Ｓｉ系セラミックスを有す複合材およびその製造方法。
【課題】 接合強度の強い、接合界面近傍にＧｅ濃化領域を有す接合部を介して接合された、シリコン系セラミックスを有する複合材を提供する。
【解決手段】 シリコン系セラミックス部材と接合相手部材が、アルミニウムを主成分としゲルマニウムを０．１重量％〜５０重量％含む接合部で接合された複合材であって、前記接合部は、前記シリコン系セラミックス部材との接合界面近傍に、第１のゲルマニウム濃化領域が形成されていることを特徴とする複合材を提供する。
【解決手段】 シリコン系セラミックス部材と接合相手部材が、アルミニウムを主成分としゲルマニウムを０．１重量％〜５０重量％含む接合部で接合された複合材であって、前記接合部は、前記シリコン系セラミックス部材との接合界面近傍に、第１のゲルマニウム濃化領域が形成されていることを特徴とする複合材を提供する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、Ｓｉ系セラミックス、特にＳｉ３Ｎ４（窒化珪素）を有する複合材、およびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
窒化珪素（Ｓｉ３Ｎ４）は高温強度に優れ、電気絶縁性が高く、さらにアルミナに比べて熱伝導率が高いことから、ヒーターや、放熱板、電気絶縁板として使用されている。しかし、セラミックスは一般に機械加工が困難であるため、所望形状のセラミックス製品を得るには接合方法の開発が重要である。
【０００３】
また、金属材料の加工性の高さと窒化珪素の前述した利点を生かした高機能製品を製造することも可能である。
【０００４】
特許文献１には、窒化珪素のようなセラミックス基板の少なくとも一主面にアルミニウムを主成分とする金属板をアルミニウムを主成分とし、マグネシウム（Ｍｇ）を含むろう材を介して接合したセラミックス回路基板が開示されている。このようなろう材から作られる接合部は、セラミックス回路基板との接合界面近傍に前記Ｍｇが偏在した形態を有す。
【特許文献１】特開２００１−１４４４３３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上述の特許文献１では、Ａｌを主成分とするろう材に添加されるＭｇが高い酸化性を示し、その添加量が制限されるため、セラミックス部材に対して金属板を十分な接合強度で接合することが困難であった。
【０００６】
本発明は、Ａｌを主成分とし耐酸化性に優れたＧｅを比較的多量に含有させた接合部でＳｉ系セラミックス部材と接合相手部材とを高強度にて接合した複合材およびその製造方法を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、シリコン系セラミックス部材と接合相手部材が、アルミニウムを主成分としゲルマニウムを０．１重量％〜５０重量％含む接合部で接合された複合材であって、前記接合部は、前記シリコン系セラミックス部材との接合界面近傍に第１のゲルマニウム濃化領域が形成されていることを特徴とする複合材を提供するものである。
【０００８】
また本発明は、シリコン系セラミックス部材と接合相手部材が、アルミニウムを主成分とし珪素を０．１重量％〜２０重量％含む接合部で接合された複合材であって、前記接合部は、前記シリコン系セラミックス部材との接合界面近傍に珪素濃化領域が形成されていることを特徴とする複合材を提供するものである。
【０００９】
さらに本発明は、シリコン系セラミックス部材と接合相手部材の間にアルミニウムを主成分としゲルマニウムを０．１重量％〜５０重量％含むろう材を介在し、加熱することにより前記シリコン系セラミックス部材との接合界面近傍にゲルマニウム濃化領域が存在する接合部を前記部材間に形成する工程を含むことを特徴とする複合材の製造方法を提供するものである。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によると、低空隙率を示し接合強度が高い接合部を有すＳｉ系セラミックスを有する複合材およびその製造方法が提供できる。
【００１１】
さらに、Ｇｅを含むろう材を用いることにより、ろう材の溶融（ろう付け）温度を下げることができ、様々な用途のＳｉ系セラミックスを有する複合材を製造することが可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、本発明に係る複合材を、図面を参照して詳細に説明する。
【００１３】
（第１実施形態）
図１はこの第１実施形態に係るＳｉ系セラミックスを有する複合材を示す部分切欠斜視図である。複合材１は、シリコン系セラミックス部材２が二つの接合相手部材３間に挟まれた状態で存在し、セラミックス部材２と二つの接合相手部材３との間にそれぞれ接合部４を介在して接合した構造を有する。
【００１４】
前記シリコン系セラミックスは主たる成分が珪素含有セラミックスであればよく、特に主たる成分が窒化珪素であることが好ましい。この珪素含有セラミックスとしては、例えば窒化珪素（Ｓｉ３Ｎ４）、炭化珪素（ＳｉＣ）、酸化珪素（ＳｉＯ２）、ムライト（Ａｌ２Ｏ３−ＳｉＯ２）、コーディエライト（（Ｍｇ，Ｆｅ）２Ａｌ３（Ｓｉ５Ａｌ）Ｏ１８）、サイアロン（Ｓｉ３Ｎ４・ＡｌＮ・ＳｉＯ２・Ａｌ２Ｏ３）が挙げられる。窒化珪素は、通常アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）、イットリア（Ｙ２Ｏ３）、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）または酸化カルシウム（ＣａＯ）などの焼結助剤を含む焼結体の形態で用いられる。例えば、これら助剤成分はＡｌ２Ｏ３＋Ｙ２Ｏ３またはＭｇＯ＋Ｙ２Ｏ３などの複数の成分であってもよい。これら助剤成分を含む窒化珪素の焼結体を具体的に例示すると、Ｓｉ３Ｎ４−３ｗｔ％Ａｌ２Ｏ３−５ｗｔ％Ｙ２Ｏ３、Ｓｉ３Ｎ４−２ｗｔ％ＭｇＯ−１０ｗｔ％Ｙ２Ｏ３などがある。
【００１５】
前記接合相手部材３としては、セラミックスまたは金属が挙げられる。前記接合相手部材３がセラミックスの場合、例えば前述したＳｉ系セラミックスが好ましい。前記接合相手部材３が金属の場合、前記接合相手部材３は融点が３００℃以上、好ましくは４５０℃以上の材料から作られることが望ましい。この接合相手部材３は、例えばＡｌを含有する金属、より好ましくはＡｌもしくはＡｌ合金で作られることが望ましい。
【００１６】
前記接合部４とは、前記シリコン系セラミックス部材２および前記接合相手部材３の間に位置する領域で、これら接合部材のいずれに対しても組成が異なる領域を意味する。金属を前記接合相手部材３として選択する場合、接合界面から金属部材方向に向かって組成が徐々に変化する場合があり、その場合接合部の領域が明瞭でない。この場合、ある元素に注目して組成の範囲で領域を決定してもよい。
【００１７】
前記接合部４は、Ａｌを主たる成分としＧｅを０．１重量％〜５０重量％含む組成を有する。前記接合部４は、シリコン系セラミックス部材２との接合界面近傍５にＧｅ濃化領域６が形成されている。
【００１８】
ここで界面近傍５とは、濃化領域の分布領域に相当し、接合界面から５００μｍ以内の領域を意味する。接合部の厚さとは関係なく、濃化領域の分布領域は５００μｍを超えると強度が低下する虞があるため５００μｍ以下が好ましい。
【００１９】
濃化領域、濃化領域の濃度、およびその分布領域は以下の方法により判定される。
【００２０】
（ａ）濃化領域の判定
接合部断面にてセラミックス部材端面から接合相手部材方向に向かって、電子プローブ微量分析装置［（ＥＰＭＡ；electron probe microanalyser）（株）島津製作所、ＥＰＭＡ−１６００］で元素ごとの２次元分布を計測し、該当元素のカウント数の分布を見て濃化領域を判定する。濃化領域は、他の領域に比べ該当元素のカウント数が計測誤差よりも大きなカウント数の差を有することが必要であり、２倍以上であることが本発明の効果を得るうえで望ましい。
【００２１】
（ｂ）濃化領域の濃度の判定
まず、濃度が既知の複数のサンプルを用意して、これらのサンプルについてＥＰＭＡおよびエネルギー分散型蛍光Ｘ線分析装置［（ＥＤＸ；Energy Dispersive X-ray Spectrometer）（株）島津製作所、ＥＭＡＸ−２７７０］を使用して該当元素のカウント数を測定する定量分析を行い、この測定結果から該当元素のカウント数と該当元素の濃度との関係を示す検量線を作成する。実際の濃化領域の該当元素の濃度は、前記ＥＰＭＡおよびＥＤＸから測定した該当元素のカウント数をこの検量線に照合することにより判定される。接合部の濃化領域以外の領域との濃度は、同様に該当元素のカウント数をこの検量線に照合することにより判定される。これらの判定結果から濃化領域以外の領域に対する濃化領域の濃度の倍率を求める。ただし、各領域の濃度は複数箇所の平均値として用いる。このような濃度倍率は１．５倍以上、より好ましくは２倍以上であることが望ましい。その倍率が１．５倍未満では、Ｓｉ系セラミックス部材２と接合相手部材３とを十分な強度で接合することが困難になる場合がある。該当元素の濃化領域における濃度の上限は接合部に含まれる該当元素の濃度に依存する。
【００２２】
（ｃ）濃化領域の分布領域の判定
接合部断面にて、セラミックス部材端面から接合相手部材方向に向かってＥＰＭＡを用いて距離ＸまでとＸから２Ｘまでの領域で測定し、その濃化領域の面積比率（該当する全領域面積に対する濃化領域の面積分率）が１．５倍に達した時の距離Ｘを濃化領域の分布領域とする。
【００２３】
接合部４に含まれるＧｅの含有量が０．１重量％未満では所望の濃化領域が形成することが困難になる。一方、Ｇｅ含有量が５０重量％を超えると、Ｇｅ量が過剰になり接合不良などにより接合部自体の強度が低下する虞がある。より好ましいＧｅの含有量は、０．５重量％〜３０重量％である。
【００２４】
接合部４は、さらにＳｉを０．１重量％〜２０重量％含むものであってよい。この場合、シリコン系セラミックス部材２との接合界面近傍５には、上述のＧｅ濃化領域（第１濃化領域）に加えて、
（１）Ｓｉ濃化領域、
（２）Ｇｅ・Ｓｉ濃化領域、および
（３）Ｓｉ濃化領域およびＧｅ・Ｓｉ濃化領域、
から選ばれる第２濃化領域が形成される。
【００２５】
前記Ｇｅ・Ｓｉ濃化領域は、前記第１の濃化領域の一部にＳｉが含有されることにより形成されてもよい。
【００２６】
前記接合部４にＳｉが含有される場合において、Ｓｉの含有量が０．１重量％未満では所望の濃化領域を形成することが困難になる。一方、Ｓｉの含有量が２０重量％を超えると、Ｓｉ量が過剰になり接合不良などにより接合部自体の強度が低下する虞がある。より好ましいＳｉの含有量は０．２重量％〜１０重量％である。
【００２７】
接合部４は、さらにＭｇを０．０５重量％〜５重量％含むものであってよい。この場合、シリコン系セラミックス部材２との接合界面近傍５に、上述の第１濃化領域に加えて、
（４）Ｍｇ濃化領域、
（５）Ｇｅ・Ｍｇ濃化領域、および
（６）Ｍｇ濃化領域およびＧｅ・Ｍｇ濃化領域
から選ばれる第３濃化領域が形成される。
【００２８】
前記Ｇｅ・Ｍｇ濃化領域は、前記第１の濃化領域の一部にＭｇが含有されることにより形成されてもよい。
【００２９】
前記接合部４にＭｇが含有される場合において、Ｍｇの含有量が０．０５重量％未満では所望の濃化領域を形成することが困難になる。一方、Ｍｇの含有量が５重量％を超えると、Ｍｇ量が過剰になり接合不良などにより接合部自体の強度が低下する虞がある。より好ましいＭｇの含有量は０．１重量％〜２重量％である。
【００３０】
接合部４は、Ｓｉを０．１重量％〜２０重量％含み、かつＭｇを０．０５重量％〜５重量％含むものであってよい。この場合、シリコン系セラミックス部材２との接合界面近傍５には、第１濃化領域に加えて、前記第２濃化領域および第３濃化領域が形成されるか、またはこれら第１〜第３濃化領域に加えてＧｅ・Ｓｉ・Ｍｇ濃化領域（第４濃化領域）が形成される。
【００３１】
前記接合部４にＳｉおよびＭｇが含有される場合において、Ｓｉの含有量が０．１重量％未満では所望の濃化領域を形成することが困難になる。一方、Ｓｉの含有量が２０重量％を超えると、Ｓｉ量が過剰になり接合不良などにより接合部自体の強度が低下する虞がある。より好ましいＳｉの含有量は０．２重量％〜１０重量％である。
【００３２】
また、前記接合部４にＳｉおよびＭｇが含有される場合において、Ｍｇの含有量が０．０５重量％未満では所望の濃化領域を形成することが困難になる。一方、Ｍｇの含有量が５重量％を超えると、Ｍｇ量が過剰になり接合不良などにより接合部自体の強度が低下する虞がある。より好ましいＭｇの含有量は０．１重量％〜２重量％である。
【００３３】
前述した前記第２、第３および第４濃化領域のそれぞれの分布領域は、前記第１Ｇｅ濃化領域と同様に、接合界面から５００μｍ以内の領域を意味する前記接合界面近傍５に相当する。これらの濃化領域の分布領域は、接合部の厚さとは関係なく、５００μｍを超えると強度が低下する虞があるため５００μｍ以下が好ましい。
【００３４】
さらに接合部４は、不可避不純物が含まれていてもよく、セラミックス部材２または相手部材３由来の成分を含んでもよい。
【００３５】
なお、前述した各濃化領域は、例えば粒状または塊状で接合界面近傍５に存在される。
【００３６】
次に本発明に係るＳｉ系セラミックスを有する複合材の製造方法を図２を参照して一例として説明する。
【００３７】
まず、有機接着剤にＧｅまたはＧｅを含む合金の粉末を添加し、この粘稠性Ｇｅ含有粉末をＳｉ系セラミックス部材２の両面に塗布してＧｅ含有粉末層９をそれぞれ形成する。つづいて、このＳｉ系セラミックス部材２の両面のＧｅ含有粉末層９にＡｌを主成分とするろう材８をそれぞれ重ね、さらにこれらろう材８に接合相手材３を重ねることにより積層物７を作製する。
【００３８】
次いで、得られた積層物７を真空炉中に設置し、最上段の接合相手部材３の上から荷重を加えながら真空中で加熱して、前記セラミックス部材２両面に対して接合相手部材３を接合部４を介してそれぞれ接合して複合材１を製造する。この接合において、１ＭＰａの接合面圧を加える場合はホットプレスを採用し、０．０１ＭＰａの接合面圧を加える場合は重りを載せる。ここで接合面圧とは、接合時の荷重を接合部の面積で除した値である。
【００３９】
前述した製造方法によれば、セラミックス部材２との接合界面近傍５にゲルマニウム濃化領域が存在する接合部４で、二つの部材を接合された複合材が得られる。このような接合部４の接合界面近傍５に第１のＧｅ濃化領域６が形成されるのは、Ａｌ中のＧｅの固溶限を超える濃度でＧｅが存在する場合、過剰なＧｅは析出して分離し、セラミックス部材２の珪素と化学的性質が類似であるため、なじむようにセラミックス部材２側に偏在するからではないかと考えられる。
【００４０】
次に本発明に係るＳｉ系セラミックスを有する複合材の別の製造方法を図３を参照して説明する。この方法は、Ｓｉ系セラミックス部材２とろう材８の間に前述したＧｅ含有粉末層９を介さず、Ｓｉ系セラミックス部材２の両面にろう材８を直接配置した以外、前述した複合材の製造方法と同様である。
【００４１】
ろう材８としては、以下の列挙する組成を有することが好ましい。
【００４２】
（ｉ）Ｇｅを０．１〜５０重量％、好ましくは５〜５０重量％、さらに好ましくは１０〜３０重量％含み、残部が実質的にＡｌであるろう材。
【００４３】
（ｉｉ）前記（ｉ）のＧｅに加え、珪素を１〜２０重量％、好ましくは４〜１５重量％含む、残部が実質的にＡｌのろう材。
【００４４】
（ｉｉｉ）前記（ｉ）のＧｅに加え、Ｍｇを０．１〜５重量％、好ましくは０．５〜３重量％含み、残部が実質的にＡｌであるろう材。
【００４５】
（ｉｖ）前記（ｉｉ）のＧｅおよびＳｉに加え、Ｍｇを０．１〜５重量％、好ましくは０．５〜３重量％含み、残部が実質的にＡｌであるろう材。
【００４６】
なお、複合材の製造においてＧｅの他にＳｉおよびＭｇの少なくとも一方を含む接合部を形成する場合、これらの合金粉末を接着剤に混合し、これを前記部材間に介在させて加熱処理してもよい。
【００４７】
（第２実施形態）
この第２実施形態の複合材はＳｉ系セラミックス部材と接合相手部材とを、Ａｌを主たる成分としＳｉを０．１重量％〜２０重量％含む組成を有する接合部で接合し、かつこの接合部はＳｉ系セラミックス部材との接合界面近傍にＳｉ濃化領域が形成されている。
【００４８】
ここで界面近傍５とは、濃化領域の分布領域に相当し、接合界面から５００μｍ以内の領域を意味する。濃化領域の分布領域は、接合部の厚さとは関係なく、５００μｍを超えると強度が低下する虞があるため５００μｍ以下が好ましい。濃化領域、濃化領域の濃度、およびその分布領域の判定方法は第１実施形態と同様な方法によりなされ、濃化領域の濃度の倍率は１．５倍以上、好ましくは２．０倍以上であることが望ましい。
【００４９】
Ｓｉの含有量が０．１重量％未満では所望の濃化領域が形成されず、２０重量％を超えると、Ｓｉ量が過剰になり接合不良などにより接合部自体の強度が低下する虞がある。より好ましいＳｉの含有量は０．２重量％〜１０重量％である。
【００５０】
接合部４は、さらにＭｇを０．０５重量％〜５重量％含むものであってよい。この場合、シリコン系セラミックス部材２との接合界面近傍５に上述のＳｉ濃化領域に加えて、
（７）Ｍｇ濃化領域、
（８）Ｓｉ・Ｍｇ濃化領域、および
（９）Ｍｇ濃化領域およびＳｉ・Ｍｇ濃化領域
から選ばれる濃化領域が形成される。
【００５１】
前記Ｓｉ・Ｍｇ濃化領域は、前記Ｓｉ濃化領域の一部に同量のＭｇが含有されることにより形成されてもよい。
【００５２】
前記接合部にＭｇが含有される場合において、Ｍｇの含有量が０．０５重量％未満では所望の濃化領域を形成することが困難になる。一方、Ｍｇの含有量が５重量％を超えると、Ｍｇ量が過剰になり接合不良などにより接合部自体の強度が低下する虞がある。より好ましいＭｇの含有量は０．１重量％〜２重量％である。
【００５３】
第２実施形態の接合部は、不可避不純物が含まれていてもよく、セラミックス部材または相手部材由来の成分を含んでもよい。
【００５４】
なお、前述した各濃化領域は、例えば粒状または塊状で接合界面近傍に存在される。
【００５５】
次に第２実施形態に係る複合材の製造方法を一例として説明する。
【００５６】
Ｓｉ系セラミックス部材の両面に直接Ａｌを主成分とするろう材をそれぞれ重ね、さらにこれらろう材に接合相手材を重ねることにより積層物を作製する。
【００５７】
次いで、得られた積層物を真空炉中に設置し、最上段の接合相手部材の上から荷重を加えながら真空中で加熱して、前記セラミックス部材両面に対して接合相手部材を接合部を介してそれぞれ接合して複合材を製造する。この接合において、１ＭＰａの接合面圧を加える場合はホットプレスを採用し、０．０１ＭＰａの接合面圧を加える場合は重りを載せる。
【００５８】
接合部４の接合界面近傍５にＳｉ濃化領域が形成されるのは、Ａｌ中のＳｉの固溶限を超える濃度でＳｉが存在する場合、過剰なＳｉは析出して分離し、セラミックス部材２の珪素となじむようにセラミックス部材２側に偏在するからではないかと考えられる。
【００５９】
以下、本発明の実施例について説明する。
【００６０】
（実施例１）
まず、アクリル系樹脂をアルコールで希釈したバインダーに、平均粒径が２５μｍのＧｅ粉末を添加して粘稠性Ｇｅ含有粉末を調製した。つづいて、前述した図２に示すように、焼結助剤として３重量％のＡｌ２Ｏ３および５重量％のＹ２Ｏ３を含む、３０×３０×０．６ｍｍの板体状のＳｉ３Ｎ４焼結体２の両面に前記粘稠性Ｇｅ含有粉末を塗布しＧｅ重量で０．０２ｇのＧｅ粉末層９をそれぞれ形成した。引き続き、Ｓｉ３Ｎ４焼結体２両面の前記Ｇｅ粉末層９の両面に、Ａｌ−１２Ｓｉからなる厚さ３０μｍの箔（ろう材）８をそれぞれ重ねた。さらに、これらろう材８上にＪＩＳ４０００に規定されるＮｏ．Ａ１０５０Ｐである、３０×３０×０．５ｍｍのＡｌ板（接合相手部材）３を重ねて、積層物７とした。
【００６１】
次いで、前記積層物７を真空炉に設置した後、最上段のＡｌ板の上から重りを使用し０．０１ＭＰａの接合面圧を加え、真空炉中のガスを排気して３×１０−２Ｐａの圧力に設定し、５７５℃で１時間加熱することによって複合材を製造した。この接合部は、ＥＤＸの組成分析により濃化領域以外の領域の濃度がＧｅ６重量％、Ｓｉ１重量％、残部が実質的にＡｌであった。
【００６２】
また、前記複合材を接合界面近傍に垂直な方向に切断し、研磨した後、電子顕微鏡反射電子線像にて撮影した。この電子顕微鏡反射電子線像の写真を図４に示す。図４の中央部分の白い領域を、ＥＰＭＡを用いて分析した結果、この領域はＡｌ−Ｇｅの組成を有する濃化領域であった。その他にも接合界面近傍においてＡｌ−Ｓｉ−Ｏの組成を有する濃化領域の存在が確認された。これらの濃化領域はＳｉ３Ｎ４焼結体２との接合界面から１００μｍの範囲に分布していた。
【００６３】
濃化領域のＧｅ濃度を前述した（ｂ）の方法に基づいて測定した結果、接合部の他の領域に対して３〜６倍の濃度であった。同様に珪素に関しても、濃化領域のＳｉ濃度は接合部の他の領域に対し平均して４倍の濃度であった。
【００６４】
Ｓｉ３Ｎ４焼結体２と接合部４との界面における任意の視野内に存在する空隙の長さをその視野内の接合長さで除することにより空隙率を求めた。その結果、空隙率は２％以下であった。
【００６５】
このような実施例１では、接合部にＡｌ−ＧｅおよびＡｌ−Ｓｉ−Ｏの組成を有する濃化領域が接合界面近傍に形成されるため、低空隙率によって裏づけされたようにＳｉ３Ｎ４焼結体とＡｌ板を高強度で接合された複合材を得ることができる。
【００６６】
（実施例２）
まず、アクリル系樹脂をアルコールで希釈したバインダーに、平均粒径が４５μｍのＧｅ１５重量％、Ｓｉ８重量％、Ｍｇ１重量％、残部が実質Ａｌである合金粉末を添加し、粘稠性Ｇｅ、ＳｉおよびＭｇ含有合金粉末を調製した。つづいて、前述した図２に示すように、焼結助剤として３重量％のＡｌ２Ｏ３および５重量％のＹ２Ｏ３を含む、３０×３０×０．６ｍｍの板体状のＳｉ３Ｎ４焼結体２の両面に前記粘稠性Ｇｅ、ＳｉおよびＭｇ含有合金粉末を塗布し厚さ７０μｍのＧｅ、ＳｉおよびＭｇ含有合金粉末層９をそれぞれ形成した。引き続き、Ｓｉ３Ｎ４焼結体２両面の前記Ｇｅ粉末層９の両面にＪＩＳ４０００に規定されるＮｏ．Ａ１０５０Ｐである、３０×３０×０．５ｍｍのＡｌ板（接合相手部材）３を重ねて、積層物７とした。
【００６７】
次いで、前記積層物７を真空炉に設置した後、最上段のＡｌ板の上から重りを使用し０．０１ＭＰａの接合面圧を加え、真空炉中のガスを排気して３×１０−２Ｐａの圧力に設定し、５７５℃で１時間加熱することによって複合材を製造した。この接合部は、ＥＤＸの組成分析により濃化領域以外の領域の濃度はＧｅ４重量％、Ｓｉ１重量％、残部が実質的にＡｌであった（Ｍｇは検出不能であった）。
【００６８】
前記複合材の接合界面近傍の電子顕微鏡反射電子線像を撮影した。その結果Ａｌ−Ｇｅの組成を有する濃化領域の他に図５に示す同反射電子線像の写真のように濃化領域が接合界面近傍に形成されていることが確認された。図５の白い領域およびやや白い領域をＥＰＭＡを用いて分析した結果、白い領域はＡｌ−Ｇｅの組成を有す濃化領域であり、やや白い領域はＡｌ−Ｓｉの組成を有す濃化領域であった。どちらの領域も微量ながらＭｇおよびＯも濃化しており、部分的にＡｌ−Ｇｅ−ＭｇおよびＡｌ−Ｓｉ−Ｏの組成を有する濃化領域が存在することが確認された。これらの濃化領域はＳｉ３Ｎ４焼結体２との接合界面から１００μｍの範囲に分布していた。
【００６９】
濃化領域のＧｅ濃度を前述した（ｂ）の方法に基づいて測定した結果、接合部の他の領域に対して２〜５倍の濃度であった。同様に珪素に関しても、濃化領域のＳｉ濃度は接合部の他の領域に対し平均して２倍の濃度であった。また実施例１と同様に空隙率を測定したところ、空隙率は２％以内であった。
【００７０】
このような実施例２では接合部にＡｌ−Ｇｅ、Ａｌ−Ｓｉ、Ａｌ−Ｇｅ―ＭｇおよびＡｌ−Ｓｉ−Ｏの組成を有する濃化領域が形成されるため、低空隙率によって裏づけされたようにＳｉ３Ｎ４焼結体とＡｌ板を高強度で接合された複合材を得ることができる。
（実施例３）
焼結助剤として３重量％のＡｌ２Ｏ３および５重量％のＹ２Ｏ３を含む、３０×３０×０．６ｍｍの板体状のＳｉ３Ｎ４焼結体の両面に、Ａｌ−１２Ｓｉからなる厚さ３０μｍの箔（ろう材）をそれぞれ重ねた。さらに、これらろう材上にＪＩＳ４０００に規定されるＮｏ．Ａ１０５０Ｐである、３０×３０×０．５ｍｍのＡｌ板（接合相手部材）を重ねて、積層物とした。
【００７１】
次いで、前記積層物を真空炉に設置した後、最上段のＡｌ板の上からホットプレスを使用し１ＭＰａの接合面圧を加え、真空炉中のガスを排気して３×１０−２Ｐａの圧力に設定し、５９５℃で１時間加熱することによって複合材を製造した。ＥＤＸの組成分析により濃化領域以外の領域の濃度はＳｉ２重量％、残部が実質的にＡｌであった。
【００７２】
前記複合材の接合界面近傍を、ＥＰＭＡを用いて分析した結果、Ａｌ−Ｓｉの濃化領域が存在することが確認された。
【００７３】
濃化領域のＳｉ濃度を前述した（ｂ）の方法に基づいて測定した結果、接合部の他の領域に対して３倍の濃度であった。この濃化領域はＳｉ３Ｎ４焼結体との接合界面から１００μｍの範囲に分布していた。また実施例１と同様に空隙率を測定したところ、空隙率は２％以内であった。
【００７４】
このような実施例３では接合部にＡｌ−Ｓｉ濃化領域が形成されるため、低空隙率によって裏づけされたようにＳｉ３Ｎ４焼結体とＡｌ板を高強度で接合された複合材を得ることができる。
【００７５】
以上のように説明した実施例１〜３の複合材において、Ａｌ−Ｇｅ、Ａｌ−Ｓｉ、Ａｌ−Ｓｉ−ＯまたはＡｌ−Ｇｅ−Ｍｇの組成を有する濃化領域が形成されることにより、Ｓｉ系セラミックスに対するろう材の濡れ性が高まり、空隙率を低く抑えた良好な接合界面近傍を得ることができた。
【００７６】
さらに実施例２の複合材の接合部では、接合界面近傍にＡｌ−Ｇｅ−ＭｇおよびＡｌ−Ｓｉ−Ｏの組成を有する濃化領域が形成されることで濡れ性が大幅に向上し、重り程度の小さな加圧でも接合することが可能となった。これにより、ホットプレスなど特別な加圧装置を使用することなく複合材の作成が可能となり、製造コストを抑えることができる。加えて、実施例１および２のように接合部にＧｅが含まれることにより、Ｇｅを含まない接合部を用いる場合よりもろう付け温度を下げることが可能となる。温度を下げたことでも、Ａｌ−Ｓｉ−Ｏの濃化領域が十分形成でき、コスト削減の達成ならびに処理可能な製品の範囲を広げることが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００７７】
【図１】本発明に係るＳｉ系セラミックスを有する複合材のを示す部分切欠斜視図。
【図２】本発明に係るＳｉ系セラミックスを有する複合材の製造方法を示す分解斜視図。
【図３】本発明に係るＳｉ系セラミックスを有する複合材の他の製造方法を示す分解斜視図。
【図４】本発明の実施例１に従って製造されたＳｉ系セラミックスを有する複合材の接合界面近傍の、電子顕微鏡反射電子線像の写真。
【図５】本発明の実施例２に従って製造されたＳｉ系セラミックスを有する複合材の接合界面近傍の、電子顕微鏡反射電子線像の写真。
【符号の説明】
【００７８】
１…複合材、２…セラミックス部材、３…接合相手部材、４…接合部、５…接合界面近傍、６…濃化領域。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、Ｓｉ系セラミックス、特にＳｉ３Ｎ４（窒化珪素）を有する複合材、およびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
窒化珪素（Ｓｉ３Ｎ４）は高温強度に優れ、電気絶縁性が高く、さらにアルミナに比べて熱伝導率が高いことから、ヒーターや、放熱板、電気絶縁板として使用されている。しかし、セラミックスは一般に機械加工が困難であるため、所望形状のセラミックス製品を得るには接合方法の開発が重要である。
【０００３】
また、金属材料の加工性の高さと窒化珪素の前述した利点を生かした高機能製品を製造することも可能である。
【０００４】
特許文献１には、窒化珪素のようなセラミックス基板の少なくとも一主面にアルミニウムを主成分とする金属板をアルミニウムを主成分とし、マグネシウム（Ｍｇ）を含むろう材を介して接合したセラミックス回路基板が開示されている。このようなろう材から作られる接合部は、セラミックス回路基板との接合界面近傍に前記Ｍｇが偏在した形態を有す。
【特許文献１】特開２００１−１４４４３３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上述の特許文献１では、Ａｌを主成分とするろう材に添加されるＭｇが高い酸化性を示し、その添加量が制限されるため、セラミックス部材に対して金属板を十分な接合強度で接合することが困難であった。
【０００６】
本発明は、Ａｌを主成分とし耐酸化性に優れたＧｅを比較的多量に含有させた接合部でＳｉ系セラミックス部材と接合相手部材とを高強度にて接合した複合材およびその製造方法を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、シリコン系セラミックス部材と接合相手部材が、アルミニウムを主成分としゲルマニウムを０．１重量％〜５０重量％含む接合部で接合された複合材であって、前記接合部は、前記シリコン系セラミックス部材との接合界面近傍に第１のゲルマニウム濃化領域が形成されていることを特徴とする複合材を提供するものである。
【０００８】
また本発明は、シリコン系セラミックス部材と接合相手部材が、アルミニウムを主成分とし珪素を０．１重量％〜２０重量％含む接合部で接合された複合材であって、前記接合部は、前記シリコン系セラミックス部材との接合界面近傍に珪素濃化領域が形成されていることを特徴とする複合材を提供するものである。
【０００９】
さらに本発明は、シリコン系セラミックス部材と接合相手部材の間にアルミニウムを主成分としゲルマニウムを０．１重量％〜５０重量％含むろう材を介在し、加熱することにより前記シリコン系セラミックス部材との接合界面近傍にゲルマニウム濃化領域が存在する接合部を前記部材間に形成する工程を含むことを特徴とする複合材の製造方法を提供するものである。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によると、低空隙率を示し接合強度が高い接合部を有すＳｉ系セラミックスを有する複合材およびその製造方法が提供できる。
【００１１】
さらに、Ｇｅを含むろう材を用いることにより、ろう材の溶融（ろう付け）温度を下げることができ、様々な用途のＳｉ系セラミックスを有する複合材を製造することが可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、本発明に係る複合材を、図面を参照して詳細に説明する。
【００１３】
（第１実施形態）
図１はこの第１実施形態に係るＳｉ系セラミックスを有する複合材を示す部分切欠斜視図である。複合材１は、シリコン系セラミックス部材２が二つの接合相手部材３間に挟まれた状態で存在し、セラミックス部材２と二つの接合相手部材３との間にそれぞれ接合部４を介在して接合した構造を有する。
【００１４】
前記シリコン系セラミックスは主たる成分が珪素含有セラミックスであればよく、特に主たる成分が窒化珪素であることが好ましい。この珪素含有セラミックスとしては、例えば窒化珪素（Ｓｉ３Ｎ４）、炭化珪素（ＳｉＣ）、酸化珪素（ＳｉＯ２）、ムライト（Ａｌ２Ｏ３−ＳｉＯ２）、コーディエライト（（Ｍｇ，Ｆｅ）２Ａｌ３（Ｓｉ５Ａｌ）Ｏ１８）、サイアロン（Ｓｉ３Ｎ４・ＡｌＮ・ＳｉＯ２・Ａｌ２Ｏ３）が挙げられる。窒化珪素は、通常アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）、イットリア（Ｙ２Ｏ３）、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）または酸化カルシウム（ＣａＯ）などの焼結助剤を含む焼結体の形態で用いられる。例えば、これら助剤成分はＡｌ２Ｏ３＋Ｙ２Ｏ３またはＭｇＯ＋Ｙ２Ｏ３などの複数の成分であってもよい。これら助剤成分を含む窒化珪素の焼結体を具体的に例示すると、Ｓｉ３Ｎ４−３ｗｔ％Ａｌ２Ｏ３−５ｗｔ％Ｙ２Ｏ３、Ｓｉ３Ｎ４−２ｗｔ％ＭｇＯ−１０ｗｔ％Ｙ２Ｏ３などがある。
【００１５】
前記接合相手部材３としては、セラミックスまたは金属が挙げられる。前記接合相手部材３がセラミックスの場合、例えば前述したＳｉ系セラミックスが好ましい。前記接合相手部材３が金属の場合、前記接合相手部材３は融点が３００℃以上、好ましくは４５０℃以上の材料から作られることが望ましい。この接合相手部材３は、例えばＡｌを含有する金属、より好ましくはＡｌもしくはＡｌ合金で作られることが望ましい。
【００１６】
前記接合部４とは、前記シリコン系セラミックス部材２および前記接合相手部材３の間に位置する領域で、これら接合部材のいずれに対しても組成が異なる領域を意味する。金属を前記接合相手部材３として選択する場合、接合界面から金属部材方向に向かって組成が徐々に変化する場合があり、その場合接合部の領域が明瞭でない。この場合、ある元素に注目して組成の範囲で領域を決定してもよい。
【００１７】
前記接合部４は、Ａｌを主たる成分としＧｅを０．１重量％〜５０重量％含む組成を有する。前記接合部４は、シリコン系セラミックス部材２との接合界面近傍５にＧｅ濃化領域６が形成されている。
【００１８】
ここで界面近傍５とは、濃化領域の分布領域に相当し、接合界面から５００μｍ以内の領域を意味する。接合部の厚さとは関係なく、濃化領域の分布領域は５００μｍを超えると強度が低下する虞があるため５００μｍ以下が好ましい。
【００１９】
濃化領域、濃化領域の濃度、およびその分布領域は以下の方法により判定される。
【００２０】
（ａ）濃化領域の判定
接合部断面にてセラミックス部材端面から接合相手部材方向に向かって、電子プローブ微量分析装置［（ＥＰＭＡ；electron probe microanalyser）（株）島津製作所、ＥＰＭＡ−１６００］で元素ごとの２次元分布を計測し、該当元素のカウント数の分布を見て濃化領域を判定する。濃化領域は、他の領域に比べ該当元素のカウント数が計測誤差よりも大きなカウント数の差を有することが必要であり、２倍以上であることが本発明の効果を得るうえで望ましい。
【００２１】
（ｂ）濃化領域の濃度の判定
まず、濃度が既知の複数のサンプルを用意して、これらのサンプルについてＥＰＭＡおよびエネルギー分散型蛍光Ｘ線分析装置［（ＥＤＸ；Energy Dispersive X-ray Spectrometer）（株）島津製作所、ＥＭＡＸ−２７７０］を使用して該当元素のカウント数を測定する定量分析を行い、この測定結果から該当元素のカウント数と該当元素の濃度との関係を示す検量線を作成する。実際の濃化領域の該当元素の濃度は、前記ＥＰＭＡおよびＥＤＸから測定した該当元素のカウント数をこの検量線に照合することにより判定される。接合部の濃化領域以外の領域との濃度は、同様に該当元素のカウント数をこの検量線に照合することにより判定される。これらの判定結果から濃化領域以外の領域に対する濃化領域の濃度の倍率を求める。ただし、各領域の濃度は複数箇所の平均値として用いる。このような濃度倍率は１．５倍以上、より好ましくは２倍以上であることが望ましい。その倍率が１．５倍未満では、Ｓｉ系セラミックス部材２と接合相手部材３とを十分な強度で接合することが困難になる場合がある。該当元素の濃化領域における濃度の上限は接合部に含まれる該当元素の濃度に依存する。
【００２２】
（ｃ）濃化領域の分布領域の判定
接合部断面にて、セラミックス部材端面から接合相手部材方向に向かってＥＰＭＡを用いて距離ＸまでとＸから２Ｘまでの領域で測定し、その濃化領域の面積比率（該当する全領域面積に対する濃化領域の面積分率）が１．５倍に達した時の距離Ｘを濃化領域の分布領域とする。
【００２３】
接合部４に含まれるＧｅの含有量が０．１重量％未満では所望の濃化領域が形成することが困難になる。一方、Ｇｅ含有量が５０重量％を超えると、Ｇｅ量が過剰になり接合不良などにより接合部自体の強度が低下する虞がある。より好ましいＧｅの含有量は、０．５重量％〜３０重量％である。
【００２４】
接合部４は、さらにＳｉを０．１重量％〜２０重量％含むものであってよい。この場合、シリコン系セラミックス部材２との接合界面近傍５には、上述のＧｅ濃化領域（第１濃化領域）に加えて、
（１）Ｓｉ濃化領域、
（２）Ｇｅ・Ｓｉ濃化領域、および
（３）Ｓｉ濃化領域およびＧｅ・Ｓｉ濃化領域、
から選ばれる第２濃化領域が形成される。
【００２５】
前記Ｇｅ・Ｓｉ濃化領域は、前記第１の濃化領域の一部にＳｉが含有されることにより形成されてもよい。
【００２６】
前記接合部４にＳｉが含有される場合において、Ｓｉの含有量が０．１重量％未満では所望の濃化領域を形成することが困難になる。一方、Ｓｉの含有量が２０重量％を超えると、Ｓｉ量が過剰になり接合不良などにより接合部自体の強度が低下する虞がある。より好ましいＳｉの含有量は０．２重量％〜１０重量％である。
【００２７】
接合部４は、さらにＭｇを０．０５重量％〜５重量％含むものであってよい。この場合、シリコン系セラミックス部材２との接合界面近傍５に、上述の第１濃化領域に加えて、
（４）Ｍｇ濃化領域、
（５）Ｇｅ・Ｍｇ濃化領域、および
（６）Ｍｇ濃化領域およびＧｅ・Ｍｇ濃化領域
から選ばれる第３濃化領域が形成される。
【００２８】
前記Ｇｅ・Ｍｇ濃化領域は、前記第１の濃化領域の一部にＭｇが含有されることにより形成されてもよい。
【００２９】
前記接合部４にＭｇが含有される場合において、Ｍｇの含有量が０．０５重量％未満では所望の濃化領域を形成することが困難になる。一方、Ｍｇの含有量が５重量％を超えると、Ｍｇ量が過剰になり接合不良などにより接合部自体の強度が低下する虞がある。より好ましいＭｇの含有量は０．１重量％〜２重量％である。
【００３０】
接合部４は、Ｓｉを０．１重量％〜２０重量％含み、かつＭｇを０．０５重量％〜５重量％含むものであってよい。この場合、シリコン系セラミックス部材２との接合界面近傍５には、第１濃化領域に加えて、前記第２濃化領域および第３濃化領域が形成されるか、またはこれら第１〜第３濃化領域に加えてＧｅ・Ｓｉ・Ｍｇ濃化領域（第４濃化領域）が形成される。
【００３１】
前記接合部４にＳｉおよびＭｇが含有される場合において、Ｓｉの含有量が０．１重量％未満では所望の濃化領域を形成することが困難になる。一方、Ｓｉの含有量が２０重量％を超えると、Ｓｉ量が過剰になり接合不良などにより接合部自体の強度が低下する虞がある。より好ましいＳｉの含有量は０．２重量％〜１０重量％である。
【００３２】
また、前記接合部４にＳｉおよびＭｇが含有される場合において、Ｍｇの含有量が０．０５重量％未満では所望の濃化領域を形成することが困難になる。一方、Ｍｇの含有量が５重量％を超えると、Ｍｇ量が過剰になり接合不良などにより接合部自体の強度が低下する虞がある。より好ましいＭｇの含有量は０．１重量％〜２重量％である。
【００３３】
前述した前記第２、第３および第４濃化領域のそれぞれの分布領域は、前記第１Ｇｅ濃化領域と同様に、接合界面から５００μｍ以内の領域を意味する前記接合界面近傍５に相当する。これらの濃化領域の分布領域は、接合部の厚さとは関係なく、５００μｍを超えると強度が低下する虞があるため５００μｍ以下が好ましい。
【００３４】
さらに接合部４は、不可避不純物が含まれていてもよく、セラミックス部材２または相手部材３由来の成分を含んでもよい。
【００３５】
なお、前述した各濃化領域は、例えば粒状または塊状で接合界面近傍５に存在される。
【００３６】
次に本発明に係るＳｉ系セラミックスを有する複合材の製造方法を図２を参照して一例として説明する。
【００３７】
まず、有機接着剤にＧｅまたはＧｅを含む合金の粉末を添加し、この粘稠性Ｇｅ含有粉末をＳｉ系セラミックス部材２の両面に塗布してＧｅ含有粉末層９をそれぞれ形成する。つづいて、このＳｉ系セラミックス部材２の両面のＧｅ含有粉末層９にＡｌを主成分とするろう材８をそれぞれ重ね、さらにこれらろう材８に接合相手材３を重ねることにより積層物７を作製する。
【００３８】
次いで、得られた積層物７を真空炉中に設置し、最上段の接合相手部材３の上から荷重を加えながら真空中で加熱して、前記セラミックス部材２両面に対して接合相手部材３を接合部４を介してそれぞれ接合して複合材１を製造する。この接合において、１ＭＰａの接合面圧を加える場合はホットプレスを採用し、０．０１ＭＰａの接合面圧を加える場合は重りを載せる。ここで接合面圧とは、接合時の荷重を接合部の面積で除した値である。
【００３９】
前述した製造方法によれば、セラミックス部材２との接合界面近傍５にゲルマニウム濃化領域が存在する接合部４で、二つの部材を接合された複合材が得られる。このような接合部４の接合界面近傍５に第１のＧｅ濃化領域６が形成されるのは、Ａｌ中のＧｅの固溶限を超える濃度でＧｅが存在する場合、過剰なＧｅは析出して分離し、セラミックス部材２の珪素と化学的性質が類似であるため、なじむようにセラミックス部材２側に偏在するからではないかと考えられる。
【００４０】
次に本発明に係るＳｉ系セラミックスを有する複合材の別の製造方法を図３を参照して説明する。この方法は、Ｓｉ系セラミックス部材２とろう材８の間に前述したＧｅ含有粉末層９を介さず、Ｓｉ系セラミックス部材２の両面にろう材８を直接配置した以外、前述した複合材の製造方法と同様である。
【００４１】
ろう材８としては、以下の列挙する組成を有することが好ましい。
【００４２】
（ｉ）Ｇｅを０．１〜５０重量％、好ましくは５〜５０重量％、さらに好ましくは１０〜３０重量％含み、残部が実質的にＡｌであるろう材。
【００４３】
（ｉｉ）前記（ｉ）のＧｅに加え、珪素を１〜２０重量％、好ましくは４〜１５重量％含む、残部が実質的にＡｌのろう材。
【００４４】
（ｉｉｉ）前記（ｉ）のＧｅに加え、Ｍｇを０．１〜５重量％、好ましくは０．５〜３重量％含み、残部が実質的にＡｌであるろう材。
【００４５】
（ｉｖ）前記（ｉｉ）のＧｅおよびＳｉに加え、Ｍｇを０．１〜５重量％、好ましくは０．５〜３重量％含み、残部が実質的にＡｌであるろう材。
【００４６】
なお、複合材の製造においてＧｅの他にＳｉおよびＭｇの少なくとも一方を含む接合部を形成する場合、これらの合金粉末を接着剤に混合し、これを前記部材間に介在させて加熱処理してもよい。
【００４７】
（第２実施形態）
この第２実施形態の複合材はＳｉ系セラミックス部材と接合相手部材とを、Ａｌを主たる成分としＳｉを０．１重量％〜２０重量％含む組成を有する接合部で接合し、かつこの接合部はＳｉ系セラミックス部材との接合界面近傍にＳｉ濃化領域が形成されている。
【００４８】
ここで界面近傍５とは、濃化領域の分布領域に相当し、接合界面から５００μｍ以内の領域を意味する。濃化領域の分布領域は、接合部の厚さとは関係なく、５００μｍを超えると強度が低下する虞があるため５００μｍ以下が好ましい。濃化領域、濃化領域の濃度、およびその分布領域の判定方法は第１実施形態と同様な方法によりなされ、濃化領域の濃度の倍率は１．５倍以上、好ましくは２．０倍以上であることが望ましい。
【００４９】
Ｓｉの含有量が０．１重量％未満では所望の濃化領域が形成されず、２０重量％を超えると、Ｓｉ量が過剰になり接合不良などにより接合部自体の強度が低下する虞がある。より好ましいＳｉの含有量は０．２重量％〜１０重量％である。
【００５０】
接合部４は、さらにＭｇを０．０５重量％〜５重量％含むものであってよい。この場合、シリコン系セラミックス部材２との接合界面近傍５に上述のＳｉ濃化領域に加えて、
（７）Ｍｇ濃化領域、
（８）Ｓｉ・Ｍｇ濃化領域、および
（９）Ｍｇ濃化領域およびＳｉ・Ｍｇ濃化領域
から選ばれる濃化領域が形成される。
【００５１】
前記Ｓｉ・Ｍｇ濃化領域は、前記Ｓｉ濃化領域の一部に同量のＭｇが含有されることにより形成されてもよい。
【００５２】
前記接合部にＭｇが含有される場合において、Ｍｇの含有量が０．０５重量％未満では所望の濃化領域を形成することが困難になる。一方、Ｍｇの含有量が５重量％を超えると、Ｍｇ量が過剰になり接合不良などにより接合部自体の強度が低下する虞がある。より好ましいＭｇの含有量は０．１重量％〜２重量％である。
【００５３】
第２実施形態の接合部は、不可避不純物が含まれていてもよく、セラミックス部材または相手部材由来の成分を含んでもよい。
【００５４】
なお、前述した各濃化領域は、例えば粒状または塊状で接合界面近傍に存在される。
【００５５】
次に第２実施形態に係る複合材の製造方法を一例として説明する。
【００５６】
Ｓｉ系セラミックス部材の両面に直接Ａｌを主成分とするろう材をそれぞれ重ね、さらにこれらろう材に接合相手材を重ねることにより積層物を作製する。
【００５７】
次いで、得られた積層物を真空炉中に設置し、最上段の接合相手部材の上から荷重を加えながら真空中で加熱して、前記セラミックス部材両面に対して接合相手部材を接合部を介してそれぞれ接合して複合材を製造する。この接合において、１ＭＰａの接合面圧を加える場合はホットプレスを採用し、０．０１ＭＰａの接合面圧を加える場合は重りを載せる。
【００５８】
接合部４の接合界面近傍５にＳｉ濃化領域が形成されるのは、Ａｌ中のＳｉの固溶限を超える濃度でＳｉが存在する場合、過剰なＳｉは析出して分離し、セラミックス部材２の珪素となじむようにセラミックス部材２側に偏在するからではないかと考えられる。
【００５９】
以下、本発明の実施例について説明する。
【００６０】
（実施例１）
まず、アクリル系樹脂をアルコールで希釈したバインダーに、平均粒径が２５μｍのＧｅ粉末を添加して粘稠性Ｇｅ含有粉末を調製した。つづいて、前述した図２に示すように、焼結助剤として３重量％のＡｌ２Ｏ３および５重量％のＹ２Ｏ３を含む、３０×３０×０．６ｍｍの板体状のＳｉ３Ｎ４焼結体２の両面に前記粘稠性Ｇｅ含有粉末を塗布しＧｅ重量で０．０２ｇのＧｅ粉末層９をそれぞれ形成した。引き続き、Ｓｉ３Ｎ４焼結体２両面の前記Ｇｅ粉末層９の両面に、Ａｌ−１２Ｓｉからなる厚さ３０μｍの箔（ろう材）８をそれぞれ重ねた。さらに、これらろう材８上にＪＩＳ４０００に規定されるＮｏ．Ａ１０５０Ｐである、３０×３０×０．５ｍｍのＡｌ板（接合相手部材）３を重ねて、積層物７とした。
【００６１】
次いで、前記積層物７を真空炉に設置した後、最上段のＡｌ板の上から重りを使用し０．０１ＭＰａの接合面圧を加え、真空炉中のガスを排気して３×１０−２Ｐａの圧力に設定し、５７５℃で１時間加熱することによって複合材を製造した。この接合部は、ＥＤＸの組成分析により濃化領域以外の領域の濃度がＧｅ６重量％、Ｓｉ１重量％、残部が実質的にＡｌであった。
【００６２】
また、前記複合材を接合界面近傍に垂直な方向に切断し、研磨した後、電子顕微鏡反射電子線像にて撮影した。この電子顕微鏡反射電子線像の写真を図４に示す。図４の中央部分の白い領域を、ＥＰＭＡを用いて分析した結果、この領域はＡｌ−Ｇｅの組成を有する濃化領域であった。その他にも接合界面近傍においてＡｌ−Ｓｉ−Ｏの組成を有する濃化領域の存在が確認された。これらの濃化領域はＳｉ３Ｎ４焼結体２との接合界面から１００μｍの範囲に分布していた。
【００６３】
濃化領域のＧｅ濃度を前述した（ｂ）の方法に基づいて測定した結果、接合部の他の領域に対して３〜６倍の濃度であった。同様に珪素に関しても、濃化領域のＳｉ濃度は接合部の他の領域に対し平均して４倍の濃度であった。
【００６４】
Ｓｉ３Ｎ４焼結体２と接合部４との界面における任意の視野内に存在する空隙の長さをその視野内の接合長さで除することにより空隙率を求めた。その結果、空隙率は２％以下であった。
【００６５】
このような実施例１では、接合部にＡｌ−ＧｅおよびＡｌ−Ｓｉ−Ｏの組成を有する濃化領域が接合界面近傍に形成されるため、低空隙率によって裏づけされたようにＳｉ３Ｎ４焼結体とＡｌ板を高強度で接合された複合材を得ることができる。
【００６６】
（実施例２）
まず、アクリル系樹脂をアルコールで希釈したバインダーに、平均粒径が４５μｍのＧｅ１５重量％、Ｓｉ８重量％、Ｍｇ１重量％、残部が実質Ａｌである合金粉末を添加し、粘稠性Ｇｅ、ＳｉおよびＭｇ含有合金粉末を調製した。つづいて、前述した図２に示すように、焼結助剤として３重量％のＡｌ２Ｏ３および５重量％のＹ２Ｏ３を含む、３０×３０×０．６ｍｍの板体状のＳｉ３Ｎ４焼結体２の両面に前記粘稠性Ｇｅ、ＳｉおよびＭｇ含有合金粉末を塗布し厚さ７０μｍのＧｅ、ＳｉおよびＭｇ含有合金粉末層９をそれぞれ形成した。引き続き、Ｓｉ３Ｎ４焼結体２両面の前記Ｇｅ粉末層９の両面にＪＩＳ４０００に規定されるＮｏ．Ａ１０５０Ｐである、３０×３０×０．５ｍｍのＡｌ板（接合相手部材）３を重ねて、積層物７とした。
【００６７】
次いで、前記積層物７を真空炉に設置した後、最上段のＡｌ板の上から重りを使用し０．０１ＭＰａの接合面圧を加え、真空炉中のガスを排気して３×１０−２Ｐａの圧力に設定し、５７５℃で１時間加熱することによって複合材を製造した。この接合部は、ＥＤＸの組成分析により濃化領域以外の領域の濃度はＧｅ４重量％、Ｓｉ１重量％、残部が実質的にＡｌであった（Ｍｇは検出不能であった）。
【００６８】
前記複合材の接合界面近傍の電子顕微鏡反射電子線像を撮影した。その結果Ａｌ−Ｇｅの組成を有する濃化領域の他に図５に示す同反射電子線像の写真のように濃化領域が接合界面近傍に形成されていることが確認された。図５の白い領域およびやや白い領域をＥＰＭＡを用いて分析した結果、白い領域はＡｌ−Ｇｅの組成を有す濃化領域であり、やや白い領域はＡｌ−Ｓｉの組成を有す濃化領域であった。どちらの領域も微量ながらＭｇおよびＯも濃化しており、部分的にＡｌ−Ｇｅ−ＭｇおよびＡｌ−Ｓｉ−Ｏの組成を有する濃化領域が存在することが確認された。これらの濃化領域はＳｉ３Ｎ４焼結体２との接合界面から１００μｍの範囲に分布していた。
【００６９】
濃化領域のＧｅ濃度を前述した（ｂ）の方法に基づいて測定した結果、接合部の他の領域に対して２〜５倍の濃度であった。同様に珪素に関しても、濃化領域のＳｉ濃度は接合部の他の領域に対し平均して２倍の濃度であった。また実施例１と同様に空隙率を測定したところ、空隙率は２％以内であった。
【００７０】
このような実施例２では接合部にＡｌ−Ｇｅ、Ａｌ−Ｓｉ、Ａｌ−Ｇｅ―ＭｇおよびＡｌ−Ｓｉ−Ｏの組成を有する濃化領域が形成されるため、低空隙率によって裏づけされたようにＳｉ３Ｎ４焼結体とＡｌ板を高強度で接合された複合材を得ることができる。
（実施例３）
焼結助剤として３重量％のＡｌ２Ｏ３および５重量％のＹ２Ｏ３を含む、３０×３０×０．６ｍｍの板体状のＳｉ３Ｎ４焼結体の両面に、Ａｌ−１２Ｓｉからなる厚さ３０μｍの箔（ろう材）をそれぞれ重ねた。さらに、これらろう材上にＪＩＳ４０００に規定されるＮｏ．Ａ１０５０Ｐである、３０×３０×０．５ｍｍのＡｌ板（接合相手部材）を重ねて、積層物とした。
【００７１】
次いで、前記積層物を真空炉に設置した後、最上段のＡｌ板の上からホットプレスを使用し１ＭＰａの接合面圧を加え、真空炉中のガスを排気して３×１０−２Ｐａの圧力に設定し、５９５℃で１時間加熱することによって複合材を製造した。ＥＤＸの組成分析により濃化領域以外の領域の濃度はＳｉ２重量％、残部が実質的にＡｌであった。
【００７２】
前記複合材の接合界面近傍を、ＥＰＭＡを用いて分析した結果、Ａｌ−Ｓｉの濃化領域が存在することが確認された。
【００７３】
濃化領域のＳｉ濃度を前述した（ｂ）の方法に基づいて測定した結果、接合部の他の領域に対して３倍の濃度であった。この濃化領域はＳｉ３Ｎ４焼結体との接合界面から１００μｍの範囲に分布していた。また実施例１と同様に空隙率を測定したところ、空隙率は２％以内であった。
【００７４】
このような実施例３では接合部にＡｌ−Ｓｉ濃化領域が形成されるため、低空隙率によって裏づけされたようにＳｉ３Ｎ４焼結体とＡｌ板を高強度で接合された複合材を得ることができる。
【００７５】
以上のように説明した実施例１〜３の複合材において、Ａｌ−Ｇｅ、Ａｌ−Ｓｉ、Ａｌ−Ｓｉ−ＯまたはＡｌ−Ｇｅ−Ｍｇの組成を有する濃化領域が形成されることにより、Ｓｉ系セラミックスに対するろう材の濡れ性が高まり、空隙率を低く抑えた良好な接合界面近傍を得ることができた。
【００７６】
さらに実施例２の複合材の接合部では、接合界面近傍にＡｌ−Ｇｅ−ＭｇおよびＡｌ−Ｓｉ−Ｏの組成を有する濃化領域が形成されることで濡れ性が大幅に向上し、重り程度の小さな加圧でも接合することが可能となった。これにより、ホットプレスなど特別な加圧装置を使用することなく複合材の作成が可能となり、製造コストを抑えることができる。加えて、実施例１および２のように接合部にＧｅが含まれることにより、Ｇｅを含まない接合部を用いる場合よりもろう付け温度を下げることが可能となる。温度を下げたことでも、Ａｌ−Ｓｉ−Ｏの濃化領域が十分形成でき、コスト削減の達成ならびに処理可能な製品の範囲を広げることが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００７７】
【図１】本発明に係るＳｉ系セラミックスを有する複合材のを示す部分切欠斜視図。
【図２】本発明に係るＳｉ系セラミックスを有する複合材の製造方法を示す分解斜視図。
【図３】本発明に係るＳｉ系セラミックスを有する複合材の他の製造方法を示す分解斜視図。
【図４】本発明の実施例１に従って製造されたＳｉ系セラミックスを有する複合材の接合界面近傍の、電子顕微鏡反射電子線像の写真。
【図５】本発明の実施例２に従って製造されたＳｉ系セラミックスを有する複合材の接合界面近傍の、電子顕微鏡反射電子線像の写真。
【符号の説明】
【００７８】
１…複合材、２…セラミックス部材、３…接合相手部材、４…接合部、５…接合界面近傍、６…濃化領域。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリコン系セラミックス部材と接合相手部材が、アルミニウムを主成分としゲルマニウムを０．１重量％〜５０重量％含む接合部で接合された複合材であって、
前記接合部は、前記シリコン系セラミックス部材との接合界面近傍に、第１のゲルマニウム濃化領域が形成されていることを特徴とする複合材。
【請求項２】
前記接合部は０．１重量％〜２０重量％の珪素をさらに含み、前記第１のゲルマニウム濃化領域のほかに、前記シリコン系セラミックス部材の接合界面近傍に珪素濃化領域およびゲルマニウム・珪素濃化領域から選ばれる少なくとも１つの第２濃化領域が、さらに形成されていることを特徴とする請求項１記載の複合材。
【請求項３】
前記珪素濃化領域は、珪素−アルミニウム−酸素の組成を有することを特徴とする請求項２記載の複合材。
【請求項４】
前記接合部は０．０５重量％〜５重量％のマグネシウムをさらに含み、前記第１のゲルマニウム濃化領域のほかに、前記シリコン系セラミックス部材の接合界面近傍にマグネシウム濃化領域およびゲルマニウム・マグネシウム濃化領域から選ばれる少なくとも１つの第３濃化領域が、さらに形成されていることを特徴とする請求項１記載の複合材。
【請求項５】
前記接合材は、０．１重量％〜２０重量％の珪素および０．０５重量％〜５重量％のマグネシウムをさらに含み、前記第１のゲルマニウム濃化領域のほかに、前記シリコン系セラミックス部材の接合界面近傍に珪素濃化領域およびゲルマニウム・珪素濃化領域から選ばれる少なくとも一つの第２濃化領域と、マグネシウム濃化領域およびゲルマニウム・マグネシウム濃化領域から選ばれる少なくとも１つの第３濃化領域とが、さらに形成されていることを特徴とする請求項１記載の複合材。
【請求項６】
前記第１のゲルマニウム濃化領域の少なくとも一部は珪素をさらに含有することを特徴とする請求項２または５記載の複合材。
【請求項７】
前記ゲルマニウム・珪素濃化領域は、前記第１のゲルマニウム濃化領域の一部に形成されることを特徴とする請求項項２または５記載の複合材。
【請求項８】
前記第１のゲルマニウム濃化領域の少なくとも一部はマグネシウムをさらに含有することを特徴とする請求項４または５記載の複合材。
【請求項９】
前記ゲルマニウム・マグネシウム濃化領域は、前記第１のゲルマニウム濃化領域の一部に形成されることを特徴とする請求項項４または５記載の複合材。
【請求項１０】
前記ゲルマニウム・珪素濃化領域は、前記第１のゲルマニウム濃化領域の一部に形成され、かつ前記ゲルマニウム・マグネシウム濃化領域は前記第１ゲルマニウム濃化領域の残りの一部に形成されることを特徴とする請求項５記載の複合材。
【請求項１１】
シリコン系セラミックス部材と接合相手部材が、アルミニウムを主成分とし珪素を０．１重量％〜２０重量％含む接合部で接合された複合材であって、
前記接合部は、前記シリコン系セラミックス部材との接合界面近傍に珪素濃化領域が形成されていることを特徴とする複合材。
【請求項１２】
前記シリコン系セラミックスが窒化珪素（Ｓｉ３Ｎ４）であることを特徴とする請求項１ないし１１のいずれか１項記載の複合材。
【請求項１３】
前記接合相手部材はアルミニウムまたはアルミニウム合金であることを特徴とする請求項１ないし１１のいずれか１項記載の複合材。
【請求項１４】
シリコン系セラミックス部材と接合相手部材の間にアルミニウムを主成分としゲルマニウムを０．１重量％〜５０重量％含むろう材を介在し、加熱することにより前記シリコン系セラミックス部材との接合界面近傍にゲルマニウム濃化領域が存在する接合部を前記部材間に形成する工程を含むことを特徴とする複合材の製造方法。
【請求項１】
シリコン系セラミックス部材と接合相手部材が、アルミニウムを主成分としゲルマニウムを０．１重量％〜５０重量％含む接合部で接合された複合材であって、
前記接合部は、前記シリコン系セラミックス部材との接合界面近傍に、第１のゲルマニウム濃化領域が形成されていることを特徴とする複合材。
【請求項２】
前記接合部は０．１重量％〜２０重量％の珪素をさらに含み、前記第１のゲルマニウム濃化領域のほかに、前記シリコン系セラミックス部材の接合界面近傍に珪素濃化領域およびゲルマニウム・珪素濃化領域から選ばれる少なくとも１つの第２濃化領域が、さらに形成されていることを特徴とする請求項１記載の複合材。
【請求項３】
前記珪素濃化領域は、珪素−アルミニウム−酸素の組成を有することを特徴とする請求項２記載の複合材。
【請求項４】
前記接合部は０．０５重量％〜５重量％のマグネシウムをさらに含み、前記第１のゲルマニウム濃化領域のほかに、前記シリコン系セラミックス部材の接合界面近傍にマグネシウム濃化領域およびゲルマニウム・マグネシウム濃化領域から選ばれる少なくとも１つの第３濃化領域が、さらに形成されていることを特徴とする請求項１記載の複合材。
【請求項５】
前記接合材は、０．１重量％〜２０重量％の珪素および０．０５重量％〜５重量％のマグネシウムをさらに含み、前記第１のゲルマニウム濃化領域のほかに、前記シリコン系セラミックス部材の接合界面近傍に珪素濃化領域およびゲルマニウム・珪素濃化領域から選ばれる少なくとも一つの第２濃化領域と、マグネシウム濃化領域およびゲルマニウム・マグネシウム濃化領域から選ばれる少なくとも１つの第３濃化領域とが、さらに形成されていることを特徴とする請求項１記載の複合材。
【請求項６】
前記第１のゲルマニウム濃化領域の少なくとも一部は珪素をさらに含有することを特徴とする請求項２または５記載の複合材。
【請求項７】
前記ゲルマニウム・珪素濃化領域は、前記第１のゲルマニウム濃化領域の一部に形成されることを特徴とする請求項項２または５記載の複合材。
【請求項８】
前記第１のゲルマニウム濃化領域の少なくとも一部はマグネシウムをさらに含有することを特徴とする請求項４または５記載の複合材。
【請求項９】
前記ゲルマニウム・マグネシウム濃化領域は、前記第１のゲルマニウム濃化領域の一部に形成されることを特徴とする請求項項４または５記載の複合材。
【請求項１０】
前記ゲルマニウム・珪素濃化領域は、前記第１のゲルマニウム濃化領域の一部に形成され、かつ前記ゲルマニウム・マグネシウム濃化領域は前記第１ゲルマニウム濃化領域の残りの一部に形成されることを特徴とする請求項５記載の複合材。
【請求項１１】
シリコン系セラミックス部材と接合相手部材が、アルミニウムを主成分とし珪素を０．１重量％〜２０重量％含む接合部で接合された複合材であって、
前記接合部は、前記シリコン系セラミックス部材との接合界面近傍に珪素濃化領域が形成されていることを特徴とする複合材。
【請求項１２】
前記シリコン系セラミックスが窒化珪素（Ｓｉ３Ｎ４）であることを特徴とする請求項１ないし１１のいずれか１項記載の複合材。
【請求項１３】
前記接合相手部材はアルミニウムまたはアルミニウム合金であることを特徴とする請求項１ないし１１のいずれか１項記載の複合材。
【請求項１４】
シリコン系セラミックス部材と接合相手部材の間にアルミニウムを主成分としゲルマニウムを０．１重量％〜５０重量％含むろう材を介在し、加熱することにより前記シリコン系セラミックス部材との接合界面近傍にゲルマニウム濃化領域が存在する接合部を前記部材間に形成する工程を含むことを特徴とする複合材の製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２００６−４５０４０（Ｐ２００６−４５０４０Ａ）
【公開日】平成１８年２月１６日（２００６．２．１６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００４−２３２４８９（Ｐ２００４−２３２４８９）
【出願日】平成１６年８月９日（２００４．８．９）
【出願人】（０００００４６４０）日本発条株式会社 (1,048)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年２月１６日（２００６．２．１６）
【国際特許分類】
【出願日】平成１６年８月９日（２００４．８．９）
【出願人】（０００００４６４０）日本発条株式会社 (1,048)
【Ｆターム（参考）】
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