JP3095187B2 - Brazing filler metal for metal / ceramics - Google Patents
- ️Tue Oct 03 2000
【０００１】[0001]
【産業上の利用分野】本発明は、電子機器、機械構造な
どに好適なセラミックス部材（好ましくはアルミナ部
材）と金属部材（好ましくは銅部材）とを接合する際に
使用する低融点ろう材に関するものである。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a low melting point brazing material used for joining a ceramic member (preferably an alumina member) and a metal member (preferably a copper member) suitable for electronic equipment and mechanical structures. Things.
【０００２】[0002]
【従来の技術】セラミックスを金属、あるいは他のセラ
ミックスと接合させる方法として、金属ろう接法はよく
知られている。この方法は、セラミックスと金属、ある
いはセラミックス同士の間に金属ろう材を挟み、真空あ
るいは不活性雰囲気中で、金属ろう材の融点以上の温度
まで加熱することにより、セラミックスと金属あるいは
セラミックス同士を接合させる方法である。2. Description of the Related Art As a method for joining ceramics to metal or other ceramics, a metal brazing method is well known. In this method, a ceramic brazing material is sandwiched between ceramics and a metal or between ceramics, and heated to a temperature equal to or higher than the melting point of the brazing metal in a vacuum or inert atmosphere to join the ceramics to the metal or ceramics. It is a way to make it.
【０００３】一方、特公昭６０−４１５４号「セラミッ
クスからなる基体に銅部材を結合する方法」には、アル
ミナ部材と銅部材とを接合する方法としてＣｕ−Ｏ２元
素系共晶反応を利用することが開示されている。この方
法では、銅部材中に酸素を最初から含ませるか、銅部材
の接合面を空気中において予備酸化するか、銅およびア
ルミナの接合面に亜酸化銅（Ｃｕ2 Ｏ）を塗布するなど
の方法によって、接合する際に銅とアルミナとの接合界
面部分に共晶成分の低融点液を形成させ、２つの部材を
接合する。On the other hand, Japanese Patent Publication No. 60-4154 discloses a method of bonding a copper member to a substrate made of ceramics, which utilizes a Cu-O2 element eutectic reaction as a method of bonding an alumina member and a copper member. Is disclosed. In this method, oxygen is included in the copper member from the beginning, the bonding surface of the copper member is pre-oxidized in the air, or cuprous oxide (Cu 2 O) is applied to the bonding surface of copper and alumina. According to the method, a low melting point liquid of a eutectic component is formed at a joint interface between copper and alumina at the time of joining, and the two members are joined.
【０００４】しかしながら、Ｃｕ−Ｏの共晶温度と銅の
融点との温度差は18℃しかなく、かつ銅の過酸化を防ぐ
ために接合は殆どＣｕ−Ｏ系亜共晶成分の範囲内で行う
ため、実際の接合温度は銅の融点に非常に近いので、工
業的に応用するときに温度の調整は行い難く、また接合
体の強度も比較的低いという欠点があった。これらの欠
点を補うために、従来Ａｇ−Ｃｕ−Ｔｉ系合金ろう材を
用いるろう接法も用いられていたが、ろう材に貴金属の
Ａｇを多く使うため、ろう接工程が高価になるという欠
点を有していた。[0004] However, the temperature difference between the eutectic temperature of Cu-O and the melting point of copper is only 18 ° C, and the bonding is performed almost within the range of Cu-O-based hypoeutectic components in order to prevent the peroxidation of copper. Therefore, since the actual bonding temperature is very close to the melting point of copper, it is difficult to adjust the temperature when industrially applied, and the strength of the bonded body is relatively low. Conventionally, a brazing method using an Ag-Cu-Ti alloy brazing material has been used to compensate for these disadvantages. However, since a large amount of precious metal Ag is used for the brazing material, the brazing process is expensive. Had.
【０００５】近年、上述の欠点を解消するため低価格の
ろう材に関する研究は多く行われている。特にセラミッ
クスと反応しやすい合金元素としてのＴｉを含むＣｕ−
Ｔｉ系活性金属ろう材に関しては、ろう材の液相線の温
度を低くし、低温においてアルミナ接合部材に対するろ
う材の濡れ性を改良するために、Ｃｕ−Ｔｉ系合金ろう
材にさらにＳｎを添加する試みがなされている (M. Nic
holas, Fundamentalsof Diffusion Bonding, Ed. Y. Is
hida, Elsevier SciencePublishers B. V.,1987, p.25)
。In recent years, much research has been conducted on low-cost brazing filler metals in order to solve the above-mentioned disadvantages. In particular, Cu- containing Ti as an alloying element that easily reacts with ceramics
Regarding the Ti-based active metal brazing material, Sn is further added to the Cu-Ti-based alloy brazing material in order to lower the liquidus temperature of the brazing material and improve the wettability of the brazing material to the alumina joining member at a low temperature. (M. Nic
holas, Fundamentalsof Diffusion Bonding, Ed.Y. Is
hida, Elsevier Science Publishers BV, 1987, p. 25)
.
【０００６】この場合においても、後述の比較例にも見
られるように、Ｓｎの添加量にも限度があり添加量が多
すぎると逆にろうの濡れ性を低下させ、ろう接するとき
に母材の銅を溶かし、ろう接体の強度を低下することが
判明し、何らかの改善が望まれていた。In this case, too, as can be seen in the comparative examples described below, the amount of Sn added is limited, and if the amount is too large, the wettability of the solder is reduced, and the base material when brazing is used. Has been found to melt copper and lower the strength of the brazed body, and some improvement has been desired.
【０００７】[0007]
【発明が解決しようとする課題】上述のように、アルミ
ナ部材と銅部材との接合において価格の安いＣｕ−Ｔｉ
−Ｓｎ系合金をろう材として工業的に利用しても、アル
ミナに対する濡れ性が悪く、また接合強度が弱いという
問題があった。したがって、Ｃｕ−Ｔｉ−Ｓｎ系合金の
特性を維持しつつ、濡れ性がよく、また低温でろう接が
できる合金ろう材が得られるような合金元素の添加によ
りＣｕ系ろう材を改質して信頼性の高いろう接体がつく
れるようにする必要があった。As described above, in joining an alumina member and a copper member, Cu-Ti is inexpensive.
Even if the -Sn alloy is industrially used as a brazing material, there is a problem that wettability to alumina is poor and bonding strength is low. Therefore, while maintaining the properties of the Cu-Ti-Sn-based alloy, the Cu-based brazing material is modified by adding an alloying element to obtain an alloy brazing material having good wettability and brazing at a low temperature. It was necessary to make a reliable brazing body.
【０００８】[0008]
【課題を解決するための手段】本発明者は、斯る課題を
解決するために鋭意研究したところ、Ｃｕ−28wt％Ｔ
ｉ、Ｔｉ−28.5wt％Ｎｉ共晶合金の低温共晶反応に着目
し、共晶組成に近いＣｕ−Ｔｉ２元合金に、Ｎｉおよび
低融点のＳｎを添加したＣｕ−Ｓｎ−Ｔｉ−Ｎｉ４元系
低温ろう材を開発でき、本発明を提供することができ
た。Means for Solving the Problems The inventor of the present invention has made intensive studies to solve the above problems, and found that Cu-28wt% T
i, Focusing on the low-temperature eutectic reaction of Ti-28.5wt% Ni eutectic alloy, Cu-Sn-Ti-Ni quaternary system in which Ni and low melting point Sn are added to Cu-Ti binary alloy close to eutectic composition A low-temperature brazing material could be developed, and the present invention could be provided.
【０００９】すなわち本発明は、Ｓｎを30〜40wt％、Ｔ
ｉを10〜20wt％、Ｎｉを 3〜10wt％含み、残部はＣｕと
不可避的不純物からなることを特徴とする新しいＣｕ−
Ｔｉ−Ｓｎ−Ｎｉ４元系合金ろう材を提供するものであ
る。That is, according to the present invention, 30 to 40 wt% of Sn, T
a new Cu— containing 10 to 20 wt% of i, 3 to 10 wt% of Ni, and the balance consisting of Cu and unavoidable impurities.
An object of the present invention is to provide a Ti-Sn-Ni quaternary alloy brazing material.
【００１０】[0010]
【作用】本発明者の研究によれば、比較例に示すように
共晶Ｃｕ−Ｔｉ２元合金にＳｎを添加してつくった従来
のろう材では、液相線と固相線温度が低くなり、ろう接
温度は低くなるが、Ｓｎの添加量が比較例２に示すよう
に多くなると、アルミナに対するろう材の濡れ性が逆に
悪化し、接合体の強度が低下することが判明し、これに
よりＳｎの添加量を30〜40wt％の範囲とした。According to the study of the present inventor, as shown in the comparative example, in the conventional brazing material made by adding Sn to the eutectic Cu-Ti binary alloy, the liquidus and solidus temperatures are lowered. Although the brazing temperature was lowered, it was found that when the added amount of Sn was increased as shown in Comparative Example 2, the wettability of the brazing material to alumina was adversely deteriorated, and the strength of the joined body was lowered. Thus, the amount of Sn added was in the range of 30 to 40 wt%.
【００１１】さらに上記Ｃｕ−Ｔｉ−Ｓｎ３元系ろう材
にＮｉを 3〜10wt％添加してつくった新規なＣｕ−Ｓｎ
−Ｔｉ−Ｎｉ４元合金ろうを用いて銅とアルミナとの接
合体を作製し、ろう接の効果を調べたところ、低いろう
接温度で強い接合体をつくることができた。Further, a novel Cu-Sn prepared by adding 3 to 10% by weight of Ni to the above-mentioned Cu-Ti-Sn ternary brazing material.
A joined body of copper and alumina was prepared using a -Ti-Ni quaternary alloy braze, and the effect of brazing was examined. As a result, a strong joined body could be formed at a low brazing temperature.
【００１２】以下、実施例をもって本発明を詳細に説明
する。Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to examples.
【００１３】[0013]
【実施例】表１のろう材Ａに示す組成を有する本発明合
金を溶製したものを粉砕して、大きさ 100μｍ以下の粉
末状ろう材とした。ろう接するときに直径13mm、高さ 5
mmのアルミナ円盤を真空チャンバー内で、加熱装置中心
部にある台の上にセットし、その上に上記ろう材Ａを約
30mg載せて、直径10mm、高さ10mmの銅の円柱体を重ね置
いた。EXAMPLE An alloy of the present invention having the composition shown in brazing material A in Table 1 was melted and pulverized to obtain a powdery brazing material having a size of 100 μm or less. 13mm in diameter when brazing, height 5
mm alumina disk was set on a table in the center of the heating device in a vacuum chamber, and the brazing material A was placed on it.
30 mg was placed, and copper cylinders having a diameter of 10 mm and a height of 10 mm were stacked.
【００１４】[0014]
【表１】 [Table 1]
【００１５】ろう接は 5×10-5torrの真空中、圧力0.75
ＭPa、加熱および冷却速度20℃/min、保持温度 923Ｋ〜
1173Ｋ、保持時間10分間の条件で行った。このようにろ
う接した接合体を図１に示す治具で剪断強度を測定し、
その結果を図２に示した。The soldering is performed in a vacuum of 5 × 10 -5 torr at a pressure of 0.75.
MPa, heating and cooling rate 20 ℃ / min, holding temperature 923K ～
The test was performed at 1173K for 10 minutes. The joint strength thus brazed was measured for shear strength with a jig shown in FIG.
The result is shown in FIG.
【００１６】[0016]
【比較例】表１のろう材Ｂ、Ｃに示す２種類のＣｕ−Ｔ
ｉ−Ｓｎ３元合金ろう材を実施例に示す方法で作製して
ろう接体をつくり、剪断強度を同様に測定した。その結
果を図２に併せて示した。Comparative Example Two types of Cu-T shown in brazing materials B and C in Table 1.
An i-Sn ternary alloy brazing material was prepared by the method shown in the example to form a brazed body, and the shear strength was measured in the same manner. The results are also shown in FIG.
【００１７】図２からわかるように、Ｓｎ含有量の高い
ろう材Ｃ（比較品２）でろう接した接合体では 973Ｋで
既に 100ＭPaの剪断強度が得られており、1023Ｋ以上で
は 170ＭPaとなっているが、Ｓｎ含有量の少ないのろう
材Ｂ（比較品１）に比べると、アルミナに対する濡れ性
が悪く、1023Ｋ以上の温度でろう接を行う場合、母材の
銅をかなり溶かしてしまい、良好な接合体が得られない
上、最大剪断強度も20ＭPa程度低いことがわかった。As can be seen from FIG. 2, in the joined body brazed with the brazing material C having a high Sn content (comparative product 2), a shear strength of 100 MPa was already obtained at 973 K, and 170 MPa at or above 1023 K. However, when compared with the brazing material B having a small Sn content (Comparative product 1), the wettability to alumina is poor, and when brazing is performed at a temperature of 1023K or more, the copper of the base material is considerably melted, which is favorable. It was found that a perfect bonded body could not be obtained and the maximum shear strength was low by about 20 MPa.
【００１８】さらに比較品１のろう材ＢにＮｉを 6wt％
添加し、その分Ｃｕを減らすことによって液相線を20Ｋ
低下させた本発明品ろう材Ａを用いてろう接した場合、
ろう接開始温度は50℃低くなり、1123Ｋでのろう接強度
は 200ＭPaに達することが明らかとなった。この接合強
度は銅の剪断強度に匹敵する値であり、接合強度がかな
り強いことが理解できる。Further, 6% by weight of Ni was added to brazing material B of comparative product 1.
To reduce the liquidus line by 20K
When brazing is performed using the reduced brazing material A of the present invention,
It became clear that the brazing start temperature was lowered by 50 ° C. and the brazing strength at 1123 K reached 200 MPa. This bonding strength is a value comparable to the shear strength of copper, and it can be understood that the bonding strength is considerably high.
【００１９】[0019]
【発明の効果】上述のように、本発明によれば安価なＣ
ｕ−Ｓｎ−Ｔｉ−Ｎｉ合金ろう材を用いるろう接によっ
て母材銅の剪断強度に匹敵する強度を持つ高強度アルミ
ナ／銅接合体を作製することができるものである。As described above, according to the present invention, inexpensive C
A high-strength alumina / copper joint having a strength comparable to the shear strength of the base copper can be produced by brazing using a u-Sn-Ti-Ni alloy brazing material.
【図１】アルミナ／銅ろう接体および剪断強度を測定す
るための治具を例示する図である。FIG. 1 is a diagram illustrating an alumina / copper brazing body and a jig for measuring shear strength.
【図２】ろう接温度とろう接強度との関係を示す図であ
る。FIG. 2 is a diagram showing a relationship between brazing temperature and brazing strength.
１ アルミナ／銅ろう接体 ２ 剪断試験治具 ３ 位置調整ねじ DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Alumina / copper brazing body 2 Shear test jig 3 Position adjustment screw
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭60−127092（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−112095（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−201070（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−95893（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−136605（ＪＰ，Ａ) 特開 昭59−223279（ＪＰ，Ａ) 特開 昭59−126739（ＪＰ，Ａ) 特公 昭46−10932（ＪＰ，Ｂ１) 米国特許4426033（ＵＳ，Ａ) 米国特許4643875（ＵＳ，Ａ) 米国特許4661416（ＵＳ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) C04B 37/02 C22C 9/02 B23K 35/30 310 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continuation of front page (56) References JP-A-60-127092 (JP, A) JP-A-63-112095 (JP, A) JP-A-63-201070 (JP, A) JP-A-1- 95893 (JP, A) JP-A-1-136605 (JP, A) JP-A-59-223279 (JP, A) JP-A-59-126739 (JP, A) JP-B-46-10932 (JP, B1) U.S. Pat. No. 4,460,833 (US, A) U.S. Pat. No. 4,664,875 (US, A) U.S. Pat. No. 4,661,416 (US, A) (58) Fields investigated (Int. Cl. 7 , DB name) C04B 37/02 C22C 9/02 B23K 35 / 30 310