JPS61215272A - セラミツクス部材と金属部材との接合方法 - 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】 ［発明の技術分野］ 本発明はセラミックス部材と金属部材との接合方法に関
し、更に詳しくは、接合強度が高くかつセラミックス部
材にクラックを発生させることのない新規な接合方法に
関する。

［発明の技術的背景とその問題点］ 窒化ケイ素、炭化ケイ素、アルミナのような各種セラミ
ックスからなる部材は、それぞれが備える特異な特性を
生かすことにより、構造部材、各種機能部材として広く
利用されはじめている。その多くの場合は、セラミック
スそれ自体を単独で利用するという態様である。

しかしながら、仮にこれらセラミックス部材にセラミ−
２クスにはない他の特性を有する金属を接合できるとす
れば、得られた部材は新たな機能を備えた部材として一
層広い分野での利用が可能になるものと考えられる。

このような部材において、それが構造部品である場合に
はセラミックス部材と金属部材との接合強度は充分に高
いことが要求され、また機能部材である場合にはセラミ
ックス部材と金属部材との接合界面では連続性を有する
ことが要求される。

しかしながら一般に、セラミックスと金属とは各々原子
結合状態が相違する材料であり１両者の反応性などの化
学的性質；熱膨張率：電気伝導度などの物理的性質が互
いに異なるため、両者の接合時においては、両部材の接
合界面では信頼性の高い冶金的接合状態が形成され難い
。

ところで、従来より金属部材とセラミックス部材との冶
金的接合方法としては以下に示すような種々の方法が知
られている０例えば、 ■　第１は、セラミックス部材の金属部材と接合すべき
面にＮｏ−Ｔｉ−Ｗが主成分である粉末と有機バインダ
との混合物を塗布し、加湿した雰囲気中で１４００〜１
７００℃に加熱して反応させて、通常、メタライジング
と呼ばれる層を形成し、次いで。

前記メタライジング層の上にＮｉメッキを施した後、該
Ｎｉメッキに金属部材（例えばＣｕ母材）をρｂ−３ｎ
系半田などにより接合する方法である。

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ックス部材と導体としてのＣｕ部材
を接合する場合に多用されている。

■　第２は、金属部材とセラミックス部材とをＡｕ、　
Ｐｔのような貴金属、つまり酸素との親和力が小ざい金
属を主成分とする合金を用いて接合する方法である。

■　第３は、金属部材とセラミックス部材との接合部に
Ｔｉ、　Ｎｂ、　Ｚｒなどの活性金属又は熱処理によっ
て活性金属に転化する活性金属水素化物を介在させた後
、両者を高温、高圧下で接合する方法である。

しかしながら、上記■の方法は必要とする工程の数が多
くなり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の下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メリットは極めて少な
く、しかも金属部材とセラミックス部材とが十分に接触
するように高い圧力を必要とする。上記■に方法では、
活性金属の効果により強固な接合が可能ではあるが、し
かし前記■の方法と同様に高い接合圧力を必要とするた
め変形を嫌うような部品等には適用することは好ましく
ない。

このような問題を解消するために、米国特許第２，８５
７，８８３号明細書では次のような接合方法が開示され
ている。すなわち、その方法とは、Ｔｉ。

Ｚｒなどの活性金属とＣｕ、旧、Ｆｅなとの遷移金属と
の合金は、その共晶組成領域で活性金属の単体の融点（
Ｔｉ；１７２０℃、Ｚｒ；１８８０℃）及びＣｕ、Ｘｉ
、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、遷移金属の部材とセラミックス部材の接合
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１ｍｍ金金属融点より低い温度
に加熱し、遷移金属と活性金属の原子を相互に拡散せし
めて合金化し、この合金によって遷移金属部材とセラミ
ックス部材とを接合する方法である。

この方法の場合、接合時、接合部は遷移金属と活性金属
との合金の融液で満たされ、それが金属部材とセラミッ
クス部材とを濡らすので、各部材を接触させるための加
圧力を殆ど必要とせず、かつ活性金属の働きにより両部
材は強固に接合されることになる。

しかしながら、この方法の欠点は、得られたセラミック
ス−金属接合部材を冷却する過程でセラミックス部材に
クラックが頻発するという問題である。これは、セラミ
ックス部材と金属部材との間に発生する熱応力に基づく
現象である。

例えば、セラミックス部材がアルミナ、窒化ケイ素の場
合、それぞれの線熱膨張係数は８．８×１０４　／”０
　、　２．５Ｘ　１０”　／”Ｃであり、Ｃｕ、旧、Ｆ
ｅなどに比べてその値は約１桁小さいもので、両者の接
合部に発生する熱応力は大きくなる。

しかも、熱応力は接合時の温度と冷却時の温度（室温）
との差が大きければ大きいほど増大する。したがって、
熱応力を減ず°るためには接合時の温度を低めることが
求められ、そのことは接合時に低融点のろう材の使用を
要求することになる。

この観点に立った方法としては、活性金属を含むろう材
とこのろう材の間に延性に富むＧｕ、　Ｃｕ合金、Ａｌ
などの金属薄板を介在させ、該ろう材と金属部材を点溶
接して一体化した接合材料を用いてセラミックス部材と
金属部材を接合する方法（特開昭５８−１８３０９３）
が提案されている。また、活性金属を含むろう材をセラ
ミックス部材と金属部材の両者に拡散せしめて構成した
接合体も開発されている。

しかしながら、これら方法は複雑な工程、長時間の熱処
理を不可避とするので工業的とはいえず、しかもセラミ
ックス部材と金属部材間の熱応力の緩和には必ずしも有
効ではない。

上記手法の適用時における応力緩和を果たすための方法
としては、セラミックス部材と金属部材の間に軟質金属
の層を介在させその塑性変形及び弾性変形によって熱応
力を緩和する方法（特開昭５８−４１８７９号参照）、
セラミックス部材と金属部材の間に線膨張率が両者の中
間の値を有する材料の層を介在させる方法（特開昭５５
−１１３８７８号公報参照）やセラミックス部材から金
属部材にかけて線膨張率が小から大へと変化する複数の
層を順次積層して介在させる方法（特開昭５５−７５４
４号参照）などが開示されている。

しかしながら、活性金属を含むろう材での上記接合法の
場合、接合面にかかる圧力によって、しばしば溶融ろう
材が接合部からはみ出すことがある。このはみ出した溶
融ろう材の量が多くなると、凝固冷却する過程において
、セラミックス部材とろう材の熱膨張係数の差に基づく
熱応力によりセラミックス部材にクラックの生じること
がある。この現象を防止するためには、はみ出しがなく
かつ接合部全面をろう材がぬらすために必要な最適なろ
う材の量（厚さ）を決めればよいのだが、しかし用いる
接合材料、接合圧力、接合温度、雰囲気等の条件により
、ろう材の最適量を決めるのは非常に困難である。また
、はみ出しを機械的に防止する方法、たとえば、ろう材
とのぬれ性の悪い材料を用いて接合部外周をシールする
方法が考えられているが、この方法はぬれ性の悪い材料
の選定が困難であるばかりではなく、接合工程の煩雑化
を招くことになり現実的な方法とはいい難い。

このようなことから、熱応力を緩和でき、溶融ろう材の
はみ出しがなく、高い接合強度でセラミックス部材と金
属部材を簡単に接合する方法は強く求められている。

［発明の目的］ 本発明は、セラミックス部材と金属部材とを加圧するこ
となく強固に接合することができ、しかも冷却過程でセ
ラミックス部材にクラ７りを発生することのないセラミ
ックス部材と金属部材の接合方法の提供を目的とする。

［発明の概要］ 本発明者らは、セラミックス部材と金属部材との間に応
力緩衝部材を介在せしめて全体をろう材で接合する方法
に関し鋭意研究を重ねた結果、ろう材の種類、ろう材の
厚みを後述するように制御すると、上記目的が達成し得
るとの事実を見出し、本発明方法を開発するに到った。

すなわち、本発明のセラミックス部材と金属部材との接
合方法は、セラミックス部材と金属部材との間に厚み０
．２ｍ■以上の応力緩衝部材を介挿し、該セラミックス
部材と該応力緩衝部材との間及び／又は該金属部材と該
応力緩衝部材との間に、厚み１〜１９戸の銀層と厚み０
．５〜８μｍの活性金属層とからなりかつ全体の厚みが
２〜２０μｍである薄層Ａ又は厚み１〜！３戸の銀層と
厚み０．５〜８μｍの活性金属層と厚み８−以下の銅層
とからなりかつ全体の厚みが２〜２０−である薄層Ｂを
介在させたのち、全体を加熱することを特徴とする。

まず、本発明方法を適用し得るセラミックス部材として
は１例えば、ＡＪ１２０３．ＺｒＯ２のような酸化物系
セラミックスの部材；　Ｓｉｎ、Ｔｉｅのような炭化物
系セラミックスの部材；　Ｓｉ３Ｎ４．　Ａｎ　Ｎのよ
うな窒化物系セラミックスの部材゛；をあげることがで
きる。また、金属部材としては、Ｆｅ、　Ｎｉ、　Ｃ−
。

Ｔｉ、　Ｎｏ、凱Ｗｂ、、　Ｔａ、　Ｚｒのような金属
の部材若しくはこれら金属の適宜な合金の部材をあげる
ことができる。

本発明方法はまずセラミックス部材と金属部材の間に厚
み０．２１以上の応力緩衝部材を介挿せしめる。この部
材の厚みが０．２一層より薄い場合は、セラミックス部
材と金属部材との間に発生する熱応力を有効に吸収する
ことができず、クラックが多発しはじめる。好ましくは
、０．２〜２．０騰鵬である。この応力緩衝部材を構成
する材料としては、■セラミックス部材と金属部材との
熱膨張差を自らが便性変形したり弾性変形したりして吸
収することのできる例えばＡ！Ｌ、　Ｃｕのような軟質
金属、■線膨張率がセラミックス部材と金属部材との中
間の値である例えばＮｏ、　Ｗ、　Ｔｉのような材料、
■線膨張率が適宜に調整された複合層の材料、などをあ
げることができる。

つぎに、セラミックス部材と応力緩衝部材との間、若し
くは応力緩衝部材と金属部材との間又は両方に、後述す
る薄層Ａ又は薄層Ｂを介在せしめる。

まず、ｆａ層Ａは厚み１〜１８μｍの銀層と厚み（１，
５〜９ｐｘｉの活性金属層とから成り、かつその全体厚
が２〜２０岸の層である。また、薄層Ｂは厚み１〜１８
μｍの銀層と厚み０．５〜８牌の活性金属層と厚み　８
μｓ以下の銅層とから成り、かつその全体厚が２〜２０
μｍの層である。

これら両層における活性金属層を構成する活性金属とし
ては、　Ｔｉ、　Ｚｒ、　Ｈｆ、　Ｖ、　Ｗｂ、　Ｔａ
などを例示することができる。また、薄層Ａ、薄層Ｂの
いずれにあっても、銀層と活性金属層（薄層Ａの場合）
、＃Ｉ暦と活性金属層と銅層（薄層Ｂの場合）の順序は
格別限定されるものではないが、薄層Ａの場合はセラミ
ックス部材側から活性金属層、銀層の順で介在させるこ
とが好ましく、また、薄層Ｂの場合は各層がそれぞれ１
層だけである必要はなく、それぞれの複数層が介在して
いてもよい。

また、各層はこれら各成分の合金の層であってもよい。

薄層Ａ、薄薄層において、銀層の厚みが１戸。

活性金属層の厚みが０．５−より薄い場合、銅と活性金
属との融液が少なくなるのでセラミックス部材と応力緩
衝部材又は、金属部材と応力緩衝部材との間を満たすこ
とが出来ず、またこれらの層の厚みが１９−より厚い場
合は融液が多くなり過ぎ、融液が接合部からはみ出し、
このはみ出した融液が凝固冷却する過程において、セラ
ミックス部材とろう材の熱膨張率の差に基づく熱応力に
よりセラミック部材にクラックが生ずるという不都合を
招く、また薄層Ｂにおいて銅層の厚み力ζ８−より厚く
なっても融液が多くなり、前述のごとくセラミックス部
材にクラックが生ずるような事態を招来して不都合であ
る。

ｆＪＪＭＡ、薄層Ｂのいずれもは、その全体層が２〜２
０−に設定される。この全体層が２戸より薄い場合はセ
ラミックス部材と金属部材の高い接合強度が得られず、
また、２０戸を超えると加熱溶融時接合部の外部にまで
溶融した薄層Ａ、薄層Ｂの成分がはみ出して広がり、熱
応力に基づくセラミックス部材へのクラックが発生しは
じめる。好ましくは２〜１０ＩＵＩである。

これら薄層Ａ、薄層Ｂを介在せしめる方法としては、セ
ラミックス部材、金属部材又は応力緩和部材の表面に前
記した各層の箔を載せてもよいが、前記した各層の成分
をスパッタリング法、蒸着法、めっき法などの方法によ
って堆積せしめる方法が工業的に容易であって好適であ
る。この各成分の堆積時には、金属部材の接合面にこの
処理を施すと、工程も容易でありかつ安定した接合が可
能となる。

このようにして得られた、セラミックス部材。

薄ＭＡ又は薄層Ｂ、応力緩和部材、薄層Ａ又は薄層Ｂ、
金属部材を重ね合わせ真空雰囲気或いは不活性雰囲気中
にて加熱する。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Ｉｋｇ／ｍ腸２以下の
低圧を加えて加熱してもよい、加熱温度は、金属部材の
融点より低いことが必要である。具体的には、７７８℃
から金ｍ部材の融点の範囲で加熱すればよい。

［発明の実施例］ 実施例１〜５ セラミックス部材として直径１３ｓ■高さ１０ｍｍの窒
化ケイ素円柱体、金属部材として直径１５層層高さ１５
ａｍの構造用炭素鋼（ＪＩＳ　Ｇ４０５１で規定する９
４５Ｃ）の円柱体を用意した。応力緩衝部材として直径
１４ｍｍで厚みが第１表のような値の銅（ＪＩＳ　８３
１００で規定する０１２２１Ｐ）板を用意した。

窒化ケイ素部材と炭素鋼部材の間に銅板を介在させ、窒
化ケイ素部材と銅板の間、及び銅板と炭素鋼材の間に第
１表に示した厚みのチタン箔と銀箔とを挟んで重ね合わ
せ、　０．１ｋｇ／ｃｍ”の圧力を加えながら、　　５
Ｘ　１０”　Ｔｏｒｒ　、　　８８０℃の条件下で３０
秒間保持した。アルゴンガス中で冷却し、得られた接合
体を引張試験機にかけて接合部の引張強さを測定した０
以上の結果を一括して第１表に示した。

第１表 実施例１〜５はいずれも接合部の引張強さが１３ｋｇ／
ｍ■２以上であって両部材間の熱応力は充分に緩和され
ていることが推考される。これに反し、比較例の場合は
いずれも引張強さが小さく、接合面ではクラック等の欠
陥が発生しているものと思われる。事実、比較例２の場
合は、窒化ケイ素部材にクラックが発生していた。

実施例６ 金属部材として同形状のモリブデン円柱体を用いたこと
、銀箔の厚み、チタン箔の厚みがそれぞれ３−であった
ことを除いては実施例５と同様にして接合体を製造した
。

得られた接合体の引張強さの最高値は、室温下で　ＩＯ
，９ｋｇ／ａｍ２　、　　４００℃で　１５．７ｋｇ／
−ｍ２　、　　８００”０で８．４ｋｇ／謹層２であっ
た。

実施例７ セラミックス部材が同形状の炭化ケイ素円柱体、金属部
材が同形状の５ｕｓａｔｅ製円柱体、応力緩衝部材が厚
み１ｍｓのタングステン円板、薄層Ａ。

薄ＭＢがいずれも厚み３ＪＩＪＩのチタン箔、厚み５μ
の銀箔、厚み２μｍの銅箔であったことを除いては、実
施例１と同様の方法で接合体を得た。

接合部の引張強さは室温下で８．８ｋｇ／ｍｓ”であっ
た。

［発明の効果１ 以上の説明で明らかなように１本発明方法は、セラミッ
クス部材と金属部材とを極めて簡単に接合して各種の機
能性を示唆する接合体を製造することができる。そして
、従来頻発していたセラミックス部材のクラック現象が
防止若しくは抑制されて、接合部にける接合強度が大き
くなる。しかも、接合部において、溶融物のはみ出しも
なくその外観は良好である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、セラミックス部材と金属部材との間に厚み０．２ｍ
   ｍ以上の応力緩衝部材を介挿し、該セラミックス部材と
   該応力緩衝部材との間及び／又は該金属部材と該応力緩
   衝部材との間に、厚み１〜１９μｍの銀層と厚み０．５
   〜９μｍの活性金属層とからなりかつ全体の厚みが２〜
   ２０μｍである薄層Ａ又は厚み１〜１９μｍの銀層と厚
   み０．５〜８μｍの活性金属層と厚み８μｍ以下の銅層
   とからなりかつ全体の厚みが２〜２０μｍである薄層Ｂ
   を介在させたのち、全体を加熱することを特徴とするセ
   ラミックス部材と金属部材との接合方法。 ２、該応力緩衝部材が銅又は銅合金から成る特許請求の
   範囲第１項記載の方法。 ３、該活性金属がチタン若しくはジルコニウムである特
   許請求の範囲第１項記載の方法。