(57)【要約】【課題】窒化アルミニウム焼結体同士を比較的低い温度で確実に接合することが可能な接合材、及びそれを使用した窒化アルミニウム焼結体の接合方法を提供する【解決手段】塩化アルミニウム等のアルミニウム化合物と尿素又はその誘導体とを溶融状態で混合して得られる融合体を結合成分とする窒化アルミニウム焼結体の接合材であり、窒化アルミニウム焼結体間に介在させて、７００〜１５００℃の温度に加熱すると同時に圧接することによって窒化アルミニウム焼結体を接合する。【選択図】  なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
アルミニウム化合物と尿素又はその誘導体との融合体よりなることを特徴とする窒化アルミニウム焼結体の接合材。
【請求項２】
アルミニウム化合物１モル部に対して尿素又はその誘導体が少なくとも３モルとなる割合で配合された請求項１記載の接合材。
【請求項３】
アルミニウム化合物がハロゲン化アルミニウムである請求項１又は２記載の接合材。
【請求項４】
アルミニウム化合物が硝酸アルミニウムである請求項１又は２記載の接合材。
【請求項５】
窒化アルミニウム焼結体間に請求項１記載の接合材を介在させて、７００〜１５００℃の温度に加熱すると同時に圧接することを特徴とする窒化アルミニウム接合体の製造方法。
【請求項６】
窒化アルミニウム焼結体を圧接する圧力が５〜１７０ＭＰａである請求項５記載の窒化アルミニウム接合体の製造方法。
【請求項７】
請求項５記載の方法によって得られた、窒化アルミニウム接合体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、窒化アルミニウム焼結体の新規な接合材に関する。詳しくは、窒化アルミニウム焼結体同士を比較的低い温度で確実に接合することが可能な接合材を提供するものである。
【背景技術】
【０００２】
窒化アルミニウム焼結体は、高い熱伝導性及び電気絶縁性を有するため、種々の装置、機器の放熱部材として使用されている。ところが、上記放熱部材として使用される窒化アルミニウムの構造体の形状は、板状、柱状等の単純な形状のみではなく、中空体や入り組んだ面を有する立体等の複雑な形状を要求される場合がある。このような成形体は、一体成形品として製造することは困難である。即ち、前記形状の一体成形体を得るためには、先ず、窒化アルミニウム焼結体よりなる外形が同一形状の塊状物を製造し、その内部を削り出すことによって得る方法が考えられるが、かかる方法は、生産効率が悪い上に歩留まりが低く、製造コストが高くなるという問題を有する。
【０００３】
そこで、複雑な形状の窒化アルミニウム焼結体よりなる構造体を製造する方法として、一体成形が容易な単純な形状のものをそれぞれ別個に製造し、これらを接合して上記構造体とする方法が効率的である。
【０００４】
また、上記接合は、窒化アルミニウム焼結体を製造するための焼結時における収縮を勘案すれば、窒化アルミニウム焼結体について行なうことが好ましい。
【０００５】
従来より、窒化アルミニウム焼結体同士を接合する方法として種々の方法が提案されている。例えば、
１．窒化アルミニウム焼結体を鉛ガラス等のガラス材を用いて接合する方法（特許文献１参照）、
２．窒化アルミニウム焼結体を、チタンを含有する銀ロウ等を介在させて接合する方法（特許文献２参照）、
３．窒化アルミニウム焼結体の接合面同士を密着させて加熱し、窒化アルミニウム粒界相成分の拡散により接合する拡散接合により接合する方法（特許文献３参照）、
４．窒化アルミニウム焼結体の接合面における平面度を高めた上で、該焼結体間に焼結助剤の溶液を塗布し、次いで、接合面を当接した状態で熱処理する方法（特許文献４参照）
などが提案されている。
【０００６】
しかしながら、前記１．に記載した、窒化アルミニウム焼結体同士の接合材としてガラス材を用いる方法によって得られる接合構造体は、かかるガラス材の熱伝導率が窒化アルミニウム焼結体よりも低いため、該窒化アルミニウム焼結体の重要な特性の熱伝導率が接合部において損なわれるという問題を有する。
【０００７】
また、前記２．に記載した、窒化アルミニウム焼結体同士の接合材としてロウ材を用いる方法によって得られる接合構造体は、該ロウ材の導電性により、接合部において窒化アルミニウム焼結体の電気絶縁性が損なわれるばかりでなく、窒化アルミニウムとロウ材の熱膨張率差によって、耐熱衝撃性が劣る。
【０００８】
更に、前記３．に記載した、拡散による接合方法は、接合前に窒化アルミニウム焼結体の接合面同士の密着性を確保するために接合面を高精度で加工したり、接合のための熱処理等を必要とし、接合部において、満足される熱伝導性、接着強度を確保するまで上記処理を行うことが困難である。
【０００９】
更にまた、前記４．に記載した方法による接合においては、焼結助剤を塗布後、窒化アルミニウム焼結体を当接した状態で、１８００℃以上という高温域での加熱を必要とするため、窒化アルミニウムの結晶粒径の変化（巨大化）による強度の低下やその他の物性の変化が懸念される。
【００１０】
【特許文献１】特開平２−８８４７１号公報
【特許文献２】特開平５１７０５５２号公報
【特許文献３】特開平２−１２４７７８号公報
【特許文献４】特開平８−７３２８０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
したがって、本発明の目的は、窒化アルミニウム焼結体同士を、ガラス材や、銀ロウ等の異質な材質を介在させることなく、しかも、低温度で確実に接合することが可能な接合材を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明者らは、上記課題を解決すべく鋭意研究を重ねた。その結果、窒化アルミニウムを生成する特定の反応性物質として、三塩化アルミニウムの如きアルミニウム化合物と尿素又はその誘導体とを溶融混合せしめた生成物を、接合する窒化アルミニウム焼結体間に介在させ、加熱と同時に圧接することによって、窒化アルミニウムに対して異質な物質を介在させることなく、しかも、前記方法に対して極めて低温で窒化アルミニウム焼結体の接合を確実に行なうことができることを見出し、本発明を提案するに至った。
【００１３】
即ち、本発明は、アルミニウム化合物と尿素又はその誘導体との融合体よりなることを特徴とする窒化アルミニウム焼結体の接合材である。
【００１４】
また、本発明は、前記接着剤を使用した新規な接着方法も提案するものである。
【００１５】
即ち、本発明は、窒化アルミニウム焼結体間にアルミニウム化合物と尿素又はその誘導体との融合体よりなる接合材を介在させて、７００〜１５００℃の温度に加熱すると同時に圧接することを特徴とする窒化アルミニウムホモ接合体の製造方法である。
【００１６】
さらに、本発明は、前記製造方法によって得られた接合体をも提供するものである。
【００１７】
即ち、窒化アルミニウム焼結体間にアルミニウム化合物と尿素又はその誘導体との融合体よりなる接合材を介在させて、７００〜１５００℃の温度に加熱すると同時に圧接することによって得られた、窒化アルミニウム接合体を提供する。
【発明の効果】
【００１８】
本発明の接合材は、前記した特定の融合体よりなる反応性物質を使用することによって、低温度においても確実に且つ高強度で窒化アルミニウム焼結体同士を接合することが可能である。そのため、接合中に窒化アルミニウム焼結体中の結晶粒に影響を与えることなく、優れた特性を有する窒化アルミニウム接合体を得ることができる。
【００１９】
また、かかる融合体よりなる反応性物質は、加熱によって窒化アルミニウムを生成するものであり、接合面において異質な物質が実質的に存在しない接合体を得ることが可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
本発明において、窒化アルミニウム焼結体は、公知の材質が特に制限なく使用されるが、特に、熱伝導率が７０Ｗ／ｍ・Ｋ以上、特に、１８０〜２５０Ｗ／ｍ・Ｋであることが、高い熱伝導性を発揮するために好ましい。また、機械的耐久性を考慮すれば、曲げ強度は、２００ＭＰａ以上、好ましくは、３００〜６００ＭＰａであることが望ましい。
【００２１】
また、上記窒化アルミニウム焼結体は、イットリア、カルシア等の焼結助剤を使用して製造され、該焼結助剤が窒化アルミニウム焼結体を構成する結晶の粒界相に含有するものであっても良いし、焼結助剤を使用せず、或いは、焼結助剤を使用し、該焼結助剤を焼結時に除去することによって焼結助剤を実質的に含有しないものであっても良い。
【００２２】
即ち、本発明の接合材による接合の効果は、窒化アルミニウム焼結体中に含有される焼結助剤の影響を受けず、焼結助剤の有無に拘わりなく、良好な接合を行なうことができる。
【００２３】
前記の焼結助剤を含有する窒化アルミニウム焼結体において、焼結助剤は、通常０．１〜１０％含有される。
【００２４】
本発明において、窒化アルミニウム焼結体の形状は、それぞれ対応する接合面を有するものであれば、特に制限されず、接合の目的によって適宜決定される。例えば、柱状体、立方体、板状体等の単純な形状を始め、中空成形体の分割形状を有するもの、複雑な形状の各部を構成する形状を有するものなどが挙げられる。
【００２５】
本発明の接合材は、上記窒化アルミニウム焼結体同士の接合に対して特に好適に使用される。
【００２６】
そして、上記接合材は、アルミニウム化合物と尿素又はその誘導体との融合体よりなることを特徴とする。
【００２７】
上記アルミニウム化合物は、後で詳細に説明する窒素源である、尿素或いはその誘導体と反応して窒化アルミニウムを生成するものであれば特に制限されないが、特に、上記反応性が高いものが好適に使用される。例えば、三塩化アルミニウム、三臭化アルミニウム等のハロゲン化物、硝酸アルミニウム等の化合物が挙げられる。中でも、三塩化アルミニウムが好適である。
【００２８】
また、前記尿素誘導体としては、ビュウレット、シアヌル酸およびその誘導体等が挙げられる。窒素源の中で、尿素が最も好適に使用される。
【００２９】
本発明において、上記アルミニウム化合物と尿素又はその誘導体とは、融合体の状態で接合材として使用することが極めて重要である。ここで、融合体は、アルミニウム化合物と尿素又はその誘導体とが溶融状態で混合されて得られた混合物及びその反応生成物である。
【００３０】
また本発明の接合材は、上記アルミニウム化合物と尿素またはその誘導体に加えて、接合時に用いる温度下に溶融または分解しない高融点物質、例えば窒化アルミニウム微粒子をスペーサー材として混合しておくのも場合によっては有効である。
【００３１】
一方、それぞれの成分を混合粉の状態で接合材として使用した場合は、後記の接合方法に準じて窒化アルミニウム焼結体間に介在せしめてこれを加熱すると同時に圧接させても、十分な強度を有する接合体を得ることができない。その理由は明らかではないが、予め両者を溶融状態で混合する過程において反応性に富む中間化合物が生成し、かかる中間化合物が何らかの作用により、接合強度の発現に寄与しているものと思われる。即ち、本発明者らは、融合体を種々の温度で製造し、その生成物を観察した結果、Ｘ線回折において新たなピークが見られ、かかる生成物が接合時の加熱において何らかの作用をしているものと推定している。これに対して、融合体を得ずに、それぞれの成分を混合粉の状態で接合材として使用する場合においては、中間生成物の生成温度域を瞬時に通過することにより、上記生成物が生成しないか、生成しても十分な量存在しないものと推定される。
【００３２】
尚、従来より、塩化アルミニウムと尿素とによって窒化アルミニウムを製造する方法は知られている。この方法は、両者の混合粉を加熱することによって、両者が溶融し、さらに加熱を続けて窒化アルミニウムを得ることを開示するものである。しかし、かかる報告においては、窒化アルミニウムの生成の過程の溶融状態で両者を混合して融合体と成すこと、及び、その融合体が窒化アルミニウム焼結体同士の接合材として有用であることは記載されておらず、これらの知見は本発明者らによって初めて見出されたものである。
【００３３】
前記融合体の製造方法は、特に制限されないが、一方の融液に他方を溶解することによって得る方法が好適である。一般には、アルミニウム化合物より尿素或いはその誘導体の方が融点が低いので、該尿素或いはその誘導体を溶融せしめ、その融液にアルミニウム化合物を溶解させる方法が好ましい。
【００３４】
従って、上記溶融状態での混合温度は、融点の低い物質、即ち、尿素又はその誘導体の融点以上であれば良い。また、その温度の上限は窒化アルミニウムが完全に生成しない温度、具体的には、１０００℃未満であることが好ましい。上記保持時間は、０．１  〜５時間、好ましくは、０．４〜２時間であることが好ましい。また、混合は、融液の自然対流で十分であるが、機械的な攪拌を行なっても良い。
【００３５】
また、融合体の生成において、上記溶融状態からさらに３００〜９５０℃に加熱して反応を促進することは、前記中間化合物を増加せしめ、得られる融合体の接合効果を向上させるために好ましい。
【００３６】
また、本発明において、アルミニウム化合物と尿素又はその誘導体との配合割合は、アルミニウム化合物１モル部に対して尿素又はその誘導体が少なくとも３モル部となる割合であれば特に制限されないが、前記混合を効果的に実施するため、及び加熱時における尿素又はその誘導体の揮散分を考慮すれば、アルミニウム化合物１モル部に対して尿素又はその誘導体が１０モル部以上、特に１０〜５０モル部となる割合で混合することが好ましい。
【００３７】
本発明において、融合体は、冷却により固体の状態で得られるため、これを粉砕して接合材として使用することができる。粉砕の程度は特に制限されないが、一般に１〜５０μｍ程度である。この場合、接合面への粉砕物の塗布を容易とするため、かかる粉砕物をヘプタン等の溶剤にてスラリー状またはペースト状にして使用することが好ましい。
【００３８】
また、他の態様として、例えばポリエチレン等のフィルム形成能を有する物質を加えて溶融または分散させてフィルム状に成形し、これを接合面に介在させて接合に付することもできる。上記フィルムの厚みは、５０〜１００μｍ程度が好適である。
【００３９】
本発明の前述の接合材による窒化アルミニウム焼結体同士の接合方法は、窒化アルミニウム焼結体間に該接合材を介在させて、７００〜１５００℃、好ましくは、１０００〜１３００℃の温度に加熱すると同時に圧接する方法が推奨される。
【００４０】
上記圧接時の圧力は、５〜１７０ＭＰａ、圧力の上限は特に限定されないが、窒素化アルミニウム焼結体の破壊を生じる危惧があるので、好ましくは、１０〜１００ＭＰａであることが好適である。また、圧接方法としては、プレス機によって行なう方法が一般的である。
【００４１】
また、上記圧接と同時に行なう加熱は、少なくとも圧接された接合部分を加熱する方法であれば、公知の方法が特に制限なく採用される。
【００４２】
例えば、電気炉、高周波加熱装置等の加熱方法が一般的である。また、他の好適な加熱方法として、加熱と圧接を同時に行なうことのできるホットプレス機を使用する態様、前記融合体を介して窒化アルミニウム焼結体同士を圧接しながら、パルス通電を行い、該窒化アルミニウム焼結体を加熱する、いわゆる放電プラズマ法（ＳＰＳ）によって行う態様などが挙げられる。
【００４３】
上記放電プラズマ法は、窒化アルミニウム焼結体の接合面の間隙に直接パルス状の電気エネルギーを投入するパルス通電を行い、火花放電により瞬時に発生する高温プラズマの高エネルギーを熱拡散・電界拡散等へ効果的に応用することで、熱平衡状態に達する前に粒子間にまず局所的なネック接合を効率良く形成し、それを安定な結合に成長させ、短時間で加熱を可能とする技術である。
【００４４】
上記方法を実施するため、その装置は、導電性カーボン製の加圧ダイと、加圧ダイに嵌入される１対の導電性カーボン製の成形パンチを配設し、窒化アルミニウム焼結体は該加圧ダイ内に装着される。そして、装着した窒化アルミニウム焼結体を上記成形パンチで上下方向から加圧しつつ、成形パンチを介して直流のパルス電流の通電を開始する。
【００４５】
上記パルス電流の電流密度は、一般に１００〜１０００Ａ／ｃｍ２、好ましくは、３００〜６００Ａ／ｃｍ２であり、電圧が１〜１０Ｖ、好ましくは、２〜６Ｖの条件が一般的である。
【００４６】
また、上記パルス通電は窒素などの不活性ガス雰囲気下で行うことが好ましい。放電プラズマ法を用いることの利点は、被接合体面のみならず、その周囲にあるダイを流れる電流により発生するジュール熱によって被接合体が補助的に加熱されることにより、さらに効果的に接合を行うことが可能となることである。
【００４７】
また、上記方法において、到達温度が前記加熱温度範囲となるように調整され、上記到達温度を維持する時間は、一概に限定されないが、通常、１０〜１２０分、好ましくは、３０〜６０分である。かかる到達温度の調整は、パルス通電の強さ、間隔、更には、補助加熱電源の強さなどを調整することによって行うことができる。
【００４８】
また、上記到達温度への昇温速度は１０〜１００℃／分、好ましくは２０〜５０℃／分が適当である。
【００４９】
上記加熱方法において、窒化アルミニウム焼結体を取り付ける際、焼結体と加圧ダイとの焼結を防止するため、窒化アルミニウム焼結体が装置と接触する界面にカーボンシートを介在させることは好ましい態様である。
【００５０】
本発明の接合材を用いて得られた窒化アルミニウム接合体は、その接合面における接合強度が強く、また、生成する成分も窒化アルミニウムであるため、前記した従来の接合材のように、接合面において、異質な層が形成されることがなく、窒化アルミニウム焼結体の特性を均一に有する接合体を得ることができる。
【実施例】
【００５１】
以下、本発明をさらに具体的に説明するため実施例を示すが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。
【００５２】
実施例１〜２６、比較例１〜３  
（接合材の調製）
表１に示す種類のアルミニウム化合物（Ａ）と尿素又はその誘導体（Ｂ）とを表１に示すモル比（Ｂ／Ａ）で使用し、下記の方法によって接合材の調製を実施した。
【００５３】
先ず、上記所定量の尿素又はその誘導体とアルミニウム化合物を石英容器に採り、電気炉によって尿素の融点まで加熱し２５分保持した。次いで、融液の温度を表１に示す温度まで上昇せしめて１分間保持した。尚、上記融液の混合は、融液の対流によって行なった。
【００５４】
上記方法によって得られた融合体を冷却して固体状とした。得られた生成物をＸ線回折により観察した結果、原料であるアルミニウム化合物及び尿素又はその誘導体に無いピークが存在していた。代表例として、実施例１、２及び３の接合材についてＸ線回折のチャートを図１、図２及び図３に示す。
【００５５】
また、比較のため、アルミニウム化合物（Ａ）と尿素又はその誘導体（Ｂ）を溶融混合せず、乾式で混合して接合材を製造した。さらに、窒化アルミニウム微粉末を接合材とした接合も行った。
【００５６】
【表１】
2005263544.tif 000002
（接合方法）
上記方法によって得られた融合体を平均粒径１０μｍとなるように破砕し、これを窒化アルミニウム焼結体の接合面に、単位面積当り０．０１ｇ／ｃｍ２の量存在するように塗布した。
【００５７】
上記窒化アルミニウム焼結体は、焼結時に助剤として酸化イットリウムを５質量％含有する窒化アルミニウム粉末を使用して焼結された、６ｍｍ×６ｍｍの面を有する厚さ３ｍｍの板であり、熱伝導度１７３Ｗ／ｍ・Ｋ、曲げ強度は３６０ＭＰａのもの（焼結体Ｘ）と、助剤を使用しないで焼結した、熱伝導度８３Ｗ／ｍ・Ｋ、曲げ強度は３４０ＭＰａのもの（焼結体Ｙ）とを使用した。
【００５８】
次いで、上記窒化アルミニウム焼結体とこれに接合される窒化アルミニウム焼結体との接合面を当接し、表２に示す条件で圧接と同時に加熱を行い、接合を行なった。
【００５９】
尚、表２の接合方式において、ホットプレスによる接合は、  昇温速度１０℃／分、接合温度保持時間１時間、窒素流量２Ｌ／分の条件で行なった。
【００６０】
また、放電プラズマによる接合は、昇温速度３０℃／分、接合温度保持時間１時間及び３０分、窒素流量２Ｌ／分の条件で行なった。
【００６１】
さらに、電気炉における接合は、昇温速度３０℃／分、接合温度保持時間１時間及び３０分、窒素流量０．５Ｌ／分の条件で行なった。
【００６２】
（接合体）
上記接合によって得られた接合体の接合強度をシェア強度を測定することによって確認した結果を表２に併せて示す。
【００６３】
また、各実施例において接合面における窒化アルミニウム以外の物質を元素分析装置（パーキンエルマー社：２４００IIＣＨＮＳ）によって確認したところ、数重量％程度の炭素が検出された。
【００６４】
【表２】
2005263544.tif 000003
【図面の簡単な説明】
【００６５】
【図１】実施例１の融合体についてＸ線回折のチャート
【図２】実施例２の融合体についてＸ線回折のチャート
【図３】実施例３の融合体についてＸ線回折のチャート
【図１】
2005263544.tif 000004
【図２】
2005263544.tif 000005
【図３】
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