(57)【要約】【課題】セラミックス材と金属材との接合体において、使用温度範囲が広い場合であっても、熱膨張差による接合界面の剥離を防止し、接合強度を改善する。【解決手段】積層されたセラミックス材と金属材との接合体であって、セラミックス材と、金属材と、これらセラミックス材および金属材の間に介装された三次元網目状の金属多孔質材からなり各部分の密度が４０％未満である中間材とが積層状態で接合されてなり、前記中間材は、前記密度が接合面の面方向に沿って異なっており、周辺部における密度が中央部における密度よりも小さく、かつ５％以上１５％未満である。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
セラミックス材と、金属材と、これらセラミックス材および金属材の間に介装された三次元網目状の金属多孔質材からなり各部分の密度が４０％未満である中間材とが積層状態で接合されてなり、
前記中間材は、前記密度が接合面の面方向に沿って異なっており、周辺部における密度が中央部における密度よりも小さく、かつ５％以上１５％未満であることを特徴とするセラミックス材と金属材との接合体。
【請求項２】
前記中間材において、前記中央部の密度が１５％以上４０％未満であることを特徴とする請求項１に記載のセラミックス材と金属材との接合体。
【請求項３】
三次元網目状の金属多孔質材からなる中間材を介してセラミックス材と金属材とを積層状態で接合してなる接合体の製造方法であって、
金属多孔質材を接合面の中央部に厚く、周辺部に薄くなるように設け、
この金属多孔質材を間に介在させるように前記セラミックス材および金属材を積層し、積層方向に加圧しながら加熱することにより、
前記金属多孔質材が均一な厚さに成形されてなり、その密度が前記接合面の面方向に沿って異なる中間材を前記セラミックス材および前記金属材に接合状態で形成することを特徴とするセラミックス材と金属材との接合体の製造方法。
【請求項４】
三次元網目状の金属多孔質材からなる中間材を介してセラミックス材と金属材とを積層状態で接合してなる接合体の製造方法であって、
金属粉末を含むスラリーを発泡および乾燥させてグリーンを形成し、
このグリーンを接合面の中央部に厚く、周辺部に薄くなるように設け、
このグリーンを間に介在させるように前記セラミックス材および金属材を積層し、積層方向に加圧しながら加熱することにより、
前記グリーンが均一な厚さに焼結されてなり、その密度が前記接合面の面方向に沿って異なる中間材を前記セラミックス材および前記金属材に接合状態で形成することを特徴とするセラミックス材と金属材との接合体の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱膨張率の大きく異なるセラミックス材と金属材との接合体およびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
セラミックス材料と金属材料とを接合する技術は、古くから研究開発されてきた。アルミナ、窒化アルミニウム、炭化ケイ素、窒化ケイ素などのセラミックス材料の熱膨張率が３×１０-6〜８×１０-6／Ｋであるのに対し、鉄、ステンレス鋼、ニッケル、銅などの金属材料の膨張率は１０×１０-6〜２０×１０-6／Ｋと大きい。このため、使用環境の温度変化や接合処理における加熱などにより、膨張率の差が原因となって接合面で熱応力が生じ、剥離などが生じてしまうことが、セラミックス材料と金属材料との接合における主な課題であった。
【０００３】
たとえば、静電チャック部材の製造方法において、炭化タングステン、炭化チタンなどのセラミックス材料とステンレス鋼などの金属材料とをろう付接合する際に、弾性率の小さい銅、亜鉛、アルミニウムなどの金属を中間材として配置し、中間材の変形により熱応力を緩和する方法が提案されている（特許文献１参照）。
【０００４】
特許文献２には、セラミックスヒータの製造における窒化物系セラミックスと金属部材との接合において、応力を緩和する中間材として、気孔率５〜２０％のＮｉを配置することが提案されている。また、特許文献３には、セラミックスと金属との接合の中間材として、網目状多孔金属を使用することが示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１０−５２０１５号公報
【特許文献２】特開平１１−３２９６７６号公報
【特許文献３】特公平２−５４２２２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
近年、半導体装置や航空機部品として使用されるセラミックスと金属との接合体部品には、接合の健全性、高温雰囲気でも耐えうる耐環境性とともに、より一層の接合強度が求められている。
【０００７】
しかしながら、特許文献１や特許文献２に示されるような中間材は、銅、亜鉛、アルミニウム、ニッケルといった純金属である。このため、耐食性や耐酸化性といった観点から、腐食性のガス環境下では使用することができず、真空中や不活性雰囲気での使用に限定され、また、航空機部材に求められる１０００℃付近での高温環境下でも使用することができない。
【０００８】
また、特許文献３に記載されているように中間材として金属の網目状多孔体を使用する場合、網目状多孔体は一般に密度が低いため、セラミックス材や金属材に接触して接合されている部分の面積は大きくても全体の１０％程度であり、このため接合強度が低い。これに対し、密度が高い網目状多孔体を使用した場合、セラミックスと金属の熱膨張差を緩和することができず、接合面で剥離が生じるおそれがある。
【０００９】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、セラミックス材と金属材との接合体において、熱膨張差による接合界面の剥離を防止し、接合強度を改善することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明のセラミックス材と金属材との接合体は、セラミックス材と、金属材と、これらセラミックス材および金属材の間に介装された三次元網目状の金属多孔質材からなり各部分の密度が４０％未満である中間材とが積層状態で接合されてなり、前記中間材は、前記密度が接合面の面方向に沿って異なっており、周辺部における密度が中央部における密度よりも小さく、かつ５％以上１５％未満である。
【００１１】
セラミックス材と金属材とが積層された接合体では、環境温度の変化に伴い熱膨張あるいは収縮する場合、セラミックス材と金属材との相対位置ずれが接合面の中心部では小さく、周辺部では大きくなるため、周辺部ほど剥離などの問題が生じやすい。これに対して、本発明によれば、中間材の周辺部の密度が小さいので変形能が大きく、熱応力が緩和されるので、剥離の生じにくい接合体が実現される。また、中心部の密度が大きいことにより中間材自体の強度が高く、接合強度も確保される。
【００１２】
また、本発明の接合体は、前記中間材において、前記中央部の密度が１５％以上４０％未満であることが好ましい。この場合、中間材の中心部の密度がこの範囲内であることにより、中間材は熱応力を緩和しながらセラミックス材および金属材と強固に接合される。
【００１３】
本発明に係る製造方法は、三次元網目状の金属多孔質材からなる中間材を介してセラミックス材と金属材とを積層状態で接合してなる接合体の製造方法であって、金属多孔質材を接合面の中央部に厚く、周辺部に薄くなるように設け、この金属多孔質材を介在させるように前記セラミックス材および金属材を積層し、積層方向に加圧しながら加熱することにより、前記金属多孔質材が均一な厚さに成形されてなり、その密度が前記接合面の面方向に沿って異なる中間材を前記セラミックス材および前記金属材に接合状態で形成する。
【００１４】
また、本発明に係る製造方法は、三次元網目状の金属多孔質材からなる中間材を介してセラミックス材と金属材とを積層状態で接合してなる接合体の製造方法であって、金属粉末を含むスラリーを発泡および乾燥させてグリーンを形成し、このグリーンを接合面の中央部に厚く、周辺部に薄くなるように設け、前記グリーンを間に介在させるように前記セラミックス材および金属材を積層し、積層方向に加圧しながら加熱することにより、前記グリーンが均一な厚さに焼結されてなり、その密度が前記接合面の面方向に沿って異なる中間材を形成するとともに、この中間材を前記セラミックス材および前記金属材に接合状態で形成する。
【００１５】
本発明に係る製造方法によれば、セラミックス材と金属材との間に介装される中間材の密度を、接合面の面方向に沿って異ならせることができる。なお、金属多孔質材やグリーンの厚さを異ならせる方法としては、たとえば、複数枚のシート状の金属多孔質材やグリーンを、部分的に積層枚数を異ならせて積層する方法が考えられる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、熱膨張差による接合界面の剥離が防止され、接合強度を改善してセラミックス材と金属材とを接合できる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明に係るセラミックス材と金属材との接合体を示す断面図（ａ）および平面図（ｂ）である。
【図２】図１に示す接合体の製造方法を説明する模式図である。
【図３】セラミックス材と金属材との接合体の接合強度の測定方法を示す断面図である。
【図４】本発明に係るセラミックス材と金属材との接合体の製造方法の他の例を示す模式図である。
【図５】図４に示す方法により製造された接合体を示す断面図（ａ）および平面図（ｂ）である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、本発明に係るセラミックス材と金属材との接合体の実施形態について説明する。本発明の接合体１０は、図１（ａ）に示すように、セラミックス材１１と、金属材１４と、これらセラミックス材および金属材の間に介装された三次元網目状の金属多孔質材からなる中間材１２とが積層状態で接合されてなる。
【００１９】
中間材１２は、各部分における密度が４０％未満であって、セラミックス材１１および金属材１４との接合面の面方向に沿って異なる密度を有し、周辺部１２ａにおける密度が中央部１２ｂにおける密度よりも小さい（図１（ｂ）参照）。具体的には、中間材１２の真密度に対する密度は、周辺部１２ａにおいて５％以上１５％未満、中央部１２ｂにおいて１５％以上４０％未満である。
【００２０】
この接合体１０は、熱膨張率の異なるセラミックス材１１と金属材１４とが、変形能を有する中間材１２を介して接合されているので、使用環境において発生する熱応力が中間材１２で緩和され、接合面の剥離やセラミックス材１１の破損などが防止される。特に、温度変化に伴う膨張、伸縮による変位量の差が大きいために熱応力が大きくなりやすい周辺部１２ａにおいて、中間材１２の密度が中央部１２ｂよりも小さいので、周辺部１２ａにおける中間材１２の変形能が大きく、セラミックス材１１との間で発生する熱応力が効果的に抑えられ、セラミックス材１１の剥離や破損が効果的に防止される。
【００２１】
なお、接合体１０における周辺部１２ａと中央部１２ｂとの面積比は、接合体１０の大きさ、各部分の密度などを鑑みて、接合強度および熱応力の緩和が両立できるように決定される。中間材１２が十分な変形能を備えるためには、周辺部１２ａの面積を少なくとも接合面の１０％程度、たとえば１０％〜５０％程度に設定することが好ましい。
【００２２】
（実施例）
本発明に係る接合体および製造方法の実施例について説明する。
サンプル１〜７では、セラミックス材１１として窒化ケイ素板（１００×１００×ｔ１ｍｍ）、金属材１４としてＳＵＳ３０４ステンレス鋼板（１００×１００×ｔ５ｍｍ）を準備した。
【００２３】
サンプル１〜７の接合体１０における中間材１２を形成するために、金属多孔質材１２Ａ，金属多孔質材１２Ｂを準備した。これら金属多孔質材１２Ａ，１２Ｂは、スラリー発泡法により形成したＳＵＳ３０４ステンレス製発泡金属板である。金属多孔質材１２Ａの外形寸法は５０ｍｍ×５０ｍｍ×ｔ２．５ｍｍ、金属多孔質材１２Ｂの外形寸法は１００ｍｍ×１００ｍｍ×ｔ２．５ｍｍである。
【００２４】
ここで、スラリー発泡法による具体的な製造方法を説明する。平均粒径２０μｍのＳＵＳ３０４ステンレス鋼粉末と、結着剤としてポリビニルアルコールと、可塑剤としてグリセリンと、界面活性剤としてアルキルベンゼンスルホン酸塩と、発泡剤としてヘプタンとを、溶媒の水とともに混練することにより、スラリーを作製した。このスラリーを板状に成形し、脱脂、焼結することにより、発泡金属板（金属多孔質材）を得た。発泡金属板の密度は、発泡剤の量と成形体の厚さを調整することにより変化させた（表１参照）。
【００２５】
次に、図２に示すようにこれらの金属多孔質材１２Ａ，１２Ｂをセラミックス材１１と金属材１４との間に配置するようにこれらを積層し、ホットプレスにより１１５０℃、保持時間１時間、荷重５ｋＰａの条件で拡散接合した。ホットプレスのストロークは、セラミックス材１１と金属材１４との間隔が２ｍｍとなるように調整した。なお、金属多孔質材１２Ａは、接合面の略中央に配置した。
【００２６】
これにより、金属多孔質材１２Ａ，１２Ｂは一体化し、周辺部１２ａの密度が低い中間材１２として、セラミックス材１１および金属材１４に接合される。接合後の中間材１２の各部の密度は、接合前の金属多孔質材１２Ａ，１２Ｂの密度測定結果と接合後の厚さとから、計算で求めた（表１）。サンプル１〜７の各接合体は、中間材１２の密度がいずれも周辺部１２ａで比較的小さく、中心部１２ｂで大きくなっている。
【００２７】
接合後、サンプル１〜７の各接合体における接合面の剥離の有無を観察し、接合強度を測定した（表１）。接合強度は、セラミックス材１１と金属材１４とを接合面に沿って逆方向に引っ張り、接合部分が破断するまでの荷重を測定することにより確認した。具体的には、図３に示すように、セラミックス材１１および金属材１４のそれぞれにエポキシ樹脂系接着剤２０を用いて測定用金属板２１を接着し、これら測定用金属板２１を引張試験機のクランプに接続して接合面に沿って逆方向に引っ張り、接合部分の破断時荷重を測定した。そして、接合時の剥離がなく、破断時の荷重が３ｋＮ以上であればＯＫと評価した。
【００２８】
【表１】
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【００２９】
実験の結果、周辺部１２ａの密度が５％以上１５％未満かつ中心部１２ｂの密度が１５％以上４０％未満であるサンプル１〜３では、剥離が発生せず、接合強度も十分であった。
【００３０】
これに対して、サンプル４は、周辺部１２ａの密度はサンプル２と同じく８％であるが中心部１２ｂの密度が１５％未満であり、剥離は発生しなかったが接合強度がやや低かった。このことから、十分な接合強度を得るためには、中間材１２の中心部１２ｂにおける密度を所定値以上に適切に設定することが好ましいと考えられる。なお、サンプル４のように引張試験による接合強度が若干低くても接合時に剥離が生じなかった接合体は、たとえば荷重が小さい環境などでの使用が可能である。
【００３１】
サンプル５は、周辺部１２ａの密度はサンプル２，４と同じく８％であるが中心部１２ｂの密度が４０％以上であり、接合時に剥離が発生した。このことから、接合時の剥離の発生を防止するためには、中間材１２の中心部１２ｂにおける密度を所定値以下に適切に設定することが好ましいと考えられる。
【００３２】
周辺部１２ａの密度が５％未満であるサンプル６では、剥離は発生しなかったが接合強度が低かった。このことから、周辺部１２ａの密度が低すぎると、周辺部１２ａ自体の強度が不足し、中間材１２の接合を主に中心部１２ｂのみで担わなければならず、その結果、接合体の接合強度が低いと考えられる。一方、周辺部１２ａの密度が１５％以上であるサンプル７では、接合時に剥離が発生した。このことから、周辺部１２ａの密度が高すぎると、中間材１２の変形能が不足して熱膨張差を吸収しきれないと考えられる。つまり、中間材１２の周辺部１２ａの密度を適切な範囲に設定することにより、接合時の剥離および接合時の剥離を防止できると考えられる。
【００３３】
これらの結果から、接合体１０の剥離防止および接合強度改善のために、中間材１２は、周辺部１２ａよりも中心部１２ｂで密度が大きいことだけでなく、各部分の密度が適切な範囲内であることがより好ましいことが確認された。
【００３４】
次に、サンプル１〜７とは異なる方法で中間材を形成する製造方法を採用したサンプル８について説明する。サンプル８では、セラミックス材１１としてアルミナ板（１００×１００×ｔ２ｍｍ）、金属材１４としてＳＵＳ３１０ステンレス鋼板（１００×１００×ｔ５ｍｍ）を準備した。
【００３５】
サンプル８の中間材１３は、セラミックス材１１と金属材１４との間に焼結前のグリーンを複数枚重ねて、積層方向に加圧した状態で焼結して形成した。まず、ＳＵＳ３１０ステンレス鋼製、平均粒径２０μｍの合金粉末と、結着剤としてポリビニルアルコールと、可塑剤としてグリセリンと、界面活性剤としてアルキルベンゼンスルホン酸塩と、発泡剤としてヘプタンとを、溶媒の水とともに混練することにより、スラリーを作製した。
【００３６】
このスラリーを、ダイコータを用いてＰＥＴフィルム上に厚さ０．８ｍｍで均一に塗工し、湿度７５％、温度６０℃の発泡装置にて３０分間保持して発泡させた。その後、９０℃の乾燥機にて１０分間放置して乾燥させた。乾燥したスラリーをＰＥＴフィルムから剥離し、厚さ３ｍｍの乾燥したグリーン（未焼結）を得た。
【００３７】
このグリーンを１００ｍｍ×１００ｍｍ、７５ｍｍ×７５ｍｍ、５０ｍｍ×５０ｍｍの寸法にカッターで切断し、それぞれグリーン１３Ａ，１３Ｂ，１３Ｃとした。これらグリーン１３Ａ，１３Ｂ，１３Ｃを、図４に示すようにセラミックス材１１と金属材１４との間に積層し、加重５ｋＰａとなるように錘を載せ、真空炉を用いて１２００℃、３時間の条件で焼結を行った。焼結後、図５に示す接合体１０が得られ、その中間材１３の厚さは２ｍｍとなった。中間材１３は、３枚のグリーン１３Ａ，１３Ｂ，１３Ｃを重ねて形成された中央部（中心部）１３ａの密度が最も高く、次いで２枚のグリーン１３Ｂ，１３Ｃを重ねて形成された外周部（中心部）１３ｂ、１枚のグリーン１３Ｃから形成された周辺部１３ｃの順に高密度となった。
【００３８】
接合後、サンプル１〜７と同様に、サンプル８の接合体１０における接合面の剥離の有無を観察し、接合強度（破断時荷重）を測定した。また、接合断面を光学顕微鏡で観察することにより、中間材１３の各部分の密度を求めた。結果を表２に示す。
【００３９】
【表２】
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【００４０】
以上説明したように、本発明によれば、変形能を有する中間材が、密度の高い中心部で強固にセラミックス材および金属材に接合されるとともに、密度の低い周辺部でセラミックス材と金属材との間の熱膨張差を吸収するので、セラミックス材と金属材との接合体において、熱膨張差による接合界面の剥離を防止し、高い接合強度を実現できる。
【００４１】
なお、本発明は前述の構成のものに限定されるものではなく、細部構成においては、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。
【符号の説明】
【００４２】
１０  接合体
１１  セラミックス材
１２，１３  中間材
１２ａ  中心部
１３ａ  中心部（中央部）
１３ｂ  中心部（外周部）
１２ｂ，１３ｃ  周辺部
１２Ａ，
１２Ｂ  金属多孔質材
１３Ａ，１３Ｂ，１３Ｃ  グリーン
１４  金属材
２０  エポキシ樹脂系接着剤
２１  測定用金属板
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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