JP2021109425A - Metal ceramic laminate - Google Patents

Metal ceramic laminate Download PDF

Info

Publication number
JP2021109425A
JP2021109425A JP2020004479A JP2020004479A JP2021109425A JP 2021109425 A JP2021109425 A JP 2021109425A JP 2020004479 A JP2020004479 A JP 2020004479A JP 2020004479 A JP2020004479 A JP 2020004479A JP 2021109425 A JP2021109425 A JP 2021109425A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
film
metal
ceramic
ceramic film
interface
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
JP2020004479A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JP7339538B2 (en
Inventor
恵祐 ▲徳▼橋
恵祐 ▲徳▼橋
Keisuke Tokuhashi
圭一 木村
Keiichi Kimura
圭一 木村
孝之 小林
Takayuki Kobayashi
孝之 小林
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Nippon Steel Corp
Original Assignee
Nippon Steel Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Nippon Steel Corp filed Critical Nippon Steel Corp
Priority to JP2020004479A priority Critical patent/JP7339538B2/en
Publication of JP2021109425A publication Critical patent/JP2021109425A/en
Application granted granted Critical
Publication of JP7339538B2 publication Critical patent/JP7339538B2/en
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Abstract

To provide a metal ceramic laminate having improved bonding force between a metal film and a ceramic film.SOLUTION: A metal ceramic laminate has a base material, a ceramic film formed on the base material, and a metal film formed on the ceramic film. A turn-over part is formed at an interface between the ceramic film and the metal film, and the turn-over part has a length density of 0.2 μm/μm2 or more and 5.0 μm/μm2 or less.SELECTED DRAWING: Figure 2

Description

本発明は、セラミックス膜上に金属膜が形成された金属セラミックス積層体に関する。 The present invention relates to a metal-ceramic laminate in which a metal film is formed on a ceramic film.

優れた機械的特性、耐反応性、耐熱性、絶縁性、放熱性などを有するセラミックス膜を、金属、セラミックス、樹脂などの基材上に形成したセラミックス積層体は、耐磨耗性部材、耐食性部材、絶縁放熱部材などに幅広く用いられている。このようなセラミックス積層体のセラミックス膜に使用されるセラミックス材料としては、酸化アルミニウム(Al23)、窒化アルミニウム(AlN)、窒化けい素(Si34)、酸化ジルコニウム(ZrO2)、炭化けい素(SiC)、酸化イットリウム(Y23)、酸化けい素(SiO2)、窒化ほう素(BN)などが挙げられる。一方で、用途によっては、セラミックス膜上にさらに金属膜を全面あるいは一部に形成して所要の金属特性を付与した金属セラミックス積層体が必要となる場合がある。例えば、絶縁放熱部材の導体回路パターンなどがこれにあたる。 A ceramic laminate in which a ceramic film having excellent mechanical properties, reactivity resistance, heat resistance, insulation, heat dissipation, etc. is formed on a base material such as metal, ceramics, or resin is a wear-resistant member and corrosion-resistant. It is widely used for members, insulated heat-dissipating members, and the like. Examples of the ceramic material used for the ceramic film of such a ceramic laminate include aluminum oxide (Al 2 O 3 ), aluminum nitride (Al N ), silicon nitride (Si 3 N 4 ), and zirconium oxide (ZrO 2 ). Examples thereof include ceramic carbide (SiC), yttrium oxide (Y 2 O 3 ), silicon oxide (SiO 2 ), and aluminum nitride (BN). On the other hand, depending on the application, a metal-ceramic laminate in which a metal film is further formed on the entire surface or a part of the ceramic film to impart the required metal properties may be required. For example, the conductor circuit pattern of the heat insulating member corresponds to this.

しかしながら、これらの用途において、金属セラミックス積層体の使用環境はますます過酷になっており、使用中の様々な種類・大きさの応力の下で、「基材とセラミックス膜」および「セラミックス膜と金属膜」がそれぞれの界面で剥離することなく、それぞれ強固に接合していること(高い接合力)が求められる。しかし、製造方法によっては、各材料を接合あるいは形成する過程で500℃を超えるような高温加熱が必要であり、材料間の熱膨張差により残留熱応力が生じてしまい、それにより接合強度が低下する場合がある。したがって、製造過程で高温加熱を行うことなしにセラミックス膜および金属膜を形成することで、残留熱応力が生じていない金属セラミックス接合体とすることが好ましい。 However, in these applications, the usage environment of metal-ceramic laminates is becoming more and more harsh, and under stress of various types and sizes during use, "base material and ceramic film" and "ceramic film" It is required that the "metal film" is firmly bonded (high bonding force) without peeling at each interface. However, depending on the manufacturing method, high-temperature heating exceeding 500 ° C. is required in the process of joining or forming each material, and residual thermal stress is generated due to the difference in thermal expansion between the materials, which reduces the joining strength. May be done. Therefore, it is preferable to form a ceramic film and a metal film without high-temperature heating in the manufacturing process to obtain a metal-ceramic joint in which no residual thermal stress is generated.

基材上へのセラミックス膜の常温(あるいは低温)形成については、セラミックス成膜法の1つであるエアロゾルデポジション法(AD法ともいう)によって、セラミックス膜と基材を比較的強固に接合させつつ、セラミックス膜を常温で形成させることができる。エアロゾルデポジション法とは、セラミックス微粒子をガスと混合してエアロゾル化し、減圧された成膜室内で基材上に高速噴射することで、基材上に緻密なセラミックス膜を常温で形成する技術である。噴射されたセラミックス微粒子は、基材に衝突する際に変形することにより、微粒子/基材間あるいは微粒子/微粒子間の新生面同士で化学結合を形成することができ、さらには膜の緻密化を実現することができる。特に、微粒子/基材間では、微粒子が基材表面を削り、めり込むことによって微細な凹凸が形成され、アンカー効果も得ることができる。 Regarding the formation of the ceramic film on the base material at room temperature (or low temperature), the ceramic film and the base material are relatively firmly bonded by the aerosol deposition method (also called the AD method), which is one of the ceramic film forming methods. At the same time, the ceramic film can be formed at room temperature. The aerosol deposition method is a technology that forms a dense ceramic film on a substrate at room temperature by mixing fine ceramic particles with a gas to make it into an aerosol and injecting it onto the substrate at high speed in a depressurized film formation chamber. be. The injected ceramic fine particles are deformed when they collide with the base material, so that chemical bonds can be formed between the fine particles / base material or between the new surfaces between the fine particles / fine particles, and further, the film can be densified. can do. In particular, between the fine particles / the base material, the fine particles scrape the surface of the base material and dig into the fine particles to form fine irregularities, and an anchor effect can also be obtained.

一方で、セラミックス上への金属膜の低温形成については、めっき法やペースト塗布法などによって、比較的低温で金属膜を形成することができる。また、上記のエアロゾルデポジション法は金属材料も成膜可能であることから、エアロゾルデポジション法により常温で金属膜を形成することも考えられる。これらの方法によってセラミックス上に金属膜を形成した金属セラミックス積層体がいくつか提案されている(特許文献1〜3を参照)。 On the other hand, regarding the low temperature formation of the metal film on the ceramics, the metal film can be formed at a relatively low temperature by a plating method, a paste coating method, or the like. Further, since the above-mentioned aerosol deposition method can form a film on a metal material, it is also conceivable to form a metal film at room temperature by the aerosol deposition method. Several metal-ceramic laminates in which a metal film is formed on ceramics by these methods have been proposed (see Patent Documents 1 to 3).

特許文献1には、セラミックス等からなる無機質表面をアルカリ粗化した後に、無電解めっきを行い、無機質表面に金属皮膜を形成する方法が記載されている。また、特許文献1では、上記の方法により、セラミックス等の無機質表面上の無電解めっきによる金属皮膜が安定的に行える旨が記載されている。 Patent Document 1 describes a method of forming a metal film on an inorganic surface by performing electroless plating after alkali roughening an inorganic surface made of ceramics or the like. Further, Patent Document 1 describes that a metal film by electroless plating on an inorganic surface such as ceramics can be stably formed by the above method.

特許文献2には、セラミックスからなる絶縁基板と導体層が銅めっき層を介し一体化された回路基板が記載されている。また、特許文献2では、絶縁基板と導体層との間に銅めっき層を介在させることで、導体層にガラス成分を含まずとも、絶縁基板と導体パターンとが強固に一体化された回路基板を実現することができると記載されている。さらに、特許文献2では、この回路基板は絶縁基板上にめっき法により銅層を形成した後、その上に導体ペーストを塗布して、乾燥、焼成することによって製造されると記載されている。 Patent Document 2 describes a circuit board in which an insulating substrate made of ceramics and a conductor layer are integrated via a copper plating layer. Further, in Patent Document 2, by interposing a copper plating layer between the insulating substrate and the conductor layer, the insulating substrate and the conductor pattern are firmly integrated even if the conductor layer does not contain a glass component. It is stated that can be realized. Further, Patent Document 2 describes that this circuit board is manufactured by forming a copper layer on an insulating substrate by a plating method, applying a conductor paste on the copper layer, drying and firing the circuit board.

特許文献3には、エアロゾルデポジション法を用いて、アルミナ等の基板上に金属薄膜からなる電極または配線パターンを形成する方法が記載されている。また、特許文献3では、溶液や樹脂成分を用いるペースト印刷法と比べて、大幅にプロセス削減することができると記載されている。 Patent Document 3 describes a method of forming an electrode or a wiring pattern made of a metal thin film on a substrate such as alumina by using an aerosol deposition method. Further, Patent Document 3 describes that the process can be significantly reduced as compared with the paste printing method using a solution or a resin component.

特開昭61−063581号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 61-063581 特許第6307009号公報Japanese Patent No. 630709 特許第5659495号公報Japanese Patent No. 5659495

めっき法を利用する際は、めっき膜(層)とセラミックス基材との間にアンカー結合を発現させるために事前にセラミックス基材の表面をエッチングして凹凸を形成しなければ、強固な接合が得られにくい。それに加え、エッチングを行った場合でも、セラミックス表面がダメージを受けて強度が低下してしまうことがあるし、基本的にはセラミックスの結晶粒界がエッチングされるため、複雑な界面形状とすることは難しいという問題がある。一方で、エアロゾルデポジション法で金属材料を成膜する際は、下層の材料が金属粒子に比べて相対的に変形しにくいことが多いため、下層材料表面の新生面が出づらく、また、凹凸によるアンカー効果も得られにくくなる。そのため、エアロゾルデポジション法で金属膜を形成する場合には、同法でセラミックス膜を形成する場合よりも高い接合力が得られにくいという問題がある。しかしながら、特許文献1〜3のいずれにおいても、これらの観点からは必ずしも十分な検討はなされていない。 When using the plating method, strong bonding is achieved unless the surface of the ceramic base material is etched in advance to form irregularities in order to develop an anchor bond between the plating film (layer) and the ceramic base material. Hard to get. In addition, even when etching is performed, the surface of the ceramics may be damaged and the strength may decrease, and basically the grain boundaries of the ceramics are etched, so the interface shape should be complicated. Has the problem of being difficult. On the other hand, when a metal material is formed by the aerosol deposition method, the material of the lower layer is often relatively less deformed than the metal particles, so that it is difficult for a new surface of the surface of the lower layer material to appear, and due to unevenness. It becomes difficult to obtain the anchor effect. Therefore, when the metal film is formed by the aerosol deposition method, there is a problem that it is difficult to obtain a higher bonding force than when the ceramic film is formed by the same method. However, in any of Patent Documents 1 to 3, sufficient studies have not always been made from these viewpoints.

本発明は上記問題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、セラミックス膜上に金属膜が形成されており、金属膜とセラミックス膜の間で改善された接合力を有する金属セラミックス積層体を提供することにある。 The present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to form a metal film on a ceramic film, and to laminate a metal ceramic having an improved bonding force between the metal film and the ceramic film. To provide the body.

上記目的を達成する本発明は下記のとおりである。
(1)基材、前記基材上に形成されたセラミックス膜、および前記セラミックス膜上に形成された金属膜を含み、前記セラミックス膜と前記金属膜の界面にかえし部が形成されており、前記かえし部の長さ密度が0.2μm/μm2以上5.0μm/μm2以下であることを特徴とする、金属セラミックス積層体。
(2)前記セラミックス膜が金属分散相を含み、前記金属分散相の最大存在深さが前記セラミックス膜の厚さの1/3以下であることを特徴とする、上記(1)に記載の金属セラミックス積層体。
(3)前記界面のセラミックス膜側近傍領域における気孔率が3%以下であることを特徴とする、上記(1)または(2)に記載の金属セラミックス積層体。
(4)前記セラミックス膜が窒化けい素を含むことを特徴とする、上記(1)〜(3)のいずれか1項に記載の金属セラミックス積層体。
(5)前記金属膜が銅を含むことを特徴とする、上記(1)〜(4)のいずれか1項に記載の金属セラミックス積層体。
(6)前記基材が金属材料であることを特徴とする、上記(1)〜(5)のいずれか1項に記載のセラミックス積層体。
(7)上記(1)〜(6)のいずれか1項に記載の金属セラミックス積層体から構成されることを特徴とする、絶縁放熱部材。
The present invention that achieves the above object is as follows.
(1) A base material, a ceramic film formed on the base material, and a metal film formed on the ceramic film are included, and a burr portion is formed at an interface between the ceramic film and the metal film. A metal-ceramic laminate having a barb length density of 0.2 μm / μm 2 or more and 5.0 μm / μm 2 or less.
(2) The metal according to (1) above, wherein the ceramic film contains a metal dispersion phase, and the maximum depth of existence of the metal dispersion phase is 1/3 or less of the thickness of the ceramic film. Ceramic laminate.
(3) The metal-ceramic laminate according to (1) or (2) above, wherein the porosity in the region near the ceramic film side of the interface is 3% or less.
(4) The metal-ceramic laminate according to any one of (1) to (3) above, wherein the ceramic film contains silicon nitride.
(5) The metal-ceramic laminate according to any one of (1) to (4) above, wherein the metal film contains copper.
(6) The ceramic laminate according to any one of (1) to (5) above, wherein the base material is a metal material.
(7) An insulated heat-dissipating member, characterized in that it is composed of the metal-ceramic laminate according to any one of (1) to (6) above.

本発明によれば、セラミックス膜上に金属膜が形成された金属セラミックス積層体において、前記セラミックス膜と前記金属膜の界面に0.2μm/μm2以上5.0μm/μm2以下の長さ密度を有するかえし部を形成することで、金属膜とセラミックス膜を互いに複雑に噛み込み合わせることができるため、金属膜とセラミックス膜の間に優れた接合力を有する金属セラミックス積層体を実現することができる。 According to the present invention, in a metal-ceramic laminate in which a metal film is formed on a ceramic film, a length density of 0.2 μm / μm 2 or more and 5.0 μm / μm 2 or less is provided at the interface between the ceramic film and the metal film. Since the metal film and the ceramic film can be intricately meshed with each other by forming the burr portion having the above, it is possible to realize a metal-ceramic laminate having an excellent bonding force between the metal film and the ceramic film. can.

本発明の実施形態に係る金属セラミックス積層体の膜厚方向の断面の一例を示す概略図である。It is the schematic which shows an example of the cross section in the film thickness direction of the metal ceramics laminated body which concerns on embodiment of this invention. セラミックス膜と金属膜の界面部分の膜厚方向の断面の一例を示す概略図である。It is the schematic which shows an example of the cross section in the film thickness direction of the interface part of a ceramic film and a metal film. セラミックス膜と金属膜の界面部分の膜厚方向の断面の一例を示す概略図である。It is the schematic which shows an example of the cross section in the film thickness direction of the interface part of a ceramic film and a metal film. セラミックス膜と金属膜の界面部分の膜厚方向の断面の一例を示す概略図である。It is the schematic which shows an example of the cross section in the film thickness direction of the interface part of a ceramic film and a metal film. 本発明の実施形態に係る金属セラミックス積層体の製造方法で用いられるエアロゾルデポジション装置の一例を示す概略図である。It is the schematic which shows an example of the aerosol deposition apparatus used in the manufacturing method of the metal ceramics laminate which concerns on embodiment of this invention.

<金属セラミックス積層体>
本発明の実施形態に係る金属セラミックス積層体は、基材、前記基材上に形成されたセラミックス膜、および前記セラミックス膜上に形成された金属膜を含み、前記セラミックス膜と前記金属膜の界面にかえし部が形成されており、前記かえし部の長さ密度が0.2μm/μm2以上5.0μm/μm2以下であることを特徴としている。
<Metal ceramic laminate>
The metal-ceramic laminate according to the embodiment of the present invention includes a base material, a ceramic film formed on the base material, and a metal film formed on the ceramic film, and is an interface between the ceramic film and the metal film. A return portion is formed, and the length density of the return portion is 0.2 μm / μm 2 or more and 5.0 μm / μm 2 or less.

先に述べたとおり、セラミックス膜上に金属膜を低温形成する技術としては、例えば、めっき法、ペースト塗布法およびエアロゾルデポジション法などがある。しかしながら、いずれの技術を適用した場合でも、従来の方法では、界面における凹凸形成によって十分なアンカー効果を得ることが難しかったり、このようなアンカー効果を得るためにエッチング等の追加の工程が必要であったりといった問題があり、さらにはエッチング等の追加の工程はセラミックス表面にダメージを与えて強度を低下させてしまう虞もある。したがって、強度低下などの不利な影響なしにセラミックス膜と金属膜とを確実に高い接合力で積層した金属セラミックス積層体を得ることは一般に困難である。 As described above, techniques for forming a metal film on a ceramic film at a low temperature include, for example, a plating method, a paste coating method, and an aerosol deposition method. However, regardless of which technique is applied, it is difficult to obtain a sufficient anchor effect by forming irregularities at the interface by the conventional method, or an additional step such as etching is required to obtain such an anchor effect. There is a problem that there is a problem, and further, an additional process such as etching may damage the surface of the ceramics and reduce the strength. Therefore, it is generally difficult to obtain a metal-ceramic laminate in which a ceramic film and a metal film are surely laminated with a high bonding force without adverse effects such as a decrease in strength.

そこで、本発明者らは、セラミックス膜上に金属膜が形成された金属セラミックス積層体において、セラミックス膜と金属膜の界面にかえし部を所定の長さ密度、具体的には0.2μm/μm2以上5.0μm/μm2以下の長さ密度で設けて当該セラミックス膜の表面に金属膜の一部が埋まったような形態を作り出すことで、金属膜とセラミックス膜を互いに複雑に噛み込み合わせることができるため、金属膜とセラミックス膜の間に優れた接合力を有する金属セラミックス積層体を実現することができることを見出した。 Therefore, in the metal-ceramic laminate in which the metal film is formed on the ceramic film, the present inventors have a predetermined length density, specifically 0.2 μm / μm, at the interface between the ceramic film and the metal film. By providing a form with a length density of 2 or more and 5.0 μm / μm 2 or less so that a part of the metal film is buried in the surface of the ceramic film, the metal film and the ceramic film are intricately meshed with each other. Therefore, it has been found that a metal-ceramic laminate having an excellent bonding force between the metal film and the ceramic film can be realized.

以下、図面を参照して、本発明の実施形態に係る金属セラミックス積層体についてより詳しく説明するが、これらの説明は、本発明の好ましい実施形態の単なる例示を意図するものであって、本発明をこのような特定の実施形態に限定することを意図するものではない。 Hereinafter, the metal-ceramic laminate according to the embodiment of the present invention will be described in more detail with reference to the drawings, but these explanations are intended merely as an example of a preferred embodiment of the present invention, and the present invention is intended. Is not intended to be limited to such particular embodiments.

図1は本発明の実施形態に係る金属セラミックス積層体の膜厚方向の断面の一例を示す概略図である。図1を参照すると、金属セラミックス積層体1は、基材2と、基材2上に積層されたセラミックス膜3と、セラミックス膜3上に積層された金属膜4とでなる。基材2は、任意の適切な形状を有することができ、特に限定されないが、実際上、基材2は、例えば、板状、円柱状、円筒状などの部材でなる。基材2の表面全体あるいは一部にセラミックス膜3が形成されている。また、セラミックス膜3の表面全体あるいは一部に金属膜4が形成されている。このような金属セラミックス積層体1の膜厚方向の断面には、基材2とセラミックス膜3の界面5と、セラミックス膜3と金属膜4の界面6が現れる。 FIG. 1 is a schematic view showing an example of a cross section of the metal-ceramic laminate according to the embodiment of the present invention in the film thickness direction. Referring to FIG. 1, the metal-ceramic laminate 1 is composed of a base material 2, a ceramic film 3 laminated on the base material 2, and a metal film 4 laminated on the ceramic film 3. The base material 2 can have any suitable shape and is not particularly limited, but in practice, the base material 2 is made of, for example, a member having a plate shape, a columnar shape, a cylindrical shape, or the like. The ceramic film 3 is formed on the entire surface or a part of the base material 2. Further, the metal film 4 is formed on the entire surface or a part of the ceramic film 3. The interface 5 between the base material 2 and the ceramic film 3 and the interface 6 between the ceramic film 3 and the metal film 4 appear on the cross section of the metal-ceramic laminate 1 in the film thickness direction.

図2はセラミックス膜と金属膜の界面部分の膜厚方向の断面の一例を示す概略図である。図2に示すように、セラミックス膜3と金属膜4の界面6は、後で詳しく説明する所定の長さ密度を有するかえし部6aを形成しており、当該かえし部6aに金属膜4の一部が埋まることで金属膜4とセラミックス膜3が互いに複雑に噛み込み合っているため、金属膜4とセラミックス膜3の間に優れた接合力を作り出すことが可能となる。ここで、本発明において、かえし部とは、図2において太線6aで示される部分をいうものであり、より具体的には金属膜4とセラミックス膜3がなす連続曲線である界面6のうち、最も金属膜側の界面を除いて膜厚方向に1本以上の界面が存在する界面6の部分をいうものである。以下、本発明の実施形態に係る金属セラミックス積層体の各構成についてより詳しく説明する。 FIG. 2 is a schematic view showing an example of a cross section in the film thickness direction of the interface portion between the ceramic film and the metal film. As shown in FIG. 2, the interface 6 between the ceramic film 3 and the metal film 4 forms a barb portion 6a having a predetermined length density, which will be described in detail later, and one of the metal film 4 is formed on the barb portion 6a. Since the metal film 4 and the ceramic film 3 are intricately meshed with each other by filling the portion, it is possible to create an excellent bonding force between the metal film 4 and the ceramic film 3. Here, in the present invention, the barb portion refers to the portion shown by the thick line 6a in FIG. 2, and more specifically, among the interface 6 which is a continuous curve formed by the metal film 4 and the ceramic film 3. It refers to the portion of the interface 6 in which one or more interfaces exist in the film thickness direction excluding the interface on the most metal film side. Hereinafter, each configuration of the metal-ceramic laminate according to the embodiment of the present invention will be described in more detail.

[基材]
本発明の実施形態に係る基材は、任意の適切な材料であってよく、特に限定されないが、例えば金属材料であることが望ましい。基材を金属材料とすることで、お互いに物性が大きく異なるセラミックス膜と金属基材それぞれの優れた特徴を併せ持つ金属セラミックス積層体とすることができる。このような金属材料としては、特に限定されないが、例えば、銅(Cu)、アルミニウム(Al)、鉄(Fe)、ニッケル(Ni)、チタン(Ti)、モリブデン(Mo)、ジルコニウム(Zr)、タングステン(W)、銀(Ag)、クロム(Cr)、マンガン(Mn)、亜鉛(Zn)、イットリウム(Y)、ニオブ(Nb)、コバルト(Co)、白金(Pt)、バナジウム(V)、パラジウム(Pd)、および金(Au)からなる群より選択される少なくとも1種であってもよく、またはこれらの元素のうち少なくとも1種を主体とする合金であってもよい。あるいはまた、金属材料は、これらの元素のうち少なくとも1種中にまたはこれらの元素のうち少なくとも1種を主体とする合金中に、セラミックスなどの金属以外の材料が含まれる複合材料であってもよい。本発明において、主体とは、全体の質量を基準として、対象となる材料を50質量%以上含有することをいうものである。
[Base material]
The base material according to the embodiment of the present invention may be any suitable material, and is not particularly limited, but is preferably a metal material, for example. By using a metal material as the base material, it is possible to obtain a metal ceramics laminate having excellent characteristics of each of the ceramic film and the metal base material, which have significantly different physical properties from each other. Such a metal material is not particularly limited, but for example, copper (Cu), aluminum (Al), iron (Fe), nickel (Ni), titanium (Ti), molybdenum (Mo), zirconium (Zr), and the like. Titanium (W), silver (Ag), chromium (Cr), manganese (Mn), zinc (Zn), yttrium (Y), niobium (Nb), cobalt (Co), platinum (Pt), vanadium (V), It may be at least one selected from the group consisting of palladium (Pd) and gold (Au), or may be an alloy containing at least one of these elements as a main component. Alternatively, the metal material may be a composite material in which a material other than the metal such as ceramics is contained in at least one of these elements or in an alloy containing at least one of these elements as a main component. good. In the present invention, the main body means that the target material is contained in an amount of 50% by mass or more based on the total mass.

[セラミックス膜]
上記の基材上に形成されるセラミックス膜は、金属膜との界面に0.2μm/μm2以上5.0μm/μm2以下のかえし部が形成されたものであれば改善された接合力を提供できるため、当該セラミックス膜を構成するセラミックス材料の種類は特に限定はされない。したがって、セラミックス膜は、任意のセラミックス材料であってよく、特に限定されないが、例えば、酸化アルミニウム、窒化アルミニウム、窒化けい素、酸化ジルコニウム、炭化けい素、酸化イットリウム、酸化けい素、および窒化ほう素からなる群より選択される少なくとも1種を含むかもしくは上記の群より選択される少なくとも1種であってもよく、またはこれらのセラミックスのうち少なくとも1種を主体とする複合セラミックスであってもよい。これらの中でも、特に、窒化けい素は優れた機械的特性と比較的高い熱伝導性を有することから、このような観点からは、セラミックス膜は窒化けい素を含むかまたは窒化けい素であることが望ましい。
[Ceramics film]
The ceramic film formed on the above-mentioned base material has an improved bonding force as long as a burr portion of 0.2 μm / μm 2 or more and 5.0 μm / μm 2 or less is formed at the interface with the metal film. Since it can be provided, the type of ceramic material constituting the ceramic film is not particularly limited. Therefore, the ceramic film may be any ceramic material, and is not particularly limited, and is, for example, aluminum oxide, aluminum nitride, silicon nitride, zirconium oxide, silica carbide, yttrium oxide, silicon oxide, and boron nitride. It may contain at least one selected from the group consisting of, or may be at least one selected from the above group, or may be a composite ceramic mainly composed of at least one of these ceramics. .. Among these, since silicon nitride has excellent mechanical properties and relatively high thermal conductivity, the ceramic film should contain silicon nitride or be silicon nitride from this viewpoint. Is desirable.

[金属膜]
同様に、金属膜は、任意の適切な金属材料を含むものであってよく、特に限定されないが、例えば熱伝導性および電気伝導性の高い銅(Cu)を含むかまたは銅であることが望ましい。また、銅は金属材料の中でも粉末状態での安定性が高いため、金属膜の形成時に金属粉末を使用する場合(例えば、エアロゾルデポジション法など)、ハンドリング性に優れる利点もある。
[Metal film]
Similarly, the metal film may contain any suitable metal material and is not particularly limited, but is preferably containing or being copper, for example, copper (Cu) having high thermal and electrical conductivity. .. Further, since copper has high stability in a powder state among metal materials, it also has an advantage of excellent handleability when a metal powder is used when forming a metal film (for example, an aerosol deposition method).

[かえし部の長さ密度(M):0.2μm/μm2以上5.0μm/μm2以下]
本発明の実施形態に係る金属セラミックス積層体では、セラミックス膜と金属膜の界面にかえし部が形成されており、当該かえし部の長さ密度は0.2μm/μm2以上5.0μm/μm2以下である。かえし部の長さ密度を0.2μm/μm2以上5.0μm/μm2以下とすることで、金属膜とセラミックス膜を互いに複雑に噛み込み合わせることができるため、金属膜とセラミックス膜の間に優れた接合力を発現させることができる。かえし部の長さ密度は、好ましくは1.0μm/μm2以上、さらに好ましくは3.0μm/μm2以上である。かえし部の長さ密度を大きくすることで、金属膜とセラミックス膜を互いにさらに複雑に噛み込み合わせることができるため、金属膜とセラミックス膜の間にさらに優れた接合力を発現させることができる。
[Length density (M) of the barb: 0.2 μm / μm 2 or more and 5.0 μm / μm 2 or less]
In the metal-ceramic laminate according to the embodiment of the present invention, a barb is formed at the interface between the ceramic film and the metal film, and the length density of the barb is 0.2 μm / μm 2 or more and 5.0 μm / μm 2. It is as follows. By setting the length density of the barb portion to 0.2 μm / μm 2 or more and 5.0 μm / μm 2 or less, the metal film and the ceramic film can be intricately meshed with each other. It is possible to develop excellent bonding force. The length density of the barb is preferably 1.0 μm / μm 2 or more, and more preferably 3.0 μm / μm 2 or more. By increasing the length density of the barb portion, the metal film and the ceramic film can be more complicatedly meshed with each other, so that a more excellent bonding force can be exhibited between the metal film and the ceramic film.

一方、かえし部の長さ密度が0.2μm/μm2未満の場合、かえし部の量が少なくなり、金属膜とセラミックス膜が互いに十分には噛み込み合えなくなるため、接合力が低下してしまう。例えば、セラミックス膜と金属膜の界面が単純に膜厚方向に凹凸しているだけの形状の場合、かえし部の長さ密度は0.0μm/μm2となるため、接合力は低い。かえし部の長さ密度は、上述のように基本的に大きいほど望ましいが、大きすぎるとセラミックス膜中のかえし部上部または内部(図2中の7または8)に入り込むセラミックス材料の量が極端に減ってしまうため、セラミックス膜が破壊されやすくなり、接合力の低下を招く。したがって、かえし部の長さ密度は5.0μm/μm2以下とし、4.5μm/μm2以下であってもよい。 On the other hand, when the length density of the barb is less than 0.2 μm / μm 2 , the amount of the barb is small and the metal film and the ceramic film cannot sufficiently mesh with each other, so that the bonding force is reduced. .. For example, in the case where the interface between the ceramic film and the metal film is simply uneven in the film thickness direction, the length density of the barb portion is 0.0 μm / μm 2 , so the bonding force is low. As described above, the length density of the barb is basically desirable as it is larger, but if it is too large, the amount of the ceramic material that enters the upper part or the inside (7 or 8 in FIG. 2) of the barb in the ceramic film is extremely large. Since the amount is reduced, the ceramic film is easily broken, resulting in a decrease in bonding force. Therefore, the length density of the barb portion may be 5.0 μm / μm 2 or less, and may be 4.5 μm / μm 2 or less.

[かえし部の長さ密度(M)の測定]
本発明において、かえし部の長さ密度とは、単位面積に含まれるかえし部の総長さをいうものであり、以下の(式1)で表される。
M=(I1+I2+・・・+In+・・・+IN)/A (式1)
図2を参照して説明すると、式中、Mはかえし部6aの長さ密度(μm/μm2)を表し、Nは界面領域6b中のかえし部6aの数を表し、Inは界面領域6b中のn個目(1≦n≦Nの整数)のかえし部6aの長さ(μm)を表し、Aは界面領域6bの面積(μm2)を表す。また、界面領域6bとは、界面6を囲う長方形、つまり界面6の最大高低差を縦とし、面内(水平)方向の10μm以上の任意の長さを横とした長方形の領域をいうものである。
[Measurement of length density (M) of barb]
In the present invention, the length density of the barb portion means the total length of the barb portion included in the unit area, and is represented by the following (Equation 1).
M = (I 1 + I 2 + ··· + I n + ··· + I N) / A ( Formula 1)
Referring to FIG. 2, where, M represents the length density (μm / μm 2) of the barb portion 6a, N represents the number of barbs 6a in the interface region 6b, I n the interface region The nth barb (an integer of 1 ≦ n ≦ N) in 6b represents the length (μm) of the barb portion 6a, and A represents the area (μm 2 ) of the interface region 6b. The interface region 6b is a rectangular region surrounding the interface 6, that is, a rectangular region in which the maximum height difference of the interface 6 is vertical and an arbitrary length of 10 μm or more in the in-plane (horizontal) direction is horizontal. be.

具体的には、かえし部の長さ密度Mは、以下のようにして決定される。まず、セラミックス膜と金属膜の界面が鮮明に撮影された膜厚方向の断面のSEM画像を用意する。用いるSEM画像は、1画素あたりの長さが0.02μm以下、面内方向の視野長さが10μm以上、膜厚方向の視野長さがセラミックス膜と金属膜の界面を視野内に収める長さ以上である必要がある。前記面内方向の視野長さおよび前記膜厚方向の視野長さが、1枚のSEM画像で確保できない場合、複数枚のSEM画像を連結して各視野長さを確保する。次いで、このSEM画像において、画像解析ソフトなどにより、セラミックス膜と金属膜の界面を連続曲線としてトレースして当該界面を決定する。決定した界面に対して、上記で説明した長方形の界面領域を描き、その面積Aを測定する。次に、決定した界面のうち、上記で説明したかえし部に対応する部分を抽出し、N個のかえし部のそれぞれの長さI1、I2、・・・INを測定する。最後に、上記式(1)から、かえし部の長さ密度Mを算出する。 Specifically, the length density M of the barb portion is determined as follows. First, an SEM image of a cross section in the film thickness direction in which the interface between the ceramic film and the metal film is clearly photographed is prepared. The SEM image used has a length of 0.02 μm or less per pixel, a field of view length of 10 μm or more in the in-plane direction, and a field of view length in the film thickness direction that fits the interface between the ceramic film and the metal film in the field of view. It needs to be above. When the visual field length in the in-plane direction and the visual field length in the film thickness direction cannot be secured by one SEM image, a plurality of SEM images are connected to secure each visual field length. Next, in this SEM image, the interface between the ceramic film and the metal film is traced as a continuous curve by image analysis software or the like to determine the interface. A rectangular interface region described above is drawn with respect to the determined interface, and the area A is measured. Then, among the determined interface, extracting a portion corresponding to the barbs described above, each of length I 1 of the N barbs, I 2, to measure · · · I N. Finally, the length density M of the barb portion is calculated from the above equation (1).

[金属分散相の最大存在深さ(H):セラミックス膜の厚さ(t)の1/3以下]
図3はセラミックス膜と金属膜の界面部分の膜厚方向の断面の一例を示す概略図である。金属セラミックス積層体1の製造においては、セラミックス膜3と金属膜4の界面6に接合力を向上させるかえし部6aを形成させるために、製造条件によっては、セラミックス膜3側に金属分散相3aがやむを得ず混入してしまう場合がある。金属分散相3aの混入量が多くなると、すなわちこの金属分散相3aがセラミックス膜3内の深い位置まで混入してしまうと、当該金属分散相3aはセラミックス膜3内で破壊の起点となってセラミックス膜3が本来持っている機械的特性や絶縁性を劣化させてしまうことがある。
[Maximum existence depth (H) of the metal dispersion phase: 1/3 or less of the thickness (t) of the ceramic film]
FIG. 3 is a schematic view showing an example of a cross section in the film thickness direction of the interface portion between the ceramic film and the metal film. In the production of the metal-ceramic laminate 1, in order to form a burr portion 6a at the interface 6 between the ceramic film 3 and the metal film 4 to improve the bonding force, the metal dispersion phase 3a is provided on the ceramic film 3 side depending on the production conditions. It may be unavoidably mixed. When the amount of the metal dispersion phase 3a mixed is large, that is, when the metal dispersion phase 3a is mixed deep in the ceramic film 3, the metal dispersion phase 3a becomes a starting point of fracture in the ceramic film 3 and becomes a ceramic. The mechanical properties and insulating properties inherent in the film 3 may be deteriorated.

本発明において、金属分散相とは、セラミックス膜と金属膜の界面からセラミックス膜側に混入して孤立分散している相面積0.01μm2以上の金属相をいうものである。なお、相面積0.01μm2未満の金属分散相は、相面積が小さいため、セラミックス膜が本来持っている機械的特性や絶縁性の劣化を引き起こしにくく、その影響を無視することができる。本発明の実施形態に係る金属セラミックス積層体では、セラミックス膜の本来の機械的特性や絶縁性を確実に発揮させるために、金属分散相の最大存在深さはセラミックス膜の厚さの1/3以下であることが望ましい。金属分散相の最大存在深さは、好ましくはセラミックス膜の厚さの1/5以下、さらに好ましくはセラミックス膜の厚さの1/10以下である。一方、金属分散相の最大存在深さがセラミックス膜の厚さの1/3超の場合、上述のようにセラミックス膜が本来持っている機械的特性や絶縁性を劣化させてしまい、接合力が低下してしまったり、絶縁破壊しやすくなってしまったりする恐れがある。 In the present invention, the metal-dispersed phase refers to a metal phase having a phase area of 0.01 μm 2 or more that is isolated and dispersed from the interface between the ceramic film and the metal film to the ceramic film side. Since the metal-dispersed phase having a phase area of less than 0.01 μm 2 has a small phase area, it is unlikely to cause deterioration of the mechanical properties and insulating properties inherent in the ceramic film, and its influence can be ignored. In the metal-ceramic laminate according to the embodiment of the present invention, the maximum depth of existence of the metal dispersion phase is 1/3 of the thickness of the ceramic film in order to ensure that the original mechanical properties and insulating properties of the ceramic film are exhibited. It is desirable that it is as follows. The maximum existing depth of the metal dispersion phase is preferably 1/5 or less of the thickness of the ceramic film, and more preferably 1/10 or less of the thickness of the ceramic film. On the other hand, when the maximum depth of existence of the metal dispersion phase is more than 1/3 of the thickness of the ceramic film, the mechanical properties and insulating properties inherent in the ceramic film are deteriorated as described above, and the bonding force is increased. There is a risk that it will be lowered or that the insulation will be easily broken.

[金属分散相の最大存在深さ(H)およびセラミックス膜の厚さ(t)の測定]
本発明において、金属分散相の最大存在深さとは、図3を参照して説明すると、図3においてHとして示されるように、セラミックス膜3と金属膜4の界面6の最大高さと、複数の金属分散相3aのうちセラミックス膜3の最深部に存在する金属分散相3aとの高さの差をいうものである。また、セラミックス膜の厚さとは、図3においてtとして示されるように、セラミックス膜3と金属膜4の界面6の最大高さと、セラミックス膜3と基材2の界面5の最小高さとの差をいうものである。
[Measurement of maximum existing depth (H) of metal dispersion phase and thickness (t) of ceramic film]
In the present invention, the maximum existence depth of the metal dispersed phase is explained with reference to FIG. 3, as shown by H in FIG. 3, the maximum height of the interface 6 between the ceramic film 3 and the metal film 4 and a plurality of depths. It refers to the difference in height between the metal dispersion phase 3a and the metal dispersion phase 3a existing in the deepest part of the ceramic film 3. The thickness of the ceramic film is the difference between the maximum height of the interface 6 between the ceramic film 3 and the metal film 4 and the minimum height of the interface 5 between the ceramic film 3 and the base material 2, as shown as t in FIG. It means.

具体的には、金属分散相の最大存在深さおよびセラミックス膜の厚さは、以下のようにして決定される。まず、セラミックス膜と金属膜の界面からセラミックス膜と基材の界面までが鮮明に撮影された膜厚方向の断面のSEM画像を用意する。用いるSEM画像は、1画素あたりの長さが0.02μm以下、面内方向の視野長さが10μm以上、膜厚方向の視野長さがセラミックス膜と金属膜の界面からセラミックス膜と基材の界面までを視野内に収める長さ以上である必要がある。前記面内方向の視野長さおよび前記膜厚方向の視野長さが、1枚のSEM画像で確保できない場合、複数枚のSEM画像を連結して各視野長さを確保する。次いで、このSEM画像において、画像解析ソフトなどにより、上記で説明した相面積が0.01μm2以上の金属分散相を検出して当該金属分散相の最大存在深さを測定するとともに、セラミックス膜の厚さを測定する。 Specifically, the maximum existence depth of the metal dispersion phase and the thickness of the ceramic film are determined as follows. First, an SEM image of a cross section in the film thickness direction is prepared in which the interface between the ceramic film and the metal film and the interface between the ceramic film and the base material are clearly photographed. The SEM image used has a length per pixel of 0.02 μm or less, a field length in the in-plane direction of 10 μm or more, and a field length in the film thickness direction from the interface between the ceramic film and the metal film to the ceramic film and the base material. It must be longer than the length that allows the interface to be within the field of view. When the visual field length in the in-plane direction and the visual field length in the film thickness direction cannot be secured by one SEM image, a plurality of SEM images are connected to secure each visual field length. Next, in this SEM image, the metal dispersion phase having a phase area of 0.01 μm 2 or more described above is detected by image analysis software or the like to measure the maximum existence depth of the metal dispersion phase, and the ceramic film is formed. Measure the thickness.

[セラミックス膜と金属膜の界面のセラミックス膜側近傍領域における気孔率(ρ):3%以下]
本発明の実施形態に係る金属セラミックス積層体では、セラミックス膜と金属膜の界面のセラミックス膜側近傍領域における気孔率が3%以下であることが望ましい。図4はセラミックス膜と金属膜の界面部分の膜厚方向の断面の一例を示す概略図である。金属セラミックス積層体1の製造においては、製造条件によっては、図4に示すように、セラミックス膜3と金属膜4の界面6のセラミックス膜側近傍領域3bに気孔3cを生じさせてしまう場合がある。当該近傍領域3bにおける気孔3cの量が多くなると、それがセラミックス膜3中で破壊の起点となり、当該セラミックス膜3の強度を低下させてしまうことがある。ここで、本発明において、セラミックス膜と金属膜の界面のセラミックス膜側近傍領域とは、図4において面積Bとして示される部分をいうものであり、より具体的には界面6と、界面6からセラミックス膜3の厚さtの1/3の深さにおいて面内方向に引いた線分で囲まれたセラミックス膜3内の領域をいうものである。面内方向に引いた線分は10μm以上の任意の長さである。この近傍領域における気孔率を3%以下とすることで、当該近傍領域におけるセラミックス膜3中で破壊の起点となる気孔を減らし、その強度を向上させることができるため、金属膜4とセラミックス膜3の接合力をより高めることができる。
[Porosity (ρ): 3% or less in the region near the ceramic film side at the interface between the ceramic film and the metal film]
In the metal-ceramic laminate according to the embodiment of the present invention, it is desirable that the porosity in the region near the ceramic film side at the interface between the ceramic film and the metal film is 3% or less. FIG. 4 is a schematic view showing an example of a cross section in the film thickness direction of the interface portion between the ceramic film and the metal film. In the production of the metal-ceramic laminate 1, as shown in FIG. 4, pores 3c may be generated in the region 3b near the ceramic film side of the interface 6 between the ceramic film 3 and the metal film 4, depending on the production conditions. .. If the amount of pores 3c in the vicinity region 3b increases, it may become a starting point of fracture in the ceramic film 3 and reduce the strength of the ceramic film 3. Here, in the present invention, the region near the ceramic film side of the interface between the ceramic film and the metal film means a portion shown as an area B in FIG. 4, and more specifically, from the interface 6 and the interface 6. It refers to a region in the ceramic film 3 surrounded by a line drawn in the in-plane direction at a depth of 1/3 of the thickness t of the ceramic film 3. The line segment drawn in the in-plane direction has an arbitrary length of 10 μm or more. By setting the porosity in the vicinity region to 3% or less, the pores that are the starting points of fracture in the ceramic film 3 in the vicinity region can be reduced and the strength thereof can be improved. Therefore, the metal film 4 and the ceramic film 3 can be improved. The bonding strength of the ceramics can be further enhanced.

また、本発明において、気孔とは、気孔面積が0.0004μm2以上の気孔をいうものである。なお、気孔面積0.0004μm2未満の気孔は、気孔面積が小さいため、セラミックス膜中で破壊の起点にはなりにくく、その影響を無視することができる。上記の気孔率は、好ましくは2%以下、さらに好ましくは1%以下である。当該気孔率を3%よりも小さくすることで、セラミックス膜中で破壊の起点となる気孔をさらに減らし、その強度をより向上させることができるため、金属膜とセラミックス膜の接合力をより高めることができる。一方、気孔率が3%超の場合、セラミックス膜中で破壊の起点となる気孔が増加するため、セラミックス膜と金属膜の界面のセラミックス膜側近傍領域におけるセラミックス膜が破壊されやすくなり、その結果、金属膜とセラミックス膜の接合力が低下してしまう恐れがある。 Further, in the present invention, the pores refer to pores having a pore area of 0.0004 μm 2 or more. Since the pore area of less than 0.0004 μm 2 is small, it is unlikely to be the starting point of fracture in the ceramic film, and its influence can be ignored. The porosity is preferably 2% or less, more preferably 1% or less. By making the porosity smaller than 3%, the pores that are the starting points of fracture in the ceramic film can be further reduced and the strength can be further improved, so that the bonding force between the metal film and the ceramic film can be further enhanced. Can be done. On the other hand, when the porosity exceeds 3%, the pores that are the starting points of fracture increase in the ceramic film, so that the ceramic film in the region near the ceramic film side at the interface between the ceramic film and the metal film is easily destroyed, and as a result, the ceramic film is easily destroyed. , There is a risk that the bonding strength between the metal film and the ceramic film will decrease.

[セラミックス膜と金属膜の界面のセラミックス膜側近傍領域における気孔率(ρ)の測定]
セラミックス膜と金属膜の界面のセラミックス膜側近傍領域における気孔率は以下の(式2)で表される。
ρ=((P1+P2+・・・+Pk+・・・+PK)/B)×100 (式2)
図4を参照して説明すると、式中、ρはセラミックス膜3と金属膜4の界面6のセラミックス膜側近傍領域3bにおける気孔率(%)を表し、Kは当該近傍領域3b中の気孔3cの数を表し、Pkは当該近傍領域3b中のk個目(1≦k≦Kの整数)の気孔3cの面積(μm2)を表し、Bは当該近傍領域3bの面積(μm2)を表す。
[Measurement of porosity (ρ) in the region near the ceramic film side at the interface between the ceramic film and the metal film]
The porosity in the region near the ceramic film side at the interface between the ceramic film and the metal film is represented by the following (Equation 2).
ρ = ((P 1 + P 2 + ... + P k + ... + PK ) / B) x 100 (Equation 2)
Explaining with reference to FIG. 4, in the equation, ρ represents the porosity (%) in the ceramic film side near region 3b of the interface 6 between the ceramic film 3 and the metal film 4, and K represents the porosity 3c in the near region 3b. It represents the number of, P k is the area of the pores 3c of the k-th in the neighborhood region 3b (integer of 1 ≦ k ≦ K) (μm 2) , B stands area of the neighboring region 3b (μm 2) Represents.

具体的には、セラミックス膜と金属膜の界面のセラミックス膜側近傍領域における気孔率ρは以下のようにして決定される。まず、セラミックス膜と金属膜の界面からセラミックス膜と基材の界面までが鮮明に撮影された膜厚方向の断面のSEM画像を用意する。用いるSEM画像は、1画素あたりの長さが0.02μm以下、面内方向の視野長さが10μm以上、膜厚方向の視野長さがセラミックス膜と金属膜の界面からセラミックス膜と基材の界面5までを視野内に収める長さ以上である必要がある。前記面内方向の視野長さおよび前記膜厚方向の視野長さが、1枚のSEM画像で確保できない場合、複数枚のSEM画像を連結して各視野長さを確保する。次いで、このSEM画像において、画像解析ソフトなどにより、セラミックス膜と金属膜の界面を連続曲線としてトレースして当該界面を決定する。決定した界面を用いて、上記で説明したセラミックス膜と金属膜の界面のセラミックス膜側近傍領域3bを抽出し、その面積Bを測定する。次に、当該近傍領域3b内の気孔面積が0.0004μm2以上の気孔を抽出し、それぞれの面積P1、P2、・・・PKを測定する。最後に、上記式(2)から、セラミックス膜と金属膜の界面のセラミックス膜側近傍領域における気孔率ρを算出する。 Specifically, the porosity ρ in the region near the ceramic film side at the interface between the ceramic film and the metal film is determined as follows. First, an SEM image of a cross section in the film thickness direction is prepared in which the interface between the ceramic film and the metal film and the interface between the ceramic film and the base material are clearly photographed. The SEM image used has a length per pixel of 0.02 μm or less, a field length in the in-plane direction of 10 μm or more, and a field length in the film thickness direction from the interface between the ceramic film and the metal film to the ceramic film and the base material. It must be longer than the length that allows up to the interface 5 to be within the field of view. When the visual field length in the in-plane direction and the visual field length in the film thickness direction cannot be secured by one SEM image, a plurality of SEM images are connected to secure each visual field length. Next, in this SEM image, the interface between the ceramic film and the metal film is traced as a continuous curve by image analysis software or the like to determine the interface. Using the determined interface, the area 3b near the ceramic film side of the interface between the ceramic film and the metal film described above is extracted, and the area B is measured. Next, pores having a pore area of 0.0004 μm 2 or more in the vicinity region 3b are extracted, and the respective areas P 1 , P 2 , ... PK are measured. Finally, from the above equation (2), the porosity ρ in the region near the ceramic film side at the interface between the ceramic film and the metal film is calculated.

[金属セラミックス積層体の製造方法]
次に、本発明の実施形態に係る金属セラミックス積層体の好ましい製造方法について説明する。以下の説明は、本発明の実施形態に係る金属セラミックス積層体を製造するための特徴的な方法の例示を意図するものであって、当該金属セラミックス積層体を以下に説明するような製造方法によって製造されるものに限定することを意図するものではない。
[Manufacturing method of metal-ceramic laminate]
Next, a preferable manufacturing method of the metal-ceramic laminate according to the embodiment of the present invention will be described. The following description is intended to exemplify a characteristic method for producing the metal-ceramic laminate according to the embodiment of the present invention, and the metal-ceramic laminate is produced by a production method as described below. It is not intended to be limited to what is manufactured.

基材上へのセラミックス膜の形成方法については、PVD法、CVD法、溶射法、コールドスプレー法、ゾルゲル法など特に限定しないが、例えば、ガスと混合してエアロゾル化したセラミックス微粒子を、減圧された成膜室内で基材上に高速噴射してセラミックス膜を形成するエアロゾルデポジション法が、緻密なセラミックス膜を常温で形成できる点で適している。また、セラミックス膜を形成する際に最終層を、金属膜と同種の金属粉末を配合したセラミックス粉末を用いて形成することで、セラミックス膜の表面に金属相が埋まったような形態とすることができ、その上に金属膜を形成した際に、当該金属膜がセラミックス膜に埋まった同種の金属相と接合し、図2で示したようなセラミックス膜と金属膜の界面が複雑形状を呈した本発明の実施形態に係る金属セラミックス積層体を製造できる。 The method for forming the ceramic film on the substrate is not particularly limited to the PVD method, CVD method, thermal spraying method, cold spray method, sol-gel method, etc., but for example, the ceramic fine particles mixed with gas and aerosolized are depressurized. The aerosol deposition method, in which a ceramic film is formed by high-speed spraying onto a substrate in a film-forming chamber, is suitable in that a dense ceramic film can be formed at room temperature. Further, when the ceramic film is formed, the final layer is formed by using the ceramic powder containing the same kind of metal powder as the metal film, so that the surface of the ceramic film is filled with the metal phase. When a metal film was formed on the metal film, the metal film was bonded to the same type of metal phase embedded in the ceramic film, and the interface between the ceramic film and the metal film as shown in FIG. 2 had a complicated shape. A metal-ceramic laminate according to an embodiment of the present invention can be produced.

セラミックス膜上への金属膜の形成方法については、めっき法、ペースト塗布法、溶射法、コールドスプレー法、ガスデポジション法など特に限定しないが、例えば、上記セラミックス膜の形成でも説明したエアロゾルデポジション法が、緻密な金属膜を常温で形成できる点で望ましい。以下、エアロゾルデポジション法を例にして金属セラミックス積層体の製造方法を説明する。 The method for forming the metal film on the ceramic film is not particularly limited, such as a plating method, a paste coating method, a thermal spraying method, a cold spray method, and a gas deposition method. The method is desirable in that a dense metal film can be formed at room temperature. Hereinafter, a method for manufacturing a metal-ceramic laminate will be described by taking the aerosol deposition method as an example.

図5は、本発明の実施形態に係る金属セラミックス積層体の製造方法で用いられるエアロゾルデポジション装置の一例を示す概略図である。金属セラミックス積層体1を図5に例示するエアロゾルデポジション装置11を用いて製造する。図5のエアロゾルデポジション装置11は、エアロゾル化容器12と、成膜室13と、エアロゾル搬送管14と、真空ポンプ15と、ガス供給系16とを備える。エアロゾル化容器12と成膜室13は、エアロゾル搬送管14によって接続されている。真空ポンプ15は、成膜室13に接続されており、成膜室13内を減圧する。ガス供給系16とエアロゾル化容器12は、調整ガス配管18と巻上ガス配管19によって接続されている。 FIG. 5 is a schematic view showing an example of an aerosol deposition device used in the method for manufacturing a metal-ceramic laminate according to an embodiment of the present invention. The metal-ceramic laminate 1 is manufactured by using the aerosol deposition apparatus 11 illustrated in FIG. The aerosol deposition device 11 of FIG. 5 includes an aerosolization container 12, a film forming chamber 13, an aerosol transfer pipe 14, a vacuum pump 15, and a gas supply system 16. The aerosolization container 12 and the film forming chamber 13 are connected by an aerosol transfer pipe 14. The vacuum pump 15 is connected to the film forming chamber 13 and decompresses the inside of the film forming chamber 13. The gas supply system 16 and the aerosolization container 12 are connected by the adjusting gas pipe 18 and the hoisting gas pipe 19.

エアロゾル化容器12には、容器内部にセラミックスや金属の原料粉末17が収容されており、巻上ガス配管19から原料粉末17に窒素(N2)ガス、ヘリウム(He)ガス、アルゴン(Ar)ガス、酸素(O2)ガス、空気などの成膜ガスが巻上ガスとして供給され、エアロゾル化容器12内部空間にも調整ガス配管18から前記成膜ガスが調整ガスとして供給される。なお、エアロゾル化容器12には、原料粉末17を撹拌するための振動機構(図示せず)と、原料粉末17を乾燥するための加熱機構(図示せず)とが設けられている。また、目的によっては、巻上ガス配管19の途中に、原料粉末17を回転する円形ブラシで少しずつ掻き取りながら連続的にエアロゾル化容器12に供給する機構(図示せず)が設けられることもある。この場合、エアロゾル化容器12には成膜前に原料粉末17が収容されておらず、成膜開始後に原料粉末が連続的に供給される。 The aerosolation container 12 contains the raw material powder 17 of ceramics or metal inside the container, and the raw material powder 17 is charged with nitrogen (N 2 ) gas, helium (He) gas, and argon (Ar) from the hoisting gas pipe 19. A film-forming gas such as gas, oxygen (O 2 ) gas, or air is supplied as a hoisting gas, and the film-forming gas is also supplied as a adjusting gas from the adjusting gas pipe 18 to the internal space of the aerosolization container 12. The aerosolization container 12 is provided with a vibration mechanism (not shown) for stirring the raw material powder 17 and a heating mechanism (not shown) for drying the raw material powder 17. Further, depending on the purpose, a mechanism (not shown) for continuously supplying the raw material powder 17 to the aerosolization container 12 while scraping it little by little with a rotating circular brush may be provided in the middle of the hoisting gas pipe 19. be. In this case, the raw material powder 17 is not contained in the aerosolization container 12 before the film formation, and the raw material powder is continuously supplied after the film formation starts.

成膜室13の内部には、エアロゾル搬送管14のノズル口に対して、基材固定面が対向するようにステージ20が設けられている。基材2は、ステージ20の当該基材固定面に固定される。ステージ20には、ステージ20を動かすことでエアロゾルが基材2あるいはセラミックス膜3に当たる位置を変え、エアロゾルを基材2あるいはセラミックス膜3の表面に繰り返し吹き付けるための水平駆動機構21が設けられている。 Inside the film forming chamber 13, a stage 20 is provided so that the base material fixing surface faces the nozzle port of the aerosol transfer tube 14. The base material 2 is fixed to the base material fixing surface of the stage 20. The stage 20 is provided with a horizontal drive mechanism 21 for repeatedly spraying the aerosol onto the surface of the base material 2 or the ceramic film 3 by changing the position where the aerosol hits the base material 2 or the ceramic film 3 by moving the stage 20. ..

以上のような構成を有したエアロゾルデポジション装置11では、ガス供給系16からエアロゾル化容器12内に巻上ガス配管19を通じて成膜ガスを供給し、原料粉末微粒子を含むエアロゾルをエアロゾル化容器12内に生成する。このとき、エアロゾルデポジション装置11は、調整ガス配管18を通じてエアロゾル化容器12内に成膜ガスを供給し、調整ガス配管18と巻上ガス配管19から供給された成膜ガスにより、エアロゾル化容器12内のエアロゾルを、エアロゾル搬送管14を通じて成膜室13に供給する。 In the aerosol deposition device 11 having the above configuration, the deposited gas is supplied from the gas supply system 16 into the aerosolizing container 12 through the hoisting gas pipe 19, and the aerosol containing the raw material powder fine particles is supplied to the aerosolizing container 12 Generate in. At this time, the aerosol deposition device 11 supplies the film-forming gas into the aerosolizing container 12 through the adjusting gas pipe 18, and the aerosolized container is supplied by the forming gas supplied from the adjusting gas pipe 18 and the hoisting gas pipe 19. The aerosol in 12 is supplied to the film forming chamber 13 through the aerosol transfer pipe 14.

真空ポンプ15により減圧された成膜室13内では、エアロゾル搬送管14のノズル口からステージ20に固定された基材2あるいはセラミックス膜3に向けてエアロゾルが噴射される。この際、エアロゾルデポジション装置11は、水平駆動機構21によってステージ20を水平方向(図5中の矢印の方向)に往復移動させ、エアロゾル搬送管14のノズル口から噴射されたエアロゾルを、基材2あるいはセラミックス膜3の表面上に繰り返し吹き付けさせる。 In the film forming chamber 13 decompressed by the vacuum pump 15, the aerosol is injected from the nozzle port of the aerosol transfer pipe 14 toward the base material 2 or the ceramic film 3 fixed to the stage 20. At this time, the aerosol deposition device 11 reciprocates the stage 20 in the horizontal direction (in the direction of the arrow in FIG. 5) by the horizontal drive mechanism 21, and uses the aerosol injected from the nozzle port of the aerosol transfer pipe 14 as the base material. 2 or the surface of the ceramic film 3 is repeatedly sprayed.

以下、エアロゾルデポジション法(AD法)を用いた金属セラミックス積層体の製造方法についてより詳しく説明する。例えば、上で説明した特徴を有する本発明の実施形態に係る金属セラミックス積層体は、
セラミックス粉末を用いてエアロゾルデポジション法により基材上にセラミックス膜を形成する工程(工程1)、
前記セラミックス粉末に金属粉末を配合した混合粉末を用いてエアロゾルデポジション法により前記セラミックス膜の表面に金属相が分散して埋没した形態を形成する工程(工程2)、および
得られたセラミック膜上に前記金属粉末を用いてエアロゾルデポジション法により金属膜を形成する工程(工程3)
を含むことを特徴とする方法によって製造することが可能である。上記の製造方法によれば、セラミックス膜と金属膜の界面において、図2に示したような複雑形状を容易に形成することができる。以下、この製造方法の各工程について詳しく説明する。
Hereinafter, a method for manufacturing a metal-ceramic laminate using the aerosol deposition method (AD method) will be described in more detail. For example, the metal-ceramic laminate according to the embodiment of the present invention having the characteristics described above may be used.
Step of forming a ceramic film on a substrate by an aerosol deposition method using ceramic powder (step 1),
A step (step 2) of forming a form in which the metal phase is dispersed and buried on the surface of the ceramic film by an aerosol deposition method using a mixed powder obtained by blending the metal powder with the ceramic powder, and on the obtained ceramic film. A step of forming a metal film by an aerosol deposition method using the metal powder (step 3).
It can be manufactured by a method characterized by containing. According to the above manufacturing method, a complicated shape as shown in FIG. 2 can be easily formed at the interface between the ceramic film and the metal film. Hereinafter, each step of this manufacturing method will be described in detail.

[工程1:セラミックス膜の形成工程]
エアロゾルデポジション法によるセラミックス膜の形成工程(工程1)においては、最適な成膜条件が存在する。そのなかでも特に、セラミックス原料粉末の粒子径の効果が大きく、最適な粒子径の原料粉末を用いて成膜しなければ成膜現象を起こすことができない。例えば、粒子径が大きすぎる場合、粒子が変形せずに、ブラストのように基材を削り取ってしまい、成膜されない。粒子径が小さすぎる場合、粒子が成膜ガスに追従してしまうことにより、基材に粒子が衝突しなくなり、同様に成膜されない。一般的に、エアロゾルデポジション法で成膜が可能なセラミックス粉末の粒子径の範囲は、0.1〜10μm程度であるが、この範囲は材料系によって、例えば0.1〜1.0μm程度といったようにさらに絞られる場合が多い。なお、前記粒子径は、エアロゾルとなって噴射される最終的なセラミックス原料粉末のメディアン径(積算体積が50%に達したときの粒子径)をいうものであり、以降も同様である。一方、金属粉末の成膜については、粒子径の範囲が0.1〜10μm程度であれば、セラミックス粉末のように材料系に応じてさらに範囲を絞ることなく、広い粒子径範囲で成膜できることが多い。
[Step 1: Ceramic film forming step]
Optimal film formation conditions exist in the ceramic film forming step (step 1) by the aerosol deposition method. Among them, the effect of the particle size of the ceramic raw material powder is particularly large, and the film forming phenomenon cannot occur unless the film is formed using the raw material powder having the optimum particle size. For example, if the particle size is too large, the particles are not deformed and the base material is scraped off like a blast, so that a film is not formed. If the particle size is too small, the particles follow the film-forming gas, so that the particles do not collide with the base material and the film is not formed as well. Generally, the range of the particle size of the ceramic powder that can be formed by the aerosol deposition method is about 0.1 to 10 μm, but this range is, for example, about 0.1 to 1.0 μm depending on the material system. In many cases, it is further squeezed. The particle size refers to the median diameter (particle size when the integrated volume reaches 50%) of the final ceramic raw material powder injected as an aerosol, and the same applies thereafter. On the other hand, regarding the film formation of metal powder, if the particle size range is about 0.1 to 10 μm, it is possible to form a film in a wide particle size range without further narrowing the range according to the material system unlike ceramic powder. There are many.

例えば、エアロゾルデポジション法により、特に金属材料を含むかまたは金属材料から構成される基材上にセラミックス膜を形成する場合には、噴射されるセラミックス粒子が、相対的な硬度が大幅に小さい金属基材にめり込むことによってアンカー効果を発揮する凹凸が基材とセラミックス膜の界面に形成されるため、当該金属基材とセラミックス膜の間で高い接合力が得やすくなるという利点がある。 For example, when a ceramic film is formed on a base material containing or composed of a metal material by the aerosol deposition method, the injected ceramic particles are made of a metal having a significantly small relative hardness. Since unevenness that exerts an anchor effect is formed at the interface between the base material and the ceramic film by digging into the base material, there is an advantage that a high bonding force can be easily obtained between the metal base material and the ceramic film.

[工程2:界面調整工程]
工程1で形成したセラミックス膜の表面に金属分散相を埋め込む工程(工程2)については、以下で説明するように、さらに注意が必要となる。エアロゾルデポジション法においては、変形しやすい金属粒子は、変形しにくいセラミックス粒子と比べて膜化しやすいため、セラミックス膜中に粗大な金属相が混入してしまう恐れがある。そのため、金属粉末をセラミックス粉末に配合する際は、粒子径(メディアン径)がセラミックス粉末の粒子径の2倍以下、好ましくは1倍以下である金属粉末を用いる必要がある。すなわち、一般的には成膜可能な粒子径範囲が広いとされる金属粉末も、セラミックス粉末の粒子径に応じて、選定する必要があるということである。また、上記と同様の理由から、金属粉末をセラミックス粉末に配合する際は、材料系にもよるが、配合原料粉末中の金属粉末の割合は1〜30vol%程度と小さく抑えておく必要がある。金属粉末の粒子径(メディアン径)および当該金属粉末の割合を適切に制御することにより、セラミックス膜と金属膜の界面にかえし部が形成され、前記かえし部の長さ密度Mが0.2μm/μm2以上5.0μm/μm2以下である金属セラミックス積層体を確実に得ることができる。
[Step 2: Interface adjustment step]
Further attention is required for the step (step 2) of embedding the metal dispersion phase on the surface of the ceramic film formed in step 1, as described below. In the aerosol deposition method, easily deformable metal particles are more easily formed into a film than hard-to-deform ceramic particles, so that a coarse metal phase may be mixed in the ceramic film. Therefore, when blending the metal powder with the ceramic powder, it is necessary to use a metal powder having a particle size (median diameter) of 2 times or less, preferably 1 time or less the particle size of the ceramic powder. That is, it is necessary to select a metal powder having a wide particle size range that can be formed into a film according to the particle size of the ceramic powder. Further, for the same reason as described above, when the metal powder is blended with the ceramic powder, the ratio of the metal powder in the blended raw material powder needs to be kept as small as about 1 to 30 vol%, although it depends on the material system. .. By appropriately controlling the particle size (median diameter) of the metal powder and the ratio of the metal powder, a barb is formed at the interface between the ceramic film and the metal film, and the length density M of the barb is 0.2 μm / m. A metal-ceramic laminate having a thickness of μm 2 or more and 5.0 μm / μm 2 or less can be reliably obtained.

例えば、金属分散相の最大存在深さHをセラミックス膜の厚さの1/3以下とするために、工程2において、工程1に対して積層回数や粉末噴射量を減らしてもよいし、工程2の後にセラミックス膜の表面を研磨してもよい。特に研磨の場合、膜表面に弱く付着した金属粒子やセラミックス粒子を除去できる点でより望ましい。 For example, in order to make the maximum existence depth H of the metal dispersion phase 1/3 or less of the thickness of the ceramic film, the number of laminations and the amount of powder injection may be reduced in step 2 with respect to step 1. After 2, the surface of the ceramic film may be polished. Especially in the case of polishing, it is more desirable in that metal particles and ceramic particles weakly adhered to the film surface can be removed.

金属粒子は膜化しやすいことから、エアロゾル中で金属粒子が凝集した状態で成膜が行われると、金属粒子が緻密化せぬまま膜化してしまい、工程2において形成したセラミックス膜中に気孔を生じさせてしまうことがある。そのため、セラミックス膜と金属膜の界面のセラミックス膜側近傍領域における気孔率ρを3%以下とするためには、セラミックス粒子と金属粒子がお互いに確実に混ざり合う方法で原料粉末(混合粉末)が配合され、混ざり合った状態を保ったままエアロゾルとして噴射されることが望ましい。原料粉末の配合法としては、一般的な粉末混合法であるボールミル、ビーズミルなどが挙げられるが、これらの方法は混合時に付与されるエネルギーが大き過ぎる場合があり、金属粒子が大きく塑性変形したり、金属粒子同士が固着したりする恐れがある。このため、付与エネルギーを小さくするか、薬さじ、乳鉢での混合程度に留めておくことが望ましい。また、エアロゾルデポジション装置による成膜の際に、成膜中に回転ブラシで粉末を掻き取りながら連続的にエアロゾル化容器に供給する機構を用いると、原料粉末中のセラミックス粒子と金属粒子がより混合した状態でエアロゾル化容器に連続的に供給される点で好ましい。 Since metal particles are easily formed into a film, if a film is formed in a state where the metal particles are aggregated in an aerosol, the metal particles are formed into a film without being densified, and pores are formed in the ceramic film formed in step 2. It may cause it. Therefore, in order to reduce the porosity ρ in the region near the ceramic film side of the interface between the ceramic film and the metal film to 3% or less, the raw material powder (mixed powder) is prepared by a method in which the ceramic particles and the metal particles are surely mixed with each other. It is desirable that the mixture is blended and sprayed as an aerosol while maintaining a mixed state. Examples of the method for blending the raw material powder include ball mills and bead mills, which are general powder mixing methods. However, in these methods, the energy applied at the time of mixing may be too large, and the metal particles may be significantly plastically deformed. , Metal particles may stick to each other. For this reason, it is desirable to reduce the applied energy or keep the mixture in a spatula or mortar. Further, when the aerosol deposition device is used for film formation, if a mechanism is used to continuously supply the powder to the aerosolization container while scraping the powder with a rotating brush during the film formation, the ceramic particles and metal particles in the raw material powder are more likely to be formed. It is preferable in that it is continuously supplied to the aerosolized container in a mixed state.

セラミックス膜を窒化けい素とする場合、窒化けい素はエアロゾルデポジション法による成膜が比較的難しい材料であることから、工程2において金属粉末をセラミックス(窒化けい素)粉末に配合する際は、配合原料粉末中の金属粉末の割合は1〜20vol%程度とさらに小さくすることが望ましい。これにより、セラミックス(窒化けい素)膜と金属膜の界面にかえし部が形成され、前記かえし部の長さ密度Mが0.2μm/μm2以上5.0μm/μm2以下である金属セラミックス積層体を確実に得ることができる。 When the ceramic film is made of silicon nitride, it is relatively difficult to form a film by the aerosol deposition method. Therefore, when the metal powder is blended with the ceramic (silicon nitride) powder in step 2, It is desirable that the ratio of the metal powder in the compounding raw material powder is further reduced to about 1 to 20 vol%. As a result, a barb is formed at the interface between the ceramic (silicon nitride) film and the metal film, and the length density M of the barb is 0.2 μm / μm 2 or more and 5.0 μm / μm 2 or less. You can definitely get the body.

[工程3:金属膜の形成工程]
最後に、工程3において、原料粉末を工程2で混合粉末に配合した金属粉末と同種の金属粉末を単独で用いて、エアロゾルデポジション法により金属膜を形成することで、セラミックス膜と金属膜の界面が図2に示したような複雑形状を呈した金属セラミックス積層体を製造することができる。工程3で使用する金属粉末は、上記のとおり、工程2で混合粉末に配合した金属粉末と同種の金属粉末である。したがって、当該金属粉末の粒子径(メディアン径)についても、工程1および2に関連して説明したのと同様に、一般的には0.1〜10μm程度であり、好ましくは工程1で使用されるセラミックス粉末の粒子径の2倍以下または1倍以下である。
[Step 3: Metal film forming step]
Finally, in step 3, a metal film of the same type as the metal powder obtained by blending the raw material powder into the mixed powder in step 2 is used alone to form a metal film by the aerosol deposition method, whereby the ceramic film and the metal film are formed. It is possible to produce a metal-ceramic laminate having an interface having a complicated shape as shown in FIG. As described above, the metal powder used in step 3 is the same type of metal powder as the metal powder blended in the mixed powder in step 2. Therefore, the particle size (median diameter) of the metal powder is generally about 0.1 to 10 μm, as described in connection with steps 1 and 2, and is preferably used in step 1. The particle size of the ceramic powder is 2 times or less or 1 times or less.

本発明の実施形態に係る金属セラミックス積層体は、任意の適切な用途において使用可能であり、特に限定されないが、セラミックス膜と金属膜が強固に接合しているため、特に半導体モジュール向けの絶縁放熱部材として有効に使用することができる。絶縁放熱部材は、半導体モジュール内において、電気を絶縁するとともに、熱を逃がす役割を担う部材である。本金属セラミックス積層体を当該絶縁放熱部材として使用する場合には、例えば、セラミックス膜は絶縁層、金属膜は回路層、基材はベース板またはヒートシンクとしての役割を果たすことができる。セラミックス膜の厚さは、モジュールの用途に応じて、必要な絶縁性(絶縁破壊電圧)が得られるように任意に調整することができるが、絶縁破壊電圧が好ましくは0.1kV以上、さらに好ましくは0.5kV以上、よりさらに好ましくは1kV以上となるように、セラミックス膜の厚さを調整することが望ましい。 The metal-ceramic laminate according to the embodiment of the present invention can be used in any suitable application, and is not particularly limited. However, since the ceramic film and the metal film are firmly bonded to each other, insulation and heat dissipation especially for semiconductor modules It can be effectively used as a member. The heat-insulating heat-dissipating member is a member that insulates electricity and releases heat in the semiconductor module. When the present metal-ceramic laminate is used as the insulating heat-dissipating member, for example, the ceramic film can serve as an insulating layer, the metal film can serve as a circuit layer, and the base material can serve as a base plate or a heat sink. The thickness of the ceramic film can be arbitrarily adjusted so that the required insulation (dielectric breakdown voltage) can be obtained according to the application of the module, but the dielectric breakdown voltage is preferably 0.1 kV or more, more preferably 0.1 kV or more. It is desirable to adjust the thickness of the ceramic film so that the value is 0.5 kV or more, more preferably 1 kV or more.

以下、実施例によって本発明をより詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例に何ら限定されるものではない。 Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to Examples, but the present invention is not limited to these Examples.

以下の実施例では、上記のセラミックス積層体の製造方法に従って種々の条件下で金属セラミックス積層体を製造し、金属膜とセラミックス膜の接合性について調べた。 In the following examples, the metal-ceramic laminate was produced under various conditions according to the above-mentioned method for producing the ceramic laminate, and the bondability between the metal film and the ceramic film was investigated.

[工程1]
まず、図5に示されるようなエアロゾルデポジション装置を用いて、基材上にセラミックス膜を形成した。基材には40×40×5mm3の無酸素銅基材、原料粉末には粒子径0.8μmの窒化けい素粉末を使用した。巻上ガスおよび調整ガスとしては窒素ガスを用い、巻上ガス流量と調整ガス流量の合計を24L/分とした。エアロゾル搬送管先端のノズル口サイズは15×0.3mm2、基材の法線とノズルの角度は30°、基材を固定したステージの水平方向の駆動プログラムは、40×40mm2の基材表面全体に、セラミックス膜が厚さ約10μmで形成されるように設定した。
[Step 1]
First, a ceramic film was formed on the substrate by using an aerosol deposition apparatus as shown in FIG. An oxygen-free copper base material having a particle size of 40 × 40 × 5 mm 3 was used as the base material, and a silicon nitride powder having a particle size of 0.8 μm was used as the raw material powder. Nitrogen gas was used as the hoisting gas and the adjusting gas, and the total of the hoisting gas flow rate and the adjusting gas flow rate was set to 24 L / min. The nozzle opening size at the tip of the aerosol transfer tube is 15 x 0.3 mm 2 , the angle between the normal of the base material and the nozzle is 30 °, and the horizontal drive program of the stage on which the base material is fixed is 40 x 40 mm 2 base material. The ceramic film was set to be formed on the entire surface with a thickness of about 10 μm.

[工程2]
次に、工程1と同様のエアロゾルデポジション装置を用いて、セラミックス膜上に成膜を行い、セラミックス膜の表面に金属相が分散して埋没した形態を形成した。原料粉末には、工程1に使用したセラミックス粉末に後述の工程3で用いる粒子径1.5μmあるいは0.4μmの銅粉末を所定の体積割合で薬さじまたは乳鉢により配合した粉末を用いた。薬さじおよび乳鉢による配合は、体積割合の小さい銅粉末に対して、セラミックス粉末を10回程度に分けて投入していき、10秒間で20回転する程度の速度で、合計約20分間混合することにより行った。エアロゾル化容器への粉末供給は、基本的には成膜前に全量投入する一般的な方法を用いたが、一部、回転ブラシで連続的に投入する方法を採用した。巻上ガスおよび調整ガスとしては窒素ガスを用い、巻上ガス流量と調整ガス流量の合計を24L/分とした。エアロゾル搬送管先端のノズル口サイズは15×0.3mm2、基材(またはセラミックス膜)の法線とノズルの角度は30°、基材を固定したステージの水平方向の駆動プログラムは、40×40mm2の既に形成されているセラミックス膜の表面全体に、追加のセラミックス膜が厚さ5〜7μm程度で形成されるように設定した。成膜後、セラミックス膜の表面を研磨することにより、金属分散相の最大存在深さを調整した。
[Step 2]
Next, a film was formed on the ceramic film using the same aerosol deposition device as in step 1, and a form in which the metal phase was dispersed and buried on the surface of the ceramic film was formed. As the raw material powder, a powder obtained by blending the ceramic powder used in the step 1 with the copper powder having a particle diameter of 1.5 μm or 0.4 μm used in the step 3 described later in a predetermined volume ratio with a spatula or a mortar was used. For compounding with a spatula and a mortar, the ceramic powder is added to the copper powder having a small volume ratio in about 10 times, and mixed at a speed of about 20 rotations in 10 seconds for a total of about 20 minutes. Was done by. For the powder supply to the aerosolization container, a general method of charging the entire amount before film formation was basically used, but a method of continuously charging a part with a rotating brush was adopted. Nitrogen gas was used as the hoisting gas and the adjusting gas, and the total of the hoisting gas flow rate and the adjusting gas flow rate was set to 24 L / min. The nozzle opening size at the tip of the aerosol transfer tube is 15 x 0.3 mm 2 , the angle between the normal of the base material (or ceramic film) and the nozzle is 30 °, and the horizontal drive program of the stage on which the base material is fixed is 40 x. An additional ceramic film having a thickness of about 5 to 7 μm was set to be formed on the entire surface of the already formed ceramic film of 40 mm 2. After the film formation, the maximum depth of existence of the metal dispersion phase was adjusted by polishing the surface of the ceramic film.

[工程3]
最後に、工程1および2と同様のエアロゾルデポジション装置を用いて、表面に金属相が分散して埋没したセラミックス膜上に金属膜を形成した。原料粉末には、工程2で用いた粒子径と同じ粒子径(すなわち工程2と工程3の両方で1.5μmあるいは0.4μm)の銅粉末を用いた。巻上ガスおよび調整ガスとしては窒素ガスを用い、巻上ガス流量と調整ガス流量の合計を24L/分とした。エアロゾル搬送管先端のノズル口サイズは15×0.3mm2、基材(またはセラミックス膜)の法線とノズルの角度は30°、基材を固定したステージの水平方向の駆動プログラムは、40×40mm2の既に形成されているセラミックス膜の表面全体に、金属膜が厚さ約100μmで形成されるように設定した。なお、成膜の前に、40×40mm2のセラミックス膜表面に5×5mm2の複数の開口部を有するマスクテープを貼り付けてから成膜することで、5×5mm2、厚さ約100μmの金属膜がセラミックス膜上に複数形成された接合強度評価(後述)が可能な形態とした。
[Step 3]
Finally, using the same aerosol deposition apparatus as in Steps 1 and 2, a metal film was formed on the ceramic film in which the metal phase was dispersed and buried on the surface. As the raw material powder, a copper powder having the same particle size as that used in step 2 (that is, 1.5 μm or 0.4 μm in both step 2 and step 3) was used. Nitrogen gas was used as the hoisting gas and the adjusting gas, and the total of the hoisting gas flow rate and the adjusting gas flow rate was set to 24 L / min. The nozzle opening size at the tip of the aerosol transfer tube is 15 x 0.3 mm 2 , the angle between the normal of the base material (or ceramic film) and the nozzle is 30 °, and the horizontal drive program of the stage on which the base material is fixed is 40 x. The metal film was set to be formed with a thickness of about 100 μm on the entire surface of the already formed ceramic film of 40 mm 2. Note that before the deposition, by depositing the paste the masking tape having a 5 × plurality of openings of 5 mm 2 to 40 × 40 mm 2 of the ceramic membrane surface, 5 × 5 mm 2, a thickness of about 100μm A form capable of evaluating the joint strength (described later) in which a plurality of metal films of No. 1 are formed on the ceramic film.

[金属セラミックス積層体の各特性の測定]
製造した各金属セラミックス積層体の、かえし部の長さ密度M、金属分散相の最大存在深さHおよびセラミックス膜と金属膜の界面のセラミックス膜側近傍領域における気孔率ρを、それぞれ上記[かえし部の長さ密度(M)の測定]、[金属分散相の最大存在深さ(H)およびセラミックス膜の厚さ(t)の測定]ならびに[セラミックス膜と金属膜の界面のセラミックス膜側近傍領域における気孔率(ρ)の測定]の項で説明される方法に則って測定した。結果は表1に示す通りであった。
[Measurement of each characteristic of metal-ceramic laminate]
In each of the manufactured metal-ceramic laminates, the length density M of the barb, the maximum depth H of the metal dispersion phase, and the porosity ρ in the region near the ceramic film side of the interface between the ceramic film and the metal film are determined by the above [return]. Measurement of the length density (M) of the part], [Measurement of the maximum existence depth (H) of the metal dispersion phase and the thickness (t) of the ceramic film] and [Near the ceramic film side of the interface between the ceramic film and the metal film] Measurement of Porosity (ρ) in Region] The measurement was performed according to the method described in the section. The results are as shown in Table 1.

上記の測定で使用したSEM観察試料は各金属セラミックス積層体を膜厚方向に切断し、現れた膜厚方向の断面を鏡面研磨し、FE‐SEM(ULTRA 55、Carl Zeiss)により、断面を10000倍の倍率で観察してSEM画像を取得した。相間のコントラストを明確にするため、前記SEM画像は反射電子像とした。取得した倍率が10000倍のSEM画像は、面内(水平)方向の視野長さが11.2μm、1画素あたりの長さが0.0109μmであった。膜厚方向に目的の観察対象が入り切らない場合は、膜厚方向に連続画像を取得し、それらを連結した。また、各SEM画像の解析には画像解析ソフト(Image‐Pro Premier、(株)日本ローパー)を用いた。画像解析ソフトによる各値の測定においては、目的の対象物をより明確にするために2値化処理を行った後、各値の測定を実施した。なお、金属分散相の最大存在深さHおよびセラミックス膜の厚さtについては、2値化画像で測定箇所を目視判断し、当該箇所をソフトの測長機能で測定した。 For the SEM observation sample used in the above measurement, each metal ceramic laminate was cut in the film thickness direction, the cross section in the film thickness direction that appeared was mirror-polished, and the cross section was 10,0000 by FE-SEM (ULTRA 55, Carl Zeiss). An SEM image was acquired by observing at a magnification of 2 times. In order to clarify the contrast between the phases, the SEM image was a reflected electron image. The acquired SEM image having a magnification of 10000 had a visual field length of 11.2 μm in the in-plane (horizontal) direction and a length of 0.0109 μm per pixel. When the target observation target did not fit in the film thickness direction, continuous images were acquired in the film thickness direction and they were connected. Image analysis software (Image-Pro Premier, Nippon Roper Co., Ltd.) was used for the analysis of each SEM image. In the measurement of each value by the image analysis software, the binarization process was performed in order to clarify the target object, and then the measurement of each value was performed. Regarding the maximum existing depth H of the metal dispersion phase and the thickness t of the ceramic film, the measurement points were visually determined by the binarized image, and the measurement points were measured by the length measurement function of the software.

[接合性の評価]
製造した各金属セラミックス積層体の接合性を評価した。ここでは、万能型ボンドテスター(シリーズ4000、ノードソン・アドバンスト・テクノロジー)を用いて、セラミックス膜上に5×5mm2で形成された金属膜のせん断強度試験を行った。試験条件は、ツール幅9mm、ツール高さ10μm、およびツール速度100μm/sとした。金属膜が破断した際の荷重をN=6で測定し、これらの平均値を破断荷重とした。前記破断荷重が、3kgf未満のものを×、3kgf以上6kgf未満のものを○、6kgf以上9kgf未満のものを○○、9kgf以上のものを○○○と評価し、評価が○、○○、○○○の場合を合格とした。結果は表1に示す通りであった。
[Evaluation of bondability]
The bondability of each of the manufactured metal-ceramic laminates was evaluated. Here, a universal bond tester (series 4000, Nordson Advanced Technology) was used to perform a shear strength test of a metal film formed on a ceramic film with a size of 5 × 5 mm 2. The test conditions were a tool width of 9 mm, a tool height of 10 μm, and a tool speed of 100 μm / s. The load when the metal film broke was measured at N = 6, and the average value of these was taken as the breaking load. Those with a breaking load of less than 3 kgf are evaluated as ×, those with a breaking load of 3 kgf or more and less than 6 kgf are evaluated as ○, those with a breaking load of 6 kgf or more and less than 9 kgf are evaluated as ○○, and those with a breaking load of 9 kgf or more are evaluated as ○○, ○○, The case of ○○○ was regarded as a pass. The results are as shown in Table 1.

Figure 2021109425
Figure 2021109425

Figure 2021109425
Figure 2021109425

表1に示すように、セラミックス膜と金属膜の界面がかえし部を形成しており、当該かえし部の長さ密度Mが0.2μm/μm2以上5.0μm/μm2以下である実施例3、4および6〜21では、金属膜とセラミックス膜の接合性が良好であることが確認できた。これは、かえし部の長さ密度Mを0.2μm/μm2以上5.0μm/μm2以下とすることで、金属膜とセラミックス膜を互いに複雑に噛み込み合わせることができたためと考えられる。 As shown in Table 1, an example in which the interface between the ceramic film and the metal film forms a barb, and the length density M of the barb is 0.2 μm / μm 2 or more and 5.0 μm / μm 2 or less. In 3, 4 and 6 to 21, it was confirmed that the bondability between the metal film and the ceramic film was good. It is considered that this is because the metal film and the ceramic film could be intricately meshed with each other by setting the length density M of the barb portion to 0.2 μm / μm 2 or more and 5.0 μm / μm 2 or less.

実施例3、4および6〜21の中でも、実施例6〜9、14〜21では、さらに接合性に優れることが確認できた。これは、かえし部の長さ密度Mを0.2μm/μm2以上5.0μm/μm2以下としたことに加え、金属分散相の最大存在深さHを、セラミックス膜の厚さtの1/3以下と小さくすることで、混入した金属分散相の影響を抑えてセラミックス膜の本来の機械的特性を発揮させることができたためと考えられる。 Among Examples 3, 4 and 6 to 21, it was confirmed that Examples 6 to 9 and 14 to 21 were further excellent in bondability. This is because the length density M of the barb is set to 0.2 μm / μm 2 or more and 5.0 μm / μm 2 or less, and the maximum existence depth H of the metal dispersion phase is set to 1 of the thickness t of the ceramic film. It is considered that the original mechanical properties of the ceramic film could be exhibited by suppressing the influence of the mixed metal dispersion phase by reducing the size to 3/3 or less.

実施例3、4および6〜21の中でも、実施例10〜21では、さらに接合性に優れることが確認できた。これは、かえし部の長さ密度Mを0.2μm/μm2以上5.0μm/μm2以下としたことに加え、セラミックス膜と金属膜の界面のセラミックス膜側近傍領域における気孔率ρを3%以下と小さくすることで、当該近傍領域におけるセラミックス膜3中で破壊の起点となる気孔を減らし、その強度を向上させることができたためと考えられる。 Among Examples 3, 4 and 6 to 21, it was confirmed that Examples 10 to 21 were further excellent in bondability. This is because the length density M of the barb is 0.2 μm / μm 2 or more and 5.0 μm / μm 2 or less, and the porosity ρ in the region near the ceramic film side at the interface between the ceramic film and the metal film is 3. It is considered that by reducing the value to% or less, the pores that are the starting points of fracture in the ceramic film 3 in the vicinity region can be reduced and the strength thereof can be improved.

比較のため、比較例1および2でかえし部の長さ密度Mが0.2μm/μm2未満である金属セラミックス積層体を作製したところ、接合性が実施例3、4および6〜21に比べて劣っていた。これは、かえし部の量が少なくなり、金属膜とセラミックス膜が互いに十分には噛み込み合えなくなったためと考えられる。また、比較例5でかえし部の長さ密度Mが5.0μm/μm2超である金属セラミックス積層体を作製したところ、比較例1および2と同様に、接合性が実施例3、4および6〜21に比べて劣っていた。これは、セラミックス膜中のかえし部上部または内部に入り込むセラミックス材料の量が極端に減ったことによってセラミックス膜が破壊されやすくなったためと考えられる。なお、焼結体の表面をエッチングした後に金属膜を形成したのみである比較例22については、比較例1および2と同様にかえし部の長さ密度Mが0.2μm/μm2未満となっており、接合性も劣っていた。 For comparison, when the metal-ceramic laminate in which the length density M of the barb portion was less than 0.2 μm / μm 2 was produced in Comparative Examples 1 and 2, the bondability was compared with Examples 3, 4 and 6 to 21. Was inferior. It is considered that this is because the amount of the burr portion is reduced and the metal film and the ceramic film cannot sufficiently mesh with each other. Further, when a metal-ceramic laminate having a barb length density M of more than 5.0 μm / μm 2 was produced in Comparative Example 5, the bondability was found in Examples 3 and 4 and as in Comparative Examples 1 and 2. It was inferior to 6-21. It is considered that this is because the amount of the ceramic material entering the upper part or the inside of the barb portion in the ceramic film is extremely reduced, so that the ceramic film is easily broken. In Comparative Example 22, in which the metal film was only formed after etching the surface of the sintered body, the length density M of the barb portion was less than 0.2 μm / μm 2 as in Comparative Examples 1 and 2. And the bondability was also inferior.

1 金属セラミックス積層体
2 基材
3 セラミックス膜
3a 金属分散相
3b セラミックス膜と金属膜の界面のセラミックス膜側近傍領域
3c 気孔
4 金属膜
5 基材とセラミックス膜の界面
6 セラミックス膜と金属膜の界面
6a かえし部
6b 界面領域
7 かえし部上部
8 かえし部内部
H 金属分散相の最大存在深さ
t セラミックス膜の厚さ
11 エアロゾルデポジション装置
12 エアロゾル化容器
13 成膜室
14 エアロゾル搬送管
15 真空ポンプ
16 ガス供給系
17 原料粉末
18 調整ガス配管
19 巻上ガス配管
20 ステージ
21 水平駆動機構
1 Metallic ceramic laminate 2 Base material 3 Ceramic film 3a Metal dispersion phase 3b Area near the interface between ceramic film and metal film on the ceramic film side 3c Pore 4 Metal film 5 Interface between base material and ceramic film 6 Interface between ceramic film and metal film 6a Backing part 6b Interface area 7 Backing part upper part 8 Inside the backing part H Maximum depth of metal dispersion phase t Ceramic film thickness 11 Aerosol deposition device 12 Aerosolization container 13 Film formation chamber 14 Aerosol transfer pipe 15 Vacuum pump 16 Gas supply system 17 Raw material powder 18 Adjusting gas piping 19 Winding gas piping 20 Stage 21 Horizontal drive mechanism

Claims (7)

基材、前記基材上に形成されたセラミックス膜、および前記セラミックス膜上に形成された金属膜を含み、前記セラミックス膜と前記金属膜の界面にかえし部が形成されており、前記かえし部の長さ密度が0.2μm/μm2以上5.0μm/μm2以下であることを特徴とする、金属セラミックス積層体。 A base material, a ceramic film formed on the base material, and a metal film formed on the ceramic film are included, and a barb portion is formed at an interface between the ceramic film and the metal film, and the barb portion of the barb portion is formed. A metal-ceramic laminate having a length density of 0.2 μm / μm 2 or more and 5.0 μm / μm 2 or less. 前記セラミックス膜が金属分散相を含み、前記金属分散相の最大存在深さが前記セラミックス膜の厚さの1/3以下であることを特徴とする、請求項1に記載の金属セラミックス積層体。 The metal-ceramic laminate according to claim 1, wherein the ceramic film contains a metal-dispersed phase, and the maximum depth of existence of the metal-dispersed phase is 1/3 or less of the thickness of the ceramic film. 前記界面のセラミックス膜側近傍領域における気孔率が3%以下であることを特徴とする、請求項1または2に記載の金属セラミックス積層体。 The metal-ceramic laminate according to claim 1 or 2, wherein the porosity in the region near the ceramic film side of the interface is 3% or less. 前記セラミックス膜が窒化けい素を含むことを特徴とする、請求項1〜3のいずれか1項に記載の金属セラミックス積層体。 The metal-ceramic laminate according to any one of claims 1 to 3, wherein the ceramic film contains silicon nitride. 前記金属膜が銅を含むことを特徴とする、請求項1〜4のいずれか1項に記載の金属セラミックス積層体。 The metal-ceramic laminate according to any one of claims 1 to 4, wherein the metal film contains copper. 前記基材が金属材料であることを特徴とする、請求項1〜5のいずれか1項に記載のセラミックス積層体。 The ceramic laminate according to any one of claims 1 to 5, wherein the base material is a metal material. 請求項1〜6のいずれか1項に記載の金属セラミックス積層体から構成されることを特徴とする、絶縁放熱部材。 An insulated heat-dissipating member, characterized in that it is composed of the metal-ceramic laminate according to any one of claims 1 to 6.
JP2020004479A 2020-01-15 2020-01-15 Metal-ceramic laminate Active JP7339538B2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2020004479A JP7339538B2 (en) 2020-01-15 2020-01-15 Metal-ceramic laminate

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2020004479A JP7339538B2 (en) 2020-01-15 2020-01-15 Metal-ceramic laminate

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2021109425A true JP2021109425A (en) 2021-08-02
JP7339538B2 JP7339538B2 (en) 2023-09-06

Family

ID=77058811

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2020004479A Active JP7339538B2 (en) 2020-01-15 2020-01-15 Metal-ceramic laminate

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP7339538B2 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2024034222A1 (en) * 2022-08-08 2024-02-15 タツタ電線株式会社 Masking jig, film formation method, and film formation device

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7579251B2 (en) 2003-05-15 2009-08-25 Fujitsu Limited Aerosol deposition process
JP2007273799A (en) 2006-03-31 2007-10-18 Nec Tokin Corp Lamination structure and method of manufacturing same
JP5868187B2 (en) 2012-01-10 2016-02-24 株式会社日立製作所 Electronic circuit board and semiconductor device
JP6744259B2 (en) 2017-07-03 2020-08-19 タツタ電線株式会社 Metal-ceramic substrate, metal-ceramic bonding structure, method for producing metal-ceramic bonding structure, and mixed powder material

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2024034222A1 (en) * 2022-08-08 2024-02-15 タツタ電線株式会社 Masking jig, film formation method, and film formation device

Also Published As

Publication number Publication date
JP7339538B2 (en) 2023-09-06

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR101157707B1 (en) Plasma-resistant member and method of producing the same
KR101637801B1 (en) Component for plasma processing apparatus, and method for manufacturing component for plasma processing apparatus
CN106029949B (en) Method for forming a coating having a composite coating particle size and coating formed thereby
JP4189373B2 (en) Aluminum nitride joined body and manufacturing method thereof
JP2009235558A (en) Member coated with aluminum nitride by thermal splaying and its manufacturing method
TWI638716B (en) Ceramic laminate
KR102499540B1 (en) Member for semiconductor manufacturing device and semiconductor manufacturing device with member for semiconductor manufacturing device and display manufacturing device
JP2021109425A (en) Metal ceramic laminate
JP2009206443A (en) Method of manufacturing electronic circuit board and electronic circuit board using the same
KR101807444B1 (en) Plasma device part and manufacturing method therefor
TWI307727B (en)
CN109554656B (en) Preparation method and system of compact ceramic coating in normal-temperature atmosphere
JP6661269B2 (en) Structure having coating film and method of manufacturing the same
JP4962901B2 (en) Electrostatic functional member and manufacturing method thereof
JP7265137B2 (en) Ceramic laminate manufacturing method and ceramic laminate manufactured by the method
TW201541572A (en) Ceramic wiring board and semiconductor device
JP4879002B2 (en) Components for semiconductor manufacturing equipment
KR101254618B1 (en) Ceramic coating method for corrosion resistant member
JP7035726B2 (en) Ceramic laminate
JP2002309383A (en) Brittle material composite structure and production method therefor
JP2008013399A (en) Aluminum nitride based sintered compact and gas nozzle using the same
JPWO2016039399A1 (en) Laminate and method for producing laminate
JP2004107757A (en) Composite structure
JPWO2019194240A1 (en) Composite ceramic laminate and manufacturing method
JP2005268735A (en) Electrostatic chuck

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20220905

A977 Report on retrieval

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007

Effective date: 20230621

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20230725

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20230807

R151 Written notification of patent or utility model registration

Ref document number: 7339538

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R151