JPS5918184A - セラミツクスのメタライズ方法 - 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】 本発明はセラミックスと金属化層の接着力が強く、ろう
付性あるいははんだぬれ性にも優れたセラミックスのメ
タライズ方法に関する。

ニューセラミックスと呼ばれる炭化珪素、窒化珪素、ア
ルミナ、ジルコニア等の焼結体は近年その高温高強度、
耐摩耗性等の優れた特性に注目され、エンジン用部材、
耐摩耗性を必要とする機械部品などへの応用が図られて
いる。しかし乍ら加工や強度的な信頼性の面からオール
セラミックス製の装置を作製することは難しく高温にな
る部分や、耐摩耗性を必要とする部分のみに部分的にセ
ラミックスを使用することが考えられている。この時セ
ラミックス部材と金属部材を接合する必要が生ずるが、
セラミックスと金属部材を直接接合することは難しく、
セラミックス部材の接合面を一且メタライズして金属化
層を形成させた後この金属化層と金属部材を接合するこ
とが考えられている。

従来セラミックスにろう付性あるいははんだぬれ性など
を付与する為に未焼結セラミックス体上にタングステン
、モリブデン等の金属粉を主体とする金属ペーストを塗
布し、これを弱還元性雰囲気結 中でセラミックスと金属ペースト中の焼合剤を燃焼除去
し更にセラミックスと金属ペースト中の金属を焼成する
メタライズ方法が実用化されている。

この方法によればセラミックスと金属化層が同時に焼成
される為にセラミックスと金属化層の界面ではセラミッ
クスの焼結時にセラミックスと金属化層の相互拡散が容
易となる為強固な接着強度を得ることができるが、反面
セラミックスと金属ペアストの同時焼成の為これを高純
度アルミナセラミックスに応用する場合アルミナ中に金
属ペーストと反応し拡散する酸化物が少ない為アルミナ
の焼結に必要な温度及び焼結後に強固な接着力を得る為
には１６００℃前後の高温が必要とされ製造技術的に問
題が多い。

本発明はかかる状況に鑑みてなされたもので、セラミッ
クスと金属化層の接着力が強く、かつ必要によってはろ
う付性おるいははんだぬれ性に優れたセラミックスのメ
タライズ法を提供することを目的とするものである。

即ち本発明は炭化珪素、窒化珪素等の非酸化物系セラミ
ックス焼結体あるいはアルミナ、ジルコニア等の酸化物
系焼結体と鋼やチタン等の金属部材を接合するに先立ち
まず上記セラミックス焼結体を一旦真空下に置いた後若
干のアルゴン、ネオン等の不活性ガスを導入してイオン
エツチングを行ないセラミックス接合面の表面に付着し
てい、る吸着ガスや非酸化物系セラミックスの場合には
表面酸化層等を除去して新鮮な接合面を作製し、この接
合面上に必要とする鋼やチタン等の金属化層をイオンブ
レーティングによって形成させることを特徴とするセラ
ミックスのメタライズ法である。

なお本発明において述べているセラミックスには例えば
炭化珪素、窒化珪素等の非酸化物系セラミックスやアル
ミナ、ジルコニア、シリカ等の酸化物系セラミックス等
が使用でき、金属化層を物どのような種類のセラミック
ス表面上にでも所用の金属化層を形成させることができ
る。

またイオンブレーティングを行ない金属化層を形成させ
る金属には鋼、ニッケル、銅、チタン、タングステン、
モリブデン等どのような種類の金属を用いてもよくメタ
ライズ処理後に接合を行なおうと考えている金属部材に
あわせて必要な金属化層を形成させればよい。

また金属化層の厚さであるが金属化層の厚さはイオンブ
レーティングの処理時間に比例し、任意の厚さが選択で
きるが、金属化層の厚さが薄すぎると、セラミックスの
表面粗さを充分に被覆できず、反対にイオンブレーティ
ングによってｐ　ｍｍオーダーの金属化層を形成させよ
うとすると多大べきである。

本発明者らの実験によればメタライズ処理を施す面を平
面研磨し、表面粗さを１μ程度にした後にイオンエツチ
ングを充分に施すと表面粗さは３〜４μ程度になること
がわかっている。このため金属化層の厚みが５μ未満で
ちるとセラミックスの表面粗さを充分に被覆できず、セ
ラミック層との接着力が弱くなる。反対に金属化層の厚
みが５００μを越えると金属化層が破壊しやすくなり、
５μ未満の場合と同様に接着力が弱くなる。従つ強 てセラミックスとの接着力が溺〈それ自身も充分　□な
強度を持った金属化層を得る為には５〜５００μの厚み
でイオンブレーティングすることが望ましい。

イオンブレーティングを行なう前にイオンエツチングの
処理を充分性なわないと、セラミ・ンクスと金属化層の
間にイオンブレーティングした金属が吸着酸素と反応し
て生じる酸化物からなるぜ（１化層や吸着ガスによるボ
イド等が発生して金属化層とセラミックスの接着力が低
下し、金属化層がはく離する原因となる。−例として本
発明者らの実験によれば、アルミナの表面を平面研磨し
た後イオンエツチング処理を施さずに直接ニッケルのイ
オンブレーティングを行ったところ、１７μ、５６μの
厚さにもかかわらずニッケル層のはく離が起こった。こ
の為両試料の縦断面をＳＥＭ観察したところ、アルミナ
層とニッケル層の間に１〜２μ厚さの黒かつ色のぜい化
層が観察された。これは真空引きを行なっただけではア
ルミナ表面に吸着していた酸素ガスを充分に取り除くこ
とができずインブレーティングの際に発生する活性化さ
れたニッケルと残留酸素ガスが反応してニッケルの酸化
物が生成し、アルミナとニッケルの間の接着を阻害して
いる為と考えられる。

以」−述べたように活性化しているニッケルとアルミナ
の新鮮な面を反応させて強い接着力を得る為にイオンエ
ツチングは不可欠な処理である。

また必要に応じて金属化層のろう付性やはんだぬれ性を
向上しなければならないが本発明者らの実験によればは
んだぬれ性は金属化層の表面に形成したはんだぬれ性賦
与を目的とした金属被覆層のピンホール、凹凸等の欠陥
の有無、またはその大小により影響される。なおろう付
性あるいははんだぬれ性の優れた金属被覆層の形成は例
えば無電解めっき等通常公知の方法で行なうものとし、
金属被覆層の材質としてはろう付性あるいははんだぬれ
性に優れた例えば金、銀、銅、ニッケル等を使用する。

無電解ニッケルめっきにより金属被覆層を形成した場合
にはニッケルめっき層の厚さが不足すると金属化層の表
面粗さが粗大な場合めっき被覆面にピンホールが多発し
殆んどぬれ性は消失する。このため金属被覆層を形成す
る際には金属化層の表面粗さを抑える必要がある。

以下実施例により本発明を説明する。

実施例１ アルミナ及び炭化珪素を平面研磨した後、そ打ぞれに対
してイオンエツチングを施した後ニッケルをイオンブレ
ーティングした試料と、イオンエツチングを行わずに直
接ニッケルをイオンブレーティングした試料の２種類の
試料を作製し、ニッケル被覆層の接着強度を測定した。

イオンエツチングの条件としては一且Ｉ　Ｘ　１０−ｔ
ｏｒｒまで真空引きを行なった後Ａｒガスを　４×１０
　　ｔｏｒｒまで導入し２００Ｗのパワーで高周波プラ
ズマを発生させイオンエツチングを行った。

モッケルのイオンブレーティングの条件は８個の試料に
対して全て同一で２５０Ｗ　の高周波プラズマ中でニッ
ケル蒸気をイオン化してアルミナ及び炭化珪素上に析出
させた。

第１表かられかるようにイオンエツチング処理を施さな
かった試料に比べてイオンエツチングを施して試料表面
を清浄化した試料は接着強度が飛躍的に増大することが
わかる。

第　　１　　表 来１　Ａイオンエツチングを施さなかった試料Ｂイオン
エツチングを施した試料 ＋２　セラミックス基盤とＮｉ被覆層の接着強度はひき
剥し強さで評価した。

実施例２ 窒化珪素及びジルコニアを平面研磨した後、それぞれに
対して実施例１と同じ条件でイオンエツチングを施し、
その後直ちに２５０Ｗの高周波プラズマ中で鉄蒸気をイ
オン化して窒化珪素及びジルコニア表面上に鉄のイオン
ブレーティングを行った。

第　　２　　表 米１　膜厚が薄すぎて引き剥し強さ測定できず。

第２表かられかるように鉄層の厚さは５〜５００μの範
囲が適当である。

実施例６ アルミナを平面研磨した後実施例１と同じ条件でイオン
エツチングを施し、その後直ちに３００Ｗの高周波プラ
ズマ中でチタン蒸気をイオン化して、アルミナ表面上に
チタンのイオンレーティングを行った試料にさらにニッ
ケルの無電解めっきを施し、ろう付は性及びはんだぬれ
性と被覆層の接着強度を測定した。

第　　３　　表 来１　ニッケルめっき層からはんだを引き剥すのに必要
な力 第３表かられかるように金属化層（この場合チタン層）
の表面粗さが６μ以上粗大な場合にはニッケルめっき層
の厚さを０．５μ→１．４μまで大きくしてもはんだぬ
れ性ビール強さは改善されない。チタン層の表面粗さが
４μであればニッケルめっき層の厚さを０．４μ÷１．
６μに犬きくすることによりはんだぬれ性を回復するこ
とができる。

実施例４ 実施例１〜３はセラミックス上に直接金属化層を形成す
るというものであるが、セラミックス表面上に一旦他の
セラミックスの層を形成させ、その後メタライズ処理を
施すことも可能である。炭化珪素を平面研磨した後実施
例１と同じ条件でイオンエツチングを施しその後直ちに
２５０Ｗの高周波プラズマ中でジルコニアをイオン化し
て炭化珪素上にジルコニアのイオンブレーティングを行
ない引き続いて３００Ｗの高周波プラズマ中でチタン蒸
気をイオン化してジルコニア層表面上にチタンの金属化
層を形成させた結果を第４表に示す。

第４表かられかるように炭化珪素とチタン層の間に第２
のセラミック層としてジルコニア層を形成させても、接
着強度はそれほど大きく低下せずはソ同等である゛と考
えられる。

第　　４　　表 来　扁４の試料については比較の為ジルコニア被覆を行
なわず炭化珪素に直接チタン層を形成させた。

手続補正書 昭和５８年６月３０日 １、事件の表示 昭和５７　　年　特許　　願第１２６５４８３２・発明
の名称　　セフ？・／之ヌつ／戸テイス″ワ瓜３、　補
正をする者 事件との関係　特許出願人 ４、代理人 １）特許請求の範囲を別紙の通りに訂正する。

２）明細書中第４頁上から５行目と６行目の間に下記文
句を挿入する。

１−マたセラミックス同士あるいｊまセラミックスと金
属を接合する様な場合を考えると、その熱膨張係数の差
が問題となるが、被接合物両者の熱膨張係数の差が大き
い場合にこの接合体に熱ザイクルを加えると熱膨張の差
によって発生する熱応力によって接合体が破断すること
がある。この様な場合でも、本発明のイオンブレーティ
ングによって被接合物両者の間に何層かのセラミックス
層及び／または金属化層を介在させ、熱膨張係数が順次
変化する様に設計することによって熱応力を分散緩和さ
せることが出来、耐熱衝撃性が飛躍的に向上することが
判明した。

更にセラミックス薄層と金属薄層を交互にイオンブレー
ティングしてセラミックスと金属の混合層を作成する事
により熱応力を分散緩和させる事も出来る。ヨ ろ）明細書中第１６頁下から２行目と１行目の間即ち「
形成させた。」と［代理人　弁理士　吉竹昌司」の間に
下記の文句を挿入する。

「実施例５ 窒化珪素上に直接チタンの金属化層を形成した場合の耐
熱衝撃温度と、窒化珪素上に一旦窒化珪素とチタンの中
間の熱膨張係数を持つ窒化アルミニウムの層を形成させ
た後チタン層を形成させた場合の耐熱衝撃温度を比較す
ると、窒化珪素とチタンの間に窒化アルミニウムの層を
介在させることにより耐熱衝撃温度が倍近くにも向上す
る。この時車・化珪素、窒化アルミニウム、チタンの熱
膨張係数はそれぞれ２．７５ｘ１０℃　、６．０９ｘ１
０　　℃　、８．９０Ｘ１０　　℃　であり、窒化アル
ミニウムの層が熱応力を緩和する為に耐熱衝撃温度が向
上することが考えられる。

窒化珪素を平面研磨した後実施例１と同じ条件でイオン
エツチングを施し、その後直ちに２８０Ｗの高周波プラ
ズマ中でアルミニウムをイオン化して窒化珪素上に窒化
アルミニウムのイオンブレーティングを行ない引き続い
て３００Ｗの高岡、波プラズマ中でチタン蒸気をイオン
化して窒化アルミニウム層表面上にチタンの金属化層を
形成させた時の耐熱衝撃温度を第５表に示す。また比較
の為、窒化アルミニウム被覆を行なわずに窒化珪素に直
接チタン層を形成させた時の耐熱衝撃温度も併記する。

この時の耐熱衝撃温度はある温度に試料を１し 時間保持した後０℃の水中に焼入れ中、被膜が剥離する
焼入温度と定義する。

第５表 実施例６ 窒化珪素を平面研磨した後、実施例１と同条件でイオン
エツチングを施し、その後２８０Ｗの高周波プラズマ中
でアルミニウムをイオン化して窒化珪素上に窒化アルミ
ニウムのイオンブレーティングを１０秒間行い、続いて
３００Ｗの高周波プラスぐ中でＦｅ蒸気を発生させＦｅ
のイオンブレーティングを８秒間行った。さらに窒化ア
ルミニウムのイオンブレーティングとＦｅのイオンブレ
ーティングを各々合計２０回及び３５回ずつ行って窒化
珪素上に窒化アルミニウムとＦｅの混合層を形成した。

この試片の耐熱衝撃温度を第６表に示す。

第６表 特許請求の範囲 （１）　　セラミックスをメタライズする方法に於いて
、セラミックスを真空下でイオンエツチングした後直ち
に必要とする金属及びまたはセラミックスをイオンブレ
ーティングし、必要によりろう付性あるいははんだぬれ
性等を向上させるための金属被覆層を形成することを特
徴とするセラミックスのメタライズ方法。

被覆層間の熱膨張係数を段階的に変化させた特許請求の
範囲第（１）項記載のセラミックスのメタライズ方法。

↓ （３）　　セラミックをメタライズする方法に於いて、
セラミックスを真空下でイオンエツチングした後直ちに
セラミックスと金属を交互にイオンブレーティングする
ことによりセラミックスと金属の混合層を形成し、さら
に必要によりろう付性あるいは、はんだぬれ性を向上さ
せるための金続被覆層を形成することを特徴とするセラ
ミ代理人　弁理士　　吉　竹　昌　司 −４２（

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）　　セラミックスをメタライズする方法に於１７
   ）で、セラミックスを真空下でイオンエツチングした後
   直ちに必要とする金属及びまたはセラミックスをイオン
   ブレーティングし、必要によりろう付性あるいははんだ
   ぬれ性等を向上させるための金属被覆層を形成すること
   を特徴とするセラミックスのメタライズ方法。