JP2015086109A - セラミック体と金属体との接合体、およびセラミック体と金属体との接合体の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 セラミック体と金属体とが強固に接合されており、金属体の剥がれやセラミック体の破損等が生じ難いセラミック体と金属体との接合体を提供する。【解決手段】第１のセラミックスからなるセラミック体と、金属体と、前記セラミック体と前記金属体とを接合する接合層とを有する、セラミック体と金属体との接合体であって、前記接合層は、前記第１のセラミックスよりも熱膨張係数が小さくかつ前記第１のセラミックスよりも３点曲げ強度が大きい第２のセラミックスからなる接合用セラミック層と、前記セラミック体と前記接合用セラミック層との間に配置されて前記セラミック体と前記接合用セラミック層とを接合する第１金属層と、前記接合用セラミック層と前記金属体との間に配置されて前記接合用セラミック層と前記金属体とを接合する第２金属層とを有することを特徴とするセラミック体と金属体との接合体を提供する。【選択図】 図１

Description

本発明は、セラミック体と金属体との接合体、およびセラミック体と金属体との接合体の製造方法に関する。

絶縁性セラミック部材として一般的に用いられてきたアルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）と、例えばコバール合金等の金属体との接合技術は古くから改良が重ねられており、比較的高い強度でアルミナと金属体とが接合された接合体が様々な分野で用いられている。近年、例えば使用時の静電気を散逸させる必要がある部材や、熱源からの熱を良好に伝熱させる必要がある部材等に、アルミナに比べて電気抵抗が低く、またアルミナに比べて熱伝導率が大きい炭化珪素（ＳｉＣ）を用いることが提案されている。

しかしながら、セラミック体と金属体との接合体を構成するセラミック体として、従来のアルミナに代えて炭化珪素を用いた場合、金属体がセラミック体から比較的剥がれ易いといった課題があった。

炭化珪素は熱膨張係数がアルミナと比べても小さいので、炭化珪素からなるセラミック体と金属体とをメタライズ技術やロウ付け技術等を用いて接合した場合、メタライズやロウ付け時の温度変化（温度上昇および温度降下）にともなって、炭化珪素からなるセラミック体と金属体との間に比較的大きな熱膨張差が発生し、炭化珪素からなるセラミック体と金属体との接合部にこの熱膨張差に起因した応力が生じる。炭化珪素は破壊靭性や３点曲げ強度が比較的小さく、すなわち比較的脆いため、発生したこの応力によって炭化珪素の表面が比較的割れ易かった。このように、セラミック体として従来のアルミナに代えて比較的脆い炭化珪素等のセラミック体を用いた場合、セラミック体の表面が割れて結果として金属体がセラミック体から比較的剥がれ易いといった課題があった。本願発明は、かかる課題を解決することを目的とする。

上記課題を解決するために、本願発明は、第１のセラミックスからなるセラミック体と、金属体と、前記セラミック体と前記金属体とを接合する接合層とを有する、セラミック体と金属体との接合体であって、前記接合層は、前記第１のセラミックスよりも熱膨張係数が小さくかつ前記第１のセラミックスよりも３点曲げ強度が大きい第２のセラミックスからなる接合用セラミック層と、前記セラミック体と前記接合用セラミック層との間に配置されて前記セラミック体と前記接合用セラミック層とを接合する第１金属層と、前記接合用セラミック層と前記金属体との間に配置されて前記接合用セラミック層と前記金属体とを接合する第２金属層とを有することを特徴とするセラミック体と金属体との接合体を提供する。また、上記セラミック体と金属体との接合体の製造方法であって、前記セラミック体と、前記金属体と、前記第１金属層および前記第２金属層の前駆体である金属ペーストと、前記第２のセラミックスからなる板状セラミック部材を準備する工程と、前記セラミック体と前記金属体との間に前記金属ペーストと前記板状セラミック部材とを配置することで、前記セラミック体と前記金属体との間に配置された前記板状セラミック部材からなる前記接合用セラミック層と、前記セラミック体と前記接合用セラミック層との間に配置された第１金属ペースト層と、前記接合用セラミック層と前記金属体との間に配置された第２金属ペースト層とを形成する工程と、全体を加熱することで前記第１金属ペースト層を焼成した後に降温させて前記第１金属層を形成するとともに、前記第２金属ペースト層を焼成した後に降温させて前記第２金属層を形成する工程とを有することを特徴とするセラミック体と金属体との接合体の製造方法を併せて提供する。

本発明のセラミック体と金属体との接合体は、例えば炭化珪素等からなる比較的脆いセラミック体を用いた場合でも、セラミック体と金属体とが強固に接合されており、金属体の剥がれやセラミック体の破損等が生じ難い。また、本発明のセラミック体と金属体との接合体の製造方法は、金属体の剥がれやセラミック体の破損等が生じ難いセラミック体と金属体との接合体を、比較的少ない工程数で容易に製造することができる。

（ａ）および（ｂ）は、本発明のセラミック体と金属体との接合体の一実施形態について説明する概略図であり、（ａ）は斜視図、（ｂ）は断面図である。 本発明のセラミック体と金属体との接合体の製造方法の一実施形態について説明する断面図である。 図１に示すセラミック体と金属体との接合体に発生する内部応力を矢印で示した図である。 本発明のセラミック体と金属体との接合体の他の実施形態の断面図である。

以下、本発明のセラミック体と金属体との接合体、およびセラミック体と金属体との接合体の製造方法について詳細に説明する。図１（ａ）および（ｂ）は、本発明のセラミック体と金属体との接合体の一実施形態であるセラミック体と金属体との接合体１０（以降、単に接合体１０ともいう）について説明する概略図であり、（ａ）は斜視図、（ｂ）は断面図である。

接合体１０は、第１のセラミックスからなるセラミック体１２と、金属体１４と、セラミック体１２と金属体１４とを接合する接合層２０とを有する。接合層２０は、第１のセラミックスよりも熱膨張係数が小さくかつ第１のセラミックスよりも３点曲げ強度が大きい第２のセラミックスからなる接合用セラミック層２２と、セラミック体１２と接合用セラミック層２２との間に配置されてセラミック体１２と接合用セラミック層２２とを接合する第１金属層３１と、接合用セラミック層２２と金属体１４との間に配置されて接合用セラミック層２２と金属体１４とを接合する第２金属層３２とを有する。本実施形態の接合体１０は、第１のセラミックスは炭化珪素（ＳｉＣ）を主成分とし、第２のセラミックスは窒化珪素（Ｓｉ_３Ｎ_４）を主成分とする。すなわち、セラミック体１２は炭化珪素（ＳｉＣ）を主成分とし、接合用セラミック層２２は窒化珪素（Ｓｉ_３Ｎ_４）を主成分とする。また、金属体１４は例えばチタン（Ｔｉ）を主成分とする。セラミック体１２は炭化珪素を例えば約９０質量％以上含有し、接合用セラミック層２２は窒化珪素を約９０質量％以上含有している。

また本実施形態の接合体１０の接合層２０は、接合用セラミック層２２の側面に被着するとともに第１金属層３１および第２金属層３２にも繋がって第１金属層３１と第２金属層３２とを電気的に導通させる、金属からなる側面被覆部３３を有する。また接合体１０では、第１金属層３１および第２金属層３２および側面被覆部３３は、銀（Ａｇ）を主成分とし、銅（Ｃｕ）およびチタン（Ｔｉ）を含む。

炭化珪素（ＳｉＣ）は例えば電気抵抗が体積抵抗率で約１×１０^３〜１０^８（Ω・ｃｍ）と比較的小さく、また熱伝導率が６０〜２００（Ｗ／（ｍ・ｋ））程度と比較的高い。接合体１０は、例えば各種測定装置など、使用時の静電気を散逸させる必要がある部材や、半導体製造装置の静電チャックなど、熱源からの熱を良好に伝熱させる必要がある部材等に用いることができる。

接合体１０において、セラミック体１２は３点曲げ強度が小さめで比較的脆いが、接合層２０に接合用セラミック層２２を設けることで、セラミック体１２に引張応力が発生することが抑止され、比較的脆いセラミック体１２の破損を抑制している。この接合層２０とセラミック体１２との接合部分に生じる応力については追って詳述する。

以下、本発明のセラミック体と金属体との接合体の製造方法について説明するとともに、本願の効果についてより詳述する。まず、セラミック体１２と、金属体１４と、第１金属層３１および第２金属層３２の前駆体である金属ペースト３２と、第２のセラミックスからなる接続用セラミック層２２を準備する。接続用セラミック層２２として、厚さ約１〜５ｍｍ程度の板状の部材を準備する。金属ペーストとしては、例えばＡｇを主成分とし、Ｃｕ、ＴｉさらにＣｒが含有された粉末と、バインダーや有機溶剤とが混合されたペーストを準備する。具体的には、例えば、Ａｇの粉末とＣｕの粉末とＴｉの粉末とＣｒの粉末を所定量計量し、エチルセルロースなどのバインダーをテルピネオールなどの有機溶剤で溶解したビヒクルと上記粉体をミキサーで混合し、ペーストを作成する。ＡｇとＣｕとＴｉとＣｒの各粉末は、例えばＡｇが８８質量％、Ｃｕが５質量％、Ｔｉが５質量％、Ｃｒが２質量％となるよう混合したものを用いればよい。ＡｇとＣｕとＴｉとＣｒの各粉末は、例えばＡｇが７０〜９７．８質量％、Ｃｕが１〜５質量％、Ｔｉが１〜１０質量％、Ｃｒが０．２〜５質量％程度であれば好ましい。

次に、図２に示す断面図のように、セラミック体１２と金属体１４との間に金属ペースト３２と接合用セラミック層２２とを配置することで、セラミック体１２と金属体１４との間に配置された接合用セラミック層２２と、セラミック体１２と接合用セラミック層２２との間に配置された第１金属ペースト層４１と、接合用セラミック層２２と金属体１２との間に配置された第２金属ペースト層４２とを形成する。なお本実施形態では、接合用セラミック層２２の側面に被着するとともに第１金属ペースト層４１および第２金属ペースト層４２にも繋がって第１金属ペースト層４１と第２金属ペースト層４２とを接続する、金属からなる側面被覆ペースト部４３も形成しておく。具体的には、まず金属ペーストを塗布して第１金属ペースト層４１を形成した後に接合用セラミック層２２をその上に置き、次に接合用セラミック層２２を覆うようにさらに金属ペーストを塗布することで、第２金属ペースト層４２および側面被覆ペースト部４３を形成する。

その後、全体を加熱することで、第１金属ペースト層４１を焼成した後に降温させて第１金属層３１を形成すると同時に、第２金属ペースト層４２を焼成した後に降温させて第２金属層３２を形成して、接合体１０を得ることができる。焼成は例えば約１．０×１０^−５Ｔｏｒｒの真空雰囲気で、約１１００℃で１５分行う。

図３（ａ）は、図１（ｂ）に示す接合体１０に発生している応力を矢印で示している。図３（ａ）に矢印で示す応力は、上述の加熱および降温の工程にともなって発生するものである。なお、図３（ｂ）は比較例として、接続用セラミック層２２を設けずに金属ペースト３４のみで接合層２０を形成した場合に発生する応力の方向を示している。

第１金属ペースト層４１と第２金属ペースト層４２の焼成時、すなわち約１１００℃の高温状態では、炭化珪素を主成分とするセラミック体１２と、窒化珪素を主成分とする接合用セラミック層２２と、チタンを主成分とする金属体１４とがそれぞれ熱膨張する。ここで、チタンの熱膨張係数が約９（ｐｐｍ／Ｋ）であり、窒化珪素の熱膨張係数が約３．２（ｐｐｍ／Ｋ）であり、炭化珪素の熱膨張係数が約４．４（ｐｐｍ／Ｋ）であるので、熱膨張の程度は接合用セラミック層２２＜セラミック体１２＜＜金属体１４の順番で大きくなっている。

焼成の後に温度を降下させていくと今度は各部材が収縮を始めるが、収縮の程度も接合用セラミック層２２＜セラミック体１２＜＜金属体１４の順番で大きい。異なる部材同士の接合界面では、各部材の相対的な熱収縮の程度の違いに応じて、各部材に応力が生じる。具体的には、収縮が大きい方の部材には圧縮応力が発生し、収縮が小さい方の部材には引張応力が発生する。

この応力の方向を矢印で示すと、図３（ａ）で示す矢印Ａ〜Ｃのようになる。矢印Ａは金属体１４の内部に生じる応力を示し、矢印Ｂは接合用セラミック層２２の内部に生じる応力を示し、矢印Ｃはセラミック体１２に生じる応力を示している。金属体１４と接続用セラミック層２２との組み合わせでは、熱膨張係数が大きい金属体１４に圧縮応力が発生し、接続用セラミック層２２には引張応力が発生する。金属体１４と接続用セラミック層２２との熱膨張係数の差は大きく、比較的強い引張応力が接合用セラミック層２２に発生する。

接続用セラミック層２２とセラミック体１２との組み合わせでも、熱膨張係数が大きいセラミック体１２に圧縮応力が発生し、接続用セラミック層２２には引張応力が発生する。セラミック体１２と接続用セラミック層２２との熱膨張係数の差は比較的小さく、３点曲げ強度が約４５０（ＭＰａ）と比較的脆い炭化珪素からなるセラミック体１２には、矢印Ｃで示すような比較的小さい大きさの圧縮応力がかかる。炭化珪素等のセラミックは、圧縮応力がかかる場合の方が引張応力がかかる場合に比べて破壊され難いことが知られている。本実施形態のセラミック体１２は接合界面にかかる応力にともなって破壊され難くなっている。上述のように、接続用セラミック層２２には比較的大きな引張応力が発生するが、接続用セラミック層２２は３点曲げ強度が約１０００（ＭＰａ）と比較的高いので、大きな引張応力が接続用セラミック層２２に発生した場合でも、接続用セラミック層２２は破壊され難い。

図３（ａ）に示す本発明の実施形態に対して、図３（ｂ）のように接合用セラミック層２２を設けずに金属ペースト３４のみで接合層２０を形成した場合は、図３（ｂ）に矢印で示すように、チタンからなる金属体１４の大きな熱収縮にともなって、炭化珪素からなるセラミック体１２に比較的強い引張応力が発生する。この場合、図３（ｂ）に丸印で示す接合層２０の端部付近から、比較的脆い炭化珪素からなるセラミック体１２の表面にクラックＸが生じて、最終的にはセラミック体１２の表面の一部が金属体１４に被着した状態で剥離して、金属体１４が完全にセラミック体１２から剥がれることもあった。図３（ａ）に示す本実施形態では上述のように、熱膨張係数の大小関係と強度の組み合わせを工夫することで、例えば炭化珪素等からなるセラミック体１２と金属体１４とを強固に接合するとともに、金属体の剥がれやセラミック体の破損等を抑制している。

また図４は、本発明のセラミック体と金属体との接合体の他の実施形態の断面図である。本発明のセラミック体と金属体との接合体は、図４に示すように、接合層２０が側面被覆部３３を有さず、第１金属層３１と第２金属層３２とが電気的に絶縁されていてもよい。このように本発明のセラミック体と金属体との接合体は、その使用用途に応じて接合層の構成等を変形させてもよい。

本発明では、第２のセラミックスからなる接合用セラミック層が、第１のセラミックスよりも熱膨張係数が小さくかつ前記第１のセラミックスよりも３点曲げ強度が大きければ、第１のセラミックスおよび第２のセラミックスの材料については特に限定されない。例えば窒化アルミニウム（ＡｌＮ）に対して金属体を接合した場合は窒化アルミニウム（ＡｌＮ）が破損するが、炭化珪素（ＳｉＣ）に対して金属体を接合した場合は炭化珪素（ＳｉＣ）は破損しない金属体があり、この金属体と窒化アルミニウム（ＡｌＮ）とを接合したい場合など、第１のセラミックスとして３点曲げ強度が約３００ＭＰａで熱膨張係数が約５．２（ｐｐｍ／Ｋ）程度の窒化アルミニウム（ＡｌＮ）を用いた場合、３点曲げ強度が約４５０（ＭＰａ）で熱膨張係数が約４．４（ｐｐｍ／Ｋ）程度の炭化珪素（ＳｉＣ）を、第２のセラミックスからなる接合用セラミック層として用いてもよい。このように各部材の材質については特に限定されない。

以上、本発明の実施形態および実施例について説明したが、本発明は上述の実施形態や実施例に限定されるものでない。本発明は、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、各種の改良および変更を行なってもよいのはもちろんである。

１０ セラミック体と金属体との接合体
１２ セラミック体
１４ 金属体
２０ 接合層
２２ セラミック層
３１ 第１金属層
３２ 第２金属層
３３ 側面被覆部
４１ 第１金属ペースト層
４２ 第２金属ペースト層
４３ 側面被覆ペースト部

Claims (5)

1. 第１のセラミックスからなるセラミック体と、金属体と、前記セラミック体と前記金属体とを接合する接合層とを有する、セラミック体と金属体との接合体であって、
   前記接合層は、
   前記第１のセラミックスよりも熱膨張係数が小さくかつ前記第１のセラミックスよりも３点曲げ強度が大きい第２のセラミックスからなる接合用セラミック層と、前記セラミック体と前記接合用セラミック層との間に配置されて前記セラミック体と前記接合用セラミック層とを接合する第１金属層と、前記接合用セラミック層と前記金属体との間に配置されて前記接合用セラミック層と前記金属体とを接合する第２金属層とを有することを特徴とするセラミック体と金属体との接合体。
2. 前記第１のセラミックスは炭化珪素（ＳｉＣ）を主成分とし、前記第２のセラミックスは窒化珪素（Ｓｉ_３Ｎ_４）を主成分とすることを特徴とする請求項１記載のセラミック体と金属体との接合体。
3. 前記接合層は、前記接合用セラミック層の側面に被着するとともに前記第１金属層および前記第２金属層にも繋がって前記第１金属層と前記第２金属層とを電気的に導通させる、金属からなる側面被覆部を有することを特徴とする請求項１または請求項２記載のセラミック体と金属体との接合体。
4. 前記第１金属層および前記第２金属層および前記側面被覆部は、銀（Ａｇ）を主成分とし、銅（Ｃｕ）およびチタン（Ｔｉ）を含むことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のセラミック体と金属体との接合体。
5. 請求項１〜４のいずれかに記載のセラミック体と金属体との接合体の製造方法であって、
   前記セラミック体と、前記金属体と、前記第１金属層および前記第２金属層の前駆体である金属ペーストと、前記第２のセラミックスからなる板状セラミック部材を準備する工程と、
   前記セラミック体と前記金属体との間に前記金属ペーストと前記板状セラミック部材とを配置することで、前記セラミック体と前記金属体との間に配置された前記板状セラミック部材からなる前記接合用セラミック層と、前記セラミック体と前記接合用セラミック層との間に配置された第１金属ペースト層と、前記接合用セラミック層と前記金属体との間に配置された第２金属ペースト層とを形成する工程と、
   全体を加熱することで前記第１金属ペースト層を焼成した後に降温させて前記第１金属層を形成するとともに、前記第２金属ペースト層を焼成した後に降温させて前記第２金属層を形成する工程とを有することを特徴とするセラミック体と金属体との接合体の製造方法。

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