JPH0522661B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、非金属と金属の接合方法に係り、特
にガラス等の非金属と金属の接合方法に関する。

〔従来の技術〕

非金属と金属の接合技術は、広い分野で高い必
要性がある。真空機器，圧力容器等の端子導入部
で用いるセラミツクス（多くはアルミナ）と配管
壁との接合の好例があり、多岐に亘る技術が開発
されている。セラミツクスと金属との接合に関し
ては大別して中間材法，直接的接合法，機械的結
合法の３通りがある。このうち、機械的結合法
は、ボルト締め，クランプ，焼ばめ等であるが、
当然のことながら、材料、特に非金属材料に機械
的強度が要求される外、必ずしも気密性が良くな
い。中間材法は有機又は無機の接着剤を用いる方
法と非金属表面に金属皮膜を形成する方法である
メタライズを含めたろう付け法とがある。接着剤
法は、一般に酸，アルカリ，熱に弱い。

イタライズろう付け法では、はじめに特定の金
属成分を含んだペーストをセラミツクスに塗布
し、加熱又は化学処理を施して金属皮膜をセラミ
ツクス表面に形成し、これにろう付けするものが
代表的方法である。

この方法は気密性，強度共に優れているが、金
属，ろう材，非金属の特定の組合せにしか用いら
れない点で限界がある。

直接的接合法では高温高圧下で金属とセラミツ
クスを接触させ両相を焼結させる方法（超高圧
法，HIP法）、特定の雰囲気ガス中で金属とセラ
ミツクスの界面で反応層を作る方法、界面に反応
促進剤を貼付して金属とセラミツクス間の反応層
を形成する方法などがある。いづれの方法も気密
性，強度共に優れたものが開発されているが、メ
タライズろう付け法同様、特定の組合せのみが許
される点に限界がある。また多くの場合、接合層
を形成する時の温度は使用する温度より高いた
め、成形品の界面には膨張率の差等に基づく熱応
力が生じ、セラミツクスにクラツクが生じる原因
ともなる。

ガラスと金属の接合は、セラミツクスと金属の
接合に較べさらに困難である。その理由は、ガラ
ス表面は安定で、反応性が低く、金属のぬれも悪
いからである。近年の技術としては特公昭54−
53127号公報に記載されているレザー光線により
一部を融着して接合する方法、特公昭46−2681号
公報に記載されている特定の化学反応を利用する
方法があるが、用途は限定されており、大部分
は、金属側表面にガラスが融着しやすいように酸
化被膜形成等の表面処理をした上で熱膨張率が余
り異ならないガラスを溶融，融着する方法が中心
である。この方法も金属とガラスの組合せが極め
て限定される（例：コバールとコバールガラス）
点に問題がある。

〔発明が解決しようとする問題点〕

前述したように、従来のセラミツクスと金属，
ガラスと金属の接合技術には、以下の共通した問
題点がある。

(イ) 非金属と金属の界面で主として熱膨張率の差
に基づく応力が生じる。接着剤による方法は、
接着剤そのものの弾性のためにこうした点は問
題にならないが、酸，アルカリ，熱に弱い欠点
がある。

(ロ) 非金属と金属の境界面での接着性のために、
非金属と中間材を含む金属との組合わせが特定
のものしか許されない。

本発明の目的は、上記の問題点を消除するとと
もに、非金属と金属との熱膨張率の差に基づく応
力を緩和し、かつ、成分相互間の接着性を余り必
要としない、非金属と金属の接合方法を提供する
ことにある。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明の目的は、金属部材の接合面にガラスと
熱膨張率が近く融着し易いコバールまたはタンタ
ルの蒸着膜を形成し、該蒸着膜に高エネルギのイ
オンを照射し、該蒸着膜に溶融したガラスを融着
させて前記金属部材とガラスを接合することによ
り達成される。

〔作用〕

金属部材の接合面に金属薄膜を形成する場合、
非金属部材が融着し易い金属を用いて形成された
金属薄膜に高エネルギーのイオンを照射すること
により、上記と同様前記金属薄膜と前記金属部材
の境界部に混合層が形成される。

この混合層が形成されることにより上記と同じ
く金属薄膜と金属部材とは強固に結合されるとと
もに混合層内で両方の成分の濃度が緩やかに変化
しているため、金属部材と非金属部材の熱膨張の
差に基づいて生じる応力を低くする。このように
して金属部材に結合された金属薄膜に非金属部材
を接合することにより非金属と金属の接合を可能
とする。

〔実施例〕

本発明の実施例について第１図〜第８図により
説明する。

本発明では、前記の目的を達成するために通称
イオンミキシングまたはイオンビームミキシング
と呼ばれる方法を応用する。まず、イオンミキシ
ングの定義を明らかにする。

第７ａ図及び第７ｂ図は、イオンミキシングの
原理を説明する図である。まず、被接合材９の接
合面上に、蒸着による金属薄膜３を形成する。こ
の時、金属薄膜３と被接合材９の接着性は無くて
も良く、単にすきまなく“載つている”状態であ
れば良い。

こうした２成分系の表面から、高エネルギーの
イオンを照射すると、入射されたイオン４の飛程
が金属薄膜３の厚さと同じオーダであれば、原子
のはじき出しカスケード８の中で、原子の反跳に
より金属薄膜３の原子は、被接合材９内へ、逆に
被接合材９内の原子は金属薄膜３の中へはじき飛
ばされて、金属薄膜３と被接合材９の混合が起こ
る。このような混合は、もともとの境界面近傍ほ
ど頻度が高い。したがつて最終的に混じりあつた
状態を見ると、被接合材９と金属薄膜３の濃度比
は境界面をはさんで緩かに変化する。

このようにしてできた混合層１０は、もはや接
着面では無く、金属薄膜３と被接合材９との合成
層であつて、その接着性は原理的に保証されてい
る。

また、両者の成分組成が緩やかに変化するので
局所的にかかる熱応力も小さい。また、プロセス
が原子の物理的なはじき出しによる強制的な混合
であるので、成分相互の反応性も大きなフアクタ
ーとはならず、成分の組合せに対する制約が緩
い。さらに加熱処理を含まない点でも大きな工程
上のメリツトがある。

イオンミキシング技術には、上記の如く接合と
いう面から見ると数々の原理的なメリツトがある
が、実用上の観点からは下記のようなデメリツト
がある。

(イ) 第７ａ図における金属薄膜３の厚さは、入射
されるイオン４の飛程程度（数百KeVのエネ
ルギーでは数百Å）であり、工学的にも活用し
やすい厚さの金属板を直接接合できない。

(ロ) 高真空プロセスで、高度な真空技術が要求さ
れる。イオンミキシングプロセスの具体例を第
８ａ図及び第８ｂ図により説明する。イオンミ
キシングは２つの過程に大別される。第１過程
は、蒸着による金属薄膜３の形成プロセスであ
り、第８ａ図に示すように、高真空容器（〜
10^-7Torr以下）の中のるつぼ２０に、蒸着成
分をおき、一般には電子銃２１により溶融，蒸
発しサンプル１９表面に蒸着する。高真空が要
求されるのは、被膜中に酸化物が形成されると
それが障壁になり混合が防害されるからであ
る。

このようにしてできた蒸着膜を有するサンプル
を第８ｂ図に示すイオン加速器２３のターゲツト
チエンバー２７内に設置し、適当な入射イオンを
選択して、サンプル表面にスキヤナ２６でスキヤ
ンしながら均一に照射する。この場合、入射イオ
ンとしては異種イオンではバブルを形成するの
で、蒸着膜または被接合材と同一または類似元素
が好ましい。

この照射時も、形成被膜の性状の再現性の面か
ら高真空（＜10^-7Torr）が望ましい。

本発明では、主として(イ)のデメリツトの克服を
主眼とする。蒸着によつて形成される金属薄膜が
薄いという問題は、上記のプロセスを繰返して適
用することによりある程度克服できる。あるい
は、繰返しを行なわなくてもミキシングプロセス
の後、単に蒸着プロセスを継続するだけでも同様
の効果が期待できる。しかしながら、実際上期待
できる厚さは高々0.1mm〜１mm程度であつて加工
しやすい厚さにはならない。したがつて、金属と
の混合層を形成した非金属部材を金属部材に接合
するためには、さらに工夫が必要である。そこで
本発明では、以下の手段により、混合層と金属部
品の間に厚膜を形成する。その厚膜の形成方法は
次のものが考えられる。

(イ) 焼ばめ等による厚膜部品の固着。

(ロ) 金属部材とろう付けしやすいろう材を、あら
かじめ蒸着しておき、イオンミキシングにより
この蒸着膜と非金属部材とを混合層を形成して
接合させた後、その蒸着膜を介して非金属部材
と金属部材とをろう材により接合する。

(ハ) 上記ろう材が非金属部材中にイオンミキシン
グによつても混合させにくい場合は、非金属部
材に混合しやすい金属で蒸着により薄膜を形成
し、イオンミキシングにより混合層を形成した
うえで、その金属薄膜とろう材をイオンミキシ
ングで混合し、最終的にろう材により金属部材
と非金属部材とを接合する。

(ニ) ガラス等、非金属部材が溶融しやすい場合に
は、接合する金属部材側の表面にガラスと接合
性の良い金属を蒸着し、これをイオンミキシン
グにより金属部材と接合させた上で、ガラスを
融着または接着させる。

以上のように、本発明は、非金属−金属、また
は非金属−中間材−金属のそれぞれの成分が接す
る界面で、成分組成が緩やかに変化するため、熱
応力の影響を受けにくく、また、混合が、物理的
な原子衝突プロセスによる強制拡散であるため、
非金属−金属の組合せの選び方に原理的に制約が
ない。

以下に本発明の実施例の詳細について、第１実
施例〜第４実施例により説明する。

第１実施例 第１図は、金属部材６と非金属部材１の接合プ
ロセスを模式的に示した図である。本実施例で
は、堅型円筒状のガラス又はセラミツクスの非金
属部材１を、例えば真空容器の金属部材に接合す
る場合を示している。先ず、第１図第１ステツプ
に示すように非金属部材１の上下に適当な溶剤に
溶ける材質の円板状カバー２でカバーをし、側面
が、非金属部品１となめらかにつながるようにす
る。この溶剤は非金属部材１を溶かさないが、カ
バー２を溶かすものであればよい。カバー２は、
非金属部材１と有機接着剤等ですきまなく接着す
る。

次いで第１図第２ステツプに示すように蒸着に
より金属薄膜３、即ち蒸着膜を形成する。カバー
２は後述の蒸着プロセスにより非金属部材１の上
下端面が汚れるのを防止するためと、厚膜５と金
属部材６との接合時の熱の影響を避けるために蒸
着膜３の端部を非金属部材１から遠ざけるのに用
いられる。

第１図第３ステツプに示すように、形成された
蒸着膜３の外周より、高エネルギーイオン４を照
射し、蒸着膜３と非金属部材１との境界部に混合
層を形成し、蒸着膜３と非金属部材１の接合を確
保する。次に円筒状の厚膜５を焼ばめ等の手段に
より蒸着膜３と密着させる。

このようにしてできあがつた部品の上下端のカ
バー２を第１図第５ステツプに示すように、アセ
トン等適当な溶剤で溶かし除去する。最後に第１
図第６ステツプに示すように真空容器の壁等の金
属部材６に接合する時の熱影響を避けて、厚膜の
上下端部にろう付け部又は溶接部７を設け、厚膜
５と金属部材６との気密性を確保する為シールを
行うとともに厚膜５の抜落ち防止を行う。

高気密性が要求される場合には第１図第５ステ
ツプな先だつて、蒸着膜３と厚膜５とをろう付け
等により接合しておくことが望ましい。

第２図は本実施例の変形例を示したもので、基
本的なプロセスは第１図と同様であるが、金属部
材６である壁の両側面に圧力差がある場合にその
圧力差により部品が抜けることがなく、かつ接合
が安定になるように、非金属部材１，厚膜５，金
属部材６の接合面をテーパ構造としたものであ
る。

第２実施例 平板状の非金属部材と、金属部材とを接合する
場合の実施例を第３図及び第４図に示した。すな
わち、非金属部材１の周囲を適当な溶媒で溶かし
うる樹脂あるいは有機材料等を用いて作製された
カバー２で囲い、この一方の面に蒸着膜３を形成
する。この蒸着膜に１×10¹⁵〜10¹⁷イオン／cm²程
度の高エネルギーイオンを照射して蒸着膜３の成
分と非金属部材１の成分を強制混合して混合層を
形成するとともに接合する。これに厚膜５を載
せ、その端部をろう付け等を行つてろう付け部１
５を設けた上で、金属部材６と厚膜５とを溶接し
て溶接部７を設ける。

非金属部材１がある程度以上に大きくなると蒸
着膜３で非金属部材１を支えることが機械的に無
理になる。この場合には、第４図に示すように厚
膜５に部分的に溝等の空間を形成しておき、この
部分で厚膜５と蒸着膜３とをろう付けしてろう付
け部１５を設ける。適当なろう材がある場合は、
蒸着膜３と金属部材６を全体的にろう付けしても
良い。

第３実施例 以上の実施例で示してきた例では、非金属部材
１は融点が高く溶融しにくいものと想定してき
た。しかし、ガラスのように比較的溶かしやすい
ものの場合は、ガラスと熱膨張率が近くて融着さ
れ易い金属の蒸着膜を金属部材側に形成し、これ
にイオン照射するようにしても良い。すなわち、
第５図に示すように金属部材６の表面に蒸着膜３
を形成し、これにイオンミキシングを施して混合
層１０を形成し、蒸着膜３と金属部材６とを接合
する。この時、蒸着膜３はコバール，タンタル等
ガラスが融着しやすいものにする。その上に溶融
した非金属部材を融着することにより、非金属部
材１と金属部材６の安定な接合が実現できる。

第４実施例 以上の実施例では混合層が一層だけであつたが
複数層にすることによつて、別な応用を図ること
ができる。すなわち第６図に示すように金属部材
６が、ぬれの良いろう材１２を持つ時、非金属部
材１と強制混合しやすい金属の蒸着膜３を形成し
た後、上記ろう材とのぬれの良い中間金属層１３
を蒸着膜３の上に蒸着により形成し、中間金属層
１３と金属部材６とを、ろう材１２を介して接合
する。

蒸着膜３と中間金属層１３との境界面，非金属
部材１と蒸着膜３との境界面で更に強い結合力を
必要とする場合は、それぞれの境界面で蒸着膜が
形成される度にイオンミキシングを施し、接着性
を強化できる。

〔発明の効果〕

本発明の構成によれば、非金属部材の接合面に
金属薄膜を形成する場合、非金属部材と金属薄膜
の境界部に、高エネルギーイオンの照射により、
両方の成分の濃度が緩やかに変化しかつ強い結合
力を有する混合層が形成されるので、非金属部材
と金属部材の熱膨張の差に基づいて生じる応力が
緩和され、従つて金属薄膜と金属部材との接合時
の熱あるいは装置使用中の熱により非金属部材に
変形、割れあるいは前記境界部のはがれが生じに
くくなる。また、接合剤による接合方法が異な
り、酸，アルカリ，熱に対する抵抗力が強い。さ
らに、この非金属部材と金属薄膜との結合が物理
的な方法によつて行なわれるので、非金属部材と
金属部材間の化学成分相互の関連性に対する制約
が少なく、材料の組合せが容易となる。

一方、金属部材に金属薄膜を形成する場合は、
金属部材と金属薄膜の境界部に、高エネルギーイ
オンの照射により前記と同様に、両方の成分の濃
度が緩やかに変化しかつ強い結合力を有する混合
層が形成されるので、非金属部材と金属部材の熱
膨張の差に基づいて生じる応力が緩和され、従つ
て金属薄膜と非金属部材の接合時の熱あるいは装
置使用中の熱ではがれが生じることがない。

また、非金属部材と金属薄膜の熱膨張率が近い
ので、溶融した非金属部材を金属薄膜に融着した
後の冷却途中に、非金属部材が割れることがな
く、安定した接合ができる。非金属部材が融着し
易い金属であればどんな種類の金属でも目的に合
わせて選ぶことができる。更に、非金属部材が溶
融し易いので、非金属部材に金属薄膜を形成する
接合方法に比らべ、製造工数が節減できるという
メリツトがある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による、非金属部材に金属薄膜
を形成する場合の接合方法のプロセスを示す説明
図であり、第２図は円筒状金属部材に対する本発
明の変形例を示す断面図であり、第３図は本発明
による、平板状非金属部材に金属薄膜を形成する
場合の接合方法のプロセスを示す説明図であり、
第４図は平板状非金属部材に対する本発明の変形
例を示す断面図であり、第５図は本発明による、
非金属部材がガラスの場合の接合方法のプロセス
を示す説明図であり、第６図は本発明による、金
属部材がぬれの良いろう材を有する場合の実施例
を示す断面図であり、第７ａ図はイオンミキシン
グの原理の説明図であり、第７ｂ図はイオンミキ
シングにより混合層が形成される状態を示す説明
図であり、第８ａ図はイオンミキシングに必要な
蒸着装置の構成を示す図であり、第８ｂ図は高エ
ネルギーイオンを照射する装置構成を示す図であ
る。 １…非金属部材、３…金属薄膜、４…イオン、
６…金属部材、１０…混合層。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 金属部材の接合面にガラスと熱膨張率が近く
   融着し易いコバールまたはタンタルの蒸着膜を形
   成し、該蒸着膜に高エネルギのイオンを照射し、
   該蒸着膜に溶融したガラスを融着させて前記金属
   部材とガラスとを接合することを特徴とする非金
   属と金属の接合方法。