JPH0718419A

JPH0718419A - セラミックスの接合方法

Info

Publication number: JPH0718419A
Application number: JP16367993A
Authority: JP
Inventors: Yoichiro Yoneda; 陽一郎米田; Noriyuki Inuishi; 典之犬石; Youji Muroo; 洋二室尾
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 1993-07-01
Filing date: 1993-07-01
Publication date: 1995-01-20

Abstract

(57)【要約】【目的】セラミックス表面を濡れ性が良いものに改質
することにより、ろう付によりセラミックス同士又はセ
ラミックスと金属とを、高接合強度及び高真空機密性で
接合することができるセラミックスの接合方法を提供す
る。【構成】セラミックス１の表面にＮｉイオンをイオン
注入した後、その表面にＮｉ膜をイオンプレーティング
によりコーティングしてイオンプレーティング層３を形
成する。次いで、実質的に真空中で拡散熱処理を行うこ
とにより表面処理を完了する。その後、これらの表面処
理をしたセラミックス同士又は表面処理をしたセラミッ
クスと金属とをろう付により接合する。

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同士又はセ
ラミックスと金属とを接合するセラミックスの接合方法
に関する。

【０００２】

【従来の技術】セラミックスの接合に関しては、従来技
術として、「Ｍｏ−Ｍｎ法」により９５％アルミナ表面
に最終的にＮｉをメタライズする方法（セラミックス接
着・接合技術；（株）シーエムシー発行第５９頁第５９
〜６１頁；以下従来技術１）と、チタンを含んだろう材
を用いる「活性金属法」を用い、無表面処理のセラミッ
クスを接合する方法（実用セラミックス接合とハイテク
ろう付：（株）産業技術サービスセンター；第６５〜６
７頁；以下、従来技術２）とが一般的である。

【０００３】また、これらの接合方法のように一般的で
はないが、セラミックスの表面に活性な高融点金属をイ
オン注入することにより接合する方法（特開平４−１５
４６７９号；以下、従来技術３）と、セラミックスの表
面にイオンミキシング法により表面処理して接合する方
法（特開平３−１５９９７９号；以下、従来技術４）も
ある。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来技
術１におけるメタライズはアルミナ中に含まれる不純物
ＳｉＯ₂が大きな役割をしており、ＳｉＯ₂がセラミック
ス内に含まれていることが不可欠であるので、一般的な
セラミックスの接合に対しては適用することができな
い。

【０００５】従来技術２においては、セラミックスに対
するろう材の濡れが金属に対するほど良くないため、金
属の方ばかりが濡れてしまい、良好なフィレットができ
ない。このため、良好な接合を得ることができない。ま
た、このチタンを含んだろう材は表面処理をしていない
無処理のセラミックスにもある程度ぬれることから、セ
ラミックスへのろうの流れを規制しにくいため、不必要
な部分にまでろうが流れてしまうという問題点もある。

【０００６】従来技術３においては、イオン注入表面の
濡れ性が極めて悪く、セラミックスの接合に使用できな
い。

【０００７】従来技術４においては、イオンミキシング
自体が現在研究中の技術であり、実用化されていない。
また、この方法においては、接合処理コストが高いこと
の他にも、小規模のものにしか適用できないという難点
があり、実用的でない。更に、イオンミキシングで均一
な処理を行うためには均一注入と均一成膜を同時に行う
必要があり、そのためには、基板の移動及びビームのス
キャンニング等の制御が困難であり、実用的でない。

【０００８】本発明はかかる問題点に鑑みてなされたも
のであって、セラミックス表面を濡れ性が良いものに改
質することにより、ろう付によりセラミックス同士又は
セラミックスと金属とを、高接合強度及び高真空機密性
で接合することができるセラミックスの接合方法を提供
することを目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明に係るセラミック
スの接合方法は、セラミックス表面にＮｉイオンをイオ
ン注入する工程と、その表面にＮｉ膜をイオンプレーテ
ィングによりコーティングする工程と、実質的に真空中
で拡散熱処理を行う工程と、これらの表面処理をしたセ
ラミックス同士又は表面処理をしたセラミックスと金属
とをろう付により接合する工程とを有することを特徴と
する。なお、この真空中とは、１０^-2Ｔｏｒｒ以下の高
真空度をいう。

【００１０】

【作用】図１は本発明方法を概念的に示す模式図であ
る。本発明においては、図１に示すように、セラミック
ス１の表面にイオン注入法によりＮｉイオンを注入する
ことにより、セラミックスの表層部内にＮｉを導入し、
Ｎｉイオン注入層２を形成する。このＮｉイオンの注入
により、セラミックスの表層部はセラミックス構成元素
とＮｉとが強固に結合し、これらの元素が原子レベルで
混合した混合層の状態になる。

【００１１】このイオン注入においては、Ｎｉイオンの
濃度分布は、図２（ａ）に示すように、特定の深さで最
大となるガウス濃度分布を示す。このため、セラミック
スの内部の深い領域にまでイオンを十分なドープ量で注
入しようとすると、極めて大きな注入エネルギでＮｉイ
オンを打ち込む必要がある。また、このセラミックスの
内部ではセラミックス構成元素とＮｉが強固に結合した
混合層になるが、表面近くではＮｉ濃度が低くなること
は避けられず、このためセラミックス表面の濡れ性を改
善することはできない。

【００１２】そこで、Ｎｉをイオン注入したセラミック
スの表面にＮｉのイオンプレーティングを施し、Ｎｉイ
オンプレーティング層３を形成する。このイオンプレー
ティング層３を形成した後、セラミックスの表層部のＮ
ｉの濃度分布は図２（ｂ）に示すようになる。ところ
が、イオン注入したイオン注入層２内のＮｉと、イオン
プレーティングで成膜したイオンプレーティング層３内
のＮｉとは両者間に境界面を持つため、このままである
と、結合力が弱い。

【００１３】このため、この材料を真空炉４内で加熱
し、イオン注入層２及びイオンプレーティング層３中の
Ｎｉを相互拡散させることにより、図２（ｃ）に示すよ
うに、表面のＮｉ濃度が高く、イオン注入層２とイオン
プレーティング層３との境界面がないＮｉの濃度分布を
得ることができる。しかも、この濃度分布により、セラ
ミックス内部ではセラミックス構成元素とＮｉとが強固
に結合した混合層になり、全体的にも強固なＮｉ表面処
理が可能となる。

【００１４】上述の説明でわかるように、本発明の表面
処理においては、セラミックスの不純物が接合に関与し
ないため、高純度Ａｌ₂Ｏ₃、ＺｒＯ₂、Ｓｉ₂Ｎ₄、Ｓｉ
Ｃ等、セラミックスの種類に関係なく、種々のセラミッ
クス材料において、Ｎｉ表面処理が可能である。

【００１５】イオン注入条件及びイオンプレーティング
条件は、セラミックスの種類及び処理装置の個別的な特
性により異なるため、これらの条件に合う適切なもので
表面処理すればよい。イオン注入工程においては、注入
イオン電流、注入時間及び加速電圧により、またイオン
プレーティング工程では、表面処理電流、バイアス電圧
及びコーティング時間により、高精度で、また再現性良
く制御でき、均一な処理が可能である。

【００１６】真空中の拡散熱処理工程は、１０^-2Ｔｏｒ
ｒ以下の高真空度のもとで行う。真空度が１０^-2Ｔｏｒ
ｒを超える場合は、コーティング表面が酸化し、濡れ性
が悪くなる。また、この拡散熱処理は真空中で１０００
乃至１３００℃の温度範囲で行うことが好ましい。これ
は１０００℃未満であると、Ｎｉの相互拡散が生じにく
く、また、１３００℃を超えると、セラミックスの粒成
長及びＮｉの蒸発が起こり、これによる接合品質への悪
影響があるからである。

【００１７】

【実施例】以下、本発明の実施例について、比較例と比
較して説明する。実施例１セラミックスとして、９９％のアルミナを用意し、この
セラミックス表面に、下記表１に示すような条件の表面
処理を、イオン注入装置、アークイオンプレーティング
装置及び真空炉を使用して行った。

【００１８】

【表１】

【００１９】各処理条件は、イオン注入工程において
は、Ｎｉ及びＴｉのいずれの場合も、加速電圧が７０ｋ
Ｖ、注入密度が５×１０¹⁶イオン／ｃｍ²であり、アー
クイオンプレーティング工程においては、アーク電流が
１５０Ａ、バイアス電圧が７００Ｖ、処理時間が２０分
である。また、拡散処理においては、１０^-4Ｔｏｒｒ台
で１２００℃に１時間加熱した。

【００２０】図３に示すように、前述の如く処理してＮ
ｉ表面処理層１２を有する試験材１１を真空炉１４内に
装入し、試験材１１の処理表面上にろう付けに通常使用
される銀ろう（ＢＡｇ−８：７２％Ａｇ−２８％Ｃｕ）
材１３を置き、両者を真空中で８５０℃まで加熱した
後、冷却し、ろうの濡れ状態を外観観察した。この方法
はろう付けの接合性を調べるための濡れ性試験として通
常用いられる方法である。

【００２１】この濡れ性試験の結果を前記表１に併せて
示す。但し、この表１において、乃至は夫々図４に
示す外観状態を示す。図４において、は濡れ性が良好
な場合である。はろう材が濡れない場合を示す。は
処理面の中央部にアルミナ面又はイオン注入面が露出し
た状態を示している。

【００２２】この表１及び図４から、実施例１は濡れ性
が極めて優れており、接合に十分な濡れ性を有している
ことがわかる。

【００２３】比較例２はイオン注入のみであるので、ろ
う材はセラミックスに全く濡れず、これでは接合できな
い。

【００２４】比較例３はイオンプレーティングのみであ
るので、ろう材が置いてある中央部のＮｉ層とアルミナ
との密着性が弱いため、中央部のＮｉ層がろう材にくわ
れ、中央部にアルミナ面が露出しており、接合すること
ができない。

【００２５】比較例４はイオン注入した後、イオンプレ
ーティングしたものであるが、イオン注入面とイオンプ
レーティング面の密着性が悪いため、ろう材が置いてあ
った中央部のＮｉ層がろう材にくわれ、イオン注入面が
露出してしまい、接合することができない。

【００２６】比較例５はＮｉのかわりにＴｉを用いた例
であるが、ろう材は全く濡れない。これはＴｉが活性の
ため、拡散処理時に表面処理層に酸化及び炭化が生じ、
ろう材が濡れなくなったものといえる。この場合も接合
することができない。

【００２７】以上のように、濡れ性試験の結果、実施例
１のみが接合に用いることができることが明かとなっ
た。

【００２８】そこで、次に図５に示すように直方体形状
のアルミナ２１に実施例１の条件でイオン注入＋イオン
プレーティング＋拡散熱処理を行い、表面処理層２２を
形成した。得られた試験材２０を、図６に示すように、
その表面処理層２２とコバール材２３との間に、ろう材
２４を挟み、試験材２０とコバール材２３とをろう付し
た。また、試験材２０同士をその表面処理層２２間にろ
う材２４を挟んで配置し、セラミックス同士をろう付し
た。このようにして接合した接合体から曲げ試験片を採
取し、４点曲げ試験を行ったところ、セラミックスと金
属との接合では曲げ強さが３００ＭＰａ、セラミックス
同士の接合では曲げ強さが４５０ＭＰａであり、極めて
高い接合強度が得られた。

【００２９】実施例２図７に示すように、純度９９％の円盤状のアルミナ３１
の周縁部（円周面を含む）に、Ｎｉをイオン注入し、Ｎ
ｉイオンプレーティングした後、真空中で拡散処理を行
うことにより表面処理し、Ｎｉ表面処理層３２を形成し
た。得られた試験材３０を、図８に示すように、内周面
３６にＮｉメッキしたコバール製円筒３３内に挿入し、
線材状のろう材（ＢＡｇ−８）３４をアルミナ３１の周
縁部上に置いた。

【００３０】更に、これを真空炉中で８２０℃に１０分
間加熱し、アルミナ３１とコバール製円筒３３とをろう
付した。図９はこのアルミナ３１とコバール製円筒３３
との接合部を拡大して示す断面図である。この図９に示
すように、ろう３５がセラミックスのＮｉ表面処理層３
２からＮｉメッキしたコバール円筒内周面３６へときれ
いに流れ、フィレットも均等に形成されていることがわ
かる。これは、アルミナ３１の接合面及びコバール表面
３６にはいずれもＮｉが存在するので、濡れ性が同等で
あるからである。また、このろう３５はセラミックス自
体には全く濡れないため、ろう３５はＮｉ表面表面処理
層３２の部分にのみ流れ、不用意にセラミックス母材へ
流れてしまうという不具合は生じない。

【００３１】次いで、この接合体を、図１０に示すよう
に、Ｈｅリークディテクタ４１に装着した。即ち、円筒
３３の下端を台座４２上に気密的に設置し、台座４２の
中央孔をＨｅリークディテクタ４１に連結した。これに
より、円筒３３内のアルミナ３１により仕切られた一方
の部分内のＨｅガスをＨｅリークディテクタ４１により
検出した。一方、アルミナ３１により仕切られた他方の
部分にＨｅガスを吹き込み、これにより、アルミナ３１
と円筒３３との接合部を介してリークされるＨｅガスを
ディテクタ４１により検出してリーク試験を行った。そ
の結果、ディテクタ４１におけるＨｅガス量は１×１０
^-10ａｔｍ・ｃｃ／ｓｅｃのヘリウムリーク試験装置の
検出限定以下であった。従って、この接合体は真空気密
性が極めて優れた接合部を有することがわかる。

【００３２】比較例純度９９％の円盤状アルミナ３１を用意し、図８に示す
ように、Ｎｉを内周面にメッキしたコバール製円筒３３
内にこのアルミナ３１を挿入し、Ｔｉを含む線材状のろ
う材３４（組成：１％Ｔｉ−７２％Ａｇ−２７％Ｃｕ）
をアルミナ３１の上に置いた。

【００３３】更に、これを真空炉中で８２０℃に１０分
間加熱してろう付した。その接合体の接合部の断面を図
１１に示す。このろう３７はセラミックスとの接合が可
能であることは公知であるが、このような形状の接合体
を接合しようとする場合は、ろう３７がコバール円筒３
３の内周面３６に優先的に流れてしまい、フィレットの
形成が殆どできなかった。これはこのＴｉ入りのろう３
７はセラミックスにはある程度濡れるものの、金属に対
するように良好には濡れないため、金属側にのみ、ろう
が流れてしまったためである。このため、図１０に示す
ヘリウムリークディテクタ４１で真空引きしようとした
が、ガスリークが生じて真空引きできなかった。

【００３４】これを改良しようとして、図１２に示すよ
うに、２本のリング状ろう材３４をセラミック３１上に
置き、接合した。このように、図１１のろう材リングの
内側にさらに１本ろう材リングをおくことにより、２本
のろう材が溶けて融液になったとき、コバ−ルへ流れる
のはもちろんのこと、セラミックスの方にも流れ、良好
な接合が可能と考えた。しかし、このろう材はセラミッ
クスにもある程度濡れるので、図１３に示すように、ろ
う材が流れてほしくない部分まで流れてしまい、良好な
接合はできなかった。

【００３５】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
セラミックス表面にＮｉイオンをイオン注入した後、そ
の表面にイオンプレーティングによりＮｉをコーティン
グし、更にこれを真空炉中で拡散熱処理して表面処理す
るから、このように表面処理をしたセラミックス同士又
は表面処理したセラミックスと金属とをろう付により接
合した場合は、接合強度が高く、しかも接合部は高い真
空気密性を有する接合体を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明方法の工程を説明する模式図である。

【図２】本発明におけるＮｉ濃度分布の変化の一例を示
すグラフ図である。

【図３】本発明の実施例における１工程を示す模式図で
ある。

【図４】同じくその実施例の効果を説明する模式図であ
る。

【図５】本発明の他の実施例における１工程を示す模式
図である。

【図６】同じくその実施状態を説明する模式図である。

【図７】本発明の更に他の実施例における１工程を示す
模式図である。

【図８】同じくその接合方法を説明する模式図である。

【図９】同じくその効果を説明する模式図である。

【図１０】同じくその効果を実証するためのＨｅリーク
試験装置を示す模式図である。

【図１１】比較例の接合状態を示す模式図である。

【図１２】同じく比較例の接合方法を説明する模式図で
ある。

【図１３】同じくそのろう状態を説明する模式図であ
る。

【符号の説明】

１；セラミックス２；Ｎｉイオン注入層３；Ｎｉイオンプレーティング層４；真空炉１１，２１；セラミックス１２，２２；Ｎｉ表面処理層３１；アルミナ３３；コバール製円筒３４；ろう材

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号庁内整理番号ＦＩ技術表示箇所Ｃ２３Ｃ 14/06 9271−4Ｋ 14/24 9271−4Ｋ 14/48 9046−4Ｋ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】セラミックス表面にＮｉイオンをイオン
注入する工程と、その表面にＮｉ膜をイオンプレーティ
ングによりコーティングする工程と、実質的に真空中で
拡散熱処理を行う工程と、これらの表面処理をしたセラ
ミックス同士又は表面処理をしたセラミックスと金属と
をろう付により接合する工程とを有することを特徴とす
るセラミックスの接合方法。