JPH11329676A

JPH11329676A - セラミックスと金属の接合体及びこれを用いたセラミックヒータ、ならびにその製造方法

Info

Publication number: JPH11329676A
Application number: JP13201098A
Authority: JP
Inventors: Koji Maeda; 康治前田
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 1998-05-14
Filing date: 1998-05-14
Publication date: 1999-11-30

Abstract

(57)【要約】【課題】セラミックスと金属の接合体において、熱膨張
の差で生じる残留応力による接合強度の低下を防止す
る。【解決手段】窒化物系セラミックスの表面に、Ｖの化合
物を含むメタライズ層と、その上にＮｉ及び／又はＮｉ
の化合物を主成分とした気孔率５〜２０％の金属層を備
え、この上にロウ材を介して金属部材を接合する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明はセラミックと金属の
接合体及びこれを用いたセラミックヒータに関し、特に
セラミックと金属を接合する際に有用な金属層を、セラ
ミック表面のメタライズと同時に形成する方法に関する
ものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、セラミックスと金属を接合するに
は、セラミックス表面をＭｏ−Ｍｎ法でメタライズ（金
属化）し、さらにＮｉメッキを施したのち、銀ロウ材で
金属とロウ接する方法や、活性金属法などが広く一般的
に利用されている。

【０００３】しかし、先のＭｏ−Ｍｎ法はアルミナ等の
酸化物系セラミックスには広く採用されているが、窒化
珪素セラミックス等の非酸化物系セラミックスへの適用
は困難である。また、活性金属法はメタライズとロウ接
とを同時に行うために、銀ロウ中に活性金属であるＴｉ
を含有させたＡｇ- Ｃｕ- Ｔｉ系、Ａｇ−Ｃｕ- Ｉｎ-
Ｔｉ系などのロウ材を使用してセラミックと直接反応さ
せて接合するなど改善が見られるが、十分な強度を有
し、耐酸化性、耐熱性に優れた接合体は得られていない
のが現状である。

【０００４】通常セラミックスと金属を加熱接合する場
合、両者の熱膨張差により冷却過程で接合部の付近に残
留応力が働き、接合体の接合強度の低下やセラミックス
に割れ等が発生する。そこで、この残留応力を低減する
ため、両者の間にＭｏ、Ｗ、Ｆｅ- Ｎｉ- Ｃｏ合金等の
低熱膨張金属を挿入して接合したり、Ｎｉ、銅、アルミ
ニウム等の軟質金属板を挟み込んで接合するようにして
いる。

【０００５】これらの軟質金属のなかで、銅は耐力が低
いため応力がかかる接合体に使用すると銅の部分が変形
してしまう。アルミニウムも同様であり、さらに融点が
低いために高温で使用する接合体には使用できない。一
方、Ｎｉは耐力があり、耐酸化性、耐熱性の面で優れた
特性を持っているので、セラミックスと金属の接合用の
緩衝材として適している。しかし、熱膨張の小さい高純
度な窒化物系セラミックスと接合される金属の間に単純
にＮｉ板を挿入しても、両者（Ｎｉ板とセラミックス）
の熱膨張差により冷却過程での残留応力が大きく影響
し、セラミックスに割れが発生してしまうため、高い接
合強度を有する接合体は得られない。

【０００６】前述したように活性金属法によるメタライ
ズでは、Ａｇ- Ｃｕ系のロウ材中に活性金属としてＴｉ
を使用したものが多い。ここで、このＡｇ- Ｃｕ- Ｔｉ
系ロウ材と窒化物系セラミックス（ここでは窒化珪素質
セラミックス）と金属板の３種類の物質の接合を例にそ
の接合メカニズムと実際の問題点について考えてみる。

【０００７】図３に示すようにＡｇ- Ｃｕ- Ｔｉ系ロウ
材２と窒化珪素を主成分とするセラミックス４との界面
にはＴｉＮ及びＴｉ₅Ｓｉ₃の反応層によるメタライズ
層３が生成され、この層の形成によりＡｇ- Ｃｕ- Ｔｉ
系ロウ材と接していた窒化珪素質セラミックスの表面は
メタライズ（金属化）されるものと考えられる。

【０００８】このＴｉＮ及びＴｉ₅Ｓｉ₃のメタライズ
層３の上にＡｇ- Ｃｕ合金のロウ材２が流れ、さらにこ
のロウ材２と金属部材１とがロウ付けされることにより
３種類の物質の接合体が得られる。

【０００９】しかし、加熱接合される金属とセラミック
との熱膨張の差が大きいと冷却過程で接合部付近に残留
応力が発生する。この場合に、接合される金属板がＮｉ
板であっても、窒化珪素セラミックとＮｉ板の熱膨張の
差で生じる残留応力がロウ材中あるいはセラミック表面
に働き、接合体の接合強度の低下やセラミックの割れが
問題となる。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】上記のようにＮｉはセ
ラミックスと金属の接合に使用する緩衝材として優れた
特性を有するが、Ｎｉ板そのままでは十分に満足できる
緩衝材とは言えない。それは、先に述べたセラミックス
とＮｉ板との熱膨張の差で生じる残留応力がロウ材中あ
るいはセラミックス表面に働き、接合体の接合強度の低
下やセラミックスの割れにより接合強度がばらつくから
である。

【００１１】また、その他の軟質金属（たとえば銅な
ど）は耐熱性や耐食性に問題があり、十分に満足できる
緩衝材、緩衝層とはならない。

【００１２】

【目的】本発明は、セラミックスと金属とを高強度でか
つ安定した接合を行うために必要な緩衝層の形成方法、
およびその緩衝層を有する金属とセラミックスの接合体
を提供するものである。

【００１３】

【課題を解決するための手段】本発明はセラミックスと
金属との接合において、両者の熱膨張差で生じる残留応
力を吸収・緩和するために、窒化物系セラミックスの表
面に、窒化バナジウム、炭化バナジウムなどのＶの化合
物を含むメタライズ面と、その上にＮｉ及び／又はＮｉ
の化合物（珪化ニッケルなど）を主成分とした気孔率５
〜２０％の金属層を備え、該金属層上に金属部材を接合
してなる金属とセラミックスの接合体を特徴とする。

【００１４】

【発明の実施の形態】本発明の具体的な実施例を図１を
用いて説明する。

【００１５】図１は、窒化珪素（Ｓｉ₃Ｎ₄）を主成分
とする円柱状のセラミックス４とＮｉ線やFe-Ni-Co合金
等からなる金具の金属部材１を接合したものである。こ
の接合構造は、セラミックス４の表面にＶの化合物を含
むメタライズ層３を備え、その上に気孔を有する金属層
５を形成し、該金属層５上にロウ材２によって金属部材
１を接合したものである。

【００１６】このような接合構造を得るためには、活性
金属としてＶ（バナジウム）を１〜３０重量％、好まし
くは２〜１０重量％含み、残部がＮｉ金属微粉からな
り、さらに有機バインダーを含む混合物を用意し、この
混合物をセラミックス４上に塗布し、真空雰囲気中で約
１０５０℃まで加熱して１５分間保持する。なお、この
処理温度は１０００〜１２００℃が最適であり、これ以
上の温度ではＮｉ微粉末が溶融して有効な気孔を有する
金属層５が得られず、これ以下の低い温度では後で述べ
る反応が十分に起きずにメタライズすら出来ない。

【００１７】その結果、セラミックス４の表面に塗布し
た前述の混合物は、光沢のない銀色の金属層５及びセラ
ミックス４との界面のメタライズ層３として得られた。
この金属層５と、接合される金属部材１との間にロウ材
２（例えばＡｇ- Ｃｕ系、Ａｕ- Ｃｕ系など）を添加し
加熱ロウ付けすることにより、緩衝材を間に挟んだ構造
のセラミックスと金属の接合体が得られる。

【００１８】この接合体の接合部の破断強度は、４点曲
げ試験強度で３８０ＭＰａと高い接合強度が得られた。
この時の破断は、セラミックス４との界面のメタライズ
層３を一部含む気孔を有する金属層５の内部で起きた。
比較のため金属層５なしで接合を行った場合は、一部接
合界面を含むセラミックス４の内部で破断し、その強度
は２１０ＭＰａと低いものであった。

【００１９】前記のセラミックス４の表面に得られた光
沢のない銀色の金属層５の断面をＳＥＭ（走査電子顕微
鏡）で観察し、断面及び表面をＸＲＤ（Ｘ線回折）で結
晶構造分析を行ったところ、セラミックス４の表面に窒
化バナジウム（ＶＮ）等のＶ化合物や珪化ニッケル（Ｎ
ｉＳｉなど）等を含むメタライズ層３が形成され、さら
にそのメタライズ層３上に気孔を有する金属層５が形成
されている事が確認できた。

【００２０】この結果から、セラミックス４の表面に塗
布した活性金属Ｖ粉末とＮｉ粉末からなる混合物が真空
雰囲気中で加熱されることにより、最初セラミックス４
の表面と接していた反応性の強い活性金属Ｖが窒化珪素
（Ｓｉ₃Ｎ₄）と反応して珪化バナジウム（Ｖ₃Ｓ
ｉ₅、ＶＳｉ₃）および窒化バナジウム（ＶＮ）とな
り、その反応の際に発生したフリーなＳｉとＮｉ粉末と
が反応して低融点の珪化ニッケル（ＮｉＳｉなど）が生
成され、この低融点の珪化ニッケルを液相として上記の
反応がさらに進み、結果として活性金属Ｖはセラミック
ス４表面に集まり、珪化バナジウムおよび窒化バナジウ
ムから成る緻密なメタライズ層３と、そのメタライズ層
３面上には珪化ニッケルに包まれたＮｉ粒子による金属
層５が形成されると考えられる。

【００２１】またこの珪化ニッケルとＮｉを主成分にし
た金属層５は緻密ではなく気孔が含まれていることが分
かった。この気孔について先のＳＥＭ写真を画像解析し
たところ気孔の平均径はおよそ１０μｍで、気孔率５〜
２０％であり、特に８〜１６％の領域で４点曲げ強度が
高強度で安定することが分かった。

【００２２】この反応は、最初に反応性の強い活性金属
Ｖが窒化珪素（Ｓｉ₃Ｎ₄）と反応して珪化バナジウム
および窒化バナジウムとなることが必要であり、この反
応を十分に促進させるためには真空中での熱処理が有効
であることが分かった。これは反応性の強い活性金属Ｖ
が雰囲気中の物質（たとえば酸素、水素等）と先に反応
する事によってＶの持つ反応性が弱まり、窒化珪素セラ
ミックスとの反応力が不足するためと考えられる。さら
に気孔率５〜２０％を有するようにするためにも真空中
での熱処理温度が重要であり、前述したように処理温度
はＮｉの融点より低い１０００〜１２００℃が最適であ
り、これ以上の温度では珪化ニッケルを液層としてＮｉ
微粉末が溶融して気孔率の低い金属層しか得られず、低
い温度では活性金属Ｖと珪化物セラミックとの反応が不
十分で満足にメタライズすら出来ない。

【００２３】そして、この気孔を有する金属層５がセラ
ミックス４と接合される金属部材１との間に存在するこ
とで、加熱接合時の熱膨張差による残留応力が吸収され
接合強度の高い安定した接合体を得ることができる。ま
たこの金属層５はＮｉおよび珪化ニッケルから成る反応
層であるため、耐熱性、耐酸化性ともに優れており高温
での使用も十分可能である。

【００２４】実際に、本発明の接合体を６００℃酸化雰
囲気中に約２００時間放置後、４点曲げ強度を測定して
も、接合直後の初期状態のものと大差ない高い値が得ら
れた。

【００２５】なお、Ｎｉと珪化ニッケルを主成分とした
気孔率５〜２０％の金属層５の気孔率は、以下のように
して測定する。

【００２６】１．接合部を、ダイヤモンドカッターで切
断し、多孔質の金属層５が見えるようにする。

【００２７】２．切断面を、５％濃度の希硝酸溶液に３
０秒間浸漬して、研磨ダレを除去する。

【００２８】３．上記処理済みの切断面について５００
倍でＳＥＭ写真を撮影する。

【００２９】４．上記ＳＥＭ写真をベースに、金属層５
の画像解析により、気孔率を測定する。

【００３０】気孔を有する金属層５の気孔率が５〜２０
％が好ましい理由は、気孔率が５％未満だと、金属層５
の剛性が高く、応力緩和効果が期待できないからであ
る。また、気孔率を２０％より大きくすると、気孔を有
する金属層５自体の強度が弱くなり、金属層５部分から
破壊してしまうからである。

【００３１】金属層５の厚みは、０．０５〜０．５０ｍ
ｍであることが好ましい。厚みが０．０５ｍｍ未満では
十分な応力緩和が期待できないからである。応力緩和層
としての金属層５の厚みの上限はないが、上限を０．５
０ｍｍとするのは、ペーストを肉盛りする加工上の制約
を考慮したものである。

【００３２】また、セラミックス４を窒化物系セラミッ
クスとしたのは、窒化珪素、窒化アルミニウム、および
窒化アルミニウムと窒化珪素の混合系もその範疇に含む
ことを意味する。好ましくは、高強度が期待できる窒化
珪素質セラミックとすることが望ましい。

【００３３】本発明のセラミックスと金属の接合体は、
セラミックヒータの電極取り出し部や、セラミックタペ
ットの金属とセラミックの接合部、セラミック製の半導
体パッケージの端子の接合部等に利用できる。

【００３４】例えば、セラミックヒータに適用した例を
図２に示す。

【００３５】図２に示すように、発熱抵抗体を埋設した
窒素化物系のセラミックス４の一部に、上記発熱抵抗体
の電極取り出し部を形成し、この部分において、上述し
たようなメタライズ層３と金属層５を形成して、ロウ材
２を用いて金属部材１としてリード線を接合することが
できる。

【００３６】

【実施例】本発明のセラミックスと金属の接合体につい
て接合強度を評価する試験を行った。

【００３７】まず、図４に示したようなテストサンプル
を作成した。同一形状の窒化珪素を主成分とする円柱状
のセラミックス４と、Ｎｉからなる円柱状の金属部材１
を準備し、それぞれの接合する端面を＃６００番の砥石
で研削仕上げする。その後、セラミックス４の接合面
に、微粉Ｎｉ９６重量％と微粉Ｖ４重量％と若干の有機
系バインダー等を混合したペーストを０．２０ｍｍ塗布
する。乾燥後、真空炉中１０００〜１２００℃で焼き付
ける。その後、得られた金属層５上にロウ材２を塗布
し、金属部材１を重ねて固定し、十分乾燥した後、真空
炉中でロウ付けしてテストサンプルを作成した。

【００３８】一方、比較例として、円柱状の窒化珪素を
主成分とするセラミックス４の接合面に直接Ａｕ−Ｎｉ
ロウを塗布した後、円柱状のＮｉからなる金属部材１を
重ねて固定し、充分乾燥した後真空炉でロウ付けしたも
のを用いた。

【００３９】各サンプルの金属層５の焼き付け温度と、
金属部材１のロウ付け温度は、表１中に表記した。ま
た、接合部のメタライズ強度は、４点曲げ強度で評価し
た。

【００４０】結果を表１、２に示すように、本発明の範
囲内で多孔質の金属層５を備えたものは曲げ強度が高く
接合強度が高いことがわかる。

【００４１】

【表１】

【００４２】

【表２】

【００４３】

【発明の効果】以上のように本発明によれば、熱膨張の
差で生じる残留応力による接合強度の低下を防止し、耐
久性に優れたセラミックスと金属の接合体を提供でき
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のセラミックスと金属の接合体の断面構
造を示した図である。

【図２】本発明のセラミックヒータを示す斜視図であ
る。

【図３】従来のセラミックスと金属の接合体の断面構造
を示した図である。

【図４】本発明のテストサンプルを示した図である。

【符号の説明】

１：金属部材２：ロウ材３：メタライズ層４：セラミックス５：金属層

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】窒化物系セラミックスの表面に、窒化バナ
ジウム、炭化バナジウムなどのＶの化合物を含むメタラ
イズ層と、その上にＮｉ及び／又はＮｉの化合物を主成
分とした気孔率５〜２０％の金属層を備え、該金属層に
金属部材を接合してなる金属とセラミックスの接合体。
【請求項２】窒化物系セラミックスの表面に、１〜３０
重量％のＶの微粉末とＮｉの微粉末と有機系バインダー
等を加えた混合物を塗布し、１×１０^-3ｔｏｒｒ以下の
真空雰囲気中で１０００〜１２００℃に加熱することに
よって、セラミックス表面に、窒化バナジウム、炭化バ
ナジウムなどのＶの化合物を含むメタライズ層と、その
上に接するように、Ｎｉ及び／又はＮｉの化合物を主成
分とした気孔率５〜２０％の金属層を同時に形成した
後、この金属層に金属部材を接合する工程からなる金属
とセラミックの接合体の製造方法。
【請求項３】窒化物系セラミックスの内部に発熱抵抗体
を埋設し、上記セラミックスの表面に、窒化バナジウ
ム、炭化バナジウムなどのＶの化合物を含むメタライズ
層と、その上にＮｉ及び／又はＮｉの化合物を主成分と
した気孔率５〜２０％の金属層を備え、該金属層に金属
端子部を接合したことを特徴とするセラミックヒータ。
【請求項４】窒化物系セラミックスの表面に、１〜３０
重量％のＶの微粉末とＮｉの微粉末と有機系バインダー
等を加えた混合物を塗布し、１×１０^-3ｔｏｒｒ以下の
真空雰囲気中で１０００〜１２００℃に加熱することに
よって、セラミックス表面に窒化バナジウム、炭化バナ
ジウムなどのＶの化合物を含むメタライズ層と、その上
に接するように、Ｎｉ及び／又はＮｉの化合物を主成分
とした気孔率５〜２０％の金属層を同時に形成し、この
金属層に金属端子部を接合する工程からなるセラミック
ヒータの製造方法。