(57)【要約】【課題】高い密着強度と優れた熱サイクル信頼性を兼ね備えた金属接合部材とその製造方法の提供を目的とする。【解決手段】金属基材表面の少なくとも一部にはんだ層が形成された金属接合部材であって、該はんだ層と金属基材の界面部分に、はんだ層との濡れ性が良好な金属粒子からなる密着層を有し、該密着層の一部が金属基材に埋没してアンカー層を形成することを特徴とする金属接合部材。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属基材と、
前記金属基材上に形成され、前記金属基材の面に一部が埋没した前記金属基材とは異なる材料の複数の金属粒子を含む密着層と、
前記密着層上に形成されたはんだ層と、
を有することを特徴とする金属接合部材。
【請求項２】
請求項１記載の金属接合部材であって、
前記密着層は、さらに、前記はんだ層と同じ材料のはんだ相を含むことを特徴とする金属接合部材。
【請求項３】
請求項２記載の金属接合部材であって、
前記はんだ相の一部は前記複数の金属粒子間に入り込んだ状態であることを特徴とする金属接合部材。
【請求項４】
請求項２記載の金属接合部材であって、
前記はんだ相と前記複数の金属粒子との間の界面は凹凸形状であることを特徴とする金属接合部材。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれかに記載の金属接合部材であって、
前記複数の金属粒子はＣｕ又はＣｕ合金若しくはこれらの組み合わせであり、
前記はんだ層はＳｎ−Ｃｕ系はんだ又はＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ系はんだであることを特徴とする金属接合部材。
【請求項６】
請求項１乃至４のいずれかに記載の金属接合部材であって、
前記複数の金属粒子はＮｉ又はＮｉ合金若しくはこれらの組み合わせであることを特徴とする金属接合部材。
【請求項７】
請求項１乃至６のいずれかに記載の金属接合部材であって、
前記金属基材はＡｌ又はＡｌ合金であることを特徴とする金属接合部材。
【請求項８】
金属接合部材の製造方法であって、
金属基材に対して、前記金属基材の面に一部が埋没するように前記金属基材とは異なる材料の複数の金属粒子を衝突させて、前記金属基材上に一部が埋没した前記複数の金属粒子を含む密着層を形成するステップと、
前記金属基材上に形成された密着層上にはんだ層を形成するステップと、
を有することを特徴とする金属接合部材の製造方法。
【請求項９】
請求項８記載の金属接合部材の製造方法であって、
前記密着層を形成するステップは、
前記複数の金属粒子を衝突させる第一のステップと、
前記複数の金属粒子とはんだ粒子との混合粉末を衝突させる第二のステップとを有することを特徴とする金属接合部材の製造方法。
【請求項１０】
請求項９記載の金属接合部材の製造方法であって、
前記密着層を形成するステップでは、前記はんだ粒子として前記はんだ層と同一の材料を用いることを特徴とする金属接合部材の製造方法。
【請求項１１】
請求項８記載の金属接合部材の製造方法であって、
前記はんだ層を形成するステップでは、ペースト印刷または超音波接合により前記はんだ層を形成することを特徴とする金属接合部材の製造方法。
【請求項１２】
請求項８乃至１１のいずれかに記載の金属接合部材の製造方法であって、
前記密着層を形成するステップでは、前記金属粒子としてＣｕ又はＣｕ合金若しくはこれらの組み合わせを用い、
前記はんだ層を形成するステップでは、Ｓｎ−Ｃｕ系はんだ又はＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ系はんだを用いることを特徴とする金属接合部材の製造方法。
【請求項１３】
請求項８乃至１１のいずれかに記載の金属接合部材の製造方法であって、
前記密着層を形成するステップでは、前記金属粒子としてＮｉ又はＮｉ合金若しくはこれらの組み合わせを用いることを特徴とする金属接合部材の製造方法。
【請求項１４】
請求項８乃至１３のいずれかに記載の金属接合部材の製造方法であって、
前記密着層を形成するステップでは、エアロゾルデポジション法又はコールドスプレー法により前記複数の金属粒子を前記金属基材に衝突させることを特徴とする金属接合部材の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、金属接合部材及びその製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
金属基材の接合方法にはんだ接合がある。はんだ接合は、金属基材を溶融することなく、異種の金属基材同士を低温で容易に接合できる技術である。加熱による金属基材の変形がなく、また、接合に要する熱エネルギーが少ないため、汎用的に使われている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平１０−２７８５５８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、接合する金属基材とはんだを選択する上で、金属基材とはんだとの濡れ性を考慮しなければならない。例えば、従来、アルミニウム部材の接合技術として、アルミニウムとの濡れ性が良い、Ｚｎ−Ａｌ系，Ｚｎ−Ｓｎ系の合金を用いたはんだ接合がある。しかしながら、Ｚｎ−Ａｌ系はんだは、融点が６２３Ｋと高く、低温接合ができないという問題がある。また、特許文献１記載のＳｎ−Ｚｎ系はんだは、融点が４７３Ｋ程度と低いが、大気中で酸化しやすいため、はんだ接合時のはんだ表面酸化による接合不良が生じやすいという課題がある。
【０００５】
すなわち、金属基材の材料を選択すると、金属接合部材の使用環境等から鑑みて必ずしも適切でなくとも、その材料と濡れ性の良いはんだを選択しなければならず、種々の問題が生じていた。
【０００６】
本発明は、上記課題を鑑みなされたものであり、はんだ濡れ性が良くない金属基材においても、高い密着強度と優れた温度サイクル信頼性を兼ね備えた金属接合部材の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本願において開示される発明のうち代表的なものの概要を簡単に説明すれば次の通りである。
【０００８】
本発明は、金属接合部材を製造するにあたり、金属基材表面の少なくとも一部に、金属基材側から順に、密着層、はんだ層を備えており、前記密着層は、はんだとの濡れ性が良好な金属からなる密着用粒子の堆積層で、該密着用粒子の一部が金属基材に埋没しており、さらに、密着層とはんだ層の接合界面が凹凸形状であることを特徴とするものである。
【０００９】
本発明に係る金属接合部材によれば、金属基材と密着層の接合は、密着粒子の一部が金属基材に埋没することによるアンカー効果に起因し、高い密着強度を有し、また、密着層とはんだ層の接合界面が凹凸形状であるため、熱応力などに起因したクラックが進展しにくく、高い温度サイクル信頼性を有する。
【００１０】
また、本発明は、金属基材と、前記金属基材上に形成され、前記金属基材の面に一部が埋没した前記金属基材とは異なる材料の複数の金属粒子を含む密着層と、前記密着層上に形成されたはんだ層と、を有することを特徴とする金属接合部材である。
【００１１】
また、本発明は、金属接合部材の製造方法であって、金属基材に対して、前記金属基材の面に一部が埋没するように前記金属基材とは異なる材料の複数の金属粒子を衝突させて、前記金属基材上に一部が埋没した前記複数の金属粒子を含む密着層を形成するステップと、前記金属基材上に形成された密着層上にはんだ層を形成するステップと、を有することを特徴とする金属接合部材の製造方法である。
【発明の効果】
【００１２】
高い密着強度と優れた温度サイクル信頼性を兼ね備えた金属接合部材を提供できる。特に、はんだ濡れ性が良くない金属からなる接合部材も提供可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る金属接合部材を示す概略断面図である。
【図２】本発明の第１の実施形態に係る金属接合部材の製造工程を示す概略図である。
【図３】本発明の第２の実施形態に係る金属接合部材を示す概略断面図である。
【図４】本発明の第２の実施形態における金属接合部材の製造工程を示す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
本発明に係る金属接合部材の第１の実施形態について、図１を用いて説明する。
本実施形態の金属接合部材１は、Ａｌで形成された板状の金属基材２と、金属基材２上に形成され、一部が金属基材２に埋没した密着用の複数のＣｕ粒子３１とＳｎ−Ｃｕはんだ相とで形成された密着層３と、密着層３上に形成されたＳｎ−Ｃｕのはんだ層４と、を含んで構成される。
【００１５】
ここで、密着層３は、図１に示すように、金属基材２との接続面側に密着用のＣｕ粒子３１が複数堆積しており、その界面では複数のＣｕ粒子の一部が金属基材２に埋まるように形成されているため、アンカー効果に起因して金属基材２との間で優れた密着強度が得られる。また、密着層３は、はんだ層４との接続面側にはんだ相があるため、はんだ層４との間でも優れた密着強度を実現している。さらに、密着層３内では、堆積して界面が凹凸形状をなす複数のＣｕ粒子の粒子間に濡れ性のよいＳｎ−Ｃｕはんだ相が入り込んでいるためアンカー効果による強度もあり、金属接合部材１全体として高い密着強度でかつ温度サイクル信頼性の高い接合部材を実現している。
【００１６】
上記のごとく、本実施形態の金属接合部材であれば、はんだ濡れ性の観点から従前制限されていた金属基材とはんだ材との組み合わせ（例えば、Ａｌ基材の場合、Ｚｎ−Ａｌ系はんだ又はＺｎ−Ｓｎ系はんだ）に限ることなく、密着層３の粒子とはんだ層４とを適宜選択することにより、低融点鉛フリーはんだや高融点鉛フリーはんだなど使用用途に応じて自由なはんだ材との接続が可能となる。
【００１７】
なお、本実施形態では、金属基材２がＡｌである例を示したが、Ａｌ合金であってもよく、他のはんだ濡れ性が良くない金属であっても構わない。また、本実施形態では、密着用の粒子３１がＣｕである例を示したが、金属粒子としてＣｕ合金やＮｉ，Ｎｉ合金、またはこれらを適宜組み合わせたものでもよく、金属基材とは異なる材料であり金属基材よりも硬い材料であってはんだとの濡れ性がよい材料を適宜選択して用いればよい。さらに、はんだ層４に用いる材料は、粒子３１との濡れ性が良好なものであればよく、例えば、粒子がＣｕの場合はＳｎ−Ｃｕ系はんだのほかＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ系はんだなどの低融点はんだを使用でき、粒子の材料に応じて適宜選択可能である。
【００１８】
また、本実施形態では、板状の金属基材２の一方の面の一部に密着層３及びはんだ層４を形成する例を示したが、これに限られず、一面全体に各層を形成してもよいし、両面に形成しても構わない。さらに、金属基材２の形状は板状に限られるものではなく、金属接合部材１の使用形態に合わせて、箔状、塊状等の種々の形状を適宜選択可能である。
【００１９】
次に、上記した第１の実施形態の金属接合部材の製造方法について、図２を用いて説明する。なお、金属基材の形状や、粒子やはんだ層の材料などは上述のように適宜選択可能であり、以下の記載に制限されるものではない。
まず、金属基材２の表面に対して、密着用の粒子３１の粉末をエアロゾルデポジション法やコールドスプレー法に代表される粒子衝突成膜法を用いて高速で衝突させ（図２（ａ））、少なくとも一部が金属基材２に埋没するように複数の粒子を堆積させる（図２（ｂ））。このように、Ａｌ金属基材２上に密着用の粒子３１の粉末を高速で衝突させることで、研磨効果によってＡｌ表面の酸化膜が除去されてＡｌと密着用の粒子３１の新生面間結合が生じ、加えて、密着用の粒子３１の一部がＡｌ部材上に埋没するため、非常優れた密着強度が得られる。
【００２０】
次に、密着用の粒子３１とはんだ粒子４１の混合粉末を上述と同様の手法により高速で衝突させ（図２（ｃ））、堆積した粒子の界面が凹凸形状をなし、はんだ粒子４１によるはんだ相が粒子間に入り込んだ密着層３が形成される（図２（ｄ））。ここで、密着用の粒子３１とはんだ粒子４１との比率は、上記の衝突成膜処理中で一定としてもよく、はんだ粒子４１の比率を徐々に増やしてくようにしても構わない。さらに、よりアンカー効果が得られるように、一旦密着用の粒子３１の比率を少なくした後、再度比率を増やし、再び少なくするようにしてもよく、これらの比率は処理時間単位で適宜変更可能である。
【００２１】
続いて、はんだ粒子４１のみを上述と同様の手法により高速で衝突させ（図２（ｅ））、はんだ層４１を形成することで金属接合部材１を製造できる（図２（ｆ））。
【００２２】
なお、密着層３及びはんだ層４を形成する場合の雰囲気条件は、非酸化雰囲気とすることが望ましい。金属接合部材製造時に、金属基材２、密着用の粒子３１、はんだ粒子４１間の接合界面に酸化物成分が混入すると、はんだ接続時に接合界面にボイドが発生し、密着強度の低下を招くためである。
また、密着層３及びはんだ層４を形成する場合の雰囲気温度は、密着用粒子の融点以下であることが望ましい。雰囲気温度が密着用粒子の融点より高いと、密着用粒子とはんだ粒子が固溶反応を起こしやすくなり、密着層３とはんだ層４の界面に良好な凹凸形状が形成しにくくなるためである。
上記製造方法によって得られたアルミニウム接合部材は、Ｓｎ−Ａｇ−ＣｕやＳｎ−Ｃｕでのはんだ接合により、他の部材と接合可能となる。
【００２３】
次に、本発明に係る金属接合部材の第２の実施形態について、図３を用いて説明する。なお、第２の実施形態の基本的な構成は、第１の実施形態と同様であり、同一の構成要素には同一符号を示してその説明を一部省略するものとし、第１の実施形態との相違点を主として以下説明する。
【００２４】
第２の実施形態の金属接合部材１’は、Ａｌで形成された板状の金属基材２と、金属基材２上に形成され、一部が金属基材２に埋没した密着用の複数のＣｕ粒子３１からなる密着層３’と、密着層３’上に形成されたＳｎ−Ｃｕのはんだ層４と、を含んで構成される。
第２の実施形態と第１の実施形態との相違点は、密着層３がＣｕ粒子のみからなる点である。これにより密着層３をなす複数のＣｕ粒子の界面は第１の実施形態のような凹凸形状とはならず、第１の実施形態ほどの密着強度および温度サイクル信頼性は得られないものの、後述するように、本形態によれば、はんだ層４の製造に粒子衝突成膜法を用いなくてよいため、はんだ層４の材料選択の幅がより広がり、汎用性が高まる。
【００２５】
この第２の実施形態の金属接合部材の製造方法について、図４を用いて説明する。
まず、図２（ａ）（ｂ）で示したステップと同様に、金属基材２の表面に対して、密着用の粒子３１の粉末をエアロゾルデポジション法やコールドスプレー法に代表される粒子衝突成膜法を用いて高速で衝突させ（図４（ａ））、少なくとも一部が金属基材２に埋没するように複数の粒子を堆積させ、密着層３’を形成する（図４（ｂ））。その後、密着層３’が形成された金属基材２に対して、粒子衝突成膜法以外に、ペースト印刷や超音波接合などの処理を適宜用いて、はんだ層４を形成することで金属接合部材１’を製造できる（図４（ｃ））。
【００２６】
本製造方法によれば、はんだ層４の製造に粒子衝突成膜法を用いる必要がないため、製造工程の高速化やはんだ層４の材料選択の幅をより広げたり、必要に応じて容易にはんだ層４の厚さを厚く形成することが可能となる。
【００２７】
上記説明した第２の実施形態の金属接合部材及びその製造方法においては、板状のＡｌ金属基材やＣｕ粒子を例にとって説明したが、形状や材料はこれに限られるものでなく、第１の実施形態において説明した形状や材料を適宜選択して用いても構わない。
【００２８】
以上、本発明者によってなされた発明を実施形態に基づいて具体的に説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることはいうまでもない。本発明によれば、特に、はんだ濡れ性が良くない金属基材においても、高い密着強度と優れた温度サイクル信頼性を兼ね備えた金属接合部材を提供できる。
【符号の説明】
【００２９】
１、１’  金属接合部材
２  金属基材
３、３’  密着層
３１  密着用の粒子
４  はんだ層
４１  はんだ粒子
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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