック焼結体
は、アルミナ焼結体または窒化アルミニウム焼結体であ
る。このようなセラミックス−金属複合体は熱伝導性、
絶縁性、機械的特性等に特に優れているため、前述のよ
うな半導体や電子部品等の基板等に特に好適である。

【００１２】

【課題を解決するための第二の手段】また、本発明のセ
ラミックス−金属複合体の製造方法の要旨とするところ
は、セラミック焼結体の少なくとも一部の表面上に、多
数の開放性気孔を有し、そのセラミック焼結体の表面か
ら遠ざかるに従って、その気孔率が連続的または段階的
に大きくされた多孔質の高融点金属層を形成するメタラ
イズ工程と、その高融点金属層内に銀−銅系合金を含浸
させる含浸工程とを含むことにある。

【００１３】

【作用および第二発明の効果】このようにすれば、セラ
ミック焼結体の表面から遠ざかるに従って、その気孔率
が連続的または段階的に大きくされた高融点金属層の多
数の開放性気孔に、銀−銅系合金がその気孔率の分布に
応じて含浸される。したがって、前記金属層における銀
−銅系合金の含有率の高融点金属の含有率に対する比率
が、セラミック焼結体の表面から遠ざかるに従って大き
くされたセラミックス−金属接合体を容易に得ることが
できる。

【００１４】好適には、前記セラミックス−金属複合体
の製造方法は、前記含浸工程の前に、前記多孔質の高融
点金属層内の開放性気孔を形成する表面にニッケル層を
形成する工程を含む。このようにすれば、ニッケル層に
より銀−銅系合金の高融点金属に対する濡れ性が向上
し、前記高融点金属層内のセラミック焼結体に近い側の
低気孔率のところまで銀−銅系合金が含浸される。

【００１５】また、好適には、前記メタライズ工程は、
セラミック成形体またはセラミック焼結体の表面に、高
融点金属を主成分とし焼結後の気孔率の異なる少なくと
も二種の高融点金属ペースト或いは高融点金属生シート
を焼結後の気孔率の小さい順に積層する積層工程と、該
積層工程後に所定の条件で焼成する焼成工程とを含む。
このようにすれば、高融点金属ペースト或いは高融点金
属生シートを所定種類用意し、所定数積層することによ
り、多数の開放性気孔を有し、セラミック焼結体の表面
から遠ざかるに従って、その気孔率が連続的または段階
的に大きくされた高融点金属層を容易に得ることができ
る。

【００１６】また、好適には、前記含浸工程は、前記高
融点金属層の前記セラミック焼結体と反対側の表面に銀
−銅系合金層を形成する合金層形成工程と、金属体を、
該銀−銅系合金層の前記高融点金属層と反対側の面に接
して位置させる工程と、所定の条件で加熱処理する加熱
工程とを含む。このようにすれば、高融点金属層上に形
成された合金層が、加熱処理時に高融点金属層の開放性
気孔に浸透するため、容易に高融点金属層に銀−銅系合
金が含浸されるとともに、含浸工程において金属体を同
時に接合することが可能である。

【００１７】また、好適には、前記合金層形成工程は、
前記高融点金属層の表面に銀−銅系合金箔を載置する
か、または銀−銅系合金ペーストを印刷する工程であ
る。このようにすれば、容易に高融点金属層上に銀−銅
系合金層を形成することが可能である。

【００１８】

【実施例】以下に、本発明の一実施例を図面を参照して
詳細に説明する。

【００１９】図１は本実施例の工程流れ図である。例え
ばＡｌ₂Ｏ₃９４重量％、残部をＣａＯ、ＭｇＯ、Ｓｉ
Ｏ₂等の焼結助剤と、微量の不可避不純物とから成るア
ルミナ原料を調合し、例えばメタクリル酸エステル樹脂
を加えて混合したスラリーを所定の粘度に調整して、例
えばドクターブレード法により厚さ０．７７ｍｍのアル
ミナ生シート成形した。一方、例えば平均粒径１．０μ
ｍ、２．４μｍ、３．０μｍの三種のタングステン粉末
（純度９９．９％）をそれぞれ９０重量％と、前記アル
ミナ生シートに用いたものと同一組成のアルミナ原料粉
末１０重量％とから成る原料を調合し、例えばテルピネ
オールおよびエチルセルロースを主成分とする助剤を添
加して、例えば三本ロールミルで混練し、三種のタング
ステンペーストＡ、Ｂ、Ｃを作製した。

【００２０】上記のアルミナ生シートを、例えばカッタ
ー等により例えば６２×４２ｍｍに切断し、数枚の基板
用生シート１０を得た。この基板用生シート１０の両面
に上記タングステンペーストＡ、Ｂ、Ｃを順にそれぞれ
例えば約４０μｍの厚さで印刷後、例えば約８０℃で乾
燥する作業を繰り返し、図２に示すような印刷層１２が
両面に形成された印刷生シート１４を得た。なお、印刷
層１２は、図３に一部断面を示すように、それぞれタン
グステンペーストＡ、Ｂ、Ｃに対応する、所定の厚さの
三層（１２ａ、１２ｂ、１２ｃ）から成っており、印刷
生シート１４の一方の面（図２における上面）には所定
の回路パターンが形成されている。また、印刷層１２は
両面とも同様な断面構造であるため、図３では一方の面
の構造のみ示している。

【００２１】この印刷生シート１４を、例えばＮ₂−Ｈ
₂混合ガス雰囲気中で１６００℃で焼成し、アルミナ基
板１６の両面にメタライズ層１８が形成されたメタライ
ズ基板２０を得た。このメタライズ層１８は、図４に示
すように前記三層の印刷層に１２に対応する所定の厚さ
の三層（１８ａ、１８ｂ、１８ｃ）から成っており、前
記印刷層１２ａに対応するアルミナ基板１６に最も近い
第一層１８ａは緻密に焼結しており、印刷層１２ｂに対
応する第二層１８ｂは気孔２２を有して多孔質に、印刷
層１２ｃに対応する第三層１８ｃは更に多孔質に焼結し
ている。すなわち、このメタライズ基板２０は、メタラ
イズ層１８の気孔率がアルミナ基板１６から遠ざかるに
従って段階的に大きくされている。なお、本実施例で
は、基板用生シート１０がセラミック成形体に、アルミ
ナ基板１６がセラミック焼結体に、メタライズ層１８が
高融点金属層に相当する。

【００２２】次に、銀粉末（平均粒径１．３μｍ）７２
重量％、銅粉末（平均粒径１．５μｍ）２８重量％から
成る原料をアトライタにて粉砕・混合後、エチルセルロ
ースとテルピネオールを主成分とする助剤を添加し、三
本ロールミルで混練し、銀−銅ろう材ペーストを作製し
た。この銀−銅ろう材ペーストを前記メタライズ基板２
０の両面に厚さ３０μｍで印刷してろう材層２４を形成
し、乾燥後、Ｎ₂雰囲気下６００℃にて脱脂した。脱脂
後、一部のメタライズ基板２０の両面のろう材層２４上
に厚さ３００μｍおよび３５０μｍの無酸素銅板２６、
２８を載置し、スペーサーを介して０．３ｇ／ｍｍ²の
荷重をかけて、他のメタライズ基板２０と共にＡｒ雰囲
気下８５０℃で１５分間加熱処理して、図５に示す複合
基板３０および、複合基板３０において両面の銅板２
６、２８がない形状の被膜基板を得た。なお、本実施例
では、銀−銅ろう材が銀−銅系合金に相当する。

【００２３】上記複合基板３０はアルミナ基板１６と、
その上下面に固着された金属層３４と、その金属層３４
をそれぞれ介してアルミナ基板１６に接合されている銅
板２６、２８とから成っており、前記印刷層１２の回路
パターンを形成した面の側に載置した銅板２６には、印
刷層１２すなわちメタライズ層１８に形成されたものに
対応する回路パターンが形成されている。この複合基板
３０の金属層３４は図６に一部断面を示すように、アル
ミナ基板１６に最も近く銀−銅合金を全く含有しないタ
ングステン層３４ａと、そのタングステン層３４ａのア
ルミナ基板１６の反対側に位置するタングステンと銀−
銅合金の混合層３４ｂと、最もアルミナ基板１６から遠
くタングステンを全く含有しない銀−銅合金層３４ｃと
から構成されており、この混合層３４ｂはアルミナ基板
１６から遠ざかるに従って、銀−銅合金の含有率が多く
されている。すなわち、金属層３４は、銀−銅合金の含
有率のタングステンの含有率に対する比率が、アルミナ
基板１６から遠ざかるに従って段階的に大きくされてい
る。なお、図６において、混合層３４ｂ中の３６はタン
グステンを、３８は銀−銅合金を示している。また、本
実施例では複合基板３０がセラミックス−金属複合体
に、無酸素銅板２６、２８が金属体に相当する。また、
前記被膜基板も金属層は同様な構造になっており、必要
に応じて銅板その他の所定の金属体を、一方の面或いは
両面に別途用意された銀ろう等により接合されて用いら
れる。

【００２４】ここで、この複合基板３０の、銅板２６、
２８とアルミナ基板１６との接合強度をピール強度試験
により測定したところ、約１７Ｋｇ／ｃｍであった。こ
れに対し、同時に測定した従来法（ろう材による直接接
合或いは緩衝材を用いる方法）にて作製した複合体の接
合強度は約１０Ｋｇ／ｃｍと低いものであった。なお、
ピール強度試験は、複合基板３０に引張端子を接合し、
銅板２６または２８をアルミナ基板１６に対して９０°
の方向に引張試験機で引き剥がし、剥がれた際の荷重を
測定して求めたものである。

【００２５】また、複合基板３０および被膜基板の耐熱
衝撃性を評価するため、熱衝撃試験機内で−５０℃に３
０分保持後、１５０℃に加熱し、３０分保持する一連の
工程を１サイクルとする試験を繰り返し行った。なお、
温度調節は試験機内に冷気或いは熱気を送り込むことに
よりきわめて速やかに行った。この結果、複合基板３０
および被膜基板は５００サイクル後もクラック、剥離の
発生は認められなかった。これに対して、同時に試験に
供した上記の従来法にて作製した複合体は約５０サイク
ル後に割れが発生しており、以上の試験から、本実施例
の複合基板３０および被膜基板は接合強度が強く、ま
た、温度変化（温度サイクル）に対しても充分な耐久性
を有することが示された。

【００２６】すなわち、複合基板３０および被膜基板に
おいては、アルミナ基板１６に固着された金属層３４
が、アルミナ基板１６側ではタングステンのみの低熱膨
張率層（タングステン層３４ａ）に、その反対側では銀
−銅合金のみの高熱膨張率層（銀−銅合金層３４ｃ）に
されており、且つその中間の層はアルミナ基板２２から
遠ざかるに従って銀−銅合金の含有率が大きく、すなわ
ち熱膨張率が大きくなるようにされたタングステンと銀
−銅合金の混合層３４ｂであるため、隣接する層相互の
熱膨張率の差がきわめて小さく、したがって銅板２６、
２８或いは金属層３４とアルミナ基板１６との熱膨張率
の差に起因する熱応力が殆ど発生しない。このため、金
属層３４の固着および銅板２６、２８の接合の際の加熱
・冷却による熱応力の残留（残留応力）が小さくなり、
上記のように高い接合強度が得られると共に、温度変化
が生じてもクラックや剥離の発生しない複合基板３０お
よび被膜基板が得られるのである。

【００２７】また、本実施例の複合基板３０は、一方の
面に放熱板としての銅板２８が接合されているため、発
熱量の大きなパワーモジュール等の基板として用いる
と、半導体で発生した熱が、銅板２８によって好適に放
散されて、高い耐久性と信頼性が得られる。これは、銅
板２８とアルミナ基板１６の接合層の役割を果たす金属
層３４が、タングステンおよび銀−銅合金の両方または
何れか一方から成る比較的緻密な層で形成されて、熱伝
導が良好であるとともに、前述のように熱応力が小さく
されることにより、剥離、クラック等が発生し難いため
である。

【００２８】また、本実施例においては、粒度すなわち
焼結性の異なる３種のタングステン粉末を用いて印刷層
１２を印刷・積層により形成しているため、これを焼成
することにより、アルミナ基板１６から遠ざかるに従っ
て気孔率が大きくなるメタライズ層１８が得られる。し
たがって、このメタライズ層１８上に銀−銅ろう材層２
４を印刷により形成し、加熱処理することによりメタラ
イズ層１８内の気孔２２に銀−銅合金が含浸されて、ア
ルミナ基板１６から遠ざかるに従って銀−銅合金の含有
率のタングステンの含有率に対する比率が大きくなる金
属層３４が容易に得られる。このとき、最もアルミナ基
板１６に近い印刷層１２ａに用いるタングステンペース
トＡが、そのタングステン粉末粒度および焼結助剤が緻
密に焼結するように決定されているので、銀−銅合金を
含まないタングステン層３４ａが形成され、且つ、高融
点金属粉末にアルミナ基板１６と同組成のアルミナ原料
粉末が含有されているため、金属層３４とアルミナ基板
１６との充分な接合強度が得られる。

【００２９】また、複合基板３０においては、メタライ
ズ層１８上に印刷するろう材層２４が、メタライズ層１
８のアルミナ基板１６とは反対側の面に銀−銅合金層３
４ｃを形成できるだけの厚みにされているため、ろう材
印刷・乾燥・脱脂後に銅板２６、２８を載置し、所定の
荷重をかけて加熱処理することで銀−銅合金とタングス
テンから成る金属層３４の形成と、銅板２６、２８の接
合が同時に行われる。

【００３０】また、本実施例においては、アルミナ基板
１６の両面に同様な構造の金属層３４が固着（更に複合
基板３０においては銅板２６、２８が接合）されている
ため、温度変化が生じた際に両面に同程度の熱応力が発
生して相殺され、一層温度変化に対して高い耐久性を有
する複合基板３０および被膜基板が得られる。

【００３１】また、本実施例においては、複合基板３０
に用いられるセラミック焼結体がアルミナ基板１６であ
るため、機械的特性、熱伝導性、絶縁性に優れ、パワー
モジュール等に用いる基板として好適である。

【００３２】また、複合基板３０においては、接合する
金属体として無酸素銅板２６、２８を用いているため、
銅板とろう材との濡れ性が良好にされて、銅板とセラミ
ック焼結体の強固な接合体が得られる。

【００３３】なお、前記の銀−銅ろう材にはチタンが含
有されていても良い。例えば、前記の銀−銅ろう材の原
料粉末９５重量％とチタン粉末（平均粒径１５μｍ）５
重量％から成る銀−銅−チタンろう材ペーストを、前述
と同様な方法で作製して銀−銅ろう材に替えて用い、真
空中（１×１０^-5torr）、８５０℃、２０分加熱処理す
る以外は、前述と同様な方法によって複合基板３０およ
び被膜基板と同様な基板が得られる。これらの基板を前
述と同様な方法で評価したところ、接合強度は約２０ｋ
ｇ／ｃｍであり、耐熱衝撃性試験においては５００サイ
クル後もクラック、剥離の発生は認められなかった。

【００３４】次に、本発明の他の実施例を説明する。

【００３５】例えば、ＡｌＮ９６重量％と、Ｙ₂Ｏ₃４
重量％と、微量の不可避不純物から成る窒化アルミニウ
ム原料を調合し、前記第一実施例と同様にして、例えば
厚さ０．８ｍｍの窒化アルミニウム生シートを成形し
た。一方、例えば平均粒径１．０μｍ、２．３μｍ、
２．７μｍ、３．４μｍの４種のタングステン原料（純
度９９．９％）９０％と、前記生シートと同様に調合さ
れた原料１０％とから成る原料を調合し、第一実施例と
同様にしてタングステンペーストＤ、Ｅ、Ｆ、Ｇを作製
した。

【００３６】上記の窒化アルミニウム生シートを、例え
ば打ち抜き加工により例えば６４×６２ｍｍに切断し、
数枚の基板用生シートを得た。この基板用生シートに第
一実施例と同様にしてタングステンペーストＤ、Ｅ、
Ｆ、Ｇを順次印刷・積層した後、Ｎ₂−Ｈ₂雰囲気下で
１７５０℃にて焼成し、四層になっている他は第一実施
例におけるメタライズ基板２０（図４）と同様の構造の
メタライズ基板を得た。これに第一実施例と同様にニッ
ケルメッキ後、銀−銅−チタンペーストを同様に印刷・
脱脂し、一部のメタライズ基板には無酸素銅板を両面に
載置し、０．４ｇ／ｍｍ²の荷重をかけ、他のメタライ
ズ基板と共に例えば１×１０^-5torrの真空中８５０℃で
２０分間加熱処理して、図５および図６に示したものと
同様な窒化アルミニウム複合基板および被膜基板を得
た。

【００３７】上記２種の基板を、第一実施例と同様な方
法で接合強度および耐熱衝撃性を評価した。その結果、
接合強度は１８ｋｇ／ｃｍであり、熱衝撃試験では５０
０サイクル以上でも割れ、剥離の発生は見られなかっ
た。また、第一実施例と同様に、従来の方法で作製した
窒化アルミニウム複合基板についても同時に評価を行っ
たが、接合強度は１１ｋｇ／ｃｍであり、５０サイクル
で割れが発生した。したがって、本実施例においても従
来法に比較して特性の向上が確認された。

【００３８】すなわち、本実施例においても、前記第一
実施例と同様に、金属層において、窒化アルミニウム基
板から遠ざかるに従って、銀−銅合金の含有率のタング
ステンの含有率に対する比率が大きくされているため、
熱応力が小さくされて、温度変化に対して高い耐久性を
示すと同時に、高い接合強度が得られるのである。ま
た、第一実施例と同様に両面が同様な構造にされている
ため、一層高い耐久性、強度が得られる。更に、本実施
例においては、金属層が四層であるため、第一実施例に
比較して一層熱応力を低減する効果が大きい。

【００３９】また、セラミック焼結体として窒化アルミ
ニウム基板が用いられているため、第一実施例よりも一
層熱伝導性に優れ、一層高い耐久性が得られ、パワーモ
ジュール等に用いる基板として更に好適である。

【００４０】また、その他、第一実施例と同様に、容易
に前記のような金属層の構造が得られると共に、銅板の
同時接合も可能であり、無酸素銅板に関しても同様な効
果が得られる。

【００４１】次に、本発明の更に別の実施例を説明す
る。

【００４２】例えば平均粒径１．０μｍ、１．８μｍ、
２．５μｍの三種のモリブデン粉末をそれぞれ８５重量
％と、二酸化マンガン（ＭｎＯ₂）１３重量％と、酸化
チタン（ＴｉＯ₂）２重量％とから成る原料を調合し、
第一実施例と同様に三種のモリブデンペーストＨ、Ｉ、
Ｊを作製した。このモリブデンペーストを、例えば、粉
末加圧成形等で成形の後所定の温度で焼成された、純度
９４％のアルミナ焼結体（５０×５０×１０ｍｍ厚み）
の一方の面に、例えば約３０μｍの厚さで順次印刷・乾
燥（１２０℃）し、Ｎ₂−Ｈ₂雰囲気下で１５００℃に
て焼成してアルミナ焼結体に三層のモリブデンメタライ
ズ層を形成した。

【００４３】このメタライズ層は、第一実施例と同様な
構造に形成されており、これに厚さ５０μｍのＢＡｇ−
８板ろう材をメタライズ面上に載置し、更にその上に厚
み５００μｍの無酸素銅板を載置した後、スペーサーを
介して０．５ｇ／ｍｍ²の荷重をかけて、例えば１×１
０^-5torrの真空中８５０℃で２０分間加熱処理して、ア
ルミナ−銅接合体を得た。

【００４４】このアルミナ−銅接合体の剪断強度を測定
したところ、１５Ｋｇ／ｍｍ²であった。また、第一実
施例と同様に熱衝撃試験を行ったところ、やはり、５０
０サイクル後にも割れ、剥離の発生は見られなかった。
一方、同時に従来の方法で作製したアルミナ−銅接合体
を評価したが、剪断強度は９Ｋｇ／ｍｍ²であり、ま
た、５０サイクルで割れが発生し、本実施例においても
従来の接合方法に対する特性の向上が確認された。

【００４５】すなわち、本実施例においても、アルミナ
焼結体と銅板を接合する金属層が、アルミナ焼結体から
遠ざかるに従って、銀−銅合金の含有率のモリブデンの
含有率に対する比率が大きくされているため、熱応力が
小さくされて、温度変化に対して高い耐久性を示すと同
時に、高い接合強度が得られるのである。

【００４６】また、本実施例においては、前記第一実施
例と同様に、アルミナ焼結体から遠ざかるに従って気孔
率が大きくされたモリブデン層が容易に得られると共
に、このモリブデン層上に板ろう材を、銅板で挟み込ん
で載置し、荷重をかけ、加熱することで第一実施例より
も一層容易に所定の金属層が得られると共に金属層の形
成と同時に銅板が接合される。

【００４７】なお、高融点金属と銀−銅系合金の界面に
ニッケル層を介在させることも可能である。例えば、こ
れまでの第一〜第三実施例において、図４に示すような
メタライズ基板２０のメタライズ面に無電解ニッケルメ
ッキを施し、メタライズ層１８ｂ、１８ｃ内の気孔２２
を形成するタングステン或いはモリブデン等の高融点金
属メタライズ表面に、ニッケル金属層を形成した。その
後、前述のぞれぞれの実施例と同様な方法で複合基板を
得た。

【００４８】本実施例においては、ろう材をメタライズ
層１８に含浸する前に、メタライズ層１８にニッケルメ
ッキを施しているため、ニッケル層により銀−銅系合金
のタングステンに対する濡れ性が向上し、前記メタライ
ズ層１８内のアルミナ基板１６等のセラミック基板に近
い側の低気孔率のところまで銀−銅合金が含浸されて、
タングステンと銀−銅合金の接合を強固とすることがで
きる。したがって、全体として緻密化するため一層熱伝
導性に優れた金属層３４が得られる。

【００４９】次に、本発明の更に別の実施例を説明す
る。

【００５０】例えば、ムライト粉末に０．５重量％のＭ
ｇＯを含有する原料粉末を用い、第一実施例と同様にし
て厚さ０．８ｍｍのムライト生シートを成形した。一
方、例えば平均粒径１．２μｍ、２．６μｍ、３．１μ
ｍのそれぞれ粒径の異なる三種のタングステン粉末９０
重量％に、上記ムライト生シートと同一組成の原料粉末
を１０重量％添加した混合粉末を用い、第一実施例と同
様にしてタングステンペーストＫ、Ｌ、Ｍを作製した。

【００５１】上記のムライト生シートを例えばカッター
により例えば４５×４５ｍｍに切断し、数枚の基板用生
シートを得た。この基板用生シートに第一実施例と同様
にしてタングステンペーストＫ、Ｌ、Ｍを約３０μｍの
厚さで順次印刷・積層した後、Ｎ₂−Ｈ₂雰囲気下で１
６３０℃にて焼成し、第一実施例におけるメタライズ基
板２０（図４）と同様の構造のメタライズ基板を得た。
これに前述の銀−銅−チタンペーストを同様に印刷・脱
脂し、一部のメタライズ基板には厚さ２５０μｍの無酸
素銅板を両面に載置し、スペーサーを介して０．３ｇ／
ｍｍ²の荷重をかけ、他のメタライズ基板と共に例えば
１×１０^-5torrの真空中８５０℃で２０分間加熱処理し
て、図５および図６に示したものと同様なムライト複合
基板および被膜基板を得た。

【００５２】上記２種の基板を、第一実施例と同様な方
法で接合強度および耐熱衝撃性を評価した。その結果、
接合強度は１８ｋｇ／ｃｍであり、熱衝撃試験では５０
０サイクル以上でも割れ、剥離の発生は見られなかっ
た。

【００５３】本実施例においても、前述してきた実施例
と同様な作用により熱応力が小さくされて、温度変化に
対して高い耐久性を示すと共に高い接合強度が得られ
る。

【００５４】また、本実施例においては、セラミック焼
結体としてムライトが用いられているため、アルミナや
窒化アルミニウムと比較して誘電率が低く、基板材料と
して用いた場合にこれらに比較して信号遅延時間が短縮
され、一層好適である。

【００５５】次に、本発明の更に別の実施例を説明す
る。

【００５６】例えば、Ｓｉ₃Ｎ₄９２重量％、Ａｌ₂Ｏ
₃３重量％、Ｙ₂Ｏ₃２重量％および微量の不可避不純
物を含む窒化ケイ素原料を調合し、アクリル樹脂系の成
形助剤を添加してスラリーを作製し、スプレードライヤ
ーによって造粒粉末を得た。これを例えば油圧成形機等
で所定の形状に予備成形後、２ｔｏｎ／ｃｍ²の圧力で
静水圧成形し、φ１５ｍｍ×５０ｍｍの円柱状の成形体
を得た。一方、例えば平均粒径１．１μｍ、２．５μ
ｍ、３．３μｍのそれぞれ粒径の異なる三種類のタング
ステン粉末に、上記窒化ケイ素原料と同一組成の原料粉
末を、１．１μｍのものに対しては２５内部重量％、他
の二つには１０内部重量％添加した混合粉末を用い、第
一実施例と同様にしてタングステンペーストＮ、Ｏ、Ｐ
を作製した。

【００５７】上記の円柱状成形体の一方の端面に、第一
実施例と同様にしてタングステンペーストＮ、Ｏ、Ｐを
例えば約３０μｍの厚さで順次印刷・積層した後、４気
圧のＮ₂ガス雰囲気下で１７５０℃にて焼成し、一方の
端面に第一実施例と同様なメタライズ層１８を有する窒
化ケイ素焼結体を得た。これに厚さ５０μｍのＬｉを
０．３重量％含むＢＡｇ−８ろう材箔を、前記メタライ
ズ層上に載置し、更にその上に厚さ５００μｍの無酸素
銅板を両面に載置し、スペーサーを介して０．３ｇ／ｍ
ｍ²の荷重をかけ、例えば１×１０^-5torrの真空中８５
０℃で１５分間加熱処理して、円柱状の窒化ケイ素焼結
体の一方の端面に銅板の接合された複合構造体を得た。

【００５８】上記複合構造体を第三実施例と同様な方法
で接合強度（剪断強度）および耐熱衝撃性を評価した。
その結果、剪断強度は１５ｋｇ／ｍｍ²であり、熱衝撃
試験では１００サイクル以上でも割れ、剥離の発生は見
られなかった。

【００５９】本実施例においても、前述してきた実施例
と同様な作用により、熱応力が小さくされて温度変化に
対して高い耐久性を示すと共に高い接合強度が得られ
る。

【００６０】また、本実施例において、セラミック焼結
体として用いられている窒化ケイ素は、一般的な基板材
料の中では比較的強度の高いアルミナと比較しても、そ
の曲げ強度が１．５〜２倍程度であり、また、破壊靭性
値も２〜３倍程度であるため、特に耐熱衝撃性に優れて
いる。例えば、本実施例の方法において、ろう材と銅板
との間に１０μｍのチタン箔を載置する他は同様にし
て、本実施例と同形状の銅板−アルミナ接合体を製作
し、その耐熱衝撃性を上記と同様に評価したところ、約
１０サイクルで割れが発生した。それに対して本実施例
の複合構造体は上記のように１００サイクル後も割れ、
剥離の発生が認められない。すなわち、窒化ケイ素複合
構造体は、接合強度を高くするためにチタン箔を用いた
銅−アルミナ接合体よりも高い耐熱衝撃性を有し、特に
温度サイクルの厳しい条件下で用いられる接合体として
適している。

【００６１】以上、本発明の実施例を詳細に説明した
が、本発明は更に別の態様でも実施される。

【００６２】前述の実施例では、セラミック焼結体とし
て、アルミナ、窒化アルミニウム、ムライト、窒化ケイ
素を用いたが、その他にもジルコニア、マグネシア、窒
化ホウ素、炭化ケイ素、酸窒化アルミニウム、炭化ホウ
素、ホウ化ジルコニウム等が利用可能であり、これらの
セラミック焼結体には不可避不純物の他、焼結助剤が含
まれていても良い。焼結助剤としては、実施例で述べた
ものの他に、例えば、アルミナに対してはＹ₂Ｏ₃、Ｂ
ａＯ、Ｃｒ₂Ｏ₃等が、窒化アルミニウムに対しては、
ＣａＯ、ＢａＯ、ＳｒＯ、ＣａＣＯ₃、ＢａＣＯ₃、Ｓ
ｒＣＯ₃、アルミン酸カルシウム、Ｌａ₂Ｏ₃、ＣｅＯ
₂等が挙げられる。また、その形状は実施例の板状、円
柱状の他に角柱状等用途に応じたものにできる。また、
その成形方法は、等方圧成形、押出成形、鋳込み成形、
射出成形等でも良い。なお、本発明の方法によれば、発
生する熱応力が小さいため、比較的低強度のセラミック
焼結体にも金属体を接合することが可能である。

【００６３】また、高融点金属としては、熱膨張率の小
さいタングステン（Ｗ）やモリブデン（Ｍｏ）等が用い
られ、好ましいものであるが、これにそれらの酸化物や
セラミック焼結体と同組成の原料、マンガン、チタン、
レニウム等が一種乃至数種適量添加されたものも好適で
ある。例えば、アルミナや窒化アルミニウム、窒化ケイ
素、ムライト等の用いられるセラミック焼結体材料を構
成する成分を添加成分として含有する、Ｗ−Ａｌ
₂Ｏ₃、Ｗ−Ａｌ₂Ｏ₃−ＳｉＯ₂−ＭｇＯ−ＣａＯ、
Ｗ−ＡｌＮ、Ｗ−ＡｌＮ−Ｙ₂Ｏ₃、Ｗ−ＡｌＮ−Ｃａ
Ｏ、Ｗ−Ｓｉ₃Ｎ₄、Ｗ−Ｓｉ₃Ｎ₄−Ｙ₂Ｏ₃−Ａｌ
₂Ｏ₃、Ｗ−Ａｌ₂Ｏ₃−ＳｉＯ₂、Ｗ−Ａｌ₂Ｏ₃−
ＳｉＯ₂−ＭｇＯ等や、上記の組成系においてＷをＷＯ
₃を含むＷ、Ｍｏ、ＭｏＯ₃を含有するＭｏに置換した
組成系に加え、これらに種々の添加物を加えたＭｏ−Ｍ
ｎ、Ｍｏ−Ｍｎ−Ｔｉ、Ｍｏ−ＳｉＯ₂、Ｍｏ−ＭｏＯ
₂−ＴｉＯ₂、ＭｏＯ₃−ＭｎＯ₂−ＴｉＯ₂−ＳｉＯ
₂、Ｗ−ＭｎＯ₂−ＴｉＯ₂−ＳｉＯ₂、Ｗ−Ｒｅ−Ｍ
ｎＯ₂−ＴｉＯ₂等が代表的なものとして挙げられる。
これらの添加物の種類および量は、セラミック焼結体と
高融点金属との密着性、金属層の熱伝導率、熱膨張率等
を考慮して定められる。なお、添加量は、高融点金属の
熱伝導率、熱膨張率等が適正な範囲にあるように３０％
以下、更に好適には１０％程度が良い。また、前述の実
施例では、高融点金属の粒径の異なるものを用いること
により、高融点金属層の気孔率が連続的或いは段階的に
変化するようにしたが、上述の添加物の種類・量を変え
て焼結性を調節することによっても良い。

【００６４】また、高融点金属層は、実施例で示したよ
うに、セラミック生成形体と同時焼成する方法（湿式
法）、或いは予め焼結されたセラミック焼結体上に焼成
によって形成させる方法（乾式法）の何れによって形成
されても良い。また、高融点金属の積層方法としては、
実施例で述べたペーストを印刷する方法の他に、例えば
実施例のアルミナ生シートと同様な製法で作製した、所
定の種類の高融点金属生シートを積層する方法によって
も良く、印刷法による場合に、比較的厚い（５０μｍ以
上）層が必要であれば同じペーストを重ねて印刷する等
の方法によれば良い。

【００６５】また、高融点金属層を形成するときの焼成
条件は、セラミック生成形体或いは焼結体の種類、高融
点金属の種類等により定められるものであり、必要に応
じて加圧下で焼成されても良い。

【００６６】また、金属層は、銀−銅系合金の含有率と
高融点金属の含有率の比率が連続的に変化する方が熱応
力の低減には好ましいが、この比率の異なる二層以上
（すなわち、比率が段階的に変化する層）で構成されて
いれば充分な効果が得られる。上記比率が連続的に変化
する金属層を得るには、例えば、各メタライズ層間の気
孔率の差を小さくし、且つ、できるだけ多層構造とすれ
ば良い。このようにすれば、銀−銅系合金の含浸量が各
層内で流通抵抗等に起因して深さ方向に不均一、すなわ
ちセラミック焼結体に近い側では少なく、遠い側では多
くされることにも影響されて、各層界面での急激な上記
比率の変化がなくなり、上記比率が連続的に変化する金
属層が得られる。なお、段階的に変化する場合には、上
記比率の異なる三層以上で構成されていることが熱応力
低減のためには一層好ましい。更に、金属層の最下層お
よび最上層は、必ずしも実施例で示したように銀−銅系
合金を含まない層或いは高融点金属を含まない層でなく
ともよい。銀−銅系合金の含有率と高融点金属の含有率
の比率は、必要な接合強度、熱膨張率等により適宜定め
られるものである。なお、高融点金属層内の気孔に完全
に銀−銅系合金が含浸されなくとも、すなわち、金属層
内に気孔が残っていても、本発明の効果は充分に得られ
る。

【００６７】また、実施例で示したように、接合強度が
充分であればメタライズ層形成後のニッケルメッキは必
ずしも必要ではないが、ニッケルメッキが施されると、
酸化膜が形成されている高融点金属層内の気孔表面とろ
う材との濡れ性が改善されて両者の密着性が高められる
ため、一層高い接合強度が得られる。

【００６８】また、銀−銅系合金は、銀が４０〜９６重
量％、銅が４〜６０重量％の範囲内で合計１００重量％
になるようにされたものが良い。また、実施例で示した
チタンの他に、Ｎｂ、Ｈｆ、Ｚｒ等が含まれていても、
チタンを添加した場合と同様な効果が得られ、更に、必
要に応じてＬｉ、Ｓｎ、Ｎｉ、Ｉｎ等が微量添加されて
いても良い。なお、充分な接合強度が得られるのであれ
ば、これらの添加物は必ずしも用いなくとも良い。

【００６９】また、含浸工程における加熱は、Ａｒ等の
不活性ガス雰囲気や１×１０^-3torr以上の真空中で、温
度範囲６５０〜９５０℃、０．１〜０．５ｇ／ｍｍ²程
度の荷重をかけた条件が好ましい。これらの条件は、金
属層の厚み、銀−銅系合金の組成等によって適宜定めら
れるものである。

【００７０】また、接合する金属体は、無酸素銅板の他
に、タフピッチ銅、ＳＳ鋼板、ステンレス鋼板等でも良
い。本発明の接合構造によれば、セラミック焼結体と接
合される金属体の熱膨張率の差に起因する熱応力が殆ど
発生しないため、熱応力をその展性で吸収する銅以外に
も様々な金属体の接合が可能であり、更に、従来の作製
或いは使用限界であった１００×１００×０．５ｍｍ程
度よりもはるかに大きな面積・厚み（例えば厚み５ｍｍ
以上）の金属板の接合が可能である。したがって、例え
ば圧電素子用の半導体モジュールのように５０〜６０Ａ
もの大電流を必要とする基板等に用いる場合に、必要と
される比較的厚い銅回路板を接合することができる。

【００７１】その他、一々例示はしないが、本発明はそ
の主旨を逸脱しない範囲で種々変更を加え得るものであ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例の工程流れ図である。

【図２】図１のメタライズ工程における印刷生シートの
斜視図である。

【図３】図２の一部断面図である。

【図４】図１の含浸工程におけるメタライズ基板の一部
断面図である。

【図５】図１に示す工程により製造された複合基板の斜
視図である。

【図６】図５の複合基板の一部断面図である。

【符号の説明】

１６：アルミナ基板２６：銅板３０：複合基板３４：金属層（３４ａ：タングステン層、３４ｂ：混合
層、３４ｃ：銀−銅合金層）３６：タングステン３８：銀−銅合金

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】セラミック焼結体と、該セラミック焼結
体の少なくとも一部の表面上に固着された金属層とを含
むセラミックス−金属複合体であって、該金属層は、高融点金属および銀−銅系合金を含み、該
銀−銅系合金の含有率の該高融点金属の含有率に対する
比率が、前記セラミック焼結体の表面から遠ざかるに従
って連続的または段階的に大きくされたものであること
を特徴とするセラミックス−金属複合体。
【請求項２】前記金属層において、前記高融点金属と
銀−銅系合金の界面にニッケル層が介在されていること
を特徴とする請求項１のセラミックス−金属複合体。
【請求項３】金属体が、前記金属層を介して前記セラ
ミック焼結体と接合されていることを特徴とする請求項
１のセラミックス−金属複合体。
【請求項４】前記セラミック焼結体は基板であり、前
記金属体は銅板または銅合金板であることを特徴とする
請求項３のセラミックス−金属複合体。
【請求項５】前記金属体の少なくとも一部に回路パタ
ーンが形成されていることを特徴とする請求項４のセラ
ミックス−金属複合体。
【請求項６】前記セラミック焼結体は、アルミナ焼結
体または窒化アルミニウム焼結体であることを特徴とす
る請求項１のセラミックス−金属複合体。
【請求項７】セラミック焼結体の少なくとも一部の表
面上に、多数の開放性気孔を有し、該セラミック焼結体
の表面から遠ざかるに従って、その気孔率が連続的また
は段階的に大きくされた多孔質の高融点金属層を形成す
るメタライズ工程と、該高融点金属層内に銀−銅系合金を含浸させる含浸工程
とを含むことを特徴とするセラミックス−金属複合体の
製造方法。
【請求項８】前記含浸工程の前に、前記多孔質の高融
点金属層内の開放性気孔を形成する表面にニッケル層を
形成する工程を含むことを特徴とする請求項７のセラミ
ックス−金属複合体の製造方法。
【請求項９】前記メタライズ工程は、セラミック成形
体またはセラミック焼結体の表面に、高融点金属を主成
分とし焼結後の気孔率の異なる少なくとも二種の高融点
金属ペースト或いは高融点金属生シートを焼結後の気孔
率の小さい順に積層する積層工程と、該積層工程後に所定の条件で焼成する焼成工程とを含む
ことを特徴とする請求項７のセラミックス−金属複合体
の製造方法。
【請求項１０】前記含浸工程は、前記高融点金属層の
前記セラミック焼結体と反対側の表面に銀−銅系合金層
を形成する合金層形成工程と、金属体を、該銀−銅系合金層の前記高融点金属層と反対
側の面に接して位置させる工程と、所定の条件で加熱処理する加熱工程とを含むことを特徴
とする請求項７のセラミックス−金属複合体の製造方
法。
【請求項１１】前記合金層形成工程は、前記高融点金
属層の表面に銀−銅系合金箔を載置するか、または銀−
銅系合金ペーストを印刷する工程であることを特徴とす
る請求項１０のセラミックス−金属複合体の製造方法。