JPS63203268A - ガラスまたはセラミツクスと金属との接合方法 - 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】 〔産業上の利用分野〕 本発明はガラスまたはセラミックスと金属との接合方法
に係り、低温でかつ信頼性の高い接合部を得るに好適な
ガラスまたはセラミックスと金属との接合方法に関する
。

〔従来の技術〕

ガラスと金属またはセラミックスと金属との接合法には
（１）メタライズ後のろう相法、（２）活性化金属法、
（３）拡散接合法、（４）ガラスまたはセラミックスソ
ルダリング法等の各種接合法が公知になっている。（１
）及び（２）の接合法は被接合体を高温に加熱するため
、接合時の熱応力が大きく、接合体の大きさが限定され
る。更に接合プロセスが複雑である。（３）は接合時に
加圧が必要であるため複雑部材の接合は不可能である。

（４）は接合強度が低く用途が限定される等容々の接合
法に問題がある。

一方、これらの接合法の他にガラスまたはセラミックス
と金属との間に直流電圧を印加し、ガラスまたはセラミ
ック不中のイオン伝導によって接合するアノ−ディック
ボンデング（米国特許第３３９７２７８　）法がある。

このアノ−ディックボンデング法は被接合体に直流電圧
を印加するだけでメタライズ及びろう材なしで簡単に接
合できる等の利点があり広く利用されている。

しかし、アノ−デックボンデング法は、ガラスまたはセ
ラミックスと金属の間に厳密な密着性が必要であるため
、被接合体の大きさが制限される。

また、被接合体の密着性を高めるため、被接合体の表面
粗さを５００Å以下にする必要があり加工コストが高い
。更に被接合体を３００℃以上に加熱する必要があり、
またセラミックスと金属とを直接接合するため、接合時
の熱応力が大きくこの点でも接合体の大きさや組合わせ
が制限される等多くの問題がある。

更にイオン化したＮａ、Ｌｉ、Ａｇ、Ｋａ等が接合界面
に偏析し、接合部の信頼性を劣化するという問題もある
。

〔発明が解決しようとする問題点〕

上記従来技術は前記の問題点について配慮がされておら
ず、信頼性に問題があった。

本発明の目的は上記従来技術の問題点を解決し、接合部
の信頼性向上を図るガラスまたはセラミックスと金属と
の接合方法を提供するにある。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明はガラスまたはセラミックスと金属との間に前記
被接合材より融点の低い軟ろうまたは硬ろう材をはさみ
、被接合体の間に直流電圧を印加しながら、前記ろう材
の融点以上に加熱することにより達成される。

第１図は本発明による接合方法を説明する被接合材と通
電状態を示す断面図である。図に示すごとく本発明はガ
ラスまたはセラミックス１と金属２との間にはんだまた
はろう材３をはさみ、ガラスまたはセラミックス１と金
属２との間に直流電圧４を印加し、前記はんだまたはろ
う材の融点以上に加熱して接合するものである。

本発明では被接合体接合面の表面粗さが大きい場合、ま
たはセラミックスと金属との間にギャップが生じている
場合等でもはんだまたはろう材を融点以上に加熱に接合
するため、流動性の大きいはんだまたはろう材を介して
ガラスまたはセラミックスと金属との間の密着性が改善
される。このため、被接合体の鏡面加工が不用で一般の
機械加工の表面粗さである１μｍ以上で十分接合できる
。

更に被接合体の間に厳しい密着性が不用であるため、被
接合体の大きさに制限なく大面積の接合が可能である。

一方、はんだまたはろう材に軟質のはんだまたはろう材
を介して接合した場合は前記はんだまたはろう材が熱応
力緩和材として作用し被接合体が大きくなった場合でも
接合時の熱応力が小さく、ガラスまたはセラミックスを
破壊せず信頼性の高い接合部が得られる。

本発明に利用できる金属系はんだ材としてはＰｂ−８ｎ
系、５ｎ−Ｚｎ系、Ｐｂ−Ａｇ系。

Ｃｄ−Ｚｎ系、５ｎ−Ｉｎ系、Ｉｎ−Ｐｂ系。

Ｂ１−３ｎ−Ｐｂ系、Ａｕ−３ｉ系、ＡｕＳｎ系、Ａｕ
−Ｇｅ系を主成分とするもの、更にこれらのはんだ材に
必要に応じてガラスまたはセラミックス粉末が添加する
ものを使用することができる。その他、５ｉＯｚ　、Ｐ
ｂＯ，ＺｎＯを主成分とするガラスはんだも適用できる
。ろう材としてはＡ　ｇ　−Ｃｕ系、Ｃｕ−Ｐ系、Ｃｕ
−Ｍｎ系。

Ｃｕ−Ｚｎ系、ＡＱＳｘ系、Ｎｉ−Ｃｒ系。

Ａｕ−Ｐｄ系等のあらゆるろう材が適用できる。

更に必要に応じて前記ろう材にＴｉ、Ｚｒ、Ｎｂ等の金
属又はセラミックス、ガラスと反応して接合に寄与する
第３の金属元素が添加されているものがより有効的であ
る。

一方、本発明ではソーダライム系、硼硅酸系。

石英系、鉛系、パイレックスガラス、バイコール等のガ
ラスが適用できる。

また、セラミックス材としてはαＡｆｌｚＯａ。

βＡＱｚＯｓ、Ｚｒｏｗ、ＭｇＯ，ＢｅＯ，ＴｉＯｘ。

Ｓ　１ｓＮ４．ＡＱＮ、ＳｉＣ等を主成分とするセラミ
ックスが適用できる。特にイオン伝導性のセラミックス
は本発明の効果が特に大きい。また金属材としてはＳｉ
、Ｇｅ等の半導体物質、Ｃｕ又はＣｕ合金、Ａｆｉ又は
ＡＱ合金、Ｆｅ５０％以上を有するＮｉ及びＣｏ含有合
金、Ｎｉ又はＮｉ合金等の種類の材質が適用できる。

はんだ及びろう材は接合間に熱応力を緩和するためには
少なくとも１０μｍが好ましく、厚すぎても接合強度が
低下するので、０．２　　ｎｍ以下が好ましい。特に、
２０〜１００μｍが好ましい。

〔作用〕

ガラス又はセラミックスと金属との間に被接合材の融点
より低い軟質のはんだ、またはろう材を介して、被接合
体の間に直流電圧を印加しながら。

はんだまたはろう材の融点以上に加熱することにより、
被接合材の密着性を高め、信頼性の高い接合部を得るこ
とができる。更に酸素等と結合性のよいＰｂ−８ｎ系等
のはんだ、またはＡｇ−Ｃｕ系等のろう材を用いること
により、ガラスまたはセラミックス中の酸素と容易に結
合し、低温でも接合強度が向上する効果がある。

即ち、本発明の接合方法はガラス又はセラミックスに対
して単にろう材又ははんだを溶融するだけでなく通電に
よってミクロ的なアークが生じることを利用してろう材
又ははんだの蒸気による接合面への形成によって良好な
接合が得られるものと思われる。従って、被接合材のセ
ラミックス又はガラスの表面は若干表面粗さを大きくす
ることが好ましく、表面粗さが１〜１０μｍが好ましい
。

〔実施例〕

実施例Ｉ 第２図は１本発明によって圧力センサ用の半導体Ｓｉチ
ップを金属の支持台に接合する場合の実施例を示す圧力
センサの断面図である。図に示す如く、圧力センサ用半
導体のＳｉチップを金属支持台に接合する場合において
、Ｓｉチップを金属支持台に直接４合すると熱歪みによ
って圧力センサとしての特性に悪影響するため、まず、
Ｓｉチップ５と熱膨張率がほぼ同じパイレックスガラス
６に従来のアノ−ディックボンディング法により接合し
た。この場合、被接合体全体を３００℃に加熱し、１０
００ｖの直流電圧を印加して接合した。

次にＳｉチップ５を接合したパイレックスガラス６と金
属支持台７との間に厚さ３０μｍの８０ｗｔ％Ａｕ−２
０ｗｔ％Ｓｎはんだ材３をはさみ。

パイレックスガラス６と金属支持台７との間に６００ｖ
の直流電圧を印加し、はんだの融点である２８０℃まで
大気中で加熱した。なお、金属支持台７にはパイレック
スガラスとの熱膨張率差が小さい４ｏｗｔ％Ｎｉ−６０
ｗｔ％Ｆｅを用いた。

接合後の接合部の強度は１０ｋｇｆ／ｍｍ２以上、Ｈｅ
リーク量は５　Ｘ　１０−”ａｔｍ、ｃｃ／　ｓ　　以
下で極めて高信頼性であった。なお、被接合体の接合面
の表面粗さは平均３μｍに加工した。

実施例■ 直径１０ｍｍ、長さ２０ｍｍの部分安定化Ｚｒ○２セラ
ミックスと直径ＩＱｍｍ、長さ２Ｏｎ＋ｍの銅との間に
厚さ５０μｍの９２ｗｔ％Ｐｂ”３ｗｔ％Ｓｎ−４ｗｔ
％Ａ　ｇ　−０、５ｗ　ｔ％Ｔ　ｉ−０，５ｗｔ％　Ｚ
ｒ　の組成からなるはんだを介し、被接合体の間に５０
０ｖの直流電圧を印加しながらＮ２雰囲気中ではんだの
融点の３００℃まで加熱した。加熱時間は約１分間で加
熱後自然冷却した。

接合後、接合部の引張試験を行った結果、６　ｋｇｆ／
　ｍ　ｍ　２以上の引張強度が得られた。なお、接合界
面には数μｍのＰｂｏが確認され、これが接合に役立っ
ていることがわかった。

実施例■ 直径１０ｍｍ、長さ２０ｍｍの部分安定化Ｚｒ○２セラ
ミックスと直径１０ｍｍ、長さ２０ｍｎａのコバールと
の間に厚さ２０μｍの６０ｗｔ％Ｓｎ−４０ｗｔ％ｐｂ
のはんだをはさみ、２００ｖの電圧を印加しながらはん
だの融点の１８０℃まで大気中で加熱した。接合部の引
張強度は５　ｋｇｆ　／　ｍｍ２以上であった。

実施例■ 外径２０＋ｎ＋ｎ、内径１６＋ｎ＋ｏ、長さ３００ｍｍ
のパイプ状のβアルミナセラミックスとコバールからな
る同寸法のフランジとの間に厚さ１００μｍの２ｗｔ％
Ｔｉ−６８ｗｔ％Ａｇ　　３０ｗｔ％Ｃｕの組成からな
るろう材をはさみ１００ＯＶの直流電圧を印加しなから
Ａｒ雰囲気内でろう材の融点の７８０℃まで加熱して接
合した。この場合の加熱時間は３分間で被接合体の接合
面の表面粗さは平均５μｍであった。接合部の強度は１
０　ｋｇｆ　／　ｍｍ２以上の高強度であった。これを
加工して電力貯蔵用の電池に用いた。

〔発明の効果〕

本発明によれば、被接合体の接合面の粗さが１μｍ以上
でもかつ低温・低電圧で信頼性の高いガラスまたはセラ
ミックスと金属との接合体を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の接合方法を説明する被接合部材の断面
図及び第２図は本発明の一実施例を示す圧力センサの断
面図である。 １・・・ガラス又はセラミックス、２，７・・・金属、
３・・・はんだ又はろう材、４・・・直流電源、５・・
・Ｓｉチ帛１図 不Ｚ図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １、被接合材としてガラスまたはセラミックスと金属と
   を接合する方法において、前記ガラスまたはセラミック
   スと金属との間に前記被接合部材より融点の低いはんだ
   又はろう材を介在し、前記被接合部材の間に直流電圧を
   印加しながら、前記ろう材の融点以上に加熱に接合する
   ことを特徴とするガラスまたはセラミックスと金属との
   接合方法。