JPH0664977A - 金属／セラミック複合部材 - Google Patents

金属／セラミック複合部材

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JPH0664977A
JPH0664977A JP5046622A JP4662293A JPH0664977A JP H0664977 A JPH0664977 A JP H0664977A JP 5046622 A JP5046622 A JP 5046622A JP 4662293 A JP4662293 A JP 4662293A JP H0664977 A JPH0664977 A JP H0664977A
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ceramic
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Tha Do-Thoi
タ・ド−トイ
Peter Dr Stingl
ペーター・シュティンクル
Gerd Meier
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 セラミックと金属の間のひずみが避けられ、
疲労現象を生じることなく、極度の応力に永久的に耐え
る、永久的に堅牢に接着したセラミック／金属接合部を
簡単な様式で形成する手段を提供する。 【構成】 本発明は、金属化されたセラミックボディー
を銀めっきした銅中間層により金属ボディーにはんだ付
けすることによって得られる、セラミック／金属複合ボ
ディーの形の複合部材に関するものである。この複合部
材は高性能エレクトロニクスにおいて、または軸流ピス
トンポンプ用のポンプピストンとして有利に用いること
ができる。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、セラミック部材が金属
部材に硬ろうにより接合した複合部材（ｃｏｍｐｏｓｉ
ｔｅ ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ）、それを製造する方法、お
よびそれの使用に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】セラミックと金属を接合することは、エ
ンジニアリングセラミックスを複合材料として広く利用
するための前提条件であるため、次第に重要になってき
ている。長年、セラミック構造をもつ材料、特にアルミ
ナの電子工学における利用性が立証されてはいたが、こ
れらの材料の接合はこれまではなお困難であった。弾
性、および特に熱膨張率における広範な不整合が、冷却
に際しての内部熱応力の発生に関与するからである。は
んだ付け後の高温からの冷却に際して生じる鋼の収縮は
セラミックのものより大きいので、これらの内部応力が
セラミック部品に亀裂を生じる。
【０００３】現在のところ、金属化したアルミナセラミ
ックを金属に接合するための、セラミック部品が損傷な
しに接合される技術は本質的に２つある。１技術は、そ
れ自体セラミックスのものに極めて類似する熱膨張率を
有する金属、たとえばＦｅＮｉＣｏ合金、たとえばベイ
コン（Ｖａｃｏｎ、登録商標）またはベイコディル（Ｖ
ａｃｏｄｉｌ、登録商標）を専ら使用することよりな
り、他方の技術は、セラミック材料のものに類似する熱
膨張率および弾性率を有する金属中間層を挿入すること
よりなる。第１の手段は電子工学において、特にエレク
トロニクス構成部品、たとえば避雷器またはサイリスタ
ー用のハウジングの製造に既に広く採用されている。し
かし材料費が高いため、この材料の組み合わせはある種
の用途には必ずしも絶対的に適しているわけではない。
第２の技術によれば、接合すべきセラミック表面を金属
化し、この状態で銅と銀の合金を含有するはんだ、およ
びグラファイトまたは鋼のはんだ付けジグ内にある金属
部材に接合する。この方法の欠点は、異なる用途、異な
る金属および異なるセラミック組成物につき別個に、そ
れぞれの場合に特別に配合しなければならない銅はんだ
が高価なこと、ならびに互いにはんだ付けすべき個々の
構成部品の位置合わせが時に極めて複雑なことであり、
小さな構成部品の場合は特にこの位置合わせを著しく精
確に実施しなければならず、実施に際して再三苦情が生
じる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】従って本発明の目的
は、それによりセラミックと金属の間のひずみが避けら
れ、疲労現象を生じることなく、たとえば高性能エレク
トロニクスの分野における極度の応力、およびたとえば
軸流ピストンポンプの操作における極度の機械的応力に
永久的に耐える、永久的に堅牢に接着したセラミック／
金属接合部を簡単な様式で形成しうるために好適な手段
を提供することである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】この目的は、金属化セラ
ミックボディーを銀めっきした銅中間層および金属ボデ
ィーにはんだ付けすることにより得られる、冒頭に述べ
た一般的種類の複合部材により達成される。
【０００６】本発明の範囲において、酸化物セラミック
および非酸化物セラミックのボディーがセラミックボデ
ィーとして適する。非酸化物セラミックスは主として窒
化アルミニウムもしくは炭化ケイ素（ケイ素を溶浸して
もよい）または窒化ケイ素であり、一方たとえば二酸化
ジルコニウム、酸化アルミニウムまたは鉛ジルコネート
−チタネートが酸化物セラミックスとして適しており、
少なくとも８０％、好ましくは少なくとも９４％のＡｌ
2Ｏ3含量を有するＡｌ2Ｏ3セラミックボディーが好まし
い。これらはまず１接触表面領域、好ましくは円筒形構
成部品の平坦な末端面帯域において金属化される。金属
化はまずたとえば金属化用ペーストをセラミックに付与
し、それを１２００−１５００℃の温度で焼成すること
により実施しうる。金属化用ペーストは通常はＭｎ
Ｏ2、Ａｌ2Ｏ3およびＳｉＯ2を種々の組成で、モリブデ
ンまたはタングステンなどの金属と組み合わせて含有す
る。この方法で、セラミックベース材料と金属化層との
間に永久的に堅牢に接着した接合部が得られる。この種
の金属化ペーストは、たとえばコール（Ｃｏｌｅ）ら、
Ｊ．Ａｍ．Ｃｅｒａｍ．Ｓｏｃ．，ｖｏｌ．４４，ｐ．
２６５−２７１、フルラス（Ｆｕｌｒａｔｈ）ら、Ｃｅ
ｒａｍｉｃ Ｂｕｌｌｅｔｉｎ，ｖｏｌ．４７（１９６
８），ｐ．４９３−４９７、メイヤー（Ｍｅｙｅｒ）Ｂ
ｅｒ．ＤＫＧ（１９６５），ｐ．４０５−４４４に記載
されている。
【０００７】金属化層の層厚は、有利には約５−３０μ
ｍ、好ましくは８−１６μｍである。次いでこうして得
られた金属化層に、さらに約１−５μｍ、好ましくは
１．５−２．５μｍの厚さのニッケル層が化学的に、ま
たは電着により付与される。ニッケル層は溶融はんだに
よる金属化セラミックのぬれ性を改善する補助となる。
【０００８】こうして金属化されたセラミックボディー
をグラファイトまたは鋼のはんだ付けジグに装入し、次
いで銀めっきした銅中間層を金属化表面に乗せ、最後に
金属化ボディーをこれに乗せる。次いでこれら３部品す
べてを、好ましくは真空中またはブランケット用ガス下
で、少なくとも銀／銅共融混合物の融点（約７９０℃）
またはこれより若干高い温度に、好ましくは少なくとも
５分間、特に好ましくは少なくとも１５分間加熱する。
こうして金属とセラミックの永久的に堅牢に接着した接
合複合部材が得られる。
【０００９】中間層として用いられる銅ディスクは少な
くとも０．１ｍｍ、好ましくは少なくとも１．５ｍｍの
厚さを有する。このディスクの厚さはセラミック／金属
接合部の応力に依存し、従ってそれぞれ選ばれる個々の
金属またはセラミックにも依存する。一般に金属ボディ
ーの熱膨張率とセラミックボディーの熱膨張率の差が大
きいほど、中間層は厚くなければならない。中間層の外
側の幾何学的形状は、接合すべき造形体の幾何学的形状
に本質的に依存する。中間層は必要に応じて円形もしく
は環状、三角形、四角形または一般に多角形の形状をと
ることができる。 用いられる金属ボディーは鋼、好ま
しくは合金化された、および合金化されていない鋼グレ
ードの造形体であってもよい。たとえば肌焼鋼、窒化
鋼、ステンレス鋼またはストリップ鋼が特に適切である
ことが証明された。しかしアルミニウム、コバルト、ク
ロム、銅、ニッケル、白金、チタン、またはこれらの元
素とここに挙げた元素もしくは他の元素との合金、好ま
しくは銅−ベリリウムおよび銅−ジルコニウム合金も使
用しうる。
【００１０】銅中間層の両側に位置する銀層の厚さは５
−８０μｍ、好ましくは９−３０μｍである。はんだ付
け条件下において、付着した銀と中間層の銅との間で硬
ろう合金、特に銀７２重量％および銅２８重量％を含有
する共融混合物に相当する組成をもつものが形成され
る。中間層の銅はいずれの場合も過剰に存在するので、
形成される硬ろうの量は銀層の厚さに正比例する。銀層
は好ましくは電着法により付与されるが、化学的付与法
または他の方法、たとえば化学的または物理的蒸着法を
選ぶこともできる。
【００１１】本発明による複合部材は、連続的応力下で
の接合パートナーの接着強度が永久的に高いこと、およ
び空密性を特色とする。
【００１２】他の形態によれば、本発明により得られる
複合ボディーの機械的特性は、円筒形に形成されたＡｌ
2Ｏ3セラミックボディーの縁に面取り部（ｃｈａｍｆｅ
ｒ）を形成することによってさらに改良することができ
る。この目的のための最良の面取り部としては、面取り
角度３０°および突出幅０．５ｍｍが好ましいことが見
出された。この場合の応力集中のピークは、セラミック
ボディーの縁からはんだの方へ移動する。これは応力が
もはや脆いセラミックに直接に作用せず、延性のはんだ
によって吸収されることを意味する。このような条件下
では亀裂の無い複合材料の製造が可能となる。
【００１３】本発明に従ってセラミック部品を軸流ピス
トンポンプのポンプピストンとして取り入れた結果、中
実鋼ピストンと比較して全体的により高い耐摩耗性が達
成される。
【００１４】
【実施例】直径２０ｍｍおよび長さ３８．５ｍｍ円筒形
セラミックボディー（Ａｌ2Ｏ3含量９９．７％）をはん
だ付けジグに装入した。セラミックボディーの円形の末
端面は予めタングステンおよびニッケルで、常法により
金属化されていた（タングステン層厚：１０μｍ；ニッ
ケル層厚：１．８μｍ）。厚さ１．７ｍｍを有し、両面
にそれぞれ層厚１２μｍに銀めっきされた銅ディスク
を、金属化された末端面に乗せた。最後に円筒形の鋼ボ
ディー（長さ８６ｍｍ）を、銀めっきされた銅ディスク
に乗せた。はんだ付けジグを真空中で２０分間、８３０
℃に加熱し、冷後Ａｌ2Ｏ3−鋼製のポンプピストンを得
た。
【００１５】こうして製造されたポンプピストンを引張
り試験機により試験して、引張り強さ８０Ｎ／ｍｍ2が
測定された。
【００１６】図１においては、セラミック材料１をはん
だ付けにより金属材料３に接合する。その際、はんだ付
けすべき表面４は金属化されており、この目的にはＭｏ
／ＭｎまたはＷ／ＴｉＯ2が適している。はんだに対す
るぬれ性を改良するために、金属化表面４にニッケル層
５が電着、化学的手段または他の適切な手段により付与
される。金属部品３へのセラミック部品１の接合は、銅
／銀合金からなる硬ろう２により、特に銅／銀共融混合
物によりなされる。部品１、２および３のすべてを８３
０℃の温度で２０分間、真空炉内で、またはブランケッ
ト用ガスの雰囲気下で、互いにはんだ付けする。
【００１７】図２においては、はんだ２は電着により銀
７で被覆された銅ディスク６によって置き換えられてい
る。この場合銅ディスク６は、シアニドを基礎とし、Ａ
ｇ３８−４２ｇ／ｌの濃度を有する銀浴内で、室温にお
いて電流密度０．３Ａ／ｄｍ2で１２０分間処理され
た。こうして、それぞれ厚さ１６μｍの銀層７が両面に
形成された。はんだ付け条件には変更がない。意外に
も、熱処理により金属部品とセラミックの間に通常生じ
る機械的ひずみが本発明方法によって容易に補償される
ことが見出された。従って、金属およびセラミックの複
雑な複合部材を、一定の卓越した品質であるにもかかわ
らず、より有利な原価で、経費のかかる精確な位置合わ
せなしに、最終的にはより少ない環境汚染において製造
することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】比較例としての金属／セラミック複合部材垂直
断面を側面図において示す。
【図２】本発明の金属／セラミック複合部材垂直断面を
側面図において示す。
【符号の説明】
１ セラミック材料 ２ 硬ろう ３ 金属材料 ４ 金属化された表面 ５ ニッケル層 ６ 銅ディスク ７ 銀層
フロントページの続き (72)発明者 ペーター・シュティンクル ドイツ連邦共和国デー−8560 ラウフ−ク ーンホフ，アム・ゼーアッカー １ (72)発明者 ゲルト・マイアー ドイツ連邦共和国デー−8566 ディーペル スドルフ，ディーペルスドルファー・ハウ プトシュトラーセ 20アー

Claims (23)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 金属化セラミックボディーを銀めっきし
    た銅中間層および金属ボディーにはんだ付けすることに
    より得られる、セラミック部材が金属部材に硬ろうによ
    り接合した複合部材。
  2. 【請求項２】 金属ボディーが鋼ボディーである、請求
    項１に記載の複合部材。
  3. 【請求項３】 金属ボディーが本質的にアルミニウム、
    ニッケル、クロム、コバルト、チタン、銅、パラジウム
    またはこれらの金属の合金からなる、請求項１に記載の
    複合部材。
  4. 【請求項４】 金属ボディーが銅−ベリリウムおよび銅
    −ジルコニウム合金からなる、請求項３に記載の複合部
    材。
  5. 【請求項５】 セラミックボディーが密に焼結した酸化
    アルミニウム、酸化ジルコニウム、窒化アルミニウム、
    炭化ケイ素、窒化ケイ素または鉛ジルコネート−チタネ
    ートを含有する、請求項１に記載の複合部材。
  6. 【請求項６】 金属化がＭｏ、Ｍｏ／Ｍｎ、ＷまたはＷ
    ／ＴｉＯ2を含む、請求項１に記載の複合部材。
  7. 【請求項７】 金属化が、ＭｎＯ2、Ａｌ2Ｏ3および／
    またはＳｉＯ2からなるガラスフリットと組み合わせた
    Ｍｏ、Ｍｏ／Ｍｎ、ＷまたはＷ／ＴｉＯ2を含む、請求
    項６に記載の複合部材。
  8. 【請求項８】 金属化が５−３０μｍの層厚を有する、
    請求項６に記載の複合部材。
  9. 【請求項９】 金属化が８−１６μｍの層厚を有する、
    請求項８に記載の複合部材。
  10. 【請求項１０】 約１−５μｍの層厚を有するニッケル
    層が金属化に付与された、請求項６に記載の複合部材。
  11. 【請求項１１】 ニッケル層が約１．５−２．５μｍの
    厚さを有する、請求項１０に記載の複合部材。
  12. 【請求項１２】 銅中間層が少なくとも０．１ｍｍの層
    厚を有する、請求項１に記載の複合部材。
  13. 【請求項１３】 銅中間層が少なくとも０．９ｍｍの層
    厚を有する、請求項１２に記載の複合部材。
  14. 【請求項１４】 銅中間層が少なくとも１．５ｍｍの層
    厚を有する、請求項１３に記載の複合部材。
  15. 【請求項１５】 銅中間層の外側の幾何学的形状が円
    形、環状、三角形、四角形または多角形である、請求項
    １２に記載の複合部材。
  16. 【請求項１６】 銅中間層の両面に配置される電着銀層
    の厚さが５−８０μｍである、請求項１に記載の複合部
    材。
  17. 【請求項１７】 電着銀層の厚さが９−３０μｍであ
    る、請求項１６に記載の複合部材。
  18. 【請求項１８】 全体として円筒形の形状を有する、請
    求項１に記載の複合部材。
  19. 【請求項１９】 金属化セラミックボディーをはんだ付
    けジグに装入し、次いで銀めっき−銅ディスクを金属化
    表面上に配置し、最後に金属ボディーを銀めっき−銅デ
    ィスクに乗せ、次いで３部品すべてを、好ましくは真空
    中で、またはブランケット用ガス下に、少なくとも７９
    ０℃の温度に加熱することを含む、請求項１に記載の複
    合部材の製法。
  20. 【請求項２０】 加熱が少なくとも５分間実施される、
    請求項１９に記載の方法。
  21. 【請求項２１】 加熱が少なくとも１５分間実施され
    る、請求項２０に記載の方法。
  22. 【請求項２２】 請求項１８に記載の複合部材をポンプ
    ピストンとして用いることによる、軸流ピストンポンプ
    の運転法。
  23. 【請求項２３】 請求項１に記載の複合部材を基板とし
    て用いることによる、高性能エレクトロニクス構成部品
    を長期運転応力条件下で運転する方法。
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