JPH06321649A - Metallized carbon member, its production and semiconductor equipment using the same - Google Patents

Metallized carbon member, its production and semiconductor equipment using the same

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JPH06321649A
JPH06321649A JP5136937A JP13693793A JPH06321649A JP H06321649 A JPH06321649 A JP H06321649A JP 5136937 A JP5136937 A JP 5136937A JP 13693793 A JP13693793 A JP 13693793A JP H06321649 A JPH06321649 A JP H06321649A
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JP
Japan
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sintered body
metal
carbon
carbon member
active metal
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JP5136937A
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Japanese (ja)
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Yasutoshi Kurihara
保敏 栗原
Shigeru Takahashi
茂 高橋
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Hitachi Ltd
Original Assignee
Hitachi Ltd
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Publication date
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    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2224/00—Indexing scheme for arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies and methods related thereto as covered by H01L24/00
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    • H01L2224/83—Methods for connecting semiconductor or other solid state bodies using means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected using a layer connector
    • H01L2224/831—Methods for connecting semiconductor or other solid state bodies using means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected using a layer connector the layer connector being supplied to the parts to be connected in the bonding apparatus
    • H01L2224/83101—Methods for connecting semiconductor or other solid state bodies using means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected using a layer connector the layer connector being supplied to the parts to be connected in the bonding apparatus as prepeg comprising a layer connector, e.g. provided in an insulating plate member
    • H—ELECTRICITY
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    • H01L2924/1305—Bipolar Junction Transistor [BJT]
    • H01L2924/13055—Insulated gate bipolar transistor [IGBT]

Abstract

PURPOSE:To provide a metallized carbon member obtd. by forming a metallic layer having high reliability of joining and a desired thickness on a carbon-based sintered compact. CONSTITUTION:A layer 111 of a brazing filler metal contg. an active metal or its carbide is joined to a carbon-based sintered compact 100 to dispose a metallic layer on the sintered compact 100. At the joint between the layer 111 and the sintered compact 100, an interfacial layer 111A contg. the brazing filler metal penetrated into the sintered compact is formed. The objective metallized carbon member with a formed metallic layer having high reliability of joining of the metallizing part and a desired thickness is obtd. and this member is excellent in heat diffusing property, electric conductivity and mechanical strength.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【０００１】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は、金属化炭素部材とその
製造方法、及び、それを用いた半導体装置等に関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a metallized carbon member, a method for producing the same, and a semiconductor device using the same.

【０００２】[0002]

【従来の技術】従来から、炭素を主体とする焼結体は、
その熱伝導性，電気伝導性，熱膨張特性，機械的強度等
に着目して、様々な分野で利用されている。2. Description of the Related Art Conventionally, carbon-based sintered bodies have been
It is used in various fields, paying attention to its thermal conductivity, electrical conductivity, thermal expansion characteristics, mechanical strength and the like.

【０００３】しかし、炭素を主体とする焼結体を例えば
導電機能を有する部材として利用する場合等には、焼結
体表面を金属化処理したいという要求が生じるが、従来
の技術では満足のいく焼結体表面の金属化は実現出来て
いない。However, when a sintered body mainly composed of carbon is used as a member having a conductive function, for example, there is a demand for metallizing the surface of the sintered body, but the conventional technique is satisfactory. Metallization of the surface of the sintered body has not been realized.

【０００４】例えば、混成集積回路装置あるいは半導体
モジュール装置では、一般に半導体素子を含むあるまと
まった電気回路が組み込まれるため、その回路の少なく
とも一部とこれらの装置の支持部材とが一体として構成
されるが、Ｓｉチップを搭載する部材は、熱膨張係数差
による熱応力緩衝材としての機能、及び十分な熱伝導機
能，電気伝導機能を兼ね備えたものが好ましく、これに
炭素を主体とする焼結体を採用するのは有効である。For example, in a hybrid integrated circuit device or a semiconductor module device, since a certain electric circuit including a semiconductor element is generally incorporated, at least a part of the circuit and a supporting member of these devices are integrally formed. However, the member on which the Si chip is mounted preferably has both a function as a thermal stress buffering material due to the difference in thermal expansion coefficient, and a sufficient heat conduction function and electric conduction function, and a sintered body containing carbon as the main component. It is effective to adopt.

【０００５】しかし、炭素を主体とする焼結体単独で
は、支持部材又は熱拡散部材として半導体装置に組み込
むことは困難であり、焼結体の被接着面に金属化処理が
施されなければならない。However, it is difficult to assemble the carbon-based sintered body alone into a semiconductor device as a supporting member or a heat diffusion member, and the adhered surface of the sintered body must be metallized. .

【０００６】特開昭58−157144号には、半導体基体をグ
ラファイト基板上にはんだ付け搭載したパワー半導体素
子が開示されている。この場合のグラファイト基板は熱
伝導路にあって電気的に活性な領域に用いられるが、半
導体基体をはんだ付けするための金属化は、Ａｌ，Ｍｏ
から選択された金属のスパッタリングによりなされてい
る。Japanese Unexamined Patent Publication (Kokai) No. 58-157144 discloses a power semiconductor device in which a semiconductor substrate is mounted on a graphite substrate by soldering. The graphite substrate in this case is used in an electrically active region in a heat conduction path, but metallization for soldering a semiconductor substrate is performed using Al, Mo.
It is made by sputtering a metal selected from

【０００７】[0007]

【発明が解決しようとする課題】上記従来技術において
は、グラファイト基板の金属化はスパッタリングによっ
て行われる。In the above prior art, metallization of the graphite substrate is performed by sputtering.

【０００８】これによる問題点の第１は、形成できる金
属層がせいぜい１００００Åと薄い点である。グラファ
イトの抵抗率は、Ｃｕの如き金属に比べると約３桁高
い。特に従来技術に示されるような電流容量の大きい半
導体装置に適用する場合では、グラファイトの抵抗率が
電力損失を増大させる原因になる。したがって、グラフ
ァイト基板が電気的に活性な領域にあって導電機能を確
実に持つためには、抵抗率の高い欠点を補完する必要が
ある。しかし、極めて薄い上記金属層では、抵抗率の高
いグラファイト基板の欠点を補完することができない。The first problem with this is that the metal layer that can be formed is as thin as 10,000 Å at most. The resistivity of graphite is about three orders of magnitude higher than that of metals such as Cu. Particularly when applied to a semiconductor device having a large current capacity as shown in the related art, the resistivity of graphite causes a power loss to increase. Therefore, in order to ensure that the graphite substrate has an electrically conductive function in the electrically active region, it is necessary to supplement the defect having a high resistivity. However, the extremely thin metal layer cannot complement the defects of the graphite substrate having high resistivity.

【０００９】問題点の第２は、金属層がスパッタリング
により形成される場合は、気相金属がグラファイト基板
上に到達して付着することにより金属層が形成されるの
で、強固な接着性を有する金属層を形成できないという
点である。The second problem is that when the metal layer is formed by sputtering, the metal layer is formed by the vapor-phase metal reaching and adhering onto the graphite substrate, so that it has a strong adhesive property. The point is that the metal layer cannot be formed.

【００１０】特に、グラファイト素材の表面部には、一
般に研削加工による破壊層が残留し、この部分の機械的
強度が低下している。ここで指摘すべき重要な点は、気
相金属がグラファイト基板上に到達して付着することに
より金属層が形成された後でも、上記グラファイト素材
の表面部に破壊層がそのまま残留するため、熱的及び機
械的ストレスが与えられた場合、表面破壊層を起点とし
た破損によりろう付け一体化物の破壊を生じやすいこと
である。この欠点は、グラファイト基板が熱伝導路にあ
って熱中継もしくは熱流拡大の機能を果たす上で、ま
た、電気的に活性な領域にあって導電機能を確実に持つ
上で致命的な支障を及ぼす。In particular, the surface of the graphite material is generally left with a destructive layer due to grinding, and the mechanical strength of this part is reduced. The important point to note here is that even after the metal layer is formed by the vapor-phase metal reaching and adhering onto the graphite substrate, the fracture layer remains on the surface of the graphite material as it is. When mechanical and mechanical stress is applied, it is easy for the brazed integrated product to break due to the damage starting from the surface breakage layer. This drawback causes a fatal obstacle in that the graphite substrate has a function of heat relay or expansion of heat flow in the heat conduction path and has a conductive function in the electrically active region. .

【００１１】本発明の目的は、上述の問題点を解決し、
金属化部分の信頼性が高くかつ所望の厚さの金属層を形
成した金属化炭素部材を提供することである。The object of the present invention is to solve the above-mentioned problems,
It is an object of the present invention to provide a metallized carbon member having a highly reliable metallized portion and a metal layer having a desired thickness.

【００１２】また、本発明の他の目的は、上記金属化炭
素部材を製造するための金属化方法を提供することであ
る。Another object of the present invention is to provide a metallizing method for producing the above metallized carbon member.

【００１３】また、本発明の他の目的は、上記金属化炭
素部材を用いた信頼性の高い半導体装置等を提供するこ
とである。Another object of the present invention is to provide a highly reliable semiconductor device using the above metallized carbon member.

【００１４】[0014]

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明は、炭素を主体とする焼結体を金属化処理し
た金属化炭素部材において、活性金属又は活性金属の炭
化物を含むろう材層を接合して前記焼結体に金属層を設
けたことを特徴とする。In order to achieve the above object, the present invention provides a metallized carbon member obtained by metallizing a sintered body mainly containing carbon, which contains an active metal or a carbide of an active metal. It is characterized in that material layers are joined to each other and a metal layer is provided on the sintered body.

【００１５】また、本発明の金属化炭素部材の製造方法
は、炭素を主体とする焼結体に、活性金属を添加したろ
う材又は活性金属とろう材を塗布又は載置することによ
って接触させ、真空中または調整された気体雰囲気中で
上記焼結体を加熱することを特徴とする。Further, in the method for producing a metallized carbon member of the present invention, a brazing material containing an active metal or a brazing material containing an active metal is applied to or placed in contact with a sintered body containing carbon as a main component. The sintered body is heated in a vacuum or in a controlled gas atmosphere.

【００１６】また、本発明による半導体装置は、前述の
金属化炭素部材を半導体基体と載置部材との間に具備す
ることを特徴とする。The semiconductor device according to the present invention is characterized in that the above-mentioned metallized carbon member is provided between the semiconductor substrate and the mounting member.

【００１７】[0017]

【作用】本発明の金属化炭素部材は、炭素を主体とする
焼結体に活性金属又は活性金属の炭化物を含むろう材を
接合して金属層を形成している。この金属化炭素部材
は、上記金属層を厚く形成できる第１の特長がある。こ
の点は、炭素焼結体の抵抗率がＣｕの如き金属に比べて
高い欠点を補完し、電気的に活性な領域にあって導電機
能を確実に果たすのに有効に作用する。また、本発明の
金属化炭素部材では上記金属層に連なって銅箔の如き金
属をろう付けすることも可能であり、このような形態の
炭素部材には更に優れた導電機能を付与できる。In the metallized carbon member of the present invention, a metal layer is formed by joining a brazing material containing an active metal or a carbide of an active metal to a sintered body mainly composed of carbon. This metallized carbon member has the first feature that the metal layer can be formed thick. This point complements the defect that the resistivity of the carbon sintered body is higher than that of a metal such as Cu, and effectively acts to ensure the conductive function in the electrically active region. Further, in the metallized carbon member of the present invention, it is possible to braze a metal such as a copper foil in succession to the metal layer, and a carbon member having such a form can be provided with a more excellent conductive function.

【００１８】上記第１の特長に関連して、比較的厚く形
成される熱伝導性のよい金属層や銅箔が、熱を拡散させ
る作用を有するため、結果的に本発明による金属化炭素
部材は放熱性を高めるのに寄与する。従来技術例におけ
るスパッタリングによる金属層には、このような作用，
効果は得られない。With respect to the above-mentioned first feature, the metal layer or the copper foil, which is formed relatively thick and has good thermal conductivity, has a function of diffusing heat, and as a result, the metallized carbon member according to the present invention. Contributes to increase heat dissipation. The metal layer formed by sputtering in the prior art example has such an effect,
No effect.

【００１９】本発明の金属化炭素部材では、活性金属又
は活性金属の炭化物を含む金属ろう材成分が炭素を主体
とする焼結体の内部に向けて深く浸入する。この浸入経
路として焼結体の粒界が選ばれる点が、第２の特長とし
て挙げられる。これにより、金属層が先行技術例の場合
より強固に接着される。これは、金属ろう材成分が焼結
体の内部に選択的に深く浸入してアンカー効果が生じ、
焼結体の表面部に残留する破壊層の欠点が補完されるた
めである。また、選択的な浸入により実質的な接着面積
が増えることも、強固に接着される他の要因である。さ
らには、上記活性金属又は活性金属の炭化物は、焼結体
とろう材の間の界面部において、他のろう材領域より高
濃度に偏析することが強固な接着を可能とする大きな要
因となっていると考えられる。これは、活性金属と炭素
を主体とする焼結体とが化学的に結合することが熱エネ
ルギー的に安定化する方向へ作用するためである。In the metallized carbon member of the present invention, the metal brazing filler metal component containing the active metal or the carbide of the active metal deeply penetrates into the sintered body containing carbon as a main component. The second feature is that the grain boundary of the sintered body is selected as the penetration path. This causes the metal layer to adhere more firmly than in the prior art example. This is because the brazing filler metal component selectively penetrates deeply inside the sintered body to produce an anchor effect,
This is because the defect of the fracture layer remaining on the surface of the sintered body is complemented. Further, the increase of the substantial bonding area due to the selective penetration is another factor for strong bonding. Furthermore, the active metal or the carbide of the active metal segregates to a higher concentration than other brazing filler metal regions at the interface between the sintered body and the brazing filler metal, which is a major factor that enables strong adhesion. It is thought that This is because the chemical bond between the active metal and the sintered body containing carbon as a main component acts in the direction of stabilizing the thermal energy.

【００２０】これらの利点は、炭素部材が熱伝導路にあ
って熱中継もしくは熱流拡大の機能を果たす上で、ま
た、電気的に活性な領域にあって導電機能を確実に持つ
上で、決定的な効果をもたらす。These advantages are determined in that the carbon member has a function of heat relay or expansion of heat flow in the heat conduction path, and that it has a conductive function in the electrically active region. Have a positive effect.

【００２１】また、本発明の金属化炭素部材の製造方法
では、炭素を主体とする焼結体に活性金属を添加したろ
う材又は活性金属とろう材を塗布又は載置し、真空中ま
たは調整された気体雰囲気中で上記焼結体を加熱するこ
とによって、活性金属又は活性金属の炭化物を含む金属
層成分を焼結体の内部に向けて深く浸入させることが可
能である。この点は、蒸着法やスパッタリング法で金属
を付着させる場合と異なる。また、上記焼結体は内部に
焼結粒界を有している。このことが、上記金属層成分を
焼結体の内部の深くまで選択的に浸入させ得る決定的な
要因である。Further, in the method for producing a metallized carbon member of the present invention, a brazing material having an active metal added or a brazing material and an active metal are applied to or placed on a sintered body mainly composed of carbon, and the material is placed in a vacuum or adjusted. By heating the above-mentioned sintered body in the gas atmosphere, it is possible to deeply penetrate the metal layer component containing the active metal or the carbide of the active metal toward the inside of the sintered body. This point is different from the case of depositing a metal by the vapor deposition method or the sputtering method. Further, the above-mentioned sintered body has a sintered grain boundary inside. This is a decisive factor that allows the metal layer components to selectively penetrate deep inside the sintered body.

【００２２】本発明の半導体装置では、半導体基体を上
記金属化炭素部材に直接ろう付けして搭載することがで
きる。これは、炭素焼結体が熱膨張率が半導体基体に近
似しており、熱伝導率が十分に大きくかつ電気抵抗率も
問題となるほど大きくないので、導電機能，熱中継もし
くは熱流拡大の機能，熱応力緩和機能を兼備すべき部材
として適用できる点に基づく。これにより、金属化炭素
部材には、熱応力及び歪の残留，変形を生じない。した
がって、金属化炭素部材そのものの破壊を生じにくい。
また、金属化炭素部材の適用により積層構造を簡素化で
きるため、放熱性や経済性の面で享受できる利点が多
い。また、金属化炭素部材の下に主絶縁用アルミナ板や
端子絶縁用アルミナ条片を直接ろう付けした場合も、炭
素焼結体とアルミナの熱膨張率が近接しているため、こ
れらの接着部には、熱応力及び歪の残留，変形を生じな
い。この結果、アルミナ材の破壊やろう層の熱疲労を防
止できるだけでなく、ろう層における空隙の発生を抑え
ることが可能になる。このように、本発明による半導体
装置は、製造時あるいは運転時に生ずる熱歪を軽減し、
各部材の変形，変性、あるいは破壊の恐れがなく信頼性
の高いものとなる。In the semiconductor device of the present invention, the semiconductor substrate can be directly brazed and mounted on the metallized carbon member. This is because the carbon sintered body has a thermal expansion coefficient close to that of a semiconductor substrate, and the thermal conductivity is sufficiently large and the electrical resistivity is not so large as to cause a problem. It is based on the point that it can be applied as a member that should also have a thermal stress relaxation function. As a result, thermal stress and strain do not remain or deform in the metallized carbon member. Therefore, the metallized carbon member itself is less likely to be destroyed.
Further, since the laminated structure can be simplified by applying the metallized carbon member, there are many advantages that can be enjoyed in terms of heat dissipation and economy. Also, when the alumina plate for main insulation or the alumina strip for terminal insulation is directly brazed under the metallized carbon member, the thermal expansion coefficients of the carbon sintered body and alumina are close to each other, so that these bonded parts Does not cause residual or deformation of thermal stress and strain. As a result, not only destruction of the alumina material and thermal fatigue of the brazing layer can be prevented, but also generation of voids in the brazing layer can be suppressed. As described above, the semiconductor device according to the present invention reduces thermal strain generated during manufacturing or operation,
There is no risk of deformation, modification, or destruction of each member, resulting in high reliability.

【００２３】[0023]

【実施例】本発明を実施例により詳細に説明する。EXAMPLES The present invention will be described in detail with reference to Examples.

【００２４】〔実施例 １〕本実施例では、金属化炭素
部材とその製法の例について説明する。Example 1 In this example, an example of a metallized carbon member and its manufacturing method will be described.

【００２５】本発明による金属化炭素部材の例を図１
（ａ）及び（ｂ）に１０として示す。１００は炭素焼結
体又は炭素中に炭素以外の物質を分散した炭素焼結体で
あり、金属化炭素部材１０は、１００の表面に活性金属
又は活性金属の炭化物を含む界面層１１１Ａ，１１２Ａ
を介して設けられた金属ろう層１１１，１１２、又は、
金属ろう層に連なって設けられた金属板１１１Ｂ，１１
２Ｂ等の金属層を含んでいる。An example of a metallized carbon member according to the present invention is shown in FIG.
Shown as 10 in (a) and (b). Reference numeral 100 denotes a carbon sintered body or a carbon sintered body in which a substance other than carbon is dispersed in carbon, and the metallized carbon member 10 has interface layers 111A and 112A containing an active metal or a carbide of an active metal on the surface of 100.
Metal brazing layers 111, 112 provided via
Metal plates 111B and 11 provided in series with the metal brazing layer
It includes a metal layer such as 2B.

【００２６】以下本実施例においては、活性金属として
チタニウムを用いた例について説明するが、活性金属と
は、チタニウム，ジルコニウム，ハフニウム，クロム，
トリウム，リチウム，マグネシウム，カルシウム，スト
ロンチウム，バリウム，イットリウム，ランタニウム，
セリウム，プラセオジミウム，ネオジミウム，サマリウ
ム，ニオビウム，ガドリウム，ダイポロシウム，ニッケ
ル，カドミウム，バナジウム，モリブデン，タングステ
ン，ベリリウム，硼素，シリコン，ゲルマニウム，鉄，
コバルトのいずれかの金属であれば良い。なお、この中
でもチタニウム，ジルコニウム，ハフニウム，クロムが
望ましい。In this embodiment, an example in which titanium is used as the active metal will be described below. The active metals are titanium, zirconium, hafnium, chromium,
Thorium, lithium, magnesium, calcium, strontium, barium, yttrium, lanthanum,
Cerium, praseodymium, neodymium, samarium, niobium, gadolinium, diporosium, nickel, cadmium, vanadium, molybdenum, tungsten, beryllium, boron, silicon, germanium, iron,
Any metal of cobalt may be used. Among these, titanium, zirconium, hafnium and chromium are preferable.

【００２７】これらの物質は炭素との反応により炭素焼
結体に対する接着担体としての炭化物を生成する。ま
た、上記活性金属は、単独でろう材に添加される場合だ
けでなく、２種類以上の上記活性金属がろう材に添加さ
れるものであってもよい。These materials react with carbon to form a carbide as an adhesive carrier for the carbon sintered body. Further, the active metal is not limited to the case where it is added to the brazing filler metal alone, and two or more kinds of the above active metals may be added to the brazing filler metal.

【００２８】また、金属ろう層はろう材を源とするもの
であって、Ａｇ，Ｃｕ，Ａｌ，Ａｓ，Ａｕ，Ｂａ，Ｂ
ｅ，Ｂｉ，Ｃａ，Ｃｄ，Ｇｅ，Ｌａ，Ｍｇ，Ｍｎ，Ｐ
ｂ，Ｐｒ，Ｓｂ，Ｃｅ，Ｓｉ，Ｓｎ，Ｓｒ，Ｔｅ，Ｔ
ｌ，Ｆｅ，Ｉｎ，Ｌｉ，Ｎｉ，Ｐｄ，Ｚｎの群から選択
された少なくとも１種の金属からなるものである。The metal brazing layer is made of a brazing material and is made of Ag, Cu, Al, As, Au, Ba, B.
e, Bi, Ca, Cd, Ge, La, Mg, Mn, P
b, Pr, Sb, Ce, Si, Sn, Sr, Te, T
It is composed of at least one metal selected from the group consisting of 1, Fe, In, Li, Ni, Pd and Zn.

【００２９】具体的なろう材の例として、２元系ろう材
の例を表１に示す。Table 1 shows an example of a binary brazing material as a concrete example of the brazing material.

【００３０】[0030]

【表１】 上記ろう材はこれが溶融することによって上記活性金属
を溶解し、活性金属と炭素との反応を助ける働きをす
る。[Table 1] When the brazing material melts, it melts the active metal and assists the reaction between the active metal and carbon.

【００３１】図２（ａ）及び（ｂ）は、金属化炭素部材
１０の製造方法の一実施例を表わしたものである。2A and 2B show an embodiment of a method for manufacturing the metallized carbon member 10.

【００３２】炭素焼結体又は炭素中に炭素以外の物質を
分散した炭素焼結体１００の主面に、活性金属粉末とろ
う材粉末を含むペースト２０１をスクリーン印刷法によ
り塗布（乾燥膜厚で約７０μｍ）し、空気中、１３０℃
の乾燥処理を施した後真空中又は調整された気体雰囲気
中で熱処理して、活性金属又は活性金属の炭化物を含む
界面層１１１Ａとこれに連なる金属ろう層１１１が形成
される。ペースト201は組成Ａｇ−２８ｗｔ％Ｃｕの粉
末（粒径：１〜１０μｍ）とＴｉ粉末（粒径：１〜１０
μｍ）からなる混合粉末（重量比でそれぞれ９８：２）
を、フェノール，ポリアクリルニトリル等の有機物とと
もに三本ロールを用いて混練したものである。本実施例
においては、スクリーン印刷の後、約３ｍＰａの真空中
で抵抗加熱法により８５０℃，１０min の熱処理を施し
た。この際の昇温及び降温速度はともに５℃／min であ
る。金属化炭素部材の場合は特に、ろう材と炭素焼結体
の間の熱膨張係数差に基づく界面の破壊を防止する観点
から降温速度の制御が重要である。好ましい降温速度
は、５０℃／min 以下である。A paste 201 containing an active metal powder and a brazing material powder is applied to the main surface of a carbon sintered body or a carbon sintered body 100 in which a substance other than carbon is dispersed in carbon by a screen printing method (at a dry film thickness). Approx. 70 μm) in air at 130 ° C
After performing the drying treatment described above, heat treatment is performed in a vacuum or in an adjusted gas atmosphere to form the interface layer 111A containing the active metal or the carbide of the active metal and the metal brazing layer 111 continuous with the interface layer 111A. The paste 201 has a composition of Ag-28 wt% Cu powder (particle diameter: 1 to 10 μm) and Ti powder (particle diameter: 1 to 10 μm).
μm) mixed powder (98: 2 by weight)
Was kneaded with an organic substance such as phenol and polyacrylonitrile using a three-roll mill. In this example, after screen printing, heat treatment was performed at 850 ° C. for 10 minutes by a resistance heating method in a vacuum of about 3 mPas. The rate of temperature increase and temperature decrease at this time are both 5 ° C./min. Particularly in the case of a metallized carbon member, it is important to control the temperature lowering rate from the viewpoint of preventing the interface from breaking due to the difference in thermal expansion coefficient between the brazing material and the carbon sintered body. A preferable temperature lowering rate is 50 ° C./min or less.

【００３３】Ｔｉの添加量が０.１ｗｔ％ 以下では接着
担体としての炭化物の生成量が少なく、１５ｗｔ％以上
では界面内部に残留する応力が高くなり、ともに炭素焼
結体とろう材との間の接着力が弱められる。接着を強固
に保つ観点から選択されるＴｉ添加量は、０.５〜１３
ｗｔ％ である。When the amount of addition of Ti is 0.1 wt% or less, the amount of carbide formed as an adhesive carrier is small, and when it is 15 wt% or more, the residual stress inside the interface becomes high. The adhesive strength of is weakened. The Ti addition amount selected from the viewpoint of keeping the adhesion strong is 0.5 to 13
wt%.

【００３４】また、炭素焼結体１００の主面に、活性金
属の箔２０２とろう材の箔２０３を積層して、真空中又
は調整された気体雰囲気中で熱処理することによって
も、活性金属又は活性金属の炭化物を含む界面層１１１
Ａとこれに連なる金属ろう層１１１が形成される。上記
の２０２と２０３は個別の箔である必要はなく、活性金
属とろう材とがあらかじめ合金化された箔で代替されて
もよい。図２では炭素焼結体１００の片面に金属ろう層
を形成する場合の例を示しているが、上述の手順を踏襲
することにより両面に金属ろう層１１２を形成すること
が可能である。更に、金属層の表面に金属板１１１Ｂ，
１１２Ｂを形成させる場合には、塗布されたペースト２
０１又は積層された箔２０２と２０３の上に金属板１１
１Ｂ，１１２Ｂを重ねてセットした後、上記と同様の熱
処理を施せばよい。この際、セット後の各部材に０.１
〜１０kgｆ／mm2の加圧力を付与することは好ましいこ
とである。加圧力の付与は、ろう付けが均一になされる
ようにするためである。加圧力の過大な印加は、溶融し
たろう材の流出を生ずる原因になるため好ましくない。The active metal foil 202 and the brazing material foil 203 are laminated on the main surface of the carbon sintered body 100 and heat-treated in a vacuum or in an adjusted gas atmosphere to obtain the active metal or the brazing material. Interface layer containing carbide of active metal 111
A and a brazing metal layer 111 continuous with A are formed. The above 202 and 203 do not have to be separate foils, but may be replaced by foils in which the active metal and the brazing material are pre-alloyed. Although FIG. 2 shows an example in which the metal brazing layer is formed on one surface of the carbon sintered body 100, the metal brazing layer 112 can be formed on both surfaces by following the above procedure. Further, on the surface of the metal layer, the metal plate 111B,
When forming 112B, the applied paste 2
01 or a metal plate 11 on the laminated foils 202 and 203
After stacking 1B and 112B on top of each other, heat treatment similar to the above may be performed. At this time, 0.1 for each member after setting
It is preferable to apply a pressure of 10 kgf / mm 2 . The application of the pressing force is for uniform brazing. Excessive application of the pressing force is not preferable because it causes the molten brazing material to flow out.

【００３５】本実施例における炭素焼結体は、炭素粉末
と有機バインダーからなる組成物を成形した後、約４０
０℃まで空気中焼成して有機バインダー成分を炭化又は
飛散除去し、その後窒素中で約２０００℃に加熱して得
られる。このようにして得られた純度９９％，密度１.
８ｇ／cm3の炭素焼結体の典型例では、熱膨張率：4.3×
１０-6／℃，熱伝導率：２３０Ｗ／ｍ・Ｋそして電気抵
抗率：約１００×10-6Ω・cmである。The carbon sintered body in this example is about 40 after molding a composition comprising carbon powder and an organic binder.
It is obtained by firing in air to 0 ° C. to carbonize or scatter off the organic binder component, and then heating to about 2000 ° C. in nitrogen. The purity thus obtained was 99% and the density was 1.
In a typical example of a carbon sintered body of 8 g / cm 3 , the coefficient of thermal expansion: 4.3 ×
The temperature is 10 −6 / ° C., the thermal conductivity is 230 W / m · K, and the electrical resistivity is about 100 × 10 −6 Ω · cm.

【００３６】炭素焼結体は可及的に緻密で、熱伝導性や
電気伝導性を阻害する物質を含まないことが望ましい。
例えば、炭素焼結体の密度が１.６ｇ／cm3の場合と１.
７５ｇ／cm3の場合を比較すると、前者の熱伝導率は後
者の０.７倍になる。実用的な熱伝導率１００Ｗ／ｍ・
Ｋ以上を得るには密度１.６５ｇ／cm3以上であることが
望ましい。また、炭素焼結体中に不純物としての鉄が２
ｗｔ％含まれる場合は、それが１ｗｔ％の場合に比べ熱
伝導率：約０.７倍そして電気抵抗率：１.３倍となる。
即ち、緻密性や熱伝導性及び電気伝導性の阻害物質を含
まないことが望まれるのは、例えば非絶縁型半導体装置
に適用した場合にあっては支持部材そして絶縁型半導体
装置に適用した場合にあっては熱拡散板用導電部材とし
て、有効にその役割を担わせるためである。熱伝導性や
電気伝導性を阻害するように作用する物質としては、上
述の鉄のほか、アンチモン，クロム，水銀，酸素，鉛，
ビスマス，タンタル，白金，マンガン等が挙げられる。
逆に、熱伝導性や電気伝導性の観点で阻害要因にならな
い物質としては、銅，銀，アルミニウム，金，インジウ
ム，カドミウム，タングステン，ニッケル，モリブデ
ン，マグネシウム，ベリリウム，イリジウム，パラジウ
ム，ロジウム等が挙げられる。この場合でも、これらの
金属は酸化物の形で含まれることは避けることが望まし
い。以上の観点から半導体装置に適用する炭素焼結体と
しては、密度１.６５ｇ／cm3以上，純度９９％以上であ
ることが好ましい。It is desirable that the carbon sintered body is as dense as possible and does not contain a substance that impairs thermal conductivity and electrical conductivity.
For example, when the density of the carbon sintered body is 1.6 g / cm 3 and 1.
Comparing the case of 75 g / cm 3 , the thermal conductivity of the former is 0.7 times that of the latter. Practical thermal conductivity of 100 W / m
In order to obtain K or more, the density is preferably 1.65 g / cm 3 or more. In addition, iron as an impurity is 2% in the carbon sintered body.
When it is contained by wt%, the thermal conductivity is about 0.7 times and the electrical resistivity is 1.3 times that in the case of 1 wt%.
That is, it is desired that the substance does not contain a substance that inhibits compactness, thermal conductivity, and electrical conductivity. For example, when applied to a non-insulating semiconductor device, when applied to a supporting member and an insulating semiconductor device. This is because the conductive member for the heat diffusion plate effectively plays its role. In addition to the above iron, antimony, chromium, mercury, oxygen, lead, and
Examples include bismuth, tantalum, platinum and manganese.
On the other hand, as substances that do not become a hindrance factor in terms of thermal conductivity and electrical conductivity, copper, silver, aluminum, gold, indium, cadmium, tungsten, nickel, molybdenum, magnesium, beryllium, iridium, palladium, rhodium, etc. Can be mentioned. Even in this case, it is desirable to avoid containing these metals in the form of oxides. From the above viewpoints, the carbon sintered body applied to the semiconductor device preferably has a density of 1.65 g / cm 3 or more and a purity of 99% or more.

【００３７】炭素焼結体に緻密性が要求される第２の理
由は、炭素それ自身は極めて吸着性の強い物質であるこ
とによる。焼結体に揮発性物質が吸着されると、金属化
の際の熱処理工程で吸着物質を放出し、金属化層の品質
を損なうばかりでなく、半導体装置を組み込むはんだ付
けの際にも、はんだ層のぬれ性を阻害したり、気泡を生
じたりするためである。The second reason why the carbon sintered body is required to be dense is that carbon itself is a substance having extremely strong adsorptivity. When a volatile substance is adsorbed on the sintered body, the adsorbed substance is released during the heat treatment process during metallization, which not only impairs the quality of the metallized layer, but also during soldering when incorporating a semiconductor device. This is because the wettability of the layer is hindered and bubbles are generated.

【００３８】上記熱処理の調整された気体雰囲気とは、
窒素，水素，ヘリウム，アルゴン，ネオン，二酸化炭
素，一酸化炭素，メタン，エタン，プロパン，ブタン，
ヘキサンからなる少なくとも１種の気体からなる雰囲気
である。この際、熱処理はろう材の少なくとも融点以上
に加熱する必要がある。The gas atmosphere in which the above heat treatment has been adjusted means
Nitrogen, hydrogen, helium, argon, neon, carbon dioxide, carbon monoxide, methane, ethane, propane, butane,
An atmosphere composed of at least one gas composed of hexane. At this time, the heat treatment needs to be performed at least above the melting point of the brazing material.

【００３９】また、炭素と炭素以外の物質との焼結体
は、炭素粉末と炭素以外の物質の粉末と有機バインダー
からなる組成物を、炭素焼結体の場合と同様の手法によ
り得られる。この一例である炭素−３０ｗｔ％銅の複合
焼結体の場合は、熱膨張率：５.７×１０-6／℃ ，熱伝
導率：３００Ｗ／ｍ・Ｋそして電気抵抗率：約６０×１
０-6Ω・cmである。上記の物性値を有する炭素部材は、
例えば半導体装置に適用する場合に、半導体基体として
のシリコン，絶縁部材としての窒化アルミニウム，アル
ミナ，ベリリヤ，窒化硼素と熱膨張率が近似するだけで
なく、従来一般に多用され熱伝導路に組み込まれてきた
熱膨張緩衝部材（モリブデン：１３９Ｗ／ｍ・Ｋやタン
グステン：１７７Ｗ／ｍ・Ｋ）及びＰｂ−Ｓｎ系ろう材
（Ｐｂ−５ｗｔ％Ｓｎ：４０Ｗ／ｍ・Ｋ）より大幅に高
い熱伝導性を有している。これらのことは、炭素部材が
非絶縁型半導体装置にあっては支持部材、絶縁型半導体
装置にあっては熱拡散板部材として好適なことを意味す
る。Further, a sintered body of carbon and a substance other than carbon can be obtained by a method similar to the case of the carbon sintered body from a composition comprising carbon powder, powder of a substance other than carbon and an organic binder. In the case of a composite sintered body of carbon-30 wt% copper, which is an example of this, the coefficient of thermal expansion is 5.7 × 10 −6 / ° C., the thermal conductivity is 300 W / m · K, and the electrical resistivity is about 60 × 1.
It is 0 −6 Ω · cm. The carbon member having the above physical property values is
For example, when applied to a semiconductor device, not only the coefficient of thermal expansion is similar to that of silicon as a semiconductor substrate, aluminum nitride as an insulating member, alumina, beryllia, and boron nitride, but it has been commonly used in the past and incorporated into a heat conduction path. The thermal expansion buffer material (molybdenum: 139W / mK and tungsten: 177W / mK) and Pb-Sn brazing filler metal (Pb-5wt% Sn: 40W / mK) have significantly higher thermal conductivity. Have These means that the carbon member is suitable as a support member in a non-insulating semiconductor device and as a heat diffusion plate member in an insulating semiconductor device.

【００４０】しかし、炭素焼結体又は炭素以外の物質を
分散した炭素焼結体は、それ単独では支持部材又は熱拡
散板部材として半導体装置に組み込むことは困難であ
る。これに組み込むためには、上記焼結体の被接着面に
金属化処理が施されなければならない。金属化は、
（１）チタニウム，ジルコニウム，ハフニウム，クロム
をはじめとする上述の活性金属を含有したろう材ペース
トをスクリーン印刷した後、真空中，不活性又は還元性
雰囲気中で熱処理すること、（２）上記（１）のろう材
とともに厚さ１０〜３００μｍの銅等の金属板を積層
し、真空中，不活性又は還元性雰囲気中で熱処理するこ
と、（３）上記活性化金属のシートとろう材のシートを
積層して、真空中，不活性又は還元性雰囲気中で熱処理
すること、（４）上記活性化金属のシート，ろう材のシ
ート及び銅等の金属板を積層し、真空中、不活性又は還
元性雰囲気中で熱処理すること、等により可能である。However, it is difficult to incorporate the carbon sintered body or the carbon sintered body in which a substance other than carbon is dispersed into the semiconductor device by itself as a support member or a heat diffusion plate member. In order to be incorporated in this, the adhered surface of the sintered body must be metallized. Metallization
(1) Screen-printing a brazing material paste containing the above-mentioned active metals such as titanium, zirconium, hafnium, and chromium, and then heat-treating in vacuum, in an inert or reducing atmosphere, (2) above ( Laminating a metal plate of copper or the like having a thickness of 10 to 300 μm together with the brazing material of 1) and heat treating in a vacuum, in an inert or reducing atmosphere, (3) the above-mentioned activated metal sheet and brazing material sheet And heat treating in an inert or reducing atmosphere in vacuum. (4) Laminating the activated metal sheet, the brazing filler metal sheet, and a metal plate such as copper in a vacuum, inactive or It is possible by heat treatment in a reducing atmosphere.

【００４１】このような金属層は、半導体基体や絶縁基
板とのろう付けを可能にする目的で設けられるものであ
る。Such a metal layer is provided for the purpose of enabling brazing with a semiconductor substrate or an insulating substrate.

【００４２】一方、上記焼結体は例えば半導体装置の主
電流路としての役割を兼ねるから、その電気抵抗率は可
及的に小さいことが望ましい。上記した炭素焼結体は、
銅（１.７×１０-6Ω・cm）やモリブデン(５.６×１０
-6Ω・cm)，はんだ材（Ｐｂ−５ｗｔ％Ｓｎ：２０×１
０-6Ω・cm）等よりは高抵抗で大電流を通電する場合に
は、発熱や電力損失の問題が発生する。上述した金属層
や金属板は、電気的には炭素焼結体より低抵抗であり、
電流路確保の点で炭素焼結体の欠点を補うものとしても
作用する。また、主電流路の低抵抗化は、上述の金属化
層による以外に焼結体の厚さを増したり、導電性の良い
金属との複合体、例えば上述した炭素−３０ｗｔ％銅の
如き複合焼結体を用いることにより可能である。ろう付
け性能及び低抵抗化の観点で選択される上記金属層は、
銅，ニッケル，銀，金，白金，パラジウム，錫，鉛，ア
ンチモン，アルミニウム，亜鉛を含む合金にチタニウ
ム，ジルコニウム，ハフニウム等の活性金属が添加され
ていることが望ましい。また、同様の観点から選択され
る上記金属板は、銅，ニッケル、アルミニウム，銀，
鉄，アンチモン，亜鉛，真鍮，青銅，銅−ベリリウム合
金，４２アロイ，鉄−ニッケル−コバルト合金等が望ま
しい。On the other hand, since the above-mentioned sintered body also serves as a main current path of a semiconductor device, for example, it is desirable that its electrical resistivity be as small as possible. The above carbon sintered body,
Copper (1.7 × 10 -6 Ω · cm) and molybdenum (5.6 × 10)
-6 Ω ・ cm), solder material (Pb-5wt% Sn: 20 × 1)
When a large current is applied with a resistance higher than 0 −6 Ω · cm), problems such as heat generation and power loss occur. The metal layer and the metal plate described above are electrically lower in resistance than the carbon sintered body,
In terms of securing a current path, it also works as a supplement to the drawbacks of the carbon sintered body. In addition to reducing the resistance of the main current path, the thickness of the sintered body may be increased in addition to the above-mentioned metallized layer, or a composite with a metal having good conductivity, for example, the above-mentioned carbon-30 wt% copper composite. This is possible by using a sintered body. The metal layer selected from the viewpoint of brazing performance and low resistance,
It is desirable that an active metal such as titanium, zirconium, or hafnium be added to an alloy containing copper, nickel, silver, gold, platinum, palladium, tin, lead, antimony, aluminum, and zinc. Further, the metal plate selected from the same viewpoint is copper, nickel, aluminum, silver,
Iron, antimony, zinc, brass, bronze, copper-beryllium alloy, 42 alloy, iron-nickel-cobalt alloy and the like are preferable.

【００４３】複合焼結体は、炭素焼結体の中に炭素以外
の物質が均一に分散されている状態が望ましい。この理
由は、複合焼結体の物性に異方性が生じないためであ
る。例えば、熱膨張率に異方性を有する複合材を絶縁型
半導体装置に適用した場合は、熱拡散板は特定の方向に
対しては半導体基体や絶縁基板と整合して膨張，収縮す
るので問題ないが、これ以外の方向に対しては整合性の
ない膨張，収縮をするので半導体装置の製造時及び使用
時に生ずる問題が多い。The composite sintered body preferably has a state in which substances other than carbon are uniformly dispersed in the carbon sintered body. The reason for this is that the anisotropy does not occur in the physical properties of the composite sintered body. For example, when a composite material having anisotropy in the coefficient of thermal expansion is applied to an insulating semiconductor device, the thermal diffusion plate expands and contracts in a specific direction in alignment with the semiconductor substrate and the insulating substrate. However, since it expands and contracts inconsistently with respect to other directions, it often causes problems during manufacturing and use of the semiconductor device.

【００４４】炭素以外の分散物質は、炭素焼結体そのも
のの欠点を補う立場で選択されねばならない。例えば、
機械的強度、特に引張応力に対する耐破壊強度が劣る
点，導電性に劣る点を改善するだけでなく、熱伝導性を
更に高めるのに寄与するものである必要がある。この観
点から推奨される金属物質としては、銅，銀，アルミニ
ウム，金，インジウム，カドミウム，タングステン，ニ
ッケル，モリブデン，マグネシウム，ベリリウム，イリ
ジウム，パラジウム，ロジウム等が挙げられる。これら
の金属物質は、重量比で６０ｗｔ％以下であることが望
ましい。この理由は、６０ｗｔ％以上では複合焼結体の
物性、特に熱膨張率が大きくなり、炭素焼結体の好まし
い点が消失するためである。これらの金属物質は、上述
の観点で選択される限り、単一の種類に限定される必要
はなく、複数の種類にわたって添加されることは許され
る。また、添加金属物質が複数の種類にわたる場合で
も、６０ｗｔ％より少ない範囲ではそれぞれの金属物質
の量を任意に調整して良い。本発明において、炭素以外
の分散物質は金属に限られず、上述したように炭素焼結
体の欠点を補う立場で選択される限り、非金属物質であ
っても良い。例えば、炭化珪素，ベリリヤ又はアルミナ
を含有した炭化珪素，窒化アルミニウム，イットリヤ又
はカルシヤを含有した窒化アルミニウム，窒化硼素，ベ
リリヤ，窒化珪素等のセラミックスが挙げられる。これ
らの物質は、複合焼結体の熱伝導率，熱膨張率を調整す
るのに有効である。しかし、これらの物質は電気抵抗率
が高く、複合焼結体のそれをも高めるように作用するか
ら、添加量は複合焼結体の電気伝導性を著しく損なわな
い分量に限る必要がある。例えば、イットリヤ又はカル
シヤを含有した窒化アルミニウムを１０ｗｔ％添加した
複合焼結体では、これを添加しない炭素焼結体に比べ、
熱伝導率，熱膨張率，機械的強度は不変であるが、電気
抵抗率は１.２ 倍になる。他の非金属物質を添加した場
合も、これと同様の傾向を示す。The dispersant other than carbon must be selected from the standpoint of compensating for the drawbacks of the carbon sintered body itself. For example,
It is necessary not only to improve the mechanical strength, particularly the inferior fracture strength against tensile stress and the inferior electrical conductivity, but also to contribute to further increase in thermal conductivity. Metallic substances recommended from this viewpoint include copper, silver, aluminum, gold, indium, cadmium, tungsten, nickel, molybdenum, magnesium, beryllium, iridium, palladium, rhodium and the like. It is desirable that the weight ratio of these metal substances be 60 wt% or less. The reason for this is that when the content is 60 wt% or more, the physical properties of the composite sintered body, particularly the coefficient of thermal expansion, become large, and the preferable points of the carbon sintered body disappear. These metallic substances need not be limited to a single type, as long as they are selected from the above viewpoint, and it is allowed to be added over a plurality of types. Further, even when a plurality of types of added metal substances are used, the amount of each metal substance may be adjusted arbitrarily within the range of less than 60 wt%. In the present invention, the dispersed substance other than carbon is not limited to metal, and may be a non-metallic substance as long as it is selected from the standpoint of compensating for the drawbacks of the carbon sintered body as described above. Examples thereof include ceramics such as silicon carbide containing silicon carbide, beryllia or alumina, aluminum nitride, aluminum nitride containing yttria or calcium, boron nitride, beryllia, silicon nitride and the like. These substances are effective for adjusting the thermal conductivity and thermal expansion coefficient of the composite sintered body. However, since these substances have a high electric resistivity and act so as to increase that of the composite sintered body as well, the addition amount must be limited to an amount that does not significantly impair the electrical conductivity of the composite sintered body. For example, in a composite sintered body containing 10 wt% of aluminum nitride containing yttria or calcium, compared with a carbon sintered body not containing this,
The thermal conductivity, thermal expansion coefficient, and mechanical strength are unchanged, but the electrical resistivity is 1.2 times. The same tendency is exhibited when other non-metal substances are added.

【００４５】また、本発明における炭素以外の分散物質
は繊維状のものであっても良い。例えば、直径１５μ
ｍ，長さ１.５mm のＳｉＣや同寸法のタングステン繊維
物質を分散させた場合は、３点曲げ強度は分散させない
炭素焼結体に比べ１.８ 倍に向上する。しかし、繊維状
物質は、繊維の長さはその直径の１００倍以内に限られ
るのが望ましい。この理由は、繊維物質の分散と方向が
不均一になりやすいため、複合炭素焼結体の物性、特に
熱膨張率に方向性を生ずるからである。The dispersed substance other than carbon in the present invention may be fibrous. For example, diameter 15μ
When SiC having a length of 1.5 m and a length of 1.5 mm or a tungsten fiber material of the same size is dispersed, the three-point bending strength is 1.8 times higher than that of a non-dispersed carbon sintered body. However, it is desirable for the fibrous material to have the fiber length limited to within 100 times its diameter. The reason for this is that the dispersion and direction of the fibrous material are likely to be non-uniform, so that the physical properties of the composite carbon sintered body, in particular the thermal expansion coefficient, become directional.

【００４６】図３は焼結体１００から金属ろう層１１
１，１１２に至る間の界面状態を説明する断面模式図で
ある。焼結体１００には粒界が含まれており、金属化が
終了した段階では、金属層１１１，１１２の素材成分が
粒界に沿って表面から内部に向かって選択的に浸入す
る。特に、活性金属の浸入が著しく、その浸入深さは１
mmにも達する。この結果、焼結体１００と金属層１１
１，１１２の間には活性金属を多く含む界面層１１１
Ａ、１１２Ａが形成される。FIG. 3 shows the metal brazing layer 11 from the sintered body 100.
It is a cross-sectional schematic diagram explaining the interface state between 1,112. Grain boundaries are included in the sintered body 100, and at the stage of completion of metallization, the material components of the metal layers 111 and 112 selectively infiltrate from the surface to the inside along the grain boundaries. In particular, active metal infiltration is remarkable, and the infiltration depth is 1
reach mm. As a result, the sintered body 100 and the metal layer 11
An interface layer 111 containing a large amount of an active metal is provided between 1, 112.
A, 112A is formed.

【００４７】図４（ａ）〜（ｅ）は、相対密度９９.９
％ の炭素焼結体に活性金属としてのＴｉを２ｗｔ％添
加したＡｇ−２８ｗｔ％Ｃｕろうをろう付けした場合
の、EPMA（日立製、Ｓ−５３０）による分析像を示す。
（ａ）は、金属ろう層（１１１，１１２）と焼結体（１
００）との間の界面領域（１１１Ａ，１１２Ａ）を示す
２次電子像である。（ｂ）は、（ａ）に対応したＡｇの
面分析像、同様に（ｃ）はＣｕの面分析像、（ｄ）はＴ
ｉの面分析像を示したものである。（ｅ）は（ｄ）に対
応したＴｉのライン分析像である。ろう材の主成分とし
てのＡｇ及びＣｕは、面分析像から金属ろう層１１１，
１１２と界面層領域１１１Ａ，１１２Ａに存在している
ことが確認される。また、Ｔｉの面分析像から、金属ろ
う層１１１，１１２と炭素焼結体１００の間の境界及び
焼結体１００の内部に浸入して存在し、しかも、ろう層
領域１１１，１１２よりも高濃度に分布している。この
様子は（ｅ）に示すＴｉ分析ラインからも明確であり、
境界及び浸入部で濃度が高くなっている。上記の界面層
領域１１１Ａ，１１２Ａには、境界及び浸入部が含まれ
る。界面層領域１１１Ａ，１１２ＡのＸ線回折（日本電
子製、ＭＡＰ２）によれば、表２に示すように、ＴｉＣ
の存在が確認された。この結果は、界面層領域にＡｇ−
Ｃｕろう材とともに活性金属及びそれらの炭化物が混在
していることを示唆している。炭化物は活性金属と素焼
結体１００の炭素とが化学的に反応した結果、生成され
たものである。FIGS. 4A to 4E show a relative density of 99.9.
The analysis image by EPMA (made by Hitachi, S-530) at the time of brazing Ag-28wt% Cu brazing which added 2wt% of Ti as an active metal to the carbon sintered body of 10% is shown.
(A) is a brazing metal layer (111, 112) and a sintered body (1).
(00A) is a secondary electron image showing the interface region (111A, 112A). (B) is a surface analysis image of Ag corresponding to (a), similarly (c) is a surface analysis image of Cu, and (d) is T.
3 is a surface analysis image of i. (E) is a line analysis image of Ti corresponding to (d). Ag and Cu, which are the main components of the brazing material, show that the metal brazing layer 111,
112 and the interface layer regions 111A and 112A are confirmed to exist. Further, from the surface analysis image of Ti, it exists by infiltrating into the boundary between the metal brazing layers 111 and 112 and the carbon sintered body 100 and the inside of the sintered body 100, and is higher than the brazing layer regions 111 and 112. It is distributed in concentration. This situation is clear from the Ti analysis line shown in (e),
The concentration is high at the boundary and intrusion. The interface layers 111A and 112A include the boundary and the infiltrated portion. According to the X-ray diffraction of the interface layer regions 111A and 112A (MAP2 made by JEOL Ltd.), as shown in Table 2, TiC
Was confirmed. This result shows that Ag-
It suggests that active metals and their carbides are mixed together with the Cu brazing material. The carbide is generated as a result of a chemical reaction between the active metal and the carbon of the green sintered body 100.

【００４８】活性金属として、Ｚｒ，Ｈｆ，Ｃｒを添加
した場合も図４とほぼ同様の断面の形態が確認され、そ
して、表２に示す界面物質が検出された。When Zr, Hf, and Cr were added as the active metals, the morphology of the cross section similar to that shown in FIG. 4 was confirmed, and the interfacial substances shown in Table 2 were detected.

【００４９】[0049]

【表２】 図３及び図４，表２の結果から、次のような特筆すべき
点が見出される。[Table 2] From the results shown in FIGS. 3 and 4 and Table 2, the following noteworthy points are found.

【００５０】（１）活性金属又は活性金属の炭化物を高
濃度に含む界面層１１１Ａ，１１２Ａが金属層１１１，
１１２と炭素焼結体１００の間の接着担体となってい
る。(1) The interface layers 111A and 112A containing the active metal or the carbide of the active metal in a high concentration are the metal layers 111 and 112A.
It serves as an adhesive carrier between 112 and the carbon sintered body 100.

【００５１】（２）界面層１１１Ａ，１１２Ａの一部が
炭素焼結体１００に浸入して、アンカー効果による接着
性の向上に寄与している。(2) Part of the interface layers 111A and 112A penetrates into the carbon sintered body 100, and contributes to the improvement of the adhesiveness due to the anchor effect.

【００５２】（３）生成された活性金属の炭化物が炭素
焼結体１００との間の反応結合対を形成し、これが接着
性の向上に寄与している。(3) The generated active metal carbide forms a reactive bond pair with the carbon sintered body 100, which contributes to the improvement of the adhesiveness.

【００５３】以上に説明した金属化炭素部材の各部分の
作用，効果は、炭素焼結体１００が複合焼結体であって
も変わることはない。The function and effect of each portion of the metallized carbon member described above are not changed even if the carbon sintered body 100 is a composite sintered body.

【００５４】本発明において、金属化炭素部材は、例え
ば半導体装置にあって、半導体基体を直接ろう付け搭載
するための支持部材となり、半導体基体の所定の電気領
域又は半導体装置の導電領域を形成し、そして、半導体
基体の発する熱を冷却手段へ伝達する熱伝導又は熱拡散
部材として作用する。炭素部材が好適な支持部材になり
得るのは、半導体基体及び無機質絶縁部材と熱膨張率が
近似し、炭素部材に連なって一体化される部材との間の
熱応力及び熱歪が軽減されることに基づく。In the present invention, the metallized carbon member serves as a supporting member for directly brazing and mounting the semiconductor substrate in, for example, a semiconductor device, and forms a predetermined electric region of the semiconductor substrate or a conductive region of the semiconductor device. Then, it acts as a heat conducting or heat diffusing member that transfers the heat generated by the semiconductor substrate to the cooling means. The carbon member can be a suitable support member because the thermal expansion coefficient is close to that of the semiconductor substrate and the inorganic insulating member, and the thermal stress and thermal strain between the member integrated with the carbon member are reduced. Based on that.

【００５５】この結果、半導体装置の製造時や運転時に
生ずる熱歪を軽減し、各部材の変形，変性、あるいは破
壊の恐れがなく、半導体装置の熱放散性の向上，接着部
の信頼性の向上、そして大容量化に寄与する。As a result, the thermal strain generated during the manufacture or operation of the semiconductor device is reduced, there is no fear of deformation, modification or destruction of each member, the heat dissipation of the semiconductor device is improved, and the reliability of the adhesive portion is improved. It contributes to improvement and large capacity.

【００５６】〔実施例 ２〕本実施例では、ＩＧＢＴ
（Insulated Gate Bipolar Transistor)素子を搭載する
ための半導体基体として、本発明の金属化炭素部材を用
いた例について説明する。[Embodiment 2] In this embodiment, an IGBT is used.
An example using the metallized carbon member of the present invention as a semiconductor substrate for mounting an (Insulated Gate Bipolar Transistor) element will be described.

【００５７】金属化炭素部材１０は、２５mm×２５mm×
１mmの寸法を有する炭素焼結体（熱膨張率：４.３×１
０-6／℃ ，熱伝導率：２３０Ｗ／ｍ・Ｋ，電気抵抗
率：100×１０-6Ω・cm，相対密度：９９.９％，純度：
９９.９％）の両主面に、厚さ３００μｍの無酸素銅板
をＴｉを２ｗｔ％添加したＡｇ−２８ｗｔ％Ｃｕろう材
によりろう付けされたものである。ろう材と炭素焼結体
の間には、活性金属又は活性金属の炭化物を高濃度に含
む界面層そして、界面層から焼結体に向かって選択的に
浸入した同種の物質が存在している。無酸素銅板の代替
物としては、ニッケル，銀，アルミニウム、もしくは、
銅を含むこれらの金属の合金の板が挙げられる。The metallized carbon member 10 is 25 mm × 25 mm ×
Carbon sintered body having a size of 1 mm (coefficient of thermal expansion: 4.3 x 1
0 -6 / ° C, thermal conductivity: 230 W / mK, electric resistivity: 100 x 10 -6 Ωcm, relative density: 99.9%, purity:
(99.9%) on both main surfaces, an oxygen-free copper plate having a thickness of 300 μm is brazed with an Ag-28 wt% Cu brazing material containing 2 wt% of Ti. Between the brazing material and the carbon sintered body, there is an interface layer containing active metal or carbide of the active metal in high concentration, and the same kind of material selectively infiltrated from the interface layer toward the sintered body. . Alternatives to oxygen-free copper plates include nickel, silver, aluminum, or
Plates of alloys of these metals including copper are mentioned.

【００５８】上記金属化炭素部材１０は、次の手順によ
って得られた。まず、炭素焼結体の両主面に、ペースト
をスクリーン印刷法により塗布した。このペーストは、
重量比でＡｇ−２８ｗｔ％Ｃｕ合金粉末７８.４％（粒
径：２μｍ），Ｔｉ粉末１.６％（粒径：１μｍ）、そ
して、残部がアセチルセルロース樹脂とαテルピネオー
ルからなる有機ビヒクルとで構成される。次いで、１４
０℃、空気中の雰囲気下で１０ｍｉｎの乾燥処理を施し
た後、あらかじめＮｉめっき（厚さ：３μｍ）を施した
一対の無酸素銅板を、炭素焼結体を挾むように積層し
て、約０.５kg／mm2に加圧した。この加圧積層体を約３
ｍＰａの真空中で８５０℃に加熱した後、室温まで冷却
した。このようにして得た金属化炭素部材１０の接合界
面を調べたところ、界面層とこれに連なって炭素焼結体
の内部に深さ約２００μｍまで選択的に浸入しているＴ
ｉ及びＴｉＣを高濃度に含む領域が観測された。The metallized carbon member 10 was obtained by the following procedure. First, the paste was applied to both main surfaces of the carbon sintered body by a screen printing method. This paste is
The weight ratio of Ag-28 wt% Cu alloy powder is 78.4% (particle size: 2 μm), Ti powder is 1.6% (particle size: 1 μm), and the balance is an organic vehicle consisting of acetyl cellulose resin and α-terpineol. Composed. Then 14
After performing a drying treatment at 0 ° C. in an atmosphere of air for 10 minutes, a pair of oxygen-free copper plates, which have been Ni-plated (thickness: 3 μm) in advance, are laminated so as to sandwich the carbon sintered body, and about 0 Pressurized to 0.5 kg / mm 2 . Approximately 3
After heating to 850 ° C. in a vacuum of mPa, it was cooled to room temperature. When the joint interface of the metallized carbon member 10 thus obtained was examined, it was found that the interfacial layer and the contiguous interface were selectively penetrated into the carbon sintered body to a depth of about 200 μm.
A region containing i and TiC in a high concentration was observed.

【００５９】この金属化炭素部材１０に−５５〜１５０
℃の温度サイクルを１０００回与えたが、無酸素銅板及
びろう材は炭素焼結体１００から剥離することはなかっ
た。次に、金属化炭素部材１０を用いてＩＧＢＴ素子を
搭載した１２００Ｖ，75Ａ級の半導体装置９００を作製
した。図５は半導体装置９００の要部俯瞰図である。図
において、銅支持板（Ｎｉめっき：３μｍ，４０mm×９
５mm×３mm）１２５上に、３１mm×６０mm×０.６３mm
の窒化アルミニウム絶縁基板１２２が、Ｐｂ−５０ｗｔ
％Ｓｎはんだ（図示を省略、厚さ：２００μｍ）により
接着され、絶縁基板１２２上には上述した金属化炭素部
材１０が２個並んでＰｂ−５０ｗｔ％Ｓｎはんだ（図示
を省略、厚さ：２００μｍ）により接着され、金属化炭
素部材１０にはＩＧＢＴ素子(１３mm×１３mm×０.３m
m）１０１がダイオード素子（１０mm×１０mm×０.３m
m）１０１′とともにＳｎ−５ｗｔ％Ｓｂ−０.６ｗｔ％
Ｎｉ−０.０５ｗｔ％Ｐはんだ(図示を省略、厚さ：２０
０μｍ）により接着されている。各素子１０１，１０
１′にはＡｌ線（直径：５００μｍ）１１７によるワイ
ヤボンディングが施され、エミッタ電極１３ｂ，ゲート
電極１３ｃに接続されている。銅条片からなるこれらの
電極１３ｂ，１３ｃは、３mm×２３mm×２mmのアルミナ
条片１１４にろう層(図示を省略、Ｓｎ−５ｗｔ％Ｓｂ
−０.６wt％Ｎｉ−０.０５ｗｔ％Ｐ，厚さ：２００μ
ｍ)により接着され、アルミナ条片114は同じろう材（図
示を省略）により金属化炭素部材１０に接着されてい
る。This metallized carbon member 10 has -55 to 150
The temperature cycle of ℃ was given 1000 times, but the oxygen-free copper plate and the brazing material were not separated from the carbon sintered body 100. Next, a 1200V, 75A class semiconductor device 900 having an IGBT element mounted thereon was manufactured using the metallized carbon member 10. FIG. 5 is an overhead view of a main part of the semiconductor device 900. In the figure, copper support plate (Ni plating: 3 μm, 40 mm × 9
5mm x 3mm) 125 on top of 31mm x 60mm x 0.63mm
Aluminum nitride insulating substrate 122 of Pb-50wt
% Sn solder (not shown, thickness: 200 μm), and the above-mentioned two metallized carbon members 10 are arranged side by side on the insulating substrate 122. Pb-50 wt% Sn solder (not shown, thickness: 200 μm) ), And the metallized carbon member 10 has an IGBT element (13 mm × 13 mm × 0.3 m).
m) 101 is a diode element (10 mm x 10 mm x 0.3 m)
m) 101 'with Sn-5wt% Sb-0.6wt%
Ni-0.05 wt% P solder (not shown, thickness: 20
0 μm). Each element 101, 10
The wire 1'is wire-bonded with an Al wire (diameter: 500 μm) 117 and connected to the emitter electrode 13b and the gate electrode 13c. These electrodes 13b and 13c made of copper strips are formed on the alumina strips 114 of 3 mm × 23 mm × 2 mm by a brazing layer (not shown, Sn-5 wt% Sb).
-0.6 wt% Ni-0.05 wt% P, thickness: 200μ
m), and the alumina strip 114 is bonded to the metallized carbon member 10 by the same brazing material (not shown).

【００６０】金属化炭素部材１０は、コレクタ電極１３
ａを担う。コレクタ電極１３ａ，エミッタ電極１３ｂ，
ゲート電極１３ｃには、それぞれ外部端子１１６，１１
６′や中継端子１２６が設けられ、更に各素子１０１，
１０１′，金属化炭素部材１０等が外気から完全に遮断
されるように、エポキシ系樹脂製ケース（図示を省略）
を設けるとともに同ケース内にシリコーンゲルやエポキ
シ樹脂を充填，硬化させて半導体装置９００を得た。こ
の半導体装置９００は、図６に示した回路を構成してい
る。なお、本実施例では比較用として、金属化炭素部材
１０を同寸法の銅板に置き換えた試料も作製した。半導
体装置９００は最終的に、図７に示す電動機９５０の回
転数制御用インバータ装置に組み込まれた。The metallized carbon member 10 has a collector electrode 13
bear a. Collector electrode 13a, emitter electrode 13b,
The gate electrodes 13c have external terminals 116 and 11 respectively.
6'and a relay terminal 126 are provided, and each element 101,
An epoxy resin case (not shown) so that 101 'and the metallized carbon member 10 are completely shielded from the outside air.
A semiconductor device 900 was obtained by filling the inside of the case with silicone gel or epoxy resin and curing it. This semiconductor device 900 constitutes the circuit shown in FIG. In addition, in this example, for comparison, a sample in which the metallized carbon member 10 was replaced with a copper plate having the same size was also prepared. The semiconductor device 900 was finally incorporated into the inverter device for controlling the rotation speed of the electric motor 950 shown in FIG.

【００６１】半導体装置９００のＩＧＢＴ素子１０１−
銅支持板１２５間の熱抵抗は、0.30Ｗ／℃と、比較用試
料の０.４２Ｗ／℃ より低い値が得られた。低熱抵抗化
が図られたのは、熱流路を炭素焼結体や窒化アルミニウ
ム等の高熱伝導性部材で構成したこと、及び、熱膨張率
差緩衝部材を省略して簡素な積層構造をとり得たことが
第１の要因であるが、絶縁部材１２２から半導体基体１
０１，１０１′に至る積層体の変形を低減できたため、
銅支持板１２５−絶縁基板１２２−金属化炭素部材１０
間の接着部における気泡等の欠陥が低減されたことも第
２の要因として挙げられる。半導体基体１０１，１０
１′−金属化炭素部材１０−絶縁部材122の積層一体化
物を形成した段階での反り量（腹の高さ）は、最大５０
μｍであった。これは、比較試料の半導体基体−銅板−
絶縁部材の積層一体化物の３００μｍより大幅に小さい
値で、接着部欠陥の低減に多大の寄与をしていることを
示唆している。IGBT element 101-of semiconductor device 900
The thermal resistance between the copper support plates 125 was 0.30 W / ° C, which was lower than 0.42 W / ° C of the comparative sample. The low thermal resistance was achieved because the heat flow path was composed of a high thermal conductivity member such as carbon sintered body or aluminum nitride, and a simple laminated structure could be obtained by omitting the thermal expansion coefficient difference buffer member. The first factor is that the insulating member 122 is used to remove the semiconductor substrate 1.
Since the deformation of the laminated body up to 01, 101 'can be reduced,
Copper support plate 125-insulating substrate 122-metallized carbon member 10
The second factor is that defects such as bubbles in the bonded portion are reduced. Semiconductor substrates 101, 10
The amount of warp (belly height) at the stage of forming a laminated integrated body of 1'-metallized carbon member 10-insulating member 122 is 50 at maximum.
was μm. This is the semiconductor substrate of the comparative sample-copper plate-
A value significantly smaller than 300 μm of the laminated integrated product of insulating members suggests that it contributes greatly to the reduction of defects in the bonded portion.

【００６２】このような反りは、銅支持板の窒化アルミ
ニウム基板が接着された部分の外周部にエポキシ樹脂製
等の枠あるいは蓋を設置するときに、枠あるいは蓋と銅
支持板との間にすきまを生ずるので密封性、従って耐水
性の点で好ましくない。更に、銅支持板を外部放熱フィ
ン等に取付けるとき、支持板に反りがあるとすきまを生
じ、放熱性が低下するので好ましくない。本実施例によ
れば、これらの欠点は生じない。Such a warp is caused between the frame or the lid and the copper supporting plate when the frame or the lid made of epoxy resin or the like is installed on the outer peripheral portion of the portion of the copper supporting plate to which the aluminum nitride substrate is adhered. It is not preferable in terms of hermeticity, and therefore water resistance, because it causes a gap. Further, when the copper support plate is attached to the external heat radiation fins or the like, if the support plate is warped, a clearance is generated, and the heat dissipation is deteriorated, which is not preferable. According to this embodiment, these drawbacks do not occur.

【００６３】また、半導体装置９００に間欠通電し、支
持板１２５の温度を４０〜１００℃間で繰返し変化させ
る試験を施した。この試験を３００００回施した後の熱
抵抗は０.３６Ｗ／℃と若干増加したが、比較試料の同
試験３０００回における0.54Ｗ／℃より格段に安定して
おり、優れた放熱性が維持されている。このように、本
実施例半導体装置９００が優れた信頼性を示した最大の
理由は、金属化炭素部材１０と半導体基体１０１，１０
１′間の熱膨張率差がほとんどないため、はんだ１１３
に過大な熱応力や熱歪が作用せず、同はんだの熱疲労破
壊が避けられたためである。金属化炭素部材１０の熱膨
張率が絶縁部材１２２と近似したため、はんだに作用す
る熱応力や熱歪が軽減されたこと、そして、上述の積層
一体化物の反り量が少ないため、絶縁部材１２２−支持
板１２５間のはんだ層に極端に薄い部分を有していない
ことも、信頼性の向上に寄与している。A test was conducted in which the semiconductor device 900 was intermittently energized and the temperature of the support plate 125 was repeatedly changed between 40 and 100 ° C. The thermal resistance after this test was performed 30,000 times increased slightly to 0.36 W / ° C, but it was much more stable than the comparative sample of 0.54 W / ° C 3000 times, and excellent heat dissipation was maintained. ing. As described above, the greatest reason why the semiconductor device 900 of the present embodiment exhibits excellent reliability is that the metallized carbon member 10 and the semiconductor substrates 101, 10 are used.
Since there is almost no difference in the coefficient of thermal expansion between 1 ', the solder 113
This is because excessive thermal stress and thermal strain did not act on the solder, and thermal fatigue failure of the solder was avoided. Since the coefficient of thermal expansion of the metallized carbon member 10 was close to that of the insulating member 122, the thermal stress and thermal strain acting on the solder were reduced, and the amount of warpage of the above-mentioned laminated integrated body was small, so that the insulating member 122- The fact that the solder layer between the support plates 125 does not have an extremely thin portion also contributes to the improvement in reliability.

【００６４】このように本実施例によれば、比較試料に
比べて、放熱性を実質上犠牲にせずに信頼性を向上させ
得た。この効果は、窒化アルミニウム基板の面積、従っ
て金属化炭素部材の面積（比較試料における銅板の面
積）が大きくなるほど顕著であった。その一例を図８に
より説明する。この図は、本実施例構造（Ａ）及び比較
試料構造（Ｂ）の半導体装置の、窒化アルミニウム基板
−金属化炭素部材間接着面積と温度サイクル印加後の故
障発生率の関係を示すグラフである。温度サイクルは−
５５℃〜＋１５０℃とし、回数は１５０回である。図８
によれば、接着面積が約５００mm2までは、Ａ，Ｂとも
に故障発生率は０％であるが、約５００mm2を越えると
Ｂでは加速度的に故障発生率が増加するのに対し、Ａで
は依然として０％である。なお、ここで言う故障とは、
主としてはんだ層に生じたクラック、あるいは部分的剥
離のことである。As described above, according to this example, the reliability could be improved as compared with the comparative sample without substantially sacrificing the heat dissipation. This effect was more remarkable as the area of the aluminum nitride substrate, that is, the area of the metallized carbon member (the area of the copper plate in the comparative sample) increased. An example thereof will be described with reference to FIG. This figure is a graph showing the relation between the adhesion area between the aluminum nitride substrate and the metallized carbon member and the failure occurrence rate after the temperature cycle application in the semiconductor devices of the present Example structure (A) and the comparative sample structure (B). . Temperature cycle is −
The temperature is 55 ° C. to + 150 ° C., and the number of times is 150 times. Figure 8
According to the report, the failure rate is 0% for both A and B up to the adhesive area of about 500 mm 2, but if it exceeds about 500 mm 2 , the failure rate for B increases at an accelerated rate. It is still 0%. In addition, the failure referred to here is
It is mainly a crack generated in the solder layer or a partial peeling.

【００６５】上述の間欠通電試験では、金属化炭素部材
１０−支持板１２５間の電気絶縁性、そして、金属化炭
素部材１０−エミッタ電極１３ｂ，ゲート電極１３ｃ間
の電気絶縁性を追跡した。この結果、３００００回の試
験後における絶縁耐圧（周波数：６０Ｈｚ）は５ｋＶ以
上と、初期値と同等の値が維持され、絶縁物の破壊によ
る耐圧劣化は観測されなかった。この効果も上述と同様
に、金属化炭素部材１０が絶縁部材１２２や条片１１４
と近似した熱膨張率を有しているため、これらの部材に
過大な熱応力や熱歪が作用しないためである。In the above intermittent energization test, the electrical insulation between the metallized carbon member 10 and the support plate 125 and the electrical insulation between the metallized carbon member 10 and the emitter electrode 13b and the gate electrode 13c were traced. As a result, the withstand voltage (frequency: 60 Hz) after testing 30,000 times was 5 kV or more, which was equivalent to the initial value, and no withstand voltage deterioration due to breakdown of the insulator was observed. This effect is also obtained by the metallized carbon member 10 in the same manner as described above.
This is because they have a coefficient of thermal expansion similar to that, so that excessive thermal stress and thermal strain do not act on these members.

【００６６】なお、本実施例の半導体装置９００には密
度の小さい炭素（１.８ｇ／cm3）を主体にした金属化炭
素部材１０が搭載されているため、半導体装置９００の
重量が低減されている。Since the semiconductor device 900 of this embodiment is equipped with the metallized carbon member 10 mainly composed of low density carbon (1.8 g / cm 3 ), the weight of the semiconductor device 900 is reduced. ing.

【００６７】本実施例の半導体装置９００を組み込ん
だ、図７のインバータ装置を用いて、電動機の回転数制
御を試みた。図９は、スイッチング周波数とＩＧＢＴ素
子101の発熱温度の関係である。スイッチング損失は周
波数を増すにつれ増えるが、商用電源の５０Ｈｚから３
０ｋＨｚまでの間では、素子１０１が安定して動作する
温度の１２５℃を越えることはなかった。この間、電動
機は特別な異常を伴わずに作動した。An attempt was made to control the rotation speed of the electric motor by using the inverter device shown in FIG. 7 incorporating the semiconductor device 900 of this embodiment. FIG. 9 shows the relationship between the switching frequency and the heat generation temperature of the IGBT element 101. Switching loss increases as the frequency increases, but from 50Hz of commercial power supply to 3
Up to 0 kHz, the temperature at which the element 101 stably operates did not exceed 125 ° C. During this time, the motor worked without any special anomalies.

【００６８】また、インバータ装置及び電動機は、電気
自動車にその動力源として組み込まれた。この自動車に
おいては、動力源から車輪に至る駆動機構を簡素化でき
たため、ギヤーの噛み込み比率の違いにより変速してい
た従来の自動車に比べ、変速時のショックが軽減され
た。更に、この自動車は、０〜２５０km／ｈの範囲でス
ムーズな走行が可能であったほか、動力源を源とする振
動や騒音の面でも従来の気筒型エンジンを搭載した自動
車の約１／２に軽減することができた。Further, the inverter device and the electric motor were incorporated into the electric vehicle as a power source thereof. In this vehicle, since the drive mechanism from the power source to the wheels can be simplified, the shock at the time of shifting is reduced as compared with the conventional vehicle that shifts due to the difference in the gear engagement ratio. Furthermore, this vehicle was capable of running smoothly in the range of 0 to 250 km / h, and in terms of vibration and noise caused by the power source, it was about half that of a vehicle equipped with a conventional cylinder engine. Could be reduced to

【００６９】〔実施例 ３〕本実施例では、前記実施例
１において、複合炭素焼結体を用いた金属化炭素部材を
用いた例について説明する。[Embodiment 3] In this embodiment, an example in which the metallized carbon member using the composite carbon sintered body is used in Embodiment 1 will be described.

【００７０】本実施例の金属化炭素部材１０は、炭素粉
末に３０ｗｔ％の銅粉末を添加した混合粉末を出発材料
とし、この圧粉成形体を焼結して得た複合体１００を母
材にしている。この複合炭素焼結体１００は、熱膨張
率：５.７×１０-6／℃ ，熱伝導率：約３００Ｗ／ｍ・
Ｋ，抵抗率：約６０×１０-6Ω・cm、そして相対密度：
９０％で、物性値に異方性のないものである。図１０は
複合炭素焼結体１００の断面構造模式図を示す。炭素の
焼結体粒子１００Ａのマトリックスの中に、銅焼結体粒
子１００Ｂが埋め込まれている。埋め込まれた銅粒子１
００Ｂは焼結体１００のいずれの部分にもほぼ均等に分
散されていて、方向性は見られない。上述した物性に異
方性が見られないのは、この点に基づく。複合焼結体１
００に実施例１と同様に銅板をろう付けして部材（４７
mm×７６mm×３mm）１０を得た。図１１は一例としての
炭素−銅複合焼結体の物性を示すグラフである。複合焼
結体では、銅粉末の添加量を増すにつれ、熱膨張率や熱
伝導率を増し、抵抗率を減ずる。これらの物性値は、非
絶縁型半導体装置の支持部材又は絶縁型半導体装置の導
電性部材として許される範囲内では、いかなる値でも選
択され得る。しかし、大容量電力を取り扱う半導体装置
においては、特に炭素部材１０が接着される相手の部材
より熱膨張率が大きくなることは、信頼性の点で好まし
くない。この理由は、熱膨張率が相手部材より過度に大
きいと、ろう付けされた一体化物が室温に戻る際に、炭
素部材１０に引張り応力が作用するからである。即ち、
複合焼結体１００は引張り応力に対する耐破壊強度は金
属ほどには大きくないため、破損を生じやすいからであ
る。The metallized carbon member 10 of this embodiment uses a mixed powder obtained by adding 30 wt% of copper powder to carbon powder as a starting material, and a composite material 100 obtained by sintering the green compact is a base material. I have to. This composite carbon sintered body 100 has a thermal expansion coefficient of 5.7 × 10 −6 / ° C. and a thermal conductivity of about 300 W / m ·
K, resistivity: about 60 × 10 −6 Ω · cm, and relative density:
It is 90% and has no anisotropy in physical properties. FIG. 10 shows a schematic cross-sectional structure diagram of the composite carbon sintered body 100. Copper sintered body particles 100B are embedded in a matrix of carbon sintered body particles 100A. Embedded copper particles 1
00B is almost evenly dispersed in any part of the sintered body 100, and no directivity is observed. This is the reason why the above-mentioned physical properties are not anisotropic. Composite sintered body 1
00 to the member (47) by brazing a copper plate in the same manner as in Example 1.
mm × 76 mm × 3 mm) 10. FIG. 11 is a graph showing the physical properties of the carbon-copper composite sintered body as an example. In the composite sintered body, the thermal expansion coefficient and the thermal conductivity increase and the resistivity decreases as the amount of copper powder added increases. Any of these physical property values can be selected as long as it is within the range permitted as a supporting member of a non-insulating semiconductor device or a conductive member of an insulating semiconductor device. However, in a semiconductor device that handles a large amount of electric power, it is not preferable in terms of reliability that the coefficient of thermal expansion be larger than that of a member to which the carbon member 10 is bonded. This is because if the coefficient of thermal expansion is excessively higher than that of the mating member, tensile stress acts on the carbon member 10 when the brazed integrated product returns to room temperature. That is,
This is because the composite sintered body 100 has a fracture strength against tensile stress that is not as great as that of a metal, and is therefore easily damaged.

【００７１】半導体基体になり得る材料の熱膨張率はシ
リコン：４.２×１０-6／℃ ，ゲルマニウム：５.８×
１０-6／℃，砒化ガリウム：６.５×１０-6／℃，燐化
ガリウム：５.３×１０-6／℃ 、そして、絶縁部材にな
り得る材料の熱膨張率は窒化アルミニウム：４.５×１
０-6／℃，ベリリヤ：７.６×１０-6／℃，アルミナ：
７.０×１０-6／℃，窒化硼素：３.７×１０-6／℃であ
る。これらの中で最も熱膨張率の大きいベリリヤのそれ
を越えないようにするためには、複合炭素部材１００中
の銅は６０ｗｔ％を越えないようにする必要がある。The coefficient of thermal expansion of the material that can be the semiconductor substrate is silicon: 4.2 × 10 -6 / ° C., germanium: 5.8 ×
10 −6 / ° C., gallium arsenide: 6.5 × 10 −6 / ° C., gallium phosphide: 5.3 × 10 −6 / ° C., and the coefficient of thermal expansion of the material that can be the insulating member is aluminum nitride: 4 .5 x 1
0 -6 / ° C, beryllia: 7.6 x 10 -6 / ° C, alumina:
It is 7.0 × 10 −6 / ° C., and boron nitride is 3.7 × 10 −6 / ° C. In order to prevent it from exceeding that of beryllia, which has the highest coefficient of thermal expansion, it is necessary to prevent the copper content in the composite carbon member 100 from exceeding 60 wt%.

【００７２】表３は熱膨張率が７.６×１０-6／℃ を越
えない金属添加物の添加量範囲を示す。この表から、銅
以外の金属添加物の場合は、最大６０ｗｔ％未満までの
添加が許される。Table 3 shows the addition amount range of the metal additive whose thermal expansion coefficient does not exceed 7.6 × 10 -6 / ° C. From this table, in the case of metal additives other than copper, the maximum addition amount is less than 60 wt%.

【００７３】[0073]

【表３】 部材１０は、炭素−３０ｗｔ％銅なる組成の複合焼結体
からなる支持板（９５mm×１１０mm×５mm）１２５にＰ
ｂ−６０ｗｔ％Ｓｎはんだ(厚さ：２００μｍ)により接
着されたアルミナ絶縁基板(６８mm×８６mm×０.６３m
m）１２２上に、Ｓｎ−５ｗｔ％Ｓｂ−０.６ｗｔ％Ｎｉ
−０.０５ｗｔ％Ｐはんだ（厚さ：２００μｍ)により搭
載された。この部材１０には、Ｓｎ−５ｗｔ％Ｓｂ−
０.６ｗｔ％Ｎｉ−０.０５ｗｔ％Ｐはんだ(厚さ：２０
０μｍ）１１３により、ＩＧＢＴ素子（１３mm×１３mm
×０.３mm，６個）１０１と、ダイオード素子(１３mm×
１３mm×０.３mm，２個)１０１′が接着された。以下実
施例１と同様の部材搭載，配線，パッケージングを施
し、半導体装置９００を得た。この装置９００は、搭載
された全ての素子が並列に接続され、等価的に図１２に
示す回路を構成している。本実施例における支持板１２
５から半導体基体１０１，１０１′に至る部材構成で
は、半導体基体（４.２×１０-6／℃）−金属化炭素部
材（５.７×１０-6／℃）−絶縁部材（７.０×１０-6／
℃）−支持板（５.７×１０-6／℃）と、熱膨張率が近
似されている。このため、接着面積が３５７２mm2 と大
きいにもかかわらず、一体化物の反り量は４５μｍに過
ぎず、各接着部に残留する熱応力も少ないことを裏付け
ている。[Table 3] The member 10 is composed of a support plate (95 mm × 110 mm × 5 mm) 125 made of a composite sintered body having a composition of carbon-30 wt% copper and P.
b-60wt% Sn solder (thickness: 200μm) bonded to an alumina insulating substrate (68mm × 86mm × 0.63m)
m) 122, Sn-5 wt% Sb-0.6 wt% Ni
-Mounted with 0.05 wt% P solder (thickness: 200 μm). This member 10 contains Sn-5 wt% Sb-
0.6 wt% Ni-0.05 wt% P solder (thickness: 20
0 μm) 113, IGBT element (13 mm × 13 mm
× 0.3mm, 6 pieces 101 and diode element (13mm ×
13 mm × 0.3 mm, 2 pieces) 101 'were adhered. Thereafter, the same member mounting, wiring and packaging as in Example 1 were performed to obtain a semiconductor device 900. In this device 900, all the mounted elements are connected in parallel to equivalently configure the circuit shown in FIG. Support plate 12 in this embodiment
In the member constitution from 5 to the semiconductor substrate 101, 101 ', the semiconductor substrate (4.2 × 10 −6 / ° C.)-Metallized carbon member (5.7 × 10 −6 / ° C.)-Insulating member (7.0) × 10 -6 /
C) −support plate (5.7 × 10 −6 / ° C.) and the coefficient of thermal expansion are approximated. Therefore, it is confirmed that the warp amount of the integrated product is only 45 μm and the thermal stress remaining in each bonded portion is small, even though the bonded area is as large as 3572 mm 2 .

【００７４】以上により得られた半導体装置には、−５
５℃〜＋１５０℃の温度サイクルが３０００回印加され
た。これによる半導体基体１０１−支持板１２５間熱抵
抗（初期値：０.３８℃／Ｗ）の変化は観測されなかっ
た。The semiconductor device obtained as described above has a -5
A temperature cycle of 5 ° C to + 150 ° C was applied 3000 times. No change in thermal resistance (initial value: 0.38 ° C./W) between the semiconductor substrate 101 and the support plate 125 due to this was observed.

【００７５】なお、支持板１２５として熱膨張率がアル
ミナ板１２２と近似された他の複合材料、例えば銅−イ
ンバール−銅のようなクラッド材，銅−炭素繊維複合
材，銅−ダイヤモンド繊維複合材，炭素−炭素繊維複合
材等を用いることは好ましいことである。As the support plate 125, another composite material having a coefficient of thermal expansion similar to that of the alumina plate 122, for example, a clad material such as copper-invar-copper, a copper-carbon fiber composite material, a copper-diamond fiber composite material is used. It is preferable to use a carbon-carbon fiber composite material.

【００７６】次いで、２４個の本実施例半導体装置９０
０が、図７と同様のインバータ回路に組み込まれた。こ
こでは、１相分として８個の半導体装置９００が割り当
てられている。これにより得られたインバータ装置（電
源電圧：１５００Ｖ，ピーク出力電流：６５０Ａ，平均
周波数：２ｋＨｚ）は、電車用の主電動機（１９０ｋ
Ｗ）の速度制御に供された。この結果、走行開始（加
速）時に電動機が発する騒音は平均周波数１.５ｋＨｚ
の場合より１／３低く、そして、短い駅間距離(１.２k
m）を想定した走行試験でも表定速度４０km／ｈと優れ
た運行性能が得られた。これは、高周波化されて発熱の
著しい半導体基体１０１を効率的に冷却できるため、同
基体が安定的に動作するためである。Next, 24 semiconductor devices 90 of this embodiment are provided.
0 has been incorporated into an inverter circuit similar to FIG. Here, eight semiconductor devices 900 are assigned as one phase. The inverter device (power supply voltage: 1500 V, peak output current: 650 A, average frequency: 2 kHz) thus obtained was used as a main motor for a train (190 kHz).
W) was subjected to speed control. As a result, the noise generated by the electric motor when the vehicle is started (accelerated) has an average frequency of 1.5 kHz.
1/3 lower than the case of, and short station distance (1.2k
Even in a running test assuming m), excellent running performance with a table speed of 40 km / h was obtained. This is because it is possible to efficiently cool the semiconductor substrate 101 which has a high frequency and generates a large amount of heat, so that the semiconductor substrate 101 operates stably.

【００７７】以上に説明したように、本実施例の半導体
装置９００は、電動機の回転速度や移動装置の走行速度
を制御するのに有用である。本実施例と同様の半導体装
置がエレベータ，エスカレータ，ベルトコンベヤー等の
物体を運搬する装置やその装置に組み込まれた場合で
も、電車に組み込まれた場合と同様の効果が得られる。 〔実施例 ４〕本実施例では、一個の基体の中にＩＧＢ
Ｔ素子を６素子，ダイオード素子を６素子内蔵した半導
体基体１０１を搭載するための金属化炭素部材とこれを
用いた絶縁型半導体装置の例について説明する。As described above, the semiconductor device 900 of this embodiment is useful for controlling the rotation speed of the electric motor and the traveling speed of the moving device. Even when a semiconductor device similar to that of the present embodiment is incorporated in a device that conveys an object such as an elevator, an escalator, or a belt conveyor or the device, the same effect as when incorporated in a train can be obtained. [Embodiment 4] In this embodiment, IGB is provided in one substrate.
An example of a metallized carbon member for mounting a semiconductor substrate 101 having six T elements and six diode elements and an insulated semiconductor device using the same will be described.

【００７８】金属化炭素部材１０は、実施例１と同様に
して、３５mm×３５mm×１mmの寸法を有する同質の炭素
焼結体１００に、厚さ２００μｍの無酸素銅板１１１
Ｂ，１１２ＢをＴｉを２ｗｔ％添加したＡｇ−２８ｗｔ
％Ｃｕろう材１１１，１１２によりろう付けしたもので
ある。The metallized carbon member 10 is the same as in Example 1 except that the same quality carbon sintered body 100 having a size of 35 mm × 35 mm × 1 mm is formed on the oxygen-free copper plate 111 having a thickness of 200 μm.
Ag-28wt which added 2wt% of Ti to B and 112B
% Cu brazing filler metal 111, 112.

【００７９】銅支持板（Ｎｉめっき：３μｍ，５０mm×
６０mm×３mm）１２５上に、４０mm×４０mm×０.６３m
m の窒化アルミニウム絶縁基板１２２が接着され、絶縁
基板１２２上には金属化炭素部材１０が１個接着され、
金属化炭素部材１０には上記半導体基体(１５mm×１５m
m×０.３mm）１０１が接着されている。基体１０１には
Ａｌ線（直径：３００μｍ）１１７によるワイヤボンデ
ィングが施され、電極１３ｂ，１３ｃに接続されてい
る。銅条片からなるこれらの電極１３ｂ，１３ｃはアル
ミナ条片１１４にろう付けされ、アルミナ条片１１４は
金属化炭素部材１０にろう付けされている。以上の積層
体を樹脂封止して半導体装置９００を得た。この半導体
装置９００は、これのみで図７と同様のインバータ回路
を構成している。Copper support plate (Ni plating: 3 μm, 50 mm ×
60mm × 3mm) 125 on, 40mm × 40mm × 0.63m
m aluminum nitride insulating substrate 122 is adhered, and one metallized carbon member 10 is adhered on the insulating substrate 122.
The metallized carbon member 10 has the above semiconductor substrate (15 mm × 15 m).
m × 0.3 mm) 101 is adhered. The base body 101 is wire-bonded with an Al wire (diameter: 300 μm) 117 and connected to the electrodes 13b and 13c. These electrodes 13b and 13c made of copper strips are brazed to the alumina strips 114, and the alumina strips 114 are brazed to the metallized carbon member 10. The above laminated body was resin-sealed to obtain a semiconductor device 900. This semiconductor device 900 alone constitutes an inverter circuit similar to that shown in FIG.

【００８０】半導体装置９００からなるインバータ装置
は、ブラシレス直流電動機とともに家庭用冷暖房機（暖
房時の消費電力：１５０〜１８６０Ｗ，冷房時の消費電
力：２００〜１３７５Ｗ，電源電圧：１００Ｖ）に組み
込まれた。図１３は本実施例のインバータ装置を用いた
電動機の効率（Ａ）を示すグラフで、従来の交流電動機
を用いた場合（Ｂ）と比較して示す。本実施例の場合
は、比較した全回転数範囲で、従来の場合より１０％以
上高い効率を示している。この点は、冷暖房機使用時の
電力消費を低減するのに役立つ。また、室内の温度が運
転開始から設定温度に到達するまでの時間は、本実施例
の場合は従来の交流電動機を用いた場合より約１／２に
短縮された。The inverter device including the semiconductor device 900 is incorporated in a domestic air conditioner (power consumption during heating: 150 to 1860 W, power consumption during cooling: 200 to 1375 W, power supply voltage: 100 V) together with a brushless DC motor. . FIG. 13 is a graph showing the efficiency (A) of the electric motor using the inverter device of the present embodiment, which is shown in comparison with the case (B) using the conventional AC electric motor. In the case of the present embodiment, the efficiency is 10% or more higher than that of the conventional case in the compared full speed range. This helps to reduce the power consumption when using the air conditioner. Further, the time from the start of the operation of the room until the temperature reaches the set temperature was reduced to about 1/2 in the case of the present embodiment as compared with the case of using the conventional AC motor.

【００８１】本実施例と同様の効果は、半導体装置９０
０が他の流体を撹拌又は流動させる装置、例えば洗濯
機，流体循環装置等に組み込まれた場合でも享受でき
る。The same effect as that of this embodiment is obtained by the semiconductor device 90.
It can be enjoyed even when 0 is incorporated in a device for stirring or flowing other fluids, such as a washing machine or a fluid circulating device.

【００８２】〔実施例 ５〕本実施例では、金属化炭素
部材とこれを用いた非絶縁型半導体装置、及び非絶縁型
半導体装置を用いた電子装置について説明する。[Embodiment 5] In this embodiment, a metallized carbon member, a non-insulating semiconductor device using the same, and an electronic device using the non-insulating semiconductor device will be described.

【００８３】金属化炭素部材１０は、実施例１と同様に
して、２０mm×３５mm×１mmの寸法を有する炭素焼結体
１００に、厚さ２００μｍの無酸素銅板１１１Ｂを設け
た。焼結体１００は、炭素マトリックスの中にイットリ
ヤを５ｗｔ％添加した窒化アルミニウム粒子を５ｗｔ％
分散して得た複合炭素焼結体で、図１４に示す断面構造
を有している。窒化アルミニウム粒子１００Ｂは、炭素
焼結体粒子１００Ａ間の境界に介在し、複合炭素焼結体
１００のいずれの部分にもほぼ均一に分布している。こ
の複合炭素焼結体の物性は、熱膨張率：４.４×１０-6
／℃ ，熱伝導率：約２５０Ｗ／ｍ・Ｋ，抵抗率：約３
００×１０-6Ω・cm、そして相対密度：９０％で、物性
値に異方性のないものである。また、本実施例では、窒
化アルミニウム粒子の代わりに、アルミナ，ベリリヤ，
窒化硼素，ベリリヤ添加炭化珪素，カルシヤ添加窒化ア
ルミニウム粒子を添加した複合炭素焼結体１００をも作
製した。As for the metallized carbon member 10, in the same manner as in Example 1, a carbon sintered body 100 having a size of 20 mm × 35 mm × 1 mm was provided with an oxygen-free copper plate 111B having a thickness of 200 μm. The sintered body 100 is 5% by weight of aluminum nitride particles containing 5% by weight of yttria in a carbon matrix.
The composite carbon sintered body obtained by dispersion has a cross-sectional structure shown in FIG. The aluminum nitride particles 100B are present at the boundaries between the carbon sintered body particles 100A and are substantially evenly distributed in any portion of the composite carbon sintered body 100. The physical properties of this composite carbon sintered body are as follows: coefficient of thermal expansion: 4.4 × 10 −6
/ ℃, thermal conductivity: about 250W / mK, resistivity: about 3
It has 00 × 10 −6 Ω · cm and a relative density of 90% and has no anisotropy in physical properties. Further, in this example, instead of the aluminum nitride particles, alumina, beryllia,
A composite carbon sintered body 100 to which boron nitride, beryllia-added silicon carbide, and calcium-added aluminum nitride particles were added was also produced.

【００８４】図１５はセラミックス粒子を添加した場合
の添加量と複合炭素焼結体の抵抗率の関係を示すグラフ
である。個々の添加物の種類によって若干の相違はある
が、抵抗率は添加量を増すにつれてほぼ同様の傾向で増
加している。これは、分散材そのものの抵抗率が高いこ
とに基づく。複合炭素焼結体の抵抗率が高いことは、こ
れが組み込まれた半導体装置の電力損失を増すことを意
味し、また、ある一定の電気伝導性を確保するには複合
炭素焼結体のサイズを大きくする必要を意味するので好
ましくない。実用的には１０3×１０-6Ω・cm 以下が望
ましい。この観点で図１５を参照すると、セラミックス
粒子の添加量は１０ｗｔ％以下であるのが好ましい。FIG. 15 is a graph showing the relationship between the amount of ceramic particles added and the resistivity of the composite carbon sintered body. Although there are some differences depending on the type of each additive, the resistivity increases with a similar tendency as the amount of addition increases. This is because the dispersant itself has a high resistivity. The high resistivity of the composite carbon sintered body means that the power loss of the semiconductor device in which it is incorporated is increased, and the size of the composite carbon sintered body is required to ensure a certain electric conductivity. This is not preferable because it means that the size needs to be increased. Practically, 10 3 × 10 -6 Ω · cm or less is desirable. From this viewpoint, referring to FIG. 15, the addition amount of the ceramic particles is preferably 10 wt% or less.

【００８５】図１６はパワートランジスタ装置用の金属
化炭素部材１０の要部俯瞰図である。上述した複合炭素
焼結体１００上に、金属層１１１Ｂが形成されている。
この金属層１１１Ｂにはトランジスタ素子基体(１５mm
×１５mm×０.３mm）が接着され、そして、金属層１１
１Ｂから延長された領域１１１Ｂ′には銅−ベリリウム
合金からなるコレクタ端子がろう付けされる。FIG. 16 is a bird's-eye view of essential parts of the metallized carbon member 10 for a power transistor device. Metal layer 111B is formed on composite carbon sintered body 100 described above.
This metal layer 111B has a transistor element substrate (15 mm
X 15 mm x 0.3 mm) is bonded and the metal layer 11
A collector terminal made of a copper-beryllium alloy is brazed to the region 111B 'extended from 1B.

【００８６】金属層１１１Ｂに厚さ５０μｍのＰｂ−５
ｗｔ％Ｓｎ−１.５ｗｔ％Ａｇ はんだにより固着された
基体は、Ａｌ線（直径：３００μｍ）のワイヤボンディ
ングにより銅−ベリリウム合金からなるリードフレーム
と電気的に接続され、最後にエポキシ樹脂によるモール
ドを経てトランジスタ装置９００が完成された。ワイヤ
ボンディングにより接続されたリードフレームはトラン
ジスタ装置のエミッタ端子及びベース端子を構成する。On the metal layer 111B, Pb-5 having a thickness of 50 μm is formed.
wt% Sn-1.5 wt% Ag The substrate fixed by solder is electrically connected to a lead frame made of copper-beryllium alloy by wire bonding of an Al wire (diameter: 300 μm), and finally a mold made of epoxy resin is applied. After that, the transistor device 900 is completed. The lead frame connected by wire bonding constitutes the emitter terminal and the base terminal of the transistor device.

【００８７】このようにして得たトランジスタ装置９０
０は、電源の整流装置及び屋外の照明設備の光量を制御
するインバータ装置に組み込まれて、屋外に設置され
た。Transistor device 90 thus obtained
No. 0 was installed in the outdoor by being installed in the rectifier of the power source and the inverter that controls the light quantity of the outdoor lighting equipment.

【００８８】本発明において、焼結炭素部材１００上に
設けられる金属層１１１Ｂは、部材１００の主面の全面
に設けられることを必須とするものではない。電気伝導
性や熱伝導性に関して支障がない限り、その上に搭載す
る素子や部材がろう付けされる領域にのみに選択的に設
けられて良く、そして、選択的に設けられる金属層１１
１Ｂは複数であっても良い。In the present invention, the metal layer 111B provided on the sintered carbon member 100 does not necessarily have to be provided on the entire main surface of the member 100. As long as the electrical conductivity and the thermal conductivity are not hindered, the element or member mounted thereon may be selectively provided only in the region to be brazed, and the selectively provided metal layer 11
1B may be plural.

【００８９】本発明において、ろう材は実施例に開示し
た材料のみには限定されない。半導体装置が製作される
プロセス、半導体装置に要求される特性特に耐熱疲労信
頼性に応じて、種々の成分及び組成のものを選択しう
る。例えば、Ｐｂ−５ｗｔ％Ｓｂ，Ｐｂ−５２ｗｔ％Ｓ
ｎ−８ｗｔ％Ｂｉ，Ａｕ−１２ｗｔ％Ｇｅ，Ａｕ−６ｗ
ｔ％Ｓｉ，Ａｕ−２０ｗｔ％Ｓｉ,Ａｌ−１１.７ｗｔ％
Ｓｉ,Ａｇ−４.５wt％Ｓｉ，Ａｕ−８５ｗｔ％Ｐｂ，Ａ
ｕ−２６ｗｔ％Ｓｂ,Ｃｕ−６９.３ｗｔ％Ｍｇ，Ｃｕ−
３５ｗｔ％Ｍｎ，Ｃｕ−３６ｗｔ％Ｐｂ,Ｃｕ−７６.５
ｗｔ％Ｓｂ，Ｃｕ−１６.５ｗｔ％Ｓｉ，Ｃｕ−２８ｗ
ｔ％Ｔｉ，Ｃｕ−１０ｗｔ％Ｚｒ、又は、これらを任意
に組合わせたろう材を適用できる。In the present invention, the brazing material is not limited to the materials disclosed in the examples. Various components and compositions can be selected according to the process of manufacturing the semiconductor device, the characteristics required for the semiconductor device, particularly the thermal fatigue resistance. For example, Pb-5 wt% Sb, Pb-52 wt% S
n-8 wt% Bi, Au-12 wt% Ge, Au-6w
t% Si, Au-20 wt% Si, Al-11.7 wt%
Si, Ag-4.5 wt% Si, Au-85 wt% Pb, A
u-26 wt% Sb, Cu-69.3 wt% Mg, Cu-
35 wt% Mn, Cu-36 wt% Pb, Cu-76.5
wt% Sb, Cu-16.5 wt% Si, Cu-28w
It is possible to apply t% Ti, Cu-10 wt% Zr, or a brazing material in which these are arbitrarily combined.

【００９０】本発明において、金属化層１１１，１１２
は互いに対向する面に分離されて形成されなくても良
く、例えば炭素部材１００の側面に延長して設けられて
も本発明の効果は変わらない。In the present invention, the metallization layers 111, 112
Do not have to be formed separately on the surfaces facing each other, and the effect of the present invention does not change even if they are provided on the side surfaces of the carbon member 100, for example.

【００９１】本発明において、金属層１１１，１１２又
は金属板１１１Ｂ，１１２Ｂの表面に銅，ニッケル，
銀，金，白金，パラジウム，錫，アンチモン，アルミニ
ウム，亜鉛、もしくは、これらの合金で被覆されている
ことは好ましいことである。In the present invention, the surfaces of the metal layers 111, 112 or the metal plates 111B, 112B are coated with copper, nickel,
It is preferable to be coated with silver, gold, platinum, palladium, tin, antimony, aluminum, zinc, or an alloy thereof.

【００９２】本発明において、金属化炭素部材１００に
搭載される素子は半導体基体に限定されず、例えばコン
デンサ，抵抗体，コイル等が搭載されても良い。In the present invention, the element mounted on the metallized carbon member 100 is not limited to the semiconductor substrate, and for example, a capacitor, a resistor, a coil or the like may be mounted.

【００９３】本発明において、絶縁型半導体装置の電気
回路は、図７及び図１２に示したものに限定されない。
例えば、図１７（ａ）〜（ｃ）に示すように、半導体装
置の内部で種々の電気回路が設けられていることは、こ
れを電子装置に用いる上で支障になるものではない。ま
た、半導体装置の内部の電気回路に受動素子が組み込ま
れていることも、好ましいことである。In the present invention, the electric circuit of the insulating semiconductor device is not limited to those shown in FIGS. 7 and 12.
For example, as shown in FIGS. 17A to 17C, the fact that various electric circuits are provided inside the semiconductor device does not hinder the use thereof in an electronic device. It is also preferable that a passive element is incorporated in the electric circuit inside the semiconductor device.

【００９４】〔実施例 ６〕本実施例では、金属化炭素
部材とこれを用いた電気機械装置について説明する。[Embodiment 6] In this embodiment, a metallized carbon member and an electromechanical device using the same will be described.

【００９５】金属化炭素部材１０は、図１８に示す俯瞰
の如き構造を有している。この図において、炭素焼結体
１００は実施例１と同様の素材からなる２０mm×５０mm
×４０mmの寸法を有し、直径５mm，深さ１０mmのくりぬ
き穴１５１が形成されている。くりぬき穴１５１には、
細線をより合わせた銅線１５２がＴｉ添加の銀ろうペー
スト２０１とともに差し込まれる。このアッセンブリは
空気中、１４０℃，１０min の条件下で乾燥処理を施さ
れた後、真空度約３ｍＰａの雰囲気中で850℃加熱され
た。この結果、より合わせ銅線１５２がろう材１１１で
炭素焼結体１００に固定された構造体を得た。より合わ
せ銅線１５２のろう付けされない側の端部には、銅から
なるかしめ端子１５３が取付けられた。このようにして
得られた金属化炭素部材１０の炭素焼結体１００とより
合わせ銅線１５２の間の接着強度を測定したところ、２
５ｋｇｆなる値が得られた。この値は、くりぬき穴１５
１とより合わせ銅線１５２の間の空隙に銅粉末を充填し
た後、この粉末をたたき固めて固定するタンピング方式
の場合の１５kgｆより大幅に強固に接合されたことを意
味する。The metallized carbon member 10 has a structure as shown in the overhead view of FIG. In this figure, the carbon sintered body 100 is made of the same material as in Example 1, and is 20 mm × 50 mm.
A hole 151 having a size of 40 mm and a diameter of 5 mm and a depth of 10 mm is formed. In the hollow hole 151,
A copper wire 152 in which fine wires are twisted is inserted together with a silver brazing paste 201 containing Ti. This assembly was dried in air at 140 ° C. for 10 minutes and then heated at 850 ° C. in an atmosphere having a vacuum degree of about 3 mPas. As a result, a structure was obtained in which the twisted copper wire 152 was fixed to the carbon sintered body 100 with the brazing material 111. A caulking terminal 153 made of copper was attached to the end of the stranded copper wire 152 on the non-brazed side. The adhesive strength between the carbon sintered body 100 of the metallized carbon member 10 thus obtained and the twisted copper wire 152 was measured and found to be 2
A value of 5 kgf was obtained. This value is 15
This means that the gap between 1 and the twisted copper wire 152 is filled with copper powder, and then the powder is tapped and solidified, which is significantly stronger than 15 kgf in the tamping system.

【００９６】以上のようにして製作された金属化炭素部
材１０は、直流電動機にブラシとして取付けられた。こ
の電動機は回転数１５００rpm ，周速３０ｍ／ｓ，電流
密度２０Ａ／cm2，ブラシ圧力３００ｇ／cm2のもとで８
７６０ｈ連続運転されたが、電動機は性能が低下するこ
となく、また、タンピング方式によるブラシを適用した
場合に比べて遜色ない性能の維持が図られた。特に、タ
ンピング方式による従来のブラシでは、運転中の振動に
よる金属疲労のため、炭素焼結体とより合わせ銅線の間
で接触不良を生じたが、本実施例のブラシではこのよう
なことは全く生じなかった。これは、炭素焼結体１００
とより合わせ銅線１５２の間が信頼性高くろう付けされ
たためである。The metallized carbon member 10 manufactured as described above was attached to the DC motor as a brush. This motor has a rotation speed of 1500 rpm, a peripheral speed of 30 m / s, a current density of 20 A / cm 2 , and a brush pressure of 300 g / cm 2 .
Although it was continuously operated for 760 hours, the performance of the electric motor did not deteriorate, and the performance was comparable to that when the brush using the tamping method was applied. In particular, in the conventional tamping brush, due to metal fatigue due to vibration during operation, poor contact occurred between the carbon sintered body and the twisted copper wire. It didn't happen at all. This is a carbon sintered body 100.
The reason is that the space between the twisted and twisted copper wire 152 is brazed with high reliability.

【００９７】本実施例において、金属化炭素部材１０
は、図１９に示すように、より合わせ銅線１５２やかし
め端子１５３の代替物としてのバネ材１５２′を、ろう
材111により炭素焼結体１００に固定してもよい。この
ような構成で得られるブラシは、特に小型，少容量の電
気機械装置に適している。なお、金属化炭素部材１０を
電気機械装置用として適用する場合には、炭素焼結体１
００として電気伝導性の良い銅や銀のような金属ととも
に炭素材を焼結した複合焼結体を用いるのが好ましい。In this embodiment, the metallized carbon member 10
As shown in FIG. 19, a twisted copper wire 152 or a spring material 152 ′ as an alternative to the caulked terminal 153 may be fixed to the carbon sintered body 100 by a brazing material 111. The brush obtained with such a configuration is particularly suitable for a small-sized and small-capacity electromechanical device. When the metallized carbon member 10 is applied to an electromechanical device, the carbon sintered body 1
As 00, it is preferable to use a composite sintered body obtained by sintering a carbon material together with a metal having good electric conductivity, such as copper or silver.

【００９８】本実施例における電気機械装置には、上述
の直流電動機のほか、交流電動機，電動発電機，励磁
機，交流整流子電動機，誘導電動機，単相電動機，サー
ボモータ，集電環装置等が含まれる。In the electromechanical device of this embodiment, in addition to the DC motor described above, an AC motor, a motor generator, an exciter, an AC commutator motor, an induction motor, a single-phase motor, a servo motor, a current collecting ring device, etc. Is included.

【００９９】〔実施例 ７〕本実施例では、金属化炭素
部材とこれを用いた燃料電池発電装置について説明す
る。Example 7 In this example, a metallized carbon member and a fuel cell power generator using the same will be described.

【０１００】図２０は燃料電池発電装置５００の原理を
説明する断面図である。図２０(ａ)は燃料電池を構成す
る単位電池の例を示しており、この図において電解質５
０１は負極５０２と正極５０３に挾まれ、負極５０２に
は燃料ガス５０４′を導入する手段５０４，正極５０３
には酸化剤ガス５０５′を導入する手段５０５が配置さ
れている。電解質５０１は炭酸リチウムと炭酸カリウム
系の溶融アルカリ炭酸塩で、Ｌｉ化したアルミナ多孔質
板に含浸され、約６５０℃に保持される。燃料ガス５０
４′として炭酸ガス（容量比：０.２）を添加した水素
(容量比：０.８)、そして酸化剤ガス５０５′として二
酸化炭素（容量比：０.３）を添加した空気（容量比：
０.７）がそれぞれ用いられる。FIG. 20 is a sectional view for explaining the principle of the fuel cell power generator 500. FIG. 20 (a) shows an example of a unit cell that constitutes a fuel cell.
01 is sandwiched between the negative electrode 502 and the positive electrode 503, and means 504 for introducing the fuel gas 504 ′ into the negative electrode 502, the positive electrode 503.
A means 505 for introducing an oxidant gas 505 'is arranged in the chamber. The electrolyte 501 is a molten alkali carbonate of lithium carbonate and potassium carbonate, which is impregnated into a Li-containing alumina porous plate and kept at about 650 ° C. Fuel gas 50
Hydrogen added with carbon dioxide (volume ratio: 0.2) as 4 '
(Volume ratio: 0.8), and air to which carbon dioxide (volume ratio: 0.3) was added as oxidant gas 505 '(volume ratio:
0.7) are used respectively.

【０１０１】また、図２０（ｂ）は単位電池の中央部の
概略図であり、反応ガスとしての燃料ガス５０４′又は
酸化剤ガス５０５′，電解質５０１，負極５０２又は正
極５０３の三者が接する部分がもうけられている。この
部分で次の電気化学反応が進行する。FIG. 20 (b) is a schematic view of the central portion of the unit cell, in which the fuel gas 504 'or the oxidant gas 505' as the reaction gas, the electrolyte 501, the negative electrode 502 or the positive electrode 503 are in contact with each other. The part is made. The next electrochemical reaction proceeds in this part.

【０１０２】 負極において、Ｈ2＋ＣＯ3 2-→ＣＯ2＋Ｈ2Ｏ＋２ｅ- 正極において、１／２Ｏ2＋ＣＯ2＋２ｅ-→ＣＯ3 2- この結果電池全体として、Ｈ2＋１／２Ｏ2→Ｈ2Ｏ なる
反応を生ずる。以上の反応により生じたｅ- が、負荷５
０６を通じて負極５０２が正極５０３へ流れる。In the negative electrode, H 2 + CO 3 2- → CO 2 + H 2 O + 2e − In the positive electrode, 1 / 2O 2 + CO 2 + 2e − → CO 3 2− As a result, H 2 + 1 / 2O 2 → H 2 as a whole battery O 2 reaction occurs. E − generated by the above reaction is the load 5
The negative electrode 502 flows to the positive electrode 503 through 06.

【０１０３】図２１は単位電池の具体的な構成を示す図
である。電解質５０１は、実施例１と同質の炭素焼結体
１００からなる負極５０２と正極５０３に挾まれてい
る。炭素焼結体１００には溝５０２′と５０３′が設け
られ、ガスを案内するとともに上記反応を促進できるよ
うにされている。負極５０２にはSUS316で製作された燃
料ガス導入手段５０４、そして、正極５０３にはSUS316
とＮｉをクラッドした酸化剤ガス導入手段５０５が、実
施例１と同様のＴｉ添加のろう材１１１により接合され
ている。この単位電池は電極面積１０００cm2 を有して
おり、５段に積層されている。このようにして製作され
た燃料電池発電装置を６５０℃で作動させた場合の定格
性能は、電流１６０Ａ／cm2，電圧０.７Ｖ／単位電池，
出力５６０Ｗである。FIG. 21 is a diagram showing a specific structure of the unit battery. The electrolyte 501 is sandwiched between a negative electrode 502 and a positive electrode 503, which are made of the same carbon sintered body 100 as in Example 1. Grooves 502 'and 503' are provided in the carbon sintered body 100 so as to guide the gas and promote the above reaction. Fuel gas introducing means 504 made of SUS316 is used for the negative electrode 502, and SUS316 is used for the positive electrode 503.
The oxidizing gas introducing means 505 clad with Ni and Ni are joined by the brazing filler metal 111 containing Ti as in the first embodiment. This unit battery has an electrode area of 1000 cm 2 and is stacked in 5 layers. When the fuel cell power generator manufactured in this way is operated at 650 ° C., the rated performance is as follows: current 160 A / cm 2 , voltage 0.7 V / unit cell,
The output is 560W.

【０１０４】本実施例において、電解質は溶融炭酸塩だ
けに限定されず、例えばリン酸，アルカリ，固体電解質
であってもよく、電解質中の移動イオンとしては炭酸イ
オンのほか水素イオン，水酸イオン，酸素イオンであっ
てもよく、燃料ガスとしては水素以外に、一酸化炭素，
炭化水素であってもよい。In the present embodiment, the electrolyte is not limited to the molten carbonate, and may be, for example, phosphoric acid, alkali, or solid electrolyte, and the mobile ions in the electrolyte include carbonate ion, hydrogen ion, and hydroxide ion. , Oxygen ions may be used, and as the fuel gas, other than hydrogen, carbon monoxide,
It may be a hydrocarbon.

【０１０５】本実施例によれば、電極５０２，５０３に
実施例１で説明した金属化炭素部材を用いているので、
使用時に高温となる燃料電池発電装置で電極と他の金属
部材との接合部の信頼性が非常に高いものとなる。According to this example, since the metallized carbon member described in Example 1 is used for the electrodes 502 and 503,
In a fuel cell power generator which becomes hot during use, the reliability of the joint between the electrode and another metal member becomes very high.

【０１０６】〔実施例 ８〕本実施例では、金属化炭素
部材とこれを用いた熱電発電装置について説明する。Example 8 In this example, a metallized carbon member and a thermoelectric generator using the same will be described.

【０１０７】熱電発電は物質に温度差を与えたとき、物
質の両端に起電力が発生するゼーベック効果を利用した
ものである。図２２は熱電発電装置７００の断面図を示
す。(Ｂｉ0.3Ｓｂ0.7)2Ｔｅ3＋２％Ｔｅからなるｐ型素
子７０１及びＢｉ2(Ｔｅ0.7Ｓｅ0.3)3からなるｎ型素子
７０２が、実施例１と同様の炭素焼結体１００からなる
高温接合板７０３及び低温接合板７０４に樹脂系の耐熱
接着剤で接合され、ｐ型素子７０１とｎ型素子７０２が
高温接合板７０３と低温接合板７０４により直列に配列
されている。また、高温接合板７０３にはSUS316からな
る熱源壁７０５、そして、低温接合板７０４にはＡｌか
らなる放熱板７０６が、実施例１と同様のろう材１１１
により接合されている。ｐ型素子７０１及びｎ型素子７
０２と高温接合板７０３及び低温接合板７０４で構成さ
れる空間には、商品名パイロセラム７５７２なる保護物
質７０７が充填されている。Thermoelectric power generation utilizes the Seebeck effect in which electromotive force is generated at both ends of a substance when a temperature difference is applied to the substance. FIG. 22 shows a sectional view of the thermoelectric generator 700. (Bi 0. 3 Sb 0. 7) 2 Te 3 + 2% consisting of Te p-type device 701 and Bi 2 (Te 0. 7 Se 0. 3) 3 n -type element 702 made of is the same as in Example 1 The high temperature bonding plate 703 and the low temperature bonding plate 704 made of the carbon sintered body 100 are bonded with a resin heat resistant adhesive, and the p-type element 701 and the n-type element 702 are arranged in series by the high temperature bonding plate 703 and the low temperature bonding plate 704. Has been done. Further, the high temperature bonding plate 703 has a heat source wall 705 made of SUS316, and the low temperature bonding plate 704 has a heat dissipation plate 706 made of Al.
Are joined by. p-type element 701 and n-type element 7
02, the high-temperature bonding plate 703, and the low-temperature bonding plate 704 are filled with a protective substance 707 called trade name Pyroceram 7572.

【０１０８】以上の構成からなる、熱電発電装置７００
の高温側にＬＰガスによる燃焼熱を与えた。この結果、
入力熱量９６Ｗ，高温接合部温度６００℃，低温接合部
温度２００℃の条件のもとで、出力電力５.９Ｗ，効率
６％が得られた。A thermoelectric generator 700 having the above structure.
The combustion heat of the LP gas was applied to the high temperature side of the. As a result,
An output power of 5.9 W and an efficiency of 6% were obtained under the conditions of an input heat quantity of 96 W, a high temperature junction temperature of 600 ° C, and a low temperature junction temperature of 200 ° C.

【０１０９】本実施例において、熱電発電装置は、温度
勾配のある導体に電流が流れるとき、熱を発生又は吸収
するというトムソン効果に基づく熱電冷却装置に置き換
えてもよいものである。また熱源として、太陽熱，放射
性同位元素の崩壊エネルギー、核反応炉による熱を用い
てもよい。熱電冷却装置に用いられる熱電素子として、
ゼーベック係数が大きく、電気伝導率が大きくそして熱
電気伝導率の小さいＢｉ2Ｔｅ3，Ｂｉ2Ｓｅ3，Ｓｂ2Ｔ
ｅ3，ＰｂＴｅ，ＰｂＳｅ等が挙げられる。In the present embodiment, the thermoelectric generator may be replaced with a thermoelectric cooler based on the Thomson effect of generating or absorbing heat when a current flows through a conductor having a temperature gradient. As the heat source, solar heat, decay energy of radioisotope, or heat from a nuclear reactor may be used. As a thermoelectric element used in a thermoelectric cooling device,
Bi 2 Te 3 , Bi 2 Se 3 , and Sb 2 T, which have large Seebeck coefficient, large electric conductivity, and small thermoelectric conductivity.
e 3, PbTe, PbSe, and the like.

【０１１０】以上の実施例において、金属化炭素部材
は、半導体装置，燃料電池発電装置，熱電発電装置に適
用される場合について説明したが、本発明による金属化
炭素部材は、これらの実施例に限定されるものでないこ
とは明らかである。すなわち、本発明による金属化炭素
部材は、電気的もしくは熱的エネルギーの授受が行われ
る様々な部分に適用されても良いものである。また、電
気的もしくは熱的エネルギーの授受が行われるものでな
くても、炭素を主体とした焼結体を金属化して用いる様
々な製品において、本発明による金属化炭素部材を採用
するのは有効なことである。In the above embodiments, the case where the metallized carbon member is applied to a semiconductor device, a fuel cell power generator and a thermoelectric power generator has been described, but the metallized carbon member according to the present invention can be applied to these embodiments. Obviously, it is not limited. That is, the metallized carbon member according to the present invention may be applied to various parts where electric or thermal energy is transferred. In addition, even if electrical or thermal energy is not transferred, it is effective to employ the metallized carbon member according to the present invention in various products in which a sintered body mainly composed of carbon is metallized and used. That's right.

【０１１１】[0111]

【発明の効果】本発明によれば、炭素を主体とした焼結
体に金属層を設けた金属化炭素部材で、金属化部分の接
合信頼性が高く所望の厚さの金属層を形成したものを得
ることができる。これにより、金属化炭素部材を用いた
様々な製品の製造時あるいは使用時における部材の変
形，変性、あるいは破壊のおそれが少なく、かつ、熱放
散性や電気伝導性，信頼性に優れた金属化炭素部材を提
供することができる。EFFECTS OF THE INVENTION According to the present invention, a metallized carbon member having a metal layer provided on a sintered body containing carbon as a main component is used to form a metal layer having a high bonding reliability at a metallized portion and a desired thickness. You can get things. As a result, there is little risk of deformation, modification, or destruction of various products that use metalized carbon members when they are manufactured or used, and they are excellent in heat dissipation, electrical conductivity, and reliability. A carbon member can be provided.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図１】本発明の一実施例である金属化炭素部材の断面
図である。FIG. 1 is a cross-sectional view of a metallized carbon member that is an embodiment of the present invention.

【図２】本発明の一実施例である金属化炭素部材製造方
法の説明図である。FIG. 2 is an explanatory view of a method for producing a metallized carbon member which is an embodiment of the present invention.

【図３】本発明の一実施例である金属化炭素部材の炭素
焼結体から金属層に至る界面状態を説明する断面模式図
である。FIG. 3 is a schematic cross-sectional view illustrating an interface state from a carbon sintered body of a metallized carbon member as one embodiment of the present invention to a metal layer.

【図４】本発明の一実施例である金属化炭素部材のＥＰ
ＭＡ分析による分析像を示す図である。FIG. 4 is an EP of a metallized carbon member according to an embodiment of the present invention.
It is a figure which shows the analysis image by MA analysis.

【図５】本発明の一実施例である半導体装置の要部俯瞰
図である。FIG. 5 is an overhead view of a main part of a semiconductor device according to an embodiment of the present invention.

【図６】本発明の一実施例である半導体装置の回路であ
る。FIG. 6 is a circuit of a semiconductor device which is an embodiment of the present invention.

【図７】本発明の一実施例である半導体装置が組み込ま
れたインバータ装置の回路である。FIG. 7 is a circuit of an inverter device incorporating a semiconductor device according to an embodiment of the present invention.

【図８】本発明の一実施例である半導体装置における接
着面積と温度サイクル印加後の故障発生率の関係を示す
グラフである。FIG. 8 is a graph showing a relationship between an adhesion area and a failure occurrence rate after application of a temperature cycle in a semiconductor device according to an embodiment of the present invention.

【図９】本発明の一実施例である半導体装置におけるス
イッチング周波数と半導体素子の発熱温度との関係を示
すグラフである。FIG. 9 is a graph showing a relationship between a switching frequency and a heat generation temperature of a semiconductor element in a semiconductor device which is an embodiment of the present invention.

【図１０】本発明の一実施例である金属化炭素部材にお
ける金属を添加した複合炭素焼結体の断面構造模式図で
ある。FIG. 10 is a schematic cross-sectional structure diagram of a composite carbon sintered body to which a metal is added in the metallized carbon member which is one example of the present invention.

【図１１】本発明の一実施例である金属化炭素部材にお
ける炭素−銅系複合焼結体の物性を示すグラフである。FIG. 11 is a graph showing the physical properties of a carbon-copper composite sintered body in a metallized carbon member that is an example of the present invention.

【図１２】本発明の一実施例である半導体装置の回路で
ある。FIG. 12 is a circuit of a semiconductor device which is an embodiment of the present invention.

【図１３】本発明の一実施例である半導体装置を用いた
電動機の効率を示すグラフである。FIG. 13 is a graph showing the efficiency of an electric motor using a semiconductor device according to an embodiment of the present invention.

【図１４】本発明の一実施例である金属化炭素部材にお
けるセラミックスを添加した複合炭素焼結体の断面構造
模式図である。FIG. 14 is a schematic cross-sectional structure diagram of a composite carbon sintered body to which ceramics are added in the metallized carbon member which is one example of the present invention.

【図１５】セラミックス粒子の添加量と抵抗率の関係を
示すグラフである。FIG. 15 is a graph showing the relationship between the added amount of ceramic particles and the resistivity.

【図１６】本発明の一実施例であるパワートランジスタ
装置用金属化炭素部材の要部俯瞰図である。FIG. 16 is an overhead view of a main part of a metallized carbon member for a power transistor device which is an embodiment of the present invention.

【図１７】本発明の一実施例である半導体装置に内蔵さ
れた他の電気回路の例である。FIG. 17 is an example of another electric circuit incorporated in the semiconductor device which is an embodiment of the present invention.

【図１８】本発明の一実施例である電気機械装置用金属
化炭素部材を示す図である。FIG. 18 is a diagram showing a metallized carbon member for an electromechanical device according to an embodiment of the present invention.

【図１９】本発明の一実施例である電気機械装置用金属
化炭素部材を示す図である。FIG. 19 is a diagram showing a metallized carbon member for an electromechanical device according to an embodiment of the present invention.

【図２０】燃料電池発電装置の原理を説明する図であ
る。FIG. 20 is a diagram illustrating the principle of a fuel cell power generator.

【図２１】本発明の一実施例である燃料電池発電装置の
構成を示す図である。FIG. 21 is a diagram showing the configuration of a fuel cell power generator that is an embodiment of the present invention.

【図２２】本発明の一実施例である金属化炭素部材を用
いた熱電発電装置を示す図である。FIG. 22 is a diagram showing a thermoelectric generator using a metallized carbon member which is an example of the present invention.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

１０…金属化炭素部材、１００…炭素焼結体、１０１，
１０１′…半導体基体、１１１，１１２…金属化層、１
１１Ａ，１１２Ａ…界面層、１１１Ｂ，112B…金属板、
１１４，１２２…絶縁部材、１１５…電極材、１１６，
１１６′…端子、１２５…支持板、１２６…中継端子、
９００…半導体装置。10 ... Metallized carbon member, 100 ... Carbon sintered body, 101,
101 '... semiconductor substrate, 111, 112 ... metallized layer, 1
11A, 112A ... Interface layer, 111B, 112B ... Metal plate,
114, 122 ... Insulating member, 115 ... Electrode material, 116,
116 '... terminal, 125 ... support plate, 126 ... relay terminal,
900 ... Semiconductor device.

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.5 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 Ｈ０１Ｌ 23/14 ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of the front page (51) Int.Cl. 5 Identification code Office reference number FI technical display location H01L 23/14

Claims (26)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項１】炭素を主体とする焼結体に、活性金属又は
活性金属の炭化物を含むろう材層を接合して前記焼結体
に金属層を設けたことを特徴とする金属化炭素部材。1. A metallized carbon member characterized in that a brazing material layer containing an active metal or a carbide of an active metal is joined to a sintered body mainly composed of carbon to provide a metal layer on the sintered body. . 【請求項２】請求項１記載の金属化炭素部材において、
前記活性金属がチタニウム，ジルコニウム，ハフニウ
ム，クロム，トリウム，リチウム，マグネシウム，カル
シウム，ストロンチウム，バリウム，イットリウム，ラ
ンタニウム，セリウム，プラセオジミウム，ネオジミウ
ム，サマリウム，ニオビウム，ガドリウム，ダイポロシ
ウム，ニッケル，カドミウム，バナジウム，モリブデ
ン，タングステン，ベリリウム，硼素，シリコン，ゲル
マニウム，鉄，コバルトの群から選択された少なくとも
１種の金属であることを特徴とする金属化炭素部材。2. The metallized carbon member according to claim 1, wherein
The active metal is titanium, zirconium, hafnium, chromium, thorium, lithium, magnesium, calcium, strontium, barium, yttrium, lanthanium, cerium, praseodymium, neodymium, samarium, niobium, gadolinium, diporosium, nickel, cadmium, vanadium, molybdenum, A metallized carbon member characterized by being at least one metal selected from the group consisting of tungsten, beryllium, boron, silicon, germanium, iron and cobalt. 【請求項３】請求項１記載の金属化炭素部材において、
前記ろう材層は、銀，銅，アルミニウム，金，シリコ
ン，ゲルマニウム，アンチモン，マンガン，マグネシウ
ムの群から選択された金属を主成分とすることを特徴と
する金属化炭素部材。3. The metallized carbon member according to claim 1, wherein
A metallized carbon member characterized in that the brazing material layer contains a metal selected from the group consisting of silver, copper, aluminum, gold, silicon, germanium, antimony, manganese, and magnesium as a main component. 【請求項４】請求項１記載の金属化炭素部材において、
前記活性金属又は活性金属の炭化物が、前記ろう材中の
濃度よりも高濃度で前記焼結体の内部に浸入しているこ
とを特徴とする金属化炭素部材。4. The metallized carbon member according to claim 1, wherein
The metallized carbon member, wherein the active metal or the carbide of the active metal penetrates into the inside of the sintered body at a concentration higher than that in the brazing material. 【請求項５】請求項１記載の金属化炭素部材において、
前記活性金属又は活性金属の炭化物を含むろう材が、前
記焼結体の内部に浸入していることを特徴とする金属化
炭素部材。5. The metallized carbon member according to claim 1, wherein
A metallized carbon member, wherein the brazing material containing the active metal or the carbide of the active metal is infiltrated into the inside of the sintered body. 【請求項６】請求項５記載の金属化炭素部材において、
前記活性金属又は活性金属の炭化物を含むろう材が、前
記焼結体の表面から内部に向かって最大１mmの深さまで
浸入していることを特徴とする金属化炭素部材。6. The metallized carbon member according to claim 5,
A metallized carbon member, wherein the brazing material containing the active metal or the carbide of the active metal penetrates from the surface of the sintered body toward the inside to a depth of 1 mm at the maximum. 【請求項７】請求項５記載の金属化炭素部材において、
前記活性金属又は活性金属の炭化物を含むろう材が、前
記焼結体の表面から内部に向かって局部的に突出して浸
入していることを特徴とする金属化炭素部材。7. The metallized carbon member according to claim 5,
A metallized carbon member, wherein the brazing material containing the active metal or the carbide of the active metal locally protrudes from the surface of the sintered body toward the inside and penetrates. 【請求項８】請求項５記載の金属化炭素部材において、
前記活性金属又は活性金属の炭化物を含むろう材が、前
記焼結体の表面から内部に向かって焼結粒界に沿って選
択的に浸入していることを特徴とする金属化炭素部材。8. The metallized carbon member according to claim 5,
A metallized carbon member, wherein the brazing material containing the active metal or the carbide of the active metal selectively infiltrates from the surface of the sintered body toward the inside along the sintered grain boundaries. 【請求項９】請求項１記載の金属化炭素部材において、
前記焼結体が純度９９％以上で、相対密度が９９％以上
である炭素焼結体であることを特徴とする金属化炭素部
材。9. The metallized carbon member according to claim 1, wherein
A metallized carbon member, wherein the sintered body is a carbon sintered body having a purity of 99% or more and a relative density of 99% or more. 【請求項１０】請求項１記載の金属化炭素部材におい
て、前記焼結体が、炭素中に銅，銀，アルミニウム，
金，インジウム，カドミウム，タングステン，ニッケ
ル，モリブデン，マグネシウム，ベリリウム，イリジウ
ム，パラジウム，ロジウムの群から選択された少なくと
も１種の金属を分散した複合焼結体、又は、炭素中に、
炭化珪素，ベリリヤ，窒化アルミニウム，窒化硼素，窒
化珪素，アルミナ，ベリリヤもしくはアルミナを含有し
た炭化珪素，イットリヤもしくはカルシヤを含有した窒
化アルミニウムの群から選択された少なくとも１種のセ
ラミックスを分散した複合焼結体、又は、炭素中に上記
金属とセラミックスを分散した複合焼結体のいずれかで
あることを特徴とする金属化炭素部材。10. The metallized carbon member according to claim 1, wherein the sintered body contains carbon, copper, silver, aluminum,
A composite sintered body in which at least one metal selected from the group of gold, indium, cadmium, tungsten, nickel, molybdenum, magnesium, beryllium, iridium, palladium and rhodium is dispersed, or carbon,
Composite sintering in which at least one ceramic selected from the group of silicon carbide, beryllia, aluminum nitride, boron nitride, silicon nitride, alumina, silicon carbide containing beryllia or alumina, and aluminum nitride containing yttria or calcium is dispersed. A metallized carbon member which is either a body or a composite sintered body in which the above metal and ceramics are dispersed in carbon. 【請求項１１】請求項１記載の金属化炭素部材におい
て、前記金属層の表面が銅，ニッケル，銀，金，白金，
パラジウム，錫，鉛，アンチモン，アルミニウム，亜
鉛、もしくは、これらの合金であることを特徴とする金
属化炭素部材。11. The metallized carbon member according to claim 1, wherein the surface of the metal layer is copper, nickel, silver, gold, platinum,
A metallized carbon member characterized by being palladium, tin, lead, antimony, aluminum, zinc, or an alloy thereof. 【請求項１２】炭素を主体とする焼結体に、金属部材を
接合した金属化炭素部材であって、前記焼結体と前記金
属部材とが、活性金属又は活性金属の炭化物を含むろう
材により接合されていることを特徴とする金属化炭素部
材。12. A metallized carbon member obtained by joining a metal member to a sintered body mainly composed of carbon, wherein the sintered body and the metal member contain an active metal or a carbide of an active metal. A metallized carbon member characterized by being joined by. 【請求項１３】炭素を主体とする焼結体に金属層を設け
た金属化炭素部材の製造方法において、前記焼結体に活
性金属を添加したろう材、又は、活性金属とろう材を接
触させ、真空中、又は、窒素，水素，ヘリウム，アルゴ
ン，ネオン，二酸化炭素，一酸化炭素，メタン，エタ
ン，プロパン，ブタン，ヘキサンから選択される少なく
とも１種の気体からなる雰囲気中で、前記焼結体を前記
ろう材の融点以上の温度に加熱して前記焼結体に金属層
を設けることを特徴とする金属化炭素部材の製造方法。13. A method for producing a metallized carbon member, comprising a sintered body mainly comprising carbon and a metal layer provided on the sintered body, wherein a brazing material containing an active metal added to the sintered body or an active metal and a brazing material are brought into contact with each other. In vacuum or in an atmosphere consisting of at least one gas selected from nitrogen, hydrogen, helium, argon, neon, carbon dioxide, carbon monoxide, methane, ethane, propane, butane and hexane. A method for producing a metallized carbon member, which comprises heating the bonded body to a temperature equal to or higher than a melting point of the brazing material and providing a metal layer on the sintered body. 【請求項１４】請求項１３記載の金属化炭素部材の製造
方法において、上記活性金属がチタニウム，ジルコニウ
ム，ハフニウム，クロム，トリウム，リチウム，マグネ
シウム，カルシウム，ストロンチウム，バリウム，イッ
トリウム，ランタニウム，セリウム，プラセオジミウ
ム，ネオジミウム，サマリウム，ニオビウム，ガドリウ
ム，ダイポロシウム，ニッケル，カドミウム，バナジウ
ム，モリブデン，タングステン，ベリリウム，硼素，シ
リコン，ゲルマニウム，鉄，コバルトの群から選択され
た少なくとも１種の金属であることを特徴とする金属化
炭素部材の製造方法。14. The method for producing a metallized carbon member according to claim 13, wherein the active metal is titanium, zirconium, hafnium, chromium, thorium, lithium, magnesium, calcium, strontium, barium, yttrium, lanthanium, cerium, praseodymium. , Neodymium, samarium, niobium, gadolinium, diporosium, nickel, cadmium, vanadium, molybdenum, tungsten, beryllium, boron, silicon, germanium, iron, cobalt, or at least one metal selected from the group A method for manufacturing a metallized carbon member. 【請求項１５】請求項１３記載の金属化炭素部材の製造
方法において、上記ろう材が銀，銅，アルミニウム，
金，シリコン，ゲルマニウム，アンチモン，マンガン，
マグネシウムの群から選択された金属を主成分とするこ
とを特徴とする金属化炭素部材の製造方法。15. The method for producing a metallized carbon member according to claim 13, wherein the brazing material is silver, copper, aluminum,
Gold, silicon, germanium, antimony, manganese,
A method for producing a metallized carbon member, which comprises a metal selected from the group of magnesium as a main component. 【請求項１６】チタニウム，ジルコニウム，ハフニウ
ム，クロムの群から選択された少なくとも１種の金属を
添加した、銀，銅，アルミニウム，金，シリコン，ゲル
マニウム，アンチモン，マンガン，マグネシウムの群か
ら選択されたいずれかの金属を主成分とする金属ろう
材。16. A material selected from the group consisting of silver, copper, aluminum, gold, silicon, germanium, antimony, manganese and magnesium, to which at least one metal selected from the group of titanium, zirconium, hafnium and chromium is added. A metal brazing material containing one of the metals as the main component. 【請求項１７】半導体基体が載置部材上に搭載された半
導体装置において、炭素を主体とする焼結基体に活性金
属又は活性金属の炭化物を含むろう材層を接合して金属
層を設けた金属化炭素部材を、前記半導体基体と載置部
材との間に具備することを特徴とする半導体装置。17. In a semiconductor device in which a semiconductor substrate is mounted on a mounting member, a metal layer is provided by bonding a brazing material layer containing an active metal or a carbide of an active metal to a sintered base body containing carbon as a main component. A semiconductor device comprising a metallized carbon member between the semiconductor substrate and the mounting member. 【請求項１８】請求項１７記載の半導体装置において、
前記金属化炭素部材は電気伝導部又は熱伝導部であるこ
とを特徴とする半導体装置。18. The semiconductor device according to claim 17,
The semiconductor device, wherein the metallized carbon member is an electric conduction part or a heat conduction part. 【請求項１９】請求項１７記載の半導体装置において、
前記活性金属がチタニウム，ジルコニウム，ハフニウ
ム，クロム，トリウム，リチウム，マグネシウム，カル
シウム，ストロンチウム，バリウム，イットリウム，ラ
ンタニウム，セリウム，プラセオジミウム，ネオジミウ
ム，サマリウム，ニオビウム，ガドリウム，ダイポロシ
ウム，ニッケル，カドミウム，バナジウム，モリブデ
ン，タングステン，ベリリウム，硼素，シリコン，ゲル
マニウム，鉄，コバルトの群から選択された少なくとも
１種の金属であることを特徴とする半導体装置。19. The semiconductor device according to claim 17,
The active metal is titanium, zirconium, hafnium, chromium, thorium, lithium, magnesium, calcium, strontium, barium, yttrium, lanthanium, cerium, praseodymium, neodymium, samarium, niobium, gadolinium, diporosium, nickel, cadmium, vanadium, molybdenum, A semiconductor device comprising at least one metal selected from the group consisting of tungsten, beryllium, boron, silicon, germanium, iron and cobalt. 【請求項２０】請求項１７記載の半導体装置において、
前記ろう材層は、銀，銅，アルミニウム，金，シリコ
ン，ゲルマニウム，アンチモン，マンガン，マグネシウ
ムの群から選択された金属を主成分とすることを特徴と
する半導体装置。20. The semiconductor device according to claim 17, wherein
A semiconductor device, wherein the brazing material layer contains a metal selected from the group of silver, copper, aluminum, gold, silicon, germanium, antimony, manganese, and magnesium as a main component. 【請求項２１】請求項１７記載の半導体装置において、
前記活性金属又は活性金属の炭化物が、前記ろう材中の
濃度よりも高濃度で前記焼結基体の内部に浸入している
ことを特徴とする半導体装置。21. The semiconductor device according to claim 17, wherein
A semiconductor device, wherein the active metal or the carbide of the active metal is infiltrated into the inside of the sintered substrate at a concentration higher than that in the brazing material. 【請求項２２】請求項１７記載の半導体装置において、
前記焼結基体が純度９９％以上で、相対密度が９９％以
上である炭素焼結体であることを特徴とする半導体装
置。22. The semiconductor device according to claim 17,
A semiconductor device, wherein the sintered substrate is a carbon sintered body having a purity of 99% or more and a relative density of 99% or more. 【請求項２３】請求項１７記載の半導体装置において、
前記金属層の表面に、銅，ニッケル，銀，アルミニウム
から選択されたいずれかの金属、もしくは、この金属を
含む合金の板を設け、この板の上に半導体基体を接着し
たことを特徴とする半導体装置。23. The semiconductor device according to claim 17, wherein
A plate of a metal selected from copper, nickel, silver, and aluminum or an alloy containing this metal is provided on the surface of the metal layer, and a semiconductor substrate is bonded onto the plate. Semiconductor device. 【請求項２４】請求項１７記載の半導体装置が、回転装
置に給電する電気回路に組み込まれて上記回転装置の回
転速度を制御することを特徴とする電子装置。24. An electronic device, wherein the semiconductor device according to claim 17 is incorporated in an electric circuit for supplying electric power to a rotating device to control a rotation speed of the rotating device. 【請求項２５】炭素を主体とする焼結体に、活性金属又
は活性金属の炭化物を含むろう材層を接合し、ろう材層
に電気伝導配線となる銅線を接続した電動機用ブラシ。25. A brush for an electric motor in which a brazing material layer containing an active metal or a carbide of an active metal is joined to a sintered body containing carbon as a main component, and a copper wire serving as an electrically conductive wiring is connected to the brazing material layer. 【請求項２６】炭素を主体とする焼結体からなる電極
に、活性金属又は活性金属の炭化物を含むろう材層を接
合し、該ろう材によって金属部材に前記電極を固定した
ことを特徴とする燃料電池発電装置。26. A brazing material layer containing an active metal or a carbide of an active metal is joined to an electrode made of a sintered body mainly composed of carbon, and the electrode is fixed to a metal member by the brazing material. Fuel cell power generator.
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