JP2818210B2

JP2818210B2 - アルミナセラミックスと鉄・ニッケル系合金との接合体およびその接合方法

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Publication number: JP2818210B2
Application number: JP1211674A
Authority: JP
Inventors: 和則遠藤; 昌幸橋本; 幸雄生原
Original assignee: Sumitomo Osaka Cement Co Ltd
Current assignee: Sumitomo Osaka Cement Co Ltd
Priority date: 1989-08-17
Filing date: 1989-08-17
Publication date: 1998-10-30
Anticipated expiration: 2013-10-30
Also published as: JPH0375279A

Description

【発明の詳細な説明】「産業上の利用分野」本発明はアルミナセラミックスと鉄・ニッケル系合金
との接合体およびその接合方法に係り、特に光電子増倍
管に好適に用いられる接合体およびその接合方法に関す
る。

「従来技術とその課題」真空気密性および高絶縁性が要求される電気機器部
品、例えば光電子増倍管をアルミナセラミックスと金属
との接合体で構成する場合には、アルミナセラミックス
と鉄・ニッケル系合金との接合体を用いるのが一般的で
ある。これは、鉄・ニッケル系合金からアルミナセラミ
ックスと熱膨張係数の近似する合金が得られるためであ
り、アルミナセラミックスの熱応力破壊を避けることが
できるからである。

上記組合せによる接合体は、一般に“テレフンケン
法”と呼ばれる方法によって接合されている。この方法
は第２図に示すように、アルミナセラミックス基板１上
にMo−Mn混合粉末をペースト状にして一定厚さに塗布
し、加湿水素気流中で高温加熱してメタライズ層２を形
成すると共に、メタライズ層２の表面にNiメッキ層３を
形成し、さらにNiメッキ層３の上にろう材４を介して鉄
・ニッケル系合金基板５を載置して接合する方法であ
る。

しかしながら、上述のテレフンケン法によって接合体
を得るには、Mo−Mn混合粉末によって形成されるメタラ
イズ層２による接合機構に起因して以下に述べるような
不都合がある。

メタライズ層２による接合機構を説明すると、加湿水
素気流中での高温加熱によりMoは金属状態を維持するも
のの、適当濃度の水分が供給されることにより酸素分圧
がコントロールされ、Mn表面が酸化されてMnOとなる。
そして、このMnOがアルミナセラミックス基板の主成分
であるAl₂O₃や、アルミナセラミックス中に不純物とし
て含まれるSiO₂と反応してMnO−Al₂O₃−SiO₂系の低融点
ガラスを形成し、これがMo−Mnの空隙を充填することに
より、アルミナセラミックス基板１と接合する。このよ
うに、上記メタライズ層２にはMo−Mn−MnO−Al₂O₃−Si
O₂系の反応相が形成されることになる。

ところが、水素気流中に供給する水蒸気量は、酸素分
圧と関連して形成されるMnO−Al₂O₃−SiO₂系ガラスの組
成に大きく影響するものであり、この水蒸気量によって
該ガラスの物性、例えば熱膨張係数などが大きく左右さ
れる。したがって、Mo−Mnメタル間に微小クラックが発
生して真空気密性を損なうことがないよう、水蒸気量を
厳密にコントロールする必要があることから、操作条件
やその制御等も煩雑となり、しかもこの接合方法ではア
ルミナセラミックスと合金との間にメタライズ層２、メ
ッキ層３、およびろう材４層を順次形成する多段プロセ
スであることから、コストの高い接合方法となってい
る。

また、このような方法ではアルミナセラミックス中に
含まれる不純物としてのSiO₂が接合に関与するため、純
度94〜96％のアルミナセラミックスが一般に使用され、
99.5％以上のAl₂O₃を含む高純度アルミナセラミックス
が使用できなかった。その結果、このような純度の低い
アルミナセラミックスを使用するために、高純度アルミ
ナセラミックスで得られる高絶縁特性が損なわれ、例え
ば光電子増倍管として用いる場合では高電圧に対して不
利となる。

一方、上記テレフンケン法とは別に、チタンを数％含
む活性金属ろう材、例えばAg−Cu−TiまたはCu−Tiなど
の系を用いて接合する方法も知られている。この接合方
法ではAg−CuあるいはCuなどの軟質金属が共存すること
でアルミナセラミックスと鉄・ニッケル系合金の高温域
での熱膨張差（一般に500℃以上では鉄・ニッケル系合
金の熱膨張係数がアルミナセラミックスのそれより急激
に大きくなる）を緩和して、良好な接合体を得られるこ
とが知られている。

しかしながら、最近では光電子増倍管の性能要求が厳
しくなっていることから、光電子増倍管として使用する
場合高温での使用に耐え得ることが必須となっていが、
上述のようにAg,Cuなどの軟質金属を多量に含む場合に
は耐高温性能が低下するといった不都合がある。

本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、その目的
とするところは、高温での使用においても十分な接合強
度および封着性能を保持し、電子管などとして使用する
場合にも真空気密性を十分に保持し、高純度のアルミナ
セラミックスに対しても、接合性が良好で、なおかつ耐
電圧に対しても優れた性能を保持し得る接合体を簡単な
手段で得る点にある。

「課題を解決するための手段」本発明のアルミナセラミックスと鉄・ニッケル系合金
との接合体では、アルミナセラミックスと鉄・ニッケル
系合金との間に、アルミナセラミックスとの界面側より
高チタン含有の接合層、鉄・ニッケル・チタンを主成分
とする第１の合金層、銀・チタン合金層、鉄・ニッケル
・チタンを主成分とする第２の合金層が形成され、かつ
高チタン含有の接合層の層厚が0.1〜５μｍ、鉄・ニッ
ケル・チタンを主成分とする第１の合金層と銀・チタン
合金層との合計の層厚が１〜100μｍである接合部を有
したことを上記課題の解決手段とした。

また、アルミナセラミックスと鉄・ニッケル系合金と
の接合方法では、アルミナセラミックス側にチタン薄膜
を、鉄・ニッケル系合金側に銀薄膜をそれぞれ配置する
ようにして、アルミナセラミックスと鉄・ニッケル系合
金との間にチタン薄膜と銀薄膜とを介在せしめ、その後
熱拡散処理してアルミナセラミックスと鉄・ニッケル系
合金とを接合するアルミナセラミックスと鉄・ニッケル
系合金との接合方法において、物理的気相蒸着法あるい
はスパッタ法によりアルミナセラミックス上に厚さ１〜
20μｍのチタン薄膜を形成し、次にその上に物理的気相
蒸着法あるいはスパッタ法により厚さ１〜50μｍの銀薄
膜を形成し、次いで該銀薄膜の上に鉄・ニッケル系合金
を載置した後、真空中もしくは不活性気流中で熱拡散処
理することを上記課題の解決手段とした。

また、他の方法として、アルミナセラミックス側にチ
タン薄板を、鉄・ニッケル系合金側に銀薄板をそれぞれ
配置するようにして、アルミナセラミックスと鉄・ニッ
ケル系合金との間にチタン薄板と銀薄板とを介在せし
め、その後熱拡散処理してアルミナセラミックスと鉄・
ニッケル系合金とを接合するアルミナセラミックスと鉄
・ニッケル系合金との接合方法において、アルミナセラ
ミックスと鉄・ニッケル系合金との間に厚さ３〜20μｍ
のチタン薄板と厚さ３〜100μｍの銀薄板とを挟み、そ
の後真空中もしくは不活性気流中で熱拡散処理すること
を上記課題の解決手段とした。

以下、本発明を詳しく説明する。

第１図は本発明の一例を示す図であって、第１図中符
号10はアルミナセラミックス板（以下、セラミックス板
と略称する）、11は鉄・ニッケル系合金板（以下、合金
板と略称する）である。これらセラミックス板10と合金
板11とは、その間に接合部12を有したことによって接合
体13となっている。

接合部12は、セラミックス板10側より高チタン含有の
接合層14、鉄・ニッケル・チタンを主成分とする第１の
合金層17、銀・チタン合金層15、鉄・ニッケル・チタン
を主成分とする第２の合金層16が順次形成されてなるも
ので、接合層14の層厚が0.1〜５μｍに、合金層17およ
び15の層厚の合計が１〜100μｍにそれぞれ調整された
ものである。

次に、請求項２ないし３記載の接合方法に基づいて上
記接合体13の作製方法を説明する。

まず、セラミックス板10および合金板11を用意し、セ
ラミックス板10側にチタン薄膜またはチタン薄板が、鉄
・ニッケル系合金側に銀薄膜または銀薄膜がそれぞれ配
置されるようにして、セラミックス10と合金11との間に
チタン薄膜またはチタン薄板と銀薄膜または銀薄板とを
介在せしめる。ここで、チタンおよび銀として薄膜を用
いる場合には、その薄膜形成法として高真空蒸着法など
の物理的気相蒸着法（PVD法）やチタン、銀をターゲッ
トとするスパッタ法が好適に採用される。すなわち、高
真空蒸着法やスパッタ法によってセラミックス板10上に
厚さ１〜20μｍのチタン薄膜を形成し、さらにその上に
同じく高真空蒸着法やスパッタ法によって厚さ１〜50μ
ｍの銀薄膜を形成し、その後この銀薄膜上に合金板11を
載置する。一方、チタンおよび銀として薄板を用いる場
合には、例えば多段圧延法によって厚さ３〜20μｍに形
成したチタン薄板と、同様に多段圧延法によって厚さ３
〜100μｍに形成した銀薄板を予め用意する。ここで、
薄板の厚さを３μｍ以上としたのは、現在のところ多段
圧延法では薄板の厚さを３μｍ未満に調整することがで
きないからである。そして、これらをセラミックス板10
と合金板11との間に挟むとともにセラミックス板10側に
チタン薄板を、また合金板11側に銀薄板を配置せしめ
る。

なおこの場合、チタン、銀をそれぞれ異なった状態、
すなわちチタンとして薄膜を用いて銀として薄板を用
い、あるいはチタンとして薄板を用いて銀として薄膜て
もよく、その場合にも薄膜あるいは薄板をそれぞれ上述
した厚さに調整するのが好ましい。

このようにしてチタンおよび銀を介在せしめた後、全
体を真空中もしくは不活性ガス中にて950〜1250℃程度
の温度で５〜30分間程度加熱して熱拡散処理を施し、第
１図に示した接合体13を得る。

このような熱拡散処理によってチタン薄膜またはチタ
ン薄板は、合金板11（鉄・ニッケル系合金）の高温下で
反応してセラミックス板10（アルミナセラミックス）と
の界面にFe−Ni−Tiを主成分とする融体を形成する。そ
して、この融体がセラミックス板10との良好な反応性お
よび濡れ性を持つことで、冷却した際高チタン含有の接
合層14となり、これによってセラミックス板10との強固
かつ高気密性の接合を一段で形成するものとなる。また
このとき、銀薄膜または銀薄板は銀・チタンの融体を形
成することにより、合金板11とセラミックス板10との応
力緩和に寄与するものとなる。

このようにして得られた接合体13において、さらに詳
しくその接合機構を説明すると、セラミックス板10と合
金11との接合を形成するのは上述したように高チタン含
有の接合層14である。この接合層14は、若干の酸素をセ
ラミックス板10側より取り込みつつ合金板11と反応して
形成される、（Fe−Ni）₂Ti₄Oに似た構造のものであ
る。また、この接合層14の厚さは５μｍ以下、好ましく
は0.1〜0.6μｍ程度とされる。

一方、鉄・ニッケル・チタンを主成分とする第１の合
金層17および第２の合金層16は、加熱接合時に形成され
た融体およびチタンが合金板11に拡散すること、および
反応融体の冷却過程で銀・チタン合金層15からその両側
に鉄・ニッケル・チタンを主成分とする合金が難溶析出
することによって必然的に形成されたものである。そし
て、これら合金層17,16は、合金板11（鉄・ニッケル系
合金）に比べて熱膨張係数が大きくなるとともに、チタ
ンを含むことで展延性が減少したものとなる。したがっ
て合金層17,16の生成は、上記接合体13において熱応力
破壊の原因となり好ましくないが、上記反応融体の形成
を伴なう熱拡散接合においては、一定厚さの合金層17,1
6の形成を避けることはできないのである。この合金層1
7,16の厚さは、上記接合層14を形成する際の厚さに依存
している。したがって本発明では、合金層17,16をでき
るだけ薄く形成するために、チタン薄膜またはチタン薄
板を用いて接合層14を形成するとともに熱処理条件を最
適化することで合金層17,16の厚さを抑えている。

また、銀・チタンを主成分とする合金層15も、加熱接
合時に形成された融体およびチタンが銀中に拡散するこ
とにより必然的に形成されるものであるが、鉄・ニッケ
ル・チタン（合金層17,16）、鉄・ニッケル系合金（合
金板11）に比べて展延性に優れていることから、セラミ
ックス板10と合金板11との間に発生する熱応力を緩和す
るものとなる。

なお、熱拡散処理により得られる各層の厚さは、予め
調整した薄膜あるいは薄板の厚さに加え、熱拡散処理の
条件によっても十分に制御することが可能である。そし
て、このときの熱拡散処理結果で生ずる高チタン含有の
接合層14の層厚が0.1〜５μｍ、鉄・ニッケル・チタン
を主成分とする第１の合金層17と銀・チタン合金層15と
の合計の層厚が１〜100μｍとなったとき、安定した高
い接合強度と高い気密性が得られるが、この範囲外では
強度低下が生じたり、融体流出による耐電圧低下が起こ
るといった不都合がある。

一方、チタンの薄膜または薄板、および銀の薄膜また
は薄板は、熱拡散処理時において、相接する合金層11お
よびセラミックス板10との反応もしくは拡散において界
面近傍が関与するに過ぎない。それゆえ、その厚さと拡
散後に得られる各層の厚さとは必ずしも正比例しない
が、特にチタンおよび銀として薄板を用いた場合、チタ
ン薄板の厚さが20μｍ、銀薄板の厚さが100μｍを越え
る場合には、各層中で生成する反応融体量が多くなって
これが外部へ流出し易くなり、得られた接合体13の高電
圧に対する絶縁耐力が著しく低下する恐れを生ずる。

一方チタンおよび銀の厚さの下限としては、薄膜を用
いた場合には接合に必要な反応融体量を確保するため１
μｍとされ、また薄板を用いた場合には取扱い操作上の
作業性限界から３μｍとされる。

「実施例」以下、本発明を実施例により具体的に説明する。

（実施例１）・真空ベーキングテストアルミナセラミックスと鉄・ニッケル合金との間に第
１表に示したような異なる厚さのチタンおよび銀を介在
せしめ、真空中（５×10^-5Torr）にて960〜1120℃で10
分間熱処理し、数種の接合体を得た。さらに、これらを
800℃で４時間真空ベーキングした後、Heリークディテ
クターを用いて耐リーク性を調べ、その結果を第１表に
示す。

なお、接合に使用したチタンおよび銀の厚さを第１表
中に示す。

（実施例２）・圧縮剪断強度試験接合部の形成材として、チタン薄板および銀薄板を用
いるか、もしくはスパッタ法によりチタン薄膜および銀
薄膜を形成させたものを用い、接合部の厚さの違いが圧
縮剪断強度にどのような影響を及ぼすかを調べた。得ら
れた結果を第２表に示す。

なお、試験方法は、クロスヘッドスピードが0.5mm/mi
nの圧縮剪断強度試験（常温）により行った。

また、比較として、チタン厚および銀厚の大きいもの
を用いて接合した場合の強度値を調べ、その結果を第２
表に併記する。

（実施例３）・耐電圧試験チタン薄板および銀板の厚みの違いが耐電圧にどのよ
うに影響するかを調べた。試験方法は１×10^-6Torr以下
の真空中にて常温で測定した。得られた結果を第３表に
示す。

また、比較として、実施例２で用いたものを用い、同
様にして耐電圧への影響を調べてその結果を第３表に併
記する。

「発明の効果」以上説明したように、本発明に係わるアルミナセラミ
ックスと鉄・ニッケル系合金との接合体は、アルミナセ
ラミックスと鉄・ニッケル系合金との間に、アルミナセ
ラミックスとの界面側より高チタン含有の接合層、鉄・
ニッケル・チタンを主成分とする第１の合金層、銀・チ
タン合金層、鉄・ニッケル・チタンを主成分とする第２
の合金層を順次形成してなる接合部を有したものである
ので、高温使用での接合強度に優れ、例えば電子管等の
真空封管に適用した場合でも、耐電圧気密性に優れた効
果を発揮するものとなる。

またアルミナセラミックスと鉄・ニッケル系合金との
接合方法によれば、従来の接合方法に比べて極めて簡易
なものとなり、しかも得られた接合体は上述したごとく
高温使用での接合強度に優れたものとなる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係わる接合体の接合構造を示す断面
図、第２図は従来における接合構造の一例を示す図であ
る。 10……アルミナセラミックス板、 11……鉄・ニッケル系合金板、 12……接合部、13……接合体、 14……高チタン含有の接合層、 15……銀・チタンを主成分とする合金層、 16……鉄・ニッケル・チタンを主成分とする第２の合金
層、 17……鉄・ニッケル・チタンを主成分とする第１の合金
層。

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】アルミナセラミックスおよび鉄・ニッケル
系合金とこれらの間に形成された接合部からなる接合体
において、上記接合部が、アルミナセラミックスとの界面側から高
チタン含有の接合層、鉄・ニッケル・チタンを主成分と
する第１の合金層、銀・チタン合金層、鉄・ニッケル・
チタンを主成分とする第２の合金層が順次形成されるこ
とによって鉄・ニッケル系合金と接合し、かつ高チタン
含有の接合層の層厚が0.1〜５μｍ、鉄・ニッケル・チ
タンを主成分とする第１の合金層と銀・チタン合金層と
の合計の層厚が１〜100μｍであることを特徴とするア
ルミナセラミックスと鉄・ニッケル系合金との接合体。
【請求項２】アルミナセラミックス側にチタン薄膜を、
鉄・ニッケル系合金側に銀薄膜をそれぞれ配置するよう
にして、アルミナセラミックスと鉄・ニッケル系合金と
の間にチタン薄膜と銀薄膜とを介在せしめ、その後熱拡
散処理してアルミナセラミックスと鉄・ニッケル系合金
とを接合するアルミナセラミックスと鉄・ニッケル系合
金との接合方法において、物理的気相蒸着法あるいはスパッタ法によりアルミナセ
ラミックス上に厚さ１〜20μｍのチタン薄膜を形成し、
次にその上に物理的気相蒸着法あるいはスパッタ法によ
り厚さ１〜50μｍの銀薄膜を形成し、次いで該銀薄膜の
上に鉄・ニッケル系合金を載置した後、真空中もしくは
不活性気流中で熱拡散処理することを特徴とするアルミ
ナセラミックスと鉄・ニッケル系合金との接合方法。
【請求項３】アルミナセラミックス側にチタン薄板を、
鉄・ニッケル系合金側に銀薄板をそれぞれ配置するよう
にして、アルミナセラミックスと鉄・ニッケル系合金と
の間にチタン薄板と銀薄板とを介在せしめ、その後熱拡
散処理してアルミナセラミックスと鉄・ニッケル系合金
とを接合するアルミナセラミックスと鉄・ニッケル系合
金との接合方法において、アルミナセラミックスと鉄・ニッケル系合金との間に厚
さ３〜20μｍのチタン薄板と厚さ３〜100μｍの銀薄板
とを挟み、その後真空中もしくは不活性気流中で熱拡散
処理することを特徴とするアルミナセラミックスと鉄・
ニッケル系合金との接合方法。