JPH04108675A - セラミックス―金属接合体 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［発明の目的］ （産業上の利用分野） 本発明はセラミックス部材と金属部材とを接合したセラ
ミックス−金属接合体に関する。

（従来の技術） セラミックスは、軽量で高硬度であるという特徴を有し
、この硬さによる高強度、耐摩耗性が積極的に利用され
ている。

さらに、セラミックスの優れた点は、１０００℃以上の
高温領域で発揮される。たとえば窒化ケイ素では１２０
０℃、炭化ケイ素では１５００℃近くまで耐熱性を有し
、金属では耐えられない温度領域での適用により熱効率
の大幅な向上が期待できる。

しかし、セラミックスは本来脆性材料であるため単体で
は使用し難く、特性が必要な部位にのみセラミックスを
用い、他の材料と組合せて用いる方法が合理的である。

このようなセラミックスの接合技術としては、機械的結
合や有機接着剤を用いた手法、または界面における構成
元素の拡散、固溶、反応生成物形成などなんらかの反応
を伴う化学的接合法が、試みられている。

セラミックスの化学的接合法としては、構造用セラミッ
クスの場合、介在物なしに直接的に接合する固相接合法
や、セラミックスと反応しやすいインサート材を用いる
活性金属法等が主流であり、半導体基板などにはメタラ
イズ法か用いられている。

たとえば、代表的な構造用セラミックスである窒化ケイ
素を金属部材と接合するには、Ｔｉなとの活性金属を介
在させて、この活性金属との共晶を利用して接合する方
法や、接合時の応力を緩和するためにセラミックスと金
属との間に緩衝材として延性を有する金属（通常Ｃｕな
と）を配置し、Ａｇ−Ｃｕ−Ｔｊ系等のろう材でろう接
する金属ろう接法が多用されている。

（発明が解決しようとする課題） しかし、セラミックスは金属に比較して熱膨張が小さく
、なかでも構造用セラミックスとして有用な耐熱性の高
い窒化ケイ素、炭化ケイ素は非常に小さい。

このため、セラミックスと金属材料との接合に際して、
接合後の冷却過程で熱膨張差に起因する残留応力が発生
し、様々な問題を引起こす原因となっている。

すなわち、接合部近傍、特に接合界面における特異点近
傍に大きな残留応力が生し、外部応力との相乗によって
接合強度か大幅に低下したり、接合後の冷却過程、ある
いは熱サイクルによって応力の最大点からクラックが発
生し、セラミックスの破壊が引きおこされるのである。

このような現状において、セラミックス表面の残留応力
を低減してセラミックスと金属部材との接合強度を向上
させ、セラミックスの優れた特性を活かすことのできる
セラミックス−金属接合体が望まれている。

本発明はこのような課題を解決するためになされたもの
で、セラミックスと金属部材との接合強度が高く、クラ
ック等の発生がない、健全で安定なセラミックス−金属
接合体を提供することを目的とする。

［発明の構成］ （課題を解決するための手段） 本発明における第１の発明のセラミックス−金属接合体
は、セラミックス部材と金属部材との接合体であり、前
記セラミックス部材の表面には機械加工によって無方向
性圧縮応力を付与する応力低減処理が施されたことを特
徴としている。

第２の発明のセラミックス−金属接合体は、セラミック
ス部材と金属部材との接合体であり、この接合体の最大
主応力点を含む接合体の表面にはエネルギービーム照射
による応力解放処理が施されたことを特徴としている。

第１の発明において、応力低減処理を行う方法としては
、たとえばバレル研磨、ショットピーニング、ホーニン
グなど、機械加工による方法が挙げられ、これらの機械
加工によって接合前接合後のセラミックス部材に対して
無方向性の圧縮応力を付与するような応力低減処理を施
す。

応力低減処理は、セラミックス部材全面に施してもよい
し、または最も応力のかかる部分に局部的に施してもよ
い。

このような無方向性の圧縮応力が内部に残留しているセ
ラミックス部材は、金属部材との接合時にセラミックス
表面に生じる引張り応力を低減することかでき、接合状
態の健全なセラミックス−金属接合体を得ることができ
る。

第２の発明において、応力解放処理に使用するエネルギ
ービームとしては、電子線、遠赤外線、レーザ、イオン
ビーム、ＳＯＲ光、Ｘ線などのエネルギービーム細束が
挙げられる。

これらのエネルギービームは、接合後のセラミックス−
金属接合体表面における最大主応力点を含む部位に局部
的に照射され、接合体のセラミックス部材側のみ、また
は金属部材側のみ、あるいは接合体の接合界面を挾んで
セラミックス部材と金属部材の両方にまたがる最大主応
力点を含めた接合部位に照射される。

本発明において、これらエネルギービームの照射はアニ
ーリングの効果を発揮するものである。

アニーリングは素材の熱変形温度よりも低い温度で長時
間加熱することにより成形体の残留応力を低減させる処
理方法で、本発明においては、たとえば窒化ケイ素セラ
ミックス部材に対しては５００〜８００℃で０６３〜２
時間の照射、窒化ケイ素セラミックスと鋼材とにまたが
る場合には４ａＯ〜６００℃で０．１〜５時間の照射が
好ましい。

このようなエネルギービーム照射による応力解放処理に
よって、接合時の熱膨張差から接合体に残留した応力が
緩和、解放される。

特に、局所的な処理は接合体の各構成部材の性質を損う
ことがなく、コスト削減にもつながるため有効である。

また、本発明に使用するセラミックス部材および金属部
材は特に限定されず、セラミックスとしては窒化ケイ素
、炭化ケイ素、アルミナ、ジルコニア、サイアロンなど
、金属としては鋼材、銅板、耐熱合金、超硬合金、Ｗ　
ＳＮｏ、　Ｎｆなどの純金属など、種々の部材に対して
適用可能である。

（作　用） セラミックスル金属接合体における残留応力分布の一例
を第９図に示す。

これは、Ｓｆ３　Ｎ　４−Ｃｕ−８ｔｅｅｌ平板状接合
体（Ｃｕは緩衝材として介挿されている）のＳｉ３Ｎ４
部における測定結果であり、第９図の（ａ）はｙ−０，
１ｍｍ、（ｂ）はｙ−０，５ｔｘｔｘ接合界面から離れ
た線上における垂直応力およびせん断応力の分布を示し
ている。

接合体の特異点である最側端においてはσＲ８、σ２．
いずれの垂直応力も引張応力となり、特に、σＲＹが２
００ＭＰａを超える大きな値を示している。

つまり、この引張応力は、第１０図に示すようにセラミ
ックス部材１と金属部材２との接合界面Ａに対して垂直
方向（矢印Ｙ方向）に働く応力が大きいことを意味して
いる。

これに対して、第１の発明のセラミックス−金属接合体
には、接合前のセラミックス部材に対して機械加工によ
る応力低減処理が施され、セラミックス部材に無方向性
の圧縮応力が付与される。

この圧縮応力は矢印Ｙ方向の引張応力と相殺しあって、
接合後の残留応力を低減させる。

また、第２の発明のセラミックス−金属接合体には、接
合後の最大主応力点を含む接合体表面にエネルギービー
ム照射による応力解放処理が施され、残留した応力を解
放して接合体の健全化を図る。

これらによって、セラミックス−金属接合体の残留応力
が低減され、接合強度が向上する。

（実施例） 次に、本発明の実施例について説明する。

実施例１ 第１図は、本発明の一実施例のセラミックス金属接合体
を示す図である。

同図に示すセラミックス−金属接合体１１は、サイズが
断面１２５ｍＸ１．２ｍ■、長さ２０ｍｍである窒化ケ
イ素セラミックス１２と、これと同サイズの５４５Ｃ鋼
材１３とが、活性金属ろう付性によって接合されたもの
であり、窒化ケイ素セラミックス１２の表面には、バレ
ル研磨による応力低減処理が施されている。

このセラミックス−金属接合体１１は、次のようにして
作製する。

まず、あらかじめ窒化ケイ素セラミックス１２に対して
湿式遠心バレル研磨機を用い、回転数１１００ｒｐ、研
磨時間１ｈｒのバレル研磨を全面に行う。

この応力低減処理によって窒化ケイ素セラミックス１２
の表面粗さはＲｍａｘ４μｍとなり、８０ＭＰａの方向
性のない圧縮残留応力を付与した。

次いで、この窒化ケイ素セラミックス１２と５４５Ｃ鋼
材１３とを８３０℃、６分、真空でＣｕを緩衝材として
活性金属ろう付は接合する。

この実施例によるセラミックス−金属接合体の曲げ強度
を測定したところ、３７０ＭＰａという結果が得られた
。

一方、比較のため、窒化ケイ素セラミックスに対するバ
レル研磨を行わず、その他の条件はこの実施例と同一で
あるセラミックス−金属接合体を作製し、曲げ強度を測
定した。すると、この比較例の接合体は３２０ＭＰａと
低い値であった。

実施例２ 第２図は、本発明の他の実施例のセラミックス−金属接
合体を示す図である。

同図に示すセラミックス−金属接合体２１は、サイズが
断面が１０ｍ厘×３−■、長さ２０−■である窒化ケイ
素セラミックス２２と、同サイズの５ＵＳ３０４材２３
とか、活性金属ろう付性によって接合されたものであり
、窒化ケイ素セラミックス２２の表面には、ホーニング
による応力低減処理が施されている。

このセラミックス−金属接合体２１は、次のようにして
作製する。

まず、あらかじめ窒化ケイ素セラミックス２２に対して
、直径０．５−層のノズルから吹付は量１００ｇ／分、
吹付は速度１５■／秒の条件でガラスピーズを用いたｗ
ｅｔホーニングを行う。

この応力低減処理によって窒化ケイ素セラミックス２２
の表面粗さはＲｓａｘ８μｓとなり、１２０ＭＰａの方
向性のない圧縮残留応力を付与した。

次いで、この窒化ケイ素セラミックス２２と５ＵＳ３０
４材２３とを８３０℃、６分、真空中で活性金属ろう付
接合する。

この実施例によるセラミックス−金属接合体の曲げ強度
を測定したところ、１５０ＭＰａという結果が得られた
。

一方、比較のため、窒化ケイ素セラミックスに対するホ
ーニングを行わず、その他の条件はこの実施例と同一で
あるセラミックス−金属接合体を作製し、曲げ強度を測
定した。すると、この比較例の接合体は２つの部材の接
合界面近傍でクラックが発生し、製品としては使用でき
ない欠陥品となってしまった。

実施例３ 第３図は、本発明の実施例の一つであるセラミックス−
金属接合体を示す図である。

同図に示すセラミックス−接合体３１は、サイズが断面
が２ｈｉ　Ｘ　　３ｍｍ、長さ２０ｍ１である窒化ケイ
素セラミックス３２ａと３２ｂとの間に、断面が２０ｍ
＊Ｘ　　３＋ｇ＠、長さ　３１Ｉｌである５４５Ｃ鋼材
３３が挾まれた接合体である。

窒化ケイ素セラミックス３２ａおよび３２ｂと５４５Ｃ
鋼材３３との間には、緩衝金属として銅板３４が介挿さ
れている。

また、銅板３４を中心として窒化ケイ素セラミックス３
２ａおよび３２ｂと５４５Ｃ鋼材３３とにまたがる接合
界面部にはレーザ照射による応力解放処理か施されてい
る。

このセラミックス−金属接合体３１は、あらかじめ各構
成部材を通常の方法で接合した後、その接合体の最大主
応力点を含む接合特異点近傍および接合界面中央部周辺
に、直径２，０■の大きさで計５箇所に５Ｋ１１のＣＯ
２レーザを５分間照射して部分アニーリングを行ったも
のである。

最大主応力は、第４図に示すように、接合両端部の軸方
向に緩衝金属であるＣｕと窒化ケイ素との接合界面から
約０．５１ｍ窒化ケイ素側に入った部位に現れ、この部
位を含むようレーザ照射を行う。

このような応力解放処理後、上述した接合界面に沿う最
大主応力ライン上での残留応力分布を測定した。その結
果、最大点での残留応力値は１２０ＭＰａであった。

一方、レーザ照射を行わない場合の最大主応力値は３］
０ＭＰａであった。

これらの結果を第５図に示す。実施例の結果は実線で、
比較例の結果は点線で示した。

実施例４ 第６図は、本発明の実施例の−っであるセラミックス−
金属接合体を示す図である。

同図に示すセラミックス−接合体４１は、アルミナ基板
４２上にＣｕ板４３がＤＢＣ法によって接合されたもの
である。

Ｃｕ板４３の各コーナ一部に５にνのＣＯ２レーザ（直
径１．５ｍｍ）を第６図４４に示すように走査しながら
１０分間ずつ照射してアニールを施した。

その後の熱衝撃テスト（３００’Ｃ−水中焼き入れ０℃
）にも耐えた。

これに対して、アニール処理のないものはＣｕ板に、は
がれが生じた。

実施例５ ′Ｍ７図は、本発明の実施例の一つであるセラミックス
−金属接合体を示す図である。

同図に示すセラミックス−接合体５１は、窒化アルミニ
ウム基板５２上に４枚のＣｕ板５３が直接接合法によっ
て分散して接合されたものである。

このＣｕ板５３の各コーナ一部には直径２■１の大きさ
で３ＫＶのＹＡＧレーザを２０分間照射して部分アニー
リングか施されている。

このように応力解放処理を行った窒化アルミニウム基板
と、応力解放処理を行わない窒化アルミニウム基板とに
ついて熱サイクルテストを行った。

すると、レーザ照射を行った基板は、行わない基板より
　２倍の寿命を有していた。

実施例６ 第８図は、本発明の実施例の一つであるセラミックス−
金属接合体を示す図である。

同図に示すセラミックス−金属接合体６１は、遠赤外線
照射が施されたものである。

これはＡＩＮ　８層構造のＰＧＡであり、ＡＩＮにメタ
ライズ処理後、Ｎ１メツキ、Ａｇろう付けし、ＫＯｖリ
ード６２を接合している。接合部周辺６３は遠赤外線照
射が施され、この処理の施されていないものよりもＡＩ
Ｎ破断などの不良が生じなかった。

また、同図中６４は接合部周辺６３の拡大図であり、Ｋ
ＯＶリード６２を中心に同心円状にアニル部６５が存在
している。

これらの結果から明らかなように、応力低減処理または
応力解放処理を施されたセラミックス−金属接合体は、
セラミックス部材に付与された無方向性圧縮応力か接合
体接合時の熱膨張差によって生じる残留応力を吸収して
低減させることができ、また残留応力を有する接合後の
接合体においてもエネルギービームを用いた部分アニー
リングにより応力を緩和し、接合強度の向上を図ること
ができた。

［発明の効果コ 以上説明したように、本発明のセラミックス−金属接合
体によれば、セラミックス部材の表面に、無方向性圧縮
応力を付与したり、接合体の最大主応力点を含む部位に
エネルギービーム照射を行うことにより、接合体に発生
する残留応力を低減して接合強度を向上させ、クラック
等の欠陥発生率の低い健全なセラミックス−金属接合体
を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例のセラミックス−金属接合体
を示す図、第２図および第３図は本発明の他の実施例の
セラミックス−金属接合体を示す図、第４図は接合界面
近傍の最大主応力の平面分布を示す図、第５図はセラミ
ックス−金属接合体における残留応力分布の測定結果を
示す図、第６図から第８図は本発明のさらに他の実施例
を示す図、第９図は従来のセラミックス−金属接合体に
おける残留応力分布の一例を示す図、第１０図は従来の
セラミックス−金属接合体を説明するための図である。 １１．２１・・・セラミックス−金属接合体、１２．２
２・・・窒化ケイ素セラミックス、１３．２３・・・金
属部材、 ３４・・・銅板、３５・・・照射跡、 ４２・・・アルミナ基板、４３・・・銅板、５２・・・
窒化アルミニウム基板、 ６１・・・セラミックス−金属接合体、Ａ・・・接合界
面。 第１図 出願人　　　　　　株式会社　東芝

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）セラミックス部材と金属部材との接合体であり、
   前記セラミックス部材の表面には機械加工によって無方
   向性圧縮応力を付与する応力低減処理が施されたことを
   特徴とするセラミックス−金属接合体。
2. （２）セラミックス部材と金属部材との接合体であり、
   この接合体の最大主応力点を含む接合体の表面にはエネ
   ルギービーム照射による応力解放処理が施されたことを
   特徴とするセラミックス−金属接合体。