JPS6117475A - 金属部材とセラミツク部材の直接結合方法 - 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】 （産業上の利用分野） 本発明は、金属部材とセラミック部材を中間層を介さず
直接結合する方法に関するものである、近年、電子部品
の集稍化が進むとともに、セラミック板上に微細な金属
配線を施した、いわゆる高密度実装基板の果たす役割が
増大している。セラミック板上に金属配線を施すため忙
は、金属とセラミックや結合を実現しなければならない
。

（従来の技術） 従来、金属とセラミックを直接結合する方法として、 （リ　セラミック部材上に、金属層を直接形成する方法 （２）金属部材とセラミック部材を直接結合する方法が
知られている。

セラミック部材上に金属層を直接形成する方法は、金属
を気相や液相を介して物理的又は化学的にセラミック部
材上に形成する方法で、蒸着及び溶液メッキが挙げられ
る。

金属部材とセラミック部材を直接結合する方法は、特公
昭５７−１３５１５号公報に記載されている。

この方法は、金属部材とセラミック部材を接触させて配
置し、反応性雰囲気中で金属部材の融点より低い温度で
加熱し、金属と反応性ガスの共晶を形成し、以って金属
部材とセラミック部材の相方をぬらし、冷却することに
より、金属部材とセラミック部材の強固な結合を得る方
法である。

（本発明が解決しようとする問題点） セラミック部材上に金属層を直接形成する方法で、金属
を気相を介してセラミック部材上に形成する方法は、一
般に装置的に連続化がむずかしく大量生産に不利であり
、設備的にも多額の投資が必要であるため工業的に低コ
スト化が計りにくく、さらに得られる金属膜とセラミッ
ク部材の接着強度が充分ではない等の欠点を有する。

また、金属を液相を介してセラミック部材に形成する方
法では、比較的簡単にセラミック部材上に金属膜を形成
できる反面、金属膜とセラミック部材の接着強度は必ず
しも充分でなく、また、使用後の戻液による遠視汚染等
の問題がある。

一方、従来の金属部材とセラミック部材を直接結合する
方法では、加熱時に共晶が金属部材とセラミック部材の
界面全体をぬらし、冷却時に二種類の異なる結晶相へ相
転移するが、一般にかかる共晶から生成する二種類の結
晶相のうち一方は非金属的性質を示し、金属からセラミ
ックへの熱伝導を阻害し℃しまり。たとえば銅板とアル
ミナ基板との結合は、銅板とアルミナ基板を接触させて
配置し、０．０１〜０５容貴％の酸素を含む不活性ガス
中で加熱して、銅と酸素の二成分からなる共晶を作り、
以って銅板とアルミナ基板相方をぬらし、冷却すること
により得られるが、冷却時に共晶から酸化銅が析出し、
これが銅とアルミナの界面全体を覆い、銅からアルミナ
への熱拡散を著しく阻害してしまう、 以上述べたように、金属とセラミック部材を結合する方
法はいくつかあるが、金属とセラミック部材を経済的に
、強固に且つ直接結合するという点でいずれも満足のい
く技術ではない。

（問題点を解決するための手段） 一般に金属はセラミックに対してぬれ性が悪い。

これは、金属の表面エネルギーがセラミックの表面エネ
ルギーよりも著しく大きいことに依存している。従って
金属部材とセラミック部材を中間層なしに直接結合する
ことは困難だと考えられてきた。しかし、金属をセラミ
ックに充分ぬらすことができれば、強固な結合が得ら４
ることも事実である。たとえば、銅をアルミナ板上で溶
融し冷却すわば、銅とアルミナの強固な結合が得られる
。

しかし、この場合銅の表面エネルギーがアルミナの表面
エネルギーより著しく大きいため、溶融した銅はアルミ
ナ基板上で滴状となり、当初の形状を保たない。従って
、銅部材とアルミナ部材の直接結合を実現するには、銅
部材の自形を保ちつつ銅をアルミナ部材にぬらす必要が
あった。

本発明者は、金属とセラミックを中間層なしに直接しか
も強固に結合すべく鋭意研究を重ねた結果、金属部材と
セラミック部材の間に、該金属又は該金属を主成分とす
る合金の粉末を介在させ、該金屑の融点以下の温度で熱
処理すれば、金属粉末が焼結すると同時に金属部材とセ
ラミック部材を事実上ぬらすことが可能となり１両部材
を強固に且つ直接結合できることを見い出し、本発明を
なすに至った。

すなわち、本発明は金属部材とセラミック部材を結合す
る方法において、金屑部材とセラミック部材の間に該金
属部材の粉末又は該金属部材を主たる成分とする金属粉
末を介在させ、該金属部材に対して実質的に不活性な雰
囲気中で、該金属部材の融点以下の温度で熱処理する金
属とセラミックの直接結合方法である、 本発明において、金属部材を構成する金属の種類は特に
は限定されないが、たとえば銅、ニッケル、クロム、鉄
、金、銀、パラジウム、アルミニウム、亜鉛、スズ、鉛
、ンリコン及びこれらの合金がその代表的な例として拳
げられる。

本発明で金属粉末の組成は、金属部材に含まれる金属の
組成と一致することが望ましい。

即ち、金属粉末に、金属部材を構成する金属以外の金属
が含まれていると、金属部材とセラミック部材を結合さ
せるため高温に加熱した時、この異種金属が金属部材中
へ拡散し、金属部材の特性を損なう結果となる。従って
少なくとも金属粉末中の主たる組成は金属部材の組成と
同じでなければならない。さらにこの場合、金属粉末の
融点は金属部材の融点と同じかあるいはこれよりも低い
ものでなければならない。

しかし、金属粉末の融点が、金属部材の融点より極端に
低すぎると、金属部材が軟化してセラミック部材と密着
する前に金属粉末が溶融してセラミック部材上で液滴状
となり、金属部材とセラミック部材の界面で不均一に分
布したり、極端な場合には界面から流出したりするので
実用上不都合である。従って、金属粉末の融点は金属部
材が軟化する温度以上であることが好ましく、具体的に
は金属部材の融点以下１００℃以内であり、さらに好ま
しくは金属部材の融点以下５０℃以内であり、最も好ま
しくは金属部材の融点以下３０℃以内である。

許容できる異種金属の量は、金属部材及び金属粉末の量
、加熱温度、加熱時間等に依存するが、実用上は、金属
粉末に含まれる異種金属の量が金属部材の物性に、大き
な影響を与えない量であればよい。

本発明で使用するセラミックの種類は、接着に供する金
属部材の融点で融解せず自形を保つものであれば特に限
定されないが、たとえばアルミナ。

ムライト、フォルステライト、ステアタイト、コージェ
ライト、ジルコ／、ジルコニア、スピネルマグネンア、
ベリリア、フェライト、チタン酸塩。

溶融石英、窒化珪素、炭化珪素、サイアロン、窒化ホウ
素等が選ばれる。

本発明で使用するセラミック部材の表面粗度は、平均中
心線粗さくＲａ、ＪＩＳ　ＢＯ６０１）が】μ以下であ
ることが好ましく、さらに好ましくは０５μ以下であり
、最も好ましくは０１μ以下である。セラミック部材の
表面粗度が平均中心線粗さくＲａ）で１μを超えれば、
金属部材が軟化によりセラミック部材表面の凹部にまで
入り込むことが困難となり、セラミック部材表面の凸部
でのみ結合することになるため、強固な結合が得にくく
なるからである。

本発明では、金屑部材とセラミック部材の間に金属粉末
を介在させて配置し、金属部材及び金属粉末に対して実
質的に不活性な雰囲気中で、金属部材の融点以下の温度
で熱処理する。

金属粉末を金属部材とセラミック部材の間に介在させる
方法は、特に限定されないが、たとえば塗布、噴震吹付
け、印刷等公知の方法で良い。その場合、上記金属粉末
介在方法は、金屑部材及びセラミック部材の相方に施し
ても良く、どちらか一方のみに施しても良い。

配置の方法は、金属部材とセラミック部材を単に重ね合
わせれば足りるが、必要ならば荷重をかけても良い。ま
た、別の公知の方法を用いて配置しても構わない。

本発明で、加熱結合時の雰囲気は、金属部材に対して実
質的に不活性であれば、特に限定さ第１ない。

金属部材に対して不活性とは、たとえ金属部材に対して
反応性のガスを含んでいても、該反応ガスの濃度が金属
部材との平衡分圧に達しないか、あるいは、平衡分圧を
超えてもそれがわずかであるため、加熱時間内に生ずる
金属部材との反応が無視できる状態を言う。

たとえば、銅とセラミックを結合する場合１０６０℃で
の銅と酸素の平衡分圧は１．５　Ｘ　１０””気圧であ
るので、鏑を酸化させずにセラミックに結合するには、
理論的には１．５　Ｘ　１０−’気圧以下の酸素分圧で
焼成しなければならない。しかし、実際上は酸素分圧が
Ｉ　Ｘ　１０−５気圧以下であれば、銅の表面酸化は無
視でき、実質的に不活性と言える、本発明で、熱処理温
度は金属部材の融点以下の温度でなければならない。

しかし、熱処理温度が極端に低いと金属部材が軟化せず
、セラミック部材と密着できないため、熱処理温度は金
属部材が軟化する温度以上であることが好ましい。具体
的には、金属部材の融点以下１００℃以内であることが
好ましく、さらに好ましくは金属部材の融点以下５０℃
以内であり、最も好ましくは金属部材の融点以下３０℃
以内である。

本発明で金属部材が軟化する温度とは、金属部材を静置
して加熱していった場合Ｋ、金属部材が初期の形状を維
持できず自然変形を始める温度を言うのであって、たと
えばセラ、ミック板上に乗せた金属板が、加熱によりセ
ラミック板の表面形状に従って変形を始める温度を言う
。

本発明で金属部材とセラミック部材の強固な結合が得ら
れるのは次のような理由によるものと考えられる。

一般に金属は、その融点以下の温度で、かなりの軟化を
示す。これは、全縮の原子同志の結合、即ち金属結合本
来の性質によるものである。一方粉体はその粒径が小さ
くなわばなるほど単位体積当りの表面エネルギーが増大
し、粉体間の引力は強くなる。金属の粉末の場合、金属
がもともと軟化し易いうえ、微粉になればなるほど金属
粉末間の引力が強くなるのに従い物質移動の駆動力が増
すため、金属の融点以下の温度で融着可能となり固体粉
末でありながら、いわば液滴に近い挙動を示すようにな
る。本発明では金属部材とセラミック部材の間に金属粉
末を介在させ、金属部材の融点近くで加熱するため、金
属粉末は液滴に近い挙動を示し、セラミック部材及び金
属部材をぬらすことが可能となる。即ち、金属粉末は、
粉末同志融着して焼結すると同時に、金属部材及びセラ
ミック部材ともＬＡ、冷却後金属部材とセラミック部材
の強固な接着を実現するものと思われる。この時、金属
部材が金属粉末を取り込むと同時に、金属部材自体も軟
化するため、金属部材と金属粉末はほとんど一体化して
セラミック表面に密着する。その結果、金属部材はセラ
ミック部材と中間層を介さず直接かつ強固に接着するも
のと思われる。

（効果） 本発明方法によれば、金属部材とセラミック部材を、金
属粉末を介して接触して配置し、所定の温度に加熱する
だけで金属部材とセラミック部材の強固な接着が得られ
るため、製造プロセスが簡単で、しかも量産性に富んだ
ものとなる。また共晶を利用した接合方法のように固気
相反応を含まないので、雰囲気の厳密な制御の必要がな
く、厚さの薄い金属部材でもその物性を損なうことなく
容易に接合できる。また、反応生成層や中間層を含まな
いので、金属の電気的、熱的、化学的性質等を損なうこ
ともなく極めて有用な方法である。

次に実施例を挙げ、本発明の具体的応用例な示すととも
に、本発明方法をさらに詳細に説明する。

実施例１ 銅粉末、ポリメチルメタアクリレ−）　（ＰＭＭＡ）及
び、メチルエチルケトン（ＭＥＩＯを混合してペースト
状にし、縦横５ｃｍ、表面粗さが平均中心腺粗さくＲａ
）表示で０，１μのアルミナ板上にスクリーン印刷した
。

このアルミナ板上に、縦横５ｃｒＩＬ角、厚さ３５μの
銅箔を乗せ、電気炉中に入ね、−酸化炭素、二酸化炭素
及び窒素の混合ガスで焼成雰囲気の酸素分圧をＩ　Ｘ　
１０−７〜Ｉ　Ｘ　Ｉ　Ｏ−”気圧に制御しつつ、１０
６５〜１０７０℃で６０分間焼成した。得られたアルミ
ナと銅との接合体は完全た密着しており、銅表面は銅光
沢を放ち、酸化されている様子は見られなかった。

さらに上記試料を縦５の、横２．５　ｃｒＩＬの大きさ
に切り出し、その上に接着している銅を巾１ｃｒＩＬ、
長さ５ｃ１１Ｌになるようエンチングして９０°ピール
試験（ＪＩＳ　Ｃ６４８１）を行なった。その結果、平
均３ｋｇ／ｅｒａ以上のビール強度が測定できた。

かかる試料のハンダ付性を調べたが、銅箔全面にわたり
ハンダが良好に付着した。−１：た、電気伝導度も５．
９　Ｘ　１゜・Ω−一と銅本来の伝導性を示゛し、不純
物拡散により銅の電気抵抗が増すといった現象は見られ
なかった。

実施例２ 実施例１で使用した銅粉末ペーストを、縦横３α表面粗
さくＲａ）が０．０１μ以下の石英ガラス板上に塗布し
た、この石英ガラス板上に縦横３ｃｒＩＬ、厚さ０．３
朋の銅板を置き、純度９９．９９９５％以上の窒素ガス
中３０７０〜】０７５℃で６０分間焼成した。

得られた試料の石英ガラスの裏面にガラス切りで傷をつ
け破壊したところ、銅板と石英ガラス７板の破壊部にお
ける界面の剥離はほとんど見られず、良好に接着してい
ることが確認できた。

実施例３ ニッケル粉末なＰＭＭＡ及びＭＥＫと混合してペースト
状にし、実施例１で使用したのと同様のアルミナ板上に
塗布した。

このアルミナ板上に縦横５ｃ１１Ｌ角、厚さ０．　Ｉ　
ＪＩ７Ｘのニッケル板を乗せ、さらに、この上にニッケ
ルペーストを塗布したもう一枚のアルミナ板を、ペース
ト塗布面がニッケル板側にくるように重ね、電気炉中で
一酸化炭素、二酸化炭素及び窒素の混合ガスで焼成雰囲
気の酸素分圧を５　Ｘ　１０−７〜５×ＪＯ−６気圧に
制御しつつ、１４４０〜１４４５℃で９０分間焼成した
。

得られた試料はニッケル板がアルミナ板２枚にはさまね
て密着しており、破壊してもニッケル板とアルミナ板の
界面にはほとんど剥離は見られなかった、 実施例４ 銅９５重量部、亜鉛５Ｍ量部からなる銅−亜鉛合金の粉
末を３００メツシユのフルイにかけつつ、表面研磨した
炭化珪素基板上へふりかけ、銅−亜鉛合金粉末層をつく
った、 この銅−亜鉛合金粉末層を有する炭化珪素基板に、１ｃ
ＩＩＬ角、厚さ１７μの銅箔を置き、−酸化炭素、二酸
化炭素及び窒素の混合ガスで焼成雰囲気の酸素分圧を１
×１０−？〜Ｉ　Ｘ　Ｉ　Ｏ−’気圧に制御しつつ、】
０６０°Ｃ〜１０６５℃　で６０分間焼成した。

得られた銅と炭化珪素の接合体は完全に密着しており、
炭化珪素基板を破壊しても、銅と炭化珪素の破壊部にお
ける界面の剥離はほとんど見られなかった。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 金属部材とセラミック部材を結合する方法において、金
   属部材とセラミック部材の間に、該金属部材の組成と同
   一組成の金属粉末又は該金属部材の組成を主たる成分と
   する金属粉末を介在させ、該金属部材に対して実質的に
   不活性な雰囲気中で、該金属部材の融点以下の温度で熱
   処理することを特徴とする金属部材とセラミック部材の
   直接結合方法