特許 7571982 セラミックス－金属接合部品

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-10-15

(45)【発行日】2024-10-23

(54)【発明の名称】セラミックス－金属接合部品

(51)【国際特許分類】

   C04B 37/02 20060101AFI20241016BHJP

【ＦＩ】

C04B37/02 Z

【請求項の数】 2

(21)【出願番号】P 2022155188

(22)【出願日】2022-09-28

(65)【公開番号】P2024048981

(43)【公開日】2024-04-09

【審査請求日】2023-05-31

(73)【特許権者】

【識別番号】304028346

【氏名又は名称】国立大学法人 香川大学

(73)【特許権者】

【識別番号】000123354

【氏名又は名称】音羽電機工業株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110000800

【氏名又は名称】デロイトトーマツ弁理士法人

(72)【発明者】

【氏名】平田 英之

(72)【発明者】

【氏名】三品 誠喜

【審査官】酒井 英夫

(56)【参考文献】

【文献】特開平０７－０９４６２３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０５－０２１６４１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１７－０１１２１６（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０２０／０２７１８３（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特開２０１７－１２０８８８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０６－００５７６３（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｃ０４Ｂ ３７／０２，

Ｈ０１Ｌ ２３／０２－２３／１５，２５／０７，２５／１８

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

板状の金属部材が、セラミックス部材に対向している一方の主面における一部の領域である指定領域を除く接合領域において前記セラミックス部材に対して接合され、
前記金属部材の前記一方の主面の反対側にある他方の主面が、前記指定領域において局所的に隆起しており、
前記指定領域が、前記金属部材の前記一方の主面の外縁の一部を含んでおり、
前記金属部材の前記一方の主面の外縁の一部と、前記セラミックス部材との間隙が、前記金属部材の前記一方の主面の外縁の一部に沿って延在する異素材からなる封止部材により封止されている
セラミックス－金属接合部品。

【請求項2】

請求項１に記載のセラミックス－金属接合部品において、
前記金属部材の前記一方の主面が前記指定領域において局所的に窪んでいる
セラミックス－金属接合部品。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、セラミックス－金属接合部品に関する。

【背景技術】

【0002】

半導体を絶縁基板に取り付けた際に、絶縁基板の裏側の放熱金属板に対して、金属部品を通じて接合させるが、その金属部品が絶縁基板に固定されておらず熱応力を抑制する構造が提案されている（例えば、特許文献１参照）。また、絶縁板に貫通導体を入れる際に、貫通孔の側面に凹面を設けて、そこで熱応力を緩和させる方法が提案されている（例えば、特許文献２参照）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】特許公報第５７４７８０５号

【文献】特開２０１３－１１５１２３号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

しかし、セラミックス部材および金属部材が接合されることにより構成されているセラミックス－金属接合部品において、当該金属部材を他の金属部材に接合させるために局所的に加熱された場合、当該セラミックス部材に作用する熱応力が過大になり、割れが生じる可能性がある。

【0005】

そこで、本発明は、金属部材の局所的加熱または昇温に際してセラミックス部材に作用する熱応力の低減を図りうるセラミックス－金属接合部品を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本発明のセラミックス－金属接合部品によれば、
板状の金属部材が、セラミックス部材に対向している一方の主面における一部の領域である指定領域を除く接合領域において前記セラミックス部材に対して接合され、
前記金属部材の前記一方の主面の反対側にある他方の主面が、前記指定領域において局所的に隆起している。

【0007】

前記構成のセラミックス－金属接合部品において、
前記金属部材の前記一方の主面が前記指定領域において局所的に窪んでいることが好ましい。

【0008】

前記構成のセラミックス－金属接合部品において、
前記指定領域が、前記金属部材の前記一方の主面の外縁の一部を含んでいることが好ましい。

【0009】

前記構成のセラミックス－金属接合部品において、
前記金属部材の前記一方の主面の外縁の一部と、前記セラミックス部材との間隙が、前記金属部材の前記一方の主面の外縁の一部に沿って延在する異素材からなる封止部材により封止されていることが好ましい。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【図1】本発明の一実施形態としてのセラミックス－金属接合部品の分解図。

【図2】本発明の一実施形態としてのセラミックス－金属接合部品の上面図。

【図3】図２のＩＩＩ－ＩＩＩ線に沿ったセラミックス－金属接合部品の断面図。

【図4A】実施例１における指定領域（非接合部分）の配置態様説明図。

【図4B】実施例２における指定領域の配置態様説明図。

【図4C】実施例３における指定領域の配置態様説明図。

【図4D】実施例４における指定領域の配置態様説明図。

【図4E】実施例５における指定領域の配置態様説明図。

【図4F】実施例６における指定領域の配置態様説明図。

【図4G】実施例７における指定領域の配置態様説明図。

【図5A】実施例８における指定領域の配置態様説明図。

【図5B】実施例９における指定領域の配置態様説明図。

【発明を実施するための形態】

【0011】

（構成）
図１に示されている本発明の一実施形態としてのセラミックス－金属接合部品は、セラミックス部材１０と、第１金属部材２１および第２金属部材２２と、を備えている。

【0012】

セラミックス部材１０は、隅角が丸い略矩形板状に形成されたＺｎＯ系セラミックス焼結体により構成されている。セラミックス部材１０の上面（一方の主面）および下面（他方の主面）のそれぞれの中央部には、銀ペースト１２が設けられているまたは塗布されている。

【0013】

第１金属部材２１は、セラミックス部材１０よりも小さい、隅角が丸い略矩形板状に形成された銅板または銅合金板により構成されている。第１金属部材２１は、第１はんだ層４１および銀ペースト１２を介してセラミックス部材１０の上面に接合されている。

【0014】

第１金属部材２１には、図２に示されているように、略矩形状の指定領域において周囲よりも局所的に隆起している平坦な隆起部２１０が形成されている。すなわち、図３に示されているように、第１金属部材２１においてセラミックス部材１０に対する接合面である下面（一方の主面）の反対側にある上面（他方の主面）が、隆起部２１０が設けられた指定領域において局所的に上方に隆起している。また、第１金属部材２１の下面が指定領域において局所的に上方に窪んでいる。図３に示されているように、隆起部２１０により、第１金属部材２１と第１はんだ層４１との間隙Ｃが形成されているので、隆起部２１０が設けられた指定領域において第１金属部材２１およびセラミックス部材１０は局所的に接合されていない。

【0015】

第２金属部材２２は、セラミックス部材１０よりも小さい、隅角が丸い略矩形板状に形成された銅板または銅合金板により構成されている。第２金属部材２２には、その隅角部の１つから外側に延在する細長い矩形板状の延出部２２２が設けられている。第２金属部材２２は、第２はんだ層４２および銀ペースト１２を介して、当該矩形板状部分の全体にわたってセラミックス部材１０の下面に接合されている。

【0016】

（効果）
前記構成のセラミックス－金属接合部品によれば、第１金属部材２１の局所領域に隆起部２１０が形成されている。セラミックス部材１０に作用する応力および破壊確率の低下を図る観点から、適当な局所加熱領域（指定領域）、すなわち、第１金属部材２１およびセラミックス部材１０の非接合部分を作業者に容易に視認させることができる。

【0017】

第１金属部材２１の指定領域に形成された隆起部２１０により、非接合部分（または第１金属部材２１および第１はんだ層４１の間隙Ｃ）が形成されている。局所領域において第１金属部材２１およびセラミックス部材１０の非接合部分（または第１金属部材２１および第１はんだ層４１の間隙Ｃ）が形成されている。このため、第１金属部材２１が指定領域において局所的に加熱された場合におけるセラミックス部材１０に作用する応力の低下が図られ、ひいてはその破壊確率の低下が図られている。

【0018】

（シミュレーションによる性能評価）
本発明に係るセラミックス－金属接合部品の性能を評価するため、シミュレーション計算が実施された。評価対象である実施例および比較例のセラミックス－金属接合部品の構成は次のように定義された。

【0019】

（実施例１）
図４Ａに示されている実施例１のセラミックス－金属接合部品において、第１金属部材２１および第２金属部材２２のそれぞれは、一辺の長さが３０ｍｍであり、厚さが０．４５ｍｍである、隅角が丸みを帯びた略正方形板状の銅板により構成されている。セラミックス部材１０は、一辺の長さが３４ｍｍであり、厚さが２ｍｍである、隅角が丸みを帯びた略正方形板状に形成されたＺｎＯ焼結体により構成されている。第１金属部材２１および第２金属部材２２とセラミックス部材１０とのそれぞれの中心が一致するように、第１金属部材２１および第２金属部材２２のそれぞれが、厚さが１ｍｍの第１はんだ層４１および第２はんだ層４２のそれぞれを介してセラミックス部材１０に対して接合されている（図１～図３参照）。

【0020】

第１金属部材２１の一方の主面の縦中心線に沿って、当該一方の主面の中心から１０ｍｍだけ離れた点を中心とする、一辺の長さが６ｍｍである略正方形状の指定領域に平坦な隆起部２１０が形成されている。指定領域を画定する正方形の各辺が、第１金属部材２１の一方の主面を画定する正方形の各辺と平行になるように、当該指定領域が定義されている。第１金属部材２１において隆起部２１０（またはその平坦な上端部）は、隆起部２１０以外の領域よりも０．３３ｍｍだけ隆起している。すなわち、隆起部２１０が形成されている指定領域における第１金属部材２１および第１はんだ層４１の間隙Ｃは０．３３ｍｍに設計されている。隆起部２１０により形成されている第１金属部材２１および第１はんだ層４１の間隙Ｃ（図３参照）は、周囲の第１はんだ層４１の縁部により密閉されている。

【0021】

（実施例２）
図４Ｂに示されている実施例２のセラミックス－金属接合部品においては、第１金属部材２１の一方の主面の縦中心線に沿って、当該一方の主面の中心から１０ｍｍだけ離れた点を中心とする、一辺の長さが１０ｍｍである略正方形状の指定領域に隆起部２１０が形成されている。この場合、指定領域の一辺（上辺）が第１金属部材２１の一辺（上辺）に重なっており、隆起部２１０により形成されている第１金属部材２１および第１はんだ層４１の間隙Ｃ（図３参照）は、第１金属部材２１の縁部の一部を介して外部空間に開放されている。その他の点では、実施例２のセラミックス－金属接合部品の構成は、実施例１のセラミックス－金属接合部品の構成とほぼ同様である。

【0022】

（実施例３）
図４Ｃに示されている実施例３のセラミックス－金属接合部品においては、第１金属部材２１の一方の主面の縦中心線に沿って、当該一方の主面の中心から８．５ｍｍだけ離れた点を中心とする、長辺（上辺および下辺）の長さが１６ｍｍであり、短辺（右辺および左辺）の長さが１３ｍｍである略長方形状の指定領域に隆起部２１０が形成されている。指定領域を画定する長方形の各辺が、第１金属部材２１の一方の主面を画定する正方形の各辺と平行になるように、当該指定領域が定義されている。この場合、指定領域の長辺（上辺）が第１金属部材２１の一辺（上辺）に重なっており、隆起部２１０により形成されている第１金属部材２１および第１はんだ層４１の間隙Ｃ（図３参照）は、第１金属部材２１の縁部の一部を介して外部空間に開放されている。その他の点では、実施例３のセラミックス－金属接合部品の構成は、実施例１のセラミックス－金属接合部品の構成とほぼ同様である。

【0023】

（実施例４）
図４Ｄに示されている実施例４のセラミックス－金属接合部品においては、第１金属部材２１の一方の主面の縦中心線に沿って、当該一方の主面の中心から１２．５ｍｍだけ離れた点を中心とする、長辺（上辺および下辺）の長さが１０ｍｍであり、短辺（右辺および左辺）の長さが５ｍｍである略長方形状の指定領域に隆起部２１０が形成されている。この場合、指定領域の長辺（上辺）が第１金属部材２１の一辺（上辺）に重なっており、隆起部２１０により形成されている第１金属部材２１および第１はんだ層４１の間隙Ｃ（図３参照）は、第１金属部材２１の縁部の一部を介して外部空間に開放されている。その他の点では、実施例４のセラミックス－金属接合部品の構成は、実施例１のセラミックス－金属接合部品の構成とほぼ同様である。

【0024】

（実施例５）
図４Ｅに示されている実施例５のセラミックス－金属接合部品においては、第１金属部材２１の一方の主面の縦中心線に沿って、当該一方の主面の中心から５ｍｍだけ離れた点を中心とする、一辺の長さが１０ｍｍである略正方形状の指定領域に隆起部２１０が形成されている。その他の点では、実施例５のセラミックス－金属接合部品の構成は、実施例１のセラミックス－金属接合部品の構成とほぼ同様である。

【0025】

（実施例６）
図４Ｆに示されている実施例６のセラミックス－金属接合部品においては、第１金属部材２１の一方の主面の縦中心線に沿って、当該一方の主面の中心から８ｍｍだけ離れた点を中心とする、一辺の長さが１０ｍｍである略正方形状の指定領域に隆起部２１０が形成されている。その他の点では、実施例６のセラミックス－金属接合部品の構成は、実施例１のセラミックス－金属接合部品の構成とほぼ同様である。

【0026】

（実施例７）
図４Ｇに示されている実施例７のセラミックス－金属接合部品においては、実施例１と同様の隆起部２１０に加えて、第１金属部材２１の一方の主面の縦中心線に沿って、当該一方の主面の中心から５ｍｍだけ離れた点を中心とする、一辺の長さが８ｍｍである略正方形状のさらなる指定領域に副隆起部２１２が形成されている。第１金属部材２１の一方の主面において隆起部２１０および副隆起部２１２は相互に離間して配置されている。その他の点では、実施例７のセラミックス－金属接合部品の構成は、実施例１のセラミックス－金属接合部品の構成とほぼ同様である。

【0027】

（実施例８）
図５Ａに示されている実施例８のセラミックス－金属接合部品において、第１金属部材２１および第２金属部材２２のそれぞれは、径が２７ｍｍであり、厚さが０．５ｍｍである、略円板状の銅板により構成されている。

【0028】

第１金属部材２１の一方の主面の中心を基準として内径が１３ｍｍであり、外径が２４ｍｍであり、中心角が３０°である略扇形状の指定領域に平坦な隆起部２１０が形成されている。指定領域を画定する扇形は、第１金属部材２１の一方の主面の縦中心線を基準として鏡映対称性を有するように配置されている。その他の点では、実施例８のセラミックス－金属接合部品の構成は、実施例１のセラミックス－金属接合部品の構成とほぼ同様である。

【0029】

（実施例９）
図５Ｂに示されている実施例８のセラミックス－金属接合部品において、第１金属部材２１および第２金属部材２２のそれぞれは、径が２７ｍｍであり、厚さが０．５ｍｍである、略円板状の銅板により構成されている。

【0030】

第１金属部材２１の一方の主面の中心を基準として、中心角が６０°である略扇形状の指定領域に平坦な隆起部２１０が形成されている。その他の点では、実施例９のセラミックス－金属接合部品の構成は、実施例８のセラミックス－金属接合部品の構成とほぼ同様である。

【0031】

（比較例１）
比較例１のセラミックス－金属接合部品においては、隆起部２１０が形成されていない略平板状の第１金属部材２１が全体的に第１はんだ層４１を介してセラミックス部材１０に対して接合されている。その他の点では、比較例１のセラミックス－金属接合部品の構成は、実施例１のセラミックス－金属接合部品の構成とほぼ同様である。

【0032】

（比較例２）
比較例２のセラミックス－金属接合部品においては、隆起部２１０が形成されていない略平板状の第１金属部材２１が全体的に第１はんだ層４１を介してセラミックス部材１０に対して接合されている。その他の点では、比較例２のセラミックス－金属接合部品の構成は、実施例８のセラミックス－金属接合部品の構成とほぼ同様である。

【0033】

（シミュレーション計算方法）
Ａｂａｑｕｓの基本部分を公開したオープンＦＥＭソフトウェアであるＣａｌｃｕｌｉｘが用いられてシミュレーションが実施された。Ｃａｌｃｕｌｉｘは、熱伝導解析などに用いられる。

【0034】

解析のためのメッシュモデルにおける要素を定義するため、厚さ２ｍｍのセラミックス部材１０が厚さ０．５ｍｍの４層からなり、厚さ０．４５ｍｍの第１金属部材２１および第２金属部材２２のそれぞれが厚さ０．２２５ｍｍの２層からなり、厚さ１ｍｍの第１はんだ層４１および第２はんだ層４２のそれぞれが厚さ０．０３３ｍｍの３層からなると定義された。すなわち、セラミックス－金属接合部品の厚み方向に１４層の要素が積層されていると定義された。これにより、要素数は約５５００、節点数は約７０００のメッシュモデルが定義された。

【0035】

表１には、シミュレーションに用いられた材料物性値がまとめて示されている。第１はんだ層４１および第２はんだ層４２のそれぞれの加工硬化特性は、塑性ひずみ０から０．３まで変化する過程で、応力が４０．３ＭＰａから４０．６ＭＰａまで線形的に変化するような特性曲線により表わされる。

【0036】

【表1】

【0037】

図４Ａ～図４Ｇおよび図５Ａ～図５Ｂに示されている黒丸領域●において、第１金属部材２１が局所的に３２．１５Ｗの熱量で加熱され、延出部２２２の温度が６５℃になるまで加熱された場合の、セラミックス部材１０に作用する最大熱応力等が計算された。また応力解析に際して、応力が０であるような基準温度が３００Ｋ（２７℃）に定義された。

【0038】

シミュレーションから求まる最大熱応力が、実際の製品よりずっと小さな試験片（幅４ｍｍ×厚み２ｍｍ×長さ３０ｍｍ）の３点曲げ試験から求められた破壊強度のワイブル分布（試験片の外部応力に対する限界値の確率分布）を超えるかどうかの確率が、セラミックス部材１０の破壊確率として評価された。

【0039】

（Ａ）試験片から求められた破壊強度の確率分布が、試験片試料の体積の大きさに依存する上に、求めたい素子の大きさはそれよりも大きな品物である。よって、「有効体積」という考え方を利用して破壊確率を計算する際に補正が必要となる。（Ｂ）シミュレーションから求められる熱応力の最大値が小さい場合でも、熱応力分布の計算結果に基づき、熱応力が高い要素の割合が多くなれば、素子全体の応力強度を超える確率が上がるので、破壊確率が上がる。逆に計算シミュレーションから求められる熱応力分布の最大値が大きい場合でも、熱応力分布の計算結果に基づき、熱応力が高い要素の割合が少なければ、素子全体の応力強度を超える確率が下がるので、破壊確率が下がる。当該計算結果が表２にまとめて示されている。

【0040】

【表2】

【0041】

表２から、次の事項がわかる。第１金属部材２１およびセラミックス部材１０の非接合部分（指定領域）の面積が大きくなるほど、当該セラミックス部材１０に作用する最大熱応力が低下する傾向がある。最大熱応力が発生する場所は、局所加熱部分の直下以外にも、非接合部分端部の直下、その少し内側といったようにさまざまに変化する。最大熱応力自体の発生位置はセラミックス部材１０だけとは限らず、第１金属部材２１である場合がある。非接合部分（または第１金属部材２１および第１はんだ層４１の間隙Ｃ）が外部空間に開放されている場合、当該非接合部分において第１金属部材２１が局所的に加熱された際にセラミックス部材１０に作用する熱応力は低下する傾向がある。非接合部分または間隙Ｃが外部に開放されていない実施例６は、非接合部分が無い比較例１と比較して最大熱応力は低いものの、非接合部分が外部に開放されている実施例３と比べて最大熱応力は高い。 最大熱応力が小さくとも、有効体積が大きいと破壊確率が上がることがある。

【0042】

（本発明の他の実施形態）
実施例２のように、隆起部２１０により形成されている第１金属部材２１および第１はんだ層４１の間隙Ｃ（図３参照）は、第１金属部材２１の縁部の一部を介して外部空間に開放されている場合、当該開放部分が異素材（例えば、合成樹脂）により塞がれていてもよい。これにより、当該間隙Ｃに異物が侵入する事態が回避されうる。

【0043】

また、当該異素材による封止が局所的に施されていることにより、セラミックス部材１０に作用する応力および破壊確率の低下を図る観点から、適当な局所加熱領域（指定領域）、すなわち、第１金属部材２１およびセラミックス部材１０の非接合部分を作業者に容易に視認させることができる。

【符号の説明】

【0044】

１０‥セラミックス部材
２１‥第１金属部材（金属部材）
２２‥第２金属部材
４１‥第１はんだ層
４２‥第２はんだ層
２１０‥隆起部
２１２‥副隆起部
２２２‥延出部
Ｃ‥間隙。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4A】

【図4B】

【図4C】

【図4D】

【図4E】

【図4F】

【図4G】

【図5A】

【図5B】