陶瓷-金属接合结构体以及用于制造它的方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及陶瓷-金属接合结构体以及用于制造它的方法。
【背景技术】
[0002]陶瓷-金属接合结构体已经用于多种领域，所述陶瓷-金属接合结构体包括彼此钎焊的陶瓷材料的陶瓷构件和金属材料的金属构件。陶瓷-金属接合结构体，例如，可以用于电磁继电器、真空开关、和电子组件的外壳。
[0003]图8示出了这种陶瓷-金属接合结构体的一个已知实例，并且在这个实例中，金属构件103和陶瓷构件102接合，同时与陶瓷构件102接触的反应层104和与金属构件103接触的钎焊材料105存在于金属构件103和陶瓷构件102之间(例如，参见JP 2001-220253A(在下文中被称为专利文献I))。
[0004]在专利文献I中公开的作为陶瓷-金属接合结构体的金属-陶瓷接合结构体100中，金属构件103含有Ni。在金属-陶瓷接合结构体100中，反应层104含有一种或多种类型的选自T1、Zr和Hf的活性金属。金属-陶瓷接合结构体100通过第一钎焊步骤和随后的第二钎焊步骤制造。在第一钎焊步骤中，通过金属化在陶瓷构件102上形成反应层104。在第二钎焊步骤，用钎焊材料105将金属构件103和陶瓷构件102接合。
[0005]专利文献I陈述了，抑制了包含活性金属和Ni的金属间化合物在金属-陶瓷接合结构体100的钎焊材料105内部形成，并且稳定和加强了金属构件103和陶瓷构件102之间的接合。
[0006]存在通过使用较小量的钎焊材料形成陶瓷-金属接合结构体的需求。专利文献I的制造金属-陶瓷接合结构体100的方法需要第一钎焊步骤和第二钎焊步骤，并且因此倾向于难以减少用于反应层104和钎焊材料105的材料的用量。此外，在专利文献I的金属-陶瓷接合结构体100中，当减少用于反应层104和钎焊材料105的材料的用量时，钎焊材料105的钎焊缝(fillet)的尺寸可能会降低，这可能会导致钎焊材料105的钎焊缝部分地收缩的现象(在下文中被称为钎焊缝收缩)。在金属-陶瓷接合结构体100中，当钎焊材料105的钎焊缝收缩发生时，金属构件103和陶瓷构件102之间的接合可靠性可能会变差。
[0007]发明概述
[0008]已经考虑到以上情况做出了本发明，并且其一个目的是提出一种接合可靠性较高的陶瓷-金属接合结构体以及用于制造它的方法。
[0009]根据本发明的陶瓷-金属接合结构体的第一方面包括:氧化物陶瓷的陶瓷构件、主要由Fe制成并且含有Ni并且包括末端的金属构件、在陶瓷构件上形成的粘合剂层，接合粘合剂层和金属构件的末端的钎焊材料。粘合剂层包含能够与氧化物陶瓷反应的活性金属并且具有等于或小于1.5 μπι的厚度。活性金属和Ni的金属间化合物存在于钎焊材料的内部，从而位于粘合剂层和金属构件的末端之间。
[0010]在与第一方面组合而实现的根据本发明的陶瓷-金属接合结构体的第二方面中，金属构件由含有等于或小于30重量％的Ni的Fe-Ni合金制成。
[0011]根据本发明的用于制造陶瓷-金属接合结构体的方法的第一方面包括准备步骤、涂覆步骤、放置步骤和钎焊步骤。在准备步骤中，准备了氧化物陶瓷的陶瓷构件、包含能够与氧化物陶瓷反应的活性金属的糊料、主要由Fe制成并且含有Ni的金属构件和包含Ag的金属材料。在涂覆步骤中，将糊料涂覆至陶瓷构件。在放置步骤中，将金属材料放置在糊料上并且将金属构件的末端放置在金属材料上。在钎焊步骤中，通过在减压下加热，通过使糊料中含有的活性金属与氧化物陶瓷反应而在陶瓷构件上形成粘合剂层，以及通过将金属材料熔化而形成钎焊材料，来将粘合剂层和金属构件的末端接合。
[0012]在与用于制造它的方法的第一方面组合而实现的根据本发明的用于制造陶瓷-金属接合结构体的方法的第二方面中，糊料含有具有等于或小于10 μπι的平均粒径的活性金属的粉末；并且，在涂覆步骤中，将糊料涂覆至陶瓷构件从而形成具有等于或小于20 μm的厚度的层。
[0013]在与用于制造它的方法的第一或第二方面组合而实现的根据本发明的用于制造陶瓷-金属接合结构体的方法的第三方面中，活性金属是T1、Zr和Hf中的任一种。
[0014]在与用于制造它的方法的第一或第二方面组合而实现的根据本发明的用于制造陶瓷-金属接合结构体的方法的第四方面中，糊料含有25重量％至35重量％的TiH2。
[0015]在与用于制造它的方法的第一至第四方面中的任一个组合而实现的根据本发明的用于制造陶瓷-金属接合结构体的方法的第五方面中，在钎焊步骤中，将糊料和金属材料在等于或小于10 1Pa的压力下、在800°C至850°C范围内的温度加热。
[0016]在与用于制造的方法的第一至第五方面中的任一个组合而实现的根据本发明的用于制造陶瓷-金属接合结构体的方法的第六方面中，在钎焊步骤中，进行加热，从而在钎焊材料内部形成活性金属和来自金属构件的Ni的金属间化合物，从而使其位于陶瓷构件和金属构件之间。
[0017]附图简述
[0018]图1是图示一个实施方案的一种陶瓷-金属接合结构体的示意性截面图。
[0019]图2A至2E分别是解释用于制造该实施方案的陶瓷-金属接合结构体的方法的流程图。
[0020]图3是图示该实施方案的另一种陶瓷-金属接合结构体的示意性截面图。
[0021]图4是图示比较例I的陶瓷-金属接合结构体的示意性截面图。
[0022]图5A至5F分别是解释用于制造比较例I的陶瓷_金属接合结构体的方法的流程图。
[0023]图6是图示比较例2的陶瓷-金属接合结构体的示意性截面图。
[0024]图7是图示比较例3的陶瓷-金属接合结构体的示意性截面图。
[0025]图8是图示常规金属-陶瓷接合结构体的放大示意图。
[0026]实施方案描述
[0027]将基于图1描述本实施方案的一种陶瓷-金属接合结构体10并且将基于图2A至2E描述用于制造陶瓷-金属接合结构体10的方法。注意，在图中相同构件分别由相同的数字表不。
[0028]在本实施方案的陶瓷-金属接合结构体10中，陶瓷构件I和金属构件2通过粘合剂层3和钎焊材料4接合，以下将对其进行描述。陶瓷构件I由氧化物陶瓷制成。金属构件2主要由Fe制成并且含有Ni。换言之，金属构件2主要含有Fe并且还含有Ni。陶瓷-金属接合结构体10包括在陶瓷构件I的表面Iaa上的粘合剂层3，其含有能够与氧化物陶瓷反应的活性金属，接合陶瓷构件I和钎焊材料4，并且具有等于或小于1.5 μπι的厚度。钎焊材料4与粘合剂层3和金属构件2的接合末端2b (末端)接触。陶瓷-金属接合结构体10包括活性金属和Ni的金属间化合物4al，其存在于钎焊材料4的内部从而沿着接合末端2b的边缘延伸。
[0029]因此，本实施方案的陶瓷-金属接合结构体10可以是接合可靠性较高的。
[0030]更具体地，在本实施方案的陶瓷-金属接合结构体10中，使用氧化物陶瓷作为陶瓷构件I的材料。氧化物陶瓷可以是具有含量以百分数计为92%的氧化铝(Al2O3)的陶瓷材料。注意，本实施方案的陶瓷构件I可以含有氧化铝并且还含有氧化硅、氧化钙、氧化镁、氧化钡、氧化硼、氧化锆等，其可以来自用于作为陶瓷构件I的基础的坯料板(green sheet)(未示出)的烧结添加剂。含有Ti作为活性金属的粘合剂层3在陶瓷构件I的表面Iaa上形成。粘合剂层3含有能够与氧化物陶瓷反应的活性金属。具有等于或小于1.5 μπι的厚度的粘合剂层3在陶瓷构件I的表面Iaa上形成。在本实施方案的陶瓷_金属接合结构体10中，例如，具有I μπι的厚度的粘合剂层3在陶瓷构件I的表面Iaa上形成。注意，对于陶瓷-金属接合结构体10来说，例如，可以利用电子探针微分析仪(EPMA)、能量色散X射线分析仪(EDX)等来测量粘合剂层3的厚度。
[0031]主要由Fe制成并且含有Ni的金属材料用于金属构件2的材料。在本实施方案中，将含有等于或小于30重量％的Ni的Fe-Ni合金用于金属构件2。换言之，优选的是，金属构件2由含有等于或小于30重量％的Ni的Fe-Ni合金制成。金属构件2可以由Fe-N1-Co合金制成。金属构件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。当从横截面的角度来看时，通过压制方法等将金属构件2的接合末端2b形成为向陶瓷构件I突出的凸起形状。在本实施方案的陶瓷-金属接合结构体10中，当从横截面的角度来看时，使陶瓷构件I大于金属构件2的接合末端2b。
[0032]在陶瓷-金属接合结构体10中，将粘合剂层3和金属构件2的接合末端2b用钎焊材料4接合。也就是说，陶瓷构件I和金属构件2用钎焊材料4和粘合剂层3接合。在本实施方案中，钎焊材料4含有Ag。钎焊材料4的材料可以是银焊料，其为作为Ag-Cu合金的Ag-Cu系合金。作为Ag-Cu系合金的银焊料可以是JIS-Z3261的银焊料(BAg-8(Ag: Cu=18: 7)) ο陶瓷-金属接合结构体10包括在钎焊材料4内部并且在金属构件2的接合末端2b和陶瓷构件I的表面Iaa之间的金属间化合物4al。金属间化合物4al是，例如，由在钎焊材料4内部偏析的作为活性金属的Ti和在金属构件2中的Ni构成的金属的偏析层。在陶瓷-金属接合结构体10中，钎焊材料4与粘合剂层3和金属构件2的接合末端2b的边缘接触，同时金属间化合物4al沿着金属构件2的接合末端2b的边缘延伸。也就是说，在陶瓷-金属接合结构体10中，陶瓷构件I和金属构件2通过粘合剂