JPS6126231A - 金属‐セラミツク複合素子およびその製法 - Google Patents

金属‐セラミツク複合素子およびその製法

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JPS6126231A
JPS6126231A JP14595185A JP14595185A JPS6126231A JP S6126231 A JPS6126231 A JP S6126231A JP 14595185 A JP14595185 A JP 14595185A JP 14595185 A JP14595185 A JP 14595185A JP S6126231 A JPS6126231 A JP S6126231A
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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： 本発明は特許請求の範囲第１項の上位概念による金属−
セラミック複合素子およびこの複合素子の製法に関する
。この複合素子はたとえば米国特許第３７６６６３４号
明細書から公知である。
従来の技術： パワー半導体およびノ１イゾリツド回路またはパワーモ
ジュールの技術にはロク接または接着なしにいわゆる“
直接ボンディング法により製造する金属−セラミック結
合が内第に多（使用される（たとえば米国特許第６９９
４４５０号明細書参照）。
この直接ボンディング法の場合、金属層はその下にある
セラミック基材と共晶中間層によって強固に結合される
。共晶中間層は金属層の金属（たとえばＣｕ　）とその
金属化合物（たとえばＣｕ２Ｏ）で形成される共晶から
なり、その融点は純金属のそれより低い。
結合をつくる際金属層を箔の形でセラミック基材上に配
置し、このように形成した積層配置を共晶温度と純金属
の融点の間の温度に加熱する。セラミック基材を゛ぬら
す゛溶融共晶中間層がこの条件下に形成され、その際加
熱を反応性雰囲気中で実施しく米国特許第３７６６６３
４号明細書参照）、または金属層が銅の場合所要の酸素
を銅箔のあらかじめの酸化により中間層へ導入する（米
国特許第３９９４４３０号明細書参照）。
公知法によれば種々の金属層と（に銅層と１’Ｊ、２０
３またはＢｅＯのセラミック層の間の強固な結合が好結
果をもって製造され、たとえば）・イブリッド回路の基
板として使用された。金属層はこのような場合パターン
化され、個々の素子をはんだ付けする導体面および導体
路を形成する。このようなハイブリッド回路の熱負荷性
はほぼセラミック基材の熱伝導性によって決定され、こ
の基材を介して構成素子に発生する熱が冷却面または周
囲へ放出される。
しかし集積回路の場合もパワーエレクトロニクスのモジ
ュールでも能動素子の表面および単位面積当り導出する
損失パワーは次第に太き（なる。熱負荷のこの増大によ
り構成素子の熱的結合およびしたがってセラミック基材
の熱的性質に対する要求が高（なる。
（たとえば直接ポンディングによって）金属化したＡｔ
２０３セラミツク基材を個々の構成素子またはチップの
支持体として使用する常用法は現在すでにその限界に達
している。その理由はＡｔ２０３セラミツクの比較的低
い熱伝導度約２０〜２５ｗ−ｍ−１・ｋ−１および常用
半導体材料ケイ素の２倍より大きい膨張係数にある。熱
伝導度の高いＢｅＯセラミックをＡｔ２０’３の代りに
使用することは加工の際発圧するダストの毒性のため通
常は困難である。
上記理由から最近高い熱伝導度のほかに小さい膨張係数
および高い電気的絶縁性を有するセラミック材料が太き
（注目されてきた。このセラミック材料にはチツ化物セ
ラミックと（にＡｌＮおよびＳｉ３Ｎ４が属する。チッ
化アルミニウムセラミックはこれまで使用したＡ／！、
２０３セラミツクより４倍高い約１００ｗ−ｍ”・ｋ−
１の熱伝導度を有する。
しかしチツ化物セラミックをパワー構成素子組立のため
の金属化した基材として使用することは常用の金属化法
と（に前記直接ボンディング法によって十分強固な金属
−セラミック結合が生じないので問題である。公知の積
層順序、銅−金属層、Ｃｕ−Ｃｕ２Ｏの共晶中間層およ
びセラミック基材を有する工業的に重要な鋼−セラミッ
ク直接結合はチツ化物セラミックからなるセラミック基
材の場合付着力不足のため不適当である。
発明が解決しようとする問題点： それゆえ本発明の目的は公知金属−ＡＡ！２０３複合素
子に比して機械的強度をほとんど低下せずに明らかに改
善された熱伝導度を有する金属−セラミック複合素子お
よびこのような複合素子の製法を得ることである。
問題点を解決するための手段： この目的は釘記の金属−セラミック複合素子が特許請求
の範囲第１項の特徴部に記載の特徴を有することによっ
て解決される。製法は特許請求の範囲第５項記載の特徴
によって解決される。
作用： 本発明の要旨はチツ化物セラミックからなるセラミック
基材を使用し、チツ化物セラミックと共晶中間層の間の
付着力をチツ化物セラミックと固（結合した、共晶中間
層にぬれる酸化物中間層によって改善することにある。
本発明の製法は基材としてチツ化物セラミックを使用し
、このセラミックをまず酸素含有雰囲気中の熱処理によ
って酸化物中間層で被覆し、次に公知法で金属化するこ
とからなる。
実施例： 次に本発明の実施例を１図面により説明する。
本発明による金属セラミック複合素子の積層順序が第１
図に示される。チツ化物セラミックからなるセラミック
基材４に後述の方法によるセラミック基材４のｉ　ｏｏ
ｏ℃を超える酸素含有雰囲気中の熱処理によって製造し
た成長した酸化物中間層３が配置される。酸化物中間層
３はその製法に基きセラミック基材４と固（結合し、そ
の含有酸素により公知のＡｔ２０３またはＢｅＯセラミ
ックの表面のように作用し、すなわち接触するｉ融状態
の共晶中間層２によって直接ボンディング過程の間ぬら
される。
冷却後に凝固した共晶中間層２は酸化物中間層３と上に
ある金属層１０間の強固な結合に作用する。金属層はパ
ターン化されていてよ（、たとえば能動素子の導体路お
よび導体表面を形成する。
セラミック基材４はと＜　Ｉｃ　Ａ、ａＮまたはＳ　ｉ
　３Ｎ４からなり、チツ化アルミニウムはチツ化ケイ素
に比して熱伝導度が高いことで優れている。しかし他の
適当なチツ化物を同様使用することができる。
共晶中間層２は金属層１の金属と適当な金属化合物の共
晶合金からなる。金属および金属化合物の例は米国特許
第３９９４４３０号明細書に記載される。とくに金属層
１は銅からなり、共晶中間層２は約１０６５°Ｃの比較
的低い共晶温度を有するＣｕ−Ｃｕ　２０合金からなる
。
酸化物中間層３の正確な組成はなお明らかでない。しか
し酸素分は明らかに５０％を超え、酸素原子はＡｔ２０
３（Ａ／！、Ｎの場合）もしくはＳ　１０２（Ｓｉ３Ｎ
４の場合）またはオキシドニトリドの形で結合している
。
酸素含有雰囲気中の熱処理時間に依存する酸化物中間層
３の厚さは金属層１とセラミック基材４の間の十分な付
着を保証するため最小値より太き（なければならない。
さらにこの厚さは第１図の積層順序による熱伝導度が酸
化物中間層の厚さの上昇とともに低（なるので、あまり
太き（選択することは有利でない。有利な厚さ範囲は約
０．５〜０．５μｍにわたる。
改善された熱伝導度を有する金属−セラミック複合素子
を製造する本発明の方法の場合第２Ａ図に示すチツ化物
セラミックのセラミック基材４から出発する。
セラミック基材４上に高熱酸化によって酸化物中間層３
が形成される（第２Ｂ図）。この場合次のとおり実施さ
れるセラミック基材４を洗浄し、乾燥し、次に１１００
〜１６００℃の温度の炉内で空気または純酸素中で５〜
６０分の時間灼熱（熱処理）する。その際チツ化物セ２
ミックの表面に固（付着する薄い酸化物中間層が形成さ
れる。熱処理時間が長いほど、または熱処理温度が高い
ほど、酸化物中間層３の厚さは大きくなるので、温度お
よび時間パラメータの孟田鎮＋ｙ　＞リイ画イ４勿旦１
ｒ偽１１愈す１．’−Ｌ清２鳴き墨。
公知の直接ボンディング法によるセラミック基材の引続
（金属化のため、この厚さは前記のように一定の最小値
を超えなければならない。
というのはボンディング過程で酸化物中間層は一部溶融
共晶中間層に溶解するからである。
ＡｌＮ基材の熱酸化にはこの場合次のパラメータがとく
に適することが実証された： 熱処理時間：３０分 温度　：１２００°Ｃ 雰　囲　気：空気 第２Ｂ図による酸化物中間層３の形成後、セラミック基
材４は公知の直接ボンディング法によって金属化するこ
とができる。これは第２Ｃ図に例として米国特許第３９
９４４３０号明、細書から公知の方法による銅箔１の被
覆で示される。
この場合熱酸化したセラミック基材４の酸化物中間層３
上へ金属層１および金属酸化物層５からなる前酸化した
銅箔が配置される。共晶温度（Ｃｕ−Ｃｕ２Ｏの場合１
０６５℃）より高い温度へ加熱することに３よって第２
Ｄ図に示すように溶融共晶中間層２が形成されるので、
冷却後第１図に示す積層体が発生する。
金属化はもちろんここに例として挙げた方法に制限され
ず、酸化物セラミック工業から公知のすべての方法で実
施することができる。
発明の効果： チン化物セラミック上の酸化物中間層によって達成され
る金属層の付着強度はＡｔ２ｏ３セラミツク上の強度と
比較しうるので、本発明によりその熱的性質が同じ機械
的強度のもとに著しく優れた金属−セラミック複合素子
を簡単に得ることができる。
【図面の簡単な説明】
第１図は本発明による金属−セラミック複合素子の縦断
面図、第２Ａ図、第２Ｂ図、第２ｃ図および第２Ｄ図は
本発明による金属−セラミック複合素子製造の過程を示
す縦断面図である。 １・・・金属層　２・−・共晶中間層　３・・・酸化物
中間層　４・・・セラミック基材　５・・・金属酸化物
層！ Ｆ 林　　　　　心ｄ

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 １、セラミック基材（４）、その上にある金属層（１）
    およびセラミック基材（４）と金属層（１）の間にある
    共晶中間層（２）を有する金属−セラミック複合素子に
    おいて、セラミック基材（４）がチッ化物セラミックか
    らなり、共晶中間層（２）とセラミック基材（４）の間
    に酸化物中間層（３）が配置されていることを特徴とす
    る金属−セラミック複合素 子。 ２、チッ化物セラミックがＡｌＮまたはＳｉ＿３Ｎ＿４
    からなる特許請求の範囲第１項記載の複合素子。 ３、金属層（１）が銅からなり、共晶中間層（２）が銅
    および酸化銅（Ｃｕ＿２Ｏ）からなる特許請求の範囲第
    １項記載の複合素子。 ４、酸化物中間層の厚さが０．２〜５μｍである特許請
    求の範囲第１項記載の複合素子。 ５、セラミック基材（４）、その上にある金属層（１）
    およびセラミック基材（４）と金属層（１）の間にある
    共晶中間層（２）を有し、金属層（１）を共晶中間層（
    ２）の形成によつてセラミック基材（４）と結合する金
    属−セラミック複合素子の製法において、セラミック基
    材（４）としてチッ化物セラミックを使用し、共晶中間
    層（２）の形成前にセラミック基材の金属層側の面に酸
    化物中間層（３）を製造することを特徴とする金属−セ
    ラミック複合素子の製法。 ６、チッ化物セラミックとしてＡｌＮまたはＳｉ＿３Ｎ
    ＿４セラミックを使用し、酸化物中間層（３）を製造す
    るためセラミック基材（４）を１０００℃より高い酸素
    含有雰囲気中で熱処理する特許請求の範囲第５項記載の
    製法。 ７、チッ化物セラミックとしてＡｌＮセラミックを使用
    し、酸化物中間層（３）を製造するためセラミック基材
    （４）を１１００〜１３００℃の温度の酸素含有雰囲気
    中で５〜６０分間熱処理する特許請求の範囲第６項記載
    の方法。 ８、酸素含有雰囲気として空気または純酸素を使用する
    特許請求の範囲第７項記載の製法。 ９、酸素含有雰囲気として空気を使用し、セラミック基
    材（４）を３０分間、１２００℃の温度で熱処理する特
    許請求の範囲第８項記載の製法。
JP14595185A 1984-07-06 1985-07-04 金属‐セラミツク複合素子およびその製法 Pending JPS6126231A (ja)

Applications Claiming Priority (2)

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CH3275/84A CH660176A5 (de) 1984-07-06 1984-07-06 Metall-keramik-verbundelement und verfahren zu dessen herstellung.
CH3275/84-0 1984-07-06

Publications (1)

Publication Number Publication Date
JPS6126231A true JPS6126231A (ja) 1986-02-05

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ID=4252466

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JP14595185A Pending JPS6126231A (ja) 1984-07-06 1985-07-04 金属‐セラミツク複合素子およびその製法

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EP (1) EP0170012B1 (ja)
JP (1) JPS6126231A (ja)
CH (1) CH660176A5 (ja)
DE (1) DE3569513D1 (ja)

Cited By (1)

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