JPS58103984A - 銅と非金属耐火材料との接合方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 発明の技術分野 この発明は、銅又は銅合金からなる部材と非金属耐火材
料から彦る基体とを直接に接合する方法に関し、さらに
詳しくは、加熱により生成する銅と酸素との共融体で銅
系部材と非金属耐火材料基体の表面を濡らし、次いで両
者を接触させた捷ま冷却して接合する方法に関する。こ
の発明方法の適用例には電気用半導体装置用部材の製作
を挙げることができるものである。

発明の技術的背景とその問題点 半導体装置の製造などで、銅系部材と非金属耐火材料例
えばセラミックのような基体とを接合するには、通常、
セラミックをメタライズして、ｐｂ　−Ｓｎはんだや、
水素化チタンと銅、銀若しくは金とからなるはんだ金属
（これは非酸化性雰囲気内で加熱して接合する）を用い
、間接に接合する方法がとられている。しかしはんだを
−用いたこの様な接合体は、結合力が弱く、シかも銅系
部材とセラミックとの間の熱伝導度が劣っている。さら
にはんだ付は可能にするメタライズ工程が加わるなど工
程が機船となり、或は接合製品が高価となるなどの問題
がある。

この問題を解決するものとして、金属部材を直接に非金
属耐火材料基体に接合する方法が提案されている（特開
昭４９−１７３８１　）。この方法は、例えば銅部材を
セラミック基体と接触させ、酸素分圧が１．５Ｘ１０　
　気圧（平衡分圧）より高い反応性ガス雰囲気内で１０
６５〜１０７５℃に加熱して、生成した銅と酸素の共融
体で表面を濡らし、接触させたまま冷却させると、銅と
酸素の共晶が両者を強固に接合させるというものである
。

しかしながら、この方法は、共晶が生成する酸素分圧が
保たれるように、反応性ガスの酸素流量を噛節すること
が非常に困難である。第１図のＣｕ−０状態図にみるよ
うに、’　１０６５℃で溶融する領域は酸素がｏ、ｏｏ
ｓ重量％以上であり、一方ＣｕとＣｕ２Ｏとの共融点Ｅ
は酸素が０．３９重量％の点である。従ってこの範囲の
Ｃｕ−０状態と平衡状態にある反応性ガスは、大流量の
キャリアガスに微流量の酸素ガスを混合したものが用い
られる。そして反応性ガス中の酸素分圧が、１０６５〜
１０８３℃の間で、酸素ｏ、ｏｏｓ〜０．３９重量％の
Ｃｕ−０領域（第１図Ａ領域、Ｌ□＋α）に対して平衡
状態となっていなければならないのである。もし酸素分
圧が高すぎると、銅が液体化し、Ｃｕ２Ｏが固体化する
（Ｂ領域、　Ｌ１ｋＣｕｉ２０　）。これでは銅部材の
形状は失われて、得られた銅−セラミック接合体の銅の
形状はすべて半球状となってしまう。また、はなはだし
いときは、その温度領域に達する以前に、銅の大部分が
酸化物となってしまうおそれがある。

反対に酸素分圧が低すぎると、Ａ領域において一旦生成
して表面を濡らした銅−酸素共融体が、冷却してＣ領域
に属すると酸素が鋼中に固溶してし壕い、セラミックと
の接合は達成できなくなる。

このように面倒な微量酸素の流量調節を回避するために
、石英管中適正量の酸素を封管して反応させる方法もあ
るが、これは実験室的方法であって量産すに欠ける。

発明の目的 この発明の目的は、上記した銅系部材と非金属耐火材料
基体とを直接に腰合する方法において、第１図状態図の
狭いＡ領域の中に条件を安定的に保持し得て、安価で量
産性に富み、良質の接合体を得ることのできる方法を提
供することにある。

発明の概要 この発明が前記特開昭４９−１７３８１号に開示された
方法に対して特徴とするところは、銅系部材の銅又は鋼
合金については、ｏ、ｏｏｓ重量％以上０３９重量％未
満の、好ましくはｏ、ｏｏｓ〜００８重量％の酸素を含
有する組成をもつ銅又は銅合金を用い、かつ加熱処理す
る雰囲気ガスについては、非反応性ガスを用いる点にあ
る。

この発明では、共晶の生成に必要な精密な範囲の酸素は
銅又は銅合金の中に予め含有されであるから、処理温度
を１０６５〜１０８３℃の間に、厳密には第１図状態図
のＡ領域内の温度に保持しさえすれば、酸素含量はＡ領
域Ｑ中に安定的に保持することができる。即ち、特開昭
４９−１７３８１号に開示された方法が、酸素を混合し
たキャリアガスの反応性雰囲気中から共晶の生成に必要
とする酸素が供給され、銅に移行する酸素量が雰囲気中
の酸素濃度、ガスの流量、所定温度に保持される時間、
その他制御することの困難な因子によって左右されるの
と異なり、この発明方法では酸素含量は安定的にＡ領域
の中に保持できるのである。

そしてＡ領域に安定的に保持されて、表面が共融体で濡
れた銅系部材を非金属耐火材料基体に接触させたまま冷
却すれば、特開昭４９−１７３８１号の方法のように、
濡れたようにみえても接合しなかったり、接合した銅が
半球状となって原形が全く失われたりするようなことが
皆無となり、量産的に常に強じんな直接結合が得られる
。

発明の実施例 本発明の銅系部材の銅の組成は、ｏ、ｏｏｓ重ｉ％以上
０．３９重量％未満の、好ましくは０００８〜００６重
量係の酸素を含有するものを用いる。一般に純銅地金は
、電気分解銅、電気分解銅を融解した形銅（一般にタフ
ピッチ銅と呼ばれている）及び乾式法により精製した形
銅に大別されるが、鋳造した形銅は表面を平滑になるよ
うに、酸素含量を約００２〜０．０５重量％としである
のが普通である。

従ってｏ、ｏｏｓ重量％未満の酸素含量の脱酸銅、無酸
素銅などでないところの普通の形銅若しくは満足し、特
別銅地金を精製する必要もなく、安価に入手することが
できる。

また、純銅以外の、銅−ニッケル、銅−クロム、銅−コ
バルト、銅−ぺＩＪ　ＩＪウムなどの銅合金においても
、酸素含量ｏ、ｏｏｓ重量％以上０８９重量％未満の範
囲で銅−酸素共晶を生成できる。

非金属耐火材料はアルミナ、ベリリア、融解石英、チタ
ン酸塩、スピネルなどいわゆるセラミック材料はすべて
使用することができる。銅−酸素共晶による接合は、セ
ラミック粒子の微細な間隙に浸入し、冷却して固相化す
ることによって接合されるから、その処理温度に耐える
セラミック材料であればその種類は問われない。

接合の工程は、第２図（ａ）のように、銅又は銅合金か
らなる部材１の銅面又は銅合金面と、非金属耐火材料か
らなる基体２の非金属耐火材料面とを接触させて配置す
る。次に第２図（ｂ）において、非反応性雰囲気中に加
熱して１０６５〜１０８３℃の温度範囲に保持すると、
銅の表面はｃｕ−ｃｕ２ｏ共融体乙によって濡れる。そ
の後、第２図（ｃ）のように、両者を接触させた１″！
冷却すると、共融体３は同相化して、部材１と基体２と
は強固に接合される。

処理温度は近似的に１０６５〜１０８３℃にすればよい
が、厳密には、０．００８重量％のときはＦ点を、また
０、０８重量％のときはＧ点を超えて高温にすることは
できない。この温度を超えたときは銅系部材は原形を止
めることができないからである。。

その危険性を考慮すれば、１０６５℃より３−８℃高（
１０７０℃附近とするのが好ましい。

上記処理温度に保持する時間は部材・基体の厚みに係わ
る。前記した形銅圧延箔で、００５．０１０．０２５．
０３０．０．５０．１．Ｑｆｆｌの各厚さの試料を、９
６％Ａ１□０３のセラミック板で、０５．１．０．１．
６ｆｉｌの各厚さの試料に接触させ１０７０　℃に保持
して、接合するに充分銅表面が濡れる時間は、銅厚に主
に関係し、銅厚０．０５ｆｆの場合約５〜８分、０．５
ｆｌで約１３〜１６分、１．０１１１１ｆテ約２０〜２
５分であッ７’ｃ。

接合は、非反応性雰囲気中で加熱して行う。雰囲気ガス
の種類は、窒素、アルゴン、ヘリウムその他銅又は銅合
金に対して不活性なガスの群から選ばれる。ガス中不純
物酸素の含量は、平衡分圧以下でなければならず、１０
０　ｐｐｍ以下であるのがよい。鋼中の酸素含量は、上
記処理温度で保持時間中保持されて、一部は雰囲気中に
脱出して自然に平衡状態に近づくが、酸素含量の変動は
ほとんど認められないから、安定的に、第１図状態図の
Ａ領斌でしかも実質的に０００８重量％以上０．３９重
量％未膚の間に保持することができる。

このために、酸素含量が実質的にｏ、ｏｏｓ重量弼未満
であって、１０７０℃附近（第１図Ｈ点）で一旦濡れて
も、１０６５℃（５点）でＣｕ２Ｏは分解し、酸素を解
離して濡れがなくなり、銅の表面がわずかに酸化して接
合を果たしえないということがない。また、酸素含量が
実質的に０．３９重量％以上となって、１０７０℃附近
（Ｋ点）でα銅も溶解してしまい、原形を止めず半球状
になるおそれもなくなる。そして酸素含量がｏ、ｏｏｓ
〜０．０８重量％の範囲のものを使用するのが、酸素含
量Ｏ，ＯＳ重量％を超え０３９重量％未満の範囲のもの
を使用するのに比較して、接合条件の管理が容易であす
、また接合体銅表面の凹凸状態がより望ましい状態とな
るので好ましい。

処理温度で保持時間を経過させた後の冷却は、１０〜２
０分間程度、はぼ均一に冷却されるようにゆるやかに行
なえばよい。冷却によって共融体は共晶に生長し、銅主
体層とは一体組織となす、一方セラミックとはその微細
な間隙に浸入した一１１固相化して、直接に接合し、接
合力は極めて強じんである。

接合には、第６図のような装置を用いて行うことができ
る。この装置は細長い石英管６１で構成される横型炉で
、石英管の一端に非反応性雰囲気ガスのガス人口６２と
他端にガス出口３６があり、内部をガスでパージし、反
応中ガスを連続的に送入する。材料１，２の装入・取出
は開口部３４からなされ、材料１，２ヲ炉中央部に出し
入れする保持体６５が備えられている。炉は石英管３１
の周囲を取巻く抵抗線６６によって加熱され、絶縁材３
７は熱を炉心に局限させる。処理温度は熱電対３８によ
って制御される。

この発明方法で得られる銅セラミック接合体に回路パタ
ーンを形成したものは、半導体装置内の基板として熱放
散がよく接合が強固であることなどのために有用である
。また別な利点、接合された銅の熱膨張係数が基体のセ
ラミックのそれに近づき、Ｍｏ板のような熱緩衝板を介
さずに銅に半導体ペレットをマウントしてもペレットク
ラ、りを生ずることが・ない利点を利用して、電力用半
導体装置の基板としても有用である。また、これらの基
板としては、基板の一面に銅系部材を接合したものも、
また反りをなくすために両面に接合したものも利用でき
る。

発明の効果 この発明によれば銅系部材と非金属耐火材料基体とを共
晶によって接合するのに、処理温度を精密に保持しさえ
すれば共晶生成が安定的になしうるので、安価に量産的
に良質の接合をうろことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明を説明するためのＣｕ−０状態図、第２
図は本発明の工程図、第３図は本発明を実施する装置例
の説明図である。 １・・・銅又は銅合金部材、２・・・非金属耐火材料基
体、３・・・共融体、３２・・・ガス入口、６３・・・
ガス出口、３６・・・発熱体。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １　銅又は銅合金からなる部材を非金属耐火材料からな
   る基体に接合する方法において、該部材の銅又は銅合金
   の組成をｏ、ｏｏｓ重量％以上０．３９重量％未満の酸
   素を含有するところのものとし、該部材の銅面又は銅合
   金面と該基体の非金属耐火材料面とが接触するように配
   置して、非反応性雰囲気中１０６５〜１０８３℃に加熱
   した後、該部材と該基体とを接触させた寸ま冷却するこ
   とを特徴とする接合方法。 ２　銅又は銅合金からなる部材の銅又は銅合金の組成を
   、０００８〜０．０８重量係の酸素を含有するところの
   ものとする、特許請求の範囲第１項記載の接合方法。