JPH02208274A - セラミックス表面の金属化組成物、表面金属化方法及び表面金属化製品 - 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】 本発明は窒化アルミニウム、アルミナ、窒化珪素などの
セラミックスの表面を金属化（メタライズ）するための
新規な組成物と、それを用いたセラミックス表面の金属
化方法及びそれらを利用した表面金属化セラミックス製
品に関するものである。

従来、数％以上の８　ｉｏｙ成分を含有する場合に限り
、ＭＯ，Ｍｎ　　およびフリット成分を混合して湿水素
中で１３００〜１６００℃の温度範囲で焼付けてセラミ
ックス表面を金属化する方法、即ちＭｏ−Ｍｎ法が採用
されて来た。しかしながら、８８％以上の純度のアル主
す、窒化アルミニウムあるいは屋上珪素などのガラス相
が結晶粒界に少い高純度のセラミックス焼成体に対応で
きる金属化組成物については現在も開発途上にあり改良
の余地が残されている。例えばアルミナ、窒化アルミニ
ウムに対応出来る一般的な金属化組成物としテ１．ｔ　
Ｏｕ−Ａｇ−Ｔ　ｉ系の組成物があるが、これはＴｉ含
量を低減して５％以下とすれば金属化するパターンに乱
れとか小孔などが生じ易くなり、又逆に多い場合には金
属化層が硬質になり、セラミックスとの熱膨張の差によ
り鼓壊し易くなる。さらに窒化アルミニウムに対応する
金属化組成物として特開昭８３−８０１８８号記載のＰ
ａ−Ｔａ−Ｚｒ　−Ｍｎ−Ｎｉ−Ｏｕ　系の組成物があ
るが、この成分中には貴金属のＰｄや高価なＴａなどが
数１０％以上含有されているため、経済的な問題があっ
た。

窒化珪素の金属化組成物としては特開昭６１−０１４１
８１号に記載のＮｂ−Ｇ−Ｚ　ｒ−Ｃ−８ｉ　−８ｉ０
−Ｎｉ系の組成物があり、既にいろいろな用途に実用に
なっているが、高温の１２００℃以上で金属化させるた
めｙ！ｏ、などの焼結助剤の含有量の多い焼成体の場合
にはｙ、ｏ５を含有する粒界が劣化し易く、問題が残存
していた。

本発明は、高純度アルミナ、室上アルミニウム、窒化珪
素などのセラミックスと適度な反応性を有し、かつ、濡
れ性を有する金属化組成物の構成元素の種類と含有量や
、金属化するための加熱処理の方法に関して研究を重ね
て完成されたものであり、−段と強度の高い、信頼性の
あるセラミックス表面の金属化技術を提供することを目
的としている。

本発明のセラミックス焼結体表面の金属化組成物は、Ｍ
ｎを１０．０〜３２．５重量％（以下重量％の重量を省
略）、Ｗを４５〜６７．５％かＴｉあるいはＺｒの何れ
か１種又は２種を５．０％以下とし、ＡｇとＮｉを合計
１５．０〜３５．０％で、そのうちＮｉ　　を６．　Ｏ
Ｎ２０．０％含み、残部実質的に不可避的不純物からな
ることを特徴としている。

又、本発明の金属化方法は、この金属化組成物の成分の
合金粉末あるいは一部か全部を混合してなる金属の粉末
をセラミックスの表面に付着接触させ、非酸化性の雰囲
気中で溶融あるいは半溶融させて、セラミックスの表面
を金属化させることを特徴とする方法である。

さらにもう一つの本発明の金属化方法は、上記の同じ金
属化組成物の成分を合金成分とする合金層、あるいは層
状の混合成分とする金属多層をセラミックス表面に気相
より、スパッター、イオンプレーティング、蒸着あるい
はケ疋カルペーパーディポジッションなどの手法によっ
て、析出生成させて、セラミックスの表面を金属化させ
ることを特徴とする方法である。

本発明の金属化セラ更ツクス製品はこの同じ金属化組成
物を上記の２つの方法により表面に被覆処理したことを
特徴としている。

本発明のセラミックスとは、ＡＩＩＮ　　（窒化アルミ
ニウム）、ＡＪｌ’Ｎ−ＢＮ　、　ＡｌＮ−８ｉ３Ｎ４
゜８ｉＩＮ４（窒化珪素）、Ｓｉ墨Ｎ４−ＢＮ、８ｉｇ
Ｎ＋−８ｉ０．サイアロン、Ａ＃２０ｇ　（アルミナ）
。

Ａｌ！０Ｂ−ＺｒＯ！など、あるいは各種の焼結助剤を
含むＡＩＮ、８ｉＩＮ＋、Ａｌ２Ｏδなどが６０体種％
以上を占めるセラミックス焼結体である。

これらのセラミックスに対して、Ｍｎは弱い反応性を有
するので、金属化層の剥離強度を向上させたり、溶融あ
るいは半溶融させる場合にも濡れ性が良く、セラミック
ス表面上に目的とするパターンを正確に形成させ易い。

但しあまり多量に含有させると融点を上昇させて不利と
なったり、金属化層を硬くしたり、酸化され易くしたり
、パターン部以外のセラミックス表面素地を着色黒化さ
せたりするなどの数々の問題が生じるので１０．０〜３
２．５％の範囲内で配合する必要がある。

２とＴｉはどちらもＭｎに比較すると強い反応性を有す
る活性な元素であり、剥離強度の向上に有効である。但
し、活性過ぎるためにあまり多量に含有させると金属化
層を酸化させ易くし平滑な面の形成を妨げたり、ろう付
時のろうの流れ性を低下させたりするので、合計で５．
０％以下の配合範囲とし、全く含有させないことも出来
る。

Ａｇは貴金属でありセラミックスに対する接着力は殆ん
ど無いが、ＫｎやＴｆ、あるいはＺｒと合金を形成して
、Ｍｎや’Ｉ’ｉ、Ｚｒなどの酸化し易い元素の酸化を
抑制したり、金属化層を柔軟にしてセラミックス素地と
の熱膨張係数の差異によって生じる残留応力を緩和する
のに有効である。

しかしあまり過剰に配合すると金属化組成物のセラミッ
クスに対する濡れ性や接着力を低下させてしまい、金属
化層中に小孔や界面に欠陥を形成させ易くするので、Ｎ
ｉとの合計で１５．０〜３５％の範囲内で配合すること
が出来る。Ｎｉ　も比較的酸化しに＜＜、セラミックス
に対して接着力が殆んど無い。しかしＭｎなどがセラミ
ックスと反応して窒化物、酸化物となり、逆に窒化アル
ミ、アルミナ、窒化珪素中のｌや８ｉが金属化層に拡散
して移行してゆく際に、金属化層中にＮｉが存在する方
が、Ａｌ、ｓｉがＮｉ　　相中に取り込まれて、固溶体
や金属間化合物を形成し易く、これらが比較的酸素に対
して不活性になるため表面の平滑な酸化着色の少い金属
化層を形成し易い。Ｎｉが無（Ａｇのみの場合には、Ａ
ｌ、８ｉが融点の低い共晶反応を生じるため、Ａｌ、Ｓ
ｉの富化された相が金属化層中に析出し易く酸化され易
いため、平滑な表面の強度の優れた金属化層を形成しに
くい。但し、ＮｉをＡｇに対してあまり過剰に配合する
と金属化組成物の氾融温度を上げ過ぎてしまい、セラミ
ックスを過剰に反応させたり、金属化層を硬質にしてし
まったりするので必要最少限度の量としてＡｇ＋Ｎｉ　
　量に対しＮｉは６．０〜２０．０％の範囲内で配合す
ることが出来る。Ｎｉは前記のＡｇの如くセラミックス
に対して直接反応性の殆んど無い元素であるので、Ａｇ
とＮｉ　は合金化しないにもかかわらずＡｇ、！＝Ｎｉ
をまとめて考え、その範囲は前記の如く合計１５．０〜
３６．０％とすることが出来る。

Ｗは融点が３６５３°にの高融点金属であり、融体とな
るＡｇ、Ｎｉ、Ｋｎ　　などによって１０００〜１１０
０℃程度の温度範囲では溶解しにくい。

そのため殆んど合金化せず、単独の粉末粒子、あるいは
層として金属化層中に存在することが出来る。そのため
ＷはＷ本来の性質を金属化層に反映することが出来、高
融点である為に後のろう付工程における金属ろうによる
溶食現象を生じにくくしたり、熱膨張係数が低いので、
金属化層の熱膨張係数をも低下させることが出来たりす
る。

しかしあまり過剰に配合すると、金属化層のセラミック
スへの接着力を低下させるので４５〜６７．５％の範囲
内で配合することが出来る。

本発明の金属化組成物でセラミックス表面を金属化させ
る本発明の方法の第１の方法は、前記組成の１６０メツ
シユ以下、好ましくは３２６メツシユからサブミクロン
の合金あるいはＷなどの各元素の混合粉を充分に混合し
てから、適度な流動性とセラミックス表面への付着力と
を付与するために、粘結剤として、エチルセルロース系
、アクリル系などのビークルを混合してペースト状とし
、スクリーン印刷、刷毛、へら、などによる塗り方によ
って、セラミックスの所定の表面に塗布し、乾燥後、Ａ
ｒ、Ｎ２　、Ｈ！、真空などの非酸化性雰囲気中で、１
０００〜１１００℃の温度範囲で６〜３０分間保持して
、溶融あるいは半溶融状態にして金属化層を形成させる
方法である。この際、粉末粒子をセラミックス表面に付
着接触させる別の方法として、あらかじめ、セラミック
ス表面上に前記粘結剤を塗布した後に粉末をふりかけて
表面を覆う方法を採用することも出来る。

本発明の第２の方法は、本発明の金属化組成物の合金あ
るいは平均的組成がこの金属化組成物の成分となるよう
な層状の構成をとるような被膜を気相からセラミックス
の表面に直接析出させる方法であり、このような手段と
して、本発明の金属化組成物の合金あるいは一部か全部
が純金属のターゲツト材を用いてスパッター処理を施す
とか、蒸着処理、イオンプレーティング処理、Ｏ，Ｖ、
Ｄ。

処理を施すとかして、本発明組成物の皮膜をセラミック
ス上に被覆して金属化することが出来る。

多層状に被覆層を設ける場合には一番下側にＭｎやＴｉ
、Ｚｒなどの活性な元素を被覆すれば接着力が向上し、
さらに昇温することによって拡散が進行し、より強固な
接着が達成される。より極端には、このような気相被覆
層を溶融あるいは半溶融する温度の１０００〜１１００
℃の温度範囲まで昇温しで被膜を溶解しても液滴形状と
なることもなく、さらに強固にセラミックスと反応し、
後の鑞付工程において安定性を発揮することが出来る。

本発明の前記金属化組成物を本発明の方法によって、表
面に被覆処理して製造されるセラミックス製品は、表面
金属化層とセラミックス表面との間で強固な結合が達成
されている為に後にセラミックスに金属部品や半導体を
取り付ける為に施こされるはんだ付、鑞付の処理にも充
分対応出来、高強度で気密性に富んだろう付、はんだ付
部品を作製することが出来る。この際金属化組成物中に
ＴｉやＺｒを全く含有させないか、あるいは極く少量に
限定することも可能なので、ＮｉメツキやＣ１】メツキ
、Ａｇメツキ　Ａｕメツキなどを施こして鑞の流れ性の
良い製品とすることも出来、又、メツキ後、シンター処
理を８００〜８５０℃程度で施こして、メツキ密着度を
向上させることも出来る。

本発明の方法によって処理されたセラミックス製品は、
例えば、高純度アルミニウムの気密部品とか、窒化アル
ミニウムの高熱伝導放熱胴貼り基板や各種電子部品のパ
ッケージとか、窒化珪素の工具チップ、耐摩耗タイルや
ライナー　自動車エンジン部品などの用途に利用するこ
とが出来るので、本発明の効果は大きい。

次に本発明の実施例について説明する。

実施例１ 第１表に記載の如き本発明及び本発明舛の金属化組成物
を３２５メツシユ以下の微粉末の金属粉として混合配合
し、エチルセルロース系のビークルを混入してペースト
状とし、厚み０．６４ｍ、１２．０ｍｍ角の常圧焼結Ａ
ＩＮセラミックスの表面に、８．ＯＮ直径のパターンと
して印刷乾燥後、１０５０℃で２０分間Ｈ２気流中で金
属化層を、溶着してセラミックスの表面上に形成させた
。その後、顕微鏡観察によって、外観や溶着状況を観察
し、小孔の存在等も確認後、鋭利な刃物で擦過テストを
実施して剥離し易いかどうかを調査して、接着の強度を
定性的に判定した。

その結果を第１図に示す。同図中、ム印は全く溶着しな
いもの、Δ印は擦過テストによって剥離するもの、Ｘ印
は微小孔が存在する組成の濡れ性の悪いもの、口印は未
溶解のＫｎの黒色残渣が表面に存在するものを示す。上
記の記号が２重に付されているものはこれらの問題が並
存することを示し、○印の組成のものだけが全く問題が
無く、剥離しにくいものを示す。

同図によって明らかな様に、本発明の金属化組成物はあ
る成分を中心とするある範囲の組成で優れた特性を発揮
する。しかしながら、その周辺の組成も、処理温度、時
間、雰囲気などの条件を最適となるように設定すること
により、充分実用に耐え得る組成物となり得ると考えら
れる。

［ 第１表 実施例２ 第１表記載のＮｎ６．１ＶｋＩ、９、さらに本発明のＭ
ｎ１３．５％、ＷＢ２．８％、　Ａｇ＋Ｎｉが２９，７
％で、うちＮｉが１２．８％、さらにＴｉ　を４．０％
添加した組成物及びＴｉ　　０代りにＺｒを４．０％添
加した組成物を実施例１と同様な方法で、Ａ［Ｎ　の表
面上に２Ｍｎ角パターンとして塗布焼成して、金属化層
を形成させた。Ｔｆ及びＺｒを添加配合したもので、表
面が若干凹凸が著しくなる以外は問題を生じずに良好な
結果を示した。次にこれらにＮｉメツキを施こし７００
℃Ｈ！中でシンターリング後、０．８ｍｍ直径の銅線を
垂直に立ててはんだ付後、引張試験を実施した。４．３
〜５．３　ｋｇ／　ｒｒｒｍ’の高い強度を示し、充分
実用に耐えることが出来ることが判明した。

実施例３ 第１表記載のＮａｐ、阻９、階１５、隘１６、の各組成
物を純度９９，０％、厚さ３印、１０ＩＩ１１角のアル
ミナ個片上に、岡１６を同形状の８５　ＨＮ　４個片上
に、実施例１と同様な方法によって溶着させて金属化層
を形成させた後、観察及び擦過テストを実施したところ
、Ａ＃ｚＯｉについては、何れも金属化層に欠陥は無＜
、Ｎ１１９．１１ｋＬ１６が最も剥離困難であった。８
ｉ　ｊＮ４についても欠陥は無く階１６が強固に結合し
ていることが判明した。

実施例４ 第２表に記載の組成物を、前記のＡ［ＮとＡｌＩ３゜に
、Ｎ１１６を８　ｉ　ＨＮ４　　に前実施例同様方法で
、それぞれ溶着させてからＮｉメツキを施した後、８．
０価直径の長さ１０間のコバールを共　銀ろうでＨ！中
、８００℃以上で銀ろう付した。これらのサンプルを剪
断テストにかけたところ、同表に記載の如き値を得た、
５ｉｉＮ４については３．５ｋｇ／ｉｎ’の値を得た。

いずれも実用に耐え得る強度を示し、本発明が有効であ
ることを立証した。

【図面の簡単な説明】

第一図は実施例１に記載の金属化組性物の成分範囲を示
す図であり、本発明の成分範囲を太線の多角形の枠内の
範囲で示す。同図中○△口Ｘムの各記号は各組成物の実
施例に記載の如き特徴を示す。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）Ｍｎを１０．０〜３２．５重量％、Ｗを４５．０
   〜６７．５重量％、ＴｉあるいはＺｒの何れか１種又は
   ２種を５．０重量％以下とし、ＡｇとＮｉを合計１５．
   ０〜３５．０重量％でそのうちＮｉを５．０〜２０．０
   重量％含み、残部実質的に不可避的不純物からなること
   を特徴とするセラミックス表面の金属化組成物。
2. （２）請求項１記載の金属化組成物の成分の合金粉末あ
   るいは一部か全部を混合してなる金属の粉末をセラミッ
   クスの表面に付着接触させ、非酸化性の雰囲気中で溶融
   あるいは半溶融させて、セラミックスの表面を金属化さ
   せることを特徴とするセラミックス表面の金属化方法。
3. （３）請求項１記載の金属化組成物の成分を合金成分と
   する合金層、あるいは層状の混合成分とする金属多層を
   セラミックス表面に気相より、スパッター、イオンプレ
   ーティング、蒸着あるいはケミカルベーパーディポジッ
   ションなどの手法によって、析出生成させて、セラミッ
   クスの表面を金属化させることを特徴とする金属化方法
   。
4. （４）請求項１記載の金属化組成物を同第２項あるいは
   第３項に記載の方法により、表面に被覆処理したことを
   特徴とする金属化セラミックス製品。