JPH0520392B2 - - Google Patents
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- JPH0520392B2 JPH0520392B2 JP14132183A JP14132183A JPH0520392B2 JP H0520392 B2 JPH0520392 B2 JP H0520392B2 JP 14132183 A JP14132183 A JP 14132183A JP 14132183 A JP14132183 A JP 14132183A JP H0520392 B2 JPH0520392 B2 JP H0520392B2
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Landscapes
- Ceramic Products (AREA)
Description
【発明の詳細な説明】
〔発明の技術分野〕
本発明は金属とセラミツクを接合する方法の改
良に関する。
良に関する。
金属とセラミツク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
の高い治金的な接合を行なうことは相当困難であ
る。
を有し、このため金属とセラミツクを接合する場
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
の高い治金的な接合を行なうことは相当困難であ
る。
ところで、従来より金属とセラミツクの治金的
接合方法としては以下に示す種々の方法が知られ
ている。
接合方法としては以下に示す種々の方法が知られ
ている。
セラミツク母材の接合面にMo−Ｔ−Ｗを主
成分とする粉末と有機バインダの混合物を塗布
し、加湿した雰囲気中で1400〜1700℃に加熱し
て反応させる。これは通常、メタライジングと
呼ばれる方法である。次いで、前記メタライジ
ング上にNiメツキを施した後、該Niメツキに
金属母材（例えばCu母材）をpb−Sn系半田な
どにより接合する。こうした接合方法はエレク
トロニクス部品において、絶縁体としてのセラ
ミツク母材と導体としてのCu部材を接合する
場合に多用されている。
成分とする粉末と有機バインダの混合物を塗布
し、加湿した雰囲気中で1400〜1700℃に加熱し
て反応させる。これは通常、メタライジングと
呼ばれる方法である。次いで、前記メタライジ
ング上にNiメツキを施した後、該Niメツキに
金属母材（例えばCu母材）をpb−Sn系半田な
どにより接合する。こうした接合方法はエレク
トロニクス部品において、絶縁体としてのセラ
ミツク母材と導体としてのCu部材を接合する
場合に多用されている。
金属母材とセラミツク母材とをAu，Ptのよ
うな貴金属、つまり酸素との親和力の小さい金
属を主成分とする合金を用いて接合する方法。
うな貴金属、つまり酸素との親和力の小さい金
属を主成分とする合金を用いて接合する方法。
金属母材とセラミツク母材の接合部にTi，
Nb，Zrなどの活性金属又は熱処理によつて活
性金属に変換される活性金属水素化物を介在さ
せた後、高温、高圧下で接合する方法。
Nb，Zrなどの活性金属又は熱処理によつて活
性金属に変換される活性金属水素化物を介在さ
せた後、高温、高圧下で接合する方法。
しかしながら、上記の方法は工程数が多く煩
雑であるという欠点を有する。上記の方法は簡
単な工程で接合できるものの、高価な貴金属を使
用するため経済的ではなく、しかも金属母材とセ
ラミツク母材が十分に接触するように高い圧力を
必要として、変形を嫌うエレクトロ部品などの接
合には好ましくない。上記の方法では活性金属
により強固な接合を行なえるものの、高い接合圧
力を必要とするため前記の方法と同様、変形を
嫌うエレクトロ部品などの接合には好ましくな
い。
雑であるという欠点を有する。上記の方法は簡
単な工程で接合できるものの、高価な貴金属を使
用するため経済的ではなく、しかも金属母材とセ
ラミツク母材が十分に接触するように高い圧力を
必要として、変形を嫌うエレクトロ部品などの接
合には好ましくない。上記の方法では活性金属
により強固な接合を行なえるものの、高い接合圧
力を必要とするため前記の方法と同様、変形を
嫌うエレクトロ部品などの接合には好ましくな
い。
このようなことから、Ti，Zrなどの活性金属
はCu，Ni，Feなどの遷移金属との合金におい
て、その共晶組成領域で活性金属の単体の融点
（Ti；1720℃，Zr；1860℃）及びCu，Ni，Fe単
体の融点（夫々1083℃，1453℃，1534℃）と比較
して融点を数100℃低下させることに着目し、遷
移金属母材とセラミツク母材の接合部に活性金属
を介在させ、該接合部を遷移金属と活性金属の合
金の融点より高く、遷移金属の融点より低い温度
に加熱し、遷移金属と活性金属の原子を相互に拡
散させて合金化し、この合金によつて遷移金属母
材とセラミツク母材を接合する方法が米国特許第
2857663号明細書に開示されている。かかる方法
によれば、接合時において接合部に遷移金属と活
性金属との合金の融液により満たされ、金属母材
とセラミツク母材を濡すので、各母材を十分接触
させるための接合時の加圧をほとんど必要とせ
ず、かつ活性金属の効果によりそれら母材を強固
に接合できる。しかしながら、得られた金属−セ
ラミツクの接合部材に熱衝撃を加えると、セラミ
ツク母材にクラツクが発生する欠点があつた。
はCu，Ni，Feなどの遷移金属との合金におい
て、その共晶組成領域で活性金属の単体の融点
（Ti；1720℃，Zr；1860℃）及びCu，Ni，Fe単
体の融点（夫々1083℃，1453℃，1534℃）と比較
して融点を数100℃低下させることに着目し、遷
移金属母材とセラミツク母材の接合部に活性金属
を介在させ、該接合部を遷移金属と活性金属の合
金の融点より高く、遷移金属の融点より低い温度
に加熱し、遷移金属と活性金属の原子を相互に拡
散させて合金化し、この合金によつて遷移金属母
材とセラミツク母材を接合する方法が米国特許第
2857663号明細書に開示されている。かかる方法
によれば、接合時において接合部に遷移金属と活
性金属との合金の融液により満たされ、金属母材
とセラミツク母材を濡すので、各母材を十分接触
させるための接合時の加圧をほとんど必要とせ
ず、かつ活性金属の効果によりそれら母材を強固
に接合できる。しかしながら、得られた金属−セ
ラミツクの接合部材に熱衝撃を加えると、セラミ
ツク母材にクラツクが発生する欠点があつた。
本発明は金属母材とセラミツク母材を簡単な工
程で加圧せずに強固に接合できると共に、それら
接合部材に熱衝撃を加えてもセラミツク母材のク
ラツク発生を防止し得る接合方法を提供しようと
するものである。
程で加圧せずに強固に接合できると共に、それら
接合部材に熱衝撃を加えてもセラミツク母材のク
ラツク発生を防止し得る接合方法を提供しようと
するものである。
本発明者らは前述した米国特許の方法により作
られた接合部材への熱衝撃によるセラミツク母材
のクラツク発生について種々検討した結果、遷移
金属母材とセラミツク母材の接合部における遷移
金属と活性金属の合金の生成量、つまり合金層の
厚みがセラミツク母材のクラツクに密接に相関す
ることを究明した。こうした相関関係は次のよう
な機構によるものと考えられる。即ち、遷移金属
或いは活性金属などの金属とセラミツクとは熱膨
張係数が大きく異なるため、接合部の温度が上昇
したり、下降したりすると、その接合部に大きな
応力が生じる。この場合、Cu，Ni或いは全律固
溶体としてのCu−Ni合金などの金属はその硬度
が低く、柔らかいため、前記応力により容易に変
形して応力を緩和し易い。これに対し、遷移金属
（Cu，Ni等）と活性金属（Ti，Zr等）との合金
は硬く、変形し難いため、接合部にこれら合金層
が厚く存在すると、応力の緩和現象が小さく、セ
ラミツク母材に応力が加わつてクラツクが発生す
るものと考えられる。
られた接合部材への熱衝撃によるセラミツク母材
のクラツク発生について種々検討した結果、遷移
金属母材とセラミツク母材の接合部における遷移
金属と活性金属の合金の生成量、つまり合金層の
厚みがセラミツク母材のクラツクに密接に相関す
ることを究明した。こうした相関関係は次のよう
な機構によるものと考えられる。即ち、遷移金属
或いは活性金属などの金属とセラミツクとは熱膨
張係数が大きく異なるため、接合部の温度が上昇
したり、下降したりすると、その接合部に大きな
応力が生じる。この場合、Cu，Ni或いは全律固
溶体としてのCu−Ni合金などの金属はその硬度
が低く、柔らかいため、前記応力により容易に変
形して応力を緩和し易い。これに対し、遷移金属
（Cu，Ni等）と活性金属（Ti，Zr等）との合金
は硬く、変形し難いため、接合部にこれら合金層
が厚く存在すると、応力の緩和現象が小さく、セ
ラミツク母材に応力が加わつてクラツクが発生す
るものと考えられる。
このようなことから、本発明者らは上記究明結
果を踏えて、更に鋭意研究したところ、金属母材
とセラミツク母材の接合部に該金属と活性金属の
合金を生成した後、更に熱処理を続行して該合金
を金属部材に拡散させて、実質的にそれら母材の
接合部に厚い合金層が存在しないようにすること
によつて、既述の如く各母材を加圧圧せずに強固
に接合できると共に、接合後、熱衝撃を与えても
セラミツク母材のスラツク発生を防止し得る接合
方法を見い出したものである。
果を踏えて、更に鋭意研究したところ、金属母材
とセラミツク母材の接合部に該金属と活性金属の
合金を生成した後、更に熱処理を続行して該合金
を金属部材に拡散させて、実質的にそれら母材の
接合部に厚い合金層が存在しないようにすること
によつて、既述の如く各母材を加圧圧せずに強固
に接合できると共に、接合後、熱衝撃を与えても
セラミツク母材のスラツク発生を防止し得る接合
方法を見い出したものである。
次に、本発明を詳細に説明する。
まず、金属母材とセラミツク母材の接合部に活
性金属層又は活性金属層と金属層を介在させる。
ここに用いる金属としては、例えばCu，Ni又は
これらの合金等を挙げることができる。また、セ
ラミツクとしては窒化物（AlN，Si3N4，BNな
ど）、炭化物（SiCなど）、酸化物（Al2O3など）
をはじめとする各種のセラミツクを用いることが
できる。更に、活性金属としては、例えばTi或
いはZr等を挙げることができる。こうした活性
金属層の厚さは拡散時間を短縮する観点から
100μm以下にすることが望ましい。かかる活性金
属層を前記接合部に介在させる手段としては、例
えば活性金属箔を介在させる方法、或いは金属母
材に活性金属層をスパツタリング法、LPC法
（低圧プラズマコーテイング法）などにより堆積
して介在させる方法等を採用し得る。
性金属層又は活性金属層と金属層を介在させる。
ここに用いる金属としては、例えばCu，Ni又は
これらの合金等を挙げることができる。また、セ
ラミツクとしては窒化物（AlN，Si3N4，BNな
ど）、炭化物（SiCなど）、酸化物（Al2O3など）
をはじめとする各種のセラミツクを用いることが
できる。更に、活性金属としては、例えばTi或
いはZr等を挙げることができる。こうした活性
金属層の厚さは拡散時間を短縮する観点から
100μm以下にすることが望ましい。かかる活性金
属層を前記接合部に介在させる手段としては、例
えば活性金属箔を介在させる方法、或いは金属母
材に活性金属層をスパツタリング法、LPC法
（低圧プラズマコーテイング法）などにより堆積
して介在させる方法等を採用し得る。
次いで、金属母材とセラミツク母材の接合部を
真空雰囲気、或いは不活性ガス雰囲気中にて加熱
して保持する。この工程において、基本的には圧
力を加えなくともよいが、必要に応じて0.01〜１
Kg／mm2の低圧力を加えて加熱してもよい。加熱温
度は金属母材と活性金属の合金の融点より高く、
金属母材の融点より低いことが必要である。具体
的には金属母材をCu，Ni又はその合金で形成し、
Ti又はZrの活性金属層を用いる場合には872〜
1082℃の範囲で加熱する。保持時間は介在させる
活性金属層の厚さおよび加熱温度との関係で決め
られるが、前記温度範囲で、活性金属層が100μm
以下であれば、数十時間〜数百時間とする。こう
した熱処理により各母材にその母性金属と活性金
属の合金融液が生成され、更に加熱を続行するこ
とにより該合金が金属母材に拡散する。なお、加
熱時に加圧した場合、合金融液が接合部に生成し
た時に圧力を解除して合金の金属母材への拡散を
行なつてもよい。つづいて、合金の拡散が終了
し、接合部に合金属が極めて薄く存在するか、全
く存在しない状態になつた時点で酸化を防止しつ
つ冷却して金属−セラミツクの接合材を形成す
る。
真空雰囲気、或いは不活性ガス雰囲気中にて加熱
して保持する。この工程において、基本的には圧
力を加えなくともよいが、必要に応じて0.01〜１
Kg／mm2の低圧力を加えて加熱してもよい。加熱温
度は金属母材と活性金属の合金の融点より高く、
金属母材の融点より低いことが必要である。具体
的には金属母材をCu，Ni又はその合金で形成し、
Ti又はZrの活性金属層を用いる場合には872〜
1082℃の範囲で加熱する。保持時間は介在させる
活性金属層の厚さおよび加熱温度との関係で決め
られるが、前記温度範囲で、活性金属層が100μm
以下であれば、数十時間〜数百時間とする。こう
した熱処理により各母材にその母性金属と活性金
属の合金融液が生成され、更に加熱を続行するこ
とにより該合金が金属母材に拡散する。なお、加
熱時に加圧した場合、合金融液が接合部に生成し
た時に圧力を解除して合金の金属母材への拡散を
行なつてもよい。つづいて、合金の拡散が終了
し、接合部に合金属が極めて薄く存在するか、全
く存在しない状態になつた時点で酸化を防止しつ
つ冷却して金属−セラミツクの接合材を形成す
る。
次に、本発明の実施例を説明する。
実施例 １
まず、15mm角、厚さ２mmのAlN板状体と10mm
角、厚さ600μmの無酸素鋼板状体を各々１枚用意
した。つづいて、これら板状体をトリクレン及び
アセトンで洗浄して脱脂処理した後、それら板状
体の接合部に厚さ20μmのTi箔を介在させ、２×
10-5Torrの真空度に保持したホツトプレス中に
セツトした。ひきつづき板状体間に上下方向から
0.1Kg／mm2の圧力を加え、高周波加熱により接合
部を930℃に保持した。加熱後、30分間未満の時
間で接合部が溶融した。次いで、圧力を解除した
後、950℃で96時間保持してCu−Tiの合金層を無
酸素鋼板状体に拡散せしめた。
角、厚さ600μmの無酸素鋼板状体を各々１枚用意
した。つづいて、これら板状体をトリクレン及び
アセトンで洗浄して脱脂処理した後、それら板状
体の接合部に厚さ20μmのTi箔を介在させ、２×
10-5Torrの真空度に保持したホツトプレス中に
セツトした。ひきつづき板状体間に上下方向から
0.1Kg／mm2の圧力を加え、高周波加熱により接合
部を930℃に保持した。加熱後、30分間未満の時
間で接合部が溶融した。次いで、圧力を解除した
後、950℃で96時間保持してCu−Tiの合金層を無
酸素鋼板状体に拡散せしめた。
しかして、接合部を100杯の光学顕微鏡で観察
した結果、合金層は観察されず、AlN板状体の
クラツク発生も無く、良好なCu−AlN接合材を
得ることができた。
した結果、合金層は観察されず、AlN板状体の
クラツク発生も無く、良好なCu−AlN接合材を
得ることができた。
実施例 ２
まず、15mm角、厚さ３mmのSi3N4板状体と10mm
角、厚さ１mmのNi板状体を各々１枚用意した。
つづいて、これら板状体をトリクレン及びアセト
ンで洗浄して脱脂処理を施した後、これら板状体
の接合部に厚さ20μmのZr箔と厚さ50μmのCu箔
を介在させ、２×10-5Torrの真空度に保持され
たホツトプレス中にセツトした。ひきつづき、板
状体間に上下方向から0.1Kg／mm2の圧力を加え、
高周波加熱により接合部を980℃にした。加熱後、
30分間未満の時間で接合部が溶融した。次いで、
圧力を解除した後、990℃で96時間保持して合金
層をNi板状体に拡散せしめた。
角、厚さ１mmのNi板状体を各々１枚用意した。
つづいて、これら板状体をトリクレン及びアセト
ンで洗浄して脱脂処理を施した後、これら板状体
の接合部に厚さ20μmのZr箔と厚さ50μmのCu箔
を介在させ、２×10-5Torrの真空度に保持され
たホツトプレス中にセツトした。ひきつづき、板
状体間に上下方向から0.1Kg／mm2の圧力を加え、
高周波加熱により接合部を980℃にした。加熱後、
30分間未満の時間で接合部が溶融した。次いで、
圧力を解除した後、990℃で96時間保持して合金
層をNi板状体に拡散せしめた。
しかして、接合部を実施例１と同様に観察した
結果、合金層は観察されず、かつSi3N4板状体の
クラツク発生もなく、良好なNi−Si3N4接合材を
得ることができた。
結果、合金層は観察されず、かつSi3N4板状体の
クラツク発生もなく、良好なNi−Si3N4接合材を
得ることができた。
以上詳述した如く、本発明によれば金属母材と
セラミツク母材を簡単な工程で加圧せずに強固に
接合できると共に、形成工程或いは接合後に熱衝
撃を受けてもセラミツク母材のクラツク発生を防
止し得る接合方法を提供できる。
セラミツク母材を簡単な工程で加圧せずに強固に
接合できると共に、形成工程或いは接合後に熱衝
撃を受けてもセラミツク母材のクラツク発生を防
止し得る接合方法を提供できる。
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 １ 金属母材とセラミツク母材の接合部に活性金
属層或いは活性金属層と金属層を介在させた後、
この接合部を前記金属母材と活性金属の合金、或
いは前記金属と活性金属の合金の融点より高く、
前記金属母材の融点より低い温度に保持して前記
合金を接合部に生成し、つづいて該合金を金属母
材へ拡散せしめることを特徴とする金属とセラミ
ツクの接合方法。 ２ 金属母材及び金属層がCu，Ni或いはその合
金であることを特徴とする特許請求の範囲第１項
記載の金属とセラミツクの接合方法。 ３ 活性金属がTi或いはZrであることを特徴と
する特許請求の範囲第１項記載の金属とセラミツ
クの接合方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP14132183A JPS6033269A (ja) | 1983-08-02 | 1983-08-02 | 金属とセラミツクの接合方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP14132183A JPS6033269A (ja) | 1983-08-02 | 1983-08-02 | 金属とセラミツクの接合方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS6033269A JPS6033269A (ja) | 1985-02-20 |
| JPH0520392B2 true JPH0520392B2 (ja) | 1993-03-19 |
Family
ID=15289195
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP14132183A Granted JPS6033269A (ja) | 1983-08-02 | 1983-08-02 | 金属とセラミツクの接合方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPS6033269A (ja) |
Families Citing this family (9)
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|---|---|---|---|---|
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| JPH09181423A (ja) * | 1990-04-16 | 1997-07-11 | Denki Kagaku Kogyo Kk | セラミックス回路基板 |
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-
1983
- 1983-08-02 JP JP14132183A patent/JPS6033269A/ja active Granted
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPS6033269A (ja) | 1985-02-20 |
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