JP4496368B2 - レーザー光透過性部材及びレーザー光吸収性部材からなる複合体、及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、レーザー光透過性部材にレーザー光吸収性部材が接合されてなる複合体、及びその製造方法に関する。より詳細には、レーザー光透過性部材とレーザー光吸収性部材とが高い接合強度で接合されてなる複合体、及びその製造方法に関する。

近年、材質の異なる２つの部材を重ね合わせて接合した複合材料が、様々な分野で広く使用されている。このような複合材料の代表的なものとして、セラミックスと金属との接合体が挙げられる。このセラミックスと金属の接合体は、精密機械部材、電気機器部材、電子機器や光デバイス等に応用されている。

従来、セラミックス部材と金属部材とを接合させる場合、予め、バインダー層として、活性な金属層をセラミックス部材の接合面に形成（メタライズ）し、そこに目的の金属部材を接合する方法が一般的に採用されている（例えば、特許文献１参照）。このような従来の方法では、セラミックスの表面にバインダー層を形成するために、メッキ法や真空蒸着法等によりセラミックス表面に金属層を形成させた後、真空又は還元雰囲気で、高温にすることにより金属をセラミックス中に拡散させることが必要である。

そのため、従来のセラミックス部材と金属部材とを接合させる方法では、バインダー層を形成するための操作が煩雑であり、また、バインダー層としてクロム等の有害金属の使用が必要となる場合がある等の問題点がある。さらに、従来の方法のようにバインダー層を介して得られたセラミックス部材と金属部材との複合材料では、セラミックス部材と金属部材との接合強度が不十分であるという欠点もある。

このような従来技術を背景として、簡便な方法で、しかも優れた接合強度で、材質の異なる二種の部材を接合する新たな技術、特にセラミックス部材と金属部材とを接合する新たな技術の開発が望まれている。
特開平５−２４９４３号公報

そこで本発明は、上記従来技術の課題を解決することを目的とする。具体的には、本発明は、簡便な方法でしかも優れた接合強度で、材質の異なる二種の部材を接合する技術を提供することを目的とするものである。

本発明者らは、上記課題を解決すべく鋭意検討したところ、レーザー光に対して透過性があるセラミックス又は半導体からなるレーザー光透過性部材と、該レーザー光に対して吸収性があるレーザー光吸収性部材との複合体の製造する際に、(1)レーザー光透過性部材とレーザー光吸収性部材とを接触させ、次いで(2)レーザー光透過性部材側からレーザー光を照射して、レーザー光吸収性部材にレーザー光透過性部材との界面でアブレーションを起こさせて、レーザー光吸収性部材をレーザー光透過性部材に接合させることにより、バインダー層を形成させる工程を経ることなく、レーザー光透過性部材に直接レーザー光吸収性部材を接合できることを見出した。本発明は、かかる知見に基づいて、更に検討を重ねることにより完成したものである。

即ち、本発明は、下記に掲げる発明を提供する：
項１． レーザー光に対して透過性があるレーザー光透過性部材と、該レーザー光に対して吸収性があるレーザー光吸収性部材との複合体の製造方法であって、下記工程を含む製造方法：
(1)レーザー光透過性部材とレーザー光吸収性部材とを接触させる工程、及び
(2)レーザー光透過性部材側からレーザー光を照射して、レーザー光吸収性部材にレーザー光透過性部材との界面でアブレーションを起こさせることにより、レーザー光吸収性部材をレーザー光透過性部材に接合させる工程。
項２． レーザー光透過性部材がセラミックス又は半導体からなるものである、項１に記載の製造方法。
項３． レーザー光吸収性部材がセラミックス、半導体又は金属からなるものである、項１に記載の製造方法。
項４． レーザー光透過性部材がセラミックスからなり、レーザー光吸収性部材が金属からなるものである、項１に記載の製造方法。
項５． レーザー光が、赤外光、可視光又は紫外光である、項１乃至４のいずれかに記載の製造方法。
項６． 項１乃至５のいずれかの製造方法により得られる、複合体。

以下に、本発明を詳細に説明する。
１．複合体の製造方法
本発明では、レーザー光に対して透過性があるレーザー光透過性部材が、該レーザー光に対して吸収性があるレーザー光吸収性部材に直接的に接合されてなる複合体が製造される。

上記レーザー光透過性部材は、使用されるレーザー光に対して透過性があり、セラミックス又は半導体からなるものであれば特に制限されない。なお、ここでいう「レーザー光に対して透過性がある」とは、レーザー光を例えば６０％以上、好適には８０％以上の割合で透過させることを意味する。

当該レーザー光透過性部材の構成材料としては、具体的には、ガラス（硼珪酸ガラス等を含む）、アルカリハライド結晶、酸化スズ、酸化亜鉛、酸化タンタル等のセラミックス；及びシリコン、ゲルマニウム、ガリウム、ガリウム砒素等の半導体が例示される。特に、セラミックスは光透過性が高く、上記レーザー光透過性部材として好適に使用される。

レーザー光透過性部材の形状については特に制限されるものではなく、目的製造物である複合体の形状に応じて適宜選定すればよい。また、レーザー光透過性部材の厚みについては、レーザー光の透過率や該レーザー光透過性部材の強度等を確保するという観点から、通常０．１〜２０ｍｍ、好ましくは０．１〜５ｍｍ程度が例示される。

また、上記レーザー光吸収性部材については、使用されるレーザー光に対して吸収性があるものであれば特に制限されない。ここでいう「レーザー光に対して吸収性がある」とは、レーザー光を例えば７０％以上、好適には９０％以上の割合で吸収（遮断）することを意味する。

当該レーザー光吸収性部材の構成材料として、具体的には、金、銅、アルミニウム、スズ、銀、チタン、鉄及びこれらの合金等の金属；窒化アルミニウム、酸化アルミニウム、酸化ケイ素等のセラミックス；シリコン系、ガリウム系、インジウム系等の半導体；及び炭化珪素系、ガリウムヒ素系等の化合物半導体を挙げることができる。これらの中で好ましくは金属が挙げられる。

また、上記レーザー光吸収性部材の形状については、特に制限されない。例えば、上記レーザー光吸収性部材は、上記レーザー光透過性部材と同一形状であってもよく、また上記レーザー光透過性部材と異なる形状であってもよい。また、レーザー吸収性部材の厚みについても特に制限されるものではないが、通常０．１〜１０ｍｍ、好ましくは０．１〜１ｍｍ程度が例示される。

本発明において使用されるレーザー光は、用いるレーザー光透過性部材とレーザー光吸収性部材との関係で、レーザー光透過性部材を透過し、且つレーザー光吸収性部材で吸収されるような波長を有するものが適宜選択される。レーザー光の具体例としては、ＣＯ_２レーザー等の赤外光；エキシマレーザー等の紫外光； YAGレーザー等の可視領域から紫外領域に亘る光；色素レーザー；半導体レーザー；ファイバーレーザー；チタンサファイアレーザー等の光が例示される。

本発明の好適な一実施態様として、レーザー光透過性部材としてセラミックスを使用し、レーザー光吸収性部材として金属を使用することが挙げられる。かかる組み合わせの場合であれば、レーザー光として、例えば短パルスYAGレーザーを使用すればよい。

本発明の製造方法では、まず、上記レーザー光透過性部材と上記レーザー光吸収性部材とを接触させる（工程(1)）。具体的には、当該工程は、製造目的の複合体における上記レーザー光透過性部材と上記レーザー光吸収性部材との位置関係に基づいて、両部材を接触させることにより実施される。

当該工程(1)の実施態様としては、例えば、上記レーザー光透過性部材と上記レーザー光吸収性部材とを所定の位置関係で重ね合わせる方法が例示される。

本発明の製造方法では、上記工程(1)に次いで、レーザー光透過性部材側からレーザー光を照射して、レーザー光吸収性部材に上記レーザー光透過性部材との界面でアブレーションを起こさせることにより、レーザー光吸収性部材をレーザー光透過性部材に接合させる（工程(2)）。

ここで、レーザー光の照射は、レーザー光透過性部材側からレーザー光吸収性部材に対して行われる限り、その照射態様については特に制限されるものではない。例えば、レーザー吸収性部材の下にレーザー光透過性部材を設置し、該レーザー吸収性部材の上側を下方向に押さえた状態で、該レーザー光透過性部材側（下側）からレーザー光を照射すればよい。また例えば、レーザー光透過性部材とレーザー光吸収性部材を縦方向に重ね合わせて設置し、該レーザー光透過性部材側（横側）からレーザー光を照射してもよい。

当該工程(2)において、レーザー光の照射によりレーザー光吸収性部材にアブレーションを起こさせるには、該レザー光吸収性部材のレーザー光透過性部材との界面の温度が、瞬間的に該部材の構成材料の沸点以上の温度になるように、レーザー光を照射すればよい。アブレーションを生じさせるための具体的なレーザー照射条件は、使用するレーザー光吸収性部材の種類に応じて適宜設定すればよい。例えば、レーザー光吸収性部材として鉄や金等の金属を使用する場合であれば、約１ＭＷ／ｍｍ^２以上、好ましくは０．１〜１０００ＭＷ／ｍｍ^２、更に好ましくは１〜１００ＭＷ／ｍｍ^２程度の照射強度でレーザー光を照射すればよい。具体的には、鉄や金等の金属をレーザー光吸収性部材として使用し、パルス幅が５〜５０ナノ秒短パルスYAGレーザー（波長５３２ｎｍ）を使用する場合であれば、照射エネルギーを、通常０．００１〜１０ｍＪ／パルス、好ましくは０．０１〜１ｍＪ／パルスにすればよい。

このように、レーザー光吸収性部材にレーザー光透過性部材との界面でアブレーションを起こさせることにより、レーザー光透過性部材側の界面にレーザー光吸収性部材の構成材料を付着させ、これをアンカーとしてレーザー光透過性部材にレーザー光吸収性部材を直接接合させることができる。

当該工程(2)におけるレーザー光吸収性部材とレーザー光透過性部との接合は、これらの両部材の接触面の全域において行ってもよいが、これらの両部材の接触面の一部分についてのみ行ってもよい。

本発明の製造方法によれば、レーザー光透過性部材に対して、直接、レーザー光吸収性部材を接合させることよって、これら両部材が接合された複合体を製造できる。それ故、本発明の製造方法は、バインダー層を設ける工程が不要であり、簡便な工程により実施できる。

また、本発明の製造方法で得られた複合体は、レーザー光透過性部材とレーザー光吸収性部材との接合強度が高いので、それ自体有用性が高い。例えば、本発明の方法により製造されたセラミックスと金属の接合体は、精密機械、電気機器、電子機器や光デバイス等の構成部材として好適に使用される。

以下、実施例を挙げて本発明を説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
実施例１
金チップ（一辺が２ｍｍ〜６ｍｍの三角形、厚さ：約０．２ｍｍ）上に、硼珪酸ガラス板（１０ｍｍ×１０ｍｍ、厚さ：約0.5mm）を置いた。次いで、YAGレーザー（波長：２倍波532nm、max：約20mJ）を用いて、金チップと硼珪酸ガラス板との接触部に対して、硼珪酸ガラス板側からパルス光照射を行った。照射エネルギーは、約３０μＪ／パルス〜１ｍＪ／パルスの範囲（２０ＭＷ／ｍｍ^２〜６００ＭＷ／ｍｍ^２）とし、３パルス程度照射した。再度、レーザーを照射した箇所に、上記レーザー照射条件で、レーザー照射を更に２回繰り返した。

その結果、金チップ上に硼珪酸ガラス板が接合した接合体が得られた（図１参照）。得られた接合体は、金チップ上に硼珪酸ガラス板が強固に接合していることが確認された。また、得られた接合体の金チップと硼珪酸ガラス板との接合部周辺には、金の溶融微粒子が付着していたことから、レーザー照射によって金のアブレーションが起き、これによって金と硼珪酸ガラス板が接合したことが確認された。

図１は、実施例１において得られた金チップ上に珪酸ガラス板が接合した接合体の写真を示す。本図において、三角形の金チップの右上の丸く黒い部分（点線の丸枠で示す部分）が硼珪酸ガラス板上に接合されている。

Claims (6)

1. レーザー光に対して透過性があるレーザー光透過性部材と、該レーザー光に対して吸収性があるレーザー光吸収性部材との複合体の製造方法であって、下記工程を含む製造方法：
   (1)レーザー光透過性部材とレーザー光吸収性部材とを接触させる工程、及び
   (2)レーザー光透過性部材側からレーザー光を照射して、レーザー光吸収性部材の表面温度を該部材の構成材料の沸点以上にし、レーザー光透過性部材との界面でアブレーションを起こさせることにより、レーザー光吸収性部材をレーザー光透過性部材に接合させる工程。
2. レーザー光透過性部材がセラミックス又は半導体からなるものである、請求項１に記載の製造方法。
3. レーザー光吸収性部材がセラミックス、半導体又は金属からなるものである、請求項１に記載の製造方法。
4. レーザー光透過性部材がセラミックスからなり、レーザー光吸収性部材が金属からなるものである、請求項１に記載の製造方法。
5. レーザー光が、赤外光、可視光又は紫外光である、請求項１乃至４のいずれかに記載の製造方法。
6. 請求項１乃至５のいずれかの製造方法により得られる、複合体。

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