陶瓷-金屬接合結構體以及用于制造它的方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及陶瓷-金屬接合結構體以及用于制造它的方法。
【背景技術】
[0002]陶瓷-金屬接合結構體已經用于多種領域，所述陶瓷-金屬接合結構體包括彼此釬焊的陶瓷材料的陶瓷構件和金屬材料的金屬構件。陶瓷-金屬接合結構體，例如，可以用于電磁繼電器、真空開關、和電子組件的外殼。
[0003]圖8示出了這種陶瓷-金屬接合結構體的一個已知實例，并且在這個實例中，金屬構件103和陶瓷構件102接合，同時與陶瓷構件102接觸的反應層104和與金屬構件103接觸的釬焊材料105存在于金屬構件103和陶瓷構件102之間(例如，參見JP 2001-220253A(在下文中被稱為專利文獻I))。
[0004]在專利文獻I中公開的作為陶瓷-金屬接合結構體的金屬-陶瓷接合結構體100中，金屬構件103含有Ni。在金屬-陶瓷接合結構體100中，反應層104含有一種或多種類型的選自T1、Zr和Hf的活性金屬。金屬-陶瓷接合結構體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件102上形成反應層104。在第二釬焊步驟，用釬焊材料105將金屬構件103和陶瓷構件102接合。
[0005]專利文獻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-陶瓷接合結構體100的釬焊材料105內部形成，并且穩(wěn)定和加強了金屬構件103和陶瓷構件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-金屬接合結構體的需求。專利文獻I的制造金屬-陶瓷接合結構體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層104和釬焊材料105的材料的用量。此外，在專利文獻I的金屬-陶瓷接合結構體100中，當減少用于反應層104和釬焊材料105的材料的用量時，釬焊材料105的釬焊縫(fillet)的尺寸可能會降低，這可能會導致釬焊材料105的釬焊縫部分地收縮的現象(在下文中被稱為釬焊縫收縮)。在金屬-陶瓷接合結構體100中，當釬焊材料105的釬焊縫收縮發(fā)生時，金屬構件103和陶瓷構件102之間的接合可靠性可能會變差。
[0007]發(fā)明概述
[0008]已經考慮到以上情況做出了本發(fā)明，并且其一個目的是提出一種接合可靠性較高的陶瓷-金屬接合結構體以及用于制造它的方法。
[0009]根據本發(fā)明的陶瓷-金屬接合結構體的第一方面包括:氧化物陶瓷的陶瓷構件、主要由Fe制成并且含有Ni并且包括末端的金屬構件、在陶瓷構件上形成的粘合劑層，接合粘合劑層和金屬構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部，從而位于粘合劑層和金屬構件的末端之間。
[0010]在與第一方面組合而實現的根據本發(fā)明的陶瓷-金屬接合結構體的第二方面中，金屬構件由含有等于或小于30重量％的Ni的Fe-Ni合金制成。
[0011]根據本發(fā)明的用于制造陶瓷-金屬接合結構體的方法的第一方面包括準備步驟、涂覆步驟、放置步驟和釬焊步驟。在準備步驟中，準備了氧化物陶瓷的陶瓷構件、包含能夠與氧化物陶瓷反應的活性金屬的糊料、主要由Fe制成并且含有Ni的金屬構件和包含Ag的金屬材料。在涂覆步驟中，將糊料涂覆至陶瓷構件。在放置步驟中，將金屬材料放置在糊料上并且將金屬構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而在陶瓷構件上形成粘合劑層，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現的根據本發(fā)明的用于制造陶瓷-金屬接合結構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現的根據本發(fā)明的用于制造陶瓷-金屬接合結構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現的根據本發(fā)明的用于制造陶瓷-金屬接合結構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組合而實現的根據本發(fā)明的用于制造陶瓷-金屬接合結構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組合而實現的根據本發(fā)明的用于制造陶瓷-金屬接合結構體的方法的第六方面中，在釬焊步驟中，進行加熱，從而在釬焊材料內部形成活性金屬和來自金屬構件的Ni的金屬間化合物，從而使其位于陶瓷構件和金屬構件之間。
[0017]附圖簡述
[0018]圖1是圖示一個實施方案的一種陶瓷-金屬接合結構體的示意性截面圖。
[0019]圖2A至2E分別是解釋用于制造該實施方案的陶瓷-金屬接合結構體的方法的流程圖。
[0020]圖3是圖示該實施方案的另一種陶瓷-金屬接合結構體的示意性截面圖。
[0021]圖4是圖示比較例I的陶瓷-金屬接合結構體的示意性截面圖。
[0022]圖5A至5F分別是解釋用于制造比較例I的陶瓷_金屬接合結構體的方法的流程圖。
[0023]圖6是圖示比較例2的陶瓷-金屬接合結構體的示意性截面圖。
[0024]圖7是圖示比較例3的陶瓷-金屬接合結構體的示意性截面圖。
[0025]圖8是圖示常規(guī)金屬-陶瓷接合結構體的放大示意圖。
[0026]實施方案描述
[0027]將基于圖1描述本實施方案的一種陶瓷-金屬接合結構體10并且將基于圖2A至2E描述用于制造陶瓷-金屬接合結構體10的方法。注意，在圖中相同構件分別由相同的數字表不。
[0028]在本實施方案的陶瓷-金屬接合結構體10中，陶瓷構件I和金屬構件2通過粘合劑層3和釬焊材料4接合，以下將對其進行描述。陶瓷構件I由氧化物陶瓷制成。金屬構件2主要由Fe制成并且含有Ni。換言之，金屬構件2主要含有Fe并且還含有Ni。陶瓷-金屬接合結構體10包括在陶瓷構件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的活性金屬，接合陶瓷構件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和金屬構件2的接合末端2b (末端)接觸。陶瓷-金屬接合結構體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的內部從而沿著接合末端2b的邊緣延伸。
[0029]因此，本實施方案的陶瓷-金屬接合結構體10可以是接合可靠性較高的。
[0030]更具體地，在本實施方案的陶瓷-金屬接合結構體10中，使用氧化物陶瓷作為陶瓷構件I的材料。氧化物陶瓷可以是具有含量以百分數計為92%的氧化鋁(Al2O3)的陶瓷材料。注意，本實施方案的陶瓷構件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件I的基礎的坯料板(green sheet)(未示出)的燒結添加劑。含有Ti作為活性金屬的粘合劑層3在陶瓷構件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在陶瓷構件I的表面Iaa上形成。在本實施方案的陶瓷_金屬接合結構體10中，例如，具有I μπι的厚度的粘合劑層3在陶瓷構件I的表面Iaa上形成。注意，對于陶瓷-金屬接合結構體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件2的材料。在本實施方案中，將含有等于或小于30重量％的Ni的Fe-Ni合金用于金屬構件2。換言之，優(yōu)選的是，金屬構件2由含有等于或小于30重量％的Ni的Fe-Ni合金制成。金屬構件2可以由Fe-N1-Co合金制成。金屬構件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。當從橫截面的角度來看時，通過壓制方法等將金屬構件2的接合末端2b形成為向陶瓷構件I突出的凸起形狀。在本實施方案的陶瓷-金屬接合結構體10中，當從橫截面的角度來看時，使陶瓷構件I大于金屬構件2的接合末端2b。
[0032]在陶瓷-金屬接合結構體10中，將粘合劑層3和金屬構件2的接合末端2b用釬焊材料4接合。也就是說，陶瓷構件I和金屬構件2用釬焊材料4和粘合劑層3接合。在本實施方案中，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-金屬接合結構體10包括在釬焊材料4內部并且在金屬構件2的接合末端2b和陶瓷構件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內部偏析的作為活性金屬的Ti和在金屬構件2中的Ni構成的金屬的偏析層。在陶瓷-金屬接合結構體10中，釬焊材料4與粘合劑層3和金屬構件2的接合末端2b的邊緣接觸，同時金屬間化合物4al沿著金屬構件2的接合末端2b的邊緣延伸。也就是說，在陶瓷-金屬接合結構體10中，陶瓷構件I和金屬構件2通過粘合劑