JPH03126681A

JPH03126681A - アルミナセラミックスと鉄・ニッケル系合金との接合体およびその接合方法

Info

Publication number: JPH03126681A
Application number: JP26557789A
Authority: JP
Inventors: Kazunori Endo; 和則遠藤; Masayuki Hashimoto; 昌幸橋本; Yukio Ikuhara; 生原　幸雄
Original assignee: Sumitomo Cement Co Ltd
Current assignee: Sumitomo Cement Co Ltd
Priority date: 1989-10-12
Filing date: 1989-10-12
Publication date: 1991-05-29
Anticipated expiration: 2014-01-27
Also published as: JP2851881B2

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−」二の利用分野」本発明はアルミナセラミックスと鉄・ニッケル系合金と
の接合体およびその接合方法に係り、特に光電子増倍管
に好適に用いられる接合体およびその接合方法に関する
。

「従来技術とその課題」真空気密性および高絶縁性が要求される電気機器部品、
例えば光電子増倍管をアルミナセラミックスト金属との
接合体で構成する場合には、アルミナセラミックスと鉄
・ニッケル系合金との接合体を用いるのか一般的である
。これは、鉄・ニッケル系合金からアルミナセラミック
スと熱膨張係数の近似する合金が得られるためであり、
アルミナセラミックスの熱応力破壊を避けることができ
るからである。

上記組合せによる接合体は、一般に゛テレフンケン法″
と呼ばれる方法によって接合されている。

この方法は第２図に示すように、アルミナセラミックス
基板１上にＭ　ｏ　−Ｍ　ｎ混合粉末をペースト状にし
て一定厚さに塗布し、加湿水素気流中で高温加熱シテメ
タライズ層２を形成すると共に、メタライズ層２の表面
にＮｉメツキ層３を形成し、さらにＮｉメツキ層３の上
にろう材４を介して鉄・ニッケル系合金基板５を載置し
て接合する方法である。

しかしながら、」二連のテレフンケン法によって接合体
を得るには、ＭＯ−Ｍｎ混合粉末によって形成されるメ
タライズ層２による接合機構に起因して以下に述へるよ
うな不都合がある。

メタライズ層２による接合機構を説明すると、加湿水素
気流中での高温加熱によりＭｏは金属状態を維持するも
のの、適当濃度の水分が供給されることにより酸素分圧
がコントロールされ、Ｍｒ１表面が酸化されてＭｎＯと
なる。そして、このＭｎＯかアルミナセラミックス基板
の主成分であるＡｇ２Ｏ３や、アルミナセラミックス中
に不純物として含まれる８３０．と反応してＭｎ０−Ａ
ｇ２Ｏ。

Ｓｉｎ、系の低融点ガラスを形成し、これがＭ。

Ｍｎの空隙を充填することにより、アルミナセラミック
ス基板１と接合する。このように、」二足メタライズ層
２にはＭｏ−Ｍｎ−Ｍｎ０−／１ｔｏ３−８ｉＯ＝系の
反応相が形成されることになる。

ところが、水素気流中に供給する水蒸気量は、酸素分圧
と関連して形成されるＭｎ０−Ａ　ｉ２，０３３ｉｎ、
系ガラスの組成に大きく影響するものであり、この水蒸
気量によって該ガラスの物性、例えば熱膨張係数などが
大きく左右される。したがって、Ｍ　ｏ　−Ｍ　ｎメタ
ル間に微小クラックが発生して真空気密性を損なうこと
がないよう、水蒸気量を厳密にコントロールする必要が
あることから、操作条件やその制御等も煩雑となり、し
かもこの接合方法ではアルミナセラミックスと合金との
間にメタライズ層２、メツキ層３、およびろう材４層を
順次形成する多段プロセスであることから、コストの高
い接合方法となっている。

また、このような方法ではアルミナセラミックス中に含
まれる不純物としてのＳｉｎ、が接合に関与するため、
純度９４〜９６％のアルミナセラミックスが一般に使用
され、９９．５％以上のＡＱ、０３を含む高純度アルミ
ナセラミックスが使用できなかった。その結果、このよ
うな純度の低いアルミナセラミックスを使用するために
、高純度アルミナセラミノクスで得られる高絶縁特性か
損なわれ、例えば光電子増倍管として用いる場合では高
電圧に対して不利となる。

一方、上記テレフンケン法とは別に、チタンを数％含む
活性金属ろう材、例えばＡ　ｇ　−Ｃｕ　−Ｔ　ｉまた
はＣｕ−Ｔｉなどの系を用いて接合する方法も知られて
いる。この接合方法ではＡ　ｇ−ＣｕあるいハＣｕなど
の軟質金属か共存することでアルミナセラミックスと鉄
・ニッケル系合金の高温域での熱膨張差（一般に５００
　’Ｃ以」二では鉄・ニッケル系合金の熱膨張係数がア
ルミナセラミックスのそれより急激に大きくなる）を緩
和して、良好な接合体を得られることが知られている。

しかしながら、最近では光電子増倍管の性能要求が厳し
くなっていることから、光電子増倍管として使用する場
合高温での使用に耐え得ることが必須となっていが、」
二連のようにＡｇ、Ｃｕなとの軟質金属を多量に含む場
合には耐高温性能が低下するといった不都合がある。

本発明は」二足事情に鑑みてなされたもので、その目的
とするところは、高温での使用においても十分な接合強
度および封着性能を保持し、電子管などとして使用する
場合にも真空気密性を十分に保持し、高純度のアルミナ
セラミックスに対しても、接合性が良好で、なおかつ耐
電圧に対しても優れた性能を保持し得る接合体を簡易な
手段で得る点にある。

「課題を解決するための手段」本発明のアルミナセラミックスと鉄・ニッケル系合金と
の接合体では、アルミナセラミックスと鉄・ニッケル系
合金との間に、アルミナセラミックスとの界面側より高
チタン含有の接合層、鉄・ニッケル・マンガン・チタン
を主成分とする第１の合金層、銀・マンガン・銅・チタ
ン合金層、鉄・ニッケル・マンガン・チタンを主成分と
する第２の合金層が順次形成され、かつ高チタン含有の
接合層の層厚が０．１〜５μｍ、鉄・ニッケル・マンガ
ン・チタンを主成分とする第１の合金層と銀・マンガン
・銅・チタン合金層と鉄・ニッケル・マンガン・チタン
を主成分とする第２の合金層の合計の層厚が１〜１００
μｍである接合部を有したことを」二足課題の解決手段
とした。

またアルミナセラミックスと鉄・ニッケル系合金との接
合方法では、アルミナセラミックス側にチタン薄膜また
はチタン薄板が、鉄・ニッケル系合金側に銀６０〜９５
重量％・マンガン３〜２０重量％・銅３〜３０重量％の
合金粉末または混合粉末、もしくは銀６０〜９５重量％
・マンガン３〜２０重量％・銅３〜３０Ｍ量％の合金薄
板がそれぞれ配置されるようにして、アルミナセラミッ
クスと鉄・ニッケル系合金との間にチタン薄膜またはチ
タン゛薄板と、上記銀・マンガン・銅の合金粉末または
混合粉末、もしくはその合金薄板を介在ぜしめ、その後
熱拡散処理してアルミナセラミックスと鉄・ニッケル系
合金とを接合することを上記課題の解決手段とした。

以下、本発明の詳細な説明する。

第１図は本発明の一例を示す図であって、第１図中符号
１０はアルミナセラミックス板（以下、セラミックス板
と略称する）、１１は鉄・ニッケル系合金板′（以下、
合金板と略称する）である。これらセラミックス板１０
と合金板１１とは、その間に接合部１２を有したことに
よって接合体１３となっている。

接合部１２は、セラミックス板１０側より高チタン含有
の接合層１４、鉄・ニッケル・マンガン・チタンを主成
分とする第１の合金層１５、銀・マンガン・銅・チタン
合金層１６、鉄・ニッケル・マンガン・チタンを主成分
とする第２の合金層１７が順次形成されてなるもので、
接合層１４の層厚か０．１〜５μｍに、合金層１５およ
び１６、】７の層厚の合計が１〜１００μｍ以下にそれ
ぞれ調整されたものである。

次に、請求項２ないし４記載の接合方法に基づいて上記
接合体１３の作製方法を説明する。

まず、セラミックス板ＩＯおよび合金板（１を用意し、
セラミックス板１０側にチタン薄膜またはチタン薄板が
、鉄・ニッケル系合金側に銀６０〜９５重量％・マンガ
ン３〜２０重量％・銅３〜３０重量％の合金粉末または
混合粉末、もしくは銀６０〜９５重量％・マンガン３〜
２０重量％・銅３〜３０重量％の合金薄板（以下、銀・
マンガン・銅合金薄板とする）がそれぞれ配置されるよ
うにして、セラミックス１０と合金１１との間にチタン
薄膜またはチタン薄板と上記銀・マンガン・銅の合金粉
末または混合粉末、もしくはその合金薄板を介在せしめ
る。ここで、チタンとして薄膜を用いる場合には、その
薄膜形成法として高真空蒸着法などの物理的気相蒸着法
（ＰＶＤ法）やチタンをターゲットとするスパッタ法が
好適に採用される。

すなわち、高真空蒸着法やスパッタ法によってセラミッ
クス板１０上に厚さ１〜２０μ度のチタン薄膜を形成し
、さらにその上に厚さ３〜１００μｍの銀・マンガン・
銅合金薄板を載せ、その後この銀・マンガン・銅合金薄
板上に合金板１１を載置する。ここで、チタン薄膜の厚
さの下限を１μｍとしたのは、接合に必要な反応融体量
を確保するためである。

一方、チタンおよび銀・マンガン・銅合金として薄板を
用いる場合には、例えば多段圧延法によって厚さ３〜２
０μｍに形成したチタン薄板と、同様に多段圧延法によ
って厚さ３〜１００μｍに形成した銀・マンガン合金薄
板を予め用意する。ここで、薄板の厚さの下限を３μ次
としたのは、これ未満であると取扱い操作が非常に困難
になるからである。そして、これらをセラミ・ソクス板
１０と合金板１１との間に挟むとともにセラミ・ソクス
板１０側にチタン薄板を、また合金板ｌｌ側に銀・マン
ガン・銅合金薄板を配置せしめる。

このようにしてチタンと、銀・マンガン・銅の合金粉末
または混合粉末、もしくは銀・マンガン・銅の合金薄板
を介在せしめた後、全体を真空中もしくは不活性ガス中
にて９５０−１２５０’Ｃ程度の温度で５〜３０分間程
分間熱して熱拡散処理を施し、第１図に示した接合体１
３を得る。

ここで、このような熱拡散処理によってチタン薄膜また
はチタン薄板と銀・マンガン・銅の合金粉末または混合
粉末もしくは合金薄板とは、合金板１１（鉄・ニッケル
系合金）と高温下で反応してセラミックス板１０（アル
ミナセラミ・ソクス）との界面にＦ　ｅ　−Ｎ　ｉ−Ｍ
ｎ　−Ｔ　ｉを主成分とする融体を形成する。そして、
この融体がセラミックス板１０との良好な反応性および
濡れ性を持つことで、冷却した際セラミックス板１０と
の強固かつ高気密性の接合を一段で形成するものとなる
。またこのとき、銀・マンガン・銅の合金粉末または混
合粉末もしくは合金薄板は、銀・マンガン・銅・チタン
の融体を形成することにより、合金板１１とセラミック
ス板ＩＯとの応力緩和および耐熱性向上に寄与するもの
となる。

このようにして得られた接合体１３において、さらに詳
しくその接合機構を説明すると、セラミ、。

ラス板１０と合金１１との接合を形成するのは高チタン
含有の接合層１４である。この接合層１４は、若干の酸
素をセラミックス板１０側より取り込みつつ合金板１１
と反応して形成される、（Ｆ　ｅ　−Ｎ　１）＝Ｔ　ｉ
４０に似た構造のものである。またこの接合層１４の厚
さは、２μｍ以下好ましくは０１〜０．６μＭ程度とさ
れる。

一方、鉄・ニッケル・マンガン・チタンを生成分とする
第１の合金層１５および第２の合金層１７は、加熱接合
時に形成された融体およびチタンが合金板１１に拡散す
ること、および反応融体の冷却過程で銀・マンガン・銅
・チタン合金層１６からその両側ニ鉄・ニッケル・マン
ガン・チタンを主成分とする合金が難溶析出することに
よって必然的に形成されたものである。そして、これら
合金層１５゜１７は、合金板１１（鉄・ニッケル系合金
）に比べて熱膨張係数が大きくなるとともに、チタンを
含むことで展延性が減少したものとなる。したがって合
金層１５．１７の生成は、」二足接合体１３において熱
応力破壊の原因となり好ましくないが、上記反応融体の
形成を伴なう熱拡散接合においては、一定厚さの合金層
１５．１７の形成を避けることはできないのである。こ
の合金層１５．１７の厚さは、上記接合層１４を形成す
る際の厚さに依存している。したがって本発明では、合
金層１５．１７をできるだけ薄く形成するために、チタ
ン薄膜またはチタン薄板を用いて接合層１４を形成する
とともに熱処理条件を最適化することで合金層１５．１
７の厚さを抑えている。

また、銀・マンガン・銅・チタン合金層１６も、加熱接
合時に形成された融体およびチタンが銀・マンガン中に
拡散することにより必然的に形成されるものであるが、
鉄・ニッケル・マンガン・チタン（合金層１５．１７）
　、鉄・ニッケル系合金（合金板１１）に比べて展延性
に優れていることから、セラミックス板１０と合金板１
１との間に発生する熱応力を緩和するものとなる。

なお、熱拡散処理により得られる各層の厚さは、予め調
整した薄膜あるいは薄板の厚さに加え、熱拡散処理の条
件によっても十分に制御することが可能である。そして
、このときの熱拡散処理結果で生ずる高チタン含有の接
合層１４の層厚が０．１〜５μ友、鉄・ニッケル・マン
ガン・チタンヲ主成分とする第１の合金層１５と銀・マ
ンガン・銅・チタン合金層１６と第２の合金層との合計
の層厚が１〜１００μｍとなったとき、安定した高い接
合強度と高い気密性が得られるが、この範囲外では強度
低下が生じたり、融体流出による耐電圧低下が起こると
いった不都合がある。

一方、チタンの薄膜または薄板、および銀・マンガン・
銅の合金薄板は、熱拡散処理時において、相接する合金
層１１およびセラミックス板ｌＯとの反応もしくは拡散
において界面近傍が関与するに過ぎない。それゆえ、そ
の厚さと拡散後に得られる各層の厚さとは必ずしも正比
例しないが、特にチタンとして薄板を用いた場合、チタ
ン薄板の厚さが２０μ１１銀・マンガン・銅合金薄板の
厚さが１００８度を越える場合には、各層中で生成する
反応融体量が多くなってこれが外部へ流出し易くなり、
得られた接合体１３の高電圧に対する絶縁耐力が著しく
低下する恐れを生ずる。

「実施例」以下、本発明を実施例により具体的に説明する。

（実施例１）・真空ベーキングテストアルミナセラミックスと鉄・ニッケル合金との間に第１
表に示したような異なる厚さのチタンおよび銀・マンガ
ン・銅合金を介在せしめ、真空中５（５Ｘ　１０−’Ｔｏｒｒ）にて９５０〜１１５０℃で
１０分間熱処理し、数種の接合体を得た。さらに、これ
らを８００℃で４時間真空ベーキングした後、Ｈｅリー
クディテクターを用いて耐リーク性を調べ、その結果を
第１表に示す。

なお、接合に使用したチタンおよび銀・マンガン・銅合
金薄板の厚さを第１表中に示す。

以下余白６− 第１表（実施例２）・圧縮剪断強度試験接合部の形成材として、チタン薄板と銀・マンガン・銅
合金薄板とを用いるが、もしくはスパッタ法により形成
したチタン薄膜と銀・マンガン・銅合金薄板とを用い、
接合部の厚さの違いか圧縮剪断強度にどのような影響を
及ぼすかを調べた。

得られた結果を第２表に示す。

なお、試験方法はクロスヘツドスピード０　、５　ｔｙ
ｔｍ／ｍｉｎの圧縮剪断強度試験（常温）により行った
。

また、比較として、チタン厚および銀・マンガン・銅合
金厚の大きいものを用いて接合した場合の強度を調べ、
その結果を第２表に併記する。

（実施例３）・耐電圧試験チタン薄板および銀・マンガン・銅合金薄板の厚みの違
いが耐電圧にどのように影響するかを調べた。試験方法
はＩ　Ｘ　１０−８Ｔｏｒｒ以下の真空中にて常温で測
定した。得られた結果を第３表に示す。

また、比較としてチタン厚および銀・マンガン・銅合金
厚の大きいものを用い、同様にして耐電圧への影響を調
へてその結果を第３表に併記する。

「発明の効果」以上説明したように、本発明に係わるアルミナセラミッ
クスと鉄・ニッケル系合金との接合体は、アルミナセラ
ミックスと鉄・ニッケル系合金トの間に、アルミナセラ
ミックスとの界面側より高チタン含有の接合層、鉄・ニ
ッケル・マンガン・チタンを主成分とする第１の合金層
、銀・マンガン・チタン・銅合金層、鉄・ニッケル・マ
ンガン・チタンを主成分とする第２の合金層を順次形成
してなる接合部を有したものであるので、高温使用での
接合強度に優れ、例えば電子管等の真空封管に適用した
場合でも、耐電圧耐気密性に優れた効果を発揮するもの
となる。

またアルミナセラミックスと鉄・ニッケル系合金との接
合方法によれば、従来の接合方法に比べて極めて簡易な
ものとなり、しかも得られた接合体は上述したごとく高
温使用での接合強度に優れたものとなる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係わる接合体の接合構造を示す断面図
、第２図は従来における接合構造の一例を示す図である
。】０・・・・・・アルミナセラミックス板、１１・・・
・・・鉄・ニッケル系合金板、１２・・・・・・接合部
、１３・・・・・接合体、１４・・・・高チタン含有の
接合層、１５・・・・・・鉄・ニッケル・マンガン・チタンを主
成分とする第１の合金層、１６・・・・・銀・マンガン・銅・チタン合金層、１７
・・・・・鉄・ニッケル・マンガン・チタンを主成分と
する第２の合金層。

Claims

【特許請求の範囲】

（１）アルミナセラミックスおよび鉄・ニッケル系合金
とこれらの間に形成された接合部からなる接合体におい
て、上記接合部が、アルミナセラミックスとの界面側から高
チタン含有の接合層、鉄・ニッケル・マンガン・チタン
を主成分とする第１の合金層、銀・マンガン・銅・チタ
ン合金層、鉄・ニッケル・マンガン・チタンを主成分と
する第２の合金層が順次形成されることによって鉄・ニ
ッケル系合金と接合し、かつ高チタン含有の接合層の層
厚が０．１〜５μｍ、鉄・ニッケル・マンガン・チタン
を主成分とする第１の合金層と銀・マンガン・銅・チタ
ン合金層と鉄・ニッケル・マンガン・チタンを主成分と
する第２の合金層の合計の層厚が１〜１００μｍである
ことを特徴とするアルミナセラミックスと鉄・ニッケル
系合金との接合体。
（２）アルミナセラミックス側にチタン薄膜またはチタ
ン薄板が、鉄・ニッケル系合金側に銀６０〜９５重量％
・マンガン３〜２０重量％・銅３〜３０重量％の合金粉
末または混合粉末、もしくは銀６０〜９５重量％・マン
ガン３〜２０重量％・銅３〜３０重量％の合金薄板がそ
れぞれ配置されるようにして、アルミナセラミックスと
鉄・ニッケル系合金との間にチタン薄膜またはチタン薄
板と、上記銀・マンガン・銅の合金粉末または混合粉末
、もしくはその合金薄板を介在せしめ、その後熱拡散処
理してアルミナセラミックスと鉄・ニッケル系合金とを
接合することを特徴とするアルミナセラミックスと鉄・
ニッケル系合金との接合方法。
（３）請求項２記載のアルミナセラミックスと鉄・ニッ
ケル系合金との接合方法において、物理的気相蒸着法あるいはスパッタ法によりアルミナセ
ラミックス上に厚さ１〜２０μｍのチタン薄膜を形成し
、次にその上に厚さ５〜１００μｍの銀６０〜９５重量
％・マンガン３〜２０重量％・銅３〜３０重量％の合金
薄板を載せ、次いで該合金薄板の上に鉄・ニッケル系合
金を載置した後、真空中もしくは不活性気流中で熱拡散
処理することを特徴とするアルミナセラミックスと鉄・
ニッケル系合金との接合方法。
（４）請求項２記載のアルミナセラミックスと鉄・ニッ
ケル系合金との接合方法において、アルミナセラミックス側にチタン薄板が、鉄・ニッケル
系合金側に銀６０〜９５重量％・マンガン３〜２０重量
％・銅３〜３０重量％の合金薄板がそれぞれ配置される
ようにして、アルミナセラミックスと鉄・ニッケル系合
金との間に厚さ３〜２０μｍのチタン薄板と厚さ５〜１
００μｍの合金薄板とを挟み、その後真空中もしくは不
活性気流中で熱拡散処理することを特徴とするアルミナ
セラミックスと鉄・ニッケル系合金との接合方法。