JP2004255416A - Joining method for carbon based copper composite material and ceramics or copper - Google Patents
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Abstract
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は炭素基銅複合材とセラミックスとの接合方法又は炭素基銅複合材と銅との接合方法の改良に関する。
【0002】
【従来の技術】
ある種のパワーモジュール(特にそれのヒートシンク)に、炭素部材とセラミックス又は金属を接合して一体化した構造のものが実用化されている。このときの接合、一体化が異種材料同士の場合に問題となる。
【0003】
例えば、ボルトで一体化した場合には、ボルトから離れた部位に隙間が発生しやすく、高い密着性が得られない。
ろう付けや半田付けで一体化しようとすると、ろうや半田が炭素部材やセラミックス又は金属から剥がれやすい。すなわち、炭素部材はろう材や半田と濡れ性が悪く、接合性が悪い。また、セラミックス又は金属の表面に薄い酸化物膜が存在し、この酸化物膜がろうや半田との濡れ性が悪く、接合を阻害する。
【0004】
以上のボルト締めやろう付け法によらぬ接合方法が各種提案されてきた。
すなわち、ろう材を使用せずにTiにより接合する技術が提案されている(例えば、特許文献1。)。
また、ろう材を使用せずにTi及び水素ガスの使用により接合する技術が提案されている(例えば、特許文献2。)。
【0005】
【特許文献1】
特開平9−208335号公報(請求項9)
【特許文献2】
特開昭59−137373公報(特許請求の範囲第9項、第11項)
【0006】
特許文献1の請求項9に「炭素部材の表面に予めTi膜を形成する工程と、次に前記Ti膜の表面にCuとMn又はCuとPを主成分とする組成物を配置する工程と、次にこれを非酸化性雰囲気中で前記組成物の融点以上に加熱する工程によって前記炭素部材の表面に金属化膜を形成することを特徴とする炭素部材の複合化方法。」との記載がある。
【0007】
特許文献2の特許請求の範囲第9項に「接合するときの加熱雰囲気は、H2ガス中・・・以下省略」との記載がある。
また、特許文献2の特許請求の範囲第11項に「接合するときの加熱雰囲気は、N2ガス中・・・以下省略」との記載がある。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】
特許文献1に記載されたTiは、炭素部材のCと反応してTiCになり、良好な接合性を発揮することが知られている。
しかし、本発明者らの研究では、Tiの表面に薄い酸化物膜が存在する。この酸化物膜はCとTiとの接触を妨害する。その為に、C+Tiの反応が不活発になり、接合不良を引き起こすことが分かった。
【0009】
この点、特許文献2に記載のH2ガスは還元性に富み、酸化物膜を破壊して、C+Tiの反応を促す作用をなす。
しかし、H2ガスは高価であり、また、爆発しやすいガスであるため、その管理コストが嵩む。
【0010】
また、本発明者らの研究では特許文献2に記載のN2ガスはTiと反応してTiNを生成し、このTiNがCとTiとの接触を妨害し、接合不良を引き起こすことが分かった。
【0011】
そこで、本発明の目的は低コストで且つ接着性を高めることのできる炭素基銅複合材とセラミックスとの接合方法又は炭素基銅複合材と銅との接合方法を提供することにある。
【0012】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために請求項1は、炭素基銅複合材とセラミックスとの接合方法又は炭素基銅複合材と銅との接合方法において、炭素基銅複合材とセラミックスとの間又は炭素基銅複合材と銅との間に、Ti並びにMgを含む接合材を介在させ、この多層体を窒素ガス雰囲気下で前記接合材の融点以上の温度に加熱し、生成したMg3N2で炭素基銅複合材の銅表面やセラミックス又は銅表面の酸化物膜を還元し、Tiと炭素との結合を促して炭素基銅複合材とセラミックス又は銅を接合することを特徴とする。
【0013】
接合材にTiのみならずMgを加えたことを特徴とする。Mg(固体)は加熱すると昇華してMg(ガス)になり、雰囲気の窒素と結合してMg3N2になる。このMg3N2は、標準生成エネルギーの観点からTiNより安定する。この結果、TiNの生成を抑えることができる。
【0014】
加えて、Mg3N2は強い還元作用を発揮し、炭素基銅複合材の銅表面やセラミックス又は銅表面の酸化物膜を還元し、除去する。酸化物膜が除去されて濡れ性の増したセラミックス又は銅に、TiN化しないTiが良好に浸透し、TiCなどが生成できるため、接着性を格段に高めることができる。
【0015】
加熱雰囲気は、窒素であり、窒素は安価であり、爆発の危険もない。従って、本発明によれば、接合に要するコストを大幅に下げることができる。
【0016】
請求項2では、接合材は、Tiを含む銅合金箔と、この箔の両面に配置したMg又はMg合金と、からなることを特徴とする。
Tiを含む銅合金箔は、入手容易であり且つ粉末に比較して取扱いが容易である。従って、請求項2によれば、接合に要するコストを更に下げることができる。
【0017】
請求項3では、融点以上の温度は、885℃〜1083℃であることを特徴とする。
Cu組成が80%を超えるTi系銅合金の融点は885℃であるので、加熱温度が885℃未満では接合材の溶融が不十分となり接着不良が起こる。また、加熱温度が1083℃を超えると、炭素基銅複合材から銅が流れ出し、製品品質が低下する。
接着不良を回避すると共に製品品質を良好に保つために、加熱温度は885℃〜1083℃の範囲に留める。
【0018】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態を添付図に基づいて以下に説明する。
図1(a)〜(d)は本発明での材料準備からるつぼ充填までの作用説明図(第1実施例)である。
(a)において、セラミックスとしてのSi3N4板11と、接合材を構成するためのMg粉末12と、接合材を構成するためのCuTi合金箔13と、炭素基銅複合材14とからなる出発材料を準備する。炭素基銅複合材14は、図面ではC/Cuと表記する。
【0019】
CuTi合金箔13は、例えば80μmの板を用いる。CuTi合金箔13は厚すぎると熱伝導が悪くなり、ヒートシンク等の接合としては好ましくない。従って、厚さは製造が可能であれば、より薄くすることが望ましい。
CuTi合金箔13は、例えばTiが3質量%で残りがCuの合金を用いる。
【0020】
(b)において、るつぼ15に、先ずSi3N4板11を置き、このSi3N4板11に10mg/cm2の割合でMg粉末12を載せる。10mg/cm2は、5〜20mg/cm2の範囲から選択することができる。5mg/cm2未満では還元作用が弱くなり、20mg/cm2を超えるとMgの溶融が多くなりすぎる。
【0021】
(c)において、CuTi合金箔13を載せ、このCuTi合金箔13に10mg/cm2の割合でMg粉末12を載せる。
【0022】
(d)において、炭素基銅複合材14を載せる。これで、るつぼ15への充填が完了する。さらには、炭素基銅複合材14に別のセラミックス製ウエイト(図示せず。)を載せ、1kg/cm2程度の押し圧を付与することが望ましい。接合をより確実にすることができるからである。
【0023】
図2は本発明での加熱要領図(第1実施例)であり、加熱手段21や窒素ガス吹込み手段22やガス抜き手段23を備えた加熱炉20に、るつぼ15を装入する。そして、炉内の空気を窒素ガスに置換して、窒素ガス雰囲気にする。次に、加熱手段21にて炉内を900℃まで加熱し、900℃に保持する。
【0024】
900℃は、885〜1083℃の範囲で変更することが可能である。Cu組成が80%を超えるTi系銅合金の融点は885℃であるので、加熱温度が885℃未満では接合材の溶融が不十分となり接着不良が起こる。また、加熱温度が1083℃を超えると、炭素基銅複合材から銅が流れ出し、製品品質が低下する。
上記加熱により加熱炉20内及びるつぼ15内で次の反応が起こる。
【0025】
【化1】
【0026】
▲1▼式に示すとおりに、Mg粉末12が、昇華してMg(ガス)となる。すると、▲2▼式に示すとおりに、Mgが雰囲気のN2と反応してMg3N2が生成する。このMg3N2は強い還元作用を発揮する。
【0027】
CuTi合金箔13に含まれるTiが雰囲気のN2と反応するか否かを検討する。前記Mg3N2は、標準生成エネルギーの観点からTiNより安定する。不安定なTiNは仮に生成したとしてもその形で存在することはない。そのため安定したMg3N2が主として生成し、不安定なTiNは実質的に生成しない。Tiの形で存在すれば、Tiは濡れ性促進剤としての役割を果たす。
【0028】
ところで、図1(a)において、セラミックスとしてのSi3N4板11には表面に酸化物膜としてのSiO2が存在する。
CuTi合金箔13には、表面に酸化物膜としてのTiO2及び/又はCuO(酸化第2銅)が存在する。
炭素基銅複合材14の銅表面には、CuO(酸化第2銅)が存在すると、考えられる。
【0029】
以上の酸化物膜SiO2、TiO2、CuOは次の反応(Mg3N2による還元反応)により、Si、Ti、Cuに変化し、実質的に酸化物膜が除去される。
【0030】
【化2】
【0031】
すなわち、▲3▼式により酸化物膜SiO2が除去され、▲4▼式により酸化物膜TiO2が除去され、▲5▼式により酸化物膜CuOが除去される。これで、Si3N4板11及び炭素基銅複合材14は溶融金属(溶融接合材)との濡れ性が高まる。
【0032】
900℃の加熱により、溶融金属(溶融接合材)はSi3N4板11及び炭素基銅複合材14に浸透し、良好な接着が行える。特に接着が困難な炭素基銅複合材14においては、TiCの生成により結合力を高めることができる。
【0033】
図3は本発明方法で製造した接合体の断面図(第1実施例)であり、接合体25は、Si3N4板11と、CuTi合金箔13と、炭素基銅複合材14とからなるが、炭素基銅複合材14はCuTi合金箔13を介してSi3N4板11に強固に接合できた接合物である。
【0034】
図1において、セラミックスとしてのSi3N4板11は、SiN、SiO2や、AlN、Al2O3やTiCであってもよい。その理由は次の通りである。
Si3N4、SiO2での酸化物膜はSiO2であり、上記▲3▼式により還元できる。AlN、Al2O3での酸化物膜はAl2O3であり、同様にMg3N2での還元が可能である。TiCでの酸化物膜はTiO2であり、上記▲4▼式により還元できる。
すなわち、セラミックスは酸化物、窒化物、炭化物、硼化物など何れでもよい。
【0035】
以上に説明した第1実施例の別実施例を次に説明する。別実施例としての第2実施例は、前記第1実施例と重複する部分が多いが、正確を期すために詳しく説明する。
図4(a)〜(d)は本発明での材料準備からるつぼ充填までの作用説明図(第2実施例)である。
(a)において、銅板26と、接合材を構成するためのMg粉末12及びCuTi合金箔13と、炭素基銅複合材14とからなる出発材料を準備する。
【0036】
CuTi合金箔13は、例えば80μmの板を用いる。
CuTi合金箔13は、例えばTi3質量%で残りがCuの合金を用いる。
【0037】
(b)において、るつぼ15に、先ず銅板26を置き、この銅板26に10mg/cm2の割合でMg粉末12を載せる。
(c)において、CuTi合金箔13を載せ、このCuTi合金箔13に10mg/cm2の割合でMg粉末12を載せる。
(d)において、炭素基銅複合材14を載せる。これで、るつぼ15への充填が完了する。
【0038】
図5は本発明での加熱要領図(第2実施例)であり、加熱手段21や窒素ガス吹込み手段22やガス抜き手段23を備えた加熱炉20に、るつぼ15を装入する。そして、炉内の空気を窒素ガスに置換して、窒素ガス雰囲気にする。次に、加熱手段21にて炉内を900℃まで加熱し、900℃に保持する。
【0039】
上記加熱により加熱炉20内及びるつぼ15内で次の反応が起こる。
【0040】
【化3】
【0041】
▲6▼式に示すとおりに、Mg粉末12が、昇華してMg(ガス)となる。すると、▲7▼式に示すとおりに、Mgが雰囲気のN2と反応してMg3N2が生成する。このMg3N2は強い還元作用を発揮する。
【0042】
ところで、図4(a)において、銅板26には表面に酸化物膜としてのCuOが存在する。
CuTi合金箔13には、表面に酸化物膜としてのTiO2及び/又はCuOが存在する。
炭素基銅複合材14の銅表面には、CuOが存在すると、考えられる。
【0043】
以上の酸化物膜TiO2、CuOは次の反応(Mg3N2による還元反応)により、Ti、Cuに変化し、実質的に酸化物膜が除去される。
【0044】
【化4】
【0045】
すなわち、▲8▼式により酸化物膜TiO2が除去され、▲9▼式により酸化物膜CuOが除去される。これで、銅板26及び炭素基銅複合材14は溶融金属との濡れ性が高まる。
【0046】
900℃での加熱により、溶融金属(溶融接合材)はSi3N4板11及び炭素基銅複合材14に浸透し、良好な接着が行える。特に接着が困難な炭素基銅複合材14においては、TiCの生成により結合力を高めることができる。
【0047】
図6は本発明方法で製造した接合体の断面図(第2実施例)であり、接合体27は、銅板26と、炭素基銅複合材14とからなる。図5に示したCuTi合金箔13は銅板26と一体化するために実質的に2層になった。炭素基銅複合材14は一体化したCuTi合金箔13を介して銅板26に強固に接合できた接合物である。
【0048】
尚、実施例では、接合材としてCuTi合金箔にMg粉末を組合わせが接合材はCuTiMg合金箔であってもよい。又は接合材はCu粉末+Ti粉末+Mg粉末からなる金属粉末混合物に置換えることもできる。
CuTiMg合金箔は取扱いの点で最良である。CuTi合金箔にMg粉末を組合わせたものは、Mg粉末が入手容易である点からコストダウンに好適である。
【0049】
【発明の効果】
本発明は上記構成により次の効果を発揮する。
請求項1は、接合材にTiのみならずMgを加えたことを特徴とする。Mg(固体)は加熱すると昇華してMg(ガス)になり、雰囲気の窒素と結合してMg3N2になる。このMg3N2は、標準生成エネルギーの観点からTiNより安定する。この結果、TiNの生成を抑えることができる。
【0050】
加えて、Mg3N2は強い還元作用を発揮し、炭素基銅複合材の銅表面やセラミックス又は銅表面の酸化物膜を還元し、除去する。酸化物膜が除去されて濡れ性の増したセラミックス又は銅に、TiN化しないTiが良好に浸透し、TiCなどが生成できるため、接着性を格段に高めることができる。
【0051】
加熱雰囲気は、窒素であり、窒素は安価であり、爆発の危険もない。従って、本発明によれば、接合に要するコストを大幅に下げることができる。
従って、請求項1によれば、低コストで且つ接着性を高めることのできる炭素基銅複合材とセラミックスとの接合方法又は炭素基銅複合材と銅との接合方法を提供することができる。
【0052】
請求項2では、接合材は、Tiを含む銅合金箔と、この箔の両面に配置したMg又はMg合金と、からなることを特徴とする。Tiを含む銅合金箔は、入手容易であり且つ粉末に比較して取扱いが容易である。従って、請求項2によれば、接合に要するコストを更に下げることができる。
【0053】
請求項3では、融点以上の温度は、885℃〜1083℃であることを特徴とする。加熱温度が885℃未満では接合材の溶融が不十分となり接着不良が起こる。また、加熱温度が1083℃を超えると、炭素基銅複合材から銅が流れ出し、製品品質が低下する。
接着不良を回避すると共に製品品質を良好に保つために、加熱温度は885℃〜1083℃の範囲に留める。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明での材料準備からるつぼ充填までの作用説明図(第1実施例)
【図2】本発明での加熱要領図(第1実施例)
【図3】本発明方法で製造した接合体の断面図(第1実施例)
【図4】本発明での材料準備からるつぼ充填までの作用説明図(第2実施例)
【図5】本発明での加熱要領図(第2実施例)
【図6】本発明方法で製造した接合体の断面図(第2実施例)
【符号の説明】
11…セラミックスとしてのSi3N4板、12…接合材を構成するためのMg粉末、13…接合材を構成するためのCuTi合金箔、14…炭素基銅複合材、20…加熱炉、21…加熱手段、22…窒素ガス吹込み手段、25、27…接合体、26…銅板。[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to an improvement in a method for joining a carbon-based copper composite and ceramics or a method for joining a carbon-based copper composite and copper.
[0002]
[Prior art]
2. Description of the Related Art A power module (particularly, a heat sink thereof) having a structure in which a carbon member and a ceramic or metal are joined and integrated has been put to practical use. At this time, the joining and the integration become problematic when different materials are used.
[0003]
For example, when integrated with a bolt, a gap is likely to be generated in a portion away from the bolt, and high adhesion cannot be obtained.
When trying to integrate by brazing or soldering, the brazing or solder is easily peeled off from the carbon member, ceramics or metal. That is, the carbon member has poor wettability with brazing material and solder, and poor bondability. In addition, a thin oxide film exists on the surface of ceramics or metal, and this oxide film has poor wettability with solder or solder, and inhibits bonding.
[0004]
Various joining methods that do not rely on the bolting or brazing methods described above have been proposed.
That is, a technique of joining with Ti without using a brazing material has been proposed (for example, Patent Document 1).
Further, a technique of joining by using Ti and hydrogen gas without using a brazing material has been proposed (for example, Patent Document 2).
[0005]
[Patent Document 1]
JP-A-9-208335 (Claim 9)
[Patent Document 2]
JP-A-59-137373 (Claims 9 and 11)
[0006]
Claim 9 of Patent Document 1 states that “a step of forming a Ti film in advance on the surface of a carbon member, and a step of disposing a composition mainly composed of Cu and Mn or Cu and P on the surface of the Ti film. And a step of heating the composition in a non-oxidizing atmosphere to a temperature equal to or higher than the melting point of the composition to form a metallized film on the surface of the carbon member. " There is.
[0007]
In claim 9 of Patent Document 2, there is a description that “the heating atmosphere at the time of joining is in H 2 gas...
Further, in
[0008]
[Problems to be solved by the invention]
It is known that Ti described in Patent Literature 1 reacts with C of a carbon member to become TiC and exhibits good bonding properties.
However, in the study of the present inventors, a thin oxide film exists on the surface of Ti. This oxide film hinders the contact between C and Ti. For this reason, it was found that the reaction of C + Ti became inactive, causing poor bonding.
[0009]
In this regard, the H 2 gas described in Patent Document 2 is rich in reducing properties and has an effect of destroying an oxide film and promoting the reaction of C + Ti.
However, H 2 gas is expensive, also because it is an Explosive Gas, increase its management costs.
[0010]
In addition, in the study of the present inventors, it has been found that the N 2 gas described in Patent Document 2 reacts with Ti to generate TiN, and this TiN interferes with the contact between C and Ti to cause a bonding failure. .
[0011]
Therefore, an object of the present invention is to provide a method of joining a carbon-based copper composite material and ceramics or a method of joining a carbon-based copper composite material and copper at a low cost and capable of improving the adhesiveness.
[0012]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, a first aspect of the present invention relates to a method of joining a carbon-based copper composite and ceramics or a method of joining a carbon-based copper composite and copper, wherein the method comprises the steps of: A bonding material containing Ti and Mg is interposed between the copper composite material and the copper, and the multilayer body is heated to a temperature equal to or higher than the melting point of the bonding material in a nitrogen gas atmosphere, and carbon is generated using the generated Mg 3 N 2 . The method is characterized in that an oxide film on a copper surface or a ceramic or copper surface of the base copper composite material is reduced, and a bond between Ti and carbon is promoted to join the carbon-based copper composite material and ceramics or copper.
[0013]
It is characterized by adding Mg as well as Ti to the joining material. When heated, Mg (solid) sublimates into Mg (gas) and combines with nitrogen in the atmosphere to form Mg 3 N 2 . This Mg 3 N 2 is more stable than TiN in terms of standard energy of formation. As a result, generation of TiN can be suppressed.
[0014]
In addition, Mg 3 N 2 exerts a strong reducing action, and reduces and removes the copper surface of the carbon-based copper composite, ceramics, or an oxide film on the copper surface. Ti, which is not converted to TiN, satisfactorily penetrates into the ceramic or copper having increased wettability after the oxide film is removed, and TiC or the like can be generated, so that the adhesiveness can be significantly improved.
[0015]
The heating atmosphere is nitrogen, which is inexpensive and has no danger of explosion. Therefore, according to the present invention, the cost required for joining can be significantly reduced.
[0016]
According to a second aspect of the present invention, the bonding material is made of a copper alloy foil containing Ti and Mg or a Mg alloy disposed on both sides of the foil.
Copper alloy foils containing Ti are easily available and easier to handle than powders. Therefore, according to the second aspect, the cost required for joining can be further reduced.
[0017]
According to a third aspect, the temperature equal to or higher than the melting point is 885 ° C. to 1083 ° C.
Since the melting point of a Ti-based copper alloy having a Cu composition exceeding 80% is 885 ° C., if the heating temperature is lower than 885 ° C., the bonding material is insufficiently melted, resulting in poor adhesion. On the other hand, when the heating temperature exceeds 1083 ° C., copper flows out of the carbon-based copper composite material, and the product quality deteriorates.
The heating temperature is kept in the range of 885 ° C. to 1083 ° C. in order to avoid poor adhesion and keep good product quality.
[0018]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
An embodiment of the present invention will be described below with reference to the accompanying drawings.
1 (a) to 1 (d) are operation explanatory views (first embodiment) from material preparation to crucible filling in the present invention.
In FIG. 1A, an Si 3 N 4 plate 11 as a ceramic, a
[0019]
As the
As the
[0020]
In (b), first, the Si 3 N 4 plate 11 is placed on the
[0021]
In (c), the
[0022]
In (d), the carbon-based
[0023]
FIG. 2 is a heating procedure diagram (first embodiment) according to the present invention, in which a
[0024]
900 ° C. can be changed in the range of 885 to 1083 ° C. Since the melting point of a Ti-based copper alloy having a Cu composition exceeding 80% is 885 ° C., if the heating temperature is lower than 885 ° C., the bonding material is insufficiently melted, resulting in poor adhesion. On the other hand, when the heating temperature exceeds 1083 ° C., copper flows out of the carbon-based copper composite material, and the product quality deteriorates.
The following reaction occurs in the
[0025]
Embedded image
[0026]
As shown in the equation (1), the
[0027]
Ti contained in
[0028]
Incidentally, in FIG. 1A, SiO 2 as an oxide film exists on the surface of the Si 3 N 4 plate 11 as a ceramic.
The
It is considered that CuO (copper oxide) exists on the copper surface of the carbon-based
[0029]
The above oxide films SiO 2 , TiO 2 , and CuO are changed to Si, Ti, and Cu by the next reaction (reduction reaction with Mg 3 N 2 ), and the oxide film is substantially removed.
[0030]
Embedded image
[0031]
That is, the oxide film SiO 2 is removed by the formula (3), the oxide film TiO 2 is removed by the formula (4), and the oxide film CuO is removed by the formula (5). Thus, the wettability of the Si 3 N 4 plate 11 and the carbon-based
[0032]
By heating at 900 ° C., the molten metal (molten joining material) penetrates into the Si 3 N 4 plate 11 and the carbon-based
[0033]
FIG. 3 is a cross-sectional view (first embodiment) of a joined body manufactured by the method of the present invention. A joined
[0034]
In FIG. 1, the Si 3 N 4 plate 11 as a ceramic may be SiN, SiO 2 , AlN, Al 2 O 3, or TiC. The reason is as follows.
The oxide film of Si 3 N 4 and SiO 2 is SiO 2 and can be reduced by the above formula (3). The oxide film of AlN and Al 2 O 3 is Al 2 O 3 , and can be similarly reduced with Mg 3 N 2 . The oxide film of TiC is TiO 2 and can be reduced by the above formula (4).
That is, the ceramics may be any of oxides, nitrides, carbides, borides, and the like.
[0035]
Next, another embodiment of the first embodiment described above will be described. The second embodiment as another embodiment has many portions overlapping with the first embodiment, but will be described in detail for accuracy.
4 (a) to 4 (d) are operation explanatory views (second embodiment) from material preparation to crucible filling in the present invention.
1A, a starting material including a
[0036]
As the
As the
[0037]
In (b), first, a
In (c), the
In (d), the carbon-based
[0038]
FIG. 5 is a heating procedure diagram (second embodiment) according to the present invention. The
[0039]
The following reaction occurs in the
[0040]
Embedded image
[0041]
As shown in the equation (6), the
[0042]
By the way, in FIG. 4A, CuO as an oxide film exists on the surface of the
The
It is considered that CuO exists on the copper surface of the carbon-based
[0043]
The above oxide films TiO 2 and CuO are changed to Ti and Cu by the next reaction (reduction reaction with Mg 3 N 2 ), and the oxide film is substantially removed.
[0044]
Embedded image
[0045]
That is, the oxide film TiO 2 is removed by the formula (8), and the oxide film CuO is removed by the formula (9). Thereby, the
[0046]
By heating at 900 ° C., the molten metal (fused joining material) permeates the Si 3 N 4 plate 11 and the carbon-based
[0047]
FIG. 6 is a cross-sectional view (second embodiment) of a joined body manufactured by the method of the present invention. A joined
[0048]
In the embodiment, a CuTi alloy foil is combined with Mg powder as a joining material, but the joining material may be a CuTiMg alloy foil. Alternatively, the joining material can be replaced with a metal powder mixture consisting of Cu powder + Ti powder + Mg powder.
CuTiMg alloy foil is best in terms of handling. A combination of the CuTi alloy foil and the Mg powder is suitable for cost reduction because the Mg powder is easily available.
[0049]
【The invention's effect】
The present invention has the following effects by the above configuration.
Claim 1 is characterized in that not only Ti but also Mg is added to the joining material. When heated, Mg (solid) sublimates into Mg (gas) and combines with nitrogen in the atmosphere to form Mg 3 N 2 . This Mg 3 N 2 is more stable than TiN in terms of standard energy of formation. As a result, generation of TiN can be suppressed.
[0050]
In addition, Mg 3 N 2 exerts a strong reducing action, and reduces and removes the copper surface of the carbon-based copper composite, ceramics, or an oxide film on the copper surface. Ti, which is not converted to TiN, satisfactorily penetrates into the ceramic or copper having increased wettability after the oxide film is removed, and TiC or the like can be generated, so that the adhesiveness can be significantly improved.
[0051]
The heating atmosphere is nitrogen, which is inexpensive and has no danger of explosion. Therefore, according to the present invention, the cost required for joining can be significantly reduced.
Therefore, according to the first aspect, it is possible to provide a method of joining a carbon-based copper composite material and ceramics or a method of joining a carbon-based copper composite material and copper at a low cost and capable of improving adhesion.
[0052]
According to a second aspect of the present invention, the bonding material is made of a copper alloy foil containing Ti and Mg or a Mg alloy disposed on both sides of the foil. Copper alloy foils containing Ti are easily available and easier to handle than powders. Therefore, according to the second aspect, the cost required for joining can be further reduced.
[0053]
According to a third aspect, the temperature equal to or higher than the melting point is 885 ° C. to 1083 ° C. If the heating temperature is lower than 885 ° C., the bonding material is not sufficiently melted, resulting in poor bonding. On the other hand, when the heating temperature exceeds 1083 ° C., copper flows out of the carbon-based copper composite material, and the product quality deteriorates.
The heating temperature is kept in the range of 885 ° C. to 1083 ° C. in order to avoid poor adhesion and keep good product quality.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram illustrating the operation from material preparation to crucible filling in the present invention (first embodiment).
FIG. 2 is a view showing a heating procedure in the present invention (first embodiment).
FIG. 3 is a cross-sectional view of a joined body manufactured by the method of the present invention (first embodiment).
FIG. 4 is a diagram illustrating the operation from material preparation to crucible filling in the present invention (second embodiment).
FIG. 5 is a heating procedure diagram in the present invention (second embodiment).
FIG. 6 is a sectional view of a joined body manufactured by the method of the present invention (second embodiment).
[Explanation of symbols]
11: Si 3 N 4 plate as ceramics, 12: Mg powder for forming a bonding material, 13: CuTi alloy foil for forming a bonding material, 14: carbon-based copper composite material, 20: heating furnace, 21 ... heating means, 22 ... nitrogen gas blowing means, 25, 27 ... joined body, 26 ... copper plate.
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