JPS61291943A - メタライズ用合金 - Google Patents

メタライズ用合金

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JPS61291943A
JPS61291943A JP13348085A JP13348085A JPS61291943A JP S61291943 A JPS61291943 A JP S61291943A JP 13348085 A JP13348085 A JP 13348085A JP 13348085 A JP13348085 A JP 13348085A JP S61291943 A JPS61291943 A JP S61291943A
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alloy
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metallization
vacuum
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Masaaki Naga
奈賀 正明
Ikuo Okamoto
岡本 郁男
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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】 (A) 〔産業上の利用分野〕 本発明は、セラミックスとセラミックス、あるぃはセラ
ミックスと、lまたはAl合金を接合できるメタライズ
用合金と、そのメタライズ接合法に係るもので、セラミ
ックスとAlまたはへρ合金相互間の、接合を比較的低
温で容易に、かつ高強度に接合できる、メタライズ用合
金、ならびにその接合法に関するものである。
(B) 〔従来の技術〕 セラミックスとAlまたはAρ金合金接合するには、従
来、活性金属法や、高融点金属法、あるいはMo−Mn
法等により、セラミックス面にメタライズした後、その
メタライズ面(ニニッケルメンキ等を施した上、lろう
材を使用してAlまたはAp金合金接合す゛るという複
雑な製法がとられ、いずれも高温処理で、高温炉を必要
とし、設備費も高く、またメッキ工程を要する等、製造
過程も複雑であり、製造コストも高くなる等の不都合が
あった。
またセラミックスlこANiこでメタライズをすること
もできるが、十分な接合強度を得ることは困難であった
その他活性金属法は、Ti、Zr等の活性金属を使用す
るためメタライズ過程において酸化しやすく、ソノ酸化
物がメタライズ層に残留してメタライズ強度を低下した
り、粉末を完全に均一に混合することは非常に困難であ
り、その為のメタライズ層の不均一性に基づく、メタラ
イズ強度の低下を招く等の不都合があった。
また、Mo−Mn法はMoとMnの微粉末を有機バイン
ダでペイント状にしたものを、セラミックスの表面に塗
布して、加湿水素または加湿7オーミングガス(H2/
N2)中において、1573〜1973にでメタライジ
ングし、そのメタライズ面にNiメッキを施した後、ろ
う材を使用して接合金属とろう付けする方法である為、
製造設備や製造方法が容易でなく、高温処理を伴なう為
、高温炉を必要とし、設備費が高くなり、製造コストが
高くなる。
更に、これらは高温処理のため、セラミックスも高温に
良く耐えるものの使用に限定される等の制約があり、決
して使いがっての良いものではなかった。
また、活性金属法と同様に微粉末を混合して、使用する
が、均一な混合は困難であり、従って不均一なメタライ
ズになる心配があった。
(C) 〔発明が解決しようとする問題点〕本発明は、
上記したような活性金属法や高融点金属法あるいはMo
−Mn法等、従来のメタライズ金属や接合法より低温の
処理が可能で、作業性に優れ、メタライズが容易で、か
つ酸化等の変質を防止し、常に均一な成分を保持し、メ
タライズも、常に均一で強固なメタライズ強度を得るこ
とのできるもので、セラミックスとセラミックス、ある
いはセラミックスとAlまたはAN合金のメタライズ接
合に有効な、メタライズ用合金、ならびにメタライズ接
合法を提供するものである。
(D) 〔問題点を解決するための手段〕本発明は、セ
ラミックスとセラミックス、あるいはセラミックスとA
lまたはAl合金相互間を容易高強度に接合するための
メタライズ用の合金であ リ 、 重量比で、Cu 0.5〜45%と、残部がAl及び不
可避的不純物からなるセラミックスのメタライズ用合金
である。
即ち、重量比で0.5〜45%Cuと残部Alを、真空
中または不活性ガス中で、合金化したもので、必要に応
じて粉末状またはシート状等として使用するものである
。 なお、微粉末の粒度は、セラミックスへの塗布方法
に応じて使用しやすい粒度とすることがでとる。このメ
タライズ用合金粉末によるメタライズ法は、メタライズ
合金粉末にバインダを加えてペースト状とし、セラミッ
クスに塗布後、真空中または不活性ガス中または還元性
雰囲気中でメタライズ用合金の融点以上に加熱してメタ
ライズするものである。
例えば、本発明の所要粒度のメタライズ用合金粉末を、
メタクリレート、ニトロセルローズあるいはテレピン油
等のいずれかの有機バインダーを加えてペースト状とし
、第1図に示すようなセラミックス1例えばA !20
 、等のAN2の接合個所にスクリーン印刷または刷毛
塗り等により塗布後、真空中または不活性ガスあるいは
還元性雰囲気中で、メタライズ用合金の融点(821K
〜933K)以上に加熱すれば、メタライズ用合金粉末
中のCuがセラミックス中に拡散して強固なメタライズ
層3が形成される。
また本発明のメタライズ用合金のシート状のものを使用
してメタライズする場合は第1図に示すようにセラミッ
クス1のA′12の接合個所に本発明のメタライズ用合
金な載置後、真空中または不活性ガスあるいは還元性雰
囲気中でメタライズ用合金の融点以上に加熱すれば、メ
タライズ用合金中のCuがセラミックス中に拡散して強
固なメタライズ層3が形成される。
次にメタライズ層3とAl2間に、第1図に示すように
Alろう4例えば4004を挟在ぜしめた後、真空中ま
たは不活性ガス中にて加熱ろう付けすれば、A[ろう4
はセラミックス1とA[2の間に満遍無く拡散して、強
固に接合される。
具体的には、第2図に示すように、例えばAl20.1
に、本発明のメタライズ用合金Aρ−4Cu(Al、9
6%−Cu4%)により、真空中または不活性ガス中あ
るいは還元性雰囲気中で、1373K。
3.6KSecの条件でメタライズしたAN20,1の
メタライズ層3とAl母材2との間にlろう4例えば4
004(9%5i−1%Mg−残部Aρ)を挟んで88
3に、180Secで接合すれば、第2図に示すように
Alろう4例えば4004中のAgはAl母材2中に、
Siはメタライズ層3(Ag−Cu)中に拡散して、強
固に接合するものである。
(E) 〔発明の効果〕 従来の活性金属法では、活性金属のTiやZrと、低融
点合金を作るCuやNiあるいはAg等の粉末混合が均
一1こなり難いためと、活性金属の酸化等による変質や
、メタライズ部に酸化物の残留等により、各部均一な接
合が困難で、接合製品にばらつきを生じたりして、均一
強固な接合が困難であった。
また、高融点金属法においても、例えばMOlMn等の
混合において、同様に均一な混合が困難という問題があ
る上、高温処理を必要とするため、製造が容易でなく、
製造設備曹も高く、メタライズするセラミックスも高温
によく耐えるものに限定される等の制約があり、またメ
タライズ面にメッキを施さなくてはならないといった、
煩わしさがあった。
本発明のメタライズ用合金においては、0.5〜45%
のCuと残部Alを真空中または不活性ガス中で、合金
化して、混合の不均一性をなくし、常に均一性を保持で
きるようにした。
また、本発明のメタライズ用合金の組成において、Cu
を0.5〜45%としたことによりメタライズのときの
Cuのセラミックス内への拡散をよくして、メタライズ
強度をあげるとともに、濡れ性も第3図(、)に示すよ
うにAl自体の接触角(活性の目安となるもので、Ag
203(a)面と液体金属のなす角度)と同程度の50
°近くであり、流動性も極めて良好で浸透しやすく、メ
タライズ温度も低い等作業性も良好である。
なおこの活性は酸化物系セラミックス(、,120,。
Zr○2+Mgot3 Al20)・2 SiO2等)
ばかりでなく、非酸化物系セラミックス(S i=N 
4.S iC。
TiN等)においても良好であり、例えばS i3N 
に対する1373Kにおける本発明のl−10Cuの接
触角は第3図(b)に示すように44°で1、lの48
°より小さい値を示している。
メタライズ温度もこの種のメタライズ材としては比較的
低温の1173に前後と低くして、メタライズを容易に
し、メタライズのコスト低減を可能にするものである。
更に本発明のメタライズ合金の特徴は、前記したように
メタライズ層がセラミックスに強固かつ均一に、しかも
緻密で常に製品にばらつき無く均一に形成されることで
ある。
次に本発明のメタライズ用合金によるメタライズ接合の
強度は、第4図に示すように、例えばAg20.にA、
 Nでメタライズしたものと、本発明の例えばAl  
4Cu(96%AN−4%Si)によりメタライズした
ものに、それぞれそのメタライズ面にAlろう4004
を用いて、接合条件883 K、180Sec(0棒グ
ラフ)および900Sec(斜線棒グラフ)で、Aff
iを接合した接合体の、破壊剪断応力を比較すると、A
g203にAeでメタライズした場合(1:A[)の破
壊剪断応力が約55乃至45MPa前後であるのに対し
、本発明のAg−4Cuでメタライズした場合(II 
:A 1− Cu)の破壊剪断応力は約80乃至60M
Paで、1.4倍前後の接合強度を示している。
次ぎに第5図はセラミックスとセラミックスをAlと本
発明のAg−4Cuにより、接合条件1373 K、1
.8 KSecで、それぞれ接合した場合の破壊剪断応
力の比較で、AgによりメタライズしたA N20 、
/ Al/Aρ203接合体と本発明のメタライズ法に
よるA LO3/ A i!−4Cu/ A LOx接
合体の、破壊剪断応力に対するiit験温度の影響は第
5図に示すように、室温において、A/!によりメタラ
イズしたもの(○印)が78MPaに対し、本発明のA
g−4%Cuによりメタライズしたもの(目印)が15
8MPaと、約2倍の高い接合強度を示し、以後800
に近くまでAlによるメタライズよりも優れた接合強度
を示した。
次ぎに本発明のメタライズ用合金のAlへのCu含有の
接合強度効果は第6図に示す通りで、1373 K、1
.8 KSecのメタライズ条件で接合したA x2o
 3/ A I  ’Cu/ A 1202接合体のC
u量を変化せしめた場合の破壊剪断応力は第6図に示す
ように、45%Cuまでは約130MPa以上で、Al
のみで接合した場合の78MPaの1.7倍以上あり、
待にCu4%前後では、160MPaという高い破壊剪
断応力値をしめした。
更にZrO2同志を接合条件1373K、1.8K S
 ecにて接合した場合の破壊剪断応力は、Alろうに
よる接合の場合が室温で29.4MPaであるのに対し
、本発明のAl−4Cuによる接合では39.2MPa
で、1.3倍の強い接合強度を示し、また同一接合条件
でS i3N 、同志を接合した場合においては、室温
でA[ろう接合の場合が55.9MPaに対し、本発明
のAl−4Cu接合では78゜3 M P aで、約1
.4倍の強い強度を示した。
次ぎにメタライズの接合強度の目安となる付着仕事にお
いては、第7図(、)に示すように、1373Kにおけ
る溶融Al!−Cu合金のAl20.に対する付着仕事
はCu45%までは1.3〜1.5J/ m 2近くの
値を示し、Amの1.25J/m2よりも優れた付着仕
事値を示している。
同様に1373Kにおける、溶融A I−Cu合金のS
 i3N 、に対する付着仕事も、Cu60%までは1
.4〜1.5J/m2と優れた付着仕事値を示している
以上のように本発明のメタライズ用合金、並びに接合法
は、化学的に安定で、メタライズ温度も比較的に低温で
、メタライズ作業も容易であり、メタライズ層ら強固で
、緻密かつ均一である。
そしてセラミックスとセラミックス、あるいはセラミッ
クスとAlまたはその合金相互間の接合において優れた
接合機能を発揮することを特徴とするメタライズ用合金
並びに接合法である。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の説明用断面図、 第2図は本発明のメタライズ接合法の説明図並びに接合
構造図、 第3図は1373KにおれるAl中に含有されるCu量
の変化によるA 120 z(a)並びにS i3N 
、(b)に対する温性への影響説明図、 第4図はAl20.をAlまたはAl!−4Cuでメタ
ライズ後、Alろう4004を用いて、883K。 180Secおよび900Secのろう付条件でiとろ
う付接合したA[203/Al!接合体の破壊剪断応力
比較図、 第5図は1373 K、1.8 KSecのろう付条件
におけるAl20./、l/、n20.接合体と、Al
2O3/Al−4Cu/Al203接合体の破壊剪断応
力に対する試験温度の影響比較図。 第6図は1373 K、1.8 KSecのろう付条件
における、A n20−/ A 1ICu/ A (1
20−接合体の破壊剪断応力のCu量の効果図。 第7図は1373Kにおける、溶融Al−Cu合金のA
l20=(a)並びにS i、N 、(b)に対する付
着仕事のCu量の効果図。  1はセラミックス、2は
Al.3はメタライズ層、4はAlろう。 第3図(a)        (b) 乙   (wu%)                
 Lい   L w t+μノ第4図 第7図(b) C,=(w七χ)

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. (1)、重量比でCu0.5〜45%を含有し、残部が
    Al及び不可避的不純物からなるセラミックスのメタラ
    イズ用合金。
  2. (2)、セラミックスの接合面上に、重量比でCu0.
    5〜45%を含有し、残部がAl及び不可避的不純物か
    らなるセラミックスのメタライズ用合金を、粉末塗布、
    または板状載置して、真空中、不活性ガス中、または還
    元性雰囲気中で、メタライズ用合金の融点以上に加熱メ
    タライズ後、そのメタライズ面間、またはそのメタライ
    ズ面とAlまたはAl合金母材間に、Alろうを挟在せ
    しめて、真空中または不活性ガス中で、加熱接合するこ
    とを特徴とする、セラミックスのメタライズ接合法。
JP13348085A 1985-06-19 1985-06-19 メタライズ用合金 Granted JPS61291943A (ja)

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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH0247236A (ja) * 1988-08-08 1990-02-16 Sky Alum Co Ltd セラミックス接合用アルミニウム合金
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JPWO2005032225A1 (ja) * 2003-09-25 2006-12-07 株式会社東芝 セラミック回路基板、その製造方法およびパワーモジュール

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