JP4942038B2 - 接合方法および接合体 - Google Patents

Description

本発明は、ＳｉＣで構成される多孔体と、接合材とを接合させる接合方法またはその接合方法により製造される接合体に関する。

ＳｉＣは、耐熱性、耐食性に優れているため、従来から半導体製造装置部材や自動車部品として多く用いられている。このＳｉＣの焼結は、焼結温度が高く、雰囲気も不活性ガス下で行なうことから、大きさに制限があると共に、複雑な形状とすることが困難であった。それを解決するための接合技術が、種々提案されている。接合で特に問題となるのは、接合材との熱膨張差による残留応力である。残留応力が大きい場合、接合後に残留ひずみが発生し、接合部の強度が低下する。それを解決するために、従来、ＳｉＣと熱膨張係数が近い金属シリコンが接合材として用いられている。金属シリコンは、ＳｉＣ表面上に残留するＣ成分と反応してＳｉＣを形成するというメカニズムで接合するため、更に熱膨張差が小さくなるという利点がある。

近時、半導体製造装置部材および自動車部品としてＳｉＣの用途は、更なる広がりをみせてきており、ＳｉＣの緻密な焼結体以外にも多孔体の要求が高まっている。そして、緻密な焼結体と同様に、複雑な形状が求められ、多孔体による接合技術が望まれている。

特許文献１には、含珪素セラミックからなる多孔質体の開放気孔中に、金属シリコンを含浸した複数のセラミック・金属複合体製の２つの基材からなるセラミック部材が開示されている。この基材同士は、金属シリコンからなる接合層を介して接合されている。
特開２００２−１１６５３号公報

上記のようなＳｉＣの多孔体は、耐熱性、耐食性に優れているため、触媒担体やフィルターとして用いられている。その使用範囲は広いため、幅広い形状が要求されている。しかし、ＳｉＣ多孔体は、セラミックスであるため、製造できる形状に限界がある。このため、必要な形状を作製するためには、ＳｉＣ多孔体同士の接合やＳｉＣの緻密体との接合が必要不可欠である。

上記のように、ＳｉＣの緻密体や多孔体を接合する場合、通常、熱膨張差を考慮して金属シリコンが接合材として用いられている。金属シリコンは、粉末や薄板など自由に形状を決めることができると共に、容易に手に入る材料であるため、ＳｉＣ緻密体同士の接合に広く用いられている。また、熱膨張差だけでなく、ＳｉＣ表面にある残留カーボンと反応するため、濡れ性が良く、接合材として良好にその特性を発揮する。

しかし、ＳｉＣの多孔体については、多孔体内部にも残留カーボンが多く存在するため、接合材である金属シリコンが接合面のみに留まらず、内部にまで浸透してしまい、接合材として十分な機能を果たすことができない。このような状況では、ＳｉＣ多孔体を用いて、複雑な形状を有する接合体を実現することが困難である。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、接合時にＳｉＣ多孔体の内部に接合材が侵入し難く、適切な接合を行なうことができる接合方法またはその接合方法により製造される接合体を提供することを目的とする。

（１）上記の目的を達成するために、本発明は、以下のような手段を講じた。すなわち、本発明の接合方法は、ＳｉＣで構成される多孔体と、接合材とを接合させる接合方法であって、アルミニウムまたはホウ素の窒化物を前記多孔体内に浸透させる工程と、前記多孔体の接合面にカーボンを塗布する工程と、前記接合面において、前記多孔体と前記接合材とを接合させる工程と、を少なくとも含むことを特徴としている。

通常のＳｉＣ多孔体の表面には、未反応のカーボンや多孔体を作製する際のバインダーが残留している。このため、例えば、接合材として金属シリコンを用いた場合、金属シリコンとカーボンとが容易に反応し、ＳｉＣを形成する。その際の反応エネルギーによって、金属シリコンは、ＳｉＣ多孔体の内部に浸透してしまう。本発明者は、この点に着目し、ＳｉＣ多孔体の内部に接合材である金属シリコン成分が過剰に侵入しないように、ＳｉＣ多孔体の表面をコーティングし、またはＳｉＣ多孔体の内部に接合材が過剰に侵入しないような充填材を装填することにより、接合材を接着剤として機能させることを可能とした。すなわち、本発明は、ＳｉＣ多孔体の表面にアルミニウムまたはホウ素の窒化物のように金属シリコンとの反応性の低い物質をコーティングし、またはＳｉＣ多孔体内部に同成分を詰め込むことによって、接合材がＳｉＣ多孔体内部へ過剰に侵入することを防ぐ構成を採る。これにより、ＳｉＣ多孔体と接合材との反応を阻害することが可能となる。その結果、ＳｉＣ多孔体と接合材とを適切に接合させることが可能となる。

（２）また、本発明の接合方法は、ＳｉＣで構成される多孔体と、接合材とを接合させる接合方法であって、アルミニウムまたはホウ素の窒化物を、前記多孔体表面から１００μｍまでの範囲内で、前記多孔体に浸透させる工程と、前記多孔体の接合面にカーボンを塗布する工程と、前記接合面において、前記多孔体と前記接合材とを接合させる工程と、を少なくとも含むことを特徴としている。

このように、本発明は、ＳｉＣ多孔体の表面にアルミニウムまたはホウ素の窒化物のように金属シリコンとの反応性の低い物質をコーティングし、またはＳｉＣ多孔体内部に同成分を詰め込むことによって、接合材がＳｉＣ多孔体内部へ過剰に侵入することを防ぐ構成を採る。また、アルミニウムまたはホウ素の窒化物を、多孔体表面から１００μｍまでの範囲内で、多孔体に浸透させる。これにより、アルミニウムまたはホウ素の窒化物を塗布する程度でＳｉＣ多孔体と接合材との反応を阻害することが可能となる。その結果、ＳｉＣ多孔体と接合材とを適切に接合させることが可能となる。

（３）また、本発明の接合方法において、前記多孔体と前記接合材とを接合させた後、前記浸透させたアルミニウムまたはホウ素の窒化物を除去して多孔体部を形成する工程をさらに含むことを特徴としている。

このように、多孔体と接合材とを接合させた後、浸透させたアルミニウムまたはホウ素の窒化物を除去して多孔体部を形成するので、接合した後であっても、多孔体の機能および性質を維持させることが可能である。なお、ＳｉＣ多孔体に浸透させたアルミニウムまたはホウ素の窒化物を除去する手法としては、例えば、超音波洗浄などを適用することが可能である。

（４）また、本発明の接合方法において、前記接合材は、金属シリコンであることを特徴としている。

このように、接合材が、金属シリコンである場合、ＳｉＣ多孔体と接合材とを適切に接合させることが可能となる。

（５）また、本発明の接合方法において、前記接合材は、金属シリコン粉末を固めたシートまたは金属シリコン粉末に有機バインダーを混入させて固めたシートであることを特徴としている。

このように、接合材が、金属シリコン粉末を固めたシートまたは金属シリコン粉末に有機バインダーを混入させて固めたシートであっても、ＳｉＣ多孔体と接合材とを適切に接合させることが可能となる。

（６）また、本発明の接合材は、アルミニウムまたはホウ素の窒化物をＳｉＣで構成される多孔体内に浸透させる工程と、前記多孔体の接合面にカーボンを塗布する工程と、前記接合面において、前記多孔体と金属シリコンとを接合させる工程と、を少なくとも含む接合方法により製造され、または、アルミニウムまたはホウ素の窒化物を、ＳｉＣで構成される多孔体表面から１００μｍまでの範囲内で、前記多孔体に浸透させる工程と、前記多孔体の接合面にカーボンを塗布する工程と、前記接合面において、前記多孔体と金属シリコンとを接合させる工程と、を少なくとも含む接合方法により製造された接合体であって、前記接合面において、前記金属シリコンの前記多孔体への侵入量が、前記多孔体の気孔径の５倍以内であることを特徴としている。

この構成により、接合材である金属シリコンが、ＳｉＣ多孔体の内部にまで浸透することなく、接合材として十分に機能させることが可能となる。

本発明によれば、ＳｉＣ多孔体の内部に接合材（例えば、金属シリコン）が過剰に侵入しないように、ＳｉＣ多孔体の表面をコーティングし、またはＳｉＣ多孔体の内部に接合材が過剰に侵入しないような充填材を装填することにより、接合材を接着剤として機能させることが可能となる。本発明によれば、ＳｉＣ多孔体と接合材との反応を阻害することが可能となる。その結果、ＳｉＣ多孔体と接合材とを適切に接合させることが可能となる。

本発明は、ＳｉＣ多孔体内部に、接合材である金属シリコンが過剰に侵入しないように、ＳｉＣ多孔体と金属シリコンとの濡れ性を悪化させて、接合を良好に行なうものである。通常のＳｉＣ多孔体の表面には、未反応のカーボンやＳｉＣ多孔体を作製する際のバインダーが残留している。金属シリコンは、カーボンと容易に反応し、ＳｉＣを形成する。その際の反応エネルギーによって金属シリコンはＳｉＣ多孔体の内部に浸透してしまい、適切な接合が阻害されてしまう。

本発明では、アルミニウムまたはホウ素の窒化物のように、金属シリコンと反応性の低い物質をコーティングし、または多孔体内部に同成分の物質を充填することにより、ＳｉＣと金属シリコンとの反応を阻害し、その結果、適切な接合を実現させる。

ただし、完全に濡れ性を悪化させると、接合材である金属シリコンとＳｉＣ多孔体とが濡れず、接合しなくなってしまう。そこで、本発明では、表面から１００μｍ以下（気孔径の５倍以内）の深度までカーボン材を塗布または浸透させることにより、接合面近傍のみ金属シリコンが濡れ、接合ができるようにした。

このように、アルミニウムまたはホウ素の窒化物のように、金属シリコンと反応性の低い物質をコーティングし、または多孔体内部に同成分の物質を充填することにより、接合材である金属シリコンがＳｉＣ多孔体内部に過剰に侵入することを防ぎ、金属シリコンを接合材として有効に機能させることができる。

［実施例１〜１２］
ＳｉＣの多孔体として、気孔率４０％で気孔径１５μｍのもの（多孔体（１））と気孔率６５％で気孔径２０μｍのもの（多孔体（２））を使用した。これらの形状は５０ｍｍ×５０ｍｍ×ｔ１０ｍｍである。また、これらと同形状のＳｉＣ緻密体（相対密度９８％）と多孔体との接合も行なった。

［実施例１〜６］
（ＡｌＮおよびＢＮの表面塗布の方法）
市販のＡｌＮ粉末およびＢＮ粉末に有機バインダーを添加したスラリーを作製し、これをＳｉＣ多孔体の接合面に塗布する。これを複数個作製し、１００℃で３時間乾燥させる。乾燥後、ＡｌＮおよびＢＮを塗布したものをそれぞれ一つ抽出して切断した。その結果、ＡｌＮを塗布したものは浸透深さが約７５μｍ、ＢＮを塗布したものの浸透深さは約８０μｍであった。その上に更にカーボンスプレーを塗布する。その際、カーボン成分がＳｉＣ多孔体に浸透した深さを同様の方法で測定したところ、約３０〜４０μｍであった。

［実施例７〜１２］
（ＡｌＮおよびＢＮの浸透方法）
市販のＡｌＮ粉末およびＢＮ粉末をエタノール中で混合し、ＡｌＮもしくはＢＮ混合液を作製する。この溶液にＳｉＣ多孔体を浸し、真空デシケーター内で３時間浸透処理を行なう。これを複数個作製し、１００℃で１２時間乾燥させる。乾燥後、ＡｌＮおよびＢＮを浸透させたものをそれぞれ１つ抽出し、切断した。その結果、ＡｌＮおよびＢＮが均等に内部に浸透しているのが確認された。ＡｌＮもしくはＢＮを浸透させたＳｉＣ多孔体の接合面には実施例1〜６と同様の方法でカーボンスプレーを塗布し、接合の駆動力とした。

（接合方法）
接合方法は、金属シリコン粉末を有機バインダーで固めた厚さ３００μｍの金属シリコンシートを接合材とし、Ａｒ中で１４５０℃−１ｈｒ（昇温速度１００℃／ｈｒ）の条件で接合を行なった。また、接合が良好に行なわれるように荷重をかけた。具体的には、ＳｉＣの焼結体を５００ｇのせた。なお、接合後、ＳｉＣ多孔体に残っているＡｌＮもしくはＢＮを除去するために界面活性剤を添加した洗浄液を用い、1ＭＨｚの超音波洗浄で２時間洗浄を行なった。

（評価方法）
接合後の評価は、接合層の厚さと接合材としての金属シリコンがＳｉＣ多孔体に侵入した距離をマイクロスコープで観察し、その値で評価を行なった。表１は、実施例１〜６において、表面塗布品、接合体の種類、接合層の厚さ、そして金属シリコンの侵入距離との関係を示す。また、表２は、実施例７〜１２において、浸透品、接合体の種類、接合層の厚さ、そして金属シリコンの侵入距離との関係を示す。

接合層の厚さは、それぞれ、１００〜２００μｍ前後の値であり、もとの金属シリコンシートと比較すると半分から２／３の厚さまでつぶれていた。ただし、金属シリコンのＳｉＣ多孔体への侵入距離はすべて気孔径の５倍以下と微量であり、多孔体としての特性を十分残すものであった。

以上説明したように、本発明によれば、ＳｉＣ多孔体の接合面にＡｌＮもしくはＢＮのスラリーを塗布し、または浸透させることにより、接合材である金属シリコンが多孔体の内部に過剰に侵入せずに、ＳｉＣ多孔体同士または多孔体と緻密体を接合する方法を提供できる。これにより、本発明は、自動車の排気ガス処理装置に使用されるハニカムや腐食下で使用される触媒担体やフィルターに、さらに耐食性や耐熱性を必要とする半導体製造装置部材などに好適であることが明らかとなった。

Claims (6)

1. ＳｉＣで構成される多孔体と、ＳｉＣで構成される接合対象とを接合材により接合させる接合方法であって、
   アルミニウムまたはホウ素の窒化物を前記多孔体内に浸透させる工程と、
   前記多孔体の接合面にカーボンを塗布する工程と、
   前記接合面において、前記多孔体と前記接合対象とを金属シリコンを含む接合材を用いて接合させる工程と、を少なくとも含むことを特徴とする接合方法。
2. ＳｉＣで構成される多孔体と、ＳｉＣで構成される接合対象とを接合材により接合させる接合方法であって、
   アルミニウムまたはホウ素の窒化物を、前記多孔体表面から１００μｍまでの範囲内で、前記多孔体に浸透させる工程と、
   前記多孔体の接合面にカーボンを塗布する工程と、
   前記接合面において、前記多孔体と前記接合対象とを金属シリコンを含む接合材を用いて接合させる工程と、を少なくとも含むことを特徴とする接合方法。
3. 前記多孔体と前記接合材とを接合させた後、前記浸透させたアルミニウムまたはホウ素の窒化物を除去して多孔体部を形成する工程をさらに含むことを特徴とする請求項１または請求項２記載の接合方法。
4. 前記接合材は、金属シリコンであることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載の接合方法。
5. 前記接合材は、金属シリコン粉末を固めたシートまたは金属シリコン粉末に有機バインダーを混入させて固めたシートであることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載の接合方法。
6. アルミニウムまたはホウ素の窒化物をＳｉＣで構成される多孔体内に浸透させる工程と、前記多孔体の接合面にカーボンを塗布する工程と、前記接合面において、前記多孔体とＳｉＣで構成される接合対象とを金属シリコンにより接合させる工程と、を少なくとも含む接合方法により製造され、または、
   アルミニウムまたはホウ素の窒化物を、ＳｉＣで構成される多孔体表面から１００μｍまでの範囲内で、前記多孔体に浸透させる工程と、前記多孔体の接合面にカーボンを塗布する工程と、前記接合面において、前記多孔体とＳｉＣで構成される接合対象とを金属シリコンにより接合させる工程と、を少なくとも含む接合方法により製造された接合体であって、
   前記接合面において、前記金属シリコンの前記多孔体への侵入距離が、前記多孔体の気孔径の５倍以内であることを特徴とする接合体。