JPH02199075A - セラミックス―金属接合体 - 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】 ［発明の目的］ （産業上の利用分野） 本発明は、非酸化物系セラミックス部材と金属部材との
接合体に関する。

（従来の技術） 従来より、アルミナなどのセラミックス部材に金属部材
を接合する方法としては、たとえばセラミックス部材表
面にモリブデンペーストを焼付けてメタライズ処理を施
した後、ニッケルメッキを行って金属をろう付けする方
法がとられている。

また、この方法はセラミックスが酸化物の場合には適用
されるが、セラミックスが酸化物以外、たとえば窒化物
の場合は金属とセラミックス部材の一方を凸状、他方を
凹状にして焼きばめすることにより行われている。

これらの接合方法のうち前者の方法では、作業上程が複
雑なうえ少なくとも２回の熱処理が必要であるという難
点があり、後者の方法では締付力のみで接合しているた
め、接合が弱いという難点があった。

このような難点を解消するため、近年、セラミックス部
材に金属部材を直接接合させる方法が検討されており、
たとえばセラミックス部材に金属部材を接触させて結合
剤を含むガス雰囲気中で加熱する方法、結合剤で金属を
表面処理し、これをセラミックス部材に接触させて不活
性ガス雰囲気中で加熱する方法などが知られている。

（発明が解決しようとする課２１１ｉ）しかしながら、
上述したセラミックス部材と金属部材との接合方法では
、セラミックス部材が結合剤をまったく含まないか、あ
るいはわずかじか含まないセラミックスで形成されてい
る場合には金属との接合が非常に困難であり、接合強度
などの点で信頼性の高いセラミックス−金属接合体を得
ることができないという難点があった。

たとえば結合剤が酸素の場合に、セラミックス部材が窒
化ケイ素などの非酸化物系セラミックスでは接合が困難
になる。これは、セラミックス部材と金属との界面に生
成される金属と結合剤との共晶が非酸化物系セラミック
ス部材に対しては濡れ性が悪いことや、セラミックス部
材中の酸素が何らかの形で金属と安定な化合物を生成す
るうえで寄与していることが考えられる。

本発明者らは、このような問題に対処して鋭意研究を進
めた結果、表面に結合剤を含有する層を有するセラミッ
クス部材を用いることによって、結合剤を含有しない非
酸化物系セラミックス部材であっても、信頼性の高い金
属部材との直接・接合体が得られることを見出した。

本発明は、このような知見に基づいてなされたもので、
非酸化物系セラミックス部材と金属部材とを直接接合し
た、信新性の高いセラミックス−金属接合体を提供する
ことを目的としている。

［発明の構成］ （４通を解決するための手段） すなわち本発明のセラミックス−金属接合体は、表面酸
化層を有する非酸化物系セラミックス部ヰ（と、少なく
とも表面に酸素を含有する金属部材とを其碕し、前記非
酸化物系セラミックス部材と金属部材とが、前記表面酸
化層と前記酸素と金属との共晶とを介して、直接接合さ
れていることを特徴としている。

本発明に適用されるセラミックス部材は、窒化ケイ素、
窒化アルミニウム、窒化チタンなどの窒化物系、炭化ケ
イ素、炭化チタンなどの炭化物系、あるいはホウ化ラン
タンなどのホウ化物系などの非酸化物系セラミックスで
あり、これらには酸化イツトリウムなどの焼結助剤など
が含まれていてもよい。本発明は、セラミックス部材内
に結合剤成分を含有しないか、あるいはわずかじか含有
しない場合に特に効果的である。

そして、本発明に使用される非酸化物系セラミックス部
材は、その表面に結合剤を含有する層として、表面酸化
層を有しているものであり、酸素が結合剤として機能す
るものである。この表面酸化層は、実用的には２０μ−
程度迄、好ましくは１０８ｍ以下がよい。この結合剤を
含Ｈする層の効果は、０゜００１μ−程度から現れる。

本発明に適用される金属部材としては、銅、鉄、クロム
、ニッケル、モリブデン、銀、コバルト、アルミニウム
などのｔ、１を体、合金あるいは混合物があげられ、そ
の形状は柱状、板状などの有形状のもののほか箔状、粒
状であってもよい。また、上記金属部材は、少なくとも
表面に酸素を含Ｈするものであり、たとえば酸素を１０
０〜２００Ｏｐｐ■の範囲で含有する金属の使用が好ま
しい。その理由は、接合がより容易になることによる。

たとえば金属が銅である場合、銅としてタフピッチ銅を
使用することが好ましい。あるいは表面に　２００〜５
０００人の酸素を含む層を有する金属部材を使用すれば
同ｔｉに接合が容易になる。

本発明のセラミックス−金属接合体は、基本的に上記非
酸化物系セラミックス部材の表面酸化層および表面酸化
層中の酸素と金属との共晶を介して、非酸化物系セラミ
ックス部材と金属部材とが直接接合されているものであ
り、上記共晶は加熱接合時に共晶液相として非酸化物系
セラミックス部材表面を濡し、強固な接合をもたらすも
のである。また、金属部材に含まれる酸素も接合に寄与
する。

本発明のセラミックス−金属接合体は、たとえば以ドの
ようにして作製される。

まず、非酸化物系セラミックス部材表面を酸化し、結合
剤を含有する層として表面酸化層を形成する。この表面
酸化層は、たとえばセラミックス部材が窒化物である場
合、セラミックス部材を空気中で１０００〜１４００℃
に加熱、あるいはウェットフォーミングガス（＋１２　
＋１ｌｌ１２）中で１２５０−１５００℃に加熱して酸
化処理を行うことにより形成される。この温度より低い
と接合に必要な酸化層が形成されず、この温度より高い
と酸化層が分離して剥離してしまう。なお、空気中での
加熱は低温で酸化層を形成することができ、フォーミン
グガス中での加熱は緻密な酸化層が形成されるという利
点がある。

次に、非酸化物系セラミックス部材の表面酸化層上に、
金属部材を直接接触配置させて加熱する。

加熱温度は、金属の融点以下で、かつ金属と酸素との共
晶温度以上が適している。たとえば金属が銅である場合
は、銅の融点（１０８３℃）以下、銅−酸素の共晶温度
（１０６５℃）以上である。

加熱に際しては、金属部材、結合剤、セラミックス部材
に対して不活性なガス雰囲気、たとえば窒素ガス雰囲気
中で加熱することが好ましい。

（作　用） 本発明のセラミックス−金属接合体において、非酸化物
系セラミックス部材は予め結合剤を含ａする層として表
面酸化層を有している。こめように、結合剤を含まない
かあるいはほとんど含まない非酸化物系セラミックスの
表面に酸化層を設けてお（ことにより、非酸化物系セラ
ミックス部材と金属部材との間に、これらの接合１と充
分な共晶液相が形成され、これによって非酸化物系セラ
ミックス部材と金属部材とが容易に接合されるとともに
、信頼性の高い接合体が得られる。

（実施例） 次に、発明の実施例について説明する。

実施例 焼結助剤として酸化イツトリウムと酸化アルミニウムを
４重量％含有する窒化ケイ素で形成された３０ｍｍＸ　
３０ｍｍＸ　　２ｇｇｍの板状セラミックス部材に対し
て、空気中において１１５０℃の温度で１時間加熱処理
を施した。加熱処理後のセラミックス部材の表面を観察
したところ、やや白くなっており、酸化層が形成されて
いることを確認した。

次に、上記セラミックス部材の上面にＩＩ）ｍａＸ５０
ｓｓＸ　　Ｏ，３ｍｍのタフピッチ銅からなる板状金属
部材を接触させ、窒素ガス雰囲気中で１０７５℃で加熱
し、はぼ室温まで冷却してセラミックス−金属接合体を
作製した。

このようにして得たセラミックス−金属接合体の接合状
態を調べたところ、強固な接合が得られていた。

比較例 上記実施例において、セラミックス部材に対して空気中
での加熱処理を施さない以外は同様にしてタフピッチ銅
と接触させ、加熱してセラミックス−金属接合体を作製
したところ、得られた接合体の接合は不充分であった。

［発明の効果］ 以上説明したように本発明のセラミックス−金属接合体
によれば、結合剤を含有しない非酸化物系セラミックス
部材であっても、簡便に金属部材との信頼性の高い接合
体が得られ、半導体マウント基板や電子管外囲器、整流
素子外囲器などとしてＨ効である。

出願人　　　　　　株式会社　東芝

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 表面酸化層を有する非酸化物系セラミックス部材と、少
   なくとも表面に酸素を含有する金属部材とを具備し、 前記非酸化物系セラミックス部材と金属部材とが、前記
   表面酸化層と前記酸素と金属との共晶とを介して、直接
   接合されていることを特徴とするセラミックス−金属接
   合体。