JP5184934B2

JP5184934B2 - Ａｌ合金−セラミックス複合材料用の接合材及びそれを用いた接合体

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Publication number: JP5184934B2
Application number: JP2008084077A
Authority: JP
Inventors: 友幸引田; 守石井
Original assignee: Taiheiyo Cement Corp
Current assignee: Taiheiyo Cement Corp
Priority date: 2008-03-27
Filing date: 2008-03-27
Publication date: 2013-04-17
Anticipated expiration: 2028-03-27
Also published as: JP2009234865A

Description

本発明は、Ａｌ合金をマトリックスとするＡｌ合金-セラミックス複合材料を接合するための接合材及びそれを用いた接合体に関するものである。

Ａｌ合金は軽量かつ耐食性に優れる材料であり、熱伝導性や導電性においても優れているため、これまでに様々な分野で利用が進んでいる。セラミックスの分野においてもマトリックスにＡｌ合金を用い、強化材にセラミックスを用いて両者を複合化したＡｌ合金−セラミックス複合材料が、Ａｌ合金の上記特徴を活かしつつ軽量であり、かつ高剛性な材料として利用されるようになってきた。

さらに、Ａｌ合金−セラミックス複合材料を各種の用途に適用・拡大させるためには、大型化や複雑形状化、さらには中空構造化に対応可能な接合技術が必須である。即ち、Ａｌ合金-セラミックス複合材料同士が実用に耐え得るほど強固に接合され、かつ、その接合部が気体のリークを防止できるほど良好な気密性を有するＡｌ合金-セラミックス複合材料接合体を作製可能な接合技術が必要であるが、このような報告例はほとんどない。

これまでに接合技術として、例えば、Ｃｕなどのインサート材をＡｌ合金-セラミックス複合材料間に充填し、それを所定の温度と圧力で熱処理することにより、マトリックス合金の融点より低い温度でも接合できる拡散接合方法（特許文献１参照）が提案されているが、拡散接合法では強固な接合ができるものの、かなりの高圧、例えば１ＭＰａ程度の圧力下で熱処理しなければならず、加圧するための大型の装置、例えばプレス機などの装置が必要となりコスト高になるという問題があった。加えて、形状が複雑になると、圧力をかけること自体が難しく、接合が困難になるという問題もあった。そこで、大型の加圧装置がなくても気体のリークを防止できるほど良好な気密性を有するＡｌ合金−セラミックス複合材料接合体の作製方法として、本出願人はホウ酸鉛を主成分とするガラスを接合材に使用する接合方法（特許文献２参照）を提案した。

また、本出願人は、簡単に強固に接合できる金属―セラミックス複合材料の接合方法として、Ａｌ合金をマトリックスとする金属−セラミックス複合材料と、それと同種または異種の材料との間にＡｌを４０質量％以上含み、かつ５００℃以下の液相生成温度を有するロウ材を装填し、それを非酸化雰囲気中５００℃以上でかつ複合材料中の金属が融ける融点以下の温度で熱処理して接合することとした金属−セラミックス複合材料の接合方法を提案している（特許文献３参照）。

特開平６−１５５０４４号公報特開２００２−２６３８５１号公報特開２０００−２７１７３７号公報

特許文献２の接合方法であれば大型の加圧装置がなくても気体のリークを防止できるほど良好な気密性を有したＡｌ合金-セラミックス複合材料接合体が得られるものの、接合材にホウ酸鉛ガラスを使用しているため接合部の強度が低く、被接合材の大きさや用途が制限されるという問題があった。加えて近年では、鉛の毒性が問題視されるようになっており、多くの業界で鉛の使用規制が発令されているため、今後ホウ酸鉛ガラスを使用できなくなる可能性が高いことも問題であった。一方、鉛フリーガラスであれば毒性に関する問題は解決できるが、鉛入りのガラスに比べて濡れ性が悪いため接合部に欠陥が生じやすく、接合部の気密がとれないという問題があった。

また、特許文献３の方法では、接合材として、Ａｌ−Ｓｉ−Ｃｕ−Ｓｎ系、Ａｌ−Ｚｎ系、Ａｌ−Ｓｉ−Ｃｕ−Ｚｎ系等が挙げられているが、これらの接合材を用いても気密に接合できないという問題があった。気密性を高めるには、接合材の形態が極めて重要であり、接合に適した均質な接合材が得られなければ気密良く接合することはできない。さらに、被接合部材の種類やその組成によって接合強度や気密性が大きく変化することから、接合に用いる接合材と被接合材とを適正化する必要があった。

特に、半導体やＦＰＤ製造の分野においては、真空や所定のガス雰囲気の処理工程が多く、接合体を用いた場合には、接合部の気密性が厳しく要求される。このような接合体の例としては、単に軽量化のために中空構造としたもののほか、中空部に熱媒体を流して加熱・冷却を行うものがある。特に熱媒体を流すものでは、熱媒体の流出を起こすような欠陥は致命的であり、また、部材の均熱性が求められる場合が多いため、密着性及び気密性を高めることが重要な課題であった。

本発明は、上述したＡｌ合金-セラミックス複合材料の接合方法が有する課題に鑑みてなされたものであり、気体のリークを防止できるほど良好な気密性を有したＡｌ合金-セラミックス複合材料接合体が得られ、かつ、接合部の強度が高いＡｌ合金-セラミックス複合材料接合体を提供することを目的とする。

本発明者らは、上記目的を達成するために鋭意研究した結果本発明を完成した。即ち、本発明は、Ｍｇを０．５〜５質量％含んだＡｌ合金をマトリックスとしたＡｌ合金-セラミックス複合材料同士を気密に接合するための接合材であって、その組成がＡｌ、Ｚｎおよび、その他不純物成分からなり、ＡｌとＺｎの質量比Ａｌ／Ｚｎ：０．８５〜２．３３であることを特徴とするＡｌ合金-セラミックス複合材料用の接合材を提供する。

ここで、Ｍｇを含んだＡｌ合金をマトリックスに使用したＡｌ合金-セラミックス複合材料を被接合材に用いる理由は、マトリックスＡｌ合金中に含まれたＭｇが、接合を阻害するＡｌ合金表面の酸化皮膜を破壊する役割を果たすからである。一般的にＡｌ合金のろう付けにおいては、Ａｌ合金の表面に存在する酸化皮膜がろう付けを阻害することが知られており、フラックス等により酸化皮膜を破壊しなければ強固なろう付けはできない。Ａｌ合金-セラミックス複合材料同士の接合においても同様に、接合時の熱処理によって接合材が完全に溶ける前に、接合面に露出したマトリックスＡｌ合金表面の酸化皮膜を破壊する必要があり、マトリックスＡｌ合金中に含まれるＭｇがその役割を果たす。即ち、Ｍｇが接合時の熱処理によりマトリックスＡｌ合金中から蒸発する際に、Ａｌ合金の表面酸化膜を破壊してＡｌ合金相を接合面に露出させる。また、蒸発したＭｇが炉内の残留酸素や水分を除去するゲッターとしての役割も果たすため、新たなＡｌ酸化皮膜の生成を抑制するので強固な接合が可能となる。

被接合材中に含まれるＭｇの量としては０．５〜５質量％としているが、その理由はＭｇを０．５質量％より少なくすると十分な量のＭｇが供給されないため、Ａｌ合金表面の酸化皮膜を破壊しきれず接合界面に欠陥が残って強固な接合ができないためである。また、その量が５質量％より多い場合、Ａｌの酸化皮膜と同様に接合を阻害するＭｇＯが接合面に生成してしまうため、強固な接合ができないためである。

さらに、Ｍｇの量が上記範囲であれば、酸化皮膜の除去効果に加え、接合材に含まれるＺｎとＭｇの相互拡散が起こり易く、密着性及び接合強度を高めるためである。しかも被接合材にＭｇが含まれているので、接合材にＭｇを添加する必要が無く、接合材の圧延性を確保でき、接合に適した厚さの箔形状の接合材を作製することができる。

ＡｌとＺｎの質量比Ａｌ／Ｚｎ：０．８５〜２．３３としているのは、Ａｌの含有量が少ない場合、即ち質量比Ａｌ／Ｚｎが０．８５よりも小さい場合は、腐食しやすい環境下では接合部の陽極腐食が起こりやすいこと、熱がかかる環境下では温度上昇時に生じる接合部での不均一な拡散による欠陥が生じやすいこと等の問題により接合部の信頼性が劣るためである。一方、質量比Ａｌ／Ｚｎが２．３３よりも大きい場合は、接合材の融点が６００℃よりも高くなってしまうため、Ｍｇを０．５〜５質量％含んだ低融点のＡｌ合金を使用しているＡｌ合金-セラミックス複合材料の接合には使用が困難であるためである。また、上述のように、上記質量比の接合材を用い、Ｍｇを０．５〜５質量％含んだＡｌ合金をマトリックスとする被接合材を接合することにより、Ｍｇの酸化被膜除去の効果に加え、ＺｎとＭｇの相互拡散が起こり易いため、接合強度及び気密性を高めることができる。

また、本発明は、接合材が、厚さ０．０５〜０．５ｍｍの箔形状であることを特徴とする。接合材の形状を箔形状としたのは、粉末状の接合材や、粉末状の接合材をグリーンシート化したもの等に比べて、厚さが均等であり、継ぎ目や欠陥がないため容易に気密接合が可能であるためである。箔の厚さについては０．０５〜０．５ｍｍとしているが、厚さを０．０５ｍｍ以上にしている理由は、接合時の熱処理により箔が溶けて流動してもその場に留まる最低限の量が必要であり、厚さが０．０５ｍｍよりも薄いと最低限必要な量が確保できず接合層内に欠陥ができて強固な接合ができないためである。一方、０．５ｍｍより厚くしても接合強度や気密性の向上は見られず、厚さが大きいことによる弊害が顕著になるため好ましくない。例えば接合部が中空溝構造のような微細で複雑な形状を有する場合には、接合層外へ染み出して中空溝を埋めてしまうおそれがある。また、このような厚さの箔形状は圧延により形成されるが、ＡｌとＺｎの質量比が０．８５〜２．３３の範囲内であれば、圧延性も良好であるので上記範囲の厚さとすることが可能である。

また、本発明は、Ｍｇを０．５〜５質量％含んだＡｌ合金をマトリックスとしたＡｌ合金-セラミックス複合材料同士が上述の接合材を用いてなる接合層を介して接合された接合体であって、前記接合層に接したＡｌ合金−セラミックス複合材料のマトリックスのＡｌ合金中に前記接合材のＺｎが拡散した拡散層を有することを特徴とする接合体を提供する。

上述のように、Ｍｇを所定量含むＡｌ合金をマトリックスとしたＡｌ合金-セラミックス複合材料を被接合材とし、接合材のＡｌとＺｎの重量比を所定範囲とすることにより、ＺｎとＭｇの相互拡散により、強固に接合することが可能となる。このとき、Ｍｇの酸化膜除去効果がＺｎとの相互拡散を促進していることは言うまでもない。その結果、Ａｌ合金−セラミックス複合材料のマトリックスを構成するＡｌ合金中にＺｎが拡散した拡散層が形成される。

前記拡散層は、５〜１００μｍの厚さとすることが望ましく、さらにその拡散層のＡｌ合金中に含まれるＺｎを１〜２０質量％とすることが望ましい。拡散層の厚さは、熱処理条件によって変わり、これを適切な厚さに制御することにより接合強度と気密性を確保することが可能となる。具体的には、５μｍよりも小さいと接合強度が不十分となり、１００μｍより大きくなると接合層に空隙が生じやすくなり気密性が低下する。拡散層のＡｌ合金中に含まれるＺｎ量は、本発明の接合材を用い、上記のような拡散層厚さに調整することにより上記範囲となり、接合強度、気密性に加え、接合部の耐食性も高めることができる。

前記接合層は、２０〜４００μｍの厚さを有することが望ましい。所定範囲の厚さを持つ接合材を用い、上述したように拡散層の厚みを制御することにより、適切な接合層の厚さに調整することができる。このような範囲の厚さであれば、十分な接合強度及び気密性を得ることが可能となる。

本発明の接合体は、前記接合層により外部との通気が遮断された中空部を有する構造とすることが可能である。軽量化のための内部空間構造はもとより、中空部に熱媒体を流すような部材に好適である。

気体のリークを防止できるほど良好な気密性を有し、かつ、接合部の強度が高いＡｌ合金-セラミックス複合材料接合体を提供できる。

図１は、本発明の接合材の適用例を示す概略断面図である。被接合材の板材１１と凹部１２ｂを有する凹型材１２が本発明の接合材１０により接合される。

接合材は、ＡｌとＺｎの重量比を所定範囲の組成のＡｌ−Ｚｎ合金を鋳造し、その後所定の板厚に圧延を行って箔形状としたものである。本発明の重量比とすれば、圧延性も備えているので所望厚さの箔を形成することができる。

Ａｌ−Ｚｎ合金に不純物として含まれるＡｌとＺｎ以外の成分としては、Ｆｅ、Ｓｉ、Ｃｕ、Ｍｎ等が挙げられる。これらの成分は、いずれも０．０５質量％以下とすることが好ましく、また、接合材のＡｌとＺｎは、合計で９９．８質量％以上であることが好ましい。不純物が多く含まれると耐食性や圧延性が低下するためである。

被接合材は、Ｍｇを０．５〜５質量％含んだＡｌ合金をマトリックスとし、セラミックスを強化材としたＡｌ合金-セラミックス複合材料である。Ａｌ合金としては、例えば５０５２（Ｍｇ：２．２〜２．８質量％含有ＪＩＳ規格合金）を用いることができる。接合材の融点よりも高い融点のＡｌ合金であって、Ｍｇを０．５〜５質量％含むものであれば、適用できる。

被接合材の強化材のセラミックスとしては、炭化珪素、窒化ケイ素、アルミナ、窒化アルミニウム、ジルコニア等種々のセラミックスを用いることができる。また、強化材のセラミックスの含有量は、３０〜８０体積％のものが好ましい。このような複合材料は、熱伝導性や導電性においても優れ、軽量であり、かつ高剛性な材料として好適である。

被接合材の製造方法としては、多孔質セラミックス成形体（プリフォーム）中に、圧力によって溶融金属を強制的に含浸させる加圧浸透法や、溶融Ａｌとセラミックス間の濡れ性が良好になるようセラミックスの表面を改質し、毛管現象を利用して非加圧で溶融金属を含浸させる非加圧浸透法などがあるが、作製したＡｌ合金-セラミックス複合材料のマトリックスＡｌ合金中にＭｇが０．５〜５質量％含まれていればどの方法で作製してもよい。

図１では、板材１１と凹型材１２との接合例を示したが、本発明はこれに限定されるものではなく、凹型材同士の接合であっても良い。また、凹型材の凹部の形状も特に限定するものではなく、例えば接合後に熱媒体を流すことができるような溝型であっても良いし、閉空間を形成する箱型であっても良い。また、溝や閉空間の数も特に限定せず、複数の溝や閉空間が形成される形状でも良い。さらには、これらを組み合わせた構造でも良い。

被接合材の接合面１１ａ及び１２ａは、平面度を１０μｍ以下とすることが望ましい。本発明の所定厚さを有する接合材を用い、かつ被接合材の平面度をこのような範囲とすれば、接合強度に優れ、気密性も十分な接合体を得ることができる。

図２は、本発明の接合体の一例を示す概略断面図である。接合体２４は、板材２１と凹型材２２が接合層２０を介して接合されており、接合層により外部との通気が遮断された中空部２３を有している。

ここで、「接合層により外部との通気が遮断され」ているか否か、すなわち気密に接合されているか否かは、具体的には、ボンビング法によってＨｅリーク試験を行って判断した。試験の結果、リーク量が１×１０^−８Ｐａ・ｍ^３／ｓｅｃよりも少ないものは、通気が遮断され、十分な気密性があるとした。なお、被接合材である複合材料自体のリーク量が上記数値よりも小さいことは言うまでもない。また、このような気密性の評価は、接合層の耐食性も加味して行った。

図３は、本発明の接合体の接合層近傍を拡大して示した概略断面図である。接合層３０を介して被接合材３１と３２とが接合され、各被接合材の接合層付近には、拡散層３１ｃ、３２ｃがそれぞれ形成されている。

拡散層は、５〜１００μｍの厚さを有し、Ａｌ合金中にＺｎを１〜２０質量％含むことが望ましく、また、接合層は、２０〜４００μｍの厚さとすることが望ましい。上述のように、このような範囲に調整することで、接合強度、気密性及び耐食性を高めることができる。ここで、上記拡散層等の厚さをこのような範囲に調整するには、マトリックスのＡｌ合金と、接合材のＡｌとＺｎを適切なものにし、接合条件を制御すると良い。

接合は、箔形状の接合材を、Ａｌ合金-セラミックス複合材料の接合面に挿入し、被接合材の自重により、または重しを載せることにより、１０〜５００ｇ／ｃｍ^２程度の荷重がかかるようにする。これを炉内に設置し、０．１〜５０Ｐａの真空中または常圧窒素雰囲気中で加熱する。加熱は、複合材料中のマトリックスＡｌ合金の融点よりも低く、接合材の融点よりも高い温度とし、所定時間保持した後、冷却する。このように、重し、焼成温度および焼成時間を調整すると良い。

以下、本発明の実施例を比較例と共に具体的に挙げ、本発明をより詳細に説明する。

（作製Ｎｏ.１〜１８）
被接合材のＡｌ合金-セラミックス複合材料は、強化材として市販のセラミックス粉末を用い、マトリックスのＡｌ合金として、純Ａｌ（純度９９．５％）にＭｇを添加し、Ｍｇ含有量を所定量に調整したものを用いた。このＡｌ合金-セラミックス複合材料から試料を図１に示したような板材として幅１００ｍｍ、奥行５０ｍｍ、厚さ２５ｍｍの板状の被接合材、凹型材として同板材の片面の略中央に幅７０ｍｍ、奥行２０ｍｍ、深さ１０ｍｍの凹部を有する箱型の被接合材を切り出し、接合面の平面度が５μｍ以下となるように＃８００の砥石で研削した。図４に作製した凹型材４２の平面図を示す。片面に凹部４２ｂと接合面４２ａが形成されている。接合面の研削汚れはアセトンで洗浄した。

接合材のＡｌ-Ｚｎ箔は、ブックモールド法と圧延にて作製した。ＡｌとＺｎの質量比が所定値となるようＡｌ、Ｚｎを混合し、黒鉛坩堝中で６５０℃の温度で加熱溶解した溶湯を金型に流し込んでＡｌ-Ｚｎ合金を鋳造した。次に、鋳造したＡｌ-Ｚｎ合金を３７０℃で６時間熱処理した後に一度冷却し、片側２．５ｍｍずつ研削加工した。その後、３６０℃で加熱しながら圧延して所定の厚さに調整した。

このＡｌ-Ｚｎ箔からなる接合材を図４に示す接合面（外寸１００×５０ｍｍ、内寸７０×２０ｍｍ）に併せた形状に加工し、表面をアセトンで洗浄した。接合材を図１に示すように、Ａｌ合金-セラミックス複合材料の各接合面の間に挿入し、接合面に３０ｇ／ｃｍ^２の荷重がかかるよう重しを載せて炉内に設置した。これを０．１〜５０Ｐａ程度の真空中６００℃で加熱し、６００℃で１時間保持した後に炉内で冷却し、図２のように高さおよそ１０ｍｍ、幅７０ｍｍ、奥行２０ｍｍの中空部を有する接合体を得た。

（作製Ｎｏ．１９、２０）
作製Ｎｏ.１９、２０では、接合材にそれぞれ、ホウ酸鉛ガラス（LS3051 日本電気硝子社製）、無鉛ガラス（BNL115BB 旭硝子社製）を用いた。ガラス粉末にアクリル樹脂バインダーを添加して厚さ２５０μｍのグリーンシートにしたものを接合材として使用し、熱処理条件を大気中５００℃、５分保持とした以外は、上記作製例と同様の手順で中空部を有する接合体を得た。

（Ｈｅリーク試験）
中空部を有する接合体でＨｅリーク試験を行った。Ｈｅリークは、予めボンビング装置にてＨｅを０．７ＭＰａで３０分加圧した試料を、チャンバー内に入れて真空差圧にて流出したＨｅを検出するボンビング法にて測定した。

次に接合部の耐食性を確認するため、Ｈｅリーク試験を終えた接合体を高温度高湿度（８５℃-８５％ＲＨ）環境下に４８０時間静置し、加速試験を実施した。加速試験実施後の接合体についても同様にＨｅリーク試験を行い、加速試験前後でのＨｅリーク量を比較することで耐食性を確認した。

（接合強度測定）
各作製Ｎｏ.と同条件、同形状の接合体を作製し、接合強度試験用の試験片（３ｍｍ×４ｍｍ×４０ｍｍ）を切り出して、下部スパン３０ｍｍ、上部スパン１０ｍｍの４点曲げ試験（ＪＩＳＲ１６２４準拠）を行い、接合強度を求めた。

（拡散層厚さ及びＺｎ含有量の測定）
ＥＰＭＡ（JXA-8500F日本電子社製）を用いて図３に示したような接合部断面の成分分布を測定し、成分分布においてＺｎを含有する層の厚さを拡散層の厚さとした。さらに、拡散層中のＡｌ合金成分に対するＺｎ成分を算出してＺｎ含有量とした。

マトリックスのＡｌ合金中のＭｇ含有量も同様に、ＥＰＭＡにより測定した。

作製条件及び測定結果を表１に示す。

作製Ｎｏ．３〜６、９〜１１、１４〜１８では、いずれも接合強度は１００ＭＰａを超えており、接合材にガラス粉末を使用したＮｏ.１９、２０の場合に比べて強度が高かった。また、Ｈｅリークに関しても、いずれも気体のリークを防止できる目安である１×１０^−８Ｐａ・ｍ^３／ｓｅｃよりリークが少なく、かつ耐食試験後にも良好な気密性を維持したままであった。

一方、作製Ｎｏ．１及び２では被接合材のマトリックスＡｌ合金中のＭｇが少なかったため接合できなかった。マトリックスＡｌ合金中のＭｇ量が６％の作製Ｎｏ.７では、接合はできたものの強度が２０ＭＰａと低く、気密もとれなかった。接合材の質量比Ａｌ／Ｚｎが小さい作製Ｎｏ.８では耐食試験の際に接合層が腐食し、耐食試験後は気密がとれなかった。質量比Ａｌ／Ｚｎが大きい作製Ｎｏ.１２では、６００℃で溶ける液相が少ないため接合できなかった。接合材の厚さが３０μｍの作製Ｎｏ.１３では、接合はできたものの強度が３０ＭＰａと低く、気密もとれなかった。接合材にホウ酸鉛ガラスを用いた作製Ｎｏ.１９では、気密はとれたものの接合強度が４５ＭＰaと低かった。接合材に無鉛ガラスを用いたＮｏ．２０では、接合強度が３０ＭＰａと低く、気密もとれなかった。

本発明の接合材の適用例を示す概略断面図。本発明の接合体の概略断面図。本発明の接合体の接合層近傍を拡大して示した概略断面図。凹型材の平面図

符号の説明

１０：接合材
１１、２１、３１：板材（被接合材）
１１ａ、２１ａ、３１ａ：接合面
１２、２２、３２、４２：凹型材（被接合材）
１２ａ、４２ａ：接合面
１２ｂ、４２ｂ：凹部
２０、３０：接合層
２３：中空部
２４：接合体
３１ｃ、３２ｃ：拡散層

Claims

Ｍｇを０．５〜５質量％含んだＡｌ合金をマトリックスとしたＡｌ合金-セラミックス複合材料同士を気密に接合するための接合材であって、その組成がＡｌ、Ｚｎおよび、その他不純物成分からなり、ＡｌとＺｎの質量比Ａｌ／Ｚｎが０．８５〜２．３３であることを特徴とするＡｌ合金-セラミックス複合材料用の接合材。
前記接合材が、厚さ０．０５〜０．５ｍｍの箔形状である請求項１記載のＡｌ合金-セラミックス複合材料用の接合材。
Ｍｇを０．５〜５質量％含んだＡｌ合金をマトリックスとしたＡｌ合金-セラミックス複合材料同士が請求項１または２に記載の接合材を用いてなる接合層を介して接合された接合体であって、
前記接合層に接したＡｌ合金−セラミックス複合材料のマトリックスのＡｌ合金中に前記接合材のＺｎが拡散した拡散層を有することを特徴とする接合体。
前記拡散層は、５〜１００μｍの厚さを有し、Ａｌ合金中にＺｎを１〜２０質量％含むことを特徴とする請求項３記載の接合体。
前記接合層により外部との通気が遮断された中空部を有する請求項３または４記載の接合体。