JPH0357070B2 - - Google Patents
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- JPH0357070B2 JPH0357070B2 JP58213511A JP21351183A JPH0357070B2 JP H0357070 B2 JPH0357070 B2 JP H0357070B2 JP 58213511 A JP58213511 A JP 58213511A JP 21351183 A JP21351183 A JP 21351183A JP H0357070 B2 JPH0357070 B2 JP H0357070B2
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- Ceramic Products (AREA)
Description
〔発明の技術分野〕
本発明は窒化物セラミツクスと金属の接合体の
改良に関する。 〔発明の技術的背景とその問題点〕 最近、セラミツクス材料がその優れた諸特性か
ら構造材料、機能材料等広い分野で利用されてい
る。その多くの場合はセラミツクス単体で部品を
構成しているが、より多くの分野でセラミツクス
を利用するためには、金属と接合可能であること
が必要である。この場合、構造部品であれば十分
な接合強度が要求され、一方機能部品であれば接
合界面で連続性等が要求される。しかしながら、
セラミツクスと金属は夫々異なつた原子結合状態
を有し、このため金属とセラミツクスを接合する
場合、それらの反応性などの化学的性質、熱膨張
率、電気伝導度などの物理的性質は大きく異な
る。したがつて、両部材を良好に濡らし、信頼性
の高い 金的な接合を行なうことは相当困難であ
る。 ところで、従来よりセラミツクスと金属を接合
する方法の一つとして活性金属を用いる方法（米
国特許2857663）が知られている。この方法は
Ti、Zrなどの活性金属がCu、Niなどの遷移金属
との合金において、その融点を数百℃も低下する
事実を利用して金属とアルミナ、フオルステライ
ト、ベリリア、ジルコニアなどの酸化物セラミツ
クスを接合する方法である。 しかしながら、上述した方法によりセラミツク
ス−金属の接合体、特にAlNやSi3N4などの窒化
物セラミツクスとCuやNiなどの金属の接合体を
造つた場合、その接合体に熱衝撃を加えると、そ
れらの熱膨張差に起因する熱応力が発生し、窒化
物セラミツクスにクラツクが発生するという欠点
があつた。即ち、下記表に示す如く通常の酸化物
セラミツクスの熱膨張係数は8.6×10-6／℃〜13.5
×10-6／℃であり、AlNやSi3N4の熱膨張係数が
夫々約５×10-6／℃、2.5×10-6／℃と比較して
大きく、CuやFeの熱膨張係数に近い値を示す。
このため、窒化物セラミツクスとCuやFeなどの
接合体には酸化物セラミツクスと金属の接合体に
比べて大きな熱応力が発生し、セラミツクスにク
ラツクが発生し易くなる。
改良に関する。 〔発明の技術的背景とその問題点〕 最近、セラミツクス材料がその優れた諸特性か
ら構造材料、機能材料等広い分野で利用されてい
る。その多くの場合はセラミツクス単体で部品を
構成しているが、より多くの分野でセラミツクス
を利用するためには、金属と接合可能であること
が必要である。この場合、構造部品であれば十分
な接合強度が要求され、一方機能部品であれば接
合界面で連続性等が要求される。しかしながら、
セラミツクスと金属は夫々異なつた原子結合状態
を有し、このため金属とセラミツクスを接合する
場合、それらの反応性などの化学的性質、熱膨張
率、電気伝導度などの物理的性質は大きく異な
る。したがつて、両部材を良好に濡らし、信頼性
の高い 金的な接合を行なうことは相当困難であ
る。 ところで、従来よりセラミツクスと金属を接合
する方法の一つとして活性金属を用いる方法（米
国特許2857663）が知られている。この方法は
Ti、Zrなどの活性金属がCu、Niなどの遷移金属
との合金において、その融点を数百℃も低下する
事実を利用して金属とアルミナ、フオルステライ
ト、ベリリア、ジルコニアなどの酸化物セラミツ
クスを接合する方法である。 しかしながら、上述した方法によりセラミツク
ス−金属の接合体、特にAlNやSi3N4などの窒化
物セラミツクスとCuやNiなどの金属の接合体を
造つた場合、その接合体に熱衝撃を加えると、そ
れらの熱膨張差に起因する熱応力が発生し、窒化
物セラミツクスにクラツクが発生するという欠点
があつた。即ち、下記表に示す如く通常の酸化物
セラミツクスの熱膨張係数は8.6×10-6／℃〜13.5
×10-6／℃であり、AlNやSi3N4の熱膨張係数が
夫々約５×10-6／℃、2.5×10-6／℃と比較して
大きく、CuやFeの熱膨張係数に近い値を示す。
このため、窒化物セラミツクスとCuやFeなどの
接合体には酸化物セラミツクスと金属の接合体に
比べて大きな熱応力が発生し、セラミツクスにク
ラツクが発生し易くなる。
本発明は簡単な工程で製造でき、かつ接合強度
が高く熱応力の緩和作用が高く窒化物セラミツク
スのクラツク発生を防止し得る窒化物セラミツク
スと金属の接合体を提供しようとするものであ
る。 〔発明の概要〕 本発明者らは以下に説明する点に着目して窒化
物セラミツクスと金属の接合体の開発に成功し
た。 即ち、TiやZrなどの活性金属を含むろう材は
窒化物セラミツクスとの濡れ性が良好である。こ
れはTi、Zrが窒化物セラミツクスと反応して窒
化物（TiN、ZrNなど）を形成するためであるこ
とを既に確認している。 また、Ti、ZrはAlNやSi3N4の窒化物セラミツ
クスとCuやNiの金属の熱膨張係数の中間的な値
で、夫々8.9×10-6／℃、５×10-6／℃を有する。 更に、金属Ａ、Ｂからなる合金の熱膨張係数は
一般に次式の如く α alloy＝αAMA＋αBMB 〔但し、αは熱膨張係数、Ａ、Ｂは元素、Ｍは合
金成分の濃度を示す。〕 で表わされる。つまり、ZrとCuの合金について
考察すると、図示の如く組成と熱膨張係数が比例
関係を有する。 しかして、上述した究明結果よりAlNやSi3N4
などの熱膨張係数が比較的小さい窒化物セラミツ
クスとCuやNiなどの金属との接合体において、
接合部を、窒化物セラミツクス側から活性金属の
窒化物層と、少なくとも１層からなり、活性金属
が99〜50重量％含む遷移金属の合金層と、少なく
とも１層からなり、遷移金属が99〜50重量％含む
活性金属の合金層とを順次配置した多層構造にて
形成することによつて、窒化物セラミツクスと遷
移金属の間の熱膨張係数の差を接合部で段階的に
減少でき、それらの間の熱応力を小さくして窒化
物セラミツクスのクラツク発生を防止できると共
に窒化物セラミツクスと遷移金属とを強固に接合
した接合体を見い出した。こうした接合体の熱応
力の緩和作用は以下の説明からも明らかである。 即ち、セラミツクスと金属の接合体に発生する
応力をσとすると、次式の如く σ＝1.43ΔαATEcEmtc／Ectc＋Emtm 〔但し、式中のΔαはセラミツクス、金属間の熱
膨張係数の差、ΔTは成形温度との室温との温度
差、Ｅはヤング率、ｔは厚さ、ｃ、ｍは夫々セラ
ミツクス、金属を示す〕にて表わされる。この式
より、Δα以外の条件が等しい接合体において、
Δαが小さい場合、発生する応力σが小さくなる
ことがわかる。 なお、本発明の接合体は例えば次のような方法
により製造される。 まず、窒化物セラミツクスと金属の接合部に
100％又はほぼ100％に近い活性金属箔と同様な純
度の遷移金属箔を該活性金属箔がセラミツクス側
に、該遷移金属箔が金属側に位置するように介在
させる。次いで、900℃以上、好ましくは920〜
1050℃で１〜20分間程度の短時間の熱処理を行な
うことにより窒化物セラミツクスと金属の間に活
性金属の窒化物層、活性金属に富む遷移金属との
合金層及び遷移金属に富む活性金属との合金層か
らなる接合部が形成され、既述した良好な特性を
有する接合体が造られる。 〔発明の実施例〕 次に本発明の実施例を説明する。 実施例 １ まず、AlN部材とCu部材の間に厚さ50μｍのZr
箔を介在させ、更にZr箔とCu部材の間に厚さ50μ
ｍのCu箔を介在させた。次いで、920℃で５分間
熱処理してAlN部材とCu部材の接合体を製造し
た。 得られた接合体はAlN部材とCu部材の間に該
AlN部材側からZrN層、95〜98原子％Zr−残部
Cuの合金層及び75原子％Cu−残部Zrの合金層が
順次配置された多層構造の接合部が形成されてい
た。こうした接合体について断面を光学顕微鏡に
て100倍の倍率で観察したところ、AlN部材への
クラツク発生は全く認められなかつた。 また、得られた接合体のCu部材にCu製の引張
試験用治具をPb−Sn半田で半田付けし、常温に
て定速引張試験を実施した。その結果、破断は常
に半田付け部で生じ、接合体が前記多層構造の接
合部で強固に接合されていることが確認された。 実施例 ２ AlN部材とCu部材の間に厚さ10μｍのTi箔を介
在させ、更にTi箔とCu部材の間に厚さ100μｍの
Cu箔を介在させた。次いで実施例１と同様な熱
処理を施して接合体を製造した。 得られた接合体はAlN部材とCu部材の該に該
AlN部材側からTiN層、95〜98原子％Ti−残部
Cuの合金層及び75原子％Cu−残部Tiの合金層が
順次配置された多層構造の接合部が形成されてい
た。こうした接合体について実施例１と同様、そ
の断面を観察したところ、AlN部材へのクラツ
ク発生は全く認められなかつた。また、接合強度
も極めて高いものであつた。 〔発明の効果〕 以上説明した如く、本発明によれば簡単な工程
で製造でき、しかも接合強度が高く、かつ熱影響
を受けた時の熱応力の緩和作用が高く窒化物セラ
ミツクスのクラツク発生を防止できる各種の機能
部品等に有効な窒化物セラミツクスと金属の接合
体を提供できる。
が高く熱応力の緩和作用が高く窒化物セラミツク
スのクラツク発生を防止し得る窒化物セラミツク
スと金属の接合体を提供しようとするものであ
る。 〔発明の概要〕 本発明者らは以下に説明する点に着目して窒化
物セラミツクスと金属の接合体の開発に成功し
た。 即ち、TiやZrなどの活性金属を含むろう材は
窒化物セラミツクスとの濡れ性が良好である。こ
れはTi、Zrが窒化物セラミツクスと反応して窒
化物（TiN、ZrNなど）を形成するためであるこ
とを既に確認している。 また、Ti、ZrはAlNやSi3N4の窒化物セラミツ
クスとCuやNiの金属の熱膨張係数の中間的な値
で、夫々8.9×10-6／℃、５×10-6／℃を有する。 更に、金属Ａ、Ｂからなる合金の熱膨張係数は
一般に次式の如く α alloy＝αAMA＋αBMB 〔但し、αは熱膨張係数、Ａ、Ｂは元素、Ｍは合
金成分の濃度を示す。〕 で表わされる。つまり、ZrとCuの合金について
考察すると、図示の如く組成と熱膨張係数が比例
関係を有する。 しかして、上述した究明結果よりAlNやSi3N4
などの熱膨張係数が比較的小さい窒化物セラミツ
クスとCuやNiなどの金属との接合体において、
接合部を、窒化物セラミツクス側から活性金属の
窒化物層と、少なくとも１層からなり、活性金属
が99〜50重量％含む遷移金属の合金層と、少なく
とも１層からなり、遷移金属が99〜50重量％含む
活性金属の合金層とを順次配置した多層構造にて
形成することによつて、窒化物セラミツクスと遷
移金属の間の熱膨張係数の差を接合部で段階的に
減少でき、それらの間の熱応力を小さくして窒化
物セラミツクスのクラツク発生を防止できると共
に窒化物セラミツクスと遷移金属とを強固に接合
した接合体を見い出した。こうした接合体の熱応
力の緩和作用は以下の説明からも明らかである。 即ち、セラミツクスと金属の接合体に発生する
応力をσとすると、次式の如く σ＝1.43ΔαATEcEmtc／Ectc＋Emtm 〔但し、式中のΔαはセラミツクス、金属間の熱
膨張係数の差、ΔTは成形温度との室温との温度
差、Ｅはヤング率、ｔは厚さ、ｃ、ｍは夫々セラ
ミツクス、金属を示す〕にて表わされる。この式
より、Δα以外の条件が等しい接合体において、
Δαが小さい場合、発生する応力σが小さくなる
ことがわかる。 なお、本発明の接合体は例えば次のような方法
により製造される。 まず、窒化物セラミツクスと金属の接合部に
100％又はほぼ100％に近い活性金属箔と同様な純
度の遷移金属箔を該活性金属箔がセラミツクス側
に、該遷移金属箔が金属側に位置するように介在
させる。次いで、900℃以上、好ましくは920〜
1050℃で１〜20分間程度の短時間の熱処理を行な
うことにより窒化物セラミツクスと金属の間に活
性金属の窒化物層、活性金属に富む遷移金属との
合金層及び遷移金属に富む活性金属との合金層か
らなる接合部が形成され、既述した良好な特性を
有する接合体が造られる。 〔発明の実施例〕 次に本発明の実施例を説明する。 実施例 １ まず、AlN部材とCu部材の間に厚さ50μｍのZr
箔を介在させ、更にZr箔とCu部材の間に厚さ50μ
ｍのCu箔を介在させた。次いで、920℃で５分間
熱処理してAlN部材とCu部材の接合体を製造し
た。 得られた接合体はAlN部材とCu部材の間に該
AlN部材側からZrN層、95〜98原子％Zr−残部
Cuの合金層及び75原子％Cu−残部Zrの合金層が
順次配置された多層構造の接合部が形成されてい
た。こうした接合体について断面を光学顕微鏡に
て100倍の倍率で観察したところ、AlN部材への
クラツク発生は全く認められなかつた。 また、得られた接合体のCu部材にCu製の引張
試験用治具をPb−Sn半田で半田付けし、常温に
て定速引張試験を実施した。その結果、破断は常
に半田付け部で生じ、接合体が前記多層構造の接
合部で強固に接合されていることが確認された。 実施例 ２ AlN部材とCu部材の間に厚さ10μｍのTi箔を介
在させ、更にTi箔とCu部材の間に厚さ100μｍの
Cu箔を介在させた。次いで実施例１と同様な熱
処理を施して接合体を製造した。 得られた接合体はAlN部材とCu部材の該に該
AlN部材側からTiN層、95〜98原子％Ti−残部
Cuの合金層及び75原子％Cu−残部Tiの合金層が
順次配置された多層構造の接合部が形成されてい
た。こうした接合体について実施例１と同様、そ
の断面を観察したところ、AlN部材へのクラツ
ク発生は全く認められなかつた。また、接合強度
も極めて高いものであつた。 〔発明の効果〕 以上説明した如く、本発明によれば簡単な工程
で製造でき、しかも接合強度が高く、かつ熱影響
を受けた時の熱応力の緩和作用が高く窒化物セラ
ミツクスのクラツク発生を防止できる各種の機能
部品等に有効な窒化物セラミツクスと金属の接合
体を提供できる。
図はZr−Cu合金における組成の熱膨張係数の
関係を示す特性図である。
関係を示す特性図である。
Claims (1)
- １ 窒化物セラミツクスと金属の接合部が、該セ
ラミツクス側から活性金属の窒化物層と、少なく
とも１層からなり、活性金属が99〜50重量％含む
遷移金属の合金層と、少なくとも１層からなり、
遷移金属が99〜50重量％含む活性金属の合金層と
を順次配置した多層構造にて形成されてなる窒化
物セラミツクスと金属の接合体。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP21351183A JPS60108376A (ja) | 1983-11-14 | 1983-11-14 | 窒化物セラミツクスと金属の接合体 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP21351183A JPS60108376A (ja) | 1983-11-14 | 1983-11-14 | 窒化物セラミツクスと金属の接合体 |
Related Child Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP4161664A Division JPH0822785B2 (ja) | 1992-05-29 | 1992-05-29 | 窒化物セラミックスと金属の接合処理方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS60108376A JPS60108376A (ja) | 1985-06-13 |
| JPH0357070B2 true JPH0357070B2 (ja) | 1991-08-30 |
Family
ID=16640399
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP21351183A Granted JPS60108376A (ja) | 1983-11-14 | 1983-11-14 | 窒化物セラミツクスと金属の接合体 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPS60108376A (ja) |
Families Citing this family (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS63274674A (ja) * | 1987-04-30 | 1988-11-11 | Nec Corp | 高熱伝導性セラミックス基板 |
| JPS63274678A (ja) * | 1987-04-30 | 1988-11-11 | Nec Corp | 高熱伝導性セラミックス基板 |
| JPS63274673A (ja) * | 1987-04-30 | 1988-11-11 | Nec Corp | 高熱伝導性セラミックス基板 |
| JP2594475B2 (ja) * | 1990-04-16 | 1997-03-26 | 電気化学工業株式会社 | セラミックス回路基板 |
| JPH09181423A (ja) * | 1990-04-16 | 1997-07-11 | Denki Kagaku Kogyo Kk | セラミックス回路基板 |
Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS58125673A (ja) * | 1982-01-12 | 1983-07-26 | 新明和工業株式会社 | 拡散接合方法 |
-
1983
- 1983-11-14 JP JP21351183A patent/JPS60108376A/ja active Granted
Patent Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS58125673A (ja) * | 1982-01-12 | 1983-07-26 | 新明和工業株式会社 | 拡散接合方法 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPS60108376A (ja) | 1985-06-13 |
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