(57)【要約】      （修正有）【課題】裾野状の正常な形状のメニスカスを金属板外周側面部に有し、セラミック基板にクラック等の発生のない、接合信頼性の高いセラミックと金属との接合体及びその製造方法を提供する。【解決手段】セラミック基板１１と金属板１２が活性金属ろう１３で接合されるセラミックと金属との接合体において、セラミック基板１１に形成されるメタライズ膜１５と、メタライズ膜１５上に形成される活性ろう材１６を介して、メタライズ膜１５のパターン大きさより平面視して小さい大きさを有する金属板１２がセラミック基板１１に接合されて有し、活性金属ろう１３中にはメタライズ膜１５が拡散していると共に、メタライズ膜１５のパターン大きさまで活性金属ろう１３が濡れ広がっている断面視して裾野形状のメニスカス１４を有する。【選択図】図２
2006062930.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
セラミック基板と金属板が活性金属ろうで接合されるセラミックと金属との接合体において、
前記セラミック基板に形成されるメタライズ膜と、該メタライズ膜上に形成される活性ろう材を介して、前記メタライズ膜のパターン大きさより平面視して小さい大きさを有する前記金属板が前記セラミック基板に接合されて有し、前記活性金属ろう中には前記メタライズ膜が拡散していると共に、前記メタライズ膜のパターン大きさまで前記活性金属ろうが濡れ広がっている断面視して裾野形状のメニスカスを有することを特徴とするセラミックと金属との接合体。
【請求項２】
請求項１記載のセラミックと金属との接合体において、前記メタライズ膜がＡｕスパッタ膜、ガラス入りＡｇ−Ｐｔ印刷焼成膜、又は無電解Ｃｕめっき膜からなることを特徴とするセラミックと金属との接合体。
【請求項３】
請求項１又は２記載のセラミックと金属との接合体において、前記活性ろう材がＡｇ−Ｃｕ−Ｔｉ−Ｉｎ系からなり、前記セラミック基板と前記金属板が前記活性ろう材の真空ろう付けで接合されていることを特徴とするセラミックと金属との接合体。
【請求項４】
セラミック基板と金属板を活性ろう材を用いて接合するセラミックと金属との接合体の製造方法において、
前記セラミック基板に平面視して前記金属板の大きさを超えるパターン大きさを有するメタライズ膜を形成する工程と、
前記メタライズ膜上に前記活性ろう材を介して前記金属板を載置し、真空中で加熱して前記活性ろう材中に前記メタライズ膜を拡散させる活性金属ろうで前記セラミック基板と前記金属板を接合する工程を有することを特徴とするセラミックと金属との接合体の製造方法。
【請求項５】
請求項４記載のセラミックと金属との接合体の製造方法において、前記活性金属ろうを前記メタライズ膜のパターン大きさまで濡れ広がらせることを特徴とするセラミックと金属との接合体の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば、高速、大電力インバーター等パワーモジュール用基板等に使用される高放熱構造を有するセラミックと金属との接合体及びその製造方法に関し、より詳細には、セラミック基板と金属板の接合信頼性を改良したセラミックと金属との接合体及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、セラミックと金属との接合体は、例えば、高速化、大電力化、高集積化が進む高熱を発生する半導体素子を実装し、半導体素子からの高熱を速やかに放熱させて半導体素子の信頼性を維持させることができるための半導体モジュール用基板等に用いられている。図３（Ａ）、（Ｂ）に示すように、従来のセラミックと金属との接合体５０は、例えば、ジルコニア入りアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）や、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）や、窒化珪素（Ｓｉ３Ｎ４）等の熱伝導性のよいセラミック基板５１と、Ｃｕや、Ｃｕ合金や、Ｃｕと他の金属との接合体や、Ｃｕと他の金属との複合体等からなる放熱特性に優れた金属板５２とを直接接合させることができるＡｇ−Ｃｕ−Ｔｉ系等の活性ろう材５３で接合して形成されている。このセラミックと金属との接合体５０は、金属板５２の外周側面部に活性ろう材５３で形成されるメニスカス５４を有している。
【０００３】
次いで、図４（Ａ）〜（Ｃ）を参照しながら、従来のセラミックと金属との接合体５０の製造方法を説明する。図４（Ａ）に示すように、従来のセラミックと金属との接合体５０の製造方法は、先ず、焼成済のセラミック基板５１の上面に活性ろう材５３用のろう材ペーストを用いて、スクリーン印刷等で金属板５２の大きさより大きいパターン大きさの活性金属ろうパターン５５を形成している。次に、図４（Ｂ）、（Ｃ）に示すように、活性金属ろうパターン５５の上面には、金属板５２を載置し、加熱して活性ろう材５３を溶融した後、冷却してセラミック基板５１と金属板５２を接合するセラミックと金属との接合体５０を作製している。この接合に際しては、活性金属ろうパターン５５が活性ろう材５３の溶融と共に、セラミック基板５１上を金属板５２側に表面張力によって若干引き寄せられるように移動して、金属板５２の外周側面部からセラミック基板５１の表面に濡れ広がった活性ろう材５３で形成されるメニスカス５４を形成している。
【０００４】
従来のセラミックと金属との接合体の製造方法には、セラミックの表面にＭｎ、Ｃｒ又はＴｉのうち１種又は２種以上の金属、あるいはこれらの金属を含む合金を蒸着させた後に、酸素を含んだ雰囲気にて加熱し、その後、Ａｇ−Ｃｕ−Ｔｉ系の活性ろう材を用いて、セラミックと金属とを接合する製造方法が開示されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００５】
【特許文献１】特許第２５４１８３７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セラミックと金属との接合体及びその製造方法は、次のような問題がある。
（１）活性ろう材のセラミックとの濡れ性は、特に、高純度のセラミックの場合には充分でなく、活性ろう材の溶融時の表面張力によってセラミック基板上で移動が発生するので、メニスカス形状が金属板の外周側面部に沿って平面視してリアス式状に不規則となると共に、断面視して裾野状の正常な形状とはかけ離れた凸状に湾曲した形状となり、活性ろう材の凝固後にセラミック基板にクラック等の不具合を発生させる場合がある。
（２）セラミック基板の表面にＭｎ、Ｃｒ又はＴｉのうち１種又は２種以上の金属、あるいはこれらの金属を含む合金の酸化膜層を形成し、この層と活性ろう材を接合させる場合には、セラミックと結合しやすい活性ろう材中のＴｉが直接セラミックと接するのでなく、酸化膜層を介して接合することとなり、セラミックと酸化膜層の接合強度や、酸化膜層と活性ろう材の接合強度の信頼性が充分でなく、層間剥離の危険性を有している。
本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであって、裾野状の正常な形状のメニスカスを金属板外周側面部に有し、セラミック基板にクラック等の発生のない、接合信頼性の高いセラミックと金属との接合体及びその製造方法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】
前記目的に沿う本発明に係るセラミックと金属との接合体は、セラミック基板と金属板が活性金属ろうで接合されるセラミックと金属との接合体において、セラミック基板に形成されるメタライズ膜と、メタライズ膜上に形成される活性ろう材を介して、メタライズ膜のパターン大きさより平面視して小さい大きさを有する金属板がセラミック基板に接合されて有し、活性金属ろう中にはメタライズ膜が拡散していると共に、メタライズ膜のパターン大きさまで活性金属ろうが濡れ広がっている断面視して裾野形状のメニスカスを有する。
ここで、セラミックと金属との接合体は、メタライズ膜がＡｕスパッタ膜、ガラス入りＡｇ−Ｐｔ印刷焼成膜、又は無電解Ｃｕめっき膜からなるのがよい。
また、セラミックと金属との接合体は、活性ろう材がＡｇ−Ｃｕ−Ｔｉ−Ｉｎ系からなり、セラミック基板と金属板が活性ろう材の真空ろう付けで接合されているのがよい。
【０００８】
前記目的に沿う本発明に係るセラミックと金属との接合体の製造方法は、セラミック基板と金属板を活性ろう材を用いて接合するセラミックと金属との接合体の製造方法において、セラミック基板に平面視して金属板の大きさを超えるパターン大きさを有するメタライズ膜を形成する工程と、メタライズ膜上に活性ろう材を介して金属板を載置し、真空中で加熱して活性ろう材中にメタライズ膜を拡散させる活性金属ろうでセラミック基板と金属板を接合する工程を有する。
ここで、セラミックと金属との接合体の製造方法は、活性金属ろうをメタライズ膜のパターン大きさまで濡れ広がらせるのがよい。
【発明の効果】
【０００９】
請求項１及びこれに従属する請求項２又は３記載のセラミックと金属との接合体は、セラミック基板に形成されるメタライズ膜と、メタライズ膜上に形成される活性ろう材を介して、メタライズ膜のパターン大きさより平面視して小さい大きさを有する金属板がセラミック基板に接合されて有し、活性金属ろう中にはメタライズ膜が拡散していると共に、メタライズ膜のパターン大きさまで活性金属ろうが濡れ広がっている断面視して裾野形状のメニスカスを有するので、メタライズ膜が形成されていることによって、溶融した活性ろう材は、セラミック基板表面で濡れやすくなっており、活性ろう材の溶融時の表面張力による移動が起こりにくくなって、メニスカスの稜線が裾野形状の正常な曲線形状となり、平面視して金属板外周側面部全周にわたって略均一に形成されて、熱応力を低減でき、セラミック基板にクラック等の発生を防止することができる。また、メタライズ膜は、厚さが薄いので、溶融した活性ろう材中にメタライズ膜が拡散し易いと同時に、Ｔｉ等の活性金属がセラミック基板表面に集まって活性ろう材とセラミック基板との接着層を形成し、メタライズ膜が存在しない場合と同程度の接合強度を確保してセラミック基板と金属板の接合信頼性を向上させた接合体とすることができる。
【００１０】
特に、請求項２記載のセラミックと金属との接合体は、メタライズ膜がＡｕスパッタ膜、ガラス入りＡｇ−Ｐｔ印刷焼成膜、又は無電解Ｃｕめっき膜からなるので、メタライズ膜を活性ろう材中に容易に拡散させた活性金属ろうとすることができ、セラミック基板と金属板の接合強度を向上させた接合体とすることができる。
【００１１】
また、特に、請求項３記載のセラミックと金属との接合体は、活性ろう材がＡｇ−Ｃｕ−Ｔｉ−Ｉｎ系からなり、セラミック基板と金属板が活性ろう材の真空ろう付けで接合されているので、メタライズ膜がＡｕスパッタ膜、ガラス入りＡｇ−Ｐｔ印刷焼成膜、又は無電解Ｃｕめっき膜であっても、親和性の高い活性ろう材であり、容易に活性ろう材中にメタライズ膜を拡散させた活性金属ろうで接合する接合体とすることができる。
【００１２】
請求項４及びこれに従属する請求項５記載のセラミックと金属との接合体の製造方法は、セラミック基板に平面視して金属板の大きさを超えるパターン大きさを有するメタライズ膜を形成する工程と、メタライズ膜上に活性ろう材を介して金属板を載置し、真空中で加熱して活性ろう材中にメタライズ膜を拡散させる活性金属ろうでセラミック基板と金属板を接合する工程を有するので、メタライズ膜に酸化膜を形成させることなく活性ろう材中にメタライズ膜を拡散させることができ、金属板より大きいメタライズ膜とで、なだらかな裾野状の正常なメニスカスを形成するセラミックと金属との接合体の製造方法を提供できる。
【００１３】
特に、請求項５記載のセラミックと金属との接合体の製造方法は、活性金属ろうをメタライズ膜のパターン大きさまで濡れ広がらせるので、金属板の外周側面部が平面視してリアス式状ではなく、断面視してなだらかな裾野状の正常なメニスカスを形成するセラミックと金属との接合体の製造方法を提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
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（Ａ）、（Ｂ）はそれぞれ本発明の一実施の形態に係るセラミックと金属との接合体の説明図、図２（Ａ）〜（Ｄ）はそれぞれ同セラミックと金属との接合体の製造方法の説明図である。
【００１５】
図１（Ａ）、（Ｂ）を参照しながら、本発明の一実施の形態に係るセラミックと金属との接合体１０を説明する。ここで、図１（Ａ）はセラミックと金属との接合体１０の一部平面図、図１（Ｂ）は図１（Ａ）におけるＡ−Ａ’線縦断面図である。
図１（Ａ）、（Ｂ）に示すように、本発明の一実施の形態に係るセラミックと金属との接合体１０は、セラミック基板１１と、金属板１２とを、Ｔｉ等の活性金属を含む活性金属ろう１３で接合して形成されている。このセラミックと金属との接合体１０に使用されるセラミック基板１１には、例えば、ジルコニア入りアルミナセラミックや、窒化アルミニウムセラミックや、窒化珪素セラミック等の熱伝導性のよく、例えば、高熱を発生する半導体素子を実装しても、半導体素子からの高熱を速やかに熱伝導させることができるセラミックを板状にしたものが用いられている。また、セラミックと金属との接合体１０に使用される金属板１２には、例えば、Ｃｕや、Ｃｕ合金や、Ｃｕと他の金属との接合体や、Ｃｕと他の金属との複合体等の熱伝導性に優れた金属を板状にしたものが用いられている。
【００１６】
セラミックと金属との接合体１０は、セラミック基板１１に、メタライズ膜１５（図２（Ａ）参照）のパターン大きさより平面視して小さい大きさを有する金属板１２が、予め、セラミック基板１１の表面に形成されているメタライズ膜１５と、このメタライズ膜１５上に形成されている活性ろう材１６（図２（Ｂ）参照）を介して加熱されることで、活性ろう材１６を溶融した後、冷却させた活性金属ろう１３で接合されて有している。このセラミックと金属との接合体１０は、活性金属ろう１３中に、上記のメタライズ膜１５が加熱によって拡散していると共に、メタライズ膜１５のパターン大きさまで活性金属ろう１３が濡れ広がっている断面視して稜線がなだらかな裾野形状となるメニスカス１４を有している。セラミック基板１１に予め形成されるメタライズ膜１５は、薄い膜で形成されているので、溶融した活性ろう材１６中に容易に拡散させることができる共に、メタライズ膜１５によって、溶融した活性ろう材１６がセラミック基板１１表面で濡れやすく、活性ろう材１６の溶融時の表面張力による移動を阻害するように作用し、平面視して金属板１２外周側面部全周にわたって略均一に稜線が裾野形状の正常な曲線形状のメニスカス１４を形成することができる。従って、セラミックと金属との接合体１０は、セラミック基板１１と活性金属ろう１３のメニスカス１４の裾野端部周辺で発生する熱応力を低減でき、セラミック基板１１にクラック等の発生を防止することができる。また、セラミックと金属との接合体１０は、メタライズ膜１５の厚さが薄いので、溶融した活性ろう材１６中にメタライズ膜１４を拡散させ易いと同時に、Ｔｉ等の活性金属がセラミック基板１１との界面にも形成されて活性金属ろう１３の接着層を形成し、メタライズ膜１５が存在しない場合と同程度の接合強度を確保することができる。
【００１７】
セラミックと金属との接合体１０に用いられるメタライズ膜１５は、Ａｕスパッタ膜、ガラス入りＡｇ−Ｐｔ印刷焼成膜、又は無電解Ｃｕめっき膜からなるのがよい。これらのいずれのメタライズ膜１５も薄い膜厚さにすることができると共に、活性ろう材１６中に容易に拡散させることができる金属成分であるので、セラミックと金属との接合体１０は、良好なメニスカス１４を有する接合強度の高い接合体とすることができる。なお、Ａｕスパッタ膜は、厚さを８００オングストローム程度の薄いメタライズ膜１５とすることができ、容易に活性ろう材１６中に拡散させることができる。また、ガラス入りＡｇ−Ｐｔ印刷焼成膜は、Ａｇ−Ｐｔペーストをセラミック基板１１に印刷した後、大気中８００℃程度で焼成するメタライズ膜１５とするが、活性ろう材１６の溶融時の温度が８００℃程度であるので再度メタライズ膜１５を溶融させながら活性ろう材１６中に拡散させることができる。更に、無電解Ｃｕめっき膜は、厚さを１μｍ程度の薄いメタライズ膜１５とすることができ、容易に活性ろう材１６中に拡散させることができる。
【００１８】
セラミックと金属との接合体１０に用いられる活性ろう材１６は、Ａｇ−Ｃｕ−Ｔｉ−Ｉｎ系からなり、セラミック基板１１と金属板１２は、この活性ろう材１６を真空中で溶融する真空ろう付けで接合されているのがよい。活性ろう材１６がＡｇ−Ｃｕ−Ｔｉ−Ｉｎ系からなることは、Ａｕスパッタ膜、ガラス入りＡｇ−Ｐｔ印刷焼成膜、又は無電解Ｃｕめっき膜といずれも親和性を高くすることができるので、活性ろう材１６中にそれぞれ容易に拡散させることができる。
【００１９】
次いで、図２（Ａ）〜（Ｄ）を参照しながら、本発明の一実施の形態に係るセラミックと金属との接合体１０の製造方法を説明する。
図２（Ａ）に示すように、ジルコニア入りアルミナセラミックや、窒化アルミニウムセラミックや、窒化珪素セラミック等からなる焼成済みのセラミック基板１１には、平面視した場合にＣｕや、Ｃｕ合金や、Ｃｕと他の金属との接合体や、Ｃｕと他の金属との複合体等からなる板状の金属板１２の大きさを超えるパターン大きさを有するメタライズ膜１５を、Ａｕのスパッタリング法や、Ａｇ−Ｐｔペーストの厚膜印刷焼成法や、Ｃｕの無電解めっき法等で形成する。
【００２０】
次に、図２（Ｂ）に示すように、メタライズ膜１５上には、Ａｇ−Ｃｕ−Ｔｉ−Ｉｎ系等からなる活性ろう材１６をスクリーン印刷法等でメタライズ膜１５のパターン大きさと実質的に同じパターン大きさで形成する。そして、図２（Ｃ）に示すように、メタライズ膜１５上には、更に、この活性ろう材１６を介して金属板１２を載置し、例えば、１０−５Ｔｏｒｒの真空中で約８００℃程度の温度で加熱している。この加熱によって、図２（Ｄ）に示すように、セラミック基板１１と金属板１２は、溶融した活性ろう材１６中にメタライズ膜１５を拡散させた活性金属ろう１３で接合してセラミックと金属との接合体１０を作製している。
【００２１】
このセラミックと金属との接合体１０の製造方法では、活性金属ろう１３を金属板１２の外周側面部からメタライズ膜１５のパターン大きさまで濡れ広がらせるのがよい。この方法で容易に形成された裾野形状のメニスカス１４によって、セラミック基板１１には、熱応力によるクラックの発生を防止することができる。
【産業上の利用可能性】
【００２２】
本発明のセラミックと金属との接合体及びその製造方法は、パワーモジュール用等の半導体素子が実装され、半導体素子からの高発熱を速やかに放熱させるための高放熱特性を必要として、発熱に対する高信頼性の確保が要求される各種民生機器用や、自動車、電気自動車等の車載用等として、及びそれらを作製する方法として多く用いられている。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】（Ａ）、（Ｂ）はそれぞれ本発明の一実施の形態に係るセラミックと金属との接合体の説明図である。
【図２】（Ａ）〜（Ｄ）はそれぞれ同セラミックと金属との接合体の製造方法の説明図である。
【図３】（Ａ）、（Ｂ）はそれぞれ従来のセラミックと金属との接合体の説明図である。
【図４】（Ａ）〜（Ｃ）はそれぞれ同セラミックと金属との接合体の製造方法の説明図である。
【符号の説明】
【００２４】
１０：セラミックと金属との接合体、１１：セラミック基板、１２：金属板、１３：活性金属ろう、１４：メニスカス、１５：メタライズ膜、１６：活性ろう材
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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