專利名稱：用于金屬或陶瓷的接合劑以及由其接合金屬或陶瓷的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于接合金屬或陶瓷部件的、基于無機組分的接合劑，更具體而言，本發(fā)明涉及通過加熱來促進固化的、用于金屬或陶瓷部件的接合劑，并涉及采用該接合劑來接合金屬或陶瓷部件的方法。
背景技術(shù)：
已知接合金屬或陶瓷部件的方法有焊接(硬焊)或通過有機粘合劑接合的方法。
采用有機粘合劑的接合方法需要昂貴的設(shè)備來保持適當?shù)墓ぷ鳝h(huán)境，因為這種方法采用了如甲苯等有機溶劑。此外，它需要昂貴的設(shè)備來處置被污染的有機溶劑。
焊接不會造成任何環(huán)境問題及廢液的處理問題，但需要在真空爐內(nèi)將帶有焊料的母材及與之接合的部件加熱到該焊料的熔化溫度(640℃)。暴露在如此高的溫度下的母材等會因其內(nèi)外溫差或上下表面的溫差而發(fā)生熱變形。一般通過給母材施加高壓來抑制其熱變形。這樣，焊接法需要采取措施來保護母材等不因加熱至高溫而發(fā)生變形，所以該方法的制造成本高昂。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的第一個方面提供了一種用于金屬或陶瓷的接合劑，所述接合劑含有0.25重量％～18.0重量％的鎂粉和25重量％～50重量％的羥基溶劑，該接合劑組成中的其余部分為AlN粉末。
具有上述組分的接合劑通過其組分間的反應(yīng)產(chǎn)生大量反應(yīng)熱。此反應(yīng)熱可使存在于母材表面的或與該母材接合的部件表面的任何致密的氧化膜發(fā)生熱破壞。其中，當母材及與之接合的部件是鋁合金時，其表面上存在的致密氧化膜會形成阻礙其接合的隔離層。
獲得用來破壞上述氧化膜的熱量的方法有將自生熱量和外部加熱相結(jié)合的方法，或僅通過外部加熱的方法。與僅通過外部加熱的方法相比，將自生熱量和外部加熱相結(jié)合的方法僅需要較少的外部熱量。從外部供給的熱量越少就可以限制母材及與之接合的部件的溫度上升。限制溫度上升可以降低母材及與之接合的部件的溫度。如果其溫度低于當前可能采用的溫度，則無需采取特別措施來防止其熱變形。即使在可以采取某些措施來防止熱變形時，也僅需采用低的夾持壓力就足夠了。
現(xiàn)有的任何有機粘合劑均可能產(chǎn)生有害氣體，但是本發(fā)明不產(chǎn)生任何此類氣體，因而可以保持良好的環(huán)境。
所述羥基溶劑可以是水。
本發(fā)明的第二方面提供了一種金屬或陶瓷的接合方法，所述方法包括捏和步驟，其中，為了得到一種接合劑而對鎂粉和AlN粉末進行捏和，所述接合劑含有0.25重量％～18.0重量％的鎂粉和25重量％～50重量％的羥基溶劑，該接合劑組成的其余部分為AlN粉末；混合步驟，其中，在即將涂布前，向上述捏和后的粉末中混入25重量％～50重量％的羥基溶劑；涂布步驟，其中，用所得到的接合劑涂布金屬或陶瓷母材和與之接合的部件這兩方中的至少一方；緊貼步驟，其中，采用所述接合劑使所述部件和所述母材緊貼；和加熱步驟，其中，將保持彼此緊貼狀態(tài)的所述母材和所述部件加熱到150～500℃，以便促進其接合。
在加入所述羥基溶劑前將上述粉末捏和混勻，這樣更容易發(fā)生隨后的反應(yīng)。
由于向所述捏和的粉末中加入所述羥基溶劑可引發(fā)反應(yīng)，所以在即將涂布前進行該項混合步驟。
用于使致密的氧化膜發(fā)生熱破壞的熱量來自自生熱量和外部加熱的結(jié)合。于是，加熱到150～500℃就足以破壞致密的氧化膜。150～500℃的溫度遠低于僅采用外部加熱時所達到的溫度。


圖1是用本發(fā)明的接合方法制造的大電流動力裝置的截面圖；圖2A～圖2C是采用本發(fā)明的接合劑接合大電流動力裝置的部件的方法示意圖；圖3A～圖3D是采用不同于圖2A～圖2C的條件和步驟來接合大電流動力裝置的部件的方法示意圖；圖4A～圖4C是接合發(fā)動機氣缸與氣缸蓋的方法示意圖；圖5是氣缸體的接合作業(yè)的準備階段示意圖；圖6是將鋁合金片插入氣缸內(nèi)的方法示意圖；圖7是圖6所示的插入鋁合金片的方法的細節(jié)示意圖；圖8是氣缸體的接合作業(yè)的加熱方法示意圖；和圖9是所完成的氣缸體的主要部件的透視圖。
具體實施例方式
首先，將基于如下比例式來說明本發(fā)明接合劑的組分的優(yōu)選范圍AlN∶Mg∶H2O＝8∶3∶12(系數(shù)比)＝328∶72∶216(重量比)＝53重量％∶12重量％∶35重量％AlN的分子量為41(原子量之和)，乘以8得328。Mg的原子量約為24，乘以3得72。H2O的分子量為18，乘以12得216。
于是，當把8∶3∶12(系數(shù)比)換算為重量比時就表示為328∶72∶216。換算為百分數(shù)時就是53重量％∶12重量％∶35重量％。換言之，AlN的比例優(yōu)選53重量％，Mg的比例優(yōu)選12重量％，H2O的比例優(yōu)選35重量％。然而，在實際應(yīng)用中可以擴大這些比例。
實驗發(fā)現(xiàn)，當Mg少于0.25重量％時，如下化學反應(yīng)方程式的反應(yīng)不能令人滿意地進行。還發(fā)現(xiàn)，當Mg大于18重量％時，會形成過量的Al2MgO4，從而降低接合強度。因此，Mg的范圍是0.25重量％～18重量％。
對于羥基溶劑，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)當其少于25重量％時，上述反應(yīng)不充分，同時不能形成糊狀的接合劑，從而不能進行滿意的涂布。還發(fā)現(xiàn)，當羥基溶劑大于50重量％時，因所得產(chǎn)物的流動性太強而不能進行成功的涂布。因此，羥基溶劑的范圍是25重量％～50重量％。
參見圖1，該圖顯示了由本發(fā)明的接合方法制造的大電流動力裝置的截面圖。
大電流動力裝置10包括半導體元件11、支持該半導體元件11的絕緣基材12、接合到該絕緣基材12上的散熱件13以及通過本發(fā)明的接合劑14接合到該散熱件13上的吸熱件15。
半導體元件11產(chǎn)生的熱量傳遞給散熱件13，再傳遞到吸熱件15，然后散失到外部，從而可以防止半導體元件11溫度上升。
下面對各組成部分的材料進行說明。
絕緣基材12由氮化鋁制成。
散熱件13由高導熱率的鋁、銅或碳化硅(SiC)制成。
吸熱件15也由高導熱率的鋁、銅或碳化硅制成。
下面參照圖2A～圖2C說明具有上述結(jié)構(gòu)的大電流動力裝置的接合方法。
如圖2A所示，準備配有半導體元件11和絕緣基材12的散熱件13、吸熱件15和接合劑14。
散熱件13和吸熱件15是不同的金屬，所述散熱件是鋁(純度為99.99％)，而所述吸熱件是鋁合金A5052(JIS含有2.5Mg和0.25Cr的鋁合金)。
為了得到接合劑14，準備50重量％的AlN粉末、10重量％的Mg粉和40重量％的水。此外，準備7倍于所述AlN粉末的量的Al粉作為添加劑，因為散熱件13或吸熱件15是鋁或鋁合金。首先，用研缽充分捏和AlN粉末(50重量％)、Mg粉(10重量％)和Al粉(7倍于所述AlN粉末)。將水(40重量％)加入捏和后的粉末中，形成含有添加劑的接合劑14。
然后如圖2B所示，用接合劑14涂布散熱件13。將吸熱件15置于接合劑14之上?；蛘呖蓪⒔雍蟿?4涂布在吸熱件15上。
然后如圖2C所示，將其全部裝入真空加熱爐18，使散熱件13置于兩個支架16上。這樣，吸熱件15的重量施加給接合劑14。該負荷應(yīng)產(chǎn)生約2MPa的壓力。如果達不到2MPa的壓力，則可在吸熱件15上負載一重物17(如虛線所示)來補償該壓力的不足。將真空爐排空，然后在其中吹入氮氣，以便制造氧濃度為3～20ppm的氮氣氛。
以10℃/分鐘的升溫速度開始加熱，升溫至目標溫度150℃，達到150℃后放置2小時。在此期間發(fā)生了如以下化學反應(yīng)方程式所表示的反應(yīng)，最終生成1120kJ的反應(yīng)熱。當母材或與之接合的部件是鋁合金時，該反應(yīng)熱是使母材表面的或與之接合的部件的表面的任何致密的氧化膜發(fā)生熱破壞所需熱量的一部分。
從真空加熱爐18取出的產(chǎn)品是如圖1所示的動力裝置10。檢測動力裝置10的機械性能。結(jié)果如下表所示。

接合部的厚度也即接合劑14的厚度約為100μm，采用拉伸試驗機進行拉伸破壞試驗及其拉伸強度的測定。結(jié)果顯示拉伸強度約為20MPa，并且在與母材接合的部件即散熱件13內(nèi)發(fā)生了破壞。由此證實，通過本發(fā)明的方法采用本發(fā)明的接合劑形成的接合部具有與現(xiàn)有產(chǎn)品相當?shù)慕雍蠌姸取?br> 以下是將加熱溫度設(shè)定為150℃的原因。
參見圖2A，采用焊料將半導體元件11固定在絕緣基材12上。由于在180℃時焊料將軟化或熔化，所以如圖2所示的加熱必須在低于180℃的溫度下進行。
由于本發(fā)明的接合劑14自身可生熱，因此可以確定，通過在125℃下進行外部加熱，能夠得到相當于現(xiàn)有技術(shù)所能達到的強度。
因此，上述實施例中的溫度選擇為125℃到180℃的中間點150℃。
然而，由于接合強度依賴于溫度，所以還需要采用180℃或高于180℃的外部加熱溫度來得到高強度。下面參照圖3A～圖3D描述一個相應(yīng)的實施例。
如圖3A所示，首先準備散熱件13、吸熱件15和接合劑14。散熱件13和吸熱件15是不同類型的金屬，所述散熱件是鋁(純度為99.99％)，而所述吸熱件為鋁合金A5052(含有2.5 Mg和0.25 Cr的鋁合金)。
為了得到接合劑14，準備50重量％的AlN粉末、10重量％的Mg粉和40重量％的水。此外，由于散熱件13和吸熱件15分別是鋁和鋁合金，所以準備7倍于AlN粉末的量的Al粉作為添加劑。首先，在研缽中充分捏和AlN粉末(50重量％)、Mg粉(10重量％)和Al粉(7倍于AlN粉末)。在該捏和后的粉末中混入水(40重量％)，形成含有所述添加劑的接合劑14。
然后，如圖3B所示，將接合劑14涂布到散熱件13上。將吸熱件15置于接合劑14之上。選擇性地，也可將接合劑14涂布到吸熱件15上。
然后，如圖3C所示，將其全部裝入真空加熱爐18，使散熱件13置于兩個支架16上。結(jié)果，吸熱件15的重量作為壓力加載到了接合劑14上。此負荷應(yīng)當產(chǎn)生約2MPa的壓力。如果該負荷達不到2MPa，則在吸熱件15上放置一個重物作為補償。將真空加熱爐18排空，然后向其中吹入氮氣，以便制造氧濃度為3～20ppm的氮氣氛。
以10℃/分鐘的升溫速度開始加熱，升溫至目標溫度600℃，達到600℃后放置2小時。
最后，將散熱件13從真空加熱爐18中取出并反轉(zhuǎn)后，用焊料等將半導體元件11和絕緣基材12接合到散熱件13上。結(jié)果得到了如圖3D所示的大電流動力裝置。
下面參照圖4A～圖4C，描述將本發(fā)明的接合方法用于接合發(fā)動機部件的實施例。
參見圖4A，首先準備發(fā)動機氣缸21和具有翅片22的蓋23。氣缸21上事先附有螺栓24。氣缸21由鋁模鑄件(JIS-ADC-12)制成，蓋23也由鋁模鑄件(JIS-ADC-12)制成。
氣缸21的上表面涂布有接合劑14。該接合劑14的組成與前述組成相同。
然后，如圖4B所示，將蓋23安裝到氣缸21上，給螺栓24裝上螺母25，旋轉(zhuǎn)螺母25使其將蓋23緊壓到氣缸21上。將其壓力調(diào)節(jié)為2MPa。于是，螺栓24和螺母25起到機械式千斤頂?shù)淖饔?。然后，將氣?1和蓋23置于真空加熱爐18中。將真空爐18排空，然后向其中吹入氮氣，以便制造氧濃度為3～20ppm的氮氣氛。
以10℃/分鐘的升溫速度開始加熱，升溫至目標溫度400℃，達到400℃后放置2小時。在此期間發(fā)生了如以下化學反應(yīng)方程式所表示的反應(yīng)，最終生成1120kJ的反應(yīng)熱。當母材或與之接合的部件是鋁合金時，該反應(yīng)熱是使母材表面的或與之接合的部件表面的任何致密的氧化膜發(fā)生熱破壞所需熱量的一部分。
最后，將其從真空加熱爐中取出，卸掉其上的螺栓和螺母，從而得到如圖4C所示的完成的氣缸-蓋組件20。目前通常采用螺栓來連接蓋和氣缸，但本發(fā)明采用了接合劑14來將兩者連接在一起。
檢測氣缸-蓋組件20的機械性能。結(jié)果如下表所示。

接合部的厚度也即接合劑14的厚度約為85μm，采用拉伸試驗機進行拉伸破壞試驗及拉伸強度的測定。結(jié)果顯示拉伸強度約為75MPa，并且在母材或氣缸21發(fā)生了破壞。由此證實，采用本發(fā)明的接合劑通過本發(fā)明的方法所形成的接合部具有充分的強度。
用來促進接合劑接合的外部加熱溫度必須為125℃或高于125℃，以便得到相當于現(xiàn)有技術(shù)所達到的強度。然而，鑒于必須采用比焊接溫度(約640℃)低的溫度以防止熱變形，所以希望外部加熱溫度不超過600℃。因此，選擇外部加熱溫度的范圍為125℃至600℃。
此外，為了保證至少達到預定的強度，外部加熱溫度必須至少為150℃，而且為了充分抑制熱變形，該溫度必須不超過500℃。因此，外部加熱溫度的范圍優(yōu)選是150～500℃。
可以改變加入到本發(fā)明的接合劑中的所述添加劑，以便適應(yīng)母材或與之接合的部件的種類。例如，如果接合面是鍍Ni的，則所述添加劑為Ni粉。
下面參照圖5～圖9，描述采用本發(fā)明的接合方法制造氣缸體的實施例。
如圖5所示，首先準備由鋁鑄件制成的氣缸體30、鋁合金片34和接合劑14。下面按順序進行詳細說明。
氣缸體30是具有兩個鄰接氣缸31的鋁鑄件，所述的兩個鄰接氣缸31彼此緊靠并具有狹小的氣缸間隙，環(huán)繞在兩個氣缸31周圍的兩個水冷套32在與氣缸蓋相匹配的表面33上形成了環(huán)狀開口。類似于本實施例中所述的具有彼此緊靠的鄰接氣缸31的結(jié)構(gòu)叫做Siamese型氣缸體。所述鋁鑄件優(yōu)選具有JIS-ADC-12所規(guī)定組成的鋁模鑄件。
鋁合金片34的厚度與限定水冷套32的空隙一致，該鋁合金片可以是鑄造件或壓延件。
參見圖6，給左側(cè)的鋁合金片34的兩側(cè)涂布接合劑14后插入到箭頭所指的水冷套32中。對于右側(cè)的鋁合金片34也是如此。
參見圖7，為了易于脫模，水冷套32優(yōu)選是向著其開口35的方向變寬的錐形。由此，澆鑄之后氣缸體將易于從模具中取出。傾斜角θ1相應(yīng)于鑄模所形成的脫模傾斜角。
優(yōu)選鋁合金片34相應(yīng)地具有楔形截面，該楔形截面的頂端厚度t2大于其底端厚度t1。該鋁合金片的錐角記為θ2。
盡管原則上通常設(shè)定θ1＝θ2，但也有可能設(shè)定θ1＜θ2。
原因如下。當θ1＜θ2時，必須以強力將鋁合金片34壓入水冷套32。壓入的結(jié)果是對接合劑14施加了作用力(壓縮力)。
然后，如圖8所示，將氣缸體30置于真空加熱爐40內(nèi)。此時，通過上述楔形嵌入作用、任何其他機械夾緊力或任何其他替代方法，其對接合劑14所施加的壓縮力優(yōu)選約為2MPa。
開動真空泵41，對該爐進行抽真空。壓力控制裝置42通過壓力傳感器43來檢測爐內(nèi)壓力，并使真空泵41工作，從而可以使爐壓達到預定的真空度。
然后，由氮氣容器44或充有氬氣的惰性氣體容器45等向爐內(nèi)吹入氣體，從而在爐內(nèi)形成氧濃度為3～20ppm的氮氣氛或惰性氣體氣氛。
然后，以10℃/分鐘的升溫速度開始加熱，升溫至目標溫度400℃，達到400℃后放置2小時。溫度控制裝置46通過溫度傳感器47測定爐溫并調(diào)節(jié)加熱器48的給熱，從而以上述加熱速度使爐溫升高到目標溫度。
在此期間發(fā)生了如以下化學反應(yīng)方程式所表示的反應(yīng)，最終生成1120kJ的反應(yīng)熱。當母材或與之接合的部件是鋁合金時，該反應(yīng)熱是所述母材表面的或與之接合的部件表面的致密氧化膜發(fā)生熱破壞所需熱量的一部分。
最后，將其從加熱爐40中取出，從而得到如圖9所示的完成的氣缸體30。氣缸體30具有多個鋁合金片34，該多個鋁合金片安裝并由所述接合劑固定在圍繞兩個氣缸31的水冷套32內(nèi)，該水冷套32在與氣缸蓋相匹配的表面33上形成環(huán)狀的開口。
檢測鋁合金片34與氣缸體30之間的接合強度。結(jié)果如下表所示。

接合部的厚度也即接合劑14的厚度約為85μm，采用拉伸試驗機進行拉伸破壞試驗及其拉伸強度的測定。結(jié)果顯示拉伸強度約為75MPa，并且是與母材接合的部件即鋁合金片34內(nèi)受到了破壞。由此證實，采用本發(fā)明的接合劑通過本發(fā)明的方法所形成的接合部具有充分的強度。
用來促進接合劑接合的外部加熱溫度必須為125℃或高于125℃，以便獲得相當于現(xiàn)有技術(shù)所達到的強度。然而，鑒于必須采用比焊接溫度(約640℃)低的溫度以防止熱變形，所以希望外部加熱溫度不超過600℃。因此，選擇外部加熱溫度的范圍為125℃～600℃。
此外，為了保證至少達到預定的強度，外部加熱溫度必須至少為150℃，而且為了充分抑制熱變形，該溫度必須不超過500℃。因此，優(yōu)選外部加熱溫度的范圍是150℃～500℃。
可以改變加入到本發(fā)明的接合劑中的所述添加劑，以便適應(yīng)母材或與之接合的部件的種類。例如，如果接合面是鍍Ni的，則所述添加劑為Ni粉。
可以將鋁合金片換為裝配在水冷套開口中的鋁合金環(huán)。如果用接合劑涂布所述環(huán)，并將其置于水冷套的開口中加熱固定，則有可能得到封閉的蓋板型氣缸體。開口的蓋板型氣缸體的鑄造成本較低，但封閉的蓋板型氣缸體的鑄造成本較高。因此，如果鑄造開口的蓋板型氣缸體，然后采用本發(fā)明的方法將其變?yōu)榉忾]的蓋板型氣缸體，則可以降低鑄造成本。
此外，盡管本發(fā)明的實施方式針對雙缸式氣缸體進行了描述，但該氣缸體也可只具有一個氣缸或具有三個甚至三個以上的氣缸。本發(fā)明不僅可用于Siamese型氣缸體，而且可用于非Siamese型氣缸體。
工業(yè)實用性由于本發(fā)明的接合劑及其接合方法可以滿意地實現(xiàn)金屬或陶瓷部件如發(fā)動機或大電流動力裝置的接合，因此，本發(fā)明的接合劑及接合方法可用于制造發(fā)動機和電氣設(shè)備。
權(quán)利要求
1.用于金屬或陶瓷的接合劑，所述接合劑含有0.25重量％～18.0重量％的鎂粉和25重量％～50重量％的羥基溶劑，該接合劑組成的其余部分為AlN粉末。
2.如權(quán)利要求1所述的用于金屬或陶瓷的接合劑，其特征在于所述羥基溶劑是水。
3.金屬或陶瓷的接合方法，所述方法包括捏和步驟，其中，為了得到一種接合劑而對鎂粉和AlN粉末進行捏和，所述接合劑含有0.25重量％～18.0重量％的鎂粉和25重量％～50重量％的羥基溶劑，該接合劑組成的其余部分為AlN粉末；混合步驟，其中，在即將涂布前，向上述捏和后的粉末中混入25重量％～50重量％的羥基溶劑；涂布步驟，其中，用所得到的接合劑涂布金屬或陶瓷母材和與之接合的部件這兩方中的至少一方；緊貼步驟，其中，采用所述接合劑使所述部件和所述母材緊貼；以及加熱步驟，其中，將保持彼此緊貼狀態(tài)的所述母材和所述部件加熱到150～500℃，以便促進其接合。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種用于金屬或陶瓷的接合劑，所述接合劑含有0.25重量％至18.0重量％的鎂粉、25重量％至50重量％的分子結(jié)構(gòu)中含有羥基的溶劑以及余量的AlN粉末。使上述接合劑的各組分混合并處于一定的條件之下，這些組分間將發(fā)生反應(yīng)生成大量的反應(yīng)熱。當母材或與之接合的部件是鋁合金時，通常形成于其表面上的致密氧化膜會阻礙它們之間的接合，而上述的反應(yīng)熱可使阻礙母材與部件之間接合的這層致密的氧化膜發(fā)生熱破壞。
文檔編號B23K35/28GK1558881SQ02818888
公開日2004年12月29日 申請日期2002年9月24日 優(yōu)先權(quán)日2001年9月27日
發(fā)明者增田次男 申請人:本田技研工業(yè)株式會社