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CONJUGATION METHOD OF CERAMIC AND METAL AND CONJUGATE OF CERAMIC AND METAL

Patent code P160012822
Posted date Mar 7, 2016
Application number P2016-008656
Publication number P2017-128473A
Patent number P6679101
Date of filing Jan 20, 2016
Date of publication of application Jul 27, 2017
Date of registration Mar 23, 2020
Inventor
  • (In Japanese)渡辺 義見
  • (In Japanese)佐藤 尚
  • (In Japanese)村瀬 匡紀
  • (In Japanese)塚本 英明
Applicant
  • (In Japanese)国立大学法人名古屋工業大学
Title CONJUGATION METHOD OF CERAMIC AND METAL AND CONJUGATE OF CERAMIC AND METAL
Abstract PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a technology for conjugating ceramic and metal by adapting technology of a gradient functional material.
SOLUTION: There is provided a technology for conjugating ceramic and metal via a gradient layer 9 obtained by injecting a molten metal to balk ceramic 1 and a mixed powder 2 consisting of metal particles 3 and ceramic particles 4 in a centrifugal force field or a technology for conjugating AlN and Al via a gradient layer obtained by injecting molten Al to bulk AlN and a mixed powder consisting of Al particles and AlN particles having similar particle diameter in the centrifugal force field and conducting cooling with a furnace cooling, wherein ceramic is AlN and metal is Al.
Outline of related art and contending technology (In Japanese)

家電製品から産業用機器に至るまで、あらゆる電子機器には半導体デバイスが使用されている。電子機器の小型化・機能向上に対する要求は極めて大きく、それに伴い半導体デバイスは集積密度向上、多機能化、高速化、高出力化および高信頼化の方向に急進展し、デバイス内で消費される電力が増大する傾向にある。そこで、半導体デバイスを搭載する基板にも、単に半導体を支持して回路を構成する機能以外にも、多くの厳しい要求が課されるようになっている。基板に求められる要求の中でも、増大する半導体の発熱は故障の原因となるため、いかに放熱するかは特に重要な問題である。そのため、基板に用いられる材料には高熱伝導性が要求される。

基板はセラミックス板に金属回路板や金属放熱板などを接合したものが一般的である。しかし、セラミックスと金属を接合したこれらの基板では、室温から高温への温度変化あるいは高温から室温への室温変化にて、セラミックスと金属との接合界面で剥離が生じるという問題点を有する。これは、セラミックスと金属との熱膨張率の差が大きく、温度変化によって発生する応力がセラミックスと金属との接合強度を上回るためである。

このような剥離を防止するためには、発生する熱応力を特定の接合界面に集中させず、ある領域内において分散させることが必要となる。これを実現する方法として、非特許文献1記載の傾斜機能材料の技術がある。ここで傾斜機能材料とは、例えば金属の組成からセラミックスの組成へと位置ごとに組成を連続的に変化させることにより、位置ごとの熱膨張係数を金属の値からセラミックスの値へと連続的に変化させることを目指した材料概念である。この傾斜機能材料の製造法には、特許文献1記載の溶射法、特許文献2記載の粉末冶金法、特許文献3および4記載の遠心鋳造法などがある。

特許文献5には、母相となる金属粉末と複合化させたいセラミックス粒子粉末が混合している混合粉末を作製し、その混合粉末を遠心力鋳造装置の型に投入して、型を回転させることによって遠心力印加および型の予備加熱を行い、回転中の型へ溶解炉で溶解された金属母材溶湯を流し込むことによって、セラミックス粒子が母相に強固に固定され母相中に均一あるいは傾斜分散された金属/セラミックス粒子複合材料を製造する方法が開示されている。この技術では、位置ごとに組成が変化した傾斜機能材料の製造が可能であり、その一端の組成を金属100%の組成にすることも可能であったが、他端の組成をセラミックス100%の組成にすることは原理的に不可能であった。

また、特許文献6には、密度および/又は粒子径の大きな高速沈降粒子および密度および/又は粒子径の小さな低速沈降粒子を混合することにより、これらの混合粉末を作製し、粉砕した溶融可能な固体を底部に配した入れ物に該混合粉末を投入し、加熱することにより該混合粉末の沈降を生じせしめた後に、十分に液体を除去することにより組成が連続的に傾斜したグリン体を製造し、当該組成傾斜を有するグリン体を焼結することにより、一端が金属、他端がセラミックスとなる傾斜機能材料を製造する方法が開示されている。しかし、この技術では、組成傾斜形成と焼結とを別工程で行っており、製造工程が複雑化し、コスト高に繋がる欠点を有していた。

Field of industrial application (In Japanese)

本発明は、セラミックスと金属とを傾斜機能材料の技術を適応して接合する技術に関する。

Scope of claims (In Japanese)
【請求項1】
 
遠心力印加可能な鋳型内にバルク状セラミックスを設置し、その中にセラミックス粒子と金属粒子とからなる混合粉末を投入し、前記鋳型に遠心力を印加しながら金属溶湯を注し、これにより得られる傾斜層を介して前記バルク状セラミックスと金属とを接合させるバルク状セラミックスと金属の接合材製造法であって、前記接合材は一端において組成傾斜を有しない前記バルク状セラミックスのセラミックスのみの領域、他端においては組成傾斜を有しない前記金属のみの領域を有し、前記傾斜層の厚さおよび前記セラミックス粒子の体積分率は、前記混合粉末の量、前記混合粉末中の前記セラミック粒子の体積分率、前記セラミックス粒子の粒径を調整することで制御でき、前記セラミックスはAlN、前記セラミックス粒子はAlN粒子、前記金属はAl、前記金属粒子はAl粒子であることを特徴とするセラミックスと金属との接合材製造法。

【請求項2】
 
前記Al粒子と前記AlN粒子は同等の粒径を有することを特徴とする請求項1記載のセラミックスと金属との接合材製造法。

【請求項3】
 
遠心力印加可能な鋳型内にバルク状セラミックスを設置し、その中にセラミックス粒子と金属粒子とからなる混合粉末を投入し、真空にした前記鋳型に遠心力を印加しながら金属溶湯を注湯し、冷却を炉冷にて行うことにより得られるセラミックスの体積分率が20%から40%までの間で変化する傾斜層を介して前記バルク状セラミックスと金属とを接合させるバルク状セラミックスと金属の接合材製造法であって、前記接合材は一端において組成傾斜を有しない前記バルク状セラミックスのセラミックスのみの領域、他端においては組成傾斜を有しない前記金属のみの領域を有し、前記傾斜層の厚さおよび前記セラミックス粒子の体積分率は、前記混合粉末の量、前記混合粉末中の前記セラミック粒子の体積分率、前記セラミックス粒子の粒径を調整することで制御でき、前記セラミックスはAlN、前記セラミックス粒子はAlN粒子、前記金属はAl、前記金属粒子はAl粒子であることを特徴とするセラミックスと金属との接合材製造法

【請求項4】
 
前記AlN粒子の粒径は75-150μmあるいは150-212μmであることを特徴とする請求項1~3の何れか1項記載のセラミックスと金属との接合材製造法
IPC(International Patent Classification)
F-term
Drawing

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JP2016008656thum.jpg
State of application right Registered
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