セラミックス材料学，平成１２年２月２日セラミックスと金属の接合 ∼基礎から新しい技術まで∼ 大阪大学産業科学研究所菅沼克昭１．接合の基礎パラメータセラミックスは様々な優れた機能を持つ反面，大型や複雑な形状の製品の焼結が難しく，一旦焼結されると加工が難しく，また，大型になるほど体積効果で信頼性が低下するなどの欠点を持っている．これらの欠点を克服するために，セラミックス同士の接合や異種材料との接合技術が，工業分野でのセラミックスの発展と共に成長してきた．特に，電子セラミックスや基板材料などは必ず金属配線との強固な界面形成が要求され，窒化珪素を初めとする構造用セラミックスに対しては，信頼性の高い耐熱接合法が求められるようになっている．金属などの異種材料との接合においては，界面形成技術と同時に熱応力や弾性率などのミスマッチを緩和する中間層構造を別に考慮しなければならない．本稿では，初めに金属との接合を中心に基本的事項を説明し，次に具体的な接合の技術を述べる．また，最近の製品に見られる技術の詳細を後半で紹介する．１．１界面結合界面結合を左右する重要な因子として考えるべきことには，化学結合状態と結晶格子整合性の２つがある．実用的には単結晶を扱うことはまれなので，前者の化学結合をコントロールすることがポイントになる．原子結合様式を考えると，セラミックスではイオン結合，共有結合，ファン・デア・ワールス結合が主体になるのに対し，金属では金属結合が主体となる．接合界面の強さは，古くからぬれ性試験によって評価されてきた．図１には液滴法（sessile drop）の模式図を示す．図中の接触角θを用いて金属の表面エネルギーγm と付着仕事量Ｗadが次式求められる（Young-Dupre式）．金属 γｓｌセラミックス図1 固体表面上の液滴と接触角 (1) 接触角θの測定から（１）式より接合性を評価できる．ほとんどの金属の表面エネルギーは，熱力学データベースとなっているので，（１）式から求められるＷadは界面結合強度の便利な指標になる．基本的には反応しやすい系が界面形勢に有利であるが，アルミナ上の各種金属のＷadと反応性の関係が図２の様に求められる1)．ここでは，反応性として金属の酸化物形成標準自由エネルギーΔ Ｇ 0 に注目している．この例では酸素に対し活性な金属ほど，即ち酸化しやすい金属ほど界面結合が大きくなる．もちろん，アルミナ中のアルミニウム原子と結合しやすい元素は，固溶するか金属間化合物を形成し安定な界面形成に寄与する．例えば，白金は酸化しがたいが，アルミナとは強固な界面を形成する．これは，表１に示すように白 1 2.5 2.0 (J/m 2) ････ θ γｓ Wad Ｗad ＝ γm （１＋ cosθ） γｌ Ti 1.5 W 1.0 Co Mo Cu 0.5 Ni Au 0 0 100 200 -∆G 0 300 (kJ/g-atom oxygen) 図2 アルミナ上の各種金属の付着仕事量と酸化のための自由エネルギー変化の関係1) セラミックス材料学，平成１２年２月２日金原子がアルミニウム原子との結合が強いことが，主な理由である2)．表１酸化物生成自由エネルギー⊿Ｇ0と合金形成の熱エネルギー⊿ＨR(kJ/mole)2). 酸化物 ⊿Ｇ0 合金 ⊿ＨR(at 0K) Al-O -1066 Al-Al 0 Cu-O - 254 Cu-Al - 38 Pt-O + 300 Pt-Al - 164 Ni-O - 446 Ni-Al - 96 Ti-O - 952 Ti-Al - 137 特殊な場合であるが，単結晶材料の接合では，結晶方位に強く依存し界面強度が変化する．これには，界面を挟んだ結晶の化学結合の異方性や結晶構造の差が影響している．電子論に基づいた界面結合のシミュレーションから，セラミックスと金属の界面には金属側に１原子層程度の薄い化学結合遷移層が形成され，セラミックス化していることが示され，これが超高分解能電子顕微鏡観察などによる局所状態観察からも証明されている3,4)．１．２界面密着の達成接合界面の密着達成率は時間，温度及び圧力の影響を大きく受け，強度に反映する．図３に固相接合における界面密着度に及ぼす温度の効果を示した5)．温度の上昇に伴い密着度は増加する．また，接合のもう大切なパラメータである圧力や時間も，温度と同様の効果を持つ．従って，界面の密着度を完全にするためには温度を高く，時間を長く，更に圧力を高くすれば良い．但し，異相界面では反応層の成長を抑える必要があり，接合の温度と時間は限られる．このためどうしても界面上に未接着部分が残される．また，金属中の原子の拡散は，セラミックス中よりもはるかに速いため，カーケンドル効果により界面図3 固相接合における界面密着の温度の効果5)．近くに空洞が生じることもある．このようにして界面上に形成される未接着部分や空洞は，接合強度の低下の原因になる．これらの欠陥の生成を防ぐためには，接合圧力を高く設定することが望ましい．ホットプレスのような一軸加圧では，高負荷が試料の著しい塑性変形を引き起こすので，10∼20MPa が上限の圧力になる．熱間静水圧法（ＨＩＰ）ではこの心配がなく100MPaを越える高い圧力で接合できるので，100%の密着を得ることが可能になる．一方，ろう付けの場合にも多少の加圧が効果を持つ．図４は，窒化珪素同士をアルミニウムでろう付けした場合の接合強度に及ぼす接合圧力の効果を示している 6) ．無加圧では強度のばらつきが大きく平均値も低いのに対し，わずか0.05MPaの加圧力でばらつきの少ない高強度接合が可能になっている．ろう付けにおける圧力の効果は，主にろう材層を薄く均一にすることにある．１．３反応層の成長界面反応層の成長は，拡散する元素の固溶度や拡散速度の関係からセラミックス側よりも金属側へ大きくなる．反応層成長は拡散律速である場合が多く，反応層の厚さをＸとすると次の式で表される．Ｘ2 ＝Ａ・ｔ・ｅｘｐ（−Ｑ／ＲＴ） -- (2) 2 図4 窒化珪素のアルミニウムろう付けにおける加圧力の効果6)．セラミックス材料学，平成１２年２月２日ここで，Ａは定数，ｔは時間，Ｑは活性化エネルギー，Ｒはガス定数，Ｔは温度である．この式のように，反応層厚さは反応時間の平方根に比例し，この現象が認められることが反応が拡散律速である一つの目安になる．反応層の成長は接合強度を大きく左右する．図５にはダイヤモンド／銅合金の固相接合体の引張強度の接合時間依存性を示した7)．接合強度はどの合金に対してもある時間までは増加するが，最大値に達した後減少する．これを理解するために反応時間と接合強度の関係を図式化したのが，図６である．接合初期の強度の上昇は界面における密着面積の増加と界面の原子結合の達成によるものであり，これは時間が経つほど接合にプラスに働く．一方，反応層は時間と共に成長し，厚く成長した反応層は内部にクラックを発生し易いため，これが後半の強度低下の原因になる．従って，主にこれらの効果の兼ね合いで接合強度にピークが現れる．以上のことから，固相接合では高い圧力を掛け界面密着を容易にし低温で短時間に接合すること，また，ろう付けではろう材の粘性も考慮して，ろう材層が薄く均一になるように多少の圧力を掛けることが望ましいと言える．＋強度界面形成接合強度 0 時間･温度反応層成長 − 図5 ダイヤモンド/銅合金接合における接合時間の効果7)．１．４熱応力（残留応力）の問題一般にセラミックスは金属に比べて熱膨張率が小さい．接合体が温度変化を受ける場合には，素材間の熱膨張率差のために界面近傍に大きな歪が発生する．通常，接合の為される温度は 0.5∼0.9Ｔm（Ｔmは金属の融点）であり，この温度から室温に冷却するだけで，熱応力の値はしばしばセラミックスの破壊応力を越えるものになる．接合材料中の熱応力分布は一様でなく，図７のように接合界面近くで高くなる．接合材料の強度に最も悪影響を及ぼすものは引張応力であり，これは界面上あるいはセラミックス側の自由表面近くで最大のものとなる．また，この引張応力は界面にほぼ垂直方向に働くため，引張試験や曲げ試験などによって接合体に外力が作用する場合，見かけ上界面強度の低下をもたらすことになる．また，熱応力の値が接合面積に依存することや，熱応力が大きい接合では得られる接合体の強度のばらつきが大きくなることなどの点に注意を要する．１．５接合面粗さ接合面の粗さは，接合に対してアンカー効果，界面密着 3 図6 接合強度へ及ぼす時間と温度の効果． Si3N 4 250 500 750 1000 1250 0 -250 -500 1500 1000 1250 750 500 250 500 750 1000 1250 250 Steel (MPa) 図7 接合体に発生する熱応力分布図. セラミックス材料学，平成１２年２月２日 Fracture probability (%) やぬれの阻害効果，表面損傷層の残留効果などの効果を持つ．後２者は接合を阻害するので，注意が必要である．一般には面粗度が大きいほど密着の阻害が引 99.9 き起こされる．ところが，ろう付けの場合には 99 接触角が90ﾟより大きいか小さいかでまったく逆 95 90 Ra=0.2µm の作用をする．90ﾟより小さい場合（ぬれる場 80 70 合）面は粗いほど密着を促進し，90ﾟより大きい Ra=0.3µm 60 場合（ぬれない場合）にはこの逆になる 8) ．ま 50 40 た，最近の実験では 90ﾟという値には関係なく， 30 面は粗いほどぬれなくなるという報告もある． 20 Ra=0.1µm 一般にセラミックスは，研削されることによ 10 り表面に傷や残留応力を持つ損傷層を形成し強度は著しく低下する．もし，接合面に加工損傷 5 層が残されると，強度の低下の一因になる．これが加工損傷層の効果であり，実際に接合体に 1 及ぼすこの影響は大きい．ひとつの例として図 50 100 200 300 400 500 700 900 ８を示す 9) ．これは，アルミニウムでろう付け 600 800 1000 Bending strength, σ f /MPa された窒化珪素接合体において，接合面の粗さが強度のばらつきに与える影響を示している．図8 窒化珪素接合強度に及ぼす面粗さの効果9)．接合面は滑らかな方がバラツキが少なく高強度が得られている．これは，表面が粗い場合には従来期待されてきたアンカー効果よりも，表面に残る損傷組織の影響が大きく強度劣化を招くためである．面粗さの持つ効果は，面の研削や研磨の方法にも依存する．高強度達成には，ダメージの少ない研磨法によりある程度粗く仕上げることが望ましい．２．接合技術今日まで多くのセラミックスを対象とする接合技術が開発されてきたが，それらのおおよそのところは表２のように分類される．表には，各種方法によって得られる接合体の特性と問題点をまとめて示した．この他に，最も簡便な方法である機械的接合には，ボルト締めや冷やしばめ，鋳ぐるみなどがある．実は構造用セラミックスとして実用化されているものの多くが，この方法によって接合されている．機械的接合方法は，一つの有効な接合方法として実用化されており，ターボチャージャー・ローターの接合に見られるように，耐熱性に関しても適切な設計の支援を受ければ5 00℃までは十分に保障されている．但し，この方法では一般に気密性を望むことは難しい．表２大分類各種接合法の特色と欠点小分類接合強度耐熱性経済性備考間接メタライズ法 ◎ ○ ◎ Mo-Mn法，Ti蒸着後ろう付け等直接メタライズ法 ◎ ○ ○ 活性金属ろう付け法等共融液相接合法 ○ ○ ◎ Cu2O液相法等固相加圧接合法 ◎ ◎ △ 常温接合法 ◎ △ △ 金属はAl等に限る高周波加熱接合法 ? ◎ ○ 金属との接合例は少ない摩擦圧接法 ◎ △ ◎ 金属はAl等に限る電子ﾋﾞｰﾑ溶接法 × ◎ △ ﾚｰｻﾞｰ溶接法 × ◎ ○ 鋳ぐるみ法 △ △ ◎ 金属はAl等の低融点に限るＳＱ法 ◎ △ ◎ 金属はAl等の低融点に限るろう付け法固相接合溶接溶湯接合法 4 セラミックス材料学，平成１２年２月２日接着剤を用いる方法も簡単な接合方法の一つである．最近では，引張接着強度が80MPaあるものや， 300℃以上の高温まで使用可能な有機接着剤が市販されているが，一般には耐熱性はない．また無機系接着剤は強度の点で劣るので，セメントのように埋め込むタイプの接合が望ましい．レーザーや電子ビームを用いた溶融接合では熱的には安定な接合組織を生み出すが，溶融層における粒成長や残留気泡，残留熱応力などの深刻な問題がある．更に，セラミックスと金属の融点に差があることや，熱衝撃を避けるために余熱を必要とすることなどの難点がある．摩擦圧接法では，柔らかい金属とセラミックスの接合では，引張りで100MPa以上の高い強度が得られているが，接合時にトルクを必要とする硬い金属を相手にする場合にはセラミックスが破壊してしまう．従って，接合相手の金属は柔らかいアルミニウム合金に限られている．固相接合とろう付けに関しては盛んに研究開発が行われており，優れた手法が数多く開発されている．多くの方法では，平面同士の接合が基本になる．新しく開発された鋳造接合（ＳＱ法）では，現在はアルミニウムとセラミックスの接合に限られているものの，経済性と性能をかね合わせた付加価値の高い接合を可能にしている．以下には，界面形成技術と熱応力緩和に分けて説明する．２．１界面形成技術（ａ）Ｍｏ−Ｍｎメタライズ法Ｍｏ−Ｍｎ法は，酸化物系のセラミックス，特にシリカを多量に含むアルミナの接合面を金属化する方法として，1960 年代にTelefunken社により開発され，今日まで電子・電気を問わず，ほとんどのアルミナのメタライズには必ず用いられている技術である．そのプロセスは比較的複雑であり，図９に模式的に示した．まず，アルミナの表面にモリブデンとマンガンや酸化マンガンの混合されたペーストを塗布し乾燥する．次に，1200℃ 近傍で窒素中での仮焼と同時に水蒸気によりわずかに酸化させると，酸化マンガンや酸化モリブデンとアルミナに含まれるシリカとが融液を形成する．これを水素を含む還元雰囲気中で，1400∼1600℃で焼成すると，モリブデンのみが金属に還元され，アルミナの表面にモリブデン金属層が出来上がる．ろう付けの前にはモリブデンの上にニッケル等のめっきを施す．Ｍｏ−Ｍｎ法ではアルミナ側のシリカの存在は不可欠で，良好な接合強度を得るためには数wt%∼10wt%程度の量を含んでいることが望ましい．また，アルミナの粒度の影響も受け， 10μm程度以上の粒径があることが望ましいとされる．最適な制御をすれば引張強度で80MPa程の高強度のメタライズが可能である．Ｍｏ−Ｍｎ法のプロセスが複雑であることから，これをより簡便にしようとする試みも多く報告されている． Mo Mn Mo Mn Mo Mn Mo Mn Mo Mn Mo Mn Mo Mn Al2O3 SiO2 Mo MnOMo MnO Mo MnOMo MnO Mo MnO Mo MnO Mo MnO Al2O3 SiO2 Mo Mo Mo Mo Mo Mo Mo 液相） Al2O3+SiO2+MnO（ Al2O3 SiO2 Mo Al2O3 SiO2 図9 Mo-Mn法によるメタライズ．（ｂ）活性金属ろう付け法先に述べたように，チタンなどを含む金属ろう材は酸化物系，非酸化物系に限らず一般にセラミックスに対して活性であり界面強度も強いものが得られる．ろう付けであるからそれだけ応用範囲も広く，新しい分野の接合の主流技術になりつつある．ろう材の代表的なものには，Ag-Cu-Ti系， Cu-Sn-Ti系，Co-Ti系，Ni-Ti系，アルミニウム合金系等がある．中でもAg-Cu-Tiろうは最も多く使われるが，これはいわゆる銀ろうにチタンを添加したものである．チタン量は多量に添加するとろう材そのものが脆化するので，1∼3wt%の範囲が一般的である．得られる界面強度は高く，例えばアルミナの接合ではＭｏ−Ｍｎ法等によってメタライズ後ろう付けしたものと同等以上の強度が得られる．図１０には，窒化珪素を活性金属ろう付けした場合の典型的な界面組織を示すが，窒化珪素側から薄いTiN層と，M6N（M: Ti，Si，Ag，Cu）の窒化物が生じる10)．このようにセラミックスが窒化物であれば，セラミックス側から第１層目にTiNが生じるが，炭化物であればTiC，酸化物であればTiO が形成される．このろう材はほとんどのセラミックスに対し有効である．耐熱強度と耐酸化性の点 5 セラミックス材料学，平成１２年２月２日から，大気中におけるこのろう材の使用上限温度は，銀ろうと同様におよそ500℃である．純アルミニウムやアルミニウム合金は，多くのセラミックスに対して活性であり，ろう材としても有効である．界面強度としてはろう材層の厚さが薄いときに窒化珪素に対して500MPa以上の強度レベル）が得られる．（ｃ）固相接合 TiN+M(Si,Cu,Ti) TiN+M(Si,Cu,Ti)6N 固相接合のなかでは，ホットプレス接合が最 6N も広く用いられるが，他にカプセルを用いた熱間静水圧法，無加圧接合法，をる．基本的にセラミックス，金属及び中間層となる金属の何れも固相状態で接合される．接合温度は，接合素 33 44 材の中の最も低融点材料のおよそ0.9Tm付近で選ばれる．接合雰囲気が超高真空等の特別な場合には，非常に低い温度（例えば常温）で行う場合もある．また，原理的には拡散だけに頼り，殆ど加重を加えず接合面を接触させたままで接合する場合もある．しかし，前述のように固相接合においては接合圧力の効果が大きく，無荷図10 窒化珪素/Ag-Cu-Ti界面組織(SEM). 重や低荷重下では極めて長い時間の接合処理を必要とし，現実的ではない．ほとんどのセラミックスに対して固相接合が試みられており，その報告例も非常に多い．反応性の高い場合が一般に接合性も良いと考えられがちであるが，アルミナ，マグネシア，ジルコニア等の酸化物に対して殆ど反応しない金や白金などの貴金属が強固な界面形成する．この方法は一般に貴金属法と呼ばれる．貴金属を用いる利点は，強固な界面（100MPa以上）が得られる他に，接合処理が大気中で行える，貴金属が比較的軟いため接合面の密着が容易に得られる，更に気密性に優れた接合が可能になるなどの点がある．貴金属法の例としては，酸素センサとしての安定化ジルコニア／白金／アルミナ接合，白金窓の付いた白金／アルミナ迅速応答熱電動保護管などがある．窒化珪素に対し高融点金属を固相接合すると，1000℃まで強度を保つ優れた高温材料用の接合が可能になる．一方，ニッケルを接合材に用いると約900℃まで耐熱・酸化性を兼ね備えた接合が可能になる．この接合では，接合温度で界面に反応により液相を生じるので，固相接合と区別してその反応の性質から「共晶接合」やTransient Liquid Phase Bondingと称する場合もある．共晶接合には，アルミナ／CuO／銅（ＤＢＣ接合），窒化珪素／鉄系金属，TiN／鉄系金属，アルミナ/Cu/Nb等の例などが報告されている．やはり固相接合の一つになるが，電場を掛けて接合する方法（Field-Assisted Bonding）は，元素のイオン性を利用して界面反応を強制的に引き起こす方法である．この方法では接合温度を下げることが可能である．β-アルミナと銅，鉄，モリブデン，チタン，アルミニウム，コバールなどが接合され，良好な界面密着を得ている．この場合には界面に金 Press 属酸化物が形成される．固相接合の実用化例は，パワー基板として用いられているＤ Piston ＢＣ接合以外は極めて少ない．これは，量産が難しいことや製 Alminum block 品の形の制約などが主な原因である． Si Si N N （ｄ）鋳造接合（ＳＱ接合）11,12) 活性金属法は，界面強度が高くほとんどのセラミックスに対して有効であるが，反面，不活性雰囲気を必要とするバッチ・プロセスであり，コスト高になる上，時間が掛かる．この欠点を克服するために開発された方法が鋳造接合である．鋳造接合では，鋳ぐるみとは異なりセラミックスと金属の間に強固な界面を形成するので，面同士の突き合わせ接合が可能になる．一般の金属材料や金属基複合材料の製造に用いられる高圧鋳造法をセラミックスとアルミニウムとの接合に利用したものである．プロセスの概略を図１１に示した．先ず，接合される部品材料と金型をある温度に予熱される．この温度は金型が250∼ 6 Ag-Cu-Ti Ag-Cu-Ti Die Die Ceramic substrate 図11 ＳＱ接合の概略. セラミックス材料学，平成１２年２月２日 600℃，セラミックスは500∼800℃の範囲になる．一方，アルミニウムを700∼800℃で溶解保持する．部品を金型にセットしすばやく溶湯を注ぎ込み10∼100MPaの加圧をする．高圧鋳造では凝固は加圧から1分以内に終了し，接合が完了する. 鋳造法を従来のセラミックス接合法と比較した場合の主な特徴は，安価で量産可能，大気中でも酸化の影響が少ない，大形状・複雑形状接合が可能，激しい界面反応の抑制，界面上の欠陥生成を抑制などがある．ただ一つ注意すべき点は，セラミックスに熱衝撃のかからない予熱温度条件を設定 AlN することである．接合素材の温度差は，臨界熱衝撃温度より十分に小さくとること必要がある．実際に，アルミナや窒化珪素に対してアルミニウムを接合すると，アルミナの場合に母材強度，窒化珪素の場合に400MPa以上の界面強度が得られている．鋳造接合法は耐熱疲労特性の要求されるＩＧＢＴパワー基板への実用化が始まっている（図１２）13)． Al 13) Number of alive substrate 図12 SQ法で形成したAlN/Alパワー基板２．２熱応力緩和法接合体に対する熱応力の悪影響を軽減するために 4 は，界面近傍，特にセラミックス側の引張応力成分を低下させることが重要である．これは，セラミッ AlN/Al,Al AlN/Al,Al2O 2O33/Al /Al 3 クスが圧縮応力に強い反面，引張に弱いためである．熱応力を軽減するためには，第一には熱膨張差の小 AlN/Cu さい素材の組合せが最も望ましい．アルミナに対し 2 AlN/Cu てニオブやコバール合金を選択することはこれに当てはまる．しかし，セラミックスの接合対象となる 1 Al Al22OO3/Cu 3/Cu 金属は鋼である場合が多く，これに近い熱膨張率を持つセラミックスを選ぶことは実際に望めない．そ 0 0 50 100 500 1000 5000 こで，接合面形状を工夫する方法や，何らかの中間 Number of heat cycles 層を用いる方法が採用される．セラミックスが難加図13 SQ基板の耐熱疲労性(-40℃∼125℃) 工性であることから，必然的に後者の中間層を用いた平面の接合が主流になる．熱応力の緩和のために，様々な中間層構造が考案されている．表３には，その中の代表的なものをまとめた．これらの中で，高強度接合に成功した例は，軟金属中間層，軟金属/硬・低膨張金属積層中間層等で得られている．ただし，前者の場合熱疲労を被る高温材料には用いられず，後者では接合面積が比較的小さなものに限られるなどの欠点があり，まだまだ改良の余地があると言える．表3 熱応力緩和のための中間層特徴ＡｌやＣｕ等の塑性変形能の高い金属を用いる. 金属メッシュや発泡金属軟金属中間層の場合もあるセラミックス側に比較的軟い金属層、金属側に低膨張で硬い層を設ける. 軟金属･低膨張硬金属積層中間層 Nb/Mo中間層,Fe,Ni/W中間層など. セラミックス側から金属側へ、連続的に組成を変化させる方法. ｸﾞﾚｰﾃﾞｨﾝ傾斜組成制御中間層ｸﾞとして歴史のある方法. 名称縦割れ構造中間層中間層に界面に垂直方向のスリットを入れ､横方向の自由度を与える方法. （ａ）軟金属（ソフトメタル）中間層中間層の弾性変形能及び塑性変形能を利用し，セラミックスと金属の熱歪を緩和するのが軟金属中間層の考え方である．軟金属中間層としてよく用いられる金属はアルミニウムであるが，この他に発泡金属や金属線束などを用いる方法がある．アルミニウムを使う場合の利点は，柔らかいことから歪を緩和するだけでなく低圧力でも十分変形して接合面の密着が容易に得られることである．また，アルミニウムは比較的活性であり，炭化珪素，窒化珪素をはじめ多くのセラミックスと反応し結合を生じ易い特徴がある．これらの点から接合温度・圧力を低くすることが可能になり，経済的に有利である．しかし逆に，接合体の耐熱温度や強度には限界がある． 7 セラミックス材料学，平成１２年２月２日中間層としてではないが，前述のＩＧＢＴ基板はアルミニウムのソフトさを有効に利用して実現している．図１３には，従来用いられてきた銅貼り基板とＳＱ法によるアルミニウム貼り基板の耐熱性の比較を示す．銅貼り基板に対し，ＳＱ基板は3000回までの耐熱疲労を実現している13)． Bending strength σb/MPa （ｂ）軟金属･低膨張硬金属積層中間層14) アルミナ／ステンレス鋼の接合に，アルミナに近い膨張係数を持つニオブを中間層にすることは効果的であるが，ステンレス鋼側に低膨張で堅いモリブデンの層を挿入することで一層の熱応力低減が可能なことがＦＥＭ計算で示され，実際に 400MPaをこえる強度の耐熱疲労特性に優れた接合体 600 0.5mmNb/0.5mmMo 0.5mmNb/0.5mmMo が得られた．図１５に示すように室温から500℃の 500 間の熱疲労を与えても，この接合体は全く強度劣化しない．ここで得られたニオブ／モリブデン中間層 400 1.5mmNb 1.5mmNb が軟金属／硬･低膨張金属積層中間層構造の基本と 300 なった．積層中間層の各々の層厚さには，接合強度に対し接合面の寸法や形状に依存した最適値がある． 200 1mmNb 1mmNb これはＦＥＭによって概略を予測し，それを実際に確認することが必要である．この中間層は，ターボ 100 チャージャー・ローターの接合に利用された． 0 0 1 10 102 10 3 （ｃ）複合材料中間層（グレーディング，傾斜組成制御）図15 積層中間層により接合されたアルミナ/スセラミックスと金属の間に両者の中間的な熱膨張テンレス鋼接合体の耐熱疲労性(室温∼500℃). 係数を持つ層を形成し，しかも両者に対し接合性が良い層を選択するという意味から，母材同士の複合層を場合によっては組成をセラミックスから金属まで連続的に変化させ中間層として設ける方法が古くから検討されている．1950∼70年代にはグレーディング（Graded powder seal）と呼称され，最近になって母材同士だけでなく様々な複合材料を用い熱膨張率差を緩和する方法を含めて複合材料中間層，更に今日わが国に於て傾斜組成制御として研究が継続されている．古くにはガラスやアルミナ系セラミックスを金属に接合した例があるが，今日ではジルコニア等がセラミックスとして検討されている．中間層の形成は粉末冶金法が中心であったが，最近はＣＶＤや自己燃焼法等が試みられている．この方法のポイントは，熱膨張係数の差が小さいこと，焼結温度が同等であること，焼結による収縮率が近いこと等が指摘されている．従って，窒化珪素や炭化珪素と鋼のような熱膨張率の大きな系では健全な接合が出来ない．一方，互いに熱膨張率が近い組合せの接合は良好である．例えばTiNとモリブデンの組合せで，両組成の1:1の混合比の中間層を用いたＨＩＰ接合では90M Paの引張強度が得られる． Number cycles ３．セラミックス／金属接合の今後本稿では，セラミックスと金属の接合技術の基礎から応用まで概観した．ここで示したように，界面における結合や反応などに関してはこの１０年近くで大きな進歩を遂げたと言えよう．計算技術も計算機の進歩とともに格段の進歩を遂げ，同時に解析技術も界面を挟んだ原子面１層の状態分析を可能にしようとしている．一方，接合技術としては従来のＭｏ−Ｍｎ法ばかりでなく活性金属法を中心とするオールマイティーな技術が完成している．これによって，ほとんどのセラミックスが強固に接合できるようになっている．熱応力に関しては，緩和技術は具体的な製品が現れればそれなりの設計が可能となっており，評価技術も数ミクロンの領域の評価を可能とする時代になった．これらの背景を受けて，接合はほぼ完成の域に入っていると言えるだろう．ただ，セラミックス自信にも言えることであるが，接合にはそれを実用できる程度の付加価値が必要で，経済性を兼ね備えた技術としての一層のブラッシュアップが望まれる．筆者が開発したＳＱ法は正にこの点を狙っており，実用化への端緒をつかむことに成功している．ＳＱ法に限らず，セラミックスが世界を席巻したように，これからも日本発の接合技術が大きく展開できるように強く願っている．参考文献 1) E.McDonald and J.G.Eberhart, Trans.AIME, 233, 512 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