JPH0336793B2 - - Google Patents

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JPH0336793B2
JPH0336793B2 JP61190152A JP19015286A JPH0336793B2 JP H0336793 B2 JPH0336793 B2 JP H0336793B2 JP 61190152 A JP61190152 A JP 61190152A JP 19015286 A JP19015286 A JP 19015286A JP H0336793 B2 JPH0336793 B2 JP H0336793B2
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JP
Japan
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ceramics
copper
ceramic
temperature
metallized layer
Prior art date
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Expired - Lifetime
Application number
JP61190152A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JPS6345192A (en
Inventor
Yoshihiro Ehata
Masanori Kayama
Nobuyuki Tamatoshi
Susumu Mori
Masahiko Nozawa
Tokuzo Nishi
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Daihen Corp
National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Original Assignee
Agency of Industrial Science and Technology
Daihen Corp
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Publication date
Application filed by Agency of Industrial Science and Technology, Daihen Corp filed Critical Agency of Industrial Science and Technology
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Publication of JPS6345192A publication Critical patent/JPS6345192A/en
Publication of JPH0336793B2 publication Critical patent/JPH0336793B2/ja
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  • Saccharide Compounds (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】[Detailed description of the invention]

[産業上の利用分野] 本発明は、銅化合物をセラミツクス表面に焼付
けるセラミツクスのメタライズ法に関するもので
ある。 [従来技術] 一般に、セラミツクスは、耐熱性、耐摩耗性、
絶縁性等に優れる反面、脆く衝撃に弱いために、
構造材料として用いられるときには、金属との接
合体にして使用されることが多く、この場合に
は、金属とセラミツクスとを接合する前に、先
ず、セラミツクス表面をメタライズする必要があ
る。また、セラミツクスを導電材料として用いる
場合には、セラミツクス表面にメタライズを行つ
て使用されている。 セラミツクスのメタライズ法としては、テレフ
ンケン法、活性金属法、水素化合物法、酸化物ソ
ルダー法、炭酸銅法等が知られているが、これら
の内テレフンケン法以外の方法は工程が複雑であ
るのに加えて、メタライズ層の接合強度、耐熱衝
撃性、耐化学薬品性等が充分でない場合があるた
めに、現在のところ、テレフンケン法によるのが
一般的である。テレフンケン法は、セラミツクス
表面にモリブデン−マンガンを被覆し、非酸化性
雰囲気中1400〜1700℃という高温で焼付け、その
上に金属メツキを行い、更に、被膜の安定化のた
めに再度非酸化性雰囲気中で加熱することにより
メタライズし、次いで必要に応じて金属をロウ接
するものであり、作業工程が長く且つ煩雑である
という大きな欠点があるのに加えて、加熱温度が
高いという欠点があつた。 そこで、本発明者等は、上記欠点を解消するた
めのセラミツクスのメタライズ法として、すでに
特願昭58−131575号(特開昭60−21888号)を出
願しており、その発明の要旨は、炭酸銅、硫酸
銅、硫化銅、酸化銅及び塩化銅の少なくとも一種
とSiO2との混合物を被覆層として用いるときに
は、空気等の酸化性雰囲気中にて比較的低温で焼
付けができ、次いで焼付け層を還元処理すれば極
めて簡便にメタライズできること、SiO2の併用
によりメタライズ層の均一性特に表面の平滑性お
よび光沢が向上すること、得られたメタライズ層
は導電性に優れかつ常温における接合強度が向上
すること等の改良を行うことができた。 [発明が解決しようとする問題点] 前述した本発明者等の発明は、SiO2を混合し
たことによつて、メタライズしたセラミツクスと
金属とを接合した場合に、常温における接合強度
をある程度向上させることには成功した。しか
し、セラミツクスと金属とを接合した接合体を常
温で使用する場合、さらに500℃乃至1000℃の高
温中で使用する場合に、接合強度が不足する欠点
があつた。 [問題点を解決するための手段] 本発明者等は、セラミツクスと金属との接合体
の高温度における強度を向上させるためには、熱
膨脹係数がセラミツクスと金属との中間であつ
て、金属の熱膨脹とセラミツクスの熱膨脹との差
の緩衝材として働くとともに、耐熱衝撃性が非常
に優れ、かつ軟化温度が高く、例えば1000℃での
連続使用に耐える結晶化ガラスの成分を有する粉
末と銅化合物の粉末との混合物をセラミツクスの
被接合面に被覆し、大気等の酸化性雰囲気中900
〜1400℃で加熱して焼付けた後、焼付け層を還元
処理するセラミツクスのメタライズ法を提案す
る。 [作用] 本発明において被覆層として用いる銅化合物、
例えば炭酸銅、硫酸銅、硫化銅、酸化銅及び塩化
銅等は、いずれも通常粉末状のものを使用する。 さらに上記の銅化物の粉末と、SiO2、Al2O3
Li2OおよびMgOまたはZnOの一方もしくは両者
に、TiO2またはZrO2の一方もしくは両者を3乃
至5重量%を添加した結晶化ガラスの粉末とを混
合する。 上記の混合物は、粉末状のまま使用してもよい
し、適当なバインダーおよびその溶剤、例えばス
クリーンオイル等の印刷用インキ、バルサム等を
適量用いてペースト状にして使用してもよい。 粉末状またはペースト状の混合物をメタライズ
が必要なセラミツクス表面に散布または塗布した
被覆する。被覆する量は、特に限定されず、所望
のメタライズ層の厚さに応じて、適宜決定され
る。次に、上記で被覆されたセラミツクスを酸化
性雰囲気中にて加熱して被覆層を焼付ける。酸化
性雰囲気としては、特殊なものを使用する必要は
なく、空気、空気と窒素との混合気等を使用すれ
ば充分である。また、加熱条件としては、セラミ
ツクスの形状、大きさや用いた被覆層の種類、被
覆量等により変化するが、通常900〜1300℃の温
度で5〜60分間程度加熱する。この加熱により炭
酸銅、硫酸銅、硫化銅又は塩化銅は、酸化されて
酸化銅になり、酸化銅を主体とす被覆がセラミツ
クスに密着する。この際、酸化銅の融液がセラミ
ツクス内に一部浸透することにより接合強度が高
められる。加熱温度が900℃より低い場合は上記
浸透が起らず接合強度が不充分になり、また1400
℃より高い場合は被覆層の粘性が低下して流出す
ることがあるので好ましくない。 次に、上記により焼付け層が施されたセラミツ
クスを還元処理する。還元方法としては、特に限
定されず、酸化銅が金属銅に還元されるならばど
んな方法でもよく、例えば水素雰囲気、一酸化炭
素雰囲気等の還元性雰囲気中での加熱、エタノー
ル、メタノール、プロパノール等のアルコール
類、ベンジン、ホルマリン等の還元性溶媒への浸
漬等を挙げることができる。還元性雰囲気中での
加熱する場合の温度は、焼付け層の分解、変質等
を防ぐために前記焼付け温度よりも低いことが好
ましく、通常200〜900℃程度とし、時間は通常5
〜60分間程度とする。また還元性溶媒への浸漬に
よる場合は、セラミツクスを通常200〜500℃程度
好ましくは300℃程度に加熱後、上記還元性溶媒
に10〜60秒間程度浸漬すればよい。 上記還元処理により、極めて優れた導電性を有
する銅メタライズ層がセラミツクス表面に形成さ
れる。 このようにしてメタライズされたセラミツクス
には、必要に応じて、常法、例えばロウ接等によ
り、各種金属を容易に接合することができる。 本発明によりメタライズできるセラミツクスと
しては、特に限定されず、例えば窒化セイ素、サ
イアロン、炭化ケイ素、窒化アルムニウム等の非
酸化物系セラミツクス、アルミナ、ジルコニア、
ムライト、ベリリア、マグネシア、コージライト
等の酸化物系セラミツクスを挙げることができ
る。 [実施例] 実施例 1 酸化銅粉末と第1表に示す結晶化ガラスの成分
の粉末とをそれぞれ第2表に示す重量%の比率で
混合したもの150[mg]に、スクリーンオイル0.04
〜0.05[c.c.]を混合してペースト状とし、これを
平板正方形の窒化ケイ素(Si3N4)の焼結体の被
接合面に、厚さ30〜80[μm]の薄膜をスクリー
ン印刷によつて塗布した。 つぎに、電気炉を用いて常温から約1200℃まで
40分間で昇温した後、120℃で60分間焼成して焼
付け被覆層を形成した。 さらに、焼成したものを、ジメチルアミンボラ
ン「(CH3)HN:BH3」5[g]を水100[c.c.]に
混入した液体中に常温で30分間浸漬し、つづいて
水素13[/min]とアルゴンガス0.8[/min]
との混合ガスを使用した還元炉に、500[℃]、60
分間保持して還元処理をして、金属銅のメタライ
ズ層が形成された。 還元後のメタライズ層は、酸化銅粉末と結晶化
ガラス成分の粉末との混合比率によつて第2表に
示す抵抗値[Ω/cm2]を有している。 また、上記の方法によつてメタライズ層を形成
したセラミツクスと銅片とを銀ロウを用いてロウ
接し、メタライズ層の常温における接合強度を測
定した結果を第2表に示す。 第2表から判明するように、結晶化ガラス成分
の重量%比が大になるほど接合強度が向上する反
面、電気抵抗値が大になつている。
[Industrial Application Field] The present invention relates to a ceramic metallization method in which a copper compound is baked onto the ceramic surface. [Prior art] Generally, ceramics have good heat resistance, wear resistance,
Although it has excellent insulation properties, it is brittle and weak against shock, so
When used as a structural material, it is often used as a bonded body with metal, and in this case, it is necessary to first metallize the surface of the ceramic before bonding the metal and ceramic. Furthermore, when ceramics are used as a conductive material, the surface of the ceramics is metallized. Known methods for metallizing ceramics include the Telefunken method, active metal method, hydride compound method, oxide solder method, and copper carbonate method, but methods other than the Telefunken method have complicated processes. In addition, the metallized layer may not have sufficient bonding strength, thermal shock resistance, chemical resistance, etc., so the Telefunken method is generally used at present. In the Telefunken method, the ceramic surface is coated with molybdenum-manganese, baked at a high temperature of 1400 to 1700°C in a non-oxidizing atmosphere, plated with metal, and then heated again in a non-oxidizing atmosphere to stabilize the coating. The method involves metallizing by heating inside the machine, and then brazing the metals as necessary, which has major disadvantages in that the work process is long and complicated, as well as in that the heating temperature is high. Therefore, the present inventors have already filed Japanese Patent Application No. 58-131575 (Japanese Unexamined Patent Publication No. 60-21888) as a ceramic metallization method to eliminate the above-mentioned drawbacks, and the gist of the invention is as follows. When a mixture of SiO 2 and at least one of copper carbonate, copper sulfate, copper sulfide, copper oxide, and copper chloride is used as a coating layer, it can be baked at a relatively low temperature in an oxidizing atmosphere such as air, and then the baked layer can be baked at a relatively low temperature in an oxidizing atmosphere such as air. It is extremely easy to metalize by reducing the metallization, and the uniformity of the metallized layer, especially the surface smoothness and gloss, can be improved by using SiO 2 together.The resulting metallized layer has excellent conductivity and improved bonding strength at room temperature. We were able to make improvements such as: [Problems to be Solved by the Invention] The invention of the present inventors described above improves the bonding strength to some extent at room temperature when metalized ceramics and metal are bonded by mixing SiO 2 . In particular, it was successful. However, when using a bonded body of ceramics and metal at room temperature, and furthermore at high temperatures of 500°C to 1000°C, there was a drawback that the bonding strength was insufficient. [Means for Solving the Problems] The present inventors have discovered that in order to improve the strength of a bonded body of ceramics and metal at high temperatures, the coefficient of thermal expansion is between that of ceramics and metal, and that of metal. Powders and copper compounds that act as a buffer for the difference between thermal expansion and the thermal expansion of ceramics, have excellent thermal shock resistance, have a high softening temperature, and can withstand continuous use at 1000°C, for example, have the components of crystallized glass. The mixture with the powder is coated on the surfaces of the ceramics to be joined, and the mixture is heated to 900°C in an oxidizing atmosphere such as the air.
We propose a metallization method for ceramics that involves heating and baking at ~1400℃ and then reducing the baked layer. [Function] Copper compound used as a coating layer in the present invention,
For example, copper carbonate, copper sulfate, copper sulfide, copper oxide, copper chloride, etc. are all usually used in powder form. Furthermore, the above-mentioned copperide powder, SiO 2 , Al 2 O 3 ,
Li 2 O and one or both of MgO and ZnO are mixed with powder of crystallized glass in which 3 to 5% by weight of one or both of TiO 2 and ZrO 2 is added. The above-mentioned mixture may be used as it is in powder form, or it may be used in paste form using a suitable binder and its solvent, such as printing ink such as screen oil, balsam, etc. in an appropriate amount. A powder or paste mixture is sprinkled or applied onto the ceramic surface that requires metallization. The amount of coating is not particularly limited, and is appropriately determined depending on the desired thickness of the metallized layer. Next, the ceramic coated above is heated in an oxidizing atmosphere to bake the coating layer. It is not necessary to use a special oxidizing atmosphere, and it is sufficient to use air, a mixture of air and nitrogen, or the like. The heating conditions vary depending on the shape and size of the ceramic, the type of coating layer used, the amount of coating, etc., but are usually heated at a temperature of 900 to 1300° C. for about 5 to 60 minutes. By this heating, copper carbonate, copper sulfate, copper sulfide, or copper chloride is oxidized to copper oxide, and the coating, which is mainly composed of copper oxide, adheres to the ceramic. At this time, the bonding strength is increased by partially penetrating the copper oxide melt into the ceramics. If the heating temperature is lower than 900℃, the above-mentioned penetration will not occur and the bonding strength will be insufficient.
If the temperature is higher than .degree. C., the viscosity of the coating layer may decrease and it may flow out, which is not preferable. Next, the ceramics on which the baked layer has been applied as described above is subjected to a reduction treatment. The reduction method is not particularly limited, and any method may be used as long as copper oxide is reduced to metallic copper, such as heating in a reducing atmosphere such as a hydrogen atmosphere or carbon monoxide atmosphere, ethanol, methanol, propanol, etc. Examples include immersion in reducing solvents such as alcohols, benzine, and formalin. When heating in a reducing atmosphere, the temperature is preferably lower than the baking temperature to prevent decomposition and deterioration of the baked layer, and is usually about 200 to 900°C, and the time is usually about 5.
~60 minutes. In addition, in the case of immersion in a reducing solvent, the ceramics may be heated usually to about 200 to 500°C, preferably about 300°C, and then immersed in the reducing solvent for about 10 to 60 seconds. By the above reduction treatment, a copper metallized layer having extremely excellent conductivity is formed on the ceramic surface. If necessary, various metals can be easily joined to the thus metallized ceramics by conventional methods such as brazing. Ceramics that can be metallized according to the present invention are not particularly limited, and include non-oxide ceramics such as silicon nitride, sialon, silicon carbide, and aluminum nitride, alumina, zirconia,
Examples include oxide ceramics such as mullite, beryllia, magnesia, and cordierite. [Example] Example 1 150 [mg] of a mixture of copper oxide powder and powder of the components of crystallized glass shown in Table 1 in the weight percentage ratio shown in Table 2 was added with 0.04 mg of screen oil.
~0.05 [cc] is mixed to form a paste, and a thin film with a thickness of 30 to 80 [μm] is screen printed on the surface of a square sintered silicon nitride (Si 3 N 4 ) body to be joined. I twisted it and applied it. Next, use an electric furnace to heat the temperature from room temperature to approximately 1200℃.
After raising the temperature for 40 minutes, it was baked at 120°C for 60 minutes to form a baked coating layer. Furthermore, the fired product was immersed in a liquid containing 5 [g] of dimethylamine borane "(CH 3 ) HN: BH3" mixed with 100 [cc] of water for 30 minutes at room temperature, and then immersed in hydrogen 13 [/min]. and argon gas 0.8[/min]
500 [℃], 60
A reduction treatment was performed by holding for a minute, and a metallized layer of metallic copper was formed. The metallized layer after reduction has a resistance value [Ω/cm 2 ] shown in Table 2 depending on the mixing ratio of copper oxide powder and crystallized glass component powder. Table 2 shows the results of measuring the bonding strength of the metallized layer at room temperature by soldering ceramics on which a metallized layer was formed by the above method to a copper piece using silver solder. As is clear from Table 2, as the weight percentage of the crystallized glass component increases, the bonding strength improves, but on the other hand, the electrical resistance value increases.

【表】【table】

【表】 実施例 2 酸化銅粉末70乃至50重量%と第1表に示す結晶
化ガラス成分30乃至50重量%との比率で混合した
もの150[mg]に、スクリーンオイル0.04〜0.05
[c.c.]を混合してペースト状とし、これを平板正
方形の窒化ケイ素(Si3N4)、サイアロン、炭化
ケイ素(SiC)、アルミナ(Al2O3)又はジルコニ
ア(ZrO2)の焼結体の被接合面に、厚さ30〜80
[μm]の薄膜をスクリーン印刷によつて塗布し
た。以後の処理は実施例1と同様である。 上記の方法によつてメタライズ層を形成したセ
ラミツクスのメタライズ層の電気抵抗値、および
メタライズしたセラミツクスと銅片とを銀ロウを
用いてロウ接した接合体の、常温、500[℃]の高
温度における接合強度を第3表に示す。なお、
( )内は前述した特開昭60−21888号公報に記載
された発明を実施したときの接合強度である。
[Table] Example 2 Add 0.04 to 0.05 mg of screen oil to 150 [mg] of a mixture of 70 to 50% by weight of copper oxide powder and 30 to 50% by weight of the crystallized glass component shown in Table 1.
[cc] is mixed to make a paste, and this is made into a flat square sintered body of silicon nitride (Si 3 N 4 ), Sialon, silicon carbide (SiC), alumina (Al 2 O 3 ), or zirconia (ZrO 2 ). Thickness 30~80mm on the surface to be joined
A thin film of [μm] was applied by screen printing. The subsequent processing is the same as in the first embodiment. The electrical resistance value of the metallized layer of ceramics with the metallized layer formed by the above method, and the temperature of the joint made by soldering the metallized ceramic and copper piece using silver solder at room temperature and high temperature of 500 [℃] Table 3 shows the bond strength in . In addition,
The values in parentheses are the bonding strengths obtained when the invention described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 60-21888 was implemented.

【表】 だけの場合
結晶化ガラス成分を混入することによつて、高
温度における接合強度を保持するとともに、結晶
化ガラス成分の熱膨脹係数がセラミツクス(例え
ば窒化ケイ素の場合3.3×10-6/℃)と金属(例
えば銅の場合16.6×10-6/℃)との中間にあるの
で、セラミツクスと金属との熱膨脹の相違による
歪を緩和することができるものと考えられる。 [発明の効果] 本発明によれば、従来法に比べて低温で焼付け
後、還元処理するという極めて簡便な操作で、セ
ラミツクス表面にメタライズ層が形成でき、得ら
れたメタライズ層は導電性に優れ、またメタライ
ズ層の均一性、特に表面に平滑性及び光沢に優れ
ているので商品価値が高いという効果の他に、常
温で使用する場合、さらに500℃以上の高温で使
用する場合でも、接合強度を向上させることがで
きる。 本発明によりメタライズされたセラミツクス
は、上記の如き性能を有するので、セラミツクス
パツケージ等の電子部品、セラミツクスを用いた
耐摩耗性部品、耐熱性部品等に好適に使用でき
る。
[Table] By mixing a crystallized glass component, the bonding strength at high temperatures is maintained, and the thermal expansion coefficient of the crystallized glass component is higher than that of ceramics (for example, 3.3 × 10 -6 /℃ in the case of silicon nitride). ) and metals (for example, 16.6×10 -6 /°C in the case of copper), it is thought that the strain caused by the difference in thermal expansion between ceramics and metals can be alleviated. [Effects of the Invention] According to the present invention, a metallized layer can be formed on the ceramic surface by an extremely simple operation of baking at a lower temperature and then performing a reduction treatment than in conventional methods, and the obtained metallized layer has excellent conductivity. In addition, the uniformity of the metallized layer, especially the surface smoothness and gloss, has a high commercial value, as well as the bonding strength when used at room temperature and even when used at high temperatures of 500℃ or higher. can be improved. Since the metalized ceramic according to the present invention has the above-mentioned performance, it can be suitably used for electronic parts such as ceramic packages, wear-resistant parts using ceramics, heat-resistant parts, etc.

Claims (1)

【特許請求の範囲】[Claims] 1 銅化合物の粉末と、SiO2、Al2O3、Li2Oおよ
びMgO又はZnOの一方もしくは両者に、TiO2
はZrO2の一方もしくは両者を3乃至5重量%を
添加した結晶化ガラスの粉末とを混合してセラミ
ツクス表面に被覆し、酸化性雰囲気中900乃至
1400[℃]で加熱して焼付けた後、還元処理する
セラミツクスのメタライズ法。
1. Crystallized glass in which 3 to 5% by weight of one or both of TiO 2 and ZrO 2 is added to copper compound powder and one or both of SiO 2 , Al 2 O 3 , Li 2 O, and MgO or ZnO. 900 to 900 in an oxidizing atmosphere.
A ceramic metallization method that involves heating and baking at 1400 degrees Celsius, followed by reduction treatment.
JP19015286A 1986-08-12 1986-08-12 Metallization for ceramics Granted JPS6345192A (en)

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