JPS6153174A - セラミツク接合用緩衝材 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の利用分野〕 本発明は、熱膨張率の異なるセラミックと金属の接合部
に挿入し、接合時の加熱冷却に伴う熱応力や使用時の熱
サイクルに伴う熱応力を緩和するためのセラミック接合
用緩衝材に関する。

〔発明の背景〕

一般にシリコンカーバイドやシリコンナイトライドのよ
うな熱膨張率が４．０ＸＩＯ″４／−ｃ以下と非常に小
さいセラミックと金属の接合は、接合温度を高くするに
つれて冷却時に発生する熱応力が高くなり、セラミック
が破壊されてしまうという問題がある。このため、７０
０℃以上の高い温度で接合する場合にはセラミックと金
属の間に両者の熱膨張差によって生じる熱応力を緩和す
るための緩衝材を用いなければならないが、この緩衝材
には従来から２通りの考え方がある。１つは緩衝材とし
て小さい応力で容易に弾性変形あるいは塑性変形する材
料を用い、セラミックと金属の接合部に発生する応力を
緩衝材の変形によって小さくするという方法で、これに
は第３図に示すように細い金属線を綿状にしてプレスし
たポーラスな材料を用いたものが既に実用化されている
。

（Ｄｅｓｉｇｎ　　Ｎｅｗｓ、１９７８．９、添付資料
） しかし、この方法は緩衝材自体が弱いため高強度の継手
が得られず、気密性や熱伝導性に劣る等の点から適用範
囲が限られていた。また他の１つの考え方は緩衝材とし
て熱膨張率がセラミック並に小さい材料を用いセラミッ
クとの接合部に高い熱応力を発生させない方法であるが
、現状では常温から１０００℃までの広い温度域に渡っ
て熱膨張率が３．５〜４．４Ｘ１０″′／°Ｃ程度の金
属は見い出されておらず、この方法での高温接合は実現
されていない、現状で熱膨張率の最も小さい金属はタン
グステン（４，５Ｘ１０＝　／”Ｃ）であるが、７００
°Ｃ以上の高温接合ではセラミックが破壊されてしまう
。

〔発明の目的〕

本発明の目的は、熱膨張率の異なるセラミックと金属を
７００°Ｃ以上の高温で高強度に接合でる緩衝材を提供
することにある。

〔発明の概要〕

前述したように、常温から１０００℃の温度域では金属
材料のうちタングステンが最も小さい熱膨張率４．５Ｘ
１０°′／℃を示すが、それでもＳｉＣ等の３．７Ｘ１
０４／’Ｃに比べると高い値であり、高温から冷却した
時の熱応力は高くなる。

しかし、セラミックに着目すると、ＳｉＣの中でも製造
法の違いによって４．０〜５．０ＸＩＯ−’／℃の範囲
のものがあり、ジルコン系のセラミックでは３．７〜４
．４Ｘ１０°６／℃の範囲の熱膨介 張車をもつものがある。熱応力は異なった熱膨張率の差
に比例して発生するため、隣接する異種材の熱膨張差を
小さくすることで熱応力を小さくできる。このため、金
属では得られないような低熱膨張率で、接合したいセラ
ミックの熱膨張率に近い熱膨張率をもつ中間緩衝材をセ
ラミックの中から選択し、またそのようなセラミックを
第１図に示すように多数段重ねることによって金属と接
合する部分のセラミックの熱膨張率を高くしてやれば、
７００℃以上の高い温度で接合してもセラミックを損傷
することなく強固な継手を得ることが可能となる。

〔発明の実施例〕

以下本発明の実施例を図面を用いて説明する。

第２図は、熱交換器に電気絶縁性、高熱伝導性のＳｉＣ
セラミック（商品名ヒタセラム）を用いた冷却構造部品
の組み立て接合構造を示す６図においてＳｉＣセラミッ
ク２０の上に、ＳｉＣとＺｒＢを焼結したリング状のセ
ラミックにＮｉをメタライズしたものでＳｉＣとＺｒＢ
の各比率を例えば９：１．５：５．１：９と各比率を変
えたものを下段はどＳｉＣの比率が高くなるように重ね
、その上にリング状のタングステン１２を置いて緩衝材
を構成し、その上に接合すべきステンレス製の枝パイプ
１０及び主パイプ７を配置し、金属と金属の接合界面に
は接合用のインサート材としてＮ１−Ｃｒ−Ｆｅ−Ｂ−
３ｉのはく９．１１を挿入した状態で、全体を不活性ガ
ス雰囲気中あるいは真空雰囲気中において１０００　”
Ｃに加熱し、圧力をかけて全接合箇所を一度に気密接合
している。半導体部品２２は、冷却構造体２４をつくっ
た後でＳｉＣセラミック２０の下の面にメタライズ膜２
３を介して半田付けされている。使用状態ではパイプ内
に冷却媒体８が流入され、半導体部品２２から発生する
熱をＳｉＣツセラミック２゜を介して冷却媒体８が受は
取り外部に排熱して冷却する。

本実施例によれば、ＳｉＣセラミックとステンレス製の
枝パイプを、ＳｉＣとＺｒＢからなるセラミックとタン
グステンによって構成される緩衝材によって、１０００
℃の高温で接合することが可能となるため、他の部位の
金属と金属の接合を同、時に行えるようになり接合工程
数を減らすことができる。また高融点のインサート材を
用いることができるため、インサート材の選定範囲が広
くなり冷却媒体に対して高耐食性の材質を用いることが
できるようになり、冷却構造部品としての信頼性向上が
図れる。

また第２図において、ＳｉＣセラミック２０とステンレ
ス製の枝パイプ１０を接合するための緩衝材を、各種成
分比率のセラミックを接合してつくったが、予めＳｉＣ
セラミックを焼結するときに各種成分比率のグリーンシ
ートを重ね、焼結によってＳｉＣセラミックを一体化し
てつくってもよい。

本実施例によれば、セラミックの接合箇所が少なくなる
ため、製品としての信頼性向上が図れる。

〔発明の効果〕

以上詳述したように１本発明によれば熱膨張率）＼大き
く異なるセラミックと金属を７００℃以上ｄ高温で高強
度に耐熱接合できる緩衝材を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の原理説明図、第２図は本発明の実施例
を示す図、第３図は従来例を示す図である。 １・・・セラミックの接合部材、２・・・金属の接合部
材、３・・・メタライズ膜、４．４′・・・ろう材、５
・・・緩衝材、６・・・セラミック製緩衝材、７・・・
ステンレス配管、８・・・冷媒、９．１１・・・金属接
合用インサート材、１０・・・枝パイプ、１２・・・タ
ングステンリング、１３．１５．１７．１９・・・セラ
ミック接合用インサート材、１４．１６．１８・・・成
分比率の異なる５ｉＣ−ＺｒＢセラミック、２０−・・
ＳｉＣセラ：ｚツタ、２１・・・はんだ、２２・・・発
熱体、２３・・・メタライズ膜。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、熱膨張率に差があるセラミックと金属を接合する場
   合において、両接合部材間に挿入する熱応力緩衝材が、
   接合すべきセラミックの熱膨張率より高く金属の熱膨張
   率より低い中間の熱膨張率を有するセラミックから構成
   されることを特徴とするセラミック接合用緩衝材。 ２、特許請求の範囲第１項において、熱応力緩衝用セラ
   ミックが２種以上の無機成分から成り、しかもその構造
   が成分比率を接合すべきセラミック側から金属側にかけ
   て段階的に変えた多層状となっており、セラミック側と
   金属側で熱膨張率が異なることを特徴とするセラミック
   接合用緩衝材。 ３、特許請求の範囲第２項において、多層状の熱応力緩
   衝用セラミックが、各成分比率の無機粉末と焼結助材を
   混合したがグリーンシートを多層に重ね、ホットプレス
   により一度に焼結して製造されることを特徴とするセラ
   ミック接合用緩衝材。 ４、特許請求の範囲第１項において、熱応力緩衝材が熱
   膨張率の少しづつ異なった別種のセラミックの板を多数
   枚重ねインサート金属を介して接合された構造となって
   いることを特徴とするセラミック接合用緩衝材。