KR20040044974A

KR20040044974A - 금속 또는 세라믹의 접합재 및 이것을 사용한 금속 또는세라믹의 접합 방법

Info

Publication number: KR20040044974A
Application number: KR10-2004-7004185A
Authority: KR
Inventors: 쯔기오 마스다
Original assignee: 혼다 기켄 고교 가부시키가이샤
Priority date: 2001-09-27
Filing date: 2002-09-24
Publication date: 2004-05-31
Also published as: DE60208591T2; JP4077181B2; DE60208591T8; KR100851692B1; WO2003029165A1; EP1431261A4; EP1431261B1; US20040195294A1; CN100509707C; US6923363B2; EP1431261A1; DE60208591D1; JP2003104783A; CN1558881A

Abstract

0.25 중량% 내지 18.0 중량%의 Mg 분말과, 25 내지 50 중량%의 수산기 용매와, 잔부의 AlN 분말을 포함하는 금속 또는 세라믹의 접합재가 개시되어 있다. 상기 성분의 접합재는 성분끼리 반응하여 대량의 반응열을 발생한다. 이 반응열은 모재나 접합 부품이 알루미늄 합금이고 그의 표면에 접합을 방지하는 차단층으로서의 강고한 산화막이 존재할 때에, 이 산화막을 열적으로 파괴한다.

Description

금속 또는 세라믹의 접합재 및 이것을 사용한 금속 또는 세라믹의 접합 방법 {Joining Agent for Metal or Ceramic, and Method for Joining Metal Articles or Ceramic Articles Using the Same}

금속 또는 세라믹제 부품끼리를 접합하는 방법으로서는 납땜법이나, 유기 접착제에 의한 접합법이 알려져 있다.

유기 접착제에 의한 접합법은 톨루엔 등의 유기 용제를 사용하기 때문에 작업 환경을 적정하게 유지하는 데 고가의 설비가 필요하게 된다. 게다가, 더러워진 유기 용제의 처리에도 고가의 설비가 필요하게 된다.

한편, 납땜법은 환경 및 폐액 처리가 문제가 되지 않지만, 땜납을 가한 모재 및 접합 부품을 진공 가열로에 넣고, 땜납이 용융하기까지의 온도 (640 ℃)까지 가열하지 않으면 안된다. 이와 같은 고온하에 모재 등을 두면, 모재의 표면과 내부와의 온도차나 모재의 상면과 하면과의 온도차에 의해 모재가 열변형한다. 이 열변형을 억제하기 위해서, 일반적으로 높은 압력으로 모재를 가압한다. 즉, 납땜법은 모재 등을 고온까지 가열하기 때문에, 변형 방지책을 강구하지 않으면 안되어 제조비가 증가한다.

본 발명은 금속 또는 세라믹제 부품끼리를 접합하기 위한, 무기 성분에 기초하는 접합재에 관한 것이고, 특히 가열함으로써 경화를 촉진하는 금속 또는 세라믹제 부품의 접합재, 및 이것을 사용한 금속 또는 세라믹제 부품의 접합 방법에 관한 것이다.

도 1은 본 발명에 의한 접합 방법으로 제조한 대전류용 파워 디바이스의 단면도.

도 2A 내지 2C는 본 발명에 의한 접합재를 사용하여 대전류용 파워 디바이스 부품을 접합하는 요령을 도시한 개략도.

도 3A 내지 3D는 도 2A 내지 2C와는 다른 조건 및 수순에 의한 대전류용 파워 디바이스 부품의 접합 요령을 도시한 개략도.

도 4A 내지 4C는 엔진의 실린더와 헤드와의 접합 요령을 도시한 개략도.

도 5는 실린더 블럭 부품의 접합 작업에 있어서의 준비 단계를 도시한 개략도.

도 6은 실린더에 대한 알루미늄 합금편의 삽입 요령을 도시한 개략도.

도 7은 도 6의 알루미늄 합금편 삽입 요령의 상세를 도시한 개략도.

도 8은 실린더 블럭 부품의 접합 작업에 있어서의 가열 요령을 도시한 개략도.

도 9는 완성한 실린더 블럭의 주요부 사시도.

본 발명의 제1 면은 0.25 중량% 내지 18.0 중량%의 Mg 분말과, 25 내지 50 중량%의 수산기 용매와, 잔부의 AlN 분말을 포함하는 금속 또는 세라믹의 접합재를 제공한다.

상기 성분의 접합재는 성분끼리 반응하여 대량의 반응열을 발생한다. 이 반응열은 모재나 접합 부품이 알루미늄 합금이고 그의 표면에 접합에 방해가 되는 차단층으로서의 강고한 산화막이 존재할 때, 그 산화막을 열적으로 파괴하게 된다.

상기 산화막을 파괴하기 위한 열을 얻는 방법에는 자기 발열과 외부에서 가하는 열을 합쳐서 얻는 방법과, 전량을 외부에서 가하는 열로 얻는 방법이 있다. 자기 발열과 외부에서 가하는 열을 합쳐서 얻을 때에는, 전량을 외부에서 가하는 경우와 비교하여 외부에서 가하는 열은 적게 된다. 외부에서 가하는 열이 적으면, 모재나 이에 접합하는 접합 부품의 온도 상승을 억제할 수 있다. 온도 상승을 억제할 수 있으면, 모재나 접합 부품의 온도를 보다 저온으로 할 수 있다. 온도를 여태까지 보다 저온으로 하면 열변형의 방지 대책을 각별히 강구할 필요가 없다. 만일 변형 방지책을 강구한다고 해도 이 방지책의 가압력은 저압으로 억제할 수 있다.

종래의 유기 접착제는 유해 가스가 발생하지만, 본 발명에서는 그와 같은 가스가 발생하지 않고 환경을 양호하게 유지할 수 있다.

상기 수산기 용제는 물이라면 좋다.

본 발명의 제2 면은 접합재를 구성하는 0.25 중량% 내지 18.0 중량%의 Mg 분말과, 25 내지 50 중량%의 수산기 용매와, 잔부의 AlN 분말 중에서 Mg 분말과 AlN 분말을 혼련하는 혼련 공정과,

도포 직전에, 상기 혼련 종료 분말에 25 내지 50 중량%의 수산기 용매를 혼합하는 혼합 공정과,

얻어진 접합재를, 금속 또는 세라믹을 포함하는 모재와 접합 부품 중 적어도 한편에 도포하는 도포 공정과,

접합재를 통해 모재에 접합 부품을 밀착시키는 밀착 공정과,

밀착시킨 모재 및 접합 부품을 150 내지 500 ℃로 가열하여 접합을 촉진하는 가열 공정을 포함하는 금속 또는 세라믹의 접합 방법을 제공한다.

분말은 수산기 용매를 가하기 전에, 혼련에 의해 균등하게 혼합하여 후속 반응이 일어나기 쉽게 한다.

혼련 종료 분말에 수산기 용매를 가하면 반응이 시작되기 때문에, 이 공정은 도포 직전에 실시한다.

강고한 산화막을 열적으로 파괴하기 위한 열은 자기 발열과 외부에서 가하는 열을 합쳐서 얻는다. 결과적으로, 150 내지 500 ℃로 가열하는 것만으로 강고한 산화막이 파괴된다. 150 내지 500 ℃는 외부 가열만으로 열을 얻을 때의 온도보다 충분히 저온이 된다.

<발명을 실시하기 위한 최선의 형태>

우선, 본 발명에 의한 접합재의 바람직한 성분 범위를 다음 수학식에 기초하여 설명한다.

AlN : Mg : H₂O = 8 : 3 : 12 (계수비)

= 328 : 72 : 216 (중량비)

= 53 중량% : 12 중량% : 35 중량%

AlN의 분자량 (원자량의 합)은 41이고, 이것을 8 배하면 328이 된다. Mg의 원자량은 약 24이고, 이것을 3 배하면 72가 된다. H₂O의 분자량은 18이고, 이것을 12 배하면 216이 된다.

따라서, 8 : 3 : 12 (계수비)는 중량비로 환산하면 328 : 72 : 216이 된다. 이것을 백분률로 환산하면 53 중량% : 12 중량% : 35 중량%가 된다. 즉, AlN의 바람직한 비율은 53 중량%, Mg의 바람직한 비율은 12 중량%, H₂O의 바람직한 비율은 35 중량%이다. 그러나, 실용적으로는 이러한 비율은 범위가 넓어질 수 있다.

실험 결과, Mg은 0.25 중량% 미만에서는 상기 반응이 충분히 진행되지 않았다. 또한, Mg이 18 중량%를 초과하면 Al₂Mg0₄가 과잉으로 생성되어 접합 강도가 저하하는 것을 알 수 있었다. 따라서, Mg은 0.25 내지 18 중량%의 범위로 한다.

또한, 수산기 용매는 25 중량% 미만이면 상기 반응이 불충분하게 되고, 또한 접합재가 페이스트상으로 되지 않아 도포를 양호하게 행할 수 없었다. 또한, 수산기 용매는 50 중량%를 초과하면 유동성이 지나치게 되어 도포를 행할 수 없었다.따라서, 수산기 용매는 25 내지 50 중량%의 범위로 한다.

다음에, 본 발명의 접합 방법으로 제조한 대전류용 파워 디바이스 (power device)를 단면으로 도시한 도 1을 참조한다.

대전류용 파워 디바이스 (10)는 반도체 소자 (11)와, 이 반도체 소자 (11)를 지지하는 절연 기재 (12)와, 이 절연 기재 (12)에 접합한 열확산기 (heat speader) (13)와, 이 열확산기 (13)에 본 발명의 접합재 (14)를 사용하여 접합한 방열판 (heat sink) (15)으로 이루어진다.

반도체 소자 (11)의 발열을 열확산기 (13), 방열판 (15)의 순으로 전달하여 외부로 방출함으로써, 반도체 소자 (11)의 온도 상승을 억제할 수 있다.

다음에, 각 구성 요소의 재료를 설명한다.

절연 기재 (12)는 질화 알루미늄으로 구성한다.

열확산기 (13)는 열전도율이 큰 알루미늄, 구리, 탄화 규소 (SiC)로 구성한다.

방열판 (15)도 열전도율이 큰 알루미늄, 구리, 탄화 규소로 구성한다.

다음에, 이상의 구성으로 이루어지는 대전류용 파워 디바이스를 위한 접합 방법을 도 2A 내지 2C에 기초하여 설명한다.

도 2A에 도시한 바와 같이, 반도체 소자 (11) 및 절연 기재 (12)를 구비한 열확산기 (13)와, 방열판 (15)과, 접합재 (14)를 준비하였다.

열확산기 (13)는 알루미늄 (순도 99.99 %), 방열판 (15)은 알루미늄 합금A5052 (JIS. 2.5 Mg, 0.25 Cr을 포함하는 알루미늄 합금)이고, 양자는 이종 금속이었다.

접합재 (14)로서는 AlN 분말 50 중량%와, Mg 분말 10 중량%와, 물 40 중량%를 준비하였다. 아울러, 방열판 (15)이나 열확산기 (13)가 알루미늄 또는 알루미늄 합금이기 때문에, 첨가재로서 AlN 분말의 7 배의 Al 분말을 준비하였다. 그리고, 우선, AlN 분말 (50 중량%)과 Mg 분말 (10 중량%)과 Al 분말 (AlN 분말의 7 배)을 막자사발로 충분히 혼련하였다. 이 혼련이 끝난 분말에 물 (40 중량)을 혼합하여 첨가재를 포함하는 접합재 (14)를 만들었다.

다음에, 도 2B에 도시한 바와 같이, 접합재 (14)를 열확산기 (13)에 도포한다. 이 접합재 (14)에 방열판 (15)을 위치시켰다. 접합재 (14)는 방열판 (15) 측에 도포하여도 좋다.

그 후, 도 2C에 도시한 바와 같이, 지지대 (16, 16)에 열확산기 (13)를 탑재하면서 진공 가열로 (18)에 모두 장입하였다. 이에 따라, 접합재 (14)에 방열판 (15)의 자중이 걸린다. 이 부하에 의한 가압력은 약 2 MPa이었다. 2 MPa에 달하지 않는 경우에는, 가상선으로 도시한 바와 같이, 부족분에 상당하는 추 (17)를 방열판 (15)에 올려놓으면 좋다. 그리고, 진공 가열로 내를 진공 배기하고, 다음에 질소를 불어 넣어 산소 농도 3 내지 20 ppm의 질소 분위기로 만들었다.

그리고, 목표 온도 150 ℃, 승온 속도 10 ℃/분으로 가열을 개시하여, 150 ℃ 도달 후에는 2 시간 방치하였다. 이 사이에 하기 화학식으로 표시되는 반응이 일어나, 그 결과 1120 kJ의 반응열이 발생하였다. 이 반응열은 모재나 접합 부품이 알루미늄 합금이고 그의 표면에 강고한 산화막이 존재할 때에, 이 산화막을 열적으로 파괴하는 열의 일부로서 기여한다.

8AlN + 3Mg + 12H₂O → 3Al₂Mg0₄+ 2Al + 8NH₃- 1120 kJ (반응열)

진공 가열로 (18)로부터 꺼낸 것이 도 1에 도시하는 파워 디바이스 (10)이다. 이 파워 디바이스 (10)의 기계적 성질을 조사하였다. 그 내용을 다음 표에 나타낸다.

모재	접합 부품	가열 온도	가압력	접합부 두께	인장 강도	파괴 부위
열확산기 (A5052)	방열판(순수 Al)	150 ℃	2 MPa	약 100 μm	약 20 MPa	접합 부품 내

접합부의 두께, 즉 접합재 (14)의 두께는 약 100 μm이고, 인장 시험기에 걸어 인장 강도를 측정하면서 인장 파괴 시험을 실시하였다. 그 결과, 인장 강도는 약 20 MPa이고, 파괴 부위는 접합 부품, 즉 열확산기 (13) 내였다. 따라서, 본 발명에 의한 접합재를 사용하여 본 발명의 방법으로 얻은 접합부는 종래의 접착 강도에 필적하는 강도가 있는 것을 확인할 수 있었다.

또한, 가열 온도를 150 ℃로 설정한 이유는 다음과 같다.

도 2A에서, 반도체 소자 (11)는 땜납에 의해서 절연재 (12)에 고정되어 있다. 이 땜납은 180 ℃에서 연화 또는 용해하기 때문에 도 2C에서의 가열은 180 ℃ 미만으로 실시할 필요가 있다.

한편, 본 발명의 접합재 (14)는 자기 발열을 기대할 수 있기 때문에, 125 ℃의 외부 가열은 종래에 필적하는 강도가 얻어지는 것을 확인할 수 있었다.

그래서, 125 ℃와 180 ℃의 중간을 잡아 실시예에서는 150 ℃로 하였다.

다만, 접합 강도는 온도에 의존하기 때문에, 고강도를 목적으로 하여 외부 가열 온도를 180 ℃ 이상으로 하는 요구도 있다. 이를 위한 실시예를 도 3A 내지 3D에 기초하여 다음에 설명한다.

우선, 도 3A에 도시한 바와 같이, 열확산기 (13)와, 방열판 (15)과, 접합재 (14)를 준비하였다. 열확산기 (13)는 알루미늄 (순도 99.99 %), 방열판 (15)은 알루미늄 합금 A5052 (2.5 Mg, 0.25 Cr을 포함하는 알루미늄 합금)이고, 양자는 이종 금속이었다.

접합재 (14)로서는 AlN 분말 50 중량%와, Mg 분말 10 중량%와, 물 40 중량%를 준비하였다. 아울러, 방열판 (15)이나 열확산기 (13)가 알루미늄 또는 알루미늄 합금이기 때문에, 첨가재로서 AlN 분말의 7 배의 Al 분말을 준비하였다. 그리고, 우선, AlN 분말 (50 중량%)과 Mg 분말 (10 중량%)과 Al 분말 (AlN 분말의 7 배)을 막자사발로 충분히 혼련하였다. 이 혼련이 끝난 분말에 물 (40 중량)을 혼합하여 첨가재를 포함하는 접합재 (14)로 만들었다.

다음에, 도 3B에 도시한 바와 같이, 접합재 (14)를 열확산기 (13)에 도포하였다. 이 접합재 (14)에 방열판 (15)을 위치시켰다. 접합재 (14)는 방열판 (15) 측에 도포하여도 좋다.

그 후, 도 3C에 도시한 바와 같이, 지지대 (16, 16)에 열확산기 (13)를 탑재하면서 진공 가열로 (18)에 모두 장입하였다. 이에 따라, 접합재 (14)에 방열판 (15)의 자중이 걸린다. 이 부하에 의한 가압력은 약 2 MPa이었다. 2 MPa에 달하지 않는 경우에는, 부족분에 상당하는 추를 방열판 (15)에 올려놓으면 좋다. 그리고, 진공 가열로 (18) 내를 진공 배기하고, 계속해서 질소를 불어 넣어 산소 농도 3 내지 20 ppm의 질소 분위기로 만들었다.

그리고, 목표 온도 600 ℃, 승온 속도 10 ℃/분으로 가열을 개시하여, 600 ℃ 도달 후에는 2 시간 방치하였다.

마지막으로, 진공 가열로 (18)로부터 꺼내어 뒤집은 후의 열확산기 (13)에 반도체 소자 (11) 및 절연 기재 (12)를 땜납 등으로 부착하였다. 이에 따라, 도 3D에 도시한 바와 같이, 대전류용 파워 디바이스가 완성되었다.

다음에, 본 발명의 접합 방법을 엔진 부품의 접합에 적용한 예를 도 4A 내지 4C에 기초하여 설명한다.

우선, 도 4A에 도시한 바와 같이, 엔진의 실린더부 (21)와, 핀 (22)을 구비한 헤드 (23)를 준비하였다. 볼트 (24)는 실린더부 (21)에 미리 부착하여 두었다. 실린더부 (21)의 재질은 알루미늄 다이 주조품 (JIS-ADC-12)이고, 헤드 (23)의 재질도 알루미늄 다이 주조품 (JIS-ADC-12)이었다.

그리고, 실린더부 (21)의 상면에 접합재 (14)를 도포하였다. 이 접합재 (14)는 먼저 설명한 것과 동일한 조성물이었다.

다음에, 도 4B에 도시한 바와 같이, 실린더부 (21)에 헤드 (23)를 탑재하고, 볼트 (24)에 너트 (25)를 끼고 돌려 헤드 (23)를 실린더부 (21)에 압착하였다. 이 가압력은 2 MPa로 조정하였다. 즉, 볼트 (24), 너트 (25)가 기계식 잭 (jack)의 작용을 한다. 이대로, 실린더부 (21) 및 헤드 (23)를 진공 가열로 (18)에 넣었다. 진공 가열로 (18) 내를 진공 배기하고, 다음에 질소를 불어 넣어 산소 농도 3 내지20 ppm의 질소 분위기로 만들었다.

그리고, 목표 온도 400 ℃, 승온 속도 10 ℃/분으로 가열을 개시하여, 400 ℃에 도달한 후에는 2 시간 방치하였다. 이 사이에 다음 반응식으로 표시되는 반응이 일어나, 그 결과 1120 kJ의 반응열이 발생하였다. 이 반응열은 모재나 접합 부품이 알루미늄 합금이고 그의 표면에 강고한 산화막이 존재할 때에, 이 산화막을 열적으로 파괴하는 열의 일부가 된다.

8AlN + 3Mg + 12H₂O → 3Al₂Mg0₄+ 2Al + 8NH₃- 1120 kJ (반응열)

마지막으로, 도 4C에 도시한 바와 같이, 진공 가열로로부터 꺼내어 볼트·너트를 제거하여, 완성한 실린더부·헤드 조립체 (20)를 얻었다. 종래에는, 실린더부에 볼트로 헤드를 결합시켰었지만 본 발명에서는 접합재 (14)로 양자를 결합하였다.

실린더부·헤드 조립체 (20)의 기계적 성질을 조사하였다. 그 내용을 다음 표에 나타낸다.

모재	접합 부품	가열 온도	가압력	접합부 두께	인장 강도	파괴 부위
실린더부 (ADC12)	헤드 (ADC12)	400 ℃	2 MPa	약 85 μm	약 75 MPa	모재 내

접합부의 두께, 즉 접합재 (14)의 두께는 약 85 μm이고, 인장 시험기에 걸어 인장 강도를 측정하면서 인장 파괴 시험을 실시하였다. 그 결과, 인장 강도는 약 75 MPa이고, 파괴 부위는 모재, 즉 실린더부 (21) 내였다. 따라서, 본 발명에 의한 접합재를 사용하여 본 발명의 방법으로 얻은 접합부는 충분히 강도가 있음을 확인할 수 있었다.

접합재의 접합을 촉진하기 위해서 외부에서 실시하는 가열 온도에 대해서는, 종래와 같은 강도를 얻기 위해서는 125 ℃ 이상으로 할 필요가 있다. 또한, 납땜 온도 (약 640 ℃) 보다 저온으로 하여 온도 변형을 방지하는 것을 고려하면, 600 ℃를 넘지 않도록 하는 것이 바람직하다. 그래서, 외부 가열 온도는 125 내지 600 ℃로부터 선택한다.

게다가, 소정 이상의 강도를 확보하기 위해서는 150 ℃가 필요하고, 온도 변형의 발생을 충분히 억제하기 위해서는 500 ℃를 넘지 않도록 할 필요가 있다. 그래서, 바람직한 외부 가열 온도는 150 내지 500 ℃로부터 선택한다.

또한, 본 발명의 접합재에 첨가하는 첨가재는 모재나 접합 부품의 성질에 맞추어 적절하게 변경한다. 예를 들면, 접합면에 Ni 도금을 하는 경우 첨가재는 Ni 분말로 한다.

다음에, 본 발명의 접합 방법을 실린더 블럭의 제조에 적용한 예를 도 5 내지 도 9에 기초하여 설명한다.

우선, 도 5에 도시한 바와 같이, 알루미늄 주물제의 실린더 블럭 (30)과, 알루미늄 합금편 (34)과, 접합재 (14)를 준비하였다. 이들의 상세를 순서대로 설명한다.

실린더 블럭 (30)은 실린더 (31, 31)를 둘러싸는 수냉 쟈켓부 (32, 32)가 실린더 헤드와 일치하여 면 (33)에 링형으로 개구를 형성하고 있으면서, 인접하는 실린더 (31, 31)끼리를 근접시켜 실린더 간격을 좁힌 알루미늄 주조품이다. 본 예와 같이 인접하는 실린더 (31, 31)끼리를 근접시킨 것을 사이어미즈 (Siamese)형 실린더 블럭이라고 한다. 알루미늄 주조품은 바람직하게는 JIS-ADC-12로 성분 규정되는 알루미늄 다이 주조품으로 한다.

알루미늄 합금편 (34)은 수냉 쟈켓부 (32)의 간극에 대응하는 두께를 가지며, 주조품, 압연재의 어느 것이어도 좋다.

도 6에 있어서, 도면 좌측의 알루미늄 합금편 (34)의 양면에 접합재 (14, 14)를 도포한 후에, 이 알루미늄 합금편 (34)을 화살표와 같이 수냉 쟈켓부 (32)에 삽입하였다. 도면 우측의 알루미늄 합금편 (34)도 마찬가지이었다.

도 7을 참조하면, 수냉 쟈켓부 (32)는 이형이 용이하도록 개구 (35)를 향하여 넓어지는 테이퍼 형상으로 만드는 것이 바람직하다. 주조 후에, 형으로부터 실린더 블럭을 쉽게 제거할 수 있기 때문이다. 이 때의 구배 (θ1)는 주조형에 설치하는 이형 구배에 상당한다.

이에 대응시켜, 알루미늄 합금편 (34)도 하단의 두께 (t1) 보다 상단의 두께 (t2)가 커지는 쐐기형 단면으로 하는 것이 바람직하다. 이 합금편의 테이퍼각을 θ2로 한다.

원칙적으로는 θ1 = θ2로 설정하지만, θ1 < θ2로 설정할 수도 있다.

그 이유는 다음과 같다. θ1 < θ2로 설정하면, 강한 힘으로 알루미늄 합금편 (34)을 수냉 쟈켓부 (32)에 압입할 필요가 있다. 압입 결과, 접합재 (14, 14)에 반응력 (압축력)이 작용한다.

다음에, 도 8에 도시한 바와 같이, 진공 가열로 (40)에 실린더 블럭 (30)을 장입하였다. 이 때, 접합재 (14, 14)에 약 2 MPa의 압축력을 작용시키는 것이 바람직하고, 그 수단은 상술한 쐐기 작용, 그 밖의 기계적 클램프, 또는 임의의 또다른 방식 중 어느 것이어도 좋다.

그리고, 진공 펌프 (41)를 작동시켜 가열로 내를 진공 배기하였다. 즉, 압력 제어부 (42)는 압력 센서 (43)로써 가열로 내의 압력을 검출하여, 진공 펌프 (41)를 작동시켜 가열로 내압을 소정의 진공압에 도달시킨다.

다음에, 질소 용기 (44) 또는 아르곤 가스 등을 충진한 불활성 가스 용기 (45)로부터 화로 안으로 가스를 불어 넣어 가열로 내를 산소 농도 3 내지 20 ppm의 질소 분위기 또는 불활성 가스 분위기로 하였다.

계속해서, 목표 온도 400 ℃, 승온 속도 10 ℃/분으로 가열을 개시하여, 400 ℃ 도달 후에는 2 시간 방치하였다. 즉, 온도 제어부 (46)는 온도 센서 (47)로써 가열로 내의 온도를 검출하여 가열기 (48, 48)의 입열을 조정하면서, 상기 승온 속도로 목표 온도까지 가열로 내를 승온하였다.

이 사이에, 다음에 표시되는 반응식으로 표시되는 반응이 일어나, 그 결과 1120 kJ의 반응열이 발생하였다. 이 반응열은 모재나 접합 부품이 알루미늄 합금이고 그의 표면에 강고한 산화막이 존재할 때에, 이 산화막을 열적으로 파괴하는 열의 일부가 된다.

8AlN + 3Mg + 12H₂O → 3Al₂Mg0₄+ 2Al + 8NH₃- 1120 kJ (반응열)

마지막으로, 가열로 (40)로부터 꺼내어 도 9에 도시한 것과 같은 완성한 실린더 블럭 (30)을 얻었다. 이 실린더 블럭 (30)은 실린더 (31, 31)를 둘러싸고,실린더 헤드와 일치하여 면 (33)에 링형으로 개구를 형성하고 있는 수냉 쟈켓부 (32, 32)에 복수개의 알루미늄 합금편 (34)을 삽입하여 접합재로 고정한 것이었다.

이 실린더 블럭 (30)을 대상으로 알루미늄 합금편 (34)의 접착 강도를 조사하였다. 그 내용을 다음 표에 나타낸다.

모재	접합 부품	가열 온도	가압력	접합부 두께	인장 강도	파괴 부위
실린더 블럭 (ADC12)	알루미늄합금편	400 ℃	2 MPa	약 85 μm	약 75 MPa	접합 부품 내

접합부 두께, 즉 접합재 (14)의 두께는 약 85 μm이고, 인장 시험기에 걸어, 인장 강도를 측정하면서 인장 파괴 시험을 실시하였다. 그 결과, 인장 강도는 약 75 MPa이고, 파괴 부위는 접합 부품 내, 즉 알루미늄 합금편 (34)이었다. 따라서, 본 발명에 의한 접합재를 사용하여 본 발명의 방법으로 얻은 접합부는 충분히 강도가 있는 것임을 확인할 수 있었다.

접합재의 접합을 촉진하기 위해서 외부에서 실시하는 가열 온도에 관해서는, 종래와 같은 강도를 얻기 위해서는 125 ℃ 이상으로 할 필요가 있고, 또한 납땜 온도 (약 640 ℃) 보다 저온으로 하여 온도 변형을 방지하는 것을 고려하면, 600 ℃를 넘지 않도록 하는 것이 바람직하다. 그래서, 외부 가열 온도는 125 내지 600 ℃로부터 선택한다.

게다가, 일정 이상의 강도를 확보하기 위해서는 150 ℃는 필요하고, 온도 변형의 발생을 충분히 억제하기 위해서는 500 ℃를 넘지 않도록 할 필요가 있다. 그래서, 바람직한 외부 가열 온도는 150 내지 500 ℃로부터 선택한다.

또한, 본 발명의 접합재에 첨가하는 첨가재도 모재나 접합 부품의 성질에 맞추어 적절하게 변경한다. 예를 들면, 접합면에 Ni 도금을 실시하는 경우 첨가재는 Ni 분말로 한다.

또한, 알루미늄 합금편을 수냉 쟈켓부의 개구에 맞는 알루미늄 합금제 링으로 변경하여도 좋다. 이와 같은 링에 접합재를 도포한 후에 수냉 쟈켓부의 개구에 셋팅하고 가열하여 고정하면, 클로즈 데크 (closed deck)형 실린더 블럭을 얻을 수 있다. 오픈 데크 (open deck)형 실린더 블럭은 주조 비용이 적고, 클로즈 데크형 실린더 블럭은 주조 비용이 커진다. 그래서, 주조 단계에서는 오픈 데크형 실린더 블럭으로 하고 본 발명의 방법을 적용하여 클로즈 데크형 실린더 블럭으로 변화시키면, 주조 비용을 낮출 수 있다.

게다가, 실시예에서는 2 기통 실린더 블럭에 대해서 설명하였지만, 실린더 블럭에 구비하는 실린더의 수는 1 또는 3 이상일 수도 있다. 또한, 본 발명은 사이어미즈형 실린더 블럭에 한정하지 않고, 비-사이어미즈형 실린더 블럭에도 적용 가능하다.

본 발명에 의한 접합재 및 접합 방법은 금속 또는 세라믹제의, 예를 들면 엔진 부품이나 대전류용 파워 디바이스 부품의 접합을 양호하게 실현하기 때문에, 엔진 제조나 전기 기기 제조의 분야에 유용하다.

Claims

0.25 중량% 내지 18.0 중량%의 Mg 분말과, 25 내지 50 중량%의 수산기 용매와, 잔부의 AlN 분말을 포함하는 것을 특징으로 하는 금속 또는 세라믹의 접합재.
제1항에 있어서, 상기 수산기 용매가 물인 것을 특징으로 하는 금속 또는 세라믹의 접합재.
접합재를 구성하는 0.25 중량% 내지 18.0 중량%의 Mg 분말과, 25 내지 50 중량%의 수산기 용매와, 잔부의 AlN 분말 중에서 Mg 분말과 AlN 분말을 혼련하는 혼련 공정과,

도포 직전에, 상기 혼련 종료 분말에 25 내지 50 중량%의 수산기 용매를 혼합하는 혼합 공정과,

얻어진 접합재를 금속 또는 세라믹을 포함하는 모재와 접합 부품 중 적어도 한편에 도포하는 도포 공정과,

접합재를 통해 모재에 접합 부품을 밀착시키는 밀착 공정과,

밀착시킨 모재 및 접합 부품을 150 내지 500 ℃로 가열하여 접합을 촉진하는 가열 공정을 포함하는 금속 또는 세라믹의 접합 방법.