JP4108505B2

JP4108505B2 - Bonding method of carbon-based copper composite and ceramics or copper

Info

Publication number: JP4108505B2
Application number: JP2003049030A
Authority: JP
Inventors: 有利菅谷; 次男増田; 崇加藤; 弘幸山岸; 正巳小倉
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2003-02-26
Filing date: 2003-02-26
Publication date: 2008-06-25
Anticipated expiration: 2023-02-26
Also published as: JP2004255416A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は炭素基銅複合材とセラミックスとの接合方法又は炭素基銅複合材と銅との接合方法の改良に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ある種のパワーモジュール（特にそれのヒートシンク）に、炭素部材とセラミックス又は金属を接合して一体化した構造のものが実用化されている。このときの接合、一体化が異種材料同士の場合に問題となる。
【０００３】
例えば、ボルトで一体化した場合には、ボルトから離れた部位に隙間が発生しやすく、高い密着性が得られない。
ろう付けや半田付けで一体化しようとすると、ろうや半田が炭素部材やセラミックス又は金属から剥がれやすい。すなわち、炭素部材はろう材や半田と濡れ性が悪く、接合性が悪い。また、セラミックス又は金属の表面に薄い酸化物膜が存在し、この酸化物膜がろうや半田との濡れ性が悪く、接合を阻害する。
【０００４】
以上のボルト締めやろう付け法によらぬ接合方法が各種提案されてきた。
すなわち、ろう材を使用せずにＴｉにより接合する技術が提案されている（例えば、特許文献１。）。
また、ろう材を使用せずにＴｉ及び水素ガスの使用により接合する技術が提案されている（例えば、特許文献２。）。
【０００５】
【特許文献１】
特開平９−２０８３３５号公報（請求項９）
【特許文献２】
特開昭５９−１３７３７３公報（特許請求の範囲第９項、第１１項）
【０００６】
特許文献１の請求項９に「炭素部材の表面に予めＴｉ膜を形成する工程と、次に前記Ｔｉ膜の表面にＣｕとＭｎ又はＣｕとＰを主成分とする組成物を配置する工程と、次にこれを非酸化性雰囲気中で前記組成物の融点以上に加熱する工程によって前記炭素部材の表面に金属化膜を形成することを特徴とする炭素部材の複合化方法。」との記載がある。
【０００７】
特許文献２の特許請求の範囲第９項に「接合するときの加熱雰囲気は、Ｈ_２ガス中・・・以下省略」との記載がある。
また、特許文献２の特許請求の範囲第１１項に「接合するときの加熱雰囲気は、Ｎ_２ガス中・・・以下省略」との記載がある。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
特許文献１に記載されたＴｉは、炭素部材のＣと反応してＴｉＣになり、良好な接合性を発揮することが知られている。
しかし、本発明者らの研究では、Ｔｉの表面に薄い酸化物膜が存在する。この酸化物膜はＣとＴｉとの接触を妨害する。その為に、Ｃ＋Ｔｉの反応が不活発になり、接合不良を引き起こすことが分かった。
【０００９】
この点、特許文献２に記載のＨ_２ガスは還元性に富み、酸化物膜を破壊して、Ｃ＋Ｔｉの反応を促す作用をなす。
しかし、Ｈ_２ガスは高価であり、また、爆発しやすいガスであるため、その管理コストが嵩む。
【００１０】
また、本発明者らの研究では特許文献２に記載のＮ_２ガスはＴｉと反応してＴｉＮを生成し、このＴｉＮがＣとＴｉとの接触を妨害し、接合不良を引き起こすことが分かった。
【００１１】
そこで、本発明の目的は低コストで且つ接着性を高めることのできる炭素基銅複合材とセラミックスとの接合方法又は炭素基銅複合材と銅との接合方法を提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために請求項１は、炭素基銅複合材とセラミックスとの接合方法又は炭素基銅複合材と銅との接合方法において、炭素基銅複合材とセラミックスとの間又は炭素基銅複合材と銅との間に、ＣｕＴｉ合金箔及びこのＣｕＴｉ合金箔の両面に沿わせたＭｇ粉末からなる接合材を介在させ、この多層体を窒素ガス雰囲気下で前記接合材の融点以上の温度に加熱し、生成したＭｇ_３Ｎ_２で炭素基銅複合材の銅表面やセラミックス又は銅表面の酸化物膜を還元し、Ｔｉと炭素との結合を促して炭素基銅複合材とセラミックス又は銅を接合することを特徴とする。
【００１３】
接合材にＴｉのみならずＭｇを加えたことを特徴とする。Ｍｇ（固体）は加熱すると昇華してＭｇ（ガス）になり、雰囲気の窒素と結合してＭｇ_３Ｎ_２になる。このＭｇ_３Ｎ_２は、標準生成エネルギーの観点からＴｉＮより安定する。この結果、ＴｉＮの生成を抑えることができる。
【００１４】
加えて、Ｍｇ_３Ｎ_２は強い還元作用を発揮し、炭素基銅複合材の銅表面やセラミックス又は銅表面の酸化物膜を還元し、除去する。酸化物膜が除去されて濡れ性の増したセラミックス又は銅に、ＴｉＮ化しないＴｉが良好に浸透し、ＴｉＣなどが生成できるため、接着性を格段に高めることができる。
【００１５】
加熱雰囲気は、窒素であり、窒素は安価であり、爆発の危険もない。従って、本発明によれば、接合に要するコストを大幅に下げることができる。
【００１６】
請求項２では、炭素基銅複合材とセラミックスとの接合方法又は炭素基銅複合材と銅との接合方法において、炭素基銅複合材とセラミックスとの間又は炭素基銅複合材と銅との間に、Ｃｕ粉末とＴｉ粉末とＭｇ粉末との金属粉末混合物又はＣｕＴｉＭｇ合金箔からなる接合材を介在させ、この多層体を窒素ガス雰囲気下で前記接合材の融点以上の温度に加熱し、生成したＭｇ_３Ｎ_２で炭素基銅複合材の銅表面やセラミックス又は銅表面の酸化物膜を還元し、Ｔｉと炭素との結合を促して炭素基銅複合材とセラミックス又は銅を接合することを特徴とする。
ＣｕＴｉＭｇ合金箔は取扱いの点で最良である。
【００１７】
請求項３では、融点以上の温度は、８８５℃〜１０８３℃であることを特徴とする。
Ｃｕ組成が８０％を超えるＴｉ系銅合金の融点は８８５℃であるので、加熱温度が８８５℃未満では接合材の溶融が不十分となり接着不良が起こる。また、加熱温度が１０８３℃を超えると、炭素基銅複合材から銅が流れ出し、製品品質が低下する。
接着不良を回避すると共に製品品質を良好に保つために、加熱温度は８８５℃〜１０８３℃の範囲に留める。
【００１８】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態を添付図に基づいて以下に説明する。
図１（ａ）〜（ｄ）は本発明での材料準備からるつぼ充填までの作用説明図（第１実施例）である。
（ａ）において、セラミックスとしてのＳｉ_３Ｎ_４板１１と、接合材を構成するためのＭｇ粉末１２と、接合材を構成するためのＣｕＴｉ合金箔１３と、炭素基銅複合材１４とからなる出発材料を準備する。炭素基銅複合材１４は、図面ではＣ／Ｃｕと表記する。
【００１９】
ＣｕＴｉ合金箔１３は、例えば８０μｍの板を用いる。ＣｕＴｉ合金箔１３は厚すぎると熱伝導が悪くなり、ヒートシンク等の接合としては好ましくない。従って、厚さは製造が可能であれば、より薄くすることが望ましい。
ＣｕＴｉ合金箔１３は、例えばＴｉが３質量％で残りがＣｕの合金を用いる。
【００２０】
（ｂ）において、るつぼ１５に、先ずＳｉ_３Ｎ_４板１１を置き、このＳｉ_３Ｎ_４板１１に１０ｍｇ／ｃｍ^２の割合でＭｇ粉末１２を載せる。１０ｍｇ／ｃｍ^２は、５〜２０ｍｇ／ｃｍ^２の範囲から選択することができる。５ｍｇ／ｃｍ^２未満では還元作用が弱くなり、２０ｍｇ／ｃｍ^２を超えるとＭｇの溶融が多くなりすぎる。
【００２１】
（ｃ）において、ＣｕＴｉ合金箔１３を載せ、このＣｕＴｉ合金箔１３に１０ｍｇ／ｃｍ^２の割合でＭｇ粉末１２を載せる。
【００２２】
（ｄ）において、炭素基銅複合材１４を載せる。これで、るつぼ１５への充填が完了する。さらには、炭素基銅複合材１４に別のセラミックス製ウエイト（図示せず。）を載せ、１ｋｇ／ｃｍ^２程度の押し圧を付与することが望ましい。接合をより確実にすることができるからである。
【００２３】
図２は本発明での加熱要領図（第１実施例）であり、加熱手段２１や窒素ガス吹込み手段２２やガス抜き手段２３を備えた加熱炉２０に、るつぼ１５を装入する。そして、炉内の空気を窒素ガスに置換して、窒素ガス雰囲気にする。次に、加熱手段２１にて炉内を９００℃まで加熱し、９００℃に保持する。
【００２４】
９００℃は、８８５〜１０８３℃の範囲で変更することが可能である。Ｃｕ組成が８０％を超えるＴｉ系銅合金の融点は８８５℃であるので、加熱温度が８８５℃未満では接合材の溶融が不十分となり接着不良が起こる。また、加熱温度が１０８３℃を超えると、炭素基銅複合材から銅が流れ出し、製品品質が低下する。
上記加熱により加熱炉２０内及びるつぼ１５内で次の反応が起こる。
【００２５】
【化１】

【００２６】
▲１▼式に示すとおりに、Ｍｇ粉末１２が、昇華してＭｇ（ガス）となる。すると、▲２▼式に示すとおりに、Ｍｇが雰囲気のＮ_２と反応してＭｇ_３Ｎ_２が生成する。このＭｇ_３Ｎ_２は強い還元作用を発揮する。
【００２７】
ＣｕＴｉ合金箔１３に含まれるＴｉが雰囲気のＮ_２と反応するか否かを検討する。前記Ｍｇ_３Ｎ_２は、標準生成エネルギーの観点からＴｉＮより安定する。不安定なＴｉＮは仮に生成したとしてもその形で存在することはない。そのため安定したＭｇ_３Ｎ_２が主として生成し、不安定なＴｉＮは実質的に生成しない。Ｔｉの形で存在すれば、Ｔｉは濡れ性促進剤としての役割を果たす。
【００２８】
ところで、図１（ａ）において、セラミックスとしてのＳｉ_３Ｎ_４板１１には表面に酸化物膜としてのＳｉＯ_２が存在する。
ＣｕＴｉ合金箔１３には、表面に酸化物膜としてのＴｉＯ_２及び／又はＣｕＯ（酸化第２銅）が存在する。
炭素基銅複合材１４の銅表面には、ＣｕＯ（酸化第２銅）が存在すると、考えられる。
【００２９】
以上の酸化物膜ＳｉＯ_２、ＴｉＯ_２、ＣｕＯは次の反応（Ｍｇ_３Ｎ_２による還元反応）により、Ｓｉ、Ｔｉ、Ｃｕに変化し、実質的に酸化物膜が除去される。
【００３０】
【化２】

【００３１】
すなわち、▲３▼式により酸化物膜ＳｉＯ_２が除去され、▲４▼式により酸化物膜ＴｉＯ_２が除去され、▲５▼式により酸化物膜ＣｕＯが除去される。これで、Ｓｉ_３Ｎ_４板１１及び炭素基銅複合材１４は溶融金属（溶融接合材）との濡れ性が高まる。
【００３２】
９００℃の加熱により、溶融金属（溶融接合材）はＳｉ_３Ｎ_４板１１及び炭素基銅複合材１４に浸透し、良好な接着が行える。特に接着が困難な炭素基銅複合材１４においては、ＴｉＣの生成により結合力を高めることができる。
【００３３】
図３は本発明方法で製造した接合体の断面図（第１実施例）であり、接合体２５は、Ｓｉ_３Ｎ_４板１１と、ＣｕＴｉ合金箔１３と、炭素基銅複合材１４とからなるが、炭素基銅複合材１４はＣｕＴｉ合金箔１３を介してＳｉ_３Ｎ_４板１１に強固に接合できた接合物である。
【００３４】
図１において、セラミックスとしてのＳｉ_３Ｎ_４板１１は、ＳｉＮ、ＳｉＯ_２や、ＡｌＮ、Ａｌ_２Ｏ_３やＴｉＣであってもよい。その理由は次の通りである。Ｓｉ_３Ｎ_４、ＳｉＯ_２での酸化物膜はＳｉＯ_２であり、上記▲３▼式により還元できる。ＡｌＮ、Ａｌ_２Ｏ_３での酸化物膜はＡｌ_２Ｏ_３であり、同様にＭｇ_３Ｎ_２での還元が可能である。ＴｉＣでの酸化物膜はＴｉＯ_２であり、上記▲４▼式により還元できる。
すなわち、セラミックスは酸化物、窒化物、炭化物、硼化物など何れでもよい。
【００３５】
以上に説明した第１実施例の別実施例を次に説明する。別実施例としての第２実施例は、前記第１実施例と重複する部分が多いが、正確を期すために詳しく説明する。
図４（ａ）〜（ｄ）は本発明での材料準備からるつぼ充填までの作用説明図（第２実施例）である。
（ａ）において、銅板２６と、接合材を構成するためのＭｇ粉末１２及びＣｕＴｉ合金箔１３と、炭素基銅複合材１４とからなる出発材料を準備する。
【００３６】
ＣｕＴｉ合金箔１３は、例えば８０μｍの板を用いる。
ＣｕＴｉ合金箔１３は、例えばＴｉ３質量％で残りがＣｕの合金を用いる。
【００３７】
（ｂ）において、るつぼ１５に、先ず銅板２６を置き、この銅板２６に１０ｍｇ／ｃｍ^２の割合でＭｇ粉末１２を載せる。
（ｃ）において、ＣｕＴｉ合金箔１３を載せ、このＣｕＴｉ合金箔１３に１０ｍｇ／ｃｍ^２の割合でＭｇ粉末１２を載せる。
（ｄ）において、炭素基銅複合材１４を載せる。これで、るつぼ１５への充填が完了する。
【００３８】
図５は本発明での加熱要領図（第２実施例）であり、加熱手段２１や窒素ガス吹込み手段２２やガス抜き手段２３を備えた加熱炉２０に、るつぼ１５を装入する。そして、炉内の空気を窒素ガスに置換して、窒素ガス雰囲気にする。次に、加熱手段２１にて炉内を９００℃まで加熱し、９００℃に保持する。
【００３９】
上記加熱により加熱炉２０内及びるつぼ１５内で次の反応が起こる。
【００４０】
【化３】

【００４１】
▲６▼式に示すとおりに、Ｍｇ粉末１２が、昇華してＭｇ（ガス）となる。すると、▲７▼式に示すとおりに、Ｍｇが雰囲気のＮ_２と反応してＭｇ_３Ｎ_２が生成する。このＭｇ_３Ｎ_２は強い還元作用を発揮する。
【００４２】
ところで、図４（ａ）において、銅板２６には表面に酸化物膜としてのＣｕＯが存在する。
ＣｕＴｉ合金箔１３には、表面に酸化物膜としてのＴｉＯ_２及び／又はＣｕＯが存在する。
炭素基銅複合材１４の銅表面には、ＣｕＯが存在すると、考えられる。
【００４３】
以上の酸化物膜ＴｉＯ_２、ＣｕＯは次の反応（Ｍｇ_３Ｎ_２による還元反応）により、Ｔｉ、Ｃｕに変化し、実質的に酸化物膜が除去される。
【００４４】
【化４】

【００４５】
すなわち、▲８▼式により酸化物膜ＴｉＯ_２が除去され、▲９▼式により酸化物膜ＣｕＯが除去される。これで、銅板２６及び炭素基銅複合材１４は溶融金属との濡れ性が高まる。
【００４６】
９００℃での加熱により、溶融金属（溶融接合材）はＳｉ_３Ｎ_４板１１及び炭素基銅複合材１４に浸透し、良好な接着が行える。特に接着が困難な炭素基銅複合材１４においては、ＴｉＣの生成により結合力を高めることができる。
【００４７】
図６は本発明方法で製造した接合体の断面図（第２実施例）であり、接合体２７は、銅板２６と、炭素基銅複合材１４とからなる。図５に示したＣｕＴｉ合金箔１３は銅板２６と一体化するために実質的に２層になった。炭素基銅複合材１４は一体化したＣｕＴｉ合金箔１３を介して銅板２６に強固に接合できた接合物である。
【００４８】
尚、実施例では、接合材としてＣｕＴｉ合金箔にＭｇ粉末を組合わせたが接合材はＣｕＴｉＭｇ合金箔であってもよい。又は接合材はＣｕ粉末＋Ｔｉ粉末＋Ｍｇ粉末からなる金属粉末混合物に置換えることもできる。
ＣｕＴｉＭｇ合金箔は取扱いの点で最良である。ＣｕＴｉ合金箔にＭｇ粉末を組合わせたものは、Ｍｇ粉末が入手容易である点からコストダウンに好適である。
【００４９】
【発明の効果】
本発明は上記構成により次の効果を発揮する。
請求項１は、接合材にＴｉのみならずＭｇを加えたことを特徴とする。Ｍｇ（固体）は加熱すると昇華してＭｇ（ガス）になり、雰囲気の窒素と結合してＭｇ_３Ｎ_２になる。このＭｇ_３Ｎ_２は、標準生成エネルギーの観点からＴｉＮより安定する。この結果、ＴｉＮの生成を抑えることができる。
【００５０】
加えて、Ｍｇ_３Ｎ_２は強い還元作用を発揮し、炭素基銅複合材の銅表面やセラミックス又は銅表面の酸化物膜を還元し、除去する。酸化物膜が除去されて濡れ性の増したセラミックス又は銅に、ＴｉＮ化しないＴｉが良好に浸透し、ＴｉＣなどが生成できるため、接着性を格段に高めることができる。
【００５１】
加熱雰囲気は、窒素であり、窒素は安価であり、爆発の危険もない。従って、本発明によれば、接合に要するコストを大幅に下げることができる。
従って、請求項１によれば、低コストで且つ接着性を高めることのできる炭素基銅複合材とセラミックスとの接合方法又は炭素基銅複合材と銅との接合方法を提供することができる。
【００５２】
請求項２では、接合材は、Ｔｉを含む銅合金箔と、この箔の両面に配置したＭｇ又はＭｇ合金と、からなることを特徴とする。Ｔｉを含む銅合金箔は、入手容易であり且つ粉末に比較して取扱いが容易である。従って、請求項２によれば、接合に要するコストを更に下げることができる。
【００５３】
請求項３では、融点以上の温度は、８８５℃〜１０８３℃であることを特徴とする。加熱温度が８８５℃未満では接合材の溶融が不十分となり接着不良が起こる。また、加熱温度が１０８３℃を超えると、炭素基銅複合材から銅が流れ出し、製品品質が低下する。
接着不良を回避すると共に製品品質を良好に保つために、加熱温度は８８５℃〜１０８３℃の範囲に留める。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明での材料準備からるつぼ充填までの作用説明図（第１実施例）
【図２】本発明での加熱要領図（第１実施例）
【図３】本発明方法で製造した接合体の断面図（第１実施例）
【図４】本発明での材料準備からるつぼ充填までの作用説明図（第２実施例）
【図５】本発明での加熱要領図（第２実施例）
【図６】本発明方法で製造した接合体の断面図（第２実施例）
【符号の説明】
１１…セラミックスとしてのＳｉ_３Ｎ_４板、１２…接合材を構成するためのＭｇ粉末、１３…接合材を構成するためのＣｕＴｉ合金箔、１４…炭素基銅複合材、２０…加熱炉、２１…加熱手段、２２…窒素ガス吹込み手段、２５、２７…接合体、２６…銅板。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an improvement in a method for joining a carbon-based copper composite material and ceramics or a method for joining a carbon-based copper composite material and copper.
[0002]
[Prior art]
A structure in which a carbon member and ceramics or metal are joined and integrated with a certain type of power module (especially a heat sink thereof) has been put into practical use. When joining and integration at this time are different materials, there is a problem.
[0003]
For example, when integrated with a bolt, a gap is likely to occur at a site away from the bolt, and high adhesion cannot be obtained.
If integration is performed by brazing or soldering, the brazing or solder is easily peeled off from the carbon member, ceramics or metal. That is, the carbon member has poor wettability with the brazing material and solder, and the bondability is poor. In addition, a thin oxide film exists on the surface of ceramics or metal, and this oxide film has poor wettability with solder and solder, thereby inhibiting bonding.
[0004]
Various joining methods not based on the above bolting and brazing methods have been proposed.
That is, a technique for joining by Ti without using a brazing material has been proposed (for example, Patent Document 1).
Further, a technique for joining by using Ti and hydrogen gas without using a brazing material has been proposed (for example, Patent Document 2).
[0005]
[Patent Document 1]
JP-A-9-208335 (Claim 9)
[Patent Document 2]
JP 59-137373 A (Claims 9 and 11)
[0006]
Claim 9 of Patent Document 1 states that “a step of forming a Ti film in advance on the surface of the carbon member, and a step of arranging a composition containing Cu and Mn or Cu and P as main components on the surface of the Ti film. Next, a method of combining carbon members, wherein a metallized film is formed on the surface of the carbon member by a step of heating it to the melting point of the composition or higher in a non-oxidizing atmosphere. There is.
[0007]
Section 9 claims of Patent Document 2 "heating atmosphere when joined, H ₂ gas ... omitted hereinafter" there is a description of the.
Further, in claim 11 of Patent Document 2, there is a description that “the heating atmosphere when bonding is in N ₂ gas...
[0008]
[Problems to be solved by the invention]
It is known that Ti described in Patent Document 1 reacts with C of the carbon member to become TiC and exhibits good bonding properties.
However, in our study, a thin oxide film exists on the surface of Ti. This oxide film obstructs the contact between C and Ti. For this reason, it has been found that the reaction of C + Ti becomes inactive and causes bonding failure.
[0009]
In this regard, H ₂ gas described in Patent Document 2 is rich in reducing, an action which destroys the oxide film, promote the reaction of C + Ti.
However, since H ₂ gas is expensive and easily explodes, its management cost increases.
[0010]
In addition, in the study by the present inventors, it was found that the N ₂ gas described in Patent Document 2 reacts with Ti to generate TiN, and this TiN obstructs the contact between C and Ti and causes poor bonding. .
[0011]
SUMMARY OF THE INVENTION Accordingly, an object of the present invention is to provide a method for joining a carbon-based copper composite material and ceramics or a method for joining a carbon-based copper composite material and copper, which can increase adhesion at low cost.
[0012]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, claim 1 is a method for joining a carbon-based copper composite material and ceramics or a method for joining a carbon-based copper composite material and copper. between the copper composite material and copper, is interposed junction material made of Mg powder along a side of CuTi alloy foil and the CuTi alloy foil, the bonding material above the melting point of the multilayer body in an atmosphere of nitrogen gas The copper surface and ceramics of the carbon-based copper composite material or the oxide film on the copper surface is reduced with the generated Mg ₃ N ₂ to promote bonding between Ti and carbon, and the carbon-based copper composite material and ceramic material Alternatively, copper is bonded.
[0013]
In addition to Ti, Mg is added to the bonding material. When Mg (solid) is heated, it sublimes to become Mg (gas), and combines with nitrogen in the atmosphere to become Mg ₃ N ₂ . This Mg ₃ N ₂ is more stable than TiN from the viewpoint of standard generation energy. As a result, the generation of TiN can be suppressed.
[0014]
In addition, Mg ₃ N ₂ exhibits a strong reducing action, and reduces and removes the copper surface of the carbon-based copper composite material, the ceramics, or the oxide film on the copper surface. Ti that does not become TiN penetrates well into ceramics or copper having improved wettability after the oxide film is removed, and TiC and the like can be generated, so that the adhesion can be remarkably improved.
[0015]
The heating atmosphere is nitrogen, which is inexpensive and has no danger of explosion. Therefore, according to the present invention, the cost required for joining can be significantly reduced.
[0016]
In Claim 2, in the joining method of a carbon base copper composite material and ceramics, or the joining method of a carbon base copper composite material and copper, between a carbon base copper composite material and ceramics, or between a carbon base copper composite material and copper. A metal powder mixture of Cu powder, Ti powder, and Mg powder or a bonding material made of CuTiMg alloy foil is interposed therebetween, and this multilayer body is heated to a temperature equal to or higher than the melting point of the bonding material in a nitrogen gas atmosphere. and oxide film reduction of the Mg ₃ N ₂ at the copper surface and a ceramic or copper surface of the carbon Motodo composite encourage a bond between Ti and carbon joining the carbon Motodo composite material and the ceramic or copper Features.
CuTiMg alloy foil is best in terms of handling.
[0017]
According to a third aspect of the present invention, the temperature above the melting point is 885 ° C to 1083 ° C.
Since the melting point of the Ti-based copper alloy having a Cu composition exceeding 80% is 885 ° C., if the heating temperature is less than 885 ° C., the bonding material is insufficiently melted and adhesion failure occurs. Moreover, when heating temperature exceeds 1083 degreeC, copper will flow out from a carbon-based copper composite material, and product quality will fall.
The heating temperature is kept in the range of 885 ° C. to 1083 ° C. in order to avoid poor adhesion and keep the product quality good.
[0018]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the accompanying drawings.
FIGS. 1A to 1D are explanatory views of operation from the material preparation to the crucible filling in the present invention (first embodiment).
(A), the the _Si 3 _{N 4} plate 11 as ceramics, and Mg powder 12 for forming the bonding material, a CuTi alloy foil 13 for forming the bonding material, made of carbon Motodo composite material 14. Prepare starting materials. The carbon-based copper composite material 14 is expressed as C / Cu in the drawings.
[0019]
For the CuTi alloy foil 13, for example, an 80 μm plate is used. If the CuTi alloy foil 13 is too thick, the heat conduction deteriorates, which is not preferable for joining a heat sink or the like. Therefore, it is desirable to make the thickness thinner if manufacturing is possible.
For the CuTi alloy foil 13, for example, an alloy of 3 mass% Ti and the remainder Cu is used.
[0020]
(B), the crucible 15 is first placed a _Si 3 _{N 4} plate 11, placing the Mg powder 12 in the _Si 3 _{N 4} plate 11 at a rate of 10 mg / cm ^2. 10 mg / cm ² may be selected from the range of 5 to 20 mg / cm ^2. If it is less than 5 mg / cm ² , the reducing action becomes weak, and if it exceeds 20 mg / cm ² , the Mg melts too much.
[0021]
In (c), the CuTi alloy foil 13 is placed, and the Mg powder 12 is placed on the CuTi alloy foil 13 at a rate of 10 mg / cm ² .
[0022]
In (d), the carbon-based copper composite material 14 is placed. This completes the filling of the crucible 15. Furthermore, it is desirable to place another ceramic weight (not shown) on the carbon-based copper composite material 14 and apply a pressing pressure of about 1 kg / cm ² . It is because joining can be made more reliable.
[0023]
FIG. 2 is a heating procedure diagram according to the present invention (first embodiment). A crucible 15 is charged into a heating furnace 20 provided with a heating means 21, a nitrogen gas blowing means 22 and a degassing means 23. And the air in a furnace is substituted by nitrogen gas, and it is set as nitrogen gas atmosphere. Next, the inside of the furnace is heated to 900 ° C. by the heating means 21 and maintained at 900 ° C.
[0024]
900 ° C. can be changed within a range of 885 to 1083 ° C. Since the melting point of the Ti-based copper alloy having a Cu composition exceeding 80% is 885 ° C., if the heating temperature is less than 885 ° C., the bonding material is insufficiently melted and adhesion failure occurs. Moreover, when heating temperature exceeds 1083 degreeC, copper will flow out from a carbon-based copper composite material, and product quality will fall.
The following reaction occurs in the heating furnace 20 and the crucible 15 by the heating.
[0025]
[Chemical 1]

[0026]
As shown in the formula (1), the Mg powder 12 is sublimated to become Mg (gas). Then, as shown in the formula (2), Mg reacts with N _{2 in the} atmosphere to produce Mg ₃ N ₂ . This Mg ₃ N ₂ exhibits a strong reducing action.
[0027]
It will be examined whether Ti contained in the CuTi alloy foil 13 reacts with N _{2 in the} atmosphere. The _Mg 3 _{N 2} is more stable than TiN in terms of standard formation energy. Even if unstable TiN is produced, it does not exist in that form. Therefore, stable Mg ₃ N ₂ is mainly generated, and unstable TiN is not substantially generated. If present in the form of Ti, Ti serves as a wettability promoter.
[0028]
Incidentally, in FIG. 1 (a), the SiO ₂ as an oxide film on the surface is present in _Si 3 _{N 4} plate 11 as ceramics.
The CuTi alloy foil 13 has TiO ₂ and / or CuO (cupric oxide) as an oxide film on the surface.
It is considered that CuO (cupric oxide) is present on the copper surface of the carbon-based copper composite material 14.
[0029]
The oxide films SiO ₂ , TiO ₂ , and CuO are changed to Si, Ti, and Cu by the next reaction (reduction reaction by Mg ₃ N ₂ ), and the oxide film is substantially removed.
[0030]
[Chemical 2]

[0031]
That is, the oxide film SiO ₂ is removed by the expression (3), the oxide film TiO ₂ is removed by the expression (4), and the oxide film CuO is removed by the expression (5). Thus, the wettability of the Si ₃ N ₄ plate 11 and the carbon-based copper composite material 14 with the molten metal (molten bonding material) is increased.
[0032]
By heating at 900 ° C., the molten metal (molten bonding material) penetrates into the Si ₃ N ₄ plate 11 and the carbon-based copper composite material 14, and good bonding can be performed. In particular, in the carbon-based copper composite material 14 that is difficult to bond, the bonding force can be increased by the generation of TiC.
[0033]
FIG. 3 is a cross-sectional view (first embodiment) of the joined body manufactured by the method of the present invention. The joined body 25 is composed of the Si ₃ N ₄ plate 11, the CuTi alloy foil 13, and the carbon-based copper composite material 14. However, the carbon-based copper composite material 14 is a bonded product that can be firmly bonded to the Si ₃ N ₄ plate 11 via the CuTi alloy foil 13.
[0034]
In Figure 1, _Si 3 _{N 4} plate 11 as ceramics, SiN, SiO ₂ or, AlN, may be as _Al 2 _{O 3} and TiC. The reason is as follows. The oxide film of Si ₃ N ₄ and SiO ₂ is SiO ₂ and can be reduced by the above formula (3). AlN, oxides films with _Al 2 _{O 3} is is _Al 2 _{O 3,} it is possible to reduction with similarly _Mg 3 _{N 2.} The oxide film of TiC is TiO ₂ and can be reduced by the above formula (4).
That is, the ceramic may be any oxide, nitride, carbide, boride and the like.
[0035]
Another embodiment of the first embodiment described above will be described next. The second embodiment as another embodiment has many portions overlapping with the first embodiment, but will be described in detail for the sake of accuracy.
FIGS. 4A to 4D are operation explanatory views (second embodiment) from material preparation to crucible filling in the present invention.
In (a), the starting material which consists of the copper plate 26, Mg powder 12 and CuTi alloy foil 13 for comprising a joining material, and the carbon-based copper composite material 14 is prepared.
[0036]
For the CuTi alloy foil 13, for example, an 80 μm plate is used.
For the CuTi alloy foil 13, for example, an alloy of 3 mass% Ti and the remainder Cu is used.
[0037]
In (b), the copper plate 26 is first placed in the crucible 15, and the Mg powder 12 is placed on the copper plate 26 at a rate of 10 mg / cm ² .
In (c), the CuTi alloy foil 13 is placed, and the Mg powder 12 is placed on the CuTi alloy foil 13 at a rate of 10 mg / cm ² .
In (d), the carbon-based copper composite material 14 is placed. This completes the filling of the crucible 15.
[0038]
FIG. 5 is a heating procedure diagram according to the present invention (second embodiment). A crucible 15 is charged into a heating furnace 20 provided with a heating means 21, a nitrogen gas blowing means 22 and a degassing means 23. And the air in a furnace is substituted by nitrogen gas, and it is set as nitrogen gas atmosphere. Next, the inside of the furnace is heated to 900 ° C. by the heating means 21 and maintained at 900 ° C.
[0039]
The following reaction occurs in the heating furnace 20 and the crucible 15 by the heating.
[0040]
[Chemical 3]

[0041]
As shown in the formula (6), the Mg powder 12 is sublimated to become Mg (gas). Then, as shown in the formula (7), Mg reacts with N _{2 in the} atmosphere to produce Mg ₃ N ₂ . This Mg ₃ N ₂ exhibits a strong reducing action.
[0042]
Incidentally, in FIG. 4A, CuO as an oxide film exists on the surface of the copper plate 26.
The CuTi alloy foil 13 has TiO ₂ and / or CuO as an oxide film on the surface.
It is considered that CuO exists on the copper surface of the carbon-based copper composite material 14.
[0043]
The oxide films TiO ₂ and CuO are changed to Ti and Cu by the next reaction (reduction reaction by Mg ₃ N ₂ ), and the oxide film is substantially removed.
[0044]
[Formula 4]

[0045]
That, ▲ 8 ▼ oxide film TiO ₂ is removed by the equation, the oxide film CuO is removed by ▲ 9 ▼ expression. Thereby, the wettability with the molten metal of the copper plate 26 and the carbon-based copper composite material 14 is increased.
[0046]
By heating at 900 ° C., the molten metal (melt bonding material) penetrates into the Si ₃ N ₄ plate 11 and the carbon-based copper composite material 14 and can be bonded well. In particular, in the carbon-based copper composite material 14 that is difficult to bond, the bonding force can be increased by the generation of TiC.
[0047]
FIG. 6 is a cross-sectional view (second embodiment) of the joined body manufactured by the method of the present invention. The joined body 27 includes a copper plate 26 and a carbon-based copper composite material 14. The CuTi alloy foil 13 shown in FIG. 5 has substantially two layers in order to be integrated with the copper plate 26. The carbon-based copper composite material 14 is a bonded product that can be firmly bonded to the copper plate 26 via the integrated CuTi alloy foil 13.
[0048]
In the embodiment, although a combination of Mg powder CuTi alloy foil bonding material as the bonding material may be CuTiMg alloy foil. Alternatively, the bonding material can be replaced with a metal powder mixture made of Cu powder + Ti powder + Mg powder.
CuTiMg alloy foil is best in terms of handling. A combination of Mg powder and CuTi alloy foil is suitable for cost reduction because Mg powder is easily available.
[0049]
【The invention's effect】
The present invention exhibits the following effects by the above configuration.
The first aspect is characterized in that not only Ti but also Mg is added to the bonding material. When Mg (solid) is heated, it sublimes to become Mg (gas), and combines with nitrogen in the atmosphere to become Mg ₃ N ₂ . This Mg ₃ N ₂ is more stable than TiN from the viewpoint of standard generation energy. As a result, the generation of TiN can be suppressed.
[0050]
In addition, Mg ₃ N ₂ exhibits a strong reducing action, and reduces and removes the copper surface of the carbon-based copper composite material, the ceramics, or the oxide film on the copper surface. Ti that does not become TiN penetrates well into ceramics or copper having improved wettability after the oxide film is removed, and TiC and the like can be generated, so that the adhesion can be remarkably improved.
[0051]
The heating atmosphere is nitrogen, which is inexpensive and has no danger of explosion. Therefore, according to the present invention, the cost required for joining can be significantly reduced.
Therefore, according to the first aspect, it is possible to provide a method for joining a carbon-based copper composite material and ceramics or a method for joining a carbon-based copper composite material and copper that can increase the adhesiveness at low cost.
[0052]
According to a second aspect of the present invention, the bonding material is composed of a copper alloy foil containing Ti and Mg or Mg alloy disposed on both surfaces of the foil. The copper alloy foil containing Ti is easy to obtain and easy to handle as compared to powder. Therefore, according to claim 2, the cost required for joining can be further reduced.
[0053]
According to a third aspect of the present invention, the temperature above the melting point is 885 ° C to 1083 ° C. When the heating temperature is less than 885 ° C., the bonding material is insufficiently melted and adhesion failure occurs. Moreover, when heating temperature exceeds 1083 degreeC, copper will flow out from a carbon-based copper composite material, and product quality will fall.
The heating temperature is kept in the range of 885 ° C. to 1083 ° C. in order to avoid poor adhesion and keep the product quality good.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an operation explanatory diagram from the material preparation to the crucible filling in the present invention (first embodiment).
FIG. 2 is a heating procedure in the present invention (first embodiment).
FIG. 3 is a sectional view of a joined body manufactured by the method of the present invention (first embodiment).
FIG. 4 is a diagram for explaining the operation from material preparation to crucible filling in the present invention (second embodiment).
FIG. 5 is a heating procedure diagram according to the present invention (second embodiment).
FIG. 6 is a sectional view of a joined body manufactured by the method of the present invention (second embodiment).
[Explanation of symbols]
11 ... _Si 3 _{N 4} plate as ceramic, 12 ... Mg powder for constituting the bonding material, CuTi alloy foils for constructing the 13 ... bonding material, 14 ... carbon Motodo composite, 20 ... heating furnace, 21 ... heating means, 22 ... nitrogen gas blowing means, 25, 27 ... joined body, 26 ... copper plate.

Claims

In the joining method of the carbon-based copper composite material and the ceramic or the joining method of the carbon-based copper composite material and the copper, between the carbon-based copper composite material and the ceramic or between the carbon-based copper composite material and the copper, a CuTi alloy foil and is interposed junction material made of Mg powder along a side of the CuTi alloy foil, the multilayer body is heated to a temperature above the melting point of the bonding material in a nitrogen gas atmosphere, the resulting Mg ₃ N ₂ The carbon substrate is characterized in that the copper surface of the carbon-based copper composite material or the ceramic film or the oxide film on the copper surface is reduced, and the bonding between Ti and carbon is promoted to bond the carbon-based copper composite material to the ceramic material or copper. A method of joining a copper composite material to ceramics or copper.

In the bonding method between a carbon-based copper composite material and ceramics, or the bonding method between a carbon-based copper composite material and copper, between the carbon-based copper composite material and ceramics or between the carbon-based copper composite material and copper, Cu powder Mg ₃ N ₂ formed by interposing a metal powder mixture of Ti, Ti powder and Mg powder or a bonding material made of CuTiMg alloy foil and heating the multilayer body to a temperature equal to or higher than the melting point of the bonding material in a nitrogen gas atmosphere. in reducing the oxide film of the copper surface and a ceramic or copper surface of the carbon Motodo composite, characterized by joining the carbon Motodo composite material and the ceramic or copper encourages bond between Ti and carbon charcoal A bonding method between a base copper composite and ceramics or copper.

The method of joining carbon-based copper composite material and ceramics or copper according to claim 1 or 2, wherein the temperature above the melting point is 885 to 1083 ° C.