JP2851881B2 - 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 - Google Patents

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
蒸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AlO₃が、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−SiO₃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−SiO₂
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
が作用できなかった。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る
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易な
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・マンガン・チタ
ンを主成分とする第１の合金層、銀・マンガン・銅・チ
タン合金層、鉄・ニッケル・マンガン・チタンを主成分
とする第２の合金層が順次形成され、かつ高チタン含有
の接合層の層厚が0.1〜５μｍ、鉄・ニッケル・マンガ
ン・チタンを主成分とする第１の合金層と銀・マンガン
・銅・チタン合金層と鉄・ニッケル・マンガン・チタン
を主成分とする第２の合金層の合計の層厚が１〜100μ
ｍ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ま
たはチタン薄板が、鉄・ニッケル系合金側に銀60〜95重
量％・マンガン３〜20重量％・銅３〜30重量％の合金粉
末または混合粉末、もしくは銀60〜95重量％、マンガン
３〜20重量％・銅３〜30重量％の合金薄板がそれぞれ配
置されるようにして、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またはチタン薄板と、上
記銀・マンガン・銅の合金粉末または混合粉末、もしく
はその合金薄板を介在せしめ、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
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、その間に整合部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・マンガン・チタンを主成分と
する第１の合金層15、銀・マンガン・銅・チタン合金層
16、鉄・ニッケル・マンガン・チタンを主成分とする第
２の合金層17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15および16、17の層厚の
合計が１〜100μｍ以下にそれぞれ調整されたものであ
る。

次に、請求項２ないし４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60〜95重量％・マンガン３〜20
重量％・銅３〜30重量％の合金粉末または混合粉末、も
しくは銀60〜95重量％・マンガン３〜20重量％・銅３〜
30重量％の合金薄板（以下、銀・マンガン・銅合金薄板
とする）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上
記銀・マンガン・銅の合金粉末または混合粉末、もしく
はその合金薄板を介在せしめる。ここで、チタンとして
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
の上に厚さ３〜100μｍの銀・マンガン・銅合金薄板を
載せ、その後この銀・マンガン・銅合金薄板上に合金板
11を載置する。ここで、チタン薄膜の厚さの下限を１μ
ｍとしたのは、接合に必要な反応融体量を確保するため
である。

一方、チタンおよび銀・マンガン・銅合金として薄板
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・マンガン合金薄板
を予め用意する。ここで、薄板の厚さの下限を３μｍと
したのは、これ未満であると取扱い操作が非常に困難に
なるからである。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・マンガン・銅合金薄
板を配置せしめる。

このようにしてチタンと、銀・マンガン・銅の合金粉
末または混合粉末、もしくは銀・マンガン・銅の合金薄
板を介在せしめた後、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。

ここで、このような熱拡散処理によってチタン薄膜ま
たはチタン薄板と銀・マンガン・銅の合金粉末または混
合粉末もしくは合金薄板とは、合金板11（鉄・ニッケル
系合金）と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−Mn−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・マンガ
ン・銅の合金粉末または混合粉末もしくは合金薄板は、
銀・マンガン・銅・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との応力緩和および耐
熱性向上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、２μｍ以下好ましくは0.1〜0.6μｍ程
度とされる。

一方、鉄・ニッケル・マンガン・チタンを主成分とす
る第１の合金層15および第２の合金層17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・マンガン・銅・チ
タン合金層16からその両側に鉄・ニッケル・マンガン・
チタンを主成分とする合金が離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
15,17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15,17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15,17の形成を避ける
ことはできないのである。この合金層15,17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15,17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15,17の厚さを抑えている。

また、銀・マンガン・銅・チタン合金層16も、加熱接
合時に形成された融体およびチタンが銀・マンガン中に
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・マンガン・チタン（合金層15,17）、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抑制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・マンガ
ン・チタンを主成分とする第１の合金層15と銀・マンガ
ン・銅・チタン合金層16と第２の合金層との合計の層厚
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・マンガン
・銅の合金薄板は、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、特にチタンとして薄板を用いた場合、チタン
薄板の厚さが20μｍ、銀・マンガン・銅合金薄板の厚さ
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。

「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・マン
ガン・銅合金を介在せしめ、真空中（５×10^-5Torr）に
て950〜1150℃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・マンガン・銅
合金薄板の厚さを第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、チタン薄板と銀・マンガン・
銅合金薄板とを用いるか、もしくはスパッタ法により形
成したチタン薄膜と銀・マンガン・銅合金薄板とを用
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0.5mm/min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・マンガン・銅
合金厚の大きいものを用いて接合した場合の強度を調
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・マンガン・銅合金薄板の厚みの
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、比較としてチタン厚および銀・マンガン・銅合
金厚の大きいものを用い、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・マンガン・チタンを主成分とする第１の合金
層、銀・マンガン・銅・チタン合金層、鉄・ニッケル・
マンガン・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、耐電圧耐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……鉄・ニッケル・マンガン・チタンを主成分とする
第１の合金層、 16……銀・マンガン・銅・チタンの合金層、 17……鉄・ニッケル・マンガン・チタンを主成分とする
第２の合金層。

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【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・マンガン・チタン
   を主成分とする第１の合金層、銀・マンガン・銅・チタ
   ン合金層、鉄・ニッケル・マンガン・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・マンガン・チタンを
   主成分とする第１の合金層と銀・マンガン・銅・チタン
   合金層と鉄・ニッケル・マンガン・チタンを主成分とす
   る第２の合金層の合計の層厚が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。
2. 【請求項２】アルミナセラミックス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60〜95重量
   ％・マンガン３〜20重量％・銅３〜30重量％の合金粉末
   または混合粉末、もしくは銀60〜95重量％・マンガン３
   〜20重量％・銅３〜30重量％の合金薄板がそれぞれ配置
   されるようにして、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またはチタン薄板と、上記
   銀・マンガン・銅の合金粉末または混合粉末、もしくは
   その合金薄板を介在せしめ、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。
3. 【請求項３】請求項２記載の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、
   次にその上に厚さ５〜100μｍの銀60〜95重量％・マン
   ガン３〜20重量％・銅３〜30重量％の合金薄板を載せ、
   次いで該合金薄板の上に鉄・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。
4. 【請求項４】請求項２記載の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側にチタン薄板が、鉄・ニッケル
   系合金側に銀60〜95重量％・マンガン３〜20重量％・銅
   ３〜30重量％の合金薄板がそれぞれ配置されるようにし
   て、アルミナセラミックスと鉄・ニッケル系合金との間
   に厚さ３〜20μｍのチタン薄板と厚さ５〜100μｍの合
   金薄板とを挟み、その後真空中もしくは不活性気相中で
   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。