JP3792440B2

JP3792440B2 - 異種部材の接合方法、および同接合方法により接合された複合部材

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Publication number: JP3792440B2
Application number: JP18090299A
Authority: JP
Inventors: 貴浩石川; 正幸新海; 雅裕來田
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 1999-06-25
Filing date: 1999-06-25
Publication date: 2006-07-05
Anticipated expiration: 2019-06-25
Also published as: US6857556B2; JP2001010873A; US6348273B1; US20020125300A1

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、嵌合構造を介して接合された二種以上からなる異種部材を接合してなる複合異種部材、および同複合異種部材の接合方法に関する。更に詳しくは、セラミックス製部材と金属製部材とからなる組み合わせからなる複合部材であって、該部材同士が嵌合構造を介して接合され、接合前の嵌合構造のクリアランスが０．０１〜０．３０ｍｍであり、表面がメッキまたはスパッタにより金属で被覆されたセラミック微粒子と硬ろう材からなる接合層により接合されている、膨張係数が制御された接着剤組成物で接合された複合部材、および同複合部材を製造するための、嵌合構造のクリアランスが０．０１〜０．３０ｍｍである嵌合構造を膨張係数が制御された接着剤組成物で接合した二種以上の異種部材同士を接合する方法に関する。さらには、嵌合構造を構成する凹部を有する部材と、嵌合構造を構成する凸部を有する部材であって凹部を有する部材とは相異なる種類の部材とを接合する方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
異種部材の接合、例えば、セラミック製部材と金属製部材との接合には、ろう材を用いる方法があるが、高温での接合後の冷却操作中に、異種部材間、あるいはこれら異種部材を接合するために使用したろう材と部材との熱膨張率の差に起因する熱応力が発生し、接合界面に剥離を生じたり、また、一方の部材が脆弱な場合には、接合界面近傍にクラックを生じたりして、所望の接合強度や気密性を得られないことがある。製造過程でこれらの異常が発生した製品は、不良品として処分せざるを得ないためにこれら複合部材の製品のコストを押し上げる一因となっている。また、使用時に熱サイクルがかかる場合には、これらの異常が一定期間の使用後に発生して、製品の信頼性を低下させる一因ともなっている。
【０００３】
異種部材をろう材を用いて接合する場合には、セラミック製部材とろう材との濡れを確保するためにセラミック製部材の接合面の表面を金属、例えば、Ｎｉ等の金属でメッキした後、両部材を適当な間隔をおいて向かい合わせて配置させ、この間隔にろう材を流し込み、接合させる方法が通常採用されている。また、金属メッキ処理がなくてもセラミック表面に窒化物、酸化物等の反応層を形成することで濡れを確保することができるＴｉ等の添加物をろう材中に加える手法もある。しかしながらこれらの方法では、熱応力を低下させるのには、充分でなく、熱応力に対して脆弱なセラミック製部材側にしばしばクラックが形成されたり、接合部に剥離を生じたりして、結合強度ばかりでなく複合部材として要求される気密性などの各種性能に影響を及ぼすので好ましくない。また、熱応力を緩和する方法としては、接合の際に熱膨張率の低い金属を中間材として使用する方法、セラミックとの反応性に富み、塑性変形することにより応力を緩和することのできる軟質金属を中間材として使用する方法が通常採用されている。しかし、これらの技術も、ろう材と部材間の熱膨張差に起因する問題、例えば熱サイクル特性の低さ等が問題とされており、必ずしも汎用性の高い技術とは言えない。また、現在開発中の技術として高圧固相接合法があるが、実用化するには未解決の課題があり、従って、この方法では充分な結合強度がでていないのが現状である。
【０００４】
一方、複合半田としては、半導体チップと基板との固着に使用するものであって、半田よりも融点の高い材質からなる粉末体を混合したものが特開平６−１２６４７９号公報に開示されているが、この複合半田は、半田本体の中央部にのみ半田よりも融点の高い材質からなる粉末体を充填させることにより、従来の複合半田が有している表面にも存在している粉末体に起因する半田濡れ不良を解消すること、換言すれば、接合界面での接合強度を増加させることを目的とするものであるが、しかし、この複合半田は、熱応力の低下には有効ではなく、従って、接合される部材間あるいは部材とろう材間の熱応力に起因する問題を解決するのには有効ではない。
【０００５】
本発明者等は、上記の目的を達成するために種々検討の結果、異種部材同士を適度な結合強度を保持しながら、高温での接合後における冷却操作の間の熱応力による接合界面近傍での接合強度の低下現象や、熱応力に対して弱い部材での冷却操作中にクラックを発生させない、二種以上の異種部材間の接合用接着剤組成物を見出した。その具体的な内容については、平成１０年２月１８日に特願平１０−５２９７１号として出願している。
【０００６】
即ち、上記の様な現状に鑑みて種々検討した結果、接合部材の種類や形状等による制約が少なく、接合形状も選択の余地の多い硬ろう材をベースとして用いること、この硬ろう材に熱応力を低下させる微粒子状の物質を添加することにより、異種部材同士を適度な結合強度を保持しながら、高温での接合後における冷却操作の間の熱応力による接合界面近傍での接合強度の低下現象も起こさず、また、熱応力に対して弱い部材での冷却操作中にクラック発生させず、二種以上の異種部材間の接合達成できることを見いだし、上記特許出願に至ったものである。
【０００７】
上記の組成物を使用して接合する方法として、相互にその熱応力を異にする二種以上の異種部材同士を接合させるのに充分な間隔を置いて互いに向かい合わせに配置させ、該間隔に上記組成物を流し込むか、所定量のセラミックまたはサーメット微粒子を充填し、引き続いて溶融状態にした所定量の硬ろう材を流し込み、ついで冷却して該二種以上の異種部材同士を接合させて複合部材を製造する方法を上記特許出願において開示しているが、所定量の硬ろう材を流し込み得るだけの充分な間隔を有しない部材同士の接合には、そのままでは、使用できない。
【０００８】
嵌合構造を介して接合しなければならない二種以上からなる異種部材を接合する場合、特に、クリアランスとして、０．０１〜０．３０ｍｍ程度の極めて狭いものを選択し、両部材を接合しようとしたときには、部材の側面にも極力全般的に均等にろう材を充填しないと、種々の不都合が生じることが少なくない。一方、該クリアランスが上記の上限よりも大きい場合には、ろう材の溶融時に、ろう材が該クリアランスに均等に充填されないことにより発生する内包された残留応力により、クラックが発生することがある。これをより具体的に説明すると、例えば、円柱状の凹部を有する部材と円柱状の凸部を有する部材を嵌合する際に、両部材から形成される円柱状のクリアランスに均等に充填されるべきろう材が、該クリアランスがある程度の余裕があるために、何かの原因で一方のみに片寄ってしまうと、ろう材を冷却、凝固させる過程での熱収縮応力のバランスが崩れて、円柱状の凸部を有する部材が一方向に引っ張られ、その結果残留応力が生じて、クラックを発生させてしまうことがある。さらに、完成品としての複合部材の寸法精度上の要請や美観上の要請もある。従って、このように上記のような狭いクリアランスしかない部材同士に、この狭いクリアランスから所定量の硬ろう材を流し込みことは実質的に不可能であるので、該異種部材同士を上記方法により接合することはできなかった。なお、ここでクリアランスとは、嵌合構造部分における該異種部材同士の壁面間に存在する隙間の幅をいう。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
従って、本発明が解決しようとする課題は、該異種部材同士の接合にするときに、嵌合構造部分における該異種部材同士の壁面間のクリアランスが、所定量の硬ろう材を流し込み得るだけの充分な間隔を有しない場合において、該異種部材同士を、嵌合構造を介して膨張係数が制御された接着剤組成物で接合層を形成し接合する方法、および同方法により接合された異種部材を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明者等は、上記の課題を解決するために、種々検討の結果、嵌合構造を構成する凹部を有する部材と、嵌合構造を構成する凸部を有する部材であって凹部を有する部材とは相異なる種類の部材とを、両部材間のクリアランスが０．０１〜０．３０ｍｍである嵌合構造を介して嵌合させ接合するに際して、凹部を有する部材の凹部表面に微粒子状の物質を均一に敷き詰めた上で、該微粒子状の物質からなる層の少なくとも一部を被覆するように板状あるいは粉体状等の硬ろう材を配置し、更に凸部を有する部材を配置して、加圧下で所定の温度に加温して硬ろう材を溶融し、この溶融した硬ろう材を該微粒子状の物質からなる層中に浸透させ、該硬ろう材と微粒子状の物質からなる膨張係数が制御された接着剤組成物による接合層を形成するか、嵌合構造を構成する凹部を有する部材と、嵌合構造を構成する凸部を有する部材であって凹部を有する部材とは相異なる種類の部材とを嵌合させ接合するに際して、好ましくは、両部材間のクリアランスが０．０１〜０．３０ｍｍである嵌合構造を介して嵌合させ接合するに際して、凹部を有する部材の凹部表面に微粒子状の物質を均一に敷き詰め、該微粒子状の物質からなる層に密着するように、１または複数の穿孔された穴に硬ろう材が挿入された凸部を有する部材を配置し、加圧下で所定の温度に加温して硬ろう材を溶融し、この溶融した硬ろう材を該微粒子状の物質からなる層中に浸透させ、該硬ろう材と微粒子状の物質からなる膨張係数が制御された接着剤組成物による接合層を形成するか、予め先端部に硬ろう材と微粒子状の物質からなる層を形成した凸部を有する部材を用意しておき、凹部を有する部材の凹部表面に硬ろう材のみを配置した上に、当該硬ろう材と微粒子状の物質からなる層が形成された凸部を有する部材を配置し、加圧下で所定の温度に加温して、該凸部を有する部材の先端に形成された硬ろう材と微粒子状の物質からなる層と、凹部を有する部材の凹部表面に配置した硬ろう材とを溶融し、硬ろう材と微粒子状の物質からなる膨張係数が制御された接着剤組成物からなる接合層を形成することにより、異種部材同士を嵌合構造を介して接合できることを見出して、本発明の第１の側面である、嵌合構造を構成する凹部を有する部材と、嵌合構造を構成する凸部を有する部材であって凹部を有する部材とは相異なる種類の部材とを、嵌合させ接合させる方法を完成させたものである。なお、ここで、異種部材とはセラミックス製部材と金属製部材とからなる組み合わせであり、また、微粒子状の物質とは表面がメッキまたはスパッタにより金属で被覆されたセラミック微粒子である。
【００１１】
また、かくして嵌合され接合された、嵌合構造を構成する凹部を有する部材と、嵌合構造を構成する凸部を有する部材であって凹部を有する部材とは相異なる種類の部材とから少なくともなり、接合前の両部材間のクリアランスが０．０１〜０．３０ｍｍである嵌合構造を介して、上記異種部材同士は相互に嵌合され、嵌合前の微粒子状の物質と硬ろう材からなる膨張係数が制御された接着剤組成物により接合されていることを特徴とする二種以上の異種部材からなる複合部材であって、異種部材がセラミックス製部材と金属製部材とからなる組み合わせであり、また、微粒子状の物質が表面がメッキまたはスパッタにより金属で被覆されたセラミック微粒子であり、この微粒子と硬ろう材からなる膨張係数が制御された接着剤組成物により接合されていることを特徴とする二種以上の異種部材からなる複合部材が、実装後も、改良された熱サイクル特性を有することを見出して、本発明の第２の側面を完成させたものである。
【００１２】
【発明の実施の形態】
本発明の第１の側面は、嵌合構造を構成する凹部を有する部材と、嵌合構造を構成する凸部を有する部材であって凹部を有する部材とは相異なる種類の部材とを、嵌合させ接合するに際して、凹部を有する部材の凹部表面に微粒子状の物質を均一に敷き詰めた上で、該微粒子状の物質からなる層の少なくとも一部を被覆するように板状あるいは粉体状等の硬ろう材を配置し、更に凸部を有する部材を配置するか、凹部を有する部材の凹部表面に微粒子状の物質を均一に敷き詰め、該微粒子状の物質からなる層に密着するように、１または複数の穿孔された穴に硬ろう材が挿入された凸部を有する部材を配置するか、あるいは、予め先端部に硬ろう材と微粒子状の物質からなる層を形成した凸部を有する部材を用意しておき、凹部を有する部材の凹部表面に硬ろう材を配置した上に当該層を有する凸部を有する部材を配置する工程と、かくして用意したものを加圧下で所定の温度に加温して、該硬ろう材を溶融して、微粒子状の物質中に含浸させて該硬ろう材と微粒子状の物質とからなる接合層を形成して、異種部材同士を嵌合構造を介して接合する工程からなる異種部材同士からなる複合部材を製造する方法に関するものである。
【００１３】
なお、上記以外に接合に際して採用される条件、例えば、冷却条件等は、平成１０年２月１８日の出願に係る特願平１０−５２９７１号明細書に記載に従えばよい。従って、平成１０年２月１８日の出願に係る特願平１０−５２９７１号明細書の内容を参考までにここに引用する。
【００１４】
本発明の第１の側面に係る接合方法の第１の態様は、凹部を有する部材（１）の凹部表面に微粒子状の物質（４）を均一に敷き詰めた上で、該微粒子状の物質からなる層の少なくとも一部を被覆するように板状あるいは粉体状等の硬ろう材（３）を配置し、更に凸部を有する部材（２）を配置し、加圧下で所定の温度に加温して硬ろう材を溶融させ、溶融させた硬ろう材を該微粒子状の物質に浸透させて、該硬ろう材と微粒子状の物質からなる接着組成物による接合層を形成することで異種部材同士を嵌合構造を介して接合する方法である。この際、該微粒子状の物質と粉体状の硬ろう材を混合したものを、該微粒子状の物質からなる層および同層を被覆する板状あるいは粉体状の硬ろう材の代わりに使用してもよい。また、第２の態様は、凹部を有する部材（１）の凹部表面に微粒子状の物質（４）を均一に敷き詰め、該微粒子状の物質からなる層に密着するように、１または複数の穿孔された穴に硬ろう材（３）が挿入された凸部を有する部材（２）を配置して、加圧下で所定の温度に加温して硬ろう材を溶融させ、溶融させた硬ろう材を該微粒子状の物質に浸透させることによって、該硬ろう材と微粒子状の物質からなる接着組成物による接合層を形成することで異種部材同士を嵌合構造を介して接合する方法である。また、第３の態様は、予め先端部に硬ろう材と微粒子状の物質からなる層（５）を形成した凸部を有する部材（２）を用意しておき、凹部を有する部材（１）の凹部表面に硬ろう材（６）を配置した上に当該層を有する凸部を有する部材を配置して、加圧下で所定の温度に加温し、該凸部を有する部材の先端に形成された硬ろう材と微粒子状の物質からなる層と、凹部を有する部材の凹部表面に配置した硬ろう材とを溶融し、硬ろう材と微粒子状の物質からなる接合層を形成することにより異種部材同士を嵌合構造を介して接合する方法である。
【００１５】
上記の第１、もしくは第２の態様においては、凹部を有する部材の凹部に微粒子状の物質を敷き詰めるに際し、当該物質によって形成される層に硬ろうが浸透した際に、目的たる熱応力緩和機能を発揮させるには、微粒子状の物質の平均粒径が１０μｍから５００μｍ、望ましくは２０μｍから１００μｍ程度である。平均粒径が上記下限を下回ると、接着組成物による接合層の密着性が充分に得られない場合があり、また上限値を超えると接合層を形成する接着組成物の微視的なレベルでの膨張係数等特性の不均質性が顕著になるために、その耐熱特性等が劣化する場合があり、望ましくない。その際、特定の粒度範囲内に属する粒子の粒度分布に占める割合が、好ましくは８０％以上、より好ましくは９０％以上、更に好ましくは９５％以上を占めるような粒子を使用することは、その充填密度等の最終製品の品質に直接影響を及ぼす各種要因の管理の点から好ましい。このような粒度分布を有する破砕形状粒子を使用した場合で、硬ろう材中のその充填密度は４５〜６０％程度となる。この様な粒度分布を有する粒子からなる微粒子状の物質を調製するには、例えば、ＪＩＳ−Ｚ−８８０１に準拠するふるいで粒子をふりわけることで粒度を合わせるればよい。すなわち、ふるい目の呼び寸法で三段階程度異なるふるい、例えば呼び寸法７５μｍと４５μｍのふるいを、あるいは同６３μｍと３８μｍのふるいをそれぞれ上下のふるいとしてふりわけ、目の粗いふるいを通過し、目の細かいふるい上に残ったものを使用すればよい。なお、これ以上に厳しい幅で管理を行うことは、製造価格等に影響する割には、その接合強度などに及ぼす技術的効果の向上は少ない。
【００１６】
また粒子の平均粒径の分布を積極的に操作して、例えば平均粒子径が異なる二組もしくはそれ以上の組の粒子を混合することで充填率を上げることもできる。かくして敷き詰められた該微粒子状の物質からなる層の厚さは通常０．１ｍｍから２ｍｍ、好ましくは０．３ｍｍから１．０ｍｍである。微粒子の粒径等の制約から０．１ｍｍ未満では、均質な接合層を形成することが難しく、また２ｍｍ以上の接合組成物層は、接合部における残留応力の緩衝等の効果が上がらない割に、その厚さを達成するために浸透させる硬ろう材の量が増えるために、接合部において形状上制約がでたり、あるいは、形成された同層の均質度が充分でない等の弊害を生ずることがあり、好ましくない。
【００１７】
かくして形成した該微粒子状の物質からなる層の少なくとも一部分を被覆するように硬ろう材を配置する。硬ろう材を配置するに際しては、図１に示した様に、板状あるいは粒状等の硬ろう材を該微粒子状の物質の層と緊密に接触させる様に所望の容量分を配置して使用すればよい。この際、硬ろうは、所望の容量分の重量があれば、該微粒子状の物質上全面を覆ってもよいし、一部分のみを覆ってもよい。
【００１８】
あるいは、異種部材のいずれか一方、通常は、図２に示したように、嵌合構造を構成する凸部を有する部材であって凹部を有する部材とは相異なる種類の部材の一部に設けられた硬ろう材を配置する箇所に、溶融した硬ろう材を所望する量流し込んだ後、凝固させたものを該微粒子状の物質からなる層の上に配置し使用してもよい。また、該硬ろう材を配置する箇所に、機械加工等で形状を整えた硬ろう材を挿入して使用してもよい。嵌合構造において、雄部を構成する凸部を有する部材の形状等によっても異なるが、配置した微粒子状の物質に必要量の硬ろう材を好適に溶融、浸出させられればよいので、使用する硬ろう材の量は、溶融、浸出させうる範囲内で任意に選択できることはいうまでもない。その配置の個所も、特別に制限があるものではなく、例えば、図２に示したように中央部に設けてもよいし、また複数箇所に設けてもよい。
【００１９】
なお、ここで少なくとも一部分を被覆する様に硬ろう材を配置するとは、緊密に形成された微粒子層の少なくとも一部に緊密に硬ろう材が接触するように位置決めし、かくして、位置決め組み合わせた部材を加温し、硬ろう材を溶融さた際に、硬ろうが該微粒子層の緊密度を崩すことなくその間隙に侵入し、その後降温した際に、均質な接着剤組成物層を形成するように硬ろう材を配することをいう。接合に際しては、上記のように調整して嵌合した異種部材同士に加圧下で硬ろう材を溶融浸透させた際、緊密に形成された微粒子層は、その嵩密度を変化させることなく硬ろう材を吸収し、残余の硬ろう材は嵌合部間隙を経て外部に排出される結果、当該部位は均質な該接着剤組成物層を介して緊密に接合されることとなる。
【００２０】
溶融させる温度としては、使用する硬ろう材が溶融し、微粒子状の物質からなる層に浸透してゆく必要があるので、通常は該硬ろう材の融点より１０〜１５０℃高い温度、望ましくは融点より１０〜５０℃高い温度が適当である。これより高い温度においては、硬ろう材と接合される金属材料との濡れが活発となりすぎて硬ろう材が該金属材料側に濡れあがり現象を起こして、接合部にいわゆる巣と称される空胞部を生じる等の弊害が生じたり、ろう材中の蒸気圧の高い元素が蒸発して、ろう材組成が変動する等の弊害がでることが多い。但し、活性材としてＴｉ等の高融点金属を添加する場合は、硬ろう材とこれら添加材が合金化することで、実際の融点が硬ろう材より上昇することがあるため、その活性材の材質、添加量を勘案して上記範囲より高い温度が選択されることもある。例えば、ＢＡｇ８を硬ろう材として浸透させる場合において、活性材たるＴｉを微粒子に対する重量比で５〜３０％程度添加する場合は、ＢＡｇ８の融点よりも１００〜３００℃程度高い温度を選択することが好ましい。なお、活性材を微粒子に添加する場合は、予め適切な温度範囲を設定するための小規模試験を行うことが好ましい。
【００２１】
また、この温度の保持時間は接合させる異種部材同士の性状にもよるが、昇温、保持、降温の加熱履歴において、ろう材が溶融開始してから凝固終了するまで、通常５〜９０分、好ましくは１０〜３０分程度である。短すぎると当該部位の実体温度が、制御されている炉内温度に追従しきれずにろう材が溶融しないばあいがあり、長時間の保持は、被接合材とろう材との間、微粒子状の物質とろう材との間で反応が起こる場合、当該反応が進みすぎる等の弊害がでる場合があるので選定には留意する必要がある。加圧力は、敷き詰められた微粒子状の物質をろう材が浸透し凝固するまで緻密に保ち、また当該微粒子状の物質の層とろう材と間に間隙を生じさせないために必要である。この加圧力は、接合される異種部材同士の材質、大きさ、性状等を考慮して適宜選択すればよい。例えば、第１の態様においては、通常０．１ＭＰａ〜２．０ＭＰａ程度、第２の態様においては、０．５ＭＰａ〜３０．０ＭＰａ程度を一応の目安とすればよい。なお、第１の態様においては、敷き詰められた微粒子状の物質をろう材が浸透し凝固するまで緻密に保つことのみでその目的を達することができるので、加圧する圧力は低くてもよい。一方、第２の態様においては、硬ろう材層が溶融して微粒子状物質の層に吸収されることで生じる該硬ろう材層の厚さに相当する間隙を、該硬ろうの溶融と同時に加圧することにより消失させることで接合部材と該接着部材層を緊密に接合させ、当該微粒子状の物質の層とろう材との間に間隙を生じさせないためにも応力が必要とされることによる。
【００２２】
本発明に係る接合方法における、第３の態様として、予め先端部に硬ろう材と微粒子状の物質からなる層を形成した凸部を有する部材を用意しておき、凹部を有する部材の凹部表面に硬ろう材を配置した上に当該層を有する凸部を有する部材を配置して、加圧下で所定の温度に加温して、該硬ろう材と微粒子状の物質からなる接着組成物による接合層を形成することで異種部材同士を嵌合構造を介して接合する方法がある。この手法においては予め形成しておく接着組成物層に使用される硬ろう材、微粒子状の物質、それを形成するための温度条件等は、第１の態様、第２の態様と同一であるので省略する。当該層を形成するにあたっては、高密度カーボン等の治具を利用して加圧下で当該層を形成した後、機械加工で凹部に合う様に形状を修正して使用するとよい。また、凹部を有する部材との接合で使用する硬ろう材は、先の硬ろう材と同一組成のものであってもよいが、近似組成で融点がやや低いものであればより望ましい。同一の硬ろう材を使用すると、場合によって同接着剤組成層が再度溶融して同層の一部に空胞部が発生すること等があるためである。加熱処理により当該硬ろう材を溶融し、当該接着剤層の最表面で同層と渾然一体化して新しい接着剤層を形成し、第１の態様や第２の態様に示したのと同一の効果を有する接合体が形成される。この際、当該接着剤層の最表面で同層と渾然一体化して新しい接着剤層を形成しない場合、すなわち、拡大観察した場合に、当該接着剤層と区分観察される金属ろう材層が残留する場合には、製造された複合部材の耐熱特性等が、実装中に著しく劣化するので望ましくない。
【００２３】
本発明において使用する二種以上の異種部材の組合わせとしては、例えば窒化アルミニウムや窒化珪素等のセラミックス製部材と、モリブデンやコバール、タングステン等の金属部材との組み合わせ、あるいは、製造原料をことにする等の異種セラミック製部材同士の組合わせが挙げられる。より具体的には半導体ウエハー製造において使用される、内蔵する金属電極や金属発熱体によって静電チャック機能やヒーター機能を発揮する窒化アルミニウム部材と、当該内蔵される金属電極材等へ給電を行う端子として接合される例えば金属モリブデン部材とを嵌合させ接合することからなる複合部材等が挙げられる。
【００２４】
本発明に係る接着物組成物に使用する硬ろう材としては、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｐｄ、Ａｌ、Ｎｉ等の金属をベースとしたろう材が挙げられる。勿論、接合する部材とろう材との濡れ性、あるいは接合する部材もしくは分散粒子とろう材との反応性、あるいはろう材が使用される温度条件等との関係で、より適切なものを使用すればよい。接合部材の使用環境温度が５００℃以下のものとしては、Ａｌ系ろう材、例えば、ＢＡ４００４（Ａｌ−１０Ｓｉ−１．５Ｍｇ）等が好適に使用される。接合部材の使用環境温度が５００℃以上のものとしては、Ａｕ、ＢＡｕ−４（Ａｕ−１８Ｎｉ）、ＢＡｇ−８（Ａｇ−２８Ｃｕ）等が好適に使用される。
【００２５】
熱応力を効率的に低下させるため、換言すれば、膨張係数が制御された接着剤組成物からなる接合層を形成するためには、微粒子状の物質の種類ならびに硬ろう材に対するその充填密度を調整することが必要となり，そのためには，接着剤組成物層の熱膨張係数を調整することが必要となる。熱応力を低下させる微粒子状の物質は、その膨張係数が小さいほど接着剤組成物層の熱膨張係数を下げるのには有利である。微粒子状の物質の硬ろう材に対する充填密度は、体積比で３０から９０％、望ましくは４０から７０％となる様にする。この際、微粒子状の物質の充填密度を上げることは、膨張係数を下げるには有利であるが、あまり充填密度を高くすることは、接合強度の劣化を伴う場合があるので好ましくない。また、低い場合は、所望とする膨張係数に達しない場合があるので留意が必要である。すなわち、膨張係数の調整は、微粒子状の物質の種類を所望の膨張係数が達成できるように選択するか、微粒子状の物質の粒度分布を適宜選択することで達成される。
【００２６】
熱応力を低下させる微粒子状の物質として、セラミックを使用する場合には、硬ろう材との濡れが問題となるが、セラミックを金属で被覆すればよい。金属で被覆する場合には、スパッタリングで被覆をする手法が有効である。また、メッキを使用する方法も使用可能である。メッキ方法としては特に制限はないが、無電解メッキが好適に使用される。また、金属メッキ処理がなくても、セラミック表面に窒化物、酸化物、炭化物等の活性材の反応層を形成することで濡れを確保することができる。すなわち、Ｔｉ等の添加物をろう材、もしくは、微粒子状物質中に微粒子として混合することで、加える手法を用いてもよい。該活性材の添加量は、硬ろう材に対し、重量比で０．５〜５％程度が好適である。
【００２７】
本発明の第２の側面である、嵌合構造を構成する凹部を有する部材と、嵌合構造を構成する凸部を有する部材であって凹部を有する部材とは相異なる種類の部材とからなり、上記異種部材は相互に嵌合され、基本的には、微粒子状の物質と硬ろう材からなる接着剤組成物からなる接合層により接合されている、二種以上の異種部材からなる複合部材は、上記の方法により製造可能である。凹部を有する部材の壁面と、同凹部を有する部材とは相異なる種類の部材からなる凸部を有する部材との壁面との間に形成される、嵌合構造部における異種部材の壁面間のクリアランスは、通常、０．０１〜０．３ｍｍ程度、好ましくは、０．０２〜０．０７ｍｍ程度とするとよい。上記下限を逸脱すると、部材同士を嵌合することができない恐れがあり、また、上記上限を逸脱すると、上述した様にろう材が偏って充填されたりする不都合が生ずる恐れがあり好ましくない。
【００２８】
【実施例】
以下実施例を挙げて、本発明を説明するが、勿論、本発明は、これらの例により何等制限されるものではないことはいうまでもない。接合状態ならびに耐熱サイクル特性の評価は、耐熱サイクル雰囲気に曝露した前後の、接合部の引張り強度の劣化が起こっているか否かによって判定した。この際、曝露前に対して２５％以上の強度劣化を引き起こしたものは不良と判断した。また参考のため、接合層断面観察により接合部に基材割れや剥離が生じていないか否かも調査した。
【００２９】
（実施例１）
嵌合構造を構成する凹部を有する部材として、部材の厚さが１０．０ｍｍ、部材に垂直に穿孔された勘合用の切り込み構造部の穴の直径が５．０７ｍｍ、その深さが９．５ｍｍの窒化アルミニウム部材と、嵌合構造を構成する凸部を有する部材であって、凹部を有する部材とは相異なる種類の部材として直径５．０ｍｍ、長さ１５．０ｍｍの円柱状の金属モリブデン製部材を使用して以下の条件で接合した。
【００３０】
凹部を有する部材である窒化アルミニウム製部材の約０．５μｍのＮｉメッキ処理が施された凹部表面に、微粒子状の物質として、表面に約０．５μｍのＮｉメッキ処理を施した平均粒径４７μｍのアルミナを均一に敷き詰めた。当該アルミナ層の厚さは、０．８ｍｍであった。ついで、該粒子状の物質からなる層に緊密に接するように硬ろう材として、直径５．０ｍｍ、厚さ０．５ｍｍのＡ５００５(Ａｌ−０．８Ｍｇ：融点６５０℃）を配置した。その上に表面に約０．５μｍのＮｉメッキ処理を施した金属モリブデン製部材を緊密に嵌合配置し、２．５ＭＰａの圧力を加えつつ、加熱し、７００℃に到達後１０分間同温度を保持して、接合した。硬ろう材は該加熱中に溶融し微粒子状の物質からなる層中に浸透し、複合接着層を形成した。かくして形成された複合接着層により両部材を接合した。形成された複合接着層の厚さは０．８ｍｍであった。
【００３１】
こうして得られた接合部材を熱サイクル試験に供した。熱サイクル試験条件は、同接合部材を昇温速度２．５℃／ｍｉｎで６０℃から１８０℃へ昇温し、１８０℃へ到達後直ちに降温速度−２．５℃／ｍｉｎで６０℃へ降温し、６０℃へ到達後、直ちに再び同一のサイクルを繰り返すという処理を５０回にわたって繰り返した。接合あがりの部材と接着層の断面概観写真を図４（ａ）に、窒化アルミニウムと接着層の断面拡大写真を図４（ｂ）に、熱サイクル試験に曝露した後の窒化アルミニウムと接着層の断面拡大写真を図４（ｃ）に示す。また，接合あがりならびに熱サイクル試験に曝露した後の接合部材の引張り試験結果を表１に示す。
【００３２】
本実施例の比較材として金属ろう材Ａ５００５のみで、金属モリブデン製部材と窒化アルミニウム部材を接合した複合部材を製作し同一の評価に供した。両部材間に微粒子状の物質が入らない点を除き、使用した部材の寸法、表面処理、接合条件等の条件は全て同一とした。接合時に形成された金属ろう材Ａ５００５の接合層の厚さは０．１ｍｍであった。接合あがりの部材と接着層の断面概観写真を図５（ａ）に、窒化アルミニウムと接着層の断面拡大写真を図５（ｂ）に、熱サイクル試験に曝露した後の窒化アルミニウムと接着層の断面拡大写真を図５（ｃ）に示す。また、接合あがりならびに熱サイクル試験に曝露した後の接合部材の引張り試験結果を表１に示す。
【００３３】
（実施例２）
嵌合構造を構成する凹部を有する部材として、部材の厚さが１０．０ｍｍ、部材に垂直に穿孔された勘合用の切り込み構造部の穴の直径が５．０７ｍｍ、その深さが９．５ｍｍの窒化アルミニウム部材と、嵌合構造を構成する凸部を有する部材であって、凹部を有する部材とは相異なる種類の部材として直径５．０ｍｍ、長さ１５．０ｍｍの円柱状の金属モリブデン製部材であってその一方の端面に直径２．５ｍｍ、長さ３．０ｍｍの硬ろう材を収納できる箇所を設け、同箇所に同一の大きさを有する硬ろう材を嵌め込んだものを使用して以下の条件で接合した。
【００３４】
凹部を有する部材である窒化アルミニウム製部材の、約０．５μｍのＮｉめっき処理が施された凹部表面に，微粒子状の物質として、表面に約０．５μｍのＮｉめっき処理を施した平均粒径４７μｍのアルミナを均一に敷き詰めた。この際に、挿入されたる同物質を、端面が平滑な直径５．０ｍｍの棒で軽く突き固めてその平坦性と、充填性を確保した。この操作を行なった後の当該アルミナ層の厚さは、０．８ｍｍであった。ついで、図２に模式的に示したように、微粒子状の物質からなる層に緊密に接するように硬ろう材として、Ａ５００５（Ａｌ−０．８Ｍｇ：融点６５０℃）を内蔵するように配置した金属モリブデン製部材を勘合し、０．５ＭＰａの圧力を加えつつ、加熱した。加熱履歴は、実施例１と同様である。形成された複合接着層の厚さは０．８ｍｍであった。こうして得られた接合部材を熱サイクル試験に供した。熱サイクル試験条件は、実施例１と同様である。
なお、接合あがりならびに熱サイクル試験に曝露した後の接合部材の引張り試験結果を表１に示す。本実施例２における、接合部における接合面積は、対実施例１の接合部における接合面積の７５％であった。
【００３５】
（実施例３）
嵌合構造を構成する凹部を有する部材として、部材の厚さが１０．０ｍｍ、部材に垂直に穿孔された勘合用の切り込み構造部の穴の直径が５．０７ｍｍ、その深さが９．５ｍｍの窒化アルミニウム部材と、嵌合構造を構成する凸部を有する部材であって、凹部を有する部材とは相異なる種類の部材として直径５．０ｍｍ、長さ１５．０ｍｍの円柱状の金属モリブデン製部材であってその一方の端面に、予め実施例１および２に記載の硬ろう材と微粒子状の物質から構成される接着組成剤層を形成してあるものを使用して以下の条件で接合した。
【００３６】
凹部を有する部材である窒化アルミニウム製部材の、約０．５μｍのＮｉメッキ処理が施された凹部表面に金属ろう材ＢＡ４００４（Ａｌ−１０Ｓｉ−１．５Ｍｇ：融点５８０℃）を緊密に接するように置き、凹部を有する部材とは相異なる種類の部材として円柱状の金属モリブデン製部材であってその一方の端面に予め実施例１および２に記載の硬ろう材と微粒子状の物質から構成される接着組成剤層を形成してあるものを金属ろう材と緊密に接するように配した。ここで使用した先端に接着組成剤層を形成してあるモリブデン製部材は、別途高密度カーボン製治具を使用して円柱状のモリブデンの端部に、約０．５μｍのＮｉメッキ処理が施された平均粒径４７μｍのアルミナを均一に敷き詰めた上に、金属ろう材Ａ５００５を溶融、浸透させて当該接着組成剤層を形成した上に、当該層の厚さが０．８ｍｍ、直径が５．０ｍｍとなるように研削加工したものである。この際ろう材を浸透させた際の温度条件等は、実施例１の接合条件と同一とした。この嵌合部材に０．５ＭＰａの圧力を加えつつ、加熱し、６１０℃に到達後１０分同温度を保持し、接合させた。
【００３７】
なお、本実施例で金属ろう材としてＢＡ４００４を使用したのは、モリブデン製部材の先端に形成してある接着組成剤層に使用されている硬ろう材と同様のＡ５００５を使用すると、同接着剤組成層が再度溶融していわゆる巣が発生する等の問題生ずるため、同接着剤層を形成する硬ろう材の組成と近似の組成の硬ろう材であって、融点が低いものを使用したものである。この加熱処理により当該硬ろう材ＢＡ４００４は溶融し、当該接着剤層の最表面で、同層と渾然一体化して、断面の拡大観察では実施例１と判定しがたい接合形態が実現された。こうして得られた接合部材を熱サイクル試験に供した。熱サイクル試験条件は、実施例１と同様である。なお、接合あがりならびに熱サイクル試験に曝露した後の接合部材の引張り試験結果を表１に示す。
【００３８】
【表１】

【００３９】
上記の表１に示した試験結果、および貼付の写真から、本発明に係る方法により接合された複合部材は、比較例のように金属ろうのみを使用した場合において、発生する接合部での熱履歴曝露時の剥離が生起せず、接合強度の劣化が起こっていないことが明らかである。
【００４０】
【発明の効果】
本願発明の接合方法によれば、嵌合構造を介して接合しなければならない二種以上からなる異種部材を接合する場合において、該異種部材同士における嵌合構造部分の壁面のクリアランスが、所定量の硬ろう材を流し込み得るだけの充分な間隔を有しない場合においても、異種部材同士を充分な強度を以て接合することができる。また、充分な接合強度および耐熱強度を有する嵌合構造を介して接合された二種以上からなる異種部材同士からなる複合部材が提供できるという効果を発揮するものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る接合方法の一態様を模式的に示す。
【図２】本発明に係る接合方法の別の態様を模式的に示す。
【図３】本発明に係る接合方法のも一つ別の態様を模式的に示す。
【図４】（ａ）実施例１の接合あがり時における断面構造の写真、（ｂ）接合あがり時点での接合界面部の断面構造の拡大写真、（ｃ）熱サイクル試験後における接合界面部の断面構造の拡大写真を示す。
【図５】（ａ）比較例の接合あがり時における断面構造の写真、（ｂ）接合あがり時点での接合界面部の断面構造の拡大写真、（ｃ）熱サイクル試験後における接合界面部の断面構造の拡大写真を示す。
【符号の説明】
１…凹部を有する部材、２…凸部を有する部材、３…硬ろう材、４…微粒子状の物質、５…硬ろう材と微粒子状の物質からなる層、６…硬ろう材。

Claims

嵌合構造を構成する凹部を有する部材と、嵌合構造を構成する凸部を有する部材であって凹部を有する部材に対して相異なる種類の部材であって、かつ、前記凹部を有する部材と前記凸部を有する部材との間のクリアランスが０．０１〜０．３０ｍｍである、異種部材同士を、嵌合させ接合するに際して、
凹部を有する部材の凹部表面に微粒子状の物質を均一に敷き詰めた上で、該微粒子状の物質からなる層の少なくとも一部を被覆するように板状あるいは粉体状の硬ろう材を配置し、更に凸部を有する部材を配置するか、
凹部を有する部材の凹部表面に微粒子状の物質を均一に敷き詰め、該微粒子状の物質からなる層に密着するように、１または複数の穿孔された穴に硬ろう材が挿入された凸部を有する部材を配置するか、
あるいは、予め先端部に硬ろう材と微粒子状の物質からなる層を形成した凸部を有する部材を用意しておき、凹部を有する部材の凹部表面に硬ろう材を配置した上に当該層を有する凸部を有する部材を配置する工程と、
かくして用意したものを加圧下で所定の温度に加温して、該硬ろう材を溶融して、微粒子状の物質中に含浸させて該硬ろう材と微粒子状の物質とからなる接合層を形成して、異種部材同士を嵌合構造を介して接合する工程からなり、かつ、上記異種部材がセラミックス製部材と金属製部材とからなる組み合わせであり、また、微粒子状の物質が表面がメッキまたはスパッタにより金属で被覆されたセラミック微粒子である、複合部材を製造する方法。
上記凸部を有する部材を配置する工程が凹部を有する部材の凹部表面に微粒子状の物質を均一に敷き詰めた上で、該微粒子状の物質からなる層の少なくとも一部を被覆するように板状あるいは粉体状の硬ろう材を配置し、更に凸部を有する部材を配置することからなる請求項１に記載の方法。
嵌合構造を構成する凹部を有する部材と、嵌合構造を構成する凸部を有する部材であって凹部を有する部材とは相異なる種類の部材とを、嵌合させ接合するに際して、
凹部を有する部材の凹部表面に微粒子状の物質を均一に敷き詰め、該微粒子状の物質からなる層に密着するように、１または複数の穿孔された穴に硬ろう材が挿入された凸部を有する部材を配置する工程と、
かくして用意したものを加圧下で所定の温度に加温して、該硬ろう材を溶融して、微粒子状の物質中に含浸させて該硬ろう材と微粒子状の物質とからなる接合層を形成して、異種部材同士を嵌合構造を介して接合する工程からなり、かつ、上記異種部材がセラミックス製部材と金属製部材とからなる組み合わせであり、また、微粒子状の物質が表面がメッキまたはスパッタにより金属で被覆されたセラミック微粒子である、複合部材を製造する方法。
嵌合構造を構成する凹部を有する部材と、嵌合構造を構成する凸部を有する部材であって凹部を有する部材とは相異なる種類の部材とを、嵌合させ接合するに際して、
凸部を有する部材を配置する工程が、予め先端部に硬ろう材と微粒子状の物質からなる層を形成した凸部を有する部材を用意しておき、凹部を有する部材の凹部表面に硬ろう材を配置した上に当該層を有する凸部を有する部材を配置する工程と、
かくして用意したものを加圧下で所定の温度に加温して、該硬ろう材を溶融して、微粒子状の物質中に含浸させて該硬ろう材と微粒子状の物質とからなる接合層を形成して、異種部材同士を嵌合構造を介して接合する工程からなり、かつ、上記異種部材がセラミックス製部材と金属製部材とからなる組み合わせであり、また、微粒子状の物質が表面がメッキまたはスパッタにより金属で被覆されたセラミック微粒子である、複合部材を製造する方法。
該微粒子が硬ろう材よりも熱膨張係数が小さいことを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項に記載の方法。
該硬ろう材のベース金属が、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｐｄ、ＡｌまたはＮｉである硬ろう材であることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１項に記載の方法。
嵌合構造を構成する凹部を有する部材と、嵌合構造を構成する凸部を有する部材であって凹部を有する部材に対して異種の部材とからなり、かつ、前記凹部を有する部材と、前記凸部を有する部材との間の接合前のクリアランスが０．０１〜０．３０ｍｍである異種部材からなり、上記異種部材は相互に嵌合され、微粒子状の物質と硬ろう材からなる接合層により接合されており、かつ、上記異種部材がセラミックス製部材と金属製部材とからなる組み合わせであり、また、微粒子状の物質が表面がメッキまたはスパッタにより金属で被覆されたセラミック微粒子である複合部材。
該微粒子が硬ろう材よりも熱膨張係数が小さいことを特徴とする請求項７に記載の複合部材。
該硬ろう材のベース金属が、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｐｄ、ＡｌまたはＮｉである硬ろう材であることを特徴とする請求項７または８に記載の複合部材。