1.ろう付け性
セラミック同士、あるいはセラミックと金属部品のろう付けは困難です。ろう付けされたろう材のほとんどはセラミック表面に球状に固まり、濡れ性がほとんど、あるいは全くありません。セラミックを濡らすことができるろう付け用充填材は、ろう付け中に接合界面に炭化物、ケイ化物、三元化合物や多元化合物などの様々な脆性化合物を形成しやすい性質があります。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、ろう材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、接合部に残留応力が発生し、接合部の亀裂の原因とな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、セラミック表面へのはんだの濡れ性を向上させることができます。低温かつ短時間のろう付けは、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、接合部の熱応力を低減できます。
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。真空電子機器用のろう付け用充填金属には、一般的な特性に加えて、いくつかの特別な要件もあります。たとえば、はんだには、デバイスの誘電漏洩やカソード汚染を引き起こさないように、蒸気圧の高い元素が含まれていてはなりません。一般的に、デバイスが動作しているときのはんだの蒸気圧は 10⁻³ Pa を超えず、含まれる高蒸気圧不純物は 0.002% ～ 0.005% を超えないことが規定されています。はんだの w (o) は 0.001% を超えないようにし、水素中でろう付け中に発生する水蒸気が溶融はんだ金属の飛散を引き起こすのを防ぎます。さらに、はんだは清浄で、表面に酸化物がないものでなければなりません。
セラミック金属化後のろう付けには、銅、ベース銅、銀銅、金銅などの合金ろう材を使用できる。
セラミックスや金属の直接ろう付けには、活性元素 Ti と Zr を含むろう付けフィラー金属を選択する必要があります。二元系フィラー金属は主に Ti Cu と Ti Ni で、1100 ℃ で使用できます。三元系はんだの中では、Ag Cu Ti (W) (TI) が最も一般的に使用されており、さまざまなセラミックスや金属の直接ろう付けに使用できます。三元系フィラー金属は、箔、粉末、または Ti 粉末を含む Ag Cu 共晶フィラー金属として使用できます。B-ti49be2 ろう付けフィラー金属は、ステンレス鋼と同様の耐食性と低い蒸気圧を有しています。酸化や漏洩に対する耐性のある真空シール接合に優先的に選択できます。ti-v-cr はんだでは、w (V) が 30% のときに融点が最も低く (1620 ℃)、Cr の添加により融点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、その接合部は周囲温度1000℃で機能する。表14は、セラミックと金属の直接接続に使用できる活性フラックスを示す。
表14 セラミックおよび金属ろう付け用の活性ろう付けフィラー金属
2.ろう付け技術
予め金属化されたセラミックスは、高純度不活性ガス、水素、または真空環境下でろう付けすることができる。真空ろう付けは、一般的に金属化処理を行わずにセラミックスを直接ろう付けする場合に用いられる。
（１）汎用ろう付けプロセス セラミックと金属の汎用ろう付けプロセスは、表面洗浄、ペーストコーティング、セラミック表面の金属化、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、基材金属表面の油汚れ、汗染み、および酸化膜を除去することです。金属部品とハンダはまず脱脂し、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。高い要求を満たす部品は、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、部品表面を浄化します。洗浄した部品は、油分を含んだ物や素手で触れないようにしてください。洗浄した部品は、直ちに次の工程または乾燥機に投入してください。長時間空気にさらさないでください。セラミック部品は、アセトンと超音波洗浄器で洗浄し、流水で洗浄した後、脱イオン水で15分間ずつ2回煮沸してください。
ペーストコーティングは、セラミック金属化における重要な工程です。コーティング時には、ブラシまたはペーストコーティング機を用いて、金属化対象の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一般的に30～60mmです。ペーストは通常、粒径約1～5μmの純金属粉末（場合によっては適切な金属酸化物を添加）と有機接着剤から調製されます。
ペーストを塗布したセラミック部品を水素炉に送り、湿潤水素または分解アンモニアを用いて1300～1500℃で30～60分間焼結する。水素化物でコーティングされたセラミック部品の場合は、約900℃まで加熱して水素化物を分解し、セラミック表面に残存する純金属またはチタン（もしくはジルコニウム）と反応させて、セラミック表面に金属コーティングを形成する。
MoMn金属層の場合、はんだとの濡れ性を高めるために、1.4～5μmのニッケル層を電気めっきまたはニッケル粉末層で被覆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。
処理されたセラミックは金属部品であり、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化される。接合部にははんだ付けを行い、作業中はワークピースを常に清潔に保ち、素手で触れてはならない。
ろう付けは、アルゴン、水素、または真空炉で行う。ろう付け温度は、ろう材の種類によって異なる。セラミック部品のひび割れを防ぐため、冷却速度は速すぎないようにする。また、ろう付け時には一定の圧力（約0.49～0.98MPa）を加えることもできる。
ろう付けされた溶接部は、表面品質検査に加えて、熱衝撃試験および機械的特性試験も受けるものとする。真空装置のシール部品は、関連法規に従って漏洩試験も受けるものとする。
（２）直接ろう付け 直接ろう付け（活性金属法）を行う場合は、まずセラミックと金属の溶接部の表面を清掃し、次にそれらを組み立てます。構成材料の熱膨張係数の違いによる亀裂を避けるため、緩衝層（１枚または複数枚の金属板）を溶接部の間に回転させて配置することができます。ろう付け用充填金属は、２つの溶接部の間に挟み込むか、隙間がろう付け用充填金属で満たされる位置にできるだけ配置し、その後、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します。炉内の真空度が 2.7 × 10⁻³ Pa に達したら、加熱を開始し、この時点で温度を急速に上昇させます。温度がはんだの融点に近づいたら、溶接部のすべての部分の温度が均一になるように、温度をゆっくりと上昇させます。はんだが溶けたら、温度をろう付け温度まで急速に上昇させ、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します。
Ti Cu活性はんだを直接ろう付けする場合、はんだの形態は銅箔＋Ti粉末、または銅部品＋Ti箔、あるいはセラミック表面にTi粉末＋銅箔を塗布したものでも構いません。ろう付け前に、すべての金属部品は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分間脱ガスします。このとき、真空度は6.7×10⁻³Pa以上でなければなりません。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、2～5分間保持します。ろう付け工程全体を通して、真空度は6.7×10⁻³Pa以上でなければなりません。
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って形成されるガラス相をセラミックスに浸透させ、金属表面を濡らすことで、信頼性の高い接合を実現する方法です。セラミックス同士、セラミックスと金属の接合が可能です。酸化物ろう付け用充填材は、主にAl2O3、CaO、BaO、MgOから構成されています。B2O3、Y2O3、Ta2O3を添加することで、様々な融点と線膨張係数を持つろう付け用充填材が得られます。また、主成分がCaF2とNaFであるフッ化物ろう付け用充填材も、セラミックスと金属の接合に使用でき、高強度かつ高耐熱性の接合部が得られます。
投稿日時：2022年6月13日