JPH02232326A - セラミックスとの接合性の良い銅材 - Google Patents
セラミックスとの接合性の良い銅材Info
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Classifications
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
- B23K35/00—Rods, electrodes, materials, or media, for use in soldering, welding, or cutting
- B23K35/22—Rods, electrodes, materials, or media, for use in soldering, welding, or cutting characterised by the composition or nature of the material
- B23K35/24—Selection of soldering or welding materials proper
- B23K35/30—Selection of soldering or welding materials proper with the principal constituent melting at less than 1550 degrees C
- B23K35/302—Cu as the principal constituent
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- Engineering & Computer Science (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- Ceramic Products (AREA)
- Manufacturing Of Printed Wiring (AREA)
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。
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、セラミックスとの接合性の良い鋼材に関する
． ［従来の技術］ セラミックスに鋼材を接合した接合体がハイブリットＩ
Ｃなどの電子部品に多く用いられている。これらの接合
は、従来、モリブデンやタングステンなどの有機バイン
ダーを含む金属ペーストをセラミックス上に印刷した後
、雰囲気炉で加熱して金属ペーストをメタライズさせて
メタライズ層を形成し、次いで、メタライズ層をニッケ
ルメッキした後、鋼材をハンダ付けにより接合させると
いった種々の工程を含む複雑な方法で行われていた． これに対し、セラミックスと鋼材との接合界面に銅の酸
化物（Ｃｕ２０）を生成させてセラミックスと銅を直接
接合させるという簡車な工程からなる方法が開発され、
注目されている．この方法は、セラミックスと鋼材とを
直接接触させた状態で単に加熱処理して両者を接合させ
るものである。銅−酸素の２元状態図から理解されるよ
うに、１０６５℃以上の温度に加熱して酸素を接触界面
に供給することにより、Ｃｕ．Ｏ液相を形成させること
ができるが、これを利用してセラミックスと鋼材とを直
接接合させるのである．酸素の供給方法には銅中の酸素
による方法（タフピッチ銅使用）と雰囲気中に存在させ
た酸素による方法（無酸素銅使用）とがあり、タフピッ
チ銅を使った接合法が一般的に用いられている。
． ［従来の技術］ セラミックスに鋼材を接合した接合体がハイブリットＩ
Ｃなどの電子部品に多く用いられている。これらの接合
は、従来、モリブデンやタングステンなどの有機バイン
ダーを含む金属ペーストをセラミックス上に印刷した後
、雰囲気炉で加熱して金属ペーストをメタライズさせて
メタライズ層を形成し、次いで、メタライズ層をニッケ
ルメッキした後、鋼材をハンダ付けにより接合させると
いった種々の工程を含む複雑な方法で行われていた． これに対し、セラミックスと鋼材との接合界面に銅の酸
化物（Ｃｕ２０）を生成させてセラミックスと銅を直接
接合させるという簡車な工程からなる方法が開発され、
注目されている．この方法は、セラミックスと鋼材とを
直接接触させた状態で単に加熱処理して両者を接合させ
るものである。銅−酸素の２元状態図から理解されるよ
うに、１０６５℃以上の温度に加熱して酸素を接触界面
に供給することにより、Ｃｕ．Ｏ液相を形成させること
ができるが、これを利用してセラミックスと鋼材とを直
接接合させるのである．酸素の供給方法には銅中の酸素
による方法（タフピッチ銅使用）と雰囲気中に存在させ
た酸素による方法（無酸素銅使用）とがあり、タフピッ
チ銅を使った接合法が一般的に用いられている。
この直接接合法はそれ以前の接合法に比べて工程も簡単
で種々の利点を有しているが、なお解決すべき問題点が
幾つか残っている． それは、銅が融点近傍まで加熱されて保持されるため、
３０ｐｐｍ前後含有されるＳ， Ｆｅ， Ｓｉ，＾８，
Ｐｂ， Ｎｉなどの不純物元素により局所的に融点が著
しく低下して、鋼材の表面（素子が搭載される表面）が
８ｉ端に荒れる現象や、接触面で同様の局所的融点低下
が起ってぬれの面積が減り良好な接合が得られないとい
う現象が起る場合があるなどである． このため、接合歩留りが著しく低下してコストアップに
つながること、銅表面が荒れて素子の搭載が不可能とな
るなどの欠点があフた．したがって、使用されるタフピ
ッチ銅は、不純物元素であるＳ， Ｆａ， Ｓｉ，＾ｇ
， Ｐｂ， Ｎｉなどの含有量をそれぞれ１０ｐｐｍ以
下にする必要があり、工業的には、溶解炉の炉材、操業
条件など非常にきびしい制約を受けることになる． ［発明が解決しようとする課！！！］ 本発明は、上記に説明したような従来技術に鑑みなされ
たものであり、本発明の目的は、Ｓなどの不純物制御を
厳密に行う必要のない、セラミックスとの接合性の良い
銅材を提供することを目的とする， ［課題を解決するための手段］ 本発明の要旨は、酸素濃度が１８０〜３００ｐｐｍであ
り、残部はＣｕおよび不可避不純物からなるタフピッチ
銅に１〜２０μｌの高純度Ｃｕ層を設けたことを特徴と
するセラミックスと接合性の良い鋼材に存在する． ［作用］ 本発明に係るセラミックスと接合性の良い銅材について
以下詳細に説明する． 酸素は、セラミックスと直接金属接合させる上での必須
の元素であり、１８０ｐｐｍ未満の濃度では接合界面で
の酸素の供給量が不十分であり、接合不良が発生する。
で種々の利点を有しているが、なお解決すべき問題点が
幾つか残っている． それは、銅が融点近傍まで加熱されて保持されるため、
３０ｐｐｍ前後含有されるＳ， Ｆｅ， Ｓｉ，＾８，
Ｐｂ， Ｎｉなどの不純物元素により局所的に融点が著
しく低下して、鋼材の表面（素子が搭載される表面）が
８ｉ端に荒れる現象や、接触面で同様の局所的融点低下
が起ってぬれの面積が減り良好な接合が得られないとい
う現象が起る場合があるなどである． このため、接合歩留りが著しく低下してコストアップに
つながること、銅表面が荒れて素子の搭載が不可能とな
るなどの欠点があフた．したがって、使用されるタフピ
ッチ銅は、不純物元素であるＳ， Ｆａ， Ｓｉ，＾ｇ
， Ｐｂ， Ｎｉなどの含有量をそれぞれ１０ｐｐｍ以
下にする必要があり、工業的には、溶解炉の炉材、操業
条件など非常にきびしい制約を受けることになる． ［発明が解決しようとする課！！！］ 本発明は、上記に説明したような従来技術に鑑みなされ
たものであり、本発明の目的は、Ｓなどの不純物制御を
厳密に行う必要のない、セラミックスとの接合性の良い
銅材を提供することを目的とする， ［課題を解決するための手段］ 本発明の要旨は、酸素濃度が１８０〜３００ｐｐｍであ
り、残部はＣｕおよび不可避不純物からなるタフピッチ
銅に１〜２０μｌの高純度Ｃｕ層を設けたことを特徴と
するセラミックスと接合性の良い鋼材に存在する． ［作用］ 本発明に係るセラミックスと接合性の良い銅材について
以下詳細に説明する． 酸素は、セラミックスと直接金属接合させる上での必須
の元素であり、１８０ｐｐｍ未満の濃度では接合界面で
の酸素の供給量が不十分であり、接合不良が発生する。
また、３００ｐｐｍを超える濃度では、接合性は良好で
あるが、高純度Ｃｕ層が１〜２０μｍ施されていても、
素子が搭載される表面が荒れる（過剰の０２が粒界に集
まり、表面あらさが大きくなる）．よって、酸素濃度は
１８０〜３００ｐｐｍとする． 高純度Ｃｕ層は、セラミックスとの接合界面において、
不可避的に混入して不純物元素による局所的融点の低下
を抑制し、界面でのＣｕ２０Ｍ相を十分に存在させ、良
好な接合界面を得る効果を有する， 高純度Ｃｕ層の厚さが、 ｌμ１未満ではその効果は少
なく、２０μ諺を超えると接合性が低下する．よって、
高純度Ｃｕ層の厚さは１〜２０μｍとする． また、高純度Ｃｕ層を設けない場合、素子が搭載される
タフピッチ表面は、Ｇｕ，０液相の形成により、凸凹が
生じ、表面粗さが著しく大きくなる（ ＲｍａｘｌＯ
μｍ以上）が、高純度Ｃｕ層を１〜２０μｍ設けること
により表面が比較的平滑になり、素子搭載の品質安定に
つながる．この場合、高純度Ｃｕ層の厚さは厚くなるほ
ど良いが、セラミックスとの接合性ならびに表面粗さお
よびコスト面から、１〜２０μ重が適切である． 高純度Ｃｕ層のＣｕ濃度としては、９９．９５％以上が
好ましく、たとえば、めっき弟埋により設ければよい．
なお、メッキの場合、めっきのままでもよいが、素材表
面の平滑性をさらに良好にし、また、吸蔵ガスの除去の
ため、Ｃｕめフき後、圧延および焼鈍処理を行ってもよ
い． なお、本発明において接合の対象となるセラミックスの
ｆｌ類には特に限定されないが、たとえば、＾Ｉｌ２０
ｓ， ＾１０，・Ｓｉ０２などがあげられ、また、こ
れらのセラミックスは適宜の基体上に形成された膜であ
フてもよい． ［実施例］ 本発明に係るセラミックスと接合性″の良い鋼材をその
実施によって以下に詳説する． 第１表に示す含有成分および成分割合のタフピッチ鋼の
０．３ｍｕａｔ材を供試材とした．セラミックスはアル
ミナ貿の１．５ｍｍｔＸ ３０瓜ｌｌｌｗｘ５０１ｌｌ
Ｉ１１のものを使用した。
あるが、高純度Ｃｕ層が１〜２０μｍ施されていても、
素子が搭載される表面が荒れる（過剰の０２が粒界に集
まり、表面あらさが大きくなる）．よって、酸素濃度は
１８０〜３００ｐｐｍとする． 高純度Ｃｕ層は、セラミックスとの接合界面において、
不可避的に混入して不純物元素による局所的融点の低下
を抑制し、界面でのＣｕ２０Ｍ相を十分に存在させ、良
好な接合界面を得る効果を有する， 高純度Ｃｕ層の厚さが、 ｌμ１未満ではその効果は少
なく、２０μ諺を超えると接合性が低下する．よって、
高純度Ｃｕ層の厚さは１〜２０μｍとする． また、高純度Ｃｕ層を設けない場合、素子が搭載される
タフピッチ表面は、Ｇｕ，０液相の形成により、凸凹が
生じ、表面粗さが著しく大きくなる（ ＲｍａｘｌＯ
μｍ以上）が、高純度Ｃｕ層を１〜２０μｍ設けること
により表面が比較的平滑になり、素子搭載の品質安定に
つながる．この場合、高純度Ｃｕ層の厚さは厚くなるほ
ど良いが、セラミックスとの接合性ならびに表面粗さお
よびコスト面から、１〜２０μ重が適切である． 高純度Ｃｕ層のＣｕ濃度としては、９９．９５％以上が
好ましく、たとえば、めっき弟埋により設ければよい．
なお、メッキの場合、めっきのままでもよいが、素材表
面の平滑性をさらに良好にし、また、吸蔵ガスの除去の
ため、Ｃｕめフき後、圧延および焼鈍処理を行ってもよ
い． なお、本発明において接合の対象となるセラミックスの
ｆｌ類には特に限定されないが、たとえば、＾Ｉｌ２０
ｓ， ＾１０，・Ｓｉ０２などがあげられ、また、こ
れらのセラミックスは適宜の基体上に形成された膜であ
フてもよい． ［実施例］ 本発明に係るセラミックスと接合性″の良い鋼材をその
実施によって以下に詳説する． 第１表に示す含有成分および成分割合のタフピッチ鋼の
０．３ｍｕａｔ材を供試材とした．セラミックスはアル
ミナ貿の１．５ｍｍｔＸ ３０瓜ｌｌｌｗｘ５０１ｌｌ
Ｉ１１のものを使用した。
接合させる綱材ばあらかじめ０．３＋＋ｖ＋ｔＸ ２５
ｍｍ＊ ｘ４５ｍ＋ａＪＺにエッチング加工にて準備し
た， Ｃｕめっきはエッチング加工前硫酸銅めっき浴に
て実施した。
ｍｍ＊ ｘ４５ｍ＋ａＪＺにエッチング加工にて準備し
た， Ｃｕめっきはエッチング加工前硫酸銅めっき浴に
て実施した。
接合試験は、セラミックスとを鋼材を重ねて、Ｎ２ガス
１００％雰囲気中（露点−５０℃）で、１０７０℃×１
０分加熱処理後、外観検査（ ｘ ４０）を行い、フク
レの発生有無にて接合性を評価した。また、鋼材表面の
表面粗さ測定および走査電子顕微鏡により表面状況を観
察した６ 第２表に試験条件ならびに試験結果を示す。
１００％雰囲気中（露点−５０℃）で、１０７０℃×１
０分加熱処理後、外観検査（ ｘ ４０）を行い、フク
レの発生有無にて接合性を評価した。また、鋼材表面の
表面粗さ測定および走査電子顕微鏡により表面状況を観
察した６ 第２表に試験条件ならびに試験結果を示す。
また、セラミックスに接合した鋼材の表面を走査電子顕
微鏡観察した結果のうち、代表例としてＮｏ．ｌ （実
施例）とＮｏ．８ （比較例）を第１図（ａ），（ｂ）
に示す． 第２表および第１図より明らかなように、ＮＯ．１〜Ｎ
ｏ．６ （実施例）は、比較例より、セラミックスとの
接合性が良好であり、素子などが搭載される鋼材表面も
ＲｍａｘＸ １０μｍ以下と平滑性に優れていた。
微鏡観察した結果のうち、代表例としてＮｏ．ｌ （実
施例）とＮｏ．８ （比較例）を第１図（ａ），（ｂ）
に示す． 第２表および第１図より明らかなように、ＮＯ．１〜Ｎ
ｏ．６ （実施例）は、比較例より、セラミックスとの
接合性が良好であり、素子などが搭載される鋼材表面も
ＲｍａｘＸ １０μｍ以下と平滑性に優れていた。
これに対してＮＯ．７およびＮｏ．８ （比較例）はＣ
ｕめっき処理がなく、フクレの発生が多く、鋼材表面の
凹凸が発生している。
ｕめっき処理がなく、フクレの発生が多く、鋼材表面の
凹凸が発生している。
Ｎｏ．９， ｔｏ， １１． １２ （比較例）は、Ｃ
ｕめつきの有無にかかわらず、０２？１４度が３００ｐ
ｐｍを超えており、フクレの発生は少なかったが、表面
粗さが大きかった● Ｎｏ．ｌ３ １４， １５ （比較例）は０，濃度
が１．ｌ］Ｏｐｐｍ未満であり、Ｃｕめつきの有無を問
わず、鋼材表面の表面粗さは良好であるが、接合性に問
題がある． Ｎｏ．１６ （比較例）は、不純物規制を行ったタフ
ピッチ鋼であり、接合性、表面粗さとも本発明と同等で
あるが、工業的に製造する上で、Ｎｏ．１８ほどに不純
物を規制するためには、相当量の設備が必要になり、コ
ストアップ・生産性低下につながる． ［発明の効果］ 本発明によれば、極限の不純物規制を行う必要もなく、
従来のタフピッチ銅にＣｕめつき層を存在させることに
よりセラミックスとの接合性の良好な鋼材を提供するこ
とができ、たとえば、電子部品としてのセラミックスー
銅複合材の品質、生産性の向上に多大に寄与するもので
ある．第１表 （ｐｐｍ） 第２表
ｕめつきの有無にかかわらず、０２？１４度が３００ｐ
ｐｍを超えており、フクレの発生は少なかったが、表面
粗さが大きかった● Ｎｏ．ｌ３ １４， １５ （比較例）は０，濃度
が１．ｌ］Ｏｐｐｍ未満であり、Ｃｕめつきの有無を問
わず、鋼材表面の表面粗さは良好であるが、接合性に問
題がある． Ｎｏ．１６ （比較例）は、不純物規制を行ったタフ
ピッチ鋼であり、接合性、表面粗さとも本発明と同等で
あるが、工業的に製造する上で、Ｎｏ．１８ほどに不純
物を規制するためには、相当量の設備が必要になり、コ
ストアップ・生産性低下につながる． ［発明の効果］ 本発明によれば、極限の不純物規制を行う必要もなく、
従来のタフピッチ銅にＣｕめつき層を存在させることに
よりセラミックスとの接合性の良好な鋼材を提供するこ
とができ、たとえば、電子部品としてのセラミックスー
銅複合材の品質、生産性の向上に多大に寄与するもので
ある．第１表 （ｐｐｍ） 第２表
第１図（ａ）は本発明Ｎｏ．１の鋼材を用いてアルミナ
セラミックスに直接接合した鋼材表面の結晶粒の状態を
示す走査電子顕微鏡写真である。第１図（ｂ）は比較例
Ｎｏ．８の鋼材を用いてアルミナセラミックに直接接合
した銅材表面の結晶粒の状態を示す走査電子顕微鏡写真
である。 ２０．：１ μ壽 （ａ）本発明ＮＯ，１ （ ｂ ）比較材Ｎ０．８ 第１図
セラミックスに直接接合した鋼材表面の結晶粒の状態を
示す走査電子顕微鏡写真である。第１図（ｂ）は比較例
Ｎｏ．８の鋼材を用いてアルミナセラミックに直接接合
した銅材表面の結晶粒の状態を示す走査電子顕微鏡写真
である。 ２０．：１ μ壽 （ａ）本発明ＮＯ，１ （ ｂ ）比較材Ｎ０．８ 第１図
Claims (1)
- 酸素濃度が１８０〜３００ｐｐｍであり、残部はＣｕ
および不可避不純物からなるタフピッチ銅に１〜２０μ
ｍの高純度Ｃｕ層を設けたことを特徴とするセラミック
スと接合性の良い銅材。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP1052855A JP2590255B2 (ja) | 1989-03-07 | 1989-03-07 | セラミックスとの接合性の良い銅材 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP1052855A JP2590255B2 (ja) | 1989-03-07 | 1989-03-07 | セラミックスとの接合性の良い銅材 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH02232326A true JPH02232326A (ja) | 1990-09-14 |
| JP2590255B2 JP2590255B2 (ja) | 1997-03-12 |
Family
ID=12926475
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP1052855A Expired - Lifetime JP2590255B2 (ja) | 1989-03-07 | 1989-03-07 | セラミックスとの接合性の良い銅材 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2590255B2 (ja) |
Cited By (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO1997029216A1 (en) * | 1996-02-09 | 1997-08-14 | Brush Wellman Inc. | Alloy c11004 |
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| EP1434265A1 (en) * | 2002-12-27 | 2004-06-30 | Mitsubishi Materials Corporation | Heat-conducting multilayer substrate and power module substrate |
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| JP2590255B2 (ja) | 1997-03-12 |
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