JP6082524B2

JP6082524B2 - セラミックス部材と金属部材との接合体及びその製法

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Publication number: JP6082524B2
Application number: JP2012064194A
Authority: JP
Inventors: 文吉羅; 川尻　哲也; 哲也川尻; 南　智之; 智之南
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 2012-03-21
Filing date: 2012-03-21
Publication date: 2017-02-15
Anticipated expiration: 2032-03-21
Also published as: JP2013193935A

Description

本発明は、セラミックス部材と金属部材との接合体及びその製法に関する。

従来、セラミックス部材と金属部材との接合体としては、金属部材の端部とセラミックス部材とが接合部を介して接合されたものが知られている（特許文献１）。この接合体では、接合部が、セラミックス部材上に形成されているメタライズ層と、メタライズ層と金属部材の端部との間に介在しているロウ接合層とを備えている。こうした接合体は、以下のようにして製造される。すなわち、まず、ＡｌＮ焼結体製で円盤状のセラミックス部材の接合面上に、Ｃｕ−Ａｌ−Ｓｉ−Ｔｉを含むリング状の第１ロウ材を設置する。続いて、この第１ロウ材を１０５０℃で５分間真空雰囲気で加熱し、メタライズ層を形成する。続いて、メタライズ層上にＡｇ−Ｃｕを含むリング状の第２ロウ材を設置し、その上に筒状の金属部材の端面を設置し、金属部材上におもりを設置する。これを８００℃で５分間真空雰囲気で加熱し、ロウ接合層を形成する。こうすることにより得られた接合体は、ヘリウムリーク量がほとんどなく、熱サイクル後においても、クラックはなくヘリウムリーク量はほとんどない。

特開２０００−２１９５７８号公報

しかしながら、こうした接合体では、残留応力が大きいため、十分大きな引張破断荷重が得られないという問題があった。

本発明はこのような課題を解決するためになされたものであり、セラミックス部材と金属部材とを接合した接合体の引張破断荷重を十分大きくすることを主目的とする。

本発明の接合体は、上述の主目的を達成するために以下の手段を採った。

本発明の接合体は、
セラミックス部材と金属部材とを接合した接合体であって、
前記セラミックス部材上に形成され、活性金属を含有するメタライズ層と、
該メタライズ層と前記金属部材との間に形成され、融点が前記メタライズ層より低いロウ接合層と、
を有し、
前記メタライズ層の平面度は２２μｍ以下である
ものである。

この接合体によれば、引張破断荷重が十分大きくなる。その理由は定かではないが、以下のように推察される。メタライズ層は、中心部が厚く外周部が薄く形成される。その中心部の厚みと外周部の厚みとの差が平面度である。メタライズ層を構成する物質とロウ接合層を形成する物質の濡れ性が充分良くない場合、ロウ材がメタライズ層全面に濡れ広がるためには荷重をかける必要がある。平面度が２２μｍを超えると、メタライズ層の外周部と金属部材との距離が離れすぎているため、荷重が伝わりにくくなり、両者の間のロウ接合層の結合力が弱まり、その結果、引張破断荷重が十分大きくならないと考えられる。これに対して、メタライズ層の平面度が２２μｍ以下であれば、メタライズ層の外周部にも荷重が伝わり、両者の間のロウ接合層の結合力が弱まることがなく、その結果、引張破断荷重が十分大きくなったと考えられる。

本発明の接合体において、セラミックス部材の材質としては、例えば、窒化アルミ焼結体、アルミナ焼結体、ジルコニア焼結体などが挙げられる。また、セラミックス部材は、抵抗発熱体、静電チャック用電極、プラズマ発生用電極などの機能性部品が埋設されていてもよい。

本発明の接合体において、金属部材は、例えば、モリブデン、チタン、銅タングステン複合体などからなるセラミックと熱膨張係数が近い芯材の表面をニッケル、銅、金などで被覆した部材とした方がよく、このうち、モリブデン製の芯材の表面をニッケルで被覆した部材が好ましい。

本発明の接合体において、メタライズ層は、メタライズ層用のロウ材（以下、第１ロウ材という）を用いて形成されたものである。第１ロウ材としては、例えば、銀ロウや銅ロウ、ニッケルロウ、金ロウ、パラジウムロウなどに活性金属を含有させたものが挙げられる。活性金属としては、例えば、チタン、ジルコニウム、ハフニウム、バナジウム、ニオブ、ベリリウムなどが挙げられる。特に、セラミックス部材の材質がアルミナ焼結体や窒化アルミ焼結体の場合には、活性金属としてチタンやジルコニウムを用いるのが好ましく、セラミックス部材の材質がジルコニア焼結体の場合には、活性金属としてチタンを用いるのが好ましい。第１ロウ材の具体例としては、Ａｇ−Ｃｕ−Ｔｉロウ材、Ａｇ−Ｃｕ−Ｔｉ−Ｓｎロウ材などが挙げられる。これらの第１ロウ材は７００℃以上で処理されるため、セラミックス部材と第１ロウ材との界面で化学反応が起こって反応層が形成されている可能性がある。こうした反応層は、セラミックス部材とメタライズ層との接合強度を高める役割を果たすと考えられる。

本発明の接合体において、ロウ接合層は、ロウ接合層用のロウ材（以下、第２ロウ材という）によって形成されたものである。第２ロウ材としては、第１ロウ材よりも融点が低いロウ材を用いるが、例えば、金系のロウ、アルミニウム系のロウ、亜鉛系のロウなどが挙げられる。第２ロウ材を溶融させるときには、メタライズ層（第１ロウ材）が溶融しないように溶融温度を設定する。第２ロウ材の具体例としては、例えば、共晶組成により低融点化させたＡｕＳｎ系合金（例えばＳｎの含有率が１５〜３７ｗｔ％）、ＡｕＧｅ系合金（例えばＧｅの含有率が１０〜１７ｗｔ％）やＡｕＳｉ系合金（例えばＳｉの含有率が３〜４ｗｔ％）などが挙げられる。

本発明の接合体の製法は、セラミックス部材上に第１ロウ材を設置してこの第１ロウ材を溶融させることによってメタライズ層を生成させ、次いで前記メタライズ層と前記金属部材との間に第２ロウ材を介在させ、前記第１ロウ材の融点よりも低い温度で前記第２ロウ材を溶融させることによって、前記メタライズ層と前記金属部材との間に前記ロウ接合層を生成させる、セラミックス部材と金属部材とを接合した接合体の製法であって、前記メタライズ層と前記金属部材との間に前記第２ロウ材を介在させる前の前記メタライズ層の平面度を２２μｍ以下（好ましくは１０μｍ以下、更に好ましくは５μｍ以下）とするものである。

この接合体の製法によれば、得られる接合体の引張破断荷重が十分大きくなる。その理由は、上述したとおりである。また、第１ロウ材、第２ロウ材の具体例についても、上述したとおりである。

本発明の接合体の製法において、セラミックス部材上に第１ロウ材を設置する際の第１ロウ材の厚みは２０〜３０μｍであることが好ましい。こうすれば、第１ロウ材を溶融させることによってメタライズ層を生成させたときのメタライズ層の平面度は２２μｍ以下になる。このため、研磨等によって平面度を向上させる作業が不要となる。また、第1ロウ材を２０μｍ未満まで圧延すると、箔状になってしまい、取り扱いにくくなり、メタライズの歩留まりが悪くなる。

接合体１０の概略断面図である。接合体１０の製造工程図である。

以下に、本発明の好適な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、本実施形態の接合体１０の概略断面図である。

本実施形態の接合体１０は、セラミックス部材１２と金属部材１４とを接合部１６で接合したものである。セラミックス部材１２は、アルミナ焼結体で形成されている。金属部材１４は、円柱状のモリブデン芯材１４ａの底面にニッケル被膜１４ｂが形成されている。接合部１６は、金属部材１４の底面とセラミックス部材１２とを接合している。この接合部１６は、セラミックス部材１２の上に形成されたメタライズ層１６ａと、このメタライズ層１６ａと金属部材１４のニッケル被膜１４ｂとの間に形成されたロウ接合層１６ｂとで構成されている。メタライズ層１６ａは、中心部の厚みの方が外周部の厚みよりも厚くなっている。このメタライズ層１６ａの中心部の厚みと外周部の厚みとの差を平面度と定義すると、平面度は２２μｍ以下となっている。

こうした接合体１０は、例えば、次のようにして製造することができる。図２は、接合体１０の製造工程図である。まず、セラミックス部材１２を用意し、そのセラミックス部材１２の表面に、第１ロウ材のシート３２を載せる（図２（ａ）参照）。第１ロウ材としては、Ａｇロウに活性金属であるＴｉを含有させたもの（例えばＡｇ−Ｃｕ−ＴｉやＡｇ−Ｃｕ−Ｔｉ−Ｓｎ，Ａｇ−Ｃｕ−Ｔｉ）などを用いることができる。そして、加熱炉にて真空雰囲気で第１ロウ材の溶融温度まで昇温し、所定時間キープした後、降温することにより、セラミックス部材１２上にメタライズ層１６ａを形成する（図２（ｂ）参照）。このとき、セラミックス部材１２と第１ロウ材との界面で化学反応が起こって反応層が形成されている可能性がある。こうした反応層は、セラミックス部材１２とメタライズ層１６ａとの接合強度を高める役割を果たすと考えられる。メタライズ層１６ａは、シート３２が溶融したときの表面張力によって中心部の厚みの方が外周部の厚みよりも厚くなる。このとき、平面度が２２μｍ以下であれば、そのまま次工程に進むが、２２μｍを超えている場合には、次工程に進む前に例えば研磨等により平面度が２２μｍ以下になるようにする。続いて、メタライズ層１６ａの上に第２ロウ材のシート３４を載せ、その上に金属部材１４のニッケル被膜１４ｂがシート３４と接するように金属部材１４をセットする（図２（ｃ）参照）。第２ロウ材としては、第１ロウ材よりも融点の低いもの（例えばＡｕ−Ｓｎ，Ａｕ−Ｇｅ，Ａｕ−Ｓｉ）などを用いることができる。そして、セットした金属部材１４に荷重をかけ、加熱炉にて窒素雰囲気で第２ロウ材の溶融温度（例えば２００〜５００℃）まで昇温し、所定時間キープした後、降温する（図２（ｄ）参照）。このときの溶融温度は、第２ロウ材のシート３４は溶融するがメタライズ層１６ａは溶融しない温度に設定する。こうすることにより、メタライズ層１６ａと金属部材１４のニッケル被膜１４ｂとの間にロウ接合層１６ｂが形成され、接合体１０が完成する。

以上説明した接合体１０によれば、引張破断荷重が十分大きくなる。その理由は定かではないが、以下のように推察される。メタライズ層を構成する物質の中で、ＴｉとＡｕＧｅと濡れ性が悪い。また、ＡｇとＡｕＧｅは濡れ性が充分良くない。そのため、ＡｕＧｅロウ材がメタライズ層全面に濡れ広がるためには荷重をかける必要がある。メタライズ層１６ａは、平面度が２２μｍを超えると、メタライズ層１６ａの外周部と金属部材１４との距離が離れすぎているため両者の間に荷重が伝わりにくく、ロウ接合層１６ｂの結合力が弱まり、その結果、引張破断荷重が十分大きくならないと考えられる。これに対して、平面度が２２μｍ以下であれば、メタライズ層１６ｂの外周部と金属部材１４との距離が比較的近いため両者の間のロウ接合層１６ｂの結合力が弱まることがなく、その結果、引張破断荷重が十分大きくなったと考えられる。

なお、本発明は上述した実施形態に何ら限定されることはなく、本発明の技術的範囲に属する限り種々の態様で実施し得ることはいうまでもない。

例えば、上述した実施形態では、セラミックス部材１２の表面（金属部材１４を取り付ける面）は平面としたが、必ずしも平面である必要はない。例えば、セラミックス部材１２に円形の窪みを設け、その窪みの底面にメタライズ層１６ａとロウ接合層１６ｂとを積層した接合部１６を介してセラミックス部材１２と金属部材１４とを接合してもよい。その場合、セラミックス部材１２として内部に電極を埋設したものを用い、窪みの底面にその電極と接続された端子を露出させておき、その窪みの底面に接合部１６を介してセラミックス部材１２と金属部材１４とを接合してもよい。この場合、金属部材１４は、電極への給電のために用いられる。なお、電極としては、例えばヒーター電極（抵抗発熱体）や静電チャック用電極、プラズマ発生用電極などが挙げられる。

上述した実施形態では、セラミックス部材１２の材質をアルミナ焼結体としたが、特にこれに限定されるものではなく、例えば窒化アルミ焼結体やジルコニア焼結体などでもよい。活性金属は、セラミックス部材１２の材質に応じて決定するのが好ましく、例えば、アルミナ焼結体や窒化アルミ焼結体の場合には、チタンやジルコニウムが好ましく、ジルコニア焼結体の場合には、チタンが好ましい。

上述した実施形態では、金属部材１４は、モリブデン芯材１４ａの底面のみならず側面や表面もニッケル被膜で覆われていてもよい。また、芯材の材質は、モリブデンに限定されるものではなく、例えば、チタン、銅タングステン複合材などでもよい。被膜の材質も、ニッケルに限定されるものではなく、銅、金などでもよい。

［実験例１〜５］
直径６ｍｍ、深さ０．３ｍｍの窪みが設けられたアルミナセラミックス部材を用意した。このアルミナセラミックス部材の窪みに、その窪みの底面とほぼ同じ形状となるように切り出したＡｇ−Ｃｕ−Ｔｉシート（田中貴金属製、ＴＫＣ−７１１）を１枚セットした。実験例１〜５で用いたシートの厚みは、それぞれ１００μｍ，５０μｍ，２５μｍであった。そして、加熱炉にて真空雰囲気で８５０℃まで昇温し、１０分間キープした後、降温することにより、窪みにメタライズ層を形成した。このメタライズ層の中心部の厚みと外周部の厚みをインジケーター（mitutoyo製、デジマチックインジケーター）で計測した。なお、計測は、メタライズ層を研磨することなく行った。中心部の厚みと外周部の厚みとの差を平面度と定義し、平面度を算出した。実験例１〜５の平面度を表１に示す。

続いて、メタライズ層を形成した窪みに、その窪みの底面とほぼ同じ形状となるように切り出したＡｕ−Ｇｅロウ材（田中貴金属製、ＡｕＧｅ１２％板（Ａｕに１２〜１３ｗｔ％のＧｅが含まれている板））を１枚セットし、その上に直径５．９５ｍｍ、高さ６ｍｍの金属端子をセットした。金属端子は、モリブデン製の芯材の表面にニッケル被膜を有するものを用いた。そして、セットした金属端子に荷重をかけ、加熱炉にて窒素雰囲気で４００℃まで昇温し、１０分間キープした後、降温することにより、アルミナセラミックス部材と金属端子とが接合された接合体を得た。

得られた接合体の破断荷重を、引張強度試験機（島津製作所製、オートグラフ）を用いて測定した。結果を表１に示す。実験例１，２のようにメタライズ層の平面度が６５μｍ，３６μｍの場合には、引張破断荷重は低い値しか得られなかったが、実験例３〜５のようにメタライズ層の平面度が２２μｍ，２０μｍ，１８μｍの場合には、引張破断荷重は十分高い値が得られた。

［実験例６〜９］
窪みのないアルミナセラミックス部材を用意した。このアルミナセラミックス部材の表面に、実験例１〜５と同じ形状となるように切り出したＡｇ−Ｃｕ−Ｔｉシート（田中貴金属製、ＴＫＣ−７１１）を１枚セットした。実験例６〜９で用いたシートの厚みは、それぞれ１００μｍ，５０μｍ，２５μｍ，５０μｍであった。そして、加熱炉にて真空雰囲気で８５０℃まで昇温し、１０分間キープした後、降温することにより、メタライズ層を形成した。このメタライズ層の平面度を実験例１〜５と同様にして算出した。なお、実験例６〜８では、メタライズ層を研磨することなく、平面度を算出したが、実験例９では、メタライズ層を研磨し、研磨後に平面度を算出した。実験例６〜９の平面度を表２に示す。

続いて、メタライズ層の上に、そのメタライズ層とほぼ同形状となるように切り出したＡｕ−Ｇｅロウ材（田中貴金属製、ＡｕＧｅ１２％板）を１枚セットし、その上に実験例１〜５と同様の金属端子をセットした。そして、セットした金属端子に荷重をかけ、加熱炉にて窒素雰囲気で４００℃まで昇温し、１０分間キープした後、降温することにより、アルミナセラミックス部材と金属端子とが接合された接合体を得た。

得られた接合体の破断荷重を、実験例１〜５と同様にして測定した。結果を表２に示す。実験例６，７のようにメタライズ層の平面度が６３μｍ，３２μｍの場合には、引張破断荷重は低い値しか得られなかったが、実験例８のように平面度が１７μｍの場合には、引張破断荷重は十分高い値が得られ、実験例９のように平面度が３μｍの場合には、引張破断荷重は格段に高い値が得られた。

［実験例１０〜１２］
直径６ｍｍ、深さ０．３ｍｍの窪みが設けられたアルミナセラミックス部材を用意した。このアルミナセラミックス部材の窪みの底面に、Ａｇ−Ｃｕ−Ｔｉペースト（福田金属製、ＡＣＴ−２Ａ）を筆あるいは綿棒を用いて薄く塗布した。塗布してからおおよそ３０分放置した後、１２０℃の恒温槽に入れ、１時間乾燥した。乾燥後のセラミックス部材を加熱炉にて真空雰囲気で８５０℃まで昇温し、１０分間キープした後、降温することにより、窪みにメタライズ層を形成した。このメタライズ層の平面度を実験例１〜５と同様にして算出した。実験例１０〜１２の平面度を表３に示す。

続いて、メタライズ層を形成した窪みに、その窪みの底面と同形状となるように切り出したＡｕ−Ｇｅロウ材（田中貴金属製、ＡｕＧｅ１２％板）を１枚セットし、その上に実験例１〜５と同様の金属端子をセットした。そして、セットした金属端子に荷重をかけ、加熱炉にて窒素雰囲気で４００℃まで昇温し、１０分間キープした後、降温することにより、アルミナセラミックス部材と金属端子とが接合された接合体を得た。

得られた接合体の破断荷重を、実験例１〜５と同様にして測定した。結果を表３に示す。実験例１０〜１２のようにメタライズ層の平面度が１４〜１５μｍの場合には、引張破断荷重は十分高い値が得られた。

以上の実験例１〜１２の結果から、メタライズ層の平面度が２２μｍ以下の場合には、引張破断荷重は３５ｋｇｆ以上という十分に高い値になることがわかった。また、実験例１〜９の結果から、メタライズ層に使用するシート又はペーストの元の厚みが薄いほど（具体的には２０〜３０μｍ）、メタライズ層の平面度が改善されることが確認された。なお、実験例３〜５，８〜１２が本発明の実施例に相当し、実験例１，２，６，７が本発明の比較例に相当する。

本発明は、例えば、静電チャックやセラミックスヒーターなどのようにセラミックス部材と金属部材との接合部位を有するものに利用可能である。

１０接合体、１２セラミックス部材、１４金属部材、１４ａモリブデン芯材、１４ｂニッケル被膜、１６接合部、１６ａメタライズ層、１６ｂロウ接合層、３２，３４シート

Claims

セラミックス部材と金属部材とを接合した接合体であって、
前記セラミックス部材上に形成され、活性金属を含有するメタライズ層と、
該メタライズ層と前記金属部材との間に形成され、融点が前記メタライズ層より低いロウ接合層と、
を有し、
前記メタライズ層の平面度は１０μｍ以下であり、
前記メタライズ層はＴｉ又はＡｇを含有し、前記ロウ接合層はＡｕＧｅ系合金であり、前記メタライズ層、前記ロウ接合層及び前記金属部材の大きさはほぼ同じである、
接合体。
セラミックス部材上に第１ロウ材を設置してこの第１ロウ材を溶融させることによってメタライズ層を生成させ、次いで前記メタライズ層と前記金属部材との間に第２ロウ材を介在させ、前記第１ロウ材の融点よりも低い温度で前記第２ロウ材を溶融させることによって、前記メタライズ層と前記金属部材との間に前記ロウ接合層を生成させる、セラミックス部材と金属部材とを接合した接合体の製法であって、
前記メタライズ層と前記金属部材との間に前記第２ロウ材を介在させる前の前記メタライズ層の平面度は１０μｍ以下であり、
前記メタライズ層はＴｉ又はＡｇを含有し、前記ロウ接合層はＡｕＧｅ系合金であり、前記メタライズ層、前記ロウ接合層及び前記金属部材の大きさはほぼ同じである、
接合体の製法。
前記セラミックス部材上に前記第１ロウ材を設置する際の該第１ロウ材の厚みは２０〜３０μｍである、
請求項２に記載の接合体の製法。