JP7635345B1 - セラミックス封着部品およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】気密特性に優れたセラミックス封着部品に使われるセラミックス部品、セラミックス部品を使用したセラミックス封着部品、およびその製造方法を提供する。
【解決手段】
両端面に２つの異なる材質の金属部品を接合したセラミックス封着部品に使用するセラミックス部品において、一方の端面の算術平均表面高さをＳ１、他の端面の算術平均表面高さをＳ２としたときに、Ｓ１／Ｓ２≧１．２である。また、前記セラミックス封着部品の製造方法は、セラミックス部品を準備する工程と、セラミックス部品と金属部品をチタン、ジルコニウム、ハフニウムから選ばれる１種以上の活性金属と、銅および銀から選ばれる１種以上のろう材金属で接合する工程と、を具備する。
【選択図】図１

Description

実施形態は、おおむね、セラミックス部品と金属部品を接合したセラミックス封着部品（以下、「セラミックス封着部品」と略す）、およびその製造方法に関する。

マグネトロン、電力管、電子管用のセラミックス封着部品として、モリブデン（Ｍｏ）などの高融点金属を主成分とするメタライズ層を、アルミナ（酸化アルミニウム：Ａｌ_２Ｏ_３）などのセラミックス部品に形成したセラミックス封着部品が使用されている。セラミックス封着部品は、セラミックスと金属を接合させ外気を遮断して部品内部を気密封止することにより、外部の環境から内部を保護しセラミックスにより電気絶縁をすることが可能である。例えば、図１に示すようなセラミックス封着部品は、アルミナ焼結体からなる円筒形状のセラミックス部品の上端面および下端面のリング部に、モリブデンを主成分とするメタライズ層が形成されている。このメタライズ層の表面には、他の金属部品との接合強度を向上させ、封着を行うために所定厚さのニッケル（Ｎｉ）層が形成される。このニッケル部分と円筒形状の金属部品が銀ろう（例えばＢＡｇ－８）により接合されている。

セラミックス封着部品として、セラミックス円筒体にモリブデンによる金属面を形成し鉄金属円筒体をろう材にて接合した真空気密封着構造を有する電子管が開示されている（特許文献１）。特許文献１によると、金属円筒体をコバールから鉄に代えることにより低コストの電子管を製造することができる。

また、モリブデンなどの高融点金属を使用せずに活性金属によりセラミックスにニッケル系合金を接合した真空スイッチ外管が開示されている（特許文献２）。特許文献２によると、接合状態の不安定の原因となる金属間化合物を作ることなく接合強度の高い真空スイッチ外管を製造することができる。

特願平１－４６９７８号公報 特開２００１－２２０２５３号公報

セラミックス封着部品に使用されるセラミックスには、硬いが脆いという特性がある。この脆さの原因のひとつには表面状態の影響がある。セラミックスの表面に傷などの欠陥があると、この欠陥が破壊などの起点となる。このため、セラミックスの表面を研磨して欠陥を除去し表面粗さを低減することは、セラミックスの機械的信頼性を向上させる。例えば、ベアリング用セラミックスボールでは、研磨による表面粗さを低減したことにより、高速高回転に耐える機械的性能を得ている。

ところが、セラミックスを金属と接合するために表面をメタライズ（金属化）するには、セラミックスの表面粗さは適度に粗いほうが接合（メタライズ）強度は大きい。これは、表面が粗くなると化学反応により接合する面積を大きくできることと、凹部分にメタライズ成分が入り込みアンカー効果により物理的に機械強度が上がるためである。このため、セラミックスの表面状態について、セラミックスの強度を上げるためには表面粗さを小さくしたほうが良く、接合強度を大きくするためには表面粗さを大きくした方が良い、というトレードオフの関係がある。

一方、セラミックスと金属との接合で封着性（気密性）を確保するためには強固な接合層が必要である。しかしながら、セラミックスと金属の熱膨張係数は違うため（例えばアルミナの熱膨張係数７．２×１０^－６／℃に対して、銅１６．５×１０^－６／℃、炭素鋼１１．７×１０^－６／℃）、熱膨張差により応力が発生してクラックなどが発生しやすい。同種類の金属を接合する場合は接合の差がないが、違う特性を持つ複数の種類の金属を接合する場合には接合の差が発生しやすく、封着性を損なう可能性があった。

また、セラミックスの状態を変えずにセラミックスと金属の接合強度を大きくするには、例えばメタライズ中の接合に寄与する成分の量を増やして接合温度を上昇する方法などがある。しかしながら、違う特性を持つ複数の金属のうち、一方の金属の接合部分の接合強度を大きくする場合は、２種類のペーストを使用して、２種類の接合温度を使用する必要があり製造工程として複雑になりコストパフォーマンスが悪い。また、両方の金属の接合部分の接合強度を大きくする場合は、接合強度を大きくする必要のない金属まで接合温度が上昇することになり、さらなる熱膨張の差を発生することになり、封着性を損なう可能性があった。

実施形態は、このような課題を解決するものであり、セラミックス部品と複数の特性の異なる金属部品を接合したときに、接合不良やリーク不良を抑制した生産性の高いセラミックス封着部品およびその製造方法に関するものである。

実施形態に係るセラミックス封着部品は、セラミックス部品の端面に２つの異なる材質の金属部品を接合したセラミックス封着部品であり、前記セラミックス部品の一方の端面の算術平均表面高さをＳ１、他の端面の算術平均表面高さをＳ２としたときに、Ｓ１／Ｓ２≧１．２である。また、算術平均表面高さがＳ１の端面に、鉄、鉄合金、または鉄－ニッケル系合金からなる金属部品が接合層を介して接合している。

実施形態に係るセラミックス封着部品の一例を示す斜視図 実施形態に係るセラミックス部品の一例を示す断面図 実施形態に係るセラミックス封着部品の一例を示す断面図 実施形態に係るセラミックス封着部品の製造工程の一例を示す断面図 実施形態に係るセラミックス封着部品の製造工程の一例を示す断面図

実施形態に係るセラミックス封着部品は、セラミックス部品の端面に２つの異なる材質の金属部品を接合したセラミックス封着部品であり、前記セラミックス部品の一方の端面の算術平均表面高さをＳ１、他の端面の算術平均表面高さをＳ２としたときに、Ｓ１／Ｓ２≧１．２である。また、算術平均表面高さがＳ１の端面に、鉄、鉄合金、または鉄－ニッケル系合金からなる金属部品が接合層を介して接合している。

図１に実施形態に係るセラミックス封着部品１の一例の斜視図を示す。２は円筒形状のセラミックス部品、３および４は円筒形状の異なる材質の金属部品である。金属部品３および４は、セラミックス部品２の端面により接合している。図１では、セラミックス部品２の上側端面に金属部品３および下側（反対側）端面に金属部品４を接合した例を示している。実施形態は、このような形に限定されるものではなく、角筒形状のセラミックス部品や金属部品でもよく、下側底面がセラミックス部品であり上側（片側）だけ金属部品に接合された形態や片側の面に２箇所以上の開口部があるセラミックス部品に金属部品を接合してもよいものとする。

図２に実施形態に係るセラミックス部品の断面図の一例を示す。円筒形のセラミックス部品２の上側（片側）端面が２１であり、下側（反対側）端面が２２である。端面２１の算術平均表面高さをＳ１、端面２２の算術平均表面高さをＳ２としたとき、Ｓ１／Ｓ２≧１．２である。なお、図２以降では端面２２に対して端面２１を区別するために黒色の層状で示している。

図３に実施形態に係るセラミックス封着部品１の断面図を示す。３は金属Ａからなる金属Ａ部品（以下、「金属Ａ部品」と略す）であり、４は金属Ｂからなる金属Ｂ部品（以下、「金属Ｂ部品」と略す）である。このとき、金属Ａ部品３と金属Ｂ部品４は違う材質で構成されている。例えば金属Ａ部品３はステンレス鋼であり、金属Ｂ部品４は銅（Ｃｕ）である円筒形状の金属部品である。このとき、算術平均表面高さがＳ１である端面２１には接合層５を介して金属Ａ部品３が接合されている。また、算術平均表面高さがＳ２である端面２２には接合層５を介して金属Ｂ部品４が接合されている。例えばセラミックス部品２は円筒形状の酸化アルミニウム（アルミナ）からなるセラミックス部品であり、接合層５は活性金属ろう材層で接合する構成をしている。

セラミックス部品２は、アルミナ、ジルコニア添加アルミナ（アルジル）、窒化珪素、窒化アルミニウムのいずれか１種であることが好ましい。アルミナには、アルミナに他のセラミックスなどを添加したアルミナ系のセラミックスを含む。例えばジルコニア添加アルミナは、アルミナと酸化ジルコニウムを混合した焼結体である。また、アルミナにはジルコニア以外の焼結助剤を添加してもよい。これは添加した焼結助剤がガラス相からなる粒界相を形成してアルミナ焼結体を緻密化するためである。焼結助剤としては、マンガン（Ｍｎ）、珪素（Ｓｉ）、マグネシウム（Ｍｇ）、カルシウム（Ｃａ）などの化合物が挙げられる。これら焼結助剤を、Ｍｎ、Ｓｉ、ＭｇおよびＣａの少なくとも１種以上を酸化物換算で合計１～１５質量％添加することが好ましい。また、窒化珪素および窒化アルミニウムも緻密化のために焼結助剤を添加してもよい。焼結助剤としては、希土類元素、Ｍｇ、Ｃａ、アルミニウム（Ａｌ）、チタン（Ｔｉ）、ハフニウム（Ｈｆ）などの酸化物が挙げられる。これらを、少なくとも１種以上を酸化物換算で１～１５質量％以下添加することが好ましい。これらのセラミックス部品のうち、アルミナはコストパフォーマンスにおいて優れている。

セラミックス部品２には、金属部品を接合する２つの端面がある。セラミックス部品２のひとつの端面を２１としたとき、もうひとつの端面が２２である。端面２１の算術平均表面高さをＳ１、端面２２の算術平均表面高さをＳ２としたとき、Ｓ１／Ｓ２≧１．２である。Ｓ１／Ｓ２≧１．２の範囲にセラミックス部品２の表面粗さを調整するには、焼成前の工程で調整する方法と焼成後の工程で調整する方法がある。焼成前の工程で調整する方法では、例えばプレスで成形した成形体の片方の端面を機械的に粗くする、または機械的に細かくする方法が挙げられる。成形体の表面粗さを粗くするには粗いバフやバフと同等の表面をもった物質（樹脂やセラミックスなど）で表面を研磨する。細かくするには細かいバフやバフと同等の表面をもった物質で表面を研磨することで調整することが可能である。また、生産ライン中では、表面の粗いセッターに成形体を載せて振動を加えることにより設置した側の成形体の端面の表面粗さを粗くすることが可能である。

焼結後の工程で調整する方法は、前記のバフによる研磨以外にホーニング（ブラスト）処理により、粗いホーニングまたは細かいホーニングをすることに表面粗さを変化させることが可能である。また、粗さの違う砥石による研磨加工でも表面粗さを調整することが可能である。

なお、表面粗さは、面の算術平均高さ（Ｓａ）とする。面の算術平均高さは「製品の幾何特性仕様（ＧＰＳ）－表面性状：三次元－第6部：表面性状測定方法の分類（ＪＩＳＢ０６８１－６：２０１４）」に準拠して測定する。測定箇所と測定面積は、接合部分である端面部分の略中央部の個所を端面の幅の１／２の距離を直径として測定する。例えば、円筒形状の端面部分全体で接合するときは、端面の幅（外径と内径の差）が１０ｍｍであれば直径５ｍｍで測定する。また、面取りがあれば面取り部分を除いた幅の１／２とする。このとき、測定する幅が均一でない場合は、最も大きい（広い）箇所を測定することとする。また、２つの端面の最大幅が違う場合は、小さい端面の測定面積の直径にあわせるものとする。測定は、非接触式表面粗さ計を使用し、レーザー顕微鏡（例えばキーエンス社製ＶＫ－Ｘシリーズなど）を用いて測定することが可能である。

セラミックス部品２の端面２１と接合する金属Ａ部品３の材質は、鉄（Ｆｅ）および鉄合金、鉄－ニッケル系合金（以下、「鉄および鉄合金など」と略す）であることが好ましい。鉄合金は、圧延鋼などの炭素鋼、クロム鋼、ステンレス鋼などの合金鋼である。鉄―ニッケル系合金には４２アロイ（Ｎｉ４２質量％、Ｍｎ０．８質量％以下、残Ｆｅ）、コバール（Ｎｉ２９質量％、Ｃｏ１７質量％、残Ｆｅ）などが挙げられる。コストパフォーマンスに優れているのは鉄および鉄合金であり、熱膨張係数など物理特性に優れているのは鉄－ニッケル系合金である。また、鉄および鉄合金、鉄－ニッケル系合金は接合時の濡れ性を向上するため、および錆防止のために、めっきをすることが好ましい。めっきはニッケルめっきが好ましい。これはニッケルめっきが耐熱性に優れ、めっきと素材の間における分子の拡散を防ぐためである。

セラミックス部品２の端面２２と接合する金属Ｂ部品４の材質は、銅および銅合金であることが好ましい。銅合金は、無酸素銅、タフピッチ銅、脱酸銅などの純銅、ベリリウム銅、チタン銅などの高銅合金などである。また、金属部品は、プレス加工、切削加工、および曲げ加工などにより所定の形状に加工することにより製造される。

セラミックス部品２と金属部品は接合層５により接合される。接合層を形成する方法として代表的なものは、活性金属法と高融点金属法である。活性金属法は、チタン（Ｔｉ）などの活性金属を用いたものである。チタン以外の活性金属は、ジルコニウム（Ｚｒ）、ハフニウム（Ｈｆ）が挙げられる。活性金属ろう材としては、チタンと銅（Ｃｕ）の混合物が挙げられる。例えば、チタンは０．１～１０質量％、銅は残部である。また、他の活性金属ろう材として、チタン、銀、銅の混合物が挙げられる。チタンは０．１～１０質量％、銅は１０～６０質量％、銀は残部である。また、接合時の活性金属ろう材の拡散を制御する場合には、必要に応じ、インジウム（Ｉｎ）、錫（Ｓｎ）、アルミニウム（Ａｌ）、けい素（Ｓｉ）、炭素（Ｃ）、マグネシウム（Ｍｇ）から選ばれる１種以上を１～１５質量％添加してもよい。セラミックス部品表面に活性金属ろう材ペーストを印刷した後に乾燥する。その後、印刷乾燥したペースト表面に接するように金属部品を配置し、真空中または非酸化ガス中にて７８０～８２０℃で加熱することによりセラミックス部品と金属部品を接合する。

高融点金属法は、モリブデン（Ｍｏ）やタングステン（Ｗ）などの高融点金属の粉末からなるペーストをセラミックスの表面に印刷して高温で加熱する方法である。代表的な高融点金属法にはモリブデン－マンガン（Ｍｎ）法がある。モリブデン－マンガン法では、例えばモリブデンの粉末に５～１５質量％のマンガン粉末を添加してペースト化する。セラミックス部品表面に高融点金属ペーストを印刷した後に乾燥する。その後、湿式の窒水素雰囲気ガス中にて１４００～１５００℃で加熱することによりセラミックス部品表面に高融点金属によるメタライズ層を形成する。セラミックスの表面に形成された高融点金属の層は濡れ性が悪いので、ニッケル（Ｎｉ）などのめっきが行われる。このニッケルめっきと金属部品の間に銀ろう箔などを設置して７８０～８２０℃加熱することによりろう付け接合が行われる。

活性金属接合および高融点金属後のろう付け接合は、どちらも約８００℃の接合温度に加熱する。金属部品の熱膨張率および伸び（硬度）により、鉄および鉄合金などである金属Ａ部品３と銅および銅合金である金属Ｂ部品４では接合状態に差が生じる。鉄および鉄合金などと銅および銅合金の熱膨張率はセラミックスの熱膨張率より大きい。どちらも加熱されると膨張しセラミックスと接合後に冷却されて収縮する。このとき金属とセラミックスの熱膨張率の差により金属部品はセラミックス部品より収縮するため応力が発生する。例えば、オーステナイト系ステンレス鋼のＳＵＳ３０４の熱膨張係数は１７．３×１０^―６／℃であり、銅の熱膨張係数は１７．７×１０^―６／℃と近似している。しかしながら、ＳＵＳ３０４のビッカース硬度は１５０と銅の５０に比較して硬い。このため、ＳＵＳ３０４は銅よりも冷却時に変形が起こらない。このように、セラミックスとの接合については銅および銅合金よりも鉄および鉄合金などの方が応力は発生しやすい。このため、セラミックスと銅および銅合金との接合では破壊が生じない場合でも、鉄および鉄合金などとの接合では破壊が生じる場合がある。

応力が大きく発生する側の接合強度を大きくするには、ペースト中の反応成分の割合を増やす、接合温度を上げる、などがあるが、応力がかからない側を含めた全体へのダメージも大きくなる。これに対して、実施形態に係るセラミックス部品では、応力がかかり破壊しやすい金属と接合する面の表面粗さを大きくするものである。これにより比較的簡便に２種以上の金属部品と接合するセラミックス部品を作製することが可能である。

活性金属法および高融点金属法などにより形成された接合層は、セラミックス部品の表面粗さが粗いほうが接合強度は大きくなる。表面粗さが大きくなることにより反応する面積が広くなるためである。また、セラミックス部品内部にまで接合層が侵入しアンカー効果により物理的にも接合強度が大きくなるためである。

前述した例では、銅および銅合金と鉄および鉄合金などとの例であるが、他の線膨張係数や硬度をもつ金属との組み合わせでも可能である。さらには、同種の金属であっても、変形しやすい形状と変形しにくい形状の組み合わせなどでも適応することが可能である。例えば、同じ種類の円筒形状の金属部品であっても、薄ければ変形しやすく、厚ければ変形しにくい。

図４に実施形態に係る活性金属法によるセラミックス封着部品の製造方法の工程図（断面図）を示す。実施形態に係るセラミックス封着部品の製造方法は、端面に２種類の異なる材質の金属部品を接合したセラミックス封着部品の製造方法である。まず、一方の端面の算術平均表面高さをＳ１、他の端面の算術平均表面高さをＳ２としたときに、Ｓ１／Ｓ２≧１．２であるセラミックス部品を準備する。次に、前記セラミックス部品と金属部品をチタン、ジルコニウム、ハフニウムから選ばれる１種以上の活性金属と、銅および銀から選ばれる１種以上のろう材金属で接合する。

図４（ａ）はセラミックス部品２の断面図である。端面２１の算術平均表面高さＳ２１、端面２２の算術平均表面高さをＳ２２としたときに、Ｓ２１／Ｓ２２≧１．２である。図４（ｂ）ではセラミックス部品２に活性金属ろう材ペーストを印刷・乾燥後に真空または非酸化ガス中にて加熱して活性金属ろう材層６を形成した状態である。平面であるセラミックス部品端面にペーストを印刷して形成するため接合前の活性金属ろう材層６の表面は略平面である。また、図４（ｂ）では端部の平面部のみに活性金属ろう材ペーストを印刷しているが、面取りを形成して活性金属ろう材を印刷することも可能である。図５（ｃ）は活性金属ろう材層の表面に金属部品を設置して加熱することにより金属部品を接合した状態である。複数の金属部品は別々に接合することも可能ではあるが、先に接合した金属部品による応力が再度発生するため同時に設置して接合することが好ましい。なお、活性金属ろう材層を一度加熱してから金属部品を設置して加熱するのではなく、印刷・乾燥した活性金属ろう材面に金属部品を設置して加熱することによりセラミックス部品と金属部品を接合することも可能である。

図５に実施形態に係る高融点金属法によるセラミックス封着部品の製造方法の工程図（断面図）を示す。実施形態に係るセラミックス封着部品の製造方法は、端面に２種類の異なる材質の金属部品を接合したセラミックス封着部品の製造方法である。まず、一方の端面の算術平均表面高さをＳ１、他の端面の算術平均表面高さをＳ２としたときに、Ｓ１／Ｓ２≧１．２であるセラミックス部品を準備する。次に、前記セラミックス部品の端面に高融点金属からなるメタライズ層を形成する。次に、前記メタライズ層の表面にニッケルめっきを形成する。次に、前記ニッケルめっきと金属部品を銅および銀を含むろう材により接合する。

図５（ａ）はセラミックス部品２の断面図である。端面２１の算術平均表面高さＳ２１、端面２２の算術平均表面高さをＳ２２としたときに、Ｓ２１／Ｓ２２≧１．２である。図５（ｂ）ではセラミックス部品２の両端面にメタライズ層７を形成している。メタライズ層７は、高融点金属ペーストを印刷・乾燥して、高温で加熱したものである。図５（ｃ）はメタライズ層の表面にめっき層８を形成した状態である。めっき層は電気めっきや無電解めっきにより形成される。図５（ｄ）は、めっき層と金属部品の間にろう材層９を形成して、セラミックス部品２と金属部品を接合した状態である。ろう材層の形成は、ろう材のシートなどを金属部品とめっき表面の間に設置して加熱することにより形成される。

実施形態に係るセラミックス封着部品の製造方法では、セラミックス部品の算術平均表面高さがＳ１の端面に鉄または鉄合金などの金属部品が接合層を介して接合され、算術平均表面高さがＳ２の端面に銅または銅合金の金属部品が接合層を介して接合する。

次に、実施形態に係るセラミックス部品およびセラミックス封着部品の製造方法について説明する。セラミックス部品およびセラミックス封着部品は前記の構成を有していれば、その製造方法は特に限定されるものではないが、歩留まり良く得るための方法として次のものが挙げられる。

実施形態に係るセラミックス部品の一例は円柱形状であり、例えば、外径５０ｍｍ、内径３８ｍｍ、高さ５０ｍｍである。セラミックス部品は外部からの衝撃などにより角部に欠けやクラックが発生しやすい。このため端面の外周部および内周部に面取り加工をしておくことが好ましい。面取りの形状はＣ面取りやＲ面取りがあり、面取りの大きさは０．１～２ｍｍであることが好ましい。

実施形態に係る金属部品の材質は、鉄および鉄合金、銅および銅合金、４２アロイやコバールなどの鉄―ニッケル系合金、タングステン、モリブデンなどが挙げられる。コストパフォーマンスに優れているのは鉄および鉄合金であり、熱膨張差による応力を緩和するために変形しやすいのは銅および銅合金である。このため、鉄および鉄合金や銅および銅合金による金属部品を形成することが好ましい。

金属部品の形状の一例は略円筒形状である。金属部品の接合側先端は、セラミックス端面に垂直に接合されるようにストレート形状のままでもよく、セラミックス端面に水平に接合されるように内側または外側に略直角に折れ曲がった形状でもよい。例えば、高さ２０ｍｍであり、ストレート形状では、外径４６ｍ、内径４４ｍｍであり、折れ曲がった形状であれば、外径４８ｍｍ、内径４６ｍｍ、折れ曲がった先端の内径４０ｍｍである。ストレート形状の金属部品との接合はエッジシールであり線で接合しているため応力がかかりにくい。金属部品が折れ曲がった形状の金属部品との接合はバットシールであり面で接合しているためにリーク不良が起きにくい。これらの金属部品は耐食性や濡れ性の向上のためにニッケルなどのめっきを行うことが可能である。

活性金属ろう材による接合の部品形態はペーストであることが好ましい。活性金属ろう材ペーストは、活性金属粉末にろう材金属粉末を混合したものに、有機バインダーと有機溶剤を加えたものである。有機バインダーは乾燥工程や接合（加熱）工程により焼失するものであれば特に限定されるものではない。好ましい一例としては、エチルセルロースが挙げられる。有機溶剤は乾燥工程や焼成工程により焼失するものであれば特に限定されるものではない。好ましい一例としては、テレピネオールやブチルカルビトールが挙げられる。活性金属ろう材ペーストは、活性金属粉末とろう材金属粉末とを解砕混合をした後、有機バインダーおよび有機溶剤と混合して調製されたものである。また、活性金属ろう材成分に含まれる活性金属の比率は０．１～１５質量％、好ましくは０．５～１０質量％である。

活性金属ろう材ペーストの印刷厚さは２０～１５０μｍが好ましい。印刷厚さが２０μｍ未満であると活性金属ろう材層の厚さにばらつきができ接合強度を低下させる。一方、１５０μｍを越えるとそれ以上の効果が得られない。また、ペーストはスクリーン印刷法などによりセラミックス部品端面に均一な厚さで印刷する。印刷厚さが不均一であると厚い部分では活性金属ろう材が過剰になり、ろう材溜まりができ熱応力によるクラックが発生する。また、薄い部分では活性金蔵ろう材切れによりリーク不良が発生する。このため、厚い部分と薄い部分の印刷厚さの差は１５μｍ以下、さらには１０μｍ以下であることが好ましい。

セラミックス部品に印刷されたペーストは大気雰囲気などで乾燥する。乾燥温度が低く乾燥時間が短いとペーストの溶液成分が十分に揮発されず、接合時にボイドが発生する可能性がある。これとは逆に、乾燥温度が高く乾燥時間が長いとペーストの表面の酸化が進み、接合温度が変化する可能性がある。このため、乾燥温度は５０～１００℃、好ましくは６０～８０℃である。また、乾燥時間は５～３０分、好ましくは１０～２０分である。

ペースト乾燥後に金属部品をペースト乾燥面上に設置して加熱することにより接合を行う。接合温度は６００～８５０℃、好ましくは７００～８００℃である。また、接合時間は接合温度に到達した状態で５～６０分間の範囲が好ましい。接合温度が低く接合時間が短いと活性金属ろう材が十分に溶融せずに接合しない場合がある。これとは逆に、接合温度が高く接合時間が長いと活性金属ろう材が溶融しすぎて広がりボイドやろう切れが発生する場合がある。また、活性金属接合雰囲気は必要に応じ、真空中や非酸化性雰囲気で行うものとする。真空中で行う場合は、１×１０^－２Ｐａ以下であることが好ましい。また、非酸化性雰囲気は窒素雰囲気やアルゴン雰囲気が挙げられる。真空中または非酸化性雰囲気とすることにより、活性金属ろう材層が酸化されるのを抑制することができる。これにより、接合強度の向上が図られる。ろう付けに使用する炉は連続炉やバッチ炉が使用される。量産性において優れているのは連続炉であり、温度や雰囲気の制御がしやすいのはバッチ炉である。前述の雰囲気で所定時間加熱することにより活性金属ろう材層が形成される。

一方で、高融点金属によるメタライズの部品形態はペーストである。高融点金属ペーストは、モリブデンやタングステンなどの高融点金属粉末と添加剤粉末を混合したものに、有機バインダーと有機溶剤を加えたものである。例えば、モリブデン－マンガンペーストであれば、モリブデン粉末に１０質量％のマンガン粉末を加えたものである。有機バインダーは乾燥工程や接合（加熱）工程により焼失するものであれば特に限定されるものではない。好ましい一例としては、エチルセルロースが挙げられる。有機溶剤は乾燥工程や焼成工程により焼失するものであれば特に限定されるものではない。好ましい一例としては、テレピネオールやブチルカルビトールが挙げられる。高融点金属ペーストは、高融点金属粉末と添加剤粉末とを解砕混合をした後、有機バインダーおよび有機溶剤と混合して調製されたものである。

高融点金属ペーストの印刷厚さは１０～３０μｍが好ましい。印刷厚さが１０μｍ未満であると活性金属ろう材層の厚さにばらつきができ接合強度を低下させる。一方、３０μｍを越えるとそれ以上の効果が得られない。また、高融点金属ペーストはスクリーン印刷法などによりセラミックス部品端面に均一な厚さで印刷する。印刷厚さが不均一であると厚い部分と薄い部分での接合強度に差が発生する。このため、厚い部分と薄い部分の印刷厚さの差は５μｍ以下であることが好ましい。

セラミックス部品に印刷された高融点金属ペーストは大気雰囲気などで乾燥する。乾燥温度が低く乾燥時間が短いとペーストの溶液成分が十分に揮発されず、接合時にボイドが発生する可能性がある。これとは逆に、乾燥温度が高く乾燥時間が長いと高融点金属ペーストの表面の酸化が進み、接合温度が変化する可能性がある。このため、乾燥温度は５０～１００℃、好ましくは６０～８０℃である。また、乾燥時間は５～３０分、好ましくは１０～２０分である。

高融点金属ペースト乾燥後に湿式の窒水素雰囲気中で加熱することによりメタライズ層を形成する。加熱温度は１３５０～１５５０℃である。高融点金属法ではセラミックス部品からガラス相が拡散して強固な接合層を形成する。加熱温度が１３５０℃よりも低いとガラス相の拡散が十分でなく接合強度が低下する可能性がある。これとは逆に加熱温度が１５５０℃よりも高いとガラス相がメタライズ層の表面にまで達して後述するめっきとの密着強度を低下させる可能性がある。加熱には連続炉やバッチ炉が使用される。量産性において優れているのは連続炉である。

形成した高融点金属によるメタライズ層はろう材との接合性を向上させるためにめっきを行う。めっきの種類はニッケルめっきや金めっきなどがあるが、優れた耐食性を持ちコストパフォーマンスに優れているのはニッケルめっきである。ニッケルめっきには、通電によって行う電解ニッケルめっきと、通電によらない無電解ニッケルめっきがある。電解ニッケルめっきは無電解ニッケルめっきよりも薬液のコストが安くコストパフォーマンスが優れている。メタライズ層の上に１～３μｍの厚さの電解ニッケルめっきを行うことが好ましい。厚さが１μｍよりも薄いと後述するろう材の濡れ性が低下する可能性がある。厚さが３μｍよりも厚いと、ろう材の濡れ性を確保するには過剰であり、また厚すぎることにより膨れ不良が発生する可能性がある。

形成しためっきと金属部品を接合する。接合にはろう材を使用する。ろう材ではニッケルめっきと濡れやすく金属部品と強固に接合する銀ろうが好ましい。セラミックスと金属部品を接合する中で良く使用される７２％銀－２８％銅による銀ろう（ＢＡｇ－８）がある。「銀ろう（ＪＩＳ Ｚ３２６１:１９９８）」によるＢＡｇ－８では、銀（Ａｇ）７１～７３％、銅（Ｃｕ）２７～２９％、その他元素合計０．１５％以下である。ＢＡｇ－８は、蒸発金属を含まないので、電子管や真空管のろう付けに適しており、銀の含有量が高いので電気伝導性が優れており、溶融温度が高く高温に耐える部品に使えるため好ましい。銀ろうはシート形状やワイヤーリング形状に加工してめっき表面と金属部品の間に設置するか、ペーストにしてめっき表面や金属部品表面に印刷して使用する。銀ろうの接合温度は６５０～９００℃であり、好ましくは７５０～８２０℃である。接合温度が低いと銀ろう材が十分に溶融せずに接合しない場合がある。これとは逆に、接合温度が高いと銀ろう材が溶融しすぎて濡れ広がり、ろう切れやボイドが発生する場合がある。

また、銀ろう付け接合雰囲気は必要に応じ非酸化性雰囲気で行うものとする。非酸化性雰囲気は、窒素雰囲気や窒水素雰囲気が挙げられる。非酸化性雰囲気とすることにより、接合層が酸化されるのを抑制することができ、接合強度の向上が図られる。銀ろう付けに使用する炉は連続炉やバッチ炉が使用される。量産性において優れているのは連続炉であり、温度や雰囲気の制御がしやすいのはバッチ炉である。上記の雰囲気で部品を所定時間加熱することにより銀ろう付けが行われる。

以上本発明の実施形態におけるセラミックス封着部品の製造方法によれば、封着部品としての気密性能を保持したまま、コストパフォーマンスに優れたセラミックス封着部品を得ることができる。

（実施例１～１２、比較例１～８）
アルミナに酸化マンガン（ＭｎＯ _２ ）、二酸化ケイ素（シリカ：ＳｉＯ _２ ）、酸化マグネシウム（マグネシア：ＭｇＯ）の助剤を加えて、９２質量％アルミナの組成を有する造粒粉を準備した。造粒粉を金型プレスで成型し１５００℃大気中で焼結して、外径５０ｍｍ、内径３８ｍｍ、高さ５０ｍｍ、外径Ｃ面取り０．５ｍｍ、内径Ｃ面取り０．５ｍｍの円筒形状のセラミックス部品を得た。また、アルジル（ジルコニア添加アルミナ）は、アルミナにジルコニアを添加して８０質量％アルミナとして、アルミナと同様に成形して１５００℃大気中で焼結することによりアルミナ部品と同寸法の円筒形状の部品を得た。また、窒化珪素にシリカ（ＳｉＯ _２ ）を１質量％、イットリア（酸化イットリウム：Ｙ_２Ｏ_３）を３質量％、アルミナを１質量％の助剤を加えて、同様に成形し１８００℃窒素中で焼結することにより、アルミナ部品と同じ寸法の円筒形状の窒化珪素部品を得た。また、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）にイットリアの助剤を３質量％加えて、同様に成型し１８００℃窒素中で焼結することにより、アルミナ部品と同じ寸法の円筒形状の窒化アルミニウム部品を得た。

焼結によって得られたセラミックス部品は、バレル研磨により敷粉などを除去したのち、片方の端面をブラスト処理により表面を粗くした。その後、セラミックス部品の両端面の算術平均表面高さ（Ｓａ）をキーエンス社レーザー顕微鏡（ＶＫ－Ｘ３０００）にて測定した。測定条件は、セラミックス部品の幅の中間地点（直径４４ｍｍ）を中心にして、直径２．５ｍｍの範囲を測定した。測定回数は３回とし、測定値は３回の平均値とした。面の算術平均表面高さの測定結果を表１に示す。実施例では、面の算術平均表面高さを大きくした端面をＳ１とし、加工しない端面をＳ２とした。これに対して、比較例１および６では両端面ともブラストによる加工をしなかった。その他の比較例は、実施例で面の算術平均表面高さを大きくした端面をＳ２とし、実施例で加工しない端面をＳ１とした。なお表１では、同じ加工をしたセラミックスを同一のロットとして構成した。例えば、実施例１～６、１０～１２および比較例３、８は、同一の製造および加工をして算術平均表面高さを測定したセラミックス部品により構成したロットである。また、表１では、窒化アルミニウム部品はＡｌＮと表記した。

次に、セラミックス部品と金属部品との接合方法を活性金属接合法および高融点金属法から選択した。活性金属接合法を選択した実施例および比較例では、金属粉末配合比が銅粉末、錫粉末、水素化チタン（ＴｉＨ）粉末を質量％で６０：３０：１０になるように調合し、エチルセルロールとテレピネオールを加えて混錬機でペースト化して活性金属ろう材ペーストを作製した。セラミックス部品の上下端部（リング部分）に、外径４８ｍｍ×内径４０ｍｍの１００メッシュスクリーンを用いてスクリーン印刷により厚さ６０μｍの活性金属ペーストを印刷し、大気中１００℃で乾燥した。次に、後述する金属部品を用いて、金属部品、セラミックス部品、金属部品の順番に治具にセットして、真空雰囲気中にて８２０℃以上１０分間で加熱することにより、金属部品とセラミックス部品を接合してセラミックス封着部品を作製した。

高融点金属法を選択した実施例および比較例では、金属粉末配合比がモリブデン（Ｍｏ）粉末、マンガン（Ｍｎ）粉末を質量％で９０：１０になるように調合し、エチルセルロールとテレピネオールと加えて混錬機でペースト化して高融点金属ペーストを作製した。セラミックス部品の上下端部（リング部分）に、外径４８ｍｍ×内径４０ｍｍの１００メッシュスクリーンを用いてスクリーン印刷により厚さ２５μｍの高融点金属ペーストを印刷し、大気中１００℃で乾燥した。次に、湿式窒水素雰囲気中にて１４５０℃以上３０分間で加熱することによりセラミックス部品の表面に高融点金属によるメタライズ層を形成した。次に、電解ニッケルめっきによりメタライズ層の表面に厚さ２μｍのニッケル層を形成した。次に、厚さ０．１ｍｍの銀ろう（ＢＡｇ－８）を用いて、金属部品、銀ろう、セラミックス部品、銀ろう、金属部品の順番に治具にセットして、窒水素雰囲気連続炉にて８２０℃以上１０分間で加熱することにより、金属部品とセラミックス部品を接合してセラミックス封着部品を作製した。

（表１）

また、接合強度測定用として金属部品の代わりに、１０ｍｍ×１００ｍｍ×０．５ｍｍの銅板を準備した。活性金属法では、銅板、活性金属層を印刷したセラミックス部品、の順番に治具にセットして加熱することにより接合して接合強度用試験サンプルを作製した。また、高融点金属法では、銅板、銀ろう、メタライズ層の表面にめっき層を形成したセラミックス部品の順番にセットして加熱することにより接合強度用試験サンプルを作製した。引張強度試験機にセラミックス部品を固定して、垂直に折り曲げた銅板を上方に５ｍｍ／分で引っ張ることにより接合強度（ピール強度）を測定した。

表２にピール強度の測定結果を示す。表２では、同一ロットの代表として実施例１、７～１０を表記した。また、Ｓ１面およびＳ２面のピール強度は、同一製造ロットの別のセラミックス部品により測定をしたが、表２では便宜上で同一の行に記載している。

（表２）

表２からわかるように、面の算術平均表面高さを大きくした面（表面高さＳ１）のピール強度の方が、大きくしない面（表面高さＳ２）よりもピール強度が大きかった。面の算術平均表面高さを大きくすることにより、接合面積が大きくなり、かつアンカー効果などの物理的に接合が行われ、接合強度が大きくなったためである。

表３には実施例および比較例に使用した金属Ａ部品および金属Ｂ部品を示した。金属Ａ部品の材質は、鉄および鉄合金などであり、純鉄（Ｆｅ）、炭素鋼（Ｓ４５Ｃ）、ステンレス（ＳＵＳ３０４、ＳＵＳ４３０）、コバール、４２アロイである。金属Ｂ部品の材質は、銅および銅合金は、無酸素銅、リン脱酸銅である。これらの金属部品を、高さ２０ｍｍ、外径４８ｍｍ、内径４６ｍｍ、接合側の先端部分を略直角に内側に加工して内径を４０ｍｍとした円筒形状に加工した。実施例および比較例では、表３にあるような金属部品の組み合わせを使用した。なお、加工した鉄および鉄合金などの部品の表面に２μｍのニッケルめっきを施した。

次にセラミックス封着部品の上部をバイトンゴム製の円形治具でシリコーンを塗布して抑えて下部をヘリウムリークディテクターに固定して吸引してヘリウムリーク試験を行った。ヘリウムリーク試験は「ヘリウム漏れ試験方法」（ＪＩＳ Ｚ２３３１：２００６）の真空吹き付け法（スプレー法）に準拠して行い、真空度１．３μＰａにおいて１×１０^－9Ｐａ・ｍ³／ｓ以上のリークが発生しない場合を合格、リークが発生した場合を不合格として不良個数を求めた。

さらに、ヘリウムリーク試験に合格したセラミックス封着部品に対して、ＴＳＴ（Ｔｈｅｒｍａｌ Ｓｈｏｃｋ Ｔｅｓｔ：熱衝撃試験）を行った。試験条件は低温条件－４０℃×３０分、高温条件１２５℃×３０分、移し替え時間１０秒以下の試験サイクルで２０サイクルである。熱衝撃試験後に、試験前と同様のヘリウムリーク試験を行った。リークが発生しない場合を合格、リークが発生した場合を不合格として不良個数を求めた。なお、実施例と比較例のそれぞれの試験結果を表３に示す。

（表３）

実施例および比較例２に係るセラミックス封着部品は、ヘリウムリーク試験でリーク不良個数が好ましい範囲であった。これはセラミックス部品と金属部品の組み合わせで得られる接合強度が適切であり、接合時の熱膨張の差により発生した応力により破壊されない接合構成であったためである。それに対して比較例ではリーク不良個数が多く発生した。これは、接合強度が十分に高くなかったことと、セラミックス部品と金属部品の熱膨張差により接合部分にダメージがあり気密性が保てなかったためである。

また、実施例に係るセラミックス封着部品は、ＴＳＴ後のヘリウムリーク試験でリーク不良が発生しないか少ない範囲であった。これはセラミックス部品と金属部品の組み合わせで得られる接合強度が適切であり、ＴＳＴの試験条件での熱膨張の差により発生した応力により破壊されない接合構成であったためである。それに対して比較例では、ＴＳＴ後のヘリウムリーク不良が発生した。これはセラミックス部品と金属部品の組み合わせで得られる接合強度が十分でなかったためである。また、接合強度が十分であった場合でも、セラミックス部品の表面粗さを大きくすることによるダメージが大きくセラミックス部品の破壊につながりリーク経路が発生したためである。

前記に示す結果から明らかなように、実施例は比較例と比べて、リーク特性およびＴＳＴでの信頼性の向上が認められた。

以上、本発明のいくつかの実施形態を例示したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更などを行うことができる。これら実施形態やその変形例は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。また、前記の各実施形態は、相互に組み合わせて実施することができる。

１…セラミックス封着部品
２…セラミックス部品
２１、２２…端面
３…金属Ａ部品
４…金属Ｂ部品
５…接合層
６…活性金属ろう材層
７…メタライズ層
８…めっき層
９…ろう材層

Claims (10)

1. セラミックス部品の端面に２つの異なる材質の金属部品を接合したセラミックス封着部品において、
   前記セラミックス部品の一方の端面の算術平均表面高さをＳ１、他の端面の算術平均表面高さをＳ２としたときに、
   Ｓ１／Ｓ２≧１．２であり、
   算術平均表面高さがＳ１の端面に、鉄、鉄合金、または鉄－ニッケル系合金からなる金属部品が接合層を介して接合していることを特徴とするセラミックス封着部品。
2. 請求項１に記載のセラミックス封着部品について、セラミックス部品の算術平均表面高さがＳ２の端面に銅または銅合金からなる金属部品が接合層を介して接合されたことを特徴とするセラミックス封着部品。
3. 請求項１または請求項２に記載のセラミックス封着部品の接合層が、セラミックス部品の表面にタングステン、モリブデンから選ばれる１種以上の高融点金属からなるメタライズ層が形成され、前記メタライズ層の表面にニッケルめっき層が形成され、前記ニッケルめっき層の表面の銅および銀を含むろう材からなる接合層であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のセラミックス封着部品。
4. 請求項３に記載のセラミックス封着部品のセラミックス部品が、酸化アルミニウムであることを特徴とする請求項３に記載のセラミックス封着部品。
5. 請求項１または請求項２に記載のセラミックス封着部品の接合層が、チタン、ジルコニウム、ハフニウムから選ばれる１種以上の活性金属と、銅および銀から選ばれる１種以上のろう材金属からなる接合層であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のセラミックス封着部品。
6. 請求項５に記載のセラミックス封着部品のセラミックス部品が、酸化アルミニウム、窒化珪素、窒化アルミニウムから選ばれる１種類であることを特徴とする請求項５に記載のセラミックス封着部品。
7. セラミックス部品の端面に２つの異なる材質の金属部品を接合したセラミックス封着部品の製造方法において、
   請求項１に記載のセラミックス封着部品のセラミックス部品を準備する工程と、
   前記セラミックス部品と金属部品をチタン、ジルコニウム、ハフニウムから選ばれる１種以上の活性金属と、銅および銀から選ばれる１種以上のろう材金属で接合する工程と、
   を具備し、
   前記セラミックス部品の算術平均表面高さがＳ１の端面に接合する金属部品が、鉄、鉄合金、または鉄－ニッケル系合金であることを特徴としたセラミックス封着部品の製造方法。
8. セラミックス部品の端面に２つの異なる材質の金属部品を接合したセラミックス封着部品の製造方法において、
   請求項１に記載のセラミックス封着部品のセラミックス部品を準備する工程と、
   前記セラミックス部品の端面に高融点金属からなるメタライズ層を形成する工程と、
   前記メタライズ層の表面にニッケルめっきを形成する工程と、
   前記ニッケルめっきと金属部品を銅および銀を含むろう材により接合する工程を具備し、
   前記セラミックス部品の算術平均表面高さがＳ１の端面に接合する金属部品が、鉄、鉄合金、または鉄－ニッケル系合金であることを特徴としたセラミックス封着部品の製造方法。
9. セラミックス部品の端面に２つの異なる材質の金属部品を接合したセラミックス封着部品の製造方法において、
   請求項１に記載のセラミックス封着部品のセラミックス部品の算術平均表面高さがＳ２の端面に銅または銅合金が接合層を介して接合されたことを特徴とする請求項７または請求項８に記載のセラミックス封着部品の製造方法。
10. セラミックス部品の端面に２つの異なる材質の金属部品を接合したセラミックス封着部品の製造方法において、
    請求項１に記載のセラミックス封着部品のセラミックス部品が酸化アルミニウム、窒化珪素、窒化アルミニウムから選ばれる１種類であることを特徴とする請求項９に記載のセラミックス封着部品の製造方法。

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