JPS61174185A - 炭化物系セラミツク体の金属化方法 - 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】 本発明は耐高温、高強度材料、耐摩材料等の用途に使用
される炭化物系セラミック体を金属化するための方法に
関するものである。

セラミック体、特にアルミナ（Ａ　１２０　、）セラミ
ック体への金属化法は古（からセラミックコンデンサー
の電極付けや真空管、気密端子などの金属封着技術とし
て用いられ、更に、真空管がトランジスタ、集積回路に
移行するにつれ配線用導体としての利用が急速に進み、
最近ではセラミック多層配線基板の導体部形成のために
は欠（ことのできない重要な技術となっている。

このようなセラミック体上への金属化法としては厚膜や
薄膜による方法、無電解メッキ法によるほか、高温処理
による耐熱金属化粉末焼結法、活性金属法などが知られ
ている。

アルミナセラミック体の金属化方法としては、一般的に
蒸着法を用いて金属を高真空中で活性な超微粒子状にし
てセラミック体表面に物理的に被着させる方法、あるい
は例えばモリブデン（ＭＯ）粉末とマンガン（Ｍｎ）粉
末を含む金属化用組成物を適当な粘結剤と溶剤とから成
るバインダー、溶剤を用いてペースト状となし、これを
セラミック体上に塗布した後、水蒸気を含む弱酸性の水
素雰囲気あるいは水素と窒素の混合雰囲気中で焼成して
金属化層を形成する方法が採用されている。

後者の方法においては、水蒸気を含む水素もしくは更に
窒素を含有する雰囲気中での焼成過程で、ＭｎがＭｎＯ
に酸化され、セラミック体中のＡ１□Ｏ１、Ｓ　ｉ　Ｏ
ｘ　ト反応Ｌ　テＭ　ｎ　Ｏ−Ａ　Ｉ　２０３−　Ｓ　
ｉ　０２　ｆ）流動性ガラスが形成され、これがＡ　Ｉ
２０　、粒子間に浸透してマトリックスを形成するため
、金属化層とＡ１□０３焼結体との強固な接着が得られ
る。このため、ガラス形成を促進しより強固な接着を得
るため前記金属化組成物にＡ　Ｉ２０、．５ｉｎ２、Ｃ
ａＯ等のガラス成分を添加することが一般的に行なわれ
ている。

上記の方法で形成された金属化層は、その上にＮｉメッ
キが施された後、半田付けやロウ付けを行うことができ
る。

このように従来から一般に広く用いられているアルミナ
、ベリリリ７等の酸化物系セラミック体上への金属化方
法は数多く開発され、基本的には上記のように高活性化
された蒸着金属微粒子による方法と酸化物系セラミック
となじみの良いガラスを介して金属成分を接着する方法
とが技術的には確立している。

しかるに、近年セラミックの新規材料の開発に伴い、従
来の酸化物系セラミックにはない優れた性質、例えば高
温高強度、高耐熱衝撃性、耐薬品性をもち、物理的、化
学的にも安定な炭化珪素等の炭化物系セラミック材料が
使用されるに至り、その用途も電子部品材料に留とまら
ず、〃スタービンやシーリング等の産業機械用材料へと
広がっている。

炭化物系セラミックをこれら産業機械部品として使用す
る場合、セラミック体同士接合したり、セラミック体と
金属部材とを接合することは必要不可欠であり、その方
法の一つとしてセラミック体の接合部分に金属化層を施
した後、金属を接着することは有効な手段である。

しかしながら、炭化物系セラミック体は従来のアルミナ
セラミック体等に用いていた金属化組成物及びそれを用
いた方法によっては、セラミック体と金属化層との強固
な接着が得られなかった。

例えば、蒸着法によれば工程の特殊性とともに基本的に
物理的な接着であるために接着強度が弱（、かりに強度
を向上すべく加熱すると反応性が高いために炭化物を生
成し、脆弱な反応相を形成し、更に接着強度が低下する
。またガラスを介して接着する方法では、ガラスが炭化
物系セラミックとは濡れ性が悪く、高温焼成するとガラ
ス中のＳ　ｉ　Ｏ＊が炭化物により還元されて強度が低
下するために強固な接着強度が得られず、優れた金属化
層を形成することは困難であり、炭化物系セラミックに
有効な金属化方法が待望されていた。

従って、本発明の目的は、炭化物系セラミック体の表面
に強固に接着された金属化層を形成するための方法を提
供することにある。

本発明によれば、Ｗ粉末８０〜３０重量部とＳｉ粉末２
０〜７０重量部とさらにバインダーとを含有せしめた金
属化用組成物ペーストを、炭化物系セラミック体の所要
箇所に塗布した後、窒素雰囲気以外の非酸化性雰囲気中
で１，３００〜１，６００℃の範囲内の温度で焼成する
ことを特徴とする炭化物系セラミック体の金属化方法が
提供される。

炭化物系セラミックは一般に熱膨張係数が小さく、焼結
法により多少異なるが常温から約４００℃の温度範囲で
下記の熱膨張係数を有しで（・る。

炭化珪素（ＳｉＣ）セラミック二３・、５〜５．５（Ｘ
　１０−’／”Ｃ）炭化タンタル（ＴａＣ）セラミック
二６．６〜８．４炭化チタン（ＴｉＣ）セラミックニア
、４炭化はう素（８４Ｃ）セラミック：４．５炭化タン
グステン（ＷＣ）セラミック：４〜６．２従って、これ
ら炭化物系セラミックの金属化方法においては、金属化
用組成物とセラミックの熱膨張係数の差を小さくする必
要上、少なくとも一種の金属化用金属粉末として低熱膨
張係数の高融点金属を用い、更に炭化物系セラミックと
金属化層との強固な接着を得るために、炭化物系セラミ
ックと濡れ性の良い金属を混合することが最も重要な因
子であることを本発明者等は見い出した。

本発明においては、前記低熱膨張係数の高融点金属とし
て、熱膨張係数が常温で４．３Ｘ　１０−’／”Ｃであ
るＷが用いられる。

また炭化物系セラミックと濡れ性の良い金属としては、
Ｃｕ１Ｚｎ、Ｂ、ＡＩ％Ｓｉ、Ｃｏ、Ｎｉがあるが、そ
の中からＳｉが選択される。

Ｓｉは、ＳｉＣセラミック、ＴａＣセラミック、ＴｉＣ
セラミック、Ｂ４Ｃセラミック、ＷＣセラミックの炭化
物セラミックに対して好適である。

上記ＷとＳｉとは、Ｗを８０重量部〜３０重量部と、Ｓ
ｉを２０重量部〜７０重量部との配合比で、それら粉末
が混合される。

なお、上記の配合比は、金属化される炭化物系セラミッ
クの熱膨張係数を配慮しながら、上記範囲内で適宜設定
すればよい。

次に、上述した金属化用組成物を用いて炭化珪素質セラ
ミックの表面を金属化する方法の具体例を挙げると、上
述したＷとＳｉの粉末にα−チルピノール又は水等の周
知の溶剤、エチルセルローズ又はポリビニルアルコール
等の周知の粘結剤から成るバインダ、−を添加して流動
性を備えたペースト状にし、これをスクリーン印刷、羽
毛塗り、ブラシュバンド、スプレー、あるいは浸漬等の
手段でもって炭化珪素質セラミック体の被金属化対象表
面に塗布した後、減圧下、アルゴンがス、水素等の非酸
化雰囲気中にて１，３００℃〜１，６００℃ノ範囲の適
宜温度で焼成する。

上記の金属化用粉末の配合比については、前記＠面外で
は、炭化物系セラミック表面に対する金属化状態が不良
で、接合強度の十分なものが得られない。

また焼成温度に関しては、１，３００℃未満ではＷとＳ
ｉとからなる液相が生成されず、炭化物系セラミックと
の濡れ性が不充分で、良好な金属化が進行しなく、一方
１，６００℃を越えると炭化物セラミックとの反応が激
しくなってＷＣの生成が顕著となり、炭化物系セラミッ
ク表面層に多孔質層が形成される結果、十分な接着強度
の金属化層が得られない。

そして、非酸化性焼成雰囲気として、窒素雰囲気を採用
すると、焼成中に金属化組成物中のＳｉ（珪素）がＮ２
（窒素）と反応して、窒化珪素を生成するため、良好な
金属化層が形成されなくなる。

本発明方法によれば、後述する試験法による値で６　Ｋ
　ｇ／　ｗｒｍ２以上の曲げ強度を有する金属化層が炭
化物系セラミック体表面に生成される。

以下、本発明の実施例について説明する。

（実施例１） タングステン（Ｗ）粉末と珪素（Ｓｉ）粉末とを表１に
示した割合（重量％）で配合し、有機バインダーを添加
して金属化用組成物（メタライズペースト）を作り、炭
化物系セラミックの代表的なものである炭化珪素質セラ
ミック体上にスクリーン印刷し、その後、アルゴン雰囲
気の炉中において、１，４００℃で焼成してセラミック
体表面を金属化させた。

表１に掲げた金属化状態は金属化された表面を目視観察
した結果である。この結果は、金属化面の表面に亀裂や
ボイドの発生状態に応じて優劣をつけているため、表面
状態の優劣の結果によって金属化面の接着性の良否が判
断できる。

表　　１ Ｎｏ、　　　Ｗ（％）　　　Ｓｉ（％）　　金属化状態
１　　１００　　　　０　　　　　　　Δ４　　　　６
０　　　　　　４０　　　　　　　　　　◎５　　　　
５０　　　　　　５０　　　　　　　　　　　◎６　　
　　４０　　　　　　６０　　　　　　　　　　　◎８
　　　　　１０　　　　　　　９０　　　　　　　　　
　　　Δ９　　　　　　０　　　　　　１００　　　　
　　　　　　　　Ｘ◎・・優　　　Ｏ・・良 Δ・・やや良　×・・不可 以上実験の結果等がら、タングステン８０〜３０％に対
して珪素２０〜７０％の割合のメタライズペーストの場
合に優れた金属化表面が得られ、タングステン６０〜４
０％に対して珪素４０〜６０％のメタライズペーストが
最適であることが判った。

次に、表１中の試料Ｎｏ、４のメタライズペーストを二
個の炭化珪素質セラミック体の端面に塗布した後、塗布
面を当接した状態で上記の条件で焼成し接合した試験片
について、接合面に応力がかかるようにして曲げ強度を
測定した結果、１８　Ｋｇ／ｍ＋。

２の値が得られた。また、Ｎｏ、３のものでは９Ｋ。

／１２、Ｎｏ、５のものでは１６　Ｋ　ｇ／　ｍｍ２の
強度を示した。比較のために試料Ｎｏ、１のメタライズ
ペーストを用いて上記と同一の実験を行ったところ、２
Ｋｇ／ａｍ”であった。

なお、上記試験片の作製方法及び曲げ強度の測定方法は
次の通りである。

３．５ｍｍＸ２０ｍｍＸ１５ｍｍの平板状の２個の炭化
珪素質セラミック体の３．５ｍｍＸ２０ｍ５の端面にメ
タライズペーストを塗布した後、塗布面を付き合わせた
状態で焼成し、次いで、その接合されたセラミック体を
グイ７モンドカツターで切り出し、３　ｍｍＸ　３　ｍ
ｍＸ　３０　ｍｍでその長さ方向の中央に接合部が存在
する試験片を作製した。

この試験片の曲げ強度の測定は接合部を上部荷重点とし
、下部の支点間距離を２０−とした３点曲げ法により行
った。

さらに、前記試料Ｎｏ、３のメタライズペース）（Ｗ７
０重１％、５ｉ３０重量％）による炭化珪素質セラミッ
ク体表面の金属化処理を、０１２００℃　Ａｒ雰囲気中 ０１２００℃　ｐＪ２　／／ ■１４００　”（：　　Ａ　ｒ　　／／■１４００℃減
圧下（１０−”ｔｏｒｒ）０１７００℃　Ａｒ／／ ＠１７００″ＣＮ２　／／ で各々実施した結果、その成績は金属化状態が■、■が
×、■、■が○、■がΔ、■が×であった。

以上述べたように、本発明による金属化方法によれば、
炭化物系セラミック体、特に、炭化珪素質セラミック体
に対して、アルミナ等の酸化物系セラミック体と同様、
容易に強固な金属化層を形成することが可能となり、し
かる後に、該金属化表面にニッケル、銅等のメッキを行
った後、金属を半田、銀ロウ付は等の既存の技術により
接合することが可能となった。

このように本発明による金属化技術を利用し、従来のロ
ウ付は等の技術を組合わせることにより、炭化物系セラ
ミック体を高温機構部材あるいは、メカニカルシール等
の耐摩耗部品として使用する場合の複合化及び電気・電
子部品の電極端子等への利用が可能となり、その効果は
絶大である。

特許出願入京セ　ラ株式会社

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. Ｗ粉末８０〜３０重量部とＳｉ粉末２０〜７０重量部と
   さらにバインダーとを含有せしめた金属化用組成物ペー
   ストを、炭化物系セラミック体の所要箇所に塗布した後
   、窒素雰囲気以外の非酸化性雰囲気中で１，３００〜１
   ，６００℃の範囲内の温度で焼成することを特徴とする
   炭化物系セラミック体の金属化方法。