(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
セラミックスの表面の金属が接合される領域の中央領域に、Ａｇ−Ｃｕ合金と、Ｔｉ，Ｚｒ，Ｈｆの少なくとも一種と、ＭｏまたはＷとを含有する第１のろう材ペーストを塗布する工程と、
前記セラミックスの表面の前記金属が接合される領域の外周領域に、Ａｇ−Ｃｕ合金と、Ｔｉ，Ｚｒ，Ｈｆの少なくとも一種とを含有し、かつ、ＭｏおよびＷを含有しない第２のろう材ペーストを、前記第１のろう材ペーストに接し、かつ、前記第１のろう材ペーストを取り囲むように塗布する工程と、
前記第１のろう材ペーストおよび前記第２のろう材ペースト上に前記金属を載置する工程と、
前記第１のろう材ペーストおよび前記第２のろう材ペーストに熱処理を施し、ろう材層を一体的に形成して、前記セラミックスと前記金属とを接合する工程とを有する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２】
セラミックスと金属との接合面をＴｉ、Ｚｒ、Ｈｆの少なくとも一種を含有するＡｇ−Ｃｕ合金から成るろう材で接合したセラミックス−金属接合体であって、前記ろう材は、前記接合面の中央領域に塗布され、ＭｏまたはＷを含有する第１のろう材ペーストと、前記第１のろう材に接するように前記接合面の外周領域に塗布され、ＭｏおよびＷを含有しない第２のろう材ペーストとに、熱処理が施されて一体的に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。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、酸化アルミニウム質焼結体や窒化アルミニウム質焼結体等のセラミックスに銅等の金属をＴｉ、Ｚｒ、Ｈｆ等の活性金属を含有するＡｇ−Ｃｕ合金から成るろう材で接合したセラミックス−金属接合構造に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
セラミックスと金属とを接合したセラミックス−金属接合構造として、セラミックスと金属とをＴｉやＺｒ、Ｈｆ等の活性金属を含有するＡｇ−Ｃｕ合金から成るろう材を介して接合したものが知られている。
【０００３】
このようなセラミックス−金属接合構造は、例えば酸化アルミニウム質焼結体や窒化アルミニウム質焼結体等のセラミックスから成る絶縁基体に銅等の金属から成る回路導体を接合させた回路基板において、絶縁基体と回路導体とを接合するセラミックス−金属接合構造として用いられている。
【０００４】
ところが、酸化アルミニウム質焼結体や窒化アルミニウム質焼結体等のセラミックスと銅等の金属とでは、その熱膨張係数がセラミックスでは約４〜７×10-6／℃であるのに対して金属では約15〜20×10-6／℃と大きく相違することから、このセラミックス−金属接合構造が例えば−40〜125 ℃の熱サイクルに繰り返し曝されると、セラミックスと金属との間に両者の熱膨張係数の相違に起因して発生する熱応力の作用により金属がセラミックスから剥離してしまったり、あるいはセラミックスにクラックが発生して、金属をセラミックスに強固に接合することができないという欠点を有していた。
【０００５】
そこで、ＴｉやＺｒ、Ｈｆ等の活性金属を含有するＡｇ−Ｃｕ合金からなるろう材中にＭｏやＷ等の高融点金属粉末を含有させて成るろう材を介してセラミックスと金属とを接合するセラミックス−金属接合構造が提案されている。
【０００６】
このようにＴｉやＺｒ、Ｈｆ等の活性金属を含有するＡｇ−Ｃｕ合金からなるろう材中にＭｏやＷ等の高融点金属粉末を含有させたろう材でセラミックスと金属とを接合すると、セラミックスと金属との間に両者の熱膨張係数の相違に起因して応力が発生したとしても、この応力はＭｏやＷ等の高融点金属粉末を含有させた前記ろう材により良好に吸収され、金属がセラミックスから剥離したり、セラミックスにクラックが発生するのを有効に防止することができる。これは、ＴｉやＺｒ、Ｈｆ等の活性金属を含有するＡｇ−Ｃｕ合金からなるろう材中にＭｏやＷ等の高融点金属粉末を含有させることにより、ろう材の応力吸収能力が高まるためであると考えられる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このようにＴｉやＺｒ、Ｈｆ等の活性金属を含有するＡｇ−Ｃｕ合金からなるろう材中にＭｏやＷ等の高融点金属粉末を含有させたろう材を介してセラミックスと金属とを接合させたセラミックス−金属接合構造によると、ろう材の応力吸収能力が高まって、金属がセラミックスから剥離したりセラミックスにクラックが発生したりするのを有効に防止することができるものの、ＭｏやＷ等の高融点金属粉末の影響でろう材表面に凹凸やボイドが発生し易く、そのためろう材表面の凹凸やボイドに大気中の水分が浸入してろう材に腐食を発生させてしまい易いという問題点があった。
【０００８】
本発明はかかる問題点を解決すべく案出されたものであり、その目的は、セラミックスと金属とが強固に接合されるとともにろう材の表面に凹凸やボイドが形成されることがなくろう材に腐食が起こりにくいセラミックス−金属接合構造を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明のセラミックス−金属接合体の製造方法は、セラミックスの表面の金属が接合される領域の中央領域に、Ａｇ−Ｃｕ合金と、Ｔｉ，Ｚｒ，Ｈｆの少なくとも一種と、ＭｏまたはＷとを含有する第１のろう材ペーストを塗布する工程と、前記セラミックスの表面の前記金属が接合される領域の外周領域に、Ａｇ−Ｃｕ合金と、Ｔｉ，Ｚｒ，Ｈｆの少なくとも一種とを含有し、かつ、ＭｏおよびＷを含有しない第２のろう材ペーストを、前記第１のろう材ペーストに接し、かつ、前記第１のろう材ペーストを取り囲むように塗布する工程と、前記第１のろう材ペーストおよび前記第２のろう材ペースト上に前記金属を載置する工程と、前記第１のろう材ペーストおよび前記第２のろう材ペーストに熱処理を施し、ろう材層を一体的に形成して、前記セラミックスと前記金属とを接合する工程とを有することを特徴とするものである。また、本発明のセラミックス−金属接合体は、セラミックスと金属との接合面をＴｉ、Ｚｒ、Ｈｆの少なくとも一種を含有するＡｇ−Ｃｕ合金から成るろう材で接合したセラミックス−金属接合体であって、前記ろう材は、前記接合面の中央領域に塗布され、ＭｏまたはＷを含有する第１のろう材ペーストと、前記第１のろう材に接するように前記接合面の外周領域に塗布され、ＭｏおよびＷを含有しない第２のろう材ペーストとに、熱処理が施されて一体的に形成されたものであることを特徴とするものである。
【００１０】
本発明のセラミックス−金属接合体の製造方法およびセラミックス−金属接合体によれば、セラミックスと金属とを接合するＴｉ、Ｚｒ、Ｈｆの少なくとも一種を含有するＡｇ−Ｃｕ合金からなるろう材は、セラミックスと金属との接合面の中央領域にＭｏまたはＷが含有されており、接合面の外周領域にＭｏおよびＷが含有されていないことにより、この中央領域に含有されたＭｏまたはＷの作用によりその応力吸収能力が高く、かつ、外周領域で露出しているろう材表面にはＭｏやＷがないので凹凸やボイドを低減させることができる。そのため、接合部位におけるろう材の腐食の発生を低減させることができる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
次に、本発明のセラミックス−金属接合構造を添付の図面に基づいて説明する。
【００１２】
図１は本発明のセラミックス−金属接合構造の実施の形態の一例を示す断面図であり、１は酸化アルミニウム質焼結体や窒化アルミニウム質焼結体等のセラミックス、２は銅等の金属である。
【００１３】
そして、セラミックス１と金属２とは、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆの少なくとも一種を含有するＡｇ−Ｃｕ合金からなるろう材３を介して接合されている。
【００１４】
Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆの少なくとも一種を含有するＡｇ−Ｃｕ合金からなるろう材３は、例えばＡｇが28〜90重量％、Ｃｕが４〜57重量％、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆの少なくとも一種が５〜30重量％のろう材が適用され得る。なお、ろう材３は、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆの少なくとも一種が水素化物の形で含有されていてもよく、さらにはＩｎ、Ｓｎの少なくとも一種を１〜15重量％程度含有していてもよい。
【００１５】
そして、ろう材３は、セラミックス１と金属２との接合面の中央領域ＡにＭｏまたはＷの粉末を含有している。
【００１６】
ろう材３は、セラミックス１と金属２との接合面の中央領域ＡにＭｏまたはＷの粉末を含有することにより、その応力吸収能力が高まっている。従って、このセラミックス−金属接合構造が−40〜125 ℃の温度サイクルに繰り返し曝されたとしても、金属２がセラミックス１から剥離したり、セラミックス１にクラックが発生したりすることを有効に防止することができる。
【００１７】
この場合、セラミックス１と金属２との接合面の中央領域Ａのろう材３に含有されるＭｏまたはＷは、粒径が5.0 μｍ以下が好適であり、セラミックス１と金属２との接合面の中央領域Ａのろう材３中に0.5 〜30重量％程度含有されることが好適である。
【００１８】
また、ろう材３は、セラミックス１と金属２との接合面の中央領域ＡにのみＭｏまたはＷの粉末が含有されており、セラミックス１と金属２との接合面の外周領域ＢにはＭｏまたはＷの粉末が含有されていない。従って、ろう材３の表面にＭｏまたはＷの粉末の影響による凹凸やボイドが発生することはなく、そのためろう材３が腐食しにくい。なお、ろう材３中にＭｏまたはＷの粉末を含有しない外周領域Ｂの幅は0.5 〜1.0 ｍｍ程度が好ましい。
【００１９】
また、セラミックス１に金属２をろう材３を介して接合するには、図２に断面図で示すように、セラミックス１の上面であって、金属２との接合面の中央領域に粒径が10μｍ以下のＡｇ−Ｃｕ合金粉末と粒径が50μｍ以下のＴｉ、Ｚｒ、Ｈｆの少なくとも一種とからなるろう材ペースト中に粒径が５μｍ以下のＭｏまたはＷの粉末を含有させたろう材ペースト３ａを印刷塗布するとともに、金属２との接合面の外周領域に粒径が10μｍ以下のＡｇ−Ｃｕ合金粉末と粒径が50μｍ以下のＴｉ、Ｚｒ、Ｈｆの少なくとも一種から成るろう材ペースト中にＭｏまたはＷの粉末を含有しないろう材ペースト３ｂを、ろう材ペースト３ａを取り囲むようにして印刷塗布し、しかる後、このろう材ペースト３ａ・３ｂ上に金属２を載置し、これを真空雰囲気中約700 〜900 ℃の温度で焼成する方法が採用される。
【００２０】
【実施例】
まず、窒化アルミニウム質焼結体からなる幅27ｍｍ、長さ60ｍｍ、厚さ0.6 ｍｍの平板状のセラミックス板を多数個用意した。
【００２１】
そして、このセラミックス板の上面で外周端から1.0 ｍｍ〜2.0 ｍｍの領域に表１に示す第１ろう材を、および外周端から2.0 ｍｍを除く中央領域に表１に示す第２ろう材をそれぞれペースト状にしてスクリーン印刷法により50μｍの厚さに印刷塗布した。
【００２２】
次に、このセラミックス板上に幅25ｍｍ、長さ58ｍｍ、厚さ0.2 ｍｍの銅板をろう材と重なるようにして載置し、これを真空雰囲気中で焼成することにより、セラミックス−金属接合体の試料をそれぞれ５個ずつ得た。
【００２３】
そして、これら試料におけるろう材の露出表面を10倍の顕微鏡で観察して凹凸やボイドの有無を調べるとともに、これらの試料を−40〜125 ℃の温度サイクルに30サイクル曝した後、セラミックス板から銅板が剥がれたりセラミックス板にクラックが発生していないかを目視により調べた。その結果を表１に示す。
【００２４】
なお、表１において、試料番号９および10は本発明の実施例と比較するための比較例であって、試料番号９はセラミックス板と銅板との接合面の全面がＭｏまたはＷの粉末を含まないろう材で接合されているものであり、試料番号10はセラミックス板と銅板との接合面の全面がＭｏまたはＷの粉末を含むろう材で接合されているものである。
【００２５】
【表１】
0003694588.tif 000002
【００２６】
【発明の効果】
表１に示した本発明の実施例である試料番号１〜８の結果から分かるように、本発明のセラミックス−金属接合構造によれば、−40〜125 ℃の温度サイクルに繰り返し曝されたとしても金属がセラミックスから剥離したりセラミックスにクラックが発生したりすることはなく、セラミックスと金属とが強固に接合されるとともに、ろう材の表面に凹凸やボイドが形成されることがなくろう材に腐食が起こりにくいセラミックス−金属接合構造を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のセラミックス−金属接合構造の実施の形態の一例を示す断面図である。
【図２】本発明のセラミックス−金属接合構造におけるセラミックスと金属との接合方法を説明するための断面図である。
【符号の説明】
１・・・セラミックス
２・・・金属
３・・・ろう材
Ａ・・・中央領域
【図１】
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【図２】
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