A novel approach to ceramic/metal joining

Abstract

The joining of ceramics to metals is problematic primarily due to the vastly different atomic bonding in these materials. In an attempt to overcome this problem MEVVA (Metal Vapor Vacuum Arc) ion implantation of titanium into alumina was performed to modify the physico-chemical properties and microstructure in the near surface region of the ceramic. The brazing of alumina to copper, before and after implantation, was performed using both reactive (titanium containing) and non-reactive Cu-Ag eutectic brazes. It has been established, for the first time, that metallic implantation of ceramic enables joining to metal with non-reactive braze. Extensive characterization of faying surfaces was carried out by Rutherford Backscattering (RBS), four point probe conductivity test, and braze wettability tests. Further, the microstructural evolution of implanted ceramic surfaces was elucidated by detailed cross-sectional Transmission Electron Microscopy (XTEM) in conjunction with Nanobeam Electron Diffraction (NBED). It has been demonstrated that implantation drastically changes the nature of bonding in alumina by forming metallic-like compounds such as TiO2 thus enhancing the degree of wetting by non-reactive braze compared to the unimplanted alumina.

セラミックの金属への接合は、両物質の原子結合が大きく異なるので、本質的に問題がある。この問題解決の1つの試みとして、アルミナ中へのチタンのMEVVA(金属蒸気真空アーク)イオン注入を試みた。これは、セラミックの表面近傍の物理化学的性質と微細構造を改質するものである。イオン注入前後で、銅へのアルミナのろう付を、反応性(含チタン)、および非反応性Cu-Ag共融ろう材で行った。セラミックへの金属注入により、非反応性ろう材によって金属に接合することを可能にすることに、始めて成功した。接合面の広範囲な特性評価を、ラザフォード後方散乱(RBS)、4点プローブ電気伝導度測定およびろう濡れ性試験で行った。更に、イオン注入したセラミック表面の微細構造生成を詳細な断面透過電子顕微鏡観察(XTEM)とナノビーム電子回折(NBED)にて解明した。イオン注入はアルミナでの結合性を大幅に変化させるが、これは、TiO2のような金属状化合物の形成によるものである。これにより、イオン注入しないアルミナに比べて、非反応性ろう材による濡れ性が増大する。