專利名稱：金屬－陶瓷復(fù)合襯底的生產(chǎn)方法和用于這種方法的釬焊料的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及金屬-陶瓷復(fù)合襯底的生產(chǎn)方法。本發(fā)明還涉及可有效用于將金屬接合到陶瓷襯底上的釬焊料。
背景技術(shù)：
在將金屬，如銅板接合到陶瓷襯底上，如氮化鋁(AlN)上的技術(shù)中已知幾種方法，兩種典型的例子是敘述于日本專利公開(kāi)No.166165/1985題為“氮化物基陶瓷接合到金屬上的方法”的活潑金屬釬焊法和將銅板直接接合到氮化鋁襯底改性表面的方法(如典型述于日本專利公開(kāi)No.163093/1981)。
活潑金屬釬焊法比直接接合法提供更高強(qiáng)度的組件，且得到的組件具有需要的特性，如對(duì)反復(fù)熱循環(huán)的高耐久性。因此，目前活潑金屬纖焊法在銅板與非氧化物基陶瓷襯底，即氮化物陶瓷襯底的接合中廣泛使用。
在活潑金屬纖焊法的實(shí)踐中工業(yè)上使用兩種釬焊料；其中之一由Ag、Cu、和選自Ti、Zr和Hf的活潑金屬組成(如日本專利公開(kāi)No.166165/1985中所述)，而另一種是由Ag、Cu和氫化鈦組成的活潑金屬糊料(如日本專利公開(kāi)No.101153/1991中所述)。
借助于這些釬焊料由銅板接合到氮化鋁襯底兩側(cè)而生產(chǎn)的電路襯底已經(jīng)商品化。
在許多釬焊料中，將活潑金屬添加到由72％的Ag和28％的Cu組成的結(jié)構(gòu)中，所以接合法在高于共晶點(diǎn)780℃的溫度下，更好在約850℃溫度下進(jìn)行。
但是，最新的電路襯底需要在更大的電功率上運(yùn)行，要滿足這種需要，需要發(fā)展電路襯底，它不僅具備好的熱散失和電絕緣性，而且還呈現(xiàn)更高的強(qiáng)度和抗熱沖擊性。
發(fā)明內(nèi)容
所以，本發(fā)明的目的是提供一種釬焊料，它適用于制造不具有非接觸部分的動(dòng)力模件復(fù)合襯底，并與普通釬焊料相比可改進(jìn)其性能。
本發(fā)明另一個(gè)目的是提供一種使用該釬焊料生產(chǎn)金屬-陶瓷復(fù)合襯底的方法。
為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明人進(jìn)行了充分的研究并發(fā)現(xiàn)通過(guò)使用添加90％的Ag和9.5％的Cu或0.5％的活潑金屬(TiO)的活潑金屬釬焊料，接合法可在低于共晶點(diǎn)875℃的780-870℃溫度下進(jìn)行，并且接合的復(fù)合襯底不具有非接觸部分。
本發(fā)明在這個(gè)發(fā)現(xiàn)的基礎(chǔ)上完成。
按照本發(fā)明的第一方面，提供通過(guò)使用一種釬焊料將金屬板接合到陶瓷襯底上生產(chǎn)的金屬-陶瓷復(fù)合襯底，上述釬焊料固體物(重量％)包括90.0-99.5％的Ag，0～9.5％的Cu，0.5～4.0％的活潑金屬。
上述陶瓷襯底是至少一種選自A12O3、AlN和Si3N4的陶瓷襯底上述活潑金屬是至少一種選自Ti、Zr和Hf的活潑金屬按照本發(fā)明的第二方面，提供一種通過(guò)將金屬板接合到陶瓷襯底上生產(chǎn)金屬-陶瓷復(fù)合襯底的方法，它包括步驟將10-14重量份的液料添加到100重量份的粉末中，該粉末固體物(重量％)包括90.0-99.5％的Ag粉末、0～9.5％的Cu粉末和0.5-4.0％的活潑金屬粉末；混合各成分以使形成糊狀的釬焊料；將該釬焊料涂敷到陶瓷襯底上；將金屬板疊加在已涂敷的釬焊料上，并在不高于釬焊料熔點(diǎn)的溫度下加熱裝配件，以形成金屬板和陶瓷襯底的組件；和將腐蝕保護(hù)層涂敷在組件的金屬板上，以使形成電路圖形，腐蝕金屬板，以使形成金屬化電路。
上述裝配件的加熱溫度在780-870℃范圍內(nèi)，它不高于釬焊料熔點(diǎn)的溫度。
按照本發(fā)明的第三個(gè)方面，提供用于將金屬板接合到陶瓷襯底上的釬焊料，它是由10-14重量份的液料與100重量份粉末混合制備的糊狀物，上述粉末固體物(重量％)包括90.0-99.5％的Ag粉末、0～9.5％的Cu粉末和0.5～4.0％的活潑金屬粉末。
按照本發(fā)明的第四個(gè)方面，提供用于將金屬板接合到陶瓷襯底上的釬焊料，它是由10-14重量份的液料與100重量份粉末混合制備的糊狀物，上述粉末固體物(重量％)包括90.0-99.5％的Ag粉末、0～9.5％的Cu粉末、0.5～4.0％的活潑金屬粉末和0.0～0.9％的氧化鈦粉末。
用于本發(fā)明的釬焊料Ag含量為90.0-99.5％(重量)。如果Ag含量小于90％(重量)，不適合生產(chǎn)具有非接觸部分的復(fù)合襯底。
釬焊料的Cu含量小于9.5％(重量)。Cu含量小于普通Ag-Cu釬焊料的Cu含量的理由是當(dāng)裝配件加熱時(shí)，Ag組分和Cu板的接觸面反應(yīng)，結(jié)果產(chǎn)生共晶結(jié)晶。
可用于本發(fā)明的活潑金屬是至少一種周期表IVa族的元素，如舉例Ti、Zr或Hf。
這些活潑金屬可以元素形式添加，或作為氫化物添加，較好的添加量范圍為0.5-4.0％(重量)。
低于0.5％(重量)，氮化物層將以不足以提供所需粘附強(qiáng)度的量形成；超出4.0％(重量)，粘附強(qiáng)度增加，但是，另一方面，金屬板接合到陶瓷襯底上后易于出現(xiàn)破裂。
氧化鈦以TiO或TiO2形式添加，添加量范圍為0.0-0.9％(重量)。氧化鈦可以是非晶體或者晶體。
本發(fā)明人通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明添加這些量的氧化鈦到上述成分的釬焊料中有助于改進(jìn)所得復(fù)合襯底的各種性能，如抗反復(fù)熱循環(huán)性，抗撓強(qiáng)度、撓度和抗通過(guò)爐加熱性。這些促進(jìn)的大概理由是添加到釬焊料中的TiO2或TiO均勻地分散，以減小應(yīng)力集中。
具有上述確定成分的合金可直接用作本發(fā)明釬焊料。另一方面，包括各成分顆粒的粉末可與有機(jī)溶劑混合以形成釬焊料的糊。如果金屬件簡(jiǎn)單地接合到陶瓷件上，可使用板狀或箔狀的釬焊合金料。如果要在陶瓷襯底上形成電路，最好使用釬焊料糊。
為了制備釬焊料糊，將55-75體積份的有機(jī)溶劑，如松油醇、甲苯、甲基纖維素或乙基纖維素與25-45體積份的有機(jī)粘合劑，如PMMA、甲基纖維素或乙基纖維素混合，以形成液料，然后以10-14重量份的量將其添加到100重量份的包括各釬料成分顆粒的粉末中。
如果使用小于10重量份的液料，得到的糊如此粘稠，以致將趨于出現(xiàn)模糊印刷。如果使用大于14重量份的液料，得到的糊如此低粘度，以致將容易出現(xiàn)印刷沖刷。
本發(fā)明特征在于由于下述原因按照釬焊料的成分在小于釬焊料共晶熔點(diǎn)的溫度下，最好在780-870℃的爐中加熱裝配件。
在使用用活潑金屬Ti添加的72％的Ag和28％的Cu形成的普通釬焊料的情況下，接合在高于Ag-Cu共晶熔點(diǎn)的溫度，即780℃開(kāi)始。因此，實(shí)際上，接合在約850℃溫度下進(jìn)行。在本發(fā)明中，Ag的量大于90％(重量)。如果Ag是90％(重量)，Cu是9.5％(重量)，而Ti是0.5％(重量)，考慮到銀-銅相圖，該共晶熔點(diǎn)溫度應(yīng)大于875℃，以使在普通方法中為獲得理想的組件接合必須在約900℃溫度下進(jìn)行。
如果本發(fā)明釬焊料僅在低于上述共晶熔點(diǎn)(875℃)溫度下加熱，它不能熔化而僅僅被燒結(jié)。但是，對(duì)于本發(fā)明動(dòng)力模件在使用銅板作為襯底的情況下，上述釬焊料和銅板相互接觸，以使當(dāng)裝配件被加熱時(shí)釬焊料中的Ag和銅板中的Cu從所述接觸部分以微米級(jí)逐漸發(fā)生共晶反應(yīng)，Ag逐漸擴(kuò)散到所述反應(yīng)開(kāi)始的銅板，并且共晶組織在接觸面上形成。
實(shí)施例1提供尺寸53×29×0.635mm的AlN襯底作為陶瓷襯底。將100重量份，其固體物含量示于表1(試樣1-8)的粉末與12.4重量份液料混合以制備釬焊料糊。將該糊涂敷到整個(gè)AlN襯底表面上后，分別將厚度0.3mm和0.15mm的兩銅板疊加到相應(yīng)側(cè)面，并在表1所示的溫度下燒制裝配件來(lái)生產(chǎn)組件。
表1
為測(cè)定非接觸部分在許多燒制溫度下每個(gè)試樣試驗(yàn)100件。
結(jié)果表明具有非接觸部分的試樣不多。
比較例1提供如實(shí)施例1所述同樣尺寸的AlN襯底作為陶瓷襯底。
將100重量份，其固體物含量示于表2(比較試樣1-6)的粉末與12.4重量份液料混合以制備釬焊料糊。將該糊涂敷到整個(gè)AIN襯底表面上后，分別將厚度為0.3mm和0.15mm的兩銅板疊加到相應(yīng)側(cè)面，在表2所示的溫度下燒制裝配件來(lái)生產(chǎn)組件。
表2
象實(shí)施例一樣為確定非接觸部分在許多燒制溫度下每個(gè)試樣試驗(yàn)100件。
結(jié)果表明按照Ag密度的減小和如表2所示的燒制溫度產(chǎn)生許多具有非接觸部分的試樣。
如上頁(yè)所述，使用本發(fā)明釬焊料生產(chǎn)的金屬-陶瓷復(fù)合襯底在減小非接觸部分方面得到充分地改進(jìn)，并可以低成本經(jīng)濟(jì)地制造。
參照其優(yōu)選實(shí)施例本發(fā)明被特別展示和說(shuō)明的同時(shí)，本技術(shù)中的那些熟練技術(shù)人員將清楚在形式和細(xì)節(jié)上可做各種變化而不脫離由所附權(quán)利要求確定的本發(fā)明的精神和范圍。
權(quán)利要求
1.一種通過(guò)將金屬板接合到陶瓷襯底上生產(chǎn)金屬-陶瓷復(fù)合襯底的方法，它包括步驟添加10-14重量份的液料到100重量份的粉末中，該粉末固體物包括以重量計(jì)，90.0-99.25％的Ag、0～9.5％的Cu、0.5～4.0％的活潑金屬和0.25～0.9％的氧化鈦；混合各成分以形成板狀或箔狀釬焊料；涂敷該釬焊料到陶瓷襯底上；疊加金屬板到涂敷的釬焊料上，并在不高于釬焊料熔點(diǎn)的溫度下加熱裝配件，以使形成金屬板和陶瓷襯底的組件；和涂敷抗蝕劑到組件的金屬板上，以形成電路圖形，蝕刻金屬板，以形成金屬化電路。
2.一種將金屬板接合到陶瓷襯底上使用的釬焊料，它是通過(guò)將10-14重量份的液料與100重量份的粉末混合制備的板狀物或箔狀物，上述粉末固體物包括以重量計(jì)，90.0～99.25％的Ag、0～9.5％的Cu、0.5～4.0％的活潑金屬和0.25～0.9％的氧化鈦。
全文摘要
本發(fā)明通過(guò)使用糊狀釬焊料將金屬板接合到陶瓷襯底上生產(chǎn)金屬－陶瓷復(fù)合襯底,上述釬焊料通過(guò)將10－14重量份的液料添加到100重量份的粉末中制備,上述粉末固體物包括90.0－99.5%的Ag粉末、0－9.5%的Cu粉末和0.5－4.0%的活潑金屬粉末,如果需要,以及0.0－0.9%的氧化鈦粉末。
文檔編號(hào)B23K35/02GK1422721SQ02151430
公開(kāi)日2003年6月11日 申請(qǐng)日期1998年3月11日 優(yōu)先權(quán)日1997年3月12日
發(fā)明者櫻庭正美, 木村正美, 高原昌也, 中村潤(rùn)二 申請(qǐng)人:同和礦業(yè)株式會(huì)社