陶瓷-金屬接合結(jié)構(gòu)體以及用于制造它的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及陶瓷-金屬接合結(jié)構(gòu)體以及用于制造它的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]陶瓷-金屬接合結(jié)構(gòu)體已經(jīng)用于多種領(lǐng)域，所述陶瓷-金屬接合結(jié)構(gòu)體包括彼此釬焊的陶瓷材料的陶瓷構(gòu)件和金屬材料的金屬構(gòu)件。陶瓷-金屬接合結(jié)構(gòu)體，例如，可以用于電磁繼電器、真空開關(guān)、和電子組件的外殼。
[0003]圖8示出了這種陶瓷-金屬接合結(jié)構(gòu)體的一個(gè)已知實(shí)例，并且在這個(gè)實(shí)例中，金屬構(gòu)件103和陶瓷構(gòu)件102接合，同時(shí)與陶瓷構(gòu)件102接觸的反應(yīng)層104和與金屬構(gòu)件103接觸的釬焊材料105存在于金屬構(gòu)件103和陶瓷構(gòu)件102之間(例如，參見JP 2001-220253A(在下文中被稱為專利文獻(xiàn)I))。
[0004]在專利文獻(xiàn)I中公開的作為陶瓷-金屬接合結(jié)構(gòu)體的金屬-陶瓷接合結(jié)構(gòu)體100中，金屬構(gòu)件103含有Ni。在金屬-陶瓷接合結(jié)構(gòu)體100中，反應(yīng)層104含有一種或多種類型的選自T1、Zr和Hf的活性金屬。金屬-陶瓷接合結(jié)構(gòu)體100通過第一釬焊步驟和隨后的第二釬焊步驟制造。在第一釬焊步驟中，通過金屬化在陶瓷構(gòu)件102上形成反應(yīng)層104。在第二釬焊步驟，用釬焊材料105將金屬構(gòu)件103和陶瓷構(gòu)件102接合。
[0005]專利文獻(xiàn)I陳述了，抑制了包含活性金屬和Ni的金屬間化合物在金屬-陶瓷接合結(jié)構(gòu)體100的釬焊材料105內(nèi)部形成，并且穩(wěn)定和加強(qiáng)了金屬構(gòu)件103和陶瓷構(gòu)件102之間的接合。
[0006]存在通過使用較小量的釬焊材料形成陶瓷-金屬接合結(jié)構(gòu)體的需求。專利文獻(xiàn)I的制造金屬-陶瓷接合結(jié)構(gòu)體100的方法需要第一釬焊步驟和第二釬焊步驟，并且因此傾向于難以減少用于反應(yīng)層104和釬焊材料105的材料的用量。此外，在專利文獻(xiàn)I的金屬-陶瓷接合結(jié)構(gòu)體100中，當(dāng)減少用于反應(yīng)層104和釬焊材料105的材料的用量時(shí)，釬焊材料105的釬焊縫(fillet)的尺寸可能會(huì)降低，這可能會(huì)導(dǎo)致釬焊材料105的釬焊縫部分地收縮的現(xiàn)象(在下文中被稱為釬焊縫收縮)。在金屬-陶瓷接合結(jié)構(gòu)體100中，當(dāng)釬焊材料105的釬焊縫收縮發(fā)生時(shí)，金屬構(gòu)件103和陶瓷構(gòu)件102之間的接合可靠性可能會(huì)變差。
[0007]發(fā)明概述
[0008]已經(jīng)考慮到以上情況做出了本發(fā)明，并且其一個(gè)目的是提出一種接合可靠性較高的陶瓷-金屬接合結(jié)構(gòu)體以及用于制造它的方法。
[0009]根據(jù)本發(fā)明的陶瓷-金屬接合結(jié)構(gòu)體的第一方面包括:氧化物陶瓷的陶瓷構(gòu)件、主要由Fe制成并且含有Ni并且包括末端的金屬構(gòu)件、在陶瓷構(gòu)件上形成的粘合劑層，接合粘合劑層和金屬構(gòu)件的末端的釬焊材料。粘合劑層包含能夠與氧化物陶瓷反應(yīng)的活性金屬并且具有等于或小于1.5 μπι的厚度。活性金屬和Ni的金屬間化合物存在于釬焊材料的內(nèi)部，從而位于粘合劑層和金屬構(gòu)件的末端之間。
[0010]在與第一方面組合而實(shí)現(xiàn)的根據(jù)本發(fā)明的陶瓷-金屬接合結(jié)構(gòu)體的第二方面中，金屬構(gòu)件由含有等于或小于30重量％的Ni的Fe-Ni合金制成。
[0011]根據(jù)本發(fā)明的用于制造陶瓷-金屬接合結(jié)構(gòu)體的方法的第一方面包括準(zhǔn)備步驟、涂覆步驟、放置步驟和釬焊步驟。在準(zhǔn)備步驟中，準(zhǔn)備了氧化物陶瓷的陶瓷構(gòu)件、包含能夠與氧化物陶瓷反應(yīng)的活性金屬的糊料、主要由Fe制成并且含有Ni的金屬構(gòu)件和包含Ag的金屬材料。在涂覆步驟中，將糊料涂覆至陶瓷構(gòu)件。在放置步驟中，將金屬材料放置在糊料上并且將金屬構(gòu)件的末端放置在金屬材料上。在釬焊步驟中，通過在減壓下加熱，通過使糊料中含有的活性金屬與氧化物陶瓷反應(yīng)而在陶瓷構(gòu)件上形成粘合劑層，以及通過將金屬材料熔化而形成釬焊材料，來將粘合劑層和金屬構(gòu)件的末端接合。
[0012]在與用于制造它的方法的第一方面組合而實(shí)現(xiàn)的根據(jù)本發(fā)明的用于制造陶瓷-金屬接合結(jié)構(gòu)體的方法的第二方面中，糊料含有具有等于或小于10 μπι的平均粒徑的活性金屬的粉末；并且，在涂覆步驟中，將糊料涂覆至陶瓷構(gòu)件從而形成具有等于或小于20 μm的厚度的層。
[0013]在與用于制造它的方法的第一或第二方面組合而實(shí)現(xiàn)的根據(jù)本發(fā)明的用于制造陶瓷-金屬接合結(jié)構(gòu)體的方法的第三方面中，活性金屬是T1、Zr和Hf中的任一種。
[0014]在與用于制造它的方法的第一或第二方面組合而實(shí)現(xiàn)的根據(jù)本發(fā)明的用于制造陶瓷-金屬接合結(jié)構(gòu)體的方法的第四方面中，糊料含有25重量％至35重量％的TiH2。
[0015]在與用于制造它的方法的第一至第四方面中的任一個(gè)組合而實(shí)現(xiàn)的根據(jù)本發(fā)明的用于制造陶瓷-金屬接合結(jié)構(gòu)體的方法的第五方面中，在釬焊步驟中，將糊料和金屬材料在等于或小于10 1Pa的壓力下、在800°C至850°C范圍內(nèi)的溫度加熱。
[0016]在與用于制造的方法的第一至第五方面中的任一個(gè)組合而實(shí)現(xiàn)的根據(jù)本發(fā)明的用于制造陶瓷-金屬接合結(jié)構(gòu)體的方法的第六方面中，在釬焊步驟中，進(jìn)行加熱，從而在釬焊材料內(nèi)部形成活性金屬和來自金屬構(gòu)件的Ni的金屬間化合物，從而使其位于陶瓷構(gòu)件和金屬構(gòu)件之間。
[0017]附圖簡述
[0018]圖1是圖示一個(gè)實(shí)施方案的一種陶瓷-金屬接合結(jié)構(gòu)體的示意性截面圖。
[0019]圖2A至2E分別是解釋用于制造該實(shí)施方案的陶瓷-金屬接合結(jié)構(gòu)體的方法的流程圖。
[0020]圖3是圖示該實(shí)施方案的另一種陶瓷-金屬接合結(jié)構(gòu)體的示意性截面圖。
[0021]圖4是圖示比較例I的陶瓷-金屬接合結(jié)構(gòu)體的示意性截面圖。
[0022]圖5A至5F分別是解釋用于制造比較例I的陶瓷_金屬接合結(jié)構(gòu)體的方法的流程圖。
[0023]圖6是圖示比較例2的陶瓷-金屬接合結(jié)構(gòu)體的示意性截面圖。
[0024]圖7是圖示比較例3的陶瓷-金屬接合結(jié)構(gòu)體的示意性截面圖。
[0025]圖8是圖示常規(guī)金屬-陶瓷接合結(jié)構(gòu)體的放大示意圖。
[0026]實(shí)施方案描述
[0027]將基于圖1描述本實(shí)施方案的一種陶瓷-金屬接合結(jié)構(gòu)體10并且將基于圖2A至2E描述用于制造陶瓷-金屬接合結(jié)構(gòu)體10的方法。注意，在圖中相同構(gòu)件分別由相同的數(shù)字表不。
[0028]在本實(shí)施方案的陶瓷-金屬接合結(jié)構(gòu)體10中，陶瓷構(gòu)件I和金屬構(gòu)件2通過粘合劑層3和釬焊材料4接合，以下將對其進(jìn)行描述。陶瓷構(gòu)件I由氧化物陶瓷制成。金屬構(gòu)件2主要由Fe制成并且含有Ni。換言之，金屬構(gòu)件2主要含有Fe并且還含有Ni。陶瓷-金屬接合結(jié)構(gòu)體10包括在陶瓷構(gòu)件I的表面Iaa上的粘合劑層3，其含有能夠與氧化物陶瓷反應(yīng)的活性金屬，接合陶瓷構(gòu)件I和釬焊材料4，并且具有等于或小于1.5 μπι的厚度。釬焊材料4與粘合劑層3和金屬構(gòu)件2的接合末端2b (末端)接觸。陶瓷-金屬接合結(jié)構(gòu)體10包括活性金屬和Ni的金屬間化合物4al，其存在于釬焊材料4的內(nèi)部從而沿著接合末端2b的邊緣延伸。
[0029]因此，本實(shí)施方案的陶瓷-金屬接合結(jié)構(gòu)體10可以是接合可靠性較高的。
[0030]更具體地，在本實(shí)施方案的陶瓷-金屬接合結(jié)構(gòu)體10中，使用氧化物陶瓷作為陶瓷構(gòu)件I的材料。氧化物陶瓷可以是具有含量以百分?jǐn)?shù)計(jì)為92%的氧化鋁(Al2O3)的陶瓷材料。注意，本實(shí)施方案的陶瓷構(gòu)件I可以含有氧化鋁并且還含有氧化硅、氧化鈣、氧化鎂、氧化鋇、氧化硼、氧化鋯等，其可以來自用于作為陶瓷構(gòu)件I的基礎(chǔ)的坯料板(green sheet)(未示出)的燒結(jié)添加劑。含有Ti作為活性金屬的粘合劑層3在陶瓷構(gòu)件I的表面Iaa上形成。粘合劑層3含有能夠與氧化物陶瓷反應(yīng)的活性金屬。具有等于或小于1.5 μπι的厚度的粘合劑層3在陶瓷構(gòu)件I的表面Iaa上形成。在本實(shí)施方案的陶瓷_金屬接合結(jié)構(gòu)體10中，例如，具有I μπι的厚度的粘合劑層3在陶瓷構(gòu)件I的表面Iaa上形成。注意，對于陶瓷-金屬接合結(jié)構(gòu)體10來說，例如，可以利用電子探針微分析儀(EPMA)、能量色散X射線分析儀(EDX)等來測量粘合劑層3的厚度。
[0031]主要由Fe制成并且含有Ni的金屬材料用于金屬構(gòu)件2的材料。在本實(shí)施方案中，將含有等于或小于30重量％的Ni的Fe-Ni合金用于金屬構(gòu)件2。換言之，優(yōu)選的是，金屬構(gòu)件2由含有等于或小于30重量％的Ni的Fe-Ni合金制成。金屬構(gòu)件2可以由Fe-N1-Co合金制成。金屬構(gòu)件2的Fe-N1-Co合金可以是，例如，含有53.5重量％的Fe、29重量％的N1、17重量％的Co、0.2重量％的Si和0.3重量％的Mn的合金。當(dāng)從橫截面的角度來看時(shí)，通過壓制方法等將金屬構(gòu)件2的接合末端2b形成為向陶瓷構(gòu)件I突出的凸起形狀。在本實(shí)施方案的陶瓷-金屬接合結(jié)構(gòu)體10中，當(dāng)從橫截面的角度來看時(shí)，使陶瓷構(gòu)件I大于金屬構(gòu)件2的接合末端2b。
[0032]在陶瓷-金屬接合結(jié)構(gòu)體10中，將粘合劑層3和金屬構(gòu)件2的接合末端2b用釬焊材料4接合。也就是說，陶瓷構(gòu)件I和金屬構(gòu)件2用釬焊材料4和粘合劑層3接合。在本實(shí)施方案中，釬焊材料4含有Ag。釬焊材料4的材料可以是銀焊料，其為作為Ag-Cu合金的Ag-Cu系合金。作為Ag-Cu系合金的銀焊料可以是JIS-Z3261的銀焊料(BAg-8(Ag: Cu=18: 7)) ο陶瓷-金屬接合結(jié)構(gòu)體10包括在釬焊材料4內(nèi)部并且在金屬構(gòu)件2的接合末端2b和陶瓷構(gòu)件I的表面Iaa之間的金屬間化合物4al。金屬間化合物4al是，例如，由在釬焊材料4內(nèi)部偏析的作為活性金屬的Ti和在金屬構(gòu)件2中的Ni構(gòu)成的金屬的偏析層。在陶瓷-金屬接合結(jié)構(gòu)體10中，釬焊材料4與粘合劑層3和金屬構(gòu)件2的接合末端2b的邊緣接觸，同時(shí)金屬間化合物4al沿著金屬構(gòu)件2的接合末端2b的邊緣延伸。也就是說，在陶瓷-金屬接合結(jié)構(gòu)體10中，陶瓷構(gòu)件I和金屬構(gòu)件2通過粘合劑