JP2023085050A - metal joint - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、金属接合体に関する。具体的には、タングステン系部材を含む金属接合体に関する。 The present invention relates to a metal bonded body. Specifically, it relates to a metal bonded body including a tungsten-based member.
タングステン(W)を含むタングステン系部材(以下「W系部材」ともいう)は、融点が高く、かつ、熱膨張率が低いという特徴を有し、高温環境での信頼性に優れている。このため、W系部材は、ダイバータ、加速器、プラズマ放電装置、高温炉、薄膜形成装置等の高温環境に晒される超高温部品に使用される。一方、タングステンは、希少かつ高価な金属であり、かつ、加工が困難であるため、タングステン以外の金属を主成分とする部材(以下、「異種金属部材」ともいう)と接合された状態で用いられることが多い。例えば、材料コストや放熱性(熱伝導性)などの観点から、接合対象である異種金属部材の一例として、銅(Cu)を含む銅系部材(以下「Cu系部材」ともいう)が挙げられる。 Tungsten-based members containing tungsten (W) (hereinafter also referred to as “W-based members”) are characterized by a high melting point and a low coefficient of thermal expansion, and are excellent in reliability in high-temperature environments. Therefore, W-based materials are used for ultra-high-temperature parts exposed to high-temperature environments, such as divertors, accelerators, plasma discharge devices, high-temperature furnaces, and thin film forming devices. On the other hand, tungsten is a rare and expensive metal and is difficult to process, so it is used in a state of being joined to a member whose main component is a metal other than tungsten (hereinafter also referred to as a “dissimilar metal member”). often For example, from the viewpoint of material cost and heat dissipation (thermal conductivity), an example of a dissimilar metal member to be joined is a copper-based member containing copper (Cu) (hereinafter also referred to as a “Cu-based member”). .
W系部材とCu系部材との接合には、例えば、拡散接合(Diffusion Bonding Method)が用いられる。この拡散接合では、W系部材とCu系部材とを密着させた状態で加熱と加圧を同時に行う。これによって、W系部材とCu系部材との間に、W元素とCu元素とが相互に拡散したW-Cu拡散層が形成され、当該W-Cu拡散層を介してW系部材とCu系部材とが接合される。かかる拡散接合の一例が非特許文献1に開示されている。この非特許文献1に記載の拡散接合では、温度を980℃に設定し、圧力を106MPaに設定している。そして、非特許文献1では、上記条件の拡散接合によって、W系部材とCu系部材との間に厚さ22nm程度のW-Cu拡散層が形成されることが報告されている。
A diffusion bonding method, for example, is used to bond the W-based member and the Cu-based member. In this diffusion bonding, heating and pressurization are simultaneously performed while the W-based member and the Cu-based member are in close contact with each other. As a result, a W--Cu diffusion layer in which the W element and the Cu element are mutually diffused is formed between the W-based member and the Cu-based member. The members are joined together. An example of such diffusion bonding is disclosed in
しかしながら、上述した拡散接合は、接合対象に対して非常に強い圧力(10-1~102MPa(例えば2MPa以上)の圧力)を加える必要があるため、破損しやすい精密部品などへの適用が非常に困難である。また、拡散接合を適切に実施するには、接合対象を加熱しながら強い圧力を加えるための接合装置が必要になるため、設備コストが増大する原因にもなり得る。 However, the diffusion bonding described above requires application of a very strong pressure (pressure of 10 −1 to 10 2 MPa (for example, 2 MPa or more)) to the object to be bonded, so it cannot be applied to fragile precision parts. Very difficult. Moreover, in order to perform diffusion bonding appropriately, a bonding apparatus for applying strong pressure while heating the bonding target is required, which may cause an increase in equipment cost.
本発明は、上述の問題を解決するためになされたものであり、その主な目的は、強い圧力を加えることなく、W系部材とCu系部材との適切な接合を実現する新規な技術を提供することである。 The present invention has been made to solve the above-mentioned problems, and its main purpose is to develop a novel technique for realizing appropriate bonding between W-based members and Cu-based members without applying strong pressure. to provide.
上記目的を実現するべく、ここに開示される技術によって、以下の構成の金属接合体が提供される。 In order to achieve the above object, the technology disclosed herein provides a metal joined body having the following configuration.
ここに開示される金属接合体は、タングステン(W)を含むタングステン系部材と、タングステン系部材の表面に接合されており、白金(Pt)と銅(Cu)を含む中間層とを備えている。そして、ここに開示される金属接合体では、タングステン系部材の結晶粒界に、白金(Pt)と銅(Cu)を含むPt-Cu相が存在している。 The metal bonded body disclosed herein includes a tungsten-based member containing tungsten (W), and an intermediate layer bonded to the surface of the tungsten-based member and containing platinum (Pt) and copper (Cu). . In the metal bonded body disclosed herein, a Pt—Cu phase containing platinum (Pt) and copper (Cu) exists at the grain boundary of the tungsten-based member.
上記構成の金属接合体は、W系部材の表面に中間層が接合されている。かかる中間層は、Cu元素を含んでいるため、所定の温度で焼成するだけでCu系部材と適切に接合させることができる。さらに、この金属接合体では、W系部材の内部の結晶粒界にPt-Cu相が入り込んでいる。これによって、Pt元素とCu元素を含む中間層とW系部材とを適切に接合することができる。従って、ここに開示される金属接合体によると、中間層を介してW系部材とCu系部材とを積層させて焼成することによって、強い圧力を加えることなく、W系部材とCu系部材とを適切に接合することができる。 In the metal bonded body having the above structure, the intermediate layer is bonded to the surface of the W-based member. Since the intermediate layer contains the Cu element, it can be properly bonded to the Cu-based member only by firing at a predetermined temperature. Furthermore, in this metal bonded body, the Pt--Cu phase enters the grain boundary inside the W-based member. As a result, the intermediate layer containing the Pt element and the Cu element and the W-based member can be appropriately bonded. Therefore, according to the metal bonded body disclosed herein, by laminating the W-based member and the Cu-based member with the intermediate layer interposed therebetween and firing, the W-based member and the Cu-based member can be bonded together without applying a strong pressure. can be properly joined.
ここに開示される金属接合体の好適な一態様では、Pt-Cu相は、タングステン系部材と中間層との界面からタングステン系部材の内部に向かって10μm以内の領域に存在する。これによって、W系部材と中間層とをより適切に接合できる。 In a preferred aspect of the metal bonded body disclosed herein, the Pt—Cu phase exists in a region within 10 μm from the interface between the tungsten-based member and the intermediate layer toward the inside of the tungsten-based member. As a result, the W-based member and the intermediate layer can be bonded more appropriately.
ここに開示される金属接合体の好適な一態様では、タングステン系部材は、タングステン、窒化タングステン、炭化タングステン、炭窒化タングステン、タングステン複合材料からなる群から選択される一種である。ここに開示される技術は、これらのW系部材に特に好適に適用できる。また、上記タングステン複合材料の一例として、銅(Cu)、コバルト(Co)、ニッケル(Ni)、モリブデン(Mo)からなる群から選択される少なくとも一種の元素を含むタングステン複合材料が挙げられる。 In a preferred aspect of the metal bonded body disclosed herein, the tungsten-based member is one selected from the group consisting of tungsten, tungsten nitride, tungsten carbide, tungsten carbonitride, and tungsten composite materials. The technology disclosed herein can be applied particularly favorably to these W-based members. An example of the tungsten composite material includes a tungsten composite material containing at least one element selected from the group consisting of copper (Cu), cobalt (Co), nickel (Ni), and molybdenum (Mo).
ここに開示される金属接合体の好適な一態様では、中間層は、銅(Cu)よりも融点が低い銅合金を含有する。これによって、W系部材とCu系部材とを接合した後に、中間層やCu系部材にカーケンダルボイドが形成されることを防止できるため、W系部材とCu系部材とをより適切に接合することができる。なお、銅(Cu)よりも融点が低い銅合金の一例として、銅(Cu)と金(Au)との合金が挙げられる。 In a preferred aspect of the metal bonded body disclosed herein, the intermediate layer contains a copper alloy having a lower melting point than copper (Cu). As a result, it is possible to prevent Kirkendall voids from being formed in the intermediate layer or the Cu-based member after the W-based member and the Cu-based member are joined, so that the W-based member and the Cu-based member can be joined more appropriately. be able to. An example of a copper alloy having a melting point lower than that of copper (Cu) is an alloy of copper (Cu) and gold (Au).
ここに開示される金属接合体の好適な一態様では、中間層は、タングステン(W)を主成分とするW相と、白金(Pt)と銅(Cu)を含むPt-Cu相とが混在したW-Pt-Cu合金を含む。これによって、W系部材とCu系部材とをより適切に接合できる。 In a preferred aspect of the metal bonded body disclosed herein, the intermediate layer includes a W phase containing tungsten (W) as a main component and a Pt—Cu phase containing platinum (Pt) and copper (Cu). containing W--Pt--Cu alloys. As a result, the W-based member and the Cu-based member can be joined more appropriately.
また、上記W-Pt-Cu合金は、Pt-Cu相からなるマトリックス中に複数のW相が存在することによって構成されていることが好ましい。このように、W相とPt-Cu相とが混在した構造の中間層を形成することによって、W系部材とCu系部材とをより適切に接合できる。 Moreover, the W--Pt--Cu alloy is preferably composed of a plurality of W phases present in a matrix composed of a Pt--Cu phase. By forming the intermediate layer having a structure in which the W phase and the Pt--Cu phase are mixed in this way, the W-based member and the Cu-based member can be joined more appropriately.
以下、ここに開示される技術の一実施形態について説明する。なお、本明細書において特に言及している事項以外の事柄であって、ここに開示される技術の実施に必要な事柄は、当該分野における従来技術に基づく当業者の設計事項として把握され得る。ここに開示される技術は、本明細書に開示されている内容と当該分野における技術常識とに基づいて実施できる。なお、本明細書において、「A~B(A、Bは数値)」と記載した場合、「A以上B以下」を意味するものとする。 An embodiment of the technology disclosed herein will be described below. Matters other than those specifically referred to in this specification, and matters necessary for implementing the technology disclosed herein, can be grasped as design matters by those skilled in the art based on the prior art in the relevant field. The technology disclosed herein can be implemented based on the content disclosed in this specification and common general technical knowledge in the field. In this specification, "A to B (A and B are numerical values)" means "A or more and B or less".
1.金属接合体
以下、ここに開示される金属接合体の一実施形態について図面を参照しながら説明する。図1は、本実施形態に係る金属接合体を模式的に示す断面図である。図2は、中間層の構造の一例を模式的に示す断面図である。また、図3は、図1に示す金属接合体を用いて作製したW系部材とCu系部材との接合体を模式的に示す断面図である。
1. Metal Bonded Body Hereinafter, one embodiment of the metal bonded body disclosed herein will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a cross-sectional view schematically showing a metal bonded body according to this embodiment. FIG. 2 is a cross-sectional view schematically showing an example of the structure of the intermediate layer. FIG. 3 is a cross-sectional view schematically showing a joined body of a W-based member and a Cu-based member produced using the metal joined body shown in FIG.
図1に示すように、本実施形態に係る金属接合体100は、タングステン系部材(W系部材)10と、中間層20とを備えている。以下、各々の構成について説明する。
As shown in FIG. 1 , a metal bonded
(1)W系部材
W系部材10は、タングステン(W)を含む部材である。W系部材10は、W元素を含む固形の部材であれば、特に限定されない。また、W系部材10は、一般的な固形の金属部材と同様に、結晶粒12が複数集合することによって構成される。このW系部材10の結晶粒12は、W元素を主成分として含む結晶粒である。なお、結晶粒12は、W元素以外の元素を含んでいてもよい。すなわち、W系部材10の結晶粒12は、タングステンのみからなる構成に限定されず、窒化タングステン、炭化タングステン、炭窒化タングステン、銅-タングステン合金、銀-タングステン合金などであってもよい。また、W系部材10は、タングステン材料と他の金属材料とが複合した複合材料であってもよい。ここで、タングステン材料と複合され得る金属材料としては、銅(Cu)、コバルト(Co)、ニッケル(Ni)、モリブデン(Mo)、白金(Pt)、鉄(Fe)、金(Au)、トリウム(Th)等の各種金属材料、トリア(ThO2)、イットリア等の高融点セラミックなどが挙げられる。なお、説明の便宜上、図1では板状のW系部材10を記載しているが、W系部材の形状は特に限定されない。例えば、W系部材は、筒状、柱状などの一般的な金属部材がとり得る形状を特に制限なく採用できる。
(1) W-based member The W-based
ここで、本実施形態に係る金属接合体100では、W系部材10を構成する複数の結晶粒12の境界(結晶粒界)に、白金(Pt)と銅(Cu)を含むPt-Cu相14が存在している。これによって、後述する中間層20とW系部材10とを適切に接合することができる。具体的には、本実施形態における中間層20は、Pt元素とCu元素を含む層であるため、W系部材10側にも同様のPt元素とCu元素を存在させることによって、接合対象間の熱膨張差を緩和し、W系部材10と中間層20との接合強度を向上できる。
Here, in the metal bonded
なお、W系部材10内のPt-Cu相14は、PtとCuを含んでいればよく、PtやCu以外の金属元素を含むことを排除する意図はない。さらに、Pt-Cu相14は、PtとCuが主成分である必要もなく、PtやCu以外の金属元素が主成分であってもよい。具体的には、Pt-Cu相14における金属原子の総数を100atm%としたときのPt原子とCu原子の合計原子数は、20atm%以上であってもよく、30atm%以上であってもよく、40atm%以上であってもよい。なお、W系部材10と中間層20との接合性を向上させるという観点では、W系部材10内のPt-Cu相14におけるPt原子とCu原子の合計原子数は、50atm%以上が好ましく、65atm%以上がより好ましく、75atm%以上がさらに好ましく、85atm%以上が特に好ましい。一方、Pt-Cu相14におけるPt原子とCu原子の合計原子数の上限は、特に限定されず、99.5atm%以下であってもよく、99atm%以下であってもよく、97.5atm%以下であってもよく、95atm%以下であってもよい。なお、本明細書における「原子数」は、合金材料の断面SEM画像に対してエネルギー分散型X線分析(EDX:Energy Dispersive X-ray spectroscopy)を実施して得られた元素分析に基づいた数値である。また、PtやCu以外の金属元素としては、W、Mo、Fe、Pd、Ir、Au、Co、Ni、Zn、Al、Sn、Pb、Mn、Ag、Thなどが挙げられる。これらの中でも、Cuとの間で合金を生成しやすい金属元素(例えば、Au、Co、Ni、Zn、Al、Sn、Pb、Mn、Ag、Thなど)は、Pt-Cu相14の主成分になり得る。
The Pt--
W系部材10内のPt-Cu相14におけるPtとCuの各々の原子数についても特に限定されない。例えば、Pt-Cu相14におけるPtの原子数は、0.1atm%以上であってもよく、0.5atm%以上であってもよく、1atm%以上であってもよい。一方、Pt原子の原子数の上限は、25atm%以下であってもよく、22.5atm%以下であってもよく、20atm%以下であってもよく、17.5atm%以下であってもよい。また、W系部材10内のPt-Cu相14におけるCuの原子数は、15atm%以上であってもよく、20atm%以上であってもよく、30atm%以上であってもよく、40atm%以上であってもよい。なお、W系部材10と中間層20との接合性を考慮すると、Cu原子の原子数は、50atm%以上が好ましく、65atm%以上がより好ましく、75atm%以上がさらに好ましく、80atm%以上が特に好ましい。一方、Pt-Cu相14におけるCu原子の原子数の上限は、85atm%以下であってもよく、82.5atm%以下であってもよく、80atm%以下であってもよい。
The number of atoms of each of Pt and Cu in the Pt--
なお、Pt-Cu相14は、W系部材10の表層に存在していることが好ましい。なお、ここでの「W系部材の表層」とは、W系部材の表面を含む領域のことをいう。具体的には、W系部材10と中間層20との界面からW系部材10の内部に向かって10μm以内(典型的には5μm以内、好適には2μm以内)の領域にPt-Cu相14が存在している場合、W系部材10の表層にPt-Cu相14が存在しているということができる。なお、このことは、Pt-Cu相14が存在する領域を、W系部材10の表層に限定することを意図したものではない。例えば、W系部材10の断面SEM写真において確認されたPt-Cu相14の総面積を100%としたとき、上記W系部材10の表層に存在するPt-Cu相14は、30%以上でもよく、50%以上でもよく、70%以上でもよい。
The Pt--
また、W系部材10の結晶粒12の平均粒子径は、特に限定されず、20μm以下でもよく、10μmでもよく、7μm以下でもよく、4μm以下でもよい。また、結晶粒12の平均粒子径の下限値も、特に限定されず、50nm以上でもよく、100nm以上でもよく、150nm以上でもよく、200nm以上でもよい。なお、結晶粒12の粒子径は、W系部材10の全域に亘って均一でなくともよい。例えば、中間層20と近接するW系部材10の表層は、中間層20側にW元素が拡散し、結晶粒12の粒子径が小さくなる可能性がある。すなわち、W系部材10の表層における結晶粒12は、他の領域における結晶粒12よりも粒子径が小さくなることがあり得る。なお、本明細書における「結晶粒の平均粒子径」は、電子顕微鏡像によって得られた結晶粒の円相当径(ランダムに200個以上計測)の個数基準の算術平均値である。
Moreover, the average particle diameter of the
(2)中間層
中間層20は、W系部材10の表面に接合され、Pt元素とCu元素を含む層である。この中間層20は、W系部材10とCu系部材200(図3参照)とを接合する接合材として機能する層である。具体的には、中間層20は、Cu系部材200の主成分であるCu元素を含んでいるため、所定の温度で焼成するだけでCu系部材200と好適に接合できる。一方、本実施形態に係る金属接合体100のW系部材10は、結晶粒界にPt-Cu相14が存在しているため、Pt元素とCu元素を含む中間層20と適切に接合される。なお、中間層20は、PtとCuを含んでいればよく、具体的な構造や他の金属元素の存在などは特に限定されない。以下、中間層20の構造の一例について図2を参照しながら説明する。
(2) Intermediate Layer The
図2に示す中間層20は、Wを主成分とするW相22と、PtとCuを含むPt-Cu相24とが混在した三元二相のW-Pt-Cu合金を含んでいる。換言すると、図2に示す中間層20では、金属組織の全体でW相22とPt-Cu相24とが混ざり合った状態で存在している。典型的には、この中間層20では、Pt-Cu相24からなるマトリックスが形成されており、当該マトリックス中に複数のW相22が存在している。この種の三元二相のW-Pt-Cu合金は、W相22とPt-Cu相22との界面が安定しているため、W系部材10(図1参照)に対して好適な接合性を発揮できる。さらに、三元二相のW-Pt-Cu合金は、Cu元素を含むPt-Cu相24を有しているため、Cu系部材200(図3参照)に対しても好適な接合性を発揮できる。すなわち、図2に示す構成の中間層20を形成することによって、中間層20を介したW系部材10とCu系部材200との接合をより好適に実施できる。なお、三元二相のW-Pt-Cu合金の構造の一例として、長尺な島状のW相が厚み方向に延びるように複数点在し、当該複数のW相の間を充填するようにPt-Cu相が形成された構造が挙げられる(例えば、図8、図20等参照)。但し、W相の形状は、上述した長尺な島状に限定されず、略球形(例えば、図38参照)であってもよい。
The
なお、図2に示す中間層20内のW相22は、上述した通り、Wを主成分とする相である。本明細書において「タングステンを主成分とする」とは、タングステン以外の元素が意図的に含まれていないことを指す。したがって、原料や製造工程等に由来する不可避的不純物(W以外の金属元素)を副成分として含む相は、本明細書における「W相」の概念に包含される。例えば、二相合金における一方の相における金属元素の総数を100atm%としたときに、当該一方の相におけるW原子の原子数が75atm%以上であれば、「タングステンを主成分としたW相が形成されている」ということができる。なお、W系部材10と中間層20との接合性を考慮すると、W相におけるW原子の原子数は、77.5atm%以上が好ましく、80atm%以上がより好ましく、82.5atm%以上が特に好ましい。なお、W相におけるW原子の原子数の上限は、特に限定されず、99.5atm%以下であってもよく、97.5atm%以下であってもよく、95atm%以下であってもよく、92.5atm%以下であってもよく、90atm%以下であってもよい。なお、W相22に含まれ得る不可避的不純物としては、銅(Cu)、白金(Pt)、モリブデン(Mo)、鉄(Fe)、コバルト(Co)、ニッケル(Ni)、金(Au)、トリウム(Th)などが挙げられる。また、W相22におけるタングステンは、金属単体の状態で存在していてもよいし、化合物(酸化物等)や、他の金属元素との合金の状態で存在していてもよい。
Note that the
一方、中間層20内のPt-Cu相24は、W系部材10の結晶粒界に存在するPt-Cu相14(図1参照)と同等の構成を有していてもよい。これによって、W系部材10と中間層20とをさらに好適に接合することができる。また、中間層20内のPt-Cu相24の構成(PtやCuの原子数など)に関する説明は、上記W系部材10内のPt-Cu相14に関する説明と重複するため、詳しい記載を省略する。なお、かかる構成は、ここに開示される技術を限定するものではない。すなわち、中間層20内のPt-Cu相24は、W系部材10内のPt-Cu相14と異なる構成であってもよい。
On the other hand, the Pt--
なお、中間層20内のPt-Cu相24も、PtやCu以外の金属元素を含有していてもよい。中間層20内のPt-Cu相24は、上記W系部材10のPt-Cu相14と同様に、W、Mo、Fe、Pd、Ir、Au、Co、Ni、Zn、Al、Sn、Pb、Mn、Ag、Thなどを含有し得る。そして、これらの中でも、Au、Co、Ni、Zn、Al、Sn、Pb、Mn、Ag、Thなどは、Cuとの間で合金(例えば固溶体)や共晶組成を生成してPt-Cu相24の主成分になり得る。ここで、中間層20に含まれるPtやCu以外の金属元素は、Cu単体(融点:1084℃)よりも低融点のCu合金(又は共晶組成)を形成する金属元素であると好ましい。これによって、W系部材10とCu系部材200とをさらに好適に接合することができる。具体的には、中間層20を介してW系部材10とCu系部材200とを加熱接合すると、Cu系部材200からW系部材10の方向にCu元素の移動(拡散)が生じるため、中間層20やCu系部材200にカーケンダルボイドと呼ばれる空孔が形成され、中間層20とCu系部材200との接合性が低下する可能性がある。これに対して、低融点のCu合金や共晶組成が中間層20(例えば、Pt-Cu相24)含まれていると、当該低融点のCu合金(又は共晶組成)が焼成中に液相となってカーケンダルボイドを塞ぐため接合性の低下を抑制できる。なお、このような低融点の銅合金や共晶組成の一例として、AuとCuとの合金(Au-Cu合金)、BaとCuとの合金(Ba-Cu合金)、AgとCuとの共晶組成などが挙げられる。
The Pt--
なお、中間層は、Pt元素とCu元素を含んでいればよく、図2に示すような三元二相のW-Pt-Cu合金で形成されていなくてもよい。例えば、ここに開示される技術における中間層は、W相を有さず、Pt-Cu相のみを有するPt-Cu合金によって形成されていてもよい。このような単相の中間層を形成した場合であっても、中間層を介したW系部材とCu系部材との接合を十分に実現することができる。 Note that the intermediate layer only needs to contain the Pt element and the Cu element, and does not have to be formed of a ternary two-phase W--Pt--Cu alloy as shown in FIG. For example, the intermediate layer in the technology disclosed herein may be made of a Pt--Cu alloy that does not have a W phase and has only a Pt--Cu phase. Even when such a single-phase intermediate layer is formed, it is possible to sufficiently achieve bonding between the W-based member and the Cu-based member via the intermediate layer.
(3)Cu系部材
次に、本実施形態に係る金属接合体100の接合対象の一例であるCu系部材200について説明する。図3に示すCu系部材200は、Pt元素とCu元素を含む中間層20に対して好適な接合性を有する金属部材であれば特に限定されず、Cu元素を含有する種々の金属部材を特に制限なく採用できる。かかるCu系部材200の材料の一例として、銅単体、Pt-Cu合金などが挙げられる。また、Cu系部材200の材料の他の例として、Ni、Zn、Sn、Mn、Fe、Al、Beの何れか一つを含むCu合金(例えば、Cu-Ni合金、Cu-Zn合金、Cu-Sn-P合金)など挙げられる。
(3) Cu-Based Member Next, a Cu-based
このCu系部材200と金属接合体100とを接合する手順の一例を説明する。ここでは、金属接合体100の中間層20とCu系部材200とを接触させた状態で焼成処理を行う。これによって、中間層20とCu系部材200とが接合され、中間層20を介してW系部材10とCu系部材200とが接合された接合材が作製される。このとき、中間層20とCu系部材200は、Cu元素を含んでいるという点において共通しているため、拡散接合のような強い圧力を加えなくても、接触させた状態で焼成するだけで適切に接合できる。一方、本実施形態では、W系部材10の結晶粒界にPt-Cu相14が存在しているため、W系部材10と中間層20との間の熱膨張差を緩和し、W系部材10と中間層20とを強固に接合できる。以上の通り、本実施形態に係る金属接合体100を用いることによって、強い圧力を加えることなく、W系部材10とCu系部材200とを適切に接合できる。
An example of the procedure for bonding the Cu-based
なお、上述した接合手順は、ここに開示される技術を限定することを意図したものではない。例えば、W系部材10やCu系部材200が破損するような強い圧力でなければ、W系部材10とCu系部材200を挟み込むように加圧しながら焼成処理を実施してもよい。これによって、中間層20とCu系部材200との界面に隙間が生じることを抑制し、中間層20とCu系部材200とをより適切に接合できる。このときにW系部材10とCu系部材200とを挟持する際の圧力は、5kPa以下が好ましく、2.5kPa以下がより好ましく、2kPa以下がさらに好ましく、1kPa以下が特に好ましい。これによって、W系部材10やCu系部材200の破損を確実に防止できる。一方、中間層20とCu系部材200との界面における隙間の発生を抑制するという観点から、W系部材10とCu系部材200とを挟持する際の圧力は、0.1kPa以上が好ましく、0.25kPa以上がより好ましく、0.5kPa以上が特に好ましい。
In addition, the joining procedure described above is not intended to limit the technology disclosed herein. For example, if the pressure is not strong enough to damage the W-based
2.金属接合体の製造方法
次に、本実施形態に係る金属接合体100を製造する方法の一例について説明する。本実施形態に係る金属接合体100は、例えば、Pt-W生成工程とPt-Cu生成工程を備えた製造方法によって製造できる。以下、各工程について図4~図5を参照しながら説明する。図4は、金属接合体の製造方法におけるPt-W生成工程の一例を模式的に示す断面図である。図5は、金属接合体の製造方法におけるPt-Cu生成工程の一例を模式的に示す断面図である。
2. Method for Manufacturing Metal Bonded Body Next, an example of a method for manufacturing the metal bonded
(a)Pt-W生成工程
本工程では、白金(Pt)を含むPt源と、W系部材10とを接触させた状態で焼成処理を行う。これによって、PtとWを含む合金を有するPt-W層25がW系部材10の表面に生成される(図4参照)。なお、Pt-W層25は、PtとWを含んでいれば特に限定されない。例えば、Pt-W層25は、PtとWとを所定の整数比で含む金属間化合物(例えば、Pt2W)を含んでいることが好ましい。
(a) Pt—W Generation Step In this step, a firing treatment is performed while a Pt source containing platinum (Pt) and the W-based
さらに、本工程では、W系部材10の結晶粒12の境界(結晶粒界)にPt元素の一部が入り込む。これによって、W系部材10内部の結晶粒界にPtとWを含むPt-W相16が形成される。そして、かかるW系部材10の表層には、Pt-W相16が多く存在し、Pt-W層25よりもW元素の存在量が多いWリッチ層15が形成される。換言すると、Wリッチ層15は、Wを主成分とした結晶粒12と、結晶粒界に入り込んだPt-W相16とを備えている。なお、Wリッチ層15は、本工程における種々の条件(加熱条件など)を調節することによって好適に形成できる。以下、具体的に説明する。
Furthermore, in this step, part of the Pt element enters the boundaries (grain boundaries) of the
例えば、本工程における焼成温度は、800℃以上が好ましく、850℃以上がより好ましく、880℃以上がさらに好ましく、900℃以上が特に好ましい。これによって、W系部材10の結晶粒界にPt元素が入り込みやすくなる傾向がある。一方、本工程における焼成温度の上限は、1300℃以下が好ましく、1250℃以下がより好ましく、1200℃以下がさらに好ましく、1150℃以下が特に好ましい。また、本工程における焼成時間は、0.5時間以上が好ましく、1時間以上がより好ましい。このように一定以上の焼成時間を確保することによって、W系部材10の結晶粒界にPt元素が入り込みやすくなる傾向がある。一方、製造効率の観点から、本工程における焼成時間の上限は、5時間以下が好ましく、4時間以下がより好ましく、3時間以下が特に好ましい。なお、本明細書における「焼成温度」は焼成処理における最高温度を指し、「焼成時間」は当該最高温度を維持する時間を指す。また、焼成処理中の雰囲気は、非酸化雰囲気(中性雰囲気、還元雰囲気)に設定することが好ましい。還元ガスの一例として、水素(H2)ガス、炭化水素(CH4、C3H8など)ガスなどが挙げられる。また、中性ガスの一例として、窒素(N2)ガスなどが挙げられる。また、これらの還元ガスと中性ガスとを混合したものを使用することもできる。例えば、水素(H2)ガスを1%~5%(例えば3%)の濃度で窒素(N2)ガスと混合した混合ガスなどを用いることができる。
For example, the firing temperature in this step is preferably 800° C. or higher, more preferably 850° C. or higher, even more preferably 880° C. or higher, and particularly preferably 900° C. or higher. This tends to make it easier for the Pt element to enter the grain boundaries of the W-based
なお、本工程で使用されるPt源は、Pt元素を含む材料であればよく、詳細な成分や形態は特に限定されない。かかるPt源の一例として、所定の溶剤にPt粉末を分散させたPtペーストが挙げられる。このようなPtペーストをW系部材10の表面に塗布した後に焼成処理を行うことによって、W系部材10の表面にPt-W層25を形成できると共に、W系部材10の表層にWリッチ層15を形成できる。なお、Ptペーストは、Pt粒子を含んでいる点を除いて特に限定されず、ここに開示される技術の効果を阻害しない限り、従来公知のPtペーストを使用できる。一例として、ペースト中のPt粒子の平均粒子径は、0.01μm~10μmが好ましく、0.05μm~5μmがより好ましく、0.1μm~1.0μmが特に好ましく、例えば0.5μmである。なお、本明細書における「平均粒子径」は、SEM観察に基づいて測定した複数(例えば100個)の粒子の粒子径の平均値である。また、Ptペーストの総体積を100vol%としたときのPt粒子の含有量(体積比)は、1vol%以上が好ましく、5vol%以上がより好ましく、10vol%以上がさらに好ましく、20vol%以上が特に好ましい。これによって、Ptの不足によるPt-W合金の形成不良を防止できる。一方、Ptペーストの粘度上昇を抑制して作業性を向上させるという観点から、Pt粒子の含有量(体積比)の上限は、50vol%以下が好ましく、40vol%以下がより好ましく、35vol%以下がさらに好ましく、30vol%以下が特に好ましい。なお、Ptペーストの総重量を100wt%としたときのPt粒子の含有量(重量比)は、50wt%以上が好ましく、55wt%以上がより好ましく、60wt%以上がさらに好ましく、65wt%以上が特に好ましい。一方、Pt粒子の含有量(重量比)の上限は、90wt%以下が好ましく、85wt%以下がより好ましく、80wt%以下がさらに好ましく、75wt%以下が特に好ましい。なお、Pt粒子を除くPtペーストの成分(溶剤、バインダ、分散剤など)は、ここに開示される技術の効果を阻害しない限りにおいて、従来公知の成分を特に制限なく使用でき、ここに開示される技術を特徴付けるものではないため詳細な説明を省略する。
The Pt source used in this step may be any material containing Pt element, and the detailed components and form are not particularly limited. An example of such a Pt source is a Pt paste in which Pt powder is dispersed in a predetermined solvent. By applying such a Pt paste to the surface of the W-based
また、十分な厚みのPt-W層25(製造後の中間層20)を形成するという観点から、本工程におけるPtペーストの塗布厚みは、10μm以上が好ましく、20μm以上がより好ましく、30μm以上がさらに好ましく、40μm以上が特に好ましい。一方、Ptペーストの塗布厚みの上限は、100μm以下が好ましく、80μm以下がより好ましく、70μm以下がさらに好ましく、60μm以下が特に好ましい。これによって、未反応のPtがPt-W層25の表面に生じ、後述のPt-Cu生成工程におけるPt-W合金とCu源との反応を阻害することを防止できる。なお、Ptペーストの塗布厚みは、ペースト塗布時に使用するメタルマスクの厚みを調節することによって容易に制御できる。
Also, from the viewpoint of forming a sufficiently thick Pt—W layer 25 (
なお、焼成処理中の急激な体積変化に伴う破損(クラック等)を防止するという観点から、焼成処理の前に、Ptペーストを乾燥させる乾燥処理を実施することが好ましい。かかる乾燥処理における加熱温度は、60℃以上が好ましく、80℃以上がより好ましく、100℃以上が特に好ましい。一方、上記クラックの防止という観点から、乾燥処理における加熱温度の上限は、140℃以下が好ましく、130℃以下がより好ましい。また、乾燥時間は10分以上60分以下(例えば30分程度)が好ましい。 From the viewpoint of preventing damage (cracks, etc.) due to sudden changes in volume during the firing process, it is preferable to perform a drying process for drying the Pt paste before the firing process. The heating temperature in such drying treatment is preferably 60° C. or higher, more preferably 80° C. or higher, and particularly preferably 100° C. or higher. On the other hand, from the viewpoint of preventing cracks, the upper limit of the heating temperature in the drying treatment is preferably 140° C. or lower, more preferably 130° C. or lower. Moreover, the drying time is preferably 10 minutes or more and 60 minutes or less (for example, about 30 minutes).
また、バインダ等の有機成分がPtペーストに含まれている場合には、有機成分の除去を目的とした予備加熱処理(脱バインダ処理)を焼成処理の前に実施することが好ましい。なお、この脱バインダ処理によってW系部材10が酸化すると、酸化タングステンによって、Pt-W層25の生成が阻害される可能性がある。このため、Ptペーストに添加する有機成分(バインダ等)は、非酸化雰囲気で充分に加熱分解できる樹脂材料(例えば、アクリル樹脂など)が好ましい。なお、有機成分を確実に除去するという観点から、脱バインダ処理における加熱温度は、145℃以上が好ましく、150℃以上がより好ましく、155℃以上がさらに好ましく、160℃以上が特に好ましい。一方、脱バインダ処理中にPt-W合金の生成が進行することを防止するため、脱バインダ処理における加熱温度の上限は、500℃以下が好ましく、450℃以下がより好ましく、400℃以下がさらに好ましく、350℃以下が特に好ましい。また、脱バインダ処理における加熱時間は、0.5時間以上が好ましく、1時間以上がより好ましい。これによって、有機成分を確実に除去できる。一方、製造効率の観点から、脱バインダ処理における加熱時間の上限は、5時間以下が好ましく、4時間以下がより好ましく、3時間以下がさらに好ましく、2時間以下が特に好ましい。
In addition, if the Pt paste contains an organic component such as a binder, it is preferable to perform a preliminary heating treatment (binder removal treatment) for the purpose of removing the organic component before the firing treatment. Note that if the W-based
(b)Pt-Cu生成工程
本工程では、Cu源とPt-W層25とを接触させた状態で焼成処理を行う。本工程で使用するCu源は、Cuを主成分として含む材料である。図5に示す例では、Cu源として、W系部材10の接合対象であるCu系部材200を使用している。そして、本工程における焼成処理を実施すると、Pt-W層25やWリッチ層15(W系部材10内のPt-W相16)からCu源(Cu系部材200)へのPtの移動(典型的には拡散)が進行する。そして、Ptが移動した後のWリッチ層15には、Cu系部材200から拡散したCuが供給される。これによって、W系部材10内のPt-W相16がPt-Cu相となる。これによって、結晶粒界にPt-Cu相14が存在するW系部材10(図1参照)が形成される。一方、Ptが移動した後のPt-W層25では、Pt-W合金からCuへの脱Ptが進み、Wが主成分であるW相22(図2参照)が形成される。一方、CuにPtが供給されることによって、W相22の周囲を充填するようにPt-Cu相24が形成される。これによって、三元二相のW-Pt-Cu合金を有する中間層20が形成される。
(b) Pt--Cu Forming Step In this step, the Cu source and the Pt--
なお、Pt-W合金からCuへのPtの移動(拡散)は、反応障壁を超えることができれば進行するため、上述したような焼成処理等を実施する形態に限定されない。なお、焼成処理によってPtの移動を生じさせる場合には、当該焼成処理における最高温度は、750℃以上が好ましく、800℃以上がより好ましく、850℃以上がさらに好ましく、900℃以上が特に好ましい。これによって、Ptの拡散をより好適に促進してPt-Cu相14を効率よく形成できる。一方、最高焼成温度の上限は、1500℃以下が好ましく、1400℃以下がより好ましく、1300℃以下がさらに好ましく、1200℃以下が特に好ましい。また、本工程における焼成時間は、1時間以上が好ましく、1.5時間以上がより好ましい。これによって、W系部材10の結晶粒界に入り込んだPt-W層16をPt-Cu相14に適切に変化させることができる。一方、製造効率の観点から、本工程における焼成時間の上限は、3時間以下が好ましく、2.5時間以下がより好ましい。
It should be noted that the movement (diffusion) of Pt from the Pt--W alloy to Cu proceeds as long as the reaction barrier can be overcome, so the method is not limited to the above-described firing treatment or the like. When the Pt is caused to move by the firing treatment, the maximum temperature in the firing treatment is preferably 750° C. or higher, more preferably 800° C. or higher, still more preferably 850° C. or higher, and particularly preferably 900° C. or higher. As a result, the Pt--
また、本工程における焼成雰囲気は、非酸化雰囲気(例えば、中性雰囲気、不活性雰囲気、還元雰囲気)に設定することが好ましい。還元ガスの一例として、水素(H2)ガス、炭化水素(CH4、C3H8など)ガスなどが挙げられる。また、不活性ガスの一例として、アルゴン(Ar)ガスなどが挙げられ、中性ガスの一例として、窒素(N2)ガス、アンモニアなどが挙げられる。また、還元ガスと不活性ガス(若しくは中性ガス)とを混合したものを使用することもできる。例えば、水素ガスを1%~5%(例えば3%)の濃度で窒素ガスと混合した混合ガスなどを用いることができる。 Moreover, the firing atmosphere in this step is preferably set to a non-oxidizing atmosphere (for example, a neutral atmosphere, an inert atmosphere, or a reducing atmosphere). Examples of the reducing gas include hydrogen ( H2 ) gas, hydrocarbon ( CH4 , C3H8 , etc.) gas, and the like. Examples of inert gas include argon (Ar) gas, and examples of neutral gas include nitrogen (N 2 ) gas and ammonia. A mixture of reducing gas and inert gas (or neutral gas) can also be used. For example, a mixed gas in which hydrogen gas is mixed with nitrogen gas at a concentration of 1% to 5% (eg, 3%) can be used.
本工程で使用するCu源は、Cuを含む材料であればよく、その成分は特に限定されない。例えば、Cu源は、Cu以外の金属元素を含んでいてもよい。かかるCu以外の金属元素の一例として、Pt元素が挙げられる。また、PtやCu以外の金属元素をCu源に混合することによって、製造後の中間層20(例えば、Pt-Cu相24)に、Cuと他の金属元素との合金を含ませることができる。上述した通り、ここで、銅合金を形成し得る金属元素としては、金(Au)、ニッケル(Ni)、アルミニウム(Al)、スズ(Sn)、亜鉛(Zn)シリカ(Si)、鉄(Fe)、マンガン(Mn)、コバルト(Co)、ベリリウム(Be)などが挙げられる。 The Cu source used in this step is not particularly limited as long as it is a material containing Cu. For example, the Cu source may contain metal elements other than Cu. A Pt element is mentioned as an example of such metal elements other than Cu. Further, by mixing a metal element other than Pt or Cu into the Cu source, the intermediate layer 20 (for example, the Pt—Cu phase 24) after production can contain an alloy of Cu and other metal elements. . As described above, metal elements capable of forming a copper alloy include gold (Au), nickel (Ni), aluminum (Al), tin (Sn), zinc (Zn) silica (Si), iron (Fe ), manganese (Mn), cobalt (Co), and beryllium (Be).
一方、Cu源の形状も、特に限定されない。例えば、図5に示す例では、Cu源として、Cu系部材200を使用している。しかし、金属接合体を製造する際のCu源は、Cu系部材200のような固形の金属部材に限定されない。例えば、Cu源は、Cu粉末を溶剤に分散させたCuペーストであってもよい。なお、Cu源としてCu系部材200を用いた場合には、中間層20を介してW系部材10とCu系部材200とが接合された接合体(図3参照)を得ることができる。すなわち、図5に示す例では、金属接合体100の製造と、W系部材10とCu系部材200との接合を同時に実施できるため、作業効率の向上に貢献できる。一方で、Cu源として銅ペーストを使用した場合には、Cu系部材200が接合されていない金属接合体100(図1参照)を製造できる。このような単独の金属接合体100は、流通や販売が容易という利点を有している。また、銅ペーストの代わりのCu源として、化学蒸着などによって付着させた銅薄膜などを用いることもできる。この場合も、Cu系部材200が接合されていない金属接合体100を製造できる。なお、単独の金属接合体100を形成する場合のCu源の厚み(ペーストの塗布厚み又は薄膜の厚み)は、100μm以下が好ましく、80μm以下がより好ましく、70μm以下がさらに好ましく、60μm以下が特に好ましい。一方、Cu元素の不足による中間層20の形成不良を防止するという観点から、Cu源の厚みの下限値は、10μm以上が好ましく、20μm以上がより好ましく、30μm以上がさらに好ましく、40μm以上が特に好ましい。
On the other hand, the shape of the Cu source is also not particularly limited. For example, in the example shown in FIG. 5, a Cu-based
なお、Cu源としてCuペーストを使用する場合、当該ペースト中のCu粒子の平均粒子径は、0.01μm~10μmが好ましく、0.1μm~5μmがより好ましく、0.5μm~2μmが特に好ましく、例えば1μmである。また、Cuペーストの総体積を100vol%としたときのCu粒子の含有量(体積比)は、5vol%以上が好ましく、10vol%以上がより好ましく、15vol%以上がさらに好ましく、20vol%以上が特に好ましい。これによって、Cuの不足によるPt-Cu相14の形成不良を防止できる。一方、銅ペーストの粘度上昇を抑制して作業性を向上させるという観点から、Cu粒子の含有量(体積比)の上限は、55vol%以下が好ましく、50vol%以下がより好ましく、45vol%以下がさらに好ましく、40vol%以下が特に好ましい。なお、Cuペーストの総重量を100wt%としたときのCu粒子の含有量(重量比)は、60wt%以上が好ましく、65wt%以上がより好ましく、70wt%以上がさらに好ましく、75wt%以上が特に好ましい。一方、Cu粒子の含有量(重量比)の上限は、95wt%以下が好ましく、90wt%以下がより好ましく、85wt%以下が特に好ましい。なお、Cu粒子を除くCuペーストの成分(溶剤、バインダ、分散剤など)は、ここに開示される技術の効果を阻害しない限りにおいて、従来公知の成分を特に制限なく使用でき、ここに開示される技術を特徴付けるものではないため詳細な説明を省略する。また、上述したように、PtやCu以外の金属元素を含む中間層20を形成する場合には、当該PtやCu以外の金属元素の粉体をCuペーストに添加することもできる。詳しくは後述するが、このときに添加するPtやCu以外の金属元素の粉体としては、Cu単体の融点よりも融点が低い銅合金を生成する金属元素の粉体であることが好ましい。
When Cu paste is used as a Cu source, the average particle size of Cu particles in the paste is preferably 0.01 μm to 10 μm, more preferably 0.1 μm to 5 μm, and particularly preferably 0.5 μm to 2 μm. For example, it is 1 μm. The content (volume ratio) of the Cu particles when the total volume of the Cu paste is 100 vol% is preferably 5 vol% or more, more preferably 10 vol% or more, further preferably 15 vol% or more, and particularly 20 vol% or more. preferable. As a result, formation failure of the Pt--
(2)他の製造方法
なお、ここに開示される金属接合体を製造する方法は、上述の方法に限定されず、種々の方法を適宜採用できる。例えば、上述した製造方法では、Pt-W生成工程と、Pt-Cu生成工程の各々において焼成処理を実施している。しかしながら、W系部材とCu源との間にPtペーストを挟み込んだ状態で一度に焼成処理を行った場合でも、ここに開示される金属接合体を製造できることが実験において確認されている。具体的には、W系部材とPtペーストとCu源とをまとめて焼成すると、W系部材とPtペーストとの境界にPt-W層が生成されると共に、W系部材の結晶粒界にPt-W相が形成される。そして、焼成処理がさらに進むと、W系部材内のPt-W相のPtがCu系部材に向かって移動すると共に、Cu元素がW系部材の結晶粒界に供給されてPt-Cu相が生成される。これによって、結晶粒界にPt-Cu相が存在するW系部材を備えた金属接合体を製造できる。なお、ここに開示される金属接合体を確実に形成するという観点からは、上述のように、Pt-W生成工程とPt-Cu生成工程に分けて焼成処理を実施した方が好ましい。一方、製造効率や製造コストを考慮する場合には、W系部材とPtペーストとCu源とをまとめて焼成した方が好ましい。
(2) Other Manufacturing Methods The method of manufacturing the metal bonded body disclosed herein is not limited to the above-described method, and various methods can be employed as appropriate. For example, in the manufacturing method described above, the firing treatment is performed in each of the Pt--W generation process and the Pt--Cu generation process. However, it has been experimentally confirmed that the metal bonded body disclosed herein can be manufactured even when the Pt paste is sandwiched between the W-based member and the Cu source and the firing treatment is performed at once. Specifically, when the W-based member, the Pt paste, and the Cu source are fired together, a Pt—W layer is formed at the boundary between the W-based member and the Pt paste, and Pt is formed at the grain boundary of the W-based member. -W phase is formed. As the firing process progresses further, the Pt in the Pt—W phase within the W-based member moves toward the Cu-based member, and the Cu element is supplied to the grain boundaries of the W-based member to form the Pt—Cu phase. generated. As a result, it is possible to manufacture a metal joined body having a W-based member in which a Pt—Cu phase exists in the grain boundaries. From the viewpoint of reliably forming the metal bonded body disclosed herein, it is preferable to separate the Pt--W generation step and the Pt--Cu generation step from each other and carry out the firing treatment, as described above. On the other hand, in consideration of manufacturing efficiency and manufacturing cost, it is preferable to bake the W-based member, the Pt paste, and the Cu source together.
また、上述した製造方法では、Pt-Cu生成工程において、Pt-W層25からCu源(Cu系部材200)へのPtの拡散が生じるため、製造後の金属接合体100の中間層20に三元二相のW-Pt-Cu合金(図2参照)が生成される。しかしながら、ここに開示される金属接合体の中間層は、三元二相のW-Pt-Cu合金を有する形態に限定されず、単相のPt-Cu合金で形成されていてもよい。このような単相のPt-Cu合金を有する中間層を形成する場合には、上述の製造方法におけるPt-W層の厚みを薄くするとよい。例えば、Pt-W層の厚みを50nm以下(好適には40nm以下、より好適には30nm以下、さらに好適には20nm以下)とすることによって、単相のPt-Cu合金を有する中間層を容易に形成できる。また、このような薄いPt-W層を実現するには、Pt-W生成工程におけるPt源として、Pt粒子径が小さなPtペーストや、非常に薄いPt箔を使用するという手段を採用することよい。
Further, in the above-described manufacturing method, in the Pt—Cu generation step, diffusion of Pt occurs from the Pt—
また、上述した製造方法では、何れもPt-W層とCu源とを直接接触させている。しかしながら、ここに開示される技術は、かかる製造方法に限定されない。すなわち、Pt-W層とCu源との間に、中間金属材料(薄膜やペースト乾燥膜を含む)を介在させてもよい。本発明者は、中間金属材料を介してPt-W層とCu源とを接触させた状態で焼成処理を行っても、ここに開示される金属接合体が製造されることを確認している。なお、かかる中間金属材料の一例として、Auを含む金属部材(例えばAuペーストの乾燥膜)や、Ptを含む金属部材(例えばPtペーストの乾燥膜)などが挙げられる。特に、Auを含む金属部材を使用すると、Au-Cu合金を含む中間層を形成できるため、カーケンダルボイドの発生による接合性の低下を防止できる。 Further, in the manufacturing methods described above, the Pt--W layer and the Cu source are brought into direct contact with each other. However, the technique disclosed here is not limited to such a manufacturing method. That is, an intermediate metal material (including a thin film and a dried paste film) may be interposed between the Pt--W layer and the Cu source. The inventor of the present invention has confirmed that the metal bonded body disclosed herein can be produced even if the firing treatment is performed while the Pt—W layer and the Cu source are in contact with each other through the intermediate metal material. . Examples of such an intermediate metal material include a metal member containing Au (for example, a dry film of Au paste) and a metal member containing Pt (for example, a dry film of Pt paste). In particular, when a metal member containing Au is used, an intermediate layer containing an Au—Cu alloy can be formed, thereby preventing deterioration in bondability due to occurrence of Kirkendall voids.
以上、ここに開示される技術の実施形態について説明した。なお、ここに開示される技術は、以上の説明に限定されるものではなく、ここに開示される技術の効果を著しく阻害しない限りにおいて、種々の構成を適宜変更することができる。例えば、以上の説明では、ここに開示される金属接合体の接合対象としてCu系部材を提示している。しかし、ここに開示される金属接合体の接合対象は、Pt元素とCu元素を含む中間層に好適に接合できる金属部材であればよく、Cu系部材以外の金属部材でもよい。Cu系部材以外の接合対象の一例として、Pt系部材が挙げられる。ここに開示される金属接合体の中間層は、Pt元素を含んでいるため、Pt系部材に対しても好適な接合性を発揮できる。 The embodiments of the technology disclosed herein have been described above. Note that the technology disclosed herein is not limited to the above description, and various configurations can be appropriately changed as long as the effects of the technology disclosed herein are not significantly impaired. For example, in the above description, a Cu-based member is presented as an object to be joined by the metal joined body disclosed herein. However, the object to be joined by the metal joined body disclosed herein may be any metal member that can be suitably joined to the intermediate layer containing the Pt element and the Cu element, and may be any metal member other than the Cu-based member. A Pt-based member is an example of an object to be joined other than the Cu-based member. Since the intermediate layer of the metal bonded body disclosed herein contains the Pt element, it can exhibit suitable bondability even to Pt-based members.
[試験例]
以下、本発明に関する試験例を説明するが、かかる試験例は、ここに開示される技術を限定することを意図したものではない。
[Test example]
Test examples relating to the present invention will be described below, but these test examples are not intended to limit the technology disclosed herein.
1.実施例1
(1)サンプルの作製
まず、W系部材としてタングステン板(厚さ0.3mm、長さ7.5mm、幅7.5mm)を準備した。そして、Pt元素を含むPtペーストを準備し、当該PtペーストをW系部材の片面全面に塗布した。なお、本試験で使用したPtペーストは、21vol%のPt粉末(平均粒子径:0.5μm)と、バインダ(エチルセルロース系樹脂)と、分散材と、溶剤とを混錬したものである。なお、Ptペーストの溶剤には、2,2,4-Trimethyl-1,3-pentanediol 1-Monoisobutyrateを使用した。そして、本試験では、120℃、30分間の乾燥処理を行ってPtペーストを乾燥させた後に、大気中で脱バインダ処理(昇温速度:10℃/min、最高温度:200℃、加熱時間:3時間)を行った。次に、Cu源(Cu系部材)として、銅板(厚さ0.3mm、長さ20mm、幅20mm)を準備した。そして、上記W系部材のペースト塗布面とCu系部材とを面接触させ、W系部材の上に50gのアルミナブロックを載置することによって、W系部材とCu系部材との接触部分に0.89kPaの圧力を加えた。この状態で、昇温速度4℃/min、最高焼成温度を1000℃、焼成時間2時間の焼成処理を実施することによって、W系部材とCu系部材とが強固に接合された接合体サンプルを得た。なお、焼成時の雰囲気ガスには、3%の水素(H2)を含むN2ガスを使用した。
1. Example 1
(1) Preparation of Sample First, a tungsten plate (thickness: 0.3 mm, length: 7.5 mm, width: 7.5 mm) was prepared as a W-based member. Then, a Pt paste containing a Pt element was prepared, and the Pt paste was applied to the entire surface of the W-based member. The Pt paste used in this test was obtained by kneading 21 vol % Pt powder (average particle size: 0.5 μm), a binder (ethyl cellulose resin), a dispersing agent, and a solvent. 2,2,4-Trimethyl-1,3-pentanediol 1-Monoisobutylate was used as a solvent for the Pt paste. Then, in this test, after drying the Pt paste by performing a drying treatment at 120° C. for 30 minutes, the binder was removed in the atmosphere (heating rate: 10° C./min, maximum temperature: 200° C., heating time: 3 hours) was performed. Next, a copper plate (thickness: 0.3 mm, length: 20 mm, width: 20 mm) was prepared as a Cu source (Cu-based member). Then, the surface of the W-based member to which the paste is applied and the Cu-based member are brought into surface contact, and a 50 g alumina block is placed on the W-based member so that the contact portion between the W-based member and the Cu-based member is zero. A pressure of 0.89 kPa was applied. In this state, a joined body sample in which the W-based member and the Cu-based member are firmly joined is obtained by performing a firing treatment with a temperature increase rate of 4° C./min, a maximum firing temperature of 1000° C., and a firing time of 2 hours. Obtained. N 2 gas containing 3% hydrogen (H 2 ) was used as the atmosphere gas during firing.
(2)サンプルの解析
(a)SEM観察およびEDX分析
実施例1のサンプルを積層方向に沿って切断した後、イオンミリングを用いて切断面を研磨し、切断面の断面SEM画像を撮像した。また、撮像した断面SEM画像に対してEDX分析を実施し、タングステン(W)と、銅(Cu)と、白金(Pt)の各々の元素マッピング像を取得した。倍率250倍における解析結果を図6に示し、倍率1000倍における解析結果を図7に示し、倍率10000倍における解析結果を図8に示し、倍率50000倍における解析結果を図9に示す。なお、図6~図9における(a)は断面SEM画像であり、(b)はWの元素マップであり、(c)はCuの元素マップであり、(d)はPtの元素マップである。
(2) Sample Analysis (a) SEM Observation and EDX Analysis After cutting the sample of Example 1 along the lamination direction, the cut surface was polished using ion milling, and a cross-sectional SEM image of the cut surface was taken. Further, EDX analysis was performed on the captured cross-sectional SEM image, and elemental mapping images of tungsten (W), copper (Cu), and platinum (Pt) were obtained. FIG. 6 shows the analysis result at a magnification of 250 times, FIG. 7 shows the analysis result at a magnification of 1000 times, FIG. 8 shows the analysis result at a magnification of 10000 times, and FIG. 9 shows the analysis result at a magnification of 50000 times. 6 to 9, (a) is a cross-sectional SEM image, (b) is an elemental map of W, (c) is an elemental map of Cu, and (d) is an elemental map of Pt. .
まず、図6に示すように、低倍率250倍での観察では、W系部材とCu系部材との間に、Pt-Cu合金を主成分とした合金層(中間層)が形成されていることが確認された。かかる中間層の主成分であるPt-Cu合金は、通常、W系部材に対する接合性が低いにも関わらず、実施例1では、中間層とW系部材とが強固に接合されていた。そこで、図8(a)および(b)に示すように、より高倍率(10000倍)の観察を行った結果、実施例1では、W系部材の内部(結晶粒界)にW元素以外の成分が入り込んでいることが確認された。そして、図8(c)および(d)に示すように、このW系部材の内部に入り込んだ元素は、Pt元素とCu元素であることが確認された。以上のことから、実施例1のW系部材の結晶粒界には、Pt元素とCu元素を含むPt-Cu相が存在しており、当該Pt-Cu相によって、W系部材と中間層(Pt-Cu合金)との接合性が向上していると推測された。また、図7に示すように、実施例1では、中間層とW系部材との境界に、WとPtとCuとが混在する層(W-Pt-Cu領域)が形成されていることが分かった。そして、このW-Pt-Cu領域をさらに拡大したところ、図8および図9に示すように、Pt-Cu相マトリクス中にW相が混在したW-Pt-Cu合金が確認された。以上の解析結果から、W系部材とCu系部材との間には、三元二相のW-Pt-Cu合金を有する中間層が形成されていることが分かった。このW-Pt-Cu合金を有する中間層によって、W系部材とCu系部材との接合性がさらに向上していると予想される。 First, as shown in FIG. 6, when observed at a low magnification of 250 times, an alloy layer (intermediate layer) mainly composed of a Pt—Cu alloy is formed between the W-based member and the Cu-based member. was confirmed. In Example 1, the intermediate layer and the W-based member were firmly bonded, although the Pt--Cu alloy, which is the main component of the intermediate layer, normally has low bondability to the W-based member. Therefore, as shown in FIGS. 8(a) and 8(b), as a result of observation at a higher magnification (10,000 times), in Example 1, elements other than W were present inside the W-based member (grain boundaries). It was confirmed that the ingredients were included. Then, as shown in FIGS. 8(c) and 8(d), it was confirmed that the elements that entered the interior of the W-based member were the Pt element and the Cu element. From the above, the W-based member of Example 1 has a Pt—Cu phase containing Pt element and Cu element at the grain boundary, and the Pt—Cu phase separates the W-based member and the intermediate layer ( It was presumed that the bondability with the Pt--Cu alloy) was improved. Further, as shown in FIG. 7, in Example 1, a layer (W—Pt—Cu region) in which W, Pt, and Cu are mixed is formed at the boundary between the intermediate layer and the W-based member. Do you get it. When this W--Pt--Cu region was further enlarged, as shown in FIGS. 8 and 9, a W--Pt--Cu alloy in which the W phase was mixed in the Pt--Cu phase matrix was confirmed. From the above analysis results, it was found that an intermediate layer having a ternary two-phase W--Pt--Cu alloy was formed between the W-based member and the Cu-based member. It is expected that the intermediate layer containing this W--Pt--Cu alloy further improves the bondability between the W-based member and the Cu-based member.
(b)結晶組織の観察
FIB-SEMを用いて実施例1のサンプルを薄片化してSEM/EBSD画像を取得した。結果を図10に示す。かかる図10に示すように、実施例1では、W系部材とCu系部材との間にPt-Cu合金が形成されており、そのPt-Cu合金とW系部材との境界にW-Pt-Cu合金が形成されていることが分かる。そして、W系部材におけるW-Pt-Cu合金に接した領域では、Wの結晶粒が他の領域よりも小さくなっていることが確認された。これは、W-Pt-Cu合金の生成のために、当該領域からWが供給されたためと推測される。そして、当該W系部材の結晶組織が小さくなった領域では、図8に示す通り、結晶粒界にPt-Cu相が入り込んでいるため、熱膨張差の緩和によって各部材の間の接合強度の向上が期待できる。
(b) Observation of crystal structure Using FIB-SEM, the sample of Example 1 was sliced and SEM/EBSD images were obtained. The results are shown in FIG. As shown in FIG. 10, in Example 1, a Pt--Cu alloy is formed between the W-based member and the Cu-based member, and W--Pt is formed at the boundary between the Pt--Cu alloy and the W-based member. -Cu alloy is formed. It was also confirmed that in the region of the W-based member in contact with the W—Pt—Cu alloy, the W crystal grains were smaller than in other regions. It is presumed that this is because W was supplied from the region in order to produce a W--Pt--Cu alloy. In the region where the crystal structure of the W-based member is reduced, as shown in FIG. 8, the Pt—Cu phase enters the crystal grain boundary. Improvement can be expected.
(c)元素マッピング
また、本試験では、FIB-SEMで薄片化した試験片のHAADF-STEM(High Angle Annular Dark-Field Scanning Transmission Electron Microscopy)画像(倍率50000倍)を取得した。HAADF-STEM画像を図11に示す。また、図11中の領域A(中間層内のW相)のEDXスペクトルを図12に示す。そして、領域B(中間層内のP-Cu相)のEDXスペクトルを図13に示す。
(c) Elemental Mapping In addition, in this test, HAADF-STEM (High Angle Annular Dark-Field Scanning Transmission Electron Microscopy) images (magnification: 50000 times) of test pieces sliced by FIB-SEM were obtained. A HAADF-STEM image is shown in FIG. FIG. 12 shows the EDX spectrum of region A (W phase in the intermediate layer) in FIG. FIG. 13 shows the EDX spectrum of region B (the P—Cu phase in the intermediate layer).
まず、図12に示すように、中間層内のW相では、W元素、Mo元素、Fe元素、O元素が主に確認された。これらのうち、Mo元素、Fe元素は、W系部材に含まれる不純物に由来すると考えられる。また、Moに関してはサンプルフォルダに含まれるものを検出した可能性がある。一方、図13に示すように、中間層内のPt-Cu相では、Cu元素、Pt元素、O元素が主に確認された。なお、W相とPt-Cu相の両方で確認されたO元素は、測定環境で付着した酸素や試験片の表面酸化に由来すると考えられる。 First, as shown in FIG. 12, W element, Mo element, Fe element, and O element were mainly confirmed in the W phase in the intermediate layer. Among these elements, the Mo element and the Fe element are considered to be derived from impurities contained in the W-based member. Also, regarding Mo, there is a possibility that something included in the sample folder was detected. On the other hand, as shown in FIG. 13, Cu element, Pt element, and O element were mainly confirmed in the Pt—Cu phase in the intermediate layer. Note that the O element confirmed in both the W phase and the Pt--Cu phase is considered to be derived from oxygen adhering in the measurement environment and surface oxidation of the test piece.
そして、図12を解析した結果、中間層内のW相におけるWの原子数は84.57atm%であり、Cuの原子数は2.56atm%であり、Ptの原子数は0.06atm%であった。また、W相には、不純物であるモリブデン(Mo)が12.81atm%含まれていたが、これはサンプルフォルダに含まれるものを検出したと考えられる。一方、図13を解析した結果、中間層内のPt-Cu相におけるWの原子数は2.31atm%であり、Cuの原子数は78.13atm%であり、Ptの原子数は15.59atm%であった。また、Pt-Cu相には、不純物であるモリブデン(Mo)が3.97atm%含まれていた。このMoもサンプルフォルダに含まれるものを検出したと考えられる。 As a result of analyzing FIG. 12, the number of W atoms in the W phase in the intermediate layer is 84.57 atm %, the number of Cu atoms is 2.56 atm %, and the number of Pt atoms is 0.06 atm %. there were. In addition, the W phase contained 12.81 atm % of molybdenum (Mo), which is an impurity, and it is considered that this was detected in the sample folder. On the other hand, as a result of analyzing FIG. 13, the number of W atoms in the Pt—Cu phase in the intermediate layer is 2.31 atm%, the number of Cu atoms is 78.13 atm%, and the number of Pt atoms is 15.59 atm%. %Met. In addition, the Pt--Cu phase contained 3.97 atm % of molybdenum (Mo) as an impurity. It is considered that this Mo also detected what is included in the sample folder.
2.実施例2
(1)サンプルの作製
実施例2では、PtペーストにおけるPt粉の含有量を10vol%に減らし、Ptペーストの塗布後の脱バインダ処理の条件を160℃,30分間に変更した点を除いて、実施例1と同じ条件でW系部材とCu系部材とを接合した接合体サンプルを作製した。
2. Example 2
(1) Preparation of samples In Example 2, the content of Pt powder in the Pt paste was reduced to 10 vol%, and the conditions for the binder removal treatment after coating of the Pt paste were changed to 160°C for 30 minutes. A bonded body sample was prepared by bonding a W-based member and a Cu-based member under the same conditions as in Example 1.
(2)サンプルの解析
(a)SEM観察およびEDX分析
上記実施例2のサンプルに対して、実施例1と同じ条件でSEM観察とEDX分析を実施した。実施例2の倍率5000倍の解析結果を図14に示し、Pt-Cu領域における倍率50000倍の解析結果を図15に示し、Pt-W層における倍率50000倍の解析結果を図16に示し、W-Pt-Cu領域における倍率50000倍の解析結果を図17に示し、W系部材における倍率50000倍の解析結果を図18に示す。なお、図14~図18中の(a)は断面SEM画像であり、(b)はWの元素マップであり、(c)はCuの元素マップであり、(d)はPtの元素マップである。また、実施例2については、図14(a)の上側(Pt-Cu合金側)から下側(W系部材側)に長さ20μmの線分X1を引き、当該ライン上におけるW、Pt、Cu各元素の濃度分布の変化を調べた。かかるライン分析の結果を図19に示す。この図19の横軸の0μmの位置は線分X1の上端に対応しており、20μmの位置は線分X1の下端に対応している。また、縦軸は各々の元素の特性X線強度を示している。そして、図19中の(a)はPtの分析結果を示し、(b)はWの分析結果を示し、(c)はCuの分析結果を示している。図19に示すように、Pt-Cu合金が存在する領域では、Pt元素とCu元素の存在が確認され、W元素は確認されなかった。そして、W-Pt-Cu合金が存在する領域では、W元素とPt元素とCu元素の各々が確認された。そして、W系部材が存在する領域(12μm~20μm)の殆どがW元素であった(図19(b))が、当該W系部材の表層(13.8μm付近の領域)においてPt元素とCu元素の存在を示すピークが確認された。このことから、実施例2においても、W系部材の結晶粒界にPt元素とCu元素が入り込んでいることが確認された。なお、このW系部材の結晶粒界に存在するPt-Cu相は、図18に示す元素マップにおいても確認できる。
(2) Sample Analysis (a) SEM Observation and EDX Analysis The sample of Example 2 was subjected to SEM observation and EDX analysis under the same conditions as in Example 1. The analysis result of Example 2 at a magnification of 5000 times is shown in FIG. 14, the analysis result of the Pt--Cu region at a magnification of 50000-fold is shown in FIG. FIG. 17 shows the analysis result of the W--Pt--Cu region at a magnification of 50,000, and FIG. 18 shows the analysis result of the W-based member at a magnification of 50,000. 14 to 18, (a) is a cross-sectional SEM image, (b) is an elemental map of W, (c) is an elemental map of Cu, and (d) is an elemental map of Pt. be. Further, for Example 2, a line segment X1 having a length of 20 μm is drawn from the upper side (Pt—Cu alloy side) to the lower side (W-based member side) in FIG. Changes in the concentration distribution of each element of Cu were investigated. The results of such line analysis are shown in FIG. The position of 0 μm on the horizontal axis of FIG. 19 corresponds to the upper end of the line segment X1, and the position of 20 μm corresponds to the lower end of the line segment X1. The vertical axis indicates the characteristic X-ray intensity of each element. In FIG. 19, (a) shows the analysis results of Pt, (b) shows the analysis results of W, and (c) shows the analysis results of Cu. As shown in FIG. 19, in the region where the Pt—Cu alloy exists, the presence of the Pt element and the Cu element was confirmed, but the W element was not confirmed. In the region where the W--Pt--Cu alloy exists, each of the W element, the Pt element and the Cu element was confirmed. Most of the region (12 μm to 20 μm) where the W-based member exists was the W element (FIG. 19B), but in the surface layer (region around 13.8 μm) of the W-based member, the Pt element and Cu A peak indicating the presence of the element was confirmed. From this, it was confirmed that in Example 2 as well, the Pt element and the Cu element entered the grain boundaries of the W-based member. The Pt--Cu phase present at the grain boundaries of this W-based member can also be confirmed in the elemental map shown in FIG.
(c)反射電子像解析
また、実施例2では、FIBを用いてサンプルを薄片化し、上記図14とは異なる視野における反射電子像を取得して種々の解析を行った。図20(a)は実施例2の反射電子像(5000倍)であり、(b)は(a)中の領域αの拡大図(20000倍)であり、(c)は(a)中の領域βの拡大図(20000倍)である。この図20にも示されているように、実施例2では、W系部材とCu系部材との間の中間層に、W-Pt-Cu合金を含む領域(W-Pt-Cu領域)と、Pt-W合金を含む領域(Pt-W領域)と、Pt-Cu合金を含む領域(Pt-Cu領域)とが形成されていた。そして、実施例2では、図20(a)中の領域αと領域βの各々において、EDX分析に基づいた元素マッピング像を取得した。領域αにおける元素マッピング像の結果を図21に示し、領域βにおける元素マッピング像の結果を図22に示す。先ず、図21に示すように、領域α中のPt-W領域では、粒子径が100~500nm程度のPt-W結晶粒子の間に、微量のPt-Cu結晶粒子が存在していることが確認された。このPt-W領域におけるPt-W結晶粒子とPt-Cu結晶粒子との面積比は、98.5:1.5であった。また、図22に示すように、反射電子像においても、W系部材の結晶粒界にPt元素とCu元素が入り込んでいることが確認された。また、図22に示されるW-Pt-Cu領域におけるPt-Cu相とW相との面積比は、52.9:47.1であった。
(c) Backscattered Electron Image Analysis In Example 2, the sample was thinned using FIB, and backscattered electron images were obtained in a different field of view from that shown in FIG. 14 to perform various analyses. 20(a) is a backscattered electron image (5000 times) of Example 2, (b) is an enlarged view (20000 times) of region α in (a), and (c) is It is an enlarged view (20000 times) of area|region (beta). As also shown in FIG. 20, in Example 2, a region containing a W—Pt—Cu alloy (W—Pt—Cu region) is provided in the intermediate layer between the W-based member and the Cu-based member. , a region containing a Pt--W alloy (Pt--W region) and a region containing a Pt--Cu alloy (Pt--Cu region) were formed. In Example 2, an elemental mapping image based on EDX analysis was obtained in each of the regions α and β in FIG. 20(a). FIG. 21 shows the result of the elemental mapping image in the region α, and FIG. 22 shows the result of the elemental mapping image in the region β. First, as shown in FIG. 21, in the Pt—W region in the region α, a small amount of Pt—Cu crystal grains are present between Pt—W crystal grains having a grain size of about 100 to 500 nm. confirmed. The area ratio between the Pt--W crystal grains and the Pt--Cu crystal grains in this Pt--W region was 98.5:1.5. Also, as shown in FIG. 22, it was confirmed in the backscattered electron image that the Pt element and the Cu element entered the crystal grain boundary of the W-based member. The area ratio of the Pt--Cu phase and the W phase in the W--Pt--Cu region shown in FIG. 22 was 52.9:47.1.
(d)HAADF-STEM解析
次に、実施例2では、HAADF-STEM画像と、当該HAADF-STEM画像の元素マッピング像も取得した。図23は、実施例2のHAADF-STEM画像および元素マッピング像の結果を示す図である。また、図24は、図23中の線分X2上におけるPt、Cu、Wの濃度分布を示すグラフである。この図24および図23に示すように、実施例2では、主にWで構成されたW系部材と、W相とPt-Cu相とを有したW-Pt-Cu領域と、Pt-W合金で形成されたPt-W領域と、Pt-Cu合金で形成されたPt-Cu領域とが形成されていた。
(d) HAADF-STEM Analysis Next, in Example 2, an HAADF-STEM image and an elemental mapping image of the HAADF-STEM image were also acquired. 23 is a diagram showing the results of HAADF-STEM images and elemental mapping images of Example 2. FIG. FIG. 24 is a graph showing concentration distributions of Pt, Cu, and W on line segment X2 in FIG. As shown in FIGS. 24 and 23, in Example 2, a W-based member mainly composed of W, a W—Pt—Cu region having a W phase and a Pt—Cu phase, and a Pt—W A Pt--W region made of an alloy and a Pt--Cu region made of a Pt--Cu alloy were formed.
さらに、図25は、実施例2のW系部材と、W-Pt-Cu領域のW相と、W-Pt-Cu領域のPt-Cu相との界面におけるHAADF-STEM画像および元素マッピング像の結果を示す図である。また、図26は、図25中の線分X3上におけるPt、Cu、Wの濃度分布を示すグラフであり、図27は、線分X3上におけるOとFeの濃度分布を示すグラフである。図25および図27に示すように、W系部材内に少量の鉄(Fe)元素の存在が確認された。また、酸素(O)元素は、測定ノイズによるものと推測される。そして、これらのFe元素やO元素は、いずれの領域においても存在しており、W-Pt-Cu領域のPt-Cu相とW系部材との界面において明らかな偏在は確認されなかった。 Further, FIG. 25 shows an HAADF-STEM image and an elemental mapping image at the interface between the W-based member of Example 2, the W phase in the W--Pt--Cu region, and the Pt--Cu phase in the W--Pt--Cu region. It is a figure which shows a result. 26 is a graph showing concentration distributions of Pt, Cu, and W on line segment X3 in FIG. 25, and FIG. 27 is a graph showing concentration distributions of O and Fe on line segment X3. As shown in FIGS. 25 and 27, the existence of a small amount of iron (Fe) element was confirmed in the W-based member. Also, the oxygen (O) element is presumed to be due to measurement noise. These Fe element and O element are present in any region, and no clear uneven distribution was confirmed at the interface between the Pt--Cu phase in the W--Pt--Cu region and the W-based member.
また、実施例2では、図23中の領域α~領域δの各領域において電子線回折を行った。結果を図28に示す。図28(a)は、領域α(W系部材)における電子線回折の結果を示す画像である。かかる電子線回折結果から、領域α(W系部材)における主成分がWであることが分かる。次に、図28(b)は、領域β(W-Pt-Cu領域)における電子線回折の結果を示す画像である。かかる電子線回折結果から、領域β(W-Pt-Cu領域)においてW相とPt-Cu相が確認された。さらに、W-Pt-Cu領域中のPt-Cu相には、少なくともCu3Ptが存在していることが分かった。また、図28(c)は、領域γ(Pt-W領域)における電子線回折の結果を示す画像である。かかるPt-W領域では、Pt-W合金の他に、Pt-Cu合金も確認された。そして、Pt-W層は、Pt-W合金として、少なくともPt2Wを含み、Pt-Cu合金として、少なくともCu3Ptを含んでいた。そして、図28(d)は、領域δ(Pt-Cu領域)における電子線回折の結果を示す画像である。かかるPt-Cu領域は、Pt-Cu合金として、少なくともCu3Ptを含んでいた。 Further, in Example 2, electron beam diffraction was performed in each of regions α to δ in FIG. The results are shown in FIG. FIG. 28(a) is an image showing the result of electron beam diffraction in the region α (W-based member). From the electron beam diffraction result, it can be seen that W is the main component in the region α (W-based member). Next, FIG. 28(b) is an image showing the result of electron beam diffraction in the region β (W--Pt--Cu region). From the electron beam diffraction results, W phase and Pt--Cu phase were confirmed in the region β (W--Pt--Cu region). Furthermore, it was found that at least Cu 3 Pt was present in the Pt--Cu phase in the W--Pt--Cu region. FIG. 28(c) is an image showing the result of electron beam diffraction in the region γ (Pt—W region). In the Pt--W region, a Pt--Cu alloy was also confirmed in addition to the Pt--W alloy. The Pt--W layer contained at least Pt 2 W as the Pt--W alloy and at least Cu 3 Pt as the Pt--Cu alloy. FIG. 28(d) is an image showing the result of electron beam diffraction in the region δ (Pt—Cu region). The Pt--Cu region contained at least Cu 3 Pt as a Pt--Cu alloy.
次に、上述の図25に示すように、実施例2では、W系部材とW-Pt-Cu領域との界面におけるHAADF-STEM画像および元素マッピング像を取得している。これに加え、実施例2では、W系部材とPt-W領域とPt-Cu領域の各層におけるHAADF-STEM画像および元素マッピング像を取得した。結果を図29~図31に示す。図25、図30および図31に示すように、実施例2では、W-Pt-Cu領域とPt-W層とPt-Cu領域の各々の領域において、PtとCuとを有するPt-Cu相が確認された。さらに、図29に示すように、実施例2では、W系部材の結晶粒界においても、Pt-Cu相が確認された。これらの各領域におけるPt-Cu相のEDXスペクトルを図32~図35に示すと共に、かかるEDXスペクトルに基づいて算出した元素比率を表1に示す。図32~図35および表1に示すように、W系部材の結晶粒界に存在するPt-Cu相の元素比率は、他の層におけるPt-Cu相の元素比率と大きな違いがなかった。 Next, as shown in FIG. 25 described above, in Example 2, an HAADF-STEM image and an elemental mapping image at the interface between the W-based member and the W--Pt--Cu region are obtained. In addition, in Example 2, HAADF-STEM images and elemental mapping images were obtained for each layer of the W-based member, the Pt--W region, and the Pt--Cu region. The results are shown in Figures 29-31. As shown in FIGS. 25, 30 and 31, in Example 2, in each of the W—Pt—Cu region, the Pt—W layer, and the Pt—Cu region, the Pt—Cu phase having Pt and Cu was confirmed. Furthermore, as shown in FIG. 29, in Example 2, a Pt—Cu phase was confirmed even at the grain boundaries of the W-based member. 32 to 35 show the EDX spectra of the Pt—Cu phase in each of these regions, and Table 1 shows the element ratios calculated based on these EDX spectra. As shown in FIGS. 32 to 35 and Table 1, the element ratio of the Pt—Cu phase present at the grain boundaries of the W-based member was not significantly different from the element ratio of the Pt—Cu phase in other layers.
以上の解析の結果、実施例2でも、W系部材の結晶粒界にPt-Cu相が入り込んでいた。このことから、W系部材にPtペーストを塗布して焼成処理することによって、W系部材の結晶粒界にPt元素が入り込んでPt-W相が生成された後、Pt-Cu相が生成されたと考えられる。また、実施例2においても、Pt-W領域とW系部材との間にW-Pt-Cu合金が形成されていた。 As a result of the above analysis, even in Example 2, the Pt--Cu phase entered the grain boundaries of the W-based member. From this, by applying the Pt paste to the W-based member and performing the firing process, the Pt element enters the crystal grain boundary of the W-based member to generate the Pt--W phase, and then the Pt--Cu phase is generated. It is thought that Also in Example 2, a W--Pt--Cu alloy was formed between the Pt--W region and the W-based member.
3.実施例3
(1)サンプルの作製
実施例3では、実施例1、2と同様のW系部材の表面に、実施例2と同じ組成のPtペーストを塗布して乾燥処理(120℃、30分間)を実施した後、大気雰囲気で脱バインダ処理(昇温速度:10℃/min、最高温度:160℃、加熱時間:0.5h)を実施した。次に、N2ガス(3%水素(H2)含有)雰囲気下で焼成処理(昇温速度:4℃/min、最高温度:1000℃、焼成時間:2h)を実施した。そして、室温まで冷却した後に表面を観察すると、Pt焼成膜が生成されて金属光沢を示していた。また、W系部材とPt焼成膜の間にはPt-W合金が生成されていた。次に、Pt焼成膜の表面にAuペーストを塗布した。なお、本試験で使用したAuペーストは、20vol%のAu粉末(平均粒子径:0.5μm)と、ガラス粉(SiO2-B2O3系ガラス)と、バインダ(エチルセルロース系樹脂)と、分散材と、溶剤(2,2,4-Trimethyl-1,3-pentanediol 1-Monoisobutyrate)とを混錬したものである。その後、乾燥処理(120℃、30分間)を実施した後、大気雰囲気で脱バインダ処理(昇温速度:10℃/min、最高温度:350℃、焼成時間:3h)を実施した、W系部材とPt-W層とPt焼成膜とAu乾燥膜とが、このの順に積層された4層構造物を得た。そして、かかる4層構造物のAu乾燥膜に、実施例1、2と同様のCu系部材を接触させて荷重(50gのアルミナブロック)を乗せた状態で、N2ガス(3%水素(H2)含有)雰囲気下で焼成処理(昇温速度:4℃/min、最高温度:1000℃、焼成時間:2h)を実施した。これによって、W系部材とCu系部材とが強固に接合された接合体サンプルを得た。
3. Example 3
(1) Preparation of samples In Example 3, a Pt paste having the same composition as in Example 2 was applied to the surface of the same W-based member as in Examples 1 and 2, and dried (120°C for 30 minutes). After that, a binder removal treatment (heating rate: 10° C./min, maximum temperature: 160° C., heating time: 0.5 h) was performed in an air atmosphere. Next, firing treatment (heating rate: 4° C./min, maximum temperature: 1000° C., firing time: 2 h) was performed in an N 2 gas (containing 3% hydrogen (H 2 )) atmosphere. When the surface was observed after cooling to room temperature, a Pt baked film was formed and exhibited metallic luster. Also, a Pt--W alloy was produced between the W-based member and the Pt fired film. Next, an Au paste was applied to the surface of the Pt fired film. The Au paste used in this test consisted of 20 vol% Au powder (average particle diameter: 0.5 μm), glass powder (SiO 2 —B 2 O 3 glass), binder (ethyl cellulose resin), It is obtained by kneading a dispersing material and a solvent (2,2,4-Trimethyl-1,3-pentanediol 1-Monoisobutylate). After that, after performing drying treatment (120° C., 30 minutes), binder removal treatment (heating rate: 10° C./min, maximum temperature: 350° C., firing time: 3 hours) was performed in the atmosphere, W-based member , a Pt--W layer, a Pt sintered film, and an Au dried film were laminated in this order to obtain a four-layer structure. Then, the same Cu-based member as in Examples 1 and 2 was brought into contact with the Au dry film of such a four-layer structure and a load (50 g of alumina block) was placed on it, and N 2 gas (3% hydrogen (H 2 ) Firing treatment (heating rate: 4°C/min, maximum temperature: 1000°C, firing time: 2h) was performed in an atmosphere containing 2). As a result, a joined body sample in which the W-based member and the Cu-based member were firmly joined was obtained.
(2)サンプルの解析
(a)SEM観察およびEDX分析
上記実施例3のサンプルに対して、実施例1と同じ条件でSEM観察とEDX分析を実施した。実施例3の倍率300倍の解析結果を図36に示す。また、図36中の第1Pt-Cu-Au領域における倍率50000倍の解析結果を図37に示し、第1W-Pt-Cu-Au領域における倍率50000倍の解析結果を図38に示し、第2Pt-Cu-Au領域における倍率50000倍の解析結果を図39に示し、第2W-Pt-Cu-Au領域における倍率50000倍の解析結果を図40に示す。さらに、第2W-Pt-Cu-Au領域とW系部材との境界における倍率50000倍の解析結果を図41に示し、W系部材における倍率50000倍の解析結果を図42に示す。なお、図36~図42中の(a)は断面SEM画像であり、(b)はWの元素マップであり、(c)はCuの元素マップであり、(d)はPtの元素マップであり、(e)はAuの元素マップである。
(2) Sample Analysis (a) SEM Observation and EDX Analysis The sample of Example 3 was subjected to SEM observation and EDX analysis under the same conditions as in Example 1. FIG. 36 shows the analysis results of Example 3 at a magnification of 300 times. 37 shows the analysis results of the first Pt--Cu--Au region in FIG. 36 at a magnification of 50,000; FIG. 39 shows the analysis result of the −Cu—Au region at a magnification of 50,000, and FIG. 40 shows the analysis result of the second W—Pt—Cu—Au region at a magnification of 50,000. Further, FIG. 41 shows the analysis result of the boundary between the second W--Pt--Cu--Au region and the W-based member at a magnification of 50,000, and FIG. 42 shows the analysis result of the W-based member at a magnification of 50,000. 36 to 42, (a) is a cross-sectional SEM image, (b) is an elemental map of W, (c) is an elemental map of Cu, and (d) is an elemental map of Pt. and (e) is an elemental map of Au.
また、実施例3では、図36(a)の上側(第1Pt-Cu-Au領域側)から下側(W系部材側)に長さ約300μmの線分X4を引き、当該ライン上におけるW、Pt、Cu、Au各元素の濃度分布の変化を調べた。結果を図43に示す。この図43の横軸の0μmの位置は線分X4の上端に対応しており、300μmの位置は線分X4の下端に対応している。また、縦軸は各々の元素の特性X線強度を示している。そして、図43中の(a)はPtの分析結果を示し、(b)はWの分析結果を示し、(c)はCuの分析結果を示し、(d)はAuの分析結果を示している。さらに、実施例3では、図37~図42に示す各視野におけるEDXスペクトルを取得した。これらの各視野におけるEDXスペクトルを図44~図49に示す。 Further, in Example 3, a line segment X4 having a length of about 300 μm is drawn from the upper side (first Pt--Cu--Au region side) to the lower side (W-based member side) in FIG. , Pt, Cu, and Au. The results are shown in FIG. The 0 μm position on the horizontal axis of FIG. 43 corresponds to the upper end of the line segment X4, and the 300 μm position corresponds to the lower end of the line segment X4. The vertical axis indicates the characteristic X-ray intensity of each element. In FIG. 43, (a) shows the analysis results of Pt, (b) shows the analysis results of W, (c) shows the analysis results of Cu, and (d) shows the analysis results of Au. there is Furthermore, in Example 3, EDX spectra in each field of view shown in FIGS. 37 to 42 were obtained. EDX spectra in each of these fields of view are shown in FIGS. 44 to 49. FIG.
まず、図41、42、48、49に示すように、実施例3においても、W系部材の結晶粒界にPt元素とCu元素が入り込んでいることが確認された。このことから、Pt-W層とCu源(Cu系部材)との間にAu層が介在した状態で焼成処理を行った場合でも、W系部材の結晶粒界にPt-Cu相が形成されることが確認された。 First, as shown in FIGS. 41, 42, 48, and 49, it was confirmed that the Pt element and the Cu element entered the grain boundaries of the W-based member also in Example 3. From this, even when the firing treatment is performed with the Au layer interposed between the Pt—W layer and the Cu source (Cu-based member), the Pt—Cu phase is formed at the grain boundary of the W-based member. It was confirmed that
また、図36~40に示すように、実施例3では、Pt-Cu-Au合金を含む領域(t-Cu-Au領域)とW-Pt-Cu-Au合金を含む領域(W-Pt-Cu-Au領域)とが厚み方向において交互に形成されていた。このような層状構造が形成された原因は、Pt-W層が厚く形成された結果、当該Pt-W層にひび割れが生じ、Pt-W層からのPtの拡散が層表面と層内部の両方から生じたためと推測される。また、図50および図51に示すように、第1W-Pt-Cu-Au領域と第2W-Pt-Cu-Au領域の各々を拡大して観察した結果、何れの領域においても粒状のW相が形成されていた。このことから、実施例3の中間層には、W相とPt-Cu-Au相とを含む四元二相のW-Pt-Cu-Au合金が形成されていることが確認された。また、図36~図41に示すように、実施例3の中間層には、実施例1(図7参照)にて確認されたようなカーケンダルボイドが存在しなかった。これは、実施例3の中間層は、低融点のAu-Cu合金を含んでおり、焼成中にAu-Cu合金が液相となってカーケンダルボイドを塞いだためと推測される。 Further, as shown in FIGS. 36 to 40, in Example 3, a region containing a Pt--Cu--Au alloy (t--Cu--Au region) and a region containing a W--Pt--Cu--Au alloy (W--Pt-- Cu—Au regions) were alternately formed in the thickness direction. The cause of the formation of such a layered structure is that as a result of the Pt--W layer being formed thick, cracks occur in the Pt--W layer, and Pt from the Pt--W layer diffuses into both the layer surface and the inside of the layer. presumed to have arisen from Further, as shown in FIGS. 50 and 51, the first W--Pt--Cu--Au region and the second W--Pt--Cu--Au region were each magnified and observed. was formed. From this, it was confirmed that a quaternary two-phase W--Pt--Cu--Au alloy containing a W phase and a Pt--Cu--Au phase was formed in the intermediate layer of Example 3. Further, as shown in FIGS. 36 to 41, the intermediate layer of Example 3 did not have Kirkendall voids as confirmed in Example 1 (see FIG. 7). This is presumably because the intermediate layer of Example 3 contained an Au--Cu alloy with a low melting point, and the Au--Cu alloy turned into a liquid phase during firing to close the Kirkendall voids.
4.実施例4
(1)サンプルの作製
実施例4では、Auペーストの代わりに、Pt焼成膜の表面にCuペーストを塗布した点を除いて、実施例3と同じ手順で接合体サンプルを作製した。なお、本試験で使用したCuペーストは、20vol%のCu粉末(平均粒子径:0.5μm)と、ガラス粉(SiO2-B2O3系ガラス)と、バインダ(エチルセルロース系樹脂)と、分散材と、溶剤(2,2,4-Trimethyl-1,3-pentanediol 1-Monoisobutyrate)とを混錬したものである。
4. Example 4
(1) Preparation of Sample In Example 4, a joined body sample was prepared in the same procedure as in Example 3, except that Cu paste was applied to the surface of the fired Pt film instead of the Au paste. The Cu paste used in this test consisted of 20 vol% Cu powder (average particle size: 0.5 μm), glass powder (SiO 2 —B 2 O 3 glass), binder (ethyl cellulose resin), It is obtained by kneading a dispersing material and a solvent (2,2,4-Trimethyl-1,3-pentanediol 1-Monoisobutylate).
(2)サンプルの解析
(a)SEM観察およびEDX分析
上記実施例4のサンプルに対して、実施例1と同じ条件でSEM観察とEDX分析を実施した。実施例4の倍率5000倍の解析結果を図52に示し、Pt-W領域における倍率50000倍の解析結果を図53に示し、W-Pt-Cu領域における倍率50000倍の解析結果を図54に示し、W系部材における倍率50000倍の解析結果を図55に示し、W系部材とW-Pt-Cu領域との界面における倍率50000倍の解析結果を図56に示す。なお、図52~図56中の(a)は断面SEM画像であり、(b)はWの元素マップであり、(c)はCuの元素マップであり、(d)はPtの元素マップである。
(2) Sample Analysis (a) SEM Observation and EDX Analysis The sample of Example 4 was subjected to SEM observation and EDX analysis under the same conditions as in Example 1. FIG. 52 shows the analysis result of Example 4 at a magnification of 5000 times, FIG. 53 shows the analysis result of the Pt--W region at a magnification of 50000-fold, and FIG. FIG. 55 shows the analysis result of the W-based member at a magnification of 50,000, and FIG. 56 shows the analysis result of the interface between the W-based member and the W--Pt--Cu region at a magnification of 50,000-fold. 52 to 56, (a) is a cross-sectional SEM image, (b) is an elemental map of W, (c) is an elemental map of Cu, and (d) is an elemental map of Pt. be.
まず、図55に示すように、実施例4においても、W系部材の結晶粒界にPt-Cu相が入り込んでいることが確認された。さらに、図54および図56に示すように、実施例4においても、中間層に三元二相のW-P-Cu合金が形成されていることが確認された。また、図52及び図53に示すように、実施例4では、中間層の一部に、Pt-W合金を主成分としたPt-W領域が形成されていることが確認された。 First, as shown in FIG. 55, also in Example 4, it was confirmed that the Pt—Cu phase entered the grain boundaries of the W-based member. Furthermore, as shown in FIGS. 54 and 56, it was confirmed that a ternary two-phase WP—Cu alloy was formed in the intermediate layer in Example 4 as well. Further, as shown in FIGS. 52 and 53, in Example 4, it was confirmed that a Pt--W region containing a Pt--W alloy as a main component was formed in part of the intermediate layer.
5.実施例5
(1)サンプルの作製
実施例5では、実施例1~4と同様のW系部材の表面に、実施例2と同じ組成のPtペーストを塗布して乾燥処理(120℃、30分間)を実施した後、大気雰囲気で脱バインダ処理(昇温速度:10℃/min、最高温度:160℃、加熱時間:0.5h)を実施した。そして、N2ガス(3%水素(H2)含有)雰囲気下で焼成処理(昇温速度:4℃/min、最高温度:1000℃、焼成時間:2h)を実施した。なお、実施例5では、他の実施例と異なり、Ptペーストの塗布厚みを10μmから2μmに減少させた。このため、冷却後の塗布面を観察すると、Pt-W層の表面からW系部材の一部が露出し、当該Pt-W層の表面が灰色でざらついていた。次に、本実施例では、Cu源としてPt-Cuペーストを準備し、Pt-W層の表面に塗布した。なお、本試験で使用したPt-Cuペーストは、20vol%のPt-Cu粉末(平均粒子径0.5μmのPt粉末と平均粒子径0.5μmのCu粉末とを10:90の割合で混合したもの)と、ガラス粉(SiO2-B2O3系ガラス)と、バインダ(エチルセルロース系樹脂)と、分散材と、溶剤(2,2,4-Trimethyl-1,3-pentanediol 1-Monoisobutyrate)とを混錬したものである。そして、乾燥処理(120℃、30分間)を実施した後、大気雰囲気で脱バインダ処理(昇温速度:10℃/min、最高温度:350℃、加熱時間:3h)を実施した後に、N2ガス(3%水素(H2)含有)雰囲気下で焼成処理(昇温速度:4℃/min、最高温度:1000℃、焼成時間:2h)を実施した。これによって、W系部材の表面に、白金(Pt)と銅(Cu)を含む中間層が形成された接合体サンプルを得た。
5. Example 5
(1) Preparation of samples In Example 5, a Pt paste having the same composition as in Example 2 was applied to the surface of the same W-based member as in Examples 1 to 4, and dried (120°C, 30 minutes). After that, a binder removal treatment (heating rate: 10° C./min, maximum temperature: 160° C., heating time: 0.5 h) was performed in an air atmosphere. Then, firing treatment (heating rate: 4° C./min, maximum temperature: 1000° C., firing time: 2 hours) was performed in an N 2 gas (containing 3% hydrogen (H 2 )) atmosphere. Note that in Example 5, unlike the other examples, the thickness of the Pt paste applied was reduced from 10 μm to 2 μm. Therefore, when the coating surface after cooling was observed, part of the W-based member was exposed from the surface of the Pt--W layer, and the surface of the Pt--W layer was gray and rough. Next, in this example, a Pt--Cu paste was prepared as a Cu source and applied to the surface of the Pt--W layer. The Pt—Cu paste used in this test was 20 vol% Pt—Cu powder (Pt powder with an average particle size of 0.5 μm and Cu powder with an average particle size of 0.5 μm were mixed at a ratio of 10:90. material), glass powder (SiO 2 -B 2 O 3 based glass), binder (ethyl cellulose based resin), dispersing agent, solvent (2,2,4-Trimethyl-1,3-pentanediol 1-Monoisobutylate) It is a mixture of Then, after performing a drying treatment (120° C., 30 minutes), a binder removal treatment (heating rate: 10° C./min, maximum temperature: 350° C., heating time: 3 h) is performed in an air atmosphere. Firing treatment (heating rate: 4° C./min, maximum temperature: 1000° C., firing time: 2 h) was performed in a gas atmosphere (containing 3% hydrogen (H 2 )). As a result, a joined body sample was obtained in which an intermediate layer containing platinum (Pt) and copper (Cu) was formed on the surface of the W-based member.
(2)サンプルの解析
上記実施例5のサンプルに対して、実施例1と同じ条件でSEM観察とEDX分析を実施した。実施例5の倍率5000倍の解析結果を図57に示し、Pt-Cu領域における倍率50000倍の解析結果を図58に示し、第1W-Pt-Cu領域における倍率50000倍の解析結果を図59に示し、Pt-W領域における倍率50000倍の解析結果を図60に示し、第2W-Pt-Cu領域とW系部材との境界における倍率50000倍の解析結果を図61に示す。なお、図57~図61中の(a)は断面SEM画像であり、(b)はWの元素マップであり、(c)はCuの元素マップであり、(d)はPtの元素マップである。また、実施例5については、図57(a)の下側(W系部材側)から上側(Pt-Cu領域側)に長さ20μmの線分X5を引き、当該ライン上におけるW、Pt、Cu各元素の濃度分布の変化を調べた。結果を図62に示す。この図62の横軸の0μmの位置は線分X5の下端に対応しており、20μmの位置は線分X5の上端に対応している。また、縦軸は各元素の特性X線強度を示している。
(2) Sample Analysis The sample of Example 5 was subjected to SEM observation and EDX analysis under the same conditions as in Example 1. FIG. 57 shows the analysis result of Example 5 at a magnification of 5000, FIG. 58 shows the analysis result of the Pt—Cu region at a magnification of 50000, and FIG. 59 shows the analysis result of the first W-Pt—Cu region at a magnification of 50000. FIG. 60 shows the analysis result of the Pt--W region at a magnification of 50,000, and FIG. 61 shows the analysis result of the boundary between the second W--Pt--Cu region and the W-based member at a magnification of 50,000. 57 to 61, (a) is a cross-sectional SEM image, (b) is an elemental map of W, (c) is an elemental map of Cu, and (d) is an elemental map of Pt. be. Further, for Example 5, a line segment X5 having a length of 20 μm is drawn from the lower side (W-based member side) to the upper side (Pt—Cu region side) in FIG. Changes in the concentration distribution of each element of Cu were investigated. The results are shown in FIG. The 0 μm position on the horizontal axis of FIG. 62 corresponds to the lower end of the line segment X5, and the 20 μm position corresponds to the upper end of the line segment X5. The vertical axis indicates the characteristic X-ray intensity of each element.
まず、図61及び図62に示すように、実施例5においても、W系部材の結晶粒界にPt元素とCu元素が入り込んでいることが確認された。このことから、Cu源としてCuペーストを使用した場合でも、結晶粒界にPt-Cu相が存在するW系部材を備えた金属接合体を製造できることが確認された。また、図57~図61に示すように、実施例5では、Pt-Cu領域と第1W-Pt-Cu領域とPt-W領域と第2W-Pt-Cu領域とが積層した層状構造の中間層が形成されていた。このような層状構造の中間層が形成された原因は、上記実施例3と同様に、Pt-W層のひび割れによって、Pt-W層からのPtの拡散が層表面と層内部の両方から生じたためと推測される。 First, as shown in FIGS. 61 and 62, it was confirmed that the Pt element and the Cu element entered the grain boundaries of the W-based member also in Example 5. FIG. From this, it was confirmed that even when a Cu paste is used as a Cu source, a metal joined body having a W-based member in which a Pt—Cu phase exists in the grain boundaries can be manufactured. Further, as shown in FIGS. 57 to 61, in Example 5, an intermediate layer structure in which a Pt--Cu region, a first W--Pt--Cu region, a Pt--W region, and a second W--Pt--Cu region are laminated. layers were formed. The reason why the intermediate layer having such a layered structure was formed is that cracks in the Pt--W layer caused diffusion of Pt from the Pt--W layer from both the layer surface and the inside of the layer, as in Example 3 above. presumed to be because
6.比較例1
(1)サンプルの作製
比較例1では、W系部材の表面にCuペーストを塗布して乾燥・焼成を行った。具体的には、実施例1と同じ寸法のW系部材の表面に、実施例4と同じ組成のCuペーストを塗布した。そして、120℃、30分間の乾燥処理を行って、Cuペーストを乾燥させた後に、空気中で400℃、1時間の加熱処理を行った。その後、焼成速度を5℃/min、最高焼成温度を1000℃、焼成時間を30分間に設定した焼成処理を行った。
6. Comparative example 1
(1) Preparation of Sample In Comparative Example 1, Cu paste was applied to the surface of the W-based member, and then dried and fired. Specifically, a Cu paste having the same composition as in Example 4 was applied to the surface of a W-based member having the same dimensions as in Example 1. Then, drying treatment was performed at 120° C. for 30 minutes to dry the Cu paste, and then heat treatment was performed in the air at 400° C. for 1 hour. After that, a firing process was performed with a firing rate of 5° C./min, a maximum firing temperature of 1000° C., and a firing time of 30 minutes.
(2)サンプルの解析
上記比較例1のサンプルに対して、実施例1と同じ条件でSEM観察とEDX分析を実施した。比較例1の倍率250倍の解析結果を図63に示し、倍率1000倍の解析結果を図64に示し、倍率5000倍の解析結果を図65に示し、倍率50000倍の解析結果を図66に示す。なお、図63~図66中の(a)は断面SEM画像であり、(b)はO(酸素)の元素マップであり、(c)はCuの元素マップであり、(d)はWの元素マップである。これらの解析の結果、比較例1では、W系部材の結晶粒界にCu元素等が入り込むような現象は確認されなかった(例えば図66(c)参照)。また、WとCuとが混在した合金材料を含む中間層なども形成されていなかった。すなわち、Ptが存在していない状態(W-Pt合金が生成されていない状態)でCuとWとを接触させて焼成処理を行っても、結晶粒界にCu元素等が入り込んだW系部材や、WとCuとが混在した中間層は生成されないことが分かった。そして、この比較例1のサンプルは、外部からの力によってW系部材とCu層との界面が容易に剥離した。
(2) Sample Analysis The sample of Comparative Example 1 was subjected to SEM observation and EDX analysis under the same conditions as in Example 1. FIG. 63 shows the analysis result of Comparative Example 1 at a magnification of 250, FIG. 64 shows the analysis result at a magnification of 1000, FIG. 65 shows the analysis result at a magnification of 5000, and FIG. show. 63 to 66, (a) is a cross-sectional SEM image, (b) is an elemental map of O (oxygen), (c) is an elemental map of Cu, and (d) is an elemental map of W. Element map. As a result of these analyses, in Comparative Example 1, a phenomenon in which the Cu element or the like entered the grain boundaries of the W-based member was not confirmed (see, for example, FIG. 66(c)). Also, an intermediate layer containing an alloy material in which W and Cu are mixed was not formed. That is, even if Cu and W are brought into contact with each other in the absence of Pt (a state in which a W—Pt alloy is not formed) and the firing treatment is performed, the W-based member in which the Cu element or the like enters the grain boundaries Also, it was found that an intermediate layer in which W and Cu are mixed is not generated. In the sample of Comparative Example 1, the interface between the W-based member and the Cu layer was easily peeled off by an external force.
7.比較例2
(1)サンプルの作製
比較例2では、板状のW系部材の表面にPtペーストを塗布して乾燥・焼成を行った。具体的には、実施例1と同じ寸法のW系部材の表面に、実施例1と同じ組成のPtペーストを塗布した。そして、120℃、30分間の乾燥処理でPtペーストを乾燥させた後に、空気中で160℃、0.5時間の加熱処理を行った。その後、焼成速度を3℃/min、最高焼成温度を1300℃、焼成時間を10分間に設定した焼成処理を行った。これによって、W系部材の表面に、白金(Pt)を含む層が形成された接合体を得た。
7. Comparative example 2
(1) Preparation of Sample In Comparative Example 2, a Pt paste was applied to the surface of a plate-shaped W-based member, followed by drying and firing. Specifically, a Pt paste having the same composition as in Example 1 was applied to the surface of a W-based member having the same dimensions as in Example 1. Then, after the Pt paste was dried by drying treatment at 120° C. for 30 minutes, heat treatment was performed in the air at 160° C. for 0.5 hour. After that, a firing process was performed with a firing rate of 3° C./min, a maximum firing temperature of 1300° C., and a firing time of 10 minutes. As a result, a joined body was obtained in which a layer containing platinum (Pt) was formed on the surface of the W-based member.
(2)サンプルの解析
上記比較例2のサンプルに対して、実施例1と同じ条件でSEM観察とEDX分析を実施した。比較例2の倍率5000倍の解析結果を図67に示す。なお、図67の(a)は断面SEM画像であり、(c)はWの元素マップであり、(d)はPtの元素マップである。これらの解析の結果、比較例2のようにPt源とW源とを接触させた状態で焼成することによって、W系部材の表面に、PtとWを含む合金(Pt-W合金)が生成されることが確認された。
(2) Sample Analysis The sample of Comparative Example 2 was subjected to SEM observation and EDX analysis under the same conditions as in Example 1. FIG. 67 shows the analysis result of Comparative Example 2 at a magnification of 5000 times. In addition, (a) of FIG. 67 is a cross-sectional SEM image, (c) is an elemental map of W, and (d) is an elemental map of Pt. As a result of these analyses, an alloy containing Pt and W (Pt—W alloy) was formed on the surface of the W-based member by firing with the Pt source and W source in contact as in Comparative Example 2. It was confirmed that
8.比較例3
(1)サンプルの作製
比較例3では、板状のW系部材の表面にPt-Cuペーストを塗布して乾燥・焼成を行った。具体的には、実施例1と同じ寸法のW系部材の表面に、実施例5と同じ組成のPt-Cuペーストを塗布した。そして、120℃、30分間の乾燥処理を行ってペーストを乾燥させた後に、空気中で160℃、0.5時間の第1加熱処理を行った後に、3%H2ガス含有N2ガス中で、昇温速度10℃/min、最高加熱温度400℃、加熱時間を1時間に設定した第2加熱処理を行った。そして、昇温速度5℃/min、最高焼成温度を1000℃、焼成時間を30分間の焼成処理を行った。
8. Comparative example 3
(1) Preparation of Samples In Comparative Example 3, a Pt—Cu paste was applied to the surface of a plate-shaped W-based member, followed by drying and firing. Specifically, a Pt—Cu paste having the same composition as in Example 5 was applied to the surface of a W-based member having the same dimensions as in Example 1. Then, after performing a drying treatment at 120 ° C. for 30 minutes to dry the paste, performing a first heat treatment at 160 ° C. for 0.5 hours in the air, and then in N 2 gas containing 3% H 2 gas , the second heat treatment was performed with a temperature increase rate of 10° C./min, a maximum heating temperature of 400° C., and a heating time of 1 hour. Then, a baking treatment was performed with a temperature increase rate of 5° C./min, a maximum baking temperature of 1000° C., and a baking time of 30 minutes.
(2)サンプルの解析
上記比較例3のサンプルに対して、実施例1と同じ条件でSEM観察とEDX分析を実施した。比較例3の倍率5000倍の解析結果を図68に示し、倍率50000倍の解析結果を図69に示す。これらの解析の結果、比較例3のようにPt源とCu源を混合して焼成した場合、W系部材の表面にPt源とCu源が存在していたにも関わらず、結晶粒界にPt元素とCu元素が入り込んだW系部材は形成されなかった。さらに、W系部材の表面には、Pt-Cu合金が形成されていたが、このPt-Cu合金はW系部材と適切に接合されていなかった。このような結果になった原因は次のように推測される。比較例3では、混在させたPt源とCu源との反応が優先的に生じ、Pt-W合金が生成されなかった。そして、Pt源とCu源とが反応して生じたPt-Cu合金は、W系部材との反応性が低いため、W系部材の結晶粒界に入り込むような移動(拡散)が生じなかった。このことから、結晶粒界にPt-Cu相が存在するW系部材を形成するには、W系部材の表面にPt-W合金を生成した後に、当該Pt-W合金にCu源を接触させて焼成処理を行った方がよいことが分かった。
(2) Sample Analysis The sample of Comparative Example 3 was subjected to SEM observation and EDX analysis under the same conditions as in Example 1. FIG. 68 shows the analysis result of Comparative Example 3 at a magnification of 5000, and FIG. 69 shows the analysis result at a magnification of 50000. As a result of these analyses, when the Pt source and the Cu source were mixed and fired as in Comparative Example 3, although the Pt source and the Cu source were present on the surface of the W-based member, A W-based member containing the Pt element and the Cu element was not formed. Furthermore, a Pt--Cu alloy was formed on the surface of the W-based member, but this Pt--Cu alloy was not properly joined to the W-based member. The reason for such a result is presumed as follows. In Comparative Example 3, the reaction between the mixed Pt source and Cu source occurred preferentially, and no Pt—W alloy was produced. Since the Pt—Cu alloy produced by the reaction between the Pt source and the Cu source has low reactivity with the W-based member, it did not move (diffusion) into the grain boundaries of the W-based member. . From this, in order to form a W-based member having a Pt—Cu phase at the grain boundary, a Pt—W alloy is formed on the surface of the W-based member, and then a Cu source is brought into contact with the Pt—W alloy. It was found that it is better to perform the firing treatment at the same time.
以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。 Although specific examples of the present invention have been described in detail above, these are merely examples and do not limit the scope of the claims. The technology described in the claims includes various modifications and changes of the specific examples illustrated above.
10 W系部材
12 結晶粒
14 Pt-Cu相
15 Wリッチ層
16 Pt-W相
20 中間層
22 W相
24 Pt-Cu相
25 Pt-W層
100 金属接合体
200 Cu系部材
10 W-based
Claims (8)
前記タングステン系部材の表面に接合されており、白金(Pt)と銅(Cu)を含む中間層と
を少なくとも備え、
前記タングステン系部材の結晶粒界に、白金(Pt)と銅(Cu)を含むPt-Cu相が存在している、金属接合体。 a tungsten-based member containing tungsten (W);
Bonded to the surface of the tungsten-based member and comprising at least an intermediate layer containing platinum (Pt) and copper (Cu),
A metal joined body, wherein a Pt--Cu phase containing platinum (Pt) and copper (Cu) is present at grain boundaries of the tungsten-based member.
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JP2021199513A JP2023085050A (en) | 2021-12-08 | 2021-12-08 | metal joint |
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JP2021199513A Pending JP2023085050A (en) | 2021-12-08 | 2021-12-08 | metal joint |
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2021
- 2021-12-08 JP JP2021199513A patent/JP2023085050A/en active Pending
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