JPH0748180A

JPH0748180A - セラミックス−金属接合体

Info

Publication number: JPH0748180A
Application number: JP19234593A
Authority: JP
Inventors: Masanori Hirano; 正典平野; Noriyoshi Yamauchi; 則義山内
Original assignee: Noritake Co Ltd
Current assignee: Noritake Co Ltd
Priority date: 1993-08-03
Filing date: 1993-08-03
Publication date: 1995-02-21

Abstract

(57)【要約】【目的】温度変化、特に低温と高温との間の加熱・冷
却を長期に渡り繰り返すような熱衝撃が加わるヒートサ
イクル環境下において、セラミック焼結体と金属の剥
離、セラミック焼結体のクラック等の問題を好適に緩和
し得るセラミックス−金属接合体を提供する。【構成】セラミック接合基板２０は、セラミック基板
（マグネシア基板）１０の両面に合金層（接合層）１６
を介して銅板（金属体）１８が接合されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、セラミックス−金属接
合体に関し、特に耐熱衝撃性に優れたセラミックス−金
属接合体に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、コンピュータや通信機器はもとよ
り、産業機器から家電製品に至るまで、あらゆる電子機
器は小型化、高性能化の傾向が著しく、使用される半導
体も大電力化、高集積化およびモジュール化の方向に進
展しており、特に高出力ＩＣやパワーモジュール用の半
導体実装基板には高い放熱特性が要求されている。熱エ
ネルギーを放散させ、温度上昇を抑制する冷却部品とし
ての放熱体、ヒートシンクとしては、従来、アルミナ、
ベリリア、窒化アルミニウム、炭化ケイ素、立方晶窒化
ホウ素、ダイヤモンド等のセラミックスや、アルミニウ
ム、アルミニウム合金、銅、銅合金、タングステン、モ
リブデン等の金属があり、目的に応じて選択され、或い
は組み合わせて用いられている。中でも、アルミナや窒
化アルミニウムは、熱伝導性、電気的絶縁性に優れ、機
械的特性にも優れていることから、高放熱性と高絶縁性
を兼ね備えた材料として、従来から例えば銅やアルミニ
ウム等の回路板を接合してセラミックス基板として用い
られている。特に、銅は高熱伝導且つ低抵抗であるた
め、大電力に対応するために必須のものとされている。

【０００３】

【発明が解決すべき課題】しかしながら、上記のアルミ
ナ、窒化アルミニウムを含む一般的なセラミック焼結体
の熱膨張率は３〜９×１０^-6／℃程度であるのに対し、
銅、アルミニウム等の金属の熱膨張率は１６×１０^-6／
℃以上と大きい。したがって、これらセラミック焼結体
と金属とを接合した場合、接合工程の冷却中に熱膨張率
の差に起因する大きな熱応力が発生して金属板の剥離や
セラミック焼結体の割れが生じたり、或いは接合体中に
残留応力が生じて充分な強度が得られない。また、これ
ら接合体を周囲の温度変化や繰り返し熱衝撃が加わるよ
うなヒートサイクル環境下で使用する場合、熱膨張率の
差に起因して発生する熱応力によりセラミック焼結体の
内部に割れが発生し、接着強度、気密性、電気絶縁性が
低下したり、ついには金属板とセラミック焼結体との間
に剥離が生じると共に、セラミック焼結体が破損に至る
等の欠点があるため、信頼性の高い部品として使用する
ことができないという問題があった。例えば、厚み０．
３ｍｍの銅箔を５０×３０×０．６３５ｍｍのアルミナ
基板の両面に接合した従来のヒートシンクの場合、−４
０℃・３０分保持、１５０℃・３０分保持を繰り返すヒ
ートサイクルテストにおいては、５０乃至２００サイク
ル程度で殆ど破損に至る。このため、上記のヒートシン
クは、少なくとも１０００サイクル以上の高い耐熱衝撃
性が必要とされるような高信頼性が要求される分野へは
適用することができなかった。

【０００４】また、前記のアルミナ、窒化アルミニウム
以外のセラミックヒートシンク材も、何れも熱膨張率が
アルミナと同等程度かそれ以下であり、銅およびアルミ
ニウムの熱膨張率との差が大きく、これら従来使用され
ているようなセラミックヒートシンク材と銅或いはアル
ミニウムとの接合体においても、上記のアルミナと銅を
接合したヒートシンクの場合と同様に耐熱衝撃性に劣る
という問題があった。

【０００５】そこで、セラミック焼結体と金属の接合界
面に、両者の中間の熱膨張率を有する緩衝材や、特開昭
５６−４１８７９号公報に開示されているような熱応力
を塑性変形により吸収する展性に富む緩衝材等を介挿す
る方法が行われているが、前者の方法では、緩衝材とセ
ラミック焼結体との間にも相当の熱膨張率の差があるた
め、それに起因する熱応力が生じるという問題があり、
後者の方法では、発生する熱応力がきわめて大きい場合
には緩衝材の塑性変形では応力が充分に吸収できないと
いう問題があった。

【０００６】本発明は、以上の事情を背景として為され
たものであって、その目的は、温度変化、特に低温（例
えば−５０〜−４０℃程度）と高温（例えば＋１５０℃
程度）との間の加熱・冷却を長期に渡り繰り返すような
熱衝撃が加わるヒートサイクル環境下において、セラミ
ック焼結体と金属の剥離、セラミック焼結体のクラック
等の問題を好適に緩和し得るセラミックス−金属接合体
を提供することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】斯かる目的を達成するた
めに、本発明の要旨とするところは、セラミック焼結体
に金属板が接合されているセラミックス−金属接合体で
あって、そのセラミック焼結体は、平均熱膨張率が９．
５×１０^-6／℃以上であるマグネシア焼結体またはスピ
ネル−マグネシア焼結体であり、該金属板は、銅、銅合
金、アルミニウム、アルミニウム合金のうちの何れかか
ら成ることを特徴とする。

【０００８】

【作用および発明の効果】このようにすれば、セラミッ
ク焼結体として熱膨張率が比較的大きく９．５×１０^-6
／℃以上であるマグネシア焼結体およびスピネル−マグ
ネシア焼結体が用いられているため、接合される金属板
との熱膨張率の差が小さくなる。そのため、接合する際
の残留応力が低減されると共に、温度変化が大きい、特
に加熱・冷却を長期に渡り繰り返すような熱衝撃が加わ
るヒートサイクル環境下においても、発生する熱応力が
大幅に低減されて、セラミック焼結体と金属板との剥離
やセラミック焼結体のクラックの発生が好適に緩和さ
れ、耐久性、信頼性に優れたセラミックス−金属接合体
が得られる。また、金属板に高熱伝導率の銅、銅合金、
アルミニウム、アルミニウム合金の何れかが用いられて
いるため、高い放熱性が得られ、一層耐久性、信頼性に
優れたセラミックス−金属接合体が得られる。例えば、
前記の５０×３０×０．６３５ｍｍの寸法形状におい
て、従来のアルミナ或いは窒化アルミニウム基板に銅板
を接合した場合と比較して、少なくとも１０倍以上すな
わち、５００サイクル以上の耐熱サイクル特性を有す
る。

【０００９】また、好適には、前記金属板は銅または銅
合金であって、その金属板と前記セラミック焼結体が、
活性金属を含有する合金層、銅と銅酸化物の共晶融体の
凝固物層、或いは銅と前記セラミック焼結体の成分との
化合物層のうちの何れかの接合層を介して接合されてい
る。このようなセラミックス−金属接合体は、金属板と
接合層、セラミック焼結体と接合層がそれぞれ強固に接
合されて、高い接合強度が得られる。

【００１０】また、好適には、前記金属板の少なくとも
一部に回路が形成されており、前記セラミック焼結体は
半導体実装用の基板或いはパッケージである。このよう
なセラミックス−金属接合体は、パワー半導体モジュー
ル等に用いられた際には、半導体や電子部品等で発生し
た熱が好適に放散されると共に、温度変化が生じた際に
も剥離、クラック等の発生がなく、また、金属板に用い
られている銅、銅合金、アルミニウム、アルミニウム合
金は低抵抗でもあるため、大電流、大電力回路用として
高信頼性を要求される基板或いはパッケージとして好適
であり、パワートランジスタモジュール、マイクロ波ト
ランジスタモジュール、パワーハイブリッドＩＣ基板等
に用いられ得る。

【００１１】

【実施例】以下に、本発明の一実施例を、図面を参照し
て説明する。

【００１２】表１の組成の活性金属を含有する銀−銅系
混合粉末に例えばエチルセルロースとテルピネオールを
主成分とするビヒクルを添加・混合し、例えば三本ロー
ルミルで混練して混合粉末ペーストP1〜P13 を作製し
た。また、別途表１の組成の、活性金属を含有する銀−
銅系合金箔（厚さ５０μｍ）H1〜H13 を用意した。

【００１３】

【表１】

【００１４】次に、例えば、マグネシウム化合物（例え
ば水酸化マグネシウム、塩基性炭酸マグネシウム等のマ
グネシウム塩）を熱分解して得られるマグネシウム粉末
に、必要に応じて焼結助剤を添加して加圧成形後、所定
の温度（例えば１２００乃至１８５０℃）で焼結して、
例えば５０×３３×０．６ｍｍの寸法の表２に示すNo.1
〜No.8のセラミック基板（マグネシア基板）１０を得
た。このセラミック基板１０の両面に前記の混合粉末ペ
ーストP1〜P13 を約２０μｍの厚さで印刷後、１３０℃
で乾燥し、印刷層１２が両面に形成された１０４種の図
１に示すような印刷基板１４を得た。この印刷基板１４
の一方の面（図１における上面）には、図１においては
模式的に示す所定の回路パターンが形成されている。次
に、これら印刷基板１４を例えばＮ₂雰囲気下６００℃
で脱脂し、印刷基板１４の両面の印刷層１２上にそれぞ
れ厚さ３００μｍおよび３５０μｍの無酸素銅板を載置
し、スペーサを介して例えば０．３ｇ／ｍｍ²の荷重を
かけて例えば５×１０^-5torrの真空中８５０℃で１５分
間加熱処理して図２に示すような、セラミック基板１０
の両面に合金層１６を介して銅板１８が接合されたセラ
ミック接合基板２０を得た。なお、本実施例において
は、合金層１６が接合層に相当する。

【００１５】

【表２】

【００１６】また、別途上記の表２に示すNo.1〜No.8の
セラミック基板１０の両面に前記合金箔H1〜H13 を所定
の形状に切断して載置し、更にこの合金箔上に厚さ３０
０μｍの無酸素銅板を載置し、スペーサを介して例えば
０．３ｇ／ｍｍ²の荷重をかけて、例えば５×１０^-5to
rrの真空中８５０℃で１５分間加熱処理して、前述の混
合粉末ペーストP1〜P13 を用いた場合と同様に、図２に
示すようなセラミック基板１０の両面に合金層１６を介
して銅板１８が接合されたセラミック接合基板２０を得
た。

【００１７】また、前記セラミック基板と同寸法・形状
のNo.9のアルミナ基板およびNo.10の窒化アルミニウム
基板を別途用意し、上記と同様に混合粉末P1〜P13 およ
び合金箔H1〜H13 を用いて、比較例として銅−アルミナ
接合基板、銅−窒化アルミニウム接合基板をそれぞれ作
製した。

【００１８】これらの得られたセラミック接合基板２０
および銅−アルミナ接合基板、銅−窒化アルミニウム接
合基板の接合強度をピール強度試験により測定したとこ
ろ、何れの試料も１０ｋｇ／ｃｍ以上であった。なお、
ピール強度試験は、接合基板に引張端子を接合し、銅板
をセラミック基板に対して９０°の方向に引張試験機で
引き剥がし、剥がれた際の荷重を測定して求めたもので
ある。

【００１９】次に、セラミック接合基板２０および銅−
アルミナ接合基板、銅−窒化アルミニウム接合基板の耐
熱衝撃性を評価するため、熱衝撃試験機内で−５０℃に
３０分保持後、１５０℃に加熱し、３０分保持する一連
の工程を１サイクルとする試験を繰り返し行った。な
お、温度調節は試験機内に冷気或いは熱気を送り込むこ
とによりきわめて速やかに行った。この結果、セラミッ
ク接合基板２０（すなわち表２のNo.1〜No.8のマグネシ
ア基板を用いた接合基板）は、何れも２０００サイクル
後もクラック、剥離の発生は認められなかった。これに
対し、同時に試験を行った比較例であるNo.9，No.10 の
銅−アルミナ接合基板および銅−窒化アルミニウム接合
基板は、何れの試料もそれぞれ１００乃至１５０サイク
ル後および５０乃至１００サイクル後にセラミック側に
割れが発生すると共に銅板が剥離した。以上の試験か
ら、本実施例のセラミック接合基板２０は、高い接合強
度を有すると共に、従来の１０倍以上の高い耐熱衝撃性
を有することが確認された。

【００２０】すなわち、本実施例のセラミック接合基板
２０は、セラミック基板１０として熱膨張率が比較的大
きなマグネシア焼結体が用いられているため、接合され
た銅板１８との熱膨張率の差が小さい。したがって、温
度変化が生じた際にも熱膨張率の差に起因して発生する
熱応力が比較的小さく、従来のアルミナ基板および窒化
アルミニウム基板が用いられた接合基板に比して高い耐
久性を示すのである。

【００２１】また、マグネシア焼結体は、表２に示すよ
うに熱伝導率がアルミナよりも比較的大きいため比較的
放熱性に優れ、ヒートシンク等に用いられた際にセラミ
ック基板１０側で発生した熱が金属板すなわち銅板１８
側から好適に伝達されて金属板側から好適に放散され、
一層信頼性が高いセラミックス−金属接合体が得られ
る。

【００２２】また、金属体として高熱伝導率、低抵抗の
銅板１８が用いられ、一方の面の銅板１８には回路が形
成されているため、放熱性に優れていると共に大電流に
対応することができ、大電力回路用としても信頼性が高
いセラミックス−金属接合体が得られる。

【００２３】また、セラミック基板１０と銅板１８とが
活性金属を含む銀−銅系合金層を介して接合されるた
め、加熱処理時に活性金属がセラミック基板１０と銅板
１８の界面近傍で拡散して、一層高い接合強度が得られ
る。

【００２４】また、接合する金属板として無酸素銅板が
用いられているため、銅板と合金層との濡れ性が良好で
あり、且つ、接合層中の活性金属と銅板中の酸素との反
応に起因する活性金属の活性の低下がないので、銅板と
セラミック焼結体との強固な接合体が得られる。

【００２５】また、略同厚みの銅板１８がセラミック基
板１０の両面に接合されているため、温度変化に起因す
る熱応力が発生した際にも両面で発生した熱応力が相殺
されて、一層耐久性の高いセラミック接合基板２０が得
られる。

【００２６】なお、本実施例のセラミック接合基板２０
は、上述のように熱応力が低減される構造とされている
ため、従来の接合基板に比して、前記加熱処理時の冷却
時間を短くすることが可能である。したがって、製造工
程が短縮されるとともに加熱処理の制御が簡単になっ
て、低コスト化が為される。なお、従来よりもきわめて
早い冷却速度（すなわち、銅−アルミナ接合基板であれ
ば剥離或いはアルミナ基板のクラックが生じる速度）を
採ったセラミック接合基板２０を、前記熱衝撃試験機で
評価したところ、１０００サイクル以上の耐熱衝撃性を
有することが確認された。

【００２７】次に、本発明の他の実施例を説明する。

【００２８】表１の組成の活性金属を含有する銀−銅系
混合粉末に対し、２０内部重量％の高融点金属粉末（例
えば、タングステン（Ｗ）粉末またはモリブデン（Ｍ
ｏ）粉末或いはこれらの混合粉末）を加えた後、前記第
１実施例と同様にして、銀−銅系混合粉末にＷ或いはＭ
ｏを含有する１３種類のペーストP14 〜P26 を作製し
た。

【００２９】次に、表２のNo.1〜No.8のマグネシア基板
を用い、第１実施例と同様にして基板１０両面に上記ペ
ーストP14 〜P26 を印刷し、脱脂後無酸素銅板を載置し
て、１×１０^-5torrの真空中８５０℃で１５分間加熱し
て図２に示すようなセラミック基板１０の両面に銅板１
８が接合されたセラミックス−金属接合基板２０を得
た。得られた接合基板２０のピール強度は何れも１０ｋ
ｇ／ｃｍ以上であった。この接合基板２０も第１実施例
と同様に耐熱衝撃性を評価したところ、何れも２０００
サイクル後においてセラミック基板１０のクラックや銅
板１８の剥離は認められなかった。

【００３０】本実施例においても、前述の第１実施例と
同様にセラミック基板１０と銅板１８との熱膨張率差が
小さく、発生する熱応力が緩和されるために、高い耐熱
衝撃性を有し、高い信頼性のセラミックス−金属接合体
が得られる。また、本実施例においては、セラミック基
板１０と銅板１８とが銀−銅系混合粉末に高融点金属粉
末が含有された合金層を介して接合されているため、合
金層の熱膨張率が高融点金属により小さくされて、セラ
ミック基板１０と銅板１８との熱膨張率の差に起因する
熱応力が一層低減され、一層耐熱衝撃性に優れ、高い信
頼性を有するセラミックス−金属接合体が得られる。

【００３１】次に、本発明の更に他の実施例を説明す
る。

【００３２】例えばマグネシア粉末とスピネル粉末を所
定の割合で混合して加圧成形することによって得られ
た、５０×３３×０．６ｍｍの寸法の表３に示したNo.1
1 〜No.16 のスピネル−マグネシア基板（焼結体）を用
いた以外は第１実施例と同様にして前記混合粉末ペース
トP1〜P13 および合金箔（厚さ５０μｍ）H1〜H13 を用
いて、図２に示すように無酸素銅板が基板両面に接合さ
れたセラミックス接合基板（スピネル−マグネシア系接
合基板）２０を得た。また、比較例としてNo.17のスピ
ネル基板を用いて同様にして銅−スピネル接合基板を作
製した。これらの得られたセラミック接合基板２０およ
び銅−スピネル接合基板のピール強度を測定したとこ
ろ、何れも１０ｋｇ／ｃｍ以上の値を示した。

【００３３】

【表３】

【００３４】次に、上記のセラミック接合基板２０およ
び銅−スピネル接合基板を第１実施例と同様に耐熱衝撃
性を評価したところ、セラミック接合基板２０は、何れ
も１０００サイクル後においてもセラミック基板１０の
クラックや銅板１８の剥離は認められなかった。これに
対し、比較例の熱膨張率が７．６×１０^-6と低いNo.17
の組成の基板を用いた銅−スピネル接合基板は、２００
サイクル後に基板にクラックが発生すると共に、銅板１
８の剥離が生じた。

【００３５】すなわち、本実施例においても、セラミッ
ク接合基板２０は、第１実施例と同様に、セラミック基
板１０と銅板１８との熱膨張率の差が小さいため、温度
変化が生じた際に発生する熱応力が低減され、高い耐熱
衝撃性、耐久性を示すのである。

【００３６】また、本実施例においては、マグネシアに
スピネルが混合されたセラミック焼結体を基板として用
いているため、マグネシア焼結体の消化による基板の損
傷が抑制されて、一層高い耐久性と信頼性が得られる。
これは、マグネシアの結晶粒界にスピネルが分散される
ことによりマグネシアの結晶表面が保護されているため
と考えられる。

【００３７】次に本発明の更に他の実施例を説明する。

【００３８】５０×３３×０．６ｍｍの寸法の表２のN
o.1〜No.8（マグネシア焼結体）、表３のNo.11 〜No.16
（スピネル−マグネシア焼結体）のセラミック基板１
０に対し、タフピッチ電解銅箔（厚さ３００μｍおよび
３５０μｍ）を基板の上、下面に載置し、Ｎ₂雰囲気中
約１０７５℃の温度で５分間加熱処理して接合させ、図
２に示すようなセラミック接合基板２０を得た。また、
No.9のアルミナ基板、No.10 の窒化アルミニウム基板お
よびNo.17 のスピネル基板を用い、同様にして銅−アル
ミナ接合基板、銅−窒化アルミニウム接合基板、銅−ス
ピネル接合基板を得た。これら得られた接合基板のピー
ル強度を測定したところ、何れも１０ｋｇ／ｃｍ以上の
値を示した。

【００３９】次に、これらセラミック接合基板２０、銅
−アルミナ接合基板、銅−窒化アルミニウム接合基板、
銅−スピネル接合基板を第１実施例と同様に耐熱衝撃性
を評価したところ、セラミック接合基板２０（すなわち
No.1〜No.8のマグネシア接合基板およびNo.11 〜No.16
のスピネル−マグネシア接合基板）は、何れも１０００
サイクル後においてセラミック基板１０のクラックや銅
板１８の剥離は認められなかった。これに対し、比較例
であるNo.9の銅−アルミナ接合基板、No.10 の銅−窒化
アルミニウム接合基板、No.17 の銅−スピネル接合基板
はそれぞれ１５０、１００、１５０サイクル後にセラミ
ック基板側にクラックが発生すると共に、銅板が剥離し
た。

【００４０】すなわち、本発明においても、第１実施例
と同様に、セラミック基板１０と銅板１８との熱膨張率
の差が小さいため、温度変化が生じた際に発生する熱応
力が低減され、高い耐熱衝撃性、耐久性を示すのであ
る。

【００４１】なお、本実施例においては、銅板１８はセ
ラミック基板１０との共晶反応或いはセラミック基板１
０の成分（主成分、焼結助剤、ガラス形成物質等）との
化合物により接合されており、接合層には共晶融体の凝
固物或いは前記化合物が生成されている。

【００４２】次に、本発明の更に他の実施例を説明す
る。

【００４３】５０×３３×０．６ｍｍの寸法の表２、表
３のNo.1〜No.8およびNo.11 〜No.16 のセラミック基板
１０に対し、厚さ５０μｍのアルミニウム−シリコンろ
う材を介してアルミニウム板（厚さ３００μｍ）を基板
の上下面に載置し、スペーサを介して例えば０．３ｇ／
ｍｍ²の荷重をかけて１０^-5torrの真空中６１０℃の温
度で１５分間加熱処理して図２に示すように両面にアル
ミニウム板が接合されたセラミック接合基板２０を得
た。同時に、No.9，No.10 ，No.17 のアルミナ基板、窒
化アルミニウム基板、スピネル基板を同様に処理してア
ルミニウム−アルミナ接合基板、アルミニウム−窒化ア
ルミニウム接合基板、アルミニウム−スピネル接合基板
を得た。これら得られた接合基板のピール強度を測定し
たところ、何れも８ｋｇ／ｃｍ以上であった。

【００４４】次に、これらの接合基板を第１実施例と同
様の方法で耐熱衝撃性を評価したところ、セラミック接
合基板２０（すなわちNo.1〜No.8のマグネシア接合基板
およびNo.11 〜No.16 のスピネル−マグネシア接合基
板）は、何れも１０００サイクル後においてもセラミッ
ク基板１０のクラックやアルミニウム板１８の剥離は認
められなかった。これに対し、比較例であるNo.9のアル
ミニウム−アルミナ接合基板、No.10 のアルミニウム−
窒化アルミニウム接合基板、No.17 のアルミニウム−ス
ピネル接合基板はそれぞれ１５０、１００、１５０サイ
クル後にセラミック基板側にクラックが発生すると共
に、アルミニウム板が剥離した。

【００４５】すなわち、本実施例においても、セラミッ
ク接合基板２０は、第１実施例と同様に、セラミック基
板１０とアルミニウム板１８との熱膨張率の差が従来よ
り小さくされているため、温度変化が生じた際に発生す
る熱応力が低減され、高い耐熱衝撃性、耐久性を示すの
である。

【００４６】図３は、本発明の一実施例である前記のセ
ラミック接合基板２０が、パワー半導体モジュール２２
に適用された例を模式的に示す図である。セラミック接
合基板２０の一方の面に回路パターンを有して接合され
た銅板１８の一部には、半導体素子２４が半田層２６を
介して接合されている。また、半導体素子２４は、配線
２８により銅板１８の他の部分に接続されている。この
パワー半導体モジュール２２に用いられているセラミッ
ク接合基板２０は、前述の実施例で説明したようにセラ
ミック基板１０の、上記半導体素子２４が接合されてい
る面とは反対側の面にも放熱板としての銅板１８が接合
されて（図２参照）、半導体素子２４で発生した熱が好
適に放散されるようになっており、優れた耐熱衝撃性、
耐久性、信頼性を有する。なお、本実施例においては、
合金層１６は省略して示してある。

【００４７】図４は、前記セラミック接合基板２０が、
他のパワー半導体モジュール３０に適用された例を模式
的に示す断面図である。セラミック基板１０に半導体素
子２４が接合されている面の側の構造は、上述のパワー
半導体モジュール２２と概略同様であるので説明を省略
する。セラミック基板１０の反対側の面には、合金層１
６を介して銅板１８が接合され、更に、ヒートシンク３
２が半田層３４を介して接合されている。そのため、上
記のパワー半導体モジュール２２に比較して一層効率よ
く半導体素子２４で発生した熱が放散される。なお、ヒ
ートシンク３２には、一層放熱効率を高めるため、半田
層３４の反対側に多くのフィン３６が設けられて表面積
を大きくされている。また、本実施例においては、銅板
１８は放熱板としてではなく、導体として回路の一部を
形成して用いられている。

【００４８】以上、本発明の一実施例を詳細に説明した
が、本発明は更に別の態様でも実施される。

【００４９】マグネシア焼結体、スピネル−マグネシア
焼結体の形状は、実施例の板状の他、円柱状等用途に応
じたものにでき、粉末成形体の成形方法は、ドクターブ
レード法、粉末加圧成形法、射出成形法等が用途や形状
に応じて選択される。

【００５０】また、マグネシウム焼結体の製法は実施例
で示したものに限られず、例えば、高純度の金属マグネ
シウムを高純度の酸素気流中で燃焼（気相酸化）させる
ことによって得られた高純度マグネシウム粉末を用い、
必要に応じて焼結助剤を添加し、所定の形状に成形後焼
成することによっても良い。このようにすれば一層高純
度のマグネシウム焼結体が得られる。上記マグネシウム
粉末は凝集が少なく、焼結性に優れ、特に好ましいもの
である。

【００５１】また、スピネル−マグネシア焼結体の製法
は実施例で示したものに限られず、例えば、マグネシア
化合物とスピネル化合物との混合物を熱分解して得られ
たスピネル−マグネシア粉末を用いて成形・焼成しても
良い。なお、スピネル−マグネシア混合粉末或いはスピ
ネル粉末の合成方法は、マグネシウム塩とアルミニウム
塩とをスピネル−マグネシア混合組成或いはスピネル組
成になるように混合して共沈物を得る方法（共沈法）
や、凍結乾燥法、噴霧熱分解法、アルコキシド法、水中
火花放電法等が好ましい方法として挙げられる。

【００５２】マグネシア焼結体およびスピネル−マグネ
シア焼結体には、焼結助剤や副成分が２０重量％以下の
範囲で含有されていても差し支えない。但し、焼結体の
特性は熱膨張率が９．５×１０^-6／℃以上、好ましくは
１１×１０^-6／℃以上、更に好ましくは１２．５×１０
^-6／℃以上が熱応力を低減し、高い耐久性と信頼性を得
るために望ましい。すなわち、接合する金属体の熱膨張
率にできるだけ近づけることにより耐熱サイクル特性が
向上する。また、熱伝導率は０．０４cal/cm・sec ・℃
以上、好ましくは０．０７cal/cm・sec ・℃以上、更に
好ましくは０．０９cal/cm・sec ・℃以上であることが
放熱性の面からは望ましい。

【００５３】また、マグネシア焼結体およびスピネル−
マグネシア焼結体の曲げ強度は、１５ｋｇｆ／ｍｍ²以
上であることが必要である。１５ｋｇｆ／ｍｍ²未満で
は耐熱衝撃性が不充分なものとなる。好ましくは２０ｋ
ｇｆ／ｍｍ²以上、更に好ましくは２５ｋｇｆ／ｍｍ²
以上であることが望ましい。耐熱衝撃性は曲げ強度の関
数であり、曲げ強度を一層高くすることにより、一層高
い耐熱衝撃性が得られる。

【００５４】また、マグネシア焼結体およびスピネル−
マグネシア焼結体は相対密度が９５％以上すなわち気孔
率５％未満であることが好ましい。気孔率が高くなると
機械的強度が低下すると共に、開気孔が増加して吸水性
を有することになり、焼結体の耐水性（すなわち耐消化
性或いは耐水和性）が低下するからである。焼結体の相
対密度は好ましくは９７．５％以上（すなわち、気孔率
２．５％未満）、更に好ましくは９９％以上（すなわ
ち、気孔率１％未満）が良く、この場合は開気孔率に相
当する吸水率は略０％となって、耐水性にも優れ、機械
的強度も高く、熱伝導率も高い値となる。

【００５５】金属板に用いられる、銅、銅合金、アルミ
ニウム、アルミニウム合金は、特に、熱伝導率が０．３
cal/cm・sec ・℃以上であることが望ましく、このよう
な金属板は、熱伝導率が高く、また、導電率が高いの
で、同一形状でも他の金属と比較した場合に比較的大き
な電流を流すことが可能である。このため、一定の電流
を流す回路板としては、他の金属と比較し、金属回路板
の厚みを薄くできるという利点がある。熱伝導率、導電
率が高いという点では中でも単一成分の銅、アルミニウ
ムが好ましい。銅としては、一般に銅純度９９．９％以
上であって、無酸素銅、タフピッチ銅、リン酸銅等が挙
げられ、好ましいものである。

【００５６】マグネシア焼結体またはスピネル−マグネ
シア焼結体と金属板との接合方法は、実施例で示した方
法に限られず、例えば、金属板が銅または銅合金板の場
合、表１に示したような活性金属を含有するろう材を介
し、１０^-4torr以上の真空中あるいは不活性ガス中にて
８００℃乃至１０００℃程度の温度範囲に加熱処理して
接合させても良い。或いは、酸素を１００乃至３０００
ｐｐｍ程度含有する銅板か予め酸化処理した銅板をマグ
ネシア焼結体またはスピネル−マグネシア焼結体に接触
させ、不活性ガス雰囲気中１０００乃至１１００℃の温
度範囲で加熱処理することにより接合させることも可能
である。この場合は、前述の実施例でも説明したよう
に、銅と銅酸化物の共晶融体の凝固物や、銅とセラミッ
ク焼結体の成分との化合物が接合層中に形成され、これ
を介して接合される。また、金属板がアルミニウムまた
はアルミニウム合金の場合に、アルミニウム−シリコン
系合金をろう材として用いて接合するときは、５５０〜
６５０℃の範囲で加熱すれば良い。

【００５７】また、活性金属を含有する銀−銅系合金を
介して接合する場合は、含有される活性金属としてはＴ
ｉが最も好ましく、また、その含有量は２〜８重量％が
好ましい。少なすぎる場合には接合界面での活性金属の
分散が不充分となって接合強度が低下し、多すぎる場合
にはセラミック焼結体側が過度に浸食されてやはり接合
強度が低下する。また、耐熱衝撃性の面からは、２〜６
重量％程度が特に好ましい。

【００５８】その他、一々例示はしないが、本発明はそ
の主旨を逸脱しない範囲で種々変更を加え得るものであ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例のセラミックス−金属接合体
の製造過程を説明する斜視図である。

【図２】本発明の一実施例のセラミックス−金属接合体
を示す斜視図である。

【図３】本発明の一実施例のセラミックス−金属接合体
がパワー半導体モジュールに適用された一例を示す斜視
図である。

【図４】本発明の一実施例のセラミックス−金属接合体
が他のパワー半導体モジュールに適用された一例を示す
断面図である。

【符号の説明】

１０：セラミック基板１６：合金層（接合層）１８：銅板（金属体）２０：セラミック接合基板（セラミックス−金属接合
体）

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】セラミック焼結体に金属板が接合されて
いるセラミックス−金属接合体であって、該セラミック焼結体は、平均熱膨張率が９．５×１０^-6
／℃以上であるマグネシア焼結体またはスピネル−マグ
ネシア焼結体であり、該金属板は、銅、銅合金、アルミ
ニウム、アルミニウム合金のうちの何れかから成ること
を特徴とするセラミックス−金属接合体。
【請求項２】前記金属は銅または銅合金であって、前
記金属板と前記セラミック焼結体が、活性金属を含有す
る合金層、銅と銅酸化物の共晶融体の凝固物層、或いは
銅と前記セラミック焼結体の成分との化合物層のうちの
何れかの接合層を介して接合されていることを特徴とす
る請求項１に記載されたセラミックス−金属接合体。
【請求項３】前記金属板の少なくとも一部に回路が形
成されており、前記セラミック焼結体は半導体実装用の
基板或いはパッケージである請求項１に記載されたセラ
ミックス−金属接合体。