JPS62183542A - 炭化珪素系セラミツクスの接合部材およびその製造方法 - Google Patents

炭化珪素系セラミツクスの接合部材およびその製造方法

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JPS62183542A
JPS62183542A JP61023826A JP2382686A JPS62183542A JP S62183542 A JPS62183542 A JP S62183542A JP 61023826 A JP61023826 A JP 61023826A JP 2382686 A JP2382686 A JP 2382686A JP S62183542 A JPS62183542 A JP S62183542A
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Masahiko Sakamoto
坂本 征彦
Hiroshi Akiyama
浩 秋山
Kyo Matsuzaka
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Tomiro Yasuda
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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、炭化珪素系セラミックス焼結体を他のセラミ
ックス焼結体或は金属と接合してなる接合部材およびそ
の接合方法に係る。炭化珪素系セラミックスを他のセラ
ミックス焼結体に接合したものとして例えば半導体装置
を収納するセラミックスパッケージがあり、本発明はか
かるセラミックスパッケージに適用するのに好適である
〔従来の技術〕
セラミックス焼結体を他のセラミックス焼結体又は金属
と接合する場合に、セラミックス焼結体表面を金属化(
メタライズ)することが知られている。−例として、特
開昭55−113683号公報には、炭化物系セラミッ
クス焼結体の表面に元素周期律表IVa、Va、VIa
、■a族の少なくとも1種以上の粉末を塗布し、非酸化
性雰囲気中で焼成して金属化することが記載されている
。そして、このようにして金属化した表面にニッケル、
銅等のめっきを行ったのち、種々の金属と半田付は或い
はろう付することが記載されている。
〔発明が解決しようとしている問題点〕前記従来技術に
は、炭化物系セラミックス焼結体を金属或いは他のセラ
ミックス焼結体に実際に接合した例は記載されておらず
、接合時の問題点について全く配慮されていない。
本発明の目的は、炭化珪素系セラミックス焼結体の表面
を金属化し、他のセラミックス焼結体又は金属とろう付
するときの問題点を解決し、信頼性の高い接合部が得ら
れるようにした接合部材およびその製造方法を提供する
にある。
〔問題点を解決するための手段〕
本発明は、炭化珪素系セラミックス焼結体の被接合面を
金属化し、他のセラミックス焼結体又は金属とろう付し
てなる接合部材において、前記炭化珪素系セラミックス
焼結体の被接合面にクロムシリサイドとクロム炭化物と
の混在層、その上にクロム層およびニッケルと鋼の少な
くとも1つよりなる層を有し、且つ前記他のセラミック
ス焼結体又は金属と、ろう何面間に熱応力緩和材を有す
ることを特徴とするものである。
〔作用〕
炭化珪素系セラミックス焼結体の被接合面にクロム層を
形成し、その上にニッケルと銅と銀の少なくとも1つよ
りなる層を形成してろう付することにより、ろう材部或
いはニッケルと銅の少なくとも1つよりなる層から剥離
するのを防止することができる。
しかし、炭化珪素系セラミックス焼結体の表面にクロム
層を直接形成したのでは、ろう付部に熱疲労試験を行っ
たときに焼結体とクロム層との界面から剥離してしまう
ことがわかった。
本発明者らは、炭化珪素系セラミックス焼結体の表面に
クロムシリサイドとクロム炭化物との混在層を有し、そ
の上にクロム層を有するときに、クロム層から剥離しな
くなることを究明した。このようにクロム層の剥離を防
止できるのは、クロムシリサイドとクロム炭化物との混
在層が、炭化珪素系セラミックス焼結体とクロム層とを
強固に結合する作用をなし、しかもこの混在層がろう付
温度に耐える耐熱性を有していることに基づいている。
なお、炭化珪素系セラミックス焼結体を他のセラミック
ス焼結体又は金属とろう付する場合に、両者の間に熱膨
張率の違いがあり、しかもろう材との間にも熱膨張率差
があるので、ろう付後の冷却過程で熱応力が発生し、炭
化珪素系セラミックス焼結体が割れることがわかった。
−例として炭化珪素系セラミックス焼結体とアルミナと
をろう付した場合には、ろう付後の冷却過程で炭化珪素
系セラミックス焼結体が割れた。なお、この場合の炭化
珪素セラミックスの熱膨張係数は約3.71象 X 10−6/T:であり、アルミナの熱膨張係数を約
7.0X10−B/’Cである。この割れは、炭化珪素
糸セラミックス焼結体表面の金属化層の有無に関係なく
生ずる。
熱応力による炭化珪素系セラミックス焼結体の割れを防
止するために、ろう何部に熱応力緩和材を介在させるこ
とが必要である。炭化珪素系セラ参 ミックス焼結体の割れるのは、ろう付後の冷却過程での
ろう材の収縮にセラミックス焼結体が追従していかず熱
応力を生ずることが原因である。熱応力緩和材をろう′
何面に介在させ、この熱応力緩和材をろう材の収縮に追
従させることにより、炭化珪素系セラミックス焼結体の
割れを防止できた。
熱応力緩和材の厚さは、100μm以上が好ましく、特
に100μm〜1000μmの薄板を用いることが好ま
しい。熱応力緩和材の材料としては。
ろう付性がよくしかも熱伝導性のよい銀、銅或いはそれ
らの合金を用いることが好ましい。
本発明において、炭化珪素系セラミックス焼結体の被接
合面にクロムシリサイドとクロム炭化物との混在層を形
成し、その上にクロム層を形成する方法としては、下記
の方法が非常に好ましい。
すなわち、炭化珪素系セラミックス焼結体の表面にクロ
ム粉末を塗布し、非酸化性雰囲気中で加熱して焼成する
方法である。加熱温度は900〜1300℃の範囲が好
ましい。加熱雰囲気は不活性雰囲気又は酸素分圧が10
−”torr以下の雰囲気が好ましい。この焼成によっ
て、炭化珪素系セラミックス焼結体表面にクロムシリサ
イドとクロム炭化物との混在層が生成し、その上にクロ
ム層が生成し、更にその上にクロム酸化物を含む層が生
成する。この後、クロム酸化物を含む層を除去しクロム
層を露出させる。
クロム酸化物層又はクロム酸化物を含む層の上にニッケ
ルと銅の少なくとも1つよりなる層を形成してろう付す
ると、クロム酸化物とその上の層との界面から剥離する
ので、避けなればならない。
本発明の炭化珪素セラミックス接合部材における相手材
には、炭化物系セラミックス、酸化物系セラミックス、
非酸化物系セラミックス及び各種の金属を用いることが
できる。炭化物系セラミラックスとしては同種の炭化珪
素系セラミックスを用いることができる。酸化物系セラ
ミックスの例としてはアルミナがある。
炭化珪素系セラミックス焼結体を他のセラミックス焼結
体にろう付した具体例として半導体装置用パッケージが
ある。半導体装置の高密度化、高速度化に伴って発熱量
が増加し、パッケージの放熱性を高めることが要求され
、この結果、炭化珪素系セラミックス焼結体をアルミナ
に接合してパッケージとすることが行われるようになっ
た。集積回路を有する半導体装置を搭載した炭化珪素系
セラミックス焼結体基板をアルミナ枠体にろう付し、炭
化珪素系セラミックス焼結体基板に放熱フィンを取付け
て放熱性を改善しようというものである。
令 本発明の接置部材およびその製造方法を、かかる半導体
装置用パッケージに適用することはきわあて有効であり
、接合強度および気密性の点できわめて信頼性の高いセ
ラミックスパッケージを得ることができる。
セラミックス焼結体の表面を金属化する他の方(lO) 法として、アルミナ等の酸化物系セラミックスの表面に
マンガンとモリブデンの混合粉末を塗布し、フォーミン
グガス中で高温に加熱して焼成する方法があるが、この
方法は炭化物系セラミックスには適用できない。
特開昭59−195590号公報には、Fe、Ni。
Cr、Mnのうち少なくとも1種類以上の金属成分と、
C,Si、Hのうち少なくとも1種類以上の成分を混合
した組成物を、粉末あるいは箔の形で窒化物系セラミッ
クス体の表面に載置し、非酸化性または弱酸化性雰囲気
下において前記組成物を溶融させることが記載されてい
るが、炭化珪素系セラミックスについては述べられてい
ない。
炭化珪素系セラミックスのメタライズ方法として、特開
昭58−99184号公報にはWe Mo、Ti。
Mn等の粉末を塗付し、これを非酸化性雰囲気内A/ ノで焼成する方法が記載されているが、焼成温度が14
00℃以上と高いため、メタライズ時の熱応力が大きく
信頼性のあるメタライズ部が得られない。
【実施例〕
本発明者らは、炭化珪素系セラミックス表面に各種金属
の粉末を塗付し、これを非酸化性雰囲気内で1000℃
に加熱した場合の該セラミックスと金属との反応状態を
調べた、その結果、次のような新しい現象を発見した。
すなわち、Ti、Zr、Nb、V等の元素周期を 律表第1Va族及び第Va族の金属を塗付した場合、1
000℃の加熱温度では反応が進まず、結合反応を生じ
させるためには1000℃を越えて該金属の融点近くま
で加熱温度を高める必要がある。しかし、加熱温度を融
点近くまで高めるとメタライズド界面に該金属の炭化物
及びシリサイド等の脆い化合物層が厚く形成し、十分な
メタライズ強度が得られないことが判明した。
また、前記金属粉によって形成されたメタライズ層の厚
さは炭化珪素セラミックス表面に塗布、または印刷した
該金属粉末の厚さと同程度の10μm以上となった。こ
のため該セラミックス表面に生ずる熱応力によって該セ
ラミックスの破壊が生じた。
Fe、Ni、Mn、Go等の第■a族及び第牟 ■a族金属を塗付した場合には、1000℃の加熱温度
で該セラミックスとの結合反応が過剰に進み、接合界面
には該金属の脆いシリサイドまたは炭化物層及び遊離炭
素が厚く形成されて十分なメタライズ強度が得られない
ことが判明した。
スの母相上にCrシリサイドとCr炭化物との混在層、
更にその外側上に金属クロム層が全体で10μm以下と
薄く形成されることが判明した。
このCrシリサイドとCr炭化物との混在層およれす、
加熱温度が900〜1300℃の場合全体で1〜10μ
mと極めて薄いことが判明した。このため、該セラミッ
クス表面に生ずるI熱応力も小さくなり、該セラミック
スの熱応力破壊が生ぜずメタライズ強度が向上する。
炭化珪素セラミックス表面にクロム粉末を塗布して非酸
化性雰囲気中で焼成した場合、金属クロム層の外側に更
にCr5Os等のクロム酸化物を一部含む未反応Cr層
が比較的厚く形成される。この未反応クロム層はクロム
メタライズ層との結合力が弱い、このような未反応クム
ロム層を、前記クロムでメタライズされた面への金属部
材の接合前に除去することによって、該金属部材の接合
強度に悪影響を及ぼさないようにすることができる。
このクロム酸化物を含む未反応クロム層の除去にも は、研摩、ブラシにより除去、ホーニング等の方法を用
いればよい。
本発明において、炭化珪素系セラミックスの中でも焼結
助剤として1〜2重量%のBeoを添加した炭化珪素系
セラミックスが特に高強度のメタライス層が得られた。
なお、該セラミックス表面に形成したCrメタライズ層
のままでは他の金属又はセラミックスと接合するための
ろう付性またははんだ付性が十分でないため、該クロム
層表面にCuまたはAgまたはNi層を設けた後、該金
属又は他のセラミツクスをろう材により接合することが
望ましい、該Cr層の表面にCuまたはNi層を形成す
るには、電気めっき、化学めっき、蒸着スパッタリング
等の方法が可能である。これらの層の厚さは3〜8μm
とすることが望ましい。更に該Cr層とCuまたはNi
層との結合状態を高めるため500℃〜800℃の温度
で再び拡散処理を行うのが望ましいが、ろう付をこの温
度範囲で行う場合には、省略できる。
前記方法により炭化珪素系セラミックス表面にメタライ
ズ膜をクロムで形成後、ろう材により他の金属部材と接
合することにより、20kg/■2以上の曲げ強度が得
られ、耐熱性も600℃以上ム粉末の粒径は100μm
以下であり、好ましくは50μm以下が望ましい。これ
より大きい粒径では、結果として、形成された金属クロ
ム層で覆われないセラミックス面の部分が生じ易い。ま
た部 クロム粉末の塗付厚は10μm〜30μmが好ましく、
少なすぎると結果的に金属クロム層で覆われないセラミ
ックス表面部ができ易く、多すぎるとクロム酸化物を含
む未反応層が増すだけで経済的に好ましくない。クロム
粉末は適宜のペースト牟 剤と共にペースト状にして塗付するのがよい。り牟 ロム粉末を塗付したセラミックスを900℃〜1300
℃に加熱する時間は10分以上1時間以内が望ましい。
なお、Crメタライズの焼成温度が900℃以下ではC
rメタライズ層が形成されず、1300℃以上ではCr
メタライズ層の厚さが10μm以上になり、Crメタラ
イズ層の強度が極端に低下する。熱応力緩和材にはろう
材がぬれ易く、融点がろう付温度より高く、弾性係数(
E)の小さい銀(E=7.7X10”kgf/■2)、
銅(E=11 X 108kgf /m’)を用いるこ
とが好ましい。
アルミニウム(E=7.OX108kgf/m+” )
を用いることもできるが、この場合には表面にニッケル
又は銅の薄層を形成しておくことが好ましい。
熱応力緩和材の厚みは薄すぎると緩和効果が小さく16
) くなったり、ろう材による食われの問題があるので0.
1−以上が好ましい。また上限厚さは1mより厚いと熱
応力緩和効果が乏しい。0.1〜0.8閣の厚さが好適
である。
ろう何時の雰囲気は非酸化性雰囲気であればよく、不活
性ガス雰囲気、還元性ガス雰囲気あるいは真空中のいず
れでも良い。使用するろう材の成分によって雰囲気を使
い分けることが望ましい。
例えば銀72重量%−銅28重量%の共晶ろうを用いる
場合には、いずれの雰囲気でもよいが、蒸気圧の高いZ
n、Cd等が入っている銀ろう材を用いる場合には、不
活性ガス雰囲気または還元性ガス雰囲気とすることが望
ましい、不活性ガスあるいは窒素ガスと水素ガスの混合
ガス雰囲気も効果がある。
実施例1 約2重量%のBeoを焼結助剤とする厚さ1mm。
縦・横各20wmのホットプレス製炭化珪素系セラミッ
クス板の一面にジメチルエチルセルローズによりペース
ト状にしたCr粉末を約IIIII+の厚さで全面に塗
袷し、これをAr雰囲気内で1100℃、30分間焼成
後自然冷却した。この結果、該セラミックスの母板の表
面には約3μm厚さのCrシリサイドおよびCr炭化物
の混在層が形成されその上に金属Cr層が形成され、最
外層にCr酸化物を一部含む未反応Cr層が形成された
。次に該未反応Cr層を刃物により除去しクロム層を露
出させた。そしてCr層にCu膜を電気めっきによって
約5μm形成した。
上記方法により形成されたメタライズ膜を有する炭化珪
素焼結体と厚さ1m、幅5mのステンレス鋼板とを厚さ
500μm、帽5mのCu板よりなる熱応力緩和材を介
してAgろう付で接合した。
接合後、引張試験を行ったところ、20kg/mm”の
引張強度が得られた。
また、このメタライズ部の耐熱性試験を行った結果、7
00℃まで接合強度の低下は認められなかった。
実施例2 約5重量%のAQNを焼結助剤とする厚さ2m++縦・
横各20mのホットプレス製炭化珪素セラミックス板の
一面に前記実施例1と同様のペースト状にしたCr粉末
を約0.5mの厚さで全面に塗卸 付し、これを10一番torrの真空中で1050℃、
30分間焼成後、自然冷却した。その結果、該セラミッ
クス表面に厚さ約5μmのCrシリサイドおよびCr炭
化物の混在層およびその上に金属Cr層が形成され、最
外層にCr酸化物を含む未反応Cr層が形成された0次
に最外層に形成された該未反応Cr層を研摩により除去
し、該セラミックス表面の該金属Cr層にNiを約5μ
m電気めっきした。
上記方法により形成されたメタライズ膜を有する炭化珪
素セラミックス焼結体と、厚さ1閣2幅5Iのステンレ
ス鋼板とを熱応力緩和材として厚さ500μm、帽5■
の銀板を介して銀ろう付した。銀ろうにはPd−Agろ
うを用い、900℃で接合した。その後、引張試験を行
ったところ、約30kg/+m”の引張強度が得られ、
700℃まで接合強度の低下は認められなかった。
実施例3 本発明における半導体装置用パッケージを第1図および
第2図によって説明する。
厚さ1閣、縦・横各15mm、焼結助剤として2重量%
のBeOを含む高熱伝導性炭化珪素セラミックスを冷却
基板1として、該冷却基板1の片面の外縁に沿って幅2
mのCrメタライズ層を形成した。形成条件はジメチル
セルローズによりペースト状にした粒径10μmのCr
粉末を約30μmの厚さで所定の位置に塗布し、これを
Ar雰囲気内で1050℃、30分間焼成後自然冷却し
た。
次に最外層のCr酸化物層をブラシ研摩により除却し、
金属Cr層2に電気めっきによって約5μmのNi層3
を形成した。
上記方法により形成されたメタライズ膜を有する冷却基
板1に対向しているアルミナセラミックス枠体4は三層
構造を有しており層間には配線パターン8がある。冷却
基板1と接合される該枠体4の最上層(第1層と呼ぶ)
はその中央に半導体装置を収納するに十分な開孔を有し
、第2層、第3層と順次開口部は大きくなっていて、入
出力ピン10と配線パターン8に接続している配線部9
がある。該配線部9は冷却基板1にA u −S iメ
る タライズ層11によって接合され半導体装置の電極部と
の接続端子である。諒枠体4の第1層表面にはM o 
−M nメタライズ層5とNi層3が冷却基板1のメタ
ライズ部に合う位置に施しである。
冷却基板1と枠体4の接合は銀ろう付によって行った。
ろう付方法は、50μmの銀ろう(BAg−7: 56
重量%Ag−22重量%Cu−17重量%Zn−5重量
%Sn)箔7および所定の厚みの熱応力緩和材6(銀板
、無酸素鋼板)をメタライズドパターンに打抜き、銀ろ
う箔7.熱応力緩和材6.銀ろう箔7の順で冷却基板1
と枠体4の中間に設置し、流量5 、5 Q /win
のNt−10%H2ガス雰囲気中で700〜710℃に
加熱してろう付した。冷却速度は500℃までは20℃
/min、500℃以下は5〜b ℃まで炉中冷却を行い、その後大気中で室温まで自然冷
却した。
次にろう何機の半導体パッケージのHeリークテストを
行った。リークテストを熱疲労試験前後について行い、
その条件は一50℃〜+150℃を1時間1サイクルと
した熱サイクルで1000サイクル行った。リークテス
トの合格ラインを1×10−’at11−ω/Sとした
場合の試験結果を第1表に示す。
第1表 熱疲労試験に合格した半導体装置用パッケージ開孔部の
A u −S iメタライズ部11にLSIを接合して
、該LSIの電極部と枠体4の配線部9をAQ細線によ
り接続し、外気に触れないよう密封した。また冷却基板
1上面には炭化珪素セラミックスの放熱フィン12を熱
伝導性接着剤13により接着し、半導体装置用パッケー
ジとした。
実施例4 実施例3に用いたのと同じ冷却基板1と枠体4の接合に
おいて、熱応力緩和材、ろう材及びろう付条件を変えて
製作した接合体の熱サイクルによる疲労試験後のHeリ
ークテスト結果を第2表に示す。尚、熱応力緩和材の厚
みは500μmとし、Arの流量は8 Q /win、
真空度は5 X 10−’torrである。
実施例5 実施例3に用いたものと同じ冷却基板1の片面の外縁に
沿った幅2■のCr層2およびNiめつき層3を形成す
る時に、該冷却基板1の中央領域にもCrメタライズ層
およびNiめつき層3を形成した。外縁および中央領域
のメタライズ層間距離は狭い部分で約100μm、広い
部分で約250μmであった。枠体4との接合には50
μmの銀ろう(BAg−7)箔7を用い、N5−10%
叛 H2ガス雰囲、中で行った。ろう付温度は710℃であ
る。熱応力緩和材6には500μmのAg板を用いた。
ろう付後、該冷却基板1の中央領域に約3μmの金蒸着
層を施し、半導体装置をダイボンディングにより接合し
た。
本実施例によれば、熱応力緩和材を介して強固に結合さ
れたクロムメタライズ膜を有する炭化珪素セラミックス
冷却基板と積層セラミックス枠体を高い接合強度を以っ
て接合できるので、気密封止に効果のある半導体装置用
パッケージが得られる。
〔発明の効果〕
以上説明したように本発明によれば、ろう付後の冷却過
程で炭化珪素系セラミックス焼結体が割れたすせず、し
かも金属化層から剥離するのを防止することができ、信
頼性の高い接合部材を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の一実施例を示す半導体装置用パッケー
ジの断面図、第2図は第1図のA部の拡大図である。 1・・・冷却基板、2・・・Cr層、3・・・Ni層、
4・・・アルミナセラミックス枠体、5・・・M o 
−M nメタライズ層、6・・・熱応力緩和材、7・・
・銀ろう箔。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1、被接合面に金属化層を有する炭化珪素系セラミック
    ス焼結体と他のセラミックス又は金属との接合部材にお
    いて、前記金属化層がクロムシリサイドとクロム炭化物
    との混在層、その上のクロム層およびニッケルと銅の少
    なくとも1つよりなる最外層の三層構造からなり、前記
    他のセラミックスまたは金属との接合面間に熱応力緩和
    材を有することを特徴とする炭化珪素系セラミックスの
    接合部材。 2、特許請求の範囲第1項において、前記熱応力緩和材
    が銀、銅の少なくとも1つよりなることを特徴とする炭
    化珪素系セラミックスの接合部材。 3、特許請求の範囲第1項において、前記熱応力緩和材
    の厚さが100〜1000μmよりなることを特徴とす
    る炭化珪素系セラミックスの接合部材。 4、特許請求の範囲第1項において、前記他のセラミッ
    クスがアルミナよりなることを特徴とする炭化珪素系セ
    ラミックスの接合部材。 5、特許請求の範囲第1項において、前記金属化層にお
    けるクロムシリサイドとクロム炭化物の混在層およびそ
    の上のクロム層が、前記炭化珪素系セラミックス焼結体
    表面にクロム粉末を塗布して非酸化性雰囲気で焼成し、
    最外層に形成されるクロム酸化物を含む層を除去して得
    られることを特徴とする炭化珪素系セラミックスの接合
    部材。 6、特許請求の範囲第1項において、前記炭化珪素系セ
    ラミックス焼結体がベリリウム酸化物を1〜2重量%含
    むことを特徴とする炭化珪素系セラミックスの接合部材
    。 7、被接合面に金属化層を有する炭化珪素系セラミック
    ス焼結体を他のセラミックスまたは金属と接合してなる
    接合部材の製法において、前記金属化層の形成工程とし
    て、前記炭化珪素系セラミックス焼結体表面にクロム粉
    を塗布後非酸化性雰囲気中で加熱してクロムシリサイド
    とクロム炭化物の混在層、その上のクロム層およびクロ
    ム酸化物を含む最外層を形成する工程、前記最外層を除
    去する工程およびその後、ニッケルと銅の少なくとも1
    つを被覆する工程を含み、前記金属化層と前記他のセラ
    ミックス又は金属との接合面間に熱応力緩和材を介して
    ろう付することを特徴とする炭化珪素系セラミックス接
    合部材の製造方法。 8、特許請求の範囲第7項において、前記非酸化性雰囲
    気で900〜1300℃の温度に加熱することを特徴と
    する炭化珪素系セラミックス接合部材の製造方法。 9、特許請求の範囲第7項において、前記熱応力緩和材
    として銅、銀の少なくとも1つを用いることを特徴とす
    る炭化珪素系セラミックス接合部材の製造方法。 10、特許請求の範囲第8項において、厚さ100〜1
    000μmの熱応力緩和材を介在させることを特徴とす
    る炭化珪素系セラミックス焼結体の製造方法。 11、特許請求の範囲第7項において、前記ろう付を銀
    ろうを用いて施すことを特徴とする炭化珪素系セラミッ
    クス接合部材の製造方法。
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