JP5219784B2 - セラミック接合体 - Google Patents

Description

本発明は、窒化珪素質焼結体からなる一対の板状の基体の主面同士を接合剤を用いて接合したセラミック接合体およびその製造方法に関する。

窒化珪素質焼結体は、機械的特性に優れていることから、半導体や液晶の製造装置，自動車部品や産業機械など様々な分野の構成部材に用いられている。そして、これらの構成部材は、厚肉化への対応や、流体または気体が通る流路を形成した構成部材とするために窒化珪素質焼結体同士の接合が行なわれている。

例えば、特許文献１には、被接合体である窒化珪素質焼結体の焼結助剤のうち少なくとも１種以上の成分と、窒化珪素とを含有する接合剤が提案されている。具体的には、Ｙ_２Ｏ_３−Ａｌ_２Ｏ_３−ＳｉＯ_２系ガラスにＳｉ_３Ｎ_４を添加した接合剤を用いてＹ_２Ｏ_３，Ｙｂ_２Ｏ_３を焼結助剤とする窒化珪素質焼結体同士を接合することによって、接合剤中の窒化珪素成分と焼結助剤成分とが熱処理時に窒化珪素質焼結体中へと拡散し、一体化するので、接合部分の強度が高いものとできるということが記載されている。

また、特許文献２には、周期律表IIIａ族元素の酸化物と、珪素酸化物と、アルミニウム酸化物とを配合してなる接合剤において、周期律表IIIａ族元素の酸化物を少なくとも２種配合し、かつ窒素を含有する接合剤が提案され、この接合剤を用いて接合部材相互を接合してなる接合体が提案されている。これによれば、接合部の気密性が高く、歩留まりよく接合体を製造できるとともに、高い接合強度の接合部を有する接合体となるというものである。
特開平５−4876号公報 特開平11−278950号公報

しかしながら、特許文献１，２に記載の接合剤およびこの接合剤を用いて接合してなる接合体は、高い接合強度を有しているものの、例えば特許文献１，２に記載の接合剤を用いて一対の板状の基体同士を接合して接合体を形成し、接合体を構成する一方の基体の表面から熱を加えて、接合層を介して他方の基体へ伝熱させて接合体の全体を加熱しようとしたときには、接合層の熱伝導率が低いために一方の基体から他方の基体へ熱が伝わりにくく、基体の有する熱伝導率に比べて、この基体を接合した接合体の熱伝導率が低下するという問題があった。また、高温強度や耐熱衝撃性などにおいても、基体の有する特性よりも接合体の特性が低下するという問題があった。

本発明は、上記課題を解決すべく案出されたものであり、窒化珪素質焼結体からなる一対の板状の基体の主面同士を接合したとしても基体の有する機械的特性を低下させることの少ないセラミック接合体およびその製造方法を提供することを目的とする。

本発明のセラミック接合体は、窒化珪素質焼結体からなる一対の板状の基体の主面同士が、アルミニウム，シリコン，イットリウムおよびルテチウムを含むガラスを主成分とし、ルテチウム化合物の結晶を含む接合層を介して、一対の前記基体の前記主面の両方に前記結晶が接するように接合されていることを特徴とするものである。

また、本発明のセラミック接合体は、上記構成において、前記窒化珪素質焼結体がルテチウムを含んでいることを特徴とするものである。

また、本発明のセラミック接合体は、上記いずれかの構成において、前記接合層に窒化珪素の結晶を含んでいることを特徴とするものである。

また、本発明のセラミック接合体は、上記いずれかの構成において、前記窒化珪素の結晶の平均粒径が１μｍ以下であることを特徴とするものである。

また、本発明のセラミック接合体は、上記いずれかの構成において、前記接合層の厚みが３μｍ以上10μｍ以下であることを特徴とするものである。

また、本発明のセラミック接合体は、上記いずれかの構成において、一対の前記基体の前記主面の少なくとも一方に溝が形成され、該溝の周囲に前記接合層が配置されていることを特徴とするものである。

本発明のセラミック接合体によれば、窒化珪素質焼結体からなる一対の板状の基体の主面同士が、アルミニウム，シリコン，イットリウムおよびルテチウムを含むガラスを主成分とし、ルテチウム化合物の結晶を含む接合層を介して接合されていることにより、接合層に含まれるルテチウムおよびルテチウム化合物の結晶は、高い熱伝導率を有し、融点が高く耐熱性に優れているため、基体同士を接合したセラミック接合体の機械的特性を基体の有する機械的特性とほぼ同等にすることができる。さらに、ルテチウム化合物の結晶が一対の基体に接していることにより、熱伝導率の高いルテチウム化合物の結晶が、一対の基体の双方にガラスを介することなく接しているので、良好に基体間の熱伝達が行なわれるため、熱伝導性がより向上する。

また、本発明のセラミック接合体によれば、窒化珪素質焼結体がルテチウムを含んでいるときには、接合時の熱処理の際に、接合層に窒化珪素質焼結体に含まれるルテチウムが拡散して、接合層にルテチウム化合物の結晶を生成することができるので、ルテチウムを含む窒化珪素質焼結体からなる一対の板状の基体の主面同士を接合したセラミック接合体は、基体が熱伝導率，高温強度および耐熱衝撃性に優れており、ルテチウム化合物の結晶を含む接合層を介して接合されているため、基体の有する上記特性を低下させることが少ないセラミック接合体とすることができる。

また、本発明のセラミック接合体によれば、接合層に窒化珪素の結晶を含んでいるときには、接合層に生じたクラックの進展を防止することができるので、接合層の強度を向上させることができる。

また、本発明のセラミック接合体によれば、窒化珪素の結晶の平均粒径が１μｍ以下であるときには、薄い接合層の厚みで十分な接合部の強度を得ることができるので、接合剤の塗布量および塗布作業にかかる時間が少ないため、製造コストを低減することができる。

また、本発明のセラミック接合体によれば、ルテチウム化合物の結晶が一対の基体に接しているときには、熱伝導率の高いルテチウム化合物の結晶が、一対の基体の双方にガラスを介することなく接しているので、良好に基体間の熱伝達が行なわれるため、熱伝導性がより向上する。

また、本発明のセラミック接合体によれば、接合層の厚みが３μｍ以上10μｍ以下であるときには、十分な接合強度が得られるとともに、セラミック接合体の機械的特性と基体の有する機械的特性とをほぼ同等とすることができる。

また、本発明のセラミック接合体によれば、一対の基体の主面の少なくとも一方に溝が形成され、溝の周囲に接合層が配置されているときには、溝へ流体を流したときの溝の周囲からの流体の漏洩を防止し、熱伝導性の良好な接合層を有しているので、溝に流す流体の温度によって、セラミック接合体上に載置した載置物を加温したり、降温したりすることに好適に用いることができる。

以下、本発明を実施するための最良の形態について説明する。

図１は、本発明のセラミック接合体の実施の形態の一例を示す、（ａ）は接合前の一対の板状の基体の斜視図であり、（ｂ）は接合剤を用いて一対の板状の基体を接合したセラミック接合体の斜視図であり、（ｃ）は（ｂ）のＸ−Ｘ’線での断面図である。

本発明のセラミック接合体１は、窒化珪素質焼結体からなる一対の板状の基体２（２ａ，２ｂ）の主面４同士が、アルミニウム，シリコン，イットリウムおよびルテチウムを含むガラスを主成分とし、ルテチウム化合物の結晶を含む接合層３を介して接合されていることを特徴としている。

このような構成のセラミック接合体１は、接合層３の主成分であるアルミニウム，シリコン，イットリウムおよびルテチウムを含むガラスによって、一対の板状の基体２の主面４同士を強固に接合することができる。

図２は、本発明のセラミック接合体における接合層の一例を示す、図１（ｃ）におけるＡ部の拡大断面図である。

このように、窒化珪素質焼結体からなる一対の板状の基体２の主面４同士の間の接合層３は、アルミニウム，シリコン，イットリウムおよびルテチウムを含むガラス５を主成分とし、ルテチウム化合物の結晶６を含んでいる。

この接合層３に含まれるルテチウムおよびルテチウム化合物の結晶６は、高い熱伝導率を有するため、接合することによってセラミック接合体１の熱伝導率を低下させることが少ないので、セラミック接合体１の熱伝導率と基体２の有する熱伝導率とをほぼ同等にすることができる。

また、接合層３に含まれるルテチウムおよびルテチウム化合物の結晶６は、融点が高く耐熱性に優れているため、接合することによって高温強度が低下することが少ないので、セラミック接合体１の高温強度と基体２の有する高温強度とをほぼ同等にすることができる。

なお、接合層３に含まれるルテチウム化合物の結晶６の有無については、セラミック接合体１を厚み方向に研削加工し、接合層３を露出させて、露出した接合層３の表面をＸ線回折装置により測定して、その回折チャートに現れる結晶ピークを同定することにより確認することができる。回折チャートに現れるルテチウム化合物の結晶６としては、Ｌｕ_２Ｓｉ_２Ｏ_７やＬｕ_２ＳｉＯ_５などがある。Ｌｕ_２Ｓｉ_２Ｏ_７については、回折チャートにおいて回折角度２θ＝16〜17°，19〜20°，26〜27°，29〜30°，33〜34°または39.5〜40.5°のいずれかの回折角度の範囲に主な結晶ピークが現れ、Ｌｕ_２ＳｉＯ_５については、22〜23°，25〜26°，28〜29°または30〜31°のいずれかの回折角度の範囲に主な結晶ピークが現れる。

また、接合層３に含まれるアルミニウム，シリコン，イットリウムおよびルテチウムの成分の有無については、加速した電子線を物質に照射したきに放出される特性Ｘ線の波長と強度とを含むスペクトルを分析するＥＰＭＡにて確認することができる。成分の同定は、コンピュータにより自動的に処理されるものであるが、まず、得られたスペクトルのピーク位置の検出が行なわれ、検出したピーク位置とデータベースに記録されている既知特性Ｘ線データとの照合により、複数のピーク位置（特性Ｘ線エネルギー）が一致する元素を接合層３に存在する元素として同定するものである。また、成分量については、元素濃度の明らかな標準試料の特性Ｘ線強度と、接合層３の特性Ｘ線強度とを比較することによって確認することができる。

また、成分量については、接合層３を透過型電子顕微鏡により5000〜20000倍に拡大観察した後、接合層３の任意の箇所をエネルギー分散型Ｘ線回折装置により分析し、各部の元素カウント数から各成分の質量割合を求める方法によっても確認することができる。

そして、本発明のセラミック接合体を構成する窒化珪素質焼結体がルテチウムを含んでいることが好ましい。窒化珪素質焼結体からなる一対の板状の基体２には、酸化イットリウムなどのイットリウム化合物や酸化アルミニウムなどのアルミニウム化合物を焼結助剤として用いた一般的な緻密質の窒化珪素質焼結体やサイアロンなどを用いることができる。中でも、ルテチウムを含む窒化珪素質焼結体を用いれば、ルテチウムが窒化珪素質焼結体の粒界にＬｕ_２Ｓｉ_２Ｏ_７やＬｕＳｉＯ_５として存在し、粒界の耐酸化性を向上させ、窒化珪素質焼結体の高温強度を高めることができる。また、Ｌｕ_２Ｓｉ_２Ｏ_７やＬｕＳｉＯ_５は、熱伝導率が高いために窒化珪素質焼結体の熱伝導率を向上させることができる。

また、ルテチウムはイオン半径が小さく原子間の結合力が強固であり、格子振動が少なく熱膨張が小さいために、窒化珪素質焼結体の耐熱衝撃性を高めることができる。この窒化珪素質焼結体に含まれるルテチウムは、酸化物換算で３質量％以上15質量％以下とするのがよい。この範囲内であれば、窒化珪素質焼結体を緻密化させることができるとともに、高温強度，熱伝導率および耐熱衝撃性を高めることができるので好適である。

そして、窒化珪素質焼結体がルテチウムを含むときには、接合時の熱処理の際に、接合層３にルテチウムが拡散して、接合層３にルテチウム化合物の結晶６を生成することができるので、ルテチウムを含む窒化珪素質焼結体からなる一対の板状の基体２の主面４同士を接合したセラミック接合体１は、基体２が熱伝導率，高温強度および耐熱衝撃性に優れており、ルテチウム化合物の結晶６を含む接合層３を介して接合されているため、基体２の有する上記特性を低下させることが少ないので、様々な分野の構成部材として用いられている窒化珪素質焼結体の厚肉化への対応ができ、気体または液体が通る流路を形成することもできる。

図３は、本発明のセラミック接合体における接合層の他の例を示す、拡大断面図である。

図３に示すように、接合層３に窒化珪素の結晶７を含んでいるときには、接合層３に生じたクラックの進展を防止することができるので、接合層３の強度を向上させることができる。この接合層３に窒化珪素の結晶７を含ませるには、酸化珪素を含む接合剤を用いて窒素雰囲気で熱処理すればよい。

また、本発明のセラミック接合体１は、窒化珪素の結晶７の平均粒径が１μｍ以下であることが好ましい。窒化珪素の結晶７の平均粒径が１μｍ以下であるときには、薄い接合層３の厚みで十分な強度を得ることができるので、接合剤の塗布量および塗布作業にかかる時間を少なくできるため、製造コストを低減することができる。この窒化珪素の結晶７の平均粒径を１μｍ以下とするには、接合剤に用いる酸化珪素の平均粒径を１μｍ以下とすればよい。

なお、接合層３の窒化珪素の結晶７の有無および平均粒径については、接合層３の任意の箇所を波長分散型Ｘ線マイクロアナライザー装置（日本電子製ＪＸＡ−8600Ｍ型）を用いたＥＰＭＡにて分析することにより確認することができる。

図４は、本発明のセラミック接合体における接合層のさらに他の例を示す、拡大断面図である。

図４に示すように、本発明のセラミック接合体１は、ルテチウム化合物の結晶６が一対の基体２のそれぞれに接していることが好ましい。ルテチウム化合物の結晶６が一対の基体２に接しているときには、熱伝導率の高いルテチウム化合物の結晶６と、一方の基体２ａおよび他方の基体２ｂの双方にガラス５を介することなく接しているので、良好に基体２間の熱伝達が行なわれるため、熱伝導性がより向上する。

また、本発明のセラミック接合体１は、接合層３の厚みが３μｍ以上10μｍ以下であることが好ましい。接合層３の厚みが３μｍ以上10μｍ以下であるときには、十分な接合強度が得られるとともに、セラミック接合体１の機械的特性と基体２の有する機械的特性とをほぼ同等とすることができる。接合層３の厚さは、３μｍ以上５μｍ以下とすることがより好ましい。なお、接合層３の厚みは、接合剤の粘度や接合剤を塗布後に重ね合わせた基体２ａ・２ｂの表面にかける圧力によって調整することができる。

また、本発明のセラミック接合体１の強度は、接合層３を中央部に配置した試料を作製し、ＪＩＳ Ｒ 1601−1995に準拠して４点曲げ強度の測定を行なうことにより確認することができる。このとき、本発明のセラミック接合体１の４点曲げ強度は、基体２である窒化珪素質焼結体とほぼ同等の700ＭＰａ以上の強度を有している。

さらに、４点曲げ強度の試験を1000〜1200℃の高温中で実施した場合の本発明のセラミック接合体１の４点曲げ強度は、590ＭＰａ以上であり、室温に対する高温の強度低下率（100−（高温における強度／室温における強度×100)）は20％以下である。

また、本発明のセラミック接合体１の熱伝導率については、例えば接合層３を含む厚み４ｍｍ以下，直径が８〜10ｍｍの円板形状の試料を研削加工により切り出し、この試料の表面にレーザーを照射するレーザーフラッシュ法を用いてＪＩＳ Ｒ 1611−1997に準拠して測定を行なうことにより確認することができる。測定装置については、例えばレーザーフラッシュ法熱定数測定装置（真空理工（株）製 ＴＣ−7000）を用いて測定することができる。

図５は、本発明のセラミック接合体の実施の形態の他の例を示す、（ａ）は接合前の一対の板状の基体の斜視図であり、（ｂ）は（ａ）における一対の板状の基体を接合したセラミック接合体の概略図である。

図５に示すように、本発明のセラミック接合体１は、一対の基体２の主面４の少なくとも一方に溝８が形成され、溝８の周囲に接合層３が配置されているときには、溝８へ流体を流したときの溝８の周囲からの流体の漏洩を防止するとともに、熱伝達性の良好な接合層３を有しているので、溝８に流体を流す温度によって、セラミック接合体１上に載置した載置物を加温したり降温したりすることに好適に用いることができる。

次に、本発明のセラミック体１の製造方法の一例について詳細を以下に示す。

まず、窒化珪素質焼結体からなる一対の基体２の製造方法としては、例えば酸化イットリウム（Ｙ_２Ｏ_３）と酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）とを合計で１質量％以下の範囲で含む、純度が99〜99.8％で平均粒径が0.5〜２μｍの窒化珪素１次原料を準備する。そして、この窒化珪素１次原料を100質量％とし、バインダを１〜５質量％，分散剤を0.5質量％以下，溶媒を80〜120質量％の割合で加え、混合してスラリーとした後、噴霧乾燥装置（スプレードライヤー）にて造粒して２次原料を得る。

次に、この２次原料を用いて静水圧プレス成形（ラバープレス）法や粉末プレス成形法にて所定形状の板状の成形体を成形し、必要に応じて板状の成形体に切削加工により施した後、これを焼成炉にて窒素雰囲気中1900℃の最高温度で焼成する。焼成後、研削加工により最終仕上げして、窒化珪素質焼結体からなる板状の基体２を得ることができる。なお、溝８を形成するときには、一方の基体２ａおよび他方の基体２ｂの少なくともいずれかの板状の成形体に溝８のパターンの切削加工を施せばよい。

次に、基体２を接合するための接合剤を作製する。まず、純度が95％以上で平均粒径が0.5〜２μｍの酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）と、純度が99％以上で平均粒径が１μｍ以下の酸化珪素（ＳｉＯ_２）と、純度が98％以上で平均粒径が0.5〜1.5μｍの酸化イットリウム（Ｙ_２Ｏ_３）と、純度が95％以上で平均粒径が0.5〜1.5μｍの酸化ルテチウム（Ｌｕ_２Ｏ_３）とを準備する。

ここで、酸化珪素の粉末として平均粒径が１μｍ以下のものを用いるのは、酸化珪素の大きさが接合層３に生成される窒化珪素の結晶７の大きさに影響するからである。酸化珪素粉末の平均粒径が１μｍを超えると接合層３に存在させる窒化珪素の結晶７の平均粒径が１μｍを超えて大きくなり、接合層３の強度をより向上させにくくなる。

次に、これらの１次原料粉末を、酸化アルミニウムが10〜30質量％，酸化珪素が35〜45質量％，酸化イットリウムが15〜40質量％，酸化ルテチウムが５〜20質量％の範囲で４種類の粉末の合計が100質量％となるように混合する。

この酸化珪素の含有量が35〜45質量％の範囲内であれば、一対の基体２同士の高い接着力を有するとともに、接合層３に窒化珪素の結晶７を生成し、接合層３の強度を高めることができる。

次に、混合粉末にアルミナボールおよび有機溶剤（イソプロピルアルコール）を適量加えたものを円柱状のプラスチック容器中に投入し、回転装置にて軸方向と平行に、12〜36時間回転させて混合する。混合後、アルミナボールと混合スラリーを分離しながら、プラスチック容器から金属製容器内にスラリーを排出する。排出後、乾燥機内でスラリーを乾燥し、乾燥後に得られた粉体の固まりを解砕して接合剤用原料とする。

次に、接合剤用原料と溶媒と分散剤とを調合する。接合剤用原料100質量％に対し、溶媒を10〜20質量％，分散剤を0.5〜２質量％の割合で添加して、これらを再度円柱状のプラスチック容器内に投入して、容器の軸方向と平行に回転装置にて回転させながら混合することで、ペースト状の接合剤を得ることができる。

ここで、溶媒としては、例えばパラフィン系等の疎水性の有機溶媒を使用することが好ましい。疎水性の有機溶媒を用いたペースト状の接合剤は、接合する一方の基体２ａの接合部に塗布した際に表面が乾きにくく、他方の基体２ｂの接合部となじみ易いので、より良好な接合層３とすることが可能となる。また、分散剤については、疎水性溶媒に適した非イオン界面活性剤を用いるのがよい。なお、ペースト状の接合剤は、分離あるいは固化しやすいので、回転させながら保管するのがよい。

また、ペースト状の接合剤の粘度は0.5〜２Ｐａ・ｓとするのがよい。この範囲の粘度であれば、接合部である基体２の主面４に塗布したペースト状の接合剤が垂れ落ちることなく接合部に留まるとともに、接合部における接合剤の塗布厚みを均一にしやすい。

次に、作製したペースト状の接合剤を接合部である窒化珪素焼結体からなる基体２の主面４に塗布する。なお、塗布するのは、一方の基体２ａ，他方の基体２ｂのいずれかの主面であっても、両方の主面であってもよい。ペースト状の接合剤の塗布は、刷毛などを用いて行なってもよいが、塗布厚みをより均一とするためには、接合部のみ目開きし、その他は目封止したスクリーンを準備し、そのスクリーンの目開き部分を接合部に合わせ、スクリーン上にペースト状の接合剤を垂らして、樹脂性のスキージでスクリーンを介して塗布することが好ましい。

ここで、ペースト状の接合剤の塗布厚みは５〜100μｍの範囲とするのがよい。この範囲の塗布厚みであれば、ペースト状の接合剤を塗布後に基体２の主面４同士を重ね合わせ、重ね合わせた基体２の表面に圧力を加えたときに、接合部よりはみ出す接合剤は少量なので、はみ出した接合剤を除去するための追加工を少なくすることができる。また、接合部よりはみ出した少量の接合剤が、熱処理時に溶融状態となり表面張力によって応力集中を受けやすい角部を補強するという効果を得ることができる。

そして、ペースト状の接合剤を塗布後に基体２の主面４同士を重ね合わせ、重ね合わせた基体２の表面に圧力を加える。例えば、ペースト状の接合剤の粘度が0.5〜２Ｐａ・ｓであれば、重ね合わせた基体２の表面に15ＭＰａ以上の圧力が加わるように設定すればよい。

次に、熱処理を実施する。熱処理には、窒素ガスを注入して炉内を窒素雰囲気に調整可能な大型のバッチ炉を用いる。このとき炉内は、常圧で20〜500ｋＰａのＮ_２分圧とするのがよい。そして、熱処理温度を1250〜1400℃として0.5〜３時間保持すれば、接合強度の高いセラミック接合体１を得ることができる。このような雰囲気，温度および保持時間の条件にて熱処理することにより、接合剤中に含まれるルテチウム成分が結晶化し、ルテチウム化合物の結晶６を含む接合層３を形成することができる。また、上記含有量の酸化珪素を含む接合剤を用いて、窒素雰囲気で熱処理することにより、窒化珪素の結晶７を接合層３に生成させることができ、接合層３の機械的強度を向上させることが可能となる。

また、基体２の窒化珪素質焼結体にルテチウムを含ませるには、例えば酸化ルテチウム（Ｌｕ_２Ｏ_３）を５〜15質量％含む、純度が85〜95％で平均粒径が0.5〜２μｍの窒化珪素１次原料を準備する。以降、調合，成形や焼成については上記同様の工程にて作製することにより、ルテチウムを含む窒化珪素質焼結体からなる板状の基体２を得ることができる。

そして、接合剤としては、上記同様の酸化アルミニウムが10〜30質量％，酸化珪素が35〜45質量％，酸化イットリウムが15〜40質量％，酸化ルテチウムが５〜20質量％の範囲で４種類の粉末の合計が100質量％となるように混合した粉末を用いてもよいが、基体２がルテチウムを含む窒化珪素質焼結体からなるときには、ルテチウムを含まない接合剤を用いることも可能である。

ルテチウムを含まない接合剤としては、上記同様の粉末を用いて、酸化アルミニウムが10〜30質量％，酸化珪素が35〜45質量％，酸化イットリウムが35〜45質量％の範囲で３種類の粉末の合計が100質量％となるように混合し、その後の調合等については、上記同様の工程にて作製する。

そして、ルテチウムを含む窒化珪素質焼結体からなる基体２の主面４に接合剤を塗布し、基体２の主面４同士を重ね合わせ、重ね合わせた基体２の表面に圧力を加え、その後、上記条件にて熱処理することにより、接合強度の高いセラミック接合体１を得ることができる。なお、接合剤にルテチウムは含まれていないが、ルテチウムを含む窒化珪素質焼結体からなる一対の板状の基体２を酸化アルミニウム，酸化珪素および酸化イットリウムからなる接合剤を用いて、上記条件で熱処理すれば、窒化珪素質焼結体に含まれるルテチウムが接合層３に拡散し、接合層３にルテチウムの結晶６を生成することができるので、本発明のセラミック接合体１の機械的特性を基体２の有する機械的特性とほぼ同等とすることができる。

以上、本発明の実施の形態の一例について説明したが、本発明のセラミック接合体１は上述の内容に限定されるものでなく、その要旨を逸脱しない範囲内であれば種々変更してもよいことは言うまでもない。例えば、本発明のセラミック接合体１を板状の被加工材や板状の部材の載置台として用いたり、各種粉砕機の内壁などに粉砕機用部材として用いたりすることが可能である。

以下、本発明の実施例について詳細を示す。

（実施例１）
ルテチウムを含まない基体（以下、第１の基体と称す。）およびルテチウムを含む基体（以下、第２の基体と称す。）と、ルテチウムを含まない接合体（以下、第１の接合剤と称す。）およびルテチウムを含む接合剤（以下、第２の接合剤と称す。）とを作製し、これらを組み合わせたセラミック接合体を作製して、セラミック接合体の熱伝導率および４点曲げ強度の測定を行なった。

まず、酸化イットリウムおよび酸化アルミニウムを焼結助剤とし、ルテチウムを含まない第１の基体を作製した。純度が99.5％以上で平均粒径が１μｍの窒化珪素粉末と、純度98％が以上で平均粒径が１μｍの酸化イットリウム粉末と、純度が95％以上で平均粒径が１μｍの酸化アルミニウム粉末とを準備した。そして、窒化珪素粉末100質量％に対し、焼結助剤である酸化イットリウム粉末および酸化アルミニウム粉末を合計で１質量％以下添加して、混合攪拌機にて混合して窒化珪素１次原料を得た。

その後、この窒化珪素１次原料にバインダを３質量％，分散剤を0.2質量％，溶媒を100質量％加え、混合してスラリーとした後、スプレードライヤーにて造粒して窒化珪素２次原料を得た。次に、この窒化珪素２次原料を用いて、粉末プレス成形法にて縦横が120ｍｍの正方形であり、厚みが30ｍｍの板状の成形体を得た。しかる後、この板状の成形体を窒素雰囲気中1900℃で焼成して焼結体を得た後、研削加工を施して、縦横が100ｍｍの正方形で厚みが20ｍｍの板状である第１の基体を得た。

次に、ルテチウムを含む第２の基体を作製した。純度が99％以上で平均粒径が１μｍの酸化ルテチウム粉末と、純度が99.5％以上で平均粒径が１μｍの窒化珪素粉末とを準備し、窒化珪素粉末100質量％に対し酸化ルテチウムを10質量％添加して、混合攪拌機にて混合してルテチウムを含む窒化珪素１次原料を得た。

その後、このルテチウムを含む窒化珪素１次原料にバインダを３質量％，分散剤を0.2質量％，溶媒を100質量％加え、混合してスラリーとした後、スプレードライヤーにて造粒してルテチウムを含む窒化珪素２次原料を得た。次に、ルテチウムを含む窒化珪素２次原料を用いて、粉末プレス成形法にて縦横が120ｍｍの正方形で厚みが30ｍｍの板状の成形体を得た。しかる後、この板状の成形体を窒素雰囲気中1900℃で焼成して焼結体を得た後、研削加工を施して、縦横が100ｍｍの正方形で厚みが20ｍｍの板状である、ルテチウムを含む第２の基体を得た。

次に、ルテチウムを含まない第１の接合剤およびルテチウムを含む第２の接合剤を作製した。

まず、第１の接合剤として、純度が95％以上で平均粒径が１μｍの酸化アルミニウム粉末を20質量％と、純度が99％以上で平均粒径が0.5μｍの酸化珪素粉末を40質量％と、純度が98％以上で平均粒径が１μｍの酸化イットリウム粉末を40質量％とを混合した。この混合粉末に、アルミナボール，有機溶剤（イソプロピルアルコール）を適量加え、プラスチック容器中で24時間回転攪拌した後、プラスチック容器から所定の金属容器にスラリーを排出し、このスラリーを乾燥機内で60℃の温度で40時間乾燥し、乾燥後に得られた粉体の固まりを解砕して第１の接合剤用原料を得た。

次に、この第１の接合剤用原料100質量％に対し、溶媒としてイソパラフィンを15質量％と、分散剤として非イオン界面活性剤を1.5質量％との割合で添加して、これらを再度円柱状のプラスチック容器内に投入して、容器ごと回転装置にて回転させながら約10時間混合して、第１の接合剤を得た。なお、第１の接合剤の粘度は、Ｅ型粘度計にて測定したところ１Ｐａ・ｓであった。

次に、ルテチウムを含む第２の接合剤として、純度が95％以上で平均粒径が１μｍの酸化アルミニウム粉末を20質量％と、純度が99％以上で平均粒径が0.5μｍの酸化珪素粉末を40質量％と、純度が98％以上で平均粒径が１μｍの酸化イットリウム粉末を30質量％と、純度が95％以上で平均粒径が１μｍの酸化ルテチウム粉末を10質量％とを混合し、その後の調合等については、上記同様の工程にて、ルテチウムを含む第２の接合剤を作製した。なお、第２の接合剤の粘度は、Ｅ型粘度計にて測定したところ１Ｐａ・ｓであった。

そして、ルテチウムを含まない第１の基体およびルテチウムを含む第２の基体と、ルテチウムを含まない第１の接合剤およびルテチウムを含む第２の接合剤とを用いて、表１に示す組合せにて接合を行なった。接合方法としては、一方の基体の主面にスクリーンを介して30μｍの厚みの接合剤を塗布し、他方の基体の主面を一方の基体の主面に重ね合わせ、基体の表面に15ＭＰａの圧力を加えた。その後、窒素雰囲気の大型のバッチ炉に投入し、炉内を常圧で200ｋＰａのＮ_２分圧とし、1350℃の最高温度で熱処理し、接合層３の厚みが５〜８μｍの試料Ｎｏ．１〜４のセラミック接合体を得た。なお、接合前のルテチウムを含まない第１の基体の熱伝導率は25Ｗ／ｍ・Ｋであり、４点曲げ強度は室温で750ＭＰａ，1200℃で450ＭＰａであり、接合前のルテチウムを含む第２の基体の熱伝導率は65Ｗ／ｍ・Ｋであり、４点曲げ強度は室温で750ＭＰａ，1200℃で600ＭＰａであった。

そして、それぞれのセラミック接合体から接合層３を含む厚みが４ｍｍ以下で直径が８〜10ｍｍの円板形状の試料を研削加工により切り出し、ＪＩＳ Ｒ 1611−1997に準拠して、レーザーフラッシュ法熱定数測定装置（真空理工（株）製 ＴＣ−7000）を用いて測定した。また、それぞれのセラミック接合体からＪＩＳ Ｒ 1601−1995に準拠した接合層３を中央部に配置した試料を作製し、室温と1200℃とでの４点曲げ強度を測定し、第１，第２の基体の有する４点曲げ強度との比が５％以内であれば基体とほぼ同等であるとして○とし、５％を超えるときには×として示した。

また、接合層３を波長分散型Ｘ線マイクロアナライザー装置（日本電子（株）製 ＪＸＡ−8600Ｍ型）を用いたＥＰＭＡにて分析し、ルテチウム化合物の結晶６の有無および第１，第２の基体に接しているか否かの確認を行なった。結果を表１に示す。

表１に示す結果から分かるように、本発明の範囲外である試料Ｎｏ．１の従来のセラミック接合体は、第１の基体の有する熱伝導率が25Ｗ／ｍ・Ｋに対し、19Ｗ／ｍ・Ｋと熱伝導率が低下した。これに対し、試料Ｎｏ．２の本発明のセラミック接合体１は24Ｗ／ｍ・Ｋであり、従来のセラミック接合体と比較して熱伝導率の低下がなく、第１の基体の有する熱伝導率とほぼ同等であった。

また、試料Ｎｏ．３の本発明のセラミック接合体１は、第２の基体がルテチウムを含んでいることにより、接合層３にルテチウムが拡散し、ルテチウム化合物の結晶６を含んでいることから、熱伝導率は第２の基体の有する熱伝導率とほぼ同等の62Ｗ／ｍ・Ｋであった。さらに、試料Ｎｏ．４の本発明のセラミック接合体１は、第２の基体および第２の接合剤ともにルテチウムを含むことから、第２の基体の有する熱伝導率と同等の65Ｗ／ｍ・Ｋであった。

また、試料Ｎｏ．１の従来のセラミック接合体は、室温における４点曲げ強度においては、第１の基体の有する４点曲げ強度との比が５％以内の値を示したものの、1200℃の４点曲げ強度は５％を超えており、強度の低下が見られた。これに対し、試料Ｎｏ．２〜４の本発明のセラミック接合体１は、1200℃の４点曲げ強度においても第１，第２の基体の有する４点曲げ強度との比が５％以内であり、ほぼ同等であることが確認できた。

また、本発明のセラミック接合体１は、接合層３にルテチウム化合物の結晶６の存在が確認されるとともに、接合した双方の基体に接していることが確認され、特に、試料Ｎｏ．４が接合した双方の基体に接しているルテチウム化合物の結晶６が多かった。

（実施例２）
次に、実施例１と同様のルテチウムを含む第２の基体と第１の接合剤とを用いて、接合時の熱処理を大気雰囲気で行なった試料と、窒素雰囲気で行なった試料とにおける４点曲げ強度の比較を行なった。また、接合層３の窒化珪素の結晶７の有無および平均粒径について、波長分散型Ｘ線マイクロアナライザー装置（日本電子（株）製 ＪＸＡ−8600Ｍ型）を用いたＥＰＭＡにて確認を行なった。

その結果、大気雰囲気で熱処理した試料の接合層３には、窒化珪素の結晶６は存在していなかった。これに対し、窒素雰囲気で熱処理した試料の接合層３には、平均粒径が0.7μｍの窒化珪素の結晶７が確認された。また、４点曲げ強度の比較においては、大気雰囲気で熱処理した試料よりも窒素雰囲気で熱処理した試料の方が高く、接合層３に窒化珪素の結晶６を含んでいることにより、強度が高くなることが確認された。

（実施例３）
次に、実施例２と同様にルテチウムを含む第２の基体と第１の接合剤とを用いて、接合剤の塗布後に試料によって基体の表面に加える圧力を異ならせた。その後、窒素雰囲気で熱処理し、接合層３の厚みが２μｍ，３μｍ，７μｍ，10μｍ，12μｍの本発明のセラミック接合体１を得た。

その結果、ルテチウムを含む第２の基体の有する熱伝導率および４点曲げ強度ともにほぼ同等の値を示したのは、接合層３の厚みが３μｍ，７μｍおよび10μｍの試料であり、接合層３の厚みが３〜10μｍであることが好ましいことが確認された。

また、ルテチウムを含む第２の基体および第１の接合剤を用いて、図５に示すような、他方の基体２ｂに溝８を形成し、溝８の周囲に接合層３を配置した本発明のセラミック接合体１を作製し、溝８に流体を流したところ、流体の漏洩は無く、しかもセラミック接合体１の上に載せた載置物を好適に加温したり、降温したりできることが確認された。

本発明のセラミック接合体の実施の形態の一例を示す、（ａ）は接合前の一対の板状の基体の斜視図であり、（ｂ）は接合剤を用いて一対の板状の基体を接合したセラミック接合体の斜視図であり、（ｃ）は（ｂ）のＸ−Ｘ’線での断面図である。 本発明のセラミック接合体における接合層の一例を示す、図１（ｃ）におけるＡ部の拡大断面図である。 本発明のセラミック接合体における接合層の他の例を示す、拡大断面図である。 本発明のセラミック接合体における接合層のさらに他の例を示す、拡大断面図である。 本発明のセラミック接合体の実施の形態の他の例を示す、（ａ）は接合前の一対の板状の基体の斜視図であり、（ｂ）は（ａ）における一対の板状の基体を接合したセラミック接合体の概略図である。

符号の説明

１：セラミック接合体
２：基体
２ａ：一方の基体
２ｂ：他方の基体
３：接合層
４：主面
５：ガラス
６：ルテチウム化合物の結晶
７：窒化珪素の結晶
８：溝

Claims (6)

1. 窒化珪素質焼結体からなる一対の板状の基体の主面同士が、アルミニウム，シリコン，イットリウムおよびルテチウムを含むガラスを主成分とし、ルテチウム化合物の結晶を含む接合層を介して、一対の前記基体の前記主面の両方に前記結晶が接するように接合されていることを特徴とするセラミック接合体。
2. 前記窒化珪素質焼結体がルテチウムを含んでいることを特徴とする請求項１に記載のセラミック接合体。
3. 前記接合層に窒化珪素の結晶を含んでいることを特徴とする請求項１または２に記載のセラミック接合体。
4. 前記窒化珪素の結晶の平均粒径が１μｍ以下であることを特徴とする請求項３に記載のセラミック接合体。
5. 前記接合層の厚みが３μｍ以上１０μｍ以下であることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれかに記載のセラミック接合体。
6. 一対の前記基体の前記主面の少なくとも一方に溝が形成され、該溝の周囲に前記接合層が配置されていることを特徴とする請求項１に記載のセラミック接合体。

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