JPH0648873A

JPH0648873A - 高純度アルミナのメタライズ方法

Info

Publication number: JPH0648873A
Application number: JP12387092A
Authority: JP
Inventors: Mamoru Kosakai; 守小坂井
Original assignee: Sumitomo Cement Co Ltd
Current assignee: Sumitomo Cement Co Ltd
Priority date: 1992-05-15
Filing date: 1992-05-15
Publication date: 1994-02-22

Abstract

(57)【要約】【目的】純度９８％以上の酸化アルミニウムに、接合
強度の大きい良好なメタライズ相を提供する。【構成】純度９８％以上の酸化アルミニウム表面を金
属化するメタライズ方法である。まず酸化アルミニウム
表面にＡｌ₂Ｏ₃、ＳｉＯ₂、ＭｎＯの各粉末からなる混
合粉末、もしくはこれら成分よりなるガラス粉末を塗布
し、次にＭｏ粉末とＭｎ粉末との混合粉末を塗布し、そ
の後真空雰囲気、水素雰囲気、加湿水素雰囲気、不活性
ガスと水素との混合ガス雰囲気、加湿の不活性ガスと水
素との混合ガス雰囲気、のいずれかの雰囲気中で熱処理
する。また、混合粉末もしくはガラス粉末を塗布した後
熱処理して酸化アルミニウム表面に溶融付着させた後、
先の手順で行う。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、純度が９８％以上の酸
化アルミニウム表面をメタライズ（金属化）する方法に
関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、セラミックス工業の発達にともな
いセラミックス材料が各工業分野に活用されている。セ
ラミックス材料の中でも、酸化アルミニウムは強度が高
く絶縁性に優れているため、中心的なものとなってい
る。酸化アルミニウムには一般に珪素、マグネシウム、
カルシウム、ナトリウム等の元素が不純物もしくは焼結
助材として含有されている。ところで、酸化アルミニウ
ムをはじめ各種セラミックスについては、その応用の一
例として金属材料との封着技術が提供されており、この
技術は電子管工業のみならず、化学、機械、原子力、半
導体産業と広い分野で活用されている。このような封着
技術においては、セラミックの封着部分をメタライズ
（金属化）することが必要となる。

【０００３】従来、セラミックスのメタライズ方法とし
て、例えば酸化アルミニウムのメタライズ方法として
は、酸化アルミニウム表面にＭｏ金属粉とＭｎ金属粉の
混合粉を塗布し、加湿の水素（もしくは加湿の水素と不
活性ガス）中において熱処理しメタライズするＭｏ／Ｍ
ｎ法が知られている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところで、前記Ｍｏ／
Ｍｎ法で得られるメタライズ相は、酸化アルミニウム側
より中間相とＭｏ相との順で形成されている。中間相は
Ｍｏ−Ｍｎ粒子をガラス相が接合した構造となってい
る。また、この中間層におけるガラス相は、Ｍｎ粒子の
水蒸気酸化によるＭｎＯと、酸化アルミニウムと、酸化
アルミニウムの焼結助剤もしくは不純物である酸化珪
素、酸化マグネシウム、酸化カルシウム等からなってい
る。このようなガラス相において酸化珪素は、特にガラ
ス相の融点、熱膨張率をさげる上で重要なものとなって
いる。

【０００５】しかしながら、酸化アルミニウム材の高強
度化、高絶縁性を目的として高純度の酸化アルミニウム
を使用した場合、該高純度酸化アルミニウムに酸化珪
素、酸化マグネシウム等が含まれないため、ガラス相の
融点は上昇し、接合中間層の熱膨張率が増加して良好な
メタライズ相を得るのが困難になる。このような問題の
対策として、高純度アルミナの接合においては、Ｍｏ、
Ｍｎの金属粉末にＳｉＯ₂、またはＡｌ₂Ｏ₃−ＳｉＯ₂−
ＭｎＯガラス粉末を添加する方法が採られている。しか
し、このような方法では添加しない場合に比較して高純
度アルミナへの接合力は相対的に向上するものの、以下
に述べる不都合がある。（イ）Ｍｏ相に酸化物が混在してしまい、結果として十
分な接合強度を得ることができな。（ロ）メタライズ層を介して金属と接合する場合、メタ
ライズ層と金属との間に介在させる蝋材へ酸素が拡散す
るため、酸化劣化の少ない接合相を得ることが困難にな
り、金属材料との十分な接合強度を得ることが困難であ
る。

【０００６】本発明は前記課題に鑑みてなされたもの
で、高純度の酸化アルミニウム表面に接合相の酸化劣化
が少なく、かつ接合強度の大きい良好なメタライズ相を
提供することを目的とするものである。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明における請求項１
記載の方法では、純度９８％以上の酸化アルミニウム表
面を金属化するに際し、まず酸化アルミニウム表面にＡ
ｌ₂Ｏ₃、ＳｉＯ₂、ＭｎＯの各粉末からなる混合粉末、
もしくはこれら成分よりなるガラス粉末を塗布し、次に
該塗布箇所の上にＭｏ粉末とＭｎ粉末との混合粉末を塗
布し、その後真空雰囲気、水素雰囲気、加湿水素雰囲
気、不活性ガスと水素との混合ガス雰囲気、加湿の不活
性ガスと水素との混合ガス雰囲気、のいずれかの雰囲気
中で熱処理することを前記課題の解決手段とした。請求
項２記載の方法では、純度９８％以上の酸化アルミニウ
ム表面を金属化するに際し、まず酸化アルミニウム表面
にＡｌ₂Ｏ₃、ＳｉＯ₂、ＭｎＯの各粉末からなる混合粉
末、もしくはこれら成分よりなるガラス粉末を塗布し、
これを熱処理して前記粉末を酸化アルミニウム表面に溶
融付着させ、次に該溶融付着箇所の上にＭｏ粉末とＭｎ
粉末との混合粉末を塗布し、その後真空雰囲気、水素雰
囲気、加湿水素雰囲気、不活性ガスと水素との混合ガス
雰囲気、加湿の不活性ガスと水素との混合ガス雰囲気、
のいずれかの雰囲気中で熱処理することを前記課題の解
決手段とした。また、請求項３、４記載の方法では、前
記Ａｌ₂Ｏ₃、ＳｉＯ₂、ＭｎＯの各粉末からなる混合粉
末、もしくはこれら成分よりなるガラス粉末の組成が、
ＳｉＯ2量が１０ｗｔ％以上７０ｗｔ％以下であり、Ｍ
ｎＯ量が１ｗｔ％以上６０ｗｔ％以下であることを前記
課題の解決手段とした。請求項５、６記載の方法では、
Ｍｏ粉末とＭｎ粉末との混合粉末中のＭｎ量が、０.１
ｗｔ％以上３０ｗｔ％以下であることを前記課題の解決
手段とした。

【０００８】以下、本発明を詳しく説明する。本発明に
おける請求項１記載の発明は、純度９８％以上の酸化ア
ルミニウム（アルミナ）表層部をメタライズ（金属化）
する方法であり、Ａｌ₂Ｏ₃−ＳｉＯ₂−ＭｎＯ系の粉末
を使用する方法である。この粉末としては、Ａｌ₂Ｏ₃、
ＳｉＯ₂、ＭｎＯの各粉末を混合してなる混合粉末や、
該混合粉末を溶融急冷しガラス化処理した後、粉砕処理
して得たガラス粉末が使用可能であるが、ガラス粉末を
使用するのが好ましい。なお、前記混合粉末において
は、アルミニウム、マンガンの酸化物粉末に換え、熱処
理により酸化物となるアルミニウム、マンガンの水酸化
物、硝酸塩等の化合物粉末を使用してもよい。

【０００９】ここで、Ａｌ₂Ｏ₃−ＳｉＯ₂−ＭｎＯ系粉
末中の酸化珪素の量については、１０ｗｔ％以上７０ｗ
ｔ％以下とするのが好ましく、さらに４０ｗｔ％以上６
０ｗｔ％以下とするのが望ましい。なぜなら、酸化珪素
が１０ｗｔ％未満では、後述するようにＡｌ₂Ｏ₃−Ｓｉ
Ｏ₂−ＭｎＯ系粉末から形成されるガラス相の熱膨張率
が大きく、ガラス相にクラックを生じるとともに、融点
が上昇し緻密なＡｌ₂Ｏ₃−ＳｉＯ₂−ＭｎＯ系ガラス相
が得られないからである。また、７０ｗｔ％を越える
と、Ａｌ₂Ｏ₃−ＳｉＯ₂−ＭｎＯ系ガラスの粘度が高く
なり、Ｍｏ−Ｍｎ相にガラスの拡散がおこらず、緻密な
Ｍｏ粒子、Ｍｎ粒子とＡｌ₂Ｏ₃−ＳｉＯ₂−ＭｎＯ系ガ
ラスとの相が得られなくなるからである。

【００１０】また、Ａｌ₂Ｏ₃−ＳｉＯ₂−ＭｎＯ系粉末
中の酸化マンガン量については、１ｗｔ％以上６０ｗｔ
％以下とするのが好ましくは、さらに１０ｗｔ％以上３
０ｗｔ％とするのが望ましい。なぜなら、１ｗｔ％未満
では高純度酸化アルミニウムとＡｌ2Ｏ3−ＳｉＯ2−Ｍ
ｎＯ系ガラスとの接合強度が減少してしまうからであ
り、また、６０ｗｔ％を越えるとＡｌ₂Ｏ₃−ＳｉＯ₂−
ＭｎＯ系ガラス相の熱膨張率が大きくなりガラス相にク
ラックを生じてしまう恐れがあるからである。次に、こ
のようにして得られたＡｌ₂Ｏ₃−ＳｉＯ₂−ＭｎＯ系の
混合粉末あるいはガラス粉末を、スクリーンオイル等に
分散してペースト状にし、高純度酸化アルミニウム上に
５〜１００μｍ程度の厚さで塗布する。

【００１１】次いで、Ｍｏ粉末とＭｎ粉末との混合金属
粉末をスクリーンオイル等に分散させてペースト状に
し、Ａｌ₂Ｏ₃−ＳｉＯ₂−ＭｎＯ系粉末の塗布面上に５
〜１００μｍ程度の厚さで塗布する。ここで、Ｍｏ粉末
とＭｎ粉末との混合金属粉末については、Ｍｎ量が０.
１ｗｔ％以上３０ｗｔ％以下のものを用いるのが好まし
く、さらに１０ｗｔ％以上２０ｗｔ％以下のものを用い
るのが望ましい。なぜなら、Ｍｎ量が０.１ｗｔ％未満
では緻密なメタライズ相ができ難いからであり、３０ｗ
ｔ％を越えるとメタライズ相の熱膨張率が大きくなって
アルミナ、ガラス相部分にクラックを生じ易くなるから
である。

【００１２】その後、真空雰囲気、水素雰囲気、加湿水
素雰囲気、不活性ガスと水素との混合ガス雰囲気、加湿
の不活性ガスと水素との混合ガス雰囲気、のいずれかの
雰囲気にて、１３００℃〜１６００℃で熱処理すること
により、高純度アルミニウム側からＡｌ₂Ｏ₃−ＳｉＯ₂
−ＭｎＯ系ガラス層、Ｍｏ粒子、Ｍｎ粒子とＡｌ₂Ｏ₃−
ＳｉＯ₂−ＭｎＯ系ガラスとからなる複合層、およびＭ
ｏ層の３層よりなるメタライズ層を形成する。

【００１３】また、本発明における請求項２記載の方法
では、前記請求項１記載の方法と同様にしてＡｌ₂Ｏ₃−
ＳｉＯ₂−ＭｎＯ系粉末を塗布した後、真空雰囲気、酸
化雰囲気、非酸化雰囲気のいずれかの雰囲気中にて１３
００〜１６００℃で熱処理し、高純度アルミニウム上に
Ａｌ₂Ｏ₃−ＳｉＯ₂−ＭｎＯの相を被覆形成する。その
後、Ｍｏ粉末とＭｎ粉末との混合金属粉末を塗布し、真
空雰囲気、水素雰囲気、加湿水素雰囲気、不活性ガスと
水素との混合ガス雰囲気、加湿の不活性ガスと水素との
混合ガス雰囲気、のいずれかの雰囲気中にて１３００〜
１６００℃で熱処理することにより、高純度アルミニウ
ム側からＡｌ₂Ｏ₃−ＳｉＯ₂−ＭｎＯ系ガラス層、Ｍｏ
粒子、Ｍｎ粒子とＡｌ₂Ｏ₃−ＳｉＯ₂−ＭｎＯ系ガラス
とからなる複合層、およびＭｏ層の３層よりなるメタラ
イズ層を形成する。このような方法によれば、熱処理を
２回行うことにより、１回の熱処理を行う請求項１記載
の方法に比べより良好なメタライズ層を得ることができ
る。

【００１４】

【作用】本発明における請求項１記載の方法よれば、前
記Ａｌ₂Ｏ₃−ＳｉＯ₂−ＭｎＯ系粉末、Ｍｏ粉末とＭｎ
粉末との混合粉末を２段に塗布し、真空雰囲気、水素雰
囲気、加湿水素雰囲気、不活性ガスと水素との混合ガス
雰囲気、加湿の不活性ガスと水素との混合ガス雰囲気、
のいずれかの雰囲気中で熱処理をすることにより、緻密
で接合力の強いメタライズ相が得られる。請求項２記載
の方法によれば、熱処理を２回行うことにより、１回の
熱処理を行うのに比べより良好なメタライズ層が得られ
る。

【００１５】

【実施例】以下、本発明を実施例により具体的に説明す
る。高純度酸化アルミニウムとコバールとの接合体を作
製した。まず、Ａｌ₂Ｏ₃、ＳｉＯ₂、ＭｎＯの各原料を
配合混合し、この混合物を溶融、急冷、粉砕して表１に
示す組成の酸化物粉末を３種類（実施例１〜３）作製し
た。作製した酸化物粉末に市販のスクリーンオイルを加
えてペースト化した。

【表１】次に、純度９９.９％の酸化アルミニウムからなり、図
１（ａ）、（ｂ）に示すドーナツ板状体１を用意し、こ
の板状体１の上面内側２｛図１（ａ）中斜線で示す部
分｝に、先に作製したペーストを約３０μｍの厚さとな
るよう塗布し、乾燥させた。

【００１６】次いで、Ｍｏ粉末とＭｎ粉末との混合粉末
（Ｍｏ：Ｍｎ＝８０：２０［ｗｔ％］に市販のスクリー
ンオイルを加えてペースト化し、これをＡｌ₂Ｏ₃−Ｓｉ
Ｏ₂−ＭｎＯの相の被覆部分に３０μｍの厚さとなるよ
う塗布し、乾燥した。その後、露点２０℃の加湿水素中
にて温度１４５０℃で２０分間熱処理し、メタライズ相
を形成した。またこれとは別に、前記Ａｌ₂Ｏ₃、ＳｉＯ
₂、ＭｎＯを含むペーストを約３０μｍの厚さとなるよ
う板状体１に塗布して乾燥させ、その後真空雰囲気中に
て１５００℃で熱処理し、板状体１表面にＡｌ₂Ｏ₃−Ｓ
ｉＯ₂−ＭｎＯの相を被覆形成した。次いで、先に用い
たものと同じ組成のＭｏ粉末とＭｎ粉末との混合粉末を
含むペーストを、Ａｌ₂Ｏ₃−ＳｉＯ₂−ＭｎＯの相の被
覆部分に塗布して乾燥させ、その後露点２０℃の加湿水
素中にて温度１４５０℃で２０分間熱処理し、メタライ
ズ相を形成した。

【００１７】次に、これらの方法により得られた板状体
１…のメタライズ相に、銀蝋を介してコバールを接合す
るが、それに先立ち、銀蝋との濡れ性をよくするためそ
れぞれのメタライズ相にＮｉメッキを施した。そして、
水素雰囲気中温度９００℃にて熱処理を行い、その後、
銀蝋を用いて図２に示すように水素雰囲気中にて７９０
℃でコバール３を接合した。得られた接合体について、
接合後、および大気雰囲気中５００℃と室温間の繰り返
し熱疲労を２０回繰り返した後に、それぞれの接合体に
ついて気密試験を行い、得られた結果を表１に併記す
る。また、図３に示すように台４上に板状体１を上にし
て載せ、板状体１の孔部１ａを通してコバール３上に治
具５を載せ、さらに治具５上にオートグラフにより荷重
を加えて接合強度試験を行い、得られた結果を表１に併
記する。

【００１８】（比較例１）比較のため、Ａｌ₂Ｏ₃−Ｓｉ
Ｏ₂−ＭｎＯ相を形成せず、直接、図１に示した酸化ア
ルミニウムの板状体１の上面内側２に、実施例で用いた
Ｍｏ粉末とＭｎ粉末との混合粉末に市販のスクリーンオ
イルを加えたペーストを３０μｍの厚さとなるよう塗布
し、露点２０℃の加湿水素中にて温度１４５０℃で２０
分間熱処理し、その後実施例と同じ条件で処理してコバ
ール３を接合し、同様の試験を行って得られた結果を表
１に併記する。

【００１９】（比較例２）Ｍｏ粉末、Ｍｎ粉末、酸化物
ガラス（４０ｗｔ％Ａｌ₂Ｏ₃−４０ｗｔ％ＳｉＯ₂−２
０ｗｔ％ＭｎＯ）の粉末を表２に示す割合となるよう配
合混合し、この混合粉末に市販のスクリーンオイルを加
えてペースト化した。次いで、実験例と同様にしてこれ
を板状体１に厚さ３０μｍとなるよう塗布し、乾燥させ
た後、露点２０℃の加湿水素中にて温度１４５０℃で２
０分間熱処理し、その後実施例と同じ条件で処理してコ
バール３を接合し、実施例と同様の試験を行い得られた
結果を表２に示す。

【表２】表１、表２に示した結果より、本発明の実施例品は比較
例品に比べ接合強度に優れ、かつ十分な気密性を有して
いることが確認された。また、ガラス塗布後熱処理を施
したものについては、Ｍｏ粉末とＭｎ粉末との混合粉末
を塗布した後にのみ熱処理したものに比べ、接合強度が
向上することが認められた。

【００２０】

【発明の効果】以上説明したように、本発明における請
求項１記載の高純度アルミナのメタライズ方法は、緻密
で接合力の強いメタライズ相を得ることができるもので
あるから、電子管工業のみならず、化学、機械、原子
力、半導体産業などに有効となるセラミックスと金属と
の封着技術を提供することができる。請求項２記載の高
純度アルミナのメタライズ方法は、熱処理を２回行うも
ので、１回の熱処理を行う請求項１記載の方法に比べ、
より良好なメタライズ層を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】（ａ）は実施例に用いた酸化アルミニウム製板
状体の平面図、（ｂ）は酸化アルミニウム板状体の側面
図。

【図２】酸化アルミニウム板状体とコバールとの接合状
態を示す側面図。

【図３】接合強度試験方法を説明するための図。

【符号の説明】

１板状体３コバール

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】純度９８％以上の酸化アルミニウム表面
を金属化するに際し、まず酸化アルミニウム表面にＡｌ
₂Ｏ₃、ＳｉＯ₂、ＭｎＯの各粉末からなる混合粉末、も
しくはこれら成分よりなるガラス粉末を塗布し、次に該
塗布箇所の上にＭｏ粉末とＭｎ粉末との混合粉末を塗布
し、その後真空雰囲気、水素雰囲気、加湿水素雰囲気、
不活性ガスと水素との混合ガス雰囲気、加湿の不活性ガ
スと水素との混合ガス雰囲気、のいずれかの雰囲気中で
熱処理することを特徴とする高純度アルミナのメタライ
ズ方法。
【請求項２】純度９８％以上の酸化アルミニウム表面
を金属化するに際し、まず酸化アルミニウム表面にＡｌ
₂Ｏ₃、ＳｉＯ₂、ＭｎＯの各粉末からなる混合粉末、も
しくはこれら成分よりなるガラス粉末を塗布し、これを
熱処理して前記粉末を酸化アルミニウム表面に溶融付着
させ、次に該溶融付着箇所の上にＭｏ粉末とＭｎ粉末と
の混合粉末を塗布し、その後真空雰囲気、水素雰囲気、
加湿水素雰囲気、不活性ガスと水素との混合ガス雰囲
気、加湿の不活性ガスと水素との混合ガス雰囲気、のい
ずれかの雰囲気中で熱処理することを特徴とする高純度
アルミナのメタライズ方法。
【請求項３】請求項１記載の高純度アルミナのメタラ
イズ方法において、Ａｌ₂Ｏ₃、ＳｉＯ₂、ＭｎＯの各粉
末からなる混合粉末、もしくはこれら成分よりなるガラ
ス粉末の組成が、ＳｉＯ₂量が１０ｗｔ％以上７０ｗｔ
％以下であり、ＭｎＯ量が１ｗｔ％以上６０ｗｔ％以下
である高純度アルミナのメタライズ方法。
【請求項４】請求項２記載の高純度アルミナのメタラ
イズ方法において、Ａｌ₂Ｏ₃、ＳｉＯ₂、ＭｎＯの各粉
末からなる混合粉末、もしくはこれら成分よりなるガラ
ス粉末の組成が、ＳｉＯ₂量が１０ｗｔ％以上７０ｗｔ
％以下であり、ＭｎＯ量が１ｗｔ％以上６０ｗｔ％以下
である高純度アルミナのメタライズ方法。
【請求項５】請求項１又は３記載の高純度アルミナの
メタライズ方法において、Ｍｏ粉末とＭｎ粉末との混合
粉末中のＭｎ量が、０.１ｗｔ％以上３０ｗｔ％以下で
ある高純度アルミナのメタライズ方法。
【請求項６】請求項２又は４記載の高純度アルミナの
メタライズ方法において、Ｍｏ粉末とＭｎ粉末との混合
粉末中のＭｎ量が、０.１ｗｔ％以上３０ｗｔ％以下で
ある高純度アルミナのメタライズ方法。