(57)【要約】【課題】共晶融体を生成しない場合でも金属部材とセラミックス基板とを直接接合することができ且つ溶融金属を使用することなく金属部材とセラミック基板とを直接接合することができる、金属−セラミック接合体およびその製造方法を提供する。【解決手段】スペーサ１２を介してパレット１０上に、セラミックス基板１６の両面に金属部材１４を配置したものを複数組載せ、さらにその上にスペーサ１２を介しておもり１８を載せた後、真空炉内で加熱することにより、金属部材１４をセラミックス基板１６の両面に直接接合する。【選択図】　　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
銅およびニッケルを含む合金からなる金属部材をセラミックス基板の少なくとも一方の面に直接接合する金属−セラミックス接合体の製造方法において、真空中において前記合金の固相線以上且つ液相線以下の温度に加熱することにより、前記金属部材を前記セラミックス基板に直接接合することを特徴とする、金属−セラミックス接合体の製造方法。
【請求項２】
前記合金が全率固溶型の合金であることを特徴とする、請求項１に記載の金属−セラミックス接合体の製造方法。
【請求項３】
前記合金がマンガンを含むことを特徴とする、請求項１または２に記載の金属−セラミックス接合体の製造方法。
【請求項４】
前記合金が、１．０〜４．０重量％のニッケルと、１０．０〜１３．０重量％のマンガンとを含み、残部が銅と不可避的元素であることを特徴とする、請求項３に記載の金属−セラミックス接合体の製造方法。
【請求項５】
前記合金の固相線以上且つ液相線以下の温度が、前記合金の固相線より５０℃高い温度以下の温度であることを特徴とする、請求項１乃至４のいずれかに記載の金属−セラミックス接合体の製造方法。
【請求項６】
前記合金がマンガニン合金であり、前記合金の固相線以上且つ液相線以下の温度が、９６０〜９９０℃の温度であることを特徴とする、請求項１乃至４のいずれかに記載の金属−セラミックス接合体の製造方法。
【請求項７】
前記金属部材の周縁部に前記金属部材の厚さよりも薄い薄板部を設けることを特徴とする、請求項１乃至６のいずれかに記載の金属−セラミックス接合体の製造方法。
【請求項８】
前記薄板部の厚さが０．２ｍｍ以下であることを特徴とする、請求項７に記載の金属−セラミックス接合体の製造方法。
【請求項９】
前記金属部材が予め所定の形状に加工されていることを特徴とする、請求項１乃至８のいずれかに記載の金属−セラミックス接合体の製造方法。
【請求項１０】
前記金属部材の全面または一部の面にめっきを施すことを特徴とする、請求項１乃至９のいずれかに記載の金属−セラミックス接合体の製造方法。
【請求項１１】
前記金属−セラミックス接合体が抵抗用電子部材であることを特徴とする、請求項１乃至１０のいずれかに記載の金属−セラミックス接合体の製造方法。
【請求項１２】
前記セラミックス基板の少なくとも一方の面に前記金属部材を配置して、スペーサを介して支持板上に載せ、その上面にスペーサを介しておもりを載せ、真空炉内において加熱して前記セラミックス基板と前記金属部材を直接接合することを特徴とする、請求項１乃至１１のいずれかに記載の金属−セラミックス接合体の製造方法。
【請求項１３】
セラミックス基板と、このセラミックス基板の少なくとも一方の面に直接接合された銅およびニッケルを含む合金からなる金属部材とからなる金属−セラミックス接合体において、前記金属部材の表面粗さが１０μｍ以下であることを特徴とする、金属−セラミックス接合体。
【請求項１４】
前記合金がマンガンを含むことを特徴とする、請求項１３に記載の金属−セラミックス接合体。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、セラミックス基板とこのセラミックス基板に接合された金属部材とからなる金属−セラミックス接合体およびその製造方法に関し、特に抵抗素子としての銅合金からなる金属部材がセラミックス基板に接合されたシャント抵抗素子などの抵抗用電子部材に使用される金属−セラミックス接合体およびその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、回路の電流を検出するシャント抵抗素子などの抵抗用電子部材では、予めプレス加工などにより高精度に加工したシート状の抵抗体としてのマンガニン合金板などの合金板が、銀ろうなどの活性金属を含む金属系のろう材を用いたろう接によって、アルミナ基板などのセラミック基板に接合されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
一方、ろう材などの中間材を使用しないで金属板とセラミックス基板を直接接合する方法として、不活性雰囲気中において金属板とセラミックス基板をその共晶温度と金属の融点との間の温度に加熱して、金属板とセラミックス基板との間に共晶融体を生成させることにより、金属板とセラミックス基板を直接接合するいわゆる共晶接合法（例えば、特許文献２参照）や、溶融金属をセラミックス基板に直接接触させて接合するいわゆる溶湯接合法（例えば、特許文献３参照）などが知られている。
【０００４】
【特許文献１】
特開平１１−９７２０３号公報（段落番号０００７）
【特許文献２】
特開昭５２−３７９１４号公報（５頁、左下欄１３行〜右下欄１行）
【特許文献３】
特開平７−１９３３５８号公報（段落番号００１５〜００１６）
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、活性金属を含むろう材を使用するろう接では、活性金属として銀などの貴金属の材料を使用する必要があり、製造コストが比較的高くなるという問題もある。また、合金板とろう材との合金化により抵抗が変わるため、抵抗体用電子部材として使用するには好ましくない場合がある。
【０００６】
また、共晶接合法は、共晶融体を生成する金属板とセラミックス基板とを接合する場合に限られ、また、セラミックス中の酸素を接合材として利用する場合が多く、金属と非酸化物系セラミックスとを接合するのは困難である。
【０００７】
さらに、溶湯接合法では、溶融金属をセラミックス基板に直接接触させることにより金属板とセラミックス基板とを接合するため、細かい抵抗のような形状の電子材料を製造するのが困難な場合がある。
【０００８】
したがって、本発明は、このような従来の問題点に鑑み、共晶融体を生成しない場合でも金属部材とセラミックス基板とを直接接合することができ且つ溶融金属を使用することなく金属部材とセラミック基板とを直接接合することができる、金属−セラミック接合体およびその製造方法を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、上記課題を解決するために鋭意研究した結果、銅およびニッケルを含む合金からなる金属部材をセラミックス基板の少なくとも一方の面に直接接合する金属−セラミックス接合体の製造方法において、真空中において合金の固相線以上且つ液相線以下の温度に加熱することにより、金属部材とセラミックス基板とを直接接合することができることを見出し、本発明を完成するに至った。
【００１０】
すなわち、本発明による金属−セラミックス接合体の製造方法は、銅およびニッケルを含む合金からなる金属部材をセラミックス基板の少なくとも一方の面に直接接合する金属−セラミックス接合体の製造方法において、真空中において合金の固相線以上且つ液相線以下の温度に加熱することにより、金属部材を前記セラミックス基板に直接接合することを特徴とする。
【００１１】
この金属−セラミックス接合体の製造方法において、合金が全率固溶型の合金であるのが好ましい。また、合金がマンガンを含んでもよい。この場合、合金が、１．０〜４．０重量％のニッケルと、１０．０〜１３．０重量％のマンガンとを含み、残部が銅と不可避的元素であるのが好ましい。
【００１２】
合金の固相線以上且つ液相線以下の温度は、合金の固相線より５０℃高い温度以下の温度であるのが好ましい。また、合金がマンガニン合金の場合には、合金の固相線以上且つ液相線以下の温度が、９６０〜９９０℃の温度であるのが好ましい。
【００１３】
また、金属部材の周縁部に金属部材の厚さよりも薄い薄板部を設けるのが好ましい。この薄板部の厚さは０．２ｍｍ以下であるのが好ましい。また、金属部材が予め所定の形状に加工されているのが好ましい。さらに、金属部材の全面または一部の面にめっきを施してもよい。また、金属−セラミックス接合体を抵抗用電子部材として使用することができる。
【００１４】
また、上記の金属−セラミックス接合体の製造方法において、セラミックス基板の少なくとも一方の面に金属部材を配置して、スペーサを介して支持板上に載せ、その上面にスペーサを介しておもりを載せ、真空炉内において加熱してセラミックス基板と金属部材を直接接合するのが好ましい。
【００１５】
また、本発明による金属−セラミックス接合体は、セラミックス基板と、このセラミックス基板の少なくとも一方の面に直接接合された銅よびニッケルを含む合金からなる金属部材とからなる金属−セラミックス接合体において、金属部材の表面粗さが１０μｍ以下であることを特徴とする。この金属−セラミックス接合体において、合金がマンガンを含んでもよい。
【００１６】
【発明の実施の形態】
本発明による金属−セラミックス接合体の製造方法の実施の形態は、銅およびニッケルを含む合金からなる金属部材をセラミックス基板の少なくとも一方の面に直接接合する金属−セラミックス接合体の製造方法において、真空中において合金の固相線以上且つ液相線以下の温度に加熱することにより、金属部材とセラミックス基板とを直接接合することを特徴とする。
【００１７】
銅およびニッケルを含む合金としては、電流検出などに使用されるマンガニン合金やコンスタンタン合金が好ましい。これらの合金は、全率固溶体であり、体積抵抗率が最大で抵抗温度係数が最小の組成を選んだものであり、精密抵抗用の合金として好ましい。
【００１８】
セラミックスとしては、酸化物系セラミックスであるアルミナやジルコニアを主成分とするセラミックス、非酸化物系セラミックスである窒化アルミや窒化珪素を主成分とする窒化物セラミックス、炭化物系セラミックスであるＳｉＣなどを主成分とするセラミックスを使用することができ、特に酸化物系セラミックスに限定されない。
【００１９】
金属部材とセラミックス基板の接合は、セラミックス基板の少なくとも一方の面に金属部材を配置して、スペーサを介して支持板上に載せ、その上面にスペーサを介しておもりを載せた後、真空炉内において行うことができる。例えば、図１に示すように、スペーサ１２を介してパレット１０上に、セラミックス基板１６の両面に金属部材１４を配置したものを複数組載せ、さらにその上にスペーサ１２を介しておもり１８を載せた後、真空炉内で加熱することにより、セラミックス基板１６の両面に金属部材１４を直接接合することができる。
【００２０】
また、金属部材とセラミックス基板の接合は、合金の固相線以上且つ液相線以下の温度に加熱することにより行われるが、特に精密抵抗用素子などに使用する金属−セラミックス接合体を製造する場合には、合金の固相線以上の温度で且つ合金の固相線より５０℃高い温度以下の温度で行うのが好ましい。
【００２１】
この接合のメカニズムは明確ではないが、固液共存相において液相の発生によりセラミックス表面が濡れて接合に至ると考えられる。したがって、金属−セラミックス接合体を電子材料として使用する場合には、金属部材の表面形状を保つ必要があり、より固相線に近い温度で過剰に液相を発生させないことが必要であるので、合金の固相線以上の温度で且つ合金の固相線より５０℃高い温度以下の温度に制御することが好ましい。
【００２２】
また、金属部材とセラミックス基板の接合は、１０−４ｔｏｒｒ以上の高真空で行われ、また、ＡｌＮ基板などの非酸化物系セラミックス基板に金属部材を直接接合するため、従来の共晶接合法と異なり酸素の関与はほとんどないと考えられる。また、真空中において接合するため、接合後の合金板の表面は酸化しておらず、その後のめっきの酸化被膜の除去工程などが不要になるという利点がある。また、共晶接合法などによる不活性ガス中における直接接合では、接合した金属部材の表面が膨れる接合欠陥、いわゆる「膨れ」と呼ばれる不良が発生し易いことが知られているが、真空中で接合する本発明の方法では、膨れの原因となるガスが存在しないため、膨れ不良は起こり難い。
【００２３】
また、精密抵抗用電子部材の材料であるマンガニン合金からなる金属部材を使用する場合には、接合温度の好ましい範囲は９６０〜９９０℃であり、更に好ましい範囲は９６０〜９８０℃である。例えば、２重量％のニッケルと１２重量％のマンガンを含み且つ残部が銅と不可避的元素であるマンガニン合金の場合には、固相線の温度が約９６０℃で、液相線の温度が約１０００℃であり、固相線付近の狭い温度範囲で制御しなければ金属部材の平滑な表面を保つことが困難である。上記の接合温度の範囲で接合すると、マンガニン合金板の表面粗さＲｚが１０μｍ以下になり、アセンブリ工程における半田漏れ性、チップ搭載性、ワイヤボンディング特性も良好になり、電子材料用として好ましい接合体を得ることができる。一方、上記の接合温度の範囲よりも高い温度で接合すると、半田漏れ性などの特性の劣化の原因となる場合がある。
【００２４】
マンガニン合金からなる金属部材の場合には、その板厚が０．４ｍｍ未満であるのが好ましく、０．２ｍｍ以下であるのが更に好ましい。板厚が０．４ｍｍ以上になると、金属部材とセラミックス基板の接合において、それらの熱膨張係数の差により発生する応力によってセラミックス基板が破壊する場合があるからである。また、この熱応力を低減するために、金属部材とセラミックス基板を接合した後に徐冷するのが好ましい。
【００２５】
マンガニン合金からなる金属部材の厚さが０．４ｍｍ以上の場合には、その金属部材の端部に薄板部を設けるのが好ましく、その薄板部の厚さが０．２ｍｍ以下であるのが好ましい。マンガニン合金など合金は、銅などの純金属に比べて０．２％耐力が大きく、セラミックス基板に加わる残留応力も大きいので、信頼性について十分配慮する必要があり、薄板部により応力を緩和する必要があるからである。
【００２６】
金属部材を予め所定の形状に加工しておくと、後加工を行う必要がないため、プレスやエッチングにより金属部材を所定の形状に加工した後に、金属部材をセラミックス基板に接合するのが好ましい。さらに、半田付けを容易にするとともに金属部材の経時変化を防止するために、金属部材の全面または一部の面にＮｉめっきやＮｉ合金めっきなどのめっきを施してもよい。このめっきは、電解めっきまたは無電解めっきにより行うことができる。
【００２７】
また、セラミックス基板の表裏に別の種類の金属部材を接合してもよい。例えば、予め片面に銅部材を直接接合法により接合しておき、他方の面にＣｕ−Ｎｉ−Ｍｎ合金からなる部材を接合してもよい。この場合、銅部材を放熱板として利用することができる。
【００２８】
【実施例】
以下、本発明による金属−セラミックス接合体およびその製造方法の実施例について詳細に説明する。
【００２９】
［実施例１］
４５ｍｍ×６７ｍｍ×０．６３５ｍｍの大きさの９６％アルミナからなるセラミックス基板の両面に、２０ｍｍ×３０ｍｍ×０．２ｍｍの大きさの２Ｎｉ−１２Ｍｎ−Ｃｕ合金からなるマンガニン板を直接配置したものを、ＡｌＮからなるスペーサを介して複数積層し、真空炉内において最高温度９７５℃で３０分間加熱した後、冷却して金属−セラミックス接合体を得た。なお、スペーサと合金との接合を防止するため、離型材としてＢＮ粉を塗布したスペーサを使用した。
【００３０】
このようにして得られた金属−セラミックス接合体についてピール強度を測定したところ、ピール強度は３ｋｇ／ｃｍ以上であり、電子部材として十分に強固な接合が得られたことがわかった。また、マンガニン板の変質はなく、精密抵抗体として使用可能な電子部品を作製することができた。さらに、膨れ不良の発生もなかった。
【００３１】
［実施例２］
マンガニン板の大きさが２０ｍｍ×３０ｍｍ×０．１ｍｍである以外は、実施例１と同様の方法により、金属−セラミックス接合体を得た。このようにして得られた金属−セラミックス接合体についてピール強度を測定したところ、ピール強度は３ｋｇ／ｃｍ以上であり、電子部材として十分に強固な接合が得られたことがわかった。また、マンガニン板の変質はなく、また、接合されたマンガニン板の表面粗さＲｚを測定したところ、６．９μｍであった。さらに、この金属−セラミックス接合体の表面にＮｉ−Ｐ無電界めっきを施し、半田漏れ性およびワイヤボンディング性を調べたところ、電子部品としての使用に問題はなかった。また、膨れ不良の発生もなかった。
【００３２】
［実施例３］
マンガニン板の大きさが２０ｍｍ×３０ｍｍ×０．０５ｍｍである以外は、実施例１と同様の方法により、金属−セラミックス接合体を得た。このようにして得られた金属−セラミックス接合体についてピール強度を測定したところ、ピール強度は３ｋｇ／ｃｍ以上であり、電子部材として十分に強固な接合が得られたことがわかった。また、マンガニン板の変質はなく、精密抵抗体として使用可能な電子部品を作製することができた。さらに、膨れ不良の発生もなかった。
【００３３】
［実施例４］
セラミックス基板として窒化アルミ基板を使用した以外は、実施例１と同様の方法により、金属−セラミックス接合体を得た。このようにして得られた金属−セラミックス接合体についてピール強度を測定したところ、ピール強度は３ｋｇ／ｃｍ以上であり、電子部材として十分に強固な接合が得られたことがわかった。また、マンガニン板の変質はなく、精密抵抗体として使用可能な電子部品を作製することができた。さらに、膨れ不良の発生もなかった。
【００３４】
［実施例５］
セラミックス基板として窒化アルミ基板を使用した以外は、実施例２と同様の方法により、金属−セラミックス接合体を得た。このようにして得られた金属−セラミックス接合体についてピール強度を測定したところ、ピール強度は３ｋｇ／ｃｍ以上であり、電子部材として十分に強固な接合が得られたことがわかった。また、マンガニン板の変質はなく、精密抵抗体として使用可能な電子部品を作製することができた。さらに、膨れ不良の発生もなかった。
【００３５】
［実施例６］
セラミックス基板として窒化アルミ基板を使用した以外は、実施例３と同様の方法により、金属−セラミックス接合体を得た。このようにして得られた金属−セラミックス接合体についてピール強度を測定したところ、ピール強度は３ｋｇ／ｃｍ以上であり、電子部材として十分に強固な接合が得られたことがわかった。また、マンガニン板の変質はなく、精密抵抗体として使用可能な電子部品を作製することができた。さらに、膨れ不良の発生もなかった。
【００３６】
［実施例７］
セラミックス基板としてジルコニアを含むアルミナ基板を使用した以外は、実施例１と同様の方法により、金属−セラミックス接合体を得た。このようにして得られた金属−セラミックス接合体についてピール強度を測定したところ、ピール強度は３ｋｇ／ｃｍ以上であり、電子部材として十分に強固な接合が得られたことがわかった。また、マンガニン板の変質はなく、精密抵抗体として使用可能な電子部品を作製することができた。さらに、膨れ不良の発生もなかった。
【００３７】
［実施例８］
厚さ０．２ｍｍのマンガニン板をシャント抵抗用としてエッチングにより所定の形状に加工した後に、アルミナ基板上に直接配置し、最高温度９８０℃で１０分間加熱した以外は、実施例１と同様の方法により、金属−セラミックス接合体を得た。このようにして得られた金属−セラミックス接合体についてピール強度を測定したところ、ピール強度は３ｋｇ／ｃｍ以上であり、電子部材として十分に強固な接合が得られたことがわかった。また、マンガニン板の変質はなく、精密抵抗体として使用可能な電子部品を作製することができた。さらに、膨れ不良の発生もなかった。
【００３８】
［実施例９］
厚さ０．２ｍｍのマンガニン板をシャント抵抗用としてエッチングにより所定の形状に加工した後、ＡｌＮ基板上に直接配置し、最高温度９８０℃で１０分間加熱した以外は、実施例１と同様の方法により、金属−セラミックス接合体を得た。このようにして得られた金属−セラミックス接合体についてピール強度を測定したところ、ピール強度は３ｋｇ／ｃｍ以上であり、電子部材として十分に強固な接合が得られたことがわかった。また、マンガニン板の変質はなく、精密抵抗体として使用可能な電子部品を作製することができた。さらに、膨れ不良の発生もなかった。
【００３９】
［実施例１０］
２０ｍｍ×３０ｍｍ×０．４ｍｍのマンガニン板の外周１ｍｍの部分をエッチングにより厚さ０．２ｍｍに加工した後、アルミナ基板上に直接配置し、最高温度９８０℃で１０分間加熱した以外は、実施例１と同様の方法により、金属−セラミックス接合体を得た。このようにして得られた金属−セラミックス接合体についてピール強度を測定したところ、ピール強度は３ｋｇ／ｃｍ以上であり、電子部材として十分に強固な接合が得られたことがわかった。また、マンガニン板の変質はなく、精密抵抗体として使用可能な電子部品を作製することができた。さらに、膨れ不良の発生もなかった。
【００４０】
［比較例］
マンガニン板とアルミナ基板との間に、活性金属としてチタンを含有する銀ろうを配置し、接合温度を８５０℃として真空中で接合する以外は、実施例５と同様の方法により、金属−セラミックス接合体を得た。このようにして得られた金属−セラミックス接合体についてピール強度を測定したところ、ピール強度は５ｋｇ／ｃｍ以上であり、電子部材として十分に強固な接合が得られたことがわかった。しかし、ろう材成分がマンガニン板に拡散してマンガニン板が変質し、抵抗体として使用することができなかった。
【００４１】
【発明の効果】
上述したように、本発明によれば、共晶融体を生成しない場合でも金属部材とセラミックス基板とを直接接合することができるとともに、溶融金属を使用することなく金属部材とセラミック基板とを直接接合することができる。また、真空中で接合することから、膨れ不良の発生を抑制することもできる。また、本発明の方法により製造された金属−セラミックス接合体は、電子部材として十分に強固に接合されるので、汎用インバータの回路の電流測定に利用されるシャント抵抗や、混成集積回路における電流検出素子や、ひずみゲージ式変換器などの温度補償回路などに使用することができる。さらに、接合した金属部材の表面粗さＲｚが１０μｍ以下であるため、半田漏れ性やワイヤボンディング性などのアセンブリ工程で必要とされる特性を有する電子部品を製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による金属−セラミックス接合体の製造方法によりセラミックス基板の両面に金属部材を直接接合する工程を示す側面図。
【符号の説明】
１０　パレット
１２　スペーサ
１４　金属部材
１６　セラミック基板
１８　おもり
【図１】
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