セラミックスと金属のろう付け：解説

1.ろう付け特性

セラミックとセラミック、またはセラミックと金属部品のろう付けは、非常に困難な場合があります。ほとんどのろう材はセラミック表面で球状を形成し、濡れ性が悪いか、まったく濡れません。

セラミックスを濡らす可能性のあるろう材は、接合界面に様々な脆性化合物（炭化物、珪化物、三元または多成分化合物など）を形成する傾向があり、接合部の機械的特性に影響を及ぼす。

さらに、セラミックス、金属、ろう材間の熱膨張係数が大きく異なるため、セラミックス、金属、ろう材間の熱膨張係数の差も大きくなります、 残留応力 は、ろう付け温度から室温まで冷却した後に接合部に存在する可能性があり、接合部の割れにつながる可能性がある。

従来のろう材に反応性金属元素を添加して作製した活性ろう材を使用することで、セラミック表面の濡れを改善することができる。低温、短時間のろう付けにより、界面反応の影響を低減することができる。

適切な接合構成を設計し、中間層として単一または複数の金属層を利用することで、接合部の熱応力を最小限に抑えることができる。

ろう付けフィラー 金属へのセラミックのろう付けは、通常、真空炉、水素雰囲気、またはアルゴン雰囲気で行われます。真空電子デバイスを封止するためのろう材には、一般的な特性に加えて、さらに特殊な要件があります。

例えば、フィラーメタルは、デバイスにおける誘電体リークやカソード被毒などの問題を回避するために、高い蒸気圧を発生する元素を含まないことが望ましい。一般的に、デバイス動作中の金属フィラーの蒸気圧は10-3Paを超えないように規定されており、高蒸気圧不純物の含有量は0.002%～0.005%の範囲内であることが望ましいとされています。

水素雰囲気でのろう付け中に水蒸気が発生し、溶融したろう材が飛散するのを避けるため、ろう材の酸素含有量（W(o)）は0.001%を超えないことが望ましい。さらに、ろう材は清浄でなければならず、表面に酸化物があってはならない。

金属化後にセラミックスをろう付けする場合、銅（Cu）、ニッケル（Ni）、銀-銅（Ag-Cu）、金-銅（Au-Cu）などの合金ろうが使用できる。セラミックスと金属を直接ろう付けする場合は、以下のような反応性元素を含むろう材が用いられる。 チタン (Ti）とジルコニウム（Zr）を選ぶべきである。

二元系ろう材では、Ti-CuおよびTi-Niが一般的に使用され、1100℃の範囲で使用できる。三元系ろう材では、Ag-Cu-Ti（(W)Ti含有量5%以下）が各種セラミックスと金属の直接ろう付けによく使用される。

この3元系は、箔、粉末、またはAg-Cu共晶ろう材とTi粉末の組み合わせで使用できる。B-Ti49Be2ろうは、ステンレス鋼と同程度の耐食性を示し、蒸気圧が低いため、酸化および漏洩防止が必要な真空封止継手に適している。

Ti-V-Cr系では、Crの添加により溶融温度範囲が効果的に低下し、30% W(V)で最低溶融温度が達成された。Crを含まないB-Ti47.5Ta5ろうは、アルミナとマグネシアの直接ろう付けに使用され、接合部は1000℃の周囲温度で動作する。セラミックスと金属の直接接合用の活性ろうを表14に示す。

表14.セラミックスと金属のろう付け用活性ろう材

2.ろう付け技術

プレメタライズド・セラミックスは、高純度の不活性ガス、水素、または真空環境でろう付けできる。非金属化セラミックスを直接ろう付けする場合は、一般的に真空ろう付けを推奨します。

(1) 全般 ろう付けプロセス セラミックスおよび金属用

(1) セラミックスおよび金属の一般的なろう付け工程は、表面洗浄、ペースト塗布、セラミックス表面の金属化、ニッケルめっき、ろう付け、ろう付け後の検査の7つの工程に分けられる。

表面洗浄は、母材表面の油汚れ、汗の跡、酸化皮膜を除去するために行う。金属部品やろう材は脱脂後、酸エッチングまたはアルカリ処理で酸化皮膜を除去し、流水ですすいで乾燥させる。

高品質の部品は、部品表面を清浄化するために、真空炉または水素炉（イオンボンバードも使用可能）で適切な温度と時間で熱処理を受ける必要がある。

洗浄した部品は、油性のものや素手に触れず、直ちに次の工程に進むか、乾燥装置に入れ、空気に長時間触れないようにする。

セラミック部品は、超音波洗浄を使用してアセトンで洗浄し、流水ですすぎ、最後に脱イオン水で2回、毎回15分間煮沸する。

ペースト塗布は、セラミックのメタライゼーションにおける重要なステップです。これは、ブラシまたはペーストアプリケーターを使用して、金属化するセラミック表面にペーストを塗布することを含みます。

コーティングの厚さは一般に30～60マイクロメートルで、ペーストは通常、粒径約1～5マイクロメートルの純金属粉末（適切な金属酸化物を加えることもある）と有機バインダーで構成される。

その後、ペーストを塗布したセラミック部品を水素炉に入れ、湿式水素または分解アンモニアを使用して、1300～1500℃の温度で30～60分間焼結する。水素化物を塗布したセラミックの場合は、900℃前後に加熱して水素化物を分解し、セラミック表面の純金属または残留チタン（またはジルコニウム）と反応させて金属被膜を得る。

Mo-Mnメタライゼーション層の場合、ろう材との濡れを促進するため、厚さ1.4～5μmのニッケル層を電気めっきまたはニッケル粉末でコーティングする。もし ろう付け温度 が1000℃未満の場合、ニッケル層も水素炉で1000℃/15～20分の温度と時間で予備焼結を受ける必要がある。

処理されたセラミックは、金属部品と同様に扱われ、ステンレス鋼、グラファイト、またはセラミックの型を用いて組み立てられ、全体が形成される。ろう材は接合部に塗布され、素手で触れることを避け、作業全体を通して被加工物を清潔に保たなければならない。

ろう付けは、アルゴンガス炉、水素ガス炉、真空炉などで行われる。ろう付け温度はろう材によって異なり、セラミックの割れを防ぐため、冷却速度は速すぎないようにする。また、ろう付け時には一定の圧力（約0.49～0.98MPa）をかけることができる。

ろう付け後、溶接部品は表面品質検査、熱衝撃試験、機械的性能試験を受けなければならない。真空機器に使用されるシーリング部品も、関連規則に従ってリークテストを受けなければならない。

(2) 直接ろう付け

直接ろう付け（活性金属法）では、ろう付けされるセラミックワークと金属ワークがまず表面洗浄され、次に組み立てられる。

熱膨張係数の違いによるクラックを防止するため、回転緩衝層（1層または複数層）を設ける。 メタルシート)を接合部の間に入れることができる。可能な限り、ろう材は2つのワークの間、またはろう材で満たされた隙間に配置し、従来の真空ろう付けと同様にろう付けする。

Ag-Cu-Ti系ろう材を直接ろう付けする場合は、真空ろう付け法を採用する。炉内の真空度が2.7×10-3Paに達した時点で加熱を開始する。

この時点では急速加熱が可能であるが、温度がろう材の融点に近づいたら、接合部全体に均一な温度分布が得られるようにゆっくりと加熱すべきである。

ろう材が溶融したら、ろう付け温度まで速やかに昇温し、保持時間は3～5分とする。冷却中は、700℃に達するまでは徐冷し、700℃以降は自然冷却とする。

Ti-Cu活性ろう材を用いた直接ろう付けの場合、ろう材はTi粉末入りCu箔またはTi箔入りCu成分の形態をとることができ、あるいはセラミック表面にTi粉末を塗布した後にCu箔を添加することもできる。

金属部品はすべて真空中で脱気する必要があり、無酸素銅の脱気温度は750～800℃、Ti、Nb、Taなどの脱気温度は900℃で15分間とする。この段階での真空度は6.7×10以下でなければならない。^-3パ。

ろう付けの際には、ろう付けする部品を固定具で組み立て、真空炉で900～1120℃に加熱し、保持時間は2～5分とする。ろう付けの全工程を通じて、真空圧は6.7×10℃以下でなければならない。^-3パ。

Ti-Ni法によるろう付けはTi-Cu法と同様で、ろう付け温度は900±10℃である。

(3) 酸化ろう付け法

酸化物ろう付け法は、溶融時にガラス相を形成する酸化物ろう材を利用し、セラミックスに浸透させて金属表面を濡らすことで、信頼性の高い接合を実現する。この方法は、セラミックとセラミック、セラミックと金属の接合に使用できる。

酸化物ろう材の主成分はAl₂O₃を添加した。₂O₃Y2O3、Ta₂O₃など、さまざまな融点と線膨張係数を持つろう材が得られる。

さらに、CaFを主成分とするフッ化物ろう材も使用されている。₂ やNaFは、セラミックスと金属の接合にも使用でき、高強度で耐熱性の接合部を提供する。