JPH01226775A - セラミックスの電気接合方法および接合用発熱部材 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明はセラミックスの電気接合方法および接合用発熱
部材に関するものである。

［従来の技術と発明が解決しようとする問題点］セラミ
ックスの接合方法として、炉中接合法、電接法、ガラス
接合法などが知られている。炉中接合法においては、セ
ラミックス全体を高温炉の中に入れ、ヒーターからの輻
射や対流によりセラミックスを所定の温度まで加熱する
。

しかし、接合温度が高くなると、セラミックスの表面酸
化及び母材の劣化が全体に及ぶ虞れがあるという重大な
問題がある。またセラミックスが大型化すれば、それに
伴い高温炉の設備が高価になり、炉が大きくなれば、所
定の温度まで加熱する時間及び冷却時間も長くなり、ラ
ンニングコストも高価となる問題があった。

従来の電接法は一対の電極間に若干の間隙をあけて、接
合剤をはさみ込んだセラミックスの接合部を配置し、電
極間にアーク放電を生じさせ、接合剤中にアーク電流を
流すことにより接合剤を溶融し、セラミックスを接合す
るものである。従来の電接法においては高温において導
電性を有する接合剤が用いられ、接合剤を導電性を有す
る状態にするためガス炎で接合部を加熱しながら電極間
に高電圧を印加し通電することが一般に行われる。

しかし、従来の電接法においては、アークにより接合部
にくぼみなどを生じること、真空中や不活性ガス雰囲気
中での接合ができないこと、高電圧を要することにより
安全上特別の注意を要することなどの問題点があった。

ガラス接合法は特公昭５３−２９１６７に示されたもの
で、セラミックス同志をガラスろう材を被覆した金属薄
板を介して押つけ、この金属薄板に通電することにより
、金属薄板を発熱させてガラスろう材を溶融し、金属薄
板を介してセラミックス同志を接合するものである。

ガラス接合法においては、接合後においても数百μｍ以
」−の金属薄板がそのまま残存するため、耐熱性、耐薬
品性、耐摩耗性などが低下し、このためセラミックス本
来の特徴が発揮できないという問題点があった。

またセラミックスがＳｉ３Ｎ４やサイアロンのように熱
膨脹率の極めて小さい材料の場合は残存金属とセラミッ
クスとの熱膨脹率の相違による残留応力のため接合強度
の低下を来たす問題点があった。

［問題点を解決するための手段］ 上記の問題点を解決するために、本発明においては、両
面に接合剤を配した導電性セラミックス板を接合しよう
とするセラミックスの接合面間に介在させ、所定の圧力
を加えて前記セラミックス同志を突合せ、前記セラミッ
クスを介して対向する少くとも一対の電極を前記導電性
セラミックス板の両側間に当接させ、前記電極間に通電
を行うことによりジュール熱を発生させて前記導電性セ
ラミックス板、前記接合剤および前記セラミックスの接
合面近傍を加熱し、高温において前記接合剤をこれと隣
接する前記セラミックスおよび前記導電性セラミックス
板とに反応させ、セラミックス同志を導電性セラミック
ス板を介して接合する。

［作用及び実施例コ 以下、本発明を図面を参照して説明する。第１図は、本
発明による接合の概要を示す要部断面図であって、例え
ば角柱状のセラミックス同志を上下に配置して接合する
場合を示している。

被接合体であるセラミックスＩＡ、ＩＢの接合面間に、
接合剤２Ａ、２Ｂをそれぞれ導電性セラミックス板３の
両面に配して介在させる。導電性セラミックス板３はセ
ラミックスＩＡ、ＩＢの端面から左右に突出していて、
その突出した端部に電極４Ａ、４Ｂが当接されている。

電極４Ａ１４Ｂにはそれぞれ通電用リード線５Ａ、５Ｂ
が接続されている。

セラミックスＩＡ、ＩＢは所定の圧力Ｐで押し付けられ
ていて、セラミックスＩＡと接合剤２Ａ間、接合剤２Ａ
と導電性セラミックス板３間、導電性セラミックス板３
と接合剤２Ｂ間、及び接合剤２Ｂとセラミックス１８間
は隙間なく密着している。通電用リード線５Ａ、５Ｂは
図示しない電源に接続されていて、導電性セラミックス
３に通電されるようになっている。

セラミックスＩＡ、ＩＢとしてはＡｌ２Ｏ３、Ｚｒ０２
Ｓ１０２などの酸化物系セラミックスや、Ｓｉ３Ｎ４、
ＳｉＣ、ＡＩＮ　、サイアロンなどの非酸化物系セラミ
ックスが適用できる。なお上記の例においてセラミック
スＩＡ、ＩＢは同種の組合せ、異種の組合せのいずれで
もよい。

導電性セラミックス板３としてはＳｉＣやνＣなどの炭
化物、ＴｉＮやＴａＮなどの窒化物、ＺｒＯ２やＬａＣ
ｒＯ２などの酸化物、Ｍｏ５１２やＭｏＳ　ｉなどの珪
化物、ＴｉＮやＳＩＣを含有するＳｉ３Ｎ４　、ＴｊＮ
やＳｉＣを含有するサイアロンなどの導電性を付与され
た複合セラミックスを用ることかできる。

これらの複合セラミックスは導電性を付与する添加剤の
量を変えることにより機械的特性や熱的特性あまり劣化
させずに導電率を変化さすことができる。導電性セラミ
ックス板３の選定は接合すべきセラミックスＩＡ、ＩＢ
と同種のものを選ぶのが好ましいが、接合体の使用目的
などにより異種のものであってもよい。異種のものであ
っても金属と比べるとはるかに接合すべきセラミックス
の特性に近いため接合後の特性劣化を少くすることがで
きる。

導電性セラミックス板３は原料混合後、接合面に応じた
適当な形状に成形し、ホットプレス法、反応焼結法、常
圧焼結法などにより焼結する。なお形状が複雑な接合面
の場合は焼結後放電加工により接合面形状に加工しても
よい。焼結した導電性セラミックス板３は接合すべき面
を研磨して平滑でかつ清浄な面とすることが望ましい。

接合剤２Ａ、２ＢはセラミックスＩＡ、ＩＢ及び導電性
セラミックス板３との両方に反応し強固な接合が得られ
るものを選ぶ。接合剤２Ａ、２ＢとしてはＴ１、Ｔｉ−
Ｎｉ合金、Ｔｌ−Ｃｕ合金、ＡＩ、　Ｇｅなどの金属系
接合剤や、　ＣａＯ−３ｉ０２−Ａｌ　２０３−Ｍｇ０
１ＣａＯ−８ｉ０２−Ａ１２０３−３ｉ３Ｎ４、ＣａＦ
２−Ａ１２０３−９ｉ０２などの無機物系接合剤などを
用いることができる。

上記の接合剤は溶融して反応する溶融接合であるが、反
応焼結を利用した接合剤（５ｆＣ−Ｃ−８ｆ混合物）、
固相接合を利用した接合剤（Ｐｔ箔を用い高圧力下にお
いて反応さす）を用いることもできる。

導電性セラミックス板３の両面に接合剤２Ａ、２Ｂとを
前もってサンドウィッチ状にコーティングし、一体化し
た構造のもの（接合用発熱部材）を作っておき、これを
用いてセラミックスＩＡ、１Ｂの接合を行うと位置合せ
など接合作業が速く、接合品質も良好となる。接合剤２
Ａ、２Ｂを導電性セラミックス板３にコーティングする
方法としてはスクリーン印刷による塗布、ＣＶＤ、真空
蒸着、イオンブレーティング、スパッタリングなどの方
法があり、それらのうちから適当なものを選択する。

電極４Ａ、４ＢはＷ％ＭＯ％Ｃなど耐熱性の高い導体を
用いる。通電電流が小さい場合は電極４Ａ、４Ｂを導電
性セラミックス板３の端部側面に当接する方法（第１図
）をとる。通電電流が大きい場合は安定した通電を行う
ため電極４Ａで導電性セラミックス板３の一方の突出し
た端部の上下面をはさみ込み、電極４Ｂで導電性セラミ
ックス板３の他方の突出した端部の上下面をはさみ込む
方法（第２図）をとる。

接合部の雰囲気は、大気、真空、雰囲気ガス（Ａｒ　、
Ｎ２など）のうちから使用する接合剤や導電性セラミッ
クスの材質により適当なものを用いる。

圧力Ｐは接合過綽において通電開始前から通電終了後ま
で接合部が充分冷却されるまでの間印加する。圧力Ｐは
接合過程において必ずしも一定である必要はなく変化さ
してもよい。

電源装置（図示せず）により通電用リード線５Ａ、５Ｂ
および電極４Ａ、４Ｂを経由して導電性セラミックス板
３に通電し、導電性セラミックス板３に生じるジュール
熱により接合部の加熱を行う。

接合部の加熱は昇温、保持、降温の３過程よりなる略台
形状の温度時間特性とする。保持過程は、はぼ一定した
温度を保つ時間帯であって、このときの接合部の温度が
接合温度である。昇温過程及び降温過程は保持過程の前
後に必然的に生じるものであるが、これらの過程におい
て適当な時間的温度勾配をもつことは接合歪みを抑制す
る面で不可欠な要素である。

保持過程が終了したとき通電遮断を行えば当然降温過程
に入るが、これでは温度勾配が大き過ぎて接合歪みの問
題を生じる場合は保持過程の後低減電流を通じる時間帯
を設けることにより温度勾配を緩和する。接合温度にお
いてセラミックスＩＡ、ＩＢは溶融しないが、前述のよ
うに接合剤は溶融する場合（溶融接合のとき）と、熔融
せず固相状態のままの場合（反応焼結接合または固相接
合のとき）とがある。しかしいずれの場合においても接
合剤２ＡはセラミックスＩＡと導電性セラミックス板３
とに反応し、接合剤２ＢはセラミックスＩＢと導電性セ
ラミックス板３とに反応して、セラミックスＩＡ、ＩＢ
は導電性セラミックス板３を介して強固に接合される。

セラミックスの接合後に放電加工やレーザ加工により導
電性セラミックス板３の突出部を削除する。なお第１図
の方法においては導電性セラミックス板３の突出部をご
くわずかにでき、このようにすれば突出部の削除加工は
不要となる。

次に発明者等が行った実施例について、第３図及び第４
図を参照してその概要を述べる。６Ａ。

６Ｂは熱伝導率の小さい断熱構造体であって内面に熱反
射板（モリブデン製）？Ａ、７Ｂが加熱効率を高める目
的で取付けられている。８は加圧用ラムであって接合部
に所定の圧力を加えるためのものである。９は外箱であ
って図示しない雰囲気造成装置により外箱９内の空間を
大気、真空、雰囲気ガス（Ａｒ　、Ｎ２など）のうちの
任意の状態下におくことができる。

図示していないが放射温度計により外箱９の外部から接
合部の温度を測定できる。なお、接合温度が低い場合は
断熱構造体６Ａ、６Ｂや熱反射板７Ａ、７Ｂは特に必要
でなく、雰囲気が大気のみでよい場合は外箱９は特に必
要とはしない。以下に述べる実施例１および実施例２に
用いたセラミックスＩＡ、ＩＢの形状は１５Ｘ　１５Ｘ
高さ２０　ｍ＋ｅであり、導電性セラミックス板３の厚
さは２■としている。導電性セラミックス板３の平面形
状は第４図に示すように、電極４Ａ、４Ｂに接する側３
ａ。

３ｂ部の幅は広くなっていて、中央部３Ｃ部の幅はセラ
ミックスＩＡ、ＩＢ部の幅（１５部ｍ）と同じで、３０
部の長さはセラミックスＩＡ、ＩＢの厚さ（１５ｍｍ）
より若干大きい。なお、第４図に示す導電性セラミック
ス板３の３Ｃ部における斜線部は接合剤２人、２Ｂが位
置する部分を表すもので、セラミックスＩＡ、ＩＢの幅
、厚さ（１５Ｘ１５＋ｍ）と同じ大きさである。

実施例　１ セラミックスＩＡ、ＩＢには高絶縁性の常圧焼結による
５１３Ｎ４を使用した。接合剤２Ａ、２ＢにはＣａＯ−
８１０２−Ａ１２０３−８ｉ３Ｎ４の混合粉体を成形用
バインダーと混練したものを用いた。

導電性セラミックス板３にはホットプレスによるＳｉ３
Ｎ４　　（ＴｉＮを添加）で抵抗率１０−２Ω−ｃｍオ
ーダのものを用いた。

そして導電性セラミックス板３の両面に接合剤を約１０
０μｍ厚さに塗布し、接合用加熱部材とした。初期の加
圧力は０　、　Ｉ　ＭＰａとし外箱内雰囲気は大気状態
とした。

導電性セラミックス板３に約５ＯＡの電流を通じること
により接合温度を約１，５００℃としこれを約２分間保
持した後、加圧力を５ＭＰａに増加すると同時に通電停
止した。接合部外面を成形後、曲げ試験用に３×４×長
さ４０市の大きさに加工し４点曲げ試験を行った結果、
試料の４点曲げ強度は約４００〜５ＱＯＭＰａであった
。

実施例　２ セラミックスＩＡ、ＩＢには反応焼結によるｓｉｃを使
用した。接合剤２Ａ、２Ｂには５ＩＣ−８ｊ−Ｃ混合粉
末を成形用バインダーと混練し、導電性セラミックス板
３（セラミックスＩＡ、ＩＢと同じＳＩＣ）の両面に約
５０μｍ厚さに塗布し、接合用加熱部材とした。

加圧力は１０ＭＰａとし外箱内雰囲気はＡｒガスとした
。通電電流を約８ＯＡにすることにより接合温度を約１
，７００℃とし、これを約２分間保持した後、通電停止
した。接合部はＳＩ十〇−８ＩＣの反応が起り、母材と
同質に近い状態となり、強固な接合が行われた。試料の
４点曲げ強度は約２００〜３００ＭＰａであった。（試
験試料サイズは実施例１に同じ。）［発明の効果］ 以上のように、本発明によれば、導電性セラミックス板
に電流を通じることによるジュール熱によって、接合部
近傍のみを直接加熱して接合するようにしたので、セラ
ミックス全体の表面酸化及び母材劣化を最小限にとどめ
ることができ、接合時間も短時間ですみ、設備費、ラン
ニングコストも安価にすることができる。

また、本発明によれば通電にアークを伴わず導電性セラ
ミックス板に電極を当接して直接通電を行うので、接合
部にくぼみを生じることもない。

また、本発明によれば、導電性セラミックス板は常温で
高い導電性を有しているため、ガスなどの予備加熱手段
が不要であり、高電圧も要しないので作業の安全性およ
び品質面で優れている。

なお、本発明においては接合しようとするセラミックス
と導電性セラミックス板の機械的特性、熱的特性および
化学的特性などが類似しているので、金属体がそのまま
の組成、形態で接合部に残留する従来の方法に比べては
るかに耐熱性、耐薬品性、耐摩耗性などに優れていて、
残留応力による問題点を減少することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明によるセラミックスの接合法の概要を
示す要部断面図、第２図は導電性セラミックス板３に対
する電極の当接法の異る例を示す部分断面図、第３図は
本発明によるセラミックスの実施例を示す要部断面図、
第４図は第３図における導電性セラミックス板の平面図
である。 ＩＡ、ＩＢ・・・セラミックス、２Ａ、２Ｂ・・・接合
剤、３．３ａ、３ｂ、３ｃ・・・導電性セラミックス板
、４Ａ、４Ｂ・・・電極、５Ａ、５Ｂ・・・通電用リー
ド線、６Ａ、６Ｂ・・・断熱構造体、？Ａ、７Ｂ・・・
熱反射板、８・・・加圧ラム、９・・・外箱。 代理人　弁理士　中　井　　　宏

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）両面に接合剤を配した導電性セラミックス板を接
   合しようとするセラミックスの接合面間に介在させ、所
   定の圧力を加えて前記セラミックス同志を突合せ、前記
   セラミックスを介して対向する少くとも一対の電極を前
   記導電性セラミックス板の両側間に当接させ、前記電極
   間に通電を行うことによりジュール熱を発生させて前記
   導電性セラミックス板、前記接合剤および前記セラミッ
   クスの接合面近傍を加熱し、高温において前記接合剤を
   これと隣接する前記セラミックスおよび前記導電性セラ
   ミックス板とに反応させ、セラミックス同志を導電性セ
   ラミックス板を介して接合することを特徴とするセラミ
   ックスの電気接合方法。
2. （２）高温において導電性セラミックス板および接合し
   ようとするセラミックスの双方とに反応する接合剤を、
   前記導電性セラミックス板の両面にコーティングするこ
   とにより、前記導電性セラミックス板と前記接合剤とを
   サンドウィッチ状に一体化したことを特徴とするセラミ
   ックス接合に用いる接合用発熱部材。