JP5477155B2 - セラミックス材と金属材との接合体および接合方法 - Google Patents

Description

本発明は、熱膨張率の大きく異なるセラミックス材と金属材との接合体および接合方法に関する。

セラミックス材料と金属材料を接合する技術は、古くから研究開発されてきた。アルミナ、窒化アルミニウム、炭化ケイ素、窒化ケイ素などのセラミックス材料の熱膨張率が３〜８×１０^-6／Ｋであるのに対し、鉄、ステンレス鋼、ニッケル、銅などの金属材料の膨張率が１０〜２０×１０^-6／Ｋと大きい。このため、使用環境の温度変化や接合処理において加熱される場合等に、その膨張率の差が原因となり接合面で熱応力が生じ、剥離などが生じてしまうことが、セラミックスと金属との接合における主な課題であった。

この熱応力を緩和する方法として、例えば、静電チャック部材の製造方法において、炭化タングステン、炭化チタンなどのセラミックス材料とステンレス鋼などの金属材料をロウ付け接合する際に、中間層として弾性率の小さい銅、亜鉛、アルミニウムなどの金属を配置し、中間層が変形することにより、応力を緩和する方法が提案されている（特許文献１参照）。

また、セラミックヒータの製造における窒化物系セラミックスと金属部材との接合において、応力を緩和する中間層として気孔率５〜２０％を持つＮｉを配置することが示されている（特許文献２参照）。

また特許文献３においては、セラミックスと金属の接合の中間層として網目状多孔金属を使用することが示されている。

特開２０１０−５２０１５号公報 特開平１１−３２９６７６号公報 特公平２−５４２２２号公報

近年、半導体装置に用いられる部品は大型化してきており、これに伴い特許文献１に示される静電チャック部品や、特許文献２に示されるセラミックスヒーターも大型化している。しかしながら、接合面積が大きくなると、セラミックスと金属との接合体は、熱による膨張の差が大きくなり、接合界面での剥離が生じてしまう。

また、特許文献１や特許文献２の中間層として使用される中間層は、銅、亜鉛、アルミニウム、ニッケルといった純金属であり、耐食性や耐酸化性といった観点から真空中や不活性雰囲気での使用に限定され、腐食性のガス環境下では使用することができず、また航空機部材に求められる１０００℃付近での高温環境下にも使用することが出来ない。

本発明は、セラミックス材と金属材との接合において、例えば２５０ｍｍ²以上の大きな接合面積、および高温環境下においても、接合界面の剥離を防止することを目的とする。

本発明は、セラミックス材と金属材とが積層された接合体であって、前記セラミックス材と前記金属材との間に配置された三次元網目状の金属多孔質材からなる中間層を備え、この中間層に、前記セラミックス材または前記金属材との接合面に対して略垂直方向に延びるスリットが複数本設けられており、前記スリットは、前記接合面の最大長さＬ、前記金属材の熱膨張率α、前記セラミックス材の熱膨張率β、使用環境あるいは接合工程における最高温度と最低温度の差ΔＴｍａｘとして、前記スリットの各幅の合計Ｓが
Ｗ＜Ｓ＜１０×Ｗ
ただしＷ＝Ｌ×（α−β）×ΔＴｍａｘ
を満たすセラミックス材と金属材との接合体である。

また本発明は、セラミックス材と金属材とを積層して接合する方法であって、前記セラミックス材と前記金属材との間に、三次元網目状の金属多孔質材からなる中間層を配置し、前記セラミックス材と前記中間層との間、および前記中間層と前記金属材との間をロウ付けまたは拡散接合により接合し、前記中間層に前記セラミックス材との接合面または前記金属材との接合面に対して略垂直方向に延びるスリットを複数本設けておくものとし、前記スリットは、前記接合面の最大長さＬ、前記金属材の熱膨張率α、前記セラミックス材の熱膨張率β、使用環境あるいは接合工程における最高温度と最低温度の差ΔＴｍａｘとして、前記スリットの各幅の合計Ｓが
Ｗ＜Ｓ＜１０×Ｗ
ただしＷ＝Ｌ×（α−β）×ΔＴｍａｘ
を満たす接合方法である。

本発明によれば、中間層の金属多孔質材がスリットを持つことにより、接合面に対して垂直方向の変形能が著しく向上する。このため、熱変化によるセラミックス材および金属材の膨張差が大きい場合でも、金属多孔質材の変形により熱応力が緩和され、大面積の場合や使用環境の温度差が大きい場合でも、接合面が剥離することなく、確実に接合することができる。
この場合、ＳがＷ未満である場合、変形能が小さく、応力緩和効果が得られない。また、Ｓが１０Ｗを超える場合には、接合面積の低下により、接合強度が低下し、熱伝導が小さくなることにより、セラミックス材と金属材との温度差が大きくなり、接合面の剥離が生じやすくなる。

本発明において、前記中間層は、ステンレス鋼製またはＮｉ−Ｃｒ系耐熱合金製であって、気孔率が８０〜９５％であることが好ましい。この場合、反応性のガスによる腐食環境や１０００℃といった耐熱環境下でも、多孔質材が機能し、接合強度を保つことができる。金属多孔質材の気孔率が８０％未満である場合、金属多孔質材の変形応力が大きいので、応力緩和効果が低下し、接合面の剥離が生じやすい。一方、金属多孔質材の気孔率が９５％を超えると、セラミックス材と金属材との接合点が少ないため、接合強度が著しく低下するとともに、熱抵抗が大きくなってセラミックス材と金属材との温度差が大きくなり、接合面の剥離が生じやすい。

なお、スリットは、膨張差の大きい外周付近に設けられることが好ましい。スリット幅は位置により変化させてもよく、たとえば外周に近い位置のスリット幅を大きくすることが好ましい。

本発明の接合方法において、前記金属材の表面に金属粉末含有発泡性スラリーを塗布して発泡、乾燥させて発泡グリーンを形成し、この発泡グリーンに切れ目を入れて焼結することにより、前記スリットを有する前記中間層を形成してもよい。

本発明によれば、セラミックス材と金属材との接合において、大きな接合面積、および高温環境下においても、接合界面の剥離を防止することができる。

本発明に係るセラミックス材と金属材との接合体を示す断面図である。 図１におけるＡ−Ａ線に沿う断面図である。 図１の接合体を製造する接合方法を示す図である。 接合体の接合強度の測定方法の概略を示す側面図である。 本発明に係る接合方法の他の例を示す図である。 図５に示す接合方法において発泡グリーンに切れ目を入れる工程を示す上面図である。 本発明に係る接合体において、スリットが中間層を分断しない例を示す断面図である。 本発明に係る接合体において、中間層を分断しないスリットが中間層の両面に設けられている例を示す断面図である。

以下、本発明に係るセラミックス材と金属材との接合体および接合方法の実施形態を説明する。本発明の接合体１０は、図１に示すように、セラミックス材１１と、金属材１２と、これらセラミックス材１１および金属材１２の間に配置された三次元網目状の金属多孔質材からなる中間層１３を備えている。この中間層１３には、図１に示すように、セラミックス材１１との接合面１３ａまたは金属材１２との接合面１３ｂに対して略垂直方向に延びるスリット１３ｃが設けられている。

中間層１３は、ステンレス鋼製またはＮｉ−Ｃｒ系耐熱合金製であって、気孔率が８０〜９５％である。

スリット１３ｃは中間層１３に複数本設けられている。スリット１３ｃの各幅ｓ１，ｓ２，ｓ３（図２参照）の合計Ｓは、接合面１３ａ（または接合面１３ｂ）の最大長さＬ、金属材１２の熱膨張率α、セラミックス材１１の熱膨張率β、使用環境あるいは接合工程における最高温度と最低温度の差ΔＴｍａｘとして、
Ｗ＜Ｓ＜１０×Ｗ ただしＷ＝Ｌ×（α−β）×ΔＴｍａｘ…（１）
を満たす。

この接合体１０を製造するには、セラミックス材１１と金属材１２との間に、三次元網目状の金属多孔質材からなる中間層１３を配置し、この中間層１３にセラミックス材１１との接合面１３ａまたは金属材１２との接合面１３ｂに対して略垂直方向に延びるスリット１３ｃを設けておいて、セラミックス材１１と中間層１３との間、および中間層１３と金属材１２との間をロウ付けまたは拡散接合により接合する。

図３に、実施例１に係る接合体１０を製造する接合方法を示す。本実施例においては、セラミックス板１１として窒化ケイ素板（１００×１００×ｔ１ｍｍ）、金属板１２としてＳＵＳ３０４ステンレス鋼板（１００×１００×ｔ５ｍｍ）、中間層１３（金属多孔質材）としてスラリー発泡法により製造したＳＵＳ３０４ステンレス鋼製発泡金属板（１００×１００×ｔ１ｍｍ）を準備した。ここで、発泡金属板は、気孔率９０％のものを準備した。

次に、発泡金属板とステンレス鋼板とを重ね、ホットプレスにより１１５０℃、保持時間１時間、荷重５ｋＰａの条件で、拡散接合した。

次の工程での窒化ケイ素板と発泡金属板との接合温度が１０００℃であることから、前記式（１）を用いて、Ｗを算出した。ここで、接合面１３ａ（または接合面１３ｂ）の最大長さＬを１００ｍｍ、ＳＵＳ３０４ステンレス鋼板の熱膨張率αを２０×１０^-6／Ｋ、窒化ケイ素の熱膨張率βを３×１０−６／Ｋ、ΔＴｍａｘを１０００Ｋとして計算した。その結果、Ｗ＝１．７ｍｍを得た。

次に、図２に示すように、ｌ＝２３．５ｍｍ、ｓ１＝ｓ２＝ｓ３＝２ｍｍとなるように、機械加工により発泡金属板を加工した。このときスリット１３ｃの合計幅Ｓは３．５Ｗに相当する。

その後、Ｎｉ−Ｃｒ系ろう材を用いて、発泡金属板と窒化ケイ素板とを加熱温度１０００℃、保持時間１時間、真空中の条件で接合した。これにより、剥離のない健全な接合体１０が得られた。

（実施例１ａ，１ｂ、比較例１，２）
スリット形状を変量して、他の条件は実施例１と同様にして、実施例１ａ，１ｂ、比較例１，２の接合体を作製した。接合後、各接合体における接合面の剥離の有無を観察するとともに、接合強度を測定した。結果を表１に示す。

接合強度は、図４に示すように、セラミックス板１１と金属板１２とを接合面に沿って逆方向に引っ張ることにより測定した。この方法では、セラミックス板１１および金属板１２のそれぞれにエポキシ樹脂系接着剤２０を用いて接着した接合強度測定用の各金属板２１を、引張試験機のクランプに接続し、逆方向に引っ張った。そして、接合部分が破断するまでの荷重を計測し、破断時荷重が５ｋＮ以上の場合を接合強度ＯＫ、５ｋＮ未満の場合を接合強度ＮＧとした。

（実施例１ｃ、１ｄ、比較例３，４）
気孔率を変量して、他の条件は実施例１と同様にして、実施例１ｃ、１ｄ、比較例３，４の接合体を作製した。接合後、実施例１ａ，１ｂ、比較例１，２と同様に、各接合体における接合面の剥離の有無を観察するとともに、接合強度を測定した。結果を表２に示す。

図５に実施例２に係る接合体を製造する接合方法を示す。本実施例においては、セラミックス板１１としてアルミナ板（１００×１００×ｔ２ｍｍ）、金属板１２としてＳＵＳ３１０ステンレス鋼板（１００×１００×ｔ５ｍｍ）を準備した。

中間層１３は、金属粉末含有発泡性スラリーを金属板１２に塗布して発泡、乾燥および焼結させる方法により形成した。金属粉末を含有する発泡性スラリーとは、発泡、乾燥、焼結することにより、三次元網目状の多孔質金属を製造できるものである。この発泡性スラリーについては、材質としてＮｉ−１５．５ｗｔ％Ｃｒ−７ｗｔ％Ｆｅの組成を持つＮｉ−Ｃｒ系合金を選択し、平均粒径２０μｍの合金粉末と、結着剤としてポリビニルアルコールと、可塑剤としてグリセリンと、界面活性剤としてアルキルベンゼンスルホン酸塩と、発泡剤としてヘプタンとを、溶媒の水とともに混練することにより、スラリーを作製した。

作製した発泡性スラリーを、ＳＵＳ３１０ステンレス鋼板（金属板１２）の上に、ダイコータを用いて均一に厚さ１ｍｍとなるように塗工した。そして湿度７５％、温度６０℃の発泡装置にて３０分間保持して発泡させた。その後、９０℃の乾燥機にて１０分間放置して乾燥させ、金属板１２の上に厚さ３ｍｍの発泡グリーン１４（未焼結状態）を積層形成した。

次に、図６に示すように、カッターを用いて切れ目１４ａを形成し、ｌａ＝２５ｍｍとなるように発泡グリーン１４を格子状に切断した。次いで、セラミックス板１１，発泡グリーン１４，金属板１２の順に重ね、セラミックス板１１の上に荷重５ｋＰａとなるように錘を載せ、真空炉を用いて１２００℃、３時間の条件で焼結を行った。

その結果、中間層１３とセラミックス板１１とが接合されるとともに、中間層１３の焼結に伴う収縮により切れ目１４ａから幅約１ｍｍのスリットが形成された。接合は剥離無く良好であった。

以上説明したように、本発明によれば、セラミックス材と金属材との接合において、両部材の熱膨張率の差による変形を金属多孔質材からなる中間層が吸収できるので、大きな接合面積、および高温環境下においても、接合部材の接合界面の剥離を防止することができる。

なお、本発明は前記実施形態の構成のものに限定されるものではなく、細部構成においては、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。たとえば、スリットは、膨張差の大きい外周付近に設けられることが好ましい。スリット幅は位置により変化させてもよく、たとえば外周に近い位置のスリット幅を大きくすることが好ましい。また、セラミックス材と金属材とは平板に限らず、たとえば湾曲した板材等であってもよい。

また、スリットは、中間層を厚さ方向に切断していなくてもよい。つまり、図７に示すように中間層１３のセラミックス材１１との接合面１３ａ側、金属材１２との接合面１３ｂ側のいずれか一方（図ではセラミックス材側の接合面１３ａ）のみにスリット１３ｄが設けられていてもよく、図８に示すようにセラミックス材１１との接合面１３ａ側および金属材１２との接合面１３ｂ側の両方から厚さ方向途中までスリット１３ｅが設けられていてもよい。

１０ 接合体
１１ セラミックス材
１２ 金属材
１３ 中間層
１３ａ，１３ｂ 接合面
１３ｃ，１３ｄ，１３ｅ スリット
１４ 発泡グリーン
１４ａ 切れ目

Claims (5)

1. セラミックス材と金属材とが積層された接合体であって、
   前記セラミックス材と前記金属材との間に配置された三次元網目状の金属多孔質材からなる中間層を備え、
   この中間層に、前記セラミックス材または前記金属材との接合面に対して略垂直方向に延びるスリットが複数本設けられており、
   前記スリットは、前記接合面の最大長さＬ、前記金属材の熱膨張率α、前記セラミックス材の熱膨張率β、使用環境あるいは接合工程における最高温度と最低温度の差ΔＴｍａｘとして、前記スリットの各幅の合計Ｓが
   Ｗ＜Ｓ＜１０×Ｗ
   ただしＷ＝Ｌ×（α−β）×ΔＴｍａｘ
   を満たすことを特徴とするセラミックス材と金属材との接合体。
2. 前記中間層は、ステンレス鋼製またはＮｉ−Ｃｒ系耐熱合金製であって、気孔率が８０〜９５％であることを特徴とする請求項１に記載のセラミックス材と金属材との接合体。
3. セラミックス材と金属材とを積層して接合する方法であって、
   前記セラミックス材と前記金属材との間に、三次元網目状の金属多孔質材からなる中間層を配置し、前記セラミックス材と前記中間層との間、および前記中間層と前記金属材との間をロウ付けまたは拡散接合により接合し、前記中間層に前記セラミックス材との接合面または前記金属材との接合面に対して略垂直方向に延びるスリットを複数本設けておくものとし、
   前記スリットは、前記接合面の最大長さＬ、前記金属材の熱膨張率α、前記セラミックス材の熱膨張率β、使用環境あるいは接合工程における最高温度と最低温度の差ΔＴｍａｘとして、前記スリットの各幅の合計Ｓが
   Ｗ＜Ｓ＜１０×Ｗ
   ただしＷ＝Ｌ×（α−β）×ΔＴｍａｘ
   を満たすことを特徴とするセラミックス材と金属材との接合方法。
4. 前記中間層は、ステンレス鋼製またはＮｉ−Ｃｒ系耐熱合金製であって、気孔率が８０〜９５％であることを特徴とする請求項３に記載のセラミックス材と金属材との接合方法。
5. 前記金属材の表面に金属粉末含有発泡性スラリーを塗布して発泡、乾燥させて発泡グリーンを形成し、この発泡グリーンに切れ目を入れて焼結することにより、前記スリットを有する前記中間層を形成することを特徴とする請求項３または４に記載のセラミックス材と金属材との接合方法。
   

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