JPH06344228A

JPH06344228A - セラミックスと金属との接合体及びその製造方法

Info

Publication number: JPH06344228A
Application number: JP35347693A
Authority: JP
Inventors: Seiji Mori; 聖二森; Masaya Ito; 正也伊藤; Atsushi Kanda; 篤神田
Original assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Current assignee: Niterra Co Ltd
Priority date: 1993-04-16
Filing date: 1993-12-30
Publication date: 1994-12-20

Abstract

(57)【要約】【目的】従来のメタライズ工程及びメッキ工程を経る接
合法よりも少ない工数で、高い接合強度及び接合部の優
れた気密性を備えたセラミックスと金属との接合体を提
供する。【構成】セラミックスと金属とを、活性金属入りの接合
材料にて接合するにあたり、金属の接合面に、接合材料
の厚さの０．０２〜０．１５倍の厚さのＣｕ層を設けて
おくことを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、セラミックスと金属と
の接合体及びその製造方法に関する。この接合体は、高
い接合強度に加えて、接合部に気密性が要求される分野
で好適に利用され得る。

【０００２】

【従来の技術】セラミックスと金属の接合体が用いられ
る分野のうち、特にサイリスタのケースや真空気密端子
においては、接合強度だけではなく、接合部の気密性も
重要な特性である。

【０００３】従来セラミックスと金属とを接合する方法
は、次の工程を経るのが主流である。まずセラミック表
面に、Ｍｏ，Ｍｏ−Ｍｎ，Ｗなどの高融点金属をメタラ
イズし、さらに、その上に酸化防止等を目的としてＮｉ
メッキを施しておく。別途、相手材となるコバール、Ｆ
ｅ−４２Ｎｉ合金などの封着合金の接合面にも、ロー材
の濡れ性向上や、金属の粒界へのロー材の侵入防止を目
的として、Ｎｉメッキを施しておく。そして、両者を、
銀ロー等でロー付するというものである。

【０００４】また、近年、製造工程短縮のためにメタラ
イズ工程及びメッキ工程を経ることなく、Ｔｉ、Ｚｒ等
の活性金属入りのロー材又はペーストを用いて、セラミ
ックスと金属とを接合する方法の開発研究が数多くなさ
れている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかし、メタライズ工
程及びメッキ工程を経る方法に於ては製造工程が長く、
そのため工期が長い。また、近年の活性金属入りのロー
材又はペーストを用いた接合法に於ては、まず、セラミ
ック及び金属への濡れ性が不十分で、しかも安定しな
い。これに伴い活性金属の反応層も、その化学組成が不
均一で、温度に対して不安定である。その結果、接合強
度及び接合部の気密性が、メッキ工程を経る接合法に比
べて劣っていた。

【０００６】本発明の目的は、従来のメタライズ工程及
びメッキ工程を経る接合法よりも少ない工数で、高い接
合強度及び接合部の優れた気密性を備えたセラミックス
と金属との接合体を提供することである。

【０００７】

【課題を解決するための手段】その手段は、セラミック
スと金属とを、活性金属入りの接合材料にて接合したも
のにおいて、Ｃｕに富む層がセラミックスと金属との間
に介在することを特徴とするセラミックスと金属との接
合体にある。

【０００８】ここで、望ましいのは、Ｃｕに富む層の厚
さが、セラミックスと金属との間隔すなわち接合層の厚
さの２％以上となるものである。このようにＣｕに富む
層を形成する方法としては、次の製造手段によるほか、
接合材料の組成を制御することによっても良い。

【０００９】ここで、接合層の厚さとは、Ｃｕに富む層
と金属との界面を金属側端点、セラミックスと反応層と
の界面をセラミックス側端点とする、両端の距離をい
う。反応層とは、セラミックスと活性金属との反応によ
り生じた化合物の層であり、セラミックスが窒化物で活
性金属がＴｉの場合は、例えばＴｉＮが挙げられ、セラ
ミックスが酸化物で活性金属がＴｉの場合は、例えばＴ
ｉＯ、ＴｉＯ₂が挙げられる。

【００１０】上記目的を達成する製造手段は、セラミッ
クスと金属とを、活性金属入りの接合材料にて接合する
にあたり、金属の接合面に、接合材料の厚さの０．０２
〜０．１５倍の厚さのＣｕ層を設けておくことを特徴と
する。

【００１１】ここで、適用可能なセラミックスとして
は、Ａｌ₂Ｏ₃、ＡｌＮ、Ｓｉ₃Ｎ₄、ムライトなどがある
が、これらに限定されない。活性金属入りの接合材料と
しては、Ａｇ−Ｃｕ−Ｔｉ系，Ａｇ−Ｃｕ−Ｉｎ−Ｔｉ
系，Ａｇ−Ｐｄ−Ｔｉ系，Ａｇ−Ｃｕ−Ｇｅ−Ｔｉ系の
ロー材又はペーストがあるが、これらに限定されない。
接合材料の厚さとは、接合材料が、金属箔であるときに
はその厚さをいい、接合材料が、ペースト状のものであ
るときには、バインダー、フラックス等の有機成分を接
合前の乾燥又は分解工程にて除去した後の厚さをいう。
Ｃｕ層は、メッキによって形成されたものでも、蒸着、
スパッタ等の薄膜法にて形成されたものでも良い。

【００１２】

【作用】金属の接合面にＣｕ層が設けられているので、
接合材料と金属との濡れ性が良くなる。そして、このＣ
ｕと接合材料が反応し、セラミックスに対して濡れ性の
良い合金を生成する。こうしてセラミックス及び金属の
双方に対する接合材料の濡れ性が向上する。従って、接
合完了後の接合強度が高くなり、接合部を気密にする。

【００１３】但し、セラミックスに対して濡れ性の良い
合金を生成するのに、Ｃｕ層の厚さが接合材料の厚さの
０．０２倍より薄いとＣｕ量が不十分であり、他方０．
１５倍より厚いとＣｕ量が過剰となる。そして、接合材
料の厚さの０．０２〜０．１５倍の厚さのＣｕ層を設け
ておくと、前記Ｃｕに富む層の厚さが、セラミックスと
金属との間隔（接合層の厚さ）の２％以上となり、上記
作用に加えて前記Ｃｕに富む層が緩衝機能を果たす。

【００１４】

【実施例】

−実施例１− 図１は、本発明製造方法を説明するための断面図であ
る。アルミナ９６重量％のセラミックス１の上に接合材
料２が置かれ、これらと金属３が対面した状態である。
セラミックス１は、外径φ２８×内径φ１０×厚さｔ８
ｍｍのリング状円板である。接合材料２は、Ａｇ７１重
量％，Ｃｕ２７重量％，Ｔｉ２重量％の組成の箔又はＡ
ｇ７０重量％，Ｃｕ２７重量％，Ｔｉ３重量％から成る
ペーストで、いずれも外径１４×内径１１ｍｍの輪形に
配置又は印刷されている。金属３は、外径１６×厚さ１
ｍｍのコバール製円板で、接合材料２との対向面には表
１に示す厚さのＣｕメッキが施されている。

【００１５】上記の状態から、金属３を接合材料２に当
接させ、厚さ方向に荷重を加えながら真空雰囲気中８８
０℃で１５分間保持することによって、セラミックスと
金属３とを接合した試料Ａ〜Ｒを製作した。

【００１６】比較例として、アルミナセラミックス１の
表面に、Ｍｏ８０重量％−Ｍｎ２０重量％のメタライズ
インクを印刷し、温度１４００℃で焼き付け、厚さ２μ
ｍのＮｉメッキを施した。別途、厚さ２μｍのＮｉメッ
キを施したコバール製金属３を準備した。その後、Ｎｉ
メッキを施したセラミックス１と金属３とを厚さ５０μ
ｍのＢＡｇ８ロー（Ａｇ７２重量％、Ｃｕ２８重量％）
にて接合することによって、比較試料Ｓを製作した。

【００１７】同じく比較のために、Ｃｕメッキに変えて
Ｎｉメッキを施したこと以外は、試料Ｄと同一条件で接
合した試料Ｔを製造した。また、Ｃｕメッキを施さなか
ったこと以外は、試料Ａ〜Ｍと同一条件で接合した試料
Ｕを製造した。以上の試料につき、接合部の濡れ性、接
合強度及び気密性を評価した結果を各々の製造条件とと
もに表１に示す。具体的な評価方法は、後述の通りであ
る。

【００１８】［濡れ性］各試料の接合部を、目視又は拡
大鏡にて検査し、接合材料の濡れ状態を○〜×で表示し
た（○：接合部の全周の３／４以上にフィレットが形成
されている。△：同１／２〜３／４にフィレットが形成
されている。×：同１／２以下しかフィレットが形成さ
れていない。）。

【００１９】［接合強度］図２に示す様に、接合体を治
具４にセットし、裏側より金属３に荷重をかけて、接合
部が破壊する荷重を測定した。［気密性］接合部にＨｅガスを充て、Ｈｅガスのリーク
量を測定し、○〜×で表示した（○：リーク量＝全数１
０^-8ｃｃ／ｓｅｃ以下。△：一部１０^-8ｃｃ／ｓｅｃ以
下。×：全数１０^-8ｃｃ／ｓｅｃ以上。）。

【００２０】

【表１】また、接合材料に対するＣｕメッキ厚と接合強度との関
係を打点したグラフを図３に示す。

【００２１】以上、表１及び図３の結果に於いて、接合
材料に対するＣｕメッキ厚の比が２〜１５％の範囲（試
料Ｃ〜Ｇ，Ｋ，Ｌ，Ｏ〜Ｑ）のときに、接合材料が接合
面に充分濡れ、接合強度が１１０ｋｇｆ以上と高く、Ｈ
ｅガスがリークしなかった。しかも同様の特性を示す比
較例（試料Ｓ）よりもメタライズ印刷及びセラミックス
へのメッキを省略できた分だけ工数が少ない。

【００２２】接合材料に対するＣｕメッキ厚の比が小さ
くなり過ぎると（試料Ａ，Ｂ，Ｊ，Ｎ）、濡れ性が悪
く、Ｈｅガスがリークし、抜け強度が１００ｋｇｆ以下
となった。また、抜け強度のバラツキも大きかった。他
方、接合材料に対するＣｕメッキ厚の比が大きくなり過
ぎても（試料Ｈ，Ｉ，Ｍ，Ｒ）、濡れ性、Ｈｅリークは
悪くなった。但し、その比が過小の場合ほどは悪くなら
ない。これは、濡れ性がある程度良好な為に悪くならな
いと考えられる。

【００２３】さらに比較例として、Ｃｕメッキに代えて
Ｎｉメッキを施した物（試料Ｔ）は、接合材料の厚みに
対するＮｉメッキ厚がＣｕメッキの時の比の範囲内であ
っても、Ｈｅリークテストにおいて劣る結果が得られ
た。これにより、Ｎｉメッキより、Ｃｕメッキを施した
方が良いことがわかる。また、メッキ無し品（試料Ｕ）
の評価は、テストを行なった中で最悪であった。

【００２４】次に上記接合体試料のうち、Ａ〜Ｃ，Ｅ〜
Ｉと同質の試料８点を接合位置で軸方向に切断し、樹脂
モールドし、接合部の切断面を鏡面研磨した後、切断面
を金属顕微鏡で観察するとともにＥＰＭＡにて定量分析
し、接合層の厚さとＣｕを４０重量％以上含む層の厚さ
を測定した。この測定結果を前記評価結果と対応させて
表２に示す。

【００２５】

【表２】表２にみられるように、接合材料に対するＣｕメッキ厚
の比を２〜１５％の範囲とすれば、接合層に対するＣｕ
に富む層の厚さが２％以上となることが判った。尚、Ｃ
ｕに富む層は、どの試料にも金属３側に存在していた。

【００２６】−実施例２− セラミックス１の材質をＡｌ₂Ｏ₃に代えてＡｌＮ，Ｓｉ
₃Ｎ₄，ムライトとした以外は実施例１の試料Ａ〜Ｒと同
一条件で接合体を製造し、実施例１と同一条件で気密性
を評価した。その結果、接合材料に対するＣｕメッキ厚
の比が２〜１５％の範囲（試料Ｃ〜Ｇ，Ｋ，Ｌ，Ｏ〜
Ｑ）のときに、Ｈｅガスリーク量が全数１０^-8ｃｃ／ｓ
ｅｃ以下であり、その他は一部又は全数１０^-8ｃｃ／ｓ
ｅｃ以上であった。

【００２７】−実施例３− セラミックス１の材質を窒化ケイ素焼結体（Ａｌ₂Ｏ₃−
Ｙ₂Ｏ₃系）、金属３の材質をＮｉに代え、金属３に施す
Ｃｕメッキの厚さを１５μｍ、接合材料２をＡｇ６９−
Ｃｕ２７−Ｔｉ４（重量％）、厚さ１５０μｍの箔とし
た以外は、実施例１と同一条件でセラミックス１と金属
３を接合した。

【００２８】実施例１と同様に測定し、評価したとこ
ろ、８５μｍの接合層に対して７μｍのＣｕに富む層が
金属３側に形成されており、その比は、８．２％であっ
た。そして、濡れ性及び気密性の評価は、いずれも○、
接合強度は、１３０ｋｇｆ（ｎ＝１０の平均値）であっ
た。すなわち、セラミックス、金属及び接合材料の組み
合わせが異なっても本発明範囲に属する限り、本発明の
作用効果を生じることを確認した。

【００２９】

【発明の効果】本発明によって、セラミックと金属の接
合部の均一が図られ、かつ、特に気密性を有する用途に
おける、セラミックと封着合金との接合の信頼性を向上
させることができる。更に接合層の反応組織によって、
接合体の良否判定を容易に行うことができるようになっ
た。又、本発明により、従来のＭｏ−Ｍｎ法に比べてメ
タライズ工程が必要なくなり、そのため工期を短かくす
ることが出来る様になった。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施例の製造方法を説明するための断面図であ
る。

【図２】接合強度を測定する方法を説明する図である。

【図３】接合材料に対するＣｕメッキ厚と接合強度との
関係を打点したグラフである。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】セラミックスと金属とを、活性金属入り
の接合材料にて接合したものにおいて、Ｃｕに富む層が
セラミックスと金属との間に介在することを特徴とする
セラミックスと金属との接合体。
【請求項２】Ｃｕに富む層の厚さが、セラミックスと
金属との間隔の２％以上である請求項１に記載のセラミ
ックスと金属との接合体。
【請求項３】セラミックスと金属とを、活性金属入り
の接合材料にて接合するにあたり、金属の接合面に、接
合材料の厚さの０．０２〜０．１５倍の厚さのＣｕ層を
設けておくことを特徴とするセラミックスと金属との接
合体の製造方法。