JPH0597532A

JPH0597532A - 接合用組成物

Info

Publication number: JPH0597532A
Application number: JP26064391A
Authority: JP
Inventors: Kazuo Ikeda; 和男池田; Naritaka Tamura; 成敬田村; Hironori Asai; 博紀浅井; Takayuki Naba; 隆之那波
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1991-10-08
Filing date: 1991-10-08
Publication date: 1993-04-20

Abstract

(57)【要約】【目的】本発明の目的は、セラミックスと金属との熱膨
脹係数差による熱応力に起因する欠陥の発生が少なく、
信頼性が高いセラミックス−金属接合体を高い歩留りで
効率よく製造できる接合用組成物を提供することにあ
る。【構成】本発明に係る接合用組成物は、重量比でＣｕを
６０〜８０％、ＩｎおよびＳｎの少くとも一方を５〜１
５％、ＴｉおよびＺｒの少くとも一方を１〜１０％含有
し、残部が実質的にＡｇから成る混合体で形成されたこ
とを特徴とする。また上記組成にＷおよびＭｏの少くと
も一方を１０〜３０％添加してもよい。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は熱膨脹係数が大きく異な
る金属とセラミックスとの接合体を形成する際に使用す
る接合用組成物に係り、特にクラック等の欠陥の発生が
少なく信頼性が高い接合体を形成することが可能な接合
用組成物に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来よりセラミックスと金属とを接合す
る方法として、一般に高融点金属法や活性金属法が広く
利用されている。すなわち高融点金属法は、Ｍｏ、Ｗ、
Ｍｏ−Ｍｎ等の高融点金属の微粉末をセラミックス表面
上で焼結してコーティング層を形成し、さらにろう材と
のなじみをもたせるためにコーティング層表面にＮｉめ
っき層を形成した後にろう材で金属と一体に接合する方
法である。

【０００３】また活性金属法は、Ｔｉ、ＺｒおよびＨｆ
に代表される周期律表ＩＶａ族元素を用い、Ａｇ−Ｃｕ
やＮｉ等とともに高温度に加熱して発生する融液を介し
てセラミックスと金属とを一体に接合する方法である。
ここでＴｉは、セラミックスおよび金属に対して強い親
和力を有する元素であり、酸化物セラミックス、窒化物
セラミックス、炭化物セラミックスと各種金属とを強固
に接合することが可能である。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら上記高融
点金属法や活性金属法によって接合体を形成しようとす
る場合には、いずれもセラミックスおよび金属の両部材
を高温度に加熱する必要があるため、冷却時に両部材の
熱膨脹係数差によって熱応力が発生し、これに起因して
セラミックスのクラックや接合面の剥離等の欠陥が発生
し易く、製品歩留りおよび信頼性が低下し易くなる問題
点があった。

【０００５】例えば、活性金属法において従来一般的に
使用されている接合用組成物として、ＡｇとＣｕとの共
晶組成（７２％Ａｇ−２８％Ｃｕ）を有するＡｇ−Ｃｕ
ろう材に対して活性金属としてのＴｉを２重量％程度添
加した接合用組成物がある。しかしながら、この組成物
を使用して金属とセラミックスとを接合する際には共晶
化合物の液相を生成させるために８２０〜８３０℃程度
の高温度に加熱する必要があり、冷却時に作用する熱応
力によって、セラミックスにクラック等が発生し易い欠
点があった。

【０００６】また活性金属としてのＴｉとセラミックス
との接合強度が極めて強いために、却って熱応力の集中
によって割れを誘発し易いことも本発明者らの実験によ
って確認された。

【０００７】そこで冷却時に熱応力が衝撃的に作用する
ことを防止するために、加熱接合後、接合体を数１０時
間以上かけて常温まで徐冷する方法も試行されたが、長
大な冷却時間を要し、製造効率が大幅に低下してしまう
問題点があった。

【０００８】本発明は上記の問題点を解決するためにな
されたものであり、セラミックスと金属との熱膨脹係数
差による熱応力に起因する欠陥の発生が少なく、信頼性
が高いセラミックス−金属接合体を高い歩留りで効率よ
く製造できる接合用組成物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】本発明者は上記目的を達
成するため、各種の接合用組成物を調製し、その組成物
を接合剤として多数の接合体を製造し、各接合体の特性
を比較したところ下記のような知見を得た。

【００１０】すなわち、セラミックスと金属とを接合す
る場合に、接合時の加熱温度を低くすることによって、
熱膨脹差により発生する熱応力が小さく、割れの発生も
少くなる。そして、接合時の加熱温度を低くするために
は、所定量のＩｎ、Ｓｎを添加すると有効である。

【００１１】また活性金属を添加した従来の銀−銅ろう
材と比較してＣｕの含有量を、Ａｇ−Ｃｕ共晶組成より
多めに添加することによりＡｇ−Ｃｕ共晶化合物を形成
する以外の過剰なＣｕ成分が、固溶層を形成し、その軟
弾性によりセラミックスと金属との間の熱応力を緩和す
る作用を発揮し、割れの発生が少ない接合体を得ること
ができる。また過剰なＣｕ相にＴｉが拡散してセラミッ
クスとＴｉとの反応に関与するＴｉ成分量が制御される
ことにより、セラミックスとＴｉとの間において極端に
強固な接合が形成されることが防止される。そのため応
力集中による割れの発生が減少する。

【００１２】さらにＭｏ、Ｗなど、セラミックスに近い
熱膨脹係数を有する所定量の高融点金属を、接合用組成
物に添加することにより、金属とセラミックスとの接合
界面に発生する応力を効果的に低減できるという知見を
得た。

【００１３】本発明は上記知見に基づいて完成されたも
のである。すなわち本発明に係る接合用組成物は、重量
比でＣｕを６０〜８０％、ＩｎおよびＳｎの少くとも一
方を５〜１５％、ＴｉおよびＺｒの少くとも一方を１〜
１０％含有し、残部が実質的にＡｇから成る混合体で形
成されたことを特徴とする。

【００１４】また、重量比でＣｕを６０〜８０％、Ｗお
よびＭｏの少くとも一方を１０〜３０％、ＩｎおよびＳ
ｎの少くとも一方を５〜１５％、ＴｉおよびＺｒの少く
とも一方を１〜１０％含有し、残部が実質的にＡｇから
成る混合体で形成してもよい。

【００１５】本発明に係る接合用組成物を構成するＣｕ
は、加熱時にＡｇと共晶組成物（７２重量％Ａｇ−２８
重量％Ｃｕ）を生成し、セラミックスと金属とを強固に
接合するために添加される。従来から一般に市販されて
いるＡｇ−Ｃｕろう剤は、上記共晶組成物の液相の生成
量を最大にするために上記共晶組成物と同一組成比でＣ
ｕ粉とＡｇ粉とを混合して製造されていた。

【００１６】しかるに本願発明ではＣｕの添加量は重量
比で６０〜８０％に設定することがひとつの大きな特徴
である。すなわち接合剤として機能する硬いＡｇ−Ｃｕ
の共晶化合物を生成するために必要な最少量のＣｕ成分
に加えて、さらに過剰量のＣｕ成分を添加し、この過剰
量のＣｕ成分を含む軟弾性に富んだＣｕの固溶相によっ
て、接合面に作用する熱応力の緩衝吸収を行うことがで
きる。

【００１７】Ｃｕの添加量が６０ｗｔ％未満の場合に
は、上記緩衝作用が不充分である一方、添加量が８０ｗ
ｔ％を越える場合には、金属とセラミックスとの接合強
度が低下してしまうため、Ｃｕの添加量は６０〜８０ｗ
ｔ％の範囲に設定される。

【００１８】ＩｎおよびＳｎは接合用組成物において液
相共晶化合物を生成する温度を低減するために５〜１５
重量％添加されるものである。すなわち共晶組成を有す
る従来の銀−銅ろう材においては接合時に８２０℃程度
の高温度に加熱する必要があったが、本発明に係る接合
用組成物においては、Ｉｎおよび／またはＳｎによる液
相発生温度の低減作用によって接合時に加熱する温度を
７００〜７５０℃程度まで低減できる。そのため、加熱
接合後の冷却工程における冷却温度幅が狭く接合体に発
生するクラックを大幅に低減することができる。

【００１９】ＩｎおよびＳｎの少くとも一方の添加量が
５ｗｔ％未満である場合には、加熱温度の低減効果が不
充分となる一方、添加量が１５ｗｔ％を越える過量とな
る場合には、金属とセラミックスとの接合強度の低下を
招く。

【００２０】またＴｉおよびＺｒは、セラミックスに対
する接合用組成物の濡れ性を高める活性金属として作用
し、セラミックスと金属との接合強度を高めるために１
〜１０ｗｔ％の範囲で添加される。上記Ｔｉなどの活性
金属を含有させた接合用組成物を使用することにより、
従来法のようにＮｉめっき層を形成することなく、金属
材をセラミックスに直接接合することができる。

【００２１】上記Ｔｉ等の活性金属の添加量が１ｗｔ％
未満と少ない場合には、濡れ性の改善効果が不充分とな
る一方、添加量が１０ｗｔ％を越える過量となる場合に
は、Ａｇ−Ｃｕろう材が流れ易くなり、特に、導体回路
パターンを形成した金属板とセラミックス基板とを接合
してセラミックス回路基板を製造する場合には、ろう材
の流れによる短絡が生じ易く、回路基板の動作信頼性が
低下してしまう。

【００２２】またＷおよびＭｏは、セラミックスと金属
との接合部における応力緩和を図るために有効な成分で
あり、１０〜３０重量％添加される。すなわち熱膨脹係
数がセラミックスに比較的に近い高融点金属であるＷお
よびＭｏを接合用組成物に添加することにより、金属と
セラミックスとの中間の熱膨脹係数を有する接合層を形
成することができ、金属とセラミックスとの接合層に熱
応力緩和作用を発揮させることができる。そのため、高
い接合強度を有し、かつヒートサイクル特性に優れたセ
ラミックス・金属接合体を得ることができる。

【００２３】上記ＷおよびＭｏの少くとも一方の元素成
分添加量が１０ｗｔ％未満の場合は、接合層における応
力緩和作用が不充分となる一方、添加量が３０ｗｔ％を
越える過量となる場合には、接合強度が低下するととも
に本来のセラミックスの伝熱特性や絶縁特性が損なわれ
る。従ってＷおよびＭｏの添加量は１０〜３０重量％の
範囲に設定される。

【００２４】上記接合用組成物は、少量のバインダを添
加した後に加圧成形して薄板形状で接合面に介装して使
用してもよいが、通常は上記所定の組成に調整された混
合体を、溶媒としてのテレピネオール等にバインダーと
してのエチルセルロース等を溶解したバインダー溶液と
混練せしめてペースト状に調製して使用される。

【００２５】セラミックス材料としては窒化アルミニウ
ム（ＡｌＮ）、アルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃）などが使用され
る一方、金属材料としてはＣｕ、Ｆｅ、Ｃｒ、Ｆｅ−Ｎ
ｉ合金などが使用される。そして上記金属材料とセラミ
ックス材料との接合面に上記薄板状またはペースト状の
接合用組成物を介在させた状態で、真空中あるいは
Ｎ₂、Ａｒ等の不活性ガス雰囲気、または非酸化性雰囲
気中において温度７００〜７５０℃にて１０〜３０分間
加熱することによって、セラミックスと金属とが強固に
一体化した接合体が形成される。なお組成物に含有され
るＴｉは水素と反応し易いため、Ｈ₂ガスを加熱雰囲気
ガスとして使用することは好ましくない。

【００２６】

【作用】上記構成に係る接合用組成物によればＩｎおよ
びＳｎを含有しているため、液相の生成温度が従来のＡ
ｇ−Ｃｕろう材と比較して低くなり、加熱接合温度を低
く抑制することができ、冷却工程において金属とセラミ
ックスとの熱膨脹係数差に起因するクラックの発生が効
果的に防止でき、信頼性が高い接合体を得ることができ
る。

【００２７】また、従来のＡｇ−Ｃｕろう材と比較し
て、Ｃｕを過剰に含有しているため、軟弾性に富むＣｕ
相が接合面に形成され、接合面に作用する熱応力を吸収
する緩衝作用が発揮される。そのため金属とセラミック
スとの剥離等が少なく、ヒートサイクル特性が優れた接
合体を得ることができる。

【００２８】

【実施例】次に本発明に係る接合用組成物の一実施例に
ついて、下記の接合体に適用した例で説明する。

【００２９】実施例１実施例１として重量比でＴｉ粉末を２％、Ａｇ粉末を２
４％、Ｃｕ粉末を６０％およびＩｎ粉末を１４％含有す
る粉末混合体１００重量部に対して、溶媒としてのテレ
ピネオールにバインダーとしてのエチルセルロースを溶
解したバインダー溶液を２０重量部添加して、擂回機で
混合後、三段ロールで混練してペースト状の接合用組成
物を調製した。

【００３０】一方厚さ０．６３５mmの窒化アルミニウム
（ＡｌＮ）製のセラミックス基板の両面に上記ペースト
状接合用組成物を介在させ、それぞれ厚さ０．３mmの銅
回路板を接触配置して３層構造の積層体を多数形成し
た。

【００３１】次に得られた各積層体を加熱炉内に配置
し、炉内を１０^-4Torrの真空度に調整した後、温度７３
０℃にて１０分間加熱してＡｌＮセラミックス基板と銅
回路板とを一体に接合し、多数の接合体を得た。

【００３２】実施例２また実施例２として重量比でＴｉ粉末を２％、Ｃｕ粉末
を６０％、Ｗ粉末を１０％、Ｉｎ粉末を１０％、Ａｇ粉
末を１８％含有する粉末混合体を使用した以外は、実施
例１と全く同一の処理条件で処理し、同一寸法の接合体
を多数製造した。

【００３３】比較例一方、比較例として、共晶組成（７２ｗｔ％Ａｇ−２８
ｗｔ％Ｃｕ）を有する市販のＡｇ−Ｃｕろう材にＴｉ粉
末を２ｗｔ％添加して、加圧成形した厚さ０．３mmの薄
板状接合用組成物を実施例１において用意したＡｌＮ製
セラミックス基板と銅回路板との間に介装して積層体を
多数調製した。そして得られた各積層体を真空中（１０
^-4Torr）で温度８３０℃で１０分間加熱して比較例の接
合体を多数製造した。ここで、加熱温度（８３０℃）
は、Ａｇ−Ｃｕ共晶化合物の作業温度である。

【００３４】こうして加熱接合された実施例１〜２およ
び比較例に係る各接合体を常温まで冷却後、セラミック
ス基板の表面および断面について、肉眼および浸透探傷
法で検査し、クラック、剥離等の欠陥の発生割合を計測
した。その結果、実施例１に係る接合体では０．６％、
実施例２では０％であったが比較例の接合体では２１％
であった。

【００３５】すなわち実施例１においては、比較例の場
合と比較して、接合時の加熱温度が約１００℃も低いた
め、冷却時に接合面に作用する熱応力も相対的に小さ
く、クラックの発生が少ない。さらに弾性の高いＣｕが
従来のＡｇ−Ｃｕろう材と比較して過量に添加されてい
るため、接合面に作用する熱応力が緩衝される結果、よ
り健全な接合体が得られる。また過量のＣｕ中にＴｉの
一部が拡散するため、Ｔｉの反応性が適度に抑制制御さ
れる。そのためＴｉＮによって強固に接合された部位に
熱応力が集中することがなく、クラックの発生も少な
い。

【００３６】また実施例２においては、セラミックスに
近い熱膨脹係数を有するＷが添加されているため、接合
層とセラミックス基板との熱膨脹係数を近似させること
ができ、熱膨脹係数差に起因する熱応力を低減すること
ができ、セラミックス基板の欠陥をほぼ解消することが
できた。

【００３７】また各接合体の耐久性および信頼性を評価
するため、実施例１〜２および比較例の各接合体を使用
して、−６５℃〜＋１５０℃の範囲で加熱し、引き続い
て＋１５０℃〜−６５℃に冷却する操作を１サイクルと
するヒートサイクル試験（ＴＣＴ）を繰り返して実施し
たところ、実施例１〜２の接合体では１０００サイクル
後においても、マイクロクラック、割れ、剥離等の欠陥
の発生率は０％であった。一方、比較例の接合体では１
００サイクル後に４５％の割合でクラックが発生した。

【００３８】

【発明の効果】以上説明の通り本発明に係る接合用組成
物によればＩｎおよびＳｎを含有しているため、液相の
生成温度が従来のＡｇ−Ｃｕろう材と比較して低くな
り、加熱接合温度を低く抑制することができ、冷却工程
において金属とセラミックスとの熱膨脹係数差に起因す
るクラックの発生が効果的に防止でき、信頼性が高い接
合体を得ることができる。

【００３９】また、従来のＡｇ−Ｃｕろう材と比較し
て、Ｃｕを過剰に含有しているため、軟弾性に富むＣｕ
相が接合面に形成され、接合面に作用する熱応力を吸収
する緩衝作用が発揮される。そのため金属とセラミック
スとの剥離等が少なく、ヒートサイクル特性が優れた接
合体を得ることができる。

フロントページの続き (72)発明者那波隆之神奈川県横浜市鶴見区末広町２の４株式会社東芝京浜事業所内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】重量比でＣｕを６０〜８０％、Ｉｎおよ
びＳｎの少くとも一方を５〜１５％、ＴｉおよびＺｒの
少くとも一方を１〜１０％含有し、残部が実質的にＡｇ
から成る混合体で形成されたことを特徴とする接合用組
成物。
【請求項２】重量比でＣｕを６０〜８０％、Ｗおよび
Ｍｏの少くとも一方を１０〜３０％、ＩｎおよびＳｎの
少くとも一方を５〜１５％、ＴｉおよびＺｒの少くとも
一方を１〜１０％含有し、残部が実質的にＡｇから成る
混合体で形成されたことを特徴とする接合用組成物。