JP3302714B2 - セラミックス−金属接合体 - Google Patents
セラミックス−金属接合体Info
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- H05K—PRINTED CIRCUITS; CASINGS OR CONSTRUCTIONAL DETAILS OF ELECTRIC APPARATUS; MANUFACTURE OF ASSEMBLAGES OF ELECTRICAL COMPONENTS
- H05K1/00—Printed circuits
- H05K1/02—Details
- H05K1/03—Use of materials for the substrate
- H05K1/0306—Inorganic insulating substrates, e.g. ceramic, glass
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- H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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- H05K3/00—Apparatus or processes for manufacturing printed circuits
- H05K3/38—Improvement of the adhesion between the insulating substrate and the metal
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、セラミックス部材と金
属部材との接合体に係り、特に耐冷熱サイクル特性に優
れたセラミックス−金属接合体に関する。
属部材との接合体に係り、特に耐冷熱サイクル特性に優
れたセラミックス−金属接合体に関する。
【０００２】
【従来の技術】窒化物系セラミックス材料は、一般に、
軽量でかつ高硬度を有する、電気絶縁性に優れる、耐熱
性や耐食性に優れる等という特徴を有しており、これら
の特徴を生かして構造用材料や電気部品用材料等として
利用されている。ところで、例えば窒化物系セラミック
ス材料を構造材として使用する場合、セラミックス材料
は本来脆性材料であるため、金属材料と接合して用いる
ことが一般的である。一方、窒化物系セラミックス材料
の高電気絶縁性という特性を利用して、電子部品の搭載
基板等として使用する際にも、電気回路の形成等を目的
として、金属と接合することが行われている。このよう
に、窒化物系セラミックス材料の実用化を考えた場合、
金属材料との接合が重要な技術となる。
軽量でかつ高硬度を有する、電気絶縁性に優れる、耐熱
性や耐食性に優れる等という特徴を有しており、これら
の特徴を生かして構造用材料や電気部品用材料等として
利用されている。ところで、例えば窒化物系セラミック
ス材料を構造材として使用する場合、セラミックス材料
は本来脆性材料であるため、金属材料と接合して用いる
ことが一般的である。一方、窒化物系セラミックス材料
の高電気絶縁性という特性を利用して、電子部品の搭載
基板等として使用する際にも、電気回路の形成等を目的
として、金属と接合することが行われている。このよう
に、窒化物系セラミックス材料の実用化を考えた場合、
金属材料との接合が重要な技術となる。
【０００３】上述したような窒化物系セラミックス部材
と金属部材との接合方法としては、従来から、MoやW 等
の高融点金属を用いる方法や、4A族元素や5A族元素のよ
うな活性金属を用いる方法等が知られており、中でも、
高強度、高封着性、高信頼性等が得られることから、活
性金属法が多用されている。
と金属部材との接合方法としては、従来から、MoやW 等
の高融点金属を用いる方法や、4A族元素や5A族元素のよ
うな活性金属を用いる方法等が知られており、中でも、
高強度、高封着性、高信頼性等が得られることから、活
性金属法が多用されている。
【０００４】上記活性金属法は、Ti、Zr、Hf、Nb等の金
属元素が窒化物系セラミックス材料に対して濡れやす
く、反応しやすいことを利用した接合法であり、具体的
には活性金属を添加したろう材を用いたろう付け法や、
窒化物系セラミックス部材と金属部材との間に活性金属
の箔や粉体を介在させ、加熱接合する方法（固相拡散接
合）等として利用されている。また、被接合体となる金
属部材として、活性金属を直接使用することも行われて
いる。一般的に、取扱い性や処理のしやすさ等から、Cu
とAgとの共晶ろう材（Ag:72wt%）にTi等の活性金属を添
加し、これをセラミックス部材と金属部材との間に介在
させ、適当な温度で熱処理して接合する方法が多用され
ている。
属元素が窒化物系セラミックス材料に対して濡れやす
く、反応しやすいことを利用した接合法であり、具体的
には活性金属を添加したろう材を用いたろう付け法や、
窒化物系セラミックス部材と金属部材との間に活性金属
の箔や粉体を介在させ、加熱接合する方法（固相拡散接
合）等として利用されている。また、被接合体となる金
属部材として、活性金属を直接使用することも行われて
いる。一般的に、取扱い性や処理のしやすさ等から、Cu
とAgとの共晶ろう材（Ag:72wt%）にTi等の活性金属を添
加し、これをセラミックス部材と金属部材との間に介在
させ、適当な温度で熱処理して接合する方法が多用され
ている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】ところで、窒化物系セ
ラミックス部材と金属部材との接合部品には、高接合強
度が求められる一方、セラミックス材料の熱膨張率は金
属材料のそれに比べて小さいため、この熱膨張差に起因
する欠点の発生を抑制することが強く求められている。
すなわち、熱膨張率が大きく異なるセラミックス材料と
金属材料とを接合すると、接合後の冷却過程で熱膨張差
に起因する残留応力が生じ、外部応力との相乗によって
接合強度が大幅に低下したり、また接合後の冷却過程や
冷熱サイクルの付加によって応力の最大点からクラック
が発生したり、さらにはセラミックス材料が破壊される
等の問題を招いてしまう。
ラミックス部材と金属部材との接合部品には、高接合強
度が求められる一方、セラミックス材料の熱膨張率は金
属材料のそれに比べて小さいため、この熱膨張差に起因
する欠点の発生を抑制することが強く求められている。
すなわち、熱膨張率が大きく異なるセラミックス材料と
金属材料とを接合すると、接合後の冷却過程で熱膨張差
に起因する残留応力が生じ、外部応力との相乗によって
接合強度が大幅に低下したり、また接合後の冷却過程や
冷熱サイクルの付加によって応力の最大点からクラック
が発生したり、さらにはセラミックス材料が破壊される
等の問題を招いてしまう。
【０００６】このような点に対して、上述した従来の活
性金属ろう材を用いた接合方法では、比較的接合強度が
高い接合体は得られるものの、冷熱サイクル等の付加に
対して十分な信頼性を有する接合体を再現性よく得るま
でには至っていないのが現状である。例えば、窒化物系
セラミックス部材上に銅板等を活性金属ろう材を用いて
接合したものを、半導体素子等の搭載用基板として用い
ているが、近年の半導体素子の高集積化や大電力化によ
って、半導体素子からの放熱量は飛躍的に増大してお
り、搭載基板側への熱伝達量が増加していることから、
冷熱サイクル等に対する信頼性の向上が強く望まれてい
る。
性金属ろう材を用いた接合方法では、比較的接合強度が
高い接合体は得られるものの、冷熱サイクル等の付加に
対して十分な信頼性を有する接合体を再現性よく得るま
でには至っていないのが現状である。例えば、窒化物系
セラミックス部材上に銅板等を活性金属ろう材を用いて
接合したものを、半導体素子等の搭載用基板として用い
ているが、近年の半導体素子の高集積化や大電力化によ
って、半導体素子からの放熱量は飛躍的に増大してお
り、搭載基板側への熱伝達量が増加していることから、
冷熱サイクル等に対する信頼性の向上が強く望まれてい
る。
【０００７】本発明は、このような課題を解決するため
になされたもので、高接合強度を満足すると共に、冷熱
サイクル等の付加に対して高い信頼性が得られるセラミ
ックス−金属接合体を提供することを目的としている。
になされたもので、高接合強度を満足すると共に、冷熱
サイクル等の付加に対して高い信頼性が得られるセラミ
ックス−金属接合体を提供することを目的としている。
【０００８】
【課題を解決するための手段と作用】本発明のセラミッ
クス−金属接合体は、窒化物系セラミックス部材と、T
i、ZrおよびNbから選ばれた少なくとも1種の活性金属を
含むAg-Cu系ろう材層を介して、前記窒化物系セラミッ
クス部材に接合された金属部材とを具備するセラミック
ス−金属接合体において、前記Ag-Cu系ろう材層はCu成
分を15重量％〜35重量％の範囲で含み、かつAg成分とCu
成分とが溶け分かれた組織を有すると共に、Ag-Cu共晶
組織が面積比で全ろう材層中の20％未満であることを特
徴としている。
クス−金属接合体は、窒化物系セラミックス部材と、T
i、ZrおよびNbから選ばれた少なくとも1種の活性金属を
含むAg-Cu系ろう材層を介して、前記窒化物系セラミッ
クス部材に接合された金属部材とを具備するセラミック
ス−金属接合体において、前記Ag-Cu系ろう材層はCu成
分を15重量％〜35重量％の範囲で含み、かつAg成分とCu
成分とが溶け分かれた組織を有すると共に、Ag-Cu共晶
組織が面積比で全ろう材層中の20％未満であることを特
徴としている。
【０００９】本発明に用いられる窒化物系セラミックス
部材としては、窒化アルミニウム、窒化ケイ素、サイア
ロン等が例示される。また、窒化物系セラミックス部材
自体の材料特性は、特に限定されるものではないが、特
に破壊靭性値ＫICが4.5MPa・m1/2 以上のものを用いる
ことが好ましい。本発明のセラミックス−金属接合体
は、ろう材層自体の構成によって、耐冷熱サイクル特性
や接合強度の向上を図ったものであるが、さらに破壊靭
性値ＫICが4.5MPa・m 1/2 以上の窒化物系セラミックス
部材を用いることにより、より一層耐冷熱サイクル特性
の向上を図ることができる。
部材としては、窒化アルミニウム、窒化ケイ素、サイア
ロン等が例示される。また、窒化物系セラミックス部材
自体の材料特性は、特に限定されるものではないが、特
に破壊靭性値ＫICが4.5MPa・m1/2 以上のものを用いる
ことが好ましい。本発明のセラミックス−金属接合体
は、ろう材層自体の構成によって、耐冷熱サイクル特性
や接合強度の向上を図ったものであるが、さらに破壊靭
性値ＫICが4.5MPa・m 1/2 以上の窒化物系セラミックス
部材を用いることにより、より一層耐冷熱サイクル特性
の向上を図ることができる。
【００１０】また、金属部材は、用途に応じて各種の金
属材料から適宜選択すればよく、例えば構造材料として
は、鋼材、耐熱合金、超硬合金等が例示され、また電子
部品材料としては、Cu、Cu合金、Ni、Ni合金、W 、Mo等
が例示される。
属材料から適宜選択すればよく、例えば構造材料として
は、鋼材、耐熱合金、超硬合金等が例示され、また電子
部品材料としては、Cu、Cu合金、Ni、Ni合金、W 、Mo等
が例示される。
【００１１】本発明のセラミックス−金属接合体は、上
述したような窒化物系セラミックス部材と金属部材と
を、 Ag-Cuの共晶組成（72wt%Ag-28wt%Cu)もしくはその
近傍の組成を主とし、これにTi、ZrおよびNbから選ばれ
た少なくとも 1種の活性金属を適量配合した Ag-Cu系ろ
う材により接合したものである。そして、本発明のセラ
ミックス−金属接合体においては、上記ろう材層中のAg
成分とCu成分とが溶け分れた組織を形成しているもので
ある。すなわち、 Ag-Cu系共晶ろう材を用いた場合、通
常、熱処理（接合処理）後のろう材層は、 Ag-Cuの共晶
組織が主体となる。しかし、この Ag-Cu共晶組織は、線
膨脹係数が大きく、降伏応力が大きいため、十分な応力
緩和効果を有していない。これに対して、AgおよびCu個
々の降伏応力は小さいため、ろう材層をAg成分とCu成分
とが溶け分れた組織とすることにより、冷熱サイクルの
付加等によって窒化物系セラミックス部材にクラックが
生じることを抑制することができる。つまり、冷熱サイ
クルの付加等に起因する熱応力が接合体に加わった際
に、降伏応力が小さいろう材層は容易に塑性変形するた
め、窒化物系セラミックス部材側に応力が作用すること
を抑制することができる。このように、Ag成分とCu成分
との溶け分かれ組織を有するろう材層は、応力緩和層と
して有効に機能するため、冷熱サイクルの付加等によっ
て窒化物系セラミックス部材にクラックが生じることを
抑制することができる。
述したような窒化物系セラミックス部材と金属部材と
を、 Ag-Cuの共晶組成（72wt%Ag-28wt%Cu)もしくはその
近傍の組成を主とし、これにTi、ZrおよびNbから選ばれ
た少なくとも 1種の活性金属を適量配合した Ag-Cu系ろ
う材により接合したものである。そして、本発明のセラ
ミックス−金属接合体においては、上記ろう材層中のAg
成分とCu成分とが溶け分れた組織を形成しているもので
ある。すなわち、 Ag-Cu系共晶ろう材を用いた場合、通
常、熱処理（接合処理）後のろう材層は、 Ag-Cuの共晶
組織が主体となる。しかし、この Ag-Cu共晶組織は、線
膨脹係数が大きく、降伏応力が大きいため、十分な応力
緩和効果を有していない。これに対して、AgおよびCu個
々の降伏応力は小さいため、ろう材層をAg成分とCu成分
とが溶け分れた組織とすることにより、冷熱サイクルの
付加等によって窒化物系セラミックス部材にクラックが
生じることを抑制することができる。つまり、冷熱サイ
クルの付加等に起因する熱応力が接合体に加わった際
に、降伏応力が小さいろう材層は容易に塑性変形するた
め、窒化物系セラミックス部材側に応力が作用すること
を抑制することができる。このように、Ag成分とCu成分
との溶け分かれ組織を有するろう材層は、応力緩和層と
して有効に機能するため、冷熱サイクルの付加等によっ
て窒化物系セラミックス部材にクラックが生じることを
抑制することができる。
【００１２】上記したAg成分とCu成分との溶け分かれ組
織を有するろう材層は、活性金属成分をろう材層の厚さ
方向におおよそ平均的に分布させることによって得るこ
とができる。これは、活性金属がAg成分あるいはCu成分
と固溶しやすいことから、活性金属がろう材層内に平均
的に分布すると Ag-Cu共晶が出現せず、その結果、Ag成
分とCu成分とが溶け分かれた組織を形成することにな
る。
織を有するろう材層は、活性金属成分をろう材層の厚さ
方向におおよそ平均的に分布させることによって得るこ
とができる。これは、活性金属がAg成分あるいはCu成分
と固溶しやすいことから、活性金属がろう材層内に平均
的に分布すると Ag-Cu共晶が出現せず、その結果、Ag成
分とCu成分とが溶け分かれた組織を形成することにな
る。
【００１３】本発明のセラミックス−金属接合体におけ
るろう材層は、必ずしも全てがAg成分とCu成分との溶け
分かれ組織でなければならないというものではなく、多
少の共晶組織を有していても、上記したような効果を得
ることができる。この際の共晶組織は、面積比で全ろう
材層中の20％未満とする。
るろう材層は、必ずしも全てがAg成分とCu成分との溶け
分かれ組織でなければならないというものではなく、多
少の共晶組織を有していても、上記したような効果を得
ることができる。この際の共晶組織は、面積比で全ろう
材層中の20％未満とする。
【００１４】本発明に用いられるAg-Cu系ろう材は、前
述したように、Ag-Cuの共晶組成もしくはその近傍の組
成を主とし、これにTi、ZrおよびNbから選ばれた少なく
とも1種の活性金属を適量配合したものである。上記活
性金属は、熱処理温度（接合温度）で活性化し、窒化物
系セラミックス部材と反応して窒化物となり、接合強度
の向上に寄与すると共に、ろう材層内に均一に分布する
ことによって、ろう材層内のAg成分とCu成分との溶け分
かれ組織の形成に貢献するものである。ただし、あまり
多量に添加すると、接合強度は増大するものの、冷熱サ
イクルが付加された際にクラックの発生原因となる恐れ
があるため、7重量％未満とすることが好ましい。一
方、活性金属の配合量があまり少ないと、十分な接合強
度が得られないと共に、Ag成分とCu成分との溶け分かれ
組織を形成することが困難となるため、2重量％以上と
することが好ましい。また、ろう材の主体となるAg-Cu
合金は、基本的には共晶組成を満足するものとするが、
全ろう材成分中のCu量が15重量％〜35重量％であれば同
様な効果を得ることができる。
述したように、Ag-Cuの共晶組成もしくはその近傍の組
成を主とし、これにTi、ZrおよびNbから選ばれた少なく
とも1種の活性金属を適量配合したものである。上記活
性金属は、熱処理温度（接合温度）で活性化し、窒化物
系セラミックス部材と反応して窒化物となり、接合強度
の向上に寄与すると共に、ろう材層内に均一に分布する
ことによって、ろう材層内のAg成分とCu成分との溶け分
かれ組織の形成に貢献するものである。ただし、あまり
多量に添加すると、接合強度は増大するものの、冷熱サ
イクルが付加された際にクラックの発生原因となる恐れ
があるため、7重量％未満とすることが好ましい。一
方、活性金属の配合量があまり少ないと、十分な接合強
度が得られないと共に、Ag成分とCu成分との溶け分かれ
組織を形成することが困難となるため、2重量％以上と
することが好ましい。また、ろう材の主体となるAg-Cu
合金は、基本的には共晶組成を満足するものとするが、
全ろう材成分中のCu量が15重量％〜35重量％であれば同
様な効果を得ることができる。
【００１５】本発明のセラミックス−金属接合体は、例
えば以下のようにして製造される。まず、窒化物系セラ
ミックス部材と金属部材とを用意し、上述したような活
性金属を含む Ag-Cu系ろう材をペースト化したものを窒
化物系セラミックス部材側に塗布する。ここで、本発明
で規定するように、ろう材層内のAg成分とCu成分とを溶
け分かれた組織とするためには、ろう材ペーストを窒化
物系セラミックス部材側に塗布することが重要である。
ろう材ペーストを金属部材側に塗布したのでは、塗布し
たペースト層の表面に、接合工程までの間に微量な酸素
が付着し、この酸素が活性金属が窒化物系セラミックス
部材側に移行することを妨げる。よって、ろう材層内の
活性金属の分布が不均一となり、Ag成分とCu成分との溶
け分かれ組織を形成することが困難となる。
えば以下のようにして製造される。まず、窒化物系セラ
ミックス部材と金属部材とを用意し、上述したような活
性金属を含む Ag-Cu系ろう材をペースト化したものを窒
化物系セラミックス部材側に塗布する。ここで、本発明
で規定するように、ろう材層内のAg成分とCu成分とを溶
け分かれた組織とするためには、ろう材ペーストを窒化
物系セラミックス部材側に塗布することが重要である。
ろう材ペーストを金属部材側に塗布したのでは、塗布し
たペースト層の表面に、接合工程までの間に微量な酸素
が付着し、この酸素が活性金属が窒化物系セラミックス
部材側に移行することを妨げる。よって、ろう材層内の
活性金属の分布が不均一となり、Ag成分とCu成分との溶
け分かれ組織を形成することが困難となる。
【００１６】なお、上述した Ag-Cu系ろう材の使用形態
としては、Ag、Cuおよび活性金属を含むペーストとして
使用することが好ましいが、必ずしも箔の積層体のよう
な状態で使用することを除外するものではない。
としては、Ag、Cuおよび活性金属を含むペーストとして
使用することが好ましいが、必ずしも箔の積層体のよう
な状態で使用することを除外するものではない。
【００１７】次に、ろう材ペーストを塗布した窒化物系
セラミックス部材と金属部材とを積層し、真空中または
窒素雰囲気のような不活性雰囲気にて、 Ag-Cu共晶が形
成される温度で熱処理し、この共晶液相および活性金属
とセラミックス部材との反応等を利用して、窒化物系セ
ラミックス部材と金属部材とを接合する。
セラミックス部材と金属部材とを積層し、真空中または
窒素雰囲気のような不活性雰囲気にて、 Ag-Cu共晶が形
成される温度で熱処理し、この共晶液相および活性金属
とセラミックス部材との反応等を利用して、窒化物系セ
ラミックス部材と金属部材とを接合する。
【００１８】この際、一般的には接合温度は 800℃〜 9
00℃程度で、接合時間（加熱時間）は 5〜30分程度であ
るが、ろう材層内のAg成分とCu成分とを溶け分かれた組
織とするためには、 820〜 850℃程度の温度で 5〜10分
程度の処理条件とすることが好ましい。このような処理
条件とすることにより、ろう材層内の活性金属をより均
一に分布させることができ、よってAg成分とCu成分との
溶け分かれ組織の形成が容易となる。また、熱処理後は
15℃／分以下程度の冷却速度で徐冷することが好まし
い。ろう付け後に急冷すると、共晶組織が形成されやす
くなる。さらに、Ag成分とCu成分との溶け分かれ組織を
形成するための条件としては、より高真空雰囲気（例え
ば 1×10-5Torr以下）中で加熱接合する等が挙げられ
る。
00℃程度で、接合時間（加熱時間）は 5〜30分程度であ
るが、ろう材層内のAg成分とCu成分とを溶け分かれた組
織とするためには、 820〜 850℃程度の温度で 5〜10分
程度の処理条件とすることが好ましい。このような処理
条件とすることにより、ろう材層内の活性金属をより均
一に分布させることができ、よってAg成分とCu成分との
溶け分かれ組織の形成が容易となる。また、熱処理後は
15℃／分以下程度の冷却速度で徐冷することが好まし
い。ろう付け後に急冷すると、共晶組織が形成されやす
くなる。さらに、Ag成分とCu成分との溶け分かれ組織を
形成するための条件としては、より高真空雰囲気（例え
ば 1×10-5Torr以下）中で加熱接合する等が挙げられ
る。
【００１９】
【実施例】次に、本発明の実施例について説明する。 実施例１ まず、窒化物系セラミックス部材として厚さ0.8mmtの板
状の窒化アルミニウム焼結体、および金属部材として厚
さ0.3mmtの銅板（無酸素銅）を用意した。一方、重量比
でAg:Cu:Ti=70.6:27.4:2.0のろう材を用意し、このろう
材に樹脂バインダおよび分散媒を適量加え、十分に混合
して接合用ペーストを作製した。
状の窒化アルミニウム焼結体、および金属部材として厚
さ0.3mmtの銅板（無酸素銅）を用意した。一方、重量比
でAg:Cu:Ti=70.6:27.4:2.0のろう材を用意し、このろう
材に樹脂バインダおよび分散媒を適量加え、十分に混合
して接合用ペーストを作製した。
【００２０】次に、窒化アルミニウム焼結体の一方の主
面に、上記した接合用ペーストをスクリーン印刷し、乾
燥させた後、接合用ペーストの塗布層上に銅板を積層、
配置した。この後、上記積層物に対して 1×10-4Torrの
真空中にて、 850℃×10分の条件で熱処理を施した。こ
の際の昇温速度は10℃／分とし、また降温速度は10℃／
分とした。この熱処理によって、窒化アルミニウム焼結
体と銅板とをろう材層を介して接合し、目的とするセラ
ミックス−金属接合体を得た。 比較例１ 上記実施例１において、接合用ペーストを銅板側に塗布
する以外は、実施例１と同様にしてセラミックス−金属
接合体を作製した。
面に、上記した接合用ペーストをスクリーン印刷し、乾
燥させた後、接合用ペーストの塗布層上に銅板を積層、
配置した。この後、上記積層物に対して 1×10-4Torrの
真空中にて、 850℃×10分の条件で熱処理を施した。こ
の際の昇温速度は10℃／分とし、また降温速度は10℃／
分とした。この熱処理によって、窒化アルミニウム焼結
体と銅板とをろう材層を介して接合し、目的とするセラ
ミックス−金属接合体を得た。 比較例１ 上記実施例１において、接合用ペーストを銅板側に塗布
する以外は、実施例１と同様にしてセラミックス−金属
接合体を作製した。
【００２１】上記実施例１および比較例１で作製した各
セラミックス−金属接合体（窒化アルミニウム−銅）の
接合部をＳＥＭにより拡大して観察した。図１は実施例
１によるセラミックス−金属接合体の接合部のＳＥＭ写
真、図２は比較例１の接合部のＳＥＭ写真である。ま
た、図３に図１のＳＥＭ写真の模式図を、図４に図２の
ＳＥＭ写真の模式図を示す。
セラミックス−金属接合体（窒化アルミニウム−銅）の
接合部をＳＥＭにより拡大して観察した。図１は実施例
１によるセラミックス−金属接合体の接合部のＳＥＭ写
真、図２は比較例１の接合部のＳＥＭ写真である。ま
た、図３に図１のＳＥＭ写真の模式図を、図４に図２の
ＳＥＭ写真の模式図を示す。
【００２２】図１および図３から明らかなように、実施
例１によるセラミックス−金属接合体では、ろう材層１
内のほぼ全域でAg成分２とCu成分３とが溶け分かれた組
織を形成していることが分かる。また、図３における矢
印Ａに沿った部分のTiの線分析結果（ＥＰＭＡ）を図５
に示す。図５から分かるように、実施例１によるセラミ
ックス−金属接合体では、ろう材層１の厚さ方向にほぼ
平均的にTiが分布していた。
例１によるセラミックス−金属接合体では、ろう材層１
内のほぼ全域でAg成分２とCu成分３とが溶け分かれた組
織を形成していることが分かる。また、図３における矢
印Ａに沿った部分のTiの線分析結果（ＥＰＭＡ）を図５
に示す。図５から分かるように、実施例１によるセラミ
ックス−金属接合体では、ろう材層１の厚さ方向にほぼ
平均的にTiが分布していた。
【００２３】これらに対し、比較例１によるセラミック
ス−金属接合体では、図２および図４に示すように、ろ
う材層１内にAg成分２とCu成分３とが溶け分かれた部分
が見られるものの、Ag-Cuの共晶組織４も存在し、共晶
組織が面積比で約50％占めていた。また、図４における
共晶組織４部分（矢印Ｂに沿った部分）のTiの線分析結
果を図６に示す。図６から分かるように、ろう材層１の
Ag-Cu共晶組織４の部分には、ほとんどTiが存在してい
なかった。
ス−金属接合体では、図２および図４に示すように、ろ
う材層１内にAg成分２とCu成分３とが溶け分かれた部分
が見られるものの、Ag-Cuの共晶組織４も存在し、共晶
組織が面積比で約50％占めていた。また、図４における
共晶組織４部分（矢印Ｂに沿った部分）のTiの線分析結
果を図６に示す。図６から分かるように、ろう材層１の
Ag-Cu共晶組織４の部分には、ほとんどTiが存在してい
なかった。
【００２４】また、ろう材層中の溶け分かれ組織部分お
よび共晶組織部分（各々10μm×10μmの面積に対して）
の定量分析を行ったところ、表１に示すような結果が得
られ、Ti量に差が見られた。
よび共晶組織部分（各々10μm×10μmの面積に対して）
の定量分析を行ったところ、表１に示すような結果が得
られ、Ti量に差が見られた。
【表１】
【００２５】次に、上記実施例１および比較例１で作製
した各セラミックス−金属接合体の特性を以下のように
して評価した。まず、各セラミックス−金属接合体に対
して冷熱サイクル試験(TCT) を施した。 TCTは -40℃×
30分＋RT×10分＋ 125℃×30分＋RT℃×10分を 1サイク
ルとした。 TCT後の評価は、銅板のピール強度の測定と
窒化アルミニウム焼結体表面のクラックの有無を確認す
ることにより行った。TCTサイクル数とピール強度およ
びクラック発生との関係を図７に示す。
した各セラミックス−金属接合体の特性を以下のように
して評価した。まず、各セラミックス−金属接合体に対
して冷熱サイクル試験(TCT) を施した。 TCTは -40℃×
30分＋RT×10分＋ 125℃×30分＋RT℃×10分を 1サイク
ルとした。 TCT後の評価は、銅板のピール強度の測定と
窒化アルミニウム焼結体表面のクラックの有無を確認す
ることにより行った。TCTサイクル数とピール強度およ
びクラック発生との関係を図７に示す。
【００２６】図７から明らかなように、実施例１による
セラミックス−金属接合体は、初期の接合強度が極めて
大きいと共に、冷熱サイクルが印加された状態において
も強度低下が少なく、さらに TCTによるクラックも 200
サイクルまでは認められなかった。これに対して、比較
例１によるセラミックス−金属接合体は、初期の接合強
度が低く、かつクラックも30サイクル程度で発生してお
り、その後の強度低下も大きいものであった。なお、窒
化アルミニウム焼結体表面におけるクラックの有無は、
銅板およびろう材層をエッチング除去し、蛍光浸透探傷
(PT)検査を実施することにより判定した。
セラミックス−金属接合体は、初期の接合強度が極めて
大きいと共に、冷熱サイクルが印加された状態において
も強度低下が少なく、さらに TCTによるクラックも 200
サイクルまでは認められなかった。これに対して、比較
例１によるセラミックス−金属接合体は、初期の接合強
度が低く、かつクラックも30サイクル程度で発生してお
り、その後の強度低下も大きいものであった。なお、窒
化アルミニウム焼結体表面におけるクラックの有無は、
銅板およびろう材層をエッチング除去し、蛍光浸透探傷
(PT)検査を実施することにより判定した。
【００２７】
【発明の効果】以上説明したように、本発明のセラミッ
クス−金属接合体によれば、ろう材層内のAg成分とCu成
分とが溶け分かれた組織を形成しており、この溶け分か
れた組織が大きな応力緩和効果を有しているため、高接
合強度を維持した上で、冷熱サイクルの付加等によって
窒化物系セラミックス部材にクラックが生じることを抑
制することができる。よって、高接合強度を有すると共
に、冷熱サイクルに対して優れた信頼性を示すセラミッ
クス−金属接合体を、再現性よく提供することが可能と
なる。
クス−金属接合体によれば、ろう材層内のAg成分とCu成
分とが溶け分かれた組織を形成しており、この溶け分か
れた組織が大きな応力緩和効果を有しているため、高接
合強度を維持した上で、冷熱サイクルの付加等によって
窒化物系セラミックス部材にクラックが生じることを抑
制することができる。よって、高接合強度を有すると共
に、冷熱サイクルに対して優れた信頼性を示すセラミッ
クス−金属接合体を、再現性よく提供することが可能と
なる。
【図１】本発明の一実施例によるセラミックス−金属接
合体の接合部を拡大して示すＳＥＭ写真である。
合体の接合部を拡大して示すＳＥＭ写真である。
【図２】本発明との比較として示したセラミックス−金
属接合体の接合部を拡大して示すＳＥＭ写真である。
属接合体の接合部を拡大して示すＳＥＭ写真である。
【図３】図１のＳＥＭ写真を模式化して示す図である。
【図４】図２のＳＥＭ写真を模式化して示す図である。
【図５】図１に示すろう材層内の溶け分かれ組織部分に
おけるTiの線分析結果を示す図である。
おけるTiの線分析結果を示す図である。
【図６】図２に示すろう材層内の共晶組織部分のTiの線
分析結果を示す図である。
分析結果を示す図である。
【図７】本発明の一実施例によるセラミックス−金属接
合体の TCTサイクル数とピール強度との関係を従来例と
比較して示す図である。
合体の TCTサイクル数とピール強度との関係を従来例と
比較して示す図である。
【符号の説明】 １……ろう材層 ２……Ag成分 ３……Cu成分 ４……共晶組織
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) C04B 37/02
Claims (4)
- 【請求項１】 窒化物系セラミックス部材と、Ti、Zrお
よびNbから選ばれた少なくとも1種の活性金属を含むAg-
Cu系ろう材層を介して、前記窒化物系セラミックス部材
に接合された金属部材とを具備するセラミックス−金属
接合体において、 前記Ag-Cu系ろう材層はCu成分を15重量％〜35重量％の
範囲で含み、かつAg成分とCu成分とが溶け分かれた組織
を有すると共に、Ag-Cu共晶組織が面積比で全ろう材層
中の20％未満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】 請求項１記載のセラミックス−金属接合
体において、 前記窒化物系セラミックス部材は窒化アルミニウム焼結
体からなることを特徴とするセラミックス−金属接合
体。 - 【請求項３】 請求項１または請求項２記載のセラミッ
クス−金属接合体において、 前記Ag-Cu系ろう材層は、活性金属を含有するAg-Cuろう
材を熱処理することにより形成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４】 請求項３記載のセラミックス−金属接合
体において、 前記Ag-Cuろう材は前記活性金属を2重量％〜7重量％の
範囲で含有することを特徴とするセラミックス−金属接
合体。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP03557292A JP3302714B2 (ja) | 1992-01-27 | 1992-01-27 | セラミックス−金属接合体 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP03557292A JP3302714B2 (ja) | 1992-01-27 | 1992-01-27 | セラミックス−金属接合体 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH05201777A JPH05201777A (ja) | 1993-08-10 |
| JP3302714B2 true JP3302714B2 (ja) | 2002-07-15 |
Family
ID=12445478
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP03557292A Expired - Lifetime JP3302714B2 (ja) | 1992-01-27 | 1992-01-27 | セラミックス−金属接合体 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3302714B2 (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2022085654A1 (ja) | 2020-10-20 | 2022-04-28 | 株式会社 東芝 | 接合体およびそれを用いたセラミックス回路基板並びに半導体装置 |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP2811512B1 (en) * | 2012-01-07 | 2019-10-02 | Kyocera Corporation | Circuit board, and electronic device using same |
| WO2016175206A1 (ja) | 2015-04-27 | 2016-11-03 | 京セラ株式会社 | 回路基板およびこれを備える電子装置 |
| JP6482144B2 (ja) * | 2015-12-28 | 2019-03-13 | 日本碍子株式会社 | 接合基板および接合基板の製造方法 |
| WO2020044594A1 (ja) * | 2018-08-28 | 2020-03-05 | 三菱マテリアル株式会社 | 銅／セラミックス接合体、絶縁回路基板、及び、銅／セラミックス接合体の製造方法、及び、絶縁回路基板の製造方法 |
-
1992
- 1992-01-27 JP JP03557292A patent/JP3302714B2/ja not_active Expired - Lifetime
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2022085654A1 (ja) | 2020-10-20 | 2022-04-28 | 株式会社 東芝 | 接合体およびそれを用いたセラミックス回路基板並びに半導体装置 |
| US12240218B2 (en) | 2020-10-20 | 2025-03-04 | Kabushiki Kaisha Toshiba | Bonded assembly, and ceramic circuit substrate and semiconductor device using the same |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH05201777A (ja) | 1993-08-10 |
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