JP4165793B2 - 金属箔・セラミック接合材の製造方法 - Google Patents
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Description
【技術分野】
【０００１】
本発明は、各種セラミック材の表面に金属箔を接合して金属箔・セラミック接合材を製造する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、セラミックスの応用分野として、セラミックスを金属と組み合わせることによって新たな用途開発が図られている。例えば、ニッケル、チタン、クロム合金等からなる金属材を、アルミナ、ジルコニア、マグネシア等からなるセラミックス材に拡散接合等の接合技術を用いて金属・セラミック接合材が製造され、各種デバイスやシステムに用いられている。
しかし、従来の金属・セラミック接合材においては、金属材をセラミック材にそのまま一定の圧力を加えて接合していたため、加圧中に、金属と比較して著しく脆性材料であるセラミック材が破損する場合があり、生産性の面で問題を有していた。
本発明は、このような課題を解決しようとするものであり、わずかな加圧力でも十分に金属箔をセラミック材に接合することができ、セラミック材の破損を防止して金属箔・セラミック接合材や金属箔積層セラミック基板の生産性を高めることができる金属箔・セラミック接合材の製造方法を提供することを目的とする。
【発明の開示】
【０００３】
上記目的を達成するため、請求項１記載の金属箔・セラミック接合材の製造方法は、金属箔の被接合表面とセラミック材の被接合表面をイオンエッチングによって活性化及び清浄化する工程と、前記セラミック材の表面をホルダーによって支持した状態で２５０〜５００℃に加熱する加熱工程と、前記ホルダー上のセラミック材の被接合表面に、前記金属箔の被接合表面を１ｋｇ／ｍｍ２ 以下の圧力で加圧接合し、金属箔・セラミック接合材を製造する加熱接合工程とを具備する。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００４】
ここで、金属箔は、Ａｌ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｆｅ等からなる単層箔、及び、Ａｌ−Ｃｕ、Ａｌ−インバー−Ｃｕ等からなる複層箔を用いることができる。その厚みは特に限定するものではないが、金属箔積層セラミック基板としての製造条件や用途などの観点から、好ましくは、１０〜５００μｍの範囲である。
一方、セラミック材は、ガラス、ＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３、ＳｉＣ、Ｓｉ３Ｎ４、ＡｌＮ等からなり、その厚みは、用途によって適宜設定することができる。その厚みは特に限定するものではないが、金属箔積層セラミック基板としての製造条件や用途などの観点から、好ましくは、１００μｍ〜１ｍｍの範囲が望ましい。
また、上記した方法において、金属箔の被接合表面をイオンエッチングするのは、金属箔の表面に付着する酸化膜を確実に除去して清浄化することができると共に活性化することができるからであり、セラミック材の表面をイオンエッチングするのはセラミック材の表面を活性化するためである。
金属箔とセラミック材の加圧接合に先んじて、セラミック材の表面をホルダーを介して加熱するのは、上記した活性化を促進して、その後の加圧接合を容易にするためである。加熱温度を２５０〜５００℃としたのは、金属箔の種類によって適温範囲が異なるためであり、例えば、アルミニウム箔の場合は２５０〜４００℃であり、銅箔の場合は３５０〜５００℃である。
加熱工程でホルダーを用いることにしたのは、セラミック材をホルダーで保持することなく、直接ヒーター等で加熱する場合には、セラミック材が一様に加熱されず、内部に熱ひずみが発生し、破損するおそれがあるからである。
ホルダーは、好ましくは、硬質かつ良好な熱伝導性を有する素材、例えば、ＷＣ−Ｃｏ焼結材からなる超硬合金を用いる。
金属箔とセラミック材の加圧接合において、加圧力を１ｋｇ／ｍｍ２ 以下としたのは、加圧力を１ｋｇ／ｍｍ２ より大きくすると、セラミック材が破損するおそれがあるからである。
金属箔とセラミック材の加圧接合は、好ましくは、金属箔とホルダー上のセラミック材を、転動する加圧ロール間を通すことによって行う。このようにすることによって、１ｋｇ／ｍｍ２ 以下の加圧力を保持しながら、金属箔とセラミック材の全接合面に加圧力を効率よく付加できるからである。
加圧ロールとしては、好ましくは、表面にテフロンコーティングが施されている耐熱ロールを用いる。加圧工程において、加圧ロールはセラミック材によって加熱されることになるので耐熱性が要求されるからである。
このようにして得られた金属箔・セラミック接合材を所望の寸法に切断することによって金属箔積層セラミック基板を製造することができる。
以下、添付図に示す一実施の形態を参照して、本発明に係る金属箔・セラミック接合材の製造方法を具体的に説明する。
まず、図１（ａ）に示すように、イオンシャワー装置１０内に、厚みが５０μｍのアルミニウムからなる金属箔１１を配設し、極低圧不活性ガス（例えば、Ａｒ＋ガス）雰囲気中で、陰陽両極間の放電と電子照射によって、金属箔１１の被接合表面を形成する一側面全面にイオンを照射し、その表面から酸化膜を除去して清浄化すると共に、活性化する。
図１（ｂ）に示すように、イオンシャワー装置１２内に、厚みが３００μｍのＳｉＣからなるセラミック材１３を、超硬合金であるＷＣ−Ｃ０合金からなる平板状のホルダー１４上に載置した状態で配置する。ホルダー１４を介して加熱装置の一例である電熱ヒーター１５によってセラミック材１３を２５０〜４００℃に加熱し、この加熱状態を保持した状態で、極低圧不活性ガス雰囲気中で、陰陽両極間の放電と電子照射によって、セラミック材１３の被接合表面を形成する一側面全面にイオンを照射し、その表面を活性化する。
図１（ｃ）に示すように、金属箔１１をイオンシャワー装置１０から外部に取り出すと共に、セラミック材１３をホルダー１４と共にイオンシャワー装置１２から外部に取り出し、金属箔１１とホルダー１４上のセラミック材１３を加圧装置１６に移送し、転動する上、下加圧ロール１７、１８を通すことによって加圧接合する。
図示するように、下加圧ロール１８は複数設けられており、上加圧ロール１７は１つだけ設けられている。これは、下加圧ロール１８によって一回又は数回にわたって往復移動される金属箔１１とホルダー１４上のセラミック材１３を安定状態に支持すると共に、上加圧ロール１７で往復移動される金属箔１１の表面を順に加圧することによって、過度の加圧力が金属箔１１を通してセラミック材１３の全体にかかるのを防止し、セラミック材１３の破損を防止するためである。また、加圧力は１ｋｇ／ｍｍ２ 以下に設定されているので、この面からも、セラミック材１３の破損を確実に防止することができる。なお、上、下加圧ロール１７、１８はホルダー１４やセラミック材１３から熱を受けるので、表面をテフロン加工した耐熱ロールを用いるのが好ましい。
図１（ｄ）に示すように、上記した加圧接合によって製造された金属箔・セラミック接合材１９を加圧装置１６から外部に取り出す。
この金属箔・セラミック接合材１９を加工して各種システムやデバイスに用いることができる。
その一例として、図１（ｅ）に示すように、金属箔・セラミック接合材１９を所望の寸法に切断することによって、ＩＣ用の金属箔積層セラミック基板２０を大量に製造することができる。
【産業上の利用可能性】
【０００５】
以上説明してきたように、請求項１記載の金属箔・セラミック接合材の製造方法においては、それぞれイオンエッチングされた金属箔とセラミック材を加圧接合する前にセラミック材を加熱するようにしたので、その後の加圧接合を容易かつ確実に行うことができる。また、セラミック材をホルダーに載置した状態で加熱するのでセラミック材の破壊を防止できる。さらに、加圧接合時の加圧力を１ｋｇ／ｃｍ２ 以下としたので、この面からもセラミック材の破壊を防止できる。従って、高品質の金属箔・セラミック接合材を高生産率で生産することができる。
請求項２記載の金属箔・セラミック接合材の製造方法においては、金属箔と前記セラミック材の加圧接合を、金属箔とホルダー上のセラミック材を、転動する加圧ロール間を通すことによって行うようにしたので、過度の加圧力がセラミック材にかかるのを防止でき、この面からもセラミック材の破損を防止することができる。
請求項３及び４記載の金属箔・セラミック接合材の製造方法においては、ホルダーは硬質かつ良好な熱伝導性を有する素材、例えば、超硬合金を用いるので、セラミック材を全面にわたって均一に加熱することができ、熱ひずみによるセラミック材の破損を効果的に防止することができる。
請求項５記載の金属箔・セラミック接合材の製造方法においては、加圧ロールとして、表面にテフロンコーティングが施されている耐熱ロールを用いることによって、加圧ロールの寿命を長くでき、交換回数を少なくしてメンテナンス性を向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００６】
図１は、本発明の一実施の形態に係る金属箔・セラミック接合材の製造方法の工程説明図である。
【０００１】
本発明は、各種セラミック材の表面に金属箔を接合して金属箔・セラミック接合材を製造する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、セラミックスの応用分野として、セラミックスを金属と組み合わせることによって新たな用途開発が図られている。例えば、ニッケル、チタン、クロム合金等からなる金属材を、アルミナ、ジルコニア、マグネシア等からなるセラミックス材に拡散接合等の接合技術を用いて金属・セラミック接合材が製造され、各種デバイスやシステムに用いられている。
しかし、従来の金属・セラミック接合材においては、金属材をセラミック材にそのまま一定の圧力を加えて接合していたため、加圧中に、金属と比較して著しく脆性材料であるセラミック材が破損する場合があり、生産性の面で問題を有していた。
本発明は、このような課題を解決しようとするものであり、わずかな加圧力でも十分に金属箔をセラミック材に接合することができ、セラミック材の破損を防止して金属箔・セラミック接合材や金属箔積層セラミック基板の生産性を高めることができる金属箔・セラミック接合材の製造方法を提供することを目的とする。
【発明の開示】
【０００３】
上記目的を達成するため、請求項１記載の金属箔・セラミック接合材の製造方法は、金属箔の被接合表面とセラミック材の被接合表面をイオンエッチングによって活性化及び清浄化する工程と、前記セラミック材の表面をホルダーによって支持した状態で２５０〜５００℃に加熱する加熱工程と、前記ホルダー上のセラミック材の被接合表面に、前記金属箔の被接合表面を１ｋｇ／ｍｍ２ 以下の圧力で加圧接合し、金属箔・セラミック接合材を製造する加熱接合工程とを具備する。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００４】
ここで、金属箔は、Ａｌ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｆｅ等からなる単層箔、及び、Ａｌ−Ｃｕ、Ａｌ−インバー−Ｃｕ等からなる複層箔を用いることができる。その厚みは特に限定するものではないが、金属箔積層セラミック基板としての製造条件や用途などの観点から、好ましくは、１０〜５００μｍの範囲である。
一方、セラミック材は、ガラス、ＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３、ＳｉＣ、Ｓｉ３Ｎ４、ＡｌＮ等からなり、その厚みは、用途によって適宜設定することができる。その厚みは特に限定するものではないが、金属箔積層セラミック基板としての製造条件や用途などの観点から、好ましくは、１００μｍ〜１ｍｍの範囲が望ましい。
また、上記した方法において、金属箔の被接合表面をイオンエッチングするのは、金属箔の表面に付着する酸化膜を確実に除去して清浄化することができると共に活性化することができるからであり、セラミック材の表面をイオンエッチングするのはセラミック材の表面を活性化するためである。
金属箔とセラミック材の加圧接合に先んじて、セラミック材の表面をホルダーを介して加熱するのは、上記した活性化を促進して、その後の加圧接合を容易にするためである。加熱温度を２５０〜５００℃としたのは、金属箔の種類によって適温範囲が異なるためであり、例えば、アルミニウム箔の場合は２５０〜４００℃であり、銅箔の場合は３５０〜５００℃である。
加熱工程でホルダーを用いることにしたのは、セラミック材をホルダーで保持することなく、直接ヒーター等で加熱する場合には、セラミック材が一様に加熱されず、内部に熱ひずみが発生し、破損するおそれがあるからである。
ホルダーは、好ましくは、硬質かつ良好な熱伝導性を有する素材、例えば、ＷＣ−Ｃｏ焼結材からなる超硬合金を用いる。
金属箔とセラミック材の加圧接合において、加圧力を１ｋｇ／ｍｍ２ 以下としたのは、加圧力を１ｋｇ／ｍｍ２ より大きくすると、セラミック材が破損するおそれがあるからである。
金属箔とセラミック材の加圧接合は、好ましくは、金属箔とホルダー上のセラミック材を、転動する加圧ロール間を通すことによって行う。このようにすることによって、１ｋｇ／ｍｍ２ 以下の加圧力を保持しながら、金属箔とセラミック材の全接合面に加圧力を効率よく付加できるからである。
加圧ロールとしては、好ましくは、表面にテフロンコーティングが施されている耐熱ロールを用いる。加圧工程において、加圧ロールはセラミック材によって加熱されることになるので耐熱性が要求されるからである。
このようにして得られた金属箔・セラミック接合材を所望の寸法に切断することによって金属箔積層セラミック基板を製造することができる。
以下、添付図に示す一実施の形態を参照して、本発明に係る金属箔・セラミック接合材の製造方法を具体的に説明する。
まず、図１（ａ）に示すように、イオンシャワー装置１０内に、厚みが５０μｍのアルミニウムからなる金属箔１１を配設し、極低圧不活性ガス（例えば、Ａｒ＋ガス）雰囲気中で、陰陽両極間の放電と電子照射によって、金属箔１１の被接合表面を形成する一側面全面にイオンを照射し、その表面から酸化膜を除去して清浄化すると共に、活性化する。
図１（ｂ）に示すように、イオンシャワー装置１２内に、厚みが３００μｍのＳｉＣからなるセラミック材１３を、超硬合金であるＷＣ−Ｃ０合金からなる平板状のホルダー１４上に載置した状態で配置する。ホルダー１４を介して加熱装置の一例である電熱ヒーター１５によってセラミック材１３を２５０〜４００℃に加熱し、この加熱状態を保持した状態で、極低圧不活性ガス雰囲気中で、陰陽両極間の放電と電子照射によって、セラミック材１３の被接合表面を形成する一側面全面にイオンを照射し、その表面を活性化する。
図１（ｃ）に示すように、金属箔１１をイオンシャワー装置１０から外部に取り出すと共に、セラミック材１３をホルダー１４と共にイオンシャワー装置１２から外部に取り出し、金属箔１１とホルダー１４上のセラミック材１３を加圧装置１６に移送し、転動する上、下加圧ロール１７、１８を通すことによって加圧接合する。
図示するように、下加圧ロール１８は複数設けられており、上加圧ロール１７は１つだけ設けられている。これは、下加圧ロール１８によって一回又は数回にわたって往復移動される金属箔１１とホルダー１４上のセラミック材１３を安定状態に支持すると共に、上加圧ロール１７で往復移動される金属箔１１の表面を順に加圧することによって、過度の加圧力が金属箔１１を通してセラミック材１３の全体にかかるのを防止し、セラミック材１３の破損を防止するためである。また、加圧力は１ｋｇ／ｍｍ２ 以下に設定されているので、この面からも、セラミック材１３の破損を確実に防止することができる。なお、上、下加圧ロール１７、１８はホルダー１４やセラミック材１３から熱を受けるので、表面をテフロン加工した耐熱ロールを用いるのが好ましい。
図１（ｄ）に示すように、上記した加圧接合によって製造された金属箔・セラミック接合材１９を加圧装置１６から外部に取り出す。
この金属箔・セラミック接合材１９を加工して各種システムやデバイスに用いることができる。
その一例として、図１（ｅ）に示すように、金属箔・セラミック接合材１９を所望の寸法に切断することによって、ＩＣ用の金属箔積層セラミック基板２０を大量に製造することができる。
【産業上の利用可能性】
【０００５】
以上説明してきたように、請求項１記載の金属箔・セラミック接合材の製造方法においては、それぞれイオンエッチングされた金属箔とセラミック材を加圧接合する前にセラミック材を加熱するようにしたので、その後の加圧接合を容易かつ確実に行うことができる。また、セラミック材をホルダーに載置した状態で加熱するのでセラミック材の破壊を防止できる。さらに、加圧接合時の加圧力を１ｋｇ／ｃｍ２ 以下としたので、この面からもセラミック材の破壊を防止できる。従って、高品質の金属箔・セラミック接合材を高生産率で生産することができる。
請求項２記載の金属箔・セラミック接合材の製造方法においては、金属箔と前記セラミック材の加圧接合を、金属箔とホルダー上のセラミック材を、転動する加圧ロール間を通すことによって行うようにしたので、過度の加圧力がセラミック材にかかるのを防止でき、この面からもセラミック材の破損を防止することができる。
請求項３及び４記載の金属箔・セラミック接合材の製造方法においては、ホルダーは硬質かつ良好な熱伝導性を有する素材、例えば、超硬合金を用いるので、セラミック材を全面にわたって均一に加熱することができ、熱ひずみによるセラミック材の破損を効果的に防止することができる。
請求項５記載の金属箔・セラミック接合材の製造方法においては、加圧ロールとして、表面にテフロンコーティングが施されている耐熱ロールを用いることによって、加圧ロールの寿命を長くでき、交換回数を少なくしてメンテナンス性を向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００６】
図１は、本発明の一実施の形態に係る金属箔・セラミック接合材の製造方法の工程説明図である。
Claims (5)
- 金属箔の被接合表面とセラミック材の被接合表面をイオンエッチングによって活性化及び清浄化するイオンエッチング工程と、前記セラミック材の表面をホルダーによって支持した状態で２５０〜５００℃に加熱する加熱工程と、前記ホルダー上のセラミック材の被接合表面に、前記金属箔の被接合表面を１ｋｇ／ｍｍ２以下の圧力で加圧接合し、金属箔・セラミック接合材を製造する加熱接合工程とを具備する金属箔積層セラミック材の製造方法。
- 前記金属箔と前記セラミック材の加圧接合は、前記金属箔と前記ホルダー上のセラミック材を、転動する加圧ロール間を通すことによって行われることを特徴とする請求項１記載の金属箔・セラミック接合材の製造方法。
- 前記ホルダーは硬質かつ良好な熱伝導性を有する素材からなることを特徴とする請求項１又は２記載の金属箔・セラミック接合材の製造方法。
- 前記素材は超硬合金であることを特徴とする請求項３記載の金属箔・セラミック接合材の製造方法。
- 前記加圧ロールは表面にテフロンコーティングが施されている耐熱ロールを用いることを特徴とする請求項２〜４のうちいずれかの請求項記載の金属箔・セラミック接合材の製造方法。
Applications Claiming Priority (2)
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