JPS60166275A - セラミツクスと金属との接合方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の技術分野〕 本発明は金属とセラミックとを接合する方法の改良に関
する。

〔発明の技術的背景とその問題点〕

金属とセラミックとは夫々異なった原子結合状態を有し
、このため金属とセラミックとを接合する場合、それら
の反応性などの化学的性質、熱膨張率、電気伝導度など
の物理的性質は大きく異なる。したがって、両部材を良
好に濡らし、信頼性の高い冶金的な接合を行なうことは
相当困難である。

ところで、従来よ〕金属とセラミックとの冶金的接合方
法としては以下に示す種々の方法が知られている。

■　セラミック母材の接合面にＭｏ　−Ｔ−Ｗを主成分
とする粉末と有機バインダの混合物を塗布し、加湿した
雰囲気中で１４００〜１７００℃に加熱して反応させる
。これは通常、メタライジングと呼ばれる方法である。

次いで、前記メタライジング上にＮ１メッキを施した後
、該Ｎｉメッキに金属母材（例えばＣｕ母拐）をＰｂ　
−Ｓｎ系半田などによシ接合する。こうした接合方法は
エレクトロニクス部品において、絶縁体としてのセラミ
ック母材と導体としてのＣｕ部材を接合する場合に多用
されている。

■　金属母材とセラミック母材とをＡｕ　、　Ｐ　ｔの
ような貴金属、つまシ酸素との親和力の小さい金属を主
成分とする合金を用いて接合する方法。

■　金属母材とセラミック母材との接合部にＴＩ　、　
Ｎｂ　、　Ｚｒなどの活性金属又は熱処理によって活性
金属に変換される活性金属水素化物を介在させた後、高
温、高圧下で接合する方法。

しかしながら、上記■の方法は工程数が多く煩雑である
という欠点を有する。上記■の方法は簡単な工程で接合
できるものの、高価な貴金属を使用するため経済的では
なく、しがも金属母材とセラミック母材が十分に接触す
るように高い圧力を必要として、変形を嫌うエレクトロ
部品などの接合には好ましくない。上記■の方法では活
性金属によシ強固な接合を行なえるものの、高い接合圧
力を必要とするため前記■の方法と同様、変形を嫌うエ
レクトロ部品などの接合には好ましくない。

このようなことから、Ｔｉ、Ｚｒなどの活性金属はＣｕ
　、　Ｎｌ　、　Ｆｅなどの遷移金属との合金において
、その共晶組成領域で活性金属の単体の融点（Ｔｉ；１
７２０℃、Ｚｒ　；　１８６０℃）及びＣｕ　、　Ｎｉ
　、　Ｆｅ単体の融点（夫々１０８３℃、　１４５３℃
、　１５３４℃）と比較して融点を数１００℃低下させ
ることに着目し、遷移金属母材とセラミック母材との接
合部に活性金属を介在させ、該接合部を遷移金属および
活性金属の合金の融点よシ高く、遷移金属の融点呟シ低
い温度に加熱し、遷移金属と活性金属との原子を相互に
拡散させて合金化し、この合金によって遷移金属母材と
セラミック母材とを接合する方法が米国特許第２，８５
７，６６３号明細書に開示されている。かかる方法によ
れば、接合時において接合部に遷移金属と活性金属との
合金の融液によシ満たされ、金属母材とセラミック母材
とを濡すので、各母材を十分接触させるための接合時の
加圧をほとんど必要とせず、かつ活性金属の効果によシ
それら母材を強固に接合できる。しがしながら、得られ
た金属−セラミックの接合部材に熱衝撃を加えると、セ
ラミック母材にクラックが発生する欠点があった。

〔発明の目的〕

本発明は金属母材とセラミック母材とを簡単な工程で加
圧せずに強固に接合できると共に、それら接合部材に熱
衝撃を加えてもセラミック母材のクラック発生を防止し
得る接合方法を提供しようとするものである。

〔発明の概要〕

本発明者らは前述した米国特許の方法により作られた接
合部材への熱衝撃によるセラミック母材のクラック発生
について種々検討した結果、遷移金属母材とセラミック
母材との接合部における遷移金属と活性金属との合金の
接合分布、つまシ合金層の接合部と非接合部の分布比が
セラミック母材のクラックに密接に相関することを究明
した。

こうした相関関係は次のような機構によるものと考えら
れる。即ち、遷移金属或いは活性金属などの金属とセラ
ミックとは熱膨張係数が大きく異なるため、接合部の温
度が上昇したシ、下降したシすると、その接合部に大き
な応力が生じる。この場合、Ｃｕ、Ｎｉ或いは全律固溶
体としてのＣｕ　−Ｎ　ｉ合金などの金属はその硬度が
低く、柔らかいため、前記応力によシ容易に変形して応
力を緩和し易い。

これに対し、遷移金属（Ｃｕ、Ｎｉ等）と活性金属（Ｔ
Ｉ、Ｚｒ等）との合金は硬く、変形し難いため、接合部
にこれら合金層が多量に存在すると、応力の緩和現象が
小さく、セラミック母材に応力が加わってクラックが発
生するものと考えられる。

このようなことから、本発明者らは上記究明結果を踏え
て、更に鋭意研究したところ、金属母材とセラミック母
材との接合面に接合部と非接合部とを設けることによシ
、応力が緩和することを見い出した。つまシ、金属母材
とセラミック母材との接合面に貫通孔を有する活性金属
層或いはいずれかが貫通孔を有する活性金属層および金
属層を介在させ、該金属と活性金属の合金を生成した接
合部と合金を生成していない非接合部を設けることによ
シ実質的にそれら母材の接合部に多量の合金層が存在し
ないようにすることによって、既述の如く各母材を加圧
せずに強固に接合できると共に、接合後、熱衝撃を与え
てもセラミック母材のクランク発生を防止し得る接合方
法を見い出したものである。

次に、本発明の詳細な説明する。

まず、金属母材と七ラミック母材との接合部（″−貫通
孔を有する活性金属層又はいずれかが貫通孔を有する活
性金属層および金属層を介在させる。

ここに用いる金属としては、例えばＣｕ　、　Ｎｌ　、
　Ｆｅ又はこれらの合金等を挙げることができる。また
、セラミックとしては窒化物（ＡＡＮ　、　５ｔ３Ｎ４
．　ＢＮなど）、炭化物（ｓｉｃなど）、酸化物（Ａｊ
ｔ、０３など）をはじめとする各種のセラミックを用い
ることができる。更に、活性金属としては、例えばＴｉ
或いはＺｒ等を挙げることができる。こうした活性金属
層の貫通孔の大きさは、目標とする接合部と非接合部と
の分布比によシ決定される、接合部と非接合部との分布
比は接合部の面積が２０〜７０％を占める範囲が望まし
く２０％未満では接合強度が充分でなく、７０％を超え
ると応力の緩和現象が充分でなくなる。かかる活性金属
層を前記接合部に介在させる手段としては、例えば活性
金属箔を用いて介在させる方法が採用し得る。

次いで、金属母材とセラミック母材の接合部を真空雰囲
気、或いは不活性ガス雰囲気中にて加熱して保持する。

この工程において、基本的には圧力を加えなくともよい
が、必要に応じて０．０１〜１ｋｇ／ａｍ　の低圧力を
加えて加熱してもよい。加熱温度は金属母材と活性金属
の合金の融点より高く、金属母材の融点よシ低いことが
必要である。具体的には金属母材をＣｕ　、　Ｎｉ　、
　Ｆｅ又はその合金で形成し、　ＴＩ又はｗｒの活性金
属層を用いる場合には８７２〜１０８５℃の範囲で加熱
する。こうした熱処理によシ各母材にその母性金属と活
性金属の合金融液が生成される。つづいて、合金の拡散
が終了し、接合面に合金層の接合部と非接合部が存在す
る状態になった時点で酸化を防止しつつ冷却して金属−
セラミックの接合材を形成する。

〔発明の実施例〕

次に、本発明の実施例を第１区を用いて説明する。

実施例１ まず、１５朋角、厚さ２朋のＡ−ＩＮ板状体１と１５ｊ
ｌｌｌ角、厚さ３００１１ｍの無酸素銅板状体２を各々
１枚用意した。つづいて、これら板状体をトリクレン及
びアセトンで洗浄して脱脂処理した後、それら板状体の
接合部に厚さ２０μｍの貫通孔率９０％のＴｉ箔３を介
在させ、２　Ｘ　１０　”　Ｔｏｒｒの真空度に保持し
たホットプレス中１ニセソトした。ひきつづき板状体間
に上下方向から０，１ｋｇ７ｍｍ”の圧力を加え、高周
波加熱によシ接合部を９３０°Ｃζ二１０分間保持して
Ｃｏ　−Ｔｉの合金層を無酸素銅板状体に格子縞状に拡
散せしめた。

しかして、接合部を１００倍の光学顕微鏡で観察した結
果、接合部面積が約４０％であｐＡＪＩＮ板状体のクラ
ック発生も無く、良好なＣｕ　−ＡＡ＋Ｎ接合材を得る
ことができた。

実施例２ まず、１５朋角、厚さ３朋の８ｉ、Ｎ、板状体と１０鳳
萬角、厚さ１順のＮｉ板状体を各々１枚用意した。つづ
いて、これら板状体をトリクレン及びアセトンで洗浄し
て脱脂処理を施した後、これら板状体の接合部に厚さ２
０μｍ１貫通孔率９５％のＺｒ箔と厚さ５０μｍのＣｏ
箔を介在させ、２Ｘ１０　Ｔｏｒｒの真空度に保持され
たホットプレス中にセットした。

ひきつづき、板状体間に上下方向からＱ、１　ｋｇ／ｉ
＋ｉ＋’の圧力を加え、高周波加熱によシ接合部を９８
０℃に加熱し、１０分間保持した。次いで圧力を解除し
てＣｕ−Ｚｒの合金層をＮｉ板状体に格子縞状に拡散せ
しめた。しかして、接合部を実施例１と同様に観察した
結果、接合部面積が約５０％でありがつ８ｉ、Ｎ４板状
体のクラック発生もなく良好なＮｌ　−８１、Ｎ、接合
体を得ることができた。

実施例３ まず１５ｊｌＩＩ角、厚さ３１１ｒ１ｘのｌｌＮ５Ｎ、
板状体と１０ｎ角、厚さ３　ａｍステンレス鋼（ＪＩＳ
　ＳＵ８３０４　）板状体を各々１枚用意した。つづい
てこれら板状体をトリクレン及びアセトンで洗浄して脱
脂処理を施した後、これら板状体の接合面に厚さ１５皿
、貫連射率９０％のＴＩ箔と厚さ２０μｍのＮｉ箔を介
在させ、２×ＩＱ　Ｔｏｒｒの真空度に保持されたホッ
トプレス中にてセットした。ひきつづき板状体間に上下
方向から（１２ｋｇ／ａｍ”の浮力を加え、高周波加熱
により、接合部を１０００°Ｃに加熱し１０分間保持し
た。次いで圧力を解除してＴｌ−Ｎｉの合金層をステン
レス鋼板状体に格子縞状に拡散せしめた。

しかして接合部を実施例１と同様に観察した結果、接合
部面積が約６０％であり、かつＳｉ３Ｎ４板状体のクラ
ック発生もなく良好なステンレス鋼−８１３Ｎ、接合体
を得ることができた。

〔発明の効果〕

以上詳述した如く、本発明によれば金属母材とセラミッ
ク母材を簡単な工程で加圧せずに強固に一合できると共
に、形成工程或いは接合後に熱衝撃を受けてもセラミッ
ク母材のクラック発生を防止し得る接合方法を提供でき
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る接合方法を示すｔ章斜視図である
。 １：ＡＪＮ板状体　２　：　Ｃｕ板状体　３：貫通孔を
有するＴｌ箔

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）金属母材とセラミック母材との接合面に、貫通孔
   を有する活性金属層或いは、いずれかが貫通孔を有する
   活性金属層および金属層を介在させた後、この接合部を
   前記金属母材と活性金属の合金、或いは前記金属と活性
   金属の合金の融点よ）高く、前記金属母材の融点より低
   い温度に保持して接合面に前記合金の生成部と非生成部
   を設けたことを特徴とした金属とセラミックとの接合方
   法。
2. （２）金属母材及び金属層がＣｕ　、　Ｎｉ　、　Ｆｅ
   或いはその合金であることを特徴とする特許請求の範囲
   第１項記載の金属とセラミックとの接合方法。
3. （３）活性金属がＴ１或いはＺｒであることを特徴とす
   る特許請求の範囲第１項記載の金属とセラミックとの接
   合方法。