JPH06329480A

JPH06329480A - セラミックス−金属接合体およびその製造方法

Info

Publication number: JPH06329480A
Application number: JP14303293A
Authority: JP
Inventors: Masanori Hirano; 正典平野; Noriyoshi Yamauchi; 則義山内
Original assignee: Noritake Co Ltd
Current assignee: Noritake Co Ltd
Priority date: 1993-05-20
Filing date: 1993-05-20
Publication date: 1994-11-29

Abstract

(57)【要約】【目的】温度変化に起因するセラミック焼結体と金属
の剥離、セラミック焼結体のクラックの発生等の問題を
好適に解消し得るセラミックス−金属接合体を提供す
る。【構成】アルミナ接合基板２０は、アルミナ基板１０
と、金属層２２と、金属層２２を介してアルミナ基板１
０に接合されている銅板１６とから成る。この金属層２
２は、タングステンと、銀−銅合金と、チタンとを含
み、銀−銅合金の含有率のタングステンの含有率に対す
る比率が、アルミナ基板１０から遠ざかるに従って大き
くされている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、セラミックス−金属接
合体およびその製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】アルミナ、窒化ケイ素、窒化アルミニウ
ム等のセラミック焼結体は、耐熱性、耐摩耗性、絶縁性
等に優れているため、半導体用基板や自動車部品などに
広く用いられている。この中には、例えばパワーモジュ
ールやエンジン部品、ロケットの外壁材等のように放熱
性が共に要求される場合があるが、セラミック焼結体は
一般に熱伝導性に劣るため、このような場合には、熱伝
導性に優れた金属（例えば銅など）と接合して放熱性を
向上させたセラミックス−金属接合体が用いられる。こ
の接合方法には、例えば銀ろう等を用いてセラミック焼
結体に金属体をろう付する方法や、特公昭５７−１３５
１５号公報に開示されているようにセラミック焼結体を
金属体に接触して位置させ、所定の雰囲気下で共晶反応
により接合する方法等がある。

【０００３】

【発明が解決すべき課題】しかしながら、一般的なセラ
ミック焼結体の熱膨張率は３〜１０×１０^-6／℃程度で
あるのに対し、例えば銅やステンレス鋼等の金属の熱膨
張率は１６〜１８×１０^-6／℃程度と大きい。したがっ
て、このようなセラミックス−金属接合体は、接合され
た両者の熱膨張率が大きく異なるため、その接合工程や
使用時の温度変化により熱膨張率の差に起因する応力
（熱応力）が発生し、接合界面で剥離が生じたり、セラ
ミック焼結体の強度が熱応力に比べて低い場合にはクラ
ック（ひび、割れ等）が発生することがある。そこで、
セラミック焼結体と金属の接合界面に、両者の中間の熱
膨張率を有する緩衝材や、特開昭５６−４１８７９号公
報に開示されているような熱応力を塑性変形により吸収
する延性に富む緩衝材等を介挿する方法が行われている
が、前者の方法では、緩衝材とセラミック焼結体との間
にも相当の熱膨張率の差があるため、それに起因する熱
応力が生じるという問題があり、後者の方法では、発生
する熱応力がきわめて大きい場合には緩衝材の塑性変形
では応力が充分に吸収できないという問題があった。

【０００４】本発明は以上の事情を背景として為された
ものであって、その目的は、温度変化に起因するセラミ
ック焼結体と金属の剥離、セラミック焼結体のクラック
の発生等の問題を好適に解消し得るセラミックス−金属
接合体を提供することにある。

【０００５】

【課題を解決するための第一の手段】斯かる目的を達成
するために、本発明の要旨とするところは、セラミック
焼結体と、そのセラミック焼結体の少なくとも一部の表
面上に形成された金属層と、その金属層を介してセラミ
ック焼結体に接合された金属体とを含むセラミックス−
金属接合体であって、その金属層は、高融点金属と、銀
−銅系合金と、活性金属とを含み、高融点金属の含有率
の銀−銅系合金の含有率に対する比率が、前記セラミッ
ク焼結体の表面から遠ざかるに従って連続的または段階
的に小さくされたものであることにある。

【０００６】

【作用および第一発明の効果】このようにすれば、セラ
ミック焼結体上に形成された金属層がチタン（Ｔｉ）、
Ｎｂ、Ｈｆ、Ｚｒ等の活性金属を含んでいるため、セラ
ミック焼結体と金属体との接合時に活性金属がその界面
近傍で拡散することにより両者が強固に接合されると共
に、その金属層は、高融点金属の含有率の銀−銅系合金
の含有率に対する比率が、前記セラミック焼結体の表面
から遠ざかるに従って連続的または段階的に小さくされ
ているため、金属層の熱膨張率はセラミック焼結体側で
比較的小さく、その反対側で比較的大きくされる。これ
は、タングステン、モリブデン等の高融点金属の熱膨張
率が５×１０^-6／℃程度と小さく、反対に銀−銅系合金
の熱膨張率が１６〜１８×１０^-6／℃と大きいため、金
属層の熱膨張率は両者の含有率の比率に応じたそれぞれ
の熱膨張率の中間の値に決定されるからである。したが
って、セラミック焼結体と金属体との接合界面におい
て、それぞれの金属層との界面における熱膨張率の差が
小さくなり、温度変化が生じた際にその差に起因する熱
応力が小さくされて、剥離やセラミック焼結体のクラッ
クの発生等が好適に解消される。更に、前記金属体が金
属層を介して前記セラミック焼結体と接合されているた
め、セラミック焼結体側で発生した熱が接合された金属
体により好適に放散されて、半導体基板やエンジン部
品、ロケットの外壁材などの絶縁性や耐熱性と共に放熱
性が必要な部品に適している。

【０００７】好適には、前記金属体は、前記銀−銅系合
金層を介して前記金属層に接合されている。このような
セラミックス−金属接合体は、接合時における銅板と銀
−銅系合金との濡れ性が良好であるため、充分な接合強
度が得られ、良好な熱伝導性と共に高い耐久性が得られ
る。

【０００８】また、好適には、前記セラミック焼結体は
基板であり、前記金属体は銅板または銅合金板である。
このような構造のセラミック基板は、パワーモジュール
や圧電素子用の半導体モジュール等に用いられた際に
は、半導体や電子部品等で発生した熱が金属体により放
散されて半導体および基板の温度上昇が好適に緩和され
るとともに、前述のように、温度変化が生じた際にも剥
離、クラックが発生せず、高温下で用いられる半導体や
電子部品等の基板として好適である。

【０００９】また、好適には、前記セラミック基板にお
いて、銅板または銅合金板の少なくとも一部に回路パタ
ーンが形成されている。このようなセラミック基板は、
大電流に対応できると共に、温度変化が生じた際に回路
パターンの剥離が生じず、信頼性の高いセラミック回路
基板が得られる。

【００１０】また、好適には、前記セラミック焼結体
は、アルミナ焼結体または窒化アルミニウム焼結体であ
る。このようなセラミックス−金属接合体は熱伝導性、
絶縁性、機械的特性等に特に優れているため、前述のよ
うな半導体や電子部品等の基板等に特に好適である。

【００１１】

【課題を解決するための第二の手段】また、本発明のセ
ラミックス−金属接合体の製造方法の要旨とするところ
は、高融点金属と銀−銅系合金とを含み、高融点金属の
含有率の銀−銅系合金の含有率に対する比率の異なる少
なくとも二種以上の混合物を用い、セラミック焼結体の
少なくとも一部の表面上に、その比率の大きい順に混合
物層を形成する積層工程と、金属体を、その混合物層の
前記セラミック焼結体の反対側の面に接して位置させる
工程と、活性金属の存在下で加熱処理する加熱工程とを
含むことにある。

【００１２】

【作用および第二発明の効果】このようにすれば、所定
種類の混合物を所定回数セラミック焼結体に積層するこ
とにより、セラミック焼結体の表面から遠ざかるに従っ
て、高融点金属の含有率の銀−銅系合金の含有率に対す
る比率が小さくされた混合物層が得られる。したがっ
て、活性金属の存在下で加熱処理することにより、活性
金属が混合物層内に拡散してセラミック焼結体と金属体
が強固に接合されると共に、前記金属層は、高融点金属
と、銀−銅系合金と、活性金属とを含み、その金属層に
おける高融点金属の含有率の銀−銅系合金の含有率に対
する比率が、前記セラミック焼結体の表面から遠ざかる
に従って連続的または段階的に小さくされた、セラミッ
クス−金属接合体が容易に得られる。

【００１３】好適には、前記活性金属は、前記積層工程
により形成された混合物層内に含まれ、または混合物層
外に積層されたものである。このようにすれば、加熱さ
れたときに、活性金属は混合物層内で拡散し易いため、
セラミック焼結体表面および金属体表面に到達し得て、
銀−銅系合金および活性金属により両者が強固に接合さ
れる。

【００１４】

【実施例】以下に、本発明の一実施例を図面を参照して
詳細に説明する。

【００１５】図１は本発明の工程流れ図である。例えば
表１のNo.1〜No.9の組成の銀−銅−チタン混合粉末（平
均粒径はそれぞれ銀：１．２μｍ、銅：１．３μｍ、チ
タン：２０μｍ）に、それぞれタングステン粉末（粒径
２．４μｍ）を、その重量比が例えばＡ：６０％、Ｂ：
４０％、Ｃ：２０％となるように添加して、合計２７種
の混合物原料を調合し、例えばエチルセルロースとテル
ピネオールを主成分とする助剤を添加し、例えば三本ロ
ールミルで混練して混合物ペーストＡ₁〜Ａ₉、Ｂ₁〜
Ｂ₉、Ｃ₁〜Ｃ₉を作製した。なお、本実施例では、チ
タンが活性金属に、タングステンが高融点金属にそれぞ
れ相当する。

【００１６】

【表１】

【００１７】次に、別途用意した例えば５０×３３×
０．６ｍｍの寸法のアルミナ基板（焼結体：Ａｌ₂Ｏ₃
９６％、残部ＣａＯ、ＭｇＯ、ＳｉＯ₂および微量の不
可避不純物）１０の両面に、混合物ペーストＡ₁〜
Ａ₉、Ｂ₁〜Ｂ₉、Ｃ₁〜Ｃ₉をそれぞれ添字が同じも
のの組み合わせ（例えばＡ₁とＢ₁とＣ₁）でＡ、Ｂ、
Ｃの順に、例えば約２０μｍの厚さで印刷後、例えば約
１３０℃で乾燥する作業を繰り返し、図２に示すような
印刷層１２が両面に形成された９種の印刷基板１４を得
た。なお、印刷層１２は、図３に一部断面を示すよう
に、それぞれ混合物ペーストＡ、Ｂ、Ｃに対応する、所
定の厚さの三層（１２ａ、１２ｂ、１２ｃ）から成って
おり、印刷基板１４の一方の面（図２における上面）に
は所定の回路パターンが形成されている。また、印刷層
１２は両面とも同様な断面構造であるため、図３では一
方の面の構造のみ示している。次に、これらの印刷基板
１４を例えばＮ₂雰囲気下６００℃で脱脂し、印刷基板
１４の両面の印刷層１２上にそれぞれ例えば厚さ３００
μｍおよび３５０μｍの無酸素銅板１６、１８を載置
し、スペーサーを介して例えば０．３ｇ／ｍｍ²の荷重
をかけて、例えば５×１０^-5torrの真空中８５０℃で２
０分間加熱処理して、図４に示すような両面に銅板が接
合されたアルミナ接合基板２０を得た。なお、本実施例
では、アルミナ基板１０がセラミック焼結体に、印刷層
１２が混合物層に相当し、活性金属は混合物層内に含ま
れている。

【００１８】これらのアルミナ接合基板２０は、アルミ
ナ基板１０の両面に前記印刷層１２に対応する金属層２
２を介して銅板１６、１８が接合されており、金属層２
２は、図５に一部断面を示すように、印刷層１２ａ、１
２ｂ、１２ｃに対応する２２ａ、２２ｂ、２２ｃの三層
から構成されており、チタンを含む銀−銅合金２４の中
にタングステン粒子２６が、アルミナ基板１０側では多
く、銅板１６側では少なくなるように分散された構造に
なっている。すなわち、金属層２２においては、タング
ステンの含有率の銀−銅合金の含有率に対する比率が、
アルミナ基板１０の表面から遠ざかるに従って段階的に
小さくされている。

【００１９】ここで、アルミナ接合基板２０と、従来の
銀ろうやＣｕ−Ｏ共晶反応によって銅板を接合した同様
な形状のアルミナ接合基板のピール強度を測定したとこ
ろ、アルミナ接合基板２０の強度は何れも１４ｋｇ／ｃ
ｍ以上であり、これに対して従来法によるアルミナ接合
基板の強度は８ｋｇ／ｃｍであった。なお、ピール強度
試験は、アルミナ接合基板２０に引張端子を接合し、銅
板１６または１８をアルミナ基板１０に対して９０°の
方向に引張試験機で引き剥がし、剥がれた際の荷重を測
定して求めたものである。

【００２０】また、アルミナ接合基板２０の耐熱衝撃性
を評価するため、熱衝撃試験機内で−５０℃に３０分保
持後、１５０℃に加熱し、３０分保持する一連の工程を
１サイクルとする試験を繰り返し行った。なお、温度調
節は試験機内に冷気或いは熱気を送り込むことによりき
わめて速やかに行った。この結果、アルミナ接合基板２
０は何れも５００サイクル後もクラック、剥離の発生は
認められなかった。これに対して、同時に試験に供した
上記の従来法にて作製したアルミナ接合基板は約５０サ
イクル後に割れが発生しており、以上の試験から、本実
施例のアルミナ接合基板２０は接合強度が強く、また、
温度変化（温度サイクル）に対しても充分な耐久性を有
することが示された。

【００２１】すなわち、アルミナ基板１０上に形成され
た金属層２２が、アルミナ基板１０側の層２２ａはタン
グステンの含有率が高く低熱膨張率に、銅板１６、１８
側の層２２ｃはタングステン含有率が低く高熱膨張率
に、中間の層２２ｂはこれらの中間のタングステン含有
率であって中間の熱膨張率にされており、したがって、
アルミナ基板１０から遠ざかるに従って銀−銅合金の含
有率が高く、すなわち熱膨張率が大きくなるようにされ
ているため、銅板１６、１８とアルミナ基板１０との熱
膨張率の差は金属層２２に吸収されて、それに起因する
熱応力が殆ど発生しない。このため、銅板１６、１８を
接合する際の加熱・冷却による熱応力の残留（残留応
力）が小さくなり、上記のように高い接合強度が得られ
ると共に、温度変化が生じてもクラックや剥離の発生し
ないアルミナ接合基板２０が得られるのである。

【００２２】また、アルミナ接合基板２０は、一方の面
に放熱板としての銅板１８が接合されているため、発熱
量の大きなパワーモジュール等の基板として用いると、
半導体に発生した熱が、銅板１８によって好適に放散さ
れて、高い耐久性と信頼性が得られる。これは、銅板１
８とアルミナ基板１０の接合層の役割を果たす金属層２
２が、タングステンおよび銀−銅合金から成る比較的緻
密な層で形成されて、熱伝導が良好であるとともに、前
述のように熱応力が小さくされることにより、剥離、ク
ラック等が発生し難いためである。

【００２３】また、銀−銅−チタンの混合粉末とタング
ステン粉末の混合比を変えた混合物ペーストを用いて、
三層構造の印刷層１２を印刷・積層により形成している
ため、これを焼成することにより、アルミナ基板１０か
ら遠ざかるに従ってタングステンの含有率の銀−銅合金
の含有率に対する比率が小さくなる金属層２２が容易に
得られる。このとき、印刷される混合物ペーストにチタ
ンが含有されているため、このチタンが金属層内に拡散
されて活性金属として働き、アルミナ基板１０と銅板１
６、１８とが強固に接合される。

【００２４】また、アルミナ基板１０の両面に同様な寸
法・形状の銅板１６、１８が接合されているため、温度
変化が生じた際に両面に同程度の熱応力が発生して相殺
され、一層温度変化に対して高い耐久性を有するアルミ
ナ接合基板２０が得られる。

【００２５】また、本実施例においてはセラミック焼結
体がアルミナ基板１０であるため、機械的特性、熱伝導
性、絶縁性に優れ、パワーモジュール等に用いる基板と
して好適である。

【００２６】また、接合する金属体として無酸素銅板１
６、１８を用いているため、銅板とろう材との濡れ性が
良好であり、且つ、ろう材中の活性金属と銅板中の酸素
との反応に起因する活性金属の活性の低下がないので、
銅板とセラミック焼結体との強固な接合体が得られる。

【００２７】次に、本発明の他の実施例を説明する。

【００２８】例えば表１のNo.1の組成の銀−銅−チタン
混合粉末とモリブデン粉末（粒径２．６μｍ）とを用い
て、それぞれモリブデン粉末の重量比が例えば５０％、
２５％である二種の混合物原料を調合し、例えばエチル
セルロースとテルピネオールを主成分とする助剤を添加
し、例えば三本ロールミルで混練して混合物ペースト
Ｄ、Ｅを作製した。更に、表１のNo.10 〜No.22 の組成
の混合粉末を、混合物ペーストと同様にして銀−銅ろう
材ペーストＦ₁〜Ｆ₁₃を作製した。なお、本実施例で
は、モリブデンが高融点金属に相当する。

【００２９】次に、別途用意した数枚の例えば５０×３
３×０．６ｍｍの寸法の窒化アルミニウム基板（焼結
体：ＡｌＮ９６重量％、残部Ｙ₂Ｏ₃および微量の不可
避不純物）の両面に、混合物ペーストＤ、Ｅを順に例え
ば約３０μｍの厚さで印刷後、例えば１３０℃で乾燥す
る作業を繰り返し、更に、その上に銀−銅ろう材ペース
トＦ₁〜Ｆ₁₃の内の何れか一種をそれぞれ例えば約１５
μｍの厚さで印刷して、図２に示す印刷基板１４と同様
な１３種の印刷基板を得た。なお、これらの印刷基板の
印刷層は第一実施例と同様な構造であり、一方の面には
回路パターンが形成されている。更に、第一実施例と同
様な手法で無酸素銅板を窒化アルミニウム基板の両面に
接合して、図４に示すアルミナ接合基板と同様な形状の
窒化アルミニウム接合基板２８を得た。

【００３０】これらの窒化アルミニウム接合基板２８の
金属層３０は、図６に一部断面を示すように、ペースト
Ｄ、Ｅ、Ｆに対応する、モリブデンを含有する層３０
ａ、３０ｂと、モリブデンを含有しない層３０ｃの三層
から構成されており、したがって、モリブデン粒子３２
の含有率の銀−銅合金３４の含有率に対する比率が、窒
化アルミニウム基板３６の表面から遠ざかるに従って段
階的に小さくされ、最も銅板３８に近い層はモリブデン
を含まない銀−銅系合金層になっている。なお、本発明
では窒化アルミニウム基板３６がセラミック焼結体に相
当する。

【００３１】ここで、窒化アルミニウム接合基板２８
の、窒化アルミニウム基板３６と銅板３８のピール強度
と耐熱衝撃性を、第一実施例と同様に従来の接合基板と
比較した。本実施例の窒化アルミニウム接合基板２８は
何れも、ピール強度が１４ｋｇ／ｃｍ以上、耐熱衝撃試
験では１００サイクルでもクラックの発生がなかったの
に対し、従来のものはピール強度８ｋｇ／ｃｍ、１０サ
イクルでクラック発生という結果であった。本実施例に
おいても、窒化アルミニウム接合基板２８が従来のもの
に比較して接合強度が強く、また、温度変化（温度サイ
クル）に対しても充分な耐久性を有することが示され
た。

【００３２】すなわち、本実施例においても、第一実施
例と同様にモリブデン粒子３２の含有率の銀−銅合金３
４の含有率に対する比率が、窒化アルミニウム基板３６
の表面から遠ざかるに従って段階的に小さくされた構造
であるため、窒化アルミニウム基板３６上に形成された
金属層３０に、銅板３８と窒化アルミニウム基板３６と
の熱膨張率の差が吸収されて、それに起因する熱応力が
殆ど発生しない。このため、銅板３８を接合する際の加
熱・冷却による熱応力の残留（残留応力）が小さくな
り、上記のように高い接合強度が得られると共に、温度
変化が生じてもクラックや剥離の発生しない窒化アルミ
ニウム接合基板２８が得られるのであり、また、第一実
施例と同様に発熱量の大きなパワーモジュール等の基板
として用いられた場合には、一方の面に接合された銅板
３８が放熱板として働き、高い耐久性と信頼性が得られ
る。

【００３３】また、銀−銅−チタンの混合粉末とモリブ
デン粉末の混合比を変えた混合物および銀−銅ろう材を
用いて、三層構造の印刷層を印刷・積層により形成して
いるため、これを焼成することにより、窒化アルミニウ
ム基板３６から遠ざかるに従って銀−銅合金の含有率の
モリブデンの含有率に対する比率が大きくなる金属層３
０が容易に得られる。このとき、印刷される混合物ペー
ストにチタンが含有されているため、このチタンが金属
層３０内に拡散されて活性金属として働き、窒化アルミ
ニウム基板３６と銅板３８とが強固に接合される。更
に、本実施例においては、銅板３８側に銀−銅系合金層
（金属層３０ｃ）が形成されて、接合時における銅板と
銀−銅系ろう材との濡れ性が良好であるため、充分な接
合強度が得られ、良好な熱伝導性と共に高い耐久性が得
られる。

【００３４】また、本実施例においても、窒化アルミニ
ウム基板３６の両面に同様な寸法・形状の銅板３８が接
合されているため、温度変化が生じた際に両面に同程度
の熱応力が発生して相殺され、一層温度変化に対して高
い耐久性を有する窒化アルミニウム接合基板２８が得ら
れる。また、銅板３８が無酸素銅板であるため、銅板３
８とろう材との濡れ性が良好であり、且つ、ろう材中の
活性金属と銅板中の酸素との反応に起因する活性金属の
活性の低下がないので、銅板とセラミック焼結体との強
固な接合体が得られる。

【００３５】また、本実施例においてはセラミック焼結
体が窒化アルミニウム基板３６であるため、第一実施例
のアルミナ基板を用いた場合よりも一層熱伝導性に優
れ、パワーモジュール等に用いる基板として一層好適で
ある。

【００３６】次に、本発明の更に別の実施例を説明す
る。

【００３７】第一実施例で用いたものと同組成の５０×
５０×５ｍｍのアルミナ焼結体と、第二実施例と同組成
・同寸法の窒化アルミニウム焼結体と、５０×５０×１
０ｍｍの窒化ケイ素焼結体（Ｓｉ₃Ｎ₄９２重量％、残
部Ａｌ₂Ｏ₃、Ｙ₂Ｏ₃および微量の不可避不純物）
と、５０×５０×１０ｍｍのジルコニア焼結体（ＺｒＯ
₂９７％、残部Ｙ₂Ｏ₃および微量の不可避不純物）と
（以下、特に区別しないときはセラミック焼結体とい
う）を用意して、第一実施例で用いた混合物ペーストＡ
₁、Ｂ₁、Ｃ₁をセラミック焼結体の一方の面にそれぞ
れ第一実施例と同様に積層・脱脂し、４種の印刷セラミ
ック焼結体を得た。

【００３８】次に、厚さ０．５ｍｍの無酸素銅板と、厚
さ５ｍｍのＳＳ４１鋼板と、厚さ５ｍｍのＳＵＳ４３０
鋼板と（以下、特に区別しないときは金属板という）を
用意し、前記４種の印刷セラミック焼結体のペースト印
刷面に何れか一つをそれぞれ載置し、第一実施例と同様
に加熱処理して、１２種のセラミックス−金属接合体を
得た。得られたセラミックス−金属接合体は、セラミッ
ク焼結体に金属層を介して金属体が接合されており、そ
の金属層は第一実施例と同様の図５に示す断面構造を有
していた。

【００３９】ここで、セラミックス−金属接合体の接合
強度を剪断試験により測定し、従来のろう材による接
合、緩衝材を用いた接合と比較した。その結果、本実施
例のセラミックス−金属接合体の剪断強度は何れも１０
ｋｇ／ｍｍ²以上の強度であったのに対し、従来の方法
による接合体の強度は８ｋｇ／ｍｍ²以下であった。ま
た、第一実施例と同様な耐熱衝撃試験を行ったところ、
本実施例のセラミックス−金属接合体は何れも１００サ
イクルでもクラックが発生しなかったのに対し、従来の
方法による接合体は１０サイクルでクラックが発生し
た。本実施例においても従来の接合方法よりも接合強度
が向上していることが示された。

【００４０】すなわち、本実施例においても、金属層は
第一実施例と同様な構造であるため、接合時の残留応力
が小さく、温度変化が生じた際にも金属体とセラミック
焼結体との熱膨張率の差が金属層により吸収されて熱応
力が小さくなり、したがって、高い接合強度と耐久性を
有するセラミックス−金属接合体が得られる。なお、窒
化ケイ素焼結体は、曲げ強度や破壊靭性が大きい素材で
あり、これを用いた接合体は特に耐熱衝撃性が良好であ
った。

【００４１】また、接合するセラミック焼結体および金
属体の種類・形状・寸法に応じて、金属層の熱膨張率お
よび積層数、厚みを適宜決定することにより、本実施例
に示したような様々なセラミックス−金属接合体を得る
ことができるので、自動車用エンジン部品、ロケットの
外壁材などにも有用である。

【００４２】以上、本発明の実施例を詳細に説明した
が、本発明は更に別の態様でも実施される。

【００４３】実施例においては、混合物に用いる高融点
金属として、平均粒径が２．４μｍのタングステン粉末
および平均粒径が２．６μｍのモリブデン粉末を用いた
が、これに替えて平均粒径２０μｍ以下のタングステン
粉末やモリブデン粉末を用いても良い。なお、平均粒径
が小さくなり過ぎると取扱いが困難になり、大きくなり
過ぎると均一な分散が行われないという問題が生じ易い
ので、好ましくは０．５〜１０μｍ、更に好ましくは
０．５〜６．０μｍ程度の平均粒径の粉末を用いるのが
良い。また、高融点金属としてはタングステン或いはモ
リブデンは一方のみでなく、これらが混合されたもので
も良い。

【００４４】また、混合物における高融点金属の含有率
は、必要な熱膨張率に応じて適宜定められるものである
が、銀−銅系合金の含有率が低すぎる場合は充分な接合
強度が得られないため、印刷積層時の全ての層で８０％
以下であることが必要であり、更に高強度を得るために
は６０％以下であることが望ましい。また、金属層は、
銀−銅系合金の含有率と高融点金属の含有率の比率が連
続的に変化する方が熱応力の低減には好ましいが、この
比率の異なる二層以上（すなわち、比率が段階的に変化
する層）で構成されていれば充分な効果が得られる。上
記比率が連続的に変化する金属層を得るには、例えば、
各層間の含有率の差を小さくし、且つできるだけ多層構
造とすれば良い。このようにすれば、接合時の各層界面
での高融点金属と銀−銅系合金の移動の発生にも起因し
て各層界面での急激な上記比率の変化がなくなり、上記
比率が連続的に変化する金属層が得られる。なお、段階
的に変化する場合には、上記比率の異なる三層以上で構
成されていることが熱応力の低減のためには一層好まし
い。

【００４５】また、銀−銅系合金は、実施例で示した組
成の他、銀が４０〜９６重量％、銅が４〜６０重量％の
範囲内で合計１００％となる組成でも良く、また、必要
に応じて、Ｎｉが３重量％以下、Ｌｉが０．５重量％以
下、Ｓｎが１０重量％以下、Ｉｎが１５重量％以下の範
囲で含まれていても良い。加熱工程における条件は主に
この組成と、接合する金属体、セラミック焼結体によっ
て定められるものであり、温度は６５０〜９５０℃、雰
囲気は１×１０^-3torr以上（好ましくは１×１０^-4以
上）の真空またはＡｒ等の不活性ガス或いはＮ₂ガス、
Ｈ₂ガス雰囲気で、０．１〜０．５ｇ／ｍｍ²の荷重を
かけて加熱される。

【００４６】また、用いられる活性金属は、チタン（Ｔ
ｉ）の他に、Ｎｂ、Ｈｆ、Ｚｒ等でも良く、活性金属は
実施例で述べたように混合物の全てに含有されている
他、任意の一層を形成する混合物の中に含有されていた
り、混合物の積層工程において、任意の層間に活性金属
単独の層として積層されていても良い。活性金属は拡散
し易いため、セラミック焼結体と金属体との間の金属層
の少なくとも一層に存在していれば良いのである。ま
た、活性金属の平均粒径は実施例で示した２０μｍに限
定されるものではなく、加熱時に充分に拡散されるもの
であれば良いのであって、例えば１０μｍ或いは３０μ
ｍ程度のものでも良い。なお、充分な接合強度を得るた
めには、活性金属の銀−銅系合金に対する添加量は０．
１％以上、好ましくは２％以上必要であり、また、活性
金属はセラミック焼結体に過度に拡散すると強度低下を
引き起こすため、前記添加量は２５％以下、好ましくは
１０％以下、更に好ましくは５％以下であることが必要
である。また、前記のように活性金属単独の層を設ける
場合には、セラミック焼結体への過度の拡散を避けるた
めに、できるだけ金属体側の層間に積層することが望ま
しい。

【００４７】また、混合物中にはセラミックス−金属接
合体を構成するセラミック焼結体と同組成のセラミック
原料や、ＳｉＯ₂等のガラス成分等が含まれていてもよ
い。この場合、その含有量は金属層の熱伝導性や接合強
度を劣化させない程度である必要がある。

【００４８】また、セラミック焼結体としては、実施例
で示した他に、スピネル、ムライト、炭化ケイ素、炭化
ホウ素、窒化ホウ素、サイアロン、ジルコン等が利用可
能であり、特にムライト等の誘電率の低い素材は、基板
材料として用いた場合に信号遅延時間が比較的短く、こ
のような用途には特に好適である。なお、これらのセラ
ミック焼結体には、不可避不純物の他、焼結助剤が含ま
れていても良い。焼結助剤としては、実施例で示したも
のの他に、例えば、アルミナに対しては、Ｙ₂Ｏ₃、Ｂ
ａＯ、Ｃｒ₂Ｏ₃等が、窒化アルミニウムに対しては、
ＣａＯ、ＢａＯ、ＳｒＯ、ＣａＣＯ₃、ＢａＣＯ₃、Ｓ
ｒＣＯ₃、アルミン酸カルシウム、Ｌａ₂Ｏ₃、ＣｅＯ
₂等が挙げられる。また、その形状は、実施例で示した
板状の他に、角柱状、円柱状等用途に応じたものにする
ことが可能であり、既に積層構造にされている多層基板
等でも良い。更に、本発明の方法によれば、発生する熱
応力が小さいため、比較的低強度のセラミック焼結体に
も金属を接合することが可能である。

【００４９】また、金属体としては、実施例で示したも
のの他に、タフピッチ銅、鉄系の鋼材、ニッケル、チタ
ン鋼等が利用可能であり、その形状は、セラミック焼結
体と同様に、板状、角柱状、円柱状等種々のものが用い
られ得る。なお、本発明の製造方法における加熱工程
は、セラミック焼結体、金属体の材質や前記混合物の組
成等に応じて適宜定められるものである。

【００５０】更に、本発明のセラミックス−金属接合体
は、セラミック焼結体と金属体との間に介在する金属層
が両者の熱膨張率の差に起因する熱応力を低減するた
め、セラミック焼結体と高い熱膨張率を有する金属体と
を従来よりも高い接合強度と耐久性を与えて接合するこ
とが可能であり、したがって、従来の限界であった１０
０×１００×０．５ｍｍを越える形状、例えば厚さ５ｍ
ｍ以上の金属体の接合が可能である。例えば、圧電素子
用の半導体モジュール等に用いる場合に、比較的厚い銅
回路板を接合できて、従来にない大電流（５０〜６０
Ａ）を流すことの可能な基板が得られる。

【００５１】また、金属層の形成方法としては、実施例
で述べたセラミック焼結体にペーストを印刷する方法の
他に、例えばドクターブレード法等で作製した、所定の
種類の混合物生シートを積層する方法によっても良く、
印刷法による場合に、比較的厚い（５０μｍ以上）層が
必要であれば同じペーストを重ねて印刷する等の方法に
よれば良い。

【００５２】その他、一々例示はしないが、本発明はそ
の主旨を逸脱しない範囲で種々変更を加え得るものであ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例の工程流れ図である。

【図２】図１の積層工程を説明する斜視図である。

【図３】図２の一部断面図である。

【図４】図１に示す工程により製造されたアルミナ接合
基板を示す斜視図である。

【図５】図４の一部断面図である。

【図６】本発明の他の実施例のセラミックス−金属接合
体の一部断面図であり、図５に対応する図である。

【符号の説明】

１０：アルミナ基板１６：銅板２０：アルミナ接合基板２２：金属層

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】セラミック焼結体と、該セラミック焼結
体の少なくとも一部の表面上に形成された金属層と、該
金属層を介してセラミック焼結体に接合された金属体と
を含むセラミックス−金属接合体であって、該金属層は、高融点金属と、銀−銅系合金と、活性金属
とを含み、該高融点金属の含有率の該銀−銅系合金の含
有率に対する比率が、前記セラミック焼結体の表面から
遠ざかるに従って連続的または段階的に小さくされたも
のであることを特徴とするセラミックス−金属接合体。
【請求項２】前記金属体は、前記銀−銅系合金層を介
して前記金属層に接合されていることを特徴とする請求
項１のセラミックス−金属接合体。
【請求項３】前記セラミック焼結体は基板であり、前
記金属体は銅板または銅合金板であることを特徴とする
請求項１のセラミックス−金属接合体。
【請求項４】前記金属体の少なくとも一部に回路パタ
ーンが形成されていることを特徴とする請求項３の金属
とセラミックスの接合体。
【請求項５】前記セラミック焼結体は、アルミナ焼結
体または窒化アルミニウム焼結体であることを特徴とす
る請求項１のセラミックス−金属接合体。
【請求項６】高融点金属と銀−銅系合金とを含み、該
高融点金属の含有率の該銀−銅系合金の含有率に対する
比率の異なる少なくとも二種以上の混合物を用い、セラ
ミック焼結体の少なくとも一部の表面上に、該比率の大
きい順に混合物層を形成する積層工程と、金属体を、該混合物層の前記セラミック焼結体の反対側
の面に接して位置させる工程と、活性金属の存在下で加熱処理する加熱工程とを含むこと
を特徴とするセラミックス−金属接合体の製造方法。
【請求項７】前記活性金属は、前記積層工程により形
成された混合物層内に含まれ、または混合物層外に積層
されたものであることを特徴とする請求項６のセラミッ
クス−金属接合体の製造方法。