JPH085725B2

JPH085725B2 - 金属部材とセラミック部材との接合方法

Info

Publication number: JPH085725B2
Application number: JP15785292A
Authority: JP
Inventors: 周一郎加藤; 浩井神
Original assignee: 株式会社日本アルミ
Priority date: 1992-06-17
Filing date: 1992-06-17
Publication date: 1996-01-24
Anticipated expiration: 2011-01-24
Also published as: JPH06199579A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、金属部材とセラミック
部材とをアルミニウム部材用のろう材又ははんだを用い
てろう付け又ははんだ付けにより接合する方法に関する
ものである。

【０００２】

【従来技術及びその問題点】セラミックは多岐に渡って
使用されており、金属と接合して用いることも望まれて
いる。そのような接合を行なうには、一般に、ろう付け
が考えられるが、ろう付けでは、接合後にフラックスの
後処理等の手間がかかっていた。

【０００３】

【発明の目的】本発明は、金属部材とセラミック部材と
をアルミニウム部材用のろう材又ははんだを用いてろう
付け又ははんだ付けにより接合する方法を提供すること
を目的とする。

【０００４】

【目的を達成するための手段】本願の第１の発明の金属
部材とセラミック部材との接合方法は、アルミニウム及
び銅を除く金属部材と、セラミック部材とを、アルミニ
ウム部材用のろう材又ははんだを用いてろう付け又はは
んだ付けにより接合する方法であって、金属部材及びセ
ラミック部材の各接合部分の最表面に、予め、第１金属
からなるめっきを施しておき、このめっきを施した金属
部材及びセラミック部材の各接合部分を溶融ろう材中又
は溶融はんだ中に浸漬し、超音波振動を加えて接合部分
にろう材又ははんだを付着させ、その後にろう付け又は
はんだ付けを行なうようにしたものであり、少なくとも
セラミック部材においては、上記第１金属からなるめっ
き層は第２金属からなるめっき層表面に形成されてお
り、第１金属は、銅、アルミニウム、亜鉛、鉛、ケイ
素、カドミウム、スズ、及びこれらの１種以上を主成分
とする合金、の内から任意に選択されるものであり、第
２金属は、ニッケル、コバルト、クロム、ロジウム、パ
ラジウム、白金の内から任意に選択されるものであるこ
とを特徴とするものである。本願の第２の発明の金属部
材とセラミック部材との接合方法は、アルミニウム又は
銅からなる金属部材と、セラミック部材とを、アルミニ
ウム部材用のろう材又ははんだを用いてろう付け又はは
んだ付けにより接合する方法であって、セラミック部材
の接合部分の最表面に、予め、第１金属からなるめっき
を施しておき、このめっきを施したセラミック部材の接
合部分を溶融ろう材中又は溶融はんだ中に浸漬し、超音
波振動を加えて接合部分にろう材又ははんだを付着さ
せ、その後にろう付け又ははんだ付けを行なうようにし
たものであり、セラミック部材において上記第１金属か
らなるめっき層は第２金属からなるめっき層表面に形成
されており、第１金属は、銅、アルミニウム、亜鉛、
鉛、ケイ素、カドミウム、スズ、及びこれらの１種以上
を主成分とする合金、の内から任意に選択されるもので
あり、第２金属は、ニッケル、コバルト、クロム、ロジ
ウム、パラジウム、白金の内から任意に選択されるもの
であることを特徴とするものである。

【０００５】

【作用】上記第１金属からなるめっき層が形成されたセ
ラミック部材の接合部分に、ろう材又ははんだを付着さ
せる際においては、次のような反応が生じると考えられ
る。即ち、上記めっき層とろう材又ははんだとの界面に
おいては、金属間化合物及び酸化物からなる層が形成さ
れる。この層は超音波振動に伴なうキャビテーションに
よって剥離していき、その際に、この層中のめっき成分
が、第２金属からなるめっき層の表面の酸化物から酸素
を奪いながら、ろう材中又ははんだ中に拡散していく。
これにより、第２金属めっき層の表面は活性化され、ろ
う材又ははんだのぬれが生じ、第２金属めっき層の表面
には、ろう材又ははんだの成分と第２金属とからなる化
合物層が形成されるとともに、その化合物層を介してろ
う材又ははんだが強固に付着し、ろう材又ははんだから
なるめっき層が形成される。なお、第２金属はろう材又
ははんだの成分と化合物をつくり易いものであるので、
ろう材又ははんだからなる上記めっき層は、より強固に
付着している。アルミニウム及び銅を除く金属部材の接
合部分の表面に直接に上記第１金属めっき層が形成され
たものにおいて、ろう材又ははんだを付着させる際にお
いても、同様の反応により、ろう材又ははんだの成分と
上記金属部材の成分とからなる化合物層が形成されると
ともに、その化合物層を介してろう材又ははんだが強固
に付着し、ろう材又ははんだからなるめっき層が形成さ
れる。

【０００６】

【実施例】以下、本願の第１の発明の実施例を図に基づ
いて説明する。なお、ここでは、アルミニウム部材用の
はんだを用い、第１金属として銅を、第２金属としてニ
ッケルを用いている。図１は本発明により接合する金属
部材とセラミック部材を示す縦断面図である。図１にお
いて、１はセラミック部材、２はインバー合金（Ｆｅ−
４２％Ｎｉ合金）からなる金属部材である。なお、金属
部材２としては、アルミニウム及び銅を除く金属部材で
あればよく、例えばチタン、ステンレス等を用いること
もできる。接合はセラミック部材１の端部（接合部分）
１ａと金属部材２の凹部（接合部分）２ａとで行なわれ
る。

【０００７】図２ないし図６は本発明の方法を工程順に
示す縦断面図である。まず、図２に示すように、セラミ
ック部材１の端部１ａの表面をメタライジングし、その
メタライジング層８の表面にニッケルめっき層９を形成
し、更にその表面に銅めっき層３を形成する。メタライ
ジングは通常の方法により行なわれる。また、ニッケル
めっき層９及び銅めっき層３は、下地処理、活性化、化
学めっきの工程を経て形成される。なお、下地処理は、
サンドブラスト、はけ掛け、化学エッチング等を行なっ
て、新しい表面を形成することである。活性化は、中性
洗剤等の界面活性剤を含む溶液で洗浄した後、塩化パラ
ジウム０．１ｇ／ｌ水溶液に浸漬することである。化学
めっきは、銅めっき層３を形成する場合には、例えば表
１に示す電解浴中で無電解めっきを行なうことである。

【表１】

【０００８】一方、金属部材２の凹部２ａの内面にも直
接に、銅めっき層３を形成するのと同様の方法により銅
めっき層３ａを形成する。なお、その際の電解浴組成及
び電解条件は表２に示す通りである。電解時間を約１〜
３分とすることにより、数μｍの厚さの銅めっき層３、
３ａが得られた。

【表２】

【０００９】次に、図３に示すように、銅めっき層３の
形成されたセラミック部材１の端部１ａを、溶融された
はんだ４中に浸漬し、超音波振動を適切なホーンを通じ
てセラミック部材１又ははんだ浴７に加える。はんだ４
としては、アルミニウム部材用のはんだであるＺｎ−５
％Ａｌを用いる。この融点は３８０℃である。超音波の
周波数は約１７．６ＫＨｚとする。超音波振動を加える
ことにより、キャビテーションが生じる。この際、次の
ような反応が生じると考えられる。即ち、銅めっき層３
とはんだ４との界面においては、金属間化合物及び酸化
物からなる層が形成される。この層は超音波振動に伴な
うキャビテーションによって剥離していき、その際に、
この層中の銅が、ニッケルめっき層９表面の酸化物から
酸素を奪いながら、はんだ４中に拡散していく。これに
より、ニッケルめっき層９表面は活性化され、はんだ４
のぬれが生じ、ニッケルめっき層９表面には、図５に示
すように、はんだ４の成分とニッケルめっき層９のニッ
ケルとからなる化合物層５が形成されるとともに、その
化合物層５を介してはんだ４が強固に付着してはんだめ
っき層６が形成される。

【００１０】一方、図４に示すように、銅めっき層３ａ
の形成された金属部材２の凹部２ａも、セラミック部材
１と同様に、溶融されたはんだ４中に浸漬し、超音波振
動を適切なホーンを通じて金属部材２又ははんだ浴７に
加える。これによっても、セラミック部材１の場合と同
様の反応が生じると考えられる。即ち、金属部材２の表
面が活性化され、はんだ４のぬれが生じ、金属部材２表
面には、図５に示すように、はんだ４の成分と金属部材
２の成分とからなる化合物層５ａが形成されるととも
に、その化合物層５ａを介してはんだ４が強固に付着し
てはんだめっき層６ａが形成される。

【００１１】そして、図６に示すように、セラミック部
材１のはんだめっき層６と金属部材２のはんだめっき層
６ａとを合わせ、両めっき層６、６ａを溶融させるとと
もにセラミック部材１又は金属部材２に超音波振動を加
えることにより、セラミック部材１と金属部材２とを接
合させる。

【００１２】以上のように、本発明の方法では、銅めっ
き層３、３ａを形成したことにより化合物層５、５ａが
形成され、化合物層５、５ａを介することによってはん
だめっき層６、６ａがセラミック部材１、金属部材２の
接合部分の最表面に強固に付着する。従って、はんだめ
っき層６、６ａを介することによってセラミック部材１
と金属部材２とがはんだ付けにより接合されることとな
る。なお、はんだめっき層６、６ａを形成する際の温度
は、はんだ４を溶融させるための４００℃程度である。

【００１３】しかも、超音波振動を加えることにより、
フラックスを用いることなくはんだめっき層６、６ａが
形成される。従って、フラックスの後処理は不要であ
り、またフラックスによってセラミック部材１や金属部
材２が腐食されることもない。

【００１４】また、ニッケルははんだ４と化合物をつく
り易いので、化合物層５は円滑に且つニッケルめっき層
９に対して強固に接合して形成される。従って、これに
よっても、はんだめっき層６はセラミック部材１の接合
部分に強固に付着することとなる。

【００１５】更に、セラミック部材１と金属部材２との
接合部分は、メタライジング層８、ニッケルめっき層９
等を有する多層構造となっているので、接合時にセラミ
ック部材１と金属部材２との熱膨張率の差に起因した熱
応力が発生しても、多層構造により吸収されることとな
り、接合部分に割れ等が生じることは殆んどない。

【００１６】なお、セラミック部材１と金属部材２とを
接合する際に超音波振動を加えることは必ずしも必要で
はない。

【００１７】次に、本願の第２の発明の実施例を図に基
づいて説明する。なお、ここでは、アルミニウム部材用
のはんだを用い、第１金属として銅を、第２金属として
ニツケルを用いている。図７は本発明により接合する金
属部材とセラミック部材を示す縦断面図である。図７に
おいて、１はセラミック部材、１２はアルミニウム合金
（例えばＡ６０６３、Ａ１０５０）からなる金属部材で
ある。なお、金属部材１２としては、他のアルミニウム
合金や、アルミニウム、銅を用いることもできる。接合
はセラミック部材１の端部（接合部分）１ａと金属部材
１２の凹部（接合部分）１２ａとで行なわれる。

【００１８】本発明は、金属部材１２に銅めっき層を形
成しない点において、第１の発明と異なっている。その
他は第１の発明と同様である。まず、図２に示すのと同
様に、セラミック部材１の端部１ａの表面をメタライジ
ングし、このメタライジング層８の表面にニッケルめっ
き層９を形成し、更にその表面に銅めっき層３を形成
し、更に図８に示すように、化合物層５及びはんだめっ
き層６を形成する。これを行なう方法は、第１の発明の
場合と同様である。

【００１９】一方、図９に示すように、金属部材１２の
凹部１２ａの内面にもはんだ４からなるめっき層６ｂを
形成する。このめっき処理は図４に示す場合と同様に、
金属部材１２を溶融されたはんだ４中に浸漬し、超音波
振動を金属部材１２に加えて行なわれる。

【００２０】そして、図１０に示すように、セラミック
部材１のはんだめっき層６と金属部材１２のはんだめっ
き層６ｂとを合わせ、両めっき層６、６ｂを溶融させる
とともにセラミック部材１又は金属部材１２に超音波振
動を加えることにより、セラミック部材１と金属部材１
２とを接合させる。

【００２１】以上のように、本発明の方法では、銅めっ
き層３を形成したことにより化合物層５が形成され、化
合物層５を介することによってはんだめっき層６がセラ
ミック部材１に強固に付着する。従って、はんだめっき
層６、６ｂを介することによってセラミック部材１と金
属部材１２とがはんだ付けにより接合されることとな
る。

【００２２】その他の作用効果は第１の発明と同様であ
る。即ち、はんだめっき層６の形成において、フラック
スが不要であるので、フラックスの後処理は不要であ
り、また、フラックスによってセラミック部材１や金属
部材１２が腐食されることもない。また、銅めっき層３
の下層にニッケルめっき層９があるため、化合物層５は
円滑に且つ強固に接合して形成される。更に、セラミッ
ク部材１と金属部材１２との接合部分が多層構造である
ので、接合時の熱応力が吸収され、接合部分に割れ等が
生じることは殆んどない。

【００２３】なお、セラミック部材１と金属部材１２と
を接合する際に超音波振動を加えることは必ずしも必要
ではない。

【００２４】

【発明の効果】以上のように、本願の第１の発明によれ
ば、セラミック部材１、金属部材２に予め銅めっき層
３、３ａを形成したので、化合物層５、５ａを形成し
て、これを介することによってはんだめっき層６、６ａ
をセラミック部材１、金属部材２の接合部分の最表面に
強固に付着させることができる。このため、はんだめっ
き層６、６ａを介することによって、セラミック部材１
と、アルミニウム及び銅を除く金属からなる金属部材２
とを、はんだ付けにより接合することができる。フラッ
クスを用いることなくはんだめっき層６、６ａを形成す
ることができるので、フラックスの後処理を不要にで
き、また、フラックスによってセラミック部材１や金属
部材２が腐食されるのを防止できる。このため、作業の
簡易化、作業後のセラミック部材１や金属部材２の品質
の向上を図ることができる。なお、ニッケルははんだ４
と化合物をつくり易いので、化合物層５を円滑に且つニ
ッケルめっき層９に対して強固に接合して形成できる。
従って、これによっても、はんだめっき層６をセラミッ
ク部材１の接合部分に強固に付着させることができる。

【００２５】また、セラミック部材１と金属部材２との
接合部分を、メタライジング層８、ニッケルめっき層９
等を有する多層構造とすれば、セラミック部材１と金属
部材２との熱膨張率の差に起因した熱応力が発生して
も、多層構造により吸収できることとなり、接合部分に
割れ等が生じるのを防止できる。

【００２６】また、本願の第２の発明によれば、セラミ
ック部材１に予め銅めっき層３を形成したので、化合物
層５を形成して、これを介することによってはんだめっ
き層６をセラミック部材１の接合部分の最表面に強固に
付着させることができる。このため、はんだめっき層６
を介することによって、セラミック部材１と、アルミニ
ウム又は銅からなる金属部材１２とを、はんだ付けによ
り接合することができる。フラックスを用いることなく
はんだめっき層６、６ｂを形成することができるので、
フラックスの後処理を不要にでき、また、フラックスに
よってセラミック部材１や金属部材１２が腐食されるの
を防止できる。このため、作業の簡易化、作業後のセラ
ミック部材１や金属部材１２の品質の向上を図ることが
できる。なお、ニッケルははんだ４と化合物をつくり易
いので、化合物層５を円滑に且つニッケルめっき層９に
対して強固に接合して形成できる。従って、これによっ
ても、はんだめっき層６をセラミック部材１の接合部分
に強固に付着させることができる。

【００２７】また、セラミック部材１と金属部材１２と
の接合部分を、メタライジング層８、ニッケルめっき層
９等を有する多層構造とすれば、セラミック部材１と金
属部材１２との熱膨張率の差に起因した熱応力が発生し
ても、多層構造により吸収できることとなり、接合部分
に割れ等が生じるのを防止できる。

【００２８】

【別の実施例】本願の第１及び第２の発明の上記各実施
例では、アルミニウム部材用のはんだを用いているが、
アルミニウム部材用のろう材の範疇に含まれるものであ
れば、はんだに限らず用いることができる。また、第１
金属としては銅を用いているが、次に列挙する金属を用
いることもできる。即ち、アルミニウム、亜鉛、鉛、ケ
イ素、カドミウム、スズ、及びこれらの１種以上を主成
分とする合金。また、第２金属としてはニッケルを用い
ているが、次に列挙する金属を用いることもできる。即
ち、コバルト、クロム、ロジウム、パラジウム、白金。
これらの場合においても、上記実施例と同様の作用効果
を奏する。即ち、上記第１金属めっき層が形成されたセ
ラミック部材の接合部分に、ろう材又ははんだを付着さ
せる際においては、次のような反応が生じると考えられ
る。即ち、上記第１金属めっき層とろう材又ははんだと
の界面においては、金属間化合物及び酸化物からなる層
が形成される。この層は超音波振動に伴なうキャビテー
ションによって剥離していき、その際に、この層中のめ
っき成分が、第２金属めっき層の表面の酸化物から酸素
を奪いながら、ろう材中又ははんだ中に拡散していく。
これにより、第２金属めっき層の表面は活性化され、ろ
う材又ははんだのぬれが生じ、第２金属めっき層の表面
には、ろう材又ははんだの成分と第２金属とからなる化
合物層が形成されるとともに、その化合物層を介してろ
う材又ははんだが強固に付着し、ろう材又ははんだから
なるめっき層が形成される。一方、アルミニウム及び銅
を除く金属部材の接合部分に上記第１金属めっき層が形
成されたものにおいて、ろう材又ははんだを付着させる
際においても、同様の反応により、ろう材又ははんだの
成分と上記金属部材の成分とからなる化合物層が形成さ
れるとともに、その化合物層を介してろう材又ははんだ
が強固に付着し、ろう材又ははんだからなるめっき層が
形成される。このような作用に基づき、金属部材とセラ
ミック部材とは、ろう材又ははんだからなるめっき層に
よりろう付け又ははんだ付けされることとなる。

【００２９】また、上記各実施例では、セラミック部材
１の端部１ａの表面を、まずメタライジングしている
が、メタライジングすることなくニッケルめっき層９即
ち第２金属からなるめっき層を形成してもよい。この場
合には、一般に、無電解めっき法が用いられる。

【００３０】また、上記各実施例では、ニッケルめっき
層９の下層としてメタライジング層８を形成しているだ
けであるが、ニッケルめっき層９即ち第２金属からなる
めっき層の下層として、２層以上のめっき層を形成して
もよい。これによれば、接合部分はより多層構造とな
る。

【００３１】また、本願の第１の発明の上記実施例で
は、金属部材２の凹部２ａの内面に、直接に銅めっき層
３ａ即ち第１金属からなるめっき層を形成しているが、
第１金属めっき層は１層以上のめっき層を形成した後に
形成してもよい。これによれば、接合部分はより多層構
造となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本願の第１の発明により接合する金属部材と
セラミック部材を示す縦断面図である。

【図２】第１の発明の方法の第１工程を示す縦断面図
である。

【図３】第１の発明の方法の第２工程を示す縦断面図
である。

【図４】第１の発明の方法の第３工程を示す縦断面図
である。

【図５】第１の発明の方法の第４工程を示す縦断面図
である。

【図６】第１の発明の方法の第５工程を示す縦断面図
である。

【図７】本願の第２の発明により接合する金属部材と
セラミック部材を示す縦断面図である。

【図８】第２の発明の方法の一工程を示す縦断面図で
ある。

【図９】第２の発明の方法の一工程を示す縦断面図で
ある。

【図１０】第２の発明の方法の一工程を示す縦断面図
である。

【符号の説明】

１セラミック部材１ａ端部（接合部分）２、１２金属部材３、３ａ銅めっき層４（アルミニウム部材用の）はんだ５、５ａ化合物層６、６ａ、６ｂはんだめっき層９ニッケルめっき層

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】アルミニウム及び銅を除く金属部材と、
セラミック部材とを、アルミニウム部材用のろう材又は
はんだを用いてろう付け又ははんだ付けにより接合する
方法であって、金属部材及びセラミック部材の各接合部
分の最表面に、予め、第１金属からなるめっきを施して
おき、このめっきを施した金属部材及びセラミック部材
の各接合部分を溶融ろう材中又は溶融はんだ中に浸漬
し、超音波振動を加えて接合部分にろう材又ははんだを
付着させ、その後にろう付け又ははんだ付けを行なうよ
うにしたものであり、少なくともセラミック部材におい
ては、上記第１金属からなるめっき層は第２金属からな
るめっき層表面に形成されており、第１金属は、銅、ア
ルミニウム、亜鉛、鉛、ケイ素、カドミウム、スズ、及
びこれらの１種以上を主成分とする合金、の内から任意
に選択されるものであり、第２金属は、ニッケル、コバ
ルト、クロム、ロジウム、パラジウム、白金の内から任
意に選択されるものであることを特徴とする金属部材と
セラミック部材との接合方法。
【請求項２】アルミニウム又は銅からなる金属部材
と、セラミック部材とを、アルミニウム部材用のろう材
又ははんだを用いてろう付け又ははんだ付けにより接合
する方法であって、セラミック部材の接合部分の最表面
に、予め、第１金属からなるめっきを施しておき、この
めっきを施したセラミック部材の接合部分を溶融ろう材
中又は溶融はんだ中に浸漬し、超音波振動を加えて接合
部分にろう材又ははんだを付着させ、その後にろう付け
又ははんだ付けを行なうようにしたものであり、セラミ
ック部材において上記第１金属からなるめっき層は第２
金属からなるめっき層表面に形成されており、第１金属
は、銅、アルミニウム、亜鉛、鉛、ケイ素、カドミウ
ム、スズ、及びこれらの１種以上を主成分とする合金、
の内から任意に選択されるものであり、第２金属は、ニ
ッケル、コバルト、クロム、ロジウム、パラジウム、白
金の内から任意に選択されるものであることを特徴とす
る金属部材とセラミック部材との接合方法。
【請求項３】第２金属からなるめっき層は、セラミッ
ク部材の接合部分表面をメタライジングした後に形成さ
れている請求項１又は２記載の金属部材とセラミック部
材との接合方法。
【請求項４】第２金属からなるめっき層は、１層以上
形成されためっき層上に形成されている請求項１又は２
記載の金属部材とセラミック部材との接合方法。