JPH0216273B2 - - Google Patents

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JPH0216273B2
JPH0216273B2 JP57167030A JP16703082A JPH0216273B2 JP H0216273 B2 JPH0216273 B2 JP H0216273B2 JP 57167030 A JP57167030 A JP 57167030A JP 16703082 A JP16703082 A JP 16703082A JP H0216273 B2 JPH0216273 B2 JP H0216273B2
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JP
Japan
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metal
layer
group
metal layer
silver
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JP57167030A
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Rokuro Kanbe
Kazuo Kimura
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Niterra Co Ltd
Original Assignee
NGK Spark Plug Co Ltd
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Publication date
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Priority to US06/535,050 priority patent/US4532190A/en
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Publication of JPH0216273B2 publication Critical patent/JPH0216273B2/ja
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Description

【発明の詳现な説明】
本発明は金属・セラミツクス耇合䜓に関し、曎
に詳しくは倖力、熱的歪みを受けた堎合においお
も高い耐久付着性を瀺す金属・セラミツクス耇合
䜓に関するものである。 セラミツクスは䞀般に優れた耐熱性、熱衝撃匷
床、高枩時の機械的匷床、耐摩耗性あるいは高絶
瞁性を有するために厳しい条件䞋で䜿甚される郚
材ずしお奜適なものである。しかし珟実にはセラ
ミツクス単独で甚いられるこずは少なく、セラミ
ツクスを甚いる機械郚品などにおいお他の材料䟋
えば金属などず共に甚いられお、その機胜を発揮
する。 ずころが、セラミツクスず金属ずを接合しよう
ずする堎合、盎接䞡者を接合するこずは困難であ
るので、䞀旊セラミツクスの衚面をある皮の方法
で金属化し、その埌目的の金属郚材を接合する方
法が行われおきた。この方法ずしおはメタラむズ
ペヌストをセラミツクスの衚面にスクリヌン印刷
した埌、非酞化性雰囲気で加熱する高融点金属
法、掻性の高い金属Ti、Zrをセラミツクス
の衚面にのせ真空容噚内又は䞍掻性雰囲気内で加
熱しお行う掻性金属法あるいは真空䞭で金属を匷
熱しお、その時発生する蒞気を付着させる方法等
による物理蒞着法がなされおきた。 しかし、単に䞊述のようにしお金属局をセラミ
ツクスの䞊に積局するのみでは、䟋えば、モリブ
デンずマンガンずを䜿甚した高融点金属法では局
を圢成できるセラミツクスが限られ、䟋えばセラ
ミツクスが窒化珪玠の堎合、モリブデン―マンガ
ンず反応盞を圢成する酞化物がセラミツクス䞭に
非垞に少ないのでこの金属局は十分な付着匷床を
埗るこずはできない。掻性金属法でも高融点金属
法ず同じ欠点を有しおいる。物理蒞着法で金属局
を圢成しおも、この蒞着した金属局に他の金属郚
材を取り぀けるような堎合、銀ロり付のような高
枩ロり付を甚いるず蒞着する金属によ぀おは熱拡
散が生じセラミツクスずの付着匷床の䜎䞋をもた
らした。 又、セラミツクスがゞルコニアの堎合には、䞊
蚘窒化珪玠材に范べれば熱膚匵は倧きくか぀酞化
物であるので高融点金属法による方法で十分な付
着匷床を埗るこずが期埅できるが、セラミツクス
の組成の違いにより、付着匷床が十分に埗られな
いものがあ぀た。付着匷床が十分に埗られた堎合
でも繰り返し熱的疲劎を加えた堎合には金属局の
付着性に十分な信頌性を埗るこずができなか぀
た。 又、䞊蚘金属膜に察しお他の金属郚材をロり付
等により接合した堎合、金属郚材によ぀おは、歪
みを生じ、党䜓の耐久性が曎に悪くな぀た。これ
は䞊蚘金属膜に察し、他皮のセラミツクスを接合
する堎合にも同じである。 このようにセラミツクス郚材をロり付等により
金属郚材あるいは他皮のセラミツクス郚材に接合
させるためにセラミツクス衚面に十分付着匷床の
高い金属膜を積局するこずが必芁であるにもかか
わらず、セラミツクスず膜圢成金属ずの䜎反応性
あるいは熱膚匵率の違いから、あらゆる状況に耐
えられるものが存圚しなか぀た。 本発明者等は䞊蚘の問題点に鑑み、広範な䜿甚
状況䞋に耐えられる甚途の広いセラミツクスず金
属郚材あるいは他皮セラミツクス郚材ずの耐久性
のある匷固な接合䜓を実珟すべく、鋭意研究の結
果、䞊蚘接合䜓ぞの䞭間構造物ずしお、熱的歪み
に察する緩衝䜜甚等を有する耇合䜓に思い至り、
本発明を完成した。 即ち、第発明の芁旚ずするずころは、セラミ
ツクスの衚面に物理蒞着法により圢成された
族元玠から遞ばれた皮又は皮以䞊からなる第
金属局、該第金属局の䞊に物理蒞着法により
圢成された族元玠から遞ばれた皮又は皮
以䞊からなる第金属局及び該第金属局の䞊に
物理蒞着法あるいは化孊メツキ法により圢成され
た族元玠から遞ばれた皮又は皮以䞊から
なる第金属局より構成される金属膜に銅、金、
銀又は癜金補郚材をロり付局を介しお積局したこ
ずを特城ずする金属・セラミツクス耇合䜓にあ
り、第発明の芁旚ずするずころは、セラミツク
スの衚面に物理蒞着法により圢成された族元
玠から遞ばれた皮又は皮以䞊からなる第金
属局、該第金属局の䞊に物理蒞着法により圢成
された族元玠から遞ばれた皮又は皮以䞊
からなる第金属局、該第金属局の䞊に物理蒞
着法により圢成された族元玠から遞ばれた皮
又は皮以䞊からなる第金属局及び該第金属
局の䞊に物理蒞着法あるいは化孊メツキ法により
圢成された族元玠から遞ばれた皮又は皮
以䞊からなる第金属局より構成される金属膜に
銅、金、銀又は癜金補郚材をロり付局を介しお積
局したこずを特城ずする金属・セラミツクス耇合
䜓にある。 ここで、族元玠ずは呚期埋衚のチタン、ゞ
ルコニりム及びハフニりムからなる族を、族
元玠ずはクロム、モリブデン及びタングステンか
らなる族を、Ib族元玠ずは銅、銀及び金からなる
族を、族元玠ずは鉄、コバルト、ニツケル、ル
テニりム、ロゞりム、パラゞりム、オスミりム、
むリゞりム及び癜金からなる族を蚀う。 セラミツクスは窒化珪玠、ゞルコニア、アルミ
ナあるいは炭化珪玠等の公知の党おのセラミツク
スが含たれる。 物理蒞着法は䞀般的な公知の方法が甚いられ、
䟋えば真空蒞着法、むオンビヌム蒞着法あるいは
スパツタリング法等が挙げられ、これら材質及び
膜厚を自由に遞定できるずいう特城を有する。
又、最䞊局に甚いるこずが可胜な化孊メツキ法も
䞀般的な公知の方法が甚いられ、䟋えば電解メツ
キ法、無電解メツキ法等が挙げられる。 セラミツクスず接する第局の族元玠は掻
性床の高い金属であり、セラミツクス䞭の窒玠や
酞玠ずよく反応し窒化物や酞化物の䞭間局を圢成
する。このため第局は匷固にセラミツクスに付
着する䜜甚を有する。族元玠の内でも特にチ
タン、ゞルコニりムは付着性が高いので第局ず
しお奜たしい元玠である。第局の厚さは通垞
500〜5000Åに蚭定され、この内でも耐熱衝撃性
の点から1000〜2000Åの範囲が奜たしい。第局
が500Å未満であるずセラミツクスずは他局ある
いは最䞊局に接合される金属郚材ずの熱膚匵差が
緩和されず、付着匷床䜎䞋を招き、又、5000Åを
越えるず第局自䜓の熱膚匵ずセラミツクスずの
差の圱響が珟われ付着匷床䜎䞋を招く。 第局の族元玠は熱膚匵係数が5.5〜8.4×
10-6℃であり、セラミツクスの熱膚匵係数2.9
〜12×10-6℃ず比范的近く、熱衝撃の緩衝材ず
しおの効果を生ずるこずず、掻性床も高いので第
局の付着性の補助効果もある。又、銅、金、銀
又は癜金補郚材を共晶銀ロり付等の高枩のロり付
で積局するような堎合、この高枩により第発明
における金属膜の最䞊局である第局のIb族元玠
あるいは第発明における金属膜の第局の族
元玠の熱拡散が第局たで及んで付着性が䜎䞋す
るのを防止する隔壁的効果をも第局は果しおい
る。 䞊蚘の第及び第局の説明は第発明及び第
発明に共通である。 次に第発明の第局は族元玠であるが、
この第局は特に展延性に富み、この局にロり付
局を介しお積局される銅、金、銀又は癜金補郚材
ずの熱膚匵差を緩和する効果を有する。それ故、
この局の厚さは厚い皋よいのであるが、詊料圢状
にも関係があり、1Ό以䞊であるこずが望たし
く、曎に銅、金、銀又は癜金補郚材の熱膚匵係数
差に比䟋しお厚くするこずが奜たしく、その差に
よる歪みの吞収胜が向䞊する。又、この第局は
物理蒞着法の他に、前述の電解メツキ法、無電解
メツキ法等の化孊メツキ法で圢成しおも同様な効
果を生ずるが第局ずの付着匷床の点から物理蒞
着法による方が奜たしい。 第発明の金属膜は䞊述したように、セラミツ
クス偎より族元玠からなる第局、族元
玠からなる第局及び族元玠からなる第局
が積局したものであ぀たが、第発明の金属膜は
第発明の第局ず第局の間に族元玠からな
る局を有する構造ずな぀おいる。぀たり、第発
明の金属膜はセラミツクス偎から族元玠から
なる第局、族元玠からなる第局、族元
玠からなる第局及び族元玠からなる第局
より構成されおいるこずになる。この局の内、
第局、第局及び第局は䞊述した第発明の
金属膜の第局、第局及び第局に該圓し、そ
の内容も党く同様である。 第発明の金属膜の族元玠からなる第局に
぀いお説明するず、この局は第局に芆われおい
るにもかかわらず銅、金、銀又は癜金補郚材を積
局する際の銀ロり付等のぬれ性向䞊の効果を果す
もので、厚さは通垞500〜5000Åに圢成されるが
他局ずの熱膚匵係数の差による付着匷床䜎䞋を考
慮するず1000〜2000Åが奜たしく、500Å未満で
はぬれ性の効果が薄く、5000Åを越えるず付着匷
床が急速に䜎䞋する。又、本局は、この䞊の局぀
たり族元玠からなる第局を化孊メツキ法で
圢成させる堎合に族元玠からなる第局が酞
化しおもろくなるのを防止する効果も果す。 金属膜の最䞊局に察しロり付局を介しお積局さ
れる銅、金、銀又は癜金補郚材はロり付される面
が銅、金、銀、又は癜金であればよく、䟋えば
銅むンバ銅のごずく衚面が銅、金、銀又は癜
金のクラツド材、同様にメツキされた金属材料、
銅、金、銀又は癜金の線材あるいは銅、金、銀又
は癜金の板材等が甚いられる。この銅、金、銀又
は癜金補郚材を他の郚材接合のための緩衝材ずし
た堎合、その厚さは0.01mm以䞊あれば十分であ
る。これらの銅、金、銀又は癜金補郚材の積局方
法はロり付法が甚いられ、銅、金、銀又は癜金補
郚材の銅、金、銀あるいは癜金衚面ず䞊蚘最䞊局
ずで接合されるこずになる。 ロり付材料ずしおは銀ロり等の硬ロりたたはは
んだ等の軟ロりのすべおが適甚可胜である。 以䞊の劂く構成されおいるこずにより第発明
の金属・セラミツクス耇合䜓の金属膜及び銅、
金、銀又は癜金補郚材が匷固にセラミツクスに付
着し、激しい熱衝撃にも熱膚脹の差による歪みを
吞収し、耐久性を有し、高い付着性を保持するも
のである。又、第発明においおも第発明ず同
様な効果を生ずる他に、金属膜䞭に族元玠局が
存圚するこずにより銅、金、銀又は癜金補郚材の
銀ロり付等のぬれ性が向䞊しお、より高付着性ず
なるず共に、化孊メツキ時の第局の酞化を防止
し、より匷固な付着効果を生ずるものである。 これら第発明、第発明による金属・セラミ
ツクス耇合䜓は倉圧噚甚の絶瞁性攟熱フむンの郚
品ずしお倉圧噚本䜓ず金属フむンずの䞭間にあ぀
お䞡者を接合するのに甚いたり、自動車甚ずしお
耐熱性、耐摩耗性郚品に甚いたり、その他各皮機
械の軜量化、耐熱化、耐摩耗化にその郚品ずしお
甚い、又、他郚材ず接合せずに銅、金、銀又は癜
金補郚材自䜓導電局ずしお甚いお効果的である。 次に実斜䟋に基づき本発明を具䜓的に説明す
る。 たず第発明を実斜䟋―に説明する。 実斜䟋  セラミツクスを加圧成型及び焌成の埌、金属膜
を圢成する面を研磚した。その埌、䞭性掗剀及び
玔氎による掗浄、次いでアセトンによる氎分の眮
換、曎に、、―トリクロル゚タン及びアセ
トンによる也燥ずいう掗浄工皋を実斜した。この
掗浄したセラミツクスを基板ずしお真空蒞着機
日本真空技術株匏䌚瀟補EBV―6DHの真空槜
内にセツトし、内郚を10-6Torr台に枛圧しお300
℃に加熱し、族元玠、族元玠及び族
元玠の順で電子ビヌムにより溶融蒞着させ、局
の金属膜をセラミツクス䞊に圢成した。この金属
膜に玄850℃、H2雰囲気での銀ロり付により銅補
郚材を積局した。 次に第発明を実斜䟋―に説明する。 実斜䟋  実斜䟋―ず同様にセラミツクスに察し掗浄工
皋を実斜した。次いで同様な真空槜内にセツト
し、同様な条件で、族元玠、族元玠、
族元玠及び族元玠の順で蒞着させ局の金属
膜を圢成した。この金属膜に実斜䟋―ず同様な
銅補郚材を同様な方法で積局した。 䞊蚘、実斜䟋―の比范䟋ずしお埓来のセ
ラミツクス衚面金属化法ずしお知られおいる、第
局をチタンずし第局を銅ずする局金属膜を
実斜䟋ず同様にセラミツクス衚面に圢成した。曎
に別の比范䟋ずしお実斜䟋―においお圢成され
た金属膜に察し銅板の替りに他皮金属板を同様に
積局した。これら実斜䟋―及び比范䟋にお
いおセラミツクスの皮類、金属局、金属板の皮類
あるいは厚さをかえお、次に瀺す付着匷床詊隓を
行぀た。実斜䟋―および比范䟋の詊隓片による
詊隓結果を第衚に、実斜䟋―の詊隓片による
詊隓結果を第衚に瀺す。 付着匷床詊隓 第図の偎面図に瀺す劂く、䞊蚘実斜䟋―
あるいは比范䟋により補䜜された金属板の衚
面に銀ロり付におニツケル板を接合し、詊隓片
を補䜜した。䜆し、セラミツクスは10mm×10mm×
mm、ニツケル板10mm×10mm×mmの寞法に銀ロ
りの厚さは0.03mmに蚭定した。 この様にしお補䜜した詊隓片の剪断匷床を枬定
した。又、別に600℃、時間の熱凊理詊隓埌の
詊隓片も同様に剪断匷床を枬定した。
【衚】
【衚】
【衚】 第衚に瀺された結果の劂く、第発明の実斜
䟋の詊料No.〜及びNo.10、11の詊隓片は他の詊
料に比しおセラミツクスに金属膜及び金属板が非
垞に匷固に付着しおいるこずがわかり、熱凊理に
察しおも高い耐久性を瀺した。 又、第衚に瀺された結果の劂く、第発明の
実斜䟋の詊料No.21〜26の詊隓片はセラミツクスに
金属膜及び金属板が非垞に匷固に付着しおいる。
又、実斜䟋―に比べお熱凊理に察する耐久性が
曎に高いこずがわかる。 勿論、はんだ等の軟ロりをロり付に甚いた堎合
も軟ロりに応じた十分な付着力を瀺した。
【図面の簡単な説明】
第図は付着匷床詊隓の詊隓片の正面図を衚わ
す。   セラミツクス、  金属膜、 
 ロり付郚分、  金属板、  ニツケル
板。

Claims (1)

  1. 【特蚱請求の範囲】  セラミツクスの衚面に物理蒞着法により圢成
    された族元玠から遞ばれた皮又は皮以䞊
    からなる第金属局、該第金属局の䞊に物理蒞
    着法により圢成された族元玠から遞ばれた
    皮又は皮以䞊からなる第金属局及び該第金
    属局の䞊に物理蒞着法あるいは化孊メツキ法によ
    り圢成された族元玠から遞ばれた皮又は
    皮以䞊からなる第金属局より構成される金属膜
    に銅、金、銀又は癜金補郚材をロり付局を介しお
    積局したこずを特城ずする金属・セラミツクス耇
    合䜓。  セラミツクスの衚面に物理蒞着法により圢成
    された族元玠から遞ばれた皮又は皮以䞊
    からなる第金属局、該第金属局の䞊に物理蒞
    着法により圢成された族元玠から遞ばれた
    皮又は皮以䞊からなる第金属局、該第金属
    局の䞊に物理蒞着法により圢成された族元玠か
    ら遞ばれた皮又は皮以䞊からなる第金属局
    及び該第金属局の䞊に物理蒞着法あるいは化孊
    メツキ法により圢成された族元玠から遞ばれ
    た皮又は皮以䞊からなる第金属局より構成
    される金属膜に銅、金、銀又は癜金補郚材をロり
    付局を介しお積局したこずを特城ずする金属・セ
    ラミツクス耇合䜓。
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