JPS63190788A - セラミツクスの金属化法 - 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】 瓜呈上ｑ科几光國 本発明はセラミックスの金属化法に関する。さらに詳細
には本発明は、酸化物、炭化物、ホウ化物、ＡＩＮ、、
ＴｉＮ、ＢＮまたはこれらの複合物のセラミックスの表
面を金属化し、セラミックスの金属部材または他のセラ
ミックス部材との接合に好適に使用できる金属化面を形
成する方法に関する。

従来■築肯 セラミックスの金属化法（メタライジング法）とはセラ
ミックスの表面に金属の層を形成する方法である。この
ようにセラミックスの表面を金属化することは、電子部
品におけるセラミックス基板への導線や放熱フィンの接
合、あるいは構造部品やエンジン部品における金属との
またはセラミックス同士の接合等、セラミックスの高強
度な接合を得るのに必要な処理である。

代表的な金属化法としては、モリブデン−マンガン法、
活性金属法および酸化物ソルダー法がある。このうち、
活性金属法は、Ｔｉ、　Ｚｒの如き高温で活性となり、
セラミックスと反応しやすくなる活性金属を利用する方
法である。すなわち、板または箔状の活性金属をセラミ
ックスと封着金属との間に挿入し、真空或いは不活性ガ
ス中で加熱処理して封着する方法である。

日経メカニカル（ＮＩＫＫＥＩ　ＭＥＣ）ＩＡＮＩＣＡ
Ｌ）　　１９８６．１゜１３には活性金属ろう付は法が
記載されている。この活性金属ろう付は法は、ろう材と
活性金属を使用する方法であって、ろう材の箔を活性金
属と共に使用するか、ろう材に活性金属を混入して使用
する。また、Ｓ　ｉ　３　Ｎ　４のようなセラミックス
の表面にＮｉ等の活性金属の粉末を散布し、真空下で加
熱して金属化する方法も開示されている。

、■が解ンしようとする問題へ 上述したように従来の活性金属によるセラミックスの金
属化法としては、活性金属を混入した合金ろう材による
方法、また、箔、板状にして接合する方法等が提案され
ている。しかしながら、これらの方法では、純度の高い
活性金属を使用できず、不純物混入による活性度の低下
がみられる。

他方、活性金属は、その高活性のため、酸化等の腐蝕し
やすいためせっかくの高活性が生かされない問題点があ
った。

また、これらの問題に対し、イオンプレーティング法に
よって高純度のＴｉをセラミックス表面に蒸着する方法
が提案されている。しかしながら、この方法で蒸着され
たＴｉＪｉｉは、固相状態で接合されているためセラミ
ックスに対し濡れ性が悪く、セラミックスとの反応が進
行せず界面強度が低いという問題点があった。

したがって本発明の目的は上記した従来技術の問題を解
決して、清浄かつ健全な金属層をセラミックスの表面に
形成して、他の金属部材またはセラミックスとの強固な
接合面を提供することにある。

さらに本発明の目的は、金属部材または他のセラミック
ス部材を高強度で接合可能とする金属化面を形成する簡
便且つ経済的に実現できる方法を提供することである。

。　占を２するための手 本発明者等は、上記した従来技術のセラミックスの金属
化法の問題を検討し、種々の実験、検討の結果本発明を
完成したものである。

本発明に従うと、酸化物、炭化物、ホウ化物、＾ＩＮ、
ＴｉＮ５ＢＮまたはこれらの複合物のセラミックスの表
面に物理蒸着法により活性金属を含む２種以上の金属を
蒸着し、それら金属層の融点以上の温度で熱処理するこ
とを特徴とするセラミックスの金属化法が提供される。

上記の金属層の熱処理は真空下で行うのが好ましい。

本発明の金属化法で採用する物理蒸着法としては、イオ
ンプレーティング法又はスパッタリング法が好ましい。

本発明の方法において２種以上の金属は、それぞれ順次
積層して蒸着してもよく、あるいは同時に複合蒸着して
もよい。複合蒸着とは同時に異種の金属を蒸着又は異種
金属の合金を蒸着することをいう。

さらに、本発明の方法で好ましく使用される活性金属と
しては、Ｔｉ、　Ｎｉ、　Ｚｒ、　Ｆｅ５Ｎｂ、　Ｗ、
、Ｍｏ。

Ｔ１、ＡＩなどがある。

さらに本発明の好ましい態様に従うと、蒸着した金属層
の融点は１６００℃以下であり、この金属層を融点より
若干高い温度、すなわち、セラミックスが損傷しない程
度の範囲の温度で真空中で加熱処理することによってセ
ラミックスの表面を金属化する。

甘 本発明のセラミックスの金属化法をその各工程毎に作用
を説明する。

まず、本発明の方法では、イオンプレーティング法又は
スパッタリング法の如き物理蒸着法により活性金属を含
む２種以上の金属を蒸着することにより活性度の高い状
態でセラミックスに活性金属を接触させる。これは、セ
ラミックスに対し活性金属を純粋な状態（すなわち、高
純度であり、酸化等の腐食のない状態）で接触させるこ
とによりできるだけ反応性を高め、同時に界面に悪影響
を及ぼす酸化物等の発生を抑制するためである。

例えば、Ｔｉの場合、Ｔｉ０１ＴｉＯ２の生成は界面の
強度低下の大きな原因となるが、物理蒸着法によるとそ
れらの発生が抑制され、高活性の状態で清浄な状態で活
性金属が蒸着される。

さらに、本発明では、活性金属を含む２種以上の金属を
蒸着して金属層とする。これは２種以上の金属の層を形
成し、加熱するとこれらの金属が共晶合金状となり、融
点が大巾に低下するからである。すなわち、従来技術の
如く、活性金属単体では融点は非常に高く、加熱溶融す
るとき高温度となりセラミックスが損傷する恐れがある
が、本発明の方法の場合低温度でも加熱溶融できるので
セラミックスの損傷がみられない。このため、本発明の
好ましい態様では金属層の融点を１６００″Ｃ以下とす
る。２種以上の金属は順次積層してもよいが、同時に複
合蒸着してもよい。

次いで蒸着した２種以上の金属層を融点以上の温度で加
熱処理し、融液状態でセラミックスと反応させる。これ
は、金属層を融液状態でセラミックスに接触させること
により濡れ性が向上し、セラミックスと活性金属との接
触面積が増大し、活性金属の活性度を最大限に活用する
ことができ、セラミックスに対し強固な反応層を形成す
ることができるからである。このようにして、固相状態
で反応させるよりもセラミックスに対し濡れ性が向上し
、物理蒸着法により金属層を形成することの相乗効果に
より活性金属の反応性を最大限に引き出すことができる
。また、蒸着された金属は溶融加熱されるため融液状態
をなし、均一にセラミックスと反応し、バラツキのない
安定化した界面強度を得ることができる。

さらに加熱溶融処理を真空下で行うと、活性金属の活性
度が損なわれず、さらに高強度な接合界面が得られるの
で好ましい。

これら金属層の熱処理温度として、活性金属の過度の反
応を制御し、又セラミックス自体の変質を防止するため
に、１６００℃以下の温度とすることが好ましく、その
ために蒸着する金属層の融点を１６００℃以下となるよ
うに蒸着すべき金属群を選択する。

以下、本発明を実施例により説明するが、これらの実施
例は本発明の単なる例示であり、本発明の技術的範囲を
何ら限定するものではないことは勿論である。

尖旌炭上 Ｙ２Ｏ３を添加して部分安定化したＺｒＯ，であって１
０ｉｎＸ１（ｌｎＸ　１　ａｘの寸法を有するＺｒＯ□
セラミックスの試験片をアセトン及びトリクレンで超音
波洗浄器にて洗浄して、油分および水分を除去した。次
いで、本発明に従いイオンプレーティング装置を用いて
、Ｔｉ、　Ｃｕ、　Ａｇを積層蒸着した後、これらの金
属層全体の融点以上である８３０℃にて熱処理を行って
ＺｒＯ，セラミックスの表面を金属化した。

比較のため、上記と同様のＺｒＯ，試験片にそれぞれ、
Ｔｉ　−Ｃｕ−Ａｇ合金ろう材を載せて８３０″Ｃで熱
処理して金属化を行い、あるいはＴｉの箔（０、２ｍｍ
厚純度９９．０％）を試験片上に置き、その上からＣｕ
　−Ａｇ合金ろう材を乗せ、上記本発明の実施例と同じ
＜８３０℃で熱処理を行って金属化した。さらにＴｉ及
びＮｉミノ状物（１鶴厚純度９９．５％）を１２００℃
１５Ｘ　１０−　’Ｔｏｒｒ、１００　ｋｇ／ｃａｌの
加圧下で上記試験片に接合させて金属化を行った。

これらの本発明の実施例によるものおよび比較例の金属
化面の表面にハンダを用いてＳＵＳワイヤーと接合して
、接合部の引張強度を測定した。

結果を第１表に示す。

」ＪＬ表 第１表に示す結果より明らかな如く、本発明の方法によ
るＴｉ、　ＣｕおよびＡｇを積層蒸着して、８３０℃で
加熱溶融処理すると、極めて高い接合強度の金属化面が
得られる。

さらに、同上の条件でＺｒＯ２試験片にイオンプレーテ
ィング装置を用いてＴｉ、　Ｃｕ、　Ａｇを積層蒸着し
た金属層を、未処理のままおよび１８００”Ｃまでの各
種温度で熱処理した。形成された金属化層の表面にハン
ダ付けによりワイヤーと接合して、それらの接合部の引
張強度を測定した。結果を第２表に示す。

第２表 ＊　　ＺｒＯ□変質強度低下 第２表の結果より明らかな如く、本発明の方法に従い積
層した金属層全体の融点以上の温度で加熱溶融処理した
金属化面は接合強度が高い。一方、加熱溶融温度が金属
層全体の融点を超えて高くなるに従い接合強度が低下す
る。これは、高温度になるにつれてセラミックスが損傷
するためと考えられる。

ス１）粗劃 純度９９．０％の（Ｘ　　Ａｌｔｏｓであって２０ｍＸ
２０ｍＸ５鰭の寸法を有するＡｈＯｚセラミックス試験
片の表面をアセトンにて超音波洗浄器で１０分、さらに
トリクレンで１０分洗浄した。次いで、本発明に従いイ
オンプレーティング装置を用いてＮｉ及びＣｕを各１．
５μｍ積層状態で蒸着した。このときの蒸着条件は、装
置内真空度３　Ｘ　１Ｏ−６Ｔｏｒｒ、基板温度４００
’Ｃであり、高周波によりＮｉおよびＣｕをイオン化し
て蒸着を行った。これら金属層全体の融点を測定したと
ころ１２３０℃であった。

次いで、このようにして得られたＮｉ、　Ｃｕを蒸着し
たＡ１．Ｏ，試験片を加熱炉に導入し、各種温度にて１
０分保持して金属層とセラミックス基板とを反応させた
。こうして形成された金属化面の接着強度を測定するた
めハンダ付けによりワイヤーをボンディングしてその引
張強度の測定を行った。結果を第３表に示す。

第３表 第３表から明らかな如く、金属層の融点（１２３０℃）
以上の加熱温度の処理では接合強度が急激に増大し、加
熱温度が１６００℃付近の高温度になると、著しく低下
する。これは、１２３０℃以上の加熱では金属層が溶融
し、セラミックス基板と活性金属との反応が十分に進行
するので接合強度の増大がみられるのに対して、１６０
０″Ｃをこえるとセラミックス基板が劣化するためと考
えられる。

天」ｌ汁１ １０ｌ１０ｍｍＸ１０＋ｕの寸法を有するＺｒＢ２セラ
ミックス試験片の表面をアセトン及びトリクレンにて超
音波洗浄器にて各１０分間洗浄して表面の油分、水分を
除去した。次いで、イオンプレーティング装置を用いて
上記試験片の表面上にＺｒを０．５μｍ、Ｎｉを１．５
μｍ積層状態で蒸着した。このとき装置内の真空度は３
　Ｘｌ０−６Ｔｏｒｒ、基板温度は３００“Ｃであり、
高周波によりＺｒとＮｉとをイオン化して蒸着を行った
。

これら金属層全体の融点を測定したところ１０８０℃で
あった。Ｚｒ、　Ｎｉを蒸着したＺｒＢ、試験片を加熱
炉に導入し、未処理のまま、および１３００’Ｃまでの
各種温度に加熱して１０分間保持し、金属層とセラミッ
クス基板とを反応させた。これらの接合強度を測定する
ため、ハンダ付けによりワイヤーをポンディングして、
それらの引張強度を測定した。

結果を第４表に示す。

■↓１ 本実施例においても金属層の融点１０８０″Ｃを超える
温度で加熱処理すると、金属層が溶融してそれに含有さ
れる活性金属がセラミックスと十分に反応するので高い
接合強度が得られる。

叉施炎土 １０龍Ｘ１０ｕ＋Ｘ　Ｏ，５鶴の寸法を有するＳｉＣホ
ットプ゛レス焼結体の基板に対し、スパッタリング法に
てＳｉとＦｅを各々１．０μｍづつ積層蒸着した。次い
で、これらの金属層全体の融点である１２５０℃以上の
温度に真空下で加熱して金属化処理を行った。

この金属化面にＣｕ製放熱フィンを接合した。

得られた接合体は良好な性状を示し、接合部は全くクラ
ックもなく、強固な界面を形成していた。

実施例５ １０ｍ、Ｘ　１０ｍｍ　Ｘ　Ｏ，５■璽の寸法を有し、
ドクターブレードの常圧焼結体の＾ＩＮ基板にイオンプ
レーティング装置を用いてＴｉおよびＣｕを各々０．５
μｍずつ積層蒸着を行った。蒸着条件としては、真空度
は５　Ｘ　１０−６Ｔｏｒｒ、基板温度は５００℃であ
り、ＴｉおよびＣｕは高周波にてイオン化を行った。蒸
着後のサンプルを蒸着面にＡｕ線を乗せ、加熱炉にて真
空下で各温度域にて熱処理を行い接合を行った。このと
きのＡｕ線の接合強度を引張強度テストによって評価を
行い、それらの結果を第５表に示す。

第５表 ＊　　ＡＩＮ表面層が変質著しい 本実施例においても金属層の融点以上の温度で加熱処理
して得た金属化面の接合強度は著しく優れている。また
、１８００℃に加熱するとＡＩＮセラミックスが変質し
て接合強度も低下する。

尖庭桝ｉ ＢＮセラミックスの基板に対しマグネトロンスパッタリ
ング法を用いてＮｂとＮｉとの混合物を厚さ２μｍで複
合蒸着した。かくして形成された金属層の融点は１２３
０”Ｃであった。次いで、１３００℃にて真空炉を用い
て熱処理を行った。

一方、比較のためＮｂ箔とＮｉ箔（各１鶴厚）を上記Ｂ
Ｎ基板に対しＮｂ箔を下にして重ね、１３５０℃にて加
熱炉を用いて熱処理を行った（Ｎｂ箔とＮｕ箔全全体融
点は１３２０℃であった）。

マグネトロンスパッタリング法にて蒸着後熱処理したも
のは均一で強固な接合界面を形成しており、一方Ｎｂ箔
とＮｉ箔を用いたものは、接合界面の強度が弱く、簡単
に箔が剥離してしまった。

又里■四来 以上説明したように、本発明のセラミックスの金属化法
は、酸化物、炭化物、ホウ化物、ＡＩＮ、ＴｉＮまたは
ＢＮのセラミックスの金属化面の形成において、従来法
に比べ大巾な強度向上を有し、均質な接合を達成したも
のである。

従って、本発明の金属化法を、セラミックス電子部品に
おける各部品の接合、構造部品、エンジン部品における
金属及びセラミックス同士の接合の分野で利用すると、
従来使用できなかった高負荷のかかる範囲までセラミッ
クスが使用可能となる。

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. （１）酸化物、炭化物、ホウ化物、ＡＩＮ、ＴｉＮ、Ｂ
   Ｎまたはこれらの複合物のセラミックスの表面に物理蒸
   着法により活性金属を含む２種以上の金属を蒸着し、形
   成された金属蒸着層の融点以上の温度で熱処理すること
   を特徴とするセラミックスの金属化法。
2. （２）上記物理蒸着法がイオンプレーティング法または
   スパッタリング法であることを特徴とする特許請求の範
   囲第１項に記載のセラミックスの金属化法。
3. （３）蒸着した金属層の融点が１６００℃以下であるこ
   とを特徴とする特許請求の範囲第１項乃至第３項のいず
   れか１項に記載のセラミックスの金属化法。
4. （４）上記２種以上の金属を積層蒸着することを特徴と
   する特許請求の範囲第１項乃至第４項のいずれか１項に
   記載のセラミックスの金属化法。
5. （５）上記２種以上の金属を複合蒸着することを特徴と
   する特許請求の範囲第１項乃至第４項のいずれか１項に
   記載のセラミックスの金属化法。