(57)【要約】【課題】セラミックスと金属とを接合する場合に、表面に酸化物膜があるために接合強度が高まらなかった。酸化物膜をＨ２で除去する方法もあるが、Ｈ２は高価であるため、製造コストが嵩む。【解決手段】窒素ガス雰囲気で９００℃に加熱する。Ｍｇ粉末１２が、昇華してＭｇ（ガス）となる。すると、Ｍｇが雰囲気のＮ２と反応してＭｇ３Ｎ２が生成する。このＭｇ３Ｎ２は強い還元作用を有し、酸化物膜を除去する作用を発揮するする。【効果】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。【選択図】        図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
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炭素基銅複合材とセラミックス又は銅との接合方法。
【請求項２】
前記接合材は、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請求項１記載の炭素基銅複合材とセラミックス又は銅との接合方法。
【請求項３】
前記融点以上の温度は、８８５℃〜１０８３℃であることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の炭素基銅複合材とセラミックス又は銅との接合方法。
【発明の詳細な説明】
【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】
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【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】
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【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】
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【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】
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【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。
【図１】
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【図２】
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【図３】
2004255416.tif 000009
【図４】
2004255416.tif 000010
【図５】
2004255416.tif 000011
【図６】
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