JPH07187839A - Nitride ceramics-metal joined body and its production - Google Patents

Nitride ceramics-metal joined body and its production

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JPH07187839A
JPH07187839A JP32865493A JP32865493A JPH07187839A JP H07187839 A JPH07187839 A JP H07187839A JP 32865493 A JP32865493 A JP 32865493A JP 32865493 A JP32865493 A JP 32865493A JP H07187839 A JPH07187839 A JP H07187839A
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Japan
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metal
nitride
plate
active metal
bonded
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Takayuki Naba
隆之 那波
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Original Assignee
Toshiba Corp
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Abstract

PURPOSE:To obtain a nitride ceramics-metal joined body satisfying high bonding strength, having superior heat cycle resistance and excellent in mass productivity. CONSTITUTION:A nitride ceramic sheet is joined to a metallic sheet with at least one kind of active metal selected from among Ti, Zr, Hf and Nb and an In-contg. brazing filler metal to obtain the objective nitride ceramics-metal joined body. Joining treatment is carried out in a nitrogen atmosphere capable of use of a continuous furnace excellent in mass productivity. Since the active metal and the In-contg. brazing filler metal are used, joining temp. is reduced, satisfactory joining characteristics are ensured even in the nitrogen atmosphere and heat cycle resistance is improved.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は、耐熱サイクル特性の向
上を図った窒化物系セラミックス−金属接合体およびそ
の製造方法に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a nitride-based ceramic-metal bonded body having improved heat resistance cycle characteristics and a method for producing the same.

【0002】[0002]

【従来の技術】従来から、窒化アルミニウムのような窒
化物系セラミックス基板と金属板との接合方法として
は、所要形状の銅板と窒化物系セラミックス基板とを直
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)や、4A族元素や5A族元素のような
活性金属を用いた活性金属法等が知られている。
2. Description of the Related Art Conventionally, as a method for joining a nitride-based ceramic substrate such as aluminum nitride and a metal plate, a so-called DBC method (Direct Bonding copper method) and active metal methods using active metals such as 4A group elements and 5A group elements are known.

【0003】活性金属法は、Ti、Zr、Hf、Nb等の金属元
素がセラミックス材料に対して濡れやすく、反応しやす
いことを利用した接合法である。具体的には、窒化物系
セラミックス基板と金属板とを活性金属を添加した活性
金属ろう材を介して積層し、この積層体を真空中もしく
はアルゴン雰囲気中で焼成することによって、窒化物系
セラミックス基板と金属板とを接合している。
The active metal method is a bonding method utilizing the fact that metal elements such as Ti, Zr, Hf and Nb easily wet and react with the ceramic material. Specifically, a nitride ceramics substrate and a metal plate are laminated via an active metal brazing filler metal containing an active metal, and the laminate is fired in a vacuum or an argon atmosphere to obtain a nitride ceramics. The substrate and the metal plate are joined together.

【0004】ところで、窒化物系セラミックス基板を用
いる場合には、上記したように焼成雰囲気を真空中もし
くはアルゴン雰囲気としなければならない。これは、活
性金属法ではTi等の活性金属と窒化物系セラミックス基
板中の窒素との反応を利用して高接合強度を得ているた
めであり、一般的な焼成雰囲気として多用されている窒
素雰囲気中で接合(焼成)を行うと、活性金属が雰囲気
中の窒素と反応してしまい、その結果として接合はなさ
れなくなるためである。
By the way, when a nitride ceramics substrate is used, the firing atmosphere must be a vacuum atmosphere or an argon atmosphere as described above. This is because in the active metal method, high bonding strength is obtained by utilizing the reaction between active metals such as Ti and nitrogen in the nitride-based ceramics substrate. This is because when bonding (baking) is performed in an atmosphere, the active metal reacts with nitrogen in the atmosphere, and as a result, bonding is not performed.

【0005】すなわち、活性金属法による接合機構にお
いては、加熱によるろう材成分の液相化が活性金属と窒
化物系セラミックス基板との反応を促進すると考えられ
ており、上記したように活性金属がろう材成分の液相化
温度に達する以前に雰囲気中の窒素と反応してしまう
と、液相化温度に達した時点では、既に窒化物系セラミ
ックス基板中の窒素と反応する活性金属がほとんど存在
しなくなってしまう。このようなことから、窒化物系セ
ラミックス基板に活性金属法を適用して金属板を接合す
る際には、量産性に劣るバッチ式炉しか使用できない真
空中で焼成したり、ガス自体が高価であると共に、やは
りバッチ式炉を用いることが一般的なアルゴン雰囲気中
で焼成しなければならず、量産性が極めて低く、かつ製
造コストが高いという問題を有していた。
That is, in the joining mechanism by the active metal method, it is considered that the liquid phase formation of the brazing filler metal component by heating promotes the reaction between the active metal and the nitride-based ceramics substrate. If it reacts with nitrogen in the atmosphere before reaching the liquidus temperature of the brazing filler metal component, most of the active metal that already reacts with nitrogen in the nitride-based ceramics substrate is already present when the liquidus temperature is reached. I will not do it. For this reason, when the active metal method is applied to the nitride-based ceramics substrate to join the metal plates, firing is performed in a vacuum where only a batch furnace that is inferior in mass productivity can be used, or the gas itself is expensive. In addition, the use of a batch type furnace also requires firing in a general argon atmosphere, resulting in extremely low mass productivity and high manufacturing cost.

【0006】一方、窒化物系セラミックス基板と金属板
との接合体には、高接合強度が求められると共に、セラ
ミックス材料の熱膨張率は金属材料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
く異なる窒化物系セラミックス基板と金属板とを接合す
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、また接合後の冷却過程や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
は窒化物系セラミックス基板が破壊される等の問題を招
いている。このようなことから、接合体の耐熱サイクル
特性の向上を図ることが強く望まれていた。
On the other hand, the bonded body of the nitride-based ceramic substrate and the metal plate is required to have high bonding strength, and the coefficient of thermal expansion of the ceramic material is smaller than that of the metal material. There is a strong demand for suppressing the occurrence of such defects. That is, when a nitride-based ceramics substrate and a metal plate having a large coefficient of thermal expansion are bonded to each other, residual stress due to the difference in thermal expansion occurs in the cooling process after bonding, and the bonding strength is significantly reduced due to the synergistic effect with external stress. In addition, cracking occurs from the maximum stress point due to the cooling process after joining and the addition of a heat cycle, and further, the nitride ceramics substrate is broken. Therefore, it has been strongly desired to improve the heat resistance cycle characteristics of the bonded body.

【0007】[0007]

【発明が解決しようとする課題】上述したように、従来
の活性金属法を適用した窒化物系セラミックス基板と金
属板との接合体は、接合雰囲気として真空やアルゴン雰
囲気を用いなければならず、量産性が極めて低いと共
に、製造コストが高いという問題を有していた。また、
熱サイクルの付加等によりクラック等が発生しやすいこ
とから、耐熱サイクル特性の向上を図ることが強く望ま
れていた。
As described above, in the bonded body of the nitride ceramics substrate and the metal plate to which the conventional active metal method is applied, a vacuum or an argon atmosphere has to be used as a bonding atmosphere, The mass production is extremely low and the manufacturing cost is high. Also,
Since cracks and the like are likely to occur due to the addition of heat cycles, it has been strongly desired to improve the heat resistance cycle characteristics.

【0008】本発明は、このような課題を対処するため
になされたもので、高接合強度を満足すると共に、優れ
た耐熱サイクル特性を示し、かつ量産性に優れた窒化物
系セラミックス−金属接合体およびその製造方法を提供
することを目的としている。
The present invention has been made in order to solve such a problem, and it is a nitride-based ceramic-metal joint which satisfies a high joining strength, exhibits excellent heat cycle characteristics, and is excellent in mass productivity. It is an object to provide a body and a method for manufacturing the body.

【0009】[0009]

【課題を解決するための手段と作用】本発明者は、上記
目的を達成するために、従来の窒化物系セラミックス−
金属接合基板について種々の観点から検討を行った結
果、活性金属ろう材中にInを添加して接合温度を低下さ
せることにより、接合雰囲気として窒素雰囲気を使用す
ることが可能となると共に、耐熱サイクル特性を向上さ
せることができることを見出した。
In order to achieve the above-mentioned object, the present inventor has proposed a conventional nitride ceramics-
As a result of examining various aspects of the metal bonding substrate, it was possible to use a nitrogen atmosphere as a bonding atmosphere by adding In to the active metal brazing material to lower the bonding temperature, and at the same time, a heat-resistant cycle It has been found that the characteristics can be improved.

【0010】本発明は、上記知見に基いてなされたもの
で、本発明の窒化物系セラミックス−金属接合体は、窒
化物系セラミック板と、前記窒化物系セラミック板にろ
う材層を介して接合された金属板とを具備する接合体で
あって、前記窒化物系セラミック板と金属板とが、Ti、
Zr、HfおよびNbから選ばれた少なくとも 1種の活性金属
とInとを含む前記ろう材層を介して窒素雰囲気中で接合
されてなることを特徴としている。
The present invention has been made based on the above findings. The nitride-based ceramic-metal bonded body of the present invention has a nitride-based ceramic plate and a brazing material layer on the nitride-based ceramic plate. A joined body comprising a joined metal plate, wherein the nitride ceramic plate and the metal plate are Ti,
It is characterized in that they are bonded in a nitrogen atmosphere through the brazing material layer containing at least one active metal selected from Zr, Hf and Nb and In.

【0011】また、本発明の窒化物系セラミックス−金
属接合体の製造方法は、窒化物系セラミック板および金
属板の少なくとも一方の表面に、Ti、Zr、HfおよびNbか
ら選ばれた少なくとも 1種の活性金属とInとを含むろう
材ペーストの塗布層を形成する工程と、前記ろう材ペー
ストの塗布層を介して、前記窒化物系セラミック板と金
属板とを積層する工程と、前記積層体を窒素雰囲気中で
焼成し、前記窒化物系セラミック体と金属板とを接合す
る工程とを有することを特徴としている。
Further, the method for producing a nitride-based ceramic-metal bonded body according to the present invention comprises at least one selected from Ti, Zr, Hf and Nb on at least one surface of the nitride-based ceramic plate and the metal plate. A step of forming a coating layer of a brazing filler metal paste containing an active metal and In, a step of laminating the nitride ceramic plate and a metal plate via the coating layer of the brazing filler metal paste, and the laminate Is fired in a nitrogen atmosphere to bond the nitride-based ceramic body and the metal plate to each other.

【0012】本発明に用いる窒化物系セラミックス板と
しては、窒化アルミニウムや窒化ケイ素を主成分とし、
酸化イットリウムや酸化アルミニウム等の焼結助剤成分
を含む窒化アルミニウム焼結体や窒化ケイ素焼結体、ま
たSi、Al、 Oおよび Nを主構成元素とするサイアロン焼
結体等、主構成元素の 1つとして窒素を含むセラミック
ス焼結体であれば種々のものを用いることができる。ま
た、金属板は用途に応じて各種の金属材料から適宜選択
すればよく、例えばCu板、Cu合金板、Ni板、Ni合金板、
WやMo等の単体板や合金板等が例示される。これら金属
板には、予め例えば回路形状等に応じてパターニングを
施しておいてもよい。
The nitride ceramics plate used in the present invention contains aluminum nitride or silicon nitride as a main component,
Of the main constituent elements such as aluminum nitride sintered bodies and silicon nitride sintered bodies containing sintering aid components such as yttrium oxide and aluminum oxide, and sialon sintered bodies containing Si, Al, O and N as the main constituent elements. Various ceramics sintered bodies containing nitrogen can be used. Further, the metal plate may be appropriately selected from various metal materials according to the application, for example, Cu plate, Cu alloy plate, Ni plate, Ni alloy plate,
Examples include single plates such as W and Mo, alloy plates, and the like. These metal plates may be patterned in advance according to, for example, the circuit shape.

【0013】本発明の窒化物系セラミックス−金属接合
体は、上述したような窒化物系セラミックス板と金属板
とを、Ti、Zr、HfおよびNbから選ばれた少なくとも 1種
の活性金属とInとを含むろう材(以下、Inおよび活性金
属含有ろう材と記す)を用いて、窒素雰囲気中で接合し
たものである。ここで用いるろう材成分としては、例え
ば Ag-Cuの共晶組成(72wt%Ag-28wt%Cu)もしくはその近
傍組成の Ag-Cu系ろう材やCu系ろう材等が例示される。
そして、本発明ではこのようなろう材に上記活性金属と
Inとを添加したInおよび活性金属含有ろう材を用いる。
A nitride ceramics-metal bonded body according to the present invention comprises a nitride ceramics plate and a metal plate as described above, and at least one active metal selected from Ti, Zr, Hf and Nb and an In metal. It is joined in a nitrogen atmosphere using a brazing filler metal containing (hereinafter, referred to as In and active metal-containing brazing filler metal). As the brazing filler metal component used here, for example, an Ag-Cu brazing filler metal or a Cu brazing filler metal having a eutectic composition of Ag-Cu (72 wt% Ag-28 wt% Cu) or a composition in the vicinity thereof is exemplified.
In the present invention, the brazing filler metal and the active metal
An In-added In and brazing filler metal containing an active metal is used.

【0014】上記したようなろう材に添加する活性金属
量は、ろう材の全量に対して 2〜 6重量% の範囲とする
ことが好ましく、またインジウムの添加量はろう材の全
量に対して12〜20重量% の範囲とすることが好ましい。
活性金属量が 2重量% 未満であると、窒化物系セラミッ
クス板への十分な接合がなされず、 6重量% を超える
と、逆に耐熱サイクル特性の低下を招くおそれがある。
また、インジウム量が12重量% 未満であると、融点の低
下効果を十分に得ることができず、また20重量%を超え
ると、脆弱な金属間化合物を生成しやすくなる。
The amount of active metal added to the brazing material as described above is preferably in the range of 2 to 6% by weight based on the total amount of the brazing material, and the amount of indium added is based on the total amount of the brazing material. It is preferably in the range of 12 to 20% by weight.
If the amount of the active metal is less than 2% by weight, sufficient bonding to the nitride-based ceramics plate cannot be achieved, and if it exceeds 6% by weight, heat cycle characteristics may be deteriorated.
If the amount of indium is less than 12% by weight, the melting point lowering effect cannot be sufficiently obtained, and if it exceeds 20% by weight, a brittle intermetallic compound is likely to be formed.

【0015】上記Inおよび活性金属含有ろう材はInによ
り融点が低下し、例えば Ag-Cu系ろう材の場合には通常
の 780℃から 680℃程度まで融点が下がる。これによ
り、例えば実際の接合を 700〜 800℃程度の温度で行う
ことが可能となる。一方、活性金属と窒化物系セラミッ
クス板中の窒素との反応は、 500〜 600℃程度から進行
し始める。従って、Inおよび活性金属含有ろう材を用い
た場合には、窒素雰囲気中で接合を行っても、上記反応
開始温度とろう材の液相形成温度との差が小さいことか
ら、上記接合温度に到達した後においても、活性金属と
窒化物系セラミックス板中の窒素との反応が十分に進行
する。
The melting point of In and the active metal-containing brazing material is lowered by In, and in the case of Ag-Cu based brazing material, for example, the melting point is lowered from the usual 780 ° C. to 680 ° C. As a result, for example, actual joining can be performed at a temperature of about 700 to 800 ° C. On the other hand, the reaction between the active metal and the nitrogen in the nitride-based ceramics plate starts to proceed from about 500 to 600 ° C. Therefore, when using In and an active metal-containing brazing filler metal, even if the bonding is performed in a nitrogen atmosphere, the difference between the reaction initiation temperature and the liquid phase formation temperature of the brazing filler metal is small. Even after reaching the temperature, the reaction between the active metal and nitrogen in the nitride-based ceramic plate sufficiently progresses.

【0016】言い換えれば、上記Inおよび活性金属含有
ろう材は、 700℃程度の温度から液相を形成し、活性金
属と窒化物系セラミックス板との反応が促進される。こ
の活性金属と窒化物系セラミックス板との反応は、活性
金属と窒素との反応開始温度とあまり差のない温度から
液相により促進されつつ進行するため、結果として雰囲
気中の窒素と活性金属との反応は抑制される。従って、
窒素雰囲気中においても十分な接合強度を得ることが可
能となる。このように窒素雰囲気中での接合が可能とな
ることにより、量産性に優れた連続炉が使用可能とな
る。
In other words, the In and active metal-containing brazing filler metal forms a liquid phase at a temperature of about 700 ° C., and the reaction between the active metal and the nitride-based ceramic plate is promoted. The reaction between the active metal and the nitride-based ceramics plate proceeds while being promoted by the liquid phase from a temperature at which there is not much difference from the reaction initiation temperature between the active metal and nitrogen, and as a result, nitrogen and active metal in the atmosphere Reaction is suppressed. Therefore,
It is possible to obtain sufficient bonding strength even in a nitrogen atmosphere. Since the joining can be performed in a nitrogen atmosphere in this manner, a continuous furnace having excellent mass productivity can be used.

【0017】また、上述したようにInおよび活性金属含
有ろう材を用いることによって、実際の接合温度を 800
〜 900℃程度の温度から 700〜 800℃程度の温度まで低
下させることが可能であるため、接合温度を低下させた
分だけ残留応力が低くなり、よって接合体の耐熱サイク
ル特性を向上させることができる。
Further, as described above, by using the brazing material containing In and the active metal, the actual joining temperature is 800
Since it is possible to reduce the temperature from about 900 ° C to about 700 ° C to 800 ° C, the residual stress will be reduced by the amount corresponding to the lowering of the joining temperature, thus improving the thermal cycle resistance of the joined body. it can.

【0018】本発明の窒化物系セラミックス−金属接合
体は、例えば以下のようにして製造する。
The nitride ceramics-metal bonded body of the present invention is manufactured, for example, as follows.

【0019】まず、窒化物系セラミックス板と金属板と
を用意し、上述したようなInおよび活性金属含有ろう材
をペースト化したものを、例えば窒化物系セラミックス
板側に塗布する。ろう材層の塗布厚は、耐熱サイクル特
性の向上を図る上で、加熱接合後のろう材層の層厚があ
まり厚くならないように、例えば40μm 以下となるよう
にすることが好ましい。
First, a nitride ceramics plate and a metal plate are prepared, and a paste of the above-mentioned In and active metal-containing brazing material is applied to, for example, the nitride ceramics plate side. The coating thickness of the brazing material layer is preferably set to, for example, 40 μm or less so that the layer thickness of the brazing material layer after heat bonding does not become too thick in order to improve the heat resistance cycle characteristics.

【0020】次に、ろう材ペーストを塗布した窒化物系
セラミックス板上に、金属板を積層配置し、窒素雰囲気
中にて使用したろう材に応じた温度、例えば Ag-Cu系ろ
う材であれば上述したように 700〜 800℃程度の温度で
熱処理し、このろう材による液相により活性金属と窒化
物系セラミックス板との反応を促進して、窒化物系セラ
ミックス板と金属板とを接合する。
Next, a metal plate is laminated and arranged on a nitride ceramics plate coated with a brazing material paste, and a temperature corresponding to the brazing material used in a nitrogen atmosphere, for example, Ag-Cu brazing material is used. For example, as described above, heat treatment is performed at a temperature of about 700 to 800 ° C., and the liquid phase of this brazing filler metal promotes the reaction between the active metal and the nitride-based ceramic plate to bond the nitride-based ceramic plate and the metal plate. To do.

【0021】接合のための熱処理は窒素雰囲気中で行う
ため、前述したように連続炉を用いることが可能とな
り、量産性を大幅に向上させることができると共に、製
造コストの低減を図ることが可能となる。また、得られ
る接合体は、前述したように高接合強度を有すると共
に、耐熱サイクル特性に優れたものとなる。
Since the heat treatment for bonding is performed in a nitrogen atmosphere, it is possible to use a continuous furnace as described above, which can greatly improve mass productivity and reduce manufacturing cost. Becomes Further, the obtained joined body has high joining strength as described above and is also excellent in heat cycle characteristics.

【0022】[0022]

【実施例】次に、本発明の実施例について説明する。EXAMPLES Next, examples of the present invention will be described.

【0023】実施例1 まず、63×29× 0.635mmの形状を有し、熱伝導率が170W
/m Kの窒化アルミニウム基板を用意した。一方、重量比
がIn:Ag:Cu:Ti=14.0:59.0:23.0:4.0のInおよび活性金属
含有ろう材を用意し、このろう材に樹脂バインダおよび
分散媒を適量加え、十分に混合してInおよびTi含有ろう
材ペーストを作製した。このInおよびTi含有ろう材ペー
ストを上記窒化アルミニウム基板表面に塗布厚が30μm
となるようにスクリーン印刷した。
Example 1 First, it had a shape of 63 × 29 × 0.635 mm and had a thermal conductivity of 170 W.
An aluminum nitride substrate of / m K was prepared. On the other hand, a weight ratio In: Ag: Cu: Ti = 14.0: 59.0: 23.0: 4.0 of In and active metal-containing brazing filler metal was prepared, and a proper amount of resin binder and dispersion medium was added to this brazing filler metal and mixed well. An In- and Ti-containing brazing paste was prepared. This In and Ti-containing brazing paste is applied to the surface of the aluminum nitride substrate with a thickness of 30 μm.
It was screen printed so that

【0024】次に、上記ろう材ペーストの塗布層上に、
厚さ 0.3mmのリン脱酸銅板を配置し、これを窒素雰囲気
中にて 700℃×10分の条件下で、連続炉(トンネル炉)
を用いて熱処理し、窒化アルミニウム基板と銅板とを接
合させて、目的とする窒化アルミニウム−銅接合基板を
得た。この接合基板を後述する特性評価に供した。
Next, on the coating layer of the brazing material paste,
A 0.3 mm thick phosphorous deoxidized copper plate is placed and placed in a nitrogen atmosphere at 700 ° C for 10 minutes in a continuous furnace (tunnel furnace).
Was used to bond the aluminum nitride substrate and the copper plate together to obtain the desired aluminum nitride-copper bonded substrate. This joined substrate was subjected to the characteristic evaluation described later.

【0025】比較例1 重量比がAg:Cu:Ti=67.7:26.3:6.0のInを含まないTi含有
ろう材を用意し、これをペースト化したものを実施例1
と同素材の窒化アルミニウム基板表面に塗布した。この
Ti含有ろう材ペーストの塗布層上に、実施例1と同素材
の銅板を配置し、バッチ式炉を用いて 1×10-4Torrの真
空中にて 850℃×10分の条件下で熱処理した。得られた
窒化アルミニウム−銅接合基板を後述する特性評価に供
した。
Comparative Example 1 A Ti-containing brazing material containing no In and having a weight ratio of Ag: Cu: Ti = 67.7: 26.3: 6.0 was prepared and made into a paste.
It was applied to the surface of an aluminum nitride substrate made of the same material. this
A copper plate made of the same material as in Example 1 was placed on the coating layer of the Ti-containing brazing paste and heat-treated in a batch furnace at 850 ° C. for 10 minutes in a vacuum of 1 × 10 −4 Torr. did. The obtained aluminum nitride-copper bonded substrate was subjected to the characteristic evaluation described below.

【0026】比較例2 接合時の雰囲気を 1×10-4Torrの真空中とすると共に、
バッチ式炉を用いる以外は、実施例1と同様にして窒化
アルミニウム−銅接合基板を作製し、後述する特性評価
に供した。
Comparative Example 2 The atmosphere during joining was set to a vacuum of 1 × 10 -4 Torr, and
An aluminum nitride-copper bonded substrate was produced in the same manner as in Example 1 except that the batch type furnace was used, and was subjected to the characteristic evaluation described below.

【0027】比較例3 接合時の雰囲気をAr雰囲気とすると共に、バッチ式炉を
用いる以外は、実施例1と同様にして窒化アルミニウム
−銅接合基板を作製し、後述する特性評価に供した。
Comparative Example 3 An aluminum nitride-copper bonded substrate was produced in the same manner as in Example 1 except that the atmosphere at the time of bonding was an Ar atmosphere and a batch type furnace was used.

【0028】比較例4 比較例1と同様に、Inを含まないTi含有ろう材を用い
て、実施例1と同様に窒素雰囲気中にて 850℃で接合を
行ったところ、窒化アルミニウム基板に対してほとんど
接合がなされておらず、到底実用に供し得るようなもの
ではなかった。また、接合温度を実施例1と同様に 700
℃としたところ、ろう材による液相が形成されず、同様
にほとんど接合がなされなかった。
Comparative Example 4 As in Comparative Example 1, a Ti-containing brazing material containing no In was used to perform bonding at 850 ° C. in a nitrogen atmosphere in the same manner as in Example 1. Almost no joint was made, and it was not practically usable. Also, the bonding temperature was set to 700 as in Example 1.
When the temperature was set to ° C, no liquid phase was formed by the brazing material, and similarly, almost no joining was performed.

【0029】上述した実施例1および比較例1〜3で作
製した各窒化アルミニウム−銅接合基板の特性を以下の
ようにして評価した。まず、 -40℃×30分+RT×10分+
125℃×30分+RT×10分を 1サイクルとして、熱サイク
ル試験(TCT) を行った後、各接合基板の接合強度として
ピール強度を測定した。また、同様に熱サイクル試験(T
CT) を行った後、各接合基板の耐熱サイクル特性として
健全率η(%) を算出した。この健全率ηは耐熱サイクル
特性を示す指標であり、η=100% はクラックがない状態
を示し、η=0% は全面にクラックが発生したことを示す
ものである。図1に TCTのサイクル数とピール強度との
関係を、また図2に TCTのサイクル数と耐熱サイクル特
性(健全率η)との関係を示す。
The characteristics of the aluminum nitride-copper bonded substrates prepared in Example 1 and Comparative Examples 1 to 3 described above were evaluated as follows. First, -40 ℃ x 30 minutes + RT x 10 minutes +
After performing a thermal cycle test (TCT) with 125 ° C × 30 minutes + RT × 10 minutes as one cycle, the peel strength was measured as the bonding strength of each bonded substrate. Also, in the same way, the thermal cycle test (T
After CT), the soundness rate η (%) was calculated as the heat resistance cycle characteristic of each bonded substrate. The soundness rate η is an index showing the heat resistance cycle characteristic, η = 100% indicates a state without cracks, and η = 0% indicates that cracks are generated on the entire surface. Figure 1 shows the relationship between the number of cycles of TCT and peel strength, and Figure 2 shows the relationship between the number of cycles of TCT and heat-resistant cycle characteristics (health rate η).

【0030】図1から明らかなように、比較例1による
接合基板は当初の接合強度は大きいものの、 TCTによる
接合強度の劣化がはげしいのに対し、実施例1による窒
化アルミニウム−銅接合基板は、 TCTによる強度劣化が
ほとんど見られないことが分かる。また、真空中やアル
ゴン雰囲気中で接合した比較例2、3の接合基板と比べ
ても、ほとんど遜色のない強度特性が得られていること
が分かる。
As is clear from FIG. 1, the bonded substrate according to Comparative Example 1 has a large initial bonding strength, but the deterioration of the bonding strength due to TCT is severe, whereas the aluminum nitride-copper bonded substrate according to Example 1 is It can be seen that the strength deterioration due to TCT is hardly seen. Further, it can be seen that strength characteristics almost comparable to those of the bonded substrates of Comparative Examples 2 and 3 bonded in a vacuum or an argon atmosphere are obtained.

【0031】また、図2から明らかなように、比較例1
による接合基板は TCTのサイクル数の増加と共にクラッ
クが増加しているのに対し、実施例1による窒化アルミ
ニウム−銅接合基板は、 500サイクルの TCT後において
もクラックは発生せず、耐熱サイクル特性が大幅に向上
していることが分かる。また、真空中やアルゴン雰囲気
中で接合した比較例2、3の接合基板と比べても、ほと
んど遜色のない耐熱サイクル特性が得られていることが
分かる。
Further, as is apparent from FIG. 2, Comparative Example 1
While the number of cracks increased with the increase in the number of TCT cycles, the aluminum nitride-copper bonded substrate according to Example 1 did not generate cracks even after 500 cycles of TCT, and the heat-resistant cycle characteristics were excellent. You can see that it has improved significantly. Further, it can be seen that even when compared with the bonded substrates of Comparative Examples 2 and 3 bonded in a vacuum or in an argon atmosphere, heat cycle characteristics that are almost comparable are obtained.

【0032】上述したように、比較例2、3による接合
基板は、実施例1の接合基板とほぼ同等の特性を有して
いるが、製造コストに関しては実施例1の約 1.5倍であ
り、またバッチ式炉を用いているため、極めて量産性に
乏しいものであった。
As described above, the bonded substrates according to Comparative Examples 2 and 3 have almost the same characteristics as the bonded substrate of Example 1, but the manufacturing cost is about 1.5 times that of Example 1. Moreover, since the batch type furnace is used, the mass productivity is extremely poor.

【0033】このように、Inおよび活性金属含有ろう材
を用いることによって、窒素雰囲気中で接合を行った場
合においても高接合強度を得ることができ、さらに接合
温度を低下させることができるため、耐熱サイクル特性
に優れた窒化物系セラミックス−金属接合体を再現性よ
く得ることが可能となる。そして、窒素雰囲気中での接
合を実現することによって、量産性に優れると共に製造
コストが低い連続炉の使用が可能となる。
As described above, by using the brazing filler metal containing In and the active metal, high joining strength can be obtained even when joining is carried out in a nitrogen atmosphere, and the joining temperature can be further lowered. It is possible to reproducibly obtain a nitride ceramics-metal bonded body having excellent heat cycle characteristics. Then, by realizing the joining in the nitrogen atmosphere, it becomes possible to use a continuous furnace which is excellent in mass productivity and has a low manufacturing cost.

【0034】[0034]

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、高
接合強度を有すると共に、耐熱サイクル特性に優れた窒
化物系セラミックス−金属接合体を、連続炉の使用が可
能な窒素雰囲気中で作製(接合)することが可能とな
る。従って、窒化物系セラミックス−金属接合体の工業
製品として極めて重要な信頼性および量産性を大幅に向
上させることが可能となる。
As described above, according to the present invention, a nitride-based ceramic-metal bonded body having a high bonding strength and excellent heat resistance cycle characteristics is provided in a nitrogen atmosphere which can be used in a continuous furnace. It is possible to manufacture (join). Therefore, it is possible to greatly improve reliability and mass productivity, which are extremely important as industrial products of nitride-based ceramics-metal bonded bodies.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】 本発明の一実施例による窒化アルミニウム−
銅接合基板の TCTのサイクル数とピール強度との関係を
示す図である。
FIG. 1 is an aluminum nitride according to an embodiment of the present invention.
It is a figure which shows the relationship between the cycle number of TCT of a copper joining substrate, and peel strength.

【図2】 本発明の一実施例による窒化アルミニウム−
銅接合基板の TCTのサイクル数と耐熱サイクル特性(健
全率η)との関係を示す図である。
FIG. 2 shows aluminum nitride according to an embodiment of the present invention.
It is a figure which shows the relationship between the cycle number of TCT of a copper joining board, and a heat resistance cycle characteristic (health rate η).

Claims (2)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 窒化物系セラミック板と、前記窒化物系
セラミック体にろう材層を介して接合された金属板とを
具備する接合体であって、 前記窒化物系セラミック板と金属板とが、Ti、Zr、Hfお
よびNbから選ばれた少なくとも 1種の活性金属とInとを
含む前記ろう材層を介して窒素雰囲気中で接合されてな
ることを特徴とする窒化物系セラミックス−金属接合
体。
1. A bonded body comprising a nitride-based ceramic plate and a metal plate bonded to the nitride-based ceramic body via a brazing material layer, wherein the nitride-based ceramic plate and the metal plate. Is a nitride-based ceramic-metal, which is bonded in a nitrogen atmosphere through the brazing material layer containing at least one active metal selected from Ti, Zr, Hf and Nb and In. Zygote.
【請求項2】 窒化物系セラミック板および金属板の少
なくとも一方の表面に、Ti、Zr、HfおよびNbから選ばれ
た少なくとも 1種の活性金属とInとを含むろう材ペース
トの塗布層を形成する工程と、 前記ろう材ペーストの塗布層を介して、前記窒化物系セ
ラミック板と金属板とを積層する工程と、 前記積層体を窒素雰囲気中で焼成し、前記窒化物系セラ
ミック板と金属板とを接合する工程とを有することを特
徴とする窒化物系セラミックス−金属接合体の製造方
法。
2. A coating layer of a brazing filler metal paste containing In and at least one active metal selected from Ti, Zr, Hf and Nb is formed on at least one surface of a nitride ceramic plate and a metal plate. And a step of laminating the nitride ceramic plate and the metal plate via the brazing material paste coating layer, firing the laminated body in a nitrogen atmosphere, and the nitride ceramic plate and the metal. A method for manufacturing a nitride-based ceramics-metal bonded body, which comprises a step of bonding with a plate.
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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WO2022244769A1 (en) 2021-05-19 2022-11-24 株式会社 東芝 Bonded object production method and production method for ceramic circuit substrate using same
EP4112586A1 (en) * 2021-06-29 2023-01-04 Heraeus Deutschland GmbH & Co. KG Method for producing a metal/ceramic substrate using a continuous furnace
EP4112587A1 (en) * 2021-06-29 2023-01-04 Heraeus Deutschland GmbH & Co. KG Method for producing a metal-ceramic substrate though rapid heating

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