JP2004203650A

JP2004203650A - セラミック部材の洗浄方法

Info

Publication number: JP2004203650A
Application number: JP2002373174A
Authority: JP
Inventors: Koji Yokoyama; 浩司横山; Riichi Uotome; 利一魚留; Makoto Soma; 誠相馬; Shinjiro Noma; 真二郎野間
Original assignee: Matsushita Electric Works Ltd
Current assignee: Panasonic Electric Works Co Ltd
Priority date: 2002-12-24
Filing date: 2002-12-24
Publication date: 2004-07-22

Abstract

【課題】セラミック部材と金属部材との接合強度を高めることができるセラミック部材の洗浄方法を提供する。
【解決手段】セラミック部材１に金属部材をロウ付けする前に、セラミック部材１のロウ付けする部分にプラズマ３を供給する。セラミック部材１の表面のロウ付けする部分に付着した有機物をプラズマ３により除去することができ、上記の有機物がセラミック部材１と金属部材との接合を阻害するようなことがなくなる。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、セラミックで形成されるセラミック部材と金属で形成される金属部材とをロウ付けする前に行われるセラミック部材の洗浄方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、セラミック部材と金属部材をロウ付けにより接合することが行われている（例えば、特許文献１〜４参照）。
【０００３】
特許文献１には、アルミナセラミックス絶縁筒にＦｅ−Ｎｉ合金やＦｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金で形成されるフランジ板や中間シールド体をロウ付けした真空開閉器が記載されている。
【０００４】
特許文献２には、アルミナ円板の表面にコバール製の管をロウ付けするセラミックスと金属の接合方法が記載されている。
【０００５】
特許文献３には、複数個の半導体素子を装着したセラミック基板に金属製の蓋部を半田層により融着したセラミックパッケージの封止方法が記載されている。
【０００６】
特許文献４には、セラミック端子板を金属容器に半田付けして接合するセラミック端子板の気密接合方法が記載されている。
【０００７】
【特許文献１】
特開昭５６−１９８３３号公報（特許請求の範囲等）
【特許文献２】
特開昭５８−５５３８３号公報（特許請求の範囲等）
【特許文献３】
特開昭６１−６７９４０号公報（特許請求の範囲等）
【特許文献４】
特開昭６１−１０５８５８号公報（特許請求の範囲等）
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記特許文献１〜４に記載のようなセラミック部材の表面には製造時における焼結工程等で有機物が付着していることが多く、この有機物がセラミック部材と金属部材との接合を阻害して接合強度が低いという問題があった。
【０００９】
本発明は上記の点に鑑みてなされたものであり、セラミック部材と金属部材との接合強度を高めることができるセラミック部材の洗浄方法を提供することを目的とするものである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明の請求項１に係るセラミック部材の洗浄方法は、セラミック部材１に金属部材２をロウ付けする前に、セラミック部材１のロウ付けする部分にプラズマ３を供給することを特徴とするものである。
【００１１】
また、本発明の請求項２に係るセラミック部材の洗浄方法は、セラミック部材１のロウ付けする部分に供給されるプラズマ３が酸素プラズマであることを特徴とするものである。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を説明する。
【００１３】
セラミック部材１としては、アルミナ、石英ガラスなどの公知のセラミック材料を用いて、板状や箱状等の所望の形状に形成されたものを例示することができる。
【００１４】
金属部材２としては、銅、アルミニウム、ステンレス鋼、Ｆｅ−Ｎｉ合金などの公知の金属材料を用いて、板状等の所望の形状に形成されたものを例示することができる。
【００１５】
上記のセラミック部材１と金属部材２をロウ付け（ロウ接合）するためのロウ材４としては、加熱により溶融する低融点の金属材料で形成することができ、例えば、Ａｇ−Ｃｕ−Ｔｉ合金やＭｏ−Ｍｎ合金など、従来からロウ付けに使用されているものを用いることができる。
【００１６】
図２（ａ）（ｂ）に本発明の洗浄装置の一例を示す。この洗浄装置は、円管等の真っ直ぐな筒状に形成される反応容器１０の外周の全周に亘って複数（一対）の電極１３、１４を接触させて設けると共に電極１３、１４を上下に対向させて配置することによって形成されており、電極１３、１４の間に対応する位置において反応容器１０内の空間が放電空間２１として形成されている。また、電極１３、１４は交流（高周波）またはパルス状の電圧を発生する電源１１と電気的に接続されており、上側に配置される一方の電極１３は高圧電極として、下側に配置される他方の電極１４は低圧電極（接地電極）としてそれぞれ形成されている。尚、電極１３、１４はそれぞれ一個ずつ以上あれば何個あっても良い。また、反応容器１０の内径は適宜設定可能であるが、例えば、０．１〜１０ｍｍに形成することができる。
【００１７】
反応容器１０は高融点の絶縁材料（誘電体材料）で形成されるものである。反応容器１０を構成する絶縁材料の誘電率は放電空間２１におけるプラズマの低温化の重要な要素であって、具体的には絶縁材料として、石英、アルミナ、イットリア部分安定化ジルコニウムなどのガラス質材料やセラミック材料などを例示することができる。また、反応容器１０の上面はガス導入口１５として略全面に亘って開放されていると共に反応容器１０の下面は吹き出し口１２として略全面に亘って開放されている。このガス導入口１５と吹き出し口１２は反応容器１０内の放電空間２１と連通するものである。
【００１８】
電極１３、１４は、例えば、銅、アルミニウム、真鍮、耐食性の高いステンレス鋼（ＳＵＳ３０４など）などの導電性の金属材料で形成することができる。また、電極１３、１４は環状に形成されているが、その内周形状は反応容器１０の外周形状に対応して円環状（リング状）に形成されている。そして、電極１３、１４の内側に反応容器１０を挿着することによって、反応容器１０の外周に電極１３、１４が取り付けられている。この時、電極１３、１４の内周面は反応容器１０の外周面に全周に亘って接触させて配置していると共に電極１３、１４は吹き出し口１２の上方において上下に対向させて配置されている。また、電極１３、１４の間隔は放電空間２１においてプラズマ３を安定に生成するために３〜２０ｍｍに設定するのが好ましい。
【００１９】
電源１１としては、交流またはパルス状の電圧を発生するものであって、プラズマ３を放電空間２１で連続的に生成するのに必要な電圧（例えば、０．５〜５ｋＶ）を発生し、反応容器１０内の放電空間２１において上記の電圧を電極１３、１４間に印加することができるものを用いる。本発明において電極１３、１４間に印加する電圧が交流電圧の場合は、その周波数を１ｋＨｚ〜２００ＭＨｚに設定するのが好ましい。交流電圧の周波数が１ｋＨｚ未満であれば、放電空間２１での放電を安定化させることができなくなり、プラズマ処理を効率よく行うことができなくなる恐れがある。また、交流電圧の周波数が２００ＭＨｚを超えると、放電空間２１でのプラズマ３の温度上昇が著しくなり、反応容器１０や電極１３、１４の寿命が短くなる恐れがあり、しかも、被洗浄物であるセラミック部材１が熱的損傷を受けたり、装置が複雑化及び大型化する恐れがある。また本発明において放電空間２１に発生する（印加する）印加電力の密度は２０〜３５００Ｗ／ｃｍ^３に設定するのが好ましい。この印加電力の密度が２０Ｗ／ｃｍ^３未満であれば、放電空間２１でプラズマ３を充分に発生させることができなくなり、逆に、印加電力の密度が３５００Ｗ／ｃｍ^３を超えると、安定した放電を得ることができなくなる恐れがある。尚、印加電力の密度（Ｗ／ｃｍ^３）は、（放電空間２１に投入される電力／放電空間２１の体積）で定義される。
【００２０】
本発明ではプラズマ生成用ガスとして、希ガスや窒素ガスをそれぞれ単独で用いたりあるいは希ガスと反応性ガスの混合気体を用いたりすることができる。希ガスとしてはヘリウム、アルゴン、ネオンなどを例示することができ、これらを単独で用いたり併用したりすることができる。反応性ガスとしては酸素ガス、水素ガスなどを例示することができるが、本発明ではセラミック部材１から除去する汚染物が脂肪族系化合物などの炭素を主成分とする有機物であるので、酸素ガスを用いるのが好ましい。
【００２１】
プラズマ生成用ガスの希ガスとしてアルゴンとヘリウムの混合ガスを用いる場合は、反応容器１０に供給されるアルゴンとヘリウムの総流量に対してヘリウムの流量が１０〜３０ｖｏｌ％にするのが好ましい。ヘリウムの流量が１０ｖｏｌ％未満であれば、アーク放電の発生を抑える効果が低くなる恐れがあり、ヘリウムの流量が３０ｖｏｌ％を超えると、相対的にアルゴンの流量が低くなってプラズマ３を効率よく生成することができなくなってプラズマ洗浄の効率が低くなる恐れがある。
【００２２】
また、プラズマ生成用ガスの反応性ガスとして酸素ガスを用いる場合は、反応容器１０に供給されるプラズマ生成用ガスの総流量に対して酸素ガスの流量が０．５〜５ｖｏｌ％に設定するのが好ましく、これにより、反応容器１０内でプラズマ３（酸素プラズマ）が効率的に生成されて有機物の除去性能を大きくすることができ、同時にセラミック部材１に対するアーク放電も防止することができるものである。酸素ガスの流量が０．５ｖｏｌ％未満では、十分な有機物の除去性能が得られなくなる恐れがあり、一方、酸素ガスの流量が５ｖｏｌ％を超えると、放電が不安定になる恐れがある。尚、プラズマ生成用ガスの反応性ガスとして水素ガスを用いる場合は、反応容器１０に供給されるプラズマ生成用ガスの総流量に対して０．３〜３ｖｏｌ％の流量に設定するのが好ましい。
【００２３】
そして、上記のような洗浄装置を用いてセラミック部材１の表面の洗浄を行うにあたっては、次のようにして行う。まず、ガス導入口１５から反応容器１０内にプラズマ生成用ガスを導入すると共にプラズマ生成用ガスを反応容器１０内で上から下に向かって流して放電空間２１に導入する。次に、電源１１により電極１３、１４間にパルス状又は交流の電圧を印加し、この電圧の印加により放電空間２１にパルス状又は交流の電界を印加する（生じさせる）ことによって、大気圧近傍の圧力下（９３．３〜１０６．７ｋＰａ（７００〜８００Ｔｏｒｒ））で放電空間２１にグロー状の放電（誘電体バリア放電）を発生させると共にグロー状の放電でプラズマ生成用ガスをプラズマ化してプラズマ活性種（例えば、イオン、電子、ラジカル等）を含むプラズマ３を生成し、この後、図１に示すように、プラズマ３を吹き出し口１２から下方にプラズマジェット（ジェット状のプラズマ）として流出させ、吹き出し口１２の下側に配置されたセラミック部材１の表面にプラズマ３を吹き付けて（照射して）供給する。吹き出し口１２とセラミック部材１の表面との間の距離は吹き出し口１２から吹き出されるプラズマ３の流速、プラズマ生成用のガスの種類、セラミック部材１の厚みや形状等によって適宜設定可能であるが、例えば、２〜１０ｍｍに設定することができる。そして、このようにセラミック部材１の表面にプラズマ３を供給することによって、図３に示すように、プラズマ３に含まれている活性種６をセラミック部材１の表面に供給し、この活性種６によりセラミック部材１の表面に付着している有機物の汚染物をＣＯ_２などに分解することができ、これにより、セラミック部材１の表面から汚染物を除去して洗浄することができるものである。この後、図４に示すように、セラミック部材１の表面の洗浄した部分にロウ材４を用いたロウ付けにより金属部材２を接合するものである。ロウ付けは公知の方法を採用することができ、例えば、ロウ材４を介してセラミック部材１と金属部材２とを重ね合わせた後、加熱等によりロウ材４を溶融させ、この後冷却により再びロウ材４を固化させることによって、セラミック部材１と金属部材２とをロウ付けすることができる。
【００２４】
そして、本発明では、セラミック部材１に金属部材２をロウ付けする前に、セラミック部材１のロウ付けする部分にプラズマ３を供給するので、セラミック部材１の製造における焼成工程等でセラミック部材１の表面のロウ付けする部分に付着した有機物をプラズマ３により除去することができ、上記の有機物がセラミック部材１と金属部材２との接合を阻害するようなことがなくなって、セラミック部材１と金属部材２との接合強度を高めることができるものである。
【００２５】
また、プラズマ３として、酸素ガスを含有させたプラズマ生成用ガスを用いて生成される酸素プラズマを用いることによって、上記の洗浄効果に加えて、セラミック部材１の表面を過剰に酸化させて接合表面（ロウ付けする部分）に酸素（原子）が多く存在する活性状態にすることができ、ロウ材４の成分（例えば、ＴｉやＭｎなど）とセラミック部材１の表面の酸素とを化学結合させることができてセラミック部材１とロウ材４との接合強度を高めることができるものであり、この結果、セラミック部材１と金属部材２との接合強度もさらに高めることができるものである。
【００２６】
また、本発明ではセラミック部材１のロウ付けする部分のみに局所的（スポット的）にプラズマ３を供給して洗浄するのが好ましい。セラミック部材１にプラズマ３を供給して洗浄すると、有機物の除去によりロウ材４に対するセラミック部材１の表面の濡れ性が向上するが、ロウ付けしない部分まで濡れ性を向上させると、ロウ付けする際に不要な部分にまで溶融状態のロウ材４が流れ出して絶縁不良等が生じる恐れがある。そこで、本発明ではセラミック部材１のロウ付けする部分のみに局所的にプラズマ３を供給して洗浄するものであり、これにより、セラミック部材１のロウ付けしない部分の濡れ性を向上させないようにして溶融状態のロウ材４が流れ出すのを防止することができるものである。
【００２７】
尚、本発明は各種のセラミック部材１の洗浄に適用することができるが、例えば、電気自動車やハイブリッドカーなどに用いられるＥＶ(Electric Vehicle)リレーの筐体はセラミックで形成されているので、この筐体をセラミック部材１として洗浄した後、洗浄部分に固定接点等の金属部材２をロウ付けで接合することができる。
【００２８】
【実施例】
以下本発明を実施例によって具体的に説明する。
【００２９】
図１、２に示す洗浄装置（松下電工（株）製のスポット型大気圧プラズマ処理装置Aiplasma）を用いてセラミック部材１の洗浄を行った。セラミック部材１としては長さ５０ｍｍ、幅２０ｍｍ、厚み３ｍｍのアルミナ製の平板を用いた。洗浄装置の反応容器１０としては外径５ｍｍ、内径３ｍｍの石英ガラス管を用いた。また、電極１３、１４は銅製であって、高さ２０ｍｍ、外径が２３ｍｍ、内径が反応容器１０の外径よりやや大きい環状に形成されたものを用い、これら電極１３、１４を間隔５ｍｍで上下に対向させて反応容器１０の外周面に配設した。プラズマ生成用ガスとしては、Ａｒを１．７５リットル／分、酸素ガスを２２．１ｃｃ／ｍｉｎの割合で混合したものを用いて反応容器１０に導入した。そして、１００Ｗで１３．５６ＭＨｚの条件で高周波（交流）電圧を電極１３、１４間に印加し、大気圧下で酸素プラズマを発生させ、この酸素プラズマを吹き出し口１２から５ｍｍ下側で３０ｍｍ／秒の速度で搬送する上記セラミック部材１の表面に供給して洗浄（プラズマ処理）を行った。この洗浄はセラミック部材１の表面に設けた３ｍｍ幅のロウ付けする部分のみに施した。
【００３０】
そして、上記の洗浄を行ったセラミック部材１の表面をＸ線光電子分光法（ＸＰＳ）で分析した結果、炭素が１８％、酸素が５３％であった。これは、未洗浄のセラミック部材１の表面の分析結果の炭素２７％、酸素４４％に比べて、炭素が減少し、酸素が増加しているものである。従って、洗浄されたセラミック部材１の表面は、汚染物質である有機物が減少していると共に酸素が多く含まれて活性状態にあるといえる。
【００３１】
また、洗浄したセラミック部材１のロウ付け部分（洗浄部分）にロウ材４を用いて金属部材２をロウ付けした。ロウ材４としてはＡｇ−Ｃｕ−Ｔｉ合金を用い、金属部材２としては長さ３０ｍｍ、幅２ｍｍ、厚み１ｍｍのＦｅ−Ｎｉ合金製の平板を用いた。そして、ロウ付けした金属部材２のセラミック部材１に対する剥離強度（引張り強度）を測定した結果、１５ＭＰａとなり、未処理のセラミック部材１の表面に上記と同様にして金属部材２をロウ付けした場合の剥離強度１２ＭＰａに比べて、剥離強度が大きくなった。従って、洗浄によりセラミック部材１と金属部材２との接合強度を高めることができたものである。
【００３２】
【発明の効果】
上記のように本発明の請求項１の発明は、セラミック部材に金属部材をロウ付けする前に、セラミック部材のロウ付けする部分にプラズマを供給するので、セラミック部材の表面のロウ付けする部分に付着した有機物をプラズマにより除去することができ、上記の有機物がセラミック部材と金属部材との接合を阻害するようなことがなくなって、ロウ付けによりセラミック部材と金属部材との接合強度を高めることができるものである。
【００３３】
また、本発明の請求項２の発明は、セラミック部材のロウ付けする部分に供給されるプラズマが酸素プラズマであるので、セラミック部材の表面を過剰に酸化させてロウ付けする部分に酸素が多く存在する活性状態にすることができ、ロウ材の成分とセラミック部材の表面の酸素とを化学結合させることができてセラミック部材とロウ材との接合強度を高めることができるものであり、この結果、セラミック部材と金属部材との接合強度もさらに高めることができるものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態の一例を示す概略の正面図である。
【図２】同上の洗浄装置の一例を示し、（ａ）は斜視図、（ｂ）は断面図である。
【図３】同上の洗浄時の状態を模式的に示す説明図である。
【図４】同上のセラミック部材と金属部材のロウ付け状態を示す断面図である。
【符号の説明】
１セラミック部材
２金属部材
３プラズマ

Claims

セラミック部材に金属部材をロウ付けする前に、セラミック部材のロウ付けする部分にプラズマを供給することを特徴とするセラミック部材の洗浄方法
セラミック部材のロウ付けする部分に供給されるプラズマが酸素プラズマであることを特徴とする請求項１に記載のセラミック部材の洗浄方法。