JPS60155580A - セラミツク基体または金属基体に銅部材を結合する方法 - Google Patents
セラミツク基体または金属基体に銅部材を結合する方法Info
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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。
め要約のデータは記録されません。
Description
【発明の詳細な説明】
本発明はセラミックのごとき基体に金属を直接結合する
方法に関するもので、更に詳しく言えば、かかる結合操
作を不活性雰囲気中において実施する方法に関する。本
発明はまた、半導体パッケージとりわけ電力半導体用の
加圧実装−両側冷却型半導体パッケージにも関する。
方法に関するもので、更に詳しく言えば、かかる結合操
作を不活性雰囲気中において実施する方法に関する。本
発明はまた、半導体パッケージとりわけ電力半導体用の
加圧実装−両側冷却型半導体パッケージにも関する。
セラミックまたは他種金属に金属を結合するという一般
的な主題は別に新しいものではない。かかる方法はかな
り長期間にわたって数多くの業界の関心の的となってき
た。たとえば、点火プラグ製造業者は点火プラグの金属
ベースにセラミック絶縁体を結合する問題に長いこと取
組んできたのである。
的な主題は別に新しいものではない。かかる方法はかな
り長期間にわたって数多くの業界の関心の的となってき
た。たとえば、点火プラグ製造業者は点火プラグの金属
ベースにセラミック絶縁体を結合する問題に長いこと取
組んできたのである。
金属部材に非金属部材を結合するためには、これまで様
々な方法が使用されてきた。かかる方法の一例に従えば
、金属化すなわち結合を行うべき部材上に水素化チタン
とろう付は金属（たとえば銅、銀または金）との混合物
が配置される。次に、ろう付は金属の存在下で加熱を行
うことによって水素化チータンが解離させられる。この
方法の場合、加熱は純粋な乾燥窒素のごとき非酸化性雰
囲気中において行うことが好ましい。かかる方法の典型
例は米国特許第２５７０２４８号明ｌ１１ｍ中に記載さ
れている。
々な方法が使用されてきた。かかる方法の一例に従えば
、金属化すなわち結合を行うべき部材上に水素化チタン
とろう付は金属（たとえば銅、銀または金）との混合物
が配置される。次に、ろう付は金属の存在下で加熱を行
うことによって水素化チータンが解離させられる。この
方法の場合、加熱は純粋な乾燥窒素のごとき非酸化性雰
囲気中において行うことが好ましい。かかる方法の典型
例は米国特許第２５７０２４８号明ｌ１１ｍ中に記載さ
れている。
セラミックに金属を結合するための別の方法はフィリッ
プス研究所のジエー・ティー・クロンプ（Ｊ、 Ｔ、
Ｋｌｏｍｐ）によって記載されている。この方法は、酸
素親和性の低い金属をたとえば１ ｋｆ７／■２の高圧
下でセラミック上に設置するというものである。酸素親
和性の低い金属を使用した場合には、「酸化被膜を破壊
して金属−セラミック間の接触を得るため」十分に高い
圧力が要求される。それ故、この方法は結合を達成する
ために極、めで高い圧力を使用する。かかる方法は多く
の用途にとって望ましい結合を生じ得るものであるけれ
ど、最も望ましい結合系と言えば高圧を必要とすること
なく銅とセラミック基体との間に生み出された直接結合
であることは言うまでもない。
プス研究所のジエー・ティー・クロンプ（Ｊ、 Ｔ、
Ｋｌｏｍｐ）によって記載されている。この方法は、酸
素親和性の低い金属をたとえば１ ｋｆ７／■２の高圧
下でセラミック上に設置するというものである。酸素親
和性の低い金属を使用した場合には、「酸化被膜を破壊
して金属−セラミック間の接触を得るため」十分に高い
圧力が要求される。それ故、この方法は結合を達成する
ために極、めで高い圧力を使用する。かかる方法は多く
の用途にとって望ましい結合を生じ得るものであるけれ
ど、最も望ましい結合系と言えば高圧を必要とすること
なく銅とセラミック基体との間に生み出された直接結合
であることは言うまでもない。
金属結合を生み出すための別の方法はジエームズ・イー
・ベッグス（Ｊａｍｅｓ Ｅ、 Ｂｅｄ（１８）の米国
特許第２８５７６６３号明細書中に記載されている。
・ベッグス（Ｊａｍｅｓ Ｅ、 Ｂｅｄ（１８）の米国
特許第２８５７６６３号明細書中に記載されている。
基本的には、この方法は周期表の第１Ｖ ｂ族に屈する
チタン族金属と銅、ニッケル、モリブデン、白金、コバ
ルト、クロムまたは鉄のごとき合金金属とを使用するも
のである。かかる合金金属およびチタン族金属の１員を
耐火性金属材料または非耐火性金属材料と金属材料との
間に配置し、そして共晶液相線を与える温度に加熱すれ
ば、隣接する部材間に強固な結合が生じる。この方法は
多くの用途にとって満足できるものであったが、結合の
完全性を改善し、金属部材と耐火性非金属部材との間の
熱伝導率を大きくし、かつ耐火性非金属部材上に電流容
量の大きい導体を設置することが所望されたため、研究
者達は非金属に金属を結合づるその他の方法をなおも探
求してきた。
チタン族金属と銅、ニッケル、モリブデン、白金、コバ
ルト、クロムまたは鉄のごとき合金金属とを使用するも
のである。かかる合金金属およびチタン族金属の１員を
耐火性金属材料または非耐火性金属材料と金属材料との
間に配置し、そして共晶液相線を与える温度に加熱すれ
ば、隣接する部材間に強固な結合が生じる。この方法は
多くの用途にとって満足できるものであったが、結合の
完全性を改善し、金属部材と耐火性非金属部材との間の
熱伝導率を大きくし、かつ耐火性非金属部材上に電流容
量の大きい導体を設置することが所望されたため、研究
者達は非金属に金属を結合づるその他の方法をなおも探
求してきた。
２個の金属部材間の結合を生み出すためには各種の方法
があった。たとえば、ある種の金属ははんだの使用によ
って互いに結合できる。また、アーク溶接や点溶接のご
とき溶接方法によって互いに結合される金属もある。互
いに直接結合することのできない金属の場合には、一般
に中間金属部材の使用によって結合が生み出される。し
かし、以上の方法は要求の厳しい用途（たとえば集積回
路の製造）に適合しないことが多く、またたとえ適合し
たとしても経済的に引合わないことが多い。
があった。たとえば、ある種の金属ははんだの使用によ
って互いに結合できる。また、アーク溶接や点溶接のご
とき溶接方法によって互いに結合される金属もある。互
いに直接結合することのできない金属の場合には、一般
に中間金属部材の使用によって結合が生み出される。し
かし、以上の方法は要求の厳しい用途（たとえば集積回
路の製造）に適合しないことが多く、またたとえ適合し
たとしても経済的に引合わないことが多い。
更に近年になると、結合剤として金属と気体との共晶の
みを使用することによって金属に金属を結合する方法お
よびセラミックに金属を結合する方法が開発された。こ
れらの方法はいずれも本発明の場合と同じ譲受人に譲渡
されたバージニス（Ｂｕｒｇｅｓｓ）等の米国特許第３
７４４１２０号およびバブコック（３ａｂｃｏｃｋ）等
の同第３７６６６３４号明細書中に記載されている。以
上の特許明細ｍ中に記載された金属−気体共晶法に従え
ば、先ず結合すべき金属がセラミックまは金属基体上に
配置される。
みを使用することによって金属に金属を結合する方法お
よびセラミックに金属を結合する方法が開発された。こ
れらの方法はいずれも本発明の場合と同じ譲受人に譲渡
されたバージニス（Ｂｕｒｇｅｓｓ）等の米国特許第３
７４４１２０号およびバブコック（３ａｂｃｏｃｋ）等
の同第３７６６６３４号明細書中に記載されている。以
上の特許明細ｍ中に記載された金属−気体共晶法に従え
ば、先ず結合すべき金属がセラミックまは金属基体上に
配置される。
次にかかる集合体が反応性気体の存在下において、金属
の融点よりは低いが金属と気体との共晶を生成させるた
めには十分に高い温度にまで加熱される。この方法はあ
る種の用途に対しては成功をおさめたけれど、更に一層
の改良が望まれた。改良が望まれた理由の１つは、気体
と金属との間に反応が起ることである。特に要求の厳し
い用途の場合、これは問題を引起すことがある。たとえ
ば混成電子回路用としてセラミックに銅を結合する場合
、反応性雰囲気を使用すると鋼上に酸化銅被膜が生成さ
れ、そのため酸化物除去工程が必要となることがある。
の融点よりは低いが金属と気体との共晶を生成させるた
めには十分に高い温度にまで加熱される。この方法はあ
る種の用途に対しては成功をおさめたけれど、更に一層
の改良が望まれた。改良が望まれた理由の１つは、気体
と金属との間に反応が起ることである。特に要求の厳し
い用途の場合、これは問題を引起すことがある。たとえ
ば混成電子回路用としてセラミックに銅を結合する場合
、反応性雰囲気を使用すると鋼上に酸化銅被膜が生成さ
れ、そのため酸化物除去工程が必要となることがある。
従って、従来技術における上記の欠点を解決しながらセ
ラミックまたは金属基体に金属を直接結合する方法を提
供することが本発明の目的の１つを成している。
ラミックまたは金属基体に金属を直接結合する方法を提
供することが本発明の目的の１つを成している。
ウィリアム・エフ・ルーテンス（Ｗ ｉｌｌｉａｍｌｌ
ｍ 。
ｍ 。
ｌ ｏｏｔｅｎｓ）の米国特許第３５９９０５７号によ
って例示されるような加圧実装−両側冷却型半導体パッ
ケ−ジは、電力半導体分野において広く使用されている
。かかるパッケージは、幾つかの特徴により、半導体装
置設計者にとって極めて魅力あるものとなっている。た
とえば、それは丈夫であり、半導体ペレットに気密保護
をもたらし、しかも実質的な母の熱を放熱器（ｈｅａｔ
５ｉｎｋ ）へ効果的に伝達゛する。
って例示されるような加圧実装−両側冷却型半導体パッ
ケ−ジは、電力半導体分野において広く使用されている
。かかるパッケージは、幾つかの特徴により、半導体装
置設計者にとって極めて魅力あるものとなっている。た
とえば、それは丈夫であり、半導体ペレットに気密保護
をもたらし、しかも実質的な母の熱を放熱器（ｈｅａｔ
５ｉｎｋ ）へ効果的に伝達゛する。
しかしながら、かかるパッケージは安価に製造できるわ
けではない。経済上の問題点の１つは金属接点アセンブ
リとセラミックハウジングとの間に生み出されなければ
ならない結合に由来している。その結合は、考えられる
いかなる酷使にも耐えるだけの丈夫さを有すると同時に
、気密性をも保証するものでなければならない。もしか
かる結合を一層安価に生み出す方法があれば、それは半
導体装置設計者の関心を呼ぶに違いない。
けではない。経済上の問題点の１つは金属接点アセンブ
リとセラミックハウジングとの間に生み出されなければ
ならない結合に由来している。その結合は、考えられる
いかなる酷使にも耐えるだけの丈夫さを有すると同時に
、気密性をも保証するものでなければならない。もしか
かる結合を一層安価に生み出す方法があれば、それは半
導体装置設計者の関心を呼ぶに違いない。
従って、金属とセラミックとの間により安価な封止構造
を有するにもかかわらず上記の要求条件は満たづように
改良された加圧実装−両側冷却型半導体パッケージを提
供することも本発明の目的の１つである。また、かかる
パッケージの製造方法を提供することも本発明の目的の
１つである。
を有するにもかかわらず上記の要求条件は満たづように
改良された加圧実装−両側冷却型半導体パッケージを提
供することも本発明の目的の１つである。また、かかる
パッケージの製造方法を提供することも本発明の目的の
１つである。
本発明はセラミックまたは金属基体に金属を結合する方
法に関するものである。ろう付は金属などの中間層は存
在しないため、こうして生み出された結合は直接結合で
あると見なされる。結合剤は使用されるが、後記におい
て明らかになるごとく結合剤の量は極めて少ない。かか
る結合剤は、金属との間に、大部分がその金属から成る
ような共晶合金を生成するものとして選ばれる。共晶温
度は金属の融点よりも低くなければならないが、それに
比較的接近していた方が好ましい。
法に関するものである。ろう付は金属などの中間層は存
在しないため、こうして生み出された結合は直接結合で
あると見なされる。結合剤は使用されるが、後記におい
て明らかになるごとく結合剤の量は極めて少ない。かか
る結合剤は、金属との間に、大部分がその金属から成る
ような共晶合金を生成するものとして選ばれる。共晶温
度は金属の融点よりも低くなければならないが、それに
比較的接近していた方が好ましい。
セラミックまたは金属から成り得る特定の基体に特定の
金属工作物を結合するためには、制御された少量の結合
剤が系内に導入され、そ−れから基体上の結合すべき場
所に工作物が配置される。次に、金属と基体との間に亜
共晶融体を生成させるのに十分な時間、少なくとも２〜
３秒にわたり金属および基体が不活性雰囲気中において
共晶温度と金属の融点との間の温度に加熱される。かか
る融体を冷却して凝固させれば、結合が生じるわけであ
る。
金属工作物を結合するためには、制御された少量の結合
剤が系内に導入され、そ−れから基体上の結合すべき場
所に工作物が配置される。次に、金属と基体との間に亜
共晶融体を生成させるのに十分な時間、少なくとも２〜
３秒にわたり金属および基体が不活性雰囲気中において
共晶温度と金属の融点との間の温度に加熱される。かか
る融体を冷却して凝固させれば、結合が生じるわけであ
る。
存在する結合剤の量は、少なくとも操作終了時には結合
剤と金属との混合物が全ての場所において亜共晶となる
ように注意深く制御される。かかる混合物が亜共晶であ
るため、融体中には２つの相ずなわち液体共晶合金およ
び金属のみが存在する。析出または遊離した結合剤は存
在しない。従って、金属は本来の性質（たとえば正常の
耐熱性や電気抵抗）の大部分を保有している。また、亜
共晶領域において操作が行われる結果、金属が主として
固体状態に留まるという利点も追加される。
剤と金属との混合物が全ての場所において亜共晶となる
ように注意深く制御される。かかる混合物が亜共晶であ
るため、融体中には２つの相ずなわち液体共晶合金およ
び金属のみが存在する。析出または遊離した結合剤は存
在しない。従って、金属は本来の性質（たとえば正常の
耐熱性や電気抵抗）の大部分を保有している。また、亜
共晶領域において操作が行われる結果、金属が主として
固体状態に留まるという利点も追加される。
従って、それの寸法および構造の一体性並びに良好な表
面品質が維持されるＪとになる。
面品質が維持されるＪとになる。
金属と結合剤とを合体させるためには、幾つかの方法が
選択可能である。加工上の見地からすれば、十分量の溶
解または析出した結合剤を含有する金属を選ぶことが最
も容易な方法である。たとえばタフピッチ電解銅の中に
は、それ以上の酸素を添加しなくても、アルミナまたは
べりリアのごときセラミックへの直接結合を可能にする
だけの量の酸素を含有するものがある。
選択可能である。加工上の見地からすれば、十分量の溶
解または析出した結合剤を含有する金属を選ぶことが最
も容易な方法である。たとえばタフピッチ電解銅の中に
は、それ以上の酸素を添加しなくても、アルミナまたは
べりリアのごときセラミックへの直接結合を可能にする
だけの量の酸素を含有するものがある。
別の方法によれば、制御された量の結合剤を金属と予め
反応させることにより、２種の物質の化合物の極めて薄
い層が金属の表面上に生成される。
反応させることにより、２種の物質の化合物の極めて薄
い層が金属の表面上に生成される。
かかる反応は任意の通常方法によって実施ずればよい。
かかる化合物の薄層は金属のいずれの側に存在していて
もよいことが判明している。かがる化合物が金属の一方
の側だけに設置され、しがもそれが結合操作時に基体の
反対側にあったとしても、十分な時間さえかければ、結
合温度下の金属を通って十分量の結合剤が拡散すること
により結合が生じるのである。
もよいことが判明している。かがる化合物が金属の一方
の側だけに設置され、しがもそれが結合操作時に基体の
反対側にあったとしても、十分な時間さえかければ、結
合温度下の金属を通って十分量の結合剤が拡散すること
により結合が生じるのである。
結合剤を導入する更に別の方法は、粒状の結合剤ないし
結合剤と金属との化合物を基体または金属上に付着させ
るというものである。次いで、基体および金属が最終的
な結合状態に重ね合わされ、それから前述のようにして
操作が進められる。粒状物質を付着させる際には、その
取扱いを容易にするためバインダーを使用することが好
ましいものと判明している。ただし、かかるバインダー
は結合温度以下で蒸発するものとなるように選ぶことが
好ましい。
結合剤と金属との化合物を基体または金属上に付着させ
るというものである。次いで、基体および金属が最終的
な結合状態に重ね合わされ、それから前述のようにして
操作が進められる。粒状物質を付着させる際には、その
取扱いを容易にするためバインダーを使用することが好
ましいものと判明している。ただし、かかるバインダー
は結合温度以下で蒸発するものとなるように選ぶことが
好ましい。
当業者には言うまでもないが、あらゆる基体にあらゆる
金属が結合するわけでないことは勿論である。更にまた
、特定の基体に特定の金属を結合する結合剤が他の基体
に同じ金属を結合するとは限らないことも知られている
。たとえば、セラミック基体に銅を結合するだめの結合
剤として酸素を使用することは非常に有効である。しか
るに、酸素はステンレス鋼に銅を結合するための結合剤
としては作用しない。また、硫黄は銅とステンレス鋼と
の結合剤として有効に作用するが、銅とセラミック基体
との結合剤としては働かない。このような挙動の理由は
まだ十分に解明されていない、とは言え、金属と結合剤
との共晶が基体を濡らさなければならないことは知られ
ている。更にまた、基体と共晶との間には潜在的に安定
な化合物が存在しなければならず、もしかかる化合物が
生成されなければ強固な結合は生じないことも理論づけ
られている。しかし、これは理論に過ぎない。それでも
なお、前述の通り、金属、基体および結合剤のあらゆる
可能な組合せが結合するわけでないことは直接結合技術
界の当業者にとって公知である。それ故、前記特許請求
の範囲は結合を生じるような組合せのみを包含するもの
として読む必要がある。
金属が結合するわけでないことは勿論である。更にまた
、特定の基体に特定の金属を結合する結合剤が他の基体
に同じ金属を結合するとは限らないことも知られている
。たとえば、セラミック基体に銅を結合するだめの結合
剤として酸素を使用することは非常に有効である。しか
るに、酸素はステンレス鋼に銅を結合するための結合剤
としては作用しない。また、硫黄は銅とステンレス鋼と
の結合剤として有効に作用するが、銅とセラミック基体
との結合剤としては働かない。このような挙動の理由は
まだ十分に解明されていない、とは言え、金属と結合剤
との共晶が基体を濡らさなければならないことは知られ
ている。更にまた、基体と共晶との間には潜在的に安定
な化合物が存在しなければならず、もしかかる化合物が
生成されなければ強固な結合は生じないことも理論づけ
られている。しかし、これは理論に過ぎない。それでも
なお、前述の通り、金属、基体および結合剤のあらゆる
可能な組合せが結合するわけでないことは直接結合技術
界の当業者にとって公知である。それ故、前記特許請求
の範囲は結合を生じるような組合せのみを包含するもの
として読む必要がある。
選ばれた結合剤が金属および基体に適合していること、
すなわちそれが直接結合を生み出すことを仮定すれば、
本発明方法に対するそれの適合性を評価するためのメリ
ット数を容易にめ得ることが見出された。メリット数と
は、金属および結合剤に対する状態図上において金属の
融点と共晶点とを結んだ直線の勾配の絶対値である。こ
のメリット数は１〜ｂ あることが好ましい。また、メリット数が約り０℃／原
子％結合剤であれば一層好ましい。後記に説明される理
由により、共晶温度および金属の融点は比較的接近して
いることが望ましい。また、既に述べかつ後記にも説明
される通り、共晶は大部分が金属から成ることが望まし
い。メリット数が大きいことは共晶中における結合剤の
割合に比べて融点と共晶温度との隔たりが比較的大きい
ことを表わし、またメリット数が小さいことは共晶中に
比較的予示の結合剤が存在することを表わす。
すなわちそれが直接結合を生み出すことを仮定すれば、
本発明方法に対するそれの適合性を評価するためのメリ
ット数を容易にめ得ることが見出された。メリット数と
は、金属および結合剤に対する状態図上において金属の
融点と共晶点とを結んだ直線の勾配の絶対値である。こ
のメリット数は１〜ｂ あることが好ましい。また、メリット数が約り０℃／原
子％結合剤であれば一層好ましい。後記に説明される理
由により、共晶温度および金属の融点は比較的接近して
いることが望ましい。また、既に述べかつ後記にも説明
される通り、共晶は大部分が金属から成ることが望まし
い。メリット数が大きいことは共晶中における結合剤の
割合に比べて融点と共晶温度との隔たりが比較的大きい
ことを表わし、またメリット数が小さいことは共晶中に
比較的予示の結合剤が存在することを表わす。
本発明の方法を使用して製造される装置の例としては、
加圧実装−両側冷却型半導体パッケージが挙げられる。
加圧実装−両側冷却型半導体パッケージが挙げられる。
環状セラミックハウジングの上端および下端の周辺に上
部および下部金属接点アセンブリを連結すれば、かかる
半導体パッケージが得られる。その場合の連結は結合剤
の存在下で金属とセラミックとを直接結合すれば達成さ
れる。
部および下部金属接点アセンブリを連結すれば、かかる
半導体パッケージが得られる。その場合の連結は結合剤
の存在下で金属とセラミックとを直接結合すれば達成さ
れる。
かかるパッケージの内部には通常の半導体ペレットサブ
アセンブリが保持される。このような直接結合技術は他
のセラミック金属化技術よりも経費が安くかつ信頼性が
高いことが判明した。
アセンブリが保持される。このような直接結合技術は他
のセラミック金属化技術よりも経費が安くかつ信頼性が
高いことが判明した。
かかるパッケージの１つの製造方法に従えば、先ず、セ
ラミ、ツタハウジングの下端および上端にそれぞれ下部
金属接点円板および上部金属接点フランジが直接結合さ
れる。次に、ハウジング内部に通常の半導体ペレットサ
ブアセンブリが配置された後、上部金属接点フランジの
上に上部金属接点円板が配置されかつ周辺に沿って溶接
される。
ラミ、ツタハウジングの下端および上端にそれぞれ下部
金属接点円板および上部金属接点フランジが直接結合さ
れる。次に、ハウジング内部に通常の半導体ペレットサ
ブアセンブリが配置された後、上部金属接点フランジの
上に上部金属接点円板が配置されかつ周辺に沿って溶接
される。
その結果、丈夫で完全に気密の半導体パッケージが得ら
れることになる。
れることになる。
そ・の際、セラミックとしてアルミナを、金属として銅
を、かつ結合剤として酸素を使用すれば、優れた密着性
および気密性の得られることが判明した。
を、かつ結合剤として酸素を使用すれば、優れた密着性
および気密性の得られることが判明した。
一層大形の接点が所望される場合には、各々の接点円板
に内側を向いたくぼみを設け、そしてそのくぼみの中に
大形の金属接点板を設置すればよい。
に内側を向いたくぼみを設け、そしてそのくぼみの中に
大形の金属接点板を設置すればよい。
結合操作時にはアセンブリを積重ねてからそれに重みを
加えるようにすれば、一層良好な結合の生じることが判
明した。そのためには、積重ねられたアセンブリを耐火
性材料製の物体（たとえば耐火レンガ）の間にはさんで
から、上部耐火れんがの上におもりを載せるようにすれ
ば簡単である。
加えるようにすれば、一層良好な結合の生じることが判
明した。そのためには、積重ねられたアセンブリを耐火
性材料製の物体（たとえば耐火レンガ）の間にはさんで
から、上部耐火れんがの上におもりを載せるようにすれ
ば簡単である。
重量／熱容量比が大きい点から見ると、タングステンが
優れたおもりとなる。
優れたおもりとなる。
また、耐火れんがの開口や環状のセラミックハウジング
に整合した肩部を下側接点円板及び接点フランジの上に
形成すれば、組立てが実質的に簡単になることも判明し
た。このようにすれば、外部締付は用具を使用しなくて
も、正しい位置合せおよび同心性が保証されるのである
。
に整合した肩部を下側接点円板及び接点フランジの上に
形成すれば、組立てが実質的に簡単になることも判明し
た。このようにすれば、外部締付は用具を使用しなくて
も、正しい位置合せおよび同心性が保証されるのである
。
先ず第１図を見ると、界面共晶層２３をはさんで基体２
２に直接結合された金ｊｆｉ２１の断面立面図が示され
ている。共晶とは後述のごとき金属および結合剤である
。共晶層というのは便宜上の名前であって、本当は第２
〜４図の検討から明らかになる通り少量の共晶から成る
ものに過ぎない。かかる共晶層は実際には主として金属
から成るのだが、まだ十分に解明されていない機構によ
って結合を生み出すに足るだけの共晶を含んでいるわけ
である。基体はセラミックまたは金属であり得るが、金
属の場合、それは部材２１と同種のものであっても異種
のものであってもよい。セラミックという術語は広義に
解釈すべきであって、その中にはたとえばガラスおよび
単結晶質や多結晶質の固体が含まれる。
２に直接結合された金ｊｆｉ２１の断面立面図が示され
ている。共晶とは後述のごとき金属および結合剤である
。共晶層というのは便宜上の名前であって、本当は第２
〜４図の検討から明らかになる通り少量の共晶から成る
ものに過ぎない。かかる共晶層は実際には主として金属
から成るのだが、まだ十分に解明されていない機構によ
って結合を生み出すに足るだけの共晶を含んでいるわけ
である。基体はセラミックまたは金属であり得るが、金
属の場合、それは部材２１と同種のものであっても異種
のものであってもよい。セラミックという術語は広義に
解釈すべきであって、その中にはたとえばガラスおよび
単結晶質や多結晶質の固体が含まれる。
前述のバージニスおよびバブコックの米国特許くいずれ
も本発明の場合と同じ譲受人に壌渡されている）の明１
書中には、反応性雰囲気中において共晶により金属およ
びセラミックに金属を結合する方法が記載されている。
も本発明の場合と同じ譲受人に壌渡されている）の明１
書中には、反応性雰囲気中において共晶により金属およ
びセラミックに金属を結合する方法が記載されている。
後記において明らかになる通り、これらの特許において
使用された方法は本発明において意図される方法と実質
的に異なっている。とは云え、得られる構造は似ている
から、結合およびその特性を理解するにはこれらの特許
を利用することができる。
使用された方法は本発明において意図される方法と実質
的に異なっている。とは云え、得られる構造は似ている
から、結合およびその特性を理解するにはこれらの特許
を利用することができる。
バージニス、バブコックおよび本発明の方法に共通した
特徴の１つは、結合操作が高温下で実施されることであ
る。詳しく言えば、金属２１および基体２２が結合剤の
存在下において金属の融点よりも低い温度に加熱される
。その場合の結合剤は金属との間に共晶を生成するもの
であって、加熱温度は共晶点を越えるものとする。その
結果、液体共晶を含んだ融体が生じる。かかる融体は基
体を濡らさなければならないから、冷却凝固させた後に
は基体に対する強固な結合が得られることになる。銅−
酸化銅共晶を使用した銅とアルミナとの結合を例に取れ
ば、１４０６ｋＧ／α２（２００００ポンド／平方イン
チ）を越える結合強さおよび１２．５ｋｇ／ＣＩＴＩ（
７０ボンド／インチ）を越える剥離強さが達成されてい
る。
特徴の１つは、結合操作が高温下で実施されることであ
る。詳しく言えば、金属２１および基体２２が結合剤の
存在下において金属の融点よりも低い温度に加熱される
。その場合の結合剤は金属との間に共晶を生成するもの
であって、加熱温度は共晶点を越えるものとする。その
結果、液体共晶を含んだ融体が生じる。かかる融体は基
体を濡らさなければならないから、冷却凝固させた後に
は基体に対する強固な結合が得られることになる。銅−
酸化銅共晶を使用した銅とアルミナとの結合を例に取れ
ば、１４０６ｋＧ／α２（２００００ポンド／平方イン
チ）を越える結合強さおよび１２．５ｋｇ／ＣＩＴＩ（
７０ボンド／インチ）を越える剥離強さが達成されてい
る。
任意の金属２１および任意の基体２２を合わせて両者間
に共晶融体を生成させただけでは、冷却後に結合が得ら
れるとは限らないことが了解されるべきである。その結
合の性質はまだ十分に解明されていないが、共晶２３と
基体２２どの間に何らかの結合（たとえば共有結合また
は潜在的な化合物）が存在しなければならないと信じら
れている。たとえば、酸化銅共晶はセラミックとの間に
良好な結合を生じるが、ステンレス鋼とは結合しない。
に共晶融体を生成させただけでは、冷却後に結合が得ら
れるとは限らないことが了解されるべきである。その結
合の性質はまだ十分に解明されていないが、共晶２３と
基体２２どの間に何らかの結合（たとえば共有結合また
は潜在的な化合物）が存在しなければならないと信じら
れている。たとえば、酸化銅共晶はセラミックとの間に
良好な結合を生じるが、ステンレス鋼とは結合しない。
この場合には、問題の高温下では酸化銅よりも酸化鉄の
方が安定であるため、鋼が酸化銅との間に結合を生じる
よりもむしろ、銅が共晶から酸素を掃去するものと信じ
られている。しかるに、硫化銅はステンレス鋼と良く結
合するが銅とは結合しない。このような問題はかなり以
前から知られてきたのであって、適切な共晶および基体
の選定は当業者の能力の範囲内にある。かかる選定はバ
ージニスおよびバブコックによって明示されたような公
知の有効な組合せに基づいて行えばよく、また新しい組
合せについては単純な試行錯誤操作による確認を行えば
よい。
方が安定であるため、鋼が酸化銅との間に結合を生じる
よりもむしろ、銅が共晶から酸素を掃去するものと信じ
られている。しかるに、硫化銅はステンレス鋼と良く結
合するが銅とは結合しない。このような問題はかなり以
前から知られてきたのであって、適切な共晶および基体
の選定は当業者の能力の範囲内にある。かかる選定はバ
ージニスおよびバブコックによって明示されたような公
知の有効な組合せに基づいて行えばよく、また新しい組
合せについては単純な試行錯誤操作による確認を行えば
よい。
特定の金属と特定の基体とを結合させるための結合系の
選定は二段操作であると言うことができる。第一に、基
体に適合した結合剤を選ばなければならない。第二に、
その結合剤が金属と共にうまく働くかどうかを判定しな
ければならない。しかし本発明は、選ばれた共晶が基体
と結合することを確かめるという問題には関係がない。
選定は二段操作であると言うことができる。第一に、基
体に適合した結合剤を選ばなければならない。第二に、
その結合剤が金属と共にうまく働くかどうかを判定しな
ければならない。しかし本発明は、選ばれた共晶が基体
と結合することを確かめるという問題には関係がない。
本発明は良い共晶を生成するため金属と結合剤との間に
存在すべき相互関係に関する指針を決定している。
存在すべき相互関係に関する指針を決定している。
更に、本発明は改良された結合方法の諸工程を詳しく規
定している。
定している。
次に第２図を見ると、銅および酸化第一銅に関する状態
図が示されている。この状態図を検討丁れば、最も関係
の深い従来方法およびそれらの方法と本発明方法との相
違点と本出願人等の信じるものが明示され、更には従来
方法と比べた場合の本発明方法の利点が説明されること
になる。なお、銅−酸素状態図に関する以下の考察は例
証的なものに過ぎないことを強調しておかねばならない
。
図が示されている。この状態図を検討丁れば、最も関係
の深い従来方法およびそれらの方法と本発明方法との相
違点と本出願人等の信じるものが明示され、更には従来
方法と比べた場合の本発明方法の利点が説明されること
になる。なお、銅−酸素状態図に関する以下の考察は例
証的なものに過ぎないことを強調しておかねばならない
。
本発明は銅や酸素のみに限定されるわけではなく、また
ここに引用した従来の発明についてもそれが言える。状
態図中における２つの重要な点は、１０６５℃の温度お
よび１．５４原子％の酸素含量に対応Ｊ−る共晶点Ｅ並
びに１０８３℃に位置覆る銅の融点である。
ここに引用した従来の発明についてもそれが言える。状
態図中における２つの重要な点は、１０６５℃の温度お
よび１．５４原子％の酸素含量に対応Ｊ−る共晶点Ｅ並
びに１０８３℃に位置覆る銅の融点である。
最初に、前述のバージニスおよびバブコックの米国特許
明細書中に記載された方法を考えてみよ−う。それらの
特許間における主な相違点は、バブコックの特許がセラ
ミックに金属を結合する場合に関係するのに対し、バー
ジニスの特許は金属に金属を結合する場合に関係するこ
とである。しかしながら、第２図に関する以下の考察で
は、その相違点は重要でない。共晶の扱い方に関する限
り、これら２つの方法は全く同じなのである。
明細書中に記載された方法を考えてみよ−う。それらの
特許間における主な相違点は、バブコックの特許がセラ
ミックに金属を結合する場合に関係するのに対し、バー
ジニスの特許は金属に金属を結合する場合に関係するこ
とである。しかしながら、第２図に関する以下の考察で
は、その相違点は重要でない。共晶の扱い方に関する限
り、これら２つの方法は全く同じなのである。
前述の通り、結合が生じるのは少なくとも金属２１と基
体２２との界面に存在づる共晶２３による。本発明にと
って重要なのは、基体２２との界面における共晶の組成
である。特定の方法に関連した第２図中の曲線は、それ
ぞれの方法の実施中における上記界面での共晶の組成（
・すなわち状態図上の位置）を表わしている。
体２２との界面に存在づる共晶２３による。本発明にと
って重要なのは、基体２２との界面における共晶の組成
である。特定の方法に関連した第２図中の曲線は、それ
ぞれの方法の実施中における上記界面での共晶の組成（
・すなわち状態図上の位置）を表わしている。
バージニスおよびバブコックの方法に従えば、基体上に
銅が配置され、それから反応性雰囲気中においてかかる
集合体が加熱される。それらの記載によれば、雰囲気中
の反応性成分（考察中の例では酸ｒＡ）はほんの一部に
過ぎない。たとえば、かかる反応性成分は雰囲気全体の
１％未満である。
銅が配置され、それから反応性雰囲気中においてかかる
集合体が加熱される。それらの記載によれば、雰囲気中
の反応性成分（考察中の例では酸ｒＡ）はほんの一部に
過ぎない。たとえば、かかる反応性成分は雰囲気全体の
１％未満である。
しかるに、そのような少量の反応性成分から供給された
酸素が共晶を生成し、それによって結合を生み出すので
ある。
酸素が共晶を生成し、それによって結合を生み出すので
ある。
バージニスおよびバブコックの方法を実施する際にたど
る経路は次の通りである。最初、銅２１と基体２２との
界面には酸素が存在しない。従って、曲線は酸素含量−
〇原子％の位置にある。時間の経過および温度の上昇に
伴い、銅２１の界面付近の領域が（残りの全表面と共に
）僅かに酸化され、従っで曲線は酸素含有量−〇原子％
の位置からずれてくる。第２図および拡大された第３図
を観察すれば認められる通り、曲線のずれは高温になる
と極めて急速になる。その理由は、系の温度が融点に近
づくに従い、多量の気体が鋼中へ拡散して銅と反応する
ためである。ひとたび１０６５℃の共晶温度に到達する
と液体共晶が存在することになる。
る経路は次の通りである。最初、銅２１と基体２２との
界面には酸素が存在しない。従って、曲線は酸素含量−
〇原子％の位置にある。時間の経過および温度の上昇に
伴い、銅２１の界面付近の領域が（残りの全表面と共に
）僅かに酸化され、従っで曲線は酸素含有量−〇原子％
の位置からずれてくる。第２図および拡大された第３図
を観察すれば認められる通り、曲線のずれは高温になる
と極めて急速になる。その理由は、系の温度が融点に近
づくに従い、多量の気体が鋼中へ拡散して銅と反応する
ためである。ひとたび１０６５℃の共晶温度に到達する
と液体共晶が存在することになる。
その結果、液体中への拡散の方が固体中への拡散よりも
急速であるため、ずれは益々急速になる。
急速であるため、ずれは益々急速になる。
例証を目的として述べれば、バージニスおよびバブコッ
クの方法を表わす曲線は約１０３０℃において２本の分
岐曲線に分れる。第１の分岐曲線は、第３図に極めて明
確に示される通り、共晶温度を越えても状態図の亜共晶
領域すなわち共晶点の左方に留まる。第３図に示される
通り、亜共晶領域は金属銅および液体共晶から成る二相
組成物を表わしている。この液体共晶こそ、基体２２を
濡らし、そして１０６５℃より低い温度に冷却すれば凝
固して結合を生じるものである。第２図に極めて明確に
示されている通り、集合体が共晶温度よりも茗しく低い
温度に冷却された後には、酸素含量はほとんど変化しな
い。
クの方法を表わす曲線は約１０３０℃において２本の分
岐曲線に分れる。第１の分岐曲線は、第３図に極めて明
確に示される通り、共晶温度を越えても状態図の亜共晶
領域すなわち共晶点の左方に留まる。第３図に示される
通り、亜共晶領域は金属銅および液体共晶から成る二相
組成物を表わしている。この液体共晶こそ、基体２２を
濡らし、そして１０６５℃より低い温度に冷却すれば凝
固して結合を生じるものである。第２図に極めて明確に
示されている通り、集合体が共晶温度よりも茗しく低い
温度に冷却された後には、酸素含量はほとんど変化しな
い。
バージニスおよびバブコックの方法を表わす曲線の第２
の分岐曲線は、雰囲気中からより多くの酸素が吸収され
るようなサイクルに対応している。
の分岐曲線は、雰囲気中からより多くの酸素が吸収され
るようなサイクルに対応している。
第２の分岐曲線によって示されるように酸素含量を増大
させるためには、サイクルの時間幅を長くし、それによ
って系が長時間にわたり高温下に留まるようにすればよ
い。サイクルが十分に遅いか、あるいは雰囲気の酸素含
有量が十分に多ければ、共晶温度に到達するまでに領域
２３は共晶組成以上の酸素を含有することがある。その
場合には、第３図に極めて明確に示される通り、１０６
５℃以上における領域２３は過共晶となって固体酸化、
第一銅および液体共晶を含有する。この方法の第１のサ
イクル例に関連して説明された通り、冷却後には共晶に
よって結合が生み出されるわけである。
させるためには、サイクルの時間幅を長くし、それによ
って系が長時間にわたり高温下に留まるようにすればよ
い。サイクルが十分に遅いか、あるいは雰囲気の酸素含
有量が十分に多ければ、共晶温度に到達するまでに領域
２３は共晶組成以上の酸素を含有することがある。その
場合には、第３図に極めて明確に示される通り、１０６
５℃以上における領域２３は過共晶となって固体酸化、
第一銅および液体共晶を含有する。この方法の第１のサ
イクル例に関連して説明された通り、冷却後には共晶に
よって結合が生み出されるわけである。
バージニスおよびバブコックの方法の場合、凝固後の領
域２３が金属銅および固体共晶合金から成ることを考え
れば第１のサイクル例の方が好適であることを強調して
おかねばならない。なぜなら、領１ｒｒ５２３は電気的
および物理的に金属銅とほとんど同じであり、従って電
気導体などの一部として使用・できるからである。第２
のサイクル例に従えば凝固後の領域２３は酸化第一銅お
よび固体共晶合金から成り、従って金属銅からの性質の
相違が大きい。
域２３が金属銅および固体共晶合金から成ることを考え
れば第１のサイクル例の方が好適であることを強調して
おかねばならない。なぜなら、領１ｒｒ５２３は電気的
および物理的に金属銅とほとんど同じであり、従って電
気導体などの一部として使用・できるからである。第２
のサイクル例に従えば凝固後の領域２３は酸化第一銅お
よび固体共晶合金から成り、従って金属銅からの性質の
相違が大きい。
英国特許第７６１０４５号明細書中に記載された方法は
、予め銅を強く酸化し、その銅を基体上に配置 ゛し、
それからかかる集合体を銅の融点（１０８３℃）より高
いが酸化第一銅の融点（約１２００℃）よりは低い温度
に加熱するというものである。雰囲気は反応性または非
反応性のいずれであってもよい。
、予め銅を強く酸化し、その銅を基体上に配置 ゛し、
それからかかる集合体を銅の融点（１０８３℃）より高
いが酸化第一銅の融点（約１２００℃）よりは低い温度
に加熱するというものである。雰囲気は反応性または非
反応性のいずれであってもよい。
更に詳しく言えば、この方法は鋼上に酸化銅の層を形成
することから始まる。ところで、当業界において公知で
ありかつこの英国特許明細書中にも指摘されている通り
、加熱サイクル中に酸化第二銅はほぼ完全に酸化第一銅
に転化する。従って、この方法を表わす曲線は第２図の
状態図の右側に高温下で登場するわけで、これは酸化第
二銅の表層が酸化第一銅に転化したことを示している。
することから始まる。ところで、当業界において公知で
ありかつこの英国特許明細書中にも指摘されている通り
、加熱サイクル中に酸化第二銅はほぼ完全に酸化第一銅
に転化する。従って、この方法を表わす曲線は第２図の
状態図の右側に高温下で登場するわけで、これは酸化第
二銅の表層が酸化第一銅に転化したことを示している。
更に操作を続ければ、金属は銅の融点より高い温度に加
熱される。この英国特許明細書中には、銅は融解するが
酸化第一銅は融解しないことが強調されている。それ故
、ここに規定された方法が共晶点の右側において実施さ
れることは明らかである。
熱される。この英国特許明細書中には、銅は融解するが
酸化第一銅は融解しないことが強調されている。それ故
、ここに規定された方法が共晶点の右側において実施さ
れることは明らかである。
なぜなら、もし集合体が亜共晶領域において１０８３℃
以上となれば、液体だけしか存在しないはずだからであ
る。従って、この英国特許明細書に従って実施した場合
、凝固後の結合領域２３は固体の酸化第一銅および共晶
合金を含有することになる。
以上となれば、液体だけしか存在しないはずだからであ
る。従って、この英国特許明細書に従って実施した場合
、凝固後の結合領域２３は固体の酸化第一銅および共晶
合金を含有することになる。
この英国特許の方法を表わす曲線は、酸化第一銅への転
化が完了した後にも左方へ移動し続ける。
化が完了した後にも左方へ移動し続ける。
なぜなら、ここで問題となる高温下では液体銅がゆっく
りと酸化物と化合して共晶相を生成し、そのため酸化物
領域の銅含量は増大するからである。
りと酸化物と化合して共晶相を生成し、そのため酸化物
領域の銅含量は増大するからである。
本発明の直接結合法を銅および酸化銅に関して実施した
場合、最も簡単には先ず銅の表面が酸化銅で酸化させら
れる。この酸化銅は薄いもので各種の方法によって生成
させることができる。たとえば、熱的に生成させても、
陽極酸化によって生成せても、あるいは化学的に生成さ
せてもよい。
場合、最も簡単には先ず銅の表面が酸化銅で酸化させら
れる。この酸化銅は薄いもので各種の方法によって生成
させることができる。たとえば、熱的に生成させても、
陽極酸化によって生成せても、あるいは化学的に生成さ
せてもよい。
化学的な生成のためには、米国コネチカット州二−ユー
ヘブン市のエンソン社（Ｅ ｎｔｈｏｎｅ、Ｉ ｎｃ、
）からエボノールＣ（Ｅｂｏｎｏｌ Ｃ）の名称で販
売されている酸化性化合物を使用することができる。
ヘブン市のエンソン社（Ｅ ｎｔｈｏｎｅ、Ｉ ｎｃ、
）からエボノールＣ（Ｅｂｏｎｏｌ Ｃ）の名称で販
売されている酸化性化合物を使用することができる。
英国特許に関連して既に説明した通り、高温下では全て
の酸化第二銅が酸化第一銅に転化する。
の酸化第二銅が酸化第一銅に転化する。
従って、本発明方法を表わす曲線は第２図の状態図中の
純粋な酸化第一銅の位置に高温下で登場する。更に加熱
を続けながら時間が経過すると、本発明方法を表わす曲
線は極めて急速に左方へ移動する。ここに示された移動
は英国特許の方法に関連して示された移動よりも急速で
ある。−なぜなら、本発明方法に従って生成された酸化
物層は英国特Ｖ［の方法に従って生成された酸化物層よ
りも逃かに薄いからである。このことは、前述の英国特
許明細書中に記載された方法の場合、銅に寸法安定性を
与えるために厚い酸化物層が使用されていることからも
明らかである。しかるに、本発明方法の酸化物は結合操
作用の酸化物を供給するためにのみ使用されるものであ
る。その上、本発明方法においては結合領域２３を亜共
晶とすることが意図されるから、酸素の供給量は少なく
なければならないのである。このように少量の酸素は銅
の表面−から急速に拡散し、そのため表面におＩＪる銅
の相対量は増大する。
純粋な酸化第一銅の位置に高温下で登場する。更に加熱
を続けながら時間が経過すると、本発明方法を表わす曲
線は極めて急速に左方へ移動する。ここに示された移動
は英国特許の方法に関連して示された移動よりも急速で
ある。−なぜなら、本発明方法に従って生成された酸化
物層は英国特Ｖ［の方法に従って生成された酸化物層よ
りも逃かに薄いからである。このことは、前述の英国特
許明細書中に記載された方法の場合、銅に寸法安定性を
与えるために厚い酸化物層が使用されていることからも
明らかである。しかるに、本発明方法の酸化物は結合操
作用の酸化物を供給するためにのみ使用されるものであ
る。その上、本発明方法においては結合領域２３を亜共
晶とすることが意図されるから、酸素の供給量は少なく
なければならないのである。このように少量の酸素は銅
の表面−から急速に拡散し、そのため表面におＩＪる銅
の相対量は増大する。
後記の条件の範囲内で操作を行えば、１０６５℃の共晶
温度に到達する以前に結合領域２３の組成を亜共晶とす
ることができる。その結果、第３図に極めて明確に示さ
れている通り、最初の液体が現われた時の融体は亜共晶
である。従って、凝固によって結合が生じた後の結合領
域２３は銅および共晶合金から成るもので、酸化銅は実
質的に含まれていない。このように本発明方法が不活性
雰囲気中において実施される結果、高温下でも系内への
酸素の追加がなく、そのため最終的な融体が亜共晶とな
ることは重要である。
温度に到達する以前に結合領域２３の組成を亜共晶とす
ることができる。その結果、第３図に極めて明確に示さ
れている通り、最初の液体が現われた時の融体は亜共晶
である。従って、凝固によって結合が生じた後の結合領
域２３は銅および共晶合金から成るもので、酸化銅は実
質的に含まれていない。このように本発明方法が不活性
雰囲気中において実施される結果、高温下でも系内への
酸素の追加がなく、そのため最終的な融体が亜共晶とな
ることは重要である。
第２および３図を検討すれば明らかとなる通り、バージ
ニスおよびパブコックの方法もまた上記のごとき利点を
持った亜共晶結合領域２３を与えることができる。しか
しながら、特に要求の厳しい用途の場合には、不活性雰
囲気中において実施される本発明方法の方が好ましいこ
とがわかろう。なぜなら、本発明方法に従えば、結合操
作後に−も銅が強く酸化されることはないからである。
ニスおよびパブコックの方法もまた上記のごとき利点を
持った亜共晶結合領域２３を与えることができる。しか
しながら、特に要求の厳しい用途の場合には、不活性雰
囲気中において実施される本発明方法の方が好ましいこ
とがわかろう。なぜなら、本発明方法に従えば、結合操
作後に−も銅が強く酸化されることはないからである。
本明細書中において使用される不活性雰囲気という術語
は、その雰囲気が関連温度下において金属２１、結合剤
および基体２２に対し不活性であることを意味する。す
なわち、窒素のごとき気体が使用できるわけである。ま
た、本発明方法は真空中でも効果的に実施できる。要す
るに、かかる雰囲気はアルゴンのごとき伝統的な「不活
性気体」の１つである必要はないのである。
は、その雰囲気が関連温度下において金属２１、結合剤
および基体２２に対し不活性であることを意味する。す
なわち、窒素のごとき気体が使用できるわけである。ま
た、本発明方法は真空中でも効果的に実施できる。要す
るに、かかる雰囲気はアルゴンのごとき伝統的な「不活
性気体」の１つである必要はないのである。
次に第４図を見ると、銅−酸素状態図の拡大された亜共
晶部分が再び示されている。なお、銅−酸化銅系はやは
り例証の目的にのみ使用されるものであって、第４図に
関連して述べられることは任意の使用可能な共晶系に対
して適用される。
晶部分が再び示されている。なお、銅−酸化銅系はやは
り例証の目的にのみ使用されるものであって、第４図に
関連して述べられることは任意の使用可能な共晶系に対
して適用される。
既に指摘された通り、共晶温度より上方かつ同相線と液
相線との間にある亜共晶領域においては、固体銅および
液体共晶から成る二相混合物が存在する。ここで、１／
２原子％の酸素含量および約１０６７℃の温度に対応す
る点Ｘを考えよう。第４図に示されるごとく一定温度下
における点Ｘと固相線との間の直線距離をＬとし、また
点Ｘと液相線との間の直線距離をＳとすれば、点Ｘにお
ける液体共晶の割合はＬ／（Ｌ＋Ｓ）に等しくなる。従
って、第４図を観察ずればわかるように、１／２原子％
の酸素含量および約１０６７℃の温度に対応する混合物
は２／３以上が固体銅である。
相線との間にある亜共晶領域においては、固体銅および
液体共晶から成る二相混合物が存在する。ここで、１／
２原子％の酸素含量および約１０６７℃の温度に対応す
る点Ｘを考えよう。第４図に示されるごとく一定温度下
における点Ｘと固相線との間の直線距離をＬとし、また
点Ｘと液相線との間の直線距離をＳとすれば、点Ｘにお
ける液体共晶の割合はＬ／（Ｌ＋Ｓ）に等しくなる。従
って、第４図を観察ずればわかるように、１／２原子％
の酸素含量および約１０６７℃の温度に対応する混合物
は２／３以上が固体銅である。
温度が上昇するのに伴い、混合物中の液体は増加する。
やがて、点Ｙによって表わされる約１０７８℃の温度下
では、１／２原子％の酸素含量を有する混合物は２／３
以上が液体となる。最後に約１０８０℃の温度下では、
混合物は一相の液体のみとなる。
では、１／２原子％の酸素含量を有する混合物は２／３
以上が液体となる。最後に約１０８０℃の温度下では、
混合物は一相の液体のみとなる。
本発明方法は最も高い温度下でも領域２３の大部分が固
体であるように制御するのが最良であると判明している
。従って、操作温度は金属の融点よりも十分に低くかつ
共晶温度に近く保つことが有利である。たとえば、銅は
１０７２℃で結合するのが有利である。結合温度を金属
の融点よりも十分に低く保つことのもう１つの利点は、
第４図を更に検討すれば明らかとなる。点Ｙにおいて、
酸素含量が１／２原子％ではなく不注意から３／４原子
％になったとすると、結合領域２３全体が液体となるこ
とは明らかである。このような不注意による全面融解の
危険は低い温度下で結合操作を行うことによって削減さ
れる。
体であるように制御するのが最良であると判明している
。従って、操作温度は金属の融点よりも十分に低くかつ
共晶温度に近く保つことが有利である。たとえば、銅は
１０７２℃で結合するのが有利である。結合温度を金属
の融点よりも十分に低く保つことのもう１つの利点は、
第４図を更に検討すれば明らかとなる。点Ｙにおいて、
酸素含量が１／２原子％ではなく不注意から３／４原子
％になったとすると、結合領域２３全体が液体となるこ
とは明らかである。このような不注意による全面融解の
危険は低い温度下で結合操作を行うことによって削減さ
れる。
以上の条件および以下に示すような諸点を考慮すること
により、与えられた共晶混合物が結合用としてうまく作
用するかどうかを判定するためのメリット数が選定され
た。かかるメリット数は第４図に示されるような状態図
中の亜共晶領域を検討することによってめられたもので
ある。すなわち、金属の融点と共晶点とを結ぶ直線を引
いた場合、メリット数はその直線の勾配を℃／原子％単
位で表わした値である。かかるメリット数は１〜１００
の範囲内にあることが好ましく、またできるだけ１０に
近ければ最も好ましい。たとえば第４図を観察すると、
銅に関するメリット数は約１１．７℃／原子％であって
、これは銅−酸化銅系が結合用として魅力的な組合せで
あることを示している。
により、与えられた共晶混合物が結合用としてうまく作
用するかどうかを判定するためのメリット数が選定され
た。かかるメリット数は第４図に示されるような状態図
中の亜共晶領域を検討することによってめられたもので
ある。すなわち、金属の融点と共晶点とを結ぶ直線を引
いた場合、メリット数はその直線の勾配を℃／原子％単
位で表わした値である。かかるメリット数は１〜１００
の範囲内にあることが好ましく、またできるだけ１０に
近ければ最も好ましい。たとえば第４図を観察すると、
銅に関するメリット数は約１１．７℃／原子％であって
、これは銅−酸化銅系が結合用として魅力的な組合せで
あることを示している。
本発明方法中には、金属と直接接触した結合剤の固体状
態供給源を使用することが要求される。
態供給源を使用することが要求される。
第５Ａ〜５Ｄ図は、かかる固体状態供給源を結合系内に
導入するための幾つかの方法を示している。
導入するための幾つかの方法を示している。
なお、これらの図に関する以下の説明の場合にもやはり
銅−酸化銅系が例証の目的で使用される。
銅−酸化銅系が例証の目的で使用される。
とは言え、これらの方法が銅−酸化銅系にのみ限定され
ないことは了解されるべきである。
ないことは了解されるべきである。
先ず第５Ａ図を見ると、基体２２Ａに隣接した側に酸化
銅層２４Ａを有する薄板２１Ａが示されている。
銅層２４Ａを有する薄板２１Ａが示されている。
銅２１Ａは矢印で示された方向へ移動させることによっ
て基体２２Ａ上に配置される。銅２１Ａが基体２２Ａ上
に配置されれば、酸化銅層２４Ａは銅と基体との間には
さまれる。その結果、銅２１Ａと基体２２Ａとの界面に
酸化銅層２４Ａが暴露されることになる。
て基体２２Ａ上に配置される。銅２１Ａが基体２２Ａ上
に配置されれば、酸化銅層２４Ａは銅と基体との間には
さまれる。その結果、銅２１Ａと基体２２Ａとの界面に
酸化銅層２４Ａが暴露されることになる。
酸化銅層２４Ａは、最終的に生成される結合領域が第２
および３図に関連して説明されたごとく亜共晶となるよ
う、極めて薄いことが好ましい。たとえば、約２００〜
５０００オングストロームの範囲内の厚さを有する酸化
第二銅層を使用するのがよい。
および３図に関連して説明されたごとく亜共晶となるよ
う、極めて薄いことが好ましい。たとえば、約２００〜
５０００オングストロームの範囲内の厚さを有する酸化
第二銅層を使用するのがよい。
自明のことながら、銅が薄くなるほど薄い酸化銅層を使
用することが好ましく、またその逆も言える。かかる酸
化銅層は極めて薄いため、本明細書中の記載に際しては
、銅２１Ａおよび基体２２Ａが直接に接触した界面を有
するものとして取扱われる。
用することが好ましく、またその逆も言える。かかる酸
化銅層は極めて薄いため、本明細書中の記載に際しては
、銅２１Ａおよび基体２２Ａが直接に接触した界面を有
するものとして取扱われる。
銅２１Ａが基体２２Ａ上に配置された後、かかる集合体
を不活性雰囲気中において十分な時間にわたり銅−酸化
銅系の共晶温度と銅の融点との間の温度に加熱すれば、
界面に融体が生成される。前述の通り、その場合の温度
は１０７２℃付近であることが好ましい。また、かかる
加熱工程は窒素雰囲気の供給されたトンネルがま内で実
施することが好ましい。過度の解離を防止するため、温
度上置はかなり急速に（たとえば室温から共晶温度まで
を３〜４分以内で）行うべきである。薄い（１〜１０ミ
ルの）銅を結合するためには、共晶温度を越えてから数
秒の時間で十分である。時間が数分を越えることは、銅
が厚い場合でも何ら利益はないようである。このような
時間、温度および酸化銅層の厚さを使用すれば、最終的
な融体は亜共晶となる。冷却後、融体は凝固して結合を
生み出す。
を不活性雰囲気中において十分な時間にわたり銅−酸化
銅系の共晶温度と銅の融点との間の温度に加熱すれば、
界面に融体が生成される。前述の通り、その場合の温度
は１０７２℃付近であることが好ましい。また、かかる
加熱工程は窒素雰囲気の供給されたトンネルがま内で実
施することが好ましい。過度の解離を防止するため、温
度上置はかなり急速に（たとえば室温から共晶温度まで
を３〜４分以内で）行うべきである。薄い（１〜１０ミ
ルの）銅を結合するためには、共晶温度を越えてから数
秒の時間で十分である。時間が数分を越えることは、銅
が厚い場合でも何ら利益はないようである。このような
時間、温度および酸化銅層の厚さを使用すれば、最終的
な融体は亜共晶となる。冷却後、融体は凝固して結合を
生み出す。
もし両面をそのまま酸化する方が簡便であるならば、銅
２１Ａの下面ばかりでなく上面をも酸化してよいことが
了解されるべきである。そのような場合でも、上面の酸
化銅が銅と基体との界面における結合を妨害することは
ない。
２１Ａの下面ばかりでなく上面をも酸化してよいことが
了解されるべきである。そのような場合でも、上面の酸
化銅が銅と基体との界面における結合を妨害することは
ない。
酸化銅は任意適宜の方法によって生成させることができ
る。たとえば、熱的に酸化銅を生成させてもよいし、あ
るいは前記のエボノールＣまたはその他任意の酸化剤を
用いて化学的に酸化銅を生成させてもよい。更に別の方
法は鋼上に粒状の酸化銅を層２４Ａとして付着させると
いうものである。
る。たとえば、熱的に酸化銅を生成させてもよいし、あ
るいは前記のエボノールＣまたはその他任意の酸化剤を
用いて化学的に酸化銅を生成させてもよい。更に別の方
法は鋼上に粒状の酸化銅を層２４Ａとして付着させると
いうものである。
その場合には、取扱いを容易にするため、粒状の酸化銅
を適当なビヒクルと混合することが好ましい。付着させ
るためには、塗布、スクリーン印刷（５ｉｌｋ Ｓ ｃ
ｒｅｅｎｉｎｇ）またはその他任意の適当な技術が使用
できる。上記のビヒクルは加熱工程中に蒸発する有機化
合物であり、従って最終的な結合領域中には存在しない
ことが好ましい。かかる粒状酸化銅の付着が非常に高い
酸素含量をもたらし、そのため最終的な結合領域が過共
晶となって全ての銅が融解してしまうかも知れないと思
われる場合には、粒状の酸化銅と混合することによって
層２４Ａ中の酸素含量を減らせばよい。
を適当なビヒクルと混合することが好ましい。付着させ
るためには、塗布、スクリーン印刷（５ｉｌｋ Ｓ ｃ
ｒｅｅｎｉｎｇ）またはその他任意の適当な技術が使用
できる。上記のビヒクルは加熱工程中に蒸発する有機化
合物であり、従って最終的な結合領域中には存在しない
ことが好ましい。かかる粒状酸化銅の付着が非常に高い
酸素含量をもたらし、そのため最終的な結合領域が過共
晶となって全ての銅が融解してしまうかも知れないと思
われる場合には、粒状の酸化銅と混合することによって
層２４Ａ中の酸素含量を減らせばよい。
厚さ１０ミルの銅をセラミック（結合するための優れた
方法は次の通りである。銅の両面に厚さ１０００オング
ストロームの酸化第二銅が化学的に生成される。酸化後
の銅を基体上に配置した後、かかる集合体がトンネルが
ま内に通され、それにより窒素中において３〜３十分で
約１０７２℃に加熱される。４分間にわたりその温度に
保ってから冷却すれば、目的の結合が得られる。
方法は次の通りである。銅の両面に厚さ１０００オング
ストロームの酸化第二銅が化学的に生成される。酸化後
の銅を基体上に配置した後、かかる集合体がトンネルが
ま内に通され、それにより窒素中において３〜３十分で
約１０７２℃に加熱される。４分間にわたりその温度に
保ってから冷却すれば、目的の結合が得られる。
１０６５℃における平衡状態では、厚さ１０００オング
ストロームの酸化第一銅は厚さ約２１５００オングスト
ロームの融体を生成する。１０７５℃では、融体の厚さ
は約４００００オンゲスト０−ムとなる。なお、１０ミ
ルは２５０００００オンゲスト０−ムに等しい。かかる
好適な方法における融体の厚さは４００００オングスト
ロームより小さいから、２４０００００オングストロー
ムを越える（つまり９ミルを遥かに上回る）厚さの銅が
実質的に固体状態に留まり、従って寸法安定性が得られ
ることになる。
ストロームの酸化第一銅は厚さ約２１５００オングスト
ロームの融体を生成する。１０７５℃では、融体の厚さ
は約４００００オンゲスト０−ムとなる。なお、１０ミ
ルは２５０００００オンゲスト０−ムに等しい。かかる
好適な方法における融体の厚さは４００００オングスト
ロームより小さいから、２４０００００オングストロー
ムを越える（つまり９ミルを遥かに上回る）厚さの銅が
実質的に固体状態に留まり、従って寸法安定性が得られ
ることになる。
次に第５Ｂ図を見ると、酸化銅層２４Ｂが銅２１Ｂの上
面に位置することを除けば第５Ａ図の場合と同様な結合
系が示されている。酸化銅１５２４Ｂは前述のごとく銅
２１Ｂ上に化学的または熱的に生成させてもよいし、あ
るいはやはり前述のごとく粒状の酸化銅を層２４Ｂとし
て付着させてもよい。銅２１Ｂを矢印の方向に移動させ
て基体２２Ｂ上に配置すれば、銅は基体に直接接触し、
そして両者間に結合界面が形成される。
面に位置することを除けば第５Ａ図の場合と同様な結合
系が示されている。酸化銅１５２４Ｂは前述のごとく銅
２１Ｂ上に化学的または熱的に生成させてもよいし、あ
るいはやはり前述のごとく粒状の酸化銅を層２４Ｂとし
て付着させてもよい。銅２１Ｂを矢印の方向に移動させ
て基体２２Ｂ上に配置すれば、銅は基体に直接接触し、
そして両者間に結合界面が形成される。
第５Ｂ図に示された構成の場合、加熱時における融体の
大部分は上面の酸化銅２４Ｂの位置にある。
大部分は上面の酸化銅２４Ｂの位置にある。
ところが、加熱温度が上昇するのに伴い、いわゆる固相
拡散により一定量の酸素が比較的薄い鋼中を拡散して下
面に到達する。更にまた、温度が共晶温度を越えると融
体から成る若干の毛管路が銅を貫通し、そのため少量の
融体が銅２１Ｂの下面に直接到達することも考えられる
。銅２１Ｂおよび基体２２Ｂは界面において接触してい
るから、界面を実質的に充填するにはほんの少量の融体
しか必要でない。従って、冷却後には結合が得られるわ
けである。上面を酸化した場合、酸化銅層は第５Ａ図の
構成において使用される酸化銅層よりもやや厚いことが
好ましいが、時間はほぼ同じでよい。
拡散により一定量の酸素が比較的薄い鋼中を拡散して下
面に到達する。更にまた、温度が共晶温度を越えると融
体から成る若干の毛管路が銅を貫通し、そのため少量の
融体が銅２１Ｂの下面に直接到達することも考えられる
。銅２１Ｂおよび基体２２Ｂは界面において接触してい
るから、界面を実質的に充填するにはほんの少量の融体
しか必要でない。従って、冷却後には結合が得られるわ
けである。上面を酸化した場合、酸化銅層は第５Ａ図の
構成において使用される酸化銅層よりもやや厚いことが
好ましいが、時間はほぼ同じでよい。
次に第５Ｃ図を見ると、本発明方法の更に別の変形例が
示されている。この場合には、２枚の銅薄板２１Ｃを使
用することにより、両者間にはさまれるようにして少な
くとも一方の薄板上に酸化銅層２４Ｇが設置される。両
方の薄板を矢印の方向へ移動させた場合、いずれの薄板
も薄い酸化銅層２４Ｃと接触することになるから、酸化
銅層２４Ｃがどちらの薄板上に位置するかは重要でない
。勿論、酸化銅層２４Ｇは任意の前記技術によって設置
することができる。
示されている。この場合には、２枚の銅薄板２１Ｃを使
用することにより、両者間にはさまれるようにして少な
くとも一方の薄板上に酸化銅層２４Ｇが設置される。両
方の薄板を矢印の方向へ移動させた場合、いずれの薄板
も薄い酸化銅層２４Ｃと接触することになるから、酸化
銅層２４Ｃがどちらの薄板上に位置するかは重要でない
。勿論、酸化銅層２４Ｇは任意の前記技術によって設置
することができる。
結合操作時には、先ず銅薄板の間に融体が生成する。し
かし最終的には、第５Ｂ図に関連して記載された通り、
一定の融体が下方の銅薄板２１Ｃと基体２２Ｃとの界面
に到達する。なお、融体の大部分は２枚の銅薄板間の界
面に留まっている。冷却後、銅薄板同士は両者間の融体
によって結合され、また下方の銅薄板２１Ｇと基体２２
Ｃとは両者間の融体によって結合される。
かし最終的には、第５Ｂ図に関連して記載された通り、
一定の融体が下方の銅薄板２１Ｃと基体２２Ｃとの界面
に到達する。なお、融体の大部分は２枚の銅薄板間の界
面に留まっている。冷却後、銅薄板同士は両者間の融体
によって結合され、また下方の銅薄板２１Ｇと基体２２
Ｃとは両者間の融体によって結合される。
本発明方法の更に別の変形例が第５Ｄ図に示されている
。この場合には、酸化銅層２４Ｄが基体２２Ｄ上に設置
される。そのためには、前述のごとき任意の通常技術を
使用することができるし、あるいはスパッター、蒸着ま
たは化学めっきによって設置した銅層を酸化するような
その他の通常技術を使用することもできる。次いで、銅
２１Ｄを矢印の方向へ移動させて酸化銅層２４Ｄ上に載
せれば、以後の挙動は第５Ａ図に関連して記載された場
合と同じになる。従って、加熱冷却を行えば結合が得ら
れることになる。
。この場合には、酸化銅層２４Ｄが基体２２Ｄ上に設置
される。そのためには、前述のごとき任意の通常技術を
使用することができるし、あるいはスパッター、蒸着ま
たは化学めっきによって設置した銅層を酸化するような
その他の通常技術を使用することもできる。次いで、銅
２１Ｄを矢印の方向へ移動させて酸化銅層２４Ｄ上に載
せれば、以後の挙動は第５Ａ図に関連して記載された場
合と同じになる。従って、加熱冷却を行えば結合が得ら
れることになる。
以上の方法では、そのいずれにおいても、酸素の導入量
および加熱サイクルを制御することによって最終的な結
合領域が亜共晶となることが保証される。
および加熱サイクルを制御することによって最終的な結
合領域が亜共晶となることが保証される。
次に第６図を見ると、本発明方法の更に別の変形例が示
されている。第６図中の金属２１は普通に入手可能な形
態を成すタフピッチ電解銅であって、これは直接結合を
達成するのに十分な量の酸素を含有している。典型的な
タフピッチ電解銅は約１００〜２０００ｐｐｍの酸素を
溶解酸素または酸化銅の形で含有している。タフピッチ
電解銅中に含有される酸素は約１０６５℃で数秒の内に
結合をもたらすのに十分であることが判明している。従
って、タフぐツチ電解銅を使用した場合、結合剤の固体
状態供給源は銅それ自体である。
されている。第６図中の金属２１は普通に入手可能な形
態を成すタフピッチ電解銅であって、これは直接結合を
達成するのに十分な量の酸素を含有している。典型的な
タフピッチ電解銅は約１００〜２０００ｐｐｍの酸素を
溶解酸素または酸化銅の形で含有している。タフピッチ
電解銅中に含有される酸素は約１０６５℃で数秒の内に
結合をもたらすのに十分であることが判明している。従
って、タフぐツチ電解銅を使用した場合、結合剤の固体
状態供給源は銅それ自体である。
次に第７図を見ると、加圧実装−両側冷却型半導体パッ
ケージ３１が示されている。このパッケージ３１は環状
のセラミックハウジング３２を包含し、その下端には下
部金属接点アセンブリ３３が連結されている。接点アセ
ンブリ３３は大形の金属接点板３４および柔軟な接点円
板３５から成り、後者は周辺に沿ってセラミックハウジ
ング３２に結合されている。セラミックハウジング３２
の他端には、薄いフランジ３６を包含する上部金属接点
アセンブリ４０が結合されている。フランジ３６は周辺
に沿って薄い柔軟な接点円板３１に溶接されていて、後
者は第２の大形金属接点板３８を支持している。２個の
接点板の間には、常温加硫型ゴム製のリング４１によっ
て中央に保持された通常の半導体ペレットサブアセンブ
リ３９が位置している。ここまでに記載したような構造
物は従来通りのものであって、これはＳＣＲや整流器の
ごとき各種の半導体装置を収容するために使用できる。
ケージ３１が示されている。このパッケージ３１は環状
のセラミックハウジング３２を包含し、その下端には下
部金属接点アセンブリ３３が連結されている。接点アセ
ンブリ３３は大形の金属接点板３４および柔軟な接点円
板３５から成り、後者は周辺に沿ってセラミックハウジ
ング３２に結合されている。セラミックハウジング３２
の他端には、薄いフランジ３６を包含する上部金属接点
アセンブリ４０が結合されている。フランジ３６は周辺
に沿って薄い柔軟な接点円板３１に溶接されていて、後
者は第２の大形金属接点板３８を支持している。２個の
接点板の間には、常温加硫型ゴム製のリング４１によっ
て中央に保持された通常の半導体ペレットサブアセンブ
リ３９が位置している。ここまでに記載したような構造
物は従来通りのものであって、これはＳＣＲや整流器の
ごとき各種の半導体装置を収容するために使用できる。
かかるパッケージに関して更に多くの情報が所望される
ならば、米国ニューヨーク州シラキューズ市のゼネラル
・エレクトリック・カンパニー （Ｇｅｎｅｒａｌ Ｅ
ｌｅｃｔｒｉｃ Ｃｏｍｐａｎｙ ）発行ｒＳＣＲ便覧
（ＳＣＲＭａｎｕａｌ ） Ｊ（１９７２年）を参照さ
れたい。
ならば、米国ニューヨーク州シラキューズ市のゼネラル
・エレクトリック・カンパニー （Ｇｅｎｅｒａｌ Ｅ
ｌｅｃｔｒｉｃ Ｃｏｍｐａｎｙ ）発行ｒＳＣＲ便覧
（ＳＣＲＭａｎｕａｌ ） Ｊ（１９７２年）を参照さ
れたい。
かかるパッケージ３１は、以下に記載されるごとく、本
発明の直接結合法によって有利に製造することができる
。
発明の直接結合法によって有利に製造することができる
。
次に第８図を見ると、上端および下端に酸化銅層４２の
付着したセラミックハウジング３２が示されている。酸
化銅層４２は任意適宜の方法によって付着させ得るが、
有機ビヒクル中の粒状酸化銅および粒状鋼をスクリーン
印刷することによって付着させるのが好ましい。酸化銅
層４２をイ」着させた後、下部金属接点アセンブリ３３
およびフランジ３６が最終状態に配置し、そしてかかる
集合体に適切な加熱冷却ナイクルを施せば、セラミック
ハウジング３２と接点円板３５およびフランジ３６との
間に直接結合が生じる。勿論、セラミックハウジング３
２上ではなく接点円板３５およびフランジ３６上にも酸
化銅層４２を生成ないし付着させ得ることは言うまでも
ない。加熱時には集合体上に小さなおもりを載せると、
完成後の装置において気密性を得るのに役立つ。
付着したセラミックハウジング３２が示されている。酸
化銅層４２は任意適宜の方法によって付着させ得るが、
有機ビヒクル中の粒状酸化銅および粒状鋼をスクリーン
印刷することによって付着させるのが好ましい。酸化銅
層４２をイ」着させた後、下部金属接点アセンブリ３３
およびフランジ３６が最終状態に配置し、そしてかかる
集合体に適切な加熱冷却ナイクルを施せば、セラミック
ハウジング３２と接点円板３５およびフランジ３６との
間に直接結合が生じる。勿論、セラミックハウジング３
２上ではなく接点円板３５およびフランジ３６上にも酸
化銅層４２を生成ないし付着させ得ることは言うまでも
ない。加熱時には集合体上に小さなおもりを載せると、
完成後の装置において気密性を得るのに役立つ。
セラミックハウジング３２に接点板３５およびフランジ
３６を結合した後、リング４１を伴ったペレットサブア
センブリ３９を配置し、上部金属接点アセンブリ４０を
配置し、それから接点円板３７とフランジ３６とを周辺
に沿って溶接すれば、装置の組立てが完了する。
３６を結合した後、リング４１を伴ったペレットサブア
センブリ３９を配置し、上部金属接点アセンブリ４０を
配置し、それから接点円板３７とフランジ３６とを周辺
に沿って溶接すれば、装置の組立てが完了する。
ここに至れば明らかな通り、バブコックの方法を使用す
るならば酸化銅Ｂ４２の付着を省くことができる。すな
わち、加熱操作時の雰囲気が特定の結合剤を含有すれば
、それ自体が十分量の結合剤を供給して結合を生み出す
ことができるわけである。
るならば酸化銅Ｂ４２の付着を省くことができる。すな
わち、加熱操作時の雰囲気が特定の結合剤を含有すれば
、それ自体が十分量の結合剤を供給して結合を生み出す
ことができるわけである。
代用可能な別の方法は、接点円板３５およびフランジ３
６を予め酸化することである。かかる予備酸化技術が使
用された場合には、第３〜５図に示される結合系に関連
して説明されたごとく酸化物が所要量の酸素を供給する
から、酸化銅層４２の付着は省くことができる。予備酸
化技術を選ぶならば、予備酸化時に接点円板およびフラ
ンジを遮蔽することにより、セラミックハウジング３２
との間に界面を形成する部分のみに予備酸化を限定した
方が望ましい場合もある。あるいは、接点円板３５およ
びフランジ３６の全体を酸化した後、結合に先立って遮
蔽および食刻工程より不要の酸化物を化学的に除去して
もよい。（更に簡便には、全表面を酸化されたままにし
ておいてもよいことは勿論である。） 次に第１６図を見ると、同様なパッケージ組立技術が示
されている。なお、同じ構成部品には同じ参照番号が付
けられている。第１６図の実施例では、予め酸化された
プレフォーム１４５を各々の界面に導入することによっ
て酸素が供給される。プレフォーム１４５は加熱工程中
に完全に液化する程度に強く酸化されていることが好ま
しいが、接点円板３５およびフランジ３６まで液化する
ほどに強く酸化されていてはならない。第１６図に示さ
れた装置の最終的な組立は第８図に示された装置の場合
と同じである。
６を予め酸化することである。かかる予備酸化技術が使
用された場合には、第３〜５図に示される結合系に関連
して説明されたごとく酸化物が所要量の酸素を供給する
から、酸化銅層４２の付着は省くことができる。予備酸
化技術を選ぶならば、予備酸化時に接点円板およびフラ
ンジを遮蔽することにより、セラミックハウジング３２
との間に界面を形成する部分のみに予備酸化を限定した
方が望ましい場合もある。あるいは、接点円板３５およ
びフランジ３６の全体を酸化した後、結合に先立って遮
蔽および食刻工程より不要の酸化物を化学的に除去して
もよい。（更に簡便には、全表面を酸化されたままにし
ておいてもよいことは勿論である。） 次に第１６図を見ると、同様なパッケージ組立技術が示
されている。なお、同じ構成部品には同じ参照番号が付
けられている。第１６図の実施例では、予め酸化された
プレフォーム１４５を各々の界面に導入することによっ
て酸素が供給される。プレフォーム１４５は加熱工程中
に完全に液化する程度に強く酸化されていることが好ま
しいが、接点円板３５およびフランジ３６まで液化する
ほどに強く酸化されていてはならない。第１６図に示さ
れた装置の最終的な組立は第８図に示された装置の場合
と同じである。
いかなる結合技術が選ばれるかとは無関係に、厚さ約１
０〜２０ミルの銅から成る接点円板およびフランジが優
れたパッケージを与えることが判明している。銅を使用
する場合、かかるプレフォームの厚さは３〜５ミルの範
囲内にあり、しかも酸化物層の総合厚さは少なくとも１
／４ミルであることが好ましい。すなわち、プレフォー
ムの両側を酸化するならば、プレフォーム１個当り１／
４ミルの総合厚さを得るためには酸化物層の厚さを１／
８ミルとすればよいわけである。かかる厚さの酸化物層
を生成させれば、プレフォームは完全に液化することが
保証される。プレフォームの完全な液化が所望されるの
は、総合操作中に十分量の液体が供給されれば気密性が
高まるためである。
０〜２０ミルの銅から成る接点円板およびフランジが優
れたパッケージを与えることが判明している。銅を使用
する場合、かかるプレフォームの厚さは３〜５ミルの範
囲内にあり、しかも酸化物層の総合厚さは少なくとも１
／４ミルであることが好ましい。すなわち、プレフォー
ムの両側を酸化するならば、プレフォーム１個当り１／
４ミルの総合厚さを得るためには酸化物層の厚さを１／
８ミルとすればよいわけである。かかる厚さの酸化物層
を生成させれば、プレフォームは完全に液化することが
保証される。プレフォームの完全な液化が所望されるの
は、総合操作中に十分量の液体が供給されれば気密性が
高まるためである。
次に第１１図を見ると、もう１つの実施例を成すパッケ
ージ１５１の製造技術が示されている。環状のセラミッ
クハウジング１３２が下部金属接点円板１５２と上部接
点フランジ１５３との間に位置している。結合のため、
かかる装置においてはプレフォーム１４５が配置されて
いる。とは言え、この気体元素を導入するための前記技
術のいずれでも使用できることが了解されるべきである
。
ージ１５１の製造技術が示されている。環状のセラミッ
クハウジング１３２が下部金属接点円板１５２と上部接
点フランジ１５３との間に位置している。結合のため、
かかる装置においてはプレフォーム１４５が配置されて
いる。とは言え、この気体元素を導入するための前記技
術のいずれでも使用できることが了解されるべきである
。
積重ねられた集合体は耐火性材料製の下部物体１５４と
上部物体１５５との間に配置される。物体１５４および
１５５としてはに２３耐火レンガが役に立つ。
上部物体１５５との間に配置される。物体１５４および
１５５としてはに２３耐火レンガが役に立つ。
結合時に圧力を加えて気密性を確保するため、集合体の
頂上にはおもり １５６を載せることが好ましい。気密
性を得るためにおもりが有効なのは、結合時の金属はそ
の融点から数度以内の温度にあって非常に軟らかいため
である。すなわち、かかるおもりによって金属はセラミ
ックハウジングの外形に順応し得ることになる。おもり
の材料としては、重量／熱容量比が大きい点から見てタ
ングステンが優れている。
頂上にはおもり １５６を載せることが好ましい。気密
性を得るためにおもりが有効なのは、結合時の金属はそ
の融点から数度以内の温度にあって非常に軟らかいため
である。すなわち、かかるおもりによって金属はセラミ
ックハウジングの外形に順応し得ることになる。おもり
の材料としては、重量／熱容量比が大きい点から見てタ
ングステンが優れている。
ところで、直接結合法はほとんど全てのセラミック材料
に金属を結合する優れた方法であることが判明している
。従って、接点円板１５２およびフランジ１５３が耐火
レンガ１４５および１５５に結合してしまうことのない
ように注意を払わなければならない。強固な結合が生じ
ないようにするための簡単な方法は、接点円板１５２お
よシフランジ１５３と耐火レンガ１５４および１５５と
の間に粗い耐火性粉末１５７を配置することであると判
明した。たとえば、７０〜８０メツシユの範囲内の粒度
を有する酸化アルミニウムが役に立つ。かかる粗い粉末
は不規則な形状を有するため、たとえ金属部品に結合す
ることがあっても、接触面積が小さいから結合後におけ
る機械的な除去が容易なのである。
に金属を結合する優れた方法であることが判明している
。従って、接点円板１５２およびフランジ１５３が耐火
レンガ１４５および１５５に結合してしまうことのない
ように注意を払わなければならない。強固な結合が生じ
ないようにするための簡単な方法は、接点円板１５２お
よシフランジ１５３と耐火レンガ１５４および１５５と
の間に粗い耐火性粉末１５７を配置することであると判
明した。たとえば、７０〜８０メツシユの範囲内の粒度
を有する酸化アルミニウムが役に立つ。かかる粗い粉末
は不規則な形状を有するため、たとえ金属部品に結合す
ることがあっても、接触面積が小さいから結合後におけ
る機械的な除去が容易なのである。
下部金属接点円板１５２は、ハウジングと接点円板との
同心性を保証するため、セラミックハウジング１３２の
内面に整合して肩部１５８を有している。
同心性を保証するため、セラミックハウジング１３２の
内面に整合して肩部１５８を有している。
また、結合時に正しい位置合せを保証するため、耐火レ
ンガ１５４の開口１６１に整合した第２の肩部１５９が
設けられている。同じくフランジ１５３には、セラミッ
クハウジング１３２の内面に整合した肩部１６２が同心
性を保証するために設けられ、また耐火レンガ１５５の
突起に整合した第２の肩部１６３が位置合せを保証する
ために設けられている。このように、結合を行うため第
１７図のごとくに用意された集合体は自動的な位置合せ
が可能であって、それを整列状態に保つために余分の締
め金や固定金具が必要とされることはない。
ンガ１５４の開口１６１に整合した第２の肩部１５９が
設けられている。同じくフランジ１５３には、セラミッ
クハウジング１３２の内面に整合した肩部１６２が同心
性を保証するために設けられ、また耐火レンガ１５５の
突起に整合した第２の肩部１６３が位置合せを保証する
ために設けられている。このように、結合を行うため第
１７図のごとくに用意された集合体は自動的な位置合せ
が可能であって、それを整列状態に保つために余分の締
め金や固定金具が必要とされることはない。
パッケージ１５１の組立はパッケージ３１の場合と同様
にして完成される。詳しく言えば、半導体ベレットサブ
アセンブリ １３９をセラミックハウジング１３２内に
配置した後、上部金属接点円板１６４がフランジ１５３
の上方に配置され、それから両者が周囲に沿って溶接（
一般に冷間溶接）される。
にして完成される。詳しく言えば、半導体ベレットサブ
アセンブリ １３９をセラミックハウジング１３２内に
配置した後、上部金属接点円板１６４がフランジ１５３
の上方に配置され、それから両者が周囲に沿って溶接（
一般に冷間溶接）される。
パッケージ１５１において大形の金属接点板が所望され
る場合には、それを追加するごともできる。
る場合には、それを追加するごともできる。
接点円板１５２および１６４の各々は、図示の通り、中
央に位置しかつ内側に向いたくぼみを規定していること
が認められよう。これらのくぼみが大形の接点板１６５
および１６６を収容している。なお、所望ならば、これ
らの接点板をくぼみ内にはんだ付けすることもできる。
央に位置しかつ内側に向いたくぼみを規定していること
が認められよう。これらのくぼみが大形の接点板１６５
および１６６を収容している。なお、所望ならば、これ
らの接点板をくぼみ内にはんだ付けすることもできる。
要するに、第１７図に示された集合体を加熱冷却して直
接結合を生じさせた後、接点板１６５が配置され、そし
て所望ならば接点円板１５２のくぼみ内にはんだ付けさ
れる。次に、半導体ベレットサブアセンブリが接点板上
に配置されかつＲＴＶゴム製のリング１４１によって同
心的に保持される。最後に、上部金属接点円板１６４お
よび接点板１６６が配置され、それからフランジ１５３
と接点円板１６４とが周囲に沿って溶接される。以上で
装置の組立が完了する。
接結合を生じさせた後、接点板１６５が配置され、そし
て所望ならば接点円板１５２のくぼみ内にはんだ付けさ
れる。次に、半導体ベレットサブアセンブリが接点板上
に配置されかつＲＴＶゴム製のリング１４１によって同
心的に保持される。最後に、上部金属接点円板１６４お
よび接点板１６６が配置され、それからフランジ１５３
と接点円板１６４とが周囲に沿って溶接される。以上で
装置の組立が完了する。
なお、以上の記載に際して使用された上部および下部と
いう術語に特別の意味がないことは言うまでもない。こ
れらは図面中に示されたものを説明する際の便宜から使
用されたに過ぎない。またフランジを含む接点アセンブ
リは、必ずしも環状セラミックハウジングの上端に限ら
ず、いずれか一方または両方の端部に包含され得ること
も勿論である。
いう術語に特別の意味がないことは言うまでもない。こ
れらは図面中に示されたものを説明する際の便宜から使
用されたに過ぎない。またフランジを含む接点アセンブ
リは、必ずしも環状セラミックハウジングの上端に限ら
ず、いずれか一方または両方の端部に包含され得ること
も勿論である。
かかるパッケージのその他の変形実施例も可能である。
たとえば、金属と結合剤との組合せはその他にも数多く
のものが使用できる。あるいはまた、半導体ベレットサ
ブアセンブリの耐熱性が許す限りは、フランジ３６を省
き、そしてセラミックハウジングの両端に同様な接点円
板３５または１５２を（恐らくは同時に）結合すること
もできる。
のものが使用できる。あるいはまた、半導体ベレットサ
ブアセンブリの耐熱性が許す限りは、フランジ３６を省
き、そしてセラミックハウジングの両端に同様な接点円
板３５または１５２を（恐らくは同時に）結合すること
もできる。
次に、本発明方法のもう１つの応用例として電気回路基
板アセンブリの製造方法を説明しよう。
板アセンブリの製造方法を説明しよう。
第９図には、周辺支持体５１および多数のランド部５２
〜５８を包含するリードフレーム５０が示されている。
〜５８を包含するリードフレーム５０が示されている。
回路基板中の導電性領域を形成するのはランド部である
。ランド部は比較的細いタブ６１によって支持体に連結
されている。かかるリードフレームは任意の従来技術に
よって作製することができる。たとえば、打抜きおよび
食刻の技術が有用であると判明している。
。ランド部は比較的細いタブ６１によって支持体に連結
されている。かかるリードフレームは任意の従来技術に
よって作製することができる。たとえば、打抜きおよび
食刻の技術が有用であると判明している。
第１０図には、アルミナま−たはベリリアのごとき基体
２２上に配置されたリードフレーム５０の断面立面図が
示されている。基体２２の下側にはむくの銅薄板２１が
図示されている。かかるむくの銅薄板は随意のものであ
って、所望に応じてアセンブリ中に包含され得る。銅薄
板２１が存在すれば、アセンブリ全体を放熱器にはんだ
付けまたは直接結合することができ、従って優れた熱的
および機械的連結が得られることになる。
２２上に配置されたリードフレーム５０の断面立面図が
示されている。基体２２の下側にはむくの銅薄板２１が
図示されている。かかるむくの銅薄板は随意のものであ
って、所望に応じてアセンブリ中に包含され得る。銅薄
板２１が存在すれば、アセンブリ全体を放熱器にはんだ
付けまたは直接結合することができ、従って優れた熱的
および機械的連結が得られることになる。
リードフレーム５０および銅薄板２１は本明細書中に記
載された技術によってセラミック２２に結合することが
できる。そのためには、酸素のごとき結合剤が系内に存
在しなければならない。酸化銅の導入は任意の前記技術
によって達成できる。たとえば、金属部品を予め酸化し
ても、粒状の酸化銅を付着させても、あるいはタフピッ
チ電解銅を使用してもよい。
載された技術によってセラミック２２に結合することが
できる。そのためには、酸素のごとき結合剤が系内に存
在しなければならない。酸化銅の導入は任意の前記技術
によって達成できる。たとえば、金属部品を予め酸化し
ても、粒状の酸化銅を付着させても、あるいはタフピッ
チ電解銅を使用してもよい。
第１０図に極めて明確に示される通り、ランド部５５を
周辺支持体５１と連結するタブ６１には小さなノツチ６
２が設けられている。かかるノツチの機能は後記におい
て明らかとなるはずである。
周辺支持体５１と連結するタブ６１には小さなノツチ６
２が設けられている。かかるノツチの機能は後記におい
て明らかとなるはずである。
第１１図は結合後におけるアセンブリのかど部の斜面図
である。第１１図かられかる通り、各々のタブ６１は関
連するランド部の近くに小さなノツチ６２を有している
。
である。第１１図かられかる通り、各々のタブ６１は関
連するランド部の近くに小さなノツチ６２を有している
。
結合後に周辺支持体５１を除去するためには、支持体の
かどをつかみ、そして（たとえば第１１図中の矢印の方
向に沿って）上方へ動かせばよい。アセンブリと周辺支
持体５１との間における唯一の連結機構は多数のタブで
ある。タブは、基体２２に直接結合されているとは言え
、寸法が小さいために基体２２から分離する。ところが
、ノツチ６２の位置までタブが分離すると、その部分の
強度は残りの銅をセラミックから引離すには不十分であ
る。従って、第１２図に図式的に示されているようにタ
ブはノツチの位置で折れる。厚さ１０ミルの銅には７ミ
ルのノツチを設ける（従って３ミルの銅を残す）ように
すればよいことが判明している。
かどをつかみ、そして（たとえば第１１図中の矢印の方
向に沿って）上方へ動かせばよい。アセンブリと周辺支
持体５１との間における唯一の連結機構は多数のタブで
ある。タブは、基体２２に直接結合されているとは言え
、寸法が小さいために基体２２から分離する。ところが
、ノツチ６２の位置までタブが分離すると、その部分の
強度は残りの銅をセラミックから引離すには不十分であ
る。従って、第１２図に図式的に示されているようにタ
ブはノツチの位置で折れる。厚さ１０ミルの銅には７ミ
ルのノツチを設ける（従って３ミルの銅を残す）ように
すればよいことが判明している。
最後に第１３図を見ると、完成した回路基板アセンブリ
が示されている。従来方法たとえばモリマンガン法によ
って結合されたものに比べると銅が比較的厚いため、そ
の電流容量は大きくなっている。たとえば、６０ミルを
越える厚さの銅の結合にも成功が認められた。このよう
な厚さの場合でも、セラミックと共に使用すると基体の
亀裂を起すことがあるという熱的不整合の問題が見られ
るだけで、結合それ自体に関する問題は見られない。更
にまた、かかる回路基板の熱伝導性も優れている。
が示されている。従来方法たとえばモリマンガン法によ
って結合されたものに比べると銅が比較的厚いため、そ
の電流容量は大きくなっている。たとえば、６０ミルを
越える厚さの銅の結合にも成功が認められた。このよう
な厚さの場合でも、セラミックと共に使用すると基体の
亀裂を起すことがあるという熱的不整合の問題が見られ
るだけで、結合それ自体に関する問題は見られない。更
にまた、かかる回路基板の熱伝導性も優れている。
その理由は、良好な熱伝導体となるように選ぶことので
きるセラミックに銅が直接結合されている上、底部に直
接結合された銅およびはんだ連結部も効果的な熱伝導体
だからである。
きるセラミックに銅が直接結合されている上、底部に直
接結合された銅およびはんだ連結部も効果的な熱伝導体
だからである。
今日、若干の半導体装置製造業者はペレット状の装置ま
たはリードの連結された装置の販売を始めている。かか
る装置は印刷回路基板などに連結できるものだが、第１
３図に示されたような回路基板と共に使用すれば特に有
用である。このような半導体装置は、たとえば、１９７
４年１２月２３日に提出された「周囲のくぼんだ取付板
を含む半導体アセンブリ」と題するピー・ダブリュー・
ケーニッグ（Ｐ、 Ｗ、 Ｋｏｅｎｉｏ ）の米国特許
出願第５３５６７０号明細書中に記載されている。
たはリードの連結された装置の販売を始めている。かか
る装置は印刷回路基板などに連結できるものだが、第１
３図に示されたような回路基板と共に使用すれば特に有
用である。このような半導体装置は、たとえば、１９７
４年１２月２３日に提出された「周囲のくぼんだ取付板
を含む半導体アセンブリ」と題するピー・ダブリュー・
ケーニッグ（Ｐ、 Ｗ、 Ｋｏｅｎｉｏ ）の米国特許
出願第５３５６７０号明細書中に記載されている。
次に第１４図を見ると、第１３図に示されたような回路
基板の応用例が示されている。第１４図に示されている
のは、半導体ペレット４０およびそれに結合された下部
取付板４１から成るペレットアセンブリ９１を包含する
半導体アセンブリ １０１を取出したものである。ペレ
ット４０がコーナゲートを有するＳＣＲであると仮定し
よう。ゲート接点には、はんだ付は等の方法によってリ
ボン形のゲートリード９４が結合されている。同様に、
カソード接点にもはんだ付は等の方法によって別のリボ
ン形り一ド９５が結合されている。リボン形という術語
は、リード９４および９５は高さよりも幅が実質的に大
きく、従って通常のリード線よりもむしろリボンに似て
いることを意味する。
基板の応用例が示されている。第１４図に示されている
のは、半導体ペレット４０およびそれに結合された下部
取付板４１から成るペレットアセンブリ９１を包含する
半導体アセンブリ １０１を取出したものである。ペレ
ット４０がコーナゲートを有するＳＣＲであると仮定し
よう。ゲート接点には、はんだ付は等の方法によってリ
ボン形のゲートリード９４が結合されている。同様に、
カソード接点にもはんだ付は等の方法によって別のリボ
ン形り一ド９５が結合されている。リボン形という術語
は、リード９４および９５は高さよりも幅が実質的に大
きく、従って通常のリード線よりもむしろリボンに似て
いることを意味する。
各々のリボン形リードは末端平面部９６および９７を有
している。各々の末端平面部９６および９７は下部取付
板４１の下面と同じ平面内にある。このように３つの接
点の全てが１つの平面内にある結果、アセンブリ９１は
適切な図形を描く基体上に配置して手早く結合すること
ができる。
している。各々の末端平面部９６および９７は下部取付
板４１の下面と同じ平面内にある。このように３つの接
点の全てが１つの平面内にある結果、アセンブリ９１は
適切な図形を描く基体上に配置して手早く結合すること
ができる。
リード９４および９５のペレットに隣接する表面をはん
だ被覆すれば、アセンブリ９１を更に改良することがで
きる。リードがはんだ被覆されていれば、リードをペレ
ット上に配置して加熱するだけでリードがペレットに結
合される。更にまた、下部取付板４１の下面もはんだ被
覆されていれば、アセンブリ９１を基体上に配置してか
らアセンブリ全体を加熱するだけで基体に対しアセンブ
リ９１を電気的、機械的、かつ熱的に手早く容易に結合
することができる。
だ被覆すれば、アセンブリ９１を更に改良することがで
きる。リードがはんだ被覆されていれば、リードをペレ
ット上に配置して加熱するだけでリードがペレットに結
合される。更にまた、下部取付板４１の下面もはんだ被
覆されていれば、アセンブリ９１を基体上に配置してか
らアセンブリ全体を加熱するだけで基体に対しアセンブ
リ９１を電気的、機械的、かつ熱的に手早く容易に結合
することができる。
セラミック基体１０２には導電性の平面リード１０３が
直接結合されている。リード１０３の結合部分はリボン
形リード９４の平面部９６に対応していて、はんだ付は
等により結合されている。第１４図に示されたり一部１
０３の露出部分は外部回路への接続のための接点領域で
ある。
直接結合されている。リード１０３の結合部分はリボン
形リード９４の平面部９６に対応していて、はんだ付は
等により結合されている。第１４図に示されたり一部１
０３の露出部分は外部回路への接続のための接点領域で
ある。
第２の導電性平面リード１０４が同様にして基体１０２
に直接結合され、そして前記の結合部分は下部取付板４
１の下面に結合されている。同様に、！−ド１０４の露
出部分は接点領域を成している。
に直接結合され、そして前記の結合部分は下部取付板４
１の下面に結合されている。同様に、！−ド１０４の露
出部分は接点領域を成している。
更にもう１つの導電性平面リード１０５が基体１０２に
直接結合されている。この場合にも、リード９５の平面
部９７に結合された結合部分および露出した接点領域が
含まれている。
直接結合されている。この場合にも、リード９５の平面
部９７に結合された結合部分および露出した接点領域が
含まれている。
アセンブリ １０１は簡単な構造のため極めて安価であ
るにもかかわらず、幾つかの理由により信頼性が極めて
高い。たとえば、リボン形リードと半導体ペレットとの
間あるいはリボン形リードと平面リードとの間における
いずれの連結部も面積が比較的大きく、従って確実であ
る。更にまた、下部取付板４１およびセラミック基体１
０２はいずれも良好な熱伝導体であるため、良好な熱の
流路を与える系によって基体を放熱器に取付ければペレ
ット４０は実質的な量の熱を放散させることができる。
るにもかかわらず、幾つかの理由により信頼性が極めて
高い。たとえば、リボン形リードと半導体ペレットとの
間あるいはリボン形リードと平面リードとの間における
いずれの連結部も面積が比較的大きく、従って確実であ
る。更にまた、下部取付板４１およびセラミック基体１
０２はいずれも良好な熱伝導体であるため、良好な熱の
流路を与える系によって基体を放熱器に取付ければペレ
ット４０は実質的な量の熱を放散させることができる。
平面リード１０３．１０４４３よび１０５の接点領域上
には３個のワイパアーム１０６を設置することができる
。アーム１０６は、ばね作用によって平面リード１０３
〜１０５に接触させてもよいし、あるいははんだ付は等
によって接点領域に永久的に結合してもよい。このよう
にすれば、外部からアセンブリ１０１への接続が手早く
達成できることが認められよう。
には３個のワイパアーム１０６を設置することができる
。アーム１０６は、ばね作用によって平面リード１０３
〜１０５に接触させてもよいし、あるいははんだ付は等
によって接点領域に永久的に結合してもよい。このよう
にすれば、外部からアセンブリ１０１への接続が手早く
達成できることが認められよう。
次に第１５図を見ると、基体１０２の変形応用例が示さ
れている。図を簡単にするため、アセンブリ９１は取除
いである。各々の接点領域にはネイルヘッドリードが永
久的に連続されているため、外部回路への迅速な接続が
容易になっている。
れている。図を簡単にするため、アセンブリ９１は取除
いである。各々の接点領域にはネイルヘッドリードが永
久的に連続されているため、外部回路への迅速な接続が
容易になっている。
以上の例証的は銅−酸化銅系のみに限られていたが、そ
の他にも数多くの金属および結合剤が使用できることは
言うまでもない。たとえば、下記の表は様々の可能な組
合せの一部を例示するのに役立つはずである。
の他にも数多くの金属および結合剤が使用できることは
言うまでもない。たとえば、下記の表は様々の可能な組
合せの一部を例示するのに役立つはずである。
上記の表は全ての組合せを尽しているわけではない。金
属および結合剤は、大部分が金属から成りかつ金属の融
点より低い共晶温度を有するような共晶合金を生成しな
ければならないことを思い起せば、状態図の検討によつ
否その他数多くの系を識別することができる。そのため
の状態図は、たとえばハンセン（Ｈａｎｓｅｎ ）著「
二元合金の構造（Ｃｏｎｓｔｉｔｕｔｉｏｎ ｏｆ Ｂ
ｉｎａｔｙ Ａｌ１ｏｙｓ ） Ｊ（マグロ−ヒル・ブ
ック社、ニューヨーク、１９５８年）中に見出される。
属および結合剤は、大部分が金属から成りかつ金属の融
点より低い共晶温度を有するような共晶合金を生成しな
ければならないことを思い起せば、状態図の検討によつ
否その他数多くの系を識別することができる。そのため
の状態図は、たとえばハンセン（Ｈａｎｓｅｎ ）著「
二元合金の構造（Ｃｏｎｓｔｉｔｕｔｉｏｎ ｏｆ Ｂ
ｉｎａｔｙ Ａｌ１ｏｙｓ ） Ｊ（マグロ−ヒル・ブ
ック社、ニューヨーク、１９５８年）中に見出される。
以上の記載に照らせば、本発明の数多くの変形実施例が
当業者にとって明らかとなろう。たとえば、第１０図に
示されるごとくレラミツクの両側に金属を結合する場合
、それらの金属は相異なっていてもよい。唯一の制約は
高い結合温度を要求する方の工程を最初に実施すべきこ
とであって、そうすれば次の低温側の結合工程によって
既に結合した金属が融解したり損害を受けたりすること
がない。もう１つの例を挙げれば、それ以上の酸素を添
加しなくても直接結合が可能となるような酸素含量を有
する鉄も利用することができる。
当業者にとって明らかとなろう。たとえば、第１０図に
示されるごとくレラミツクの両側に金属を結合する場合
、それらの金属は相異なっていてもよい。唯一の制約は
高い結合温度を要求する方の工程を最初に実施すべきこ
とであって、そうすれば次の低温側の結合工程によって
既に結合した金属が融解したり損害を受けたりすること
がない。もう１つの例を挙げれば、それ以上の酸素を添
加しなくても直接結合が可能となるような酸素含量を有
する鉄も利用することができる。
要するに、本発明は上記に詳しく記載された場合とは異
なるやり方でも実施できることが了解されるべきである
。
なるやり方でも実施できることが了解されるべきである
。
第１図は本発明に従って結合された金属および基体の立
面図、第２図は本発明の幾つかの特徴を図解する銅−酸
素状態図の一部分、第３図は本発明の幾つかの特徴を明
示するために注釈を施した第２図の状態図の拡大部分、
第４図は本発明の方法を更に説明するために別の注釈を
施した第３図拡大部分、第５Ａ〜５Ｄ図は金属−基体系
内に結合剤を導入するための幾つかの方法を図解する概
略図、第６図は結合剤を導入するための更に別の方法を
図解する概略図、第７図は本発明方法によって有利に製
造し得る加圧実装型半導体ハウジングの断両立面図、第
８図は第７図に示されたハウジングの組立工程を示す概
略分解図、第９図は本明ｍ書中の記載に従って導電回路
を形成するために使用される金属リードフレームの平面
図、第１０図は一方の側には第９図のリードフレームが
結合されかつ他方の側にはむくの金属板が結合されたセ
ラミック基体の断両立面図、第１１および１２図は第１
０図に示されたごとくに結合された第９図のリードフレ
ームから支持部材を除去する所を示す斜面図、第１３図
は第９図に示されたリードフレームの使用によって形成
された導電回路の平面図、第１４図は第１３図に示され
たものと同様な回路の応用例を示す斜面図、第１５図は
第１４図の装置の変形応用例を示す斜面図、第１６図は
第８図に示されたものに相当するが結合剤の導入には別
の方法を使用した組立工程を示す概略分解図、第１７図
は結合に際して同心性を保証しながら集合体に適切な圧
力を加えるために使用される積重ね方法を示す断両立図
面、そして第１８図は別の好適な加圧実装−両側冷却型
半導体ハウジングの断両立図面である。 図中、２１は金属、２２は基体、２３は共晶層または結
合領域、２１Ａ〜２１Ｄは銅薄板、２２Ａ〜２２Ｄは基
体、２４Ａ〜２４［）”は酸化銅層、３１は半導体パッ
ケージ、３２はセラミックハウジング、３３は下部金属
接点アセンブリ、３４は下部金属接点板、３５は下部金
属接点円板、３６は上部接点フランジ、３７は上部金属
接点円板、３８は上部金属接点板、３９は半導体ペレッ
トサブアセンブリ、４０は上部金属接点アセンブリ、４
１はＲＴＶゴム製リシリング２は酸化銅層、５０はリー
ドフレーム、５１は周辺支持体、５２〜５８はランド部
、６１はタブ、６２はノツチ、９１および９４はリボン
形リード、１００は半導体アセンブリ、 １０２は基体
、 １０３〜１０５は平面リード、 １０６はワイパー
アーム、１３２はセラミックハウジング、１３９は半導
体ペレットサブアセンブリ、１４１はＲＴＶゴム製リシ
リング４５はプレフォーム、１５２は下部金属接点円板
、１５３は上部接点フランジ、１５４および１５５は耐
火レンガ、１５６はおもり、１５７は耐火性粉末、１５
８．１５９．１６２および１６３は肩部、１６４は上部
金属接点円板、そして１６５および１６６は金属接点板
を表わす。 ＦＩＧ、ｌ。 １、事件の表示 昭和５９年特許願第１９１９１６号 ２、発明の名称 セラミック基体に銅部材を結合する方法３、補正をする
者 事件との関係 出願人 住 所 アメリカ合衆国、１２３０５、ニューヨーク州
、スケネクタデイ、リバーロード、１番 名 称 ゼネラル・エレクトリック・カンパニイ代表者
アーリー・エム・キング ４、代理人 住 所 １０７東京都港区赤坂１丁目１４番１４号第３
５興和ビル ４階 日本ゼネラル・エレクトリック株式会社・極東特許部内
電話（５８８）５２００−５２０７ 明細書の特許請求の範囲の欄 ７、補正の内容 別紙のとおり 特許請求の範囲 １、次の各工程からなる、セラミック基体に銅部材を結
合する方法。 （ａ ）厚さが３〜５ミルの範囲内の銅のプレフォーム
を作り、 （ｂ）少なくとも１／４ミルの総合厚さまで前記プレフ
ォームを酸化し、 （Ｃ）前記プレフォームを基体と銅部材との間の界面に
配置し、 （ｄ ）前記基体、前記銅部材、および前記プレフォー
ムの組合せを不活性雰囲気中において、１０６５℃と１
０８３℃との間の温度に加熱して、前記プレフォームが
完全に液化して前記界面を満し、（ｅ ）前記組合せを
冷却して、前記基体と前記銅部材の間に直接結合を形成
する。 ２．１００〜２０００１）Ｉ）Ｉｌｌの酸素を含有する
タフピッチ電解銅からなる銅部材をセラミック基体に結
合する方法であって、該銅部材を基体の上に配置し、該
銅部材と該基体を不活性雰囲気中において、１０６５℃
と１０８３℃との間の温度に加熱し、該銅部材と該基体
とを冷却して該銅部材と該基体との間に直接結合を形成
する方法。 ３、セラミック基体に銅板を結合する方法において、 に配置し、 形成する、ことからなる方法。
面図、第２図は本発明の幾つかの特徴を図解する銅−酸
素状態図の一部分、第３図は本発明の幾つかの特徴を明
示するために注釈を施した第２図の状態図の拡大部分、
第４図は本発明の方法を更に説明するために別の注釈を
施した第３図拡大部分、第５Ａ〜５Ｄ図は金属−基体系
内に結合剤を導入するための幾つかの方法を図解する概
略図、第６図は結合剤を導入するための更に別の方法を
図解する概略図、第７図は本発明方法によって有利に製
造し得る加圧実装型半導体ハウジングの断両立面図、第
８図は第７図に示されたハウジングの組立工程を示す概
略分解図、第９図は本明ｍ書中の記載に従って導電回路
を形成するために使用される金属リードフレームの平面
図、第１０図は一方の側には第９図のリードフレームが
結合されかつ他方の側にはむくの金属板が結合されたセ
ラミック基体の断両立面図、第１１および１２図は第１
０図に示されたごとくに結合された第９図のリードフレ
ームから支持部材を除去する所を示す斜面図、第１３図
は第９図に示されたリードフレームの使用によって形成
された導電回路の平面図、第１４図は第１３図に示され
たものと同様な回路の応用例を示す斜面図、第１５図は
第１４図の装置の変形応用例を示す斜面図、第１６図は
第８図に示されたものに相当するが結合剤の導入には別
の方法を使用した組立工程を示す概略分解図、第１７図
は結合に際して同心性を保証しながら集合体に適切な圧
力を加えるために使用される積重ね方法を示す断両立図
面、そして第１８図は別の好適な加圧実装−両側冷却型
半導体ハウジングの断両立図面である。 図中、２１は金属、２２は基体、２３は共晶層または結
合領域、２１Ａ〜２１Ｄは銅薄板、２２Ａ〜２２Ｄは基
体、２４Ａ〜２４［）”は酸化銅層、３１は半導体パッ
ケージ、３２はセラミックハウジング、３３は下部金属
接点アセンブリ、３４は下部金属接点板、３５は下部金
属接点円板、３６は上部接点フランジ、３７は上部金属
接点円板、３８は上部金属接点板、３９は半導体ペレッ
トサブアセンブリ、４０は上部金属接点アセンブリ、４
１はＲＴＶゴム製リシリング２は酸化銅層、５０はリー
ドフレーム、５１は周辺支持体、５２〜５８はランド部
、６１はタブ、６２はノツチ、９１および９４はリボン
形リード、１００は半導体アセンブリ、 １０２は基体
、 １０３〜１０５は平面リード、 １０６はワイパー
アーム、１３２はセラミックハウジング、１３９は半導
体ペレットサブアセンブリ、１４１はＲＴＶゴム製リシ
リング４５はプレフォーム、１５２は下部金属接点円板
、１５３は上部接点フランジ、１５４および１５５は耐
火レンガ、１５６はおもり、１５７は耐火性粉末、１５
８．１５９．１６２および１６３は肩部、１６４は上部
金属接点円板、そして１６５および１６６は金属接点板
を表わす。 ＦＩＧ、ｌ。 １、事件の表示 昭和５９年特許願第１９１９１６号 ２、発明の名称 セラミック基体に銅部材を結合する方法３、補正をする
者 事件との関係 出願人 住 所 アメリカ合衆国、１２３０５、ニューヨーク州
、スケネクタデイ、リバーロード、１番 名 称 ゼネラル・エレクトリック・カンパニイ代表者
アーリー・エム・キング ４、代理人 住 所 １０７東京都港区赤坂１丁目１４番１４号第３
５興和ビル ４階 日本ゼネラル・エレクトリック株式会社・極東特許部内
電話（５８８）５２００−５２０７ 明細書の特許請求の範囲の欄 ７、補正の内容 別紙のとおり 特許請求の範囲 １、次の各工程からなる、セラミック基体に銅部材を結
合する方法。 （ａ ）厚さが３〜５ミルの範囲内の銅のプレフォーム
を作り、 （ｂ）少なくとも１／４ミルの総合厚さまで前記プレフ
ォームを酸化し、 （Ｃ）前記プレフォームを基体と銅部材との間の界面に
配置し、 （ｄ ）前記基体、前記銅部材、および前記プレフォー
ムの組合せを不活性雰囲気中において、１０６５℃と１
０８３℃との間の温度に加熱して、前記プレフォームが
完全に液化して前記界面を満し、（ｅ ）前記組合せを
冷却して、前記基体と前記銅部材の間に直接結合を形成
する。 ２．１００〜２０００１）Ｉ）Ｉｌｌの酸素を含有する
タフピッチ電解銅からなる銅部材をセラミック基体に結
合する方法であって、該銅部材を基体の上に配置し、該
銅部材と該基体を不活性雰囲気中において、１０６５℃
と１０８３℃との間の温度に加熱し、該銅部材と該基体
とを冷却して該銅部材と該基体との間に直接結合を形成
する方法。 ３、セラミック基体に銅板を結合する方法において、 に配置し、 形成する、ことからなる方法。
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 １、次の各工程からなる、セラミック基体に銅部材を結
合する方法。 （ａ ）厚さが３〜５ミルの範囲内の銅のプレフォーム
を作り、 （ｂ）少なくとも１／４ミルの総合厚さまで前記プレフ
ォームを酸化し、 （０）前記プレフォームを基体と銅部材との間の界面に
配置し、 （ｄ ）前記基体、前記銅部材、および前記プレフォー
ムの組合せを不活性雰囲気中において、１０６５℃と１
０８３℃との間の温度に加熱して、前記プレフォームが
完全に液化して前記界面を満し、（ｅ）前記組合せを冷
却して、前記基体と前記銅部材の間に直接結合を形成す
る。 ２、 １００〜２０００ｐｐｍの酸素を含有するタフピ
ッチ電解銅からなる銅部材をセラミック基体に結合する
方法であって、該銅部材を基体の上に配置し、該銅部材
と該基体を不活性雰囲気中において、１０６５℃と１０
８３℃との間の温度に加熱し、該銅部材と該基体とを冷
却して該銅部材と該基体との間に直接結合を形成する方
法。
Applications Claiming Priority (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US600300 | 1975-07-30 | ||
| US05/600,300 US3994430A (en) | 1975-07-30 | 1975-07-30 | Direct bonding of metals to ceramics and metals |
| US696899 | 1976-06-17 |
Related Child Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP1096541A Division JPH01308885A (ja) | 1975-07-30 | 1989-04-18 | セラミック基体に銅部材を結合する方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS60155580A true JPS60155580A (ja) | 1985-08-15 |
| JPH0242798B2 JPH0242798B2 (ja) | 1990-09-26 |
Family
ID=24403056
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP59191916A Granted JPS60155580A (ja) | 1975-07-30 | 1984-09-14 | セラミツク基体または金属基体に銅部材を結合する方法 |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US3994430A (ja) |
| JP (1) | JPS60155580A (ja) |
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| US5153077A (en) * | 1988-07-22 | 1992-10-06 | Mitsubishi Denki Kabushiki Kaisha | Ceramic-metal composite substrate |
Families Citing this family (154)
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| JPS5772234A (en) * | 1980-10-20 | 1982-05-06 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | Production of electrode structure |
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| US4409278A (en) * | 1981-04-16 | 1983-10-11 | General Electric Company | Blister-free direct bonding of metals to ceramics and metals |
| DE3127457C2 (de) * | 1981-07-11 | 1985-09-12 | Brown, Boveri & Cie Ag, 6800 Mannheim | Stromrichtermodul |
| DE3204167A1 (de) * | 1982-02-06 | 1983-08-11 | Brown, Boveri & Cie Ag, 6800 Mannheim | Verfahren zum direkten verbinden von metallstuecken mit oxidkeramiksubstraten |
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| US4457811A (en) * | 1982-12-20 | 1984-07-03 | Aluminum Company Of America | Process for producing elements from a fused bath using a metal strap and ceramic electrode body nonconsumable electrode assembly |
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