JPH0215874A - 金属とセラミックの接合方法及び接合材 - 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］ 本発明は金属とセラミックの接合方法及び該方法に使用
する接合材に関する。

［従来の技術］ 従来、金属とセラミックの活性金属接合においては、ろ
う材としてＴ　ｉ　−Ｃｕの共晶合金やＡｇ−Ｃｕ合金
にＴｉ、Ｚｒ、■などを数重量％含ませたものが使用さ
れている。

例えば特開昭６１−１７８４７６号公報には、チタンと
銅箔を積層したり、銅粉末を混合したろう材を金属とセ
ラミックとの間に介在させて真空中で約９００℃に加熱
して接合する方法が開示されている。

また、特開昭６１−１２３４９９号公報にはＡＮＮやＳ
　ｉ　３　Ｎ　４などの窒化物セラミックと銅や鉄とを
１０重量％以下のＶを含むＡｇ−Ｃｕ合余ろう材によっ
て接合する方法が開示されている。

活性金属は酸素、窒素、炭素との化学的親和力が強いの
で、これを含む合金の融体はセラミックとの濡れ性がよ
い、しかし、これらの合金は展延性に乏しいために急冷
凝固法などの特殊な方法を使用しなければ箔状のろう材
を作製することが難しい、そこで、上述のように合金を
粉砕して粉末状にしたり、蒸着法などの薄膜形成法によ
って活性金属膜をろう材表面やセラミック表面に被着さ
せる方法が採られている。

更に、特開昭６２−７２４７２号公報には、セラミック
表面にＴｉまたはＺｒ粉末をバインダーと混合したペー
ストを塗布した上に銀ろう材粉末を配置して加熱溶融さ
せる金属とセラミックの接合方法が開示されている。

活性金属性以外の金属−セラミック接合法としてはメタ
ライズ法が最も広く用いられている。この方法はセラミ
ック表面にＭ　ｎ　−Ｍ　ｏ合金やＷ合金をメタライズ
し、その上にＮｉめつきを行い、このＮｉめつき層を金
属とろう付は法で接合するものであり、酸化物系セラミ
ックと金属の接合に良く利用されている。この場合のろ
う付けの方法には銀ろうやハンダなど種々の方法がある
。

金属−セラミック接合において、接合温度は重要な意味
を持っており、温度が高いと接合の熱応力が大きくなっ
てセラミックの割れなどの問題を引き起こす、従って、
接合温度は極力低い方が良い。

［発明が解決しようとする課題］ しかし、従来の活性金属接合法では酸化を防止するため
に１０−’トール以下の高真空中もしくは完全な不活性
雰囲気中で接合を行わなければならなかった。また、銀
含有量の高い銀ろうは高価であり、コストが高くなる。

また、メタライズ法では、工程も多く、経済的に問題が
ある上に、品質的にもメタライズ面の接合強度の点で改
良の余地がある。

従って、本発明の第１の目的は金属−セラミック接合用
の安価で、低真空中で使用可能であり且つ熱応力の発生
の少ない活性金属接合材を提供することにあり、第２の
目的はこの活性金属接合材を利用する金属−セラミック
接合法を提供することにある。

［課題を解決するための手段］ 即ち、本発明は下記に記載する金属とセラミックの接合
方法及び接合材を包含する： ■５〜２０重景％のチタン、及び残部が錫、鉛、銀及び
ビスマスからなる群から選択された２種以上の成分より
なる金属−セラミック接合用ろう材■■に記載した金属
−セラミック接合用ろう材８５〜９５重量部及び有機フ
ラックス５〜１５重量部よりなる金属−セラミックス接
合用ベースト■金属とセラミックの接合方法において、
■に記載した金属−セラミック接合用ろう材または■に
記載した金属−セラミック接合用ペーストを金属とセラ
ミックの中間に介在させ、０．５トール以下の減圧下で
ろう材またはペーストの融点以上に加熱して前記金属と
セラミックを接合することを特徴とする金属とセラミッ
クの接合方法；■金属とセラミックの接合方法において
、■に記載した金属−セラミック接合用ろう材または■
に記載した金属−セラミック接合用ペーストを金属とセ
ラミックの中間に介在させ、０．５トール以下の減圧状
態に対応する酸素または窒素分圧の不活性雰囲気中でろ
う材またはペーストの融点以上に加熱して前記金属とセ
ラミックを接合することを特徴とする金属とセラミック
の接合方法；■金属とセラミックの接合方法において、
セラミックの接合面に金属チタン換算量で５〜２０重量
％のチタンまたはチタン水素化物を被覆し、セラミック
の該被覆面と金属の中間にろう材換算量で８０〜９５重
量％の錫、鉛、銀及びビスマスからなる群から選択され
た２種以上の成分よりなる金属−セラミック接合用ろう
材または該金属セラミック接合用ろう材８５〜９５重量
部及び有機フラックス５〜１５重量部よりなる金属−セ
ラミックス接合用ペーストを介在させ、０．５トール以
下の減圧下でチタンとろう材の反応温度以上に加熱して
前記金属とセラミックを接合することを特徴とする金属
とセラミックの接合方法； ■金属とセラミックの接合方法において、セラミックの
接合面に金属チタン換算量で５〜２０重量％のチタンま
たはチタン水素化物を被覆し、セラミックの該被覆面と
金属の中間にろう材換算量で８０〜９５重量％の錫、鉛
、銀及びビスマスからなる群から選択された２種以上の
成分よりなる金属−セラミック接合用ろう材または該金
属−セラミック接合用ろう材８５〜９５重量部及び有機
フラックス５〜１５重１部よりなる金属−セラミックス
接合用ペーストを介在させ、０．５トール以下の減圧状
態に対応する酸素または窒素分圧の不活性雰囲気中でチ
タンとろう材またはペーストの反応温度以上に加熱して
前記金属とセラミックを接合することを特徴とする金属
とセラミックの接合方法。

［作　用］ 本発明はチタンを活性金属成分とし、他のろう材成分が
錫、鉛、銀及びビスマスからなる群から選択された２種
以上の成分からなるろう材と、そのろう材を使用して低
真空中で金属とセラミックを加熱接合する方法にある。

本発明の金属セラミック接合用ろう材は５〜２０重量％
のチタン、及び残部が錫、鉛、銀及びビスマスからなる
群から選択された２種以上の成分よりなる。

本発明のろう材はチタンを必須成分とする。チタンとし
ては金属チタンまたはチタン水素化物を使用することが
できる。チタン水素化物を使用する場合には金属チタン
換算量で上述の範囲内の量を使用すればよい、このろう
材はチタンまたはチタン水素化物の粉末と上述の金属成
分の粉末混合物であっても、チタンまたはチタン水素化
物の粉末と他の成分の合金粉末の混合体であってもよく
、更に、粉末混合物や合金粉末を樹脂や有機溶媒と混練
したペーストの形態であることもでき、また、全成分を
溶解して急冷凝固法で作製した箔状のろう材であっても
良く、ろう材の形態は問わない。

チタンまたはチタン水素化物以外のろう材成分すなわち
錫、鉛、銀及びビスマスは実用的な範囲で２種以上の成
分を任意の量で組み合わせることができる。

本発明方法においては、ろう材として錫、鉛、銀及びビ
スマスからなる群から選択された２１１ｉ以上の成分よ
りなるものも使用することができ、このろう材はセラミ
ックの接合面にチタンまたはチタン水素化物の被覆がな
されている場合に使用することができる（以下、このろ
う材を第２ろう材と記載する）、第２ろう材は被覆され
ているチタンまたはチタン水素化物と共に加熱して得ら
れる溶融物の組成が上述の本発明ろう材の組成と同様の
組成となるような量で使用すれば、金属とセラミックを
強固に接合することができる。なお、第２ろう材の形態
も本発明るう材と同様に粉末混合物であってもよいし、
合金粉末であってもよいし、更にはペーストの形態であ
ってもよい。

得られた上述の範囲の成分配合の本発明ろう材または第
２ろう材をセラミック部材と金属の間に介在させて０．
５トール以下の減圧下でろう材またはペーストの融点以
上の温度またはチタンと第２ろう材または第２ろう材含
有ペーストの反応温度以上の温度に加熱すれば該セラミ
ック部材と金属を接合することができる。

また、第２ろう材を使用する場合のように、チタンと第
２ろう材の反応温度以上の温度に加熱して得られる溶融
物の組成が本発明ろう材の組成と同様になれば必ずしも
本発明るう材のようにチタンを含む全成分を予め均一に
混合または合金化する必要はなく、所定量のチタンをセ
ラミック表面に蒸着または塗布等の手段により被覆して
おいて第２ろう材成分と溶融させることもできる。

チタンまたはチタン水素化物（活性金属）と他のろう材
成分（錫、鉛、銀及び／またはビスマス）とを組み合わ
せて使用する本発明の金属セラミック接合用ろう材を使
用する場合に、チタンまたはチタン水素化物を除くろう
材成分（以下、ろう材量合金と呼ぶ）がまず溶融し、こ
れにチタンまたはチタン水素化物が溶解して溶融活性金
属合金を形成する。

慣用のろう材の場合には、ろう材量合金の融点が比較的
高く、活性金属の融点との差が少なく、ろう材量合金に
取り込まれるまでにかなりの時間を要し、その結果、ろ
う材量合金の融点以下の温度における活性金属粉末また
は箔の直接雰囲気に曝らされる時間が長くなるために、
もし雰囲気中に酸素や窒素が含まれていると酸化や窒化
を生じ易くなり、酸化または窒化等を生じた活性金属は
該ろう材量合金が溶融しても合金化しない６例えば、従
来使用されているＡｇ−Ｃｕ−Ｔｉ系ろう材においては
まずＡｇ−Ｃｕ系ろう材量合金が溶融し、これにＴｉが
溶解する。Ａｇ−Ｃｕ系母合金の融点は組成によって６
００〜８００℃であり、この範囲の融点の中でも７５０
〜８００℃の融点のものがよく使用されている。Ｃｕ−
Ｔｉ共晶ろう材の場合でも８７２℃で共晶反応が起こる
までの経過は同様である。

これに対して本発明のろう材ではろう材量合金が錫、鉛
、銀及びビスマスからなる群から選択された２種以上か
らなるためにその融点はＡｇ−Ｃｕ系母合金に比較して
数１００℃以上も低い、このためにチタンやチタン水素
化物の粉末は加熱初期のかなり早い段階でろう材母合金
融体に取り込まれてしまい、雰囲気との接触が断たれる
０次に、加熱温度の上昇に伴い該活性金属またはその水
素化物は母合金中に溶解していき全成分が溶解した時に
セラミックと金属の接合に有効な状態となる。

ここで、活性金属の酸化や窒化は当然のことながら高温
はど激しく起こるから、低温領域から活性金属の雰囲気
との接触を断つ本発明の成分配合をもつろう材は酸化や
窒化を防止するのに有利である。

更に、活性金属の雰囲気との接触を遮断するためには金
属チタンよりもチタン水素化物を使用する方がより効果
的である。これはチタン水素化物は減圧中で加熱すると
約４００〜５００℃の温度で分解して水素ガスを放出す
る。これによって接合間隙は水素が濃化した還元雰囲気
となってチタンの酸化や窒化の防止に効果がある。

もう１つの効果的な方法は低融点フラックスを使用する
方法である。簡単なハンダ用フラックスをろう材と共に
間隙内に介在させておくとろう材が溶融する前にフラッ
クスが溶融して間隙を埋め、ろう材と雰囲気との接触を
断つ、減圧中で加熱する場合にはフラックスは蒸発して
還元性雰囲気ガスを構成するが、不活性ガス中で加熱す
る場合にはフラックスの沸点に達する以前にろう付録合
金が溶融して活性金属またはその水素化物を酸化、窒化
から守る。フラックスは松やに等の簡単なものでもよい
が、変成樹脂を有機溶媒に溶かし、これに増粘剤を混ぜ
たものがより好ましい、ろう材粉末と該フラックスとを
混練したペースト状のろう材として使用するのが実際的
である。フラックスの必須成分ではないが、ハライド系
の活性剤を微量添加したペーストを用いると接合面を清
浄にする作用があるのでより一層効果的な雰囲気遮断が
期待できる。

更に、第２ろう材を使用する場合には、予めチタンがセ
ラミック表面に被覆されている場合には、このチタン被
覆表面を第２ろう材または第２ろう相成分含有ペースト
で被覆して使用すればチタン表面と雰囲気とを遮断する
ことができる。

上述のように本発明のろう材においては活性゛金属（チ
タン）の酸化や窒化を防止するためにろう付録合金とし
て従来のろう材より著しく融点の低い５ｎ−Ｐｂ系、Ｓ
ｎ−Ａｇ系、５ｎ−Ｂｉ系、５ｎ−Ｐｂ−Ａｉｌ系、５
ｎ−Ｐｂ−Ｂｉ系などの錫、鉛、銀、ビスマスからなる
群から選択された２種以上の成分からなるろう付録合金
を使用する。活性金属と雰囲気との遮断を一層効果的に
ならしめるために金属チタンの代わりにチタン水素化物
を使用したろう材、該ろう材にフラックスを混練したペ
ースト状のろう材も本発明に含まれる。

係るろう材を使用して金属とセラミックを接合する場合
、従来の活性金属法のように１０−Ｓトール以下の高真
空やＨ２還元雰囲気を必要とせず、５×１０−ｌトール
以下の低真空中や不活性雰囲気中でろう材の融点以上（
一般的には８００℃以上）に加熱することによって金属
とセラミックの強固な接合が得られる。実際の接合作業
に当たってはろう材の形態や適用方法によって幾通りも
の接合方法があるが、本発明のろう材を使用して５×１
０−’トール以下の低真空中で実施する金属−セラミッ
ク接合法はその実施態様を問わず本発明に含まれる。一
般的には、チタンまたはチタン水素化物粉末とろう材母
合金粉末の混合粉末あるいはこれに有機フラックスを混
練したペーストを金属とセラミックの中間に介在させて
５×１０″″トール以下の真空中でろう材の融点以上に
加熱して接合するが、ろう材母合金粉末の代わりに該母
合金の成分金属の粉末を使用することもできるし、チタ
ン粉末の代わりにチタンをセラミック表面に蒸着または
スパッタリングによって薄膜状に付着させておくことも
できる。つまり、これらは接合温度もしくは接合温度付
近で本発明のろう相成分とするための実施態様の変化に
過ぎず、本発明の範囲に包含される。

接合雰囲気を更に説明すると、該雰囲気は５×１０”’
トール以下、望ましくはＩ　Ｘ　１０−″１トール以下
の減圧下もしくはこれに対応する酸素または窒素分圧の
不活性不活性であり、加熱温度はろう材の融点以上の温
度（一般には８００〜１０００℃、望ましくは９００℃
以上）であればよい。

なお、本発明ろう材のチタン量または第２ろう材を使用
する際の溶融物中のチタン量が５重量％未満では、活性
金属添加の効果が不十分であり、また、２０重量％を超
えるとろう材の融点が高くなるために接合する金属の種
類に制約が生じたり、熱応力が大きくなるので好ましく
ない。

また、雰囲気中の酸素分圧が１×１０−１トール（５Ｘ
１０−’トールの空気圧に相当する）を超えると、活性
金属の酸化のために接合が不完全となるので酸素分圧を
１×１０′−ｌトール以下、望ましくは２Ｘ１０−”ト
ール以下の減圧下または不活性雰囲気としなければなら
ない。

活性金属の酸化や窒化をより効果的に防止するためにフ
ラックスを利用する場合には・、フラックスの配合割合
は全量の５〜１５重量部とするのが好ましい、該配合割
合が５重量部未満の場合にはペースト状となり難く、１
５重量部を超えるとろう相成分が少なくなり過ぎて接合
面に空隙を生じ易くなる。

［実　施　例］ 以下に実施例を挙げて本発明を更に説明する。

丸１吐Ｌ Ｏ１３１の厚さの銅板と０．６３５ｍ鎮の厚さのアルミ
ナの中間に平均粒径５μｍの５ｎ６３重量％Ｐｂ３７重
量％合金粉末９０重量部と平均粒径３μＩのチタン粉末
１０重量部からなる混合粉末を均一に挟み込んで０．１
トールの真空中で９００°Ｃに１５分間加熱して冷却後
、取り出した。

銅板とアルミナは強固に接合し、空隙のない状態が確認
された。

及ｍ 実施例１と同じ要領で銅板とアルミナを接合した。ただ
し、５ｎ−Ｐｂ合金粉末の変わりに５ｎ９６．５重量％
−Ａｇ３．５重量％の粉末を使用し、全粉末重量に対し
て樹脂と溶・媒からなる有機フラックスを１０重量％混
練したペースト状にしてアルミナ表面に塗布した。加熱
温度は９５０℃とした。

この場合も実施例１と同様に空隙のない強固な接合が得
られた。

及ｌ乱支 実施例１と同じ要領で５ｎ−Ｐｂ合金粉末の代わりにＳ
ｎ５重量％−Ｐｂ９３．５重量％−Ａｇ１．５重量％合
金粉末を使用して０．０５トールの真空中で接合した。

この場合も実施例１と同様に空隙のない強固な接合が得
られた。

割１乱先 実施例２と同じ要領で、５ｎ４６重量％−ｐｂ４６重量
％−Ｂｉ８重量％の合金粉末８５重量部とチタン水素化
物粉末１５重量部（金属チタン換算量１４．５重量部）
の混合物９０重量部を有機フラックス１０重量部と混練
して使用した。接合は９００℃とした。

この場合も実施例１と同様に空隙のない強固な接合が得
られた。

ＪＬ例擾− 実施例４と同じ要領で５ｎ４２重量％−Ｂｉ５８重旦％
合金粉末を使用した。

この場合も実施例１と同様に空隙のない強固な接合が得
られた。

及ｌ健足 実施例２と同じ要領でチタン粉末の代わりにチタン水素
化物を使用した。

この場合も実施例１と同様に空隙のない強固な接合が得
られた。

夫１涯り 実施例１と同じ要領でチタン水素化物粉末を使用して０
．０５トールの真空中で接合した。

この場合も空隙のない強固な接合が得られた。

及１１１ 表面に０．５μｍの厚さにチタン（チタンとして１０重
量部に相当する）を蒸着したアルミナと接合する表面に
５ｎ６３重量％−Ｐｂ３７重量％合金粉末９０重量部を
有機フラックス１０重量部に混練したペース１〜を塗布
した銅板とを組み合わせて０．０５トールの真空中で９
００°Ｃに加熱した。

この場合にも実施例１と同様に空隙のない強固な接合が
得られた。

及１１υ 実施例８と同じ要領でチタンの蒸着の代わりにチタン粉
末９０重量部と有機フラックス１０重量部を混練したベ
ースト１５重量部をアルミナ表面に塗布した。

この場合にも実施例１と同様に空隙のない強固な接合が
得られた。

えｆｆｌ史 平均粒径５μｍのＴｉ、Ｓｎ、　Ｐｂの粉末をそれぞれ
１０重量部、５５重量部、３５重量部を混合し、これに
対して１０重量％の有機フラックスを混練して作製した
ペーストを銅表面に塗布してアルミナと組み合わせた。

これを０．１トールの真空中で８７５℃に１５分間加熱
して接合した。

この場合にも実施例１と同様に空隙のない強固な接合が
得られた。

Ｌ灸」Ｌ 実施例１と同じ要領で、１トールの真空中で加熱したが
接合は起こらなかった。

比１例」し チタン粉末１０重量部とＡｇ７５重量％−Ｃｕ２５重景
％合金粉末９０重量部の混合粉末を使用して実施例１と
同じ要領で接合しようとしたが接合は起こらなかった。

比１舛」ユ 実施例２と同じ要領で加熱温度を８００℃としたが接合
は起こらなかった。

［発明の効果］ 以上の説明から明らかなように、本発明は安価で、高真
空を必要とせず且つ熱応力の少ない金属−セラミック接
合用ろう材とそれを利用する金属−セラミック接合法を
提供することができる。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、５〜２０重量％のチタン、及び残部が錫、鉛、銀及
   びビスマスからなる群から選択された２種以上の成分よ
   りなる金属−セラミック接合用ろう材。 ２、請求項１記載の金属−セラミック接合用ろう材８５
   〜９５重量部及び有機フラックス５〜１５重量部よりな
   る金属セラミックス接合用ペースト。 ３、金属とセラミックの接合方法において、請求項１記
   載の金属−セラミック接合用ろう材または請求項２記載
   の金属−セラミック接合用ペーストを金属とセラミック
   の中間に介在させ、０．５トール以下の減圧下でろう材
   またはペーストの融点以上に加熱して前記金属とセラミ
   ックを接合することを特徴とする金属とセラミックの接
   合方法。 ４、金属とセラミックの接合方法において、請求項１記
   載の金属−セラミック接合用ろう材または請求項２記載
   の金属−セラミック接合用ペーストを金属とセラミック
   の中間に介在させ、０．５トール以下の減圧状態に対応
   する酸素または窒素分圧の不活性雰囲気中でろう材また
   はペーストの融点以上に加熱して前記金属とセラミック
   を接合することを特徴とする金属とセラミックの接合方
   法。 ５、金属とセラミックの接合方法において、セラミック
   の接合面に金属チタン換算量で５〜２０重量％のチタン
   またはチタン水素化物を被覆し、セラミックの該被覆面
   と金属の中間にろう材換算量で８０〜９５重量％の錫、
   鉛、銀及びビスマスからなる群から選択された２種以上
   の成分よりなる金属−セラミック接合用ろう材または該
   金属−セラミック接合用ろう材８５〜９５重量部及び有
   機フラックス５〜１５重量部よりなる金属−セラミック
   ス接合用ペーストを介在させ、０．５トール以下の減圧
   下でチタンとろう材またはペーストの反応温度以上に加
   熱して前記金属とセラミックを接合することを特徴とす
   る金属とセラミックの接合方法。 ６、金属とセラミックの接合方法において、セラミック
   の接合面に金属チタン換算量で５〜２０重量％のチタン
   またはチタン水素化物を被覆し、セラミックの該被覆面
   と金属の中間にろう材換算量で８０〜９５重量％の錫、
   鉛、銀及びビスマスからなる群から選択された２種以上
   の成分よりなる金属−セラミック接合用ろう材または該
   金属−セラミック接合用ろう材８５〜９５重量部及び有
   機フラックス５〜１５重量部よりなる金属−セラミック
   ス接合用ペーストを介在させ、０．５トール以下の減圧
   状態に対応する酸素または窒素分圧の不活性雰囲気中で
   チタンとろう材またはペーストの反応温度以上に加熱し
   て前記金属とセラミックを接合することを特徴とする金
   属とセラミックの接合方法。