JP3185010B2 - 金属−セラミックス複合部材の製造装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、金属−セラミックス複
合部材の製造装置に関するものであり、特に自動車部
品、電子部品などに好適な、酸化物、窒化物、炭化物セ
ラミックスと金属との強固な複合部材を製造する製造装
置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】セラミックスの化学安定性、高融点、絶
縁性、高硬度などの特性と、金属の高強度、高靱性、易
加工性、導電性などの特性を生かした金属−セラミック
ス複合部材は、自動車、電子装置などに広く使用されて
いる。その代表的な例として、自動車ターボチャージャ
ー用のローター、大電力電子素子実装用の基板およびパ
ッケージが挙げられる。

【０００３】従来、金属−セラミックス複合部材の主な
製造方法として、接着、めっき、メタライズ、溶射、ろ
う接、ＤＢＣ、焼き嵌め、鋳ぐるみなどの方法が知られ
ている。

【０００４】接着法は、有機系または無機系接着剤で金
属部材とセラミックス部材を接着する方法である。めっ
き法は、セラミックス部材の表面を活性化した後めっき
液に入れて金属めっきを施す方法である。メタライズ法
は、金属粉末を含むペーストをセラミックス部材の表面
に塗布した後焼結し、金属層を形成する方法である。溶
射法は、金属（セラミックス）の溶滴をセラミックス
（金属）部材の表面に噴射し、セラミックス（金属）部
材の表面に金属（セラミックス）層を形成する方法であ
る。ろう接法は、低融点の金属または合金（ろう材）を
介在させて金属部材とセラミックス部材を接合する方法
であり、セラミックス部材にろう材を強固に接合させる
ために、ろう材にセラミックスと反応しやすい金属成分
を添加したり、上述のメタライズ、溶射などの方法で予
めセラミックス部材の接合面に金属層を形成させる。Ｄ
ＢＣ法は、酸化物セラミックス部材と銅部材との接合の
ために開発された技術で、接合時に酸素を含有する銅を
使って不活性雰囲気中で加熱するか、無酸素銅板の表面
を予め酸化処理し、酸化物層を形成してから接合する方
法である。この方法で非酸化物セラミックス部材と銅部
材を接合する場合、予め非酸化物部材の表面に酸化物層
を形成しなければならない。焼き嵌め法の場合、接合す
るセラミックス、金属部材にそれぞれ凸部と凹部を設
け、凸部の外径と凹部の内径を同じ寸法にし、接合時に
金属部材を加熱して設けた凹部の内径を拡大させ、セラ
ミックス部材の凸部をその中に差し込んでから冷却する
ことによって、金属の凹部がセラミックスの凸部を抱き
込んだ形で一体になる。鋳ぐるみ法は、焼き嵌め法に類
似した方法で、セラミックス部品の周辺に金属を鋳込
み、金属の冷却収縮でセラミックス部品を抱き込み、一
体とする方法である。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしこのような従来
の技術にあっては、接着法の場合は接着強度が低く、耐
熱性が乏しいとの問題点がある。めっき、メタライズ、
溶射法の場合は、形成した金属（セラミックス）が厚さ
数μｍ〜数十μｍの薄い層状のものに限られている。焼
き嵌めおよび鋳ぐるみ法は、セラミックス部材の少なく
とも一部が金属に抱き込まれるような特定の場合に限ら
れている。ＤＢＣ法では、接合できる金属が銅に限ら
れ、且つ接合温度がＣｕ−Ｏの共晶点近くの狭い範囲に
限られているため、膨れ、未接のような接合欠陥が発生
しやすいという問題点がある。ろう接法の場合は、高価
なろう材を使用し、且つ接合を真空中で行わなければな
らないため、コストが非常に高く、応用範囲が限られて
いる。また、ろう材には、一般に接合する金属と他の金
属さらには非金属を添加した共晶合金が使用され、それ
自体は一般に接合する金属より硬いので、直接接合体に
比べて、ろう接体の耐ヒートサイクル寿命が短いなどの
問題点がある。

【０００６】上述したように、従来の技術で金属部材と
セラミックス部材を接合する場合には、以下に示す何れ
かの問題点がある。

【０００７】１）接合する金属およびセラミックス部材
は特定な形状のものに限られる。

【０００８】２）接合工程のコストが高く、応用範囲が
限られている。

【０００９】３）接合体の特性（接合強度、耐熱性、耐
ヒートサイクル特性）については、要求特性を満足でき
るほどには達成されていない。

【００１０】本発明者の一人は、上記課題を解決するた
めに、特願平４−３５５２１１号「セラミックス電子回
路基板の製造方法」において、金属−セラミックス複合
部材の新規な製造法を提案した。

【００１１】この製造法では、まず金属を溶解した後、
該溶融金属の中にセラミックス部材を差し込むか、ある
いはセラミックス部材が設置された鋳型に溶融金属を鋳
込むことによって、溶融金属表面の酸化物を除去し、セ
ラミックス部材と金属溶湯とを酸化物を介さずに強固に
接合させてから、セラミックス部材の所定位置に所定形
状の金属体を形成させることができた。

【００１２】この製造法によって優れた特性を有するア
ルミニウム−セラミックス複合部材を一例として得るこ
とが出来たが、本発明は上記発明に基づいて更に改良を
重ね、すぐれた特性を有する多種多様の金属−セラミッ
クス複合部材を低コストで製造できる金属−セラミック
ス複合部材の製造装置を開発することを目的とする。

【００１３】

【課題を解決するための手段】本発明者等は斯かる課題
を解決するために鋭意研究したところ、ガイド一体型ダ
イスを坩堝に挿通せしめ、金属溶湯内をセラミックス部
材を通過せしめることによって、これらの複合部材を得
ることを見出し本発明装置を得たものである。

【００１４】即ち、本発明の金属−セラミックス複合部
材の製造装置は、複数の板状セラミックス部材を連続的
に供給するための搬送手段と、搬送されたセラミックス
部材を予熱する予熱部と、予熱されたセラミックス部材
を坩堝内の金属溶湯中を通過させてセラミックス部材の
周囲面の少なくとも一部分に金属を接合する接合部と、
該接合されたセラミックス部材を徐冷して金属−セラミ
ックス複合部材となす冷却部と、上記セラミックス部材
を移動可能なガイド一体型ダイスとを内蔵し、上記ガイ
ド一体型ダイスが、上記セラミックス部材を通過せしめ
る矩形断面の中心孔を有し、上記予熱部から上記接合部
を介して上記冷却部迄長手方向に延びるガイド部と、坩
堝内で上記中心孔に連通するよう上記ガイド部に形成し
た開口とより成り、上記中心孔に沿ってガイドされる上
記セラミックス部材が上記坩堝内を通過するとき上記開
口を介して溶湯に接触することを特徴とする。

【００１５】上記予熱部は、上記セラミックス部材を予
熱可能な予熱ヒーターを設けてなることを特徴とする。

【００１６】また、上記ガイド一体型ダイスの下流端に
温度制御手段を設けている。

【００１７】

【００１８】更に、上記ガイド一体型ダイスには出口側
に次第に拡大するテーパー部を設けている。

【００１９】

【作用】本発明装置において、金属−セラミックス複合
部材を連続的に製造するために、金属溶湯を連続的に供
給し、且つ溶湯の温度を一定の温度に保たなければなら
ない。この場合、金属溶湯の供給方法としては、別の溶
解炉で溶解した金属溶湯を本発明装置内の坩堝に供給
し、必要に応じて所定の接合温度に加熱・保持する方法
や、あるいは金属原料を安定に本発明装置内の坩堝に供
給し、該坩堝内で溶かし、一定の温度に加熱・保持する
方法とがあるが、これらは何れにしても、溶湯を保持す
るための坩堝と加熱ヒーターとが必要である。

【００２０】室温状態のセラミックス部材を直接に金属
溶湯に挿入すると、熱衝撃でセラミックス部材が割れる
可能性があり、これを防止するためにセラミックス部材
を予熱する必要がある。この場合、セラミックス部材を
別途加熱装置において予熱し、予熱された部材を本発明
装置の搬送手段を用いて供給することも可能であるが、
加熱された部材を運ぶ時の安全上の不便さ、運搬時の熱
衝撃の問題もあることから、本発明装置の場合、ガイド
一体型ダイスを使用し金属溶湯を加熱するためのヒータ
ーの余熱を利用するとともにガイド一体型ダイスにヒー
ターを設けてセラミックス部材を予熱している。

【００２１】本発明装置の特徴の一つは、如何にして金
属溶湯表面の酸化物等の汚れ層の影響を除去し、セラミ
ックス部材と清浄な金属溶湯とを接触させるかというこ
とにあり、本発明においては、セラミックス部材を金属
溶湯の内部に挿入し、且つ、溶湯の内部に入る時にセラ
ミックス部材の表面に付着した汚れを取るためにセラミ
ックス部材を溶湯の中で移動させる方法を採用した。

【００２２】この溶湯中を移動させる手段は色々と考え
られるが、本発明では後述の実施例に示されるようにガ
イドを設け、ガイドを通ってセラミックス部材を溶湯の
中に挿入しながら移動させることとした。

【００２３】

【００２４】ダイスを通して金属体を形成する場合、形
成する金属体の厚さを調整するためにダイスの中に次第
に拡大するテーパーを付けたり、またダイスの温度を調
整し凝固位置を制御することによって金属体の厚さをコ
ントロールする方法を採ってもよい。また、ダイス自体
に該テーパーを付けることによってダイスと製造した複
合部材との摩擦力を低下させ、ダイスの寿命を延ばすこ
とも出来る。

【００２５】本発明で使用する金属、ガイド一体型ダイ
スの各材料の高温酸化を防ぐために、必要に応じて装置
の内部をある特定の雰囲気にする必要がある。後述する
実施例においては窒素ガス雰囲気において実施したが、
同じような効果はアルゴン、水素ガス等のような不活性
ガス、あるいは還元性のガス、またはこれらのガスの混
合物を使っても得られる。

【００２６】なお、本発明で使用する金属としては、ア
ルミニウム、銅、鉄、ニッケル、銀もしくは金、または
これらの金属を主成分とする合金であり、一方、セラミ
ックス部材としてはアルミニウム、硅素等の酸化物、窒
化物、炭化物等である。

【００２７】

【実施例】

【００２８】（実施例１）

【００２９】図１に本発明装置の概略図を示す。本発明
装置は、左側からピンチローラー６を使って一個一個の
セラミックス部材２０を連続的に供給する搬送手段１
と、ガイド一体型ダイス９を予熱ヒーター８，８´で加
熱し、ダイス中のセラミックス部材２０を予熱する予熱
部２と、坩堝１２内の金属を融解する溶湯ヒーター１
１，１１´で金属を溶湯１３とし、その溶湯１３中を矩
形板状のセラミックス部材２０が通過することによって
セラミックス部材２０の表・裏面に金属溶湯１３を接触
させ、得られたセラミックス部材２０を溶湯ヒーター１
１，１１´の横に並列させた接合ヒーター１４，１４´
と水冷ジャケット１７，１７´で温度制御を行ない、接
触させた金属溶湯１３を凝固させる接合部３と、セラミ
ックス部材２０の割れを防ぐための該金属が接合された
セラミックス部材を徐冷する冷却手段１８，１８´を有
する冷却部４とを主要構成部とし、後工程として得られ
た金属−セラミックス複合部材をセラミックス部材のつ
なぎ部分で剪断するカッター１９を有する剪断部５とか
ら構成されるものである。なお、上記ガイド一体型ダイ
ス９は、図１及び図２に示すように上記個々のセラミッ
クス部材２０を通過せしめる矩形断面の中心孔を有し、
上記予熱部２から上記接合部３を介して上記冷却部４迄
長手方向に延びるガイド部１５と、坩堝１２内で上記中
心孔の両側部分を除いて上記中心孔の中央部に連通する
よう上記ガイド部に形成した上下開口とより成り、上記
中心孔に沿ってガイドされる上記セラミックス部材２０
は上記坩堝１２内を通過するとき上記開口を介して溶湯
１３に接触するようになり、金属が接合されたセラミッ
クス部材全体の形状は上記ガイド部１５を通ることによ
って所望のサイズに定められる。

【００３０】上記装置を用い先ず３６ｍｍ×１１２ｍｍ
×０．６３５ｍｍのアルミナセラミックス部材を連続的
に搬送手段１を用いて予熱部２に搬送した。この場合、
予熱部２は予熱ヒーター８，８´によりガイド部１５全
体に熱が伝わることから、該ガイド部の入口に水冷ジャ
ケット７，７´を設けて温度を１００℃以下に保つよう
にしている。

【００３１】次いで、予熱されたセラミックス部材は、
接合部３内のアルミニウム溶湯内を通過させてセラミッ
クス部材２０の表・裏面にアルミニウムを接着させた。
この場合、一体型ダイスのガイド部１５の内径はセラミ
ックス部材２０が通過可能な形状とし、一方、出口側の
一体型ダイスの接合部１６の断面形状は図３に示すよう
に上下方向にセラミックス部材の厚さより幅広くなる構
造としている。

【００３２】この場合、金属としてのアルミニウムを坩
堝１２の中にセットし、セラミックス部材２０を一体型
ダイスのガイド部１５の入口から入れて、その先端がガ
イド一体型ダイスの接合部１６に到達するようにセット
してから、窒素ガス（Ｎ₂ ）雰囲気において坩堝１２を
加熱し、アルミニウムを溶解する。アルミニウム溶湯１
３は出口側の一体型ダイスの接合部１６の中に入るが、
この中を流れる間に先端部分の温度が融点以下に下が
り、その部分が凝固して出口を塞ぎ、溶湯の流出を防い
でいる。

【００３３】また、入口側の一体型ダイスのガイド部１
５と坩堝１２あるいはセラミックス部材２０との間の隙
間の中に溶湯が入らないようにするため、そのクリアラ
ンスを０．２ｍｍ以下とした。アルミニウム溶湯が７５
０℃に加熱された後、入口側からセラミックス部材を連
続的に供給したところセラミックス部材は順番に該溶湯
１３中に入り、溶湯１３に濡れてから出口側の一体型ダ
イスの接合部１６に入り、最後にはセラミックス部材の
表・裏面に厚さ０．５ｍｍのアルミニウム体が接合した
状態で一体型ダイスの接合部１６出口から連続的に押し
出された。

【００３４】この場合、接着したアルミニウムの厚さの
異なる複合部材を製造するめに、図３に示すように一体
型ダイスの接合部１６内部に次第に広がる１／１００の
テーパー部１６´を設けると共に、接合ヒーター１４，
１４´と水冷ジャケット１７，１７´で凝固位置を調整
するようにした。

【００３５】（実施例２）

【００３６】予めセラミックス部材として３６ｍｍ×５
２ｍｍ×０．６３５ｍｍのＡｌＮ製基板を複数個用意し
て実施例１と同様な手段でアルミニウム溶湯中を通過さ
せてアルミニウム−ＡｌＮ部材からなる金属−セラミッ
クス複合部材を得た。

【００３７】冷却部４で得た金属−セラミックス複合部
材を剪断部５に導き、カッター１９でセラミックス複合
部材のつなぎ目部分のアルミニウムを切断し、所定形状
の複合部材を得た。

【００３８】

【００３９】

【００４０】

【発明の効果】上述のように本発明装置を用いることに
よって種々のセラミックス部材に溶湯金属を連続的に接
合できるようになり、所定の金属−セラミックス複合部
材を安価に、且つ、大量可能に製造できる優れた連続製
造装置である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の金属−セラミックス複合部材の製造装
置の概略断面図である

【図２】本発明の金属−セラミックス複合部材の製造装
置の一体型ダイス接合部の一例の部分断面図である。

【図３】本発明の金属−セラミックス複合部材の製造装
置の出口側一体型ダイスの接合部の部分断面図である。

【符号の説明】

１ 搬送手段 ２ 予熱部 ３ 接合部 ４ 冷却部 ５ 剪断部 ６ ピンチローラー ７ 水冷ジャケット ７´ 水冷ジャケット ８ 予熱ヒーター ８´ 予熱ヒーター ９ ガイド一体型ダイス １１ 溶湯ヒーター １１´ 溶湯ヒーター １２ 坩堝 １３ 溶湯 １４ 接合ヒーター １４´ 接合ヒーター １５ 一体型ダイスのガイド部 １６ 一体型ダイスの接合部 １６´ テーパー部 １７ 水冷ジャケット １７´ 水冷ジャケット １８ 徐冷手段 １８´ 徐冷手段 １９ カッター ２０ セラミックス部材

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 相馬 将 東京都千代田区丸の内一丁目８番２号 同和鉱業株式会社内 (56)参考文献 特開 平３−234348（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−220545（ＪＰ，Ａ) 特開 昭60−118366（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) C04B 41/80 - 41/91 C04B 37/00 - 37/02 B22D 19/00 - 19/16

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 複数の板状セラミックス部材を連続的に
   供給するための搬送手段と、搬送されたセラミックス部
   材を予熱する予熱部と、予熱されたセラミックス部材を
   坩堝内の金属溶湯中を通過させてセラミックス部材の周
   囲面の少なくとも一部分に金属を接合する接合部と、該
   接合されたセラミックス部材を徐冷して金属−セラミッ
   クス複合部材となす冷却部と、上記セラミックス部材を
   移動可能なガイド一体型ダイスとを内蔵し、上記ガイド
   一体型ダイスが、上記セラミックス部材を通過せしめる
   矩形断面の中心孔を有し、上記予熱部から上記接合部を
   介して上記冷却部迄長手方向に延びるガイド部と、坩堝
   内で上記中心孔に連通するよう上記ガイド部に形成した
   開口とより成り、上記中心孔に沿ってガイドされる上記
   セラミックス部材が上記坩堝内を通過するとき上記開口
   を介して溶湯に接触することを特徴とする金属−セラミ
   ックス複合部材の製造装置。
2. 【請求項２】 上記予熱部に上記セラミックス部材を予
   熱可能な予熱ヒーターを設けてなることを特徴とする請
   求項１記載の金属−セラミックス複合部材の製造装置。
3. 【請求項３】 上記ガイド一体型ダイスの下流端に温度
   制御手段を設けていることを特徴とする請求項１または
   ２記載の金属−セラミックス複合部材の製造装置。
4. 【請求項４】 上記ガイド一体型ダイスには出口側に次
   第に拡大するテーパー部を設けていることを特徴とする
   請求項１，２または３記載の金属−セラミックス複合部
   材の製造装置。