JPH02175674A - セラミックスと金属体との接合体及びその接合方法 - Google Patents

セラミックスと金属体との接合体及びその接合方法

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JPH02175674A
JPH02175674A JP63329159A JP32915988A JPH02175674A JP H02175674 A JPH02175674 A JP H02175674A JP 63329159 A JP63329159 A JP 63329159A JP 32915988 A JP32915988 A JP 32915988A JP H02175674 A JPH02175674 A JP H02175674A
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ceramics
metallic body
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joining
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Seiji Nozaki
野崎　斉治
Kaoru Okamoto
薫 岡本
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Original Assignee
Nippon Carbide Industries Co Inc
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Publication date
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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】 〈産業上の利用分野〉 本発明は、セラミックスと金属体とＱ接合体において、
金属体の端部周囲の空隙巾が０．００５關〜２朋である
空隙構造′ｔ−／Ｗすることを特徴と′ｆるセラミック
スと金属体との接合体に関する。
〈従来の技術〉 一般にセラミックスは、耐熱性、耐摩耗性、高電気抵抗
、尚硬度という％徴を有している。
該特徴金有したセラミックスと金属体とを接合した接合
体は電子部品、機械部品等に多く使用されている。しか
るにセラミックスと金属体とは異った原子納付をしてい
る。このようなセラミックスと金属体とを接合′１″る
揚台、反応性等の化学的性質、熱膨張率等の物理的性が
大きく異なる。このように性質が異ったセラミックスと
金属体と全高温で加熱し冷却して接合させると熱膨張係
数の差から熱応力が発生する。これが残留応力となる。
この残留応力が接８強度を低下させる。この残留応力を
小さくし、放合強度の低下を防止するため棟々の接合方
法が提案されてきた。即ち、セラミックスと金属体とを
窒素ガスの如き不活性ガス雰囲気か真空芥囲気で加熱し
、金属体の表面の酸化層とソルダーの相互拡散で納会を
形成される方法（直接々付方法）。又Ｔｉ、Ｚｒのよう
な活性金属と低融点合金を作るＡｇ＋　Ｃｕ、　Ｎｉ、
　Ｓｎ等の金属を混合又は合金としたろう材全セラミッ
クスと金属体の１川に介在させて不活性ガス雰囲気又は
真空雰囲気下で加熱圧着する方法（活性金属方法）、更
にセラミックスζこメタライズ層曽をもうけ、このメタ
ライズ層を有するセラミックスと金属体とを金属ソルダ
ーで接合させる方法（メタライズ方法）等多くの提案が
なされているが、接合体を加熱し次いで冷却することを
ｉａｈして行うことにより接合強度が低下したり、また
は接合体にクラックが入る欠点が未だに解決されていな
い。
〈発明が解決しようとする問題点〉 本発明の目的は、セラミックスと金属体とを接合した時
嶺台体に発生する残留応力全減少させ接合体の接合強度
を向上させること及び接合体のクラックの発生全未然に
防止するにある。
特に熱的衝撃強度即ち繰り返し加熱に対する耐久性全向
上させることにある。
〈問題点を解決するための手段〉 本発明者らは前述した欠点を改良する方法を種々検討し
た結果、セラミックスと金属体において金属体端部周囲
の空隙部が０．００５＋＋＋ｍ〜２ｍｍである空隙構造
を有することを特徴とするセラミックスと金属体との接
合体を見い出した。
以下、ざらに詳しく不発明について説明する。
本発明でいう「セラミックス」とは、特に制限はないが
酸化物系セラミックス及び非酸化物系セラミックスであ
る。酸化物系セラミックスは、例えばアルミナ（Ａｄｚ
ｅｓ）、マグネシャ（Ｍｇ　Ｏ）及びシリコニヤ（Ｚｒ
０２）等が挙げられるが、中でもアルミナが好ましい。
非酸化物系セラミックスは、例えば窒化アルミ（ＡＡ！
Ｎ）、炭化珪素（ＳｉＣ）及び窒化珪素（８ｉ３Ｎ４）
等が挙げられるが、中でも窒化アルミ、炭化珪素が好ま
しい。
本発明でいう「金属体」とは、％に制限はないが、銅（
Ｃｕ）、ニッケル（Ｎｉ　）、クローム（Ｃｒ　）、コ
バルト、アルミニウム（Ａｌ）及びこれらの合金等が挙
げられるが、銅（Ｃｕ）、ニッケル（Ｎｉ　）及びこれ
ら金践ヲ主体とした合金が好ましい。
本発明でいう「 許金属体端部周囲の空隙構造」とは、セラミックスと金
属体端部周囲とが実質的に接合していない空隙構造であ
れば、いづれの空隙構造′ｌ！−有していても良い。空
隙構造としては、例えば金属体端部周囲を切削して条溝
状構造としたもの、また、塩化第２鉄水浴液及び過硫酸
アンモン等の金属を腐蝕させる作用を有する薬品で、金
属体端部を腐蝕させることによって得られる空隙構造と
したもの、さらに、金属体端部周囲に活性金属ろう材等
接合材を塗布もしくは載置しないことによって得られる
空隙構造等があるが、中でも、薬品で腐蝕させることに
よって得られる空隙構造が好適である。
また不発明でいう「空隙部」とは、接合体を平面的に見
た場合、セラミックスと金属体とが接合していない金属
体の周回中の長さであり、さらに具体的には、図−２、
（ｌｌ−（３）の３の部分であり、この空隙部が０．０
０５１１１１以下及び２龍以上では熱的衝撃強度の向上
は殆んど見られない。よって空隙部は０．００５　ｖｒ
ｍ〜２　ｍｍが好ましく、さらに好ましくは０．０１ｍ
ｍ〜１關、％に好菫しくは０．０２　Ｔ！ＬＭ〜０．５
ｍｍである。
さらに不発明でいう「窒隙深さ」とは、接合体を断面的
に見た場合、セラミックスと金属体とζこある空隙部の
間＠艮であって、ざらに詳しくは、図−１、（１１〜（
３）の３である。この空隙深さは特に制限するものでは
ないが、０．５μ〜２０μが好ましく、さらに好ましく
は１μ〜１０μである。
本発明に用いる波付方法は％に制限はないが、例えばセ
ラミックスと金属体と？窒素ガスの如き不活性ガス雰囲
気か真空雰囲気で加熱し、金属体の表面の酸化層とソル
ダーの相互拡散で結合を形成される方法（直接４合方法
）。又Ｔｉ・Ｚｒのような括れ金属と低融点合金を作る
Ａｇ＠　Ｃｕ　＋Ｎｉ、　ａｎ％の金属を混会又は合金
としたろう材をセラミックスと金属体の間に介在させて
不活性ガス雰囲気又は真空雰囲気下で加熱土層する方法
（活性金属方法）、更にセラミックスにメタライス方法
をもうけ、このメタライズノ曽ヲ廟′するセラミックス
と金属体とを金属ソルダーで接合させる方法（メタライ
ス方法）等があり、中でも直接４合方法及び活性金属方
法が好ましい。
不発明に用いる直接４合方法とは、具体的には、セラミ
ックスに金属体を載直し、これを加熱炉に入れ、金属体
の過度の酸化を防止するため、酸素濃度を２＋ｊｐｐｍ
以下に調整した不活性雰囲気又は真空雰囲気中で最高加
熱温度１０６０℃〜１０８３℃以内の温度で５秒〜１５
分間加熱した後、冷却して接合体を得る方法である。ま
た活性金属方法とは、セラミックスと金属体との接合面
に活性金ろう材全箔状、粉末状、又粉末金バインダーと
均一に混練しペーストとし、これをスクリーン印刷した
後、この果合体音加熱炉ζζ入れ、不活性雰囲気又は真
空度−１０−２ｒｏｒｒ以下の雰囲気で最高加熱温１ｉ
７００〜９５０℃以内の温度で加熱時間３分〜６０分間
加熱した後、冷却して接合体を得る方法である。
活性金属ろう材としては物に制限はないが、比較的低温
加熱で接合させることができる。銀（Ａｇ）、銅（Ｃｕ
　）、チタン（Ｔ１）又は水素化チタン（ＴｉＨ）の混
合物系、銀（Ａｇ）、銅（Ｃｕ）、ニッケル（Ｎｉ　）
、チタン（Ｔ１）又は水素化チタン（Ｔ　ｉ　Ｈ）の混
合物系、銀（Ａｇ）、＠（Ｃｕ）、錫（Ｓｎ）、チタン
又ハ水素化チタ７　（ＴｉＨ）ノ混合物系、＊（Ａｇ）
、ニッケル（Ｎｉ）、チタン又は水素化チタンの混合物
系及び銀（Ａｇ　）、銅（Ｃｕ）、ジルコニヤ（Ｚｒ　
）又は銅、ニッケル、チタン又は水素化チタンの混合物
系が好ましい。
以下、実施例をあげて、さらに具体的に説明する。
実施例Ａ（接合体の調製） 実施例１　、ｆｆ１ｌ二Ｌ ５８順角、厚さ０．３　前のリン脱酸銅基板の端部周囲
を塩化第２鉄水浴液で腐蝕することにより図−３に示す
ような空隙部１闘、空隙深さ２μｍの条溝を形成した。
　次に該銅基板と６４關角、厚さ０．６３５　ｍｍのア
ルミナ基板（純＃９６％）とをアセトンで洗浄して脱脂
処理後、アルミナ基板の両面に銅基板を載置し、トンネ
ル式加熱焼成炉に入れ、次に焼成炉へ窒素ガスｔｌ−流
量調節しながら導入し、炉内の酸素濃度が１　ｐｐｍに
なるよう番こ窒素ガスを供給した。この窒素雰囲気中で
加熱スピードｆｒ　３００℃／分とし、最高加熱温度（
１０６３±０．５℃）で１０分間加熱し、その後冷却し
て接合体を得た（以後この接合体を接曾体、亮１と称し
、実施例として使用する）。
接合体ｔＫ　１　において開用した端部周囲に条溝全形
成しない銅基板をアルミナ基板上に載置し、接合体４６
１と同様の条件で接合ケ行い接合体を得た（以後この接
会体金接合体煮２と称し、比較例として使用する）。
実施ヤ１」−２ 接合体高２の端部周囲を過懺酸アンモンに浸腐し、空隙
巾約１０〜２０μ、望隙深さ約１μの空隙部を有する接
付体會得ｊこ（以後これ會接会体高３と称し、実施例と
して使用する）。
実施例３、比較例−２ ５８關角、厚さ２００μｍのタフピッチ電解鋼基板の端
部周囲全空隙Ｉｌ〕１．５關、空隙深さ３μｍとＹＪ　
７．１よう番こ切削した。
次に該銅板と６４　ｍｍ角、厚さ０．９３５　ｍｍのア
ルミナ基板（純度９６％）とをアセトンで洗浄して脱脂
処理後アルミナ基板の上に該銅基板を載置し、トンネル
式加熱焼成炉に入れ、焼成炉中窒素ガスを導入し、炉内
の酸素濃度が０．２ｐｐｍになるように窒素ガスを供給
した。この窒素雰囲気中で加熱スピードに３００℃／分
とし、最高加熱温度１０７２℃で５分間加熱し、その後
冷却して接合体を倚た（この接合体を以後接せ体高４と
称し、実施例として使用する）。
また、接合体高４において、タフピッチを解銅基板の端
部周囲に空隙を形成することなく得た接合体をＡ５と称
し、比較例として使用する。
実施例−４ 接合体Ａ５の端部周囲を過懺酸アンモンに浸腐させ、周
囲空隙巾約１５〜３０μｍ、空隙深さ３μであるアルミ
ナ基板との接合体を得た（以後この接合体を接合体廠６
と称し、実施例として使用する）。
実施例−５〜６、比較例−３ ３２６メツシユ以下の粉末である銀粉末６８．８９１銅
粉末２６．７ｇ、チタン粉末４．５Ｉを秤量し、これに
メタアクリル酸イソブチル３９、テルピネオール３０ｇ
添加し、ボールミルで混合粉砕しペースト’ｉｘ表した
。次ζこ２５關角、厚さ０．６３５　ｍｍの窒化アルミ
基板と２０ｍ角、厚さ３００μｍの無酸素鋼基板とをト
リクレン及びアセトンで洗浄して脱脂処理した後、前記
のペースｌ−スクリーン印刷により式化アルミ基板上に
空隙中が０．７５闘となる様に１８．５　ｍ７ｒｒ角で
、厚さ４０　ｔｔの寸法に印刷し、１２０℃×１０分間
熱風乾燥器で乾燥した。この窒化アルミ基板のペースト
を塗布した側に銅基板を図−４に示すように載置し、こ
れを真空加熱焼成炉に入れ、５　Ｘ　１０　”−’Ｔｏ
ｒｒの真空下で８５０−ＣＸ１０分間加熱後、冷却して
接合体を得た（以後この接合体を接合体＆、７と称し、
実施例として使用する）。
また、接合体７１１；７　において便用したペーストラ
窒化アルミ基板上ζこ２０　ｍｒｎ角、厚さ４０μｍの
寸法に印刷した。該基板上に銅基板を接仕体遡７と同様
Ｏこ載置し、接合体、釜７と同一条件で加熱して鋼基板
と菫化アルミと（こ空隙荷造を有しない接合体を得た（
以後この接合体を接合体五８と称し、比較例として使用
する）。
表 さ約５μの空隙を肩する接合体を得た（以後この接合体
を接合体＆９と称し、実施例として使用する）。
実施例Ｂ（接合体の評価） 実施例人で得られた接合体＆１〜遡９の各々１０枚を一
５０℃Ｘ３０分冷却した後、１５０℃×３０分間加熱処
理した。この繰返しを１サイクルとして１００サイクル
試験を行った。その後クラックが生じた接合体の枚数を
調べ、その結果全表−１１こ示した。
表−１に示すとおり、不＠明による接会体熱的衝撃番こ
極めて強力で、クラックも入らず、また、接合強度も強
大であった。
【図面の簡単な説明】
図−１及び３は本発明の接会体及び金属体の断面図であ
り、図−２はその平面図である。図−４は実施例５で得
られた接仕体廠７の断面図である。 図−１〜４において、１は金属体、２はセラミックス、
３は空隙構造、４は金属体とセラミックスとの接合面を
示している。また図−４における５はペーストを示して
いる。 図−２ 図−２ 図−３ 図−４

Claims (10)

    【特許請求の範囲】
  1. （１）セラミックスと金属体との接合体において、金属
    体の端部周囲の空隙巾が０．００５ｍｍ〜２ｍｍである
    空隙構造を有することを特徴とするセラミックスと金属
    体との接合体。
  2. （２）該接合体が直接接合法による接合体である特許請
    求の範囲第１項記載の接合体。
  3. （３）該接合体が活性金属法による接合体である特許請
    求の範囲第１項記載の接合体。
  4. （４）該金属体の端部周囲の空隙構造が条溝である特許
    請求の範囲第１項記載の接合体。
  5. （５）該セラミックスがアルミナ（Ａｌ＿２Ｏ＿３）で
    ある特許請求の範囲第１項記載の接合体。
  6. （６）該セラミックスが窒化アルミナ（ＡｌＮ）である
    特許請求の範囲第１項記載の接合体。
  7. （７）該セラミックスが炭化珪素（ＳｉＣ）である特許
    請求の範囲第１項記載の接合体。
  8. （８）該金属体が銅及び銅合金である特許請求の範囲第
    １項記載の接合体。
  9. （９）該金属体がニッケル及びニッケル合金である特許
    請求の範囲第１項記載の接合体。
  10. （１０）セラミックスと金属体とを接合する方法におい
    て、金属体の端部周囲の空隙巾が０．００５ｍｍ〜２ｍ
    ｍである空隙構造を有することを特徴とするセラミック
    スと金属体との接合方法。
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