JPH0648851A - セラミックス−金属接合体 - Google Patents
セラミックス−金属接合体Info
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- JPH0648851A JPH0648851A JP20346292A JP20346292A JPH0648851A JP H0648851 A JPH0648851 A JP H0648851A JP 20346292 A JP20346292 A JP 20346292A JP 20346292 A JP20346292 A JP 20346292A JP H0648851 A JPH0648851 A JP H0648851A
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Abstract
(57)【要約】
【目的】 良好な接合強度を有すると共に、冷熱サイク
ルが付加された際にもクラック等が発生することを抑制
した、信頼性に優れたＤＢＣ法によるセラミックス−金
属接合体を提供する。 【構成】 セラミックス部材１と、このセラミックス部
材１の表面にＤＢＣ法によって加熱接合された銅系部材
２とを有するセラミックス−金属接合体である。金属部
材２の接合端部近傍におけるセラミックス部材１の表面
残留応力値は、該セラミックス部材の材料強度の 70%以
下に規定されている。具体的には、銅系部材の外周部に
薄肉部を設ける、あるいは銅系部材の角部をＲ形状とす
る。
ルが付加された際にもクラック等が発生することを抑制
した、信頼性に優れたＤＢＣ法によるセラミックス−金
属接合体を提供する。 【構成】 セラミックス部材１と、このセラミックス部
材１の表面にＤＢＣ法によって加熱接合された銅系部材
２とを有するセラミックス−金属接合体である。金属部
材２の接合端部近傍におけるセラミックス部材１の表面
残留応力値は、該セラミックス部材の材料強度の 70%以
下に規定されている。具体的には、銅系部材の外周部に
薄肉部を設ける、あるいは銅系部材の角部をＲ形状とす
る。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、冷熱サイクルの付加に
対する信頼性を向上させたセラミックス−金属接合体に
関する。
対する信頼性を向上させたセラミックス−金属接合体に
関する。
【０００２】
【従来の技術】セラミックス部材は、一般に、軽量でか
つ高硬度を有する、耐熱性や耐食性に優れる、電気絶縁
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・電子部品用材料等として利
用されている。セラミックス部材の高電気絶縁性という
特性を利用し、電子部品の搭載用基板等としてセラミッ
クス部材を使用する場合、回路の形成や電子部品の搭載
部の形成等を目的として、セラミックス部材に金属部材
を接合することが行われている。
つ高硬度を有する、耐熱性や耐食性に優れる、電気絶縁
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・電子部品用材料等として利
用されている。セラミックス部材の高電気絶縁性という
特性を利用し、電子部品の搭載用基板等としてセラミッ
クス部材を使用する場合、回路の形成や電子部品の搭載
部の形成等を目的として、セラミックス部材に金属部材
を接合することが行われている。
【０００３】ところで、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いるが、金属部材として銅
を用いる際には、セラミックス部材と銅部材とを直接接
合させる、いわゆるＤＢＣ法（ダイレクト・ボンディン
グ・カッパー法）が有利である。
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いるが、金属部材として銅
を用いる際には、セラミックス部材と銅部材とを直接接
合させる、いわゆるＤＢＣ法（ダイレクト・ボンディン
グ・カッパー法）が有利である。
【０００４】このＤＢＣ法によれば、まず所定形状に打
ち抜かれた厚さ 0.3mm〜 0.5mm程度の銅板を、例えば酸
化アルミニウム焼結体や窒化アルミニウム焼結体等のセ
ラミックス部材上に接触配置し、加熱することによって
接合界面にCu- Cu2 O の共晶液相を生成し、この液相に
よりセラミックス基板の表面を濡らした後、液相を冷却
固化することによってセラミックス部材と銅部材とが接
合される。このようなＤＢＣ法を適用したセラミックス
−金属接合体は、セラミックス基板と銅板との接合強度
が強く、また単純構造なので小型高実装化が可能である
等の長所を有しており、また製造工程の短縮化を図るこ
ともできる。
ち抜かれた厚さ 0.3mm〜 0.5mm程度の銅板を、例えば酸
化アルミニウム焼結体や窒化アルミニウム焼結体等のセ
ラミックス部材上に接触配置し、加熱することによって
接合界面にCu- Cu2 O の共晶液相を生成し、この液相に
よりセラミックス基板の表面を濡らした後、液相を冷却
固化することによってセラミックス部材と銅部材とが接
合される。このようなＤＢＣ法を適用したセラミックス
−金属接合体は、セラミックス基板と銅板との接合強度
が強く、また単純構造なので小型高実装化が可能である
等の長所を有しており、また製造工程の短縮化を図るこ
ともできる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】ところで、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、セラミックス部材の熱膨張率は金属部材の
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部材と金属部
材とを直接接合すると、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、接合後の冷却過程あるいは
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部材が破壊される
等の問題を招いてしまう。
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、セラミックス部材の熱膨張率は金属部材の
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部材と金属部
材とを直接接合すると、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、接合後の冷却過程あるいは
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部材が破壊される
等の問題を招いてしまう。
【０００６】このような点に対して、従来のＤＢＣ法を
用いたセラミックス−金属接合体では、高接合強度は得
られても、冷熱サイクル等の付加に対して十分な信頼性
を再現性よく得るまでには至っていない。例えば、銅板
をＤＢＣ法によって接合したセラミックス部材が半導体
素子等の搭載部品として用いられているが、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
の放熱量が飛躍的に増大していることから、冷熱サイク
ルの印加等に対する信頼性を向上させることが強く望ま
れている。
用いたセラミックス−金属接合体では、高接合強度は得
られても、冷熱サイクル等の付加に対して十分な信頼性
を再現性よく得るまでには至っていない。例えば、銅板
をＤＢＣ法によって接合したセラミックス部材が半導体
素子等の搭載部品として用いられているが、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
の放熱量が飛躍的に増大していることから、冷熱サイク
ルの印加等に対する信頼性を向上させることが強く望ま
れている。
【０００７】一方、非破壊でセラミックス−金属接合体
の冷熱サイクル等の付加によるクラックの発生を予測す
ることが可能となれば、部品としての信頼性を大幅に向
上させることが可能となるため、そのような状態を非破
壊で評価する方法が強く求められている。
の冷熱サイクル等の付加によるクラックの発生を予測す
ることが可能となれば、部品としての信頼性を大幅に向
上させることが可能となるため、そのような状態を非破
壊で評価する方法が強く求められている。
【０００８】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、良好な接合強度を有すると共に、冷
熱サイクルが付加された際にもクラック等の発生を抑制
することを可能にした、信頼性に優れたＤＢＣ法による
セラミックス−金属接合体を提供することを目的とする
ものである。
になされたもので、良好な接合強度を有すると共に、冷
熱サイクルが付加された際にもクラック等の発生を抑制
することを可能にした、信頼性に優れたＤＢＣ法による
セラミックス−金属接合体を提供することを目的とする
ものである。
【０００９】
【課題を解決するための手段と作用】すなわち、本発明
のセラミックス−金属接合体は、セラミックス部材と、
このセラミックス部材表面に直接加熱接合された銅系部
材とを有するセラミックス−金属接合体において、前記
銅系部材の接合端部近傍における前記セラミックス部材
表面の残留応力値が、該セラミックス部材の材料強度の
70%以下であることを特徴としている。
のセラミックス−金属接合体は、セラミックス部材と、
このセラミックス部材表面に直接加熱接合された銅系部
材とを有するセラミックス−金属接合体において、前記
銅系部材の接合端部近傍における前記セラミックス部材
表面の残留応力値が、該セラミックス部材の材料強度の
70%以下であることを特徴としている。
【００１０】そして、上記したセラミックス−金属接合
体を得るための具体的な形態を規定した本発明のセラミ
ックス−金属接合体は、例えば前記銅系部材はその外周
部に薄肉部を有する、あるいは前記銅系部材はその角部
にＲ形状を有することを特徴としている。
体を得るための具体的な形態を規定した本発明のセラミ
ックス−金属接合体は、例えば前記銅系部材はその外周
部に薄肉部を有する、あるいは前記銅系部材はその角部
にＲ形状を有することを特徴としている。
【００１１】本発明に用いられるセラミックス部材は、
特に限定されるものではなく、酸化アルミニウム焼結
体、ムライト焼結体(3Al2 O 3 −2SiO2 ）等の酸化物系
焼結体から、窒化アルミニウム焼結体、炭化ケイ素焼結
体等の非酸化物系焼結体まで、各種のセラミックス材料
を適用することができ、用途や要求特性に応じて適宜選
択して使用することが可能である。なお、非酸化物系の
焼結体を使用する際には、その表面に酸化物層を形成し
た後に用いることが好ましい。
特に限定されるものではなく、酸化アルミニウム焼結
体、ムライト焼結体(3Al2 O 3 −2SiO2 ）等の酸化物系
焼結体から、窒化アルミニウム焼結体、炭化ケイ素焼結
体等の非酸化物系焼結体まで、各種のセラミックス材料
を適用することができ、用途や要求特性に応じて適宜選
択して使用することが可能である。なお、非酸化物系の
焼結体を使用する際には、その表面に酸化物層を形成し
た後に用いることが好ましい。
【００１２】また、銅系部材としては、タフピッチ銅の
ような酸素を 100ppm 〜3000ppm 程度の割合で含有する
銅を用いることが好ましいが、接合時の条件によっては
無酸素銅を用いることも可能である。なお、本発明にお
ける銅系部材とは、セラミックス部材との接合面が少な
くとも銅により構成されていればよく、よって他の金属
部材とのクラッド材等を用いることも可能である。
ような酸素を 100ppm 〜3000ppm 程度の割合で含有する
銅を用いることが好ましいが、接合時の条件によっては
無酸素銅を用いることも可能である。なお、本発明にお
ける銅系部材とは、セラミックス部材との接合面が少な
くとも銅により構成されていればよく、よって他の金属
部材とのクラッド材等を用いることも可能である。
【００１３】本発明のセラミックス−金属接合体は、セ
ラミックス部材と銅系部材とをＤＢＣ法により直接加熱
接合する際に発生する表面残留応力値を、用いたセラミ
ックス部材の材料強度の 70%以下に規定することによっ
て、当該セラミックス−金属接合体に冷熱サイクルが印
加された際の信頼性を大幅に向上させたものである。こ
こで、セラミックス部材と銅系部材とを加熱接合するこ
とによって発生する応力は、接合部近傍のセラミックス
部材側に圧縮と引張りの残留応力分布として存在し、特
に銅部材の接合端部近傍のセラミックス部材表面に残留
応力の主応力が作用する。そして、上記した残留応力の
うち、引張り成分がセラミックス部材の引張り強度を超
えると、クラックが発生したり、さらには銅部材の剥離
やセラミックス部材の破壊が起こる。上記した残留応力
は、加熱接合後の冷却過程において、直接的にセラミッ
クス部材にクラックを発生させたり、また直接的に破壊
を生じさせることがなくとも、その後に冷熱サイクルが
印加されることによって助長され、結果的にクラックや
破壊を招くこととなる。
ラミックス部材と銅系部材とをＤＢＣ法により直接加熱
接合する際に発生する表面残留応力値を、用いたセラミ
ックス部材の材料強度の 70%以下に規定することによっ
て、当該セラミックス−金属接合体に冷熱サイクルが印
加された際の信頼性を大幅に向上させたものである。こ
こで、セラミックス部材と銅系部材とを加熱接合するこ
とによって発生する応力は、接合部近傍のセラミックス
部材側に圧縮と引張りの残留応力分布として存在し、特
に銅部材の接合端部近傍のセラミックス部材表面に残留
応力の主応力が作用する。そして、上記した残留応力の
うち、引張り成分がセラミックス部材の引張り強度を超
えると、クラックが発生したり、さらには銅部材の剥離
やセラミックス部材の破壊が起こる。上記した残留応力
は、加熱接合後の冷却過程において、直接的にセラミッ
クス部材にクラックを発生させたり、また直接的に破壊
を生じさせることがなくとも、その後に冷熱サイクルが
印加されることによって助長され、結果的にクラックや
破壊を招くこととなる。
【００１４】これに対して、本発明のように、セラミッ
クス部材の最大主応力発生部位における表面残留応力値
を、当該セラミックス部材の材料強度の 70%以下と規定
することによって、冷熱サイクルが印加された際にクラ
ックや破壊が起こることを防止することが可能となる。
より好ましい表面残留応力値は、当該セラミックス部材
の材料強度の 50%以下に規定することである。上記した
最大主応力発生部位は、基本的には銅系部材の接合端部
となるが、本発明で規定する表面残留応力値は銅系部材
の接合端部から 100μm の範囲で測定した値を指すもの
とする。
クス部材の最大主応力発生部位における表面残留応力値
を、当該セラミックス部材の材料強度の 70%以下と規定
することによって、冷熱サイクルが印加された際にクラ
ックや破壊が起こることを防止することが可能となる。
より好ましい表面残留応力値は、当該セラミックス部材
の材料強度の 50%以下に規定することである。上記した
最大主応力発生部位は、基本的には銅系部材の接合端部
となるが、本発明で規定する表面残留応力値は銅系部材
の接合端部から 100μm の範囲で測定した値を指すもの
とする。
【００１５】本発明において規定するセラミックス部材
の材料強度は、上述したように引張り強度であり、この
引張り強度は単軸または 2軸引張り試験によって測定さ
れた値、あるいは曲げ試験による強度とワイブル係数か
ら換算された値を指すものとする。
の材料強度は、上述したように引張り強度であり、この
引張り強度は単軸または 2軸引張り試験によって測定さ
れた値、あるいは曲げ試験による強度とワイブル係数か
ら換算された値を指すものとする。
【００１６】また、本発明のセラミックス−金属接合体
は、銅系部材の接合端部におけるセラミックス部材の表
面残量応力値を測定することを可能にしたことによって
達成されたものである。このような微小領域の残留応力
値は、Ｘ線回折を利用することによって、非破壊で高精
度に測定することができる。以下に、Ｘ線回折を用いた
残留応力測定方法について述べる。
は、銅系部材の接合端部におけるセラミックス部材の表
面残量応力値を測定することを可能にしたことによって
達成されたものである。このような微小領域の残留応力
値は、Ｘ線回折を利用することによって、非破壊で高精
度に測定することができる。以下に、Ｘ線回折を用いた
残留応力測定方法について述べる。
【００１７】セラミックス部材内に生じた残留応力は、
この応力の大きさに比例して結晶の格子面間隔（ｄ値）
を変化させる。生じた残留応力が引張り応力の場合、応
力と平行方向の面間隔ｄ値は小さくなり、応力に直角方
向の面間隔ｄ値は大きくなる。また圧縮応力の場合には
その逆になる。この性質を利用し、図５（ａ）、
（ｂ）、（ｃ）に示すように、被検体測定面法線Ｎと格
子面法線Ｎ′とのなす角度（Ｘ線入射角）ψを変化させ
てＸ線を照射し、ある特定の回折ピークの回析角度(2
θ）の変化を調べることにより、次式から残留応力σT
が求まる。
この応力の大きさに比例して結晶の格子面間隔（ｄ値）
を変化させる。生じた残留応力が引張り応力の場合、応
力と平行方向の面間隔ｄ値は小さくなり、応力に直角方
向の面間隔ｄ値は大きくなる。また圧縮応力の場合には
その逆になる。この性質を利用し、図５（ａ）、
（ｂ）、（ｃ）に示すように、被検体測定面法線Ｎと格
子面法線Ｎ′とのなす角度（Ｘ線入射角）ψを変化させ
てＸ線を照射し、ある特定の回折ピークの回析角度(2
θ）の変化を調べることにより、次式から残留応力σT
が求まる。
【００１８】
【数１】 Ｋは材料および測定波長によって決まる応力定数である
ため、測定値（ψと2θ）から図６に示すように、 2θ
と sin2 ψとのグラフを作成し、例えば最小二乗法によ
って勾配を求め、それにＫを乗ずれば、残留応力σT は
一義的に求まる。
ため、測定値（ψと2θ）から図６に示すように、 2θ
と sin2 ψとのグラフを作成し、例えば最小二乗法によ
って勾配を求め、それにＫを乗ずれば、残留応力σT は
一義的に求まる。
【００１９】このように、Ｘ線回折を利用して残留応力
を測定する際、Ｘ線の照射面積は0.2mm2 以下とするこ
とが好ましい。このように、微小Ｘ線により残留応力を
測定することによって、銅系部材の接合端部におけるセ
ラミックス部材表面の残留応力値を精細に判定すること
が可能となる。なお、残留応力のＸ線による測定値は、
Ｘ線照射領域の中心部位で測定したものとする。
を測定する際、Ｘ線の照射面積は0.2mm2 以下とするこ
とが好ましい。このように、微小Ｘ線により残留応力を
測定することによって、銅系部材の接合端部におけるセ
ラミックス部材表面の残留応力値を精細に判定すること
が可能となる。なお、残留応力のＸ線による測定値は、
Ｘ線照射領域の中心部位で測定したものとする。
【００２０】上記した残留応力の測定に使用する回折ピ
ークは、高角度側に位置していると共に強度が大きく、
さらに孤立したピークであることが要求される。そこ
で、α-Al2 O 3 焼結体の場合には、 Cr-Ｋα線による
(1,1,10)面の回折ピーク(2θ=135.03deg ）、 Cu-Ｋα
線による (416)面の回折ピーク(2θ=136.11deg）等が、
SiC焼結体の場合には Cr-Ｋα線による (116)面の回折
ピーク(2θ=121.69deg）、 Cu-Ｋα線による (306)面の
回折ピーク(2θ=134.09deg）等が使用される。なお、ム
ライト焼結体の測定条件は、基本的に酸化アルミニウム
焼結体と同一である。
ークは、高角度側に位置していると共に強度が大きく、
さらに孤立したピークであることが要求される。そこ
で、α-Al2 O 3 焼結体の場合には、 Cr-Ｋα線による
(1,1,10)面の回折ピーク(2θ=135.03deg ）、 Cu-Ｋα
線による (416)面の回折ピーク(2θ=136.11deg）等が、
SiC焼結体の場合には Cr-Ｋα線による (116)面の回折
ピーク(2θ=121.69deg）、 Cu-Ｋα線による (306)面の
回折ピーク(2θ=134.09deg）等が使用される。なお、ム
ライト焼結体の測定条件は、基本的に酸化アルミニウム
焼結体と同一である。
【００２１】また、窒化アルミニウム焼結体について
は、従来、適当なＸ線源と高角度側の孤立ピークが見出
だされていなかったため、Ｘ線回折による残留応力の測
定は行われていなかったが、本発明者らは新たに、 Cu-
Ｋα線を照射した際に得られる、 2θ=148.26degを中心
に持つAlN(205)面の回折ピークが、上記した条件を全て
満足することを見出だし、窒化アルミニウム焼結体に対
してもＸ線回折による残留応力の測定を可能にした。な
お、図７および図８に、窒化アルミニウム焼結体に Cu-
Ｋα線（50kV,100mA）を照射した際のＸ線回折パターン
の一例を示す。これによって、窒化アルミニウム焼結体
を用いて、本発明のセラミックス−金属接合体を構成し
た場合においても、微小領域における表面残留応力の測
定が可能となり、冷熱サイクルに対する信頼性を高める
という本発明の目的が達成される。このように、本発明
のセラミックス−金属接合体は、冷熱サイクルの付加に
対する信頼性を大幅に向上させたものであるとと同時
に、上述したようなＸ線回折を利用した残留応力測定方
法によって表面残留応力値を測定することにより、非破
壊で冷熱サイクルに対する信頼性を評価することを可能
にしたものである。
は、従来、適当なＸ線源と高角度側の孤立ピークが見出
だされていなかったため、Ｘ線回折による残留応力の測
定は行われていなかったが、本発明者らは新たに、 Cu-
Ｋα線を照射した際に得られる、 2θ=148.26degを中心
に持つAlN(205)面の回折ピークが、上記した条件を全て
満足することを見出だし、窒化アルミニウム焼結体に対
してもＸ線回折による残留応力の測定を可能にした。な
お、図７および図８に、窒化アルミニウム焼結体に Cu-
Ｋα線（50kV,100mA）を照射した際のＸ線回折パターン
の一例を示す。これによって、窒化アルミニウム焼結体
を用いて、本発明のセラミックス−金属接合体を構成し
た場合においても、微小領域における表面残留応力の測
定が可能となり、冷熱サイクルに対する信頼性を高める
という本発明の目的が達成される。このように、本発明
のセラミックス−金属接合体は、冷熱サイクルの付加に
対する信頼性を大幅に向上させたものであるとと同時
に、上述したようなＸ線回折を利用した残留応力測定方
法によって表面残留応力値を測定することにより、非破
壊で冷熱サイクルに対する信頼性を評価することを可能
にしたものである。
【００２２】すなわち、本発明のセラミックス−金属接
合体は、銅系部材端部の近傍におけるセラミックス部材
表面の残留応力値を、上述したようなＸ線回折方法によ
って非破壊で測定し、当該セラミックス部材の材料強度
の 70%以下であるものを選択することによっても得られ
るが、 (A) 銅系部材の外周部に薄肉部を設ける。
合体は、銅系部材端部の近傍におけるセラミックス部材
表面の残留応力値を、上述したようなＸ線回折方法によ
って非破壊で測定し、当該セラミックス部材の材料強度
の 70%以下であるものを選択することによっても得られ
るが、 (A) 銅系部材の外周部に薄肉部を設ける。
【００２３】(B) 銅系部材の角部をＲ形状とする。
【００２４】の一方の手法もしくは両方を組み合わせて
適用することにより、安定して本発明の目的とするとこ
ろのセラミックス−金属接合体を得ることができる。
適用することにより、安定して本発明の目的とするとこ
ろのセラミックス−金属接合体を得ることができる。
【００２５】上記 (A)に示す薄肉部の具体的な形態とし
ては、 (a) 銅系部材の端部を段付形状とし、外周側に薄肉部
を形成する。
ては、 (a) 銅系部材の端部を段付形状とし、外周側に薄肉部
を形成する。
【００２６】(b) 銅系部材の端部をテ―パ形状とする
等により、外周側に向けて銅系部材の厚さを漸減させ、
薄肉部を形成する。
等により、外周側に向けて銅系部材の厚さを漸減させ、
薄肉部を形成する。
【００２７】等が例示され、またこれらを組合せた形状
としてもよい。
としてもよい。
【００２８】このように、加熱接合後の冷却過程や冷熱
サイクルの印加により生じる熱応力の主応力部となる銅
系部材の端部を薄肉部とすることにより、熱応力が薄肉
部の塑性変形によって吸収されるため、セラミックス部
材に発生する残留応力を低減することができる。よっ
て、銅系部材の接合端部近傍におけるセラミックス部材
の表面残留応力値を、安定して当該セラミックス部材の
材料強度の 70%以下とすることが可能となる。
サイクルの印加により生じる熱応力の主応力部となる銅
系部材の端部を薄肉部とすることにより、熱応力が薄肉
部の塑性変形によって吸収されるため、セラミックス部
材に発生する残留応力を低減することができる。よっ
て、銅系部材の接合端部近傍におけるセラミックス部材
の表面残留応力値を、安定して当該セラミックス部材の
材料強度の 70%以下とすることが可能となる。
【００２９】上記 (a)における銅系部材端部の薄肉部の
厚さとしては、その先端の厚さを少なくとも主要部の厚
さの1/2 以下とすることが好ましい。薄肉部の先端の厚
さが主要部の厚さの1/2 を超えると、この薄肉部の塑性
変型による残留応力低減の効果が十分に得られない。ま
た、この厚さを薄くするほど残留応力の低減を図れる
が、段付形状のような場合には、この厚さが薄すぎると
熱応力によって破断する危険が生じるため、実用的には
0.05mm程度までとすることが好ましい。
厚さとしては、その先端の厚さを少なくとも主要部の厚
さの1/2 以下とすることが好ましい。薄肉部の先端の厚
さが主要部の厚さの1/2 を超えると、この薄肉部の塑性
変型による残留応力低減の効果が十分に得られない。ま
た、この厚さを薄くするほど残留応力の低減を図れる
が、段付形状のような場合には、この厚さが薄すぎると
熱応力によって破断する危険が生じるため、実用的には
0.05mm程度までとすることが好ましい。
【００３０】また、上記 (b)によるテーパー状とする場
合の角度としては、おおよそ60度以下とすることが好ま
しい。
合の角度としては、おおよそ60度以下とすることが好ま
しい。
【００３１】これらの薄肉部は、所定形状とした銅系部
材の端部にエッチング加工や機械加工を施すことにより
形成することができる。また、所定の外周形状と厚さを
有する第１の銅系部材と、この第１の銅系部材より大面
積の残留応力低減のための薄板状の第２の銅系部材とを
積層することによって、同様に薄肉部を有する銅系部材
が得られる。
材の端部にエッチング加工や機械加工を施すことにより
形成することができる。また、所定の外周形状と厚さを
有する第１の銅系部材と、この第１の銅系部材より大面
積の残留応力低減のための薄板状の第２の銅系部材とを
積層することによって、同様に薄肉部を有する銅系部材
が得られる。
【００３２】また、上記した (B)の手法は、特に銅系部
材の角部の近傍に大きな応力が作用するため、銅系部材
の角部をＲ形状とすることによって、セラミックス部材
表面の残留応力を低減することが可能となる。
材の角部の近傍に大きな応力が作用するため、銅系部材
の角部をＲ形状とすることによって、セラミックス部材
表面の残留応力を低減することが可能となる。
【００３３】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。すなわち、セラミッ
クス部材上に例えば所望形状に加工した銅系部材を接触
配置し、銅の融点（1083℃）以下で銅と酸化銅の共晶温
度（1065℃）以上の温度で加熱することにより、本発明
のセラミックス−金属接合体が得られる。この加熱の際
の雰囲気としては、銅系部材として酸素を含有する銅を
使用する場合には不活性ガス雰囲気が好ましく、酸素を
含有しない銅を使用する場合には 80ppm〜3900ppm の酸
素を含有する雰囲気が好ましい。
えば以下のようにして製造される。すなわち、セラミッ
クス部材上に例えば所望形状に加工した銅系部材を接触
配置し、銅の融点（1083℃）以下で銅と酸化銅の共晶温
度（1065℃）以上の温度で加熱することにより、本発明
のセラミックス−金属接合体が得られる。この加熱の際
の雰囲気としては、銅系部材として酸素を含有する銅を
使用する場合には不活性ガス雰囲気が好ましく、酸素を
含有しない銅を使用する場合には 80ppm〜3900ppm の酸
素を含有する雰囲気が好ましい。
【００３４】
【実施例】次に、本発明の実施例について説明する。
【００３５】実施例１ まず、セラミックス部材として、表面に酸化物層を有す
る厚さ 0.8mmの板状の窒化アルミニウム焼結体と、銅系
部材として外周部を45度のテーパー形状とすると共に、
各角部をＲ形状に面取りした、厚さ 0.3mmの 2枚のタフ
ピッチ銅板（酸素含有量： 300ppm ）とを用意した。
る厚さ 0.8mmの板状の窒化アルミニウム焼結体と、銅系
部材として外周部を45度のテーパー形状とすると共に、
各角部をＲ形状に面取りした、厚さ 0.3mmの 2枚のタフ
ピッチ銅板（酸素含有量： 300ppm ）とを用意した。
【００３６】次に、図１に示すように、窒化アルミニウ
ム基板１の両面に 2枚の銅板２をそれぞれ直接接触配置
し、窒素ガス雰囲気中にて1075℃、10分の条件で加熱し
て接合させ、目的とするセラミックス−金属接合体３を
得た。
ム基板１の両面に 2枚の銅板２をそれぞれ直接接触配置
し、窒素ガス雰囲気中にて1075℃、10分の条件で加熱し
て接合させ、目的とするセラミックス−金属接合体３を
得た。
【００３７】このようにして得たセラミックス−金属接
合体３の窒化アルミニウム基板１表面における残留応力
値をＸ線回折法によって測定した。残留応力の測定条件
は、以下の通りである。
合体３の窒化アルミニウム基板１表面における残留応力
値をＸ線回折法によって測定した。残留応力の測定条件
は、以下の通りである。
【００３８】まず、図２に示すように、銅板２の接合端
部に相当する窒化アルミニウム基板１の表面部位に、特
性Ｘ線として50kV、 100mAの Cu-Ｋα線（Niフィルタ、
コリメータ径= φ0.1mm 、照射面積=0.016mm2 〜 0.031
mm2 ）Ａを、Ｘ線入射角ψを変化させて照射し、各Ｘ線
入射角ψに対する AlN (205)面の回折ピーク（ 2θ=14
8.26deg ）の実際の回折角度 2θをそれぞれ求めた。な
お、Ｘ線入射角ψは、5度、15度、20度、25度、30度お
よび35度とした。
部に相当する窒化アルミニウム基板１の表面部位に、特
性Ｘ線として50kV、 100mAの Cu-Ｋα線（Niフィルタ、
コリメータ径= φ0.1mm 、照射面積=0.016mm2 〜 0.031
mm2 ）Ａを、Ｘ線入射角ψを変化させて照射し、各Ｘ線
入射角ψに対する AlN (205)面の回折ピーク（ 2θ=14
8.26deg ）の実際の回折角度 2θをそれぞれ求めた。な
お、Ｘ線入射角ψは、5度、15度、20度、25度、30度お
よび35度とした。
【００３９】ここで、接合された銅板２の接合端部は、
若干湾曲した形状となるが、図２に示すように実質的な
接合端部での測定値を、銅板２の接合端部における測定
値とする。なお測定値は、Ｘ線照射領域Ｂの中心位置に
おける測定結果とする。これらの測定結果に基づく 2θ
-sin2 ψのグラフを図３に示す。そして、応力定数Ｋ(k
g/mm2 ）と図３に示すグラフの傾きから、上記窒化アル
ミニウム基板１表面における銅板２との接合端部の残留
応力を求めたところ、窒化アルミニウム基板１の引張り
強度の 70%以下であった。
若干湾曲した形状となるが、図２に示すように実質的な
接合端部での測定値を、銅板２の接合端部における測定
値とする。なお測定値は、Ｘ線照射領域Ｂの中心位置に
おける測定結果とする。これらの測定結果に基づく 2θ
-sin2 ψのグラフを図３に示す。そして、応力定数Ｋ(k
g/mm2 ）と図３に示すグラフの傾きから、上記窒化アル
ミニウム基板１表面における銅板２との接合端部の残留
応力を求めたところ、窒化アルミニウム基板１の引張り
強度の 70%以下であった。
【００４０】次に、上記窒化アルミニウム基板１の表面
において、銅板２との接合端部から順次外周側に測定位
置をずらして、同様に残留応力値を求めた。その測定結
果を図４に示す。図４から明らかなように、銅板の接合
端部に最大主応力（引張り残留応力）が作用し、外周に
向けて残留応力値が減少していることが分かる。これか
らも、銅板の接合端部の引張り残留応力を減少させるこ
とによって、熱履歴に対する信頼性を向上させ得ること
が明らかである。
において、銅板２との接合端部から順次外周側に測定位
置をずらして、同様に残留応力値を求めた。その測定結
果を図４に示す。図４から明らかなように、銅板の接合
端部に最大主応力（引張り残留応力）が作用し、外周に
向けて残留応力値が減少していることが分かる。これか
らも、銅板の接合端部の引張り残留応力を減少させるこ
とによって、熱履歴に対する信頼性を向上させ得ること
が明らかである。
【００４１】また、本発明との比較として、銅板の外周
部にテーパー部および角部にＲ形状部を設けない以外
は、上記実施例と同一条件でセラミックス−金属接合体
を作製した。このセラミックス−金属接合体における窒
化アルミニウム基板表面の残留応力値を、上記実施例１
と同様にして測定したところ、窒化アルミニウム基板１
の材料強度の 70%を超えていた。
部にテーパー部および角部にＲ形状部を設けない以外
は、上記実施例と同一条件でセラミックス−金属接合体
を作製した。このセラミックス−金属接合体における窒
化アルミニウム基板表面の残留応力値を、上記実施例１
と同様にして測定したところ、窒化アルミニウム基板１
の材料強度の 70%を超えていた。
【００４２】次に、上記実施例１および比較例１で作製
した各セラミックス−金属接合体に、冷熱サイクル試験
(TCT) を施し、クラック発生までのサイクル数によっ
て、耐冷熱サイクル特性を評価した。 TCTは -40℃×30
分＋RT×10分＋ 125℃×30分＋RT℃×10分を 1サイクル
とした。また、クラックの有無は蛍光浸透探傷(PT)検査
で判定した。その結果、実施例１による接合体では、良
好な結果が得られたのに対し、比較例１による接合体は
早期にクラックの発生が認められた。
した各セラミックス−金属接合体に、冷熱サイクル試験
(TCT) を施し、クラック発生までのサイクル数によっ
て、耐冷熱サイクル特性を評価した。 TCTは -40℃×30
分＋RT×10分＋ 125℃×30分＋RT℃×10分を 1サイクル
とした。また、クラックの有無は蛍光浸透探傷(PT)検査
で判定した。その結果、実施例１による接合体では、良
好な結果が得られたのに対し、比較例１による接合体は
早期にクラックの発生が認められた。
【００４３】
【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、冷熱サイクルが印加された
際にも、クラック等が発生することを安定して抑制する
ことが可能となる。よって、冷熱サイクルに対して信頼
性に優れたＤＢＣ法によるセラミックス−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、冷熱サイクルが印加された
際にも、クラック等が発生することを安定して抑制する
ことが可能となる。よって、冷熱サイクルに対して信頼
性に優れたＤＢＣ法によるセラミックス−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】本発明の一実施例で作製したセラミックス−金
属接合体の構造を示す断面図である。
属接合体の構造を示す断面図である。
【図２】本発明のセラミックス−金属接合体における残
留応力の測定位置を説明するための図である。
留応力の測定位置を説明するための図である。
【図３】本発明の一実施例における残留応力の測定結果
である 2θ-sin2 ψのグラフを示す図である。
である 2θ-sin2 ψのグラフを示す図である。
【図４】本発明の一実施例におけるセラミックス−金属
接合体の接合端部から順次測定した残留応力値を示すグ
ラフである。
接合体の接合端部から順次測定した残留応力値を示すグ
ラフである。
【図５】Ｘ線による残留応力の測定原理を示す図であ
る。
る。
【図６】Ｘ線による残留応力の算出方法を説明するため
の図である。
の図である。
【図７】窒化アルミニウム焼結体に Cu-Ｋα線を照射し
た際のＸ線回折パターンの一例を示す図である。
た際のＸ線回折パターンの一例を示す図である。
【図８】窒化アルミニウム焼結体に Cu-Ｋα線を照射し
た際のＸ線回折パターンの一例を拡大して示す図であ
る。
た際のＸ線回折パターンの一例を拡大して示す図であ
る。
１……窒化アルミニウム基板 ２……銅板 ３……セラミックス−金属接合体
Claims (6)
- 【請求項１】 セラミックス部材と、このセラミックス
部材表面に直接加熱接合された銅系部材とを有するセラ
ミックス−金属接合体において、 前記銅系部材の接合端部近傍における前記セラミックス
部材の表面残留応力値が、該セラミックス部材の材料強
度の 70%以下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、 前記表面残留応力値は、引張り残留応力を対象としてい
ることを特徴とするセラミックス−金属接合体。 - 【請求項３】 請求項１記載のセラミックス−金属接合
体において、 前記表面残留応力値は、照射面積が 0.2mm2 以下の微小
Ｘ線を用いた残留応力測定方法によって測定された値で
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、 前記セラミックス部材は、窒化アルミニウム焼結体、炭
化ケイ素焼結体、酸化アルミニウム焼結体およびムライ
ト焼結体から選ばれた 1種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５】 セラミックス部材と、このセラミックス
部材表面に直接加熱接合された銅系部材とを有するセラ
ミックス−金属接合体において、 前記銅系部材は、その外周部に薄肉部を有することを特
徴とするセラミックス−金属接合体。 - 【請求項６】 セラミックス部材と、このセラミックス
部材表面に直接加熱接合された銅系部材とを有するセラ
ミックス−金属接合体において、 前記銅系部材は、その角部にＲ形状を有することを特徴
とするセラミックス−金属接合体。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP20346292A JPH0648851A (ja) | 1992-07-30 | 1992-07-30 | セラミックス−金属接合体 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP20346292A JPH0648851A (ja) | 1992-07-30 | 1992-07-30 | セラミックス−金属接合体 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0648851A true JPH0648851A (ja) | 1994-02-22 |
Family
ID=16474533
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP20346292A Pending JPH0648851A (ja) | 1992-07-30 | 1992-07-30 | セラミックス−金属接合体 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH0648851A (ja) |
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5727727A (en) * | 1995-02-02 | 1998-03-17 | Vlt Corporation | Flowing solder in a gap |
| US5808358A (en) * | 1994-11-10 | 1998-09-15 | Vlt Corporation | Packaging electrical circuits |
| US5876859A (en) * | 1994-11-10 | 1999-03-02 | Vlt Corporation | Direct metal bonding |
| US5945130A (en) * | 1994-11-15 | 1999-08-31 | Vlt Corporation | Apparatus for circuit encapsulation |
| JP2009007206A (ja) * | 2007-06-28 | 2009-01-15 | Toyota Central R&D Labs Inc | セラミックセンサ |
-
1992
- 1992-07-30 JP JP20346292A patent/JPH0648851A/ja active Pending
Cited By (12)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5808358A (en) * | 1994-11-10 | 1998-09-15 | Vlt Corporation | Packaging electrical circuits |
| US5876859A (en) * | 1994-11-10 | 1999-03-02 | Vlt Corporation | Direct metal bonding |
| US5906310A (en) * | 1994-11-10 | 1999-05-25 | Vlt Corporation | Packaging electrical circuits |
| US5938104A (en) * | 1994-11-10 | 1999-08-17 | Vlt Corporation | Direct metal bonding |
| US6096981A (en) * | 1994-11-10 | 2000-08-01 | Vlt Corporation | Packaging electrical circuits |
| US6119923A (en) * | 1994-11-10 | 2000-09-19 | Vlt Corporation | Packaging electrical circuits |
| US6159772A (en) * | 1994-11-10 | 2000-12-12 | Vlt Corporation | Packaging electrical circuits |
| US5945130A (en) * | 1994-11-15 | 1999-08-31 | Vlt Corporation | Apparatus for circuit encapsulation |
| US6403009B1 (en) * | 1994-11-15 | 2002-06-11 | Vlt Corporation | Circuit encapsulation |
| US6710257B2 (en) | 1994-11-15 | 2004-03-23 | Vlt Corporation | Circuit encapsulation |
| US5727727A (en) * | 1995-02-02 | 1998-03-17 | Vlt Corporation | Flowing solder in a gap |
| JP2009007206A (ja) * | 2007-06-28 | 2009-01-15 | Toyota Central R&D Labs Inc | セラミックセンサ |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A02 | Decision of refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02 Effective date: 20020409 |