JP3707580B2 - 接合方法及びその方法を用いた超音波探触子 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、金属、セラミックなどの接合方法及び、この接合方法により製造された、音波探触子における超音波発振子，音響レンズ及び超音波吸収材相互間の接合構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
電子部品や光部品などは、金属やセラミックを相互に接合させた多層構造体から構成されることが多い。このような金属やセラミックを相互接合させる方法としては、例えば、エポキシ樹脂などの有機接着剤を用いる方法が使用されている。しかし、金属やセラミックを相互接合するために、エポキシ樹脂等の電気絶縁性の有機接着剤を用いる場合、接合に用いるエポキシ樹脂系接着剤が経時変化を起こすために様々な問題が生じていた。
【０００３】
例えば、電子顕微鏡（ＳＥＭ）の真空室に設けられるＥＤＸ(Energy Dispersion X-ray)の入射窓や蒸着装置などの真空室を有するのぞき窓などにも金属やセラミックなどの接合部があるが、これら接合部に有機接着剤を用いると、経時変化によりガスが発生し、真空室を汚染したり、剥離などにより真空度不良を起こすなどの問題があった。
【０００４】
更に、半導体装置などにおいて、チップを基板に接合するときは、フラックスを使用して半田接合するが、装置の微細化に伴い、半田中のブローホールなども問題になってくる。また、光部品（例えば、光−電気変換素子など）の電極端子をセラミック基板に接合する時も同様の問題がある。
【０００５】
また、超音波探触子を組立てるための、超音波発振子と音響レンズ及び超音波吸収剤を接合する方法として、主としてエポキシ樹脂などの有機接着剤を用いる方法が採用されていた。しかし、超音波発振子と音響レンズおよび超音波吸収材を接合するために、エポキシ樹脂等の電気絶縁性の有機接着剤を用いる場合、エポキシ樹脂系接着剤が経時変化を起こすため、超音波探触子の音響特性が経時的に劣化する恐れがあり、測定の信頼性を損ねるという問題があった。
【０００６】
また、一般的に、エポキシ樹脂系の有機接着剤と超音波発振子および音響レンズにおける音響インピーダンスの差は極めて大きいので、エポキシ樹脂系の有機接着剤を用いて超音波発振子と音響レンズを接合すると、有機接着剤が音響境界層を形成し、その結果超音波が反射される。そのため超音波発振子から音響レンズへ超音波が充分に伝播せず、良好な音響特性を示さないという問題点もあった。
【０００７】
この問題を解決するために、本願発明者は先に、超音波発振子と超音波吸収材と音響レンズを電気絶縁物を用いずに物理的な圧接により接合し、また超音波発振子と音響レンズの接合のために、真空中で接合面にイオンビームまたはアトムビームを照射した後圧接することからなる超音波探触子の製造方法を発明し、特許出願した。特に、この先願発明では、音響レンズの材料に石英を使用し、この音響レンズの超音波発振子との接合面にＡｕ／Ｃｒ蒸着膜を配設させる。この発明は、特開平８−２２３６９５号公報に開示されている。この圧接接合法による超音波探触子は、超音波発振子と音響レンズとの間に接着剤などの音響境界層を有さないので、良好な音響特性を示す。また、この方法によれば、接合時に経時変化の恐れがある有機接着剤を使用せずに強固な圧接接合を行うことが可能であるので、性能が長期間変化しない超音波探触子を得ることができる。
【０００８】
特開平８−２２３６９５号公報に記載された先願発明では、圧接接合のために３μｍ以上の膜厚を有するＡｕ／Ｃｒ蒸着膜を使用する。しかし、この膜厚のＡｕ／Ｃｒ蒸着膜を形成するには、費用も時間もかかり、製造コストの観点からは安価ではない。また、膜厚が厚すぎるために膜質的にも問題がある。更に、膜厚が厚すぎるために、音圧往復通過率が低く、感度が悪いという問題点もあった。
【０００９】
また、特開昭６３−１９４８７９号公報には、インサート材を用いる接合方法が開示されている。この方法によれば、金属やセラミックなどの被接合材よりも融点が低く、かつ、高融点金属インサート材（例えば、Ｓｎ箔）と低融点金属インサート材（例えば、Ｉｎ−Ｓｎ共晶合金）などの融点の異なる複数の金属インサート材を組合わせることにより構成した複合インサート材を被接合材間に配置し、この複合インサート材の低融点金属インサート材は溶融するが、高融点金属インサート材は溶融しない温度で接合部を加熱する。
【００１０】
しかし、この方法では、使用する複合インサート材の厚さが比較的厚くなり、また、複合インサート材の作製自体も手間がかかるなどの欠点がある。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
従って、本発明の目的は、接合による悪影響を極力少なくした接合方法及び該方法により製造される超音波探触子を提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
前記課題は、セラミックからなる被接合物同士を接合させる場合、各被接合物の接合面にＡｕ／Ｃｒ蒸着膜を設け、一方のＡｕ／Ｃｒ蒸着膜の表面にＰｂ蒸着膜を設け、セラミックからなる被接合物と金属からなる被接合物とを接合させる場合、セラミック被接合物の接合面にＡｕ／Ｃｒ蒸着膜を設け、このＡｕ／Ｃｒ蒸着膜の表面又は金属被接合物の接合面にＰｂ蒸着膜を設け、金属からなる被接合物同士を接合させる場合、少なくとも一方の金属被接合物の接合面にＰｂ蒸着膜を設け、両被接合物を圧接接合させることにより解決される。
【００１３】
この場合、Ａｕ／Ｃｒ蒸着膜は０．３〜０．５μｍの範囲内の膜厚を有し、Ｐｂ蒸着膜は３〜８μｍの範囲内の膜厚を有することが好ましい。
【００１４】
【発明の実施の形態】
前記のように、本発明はセラミックと金属、セラミックとセラミック又は金属と金属間の接合に適用できる。本発明の実施態様の一つとして、セラミックと金属間の接合として、超音波探触子を例に挙げて具体的に説明する。
【００１５】
図１は、本発明による超音波探触子の中の超音波発振子１の断面図である。超音波発振子１の一方の面には上部電極２が設けられ、他方の面には下部電極３が設けられている。上部電極２はＡｕ／Ｃｒ蒸着膜から形成することができる。このＡｕ／Ｃｒ蒸着膜は、超音波発振子の面側にＣｒ蒸着膜２ａが設けられ、このＣｒ蒸着膜２ａの表面にＡｕ蒸着膜２ｂを設けることにより構成されている。下部電極３のＡｕ／Ｃｒ蒸着膜も同様に、超音波発振子の面側にＣｒ蒸着膜３ａが設けられ、このＣｒ蒸着膜３ａの表面にＡｕ蒸着膜３ｂを設けることにより構成されている。
【００１６】
上部電極２及び下部電極３の形成方法は特に限定されないが、例えば、スパッタリング又は真空蒸着などのベーパデポジションなどの方法により形成することができる。上部電極２及び下部電極３の厚さは特に限定されないが、一般的に、０．３μｍ〜０．５μｍの範囲内であることが好ましい。０．３μｍ未満では超音波発振子１の表面の粗さのために、上部電極２及び下部電極３の存在する箇所が無いなどの不都合が生じ、また、０．５μｍ超では特に問題はないが、不経済なだけである。
【００１７】
上部電極２のＡｕ蒸着膜２ｂの表面及び下部電極３のＡｕ蒸着膜３ｂの表面には、Ｐｂ（鉛）膜４０が設けられている。Ｐｂ膜は被接合物の接合面に由来するＡｕ／Ｃｒ蒸着膜のＡｕ膜表面の粗さを平坦化するのに有効である。また、鉛は超音波発振子に近い音響インピーダンスを有するので音響特性を改善するのに有効である。このＰｂ膜４０は例えば、スパッタリング又は真空蒸着などのベーパデポジションなどの方法により形成することができる。このような成膜方法は当業者に周知である。Ｐｂ蒸着膜４０の膜厚は蒸着面の粗さなどにより特に限定されないが、一般的に、３μｍ以上であることが好ましい。３μｍ未満では表面粗さを埋めるのに不十分であるばかりか、十分な接合効果が得られない恐れがある。一方、Ｐｂ蒸着膜４０の膜厚の上限値は使用する超音波発振子の厚みによるが、超音波発振子１の厚みの１／１０程度であることが好ましい。例えば、２５ＭＨｚであれば、上限値は８μｍ程度となる。これよりも厚いＰｂ蒸着膜４０を使用すると界面反射波などの不都合が生じるので好ましくない。一般的に、Ｐｂ蒸着膜の膜厚は３〜５μｍの範囲内であることが好ましい。
【００１８】
超音波発振子１を構成する圧電素子はＰＺＴ（Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）０3系セラミックス）又はＰｂＴｉＯ3（チタン酸鉛）などを使用できる。このような素材は当業者に周知である。
【００１９】
図２は本発明による超音波探触子の中の音響レンズ５の断面図である。音響レンズ５の下部電極３との接合面側にはＡｕ／Ｃｒ蒸着膜４が設けられている。Ａｕ／Ｃｒ蒸着膜４は表面にＡｕが露出しているため、化学的に安定している。このＡｕ／Ｃｒ蒸着膜４はスパッタリングあるいは真空蒸着などのベーパデポジション法により成膜することができる。このような成膜方法は当業者に公知である。先ず、Ｃｒ膜を成膜し、その上にＡｕ膜を成膜する。Ｃｒ膜はレンズと金属の結合を助長する。このＡｕ／Ｃｒ蒸着膜４は、下部電極３と同等の膜厚で、一般的に、０．３μｍ〜０．５μｍの範囲内であることが好ましい。０．３μｍ未満では表面の粗さのために膜の存在しない箇所が発生する恐れがある。一方、０．５μｍ超では特に問題はないが不経済なだけである。
【００２０】
音響レンズ５のＡｕ／Ｃｒ蒸着膜４の一端に電極接続用リード線６を接続させる。この接続は例えば、銀ペースト又は常温硬化性導電性樹脂などを用いることにより行うことができる。
【００２１】
音響レンズ５は石英から形成されている。石英は化学的に非常に安定であり、耐食性にも優れている。従って、金属製音響レンズの場合に発生する腐食の問題は全く起こらない。
【００２２】
図３は本発明の超音波探触子の製造方法の一工程を例証する模式図である。図３において、符号１は圧電素子を材料とする超音波発振子、５は石英を材料とする音響レンズ、１３ａ及び１３ｂはアトムビームを発生するビーム源、１４ａ及び１４ｂは加圧治具であり、これらは真空処理室２０内に配置されている。真空処理室２０の適当な箇所には、真空排気手段（図示されていない）に接続されるダクト２２が設けられている。
【００２３】
超音波発振子および音響レンズの接合面に真空中でイオンビームまたはアトムビームを照射することによって、接合面に付着している酸化皮膜や水分等の汚染層が除去される。これにより接合面は清浄かつ活性な面となり、加圧して密着させれば極めて良好な圧接接合が形成される。なお、この明細書の全体を通じて使用される“圧接”という用語は、接合しようとする面を清浄にして高圧で両者を接触させて面で拡散を生じさせて接合させることを意味する。
【００２４】
まず、超音波発振子１及び音響レンズ５をそれぞれ加圧治具１４ａ及び１４ｂに装着して真空処理室２０内の雰囲気をダクト２２から真空排気する。次にビーム源１３ａ及び１３ｂからアルゴンのアトムビームを発生させ、同ビームをそれぞれ超音波発振子１及び音響レンズ５の接合面に照射して、これら接合面に存在する汚染層（例えば、自然酸化物又は物理吸着水など）を除去する。この操作により接合面は清浄かつ活性な面となるので、加圧治具１４ａ及び１４ｂを用いて両部材の接合面を密着させ、所定時間加圧し続けることにより、両部材の接合面で拡散が起こり、超音波発振子１と音響レンズ２とを圧接接合させることができる。加圧治具は各部材間の圧接接合を行うためのものであり、油圧シリンダなどにより構成できる。
【００２５】
超音波発振子１と音響レンズ５の圧接接合が完了したら、超音波発振子１と加圧治具１４ａを分離する。そして、図４に示されるように、加圧治具１４ａに超音波吸収材７を装着する。超音波発振子１の圧接の際の真空圧を維持しながら、音響レンズ５と接合されていない超音波発振子１の他方の接合面と超音波吸収材７の接合面に、ビーム源１３ａ及び１３ｂから発生されたアルゴンのアトムビームを照射し、これら接合面に存在する汚染層（例えば、自然酸化物又は物理吸着水など）を除去する。この操作により接合面は清浄かつ活性な面となるので、加圧治具１４ａ及び１４ｂを用いて両部材の接合面を密着させ、所定時間加圧し続けることにより、両部材の接合面で拡散が起こり、超音波発振子１と超音波吸収材７とを圧接接合させることができる。斯くして、従来のようなエポキシ樹脂系有機接着剤を使用することなく、超音波発振子１を間に挟んで、音響レンズ５及び超音波吸収材７をそれぞれ一体的に圧接接合させることができる。
【００２６】
本発明では、超音波発振子１，音響レンズ５及び超音波吸収材７の各接合面を清浄化する手段としてイオンビーム又はアトムビームを使用するが、その理由は、真空の状態で活性な面をつくり、かつその状態を保持しながら同一チャンバ内で接合するためである。表面清浄化手段としてはプラズマ、有機溶剤又は超純水等があるが、表面活性化と接合を同一チャンバ内で実施するにはイオンビーム又はアトムビームを使用するのが最も好ましい。イオンビーム又はアトムビームとしては、例えば、アルゴンなどのビームが好適に使用できる。
【００２７】
真空処理室２０を使用するのは、イオンビーム又はアトムビームによる清浄化処理を効率的に行うためである。この目的のために好適な真空圧は特に限定されないが、一般的に、１０-6Torr程度であることが好ましい。真空処理室２０内の真空圧がこれよりも低真空の場合には接合面の再汚染防止にならないし、またこれよりも高真空の場合には、清浄化処理自体の効果を更に高めることにはならないので不経済なだけである。
【００２８】
ビーム源１３ａ及び１３ｂとしては、例えば、アトムテックなどから市販されているビームガンなどの当業者に公知の装置を使用できる。接合面の清浄化処理に必要なイオンビーム又はアトムビームの出力は特に限定されない。部材間の圧接接合を確立するのに必要充分な清浄化度が得られる出力であればよい。一般的な指標として、イオンビーム又はアトムビームの出力は１ｋｅＶ，２５ｍＡ程度であることが好ましい。出力が１ｋｅＶ，２５ｍＡ未満の場合には接合面の清浄化が不十分になる可能性がある。一方、出力が１ｋｅＶ，２５ｍＡを大きく超えた場合には、接合面に大きな空孔等を形成するなどの不都合が生じるので好ましくない。また、ビーム照射時間は接合面の清浄化に必要充分な長さであればよく、特に限定されない。所望の接合面清浄化度を得るために、ビーム出力とビーム照射時間とは反比例の関係を有する。例えば、高出力のビームを使用すれば、照射時間は短時間となり、一方、低出力のビームを使用すれば照射時間は長くなる。単なる一般的な指標として、１ｋｅＶ，２５ｍＡ程度の出力のビームを使用する場合、照射時間は６００秒間程度である。
【００２９】
加圧治具１４ａ及び１４ｂによる各部材の加圧圧力及び加圧時間は各部材間で圧接接合を形成させるのに必要十分な大きさ及び長さであればよく、特に限定されない。一般的に、１２．５ＭＰａ以上の加圧圧力を使用する場合、加圧時間は３０秒間程度である。加圧圧力が高すぎると石英製音響レンズ５が破損する恐れがある。一般的に、加圧圧力の上限は被接合物によって決定される。
【００３０】
本実施例では、被接合材即ち圧電素子１、音響レンズ５及び超音波吸収材７は何れも室温で接合したが、ヒータ等を用いて被接合材の加熱を行い、接合面の温度をある範囲まで上昇させてから接合すると、接合強度はさらに上昇する。また、必要に応じて、超音波ウエルダーなども使用できる。
【００３１】
また、本実施例では真空中で接合を行ったが、アトムビームの照射後、アルゴンや窒素などの不活性なガスで雰囲気を満たした後接合してもよい。不活性ガス雰囲気を形成すると、部材の再酸化及び再汚染を防止することができる。
【００３２】
次に本発明を用いて製作された超音波探触子の組立構造を図５により説明する。図５において、符号１は超音波発振子、５は音響レンズ、６は下部電極接続用リード線、７は超音波吸収材、８は上部電極接続用リード線、９は充填材、１０は保護ケース、１１は端子をそれぞれ示す。基本的な構成部品自体は従来のエポキシ樹脂系接着剤を使用する超音波探触子と大体同じである。例えば、前記のように超音波発振子１は当業者に周知の圧電素子及びＰＴ（チタン酸鉛）などを使用できる。音響レンズ５としては石英を使用する。超音波吸収材７としては鉛，錫などを使用できる。超音波吸収材は超音波振動を抑制する機能を果たす。下部電極用リード線６は保護ケース１０の内壁面に接続されている。上部電極接続用リード線８は超音波吸収材７の上面に接続されている。超音波吸収材の下面に接続してもよい。リード線８は絶縁材１２で絶縁され、保護ケース１０の外部に取り出される。充填材９は例えば、エポキシ系の樹脂などを使用できる。保護ケース１０は金属製であり、音響レンズ側電極の導体を兼ねる。
【００３３】
次に本発明の超音波探触子の動作について説明する。超音波発振子１に端子１１を介して図示しないパルス電圧発生器によってパルス電圧を印加すると、超音波パルスが発生する。発生した超音波は音響レンズ５を介して図示しない被検体に入射して超音波探傷を行う。
【００３４】
また、平面で接合された３つの物質の音響インピーダンスをＺ1，Ｚ2，Ｚ3とすると、これらの音圧往復通過率は次式で表される。
Ｔl '＝４（Ｚ1／Ｚ3）／［｛（Ｚ1／Ｚ3）＋１｝2ｃｏｓ2θ＋｛（Ｚ1／Ｚ2）＋（Ｚ2／Ｚ3）｝2ｓｉｎ2θ］
但し、θ＝（２π／λ）・ｌであり、ここで、ｌはＺ2の膜厚である。
【００３５】
【表１】
前記表１において、Ｚ1は超音波発振子の材料として代表的な圧電素子（ＰｂＴｉＯ3系セラミックス）の音響インピーダンス（ｘ１０6ｇ／ｃｍ2・ｓ）であり、Ｚ3は、音響レンズの材料として使用される石英の音響インピーダンスであり、Ｚ2は圧電素子側の蒸着膜の音響インピーダンスであり、λは上記蒸着膜中での波長である。波長λは２５ＭＨｚにおける値である。従来例及び本発明ともｌは３μｍとした。
【００３６】
表１に示された数値を前記数式に代入して計算すると、従来例の音圧往復通過率は０．７９７であるのに対し、本発明の音圧往復通過率は１．３４９となる。従って、本発明によれば、音圧往復通過率は約７０％も改善される。
【００３７】
図６は被接合物がセラミック同士の場合を示す概要断面図である。セラミック３０ａ及び３０ｂの各接合面をＡｕ／Ｃｒ蒸着膜でメタライジングする。２ｂ又は３ｂの何れか一方のＡｕ膜の表面にＰｂ膜４０を蒸着する。所望により、両方のＡｕ膜の表面にＰｂ膜４０を蒸着することもできる。Ｐｂ膜はセラミック表面に由来する表面粗さを埋めるために使用される。使用されるＡｕ／Ｃｒ蒸着膜の膜厚は０．３〜０．５μｍの範囲内であることが好ましい。同様に、Ｐｂ膜の膜厚は３〜８μｍ、好ましくは、３〜５μｍの範囲内である。
【００３８】
図７は被接合物が金属同士の場合を示す概要断面図である。金属３２ａ及び３２ｂの何れか一方の接合面にＰｂ膜４０を蒸着する。所望により、両方の金属接合面にＰｂ膜４０を蒸着することもできる。金属同士の場合、Ｐｂ膜は金属の表面粗さを埋めるためだけでなく、接合材自体としても機能する。Ｐｂ膜の膜厚は３〜８μｍ、好ましくは、３〜５μｍの範囲内である。金属同士の圧接接合のための接合材としてＰｂ膜を使用することの利点は、Ｐｂ膜はＡｕ／Ｃｒ蒸着膜に比べて、非常に安価であり、しかも、時間当たりの堆積度が高いので短時間で成膜することができ、結果的にスループットの向上に寄与することである。セラミック同士の接合及び金属同士の接合のどちらの場合も、前記のセラミックと金属との接合と同様の表面清浄化処理を施すことができる。圧接接合処理自体も大体同様な方法に従って行われる。
【００３９】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、接合による悪影響を極力少なくした圧接接合方法が得られる。特に、本発明の圧接接合法により製造される超音波探触子は、超音波発振子と音響レンズとの間に接着剤などの音響境界層を有さないので、良好な音響特性を示す。また、本発明によれば、接合時に経時変化の恐れがある有機接着剤を使用せずに強固な圧接接合を行うことが可能であるので、性能が長期間変化しない超音波探触子を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の超音波探触子における超音波発振子の一例の概要断面図である。
【図２】本発明の超音波探触子における音響レンズの一例の概要断面図である。
【図３】本発明の超音波探触子の製造方法の一工程を例証する模式図である。
【図４】本発明の超音波探触子の製造方法の別の工程を例証する模式図である。
【図５】本発明の超音波探触子の組立構造の一例の模式的断面図である。
【図６】本発明の圧接接合方法により接合されたセラミック同士の概要断面図である。
【図７】本発明の圧接接合方法により接合された金属同士の概要断面図である。
【符号の説明】
１ 超音波発振子
２ 上部電極
２ａ Ｃｒ蒸着膜
２ｂ Ａｕ蒸着膜
３ 下部電極
３ａ Ｃｒ蒸着膜
３ｂ Ａｕ蒸着膜
４ Ａｕ／Ｃｒ蒸着膜
５ 音響レンズ
６ 下部電極接続用リード線
７ 超音波吸収材
８ 上部電極接続用リード線
９ 充填材
１０ 保護ケース
１３ａ，１３ｂ ビーム源
１４ａ，１４ｂ 加圧治具
２０ 真空処理室
２２ 排気ダクト
３０ａ，３０ｂ セラミック部材
３２ａ，３２ｂ 金属部材
４０ Ｐｂ蒸着膜
【発明の属する技術分野】
本発明は、金属、セラミックなどの接合方法及び、この接合方法により製造された、音波探触子における超音波発振子，音響レンズ及び超音波吸収材相互間の接合構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
電子部品や光部品などは、金属やセラミックを相互に接合させた多層構造体から構成されることが多い。このような金属やセラミックを相互接合させる方法としては、例えば、エポキシ樹脂などの有機接着剤を用いる方法が使用されている。しかし、金属やセラミックを相互接合するために、エポキシ樹脂等の電気絶縁性の有機接着剤を用いる場合、接合に用いるエポキシ樹脂系接着剤が経時変化を起こすために様々な問題が生じていた。
【０００３】
例えば、電子顕微鏡（ＳＥＭ）の真空室に設けられるＥＤＸ(Energy Dispersion X-ray)の入射窓や蒸着装置などの真空室を有するのぞき窓などにも金属やセラミックなどの接合部があるが、これら接合部に有機接着剤を用いると、経時変化によりガスが発生し、真空室を汚染したり、剥離などにより真空度不良を起こすなどの問題があった。
【０００４】
更に、半導体装置などにおいて、チップを基板に接合するときは、フラックスを使用して半田接合するが、装置の微細化に伴い、半田中のブローホールなども問題になってくる。また、光部品（例えば、光−電気変換素子など）の電極端子をセラミック基板に接合する時も同様の問題がある。
【０００５】
また、超音波探触子を組立てるための、超音波発振子と音響レンズ及び超音波吸収剤を接合する方法として、主としてエポキシ樹脂などの有機接着剤を用いる方法が採用されていた。しかし、超音波発振子と音響レンズおよび超音波吸収材を接合するために、エポキシ樹脂等の電気絶縁性の有機接着剤を用いる場合、エポキシ樹脂系接着剤が経時変化を起こすため、超音波探触子の音響特性が経時的に劣化する恐れがあり、測定の信頼性を損ねるという問題があった。
【０００６】
また、一般的に、エポキシ樹脂系の有機接着剤と超音波発振子および音響レンズにおける音響インピーダンスの差は極めて大きいので、エポキシ樹脂系の有機接着剤を用いて超音波発振子と音響レンズを接合すると、有機接着剤が音響境界層を形成し、その結果超音波が反射される。そのため超音波発振子から音響レンズへ超音波が充分に伝播せず、良好な音響特性を示さないという問題点もあった。
【０００７】
この問題を解決するために、本願発明者は先に、超音波発振子と超音波吸収材と音響レンズを電気絶縁物を用いずに物理的な圧接により接合し、また超音波発振子と音響レンズの接合のために、真空中で接合面にイオンビームまたはアトムビームを照射した後圧接することからなる超音波探触子の製造方法を発明し、特許出願した。特に、この先願発明では、音響レンズの材料に石英を使用し、この音響レンズの超音波発振子との接合面にＡｕ／Ｃｒ蒸着膜を配設させる。この発明は、特開平８−２２３６９５号公報に開示されている。この圧接接合法による超音波探触子は、超音波発振子と音響レンズとの間に接着剤などの音響境界層を有さないので、良好な音響特性を示す。また、この方法によれば、接合時に経時変化の恐れがある有機接着剤を使用せずに強固な圧接接合を行うことが可能であるので、性能が長期間変化しない超音波探触子を得ることができる。
【０００８】
特開平８−２２３６９５号公報に記載された先願発明では、圧接接合のために３μｍ以上の膜厚を有するＡｕ／Ｃｒ蒸着膜を使用する。しかし、この膜厚のＡｕ／Ｃｒ蒸着膜を形成するには、費用も時間もかかり、製造コストの観点からは安価ではない。また、膜厚が厚すぎるために膜質的にも問題がある。更に、膜厚が厚すぎるために、音圧往復通過率が低く、感度が悪いという問題点もあった。
【０００９】
また、特開昭６３−１９４８７９号公報には、インサート材を用いる接合方法が開示されている。この方法によれば、金属やセラミックなどの被接合材よりも融点が低く、かつ、高融点金属インサート材（例えば、Ｓｎ箔）と低融点金属インサート材（例えば、Ｉｎ−Ｓｎ共晶合金）などの融点の異なる複数の金属インサート材を組合わせることにより構成した複合インサート材を被接合材間に配置し、この複合インサート材の低融点金属インサート材は溶融するが、高融点金属インサート材は溶融しない温度で接合部を加熱する。
【００１０】
しかし、この方法では、使用する複合インサート材の厚さが比較的厚くなり、また、複合インサート材の作製自体も手間がかかるなどの欠点がある。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
従って、本発明の目的は、接合による悪影響を極力少なくした接合方法及び該方法により製造される超音波探触子を提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
前記課題は、セラミックからなる被接合物同士を接合させる場合、各被接合物の接合面にＡｕ／Ｃｒ蒸着膜を設け、一方のＡｕ／Ｃｒ蒸着膜の表面にＰｂ蒸着膜を設け、セラミックからなる被接合物と金属からなる被接合物とを接合させる場合、セラミック被接合物の接合面にＡｕ／Ｃｒ蒸着膜を設け、このＡｕ／Ｃｒ蒸着膜の表面又は金属被接合物の接合面にＰｂ蒸着膜を設け、金属からなる被接合物同士を接合させる場合、少なくとも一方の金属被接合物の接合面にＰｂ蒸着膜を設け、両被接合物を圧接接合させることにより解決される。
【００１３】
この場合、Ａｕ／Ｃｒ蒸着膜は０．３〜０．５μｍの範囲内の膜厚を有し、Ｐｂ蒸着膜は３〜８μｍの範囲内の膜厚を有することが好ましい。
【００１４】
【発明の実施の形態】
前記のように、本発明はセラミックと金属、セラミックとセラミック又は金属と金属間の接合に適用できる。本発明の実施態様の一つとして、セラミックと金属間の接合として、超音波探触子を例に挙げて具体的に説明する。
【００１５】
図１は、本発明による超音波探触子の中の超音波発振子１の断面図である。超音波発振子１の一方の面には上部電極２が設けられ、他方の面には下部電極３が設けられている。上部電極２はＡｕ／Ｃｒ蒸着膜から形成することができる。このＡｕ／Ｃｒ蒸着膜は、超音波発振子の面側にＣｒ蒸着膜２ａが設けられ、このＣｒ蒸着膜２ａの表面にＡｕ蒸着膜２ｂを設けることにより構成されている。下部電極３のＡｕ／Ｃｒ蒸着膜も同様に、超音波発振子の面側にＣｒ蒸着膜３ａが設けられ、このＣｒ蒸着膜３ａの表面にＡｕ蒸着膜３ｂを設けることにより構成されている。
【００１６】
上部電極２及び下部電極３の形成方法は特に限定されないが、例えば、スパッタリング又は真空蒸着などのベーパデポジションなどの方法により形成することができる。上部電極２及び下部電極３の厚さは特に限定されないが、一般的に、０．３μｍ〜０．５μｍの範囲内であることが好ましい。０．３μｍ未満では超音波発振子１の表面の粗さのために、上部電極２及び下部電極３の存在する箇所が無いなどの不都合が生じ、また、０．５μｍ超では特に問題はないが、不経済なだけである。
【００１７】
上部電極２のＡｕ蒸着膜２ｂの表面及び下部電極３のＡｕ蒸着膜３ｂの表面には、Ｐｂ（鉛）膜４０が設けられている。Ｐｂ膜は被接合物の接合面に由来するＡｕ／Ｃｒ蒸着膜のＡｕ膜表面の粗さを平坦化するのに有効である。また、鉛は超音波発振子に近い音響インピーダンスを有するので音響特性を改善するのに有効である。このＰｂ膜４０は例えば、スパッタリング又は真空蒸着などのベーパデポジションなどの方法により形成することができる。このような成膜方法は当業者に周知である。Ｐｂ蒸着膜４０の膜厚は蒸着面の粗さなどにより特に限定されないが、一般的に、３μｍ以上であることが好ましい。３μｍ未満では表面粗さを埋めるのに不十分であるばかりか、十分な接合効果が得られない恐れがある。一方、Ｐｂ蒸着膜４０の膜厚の上限値は使用する超音波発振子の厚みによるが、超音波発振子１の厚みの１／１０程度であることが好ましい。例えば、２５ＭＨｚであれば、上限値は８μｍ程度となる。これよりも厚いＰｂ蒸着膜４０を使用すると界面反射波などの不都合が生じるので好ましくない。一般的に、Ｐｂ蒸着膜の膜厚は３〜５μｍの範囲内であることが好ましい。
【００１８】
超音波発振子１を構成する圧電素子はＰＺＴ（Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）０3系セラミックス）又はＰｂＴｉＯ3（チタン酸鉛）などを使用できる。このような素材は当業者に周知である。
【００１９】
図２は本発明による超音波探触子の中の音響レンズ５の断面図である。音響レンズ５の下部電極３との接合面側にはＡｕ／Ｃｒ蒸着膜４が設けられている。Ａｕ／Ｃｒ蒸着膜４は表面にＡｕが露出しているため、化学的に安定している。このＡｕ／Ｃｒ蒸着膜４はスパッタリングあるいは真空蒸着などのベーパデポジション法により成膜することができる。このような成膜方法は当業者に公知である。先ず、Ｃｒ膜を成膜し、その上にＡｕ膜を成膜する。Ｃｒ膜はレンズと金属の結合を助長する。このＡｕ／Ｃｒ蒸着膜４は、下部電極３と同等の膜厚で、一般的に、０．３μｍ〜０．５μｍの範囲内であることが好ましい。０．３μｍ未満では表面の粗さのために膜の存在しない箇所が発生する恐れがある。一方、０．５μｍ超では特に問題はないが不経済なだけである。
【００２０】
音響レンズ５のＡｕ／Ｃｒ蒸着膜４の一端に電極接続用リード線６を接続させる。この接続は例えば、銀ペースト又は常温硬化性導電性樹脂などを用いることにより行うことができる。
【００２１】
音響レンズ５は石英から形成されている。石英は化学的に非常に安定であり、耐食性にも優れている。従って、金属製音響レンズの場合に発生する腐食の問題は全く起こらない。
【００２２】
図３は本発明の超音波探触子の製造方法の一工程を例証する模式図である。図３において、符号１は圧電素子を材料とする超音波発振子、５は石英を材料とする音響レンズ、１３ａ及び１３ｂはアトムビームを発生するビーム源、１４ａ及び１４ｂは加圧治具であり、これらは真空処理室２０内に配置されている。真空処理室２０の適当な箇所には、真空排気手段（図示されていない）に接続されるダクト２２が設けられている。
【００２３】
超音波発振子および音響レンズの接合面に真空中でイオンビームまたはアトムビームを照射することによって、接合面に付着している酸化皮膜や水分等の汚染層が除去される。これにより接合面は清浄かつ活性な面となり、加圧して密着させれば極めて良好な圧接接合が形成される。なお、この明細書の全体を通じて使用される“圧接”という用語は、接合しようとする面を清浄にして高圧で両者を接触させて面で拡散を生じさせて接合させることを意味する。
【００２４】
まず、超音波発振子１及び音響レンズ５をそれぞれ加圧治具１４ａ及び１４ｂに装着して真空処理室２０内の雰囲気をダクト２２から真空排気する。次にビーム源１３ａ及び１３ｂからアルゴンのアトムビームを発生させ、同ビームをそれぞれ超音波発振子１及び音響レンズ５の接合面に照射して、これら接合面に存在する汚染層（例えば、自然酸化物又は物理吸着水など）を除去する。この操作により接合面は清浄かつ活性な面となるので、加圧治具１４ａ及び１４ｂを用いて両部材の接合面を密着させ、所定時間加圧し続けることにより、両部材の接合面で拡散が起こり、超音波発振子１と音響レンズ２とを圧接接合させることができる。加圧治具は各部材間の圧接接合を行うためのものであり、油圧シリンダなどにより構成できる。
【００２５】
超音波発振子１と音響レンズ５の圧接接合が完了したら、超音波発振子１と加圧治具１４ａを分離する。そして、図４に示されるように、加圧治具１４ａに超音波吸収材７を装着する。超音波発振子１の圧接の際の真空圧を維持しながら、音響レンズ５と接合されていない超音波発振子１の他方の接合面と超音波吸収材７の接合面に、ビーム源１３ａ及び１３ｂから発生されたアルゴンのアトムビームを照射し、これら接合面に存在する汚染層（例えば、自然酸化物又は物理吸着水など）を除去する。この操作により接合面は清浄かつ活性な面となるので、加圧治具１４ａ及び１４ｂを用いて両部材の接合面を密着させ、所定時間加圧し続けることにより、両部材の接合面で拡散が起こり、超音波発振子１と超音波吸収材７とを圧接接合させることができる。斯くして、従来のようなエポキシ樹脂系有機接着剤を使用することなく、超音波発振子１を間に挟んで、音響レンズ５及び超音波吸収材７をそれぞれ一体的に圧接接合させることができる。
【００２６】
本発明では、超音波発振子１，音響レンズ５及び超音波吸収材７の各接合面を清浄化する手段としてイオンビーム又はアトムビームを使用するが、その理由は、真空の状態で活性な面をつくり、かつその状態を保持しながら同一チャンバ内で接合するためである。表面清浄化手段としてはプラズマ、有機溶剤又は超純水等があるが、表面活性化と接合を同一チャンバ内で実施するにはイオンビーム又はアトムビームを使用するのが最も好ましい。イオンビーム又はアトムビームとしては、例えば、アルゴンなどのビームが好適に使用できる。
【００２７】
真空処理室２０を使用するのは、イオンビーム又はアトムビームによる清浄化処理を効率的に行うためである。この目的のために好適な真空圧は特に限定されないが、一般的に、１０-6Torr程度であることが好ましい。真空処理室２０内の真空圧がこれよりも低真空の場合には接合面の再汚染防止にならないし、またこれよりも高真空の場合には、清浄化処理自体の効果を更に高めることにはならないので不経済なだけである。
【００２８】
ビーム源１３ａ及び１３ｂとしては、例えば、アトムテックなどから市販されているビームガンなどの当業者に公知の装置を使用できる。接合面の清浄化処理に必要なイオンビーム又はアトムビームの出力は特に限定されない。部材間の圧接接合を確立するのに必要充分な清浄化度が得られる出力であればよい。一般的な指標として、イオンビーム又はアトムビームの出力は１ｋｅＶ，２５ｍＡ程度であることが好ましい。出力が１ｋｅＶ，２５ｍＡ未満の場合には接合面の清浄化が不十分になる可能性がある。一方、出力が１ｋｅＶ，２５ｍＡを大きく超えた場合には、接合面に大きな空孔等を形成するなどの不都合が生じるので好ましくない。また、ビーム照射時間は接合面の清浄化に必要充分な長さであればよく、特に限定されない。所望の接合面清浄化度を得るために、ビーム出力とビーム照射時間とは反比例の関係を有する。例えば、高出力のビームを使用すれば、照射時間は短時間となり、一方、低出力のビームを使用すれば照射時間は長くなる。単なる一般的な指標として、１ｋｅＶ，２５ｍＡ程度の出力のビームを使用する場合、照射時間は６００秒間程度である。
【００２９】
加圧治具１４ａ及び１４ｂによる各部材の加圧圧力及び加圧時間は各部材間で圧接接合を形成させるのに必要十分な大きさ及び長さであればよく、特に限定されない。一般的に、１２．５ＭＰａ以上の加圧圧力を使用する場合、加圧時間は３０秒間程度である。加圧圧力が高すぎると石英製音響レンズ５が破損する恐れがある。一般的に、加圧圧力の上限は被接合物によって決定される。
【００３０】
本実施例では、被接合材即ち圧電素子１、音響レンズ５及び超音波吸収材７は何れも室温で接合したが、ヒータ等を用いて被接合材の加熱を行い、接合面の温度をある範囲まで上昇させてから接合すると、接合強度はさらに上昇する。また、必要に応じて、超音波ウエルダーなども使用できる。
【００３１】
また、本実施例では真空中で接合を行ったが、アトムビームの照射後、アルゴンや窒素などの不活性なガスで雰囲気を満たした後接合してもよい。不活性ガス雰囲気を形成すると、部材の再酸化及び再汚染を防止することができる。
【００３２】
次に本発明を用いて製作された超音波探触子の組立構造を図５により説明する。図５において、符号１は超音波発振子、５は音響レンズ、６は下部電極接続用リード線、７は超音波吸収材、８は上部電極接続用リード線、９は充填材、１０は保護ケース、１１は端子をそれぞれ示す。基本的な構成部品自体は従来のエポキシ樹脂系接着剤を使用する超音波探触子と大体同じである。例えば、前記のように超音波発振子１は当業者に周知の圧電素子及びＰＴ（チタン酸鉛）などを使用できる。音響レンズ５としては石英を使用する。超音波吸収材７としては鉛，錫などを使用できる。超音波吸収材は超音波振動を抑制する機能を果たす。下部電極用リード線６は保護ケース１０の内壁面に接続されている。上部電極接続用リード線８は超音波吸収材７の上面に接続されている。超音波吸収材の下面に接続してもよい。リード線８は絶縁材１２で絶縁され、保護ケース１０の外部に取り出される。充填材９は例えば、エポキシ系の樹脂などを使用できる。保護ケース１０は金属製であり、音響レンズ側電極の導体を兼ねる。
【００３３】
次に本発明の超音波探触子の動作について説明する。超音波発振子１に端子１１を介して図示しないパルス電圧発生器によってパルス電圧を印加すると、超音波パルスが発生する。発生した超音波は音響レンズ５を介して図示しない被検体に入射して超音波探傷を行う。
【００３４】
また、平面で接合された３つの物質の音響インピーダンスをＺ1，Ｚ2，Ｚ3とすると、これらの音圧往復通過率は次式で表される。
Ｔl '＝４（Ｚ1／Ｚ3）／［｛（Ｚ1／Ｚ3）＋１｝2ｃｏｓ2θ＋｛（Ｚ1／Ｚ2）＋（Ｚ2／Ｚ3）｝2ｓｉｎ2θ］
但し、θ＝（２π／λ）・ｌであり、ここで、ｌはＺ2の膜厚である。
【００３５】
【表１】
【００３６】
表１に示された数値を前記数式に代入して計算すると、従来例の音圧往復通過率は０．７９７であるのに対し、本発明の音圧往復通過率は１．３４９となる。従って、本発明によれば、音圧往復通過率は約７０％も改善される。
【００３７】
図６は被接合物がセラミック同士の場合を示す概要断面図である。セラミック３０ａ及び３０ｂの各接合面をＡｕ／Ｃｒ蒸着膜でメタライジングする。２ｂ又は３ｂの何れか一方のＡｕ膜の表面にＰｂ膜４０を蒸着する。所望により、両方のＡｕ膜の表面にＰｂ膜４０を蒸着することもできる。Ｐｂ膜はセラミック表面に由来する表面粗さを埋めるために使用される。使用されるＡｕ／Ｃｒ蒸着膜の膜厚は０．３〜０．５μｍの範囲内であることが好ましい。同様に、Ｐｂ膜の膜厚は３〜８μｍ、好ましくは、３〜５μｍの範囲内である。
【００３８】
図７は被接合物が金属同士の場合を示す概要断面図である。金属３２ａ及び３２ｂの何れか一方の接合面にＰｂ膜４０を蒸着する。所望により、両方の金属接合面にＰｂ膜４０を蒸着することもできる。金属同士の場合、Ｐｂ膜は金属の表面粗さを埋めるためだけでなく、接合材自体としても機能する。Ｐｂ膜の膜厚は３〜８μｍ、好ましくは、３〜５μｍの範囲内である。金属同士の圧接接合のための接合材としてＰｂ膜を使用することの利点は、Ｐｂ膜はＡｕ／Ｃｒ蒸着膜に比べて、非常に安価であり、しかも、時間当たりの堆積度が高いので短時間で成膜することができ、結果的にスループットの向上に寄与することである。セラミック同士の接合及び金属同士の接合のどちらの場合も、前記のセラミックと金属との接合と同様の表面清浄化処理を施すことができる。圧接接合処理自体も大体同様な方法に従って行われる。
【００３９】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、接合による悪影響を極力少なくした圧接接合方法が得られる。特に、本発明の圧接接合法により製造される超音波探触子は、超音波発振子と音響レンズとの間に接着剤などの音響境界層を有さないので、良好な音響特性を示す。また、本発明によれば、接合時に経時変化の恐れがある有機接着剤を使用せずに強固な圧接接合を行うことが可能であるので、性能が長期間変化しない超音波探触子を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の超音波探触子における超音波発振子の一例の概要断面図である。
【図２】本発明の超音波探触子における音響レンズの一例の概要断面図である。
【図３】本発明の超音波探触子の製造方法の一工程を例証する模式図である。
【図４】本発明の超音波探触子の製造方法の別の工程を例証する模式図である。
【図５】本発明の超音波探触子の組立構造の一例の模式的断面図である。
【図６】本発明の圧接接合方法により接合されたセラミック同士の概要断面図である。
【図７】本発明の圧接接合方法により接合された金属同士の概要断面図である。
【符号の説明】
１ 超音波発振子
２ 上部電極
２ａ Ｃｒ蒸着膜
２ｂ Ａｕ蒸着膜
３ 下部電極
３ａ Ｃｒ蒸着膜
３ｂ Ａｕ蒸着膜
４ Ａｕ／Ｃｒ蒸着膜
５ 音響レンズ
６ 下部電極接続用リード線
７ 超音波吸収材
８ 上部電極接続用リード線
９ 充填材
１０ 保護ケース
１３ａ，１３ｂ ビーム源
１４ａ，１４ｂ 加圧治具
２０ 真空処理室
２２ 排気ダクト
３０ａ，３０ｂ セラミック部材
３２ａ，３２ｂ 金属部材
４０ Ｐｂ蒸着膜
Claims (9)
- セラミックからなる被接合物同士を接合させる方法であって、
各被接合物の接合面に、０．３〜０．５μｍの範囲内の膜厚のＡｕ／Ｃｒ蒸着膜を設け、一方のＡｕ／Ｃｒ蒸着膜の表面に、３〜８μｍの範囲内の膜厚のＰｂ蒸着膜を設け、
両被接合物の接合面に真空中でイオンビームあるいはアトムビームを照射して各接合面を清浄化し、
その後、両被接合物を加圧しながら密着させることにより、両被接合物を相互に圧接接合させることを特徴とする接合方法。 - 超音波吸収材と、両面にＡｕ／Ｃｒ蒸着膜からなる電極形成用金属膜を有する超音波発振子と、超音波発振子との接合面側にＡｕ／Ｃｒ蒸着膜を有する音響レンズとからなり、前記超音波発振子を間に挟んで、超音波吸収材と音響レンズとが相互に圧接接合されている超音波探触子において、前記超音波発振子の各接合面側のＡｕ／Ｃｒ蒸着膜の表面にはＰｂ（鉛）の蒸着膜が更に設けられており、Ａｕ／Ｃｒ蒸着膜の膜厚は０．３μｍ〜０．５μｍの範囲内であり、Ｐｂ蒸着膜の膜厚は３〜８μｍの範囲内であることを特徴とする超音波探触子。
- 音響レンズは石英からなる請求項２の超音波探触子。
- 超音波吸収材は鉛又は錫からなる請求項２の超音波探触子。
- 超音波吸収材と、両面にＡｕ／Ｃｒ蒸着膜からなる電極形成用金属膜を有し、各Ａｕ／Ｃｒ蒸着膜の表面にはＰｂ蒸着膜が更に設けられている超音波発振子と、超音波発振子との接合面側にＡｕ／Ｃｒ蒸着膜を有する音響レンズを準備し、
前記各Ａｕ／Ｃｒ蒸着膜の膜厚は０．３μｍ〜０．５μｍの範囲内であり、前記Ｐｂ蒸着膜の膜厚は３〜８μｍの範囲内であり、
超音波発振子の音響レンズとの接合面，前記音響レンズの前記超音波発振子との接合面，前記超音波発振子の超音波吸収材との接合面，および前記超音波吸収材の前記超音波発振子との接合面に真空中でイオンビームあるいはアトムビームを照射して各接合面を清浄化し、
超音波発振子のＰｂ蒸着膜を有するＡｕ／Ｃｒ蒸着膜側を前記音響レンズとの接合面側に配置し、超音波発振子の他方のＰｂ蒸着膜を有するＡｕ／Ｃｒ蒸着膜側を前記超音波吸収材との接合面側に配置し、前記超音波吸収材，前記超音波発振子，及び前記音響レンズを加圧しながら密着させることにより、超音波発振子を間に挟んで、超音波吸収材と、超音波発振子と音響レンズとを相互に圧接接合させることを特徴とする超音波探触子の製造方法。 - 音響レンズは石英からなり、超音波吸収材は鉛又は錫からなる請求項５の方法。
- 超音波吸収材と超音波発振子と音響レンズとの圧接接合において、前記超音波発振子と前記音響レンズとを圧接接合させた後に、前記超音波発振子と前記超音波吸収材とを圧接接合させる請求項５の方法。
- セラミックからなる被接合物と金属からなる被接合物とを接合させる方法であって、
セラミック被接合物の接合面に、０．３〜０．５μｍの範囲内の膜厚のＡｕ／Ｃｒ蒸着膜を設け、このＡｕ／Ｃｒ蒸着膜の表面又は金属被接合物の接合面に、３〜８μｍの範囲内の膜厚のＰｂ蒸着膜を設け、
両被接合物の接合面に真空中でイオンビームあるいはアトムビームを照射して各接合面を清浄化し、
その後、両被接合物を加圧しながら密着させることにより、両被接合物を相互に圧接接合させることを特徴とする接合方法。 - 金属からなる被接合物同士を接合させる方法であって、
少なくとも一方の金属被接合物の接合面に、３〜８μｍの範囲内の膜厚のＰｂ蒸着膜を設け、
両被接合物の接合面に真空中でイオンビームあるいはアトムビームを照射して各接合面 を清浄化し、
その後、両被接合物を加圧しながら密着させることにより、両被接合物を相互に圧接接合させることを特徴とする接合方法。
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP3586757A1 (en) * | 2012-06-13 | 2020-01-01 | Seno Medical Instruments, Inc. | Optoacoustic imaging system with fiber optic cable |
-
1997
- 1997-04-11 JP JP11025897A patent/JP3707580B2/ja not_active Expired - Lifetime
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP3586757A1 (en) * | 2012-06-13 | 2020-01-01 | Seno Medical Instruments, Inc. | Optoacoustic imaging system with fiber optic cable |
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