JP3969987B2 - セラミックスと合金の接合体 - Google Patents
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Description
【発明が属する技術分野】
【０００１】
本発明は、セラミックスに全率固溶型の合金を直接接合した接合体であり、また、合金が銅系合金である接合体に関するものである。更には抵抗体として、銅−ニッケル系合金、銅−ニッケル−マンガン系合金等をセラミックスに直接接合した抵抗用電子部材に関する。
【従来の技術】
【０００２】
セラミックスと金属を直接接合する方法としては、例えば銅と酸素の共晶融体を利用し酸化物系セラミックス（例えばアルミナ等）と直接的に接合する方法が知られており、電子回路基板等として製品化されている。（米国特許公開番号３９９４４３０）この技術は、ある金属と共晶を形成する元素を添加あるいは接合雰囲気中から取り込む等により、その金属の融点以下且つ共晶点以上の温度で、その共晶融体を接合結合剤として利用し、接合体としている。
【０００３】
また、金属とセラミックスとの間に中間材としてろう材をはさんで接合する方法があり、例えばセラミックスと銅の接合の場合、銀−銅系ろう材に活性金属であるチタンやジルコニウム等を添加し接合する方法が知られており、これも電子回路基板その他の構造体として製品化されている。（特開平１０−２５１０７５）ろう材の成分中の活性金属であるチタンやジルコニウム等の元素と、セラミックスの成分がその界面において反応生成物を生じ接合している。よって活性金属がないと接合しない。
【０００４】
更には、非酸化性雰囲気中で金属を溶かしてセラミックスに直接接触させ、移動させることにより表面の酸化被膜等を取り直接接合させる、いわゆる溶湯接合法がある。（特開平７−１７６０３５）原理的には金属の新鮮な表面を溶湯を非酸化性雰囲気中で移動させることにより、その活性な面をセラミックスと接触させ、直接接合をもたらすものである。
またこの技術においては、接合する金属は最初に全て溶融させるため、接合後に目的とする所定形状の鋳型やダイス等を予め作製しておく必要がある。この方法でも電子回路基板等の製品化がなされている。
【０００５】
一方、抵抗体としては銅−ニッケル系の合金が知られており、コンスタンタンやマンガニン等は精密抵抗体として、電位差計や補償導線、圧抵抗応力計等に使用されている。これらの合金は線材として又は有機系のフィルムに張り付けゲージ化される等で使用されてきた。
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、従来の技術では以下のような問題があった。
１）セラミックスと固体として直接接合できる金属或いは合金は、共晶融体を作るものに限られる。
２）溶湯接合は金属を溶かし鋳造といった形をとるため、極細かい抵抗のような電子材料の作製は加工が難しく、製造コストも上昇する。
３）ろう接はろう材に銀等貴金属の材料を用いたり、高真空等で製造する必要があり製造コストが比較的高くなる。また、抵抗体用電子部材の接合としては、ろう材との合金化により抵抗が変わるため適用できない。
４）抵抗体において、発熱が問題となり正確な測定が困難になる。
【０００７】
これらの課題を解決するため、セラミックス基板と固体の合金を溶かさず且つろう材を用いずに直接接合することで、低コストで成形性の良い接合体を提供する。更には、セラミックスを放熱材として抵抗体としての銅合金を直接接合し安定した特性持つ抵抗用電子部材を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明者らは、上記課題を解決するために鋭意研究した結果、接合の温度や雰囲気の制御および合金の表面を処理することにより、目的とする接合体を得ることを見出し本発明を完成するに至った。
すなわち、本発明は、セラミックスと全率固溶型の合金を直接接合した、セラミックスと合金の接合体である。また、前記直接接合体において、セラミックスと合金の界面に酸化物を有することが好ましい。また、前記合金は銅合金であることが好ましく、さらには銅−ニッケル系、または銅−ニッケル−マンガン系の合金であることが好ましい。
また、セラミックス基板上に抵抗体として銅合金を直接接合した抵抗用電子部材であり、前記抵抗体が銅−ニッケル系、銅−ニッケル−マンガン系の合金であることが好ましい。
【発明の実施の形態】
【０００９】
合金としては状態図において全率固溶を呈する合金系のものが用いられ、例えば銅系の合金があげられ、銅−ニッケル系のコンスタンタンや銅−ニッケル−マンガン系のマンガニン等の合金がある。これらをセラミックスに直接接触させ、非酸化性雰囲気中で融点より低い温度で接合させる。合金の表面を接合前に酸化しておくと、接合条件としての温度許容範囲が広くなるので好ましい。この酸化は合金を大気中で加熱する等で簡単に行える。非酸化性雰囲気中で加熱するのは、接合後の表面の酸化による電気特性等の劣化を防ぐためである。接合の機構についてははっきりしないが、合金の表面を酸化することで接合しやすくなることから、合金の酸素が結合に関与している可能性がある。
セラミックス基板に抵抗体用銅合金を直接接合して、抵抗用の電子部材とすることができる。これはセラミックスを放熱材とみなすので、放熱性の良いセラミックスとの接合が望ましい。接合界面に熱伝導を大きく阻害する物質がないため、十分な放熱性得られるとともに、簡単な工程で製造可能なため、コスト面でも有利である。
【実施例】
【００１０】
（実施例１）セラミックスとして０．６３５ｍｍ厚の電子材料用９６％アルミナ基板、合金として銅−ニッケル−マンガン系合金の０．１ｍｍ厚のマンガニンを材料とし、該アルミナ基板の上に該マンガニンを直接接触配置させ、窒素雰囲気中（酸素濃度１０ｐｐｍ以下）で加熱、最高温度を１０００℃×１０分とし、除冷後、取り出したところ、接合されていた。また、合金板の変質は認められなかった。
【００１１】
（実施例２）マンガニンを予め大気中で加熱し酸化した以外は、実施例１と同様の条件で接合を試みたところ、５ｋｇ／ｃｍ以上のピール接合強度があり、強固に接合していた。また、合金板の変質は認められなかった。
【００１２】
（実施例３）接合温度が９９０℃である以外は実施例２記載の方法で接合を試みたところ、５ｋｇ／ｃｍ以上のピール接合強度があり、強固に接合していた。また、合金板の変質は認められなかった。
【００１３】
（実施例４）接合温度が９８５℃である以外は実施例２記載の方法で接合を試みたところ、５ｋｇ／ｃｍ以上のピール接合強度があり、強固に接合していた。また、合金板の変質は認められなかった。
【００１４】
（比較例１）実施例１記載のセラミックスと合金の間に、活性金属としてチタンを含む銀ろうを配置し、接合温度を８５０℃として、すなわち両者を直接接合でない、ろう接法で接合を試みた。この結果、両者は強固に接合したが、ろう材の合金板への拡散による変質が見られた。
【発明の効果】
上述したように、本発明によれば、セラミックスと合金を容易に直接接合することができ、更には、抵抗体用電子部材を合金の変質なく安価に提供することができる。
【０００１】
本発明は、セラミックスに全率固溶型の合金を直接接合した接合体であり、また、合金が銅系合金である接合体に関するものである。更には抵抗体として、銅−ニッケル系合金、銅−ニッケル−マンガン系合金等をセラミックスに直接接合した抵抗用電子部材に関する。
【従来の技術】
【０００２】
セラミックスと金属を直接接合する方法としては、例えば銅と酸素の共晶融体を利用し酸化物系セラミックス（例えばアルミナ等）と直接的に接合する方法が知られており、電子回路基板等として製品化されている。（米国特許公開番号３９９４４３０）この技術は、ある金属と共晶を形成する元素を添加あるいは接合雰囲気中から取り込む等により、その金属の融点以下且つ共晶点以上の温度で、その共晶融体を接合結合剤として利用し、接合体としている。
【０００３】
また、金属とセラミックスとの間に中間材としてろう材をはさんで接合する方法があり、例えばセラミックスと銅の接合の場合、銀−銅系ろう材に活性金属であるチタンやジルコニウム等を添加し接合する方法が知られており、これも電子回路基板その他の構造体として製品化されている。（特開平１０−２５１０７５）ろう材の成分中の活性金属であるチタンやジルコニウム等の元素と、セラミックスの成分がその界面において反応生成物を生じ接合している。よって活性金属がないと接合しない。
【０００４】
更には、非酸化性雰囲気中で金属を溶かしてセラミックスに直接接触させ、移動させることにより表面の酸化被膜等を取り直接接合させる、いわゆる溶湯接合法がある。（特開平７−１７６０３５）原理的には金属の新鮮な表面を溶湯を非酸化性雰囲気中で移動させることにより、その活性な面をセラミックスと接触させ、直接接合をもたらすものである。
またこの技術においては、接合する金属は最初に全て溶融させるため、接合後に目的とする所定形状の鋳型やダイス等を予め作製しておく必要がある。この方法でも電子回路基板等の製品化がなされている。
【０００５】
一方、抵抗体としては銅−ニッケル系の合金が知られており、コンスタンタンやマンガニン等は精密抵抗体として、電位差計や補償導線、圧抵抗応力計等に使用されている。これらの合金は線材として又は有機系のフィルムに張り付けゲージ化される等で使用されてきた。
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、従来の技術では以下のような問題があった。
１）セラミックスと固体として直接接合できる金属或いは合金は、共晶融体を作るものに限られる。
２）溶湯接合は金属を溶かし鋳造といった形をとるため、極細かい抵抗のような電子材料の作製は加工が難しく、製造コストも上昇する。
３）ろう接はろう材に銀等貴金属の材料を用いたり、高真空等で製造する必要があり製造コストが比較的高くなる。また、抵抗体用電子部材の接合としては、ろう材との合金化により抵抗が変わるため適用できない。
４）抵抗体において、発熱が問題となり正確な測定が困難になる。
【０００７】
これらの課題を解決するため、セラミックス基板と固体の合金を溶かさず且つろう材を用いずに直接接合することで、低コストで成形性の良い接合体を提供する。更には、セラミックスを放熱材として抵抗体としての銅合金を直接接合し安定した特性持つ抵抗用電子部材を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明者らは、上記課題を解決するために鋭意研究した結果、接合の温度や雰囲気の制御および合金の表面を処理することにより、目的とする接合体を得ることを見出し本発明を完成するに至った。
すなわち、本発明は、セラミックスと全率固溶型の合金を直接接合した、セラミックスと合金の接合体である。また、前記直接接合体において、セラミックスと合金の界面に酸化物を有することが好ましい。また、前記合金は銅合金であることが好ましく、さらには銅−ニッケル系、または銅−ニッケル−マンガン系の合金であることが好ましい。
また、セラミックス基板上に抵抗体として銅合金を直接接合した抵抗用電子部材であり、前記抵抗体が銅−ニッケル系、銅−ニッケル−マンガン系の合金であることが好ましい。
【発明の実施の形態】
【０００９】
合金としては状態図において全率固溶を呈する合金系のものが用いられ、例えば銅系の合金があげられ、銅−ニッケル系のコンスタンタンや銅−ニッケル−マンガン系のマンガニン等の合金がある。これらをセラミックスに直接接触させ、非酸化性雰囲気中で融点より低い温度で接合させる。合金の表面を接合前に酸化しておくと、接合条件としての温度許容範囲が広くなるので好ましい。この酸化は合金を大気中で加熱する等で簡単に行える。非酸化性雰囲気中で加熱するのは、接合後の表面の酸化による電気特性等の劣化を防ぐためである。接合の機構についてははっきりしないが、合金の表面を酸化することで接合しやすくなることから、合金の酸素が結合に関与している可能性がある。
セラミックス基板に抵抗体用銅合金を直接接合して、抵抗用の電子部材とすることができる。これはセラミックスを放熱材とみなすので、放熱性の良いセラミックスとの接合が望ましい。接合界面に熱伝導を大きく阻害する物質がないため、十分な放熱性得られるとともに、簡単な工程で製造可能なため、コスト面でも有利である。
【実施例】
【００１０】
（実施例１）セラミックスとして０．６３５ｍｍ厚の電子材料用９６％アルミナ基板、合金として銅−ニッケル−マンガン系合金の０．１ｍｍ厚のマンガニンを材料とし、該アルミナ基板の上に該マンガニンを直接接触配置させ、窒素雰囲気中（酸素濃度１０ｐｐｍ以下）で加熱、最高温度を１０００℃×１０分とし、除冷後、取り出したところ、接合されていた。また、合金板の変質は認められなかった。
【００１１】
（実施例２）マンガニンを予め大気中で加熱し酸化した以外は、実施例１と同様の条件で接合を試みたところ、５ｋｇ／ｃｍ以上のピール接合強度があり、強固に接合していた。また、合金板の変質は認められなかった。
【００１２】
（実施例３）接合温度が９９０℃である以外は実施例２記載の方法で接合を試みたところ、５ｋｇ／ｃｍ以上のピール接合強度があり、強固に接合していた。また、合金板の変質は認められなかった。
【００１３】
（実施例４）接合温度が９８５℃である以外は実施例２記載の方法で接合を試みたところ、５ｋｇ／ｃｍ以上のピール接合強度があり、強固に接合していた。また、合金板の変質は認められなかった。
【００１４】
（比較例１）実施例１記載のセラミックスと合金の間に、活性金属としてチタンを含む銀ろうを配置し、接合温度を８５０℃として、すなわち両者を直接接合でない、ろう接法で接合を試みた。この結果、両者は強固に接合したが、ろう材の合金板への拡散による変質が見られた。
【発明の効果】
上述したように、本発明によれば、セラミックスと合金を容易に直接接合することができ、更には、抵抗体用電子部材を合金の変質なく安価に提供することができる。
Claims (2)
- セラミックスと合金の直接接合体において、前記合金が銅−ニッケル−マンガン系の合金であることを特徴とする、セラミックスと合金の接合体。
- セラミックス基板上に抵抗体として銅−ニッケル−マンガン系の合金を直接接合した、抵抗用電子部材。
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