JPH07126079A - セラミックス接合用ろう材 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】セラミックスに対する濡れ性が良好であり、容
易にろう付けが可能であり、接合部の強度が高いセラミ
ックス用のろう材を提供することにある。 【構成】ＡｇとＣｕとＴｉＨ₂ を必須成分とし、重量比
でＡｇ：６５〜８５％，Ｃｕ：１２〜４０％，Ｔｉ
Ｈ₂ ：０．５〜５％の範囲とし、これら３種類の金属の
合計が不純物を含めて１００％になるように調整する
か、または上記必須成分に、Ｓｎ，Ｉｎ，Ｎｉの中から
選択された１種もしくは複数種を添加し、重量比でＡ
ｇ：６５〜８５％，Ｃｕ：１２〜４０％，ＴｉＨ₂ ：
０．５〜５％，Ｓｎ：５〜２０％，Ｉｎ：５〜２０％，
Ｎｉ：１〜５％の範囲とし、これらの金属の合計が不純
物を含めて１００％になるように調整する。このろう材
は、セラミックスの純度に関係なく良好な濡れ性を示
し、ろう付け接合界面にＴｉの薄い凝集層を均一に生成
する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、セラミックスと金属と
の接合、あるいはセラミックス同士の接合に使用される
ろう材に関する。

【０００２】

【従来の技術】セラミックスと金属との接合あるいはセ
ラミックス同士の接合には、その用途に応じて様々な手
段が採用されてきた。例えば特開平１−２４９２６２号
公報や特開平５−１７０５６３号公報などに記載されて
いるように、活性金属法においては、銀ろうやニッケル
ろうなどに、セラミックス側と反応する化学的に活性な
金属成分（例えばＴｉ，Ｚｒ，Ｎｂなど）を添加したろ
う材が使用されている。この中で、ニッケルろうはろう
付け温度が高いため、熱膨張率が互いに大きく異なるセ
ラミックスと金属との接合では、熱応力の影響を受けや
すく、セラミックスに割れが発生するなど機械的特性の
劣化が生じる。

【０００３】このため、セラミックスと金属との接合で
は、融点が比較的低く熱応力の影響が少ない銀ろうが主
に使用されている。その接合方法は、上述の活性金属ろ
う材をセラミックスと相手金属との間に挿入し、真空ま
たは不活性ガス中で１回の加熱操作により接合が行わ
れ、他の接合方法と比べて接合工程が短くてすむことが
その特徴である。

【０００４】上述のＡｇろうを用いた活性金属ろう材
は、Ａｇをベースに融点を下げる目的でＣｕが添加さ
れ、またセラミックスとの濡れ性を確保する目的でＴ
ｉ，Ｚｒ，Ｎｂなど化学的に活性な金属を１種もしくは
複数種添加した組成になっている。これらの添加金属の
うち、セラミックスに対する濡れ性を確保する金属とし
て、Ｔｉが適しており、その組成比は１〜７０wt％と広
い範囲に及んでいる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】上述のようにセラミッ
クスに対する濡れ性を確保する金属としてＴｉが適して
いるが、Ｔｉを多量に含むろう材はコストが高いため、
実用ろう材としては使用範囲が限定される。また、従来
の活性金属法には合金箔もしくは合金粉のろう材が使用
されているが、合金箔を使用した場合には、ろう材のセ
ットに時間がかかり、被接合材の形状的制約も受けやす
くなるため、量産性に乏しいという問題がある。

【０００６】一方、活性金属法に従来の合金粉を用いた
場合には、ろう材中に含まれるＴｉ粉末の酸化の影響か
ら、ろう材の濡れ性が劣化し、ろう付け界面に未接合部
が生じやすい。このため、ろう付け部分の機械的特性が
劣化する。また、合金箔および合金粉はいずれも製造が
難しく、取扱いにくく、コストも高いなどの欠点があ
る。

【０００７】従って本発明の目的は、セラミックスに対
する濡れ性および反応性が良好であり、容易にろう付け
が可能であり、ろう付け部分の強度が高いセラミックス
用ろう材を提供することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記の目的を果たすため
に開発された本発明のろう材は、Ａｇをベースとし、融
点を下げるために、Ａｇと共晶組成になるようＣｕを添
加するとともに、セラミックスと反応させる目的でＴｉ
を添加する。また、更なる融点の降下を目的としてＳ
ｎ，Ｉｎを添加したり、ステンレス鋼と接合する場合
は、濡れ性や耐蝕性の向上を目的にＮｉを選択元素とし
て添加してもよい。

【０００９】すなわち、ＡｇとＣｕとＴｉＨ₂ （水素化
チタン）を必須成分として、重量比でＡｇ：６５〜８５
％，Ｃｕ：１２〜４０％，ＴｉＨ₂ ：０．５〜５％の範
囲とし、これら３種類の金属の合計が不純物を含めて１
００％になるように調整するか、または、上記必須成分
に、ろう材の用途に応じてＳｎ，Ｉｎ，Ｎｉの中から選
択された１種もしくは複数種の選択元素を添加し、重量
比でＡｇ：６５〜８５％，Ｃｕ：１２〜４０％，ＴｉＨ
₂ ：０．５〜５％，Ｓｎ：５〜２０％，Ｉｎ：５〜２０
％，Ｎｉ：１〜５％の範囲とし、これらの金属の合計が
不純物を含めて１００％になるように調整する。本発明
のろう材は、上記各金属の混合粉で構成され、この混合
粉に有機物のバインダーを添加するなどして、ペースト
状のろう材を作製する。

【００１０】

【作用】本発明のろう材中に含まれるＴｉＨ₂ は、ろう
付け時にセラミックス側と直接反応する活性な金属であ
り、ろう材の酸化の防止と、ろう流れ性の確保という重
要な役割を担っている。

【００１１】ろう材中のＴｉＨ₂ は、セラミックスとろ
う材との界面に集中してＴｉの均一な凝集層を生成す
る。この凝集層は、ＴｉＨ₂ の重量比が増加すると凝集
層の厚さが厚くなる傾向があり、添加量が５wt％を越え
ると、ろう材中のＴｉＨ₂ は、Ａｇ，Ｃｕと反応し、脆
い金属間化合物を生成する。その結果、接合強度が低下
し、ろう付け接合体の機械的特性が大きく劣化する原因
となる。しかしＴｉＨ₂の添加量が５wt％以内であれば
接合体の強度は大きな変化を示さない。添加量が０．５
wt％未満であると、Ｔｉの凝集層が形成されなくなる。
従って、ろう材中のＴｉＨ₂ の添加量は０．５〜５wt％
の範囲にする必要がある。

【００１２】セラミックスと金属とを接合する場合、両
者の熱膨張率の差により、熱応力が発生する。この熱応
力を緩和するための対策の一つとして、ろう材の融点を
下げてろう付け温度を低くする方法がある。その場合、
前述のＡｇ−Ｃｕ−ＴｉＨ₂系にＳｎまたはＩｎのうち
の一方あるいは双方を添加する。

【００１３】Ｓｎ，Ｉｎが５％以上添加されたろう材の
融点は６００℃〜７３０℃となり、融点を下げる効果が
顕著に現れる。しかし、Ｓｎ，Ｉｎの添加量がいずれも
２０wt％を越えると、ろう材の固相線と液相線の幅が大
きく広がり、ろう材中の融点の低い成分の流れ出しが起
こる。また、過剰に添加されたＳｎ，Ｉｎと、ろう材中
のＡｇ，Ｃｕ，ＴｉＨ₂ との間に脆い化合物が生成され
る。その結果、ろう付け接合部の組織にマクロ的な偏析
が起こり、機械的特性を劣化させ、接合体の強度を低下
させる。このため、Ｓｎ，Ｉｎの添加量はそれぞれ２０
wt％を上限とする。

【００１４】

【実施例】表１に、ろう材の組成例を示す。表１におい
て、ろう材の成分はＮｏ．１からＮｏ．６までの６つの
グループに分かれており、各グループごとに各金属成分
の含有量を種々に変化させて、ろう材サンプルを作製し
た。Ｎｏ．１は、実質的にＡｇ，Ｃｕ，ＴｉＨ₂ の３種
類の金属単体の粉末からなる。Ｎｏ．２はＮｏ．１と成
分は共通であるが、ＡｇとＣｕの合金粉末を用いた。Ｎ
ｏ．３はＮｏ．１のものにＳｎを添加し、Ｎｏ．４はＮ
ｏ．１のものにＳｎとＩｎを添加している。Ｎｏ．５
は、Ｎｏ．１にＩｎのみを添加したものである。Ｎｏ．
６はＮｏ．１にＮｉを添加したものであり、ステンレス
鋼の接合に適している。

【００１５】

【表１】 表１のろう材サンプルに用いた金属粉の粒度は、次の通
りである。 Ａｇ：４５μｍ Ｃｕ：２０μｍ ＴｉＨ₂ ：１０
μｍ Ｎｉ：１０μｍ Ｓｎ：１５μｍ Ｉｎ：１５
μｍ なお、上記金属粉の粒度の実用範囲は、 Ａｇ：１０〜３００μｍ Ｃｕ：５〜３００μｍ ＴｉＨ₂ ：１〜２００μｍ Ｎｉ：１〜２００μｍ Ｓｎ：１０〜２００μｍ Ｉｎ：１０〜２００μｍ
である。

【００１６】各金属粉の粒度が上記の下限値よりも小さ
くなると、金属粉が酸化しやすくなり、濡れ性などに悪
影響がでる。一方、各金属粉の粒度が上記の上限値を越
えると反応性が悪くなる。

【００１７】上述の各種金属の粉末の組成を、表１の範
囲内で調整する。そしてこれらの金属の混合粉に有機物
のバインダーを添加し、ペースト状のろう材を作製し
た。その際に、Ｔｉは従来使用されていたＴｉ単体とし
てではなく、ＴｉＨ₂ の形で添加する。ＴｉＨ₂ を使用
することにより、Ｔｉの取扱い性の向上と粉末の酸化を
防止することができるとともに、ろう材中のＴｉの割合
を低くすることにより低コスト化が可能となる。また、
ろう材の形状を、従来のように合金粉のまま使用するの
ではなく、ペースト状にしたため、被接合材への適用に
際して印刷技術の利用が可能であり、従来の問題点であ
った量産性を大幅に向上させることができる。

【００１８】前述のＡｇ−Ｃｕ−ＴｉＨ₂ 系ろう材を用
いて、８３０℃、真空中でアルミナ（純度９６％および
９９％）とコバール合金（Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ系）とのろ
う付けを行った。ろう材は、アルミナの純度に関係なく
良好な濡れ性を示し、容易にろう付けが可能であった。

【００１９】図１は、表１のＮｏ．１グループのうち、
代表的なろう材のサンプル（Ａｇ：７１wt％，Ｃｕ：２
７wt％，ＴｉＨ₂ ：２wt％）を用いてろう付けを行った
場合のアルミナとろう材との接合界面を示す走査電子顕
微鏡写真である。図１の写真で右半分がろう材、左半分
がアルミナ、両者の間がろう材の反応層（凝集層）であ
る。図１から判るように、ろう材中のＴｉＨ₂ は、アル
ミナとろう材の界面に集中してＴｉの均一な凝集層を生
成している。

【００２０】上記サンプルの接合界面の金属組織を、Ｅ
ＰＭＡ（エレクトロンプローブマイクロアナライザ）で
処理した結果を図２ないし図５に示す。図２はＡｇ、図
３はＣｕ、図４はＡｌ、図５はＴｉの各成分がそれぞれ
白く写っており、白色の度合いが強い箇所ほど上記成分
が多く存在していることになる。これらの分析結果から
判るように、ろう材中のＴｉはアルミナの純度に関係な
く、接合界面にＴｉの１０μｍ以下の薄い凝集層を均一
に生成している。この結果、ボイドや未接合部のない密
着性の高い接合体が得られた。

【００２１】更に、上記ろう材を用いて窒化アルミニウ
ムとモリブデンとのろう付けも行った。この場合も、ろ
う材は前記実施例と同様に良好な濡れ性を示し、容易に
ろう付けが可能であり、その界面についても、ろう材中
のＴｉによる薄い凝集層が均一に生成され、密着性の高
い接合体が得られた。

【００２２】上述のＡｇ−Ｃｕ−ＴｉＨ₂ 系ろう材の機
械的特性を評価するために、直径φ１４mm，長さ１０mm
のアルミナ（純度９６％および９９％）のテストピース
と各種金属（コバール合金，インバー合金，Ｔｉ，Ｃ
ｕ，Ｍｏ，Ｗ）とのろう付けを行い、また、上記寸法の
窒化アルミニウム（ＡｌＮ）のテストピースと上記各種
金属とのろう付けを行い、各接合部の剪断強度を調べる
試験を行った。その結果を表２に示す。

【００２３】

【表２】 表２において、アルミナとコバール合金との接合体は熱
膨張率が小さいため、９６％アルミナの場合は平均破断
強度が１０４Ｍｐａ、９９％アルミナの場合の平均破断
強度は１２０Ｍｐａと、セラミックスの純度に関係なく
安定した高い接合強度が得られた。

【００２４】また、アルミナとの熱膨張差が大きい銅と
アルミナとの接合体は、銅自体の塑性変形と冷却速度を
調整することにより、熱応力が緩和され、アルミナが破
壊することなく接合が可能であった。その接合強度は、
９６％アルミナの場合は平均破断強度が６６Ｍｐａ、９
９％アルミナの場合の平均破断強度は７２Ｍｐａであっ
た。

【００２５】一方、窒化アルミニウムでは、接合する相
手金属がモリブデンの場合、熱膨張差が小さいため、平
均破壊強度で１１８Ｍｐａ、更にタングステンおよびコ
バール合金との接合体でも平均破断強度がそれぞれ１０
０Ｍｐａ、９２Ｍｐａと、安定した高い接合強度が得ら
れた。また、銅についても、窒化アルミニウムを破壊す
ることなく接合が可能であり、その平均破壊強度は４０
Ｍｐａであった。

【００２６】

【発明の効果】本発明によれば、セラミックスに対して
良好な濡れ性と反応性を示し、容易にろう付け可能であ
るとともに、接合界面にＴｉの薄い凝集層が均一に生成
され、ボイドや未接合部が存在せず、密着性の高い高強
度な接合体が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】アルミナとろう材との接合界面の金属組織を顕
微鏡で２０００倍に拡大した写真。

【図２】アルミナとろう材のＡｇ成分を示す金属組織を
顕微鏡で１５００倍に拡大した写真。

【図３】アルミナとろう材のＣｕ成分を示す金属組織を
顕微鏡で１５００倍に拡大した写真。

【図４】アルミナとろう材のＡｌ成分を示す金属組織を
顕微鏡で１５００倍に拡大した写真。

【図５】アルミナとろう材のＴｉ成分を示す金属組織を
顕微鏡で１５００倍に拡大した写真。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】ＡｇとＣｕとＴｉＨ₂ を必須成分とし、重
   量比でＡｇ：６５〜８５％，Ｃｕ：１２〜４０％，Ｔｉ
   Ｈ₂ ：０．５〜５％の範囲とし、これら金属の合計が不
   純物を含めて１００％になるように調整したことを特徴
   とするセラミックス接合用ろう材。
2. 【請求項２】上記金属からなる粉末をバインダと混合し
   た請求項１記載のセラミックス接合用ろう材。
3. 【請求項３】ＡｇとＣｕとＴｉＨ₂ を必須成分とし、か
   つＳｎ，Ｉｎ，Ｎｉの中から選択された１種もしくは複
   数種の金属を添加し、重量比でＡｇ：６５〜８５％，Ｃ
   ｕ：１２〜４０％，ＴｉＨ₂ ：０．５〜５％，Ｓｎ：５
   〜２０％，Ｉｎ：５〜２０％，Ｎｉ：１〜５％の範囲と
   し、これら金属の合計が不純物を含めて１００％になる
   ように調整したことを特徴とするセラミックス接合用ろ
   う材。