接合材料和接合构造体的制作方法
【专利摘要】本发明提供接合材料和接合构造体。本发明解决的技术问题是不进行金属化处理，而在软钎料程度的处理温度下接合陶瓷、半导体、玻璃等基材。接合构造体中，多种基材通过接合层接合，而且至少一种基材为陶瓷、半导体和玻璃中的任一种基材，接合材料层包含金属和氧化物，氧化物含有V和Te，氧化物存在于金属与基材之间。接合材料为：包含氧化物玻璃、金属颗粒和溶剂的膏状，该氧化物玻璃的成分中含有V和Te；或者埋入有氧化物玻璃的颗粒的箔状或板状，该氧化物玻璃的成分中含有V和Te；或者包含氧化物玻璃的层和金属的层的箔状或板状，该氧化物玻璃的成分中含有V和Te。
【专利说明】接合材料和接合构造体
【技术领域】
[0001]本发明涉及接合材料，例如，能够应用于将陶瓷、半导体、玻璃的基材与其他基材接合而得到的接合构造体。
【背景技术】
[0002]在电气电子部件、LED照明、半导体模块中，有存在陶瓷、玻璃、金属、半导体芯片的接合部位，该接合部位兼做热流或电流路径的情况。在这样的接合部位，这些基材彼此通常通过软钎料(solder)或硬钎料(brazing filler metal)接合。
[0003]专利文献I中公开了用于将半导体器件接合在陶瓷基材上的银玻璃膏的烧制温度为300~420°C。基本的玻璃组成为氧化铅和氧化钒。现有技术文献
[0004]专利文献
[0005]专利文献1:日本特开平04-270140号公报
【发明内容】
[0006]发明要解决的技术问题
[0007]在使用软钎料接合陶瓷、半导体、玻璃等时，需要进行金属化处理，工序变得复杂，除此以外，还需要进行废液处理。另一方面，在使用含有Ti (钛)、A1 (铝)等活性金属的硬钎料时，虽然能够不进行金属化处理而进行陶瓷的接合，但是需要在800°C的高温下进行处理。因此，要求能够不进行金属化处理，而在300°C左右的低温下接合陶瓷、半导体、玻璃等的技术。
[0008]本发明的目的在于提供能够不进行金属化处理，而在软钎料程度的处理温度下接合陶瓷、半导体、玻璃等基材的技术。
[0009]用于解决技术问题的手段
[0010]对本发明中的具有代表性的技术方案的概要进行简单说明如下。
[0011]即，接合构造体中，多种基材通过接合层接合，而且至少一种基材为陶瓷、半导体和玻璃中的任一种基材，接合材料层包含金属和氧化物，氧化物含有V和Te，氧化物存在于金属与基材之间。
[0012]发明效果
[0013]根据本发明，能够不进行金属化处理，而在软钎料程度的处理温度下接合陶瓷、半导体、玻璃等基材。
【专利附图】
【附图说明】
[0014]图1是表示玻璃组合物的代表性的DTA曲线的图。
[0015]图2是接合构造体的示意图。
[0016]图3是表示接合性的评价用试样的图。
[0017] 图4是表示实施例1的接合构造体的接合强度试验结果的图。
[0018]图5是实施例1的接合构造体的截面图。
[0019]图6是变形例I的接合构造体的截面图。
[0020]图7是实施例2的接合构造体的截面图。
[0021 ]图8是变形例2和变形例3的箔状的接合材料的截面图。
[0022]图9是实施例3的半导体模块的截面图。
[0023]图10是实施方式的接合构造体的截面图。
【具体实施方式】
[0024]以下，使用附图对实施方式、实施例和变形例进行说明。但是，在以下的说明中，对于同一构成要素赋予同一符号并省略重复的说明。此外，本发明并不限定于在此举出的实施方式、实施例和变形例，能够在不改变主旨的范围内适当进行组合或改良。
[0025]图10是实施方式的接合构造体的截面图。接合构造体是将多种基材接合而形成的，这些多种基材中的至少一部分(第一基材)101为陶瓷、半导体和玻璃中的任一种。基材彼此通过接合层接合。接合层103包含金属104和氧化物105，氧化物105中含有V (钒)和Te (碲)。对于陶瓷、半导体或玻璃的基材，接合层103内的金属104与基材101通过上述的组成的氧化物105接合。另外，在基材101为氮化物的情况下，有当使基材101表面氧化时能得到高的接合强度的情况，该情况下的基材101还含有表面氧化膜。就该表面氧化膜而言，只要表面上0.1 ~5μπι范围的主要成分为氧化物即可。在进行了其他的任何表面处理的情况下，也同样在基材中还含有被改性后的表面层。
[0026]另外，在接合层103中，金属104与氧化物105的界面并不那么强固，当氧化物105凝聚时，该部分变脆，因此，优选在接合层103内成为金属104中分散有氧化物105的形态。
[0027]另外，在进行接合的基材101的热膨胀系数大大不同的情况下，有由于热循环而发生剥离的问题的情况。在该情况下，通过使接合层103内分散有空隙，能够缓和热应力，提闻对热循环的耐性。
[0028]接合层103的形成可以通过将在含有V和Te的玻璃组合物、和金属颗粒中适当加入溶剂制成膏而得到的物质涂敷在基材上并进行加热而得到。或者，也可以通过将埋入有玻璃颗粒的金属箔夹在基材间进行加热而得到。另外，也可以通过将包含金属和玻璃的层状体夹在基材间进行加热而得到。
[0029]作为用于形成接合层103的玻璃组合物，当除V和Te以外还含有P (磷)时，玻璃化转变温度为230~340°C左右，软化流动的温度为350~450°C左右，能够得到耐热性高的接合。另外，当除V和Te以外还含有Ag (银)时，玻璃化转变温度为160~270°C左右，软化流动的温度为210~350°C左右，能够在低温下进行接合。另外，与软钎料同样，能够使接合层承担热传导和电传导。
[0030]接合前的氧化物为玻璃状态(玻璃组合物)，但是接合后的氧化物不一定需要保持玻璃状态，也可以伴随有玻璃的自身的结晶化、通过与基材或接合层内的金属的反应而向其他物质的变化。此时，当结晶化或变化后的物质的熔点高时，接合的耐热性提高。另一方面，也会产生结晶化或变化后的物质脆，使接合强度降低那样的情况。此时，通过使上述的玻璃组合物适当含有Fe (铁)、Sb (铺)、W (钨)、Ba (钡)、K (钾)，能够更加稳定地保持玻璃构造，防止接合强度的降低。
[0031]在以V、Te和P为主要成分的玻璃组合物中，Te和P为用于使其玻璃化的成分，通过含有这些成分，即使通过电磁波照射也能够容易地使玻璃组合物软化流动。P对于低热膨胀化也是有效的，但是当换算为氧化物使P2O5 (五氧化二磷)的含量(质量％)比TeO2 (二氧化碲)多时，玻璃化转变温度(Tg)容易变高，因此，优选使P2O5的含量为TeO2的含量以下。
[0032]在以V、Te和Ag为主要成分的玻璃组合物中，当换算为氧化物使V2O5 (五氧化二钒)十TeO2 + Ag2O (氧化银(1))> 85质量％时，能够兼得特别低的软化流动温度和稳定的玻璃构造。
[0033]Te和P是用于玻璃化的成分，通过含有这些成分，即使通过电磁波照射也能够容易地使玻璃组合物软化流动。P对于低热膨胀化也是有效的，但是当换算为氧化物使P2O5的含量(质量％)比TeO2多时，玻璃化转变温度(Tg)容易变高，因此，优选使P2O5的含量为TeO2的含量以下。
[0034]作为进行接合的基材101所使用的陶瓷的例子，可以列举氧化铝、氮化铝、氮化硅等，作为半导体的例子可以列举硅、碳化硅等。另外，即使进行接合的基材为金属，也能得到良好的接合。通常，陶瓷、半导体因为热膨胀系数与金属不同，所以在与金属接合时，耐热循环性弱，但是，在本接合构造中，能够利用形成接合层的金属或分散在金属内的空隙，来缓和由大的热膨胀系数差引起的大的热应力，因此，可认为耐热循环性强。
[0035]作为接合层的形成所使用的金属104，例如，能够使用Ag、Cu (铜)、Al、Sn (锡)、Zn(锌)、Au (金)、In (铟)、Bi (铋)、Pt (钼)、或含有它们的合金。
[0036]此外，上述的玻璃组合物，出于对环境的考虑，均无铅(不含铅)。本发明中所说的无铅，是指允许在指定值以下的范围含有RoHS指令(Restrict1n of HazardousSubstances:2006年7月I日施行)中的禁止物质。
[0037]实施例1
[0038]<玻璃组合物>
[0039]对接合材料中使用的玻璃组合物的制作方法进行说明。以规定的重量比称量起始原料。作为起始原料，使用株式会社高纯度化学研究所制造的氧化物粉末(纯度99.9%)。在一部分试样中，作为Ba源和P源，使用RASA工业株式会社(RASA Industries, LTD.)制造的Ba (PO3) 2 (偏憐fe锁)。将起始原料混合后放入怕纟甘祸。在原料中的Ag2O的比率为40质量％以上的情况下，使用氧化铝坩埚。在混合时，考虑到避免对原料粉末的过多吸湿，使用金属制勺，在坩埚内混合。将加入了原料混合粉末的坩埚设置在玻璃熔化炉内，加热熔解。以10°C /min的升温速度升温，对在设定温度(700~950°C )熔解的玻璃进行搅拌的同时保持I小时。然后，将坩埚从玻璃熔化炉中取出，将玻璃浇铸(熔化后流入)到预先加热至150°C的石墨铸型中。
[0040]接着，将浇铸的玻璃移动到预先加热至去应力温度的去应力炉，通过保持I小时除去应力后，以1°C /min的速度冷却至室温。将冷却至室温的玻璃进行粗粉碎，制作玻璃组合物的玻璃料。玻璃组合物的玻璃料，平均体积粒径为20 μ m以下，利用DTA(DifferentialThermal Analysis:差热分析)测定玻璃化转变温度。DTA是在通过一定的程序使试样和基准物质的温度变化的同时，测定该试样与基准物质的温度差作为温度的函数的方法。
[0041] 将本实施例的玻璃组合物的特性示于表1。表中示出了玻璃化转变温度，其测定方法如下。通过将制成的玻璃粉碎至体积平均粒径为20 μ m以下，并以5°C /min的升温速度升温至550°C进行差热分析(DTA)，来测定玻璃化转变温度(Tg)。作为标准试样使用氧化铝粉末，作为试样容器使用Al。图1表示玻璃组合物的代表性的DTA曲线。如图中所示，玻璃化转变温度(Tg)为第一吸热峰的开始温度。另外，作为第一吸热峰值温度，求出屈伏点(Mg);作为第二吸热峰值温度，求出软化点(Ts);作为结晶化温度，求出放热峰的开始温度(Tc)。接合温度依赖于玻璃的粒径、接合时的加压条件和保持时间等各种因素，因此不能笼统地规定，但是，至少需要加热至比相当于粘度=17 65泊(poise)的软化点Ts高的温度。软化点(Ts)也根据玻璃组成的不同而不同，但是为比玻璃化转变温度(Tg)高50~100°C左右的温度。
[0042]将各玻璃组合物的组成和玻璃化转变温度示于表1。通过如表中的N0.1~10那样，使玻璃组合物含有V、Te和P，且满足氧化物状态的关系式V2O5 > TeO2 > P2O5 (质量％)，能够使玻璃化转变温度为250~340°C的低值。另一方面，当如表中的N0.11~31那样，使玻璃组合物含有Ag 、Te和V，且按氧化物状态使Ag20、V2O5和TeO2的合计为85质量％以上时，能够使玻璃化转变温度为160~270°C的非常低的值。
[0043][表 I]
[0044]
【权利要求】
1.一种接合构造体，其特征在于，具备: 第一基材； 第二基材；和 将所述第一基材和所述第二基材接合的接合材料层， 所述第一基材为陶瓷、半导体和玻璃中的任一种基材， 所述接合材料层包含金属和氧化物， 所述氧化物含有V和Te， 在所述第一基材与所述金属之间的至少一部分存在所述氧化物。
2.如权利要求1所述的接合构造体，其特征在于: 在所述金属中分散有所述氧化物。
3.如权利要求2所述的接合构造体，其特征在于: 在所述金属中分散有空隙。
4.如权利要求1所述的接合构造体，其特征在于: 所述氧化物含有Ag和P中的至少一种。
5.如权利要求1所述的接合构造体，其特征在于: 所述氧化物含有Sb、Ba、W、Fe和碱金属中的至少一种元素。
6.如权利要求1所述的接合构造体，其特征在于: 所述第一基材为氧化招、氮化招、氮化娃、娃和碳化娃中的任一种， 所述第二基材为金属基材或金属与陶瓷的复合材料基材。
7.如权利要求6所述的接合构造体，其特征在于: 所述第二基材为Cu、Al和Al-SiC中的任一种。
8.如权利要求1所述的接合构造体，其特征在于: 所述第一基材为氮化铝或氮化硅，该第一基材的表面上0.1~5 μ m的范围的主要成分为氧化物。
9.如权利要求1所述的接合构造体，其特征在于: 所述金属包含Ag、Cu、Al、Sn、Zn、Au、In、Bi和Pt中的至少一种。
10.一种接合材料，其为通过加热将基材彼此接合的接合材料，其特征在于，具有: 成分中含有V和Te，且Pb为RoHS指令的指定值以下的玻璃；和金属。
11.如权利要求10所述的接合材料，其特征在于: 还具有溶剂，所述接合材料为膏状，所述金属为金属颗粒。
12.如权利要求10所述的接合材料，其特征在于: 在所述金属中埋入有玻璃的颗粒， 所述接合材料的形状为箔状或板状。
13.如权利要求10所述的接合材料，其特征在于: 所述接合材料具有多个层， 所述多个层中的一个层为金属层， 所述多个层中的一个层为玻璃层。
14.如权利要求10~13中任一项所述的接合材料，其特征在于: 所述玻璃含有V、Te和P，且换算为氧化物V2O5 > TeO2 > P2O5 (质量％)。
15.如权利要求11~13中任一项所述的接合材料，其特征在于:所述玻璃 含有V205、TeO2和Ag2O,且换算为氧化物V2O5 + TeO2 + Ag2O ^ 85质量％。
【文档编号】C04B37/02GK104072187SQ201410044836
【公开日】2014年10月1日 申请日期:2014年2月7日 优先权日:2013年3月25日
【发明者】儿玉一宗, 内藤孝, 藤枝正, 泽井裕一, 青柳拓也, 宫城雅德 申请人:株式会社日立制作所