JP3814044B2

JP3814044B2 - Method and apparatus for manufacturing metal-ceramic composite member

Info

Publication number: JP3814044B2
Application number: JP10011097A
Authority: JP
Inventors: 充太田
Original assignee: Dowa Holdings Co Ltd; Dowa Mining Co Ltd
Current assignee: Dowa Holdings Co Ltd
Priority date: 1997-04-17
Filing date: 1997-04-17
Publication date: 2006-08-23
Anticipated expiration: 2017-04-17
Also published as: JPH10291876A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、セラミックスと金属との強固な複合部材を製造する金属ーセラミックス複合部材の製造方法及びその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、比較的に高い熱伝導性等の特性と、金属の高強度高靭性、易加工性、導電性等の特性を生かした金属ーセラミックス複合部材は、自動車、電子装置等に広く用いられ、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金属ーセラミックス複合基板及びパッケージが挙げられる。
【０００３】
上記金属ーセラミックス複合部材の主な製造方法としては、接着、メッキ、メタライズ、溶射、鋳ぐるみ、ろう接法、ＤＢＣ法が公知であるが、金属ーセラミックス複合基板に関しては、近年コスト上の問題からアルミナ基板を用いるＤＢＣ法や窒化アルミニウム基板を用いるろう接により大部分の金属ーセラミックス複合基板が製造されている。
【０００４】
しかしながら従来法においては、金属をアルミナ基板に直接接合する方法としては、銅板を直接接合するＤＢＣ法が公知であるが、アルミニウムを直接接合する方法は今まで知られていなかった。
【０００５】
本出願人は先に、セラミックス部材に金属板としてのアルミニウムを直接に接合する装置として、特開平８ー１９８６２９号「金属ーセラミックス複合部材の製造装置」を提案した。
【０００６】
この装置は、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を凝固させ、金属ーセラミックス複合部材となす冷却部とを主要部と成すものであり、優れた特性を有する金属ーセラミックス複合部材を大量に得ることが可能である。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、セラミックス部材に薄板状の金属を接合する場合において、最近、この薄板の厚さの均一性を極めて厳しく要請される場合がみられるが、その様な要請に対しては上記装置では必ずしも十分に対応できない場合もあった。また、金属を所定の形状に凝固させるためにダイスを使用した場合、ダイス離れの点で若干の問題があった。
【０００８】
本発明者等が上述の問題点の原因を究明したところ、以下の点が原因であろうとの結論を得ることができた。
【０００９】
すなわち、上記従来の装置は、セラミックス部材を横状に連続的に供給して坩堝内を通過させる構造である。したがって、板状のセラミックス部材の表裏の２面に金属を接合させる場合、セラミックス部材が金属溶湯中を重力方向と非平行状態で通過させることになる。このため、重力の及ぼす影響により金属溶湯からの蒸気がセラミックス部材の下面にのみ溜まることになりがちである。それゆえ、接合時において、セラミックス部材の表裏２面は金属溶湯の蒸気から不均一な作用を受けることが考えられる。同様に、冷却部においても金属溶湯からの蒸気がセラミックス部材の下面にのみ溜まり、同じ条件で冷却しても表裏２面に不均一な作用を受けて冷却状態が異なってくることが考えられる。
【００１０】
本発明は、上述の解明事実に基づいてなされたものであり、優れた接合特性を有する金属ーセラミックス複合部材を低コストで製造できる金属ーセラミックス複合部材の製造方法及びその装置を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上述の課題を解決するために、
請求項１の発明は、
セラミックス部材に金属が接合された金属ーセラミックス複合部材を製造する金属ーセラミックス複合部材の製造方法において、
接合用の金属を溶融させた金属溶湯中を接合用のセラミックス部材を上方から下方に向けて通過させて前記セラミックス部材を前記金属で濡らした後に該セラミックス部材を上方から下方に移動しながら前記セラミックス部材への前記金属の付着量及び／又は形状を制御しつつ凝固させる操作を施す工程を有することを特徴とする金属ーセラミックス複合部材の製造方法である。
【００１２】
請求項２の発明は、
セラミックス部材に金属が接合された金属ーセラミックス複合部材を製造する金属ーセラミックス複合部材の製造装置において、
接合用セラミックス部材を上方から下方に搬送する搬送手段と、
前記搬送手段によって搬送されるセラミックス部材を予熱する予熱手段と、
接合用の金属を溶融させた金属溶湯を保持する金属溶湯保持部を有し、前記予熱手段によって予熱されたセラミックス部材を前記金属溶湯中を上方から下方に向けて通過させて前記セラミックス部材を前記金属で濡らした後に該セラミックス部材を上方から下方に移動しながら前記セラミックス部材への前記金属の付着量及び／又は形状を制御しつつ前記金属を前記セラミックス部材に接合する接合部を有する接合手段と、
前記接合手段の接合部を下方に移動するセラミックス部材を冷却する冷却手段とを有することを特徴とする金属ーセラミックス複合部材の製造装置である。
【００１３】
請求項３の発明は、
前記接合手段の接合部は、前記金属溶湯保持部内の底部に上端を開口して接続されているとともに下端部が下方に向けて延長されたガイド一体ダイスを有し、前記ガイド一体ダイスは、前記金属に濡れたセラミックス部材及び前記金属溶湯の一部を前記上端開口部から導入し、前記セラミックス部材をガイドしながら下方に移動させて前記セラミックス部材への前記金属の付着量及び／又は形状を規制しつつ前記金属をセラミックス部材に接合する接合通路を有するものであることを特徴とする請求項２に記載の金属ーセラミックス複合部材の製造装置である。
【００１４】
請求項４の発明は、
前記ガイド一体ダイスは、前記接合通路が、上方から下方に向かうにしたがって次第にその断面積が増大するテーパ状に形成されているものであることを特徴とする請求項３に記載の金属ーセラミックス複合部材の製造装置である。
【００１５】
請求項５の発明は、
前記予熱手段は、前記セラミックス部材をガイドしつつ下方に移動させる間に予熱する予熱通路であって前記金属溶湯保持部の金属溶湯中にその下端が開口して挿入されるとともに上端が開口されて接合用セラミックス部材の導入口とされる予熱通路を有するガイド一体ダイスによって構成されていることを特徴とする請求項２ないし４のいずれかに記載の金属ーセラミックス複合部材の製造装置である。
【００１６】
請求項６の発明は、
前記ガイド一体ダイスは、一部又は全部が灰分５００ｐｐｍ以下、かさ密度１．５ｇ／ｃｍ³以上のカーボンからなることを特徴とする請求項２ないし５のいずれかに記載の金属ーセラミックス部材の製造装置である。
【００１７】
上述の構成によれば、接合用の金属を溶融させた金属溶湯中を接合用のセラミックス部材を上方から下方に向けて通過させて前記セラミックス部材を前記金属で濡らした後に該セラミックス部材を上方から下方に移動しながら前記セラミックス部材への前記金属の付着量及び／又は形状を制御しつつ凝固させる操作を施してセラミックス部材に金属を接合するようにしたので、セラミックス部材を横方向に移動させながら金属を接合する従来の装置の場合のような不都合を生ずるおそれがない。すなわち、例えば、板状のセラミックス部材の表裏の２面に金属を接合させる場合においても、セラミックス部材が金属溶湯中を重力方向と平行状態で通過させることになる。このため、重力が表裏の面に均等に作用し、接合時において、セラミックス部材の表裏２面は金属溶湯の蒸気から不均一な作用を受けるようなこともない。同様に、冷却部においても金属溶湯からの蒸気が表裏２面に均一に作用するので、冷却状態が異なるおそれもない。
【００１８】
また、セラミックス部材を上方から下方に移動しつつ接合するようにしているので、その製造装置の配置を、上方より予熱部、接合部、冷却部とする事ができ、予熱部においては、接合部からの熱を利用することが容易になるため予熱ヒーターの出力を小さく抑えられることから、省エネルギー化が図られる。
【００１９】
さらに、接合部においては、セラミックス部材と溶融金属の接触界面の金属蒸気による影響をセラミックス部材の進行方向において部材の表裏両面で均一に受けることができる他、冷却部においては、水冷方式の場合に冷却ジャケット内で発生する水蒸気による冷却能のばらつきをセラミックス部材の進行方向において部材の表裏両面で均一に受けることができる。更に、冷却部は、溶融、接合ヒーターの下方に設置されるため、従来のように横向きに各部を並べて設置した場合と比較して、ヒーターからの熱を受けにくいため冷却温度勾配を大きくとれると同時に、溶湯金属自体も坩堝内からガイド一体ダイス内または冷却部までの流れ性が向上する。
【００２０】
また、本発明において使用するガイド一体ダイスの材質としては、全部または一部を好ましくは灰分５００ｐｐｍ以下、かさ密度１．５ｇ／ｃｍ³以上、更に好ましくは灰分２００ｐｐｍ以下、かさ密度１．９ｇ／ｃｍ³以上のカーボンとすることが好ましく、これにより、接合用の溶融金属のダイス離れを良好にし、さらには、ガイド一体ダイスと溶湯金属との接触する部分においてそれらの反応が少なくなりダイス寿命を長くする効果を有する。
【００２１】
本発明で使用する金属とガイド一体ダイスの高温での酸化をふせぐためには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。
【００２２】
なお本発明で使用する好ましい金属は、アルミニウム、またはアルミニウム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、珪素等の酸化物、窒化物、炭化物等のセラミックスである。
【００２３】
【発明の実施の形態】
図１は本発明の一実施例にかかる金属ーセラミックス複合部材の製造装置の構成を示す図である。以下、図１を参照にしながら、本発明の一実施例にかかる金属ーセラミックス複合部材の製造装置を説明し、あわせて一実施例にかかる金属ーセラミックス複合部材の製造方法を説明する。なお、この実施例は、縦１１２ｍｍ、横６２ｍｍ、厚さ０．６３５ｍｍの板状アルミナセラミックス部材の表裏両面に厚さ０．５ｍｍで幅が５４ｍｍのアルミニウム膜を接合する場合の例である。
【００２４】
図１に示されるように、一実施例の金属ーセラミックス複合部材の製造装置は、上方から下方に向けて、搬入部１、予熱部２、接合部３及び冷却部４が順次配置されているものである。
【００２５】
搬入部１には、上方から供給されるセラミックス部材５を導入して下方に搬送するピンチローラ６が設けられている。このピンチローラ６は、セラミックス部材５を次々と導入して、予熱部２、接合部３及び冷却部４を通じて外部に搬出する搬送動作を行う搬送手段として機能する。
【００２６】
予熱部２は、予熱用ガイド一体ダイス９ａと、このガイド一体ダイス９ａの上端部の周囲を冷却する冷却ジャケット１５ａと、これらガイド一体ダイス９ａの下部を除く大部分及び冷却ジャケット１５ａの周囲を囲むようにして設けられた断熱材７ａと、後述する熱処理室１００内の上部に配置されてガイド一体ダイスの下部を囲むように形成された予熱ヒーター８とによって構成されている。ガイド一体ダイス９ａは、上端部がピンチローラ６の真下に位置し、下端部が接合部３の後述する坩堝１１内の溶融金属１０中に挿入されるように縦に配置された縦長の直方体形状をなしている。また、その長手方向に沿って内部にセラミックス部材５をガイドしつつ下方に移動させる間に予熱する予熱通路９０ａを有している。なお、予熱通路９０ａは、セラミックス部材５が挿入された状態で、セラミックス部材５と予熱通路９０ａの内壁とのクリアランスが０．２ｍｍ以下になるように形成されており、上記溶融金属１０が予熱通路９０ａ内に侵入しないように構成されている。このガイド一体ダイス９ａは、灰分５００ｐｐｍ以下、かさ密度１．９ｇ／ｃｍ³以上の高純度カーボンによって構成されている。
【００２７】
接合部３は、上記予熱部２に連続して形成されている熱処理室１００と、この熱処理室１００の下部に設けられた徐冷室２００とを有している。これら熱処理室１００及び徐冷室２００は、断熱材７ｂの内部に形成されている。熱処理室１００内には、接合用の金属を溶融した溶融金属１０を保持する坩堝１１と、この坩堝１１内の底部に上端を開口して接続されているとともに下部が下方の徐冷室２００内に向けて延長された接合用ガイド一体ダイス９ｂと、坩堝１１を囲むようにして配置されていて該坩堝１１を加熱して該坩堝１１に収納された金属を溶融する溶融ヒーター１２とが設けられている。また、徐冷室２００内には、接合用ガイド一体ダイス９ｂの周囲に配置されて該ガイド一体ダイス９ｂを加熱する接合ヒーター１４が設けられている。
【００２８】
坩堝１１は、上部が開口された箱型の容器であり、底部に上記ガイド一体ダイス９ｂの上端部を嵌合する貫通孔１１ａが設けられている。この貫通孔１１ａに嵌合されるガイド一体ダイス９ｂは、上述の予熱部２の一部を構成するガイド一体ダイス９ａと基本的にはほぼ同じ構成を有するものであるが、上記貫通孔１１ａに嵌合する上端部には湯止め部１３が形成されている。この湯止め部１３は、図１においては、坩堝１１内に突出する上端の下部に窪みを形成してその窪み部分が上記貫通孔１１ａに密に嵌合する構造として模式的に示してある。実際には、上端部を貫通孔１１ａに嵌合する部分と同じ厚さもしくは径にしておいて貫通孔１１ａに嵌合し、坩堝１１内に突出した部分に後から追加部材（ナット状の部材）を嵌合して接着等によって固定する。なお、坩堝１１は接合ヒーター１４の上端部に載置された載置台１２０上に載置・固定されている。
【００２９】
ガイド一体ダイス９ｂは、上端部が上記坩堝１１の底部の貫通孔１１ａに嵌合され、下端部が冷却部４に位置するように縦に配置された縦長の直方体形状をなしている。図２はガイド一体ダイス９ｂの横断面図である。図２に示されるように、ガイド一体ダイス９ｂは、その長手方向に沿って内部に設けられた断面長方形状の接合通路９０ｂと、この接合通路９０ｂの両側に設けられたガイド部９１ｂとを有している。接合通路９０ｂの上端は、坩堝１１内に開口されているとともに、接合通路９０ｂの中心軸線と上述の予熱用ガイド一体ダイス９ａの予熱通路９０ａの中心軸線とが一致するように配置されている。また、接合通路９０ｂの断面形状における短辺の長さは、セラミックス部材５に接合する金属膜の厚さに対応して該セラミックス部材５の厚さより適切な値だけ大きくしてあり、長辺の長さは、接合する金属膜の幅と等しくしてある。また、ガイド部９１ｂはセラミックス部材５をガイドして移動できるようにセラミックス部材５の両端部が適度に嵌合されるように形成されている。また、図３はガイド一体ダイス９ｂの縦断面図である。図３に示されるように、接合用ガイド一体ダイス９ｂの接合通路９０ｂは、上方から下方に向かうにしたがって次第にその断面積が増大するテーパ状に形成されている。このテーパの度合いは、接合する金属の種類や厚さその他の条件に対応して定められるが、この実施例では、２／１０００の勾配で示されるテーパとしている。
【００３０】
冷却部４は、徐冷室２００の下部に形成されており、上記接合ヒーター１４の下部と、上記接合用ガイド一体ダイス９ｂの下端部の周囲を囲むようにして設けられた冷却ジャケット１５ｂとによって構成されている。
【００３１】
なお、熱処理室１００内は窒素ガスによって不活性ガス雰囲気にできるように、雰囲気制御装置が設けられているが、その図示は省略する。
【００３２】
上述の装置において、まず、ヒーター類に電力供給せず、また、坩堝１１内をからにした状態で、セラミックス部材５を予熱用ガイド一体ダイス９ａ内に必要枚数導入し、最初のセラミックス部材５の先端が接合用ガイド一体ダイス９ｂの接合通路９０ｂの上部に挿入された状態で止める。次に、坩堝１１に金属アルミニウムをいれ、熱処理室１００内を窒素ガスによって不活性ガス雰囲気にしておき、溶融ヒーター１２、予熱ヒーター８及び接合ヒーター１４に電力を供給し、各部を所定の温度にする。この場合、坩堝１１内の温度は６６０〜１０００℃にしてアルミニウムを溶融する。このとき、溶融された金属溶湯中に予熱用ガイド一体ダイス９ａの下端部が埋没される。また、冷却ジャケット１５ａと予熱ヒーター８を調整して予熱用ガイド一体ダイス９ａの縦方向の温度勾配が１０〜３０℃／ｃｍになるようにする。この場合、予熱用ガイド一体ダイス９ａは予熱ヒーター８からの熱伝導によって加熱されるので、冷却ジャケット１５ａによってその近傍の温度を１００℃以下にすることが好ましい。さらに、接合ヒーター１４と冷却ジャケット１５ｂとを調整して接合用ガイド一体ダイス９ｂの縦方向の温度勾配が１０〜１５０℃／ｃｍになるようにする。この状態で、ピンチローラ６を稼動し、新たなセラミックス部材５を供給しつつセラミックス部材５を１〜１００ｍｍ／ｍｉｎの速度で搬送しながら接合を行う。
【００３３】
予熱用ガイド一体ダイス９ａに導入されたセラミックス部材５は、該セラミックス部材５が熱衝撃で割れないように適度の温度勾配がもたされた予熱用ガイド一体ダイス９ａの予熱通路９０ａを通過する間に溶融金属１０の温度に近い温度まで予熱されて、溶融金属１０内に挿入される。挿入されたセラミックス部材５は、溶融金属１０内を下方に向けて通過して接合用ガイド一体ダイス９ｂの接合通路９０ｂ内に挿入されていく。この場合、セラミックス部材５が溶融金属１０中を通過する間にセラミックス部材の両面が清浄化されると同時に両面が溶融金属１０によって十分に濡れた状態で接合通路９０ｂ内に挿入される。
【００３４】
接合通路９０ｂ内に挿入されたセラミックス部材５の溶融金属で濡れた両面には、接合通路９０ｂによって規制される量の溶融金属１０がさらに付着しながら接合通路９０ｂ中を下方に移動する。接合用ガイド一体ダイス９ｂには適度な温度勾配が形成されているので、セラミックス部材５の両面に付着した溶融金属は次第に凝固することによって該セラミックス部材５の両面に接合されていく。この場合、セラミックス部材の両面が清浄化されると同時に両面が溶融金属１０によって十分に濡れた状態で接合通路９０ｂ内に挿入されるので、極めて強固な接合がなされる。そして、セラミックス部材５が冷却ジャケット１５ａを通過することによって該セラミックス部材５の両面に接合された金属は完全に凝固されて接合が完了する。なお、この状態では、個々のセラミックス部材５が接合された金属膜で繋がれた状態であるので、これを切断して個々の基板に仕上げる。これによって、縦１１２ｍｍ、横６２ｍｍ、厚さ０．６３５ｍｍの板状アルミナセラミックス基板の表裏両面に厚さ０．５ｍｍで幅が５４ｍｍのアルミニウム膜が接合された金属ーセラミックス複合部材を得ることができた。こうして得られた金属ーセラミックス複合部材は、金属膜の接合強度が極めて高く、また、金属膜の膜質及び厚さが極めて均一であった。
【００３５】
なお、上述の実施例では、アルミナ板にアルミニウム膜を接合した例を掲げたが、上記装置によってＡｌＮ基板にアルミニウム膜を接合し、あるいは、窒化珪素基板にアルミニウムを接合しても同様の結果を得ることができた。
【００３６】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明は、接合用の金属を溶融させた金属溶湯中を接合用のセラミックス部材を上方から下方に向けて通過させて前記セラミックス部材を前記金属で濡らした後に該セラミックス部材を上方から下方に移動しながら前記セラミックス部材への前記金属の付着量及び／又は形状を制御しつつ凝固させる操作を施すようにしたことにより、優れた接合特性を有する金属ーセラミックス複合部材を低コストで製造することを可能にしているものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の金属ーセラッミクス複合基板の製造装置の主要部の概略断面図である。
【図２】接合用ガイド一体ダイスの横断面図である。
【図３】接合用ガイド一体ダイスの縦断面図である。
【符号の説明】
１…搬入部
２…予熱部
３…接合部
４…冷却部
５…セラッミクス部材
６…ピンチローラ
７ａ，７ｂ…断熱材
８…予熱ヒーター
９ａ…予熱用ガイド一体ダイス
９ｂ…接合用ガイド一体ダイス
１０…溶融金属
１１…坩堝
１２…溶融ヒーター
１３…湯止め部
１４…接合ヒーター
１５ａ，１５ｂ…冷却ジャッケト[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a metal-ceramic composite member manufacturing method and apparatus for manufacturing a strong composite member of ceramics and metal.
[0002]
[Prior art]
Metal-ceramic composites that take advantage of the properties of ceramics such as chemical stability, high melting point, insulation, high hardness, and relatively high thermal conductivity, and high strength, high toughness, easy processability, and conductivity of metals The member is widely used in automobiles, electronic devices, and the like, and typical examples thereof include a rotor for an automobile turbocharger, a metal-ceramic composite substrate for mounting a high-power electronic element, and a package.
[0003]
Adhesion, plating, metallization, thermal spraying, cast-in, brazing, and DBC methods are known as the main manufacturing methods for the metal-ceramic composite member. Most metal-ceramic composite substrates are manufactured by the DBC method using an alumina substrate or brazing using an aluminum nitride substrate.
[0004]
However, in the conventional method, as a method for directly bonding a metal to an alumina substrate, a DBC method for directly bonding a copper plate is known, but a method for directly bonding aluminum has not been known so far.
[0005]
The present applicant has previously proposed an apparatus for manufacturing a metal-ceramic composite member as a device for directly joining aluminum as a metal plate to a ceramic member.
[0006]
This apparatus includes a conveying means for continuously supplying a ceramic member, a preheating portion for preheating the conveyed ceramic member, and passing the preheated ceramic member through a molten metal in a crucible to surround the ceramic member. The main part is a joining part that joins metal to at least a part of the surface and a cooling part that solidifies the metal by slowly cooling the joined ceramic member to form a metal-ceramic composite member. It is possible to obtain a large amount of metal-ceramic composite members having characteristics.
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
By the way, in the case of joining a thin plate metal to a ceramic member, recently, there has been a case where the uniformity of the thickness of the thin plate is strictly demanded, but the above apparatus is not always sufficient for such a demand. In some cases, it was not possible to cope with this. In addition, when a die is used to solidify the metal into a predetermined shape, there are some problems in terms of separation from the die.
[0008]
As a result of investigation of the cause of the above-mentioned problems, the present inventors have been able to obtain a conclusion that the following point may be the cause.
[0009]
That is, the conventional apparatus has a structure in which a ceramic member is continuously supplied in a horizontal shape and passed through a crucible. Therefore, when a metal is joined to the two surfaces of the front and back sides of the plate-like ceramic member, the ceramic member passes through the molten metal in a state not parallel to the gravity direction. For this reason, the vapor | steam from a molten metal tends to accumulate only on the lower surface of a ceramic member by the influence which gravity exerts. Therefore, at the time of joining, it is conceivable that the front and back surfaces of the ceramic member are subjected to a non-uniform action from the vapor of the molten metal. Similarly, in the cooling part, it is conceivable that the vapor from the molten metal accumulates only on the lower surface of the ceramic member, and even if cooling is performed under the same conditions, the cooling state is different due to the non-uniform action on the front and back surfaces.
[0010]
The present invention has been made on the basis of the above-mentioned elucidation facts, and provides a metal-ceramic composite member manufacturing method and apparatus for manufacturing a metal-ceramic composite member having excellent bonding characteristics at low cost. Objective.
[0011]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above problems,
The invention of claim 1
In a method for producing a metal-ceramic composite member in which a metal-ceramic composite member in which a metal is bonded to a ceramic member is produced,
The ceramic member is moved while moving the ceramic member downward from above after passing the ceramic member for bonding downward from above through the molten metal in which the bonding metal is melted to wet the ceramic member with the metal. A method for producing a metal-ceramic composite member, comprising a step of performing an operation of solidifying while controlling an amount and / or shape of the metal attached to the member.
[0012]
The invention of claim 2
In a metal-ceramic composite member manufacturing apparatus for manufacturing a metal-ceramic composite member in which a metal is bonded to a ceramic member,
Conveying means for conveying the ceramic member for bonding from above to below;
Preheating means for preheating the ceramic member conveyed by the conveying means;
A molten metal holding portion for holding a molten metal obtained by melting a bonding metal; and passing the ceramic member preheated by the preheating means from above to below the molten metal. A joining means having a joint for joining the metal to the ceramic member while controlling the amount and / or shape of the metal attached to the ceramic member while moving the ceramic member from above to below after being wetted with metal; ,
A metal-ceramic composite member manufacturing apparatus comprising: cooling means for cooling a ceramic member that moves downward in a joint portion of the joining means.
[0013]
The invention of claim 3
The joining portion of the joining means has a guide integrated die that is connected to the bottom of the molten metal holding portion with an upper end opened and has a lower end extended downward, and the guide integrated die is A ceramic member wetted with metal and a part of the molten metal are introduced from the upper end opening and moved downward while guiding the ceramic member to regulate the amount and / or shape of the metal attached to the ceramic member. 3. The metal / ceramic composite member manufacturing apparatus according to claim 2, further comprising a joining passage for joining the metal to the ceramic member.
[0014]
The invention of claim 4
4. The metal-ceramic composite according to claim 3, wherein the guide integrated die is formed in a tapered shape in which the joint passage gradually increases in cross-sectional area from the upper side to the lower side. It is a manufacturing apparatus of a member.
[0015]
The invention of claim 5
The preheating means is a preheating passage that preheats while moving the ceramic member while guiding the ceramic member, and the lower end is inserted into the molten metal of the molten metal holding portion and the upper end is opened. The metal-ceramic composite member manufacturing apparatus according to any one of claims 2 to 4, wherein the metal-ceramic composite member manufacturing apparatus includes a guide integrated die having a preheating passage serving as an inlet for the ceramic member for bonding.
[0016]
The invention of claim 6
The metal-ceramic member according to any one of claims 2 to 5, wherein the guide integrated die is partially or entirely made of carbon having an ash content of 500 ppm or less and a bulk density of 1.5 g / cm ³ or more. Device.
[0017]
According to the above-described configuration, the ceramic member is wetted with the metal after passing the ceramic member for bonding downward from above through the molten metal obtained by melting the metal for bonding. Since the metal is bonded to the ceramic member by performing an operation of solidifying while controlling the amount and / or shape of the metal attached to the ceramic member while moving downward, the ceramic member is moved laterally. There is no risk of inconvenience as in the case of conventional devices for joining metals. That is, for example, even when a metal is bonded to the two front and back surfaces of a plate-like ceramic member, the ceramic member passes through the molten metal in a state parallel to the gravity direction. For this reason, gravity acts evenly on the front and back surfaces, and the two front and back surfaces of the ceramic member do not receive a non-uniform action from the vapor of the molten metal during bonding. Similarly, since the steam from the molten metal acts uniformly on the front and back surfaces in the cooling section, there is no possibility that the cooling state is different.
[0018]
In addition, since the ceramic members are joined while moving downward from above, the arrangement of the manufacturing apparatus can be preheated, joined, and cooled from above. Since it becomes easy to use the heat from the heater, the output of the preheating heater can be kept small, so that energy saving can be achieved.
[0019]
Furthermore, the joint can be uniformly affected by the metal vapor at the contact interface between the ceramic member and the molten metal on both the front and back surfaces of the ceramic member in the traveling direction of the ceramic member. Variations in cooling ability due to water vapor generated in the cooling jacket can be uniformly received on both the front and back surfaces of the member in the traveling direction of the ceramic member. Furthermore, since the cooling unit is installed below the melting and bonding heater, it is less likely to receive heat from the heater as compared to the case where the respective units are installed side by side as in the conventional case, so that the cooling temperature gradient can be increased. At the same time, the flowability of the molten metal itself from the crucible to the guide integrated die or the cooling part is improved.
[0020]
The material of the guide integrated die used in the present invention is preferably all or part of the ash content of 500 ppm or less, the bulk density of 1.5 g / cm ³ or more, more preferably the ash content of 200 ppm or less, and the bulk density of 1.9 g / cm. It is preferable to use carbon of ³ or more. This makes it possible to improve the separation of the molten metal for joining, and further, the reaction between the guide integrated die and the molten metal is reduced, and the die life is extended. Has the effect of
[0021]
In order to prevent the metal and guide integrated die used in the present invention from being oxidized at a high temperature, the inside of the apparatus needs to have a specific atmosphere as necessary. In the examples described later, the process was performed in a nitrogen gas atmosphere, but the same effect can be obtained by using an inert gas such as argon or hydrogen gas, a reducing gas, or a mixture of these gases.
[0022]
The preferred metal used in the present invention is aluminum or an alloy containing aluminum as a main component, and the ceramic member is an oxide such as aluminum or silicon, or a ceramic such as nitride or carbide.
[0023]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
FIG. 1 is a diagram showing a configuration of a metal-ceramic composite member manufacturing apparatus according to an embodiment of the present invention. Hereinafter, a metal-ceramic composite member manufacturing apparatus according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. 1 and a metal-ceramic composite member manufacturing method according to an embodiment will be described. In this example, an aluminum film having a thickness of 0.5 mm and a width of 54 mm is bonded to both front and back surfaces of a plate-like alumina ceramic member having a length of 112 mm, a width of 62 mm, and a thickness of 0.635 mm.
[0024]
As shown in FIG. 1, the metal-ceramic composite member manufacturing apparatus according to one embodiment has a carry-in part 1, a preheating part 2, a joining part 3, and a cooling part 4 sequentially arranged from the top to the bottom. Is.
[0025]
The carry-in unit 1 is provided with a pinch roller 6 that introduces a ceramic member 5 supplied from above and conveys it downward. The pinch roller 6 functions as a conveying unit that performs a conveying operation of introducing the ceramic members 5 one after another and carrying them out to the outside through the preheating unit 2, the joining unit 3, and the cooling unit 4.
[0026]
The preheating part 2 surrounds the periphery of the cooling jacket 15a except for the lower part of the guide integrated die 9a, the cooling jacket 15a for cooling the periphery of the upper end of the guide integrated die 9a, and the lower part of the guide integrated die 9a. The heat insulating material 7a provided in such a manner and the preheating heater 8 disposed at the upper portion in the heat treatment chamber 100 described later and formed so as to surround the lower portion of the guide integrated die. The guide integrated die 9a has a vertically long rectangular parallelepiped shape in which the upper end portion is positioned directly below the pinch roller 6 and the lower end portion is vertically disposed so as to be inserted into a molten metal 10 in a crucible 11 described later of the joint portion 3. I am doing. Further, a preheating passage 90a for preheating while moving the ceramic member 5 downward while guiding the ceramic member 5 along the longitudinal direction is provided. The preheating passage 90a is formed so that the clearance between the ceramic member 5 and the inner wall of the preheating passage 90a is 0.2 mm or less in a state in which the ceramic member 5 is inserted, and the molten metal 10 is connected to the preheating passage. It is configured not to enter into 90a. The guide integrated die 9a is made of high-purity carbon having an ash content of 500 ppm or less and a bulk density of 1.9 g / cm ³ or more.
[0027]
The joint portion 3 includes a heat treatment chamber 100 formed continuously with the preheating portion 2 and a slow cooling chamber 200 provided in a lower portion of the heat treatment chamber 100. The heat treatment chamber 100 and the slow cooling chamber 200 are formed inside the heat insulating material 7b. In the heat treatment chamber 100, a crucible 11 for holding a molten metal 10 obtained by melting a metal for bonding, and an open end connected to the bottom of the crucible 11 with an upper end open, and a lower portion in the lower cooling chamber 200. A joint guide integrated die 9b extended toward the crucible 11 and a melting heater 12 disposed so as to surround the crucible 11 and heating the crucible 11 to melt the metal stored in the crucible 11. . Further, in the slow cooling chamber 200, there is provided a joining heater 14 which is disposed around the joining guide integrated die 9b and heats the guide integrated die 9b.
[0028]
The crucible 11 is a box-shaped container having an open top, and a through hole 11a is provided at the bottom to fit the upper end of the guide integrated die 9b. The guide integrated die 9b fitted into the through hole 11a has basically the same configuration as the guide integrated die 9a constituting a part of the preheating portion 2 described above. A hot water stopper 13 is formed at the upper end of the fitting. In FIG. 1, the hot water stopper 13 is schematically shown as a structure in which a depression is formed in the lower part of the upper end protruding into the crucible 11, and the depression is closely fitted in the through hole 11a. Actually, the upper end portion has the same thickness or diameter as the portion to be fitted into the through-hole 11a and is fitted into the through-hole 11a, and an additional member (nut-like member) is later inserted into the portion protruding into the crucible 11. ) And fixed by bonding or the like. The crucible 11 is mounted and fixed on a mounting table 120 mounted on the upper end of the bonding heater 14.
[0029]
The guide integrated die 9b has a vertically long rectangular parallelepiped shape in which the upper end portion is fitted in the through hole 11a in the bottom portion of the crucible 11 and the lower end portion is positioned in the cooling portion 4. FIG. 2 is a cross-sectional view of the guide integrated die 9b. As shown in FIG. 2, the guide integrated die 9b has a joint passage 90b having a rectangular cross section provided inside along the longitudinal direction thereof, and guide portions 91b provided on both sides of the joint passage 90b. is doing. The upper end of the joining passage 90b is opened in the crucible 11, and is arranged so that the central axis of the joining passage 90b coincides with the central axis of the preheating passage 90a of the preheating guide integrated die 9a. Further, the length of the short side in the cross-sectional shape of the joining passage 90b is larger than the thickness of the ceramic member 5 by an appropriate value corresponding to the thickness of the metal film to be joined to the ceramic member 5. The length is made equal to the width of the metal film to be joined. Moreover, the guide part 91b is formed so that the both ends of the ceramic member 5 may be fitted moderately so that the ceramic member 5 can be guided and moved. FIG. 3 is a longitudinal sectional view of the guide integrated die 9b. As shown in FIG. 3, the joining passage 90b of the joining guide integrated die 9b is formed in a tapered shape whose cross-sectional area gradually increases from the top to the bottom. The degree of taper is determined in accordance with the type of metal to be joined, the thickness, and other conditions. In this embodiment, the taper is shown by a 2/1000 gradient.
[0030]
The cooling unit 4 is formed in the lower part of the slow cooling chamber 200, and includes a lower part of the joining heater 14 and a cooling jacket 15b provided so as to surround the lower end of the joining guide integrated die 9b. ing.
[0031]
Although an atmosphere control device is provided in the heat treatment chamber 100 so that an inert gas atmosphere can be formed with nitrogen gas, the illustration thereof is omitted.
[0032]
In the above-described apparatus, first, the power is not supplied to the heaters, and the necessary number of ceramic members 5 are introduced into the preheating guide integrated die 9a in a state where the crucible 11 is empty. The tip is stopped in a state where it is inserted in the upper part of the joining passage 90b of the joining guide integrated die 9b. Next, metal aluminum is put into the crucible 11, the inside of the heat treatment chamber 100 is made an inert gas atmosphere with nitrogen gas, power is supplied to the melting heater 12, the preheating heater 8, and the joining heater 14, and each part is brought to a predetermined temperature. To do. In this case, the temperature in the crucible 11 is set to 660 to 1000 ° C. to melt the aluminum. At this time, the lower end portion of the preheating guide integrated die 9a is buried in the molten metal melt. Further, the cooling jacket 15a and the preheating heater 8 are adjusted so that the vertical temperature gradient of the preheating guide integrated die 9a is 10 to 30 ° C./cm. In this case, since the preheating guide integrated die 9a is heated by heat conduction from the preheating heater 8, the temperature in the vicinity thereof is preferably set to 100 ° C. or less by the cooling jacket 15a. Furthermore, the joining heater 14 and the cooling jacket 15b are adjusted so that the longitudinal temperature gradient of the joining guide integrated die 9b is 10 to 150 ° C./cm. In this state, the pinch roller 6 is operated to join the ceramic member 5 while feeding the ceramic member 5 at a speed of 1 to 100 mm / min.
[0033]
While the ceramic member 5 introduced into the preheating guide integrated die 9a passes through the preheating passage 90a of the preheating guide integrated die 9a having an appropriate temperature gradient so that the ceramic member 5 is not broken by thermal shock. And is preheated to a temperature close to the temperature of the molten metal 10 and inserted into the molten metal 10. The inserted ceramic member 5 passes through the molten metal 10 downward and is inserted into the joining passage 90b of the joining guide integrated die 9b. In this case, both sides of the ceramic member are cleaned while the ceramic member 5 passes through the molten metal 10, and at the same time, both sides of the ceramic member 5 are inserted into the joining passage 90b with the molten metal 10 sufficiently wet.
[0034]
An amount of the molten metal 10 regulated by the bonding passage 90b moves downward while adhering to both surfaces of the ceramic member 5 inserted into the bonding passage 90b wetted by the molten metal. Since an appropriate temperature gradient is formed in the joining guide integrated die 9b, the molten metal adhering to both surfaces of the ceramic member 5 is gradually solidified and joined to both surfaces of the ceramic member 5. In this case, since both surfaces of the ceramic member are cleaned and at the same time both surfaces are sufficiently wetted by the molten metal 10, the ceramic member is inserted into the bonding passage 90 b, so that extremely strong bonding is achieved. When the ceramic member 5 passes through the cooling jacket 15a, the metal bonded to both surfaces of the ceramic member 5 is completely solidified and the bonding is completed. In this state, since the individual ceramic members 5 are connected by the bonded metal film, they are cut and finished into individual substrates. As a result, a metal-ceramic composite member in which an aluminum film having a thickness of 0.5 mm and a width of 54 mm is bonded to both front and back surfaces of a plate-like alumina ceramic substrate having a length of 112 mm, a width of 62 mm, and a thickness of 0.635 mm can be obtained. It was. The metal-ceramic composite member thus obtained had extremely high metal film bonding strength, and the film quality and thickness of the metal film were extremely uniform.
[0035]
In the above-described embodiment, an example in which an aluminum film is bonded to an alumina plate has been described. However, similar results can be obtained even if an aluminum film is bonded to an AlN substrate by the above apparatus or aluminum is bonded to a silicon nitride substrate. I was able to get it.
[0036]
【The invention's effect】
As described in detail above, the present invention allows the ceramic member to be wetted with the metal after passing the ceramic member for bonding from the upper side to the lower side through the molten metal obtained by melting the bonding metal. A metal-ceramic composite member having excellent bonding characteristics is obtained by performing an operation of solidifying while controlling the amount and / or shape of the metal attached to the ceramic member while moving the member from above to below. It is possible to manufacture at a low cost.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of the main part of an apparatus for producing a metal / ceramic composite substrate of the present invention.
FIG. 2 is a cross-sectional view of a joining guide integrated die.
FIG. 3 is a longitudinal sectional view of a joining guide integrated die.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Carry-in part 2 ... Preheating part 3 ... Joining part 4 ... Cooling part 5 ... Ceramics member 6 ... Pinch roller 7a, 7b ... Heat insulating material 8 ... Preheating heater 9a ... Preheating guide integrated die 9b ... Joining guide integrated die 10 ... Molten metal 11 ... crucible 12 ... melting heater 13 ... hot water stopper 14 ... joining heaters 15a and 15b ... cooling jacket

Claims

An apparatus for producing a metal-ceramic composite member in which aluminum or an alloy mainly composed of aluminum is joined to a ceramic member,
In order from the upper side to the lower side, it has a preheating means, a molten metal holding means, a joining means, and a cooling means, and further has a conveying means for conveying the ceramic member from the upper side to the lower side,
The preheating means includes a preheating guide integrated die for conveying the ceramics;
A preheating heater for heating the preheating guide integrated die,
The molten metal holding means is a crucible for holding a molten metal of aluminum or an alloy containing aluminum as a main component;
The preheating guide integrated die having a lower end inserted in the molten metal in the crucible;
A melting heater for heating the crucible,
The joining means is fitted to the bottom of the crucible through a through hole, and joins the ceramic member and the molten metal, and joins the guide integrated die for conveyance downward;
A joining heater for heating the joining guide integrated die,
The cooling means has cooling means for cooling the ceramic member joined with the molten metal in the joining guide integrated die,
The preheating heater and the melting heater are provided adjacent to each other, and a heat treatment chamber is formed together with a heat insulating material provided so as to surround the periphery of the preheating heater and the melting heater, and the preheating guide integrated die, the crucible, An apparatus for producing a metal / ceramic composite member, wherein:

2. The metal-ceramic composite member according to claim 1, wherein a hot water stopper is formed at an upper end portion of the joining guide integrated die that opens to the bottom of the crucible through the through hole. apparatus.

3. The metal according to claim 1, wherein a joining passage provided in the joining guide integrated die is formed in a tapered shape in which a cross-sectional area gradually increases from the upper side toward the lower side. 4. -Manufacturing apparatus for ceramic composite members.

4. The preheating guide integrated die and the joining guide integrated die are partially or entirely made of carbon having an ash content of 500 ppm or less and a bulk density of 1.5 g / cm ³ or more. An apparatus for producing a metal-ceramic composite member according to 1.

A method of manufacturing a metal-ceramic composite member by bonding aluminum or an alloy containing aluminum as a main component to a ceramic member,
Preheating the ceramic member while conveying the inside of the preheating guide integrated die for conveying the ceramic from above to below;
The pre-heat treated ceramic member is inserted into the molten metal from the lower end of the preheating guide integrated die inserted into the molten metal of the aluminum or an alloy containing aluminum as a main component. A process of wetting with metal,
The ceramic member wetted with the molten metal is fitted into the bottom of a crucible holding the molten metal, and the ceramic member and the molten metal are joined and conveyed into a joining guide integrated die for conveying downward. A step of joining the ceramic member and the molten metal to obtain a metal-ceramic joint,
And a step of cooling the metal-ceramic bonded article while conveying the inside of the guide integrated die, which is an extension of the bonding guide integrated die, to obtain a metal-ceramic composite member. Manufacturing method of member.