レーザー照射によるアルミニウムとセラミック基板の接合
産業技術総合研究所 マルチマテリアル研究部門
主任研究員 北 憲一郎（2018 年度 奨励研究助成(若手研究者) AF-2018233-C2）
キーワード：接合，セラミックス，アルミニウム

１．研究の目的と背景

２．実験方法

スマートグリッドや省エネ型インバーター等の高効率な電力制御技術を可能とするパワーデバイスへの需要は、

2・1

有機ケイ素系ポリマーをコーティングしたセラミックス粉末とアルミニウム粉末の水系スラリー焼結

2030 年以降施行予定のガソリン車新規販売禁止政策を背

図１に本実験の概要を示す。平均粒径 30µm のアルミナ景として急上昇しており、日本再興戦略(2015 年改訂版)

粒子(WA#400、フジミインコーポレーテッド製)100g に対においても、2030 年にはパワーデバイス市場が約 3.5 倍し、ポリシロキサン(YR3370、モメンティブパフォーマン(2015 年比)まで拡大すると試算されている。

スジャパン製)を 2.15g 加えてエタノール溶媒中に分散・パワーデバイスにおいて金属とセラミックス基板を接溶解し、その後溶媒を飛ばしてアルミナ粒子表面にポリシ合するメタライズ技術は極めて重要であり、基板上への配ロキサンのコーティングを行った。これらの重量比は、ア線やボンディングポイント設置等に利用される。1 現在はルミナ粒子表面に 1µm 厚のポリマーコーティングが可能良好な熱伝導性を有する金属ろう付け接合法が主流であな量を算出して決定した。

るが、高環境負荷なハロゲン系フラックスが必須である上

このコーティング済みアルミナ粒子 82g に対して平均に高真空環境下にて多段工程が可能な専用装置が必要で粒径 25µm のアルミニウム粒子(#350M、ミナルコ製)を 18gあり、製造コストが問題となる。2-4混合し、適量の水と分散剤(OLFINE® PD-002W、日信化学工

筆者は、有機ケイ素系ポリマーの塗布と不活性雰囲気下業株式会社製)を適量混合してスラリーを作製した。このでの加熱のみによる「アルミニウムとセラミックスの接合アルミナ粒子とアルミニウム粒子の重量比は、アルミナと技術」を開発した。セラミック繊維や薄膜の製造に利用さアルミニウムの体積比が 3:1 となるように設定した。

れている有機ケイ素系ポリマーの熱分解時に活性なラジこのスラリーをプラスチック製の容器に流し込み、一晩カルやイオンを生成する現象に着目し、それらを金属表面おいて硬化した後に容器から取り出し、大気中 150℃で 4の還元・破壊および強固なボンディングに活用することに時間加熱して十分に乾燥させた後、大気中 800、1200℃、5より、金属とセラミックスが接合可能となる。 本技術で1600℃で 1h 加熱して焼結体を作製した。それら焼成後のはポリマーの塗布と加熱のみで高強度接合が可能である試料において、SEM/EDS (JEM-5600/JEM-2100, 日本電子上、接合層厚が最小で数ナノメートルと極めて薄く、熱伝(株)製)や XRD(RINT 2500、(株)リガク製)等による観察お導率が極めて良好である。6 従来は電気炉内加熱にて上記よび組成分析を行った。

接合技術を実行していたが、アルミニウムとセラミックスの熱膨張係数差由来の熱応力等により、接合不良や試料の破損が発生する問題点も有していた。ここで接合用の加熱源をレーザーに変更可能であれば常温下にて接合が可能

アルミニウムであり、上記問題点の解消のみならず、基板への直接配線分散剤含有
水描画や 3 次元造形等の新規製造技術への応用が見込める。

スラリー

本研究の目的は、上記技術において加熱源にレーザーを適用する為の基礎的知見の蓄積である。具体的には以下の① 有機ケイ素系ポリマーをコーティングしたセラミック
ス粉末とアルミニウム粉末の水系スラリー焼結② セラミックブロックとアルミニウムブロックにおける短時間接合の試行③ レーザーによるセラミック基板とアルミニウム粉末接合の試行

乾燥(150 °C 4h)

焼結(800〜1600 °C 1h)

図 1 スラリー作製および焼結方法

内容が実行可能な条件の探索および接合体(焼結体)の特性(組成)調査である。

アルミナ(ポリシロキサンコート済)

2・2

セラミックブロックとアルミニウムブロックにおける短時間接合の試行
図 2 に試料および試料作製条件の概要を示す。まず始めに、純度 99%以上のアルミナブロックを、JIS G 0601:2012
準拠であるサイズ(55 x 25 x 21mmt)に切り出し、そのブロックのうち 1 面(55 x 25)を鏡面研磨した。次に、アルミナブロックをポリシロキサン(KF-54、信越化学製)にディッピングし、アルミナ表面に対してポリマーコーティン違いは明確に観察できた(図 3 左上)。EDS にて接合部分をグした。鏡面研磨部分以外に付着した余剰なポリマーを拭分析したところ、アルミナ粒子とアルミニウム粒子の間にった後、鏡面研磨部分上のポリシロキサンの上に純アルミはアルミニウム、ケイ素、酸素が混合した極めて薄い層がニウム棒(25 x 4 x 4mmt、純度 99%以上、ニラコ製)を静形成されており (図 3 右上)、XRD にて組成を分析したと置した。この試料を Ar ガスが 0.1L/min で流通する管状炉

ころ、アルミノシリケートを示唆するピークが観測された内に静置し、管状炉中心部の温度を 700～950℃まで予熱(図 4)。アルミニウムとポリシロキサンを混合して加熱しした後、1mm/s の速度で電気炉中央部に向けて試料を移動た場合、600℃前後においてポリシロキサンがアルミノシさせ、電気炉中央部に到達した直後に電気炉を停止し、アリケートに変化することが知られており、この結果は妥当

ルミナとアルミニウムの接合を完了した。各温度域においである。5,6 以上より、本試料では焼結体内部においてアて試料を 4 つずつ作製した後、材料試験機((株)エー・ア

ルミノシリケートによるネッキングが形成され、試料全体ンド・デイ製)を用いて JIS G 0601:2012 準拠の試験を行が硬化したと推測された。

い、各試料の剪断強度を測定した。

アルミニウム棒

移動速度:1mm/s
アルミナ

試料(JIS G 0601準拠)

電気炉(中⼼温度︓700〜950 °C)

図 2 剪断強度測定用試料の作製概要
2・3

レーザーによるセラミック基板とアルミニウム粉末接合の試行
アルミナ板 (40 x 40 x 0.32mmt)の 1 面(40 x 40)を#400番相当の砥石で研磨した。その上にトルエンで希釈したポ

図 3 試料 SEM 像(左上、左下、右下)と EDS 測定結果(右上)リシロキサン(KF-54、信越化学製)を滴下し、スピンコー
ター(SC8001、(株)アイデン製)を用いて、3000rpm の速度で 20 秒スピンコートした。そのポリシロキサンの上に、あらかじめふるい分けして粒径 50～100µm に揃えたアルミニウム粉末を乗せ、アルミニウム粉末の厚さが約 100µmとなるようにスキージした。この試料に対し、Ar ガス雰

Alumina (Al2O3)
Aluminum (Al)Silicon (Si)
Aluminum Silicate
MulliteAluminum Carbide

1600℃

囲気下で 3 次元造形装置(RaFaEl、(株)アスペクト製)内にて CO2 赤色レーザー(80W)を 1m/s のスキャン速度で、約5x40mm の面積分を照射した。

1200℃

この照射後の試料を実体顕微鏡で観察した後、接合界面を試料断面研磨装置(IB-19530CP+IB-10500HMS、日本電子(株)製)で研磨した後、SEM/EDS(JEM-5600/JEM-2100, 日本電子(株)製)にて観察および分析した。

３．実験結果3・1

有機ケイ素系ポリマーをコーティングしたセラミックス粉末とアルミニウム粉末の水系スラリー焼結

800℃
20304050
2θ / degree6070

図 4 各温度で焼結した試料の XRD 分析結果
スラリーを 1200℃にて加熱したところ、アルミナ粒子間からアルミニウム由来とおぼしき物質が溢れ出ている様子が観察された(図 3 左下)。ポリシロキサンコーティン

スラリーを 800℃にて加熱したところ、試料全体が硬化グの有無によるアルミナ板と溶融アルミニウムの濡れ性していた。従来、アルミナ粒子のみで焼結を行う場合、アを比較したところ、コーティング有りの場合ではアルミナルミナ粒子の表面拡散によるネッキング開始温度であるとアルミニウムの濡れ性が改善されることから、7 溶融し1200℃以上が必要だが、本研究ではそれ以下での加熱によたアルミニウムが表面改質されたアルミナ粒子表面を伝るネッキング形成に成功したことになる。SEM/EDS にてネい、粒子間の隙間から溢れ出たものと推測された。

ッキング部分を観察および組成分析したところ、アルミナスラリーを 1600℃で加熱したところ、アルミナ粒子間粒子表面には変化が観察されたかったものの、アルミニウの空隙が減少している様子が観察された(図 3 右下)。XRD

ム粒子表面には溶融が原因と考えられる皺が入り、両者のにて組成を分析したところ、アルミナの他にムライトのピークが多く観測された(図 4)。また、スラリーの焼結前後における体積収縮率は約 1%であった。このことから、本試料は体積収縮を殆ど伴うこと無くムライトにて粒子間が結合した焼結体であることが示唆された。
3・2

セラミックブロックとアルミニウムブロックにおける短時間接合の試行

3・3

レーザーによるセラミック基板とアルミニウム粉末接合の試行
図 6 に照射後の試料の外観を示す。照射された部分のみ表面が黒色化していた。この部分を実体顕微鏡で観察すると、盛り上がった銀色のドットと黒色化した帯の部分が観測された。また、盛り上がった部分の表面は銀白色であり、700～950℃で加熱された全ての試料において、アルミニ盛り上がった部分同士の狭間で黒色化していることが判

ウム棒に変形が生じた。これは純アルミニウムの融点を超明した。基板上にはポリシロキサンをコーティングしておえた温度域に暴露したためであり、短時間加熱でも純アルり、かつアルゴン雰囲気下にて加熱されたことから、このミニウムに変形が起こり得ることが示唆された。

黒色はポリシロキサン由来と推測される。

表 1 に平均剪断強度結果を示す。700～750℃で加熱した場合、剪断応力強度は最大でも 5MPa 未満であったが、800～850℃の場合で平均 5～10MPa、900℃で平均 23.8MPa、950℃で平均 26.4MPa であり、接合時の温度が上昇するにつれて急速に上昇した。
表 1 接合試料の接合温度別平均剪断強度

図６ レーザー照射によるアルミナ基板上へのアルミニウ
ム粒子接合の結果

図 5 に JIS G 0601:2012 準拠における剪断試験後の試料
破断面写真を示す破断部分を観察したところ、700～750℃
ではアルミナ表面にアルミニウムの残存が少なく、アルミナの接合部分が露出していた (図 5 左)。800℃以上ではアルミナブロックにアルミニウム層が大量に付着しており(図 5 中央)、900℃以上ではアルミナが抉れていた(図 5右)。このことから、700～750℃で接合した試料は接合層であるアルミノシリケート層、800℃以上ではアルミニウ

図７レーザー照射にて接合したアルミニウム粒子とアルミナ基板の断面 SEM 像(左)および EDS 分析結果(右)ム内部、900℃以上ではアルミナブロック内部にて破断が発生したと考えられる。アルミニウムおよびアルミナの破断発生箇所と加熱温度の関連性については、現在調査中でこの照射部分の SEM 断面像および EDS 分析結果を図 7に示す。盛り上がった半球部分内部からは Al のみが強く検出されたことから、この半球部分は溶融したアルミニウある。

ム粒子と推測された。また、アルミニウム粒子間では、厚さ 10µm 程度のアルミニウムの強いピークのみを有する層が観測された。用意したアルミニウムの粒径は 50µm 以上であることから、溶融したアルミニウム粒子がアルミナ基板表面を伝い、基板上に広がったものと推測される。この溶融アルミニウムがアルミナ表面を伝う現象は、3.1 の結果と一致する。アルミニウム粒子とアルミナ基板の接合界面は EDS 分析における酸素量で判別可能であり、この接合界面においてクラック等の接合欠陥は確認されなかった。
しかし、アルミナ基板内部において、亀裂が観測された。
照射部分は瞬間的に 1000℃を超える事が知られており、
図 5 試料破断面の写真

レーザーで加熱された溶融アルミニウムとアルミナ基板における熱膨張係数差により生じた熱応力により破損し参考文献たものと考えられ、この結果は 3.2 の結果と一致する。
以上より、セラミック基板にあらかじめポリシロキサン1.

をコーティングすることにより、レーザー照射にてアルミニウム粒子を基板上へ接合可能であることが判明した。今T. B. Jackson and A. V. Virkar, J. Am. Ceram. Soc.,80, 1421–1435 (1997).

2.

回行った照射条件では、アルミニウム粒子の形状残存や基J. J. Brennan and J. A. Pask, J. Am. Ceram. Soc.,
51, 569-573 (1968).

板内部へのクラック発生等が認められたため、使用するア

3.

W. Köhler, Aluminium, 51, 443-447 (1975).

ルミニウム粒子やポリシロキサン、照射するレーザーのエ

4.

M. G. Nicholas, D. A. Mortimer, L. M. Jones andネルギー強度調整等多くの研究要素を残しており、今後のR. M. Crispin, J. Mater. Sci., 25, 2679-2689

研究課題である。

(1990).
5.

謝 辞
本研究で使用した有機ケイ素系ポリマーに関し、有益か

846-849 (2017).
6.

また、本研究に対し多大な援助をいただいた公益財団法人天田財団に深く感謝の意を表します。

K. Kita and N. Kondo, J. Ceram. Soc. Jpn., 125,543-546 (2017).

つ多大な助言をいただきました、故・成澤雅紀准教授(大阪府立大学、2021 年 1 月逝去)に深く謝意を表します。

K. Kita and N. Kondo, J. Ceram. Soc. Jpn., 125,

7.

K. Kita, N. Kondo and M. Hotta, J. Mater. Eng.
Perform., 29, 5594-5601 (2020).