JPS61287153A - セラミツク基板と金属片との接合方法 - Google Patents

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】 〔技術分野〕 この発明は、セラミック基板と金属片との接合方法に関
するものである。

〔背景技術〕

従来より、アルミナ等のセラミック基板に金属片を接合
する方法として、例えば、Ｍｏ−Ｍｎをペースト化して
セラミック基板上に印刷し、加湿水素中で１３００〜１
７００℃の温度でメタライジングし、この表面にニッケ
ルめっきを施し、ろう材で金属片をろう付けして接合す
る方法等が行われてきた。

近年、このような方法にかわって、セラミック基板に金
属片を直接接触させて、酸素等の結合剤を含むガス雰囲
気中で加熱して接合させる方法、あるいは、結合剤を含
有する金属片をセラミ−ｚり基板に接触させて非酸化性
雰囲気中で加熱する方法等が知られている。前者の方法
は、加熱温度として金属の融点以下で、かつ、金属と結
合剤との共晶合金の共融点以上という高温で加熱する必
要がある。それゆえ、この方法を用いた場合、気泡状の
無付着箇所（ブリスタ、または、ふくれ）が生じたり、
接合面でない側の金属表面が厚い金属酸化層でおおわれ
たりする問題が生じる。他方、後者の方法は、あらかじ
め結合剤を含有する金属片、例えば、銅の場合、タフピ
ッチ鋼を使用し、非酸化性雰囲気中で加熱するようにす
るのであるが、この方法においては、純窒素雰囲気のよ
うな完全な非酸化性雰囲気中では強固な接合を得ること
が困難であり、また、接合したとしても、依然としてブ
リスタの問題が残る。また、タフピッチ銅を用い酸化性
雰囲気中で加熱する方法では、タフピッチ鋼は、非常に
酸化しやすく、そのため、接合面ではない側の金属表面
が厚い酸化物層でおおわれ易い、そして、タフピンチ鋼
は再結晶による結晶の粗大化が著しく、非常に、ファイ
ンな条件コントロールを必要としている。

表面のみをあらかじめ酸化させた銅片を使用する方法も
あるが、この方法においても、非酸化性雰囲気中で加熱
して接合させるとき、除熱すると、酸化鋼がＣｕ　Ｏ−
Ｃｕ　２０−℃ｕというように分解されてしまうため、
かなりの急熱が必要であり、酸化性雰囲気中で加熱する
としても、予備酸化という工程が必要であるため、工程
が複雑となり、かつ、コスト高の原因となる。

〔発明の目的〕

この発明は、このような現状に鑑みてなされたものであ
って、ブリスタがなく、金属露出面が酸化物でおおわれ
ることのないセラミック基板と金属片との接合方法を提
供することを目的とする。

〔発明の開示〕

以上の目的を達成するため、この発明は、セラミック基
板上に金属片を接触配置させ、制御された反応性ガス雰
囲気下で、この基板を、金属の融点より低く、かつ、金
属と金運および反応性ガスの間で形成された化合物との
共融点よりも高い温度まで昇温し、前記温度で暫時保持
して共晶を生じさせたのち、雰囲気を非反応性雰囲気に
して冷却を行い、基板と金属片の結合を完成させる方法
であって、前記金属片が貫通孔を有することを特徴とす
るセラミック基板と金属片との接合方法を、その要旨と
している。

以下に、この発明を、金属片の材料として銅または銅合
金、セラミック基板の材料としてアルミナを選び、反応
性ガスとして酸素を選んだ場合を例にとって第１図ない
し第２図にもとづいて、詳しく説明する。

■　アルミナセラミック基板１上に貫通孔２ａを有した
銅または銅合金の板状の金属片２を接触配置させ加熱炉
に挿入する。

貫通孔２ａの形成方法としては、ドリルによって形成す
る方法、エツチングによって形成する方法等があげられ
るが、その他の方法を用いてもよい。ドリルで貫通孔２
ａを形成する場合、ドリルが貫通した側の金属片２表面
には、その貫通孔２ａ周辺にバリが発生してしまう恐れ
がある。バリが発生した側の金属片２表面をセラミック
基板ｌと接触させたのでは、金属片２とセラミ７り基板
１との間に充分な密着が得られず、バリの周辺にブリス
タが発生しやすくなる。このため、ドリルで貫通孔２ａ
を形成した場合には、バリの出ていない側の金属片２表
面がセラミック基板１と接触するようにして、金属片２
を配置するのが好ましい。　貫通孔２ａの直径２間隔お
よび個数は、特に限定されないが、接合する金属片の接
合面積および厚みによってその値を適度に調整すること
が好ましい。

セラミック基板１と金属片２との間にブリスタが生じる
のは、この金属片２とセラミック基板１との接触面に生
成された金属−金属酸化物の共融液３がセラミック基板
表面を濡らす際、内部に気泡が閉じ込められ、その部分
が接合後無付着箇所として残るのが原因であると思われ
る。したがって、あらかじめ、金属片２に貫通孔２ａを
形成しておけば、図中Ａの矢印で示したように、気泡は
この貫通孔２ａから排出されため、ブリスタの発生を防
ぐことができるのである。

■　加熱炉内を１０ｐｐ■から１００ｐｐ−までの酸素
含有の不活性ガス雰囲気にする。不活性ガスとしては、
一般に窒素が用いられるが、アルゴンやヘリウムなどで
も構わない。

従来のセラミック基板と金属片との接合方法では、不活
性ガス雰囲気中の酸素含有量が少ないと金属片表面、特
に、セラミック基板との接触面中央部において酸素と金
属片との反応が充分に進行せず、ブリスタやふ（れが発
生する原因となっていた。ところが、この発明では、図
中Ｂの矢印のように、酸素が金属片２上の貫通孔２ａを
通ってセラミック基板１と金属片２との接触面に充分に
供給されるため、不活性ガス雰囲気中の酸素含有量を大
巾に下げても、金属片２とセラミック基板１とはブリス
タを発生せず、強固に接合されるようになる。

もっとも、この発明のセラミック基板と金属片との接合
方法においても、酸素含有量が１０ｐｐｐ＋未満である
と、酸素が不足して金属片２とセラミック基板１とが充
分に接合しないことがある。また、１１００ｐｐを超え
ると、金属露出面が酸化物でおおわれ、さらに、金属片
２が熔は出して原形がくずれてしまう傾向がある。この
ため、反応性ガスが酸素であった場合には、その含有量
は１０〜１００ｐｐ−であることが好ましい。

■　所定の温度まで昇温し、一定時間、加熱炉の温度を
保つ、この保持時間は、熔融状態の共晶組成物を生成す
るのに十分な時間だけとる必要があり、金属片の厚みが
厚いほど長い時間を要するここで、共晶組成物とは、金
属と反応性ガスとの原子混合物、または、金属と、金属
および反応性ガスの間で形成された化合物との原子混合
物のことであって、たとえばこの実施例の場合、銅と酸
化銅の混合物である。そして、・この共晶組成物が、相
接するセラミック基板、および、金属片をぬらす。この
共晶組成物は、冷却した時にセラミック基板、および、
金属片を強靭に結合させる。

■　加熱炉内への酸素の混入を止め、純窒素雰囲気にし
て冷却する。

冷却を非酸化性雰囲気（非反応性雰囲気）で行うのは、
冷却時の接合には、酸素を必要としないということと、
金属露出面の余分な酸化物層を還元させるためである。

ところで、アルミナ基板は、半導体集積回路、または、
大電力電気回路に有用である大きな熱伝導度を持つため
、特に、ここで取り上げたが、この発明では、他の非金
属耐火材料も用いることができ、また、金属片の材料も
銅に限るものではない、この発明では、酸素含有雰囲気
以外の他の反応性ガス雰囲気、たとえば、硫黄含有雰囲
気、リン含有雰囲気等を条件に応じて用いても良い、ま
た、上記実施例では、非活性ガス（非反応性雰囲気）と
して窒素を使用したが、アルゴン、または１ヘリウム等
の不活性ガスであってもよい。

以上のように、この発明のセラミック基板と金属片との
接合方法では、金属片に貫通孔を形成するようにしてい
るため、昇温時に発生する気泡（ブリスタ、または、ふ
（れ）は、この貫通孔を通って基板と金属片との間の接
合面から排出される、また、反応性ガスは逆にこの貫通
孔を通って接合面に供給されるため、わずかな反応性ガ
スで効率よく接合を行うことが可能となり、反応性ガス
が酸素であった場合でも金属片の表面が厚い酸化物の層
で覆われることはなくなる。

つぎに、この発明の実施例について、比較例とあわせて
説明する。

（実施例１） ４０＋ｍＸ４０ｗｍＸ（１，４鵠−の板状無酸素銅上に
ドリルで直径０．５ｍ−の貫通孔を計９ケ所等間隔に形
成した（第２図（ａ））、この銅板のバリが出ていなし
）方の面を５０ａ＋ｓＸ　５０ａｎＸ　Ｑ、　６３５ｍ
ｓ＋０９６％アルミナ基板上に接触配置させ、加熱炉内
に挿入した。つぎに、４０ｐｐｍのｍｓを含有した窒素
ガスを炉内に流入させ、炉内をパージした後、オーバー
フローさせなから昇温を開始した。炉内の温度が１０７
０℃まで昇温した時に昇温を停止し、この温度で５分間
保持した。５分間の保持のあと、加熱炉内へのＷ！素の
混入を止め、純窒素のみをオーバーフローして徐々に冷
却し、作業を終了した。

以上の作業で得られたアルミナ基板と銅板との接合体は
、ブリスタやふくれがなく、その密着も強固であった。

（実施例２） ４０ｍｍＸ　４０＋ｙ＋−ｘ　０．２ｍｍの板状無酸素
銅上にエツチング処理を施し、直径０．２ｍｍの貫通孔
を計１６ケ所等間隔に形成した（第２図（ｂ）〕。この
銅板を５０ｍｍＸ　５０ｍｓ＋Ｘ　０．６３５ｒａｍの
９６％アルミナ基板上に接触配置させ、２０ｐ９−の酸
素を含有した窒素ガスを炉内に流入させ、そのあとは実
施例１と同様にして接合を行った。

以上の作業で得られたアルミナ基板と銅板との接合体も
実施例１と同様にブリスタやふくれがなく、その密着も
強固であった。

（比較例１） 貫通孔を形成しなかった以外は実施例１と同様にしてア
ルミナ基板と銅板との接合を行った。

（比較例２） 貫通孔を形成しなかった以外は実施例２と同様にしてア
ルミナ基板と銅板との接合を行った。

以上の比較例１および２で得られたアルミナ基板と銅板
との接合体は、いずれも、数請園２〜数十ｌｌ１１２の
ふくれが生じており、このふ（れの部分では、銅とアル
ミナが全く付着しておらず、強固な密着を得ることがで
きなかった。

〔発明の効果〕

この発明の、セラミック基板と金属片との接合方法は、
以上のように構成されており、通常の接合方法よりも低
い反応性ガス含有量で接合できるため、金属露出面は酸
化されることがなく、昇温時に発生じた気泡は金属片に
設けられた貫通孔から排出されようになっているため、
ブリスタやふ（れが発生せず、強固な接合を得ることが
でき、しかも、貫通孔の形成以外の工程は通常の接合方
法とかわらないため、工程が複雑化することもない。

【図面の簡単な説明】

、第１図は気泡の排出および、接合面への酸素の供給を
説明する概略説明図、第２図（ａ）およびΦ）は、それ
ぞれ、この発明に使用される金属片の一例をあられす平
面図である。 １・・・セラミック基板　２・・・金属片　２ａ・・・
貫通孔 代理人　弁理士　　松　本　武　彦 第１図 ＠２図 （ａ）　　　　　　　（ｂ） 手続補正書（自発 昭和６１年　３月２４日 １、１１牛のｊし六 昭和６０年特飛悌１２９３６５号 ２、発明の名称 セラミック基板と金属片との接合方法 ３、補正をする者 事件との関係　　　　　特許出願人 件　　　所　　　　大阪府門真市大字門真１０４８番地
名　称　（５８３）松下電工株式会社 代表者　イ法耕役藤井貞　夫 ４、代理人 な　　　し ６、補正の対象　　　外紙のとおり ６＋　補正（７）対象Ｐ６６−＋２９３６５明細書 ７、補正の内容 （１）　　明細書第７頁第６行に「排出されため、」と
あるを、「排出されるため、」と訂正する。 （２）　　明細書第９頁第２０行に「非活性ガス」とあ
るを、「不活性ガス」と訂正する。 （３）明細書第１０頁第２行に「ヘリウム等の不活性ガ
スであってもよい。」とあるを、「ヘリウム等であって
もよい。」と訂正する。

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. （１）セラミック基板上に金属片を接触配置させ、制御
   された反応性ガス雰囲気下で、この基板を、金属の融点
   より低く、かつ、金属と金属および反応性ガスの間で形
   成された化合物との共融点よりも高い温度まで昇温し、
   前記温度で暫時保持して共晶を生じさせたのち、雰囲気
   を非反応性雰囲気にして冷却を行い、基板と金属片の結
   合を完成させる方法であって、前記金属片が貫通孔を有
   することを特徴とするセラミック基板と金属片との接合
   方法。
2. （２）貫通孔をドリルによって形成するとともに、この
   貫通孔の周辺にバリが出ていない方の金属片の表面がセ
   ラミック基板と接触するようにして、金属片を配置する
   特許請求の範囲第１項記載のセラミック基板と金属片と
   の接合方法。
3. （３）貫通孔をエッチングによって形成する特許請求の
   範囲第１項記載のセラミック基板と金属片との接合方法
   。
4. （４）反応性ガス雰囲気が１０〜１００ｐｐｍの酸素含
   有不活性ガス雰囲気である特許請求の範囲第１項から第
   ３項までのいずれかに記載のセラミック基板と金属片と
   の接合方法。
5. （５）金属片が銅および銅合金のうち、いずれかである
   特許請求の範囲第１項から第４項までのいずれかに記載
   のセラミック基板と金属片との接合方法。