JPH01320276A - セラミックスと金属との電気接合方法及び接合用インサート材 - 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、セラミックスと金属との電気接合方法及びそ
の接合用インサート材に関するものである。

〔従来技術と発明が解決しようとする問題点〕導電性の
被接合セラミックスと金属とを接合する場合、従来は第
５図に示すように、導電性の被接合セラミックス１と金
属６とをろう材１１を介して突合せ、これらを２つの電
極７ａ、７ｂが挾むように接合面に対して対向配置され
る。接合時は接合面に垂直方向の電流を流して、接合部
での接触抵抗で発生するジュール熱によって、ろう材１
１を溶融させてセラミックスと金属とを接合している（
特開昭６２−２０２８７５号）。

しかし、セラミックス全体が加熱されるために、高温接
合や大気中の接合では、セラミックスの劣化が全体に及
ぶ虞れがある。また接合面では、主に接触抵抗によるジ
ュール熱であるために、接触抵抗のバラツキによる電流
集中により、接合部が均一に加熱されないので、均一な
接合が得られない虞れがある。また、このような状態が
持続すると、接合部に隙間が生じ、この隙間で放電が生
じ、溶融しないセラミックス例えばＳｉＣや熱衝撃に弱
いセラミックス例えばＡｌ２Ｏ３では、接合部に分解や
ワレなどの致命的な損傷が発生する虞れがある。

したがって、第６図に示すように、電極７ａ、７ｂを、
被接合セラミックス１の接合部の両側を挾むように対向
させて、接合面と平行の電流を流すことが考えられるが
、この場合、通電によるジュール熱を大にするために、
抵抗値が一般的に金属６よりも大なるセラミックス１側
に電極を配設し、接合部近傍に電流を流している。

一方、被接合セラミックス１が絶縁性であれば、第６図
に示す点線部分に薄板の導電性セラミックスを介装して
、その両端部に電極を配設し、その部分ｊこ電流を流す
ことも考えられる。

ところが、接合長が大になると、セラミックス中を流れ
る電流は、接合中央部に行くにしたがって、金属６中へ
広がって分流するために、電極が接触する接合部の両端
は加熱されて、ろう材１１が溶融するが、接合中央部で
は十分に加熱されないために、接合できないという重大
な問題が生じる。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明は、上記の問題点を解決するために、請求項１に
おいては、被接合セラミックスと金属との間に、導電性
セラミックスの片面に絶縁性セラミックスを設けた層状
複合セラミックスを介在させ、第１の接合剤を被接合セ
ラミックスと複合セラミックス内の導電性セラミックス
とに挾着させるとともに、第２の接合剤を複合セラミッ
クス内の絶縁性セラミックスと金属とに挾着させて、複
合セラミックス内の導電性セラミックスの両端部に少な
くとも一対の電極を当接させて通電し、導電性セラミッ
クス中に生じるジュール熱によって、第１の接合剤、被
接合セラミックスを順次に、また絶縁性セラミックス、
第２の接合剤、金属を順次に加熱して接合することを特
徴としている。

また請求項２においては、被接合セラミックスと金属と
の間に、導電性セラミックスの両面に絶縁性セラミック
スを設けた層状複合セラミックスを介在させ、第１の接
合剤を被接合セラミックスと複合セラミックス内の第１
の絶縁性セラミックスとに挾着させるとともに、第２の
接合剤を複合セラミックス内の第２の絶縁性セラミック
スと金属とに挾着させて、複合セラミックス内の導電性
セラミックスの両端部に少なくとも一対の電極を当接さ
せて通電し、導電性セラミックス中に生じるジュール熱
ｌこよって、第１の絶縁性セラミックス、第１の接合剤
、被接合セラミックスを順次に、また第２の絶縁性セラ
ミックス、第２の接合剤、金属を順次に加熱して接合す
ることを特徴としている。

さらに請求項３に詔いては、被接合セラミックスと金属
との接合用インサート材を、導電性セラミックスの片面
または両面に絶縁性セラミックスを設けた層状複合セラ
ミックスであって、前記複合セラミックスの両接合面に
接合剤を取着させた構成にしたことを特徴としている。

〔作用〕

以上のような方法及びインサート材とすることにより、
接合長の大小に拘らず、請求項１及び３の作用としては
、絶縁性の被接合セラミックスと金属とを接合する場合
、層状複合セラミックス内の導電性セラミックス中に流
れる加熱用電流が被接合金属へ分流することが防止され
る。

また、請求項２及び３の作用としては、被接合セラミッ
クス、第１の接合剤、１１状複合セラミックスの導電性
セラミックス、第２の接合剤及び金属の抵抗値を各々Ａ
、Ｂ、Ｃ，Ｄ　及びＥとし、Ａ≦Ｂ＜＜Ｃ及びＣ＞＞Ｉ
Ｉ）：Ｅなる関係にある導電性の被接合セラミックスと
金属とを接合する場合、層状複合セラミックスの導電性
セラミックス中に流れる加熱用電流が、被接合金属と被
接合セラミックスとの両方に分流することが防止される
ので、特に接合長が大きい場合、接合中央部も十分に加
熱させることができる。

〔実施例〕

以−ド１本発明について説明する。

第１の実施例は、本発明の請求項１に対応する。

第１図は本発明の方法を適用した第１の実施例を示す要
部断面図であって、例えば角柱状の絶縁性の被接合セラ
ミックスと金属とを上下に配置して接合する場合を示し
ている。まず、被接合セラミックス１の接合面側に、第
１の接合剤２を介して導電性セラミックス３と絶縁性セ
ラミックス４ｂとからなる薄板の層状複合セラミックス
の導電性セラミックス３の方を取着させ、さらにこの絶
縁性セラミックス４ｂの方に第２の接合剤５を介して金
属６を取着させた後、被接合セラミックス１を接合方向
に圧力を加えて固定する。つぎに、図示しない電源装置
に接続された一対の電極７ａ、７ｂを、導電性セラミッ
クス３の両端部に配設し、かつこの電極の先端は両端部
に緊密に当接した状態になっている。電極としては、耐
熱性が要求されるので、タングステン、カーボン、モリ
ブデン。

ハフニウム、ジルコニム等が適用できる。つづいて、接
合部の加熱効率をよくするために、被接合セラミックス
１と金属６との接合部近傍の外周を反射板８及び断熱材
９で覆う。

このような構成において、各部材の厚み及び接合温度な
どを考慮した組合せの典型例の一つを例示すると、被接
合セラミックス１をＳｉ３Ｎ４とし、第１の接合剤２を
ＣａＦ２／Ａｌ２Ｏ３／５ｉ０２／Ｓｉ３Ｎ４の混合物
とし、導電性セラミックス３と絶縁性セラミックス４ｂ
とからなる複合セラミックスは、絶縁性５ｔ３Ｎ４の一
部に導電性を付与するＴｉＮを添加して一体焼結させ、
接合面を平滑に研削したもので、厚さを各２５ｆｆ、２
ｆｆとする。また、第２の接合剤５を活性金属ろうのＴ
ｉ／Ｃｕ／Ａｇ合金の１５０μｍ箔とし、金属６を鋼と
し、前述した第１の接合剤２をペースト状にして、被接
合セラミックス１または複合セラミックスの導電性セラ
ミックス３に約１００μｍ塗布する。

今、被接合セラミックス１を接合方向に約０．１Ｍｌ’
ａの圧力を加えて、電極７ａ、７ｂ間に電圧を印加する
と、暫くして高温時に第１の接合剤２に若干の分流する
電流があるものの、抵抗率が１０１３Ω・１以上である
絶縁性セラミックス４ｂにより金属６に分流することな
（、抵抗率が約１０−２Ω・１である導電性セラミック
ス３中に大部分の電流が流れて、その部分に集中して接
合面方向に略均−にジュール熱が発生する。その熱が第
１の接合剤２、被接合セラミックス１及び絶縁性セラミ
ックス４ｂ、第２の接合剤５、金属６へと順次に伝導し
、その結果、第１の接合剤２が約１４５０’Ｃで、被接
合セラミックス１ど導電性セラミックス３とに反応する
ことにより、両者が強固に結合する。

また、第２の接合剤５が温度勾配差により生じた温度、
すなわち約１０５０’Ｃで、絶縁性セラミックス４ｂと
金＠６とに反応することにより、両者が強固に結合して
、被接合セラミックス１と金１１ｉ６との接合が完了す
る。この場合の雰囲気は、約１０−５Ｔｏｒｒの真空と
した。

第２の実施例は、本発明の請求項２に対応する。

第２図は本発明の方法を適用した第２の実施例を示す要
部断面図である。まず、導電性の被接合セラミックス１
の接合面側に、第１の接合剤２を介して第１及び第２の
絶縁性セラミックス４ａ　、４ｂに導電性セラミックス
３を介装した薄板の層状複合セラミックスを取着させ、
さらにこの複合セラミックスに第２の接合剤５を介して
金属６を取着させた後、被接合セラミックス１を接合方
向に圧力を加えて固定する。つぎに、電極７ａ、７ｂ反
射板８及び断熱材９を実施例１と同様に配設する。

このような構成において、各部材の厚み及び接合温度な
どを考慮した組合せの典型例の一つを例示すると、被接
合セラミックス１を導電性ＳｉＣとし、第１及び第２の
接合剤２．５を活性金属ろうのＴｉ／Ｃｕ合金の１５０
μｍ箔とし、導電性セラミックス３と絶縁性セラミック
ス４ａ、４ｂとからなる複合セラミックスは、導電性Ｓ
ｉＣの厚さ５ｊｌｌｌの薄板の両側に溶射によりＡ／１
Ｉ２０３の絶縁層を形成し、その面を平滑に研削したも
ので、Ａｌ２Ｏ３層の厚さは約０．５６とし、金属６を
銅とする。

今、被接合セラミックス１を接合方向に約０．１ＭＰａ
の圧力を加えて、電極７ａ、７ｂ間に電圧を印加すると
、導電性セラミックス３中に流れる電流は、第１の絶縁
性セラミックス４ａにより被接合セラミックス１に分流
しなくなり、また第２の絶縁性セラミックス４ｂにより
金属６に分流しなくなる。したがって、導電性セラミッ
クス３中にのみ電流が流れてジュール熱が発生し、その
熱が被接合セラミックス１及び金属に伝導する。その結
果、第１及び第２の接合剤２，５が約９５０℃で、被接
合セラミックス１と第１の絶縁性セラミックス４ａ及び
第２の絶縁性セラミックス４ｂと金属６とに各々反応す
ることにより、両者が各々強固に接合して、被接合セラ
ミックス１と金属６との接合が完了する。この場合の雰
囲気は、１０−５Ｔｏｒｒの真空とした。

なお、第１の実施例のように、２種の接合剤を用いる場
合、最適接合温度に調整するのに、絶縁性セラミックス
の厚みを選ぶことによる温度勾配差を利用しているが、
温度勾配差を利用できない各部材の組合せについては、
１回目の接合工程として、例えば接合温度のより高い第
１の接合剤により被接合セラミックスと複合セラミック
スとを通電加熱して接合する。その後、２回目の接合工
程として、再通電しより低温の所望の接合温度で第２の
接合剤を反応させることにより、金属との接合を行って
もよい。

また、複合セラミックスの絶縁性セラミックスを一層と
したが、この絶縁性セラミックスと被接合体との熱膨張
差が大きい場合は、その間に複数の熱応力緩和層を段階
的に形成してもよい。

さらに、接合面積が大きい場合には、電極を適当に移動
できる移動手段を設けるか、複数対の電極を設けるか、
帯状の電極を設ければよい。

第３の実施例は、本発明の請求項３に対応する。

第３図（ａｌ　、　（ｂ）は、各々本発明のインサート
材の第１の実施例を示す断面図及び上面図であって、例
えば角柱状の絶縁性の被接合セラミックスと金属との間
に、本発明のインサート材を挟装して接合する好適例を
示している。まず、高絶縁性を有するＳｉ３Ｎ４　、サ
イアロン、　ＡＡ２０３などの粉体と、この粉体に導電
性付与剤例えばＴｉＮ　、　ＴａＮ　、　Ｐｔ　、　Ｓ
ｉＣなどを添加した粉体とを、各々バインダーと共に順
次型に入れ、加圧成形して一体焼結を行い、導電性セラ
ミックス３と絶縁性セラミックス４ｂとからなる薄板の
層状複合セラミックスを製作する。

その後、寸法調整、接合面を平滑する目的で研削する。

つぎに、この複合セラミックスの導電性セラミックス３
の接合面に、第１の接合剤２として、例えばＣａＦ２／
Ａｎ２０３／５ｉ０２の混合物をペースト状にしたもの
を、スクリーン印刷により塗布する。

また、絶縁性セラミックス４ｂの接合面を、第２の接合
剤として、例えばＴｉ／Ｃｕ／Ａｇ合金を、　ＣＶＤ。

真空蒸着、溶射などによりコーティングする。ここで、
Ｓｉ３Ｎ４とＴｔＮとの組み合せで、導電性セラミック
ス３及び絶縁性セラミックス４ｂの抵抗率は前者で約１
０−２Ω・１、後者で１ｏ１３Ω・１以上のインサート
材が製作される。

第４の実施例は、本発明の請求項３に対応する。

第４図ｆａ）　、　ｆｂ）は、各々本発明のインサート
材の第２の実施例を示す断面図及び上面図であって、例
えばパイプ状の導電性の被接合セラミックスと金属との
間に、本発明のインサート材を挟装して接合する好適例
を示している。、まず、高絶縁性を有するＳｉ３Ｎ４　
、サイアロン、　Ａｇ２Ｏ３などの粉体と、この粉体に
導電性付与剤例えばＴｉＮ　、　ＴａＮ　、　Ｐｔ　、
ＳｉＣなどを添加した粉体と、Ｓｉ３Ｎ４　、サイアロ
ンなどの粉体とを、各々バインダーと共に順次型に入れ
、加圧成形して一体焼結を行い、絶縁性セラミックス４
ａ、４ｂｉこ導電性セラミックス３を介装した薄板の層
状複合セラミックスを製作する。その後、寸法調整、接
合面を平滑する目的で研削する。つキニ、この複合セラ
ミックスの絶縁性セラミ７’７ス４ａの接合面に、第１
の接合剤２として、例えばＣａＦ２／ＡＡ！２０３／５
ｉ０２の混合物をペースト状にしたものを、スクリーン
印刷により塗布する。、また。

絶縁性セラミックス４ｂの接合面を、第２の接合剤とし
て、例えばＴｉ／Ｃｕ／Ａｇ合金を、ＣＶＤ　、真空蒸
着、溶射などによりコーティングする。ここで、５１３
Ｎ４とＴｉＮとの組み合せで、導電性セラミックス３及
び絶縁性セラミックス４ａ、４ｂの抵抗率は前音で約１
０　Ω・画、後者で１０１３Ω・１以上のインサート材
が製作される。

以上の第１乃至第４の実施例において、導電性セラミッ
クスと絶縁性セラミックスとからなる層状複合セラミッ
クスとして、一体焼結させる例を示したが、この他に薄
板の導電性及び絶縁性セラミックスを、後に使用する接
合温度で変化しない接合剤により予め接合させるか、ま
たは導電性セラミックスの薄板に絶縁性セラミックスを
、ＣＶＤ。

真空蒸着、溶射などによりコーティングする。この場合
の導電性セラミックスとしては、ＳｉＣ，ＷＣなどの炭
化物、ＴｉＮ　、　ＴａＮなどの窒化物、ＺｒＯ２。

ＬａＣｒＯ２などの酸化物、ＭｏＳｉ２　、ＭｏＳｉな
どのケイ化物、ＴｉＢ２　　などのホウ化物、ＴｉＮ　
、　ＳｉＣなどの導電性付与物質を含む５ｔ２Ｎ４、サ
イアロンなどの複合セラミックス、セラミックスと金属
とからなるサーメットが例示できる。

また、絶縁性セラミックスとしては、Ａｌ２Ｏ３。

５ｉ０２　　ｆ！どの酸化物、ＡＡ！Ｎ　、　Ｓｉ３Ｎ
４．　＋イア　Ｃ１：／などの窒化物が使用でき、その
形状・寸法は使用電圧に対して絶縁性を保持できること
、及び使用接合温度に調整できることなどを考慮して適
宜に選ぶ必要がある。

さらζこ、これら絶縁性及び導電性セラミックスの種類
の選択は、被接合体の仕様、例えば必要な耐熱性、必要
な強度、必要な耐薬品性などを考慮して行う。

〔発明の効果〕 本発明の請求項１及び２の効果は、被接合セラミックス
と金属との接合部近傍に電流を集中して流すことができ
るので、特に接合長が大きい場合、接合中央部も十分に
加熱させることができ、したがって接合強度を大にする
ことができる。また、接合部近傍のみを直接加熱するよ
うζこしたので、被接合セラミックス全体の劣化を最小
限にとどめることができ、かつ加熱効率が高く、短時間
接合、設備費の低減、ランニングコストの低減が可能で
あるという実用上や価値が大である。

請求項３の効果は、接合剤と複合セラミックスとを一体
化することにより、取扱い及び接合時の位置合せが容易
になり、接合工程を簡略することができ、また現場作業
が容易となる。

【図面の簡単な説明】

第１図及び第２図はそれぞれ本発明の方法を適用した第
１及び第２の実施例を示す要部断面図、第３図１ａ）　
、　ｔｂ）は本発明のインサート材の第１の実施例を示
す断面図及び上面図、第４図（ａ）　、　（ｂｌは本発
明のインサート材の第２の実施例を示す断面図及び上面
図、第５図及び第６図はそれぞれ従来の接合状態を示す
概略断面図である。 １・・・被接合セラミックス、２・・・第１の接合剤、
３・・・層状複合セラミックスの導電性セラミックス、
４ａ、４ｂ・・・層状複合セラミックスの第１及び第２
の絶縁性セラミックス、５・・・第２の接合剤、６・−
・金属、７ａ、７ｂ・・・電極。 代理人　弁理士　　中　井　　宏

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、被接合セラミックスと金属との接合方法において、
   前記セラミックスと金属との間に、導電性セラミックス
   の片面に絶縁性セラミックスを設けた層状複合セラミッ
   クスを介在させ、第１の接合剤を前記被接合セラミック
   スと複合セラミックス内の導電性セラミックスとに挾着
   させるとともに、第２の接合剤を前記複合セラミックス
   内の絶縁性セラミックスと金属とに挾着させて、前記複
   合セラミックス内の導電性セラミックスの両端部に少な
   くとも一対の電極を当接させて通電し、前記導電性セラ
   ミックス中に生じるジュール熱によつて、前記第１の接
   合剤、被接合セラミックスを順次に、また前記絶縁性セ
   ラミックス、第２の接合剤、金属を順次に加熱して接合
   するセラミックスと金属との電気接合方法。 ２、被接合セラミックスと金属との接合方法において、
   前記セラミックスと金属との間に、導電性セラミックス
   の両面に絶縁性セラミックスを設けた層状複合セラミッ
   クスを介在させ、第１の接合剤を前記被接合セラミック
   スと複合セラミックス内の第１の絶縁性セラミックスと
   に挾着させるとともに、第２の接合剤を前記複合セラミ
   ックス内の第２の絶縁性セラミックスと金属とに挾着さ
   せて、前記複合セラミックス内の導電性セラミックスの
   両端部に少なくとも一対の電極を当接させて通電し、前
   記導電性セラミックス中に生じるジュール熱によつて、
   前記第１の絶縁性セラミックス、第１の接合剤、被接合
   セラミックスを順次に、また前記第２の絶縁性セラミッ
   クス、第２の接合剤、金属を順次に加熱して接合するセ
   ラミックスと金属との電気接合方法。 ３、被接合セラミックスと金属との接合用インサート材
   において、導電性セラミックスの片面または両面に絶縁
   性セラミックスを設けた層状複合セラミックスであつて
   、前記複合セラミックスの両接合面に接合剤を取着させ
   た接合用インサート材。