JPH04317473A - セラミック体と金属部材の接合方法 - 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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は金属部材として銅とセラ
ミック体との接合方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、セラミック体と金属部材との接合
は生もしくは焼結セラミック体表面にタングステン（Ｗ
）、モリブデン−　マンガン（Ｍｏ−Ｍｎ）　等の高融
点金属粉末に有機バインダー及び溶剤を添加し、ペース
ト状となしたものをスクリーン印刷により塗布し、これ
を還元雰囲気中で焼成し、高融点金属粉末とセラミック
体とを焼結一体化させメタライズ金属層を被着させると
ともに該メタライズ金属層上に銅部材をロウ材を介しロ
ウ付けすることによって行われている。

【０００３】しかしながら、この従来のセラミック体と
銅部材との接合は、セラミック体表面に予めメタライズ
金属層を被着させておかなければならず、メタライズ金
属層を被着させるための複雑な工程が必要で最終製品を
高価とする欠点を有していた。

【０００４】またタングステン、モリブデン−　マンガ
ンを使用したメタライズ金属層は酸化アルミニウム質焼
結体（Ａｌ　２　Ｏ　３　）に代表される酸化物系セラ
ミック体にしか被着せず、炭化珪素質焼結体（ＳｉＣ）
　や窒化珪素質焼結体（Ｓｉ　３　Ｎ　４　）　、窒化
アルミニウム質焼結体（ＡｌＮ）　に代表される炭化物
系、窒化物系セラミック体には被着しないことからセラ
ミック体と銅部材との接合においてセラミック体側の材
質に大きな制約を受けるという欠点も有していた。

【０００５】そこで上記欠点を解消するためにセラミッ
ク体上に銅部材をその間に活性金属から成る薄板を挟ん
で載置、或いはセラミック体上に予め活性金属の粉末を
印刷塗布しておきその上部に銅部材を載置させ、次にこ
れを真空中で焼成し、銅部材の一部と活性金属とを反応
させ共晶物を作ることによってセラミック体に銅部材を
接合させる方法が提案されている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記の
方法おいてはセラミック体上に銅部材をその間に活性金
属から成る薄板を挟んで載置、或いはセラミック体上に
予め活性金属の粉末を印刷塗布しておきその上部に銅部
材を載置させる際、銅部材の載置位置にズレが生じ銅部
材と活性金属の当接面積が狭くなると銅部材と活性金属
とを反応させて形成する共晶物の絶対量が少なくなり、
その結果、セラミック体と銅部材との接合強度が大幅に
低下し、銅部材に外力が印加される該銅部材がセラミッ
ク体より容易に剥がれてしまうという欠点を有していた
。

【０００７】また銅部材の形状が細長い小面積のものと
なると銅部材の載置位置にズレが生じた場合、銅部材と
活性金属とが当接しなくなり、その結果、銅部材と活性
金属の共晶物が皆無となって銅部材をセラミック体に全
く接合させることができなくなるという欠点も有してい
た。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明のセラミック体と
金属部材の接合方法はセラミック体上に、一主面に活性
金属が取着された銅部材を、該活性金属を間に挟むよう
にして載置し、ついでこれを真空中で焼成し、銅部材の
一部と活性金属とを反応させ共晶物を形成することによ
って銅部材をセラミック体に接合させることを特徴とす
るものである。

【０００９】

【実施例】次に本発明のセラミック体と金属部材の接合
方法を図１（ａ）乃至（ｃ）　に示す実施例に基づき詳
細に説明する。

【００１０】まず図１（ａ）に示す如く、セラミック体
１　と下面に活性金属３　が取着された銅部材２　を準
備する。

【００１１】前記セラミック体１　は酸化アルミニウム
質焼結体、窒化アルミニウム質焼結体、窒化珪素質焼結
体、炭化珪素質焼結体等の酸化物系セラミック体、窒化
物系セラミック体、炭化物系セラミック体から成り、例
えば酸化アルミニウム質焼結体から成る場合には、アル
ミナ、シリカ、マグネシア、カルシア等のセラミック原
料粉末に適当な有機溶剤、溶媒を添加混合し、これを所
定のプレス型内に充填するとともに所定圧力を印加して
成形し、しかる後、成形品を約１５００℃の温度で焼成
することによって製作され、また窒化アルミニウム質焼
結体から成る場合には、主原料としての窒化アルミニウ
ム粉末に焼結助剤としての酸化イットリウム、カルシア
等の粉末及び適当な有機溶剤、溶媒を添加混合して泥漿
物を作るとともに該泥漿物をドクターブレード法を採用
することによってグリーンシート（　生シート）　を形
成し、しかる後、前記グリーンシートに適当な打ち抜き
加工を施すとともにこれを複数枚積層し、約１８００℃
の高温で焼成することによって製作される。

【００１２】また前記銅部材２　の下面に取着された活
性金属３　は銅部材２　との反応によってセラミック体
１　と強固に接合する共晶物を形成する材料、具体的に
はチタン、ジルコニウムもしくはこれらの水素化物から
成り、該活性金属３　は銅部材２　の一部と反応し、セ
ラミック体１　と強固に接合する共晶物を作る作用を為
す。

【００１３】前記活性金属はその厚みが３０．０乃至２
００　μｍ　程度であり、活性金属から成る薄板を銅部
材２　の下面にクラッド（　圧接）　させることによっ
て、或いは活性金属の粉末を銅部材２　の下面に印刷塗
布することによって銅部材２　の下面に取着される。

【００１４】尚、前記活性金属３　はその厚みが３０．
０μｍ　未満となると後述する銅部材２　と活性金属３
　とを反応させ両者の共晶物を作ることによって銅部材
２　をセラミック体１　に接合させる際、活性金属３　
と銅部材２　との反応により形成される共晶物の絶対量
が少なくなってセラミック体１　に銅部材２　を強固に
接合させることができなくなる傾向にあり、また厚みが
２００．０　μｍ　を越えると活性金属３　と銅部材２
　とを反応させて銅部材２　をセラミック体１　に接合
させる際、活性金属３　の一部がセラミック体１　中に
拡散してセラミック体１　の構造的強度を劣化させる傾
向にあることから銅部材２　の下面に取着させた活性金
属３　はその厚みを３０．０乃至２００．０　μｍの範
囲としておくことが好ましい。

【００１５】次に前記下面に活性金属３　を取着した銅
部材２　は図１（ｂ）に示す如くセラミック体１　の所
定位置に間に活性金属３を挟むようにして載置される。

【００１６】尚、この場合、銅部材２　の下面には予め
活性金属３　が取着されていることから銅部材２　の載
置位置にズレを生じたとしても銅部材２　と活性金属３
　との当接面積は変わることがなく広い面積となすこと
ができる。

【００１７】次に前記銅部材２　が載置されたセラミッ
ク体１　は真空中、約９００　乃至１１００℃の温度で
焼成され、銅部材２　の一部と活性金属３　とを反応さ
せセラミック体１　と強固に接合する共晶物を形成する
ことによって図１（ｃ）示す如くセラミック体１　に銅
部材２　を共晶物４　を介して接合させた接合体が完成
する。

【００１８】尚、この場合、銅部材２　の下面には予め
活性金属３　が取着されており両者、広面積で当接して
いることから両者を反応させて形成される共晶物４　の
絶対量も適度な量となり、その結果、セラミック体１に
銅部材２　を共晶物４　を介して極めて強固に接合させ
ることが可能となる。

【００１９】また前記銅部材２　と活性金属３　との共
晶物４　は酸化物系セラミック体、窒化物系セラミック
体、炭化物系セラミック体のいずれにも接合性がよく、
セラミック体１　の材質に制約を受けることなく銅部材
２　を強固に接合させることもできる。

【００２０】更に前記銅部材２　と活性金属３　とを焼
成し両者を反応させて共晶物を形成する場合、活性金属
は酸化もしくは窒化され易い材料であり、酸化、或いは
窒化された活性金属は銅部材２　と共晶物を作らずセラ
ミック体１　に対する接合性も無くなることからセラミ
ック体１　に銅部材２　を強固に接合するには活性金属
３　と銅部材２　とを反応させる際の雰囲気を活性金属
３　が酸化或いは窒化しないような真空中となされる。 特に活性金属３　と銅部材２　とを焼成し反応させる際
の真空度を１０−４Ｔｏｒｒ以上とすると活性金属３　
の酸化、窒化が皆無となり、活性金属３　と銅部材２と
の間に共晶物を良好に形成してセラミック体１　と銅部
材２　とを極めて強固に接合させることができる。従っ
て、活性金属３　と銅部材２　とを焼成し反応させる際
には、その雰囲気を真空度が１０−４Ｔｏｒｒ以上の真
空中となすことが好ましい。

【００２１】また更に活性金属３　と銅部材２　とを焼
成し反応させてセラミック体１　と銅部材２　とを接合
させる際、銅部材２　をセラミック体１　に１００ｇ／
ｃｍ　２　以上の圧力で押圧しておくと活性金属３　と
銅部材２　との共晶物がより良好に形成されてセラミッ
ク体１　と銅部材２　とをより強固に接合させることが
できる。従って、活性金属３　と銅部材２　とを反応さ
せてセラミック体１と銅部材２　とを接合させる際には
銅部材２　をセラミック体１　に１００ｇ／ｃｍ　２　
以上の圧力で押圧しておくことが好ましい。

【００２２】（　実験例）次に本発明の製造方法によっ
て接合されたセラミック体と銅部材との接合強度を以下
に述べる実験例により調べた。

【００２３】実験例１ まず銅部材として直径１ｍｍ　、長さ２０ｍｍの円柱体
を準備するとともにその下面に活性金属としてのチタン
を１００　μｍ　の厚さにクラッド（　圧接）　する。 次に前記銅部材を酸化アルミニウム質焼結体から成るセ
ラミック体上に間にチタンを挟むようにして載置し、し
かる後、銅部材を１００ｇ／ｃｍ　２　の圧力で押圧し
ながら真空中、約１０００℃の温度で焼成し、銅部材と
活性金属との間に共晶物を形成させることによってセラ
ミック体に銅部材を接合させた。かかる接合体は銅部材
を垂直方向に引っ張り、銅部材がセラミック体より剥離
する際の引っ張り力を測定することによって接合強度を
調べたところ接合強度は４．９Ｋｇ　という高い値であ
った。

【００２４】実験例２ 銅部材として直径１ｍｍ　、長さ２０ｍｍの円柱体を準
備するとともにその下面に活性金属としてのチタンを８
０μｍ　の厚さにクラッド（圧接）　する。次にこれを
窒化アルミニウム質焼結体から成るセラミック体上に実
験例１と同じ方法によって接合させた。かかる接合体は
銅部材を垂直方向に引っ張り、銅部材がセラミック体よ
り剥離する際の引っ張り力を測定することによって接合
強度を調べたところ接合強度は４．６Ｋｇ　という高い
値であった。

【００２５】比較例 銅部材として直径５ｍｍ　、長さ２０ｍｍの円柱体を準
備し、次にこれを酸化アルミニウム質焼結体から成るセ
ラミック体上に間に厚さ１００　μｍ　のチタンの薄板
を挟んで載置させるとともに真空中、約１０００℃の温
度で焼成し、銅部材と活性金属との間に共晶物を形成さ
せて銅部材をセラミック体に接合させた。尚、銅部材を
セラミック体上に載置させる際には銅部材の載置位置に
ズレが生じ、銅部材とチタン薄板との当接面積は全体の
７０％と成っていた。 かかる接合体は銅部材を垂直方向に引っ張り、銅部材が
セラミック体より剥離する際の引っ張り力を測定するこ
とによって接合強度を調べたところ接合強度は２．８Ｋ
ｇ　という低い値であった。

【００２６】

【発明の効果】本発明の接合方法はセラミック体上に、
一主面に活性金属が取着された銅部材を、該活性金属を
間に挟むようにして載置し、ついでこれを真空中で焼成
し、銅部材の一部と活性金属とを反応させ共晶物を形成
することによって銅部材をセラミック体に接合させるよ
うになしたものであり、活性金属が銅部材に予め取着さ
れていることからセラミック体に銅部材を載置させる際
、その載置位置にズレを生じたとしても銅部材と活性金
属との当接面積は変わることがなく広い面積となすこと
ができ、その結果、銅部材と活性金属とが反応して形成
される共晶物もその絶対量が適量となり、セラミック体
に銅部材を極めて強固に接合させることが可能となる。

【００２７】また銅部材と活性金属とが反応して形成さ
れる共晶物は酸化物系セラミック体、窒化物系セラミッ
ク体、炭化物系セラミック体のいずれにも接合性がよく
、その結果、セラミック体の材質に制約を受けることな
く銅部材を強固に接合させることも可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】（ａ）乃至（ｃ）は本発明のセラミック体と金
属部材の接合方法を説明するための各工程毎の断面図で
ある。

【符号の説明】

１・・・・セラミック体 ２・・・・金属部材としての銅部材 ３・・・・活性金属 ４・・・・共晶物

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】セラミック体上に、一主面に活性金属が取
   着された銅部材を、該活性金属を間に挟むようにして載
   置し、ついでこれを真空中で焼成し、銅部材の一部と活
   性金属とを反応させ共晶物を形成することによって銅部
   材をセラミック体に接合させることを特徴とするセラミ
   ック体と金属部材の接合方法。
2. 【請求項２】前記活性金属がチタン、ジルコニウムもし
   くはこれらの水素化物であることを特徴とするセラミッ
   ク体と金属部材の接合方法。を配する工程、【請求項３
   】前記活性金属の厚みが３０．０乃至２００　μｍ　で
   あることを特徴とするセラミック体と金属部材の接合方
   法。