(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
一方の端面が金属層でかつ他方の端面がセラミックス層である傾斜機能材の製造方法であって、
金属側組成にセラミックス成分を添加した金属粉末混合物と、セラミックス側組成に金属成分を添加したセラミックス粉末混合物とを用意する工程と、
前記金属粉末混合物と前記セラミックス粉末混合物とを積層して成形体を得る工程と、
前記成形体に焼成処理を施して、前記金属側組成に添加した前記セラミックス成分を金属に転化させるとともに、前記セラミックス側組成に添加した前記金属成分をセラミックスに転化させて傾斜機能材を製造する工程と、
を有し、
前記金属側組成を、タングステン−銅合金を主体とし、４５％のＷ、７％のＣｕ、３％のＡｌ、０．２％のＭｇ、１％のＣｏ、０．２％のＮｉ、０．１％のＡｇ、３％のＴｉＨ4および０．５％のＣと、前記セラミックス成分としての各２０％のＡｌＮおよびＷＣとで形成する一方、
前記セラミックス側組成を、８０％のＡｌＮ、１％のＷＣ、０．５％のＴｉＨ4および０．３％のＬａＨ3と、前記金属成分としての１５％のＡｌ、０．２％のＭｇ、０．１％のＡｇ、各１％のＺｒおよびＣｒとで形成し、
最高温度を１９８０℃として真空中で前記焼成処理を行うことを特徴とする傾斜機能材の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、一方の端面が金属層でかつ他方の端面がセラミックス層である傾斜機能材の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば、耐蝕性、絶縁性および高温耐久性等に優れるセラミックスと靭性に優れる金属との特性を一体的に備えた傾斜機能材が知られている。この種の傾斜機能材は、例えば、半導体回路基板として使用されることが望まれている。半導体回路では、最近、高集積化、高容量化および高周波数化の傾向が著しく、この半導体回路を搭載するセラミックス基板と、該半導体回路に発生する熱を外部に効率よく排出するためのヒートシンクとを一体化する必要があるからである。
【０００３】
上記の傾斜機能材は、一方の端面が金属でかつ他方の端面がセラミックスであり、その間における組成や特性が滑らかに変化することが望まれる。このため、通常、組成が徐々に異なる積層体（必要に応じて１０層以上）を用意し、所定の形状に成形した後に焼結処理を施すことにより、所望の傾斜機能材を製造する作業が行われている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、積層体が多層になるに従って、組成が変更される界面でプレス成形時に剥離が起こり易くなり、安定した形状が得られないという問題が指摘されている。しかも、所望の形状を得るためには、多量の有機添加材が必要となり、焼結時の緻密化が阻害されるとともに、金属層に悪影響を与えるという不具合がある。
【０００５】
さらに、金属とセラミックスとは、それぞれの焼結温度に３００℃〜１０００℃の差があり、金属層の緻密化温度では、セラミックス側の緻密化が進まない。このため、セラミックスの焼結温度まで加熱しようとすると、殆どの金属の融点を大きく超えてしまい、軟化が生じて形状を保つことができないという問題がある。
【０００６】
さらにまた、金属の緻密化温度領域とセラミックスの緻密化温度領域が大きく異なるとともに、それぞれの熱伝導率や熱膨張が大きく異なる。これにより、大きな熱応力が発生して焼成中の反りや割れ等が生じるために、実用に適さないという問題が指摘されている。
【０００７】
本発明は、この種の問題を解決するものであり、簡単な工程で、金属層とセラミックス層とが強固かつ確実に一体化された高品質な傾斜機能材を得ることが可能な傾斜機能材の製造方法を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
前記の課題を解決するために、本発明に係る傾斜機能材の製造方法では、金属側組成にセラミックス成分を添加した金属粉末混合物と、セラミックス側組成に金属成分を添加したセラミックス粉末混合物とを用意し、これらを積層して焼成処理を施す。このため、焼結時の熱伝導率差、熱膨張差および収縮温度差領域を極小化し、発生する熱応力を最小限に抑えて界面付近での剥離や反り等の変形を有効に阻止することができる。
【０００９】
しかも、焼結時乃至は焼結の終了時において、金属側組成に添加したセラミックス成分が金属に転化するとともに、セラミックス側組成に添加した金属成分がセラミックスに転化する。従って、２層の界面近傍が相互拡散層となって所望の傾斜組成を有する傾斜機能材が得られる。
【００１０】
焼成後に傾斜機能材の一方の端面である金属層を形成する金属側組成では、５０％以上含有されて主体となる金属として、タングステン合金が選定される。また、傾斜機能材の他方の端面であるセラミックス層を形成するセラミックス側組成では、５０％以上含有されて主体となるセラミックスとして、窒化アルミニウムが選定される。
【００１１】
上記の金属を主体とする金属側組成には、セラミックス成分が添加されるとともに、上記のセラミックスを主体とするセラミックス側組成には、金属成分が添加される。金属側組成に添加されたセラミックス成分の金属化やセラミックス側組成に添加された金属成分のセラミックス化は、真空中で進行され、また、拡散層の厚さは焼成時の条件によって設定される。
【００１２】
焼結中に金属に転化するセラミックス成分としては、ＡｌＮおよびＷＣが該当する。一方、焼結中にセラミックスに転化する金属成分としては、Ａｌ、Ｍｇ、Ａｇ、ＺｒおよびＣｒが該当する。
【００１３】
上記セラミックス成分および金属成分は、焼結中にセラミックスから金属へ、および金属からセラミックスへ変化しながら相互拡散が行われ、傾斜機能材が製造される。実際に得られた傾斜機能材では、添加されたセラミックス成分が金属層側に殆ど観測されず、このセラミックス成分が金属へ転化乃至は傾斜層への再配列が進んだ。また、セラミックス層中にも、添加された金属が殆ど観測されずに、前記金属成分は、セラミックスに転化乃至は傾斜層への再配列が生じていた。
【００１４】
傾斜層における相互拡散は、通常の接合や熱処理の拡散厚さより大きくする必要があり、金属粉末混合物とセラミックス粉末混合物とをそれぞれ所定の厚さに設定して２層に積層した成形体が用いられる。これにより、最低積層数（２層）であっても、緻密化過程で発生する熱応力を極小化することができ、金属とセラミックスとが相互に拡散した傾斜層を有し、かつ両端面に金属層とセラミックス層とを有した傾斜機能材を容易かつ確実に製造することが可能になる。また、ホットプレスやＨＩＰ（ホットアイソスタティックプレス）のような特殊な装置を用いる必要がなく、常圧乃至は加圧焼結によって製造することができ、生産性の向上が図られる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
本発明の第１の実施形態に係る傾斜機能材の製造方法について、以下に説明する。
【００１７】
先ず、金属側の主体となる原料粉末組成を銅−タングステン合金とし、セラミックス側の主体となる原料粉末組成を窒化アルミニウムとし、表１に示す組成に設定された金属粉末混合物とセラミックス粉末混合物とが用意された。
【００１８】
【表１】
0004224141.tif 000002
【００１９】
ここで、金属粉末混合物には、セラミックス成分粉末として窒化アルミニウム（ＡｌＮ）および炭化タングステン（ＷＣ）が配合されており、これらのセラミックスの総重量が４０％であった。一方、セラミックス粉末混合物には、金属成分粉末としてアルミニウム（Ａｌ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、クロム（Ｃｒ）および銀（Ａｇ）が配合されており、これらの金属粉末の総量は、１７．０％であった。
【００２０】
次いで、金属粉末混合物およびセラミックス粉末混合物は、金属層の厚さが５ｍｍでセラミックス層の厚さが１．５ｍｍであり、焼結後に５０ｍｍ×５０ｍｍの大きさになるように２層積層して成形体を得た（以下、実験例という）。一方、金属側組成が銅−タングステン（８％−９２％）合金粉末であり、セラミックス側組成が窒化アルミニウム−酸化イットリウム（９８％−２％）粉末とし、それぞれ１０％ずつ組成を変えて１０層に積層し、成形体を得た（以下、比較例という）。
【００２１】
なお、成形は、それぞれ金型内静水圧加圧成形法を用いて行っており、実験例では、容易に成形を行うことができたが、比較例では、その組成間で成形後に剥離が生じ、２０個成形した中で試験に供せられるものが１個だけしか得られなかった。また、比較例では、各層の厚さを均質に維持することが難しく、そのため、成形後の厚さが１５ｍｍ程度となった。
【００２２】
そこで、図１に示すような焼成パターンで、実験例および比較例に焼結処理を施した。ここで、実験例の最高焼結温度は、１９８０℃であり、組成から想到される焼結温度範囲よりかなり高い温度状態であった。その際、焼結雰囲気を調製し、温度が比較的低い領域では、窒素ガスを流通させながら減圧状態で５Ｐａ程度であり、温度の上昇に伴って窒素圧を１気圧、２気圧と上昇させた。
【００２３】
比較例では、１２００℃から１００℃ずつ温度を上昇させながら１８００℃まで焼結を試みたが、１２００℃の低い温度でさえ積層の境界で界面剥離と反りによる破断、クラックが生じてしまった。このため、傾斜機能材としての断片さえも構成できず、圧力条件等を真空から１０気圧未満まで変えて実験しても、実験に供せられる形状を得ることはできなかった。
【００２４】
一方、実験例では、真空下での焼結により収縮温度が低下し、〜１６００℃程度で大きく収縮して緻密化が進行したことを確認することができた。そして、上記のようにして得られた傾斜機能材の両端面である金属層およびセラミックス層を研磨するとともに、断面を切り取って鏡面仕上げした後、導通試験と断面の硬度を測定する実験とを行った。
【００２５】
先ず、導通試験では、金属層の抵抗が略０であり、端子の接触抵抗程度しか観測されなかった。これに対して、セラミックス層では、全ての場所において導通テストを行ったところ、全て１００ＭΩ以上という値が得られ、測定器の能力以上となった。
【００２６】
図２は、得られた傾斜機能材の各部位における硬度Ｈｖの測定を行った結果が示されている。すなわち、図３に示すように、傾斜機能材１０は、一方の端面が金属層１２でかつ他方の端面がセラミックス層１４であり、内部に金属とセラミックスとが相互拡散した拡散層１６が設けられている。そして、セラミックス層１４側を０．５ｍｍだけ削り取った後、このセラミックス層１４から金属層１２側に向かって硬度を測定した。
【００２７】
この結果、図２に示すように、セラミックス層１４から０．５ｍｍ程度、セラミックスによる硬い層が設けられており、その後なだらかに硬度が低下していることが分かった。傾斜層である拡散層１６の幅は約２ｍｍにも達しており、硬度Ｈｖが１２００〜２００程度という大きな差が存在していた。
【００２８】
また、電子顕微鏡によるミクロ観察においても、セラミックス層１４と金属層１２との間にクラックや気孔等の欠陥は全く観測されず、高品質かつ所望の傾斜機能材１０が製造されたことが確認された。セラミックス層１４側では、０．５ｍｍの深さまで削り取っても、金属の存在がミクロ観察においても発見できず、略１００％のセラミックスであることが確認された。
【００２９】
次に、本発明の第２の実施形態として、セラミックス側組成の主体セラミックスとして窒化珪素を用い、金属側組成の主体金属としてニッケル合金を用いて実験を行った。この金属側組成およびセラミックス側組成は、表２に示されている。
【００３０】
【表２】
0004224141.tif 000003
【００３１】
ここで、金属粉末混合物には、セラミックス粉末が１６．５％配合されており、セラミックス粉末混合物には、金属粉末が１３．３％配合されている。そして、セラミックス粉末混合物側の厚さが３ｍｍ、金属粉末混合物側の厚さが３ｍｍとなるように、前記セラミックス粉末混合物および前記金属粉末混合物が積層された。
【００３２】
次いで、この積層物は、金型内静水圧加圧成形法により成形され、６０ｍｍ×６０ｍｍの成形体が得られた。その際、アルコール：アセトンが３：１の媒液を用い、成形圧が１２０ＭＰａに設定された。
【００３３】
成形体は、乾燥された後に最高温度が１７８０℃による焼結がなされた。この温度は、ニッケル合金である超耐熱合金組成の融点を遙かに超える温度であるが、焼結後の焼結体は、形状を保持するとともに緻密化がなされており、傾斜機能材が構成されていた。
【００３４】
焼結後の傾斜機能材は、電子顕微鏡等を用いて、その境界部付近や金属層、並びにセラミックス層の観察が行われた。その結果、欠陥が殆ど観測されず、傾斜層を含めて１００％の緻密化が達成されていた。
【００３５】
さらに、実験例と同様に、セラミックス層を最表面から０．５ｍｍだけ研磨除去した後、通電性の実験を行ったところ、どの点においても１００ＭΩ以上の抵抗が観測され、高い絶縁性が得られていることが分かった。また、電子顕微鏡等を用いて断面観察を行ったところ、傾斜層には金属の存在が観測されるものの、セラミックス層には金属の存在が全く確認されなかった。
【００３６】
さらにまた、実験例と同様に、硬度を測定して傾斜層の幅等を確認したところ、完全にセラミックスに転化したセラミックス層の厚さが１．６ｍｍであり、完全に金属に転化した金属層の厚さが１．３ｍｍ程度であり、傾斜層の厚さが１．２ｍｍ程度であった。なお、得られた傾斜機能材は、緻密化が進行しているものの、セラミックス単独や金属単独のように、収縮が２０％を超えるまでには至らなかった。
【００３７】
【発明の効果】
以上のように、本発明に係る傾斜機能材の製造方法では、金属側組成にセラミックス成分を添加した金属粉末混合物と、セラミックス側組成に金属粉末を添加したセラミックス粉末混合物とを用いて焼成処理が施されるため、前記セラミックス成分が金属に転化するとともに、前記金属成分がセラミックスに転化する。
【００３８】
このため、一方の端面が金属層でかつ他方の端面がセラミックス層であり、前記金属層と前記セラミックス層とが傾斜機能層を介して一体的かつ強固に構成される。これにより、セラミックスの利点と金属の利点とを合わせ持った傾斜機能材が得られるとともに、クラックや割れ等の欠陥がなく、接合強度に優れた高品質の傾斜機能材を製造することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係る傾斜機能材の製造方法における焼成パターンの説明図である。
【図２】前記傾斜機能材のセラミックス層側から金属層側への距離と硬度との関係図である。
【図３】前記傾斜機能材の縦断面説明図である。
【符号の説明】
１０…傾斜機能材                  １２…金属層
１４…セラミックス層              １６…拡散層
【図１】
0004224141.tif 000004
【図２】
0004224141.tif 000005
【図３】
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