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JPH06329480A - Joined body of ceramics and metal and its production - Google Patents

Joined body of ceramics and metal and its production

Info

Publication number
JPH06329480A
JPH06329480A JP14303293A JP14303293A JPH06329480A JP H06329480 A JPH06329480 A JP H06329480A JP 14303293 A JP14303293 A JP 14303293A JP 14303293 A JP14303293 A JP 14303293A JP H06329480 A JPH06329480 A JP H06329480A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
metal
sintered body
ceramic
bonded
ceramic sintered
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP14303293A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Masanori Hirano
正典 平野
Noriyoshi Yamauchi
則義 山内
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.)
Noritake Co Ltd
Original Assignee
Noritake Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Noritake Co Ltd filed Critical Noritake Co Ltd
Priority to JP14303293A priority Critical patent/JPH06329480A/en
Publication of JPH06329480A publication Critical patent/JPH06329480A/en
Pending legal-status Critical Current

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Abstract

PURPOSE:To prevent release of a metal from a ceramic sintered body and the occurrence of crack which is caused by change of temperature, by laminating metal bodies through a specific metal layer formed on the surface of the ceramic sintered body. CONSTITUTION:A mixture of at least two or more kinds containing a high melting metal and a silver-copper-based alloy and different in a ratio of high melting metal content of silver-copper-based alloy content is laminated on at least a part of the surface of a ceramic sintered compact 10 in the order of the larger content ratio to provide metal layers 22a to 22c. Then, a metallic body 16 is positioned in a state brought into contact with the surface on the opposite side of the ceramic sintered body having these metallic layers 22a to 22c, and then, heat-treated in the presence of an active metal.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は、セラミックス−金属接
合体およびその製造方法に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a ceramic-metal bonded body and a method for manufacturing the same.

【0002】[0002]

【従来の技術】アルミナ、窒化ケイ素、窒化アルミニウ
ム等のセラミック焼結体は、耐熱性、耐摩耗性、絶縁性
等に優れているため、半導体用基板や自動車部品などに
広く用いられている。この中には、例えばパワーモジュ
ールやエンジン部品、ロケットの外壁材等のように放熱
性が共に要求される場合があるが、セラミック焼結体は
一般に熱伝導性に劣るため、このような場合には、熱伝
導性に優れた金属(例えば銅など)と接合して放熱性を
向上させたセラミックス−金属接合体が用いられる。こ
の接合方法には、例えば銀ろう等を用いてセラミック焼
結体に金属体をろう付する方法や、特公昭57−135
15号公報に開示されているようにセラミック焼結体を
金属体に接触して位置させ、所定の雰囲気下で共晶反応
により接合する方法等がある。
2. Description of the Related Art Ceramic sintered bodies such as alumina, silicon nitride and aluminum nitride are widely used for semiconductor substrates, automobile parts and the like because they are excellent in heat resistance, wear resistance and insulation. There are cases in which heat dissipation is required together with power modules, engine parts, rocket outer wall materials, etc., but ceramic sintered bodies generally have poor thermal conductivity, so in such cases A ceramic-metal bonded body is used, which is bonded to a metal having excellent thermal conductivity (such as copper) to improve heat dissipation. Examples of the joining method include a method in which a metal body is brazed to a ceramic sintered body using silver solder or the like, and JP-B-57-135.
As disclosed in Japanese Patent Publication No. 15, there is a method in which a ceramic sintered body is placed in contact with a metal body and bonded by a eutectic reaction in a predetermined atmosphere.

【0003】[0003]

【発明が解決すべき課題】しかしながら、一般的なセラ
ミック焼結体の熱膨張率は3〜10×10-6/℃程度で
あるのに対し、例えば銅やステンレス鋼等の金属の熱膨
張率は16〜18×10-6/℃程度と大きい。したがっ
て、このようなセラミックス−金属接合体は、接合され
た両者の熱膨張率が大きく異なるため、その接合工程や
使用時の温度変化により熱膨張率の差に起因する応力
(熱応力)が発生し、接合界面で剥離が生じたり、セラ
ミック焼結体の強度が熱応力に比べて低い場合にはクラ
ック(ひび、割れ等)が発生することがある。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
する延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。
However, while the coefficient of thermal expansion of a general ceramic sintered body is about 3 to 10 × 10 −6 / ° C., the coefficient of thermal expansion of metals such as copper and stainless steel is used. Is as large as 16 to 18 × 10 -6 / ° C. Therefore, in such a ceramic-metal bonded body, since the thermal expansion coefficients of the two bonded are largely different, stress (thermal stress) caused by the difference in the thermal expansion coefficient is generated due to the temperature change during the bonding process or during use. However, peeling may occur at the bonding interface, or cracks (cracks, cracks, etc.) may occur when the strength of the ceramic sintered body is lower than the thermal stress. Therefore,
At the joint interface between the ceramic sintered body and the metal, a cushioning material having a coefficient of thermal expansion intermediate between the two and a ductility that absorbs thermal stress as disclosed in JP-A-56-41879 by plastic deformation are excellent. Although a method of inserting a cushioning material or the like is performed, in the former method, since there is a considerable difference in the coefficient of thermal expansion between the cushioning material and the ceramic sintered body, thermal stress caused by it is generated. The latter method has a problem that the stress cannot be sufficiently absorbed by the plastic deformation of the cushioning material when the generated thermal stress is extremely large.

【0004】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、温度変化に起因するセラミ
ック焼結体と金属の剥離、セラミック焼結体のクラック
の発生等の問題を好適に解消し得るセラミックス−金属
接合体を提供することにある。
The present invention has been made in view of the above circumstances, and its object is to solve the problems such as the separation of the metal from the ceramic sintered body and the generation of cracks in the ceramic sintered body due to the temperature change. It is to provide a ceramics-metal bonded body which can be suitably solved.

【0005】[0005]

【課題を解決するための第一の手段】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
焼結体と、そのセラミック焼結体の少なくとも一部の表
面上に形成された金属層と、その金属層を介してセラミ
ック焼結体に接合された金属体とを含むセラミックス−
金属接合体であって、その金属層は、高融点金属と、銀
−銅系合金と、活性金属とを含み、高融点金属の含有率
の銀−銅系合金の含有率に対する比率が、前記セラミッ
ク焼結体の表面から遠ざかるに従って連続的または段階
的に小さくされたものであることにある。
[Means for Solving the Problems] To achieve the above object, the gist of the present invention is to provide a ceramic sintered body and at least a part of the surface of the ceramic sintered body. Including a formed metal layer and a metal body bonded to the ceramic sintered body through the metal layer-
A metal joined body, wherein the metal layer contains a refractory metal, a silver-copper alloy, and an active metal, and the ratio of the content of the refractory metal to the content of the silver-copper alloy is the above. The ceramic sintered body is reduced in size continuously or stepwise with increasing distance from the surface.

【0006】[0006]

【作用および第一発明の効果】このようにすれば、セラ
ミック焼結体上に形成された金属層がチタン(Ti)、
Nb、Hf、Zr等の活性金属を含んでいるため、セラ
ミック焼結体と金属体との接合時に活性金属がその界面
近傍で拡散することにより両者が強固に接合されると共
に、その金属層は、高融点金属の含有率の銀−銅系合金
の含有率に対する比率が、前記セラミック焼結体の表面
から遠ざかるに従って連続的または段階的に小さくされ
ているため、金属層の熱膨張率はセラミック焼結体側で
比較的小さく、その反対側で比較的大きくされる。これ
は、タングステン、モリブデン等の高融点金属の熱膨張
率が5×10-6/℃程度と小さく、反対に銀−銅系合金
の熱膨張率が16〜18×10-6/℃と大きいため、金
属層の熱膨張率は両者の含有率の比率に応じたそれぞれ
の熱膨張率の中間の値に決定されるからである。したが
って、セラミック焼結体と金属体との接合界面におい
て、それぞれの金属層との界面における熱膨張率の差が
小さくなり、温度変化が生じた際にその差に起因する熱
応力が小さくされて、剥離やセラミック焼結体のクラッ
クの発生等が好適に解消される。更に、前記金属体が金
属層を介して前記セラミック焼結体と接合されているた
め、セラミック焼結体側で発生した熱が接合された金属
体により好適に放散されて、半導体基板やエンジン部
品、ロケットの外壁材などの絶縁性や耐熱性と共に放熱
性が必要な部品に適している。
In this way, the metal layer formed on the ceramic sintered body is made of titanium (Ti),
Since the active metal such as Nb, Hf, and Zr is contained, the active metal diffuses in the vicinity of the interface when the ceramic sintered body and the metal body are bonded, so that the two are firmly bonded and the metal layer is The ratio of the content of the refractory metal to the content of the silver-copper alloy is reduced continuously or stepwise as the distance from the surface of the ceramic sintered body is reduced. It is made relatively small on the sintered body side and made relatively large on the opposite side. This is because the refractory metal such as tungsten and molybdenum has a small coefficient of thermal expansion of about 5 × 10 −6 / ° C., while the silver-copper alloy has a large coefficient of thermal expansion of 16 to 18 × 10 −6 / ° C. Therefore, the coefficient of thermal expansion of the metal layer is determined to be an intermediate value between the coefficients of thermal expansion according to the ratio of the content rates of the two. Therefore, at the bonding interface between the ceramic sintered body and the metal body, the difference in the coefficient of thermal expansion at the interface between the respective metal layers becomes small, and when the temperature changes, the thermal stress caused by the difference becomes small. Peeling and cracking of the ceramic sintered body are preferably eliminated. Furthermore, since the metal body is bonded to the ceramic sintered body through a metal layer, heat generated on the side of the ceramic sintered body is preferably dissipated by the bonded metal body, and a semiconductor substrate or an engine component, It is suitable for parts that require heat dissipation as well as insulation and heat resistance such as rocket outer wall materials.

【0007】好適には、前記金属体は、前記銀−銅系合
金層を介して前記金属層に接合されている。このような
セラミックス−金属接合体は、接合時における銅板と銀
−銅系合金との濡れ性が良好であるため、充分な接合強
度が得られ、良好な熱伝導性と共に高い耐久性が得られ
る。
[0007] Preferably, the metal body is bonded to the metal layer via the silver-copper alloy layer. Since such a ceramics-metal bonded body has good wettability between the copper plate and the silver-copper alloy during bonding, sufficient bonding strength can be obtained, and good thermal conductivity and high durability can be obtained. .

【0008】また、好適には、前記セラミック焼結体は
基板であり、前記金属体は銅板または銅合金板である。
このような構造のセラミック基板は、パワーモジュール
や圧電素子用の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金属体により放
散されて半導体および基板の温度上昇が好適に緩和され
るとともに、前述のように、温度変化が生じた際にも剥
離、クラックが発生せず、高温下で用いられる半導体や
電子部品等の基板として好適である。
Also, preferably, the ceramic sintered body is a substrate, and the metal body is a copper plate or a copper alloy plate.
When the ceramic substrate having such a structure is used in a power module, a semiconductor module for a piezoelectric element, or the like, heat generated in a semiconductor or electronic component is dissipated by a metal body, and the temperature of the semiconductor and the substrate is increased. In addition to being suitably relaxed, peeling and cracking do not occur even when a temperature change occurs as described above, and it is suitable as a substrate for semiconductors, electronic components, etc. used at high temperatures.

【0009】また、好適には、前記セラミック基板にお
いて、銅板または銅合金板の少なくとも一部に回路パタ
ーンが形成されている。このようなセラミック基板は、
大電流に対応できると共に、温度変化が生じた際に回路
パターンの剥離が生じず、信頼性の高いセラミック回路
基板が得られる。
Also, preferably, in the ceramic substrate, a circuit pattern is formed on at least a part of a copper plate or a copper alloy plate. Such a ceramic substrate is
A high-reliability ceramic circuit board can be obtained which can handle a large current and does not peel off the circuit pattern when a temperature change occurs.

【0010】また、好適には、前記セラミック焼結体
は、アルミナ焼結体または窒化アルミニウム焼結体であ
る。このようなセラミックス−金属接合体は熱伝導性、
絶縁性、機械的特性等に特に優れているため、前述のよ
うな半導体や電子部品等の基板等に特に好適である。
Also, preferably, the ceramic sintered body is an alumina sintered body or an aluminum nitride sintered body. Such a ceramic-metal bonded body has thermal conductivity,
Since it is particularly excellent in insulating properties and mechanical properties, it is particularly suitable for substrates such as semiconductors and electronic parts as described above.

【0011】[0011]

【課題を解決するための第二の手段】また、本発明のセ
ラミックス−金属接合体の製造方法の要旨とするところ
は、高融点金属と銀−銅系合金とを含み、高融点金属の
含有率の銀−銅系合金の含有率に対する比率の異なる少
なくとも二種以上の混合物を用い、セラミック焼結体の
少なくとも一部の表面上に、その比率の大きい順に混合
物層を形成する積層工程と、金属体を、その混合物層の
前記セラミック焼結体の反対側の面に接して位置させる
工程と、活性金属の存在下で加熱処理する加熱工程とを
含むことにある。
A second aspect of the present invention is directed to a method for producing a ceramic-metal bonded body according to the present invention, which contains a refractory metal and a silver-copper alloy, and contains a refractory metal. Using a mixture of at least two or more different ratios to the content ratio of the silver-copper-based alloy, on the surface of at least a portion of the ceramic sintered body, a laminating step of forming a mixture layer in descending order of the ratio, It is to include a step of positioning the metal body in contact with the surface of the mixture layer opposite to the ceramic sintered body, and a heating step of performing heat treatment in the presence of an active metal.

【0012】[0012]

【作用および第二発明の効果】このようにすれば、所定
種類の混合物を所定回数セラミック焼結体に積層するこ
とにより、セラミック焼結体の表面から遠ざかるに従っ
て、高融点金属の含有率の銀−銅系合金の含有率に対す
る比率が小さくされた混合物層が得られる。したがっ
て、活性金属の存在下で加熱処理することにより、活性
金属が混合物層内に拡散してセラミック焼結体と金属体
が強固に接合されると共に、前記金属層は、高融点金属
と、銀−銅系合金と、活性金属とを含み、その金属層に
おける高融点金属の含有率の銀−銅系合金の含有率に対
する比率が、前記セラミック焼結体の表面から遠ざかる
に従って連続的または段階的に小さくされた、セラミッ
クス−金属接合体が容易に得られる。
In this way, by stacking a predetermined type of mixture on the ceramic sintered body for a predetermined number of times, silver having a high melting point metal content is added as the distance from the surface of the ceramic sintered body increases. A mixture layer with a reduced proportion to the copper-based alloy content is obtained. Therefore, by performing heat treatment in the presence of an active metal, the active metal diffuses into the mixture layer to firmly bond the ceramic sintered body and the metal body, and the metal layer is formed of a refractory metal and silver. -A copper-based alloy and an active metal, and the ratio of the content of the refractory metal in the metal layer to the content of the silver-copper-based alloy is continuous or stepwise as the distance from the surface of the ceramic sintered body increases. It is possible to easily obtain a ceramic-metal bonded body which is made extremely small.

【0013】好適には、前記活性金属は、前記積層工程
により形成された混合物層内に含まれ、または混合物層
外に積層されたものである。このようにすれば、加熱さ
れたときに、活性金属は混合物層内で拡散し易いため、
セラミック焼結体表面および金属体表面に到達し得て、
銀−銅系合金および活性金属により両者が強固に接合さ
れる。
[0013] Preferably, the active metal is contained in the mixture layer formed by the laminating step or is laminated outside the mixture layer. In this way, when heated, the active metal easily diffuses in the mixture layer,
Can reach the surface of the ceramic sintered body and the surface of the metal body,
The silver-copper alloy and the active metal firmly bond the two.

【0014】[0014]

【実施例】以下に、本発明の一実施例を図面を参照して
詳細に説明する。
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS An embodiment of the present invention will be described in detail below with reference to the drawings.

【0015】図1は本発明の工程流れ図である。例えば
表1のNo.1〜No.9の組成の銀−銅−チタン混合粉末(平
均粒径はそれぞれ銀:1.2μm、銅:1.3μm、チ
タン:20μm)に、それぞれタングステン粉末(粒径
2.4μm)を、その重量比が例えばA:60%、B:
40%、C:20%となるように添加して、合計27種
の混合物原料を調合し、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助剤を添加し、例えば三本ロ
ールミルで混練して混合物ペーストA1 〜A9、B1
9 、C1 〜C9 を作製した。なお、本実施例では、チ
タンが活性金属に、タングステンが高融点金属にそれぞ
れ相当する。
FIG. 1 is a process flow chart of the present invention. For example, in a silver-copper-titanium mixed powder (average particle size: 1.2 μm, copper: 1.3 μm, titanium: 20 μm) having compositions No. 1 to No. 9 in Table 1, tungsten powder (grains). Diameter 2.4 μm) and the weight ratio thereof is, for example, A: 60%, B:
40%, C: 20% so that a total of 27 kinds of mixture raw materials are prepared, for example, an auxiliary agent having ethyl cellulose and terpineol as main components is added, and the mixture paste is kneaded with, for example, a three-roll mill. A 1 to A 9 , B 1 to
To produce a B 9, C 1 ~C 9. In this embodiment, titanium corresponds to the active metal and tungsten corresponds to the refractory metal.

【0016】[0016]

【表1】 [Table 1]

【0017】次に、別途用意した例えば50×33×
0.6mmの寸法のアルミナ基板(焼結体:Al2 3
96%、残部CaO、MgO、SiO2 および微量の不
可避不純物)10の両面に、混合物ペーストA1
9 、B1 〜B9 、C1 〜C9 をそれぞれ添字が同じも
のの組み合わせ(例えばA1 とB1 とC1 )でA、B、
Cの順に、例えば約20μmの厚さで印刷後、例えば約
130℃で乾燥する作業を繰り返し、図2に示すような
印刷層12が両面に形成された9種の印刷基板14を得
た。なお、印刷層12は、図3に一部断面を示すよう
に、それぞれ混合物ペーストA、B、Cに対応する、所
定の厚さの三層(12a、12b、12c)から成って
おり、印刷基板14の一方の面(図2における上面)に
は所定の回路パターンが形成されている。また、印刷層
12は両面とも同様な断面構造であるため、図3では一
方の面の構造のみ示している。次に、これらの印刷基板
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上にそれぞれ例えば厚さ300
μmおよび350μmの無酸素銅板16、18を載置
し、スペーサーを介して例えば0.3g/mm2 の荷重
をかけて、例えば5×10-5torrの真空中850℃で2
0分間加熱処理して、図4に示すような両面に銅板が接
合されたアルミナ接合基板20を得た。なお、本実施例
では、アルミナ基板10がセラミック焼結体に、印刷層
12が混合物層に相当し、活性金属は混合物層内に含ま
れている。
Next, separately prepared, for example, 50 × 33 ×
Alumina substrate with a size of 0.6 mm (sintered body: Al 2 O 3
96%, the balance CaO, MgO, SiO 2 and a trace amount of unavoidable impurities) 10 on both sides of the mixture paste A 1 ~
A 9 , B 1 to B 9 , and C 1 to C 9 are a combination of the same subscripts (for example, A 1 , B 1 and C 1 ), A, B,
After printing with a thickness of, for example, about 20 μm in the order of C, the operation of drying, for example, at about 130 ° C. was repeated to obtain 9 types of printed boards 14 having the printing layer 12 formed on both sides as shown in FIG. The printed layer 12 is composed of three layers (12a, 12b, 12c) of a predetermined thickness corresponding to the mixture pastes A, B, C, respectively, as shown in a partial cross section in FIG. A predetermined circuit pattern is formed on one surface (the upper surface in FIG. 2) of the substrate 14. Further, since the print layer 12 has the same cross-sectional structure on both sides, FIG. 3 shows only the structure on one side. Next, these printed boards 14 are degreased at 600 ° C. in an N 2 atmosphere, for example, and each of them has a thickness of, for example, 300 on the printed layers 12 on both sides of the printed board 14.
Oxygen-free copper plates 16 and 18 of μm and 350 μm are placed, a load of, for example, 0.3 g / mm 2 is applied through a spacer, and the temperature is set to 2 at 850 ° C. in a vacuum of 5 × 10 −5 torr.
Heat treatment was performed for 0 minutes to obtain an alumina-bonded substrate 20 having copper plates bonded to both surfaces as shown in FIG. In this example, the alumina substrate 10 corresponds to the ceramic sintered body, the printed layer 12 corresponds to the mixture layer, and the active metal is contained in the mixture layer.

【0018】これらのアルミナ接合基板20は、アルミ
ナ基板10の両面に前記印刷層12に対応する金属層2
2を介して銅板16、18が接合されており、金属層2
2は、図5に一部断面を示すように、印刷層12a、1
2b、12cに対応する22a、22b、22cの三層
から構成されており、チタンを含む銀−銅合金24の中
にタングステン粒子26が、アルミナ基板10側では多
く、銅板16側では少なくなるように分散された構造に
なっている。すなわち、金属層22においては、タング
ステンの含有率の銀−銅合金の含有率に対する比率が、
アルミナ基板10の表面から遠ざかるに従って段階的に
小さくされている。
These alumina-bonded substrates 20 have a metal layer 2 corresponding to the printed layer 12 on both sides of the alumina substrate 10.
The copper plates 16 and 18 are bonded to each other via the metal layer 2
2 is a printing layer 12a, 1 as shown in FIG.
It is composed of three layers 22a, 22b and 22c corresponding to 2b and 12c, and the amount of tungsten particles 26 in the silver-copper alloy 24 containing titanium is large on the alumina substrate 10 side and small on the copper plate 16 side. It has a structure dispersed in. That is, in the metal layer 22, the ratio of the content rate of tungsten to the content rate of the silver-copper alloy is
The diameter is gradually reduced as the distance from the surface of the alumina substrate 10 increases.

【0019】ここで、アルミナ接合基板20と、従来の
銀ろうやCu−O共晶反応によって銅板を接合した同様
な形状のアルミナ接合基板のピール強度を測定したとこ
ろ、アルミナ接合基板20の強度は何れも14kg/c
m以上であり、これに対して従来法によるアルミナ接合
基板の強度は8kg/cmであった。なお、ピール強度
試験は、アルミナ接合基板20に引張端子を接合し、銅
板16または18をアルミナ基板10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。
The peel strength of the alumina-bonded substrate 20 and the alumina-bonded substrate of the same shape in which a copper plate was bonded by a conventional silver brazing or Cu-O eutectic reaction was measured. 14 kg / c for both
In contrast, the strength of the conventional alumina bonded substrate was 8 kg / cm. In the peel strength test, a tensile terminal was bonded to the alumina bonding substrate 20, the copper plate 16 or 18 was peeled off with a tensile tester in the direction of 90 ° with respect to the alumina substrate 10, and the load when peeled off was measured. It is what I asked for.

【0020】また、アルミナ接合基板20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、アルミナ接合基板2
0は何れも500サイクル後もクラック、剥離の発生は
認められなかった。これに対して、同時に試験に供した
上記の従来法にて作製したアルミナ接合基板は約50サ
イクル後に割れが発生しており、以上の試験から、本実
施例のアルミナ接合基板20は接合強度が強く、また、
温度変化(温度サイクル)に対しても充分な耐久性を有
することが示された。
Further, in order to evaluate the thermal shock resistance of the alumina-bonded substrate 20, a series of steps of holding at −50 ° C. for 30 minutes in the thermal shock tester, heating to 150 ° C. and holding for 30 minutes is one cycle. The test was repeated. The temperature was adjusted very quickly by sending cold or hot air into the tester. As a result, the alumina bonded substrate 2
No cracking or peeling was observed even after 500 cycles. On the other hand, the alumina-bonded substrate produced by the above-described conventional method that was simultaneously subjected to the test showed cracks after about 50 cycles. From the above-mentioned tests, the alumina-bonded substrate 20 of the present example has a bonding strength. Strong again
It was shown to have sufficient durability against temperature changes (temperature cycle).

【0021】すなわち、アルミナ基板10上に形成され
た金属層22が、アルミナ基板10側の層22aはタン
グステンの含有率が高く低熱膨張率に、銅板16、18
側の層22cはタングステン含有率が低く高熱膨張率
に、中間の層22bはこれらの中間のタングステン含有
率であって中間の熱膨張率にされており、したがって、
アルミナ基板10から遠ざかるに従って銀−銅合金の含
有率が高く、すなわち熱膨張率が大きくなるようにされ
ているため、銅板16、18とアルミナ基板10との熱
膨張率の差は金属層22に吸収されて、それに起因する
熱応力が殆ど発生しない。このため、銅板16、18を
接合する際の加熱・冷却による熱応力の残留(残留応
力)が小さくなり、上記のように高い接合強度が得られ
ると共に、温度変化が生じてもクラックや剥離の発生し
ないアルミナ接合基板20が得られるのである。
That is, the metal layer 22 formed on the alumina substrate 10 and the layer 22a on the alumina substrate 10 side have a high tungsten content and a low coefficient of thermal expansion, and the copper plates 16 and 18 are provided.
The side layer 22c has a low tungsten content and a high thermal expansion coefficient, and the intermediate layer 22b has an intermediate tungsten content rate and an intermediate thermal expansion coefficient.
Since the silver-copper alloy content increases as the distance from the alumina substrate 10 increases, that is, the coefficient of thermal expansion increases, the difference in the coefficient of thermal expansion between the copper plates 16 and 18 and the alumina substrate 10 is caused by the metal layer 22. It is absorbed and thermal stress caused by it is hardly generated. For this reason, residual thermal stress (residual stress) due to heating / cooling when joining the copper plates 16 and 18 becomes small, and high joining strength can be obtained as described above, and cracks and peeling are prevented even if temperature changes occur. Thus, the alumina bonded substrate 20 that does not generate is obtained.

【0022】また、アルミナ接合基板20は、一方の面
に放熱板としての銅板18が接合されているため、発熱
量の大きなパワーモジュール等の基板として用いると、
半導体に発生した熱が、銅板18によって好適に放散さ
れて、高い耐久性と信頼性が得られる。これは、銅板1
8とアルミナ基板10の接合層の役割を果たす金属層2
2が、タングステンおよび銀−銅合金から成る比較的緻
密な層で形成されて、熱伝導が良好であるとともに、前
述のように熱応力が小さくされることにより、剥離、ク
ラック等が発生し難いためである。
Further, since the alumina-bonded substrate 20 has a copper plate 18 as a heat dissipation plate bonded to one surface thereof, when it is used as a substrate for a power module or the like which generates a large amount of heat,
The heat generated in the semiconductor is suitably dissipated by the copper plate 18, and high durability and reliability are obtained. This is a copper plate 1
8 and the alumina substrate 10 serve as a bonding layer for the metal layer 2
No. 2 is formed of a relatively dense layer made of tungsten and a silver-copper alloy, and has good heat conduction, and as described above, thermal stress is reduced, so that peeling and cracks are less likely to occur. This is because.

【0023】また、銀−銅−チタンの混合粉末とタング
ステン粉末の混合比を変えた混合物ペーストを用いて、
三層構造の印刷層12を印刷・積層により形成している
ため、これを焼成することにより、アルミナ基板10か
ら遠ざかるに従ってタングステンの含有率の銀−銅合金
の含有率に対する比率が小さくなる金属層22が容易に
得られる。このとき、印刷される混合物ペーストにチタ
ンが含有されているため、このチタンが金属層内に拡散
されて活性金属として働き、アルミナ基板10と銅板1
6、18とが強固に接合される。
Further, using a mixture paste in which the mixing ratio of the silver-copper-titanium mixed powder and the tungsten powder is changed,
Since the printing layer 12 having a three-layer structure is formed by printing and stacking, by firing the metal layer, the ratio of the content ratio of tungsten to the content ratio of silver-copper alloy decreases as the distance from the alumina substrate 10 increases. 22 is easily obtained. At this time, since the mixture paste to be printed contains titanium, this titanium is diffused in the metal layer and acts as an active metal, and the alumina substrate 10 and the copper plate 1
6 and 18 are firmly joined.

【0024】また、アルミナ基板10の両面に同様な寸
法・形状の銅板16、18が接合されているため、温度
変化が生じた際に両面に同程度の熱応力が発生して相殺
され、一層温度変化に対して高い耐久性を有するアルミ
ナ接合基板20が得られる。
Further, since the copper plates 16 and 18 having the same size and shape are bonded to both surfaces of the alumina substrate 10, the same degree of thermal stress is generated on both surfaces to cancel each other when the temperature changes. The alumina bonded substrate 20 having high durability against temperature changes is obtained.

【0025】また、本実施例においてはセラミック焼結
体がアルミナ基板10であるため、機械的特性、熱伝導
性、絶縁性に優れ、パワーモジュール等に用いる基板と
して好適である。
Further, in this embodiment, since the ceramic sintered body is the alumina substrate 10, it is excellent in mechanical properties, thermal conductivity and insulation properties, and is suitable as a substrate used for a power module or the like.

【0026】また、接合する金属体として無酸素銅板1
6、18を用いているため、銅板とろう材との濡れ性が
良好であり、且つ、ろう材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。
An oxygen-free copper plate 1 is used as the metal body to be joined.
Since 6 and 18 are used, the wettability between the copper plate and the brazing material is good, and there is no reduction in the activity of the active metal due to the reaction between the active metal in the brazing material and oxygen in the copper plate. ,
A strong joined body of the copper plate and the ceramic sintered body can be obtained.

【0027】次に、本発明の他の実施例を説明する。Next, another embodiment of the present invention will be described.

【0028】例えば表1のNo.1の組成の銀−銅−チタン
混合粉末とモリブデン粉末(粒径2.6μm)とを用い
て、それぞれモリブデン粉末の重量比が例えば50%、
25%である二種の混合物原料を調合し、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助剤を添加
し、例えば三本ロールミルで混練して混合物ペースト
D、Eを作製した。更に、表1のNo.10 〜No.22 の組成
の混合粉末を、混合物ペーストと同様にして銀−銅ろう
材ペーストF1 〜F13を作製した。なお、本実施例で
は、モリブデンが高融点金属に相当する。
For example, using a silver-copper-titanium mixed powder having the No. 1 composition in Table 1 and molybdenum powder (particle size 2.6 μm), the weight ratio of molybdenum powder is, for example, 50%, respectively.
Two kinds of 25% mixture raw materials were prepared, for example, an auxiliary agent containing ethyl cellulose and terpineol as main components was added, and the mixture paste was kneaded with, for example, a three-roll mill to prepare mixture pastes D and E. Furthermore, silver-copper brazing filler metal pastes F 1 to F 13 were prepared in the same manner as the mixed paste from the mixed powders having the compositions of No. 10 to No. 22 in Table 1. In this example, molybdenum corresponds to the refractory metal.

【0029】次に、別途用意した数枚の例えば50×3
3×0.6mmの寸法の窒化アルミニウム基板(焼結
体:AlN96重量%、残部Y2 3 および微量の不可
避不純物)の両面に、混合物ペーストD、Eを順に例え
ば約30μmの厚さで印刷後、例えば130℃で乾燥す
る作業を繰り返し、更に、その上に銀−銅ろう材ペース
トF1 〜F13の内の何れか一種をそれぞれ例えば約15
μmの厚さで印刷して、図2に示す印刷基板14と同様
な13種の印刷基板を得た。なお、これらの印刷基板の
印刷層は第一実施例と同様な構造であり、一方の面には
回路パターンが形成されている。更に、第一実施例と同
様な手法で無酸素銅板を窒化アルミニウム基板の両面に
接合して、図4に示すアルミナ接合基板と同様な形状の
窒化アルミニウム接合基板28を得た。
Next, several separately prepared sheets, for example, 50 × 3
The mixture pastes D and E are sequentially printed with a thickness of, for example, about 30 μm on both surfaces of an aluminum nitride substrate having a size of 3 × 0.6 mm (sintered body: 96% by weight of AlN, balance Y 2 O 3 and trace amount of unavoidable impurities). After that, the operation of drying at, for example, 130 ° C. is repeated, and any one of the silver-copper brazing filler metal pastes F 1 to F 13 is further applied thereon, for example, about 15
By printing with a thickness of μm, 13 kinds of printed boards similar to the printed board 14 shown in FIG. 2 were obtained. The printed layers of these printed boards have the same structure as that of the first embodiment, and a circuit pattern is formed on one surface thereof. Further, an oxygen-free copper plate was bonded to both sides of the aluminum nitride substrate by the same method as in the first example to obtain an aluminum nitride bonded substrate 28 having the same shape as the alumina bonded substrate shown in FIG.

【0030】これらの窒化アルミニウム接合基板28の
金属層30は、図6に一部断面を示すように、ペースト
D、E、Fに対応する、モリブデンを含有する層30
a、30bと、モリブデンを含有しない層30cの三層
から構成されており、したがって、モリブデン粒子32
の含有率の銀−銅合金34の含有率に対する比率が、窒
化アルミニウム基板36の表面から遠ざかるに従って段
階的に小さくされ、最も銅板38に近い層はモリブデン
を含まない銀−銅系合金層になっている。なお、本発明
では窒化アルミニウム基板36がセラミック焼結体に相
当する。
The metal layer 30 of the aluminum nitride bonded substrate 28 is a layer 30 containing molybdenum, which corresponds to the pastes D, E and F, as shown in a partial cross section in FIG.
a, 30b and a layer 30c containing no molybdenum, and therefore the molybdenum particles 32
The ratio of the content ratio of the above to the content ratio of the silver-copper alloy 34 is gradually reduced as the distance from the surface of the aluminum nitride substrate 36 is increased, and the layer closest to the copper plate 38 becomes a molybdenum-free silver-copper alloy layer. ing. The aluminum nitride substrate 36 corresponds to a ceramic sintered body in the present invention.

【0031】ここで、窒化アルミニウム接合基板28
の、窒化アルミニウム基板36と銅板38のピール強度
と耐熱衝撃性を、第一実施例と同様に従来の接合基板と
比較した。本実施例の窒化アルミニウム接合基板28は
何れも、ピール強度が14kg/cm以上、耐熱衝撃試
験では100サイクルでもクラックの発生がなかったの
に対し、従来のものはピール強度8kg/cm、10サ
イクルでクラック発生という結果であった。本実施例に
おいても、窒化アルミニウム接合基板28が従来のもの
に比較して接合強度が強く、また、温度変化(温度サイ
クル)に対しても充分な耐久性を有することが示され
た。
Here, the aluminum nitride bonded substrate 28
The peel strength and thermal shock resistance of the aluminum nitride substrate 36 and the copper plate 38 were compared with those of the conventional bonded substrate as in the first embodiment. In all of the aluminum nitride bonded substrates 28 of this example, the peel strength was 14 kg / cm or more, and cracks did not occur even after 100 cycles in the thermal shock test, whereas the conventional one had a peel strength of 8 kg / cm and 10 cycles. The result was that cracks occurred. Also in this example, it is shown that the aluminum nitride bonded substrate 28 has stronger bonding strength than the conventional one and has sufficient durability against temperature change (temperature cycle).

【0032】すなわち、本実施例においても、第一実施
例と同様にモリブデン粒子32の含有率の銀−銅合金3
4の含有率に対する比率が、窒化アルミニウム基板36
の表面から遠ざかるに従って段階的に小さくされた構造
であるため、窒化アルミニウム基板36上に形成された
金属層30に、銅板38と窒化アルミニウム基板36と
の熱膨張率の差が吸収されて、それに起因する熱応力が
殆ど発生しない。このため、銅板38を接合する際の加
熱・冷却による熱応力の残留(残留応力)が小さくな
り、上記のように高い接合強度が得られると共に、温度
変化が生じてもクラックや剥離の発生しない窒化アルミ
ニウム接合基板28が得られるのであり、また、第一実
施例と同様に発熱量の大きなパワーモジュール等の基板
として用いられた場合には、一方の面に接合された銅板
38が放熱板として働き、高い耐久性と信頼性が得られ
る。
That is, also in this embodiment, the silver-copper alloy 3 having the content ratio of the molybdenum particles 32 is the same as in the first embodiment.
The ratio with respect to the content ratio of 4 is the aluminum nitride substrate 36.
Since the metal layer 30 formed on the aluminum nitride substrate 36 absorbs the difference in coefficient of thermal expansion between the copper plate 38 and the aluminum nitride substrate 36, the metal layer 30 formed on the aluminum nitride substrate 36 absorbs the difference. Almost no resulting thermal stress occurs. For this reason, residual thermal stress (residual stress) due to heating / cooling when joining the copper plates 38 becomes small, and high joining strength can be obtained as described above, and cracks and peeling do not occur even if temperature changes occur. The aluminum nitride bonded substrate 28 is obtained, and when it is used as a substrate for a power module or the like that generates a large amount of heat as in the first embodiment, the copper plate 38 bonded to one surface serves as a heat dissipation plate. It works and has high durability and reliability.

【0033】また、銀−銅−チタンの混合粉末とモリブ
デン粉末の混合比を変えた混合物および銀−銅ろう材を
用いて、三層構造の印刷層を印刷・積層により形成して
いるため、これを焼成することにより、窒化アルミニウ
ム基板36から遠ざかるに従って銀−銅合金の含有率の
モリブデンの含有率に対する比率が大きくなる金属層3
0が容易に得られる。このとき、印刷される混合物ペー
ストにチタンが含有されているため、このチタンが金属
層30内に拡散されて活性金属として働き、窒化アルミ
ニウム基板36と銅板38とが強固に接合される。更
に、本実施例においては、銅板38側に銀−銅系合金層
(金属層30c)が形成されて、接合時における銅板と
銀−銅系ろう材との濡れ性が良好であるため、充分な接
合強度が得られ、良好な熱伝導性と共に高い耐久性が得
られる。
Further, since a mixture of silver-copper-titanium mixed powder and molybdenum powder having different mixing ratios and a silver-copper brazing material are used to form a three-layered printed layer by printing and lamination, By firing this, the metal layer 3 in which the ratio of the content rate of the silver-copper alloy to the content rate of molybdenum increases as the distance from the aluminum nitride substrate 36 increases.
0 is easily obtained. At this time, since the mixture paste to be printed contains titanium, this titanium diffuses into the metal layer 30 and acts as an active metal, so that the aluminum nitride substrate 36 and the copper plate 38 are firmly bonded. Furthermore, in this embodiment, since the silver-copper alloy layer (metal layer 30c) is formed on the copper plate 38 side and the wettability between the copper plate and the silver-copper brazing material at the time of joining is good, it is sufficient. A good bonding strength can be obtained, and good durability can be obtained together with good thermal conductivity.

【0034】また、本実施例においても、窒化アルミニ
ウム基板36の両面に同様な寸法・形状の銅板38が接
合されているため、温度変化が生じた際に両面に同程度
の熱応力が発生して相殺され、一層温度変化に対して高
い耐久性を有する窒化アルミニウム接合基板28が得ら
れる。また、銅板38が無酸素銅板であるため、銅板3
8とろう材との濡れ性が良好であり、且つ、ろう材中の
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。
Also in this embodiment, since the copper plates 38 having the same size and shape are bonded to both surfaces of the aluminum nitride substrate 36, the same degree of thermal stress is generated on both surfaces when the temperature changes. Therefore, the aluminum nitride bonded substrate 28 having higher durability against temperature changes can be obtained. Further, since the copper plate 38 is an oxygen-free copper plate, the copper plate 3
8 has good wettability with the brazing material, and there is no reduction in the activity of the active metal due to the reaction between the active metal in the brazing material and oxygen in the copper plate. A strong joined body can be obtained.

【0035】また、本実施例においてはセラミック焼結
体が窒化アルミニウム基板36であるため、第一実施例
のアルミナ基板を用いた場合よりも一層熱伝導性に優
れ、パワーモジュール等に用いる基板として一層好適で
ある。
Further, in this embodiment, since the ceramic sintered body is the aluminum nitride substrate 36, it has a higher thermal conductivity than the case of using the alumina substrate of the first embodiment, and is used as a substrate for a power module or the like. It is more preferable.

【0036】次に、本発明の更に別の実施例を説明す
る。
Next, another embodiment of the present invention will be described.

【0037】第一実施例で用いたものと同組成の50×
50×5mmのアルミナ焼結体と、第二実施例と同組成
・同寸法の窒化アルミニウム焼結体と、50×50×1
0mmの窒化ケイ素焼結体(Si3 4 92重量%、残
部Al2 3 、Y2 3 および微量の不可避不純物)
と、50×50×10mmのジルコニア焼結体(ZrO
2 97%、残部Y2 3 および微量の不可避不純物)と
(以下、特に区別しないときはセラミック焼結体とい
う)を用意して、第一実施例で用いた混合物ペーストA
1 、B1 、C1 をセラミック焼結体の一方の面にそれぞ
れ第一実施例と同様に積層・脱脂し、4種の印刷セラミ
ック焼結体を得た。
50 × having the same composition as that used in the first embodiment
50 × 5 mm alumina sintered body, aluminum nitride sintered body of the same composition and size as the second embodiment, 50 × 50 × 1
0 mm silicon nitride sintered body (Si 3 N 4 92% by weight, balance Al 2 O 3 , Y 2 O 3 and trace unavoidable impurities)
And a 50 × 50 × 10 mm zirconia sintered body (ZrO
2 97%, the remainder Y 2 O 3 and traces of unavoidable impurities) (hereinafter, when not particularly distinguished are prepared as ceramic sintered body), a mixture paste A used in the first embodiment
1 , B 1 and C 1 were respectively laminated and degreased on one surface of the ceramic sintered body in the same manner as in the first embodiment to obtain four kinds of printed ceramic sintered bodies.

【0038】次に、厚さ0.5mmの無酸素銅板と、厚
さ5mmのSS41鋼板と、厚さ5mmのSUS430
鋼板と(以下、特に区別しないときは金属板という)を
用意し、前記4種の印刷セラミック焼結体のペースト印
刷面に何れか一つをそれぞれ載置し、第一実施例と同様
に加熱処理して、12種のセラミックス−金属接合体を
得た。得られたセラミックス−金属接合体は、セラミッ
ク焼結体に金属層を介して金属体が接合されており、そ
の金属層は第一実施例と同様の図5に示す断面構造を有
していた。
Next, an oxygen-free copper plate having a thickness of 0.5 mm, an SS41 steel plate having a thickness of 5 mm, and a SUS430 having a thickness of 5 mm.
A steel plate (hereinafter referred to as a metal plate unless otherwise specified) is prepared, and one of them is placed on the paste printing surface of each of the four types of printed ceramic sintered bodies described above, and heating is performed as in the first embodiment. By processing, 12 types of ceramic-metal bonded bodies were obtained. In the obtained ceramic-metal bonded body, the metal body was bonded to the ceramic sintered body via the metal layer, and the metal layer had the same cross-sectional structure shown in FIG. 5 as in the first embodiment. .

【0039】ここで、セラミックス−金属接合体の接合
強度を剪断試験により測定し、従来のろう材による接
合、緩衝材を用いた接合と比較した。その結果、本実施
例のセラミックス−金属接合体の剪断強度は何れも10
kg/mm2 以上の強度であったのに対し、従来の方法
による接合体の強度は8kg/mm2 以下であった。ま
た、第一実施例と同様な耐熱衝撃試験を行ったところ、
本実施例のセラミックス−金属接合体は何れも100サ
イクルでもクラックが発生しなかったのに対し、従来の
方法による接合体は10サイクルでクラックが発生し
た。本実施例においても従来の接合方法よりも接合強度
が向上していることが示された。
Here, the bonding strength of the ceramic-metal bonded body was measured by a shear test and compared with the conventional bonding with a brazing material and bonding with a buffer material. As a result, the shear strength of the ceramic-metal bonded body of this example was 10 in all cases.
While was kg / mm 2 or more strength, the strength of the bonded body according to the conventional method was less than 8 kg / mm 2. Further, when the same thermal shock test as in the first example was conducted,
In all of the ceramic-metal bonded bodies of this example, cracks did not occur even after 100 cycles, whereas in the bonded body according to the conventional method, cracks occurred after 10 cycles. Also in this example, it was shown that the bonding strength was improved as compared with the conventional bonding method.

【0040】すなわち、本実施例においても、金属層は
第一実施例と同様な構造であるため、接合時の残留応力
が小さく、温度変化が生じた際にも金属体とセラミック
焼結体との熱膨張率の差が金属層により吸収されて熱応
力が小さくなり、したがって、高い接合強度と耐久性を
有するセラミックス−金属接合体が得られる。なお、窒
化ケイ素焼結体は、曲げ強度や破壊靭性が大きい素材で
あり、これを用いた接合体は特に耐熱衝撃性が良好であ
った。
That is, also in this embodiment, since the metal layer has the same structure as that of the first embodiment, the residual stress at the time of joining is small, and the metal body and the ceramic sintered body are separated even when the temperature changes. The difference in the coefficient of thermal expansion is absorbed by the metal layer and the thermal stress is reduced, so that a ceramic-metal bonded body having high bonding strength and durability can be obtained. The silicon nitride sintered body is a material having large bending strength and fracture toughness, and the joined body using the same had particularly good thermal shock resistance.

【0041】また、接合するセラミック焼結体および金
属体の種類・形状・寸法に応じて、金属層の熱膨張率お
よび積層数、厚みを適宜決定することにより、本実施例
に示したような様々なセラミックス−金属接合体を得る
ことができるので、自動車用エンジン部品、ロケットの
外壁材などにも有用である。
Further, by appropriately determining the coefficient of thermal expansion, the number of laminated layers, and the thickness of the metal layer according to the types, shapes, and dimensions of the ceramic sintered body and the metal body to be joined, as shown in this embodiment. Since various ceramic-metal bonded bodies can be obtained, they are also useful for automobile engine parts, rocket outer wall materials, and the like.

【0042】以上、本発明の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。
Although the embodiments of the present invention have been described in detail above, the present invention can be carried out in still another mode.

【0043】実施例においては、混合物に用いる高融点
金属として、平均粒径が2.4μmのタングステン粉末
および平均粒径が2.6μmのモリブデン粉末を用いた
が、これに替えて平均粒径20μm以下のタングステン
粉末やモリブデン粉末を用いても良い。なお、平均粒径
が小さくなり過ぎると取扱いが困難になり、大きくなり
過ぎると均一な分散が行われないという問題が生じ易い
ので、好ましくは0.5〜10μm、更に好ましくは
0.5〜6.0μm程度の平均粒径の粉末を用いるのが
良い。また、高融点金属としてはタングステン或いはモ
リブデンは一方のみでなく、これらが混合されたもので
も良い。
In the examples, tungsten powder having an average particle diameter of 2.4 μm and molybdenum powder having an average particle diameter of 2.6 μm were used as the refractory metal used in the mixture, but instead of this, an average particle diameter of 20 μm. The following tungsten powder and molybdenum powder may be used. If the average particle size becomes too small, handling becomes difficult, and if it becomes too large, the problem that uniform dispersion does not occur tends to occur. Therefore, the particle size is preferably 0.5 to 10 μm, more preferably 0.5 to 6 μm. It is preferable to use a powder having an average particle size of about 0.0 μm. Further, the refractory metal is not limited to one of tungsten and molybdenum, and may be a mixture of these.

【0044】また、混合物における高融点金属の含有率
は、必要な熱膨張率に応じて適宜定められるものである
が、銀−銅系合金の含有率が低すぎる場合は充分な接合
強度が得られないため、印刷積層時の全ての層で80%
以下であることが必要であり、更に高強度を得るために
は60%以下であることが望ましい。また、金属層は、
銀−銅系合金の含有率と高融点金属の含有率の比率が連
続的に変化する方が熱応力の低減には好ましいが、この
比率の異なる二層以上(すなわち、比率が段階的に変化
する層)で構成されていれば充分な効果が得られる。上
記比率が連続的に変化する金属層を得るには、例えば、
各層間の含有率の差を小さくし、且つできるだけ多層構
造とすれば良い。このようにすれば、接合時の各層界面
での高融点金属と銀−銅系合金の移動の発生にも起因し
て各層界面での急激な上記比率の変化がなくなり、上記
比率が連続的に変化する金属層が得られる。なお、段階
的に変化する場合には、上記比率の異なる三層以上で構
成されていることが熱応力の低減のためには一層好まし
い。
The content of the refractory metal in the mixture is appropriately determined according to the required coefficient of thermal expansion, but when the content of the silver-copper alloy is too low, sufficient bonding strength can be obtained. 80% for all layers when printed and laminated
It is necessary to be below, and in order to obtain higher strength, it is desirable to be below 60%. Also, the metal layer is
It is preferable to continuously change the ratio of the content of the silver-copper alloy to the content of the refractory metal in order to reduce the thermal stress, but two or more layers with different ratios (that is, the ratio changes stepwise. Layer), a sufficient effect can be obtained. To obtain a metal layer in which the ratio changes continuously, for example,
It suffices to reduce the difference in the content ratio between the layers and to make the structure as multilayer as possible. By doing so, there is no rapid change in the ratio at each layer interface due to the occurrence of the movement of the refractory metal and the silver-copper alloy at each layer interface at the time of joining, and the above ratio is continuously changed. A changing metal layer is obtained. In the case of a stepwise change, it is more preferable to be composed of three or more layers having different ratios in order to reduce thermal stress.

【0045】また、銀−銅系合金は、実施例で示した組
成の他、銀が40〜96重量%、銅が4〜60重量%の
範囲内で合計100%となる組成でも良く、また、必要
に応じて、Niが3重量%以下、Liが0.5重量%以
下、Snが10重量%以下、Inが15重量%以下の範
囲で含まれていても良い。加熱工程における条件は主に
この組成と、接合する金属体、セラミック焼結体によっ
て定められるものであり、温度は650〜950℃、雰
囲気は1×10-3torr以上(好ましくは1×10-4
上)の真空またはAr等の不活性ガス或いはN2 ガス、
2 ガス雰囲気で、0.1〜0.5g/mm2 の荷重を
かけて加熱される。
In addition to the compositions shown in the examples, the silver-copper alloy may have a composition of 100 to 100% in the range of 40 to 96% by weight of silver and 4 to 60% by weight of copper. If necessary, Ni may be contained in the range of 3 wt% or less, Li of 0.5 wt% or less, Sn of 10 wt% or less, and In of 15 wt% or less. The conditions in the heating step are mainly determined by this composition, the metal body and the ceramic sintered body to be joined, the temperature is 650 to 950 ° C., and the atmosphere is 1 × 10 −3 torr or more (preferably 1 × 10 − 4 or more) vacuum or inert gas such as Ar or N 2 gas,
It is heated by applying a load of 0.1 to 0.5 g / mm 2 in an H 2 gas atmosphere.

【0046】また、用いられる活性金属は、チタン(T
i)の他に、Nb、Hf、Zr等でも良く、活性金属は
実施例で述べたように混合物の全てに含有されている
他、任意の一層を形成する混合物の中に含有されていた
り、混合物の積層工程において、任意の層間に活性金属
単独の層として積層されていても良い。活性金属は拡散
し易いため、セラミック焼結体と金属体との間の金属層
の少なくとも一層に存在していれば良いのである。ま
た、活性金属の平均粒径は実施例で示した20μmに限
定されるものではなく、加熱時に充分に拡散されるもの
であれば良いのであって、例えば10μm或いは30μ
m程度のものでも良い。なお、充分な接合強度を得るた
めには、活性金属の銀−銅系合金に対する添加量は0.
1%以上、好ましくは2%以上必要であり、また、活性
金属はセラミック焼結体に過度に拡散すると強度低下を
引き起こすため、前記添加量は25%以下、好ましくは
10%以下、更に好ましくは5%以下であることが必要
である。また、前記のように活性金属単独の層を設ける
場合には、セラミック焼結体への過度の拡散を避けるた
めに、できるだけ金属体側の層間に積層することが望ま
しい。
The active metal used is titanium (T
In addition to i), it may be Nb, Hf, Zr, etc., and the active metal is contained in all of the mixture as described in the examples, or contained in the mixture forming any one of the layers, In the step of laminating the mixture, any layer may be laminated as a layer of active metal alone. Since the active metal easily diffuses, it is sufficient that the active metal exists in at least one of the metal layers between the ceramic sintered body and the metal body. Further, the average particle diameter of the active metal is not limited to 20 μm shown in the embodiment, but may be any value as long as it is sufficiently diffused during heating, for example, 10 μm or 30 μm.
It may be about m. In order to obtain sufficient bonding strength, the addition amount of the active metal to the silver-copper alloy is 0.
It is necessary to be 1% or more, preferably 2% or more, and since the active metal causes strength reduction when excessively diffusing into the ceramic sintered body, the addition amount is 25% or less, preferably 10% or less, more preferably It should be 5% or less. Further, when the layer of the active metal alone is provided as described above, it is desirable to stack the layers as close to the metal body as possible in order to avoid excessive diffusion into the ceramic sintered body.

【0047】また、混合物中にはセラミックス−金属接
合体を構成するセラミック焼結体と同組成のセラミック
原料や、SiO2 等のガラス成分等が含まれていてもよ
い。この場合、その含有量は金属層の熱伝導性や接合強
度を劣化させない程度である必要がある。
In addition, the mixture may contain a ceramic raw material having the same composition as the ceramic sintered body constituting the ceramic-metal bonded body, a glass component such as SiO 2 and the like. In this case, its content needs to be such that the thermal conductivity and bonding strength of the metal layer are not deteriorated.

【0048】また、セラミック焼結体としては、実施例
で示した他に、スピネル、ムライト、炭化ケイ素、炭化
ホウ素、窒化ホウ素、サイアロン、ジルコン等が利用可
能であり、特にムライト等の誘電率の低い素材は、基板
材料として用いた場合に信号遅延時間が比較的短く、こ
のような用途には特に好適である。なお、これらのセラ
ミック焼結体には、不可避不純物の他、焼結助剤が含ま
れていても良い。焼結助剤としては、実施例で示したも
のの他に、例えば、アルミナに対しては、Y23 、B
aO、Cr2 3 等が、窒化アルミニウムに対しては、
CaO、BaO、SrO、CaCO3 、BaCO3 、S
rCO3 、アルミン酸カルシウム、La2 3 、CeO
2 等が挙げられる。また、その形状は、実施例で示した
板状の他に、角柱状、円柱状等用途に応じたものにする
ことが可能であり、既に積層構造にされている多層基板
等でも良い。更に、本発明の方法によれば、発生する熱
応力が小さいため、比較的低強度のセラミック焼結体に
も金属を接合することが可能である。
As the ceramic sintered body, spinel, mullite, silicon carbide, boron carbide, boron nitride, sialon, zircon, etc. can be used in addition to those shown in the examples. Low material is relatively suitable for such applications, as the signal delay time is relatively short when used as a substrate material. In addition to these unavoidable impurities, these ceramic sintered bodies may contain a sintering aid. As the sintering aid, in addition to those shown in the examples, for example, for alumina, Y 2 O 3 , B is used.
aO, Cr 2 O 3 etc.
CaO, BaO, SrO, CaCO 3 , BaCO 3 , S
rCO 3 , calcium aluminate, La 2 O 3 , CeO
2 etc. In addition to the plate shape shown in the embodiment, the shape may be a prismatic shape, a cylindrical shape, or the like depending on the application, and may be a multilayer substrate or the like having a laminated structure. Furthermore, according to the method of the present invention, since the thermal stress generated is small, it is possible to bond a metal to a relatively low-strength ceramic sintered body.

【0049】また、金属体としては、実施例で示したも
のの他に、タフピッチ銅、鉄系の鋼材、ニッケル、チタ
ン鋼等が利用可能であり、その形状は、セラミック焼結
体と同様に、板状、角柱状、円柱状等種々のものが用い
られ得る。なお、本発明の製造方法における加熱工程
は、セラミック焼結体、金属体の材質や前記混合物の組
成等に応じて適宜定められるものである。
As the metal body, tough pitch copper, iron-based steel materials, nickel, titanium steel and the like can be used in addition to those shown in the examples, and the shape thereof is the same as that of the ceramic sintered body. Various materials such as a plate shape, a prism shape, and a column shape can be used. The heating step in the manufacturing method of the present invention is appropriately determined according to the material of the ceramic sintered body, the metal body, the composition of the mixture, and the like.

【0050】更に、本発明のセラミックス−金属接合体
は、セラミック焼結体と金属体との間に介在する金属層
が両者の熱膨張率の差に起因する熱応力を低減するた
め、セラミック焼結体と高い熱膨張率を有する金属体と
を従来よりも高い接合強度と耐久性を与えて接合するこ
とが可能であり、したがって、従来の限界であった10
0×100×0.5mmを越える形状、例えば厚さ5m
m以上の金属体の接合が可能である。例えば、圧電素子
用の半導体モジュール等に用いる場合に、比較的厚い銅
回路板を接合できて、従来にない大電流(50〜60
A)を流すことの可能な基板が得られる。
Furthermore, in the ceramic-metal bonded body of the present invention, the metal layer interposed between the ceramic sintered body and the metal body reduces the thermal stress due to the difference in the coefficient of thermal expansion between the two. It is possible to bond a bonded body and a metal body having a high coefficient of thermal expansion with higher bonding strength and durability than those of the related art, and therefore the conventional limit 10
Shape exceeding 0x100x0.5mm, for example 5m thickness
It is possible to join metal bodies of m or more. For example, when it is used for a semiconductor module for a piezoelectric element or the like, a relatively thick copper circuit board can be joined, and a large current (50-60
A substrate is obtained on which A) can flow.

【0051】また、金属層の形成方法としては、実施例
で述べたセラミック焼結体にペーストを印刷する方法の
他に、例えばドクターブレード法等で作製した、所定の
種類の混合物生シートを積層する方法によっても良く、
印刷法による場合に、比較的厚い(50μm以上)層が
必要であれば同じペーストを重ねて印刷する等の方法に
よれば良い。
As a method of forming the metal layer, in addition to the method of printing the paste on the ceramic sintered body described in the embodiment, a raw mixture sheet of a predetermined type prepared by, for example, a doctor blade method is laminated. Depending on how
In the case of using the printing method, if a relatively thick layer (50 μm or more) is required, the same paste may be overlaid and printed.

【0052】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。
Although not illustrated one by one, the present invention can be variously modified without departing from the spirit thereof.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】本発明の実施例の工程流れ図である。FIG. 1 is a process flow chart of an embodiment of the present invention.

【図2】図1の積層工程を説明する斜視図である。FIG. 2 is a perspective view illustrating a stacking process of FIG.

【図3】図2の一部断面図である。FIG. 3 is a partial cross-sectional view of FIG.

【図4】図1に示す工程により製造されたアルミナ接合
基板を示す斜視図である。
4 is a perspective view showing an alumina bonded substrate manufactured by the process shown in FIG. 1. FIG.

【図5】図4の一部断面図である。5 is a partial cross-sectional view of FIG.

【図6】本発明の他の実施例のセラミックス−金属接合
体の一部断面図であり、図5に対応する図である。
FIG. 6 is a partial cross-sectional view of a ceramics-metal bonded body according to another embodiment of the present invention, which is a view corresponding to FIG. 5.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

10:アルミナ基板 16:銅板 20:アルミナ接合基板 22:金属層 10: Alumina substrate 16: Copper plate 20: Alumina bonding substrate 22: Metal layer

Claims (7)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 セラミック焼結体と、該セラミック焼結
体の少なくとも一部の表面上に形成された金属層と、該
金属層を介してセラミック焼結体に接合された金属体と
を含むセラミックス−金属接合体であって、 該金属層は、高融点金属と、銀−銅系合金と、活性金属
とを含み、該高融点金属の含有率の該銀−銅系合金の含
有率に対する比率が、前記セラミック焼結体の表面から
遠ざかるに従って連続的または段階的に小さくされたも
のであることを特徴とするセラミックス−金属接合体。
1. A ceramic sintered body, a metal layer formed on at least a part of the surface of the ceramic sintered body, and a metal body bonded to the ceramic sintered body via the metal layer. A ceramics-metal joined body, wherein the metal layer contains a refractory metal, a silver-copper alloy, and an active metal, and the content of the refractory metal is relative to the content of the silver-copper alloy. The ceramic-metal bonded body, wherein the ratio is reduced continuously or stepwise as the distance from the surface of the ceramic sintered body increases.
【請求項2】 前記金属体は、前記銀−銅系合金層を介
して前記金属層に接合されていることを特徴とする請求
項1のセラミックス−金属接合体。
2. The ceramic-metal bonded body according to claim 1, wherein the metal body is bonded to the metal layer via the silver-copper alloy layer.
【請求項3】 前記セラミック焼結体は基板であり、前
記金属体は銅板または銅合金板であることを特徴とする
請求項1のセラミックス−金属接合体。
3. The ceramic-metal bonded body according to claim 1, wherein the ceramic sintered body is a substrate, and the metal body is a copper plate or a copper alloy plate.
【請求項4】 前記金属体の少なくとも一部に回路パタ
ーンが形成されていることを特徴とする請求項3の金属
とセラミックスの接合体。
4. The metal / ceramics joined body according to claim 3, wherein a circuit pattern is formed on at least a part of the metal body.
【請求項5】 前記セラミック焼結体は、アルミナ焼結
体または窒化アルミニウム焼結体であることを特徴とす
る請求項1のセラミックス−金属接合体。
5. The ceramic-metal bonded body according to claim 1, wherein the ceramic sintered body is an alumina sintered body or an aluminum nitride sintered body.
【請求項6】 高融点金属と銀−銅系合金とを含み、該
高融点金属の含有率の該銀−銅系合金の含有率に対する
比率の異なる少なくとも二種以上の混合物を用い、セラ
ミック焼結体の少なくとも一部の表面上に、該比率の大
きい順に混合物層を形成する積層工程と、 金属体を、該混合物層の前記セラミック焼結体の反対側
の面に接して位置させる工程と、 活性金属の存在下で加熱処理する加熱工程とを含むこと
を特徴とするセラミックス−金属接合体の製造方法。
6. Ceramic firing using a mixture of at least two or more kinds, which contains a refractory metal and a silver-copper alloy and has a different content ratio of the refractory metal to that of the silver-copper alloy. A stacking step of forming a mixture layer on the surface of at least a part of the united body in the descending order of the ratio, and a step of positioning a metal body in contact with the surface of the mixture layer opposite to the ceramic sintered body. And a heating step of performing heat treatment in the presence of an active metal, the method for producing a ceramic-metal joined body.
【請求項7】 前記活性金属は、前記積層工程により形
成された混合物層内に含まれ、または混合物層外に積層
されたものであることを特徴とする請求項6のセラミッ
クス−金属接合体の製造方法。
7. The ceramic-metal bonded body according to claim 6, wherein the active metal is contained in the mixture layer formed by the laminating step or laminated outside the mixture layer. Production method.
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Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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