(57)【要約】【課題】十分な接合強度を有しつつ、従来よりも様々な異種金属同士を接合可能な異種金属接合構造物、並びにその製造方法及びそれを備える水冷電力変換素子を提供する。【解決手段】アルミニウムにより構成される伝熱板１と、伝熱板１上に形成され、ニッケルにより構成されるめっき層２と、伝熱板１とめっき層２との間に形成され、アルミニウムとニッケルとが合金化してなる金属間化合物層５と、めっき層２上に形成され、ニッケル銅とが混合溶融されてなる混合溶融凝固部４が、伝熱板１に対して垂直な方向に複数積層されてなる積層構造物６とを備える異種金属接合構造物１００とする。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第一の金属により構成される金属基材と、
前記金属基材上に形成され、第二の金属により構成されるコーティング層と、
前記金属基材と前記コーティング層との間に形成され、前記第一の金属と前記第二の金属とが合金化してなる金属間化合物層と、
前記コーティング層上に形成され、前記第二の金属と前記第三の金属とが混合溶融されてなる混合溶融凝固部が、前記金属基材に対して垂直な方向に複数積層されてなる積層構造物と、を備えることを特徴とする、異種金属接合構造物。
【請求項２】
前記混合溶融凝固部において、前記混合溶融凝固部に含まれる前記第二の金属の濃度が、前記金属基材から遠ざかるにつれて、徐々に低くなっていることを特徴とする、請求項１に記載の異種金属接合構造物。
【請求項３】
前記コーティング層はめっき法により形成されてなることを特徴とする、請求項１又は２に記載の異種金属接合構造物。
【請求項４】
前記コーティング層はコールドスプレー法により形成されてなることを特徴とする、請求項１又は２に記載の異種金属接合構造物。
【請求項５】
前記金属間化合物層は、前記積層構造物の下方において前記金属基材と前記コーティング層との間に形成され、
前記積層構造物の下方以外の部分においては、前記金属基材と前記コーティング層とは直接接触していることを特徴とする、請求項１又は２に記載に異種金属接合構造物。
【請求項６】
前記第二の金属及び前記第三の金属はいずれも全率固溶体であることを特徴とする、請求項１又は２に記載の異種金属接合構造物。
【請求項７】
前記第一の金属はアルミニウムであり、
前記第二の金属はニッケルであり、
前記第三の金属は銅であることを特徴とする、請求項１又は２に記載の異種金属接合構造物。
【請求項８】
第二の金属により構成されるコーティング層が形成された金属基材上に、第三の金属を配置する第三金属配置工程と、
前記第三金属配置工程において配置された前記第三の金属の側から、前記第三の金属に対してレーザ光を照射することで前記第三の金属と前記第二の金属とを混合溶融させて混合溶融凝固部を形成するとともに、前記レーザ光の照射によって生じる熱によって、前記コーティング層を構成する前記第二の金属と前記金属基材を構成する第一の金属とを合金化させて金属間化合物層を形成する混合溶融・合金層形成工程と、
第三金属配置工程及び前記混合溶融・合金層形成工程をそれぞれ行うことで、前記混合溶融凝固部が前記金属基材に対して垂直な方向に複数積層されてなる積層構造物を形成する積層工程と、を含むことを特徴とする、異種金属接合構造物の製造方法。
【請求項９】
前記混合溶融・合金層形成工程において、
前記金属間化合物層は、前記混合溶融凝固部の下方において前記金属基材と前記コーティング層との間に形成され、
前記混合溶融凝固部の下方以外の部分においては、前記金属基材と前記コーティング層とは直接接触するようになっていることを特徴とする、請求項８に記載に異種金属接合構造物の製造方法。
【請求項１０】
前記第二の金属及び前記第三の金属はいずれも全率固溶体であることを特徴とする、請求項８又は９に記載の異種金属接合構造物の製造方法。
【請求項１１】
第一の金属により構成される金属基材と、
前記金属基材上に形成され、第二の金属により構成されるコーティング層と、
前記金属基材と前記コーティング層との間に形成され、前記第一の金属と前記第二の金属とが合金化してなる金属間化合物層と、
前記コーティング層上に形成され、前記第二の金属と前記第三の金属とが混合溶融されてなる混合溶融凝固部が、前記金属基材に対して垂直な方向に複数積層されてなる積層構造物と、を備える異種金属接合構造物と、
前記金属部材に対して熱的に接触している電力変換素子と、を備え、
前記積層構造物には、前記電力変換素子を冷却する冷媒が接触していることを特徴とする、水冷電力変換素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、異種金属接合構造物、並びにその製造方法及びそれを備える水冷電力変換素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
異種金属同士を接合する場合、それらの接合界面（接合部）には、異種金属同士が結合してなる金属間化合物（合金）が形成することがある。そして、この金属間化合物が脆い場合には、伸びが少ないため、疲労強度の低下、割れによる強度低下が生じ得る。そこで、異種金属同士の接合界面の信頼性を高める技術として、特許文献１に記載の技術が知られている。
【０００３】
特許文献１には、接合部の信頼性が高いパワーモジュールを提供することが記載されている。具体的には、パワーモジュールは、第１の材料からなる金属配線の上に、溶射法によって形成された下敷き導電部材と、はんだ層と、半導体チップとを順次積層して構成されている。これらのうち、下敷き導電部材は、第１の材料の粒子群と、第１の材料よりも熱膨張係数が小さい第２の材料の粒子群とを噴射して形成されている。そして、金属配線とはんだ層との間に、金属配線よりも熱膨張係数の小さい下敷き導電部材が介在しているので、はんだ層に印加される上下部材間の熱膨張係数差に起因する熱応力が緩和され、はんだ層のクラックの発生が抑制されると、記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００８−３００４５５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１に記載の技術では、銅等からなる金属配線と、アルミニウム等からなるヒートシンクとの間には、エポキシ樹脂からなる絶縁樹脂層が形成されている。しかし、通常、金属と樹脂との接合強度は弱くなる傾向にある。従って、例えば銅からなる構造物と、例えばアルミニウムからなる構造物とは、エポキシ樹脂等を介さずに、直接接合されることが好ましい。
【０００６】
しかし、本発明者らが検討したところによると、アルミニウムと銅とを単に接合させると、接合界面において、アルミニウムと銅とからなる金属間化合物が形成することがわかった。そして、この金属間化合物は脆いため、その接合界面において、クラック等が容易に発生し易いことがわかった。即ち、特許文献１において、銅等からなる金属配線と、アルミニウム等からなるヒートシンクとを単に接合させようとすると、それらの接合界面に脆い金属間化合物が形成される結果、接合強度が不十分になることが分かった。従って、特許文献１に記載の技術では、異種金属同士を接合させるとき、接合させる金属の組み合わせによっては接合強度が不十分になることがある。
【０００７】
本発明はこのような課題に鑑みてなされたものであり、本発明が解決しようとする課題は、十分な接合強度を有しつつ、従来よりも様々な異種金属同士を接合可能な異種金属接合構造物、並びにその製造方法及びそれを備える水冷電力変換素子を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明者らは前記課題を解決するため、鋭意検討を行った。その結果、以下の知見を見出した。即ち、本発明の異種金属接合構造物は、第一の金属により構成される金属基材と、前記金属基材上に形成され、第二の金属により構成されるコーティング層と、前記金属基材と前記コーティング層との間に形成された、前記第一の金属と前記第二の金属とが合金化してなる金属間化合物層と、前記コーティング層上に形成され、前記第二の金属と第三の金属とが混合溶融されてなる混合溶融凝固部が、前記金属基材に対して垂直な方向に複数積層されてなる積層構造物と、を備えるものである。
【０００９】
また、本発明の異種金属接合構造物の製造方法は、第二の金属により構成されるコーティング層が形成された金属基材上に、第三の金属を配置する金属第一配置工程と、前記金属第一配置工程において配置された前記第三の金属の側から、前記第三の金属に対してレーザ光を照射することで前記第三の金属と前記第二の金属とを混合溶融させて混合溶融凝固部を形成するとともに、前記レーザ光の照射によって生じる熱によって、前記コーティング層を構成する前記第二の金属と前記金属基材を構成する第一の金属とを合金化させて金属間化合物層を形成する混合溶融・合金層形成工程と、前記混合溶融・合金層形成工程を複数回繰り返すことで、前記混合溶融凝固部が前記金属基材に対して垂直な方向に複数積層されてなる積層構造物を形成する積層工程と、を含むものである。
【００１０】
さらに、本発明の水冷電力変換素子は、第一の金属により構成される金属基材と、前記金属基材上に形成され、第二の金属により構成されるコーティング層と、前記金属基材と前記コーティング層との間に形成された、前記第一の金属と前記第二の金属とが合金化してなる金属間化合物層と、前記コーティング層上に形成され、前記第二の金属と第三の金属とが混合溶融されてなる混合溶融凝固部が、前記金属基材に対して垂直な方向に複数積層されてなる積層構造物と、を備える異種金属接合構造物と、前記金属部材に対して熱的に接触している電力変換素子と、を備え、前記積層構造物には、前記電力変換素子を冷却する冷媒が接触しているものである。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、十分な接合強度を有しつつ、従来よりも様々な異種金属同士を接合可能な異種金属接合構造物、並びにその製造方法及びそれを備える水冷電力変換素子を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本実施形態の異種金属接合構造物を備える水冷電力変換素子の一部を抜き出した斜視図である。
【図２】本実施形態の異種金属接合構造物を備える水冷電力変換素子の断面図である。
【図３】図２のＡ部拡大図であり、本実施形態の異種金属接合構造物における積層構造物の近傍を拡大して示した図である。
【図４】伝熱板に銅粉末を塗布した後の断面図である。
【図５】図４に示す状態において、所望の位置にレーザ光を照射している状態を示す断面図である。
【図６】レーザ光の照射位置を少しずつずらしながら都度照射し、５回目のレーザ光を照射する様子を示した断面図である。
【図７】２層目の混合溶融凝固部を形成するための銅粉末を塗布した後の断面図である。
【図８】図７に示す状態において、２層目の混合溶融凝固部を形成するための起点となる位置にレーザ光を照射している状態を示す断面図である。
【図９】レーザ光の照射位置をずらしながら複数回照射した後、積層構造物を構成する最後の混合溶融凝固部を形成するためのレーザ光を照射している様子を示す断面図である。
【図１０】本実施形態の異種金属接合構造物を適用した別の実施形態である冷却金型の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、図面を適宜参照しながら、本発明を実施するための形態（本実施形態）を説明する。
【００１４】
図１は、本実施形態の異種金属接合構造物１００を備える水冷電力変換素子１１０の一部を抜き出した斜視図である。即ち、図１は、水冷電力変換素子１１０を構成する、異種金属接合構造物１００及びそれと接合した電力変換素子１０を示すものである。異種金属接合構造物１００は、伝熱板１（金属基材）と、めっき層２（コーティング層）と、水冷フィン１１（図３等に示す積層構造物６に相当する）とを備えて構成される。そして、伝熱板１には、電力変換素子１０（インバータ）が接合されている。電流変換素子１０は直流電流を交流に変換、もしくは交流電流を直流電流に変換する素子である。
【００１５】
詳細は図２を参照しながら後記するが、水冷フィン１１には、水１２（図２参照）が接触している。これにより、電力変換素子１０による電流変換によって生じた熱は、伝熱板１、めっき層２及び水冷フィン１１を伝熱して当該水に放熱され、これにより、電力変換素子１０の冷却が行われるようになっている。
【００１６】
図２は、本実施形態の異種金属接合構造物１００を備える水冷電力変換素子１１０の断面図である。図２では、図示を簡略化するため、電流変換素子１０の端子等、部材の一部を省略して記載している。水冷電力変換素子１１０において、放熱板１、めっき層２及び水冷フィン１１（積層構造体６）からなる異種金属接合構造物１００は、アルミケース１５及びアルミ蓋１６で囲まれている。そして、めっき層２とアルミ蓋１６との間には、水１２が紙面奥方向に流れるようになっている。
【００１７】
また、アルミケース１５と伝熱板１との間にも、電流変換素子１０への水１２の漏れを防止するため、レーザ溶接により重ね溶接部１３が形成されている。さらに、アルミケース１５とアルミ蓋１６との接合部にも、同様に水１２の外部への漏れを防止するため、レーザ溶接によって突合せ溶接部１４が形成されている。重ね溶接部１３及び突き合わせ溶接部１４のいずれにおいても、同じ金属同士（アルミニウム同士）の溶接であるため、十分な接合強度が確保されている。
【００１８】
本実施形態では、伝熱板１はアルミニウム（第一の金属）により構成され、めっき層２はニッケル（第二の金属）により構成され、水冷フィン１１は銅（第三の金属）により構成されている。これらのように、異種金属接合構造物１００において比較的大きな体積を有する伝熱板１では、アルミニウムという軽量な金属を用いることで、軽量化の向上が図られている。また、めっき層２をニッケルにより構成することで、めっき法を利用しためっき層２の形成のし易さから、製造コスト削減を図っている。さらに、水冷フィン１１は、異種金属接合構造物１００において占める体積が比較的小さいため、アルミニウムよりも伝熱性の高い銅を用いることで、水への放熱性をより高めることができるようになっている。
【００１９】
即ち、めっき層２を設けることで、従来の技術では接合強度に課題のあるためで困難であった、銅製の水冷フィンを、アルミニウム製の伝熱板１上に配置することができる。前記のように銅は熱伝導性に優れることから、水冷電力変換素子１１０をこのように構成することで、電力変換素子１０の放熱性を従来よりも高めることができ、電力変換素子１０の耐久性を向上させることができる。
【００２０】
また、水冷電力変換素子１１０では、従来の樹脂等を用いずに、金属により構成されるめっき層を介して、異種金属であるアルミニウムと銅とが接合されている。そのため、アルミニウムと銅との熱伝導性が、樹脂を介する場合と比較して格段に優れる。従って、この点においても、電力変換素子１０の放熱性が従来よりもさらに高められ、電力変換素子１０の耐久性をより向上させることができる。
【００２１】
図３は、図２のＡ部拡大図であり、本実施形態の異種金属接合構造物１００における積層構造物６の近傍を拡大して示した図である。図３に示すように、積層構造物６（図１における冷却フィン１１に相当）は、混合溶融凝固部４が伝熱板１に垂直な方向（以下、「上下方向」という）に複数積層されてなるものである。本実施形態では、混合溶融凝固部４は、上下方向に８層積層されてなる。従って、電子顕微鏡により積層構造物６の断面を観察したときに、積層構造物６の断面では金属組織が一様な断面（界面が観察されない）とはなっておらず、混合溶融凝固部４の金属組織が８層積層（堆積）していることが確認可能である。
【００２２】
前記のように、本実施形態では、めっき層２はニッケルにより構成され、積層構造物６は銅により構成される。ただし、詳細は、異種金属接合構造物１００の製造方法を説明しながら後記するが、積層構造物６は、めっき層２の表面に配置された銅粉末と、めっき層２中のニッケルとが混合溶融してなる。そのため、積層構造物６においては、めっき層２の近傍に存在する混合溶融凝固部４ほど、ニッケルの含有量が多くなり、銅の含有量が少なくなる。一方で、めっき層２から離れた混合溶融凝固部４ほど、ニッケルの含有量が少なくなり、銅の含有量が多くなる。これらのように、積層混合物６では、めっき層２に含まれるニッケル及び銅の濃度が、めっき層２から遠ざかるにつれて、徐々に変化するようになっている。即ち、ニッケル及び銅の含有量が、傾斜組成になっている。これにより、積層構造物６の凝固の際の残留応力が低減され、積層構造物６の強度が向上する。
【００２３】
めっき層２を構成するニッケルと、めっき層２の表面に配置された銅とは、合金化せずに単に混合されるような異種金属の組み合わせである。前記のように、異種金属同士が合金化した合金（金属間化合物）のなかには、脆いものもある。そこで、合金化せずに単に混合している状態の混合溶融凝固部４を形成することで、異種金属同士の接合強度の向上が図られる。ただし、異種金属同士が合金化した合金が混合溶融凝固部４に含まれることを完全に排除するものではなく、異種金属同士の少なくとも一部（好ましくは全部）が溶融混合された状態であれば十分な接合強度が維持される。
【００２４】
また、伝熱板１とめっき層２との間であって、積層構造物６の下方には、伝熱板１に含まれるアルミニウムと、めっき層２に含まれるニッケルとが合金化した金属間化合物層５が形成されている。そして、積層構造物６の下方以外の部分では、伝熱板１とめっき層２とは直接接合している。伝熱板１とめっき層２との間に形成される金属間化合物層５は、アルミニウム−ニッケル合金により構成されている。これは、混合溶融凝固部４の形成時にレーザ光によって与えられる熱が、めっき層２の内部を伝わって伝熱板１に到達することによる。即ち、めっき層２の内部を伝わった熱によって、めっき層２中のニッケルと、伝熱板１中のアルミニウムとがこれらの接合界面において反応し、ニッケルとアルミニウムとが合金化するためである。そのため、金属間化合物層５は、積層構造物６の下方に形成されることになる。
【００２５】
本実施形態において、コーティング層であるめっき層２は、均一な厚さの薄膜の形成のし易さや、製造コスト等の観点から、めっき法により形成される。コーティング層がめっき法により形成されたものであるか否かは、コーティング層の断面を電子顕微鏡写真で観察することで確認可能である。即ち、コーティング層がめっき法で形成されためっき層２である場合には、めっき層２の断面においては、金属組織の界面が無く、一様な状態として観察される。
【００２６】
コーティング層がめっき層２である本実施形態では、伝熱板１とめっき層２との接合強度は比較的低くなっている。しかし、前記の混合溶融凝固部４の形成時に金属間化合物層５が並行して形成されることで、伝熱板１とめっき層２との接合強度が高められる。即ち、ニッケルとアルミニウムとの合金化により、伝熱板１とめっき層２との間で、ニッケル−アルミニウム合金の拡散接合が生じることになる。これにより、伝熱板１とめっき層２とは金属的に接合されることになり、これらの接合強度が向上する。従って、製造コストや形成の容易さに基づいて選択されためっき法により形成されためっき層２であっても、十分な接合強度が得られる。
【００２７】
なお、ニッケル−アルミニウム合金は脆い化合物になることがある。しかし、金属間化合物層５は、混合溶融凝固部４の形成時に伝わった熱によって形成されるため、その化合物の生成量はそれほど多くない。また、形成される金属間化合物層５も極めて薄くなるため、脆い化合物による接合強度の低下は十分に抑制される。
【００２８】
前記のように、本実施形態では、めっき層２はニッケル（第二の金属）により構成され、混合溶融凝固部４及びそれが積層されてなる積層構造物６（めっき層２の表面に配置される金属粉）は銅（第三の金属）により構成される。しかし、第二の金属及び第三の金属は、これらに限定されるものではない。ただし、第二の金属及び第三の金属のうちの少なくとも一方は、全率固溶体であることが好ましい。また、第二の金属及び第三の金属のいずれもが全率固溶体であることがより好ましい。全率固溶体の金属同士を用いることで、脆い金属間化合物を形成しないからである。このような全率固溶体の具体例としては、ニッケル及びその合金、銅及びその合金、鉄及びその合金等が挙げられる。
【００２９】
また、第二の金属と第三の金属との組み合わせとしては、ある金属と、その金属を含む合金との組み合わせも好ましい。例えば、アルミニウムと、アルミニウムを含む合金（アルミニウム合金）との組み合わせや、銅と、銅を含む合金（銅合金）との組み合わせ等が挙げられる。例えば前者の場合、第二の金属はアルミニウムであり、第三の金属はアルミニウム合金となる。
【００３０】
また、伝熱板１に含まれる金属（第一の金属）は、特に制限されない。ただし、第一の金属が前記第三の金属と反応して脆い合金が生成するような場合に、本発明の効果が特に大きく発揮される。具体的には例えば、第一の金属がアルミニウムであり、第三の金属が銅であるような場合である。そこで、伝熱板１に含まれる金属は、前記積層構造物６に含まれる金属の種類に応じて適宜設定すればよい。
【００３１】
これらの点に基づいて、伝熱板１、めっき層２及び積層構造物６のそれぞれに用いられる金属の組み合わせとして、以下の表１に記載の組み合わせが考えられる。ただし、表１に示す組み合わせは例であり、表１に記載の組み合わせになんら限定されない。なお、１番目の組み合わせは、前記の実施形態において用いた組み合わせである。
【００３２】
【表１】
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【００３３】
伝熱板１、めっき層２及び金属間化合物層５の厚さや、混合溶融凝固部４の大きさ、積層構造物６の高さ等の各寸法に特に制限はない。例えば、伝熱板１の厚さは３ｍｍ程度とすることができる。また、めっき層２の厚さは例えば４０μｍ程度とすることができる。さらに、金属間化合物層５の厚さは、十分な接合強度を得る観点から、例えば５μｍ以下とすることができ、より具体的には例えば０．８μｍ程度とすることができる。
【００３４】
次に、図４〜図９を参照しながら、積層構造物６の製造方法（即ち、異種金属接合構造物の製造方法）を説明する。積層構造物６の製造方法は、所謂パウダーベット法ともいわれる方法である。
【００３５】
図４は、伝熱板１に銅粉末（第三の金属）を塗布した後の断面図である。図４では、ニッケル（第二の金属）のめっき層２が形成されたアルミニウム（第一の金属）の伝熱板１の表面に対して、アトマイズ法により製造した球状の銅粉末３が配置固定された様子が示されている（第三金属配置工程）。ただし、銅粉末３は、めっき層２の表面に固定されている必要は必ずしもなく、めっき層２の表面に配置されていればよい。めっき層２の形成は、例えば電気めっき法により行うことができる。また、めっき層２がめっき法により形成されたものであるかどうかの確認は、前記のように、めっき層２の断面を電子顕微鏡写真により観察することで確認することができる。
【００３６】
めっき層２の表面に配置固定される銅粉末３の大きさは、粒径として例えば２０μｍ〜５０μｍ程度とすることができる。また、銅粉末３が配置固定されてなる層（めっき層２のさらに外側に形成される層）の厚さは１００μｍ程度とすることができる。
【００３７】
図５は、図４に示す状態において、所望の位置にレーザ光を照射している状態を示す断面図である。レーザ光は、図５では図示していないが、紙面の手前側から奥側に向かって照射されている。レーザ光の照射により、銅粉末３とめっき層２の表面のニッケルとが溶融し、これらが混合された後に放熱（例えば冷却）されてなる混合溶融凝固部４が形成される（混合溶融・合金層形成工程）。特に、放熱中、ニッケルと銅とは十分に混合されているものの、比較的比重の大きい銅が下側に向かう傾向にあり、一方で、比較的比重の小さいニッケルが上側に向かう傾向にある。従って、混合溶融凝固部４では、上側にニッケルが、下側に銅が存在する傾向にある。
【００３８】
また、めっき層２は金属であるため、銅粉末３等が溶融するために用いられる熱の一部は、めっき層２を通じて、伝熱板１とめっき層２との接合界面に到達する。そうすると、この接合界面では、異種金属同士が接合しているため、その部分から双方の金属の溶融が開始され、これらの金属が合金化する。これにより、伝熱板１とめっき層２との間であって、混合溶融凝固部４の下方に、金属間化合物層５が形成することになる（混合溶融・合金層形成工程）。
【００３９】
金属間化合物層５の形成開始後、レーザ光の照射による伝熱が続く間は、めっき層２においては上方向に、伝熱板１においては下方向に、それぞれの金属の溶融範囲が拡大することになる。従って、金属間化合物層５において、中央近傍ではアルミニウム濃度とニッケル濃度は合金化しているため略同じであるが、中央近傍から上方向に遠ざかるにつれて、ニッケル濃度は上昇し、アルミニウム濃度は低下することになる。一方で、中央近傍から下方向に遠ざかるにつれて、アルミニウム濃度は上昇し、ニッケル濃度は低下することになる。そのため、図５等では、図示の都合上、金属間化合物層５と、伝熱板１及びめっき層２との界面を明示しているが、実際には、これらの界面は判断できないことが多い。
【００４０】
このように、本実施形態では、めっき層２の表面及び銅粉末３のみが溶融する条件で、レーザ光の照射が行われている。これにより、ニッケルと銅とが混合してなる強固な混合溶融凝固部４が形成され、優れた接合強度を有する異種金属接合構造物１００が得られる。また、混合溶融凝固部４の生成中に用いられる熱の一部がめっき層２内を伝達し、金属間化合物層５が形成される。金属間化合物５が形成されることで、伝熱板１とめっき層２との間の接合強度を高めることができる。このように、前記の混合溶融凝固部４に加えて金属間化合物層５が形成されていることで、構造物全体として、従来よりも接合強度が十分優れた異種金属接合構造物１００を得ることができる。
【００４１】
一方で、レーザ光の照射が強力なものであると、めっき層２が貫通して溶融されてしまい、金属間化合物層５が形成されない可能性がある。また、この場合、伝熱板１も溶融してしまい、アルミニウムと銅粉末３とが反応して、脆い合金を形成してしまう可能性がある。そこで、本実施形態では、めっき層２の表面及び銅粉末３の双方を溶融可能な程度に弱い条件でレーザ光を照射すればよい。
【００４２】
そして、金属間化合物層５の厚さは、伝熱板１とめっき層２との接合界面における温度及びレーザ光の照射時間により制御できる。具体的には、レーザ光の照射時間が長いか、又は、伝熱板１とめっき層２との接合界面から金属間化合物層５までの距離が短いと、厚い金属間化合物層５が生成する傾向にある。従って、レーザ光の照射条件、金属粉末３の塗布条件、めっき層２の厚さ等により、金属間化合物５の構造を制御することができる。
【００４３】
例えば、銅粉末３により構成される層の厚さが１００μｍ、ニッケルにより構成されるめっき層２の厚さが４０μｍである場合、波長１０７０ｎｍのレーザ光を照射可能な連続発振のファイバレーザ装置を用い、２枚の反射ミラーを動かして２次元平面をスキャンさせることで、混合溶融凝固部４及び金属間化合物層５を形成することができる。このときの照射条件としては、例えば、ビーム径Φを１００μｍとし、スキャン速度を１００ｍ／ｓとし、レーザ出力を４００Ｗとすることができる。
【００４４】
また、レーザ光の照射は、混合溶融凝固部４の形成途中で溶融した金属の酸化を防止する観点から、不活性ガス（例えばアルゴンガス）中で行うことが好ましい。これにより、不純物（例えば酸化物）の少ない混合溶融凝固部４を形成することができる。
【００４５】
図６は、レーザ光の照射位置を少しずつずらしながら都度照射し、５回目のレーザ光を照射する様子を示した断面図である。前記の図５に示す状態では、紙面の手前側から奥側に向かってレーザ光が照射されたが、図６では、照射位置を合計で５回少しずつ右側にずらしてレーザ光を照射した状態が示されている。各回の照射の際には、形成される混合溶融凝固部４が少しずつ重なるようにして、レーザ光が照射されている。
【００４６】
また、前記の図５に示した、初めに形成された混合溶融凝固部４はアルミニウムとニッケルとの混合物であったが、２回目以降の照射により形成される混合溶融凝固部４（例えば図６の状態では、混合溶融凝固部４は、アルミニウム及びニッケルに加えて、図５に示した初めに形成された混合溶融凝固部４の成分も含まれている。従って、左右方向に形成される混合溶融凝固部４は同じ成分により形成されるため、割れの無い強固な混合溶融凝固部４が得られる。
【００４７】
混合溶融凝固部４の新たな形成にあわせて、新たな金属間化合物層５が形成される。新たに形成される金属間化合物層５に含まれる合金は、既存の合金とともに合金化される。そのため、金属間化合物層５では、単に混合されてなる混合溶融凝固部４とは異なり、境目なく一体に形成される。通常、積層構造物６（図３参照）の大きさ（左右方向の長さ）が大きくなると、伝熱板１からの剥離が生じやすくなる。しかし、本実施形態では、積層構造物６を構成する混合溶融凝固部４の形成にあわせて、伝熱板１とめっき層２との接合強度を向上させる金属間化合物層５が形成される。そのため、積層構造物６の大きさが大きくなっても、十分な接合強度が得られる。
【００４８】
図７は、２層目の混合溶融凝固部４を形成するための銅粉末３を塗布した後の断面図である。図７では、図６に示した状態（紙面手前側から奥側に向かう５本の混合溶融凝固部４が形成された状態）において、さらに別の銅粉末３を図１の状態と同様にして配置固定したものである。即ち、図７では、図５及び図６において形成された混合溶融凝固部４の上に、銅粉末３が配置固定された状態である（第三金属配置工程、積層工程）。
【００４９】
図８は、図７に示す状態において、２層目の混合溶融凝固部４を形成するための起点となる位置にレーザ光を照射している状態を示す断面図である。この起点は、通常は、一層目（図６に示した状態）のうちの初めに形成された混合溶融凝固部４のレーザ光照射位置（図５に示す位置）と同じになる。この位置でのレーザ光照射が開始されることで、２層目の混合溶融凝固部４の形成が開始される（積層工程）。レーザ光の照射は、図６に示した条件と同様にして行うことができる。
【００５０】
図９は、レーザ光の照射位置をずらしながら複数回照射した後、積層構造物を構成する最後の混合溶融凝固部を形成するためのレーザ光を照射している様子を示す断面図である。である。即ち、図５〜図７に示す操作を８回繰り返し、上下方向に８層の混合溶融凝固部４を形成した状態を示したものである。このように、上下方向に複数の混合溶融凝固部４が積層されることで、積層構造物６が得られる（積層工程）。そして、図９に示す状態から、めっき層２の表面に残存する未反応の銅粉末３を除去することで、前記の図３に示した異種金属接合構造物１００が得られる。
【００５１】
混合溶融凝固部４が複数積層されてなる積層構造物６においては、前記のように、めっき層２近傍でニッケル濃度は最も高く、先端（上方）に向かうにつれてニッケル濃度は徐々に低下する。一方で、混合溶融凝固部４が上下方向に１層積層形成されるたびに、図７に示すように銅粉末３が塗布固定される。そのため、めっき層２の近傍での銅濃度が最も低く、先端（上方）に向かうにつれて銅濃度が徐々に上昇することになる。
【００５２】
これらのうち、特にニッケルの濃度は、めっき層２に含まれるニッケルの量が変化しないため、先端に向かうにつれてすぐに低下する。一方で、銅粉末３は、レーザ光照射の都度新たに配置固定するため、銅の濃度は、先端に向かうにつれて比較的すぐに上昇し易い。そのため、ニッケルを含みはするものの、その大部分が銅により構成された積層構造物６が得られる。
【００５３】
また、積層構造物６では、前記のように組成が傾斜的に変化している（傾斜組成）。そして、この傾斜組成により、熱膨張係数も次第に変化する。そのため、凝固時の残留応力が低減され、変形が低減され、割れのない高強度の異種金属接合構造物１００が得られる。
【００５４】
以上のように、例えば、アルミニウムと銅と等、脆い化合物を形成してしまうため接合が困難であった異種金属同士を、めっき層２を介することで、接合強度が高い異種金属接合構造物１００を製造することができる。特に、樹脂等を介さず、金属のみにより接合することができるため、接合強度を十分に高めることができる。そして、接合に用いられるめっき層２は、接合する各金属に応じて適宜に選択可能であるため、接合強度の観点から従来は接合が難しかった異種金属同士を、十分な接合強度で接合することができる。
【００５５】
図１０は、本実施形態の異種金属接合構造物１００を適用した別の実施形態である冷却金型１２０の断面図である。冷却金型１２０（異種金属接合構造物）は、溶融樹脂等を成型するための金型成型部２５（積層構造物）と、金型成型部２５を冷却するための水が通流する内部流路２２と、金型成型部２５からの熱を水に伝熱するためのベース板２１（金属基材）とを備えている。
なお、金型成型部２５は、前記の積層構造物６と同様に混合溶融凝固部４が積層されてなるが、図１０では図示の都合上、金型成型部２５は一様なものとして示し、また、金型成型部２５と混合溶融凝固部４との境界を明示している。
【００５６】
ベース板２１の上には、めっき層２が形成されている。そして、ベース板２１とめっき層２との間には、金属間化合物５が形成されている。また、めっき層２の上には、金型成型部２５が形成されている。そして、めっき層２と金型成型部２５との間には、混合溶融凝固部４が形成されている。
【００５７】
冷却金型１２０においては、ベース板２１を構成する金属（第一の金属）は、水冷による抜熱を促進させるため、熱伝導率の高い銅である。また、めっき層２を構成する金属（第二の金属）は、前記の水冷電力変換素子１１０と同様に、ニッケルである。そして、金型成型部２５を構成する金属（第三の金属）は、マルエージング鋼である。マルエージング鋼は、ニッケルやコバルト等を含む鉄系の合金である。なお、これらの組み合わせは、前記の表１における６番目の組み合わせである。
【００５８】
ニッケルは工業的に安価であり、かつ、マルエージング鋼と溶融させても脆い化合物を形成しないものである。そして、マルエージング鋼は高強度であるため、樹脂成型金型として寿命が長いので金型成型部２５の材質に選定した。
【００５９】
ここで、銅の融点と、マルエージング鋼の融点とは、大きく異なる。そこで、銅製のベース板２１を単にマルエージング鋼製の金型成型部２５に接合しようとすると、接合界面において割れが発生して、接合強度が低下する。そのため、従来の方法であれば、ベース板２１の上に直接金型成型部２５を造形することはできない。そこで、めっき層２を介することで、信頼性のある冷却金型１２０が得られる。
【００６０】
冷却金型１２０は、基本的には前記の水冷電力変換素子１１０と同様にして製造することができる。そこで、以下の説明では、前記の水冷電力変換素子１１０の製造方法とは異なる点を主に挙げて、冷却金型１２０の製造方法を説明する。
【００６１】
まず、水冷流路２２を形成したベース板２１（厚さ２０ｍｍ程度）上に、ニッケルのめっき層２（厚さ３０μｍ程度）が形成される。そして、めっき層２の上に、マルエージング鋼の金属粉（粒径として２０μｍ〜４０μｍ程度、平均粒径は３０μｍ程度。図示しない）が塗布される。この金属粉は、例えばガスアトマイズ法により製造可能である。その後、マルエージング鋼の側からレーザ光を照射することにより、ニッケルとマルエージング鋼との混合物である混合溶融凝固部４が形成される。また、これに伴い、銅とニッケルとからなる合金により構成される金属間化合物層５が形成される。
【００６２】
レーザ光の照射条件としては、以下のようにすることができる。即ち、溶融凝固過程での金属酸化を防止する観点から、レーザ光は窒素雰囲気で照射される。そして、レーザ光のビーム径は直径１００μｍであり、レーザ出力は２００Ｗ、レーザスキャン速度は１００ｍ／ｓで照射することができる。さらに、レーザ光は、波長１０７０ｎｍの連続発振のファイバレーザを用いることができる。
【００６３】
ただし、冷却金型１２０では、前記の冷却電力変換素子１１０とは異なり、積層構造物６である金型成型部２５の大きさ（上下方向の高さ）が一様ではない。即ち、図１０に示すように、金型成型部２５の中央近傍では薄く、両端近傍では厚くなっている。そこで、冷却金型１２０の製造の際、中央近傍でのマルエージング鋼の塗布量及び回数、並びにレーザ光の照射回数が少なく、一方で、両端近傍では、これらが多くなっている。即ち、冷却金型１２０の製造においては、両端近傍でマルエージング鋼の塗布及びレーザ照射をより多く繰り返して、中央近傍と比べて厚みのある金型成型部２５を形成することができる。このようにすることで、所望の形状となる金型成型部２５（積層構造物６）を形成することができる。また、その上方では殆どニッケルを含まないマルエージング鋼の金型成型部２５を製造することができる。
【００６４】
このようにして製造した冷却金型１２０は、マルエージング鋼製の金型成型部２５によって、優れた強度を有する金型とすることができる。一方で、銅製のベース板２１を備えるため、銅による伝熱性能に優れ、金型成型部２５の冷却効果を高いものにすることができる。特に、ベース板２１と金型成型部２５とは、金属のみによって接続されている。そのため、銅の伝熱性能の良好さを最大限発揮することができ、冷却性能に優れた冷却金型１２０を製造することができる。さらに、混合溶融凝固部４及び金型成型部２５では、前記の冷却電力変換素子１１０と同様に、ニッケル及びマルエージング鋼の組成は傾斜組成になっている。そのため、組成の変化に対応して熱膨張係数も変化するため、異種金属の熱膨張差による残留応力が低減される。これにより、高い強度で金型成型部２５を接合することができる。
【００６５】
以上、本発明を実施する形態を、２つの具体例を挙げながら説明したが、本実施形態は前記の例になんら限定されるものではない。
【００６６】
例えば、前記の各実施形態では、コーティング層として、めっき法により形成しためっき層２が形成されているが、コーティング層としては、コールドスプレー法により形成した層であってもよい。この場合のコールドスプレー法では、第二の金属（ニッケル等）が溶融温度以下で金属基材に衝突させられて、第二の金属により構成される層が形成されることになる。コールドスプレー法を用いてコーティング層を形成することで、めっき法により形成しためっき層２の厚さよりも、厚いコーティング層を形成することができる。コーティング層を厚く形成することで、レーザ光が照射される位置（即ち、混合溶融凝固部４が形成される位置）から、金属間化合物層５が形成される位置までの距離を長くすることができる。これにより、レーザ光の照射による熱が伝わりにくくなり、比較的薄い金属間化合物層５を形成することができる。
【００６７】
コーティング層がコールドスプレー法により形成されたものであるか否かの判断は、コーティング層の断面を電子顕微鏡により観察することで行うことができる。即ち、電子顕微鏡により断面を観察したときに、第二の金属同士が扁平形状に堆積している状態、即ち、第二の金属の組織が一様ではなく、金属組織同士の界面を確認できれば、コーティング層はコールドスプレー法により形成されたと判断することができる。
【００６８】
また、コーティング層は、めっき法やコールドスプレー法以外にも、例えば溶射法により形成することもできる。溶射法によりコーティング層を形成する場合、コーティング層を構成する第二の金属は、溶融した状態で金属基材に衝突することになる。衝突した後の第二の金属同士は接合する傾向にある。従って、電子顕微鏡を用いて断面を観察すると、第二の金属の組織は観察可能なものの、コールドスプレー法によって形成した場合と比べて、金属組織同士の界面はすこしぼやけることになる。従って、金属組織同士の界面の様子により、コーティング層は、コールドスプレー法により形成されたものであるのか、又は溶射法により形成されたものであるのかを判断することができる。
【００６９】
さらに、コーティング層は、例えばクラッド材を用いて形成してもよい。クラッド材は第二の金属を押圧することで得られるが、第二の金属を衝突させるコールドスプレー法や溶射法等とは、電子顕微鏡により観察される断面における金属組織の様子が異なる。従って、このようして、コーティング層がクラッド材を用いて形成されたものであるか否かを判断することができる。
【００７０】
また、前記の各実施形態では、混合溶融凝固部４を形成するためにレーザ光を用いたが、レーザ光に代えて電子ビームを用いてもよい。さらに、これらの他にも、混合溶融凝固部４及び金属間化合物層５を形成可能な方法であれば、どのような方法を用いてもよい。
【００７１】
さらに、前記の各実施形態では、レーザ光の照射の都度、第三の金属（銅やマルエージング鋼）を配置固定したが、これらは、レーザ光の照射の都度、配置固定されてなくてもよい。即ち、例えば３次元プリンタ等を用いてレーザ光等の焦点を調整することで、例えば、初めに一度のみ配置された第三の金属中に、任意の形状の積層構造物６を形成することもできる。この場合、第三金属配置工程は一度のみ行われ、混合溶融・合金層形成工程は複数回行われることになる。従って、本実施形態では、混合溶融・合金層形成工程は繰り返し行われ、一方で、第三金属配置工程は一度又は複数回（繰り返し）行われることになる。
【符号の説明】
【００７２】
１  伝熱板（金属基材）
２  めっき層（コーティング層）
３  金属粉末（第三の金属）
４  混合溶融凝固部
５  金属間化合物層
６  積層構造物
１０  電流変換素子
１１  水冷フィン（積層構造物）
１２  水（冷媒）
１３  重ね溶接部
１４  突合せ溶接部
１５  アルミケース
１６  アルミ蓋
２１  ベース板（金属基材）
２２  水冷流路
２５  金型成型部（積層構造物）
１００  異種金属接合構造物
１１０  水冷電力変換素子（異種金属接合構造物）
１２０  冷却金型（異種金属接合構造物）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
2018029090.tif 000011
【図９】
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【図１０】
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