JPH0468265B2 - - Google Patents
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- JPH0468265B2 JPH0468265B2 JP5883086A JP5883086A JPH0468265B2 JP H0468265 B2 JPH0468265 B2 JP H0468265B2 JP 5883086 A JP5883086 A JP 5883086A JP 5883086 A JP5883086 A JP 5883086A JP H0468265 B2 JPH0468265 B2 JP H0468265B2
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Landscapes
- Pressure Welding/Diffusion-Bonding (AREA)
- Ceramic Products (AREA)
Description
【発明の詳細な説明】
「産業上の利用分野」
この発明は、セラミツクスと金属とを接合して
耐熱衝撃性の高い接合製品を得る接合方法および
接合製品に関するものである。
耐熱衝撃性の高い接合製品を得る接合方法および
接合製品に関するものである。
「従来の技術」
周知のように、摩耗や熱作用を頻繁に受ける金
属部品(金属母材)に対しては、一部にセラミツ
クスを用いて部品の耐摩耗性耐熱性の向上を図る
手段が取られている。
属部品(金属母材)に対しては、一部にセラミツ
クスを用いて部品の耐摩耗性耐熱性の向上を図る
手段が取られている。
従来、上記のようなセラミツクスと金属との接
合製品は、第13図に示すように、金属母材1と
セラミツクス2とを中間金属層3を介して接合一
体化したものであつた。この接合製品の接合方法
としては、主に次の3つの方法が用いられてい
る。まず、第1の方法は、セラミツクス2の接合
面に予め30〜60μm程度の厚みのメタライズ層を
形成しておき、このセラミツクス2に前記中間金
属層3をろう付けするとともに、この中間金属層
3を金属母材1にろう付けする方法である。ま
た、第2の方法は、金属母材1の接合面には金属
用のろう材を塗布すると同時に、セラミツクス2
にはメタライズ用のろう材を塗布し、これらの間
に中間金属層3を介装し、これらを加熱すること
によつてろう付け、一体化する方法である。そし
て、第3の方法は、金属母材1とセラミツクス2
との間に中間金属層3を介装し、これら3者を加
圧下で加熱し、中間金属層3をそれぞれ金属母材
1およびセラミツクス2中に拡散させ、接合する
方法である。
合製品は、第13図に示すように、金属母材1と
セラミツクス2とを中間金属層3を介して接合一
体化したものであつた。この接合製品の接合方法
としては、主に次の3つの方法が用いられてい
る。まず、第1の方法は、セラミツクス2の接合
面に予め30〜60μm程度の厚みのメタライズ層を
形成しておき、このセラミツクス2に前記中間金
属層3をろう付けするとともに、この中間金属層
3を金属母材1にろう付けする方法である。ま
た、第2の方法は、金属母材1の接合面には金属
用のろう材を塗布すると同時に、セラミツクス2
にはメタライズ用のろう材を塗布し、これらの間
に中間金属層3を介装し、これらを加熱すること
によつてろう付け、一体化する方法である。そし
て、第3の方法は、金属母材1とセラミツクス2
との間に中間金属層3を介装し、これら3者を加
圧下で加熱し、中間金属層3をそれぞれ金属母材
1およびセラミツクス2中に拡散させ、接合する
方法である。
上記中間金属層3としては、Cu,A,Niや、
またAg等の貴金属、そして、これら単体金属を
含んでなる軟質合金、また、Fe・Ni・Co合金、
Fe・Ni合金、W,Mo等の合金あるいは単体の低
熱膨張金属が使用されている。
またAg等の貴金属、そして、これら単体金属を
含んでなる軟質合金、また、Fe・Ni・Co合金、
Fe・Ni合金、W,Mo等の合金あるいは単体の低
熱膨張金属が使用されている。
上記接合構造において、接合強度はセラミツク
ス2と中間金属層3との接合面積に比例すること
が知られている。また、金属母材1とセラミツク
ス2との間にかかる応力を緩和するためには、中
間金属層3としてはある程度以上の厚みが必要で
あるが、中間金属層3自体の伸縮に伴う変形力の
セラミツクス2への影響を考える場合、この中間
金属層3の厚みは薄い方が好ましいことになる。
従つて、現状において、セラミツクス2に直接接
合しているメタライズ層などは上記したように30
〜60μm程度の薄さに形成されている。
ス2と中間金属層3との接合面積に比例すること
が知られている。また、金属母材1とセラミツク
ス2との間にかかる応力を緩和するためには、中
間金属層3としてはある程度以上の厚みが必要で
あるが、中間金属層3自体の伸縮に伴う変形力の
セラミツクス2への影響を考える場合、この中間
金属層3の厚みは薄い方が好ましいことになる。
従つて、現状において、セラミツクス2に直接接
合しているメタライズ層などは上記したように30
〜60μm程度の薄さに形成されている。
「発明が解決しようとする問題点」
ところで、上記従来のセラミツクスと金属との
接合製品には、下記のような問題点があり、その
解決が望まれている。
接合製品には、下記のような問題点があり、その
解決が望まれている。
すなわち、上記接合製品においては、第14図
に示すように、通常は接合強度を上げるためにセ
ラミツクス2の接合側の面2aのほぼ全域を覆う
ように中間金属層3を形成し、接合している。と
ころが、このような構造においては、例えば熱膨
張率の大きい金属母材1の冷却収縮に伴つて中間
金属層3にかかる引張り応力は、図中矢印のよう
に各辺の中央に向かつて働くことになり、その結
果、中間金属層3の角部C…に最も大きな引張り
応力が働く。そのため、引張り応力に対して弱い
セラミツクス2は、上記角部Cに相当する部分に
応力集中が生じてクラツクが発生し、剥離してし
まうことがしばしば発生している。
に示すように、通常は接合強度を上げるためにセ
ラミツクス2の接合側の面2aのほぼ全域を覆う
ように中間金属層3を形成し、接合している。と
ころが、このような構造においては、例えば熱膨
張率の大きい金属母材1の冷却収縮に伴つて中間
金属層3にかかる引張り応力は、図中矢印のよう
に各辺の中央に向かつて働くことになり、その結
果、中間金属層3の角部C…に最も大きな引張り
応力が働く。そのため、引張り応力に対して弱い
セラミツクス2は、上記角部Cに相当する部分に
応力集中が生じてクラツクが発生し、剥離してし
まうことがしばしば発生している。
これに対し、第15図に示すように、応力集中
を避けるために接合部分4に角部をつくらないよ
うに中間金属層3の形状を円板状とする構造が考
えられる。しかし、例えば、Al2O3の熱膨張率は
7.8×10-6,Si3N4のそれは4×10-6というよう
に、金属母材の熱膨張率はセラミツクスの2〜4
倍もあるため、角部のない接合面の採用によつて
接合面積をある程度減少して、換言すれば接合強
度をある程度犠牲にして行なう上記改良構造にお
いても、第16図に示すように、経時的に接合部
分の外周に沿つてセラミツクス2にクラツクが発
生し、終には剥離してしまうという経時的劣化現
象を避けることができない。特に、金属母材が外
部からの熱や機械的外力を受け、大きな変形を伴
う場合は、一層セラミツクスに力が加わり、クラ
ツクが発生しやすい。
を避けるために接合部分4に角部をつくらないよ
うに中間金属層3の形状を円板状とする構造が考
えられる。しかし、例えば、Al2O3の熱膨張率は
7.8×10-6,Si3N4のそれは4×10-6というよう
に、金属母材の熱膨張率はセラミツクスの2〜4
倍もあるため、角部のない接合面の採用によつて
接合面積をある程度減少して、換言すれば接合強
度をある程度犠牲にして行なう上記改良構造にお
いても、第16図に示すように、経時的に接合部
分の外周に沿つてセラミツクス2にクラツクが発
生し、終には剥離してしまうという経時的劣化現
象を避けることができない。特に、金属母材が外
部からの熱や機械的外力を受け、大きな変形を伴
う場合は、一層セラミツクスに力が加わり、クラ
ツクが発生しやすい。
この発明は上記事情に鑑みてなされたもので、
その目的は金属母材の熱的伸縮や外力に伴う変形
力がセラミツクスにかかるのを減少させ、それに
よりセラミツクスのクラツクを減少させ、製品の
耐熱衝撃性、信頼性の向上および高寿命化を図る
ことのできるセラミツクスと金属との高耐熱衝撃
性接合方法および接合製品を提供することにあ
る。
その目的は金属母材の熱的伸縮や外力に伴う変形
力がセラミツクスにかかるのを減少させ、それに
よりセラミツクスのクラツクを減少させ、製品の
耐熱衝撃性、信頼性の向上および高寿命化を図る
ことのできるセラミツクスと金属との高耐熱衝撃
性接合方法および接合製品を提供することにあ
る。
「問題点を解決するための手段」
本発明者らは、上記問題点を解決するために、
様々な接合構造、接合方法を組み合わせ、研究を
重ねたところ、下記のような知見を得るに至つ
た。
様々な接合構造、接合方法を組み合わせ、研究を
重ねたところ、下記のような知見を得るに至つ
た。
() 第1図a,bに示すように、金属1とセ
ラミツクス2との間に介在させる中間金属層を
二つに分け、セラミツクス上に接合する方の層
(中間金属層)10の面積をほぼセラミツクス
2の面積と同等とするとともに、その厚み寸法
を0.1〜0.7mmとすることによつて、セラミツク
ス2へかかる応力を大幅に緩和することができ
る。
ラミツクス2との間に介在させる中間金属層を
二つに分け、セラミツクス上に接合する方の層
(中間金属層)10の面積をほぼセラミツクス
2の面積と同等とするとともに、その厚み寸法
を0.1〜0.7mmとすることによつて、セラミツク
ス2へかかる応力を大幅に緩和することができ
る。
() もう一方の層(緩衝金属層)11を上記
中間金属層10より小面積で、厚みを0.5〜3
mmとすることによつて、金属1に生じた変形の
セラミツクス2への影響を大幅に緩和すること
ができる。
中間金属層10より小面積で、厚みを0.5〜3
mmとすることによつて、金属1に生じた変形の
セラミツクス2への影響を大幅に緩和すること
ができる。
() セラミツクス2上にメタライズ層12を
形成し、この上に接合する上記中間金属層10
をその厚み寸法の1〜5倍の寸法だけその全外
周縁10aを前記セラミツクス2の全外周縁2
aより内側になるようにして接合し、この上に
接合する緩衝金属層11の接合をろう材13に
より行なうことにより、上記セラミツクス2お
よび中間金属層10により形成される段部14
にろう材13が流れ込み、この段部14を満た
し、固化する(中間金属層10の外周にFillet
15が形成される)。このFillet15はセラミ
ツクス2上で外周縁に向かつて薄くなる形状と
なつており、厚みの薄い方が伸縮変形に対する
追従性が高いので、セラミツクス2の接合端部
にかかる応力が大幅に緩和される。
形成し、この上に接合する上記中間金属層10
をその厚み寸法の1〜5倍の寸法だけその全外
周縁10aを前記セラミツクス2の全外周縁2
aより内側になるようにして接合し、この上に
接合する緩衝金属層11の接合をろう材13に
より行なうことにより、上記セラミツクス2お
よび中間金属層10により形成される段部14
にろう材13が流れ込み、この段部14を満た
し、固化する(中間金属層10の外周にFillet
15が形成される)。このFillet15はセラミ
ツクス2上で外周縁に向かつて薄くなる形状と
なつており、厚みの薄い方が伸縮変形に対する
追従性が高いので、セラミツクス2の接合端部
にかかる応力が大幅に緩和される。
() 上記中間金属層10上に緩衝金属層11
を接合するろう材13および緩衝金属層11上
に金属1を接合するろう材16を、共に中間金
属層10および緩衝金属層11より酸化速度の
遅いろう材(以下、遅酸化性ろう材と称す)と
することによつて、中間金属層10および緩衝
金属層11の露出面、さらにはセラミツクス2
表面(接合側上面)を上記遅酸化性ろう材1
3,16の薄膜で覆うことができ、中間金属層
10、緩衝金属層11さらにはセラミツクス2
の各表面を金属材の硬化をもたらす酸化の進行
から防ぎ、セラミツクスのクラツクの原因と考
えられる金属の脆化を防止し、製品の耐久性の
向上、ひいては耐熱衝撃性の向上を図ることが
できる。
を接合するろう材13および緩衝金属層11上
に金属1を接合するろう材16を、共に中間金
属層10および緩衝金属層11より酸化速度の
遅いろう材(以下、遅酸化性ろう材と称す)と
することによつて、中間金属層10および緩衝
金属層11の露出面、さらにはセラミツクス2
表面(接合側上面)を上記遅酸化性ろう材1
3,16の薄膜で覆うことができ、中間金属層
10、緩衝金属層11さらにはセラミツクス2
の各表面を金属材の硬化をもたらす酸化の進行
から防ぎ、セラミツクスのクラツクの原因と考
えられる金属の脆化を防止し、製品の耐久性の
向上、ひいては耐熱衝撃性の向上を図ることが
できる。
この発明は、上記知見に基づいてなされたもの
である。
である。
すなわち、この発明に係るセラミツクスと金属
との高耐熱衝撃性接合方法は、 (イ) セラミツクス2の表面上にメタライズ層12
を形成するとともに、その上に厚み0.1〜0.7mm
の中間金属層10をその厚みの1〜5倍の寸法
だけその全外周縁10aが前記セラミツクス2
の全外周縁2aより内側になるようにして接合
する中間金属層接合工程と、 (ロ) 上記中間金属層10上にこの中間金属層10
より面積が小さく、厚みが0.5〜3mmの緩衝金
属層11を遅酸化性ろう材13により接合する
緩衝金属層接合工程と、 (ハ) 上記緩衝金属層11上に金属1を遅酸化性ろ
う材16により接合する金属接合工程、 とからなり、 上記全工程を実施することによつて上記セラミ
ツクスの接合側上面の露出面と中間金属層および
緩衝金属層の露出面とを遅酸化性ろう材により被
覆することを特徴とするものである。
との高耐熱衝撃性接合方法は、 (イ) セラミツクス2の表面上にメタライズ層12
を形成するとともに、その上に厚み0.1〜0.7mm
の中間金属層10をその厚みの1〜5倍の寸法
だけその全外周縁10aが前記セラミツクス2
の全外周縁2aより内側になるようにして接合
する中間金属層接合工程と、 (ロ) 上記中間金属層10上にこの中間金属層10
より面積が小さく、厚みが0.5〜3mmの緩衝金
属層11を遅酸化性ろう材13により接合する
緩衝金属層接合工程と、 (ハ) 上記緩衝金属層11上に金属1を遅酸化性ろ
う材16により接合する金属接合工程、 とからなり、 上記全工程を実施することによつて上記セラミ
ツクスの接合側上面の露出面と中間金属層および
緩衝金属層の露出面とを遅酸化性ろう材により被
覆することを特徴とするものである。
また、この発明に係るセラミツクスと金属との
高耐熱衝撃性接合製品は、 セラミツクス2上にメタライズ層12を介し
て、厚み0.1〜0.7mmの中間金属層10がその厚み
寸法の1〜5倍の寸法だけその全外周縁10aが
前記セラミツクス2の全外周縁2aより内側にな
るようにして接合され、この中間金属層10上に
この中間金属層10より小面積で厚みが0.5〜3
mmの緩衝金属層11が遅酸化性ろう材13により
接合され、 この緩衝金属層11上に金属1が遅酸化性ろう
材16により接合されてなり、 上記セラミツクスの接合側上面の露出面と、中
間金属層および緩衝金属層の露出面とが遅酸化性
ろう材により被覆されていることを特徴とするも
のである。
高耐熱衝撃性接合製品は、 セラミツクス2上にメタライズ層12を介し
て、厚み0.1〜0.7mmの中間金属層10がその厚み
寸法の1〜5倍の寸法だけその全外周縁10aが
前記セラミツクス2の全外周縁2aより内側にな
るようにして接合され、この中間金属層10上に
この中間金属層10より小面積で厚みが0.5〜3
mmの緩衝金属層11が遅酸化性ろう材13により
接合され、 この緩衝金属層11上に金属1が遅酸化性ろう
材16により接合されてなり、 上記セラミツクスの接合側上面の露出面と、中
間金属層および緩衝金属層の露出面とが遅酸化性
ろう材により被覆されていることを特徴とするも
のである。
上記構成において、中間金属層10の厚みを
0.1〜0.7mmとしたのは、0.1mm未満とすると、変形
に対する追従性が大きくなり過ぎ、応力分散性が
失われてしまうからであり、0.7mmを越えると、
変形に対する追従性が失われるとともに、自身の
伸縮変形も大きくなつてしまうからである。
0.1〜0.7mmとしたのは、0.1mm未満とすると、変形
に対する追従性が大きくなり過ぎ、応力分散性が
失われてしまうからであり、0.7mmを越えると、
変形に対する追従性が失われるとともに、自身の
伸縮変形も大きくなつてしまうからである。
また、緩衝金属層11の接合面積を中間金属層
10より小さくしたのは、金属1に生じる大きな
変形を上記中間金属層10、ひいてはセラミツク
ス2に伝えないためであり、同緩衝金属層11の
厚みを0.5〜3mmとしたのは、0.5mm未満になる
と、急激に剪断強度が低下するからであり、3mm
を越えると、いたずらに接合品の厚みが増すだけ
で強度は低下傾向となるからである。
10より小さくしたのは、金属1に生じる大きな
変形を上記中間金属層10、ひいてはセラミツク
ス2に伝えないためであり、同緩衝金属層11の
厚みを0.5〜3mmとしたのは、0.5mm未満になる
と、急激に剪断強度が低下するからであり、3mm
を越えると、いたずらに接合品の厚みが増すだけ
で強度は低下傾向となるからである。
さらに、中間金属層10をその厚み寸法の1〜
5倍の寸法だけその全外周縁10aが前記セラミ
ツクス2の全外周縁2aより内側になるようにし
てセラミツクス2上に接合したのは、1倍未満で
あるとFillet15が形成されないからであり、5
倍を越えるとFillet15の端部がセラミツクス2
の外周縁2a近傍にまで達しないからである。
5倍の寸法だけその全外周縁10aが前記セラミ
ツクス2の全外周縁2aより内側になるようにし
てセラミツクス2上に接合したのは、1倍未満で
あるとFillet15が形成されないからであり、5
倍を越えるとFillet15の端部がセラミツクス2
の外周縁2a近傍にまで達しないからである。
また、セラミツクス2上にメタライズ層12を
形成したのは、セラミツクス2に対するろう材の
濡れ性がたいへん悪く、メタライズ層12を形成
することによつて始めて上記Fillet15を容易に
形成することができるようになるからである。
形成したのは、セラミツクス2に対するろう材の
濡れ性がたいへん悪く、メタライズ層12を形成
することによつて始めて上記Fillet15を容易に
形成することができるようになるからである。
また、上記構成の中間金属層接合工程におい
て、第1図bに示すように、セラミツクス2上に
メタライズ層12を形成した後に遅酸化性ろう材
17により中間金属層10を接合することにより
行なつてもよいし、セラミツクス2上にろう材を
介して中間金属層10を重ね、これを加熱するこ
とによりメタライズ層形成と中間金属層接合とを
1回の加熱処理により行なつてもよい。一度で行
なうには、例えば、ろう材としてAg−Cu−Ti系
の活性金属ろう材などが使用される。また、メタ
ライズ層形成と接合とを別々に行なう場合は、
Mo・Mn法によるメタライジング等の公知の方
法が用いられる。
て、第1図bに示すように、セラミツクス2上に
メタライズ層12を形成した後に遅酸化性ろう材
17により中間金属層10を接合することにより
行なつてもよいし、セラミツクス2上にろう材を
介して中間金属層10を重ね、これを加熱するこ
とによりメタライズ層形成と中間金属層接合とを
1回の加熱処理により行なつてもよい。一度で行
なうには、例えば、ろう材としてAg−Cu−Ti系
の活性金属ろう材などが使用される。また、メタ
ライズ層形成と接合とを別々に行なう場合は、
Mo・Mn法によるメタライジング等の公知の方
法が用いられる。
また、この発明において、遅酸化性ろう材と
は、前記したように中間金属層10および緩衝金
属層11より酸化速度の遅いろう材を示すもの
で、このような遅酸化性ろう材として、例えば、
中間金属層10および緩衝金属層11が銅やニツ
ケルである場合には銀、金、パラジウム等を挙げ
ることができる。この遅酸化性ろう材の選択に当
たつては、被覆性およびFillet形成性を考慮して
展延性の高いものを採用することが望ましい。
は、前記したように中間金属層10および緩衝金
属層11より酸化速度の遅いろう材を示すもの
で、このような遅酸化性ろう材として、例えば、
中間金属層10および緩衝金属層11が銅やニツ
ケルである場合には銀、金、パラジウム等を挙げ
ることができる。この遅酸化性ろう材の選択に当
たつては、被覆性およびFillet形成性を考慮して
展延性の高いものを採用することが望ましい。
なお、この発明において、中間金属層10上に
塗布する遅酸化性ろう材13は、上記Fillet15
の形成を容易にするために中間金属層10と同面
積もしくはそれより幾分大きく塗布することが好
ましい。
塗布する遅酸化性ろう材13は、上記Fillet15
の形成を容易にするために中間金属層10と同面
積もしくはそれより幾分大きく塗布することが好
ましい。
さらに、この発明において、ろう付けは、真空
または不活性ガス等の非酸化性雰囲気下、常圧
で、700〜1250℃にて行なわれる。また、メタラ
イズ層単独形成の場合も、非酸化性雰囲気下、
700〜1400℃で行なわれる。
または不活性ガス等の非酸化性雰囲気下、常圧
で、700〜1250℃にて行なわれる。また、メタラ
イズ層単独形成の場合も、非酸化性雰囲気下、
700〜1400℃で行なわれる。
なお、本発明の接合製品においては、以下に示
す実施例から明らかなように、耐熱衝撃試験にお
ける強度低下率は約14%以下という実測値を示
す。これに対し、一般にセラミツクス、金属母材
の種類によつても異なるが、通常、初期の接合強
度(主として剪断強度)に対して測定誤差も含め
30%程度の強度低下は、実用上許容される範囲で
ある。従つて、本発明の接合製品は実用上高い性
能をもつものと判断される。
す実施例から明らかなように、耐熱衝撃試験にお
ける強度低下率は約14%以下という実測値を示
す。これに対し、一般にセラミツクス、金属母材
の種類によつても異なるが、通常、初期の接合強
度(主として剪断強度)に対して測定誤差も含め
30%程度の強度低下は、実用上許容される範囲で
ある。従つて、本発明の接合製品は実用上高い性
能をもつものと判断される。
次に、本発明を実施例によりさらに詳しく説明
する。
する。
「実施例 1〜4」
第1図の構造において、金属母材1を接合しな
い構造のもの、すなわち、セラミツクス2上にメ
タライズ層12を形成し、この上に遅酸化性ろう
材17によつて中間金属層10を接合し、この上
にさらに遅酸化性ろう材13によつて緩衝金属層
11を接合した構造の接合品を各々下記材質、寸
法により作成した。
い構造のもの、すなわち、セラミツクス2上にメ
タライズ層12を形成し、この上に遅酸化性ろう
材17によつて中間金属層10を接合し、この上
にさらに遅酸化性ろう材13によつて緩衝金属層
11を接合した構造の接合品を各々下記材質、寸
法により作成した。
(実施例 1)
30×15×5t(mm)のSi3N4セラミツクス上に銀、
金、チタン各粉の混合物を塗布し、これを真空下
で1000℃、10分間加熱して50μmのメタライズ層
を形成した。この上に遅酸化性ろう材として
BAg−8(JIS Z3261)粉を塗布し、この上に中
間金属層として29.5×14.5×0.1t(mm)のCu板をの
せ、真空下、850℃、10分間加熱して接合した。
さらに、前記中間金属層上にBAg−8粉を塗布
し、この上に緩衝金属層として10φ×2t(mm)の
Cu円板を二つのせ、真空下、850℃、10分間加熱
して接合した。
金、チタン各粉の混合物を塗布し、これを真空下
で1000℃、10分間加熱して50μmのメタライズ層
を形成した。この上に遅酸化性ろう材として
BAg−8(JIS Z3261)粉を塗布し、この上に中
間金属層として29.5×14.5×0.1t(mm)のCu板をの
せ、真空下、850℃、10分間加熱して接合した。
さらに、前記中間金属層上にBAg−8粉を塗布
し、この上に緩衝金属層として10φ×2t(mm)の
Cu円板を二つのせ、真空下、850℃、10分間加熱
して接合した。
得られた接合品を次のような熱衝撃試験にかけ
た。すなわち、室温から200℃/minで350℃まで
昇温し、その後350℃で15分間保持、続いて50
℃/minで室温まで降温し、室温で15分間保持の
一続きを1サイクルとする内容の試験である。
た。すなわち、室温から200℃/minで350℃まで
昇温し、その後350℃で15分間保持、続いて50
℃/minで室温まで降温し、室温で15分間保持の
一続きを1サイクルとする内容の試験である。
その結果、第2図に示すように、この実施例1
の接合品は、当初の剪断強度が10点の平均4.20
Kg/mm2(以下、強度値は、同様にすべて10点の平
均値を示す)であつたのが、50回のサイクルを加
えた後は平均3.90Kg/mm2となり、その耐熱強度低
下率は、約14%以下という高性能を示した。
の接合品は、当初の剪断強度が10点の平均4.20
Kg/mm2(以下、強度値は、同様にすべて10点の平
均値を示す)であつたのが、50回のサイクルを加
えた後は平均3.90Kg/mm2となり、その耐熱強度低
下率は、約14%以下という高性能を示した。
(実施例 2)
上記実施例1において、中間金属層の厚み寸法
のみを0.2t(mm)に替えて、他の条件は同一にし
て接合品を作成した。
のみを0.2t(mm)に替えて、他の条件は同一にし
て接合品を作成した。
得られた接合品を上記同様の熱衝撃試験にかけ
た。
た。
その結果、第3図に示すように、この実施例2
の接合品は、当初の剪断強度が平均11.40Kg/mm2
であつたのが、50回のサイクルを加えた後は平均
10.80Kg/mm2となり、その耐熱強度低下率は、約
5%以下という高性能を示した。
の接合品は、当初の剪断強度が平均11.40Kg/mm2
であつたのが、50回のサイクルを加えた後は平均
10.80Kg/mm2となり、その耐熱強度低下率は、約
5%以下という高性能を示した。
(実施例 3)
上記実施例1において、中間金属層の厚み寸法
のみを0.7t(mm)に替えて、他の条件は同一にし
て接合品を作成した。
のみを0.7t(mm)に替えて、他の条件は同一にし
て接合品を作成した。
得られた接合品を上記同様の熱衝撃試験にかけ
た。
た。
その結果、第4図に示すように、この実施例3
の接合品は、当初の剪断強度が平均8.30Kg/mm2で
あつたのが、50回のサイクルを加えた後は平均
7.30Kg/mm2となり、その耐熱強度低下率は、約12
%以下という高性能を示した。
の接合品は、当初の剪断強度が平均8.30Kg/mm2で
あつたのが、50回のサイクルを加えた後は平均
7.30Kg/mm2となり、その耐熱強度低下率は、約12
%以下という高性能を示した。
(実施例 4)
30×15×5t(mm)のAl2O3セラミツクス上に銀、
銅、チタン各粉の混合物を塗布し、これを真空下
で1000℃、10分間加熱して50μmのメタライズ層
を形成した。この上に遅酸化性ろう材として
BAg−8粉を塗布し、この上に中間金属層とし
て29.5×14.5×0.2t(mm)のCu板をのせ、真空下、
850℃、10分間加熱して接合した。さらに、前記
中間金属層上にBAg−8粉を塗布し、この上に
緩衝金属層として10φ×2t(mm)のCu円板を二つ
のせ、真空下、850℃、10分間加熱して接合した。
銅、チタン各粉の混合物を塗布し、これを真空下
で1000℃、10分間加熱して50μmのメタライズ層
を形成した。この上に遅酸化性ろう材として
BAg−8粉を塗布し、この上に中間金属層とし
て29.5×14.5×0.2t(mm)のCu板をのせ、真空下、
850℃、10分間加熱して接合した。さらに、前記
中間金属層上にBAg−8粉を塗布し、この上に
緩衝金属層として10φ×2t(mm)のCu円板を二つ
のせ、真空下、850℃、10分間加熱して接合した。
得られた接合品を上記同様の熱衝撃試験にかけ
た。
た。
その結果、第5図に示すように、この実施例4
の接合品は、当初の剪断強度が平均7.14Kg/mm2で
あつたのが、50回のサイクルを加えた後は平均
6.80Kg/mm2となり、その耐熱強度低下率は、約5
%以下という高性能を示した。
の接合品は、当初の剪断強度が平均7.14Kg/mm2で
あつたのが、50回のサイクルを加えた後は平均
6.80Kg/mm2となり、その耐熱強度低下率は、約5
%以下という高性能を示した。
「実施例 5」
30×15×5t(mm)のSi3N4セラミツクス上に銀、
銅、チタン各粉の混合物を塗布し、これを真空下
で1000℃、10分間加熱して50μmのメタライズ層
を形成した。この上に遅酸化性ろう材として
BAg−8粉を塗布し、この上に中間金属層とし
て29.5×14.5×0.2t(mm)のCu板をのせ、真空下、
850℃、10分間加熱して接合した。さらに、前記
中間金属層上にBAg−8粉を塗布し、この上に
緩衝金属層として10φ(mm)で、各々0.5,1.0,
1.5,2.0,3.0t(mm)のCu円板を二つのせ、真空
下、850℃,10分間加熱して接合した。
銅、チタン各粉の混合物を塗布し、これを真空下
で1000℃、10分間加熱して50μmのメタライズ層
を形成した。この上に遅酸化性ろう材として
BAg−8粉を塗布し、この上に中間金属層とし
て29.5×14.5×0.2t(mm)のCu板をのせ、真空下、
850℃、10分間加熱して接合した。さらに、前記
中間金属層上にBAg−8粉を塗布し、この上に
緩衝金属層として10φ(mm)で、各々0.5,1.0,
1.5,2.0,3.0t(mm)のCu円板を二つのせ、真空
下、850℃,10分間加熱して接合した。
得られた各接合品の剪断強度を測定したとこ
ろ、第6図に示すように、0.5tでは平均8.09Kg/
mm2,1.0tでは平均11.74Kg/mm2,1.5tでは平均11.63
Kg/mm2,2.0tでは平均11.40Kg/mm2,3.0tでは平均
11.20Kg/mm2であり、0.5t未満では剪断強度が急激
に低下し、3.0tを越えても剪断強度の低下は緩や
かであつた。
ろ、第6図に示すように、0.5tでは平均8.09Kg/
mm2,1.0tでは平均11.74Kg/mm2,1.5tでは平均11.63
Kg/mm2,2.0tでは平均11.40Kg/mm2,3.0tでは平均
11.20Kg/mm2であり、0.5t未満では剪断強度が急激
に低下し、3.0tを越えても剪断強度の低下は緩や
かであつた。
「実施例 6」
30×15×5t(mm)のSi3N4セラミツクス上に銀、
銅、チタン各粉の混合物を塗布し、この上に中間
金属層として29.5×14.5×0.2t(mm)のCu板をの
せ、真空下、1000℃、10分間加熱してメタライズ
層形成と同時に一度に接合した。さらに、前記中
間金属層上に銀と銅の各粉の混合物を塗布し、こ
の上に緩衝金属層として10φ×2t(mm)のCu円板
を二つのせ、真空下、850℃、10分間加熱して接
合した。
銅、チタン各粉の混合物を塗布し、この上に中間
金属層として29.5×14.5×0.2t(mm)のCu板をの
せ、真空下、1000℃、10分間加熱してメタライズ
層形成と同時に一度に接合した。さらに、前記中
間金属層上に銀と銅の各粉の混合物を塗布し、こ
の上に緩衝金属層として10φ×2t(mm)のCu円板
を二つのせ、真空下、850℃、10分間加熱して接
合した。
得られた接合品を前記同様の熱衝撃試験にかけ
た。
た。
その結果、第7図に示すように、この実施例6
の接合品は、当初の剪断強度が平均10.49Kg/mm2
であつたものが、50回のサイクルを加えた後は平
均9.22Kg/mm2となり、その耐熱強度低下率は、約
12%という高性能を示した。
の接合品は、当初の剪断強度が平均10.49Kg/mm2
であつたものが、50回のサイクルを加えた後は平
均9.22Kg/mm2となり、その耐熱強度低下率は、約
12%という高性能を示した。
なお、上記各実施例においては、金属母材1を
接合しない構造のもの、すなわち、セラミツクス
2上にメタライズ層12を形成し、この上に遅酸
化性ろう材17によつて中間金属層10を接合
し、この上にさらに遅酸化性ろう材13によつて
緩衝金属層11を接合した構造の接合品について
強度測定を行ない、金属母材1を接合した完成品
についての強度測定の替わりとしたが、これは次
の参考例に示すように、350℃での昇降温では、
金属母材1を接合しない構造のものの方が金属母
材1を接合した完成品より厳しい条件下に置かれ
ることを知るに至つたためである。
接合しない構造のもの、すなわち、セラミツクス
2上にメタライズ層12を形成し、この上に遅酸
化性ろう材17によつて中間金属層10を接合
し、この上にさらに遅酸化性ろう材13によつて
緩衝金属層11を接合した構造の接合品について
強度測定を行ない、金属母材1を接合した完成品
についての強度測定の替わりとしたが、これは次
の参考例に示すように、350℃での昇降温では、
金属母材1を接合しない構造のものの方が金属母
材1を接合した完成品より厳しい条件下に置かれ
ることを知るに至つたためである。
(参考例)
第8図は、第9図に示すように、30×15×5t
(mm)のSi3N4セラミツクス20上にBAg−8粉
とチタン粉との混合物を塗布し、この上に中間金
属層として10φ×2t(mm)のCu円板21,21を
二つのせ、さらに、この上にBAg−8粉を塗布
して30×60×5t(mm)の金属母材(鋼材)22を
のせ、真空下、850℃,10分間加熱して接合した
接合品を前記耐熱衝撃試験にかけた結果の剪断強
度を示すものである。図に示すように、この接合
品は、当初の剪断強度が平均8.58Kg/mm2であつた
のが、10回のサイクルを加えた後では平均5.60
Kg/mm2,20回のサイクルを加えた後では平均2.45
Kg/mm2となつた。
(mm)のSi3N4セラミツクス20上にBAg−8粉
とチタン粉との混合物を塗布し、この上に中間金
属層として10φ×2t(mm)のCu円板21,21を
二つのせ、さらに、この上にBAg−8粉を塗布
して30×60×5t(mm)の金属母材(鋼材)22を
のせ、真空下、850℃,10分間加熱して接合した
接合品を前記耐熱衝撃試験にかけた結果の剪断強
度を示すものである。図に示すように、この接合
品は、当初の剪断強度が平均8.58Kg/mm2であつた
のが、10回のサイクルを加えた後では平均5.60
Kg/mm2,20回のサイクルを加えた後では平均2.45
Kg/mm2となつた。
これに対し、上記構造で金属母材20を接合し
ないものの同剪断強度変化は、第10図に示すよ
うに、当初、平均8.58Kg/mm2であつたのが、10回
のサイクルを加えた後で平均0.76Kg/mm2,20回の
サイクルを加えた後では平均0.60Kg/mm2となり、
金属母材20を接合しないもので行なう方がより
厳しい性能試験となることが判明した。
ないものの同剪断強度変化は、第10図に示すよ
うに、当初、平均8.58Kg/mm2であつたのが、10回
のサイクルを加えた後で平均0.76Kg/mm2,20回の
サイクルを加えた後では平均0.60Kg/mm2となり、
金属母材20を接合しないもので行なう方がより
厳しい性能試験となることが判明した。
これは次の理由によるものと思われる。すなわ
ち、前に述べたように、金属母材(鉄)の熱収縮
の影響を避けるために金属中間層として銅板を金
属母材とセラミツクスとの間に介装し、金属母材
の熱収縮を柔軟性、展延性、追従性の高い銅板に
より緩和している。これは、銅が鉄より熱膨張が
小さいためでなく、逆に銅の方が熱膨張量は大き
いが、鉄に接合された場合、鉄は剛直であるのに
対し、銅は柔軟性、展延性、追従性が高いため、
その熱収縮は鉄材により制約され、見掛け上鉄材
と同等となるためであり、その結果、中間金属層
としての銅板は、その特性の内、柔軟性、展延
性、追従性のみが発揮され、鉄材からのセラミツ
クスへの負荷を減少するからである。従つて、単
にセラミツクス上に中間金属層として銅板を接合
しただけのものでは、銅板の熱収縮を制約するも
のがなく、銅板の熱収縮に伴う変形力がそのまま
セラミツクスにかかつてしまう。そのため、前記
参考例に示したように、金属母材を接合しない構
造のものの方が熱衝撃試験では厳しい条件下に置
かれる結果になるものと思われる。
ち、前に述べたように、金属母材(鉄)の熱収縮
の影響を避けるために金属中間層として銅板を金
属母材とセラミツクスとの間に介装し、金属母材
の熱収縮を柔軟性、展延性、追従性の高い銅板に
より緩和している。これは、銅が鉄より熱膨張が
小さいためでなく、逆に銅の方が熱膨張量は大き
いが、鉄に接合された場合、鉄は剛直であるのに
対し、銅は柔軟性、展延性、追従性が高いため、
その熱収縮は鉄材により制約され、見掛け上鉄材
と同等となるためであり、その結果、中間金属層
としての銅板は、その特性の内、柔軟性、展延
性、追従性のみが発揮され、鉄材からのセラミツ
クスへの負荷を減少するからである。従つて、単
にセラミツクス上に中間金属層として銅板を接合
しただけのものでは、銅板の熱収縮を制約するも
のがなく、銅板の熱収縮に伴う変形力がそのまま
セラミツクスにかかつてしまう。そのため、前記
参考例に示したように、金属母材を接合しない構
造のものの方が熱衝撃試験では厳しい条件下に置
かれる結果になるものと思われる。
「比較例」
次に前記従来例に基づいた比較例を示し、本発
明品の性能の高さを確認する。
明品の性能の高さを確認する。
(比較例 1)
第11図は、前記第14図に示した従来例に相
当する接合品で、金属母材を接合しない構造のも
のの熱衝撃試験における剪断強度変化を示すもの
で、この接合品は30×15×5t(mm)のSi3N4セラミ
ツクス上に13×13×2t(mm)のCu板をろう材
(BAg−8)によつて接合したものである。
当する接合品で、金属母材を接合しない構造のも
のの熱衝撃試験における剪断強度変化を示すもの
で、この接合品は30×15×5t(mm)のSi3N4セラミ
ツクス上に13×13×2t(mm)のCu板をろう材
(BAg−8)によつて接合したものである。
この比較品では、当初剪断強度が平均4.46Kg/
mm2であつたのが、10回目のサイクルで既に平均
2.58Kg/mm2にまで低下してしまつており、前記本
願発明品の性能の高さを知ることができる。
mm2であつたのが、10回目のサイクルで既に平均
2.58Kg/mm2にまで低下してしまつており、前記本
願発明品の性能の高さを知ることができる。
(比較例 2)
第12図は、前記第15図に示した従来例に相
当する接合品で、金属母材を接合しない構造のも
のの熱衝撃試験における剪断強度変化を示すもの
で、この接合品は30×15×5t(mm)のSi3N4セラミ
ツクス上に10φ×2t(mm)のCu円板をろう材
(BAg−8)によつて接合したものである。
当する接合品で、金属母材を接合しない構造のも
のの熱衝撃試験における剪断強度変化を示すもの
で、この接合品は30×15×5t(mm)のSi3N4セラミ
ツクス上に10φ×2t(mm)のCu円板をろう材
(BAg−8)によつて接合したものである。
この比較品では、当初剪断強度が平均9.44Kg/
mm2であつたのが、10回目のサイクルで既に平均
3.63Kg/mm2にまで低下してしまつており、前記本
願発明品の性能の高さを知ることができる。
mm2であつたのが、10回目のサイクルで既に平均
3.63Kg/mm2にまで低下してしまつており、前記本
願発明品の性能の高さを知ることができる。
「発明の効果」
以上説明したように、本発明によれば、耐熱衝
撃性が高く、信頼性に優れ、高寿命なセラミツク
スと金属との接合製品を容易に得ることができ
る。
撃性が高く、信頼性に優れ、高寿命なセラミツク
スと金属との接合製品を容易に得ることができ
る。
第1図ないし第7図は、この発明を説明するた
めのもので、第1図aはこの発明に係る高耐熱衝
撃性接合製品の一例を示す側断面図、bはa図の
要部拡大図、第2図ないし第5図はそれぞれこの
発明の第1ないし第4の実施例を示すもので、
各々得られた接合品の熱衝撃試験による剪断強度
変化を示すグラフ、第6図は第5の実施例を示す
もので、緩衝金属層の厚みを変化させた場合の剪
断強度の変化を示すグラフ、第7図は第6の実施
例を示すもので、得られた接合品の熱衝撃試験に
よる剪断強度変化を示すグラフ、第8図ないし第
10図は金属母材を省略した接合品での熱衝撃試
験のほうが金属母材まで接合した完成接合品での
ものより厳しい試験となることを示す参考例で、
第8図は完成接合品の剪断強度変化を示すグラ
フ、第9図は第8図に用いた完成接合品の構成を
示す斜視図、第10図は金属母材を省略した接合
品の剪断強度変化を示すグラフ、第11図ないし
第16図は従来の接合製品を説明するためのもの
で、第11,12図は各々熱衝撃による剪断強度
変化を示すグラフ、第13図は従来の接合製品の
一例を示す側面構成図、第14図は第13図A−
A線に沿う断面図、第15図は他の従来例の要部
平面図、第16図は同従来例の要部側面図であ
る。 1……金属母材、2……セラミツクス、2a…
…セラミツクスの外周縁、10……中間金属層、
10a……中間金属層の外周縁、11……緩衝金
属層、12……メタライズ層、13,16,17
……遅酸化性ろう材、14……段部、15……
Fillet。
めのもので、第1図aはこの発明に係る高耐熱衝
撃性接合製品の一例を示す側断面図、bはa図の
要部拡大図、第2図ないし第5図はそれぞれこの
発明の第1ないし第4の実施例を示すもので、
各々得られた接合品の熱衝撃試験による剪断強度
変化を示すグラフ、第6図は第5の実施例を示す
もので、緩衝金属層の厚みを変化させた場合の剪
断強度の変化を示すグラフ、第7図は第6の実施
例を示すもので、得られた接合品の熱衝撃試験に
よる剪断強度変化を示すグラフ、第8図ないし第
10図は金属母材を省略した接合品での熱衝撃試
験のほうが金属母材まで接合した完成接合品での
ものより厳しい試験となることを示す参考例で、
第8図は完成接合品の剪断強度変化を示すグラ
フ、第9図は第8図に用いた完成接合品の構成を
示す斜視図、第10図は金属母材を省略した接合
品の剪断強度変化を示すグラフ、第11図ないし
第16図は従来の接合製品を説明するためのもの
で、第11,12図は各々熱衝撃による剪断強度
変化を示すグラフ、第13図は従来の接合製品の
一例を示す側面構成図、第14図は第13図A−
A線に沿う断面図、第15図は他の従来例の要部
平面図、第16図は同従来例の要部側面図であ
る。 1……金属母材、2……セラミツクス、2a…
…セラミツクスの外周縁、10……中間金属層、
10a……中間金属層の外周縁、11……緩衝金
属層、12……メタライズ層、13,16,17
……遅酸化性ろう材、14……段部、15……
Fillet。
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 1 (イ) セラミツクス上にメタライズ層を形成す
るとともに、その上に厚み0.1〜0.7mmの中間金
属層をその厚みの1〜5倍の寸法だけその全外
周縁が前記セラミツクスの全外周縁より内側に
なるようにして接合する中間金属層接合工程
と、 (ロ) 前記中間金属層上にこの中間金属層より面積
が小さく、厚みが0.5〜3mmの緩衝金属層を遅
酸化性ろう材により接合する緩衝金属層接合工
程と、 (ハ) 前記緩衝金属層上に金属を遅酸化性ろう材に
より接合する金属接合工程、 とからなり、 前記全工程を実施することによつて前記セラミ
ツクスの接合側上面の露出面と中間金属層および
緩衝金属層の露出面とを遅酸化性ろう材により被
覆することを特徴とするセラミツクスと金属との
高耐熱衝撃性接合方法。 2 中間金属層接合工程において、セラミツクス
上にメタライズ層を形成した後に遅酸化性ろう材
により中間金属層を接合することにより行なうこ
とを特徴とする特許請求の範囲第1項に記載のセ
ラミツクスと金属との高耐熱衝撃性接合方法。 3 中間金属層接合工程において、セラミツクス
上にろう材を介して中間金属層を重ね、これを加
熱することによりメタライズ層および中間金属層
接合を1回の加熱処理により行なうことを特徴と
する特許請求の範囲第1項に記載のセラミツクス
と金属との高耐熱衝撃性接合方法。 4 セラミツクス上にメタライズ層を介して、厚
み0.1〜0.7mmの中間金属層がその厚み寸法の1〜
5倍の寸法だけその全外周縁が前記セラミツクス
の全外周縁より内側になるようにして接合され、 この中間金属層上にこの中間金属層より小面積
で厚みが0.5〜3mmの緩衝金属層が遅酸化性ろう
材により接合され、 この緩衝金属層上に金属が遅酸化性ろう材によ
り接合されてなり、 前記セラミツクスの接合側上面の露出面と、中
間金属層および緩衝金属層の露出面とが遅酸化性
ろう材により被覆されていることを特徴とするセ
ラミツクスと金属との高耐熱性接合製品。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP5883086A JPS62216972A (ja) | 1986-03-17 | 1986-03-17 | セラミツクスと金属との高耐熱衝撃性接合方法および接合製品 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP5883086A JPS62216972A (ja) | 1986-03-17 | 1986-03-17 | セラミツクスと金属との高耐熱衝撃性接合方法および接合製品 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS62216972A JPS62216972A (ja) | 1987-09-24 |
| JPH0468265B2 true JPH0468265B2 (ja) | 1992-10-30 |
Family
ID=13095564
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP5883086A Granted JPS62216972A (ja) | 1986-03-17 | 1986-03-17 | セラミツクスと金属との高耐熱衝撃性接合方法および接合製品 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPS62216972A (ja) |
Families Citing this family (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2597018B2 (ja) * | 1989-12-26 | 1997-04-02 | 日本原子力研究所 | 絶縁用部材及びそれを用いた電気部品 |
| JP2642008B2 (ja) * | 1990-10-12 | 1997-08-20 | 日本原子力研究所 | 絶縁部材及びそれを用いた電気部品 |
-
1986
- 1986-03-17 JP JP5883086A patent/JPS62216972A/ja active Granted
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPS62216972A (ja) | 1987-09-24 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
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