JPH0460946B2 - - Google Patents

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、非酸化物系セラミツクス部材と金属
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ツクス部材に
金属部材を接合する方法としては、たとえばセラ
ミツ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、ニツケルメツキを
行つて金属をろう付けする方法がとられている。
また、この方法はセラミツクスが酸化物の場合に
は適用されるが、セラミツクスが酸化物以外、た
とえば窒化物の場合は金属とセラミツクス部材の
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
工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
があつた。

このような難点を解消するため、近年、セラミ
ツ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、たとえばセラミツクス部材に金属
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
セラミツ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題） しかしながら、上述したセラミツクス部材と金
属部材との接合方法では、セラミツクス部材が結
合剤をまつたく含まないか、あるいはわずかしか
含まないセラミツ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ツクス−金属接合体を
得ることができないという難点があつた。

たとえば結合剤が酸素の場合に、セラミツクス
部材が窒化ケイ素などの非酸化物系セラミツクス
では接合が困難になる。これは、セラミツクス部
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ツクス部材に対しては濡
れ性が悪いことや、セラミツ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
有するセラミツクス部材を用いることによつて、
結合剤をほとんど含有しない非酸化物系セラミツ
クス部材であつても、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、非酸化物系セラミツクス部材と金属部材
とを直接接合した、信頼性の高いセラミツクス−
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］ （課題を解決するための手段） すなわち本発明のセラミツクス−金属接合体
は、表面酸化層を有する非酸化物系セラミツクス
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ツクス部材
と金属部材とが、前記表面酸化層と、前記金属の
酸化物と前記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ツクス部材は、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ツクスであり、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、セラミツクス部材内に結
合剤成分を含有しないか、あるいはわずかしか含
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
ツクス部材は、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20μm程度迄、好ましくは
10μm以下がよい。この結合剤を含有する層の効
果は、0.001μm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、ニツケル、モリブデン、銀、コバル
ト、アルミニウムなどの単体、合金あるいは混合
物が挙げられ、その形状は柱状、板状などの有形
状のもののほか箔状、粒状であつてもよい。ま
た、上記金属部材は、少なくとも表面に酸素を含
有するものであり、たとえば酸素を100〜
2000ppm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
ピツチ銅を使用することが好ましい。あるいは表
面に200〜5000Åの酸素を含む層を有する金属部
材を使用すれば同様に接合が容易になる。

本発明のセラミツクス−金属接合体は、基本的
に、上記非酸化物系セラミツクス部材の表面酸化
層と、表面酸化層中の酸素および金属部材に含ま
れる酸素による金属酸化物と金属との共晶とを介
して、非酸化物系セラミツクス部材と金属部材と
が直接接合されているものである。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ツ
クス部材表面を濡し、強固な接合をもたらすもの
である。非酸化物系セラミツクス部材表面の酸化
層は、上記共晶液相に対する濡れ性の改善にも寄
与する。また、金属部材に含まれる酸素も、上述
したように接合に寄与する。

本発明のセラミツクス−金属接合体は、たとえ
ば以下のようにして作製される。

まず、非酸化物系セラミツ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、たとえばセラミツクス
部材が窒化物である場合、セラミツクス部材を空
気中で1000〜1400℃に加熱、あるいはウエツトフ
オーミングガス（H₂＋N₂）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、フオーミングガス中で
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、非酸化物系セラミツ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
金属酸化物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℃）
以下で、銅−亜酸化銅の共晶温度（1065℃）以上
である。

加熱に際しては、金属部材、結合剤、セラミツ
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） 本発明のセラミツクス−金属接合体において、
非酸化物系セラミツクス部材は予め結合剤を含有
する層として表面酸化層を有している。このよう
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ツクスの表面に酸化層を設け
ておくことにより、非酸化物系セラミツクス部材
と金属部材との間に、これらの接合に充分な共晶
液相が形成され、これによつて非酸化物系セラミ
ツ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30mm×30mm×２mmの板状セラミツクス部材に対
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ツクス部材
の表面を観察したところ、やや白くなつており、
酸化層が形成されていることを確認した。

次に、上記セラミツクス部材の上面に10mm×50
mm×0.3mmのタフピ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、
ほぼ室温まで冷却してセラミツクス−金属接合体
を作製した。

このようにして得たセラミツクス−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、セラミツクス部材に対し
て空気中での加熱処理を施さない以外は同様にし
てタフピツチ銅と接触させ、加熱してセラミツク
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つた。

［発明の効果］ 以上説明したように本発明のセラミツクス−金
属接合体によれば、結合剤をほとんど含有しない
非酸化物系セラミツクス部材であつても、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
などとして有効である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 表面酸化層を有する非酸化物系セラミツクス
   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ツクス部材と金属部材と
   が、前記表面酸化層と、前記金属の酸化物と前記
   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ツクス−金属接合体。