JPH04238877A - AlN部材とCu部材の接合体とその製造方法 - Google Patents

AlN部材とCu部材の接合体とその製造方法

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JPH04238877A
JPH04238877A JP1148191A JP1148191A JPH04238877A JP H04238877 A JPH04238877 A JP H04238877A JP 1148191 A JP1148191 A JP 1148191A JP 1148191 A JP1148191 A JP 1148191A JP H04238877 A JPH04238877 A JP H04238877A
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JP
Japan
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aln
foil
bonding
bonded
intermediate layer
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JP1148191A
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English (en)
Inventor
Kazuhiro Ogawa
和博 小川
Yuichi Komizo
裕一 小溝
Minoru Suenaga
末永 實
Hitoshi Abe
安部 仁志
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Nippon Steel Corp
Proterial Ltd
Original Assignee
Sumitomo Metal Industries Ltd
Sumitomo Special Metals Co Ltd
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、パワー半導体モジュー
ル等の電子回路形成用セラミック基板等に適用されるA
lN 部材とCu部材との接合体およびその製造方法に
関する。
【0002】
【従来の技術】電子回路等においては、通常、基板とな
るセラミックスと、導体等の回路および素子との組立て
のための接合が行われるが、いずれの場合にあってもセ
ラミックスと金属との接合が問題となる。従来技術にお
けるこれらセラミックスと金属との接合に関しては多く
の研究が行われているが、その要点は■接合界面での濡
れの確保、■接合界面に生成する層の制御、■熱応力に
よる割れの防止が挙げられる。酸化物系セラミックス(
たとえばAl2O3 を主成分とするもの)では、これ
らの課題がかなり解決されている。しかし、窒化物系セ
ラミックスでは、金属との接合界面での濡れの確認が容
易でなく、また金属との熱膨張差も大きくなるため熱応
力による割れも発生しやすくなるという問題が存在する
【0003】一方、電子回路セラミックス基板として、
大電力化を図るためには、従来用いられているAl2O
3 系材料に比べ放熱効率の優れた AlN(窒化物系
)材料を用いた基板の開発が望まれている。特に、大型
電子回路装置における放熱効率の改善は今日強く求めら
れているところである。AlN 基板とCuよりなる回
路との接合技術としては、AlNとCuとの間にTi層
を介在せしめ加熱して接合する方法が、特開昭60−1
77634号公報に開示されている。この方法では、T
i−Cuの共晶とAlN との濡れを利用しており、T
iの介在手段としては、■Ti箔の介在、■蒸着、メッ
キ、スパッタリングによるTi堆積、等が示されている
。また、これとは別に特開昭60−32343 号公報
には前記Tiの他にZr等の活性金属と銅の合金層を設
けた基板が開示されている。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前記の
公知方法ではAlN 基板とCu導体回路の間にTiを
介在させて約1000℃に加熱して接合する必要があり
、このため接合界面に生ずる熱応力が大きく、接合界面
での反応層厚さの制御のバラツキによっては、割れが発
生するという欠点があった。また、熱ひずみによる変形
も大きくなる。上記の特開昭60−177634号公報
および特開昭−32343 号公報の詳細な説明には約
880 〜1082℃の加熱でよい旨の記載がある。前
記の点について、本発明者らが追試検討したところによ
れば、880 ℃付近では接合できず、該公報の実施例
にあるように1000℃(具体的には990 ℃)付近
でないと接合はできないことが確認された。また、該公
報の技術では10分間程の短時間での接合は不可能であ
る。
【0005】前述した従来技術の問題点として、例えば
次の点が挙げられる。 (1)Cu導体回路と接合するAlN 基板の濡れ確保
を短時間に実現するためには、約1000℃での加熱接
合が必要である。その結果、接合界面での熱応力が大き
くなり、接合界面で割れが発生しやすく(反応層厚さに
対する許容限界が小さい)、さらに、熱ひずみによる変
形も大きいこと。 (2)共晶反応層を形成させるために必要なTiの介在
方法が非効率的であること。本発明は上記のような従来
技術における問題点を解消し、電子回路に使用するAl
N 部材とCu部材との確実な接合体およびその製造方
法を提供することを目的としている。
【0006】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
、本発明者らは鋭意研究を重ねた結果、電子回路セラミ
ックス基板としてのAlN 基板に対し、回路パターン
Cu部材を接合するにあたり、両者の間にTi、Zrを
複合介在させることによりCu−Ti−Zrの低温の三
元共晶を形成させ、低温での接合が可能となることを知
見し、本発明を完成するに至った。さらに、Ti、Zr
に対しNiを添加すると反応層の熱膨張係数を小さく(
AlN との差を小さく)し、熱応力低減に有効である
ことがわかった。すなわち、本発明は、電子回路用のA
lN 部材とCu部材の接合体であって、前記AlN 
部材とCu部材との間に重量%でZr:10〜90%お
よびTi:10〜90%を含有し残部Cuから成る中間
層を介在させて成ることを特徴とする電子回路用AlN
 部材とCu部材の接合体である。
【0007】前記中間層はさらに重量%でNi:30%
以下を含んでいてもよい。また別の面からは、本発明は
、Cu部材の表面に実質的にTiからなる箔体およびZ
rからなる箔体を重ねた後、圧延接合させて、さらに、
前記箔体側にAlN 部材を重ねて加熱接合することを
特徴とする電子回路におけるAlN 部材とCu部材の
接合体の製造方法である。Cu部材からのCuと箔体の
Ti、Zrが相互に拡散してCu−Ti−Zr三元共晶
の中間層を形成する。上記Tiからなる箔体およびZr
からなる箔体にさらに、実質的にCuからなる箔体およ
びNiからなる箔体の1種以上の箔体を重ねた後、Al
N 部材とCu部材を圧延接合してもよい。これら箔体
の積層順位は特に制限されないが、Cu部材側からNi
箔体、Cu箔体、Zr箔体、そしてTi箔体をこの順位
で積層するのが好ましい。
【0008】
【作用】本発明において接合体の構成材料および製造方
法等の条件を限定した理由は次のとおりである。 (1)Cuは経済性、導電性、加工性等すべての点から
みて回路基板用導体の部材として最適であるから、これ
を採用する。 (2)AlN は、Al2O3 に比べ熱伝導性に優れ
、強度も大であるため基板材料として使用する。 (3)中間層の厚さは、Cu箔、Ni箔を使用する場合
、便宜上図1(a) のように積層した素材を、同(b
) に示すように回路用のCu部材と圧延接合された後
の箔材層合計の厚みとして、好ましくは5μm以上50
μm以下とする。 厚さの下限はAlN との濡れ性確保の可能な限界であ
り、上限は形成された反応層の割れを防止する上で必要
な範囲として決定した。
【0009】(4)中間層の成分構成(重量%)はTi
:10〜90、Zr:10〜90を含有し残部Cuから
なり、さらに必要によりNi:30%以下を含有する。 Ti、Zrは接合の際の加熱により、Cu部材のCuま
たは予め接合されているCuと反応して低温共晶を形成
し、AlN との濡れに寄与する。 上記組成範囲内のZr、Ti量であれば、中間層の溶融
温度は850 ℃付近となり、低温接合が可能となる。 この組成範囲外(上、下限の外)では、共に中間層の溶
融温度が高くなり、本発明の利点である低温での接合が
不可能となる。共晶はCu接合体に箔状で積層一体化さ
れたTi、ZrがCu接合体のCuと反応して生成する
が、箔材層の中にCu箔材をも含有させると、この反応
を促進させ接合時間の短縮化に有効であり、箔材層への
Cu添加はより効果的といえる。AlN 部材とCu部
材の接合に寄与した共晶は、接合中間層として残存する
。この接合中間層の熱膨張係数を小さくするためにNi
を添加することができる。しかし、Niの過剰添加は、
共晶の融点の上昇を招くため30%以下とする。
【0010】(5)なお、箔体を重ねた後に圧延接合す
る圧延は、冷間圧延、温間圧延(200℃以下) どち
らでもよい。 (6) 接合温度はCu−Ti−Zr共晶の融点以上(
概ね850℃)で、950℃以下とするのが好ましい。 共晶の融点以下ではAlN との濡れ性が確保されない
。一方、950 ℃を超えると、熱応力が大きくなるた
め接合層に割れを発生するおそれがある。なお、上記 
AlN部材とCu部材を接合するための接合雰囲気は不
活性ガス雰囲気、真空雰囲気等が使用され、その雰囲気
中で被処理物を加熱する。本発明によれば、複雑な配線
パターンであっても、箔材が接合された導体用Cu板か
ら回路配線パターンを切り抜いて、それをAlN 基板
上に置いて前記雰囲気中で加熱するだけで回路配線と基
板との接合が容易に行える。
【0011】
【実施例】本発明を実施例により詳細に説明するが、こ
れによって本発明が限定されるものではない。図1(a
)のように導体用Cu板の上に、Ti、Zr、Ni、C
uの箔を重ねて冷間圧延することによりこれらを接合し
て、箔材層と接合されたCu部材を製造した(図1(b
)。初期の各箔材の厚さ、および圧延接合時の圧下比を
変えることにより、Cu板に接合された箔材層の組成お
よび厚みの異なるCu板と箔材の接合体を作製すること
ができる。この接合体から 0.3×40×40mmの
板を切り出し1×50×50ミリのAlN 基板上に、
箔材層側がAlN と接するように配置し、0.1kg
f/mm2 の加圧力を加えAr雰囲気内の炉中に入れ
て加熱し図2に示されるように接合した。接合後には、
AlN とCuのそれぞれの部材間に中間層が形成され
る。接合強度の評価は、接合体の隅に図3に示すように
1φmmの銅線をはんだ付けし、銅線を上方に引張って
接合部の引きはがしテストにより行った。結果を第1表
に示す。
【0012】
【表1】
【0013】本発明例のA1〜A3に示すようにTi、
Zrを適正量存在する層を介在して接合されたものは、
850 ℃という比較的低温にて良好なる接合強度が得
られた。また、Cu添加により接合時間の短縮化(A1
〜3 に比較してA4は時間が短い) がなされ、Ni
添加により箔材層を厚くしても割れが発生しない(A5
)ことが確認された。一方、比較例における箔材層なし
(B1)、箔材層の厚さ不足(B5)では、濡れが十分
確保されず、またTi単独添加(B2)のものは、85
0 ℃では接合されなかった。また、適正成分の箔材層
を用いて接合してもその厚みが大きすぎる場合(B4)
には、濡れが確保されても熱応力が大きくなり、割れが
発生した。以上の結果から、本発明によれば、AlN 
よりなる基板とCuよりなる回路配線が低温にて安定し
た接合が行えることが確認された。
【0014】
【発明の効果】本発明は、以上説明したように構成され
ているから、電子回路における信頼性の高い基板のAl
N 部材と導体であるCu部材の接合体およびその製造
方法が確立され、これにより高性能な製品の提供が可能
となって、産業上極めて有用である。
【図面の簡単な説明】
【図1】図1(a)、(b)は、本発明で使用する回路
用Cu板と箔体とのそれぞれ圧延結合前(a)、後(b
)の説明図である。
【図2】AlN基板と回路用Cu板との接合体の断面図
である。
【図3】接合部の強度試験を実施する際の斜視図である

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】  電子回路用のAlN 部材とCu部材
    の接合体であって、前記AlN 部材とCu部材との間
    に重量%でZr:10〜90%およびTi:10〜90
    %を含有し残部がCuより成る中間層を介在させて成る
    ことを特徴とする電子回路用AlN 部材とCu部材の
    接合体。
  2. 【請求項2】  前記中間層がさらに重量%でNi:3
    0%以下を含む請求項1記載のAlN 部材とCu部材
    の接合体。
  3. 【請求項3】  Cu部材の表面に実質的にTiからな
    る箔体およびZrからなる箔体を重ねた後、圧延接合さ
    せて、さらに、前記箔体側にAlN 部材を重ねて加熱
    接合することを特徴とする電子回路用AlN 部材とC
    u部材の接合体の製造方法。
  4. 【請求項4】  Tiからなる箔体およびZrからなる
    箔体にさらに、実質的にCuからなる箔体および/また
    はNiからなる箔体の1種以上の箔体を重ねた後、圧延
    接合させる請求項3記載の電子回路用AlN 部材とC
    u部材の接合体の製造方法。
JP1148191A 1991-01-08 1991-01-08 AlN部材とCu部材の接合体とその製造方法 Withdrawn JPH04238877A (ja)

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