KR20010089748A - 세라믹스와 금속의 접합방법 및 그 방법에 의해 접합된세라믹스와 금속의 접합체 - Google Patents

Abstract

본 발명은 중간재를 사용하지 않는 세라믹스와 금속의 접합방법 및 그 방법에 의한 세라믹스와 금속의 접합체의 제공을 목적으로 해서 된 것으로, 금속측의 접합면 면적을 세라믹스측의 접합면 면적의 90%를 초과하지 않은 면적으로 해서 접합하는 것을 특징으로 하는 것이다.

Description

세라믹스와 금속의 접합방법 및 그 방법에 의해 접합된 세라믹스와 금속의 접합체{JOINING METHOD FOR CERAMICS AND METAL AND JOINED BODY OF CERAMICS AND METAL JOINED BY THE METHOD}

종래의 방법 및 접합체를 도 7에 따라 설명한다.

도 7은 일본국 특개 평1-299790호 공보에 개시된 접합체를 표시하는 것으로 세라믹스로서의 알루미나(1)과 금속으로서의 니켈봉(5) 사이에, 니켈판(4)이나 텅스텐판(5) 등을 중간재로 개재시키고 있다. 도중의 (3)은 납재료이다.

금속은, 알루미나보다 열팽창율이 크고, 납재료가 녹아서 굳어져가는 강온시에는 알루미나보다도 축소하려고 하므로, 알루미나의 금속과 접해있는 중앙부에는 압축응력이 발생하고, 그 외주부에는 인장응력이 발생해서, 상온에서 잔류해버린다. 알루미나는 압축에는 강하나, 인장하는 데는 약하므로 큰 인장잔류응력의 발생은 바람직하지 않다.

중간재는, 이와 같은 잔류응력을 흡수하는 부재로, 접합체로서의 강도의 안정성을 얻기 위해 사용되고 있다.

또, 기타의 중간재로는 1990년, 일본 일간공업신문사발행의 「세라믹스 접합공학」(기시모토 노부야 ·스가타다 가즈 공저)에 기재되어 있는 바와 같이 니오브 (Nb), 모리브텐(Mo), 알루미늄(Al), 동(Cu), 철, 니켈, 크롬합금(Fe-Ni-Cr), 동 · 탄소(Cu-C), 알루미늄 ·탄화규소(Al-SiC), 발포금속, 다공질재료 등이 있다.

종래의 접합방법이나 그 방법에 의한 접합체는 상기와 같은 중간재를 필요로 했었다. 이 때문에 접합작업에서 부품수가 많아지고, 조립에 시간이 걸려 제작코스트가 높아진다는 문제가 있다.

또 개재시키는 중간재의 표면상태가 나쁘면 충분한 접합강도가 얻어지지 않으므로, 그 관리를 충분히 해야 했었다.

본 발명은 상기와 같은 과제를 해소하는 동시에 접합강도가 높은 신뢰성을 부여하는 접합방법 및 접합체의 제공을 목적으로 한다.

(발명의 개시)

청구항 1의 발명은 세라믹스와 금속을 납땜으로 접합하는 방법에서, 금속측의 접합면 면적은 세락믹스측의 접합면 면적의 90%을 초과하지 않는 면적으로 하는 것을 특징으로 한다.

청구항 2의 발명은, 세라믹스와 금속을 납땜으로 접합하는 방법에서, 잔류하는 열응력에 의해 세라믹스가 손상을 받지 않도록 금속측의 접합면 면적은 세라믹스측의 접합면 면적의 90%를 초과하지 않는 면적으로 하는 것을 특징으로 한다.

청구항 3의 발명은 청구항 2에 기재한 세라믹스와 금속의 접합방법에서 접합면은 평면인 것을 특징으로 한다.

본 발명의 특징은, 도 1의 세라믹스(10)와 금속(20)과의 접합체의 단면도로 표시한 바와 같이, 세라믹스(10)와 금속(20)의 납땜 접합면(이하, 단지 접합면이라 함)에서, 금속(20)의 접합면 면적을 세라믹스(10)의 접합면 면적보다 작고, 예를 들면 세라믹스(10)의 접합면 면적의 90%를 초과하지 않는 면적으로 하는 데 있다.

이 경우 세라믹스(10)와 금속(20)과의 쌍방의 접합면을 평면으로 하면 더욱 좋다. 이 접합방법에 의해 중간재를 사용하지 않더라도 세라믹스(10)측에서의 인장잔류응력의 발생을 억제할 수가 있고, 충분한 납땜강도를 갖는 접합체를 얻을 수가 있다.

또 본 명세서에서, 금속(20)의 접합면이라는 것은 문자대로 세라믹스(10)측과 실질적으로 접촉해서 접합되는 면의 전부를 말한다. 다른 한편, 세라믹스(10)의 접합면이라는 것은 금속(20)과의 열팽창율의 차에 의한 인장잔류응력이 소요의 정도까지 경미하게 되는 범위를 말하고, 금속(20)측과 실질적으로 접촉해서 접합되는 면 및 당해면이 연재하는 면에서, 금속(20)측과 접촉하지 않는 면 부분을 포함하는 것이다. 상기한 인장잔류응력이 소요의 정도 경미라는 것은 접합체로서 구해지는 강도의 안정성에 악영향을 주지 않을 정도로 경미하다는 의미이다.

상기한 세라믹스로는 예를 들면, 알루미나(알루미나 세라믹스)가 개폐기의 절연로드의 경우에 적합하다.

또 상기한 금속으로는 예를 들면 동을 위시해서, 동을 주성분으로 하는 동 ·아연(Cu-Zu), 동 ·주석(Cu-Sn), 동 ·크롬(Cu-Cr),동 ·벨리리움(Cu-Be), 동 ·티탄(Cu-Ti) 등의 합금 또 니켈(Ni)을 위시해, 니켈을 주성분으로 하는 니켈 ·동(Ni-Cu), 모넬, 인코넬 등의 합금 나아가서는 철(Fe)을 위시해서, 철을 주성분으로 하는 철 ·니켈(Fe-Ni), 코발, 인크로이 등의 합금이 적합하다. 또 모넬, 인코넬, 코발, 인크로이는 모두 상품명이다.

실험에 의하면, 금속(20)의 접합면 면적이 90%를 초과하면, 세나믹스에 잔류하는 열응력이 커져, 낮은 납땜강도가 될 뿐아니라, 납땜완료시점에서 세라믹스에 파괴가 생기기도 하였다.

또, 예를 들면, 티탄(Ti)이나 질코니움(Zu) 등을 적당히 함유한 활성 금속납재를 사용하는 경우에는, 접합면에 메타라이즈를 시공하거나, 니켈도금하거나 하는 공정을 생략해도 충분한 접합강도를 갖는 접합체가 얻어진다.

따라서, 본 발명에 의하면 접합체의 접합면에 메타라이즈를 실시하거나, 니켈 도금을 하는 등의 공정이 필요없게 된다.

본 발명은 세라믹스와 금속을 납땜으로 접합하는 방법 및 그 방법에 의해 접합된 세라믹스와 금속의 접합체에 관한 것으로, 예를 들면 전기의 입출을 하는 개폐기에서 접촉자를 개폐하기 위해 전기적으로 절연된 조작모드에서의 절연물(세라믹스)와 금속의 접합에 관한 것이다.

도 1은 본 발명의 형태를 표시하는 모식적 수직단면도.

도 2는 실시의 형태 1의 개폐기의 조작로드의 요부를 표시하는 모식적 수직단면도.

도 3은 실시의 형태 2를 표시하는 모식적 수직단면도이고, (a)~(i)는 그 변형 예를 표시하는 도면.

도 4는 실시의 형태 3을 표시하는 모식적 수평단면도이고, (a)~(b)는 그 변형 예를 표시하는 도면.

도 5는 실시의 형태 4를 표시하는 모식적 수평단면도이고, (a)~(b)는 그 변형 예를 표시하는 도면.

도 6은 본 발명의 실험결과를 표시하는 표.

도 7은 종래의 기술을 표시하는 모식적 수직단면도.

(발명을 실시하기 위한 최량의 형태)

본 발명의 실시의 형태를 개폐기의 절연로드로서 사용되는 세라믹스와 금속과의 접합체를 예로 해서 설명한다.

또, 이 예에 표시하는 접합체는 절연물로서의 세라믹스를 중앙으로 해서, 그 상태에 동종의 금속이 접합된 형태의 것으로 접합부분이 2개소 있으나, 양접합부분에서의 접합방법은 같으므로, 아래 한 쪽의 접합부분에 대해 설명한다.

실시의 형태 1.

도 2에 표시하는 형태에서, 이 실시의 형태 1에서는 납땜면에 메타라이즈와 니켈 도금을 한20 ×L20mm의 알루미나 세라믹스(11)와, 외경을30, 20, 19,18, 15, 10 mm로 변화시킨 L50mm의 동봉(Cu)(21)을, 두께 0.1mm의 땜납재(BAg-8)(31)를 사이에 끼워 직립시켜 1 ×10^-5Torr의 진공도에서 800℃ ×5분간의 가열로 납땜을 하였다.

납땜 후에 세라믹스(11)의 양단에 납땜된 동봉(Cu)(21)를 인장시험기로 잡아당겨 납땜강도를 측정한바, 도 6의 표에 표시된 바와 같은 결과가 얻어졌다.

표에 의하면 동봉(Cu)(21)의 직경이 작은 경우에는 동봉(Cu)(21)에서 파단되나, 동봉(Cu)(21)의 직경이 커짐에 따라 세라믹스(11)에서 파단하게 되어, 동봉(Cu)(21)의 직경이 세라믹스(11)의 직경보다 커지면, 납땜완료시점에서 세라믹스(11)에 크랙이 들어가 인장시험이 불가능한 샘플이 생겼다.

이 세라믹스(11)의 파단은 열응력의 잔류, 특히 인장잔류응력에 의한 것이고, 동봉(Cu)(21)의 접합면 면적이 세라믹스(11)의 접합면 면적의 대략 90%를 초과하는 부은에서 세라믹스(11)의 파괴가 시작되고 강도저하가 현저해지고 있다.

이로인해, 접합화로서의 안정된 강도를 확보하기 위해서는 동봉(Cu)(21)의 접합면 면적이 세라믹스(11)의 접합면 면적의 약 90%이하인 것이 필요한 것을 알 수 있다.

실시의 형태 2.

도 2에 표시하는 형태에서 납땜면에 메타라이즈가 실시되어 있지 않은20 ×L20mm의 알루미나 세라믹스(11)와 외경을20, 19, 18mm로 변화시킨 L50mm의동(Cu)봉(21)을, 두께 0.1mm의 티탄(Ti)함유활성납땜재, 예를 들면, 은, 동, 티탄 (Ag-Cu-Ti)의 시판의 납땜재(31)를 사이에 끼고 직립시켜 1 ×10^-5의 진공도로 900℃ ×5분의 가열로 납땜을 하였다.

납땜완류품은, 상기 실시의 형태 1과 같이 납땜강도를 인장시험기로 측정한바, 도 6의 표에 표시한 바와 같은 결과가 얻어졌다.

표에 의하면, 납땜강도는 메타라이즈를 실시해서, 예를 들면 시판의 납땜재 (BAg-8)로 납땜했을 때와 큰 차이가 없는 결과가 되었다.

실시의 형태 3.

도 2에 표시한 형태에서 납땜면에 메타라이즈와 니켈도금을 실시한20 ×L20mm의 알루미나 세라믹스(11)와 외경을19, 18로 변화시킨 L50mm의 모넬 Ni, Fe, Fe-42Ni봉(21)을 두께 0.1mm의 시판의 납땜재(BAg-8)(31)을 사이에 끼고 직립시켜, 1 ×10^-5의 진공도로 800℃ ×5분의 가열로 납땜을 하였다.

납땜 후의 상기 실시의 형태 1, 2와 같이 인장시험기로 납땜강도를 측정한바, 도 6의 표에 표시한 바와 같은 결과가 얻어졌다.

표에 의하면 파단강도에 차가 있으나, 금속봉(21)의 접합면 면적이 알루미나 세라믹스(11)의 접합면 면적의 90%를 초과하는 부근에서 세라믹스(11)에서의 파괴가 시작되고 그 이상의 직경에서는 강도저하가 현저해 졌다.

이 경향은 동(Cu)의 경우와 같고, 안정된 강도를 확보하기 위해서는 접합면면적이 알루미나 세라믹스의 접합면 면적의 90%이하 이어야한다.

실시의 형태 4.

상기 실시의 형태 1내지 3에서는 원주의 알루미나(12)와 원주의 금속봉(21)의 경우에 설명하였으나, 이에 한하지 않고, 접합체로서 구해지는 강도의 안정성에 악영향을 주지 않는 범위이면, 세라믹스(11)와 금속(21)의 납땜접합부가, 예를 들면, 도 3의 (a)~(e)의 각각에 표시하는 바와 같은 종단면의 형태나 도 4의 (a)~(i)에 표시하는 바와 같은 횡단면도의 상태라도 된다.

또, 도 3의 (c)나 (d)에 표시한 바와 같이 세라믹스(11)측의 접합면은 반드시 전면에 걸쳐 평면일 필요는 없고, 적어도 금속(21)측의 접합면과 실질적으로 접촉하는 접합면이 평탄하면되고, 접촉하지 않은 접합면의 영역은 평면이 아니고, 적당히 컷 된 면이면 된다.

실시의 형태 5.

도 5에 표시한 실시의 형태 5에서 금속(21)이 중실의 형상이 아니고, 납땜접합면의 횡단면이 도 5의 (a)에 표시하는 바와 같이 중공이거나 또 도 5의 (b)에 표시하는 바와 같이 슬릿이 들어있어도 된다.

청구항 1 내지 청구항 3의 각 발명에 의하면 어느 것이나 중간재가 불필요하게 되어 부품수가 적고, 조립이 쉽고, 제작코스트가 낮고, 접합강도가 높은 신뢰성이 있는 세라믹스와 금속의 접합방법을 제공할 수가 있다.

Claims (3)

1. 세라믹스와 금속을 납땜으로 접합하는 방법에서, 금속측의 접합면 면적은 세라믹스측의 접합면 면적의 90%를 초과하지 않은 면적으로 하는 것을 특징으로 하는 세라믹스와 금속의 접합방법.
2. 세라믹스와 금속을 납땜으로 접합하는 방법에서, 잔류하는 열응력에 의해 세라믹스가 손상을 받지 않도록 금속측의 접합면 면적은 세라믹스측의 접합면 면적의 90%를 초과하지 않는 면적으로 하는 것을 특징으로 하는 세라믹스와 금속의 접합방법.
3. 제 2항에 있어서, 접합면은 평면인 것을 특징으로 하는 세라믹스와 금속의 접합방법.