(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
セラミックス部材に、アルミニウムまたはアルミニウムを主成分とする合金が接合された金属−セラミックス複合部材の製造装置であって、
上方より下方へ向かって順に、予熱手段と、溶融金属保持手段と、接合手段と、冷却手段と、を有し、さらに前記セラミックス部材を上方より下方へ搬送する搬送手段を有し、
前記予熱手段は、前記セラミックスを搬送する予熱用ガイド一体ダイスと、
前記予熱用ガイド一体ダイスを加熱する予熱ヒーターと、を有し、
前記溶融金属保持手段は、アルミニウムまたはアルミニウムを主成分とする合金の金属溶湯を保持する坩堝と、
下端部が前記坩堝内の前記金属溶湯中に挿入されている前記予熱ガイド一体ダイスと、
前記坩堝を加熱する溶融ヒーターと、を有し、
前記接合手段は、貫通孔を介して前記坩堝の底部に嵌合し、前記セラミックス部材と金属溶湯とを接合し且つ下方へ搬送する接合用ガイド一体ダイスと、
前記接合用ガイド一体ダイスを加熱する接合ヒーターと、を有し、
前記冷却手段は、前記接合用ガイド一体ダイス内の、前記金属溶湯を接合されたセラミックス部材を冷却する冷却手段を有し、
前記予熱ヒーターと溶融ヒーターとは隣接して設けられ、これらの周囲を囲むようにして設けられた断熱材と伴に熱処理室を形成し、当該熱処理室内に、前記予熱用ガイド一体ダイスと、前記坩堝とが設置されていることを特徴とする金属−セラミックス複合部材の製造装置。
【請求項２】
前記貫通孔を介して前記坩堝の底部に開口した接合用ガイド一体ダイスの上端部には、湯止め部が形成されていることを特徴とする請求項１に記載の金属−セラミックス複合部材の製造装置。
【請求項３】
前記接合用ガイド一体ダイスに設けられた接合通路が、上方から下方に向かうにしたがって、次第にその断面積が増大するテーパ状に形成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の金属−セラミックス複合部材の製造装置。
【請求項４】
前記予熱用ガイド一体ダイスおよび前記接合用ガイド一体ダイスは、一部又は全部が灰分５００ｐｐｍ以下、かさ密度１．５ｇ／ｃｍ3 以上のカーボンからなることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の金属−セラミックス複合部材の製造装置。
【請求項５】
セラミックス部材に、アルミニウムまたはアルミニウムを主成分とする合金を接合して金属−セラミックス複合部材を製造する方法であって、
前記セラミックス部材を、前記セラミックスを搬送する予熱用ガイド一体ダイス内を上方より下方へ搬送しながら予熱する工程と、
当該予熱処理を行った前記セラミックス部材を、前記アルミニウムまたはアルミニウムを主成分とする合金の金属溶湯中に挿入された前記予熱用ガイド一体ダイスの下端部から、当該金属溶湯内に挿入して前記溶融金属にて濡らす工程と、
当該溶融金属にて濡れたセラミックス部材を、前記溶融金属を保持する坩堝の底部に嵌合し、前記セラミックス部材と溶融金属とを接合し且つ下方へ搬送する接合用ガイド一体ダイス内へ搬送して、前記セラミックス部材と溶融金属とを接合して金属−セラミックス接合物を得る工程と、
前記金属−セラミックス接合物を、前記接合用ガイド一体ダイスの延長であるガイド一体ダイス内を搬送しながら冷却し、金属−セラミックス複合部材を得る工程と、を有することを特徴とする金属−セラミックス複合部材の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、セラミックスと金属との強固な複合部材を製造する金属ーセラミックス複合部材の製造方法及びその装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
セラミックスの化学安定性、高融点、絶縁性、高硬度、比較的に高い熱伝導性等の特性と、金属の高強度高靭性、易加工性、導電性等の特性を生かした金属ーセラミックス複合部材は、自動車、電子装置等に広く用いられ、その代表的な例として、自動車ターボチャージャー用のローター、大電力電子素子実装用の金属ーセラミックス複合基板及びパッケージが挙げられる。
【０００３】
上記金属ーセラミックス複合部材の主な製造方法としては、接着、メッキ、メタライズ、溶射、鋳ぐるみ、ろう接法、ＤＢＣ法が公知であるが、金属ーセラミックス複合基板に関しては、近年コスト上の問題からアルミナ基板を用いるＤＢＣ法や窒化アルミニウム基板を用いるろう接により大部分の金属ーセラミックス複合基板が製造されている。
【０００４】
しかしながら従来法においては、金属をアルミナ基板に直接接合する方法としては、銅板を直接接合するＤＢＣ法が公知であるが、アルミニウムを直接接合する方法は今まで知られていなかった。
【０００５】
本出願人は先に、セラミックス部材に金属板としてのアルミニウムを直接に接合する装置として、特開平８ー１９８６２９号「金属ーセラミックス複合部材の製造装置」を提案した。
【０００６】
この装置は、セラミックス部材を連続的に供給するための搬送手段と、搬送されたセラミックス部材を予熱する予熱部と、予熱されたセラミックス部材を坩堝内の金属溶湯中を通過させてセラミックス部材の周囲面の少なくとも一部分に金属を接合する接合部と、該接合されたセラミックス部材を徐冷して金属を凝固させ、金属ーセラミックス複合部材となす冷却部とを主要部と成すものであり、優れた特性を有する金属ーセラミックス複合部材を大量に得ることが可能である。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、セラミックス部材に薄板状の金属を接合する場合において、最近、この薄板の厚さの均一性を極めて厳しく要請される場合がみられるが、その様な要請に対しては上記装置では必ずしも十分に対応できない場合もあった。また、金属を所定の形状に凝固させるためにダイスを使用した場合、ダイス離れの点で若干の問題があった。
【０００８】
本発明者等が上述の問題点の原因を究明したところ、以下の点が原因であろうとの結論を得ることができた。
【０００９】
すなわち、上記従来の装置は、セラミックス部材を横状に連続的に供給して坩堝内を通過させる構造である。したがって、板状のセラミックス部材の表裏の２面に金属を接合させる場合、セラミックス部材が金属溶湯中を重力方向と非平行状態で通過させることになる。このため、重力の及ぼす影響により金属溶湯からの蒸気がセラミックス部材の下面にのみ溜まることになりがちである。それゆえ、接合時において、セラミックス部材の表裏２面は金属溶湯の蒸気から不均一な作用を受けることが考えられる。同様に、冷却部においても金属溶湯からの蒸気がセラミックス部材の下面にのみ溜まり、同じ条件で冷却しても表裏２面に不均一な作用を受けて冷却状態が異なってくることが考えられる。
【００１０】
本発明は、上述の解明事実に基づいてなされたものであり、優れた接合特性を有する金属ーセラミックス複合部材を低コストで製造できる金属ーセラミックス複合部材の製造方法及びその装置を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上述の課題を解決するために、
請求項１の発明は、
セラミックス部材に金属が接合された金属ーセラミックス複合部材を製造する金属ーセラミックス複合部材の製造方法において、
接合用の金属を溶融させた金属溶湯中を接合用のセラミックス部材を上方から下方に向けて通過させて前記セラミックス部材を前記金属で濡らした後に該セラミックス部材を上方から下方に移動しながら前記セラミックス部材への前記金属の付着量及び／又は形状を制御しつつ凝固させる操作を施す工程を有することを特徴とする金属ーセラミックス複合部材の製造方法である。
【００１２】
請求項２の発明は、
セラミックス部材に金属が接合された金属ーセラミックス複合部材を製造する金属ーセラミックス複合部材の製造装置において、
接合用セラミックス部材を上方から下方に搬送する搬送手段と、
前記搬送手段によって搬送されるセラミックス部材を予熱する予熱手段と、
接合用の金属を溶融させた金属溶湯を保持する金属溶湯保持部を有し、前記予熱手段によって予熱されたセラミックス部材を前記金属溶湯中を上方から下方に向けて通過させて前記セラミックス部材を前記金属で濡らした後に該セラミックス部材を上方から下方に移動しながら前記セラミックス部材への前記金属の付着量及び／又は形状を制御しつつ前記金属を前記セラミックス部材に接合する接合部を有する接合手段と、
前記接合手段の接合部を下方に移動するセラミックス部材を冷却する冷却手段とを有することを特徴とする金属ーセラミックス複合部材の製造装置である。
【００１３】
請求項３の発明は、
前記接合手段の接合部は、前記金属溶湯保持部内の底部に上端を開口して接続されているとともに下端部が下方に向けて延長されたガイド一体ダイスを有し、前記ガイド一体ダイスは、前記金属に濡れたセラミックス部材及び前記金属溶湯の一部を前記上端開口部から導入し、前記セラミックス部材をガイドしながら下方に移動させて前記セラミックス部材への前記金属の付着量及び／又は形状を規制しつつ前記金属をセラミックス部材に接合する接合通路を有するものであることを特徴とする請求項２に記載の金属ーセラミックス複合部材の製造装置である。
【００１４】
請求項４の発明は、
前記ガイド一体ダイスは、前記接合通路が、上方から下方に向かうにしたがって次第にその断面積が増大するテーパ状に形成されているものであることを特徴とする請求項３に記載の金属ーセラミックス複合部材の製造装置である。
【００１５】
請求項５の発明は、
前記予熱手段は、前記セラミックス部材をガイドしつつ下方に移動させる間に予熱する予熱通路であって前記金属溶湯保持部の金属溶湯中にその下端が開口して挿入されるとともに上端が開口されて接合用セラミックス部材の導入口とされる予熱通路を有するガイド一体ダイスによって構成されていることを特徴とする請求項２ないし４のいずれかに記載の金属ーセラミックス複合部材の製造装置である。
【００１６】
請求項６の発明は、
前記ガイド一体ダイスは、一部又は全部が灰分５００ｐｐｍ以下、かさ密度１．５ｇ／ｃｍ3 以上のカーボンからなることを特徴とする請求項２ないし５のいずれかに記載の金属ーセラミックス部材の製造装置である。
【００１７】
上述の構成によれば、接合用の金属を溶融させた金属溶湯中を接合用のセラミックス部材を上方から下方に向けて通過させて前記セラミックス部材を前記金属で濡らした後に該セラミックス部材を上方から下方に移動しながら前記セラミックス部材への前記金属の付着量及び／又は形状を制御しつつ凝固させる操作を施してセラミックス部材に金属を接合するようにしたので、セラミックス部材を横方向に移動させながら金属を接合する従来の装置の場合のような不都合を生ずるおそれがない。すなわち、例えば、板状のセラミックス部材の表裏の２面に金属を接合させる場合においても、セラミックス部材が金属溶湯中を重力方向と平行状態で通過させることになる。このため、重力が表裏の面に均等に作用し、接合時において、セラミックス部材の表裏２面は金属溶湯の蒸気から不均一な作用を受けるようなこともない。同様に、冷却部においても金属溶湯からの蒸気が表裏２面に均一に作用するので、冷却状態が異なるおそれもない。
【００１８】
また、セラミックス部材を上方から下方に移動しつつ接合するようにしているので、その製造装置の配置を、上方より予熱部、接合部、冷却部とする事ができ、予熱部においては、接合部からの熱を利用することが容易になるため予熱ヒーターの出力を小さく抑えられることから、省エネルギー化が図られる。
【００１９】
さらに、接合部においては、セラミックス部材と溶融金属の接触界面の金属蒸気による影響をセラミックス部材の進行方向において部材の表裏両面で均一に受けることができる他、冷却部においては、水冷方式の場合に冷却ジャケット内で発生する水蒸気による冷却能のばらつきをセラミックス部材の進行方向において部材の表裏両面で均一に受けることができる。更に、冷却部は、溶融、接合ヒーターの下方に設置されるため、従来のように横向きに各部を並べて設置した場合と比較して、ヒーターからの熱を受けにくいため冷却温度勾配を大きくとれると同時に、溶湯金属自体も坩堝内からガイド一体ダイス内または冷却部までの流れ性が向上する。
【００２０】
また、本発明において使用するガイド一体ダイスの材質としては、全部または一部を好ましくは灰分５００ｐｐｍ以下、かさ密度１．５ｇ／ｃｍ3 以上、更に好ましくは灰分２００ｐｐｍ以下、かさ密度１．９ｇ／ｃｍ3 以上のカーボンとすることが好ましく、これにより、接合用の溶融金属のダイス離れを良好にし、さらには、ガイド一体ダイスと溶湯金属との接触する部分においてそれらの反応が少なくなりダイス寿命を長くする効果を有する。
【００２１】
本発明で使用する金属とガイド一体ダイスの高温での酸化をふせぐためには必要に応じて装置の内部をある特定の雰囲気にする必要がある。後述する実施例においては窒素ガス雰囲気において実施したが、同じような効果はアルゴン、水素ガス等のような不活性ガス、あるいは還元性のガス、またはこれらのガスの混合物を使っても得られる。
【００２２】
なお本発明で使用する好ましい金属は、アルミニウム、またはアルミニウムを主成分とする合金であり、一方、セラミックス部材としてはアルミニウム、珪素等の酸化物、窒化物、炭化物等のセラミックスである。
【００２３】
【発明の実施の形態】
図１は本発明の一実施例にかかる金属ーセラミックス複合部材の製造装置の構成を示す図である。以下、図１を参照にしながら、本発明の一実施例にかかる金属ーセラミックス複合部材の製造装置を説明し、あわせて一実施例にかかる金属ーセラミックス複合部材の製造方法を説明する。なお、この実施例は、縦１１２ｍｍ、横６２ｍｍ、厚さ０．６３５ｍｍの板状アルミナセラミックス部材の表裏両面に厚さ０．５ｍｍで幅が５４ｍｍのアルミニウム膜を接合する場合の例である。
【００２４】
図１に示されるように、一実施例の金属ーセラミックス複合部材の製造装置は、上方から下方に向けて、搬入部１、予熱部２、接合部３及び冷却部４が順次配置されているものである。
【００２５】
搬入部１には、上方から供給されるセラミックス部材５を導入して下方に搬送するピンチローラ６が設けられている。このピンチローラ６は、セラミックス部材５を次々と導入して、予熱部２、接合部３及び冷却部４を通じて外部に搬出する搬送動作を行う搬送手段として機能する。
【００２６】
予熱部２は、予熱用ガイド一体ダイス９ａと、このガイド一体ダイス９ａの上端部の周囲を冷却する冷却ジャケット１５ａと、これらガイド一体ダイス９ａの下部を除く大部分及び冷却ジャケット１５ａの周囲を囲むようにして設けられた断熱材７ａと、後述する熱処理室１００内の上部に配置されてガイド一体ダイスの下部を囲むように形成された予熱ヒーター８とによって構成されている。ガイド一体ダイス９ａは、上端部がピンチローラ６の真下に位置し、下端部が接合部３の後述する坩堝１１内の溶融金属１０中に挿入されるように縦に配置された縦長の直方体形状をなしている。また、その長手方向に沿って内部にセラミックス部材５をガイドしつつ下方に移動させる間に予熱する予熱通路９０ａを有している。なお、予熱通路９０ａは、セラミックス部材５が挿入された状態で、セラミックス部材５と予熱通路９０ａの内壁とのクリアランスが０．２ｍｍ以下になるように形成されており、上記溶融金属１０が予熱通路９０ａ内に侵入しないように構成されている。このガイド一体ダイス９ａは、灰分５００ｐｐｍ以下、かさ密度１．９ｇ／ｃｍ3 以上の高純度カーボンによって構成されている。
【００２７】
接合部３は、上記予熱部２に連続して形成されている熱処理室１００と、この熱処理室１００の下部に設けられた徐冷室２００とを有している。これら熱処理室１００及び徐冷室２００は、断熱材７ｂの内部に形成されている。熱処理室１００内には、接合用の金属を溶融した溶融金属１０を保持する坩堝１１と、この坩堝１１内の底部に上端を開口して接続されているとともに下部が下方の徐冷室２００内に向けて延長された接合用ガイド一体ダイス９ｂと、坩堝１１を囲むようにして配置されていて該坩堝１１を加熱して該坩堝１１に収納された金属を溶融する溶融ヒーター１２とが設けられている。また、徐冷室２００内には、接合用ガイド一体ダイス９ｂの周囲に配置されて該ガイド一体ダイス９ｂを加熱する接合ヒーター１４が設けられている。
【００２８】
坩堝１１は、上部が開口された箱型の容器であり、底部に上記ガイド一体ダイス９ｂの上端部を嵌合する貫通孔１１ａが設けられている。この貫通孔１１ａに嵌合されるガイド一体ダイス９ｂは、上述の予熱部２の一部を構成するガイド一体ダイス９ａと基本的にはほぼ同じ構成を有するものであるが、上記貫通孔１１ａに嵌合する上端部には湯止め部１３が形成されている。この湯止め部１３は、図１においては、坩堝１１内に突出する上端の下部に窪みを形成してその窪み部分が上記貫通孔１１ａに密に嵌合する構造として模式的に示してある。実際には、上端部を貫通孔１１ａに嵌合する部分と同じ厚さもしくは径にしておいて貫通孔１１ａに嵌合し、坩堝１１内に突出した部分に後から追加部材（ナット状の部材）を嵌合して接着等によって固定する。なお、坩堝１１は接合ヒーター１４の上端部に載置された載置台１２０上に載置・固定されている。
【００２９】
ガイド一体ダイス９ｂは、上端部が上記坩堝１１の底部の貫通孔１１ａに嵌合され、下端部が冷却部４に位置するように縦に配置された縦長の直方体形状をなしている。図２はガイド一体ダイス９ｂの横断面図である。図２に示されるように、ガイド一体ダイス９ｂは、その長手方向に沿って内部に設けられた断面長方形状の接合通路９０ｂと、この接合通路９０ｂの両側に設けられたガイド部９１ｂとを有している。接合通路９０ｂの上端は、坩堝１１内に開口されているとともに、接合通路９０ｂの中心軸線と上述の予熱用ガイド一体ダイス９ａの予熱通路９０ａの中心軸線とが一致するように配置されている。また、接合通路９０ｂの断面形状における短辺の長さは、セラミックス部材５に接合する金属膜の厚さに対応して該セラミックス部材５の厚さより適切な値だけ大きくしてあり、長辺の長さは、接合する金属膜の幅と等しくしてある。また、ガイド部９１ｂはセラミックス部材５をガイドして移動できるようにセラミックス部材５の両端部が適度に嵌合されるように形成されている。また、図３はガイド一体ダイス９ｂの縦断面図である。図３に示されるように、接合用ガイド一体ダイス９ｂの接合通路９０ｂは、上方から下方に向かうにしたがって次第にその断面積が増大するテーパ状に形成されている。このテーパの度合いは、接合する金属の種類や厚さその他の条件に対応して定められるが、この実施例では、２／１０００の勾配で示されるテーパとしている。
【００３０】
冷却部４は、徐冷室２００の下部に形成されており、上記接合ヒーター１４の下部と、上記接合用ガイド一体ダイス９ｂの下端部の周囲を囲むようにして設けられた冷却ジャケット１５ｂとによって構成されている。
【００３１】
なお、熱処理室１００内は窒素ガスによって不活性ガス雰囲気にできるように、雰囲気制御装置が設けられているが、その図示は省略する。
【００３２】
上述の装置において、まず、ヒーター類に電力供給せず、また、坩堝１１内をからにした状態で、セラミックス部材５を予熱用ガイド一体ダイス９ａ内に必要枚数導入し、最初のセラミックス部材５の先端が接合用ガイド一体ダイス９ｂの接合通路９０ｂの上部に挿入された状態で止める。次に、坩堝１１に金属アルミニウムをいれ、熱処理室１００内を窒素ガスによって不活性ガス雰囲気にしておき、溶融ヒーター１２、予熱ヒーター８及び接合ヒーター１４に電力を供給し、各部を所定の温度にする。この場合、坩堝１１内の温度は６６０〜１０００℃にしてアルミニウムを溶融する。このとき、溶融された金属溶湯中に予熱用ガイド一体ダイス９ａの下端部が埋没される。また、冷却ジャケット１５ａと予熱ヒーター８を調整して予熱用ガイド一体ダイス９ａの縦方向の温度勾配が１０〜３０℃／ｃｍになるようにする。この場合、予熱用ガイド一体ダイス９ａは予熱ヒーター８からの熱伝導によって加熱されるので、冷却ジャケット１５ａによってその近傍の温度を１００℃以下にすることが好ましい。さらに、接合ヒーター１４と冷却ジャケット１５ｂとを調整して接合用ガイド一体ダイス９ｂの縦方向の温度勾配が１０〜１５０℃／ｃｍになるようにする。この状態で、ピンチローラ６を稼動し、新たなセラミックス部材５を供給しつつセラミックス部材５を１〜１００ｍｍ／ｍｉｎの速度で搬送しながら接合を行う。
【００３３】
予熱用ガイド一体ダイス９ａに導入されたセラミックス部材５は、該セラミックス部材５が熱衝撃で割れないように適度の温度勾配がもたされた予熱用ガイド一体ダイス９ａの予熱通路９０ａを通過する間に溶融金属１０の温度に近い温度まで予熱されて、溶融金属１０内に挿入される。挿入されたセラミックス部材５は、溶融金属１０内を下方に向けて通過して接合用ガイド一体ダイス９ｂの接合通路９０ｂ内に挿入されていく。この場合、セラミックス部材５が溶融金属１０中を通過する間にセラミックス部材の両面が清浄化されると同時に両面が溶融金属１０によって十分に濡れた状態で接合通路９０ｂ内に挿入される。
【００３４】
接合通路９０ｂ内に挿入されたセラミックス部材５の溶融金属で濡れた両面には、接合通路９０ｂによって規制される量の溶融金属１０がさらに付着しながら接合通路９０ｂ中を下方に移動する。接合用ガイド一体ダイス９ｂには適度な温度勾配が形成されているので、セラミックス部材５の両面に付着した溶融金属は次第に凝固することによって該セラミックス部材５の両面に接合されていく。この場合、セラミックス部材の両面が清浄化されると同時に両面が溶融金属１０によって十分に濡れた状態で接合通路９０ｂ内に挿入されるので、極めて強固な接合がなされる。そして、セラミックス部材５が冷却ジャケット１５ａを通過することによって該セラミックス部材５の両面に接合された金属は完全に凝固されて接合が完了する。なお、この状態では、個々のセラミックス部材５が接合された金属膜で繋がれた状態であるので、これを切断して個々の基板に仕上げる。これによって、縦１１２ｍｍ、横６２ｍｍ、厚さ０．６３５ｍｍの板状アルミナセラミックス基板の表裏両面に厚さ０．５ｍｍで幅が５４ｍｍのアルミニウム膜が接合された金属ーセラミックス複合部材を得ることができた。こうして得られた金属ーセラミックス複合部材は、金属膜の接合強度が極めて高く、また、金属膜の膜質及び厚さが極めて均一であった。
【００３５】
なお、上述の実施例では、アルミナ板にアルミニウム膜を接合した例を掲げたが、上記装置によってＡｌＮ基板にアルミニウム膜を接合し、あるいは、窒化珪素基板にアルミニウムを接合しても同様の結果を得ることができた。
【００３６】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明は、接合用の金属を溶融させた金属溶湯中を接合用のセラミックス部材を上方から下方に向けて通過させて前記セラミックス部材を前記金属で濡らした後に該セラミックス部材を上方から下方に移動しながら前記セラミックス部材への前記金属の付着量及び／又は形状を制御しつつ凝固させる操作を施すようにしたことにより、優れた接合特性を有する金属ーセラミックス複合部材を低コストで製造することを可能にしているものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の金属ーセラッミクス複合基板の製造装置の主要部の概略断面図である。
【図２】接合用ガイド一体ダイスの横断面図である。
【図３】接合用ガイド一体ダイスの縦断面図である。
【符号の説明】
１…搬入部
２…予熱部
３…接合部
４…冷却部
５…セラッミクス部材
６…ピンチローラ
７ａ，７ｂ…断熱材
８…予熱ヒーター
９ａ…予熱用ガイド一体ダイス
９ｂ…接合用ガイド一体ダイス
１０…溶融金属
１１…坩堝
１２…溶融ヒーター
１３…湯止め部
１４…接合ヒーター
１５ａ，１５ｂ…冷却ジャッケト
【図１】
0003814044.tif 000002
【図２】
0003814044.tif 000003
【図３】
0003814044.tif 000004