(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
セラミック微粒子及び硬ろう材からなり、
前記セラミック微粒子は、表面が金属で被覆された金属被覆セラミック微粒子と、前記金属被覆セラミック微粒子とセラミック種及び平均粒径が同一で、表面が金属で被覆されていない点のみが前記金属被覆セラミック微粒子と異なる非被覆セラミック微粒子とが７５：２５〜５０：５０の混合比で含まれたものである、セラミック製部材と金属製部材の接合用接着剤組成物。
【請求項２】
前記硬ろう材は、ベース金属がＡｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｐｄ、ＡｌまたはＮｉの硬ろう材である請求項１に記載の接着剤組成物。
【請求項３】
前記金属被覆セラミック微粒子が、メッキまたはスパッタにより表面が金属で被覆されたセラミック微粒子である請求項１又は２に記載の接着剤組成物。
【請求項４】
嵌合構造を構成する凹部を有する凹部材と、嵌合構造を構成する凸部を有する凸部材とを、前記凹部と前記凸部とのクリアランスが０．０１〜０．３０ｍｍの範囲内で嵌合させ接合するに際して、
前記凹部材及び前記凸部材のうち一方としてセラミック製部材、他方として金属製部材を用い、
前記凹部材の凹部表面に、表面が金属で被覆された金属被覆セラミック微粒子及び前記金属被覆セラミック微粒子とセラミック種及び平均粒径が同一で、表面が金属で被覆されていない点のみが前記金属被覆セラミック微粒子と異なる非被覆セラミック微粒子を７５：２５〜５０：５０の混合比で混合したものを均一に敷き詰めた上で、これらのセラミック微粒子からなる層の少なくとも一部を被覆するように板状あるいは粉体状の硬ろう材を配置し、更に前記凸部材を配置するか、
前記凹部材の凹部表面に、前記金属被覆セラミック微粒子及び前記非被覆セラミック微粒子を７５：２５〜５０：５０の混合比で混合したものを均一に敷き詰め、これらのセラミック微粒子からなる層に密着するように、１または複数の穿孔された穴に硬ろう材が挿入された凸部を有する前記凸部材を配置するか、
あるいは、予め先端部に、前記金属被覆セラミック微粒子及び前記非被覆セラミック微粒子を７５：２５〜５０：５０の混合比で混合したもの並びに硬ろう材からなる層を形成した凸部を有する前記凸部材を用意しておき、前記凹部材の凹部表面に硬ろう材を配置した上に当該凸部材を配置する工程と、
かくして用意したものを加圧下で所定の温度に加温して、前記硬ろう材を溶融し、前記金属被覆セラミック微粒子及び前記非被覆セラミック微粒子を７５：２５〜５０：５０の混合比で混合したものに前記硬ろう材を含浸させて接合層を形成し、前記セラミック製部材と前記金属製部材とを嵌合構造を介して接合する工程からなる、セラミック製部材と金属製部材とからなる複合部材の製造方法。
【請求項５】
前記凸部材を配置する工程が、前記凹部材の凹部表面に、前記金属被覆セラミック微粒子及び前記非被覆セラミック微粒子を７５：２５〜５０：５０の混合比で混合したものを均一に敷き詰めた上で、これらのセラミック微粒子からなる層の少なくとも一部を被覆するように板状あるいは粉体状の硬ろう材を配置し、更に前記凸部材を配置することからなる請求項４に記載の製造方法。
【請求項６】
前記凸部材を配置する工程が、前記凹部材の凹部表面に、前記金属被覆セラミック微粒子及び前記非被覆セラミック微粒子を７５：２５〜５０：５０の混合比で混合したものを均一に敷き詰め、これらのセラミック微粒子からなる層に密着するように、１または複数の穿孔された穴に硬ろう材が挿入された凸部を有する前記凸部材を配置することからなる請求項４に記載の製造方法。
【請求項７】
前記凸部材を配置する工程が、予め先端部に、前記金属被覆セラミック微粒子及び前記非被覆セラミック微粒子を７５：２５〜５０：５０の混合比で混合したもの並びに硬ろう材からなる層を形成した凸部を有する前記凸部材を用意しておき、前記凹部材の凹部表面に硬ろう材を配置した上に、当該凸部材を配置することからなる請求項４に記載の製造方法。
【請求項８】
前記硬ろう材は、ベース金属が、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｐｄ、ＡｌまたはＮｉの硬ろう材である請求項４〜７のいずれか１項に記載の製造方法。
【請求項９】
前記金属被覆セラミック微粒子が、メッキまたはスパッタにより表面が金属で被覆されたセラミック微粒子である請求項４〜８のいずれか１項に記載の製造方法。
【請求項１０】
嵌合構造を構成する凹部を有する凹部材と、嵌合構造を構成する凸部を有する凸部材とを、前記凹部と前記凸部とのクリアランスが０．０１〜０．３０ｍｍの範囲内で嵌合させ接合させてなり、
前記凹部材及び前記凸部材のうち一方はセラミック製部材、他方は金属製部材であり、
前記凹部材と前記凸部材を接合する接合層が、セラミック微粒子及び硬ろう材からなり、前記セラミック微粒子は、表面が金属で被覆された金属被覆セラミック微粒子と、前記金属被覆セラミック微粒子とセラミック種及び平均粒径が同一で、表面が金属で被覆されていない点のみが前記金属被覆セラミック微粒子と異なる非被覆セラミック微粒子とが７５：２５〜５０：５０の混合比で含まれたものである複合部材。
【請求項１１】
前記硬ろう材は、ベース金属がＡｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｐｄ、ＡｌまたはＮｉの硬ろう材である請求項１０に記載の複合部材。
【請求項１２】
前記金属被覆セラミック微粒子が、メッキまたはスパッタにより表面が金属で被覆されたセラミック微粒子である請求項１０又は１１に記載の複合部材。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、嵌合構造を介して接合されたセラミック製部材と金属製部材の接合用接着剤組成物、同組成物を用いた複合部材の製造方法、および同製造方法により得られた複合部材に関する。更に詳しくは、セラミック製部材と金属製部材の接合用接着剤組成物であって、セラミック製部材と金属製部材を嵌合構造を介して接合するための熱膨張係数、ヤング率、および耐力値が制御された接着剤組成物、同組成物を用いた複合部材の製造方法、および同製造方法により得られた複合部材に関する。
【０００２】
【従来の技術】
異種部材の接合、例えば、セラミック製部材と金属製部材との接合には、ろう材を用いる方法があるが、高温での接合後の冷却操作中に、異種部材間、あるいはこれら異種部材を接合するために使用したろう材と部材との熱膨張率の差に起因する熱応力が発生し、接合界面に剥離を生じたり、また、一方の部材が脆弱な場合には、接合界面近傍にクラックを生じたりして、所望の接合強度や気密性を得られないことがある。製造過程でこれらの異常が発生した製品は、不良品として処分せざるを得ないためにこれら複合部材の製品のコストを押し上げる一因となっている。また、使用時に熱サイクルがかかる場合には、これらの異常が一定期間の使用後に発生して、製品の信頼性を低下させる一因ともなっている。
【０００３】
異種部材をろう材を用いて接合する場合には、セラミック製部材とろう材との濡れを確保するためにセラミック製部材の接合面の表面を金属、例えば、Ｎｉ等の金属でメッキした後、両部材を適当な間隔をおいて向かい合わせて配置させ、この間隔にろう材を流し込み、接合させる方法が通常採用されている。また、金属メッキ処理がなくてもセラミック表面に窒化物、酸化物等の反応層を形成することで濡れを確保することができるＴｉ等の添加物をろう材中に加える手法もある。しかしながらこれらの方法では、熱応力を低下させるのには、充分でなく、熱応力に対して脆弱なセラミック製部材側にしばしばクラックが形成されたり、接合部に剥離を生じたりして、結合強度ばかりでなく複合部材として要求される気密性などの各種性能に影響を及ぼすので好ましくない。また、熱応力を緩和する方法としては、接合の際に熱膨張率の低い金属を中間材として使用する方法、セラミックとの反応性に富み、塑性変形することにより応力を緩和することのできる軟質金属を中間材として使用する方法が通常採用されている。しかし、これらの技術も、ろう材と部材間の熱膨張差に起因する問題、例えば熱サイクル特性の低さ等が問題とされており、必ずしも汎用性の高い技術とは言えない。また、現在開発中の技術として高圧固相接合法があるが、実用化するには未解決の課題があり、従って、この方法では充分な結合強度がでていないのが現状である。
【０００４】
一方、複合半田としては、半導体チップと基板との固着に使用するものであって、半田よりも融点の高い材質からなる粉末体を混合したものが特開平６−１２６４７９号公報に開示されているが、この複合半田は、半田本体の中央部にのみ半田よりも融点の高い材質からなる粉末体を充填させることにより、従来の複合半田が有している表面にも存在している粉末体に起因する半田濡れ不良を解消すること、換言すれば、接合界面での接合強度を増加させることを目的とするものであるが、しかし、この複合半田は、熱応力の低下には有効ではなく、従って、接合される部材間あるいは部材とろう材間の熱応力に起因する問題を解決するのには有効ではない。
【０００５】
本発明者等は、上記の目的を達成するために種々検討の結果、異種部材同士を適度な結合強度を保持しながら、高温での接合後における冷却操作の間の熱応力による接合界面近傍での接合強度の低下現象や、熱応力に対して弱い部材での冷却操作中にクラックを発生させない、二種以上の異種部材間の接合用接着剤組成物を見出した。その具体的な内容については、平成１０年２月１８日に特願平１０−５２９７１号として出願している。
【０００６】
即ち、上記の様な現状に鑑みて種々検討した結果、接合部材の種類や形状等による制約が少なく、接合形状も選択の余地の多い硬ろう材をベースとして用いること、この硬ろう材に熱応力を低下させる微粒子状の物質を添加することにより、異種部材同士を適度な結合強度を保持しながら、高温での接合後における冷却操作の間の熱応力による接合界面近傍での接合強度の低下現象も起こさず、また、熱応力に対して弱い部材での冷却操作中にクラック発生させず、二種以上の異種部材間の接合を達成できることを見いだし、上記特許出願に至ったものである。
【０００７】
上記の組成物を使用して接合する方法として、相互にその熱応力を異にする二種以上の異種部材同士を接合させるのに充分な間隔を置いて互いに向かい合わせに配置させ、該間隔に上記組成物を流し込むか、所定量のセラミックまたはサーメット微粒子を充填し、引き続いて溶融状態にした所定量の硬ろう材を流し込み、ついで冷却して該二種以上の異種部材同士を接合させて複合部材を製造する方法を上記特許出願において開示しているが、所定量の硬ろう材を流し込み得るだけの充分な間隔を有しない部材同士の接合には、そのままでは、使用できない。
【０００８】
嵌合構造を介して接合しなければならない二種以上からなる異種部材を接合する場合、特に、クリアランスとして、０．０１〜０．３０ｍｍ程度の極めて狭いものを選択し、両部材を接合しようとしたときには、部材の側面にも極力全般的に均等にろう材を充填しないと、種々の不都合が生じることが少なくない。一方、該クリアランスが上記の上限よりも大きい場合には、ろう材の溶融時に、ろう材が該クリアランスに均等に充填されないことにより発生する内包された残留応力により、クラックが発生することがある。これをより具体的に説明すると、例えば、円柱状の凹部を有する部材と円柱状の凸部を有する部材を嵌合する際に、両部材から形成される円柱状のクリアランスに均等に充填されるべきろう材が、該クリアランスがある程度の余裕があるために、何かの原因で一方のみに片寄ってしまうと、ろう材を冷却、凝固させる過程での熱収縮応力のバランスが崩れて、円柱状の凸部を有する部材が一方向に引っ張られ、その結果残留応力が生じて、クラックを発生させてしまうことがある。さらに、完成品としての複合部材の寸法精度上の要請や美観上の要請もある。従って、このように上記のような狭いクリアランスしかない部材同士に、この狭いクリアランスから所定量の硬ろう材を流し込みことは実質的に不可能であるので、該異種部材同士を上記方法により接合することはできなかった。なお、ここでクリアランスとは、嵌合構造部分における該異種部材同士の壁面間に存在する隙間の幅をいう。
【０００９】
そこで、本発明者等はかかる課題を解決するために、嵌合構造を構成する凹部を有する部材と、嵌合構造を構成する凸部を有する部材であって凹部を有する部材とは相異なる種類の部材とを、嵌合させ接合するに際して、凹部を有する部材の凹部表面に微粒子状の物質を均一に敷き詰めた上で、該微粒子状の物質からなる層の少なくとも一部を被覆するように板状あるいは粉体状等の硬ろう材を配置し、更に凸部を有する部材を配置して、加圧下で所定の温度に加温して硬ろう材を溶融し、この溶融した硬ろう材を該微粒子状の物質からなる層中に浸透させ、該硬ろう材と微粒子状の物質からなる熱膨張係数が制御された接着剤組成物による接合層を形成するか、嵌合構造を構成する凹部を有する部材と、嵌合構造を構成する凸部を有する部材であって凹部を有する部材とは相異なる種類の部材とを嵌合させ接合するに際して、凹部を有する部材の凹部表面に微粒子状の物質を均一に敷き詰め、該微粒子状の物質からなる層に密着するように、１または複数の穿孔された穴に硬ろう材が挿入された凸部を有する部材を配置し、加圧下で所定の温度に加温して硬ろう材を溶融し、この溶融した硬ろう材を該微粒子状の物質からなる層中に浸透させ、該硬ろう材と微粒子状の物質からなる熱膨張係数が制御された接着剤組成物による接合層を形成するか、予め先端部に硬ろう材と微粒子状の物質からなる層を形成した凸部を有する部材を用意しておき、凹部を有する部材の凹部表面に硬ろう材のみを配置した上に、当該硬ろう材と微粒子状の物質からなる層が形成された凸部を有する部材を配置し、加圧下で所定の温度に加温して、該凸部を有する部材の先端に形成された硬ろう材と微粒子状の物質からなる層と、凹部を有する部材の凹部表面に配置した硬ろう材とを溶融し、硬ろう材と微粒子状の物質からなる熱膨張係数が制御された接着剤組成物からなる接合層を形成することにより、異種部材同士を嵌合構造を介して接合できることを見出して、その知見に基づき平成１１年６月２５日に特願平１１−１８０９０２号として出願している。
【００１０】
また、平成１１年６月２５日に出願した特願平１１−１８０９０２号明細書においては、かくして嵌合され接合された、嵌合構造を構成する凹部を有する部材と、嵌合構造を構成する凸部を有する部材であって凹部を有する部材とは相異なる種類の部材とから少なくともなり、上記異種部材同士は相互に嵌合され、微粒子状の物質と硬ろう材からなる熱膨張係数が制御された接着剤組成物により接合されていることを特徴とする二種以上の異種部材からなる改良された熱サイクル特性を有する複合部材についても、同時に提案している。
【００１１】
しかしながら、硬ろう材中に分散させる分散材には、硬ろう材との濡れを確保するためにＮｉメッキが施される。この手法で形成される複合体たるろう材層は、金属材料たる硬ろう材に比して熱膨張係数が低減され被接合体たるセラミック等の破損抑止や接合部の熱サイクル特性改善に有効であるが、被接合体たるセラミックの強度が低い場合、例えば、窒化アルミニウム等の場合、破損を完全に抑制することが困難であり、被接合部面積が大きくなればさらにその破損発生の危険性は多くなり、また一製品内の接合部位数が多い場合には製品の不良率が無視し難いという問題に遭遇した。被接合体の破損抑止にはろう材の熱膨張係数低減のほかに、ヤング率の低減、耐力値の低減等が有効であるが、上記の手法のみによっては、これらの物理特性全てを積極的に有利に操作することは困難であることが判明した。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
従って、本発明が解決しようとする課題は、上記の複合ろう材の特性制御、すなわち熱膨張係数低減に加えて、ヤング率の低減、および耐力値の低減を行うことにより被接合体の破損を抑止しつつ耐熱特性等に優れた接合体を得ることのできるセラミック製部材と金属製部材の接合用接着剤組成物、同組成物を使用した複合部材の製造方法、および同製造方法により得られた複合部材を提供することにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明者等は、上記の課題を解決するために、種々検討の結果、表面が金属で被覆された金属被覆セラミック微粒子及びその金属被覆セラミック微粒子とセラミック種及び平均粒径が同一で、表面が金属で被覆されていない点のみがその金属被覆セラミック微粒子と異なる非被覆セラミック微粒子を所定の混合比で混合したもの並びに硬ろう材からなるセラミック製部材と金属製部材の接合用接着剤組成物、より具体的には組成物中に微細な空孔を形成し得る接合用接着剤組成物が上記の目的を達成できることを見いだして本願発明を完成させたものである。
【００１４】
また、上記の手法により、接着剤組成物中に微細な空孔を形成させ、接着剤組成物の熱膨張係数、ヤング率、および耐力値が制御された結果、破損が抑止され耐熱特性等に優れた、セラミック製部材と金属製部材を嵌合構造を介して接合した複合部材を製造することができることを見いだして、本発明の第２の側面を完成させたものである。更に、上記の熱膨張係数、ヤング率、および耐力値が制御された接着剤組成物を使用することにより、嵌合構造を構成する凹部を有する凹部材と、嵌合構造を構成する凸部を有する凸部材とからなり、前記凹部材及び前記凸部材のうち一方はセラミック製部材、他方は金属製部材であるとともに、前記凹部材と前記凸部材は相互に嵌合され、前記非被覆セラミック微粒子及び前記金属被覆セラミック微粒子を所定の混合比で混合したもの並びに硬ろう材からなる接合層により接合されている耐熱特性等に優れた複合部材が、破損を生起することなく得られることを見いだして、本発明の第３の側面を完成させたものである。
【００１５】
【発明の実施の形態】
本発明の第１の側面は、セラミック微粒子及び硬ろう材からなり、前記セラミック微粒子は、表面が金属で被覆された金属被覆セラミック微粒子と、前記金属被覆セラミック微粒子とセラミック種及び平均粒径が同一で、表面が金属で被覆されていない点のみが前記金属被覆セラミック微粒子と異なる非被覆セラミック微粒子とが７５：２５〜５０：５０の混合比で含まれたものである、セラミック製部材と金属製部材の接合用接着剤組成物に関する。この接着材組成物においては、硬ろう材を構成するベース金属は、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｐｄ、ＡｌまたはＮｉであることが好ましい。非被覆セラミック微粒子と、金属被覆セラミック微粒子は、硬ろう材との相対的な濡れ性において、より優れているものと、より劣っているものとを組み合わせたものである。
【００１６】
金属被覆セラミック微粒子と、非被覆セラミック微粒子との組合わせの例としては、メッキ、スパッタ等の処理により表面を金属で被覆したセラミック微粒子と、メッキ、スパッタ等の処理を施さず、表面を金属で被覆していないセラミック微粒子等がある。これらにおけるメッキ方法としては特に制限はないが、無電解メッキが好適に使用される。
すなわち、金属被覆セラミック微粒子と、非被覆セラミック微粒子との混合物は、例えば、０．５μｍ程度のＮｉメッキが施された、平均粒径５０μｍのアルミナ粒子（金属被覆セラミック微粒子）と、かかるメッキ処理が施されていない、平均粒径５０μｍのアルミナ粒子（非被覆セラミック微粒子）を混合することにより容易に調製することができる。このように、本発明における「非被覆セラミック微粒子」は、表面が金属で被覆されていないのみならず、前記金属被覆セラミック微粒子とセラミック種及び平均粒径が同一で、表面が金属で被覆されていない点のみが前記金属被覆セラミック微粒子と異なるものである必要がある。
【００１７】
金属被覆セラミック微粒子と、非被覆セラミック微粒子の混合比は、７５：２５〜５０：５０とし、６７：３３〜５０：５０とすることがより好ましい。５０：５０より非被覆セラミック微粒子の混合比を上げると接着剤としての作用効果が著しく低下するので好ましくない。本発明に係る接着剤組成物を得る上で、浸透させる硬ろう材、浸透させる方法、条件等は特願平１１―１８０９０２号明細書の記載に従えば良い。
【００１８】
本発明に係る接着物組成物に使用する硬ろう材としては、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｐｄ、Ａｌ、Ｎｉ等の金属をベースとしたろう材が挙げられる。勿論、接合する部材とろう材との濡れ性、あるいは接合する部材もしくは分散粒子とろう材との反応性、あるいはろう材が使用される温度条件等との関係で、より適切なものを使用すればよい。接合部材の使用環境温度が５００℃以下のものとしては、Ａｌ系ろう材、例えば、ＢＡ４００４（Ａｌ−１０Ｓｉ−１．５Ｍｇ）等が好適に使用される。接合部材の使用環境温度が５００℃以上のものとしては、Ａｕ、ＢＡｕ−４（Ａｕ−１８Ｎｉ）、ＢＡｇ−８（Ａｇ−２８Ｃｕ）等が好適に使用される。
【００１９】
本発明に係る接着剤組成物を使用することにより、接着剤組成物中に積極的に微細な空孔を形成させ、熱膨張係数低減に加えて、ヤング率の低減、および耐力値の低減を行うことにより被接合体の破損を抑止しつつ耐熱特性等に優れた接合体を得ることができるという効果が発揮されることとなる。より具体的には、硬ろう材中に分散させる分散材として、非被覆セラミック微粒子と、金属被覆セラミック微粒子を混合して用いることで、この効果は達成される。金属被覆セラミック微粒子の比率が多い場合には、光学的に観察される接着剤組成物のミクロ組織の構造上は、金属被覆セラミック微粒子のみでつくられた接着剤組成物と差はないが、金属被覆セラミック微粒子のみでつくられた接着剤組成物と同等の熱膨張係数低減、ヤング率低減が達成されているだけでなく、耐力値の低減効果は、金属被覆セラミック微粒子のみでつくられた接着剤組成物よりも高い。これは、非被覆セラミック微粒子と硬ろう材との界面接合力が、金属被覆セラミック微粒子に比して低減されることで、接着剤組成物の特性が制御されたものと考えられる。
【００２０】
また、非被覆セラミック微粒子の比率をあげていくと、接着剤組成物中には光学的に観察可能な空孔が形成され、金属被覆セラミック微粒子のみでつくられた接着剤組成物と同等の熱膨張係数低減に加えて、非被覆セラミック微粒子の量がより少ない組成物に比較して、よりヤング率の低減、および耐力値の低減が達成される。これは、非被覆セラミック微粒子がより多い組成物においては、分散材と硬ろう材との界面接合力の低減効果に加えて、形成された空孔の存在により当該組成物のみかけの断面積が減少する結果、ヤング率が低減し、また当該空孔部位近傍等が負荷時の亀裂生起点となることで耐力が低減するものと理解される。本発明に係る接着剤組成物が奏する効果を発現させる機構を説明する上で、非被覆セラミック微粒子の多寡で、その作用効果を便宜上分けて説明したが、その目的、作成手法、作用効果は同一であり、境界を厳密に分ける必要性は低い。ただし、当該接着剤組成物の接合部のシール性を考える上では、必要となる場合がある。
【００２１】
熱応力を効率的に低下させるためには、これらのセラミック微粒子の種類ならびに硬ろう材に対するその充填密度を調整することが必要となり，そのためには，接着剤組成物層の熱膨張係数を調整することが必要となる。熱応力を低下させるセラミック微粒子は、その熱膨張係数が小さいほど接着剤組成物層の熱膨張係数を下げるのには有利である。セラミック微粒子の硬ろう材に対する充填密度は、非被覆セラミック微粒子と、金属被覆セラミック微粒子を分散させる場合で、該接着剤組成物中に空孔がないものとして算定した場合の粒子の体積比が前記と同様に３０から９０％、望ましくは４０から７０％となる様にする。またこれらの際、セラミック微粒子の充填密度を上げることは、熱膨張係数を下げるには有利であるが、あまり充填密度を高くすることは、接合強度の劣化を伴う場合があるので好ましくない。また、低い場合は、所望とする熱膨張係数に達しない場合があるので留意が必要である。すなわち、熱膨張係数の調整は、セラミック微粒子の種類を所望の熱膨張係数が達成できるように選択するか、セラミック微粒子の粒度分布を適宜選択することで達成される。
【００２２】
本発明の第２の側面は、嵌合構造を構成する凹部を有する凹部材と、嵌合構造を構成する凸部を有する凸部材とを、前記凹部と前記凸部とのクリアランスが０．０１〜０．３０ｍｍの範囲内で嵌合させ接合するに際して、前記凹部材及び前記凸部材のうち一方としてセラミック製部材、他方として金属製部材を用いる複合部材の製造方法に関する。
【００２３】
本発明の第２の側面に係る接合方法の第１の態様は、凹部を有する凹部材（１）の凹部表面に金属被覆セラミック微粒子及び非被覆セラミック微粒子を７５：２５〜５０：５０の混合比で混合したもの（４）を均一に敷き詰めた上で、これらのセラミック微粒子からなる層の少なくとも一部を被覆するように板状あるいは粉体状の硬ろう材（３）を配置し、更に凸部を有する凸部材（２）を配置し、加圧下で所定の温度に加温して硬ろう材を溶融させ、溶融させた硬ろう材を前記セラミック微粒子に浸透させて、該硬ろう材と前記セラミック微粒子からなる接着組成物による接合層を形成することでセラミック製部材と金属製部材を嵌合構造を介して接合する方法である。この際、前記セラミック微粒子と粉体状の硬ろう材を混合したものを、前記セラミック微粒子からなる層および同層を被覆する板状あるいは粉体状の硬ろう材の代わりに使用してもよい。
また、第２の態様は、凹部を有する凹部材（１）の凹部表面に金属被覆セラミック微粒子及び非被覆セラミック微粒子を７５：２５〜５０：５０の混合比で混合したもの（４）を均一に敷き詰め、これらのセラミック微粒子からなる層に密着するように、１または複数の穿孔された穴に硬ろう材（３）が挿入された凸部を有する凸部材（２）を配置して、加圧下で所定の温度に加温して硬ろう材を溶融させ、溶融させた硬ろう材を前記セラミック微粒子に浸透させることによって、該硬ろう材と前記セラミック微粒子からなる接着組成物による接合層を形成することでセラミック製部材と金属製部材を嵌合構造を介して接合する方法である。
また、第３の態様は、予め先端部に、金属被覆セラミック微粒子及び非被覆セラミック微粒子を７５：２５〜５０：５０の混合比で混合したもの並びに硬ろう材からなる層（５）を形成した凸部を有する凸部材（２）を用意しておき、凹部を有する凹部材（１）の凹部表面に硬ろう材（６）を配置した上に当該層を有する凸部を有する凸部材を配置して、加圧下で所定の温度に加温し、該凸部を有する凸部材の先端に形成された、金属被覆セラミック微粒子及び非被覆セラミック微粒子を７５：２５〜５０：５０の混合比で混合したもの並びに硬ろう材からなる層と、前記凹部材の凹部表面に配置した硬ろう材とを溶融し、硬ろう材とセラミック微粒子からなる接合層を形成することによりセラミック製部材と金属製部材を嵌合構造を介して接合する方法である。
【００２４】
なお、上記以外に接合に際して採用される条件、例えば、各種材料の配置方法、溶融温度等を含む溶融条件、冷却条件等は、平成１０年２月１８日の出願に係る特願平１０−５２９７１号および平成１１年６月２５日に出願した特願平１１−１８０９０２号明細書に記載に従えばよい。従って、平成１０年２月１８日の出願に係る特願平１０−５２９７１号および平成１１年６月２５日に出願した特願平１１−１８０９０２号明細書の内容を参考までにここに引用する。
【００２５】
本発明において使用するセラミック製部材と金属製部材の組合わせとしては、例えば窒化アルミニウムや窒化珪素等のセラミックス製部材と、モリブデンやコバール、タングステン等の金属部材との組み合わせが挙げられる。より具体的には半導体ウエハー製造において使用される、内蔵する金属電極や金属発熱体によって静電チャック機能やヒーター機能を発揮する窒化アルミニウム部材と、当該内蔵される金属電極材等へ給電を行う端子として接合される例えば金属モリブデン部材とを嵌合させ接合することからなる複合部材等が挙げられる。
【００２６】
本発明の第３の側面である、嵌合構造を構成する凹部を有する凹部材と、嵌合構造を構成する凸部を有する凸部材とからなり、前記凹部材及び前記凸部材のうち一方はセラミック製部材、他方は金属製部材であり、前記セラミック製部材と前記金属製部材とは相互に嵌合され、基本的には、金属被覆セラミック微粒子及び非被覆セラミック微粒子が７５：２５〜５０：５０の混合比で含まれたもの並びに硬ろう材からなる接着剤組成物からなる接合層により接合されている複合部材は、上記の方法により製造可能である。凹部を有する凹部材の壁面と、凸部を有する凸部材との壁面との間に形成される、嵌合構造部における壁面間のクリアランスは、０．０１〜０．３０ｍｍの範囲内とする。上記下限を逸脱すると、部材同士を嵌合することができない恐れがあり、また、上記上限を逸脱すると、上述した様にろう材が偏って充填されたりする不都合が生ずる恐れがあり好ましくない。
【００２７】
【実施例】
以下実施例を挙げて、本発明を説明するが、勿論、本発明は、これらの例により何等制限されるものではないことはいうまでもない。接合状態ならびに耐熱サイクル特性の評価は、耐熱サイクル雰囲気に曝露した前後の、接合部の引張り強度の劣化が起こっているか否かによって判定した。この際、曝露前に対して２５％以上の強度劣化を引き起こしたものは不良と判断した。また参考のため、接合層断面観察により接合部に基材割れや剥離が生じていないか否かも調査した。
【００２８】
（実施例１）
粒子表面に厚さ約０．３μｍのＮｉメッキ処理を施し、表面を被覆した平均粒径５０μｍのアルミナと、メッキ処理を施さず、表面を被覆していない平均粒径５０μｍのアルミナをそれぞれ、１００：０、７５：２５、６７：３３、６０：４０、５０：５０，２５：７５の比率で混合したものを分散粒子として、当該分散粒子に一定加圧下で硬ろう材Ａ５００５（Ａｌ−０．８Ｍｇ）を浸透させたのち、凝固させた接着剤組成物から調製したサンプルで計測した機械物理特性を表１に示す。またそのうちの代表的なもののミクロ組織の光学顕微鏡写真を図２ないし４に示す。なお、図１は比較例であるＮｉメッキ処理を施し、表面を被覆した平均粒径５０μｍのアルミナのみからなるセラミック微粒子を使用したもののミクロ組織を示す光学顕微鏡写真である。
【００２９】
【表１】
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【００３０】
（実施例２）
粒子表面に約１μｍのＮｉメッキ処理を施し、表面を被覆した平均粒径５０μｍのアルミナと、メッキ処理を施さず、表面を被覆していない平均粒径５０μｍのアルミナをそれぞれ、１００：０、７５：２５、６７：３３、６０：４０、５０：５０，２５：７５の比率で混合したものを分散粒子として、当該分散粒子に一定加圧下で硬ろう材Ａ５００５（Ａｌ−０．８Ｍｇ）を浸透させたのち凝固させた接着剤組成物から調製したサンプルで計測した機械物理特性を表２に示す。
【００３１】
【表２】
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【００３２】
（実施例３）
嵌合構造を構成する凹部を有する凹部材として、部材の厚さが１０．０ｍｍ、部材に垂直に穿孔された嵌合用の切り込み構造部の穴の直径が５．０７ｍｍ、その深さが９．５ｍｍの窒化アルミニウム部材と、嵌合構造を構成する凸部を有する凸部材として直径５．０ｍｍ、長さ１５．０ｍｍの円柱状の金属モリブデン製部材を使用して以下の条件で接合した。
【００３３】
凹部を有する凹部材である窒化アルミニウム製部材の約０．５μｍのＮｉメッキ処理が施された凹部表面に、粒子表面に厚さ約０．３μｍのＮｉメッキ処理を施し、表面を被覆した平均粒径５０μｍのアルミナと、メッキ処理を施さず、表面を被覆していない平均粒径５０μｍのアルミナをそれぞれ、１００：０、６７：３３、５０：５０の比率で混合したものを分散粒子としてそれぞれ均一に敷き詰めた。当該敷き詰められた分散粒子の層の厚さは、それぞれ０．８ｍｍであった。該分散粒子を覆うように配置された硬ろう材Ａ５００５（Ａｌ−０．８Ｍｇ）は加熱中に溶融しこれらのセラミック微粒子からなる層中に浸透し、複合接着層を形成した。かくして、非被覆セラミック微粒子及び金属被覆セラミック微粒子を所定の混合比で混合したもの並びに硬ろう材からなる複合接着層で接合された試料を２種類と、比較例としてＮｉメッキ処理を施し、表面を被覆した平均粒径５０μｍのアルミナのみからなるセラミック微粒子と硬ろう材からなる、複合接着層で接合された試料を１種類調製した。形成された複合接着層の厚さはそれぞれ０．８ｍｍであった。
【００３４】
こうして得られた接合部材を熱サイクル試験に供した。熱サイクル試験条件は、同接合部材を昇温速度２．５℃／ｍｉｎで６０℃から１８０℃へ昇温し、１８０℃へ到達後直ちに降温速度−２．５℃／ｍｉｎで６０℃へ降温し、６０℃へ到達後、直ちに再び同一のサイクルを繰り返すという処理を５０回にわたって繰り返した。熱サイクル試験後の窒化アルミの割れ発生状況を表３に示す。また熱サイクル試験前後のモリブデン端子と窒化アルミの接合強度試験結果を表４に示す。
【００３５】
【表３】
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【００３６】
【表４】
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【００３７】
上記の表１に示した試験結果、および図２ないし４として添付したミクロ構造の顕微鏡写真から明らかなように、本発明に係る接合用接着剤組成物は、ミクロ組織中に微細な空孔が導入されるため、該接合力の制御された部位か、あるいは、該導入された空孔が破壊起点として働く結果、熱応力等力が加わった際にも上記表３に示す如く破損を効果的に回避できる。なお、表１に示したように、本発明に係る接合用接着剤組成物の場合には、ヤング率の低減、耐力値の低減は認められるものの熱膨張率は、メッキ処理を施し、表面を被覆したセラミック微粒子のみを使用したものと実質的に差異がないことで、表４に示す通り接合体の接合上がりの強度ならびに耐熱性に差異はないことは注目すべき点である。
【００３８】
【発明の効果】
本願発明に係る接合用接着剤組成物を使用することにより、窒化アルミニウム等の様に被接合体たるセラミックの強度が低い場合でも、上記の複合ろう材の特性制御、すなわち熱膨張係数低減に加えて、ヤング率の低減、耐力値の低減を行うことにより、被接合体の破損を抑止しつつ耐熱特性等に優れた接合体を得ることができる。また、この様な本願発明に係る接合用接着剤組成物を使用した複合部材の製造方法によれば、接着される部材間に残留する応力を低減させることで当該部材に発生しうる破損ないし接合不具合を回避させることができ、信頼性の高い異種部材同士からなる複合部材を製造することができる。かくして信頼性の高いセラミック製部材と金属製部材からなる複合部材が提供できるという効果を発揮するものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】  表面被覆セラミック微粒子のみを使用した接着剤のミクロ組織を示す光学顕微鏡写真である。
【図２】  非被覆セラミック微粒子と金属被覆セラミック微粒子を１：３の割合で使用した接着剤のミクロ組織を示す光学顕微鏡写真である。
【図３】  非被覆セラミック微粒子と金属被覆セラミック微粒子を１：２の割合で使用した接着剤のミクロ組織を示す光学顕微鏡写真である。
【図４】  非被覆セラミック微粒子と金属被覆セラミック微粒子を１：１の割合で使用した接着剤のミクロ組織を示す光学顕微鏡写真である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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