(57)【要約】【課題】Ａｌ２Ｏ３からなるセラミック基板と、ステンレス鋼からなる金属板がＡｇ−Ｃｕ系ろう材を介して接合される接合体のクラック等の発生を防止できる安価な接合体を提供する。【解決手段】アルミナセラミックからなり表面に高融点金属からなるメタライズ導体１４が形成されたセラミック基板１１と、四角形状のステンレス鋼からなる金属板１２がメタライズ導体１４にＡｇ−Ｃｕ系ろう材を介して接合される接合体１０であって、金属板１２のメタライズ導体１４との接合部の少なくとも１辺の外周縁部に、金属板１２の側面の途中から接合表面にかけて削除される切り欠き部１５を有する。あるいは、メタライズ導体１４と金属板１２ａの間に、ＫＶ、又は４２アロイからなる中間金属板１６を有する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
アルミナセラミックからなり表面に高融点金属からなるメタライズ導体が形成されたセラミック基板と、四角形状のステンレス鋼からなる金属板が前記メタライズ導体にＡｇ−Ｃｕ系ろう材を介して接合される接合体であって、
前記金属板の前記メタライズ導体との接合部の少なくとも１辺の外周縁部に、前記金属板の側面の途中から接合表面にかけて削除される切り欠き部を有することを特徴とする接合体。
【請求項２】
アルミナセラミックからなり表面に高融点金属からなるメタライズ導体が形成されたセラミック基板と、四角形状のステンレス鋼からなる金属板が前記メタライズ導体にＡｇ−Ｃｕ系ろう材を介して接合される接合体であって、
前記メタライズ導体と前記金属板の間に、ＫＶ（Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ系合金、商品名「Ｋｏｖａｒ（コバール）」）、又は４２アロイ（Ｆｅ−Ｎｉ系合金）からなる中間金属板を有することを特徴とする接合体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、セラミック基板と金属板との接合体に関し、より詳細にはセラミック基板と金属板がろう材で接合される、例えば、電子部品を搭載するためのパッケージ形状からなるセラミック基板と金属板の接合体に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、無機材料からなるセラミックは、高温に対する耐熱性、薬品に対する耐蝕性、電気的絶縁性等で優れるという多くの性質を有しているが、一方では、柔軟性、耐脆性、耐熱伝導性等で劣るという性質を有している。また、セラミックは、殆どの金属に比較して熱膨張係数が小さくなっている。このような性質を有するセラミックの一例であるアルミナセラミック（Ａｌ２Ｏ３）からなるセラミック基板と、金属板を接合する接合体は、例えば、電子部品を搭載するためのパッケージ形状にして電子部品からの発熱の放熱性が向上できると共に、電子部品を気密に封止するため等に用いられている。この接合体の金属板には、セラミック基板の熱膨張係数に近似する、例えば、タングステンや、モリブデン等の高融点金属と、他の金属、例えば、銅との複合や、合金や、接着等からなる金属板が用いられている。この接合体は、金属板の熱膨張係数をセラミックに近似させてセラミックの低柔軟性、高脆性、低熱伝導性等の欠点を補ってセラミック基板と金属板のろう付け接合後の降温時の熱膨張係数の差から発生する残留熱応力によるセラミック基板の破壊や、クラック等を防止したり、電子部品からの発熱の放熱性を向上させたりしている。なお、この接合体の金属板の表面には、通常、腐食防止のためのＮｉめっき被膜、及びＡｕめっき被膜が施されている。
【０００３】
また、セラミック基板と、金属板を接合する接合体には、接合された金属板を外部との電気的接続を容易とするための外部接続端子として使用したり、他の機器を溶接接合させたりするための台座として使用したりするものもある。この接合体の金属板には、通常、セラミック基板の熱膨張係数に近似する、例えば、ＫＶ（Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ系合金、商品名「Ｋｏｖａｒ（コバール）」）や、４２アロイ（Ｆｅ−Ｎｉ系合金）等からなる金属板が用いられている。この接合体は、金属板の熱膨張係数をセラミックに近似させてセラミックの低柔軟性、高脆性、低熱伝導性等の欠点を補ってセラミック基板と金属板のろう付け接合後の降温時の熱膨張係数の差から発生する残留熱応力によるセラミック基板の破壊や、クラック等を防止させるようにしている。なお、この接合体の金属板の表面には、通常、腐食防止のためのＮｉめっき被膜、及びＡｕめっき被膜が施されている。
【０００４】
従来のセラミック基板と金属板の接合体には、セラミック基板にアルミナセラミックを用い、金属板にステンレス鋼を用いるものが提案されている。そして、接合体は、セラミック基板と金属板の間にアルミナ粉末とステンレス鋼粉末の混合粉末の少なくとも４０％を粒径１〜６００ｎｍに超微細化した接合部材を挟み、放電プラズマ焼結して形成されるものが提案されている（例えば、特許文献１参照）。また、従来のセラミック基板と金属板の接合体には、αアルミナからなるセラミック部材、Ｃｒ拡散層を有するステンレス系金属からなる金属製部材、Ａｌ−Ｓｉ系ろう材からなるろう材及びＡｌ−Ｍｇ系合金からなる芯材とから構成された積層体を、圧力１Ｐａの真空雰囲気で５６０℃に加熱し、積層方向に５ＭＰａの圧力を６０分間印加して形成されるものが提案されている（例えば、特許文献２参照）。
【０００５】
【特許文献１】特開２００１−８９２５８号公報
【特許文献２】特開２０００−３２７４４２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、前述したような従来の接合体は、次のような問題がある。
（１）セラミック基板と、金属板を接合する接合体の金属板に他の機器を溶接接合させる場合には、レーザー溶接で接合する必要があるものがある。レーザー溶接を必要とするものは、金属板の表面のＡｕめっき被膜によってレーザー光が反射して溶接に不具合が発生するので、ステンレスのような錆びなくてＡｕめっき被膜を不要とする金属板が必要となっている。しかしながら、セラミック基板と、ステンレス金属板の熱膨張係数（例えば、Ａｌ２Ｏ３：７．２×１０−６／℃、ＳＵＳ３０４：１８．０×１０−６／℃）には、大きな差があるので、セラミック基板と金属板のろう付け接合後の降温時に発生する熱応力によってセラミック基板に破壊や、クラック等が発生している。
（２）セラミック基板にアルミナセラミックを用い、金属板にステンレス鋼を用いる接合体は、セラミック基板と金属板の間にアルミナ粉末とステンレス鋼粉末の混合粉末の少なくとも４０％を粒径１〜６００ｎｍに超微細化した接合部材を挟み、放電プラズマ焼結して形成されるものがある。しかしながら、接合部材は、超微細化が容易でなく、放電プラズマ焼結は、これを行うための装置がダイスとパンチでセラミック基板、接合部材、及び金属板を挟持して圧力かけながら焼結を行うものであって、接合体の形状が単純なものしか行うことができなく、例えば、電子部品を搭載させるパッケージのような軽薄短小で複雑な形状のものには、適用が難しい。また、接合体は、接合部材の超微細化、及びダイスとパンチが必要な放電プラズマ焼結にコストがかかるので、接合体のコストアップとなっている。
（３）αアルミナからなるセラミック部材、Ｃｒ拡散層を有するステンレス系金属からなる金属製部材、Ａｌ−Ｓｉ系ろう材からなるろう材及びＡｌ−Ｍｇ系合金からなる芯材とから構成された積層体を、圧力１Ｐａの真空雰囲気で５６０℃に加熱し、積層方向に５ＭＰａの圧力を６０分間印加して形成される接合体は、接合時に高圧の印加をしながら真空雰囲気で焼結できるホットプレス機が必要であり、高価な装置と、量産性が低いので、接合体のコストアップとなっている。また、接合体は、形状が単純なものしか対応が難しく、例えば、電子部品を搭載させるパッケージのような軽薄短小で複雑な形状のものには、適用が難しい。
本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであって、Ａｌ２Ｏ３からなるセラミック基板と、ステンレス鋼からなる金属板がＡｇ−Ｃｕ系ろう材を介して接合される接合体のクラック等の発生を防止できる安価な接合体を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
前記目的に沿う第１の発明に係る接合体は、アルミナセラミックからなり表面に高融点金属からなるメタライズ導体が形成されたセラミック基板と、四角形状のステンレス鋼からなる金属板がメタライズ導体にＡｇ−Ｃｕ系ろう材を介して接合される接合体であって、金属板のメタライズ導体との接合部の少なくとも１辺の外周縁部に、金属板の側面の途中から接合表面にかけて削除される切り欠き部を有する。
【０００８】
前記目的に沿う第２の発明に係る接合体は、アルミナセラミックからなり表面に高融点金属からなるメタライズ導体が形成されたセラミック基板と、四角形状のステンレス鋼からなる金属板がメタライズ導体にＡｇ−Ｃｕ系ろう材を介して接合される接合体であって、メタライズ導体と金属板の間に、ＫＶ（Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ系合金、商品名「Ｋｏｖａｒ（コバール）」）、又は４２アロイ（Ｆｅ−Ｎｉ系合金）からなる中間金属板を有する。
【発明の効果】
【０００９】
請求項１記載の接合体は、アルミナセラミックからなり表面に高融点金属からなるメタライズ導体が形成されたセラミック基板と、四角形状のステンレス鋼からなる金属板がメタライズ導体にＡｇ−Ｃｕ系ろう材を介して接合される接合体であって、金属板のメタライズ導体との接合部の少なくとも１辺の外周縁部に、金属板の側面の途中から接合表面にかけて削除される切り欠き部を有するので、金属板は、上面側の面積よりセラミック基板との接合面側の面積を小さくでき、アルミナセラミック基板と、ステンレス金属板の熱膨張係数に大きな差があったとしても、セラミック基板と金属板のろう付け接合後の降温時に発生する熱応力を接合部で緩和させ、セラミック基板に破壊や、クラック等が発生するのを防止することができる。また、接合体は、セラミック基板に容易に形成できるメタライズ導体と、金属板が、一般的に用いられているＡｇ−Ｃｕ系ろう材で容易に接合できるので、安価にすることができる。
【００１０】
請求項２記載の接合体は、アルミナセラミックからなり表面に高融点金属からなるメタライズ導体が形成されたセラミック基板と、四角形状のステンレス鋼からなる金属板がメタライズ導体にＡｇ−Ｃｕ系ろう材を介して接合される接合体であって、メタライズ導体と金属板の間に、ＫＶ、又は４２アロイからなる中間金属板を有するので、アルミナセラミック基板とステンレス金属板の熱膨張係数の間の熱膨張係数を有する中間金属板によって、セラミック基板と中間金属板、中間金属板と金属板のそれぞれの間のろう付け接合後の降温時に発生する熱応力をそれぞれの接合部で緩和させ、セラミック基板と、金属板の熱膨張係数に大きな差があったとしても、セラミック基板と中間金属板、中間金属板と金属板のそれぞれのろう付け接合後の降温時に発生する熱応力をそれぞれの接合部で緩和させ、セラミック基板に破壊や、クラック等が発生するのを防止することができる。また、接合体は、セラミック基板に容易に形成することができるメタライズ導体と中間金属板、及び中間金属板と金属板が、一般的に用いられているＡｇ−Ｃｕ系ろう材を用いて容易に接合できるので、安価にすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
続いて、添付した図面を参照しつつ、本発明を具体化した実施するための最良の形態について説明し、本発明の理解に供する。
ここに、図１は第１の発明の一実施の形態に係る接合体の部分拡大縦断面図、図２は第２の発明の一実施の形態に係る接合体の部分拡大縦断面図である。
【００１２】
図１に示すように、第１の発明の一実施の形態に係る接合体１０は、一方側のセラミック基板１１と、他方側の金属板１２がろう材１３を介して接合されて形成されている。この接合体１０の一方側のセラミック基板１１は、セラミック基材がアルミナセラミック（Ａｌ２Ｏ３）からなり、セラミックグリーンシートの表面に、高融点金属、例えば、タングステン（Ｗ）や、モリブデン（Ｍｏ）等からなるメタライズペーストを用いてスクリーン印刷でメタライズパターンを形成し、１、又は複数枚の積層体からなるセラミックグリーンシートとメタライズパターンを還元雰囲気中の約１５５０℃程度の温度で同時焼成してセラミック基板１１の表面にメタライズ導体１４を有するように形成している。そして、このメタライズ導体１４には、Ｎｉめっき被膜が施される。ここで用いられるセラミック基板１１を形成するためのセラミックグリーンシートは、例えば、酸化アルミニウム粉末にマグネシア、シリカ、カルシア等の焼結助剤を適当量加えた粉末に、ジオクチフタレート等の可塑剤と、アクリル樹脂等のバインダー、及びトルエン、キシレン、アルコール類等の溶剤を加え、十分に混練して脱泡し、粘度２０００〜４００００ｃｐｓのスラリーを作製し、ドクターブレード法等によって所望の厚み、例えば、０．１２ｍｍのシート状にした後乾燥させ、複数枚の所望の大きさの矩形状に切断して形成している。
【００１３】
接合体１０の他方側の金属板１２は、ステンレス鋼の一例であるＳＵＳ３０４等からなり、例えば、板体から切削加工や、エッチング加工等で四角形状の所望の大きさに切断して形成されている。しかも、この金属板１２には、セラミック基板１１のメタライズ導体１４との四角形状の接合部の少なくとも１辺の外周縁部に、金属板１２の側面の途中から接合部表面にかけて削除される切り欠き部１５が設けられている。この切り欠き部１５の形状は、特に限定されるものではないが、例えば、断面視してＣ面状や、Ｒ面状や、多角面状等に削除されて形成されている。この金属板１２は、セラミック基板１１に形成されている表面にＮｉめっき被膜が施されたメタライズ導体１４に、Ａｇ−Ｃｕ系ろう材、例えば、ＢＡｇ−８等からなるろう材１３を介して当接し、約７８０℃程度に加熱することでセラミック基板１１にろう付け接合されて接合体１０に形成されている。この接合体１０は、金属板１２に形成された切り欠き部１５によって、ろう付け接合後の降温時に発生する熱応力を接合部において緩和でき、接合部近傍のセラミック基板１１に発生し易い破壊や、クラック等を防止することができる。なお、この切り欠き部１５の大きさは、特に限定されるものではないが、例えば、大きさが２．４ｍｍ×０．９ｍｍ程度、厚さが０．６５ｍｍ程度の金属板１２のセラミック基板１１との接合部の短辺側の１辺に、Ｃ０．２５ｍｍ程度の切り欠き部１５を設けた場合には、接合部近傍のセラミック基板１１に発生し易い破壊や、クラック等の発生を問題なく防止することができた。この場合の金属板１２のセラミック基板１１との接合部における面積と、本来の金属板１２の面積との比率は、８９．６％程度となっている。このことから面積比率は、９０％程度以下であればろう付け接合後の降温時に発生する熱応力を接合部において緩和でき、接合部近傍のセラミック基板１１に発生し易い破壊や、クラック等の発生を問題なく防止させることができる。
【００１４】
次いで、図２に示すように、第２の発明の一実施の形態に係る接合体１０ａは、一方側のセラミック基板１１と、他方側の金属板１２ａの間に中間金属板１６を有し、中間金属板１６がセラミック基板１１と金属板１２ａのそれぞれにろう材１３ａ、１３ｂを介して接合されて形成されている。この接合体１０ａの一方側のセラミック基板１１は、接合体１０の場合と同様に、セラミック基材がアルミナセラミック（Ａｌ２Ｏ３）からなり、セラミックグリーンシートの表面に、高融点金属、例えば、タングステン（Ｗ）や、モリブデン（Ｍｏ）等からなるメタライズペーストを用いてスクリーン印刷でメタライズパターンを形成し、１、又は複数枚の積層体からなるセラミックグリーンシートとメタライズパターンを還元雰囲気中の約１５５０℃程度の温度で同時焼成してセラミック基板１１の表面にメタライズ導体１４を有するように形成している。そして、このメタライズ導体１４には、Ｎｉめっき被膜が施される。ここで用いられるセラミック基板１１を形成するためのセラミックグリーンシートは、接合体１０を形成するために用いられるセラミックグリーンシートと同様のものを用いることができる。
【００１５】
接合体１０ａの他方側の金属板１２ａは、接合体１０の場合の金属板１２と同様に、ステンレス鋼の一例であるＳＵＳ３０４等からなり、例えば、板体から切削加工や、エッチング加工等で四角形状の所望の大きさに切断して形成されているが、この金属板１２ａには、金属板１２のような切り欠き部１５を必要としない。接合体１０ａの一方側のセラミック基板１１のメタライズ導体１４と、他方側の金属板１２ａの間に接合される中間金属板１６は、ＫＶ、又は４２アロイからなり、例えば、板体から切削加工や、エッチング加工等で四角形状の所望の大きさに切断して形成されている。この中間金属板１６は、セラミック基板１１に形成されている表面にＮｉめっき被膜が施されたメタライズ導体１４に、Ａｇ−Ｃｕ系ろう材、例えば、ＢＡｇ−８等からなるろう材１３ａを介して当接し、約７８０℃程度に加熱することでセラミック基板１１にろう付け接合している。そして、更に、表面にＮｉめっき被膜が施された中間金属板１６の上面には、表面にＮｉめっき被膜が施された金属板１２ａをＡｇ−Ｃｕ系ろう材、例えば、ＢＡｇ−８等からなるろう材１３ａを介して当接し、約７８０℃程度に加熱することでろう付け接合している。この接合体１０ａは、中間金属板１６がセラミック基板１１と金属板１２ａの間の範囲にある熱膨張係数（ＫＶ：９．９×１０−６／℃、４２アロイ：８．５×１０−６／℃）からなるので、セラミック基板１１と中間金属板１６、あるいは中間金属板１６と金属板１２ａとのそれぞれのろう付け接合後の降温時に発生する熱応力を接合部において緩和でき、接合部近傍のセラミック基板１１に発生し易い破壊や、クラック等を防止することができる。
【００１６】
なお、接合体１０ａは、上記のようにセラミック基板１１と中間金属板１６のろう付け接合後に中間金属板１６と金属板１２ａをろう付け接合するように行われる以外に、セラミック基板１１と中間金属板１６の下面の間にろう材１３ａを介し、中間金属板１６の上面と金属板１２ａの間にろう材１３ｂを介して、セラミック基板１１、中間金属板１６、及び金属板１２ａを加熱して一度にろう付け接合することで形成することもできる。あるいは、接合体１０ａは、金属板１２ａと中間金属板１６の間にろう材１３ｂを介して予め加熱してろう付け接合しておいた後に、中間金属板１６とセラミック基板１１の間にろう材１３ａを介して加熱してろう付け接合することで形成することもできる。
【００１７】
接合体１０、１０ａは、電子部品を搭載させるためのパッケージとして用いる場合には、通常セラミック基板１１から露出する金属部分にＮｉめっき被膜、及びＡｕめっき被膜が施される。しかしながら、ステンレス鋼からなる金属板１２、１２ａの上面に他の機器をレーザー溶接で溶接接合させる場合には、金属板１２、１２ａの上面のＡｕめっき被膜によってレーザー光が反射して溶接に不具合が発生するので、金属板１２、１２ａの上面に予めマスクしてめっきを施したり、接合体１０、１０ａの全体にめっき被膜を形成した後に金属板１２、１２ａの上面のめっき被膜を剥離したりしている。
【実施例】
【００１８】
発明者は、第１の発明に係る接合体である実施例１と、第２の発明に係る接合体である実施例２のモデルを作製し、これに合わせて、従来の接合体である金属板を接合しただけの比較例のモデルを作製して有限要素法によるシミュレーション解析によって、ろう付け接合時の応力状態を比較解析した。この解析法には、コンピューターによる三次元弾性（線形）熱応力解析ソフト「ＦＥＭソフト：ＡＮＳＹＳ  Ｒｅｖ．７．０」を用いた。
【００１９】
実施例１のモデルの金属板には、ＳＵＳ３０４からなる大きさ２．４ｍｍ×０．９ｍｍ、厚さ０．６５ｍｍ程度のものを用い、セラミック基板との接合部側の短辺側の１辺の縁部に、Ｃ０．２５ｍｍ程度の切り欠き部を設けたものを用いた。また、セラミック基板には、アルミナセラミックからなり、表面にタングステンからなるメタライズ導体、及びこの上にＮｉめっき被膜を施したものをモデルとした。そして、実施例１のモデルの接合体の応力状態は、金属板の切り欠き部を設けた側と、セラミック基板のＮｉめっき被膜が施されたメタライズ導体との間にＡｇ−Ｃｕろう（ＢＡｇ−８）を介して当接し、７８０℃でろう付け接合した後、７８０℃から室温まで一様に冷却した時の状態を想定して求めた。
【００２０】
実施例２のモデルの金属板には、実施例１と同様のＳＵＳ３０４からなる大きさ２．４ｍｍ×０．９ｍｍ、厚さ０．３０ｍｍ程度の切り欠き部を設けないものを用いた。また、中間金属板には、ＫＶからなる金属板と略同じ大きさのものを用い、金属板と中間金属板がろう材を介してろう付け接合された時の厚さが実施例１の場合の金属板と略同じ厚さになるようにした。更に、セラミック基板には、実施例１と同様のものを用いた。そして、実施例２のモデルの接合体の応力状態は、それぞれの部材間にＡｇ−Ｃｕろう（ＢＡｇ−８）を介して当接し、７８０℃で１度にろう付け接合した後、７８０℃から室温まで一様に冷却した時の状態を想定して求めた。
【００２１】
比較例のモデルの金属板には、実施例２と同様の大きさで切り欠き部を設けないが、厚さが実施例１と同様の０．６５ｍｍ程度のものを用いた。また、セラミック基板には、実施例１、実施例２と同様のものを用いた。そして、比較例のモデルの接合体は、金属板と、セラミック基板のＮｉめっき被膜が施されたメタライズ導体との間にＡｇ−Ｃｕろう（ＢＡｇ−８）を介して当接し、７８０℃でろう付け接合した後、７８０℃から室温まで一様に冷却した時の状態を想定して求めた。
【００２２】
シミュレーション解析結果を表１に示す。第１の発明に係る接合体である実施例１のセラミック基板に生ずる最大応力は、従来の接合体である金属板を接合しただけの比較例を１００％とした時に、７６．８％であって、２３．２％の減少となっている。また、第２の発明に係る接合体である実施例２のセラミック基板に生ずる最大応力は、従来の接合体である金属板を接合しただけの比較例を１００％とした時に、７５．５％であって、２４．５％の減少となっている。本発明のいずれの場合の接合体は、従来の接合体より２０％を超えるセラミック基板に生ずる最大応力の減少となっており、効果の大きいことが分かった。
【００２３】
【表１】
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【産業上の利用可能性】
【００２４】
本発明の接合体は、半導体素子等の電子部品を搭載させるパッケージ等に利用でき、特に、金属板に光ファイバーの端子をレーザー溶接できる光通信用半導体素子収納用パッケージとして用いることができるアルミナセラミック基板とステンレス鋼金属板の接合体として利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】第１の発明の一実施の形態に係る接合体の部分拡大縦断面図である。
【図２】第２の発明の一実施の形態に係る接合体の部分拡大縦断面図である。
【符号の説明】
【００２６】
１０、１０ａ：接合体、１１：セラミック基板、１２、１２ａ：金属板、１３、１３ａ、１３ｂ：ろう材、１４：メタライズ導体、１５：切り欠き部、１６：中間金属板
【図１】
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【図２】
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