JP4453362B2 - 拡散接合装置及び拡散接合方法 - Google Patents

Description

本発明は、二つの被接合部材を拡散接合する拡散接合装置に関し、更に詳しくは、被接合部材の接合面の清浄度を高めることにより部材の接合性を高めた拡散接合装置及び拡散接合方法に関する。

拡散接合装置は、セラミックス材料や金属材料、もしくはそれらの複合材料を拡散接合する装置であり焼結装置等のホットプレス装置の一種として知られている。そして従来、接合部の品質が良いことから拡散接合を用いて種々の製品が製作されている。図２は、従来の一般的な拡散接合装置の概要を示すもので、フレーム４２と、内部に加熱室４３を形成する炉体４４と、炉体４４内部に設置されたヒータ４５と、上下一対のプレスラム４６と、上部のプレスラム４６を昇降駆動する押圧シリンダ４７とを備え、二つの被接続部材１を上下のプレスラム４６の間に挟み込み、加熱室４３内を真空又はガス雰囲気下で、ヒータ４５により被接続部材１を所望温度に加熱しつつ、押圧シリンダ４７を作動させてプレスラム４６の間で被接合部材４１を押圧して拡散接合を行うようになっている。また、上述した拡散接合装置において、ヒータ４５による間接加熱ではなく、一対の導電性プレスラムの間に挟まれた被接合部材を通電加熱して直接加熱により拡散接合するようにしたものも知られている。なお、焼結装置に関するものであるが、これに関連する従来技術として下記特許文献１及び２が開示されている。

特許文献１の「放電焼結装置」は、従来よりも緻密でかつ均質で寸法精度も高い良質の焼結体を得ることを目的とし、図３に示すように、炉室４１に挿入された一対の圧縮通電用パンチ４２と、この圧縮通電用パンチ４２の間に設けられた焼結成形用のダイ４３およびパンチ４４とを備え、圧縮通電用パンチ４２から圧縮力と電流とを供給するようになっている。

特許文献２の「焼結装置」は、セラミックスと導電性物質の両方の焼結と大型化を目的とし、図４に示すように、焼結型５１の焼結空間５２に充填された粉末原料５３を一対のパンチよりなる電極５５で加圧し通電して焼結する焼結装置である。電極５５と粉末原料５３の間には通電により発熱する発熱体５４が設けられており、焼結型５１には通電により発熱する導電体で構成されている。

特開平３−５６６０４号公報特 開平１０−３３０８０４号公報

ところで、上述した拡散接合においては、部材の接合性を高めるために被接合部材の表面（接合面）の不純物、酸化膜等を薬品を用いて予め除去し清浄化することが行われる。特に、ナノテクノロジーなどの微細な分野における接合技術では、被接合部材の表面の清浄度が部材の接合性に大きな影響を与えるため、部材表面の清浄度を高めることは極めて重要である。

しかしながら、従来のように薬品を用いて被接合部材の表面を洗浄しても、洗浄後にその表面が空気に曝されることによりに酸化膜が形成されることから、清浄度の高い部材表面を得ることは困難であり、必ずしも高い接合性を得ることができないという問題があった。

本発明は上述した問題点を解決するために創案されたものである。すなわち本発明の目的は、被接合部材の表面の清浄度を高めることにより、高い接合性を得ることができる拡散接合装置及び拡散接合方法を提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明の拡散接合装置は、二つの被接合部材を拡散接合する拡散接合装置であって、内部に加熱室を形成する炉体と、該炉体の内部にそれぞれ突出し、その先端に前記二つの被接合部材をそれぞれ保持し該二つの被接合部材を重ね合わせて押圧する一対のプレスラムと、前記被接合部材を加熱する加熱手段と、前記プレスラムにより前記被接合部材を押圧する前に当該被接合部材の表面に気体のグロー放電によるイオンボンバード処理を施すイオンボンバード処理手段と、を備え、前記イオンボンバード処理手段は、前記一対のプレスラムに接続されたイオンボンバード処理用電源を有し、該イオンボンバード処理用電源は、前記加熱室内が不活性ガス雰囲気にされた状態で、前記一対のプレスラムを介して前記二つの被接合部材にバイアス電圧を印加することで、前記イオンボンバード処理を施すように構成され、前記加熱手段は、前記一対のプレスラムに接続された通電加熱用電源を備え、該通電加熱用電源は、前記一対のプレスラムにより前記二つの被接合部材を押圧した状態で、当該一対のプレスラムを介して当該二つの被接合部材に通電して当該被接合部材を通電加熱するように構成されている、ことを特徴としている（請求項１）。

上記本発明の拡散接合装置によれば、被接合部材を接合する前に、予め被接合部材の表面に気体のグロー放電によるイオンボンバード処理を施すようになっているため、表面の不純物、酸化膜等が除去される。これにより、被接合部材に清浄度の高い表面が出現し、拡散接合による被接合部材の接合性を高めることができる。
また、被接合部材を通電加熱により直接加熱することができる。これにより、ヒータ等による間接加熱に比して急速加熱が可能となり、処理時間の短縮化を図ることができ、生産性が大幅に向上する。

また上記本発明において、好ましくは、前記イオンボンバード処理手段は、前記加熱室内を所定の減圧雰囲気にする減圧ポンプと、前記加熱室内に不活性ガスを導入するガス導入手段と、前記炉体を接地するアースと、を備える（請求項２）。

このような構成により、所定の減圧雰囲気の加熱室内に、アルゴンガス、ヘリウムガス、窒素ガス等の不活性ガスを導入し、プレスラムの先端に保持された被接合部材にバイアス電圧を印加して、被接合部材の表面にイオンボンバード処理を施すことができる。

また上記本発明において、好ましくは、前記イオンボンバード処理手段は、前記イオンボンバード処理用電源を前記一対のプレスラムの双方に同時に接続する機能と、前記イオンボンバード処理用電源を前記一対のプレスラムのうちいずれか一方に択一的に接続する機能とを有するスイッチを備え、前記二つの被接合部材に対して同時に又は順にイオンボンバード処理を施すように構成されている（請求項３）。

このような構成により、二つの被接合部材が互いに同種材料であるときは、イオンボンバード用電源を一対のプレスラムの双方に同時に接続することにより、二つの被接合部材に対して同時にイオンボンバード処理を施すことができる。これにより、効率的なイオンボンバード処理を行うことができる。一方、二つの被接合部材が互いに異種材料であるときは、イオンボンバード用電源を一対のプレスラムのうちいずれか一方に選択的に接続することにより、二つの被接合部材に対して順にイオンボンバード処理を施すことができる。これにより、被接合部材の種類に応じた適切なイオンボンバード処理を施すことができる。

また上記本発明において、好ましくは、前記炉体と前記一対のプレスラムとの間に、これらを互いに電気的に絶縁し、かつ、前記加熱室内への外気の混入をシールする絶縁シール部材が介装されている（請求項４）。

このような構成により、炉体とプレスラムとの間を電気的に絶縁し、かつ、加熱室内への空気の混入をシールすることができる。

また上記本発明において、好ましくは、前記加熱手段は、さらに前記加熱室内に設置された輻射加熱式のヒータを備えている（請求項５）。

このような構成により、通電加熱と輻射加熱とを併用することができる。これにより、被接合部材の中心部と表層部とを均一に加熱し、かつ急速加熱することができ、被接合部材の接合性及び生産性の向上を同時に実現することができる。

また、本発明の拡散接合方法は、加熱室内で二つの被接合部材をそれぞれ一対のプレスラムの先端に保持した状態で、該二つの被接合部材の表面に気体のグロー放電によるイオンボンバード処理を施す第１のステップと、該第１のステップの後、前記一対のプレスラムにより、前記二つの被接合部材を重ね合わせ押圧するとともに加熱して拡散接合する第２のステップと、を有し、前記第１のステップでは、前記加熱室内を不活性ガス雰囲気にした状態で、前記一対のプレスラムに接続されるイオンボンバード処理用電源が、前記一対のプレスラムを介して前記二つの被接合部材にバイアス電圧を印加することで、前記イオンボンバード処理を施し、前記第２のステップでは、前記一対のプレスラムにより前記被接合部材を押圧した状態で、前記一対のプレスラムに接続される通電加熱用電源が、当該一対のプレスラムを介して前記二つの被接合部材に通電して当該二つの被接合部材を通電加熱する、ことを特徴としている（請求項６）。

上記本発明の拡散接合方法によれば、被接合部材を接合する前に、予め被接合部材の表面に気体のグロー放電によるイオンボンバード処理を施すようになっているため、表面の不純物、酸化膜等が除去される。これにより、被接合部材に清浄度の高い表面が出現し、拡散接合による被接合部材の接合性を高めることができる。

上述したように、本発明の拡散接合装置及び拡散接合方法によれば、被接合部材の表面の清浄度を高めることにより、高い接合性を得ることができる等の優れた効果が得られる。

以下、本発明の好適な実施の形態を添付図面に基づいて詳細に説明する。

図１は、本発明に係る拡散接合装置１０の実施形態を示す概略構成図であり、この拡散接合装置１０により本発明の拡散接合方法を実施することができる。この図に示すように、拡散接合装置１０は、フレームと１１、炉体１３と、一対のプレスラム１５ａ、１５ｂと、昇降装置１６とを備えている。

炉体１３は、断熱壁からなり、その内部に二つの被接合部材１が収容される加熱室１２を形成している。

プレスラム１５ａ，１５ｂは、その先端が炉体１３内部の加熱室１２内に突出するように設けられており、上部プレスラム１５ａと下部プレスラム１５ｂとから構成されている。プレスラム１５ａ，１５ｂの先端は、被接合部材１をそれぞれ保持できるようになっている。また、プレスラム１５ａ，１５ｂは、後述するように電極としての機能を有しているため、導電性部材からなり、例えば銅からなる。

炉体１３とプレスラム１５ａ，１５ｂとの間にはそれぞれ絶縁シール部材１７が介装されている。この絶縁シール部材は、炉体１１とプレスラム１５ａ，１５ｂとを互いに電気的に絶縁し、かつ、加熱室内への外気の混入をシールする機能を有している。

フレーム１１の上部には昇降装置１６が設けられており、この昇降装置１６により上部プレスラム１５ａを昇降駆動するようになっている。昇降装置１６は、例えば油圧シリンダである。この昇降装置１６により上部プレスラム１５ａが下方に駆動され、上部及び下部のプレスラム１５ａ，１５ｂにより、被接合部材１を重ね合わせて所定の加圧力で押圧するようになっている。なお、本実施形態では、上部プレスラム１５ａを駆動して押圧するいわゆる「上押し」であるが、これに限定されず、下部プレスラム１５ｂを駆動する「下押し」や双方のプレスラム１５ａ，１５ｂを駆動する「両押し」を採用しても良い。

上部及び下部のプレスラム１５ａ，１５ｂは、端子１９ａ，１９ｂを介して通電加熱用電源Ｅ２に接続されており、プレスラム１５ａ，１５ｂにより被接合部材１を押圧した状態で、電極として機能するプレスラム１５ａ，１５ｂを介して被接合部材１に通電し加熱するようになっている。通電加熱用電源Ｅ２は、低電圧・大電流を出力する電源であり、例えば、数１０Ｖ×３０００Ａを出力する。なお、昇降装置１６と上部プレスラム１５ａの間、及び下部プレスラム１５ｂとフレーム１１の間には、それぞれ絶縁部材２１ａ，２１ｂが介装され、これらの間を互いに電気的に絶縁している。

このような構成により、被接合部材１に大電流を通電し直接加熱することにより、プレスラム１５ａ，１５ｂによる押圧状態の下で、被接合部材１同士を拡散接合することができる。これにより、ヒータ等による間接加熱に比して急速加熱が可能となり、処理時間の短縮化を図ることができ、生産性が大幅に向上する。なお、プレスラム１５ａ，１５ｂ及び通電加熱用電源Ｅ２は、本発明において、被接合部材１を加熱する加熱手段として機能するものである。

また、加熱室１２内には、輻射加熱式のヒータ２７が設置されている。ヒータ２７は、上述した通電加熱と共に、被接合部材１を加熱する役割を果たすものである。この構成により、通電加熱による直接加熱と、輻射加熱による間接加熱とを併用することができる。これにより、被接合部材１の中心部と表層部とを均一に加熱し、かつ急速加熱することができ、被接合部材１の接合性及び生産性の向上を同時に実現することができる。

拡散接合装置１０は、さらに、減圧ポンプ２４と、ガス導入管２２と、イオンボンバード処理用電源Ｅ１と、スイッチＳＷと、アース２５とを備えている。

減圧ポンプ２４は、排気管２３を介して加熱室１２内からガスを排気し、加熱室１２内を所定の減圧雰囲気にする機能を有している。ガス導入管２２は、加熱室１２内にアルゴンガス、ヘリウムガス、窒素ガス等の不活性ガスを導入する機能を有している。

イオンボンバード処理用電源Ｅ１は、そのマイナス側がスイッチＳＷ及び端子１８ａ，１８ｂを介して上部及び下部プレスラム１５ａ，１５ｂに接続されており、プラス側が接地されている。これによりプレスラム１５ａ，１５ｂを介して被接合部材１にイオンボンバード処理を施すためのバイアス電圧を印加するようになっている。このバイアス電圧は、本実施形態では、−５００Ｖ〜−１０００Ｖである。また、アース２５は、炉体１３を接地している。

このような構成により、不活性ガス雰囲気及び減圧雰囲気下において、イオンボンバード処理用電源Ｅ１から、プレスラム１５ａ，１５ｂを介して被接合部材１にバイアス電圧が印加されると、被接合部材１と炉体１３との間で気体放電によるプラズマが発生することにより、負極である被接合部材１に向かって陽イオンが加速され、被接合部材１の表面がこの陽イオンによりたたかれる（イオンボンバード）。

本発明の拡散接合装置１０は、上述したイオンボンバード処理を、プレスラム１５ａ，１５ｂにより被接合部材１を押圧する前に実施するようになっている。これにより、被接合部材１の表面に付着している不純物、酸化膜等が除去され、被接合部材１に清浄度の高い表面が出現し、その後に行われる拡散接合による被接合部材の接合性を高めることができる。特に、ナノテクノロジー等を応用した微細な分野の接合技術では表面清浄度が非常に重要であるため、本発明のこれらの分野への適用による効果は極めて大きいものと考えられる。

また、スイッチ２５は、イオンボンバード処理用電源Ｅ１を上部及び下部プレスラム１５ａ，１５ｂの双方に同時に接続する機能と、イオンボンバード処理用電源Ｅ１を上部及び下部プレスラム１５ａ，１５ｂのうちいずれか一方に択一的に接続する機能とを有している。これにより、二つの被接合部材が互いに同種材料であるときは、イオンボンバード処理用電源Ｅ１を上部及び下部プレスラム１５ａ，１５ｂの双方に同時に接続することにより、二つの被接合部材１に対して同時にイオンボンバード処理を施すことができる。

一方、二つの被接合部材が互いに異種材料からなるときは、イオンボンバード処理用電源Ｅ１を上部及び下部プレスラム１５ａ，１５ｂのうちいずれか一方に択一的に接続することにより、まず、一方の被接合部材１に対してイオンボンバード処理を施し、次いで、他方の被接合部材１に対してイオンボンバード処理を施すことができる。このように、二つの被接合部材に対して順にイオンボンバード処理を施すことができるため、それぞれの被接合部材の種類に応じて処理電圧、処理時間等の処理条件を変えることができ、これにより、被接合部材の種類に応じた適切なイオンボンバード処理を施すことができる。

以上説明したように、本発明によれば以下のような種々の効果が得られる。
（１）被接合部材を接合する前に、予め被接合部材の表面に気体のグロー放電によるイオンボンバード処理を施すようになっているため、表面の不純物、酸化膜等が除去される。これにより、被接合部材に清浄度の高い表面が出現し、拡散接合による被接合部材の接合性を高めることができる。
（２）イオンボンバード処理用電源を一対のプレスラムの双方に同時に又はいずれか一方に択一的に接続するスイッチにより、被接合部材が互いに同種材料、異種材料のいずれであっても適切なイオンボンバード処理を施すことができる。
（３）被接合部材に対する加熱方式として通電加熱を採用したことにより、ヒータ等による間接加熱に比して急速加熱が可能となり、処理時間の短縮化を図ることができ、生産性が大幅に向上する。また、通電加熱と輻射加熱を併用することにより、被接合部材の中心部と表層部とを均一に加熱し、かつ急速加熱することができ、被接合部材の接合性及び生産性の向上を同時に実現することができる。

なお、本発明は上述した実施の形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変更を加え得ることは勿論である。

本発明の実施形態を示す概略構成図である。 従来の一般的な拡散接合装置の構成図である。 特許文献１の「放電焼結装置」の構成図である。 特許文献２の「焼結装置」の構成図である。

１ 被接合部材、１０ 拡散接合装置、１１ フレーム
１２ 加熱室、１３ 炉体、１５ａ 上部プレスラム
１５ｂ 下部プレスラム、１６ 昇降装置、１７ 絶縁シール部材
１８ａ，１８ｂ 端子、１９ａ，１９ｂ 端子
２１ａ，２１ｂ 絶縁部材、２２ ガス導入管
２３ 排気管、２４ 減圧ポンプ、２５ アース
２７ ヒータ、Ｅ１ イオンボンバード処理用電源
Ｅ２ 通電加熱用電源、ＳＷ スイッチ

Claims (6)

1. 二つの被接合部材を拡散接合する拡散接合装置であって、
   内部に加熱室を形成する炉体と、
   該炉体の内部にそれぞれ突出し、その先端に前記二つの被接合部材をそれぞれ保持し該二つの被接合部材を重ね合わせて押圧する一対のプレスラムと、
   前記被接合部材を加熱する加熱手段と、
   前記プレスラムにより前記被接合部材を押圧する前に当該被接合部材の表面に気体のグロー放電によるイオンボンバード処理を施すイオンボンバード処理手段と、を備え、
   前記イオンボンバード処理手段は、前記一対のプレスラムに接続されたイオンボンバード処理用電源を有し、該イオンボンバード処理用電源は、前記加熱室内が不活性ガス雰囲気にされた状態で、前記一対のプレスラムを介して前記二つの被接合部材にバイアス電圧を印加することで、前記イオンボンバード処理を施すように構成され、
   前記加熱手段は、前記一対のプレスラムに接続された通電加熱用電源を備え、該通電加熱用電源は、前記一対のプレスラムにより前記二つの被接合部材を押圧した状態で、当該一対のプレスラムを介して当該二つの被接合部材に通電して当該被接合部材を通電加熱するように構成されている、ことを特徴とする拡散接合装置。
2. 前記イオンボンバード処理手段は、前記加熱室内を所定の減圧雰囲気にする減圧ポンプと、前記加熱室内に不活性ガスを導入するガス導入手段と、前記炉体を接地するアースと、を備えることを特徴とする請求項１に記載の拡散接合装置。
3. 前記イオンボンバード処理手段は、前記イオンボンバード処理用電源を前記一対のプレスラムの双方に同時に接続する機能と、前記イオンボンバード処理用電源を前記一対のプレスラムのうちいずれか一方に択一的に接続する機能とを有するスイッチを備え、
   前記二つの被接合部材に対して同時に又は順にイオンボンバード処理を施すように構成されている、ことを特徴とする請求項１または２に記載の拡散接合装置。
4. 前記炉体と前記一対のプレスラムとの間に、これらを互いに電気的に絶縁し、かつ、前記加熱室内への外気の混入をシールする絶縁シール部材が介装されている、ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の拡散接合装置。
5. 前記加熱手段は、さらに前記加熱室内に設置された輻射加熱式のヒータを備えている、ことを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の拡散接合装置。
6. 加熱室内で二つの被接合部材をそれぞれ一対のプレスラムの先端に保持した状態で、該二つの被接合部材の表面に気体のグロー放電によるイオンボンバード処理を施す第１のステップと、
   該第１のステップの後、前記一対のプレスラムにより、前記二つの被接合部材を重ね合わせ押圧するとともに加熱して拡散接合する第２のステップと、を有し、
   前記第１のステップでは、前記加熱室内を不活性ガス雰囲気にした状態で、前記一対のプレスラムに接続されるイオンボンバード処理用電源が、前記一対のプレスラムを介して前記二つの被接合部材にバイアス電圧を印加することで、前記イオンボンバード処理を施し、
   前記第２のステップでは、前記一対のプレスラムにより前記被接合部材を押圧した状態で、前記一対のプレスラムに接続される通電加熱用電源が、当該一対のプレスラムを介して前記二つの被接合部材に通電して当該二つの被接合部材を通電加熱する、ことを特徴とする拡散接合方法。

Images