JPH0777989B2 - セラミックスと金属の接合体の製造法 - Google Patents

セラミックスと金属の接合体の製造法

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JPH0777989B2
JPH0777989B2 JP1401689A JP1401689A JPH0777989B2 JP H0777989 B2 JPH0777989 B2 JP H0777989B2 JP 1401689 A JP1401689 A JP 1401689A JP 1401689 A JP1401689 A JP 1401689A JP H0777989 B2 JPH0777989 B2 JP H0777989B2
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【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、セラミックス部材と金属部材とをろう材によ
り接合する方法に関し、より詳しくは、接合された部材
に繰返し熱衝撃が加えられた時にもセラミックス部材内
部に割れが生じ難い接合体の製造法に関する。
〔従来の技術〕
従来、セラミックス部材と金属部材とを接合する方法と
しては、Mo-Mn法、Wメタライズ法等のように、高融点
金属でもってセラミックス部材の表面を金属化した後、
銀ろうBAg-8(JIS Z−3261号参照)などのろう材で金属
部材と接合する方法が採られてきた。また、セラミック
ス部材を金属化せず直接活性金属ろうを使用して接合す
るという方法もあるが、この方法は公開特許公報昭49-8
1252に記載されているように黒鉛と金属との接合にも利
用できるので広い範囲で使用されている。
特に電子部品搭載用絶縁基板として使用されているメタ
ライズした基板には電気絶縁性の観点からMo-Mn法、W
メタライズ法が利用されており、これらの方法はまた眞
空気密性がよく、サイリスタ等の絶縁管の製造にも利用
されている。
絶縁基板として使用されるセラミックスと金属との接合
体において、セラミックスの熱伝導性を向上させるため
に、メタライズされたセラミックスに金属例えば銅がろ
う付けされる際、セラミックスと銅との熱膨張差を緩和
するために、メタライズされたセラミックス表面と銅と
の間に金属例えばMoを介在させて接合する方法も利用さ
れている。
通常、接合は高温例えば850℃で行なわれ、その後接合
体は冷却される。この時、冷却速度が大きければセラミ
ックス自体が熱衝撃を受け割れが発生する。また冷却速
度が小さい場合でも金属部材とセラミックス部材との熱
膨張差による残留応力が発生し、セラミックスの方に割
れが生じやすく、それを防ぐために上記のようにMo等の
低熱膨張金属が併用される。
活性金属ろうを使用して接合する方法については各種の
方法が開発されている。活性金属としてはTi,Zrなど周
期律表のIVa族の元素が用いられ、いずれも金属部材と
セラミックス部材との接合に有効であることが例えば表
面科学第4巻第1号(1983)P1〜P10に詳しく記載され
ている。これら活性金属をろう材として使用する場合、
ろう材の融点を下げるためCu,Ni,Feなどの遷移金属と合
金化することにより共晶融点あるいはその近傍の温度で
接合することのできる組成を選択した方法も開発されて
いる(米国特許第2857663号明細書参照)。
さらに、接合時あるいは接合後の熱衝撃によりセラミッ
クス部材と金属部材との間に発生する熱膨張差による熱
応力によりセラミックス部材中にクラックが発生するの
で、このような応力を緩和させる方法として、CuやCu合
金のように延性に富む金属の薄板を熱応力緩衝層として
介在させ、発生する熱応力をそれら金属薄板の塑性変形
によって吸収して応力を緩和し、セラミックスのクラッ
クを防ぐ方法が公開特許公報昭56-163092号に開示され
ている。
〔発明が解決しようとする課題〕
しかしながら、従来の金属‐セラミックス接合体の製造
法のうち、タングステン等の高融点金属をセラミックス
部材上にメタライズする方法では多くの工程を要し、製
造コストが上昇する上、セラミックスと金属との熱膨張
差を緩和する目的でMoなどの熱伝導率の低い金属を併用
するため接合体としての熱伝導性に不満があった。
そこで、活性金属ろうを用い、金属部材とセラミックス
部材とを直接接合する方法が利用されるようになり、接
合体の冷却中に受ける熱応力についても緩衝層の採用あ
るいは冷却速度のコントロールなどにより接合体特にセ
ラミックス部材に発生する割れを押える工夫がなされて
きた。
しかし、これら接合方法によって得られた接合体は、接
合後に繰返し熱衝撃が加えられた際には、セラミックス
部材の内部に割れが発生し、接着強度、気密性、熱伝導
性または電気絶縁性が低下するなどの欠点があるため、
信頼性の高い部品として使用するには不適当であること
が明らかになってきた。
〔課題を解決するための手段及び作用〕
本発明者らは、金属部材とセラミックス部材とを接合す
る方法における前述のような問題点を解決して、信頼性
の高い部品として使用できる接合体を得るべく研究を進
め、先ず、セラミックス部材の片側のみに金属部材を接
合する場合、加熱時にこれら部材の熱膨張率の差により
セラミックス部材が弯曲する問題に対して、セラミック
ス部材の両側に金属部材を接合させることによってこれ
を防止した上、さらに、得られた接合体に繰返し熱衝撃
が与えられた際にセラミックス部材中に発生するクラッ
クの問題に取組み鋭意研究の結果、金属部材の縁部から
はみ出したろう材の露出部分(フィレットと称する)が
少なくとも0.5mmのはみ出し幅で金属部材の周囲をとり
囲んでセラミックス部材上に存在する状態の製品ができ
るようにすれば、接合体の耐熱衝撃性が大幅に向上する
ことを見出した。
すなわち、本発明は、セラミックス部材の両面に金属部
材を活性金属ろう材を介して接触配置し金属‐セラミッ
クス複合体を、眞空または非酸化性雰囲気中で加熱した
後冷却することによって、金属部材の縁部からはみ出し
たろう材のフィレット部が少なくとも0.5mm幅の縁取り
で金属板の周囲を囲んでセラミックス部材上に存在する
仕上りとなるように金属とセラミックスとを接合するこ
とを特徴とするセラミックスと金属との接合体の製造方
法を提供するものである。
第1図a〜cは本発明の方法によって製造される接合体
の構成を示すものであり、a及びbはそれぞれ平面図及
びその断面図であって、cはフィレット部をより明瞭に
示すための、bの一部拡大図である。
本発明の方法によれば、セラミックス部材(例えばアル
ミナ基板)1の両面に金属部材(例えば銅板)2が活性
金属ろう材3を介して接触配置されており、その際、銅
板2の縁部からはみ出したろう材3のフィレット部4が
アルミナ基板1上に存在するよう積層配置されている。
次いでこの積層体は眞空または非酸化性雰囲気中で加熱
後冷却され、接合体が得られる。
なお、本発明に使用される活性金属ろうとしてはGTEプ
ロダクツコーポレーションで製造されクジル(Cusil)
なる商品名で販売されている金属ろうに代表されるCu-A
g-Ti合金ろうが好ましく、組成:Ag60〜85%、Cu14〜38
%、Ti1〜5%のものが使用される。
繰返し熱衝撃耐性が上記フィレット部の形成により向上
する理由は明確ではないが、形成されたフィレット部の
存在により、金属部材とセラミックス部材との熱膨張差
により発生した応力が金属部材縁部直下のセラミックス
部材に作用する時、セラミックス部とフィレットとの接
する面積がある程度拡大するためセラミックス部に作用
する応力が分散され、金属部材縁部に接するセラミック
ス部への応力が小さくなるためであると考えられる。
フィレット部を形成するためには次の2点が重要であ
る。
先ず第1に、ろう付けを眞空または非酸化性雰囲気で行
なう必要がある。理由はフィレット部を形成する都合
上、ろう材は金属部材よりも大きい寸法のものを使用す
るため、加熱時にろう材、特にセラミックスとの反応に
寄与するTiの酸化があってはならないからである。もし
Tiが酸化すればろう材はセラミックスと反応せず、フィ
レット部の役割を果さない。特にフィレット部となるろ
う材は加熱前から雰囲気に接するためセラミックス部材
と金属部材にはさまれているろう材よりも酸化され易い
ので雰囲気の選定は重要である。
第2に、冷却中も眞空あるいは非酸化性雰囲気である必
要がある。これは冷却中においても高温であればTiが酸
化してしまい良好な接合界面が得られないからである。
一方冷却速度は接合体の大きさ等によって適切に選ぶ必
要があるが特に厳密に規定する必要はないことが確認さ
れている。
次に、本発明を実施例に基づき詳細に説明する。
〔実施例1〕 金属部材として厚さ0.3mmの無酸素銅板を20mm角に切出
したものを用意した。ろう材はシート状に厚さ50μmに
圧延された活性金属ろう(GTEプロダクツコーポレーシ
ョンのWESGOディビジョンにより製造された「クジ
ル」)で銅27.5重量%、チタン2.0重量%、残部が銀か
らなる組成のものを前述のフィレット部の幅が0〜約2.
0mmになるようにそれぞれ所定のサイズに切断して使用
した。セラミックス部材として、市販の96%アルミナか
らなり厚さ0.635mm、大きさ46×32mmのアルミナ基板を
準備した。
次いで、銅板を活性金属ろうを介してアルミナ基板の両
面に配置した後、熱処理炉で接合した。
接合に用いた炉は、油拡散ポンプを持った抵抗加熱式眞
空加熱処理炉で、加熱、温度保持、冷却は1×10-4Torr
の眞空中で行なった。
炉の温度条件は20℃/分で昇温し、825℃で10分間保持
後、20℃/分で降温し、炉内が外気温度と同等の温度に
なったところで接合体を取り出した。
各接合体のフィレット幅を測定した後、接合体を繰返し
熱衝撃試験機に投入し、−40℃に30分保持後、室温で10
分保持し、その後125℃に加熱し30分保持、さらに室温
に降温し10分間保持する一連の工程を1サイクルとして
このサイクルを繰返す熱衝撃試験に供した。
なお、炉の温度保持は大気を冷却あるいは加熱し、接合
体が投入されている試験機に低温または高温の空気を送
り込むことにより調節した。
100サイクルに達する繰返し熱衝撃試験後、接合体を取
出し、銅板及びろう材を薬品で溶解し、アルミナ基板の
みとし、アルミナ基板に有色の油性インクを塗布し、払
拭後、割れの発生状況を調べた。
割れ発生の程度を評価するため、割れ率として銅板の周
囲長さ80mmに対し、クラックの発生した箇所の長さを百
分率で表わした指標を使用した。この評価方法による調
査結果を第2図のグラフに示す。
このグラフから判るように、フィレット部の幅が0.5mm
より小さい接合体ではアルミナ基板の銅板の縁部に接し
ていた部分に多数のクラックが発生するが、フィレット
部の幅が0.5mm以上のものについては全くクラックが見
られないかクラックが発生しても極めて少なく割れ率が
いずれも10%以下であった。
〔実施例2〕 実施例1で作成した接合体の中、前述のフィレット部の
幅を1.0mmとしたものについて、実施例1と同じ要領で
さらに150サイクルまでの繰返し熱衝撃試験を実施し、
同じくアルミナ基板に発生するクラックを調べたとこ
ろ、使用したサンプル5個いずれにもクラックは見出さ
れなかった。
〔実施例3〕 実施例1で作成した接合体の中、フィレット部の幅が0.
6mmのものと同0mmのものについて、接合体が破壊するに
到るまでの繰返し熱衝撃試験を行なった。フィレット部
の幅0mmの接合体は150サイクルまでにサンプル5個すべ
てがアルミナ基板側から破壊してしまったのに対し、フ
ィレット部の幅0.6mmの接合体の方は200サイクルまでの
試験では顕著な破壊は見られなかった。
なお、実施例1で作成した接合体について、フィレット
部の幅が0,0.5,1.0及び2.0mmのものについて接合強度を
測定した。
接合強度はアルミナ基板に対し垂直方向に引張応力を与
える90°プル強度法に従った。すなわち、第3図は接合
強度の測定方法を説明した図であって、アルミナ基板1
にろう材3を介して銅板2を接合したのち、その上に棒
を半田付け部5によって固定し、この棒をチャック6に
て保持するようにし、アルミナ基板に対し垂直方向(矢
印方向)に引張応力を与えた。試験結果を第1表に示
す。この表から判るように、接合体の接合強度はフィレ
ット部の有無又はその幅の大小によって影響を受けてい
ない。
また、繰返し熱衝撃試験後の接合体サンプルについても
その接合強度の測定を試みたが、繰返し熱衝撃耐性の良
否と接合強度の関連はなかった。
〔発明の効果〕
以上説明した如く、本発明の方法によれば、セラミック
ス部材の両面に金属部材を配するとともに、さらに、金
属部材の縁部からはみ出したろう材のフィレット部を所
定幅以上設けることにより接合後の繰返し熱衝撃耐性に
優れた接合体の製造を可能とするので、電子部品その他
の部品として信頼性の高い接合体を提供することができ
る。
【図面の簡単な説明】
第1図a,b及びcは、本発明の方法によって製造された
接合体の構成を示す図であって、aは平面図、bは断面
図であり、cはセラミックス部材にろう材を介して接す
る金属部材の縁部の近傍を拡大した断面図である。 第2図は、金属部材の縁部からはみ出たろう材のフィレ
ット部の幅とセラミックス部材に生じた割れとの関係を
示すグラフである。 第3図は、接合体の接合強度を測定する方法を示す図で
ある。 符号の説明 1…アルミナ基板、2…銅板 3…ろう材、4…フィレット部 5…半田付け部、6…チャック

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】セラミックス部材の両面に金属部材を活性
    金属ろう材を介して接触配置し、該構成体を実質的に眞
    空または非酸化性雰囲気中で加熱した後冷却することか
    らなり、前記配置に際し、金属部材の縁部からはみ出し
    たろう材によって形成されるフィレット部が0.5mm以上
    の帯幅で、製品接合体のセラミックス部材上金属部材周
    囲に露出して存在する仕上りとなるようにろう材を配置
    することを特徴とするセラミックスと金属との接合体の
    製造法。
  2. 【請求項2】上記活性金属ろう材の組成が、実質的に銀
    60〜85重量%、銅14〜38重量%、チタン1〜5重量%で
    ある請求項1記載の製造法。
JP1401689A 1989-01-25 1989-01-25 セラミックスと金属の接合体の製造法 Expired - Lifetime JPH0777989B2 (ja)

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