(57)【要約】      （修正有）【課題】セラミックス部材と金属部材との接合方法及び金属接合構造体の提供。【解決手段】金属部材２とセラミック部材４との間に固形のアルミニウムを主成分とした接合材３又は錫を主成分とした接合材を介在させた接合対象部材１とレジンパッド１２とが加圧部１３と共振器１４の接合ツール部１５とで上下方向より加圧され、共振器１４の接合ツール部１５が振動子１６から伝達された音波振動又は超音波振動に共振し、金属部材２と接合材３との界面部分、接合材３とセラミックス部材４との界面部分のそれぞれが加圧と振動エネルギーとを受けて互いに接合され、金属部材２とセラミックス部材４とが接合材３で大気中の常温で接合可能になる。セラミックス部材４が接合時の加圧と振動エネルギーとに耐えて割れない厚みを有する場合は、レジンパッド１２を金属部材２の側に配置してもレジンパッド１２を用いなくてよい。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
接合対象部材が金属部材とセラミックス部材との間に固形に構成されたアルミニウムを主成分とした接合材又は固形に構成された錫を主成分とした接合材を介在させてなる積層状になっており、この接合対象部材が上下方向で加圧された状態において共振器が共振器の一端部に取り付けられた振動子から伝達された音波振動又は超音波振動に共振して上記加圧される方向に直交する横方向に振動することにより金属部材とセラミックス部材とがアルミニウムを主成分とした接合材又は錫を主成分とした接合材で互いに接合することを特徴とする接合方法。
【請求項２】
接合対象部材が金属部材とセラミックス部材との間に固形に構成されたアルミニウムを主成分とした接合材又は固形に構成された錫を主成分とした接合材を介在させてなる積層状になっており、この接合対象部材の上下の一方又は両方にレジンパッドが配置され、前記接合対象部材とレジンパッドとが上下方向で加圧された状態において共振器が共振器の一端部に取り付けられた振動子から伝達された音波振動又は超音波振動に共振して上記加圧される方向に直交する横方向に振動することにより金属部材とセラミックス部材とがアルミニウムを主成分とした接合材又は錫を主成分とした接合材で互いに接合することを特徴とする接合方法。
【請求項３】
金属部材が銅からなるシート状又はフォイル状又はフィルム状又は板状やブロックの固形に構成されたことを特徴とする請求項１又は２に記載の接合方法。
【請求項４】
セラミックス部材がシート状又はフォイル状又はフィルム状又は板状やブロックの固形に構成されたことを特徴とする請求項１又は２に記載の接合方法。
【請求項５】
アルミニウムを主成分とした接合材又は固形に構成された錫を主成分とした接合材がシート状又はフォイル状又はフィルム状又は板状又は箔状から構成されことを特徴とする請求項１記載の接合方法。
【請求項６】
接合対象部材が金属部材とセラミックス部材とから積層状になっており、この接合対象部材の上下の一方又は両方にレジンパッドが配置され、前記接合対象部材とレジンパッドとが上下方向で加圧された状態において共振器が共振器の一端部に取り付けられた振動子から伝達された音波振動又は超音波振動に共振して上記加圧される方向に直交する横方向に振動することにより金属部材とセラミックス部材とが互いに接合することを特徴とする接合方法。
【請求項７】
金属部材がアルミニウムからなるシート状又はフォイル状又はフィルム状又は板状やブロックの固形に構成されたことを特徴とする請求項６に記載の接合方法。
【請求項８】
セラミックス部材がシート状又はフォイル状又はフィルム状又は板状やブロックの固形に構成されたことを特徴とする請求項６に記載の接合方法。
【請求項９】
請求項１又は２記載の金属接合方法により金属部材とセラミックス部材がアルミニウムを主成分とした接合材又は固形に構成された錫を主成分とした接合材で接合されたことを特徴とする金属接合構造体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、セラミックス部材と金属部材とを大気中の常温で接合する接合方法及び金属接合構造体に関する。
【背景技術】
【０００２】
非特許文献１の１０４６頁には、セラミックス基板に銅板を銅板の中に含まれる微量な酸化物を利用して酸化銅の共晶液相を生成させてセラミックス基板との接合材に利用したＤＢＣ基板、ＴｉやＺｒ等の活性金属を添加したろう材を中間材として介するＡＭＣ（Active Metal Brazed Copper）基板が記載されている。
【０００３】
しかしながら、非特許文献１で開示されたように、セラミックス基板等のセラミックス部材に金属を接合する方法は、酸化銅の共晶反応を利用したり、活性金属を添加したろう材を利用したり、複雑である。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】セラミックス  ４１（２００６）Ｎｏ．１２「半導体デバイス用窒化アルミニウム基板」www.ceramic.or.jp/museum/contents/pdf/2006_12_03.pdf
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、上記背景技術に鑑みてなされたものであり、セラミックス部材と金属部材とを接合する接合方法及び金属接合構造体の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の接合方法は、共振器が共振器の一端部に取り付けられた振動子から伝達された音波振動又は超音波振動に共振して上記加圧される方向に直交する横方向に振動することにより金属部材とセラミックス部材とがアルミニウムを主成分とした接合材又は錫を主成分とした接合材で互いに接合することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００７】
本発明は、アルミニウムを主成分とした接合材又は錫を主成分とした接合材が加圧と振動エネルギーとを受けて金属部材とセラミックス部材とを互いに接合するので、金属部材とセラミックス部材とが大気中の常温で短時間に接合され、歪みや残留応力が無く品質が良くなる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】発明を実施するための形態１に係る接合方法を示した正面図。
【図２】発明を実施するための形態２に係る接合装置を示した正面図。
【図３】発明を実施するための形態３に係る接合装置を示した正面図。
【図４】発明を実施するための形態４に係る接合装置を示した正面図。
【図５】発明を実施するための形態５に係る接合方法を示した正面図。
【図６】発明を実施するための形態６に係る接合方法を示した正面図。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
図１に示した発明を実施するための形態１に係る接合方法に用いられる接合対象部材１は、金属部材２と、アルミニウムを主成分とした接合材３と、セラミックス部材４とを重ね合わせた積層状になっている。金属部材２としては、銅からなるシート状又はフォイル状又はフィルム状又は板状やブロックの固形に構成された場合を例示した。アルミニウムを主成分とした接合材３としては、シート状又はフォイル状又はフィルム状又は板状又は箔状の固形に構成された場合を例示した。セラミックス部材４としては、シート状又はフォイル状又はフィルム状又は板状やブロックの固形に構成された場合を例示した。
【００１０】
図１に示した発明を実施するための形態１に係る接合方法は、大気中の常温の状態において、接合対象部材１の金属部材２が共振器１４の接合ツール部１５の上に載せられ、接合対象部材１の上に配置されたレジンパッド１２が加圧部１３で下方に加圧され、接合対象部材１とレジンパッド１２とが加圧部１３と接合ツール部１５とで上下方向より加圧され、接合ツール部１５が共振器１４の一端部に結合された振動子１６から伝達された音波振動又は超音波振動に共振し矢印１７で示した横方向に振動することよって、金属部材２とアルミニウムを主成分とした接合材３との界面部分、アルミニウムを主成分とした接合材３とセラミックス部材４との界面部分のそれぞれが加圧と振動エネルギーとを受けて互いに接合されるので、金属部材２とセラミックス部材４とが大気中の常温で短時間に接合され、歪みや残留応力が無く品質が良くなる。
【００１１】
上記のように音波振動によれば、ブロックのセラミックス部材４と分厚い金属部材２との接合が可能になるため、電気伝導体の接合のみならず、三次元的な機械構造体の接合が可能になる。又、セラミックス部材４と加圧部１３との間にレジンパッド１２を配置したことで、セラミックス部材４の厚みが薄くてもセラミックス部材４の割れを防止できる。又、超音波接合で不可能な大面積の接合が音波接合では可能になる。又、セラミックス部材として、内部又は外部に電気回路を有するセラミックス回路基板を使用しても、適切に接合できる。
【００１２】
又、金属部材２とセラミックス部材４とがアルミニウムを主成分とした接合材３で互いに接合された後、加圧部１３による加圧が停止し、その停止状態が０．１から数秒程度保持される。その後、加圧部１３と共振器１４とによる上下方向からの加圧が解除され、金属接合構造体となった接合対象部材１とレジンパッド１２とが加圧部１３と共振器１４との間から取り出され、接合対象部材１とレジンパッド１２とが互いに分離され、接合対象部材１に対する１回の接合動作が終了する。
【００１３】
金属部材２としては銅以外の金属部材でも適用可能である。セラミックス部材４としてはＳｉ３Ｎ４（窒化ケイ素）、Ａｌ２Ｏ３（酸化アルミニウム）、それら以外のセラミックス部材であっても適用可能である。
【００１４】
レジンパッド１２は、テフロン（登録商標）又はシリコン等からなるシート状又はフォイル状又はフィルム状又は板状に構成されている。レジンパッド１２としては、接合時の熱に対する耐熱性を有すれば、テフロン（登録商標）やシリコン以外の合成樹脂又はエラストマー等でも適用可能である。レジンパッド１２は、接合対象部材１と加圧部１３とから分離された構成、接合対象部材１及び加圧部１３の一方又は両方に固定された構成のいずれでも適用可能である。
【００１５】
図１で示した接合方法を１０ｋＨｚから２０ｋＨｚの範囲中の或る１つの周波数に固定された音波振動で実験し、接合された接合対象部材１を調べたところ、接合対象部材１に熱による反りや歪みが小さいこと、アルミニウムを主成分とした接合材３の厚みは数μｍから数ｍｍであること、金属部材２としてアルミニウム、銅、金、銀、ニッケルが使用可能であること、接合時間は数秒の短時間であること、接合対象部材１への荷重も低くでき、音波振動でアルミニウムを主成分とした接合材３の大気中での常温接合が数秒で可能になること等を確認できた。又、接合対象部材１への荷重も低くでき、その結果、残留応力の発生も防げることも確認できた。又、上記アルミニウムとした接合材３の場合は、接合後の溶解温度がアルミニウムの溶解温度と同じ約６６０℃か又はそれ以上で、種々の金属部材２と種々のセラミックス部材４と接合性があることが確認できた。
【００１６】
アルミニウムを主成分とした接合材３に替えて、金属部材２とセラミックス部材４の間に図示のされていない錫を主成分とした接合材を挟み、レジンパッド１２を用い、加圧部１３と接合ツール部１５とで上下方向より加圧し、接合ツール部１５が共振器１４の一端部に結合された振動子１６から伝達された音波振動又は超音波振動に共振し矢印１７で示した横方向に振動することによって、金属部材２と錫を主成分とした接合材との界面部分、錫を主成分とした接合材とセラミックス部材４との界面部分のそれぞれが加圧と振動エネルギーとを受けて互いに接合され、前記金属部材２とセラミックス部材４とをアルミニウムを主成分とした接合材３で接合した場合のように、金属部材２とセラミックス部材４とが大気中の常温で短時間に接合され、歪みや残留応力が無く品質が良くなることが確認できた。
【００１７】
又、金属部材２とセラミックス部材４との間にアルミニウムを主成分とした接合材３又は錫を主成分とした接合材を挟むことなく、レジンパッド１２を用い、加圧部１３と接合ツール部１５とで上下方向より加圧し、接合ツール部１５が共振器１４の一端部に結合された振動子１６から伝達された音波振動又は超音波振動に共振し矢印１７で示した横方向に振動することによって、金属部材２とセラミックス部材４との接合が可能であることが確認できた。
【００１８】
次に、図２乃至４を参照し、図１に示した接合方法に用いられる発明を実施するための形態２乃至４としての接合装置２１について説明する。
【００１９】
図２に示した発明を実施するための形態２としての接合装置２１の装置躯体部２２には、作業空間部２３が設けられる。装置躯体部２２の作業空間部２３よりも下方の部分には、支持具２４が設けられる。支持具２４は、前後及び上方に貫通する支持空間部２５の左右両側に支持部２６を備えている。支持具２４には、共振器２７が設置される。共振器２７は、接合ツール部２８と被支持部２９とを備えた構成である。共振器２７は、一端から他端までの長さが振動子３０から伝達された音波振動又は超音波振動の共振周波数の少なくとも１波長を有する直線的な棒状になっている。共振器２７の長さ方向の両端部及び中央部には、最大振動振幅点が位置する。共振器２７の長さ方向の中央部おける最大振動振幅点の位置する外面部には、接合ツール部２８が設けられる。
【００２０】
接合ツール部２８は、共振器２７の外側面より突出して設けられた場合又は共振器２７の外側面と同一面に設けられた場合又は共振器２７の外側面より窪んで設けられた場合のいずれでも適用可能である。共振器２７の接合ツール部２８より長さ方向の両側に存在する最小振動振幅点に位置する外面部には、被支持部２９が設けられる。
【００２１】
共振器２７の一端部には、振動子３０が取り付けられる。共振器２７と振動子３０との間には、図示のされていないブースターを設けることも適用可能である。支持具２４には共振器２７の長さ方向が矢印１７で示した左右方向に向けられ、共振器２７の被支持部２９以外の部分が支持具２４に接触しないように支持空間部２５に配置され、被支持部２９が支持部２６に支持されることにより、共振器２７が支持具２４に設置される。
【００２２】
装置躯体部２２の作業空間部２３よりも上方の部分には、加圧機構３１が設けられる。加圧機構３１の出力部材３２は、装置躯体部２２の上部から作業空間部２３に配置される。出力部材３２の作業空間部２３に配置された下部は、加圧機構３１の駆動によって、作業空間部２３の内部を直線的に昇降する。出力部材３２の作業空間部２３に配置された下部には、支持具３３が設けられる。
【００２３】
支持具３３は、前後及び下方に貫通する支持空間部３４の左右両側に支持部３５を備えた構成である。支持具３３には、共振器３６が設置される。共振器３６は、接合ツール部３７と被支持部３８とを備えている。共振器３６は、一端から他端までの長さが振動子３９から伝達された音波振動又は超音波振動の共振周波数の少なくとも１波長を有する直線的な棒状になっている。共振器３６の長さ方向の両端部及び中央部には、最大振動振幅点が位置する。共振器３６の長さ方向の中央部おける最大振動振幅点の位置する外面部には、接合ツール部３７が設けられる。接合ツール部３７は、共振器３６の外側面より突出して設けられた場合又は共振器３６の外側面と同一面に設けられた場合又は共振器３６の外側面より窪んで設けられた場合のいずれでも適用可能である。共振器３６の接合ツール部３７より長さ方向の両側に存在する最小振動振幅点に位置する外面部には、被支持部３８が設けられる。
【００２４】
共振器３６の一端部には、振動子３９が取り付けられる。共振器３６と振動子３９との間には、図示のされていないブースターを設けることも適用可能である。支持具３３には共振器３６の長さ方向が矢印１７で示した左右方向に向けられ、共振器３６の被支持部３８以外の部分が支持具３３に接触しないように支持空間部３４に配置され、被支持部３８が支持部３５に支持されることにより、共振器３６が支持具３３に設置される。
【００２５】
図２に示した発明を実施するための形態２としての接合装置２１にあっては、加圧機構３１と出力部材３２と支持具３３と支持空間部３４と支持部３５と共振器３６と接合ツール部３７と被支持部３８と振動子３９とが図１に示した加圧部１３に相当し、共振器２７が図１に示した共振器１４に相当し、接合ツール部２８が図１に示した接合ツール部１５に相当し、振動子３０が図１に示した振動子１６に相当する。
【００２６】
図２に示した接合装置２１で図１に示した接合対象部材１を接合する接合方法について説明する。先ず、出力部材３２が上昇位置に停止し、接合ツール部２８，３７が互いに接合対象部材１とレジンパッド１２とからなる積層状になった物体の挿入可能な空間を形成して上下に対向した状態になっている。その状態おいて、下側の接合ツール部２８の上に接合対象部材１とレジンパッド１２とからなる積層状になった物体が搭載された後、加圧機構３１が駆動し、出力部材３２が下降するのに伴って、接合対象部材１とレジンパッド１２とが接合ツール部２８と接合ツール部３７とで上下から挟まれて加圧される。
【００２７】
そして、振動子３０，３９が同時発振するか又はオーバーラップ発振するか又はリレー発振する又は振動子３０，３９の一方だけが発振することにより、共振器２７が振動子３０から伝達された音波振動又は超音波振動に共振し、接合ツール部２８が共振器２７から伝達された振動に共振し、共振器３６が振動子３９から伝達された音波振動又は超音波振動に共振し、接合ツール部３７が共振器３６から伝達された振動に共振する。振動子３０，３９の同時発振は、振動子３０，３９が同じ時間に発振する態様である。振動子３０，３９のオーバーラップ発振は、振動子３０の発振の一部と振動子３９の発振の一部とが互いに重なる態様である。振動子３０，３９のリレー発振は、振動子３０の発振と振動子３９の発振とが重ならないで受け継がれる態様である。
【００２８】
尚、図１に示した接合方法では、図２に示した接合対象部材１とレジンパッド１２とが接合ツール部２８と接合ツール部３７とで上下から挟まれて加圧され、図２に示した振動子３９が発振せず、図２に示した振動子３０だけが発振して、図１に示した金属部材２とセラミックス部材４とがアルミニウムを主成分とした接合材３で互いに接合される態様である。その後、図２に示した加圧機構３１が駆動し、出力部材３２が上昇するのに伴って、接合ツール部３７がレジンパッド１２から離れ、レジンパッド１２と接合構造体になった接合対象部材１とが接合ツール部２８の上に残される。この接合ツール部２８の上に残されたレジンパッド１２と接合対象部材１とが接合ツール部２８から取り出され、レジンパッド１２と接合対象部材１とが互いに分離され、接合装置２１による接合対象部材１に対する１回の接合動作が終了する。
【００２９】
図３に示した発明を実施するための形態３に係る接合装置２１について説明する。図３に示した接合装置２１は、加圧機構３１の作業空間部２３に配置された下部に受止部４０が設けられ、加圧機構３１と出力部材３２と受止部４０とが図１に示した加圧部１３に相当し、装置躯体部２２の作業空間部２３よりも下方の部分に支持具２４、支持空間部２５、支持部２６、共振器２７、接合ツール部２８、被支持部２９、振動子３０が設けられる。図３に示した共振器２７、接合ツール部２８、振動子３０が図１に示した共振器１４、接合ツール部１５、振動子１６に相当する。
【００３０】
図３に示した接合装置２１を用いた接合方法について説明する。先ず、出力部材３２が上昇位置に停止し、接合ツール部２８と受止部４０とが互いに接合対象部材１とレジンパッド１２とからなる積層状になった物体の挿入可能な空間を形成して上下方向で対向した状態になっている。その状態において、接合ツール部２８の上には、接合対象部材１とレジンパッド１２とからなる積層状になった物体が搭載され後、加圧機構３１が駆動し、出力部材３２が下降するのに伴って、接合対象部材１とレジンパッド１２とが接合ツール部２８と受止部４０とで上下から挟まれて加圧され、共振器２７が振動子３０から伝達された音波振動又は超音波振動に共振し、接合ツール部２８が矢印１７で示した横方向に振動し、接合対象部材１における金属部材２とアルミニウムを主成分として接合材３とセラミックス部材４とが上記加圧と上記横方向の振動による振動エネルギーを受けて互いに接合される。
【００３１】
その後、加圧機構３１が駆動し、出力部材３２が上昇するのに伴って、受止部４０がレジンパッド１２から離れ、レジンパッド１２と接合構造体になった接合対象部材１とが接合ツール部２８の上に残される。この接合ツール部２８の上に残されたレジンパッド１２と接合対象部材１とが接合ツール部２８から取り出され、レジンパッド１２と接合対象部材１とが互いに分離され、接合装置２１による接合対象部材１に対する１回の接合動作が終了する。
【００３２】
図４に示した発明を実施するための形態４に係る接合装置２１について説明する。図４に示した接合装置２１は、加圧機構３１の作業空間部２３に配置された下部に支持具３３、支持空間部３４、支持部３５、共振器３６、接合ツール部３７、被支持部３８，振動子３９が設けられ、装置躯体部２２の作業空間部２３よりも下部に受止部４０が設けられる。図４に示した共振器３６、接合ツール部３７、振動子３９が上下方向の位置はことなるが図１に示した共振器１４、接合ツール部１５、振動子１６に相当し、図４に示した加圧機構３１、出力部材３２が図１に示した加圧部１３に相当する。
【００３３】
図４に示した接合装置２１を用いた接合方法について説明する。先ず、出力部材３２が上昇位置に停止し、接合ツール部３７と受止部４０とが互いに接合対象部材１とレジンパッド１２とからなる積層状になった物体の挿入可能な空間を形成して上下方向で対向した状態になっている。その状態において、受止部４０の上には、接合対象部材１とレジンパッド１２とからなる積層状になった物体が搭載され後、加圧機構３１が駆動し、出力部材３２が下降するのに伴って、接合対象部材１とレジンパッド１２とが接合ツール部３７と受止部４０とで上下から挟まれて加圧され、共振器３６が振動子３９から伝達された音波振動又は超音波振動に共振し、接合ツール部３７が矢印１７で示した横方向に振動し、接合対象部材１における複数個の金属部材が上記加圧と上記横方向の振動による振動エネルギーを受けて互いに接合される。
【００３４】
その後、加圧機構３１が駆動し、出力部材３２が上昇するのに伴って、接合ツール部３７がレジンパッド１２から離れ、レジンパッド１２と接合構造体になった接合対象部材１とが受止部４０の上に残される。この受止部４０の上に残されたレジンパッド１２と接合対象部材１とが受止部４０から取り出され、レジンパッド１２と接合対象部材１とが互いに分離され、接合装置２１による接合対象部材１に対する１回の接合動作が終了する。
【００３５】
前記図１乃至４では接合対象部材１として金属部材２の上にアルミニウムを主成分とした接合材３を積層し、そのアルミニウムを主成分とした接合材３の上にセラミックス部材４を積層した態様を例示したが、セラミックス部材４の上にアルミニウムを主成分とした接合材３を積層し、そのアルミニウムを主成分とした接合材３に金属部材２を積層した態様でも適用可能である。
【００３６】
前記図１乃至４ではレジンパッド１２をセラミックス部材４の側に配置した態様を例示したが、セラミックス部材４が接合時の加圧と振動エネルギーとに耐えて割れない厚みを有する場合は、レジンパッド１２を金属部材２の側に配置してもレジンパッド１２を用いなくても適用可能である。
【００３７】
前記図１乃至４ではレジンパッド１２を接合対象部材１の上に配置した態様を例示したが、図５に示したように、接合対象部材１の上下にレジンパッド１２、１８を配置しても適用可能である。レジンパッド１８は、レジンパッド１２と同じ材料又は異なる材料で構成されても良い。又、図示はしないが、レジンパッド１２が接合対象部材１と加圧部１３との間に配置されることなく接合対象部材１と接合ツール部１５との間に配置されても良い。即ち、レジンパッド１２は接合対象部材１の上下の一方又は両方に配置されれば適用可能である。
【００３８】
前記図１乃至４では、接合対象部材１として、金属部材２とアルミニウムを主成分とした接合材３とセラミックス部材４とを重ね合わせた積層状に構成したが、図６に示したように、接合対象部材１として、金属部材２とセラミックス部材４とを重ね合わせた積層状に構成しても、前記図１乃至４と同様に適用可能である。図６においても、レジンパッド１２は接合対象部材１の上下の一方又は両方に配置されれば適用可能である。図６では、金属部材２をアルミニウムシートで構成し、セラミックス部材４を酸化アルミニウムで構成することが考えられる。
【符号の説明】
【００３９】
１    接合対象部材
２    金属部材
３    アルミニウムを主成分とした接合材（アルミニウム接合材）
４    セラミックス部材
１２  レジンパッド
１３  加圧部
１４  共振器
１５  接合ツール部
１６  振動子
１７  振動方向を示した矢印
１８  レジンパッド
２１  金属接合装置
２２  装置躯体部
２３  作業空間部
２４  支持具
２５  支持空間部
２６  支持部
２７  共振器
２８  接合ツール部
２９  被支持部
３０  振動子
３１  加圧機構
３２  出力部材
３３  支持具
３４  支持空間部
３５  支持部
３６  共振器
３７  接合ツール部
３８  被支持部
３９  振動子
４０  受止部
【図１】
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【図２】
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【図３】
2017039169.tif 000005
【図４】
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【図５】
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【図６】
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