(57)【要約】  本発明は、少なくとも１つの第一セラミックの接合パートナー（２）を少なくとも１つの第二接合パートナー（３）と接合する方法に関し、その際に前記方法は、次の工程：少なくとも１つのプレセラミックポリマー（４）を第一及び／又は第二の接合パートナー（２、３）上で接合領域（７）内に施与し、かつ接合パートナー（２、３）を接合領域（７）内で一緒にし、かつ接合領域（７）を加熱して、プレセラミックポリマー（４）を、接合パートナー（２、３）を互いに結合する無定形及び／又は結晶質のセラミックへ変換させることにより特徴付けられる。本発明は、さらに、第一セラミック接合パートナー（２）を少なくとも１つの第二接合パートナー（３）と接合するためのプレセラミックポリマー（４）の使用並びに２つの接合パートナー（２、３）からなり、これらのうち少なくとも１つがセラミック材料を含む複合体に関する。
2010534183.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第一セラミック接合パートナー（２）を少なくとも１つの第二接合パートナー（３）と接合する方法であって、
次の工程：
・少なくとも１つのプレセラミックポリマー（４）を前記の第一及び／又は第二の接合パートナー（２、３）上で接合領域（７）内に施与し；
・前記接合パートナー（２、３）を前記接合領域（７）内で一緒にし；
・前記接合領域（７）を加熱して、前記プレセラミックポリマー（４）を、前記接合パートナー（２、３）を互いに堅固に結合する無定形及び／又は結晶質のセラミックへ変換させる
ことを特徴とする、接合方法。
【請求項２】
前記接合領域（７）を約３００℃〜約８００℃の温度範囲の温度に加熱する、請求項１記載の方法。
【請求項３】
前記接合領域（７）を約１２００℃〜約１５００℃の温度範囲の温度に加熱する、請求項１又は２のいずれか１項記載の方法。
【請求項４】
前記プレセラミックポリマー（４）が、少なくとも１つのポリシラザンを含むか、又は少なくとも１つのポリシラザンから形成されている、請求項１から３までのいずれか１項記載の方法。
【請求項５】
特に専ら、前記接合領域（７）及び場合により前記の第一及び／又は第二の接合パートナー（２、３）のすぐ隣接した領域の局所的な加熱を、特に温度制御されて、好ましくは高温計を使用して、行う、請求項１から４までのいずれか１項記載の方法。
【請求項６】
前記接合領域（７）を加熱するために、特にレーザースキャナーを使用しての、レーザー光線（６）を使用する、請求項１から５までのいずれか１項記載の方法。
【請求項７】
第二接合パートナー（３）として、セラミック材料及び／又は金属材料を使用する、請求項１から６までのいずれか１項記載の方法。
【請求項８】
前記プレセラミックポリマー（４）を、液状の形で及び／又はキャリア液体との懸濁液として使用する、請求項１から７までのいずれか１項記載の方法。
【請求項９】
第一セラミック接合パートナー（２）を少なくとも１つの第二接合パートナー（３）と接合するための、少なくとも１つのプレセラミックポリマー（４）の使用。
【請求項１０】
第一セラミック接合パートナー（２）と少なくとも１つの第二接合パートナー（３）とを含む複合体であって、
前記接合パートナー（２、３）が接合領域（７）内で無定形及び／又は結晶質のセラミックによって互いに結合されており、その際に前記セラミックは、プレセラミックポリマー（４）の加熱によって製造されたものである
ことを特徴とする、複合体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
技術水準
本発明は、請求項１のプレアンブルに記載の接合方法、請求項９記載のプレセラミックポリマーの使用並びに請求項１０のプレアンブルに記載の少なくとも２つの接合パートナーからなる複合体に関する。
【０００２】
セラミック原料（種類の同じ又は種類の異なる）を互いに接合すること並びにセラミック接合パートナーを非セラミック材料製の接合パートナー、例えば金属原料と接合することは、以前から問題をはらんでいる。形状結合(Formschluessige Verbindungen)は、通例、セラミックのもろさに基づいて分離する。これまで、少なくとも１つのセラミック接合パートナーとの結合を製造するためには、僅かな方法のみが知られている。例えば、金属ろう又はガラスろうの使用は技術水準である。それに加えて、直接的な溶融接合が使用されるが、しかしながらこの接合はまったく特定のセラミック原料グループの場合にのみ適用可能である。少なくとも１つのセラミック接合パートナーを別の接合パートナーと溶融接合するため又はガラスろう又は金属ろうを溶かすための典型的なプロセス温度は、典型的には約９００℃〜約１６００℃の範囲内にある。研究活動のまだ対象であり、かつ出願人の知識によれば、まだ大量生産可能段階の製造方法として確立されたものではないこの種の方法を用いて、例えば気密に(hermetisch)シールされたセンサユニットが製造されるべきである場合には、必要とされる高いプロセス温度は、殆ど実現可能ではないだろう、それというのも、これらの接合パートナーの考えられる使われる(verbaute)電子部品又は付属している取付部材は、これらの高温に持ちこたえられないだろうからである。セラミック接合パートナーを金属接合パートナーと接合する際に、必要とされる高いプロセス温度は、そのうえ、金属及びセラミックの異なる熱膨張係数に基づいて有害である、それというのも、これらは、加熱及び冷却の際の高い引張応力を、その結果、セラミック接合パートナー中の割れをまねきうるからである。
【０００３】
それに応じて、種類の同じ又は種類の異なる２つのセラミックの接合又は金属のような非セラミック材料製の接合パートナーとセラミック接合パートナーとの接合が可能である接合方法への需要が存在し、その際に前記方法は、接合部位の周囲に配置された取付部材、電子部品等が影響を受けないかもしくは非本質的にのみ影響を受けるか又はそれどころか損傷されないことを保証すべきである。
【０００４】
発明の開示
技術的課題
故に、セラミック接合パートナーを、少なくとも１つの第二接合パートナーと接合するための代替的な接合方法を提案するという課題が本発明の基礎となっており、その際に、前記接合方法を用いて、前記接合パートナーが好ましくは１０００℃を下回るプロセス温度でも既に互いに結合可能である。さらに、前記課題は、少なくとも２つの接合パートナーからなり、相応して改善された複合体を提案することにある。
【０００５】
技術的解決
この課題は、請求項１の特徴を有する接合方法に関して、及び請求項１０の特徴を有する少なくとも２つの接合パートナーからなる複合体に関して、解決される。本発明の有利なさらなる形態は、従属請求項に記載されている。本発明の範囲内で、明細書、特許請求の範囲及び／図面に開示された特徴のうち、少なくとも２つからの全ての組合せも含む。繰り返しを避けるために、専ら方法により開示された特徴は、装置により開示された特徴ともみなされるべきであり、かつ保護が請求可能であるべきである。同じように、専ら装置により開示された特徴は、方法により開示された特徴であるとみなされるべきであり、かつ保護が請求可能であるべきである。
【０００６】
セラミック接合パートナーを、種類の同じ又は種類の異なるセラミック材料及び／又は特に金属のような非セラミック材料であってよい少なくとも１つの第二接合パートナーと接合するために、少なくとも１つのプレセラミックポリマー（前駆物質）を使用し、このプレセラミックポリマーを少なくとも２つの前記接合パートナーの（後の）接合領域内に塗布し、かつこのプレセラミックポリマーを、前記プレラミックポリマーが前記接合パートナーを互いに堅固に結合させる無定形及び／又は結晶質のセラミックに変換される接合温度に加熱するという思想が、本発明の基礎となっている。本発明の範囲内で、前記接合パートナーをまず最初に一緒にし、かつその後はじめて少なくとも１つのプレセラミックポリマーを前記接合パートナー間の前記接合領域内へ導入するか、又はしかしまず最初に前記プレセラミックポリマーを前記接合パートナーの少なくとも１つの上で後の接合領域内に施与し、かつその後前記接合パートナーを前記接合領域内で互いに接触させる(anlegen)か又は互いに押し付ける(verpressen)ことである。本発明の意味で"一緒にする(Zusammenfuehren)"は、必ずしも前記接合パートナーと接することであると理解される必要はない、それというのも、前もって前記プレセラミックポリマーが施与された場合には、このポリマーは前記接合パートナー間に存在するからである。この"一緒にする"ことによって、この場合にむしろ、外側の２つの接合パートナー及びこれらの間に存在するプレセラミックポリマーを有するサンドイッチ構造が得られる。
【０００７】
少なくとも１つのプレセラミックポリマーの施与は、前記プレセラミックポリマーの性質に応じて、噴霧、浸漬、印刷、トリクリング(Betraeufeln)等によって行われることができる。本発明の概念に従って構成された接合方法の使用によって、少なくとも２つの接合パートナーからなる複合体が得られ、それらの接合パートナーのうち、少なくとも１つの接合パートナーがセラミック材料からなる。前記複合体は、前記接合パートナーが接合領域内で無定形及び／又は結晶質のセラミックによって互いに結合されていることによって特徴付けられ、その際にこのセラミックは、プレセラミックポリマーの加熱によって生じたものである。
【０００８】
使用される少なくとも１つのプレセラミックポリマーの性質及び／又は組成に応じて、その加熱の際に、典型的に約１２０℃〜約３００℃の温度範囲内で前記プレセラミックポリマーの化学架橋が行われる。典型的には約３００℃〜約８００℃の温度範囲の温度へさらに加熱することにより、前記ポリマーは、特に有機基の脱離下に、熱分解され、かつ前記接合パートナーと耐久的に結合されている無定形セラミックが形成される。形成されたセラミックは、その性質からみて、その場合に、典型的には結晶質でかつモノリシックのセラミックとほぼ匹敵しうるので、得られる結合の使用範囲も、前記温度に関して結晶質でかつモノリシックのセラミックのそれと匹敵しうる。場合により、本発明の範囲内で、結晶質セラミックへ変換するために、無定形セラミックを、特に約１２００℃〜約１５００℃の範囲の温度にさらに加熱することである。同じように、本発明の範囲内で、接合領域を直接、すなわち温度休止(Temperaturrasten)なしに、約３００℃〜８００℃に又は直接約１２００℃〜約１５００℃に加熱することである。前記プレセラミックポリマーの架橋密度に関して、その性質、例えばそれらの粘度は、前記ポリマーが接合プロセスのために最適に適合されているように、最適化され、かつ適合されることができる。
【０００９】
プレセラミックポリマーの使用の場合に特に有利であるのは、これらが３００℃未満の極めて低い温度で既に少なくとも部分的に架橋することであり、それにより、接合領域（接合部位）自体が前記接合プロセス中の変形に対して安定化される。このことは、確固とした(robuste)プロセス操作を可能にする、それというのも、費用のかかる切削技術が放棄されることができるからである。
【００１０】
プレセラミックポリマーは、これまで、特に金属構造部材をコーティングするためのみに知られている。少なくとも２つの接合パートナーからなる本発明による複合体が得られることができる、本発明による方法のために使用可能で、考えられるプレセラミックポリマーに関して、次の刊行物が参照される：
Motz, G., et. al.: Design of SiCN - Precursors for various applications, Ceramic Materials and Components for Engines中, Wiley-VCH, 581-585頁; 及び
Geiger, M.: Generation of ceramic coatings by laser pyrolysis of organo-metallic polymers, Conference Proceeding of 1st Int. Conf. On "THE" Coatings in Manufacturing Engineering中, 1999年10月14-15日, Thessaloniki, ギリシア, 333-341頁、
これらは前記プレセラミックポリマーの性質に関して並びにそれらの製造に関して本明細書の開示の対象となるので、そこに記載されたポリマー及び相応する製造方法は、本明細書の特徴に関連して保護が請求可能であるべきである。
【００１１】
本発明の方法を用いて、これまで技術的に実現可能ではなかった金属とセラミックとのハイブリッド化合物を初めて製造することが可能である。さらに、気密で緻密な構造グループが、これらの中に集積された電子部品及び／又は前記セラミックが損傷されることなく接合されることができる。さらにまた、種類の同じ又は種類の異なるセラミック間並びにセラミック及び金属又はセラミック及び他に分類される材料間の緻密で、熱的に及び機械的に高強度な結合が製造されることができる。さらに、本発明による方法を用いて、三次元基板の製造及びそれにより集積密度の増加が可能である。例えば、本発明を用いて製造される三次元基板は、電子的な構造グループの組み立ての際に、特にチップパッケージングの際の集積密度の増加のために使用されることができる。
【００１２】
種類の異なるセラミック接合パートナーの可能な結合の例として、この個所では、特にセラミックセンサ用の、ＺｒＯ2とＡｌ2Ｏ3との間の結合を挙げることができる。
【００１３】
本発明のさらなる形態において、前記接合領域が、特に接合領域内に配置されたプレセラミックポリマーが、無定形セラミックを得るために、約３００℃〜約８００℃の範囲の温度に単に加熱されるという利点を備えている。この無定形セラミックは、たいていの用途に十分な強さであるので、挙げられた比較的低い温度で既に、セラミック接合パートナーと少なくとも１つの別の接合パートナーとの間の堅固な結合が生成されることができ、特に少なくとも１つの前記接合パートナーの取付部材及び／又は電子部品に不利な影響を及ぼさないか又はそれどころか損傷しない。
【００１４】
幾つかの用途の場合には、前記接合領域を、すなわち少なくとも１つの前記プレセラミックポリマーを、相応する強さを有する結晶質で、特にモノリシックのセラミックを得るために、約１２００℃〜約１５００℃の範囲の温度に加熱することが有利でありうる。
【００１５】
特に良好な接合結果は、プレセラミックポリマーとしてのポリシラザンの使用によって達成された。特に有利であるのは、クロロシラン及び／又はポリチタノシラザンの使用である。変性されたプレセラミックポリマー、特に有機金属化合物、例えばＴｉ（ＮＲ2）4を用いて変性されたプレセラミックポリマーを使用することが特に好ましい。
【００１６】
本発明の範囲内で、前記接合領域の加熱がファーネスプロセス(Ofenprozess)において行われる、すなわち、前記接合パートナーが、その間に存在するプレセラミックポリマーと共に焼成炉中で全体的に加熱されることである。しかしながら、本質的により有利であるのは、特に取付部材及び／又は電子部品の保護のために、前記接合領域を、熱エネルギーが好ましくは前記接合領域の範囲内でのみ導入されるように、局所的にのみ加熱することであり、それにより本質的には、プレセラミックポリマー及びそのすぐ周囲のみが熱的に処理される。好ましくは、前記加熱は、最適な接合結果を達成しかつ前記接合パートナー並びにそれらの部品の熱負荷をできるだけ低く維持するために、温度制御されて、特に高温計の使用下に、行われる。
【００１７】
有利に、少なくとも２つの接合パートナーからなる後の複合体の前記プレセラミックポリマーの局所的のみの加熱のために、レーザー光線が使用されて、熱分解過程が開始される。これにより、前記接合部位の周囲は、公知の接合方法と比較して熱的にほぼ負荷がかからないままである。前記接合領域を加熱するためのレーザー光線の使用によって、さらに、レーザー光線波長の適した選択により前記プレセラミックポリマーへの温度供給が意図的に最適化されることができる。さらに、例えばレーザースキャナーの、レーザー光線案内部品によって、ほぼ任意の接合輪郭が製造されることができる。レーザースキャナーの前記使用の別の利点は、前記熱供給が、前記レーザー光線焦点の迅速な運動によって、ほぼ同時に全ての接合領域内で行われることができることにあり、それにより全体として均質な熱供給が、前記セラミック中での温度ピークを回避しながら実現されることができ、このことは全体としてなおいっそう穏やかな接合方法が生じる。
【００１８】
前記プレセラミックポリマーを無定形及び／又は結晶質のセラミックへ変換するためにファーネスプロセスが使用される場合には、前記接合パートナーは好ましくは適した保護機構、例えば断熱材料の使用によって、大きすぎる熱供給から少なくとも大体において保護されることができる。
【００１９】
加工技術的な理由から、液状プレセラミックポリマーが使用される場合、又は前記プレセラミックポリマーが固体である場合に前記固体がキャリア液体中に懸濁されている場合が、前記プレセラミックポリマーを噴霧できるため、滴加できるため、又は少なくとも１つの前記接合パートナーの浸漬によって前記接合領域内で施与できるために、有利である。
【００２０】
本発明の対象は、少なくとも２つの接合パートナーを接合するための、少なくとも１つの、特にそれ自体として知られた、プレセラミックポリマーの使用でもあり、これらの接合パートナーのうち、少なくとも１つがセラミック接合パートナーである。特にこのセラミック接合パートナーは、変性されたプレセラミックポリマー、特に有機金属化合物を用いて変性されたプレセラミックポリマーである。好ましくは、少なくとも１つのプレセラミックポリマーは、セラミック切替キャリア(Schaltungstraegern)を金属構造グループ上に結合するために使用される。プレセラミックポリマーの前記使用により、前記接合パートナー間の熱伝達は、そのヒートシンク（金属）への改善された接続によって特に電子的な構造グループの場合に改善されることができるので、今日常用の熱導体ペースト及び場合により機械的な固定の使用が放棄されることができる。本発明の概念により形成される接合方法によって及び／又は２つの接合パートナーを接合するためのプレセラミックポリマーの使用によって、前記セラミック接合パートナー（熱源）は、例えば金属接合パートナー、特にケーシング又は類似物（ヒートシンク）と、直接結合されることができ、それにより、例えば追加的な機械的な固定のための、コストは、削減されることができる。
【００２１】
本発明のさらなる利点、特徴及び詳細は、好ましい実施例の説明から並びに図面に基づいて明らかになる。これらは以下に示される：
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】プレセラミックポリマーのセラミック化の過程を示す略示図。
【図２】２つの接合パートナーを互いに固定するための、プレセラミックポリマーを加熱するためのレーザー光線を使用した、有利な接合システムを示す略示図。
【００２３】
発明の実施形態
図１には、２つの接合パートナー間に設けられたプレセラミックポリマー（前駆物質）、特に有機金属化合物で好ましくは変性されているポリシラザンを加熱する際の反応経過が示されている。約１２０℃〜約３００℃の範囲内の温度で、前記プレセラミックポリマーは架橋するので、前記接合領域は安定化される。それを上回る約３５０℃〜約８００℃の温度範囲内で、架橋されたプレセラミックポリマーは、高強度の無定形セラミック材料に熱分解する。前記無定形セラミック材料に追加的に又は選択的に、結晶質セラミック材料が得られるべきである用途の場合には、前記接合領域は、約１２００℃〜約１５００℃の範囲の温度に加熱されなければならない。本発明の範囲内で、示された温度範囲内で、温度休止を順守することである。選択的に、前記接合領域を、無定形又は結晶質のセラミック材料を得るために所望の温度へ直接加熱することが考えられる。
【００２４】
図２には、接合システム１（接合装置）の考えられる１つの構成が示されている。その際に、第一セラミック接合パートナー２は、第二金属接合パートナー３の上に存在し、ここで、前記接合パートナー２、３間にプレセラミックポリマー４からなる層が設けられている。レーザー光線源５を用いて、前記接合パートナー２、３間の接合領域７へ直接向けられているレーザー光線６が発生される。この実施例において、レーザー光線源５は、位置固定されて配置されており、かつ前記接合パートナー２、３は、回転装置８上に配置されているので、熱エネルギーは、広範に接合領域７中に供給されることができる。追加的に又は選択的に、レーザースキャナーを使用すること、又は前記接合パートナー２、３の周囲に比較的均質なエネルギー供給が供給されることができる装置を使用することが考えられる。
【００２５】
レーザースキャナーの使用は、そのうえ、レーザー焦点が高速で任意の接合輪郭を移動することができるという利点を有する。
【符号の説明】
【００２６】
１  接合システム（接合装置）、  ２  第一セラミック接合パートナー、  ３  第二金属接合パートナー、  ４  プレセラミックポリマー、  ５  レーザー光線源、  ６  レーザー光線、  ７  接合領域、  ８  回転装置
【図１】
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【図２】
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【国際調査報告】
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