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JP2918191B2 - 金属−セラミックス複合部材の製造方法 - Google Patents

金属−セラミックス複合部材の製造方法

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JP2918191B2
JP2918191B2 JP6096941A JP9694194A JP2918191B2 JP 2918191 B2 JP2918191 B2 JP 2918191B2 JP 6096941 A JP6096941 A JP 6096941A JP 9694194 A JP9694194 A JP 9694194A JP 2918191 B2 JP2918191 B2 JP 2918191B2
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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、強固な金属−セラミッ
クス複合部材の製造方法に関するものであり、特に自動
車部品、電子部品などに好適な、酸化物、窒化物、炭化
物セラミックスと金属との複合材料の工業的な製造方法
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、高硬度などの特性と、金属の高強度、高靭性、易
加工性、導電性などの特性を生かした金属−セラミック
ス複合部材は、自動車、電子装置などに広く使用されて
いる。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基板およびパ
ッケージが挙げられる。
【０００３】金属−セラミックス複合部材の製造方法と
して、接着、めっき、メタライズ、溶射、ろう接、ＤＢ
Ｃ、焼き嵌め、鋳ぐるみなどの方法が知られている。接
着法は、有機系または無機系接着剤で金属部材とセラミ
ックス部材を接着する方法である。めっき法は、セラミ
ックス部材の表面を活性化した後めっき液に入れて金属
めっきを施す方法である。メタライズ法は、金属粉末を
含むペーストをセラミックス部材の表面に塗布した後焼
結し、金属層を形成する方法である。溶射法は、金属
（セラミックス）の溶滴をセラミックス（金属）部材の
表面に噴射し、セラミックス（金属）部材の表面に金属
（セラミックス）層を形成する方法である。ろう接法
は、低融点の金属または合金（ろう材）を介在させて金
属部材とセラミックス部材を接合する方法であり、セラ
ミックス部材にろう材を強固に接合させるために、ろう
材にセラミックスと反応しやすい金属成分を添加した
り、上述のメタライズ、溶射などの方法で予めセラミッ
クス部材の接合面に金属層を形成させる。ＤＢＣ法は、
酸化物セラミックス部材と銅部材との接合のために開発
された技術で、接合時に酸素を含有する銅を使って不活
性雰囲気中で加熱するか、無酸素銅板の表面を予め酸化
処理し、酸化物層を形成してから接合する方法である。
この方法で非酸化物セラミックス部材と銅部材を接合す
る場合、予め非酸化物部材の表面に酸化物層を形成しな
ければならない。焼き嵌め法の場合、接合するセラミッ
クス、金属部材にそれぞれ凸部と凹部を設け、凸部の外
径と凹部の内径を同じ寸法にし、接合時に金属部材を加
熱して設けた凹部の内径を拡大させ、セラミックス部材
の凸部をその中に差し込んでから冷却することによっ
て、金属の凹部がセラミックスの凸部を抱き込んだ形で
一体になる。鋳ぐるみ法は、焼き嵌め法に類似した方法
で、セラミックス部品の周辺に金属を鋳込み、金属の冷
却収縮でセラミックス部品を抱き込み、一体とする方法
である。
【０００４】しかしこのような従来の技術にあっては、
接着法の場合は接着強度が低く、耐熱性が乏しいとの問
題点がある。めっき、メタライズ、溶射法の場合は、形
成した金属（セラミックス）が厚さ数μｍ〜数十μｍの
薄い層状のものに限られている。焼き嵌めおよび鋳ぐる
み法は、セラミックス部材の少なくとも一部が金属に抱
き込まれるような特定の場合に限られている。ＤＢＣ法
では、接合できる金属が銅に限られ、且つ接合温度がＣ
ｕ−Ｏの共晶点近くの狭い範囲に限られているため、膨
れ、未接のような接合欠陥が発生しやすいとの問題点が
ある。ろう接法の場合は、高価なろう材を使用し、且つ
接合を真空中で行わなければならないため、コストが非
常に高く、応用範囲が限られている。また、ろう材に
は、一般に接合する金属と他の金属さらには非金属を添
加した共晶合金が使用され、それ自体は一般に接合する
金属より硬いので、直接接合体に比べて、ろう接体の耐
ヒートサイクル寿命が短いなどの問題点がある。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】上述したように、従来
の技術で金属部材とセラミックス部材を接合する場合に
は、以下に示す何れかの問題点がある。 １）接合する金属およびセラミックス部材は特定な形状
のものに限られる。 ２）接合工程のコストが高く、応用範囲が限られてい
る。 ３）接合体の特性（接合強度、耐熱性、耐ヒートサイク
ル特性）については、要求特性を満足できるほどには達
成されていない。
【０００６】従って、本発明は、上述の問題点を解決す
るために行ったもので、具体的には、本発明は優れた特
性を有する多種多様な形状のセラミックス−金属複合部
材を低コストで量産する方法の提供を目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】本発明者等は、かかる課
題を解決するために鋭意研究したところ、金属溶湯とセ
ラミックスとの接合方法および金属の成形方法を見いだ
し、本発明をなすことができた。
【０００８】 すなわち本発明は、（１）セラミックス
部材２の少なくとも一部分に金属が接合された金属−セ
ラミックス複合部材５の製造において、該セラミックス
部材２の金属と接合する部分が金属溶湯１の一方側から
連続的に該金属溶湯の内部に入り、該金属溶湯１で十分
に濡れてから、反対方向の鋳型（ダイス）６Ｂを通過
し、該セラミックス部材２の所定のところに該金属溶湯
１の一部を凝固させ、所定形状の金属体を形成すること
を特徴とする金属−セラミックス複合部材５の製造方
法；（２）セラミックス部材２の少なくとも一部分に金
属が接合された金属−セラミックス複合部材５の製造に
おいて、あらかじめセラミックスの一部に金属を接合さ
せた金属−セラミックス複合部材のセラミックス部分
が、該金属より低融点である接合用の低融点金属の溶湯
の一方側から該低融点金属溶湯の内部に入り、該低融点
金属溶湯で十分に濡れてから、反対方向の鋳型（ダイ
ス）６Ｂを通過し、高融点側の上記金属が接合された金
属−セラミックス複合部材の所定のところに上記低融点
金属溶湯の一部を凝固させ、所定形状の低融点金属体を
形成することを特徴とする金属−セラミックス複合部材
５の製造方法；および（３）上記セラミックスは酸化
物、窒化物、炭化物であり、金属はアルミニウム、銅、
鉄、ニッケル、銀もしくは金、または該金属を主成分と
する合金であることを特徴とする上記（１）又は（２）
に記載の金属−セラミックス複合部材５の製造方法に関
するものである。
【０００９】
【作用】金属とセラミックスとの接合は、接合機構によ
って、機械的な接合（以下機械接合）、物理的な接合
（以下物理接合）、化学的な接合（以下化学接合）に分
けられる。機械接合は、上述の焼き嵌め、鋳ぐる法で接
合した場合のような、金属の凹部にセラミックスの凸部
が機械的な力で抱かれる接合、または接着法のようなセ
ラミックスと金属部材の表面の凹部に接着剤が入り込
み、硬化した接着剤の錨（アンカー）効果で金属とセラ
ミックスを一体化するような接合を指している。物理接
合は、セラミックスの分子と金属原子の間の吸引力（フ
ァンデルワールス力）で接合する場合を指している。化
学接合は、セラミックス分子内部の電子と金属原子内部
の電子との間の共有またはやり取り、つまり共有または
イオン結合による接合を指している。化学接合の場合、
セラミックスと金属の表面分子（原子）の間に電子共有
またはやり取りがあれば成立するため、必ずしも物理的
に（例えば常用の光学顕微鏡、走査電子顕微鏡、透過電
子顕微鏡観察によって）発見可能な反応生成物が界面に
存在するとは限らない。その場合、界面の状態から、物
理的に接着されているのか、化学的に接着されているの
かを区別できない場合がよくある。実際上、接合体の界
面にいくつかの接合機構が同時に存在する場合が多い
が、信頼性の高い接合を実現するためには、物理接合ま
たは化学接合が達成されることが必要条件である。
【００１０】物理接合または化学接合が発生したかどう
かは、よく濡れ状況から判定される。一般に、液滴は固
体の上に置かれると広がり、一定時間が経つと平衡状態
になる。平衡状態になったときの液体、固体および雰囲
気の接触点（線）の位置からの液滴の接線と固体表面と
の間の液滴を挟む角度、すなわち接触角を測定し、これ
を用いて固体に対する液体の濡れ状況を表す。物理接合
および化学接合が発生した場合、接触角は一般に小さく
なる。本発明では、濡れ状況を調べるために、以下に述
べる、より簡単で実用的な方法を用いた。つまり、一定
の温度に加熱された金属溶湯１にセラミックス部材２を
接触させ、ある時間が経つてから、前記溶湯１からセラ
ミックス部材２を取り出す。冷却した前記セラミックス
部材２の表面に残存した金属をナイフなどで掻き、浮い
ている金属部分を除去し、セラミックス部材２に対する
金属の濡れ状況を調べる。
【００１１】物理接合および化学接合を達成するため
に、まず接合する部材の表面を清浄化しなければならな
い。例えば発明者の一人が別の発明（参考文献１、特願
平４−３５５２１１）において開示したように、アルミ
ニウムに代表されるような、化学的に活性な金属は、空
気中に置かれるとその表面が酸化され、その影響で金属
本来の活性を失い、セラミックスと強固に接合できなく
なることがわかった。また当業者がよく知っているよう
に、接合作業を行う前にまず接合部材の表面に脱脂処理
を施し、部材表面の油脂分を除去しないと強固な接合体
は得られない。
【００１２】発明者の一人は、上述の発明（参考文献
１、特願平４−３５５２１１）において、接合する部材
の表面を清浄化する方法を考案した。つまり、金属溶湯
１の中にセラミックス部材２を差し込むか、設定された
セラミックス部材２の所に金属溶湯１を鋳込むかするこ
とによって、溶湯１とセラミックス部材２との間に相対
運動を発生させ、溶湯と該部材との界面を清浄化し、部
材に金属を強固に接合させる。本発明の発明者らは、前
記発明に基づいてさらに鋭意研究に努力し、多種多様の
形状を有する金属−セラミックス複合部材５の工業的な
製造方法を見いだした。つまり、（１）金属溶湯１にセ
ラミックス部材２を差し込む場合、セラミックス部材２
の、金属に接合する部分が少なくとも金属溶湯１に濡れ
るまで、該セラミックス部材２を金属溶湯１の中で移動
させ、（２）金属溶湯１からセラミックス部材２を取り
出す場合、一定の形状に加工したダイス６を通して、金
属溶湯１の一部をセラミックス部材２の所定の所に、所
定の形状に凝固させることを特徴とする金属−セラミッ
クス複合部材５の製造方法である。
【００１３】ここで強調しなければならないのは、表面
を清浄化することは、必ずしも部材成分以外のすべての
成分の除去を意味しないという点である。むしろ、その
成分に物理接合や化学接合を促進する作用があれば、そ
の作用を積極的に利用すべきである。例えば上述のＤＢ
Ｃの場合のように、接合部材の表面に酸化物が存在する
ことが強固な接合を達成するための前提条件である場合
には、予め部材の表面に酸化処理を施し、酸化層を形成
する必要がある。本発明における清浄化の意味は、あく
までも物理接合および化学接合の達成を阻害する成分を
除去するということに他ならない。
【００１４】図２は、本発明の原理を説明するための模
式図である。この図に示しているように、金属溶湯中に
おけるセラミックス部材２の移動距離が短い場合、金属
溶湯１とセラミックス部材２との接触が不十分となっ
て、セラミックス部材表面の有害成分４および金属溶湯
表面の有害成分３を十分に除去できず、そのため、セラ
ミックス部材２の一部に対して金属溶湯１が十分に濡れ
ず、強固な接合が達成できない。このような接合不良を
防ぐためには、金属溶湯１の中でセラミックス部材２が
移動する距離は、ある最短距離（Ｄmin ）を超えなけれ
ばならない。この最短距離は、金属溶湯１とセラミック
ス部材２の特性、それらの表面に存在する有害成分の状
況、温度、雰囲気、セラミックス部材２の移動速度など
によって変わるが、本発明の実施例の場合、この最短距
離は数ｍｍから数十ｍｍまでである。
【００１５】本発明の実施例１に、金属−セラミックス
複合部材５の製造方法の一例を開示している。図１に製
造装置の断面模式図を示し、図３に鋳型（ダイス）６の
出口側の断面図を示す。セラミックス部材２が、鋳型
（ダイス）６の一方側から連続的に溶湯の内部に入り、
十分に濡れてから反対方向の鋳型（ダイス）６を通過
し、セラミックス部材２の所定の場所に所定の形状を有
する金属体を形成する。この場合、セラミックス部材２
の移動方向の溶湯の寸法を、該セラミックス部材２が濡
れるまでの最短距離より長くすれば、健全な金属−セラ
ミックス複合部材５が製造できる。
【００１６】前述の実施例は、あくまでも本発明の要点
を説明するために引用した例であり、また実施例に示さ
れた方法は明らかに本発明の目的を達成するための製造
工程の一つではあるが、本発明がこの実施例に開示した
方法だけに限定されないことは容易に理解されよう。ま
た、本発明の実施例に用いた金属とセラミックス部材２
は、それぞれアルミニウムとアルミナであるが、以上に
開示した本発明の主旨から、本発明がこれに限定されな
いことは容易に理解されよう。セラミックス部材２に金
属溶湯１が濡れるなら、他の金属とセラミックス部材２
との組み合わせも同様に応用できる。また、その金属自
身がセラミックス部材２に直接濡れなくても、セラミッ
クス部材２の表面を改質したり、金属中に濡れを促進す
る成分を添加するなどして、セラミックス部材２と金属
溶湯１の濡れを改善する方法も、同様に応用できる。例
えば銅と窒化アルミニウムの複合部材を製造する場合、
銅と窒化アルミニウムの部材の濡れを改善するために、
セラミックスの表面に予め酸化処理を施して表面にアル
ミナのような酸化物を形成したり、金属溶湯１を空気中
に暴露するか、酸化銅の添加等によって酸素を含有させ
るなどして、銅の溶湯とセラミックス部材２との濡れを
改善し、セラミックス部材２と金属体とを強固に接合す
ることが可能である。また、アルミナと銀との接合部材
を製造する場合、銀溶湯の中にチタンなどの活性金属を
添加し、同様な効果を得ることができる。
【００１７】本発明の場合、温度、雰囲気、およびセラ
ミックス部材２の移動速度は、言うまでもなく非常に重
要なパラメータであるが、各種の金属およびセラミック
ス部材２の特性が異なるため、接合する部材によってこ
れらのパラメータは変わる。金属溶湯１とセラミックス
部材２が濡れるように、これらの条件を選択すればよ
い。これらの条件の選択は、本発明の効果を最大限に生
かすための重要な措置である。ただし、これらの条件を
選択する際、次の点に注意しなければならない。すなわ
ち、本発明の方法では、濡れること自体は金属−セラミ
ックス複合部材５を製造するための要点であり、溶湯の
温度を上げて接触時間を延長すればたしかに濡れの改善
に効果はあるが、必要以上に溶湯温度を上げたり、接触
時間を延ばしたりすると金属部材とセラミックス部材２
との界面に厚い反応生成物が形成され、接合強度が低下
する恐れがある。
【００１８】
【実施例１】図１に製造装置の断面模式図を示し、図３
に出口側鋳型（ダイス）６Ｂの断面図を示す。アルミニ
ウムを坩堝７の中にセットし、アルミナ板をダイス６の
入り口から入れて、その先端が坩堝７の内壁から少し出
るようにセットしてから、窒素ガス（Ｎ2 ）雰囲気中に
おいて坩堝７を加熱し、アルミニウムを溶解する。アル
ミニウム溶湯は出口側のダイス６Ｂの中に入るが、ダイ
ス中を流れる間に先端部分の温度が融点以下に下がり、
その部分が凝固して出口を塞ぎ、溶湯の流出を防ぐ。ま
た、入り口側のダイス６Ａおよびダイスと坩堝７との間
の隙間の中に溶湯が入らないようにするには、そのクリ
アランスをある寸法以下にしなければならないが、本実
施例の場合、そのクリアランスを０. １ｍｍ以下にし
た。アルミニウム溶湯がある設定温度に加熱された後、
入り口側からアルミナ板を連続的に供給する。アルミナ
板材は、順番に該溶湯中に入り、溶湯に濡れてから出口
側のダイス６Ｂに入り、最後には、アルミナ板材の両表
面に厚さ０. ５ｍｍのアルミニウム体が接合した状態
で、出口から連続的に押し出された。本実施例におい
て、加熱温度、押し出し温度、窒素ガスの流量をいろい
ろ変えて、アルミナ板材がアルミニウム溶湯に濡れるま
でに該溶湯中を移動する最短距離Ｄmin を測定し、アル
ミニウム−アルミナ複合板材を製造した。得られた複合
板材からサンプルを切り出し、以前の発明（参考文献
１、特願平４−３５５２１１）に記載された評価方法で
該複合板材を調べた。なお、Ｄmin は、坩堝７から溶湯
を抜いてからアルミナ板材を取り出し、アルミニウム溶
湯との接触開始点と完全に濡れる部分との間の距離を測
定して求めた。その結果を表１にまとめて示している。
これらの結果から、製造番号Ｅのサンプルを除くすべて
のサンプルについて、アルミニウムの組織が緻密で、ピ
ール強度は３５ｋｇ／ｃｍを超えていた。本発明の方法
で良質なアルミニウム−アルミナ複合板材を製造するこ
とができた。
【００１９】
【表１】
【００２０】
【実施例２】実施例１において、ダイス出口側６Ｂの内
部を図４の断面図に示すような形に加工し、溶湯温度、
押し出し速度、窒素ガス流量をそれぞれ８５０℃、２５
ｍｍ／ｍｉｎ、および３０Ｌ／ｍｉｎに設定し、また溶
湯の湯回りを良くし、巣の発生を防ぐため溶湯に０．５
ｋｇ／ｃｍ2 の圧力をかけたこと以外は実施例１と実質
的に同じ方法で、片面に放熱フィン１０を有する良質な
アルミニウム−アルミナ複合板材を製造することができ
た。
【００２１】
【実施例３】実施例２において、アルミナ板材には片面
に予め前記のＤＢＣ法で銅板を接合した物を用いたこと
と、該銅板接合アルミナ板材が溶湯部を通る時銅板がア
ルミニウム溶湯に暴露されないように、溶湯内における
ダイス６の形状を図５の断面図に示すような形状に加工
したこと以外は実施例２と実質的に同じ方法で、片面に
銅板、片面にアルミニウム放熱フィン１０を有する良質
な複合材料を製造することができた。
【００２２】
【発明の効果】本発明の方法によれば、低コストで、多
種多様な形状を有する良質な金属−セラミックス複合部
材５を製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例において金属−セラミックス複
合部材を製造するための装置の断面模式図である。
【図２】本発明の原理を説明するための模式図である。
【図３】本発明の実施例１において金属−セラミックス
複合部材を製造するためのダイスの出口側の断面図であ
る。
【図４】本発明の実施例２において金属−セラミックス
複合部材を製造するためのダイスの出口側の断面図であ
る。
【図５】本発明の実施例３において金属−セラミックス
複合部材を製造するためのダイスの、坩堝中に位置する
部分の断面図である。
【符号の説明】
１ ：金属溶湯 ２ ：セラミックス部材 ３ ：金属溶湯表面の有害成分 ４ ：セラミックス部材表面の有害成分 ５ ：金属−セラミックス複合部材 ６ ：鋳型（ダイス） ６Ａ：鋳型（ダイス）入り口側 ６Ｂ：鋳型（ダイス）出口側 ７ ：坩堝 ８ ：ヒーター ９ ：接合した金属 １０ ：金属放熱フィン 矢印→：セラミックス部材の移動方向
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 田中 敏和 東京都千代田区丸の内１丁目８番２号 同和鉱業株式会社内 (56)参考文献 特開 平３−234348（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.6，ＤＢ名) B22D 19/14 B22D 23/04 C04B 37/02

Claims (3)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 セラミックス部材２の少なくとも一部分
    に金属が接合された金属−セラミックス複合部材５の製
    造において、該セラミックス部材２の金属と接合する部
    分が金属溶湯１の一方側から連続的に該金属溶湯１の内
    部に入り、該金属溶湯１で十分に濡れてから、反対方向
    の鋳型（ダイス）６Ｂを通過し、該セラミックス部材２
    の所定のところに該金属溶湯１の一部を凝固させ、所定
    形状の金属体を形成することを特徴とする金属−セラミ
    ックス複合部材５の製造方法。
  2. 【請求項２】 セラミックス部材２の少なくとも一部分
    に金属が接合された金属−セラミックス複合部材５の製
    造において、あらかじめセラミックスの一部に金属を接
    合させた金属−セラミックス複合部材のセラミックス部
    分が、該金属より低融点である接合用の低融点金属の溶
    湯の一方側から該低融点金属溶湯の内部に入り、該低融
    点金属溶湯で十分に濡れてから、反対方向の鋳型（ダイ
    ス）６Ｂを通過し、高融点側の上記金属が接合された金
    属−セラミックス複合部材の所定のところに上記低融点
    金属溶湯の一部を凝固させ、所定形状の低融点金属体を
    形成することを特徴とする金属−セラミックス複合部材
    ５の製造方法。
  3. 【請求項３】 上記セラミックスは酸化物、窒化物、炭
    化物であり、金属はアルミニウム、銅、鉄、ニッケル、
    銀もしくは金、または該金属を主成分とする合金である
    ことを特徴とする請求項１又は２記載の金属−セラミッ
    クス複合部材５の製造方法。
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