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JP7571982B2 - Ceramic-Metal Joint Parts - Google Patents
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Description

本発明は、セラミックス-金属接合部品に関する。 The present invention relates to ceramic-metal joint parts.

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)。 When a semiconductor is attached to an insulating substrate, it is joined to a heat dissipating metal plate on the back side of the insulating substrate through a metal part, but a structure has been proposed in which the metal part is not fixed to the insulating substrate, thereby suppressing thermal stress (see, for example, Patent Document 1). Also, a method has been proposed in which a concave surface is provided on the side of the through hole when inserting a through conductor into the insulating plate, thereby alleviating thermal stress there (see, for example, Patent Document 2).

特許公報第5747805号Patent Publication No. 5747805 特開2013-115123号公報JP 2013-115123 A

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。 However, in a ceramic-metal joint component formed by joining a ceramic member and a metal member, if the metal member is locally heated in order to join it to another metal member, the thermal stress acting on the ceramic member may become excessive, which may cause cracks.

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。 The present invention aims to provide a ceramic-metal bonded component that can reduce the thermal stress acting on the ceramic member when the metal member is locally heated or the temperature is increased.

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。
According to the ceramic-metal bonding part of the present invention,
A plate-shaped metal member is joined to the ceramic member in a joining region excluding a designated region, which is a part of one main surface facing the ceramic member,
The other main surface of the metal member, which is opposite to the one main surface, is locally raised in the specified region.

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。
In the ceramic-metal joint component having the above configuration,
It is preferable that the one main surface of the metal member is locally recessed in the specified region.

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。
In the ceramic-metal joint component having the above configuration,
It is preferable that the designated region includes a part of the outer edge of the one main surface of the metal member.

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。
In the ceramic-metal joint component having the above configuration,
It is preferable that the gap between a portion of the outer edge of the one main surface of the metal member and the ceramic member is sealed by a sealing member made of a different material extending along a portion of the outer edge of the one main surface of the metal member.

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。FIG. 1 is an exploded view of a ceramic-metal bonded part according to one embodiment of the present invention. 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。1 is a top view of a ceramic-metal bonded part according to one embodiment of the present invention; 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。3 is a cross-sectional view of the ceramic-metal joint part taken along line III-III in FIG. 2 . 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。FIG. 4 is an explanatory diagram of the arrangement of a designated area (non-joint portion) in the first embodiment. 実施例2における指定領域の配置態様説明図。FIG. 11 is an explanatory diagram of an arrangement of designated areas in the second embodiment. 実施例3における指定領域の配置態様説明図。FIG. 13 is an explanatory diagram of an arrangement of designated areas in the third embodiment. 実施例4における指定領域の配置態様説明図。FIG. 13 is an explanatory diagram of an arrangement of designated areas in the fourth embodiment. 実施例5における指定領域の配置態様説明図。FIG. 13 is an explanatory diagram of an arrangement of designated areas in the fifth embodiment. 実施例6における指定領域の配置態様説明図。FIG. 23 is an explanatory diagram of an arrangement of designated areas in the sixth embodiment. 実施例7における指定領域の配置態様説明図。FIG. 23 is an explanatory diagram of an arrangement of designated areas in the seventh embodiment. 実施例8における指定領域の配置態様説明図。FIG. 23 is an explanatory diagram of an arrangement of designated areas in the eighth embodiment. 実施例9における指定領域の配置態様説明図。FIG. 23 is an explanatory diagram of an arrangement of designated areas in the ninth embodiment.

(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。
(composition)
The ceramic-metal bonded component according to one embodiment of the present invention shown in FIG. 1 includes a ceramic member 10, a first metal member 21, and a second metal member 22.

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。 The ceramic member 10 is composed of a ZnO-based ceramic sintered body formed into a substantially rectangular plate shape with rounded corners. Silver paste 12 is provided or applied to the center of each of the upper surface (one of the main surfaces) and the lower surface (the other main surface) of the ceramic member 10.

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。 The first metal member 21 is composed of a copper or copper alloy plate formed into a generally rectangular shape with rounded corners that is smaller than the ceramic member 10. The first metal member 21 is joined to the upper surface of the ceramic member 10 via a first solder layer 41 and silver paste 12.

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。 2, the first metal member 21 has a flat raised portion 210 that is locally raised from the surrounding area in a substantially rectangular designated region. That is, as shown in FIG. 3, the upper surface (the other main surface) of the first metal member 21 opposite the lower surface (one main surface) that is the bonding surface to the ceramic member 10 locally rises upward in the designated region where the raised portion 210 is provided. Also, the lower surface of the first metal member 21 locally recesses upward in the designated region. As shown in FIG. 3, the raised portion 210 forms a gap C between the first metal member 21 and the first solder layer 41, so that the first metal member 21 and the ceramic member 10 are not locally bonded in the designated region where the raised portion 210 is provided.

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。 The second metal member 22 is composed of a copper or copper alloy plate formed into a generally rectangular plate shape with rounded corners that is smaller than the ceramic member 10. The second metal member 22 is provided with a long and narrow rectangular plate-shaped extension portion 222 that extends outward from one of its corners. The second metal member 22 is joined to the underside of the ceramic member 10 over the entire rectangular plate portion via the second solder layer 42 and the silver paste 12.

(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。
(effect)
According to the ceramic-metal bonded component having the above-mentioned configuration, the protuberance 210 is formed in a localized region of the first metal member 21. From the viewpoint of reducing the stress acting on the ceramic member 10 and the probability of fracture, an appropriate locally heated region (designated region), i.e., the non-bonded portion between the first metal member 21 and the ceramic member 10, can be easily visually identified by an operator.

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。 The raised portion 210 formed in the specified region of the first metal member 21 forms a non-bonded portion (or a gap C between the first metal member 21 and the first solder layer 41). A non-bonded portion (or a gap C between the first metal member 21 and the first solder layer 41) between the first metal member 21 and the ceramic member 10 is formed in a local region. This reduces the stress acting on the ceramic member 10 when the first metal member 21 is locally heated in the specified region, thereby reducing the probability of fracture.

(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。
(Performance evaluation by simulation)
In order to evaluate the performance of the ceramic-metal bonded parts according to the present invention, simulation calculations were carried out. The configurations of the ceramic-metal bonded parts of the examples and comparative examples to be evaluated were defined as follows.

(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)。
Example 1
In the ceramic-metal joint component of Example 1 shown in FIG. 4A, the first metal member 21 and the second metal member 22 are each made of a copper plate having a substantially square shape with rounded corners, with a side length of 30 mm and a thickness of 0.45 mm. The ceramic member 10 is made of a ZnO sintered body formed into a substantially square shape with rounded corners, with a side length of 34 mm and a thickness of 2 mm. The first metal member 21 and the second metal member 22 are joined to the ceramic member 10 via a first solder layer 41 and a second solder layer 42 having a thickness of 1 mm, respectively, so that the centers of the first metal member 21 and the second metal member 22 and the ceramic member 10 are aligned (see FIGS. 1 to 3).

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。 A flat raised portion 210 is formed in a substantially square designated area with a side length of 6 mm, centered at a point 10 mm away from the center of one of the main surfaces along the vertical center line of one of the main surfaces of the first metal member 21. The designated area is defined so that each side of the square defining the designated area is parallel to each side of the square defining one of the main surfaces of the first metal member 21. In the first metal member 21, the raised portion 210 (or its flat upper end portion) is raised by 0.33 mm from the area other than the raised portion 210. In other words, the gap C between the first metal member 21 and the first solder layer 41 in the designated area where the raised portion 210 is formed is designed to be 0.33 mm. The gap C (see FIG. 3) between the first metal member 21 and the first solder layer 41 formed by the raised portion 210 is sealed by the edge of the surrounding first solder layer 41.

(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。
Example 2
In the ceramic-metal bonded component of Example 2 shown in Figure 4B, a raised portion 210 is formed in a substantially square designated region with a side length of 10 mm, centered at a point 10 mm away from the center of one of the main surfaces along the vertical center line of one of the main surfaces of the first metal member 21. In this case, one side (top side) of the designated region overlaps one side (top side) of the first metal member 21, and the gap C (see Figure 3) between the first metal member 21 and the first solder layer 41 formed by the raised portion 210 is opened to the external space via a part of the edge of the first metal member 21. In other respects, the configuration of the ceramic-metal bonded component of Example 2 is substantially the same as the configuration of the ceramic-metal bonded component of Example 1.

(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。
Example 3
In the ceramic-metal bonding component of Example 3 shown in FIG. 4C, a raised portion 210 is formed in a substantially rectangular designated area having a long side (upper side and lower side) length of 16 mm and a short side (right side and left side) length of 13 mm, centered at a point 8.5 mm away from the center of one of the main surfaces along the vertical center line of one of the main surfaces of the first metal member 21. The designated area is defined so that each side of the rectangle defining the designated area is parallel to each side of the square defining one of the main surfaces of the first metal member 21. In this case, the long side (upper side) of the designated area overlaps one side (upper side) of the first metal member 21, and the gap C (see FIG. 3) between the first metal member 21 and the first solder layer 41 formed by the raised portion 210 is opened to the external space through a part of the edge of the first metal member 21. In other respects, the configuration of the ceramic-metal bonding component of Example 3 is substantially the same as the configuration of the ceramic-metal bonding component of Example 1.

(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。
Example 4
In the ceramic-metal bonding component of Example 4 shown in FIG. 4D, a raised portion 210 is formed in a substantially rectangular designated area having a long side (upper side and lower side) length of 10 mm and a short side (right side and left side) length of 5 mm, centered at a point 12.5 mm away from the center of one of the main surfaces along the vertical center line of one of the main surfaces of the first metal member 21. In this case, the long side (upper side) of the designated area overlaps with one side (upper side) of the first metal member 21, and the gap C (see FIG. 3) between the first metal member 21 and the first solder layer 41 formed by the raised portion 210 is opened to the external space through a part of the edge of the first metal member 21. In other respects, the configuration of the ceramic-metal bonding component of Example 4 is substantially the same as the configuration of the ceramic-metal bonding component of Example 1.

(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。
Example 5
4E, a raised portion 210 is formed in a substantially square designated region with a side length of 10 mm and centered at a point 5 mm away from the center of one of the main surfaces along the vertical center line of one of the main surfaces of the first metal member 21. In other respects, the configuration of the ceramic-metal bonded component of Example 5 is substantially similar to the configuration of the ceramic-metal bonded component of Example 1.

(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。
Example 6
4F, a raised portion 210 is formed in a substantially square designated region with a side length of 10 mm and centered at a point 8 mm away from the center of one of the main surfaces along the vertical center line of one of the main surfaces of the first metal member 21. In other respects, the configuration of the ceramic-metal bonded component of Example 6 is substantially similar to the configuration of the ceramic-metal bonded component of Example 1.

(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。
(Example 7)
4G, in addition to the raised portion 210 similar to that of Example 1, a sub-raised portion 212 is formed in a further designated region of a substantially square shape with a side length of 8 mm and centered at a point 5 mm away from the center of one of the main surfaces along the vertical center line of one of the main surfaces of the first metal member 21. The raised portion 210 and the sub-raised portion 212 are arranged spaced apart from each other on one of the main surfaces of the first metal member 21. In other respects, the configuration of the ceramic-metal bonded component of Example 7 is substantially similar to the configuration of the ceramic-metal bonded component of Example 1.

(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。
(Example 8)
In the ceramic-metal bonding component of Example 8 shown in FIG. 5A, the first metal member 21 and the second metal member 22 are each composed of a substantially circular copper plate having a diameter of 27 mm and a thickness of 0.5 mm.

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。 A flat raised portion 210 is formed in a generally sector-shaped designated area having an inner diameter of 13 mm, an outer diameter of 24 mm, and a central angle of 30°, based on the center of one of the main surfaces of the first metal member 21. The sector defining the designated area is arranged so as to have mirror symmetry based on the vertical center line of one of the main surfaces of the first metal member 21. In other respects, the configuration of the ceramic-metal bonded part of Example 8 is substantially the same as the configuration of the ceramic-metal bonded part of Example 1.

(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。
(Example 9)
In the ceramic-metal bonding component of Example 8 shown in FIG. 5B, the first metal member 21 and the second metal member 22 are each composed of a substantially circular copper plate having a diameter of 27 mm and a thickness of 0.5 mm.

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。 A flat raised portion 210 is formed in a designated area of a roughly sector shape with a central angle of 60° based on the center of one of the main surfaces of the first metal member 21. In other respects, the configuration of the ceramic-metal bonded part of Example 9 is substantially the same as the configuration of the ceramic-metal bonded part of Example 8.

(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。
(Comparative Example 1)
In the ceramic-metal bonded component of Comparative Example 1, a substantially flat first metal member 21 having no protruding portion 210 is entirely bonded to a ceramic member 10 via a first solder layer 41. In other respects, the configuration of the ceramic-metal bonded component of Comparative Example 1 is substantially similar to the configuration of the ceramic-metal bonded component of Example 1.

(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。
(Comparative Example 2)
In the ceramic-metal bonded component of Comparative Example 2, a substantially flat first metal member 21 having no protruding portion 210 is entirely bonded to the ceramic member 10 via a first solder layer 41. In other respects, the configuration of the ceramic-metal bonded component of Comparative Example 2 is substantially similar to the configuration of the ceramic-metal bonded component of Example 8.

(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。
(Simulation calculation method)
The simulation was carried out using Calculix, an open FEM software that uses the basic parts of Abaqus. Calculix is used for thermal conduction analysis.

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。 To define the elements in the mesh model for analysis, the 2 mm thick ceramic member 10 was defined as consisting of four layers, each of which was 0.5 mm thick, the first metal member 21 and the second metal member 22, each of which was 0.45 mm thick, each of which was made up of two layers, each of which was 0.225 mm thick, and the first solder layer 41 and the second solder layer 42, each of which was 1 mm thick, each of which was made up of three layers, each of which was 0.033 mm thick. In other words, it was defined that 14 layers of elements were stacked in the thickness direction of the ceramic-metal joint component. As a result, a mesh model with approximately 5,500 elements and approximately 7,000 nodes was defined.

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。 Table 1 summarizes the material properties used in the simulation. The work-hardening characteristics of the first solder layer 41 and the second solder layer 42 are represented by characteristic curves in which the stress changes linearly from 40.3 MPa to 40.6 MPa as the plastic strain changes from 0 to 0.3.

Figure 0007571982000001
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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。 In the black circle regions ● shown in Figures 4A to 4G and Figures 5A to 5B, the maximum thermal stress acting on the ceramic member 10 was calculated when the first metal member 21 was locally heated with a heat quantity of 32.15 W and the temperature of the extension portion 222 was heated until it reached 65°C. In the stress analysis, the reference temperature at which the stress is 0 was defined as 300 K (27°C).

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。 The probability of the maximum thermal stress obtained from the simulation exceeding the Weibull distribution (probability distribution of the limit value for the external stress of the test piece) of the fracture strength obtained from a three-point bending test of a test piece (width 4 mm × thickness 2 mm × length 30 mm) much smaller than the actual product was evaluated as the fracture probability of the ceramic member 10.

(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。 (A) The probability distribution of the fracture strength obtained from the test piece depends on the volume of the test piece sample, and the size of the element to be determined is larger than that. Therefore, correction is required when calculating the fracture probability using the concept of "effective volume". (B) Even if the maximum value of thermal stress obtained from a simulation is small, if the proportion of elements with high thermal stress based on the calculation results of the thermal stress distribution increases, the probability of exceeding the stress strength of the entire element increases, and the fracture probability increases. Conversely, even if the maximum value of thermal stress distribution obtained from a computational simulation is large, if the proportion of elements with high thermal stress based on the calculation results of the thermal stress distribution is small, the probability of exceeding the stress strength of the entire element decreases, and the fracture probability decreases. The calculation results are summarized in Table 2.

Figure 0007571982000002
Figure 0007571982000002

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。 From Table 2, the following points can be seen. The larger the area of the non-bonded portion (designated region) of the first metal member 21 and the ceramic member 10, the lower the maximum thermal stress acting on the ceramic member 10 tends to be. The location where the maximum thermal stress occurs varies from directly below the locally heated portion to directly below the end of the non-bonded portion or slightly inside. The location where the maximum thermal stress itself occurs is not limited to the ceramic member 10, but may be the first metal member 21. If the non-bonded portion (or the gap C between the first metal member 21 and the first solder layer 41) is open to the outside space, the thermal stress acting on the ceramic member 10 when the first metal member 21 is locally heated in the non-bonded portion tends to be lower. Example 6, in which the non-bonded portion or the gap C is not open to the outside, has a lower maximum thermal stress than Comparative Example 1, in which there is no non-bonded portion, but has a higher maximum thermal stress than Example 3, in which the non-bonded portion is open to the outside. Even if the maximum thermal stress is small, the probability of destruction may increase if the effective volume is large.

(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。
Other Embodiments of the Invention
As in Example 2, when the gap C (see FIG. 3) between the first metal member 21 and the first solder layer 41 formed by the raised portion 210 is open to the external space via a part of the edge of the first metal member 21, the open part may be blocked by a different material (e.g., synthetic resin). This can prevent a foreign object from entering the gap C.

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。 In addition, because the sealing with the different material is performed locally, it is possible to easily allow the worker to visually identify the appropriate local heating area (designated area), i.e., the non-jointed portion between the first metal member 21 and the ceramic member 10, from the viewpoint of reducing the stress acting on the ceramic member 10 and the probability of fracture.

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。
10: Ceramic member 21: First metal member (metal member)
22 Second metal member 41 First solder layer 42 Second solder layer 210 Protuberance 212 Sub-protuberance 222 Extension C Gap.

Claims (2)

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。
A plate-shaped metal member is joined to the ceramic member in a joining region excluding a designated region, which is a part of one main surface facing the ceramic member,
the other main surface of the metal member opposite to the one main surface is locally raised in the designated region ,
the designated area includes a part of an outer edge of the one main surface of the metal member,
A gap between a part of an outer edge of the one main surface of the metal member and the ceramic member is sealed by a sealing member made of a different material and extending along the part of the outer edge of the one main surface of the metal member.
Ceramic-metal bonding parts.
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。
The ceramic-metal joint component according to claim 1,
A ceramic-metal joint component, wherein the one main surface of the metal member is locally recessed in the specified region.
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