(57)【要約】金属（１）とセラミック材料（２）を接続する方法は、このセラミック材料にスルーホール（３）を設けるステップと、このスルーホール（３）を備えるセラミック材料（２）近傍のセラミック材料（２）に接続されるように金属（１）を位置付けるステップとを有する。その後、この金属（１）はスルーホール（３）の近傍で溶解される（７）。セラミック（２）の金属から離れた側と、金属（１）のセラミック材料（２）から離れた側との間に圧力差が存在する。より大きい圧力は、金属（１）のセラミック材料（２）から離れた側に存在する。この圧力差は、溶融物（７）がセラミック材料（２）のスルーホール（３）に圧入されるようにする。スルーホール（３）は、凝固後に、凝固された材料（１４）及びスルーホール（３）が補完的なロック形態をもつような形状である。
2004520175.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
２つの異なる材料を接続する方法であり、一方の材料にスルーホールを設けるステップと、前記スルーホールの近傍にある他方の材料を溶解するステップと、その後に前記他方の材料を前記スルーホールにおいて凝固させることを可能にするステップとを有する方法であって、前記一方の材料がセラミック材料であり、前記他方の材料が金属であり、前記金属の溶融状態において、圧力差が、前記金属の前記セラミック材料から離れた側と、前記セラミック材料の前記金属から離れた側との間に存在し、より大きな圧力が前記金属の前記セラミック材料から離れた前記側において存在することを特徴とする方法。
【請求項２】
前記圧力差は、前記セラミック材料の前記金属から離れた前記側に大気圧以下の圧力を印加することによって、少なくとも生成されることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記圧力差は、前記金属の前記セラミック材料から離れた前記側に大気圧を超える圧力を印加することによって、少なくとも生成されることを特徴とする、請求項１又は２に記載の方法。
【請求項４】
前記金属が前記スルーホールの近傍で溶解された後に、前記圧力差は、前記金属の前記セラミック材料から離れた前記側の前記溶融金属を気化させることによってもたらされることを特徴とする、請求項３に記載の方法。
【請求項５】
前記気化は、前記溶融金属の前記セラミック材料から離れた側を、前記溶融金属の表層を気化させるレーザ照射に曝すことによって行われることを特徴とする、請求項４に記載の方法。
【請求項６】
前記溶融金属の凝固のために、ロック形態が、前記金属と前記セラミック材料との間に生成されることを特徴とする、請求項１乃至５の何れか１項に記載の方法。
【請求項７】
前記圧力差が存在する期間中に、停止手段が、前記セラミック材料の前記金属から離れた前記側において、前記スルーホールと対向して存在することを特徴とする、請求項１乃至６の何れか１項に記載の方法。
【請求項８】
前記停止手段の表面材料が、前記溶融金属に対して非接着性であることを特徴とする、請求項７に記載の方法。
【請求項９】
前記停止手段の前記表面材料が、セラミック材料であることを特徴とする、請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
金属部及び非金属部の複合構造体であって、前記非金属部はセラミック部であり、前記セラミック部はスルーホールを備えており、溶融状態において、前記金属部が前記スルーホールを貫通し、凝固したことを特徴とする複合構造体。
【請求項１１】
前記スルーホールの形状と、前記凝固された金属の形状とが、ロック形態を構成することを特徴とする、請求項１０に記載の複合構造体。
【請求項１２】
前記双方の部がプレート形であることを特徴とする、請求項１０又は１１に記載の複合構造体。
【請求項１３】
前記スルーホールが、前記金属部の方向に先細りになることを特徴とする、請求項１０、１１又は１２に記載の複合構造体。
【請求項１４】
請求項１乃至９の何れか１項に記載の方法により得られることを特徴とする、金属部及び非金属部の複合構造体。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、２つの異なる材料を接続する方法であって、一方の材料にスルーホールを設けるステップと、上記スルーホールの近傍にある他方の材料を溶解するステップと、その後に上記他方の材料を上記スルーホールにおいて凝固させることを可能にするステップとを有する方法に関する。
【０００２】
本発明は、金属部及び非金属部の複合構造体にも関する。
【０００３】
【従来の技術】
このような方法及び複合構造体は、米国特許公報第５，４９８，８５０号から既知である。この特許は、スルーホールを備える金属プレートと、半導体材料のプレートとを有する構造体を説明している。この半導体材料は、その後にスルーホールを介して強いレーザビームで照射され、溶解される。この溶融した半導体材料により、更に金属の一部分も溶解される。この溶融金属は、溶融した半導体材料を含む合金を形成する。この合金は、空気に耐性がなく、別個のカバー層を備えなければならない。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
既述の方法は、さまざまな段階があるとともに、金属及びセラミック材料を接続するための解決策を提供していないという欠点を有する。
【０００５】
本発明の目的は、セラミック材料と金属との間に確実な接合（ボンド）が、優れた位置精度及び温度安定性を兼ね備えて実現される上述された方法及び複合構造体を提供することである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
この目的のために、本発明による方法は、一方の材料がセラミック材料であり、他方の材料が金属であり、金属の溶融状態において、圧力差が、金属のセラミック材料から離れた側と、セラミック材料の金属から離れた側との間に存在し、より大きい圧力が金属のセラミック材料から離れた側において存在することを特徴とする。
【０００７】
本発明によれば、複合構造体は、非金属部がセラミック部であり、セラミック部がスルーホールを備え、溶融状態において、金属部がスルーホールを貫通し、凝固したことを特徴とする。
【０００８】
このようにして、スルーホールに溶融金属を侵入させることが、アクティブなやり方でもたらされる。材料に対する特別な適応、及び熱圧縮のような時間のかかるプロセスが必要ではないことも実現される。
【０００９】
本発明による方法の好ましい実施例は、金属がスルーホールの近傍で溶解された後に、圧力差が、金属のセラミック材料から離れた側の溶融金属を気化させることによってもたらされることを特徴とする。
【００１０】
これは、金属及びセラミック材料自身以外の他の材料及び資源、又は金属を溶解し気化させるための手段が、必要ではないことを意味する。
【００１１】
本発明による方法の好ましい実施例は、気化が、溶融金属のセラミック材料から離れた側を、溶融金属の表層を気化させるレーザ照射に曝すことによって行われることを更に特徴とする。
【００１２】
これは、十分な出力（パワー）の単一のレーザが使われることが可能であり、まず、比較的低出力によりスルーホール近傍で金属を溶解させ、この金属が溶解したとき、当該溶融物に高出力レーザパルスを印加して、この溶融物の表層を気化させることを意味する。この気化している金属は、圧力の増加を確実にし、その結果として、上記溶融物がスルーホールに圧入（ｐｒｅｓｓ ｉｎｔｏ）される。圧力の増加に加えて、それにより、気化する金属が、金属及びセラミック材料から離れて方向づけられるパルスを搬送し、その結果として、溶融物の金属がスルーホールの方向にパルスを受信するという事実が更に機能を果たすだろう。
【００１３】
本発明による方法の他の好ましい実施例は、溶融金属の凝固のために、ロック形態（ｌｏｃｋｉｎｇ ｆｏｒｍ）が金属とセラミック材料との間に生成されることを特徴とする。
【００１４】
一般に、金属及びセラミック材料は、決して又はめったに互いに接着されないことが知られている。接着は、少しでも起こる場合は、セラミック材料及び溶融金属がほぼ同じ温度を有する状態において高温で行われる。
【００１５】
本発明による方法を示す好ましい実施例によって、セラミック材料及び溶融金属は、接合をもたらすために実質的に同じ高い温度を必要とはしないことが実現される。溶融金属の凝固後に生成されるロック形態のために、金属とセラミック材料との間の接合の強度は、ほとんどロック形態の強度のみにより決定される。
【００１６】
本発明は、添付図面を参照して以下に明瞭に説明されるであろう。
【００１７】
【発明の実施の形態】
図１では、参照符号１は金属部を示し、参照符号２はセラミック部を示す。セラミック部２は、金属部の方向に先細りになる壁４をもつスルーホール３を備えている。金属部１及びセラミック部２は、２枚のフラットプレートの断面図として例示によって図１に示される。プレート１及び２は、もちろん湾曲されてもよく、前記部１及び２はフラット以外の形状を有することもできる。
【００１８】
図２では、参照符号５は、矢印６の方向において、セラミック部２から離れた側に金属部１を結合（ｅｎｇａｇｅ）させるレーザビームを示す。レーザビーム５はスルーホール３の位置における金属部１が溶解されるような強度を有し、これが溶融物７によって示されている。レーザビーム５の強度は、溶融物７を沸騰させるには十分ではない。結果として生じる状態は安定している。金属部１とセラミック部２との間の図面上のスペース８は、本発明に関連しておらず、好ましくは存在しないことに留意すべきである。このスペース８は、金属部１とセラミック部２との間の差を説明するために単に図面に示されている。
【００１９】
レーザビーム５が溶融物７を生成した後、矢印９によって示されるように、レーザビーム５の強度は、溶融物７の表層１０が参照符号１１によって示される蒸気雲に気化するようなレベルに達するまで、短い期間増加される。矢印１２によって示されたように、金属部１から離れた方向に蒸気雲１１が存在することは、矢印１３によって示されるように、溶融物７の表層１０に対してセラミック部２の方向に力が作用するという結果をもたらす。その結果、溶融物７は矢印１３の方向に移動し、したがってスルーホール３の方向に移動する。少し時間がたった後、レーザビーム５はスイッチオフされ、溶融物７はスルーホール３を貫通している。レーザビーム５をスイッチオフする結果、溶融物７は冷却し凝固され、図４に示されるように、凝固された材料１４が形成されるだろう。
【００２０】
図４は、スルーホール３の先細り（テーパリング）壁４に沿って凝固された材料１４がロック形態を構成することを示す。このロック形態は、金属部１及びセラミック部２が凝固された材料１４によって一緒に堅固に接合されることを確実にする。
【００２１】
それにより実現された金属部１とセラミック部２との間の接合（ボンド）は、高水準の位置精度、すなわち、スルーホール３がセラミック部２に設けられる精度、スルーホール３を備えるセラミック部２及び金属部１が互いに対して位置付けられる精度の高水準を有する。このやり方で実現された接合は、より優れた温度安定性も有する。凝固された材料１４及びしたがって金属部１が溶解しない限り、金属部１及びセラミック部２は、溶融物７が凝固された材料１４に変わったときにこれらの部が取った相対的な位置を保つ。
【００２２】
スルーホール３を設けることを除いて、金属部１もセラミック部２もいかなるプロセスにもかけられなかったこと、特に、どちらの前記部も、表面処理、又は融剤若しくは結合剤のような別の材料を用いて表面処理をかけられなかったことは、前述から明らかであろう。
【００２３】
接合をもたらすために追加の材料が必要ではないことは、更に上記の説明から明らかであろう。特に、金属部１とセラミック部２との間に接合を形成するために、はんだ又は他の第３の材料が必要ではないことが留意されるべきである。
【００２４】
図１乃至図４に示される実施例において、スルーホール３は、金属部１の方向に先細りになる開口部として示される。当業者にとって、先細り（テーパ）以外の形態をもつ開口部もまた、凝固された材料１４とセラミック部２との間にロック形態をもたらすだろう。本発明の文脈の範囲内のロック形態の特定の形状が図５に示される。図５では、スルーホール３がまっすぐな壁４を有し、金属部１のセラミック部から離れた側と、セラミック部２の金属部１から離れた側との間に加えられる圧力差の結果として、より大きい圧力が金属部１のセラミック部２から離れた側において存在しており、溶融物７がスルーホール３を通って押され、エッジ部１５を超えて流れ、凝固された材料１４に凝固するという点において、ロック形態が溶融物７に形成されている。エッジ部１５と一緒に、エッジ部１５を超えてはみ出る凝固された材料１４のエッジ部１６が、凝固された材料１４と、金属部１と、セラミック部２とを互いに固定するロック形態を構成する。
【００２５】
圧力差があまりに大きい場合及び／又はあまりに長い間存在する場合には、溶融物７がスルーホール３を通って完全に押されてしまい、金属部１とセラミック部２との間に接合が全く生成されないだろうという危険性がある。図６は、この問題に対する解決策を示す。スルーホール３のすぐ真下に停止手段２１が設けられている。溶融物７の高温との関連、及び溶融物７が停止手段２１に接着されるべきではないという要求との関連から、スルーホール３に対向する停止手段２１の表面の少なくとも一部分は、セラミック材料から製造されるか、又は停止手段２１は高い熱伝導率係数を有する材料から製造される。溶融物７とセラミック材料２との間の温度差がより大きいほど、溶融物７が停止手段２１のセラミック表面に接着するであろう危険性はより小さくなる。溶融物７と停止手段２１のセラミック材料との間の温度差が５０℃を超えると、一般に溶融物７が高温で停止手段２１に接着しないことを確実にするのに十分である。停止手段２１が高い熱伝導率係数を有する材料から作られる場合、スルーホール３を貫通する溶融金属は接触の際に非常に迅速に冷却されるであろうということから、全く又はさほど重大な接着は起こらない。
【００２６】
図８は、金属部１のセラミック部２から離れた側と、セラミック部２の金属部１から離れた側との間の圧力差を実現する別のやり方を示す。スルーホール３のまわりに、ホルダ１８がＯリング１７によってセラミック部２に対して位置付けられている。ホルダ１８は、ホルダ１８において大気圧以下の圧力を発生させる装置２０に対して接続管１９によって接続されている。溶融物７がスルーホール３に対向する金属部１において生成された後、上記装置２０は、ホルダ１８において短期間持続性の大気圧以下の圧力があることを確実にする。この圧力差の結果、溶融物７はスルーホール３に圧入される。上記圧力差はその後に再び減らされ、その結果、溶融物７がそれ以上スルーホール３を貫通せず、溶融物７は凝固される材料１４を形成するように冷却される。
【００２７】
図８に示された実施例において、停止手段２１が、例えば、ホルダ１８に固定して置かれてもよい。
【００２８】
図７は、図２及び図３の文脈の範囲内に説明されるようなレーザパルスの出力の時間の関数としての推移（プログレス）を例証により示しているが、図５、図６及び図８に示される実施例においても適用できる。
【００２９】
約１４ミリ秒間、レーザパルスは約３５０Ｗの出力Ｐ１に維持されている。その結果、金属部１は、例えば６００μｍなどの特定の直径にわたって溶解する。結果として生じる溶融物は、クリーンであり、且つピークがない。その後、Ｐ２の出力をもつ短期間持続性のレーザパルスが、上記溶融物に対して０．１〜０．３ミリ秒間向けられる。とりわけ、金属部１と、セラミック部２との間の亀裂（クラック）の幅、及び溶融物７の直径に依存して、出力Ｐ２は７００Ｗ〜２．５ｋＷの範囲内にある。この短期間持続性の高出力パルスは、蒸気雲１１（図３参照）に短期間持続性の気化をもたらす。この蒸気雲の形成は、セラミック部２のスルーホール３の方向において溶融物７に対する圧力の作用につながる。
【００３０】
例
真空の電子源において保持される装置では、電子源にグリッドを形成する金属プレートと、セラミックプレートとを優れた位置精度及び温度安定性を兼ね備えて接続することが必要である。双方のプレートは、フラットであるとともに、さまざまなポイントに一緒に接続される。これらのプレートは２５０〜３８０μｍの層厚及び１ｃｍのオーダーの大きさを有する。スルーホール３は２６０〜４００μｍの直径を有する。セラミック材料は酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）である。レーザビーム５は、３００〜７００Ｗの出力を有し、１０〜１５ミリ秒間上記金属を照射する。このレーザビーム５は、約６００μｍのスポットサイズを有する。１２０〜１６０ｍｂの大気圧以下の圧力が、ホルダ１８内に存在する。スルーホール３の壁４の傾斜は、法線に対して２０°である。
【００３１】
所与の値は、優れた位置精度及び高い温度安定性を兼ね備えて、金属部１とセラミック部２との間に金属−セラミック接合を生成する可能性をもたらす。それに加えて、溶融物に関する基本部品としてそれ自身接合されるべき金属を使用することは、例えば、はんだ又は別の融剤による汚れ（コンタミネーション）が起こり得ないということを確実にする。他の材料を加えることなく、溶融物を生成するためにその金属自身を使用することは、その接合が極めて堅固（ロバスト）であるという効果もある。位置精度は、金属部及びセラミック部が位置付けられるとともに、接続の前にそれぞれに対して保持される精度によって完全に決定される。
【００３２】
前述の説明を読めば、数多くの実施及び変形例が当業者にとって明らかであろう。これらの変形例及び実施例の全ては、本発明の範囲内にあるものとして見なされる。
【図面の簡単な説明】
【図１】金属及びセラミック部を示す。
【図２】金属を溶解するステップを示す。
【図３】圧力差を加えるステップを示す。
【図４】金属とセラミック部との間の接合を示す。
【図５】金属とセラミック部との間の接合の別の実施例を示す。
【図６】停止手段を示す。
【図７】レーザパルスの出力を時間の関数として示す。
【図８】圧力差を加える代替えのやり方を示す。
【国際公開パンフレット】
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2004520175.tif 000014
【国際公開パンフレット（コレクトバージョン）】
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【国際調査報告】
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