(57)【要約】【課題】高温に加熱することなく、簡便かつ容易に、反りを低減し、剥離等の発生を防止し、広範囲に渡って一様な接合強度を得ることのできるセラミック接合方法、及びこれによって接合されたセラミック接合部材を提供することを目的とする。【解決手段】セラミックからなる第１部材１と、セラミック又は高融点金属からなる第２部材１とを接合するセラミック接合方法において、前記第１部材１と第２部材１との接合部分の表面に薄厚の金属層２、２を形成した後、前記第１部材１の金属層２と前記第２部材１の金属層２との間に、融点が２２０℃以下のはんだ箔３を挟み、加圧しながら加熱することによりはんだ付けを行うことを特徴とするセラミック接合方法。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
セラミックからなる第１部材と、セラミック又は高融点金属からなる第２部材とを接合するセラミック接合方法において、
前記第１部材と第２部材との接合部分の表面に薄厚の金属層を形成した後、前記第１部材の金属層と前記第２部材の金属層との間に、融点が２２０℃以下のはんだ箔を挟み、加圧しながら加熱することによりはんだ付けを行うことを特徴とするセラミック接合方法。
【請求項２】
請求項１に記載のセラミック接合方法によって接合されたことを特徴とするセラミック接合部材。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、セラミックとセラミック又は高融点金属との接合方法、及びこれによって接合されたセラミック接合部材に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
セラミックの利用は近年多岐多様に渡っており、セラミックを別のセラミック又は高融点金属と接合させて用いることも多い。このような接合は、一般にエポキシ樹脂等からなる接着剤により行う。例えば、バイモルフ型圧電アクチュエータを構成する圧電セラミック製の圧電素子板と金属製の電極板や補強板とは、接着剤により接合している（例えば、特許文献１参照）。しかしながら、接着剤による接合は接合強度が低いため、接合可能な範囲が限定される。そこで、より高い接合強度を得るために、硬ろうを用いたろう付けや、はんだを用いたはんだ付けによる接合が行われている。
【０００３】
硬ろうを用いたセラミック接合方法においては、セラミックや高融点金属の接合部分に銀ろう等の融点が４５０度以上の硬ろうを付着させ、高温に加熱しろう付けを行う。一方、はんだを用いたセラミック接合方法においては、セラミックや高融点金属の接合部分の表面に、予め、金属めっきを施しておき、この金属めっき部分にはんだを付着させ、加熱しはんだ付けを行う。この場合、はんだペーストや粉末はんだを塗布し、はんだを金属めっき部分に付着させている。
【０００４】
更に、アルミニウム及び銅を除く金属と、セラミックとを、アルミニウム用のはんだ（例えば、Ｚｎ−５％Ａｌ、融点３８０℃）を用いたはんだ付けによる接合方法が提案されている。該接合方法においては、金属及びセラミックの各接合部分の表面に、予め、金属めっきを施しておき、この金属めっきを施した金属及びセラミックの各接合部分を、超音波振動を加えながら溶解はんだ中に浸漬してはんだを付着させ、その後加熱しはんだ付けを行う（例えば、特許文献２参照）。
【特許文献１】特開２０００−３４０８５０号公報
【特許文献２】特開平７−６１８７９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、前記従来の硬ろう、粉末はんだやはんだペーストを用いてはんだを付着させるセラミック接合方法においては、硬ろうやはんだが密である程接合強度が向上するが、硬ろうやはんだを均一に付着することが困難であるので、広範囲に渡って所望の一様な接合強度を得ることができない問題点があった。又、硬ろうによるセラミック接合方法においては、硬ろうは容易に塑性変形しないので、セラミックや高融点金属の熱収縮による寸法変化を吸収できないため、反りや剥離等が発生する問題点があった。又、粉末はんだやはんだペーストの塗布や浸漬によりはんだを付着させるセラミック接合方法においては、はんだを一定以上の均一厚さに付着させることは困難であるので、セラミックや高融点金属の熱収縮による寸法変化や反りをはんだの塑性変形によっては吸収しきれないため、剥離等が発生する問題点があった。
【０００６】
又、硬ろう、融点３００度以上の高温はんだや前記アルミニウム部材用のはんだを用いたセラミック接合方法においては、高温に加熱することによってセラミックと高融点金属との熱膨張率の違いに起因した熱応力が生じ、接合強度が低下する問題点があった。又、硬ろう、融点３００度以上の高温はんだや前記アルミニウム部材用のはんだを用いたセラミック接合方法においては、圧電セラミックは一旦約３００度以上の高温に曝されると圧電効果を失うので、圧電セラミックを接合することができない問題点があった。又、前記従来の浸漬によりはんだを付着させるセラミック接合方法においては、はんだ浴槽や超音波発生装置などの特別な設備を必要とするので、簡便、容易に接合を行うことができない問題点があった。
【０００７】
本発明は、上記した事情や問題に鑑みてなされたものであり、高温に加熱することなく、簡便かつ容易に、反りを低減し、剥離等の発生を防止し、広範囲に渡って一様な接合強度を得ることのできるセラミック接合方法、及びこれによって接合されたセラミック接合部材を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
当該目的を達成するために、請求項１に記載のセラミック接合方法は、セラミックからなる第１部材と、セラミック又は高融点金属からなる第２部材とを接合するセラミック接合方法において、前記第１部材と第２部材との接合部分の表面に薄厚の金属層を形成した後、前記第１部材の金属層と前記第２部材の金属層との間に、融点が２２０℃以下のはんだ箔を挟み、加圧しながら加熱することによりはんだ付けを行うことを特徴としている。
【０００９】
請求項２に記載のセラミック接合部材は、請求項１に記載のセラミック接合方法によって接合されたことを特徴としている。
【発明の効果】
【００１０】
請求項１に記載のセラミック接合方法によれば、はんだ箔を用いはんだ付けを行うので、はんだを広範囲にわたって所定の均一厚さとすることができるため、接合部分が広範囲であっても所望の一様な接合強度を得ることができる。又、例えば、はんだ箔の厚さを厚くすることにより、熱収縮の寸法変化による反りをはんだの塑性変形により吸収し、剥離等の発生を防止することができる。又、融点が２２０℃以下のはんだ箔を用いはんだ付けを行うので、高温に加熱することなく接合することができ、セラミックと高融点金属との熱膨張率の違いに起因した熱応力の発生を低減し、接合強度の低下を防止することができる。又、融点が２２０℃以下のはんだ箔を用いはんだ付けを行うので、接合時にセラミックを高温下に曝すことがないため、例えば圧電セラミックが接合可能になるなど、接合可能な範囲を拡大することができる。又、はんだ浴槽や超音波発生装置などの特別な設備を必要としないため、簡易かつ簡便に接合することができる。
【００１１】
請求項２に記載のセラミック接合部材によれば、請求項１に記載のセラミック接合方法によって接合されるので、広範囲の接合部分に渡って所望の一様な接合強度を有し、反りが少なく、剥離等の欠陥のないセラミック接合部材を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
セラミックと、セラミック又は高融点金属とを、高温に加熱することなく、反りを低減し、剥離等の発生を防止し、広範囲に渡って一様な接合強度を得ることができるセラミック接合方法を提供するという目的を、融点が２２０度以下のはんだ箔を用いはんだ付けを行うことにより実現した。
【実施例１】
【００１３】
以下、本発明の実施例１に係るセラミック接合方法について図面に基づいて説明する。該セラミック接合方法は、図１に示すように、セラミック１、１の接合部分の表面に薄厚の金属層２、２を形成した後、該金属層２、２の間に融点が２２０℃以下のはんだ箔３を挟み、加圧しながら加熱することによりはんだ付けを行い、セラミック１、１を接合する方法である。
【００１４】
まず、アルミナやジルコニア等を主体とした金属系セラミックやガラスセラミックなどのセラミック１、１の接合部分の表面に、はんだ濡れ性の良いＡｇ、Ａｌ、Ｎｉ、Ｔｉ、Ｃｕなどの金属若しくはこれらの合金からなる厚さ数ミクロンメートルの金属層２、２を形成する。金属層２、２は、電気めっき法、無電解めっき法、溶解めっき法、金属溶射法、真空蒸着法、スパッタリング法、イオンプレーティング法などにより形成する。ただし、セラミック１、１が圧電セラミックである場合には、３００度以上の高温に加熱しない無電解めっき法や真空蒸着法などにより、金属層２、２を形成する。
【００１５】
次に、セラミック１、１の表面に形成した金属層２、２の間に、はんだ箔３を挟む。該はんだ箔３は、はんだとして一般的に用いられるはんだ材料の内、融点が２２０度以下のはんだ材料、例えば、Ｓｎ−Ｚｎ、Ｐｂ―Ｓｎ―Ｐｂ、Ｓｎ−Ａｇ、Ｐｂ―Ｓｎ−Ａｇ系合金等の共晶はんだ材料からなるものである。なお、共晶温度は、Ｓｎ―Ｚｎの場合には、Ｓｎが約９０ｗｔ％で約１９５℃であり、Ｓｎ―Ｐｂの場合には、Ｓｎが約６３ｗｔ％で約１８３℃である。はんだ箔３は、このようなはんだ材料をローラ圧延などによって、数ミクロンメートルから数ミリメートルの均一厚さの箔状に加工成形したものである。はんだ箔３の厚さは適宜定めればよいが、セラミック１、１の熱収縮を考慮し接合する場合には厚く、より強い接合強度を必要とする場合には薄くする。
【００１６】
セラミック１、１の金属層２、２の間にはんだ箔３を挟んだ状態において、これらの上への重りの載置やボルト締めなどによって加圧し、はんだ箔３を金属層２、２に圧着させる。この圧着状態を保ちながら、電気炉等の加熱炉や電熱などによって加熱し、適宜なはんだ付け温度で１０分乃至１時間保持した後、除冷又は自然冷却する。例えば、はんだ箔３として、前記Ｓｎが約９０ｗｔ％のＳｎ―Ｚｎや、Ｓｎが約６３ｗｔ％のＳｎ―Ｐｂを用いた場合には、はんだ付け温度を約２５０℃とする。
【００１７】
はんだ箔３の融点以上に加熱した後に冷却することによって、はんだ濡れ性の良い材質からなる金属層２、２がはんだ層３を介して強固に接合され、セラミック１、１を接合させたセラミック接合部材４を得ることができる。接合過程において高温に加熱しないので、セラミック１、１の熱変形は少ない。ただし、広面積の薄板のセラミック１、１を接合する等、温度変化による寸法変化を考慮する必要がある場合には、適宜厚さの厚いはんだ箔３を用い、収縮時のセラミック１、１の寸法変化を、はんだ箔３の塑性変形により吸収させることにより剥離等の発生を防止する。
【００１８】
本実施例１に係るセラミック接合方法によって接合されたセラミック接合部材４は、図２に示すように、セラミック１、１と、該セラミック１、１の表面の薄厚の金属層２、２と、該金属層２、２に挟まれたはんだ層３とからなるものである。
【実施例２】
【００１９】
次に、本発明の実施例２に係るセラミック接合方法について図面に基づいて説明する。該セラミック接合方法は、図３に示すように、セラミック１と高融点金属５との接合部分の表面に薄厚の金属層２、６をそれぞれ形成した後、該金属層２、６の間に融点が２２０℃以下のはんだ箔３を挟み、加圧しながら加熱することによりはんだ付けを行い、セラミック１と高融点金属５とを接合する方法である。
【００２０】
まず、アルミナやジルコニア等を主体とした金属系セラミックやガラスセラミックなどのセラミック１の接合部分の表面に、はんだ濡れ性の良いＡｇ、Ａｌ、Ｎｉ、Ｔｉ、Ｃｕなどの金属若しくはこれらの合金からなる厚さ数ミクロンメートルの金属層２を形成する。同様に、ステンレス鋼やＭｇ合金等のはんだ濡れ性の悪い高融点金属５の接合部分の表面にも、前記はんだ濡れ性の良い材質からなる厚さ数ミクロンメートルの金属層６を形成する。なお、高融点金属５は、Ｍｏ、Ｃｕ―Ｍｏ、Ｃｕ―Ｗ、ＳｉＣ−Ａｌなどの熱伝導率の高い材質からなり、セラミック１上にて発生する熱を拡散させるための放熱板であってもよい。又、金属層６の材質は、前記金属層２と同じ材質であってもよいが、高融点金属５の材質に適合させ異なる材質としてもよい。金属層２、６は、電気めっき法、無電解めっき法、溶解めっき法、金属溶射法、真空蒸着法、スパッタリング法、イオンプレーティング法などにより形成する。ただし、セラミック１が圧電セラミックの場合には、３００度以上の高温に加熱しない無電解めっき法や真空蒸着法などにより、金属層２を形成する。
【００２１】
次に、セラミック１の表面に形成した金属層２と、高融点金属５の表面に形成した金属層６との間に、数ミクロンメートルから数ミリメートルの均一厚さのはんだ箔３を挟む。該はんだ箔３は、はんだとして一般的に用いられるはんだ材料の内、融点が２２０度以下のはんだ材料、例えば、Ｓｎ−Ｚｎ、Ｐｂ―Ｓｎ―Ｐｂ、Ｓｎ−Ａｇ、Ｐｂ―Ｓｎ−Ａｇ系合金等の共晶はんだ材料からなるものである。はんだ箔３の厚さは適宜定めればよいが、接合するセラミック１と高融点金属５との熱収縮の違いを考慮する場合には厚く、より強い接合強度を必要とする場合には薄くする。
【００２２】
セラミック１の金属層２と高融点金属５の金属層６との間に、はんだ箔３を挟んだ状態において、加圧し、はんだ箔３を金属層２、６に圧着させる。この圧着状態を保ちながら、電気炉等の加熱炉や電熱などによって加熱し、適宜なはんだ付け温度で１０分乃至１時間保持した後、除冷又は自然冷却する。例えば、はんだ箔３として、前記Ｓｎが約９０ｗｔ％のＳｎ―Ｚｎや、Ｓｎが約６３ｗｔＳｎ―Ｐｂを用いた場合には、はんだ付け温度を約２５０℃とする。
【００２３】
はんだ箔３の融点以上に加熱した後に冷却することによって、はんだ濡れ性の良い材質からなる金属層２、６がはんだ層３を介して強固に接合され、セラミック１と高融点金属５とを接合させたセラミック接合部材７を得ることができる。接合過程において高温に加熱しないので、セラミック１や高融点金属５の熱変形は少ないが、セラミック１と高融点金属５との熱収縮には違いがあるため、反りが発生する。この反り量以上の厚さのはんだ箔３を用い、該はんだ箔３の塑性変形により反りを吸収し、剥離等の発生を防止する。
【００２４】
本実施例２に係るセラミック接合方法によって接合されたセラミック接合部材７は、図４に示すように、セラミック１と、高融点金属５と、セラミック１及び高融点金属５の表面の薄厚の金属層２、６と、該金属層２、６に挟まれたはんだ層３とからなるものである。
【００２５】
本実施例２に係るセラミック接合方法は、例えば、図５に示すように、ジルコン酸鉛とチタン酸鉛との固溶体などの圧電セラミック製の圧電素子板８と金属製の電極板９や補強板１０とを接合した接合部材からなるバイモルフ型圧電アクチュエータ１１を接合する際に特に好適な接合方法である。
【産業上の利用可能性】
【００２６】
セラミック同士、セラミックと金属との接合等の場合に適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明の実施例１に係るセラミック接合方法を説明する断面図である。
【図２】本発明の実施例１に係るセラミック接合部材の断面図である。
【図３】本発明の実施例２に係るセラミック接合方法を説明する断面図である。
【図４】本発明の実施例２に係るセラミック接合部材の断面図である。
【図５】本発明の実施例２に係るセラミック接合方法によって接合されたバイモルフ型圧電アクチュエータの斜視図である。
【符号の説明】
【００２８】
１    セラミック
２、６    金属層
３    はんだ箔、はんだ層
４、７    セラミック接合部材
５    高融点金属
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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