JPH0357070B2 - - Google Patents
Info
- Publication number
- JPH0357070B2 JPH0357070B2 JP58213511A JP21351183A JPH0357070B2 JP H0357070 B2 JPH0357070 B2 JP H0357070B2 JP 58213511 A JP58213511 A JP 58213511A JP 21351183 A JP21351183 A JP 21351183A JP H0357070 B2 JPH0357070 B2 JP H0357070B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- metal
- nitride
- ceramics
- alloy
- layer
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Lifetime
Links
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 claims description 38
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims description 38
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 claims description 32
- 150000004767 nitrides Chemical class 0.000 claims description 26
- 229910052723 transition metal Inorganic materials 0.000 claims description 12
- 150000003624 transition metals Chemical class 0.000 claims description 12
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 claims description 10
- 239000000956 alloy Substances 0.000 claims description 10
- 229910001092 metal group alloy Inorganic materials 0.000 claims 1
- 239000011888 foil Substances 0.000 description 9
- 150000002739 metals Chemical class 0.000 description 9
- 238000000034 method Methods 0.000 description 8
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 description 7
- 230000008646 thermal stress Effects 0.000 description 6
- 229910052726 zirconium Inorganic materials 0.000 description 6
- 229910000881 Cu alloy Inorganic materials 0.000 description 5
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 5
- 229910052759 nickel Inorganic materials 0.000 description 4
- -1 Cu and Ni Chemical class 0.000 description 3
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 3
- 229910052574 oxide ceramic Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000011224 oxide ceramic Substances 0.000 description 3
- LTPBRCUWZOMYOC-UHFFFAOYSA-N Beryllium oxide Chemical compound O=[Be] LTPBRCUWZOMYOC-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N Copper Chemical compound [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- ATJFFYVFTNAWJD-UHFFFAOYSA-N Tin Chemical compound [Sn] ATJFFYVFTNAWJD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- MCMNRKCIXSYSNV-UHFFFAOYSA-N Zirconium dioxide Chemical compound O=[Zr]=O MCMNRKCIXSYSNV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910052742 iron Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 2
- 230000008569 process Effects 0.000 description 2
- 230000035882 stress Effects 0.000 description 2
- 238000009864 tensile test Methods 0.000 description 2
- 229910020220 Pb—Sn Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910001069 Ti alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910001093 Zr alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- PNEYBMLMFCGWSK-UHFFFAOYSA-N aluminium oxide Inorganic materials [O-2].[O-2].[O-2].[Al+3].[Al+3] PNEYBMLMFCGWSK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 1
- 238000005219 brazing Methods 0.000 description 1
- 229910010293 ceramic material Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 239000000945 filler Substances 0.000 description 1
- 229910052839 forsterite Inorganic materials 0.000 description 1
- HCWCAKKEBCNQJP-UHFFFAOYSA-N magnesium orthosilicate Chemical compound [Mg+2].[Mg+2].[O-][Si]([O-])([O-])[O-] HCWCAKKEBCNQJP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000000463 material Substances 0.000 description 1
- 239000008204 material by function Substances 0.000 description 1
- 238000002844 melting Methods 0.000 description 1
- 230000008018 melting Effects 0.000 description 1
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 1
- 230000000704 physical effect Effects 0.000 description 1
- 230000009257 reactivity Effects 0.000 description 1
- 230000035939 shock Effects 0.000 description 1
- 229910000679 solder Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 1
Landscapes
- Ceramic Products (AREA)
Description
〔発明の技術分野〕
本発明は窒化物セラミツクスと金属の接合体の
改良に関する。 〔発明の技術的背景とその問題点〕 最近、セラミツクス材料がその優れた諸特性か
ら構造材料、機能材料等広い分野で利用されてい
る。その多くの場合はセラミツクス単体で部品を
構成しているが、より多くの分野でセラミツクス
を利用するためには、金属と接合可能であること
が必要である。この場合、構造部品であれば十分
な接合強度が要求され、一方機能部品であれば接
合界面で連続性等が要求される。しかしながら、
セラミツクスと金属は夫々異なつた原子結合状態
を有し、このため金属とセラミツクスを接合する
場合、それらの反応性などの化学的性質、熱膨張
率、電気伝導度などの物理的性質は大きく異な
る。したがつて、両部材を良好に濡らし、信頼性
の高い 金的な接合を行なうことは相当困難であ
る。 ところで、従来よりセラミツクスと金属を接合
する方法の一つとして活性金属を用いる方法(米
国特許2857663)が知られている。この方法は
Ti、Zrなどの活性金属がCu、Niなどの遷移金属
との合金において、その融点を数百℃も低下する
事実を利用して金属とアルミナ、フオルステライ
ト、ベリリア、ジルコニアなどの酸化物セラミツ
クスを接合する方法である。 しかしながら、上述した方法によりセラミツク
ス−金属の接合体、特にAlNやSi3N4などの窒化
物セラミツクスとCuやNiなどの金属の接合体を
造つた場合、その接合体に熱衝撃を加えると、そ
れらの熱膨張差に起因する熱応力が発生し、窒化
物セラミツクスにクラツクが発生するという欠点
があつた。即ち、下記表に示す如く通常の酸化物
セラミツクスの熱膨張係数は8.6×10-6/℃〜13.5
×10-6/℃であり、AlNやSi3N4の熱膨張係数が
夫々約5×10-6/℃、2.5×10-6/℃と比較して
大きく、CuやFeの熱膨張係数に近い値を示す。
このため、窒化物セラミツクスとCuやFeなどの
接合体には酸化物セラミツクスと金属の接合体に
比べて大きな熱応力が発生し、セラミツクスにク
ラツクが発生し易くなる。
改良に関する。 〔発明の技術的背景とその問題点〕 最近、セラミツクス材料がその優れた諸特性か
ら構造材料、機能材料等広い分野で利用されてい
る。その多くの場合はセラミツクス単体で部品を
構成しているが、より多くの分野でセラミツクス
を利用するためには、金属と接合可能であること
が必要である。この場合、構造部品であれば十分
な接合強度が要求され、一方機能部品であれば接
合界面で連続性等が要求される。しかしながら、
セラミツクスと金属は夫々異なつた原子結合状態
を有し、このため金属とセラミツクスを接合する
場合、それらの反応性などの化学的性質、熱膨張
率、電気伝導度などの物理的性質は大きく異な
る。したがつて、両部材を良好に濡らし、信頼性
の高い 金的な接合を行なうことは相当困難であ
る。 ところで、従来よりセラミツクスと金属を接合
する方法の一つとして活性金属を用いる方法(米
国特許2857663)が知られている。この方法は
Ti、Zrなどの活性金属がCu、Niなどの遷移金属
との合金において、その融点を数百℃も低下する
事実を利用して金属とアルミナ、フオルステライ
ト、ベリリア、ジルコニアなどの酸化物セラミツ
クスを接合する方法である。 しかしながら、上述した方法によりセラミツク
ス−金属の接合体、特にAlNやSi3N4などの窒化
物セラミツクスとCuやNiなどの金属の接合体を
造つた場合、その接合体に熱衝撃を加えると、そ
れらの熱膨張差に起因する熱応力が発生し、窒化
物セラミツクスにクラツクが発生するという欠点
があつた。即ち、下記表に示す如く通常の酸化物
セラミツクスの熱膨張係数は8.6×10-6/℃〜13.5
×10-6/℃であり、AlNやSi3N4の熱膨張係数が
夫々約5×10-6/℃、2.5×10-6/℃と比較して
大きく、CuやFeの熱膨張係数に近い値を示す。
このため、窒化物セラミツクスとCuやFeなどの
接合体には酸化物セラミツクスと金属の接合体に
比べて大きな熱応力が発生し、セラミツクスにク
ラツクが発生し易くなる。
本発明は簡単な工程で製造でき、かつ接合強度
が高く熱応力の緩和作用が高く窒化物セラミツク
スのクラツク発生を防止し得る窒化物セラミツク
スと金属の接合体を提供しようとするものであ
る。 〔発明の概要〕 本発明者らは以下に説明する点に着目して窒化
物セラミツクスと金属の接合体の開発に成功し
た。 即ち、TiやZrなどの活性金属を含むろう材は
窒化物セラミツクスとの濡れ性が良好である。こ
れはTi、Zrが窒化物セラミツクスと反応して窒
化物(TiN、ZrNなど)を形成するためであるこ
とを既に確認している。 また、Ti、ZrはAlNやSi3N4の窒化物セラミツ
クスとCuやNiの金属の熱膨張係数の中間的な値
で、夫々8.9×10-6/℃、5×10-6/℃を有する。 更に、金属A、Bからなる合金の熱膨張係数は
一般に次式の如く α alloy=αAMA+αBMB 〔但し、αは熱膨張係数、A、Bは元素、Mは合
金成分の濃度を示す。〕 で表わされる。つまり、ZrとCuの合金について
考察すると、図示の如く組成と熱膨張係数が比例
関係を有する。 しかして、上述した究明結果よりAlNやSi3N4
などの熱膨張係数が比較的小さい窒化物セラミツ
クスとCuやNiなどの金属との接合体において、
接合部を、窒化物セラミツクス側から活性金属の
窒化物層と、少なくとも1層からなり、活性金属
が99〜50重量%含む遷移金属の合金層と、少なく
とも1層からなり、遷移金属が99〜50重量%含む
活性金属の合金層とを順次配置した多層構造にて
形成することによつて、窒化物セラミツクスと遷
移金属の間の熱膨張係数の差を接合部で段階的に
減少でき、それらの間の熱応力を小さくして窒化
物セラミツクスのクラツク発生を防止できると共
に窒化物セラミツクスと遷移金属とを強固に接合
した接合体を見い出した。こうした接合体の熱応
力の緩和作用は以下の説明からも明らかである。 即ち、セラミツクスと金属の接合体に発生する
応力をσとすると、次式の如く σ=1.43ΔαATEcEmtc/Ectc+Emtm 〔但し、式中のΔαはセラミツクス、金属間の熱
膨張係数の差、ΔTは成形温度との室温との温度
差、Eはヤング率、tは厚さ、c、mは夫々セラ
ミツクス、金属を示す〕にて表わされる。この式
より、Δα以外の条件が等しい接合体において、
Δαが小さい場合、発生する応力σが小さくなる
ことがわかる。 なお、本発明の接合体は例えば次のような方法
により製造される。 まず、窒化物セラミツクスと金属の接合部に
100%又はほぼ100%に近い活性金属箔と同様な純
度の遷移金属箔を該活性金属箔がセラミツクス側
に、該遷移金属箔が金属側に位置するように介在
させる。次いで、900℃以上、好ましくは920〜
1050℃で1〜20分間程度の短時間の熱処理を行な
うことにより窒化物セラミツクスと金属の間に活
性金属の窒化物層、活性金属に富む遷移金属との
合金層及び遷移金属に富む活性金属との合金層か
らなる接合部が形成され、既述した良好な特性を
有する接合体が造られる。 〔発明の実施例〕 次に本発明の実施例を説明する。 実施例 1 まず、AlN部材とCu部材の間に厚さ50μmのZr
箔を介在させ、更にZr箔とCu部材の間に厚さ50μ
mのCu箔を介在させた。次いで、920℃で5分間
熱処理してAlN部材とCu部材の接合体を製造し
た。 得られた接合体はAlN部材とCu部材の間に該
AlN部材側からZrN層、95〜98原子%Zr−残部
Cuの合金層及び75原子%Cu−残部Zrの合金層が
順次配置された多層構造の接合部が形成されてい
た。こうした接合体について断面を光学顕微鏡に
て100倍の倍率で観察したところ、AlN部材への
クラツク発生は全く認められなかつた。 また、得られた接合体のCu部材にCu製の引張
試験用治具をPb−Sn半田で半田付けし、常温に
て定速引張試験を実施した。その結果、破断は常
に半田付け部で生じ、接合体が前記多層構造の接
合部で強固に接合されていることが確認された。 実施例 2 AlN部材とCu部材の間に厚さ10μmのTi箔を介
在させ、更にTi箔とCu部材の間に厚さ100μmの
Cu箔を介在させた。次いで実施例1と同様な熱
処理を施して接合体を製造した。 得られた接合体はAlN部材とCu部材の該に該
AlN部材側からTiN層、95〜98原子%Ti−残部
Cuの合金層及び75原子%Cu−残部Tiの合金層が
順次配置された多層構造の接合部が形成されてい
た。こうした接合体について実施例1と同様、そ
の断面を観察したところ、AlN部材へのクラツ
ク発生は全く認められなかつた。また、接合強度
も極めて高いものであつた。 〔発明の効果〕 以上説明した如く、本発明によれば簡単な工程
で製造でき、しかも接合強度が高く、かつ熱影響
を受けた時の熱応力の緩和作用が高く窒化物セラ
ミツクスのクラツク発生を防止できる各種の機能
部品等に有効な窒化物セラミツクスと金属の接合
体を提供できる。
が高く熱応力の緩和作用が高く窒化物セラミツク
スのクラツク発生を防止し得る窒化物セラミツク
スと金属の接合体を提供しようとするものであ
る。 〔発明の概要〕 本発明者らは以下に説明する点に着目して窒化
物セラミツクスと金属の接合体の開発に成功し
た。 即ち、TiやZrなどの活性金属を含むろう材は
窒化物セラミツクスとの濡れ性が良好である。こ
れはTi、Zrが窒化物セラミツクスと反応して窒
化物(TiN、ZrNなど)を形成するためであるこ
とを既に確認している。 また、Ti、ZrはAlNやSi3N4の窒化物セラミツ
クスとCuやNiの金属の熱膨張係数の中間的な値
で、夫々8.9×10-6/℃、5×10-6/℃を有する。 更に、金属A、Bからなる合金の熱膨張係数は
一般に次式の如く α alloy=αAMA+αBMB 〔但し、αは熱膨張係数、A、Bは元素、Mは合
金成分の濃度を示す。〕 で表わされる。つまり、ZrとCuの合金について
考察すると、図示の如く組成と熱膨張係数が比例
関係を有する。 しかして、上述した究明結果よりAlNやSi3N4
などの熱膨張係数が比較的小さい窒化物セラミツ
クスとCuやNiなどの金属との接合体において、
接合部を、窒化物セラミツクス側から活性金属の
窒化物層と、少なくとも1層からなり、活性金属
が99〜50重量%含む遷移金属の合金層と、少なく
とも1層からなり、遷移金属が99〜50重量%含む
活性金属の合金層とを順次配置した多層構造にて
形成することによつて、窒化物セラミツクスと遷
移金属の間の熱膨張係数の差を接合部で段階的に
減少でき、それらの間の熱応力を小さくして窒化
物セラミツクスのクラツク発生を防止できると共
に窒化物セラミツクスと遷移金属とを強固に接合
した接合体を見い出した。こうした接合体の熱応
力の緩和作用は以下の説明からも明らかである。 即ち、セラミツクスと金属の接合体に発生する
応力をσとすると、次式の如く σ=1.43ΔαATEcEmtc/Ectc+Emtm 〔但し、式中のΔαはセラミツクス、金属間の熱
膨張係数の差、ΔTは成形温度との室温との温度
差、Eはヤング率、tは厚さ、c、mは夫々セラ
ミツクス、金属を示す〕にて表わされる。この式
より、Δα以外の条件が等しい接合体において、
Δαが小さい場合、発生する応力σが小さくなる
ことがわかる。 なお、本発明の接合体は例えば次のような方法
により製造される。 まず、窒化物セラミツクスと金属の接合部に
100%又はほぼ100%に近い活性金属箔と同様な純
度の遷移金属箔を該活性金属箔がセラミツクス側
に、該遷移金属箔が金属側に位置するように介在
させる。次いで、900℃以上、好ましくは920〜
1050℃で1〜20分間程度の短時間の熱処理を行な
うことにより窒化物セラミツクスと金属の間に活
性金属の窒化物層、活性金属に富む遷移金属との
合金層及び遷移金属に富む活性金属との合金層か
らなる接合部が形成され、既述した良好な特性を
有する接合体が造られる。 〔発明の実施例〕 次に本発明の実施例を説明する。 実施例 1 まず、AlN部材とCu部材の間に厚さ50μmのZr
箔を介在させ、更にZr箔とCu部材の間に厚さ50μ
mのCu箔を介在させた。次いで、920℃で5分間
熱処理してAlN部材とCu部材の接合体を製造し
た。 得られた接合体はAlN部材とCu部材の間に該
AlN部材側からZrN層、95〜98原子%Zr−残部
Cuの合金層及び75原子%Cu−残部Zrの合金層が
順次配置された多層構造の接合部が形成されてい
た。こうした接合体について断面を光学顕微鏡に
て100倍の倍率で観察したところ、AlN部材への
クラツク発生は全く認められなかつた。 また、得られた接合体のCu部材にCu製の引張
試験用治具をPb−Sn半田で半田付けし、常温に
て定速引張試験を実施した。その結果、破断は常
に半田付け部で生じ、接合体が前記多層構造の接
合部で強固に接合されていることが確認された。 実施例 2 AlN部材とCu部材の間に厚さ10μmのTi箔を介
在させ、更にTi箔とCu部材の間に厚さ100μmの
Cu箔を介在させた。次いで実施例1と同様な熱
処理を施して接合体を製造した。 得られた接合体はAlN部材とCu部材の該に該
AlN部材側からTiN層、95〜98原子%Ti−残部
Cuの合金層及び75原子%Cu−残部Tiの合金層が
順次配置された多層構造の接合部が形成されてい
た。こうした接合体について実施例1と同様、そ
の断面を観察したところ、AlN部材へのクラツ
ク発生は全く認められなかつた。また、接合強度
も極めて高いものであつた。 〔発明の効果〕 以上説明した如く、本発明によれば簡単な工程
で製造でき、しかも接合強度が高く、かつ熱影響
を受けた時の熱応力の緩和作用が高く窒化物セラ
ミツクスのクラツク発生を防止できる各種の機能
部品等に有効な窒化物セラミツクスと金属の接合
体を提供できる。
図はZr−Cu合金における組成の熱膨張係数の
関係を示す特性図である。
関係を示す特性図である。
Claims (1)
- 1 窒化物セラミツクスと金属の接合部が、該セ
ラミツクス側から活性金属の窒化物層と、少なく
とも1層からなり、活性金属が99〜50重量%含む
遷移金属の合金層と、少なくとも1層からなり、
遷移金属が99〜50重量%含む活性金属の合金層と
を順次配置した多層構造にて形成されてなる窒化
物セラミツクスと金属の接合体。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP21351183A JPS60108376A (ja) | 1983-11-14 | 1983-11-14 | 窒化物セラミツクスと金属の接合体 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP21351183A JPS60108376A (ja) | 1983-11-14 | 1983-11-14 | 窒化物セラミツクスと金属の接合体 |
Related Child Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP4161664A Division JPH0822785B2 (ja) | 1992-05-29 | 1992-05-29 | 窒化物セラミックスと金属の接合処理方法 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPS60108376A JPS60108376A (ja) | 1985-06-13 |
JPH0357070B2 true JPH0357070B2 (ja) | 1991-08-30 |
Family
ID=16640399
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP21351183A Granted JPS60108376A (ja) | 1983-11-14 | 1983-11-14 | 窒化物セラミツクスと金属の接合体 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JPS60108376A (ja) |
Families Citing this family (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPS63274678A (ja) * | 1987-04-30 | 1988-11-11 | Nec Corp | 高熱伝導性セラミックス基板 |
JPS63274674A (ja) * | 1987-04-30 | 1988-11-11 | Nec Corp | 高熱伝導性セラミックス基板 |
JPS63274673A (ja) * | 1987-04-30 | 1988-11-11 | Nec Corp | 高熱伝導性セラミックス基板 |
JPH09181423A (ja) * | 1990-04-16 | 1997-07-11 | Denki Kagaku Kogyo Kk | セラミックス回路基板 |
JP2594475B2 (ja) * | 1990-04-16 | 1997-03-26 | 電気化学工業株式会社 | セラミックス回路基板 |
Citations (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPS58125673A (ja) * | 1982-01-12 | 1983-07-26 | 新明和工業株式会社 | 拡散接合方法 |
-
1983
- 1983-11-14 JP JP21351183A patent/JPS60108376A/ja active Granted
Patent Citations (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPS58125673A (ja) * | 1982-01-12 | 1983-07-26 | 新明和工業株式会社 | 拡散接合方法 |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
JPS60108376A (ja) | 1985-06-13 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JPH03216909A (ja) | 補強された直接結合銅構造体 | |
JPS59212187A (ja) | 硬質はんだ合金及びそれを用いて硬質はんだ結合を行なう方法 | |
JPH0357070B2 (ja) | ||
JPH0777989B2 (ja) | セラミックスと金属の接合体の製造法 | |
JP3095490B2 (ja) | セラミックス−金属接合体 | |
JPS63239166A (ja) | セラミツクス接合体 | |
JPH0630829B2 (ja) | 活性金属ろう材 | |
JPS6033269A (ja) | 金属とセラミツクの接合方法 | |
JPH0241794A (ja) | はんだ合金およびこれを用いた電子回路装置 | |
JP3370060B2 (ja) | セラミックス−金属接合体 | |
JPH05170565A (ja) | 窒化物セラミックスと金属の接合処理方法 | |
JPS63169348A (ja) | セラミツク接合用アモルフアス合金箔 | |
JPS6272472A (ja) | セラミツクスと金属等との接合方法 | |
JPH05201777A (ja) | セラミックス−金属接合体 | |
JPS59169694A (ja) | 半田接着方法 | |
JP3316578B2 (ja) | セラミックス部材とアルミニウム部材との接合体の製造方法 | |
JPS6090878A (ja) | セラミツクと金属の接合法 | |
JPS59174581A (ja) | アルミニウムとアルミナとの接合方法 | |
JPH0469035B2 (ja) | ||
JPS6270272A (ja) | セラミツクスの接合構造 | |
JPH0571544B2 (ja) | ||
JPH0328391B2 (ja) | ||
JPS6077181A (ja) | セラミツクス−金属接合体 | |
JPH05286777A (ja) | セラミックスとチタン又はチタン合金との接合方法 | |
JPS6278167A (ja) | セラミツクスとタングステンもしくはモリブデンとの接合体 |