JP2013049589A - セラミック体と金属体との接合体 - Google Patents

Abstract

【課題】十分な機械強度を有するとともに高い耐熱性を有する、セラミック体と金属体との接合体を提供する。
【解決手段】窒化珪素質セラミック体２と、Ｎｉを主成分とする金属体４と、前記窒化珪素質セラミック体と前記金属体との間に配置されて前記窒化珪素質セラミック体と前記金属体とを接合している接合部６とを備えるセラミック体と金属体との接合体であって、前記接合部は、前記窒化珪素質セラミック体に接している、主成分としてＣｒを含むとともにＮを含む第１接合層１２と、該第１接合層と前記金属体との間に配置されて前記第１接合層と接している、Ｃｒ、Ｎ、およびＴｉを含む第２接合層１４とを有し、該第２接合層に比べて前記第１接合層の方が、Ｃｒの含有割合が高いことを特徴とするセラミック体と金属体との接合体。
【選択図】図２

Description

本発明は、セラミック体と金属体との接合体に関する。

近年、ロボットやモーター等の産業機器の高性能化に伴い、大電力・高能率インバーター等パワーモジュールの変遷が進んでおり、半導体素子等を含む電子回路等から発生する熱量も増加している。回路素子等から発する熱を放出するための放熱基板や、電気配線として機能する金属パターンを備えた配線基板として、機械的強度と熱伝導性に優れた窒化珪素等のセラミック基板に、熱伝導性に優れ電気抵抗も小さい銅からなる金属体が接合された、いわゆる銅貼り基板が用いられている。セラミック体と銅との接合技術は従来より様々な検討がなされ、ロウ付けによる接合や直接接合など、種々の接合方法が提案されて利用されている。例えば下記特許文献１には、活性金属法によってセラミック体と銅部材とを接合する技術の一例が記載されている。

特開平６−２１６４９９号公報

近年、回路素子の小型化による発熱領域の部分的集中や、装置の小型化にともなう放熱基板の小型化等にともない、放熱基板や回路配線の銅（金属層）の温度が部分的に集中して十分に放熱ができず、従来に比べて銅の温度が高くなる場合が多くなっている。このような銅温度の上昇にともない、銅自体の酸化や熱による部分的溶融が発生し、銅部材の機械的強度の劣化、電気的短絡などの問題が生じる場合があった。銅に比べて耐熱性が高い金属としては、例えばＮｉが知られているが、Ｎｉは活性金属法による接合が困難な金属として知られており、放熱基板や回路基板として十分な強度で接合することもできず、十分な機械強度を有するとともに高い耐熱性を有する、セラミック体と金属体との接合体は、従来提案されていなかった。

かかる課題を解決するため、本願発明では、窒化珪素質セラミック体と、Ｎｉを主成分とする金属体と、前記窒化珪素質セラミック体と前記金属体との間に配置されて前記窒化珪素質セラミック体と前記金属体とを接合している接合部とを備えるセラミック体と金属体との接合体であって、前記接合部は、前記窒化珪素質セラミック体に接している、主成分としてＣｒを含むとともにＮを含む第１接合層と、該第１接合層と前記金属体との間に配置されて前記第１接合層と接している、Ｃｒ、Ｎ、およびＴｉを含む第２接合層とを有し、該第２接合層に比べて前記第１接合層の方が、Ｃｒの含有割合が高いことを特徴とするセラミック体と金属体との接合体を提供する。

本発明のセラミック体と金属体との接合体は、窒化珪素質セラミック体と、Ｎｉを主成分とする金属体とが高強度に接合されている。本発明のセラミック体と金属体との接合体は、十分な機械強度を有するとともに、高い耐熱性を有する。

本発明のセラミック体と金属との接合体の一実施形態について説明する図であり、（ａ）は概略上面図、（ｂ）は概略断面図である。 図１（ｂ）に示す放熱基板１の一部を拡大して示す断面図である。 放熱基板の断面を、走査型電子顕微鏡で観察して得られた写真（断面ＳＥＭ写真）であり、（ａ）はＣｒ元素の分布状態を示す図、（ｂ）はN元素の分布状態を示す図、（ｃ）はＴｉ元素の分布状態を示す図、（ｄ）はＮｉ元素の分布状態を示す図である。

以下、本発明のセラミック体と金属体との接合体について詳細に説明する。放熱基板１は、窒化珪素質セラミック体２（セラミック体２）と、ニッケル（Ｎｉ）を主成分とする金属体４と、セラミック体２と金属体４との間に配置されてセラミック体２と金属体４とを接合している接合部６とを備えている。

なお、以下に説明する各層における元素の含有割合（質量％）は、例えば走査型電子顕微鏡装置を用いて行う、従来公知のＥＤＳ（エネルギー分散型Ｘ線分析法）によって求めることができる。例えば、ＥＤＡＸ社製ＰＨＯＥＮＩＸを用い、加速電圧１５ｋＶで各原子に対応するスペクトルを求め、各原子に対応するスペクトル強度から算出することができる。

セラミック体２は窒化珪素（Ｓｉ_３Ｎ_４）を９０質量％以上含有するセラミックス基板であり、機械的強度が比較的高く、かつ熱伝導率も比較的高い。本実施形態では、セラミック体２の厚みは、例えば０．０５〜１．５ｍｍとされている。

金属体４は、Ｎｉを９０質量％以上含有する金属板からなり、セラミック体２の両方の主面に接合部６を介して接合されている。この金属板は、図１（ａ）に示すように、平面視において所定形状にパターニングされており、複数の部分に分割されている。金属体４の表面には、発熱体となる回路素子や発光素子が実装される。例えばセラミック体２の一方主面２Aに図示しない回路素子や発光素子が実装された場合、一方主面２Aの側の金属体４は、これら素子に電気信号や駆動電力を入出力するための電気配線として機能するとともに、発光素子や回路素子からの熱エネルギーを受けて周囲の雰囲気に放熱するための放熱体としても機能する。また、他方主面２Bに接合された金属体４にも、熱伝導率が高い
セラミック体２から熱エネルギーが伝わり、他方主面２Bの側の金属体４からも余分な熱
エネルギーを効率的に放出することができる。

接合部６は、第１接合層１２と、第２接合層１４と、第３接合層１６とを有する。接合部６は、Ｎｉ、クロム（Ｃｒ）、チタン（Ｔｉ）、およびリン（Ｐ）を含んでいる。第１接合層１２はセラミック体２に接しており、主成分としてＣｒを含むとともに窒素（Ｎ）を含んでいる。第２接合層１６は、第１接合層１２と金属体４との間に配置されて第１接合層１２と接しており、Ｃｒ、Ｎ、およびＴｉを含んでいる。第３接合層１６は、第２接合層１４と金属体４との間に配置されて、第２接合層１４および金属体４と接しており、主成分としてＮｉを含むとともにＣｒおよびＴｉを含む。なお、ある層における主成分とは、その層における含有割合が５０質量％より高いことをいう。

第１接合層１２の各成分の含有割合は、例えばＣｒが５５〜６５質量%、Nが５〜１５質量％となっている。第１接合層１２は、さらにＴｉを含有するが、Ｔｉの含有割合が５質量％以下と低い。第１接合層１２は、ＣｒとＮの化合物を多く含んでおり、第２接合層１４に比べて第１接合層１２の方が、Ｃｒの含有割合が高くなっている。第１接合部１２におけるNは、主にセラミック体２から拡散した成分であり、第１接合部１２とセラミック
体２との境界部分においてＣｒと化合しており、第１接合層１２にはＣｒとNとの合金が
多く含まれている。このＣｒとNとの合金は、セラミック体との接合強度が高い。接合部
６は、セラミック体２との接合部分に近い側に、集中して多くのＣｒを含有する第１接合層１２を備え、この第１接合層１２によってセラミック体２と良好に接合している。

また、主成分としてＣｒを含むとともにＮを含む第１接合層１２は、Ｎｉを主成分とする金属体４等に比べて熱膨張係数がセラミック体２に近く、放熱基板１全体の温度が上昇した場合において、接合部６とセラミック体２との接合部分に発生する、この熱膨張の程度の違いに応じた熱応力が比較的小さくされている。

第２接合部１４の各成分の含有割合は、例えばＣｒが２０〜４０質量%、Nｉが２０〜４０質量％、Ｔｉが５〜１５質量％、Nが５〜１０質量％となっている。第２接合層１４は
Ｔｉを含み、第１接合層１２に比べてＴｉの含有割合が高い。また、後述する第３接合層１６に比べて第２接合層１４の方が、Ｃｒの含有割合が高く、第３接合層１６に比べて第２接合層１４の方が、Ｔｉの含有割合が高い。第２の接合層１４には、Ｃｒ、Ｎ、ＮｉおよびＴｉの各元素が、十分な量含まれている。

Ｔｉは活性が強く、多くの金属元素と反応して金属体とセラミック体との接合に寄与するが、Ｎｉとは反応性が強過ぎて合金化が過度に進行し、ＮｉとＴｉとを含む金属層は、ボイド等が発生しやすい傾向があった。例えば、本実施形態のセラミック体２と金属体４とを、従来公知のＡｇ−Ｃｕ−Ｔｉロウを用いて、ＮｉとＴｉとの合金を主成分とする接合層を形成した場合、ＮｉがＴｉと過度に反応して合金化が進み、接合層に空洞が生じ、十分な接合強度をもつ接合層を形成することが困難である。一方、本実施形態では、第２の接合層１２は、Ｃｒ、Ｎ、ＮｉおよびＴｉを含むとともに、各元素がバランスよく合金化されており、空洞等の欠陥部分は少ない。本実施形態では、ＣｒとＮの化合物を多く含むとともに、Ｔｉ化合物は比較的少ない第１の接合層１２がセラミック体２と高強度に接合されており、さらに、この第１接合層１２の表面に対して、Ｔｉを比較的多く含んだ第２の接合層が強固に接合されている。

また、従来広く用いられている、Ａｇ−Ｃｕ―Ｔｉメタライズでは、接合に寄与する活性金属であるＴｉが、金属体とセラミック体との接合部分に集中し、この接合部分にＴｉを主成分とする金属層が形成される。この金属層は酸化し易く、従来のＡｇ−Ｃｕ−Ｔｉメタライズ層が高温に晒された場合など、端面におけるＣｕの露出部分から、内部に向けて例えば酸化反応が進行する。従来のＡｇ−Ｃｕ−Ｔｉメタライズでは、この酸化反応の進行によって接合強度が比較的大きく低減する場合があった。一方、本実施形態では、第１接合層１２が、主にＣｒを含むとともにNを含んで構成されており、第２接合層１４に
おけるＴｉの含有割合も５〜１５質量％と小さい。このため、接合部６の端部における各層（第１接合層１２、第２接合層１４、第３接合層１６）の露出部からの反応（酸化や還元など）の進行が比較的少なく、高い温度に上昇した場合であっても、比較的強い接合強度で比較的長時間使用し続けることができる。

第３接合層１６は、例えばＮｉを７５〜８５質量%、Ｃｒを１〜５質量％、Ｔｉを０．
５５質量％含有する。第３接合層は、Ｎｉからなるロウ材層に、ＣｒやＴｉが少量拡散されている。Ｎｉを９０質量％以上含有する、ほぼＮｉ単体からなる金属体４に比べて、Ｃｒ元素やＴｉ元素が拡散している第３接合層１６は、第２接合層１４や第１接合層１２に比べて熱膨張係数がセラミック体２に近い。第３接合層１６を有することで、放熱基板１全体の温度が上昇した場合における、接合部６とセラミック体２との接合部分に発生する熱応力が比較的小さくされている。

本実施形態の放熱基板１は、かかる接合部６によって、セラミック体２と、Ｎｉを主成分とする金属体４とが、強固に接合されている。

［放熱基板の作製工程］
次に、放熱基板１の作製方法について説明しておく。放熱基板１は、Ｓｉ₃ Ｎ₄を９０
質量％以上含有するセラミック体２の両主面に、ＮｉP、Ｃｕ、Ｔｉを含むペースト層を
塗布した後、ペースト層を焼成してメタライズ層を形成し、形成したこのメタライズ層にＮｉロウを介して金属体４を接合させることで形成される。

《ペースト層の形成》
具体的にはまず、Ｓｉ₃ Ｎ₄ を９０質量％以上含有するセラミック体２を準備し、このセラミック体２の両主面に、例えば従来周知の厚膜ペースト法を用い、ペースト層を被着させる。具体的には、例えば、ＮｉPの粉末とＣｒの粉末とＴｉの粉末とを所定量計量し
、エチルセルロースなどのバインダーをテルピネオールなどの有機溶剤で溶剤したビヒクルと、上記の各粉末とをミキサーで混合し、ペーストを作成する。作成したこのペーストを、スクリーン印刷などでセラミック体２の所定部分に塗布する。これら、ＮｉＰ粉末とＣｒ粉末とＴｉ粉末との配合割合、ひいてはペースト層における含有割合は、例えばＮｉＰが６０〜８０質量％、Ｃｒが１０〜３０質量％、Ｔｉが１〜５質量％であることが望ましい。

《ペースト層の焼成・メタライズ層の形成》
次に、ペースト層が形成された状態のセラミック体２を真空雰囲気で焼成し、セラミック体２の表面にメタライズ層を形成する。焼成温度は例えば１０００℃〜１５００℃とする。

《ロウ材を用いた金属体の接合》
メタライズ層を形成した後、Ｎｉロウ材を介して、メタライズ層１２に金属体４を接合する。本実施形態では、金属体４として、図１（ａ）に示す形状に予め加工されたものを用いる。Ｎｉロウは、Ｎｉを８９質量％含むとともに、Pを１１質量％含有する。具体的
には、セラミック体２の表面に形成されたメタライズ層の表面に、Ｎｉロウ材を介して金属体４を配置し、全体を約１０００℃に昇温した後、室温まで冷却する。以上の工程を経て放熱基板１を形成することができる。

メタライズ層形成時の昇温、およびロウ材層の形成時の昇温の際、ペースト層に含まれていたＣｒがセラミック体２の側に偏在するように拡散し、セラミック体２の境界部分において、セラミック体２に含まれていたＮとこのＣｒとが化合する。セラミック体２の境界部分には、ＣｒとＮとの化合物を多く含む第１接合層１２が形成される。ペーストに含まれていたＴｉは、セラミック体２の側への拡散の程度がＣｒに比べて弱く、第１の接合層１２と金属体４との間の部分においてＣｒやＮｉ等と良好に化合し、第２の接合層１４が形成される。第３の接合層１６は、ロウ材層を用いた金属体の接合の際、Ｎｉロウ材にＣｒやＴｉ等が拡散することで形成される。

以下、本発明の実施例を示すとともに、本発明の効果の一例について説明しておく。

まず、上記実施形態の放熱基板の一例の断面を観察した結果を示しておく。図３（ａ）は、上記工程を経て作製された放熱基板の断面を、走査型電子顕微鏡で観察して得られた写真（断面ＳＥＭ写真）であり、当該断面におけるＣｒ元素の分布状態を示す図である。また、図３（ｂ）は当該断面におけるN元素の分布状態を示す図である。また、図３（ｃ
）は、当該断面におけるＴｉ元素の分布状態を示す図である。また、図３（ｄ）は、当該断面におけるＮｉ元素の分布状態を示す図である。図３（ａ）〜（ｄ）のいずれも、より色が白い領域に、対応する各元素がより多く含まれていることを示している。走査型電子顕微鏡は、例えば日立製Ｓ−８００を用い、加速電圧１５ｋＶで撮影した。

また、観察像を撮影する際、同じ電子顕微鏡装置を用いて行ったＥＤＳ分析（エネルギー分散型X線分光分析）の結果、図３（ａ）〜（ｄ）に示すＡ、B、Cの各領域における元
素の含有割合（質量％、および原子数％）は、下記表１のとおりであった。

図３（ａ）〜（ｄ）および表１から明らかなように、金属体とセラミック体との接合部には、セラミック体に接している、主成分としてＣｒを含むとともにＮを含む第１接合層（領域Aに対応）と、第１接合層と金属体との間に配置されて第１接合層と接している、
Ｃｒ、Ｎ、およびＴｉを含む第２接合層（領域Bに対応）と第２接合層と金属体との間に
配置されて第２接合層と接している、主成分としてＮｉを含むとともにＣｒおよびＴｉを含む第３接合層（領域Cに対応）とが形成されている。Ｃｒは第１接合層に偏在する一方
、Ｔｉは第２の接合層に偏在していることがわかる。また、第３接合層には、Ｎｉのみでなく、ＣｒおよびＴｉを含有している。

上述の製造工程を経て作製された、本実施形態の放熱基板について、引っ張り試験を行った。引っ張り試験では、セラミック体を固定した状態で、金属体のみを把持し、金属体をセラミック体から引き剥がす方向に力をかけた。実験の結果、放熱基板の破壊モードは、セラミック体自体が破壊されることで、セラミック体の一部が接合したままの金属体が剥がれるモードであり、セラミック体と金属体との接合部分が破壊されることはなかった。本実施形態のセラミック体と金属体との接合体では、セラミック体と金属体とが比較的強固に接合されていることが確認できた。

以上の実施形態では、セラミック体と金属体との接合体を放熱基板に用いる例について説明したが、本発明のセラミック体と金属体との接合体は、例えば排熱発電モジュールなど、比較的高温の状況下で使用されるモジュールや部品等、様々な用途に用いることができる。

以上、本発明のセラミック体と金属体との接合体について説明したが、本発明は上記各実施形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、各種の改良および変更を行ってもよいのはもちろんである。

１０ メタライズ基板
１２、３２ セラミック基板
１４、３４ 金属膜
１６、３６ 結晶相
１８、３８ 接合層
１９ 端部
２０ 接合体
２２ Ｎｉメッキ層
２４ Ａｕ―Ｃｕロウ材層
２６ 金属基板

Claims (6)

1. 窒化珪素質セラミック体と、Ｎｉを主成分とする金属体と、前記窒化珪素質セラミック体と前記金属体との間に配置されて前記窒化珪素質セラミック体と前記金属体とを接合している接合部とを備えるセラミック体と金属体との接合体であって、
   前記接合部は、前記窒化珪素質セラミック体に接している、主成分としてＣｒを含むとともにＮを含む第１接合層と、
   該第１接合層と前記金属体との間に配置されて前記第１接合層と接している、Ｃｒ、Ｎ、およびＴｉを含む第２接合層とを有し、
   該第２接合層に比べて前記第１接合層の方が、Ｃｒの含有割合が高いことを特徴とするセラミック体と金属体との接合体。
2. 前記第１接合層はさらにＴｉを含み、
   該第１接合層に比べて前記第２接合層の方が、Ｔｉの含有割合が高いことを特徴とする請求項１記載のセラミック体と金属体との接合体。
3. 前記第２接合層と前記金属体との間に配置されて前記第２接合層と接している、主成分としてＮｉを含むとともにＣｒおよびＴｉを含む第３接合層をさらに有することを特徴とする請求項１または２に記載のセラミック体と金属体との接合体。
4. 前記第３接合層に比べて前記第２接合層の方が、Ｃｒの含有割合が高いことを特徴とする請求項３記載のセラミック体と金属体との接合体。
5. 前記第３接合層に比べて前記第２接合層の方が、Ｔｉの含有割合が高いことを特徴とする請求項３または４記載のセラミック体と金属体との接合体。
6. 前記窒化珪素質セラミック体は基板状であり、
   該窒化珪素質セラミック体の両主面のそれぞれに、前記接合部を介して前記金属体が接合されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載のセラミック体と金属体との接合体。