JPH0748180A - Ceramic-metal conjugate - Google Patents

Ceramic-metal conjugate

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JPH0748180A
JPH0748180A JP19234593A JP19234593A JPH0748180A JP H0748180 A JPH0748180 A JP H0748180A JP 19234593 A JP19234593 A JP 19234593A JP 19234593 A JP19234593 A JP 19234593A JP H0748180 A JPH0748180 A JP H0748180A
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JP
Japan
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copper
ceramic
substrate
bonded
metal
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JP19234593A
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Japanese (ja)
Inventor
Masanori Hirano
正典 平野
Noriyoshi Yamauchi
則義 山内
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Noritake Co Ltd
Original Assignee
Noritake Co Ltd
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Publication of JPH0748180A publication Critical patent/JPH0748180A/en
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Abstract

PURPOSE:To obtain a ceramic-metal conjugate prevented from developing debonding or cracking under heat cycle environment with thermal shock by jointing a specific ceramic sintered compact to either metallic copper, copper alloy, metallic aluminum or aluminum alloy. CONSTITUTION:First, magnesia powder or its mixture with spinel powder is incorporated with a sintering auxiliary followed by pressure molding and then sintering at 1200-1850 deg.C to obtain a ceramic substrate 10>=9.5X10<-6>/ deg.C in average thermal expansion coefficient as magnesia sintered compact or spinel-magnesia sintered compact. Second, silver-copper-based alloy foils containing an active metal and cut to specified shape are placed on both surfaces of this substrate followed by heat treatment at 850 deg.C for 15min at 5X10<-5>Torr under a load of e.g. 0.3g/m<2> through spacers, thus obtaining the objective substrate 20 where copper plates 18 are jointed to both the surfaces of the ceramic substrate 10 through an alloy layer (joint layer) 16, i.e., either active metal-contg. alloy layer, a solidified matter layer from a eutectic melt composed of copper and copper oxide, or layer of compound with the ceramic sintered compact component (s).

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、セラミックス−金属接
合体に関し、特に耐熱衝撃性に優れたセラミックス−金
属接合体に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a ceramic-metal bonded body, and more particularly to a ceramic-metal bonded body excellent in thermal shock resistance.

【0002】[0002]

【従来の技術】近年、コンピュータや通信機器はもとよ
り、産業機器から家電製品に至るまで、あらゆる電子機
器は小型化、高性能化の傾向が著しく、使用される半導
体も大電力化、高集積化およびモジュール化の方向に進
展しており、特に高出力ICやパワーモジュール用の半
導体実装基板には高い放熱特性が要求されている。熱エ
ネルギーを放散させ、温度上昇を抑制する冷却部品とし
ての放熱体、ヒートシンクとしては、従来、アルミナ、
ベリリア、窒化アルミニウム、炭化ケイ素、立方晶窒化
ホウ素、ダイヤモンド等のセラミックスや、アルミニウ
ム、アルミニウム合金、銅、銅合金、タングステン、モ
リブデン等の金属があり、目的に応じて選択され、或い
は組み合わせて用いられている。中でも、アルミナや窒
化アルミニウムは、熱伝導性、電気的絶縁性に優れ、機
械的特性にも優れていることから、高放熱性と高絶縁性
を兼ね備えた材料として、従来から例えば銅やアルミニ
ウム等の回路板を接合してセラミックス基板として用い
られている。特に、銅は高熱伝導且つ低抵抗であるた
め、大電力に対応するために必須のものとされている。
2. Description of the Related Art In recent years, not only computers and communication devices, but also all kinds of electronic devices, from industrial devices to home electric appliances, have been remarkably miniaturized and have high performance, and semiconductors used have high power and high integration. In addition, there is a trend toward modularization, and high heat dissipation characteristics are particularly required for semiconductor mounting boards for high-power ICs and power modules. As a radiator and heat sink as a cooling component that dissipates thermal energy and suppresses temperature rise, conventionally, alumina,
Ceramics such as beryllia, aluminum nitride, silicon carbide, cubic boron nitride and diamond, and metals such as aluminum, aluminum alloys, copper, copper alloys, tungsten and molybdenum are selected according to the purpose or used in combination. ing. Among them, alumina and aluminum nitride are excellent in thermal conductivity, electrical insulation, and mechanical properties. Therefore, as a material having both high heat dissipation and high insulation, conventionally, for example, copper or aluminum is used. Used as a ceramics substrate by joining the circuit boards of. In particular, since copper has high heat conduction and low resistance, it is essential to cope with high power.

【0003】[0003]

【発明が解決すべき課題】しかしながら、上記のアルミ
ナ、窒化アルミニウムを含む一般的なセラミック焼結体
の熱膨張率は3〜9×10-6/℃程度であるのに対し、
銅、アルミニウム等の金属の熱膨張率は16×10-6
℃以上と大きい。したがって、これらセラミック焼結体
と金属とを接合した場合、接合工程の冷却中に熱膨張率
の差に起因する大きな熱応力が発生して金属板の剥離や
セラミック焼結体の割れが生じたり、或いは接合体中に
残留応力が生じて充分な強度が得られない。また、これ
ら接合体を周囲の温度変化や繰り返し熱衝撃が加わるよ
うなヒートサイクル環境下で使用する場合、熱膨張率の
差に起因して発生する熱応力によりセラミック焼結体の
内部に割れが発生し、接着強度、気密性、電気絶縁性が
低下したり、ついには金属板とセラミック焼結体との間
に剥離が生じると共に、セラミック焼結体が破損に至る
等の欠点があるため、信頼性の高い部品として使用する
ことができないという問題があった。例えば、厚み0.
3mmの銅箔を50×30×0.635mmのアルミナ
基板の両面に接合した従来のヒートシンクの場合、−4
0℃・30分保持、150℃・30分保持を繰り返すヒ
ートサイクルテストにおいては、50乃至200サイク
ル程度で殆ど破損に至る。このため、上記のヒートシン
クは、少なくとも1000サイクル以上の高い耐熱衝撃
性が必要とされるような高信頼性が要求される分野へは
適用することができなかった。
However, the coefficient of thermal expansion of the general ceramic sintered body containing alumina and aluminum nitride is about 3 to 9 × 10 −6 / ° C.
The coefficient of thermal expansion of metals such as copper and aluminum is 16 × 10 -6 /
Greater than ℃. Therefore, when these ceramic sintered body and metal are joined, large thermal stress due to the difference in coefficient of thermal expansion occurs during cooling in the joining process, resulting in peeling of the metal plate or cracking of the ceramic sintered body. Or, a residual stress is generated in the bonded body and sufficient strength cannot be obtained. Further, when these bonded bodies are used in a heat cycle environment where ambient temperature changes and repeated thermal shocks are applied, cracks occur inside the ceramic sintered body due to thermal stress generated due to the difference in coefficient of thermal expansion. Occurs, the adhesive strength, the airtightness, the electrical insulation is deteriorated, and finally, peeling occurs between the metal plate and the ceramic sintered body, and the ceramic sintered body has a defect such as damage, There is a problem that it cannot be used as a highly reliable component. For example, thickness 0.
In the case of a conventional heat sink in which a 3 mm copper foil is bonded to both sides of an alumina substrate of 50 × 30 × 0.635 mm, -4
In a heat cycle test in which holding at 0 ° C. for 30 minutes and holding at 150 ° C. for 30 minutes are repeated, almost damage occurs after about 50 to 200 cycles. Therefore, the heat sink cannot be applied to a field requiring high reliability such as high thermal shock resistance of at least 1000 cycles.

【0004】また、前記のアルミナ、窒化アルミニウム
以外のセラミックヒートシンク材も、何れも熱膨張率が
アルミナと同等程度かそれ以下であり、銅およびアルミ
ニウムの熱膨張率との差が大きく、これら従来使用され
ているようなセラミックヒートシンク材と銅或いはアル
ミニウムとの接合体においても、上記のアルミナと銅を
接合したヒートシンクの場合と同様に耐熱衝撃性に劣る
という問題があった。
Further, the ceramic heat sink materials other than the above-mentioned alumina and aluminum nitride all have a coefficient of thermal expansion equal to or less than that of alumina, and have a large difference from the coefficients of thermal expansion of copper and aluminum. Even with such a bonded body of a ceramic heat sink material and copper or aluminum, there is a problem that the thermal shock resistance is inferior as in the case of the above-described heat sink in which alumina and copper are bonded.

【0005】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展性に富む緩衝材等を介挿す
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。
Therefore, at the joint interface between the ceramic sintered body and the metal, a cushioning material having a coefficient of thermal expansion intermediate between the two and a thermal stress as disclosed in JP-A-56-41879 are produced by plastic deformation. Although a method of inserting a cushioning material having a high malleability to be absorbed is used, the former method has a considerable difference in the coefficient of thermal expansion between the cushioning material and the ceramic sintered body. There is a problem that the resulting thermal stress occurs,
The latter method has a problem that when the generated thermal stress is extremely large, the plastic deformation of the cushioning material cannot sufficiently absorb the stress.

【0006】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、特に低温(例
えば−50〜−40℃程度)と高温(例えば+150℃
程度)との間の加熱・冷却を長期に渡り繰り返すような
熱衝撃が加わるヒートサイクル環境下において、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
等の問題を好適に緩和し得るセラミックス−金属接合体
を提供することにある。
The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object thereof is temperature change, particularly low temperature (eg -50 to -40 ° C) and high temperature (eg + 150 ° C).
In a heat cycle environment in which heating and cooling are repeated for a long period of time, a problem such as peeling of the metal from the ceramic sintered body and cracks in the ceramic sintered body can be appropriately mitigated. It is to provide a ceramics-metal bonded body.

【0007】[0007]

【課題を解決するための手段】斯かる目的を達成するた
めに、本発明の要旨とするところは、セラミック焼結体
に金属板が接合されているセラミックス−金属接合体で
あって、そのセラミック焼結体は、平均熱膨張率が9.
5×10-6/℃以上であるマグネシア焼結体またはスピ
ネル−マグネシア焼結体であり、該金属板は、銅、銅合
金、アルミニウム、アルミニウム合金のうちの何れかか
ら成ることを特徴とする。
In order to achieve such an object, the gist of the present invention is a ceramic-metal bonded body in which a metal plate is bonded to a ceramic sintered body. The average thermal expansion coefficient of the sintered body is 9.
It is a magnesia sintered body or a spinel-magnesia sintered body having a density of 5 × 10 −6 / ° C. or more, and the metal plate is made of any one of copper, copper alloy, aluminum and aluminum alloy. .

【0008】[0008]

【作用および発明の効果】このようにすれば、セラミッ
ク焼結体として熱膨張率が比較的大きく9.5×10-6
/℃以上であるマグネシア焼結体およびスピネル−マグ
ネシア焼結体が用いられているため、接合される金属板
との熱膨張率の差が小さくなる。そのため、接合する際
の残留応力が低減されると共に、温度変化が大きい、特
に加熱・冷却を長期に渡り繰り返すような熱衝撃が加わ
るヒートサイクル環境下においても、発生する熱応力が
大幅に低減されて、セラミック焼結体と金属板との剥離
やセラミック焼結体のクラックの発生が好適に緩和さ
れ、耐久性、信頼性に優れたセラミックス−金属接合体
が得られる。また、金属板に高熱伝導率の銅、銅合金、
アルミニウム、アルミニウム合金の何れかが用いられて
いるため、高い放熱性が得られ、一層耐久性、信頼性に
優れたセラミックス−金属接合体が得られる。例えば、
前記の50×30×0.635mmの寸法形状におい
て、従来のアルミナ或いは窒化アルミニウム基板に銅板
を接合した場合と比較して、少なくとも10倍以上すな
わち、500サイクル以上の耐熱サイクル特性を有す
る。
[Effects and Effects of the Invention] In this way, the coefficient of thermal expansion of the ceramic sintered body is relatively large and is 9.5 × 10 -6.
Since the magnesia sintered body and the spinel-magnesia sintered body having a temperature of / ° C or higher are used, the difference in the coefficient of thermal expansion from the metal plate to be joined is small. Therefore, the residual stress at the time of joining is reduced, and the thermal stress generated is greatly reduced even in a heat cycle environment where the temperature change is large, especially when a thermal shock such as repeated heating and cooling is applied for a long period of time. Thus, peeling between the ceramic sintered body and the metal plate and generation of cracks in the ceramic sintered body are appropriately alleviated, and a ceramic-metal bonded body excellent in durability and reliability can be obtained. In addition, high heat conductivity copper, copper alloy,
Since either aluminum or an aluminum alloy is used, high heat dissipation can be obtained, and a ceramic-metal bonded body having more excellent durability and reliability can be obtained. For example,
In the 50 × 30 × 0.635 mm dimension and shape, it has a heat resistance cycle characteristic of at least 10 times or more, that is, 500 cycles or more, as compared with the case of bonding a copper plate to a conventional alumina or aluminum nitride substrate.

【0009】また、好適には、前記金属板は銅または銅
合金であって、その金属板と前記セラミック焼結体が、
活性金属を含有する合金層、銅と銅酸化物の共晶融体の
凝固物層、或いは銅と前記セラミック焼結体の成分との
化合物層のうちの何れかの接合層を介して接合されてい
る。このようなセラミックス−金属接合体は、金属板と
接合層、セラミック焼結体と接合層がそれぞれ強固に接
合されて、高い接合強度が得られる。
Further, preferably, the metal plate is copper or a copper alloy, and the metal plate and the ceramic sintered body are
Bonded through any bonding layer of an alloy layer containing an active metal, a solidified layer of a eutectic melt of copper and copper oxide, or a compound layer of copper and a component of the ceramic sintered body. ing. In such a ceramics-metal bonded body, the metal plate and the bonding layer are firmly bonded to each other, and the ceramic sintered body and the bonding layer are bonded firmly to each other, so that high bonding strength is obtained.

【0010】また、好適には、前記金属板の少なくとも
一部に回路が形成されており、前記セラミック焼結体は
半導体実装用の基板或いはパッケージである。このよう
なセラミックス−金属接合体は、パワー半導体モジュー
ル等に用いられた際には、半導体や電子部品等で発生し
た熱が好適に放散されると共に、温度変化が生じた際に
も剥離、クラック等の発生がなく、また、金属板に用い
られている銅、銅合金、アルミニウム、アルミニウム合
金は低抵抗でもあるため、大電流、大電力回路用として
高信頼性を要求される基板或いはパッケージとして好適
であり、パワートランジスタモジュール、マイクロ波ト
ランジスタモジュール、パワーハイブリッドIC基板等
に用いられ得る。
Further, preferably, a circuit is formed on at least a part of the metal plate, and the ceramic sintered body is a substrate or a package for semiconductor mounting. When such a ceramic-metal bonded body is used in a power semiconductor module or the like, heat generated in a semiconductor or an electronic component is appropriately dissipated, and peeling or cracking occurs even when a temperature change occurs. Since copper, copper alloys, aluminum, and aluminum alloys used for metal plates also have low resistance, they can be used as substrates or packages that require high reliability for large current and large power circuits. It is suitable and can be used for a power transistor module, a microwave transistor module, a power hybrid IC substrate, and the like.

【0011】[0011]

【実施例】以下に、本発明の一実施例を、図面を参照し
て説明する。
An embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings.

【0012】表1の組成の活性金属を含有する銀−銅系
混合粉末に例えばエチルセルロースとテルピネオールを
主成分とするビヒクルを添加・混合し、例えば三本ロー
ルミルで混練して混合粉末ペーストP1〜P13 を作製し
た。また、別途表1の組成の、活性金属を含有する銀−
銅系合金箔(厚さ50μm)H1〜H13 を用意した。
For example, a vehicle containing ethyl cellulose and terpineol as the main components is added to and mixed with the silver-copper mixed powder containing the active metal having the composition shown in Table 1, and the mixture is kneaded with, for example, a three-roll mill to mix powder pastes P1 to P13. Was produced. In addition, silver containing an active metal having a composition shown in Table 1-
Copper-based alloy foils (thickness 50 μm) H1 to H13 were prepared.

【0013】[0013]

【表1】 [Table 1]

【0014】次に、例えば、マグネシウム化合物(例え
ば水酸化マグネシウム、塩基性炭酸マグネシウム等のマ
グネシウム塩)を熱分解して得られるマグネシウム粉末
に、必要に応じて焼結助剤を添加して加圧成形後、所定
の温度(例えば1200乃至1850℃)で焼結して、
例えば50×33×0.6mmの寸法の表2に示すNo.1
〜No.8のセラミック基板(マグネシア基板)10を得
た。このセラミック基板10の両面に前記の混合粉末ペ
ーストP1〜P13 を約20μmの厚さで印刷後、130℃
で乾燥し、印刷層12が両面に形成された104種の図
1に示すような印刷基板14を得た。この印刷基板14
の一方の面(図1における上面)には、図1においては
模式的に示す所定の回路パターンが形成されている。次
に、これら印刷基板14を例えばN2 雰囲気下600℃
で脱脂し、印刷基板14の両面の印刷層12上にそれぞ
れ厚さ300μmおよび350μmの無酸素銅板を載置
し、スペーサを介して例えば0.3g/mm2 の荷重を
かけて例えば5×10-5torrの真空中850℃で15分
間加熱処理して図2に示すような、セラミック基板10
の両面に合金層16を介して銅板18が接合されたセラ
ミック接合基板20を得た。なお、本実施例において
は、合金層16が接合層に相当する。
Next, for example, a sintering aid is added to the magnesium powder obtained by thermally decomposing a magnesium compound (eg, magnesium salt such as magnesium hydroxide or basic magnesium carbonate), and a pressure is applied. After molding, sinter at a predetermined temperature (eg 1200 to 1850 ° C),
For example, No. 1 shown in Table 2 with dimensions of 50 × 33 × 0.6 mm
No. 8 ceramic substrates (magnesia substrates) 10 were obtained. After printing the mixed powder pastes P1 to P13 with a thickness of about 20 μm on both surfaces of the ceramic substrate 10, the temperature is 130 ° C.
Then, 104 kinds of printed boards 14 as shown in FIG. 1 having printed layers 12 formed on both sides thereof were obtained. This printed circuit board 14
A predetermined circuit pattern schematically shown in FIG. 1 is formed on one surface (the upper surface in FIG. 1). Next, these printed circuit boards 14 are subjected to, for example, N 2 atmosphere at 600 ° C.
Degreasing is performed, and an oxygen-free copper plate having a thickness of 300 μm and a thickness of 350 μm are respectively placed on the printing layers 12 on both sides of the printed board 14, and a load of, for example, 0.3 g / mm 2 is applied via a spacer, for example, 5 × 10 5. The ceramic substrate 10 as shown in FIG. 2 is obtained by heat treatment at 850 ° C. for 15 minutes in a vacuum of −5 torr.
A ceramic bonded substrate 20 was obtained in which the copper plates 18 were bonded to both surfaces of the copper plate 18 via the alloy layer 16. In this example, the alloy layer 16 corresponds to the bonding layer.

【0015】[0015]

【表2】 [Table 2]

【0016】また、別途上記の表2に示すNo.1〜No.8の
セラミック基板10の両面に前記合金箔H1〜H13 を所定
の形状に切断して載置し、更にこの合金箔上に厚さ30
0μmの無酸素銅板を載置し、スペーサを介して例えば
0.3g/mm2 の荷重をかけて、例えば5×10-5to
rrの真空中850℃で15分間加熱処理して、前述の混
合粉末ペーストP1〜P13 を用いた場合と同様に、図2に
示すようなセラミック基板10の両面に合金層16を介
して銅板18が接合されたセラミック接合基板20を得
た。
Separately, the alloy foils H1 to H13 are cut into a predetermined shape and placed on both surfaces of the ceramic substrate 10 of No. 1 to No. 8 shown in Table 2 above, and further placed on this alloy foil. Thickness 30
An oxygen-free copper plate of 0 μm is placed, a load of, for example, 0.3 g / mm 2 is applied through a spacer, and, for example, 5 × 10 −5 to
Heat treatment was performed at 850 ° C. for 15 minutes in a vacuum of rr, and copper plates 18 were formed on both surfaces of the ceramic substrate 10 with the alloy layers 16 interposed therebetween on both sides of the ceramic substrate 10 as shown in FIG. A ceramic bonded substrate 20 bonded with was obtained.

【0017】また、前記セラミック基板と同寸法・形状
のNo.9のアルミナ基板およびNo.10の窒化アルミニウム
基板を別途用意し、上記と同様に混合粉末P1〜P13 およ
び合金箔H1〜H13 を用いて、比較例として銅−アルミナ
接合基板、銅−窒化アルミニウム接合基板をそれぞれ作
製した。
Separately, a No. 9 alumina substrate and a No. 10 aluminum nitride substrate having the same size and shape as the ceramic substrate were prepared separately, and mixed powders P1 to P13 and alloy foils H1 to H13 were used in the same manner as above. As a comparative example, a copper-alumina bonded substrate and a copper-aluminum nitride bonded substrate were respectively manufactured.

【0018】これらの得られたセラミック接合基板20
および銅−アルミナ接合基板、銅−窒化アルミニウム接
合基板の接合強度をピール強度試験により測定したとこ
ろ、何れの試料も10kg/cm以上であった。なお、
ピール強度試験は、接合基板に引張端子を接合し、銅板
をセラミック基板に対して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。
These obtained ceramic bonded substrates 20
When the peel strength of the copper-alumina bonded substrate and the copper-aluminum nitride bonded substrate was measured by a peel strength test, all the samples were 10 kg / cm or more. In addition,
The peel strength test is obtained by bonding a tensile terminal to a bonded substrate, peeling a copper plate from a ceramic substrate in a direction of 90 ° with a tensile tester, and measuring a load when peeled.

【0019】次に、セラミック接合基板20および銅−
アルミナ接合基板、銅−窒化アルミニウム接合基板の耐
熱衝撃性を評価するため、熱衝撃試験機内で−50℃に
30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、セラミッ
ク接合基板20(すなわち表2のNo.1〜No.8のマグネシ
ア基板を用いた接合基板)は、何れも2000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、同時に試験を行った比較例であるNo.9,No.10 の
銅−アルミナ接合基板および銅−窒化アルミニウム接合
基板は、何れの試料もそれぞれ100乃至150サイク
ル後および50乃至100サイクル後にセラミック側に
割れが発生すると共に銅板が剥離した。以上の試験か
ら、本実施例のセラミック接合基板20は、高い接合強
度を有すると共に、従来の10倍以上の高い耐熱衝撃性
を有することが確認された。
Next, the ceramic bonded substrate 20 and the copper-
In order to evaluate the thermal shock resistance of the alumina-bonded substrate and the copper-aluminum-nitride bonded substrate, a series of steps of holding at −50 ° C. for 30 minutes in the thermal shock tester, heating to 150 ° C., and holding for 30 minutes was defined as one cycle. The test was repeated. The temperature was adjusted very quickly by sending cold or hot air into the tester. As a result, in the ceramic bonded substrate 20 (that is, the bonded substrates using the magnesia substrates of No. 1 to No. 8 in Table 2), neither crack nor peeling was observed even after 2000 cycles. On the other hand, the No. 9 and No. 10 copper-alumina bonded substrates and the copper-aluminum nitride bonded substrates, which are comparative examples that were simultaneously tested, were tested after 100 to 150 cycles and 50 to 100 cycles, respectively. Later, cracks occurred on the ceramic side and the copper plate peeled off. From the above test, it was confirmed that the ceramic bonded substrate 20 of this example has a high bonding strength and a thermal shock resistance 10 times or more higher than the conventional one.

【0020】すなわち、本実施例のセラミック接合基板
20は、セラミック基板10として熱膨張率が比較的大
きなマグネシア焼結体が用いられているため、接合され
た銅板18との熱膨張率の差が小さい。したがって、温
度変化が生じた際にも熱膨張率の差に起因して発生する
熱応力が比較的小さく、従来のアルミナ基板および窒化
アルミニウム基板が用いられた接合基板に比して高い耐
久性を示すのである。
That is, in the ceramic bonded substrate 20 of this embodiment, since the magnesia sintered body having a relatively large coefficient of thermal expansion is used as the ceramic substrate 10, there is a difference in the coefficient of thermal expansion from the bonded copper plate 18. small. Therefore, even when the temperature changes, the thermal stress caused by the difference in the coefficient of thermal expansion is relatively small, and the durability is higher than that of the bonded substrate using the conventional alumina substrate and aluminum nitride substrate. To show.

【0021】また、マグネシア焼結体は、表2に示すよ
うに熱伝導率がアルミナよりも比較的大きいため比較的
放熱性に優れ、ヒートシンク等に用いられた際にセラミ
ック基板10側で発生した熱が金属板すなわち銅板18
側から好適に伝達されて金属板側から好適に放散され、
一層信頼性が高いセラミックス−金属接合体が得られ
る。
Further, as shown in Table 2, since the magnesia sintered body has a relatively higher thermal conductivity than alumina, the magnesia sintered body is relatively excellent in heat dissipation and is generated on the ceramic substrate 10 side when used as a heat sink or the like. Heat is a metal or copper plate 18
Is preferably transmitted from the side and is preferably dissipated from the side of the metal plate,
A more reliable ceramic-metal bonded body can be obtained.

【0022】また、金属体として高熱伝導率、低抵抗の
銅板18が用いられ、一方の面の銅板18には回路が形
成されているため、放熱性に優れていると共に大電流に
対応することができ、大電力回路用としても信頼性が高
いセラミックス−金属接合体が得られる。
Further, since a copper plate 18 having a high thermal conductivity and a low resistance is used as the metal body and a circuit is formed on the copper plate 18 on one surface, it is excellent in heat dissipation and can cope with a large current. And a highly reliable ceramic-metal bonded body can be obtained even for a large power circuit.

【0023】また、セラミック基板10と銅板18とが
活性金属を含む銀−銅系合金層を介して接合されるた
め、加熱処理時に活性金属がセラミック基板10と銅板
18の界面近傍で拡散して、一層高い接合強度が得られ
る。
Further, since the ceramic substrate 10 and the copper plate 18 are bonded via the silver-copper alloy layer containing the active metal, the active metal diffuses near the interface between the ceramic substrate 10 and the copper plate 18 during the heat treatment. Further, higher joint strength can be obtained.

【0024】また、接合する金属板として無酸素銅板が
用いられているため、銅板と合金層との濡れ性が良好で
あり、且つ、接合層中の活性金属と銅板中の酸素との反
応に起因する活性金属の活性の低下がないので、銅板と
セラミック焼結体との強固な接合体が得られる。
Further, since the oxygen-free copper plate is used as the metal plate to be bonded, the wettability between the copper plate and the alloy layer is good, and the reaction between the active metal in the bonding layer and the oxygen in the copper plate is good. Since there is no decrease in the activity of the active metal due to this, a strong joined body of the copper plate and the ceramic sintered body can be obtained.

【0025】また、略同厚みの銅板18がセラミック基
板10の両面に接合されているため、温度変化に起因す
る熱応力が発生した際にも両面で発生した熱応力が相殺
されて、一層耐久性の高いセラミック接合基板20が得
られる。
Further, since the copper plates 18 having substantially the same thickness are bonded to both sides of the ceramic substrate 10, even when thermal stress caused by temperature change is generated, the thermal stress generated on both sides is offset to further improve durability. The ceramic bonded substrate 20 having high properties is obtained.

【0026】なお、本実施例のセラミック接合基板20
は、上述のように熱応力が低減される構造とされている
ため、従来の接合基板に比して、前記加熱処理時の冷却
時間を短くすることが可能である。したがって、製造工
程が短縮されるとともに加熱処理の制御が簡単になっ
て、低コスト化が為される。なお、従来よりもきわめて
早い冷却速度(すなわち、銅−アルミナ接合基板であれ
ば剥離或いはアルミナ基板のクラックが生じる速度)を
採ったセラミック接合基板20を、前記熱衝撃試験機で
評価したところ、1000サイクル以上の耐熱衝撃性を
有することが確認された。
The ceramic bonded substrate 20 of this embodiment is used.
Since it has a structure in which the thermal stress is reduced as described above, it is possible to shorten the cooling time during the heat treatment as compared with the conventional bonded substrate. Therefore, the manufacturing process is shortened, the heat treatment is easily controlled, and the cost is reduced. The ceramic-bonded substrate 20 having a significantly higher cooling rate than the conventional one (that is, the rate at which a copper-alumina bonded substrate causes peeling or cracks in the alumina substrate) was evaluated by the thermal shock tester to be 1000. It was confirmed to have a thermal shock resistance equal to or longer than the cycle.

【0027】次に、本発明の他の実施例を説明する。Next, another embodiment of the present invention will be described.

【0028】表1の組成の活性金属を含有する銀−銅系
混合粉末に対し、20内部重量%の高融点金属粉末(例
えば、タングステン(W)粉末またはモリブデン(M
o)粉末或いはこれらの混合粉末)を加えた後、前記第
1実施例と同様にして、銀−銅系混合粉末にW或いはM
oを含有する13種類のペーストP14 〜P26 を作製し
た。
With respect to the silver-copper mixed powder containing the active metal having the composition shown in Table 1, 20 internal weight% of refractory metal powder (for example, tungsten (W) powder or molybdenum (M
o) powder or a mixed powder thereof, and then adding W or M to the silver-copper mixed powder in the same manner as in the first embodiment.
13 kinds of pastes P14 to P26 containing o were prepared.

【0029】次に、表2のNo.1〜No.8のマグネシア基板
を用い、第1実施例と同様にして基板10両面に上記ペ
ーストP14 〜P26 を印刷し、脱脂後無酸素銅板を載置し
て、1×10-5torrの真空中850℃で15分間加熱し
て図2に示すようなセラミック基板10の両面に銅板1
8が接合されたセラミックス−金属接合基板20を得
た。得られた接合基板20のピール強度は何れも10k
g/cm以上であった。この接合基板20も第1実施例
と同様に耐熱衝撃性を評価したところ、何れも2000
サイクル後においてセラミック基板10のクラックや銅
板18の剥離は認められなかった。
Next, using No. 1 to No. 8 magnesia substrates shown in Table 2, pastes P14 to P26 are printed on both surfaces of the substrate 10 in the same manner as in the first embodiment, and after degreasing, an oxygen-free copper plate is mounted. Then, heat at 850 ° C. for 15 minutes in a vacuum of 1 × 10 −5 torr, and apply copper plates 1 to both sides of the ceramic substrate 10 as shown in FIG.
A ceramics-metal bonded substrate 20 having 8 bonded thereto was obtained. The peel strength of each of the obtained bonded substrates 20 is 10 k.
It was g / cm or more. The joint substrate 20 was also evaluated for thermal shock resistance in the same manner as in the first embodiment.
After the cycle, neither cracking of the ceramic substrate 10 nor peeling of the copper plate 18 was observed.

【0030】本実施例においても、前述の第1実施例と
同様にセラミック基板10と銅板18との熱膨張率差が
小さく、発生する熱応力が緩和されるために、高い耐熱
衝撃性を有し、高い信頼性のセラミックス−金属接合体
が得られる。また、本実施例においては、セラミック基
板10と銅板18とが銀−銅系混合粉末に高融点金属粉
末が含有された合金層を介して接合されているため、合
金層の熱膨張率が高融点金属により小さくされて、セラ
ミック基板10と銅板18との熱膨張率の差に起因する
熱応力が一層低減され、一層耐熱衝撃性に優れ、高い信
頼性を有するセラミックス−金属接合体が得られる。
Also in this embodiment, as in the first embodiment, the difference in the coefficient of thermal expansion between the ceramic substrate 10 and the copper plate 18 is small and the generated thermal stress is relaxed, so that it has high thermal shock resistance. Therefore, a highly reliable ceramic-metal bonded body can be obtained. Further, in this embodiment, since the ceramic substrate 10 and the copper plate 18 are bonded to each other via the alloy layer containing the high melting point metal powder in the silver-copper mixed powder, the coefficient of thermal expansion of the alloy layer is high. The thermal stress due to the difference in the coefficient of thermal expansion between the ceramic substrate 10 and the copper plate 18 is further reduced by being made smaller by the melting point metal, and a ceramic-metal bonded body having more excellent thermal shock resistance and high reliability can be obtained. .

【0031】次に、本発明の更に他の実施例を説明す
る。
Next, still another embodiment of the present invention will be described.

【0032】例えばマグネシア粉末とスピネル粉末を所
定の割合で混合して加圧成形することによって得られ
た、50×33×0.6mmの寸法の表3に示したNo.1
1 〜No.16 のスピネル−マグネシア基板(焼結体)を用
いた以外は第1実施例と同様にして前記混合粉末ペース
トP1〜P13 および合金箔(厚さ50μm)H1〜H13 を用
いて、図2に示すように無酸素銅板が基板両面に接合さ
れたセラミックス接合基板(スピネル−マグネシア系接
合基板)20を得た。また、比較例としてNo.17のスピ
ネル基板を用いて同様にして銅−スピネル接合基板を作
製した。これらの得られたセラミック接合基板20およ
び銅−スピネル接合基板のピール強度を測定したとこ
ろ、何れも10kg/cm以上の値を示した。
For example, No. 1 shown in Table 3 having a size of 50 × 33 × 0.6 mm obtained by mixing magnesia powder and spinel powder in a predetermined ratio and press-molding.
Using the mixed powder pastes P1 to P13 and the alloy foils (thickness 50 μm) H1 to H13 in the same manner as in the first embodiment except that the 1 to No. 16 spinel-magnesia substrates (sintered bodies) were used, As shown in FIG. 2, a ceramics-bonded substrate (spinel-magnesia-based bonded substrate) 20 having oxygen-free copper plates bonded to both surfaces of the substrate was obtained. Further, as a comparative example, a copper-spinel bonded substrate was produced in the same manner using the No. 17 spinel substrate. When the peel strengths of the obtained ceramic bonded substrate 20 and copper-spinel bonded substrate were measured, all showed a value of 10 kg / cm or more.

【0033】[0033]

【表3】 [Table 3]

【0034】次に、上記のセラミック接合基板20およ
び銅−スピネル接合基板を第1実施例と同様に耐熱衝撃
性を評価したところ、セラミック接合基板20は、何れ
も1000サイクル後においてもセラミック基板10の
クラックや銅板18の剥離は認められなかった。これに
対し、比較例の熱膨張率が7.6×10-6と低いNo.17
の組成の基板を用いた銅−スピネル接合基板は、200
サイクル後に基板にクラックが発生すると共に、銅板1
8の剥離が生じた。
Next, the thermal shock resistance of the above-mentioned ceramic bonded substrate 20 and copper-spinel bonded substrate was evaluated in the same manner as in the first embodiment, and it was found that the ceramic bonded substrate 20 was ceramic substrate 10 even after 1000 cycles. No cracks or peeling of the copper plate 18 were observed. On the other hand, the thermal expansion coefficient of the comparative example is as low as 7.6 × 10 -6 , No. 17
The copper-spinel bonded substrate using the substrate having the composition of
After the cycle, the board cracked and the copper plate 1
8 peeling occurred.

【0035】すなわち、本実施例においても、セラミッ
ク接合基板20は、第1実施例と同様に、セラミック基
板10と銅板18との熱膨張率の差が小さいため、温度
変化が生じた際に発生する熱応力が低減され、高い耐熱
衝撃性、耐久性を示すのである。
That is, also in the present embodiment, the ceramic bonded substrate 20 has a small difference in the coefficient of thermal expansion between the ceramic substrate 10 and the copper plate 18 as in the first embodiment, and therefore occurs when a temperature change occurs. The resulting thermal stress is reduced, and high thermal shock resistance and durability are exhibited.

【0036】また、本実施例においては、マグネシアに
スピネルが混合されたセラミック焼結体を基板として用
いているため、マグネシア焼結体の消化による基板の損
傷が抑制されて、一層高い耐久性と信頼性が得られる。
これは、マグネシアの結晶粒界にスピネルが分散される
ことによりマグネシアの結晶表面が保護されているため
と考えられる。
Further, in this embodiment, since the ceramic sintered body in which magnesia is mixed with spinel is used as the substrate, the damage of the substrate due to the digestion of the magnesia sintered body is suppressed and the durability is further improved. Reliable.
It is considered that this is because the spinel is dispersed in the crystal grain boundaries of magnesia to protect the crystal surface of magnesia.

【0037】次に本発明の更に他の実施例を説明する。Next, still another embodiment of the present invention will be described.

【0038】50×33×0.6mmの寸法の表2のN
o.1〜No.8(マグネシア焼結体)、表3のNo.11 〜No.16
(スピネル−マグネシア焼結体)のセラミック基板1
0に対し、タフピッチ電解銅箔(厚さ300μmおよび
350μm)を基板の上、下面に載置し、N2 雰囲気中
約1075℃の温度で5分間加熱処理して接合させ、図
2に示すようなセラミック接合基板20を得た。また、
No.9のアルミナ基板、No.10 の窒化アルミニウム基板お
よびNo.17 のスピネル基板を用い、同様にして銅−アル
ミナ接合基板、銅−窒化アルミニウム接合基板、銅−ス
ピネル接合基板を得た。これら得られた接合基板のピー
ル強度を測定したところ、何れも10kg/cm以上の
値を示した。
N in Table 2 with dimensions of 50 × 33 × 0.6 mm
o.1 to No.8 (Magnesia sintered body), No.11 to No.16 in Table 3
(Spinel-Magnesia sintered body) ceramic substrate 1
0, a tough pitch electrolytic copper foil (thickness 300 μm and 350 μm) was placed on the upper and lower surfaces of the substrate, and heat treated at a temperature of about 1075 ° C. for 5 minutes in an N 2 atmosphere to bond them, and as shown in FIG. A ceramic bonded substrate 20 was obtained. Also,
Using the No. 9 alumina substrate, the No. 10 aluminum nitride substrate and the No. 17 spinel substrate, copper-alumina bonded substrates, copper-aluminum nitride bonded substrates and copper-spinel bonded substrates were obtained in the same manner. When the peel strength of each of the obtained bonded substrates was measured, all showed a value of 10 kg / cm or more.

【0039】次に、これらセラミック接合基板20、銅
−アルミナ接合基板、銅−窒化アルミニウム接合基板、
銅−スピネル接合基板を第1実施例と同様に耐熱衝撃性
を評価したところ、セラミック接合基板20(すなわち
No.1〜No.8のマグネシア接合基板およびNo.11 〜No.16
のスピネル−マグネシア接合基板)は、何れも1000
サイクル後においてセラミック基板10のクラックや銅
板18の剥離は認められなかった。これに対し、比較例
であるNo.9の銅−アルミナ接合基板、No.10 の銅−窒化
アルミニウム接合基板、No.17 の銅−スピネル接合基板
はそれぞれ150、100、150サイクル後にセラミ
ック基板側にクラックが発生すると共に、銅板が剥離し
た。
Next, these ceramic bonded substrate 20, copper-alumina bonded substrate, copper-aluminum nitride bonded substrate,
When the thermal shock resistance of the copper-spinel bonded substrate was evaluated in the same manner as in the first embodiment, the ceramic bonded substrate 20 (that is,
No.1 to No.8 magnesia bonded substrates and No.11 to No.16
The spinel-magnesia junction substrate) is 1000
After the cycle, neither cracking of the ceramic substrate 10 nor peeling of the copper plate 18 was observed. In contrast, the No. 9 copper-alumina bonded substrate, No. 10 copper-aluminum nitride bonded substrate, and No. 17 copper-spinel bonded substrate, which are comparative examples, are on the ceramic substrate side after 150, 100, and 150 cycles, respectively. A crack was generated on the copper plate and the copper plate was peeled off.

【0040】すなわち、本発明においても、第1実施例
と同様に、セラミック基板10と銅板18との熱膨張率
の差が小さいため、温度変化が生じた際に発生する熱応
力が低減され、高い耐熱衝撃性、耐久性を示すのであ
る。
That is, also in the present invention, as in the first embodiment, since the difference in the coefficient of thermal expansion between the ceramic substrate 10 and the copper plate 18 is small, the thermal stress generated when a temperature change occurs is reduced. It shows high thermal shock resistance and durability.

【0041】なお、本実施例においては、銅板18はセ
ラミック基板10との共晶反応或いはセラミック基板1
0の成分(主成分、焼結助剤、ガラス形成物質等)との
化合物により接合されており、接合層には共晶融体の凝
固物或いは前記化合物が生成されている。
In the present embodiment, the copper plate 18 reacts with the ceramic substrate 10 by a eutectic reaction or the ceramic substrate 1.
It is bonded by a compound with 0 component (main component, sintering aid, glass forming substance, etc.), and a solidified product of the eutectic melt or the compound is formed in the bonding layer.

【0042】次に、本発明の更に他の実施例を説明す
る。
Next, still another embodiment of the present invention will be described.

【0043】50×33×0.6mmの寸法の表2、表
3のNo.1〜No.8およびNo.11 〜No.16 のセラミック基板
10に対し、厚さ50μmのアルミニウム−シリコンろ
う材を介してアルミニウム板(厚さ300μm)を基板
の上下面に載置し、スペーサを介して例えば0.3g/
mm2 の荷重をかけて10-5torrの真空中610℃の温
度で15分間加熱処理して図2に示すように両面にアル
ミニウム板が接合されたセラミック接合基板20を得
た。同時に、No.9,No.10 ,No.17 のアルミナ基板、窒
化アルミニウム基板、スピネル基板を同様に処理してア
ルミニウム−アルミナ接合基板、アルミニウム−窒化ア
ルミニウム接合基板、アルミニウム−スピネル接合基板
を得た。これら得られた接合基板のピール強度を測定し
たところ、何れも8kg/cm以上であった。
Aluminum-silicon brazing filler metal having a thickness of 50 μm was applied to No. 1 to No. 8 and No. 11 to No. 16 ceramic substrates 10 of Tables 2 and 3 having dimensions of 50 × 33 × 0.6 mm. An aluminum plate (thickness: 300 μm) is placed on the upper and lower surfaces of the substrate through the spacer, and a spacer, for example, 0.3 g /
A load of mm 2 was applied, and heat treatment was performed at a temperature of 610 ° C. for 15 minutes in a vacuum of 10 −5 torr to obtain a ceramic bonded substrate 20 having aluminum plates bonded to both sides as shown in FIG. At the same time, No.9, No.10, and No.17 alumina substrates, aluminum nitride substrates, and spinel substrates were processed in the same manner to obtain aluminum-alumina bonded substrates, aluminum-aluminum nitride bonded substrates, and aluminum-spinel bonded substrates. . When the peel strength of each of the obtained bonded substrates was measured, all were 8 kg / cm or more.

【0044】次に、これらの接合基板を第1実施例と同
様の方法で耐熱衝撃性を評価したところ、セラミック接
合基板20(すなわちNo.1〜No.8のマグネシア接合基板
およびNo.11 〜No.16 のスピネル−マグネシア接合基
板)は、何れも1000サイクル後においてもセラミッ
ク基板10のクラックやアルミニウム板18の剥離は認
められなかった。これに対し、比較例であるNo.9のアル
ミニウム−アルミナ接合基板、No.10 のアルミニウム−
窒化アルミニウム接合基板、No.17 のアルミニウム−ス
ピネル接合基板はそれぞれ150、100、150サイ
クル後にセラミック基板側にクラックが発生すると共
に、アルミニウム板が剥離した。
Next, when the thermal shock resistance of these bonded substrates was evaluated in the same manner as in the first embodiment, the ceramic bonded substrate 20 (that is, the magnesia bonded substrates of No. 1 to No. 8 and No. 11 to No. 11) was evaluated. In No. 16 spinel-magnesia bonded substrate), neither cracking of the ceramic substrate 10 nor peeling of the aluminum plate 18 was observed after 1000 cycles. On the other hand, Comparative Example No. 9 aluminum-alumina bonded substrate, No. 10 Aluminum-
The aluminum nitride bonded substrate and the No. 17 aluminum-spinel bonded substrate were cracked on the ceramic substrate side after 150, 100 and 150 cycles, respectively, and the aluminum plate was peeled off.

【0045】すなわち、本実施例においても、セラミッ
ク接合基板20は、第1実施例と同様に、セラミック基
板10とアルミニウム板18との熱膨張率の差が従来よ
り小さくされているため、温度変化が生じた際に発生す
る熱応力が低減され、高い耐熱衝撃性、耐久性を示すの
である。
That is, also in this embodiment, the ceramic bonded substrate 20 has a difference in the coefficient of thermal expansion between the ceramic substrate 10 and the aluminum plate 18 smaller than that of the conventional one, as in the first embodiment, so that the temperature change. The thermal stress generated when is caused is reduced, and high thermal shock resistance and durability are exhibited.

【0046】図3は、本発明の一実施例である前記のセ
ラミック接合基板20が、パワー半導体モジュール22
に適用された例を模式的に示す図である。セラミック接
合基板20の一方の面に回路パターンを有して接合され
た銅板18の一部には、半導体素子24が半田層26を
介して接合されている。また、半導体素子24は、配線
28により銅板18の他の部分に接続されている。この
パワー半導体モジュール22に用いられているセラミッ
ク接合基板20は、前述の実施例で説明したようにセラ
ミック基板10の、上記半導体素子24が接合されてい
る面とは反対側の面にも放熱板としての銅板18が接合
されて(図2参照)、半導体素子24で発生した熱が好
適に放散されるようになっており、優れた耐熱衝撃性、
耐久性、信頼性を有する。なお、本実施例においては、
合金層16は省略して示してある。
FIG. 3 shows a power semiconductor module 22 in which the ceramic bonding substrate 20 according to the embodiment of the present invention is used.
It is a figure which shows typically the example applied to. A semiconductor element 24 is joined to a part of the copper plate 18 having a circuit pattern and joined to one surface of the ceramic joined substrate 20 via a solder layer 26. Further, the semiconductor element 24 is connected to the other portion of the copper plate 18 by the wiring 28. The ceramic bonding substrate 20 used in the power semiconductor module 22 is the heat dissipation plate on the surface of the ceramic substrate 10 opposite to the surface on which the semiconductor element 24 is bonded, as described in the above embodiments. The copper plate 18 is bonded (see FIG. 2) so that the heat generated in the semiconductor element 24 can be appropriately dissipated, and the excellent thermal shock resistance,
It has durability and reliability. In this example,
The alloy layer 16 is omitted in the drawing.

【0047】図4は、前記セラミック接合基板20が、
他のパワー半導体モジュール30に適用された例を模式
的に示す断面図である。セラミック基板10に半導体素
子24が接合されている面の側の構造は、上述のパワー
半導体モジュール22と概略同様であるので説明を省略
する。セラミック基板10の反対側の面には、合金層1
6を介して銅板18が接合され、更に、ヒートシンク3
2が半田層34を介して接合されている。そのため、上
記のパワー半導体モジュール22に比較して一層効率よ
く半導体素子24で発生した熱が放散される。なお、ヒ
ートシンク32には、一層放熱効率を高めるため、半田
層34の反対側に多くのフィン36が設けられて表面積
を大きくされている。また、本実施例においては、銅板
18は放熱板としてではなく、導体として回路の一部を
形成して用いられている。
In FIG. 4, the ceramic bonding substrate 20 is
It is sectional drawing which shows the example applied to the other power semiconductor module 30 typically. The structure on the side where the semiconductor element 24 is bonded to the ceramic substrate 10 is substantially the same as that of the power semiconductor module 22 described above, and therefore description thereof is omitted. The alloy layer 1 is formed on the opposite surface of the ceramic substrate 10.
The copper plate 18 is joined via 6 and the heat sink 3
2 are joined via the solder layer 34. Therefore, as compared with the power semiconductor module 22 described above, the heat generated in the semiconductor element 24 is dissipated more efficiently. The heat sink 32 is provided with many fins 36 on the opposite side of the solder layer 34 to increase the surface area in order to further improve the heat radiation efficiency. Further, in this embodiment, the copper plate 18 is used not as a heat dissipation plate but as a conductor to form a part of the circuit.

【0048】以上、本発明の一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。
Although one embodiment of the present invention has been described in detail above, the present invention can be implemented in still another mode.

【0049】マグネシア焼結体、スピネル−マグネシア
焼結体の形状は、実施例の板状の他、円柱状等用途に応
じたものにでき、粉末成形体の成形方法は、ドクターブ
レード法、粉末加圧成形法、射出成形法等が用途や形状
に応じて選択される。
The shape of the magnesia sintered body and the spinel-magnesia sintered body can be changed according to the application such as the plate shape of the embodiment, a cylindrical shape, and the like. A pressure molding method, an injection molding method, or the like is selected according to the application and shape.

【0050】また、マグネシウム焼結体の製法は実施例
で示したものに限られず、例えば、高純度の金属マグネ
シウムを高純度の酸素気流中で燃焼(気相酸化)させる
ことによって得られた高純度マグネシウム粉末を用い、
必要に応じて焼結助剤を添加し、所定の形状に成形後焼
成することによっても良い。このようにすれば一層高純
度のマグネシウム焼結体が得られる。上記マグネシウム
粉末は凝集が少なく、焼結性に優れ、特に好ましいもの
である。
The method for producing the magnesium sintered body is not limited to that shown in the examples, and for example, high-purity metallic magnesium obtained by burning (vapor phase oxidation) metallic magnesium in a high-purity oxygen stream. Using pure magnesium powder,
It is also possible to add a sintering aid, if necessary, and to form the material into a predetermined shape, followed by firing. By doing so, a higher purity magnesium sintered body can be obtained. The above-mentioned magnesium powder is particularly preferable because it has less aggregation and is excellent in sinterability.

【0051】また、スピネル−マグネシア焼結体の製法
は実施例で示したものに限られず、例えば、マグネシア
化合物とスピネル化合物との混合物を熱分解して得られ
たスピネル−マグネシア粉末を用いて成形・焼成しても
良い。なお、スピネル−マグネシア混合粉末或いはスピ
ネル粉末の合成方法は、マグネシウム塩とアルミニウム
塩とをスピネル−マグネシア混合組成或いはスピネル組
成になるように混合して共沈物を得る方法(共沈法)
や、凍結乾燥法、噴霧熱分解法、アルコキシド法、水中
火花放電法等が好ましい方法として挙げられる。
Further, the method for producing the spinel-magnesia sintered body is not limited to that shown in the examples, and for example, it is formed by using spinel-magnesia powder obtained by thermally decomposing a mixture of a magnesia compound and a spinel compound.・ It may be baked. The spinel-magnesia mixed powder or the method for synthesizing the spinel powder is a method of mixing a magnesium salt and an aluminum salt so as to have a spinel-magnesia mixed composition or a spinel composition to obtain a coprecipitate (coprecipitation method).
Alternatively, a freeze-drying method, a spray pyrolysis method, an alkoxide method, an underwater spark discharge method and the like can be mentioned as preferable methods.

【0052】マグネシア焼結体およびスピネル−マグネ
シア焼結体には、焼結助剤や副成分が20重量%以下の
範囲で含有されていても差し支えない。但し、焼結体の
特性は熱膨張率が9.5×10-6/℃以上、好ましくは
11×10-6/℃以上、更に好ましくは12.5×10
-6/℃以上が熱応力を低減し、高い耐久性と信頼性を得
るために望ましい。すなわち、接合する金属体の熱膨張
率にできるだけ近づけることにより耐熱サイクル特性が
向上する。また、熱伝導率は0.04cal/cm・sec ・℃
以上、好ましくは0.07cal/cm・sec ・℃以上、更に
好ましくは0.09cal/cm・sec ・℃以上であることが
放熱性の面からは望ましい。
The magnesia sintered body and the spinel-magnesia sintered body may contain a sintering aid and an accessory component in a range of 20% by weight or less. However, the characteristics of the sintered body are such that the coefficient of thermal expansion is 9.5 × 10 −6 / ° C. or higher, preferably 11 × 10 −6 / ° C. or higher, and more preferably 12.5 × 10 6.
A temperature of -6 / ° C or higher is desirable to reduce thermal stress and obtain high durability and reliability. That is, the thermal cycle characteristics are improved by making the thermal expansion coefficient of the metal body to be joined as close as possible. The thermal conductivity is 0.04cal / cm ・ sec ・ ℃
From the viewpoint of heat dissipation, it is preferably 0.07 cal / cm · sec · ° C. or higher, more preferably 0.09 cal / cm · sec · ° C. or higher.

【0053】また、マグネシア焼結体およびスピネル−
マグネシア焼結体の曲げ強度は、15kgf/mm2
上であることが必要である。15kgf/mm2 未満で
は耐熱衝撃性が不充分なものとなる。好ましくは20k
gf/mm2 以上、更に好ましくは25kgf/mm2
以上であることが望ましい。耐熱衝撃性は曲げ強度の関
数であり、曲げ強度を一層高くすることにより、一層高
い耐熱衝撃性が得られる。
Further, a magnesia sintered body and a spinel-
The bending strength of the magnesia sintered body needs to be 15 kgf / mm 2 or more. If it is less than 15 kgf / mm 2 , the thermal shock resistance will be insufficient. Preferably 20k
gf / mm 2 or more, more preferably 25 kgf / mm 2
The above is desirable. Thermal shock resistance is a function of bending strength, and higher thermal shock resistance can be obtained by increasing bending strength.

【0054】また、マグネシア焼結体およびスピネル−
マグネシア焼結体は相対密度が95%以上すなわち気孔
率5%未満であることが好ましい。気孔率が高くなると
機械的強度が低下すると共に、開気孔が増加して吸水性
を有することになり、焼結体の耐水性(すなわち耐消化
性或いは耐水和性)が低下するからである。焼結体の相
対密度は好ましくは97.5%以上(すなわち、気孔率
2.5%未満)、更に好ましくは99%以上(すなわ
ち、気孔率1%未満)が良く、この場合は開気孔率に相
当する吸水率は略0%となって、耐水性にも優れ、機械
的強度も高く、熱伝導率も高い値となる。
Further, a magnesia sintered body and a spinel-
The magnesia sintered body preferably has a relative density of 95% or more, that is, a porosity of less than 5%. This is because as the porosity increases, the mechanical strength decreases, the number of open pores increases, and the water absorbency is obtained, and the water resistance (that is, the digestion resistance or hydration resistance) of the sintered body decreases. The relative density of the sintered body is preferably 97.5% or more (that is, porosity is less than 2.5%), and more preferably 99% or more (that is, porosity is less than 1%). In this case, open porosity is preferable. The water absorption rate corresponding to is approximately 0%, which is excellent in water resistance, high in mechanical strength, and high in thermal conductivity.

【0055】金属板に用いられる、銅、銅合金、アルミ
ニウム、アルミニウム合金は、特に、熱伝導率が0.3
cal/cm・sec ・℃以上であることが望ましく、このよう
な金属板は、熱伝導率が高く、また、導電率が高いの
で、同一形状でも他の金属と比較した場合に比較的大き
な電流を流すことが可能である。このため、一定の電流
を流す回路板としては、他の金属と比較し、金属回路板
の厚みを薄くできるという利点がある。熱伝導率、導電
率が高いという点では中でも単一成分の銅、アルミニウ
ムが好ましい。銅としては、一般に銅純度99.9%以
上であって、無酸素銅、タフピッチ銅、リン酸銅等が挙
げられ、好ましいものである。
Copper, copper alloys, aluminum and aluminum alloys used for metal plates have a thermal conductivity of 0.3 in particular.
It is desirable that cal / cm · sec · ° C or higher.Since such a metal plate has high thermal conductivity and high conductivity, it has a relatively large current when compared with other metals even with the same shape. It is possible to flow. Therefore, as a circuit board for passing a constant current, there is an advantage that the thickness of the metal circuit board can be reduced as compared with other metals. Among them, single component copper and aluminum are preferable in terms of high thermal conductivity and high conductivity. As copper, copper having a purity of 99.9% or more is generally preferred, and examples thereof include oxygen-free copper, tough pitch copper, and copper phosphate.

【0056】マグネシア焼結体またはスピネル−マグネ
シア焼結体と金属板との接合方法は、実施例で示した方
法に限られず、例えば、金属板が銅または銅合金板の場
合、表1に示したような活性金属を含有するろう材を介
し、10-4torr以上の真空中あるいは不活性ガス中にて
800℃乃至1000℃程度の温度範囲に加熱処理して
接合させても良い。或いは、酸素を100乃至3000
ppm程度含有する銅板か予め酸化処理した銅板をマグ
ネシア焼結体またはスピネル−マグネシア焼結体に接触
させ、不活性ガス雰囲気中1000乃至1100℃の温
度範囲で加熱処理することにより接合させることも可能
である。この場合は、前述の実施例でも説明したよう
に、銅と銅酸化物の共晶融体の凝固物や、銅とセラミッ
ク焼結体の成分との化合物が接合層中に形成され、これ
を介して接合される。また、金属板がアルミニウムまた
はアルミニウム合金の場合に、アルミニウム−シリコン
系合金をろう材として用いて接合するときは、550〜
650℃の範囲で加熱すれば良い。
The method of joining the magnesia sintered body or the spinel-magnesia sintered body and the metal plate is not limited to the method shown in the examples. For example, when the metal plate is a copper or copper alloy plate, it is shown in Table 1. Through such a brazing material containing an active metal, heat treatment may be performed in a vacuum of 10 −4 torr or more or in an inert gas in a temperature range of about 800 ° C. to 1000 ° C. for joining. Alternatively, oxygen is 100 to 3000
It is also possible to join by bonding a copper plate containing about ppm or a copper plate that has been pre-oxidized to a magnesia sintered body or a spinel-magnesia sintered body and heat-treating it in an inert gas atmosphere at a temperature range of 1000 to 1100 ° C. Is. In this case, as described in the above-mentioned examples, the solidified product of the eutectic melt of copper and copper oxide, or the compound of the components of copper and the ceramic sintered body is formed in the bonding layer. Are joined through. Further, when the metal plate is aluminum or an aluminum alloy and aluminum-silicon alloy is used as a brazing material for joining, 550 to 550
It may be heated in the range of 650 ° C.

【0057】また、活性金属を含有する銀−銅系合金を
介して接合する場合は、含有される活性金属としてはT
iが最も好ましく、また、その含有量は2〜8重量%が
好ましい。少なすぎる場合には接合界面での活性金属の
分散が不充分となって接合強度が低下し、多すぎる場合
にはセラミック焼結体側が過度に浸食されてやはり接合
強度が低下する。また、耐熱衝撃性の面からは、2〜6
重量%程度が特に好ましい。
In the case of joining via an active metal-containing silver-copper alloy, the active metal contained is T.
i is the most preferable, and the content thereof is preferably 2 to 8% by weight. If the amount is too small, the dispersion of the active metal at the bonding interface is insufficient and the bonding strength is reduced, and if it is too large, the ceramic sintered body side is excessively corroded and the bonding strength is also reduced. Further, from the viewpoint of thermal shock resistance, it is 2 to 6
About wt% is particularly preferable.

【0058】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。
Although not illustrated one by one, the present invention can be variously modified without departing from the spirit thereof.

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

【図1】本発明の一実施例のセラミックス−金属接合体
の製造過程を説明する斜視図である。
FIG. 1 is a perspective view illustrating a manufacturing process of a ceramic-metal bonded body according to an embodiment of the present invention.

【図2】本発明の一実施例のセラミックス−金属接合体
を示す斜視図である。
FIG. 2 is a perspective view showing a ceramic-metal bonded body according to an embodiment of the present invention.

【図3】本発明の一実施例のセラミックス−金属接合体
がパワー半導体モジュールに適用された一例を示す斜視
図である。
FIG. 3 is a perspective view showing an example in which a ceramics-metal bonded body according to an embodiment of the present invention is applied to a power semiconductor module.

【図4】本発明の一実施例のセラミックス−金属接合体
が他のパワー半導体モジュールに適用された一例を示す
断面図である。
FIG. 4 is a cross-sectional view showing an example in which the ceramic-metal bonded body according to the embodiment of the present invention is applied to another power semiconductor module.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

10:セラミック基板 16:合金層(接合層) 18:銅板(金属体) 20:セラミック接合基板(セラミックス−金属接合
体)
10: Ceramic substrate 16: Alloy layer (bonding layer) 18: Copper plate (metal body) 20: Ceramic bonding substrate (ceramic-metal bonded body)

Claims (3)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 セラミック焼結体に金属板が接合されて
いるセラミックス−金属接合体であって、 該セラミック焼結体は、平均熱膨張率が9.5×10-6
/℃以上であるマグネシア焼結体またはスピネル−マグ
ネシア焼結体であり、該金属板は、銅、銅合金、アルミ
ニウム、アルミニウム合金のうちの何れかから成ること
を特徴とするセラミックス−金属接合体。
1. A ceramic-metal bonded body comprising a ceramic sintered body and a metal plate bonded to the ceramic sintered body, wherein the ceramic sintered body has an average coefficient of thermal expansion of 9.5 × 10 −6.
/ ° C or higher magnesia sintered body or spinel-magnesia sintered body, and the metal plate is made of any one of copper, copper alloy, aluminum and aluminum alloy. .
【請求項2】 前記金属は銅または銅合金であって、前
記金属板と前記セラミック焼結体が、活性金属を含有す
る合金層、銅と銅酸化物の共晶融体の凝固物層、或いは
銅と前記セラミック焼結体の成分との化合物層のうちの
何れかの接合層を介して接合されていることを特徴とす
る請求項1に記載されたセラミックス−金属接合体。
2. The metal is copper or a copper alloy, and the metal plate and the ceramic sintered body are an alloy layer containing an active metal, a solidified material layer of a eutectic melt of copper and copper oxide, Alternatively, the ceramic-metal bonded body according to claim 1, wherein the ceramic-metal bonded body is bonded via any bonding layer among compound layers of copper and a component of the ceramic sintered body.
【請求項3】 前記金属板の少なくとも一部に回路が形
成されており、前記セラミック焼結体は半導体実装用の
基板或いはパッケージである請求項1に記載されたセラ
ミックス−金属接合体。
3. The ceramic-metal bonded body according to claim 1, wherein a circuit is formed on at least a part of the metal plate, and the ceramic sintered body is a semiconductor mounting substrate or package.
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