JP2000016878A - Bonded structure - Google Patents
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Abstract
Description
【0001】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は、単結晶アルミナや
多結晶アルミナなどのアルミナ部材と金属部材との接合
構造体に関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a joint structure between a metal member and an alumina member such as single-crystal alumina or polycrystalline alumina.
【0002】[0002]
【従来の技術】単結晶アルミナや多結晶アルミナなどの
アルミナ部材は、電子部品用材料から構造用材料まで幅
広い用途に使用されている。例えば、アルミナ部材を電
子部品用材料に適用する場合、その表面に金属導電層を
形成することは必須であり、また構造用材料に適用する
場合にも、金属材料や他のセラミックス材料と接合する
ために、その表面に金属層を形成することが行われてい
る。2. Description of the Related Art Alumina members such as single-crystal alumina and polycrystalline alumina are used in a wide range of applications from materials for electronic parts to materials for structures. For example, when an alumina member is applied to a material for an electronic component, it is essential to form a metal conductive layer on its surface, and when applied to a structural material, it is bonded to a metal material or another ceramic material. Therefore, a metal layer is formed on the surface.
【0003】このようなアルミナ部材表面の金属化(メ
タライズ)には、例えばAg−Cu−Tiなどの活性金
属ろう材が用いられている。活性金属ろう付けはその生
産性や信頼性から、セラミックス材料を金属材料や他の
セラミックス材料と接合する際に重要な方法のひとつで
ある。この方法において、Tiのような活性元素を含む
ろう材は、活性元素とセラミックスとの化学反応により
セラミックスを濡らし、このことが接合の特性向上に寄
与している。液体金属によるセラミックスの濡れは界面
形成の材料現象であるため、界面構造とその形成工程の
解明は産業上の応用に対するだけでなく、金属−セラミ
ックスの濡れについての基礎的な研究にとっても重要で
ある。An active metal brazing material such as Ag-Cu-Ti is used for metallizing the surface of the alumina member. Active metal brazing is one of the important methods for joining ceramic materials with metal materials and other ceramic materials because of its productivity and reliability. In this method, the brazing material containing an active element such as Ti wets the ceramic by a chemical reaction between the active element and the ceramic, which contributes to the improvement of the bonding characteristics. Since wetting of ceramics by liquid metal is a material phenomenon of interface formation, clarification of the interface structure and its formation process is important not only for industrial applications but also for basic research on metal-ceramics wetting. .
【0004】アルミナを含むセラミックス材料には、各
種技術分野の進歩に伴って小型化の要求が強まってお
り、その結果としてナノメーター規模での界面デザイン
や界面での反応工程の制御が重要になってきている。従
って、界面反応の制御や接合界面の各種特性の向上など
を図るために、ろう付け界面に関するナノスコピックな
分析および制御が重要である。[0004] With respect to ceramic materials containing alumina, there is an increasing demand for miniaturization along with the progress of various technical fields, and as a result, it is important to control the interface at the nanometer scale and control the reaction process at the interface. Is coming. Therefore, nanoscopic analysis and control of the brazing interface is important for controlling the interface reaction and improving various properties of the bonding interface.
【0005】活性金属ろう材とアルミナ部材との接合界
面については種々議論されており、接合界面の反応相に
関してはTi−O、Ti−Al、Ti−Cu、Ti−C
u−Oなどの様々な反応生成物が報告されている。ま
た、アルミナと活性金属ろう材との接合界面をナノスコ
ピックにTEM分析した結果として、例えばTiOとT
i3 Cu3 Oのような二重層構造の反応生成物が存在し
ていることが報告されている(Santella et al J.Am.Ce
ram.Soc.,1990,73,1785.参照)。Various discussions have been made on the bonding interface between the active metal brazing material and the alumina member. Regarding the reaction phase at the bonding interface, Ti-O, Ti-Al, Ti-Cu, Ti-C
Various reaction products such as u-O have been reported. Also, as a result of nanoscopic TEM analysis of the bonding interface between alumina and the active metal brazing material, for example, TiO and T
It has been reported that a reaction product having a double layer structure such as i 3 Cu 3 O is present (Santella et al J. Am. Ce)
ram. Soc., 1990, 73, 1785).
【0006】上述したように、従来のAg−Cu−Ti
などの活性金属ろう材を用いたろう付けにおいては、ア
ルミナ部材と活性金属ろう材との接合界面に、TiOや
Ti3 Cu3 OなどのTiを含む反応生成物からなる界
面反応層が形成され、この界面反応層を介してアルミナ
部材と活性金属ろう材との接合が実現されている。As described above, the conventional Ag-Cu-Ti
In brazing using an active metal brazing material such as, at the bonding interface between the alumina member and the active metal brazing material, an interface reaction layer made of a reaction product containing Ti such as TiO or Ti 3 Cu 3 O is formed, Through this interface reaction layer, the bonding between the alumina member and the active metal brazing material is realized.
【0007】[0007]
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
Tiを含む界面反応層は、セラミックス的性質を有する
化合物であるために脆いという欠点を有している。この
界面反応層の脆さは、アルミナ部材と金属ろう材との接
合構造体の強度や破壊靭性値などを低下させるという問
題がある。However, the conventional interface reaction layer containing Ti has a drawback that it is brittle because it is a compound having ceramic properties. The brittleness of the interface reaction layer has a problem that the strength and the fracture toughness of the joint structure between the alumina member and the brazing metal are reduced.
【0008】従って、従来の接合構造体では破壊靭性値
が母材としてのアルミナ部材を超えることはなく、さら
には界面反応層の脆さに起因して接合体の強度や靭性値
が母材に比べて低下してしまうという欠点があった。ま
た、アルミナ部材を例えば耐食性部材に用いる場合、界
面反応物が耐食性の低下原因となるというような問題が
あった。Accordingly, in the conventional joint structure, the fracture toughness value does not exceed that of the alumina member as the base material, and further, the strength and toughness value of the joint body are reduced by the brittleness of the interface reaction layer. There was a drawback that it was lower than that. Further, when an alumina member is used for a corrosion-resistant member, for example, there is a problem that an interfacial reactant causes a reduction in corrosion resistance.
【0009】このようなことから、アルミナ部材と金属
部材との接合構造体において、界面反応層の強度や破壊
靭性値、さらには耐食性などを向上させることが強く望
まれている。In view of the above, it is strongly desired to improve the strength, fracture toughness, corrosion resistance, etc. of the interface reaction layer in the joint structure between the alumina member and the metal member.
【0010】本発明はこのような課題に対処するために
なされたもので、界面反応層の強度や破壊靭性値、さら
には耐食性などを高めることによって、アルミナ部材と
金属部材との接合構造体の機械的特性や耐食性などを向
上させることを可能にした接合構造体を提供することを
目的としている。The present invention has been made to address such a problem, and by improving the strength, fracture toughness, and corrosion resistance of an interfacial reaction layer, the joint structure of an alumina member and a metal member can be improved. It is an object of the present invention to provide a joint structure capable of improving mechanical properties, corrosion resistance, and the like.
【0011】[0011]
【課題を解決するための手段】本発明の接合構造体は、
請求項1に記載したように、主としてアルミナからなる
第1の部材と、前記第1の部材と界面反応層を介して接
合され、少なくともCuおよび活性金属を含む第2の部
材とを具備する接合構造体において、前記界面反応層
は、前記活性金属を含む第1の反応層と、前記第1の部
材との界面側に生成されたCu−Al−Oから主として
なる第2の反応層とを有することを特徴としている。Means for Solving the Problems A joint structure of the present invention comprises:
As described in claim 1, a joint comprising a first member mainly made of alumina, and a second member joined to the first member via an interface reaction layer and containing at least Cu and an active metal. In the structure, the interface reaction layer includes a first reaction layer containing the active metal and a second reaction layer mainly composed of Cu-Al-O generated on the interface side with the first member. It is characterized by having.
【0012】本発明の接合構造体において、例えば請求
項2に記載したように、第1の部材には単結晶アルミナ
または多結晶アルミナが、また第2の部材には少なくと
もCuを含むろう材と活性金属との複合体が用いられ
る。また、活性金属としては、例えば請求項3に記載し
たように、Ti、ZrおよびHfから選ばれる少なくと
も 1種、特に請求項4に記載したようにTiを用いるこ
とが好ましい。In the joint structure according to the present invention, for example, as described in claim 2, the first member is made of monocrystalline alumina or polycrystalline alumina, and the second member is made of a brazing material containing at least Cu. A complex with an active metal is used. Further, as the active metal, for example, it is preferable to use at least one selected from Ti, Zr and Hf as described in claim 3, and particularly to use Ti as described in claim 4.
【0013】本発明の接合構造体においては、単結晶ア
ルミナや多結晶アルミナからなる第1の部材との界面側
に、実質的に活性金属を含まないCu−Al−Oから主
としてなる第2の反応層を生成している。Cu−Al−
Oから主としてなる反応層は金属的性質を有し、セラミ
ックス的な特性を示すTi3 Cu3 OやTiOに比べて
はるかに軟らかい。従って、このような反応層を接合界
面に生成することにより、アルミナ−金属接合構造体の
強度や破壊靭性値を向上させることができる。すなわ
ち、Cu−Al−Oから主としてなる第2の反応層が破
壊の原因となるおそれがないばかりか、軟らかい第2の
反応層が緩衝材的な役割を果たすため、接合構造体の強
度や破壊靭性値を向上させることができる。さらに、C
u−Al−Oから主としてなる第2の反応層は耐食性に
も優れるため、アルミナ−金属接合構造体の耐食性の向
上に寄与する。[0013] In the joint structure of the present invention, the second member mainly composed of Cu-Al-O containing substantially no active metal is provided on the interface side with the first member made of single-crystal alumina or polycrystalline alumina. A reaction layer is being generated. Cu-Al-
The reaction layer mainly composed of O has metallic properties and is much softer than Ti 3 Cu 3 O or TiO which exhibits ceramic properties. Therefore, by forming such a reaction layer at the bonding interface, the strength and fracture toughness value of the alumina-metal bonded structure can be improved. That is, not only does the second reaction layer mainly composed of Cu—Al—O cause a destruction, but also the soft second reaction layer plays a role of a buffer material, so that the strength and destruction of the joint structure can be improved. The toughness value can be improved. Further, C
Since the second reaction layer mainly composed of u-Al-O has excellent corrosion resistance, it contributes to improvement of the corrosion resistance of the alumina-metal bonded structure.
【0014】[0014]
【発明の実施の形態】以下、本発明を実施するための形
態について説明する。Embodiments of the present invention will be described below.
【0015】図1は、本発明の接合構造体の一実施形態
の要部構造を模式的に示す断面図である。同図におい
て、1は単結晶アルミナや多結晶アルミナからなるアル
ミナ部材(第1の部材)であり、このアルミナ部材1は
界面反応層2を介して、少なくともCuと活性金属を含
む金属部材(第2の部材)3と接合されており、これら
によって接合構造体4が構成されている。FIG. 1 is a cross-sectional view schematically showing the main structure of one embodiment of the joint structure of the present invention. In FIG. 1, reference numeral 1 denotes an alumina member (first member) made of single-crystal alumina or polycrystalline alumina. The alumina member 1 is a metal member containing at least Cu and an active metal (a first member) via an interface reaction layer 2. 2) 3 to form a joint structure 4.
【0016】アルミナ部材1は特に限定されるものでは
なく、上述したように単結晶アルミナや多結晶アルミナ
を使用することができる。単結晶アルミナとしてはいわ
ゆるサファイア基板などを使用することができ、また多
結晶アルミナとしてはアルミナ焼結体などを使用するこ
とができる。アルミナ部材1の形状は、接合構造体4の
使用用途に応じて適宜選択することができ、例えば基板
形状のものから各種構造材形状まで幅広く適用すること
が可能である。The alumina member 1 is not particularly limited, and single-crystal alumina or polycrystalline alumina can be used as described above. A so-called sapphire substrate or the like can be used as single-crystal alumina, and an alumina sintered body or the like can be used as polycrystalline alumina. The shape of the alumina member 1 can be appropriately selected according to the intended use of the joint structure 4, and can be widely applied, for example, from a substrate shape to various structural material shapes.
【0017】金属部材(第2の部材)3は、接合処理前
の材料組成として、少なくともCuと活性金属とを含む
ものであればよい。活性金属としてはTi、Zr、Hf
などを使用することができる、特にTiを使用すること
が好ましい。このような金属部材3としては、上記した
ような活性金属を含むAg−Cu合金や活性金属を含む
Cuなどの活性金属ろう材が挙げられる。The metal member (second member) 3 only needs to contain at least Cu and an active metal as a material composition before the bonding process. Ti, Zr, Hf as active metals
Etc. can be used, and it is particularly preferable to use Ti. Examples of such a metal member 3 include an active metal brazing material such as an Ag-Cu alloy containing an active metal or Cu containing an active metal as described above.
【0018】活性金属は当初の金属部材3中に 1〜10重
量% 程度の範囲で含有させることが好ましい。活性金属
量が 1重量% 未満であると、後に詳述する反応層として
の化合物層の生成量が不足し、アルミナ部材1との接合
強度を十分に高めることができない。一方、10重量% を
超えると化合物層量が増大しすぎて接合強度を低下させ
たり、あるいは反応性が低下して接合強度の劣化などを
招くおそれがある。The active metal is preferably contained in the metal member 3 in the range of about 1 to 10% by weight. When the amount of the active metal is less than 1% by weight, the amount of a compound layer as a reaction layer, which will be described in detail later, is insufficient, and the bonding strength with the alumina member 1 cannot be sufficiently increased. On the other hand, if it exceeds 10% by weight, the amount of the compound layer may be excessively increased and the bonding strength may be reduced, or the reactivity may be reduced and the bonding strength may be deteriorated.
【0019】これらのうち、特に活性金属としてTiを
含むAg−Cu−Ti合金、Ag−Cu合金とTiとの
積層体や混合物、Ag、CuおよびTiの積層体や混合
物などのAg−Cu−Ti複合体が好ましく用いられ
る。Ag−Cu−Ti複合体は、ろう材層およびメタラ
イズ層のいずれとしても良好な機能を有している。ま
た、活性金属としてのTiはアルミナ部材1との反応性
に優れることから、アルミナ部材1と金属部材3との基
本的な接合強度を高めることができる。Among these, Ag-Cu-Ti alloys containing Ti as an active metal, Ag-Cu-Ti laminates and mixtures of Ag-Cu alloys and Ti, and Ag-Cu-Ti laminates and mixtures of Ag, Cu and Ti are particularly preferred. A Ti composite is preferably used. The Ag-Cu-Ti composite has a good function as both a brazing material layer and a metallized layer. In addition, since Ti as an active metal has excellent reactivity with the alumina member 1, the basic bonding strength between the alumina member 1 and the metal member 3 can be increased.
【0020】上述したようなアルミナ部材1と金属部材
3とは、界面反応層2を介して接合されている。ここ
で、界面反応層2は上記した活性金属を含む第1の反応
層4を主反応層として有している。この第1の反応層4
は、金属部材3中に存在させた活性金属が接合処理(熱
処理)時にアルミナ部材1表面を濡らし、またその後の
反応過程で活性金属が金属部材3の構成元素やアルミナ
部材1の構成元素(Al,O)と反応することにより生
成するものである。The alumina member 1 and the metal member 3 as described above are joined via the interface reaction layer 2. Here, the interface reaction layer 2 has the first reaction layer 4 containing the above-mentioned active metal as a main reaction layer. This first reaction layer 4
Is that the active metal present in the metal member 3 wets the surface of the alumina member 1 during the bonding process (heat treatment), and the active metal becomes a constituent element of the metal member 3 or a constituent element (Al , O).
【0021】少なくとも活性金属(Tiなど)を含む第
1の反応層4の形態としては、例えばTi−Cu−Oか
ら主としてなる反応層5と、Ti−Oから主としてなる
反応層6との 2重層構造が挙げられる。これらの反応層
5、6はさらに若干のAlを含み、例えば反応層5はT
i3 (Cu,Al)3 Oなどからなり、また反応層6は
(Ti,Al)Oや(Ti,Al)O2 などからなる。
これら活性金属(Ti)を含む反応層5、6は接合条件
などにより変化し、Ti−Cu−Oから主としてなる反
応層5のみとなる場合もある。The form of the first reaction layer 4 containing at least an active metal (such as Ti) is, for example, a double layer of a reaction layer 5 mainly composed of Ti—Cu—O and a reaction layer 6 mainly composed of Ti—O. Structure. These reaction layers 5 and 6 further contain a small amount of Al.
i 3 (Cu, Al) consisting etc. 3 O, and the reaction layer 6 is made of (Ti, Al) O and (Ti, Al) such as O 2.
The reaction layers 5 and 6 containing these active metals (Ti) vary depending on the bonding conditions and the like, and there may be a case where only the reaction layer 5 mainly composed of Ti—Cu—O is used.
【0022】本発明の接合構造体4は、上述したTiな
どの活性金属を含む第1の反応層4とは別に、アルミナ
部材1との界面側に生成されたCu−Al−Oから主と
してなる第2の反応層7を有している。この第2の反応
層7は本発明を特徴付ける界面反応層であり、このよう
なTiなどの活性金属を実質的に含まない第2の反応層
7をアルミナ部材1との界面側に生成することによっ
て、アルミナ−金属接合構造体4の機械的特性や耐食性
などを向上させることが可能となる。The joining structure 4 of the present invention is mainly composed of Cu-Al-O generated on the interface side with the alumina member 1 separately from the first reaction layer 4 containing an active metal such as Ti described above. It has a second reaction layer 7. The second reaction layer 7 is an interfacial reaction layer that characterizes the present invention, and forms a second reaction layer 7 substantially free of such an active metal such as Ti on the interface side with the alumina member 1. This makes it possible to improve the mechanical properties, corrosion resistance, and the like of the alumina-metal joint structure 4.
【0023】すなわち、Tiなどの活性金属を実質的に
含まないCu−Al−Oから主としてなる第2の反応層
7は金属的性質を有し、セラミックス的な特性を示すT
i3Cu3 OやTiOに比べてはるかに軟らかい。この
ような軟らかい反応層7を接合界面に生成することによ
って、アルミナ−金属接合構造体4の強度や破壊靭性値
を向上させることができる。これは第2の反応層7が破
壊の原因となるおそれがないばかりか、軟らかい第2の
反応層7が緩衝材的な役割を果たすため、接合構造体4
の強度や破壊靭性値を高めることができる。さらに、C
u−Al−Oから主としてなる第2の反応層7は耐食性
にも優れるため、アルミナ−金属接合構造体4の耐食性
の向上に寄与する。That is, the second reaction layer 7 mainly composed of Cu—Al—O substantially not containing an active metal such as Ti has metallic properties, and exhibits a ceramic-like property.
It is much softer than i 3 Cu 3 O or TiO. By generating such a soft reaction layer 7 at the bonding interface, the strength and fracture toughness value of the alumina-metal bonded structure 4 can be improved. This is because there is no possibility that the second reaction layer 7 may cause a destruction, and the soft second reaction layer 7 plays a role of a cushioning material.
Can increase the strength and fracture toughness of the steel. Further, C
Since the second reaction layer 7 mainly composed of u-Al-O also has excellent corrosion resistance, it contributes to improving the corrosion resistance of the alumina-metal joint structure 4.
【0024】上述したようなTiなどの活性金属を実質
的に含まないCu−Al−Oから主としてなる第2の反
応層7は、必ずしも接合界面に連続的に形成しなければ
ならないものではなく、図1に示したように不連続に形
成されていても、その効果を発揮するものである。Cu
−Al−Oから主としてなる第2の反応層7の形成量は
特に限定されるものではなく、接合構造体4の強度や破
壊靭性値の向上効果や耐食性の向上効果が得られる程度
であれば不連続状態であってもよい。The second reaction layer 7 mainly composed of Cu—Al—O substantially free of an active metal such as Ti as described above does not necessarily have to be formed continuously at the bonding interface. Even if they are formed discontinuously as shown in FIG. 1, the effect is exhibited. Cu
The amount of the second reaction layer 7 mainly composed of —Al—O is not particularly limited, as long as the effect of improving the strength and fracture toughness of the joint structure 4 and the effect of improving the corrosion resistance can be obtained. It may be in a discontinuous state.
【0025】上述したようなアルミナ−金属接合構造体
4は、例えば以下のようにして作製することができる。
以下では、金属部材3としてAg−Cu−Ti複合体を
用いる場合を例として説明する。The above-described alumina-metal joint structure 4 can be manufactured, for example, as follows.
Hereinafter, a case where an Ag—Cu—Ti composite is used as the metal member 3 will be described as an example.
【0026】まず、アルミナ部材1と金属部材3とを積
層する。この際、金属部材3は前述したように、Ag−
Cu−Ti合金箔、Ag−Cu合金箔とTi箔との積層
体、Ag−Cu合金粉とTi粉との混合体、Ag箔、C
u箔およびTi箔の積層体、Ag粉、Cu粉およびTi
粉の混合体など、種々の形態のものを使用することがで
きる。Ag−Cuは共晶組成もしくはその近傍組成を用
いることが好ましい。アルミナ部材1として単結晶アル
ミナを用いる場合、接合面を構成する結晶面は特に限定
されるものではなく、(0001)面、 (101(バー)0)面、
(112(バー)0)面などの種々の結晶面を接合面とするこ
とができる。First, the alumina member 1 and the metal member 3 are laminated. At this time, the metal member 3 is made of Ag-
Cu-Ti alloy foil, laminate of Ag-Cu alloy foil and Ti foil, mixture of Ag-Cu alloy powder and Ti powder, Ag foil, C
laminate of u foil and Ti foil, Ag powder, Cu powder and Ti
Various forms such as a mixture of powders can be used. Ag-Cu preferably uses a eutectic composition or a composition in the vicinity thereof. When single-crystal alumina is used as the alumina member 1, the crystal planes constituting the bonding surface are not particularly limited, and include (0001) plane, (101 (bar) 0) plane,
Various crystal planes such as the (112 (bar) 0) plane can be used as the bonding plane.
【0027】なお、本発明の接合構造体を得る上では、
上述したようにアルミナ部材1と金属部材3とを積層し
たもののみでよいが、他の金属部材やセラミックス部材
などをさらに接合する際には、金属部材3の上に接合し
ようとする他の部材を配置することができる。In order to obtain the joint structure of the present invention,
As described above, only the laminate of the alumina member 1 and the metal member 3 may be used. However, when further joining other metal members or ceramic members, another member to be joined on the metal member 3 is required. Can be arranged.
【0028】上述したようなアルミナ部材1と金属部材
3との積層物に対して、例えば10-5Pa以下の高真空雰囲
気中で熱処理を施す。熱処理は積層物に加圧した状態で
実施してもよいし、また加圧することなく熱処理を施し
てもよい。The laminate of the alumina member 1 and the metal member 3 as described above is subjected to a heat treatment in a high vacuum atmosphere of, for example, 10 -5 Pa or less. The heat treatment may be performed with the laminate pressed, or may be performed without pressure.
【0029】熱処理温度は少なくともAg−Cu共晶合
金の共晶温度(1051K) 以上とするが、特に1123〜 1273K
の範囲とすることが好ましい。熱処理温度が 1123K未満
であるとTiの活性度を十分に高めることができず、C
uとアルミナ部材1との直接反応を引き起こすことがで
きない。一方、熱処理温度が 1273Kを超えると逆にTi
の活性が高くなりすぎ、第2の反応層7へのTiの浸入
などを招くおそれがある。また、上述したような温度に
よる熱処理は 100秒以上の範囲で実施することが好まし
い。熱処理時間が 100秒未満であると、Tiによる活性
反応が十分に得られず、Cuとアルミナ部材1との直接
反応を引き起こすことができない。The heat treatment temperature is at least equal to or higher than the eutectic temperature (1051K) of the Ag-Cu eutectic alloy.
It is preferable to be within the range. If the heat treatment temperature is lower than 1123K, the activity of Ti cannot be sufficiently increased, and C
A direct reaction between u and the alumina member 1 cannot be caused. On the other hand, if the heat treatment temperature exceeds 1273K,
Has an excessively high activity, which may lead to infiltration of Ti into the second reaction layer 7 and the like. Further, the heat treatment at the above-described temperature is preferably performed for a period of 100 seconds or more. If the heat treatment time is less than 100 seconds, a sufficient activation reaction by Ti cannot be obtained, and a direct reaction between Cu and the alumina member 1 cannot be caused.
【0030】上述したように、アルミナ部材1と金属部
材3との積層物に対して、高真空雰囲気中にて1123〜 1
273Kの範囲の温度で 100秒以上の熱処理を施すことによ
り、Cuとアルミナ部材1との直接反応が生起され、T
iなどの活性金属を実質的に含まないCu−Al−Oか
ら主としてなる第2の反応層7を、アルミナ部材1との
界面側に生成することができる。As described above, the laminate of the alumina member 1 and the metal member 3 is placed in a high vacuum atmosphere in the
By performing a heat treatment at a temperature in the range of 273 K for 100 seconds or more, a direct reaction between Cu and the alumina member 1 occurs, and T
A second reaction layer 7 mainly composed of Cu—Al—O substantially not containing an active metal such as i can be formed on the interface side with the alumina member 1.
【0031】[0031]
【実施例】次に、本発明の具体的な実施例について述べ
る。Next, specific examples of the present invention will be described.
【0032】実施例 まず、純度99.99%のサファイア基板(α−Al2 O3 の
単結晶体)を、(0001)面、 (101(バー)0)面、 (112(バ
ー)0)面などの様々な低指数の面に対して平行に、最大
0.25μm 粒径のダイアモンド砥粒を用いて研磨した。各
基板の大きさは10× 2× 0.5mmとした。EXAMPLE First, a sapphire substrate having a purity of 99.99% (a single crystal of α-Al 2 O 3 ) was placed on a (0001) plane, a (101 (bar) 0) plane, a (112 (bar) 0) plane, or the like. Parallel to various low-index surfaces of
Polishing was performed using diamond abrasive grains having a particle size of 0.25 μm. The size of each substrate was 10 × 2 × 0.5 mm.
【0033】上述したようなサファイア基板をそれぞれ
2枚用い、これら 2枚のサファイア基板の間に厚さ 100
μm のAg−Cu−Ti合金シートを介在させて、図2
(a)に示すように、サファイア11/Ag−Cu−T
i合金12/サファイア11の積層体とした。Ag−C
u−Ti合金シートとしては、 66.7wt%Ag− 28.4wt%
Cu−4.9wt%Ti組成の活性金属ろう材を使用した。Each of the sapphire substrates described above was
Use two sapphire substrates with a thickness of 100
FIG. 2 with a μm Ag—Cu—Ti alloy sheet interposed.
As shown in (a), sapphire 11 / Ag-Cu-T
A laminate of i-alloy 12 / sapphire 11 was obtained. Ag-C
66.7wt% Ag-28.4wt% as u-Ti alloy sheet
An active metal brazing material having a Cu-4.9 wt% Ti composition was used.
【0034】このサファイア11/Ag−Cu−Ti合
金12/サファイア11の積層体に対して、 5×10-5Pa
以下の高真空雰囲気中でAg−Cu合金の共晶温度(105
1K)以上の 1173Kの温度で熱処理を施して、図2(b)
に示すようなろう付け接合体13を得た。熱処理時間は
300秒とし、ろう付け時は圧力を加えなかった。熱処理
は 5K/min の昇温速度で 1173Kまで昇温し、その温度で
300秒間保持した後、約 20K/minの冷却速度で炉冷し
た。The laminated body of sapphire 11 / Ag—Cu—Ti alloy 12 / sapphire 11 has a density of 5 × 10 −5 Pa
In the following high vacuum atmosphere, the eutectic temperature (105
1K) and heat treatment at a temperature of 1173K or more.
A brazed joint 13 as shown in FIG. Heat treatment time is
The pressure was 300 seconds and no pressure was applied during brazing. In the heat treatment, the temperature was raised to 1173K at a rate of 5K / min,
After holding for 300 seconds, the furnace was cooled at a cooling rate of about 20 K / min.
【0035】図2(b)に示したように、得られたろう
付け接合体13を接合面に対して垂直方向に低速ダイア
モンドソーで切断(切断面S)し、最大粒径0.25μm の
ダイアモンド砥粒を有する研磨ディスクを用いて、切断
面を機械的に研磨した。次に、電気的な透過性を得るた
めに、サファイア11/Ag−Cu−Ti合金12/サ
ファイア11の接合物を、FIB(Focused Ion Beam)処
理装置を用いて図3に示すような形状に加工した。As shown in FIG. 2 (b), the obtained brazed joint 13 is cut perpendicularly to the joining surface by a low-speed diamond saw (cut surface S), and a diamond abrasive having a maximum grain size of 0.25 μm is cut. The cut surface was mechanically polished using a polishing disk having grains. Next, in order to obtain electrical transparency, the sapphire 11 / Ag—Cu—Ti alloy 12 / sapphire 11 joint was formed into a shape as shown in FIG. 3 using a FIB (Focused Ion Beam) processing apparatus. processed.
【0036】ここでは、一片の切断された接合部を走査
イオン顕微鏡上に直角にマウントし、Ga+ イオンのF
IBを所望部分に走査して、その材料をスパッタリング
した。イオンビームは試料の厚さ方向に向けられるの
で、アルミナ、ろう付け金属および反応相の厚さの均一
性はおおむね保持される。FIB操作を制御することに
よって、接合部14の厚さを60nm以下とすることができ
る。In this case, one piece of the cut junction is mounted at right angles on a scanning ion microscope, and the Ga + ion F
The IB was scanned over the desired portion and the material was sputtered. Since the ion beam is directed through the thickness of the sample, the thickness uniformity of the alumina, braze metal and reaction phase is generally maintained. By controlling the FIB operation, the thickness of the bonding portion 14 can be reduced to 60 nm or less.
【0037】このことはナノメータースケールの分析に
非常に重要なことである。サファイアとろう付け金属と
のスパッタリング速度の差はおよそ10倍(30kVで加速さ
れたGa+ イオン使用時)であるため、この技術はセラ
ミックス−金属複合体に対して大きな効果を示すもので
ある。This is very important for nanometer-scale analysis. Since the difference in sputtering rate between sapphire and brazing metal is about 10 times (when using Ga + ions accelerated at 30 kV), this technique has a great effect on ceramic-metal composites.
【0038】上述した処理を施した試料のTEM観察像
を模式化して図4に示す。図4に示すように、Ag−C
u共晶合金12′とAl2 O3 11との間に反応層15
が生成していることが分かる。次いで、反応層15の部
分のナノプローブ分析を、FE−TEMを用いて実施し
た。最小プローブ直径は 0.5nmであった。FIG. 4 schematically shows a TEM observation image of the sample subjected to the above-described treatment. As shown in FIG.
Reaction layer 15 between u eutectic alloy 12 ′ and Al 2 O 3 11
Is generated. Next, nanoprobe analysis of the reaction layer 15 was performed using FE-TEM. The minimum probe diameter was 0.5 nm.
【0039】ナノプローブを用いたTEM観察像を模式
化して図5に示す。図5において、点5の部分はAl2
O3 であり、点1〜点4は反応層15の部分である。反
応層15の各部分(点1〜点4)は別種の反応層(点2
と点3を除く)である。点1の部分の反応生成物(1)
は比較的大きな粒子から形成された多結晶構造を持ち、
この粒界は非常に平坦である。これはこの層が再結晶し
たことを示している。全ての粒子はAl2 O3 と明確な
配向関係を示さずに不規則に配向していた。この構造は
基板の面方向と関係なく、全てのサファイア基板の表面
で観察された。FIG. 5 schematically shows a TEM observation image using a nanoprobe. In FIG. 5, the portion at point 5 is Al 2
O 3 , and points 1 to 4 correspond to the reaction layer 15. Each part (points 1 to 4) of the reaction layer 15 is a different kind of reaction layer (point 2).
And point 3). Reaction product of point 1 (1)
Has a polycrystalline structure formed from relatively large particles,
This grain boundary is very flat. This indicates that this layer has recrystallized. All particles were randomly oriented without showing a clear orientation relationship with Al 2 O 3 . This structure was observed on the surface of all sapphire substrates regardless of the plane direction of the substrate.
【0040】点2および点3の部分の反応生成物(2)
は、Al2 O3 (5)と反応生成物(1)との間に形成
された多結晶層であり、層の厚さは粒子の形状や大きさ
の局所変動により、10〜50nmの間で変化していた。この
反応生成物(2)もAl2 O3 (5)や反応生成物
(1)と明確な配向関係を示さなかった。Reaction products (2) at points 2 and 3
Is a polycrystalline layer formed between Al 2 O 3 (5) and the reaction product (1), and the thickness of the layer is between 10 and 50 nm due to local variations in the shape and size of the particles. Was changing. This reaction product (2) did not show a clear orientation relationship with Al 2 O 3 (5) or the reaction product (1).
【0041】反応生成物(1)および(2)の化学組成
を判定するために、EDS/EELS分析を行った。ビ
ーム直径は約 0.5nmであり、これはナノ構造の反応界面
を解析するのに十分小さい。図6に典型的なEDSスペ
クトラムを示す。反応生成物(1)、(2)はTi、C
u、Alの各原子を含有する。ここで、反応生成物
(2)ではTiが優性であった。さらに、各反応生成物
(1)、(2)において、酸素の存在がEELSにより
確認された。EDS / EELS analysis was performed to determine the chemical composition of the reaction products (1) and (2). The beam diameter is about 0.5 nm, which is small enough to analyze the nanostructured reaction interface. FIG. 6 shows a typical EDS spectrum. Reaction products (1) and (2) are Ti, C
It contains each atom of u and Al. Here, Ti was dominant in the reaction product (2). Further, in each of the reaction products (1) and (2), the presence of oxygen was confirmed by EELS.
【0042】上述した組成分析結果と電子回折による結
晶構造解析から、反応生成物(2)はTiOであり、ま
た反応生成物(1)はTi−Cu−O組成物、おそらく
Ti3 Cu3 Oである。これらの 2相は少量のAlを含
有するため、TiO(Al)よびTi3 (Cu,Al)
3 Oを形成しているものと考えられる。なお、点3の部
分の反応生成物は、Al含有量が若干多いことを除い
て、点2の部分の反応生成物(2)と同じである。From the results of the above composition analysis and the crystal structure analysis by electron diffraction, the reaction product (2) is TiO, and the reaction product (1) is a Ti—Cu—O composition, probably Ti 3 Cu 3 O It is. Since these two phases contain a small amount of Al, TiO (Al) and Ti 3 (Cu, Al)
It is considered that 3 O was formed. The reaction product at the point 3 is the same as the reaction product (2) at the point 2 except that the Al content is slightly higher.
【0043】図7に、点4の部分の反応生成物(4)の
EDSスペクトラムを示す。図7から明らかなように、
点4の部分はCu、Al、Oを含有するが、Tiはほと
んど存在していない。このCu−Al−Oからなる反応
生成物(4)の結晶構造は明らかではないが、Tiを実
質的に含まない反応生成物が存在していたことは明確で
あり、これはCuとサファイアが直接反応したことを示
している。このような多重界面構造はサファイア基板の
結晶面にかかわらず生成した。FIG. 7 shows the EDS spectrum of the reaction product (4) at the point 4 portion. As is clear from FIG.
The portion at point 4 contains Cu, Al and O, but hardly any Ti. Although the crystal structure of the reaction product (4) composed of Cu-Al-O is not clear, it is clear that a reaction product substantially containing no Ti was present. It shows that it reacted directly. Such a multiple interface structure was generated regardless of the crystal plane of the sapphire substrate.
【0044】上述したように、界面反応層15はTi3
(Cu,Al)3 OやTiO(Al)からなるTiを含
む反応層と、実質的にTiを含まないCu−Al−Oか
らなる反応層とを有している。このうち、Cu−Al−
Oからなる反応層は本発明の接合構造体における特徴的
な反応層であり、これは金属的性質を有し、セラミック
ス的な特性を示すTi3 (Cu,Al)3 OやTiO
(Al)に比べてはるかに軟らかいものである。このよ
うな軟らかい反応層を接合界面に生成することによっ
て、アルミナ−金属接合構造体の強度や破壊靭性値を向
上させることができ、また耐食性の向上などにも寄与す
る。As described above, the interface reaction layer 15 is made of Ti 3
It has a reaction layer containing Ti made of (Cu, Al) 3 O or TiO (Al) and a reaction layer made of Cu—Al—O containing substantially no Ti. Among them, Cu-Al-
The reaction layer made of O is a characteristic reaction layer in the joint structure according to the present invention, and has a metallic property and has a ceramic property such as Ti 3 (Cu, Al) 3 O or TiO 2.
It is much softer than (Al). By forming such a soft reaction layer at the bonding interface, the strength and fracture toughness of the alumina-metal bonded structure can be improved, and it also contributes to the improvement of corrosion resistance.
【0045】なお、厚さ 1〜 2μm 程度のTi3 Cu3
O反応層は、全てのサファイア11/Ag−Cu−Ti
合金12接合体でに常に観察されたが、それより薄いT
iO層は観察されない場合もあった。不規則な形状のT
iO粒子は連続した層というよりむしろ間隔を持って存
在していた。It should be noted that Ti 3 Cu 3 having a thickness of about 1 to 2 μm is used.
The O reaction layer is made of all sapphire 11 / Ag-Cu-Ti
Although always observed in alloy 12 joints, a thinner T
In some cases, the iO layer was not observed. T of irregular shape
The iO particles were present at intervals rather than in continuous layers.
【0046】[0046]
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば活
性金属を実質的に含まないCu−Al−Oから主として
なる反応層によって、アルミナ−金属接合構造体の界面
反応層の強度や破壊靭性値、さらには耐食性などを高め
ることができる。従って、機械的特性や耐食性などを向
上させたアルミナ−金属接合構造体を提供することが可
能となる。As described above, according to the present invention, the strength and destruction of the interface reaction layer of the alumina-metal bonded structure can be improved by the reaction layer mainly composed of Cu-Al-O containing substantially no active metal. The toughness value, and further, the corrosion resistance and the like can be increased. Therefore, it is possible to provide an alumina-metal bonded structure having improved mechanical properties and corrosion resistance.
【図1】 本発明の一実施形態による接合構造体の要部
構造を模式的に示す断面図である。FIG. 1 is a cross-sectional view schematically illustrating a main structure of a joint structure according to an embodiment of the present invention.
【図2】 本発明の実施例による接合体の作製過程を示
す図である。FIG. 2 is a view showing a process of manufacturing a joined body according to an embodiment of the present invention.
【図3】 本発明の実施例において接合体のTEM観察
を実施した際の試料の加工形状を示す図である。FIG. 3 is a diagram showing a processed shape of a sample when a TEM observation of a joined body is performed in an example of the present invention.
【図4】 本発明の実施例による接合体のTEM観察結
果を模式的に示す図である。FIG. 4 is a diagram schematically showing a TEM observation result of a joined body according to an example of the present invention.
【図5】 本発明の実施例による接合体のナノプローブ
を用いたTEM観察結果を模式的に示す図である。FIG. 5 is a diagram schematically showing a TEM observation result using a nanoprobe of a conjugate according to an example of the present invention.
【図6】 本発明の実施例による接合体の第1の反応層
部分のEDSスペクトラムを示す図である。FIG. 6 is a view showing an EDS spectrum of a first reaction layer portion of the joined body according to the embodiment of the present invention.
【図7】 本発明の実施例による接合体の第2の反応層
部分のEDSスペクトラムを示す図である。FIG. 7 is a diagram showing an EDS spectrum of a second reaction layer portion of the joined body according to the embodiment of the present invention.
1……アルミナ部材 2……界面反応層 3……金属部材 4……第1の反応層 7……第2の反応層 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Alumina member 2 ... Interface reaction layer 3 ... Metal member 4 ... First reaction layer 7 ... Second reaction layer
Claims (6)
と、前記第1の部材と界面反応層を介して接合され、少
なくともCuおよび活性金属を含む第2の部材とを具備
する接合構造体において、 前記界面反応層は、前記活性金属を含む第1の反応層
と、前記第1の部材との界面側に生成されたCu−Al
−Oから主としてなる第2の反応層とを有することを特
徴とする接合構造体。1. A joint structure comprising: a first member mainly made of alumina; and a second member joined to the first member via an interface reaction layer and containing at least Cu and an active metal. The interface reaction layer includes a first reaction layer containing the active metal and Cu-Al generated on an interface side between the first reaction layer and the first member.
And a second reaction layer mainly composed of -O.
からなり、かつ前記第2の部材は少なくともCuを含む
ろう材と活性金属との複合体からなることを特徴とする
接合構造体。2. The joining structure according to claim 1, wherein the first member is made of single-crystal alumina or polycrystalline alumina, and the second member is a composite of a brazing material containing at least Cu and an active metal. A joint structure comprising a body.
体において、 前記活性金属はTi、ZrおよびHfから選ばれる少な
くとも 1種であることを特徴とする接合構造体。3. The bonding structure according to claim 1, wherein the active metal is at least one selected from Ti, Zr, and Hf.
体。4. The joint structure according to claim 3, wherein the active metal is Ti.
面側に生成されたTi−Cu−Oから主としてなる反応
層を有することを特徴とする接合構造体。5. The bonding structure according to claim 1, wherein the first reaction layer containing Ti is a reaction layer mainly composed of Ti—Cu—O generated on the interface side with the second member. A joining structure characterized by having.
層との界面側に生成されたTi−Oから主としてなる反
応層を有することを特徴とする接合構造体。6. The bonding structure according to claim 5, wherein the first reaction layer containing Ti further includes a reaction layer mainly composed of Ti—O generated on the interface side with the second reaction layer. A joining structure characterized by having.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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JP10187681A JP2000016878A (en) | 1998-07-02 | 1998-07-02 | Bonded structure |
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Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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WO2019082970A1 (en) * | 2017-10-27 | 2019-05-02 | 三菱マテリアル株式会社 | Bonded body and insulated circuit board |
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-
1998
- 1998-07-02 JP JP10187681A patent/JP2000016878A/en active Pending
Cited By (3)
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