(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
アルミニウム−セラミックス複合材とセラミックス焼結体とをろう材層を介して接合してなる接合体であって、
前記アルミニウム−セラミックス複合材の接合面には金属溶射膜が形成され、該金属溶射膜には前記アルミニウム−セラミックス複合材に達する開気孔が複数形成され、これら開気孔の上部は研磨により閉孔され、この閉孔された金属溶射膜上にろう材層が形成され、該ろう材層上に前記セラミックス焼結体が載置され、該セラミックス焼結体及び前記アルミニウム−セラミックス複合材は加熱により接合され一体化され、
前記アルミニウム−セラミックス複合材と前記セラミックス焼結体との接合率は９５％以上であることを特徴とするアルミニウム−セラミックス複合材とセラミックス焼結体との接合体。
【請求項２】
前記金属溶射膜は、銅、ニッケル、銅−ニッケル合金のいずれかからなることを特徴とする請求項１記載のアルミニウム−セラミックス複合材とセラミックス焼結体との接合体。
【請求項３】
前記ろう材層は、インジウム、インジウム合金のいずれかからなることを特徴とする請求項１または２記載のアルミニウム−セラミックス複合材とセラミックス焼結体との接合体。
【請求項４】
前記ろう材層は、シート状のろう材、塗布膜のいずれかであることを特徴とする請求項１、２または３記載のアルミニウム−セラミックス複合材とセラミックス焼結体との接合体。
【請求項５】
前記アルミニウム−セラミックス複合材を構成するセラミックスは炭化珪素であることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項記載のアルミニウム−セラミックス複合材とセラミックス焼結体との接合体。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、アルミニウム−セラミックス複合材（以下、Ａｌ複合材と略記することもある）とセラミックス焼結体との接合体における、接合面積のＡｌ複合材とセラミックス焼結体との重なる面積に対する割合（以下、接合率と略記することもある）が向上し、その結果、接合強度が向上したアルミニウム−セラミックス複合材とセラミックス焼結体との接合体に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、Ａｌ複合材とセラミックス焼結体とを、Ｉｎ、Ｉｎ合金等のろう材を用いて接合するに際しては、Ａｌ複合材へのろう材の濡れ性を改善した後、該ろう材を用いて接合する必要がある。
このような接合方法としては、例えば、次の様な２通りの方法がある。
▲１▼  Ａｌ複合材の接合面に、ろう材との濡れ性が良好なＣｕやＮｉ等の金属薄膜をスパッタリング法で形成し、次いで、この金属薄膜上にろう材層を形成し、このろう材層上にセラミックス焼結体を載置し、Ａｌ複合材とセラミックス焼結体とを加熱して接合し一体化する方法。
▲２▼  Ａｌ複合材の接合面に、ろう材との濡れ性が良好なＣｕやＮｉ等の金属薄膜を金属溶射法を用いて形成し、次いで、この金属薄膜上にろう材層を形成し、このろう材層上にセラミックス焼結体を載置し、Ａｌ複合材とセラミックス焼結体とを加熱して接合し一体化する方法。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述した▲１▼のスパッタリング法を用いる方法にあっては、スパッタリング装置は高価であり、近年のウエハの大型化に対応するためには、さらに大型のスパッタリング装置が必要となるため、実用上問題があった。
一方、上述した▲２▼の金属溶射法を用いる方法にあっては、得られるＡｌ複合材とセラミックス焼結体との接合体における接合率が高々８０％程度であるから、接合強度が充分得られないという問題点があった。
そこで、この接合体における接合率を更に向上させ、その結果、充分な接合強度を得ることが求められている。
【０００４】
本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであって、スパッタリング装置等の高価な装置を用いる必要がなく、簡単な装置、手段により容易に作製可能であり、しかも接合率が向上し、その結果、接合強度が向上したアルミニウム−セラミックス複合材とセラミックス焼結体との接合体を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、鋭意検討した結果、ＣｕやＮｉ等の金属溶射膜の開気孔を制御すれば、上記の課題を効率よく解決し得ることを知見し、本発明を完成するに至った。
【０００６】
すなわち、本発明のアルミニウム−セラミックス複合材とセラミックス焼結体との接合体は、アルミニウム−セラミックス複合材とセラミックス焼結体とをろう材層を介して接合してなる接合体であって、前記アルミニウム−セラミックス複合材の接合面には金属溶射膜が形成され、該金属溶射膜には前記アルミニウム−セラミックス複合材に達する開気孔が複数形成され、これら開気孔の上部は研磨により閉孔され、この閉孔された金属溶射膜上にろう材層が形成され、該ろう材層上に前記セラミックス焼結体が載置され、該セラミックス焼結体及び前記アルミニウム−セラミックス複合材は加熱により接合され一体化され、前記アルミニウム−セラミックス複合材と前記セラミックス焼結体との接合率は９５％以上であることを特徴とする。
【０００７】
このアルミニウム−セラミックス複合材とセラミックス焼結体との接合体では、金属溶射膜に形成された前記アルミニウム−セラミックス複合材に達する開気孔の上部を研磨により閉孔し、この閉孔された金属溶射膜上にろう材層を形成し、このろう材層上にセラミックス焼結体を載置し、このセラミックス焼結体及びアルミニウム−セラミックス複合材を加熱により接合し一体化し、このアルミニウム−セラミックス複合材とセラミックス焼結体との接合率を９５％以上としたので、この金属溶射膜とろう材層との接合率が向上し、これらの間の接合強度が向上する。これにより、このアルミニウム−セラミックス複合材とセラミックス焼結体との接合体における接合率が向上し、接合強度が充分得られたものとなる。
【０００８】
前記金属溶射膜は、銅、ニッケル、銅−ニッケル合金のいずれかであることが好ましい。
前記ろう材層は、インジウム、インジウム合金のいずれかであることが好ましい。
前記ろう材層は、シート状のろう材、塗布膜のいずれかであることが好ましい。
前記アルミニウム−セラミックス複合材を構成するセラミックスは炭化珪素であることが好ましい。
【００１１】
【発明の実施の形態】
本発明のアルミニウム−セラミックス複合材（Ａｌ複合材）とセラミックス焼結体との接合体の一実施の形態について説明する。
なお、本実施の形態は発明の趣旨をより良く理解させるためのものであり、特に限定がない限り、発明の内容を制限するものでない。
【００１２】
「Ａｌ複合材とセラミックス焼結体との接合方法」
本実施の形態に係るＡｌ複合材とセラミックス焼結体との接合体における接合方法について、図１〜図３に基づき説明する。
まず、図１に示すように、Ａｌ複合材１の接合面に、後述するろう材層３との濡れ性が良好な金属溶射膜２を形成する。この金属溶射膜２には、Ａｌ複合材１の表面に達する開気孔４が複数形成されている。
次いで、図２に示すように、この金属溶射膜２中の開気孔４の少なくとも上部５を閉孔する。
【００１３】
次いで、図３に示すように、開気孔４の少なくとも上部５を閉孔した金属溶射膜２上にろう材層３を形成する。次いで、このろう材層３上にセラミックス焼結体６を載置し、Ａｌ複合材１、ろう材層３及びセラミックス焼結体６を加熱することにより接合し一体化する。
【００１４】
ここで、Ａｌ複合材１は、アルミニウムとセラミックスとを含有する複合材であれば特に制限されるものでなく、例えば、炭化珪素（ＳｉＣ）が２０〜７０重量％分散し、残部がアルミニウム（Ａｌ）であるＡｌ複合材を例示することができる。
また、前記セラミックス焼結体６も、特に制限されるものではなく、例えば、アルミナ（Ａｌ2Ｏ3）焼結体や窒化アルミニウム（ＡｌＮ）焼結体を用いることができる。
【００１５】
ろう材層３を構成するろう材は、Ａｌ複合材１を接合可能なろう材であれば特に制限されるものでなく、例えば、ＩｎあるいはＩｎを含有するＩｎ合金等を好適に用いることができる。Ｉｎ合金としては、より具体的には、Ｉｎ―Ｓｎ系、Ｉｎ―Ｓｎ−Ｐｂ系、Ｉｎ−Ａｇ系、Ｉｎ−Ｓｎ−Ａｇ系合金等が好適に用いられる。
【００１６】
ろう材層３との濡れ性が良好な金属溶射膜２は、ろう材層３に濡れ、かつ、塑性変形し易い金属であれば特に制限されるものでなく、例えば、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｃｕ−Ｎｉ合金を好適に用いることができ、特にＣｕが好適に用いられる。
そして、これらの金属を用い、従来公知の溶射法にて、Ａｌ複合材１の接合面に金属溶射膜２を形成する。この金属溶射膜２の膜厚は、例えば１〜１００μｍとする。なお、金属溶射膜２を形成する前に、Ａｌ複合材１の接合面をアルコール、アセトン等の有機溶剤等を用いて脱脂・洗浄しておくことが好ましい。
【００１７】
このようにして形成された金属溶射膜２には、Ａｌ複合材１の表面に達する開気孔４が多数存在しているので、前記開気孔４の少なくとも上部５、即ちセラミックス焼結体６に接する側を研磨して閉孔する。
研磨条件としては、この開気孔４の上部５、即ち、セラミックス焼結体６に接する側が閉気孔となり、かつ、金属溶射膜２がＡｌ複合材１から完全に剥離されない条件であれば、何ら制限されない。
【００１８】
この金属溶射膜２の表面をアルミナ（Ａｌ2Ｏ3）や炭化珪素（ＳｉＣ）等の砥粒で研磨すると、この金属溶射膜２の表面に砥粒によって応力が加えられて塑性変形し、開気孔４の上部５が閉孔する。研磨の具体的手段としては、例えば、砥石や研磨布を用いた機械研磨、紙ヤスリ等を用いた手研磨等を例示することができる。
なお、研磨後には、アルコール、アセトン等の有機溶剤等を用いて研磨面を脱脂・洗浄しておくことが好ましい。
【００１９】
そして、開気孔４の少なくとも上部５が閉孔した金属溶射膜２上に、前記ろう材を用いてろう材層３を形成する。ろう材層３を形成する手段は特に制限されるものではなく、例えば、ろう材としてシート状のもの（ろう材シート）を用いるときは、このろう材シートを只単に金属溶射膜２上に載置すればよく、また、ろう材としてペースト状のもの（ろう材ペースト）を用いるときはスクリーン印刷法、スピンコート法等を用いて、このろう材ペーストを金属溶射膜２上に印刷もしくは塗布すればよい。ろう材層３の層厚は、例えば５０〜５００μｍとすればよい。
【００２０】
次いで、このろう材層３上に、セラミックス焼結体６を載置し、その後、これらを加熱して接合し一体化する。加熱する温度、及び加熱する際の雰囲気は、常法に従えばよく、例えば、用いるろう材の組成、Ａｌ複合材１の組成、セラミックス焼結体６の組成等により定まる。また、加熱する際に加圧しても良く、その際の加圧力は特に制限されない。
【００２１】
「Ａｌ複合材とセラミックス焼結体との接合体」
本実施の形態に係るＡｌ複合材とセラミックス焼結体との接合体は、図３に示すように、上述した接合方法を用いて接合され一体化されたものであり、接合率が９５％以上となっている。
このように、接合率が高く、接合強度も優れた接合体が得られる理由は必ずしも明確ではないが、次のように考えられる。
【００２２】
即ち、従来の様に、金属溶射膜２にＡｌ複合材１の表面に達する開気孔４が存在すると、この開気孔４の部分ではろう材の濡れが悪く、ろう材が弾かれて接合していない領域が形成され、よって接合率が低下する。
一方、本実施形態にあっては、金属溶射膜２中に存在する多数の開気孔４の少なくとも上部５を閉孔するようにしているから、開気孔４の上部５でろう材の濡れが悪くなるおそれが無くなり、したがって、ろう材が弾かれて接合率が低下することはない。
【００２３】
【実施例】
以下、実施例により本発明を具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例によって限定されるものではない。
なお、Ａｌ複合材として、炭化珪素（ＳｉＣ）を３０重量％または７０重量％含有し、残部がアルミニウム（Ａｌ）からなる、大きさがφ２００ｍｍ×２０ｍｍであるものを、次のようにして作製した。
【００２４】
炭化珪素を３０重量％含むＡｌ複合材は、砂型に鋳込んで作製し、炭化珪素を７０重量％含むＡｌ複合材は、炭化珪素で多孔質のプリフォームを成形し、溶融アルミニウムを含浸させて作製した。
また、セラミックス焼結体として、常法により作製され、大きさがφ２００ｍｍ×５ｍｍであるアルミナ焼結体を用いた。
【００２５】
「実施例１」
炭化珪素が３０重量％であり、残部がアルミニウムであるＡｌ複合体の接合面をアセトンを用いて充分脱脂・洗浄し、この面に金属溶射膜を形成するために、アーク溶射法を用いて膜厚５０μｍのＣｕ溶射膜を形成した。
このＣｕ溶射膜の表面を走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）を用いて観察したところ、Ａｌ複合材の表面に達する開気孔が多数存在していた。
【００２６】
次いで、このＣｕ溶射膜の表面を、＃４００番の紙ヤスリを用いて手作業により研磨した。
そして、研磨終了後、アセトンを溶剤として超音波洗浄を行い、研磨面を脱脂・洗浄した。
この研磨後のＣｕ溶射膜の表面を走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）を用いて観察したところ、Ａｌ複合材の表面に達する開気孔は完全に閉孔し、閉気孔となっていることが確認された。
【００２７】
そして、この研磨後のＣｕ溶射膜上に、Ｉｎが１００重量％の組成を有するろう材を用い、大気中、２００℃の温度下で厚みが１００μｍのろう材層を形成した。
その後、上記ろう材層上に、上述したセラミックス焼結体を載置し、大気雰囲気中、２００℃の温度下で、Ａｌ複合材とセラミックス焼結体とを加熱することにより、接合し一体化し、実施例１の接合体を得た。
【００２８】
「実施例２」
炭化珪素が７０重量％であり、残部がアルミニウムであるＡｌ複合体を用いた他は実施例１に準じることで、実施例２の接合体を得た。
【００２９】
「実施例３」
金属溶射膜をＮｉとした他は実施例１に準じることで、実施例３の接合体を得た。
【００３０】
「比較例１〜３」
金属溶射膜の研磨を行わなかった他は実施例１〜３にそれぞれ準じることで、比較例１〜３の接合体を得た。
【００３１】
「評価」
実施例１〜３、比較例１〜３の接合体の接合率を超音波画像解析装置を用いて評価した。その結果を表１に示す。
【００３２】
【表１】
0003827944.tif 000002
【００３３】
表１の結果より、実施例１〜３の接合体は、比較例１〜３の接合体よりも接合率が高いことが判明した。
【００３４】
以上、本発明のＡｌ複合材とセラミックス焼結体との接合体及びその接合方法の一実施の形態について図面に基づき説明してきたが、具体的な構成は本実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で設計の変更等が可能である。
例えば、前記Ａｌ複合材は、炭化珪素（ＳｉＣ）を３０重量％または７０重量％含有し、残部をアルミニウム（Ａｌ）としたが、このＡｌ複合材は、炭化珪素（ＳｉＣ）を含むものであればよく、炭化珪素（ＳｉＣ）の含有量は上記に限定されない。
【００３５】
【発明の効果】
以上説明した様に、本発明のアルミニウム−セラミックス複合材とセラミックス焼結体との接合体によれば、金属溶射膜に形成された前記アルミニウム−セラミックス複合材に達する開気孔の上部を研磨により閉孔し、この閉孔された金属溶射膜上にろう材層を形成し、このろう材層上にセラミックス焼結体を載置し、このセラミックス焼結体及びアルミニウム−セラミックス複合材を加熱により接合し一体化したので、この金属溶射膜とろう材層との接合率を向上させることができ、その結果、これらの間の接合強度を向上させることができる。したがって、このアルミニウム−セラミックス複合材とセラミックス焼結体との接合体における接合率を９５％以上に向上させることができ、接合強度を充分得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の一実施形態に係るＡｌ複合材とセラミックス焼結体との接合体における接合方法を示す過程図である。
【図２】  本発明の一実施形態に係るＡｌ複合材とセラミックス焼結体との接合体における接合方法を示す過程図である。
【図３】  本発明の一実施形態に係るＡｌ複合材とセラミックス焼結体との接合体における接合方法を示す過程図である。
【符号の説明】
１  Ａｌ複合材
２  金属溶射膜
３  ろう材層
４  開気孔
５  上部
６  セラミックス焼結体
【図１】
0003827944.tif 000003
【図２】
0003827944.tif 000004
【図３】
0003827944.tif 000005