1. ろう付け性
セラミックとセラミック、セラミックと金属部品のろう付けは困難です。ほとんどのはんだはセラミック表面でボール状になり、濡れ性がほとんどないか全くありません。セラミックを濡らすことができるろう材は、ろう付け時に接合界面に様々な脆性化合物（炭化物、ケイ化物、三元化合物または多元化合物など）を形成しやすく、これらの化合物の存在は接合部の機械的特性に影響を与えます。さらに、セラミック、金属、はんだの熱膨張係数の差が大きいため、ろう付け温度が室温まで冷却された後も接合部に残留応力が生じ、接合部に亀裂が生じる可能性があります。
一般的なはんだに活性金属元素を添加することで、セラミック表面のはんだの濡れ性を向上させることができます。低温で短時間のろう付けにより、界面反応の影響を軽減できます。適切な接合形状を設計し、単層または多層の金属を中間層として使用することで、接合部の熱応力を軽減できます。
2. はんだ付け
セラミックと金属は通常、真空炉または水素アルゴン炉で接合されます。一般的な特性に加えて、真空電子デバイス用のろう付け金属には、いくつかの特別な要件も必要です。たとえば、デバイスの誘電漏洩や陰極中毒を引き起こさないように、はんだには高蒸気圧を生成する元素が含まれていてはなりません。デバイスの動作中は、はんだの蒸気圧が10-3paを超えてはならず、含まれる高蒸気圧不純物は0.002％〜0.005％を超えてはなりません。はんだのw（o）は0.001％を超えてはならず、水素中でのろう付け中に水蒸気が発生し、溶融はんだ金属の飛散を引き起こす可能性があります。さらに、はんだは清潔で、表面酸化物がないようにする必要があります。
セラミックメタライゼーション後のろう付けでは、銅、ベース、銀銅、金銅、その他の合金ろう付けフィラー金属を使用できます。
セラミックスと金属の直接ろう付けには、活性元素Ti、Zrを含むろう材を選択する必要があります。2元系のろう材は主にTi Cu、Ti Niで、1100℃で使用できます。3元系はんだの中で、Ag Cu Ti（W）（TI）は最も一般的に使用されているはんだで、さまざまなセラミックスと金属の直接ろう付けに使用できます。3元系ろう材は、箔、粉末、またはTi粉末を含むAg Cu共晶ろう材で使用できます。B-ti49be2ろう材は、ステンレス鋼と同様の耐食性と低蒸気圧を備えています。耐酸化性と耐漏れ性を備えた真空シールジョイントに優先的に選択できます。ti-v-crはんだでは、w（V）が30％のときに溶融温度が最も低く（1620℃）、Crを添加することで溶融温度範囲を効果的に下げることができます。 Crを含まないB-Ti47.5Ta5はんだは、アルミナと酸化マグネシウムの直接ろう付けに使用されており、その接合部は1000℃の周囲温度でも機能する。表14は、セラミックと金属の直接接合に有効なフラックスを示す。
表14 セラミックおよび金属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、高純度不活性ガス、水素、または真空環境でろう付けできます。真空ろう付けは、一般的にメタライズド処理を施さずにセラミックスを直接ろう付けするために使用されます。
（1）ユニバーサルろう付けプロセスセラミックと金属のユニバーサルろう付けプロセスは、表面洗浄、ペーストコーティング、セラミック表面メタライゼーション、ニッケルメッキ、ろう付け、溶接後検査の7つのプロセスに分けられます。
表面洗浄の目的は、母材表面の油汚れ、汗染み、酸化膜を除去することです。金属部品およびはんだは、まず脱脂し、次に酸またはアルカリ洗浄で酸化膜を除去し、流水で洗浄して乾燥させます。要求度の高い部品は、真空炉または水素炉（イオン衝撃法も使用可能）で適切な温度と時間で熱処理を行い、部品の表面を浄化します。洗浄した部品は、油脂類や素手で触れないようにしてください。すぐに次の工程に送るか、乾燥機にかけ、長時間空気にさらさないでください。セラミック部品は、アセトンと超音波で洗浄し、流水で洗浄した後、最後に脱イオン水で15分間ずつ2回煮沸します。
ペーストコーティングは、セラミックメタライゼーションにおける重要なプロセスです。コーティングでは、刷毛またはペーストコーティング機を用いて、メタライゼーションするセラミック表面にペーストを塗布します。コーティングの厚さは通常30～60mmです。ペーストは、通常、粒径約1～5μmの純金属粉末（適切な金属酸化物が添加される場合もあります）と有機接着剤から調製されます。
ペースト状にしたセラミック部品は水素炉に送られ、湿式水素または分解アンモニアを用いて1300～1500℃で30～60分間焼結されます。水素化物でコーティングしたセラミック部品の場合は、約900℃に加熱して水素化物を分解し、セラミック表面に残留する純金属またはチタン（またはジルコニウム）と反応させることで、セラミック表面に金属コーティングを形成します。
Mo/Mnメタライズ層は、はんだ濡れ性を向上させるため、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必要があります。ろう付け温度が1000℃未満の場合は、ニッケル層を水素炉で予備焼結する必要があります。焼結温度と時間は1000℃/15～20分です。
処理対象セラミックスは金属部品であり、ステンレス鋼またはグラファイトとセラミックの型を用いて一体的に組み立てられる。接合部にははんだ付けを行い、作業中はワークピースを清潔に保ち、素手で触れないようにする。
ろう付けはアルゴン炉、水素炉、または真空炉で行います。ろう付け温度はろう材の種類によって異なります。セラミック部品の割れを防ぐため、冷却速度は速すぎないようにする必要があります。また、ろう付け時には一定の圧力（約0.49～0.98MPa）をかけることもあります。
ろう付け溶接部は、表面品質検査に加え、熱衝撃および機械的特性検査も実施する必要があります。また、真空装置のシール部品については、関連規制に従ってリーク試験を実施する必要があります。
（2）直接ろう付け：直接ろう付け（活性金属法）を行う場合は、まずセラミックスと金属の溶接部の表面を洗浄し、その後組み立てます。構成材料の熱膨張係数の差による亀裂を防ぐため、溶接部間に緩衝層（1層または複数層の金属板）を回転させて配置することができます。ろう材は、2つの溶接部の間に挟み込むか、ろう材が可能な限り隙間を埋める位置に配置した後、通常の真空ろう付けと同様にろう付けを行います。
Ag Cu Tiはんだを直接ろう付けする場合は、真空ろう付け法を採用する必要があります。炉内の真空度が2.7×10-3Paに達したら加熱を開始し、このとき温度を急速に上昇させることができます。温度がはんだの融点に近づいたときは、溶接部の各部の温度が均一になるようにゆっくりと温度を上げます。はんだが溶けたら、温度をろう付け温度まで急速に上げ、保持時間は3～5分とします。冷却中は、700℃まではゆっくりと冷却し、700℃以降は炉とともに自然冷却することができます。
Ti Cu活性はんだを直接ろう付けする場合、はんだの形状はCu箔＋Ti粉末、Cu部品＋Ti箔、またはセラミック表面にTi粉末＋Cu箔をコーティングすることができます。ろう付け前に、すべての金属部品を真空脱ガスする必要があります。無酸素銅の脱ガス温度は750〜800℃、Ti、Nb、Taなどは900℃で15分間脱ガスする必要があります。このとき、真空度は6.7×10-3Pa以上である必要があります。ろう付け中は、溶接する部品を治具に組み立て、真空炉で900〜1120℃に加熱し、保持時間は2〜5分です。ろう付けプロセス全体を通して、真空度は6.7×10-3Pa以上である必要があります。
Ti Ni 法のろう付けプロセスは Ti Cu 法のろう付けプロセスと同様であり、ろう付け温度は 900 ± 10 ℃です。
（3）酸化物ろう付け法酸化物ろう付け法は、酸化物ろうの溶融により形成されたガラス相がセラミックスに浸透し、金属表面を濡らすことで信頼性の高い接続を実現する方法であり、セラミックス同士、セラミックスと金属の接合に使用できます。酸化物ろう材は、主にAl2O3、CaO、BaO、MgOで構成されています。B2O3、Y2O3、Ta2O3を添加することで、さまざまな融点と線膨張係数のろう材が得られます。また、CaF2とNaFを主成分とするフッ化物ろう材を使用してセラミックスと金属を接続し、高強度、高耐熱性の継手を得ることもできます。
投稿日時: 2022年6月13日