(57)【要約】      （修正有）【課題】基材ないしは部品を、扁平粉の扁平面同士が重なり合った接合層によって接合する方法の提供。【解決手段】熱分解で金属を析出する金属化合物をアルコールに分散し、このアルコール分散液に有機化合物を混合し、さらに、この混合液に扁平粉を混合して懸濁液を作成する。この後、基材ないしは部品の一方の接合面に、懸濁液を滴下ないしは塗布し、接合面に３方向の振動を繰り返し加える。この後、接合面に他方の接合面を重ね合わせ、圧縮荷重を加え、金属化合物が熱分解する温度に昇温する。これによって、扁平面同士が重なり合った粉体の集まりが、双方の接合面に接合する方法。【選択図】図１
2019137882.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基材ないしは部品を接合する方法は、熱分解で金属を析出する金属化合物を、アルコールに分散してアルコール分散液を作成し、前記アルコールに溶解ないしは混和する第一の性質と、前記アルコールより高い粘度を有する第二の性質と、沸点が前記金属化合物の熱分解温度より低い第三の性質とを兼備する有機化合物を、前記アルコール分散液に混合して混合液を作成し、密度が前記有機化合物の密度の２倍より大きい第一の性質と、金属から構成される第二の性質と、扁平面を有する第三の性質とを兼備する粉体の集まりを、前記混合液に混合して懸濁液を作成する、この後、前記懸濁液を回転及び揺動させる、さらに、基材ないしは部品の一方の接合面に、前記懸濁液を滴下ないしは塗布し、該接合面に左右、前後、上下の３方向の振動を繰り返し加え、扁平面同士が重なり合った前記粉体の集まりを、前記接合面上に形成する、この後、前記接合面に、前記基材ないしは前記部品の他方の接合面を重ね合わせて積層体とし、該積層体の双方の接合面を圧縮する荷重を該積層体に加える、さらに、該圧縮荷重が加えられた積層体を、前記金属化合物が熱分解する温度に昇温する熱処理を行う、これによって、前記粉体の表面と前記双方の接合面とに金属微粒子の集まりが析出し、該金属微粒子同士が接触部位で互いに金属結合することによって、前記扁平面同士が重なり合った粉体の集まりが、前記双方の接合面に接合し、前記基材ないしは前記部品の接合面同士が接合される、基材ないしは部品を接合する方法。
【請求項２】
請求項１に記載した基材ないしは部品を接合する方法において、前記金属化合物が熱分解する温度に昇温する熱処理を、前記金属化合物の熱分解温度より高い温度で熱処理する、請求項１に記載した基材ないしは部品を接合する方法。
【請求項３】
請求項１に記載した基材ないしは部品を接合する方法において、前記粉体が軟質金属からなるフレーク状の粉体である、請求項１に記載した基材ないしは部品を接合する方法。
【請求項４】
請求項１に記載した基材ないしは部品を接合する方法において、前記金属化合物が、無機物の分子ないしはイオンが配位子になって金属イオンに配位結合する金属錯イオンを有する無機塩で構成された金属錯塩であり、前記有機化合物が、カルボン酸エステル類ないしはグリコールエーテル類に属するいずれか一種類の有機化合物である、請求項１に記載した基材ないしは部品を接合する方法。
【請求項５】
請求項１に記載した基材ないしは部品を接合する方法において、前記金属化合物が、カルボン酸のカルボキシル基を構成する酸素イオンが金属イオンに共有結合する第一の特徴と、前記カルボン酸が飽和脂肪酸からなる第二の特徴とを兼備するカルボン酸金属化合物であり、前記有機化合物が、カルボン酸エステル類、グリコール類ないしはグリコールエーテル類に属するいずれか一種類の有機化合物である、請求項１に記載した基材ないしは部品を接合する方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、基材ないしは部品の接合面に、扁平粉の集まりに扁平面同士が重なり合う処理を行い、この後、扁平粉の表面に析出した金属微粒子の集まりが金属結合することで、扁平粉の扁平面同士が重なり合った接合層によって、基材ないしは部品を接合する方法に係わる。
【背景技術】
【０００２】
様々な方法で基材ないしは部品が接合されている。なお、本発明における接合は、ボルトやビスなどの接合部材を用いず、基材ないし部品を接合する方法に関わる。
第一の接合方法に、接着剤を用いる接合がある。例えば、特許文献１に、合成樹脂の繊維シートと合成樹脂フィルムとを、熱硬化型の接着剤で接合する方法が記載されている。また、特許文献２に、シリコーンレジンとフェニル基を有するオルガノシロキサンとを縮合反応させた熱硬化性の接着剤で、石英ガラス同士を接合させる方法が記載されている。
こうした接着剤による接合方法は、接着剤と接合面との化学反応で接合させるため、接合面の異物を、洗浄によって除去する必要がある。しかし、洗浄度が高いほど接合面は活性状態になり、活性度が高いほど接合面は乾燥工程で汚染され易い。従って、接着剤による接合方法は、接合面の事前処理に多くの費用が必要になる。また、接合強度を高めるには、接合する基材の材質に応じた固有の接着剤であり、用いる接着剤に汎用性はない。
【０００３】
第二の接合方法に、圧着による接合がある。例えば、特許文献３に、合成樹脂のシートとガラスクロスとを熱圧着で接合する方法が記載されている。また、特許文献４に、熱伝導性の合成樹脂フィルムの両面に、熱伝導性のシリコーン樹脂からなるシートを、圧着する方法が記載されている。
こうした圧着による接合方法は、接合強度が接合面の粗さに大きく依存する。従って、予め接合面の表面粗さを均一に粗くする表面改質を、基材や部品の材質に応じて処理し、この後、接合面に異物を付着させない乾燥工程が必要になる。いっぽう、フィルムのように平坦度が高い基材や部品の圧着は化学反応によるため、接合強度が接合面の清浄度に大きく依存し、洗浄によって接合面の異物を予め除去する必要がある。このように、圧着による接合自体は簡単な処理方法であるが、接合面の事前処理が必要になり、接合面の事前の処理に、多くの費用が必要になる。
【０００４】
第三の接合に、拡散による結合方法がある。例えば、特許文献５に、アルミニウム部品と鉄系部品との接合面に、融解したアルミニウム−マグネシウム合金を介在させ、アルミニウムを鉄系部品に拡散させて両者を結合する方法が記載されている。
しかし、アルミニウム部品と鉄系部品とを積層させ、この積層体を、真空チャンバー内にある融解したアルミニウム−マグネスシウム合金の槽に浸漬させ、積層面に毛細管現象によって溶解したアルミニウム−マグネシウム合金を浸透させ、アルミニウムを鉄系部品に拡散させる処理を行なう。このように原子の拡散現象を利用する結合は、特殊な条件下でのみ原子の拡散と拡散した原子による金属結合ができるため、拡散する原子の種類と、拡散した原子が金属結合する金属の種類ごとに異なる。また、結合が真空度の高い高温状態であり、結合に伴う加工費用が極めて高価になる。つまり、金属原子の拡散による結合方法は、金属の融点が高く、金属原子を拡散させる条件が極めて特殊であるため、特殊な処理が必要になり、結合費用が高価になる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１１−１７３４１８号公報
【特許文献２】特開２００５−０２２９３５号公報
【特許文献３】特開２０１６−０６８５２６号公報
【特許文献４】特開２０１３−０８６４３３号公報
【特許文献５】特開２０１５−００３３３５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
工業製品を製造する上で、基材や部品の接合は、頻繁に行われる処理であるにも拘わらず、前記のように、基材や部品の材質に応じて接合方法が様々に変わり、汎用的な接合方法はない。また、接合に係わる事前の処理が接合処理より高価であり、あるいは、接合処理自体が高価である。従って、基材や部品の材質や大きさや形状や表面状態に拘わらず、安価な費用で、基材や部品が同様の方法で接合できれば、画期的な接合方法になる。
本発明が解決しようとする課題は、下記の７つの要件を兼備する接合方法を見出すことにある。
第一の要件は、基材や部品を接合する際に、基材や部品の接合面が清浄化され、清浄化された接合面が、活性状態の物質によって接合される。つまり、清浄化された接合面は活性状態にあり、活性状態にある接合面に活性状態の物質が出現すれば、接合面が活性状態の物質によって強固に接合される。
第二の要件は、基材や部品の接合面の粗さや平面度に拘わらず、基材や部品が接合できる。つまり、接合面の平面度が優れる基材や部品の接合強度は弱い。このため、接合面を粗くする処理と、その後の洗浄処理とが必要になる。あるいは、化学反応を伴う接着による平坦面の接合では、接合面の洗浄とその後の乾燥とが必要になる。従って、第二の要件を満たせば、事前の処理が不要になり、安価な費用で基材や部品が接合できる。
第三の要件は、基材や部品を接合する際に、基材や部品の接合面に吸着した物質を取り除く処理が不要である。つまり、基材や部品の接合面は、多くの場合、水分、水酸基、有機物などが吸着し、これらの吸着物質は、接合面の接合強度を低下させる。しかし、吸着物を事前に取り除いても、吸着物が大気中に存在するため、再度容接合面に吸着する。また、金属や合金の表面は、多くの場合、金属酸化物の被膜が形成されていて、被膜の存在が接合を妨げる。ロウ付けによって、金属や合金からなる基材ないしは部品を接合する際は、事前に金属酸化物の被膜を除去する。しかし、被膜を取り除くと、多くの場合、表面が活性状態になり、容易に再度被膜が形成される。このため、酸素ガスが存在しない雰囲気でのロウ付けが必要になる。従って、第三の要件が満たされれば、安価な費用で基材ないしは部品が接合できる。
第四の要件は、接合する基材や部品の材質上の制約がない。これによって、基材や部品が、同一種類でも、異なる種類であっても接合できる。さらに、同様の接合方法で様々な材質からなる基材や部品が接合できるため、汎用性を持つ接合方法になる。
第五の要件は、接合する基材や部品の大きさや形状の制約がない。これによって、同様の接合方法で、基材や部品が接合できるため、汎用性を持つ接合方法になる。
第六の要件は、基材や部品の事前処理が不要である。つまり、接合面について、異物を除去する洗浄、粗さを変える表面処理、性質を変える表面改質などの事前処理が一切不要になれば、安価な費用で基材や部品が接合できるため、汎用性を持つ接合方法になる。
第七の要件は、安価な原料を用い、安価な費用で基材や部品が接合できる。つまり、特別な環境下での特殊な反応や特殊な処理が一切なく、高価な材料を用いなければ、汎用性を持つ接合方法になる。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明における基材ないしは部品を接合する方法は、熱分解で金属を析出する金属化合物を、アルコールに分散してアルコール分散液を作成し、前記アルコールに溶解ないしは混和する第一の性質と、前記アルコールより高い粘度を有する第二の性質と、沸点が前記金属化合物の熱分解温度より低い第三の性質とを兼備する有機化合物を、前記アルコール分散液に混合して混合液を作成し、密度が前記有機化合物の密度の２倍より大きい第一の性質と、金属から構成される第二の性質と、扁平面を有する第三の性質とを兼備する粉体の集まりを、前記混合液に混合して懸濁液を作成する、この後、前記懸濁液を回転及び揺動させる、さらに、基材ないしは部品の一方の接合面に、前記懸濁液を滴下ないしは塗布し、該接合面に左右、前後、上下の３方向の振動を繰り返し加え、扁平面同士が重なり合った前記粉体の集まりを、前記接合面上に形成する、この後、前記接合面に、前記基材ないしは前記部品の他方の接合面を重ね合わせて積層体とし、該積層体の双方の接合面を圧縮する荷重を該積層体に加える、さらに、該圧縮荷重が加えられた積層体を、前記金属化合物が熱分解する温度に昇温する熱処理を行う、これによって、前記粉体の表面と前記双方の接合面とに金属微粒子の集まりが析出し、該金属微粒子同士が接触部位で互いに金属結合することによって、前記扁平面同士が重なり合った粉体の集まりが、前記双方の接合面に接合し、前記基材ないしは前記部品の接合面同士が接合される、基材ないしは部品を接合する方法である。
【０００８】
本発明における基材ないしは部品を接合する方法は、次の９つの処理を順番に実施し、基材同士ないしは部品同士を接合する。第一に、金属化合物をアルコールに分散する。第二に、有機化合物をアルコール分散液に混合する。第三に、粉体の集まりを混合液に混合する。第四に、懸濁液を回転及び揺動させる。第五に、基材ないしは部品の一方の接合面に、懸濁液を滴下ないしは塗布する。第六に、接合面に３方向の振動を加える。第七に、接合面に他方の接合面を重ね合わせ積層体にする。第八に、接合部を圧縮する荷重を加える。第九に、圧縮荷重が加えられた積層体の集まりを、金属化合物が熱分解する温度に昇温する。これによって、扁平面同士が重なり合った粉体の集まりが、双方の接合面に接合し、基材同士ないしは部品同士が接合された基材ないしは部品の集まりが製造される。
本接合方法は、アルコール分散液の作成と混合液の作成と懸濁液の作成とを、一つの容器を用いて連続して行うと、一回の処理で大量の懸濁液が容器内に製造される。また、混合機による一回の処理で、大量の攪拌された懸濁液が容器内に製造される。しかし、懸濁液を接合面に滴下ないしは塗布するだけでは、接合面に、扁平面同士が重なり合った粉体の集まりが形成できない。このため、懸濁液を滴下ないしは塗布した接合面に、左右、前後、上下の３方向の振動を繰り返し加えると、懸濁液中で扁平面同士が重なり合うように粉体が配列する。この後、接合面に他方の接合面を重ね合わせ、接合部を圧縮する荷重を加える。最後に、積層体の集まりを、金属化合物が熱分解される温度で熱処理し、接合された基材ないしは部品の集まりを製造する。なお、接合層は、基材ないしは部品を接合する手段であるため、多くの場合、厚みは１０ミクロンより薄い。また、懸濁液を回転及び揺動させ、さらに、振動を加えた際に、懸濁液中で粉体を自在に移動させるため、金属化合物のアルコール分散液と有機化合物とからなる混合液の粘度は、アルコール粘度の１０倍より低い低粘度である。
ここで、懸濁液に対する前記した処理で、扁平面同士が重なり合う過程を説明する。混合機内で懸濁液を回転及び揺動させ、粉体の集まりをランダムに混合させる。これによって、全ての粉体の表面に、アルコール分散液と有機化合物との混合液が吸着する。また、懸濁液を滴下ないしは塗布した接合面に、左右、前後、上下の３方向の振動を繰り返し加える。この際、懸濁液中では粉体同士が直接接触しないため、低粘度の混合液からなる懸濁液中で、粉体は自在に移動する。これによって、粉体同士の間隙に粒径が小さい粉体が入り込む配列と、全ての粉体が扁平面同士で重なり合う配列とが懸濁液中で継続する。最後に、上下方向の振動を加え、懸濁液への加振を停止すると、粉体が有機化合物の密度の２倍より大きいため、扁平面同士が重なり合った粉体の集まりが懸濁液中に沈む。なお、接合面に加える振動加速度は、粉体を配列させる手段であるため、０．５Ｇより低い。
次に、前記した処理で、基材ないしは部品が接合される過程を説明する。接合面同士を重ね合わせて積層体とし、接合部を圧縮する荷重を積層体に加えると、扁平面同士が重なり合った粉体の集まりが、双方の接合面を均等に圧縮し、双方の接合面の全ての凹部に、アルコール分散液と有機化合物とからなる低粘度の混合液が入り込み、双方の接合面の全ての凹部を混合液が埋める。この後、圧縮荷重が加えられた積層体に、金属化合物が熱分解する温度に昇温する熱処理を行う。この際、昇温温度に準じて次の現象が生じる。
最初に、アルコールの沸点に達すると、懸濁液からアルコールが気化し、全ての粉体の表面に金属化合物の微細結晶が析出し、粉体は微細結晶で覆われる。この微細結晶の大きさは、熱分解で析出する金属微粒子の大きさに近く、また、双方の接合面の凹部の深さと幅より１桁以上小さい。このため、双方の接合面の全ての凹部に入り込んだ混合液も微細結晶になり、全ての凹部が微細結晶で満遍なく埋められる。次に、有機化合物が気化し、さらに、金属化合物が無機物ないしは有機物と金属とに分解する。無機物ないしは有機物の密度が金属の密度より小さいため、無機物ないしは有機物が上層に、金属が下層に析出し、上層の無機物ないしは有機物が気化した後に、金属が１０−１００ｎｍの間に入る大きさの粒状の微粒子として、接合面の全ての凹部を埋めて析出し、また、全ての粉体の表面に析出し、金属化合物は熱分解を終える。析出した金属微粒子は、不純物を持たず活性状態にあるため、接触する部位で互いに金属結合する。このため、粉体の表面に析出した金属微粒子の集まりが金属結合し、扁平面同士が重なり合った粉体が、金属微粒子の金属結合で接合され、粉体の集まりからなる接合層を形成する。また、接合面の全ての凹部を満遍なく埋めて析出した金属微粒子の集まりも、接触部位で互いに金属結合する。これによって、双方の接合面の全ての凹部における金属微粒子の集まりは、この金属微粒子の集まりと接する接合層の端面の金属微粒子の集まりと金属結合する。この結果、双方の接合面の全ての凹部における金属結合した金属微粒子の集まりがアンカー効果をもたらし、接合層は、双方の接合面に第一の接合力で接合する。さらに、圧縮応力が加えられた状態で金属微粒子が析出するため、基材ないしは部品の材質が、金属微粒子の金属より硬度が低ければ、接合面に金属微粒子の一部が食い込む。これによって、接合層は、双方の接合面に第二の接合力で接合する。また、接合面の全ての凹部と全ての粉体の表面に析出した金属微粒子の集まりは、全ての金属微粒子同士が接触部位で互いに金属結合し、金属結合の結合部が全ての金属微粒子に繋がった金属微粒子の集まりとなる。これによって、接合層は、金属微粒子の金属結合に基づく第三の接合力で、双方の接合面に接合する。なお、金属化合物の熱分解反応は、金属化合物の微細結晶が金属微粒子に置き換わる反応であり、金属微粒子の大きさが金属化合物の微細結晶の大きさに近いため、粉体の表面に吸着した微細結晶が金属微粒子に置き換わっても、扁平面同士が重なり合った粉体の配列は崩れない。以上に説明したように、基材ないしは部品は、３種類の接合力で接合する。
ここで、本発明の接合方法が持つ特徴を説明する。
第１の特徴は、金属化合物が熱分解する際に接合面が清浄化され、この後、接合面の全ての凹部と全ての粉体の表面とからなる全領域に、活性状態の金属微粒子が満遍なく析出し、全ての金属微粒子が接触部位で互いに金属結合し、金属結合の結合部が全ての金属微粒子に繋がった金属微粒子の集まりとなる。これによって、接合層は、金属微粒子の金属結合に基づく第三の接合力で、双方の接合面に接合する。また、接合面の全ての凹部における金属結合した金属微粒子の集まりが、これらの金属微粒子と接触する粉体の集まりからなる接合層の端面における金属微粒子の集まりと金属結合し、第一の接合力であるアンカー効果をもたらす。
つまり、金属化合物を熱分解する際に、接合面に吸着していた水分、水酸基、有機物などの異物が、沸点に応じて順次気化し、接合面が清浄化される。また、無機物ないしは有機物が気化するため、金属微粒子が析出する時点まで、接合層が形成される領域は陽圧状態にあり、この領域に異物は入り込めない。こうして、清浄化された接合面に、活性状態の金属微粒子が、接合面の全ての凹部と全ての粉体の表面との全領域に満遍なく析出し、全ての金属微粒子同士が接触部位で互いに金属結合し、金属結合の結合部が全ての金属微粒子に繋がった金属微粒子の集まりとなる。
すなわち、金属微粒子の原料となる金属化合物をアルコールに分散し、金属化合物を液相化させ、さらに、扁平面同士が重なり合った粉体の集まりが、双方の接合面を均等に圧縮し、双方の接合面の全ての凹部に、アルコール分散液と有機化合物とからなる低粘度の混合液が入り込み、双方の接合面の全ての凹部を混合液が埋める。このため、アルコールが気化すると、１０−１００ｎｍの間に入る大きさの金属化合物の微細結晶が、接合面の全ての凹部と全ての粉体の表面に析出し、さらに、金属化合物が熱分解すると、１０−１００ｎｍの間に入る大きさの金属微粒子が、接合面の全ての凹部と全ての粉体の表面との全領域に満遍なく析出し、全ての金属微粒子同士が接触部位で互いに金属結合し、金属結合の結合部が全ての金属微粒子に繋がった金属微粒子の集まりとなる。
また、全ての粉体の表面に析出した金属微粒子の集まりが金属結合し、扁平面同士が重なり合った粉体が、金属微粒子の金属結合で接合され、粉体の集まりからなる接合層を形成する。この接合層の端面の金属微粒子の集まりは、これらの金属微粒子と接する接合面の凹部の金属微粒子の集まりと、金属結合する。
第２の特徴は、接合面の粗さや平面度に拘わらず、基材や部品が接合できる。つまり、前記のように、金属化合物の微細結晶の大きさと、金属微粒子の大きさとの双方が、鏡面仕上げのＲｚ２００ｎｍよりさらに小さいため、平面度に優れた接合面でも、接合面の全ての凹部に、金属化合物の微細結晶の集まりが析出し、さらに、金属化合物の熱分解で、金属微粒子の集まりが析出する。これによって、第１の特徴で説明した２種類の接合力によって、接合層が双方の接合面に接合される。なお、基材ないしは部品の接合面が、鏡面仕上げに近い平面度に加工されることはない。このため、金属化合物の微細結晶の大きさと、金属微粒子の大きさとの双方が、接合面の凹部の深さと幅より１桁以上小さい。
第３の特徴は、第１の特徴で説明したように、金属化合物が熱分解する際に、接合面が清浄化されるため、接合面に吸着した異物を、事前に取り除く処理が不要になる。
第４の特徴は、低粘度の混合液からなる懸濁液は、接合面の材質の制約を受けずに、滴下ないしは塗布することができる。また、金属化合物の熱分解温度が、合成樹脂の融点より低ければ、耐熱性が低い合成樹脂からなる基材ないしは部品が接合できる。
第５の特徴は、低粘度の混合液からなる懸濁液は、接合面の大きさや形状の制約を受けずに、滴下ないしは塗布できる。
第６の特徴は、接合面の事前処理が一切不要になる。つまり、第２の特徴で説明したように、接合面の粗さを変える表面処理は不要になる。第３の特徴で説明したように、接合面の異物を除去する洗浄が不要になる。第４の特徴で説明したように、接合する基材や部品の材質上の制約がなく、接合面の性質を変える表面改質は不要になる。
第７の特徴は、安価な原料を用い、安価な費用で基材や部品が接合できる。すなわち、懸濁液を構成する金属化合物と有機化合物と粉体とは、汎用的な工業用材料である。さらに、扁平面同士が重なり合って粉体同士が接合するため、使用する粉体の量が僅かで、高価な粉体を用いたとしても、基材ないしは部品の接合に用いる原料は安価で済む。また、基材ないしは部品を接合する方法は、いずれも極めて簡単な９つの処理を順番に処理する方法であり、懸濁液の製造費と接合の加工費は安価で済む。さらに、金属化合物の熱分解温度は１８０−４３０℃であり、熱処理費用も安価で済む。
以上に説明したように、本発明の基材ないしは部品を接合する方法は、６段落に記載した７つの要件を満たす接合方法である。
第８の特徴は、第一に、金属微粒子の原料となる金属化合物を液相化させ、第二に、扁平面同士が重なり合うよう粉体の集まりを配列させ、第三に、接合部に圧縮荷重を加えたため、粉体の集まりが、双方の接合面に均等な圧縮応力を加え、双方の接合面の全ての凹部に混合液が入り込み、第二の接合力であるアンカー効果が生み出される。
第９の特徴は、接合面における金属酸化物などの化合物の被膜の有無に拘わらず、接合面のアンカー効果で、接合面が接合できる。つまり、接合する基材ないしは部品が金属ないしは合金である場合は、接合面が金属酸化物の被膜で覆われていることが多い。こうした金属ないしは合金をロウ付けや半田付けで接合する場合は、接合面にロウや半田が付着しないため、金属酸化物の被膜を除去した後にロウ付けや半田付けを行う。
第１０の特徴は、圧縮応力が加えられた状態で金属微粒子が析出するため、基材ないしは部品の材質が、金属微粒子の金属より硬度が低ければ、金属微粒子の一部が接合面に食い込む。これによって、接合層は、双方の接合面と第二の接合力で接合する。
第１１の特徴は、接合面の全ての凹部と全ての粉体の表面に、活性状態の金属微粒子が析出し、全ての金属微粒子同士が接触部位で互いに金属結合し、金属結合の結合部が全ての金属微粒子に繋がった金属微粒子の集まりとなる。これによって、接合層は、大きな接合力の第三の接合力で、接合面と接合する。
例えば、一方の接合面に引っ張り応力が加わると、片方の接合面の全領域に亘る金属結合した金属微粒子の集まりに、引っ張り応力が加わり、引っ張り応力は、金属微粒子の集まりに分散される。この後、分散された引っ張り応力が、接合層の全体に加わり、粉体の集まりと、金属結合した金属微粒子の集まりに分散される。さらに、分散された引っ張り応力は、他方の接合面の全領域に亘る金属結合した金属微粒子の集まりに加わり、引っ張り応力が分散される。こうして引っ張り応力が、金属結合した金属微粒子の集まりと、接合された粉体の集まりに分散されるため、接合層は、大きな接合力の第三の接合力で接合面と接合する。また、圧縮応力についても、接合層は、大きな接合力で接合面と接合する。
第１２の特徴は、高温、極低温などの過酷な環境でも、接合された基材ないしは部品が使用できる。さらに、急激な温度変化が起きても、接合層は破壊されない。つまり、接合層の接合強度は、金属微粒子の金属結合力に依存するが、高温、極低温などの過酷な環境でも、金属微粒子の金属結合力は殆ど変わらない。また、急激な温度変化があって、金属微粒子の金属結合は破壊されない。さらに、金属からなる粉体は、高温、極低温などの過酷な環境でも使用でき、接合された基材ないしは部品も、過酷な環境で使用できる。
以上に説明したように、本発明の基材ないしは部品を接合する方法は、６段落に記載した７つの要件を満たすだけでなく、更なる特徴を持つ優れた接合方法である。
【０００９】
前記した基材ないしは部品を接合する方法において、前記金属化合物が熱分解する温度に昇温する熱処理を、前記金属化合物の熱分解温度より高い温度で熱処理する、前記した基材ないしは部品を接合する方法である。
【００１０】
つまり、金属化合物の熱分解温度より高い温度で熱処理すると、熱処理温度に応じて、金属微粒子が隣接する金属微粒子を取り込んで成長し、粗大化する。この際、接合面に圧縮荷重が加えられているため、金属微粒子は接合面に平行な方向に粗大化を進め、熱処理温度が高くなるほど、粗大化した金属微粒子の扁平化が進み、面を持つ。このため、金属微粒子は、互いに面で接触し、接触部位が広い面同士で金属結合し、結合力が増大する。これによって、基材ないしは部品の接合強度が増大する。
なお、接合面の凹部の内部の金属微粒子も粗大化するが、圧縮応力が加わらないため、扁平化はしない。従って、粗大化した金属微粒子同士が接触部位で金属結合し、この金属結合した金属微粒子が、接合層の端面の扁平化した金属微粒子と金属結合するため、金属結合した金属微粒子の集まりによるアンカー効果は失われない。
すなわち、前記したように、金属化合物を構成する無機物ないしは有機物の気化が完了した後に、金属化合物の熱分解が完了し、不純物を含まず、活性状態にある金属微粒子が析出する。この熱分解温度は、金属化合物の固有の温度である。さらに昇温すると、金属微粒子は熱エネルギーを得て、隣接する金属微粒子を取り込んで成長し、粗大化する。昇温する温度が高くなるほど、金属微粒子の粗大化が進む。いっぽう、接合面に圧縮荷重が加えられているため、金属微粒子の粗大化は、接合面に平行な方向に進み、昇温する温度が高くなるほど、金属微粒子の扁平化が進み、金属微粒子は面を持つ。このため、金属微粒子は、互いに接触部位が広い面で接触し、面同士で金属結合する。これによって、金属微粒子同士の金属結合力が増大し、８段落に記載した第三の接合力が増大する。
【００１１】
前記した基材ないしは部品を接合する方法において、前記粉体が軟質金属からなるフレーク状の粉体である、前記した基材ないしは部品を接合する方法である。
【００１２】
つまり、軟質金属からなるフレーク状の粉体は、金、銀、銅、錫、亜鉛ないしはアルミニウムなどからなる軟質金属の粉体の集まりを、スタンプミル（搗砕機に相当する）により、多数の金属製の杵で叩き、薄いフレーク状に延ばすことで製造される。いっぽう、原料となる金属粉は、多くの場合は、金属の純度が高く、鉛フリーの電解金属粉を用いる。さらに、粉体の長軸に対する厚みの比率であるアスペクト比が高く、かつ、平面に近い滑らかな面を持つ。このため、金や銀の高価なフレーク粉であっても、少ない量のフレーク粉で、扁平面同士が重なり合って粉体が接合した接合層が形成できる。なお、アルミニウムのフレーク粉の製造では、アトマイズ法による粒状粉や箔の裁断片をスタンプミルで叩く際に、アルミニウム粉が燃焼しやすく、凝着しやすいため、粉砕助剤としてステアリン酸を加え、粒状粉や裁断片を粉砕する。いっぽう、錫を除く軟質金属のフレーク粉の耐熱温度は軟化点で決まり、軟化点が低い電解銅でも８００℃と高い。また、錫を除く軟質金属は低温脆性を持たず、極低温での使用が可能になる。なお、９９．５％の純度を持つアルミニウム粉の溶融温度は６５０℃である。従って、接合面が、軟質金属のフレーク粉と金属微粒子で接合されるため、高温、極低温、真空、高圧下など、過酷な環境でも、接合された基材ないしは部品が使用できる。なお、錫は融点が２３２℃で、−４０℃付近で低温脆性を起こし、錫のフレーク粉からなる接合層のみは、使用温度が制限される。
また、軟質金属のフレーク粉の表面は、平坦な滑らかな面で、厚みが均一に近く、厚みが薄い。従って、平坦面同士が重なり合ったフレーク粉の集まりに圧縮荷重を加え、この後、フレーク粉の表面に析出した金属微粒子の集まりが金属結合し、平坦面同士が金属微粒子の金属結合で接合される。このため、１０段落で説明した扁平化された金属微粒子同士の金属結合と同様に、フレーク粉同士の接合力が増大する。
さらに、フレーク粉の密度は、アルミニウムの密度が２．７ｇ／ｃｍ３と最も小さく、金属化合物のアルコール分散液に混合する有機化合物の密度は１．０ｇ／ｃｍ３より小さいため、フレーク粉の密度はいずれも、有機化合物の密度の２倍より大きい。
以上に説明したように、軟質金属のフレーク粉は、７段落に記載した基材ないしは部品の接合方法において、３つの性質を兼備する好適な粉体である。従って、様々な材質からなる粉体を、接合層に求められる仕様に応じて選択し、接合層を形成する。
【００１３】
前記した基材ないしは部品を接合する方法において、前記金属化合物が、無機物の分子ないしはイオンが配位子になって金属イオンに配位結合する金属錯イオンを有する無機塩で構成された金属錯塩であり、前記有機化合物が、カルボン酸エステル類ないしはグリコールエーテル類に属するいずれか一種類の有機化合物である、前記した基材ないしは部品を接合する方法である。
【００１４】
つまり、無機物からなる分子ないしはイオンが配位子になって、金属イオンに配位結合した金属錯イオンを有する無機塩からなる金属錯塩を、還元雰囲気で熱処理すると、最初に配位結合部が分断され、無機物と金属とに分解する。さらに昇温すると、無機物が気化熱を奪って気化し、１８０−２２０℃の温度範囲で無機物の気化が完了して金属が析出する。つまり、金属錯塩を構成するイオンの中で、分子の中央に位置する金属イオンが最も大きく、金属イオンと配位子との距離が最も長い。この金属錯塩を還元雰囲気で熱処理すると、金属イオンが配位子と結合する配位結合部が最初に分断され、金属と無機物とに分解する。さらに温度が上がると、無機物が気化熱を奪って気化し、無機物の気化が完了すると金属が析出する。金属が析出する温度は、金属化合物の熱分解で金属が析出する温度の中で最も低い。従って、耐熱性が低い合成樹脂であっても、多くの合成樹脂の融点が金属錯塩の熱分解温度より高く、合成樹脂からなる基材ないしは部品が接合できる。
ちなみに、融点が金属錯塩の熱分解温度より高い合成樹脂として、ポリエチレンテレフタレート樹脂、ポリ塩化ビニリデン樹脂、ポリアミド６樹脂、ポリアミド６６樹脂、ポリブチレンテレフタレート樹脂、ポリフェニレンサルファイド樹脂、ポリクロロトリフルオロエチレン樹脂、酢酸セルロース樹脂、４フッ化エチレン樹脂及び液晶ポリマーなど多くの合成樹脂が挙げられる。
また、１２段落で説明した粉体の中で、最も耐熱性が低い粉体は、融点が２３２℃の錫のフレーク粉であり、錫の融点は金属錯塩の熱分解温度より高く、用いる粉体の材質に制約がない。従って、金属錯塩は、７段落に記載した基材ないしは部品を接合する方法において、熱分解で金属を析出する好適な金属化合物である。
つまり、無機物からなる分子ないしはイオンが配位子になって、金属イオンに配位結合する金属錯イオンは、他の金属錯イオンに比べて合成が容易である。このような金属錯イオンとして、アンモニアＮＨ３が配位子となって金属イオンに配位結合するアンミン金属錯イオン、水Ｈ２Ｏが配位子となって金属イオンに配位結合するアクア金属錯イオン、水酸基ＯＨ―が配位子となって金属イオンに配位結合するヒドロキソ金属錯イオン、塩素イオンＣｌ−が、ないしは塩素イオンＣｌ−とアンモニアＮＨ３とが配位子となって金属イオンに配位結合するクロロ金属錯イオンなどがある。さらに、このような金属錯イオンを有する塩化物、硫酸塩、硝酸塩などの無機塩からなる金属錯塩は、無機塩の分子量が小さいため、１８０−２２０℃の温度範囲で無機物の気化が完了し金属を析出する。この金属が析出する温度は、金属化合物の熱分解で金属を析出する温度の中で最も低い。
また、カルボン酸エステル類ないしはグリコールエーテル類の属する有機化合物に、アルコールに溶解ないしは混和する性質と、アルコールより粘度が高い性質と、沸点が無機金属化合物からなる金属錯塩の熱分解温度より低い性質とを兼備する有機化合物がある。このような有機化合物は、いずれも汎用的な工業用薬品である。従って、金属錯塩のアルコール分散液に有機化合物を混合すると、混合液は有機化合物の混合割合に応じた粘度を持つ。従って、上記の有機化合物は、７段落に記載した基材ないしは部品を結合する方法において、３つの性質を兼備する好適な有機化合物であり、金属錯塩のアルコール分散液の粘度を調整する溶剤になる。
前記の金属錯塩のアルコール分散液に、有機化合物を混合すると、金属錯塩と有機化合物とが分子状態で均一に混ざり合う。この混合液に、１２段落に記載した粉体の集まりを混合し、混合液に回転と揺動を加え、懸濁液を作成する。この後、一方の接合面に、懸濁液を塗布ないしは滴下し、さらに、左右、前後、上下の３方向の振動を繰り返し加え、最後に上下方向の振動を加えると、扁平面同士が重なり合った粉体の集まりが懸濁液中に沈む。この後、懸濁液が存在する接合面に、もう一方の接合面を重ね合わせて積層体とし、積層体に圧縮荷重を加え、この後、圧縮荷重が加えられた積層体を、還元雰囲気で熱処理する。最初にアルコールが気化し、粉体の表面に金属錯塩の微細結晶の集まりが析出し、次いで有機化合物が気化する。さらに昇温すると、微細結晶をなす金属錯塩の熱分解が始まり、１８０−２２０℃で金属錯塩の熱分解が完了し、微細結晶の大きさに近い４０−６０ｎｍの粒状の金属微粒子が、粉体の表面に析出する。この際、熱分解で析出した金属は不純物を持たない活性状態にあるため、金属微粒子は互いに接触する部位で金属結合し、金属結合した金属微粒子の集まりが粉体を覆うとともに、金属微粒子の金属結合で、扁平面同士が重なり合った粉体同士が接合される。これによって、粉体の集まりからなる接合層を介して、基材ないしは部品が接合される。このように、金属錯塩と有機化合物は、７段落に記載した基材ないしは部品を接合する方法における好適な原料になる。
以上に説明したように、安価な工業用薬品である無機金属化合物からなる金属錯塩と、汎用的な工業用薬品である有機化合物と、粉体とを原料として用い、７段落に記載した基材ないしは部品を接合する方法に従って９つの処理を順番に行うと、還元雰囲気の１８０−２２０℃の熱処理温度で、基材ないしは部品が接合層を介して接合される。従って、安価な材料を用い、安価な費用で、基材ないしは部品が接合される。
【００１５】
前記した基材ないしは部品を接合する方法において、前記金属化合物が、カルボン酸のカルボキシル基を構成する酸素イオンが金属イオンに共有結合する第一の特徴と、前記カルボン酸が飽和脂肪酸からなる第二の特徴とを兼備するカルボン酸金属化合物であり、前記有機化合物が、カルボン酸エステル類、グリコール類ないしはグリコールエーテル類に属するいずれか一種類の有機化合物である、前記した基材ないしは部品を接合する方法である。
【００１６】
つまり、カルボン酸のカルボキシル基を構成する酸素イオンが金属イオンに共有結合する第一の特徴と、カルボン酸が飽和脂肪酸からなる第二の特徴とを兼備するカルボン酸金属化合物は、金属イオンが最も大きいイオンであり、カルボキシル基を構成する酸素イオンと金属イオンとの距離が、他のイオン同士の距離より長い。こうした分子構造上の特徴を持つカルボン酸金属化合物を、大気雰囲気で熱処理すると、カルボン酸の沸点を超えると、カルボキシル基を構成する酸素イオンと金属イオンとの結合部が最初に分断され、カルボン酸と金属とに分離する。カルボン酸が飽和脂肪酸から構成される場合は、炭素原子が水素原子に対して過剰となる不飽和構造を持たないため、カルボン酸の分子量と数とに応じて、カルボン酸が気化熱を奪って気化し、気化が完了すると金属が析出する。こうしたカルボン酸金属化合物として、オクチル酸金属化合物、ラウリン酸金属化合物、ステアリン酸金属化合物などがある。なお、オクチル酸の沸点は２２８℃であり、ラウリン酸の沸点は２９６℃であり、ステアリン酸の沸点は３６１℃である。従って、これらのカルボン酸金属化合物は、２９０−４３０℃の大気雰囲気で熱分解が完了する。このため、導電性の粉体の耐熱性と、基材ないしは部品の耐熱性とが、２９０℃以上であれば、基材ないしは部品に接合層が形成できる。なお、融点が２９０℃以上の合成樹脂であれば、合成樹脂の基材ないしは部品に接合層が形成できる。また、１２段落の粉体において、錫のフレーク粉を除く粉体は、２９０℃の耐熱性を持ち、多くの粉体が接合層の原料として用いられる。従って、カルボン酸金属化合物は、７段落に記載した基材ないしは部品の接合方法において、熱分解で金属を析出する好適な金属化合物になる。
なお、不飽和脂肪酸からなるカルボン酸金属化合物は、飽和脂肪酸からなるカルボン酸金属化合物に比べて、炭素原子が水素原子に対して過剰になるため、熱分解によって金属酸化物、例えば、オレイン酸銅の場合は、酸化第一銅Ｃｕ２Ｏと酸化第二銅ＣｕＯとが同時に析出し、酸化第一銅Ｃｕ２Ｏと酸化第二銅ＣｕＯとを銅に還元する処理を要する。特に、酸化第一銅Ｃｕ２Ｏは、大気雰囲気より酸素がリッチな雰囲気で一度酸化第二銅ＣｕＯに酸化させ、さらに、還元雰囲気で銅に還元させるため、処理費用がかさむ。
さらに、カルボン酸金属化合物は、容易に合成できる安価な工業用薬品である。すなわち、最も汎用的な有機酸であるカルボン酸を、強アルカリと反応させるとカルボン酸アルカリ金属化合物が生成され、カルボン酸アルカリ金属化合物を無機金属化合物と反応させると、様々な金属からなるカルボン酸金属化合物が合成される。従って、有機金属化合物の中で最も安価な有機金属化合物である。このため、１４段落で説明した無機金属化合物からなる金属錯塩より熱処理温度が高いが、金属錯塩より安価な金属化合物である。
また、カルボン酸エステル類、グリコール類ないしはグリコールエーテル類に属する有機化合物に、アルコールに溶解ないしは混和する性質と、アルコールより粘度が高い性質と、沸点がカルボン酸金属化合物の熱分解温度より低い性質を兼備する有機化合物が存在する。こうした有機化合物はいずれも汎用的な工業用薬品である。従って、カルボン酸金属化合物のアルコール分散液に有機化合物を混合すると、混合液は有機化合物の混合割合に応じた粘度を持つ。このため、上記の有機化合物は、７段落に記載した基材ないしは部品の接合方法において、３つの性質を兼備する好適な有機化合物であり、カルボン酸金属化合物のアルコール分散液の粘度を調整する溶剤になる。
従って、カルボン酸金属化合物のアルコール分散液に有機化合物を混合すると、カルボン酸金属化合物と有機化合物とが分子状態で均一に混ざり合う。この混合液に、粉体の集まりを混合し、混合液に回転と揺動とを加え、懸濁液を作成する。この後、一方の接合面に、懸濁液を塗布ないしは滴下し、さらに、左右、前後、上下の３方向の振動を繰り返し加え、最後に上下方向の振動を加えると、扁平面同士が重なり合った粉体の集まりが懸濁液中に沈む。この後、懸濁液が存在する接合面に、もう一方の接合面を重ね合わせて積層体とし、積層体に圧縮荷重を加え、この後、圧縮荷重が加えられた積層体を、大気雰囲気で熱処理する。最初にアルコールが気化し、粉体の表面にカルボン酸金属化合物の微細結晶の集まりが析出し、次いで有機化合物が気化する。さらに昇温すると、微細結晶をなすカルボン酸金属化合物の熱分解が始まり、２９０−４３０℃の温度でカルボン酸金属化合物の熱分解が完了し、微細結晶の大きさに近い４０−６０ｎｍの粒状の金属微粒子の集まりが、粉体の表面に析出する。この際、熱分解で析出した金属は不純物を持たない活性状態にあるため、金属微粒子は互いに接触する部位で金属結合し、金属結合した金属微粒子の集まりが粉体を覆うとともに、金属微粒子の金属結合で、扁平面同士が重なり合った粉体同士が接合する。これによって、基材ないしは部品が、接合層を介して接合される。このように、カルボン酸金属化合物と有機化合物は、７段落に記載した基材ないしは部品を接合する方法における好適な原料になる。
以上に説明したように、安価な工業用薬品であるカルボン酸金属化合物と、汎用的な工業用薬品である有機化合物と、粉体を原料として用い、７段落に記載した基材ないしは部品を接合する方法に従って９つの処理を順番に行うと、大気雰囲気の２９０−４３０℃の温度の熱処理で、基材ないしは部品が接合層を介して接合される。このため、７段落に記載した基材ないしは部品を接合する方法において、安価な材料を用い、安価な費用で、基材ないしは部品が接合される。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】銅フレーク粉の表面を覆う銅微粒子が金属結合し、銅フレーク粉の扁平面同士が重なり合って接合した状態を、拡大して模式的に図示した説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
実施形態１
本実施形態は、７段落に記載した基材ないしは部品の形成方法において、３つの性質を兼備する粉体に係わる。
３つの性質を兼備する粉体に、軟質金属からなるフレーク粉がある。軟質金属のフレーク粉は、搗砕機に相当するスタンプミルによって、多数の金属製の杵で軟質金属粉の集まりを叩き、薄いフレーク状に金属粉を延ばすことで製造される。原料となる金属粉は、多くの場合は、金属の純度が高く、鉛フリーの電解金属粉を用いる。この後、サイクロンなどの気流分級機で粒度分布を調整する。
なお、アルミニウムのフレーク粉の製造は、アルミニウム粉を粉砕する際に、アルミニウム粉が活性状態になり、燃焼しやすく、また、凝着しやすいため、粉砕助剤としてステアリン酸を加え、アルミニウム粉をスタンプミルで粉砕する。また、アルミニウム粉に、ステアリン酸やオレイン酸などの粉砕助剤を加え、ミネラルスピリットなどの溶剤中で湿式粉砕する湿式ボールミル法によっても、アルミニウムのフレーク粉が製造される。
こうしたフレーク粉に、例えば、厚みが０．２６μｍと薄く、厚みに対する長軸の比率であるアスペクト比が１４．８で、比表面積が４ｍ２／ｇに及ぶ銀フレーク粉がある。このようなアスペクト比が高いフレーク粉を粉体として用いて懸濁液を作成し、懸濁液に３方向の振動を繰り返し加えると、フレーク粉の面同士が重なったフレーク粉の集まりが、懸濁液中で沈む。従って、金や銀のような高価な粉体であっても、少ない量のフレーク粉で接合層が形成できる。
また、フレーク粉の表面が平坦な滑らかで、厚みが均一に近い薄い厚みである。このため、平坦面が重なり合ったフレーク粉の集まりに圧縮荷重を加え、この後、フレーク粉の表面に析出した金属微粒子が金属結合することで、平坦面同士が接合されるため、フレーク粉同士の接合力が増大する。
いっぽう、軟質金属のフレーク粉の耐熱温度は軟化点で決まり、軟化点が低い電解銅でも、８００℃と高い。なお、アルミニウム粉の溶融温度は６５０℃である。また、錫を除く軟質金属は低温脆性を持たないので、極低温での使用が可能になる。なお、錫は融点が２３２℃で、−４０℃付近で低温脆性を起こすため、錫のフレーク粉を用いた接合層のみは、使用温度が制限される。
以上に説明したように、軟質金属からなるフレーク粉を接合層の原料として用いると、アスペクト比が高いフレーク粉の形状効果と、平坦な滑らかな表面による表面効果と、耐熱性、耐寒性に優れる材質効果とが得られる。
【００１９】
第２実施形態
本実施形態は、１４段落に記載した無機金属化合物からなる金属錯塩に関わる。熱分解で金属を析出する金属化合物は、第一にアルコールに分散し、第二に熱分解で金属を析出する性質を兼備する必要がある。ここでは金属を銀とし、銀化合物を例にして説明する。
最初に、アルコールに分散する銀化合物を説明する。硝酸銀はアルコールに溶解し、銀イオンが溶出し、多くの銀イオンが銀微粒子の析出に参加できない。従って、銀化合物は溶剤に溶解せず、溶剤に分散する性質を持つことが必要になる。また、酸化銀、塩化金、硫酸銀、水酸化銀、炭酸銀などの無機銀化合物はアルコール類に分散しない。このため、このような無機金化合物は、銀化合物として適切でない。
いっぽう、銀化合物は銀を析出する性質を持つ。銀化合物から銀が生成される化学反応の中で、最も簡単な化学反応に熱分解反応がある。さらに、銀化合物の熱分解温度が低ければ、耐熱性が低い合成樹脂からなる基材ないしは部品を接合できる。従って、熱分解温度が低い銀化合物は、銀微粒子の原料になる。このような銀化合物に、無機物からなる分子ないしはイオンが配位子となって、銀イオンに配位結合する銀錯イオンを有する無機金属化合物からなる銀錯塩がある。つまり、配位子が低分子量で、配位子の数が少なく、無機金属化合物を形成する無機物の分子量が小さいため、銀錯塩が熱分解する温度は低い。さらに、こうした銀錯塩は分子量が小さいため、他の銀錯イオンからなる銀錯塩より合成が容易で、安価である。
銀錯塩を構成する分子の中で、銀イオンが最も大きい。ちなみに、銀原子の単結合の共有結合半径は１２８ｐｍであり、窒素原子の単結合の共有結合半径の７１ｐｍであり、酸素原子の単結合の共有結合半径は６３ｐｍである。このため、配位子が銀イオンに配位結合する配位結合部の距離が最も長い。従って、還元雰囲気の熱処理では、最初に配位結合部が分断され、銀と無機物とに分解し、無機物の気化が完了した後に銀が析出する。
この無機金属化合物からなる銀錯塩に、アンモニアＮＨ３が配位子となって銀イオンに配位結合するジアンミン銀イオン［Ａｇ（ＮＨ３）２］＋を有する銀錯塩と、シアン化物イオンＣＮ−が配位子となって銀イオンに配位結合するジシアノ銀イオン［Ａｇ（ＣＮ）２］&#8722;を有する銀錯塩は、配位子が低分子量で、配位子の数が少ないため、他の銀錯イオンを有する銀錯塩に比べて、合成が容易で、安価に製造できる。こうした銀錯イオンを有する無機金属化合物からなる錯体は、無機物の分子量が小さいため、還元性雰囲気で熱処理すると、配位結合部位が最初に分断され、２００℃程度の低い温度で無機物の気化が完了して銀が析出する。また、メタノールやｎ−ブタノールなどのアルコールに１０重量％近くまで分散する。この銀錯塩として、例えば、塩化ジアンミン銀［Ａｇ（ＮＨ３）２］Ｃｌや、硫酸ジアンミン銀［Ａｇ（ＮＨ３）２］２ＳＯ４や、硝酸ジアンミン銀［Ａｇ（ＮＨ３）２］ＮＯ３などがある。
また、熱分解で銅を析出する無機銅化合物からなる銅錯塩に、アンモニアＮＨ３が配位子となって銅イオンに配位結合するテトラアンミン銅イオン［Ｃｕ（ＮＨ３）４］２＋やヘキサアンミン銅イオン［Ｃｕ（ＮＨ３）６］２＋を有する銅錯塩や、塩素イオンＣｌ−が配位子になって銅イオンに配位結合するテトラクロロ銅イオン［ＣｕＣｌ４］２―を有する銅錯塩は、配位子が低分子量で、配位子の数が少ないため、他の銅錯イオンを有する錯体に比べて合成が容易で安価である。こうした銅錯イオンを有する無機金属化合物からなる銅錯塩は、還元性雰囲気で熱処理すると、配位結合部位が最初に分断され、２００℃程度の比較的低い温度で熱分解が完了する。さらに、メタノールやｎ−ブタノールなどのアルコールに１０重量％近くまで分散する。このような銅錯塩に、テトラアンミン銅硝酸塩［Ｃｕ（ＮＨ３）４］（ＮＯ３）２や、ヘキサアンミン銅硫酸塩［Ｃｕ（ＮＨ３）６］ＳＯ４などがある。
さらに、熱分解でニッケルを析出する無機ニッケル化合物からなるニッケル錯塩に、アンモニアＮＨ３が配位子となって、ニッケルイオンに配位結合するヘキサアンミンニッケルイオン［Ｎｉ（ＮＨ３）６］２＋からなるニッケル錯塩は、配位子が低分子量で、配位子の数が少ないため、他のニッケル錯イオンを有する錯体に比べて合成が容易で安価である。こうしたニッケル錯イオンを有する無機金属化合物からなる錯体は、無機物の分子量が小さいため、還元性雰囲気で熱処理すると、配位結合部位が最初に分断され、２００℃程度の低い温度で熱分解が完了する。また、メタノールやｎ−ブタノールなどのアルコールに１０重量％近くまで分散する。このようなニッケル錯錯体に、例えば、ヘキサアンミンニッケル塩化物［Ｎｉ（ＮＨ３）６］Ｃｌ２がある。このように、無機金属化合物からなる金属錯塩は、様々な金属錯イオンで構成され、また、合成が容易である。
以上に説明したように、無機金属化合物からなる金属錯塩は、配位子が低分子量で、配位子の数が少なく、無機金属化合物を形成する無機物の分子量が小さいため、熱分解温度が最も低く、合成が容易で最も安価な金属錯塩である。また、多くの合成樹脂の融点は、金属錯塩の熱分解温度より高いため、耐熱性が低い合成樹脂にも、接合層が形成できる。
【００２０】
実施形態３
本実施形態は、１６段落に記載したカルボン酸金属化合物に関わる。熱分解で金属を析出する金属化合物は、第一にアルコールに分散し、第二に熱分解で金属を析出する性質を兼備する必要がある。ここでは金属を銅とし、銅化合物を例にして説明する。
最初に、アルコールに分散する性質を持つ銅化合物を説明する。塩化銅、硫酸銅、硝酸銅などの無機銅化合物はアルコールに溶解し、銅イオンが溶出してしまい、多くの銅イオンが銅微粒子の析出に参加できなくなる。従って、銅化合物は溶剤に溶解せず、溶剤に分散する性質を持つことが必要になる。また、酸化銅、塩化銅、硫化銅などの無機銅化合物は、最も汎用的な溶剤であるアルコール類に分散しない。このため、これらの無機銅化合物は、アルコールに分散する性質を持つ銅化合物として適切でない。
いっぽう、無機物の分子ないしはイオンが、銅イオンに配位結合する銅錯イオンを有する無機銅化合物からなる銅錯塩として、１９段落で説明したアンミン銅錯塩やクロロ銅錯塩がある。これらの錯体は、汎用的な有機酸からなる有機銅化合物に比べると高価であるが、熱分解温度が２００℃程度と低い特徴を持つ。
ここで、有機銅化合物について説明する。有機銅化合物から銅が生成される化学反応の中で、最も簡単な化学反応に熱分解反応がある。さらに、有機銅化合物の合成が容易でれば、有機銅化合物が安価に製造できる。こうした性質を兼備する有機銅化合物に、カルボン酸のカルボキシル基を構成する酸素イオンが銅イオンに共有結合するカルボン酸銅化合物がある。さらに、熱分解温度が合成樹脂の融点より低ければ、合成樹脂からなる基材ないしは部品を接合できる。従って、熱分解温度が低いカルボン酸金属化合物が望ましい。
つまり、カルボン酸銅化合物を構成するイオンの中で、最も大きいイオンは銅イオンである。従って、カルボン酸のカルボキシル基を構成する酸素イオンが、銅イオンに共有結合すれば、銅イオンとカルボキシル基を構成する酸素イオンとの距離が、イオン同士の距離の中で最も長い。こうしたカルボン酸銅化合物を大気雰囲気で昇温させると、カルボン酸の沸点を超えると、カルボン酸と銅とに分解する。さらに昇温すると、カルボン酸が飽和脂肪酸で構成されれば、カルボン酸が気化熱を伴って気化し、カルボン酸の気化した後に銅が析出する。なお、還元雰囲気でのカルボン酸銅化合物の熱分解は、大気雰囲気での熱分解より高温側で進むため、大気雰囲気での熱分解のほうが熱処理費用は安価で済む。また、カルボン酸が不飽和脂肪酸であれば、炭素原子が水素原子に対して過剰になり、不飽和脂肪酸からなるカルボン酸銅化合物が熱分解すると、酸化銅が析出する。
いっぽう、カルボン酸銅化合物の中で、カルボン酸のカルボキシル基を構成する酸素イオンが配位子となって銅イオンに近づいて配位結合するカルボン酸銅化合物は、銅イオンと酸素イオンとの距離が短くなり、反対に、酸素イオンが銅イオンと反対側で結合するイオンとの距離が最も長くなる。このような分子構造の特徴を持つカルボン酸銅化合物の熱分解反応は、酸素イオンが銅イオンと反対側で結合するイオンとの結合部が最初に分断され、この結果、酸化銅が析出する。
さらに、カルボン酸銅化合物は、カルボン酸が最も汎用的な有機酸であるため、合成が容易で最も安価な有機銅化合物である。つまり、カルボン酸を水酸化ナトリウムなどの強アルカリ溶液中で反応させると、カルボン酸アルカリ金属化合物が生成される。このカルボン酸アルカリ金属化合物を、硫酸銅などの無機銅化合物と反応させると、カルボン酸銅化合物が生成される。このため、有機銅化合物の中で最も安価な有機銅化合物である。
カルボン酸銅化合物の組成式はＣｕ（ＣＯＯＲ）２で表わせられる。Ｒは炭化水素で、組成式はＣｍＨｎである（ｍとｎは整数）。カルボン酸銅化合物を構成する物質の中で、組成式の中央に位置する銅イオンＣｕ２＋が最も大きい。従って、銅イオンＣｕ２＋とカルボキシル基を構成する酸素イオンＯ−とが共有結合する場合は、銅イオンと酸素イオンとの距離が最大になる。この理由は、銅原子の２重結合における共有結合半径は１１５ｐｍで、酸素原子の２重結合における共有結合半径は５７ｐｍで、炭素原子の２重結合における共有結合半径は６７ｐｍであることによる。このため、このような分子構造上の特徴を持つカルボン酸銅化合物は、カルボン酸の沸点を超えると、結合距離が最も長い銅イオンとカルボキシル基を構成する酸素イオンとの結合部が最初に分断され、銅とカルボン酸とに分離する。さらに昇温すると、カルボン酸が飽和脂肪酸であれば、カルボン酸が気化熱を伴って気化し、カルボン酸の気化が完了した後に銅が析出する。こうしたカルボン酸銅化合物として、オクチル酸銅、ラウリン酸銅、ステアリン酸銅などがある。このようなカルボン酸銅化合物は、金属石鹸として市販されている安価な工業用薬品である。
さらに、飽和脂肪酸の沸点が低ければ、カルボン酸銅化合物は低い温度で熱分解が始まり、熱分解温度が合成樹脂の融点より低くなる。飽和脂肪酸を構成する炭化水素が長鎖構造である場合は、長鎖が長いほど、つまり、飽和脂肪酸の分子量が大きいほど、飽和脂肪酸の沸点が高く、飽和脂肪酸の気化熱が大きいため、熱分解温度が高くなる。ちなみに、分子量が２００．３であるラウリン酸の大気圧での沸点は２９６℃であり、分子量が２８４．５であるステアリン酸の大気圧での沸点は３６１℃である。
また、分岐鎖構造を有する飽和脂肪酸は、直鎖構造の飽和脂肪酸より鎖の長さが短く、沸点はさらに低く、気化熱も小さい。従って、分岐鎖構造を有する飽和脂肪酸からなるカルボン酸銅化合物は、さらに低い温度で熱分解する。また、分岐鎖構造を有する飽和脂肪酸は極性を持ち、分岐鎖構造を有する飽和脂肪酸からなるカルボン酸銅化合物も極性を持ち、アルコールなどの極性を持つ有機溶剤に相対的に高い割合で分散する。分岐構造の飽和脂肪酸にオクチル酸があり、構造式がＣＨ３（ＣＨ２）３ＣＨ（Ｃ２Ｈ５）ＣＯＯＨで示され、ＣＨでＣＨ３（ＣＨ２）３とＣ２Ｈ５とのアルカンに分岐され、ＣＨにカルボキシル基ＣＯＯＨが結合する。オクチル酸の沸点は２２８℃であり、ラウリン酸の沸点より６８℃低い。従って、オクチル酸銅Ｃｕ（Ｃ７Ｈ１５ＣＯＯ）２が、銅を析出する原料として望ましい。このオクチル酸銅は、大気雰囲気において２９０℃で熱分解が完了して銅が析出し、メタノールやｎ−ブタノールに１０重量％近く分散する。
また、オクチル酸アルミニウムＡｌ（Ｃ７Ｈ１５ＣＯＯ）３がアルミニウムを析出する原料として、オクチル酸鉄Ｆｅ（Ｃ７Ｈ１５ＣＯＯ）３が鉄を析出する原料として、オクチル酸ニッケルＮｉ（Ｃ７Ｈ１５ＣＯＯ）２がニッケルを析出する原料として望ましい。このようにオクチル酸金属化合物は、様々な金属イオンで構成されるとともに、合成が容易なカルボン酸金属化合物でもある。
【００２１】
実施形態４
本実施形態は、第一にアルコールに溶解ないしは混和し、第二にアルコールより粘度が高く、第三に沸点が金属化合物の熱分解温度より低い、これら３つの性質を兼備する有機化合物に関する。これら３つの性質を兼備する有機化合物は、熱分解で金属を析出する金属化合物のアルコール分散液と均一に混ざり合った混合液を構成する。このような有機化合物に、カルボン酸エステル類、グリコール類、ないしは、グリコールエーテル類に属する有機化合物がある。ここでは、アルコールを最も汎用的な工業用アルコールであるメタノールとする。なお、メタノールの粘度は０．５９ｍＰａ秒である。
つまり、無機金属化合物からなる金属錯塩は１８０−２２０℃で熱分解し、オクチル酸金属化合物は２９０℃で熱分解する。従って、沸点が１８０℃より低い有機化合物は、金属錯塩およびカルボン酸金属化合物が分散された混合液を構成する。沸点が２９０℃より低い有機化合物は、オクチル酸金属化合物が分散された混合液を構成する。
【００２２】
最初に、カルボン酸エステル類について説明する。カルボン酸エステル類は、飽和カルボン酸からなるエステル類と、不飽和カルボン酸からなるエステル類と、芳香族カルボン酸からなるエステル類に分けられる。
飽和カルボン酸からなるエステル類の中で、メタノールに溶解し、メタノールより粘度が高く、沸点が１８０℃より低いカルボン酸エステルは、分子量が１５８．２であるカプリル酸メチルより分子量が小さいカルボン酸エステルである。なお、カプリル酸メチルの沸点は１９１℃で、メタノールの粘度の１．８倍である。沸点が２９０℃より低い飽和カルボン酸からなるエステル類は、分子量が２５６．４であるミリスチン酸エチルより分子量が小さいカルボン酸エステルである。なお、ミリスチン酸エチルの沸点は２９５℃で、メタノールの粘度の１１倍である。
【００２３】
不飽和カルボン酸からなるエステル類で、メタノールに混和し、メタノールより粘度が高く、沸点が１８０℃より低いカルボン酸エステルは、分子量が１９８であるメタクリル酸オクチルより分子量が小さいカルボン酸エステルである。ちなみに、メタクリル酸オクチルの沸点は２２９℃で、メタノールの粘度の２．８倍である。また、沸点が２９０℃より低い不飽和カルボン酸からなるエステル類は、分子量が２９６．６で、粘度がメタノールの８．７倍であるオレイン酸メチルより分子量が小さいカルボン酸エステルである。
【００２４】
芳香族カルボン酸からなるエステル類の中で、メタノールに溶解し、メタノールより粘度が高く、沸点が１８０℃より低いカルボン酸エステルは、分子量が１３６の安息香酸メチルより分子量が小さいカルボン酸エステルである。なお、安息香酸メチルの沸点は１９９．５℃で、粘度がメタノールの３．３倍である。また、沸点が２９０℃より低い芳香族カルボン酸からなるエステル類は、分子量が１９４であるフタル酸ジメチル以下の分子量のカルボン酸エステルである。なお、フタル酸ジメチルの沸点は２８４℃で、粘度がメタノールの２９倍である。
以上に説明したように、カルボン酸エステル類に、７段落で記載した基材ないしは部品の接合方法における３つの性質を兼備する多くの有機化合物が存在し、金属錯塩ないしはカルボン酸金属化合物のアルコール分散液と均一に混ざり合って混合液を構成する。このため、カルボン酸エステル類は、金属錯塩ないしはカルボン酸金属化合物のアルコール分散液の粘度を調整する溶剤の機能を持つ。
【００２５】
次に、グリコール類について説明する。グリコール類には、エチレングリコール、ジエチレングリコール、トリエチレングリコール、プロピレングリコール、ジプロピレングリコール、トリプロピレングリコールからなる６種類のグリコールがある。
エチレングリコールは、メタノール溶解し、メタノールの粘度の３６倍で、沸点が１９７℃の液状モノマーである。ジエチレングリコールはメタノールに溶解し、メタノールの粘度の６１倍で、沸点が２４４℃の液状モノマーである。プロピレングリコールは、メタノールと混和し、メタノールの粘度の８２倍で、沸点が１８８℃の液状モノマーである。ジプロピレングリコールは、メタノールに溶解し、メタノールの粘度の１２７倍で、沸点が２３２℃の液状モノマーである。トリプロピレングリコールは、メタノールと混和し、メタノールより粘度が高く、沸点が２６５℃の液状モノマーである。いずれも沸点が２９０℃より低いグリコールである。
以上に説明したように、グリコール類に、７段落で記載した基材ないしは部品の接合方法における３つの性質を兼備する多くの有機化合物が存在し、金属錯塩ないしはカルボン酸金属化合物のアルコール分散液と均一に混ざり合って混合液を構成する。このため、グリコール類は、金属錯塩ないしはカルボン酸金属化合物のアルコール分散液の粘度を調整する溶剤の機能を持つ。
なお、上記のモノマーは昇温や光の照射によってポリマーに重合しない。これに対し、スチレンモノマー、酢酸ビニルのようなビニル基を持つ有機化合物、メタクリル酸メチルなどのメタクリル酸エステルなどは、光や熱で容易に重合反応を起こす。これらの有機化合物をモノマーとして用いる時は、必ず重合禁止剤ないしは重合防止剤がモノマーに添加されているため、昇温によっても、光の照射によっても、重合反応は起きない。
【００２６】
最後に、グリコールエーテル類について説明する。グリコールエーテル類は、エチレングリコール系エーテルと、プロピレングリコール系エーテルと、エチレングリコール、ジエチレングリコール、トリエチレングリコールの各々の末端の水素をアルキル基で置換したジアルキルグリコールエーテルとの３種類がある。いずれのグリコールエーテルは、メタノールに溶解し、メタノールより粘度が高い。
エチレングリコール系エーテルの中で、沸点が１８０℃より低いエーテルは、沸点が１２４.５℃で、粘度がメタノールの２．８倍であるエチレングリコールモノメチルエーテルと、沸点が１４１.８℃で、粘度がメタノールの４．３倍であるエチレングリコールイソプロピルエーテルと、沸点が１５９℃で、粘度がメタノールの３．９倍であるエチレングリコールモノアリルエーテルと、沸点が１６０.５℃で、粘度がメタノールの４．９倍であるエチレングリコールモノイソブチルエーテルと、沸点が１７１.２℃で、粘度がメタノールの５．９倍であるエチレングリコールモノブチルエーテルがある。
沸点が２９０℃より低いエーテルは、沸点が２２９℃で、粘度がメタノールの１３倍であるエチレングリコールモノ２エチルヘキシルグリコールと、沸点が２３１℃で、粘度がメタノールの１１倍であるジエチレングリコールモノブチルエーテルと、沸点が２４５℃で、粘度がメタノールの５２倍であるエチレングリコールモノフェニルエーテルと、沸点が２４９℃で、粘度がメタノールの１３倍であるトリエチレングリコールモノメチルエーテルと、沸点が２５９℃で、粘度がメタノールの１５倍であるジエチレングリコールモノへシルエーテルと、沸点が２７１℃で、粘度がメタノールの１４倍であるトリエチレングリコールモノブチルエーテルと、沸点が２７２℃で、メタノールの粘度の１８倍であるジエチレングリコールモノ２エチルヘキシルエーテルがある。
【００２７】
プロピレングリコール系エーテルの中で、沸点が１８０℃より低いエーテルは、沸点が１２１℃で、粘度がメタノールの３．２倍であるプロピレングリコールモノメチルエーテルと、沸点が１４６℃で、粘度がメタノールの２．２倍であるプロピレングリコールモノメチルエーテルアセテートと、沸点が１４９.８℃で、粘度がメタノールの４．７倍であるプロピレングリコールモノプロピルエーテルと、沸点が１７０.２℃で、粘度がメタノールの５．８倍であるプロピレングリコールモノｎ−ブチルエーテルがある。沸点が２９０℃より低いエーテルは、沸点が２３１℃で、粘度がメタノールの１３倍であるジプロピレングリコールモノｎ−ブチルエーテルと、沸点が２４３℃で、粘度がメタノールの２１倍であるプロピレングリコールモノフェニルエーテルがある。
【００２８】
ジアルキルグリコール系エーテルの中で、沸点が１８０℃より低いエーテルは、沸点が８５.２℃で、粘度がメタノールの１．９倍であるエチレングリコールジメチルエーテルと、沸点が１６２℃で、粘度がメタノールの３．４倍であるジエチレングリコールジメチルエーテルがある。沸点が２９０℃より低いエーテルは、沸点が１８９℃で、粘度がメタノールの２．４倍であるジエチレングリコールジエチルエーテルと、沸点が２１６℃で、粘度がメタノールの６．４倍であるトリエチレングリコールジメチルエーテルと、沸点が２５５℃で、粘度がメタノールの４．１倍であるジエチレングリコールジブチルエーテルがある。
以上に説明したように、グリコールエーテル類に、７段落で記載した基材ないしは部品の接合方法における３つの性質を兼備する多くの有機化合物が存在し、金属錯塩ないしはカルボン酸金属化合物のアルコール分散液と均一に混ざり合って混合液を構成する。このため、グリコールエーテル類は、金属化合物のアルコール分散液の粘度を調整する溶剤の機能を持つ。
【００２９】
実施例１
本実施例は、エポキシ樹脂の板と銅板とを、銅フレーク粉の集まりと銅微粒子の集まりで接合する。この実施例は、半導体のパッケージとリードフレームとを接合することを想定した実施例である。従来は、エポキシ樹脂のパッケージとニッケルメッキした銅のリードフレームとを、導電性の接着剤で接合している。このため、接着剤とリードフレームとの熱膨張率の違いで、気密性が確保しにくく、また、接着力が継時変化する課題がある。これに対し、本実施例は、４０−６０ｎｍの銅微粒子が１００℃昇温されても、熱膨張は銅の原子半径より小さい０．８オングストロームに過ぎない。また、銅板とエポキシ樹脂との接合面に析出した銅微粒子は、接合面と接触するが、接合面と金属結合ないしは化学結合しない。このため、接合面が熱膨張しても、あるいは、熱収縮しても、接合層に応力が発生せず、接合強度は変わらない。なお、銅板の接合面に酸化膜が形成されていても、接合面の凹部に銅微粒子の集まりが析出し、アンカー効果によって銅板が接合する。このため、接合面をメッキ処理することや、接合面の酸化膜を除去することは不要である。
エポキシ樹脂からなる板材に、幅が５ｍｍで深さが０．５ｍｍの溝を加工した。また、幅が５ｍｍで板厚が１ｍｍの無酸素銅からなる板材を用意した。銅フレーク粉は、福田金属箔粉工業株式会社の銅フレーク粉Ｅ３を用いた。このフレーク粉の粒度分布は、７５μｍ以上が３％より少なく、４５μｍ以上が４０％より少なく、４５μｍ以下が６０％より多い。また、テトラアンミン銅硝酸塩［Ｃｕ（ＮＨ３）４］（ＮＯ３）２（例えば、三津和化学薬品の製品）を、銅微粒子の原料として用いた。さらに、有機化合物として、沸点が１５９℃で、粘度がメタノールの３．９倍であるエチレングリコールモノアリルエーテル（例えば、日本乳化剤株式会社の製品）を用いた。この有機化合物は、半導体の封止材やプリント基板などの電子材料の製造や、様々なコーティング剤に用いられている。
最初に、１００ｇのテトラアンミン銅硝酸塩（０．４モルに相応する）を、メタノールに対し１０重量％の割合で分散させる。このメタノール分散液に、エチレングリコールモノアリルエーテルの４５０ｇ（メタノールの半分の重量）を混合した。この混合液に、銅フレーク粉の７８０ｇを混合した。この混合物を、回転による拡散混合と揺動による移動混合とを同時に行う装置（愛知電機株式会社のロッキングミキサーＲＭＨ−ＨＴ）に充填し、回転と揺動を繰り返して懸濁液を作成した。
次に、エポキシ樹脂板の小片の１０個に対し、小片の溝に、前記の懸濁液を均一になるように塗布した。この後、小片を小型加振機の加振台の上に載せ、左右、前後、上下の３方向に、０．２Ｇの振動加速度を５秒間ずつ３回繰り返し、最後に、上下方向に０．２Ｇの振動加速度を１０秒間加えた。さらに、小片の溝に、銅の板材を重ね合わせ、１キログラムの重りを銅の板材に載せた。この後、１０個の積層体の集まりを、水素ガスの雰囲気の熱処理炉に入れ、１８０℃で５分間熱処理した。
最初に、複数の試料における銅板の結合力を、ＪＩＳＫ６８４９に規定された引っ張り接着強さの試験方法に基づいて測定した。この結果、４００グラム重に相当する引っ張り力に耐えた。さらに、複数の試料を沸騰水中で５分間煮沸させ、その後、引っ張り強さを測定したが、４００グラム重に相当する引っ張り力に耐えた。さらに、複数の試料を２５０℃の恒温槽に２分間放置し、その後、室温に戻し、引っ張り強さを測定したが、４００グラム重に相当する引っ張り力に耐えた。
この後、試料の中央を厚み方向に２つに切断し、断面の観察と分析とを電子顕微鏡で行なった。電子顕微鏡は、ＪＦＥテクノリサーチ株式会社の極低加速電圧ＳＥＭを用いた。この装置は、１００Ｖからの極低加速電圧による観察が可能で、試料に導電性の被膜を形成せずに直接試料が観察できる特長を持つ。
最初に、反射電子線の９００−１０００Ｖの間にある２次電子線を取り出して画像処理を行い、試料の断面を観察した。試料の断面は、４０−６０ｎｍの大きさからなる粒状微粒子の集まりが、銅板の接合面と小片の溝の接合面との凹部を埋め、また、８層前後の厚みで、銅フレーク粉の表面に積層していた。さらに、微粒子が積層した銅フレーク粉は、８層前後の銅フレーク粉が扁平面同士で重なり合うように積層されていた。
次に、試料の断面からの反射電子線について、９００−１０００Ｖの間にあるエネルギーを抽出して画像処理を行い、画像の濃淡で粒状微粒子の材質を分析した。いずれの粒状微粒子にも濃淡が認められなかったので、単一原子から構成されていることが分かった。さらに、特性エックス線のエネルギーとその強度を画像処理し、粒子を構成する元素の種類を分析した。銅原子のみで構成されていたため、銅の粒状微粒子である。
これらの結果から、金属結合した銅微粒子の集まりが、２枚の接合面の凹部を埋めるとともに、銅微粒子が８層前後で銅フレーク粉に積み重なり、この銅微粒子の集まりが、銅フレーク粉の表面を覆うとともに、銅フレーク粉同士を結合させ、扁平面同士が重なり合って積層した銅フレーク粉の集まりからなる接合層が、２枚の接合面に接合された。図１に、銅フレーク粉の表面を覆う銅微粒子が金属結合し、扁平面同士が重なり合って接合した状態を、図1に模式的に拡大して示す。１は銅フレーク粉で、２は金属結合した銅微粒子の集まりである。
実施例１における接合層は４００グラム重に相当する引っ張り力に耐え、半導体のパッケージとリードフレームとの接着力としては十分な強度を持つ。また、４０−６０ｎｍの大きさの粒状微粒子の気密性で、接合層に沸騰水が侵入できない。さらに、接合面における銅微粒子の集まりのアンカー効果と、金属結合した銅微粒子の結合力で、沸騰水で煮沸しても、また、２５０℃の熱衝撃を与えても、接合層の引っ張り強度が変わらなかった。
【００３０】
実施例２
本実施例は、実施例１における熱処理温度を、２５０℃まで昇温して試料を作成した。
この複数の試料の引っ張り強さは、５００グラム重まで増大した。また、実施例１と同様に、沸騰水中での煮沸と、２５０℃の熱衝撃を加えても、接合層の引っ張り強さは変わらなかった。
実施例１と同様に、試料の断面を電子顕微鏡で観察した。試料の断面は、５０−７０ｎｍの大きさからなる粒状の銅微粒子の集まりが、２枚の接合面の凹部を埋め、また、６０−８０ｎｍの幅からなる楕円を潰した形状の銅微粒子の集まりが６層前後の厚みで、銅フレーク粉の表面に積層していた。さらに、８層前後の銅フレーク粉が扁平面同士で重なり合って積層されていた。なお、試料の断面は、図1に類似しているため図示しない。
これらの結果から、熱処理温度をテトラアンミン銅硝酸塩の熱分解温度より７０℃昇温することで、析出した銅微粒子が熱エネルギーを得て、隣接する銅微粒子を取り込んで成長し、粗大化した。いっぽう、接合面に圧縮荷重が加えられているため、金属微粒子の粗大化は、接合面に平行な方向に進み、銅微粒子は、断面形状において楕円が潰された形状になった。この結果、銅微粒子同士が接触する面積が広がり、銅微粒子同士の金属結合力が増大し、引っ張り強さが４００グラム重から５００グラム重に増大した。
【００３１】
実施例３
本実施例は、銅の薄い板とセラミックス基板とを、銅フレーク粉の集まりと銅微粒子の集まりで接合する。つまり、ＤＣＢ（Ｄｉｒｅｃｔ  Ｃｏｐｐｅｒ  Ｂｏｎｄｉｎｇ）基板と呼ばれる、セラミックス基板の表と裏の両面に薄い銅板を接合した基板がある。この表側の銅板に配線パターンを形成し、この配線パターンに、ＩＧＢＴなどのパワー半導体チップをマウントする。なお、セラミックス基板には、熱伝導性がセラミックスの中で最も高い窒化アルミニウム基板、ないしは、熱伝導性は窒化アルミニウムより１桁劣るが、安価なアルミナ基板を用いている。このセラミックス基板に、１ｍｍより厚みが薄い銅板をロウ付けで接合する。しかし、ＤＣＢ基板には、大量の熱を発生するパワー半導体チップが複数個搭載され、銅板とセラミックス基板との双方が昇温し、ロウ材とセラミックスとの熱膨張率の違いで、接合面に熱応力が頻繁に発生し、接合層にクラックが入りやすい課題を持つ。これに対し、本実施例では、４０−６０ｎｍの大きさの銅微粒子が１００℃昇温されても、熱膨張は銅の原子半径より小さい０．８オングストロームに過ぎない。また、銅板とセラミックス基板との接合面の凹部に析出した銅微粒子は、接合面と接触するが、接合面と金属結合ないしは化学結合しない。このため、接合面が熱膨張しても、あるいは、熱収縮しても、銅微粒子は応力を受けず、接合強度は変わらない。
板厚が０．５ｍｍで、純度が９６．５％からなるアルミナ基板の小片を、１０枚用意した。また、板厚が０．４ｍｍの無酸素銅からなる板材の小片を、１０枚用意した。フレーク状の金属粉は、実施例1で用いた銅フレーク粉を用いた。また、銅微粒子の原料は、オクチル酸銅Ｃｕ（Ｃ７Ｈ１５ＣＯＯ）２（例えば、三津和化学薬品株式会社の製品）を用いた。有機化合物は、沸点が２３１℃で、粘度がメタノールの１１倍であるジエチレングリコールモノブチルエーテル（例えば、日本乳化剤株式会社の製品）を用いた。
最初に、１４０ｇのオクチル酸銅（０．４モルに相応する）を、メタノールに対し１０重量％の割合で分散させる。このメタノール分散液に、エチレングリコールモノアリルエーテルの２１０ｇ（メタノールの１／６の重量）を混合した。さらに、この混合液に、銅フレーク粉の５８０ｇを混合した。この混合物を、実施例１と同様に、回転と揺動を繰り返して懸濁液を作成した。
次に、アルミナ基板の小片に、前記の懸濁液を均一になるように塗布した。この後、実施例１と同様に、小片を小型加振機の加振台の上に載せ加振させた。さらに、小片に、銅板を重ね合わせ、２キログラムの重りを銅板に載せた。この後、積層体の集まりを大気雰囲気の熱処理炉に入れ、２９０℃で１分間熱処理した。
最初に、複数の試料における銅板の結合力を、実施例１と同様に、引っ張り接着強さの試験方法に基づいて測定した結果、６００グラム重に相当する引っ張り力に耐えた。さらに、実施例１と同様に、複数の試料を沸騰水中で５分間煮沸させ、また、複数の試料を３５０℃の恒温槽に２分間放置し、その後、引っ張り強さを測定したが、６００グラム重に相当する引っ張り力に耐えた。
この後、試料の中央を厚み方向に２つに切断し、断面の観察と分析とを、実施例１と同様に、電子顕微鏡で行なった。この結果、金属結合した銅微粒子の集まりが、２枚の接合面の凹部を埋めるとともに、銅微粒子が８層前後で積み重なり、銅微粒子の集まりが、銅フレーク粉の表面を覆うとともに、銅フレーク粉を結合させ、６層前後の銅フレーク粉が扁平面同士を重なり合って積層した接合層が、２枚の接合面に接合された。
実施例３における接合層は６００グラム重に相当する引っ張り力に耐え、セラミックス基板と銅板との接着力としては十分な強度を持つ。なお、実施例１に比べ、引っ張り強度が増大した結果は、熱処理する際に積層体に加えた荷重が大きいことによる。また、４０−６０ｎｍの大きさの粒状微粒子の気密性で、接合層に沸騰水が侵入できない。さらに、接合面における銅微粒子の集まりのアンカー効果と、金属結合した銅微粒子の結合力で、沸騰水中で煮沸しても、また、３５０℃の熱衝撃を与えても、接合層の引っ張り強度が変わらない。なお、試料の断面は、図1に類似しているため図示しない。
【００３２】
実施例４
本実施例は、実施例３における熱処理温度を、３５０℃まで昇温して試料を作成した。
この複数の試料の引っ張り強さは、７００グラム重まで増大した。また、実施例３と同様に、沸騰水中での煮沸と、３５０℃の熱衝撃を加えても、接合層の引っ張り強さは変わらなかった。
実施例１と同様に、試料の断面を電子顕微鏡で観察した。試料の断面は、実施例２と同様に、５０−７０ｎｍの大きさの粒状の銅微粒子の集まりが、２枚の接合面を埋め、６０−８０ｎｍの幅からなる楕円を潰した形状の銅微粒子の集まりが６層前後の厚みで、銅フレーク粉の表面に積層していた。さらに、６層前後の銅フレーク粉が扁平面同士で重なり合って積層されていた。なお、試料の断面は、図1に類似しているため図示しない。
これらの結果から、熱処理温度をオクチル酸銅の熱分解温度より６０℃昇温すると、実施例２と同様に、析出した銅微粒子が熱エネルギーを得て、隣接する銅微粒子を取り込んで成長し、粗大化した。いっぽう、接合面に圧縮荷重が加えられているため、金属微粒子の粗大化は、接合面に平行な方向に進み、銅微粒子は、断面形状において楕円が潰された形状になった。この結果、銅微粒子同士が接触する面積が広がり、銅微粒子同士の金属結合力が増大し、引っ張り強さが６００グラム重から７００グラム重に増大した。
【００３３】
実施例５
本実施例は、セラミックス基板と銅板とアルミニウム板とからなる３種類の板を、銅フレーク粉と銅微粒子とによって同時に接合させる。つまり、ＤＣＢ基板の裏側の銅板に、ヒートシンクを構成するアルミニウムの部品を接合させることを想定した実施例である。なお、ヒートシンクは、アルミニウムのブロックに多数のフィンが一体で形成されるが、本実施例では、銅板とアルミニウム板との接合に着目するため、アルミニウムにはフィンが形成されていない。なお、アルミニウムからなるヒートシンクの表面は、アルミニウムの酸化膜が形成され、アルミニウムの酸化膜が銅板との接合を阻害する。このため、従来は、アルミニウムと銅との接合面の双方に、無電解メッキでニッケルメッキ層を形成し、この後、半田によって接合面を接合する。これに対し、本実施例では、アルミニウムの接合面に酸化膜が形成されていても、接合面の凹部に銅微粒子の集まりが析出し、アンカー効果によってアルミニウム板が銅板と接合する。このため、無電解メッキ層の形成と半田付けとの処理が不要になる。さらに、無電解メッキによるニッケルメッキ層は、無電解メッキ液中でニッケルイオンを還元し、析出したニッケルの小片が積層してメッキ層を形成するため、ニッケルの小片同士の結合力は、本実施例の金属結合した金属微粒子の集まりによるアンカー効果による接合力比べる小さい。
実施例３で用いたアルミナ基板と銅板と、さらに、厚みが１ｃｍのアルミニウム板を用意した。このアルミニウム板に、深さが０．４ｍmの溝を形成した。また、銅微粒子の原料は、実施例３で用いたオクチル酸銅であり、有機化合物は、実施例３で用いたジエチレングリコールモノブチルエーテルである。
最初に、１４０ｇのオクチル酸銅（０．４モルに相応する）を、メタノールに対し１０重量％の割合で分散させる。このメタノール分散液に、エチレングリコールモノアリルエーテルの２１０ｇ（メタノールの１／６の重量）を混合した。さらに、この混合液に、銅フレーク粉の５８０ｇを混合した。この混合物を、実施例１と同様に、回転と揺動を繰り返して懸濁液を作成した。
次に、銅板の片側の面と、アルミニウム板の溝に、前記の懸濁液を均一になるように塗布した。この後、実施例１と同様に、銅板とアルミニウム板とを、小型加振機の加振台の上に載せ加振させた。さらに、アルミニウム板の懸濁液が塗布された溝に、銅板の懸濁液が塗布されない面を重ね、さらに、銅板の懸濁液が塗布された面にアルミナ基板を重ね合わせ、３キログラムの重りをアルミナ基板に載せた。この後、積層体の集まりを大気雰囲気の熱処理炉に入れ、２９０℃で１分間熱処理した。
最初に、試料におけるアルミナ基板の結合力を、実施例１と同様に、引っ張り接着強さの試験方法に基づいて測定した結果、８００グラム重に相当する引っ張り力に耐えた。さらに、実施例１と同様に、複数の試料を沸騰水中で５分間煮沸させ、また、複数の試料を３５０℃の恒温槽に２分間放置し、その後、引っ張り強さを測定したが、８００グラム重に相当する引っ張り力に耐えた。
この後、試料の中央を厚み方向に２つに切断し、断面の観察と分析とを、実施例１と同様に、電子顕微鏡で行なった。この結果、金属結合した銅微粒子の集まりが、３種類の基材の接合面の凹部を埋めるとともに、銅微粒子が８層前後で積み重なり、この銅微粒子の集まりが、銅フレーク粉の表面を覆うとともに、銅フレーク粉を結合させ、扁平面同士が重なり合うように６層前後に積層した銅フレーク粉の集まりからなる接合層が、３種類の基材の接合面に接合された。
実施例５における接合層は、８００グラム重に相当する引っ張り力に耐え、ヒートシンクが８００グラムの重量を持たないため、接着力としては十分な強度を持つ。なお、実施例３に比べ、引っ張り強度が増大した結果は、熱処理する際に積層体に加えた荷重が大きいことによる。また、４０−６０ｎｍの大きさからなる粒状微粒子の気密性で、接合層に沸騰水が侵入できない。さらに、接合面における銅微粒子の集まりのアンカー効果と、金属結合した銅微粒子の結合力で、沸騰水で煮沸しても、また、３５０℃の熱衝撃を与えても、接合層の引っ張り強度が変わらなかった。なお、試料の断面は、図1に類似しているため図示しない。
なお、本実施例では、銅微粒子によって３種類の板を同時に接合させたが、オクチル酸ニッケルＣｕ（Ｃ７Ｈ１５ＣＯＯ）２を熱分解することで、ニッケル微粒子によっても接合することができる。この場合、接合層の熱伝導性が若干劣るが、接合強度は増大する。つまり、銅のビッカース硬度は４６ＨＶで、熱伝導率が３８６Ｗ／ｍＫである。また、アルミニウムのビッカース硬度は２５ＨＶで、熱伝導率が２０４Ｗ／ｍＫである。これに対し、ニッケルのビッカース硬度は９６ＨＶで、熱伝導率が９０Ｗ／ｍＫである。従って、接合面に析出したニッケル微粒子は、アルミニウム板と銅板より硬く、接合面が圧縮されているため、ニッケル微粒子が、アルミニウム板と銅板との接合面に食い込む。これによって、接合力が増大する。さらに大きな接合力を得たい場合は、積層体に加える圧縮荷重を増やすだけで、より大きな接合力が得られる。
【００３４】
以上に、５つの事例をもって実施例を説明したが、本発明は汎用性の高い接合技術であるため、実施例はこれら５つの事例に限られない。
つまり、本発明では、第一に、金属微粒子の原料となる金属化合物を液相化させ、第二に、扁平面同士が重なり合うよう粉体の集まりを配列させ、第三に、接合部に圧縮荷重を加えたため、粉体の集まりが、双方の接合面に均等な圧縮応力を加え、双方の接合面の全ての凹部に混合液が入り込み、第四に、金属化合物を熱分解して金属微粒子の集まりを析出させると、接合力としてアンカー効果が生み出される。また、活性状態の金属微粒子の集まりが接合層の全体に満遍なく析出し、全ての金属微粒子同士が接触部位で互いに金属結合し、金属結合の結合部が全ての金属微粒子に繋がった金属微粒子の集まりとなる。これによって、接合層は金属微粒子の金属結合に基づく接合力でも、双方の接合面に接合する。このため、本発明は汎用性の高い接合方法で、大きな接合力がもたらされる。
また、基材ないしは部品の材質と大きさと形状とに拘わらず、接合面に懸濁液を滴下ないしは塗布することができる。さらに、無機金属化合物からなる金属錯塩は、および、オクチル酸金属化合物は、様々な金属で構成され、金属フレーク粉も様々な金属で構成されるため、接合に用いる金属微粒子と金属フレーク粉とを選択する幅が広い。このため、用途に応じて、金属微粒子と金属フレーク粉とを構成する金属が選択できる。
以上に説明したように、本発明は汎用性の高い接合技術であるため、本発明に係わる実施例は、前記した５つの実施例に制限されない。
【符号の説明】
【００３５】
１  銅フレーク粉    ２  金属結合した銅微粒子の集まり
【図１】
2019137882.tif 000003
【手続補正書】
【提出日】平成31年1月13日(2019.1.13)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属の扁平粉の集まりからなる接合層を介して、基材ないしは部品の接合面同士を接合する方法は、熱分解で金属を析出する金属化合物を、アルコールに分散してアルコール分散液を作成し、前記アルコールに溶解ないしは混和する第一の性質と、前記アルコールより高い粘度を有する第二の性質と、沸点が前記金属化合物の熱分解温度より低い第三の性質とを兼備する有機化合物を、前記アルコール分散液に混合して混合液を作成し、密度が前記有機化合物の密度の２倍より大きい金属の扁平粉の集まりを、前記混合液に混合して懸濁液を作成する、この後、前記懸濁液を回転及び揺動させる、さらに、基材ないしは部品の接合面に、前記懸濁液を滴下ないしは塗布し、該接合面に左右、前後、上下の３方向の振動を繰り返し加え、前記金属の扁平粉の扁平面同士が重なり合った該金属の扁平粉の集まりを、前記接合面上に形成する、この後、前記接合面に、他の基材ないしは他の部品の接合面を重ね合わせて積層体とし、該積層体の双方の接合面を圧縮する荷重を該積層体に加える、さらに、該圧縮荷重が加えられた積層体を、前記金属化合物が熱分解する温度に昇温する熱処理を行う、これによって、前記金属の扁平粉の表面と、前記双方の基材ないしは前記双方の部品の接合面とに金属微粒子の集まりが析出し、該金属微粒子同士が接触部位で互いに金属結合することによって、前記金属の扁平粉の扁平面同士が重なり合った該金属の扁平粉の集まりが結合して接合層を形成するとともに、該接合層が前記双方の接合面に接合し、該接合層を介して、前記基材ないしは前記部品の接合面同士が接合される、金属の扁平粉の集まりからなる接合層を介して、基材ないしは部品の接合面同士を接合する方法。
【請求項２】
請求項１に記載した金属の扁平粉の集まりからなる接合層を介して、基材ないしは部品の接合面同士を接合する方法は、前記金属化合物が熱分解する温度に昇温する熱処理を、前記金属化合物の熱分解温度より高い温度で熱処理する、請求項１に記載した金属の扁平粉の集まりからなる接合層を介して、基材ないしは部品の接合面同士を接合する方法。
【請求項３】
請求項１に記載した金属の扁平粉の集まりからなる接合層を介して、基材ないしは部品の接合面同士を接合する方法は、前記金属の扁平粉が軟質金属からなるフレーク状の粉体である、請求項１に記載した金属の扁平粉の集まりからなる接合層を介して、基材ないしは部品の接合面同士を接合する方法。
【請求項４】
請求項１に記載した金属の扁平粉の集まりからなる接合層を介して、基材ないしは部品の接合面同士を接合する方法は、前記金属化合物が、無機物の分子ないしはイオンが配位子になって金属イオンに配位結合する金属錯イオンを有する無機塩で構成された金属錯塩であり、前記有機化合物が、カルボン酸エステル類ないしはグリコールエーテル類に属するいずれか一種類の有機化合物である、請求項１に記載した金属の扁平粉の集まりからなる接合層を介して、基材ないしは部品の接合面同士を接合する方法。
【請求項５】
請求項１に記載した金属の扁平粉の集まりからなる接合層を介して、基材ないしは部品の接合面同士を接合する方法は、前記金属化合物が、カルボン酸のカルボキシル基を構成する酸素イオンが金属イオンに共有結合する第一の特徴と、前記カルボン酸が飽和脂肪酸からなる第二の特徴とを兼備するカルボン酸金属化合物であり、前記有機化合物が、カルボン酸エステル類、グリコール類ないしはグリコールエーテル類に属するいずれか一種類の有機化合物である、請求項１に記載した金属の扁平粉の集まりからなる接合層を介して、基材ないしは部品の接合面同士を接合する方法。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、基材ないしは部品の接合面に、金属の扁平粉の集まりに扁平面同士が重なり合う処理を行い、この後、扁平粉の表面に析出した金属微粒子の集まりが金属結合することで、金属の扁平粉の扁平面同士が重なり合った接合層によって、基材ないしは部品の接合面を接合する方法に係わる。
【背景技術】
【０００２】
様々な方法で基材ないしは部品が接合されている。なお、本発明における接合は、ボルトやビスなどの接合部材を用いず、基材ないし部品を接合する方法に関わる。
第一の接合方法に、接着剤を用いる接合がある。例えば、特許文献１に、合成樹脂の繊維シートと合成樹脂フィルムとを、熱硬化型の接着剤で接合する方法が記載されている。また、特許文献２に、シリコーンレジンとフェニル基を有するオルガノシロキサンとを縮合反応させた熱硬化性の接着剤で、石英ガラス同士を接合させる方法が記載されている。
こうした接着剤による接合方法は、接着剤と接合面との化学反応で接合させるため、接合面の異物を、洗浄によって除去する必要がある。しかし、洗浄度が高いほど接合面は活性状態になり、活性度が高いほど接合面は乾燥工程で汚染され易い。従って、接着剤による接合方法は、接合面の事前処理に多くの費用が必要になる。また、接合強度を高めるには、接合する基材の材質に応じた固有の接着剤であり、用いる接着剤に汎用性はない。
【０００３】
第二の接合方法に、圧着による接合がある。例えば、特許文献３に、合成樹脂のシートとガラスクロスとを熱圧着で接合する方法が記載されている。また、特許文献４に、熱伝導性の合成樹脂フィルムの両面に、熱伝導性のシリコーン樹脂からなるシートを、圧着する方法が記載されている。
こうした圧着による接合方法は、接合強度が接合面の粗さに大きく依存する。従って、予め接合面の表面粗さを均一に粗くする表面改質を、基材や部品の材質に応じて処理し、この後、接合面に異物を付着させない乾燥工程が必要になる。いっぽう、フィルムのように平坦度が高い基材や部品の圧着は化学反応によるため、接合強度が接合面の清浄度に大きく依存し、洗浄によって接合面の異物を予め除去する必要がある。このように、圧着による接合自体は簡単な処理方法であるが、接合面の事前処理が必要になり、接合面の事前の処理に、多くの費用が必要になる。
【０００４】
第三の接合に、拡散による結合方法がある。例えば、特許文献５に、アルミニウム部品と鉄系部品との接合面に、融解したアルミニウム−マグネシウム合金を介在させ、アルミニウムを鉄系部品に拡散させて両者を結合する方法が記載されている。
しかし、アルミニウム部品と鉄系部品とを積層させ、この積層体を、真空チャンバー内にある融解したアルミニウム−マグネスシウム合金の槽に浸漬させ、積層面に毛細管現象によって溶解したアルミニウム−マグネシウム合金を浸透させ、アルミニウムを鉄系部品に拡散させる処理を行なう。このように原子の拡散現象を利用する結合は、特殊な条件下でのみ原子の拡散と拡散した原子による金属結合ができるため、拡散する原子の種類と、拡散した原子が金属結合する金属の種類ごとに異なる。また、結合が真空度の高い高温状態であり、結合に伴う加工費用が極めて高価になる。つまり、金属原子の拡散による結合方法は、金属の融点が高く、金属原子を拡散させる条件が極めて特殊であるため、特殊な処理が必要になり、結合費用が高価になる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１１−１７３４１８号公報
【特許文献２】特開２００５−０２２９３５号公報
【特許文献３】特開２０１６−０６８５２６号公報
【特許文献４】特開２０１３−０８６４３３号公報
【特許文献５】特開２０１５−００３３３５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
工業製品を製造する上で、基材や部品の接合は、頻繁に行われる処理であるにも拘わらず、前記のように、基材や部品の材質に応じて接合方法が様々に変わり、汎用的な接合方法はない。また、接合に係わる事前の処理が接合処理より高価であり、あるいは、接合処理自体が高価である。従って、基材や部品の材質や大きさや形状や表面状態に拘わらず、安価な費用で、基材や部品が同様の方法で接合できれば、画期的な接合方法になる。
本発明が解決しようとする課題は、下記の７つの要件を兼備する接合方法を見出すことにある。
第一の要件は、基材や部品を接合する際に、基材や部品の接合面が清浄化され、清浄化された接合面が、活性状態の物質によって接合される。つまり、清浄化された接合面は活性状態にあり、活性状態にある接合面に活性状態の物質が出現すれば、接合面が活性状態の物質によって強固に接合される。
第二の要件は、基材や部品の接合面の粗さや平面度に拘わらず、基材や部品が接合できる。つまり、接合面の平面度が優れる基材や部品の接合強度は弱い。このため、接合面を粗くする処理と、その後の洗浄処理とが必要になる。あるいは、化学反応を伴う接着による平坦面の接合では、接合面の洗浄とその後の乾燥とが必要になる。従って、第二の要件を満たせば、事前の処理が不要になり、安価な費用で基材や部品が接合できる。
第三の要件は、基材や部品を接合する際に、基材や部品の接合面に吸着した物質を取り除く処理が不要である。つまり、基材や部品の接合面は、多くの場合、水分、水酸基、有機物などが吸着し、これらの吸着物質は、接合面の接合強度を低下させる。しかし、吸着物を事前に取り除いても、吸着物が大気中に存在するため、再度容接合面に吸着する。また、金属や合金の表面は、多くの場合、金属酸化物の被膜が形成されていて、被膜の存在が接合を妨げる。ロウ付けによって、金属や合金からなる基材ないしは部品を接合する際は、事前に金属酸化物の被膜を除去する。しかし、被膜を取り除くと、多くの場合、表面が活性状態になり、容易に再度被膜が形成される。このため、酸素ガスが存在しない雰囲気でのロウ付けが必要になる。従って、第三の要件が満たされれば、安価な費用で基材ないしは部品が接合できる。
第四の要件は、接合する基材や部品の材質上の制約がない。これによって、基材や部品が、同一種類でも、異なる種類であっても接合できる。さらに、同様の接合方法で様々な材質からなる基材や部品が接合できるため、汎用性を持つ接合方法になる。
第五の要件は、接合する基材や部品の大きさや形状の制約がない。これによって、同様の接合方法で、基材や部品が接合できるため、汎用性を持つ接合方法になる。
第六の要件は、基材や部品の事前処理が不要である。つまり、接合面について、異物を除去する洗浄、粗さを変える表面処理、性質を変える表面改質などの事前処理が一切不要になれば、安価な費用で基材や部品が接合できるため、汎用性を持つ接合方法になる。
第七の要件は、安価な原料を用い、安価な費用で基材や部品が接合できる。つまり、特別な環境下での特殊な反応や特殊な処理が一切なく、高価な材料を用いなければ、汎用性を持つ接合方法になる。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明における金属の扁平粉の集まりからなる接合層を介して、基材ないしは部品の接合面同士を接合する方法は、熱分解で金属を析出する金属化合物を、アルコールに分散してアルコール分散液を作成し、前記アルコールに溶解ないしは混和する第一の性質と、前記アルコールより高い粘度を有する第二の性質と、沸点が前記金属化合物の熱分解温度より低い第三の性質とを兼備する有機化合物を、前記アルコール分散液に混合して混合液を作成し、密度が前記有機化合物の密度の２倍より大きい金属の扁平粉の集まりを、前記混合液に混合して懸濁液を作成する、この後、前記懸濁液を回転及び揺動させる、さらに、基材ないしは部品の接合面に、前記懸濁液を滴下ないしは塗布し、該接合面に左右、前後、上下の３方向の振動を繰り返し加え、前記金属の扁平粉の扁平面同士が重なり合った該金属の扁平粉の集まりを、前記接合面上に形成する、この後、前記接合面に、他の基材ないしは他の部品の接合面を重ね合わせて積層体とし、該積層体の双方の接合面を圧縮する荷重を該積層体に加える、さらに、該圧縮荷重が加えられた積層体を、前記金属化合物が熱分解する温度に昇温する熱処理を行う、これによって、前記金属の扁平粉の表面と前記双方の接合面とに金属微粒子の集まりが析出し、該金属微粒子同士が接触部位で互いに金属結合することによって、前記金属の扁平粉の扁平面同士が重なり合った該金属扁平粉の集まりが結合して接合層を形成するとともに、該接合層が前記双方の接合面に接合し、該接合層を介して、前記基材ないしは前記部品の接合面同士が接合される、基材ないしは部品の接合面同士を接合する方法である。
【０００８】
本発明における金属の扁平粉の集まりからなる接合層を介して、基材ないしは部品の接合面同士を接合する方法は、次の９つの処理を順番に実施し、金属の扁平粉の集まりからなる接合層を介して、基材同士ないしは部品同士を接合する。第一に、金属化合物をアルコールに分散する。第二に、有機化合物をアルコール分散液に混合する。第三に、金属の扁平粉の集まりを混合液に混合する。第四に、懸濁液を回転及び揺動させる。第五に、一方の基材ないしは部品の接合面に、懸濁液を滴下ないしは塗布する。第六に、接合面に３方向の振動を加える。第七に、接合面に他方の基材ないしは部品の接合面を重ね合わせ積層体にする。第八に、接合部を圧縮する荷重を加える。第九に、圧縮荷重が加えられた積層体の集まりを、金属化合物が熱分解する温度に昇温する。これによって、金属の扁平粉の扁平面同士が重なり合った金属の扁平粉の集まりが結合して接合層を形成するとともに、該接合層が双方の接合面に接合し、金属の扁平粉の集まりからなる接合層を介して、基材同士ないしは部品同士が接合された基材ないしは部品の集まりが製造される。
本接合方法は、アルコール分散液の作成と混合液の作成と懸濁液の作成とを、一つの容器を用いて連続して行うと、一回の処理で大量の懸濁液が容器内に製造される。また、混合機による一回の処理で、大量の攪拌された懸濁液が容器内に製造される。しかし、懸濁液を接合面に滴下ないしは塗布するだけでは、接合面に、扁平面同士が重なり合った金属の扁平粉の集まりが形成できない。このため、懸濁液を滴下ないしは塗布した接合面に、左右、前後、上下の３方向の振動を繰り返し加えると、懸濁液中で扁平面同士が重なり合うように金属の扁平粉が配列する。この後、接合面に他方の基材ないしは部品の接合面を重ね合わせ、接合部を圧縮する荷重を加える。最後に、積層体の集まりを、金属化合物が熱分解される温度で熱処理し、接合された基材ないしは部品の集まりを製造する。なお、接合層は、基材ないしは部品を接合する手段であるため、多くの場合、厚みは１０ミクロンより薄い。また、懸濁液を回転及び揺動させ、さらに、振動を加えた際に、懸濁液中で金属の扁平粉を自在に移動させるため、金属化合物のアルコール分散液と有機化合物とからなる混合液の粘度は、アルコール粘度の１０倍より低い低粘度である。
ここで、懸濁液に対する前記した処理で、扁平面同士が重なり合う過程を説明する。混合機内で懸濁液を回転及び揺動させ、粉体の集まりをランダムに混合させる。これによって、全ての金属の扁平粉の表面に、アルコール分散液と有機化合物との混合液が吸着する。また、懸濁液を滴下ないしは塗布した接合面に、左右、前後、上下の３方向の振動を繰り返し加える。この際、懸濁液中では金属の扁平粉同士が直接接触しないため、低粘度の混合液からなる懸濁液中で、金属の扁平粉は自在に移動する。これによって、金属の扁平粉同士の間隙に粒径が小さい金属の扁平粉が入り込む配列と、全ての金属の扁平粉が扁平面同士で重なり合う配列とが懸濁液中で継続する。最後に、上下方向の振動を加え、懸濁液への加振を停止すると、金属の扁平粉が有機化合物の密度の２倍より大きいため、扁平面同士が重なり合った金属の扁平粉の集まりが懸濁液中に沈む。なお、接合面に加える振動加速度は、金属の扁平粉を配列させる手段であるため、０．５Ｇより低い。
次に、前記した処理で、基材ないしは部品の接合面同士が接合される過程を説明する。接合面同士を重ね合わせて積層体とし、接合部を圧縮する荷重を積層体に加えると、扁平面同士が重なり合った金属の扁平粉の集まりが、双方の接合面を均等に圧縮し、双方の接合面の全ての凹部に、アルコール分散液と有機化合物とからなる低粘度の混合液が入り込み、双方の接合面の全ての凹部を混合液が埋める。この後、圧縮荷重が加えられた積層体に、金属化合物が熱分解する温度に昇温する熱処理を行う。この際、昇温温度に準じて次の現象が生じる。
最初に、アルコールの沸点に達すると、懸濁液からアルコールが気化し、全ての金属の扁平粉の表面に金属化合物の微細結晶が析出し、金属の扁平粉は微細結晶で覆われる。この微細結晶の大きさは、熱分解で析出する金属微粒子の大きさに近く、また、双方の接合面の凹部の深さと幅より１桁以上小さい。このため、双方の接合面の全ての凹部に入り込んだ混合液も微細結晶になり、全ての凹部が微細結晶で満遍なく埋められる。次に、有機化合物が気化し、さらに、金属化合物が無機物ないしは有機物と金属とに分解する。無機物ないしは有機物の密度が金属の密度より小さいため、無機物ないしは有機物が上層に、金属が下層に析出し、上層の無機物ないしは有機物が気化した後に、金属が１０−１００ｎｍの間に入る大きさの粒状の微粒子として、接合面の全ての凹部を埋めて析出し、また、全ての金属の扁平粉の表面に析出し、金属化合物は熱分解を終える。析出した金属微粒子は、不純物を持たず活性状態にあるため、接触する部位で互いに金属結合する。このため、金属の扁平粉の表面に析出した金属微粒子の集まりが金属結合し、扁平面同士が重なり合った金属の扁平粉が、金属微粒子の金属結合で接合され、金属の扁平粉の集まりからなる接合層を形成する。また、接合面の全ての凹部を満遍なく埋めて析出した金属微粒子の集まりも、接触部位で互いに金属結合する。これによって、双方の接合面の全ての凹部における金属微粒子の集まりは、この金属微粒子の集まりと接する接合層の端面の金属微粒子の集まりと金属結合する。この結果、双方の接合面の全ての凹部における金属結合した金属微粒子の集まりがアンカー効果をもたらし、接合層は、双方の接合面に第一の接合力で接合する。さらに、圧縮応力が加えられた状態で金属微粒子が析出するため、基材ないしは部品の材質が、金属微粒子の金属より硬度が低ければ、接合面に金属微粒子の一部が食い込む。これによって、接合層は、双方の接合面に第二の接合力で接合する。また、接合面の全ての凹部と全ての金属の扁平粉の表面に析出した金属微粒子の集まりは、全ての金属微粒子同士が接触部位で互いに金属結合し、金属結合の結合部が全ての金属微粒子に繋がった金属微粒子の集まりとなる。これによって、接合層は、金属微粒子の金属結合に基づく第三の接合力で、双方の接合面に接合する。なお、金属化合物の熱分解反応は、金属化合物の微細結晶が金属微粒子に置き換わる反応であり、金属微粒子の大きさが金属化合物の微細結晶の大きさに近いため、金属の扁平粉の表面に吸着した微細結晶が金属微粒子に置き換わっても、扁平面同士が重なり合った金属の扁平粉の配列は崩れない。以上に説明したように、基材ないしは部品は、３種類の接合力で接合する。
ここで、本発明の接合方法が持つ特徴を説明する。
第１の特徴は、金属化合物が熱分解する際に接合面が清浄化され、この後、接合面の全ての凹部と全ての粉体の表面とからなる全領域に、活性状態の金属微粒子が満遍なく析出し、全ての金属微粒子が接触部位で互いに金属結合し、金属結合の結合部が全ての金属微粒子に繋がった金属微粒子の集まりとなる。これによって、接合層は、金属微粒子の金属結合に基づく第三の接合力で、双方の接合面に接合する。また、接合面の全ての凹部における金属結合した金属微粒子の集まりが、これらの金属微粒子と接触する金属の扁平粉の集まりからなる接合層の端面における金属微粒子の集まりと金属結合し、第一の接合力であるアンカー効果をもたらす。
つまり、金属化合物を熱分解する際に、接合面に吸着していた水分、水酸基、有機物などの異物が、沸点に応じて順次気化し、接合面が清浄化される。また、無機物ないしは有機物が気化するため、金属微粒子が析出する時点まで、接合層が形成される領域は陽圧状態にあり、この領域に異物は入り込めない。こうして、清浄化された接合面に、活性状態の金属微粒子が、接合面の全ての凹部と全ての金属の扁平粉の表面との全領域に満遍なく析出し、全ての金属微粒子同士が接触部位で互いに金属結合し、金属結合の結合部が全ての金属微粒子に繋がった金属微粒子の集まりとなる。
すなわち、金属微粒子の原料となる金属化合物をアルコールに分散し、金属化合物を液相化させ、さらに、扁平面同士が重なり合った金属の扁平粉の集まりが、双方の接合面を均等に圧縮し、双方の接合面の全ての凹部に、アルコール分散液と有機化合物とからなる低粘度の混合液が入り込み、双方の接合面の全ての凹部を混合液が埋める。このため、アルコールが気化すると、１０−１００ｎｍの間に入る大きさの金属化合物の微細結晶が、接合面の全ての凹部と全ての粉体の表面に析出し、さらに、金属化合物が熱分解すると、１０−１００ｎｍの間に入る大きさの金属微粒子が、接合面の全ての凹部と全ての金属の扁平粉の表面との全領域に満遍なく析出し、全ての金属微粒子同士が接触部位で互いに金属結合し、金属結合の結合部が全ての金属微粒子に繋がった金属微粒子の集まりとなる。
また、全ての金属の扁平粉の表面に析出した金属微粒子の集まりが金属結合し、扁平面同士が重なり合った金属の扁平粉が、金属微粒子の金属結合で接合され、金属の扁平粉の集まりからなる接合層を形成する。この接合層の端面の金属微粒子の集まりは、これらの金属微粒子と接する接合面の凹部の金属微粒子の集まりと、金属結合する。
第２の特徴は、接合面の粗さや平面度に拘わらず、基材や部品が接合できる。つまり、前記のように、金属化合物の微細結晶の大きさと、金属微粒子の大きさとの双方が、鏡面仕上げのＲｚ２００ｎｍよりさらに小さいため、平面度に優れた接合面でも、接合面の全ての凹部に、金属化合物の微細結晶の集まりが析出し、さらに、金属化合物の熱分解で、金属微粒子の集まりが析出する。これによって、第１の特徴で説明した２種類の接合力によって、接合層が双方の接合面に接合される。なお、基材ないしは部品の接合面が、鏡面仕上げに近い平面度に加工されることはない。このため、金属化合物の微細結晶の大きさと、金属微粒子の大きさとの双方が、接合面の凹部の深さと幅より１桁以上小さい。
第３の特徴は、第１の特徴で説明したように、金属化合物が熱分解する際に、接合面が清浄化されるため、接合面に吸着した異物を、事前に取り除く処理が不要になる。
第４の特徴は、低粘度の混合液からなる懸濁液は、接合面の材質の制約を受けずに、滴下ないしは塗布することができる。また、金属化合物の熱分解温度が、合成樹脂の融点より低ければ、耐熱性が低い合成樹脂からなる基材ないしは部品が接合できる。
第５の特徴は、低粘度の混合液からなる懸濁液は、接合面の大きさや形状の制約を受けずに、滴下ないしは塗布できる。
第６の特徴は、接合面の事前処理が一切不要になる。つまり、第２の特徴で説明したように、接合面の粗さを変える表面処理は不要になる。第３の特徴で説明したように、接合面の異物を除去する洗浄が不要になる。第４の特徴で説明したように、接合する基材や部品の材質上の制約がなく、接合面の性質を変える表面改質は不要になる。
第７の特徴は、安価な原料を用い、安価な費用で基材や部品が接合できる。すなわち、懸濁液を構成する金属化合物と有機化合物と粉体とは、汎用的な工業用材料である。さらに、扁平面同士が重なり合って金属の扁平粉同士が接合するため、使用する金属の扁平粉の量が僅かで、高価な金属の扁平粉を用いたとしても、基材ないしは部品の接合に用いる原料は安価で済む。また、基材ないしは部品を接合する方法は、いずれも極めて簡単な９つの処理を順番に処理する方法であり、懸濁液の製造費と接合の加工費は安価で済む。さらに、金属化合物の熱分解温度は１８０−４３０℃であり、熱処理費用も安価で済む。
以上に説明したように、本発明の基材ないしは部品を接合する方法は、６段落に記載した７つの要件を満たす接合方法である。
第８の特徴は、第一に、金属微粒子の原料となる金属化合物を液相化させ、第二に、扁平面同士が重なり合うよう金属の扁平粉の集まりを配列させ、第三に、接合部に圧縮荷重を加えたため、金属の扁平粉の集まりが、双方の接合面に均等な圧縮応力を加え、双方の接合面の全ての凹部に混合液が入り込み、第二の接合力であるアンカー効果が生み出される。
第９の特徴は、接合面における金属酸化物などの化合物の被膜の有無に拘わらず、接合面のアンカー効果で、接合面が接合できる。つまり、接合する基材ないしは部品が金属ないしは合金である場合は、接合面が金属酸化物の被膜で覆われていることが多い。こうした金属ないしは合金をロウ付けや半田付けで接合する場合は、接合面にロウや半田が付着しないため、金属酸化物の被膜を除去した後にロウ付けや半田付けを行う。
第１０の特徴は、圧縮応力が加えられた状態で金属微粒子が析出するため、基材ないしは部品の材質が、金属微粒子の金属より硬度が低ければ、金属微粒子の一部が接合面に食い込む。これによって、接合層は、双方の接合面と第二の接合力で接合する。
第１１の特徴は、接合面の全ての凹部と全ての金属の扁平粉の表面に、活性状態の金属微粒子が析出し、全ての金属微粒子同士が接触部位で互いに金属結合し、金属結合の結合部が全ての金属微粒子に繋がった金属微粒子の集まりとなる。これによって、接合層は、大きな接合力の第三の接合力で、接合面と接合する。
例えば、一方の接合面に引っ張り応力が加わると、片方の接合面の全領域に亘る金属結合した金属微粒子の集まりに、引っ張り応力が加わり、引っ張り応力は、金属微粒子の集まりに分散される。この後、分散された引っ張り応力が、接合層の全体に加わり、粉体の集まりと、金属結合した金属微粒子の集まりに分散される。さらに、分散された引っ張り応力は、他方の接合面の全領域に亘る金属結合した金属微粒子の集まりに加わり、引っ張り応力が分散される。こうして引っ張り応力が、金属結合した金属微粒子の集まりと、接合された粉体の集まりに分散されるため、接合層は、大きな接合力の第三の接合力で接合面と接合する。また、圧縮応力についても、接合層は、大きな接合力で接合面と接合する。
第１２の特徴は、高温、極低温などの過酷な環境でも、接合された基材ないしは部品が使用できる。さらに、急激な温度変化が起きても、接合層は破壊されない。つまり、接合層の接合強度は、金属微粒子の金属結合力に依存するが、高温、極低温などの過酷な環境でも、金属微粒子の金属結合力は殆ど変わらない。また、急激な温度変化があって、金属微粒子の金属結合は破壊されない。さらに、金属からなる粉体は、高温、極低温などの過酷な環境でも使用でき、接合された基材ないしは部品も、過酷な環境で使用できる。
以上に説明したように、本発明の金属の扁平粉の集まりからなる接合層を介して、基材ないしは部品の接合面同士を接合する方法は、６段落に記載した７つの要件を満たすだけでなく、更なる特徴を持つ優れた接合方法である。
【０００９】
前記した金属の扁平粉の集まりからなる接合層を介して、基材ないしは部品の接合面同士を接合する方法は、前記金属化合物が熱分解する温度に昇温する熱処理を、前記金属化合物の熱分解温度より高い温度で熱処理する、前記した金属の扁平粉の集まりからなる接合層を介して、基材ないしは部品の接合面同士を接合する方法である。
【００１０】
つまり、金属化合物の熱分解温度より高い温度で熱処理すると、熱処理温度に応じて、金属微粒子が隣接する金属微粒子を取り込んで成長し、粗大化する。この際、接合面に圧縮荷重が加えられているため、金属微粒子は接合面に平行な方向に粗大化を進め、熱処理温度が高くなるほど、粗大化した金属微粒子の扁平化が進み、面を持つ。このため、金属微粒子は、互いに面で接触し、接触部位が広い面同士で金属結合し、結合力が増大する。これによって、基材ないしは部品の接合強度が増大する。
なお、接合面の凹部の内部の金属微粒子も粗大化するが、圧縮応力が加わらないため、扁平化はしない。従って、粗大化した金属微粒子同士が接触部位で金属結合し、この金属結合した金属微粒子が、接合層の端面の扁平化した金属微粒子と金属結合するため、金属結合した金属微粒子の集まりによるアンカー効果は失われない。
すなわち、前記したように、金属化合物を構成する無機物ないしは有機物の気化が完了した後に、金属化合物の熱分解が完了し、不純物を含まず、活性状態にある金属微粒子が析出する。この熱分解温度は、金属化合物の固有の温度である。さらに昇温すると、金属微粒子は熱エネルギーを得て、隣接する金属微粒子を取り込んで成長し、粗大化する。昇温する温度が高くなるほど、金属微粒子の粗大化が進む。いっぽう、接合面に圧縮荷重が加えられているため、金属微粒子の粗大化は、接合面に平行な方向に進み、昇温する温度が高くなるほど、金属微粒子の扁平化が進み、金属微粒子は面を持つ。このため、金属微粒子は、互いに接触部位が広い面で接触し、面同士で金属結合する。これによって、金属微粒子同士の金属結合力が増大し、８段落に記載した第三の接合力が増大する。
【００１１】
前記した金属の扁平粉の集まりからなる接合層を介して、基材ないしは部品の接合面同士を接合する方法は、前記金属の扁平粉が軟質金属からなるフレーク状の粉体である、前記した金属の扁平粉の集まりからなる接合層を介して、基材ないしは部品の接合面同士を接合する方法である。
【００１２】
つまり、軟質金属からなるフレーク状の粉体は、金、銀、銅、錫、亜鉛ないしはアルミニウムなどからなる軟質金属の粉体の集まりを、スタンプミル（搗砕機に相当する）により、多数の金属製の杵で叩き、薄いフレーク状に延ばすことで製造される。いっぽう、原料となる金属粉は、多くの場合は、金属の純度が高く、鉛フリーの電解金属粉を用いる。さらに、粉体の長軸に対する厚みの比率であるアスペクト比が高く、かつ、平面に近い滑らかな面を持つ。このため、金や銀の高価なフレーク粉であっても、少ない量のフレーク粉で、扁平面同士が重なり合って粉体が接合した接合層が形成できる。なお、アルミニウムのフレーク粉の製造では、アトマイズ法による粒状粉や箔の裁断片をスタンプミルで叩く際に、アルミニウム粉が燃焼しやすく、凝着しやすいため、粉砕助剤としてステアリン酸を加え、粒状粉や裁断片を粉砕する。いっぽう、錫を除く軟質金属のフレーク粉の耐熱温度は軟化点で決まり、軟化点が低い電解銅でも８００℃と高い。また、錫を除く軟質金属は低温脆性を持たず、極低温での使用が可能になる。なお、９９．５％の純度を持つアルミニウム粉の溶融温度は６５０℃である。従って、接合面が、軟質金属のフレーク粉と金属微粒子で接合されるため、高温、極低温、真空、高圧下など、過酷な環境でも、接合された基材ないしは部品が使用できる。なお、錫は融点が２３２℃で、−４０℃付近で低温脆性を起こし、錫のフレーク粉からなる接合層のみは、使用温度が制限される。
また、軟質金属のフレーク粉の表面は、平坦な滑らかな面で、厚みが均一に近く、厚みが薄い。従って、平坦面同士が重なり合ったフレーク粉の集まりに圧縮荷重を加え、この後、フレーク粉の表面に析出した金属微粒子の集まりが金属結合し、平坦面同士が金属微粒子の金属結合で接合される。このため、１０段落で説明した扁平化された金属微粒子同士の金属結合と同様に、フレーク粉同士の接合力が増大する。
さらに、フレーク粉の密度は、アルミニウムの密度が２．７ｇ／ｃｍ３と最も小さく、金属化合物のアルコール分散液に混合する有機化合物の密度は１．０ｇ／ｃｍ３より小さいため、フレーク粉の密度はいずれも、有機化合物の密度の２倍より大きい。
以上に説明したように、軟質金属のフレーク粉は、７段落に記載した金属の扁平粉の集まりからなる接合層を介して、基材ないしは部品の接合方法において、好適な金属の扁平粉である。従って、様々な材質からなる金属の扁平粉を、接合層に求められる仕様に応じて選択し、接合層を形成する。
【００１３】
前記した金属の扁平粉の集まりからなる接合層を介して、基材ないしは部品の接合面同士を接合する方法は、前記金属化合物が、無機物の分子ないしはイオンが配位子になって金属イオンに配位結合する金属錯イオンを有する無機塩で構成された金属錯塩であり、前記有機化合物が、カルボン酸エステル類ないしはグリコールエーテル類に属するいずれか一種類の有機化合物である、前記した金属の扁平粉の集まりからなる接合層を介して、基材ないしは部品の接合面同士を接合する方法である。
【００１４】
つまり、無機物からなる分子ないしはイオンが配位子になって、金属イオンに配位結合した金属錯イオンを有する無機塩からなる金属錯塩を、還元雰囲気で熱処理すると、最初に配位結合部が分断され、無機物と金属とに分解する。さらに昇温すると、無機物が気化熱を奪って気化し、１８０−２２０℃の温度範囲で無機物の気化が完了して金属が析出する。つまり、金属錯塩を構成するイオンの中で、分子の中央に位置する金属イオンが最も大きく、金属イオンと配位子との距離が最も長い。この金属錯塩を還元雰囲気で熱処理すると、金属イオンが配位子と結合する配位結合部が最初に分断され、金属と無機物とに分解する。さらに温度が上がると、無機物が気化熱を奪って気化し、無機物の気化が完了すると金属が析出する。金属が析出する温度は、金属化合物の熱分解で金属が析出する温度の中で最も低い。従って、耐熱性が低い合成樹脂であっても、多くの合成樹脂の融点が金属錯塩の熱分解温度より高く、合成樹脂からなる基材ないしは部品が接合できる。
ちなみに、融点が金属錯塩の熱分解温度より高い合成樹脂として、ポリエチレンテレフタレート樹脂、ポリ塩化ビニリデン樹脂、ポリアミド６樹脂、ポリアミド６６樹脂、ポリブチレンテレフタレート樹脂、ポリフェニレンサルファイド樹脂、ポリクロロトリフルオロエチレン樹脂、酢酸セルロース樹脂、４フッ化エチレン樹脂及び液晶ポリマーなど多くの合成樹脂が挙げられる。
また、１２段落で説明した金属の扁平粉の中で、最も耐熱性が低い金属の扁平粉は、融点が２３２℃の錫のフレーク粉であり、錫の融点は金属錯塩の熱分解温度より高く、用いる金属の扁平粉の材質に制約がない。従って、金属錯塩は、７段落に記載した金属の扁平粉の集まりからなる接合層を介して、基材ないしは部品を接合する方法において、熱分解で金属を析出する好適な金属化合物である。
つまり、無機物からなる分子ないしはイオンが配位子になって、金属イオンに配位結合する金属錯イオンは、他の金属錯イオンに比べて合成が容易である。このような金属錯イオンとして、アンモニアＮＨ３が配位子となって金属イオンに配位結合するアンミン金属錯イオン、水Ｈ２Ｏが配位子となって金属イオンに配位結合するアクア金属錯イオン、水酸基ＯＨ―が配位子となって金属イオンに配位結合するヒドロキソ金属錯イオン、塩素イオンＣｌ−が、ないしは塩素イオンＣｌ−とアンモニアＮＨ３とが配位子となって金属イオンに配位結合するクロロ金属錯イオンなどがある。さらに、このような金属錯イオンを有する塩化物、硫酸塩、硝酸塩などの無機塩からなる金属錯塩は、無機塩の分子量が小さいため、１８０−２２０℃の温度範囲で無機物の気化が完了し金属を析出する。この金属が析出する温度は、金属化合物の熱分解で金属を析出する温度の中で最も低い。
また、カルボン酸エステル類ないしはグリコールエーテル類の属する有機化合物に、アルコールに溶解ないしは混和する性質と、アルコールより粘度が高い性質と、沸点が無機金属化合物からなる金属錯塩の熱分解温度より低い性質とを兼備する有機化合物がある。このような有機化合物は、いずれも汎用的な工業用薬品である。従って、金属錯塩のアルコール分散液に有機化合物を混合すると、混合液は有機化合物の混合割合に応じた粘度を持つ。従って、上記の有機化合物は、７段落に記載した金属の扁平粉の集まりからなる接合層を介して、基材ないしは部品を結合する方法において、３つの性質を兼備する好適な有機化合物であり、金属錯塩のアルコール分散液の粘度を調整する溶剤になる。
前記の金属錯塩のアルコール分散液に、有機化合物を混合すると、金属錯塩と有機化合物とが分子状態で均一に混ざり合う。この混合液に、１２段落に記載した金属の扁平粉の集まりを混合し、混合液に回転と揺動を加え、懸濁液を作成する。この後、一方の接合面に、懸濁液を塗布ないしは滴下し、さらに、左右、前後、上下の３方向の振動を繰り返し加え、最後に上下方向の振動を加えると、扁平面同士が重なり合った金属の扁平粉の集まりが懸濁液中に沈む。この後、懸濁液が存在する接合面に、もう一方の接合面を重ね合わせて積層体とし、積層体に圧縮荷重を加え、この後、圧縮荷重が加えられた積層体を、還元雰囲気で熱処理する。最初にアルコールが気化し、金属の扁平粉の表面に金属錯塩の微細結晶の集まりが析出し、次いで有機化合物が気化する。さらに昇温すると、微細結晶をなす金属錯塩の熱分解が始まり、１８０−２２０℃で金属錯塩の熱分解が完了し、微細結晶の大きさに近い４０−６０ｎｍの粒状の金属微粒子が、金属の扁平粉の表面に析出する。この際、熱分解で析出した金属は不純物を持たない活性状態にあるため、金属微粒子は互いに接触する部位で金属結合し、金属結合した金属微粒子の集まりが金属の扁平粉を覆うとともに、金属微粒子の金属結合で、扁平面同士が重なり合った金属の扁平粉同士が接合される。これによって、金属の扁平粉の集まりからなる接合層を介して、基材ないしは部品が接合される。このように、金属錯塩と有機化合物は、７段落に記載した金属の扁平粉の集まりからなる接合層を介して、基材ないしは部品を接合する方法における好適な原料になる。
以上に説明したように、安価な工業用薬品である無機金属化合物からなる金属錯塩と、汎用的な工業用薬品である有機化合物と、金属の扁平粉とを原料として用い、７段落に記載した金属の扁平粉の集まりからなる接合層を介して、基材ないしは部品の接合面同士を接合する方法に従って９つの処理を順番に行うと、還元雰囲気の１８０−２２０℃の熱処理温度で、基材ないしは部品が接合層を介して接合される。従って、安価な材料を用い、安価な費用で、基材ないしは部品が接合される。
【００１５】
前記した金属の扁平粉の集まりからなる接合層を介して、基材ないしは部品の接合面同士を接合する方法は、前記金属化合物が、カルボン酸のカルボキシル基を構成する酸素イオンが金属イオンに共有結合する第一の特徴と、前記カルボン酸が飽和脂肪酸からなる第二の特徴とを兼備するカルボン酸金属化合物であり、前記有機化合物が、カルボン酸エステル類、グリコール類ないしはグリコールエーテル類に属するいずれか一種類の有機化合物である、前記した金属の扁平粉の集まりからなる接合層を介して、基材ないしは部品の接合面同士を接合する方法である。
【００１６】
つまり、カルボン酸のカルボキシル基を構成する酸素イオンが金属イオンに共有結合する第一の特徴と、カルボン酸が飽和脂肪酸からなる第二の特徴とを兼備するカルボン酸金属化合物は、金属イオンが最も大きいイオンであり、カルボキシル基を構成する酸素イオンと金属イオンとの距離が、他のイオン同士の距離より長い。こうした分子構造上の特徴を持つカルボン酸金属化合物を、大気雰囲気で熱処理すると、カルボン酸の沸点を超えると、カルボキシル基を構成する酸素イオンと金属イオンとの結合部が最初に分断され、カルボン酸と金属とに分離する。カルボン酸が飽和脂肪酸から構成される場合は、炭素原子が水素原子に対して過剰となる不飽和構造を持たないため、カルボン酸の分子量と数とに応じて、カルボン酸が気化熱を奪って気化し、気化が完了すると金属が析出する。こうしたカルボン酸金属化合物として、オクチル酸金属化合物、ラウリン酸金属化合物、ステアリン酸金属化合物などがある。なお、オクチル酸の沸点は２２８℃であり、ラウリン酸の沸点は２９６℃であり、ステアリン酸の沸点は３６１℃である。従って、これらのカルボン酸金属化合物は、２９０−４３０℃の大気雰囲気で熱分解が完了する。このため、金属の扁平粉の耐熱性と、基材ないしは部品の耐熱性とが、２９０℃以上であれば、基材ないしは部品に接合層が形成できる。なお、融点が２９０℃以上の合成樹脂であれば、合成樹脂の基材ないしは部品に接合層が形成できる。また、１２段落の金属の扁平粉において、錫のフレーク粉を除く金属の扁平粉は、２９０℃の耐熱性を持ち、多くの金属の扁平粉が接合層の原料として用いられる。従って、カルボン酸金属化合物は、７段落に記載した金属の扁平粉の集まりからなる接合層を介して、基材ないしは部品の接合方法において、熱分解で金属を析出する好適な金属化合物になる。
なお、不飽和脂肪酸からなるカルボン酸金属化合物は、飽和脂肪酸からなるカルボン酸金属化合物に比べて、炭素原子が水素原子に対して過剰になるため、熱分解によって金属酸化物、例えば、オレイン酸銅の場合は、酸化第一銅Ｃｕ２Ｏと酸化第二銅ＣｕＯとが同時に析出し、酸化第一銅Ｃｕ２Ｏと酸化第二銅ＣｕＯとを銅に還元する処理を要する。特に、酸化第一銅Ｃｕ２Ｏは、大気雰囲気より酸素がリッチな雰囲気で一度酸化第二銅ＣｕＯに酸化させ、さらに、還元雰囲気で銅に還元させるため、処理費用がかさむ。
さらに、カルボン酸金属化合物は、容易に合成できる安価な工業用薬品である。すなわち、最も汎用的な有機酸であるカルボン酸を、強アルカリと反応させるとカルボン酸アルカリ金属化合物が生成され、カルボン酸アルカリ金属化合物を無機金属化合物と反応させると、様々な金属からなるカルボン酸金属化合物が合成される。従って、有機金属化合物の中で最も安価な有機金属化合物である。このため、１４段落で説明した無機金属化合物からなる金属錯塩より熱処理温度が高いが、金属錯塩より安価な金属化合物である。
また、カルボン酸エステル類、グリコール類ないしはグリコールエーテル類に属する有機化合物に、アルコールに溶解ないしは混和する性質と、アルコールより粘度が高い性質と、沸点がカルボン酸金属化合物の熱分解温度より低い性質を兼備する有機化合物が存在する。こうした有機化合物はいずれも汎用的な工業用薬品である。従って、カルボン酸金属化合物のアルコール分散液に有機化合物を混合すると、混合液は有機化合物の混合割合に応じた粘度を持つ。このため、上記の有機化合物は、７段落に記載した金属の扁平粉の集まりからなる接合層を介して、基材ないしは部品の接合方法において、３つの性質を兼備する好適な有機化合物であり、カルボン酸金属化合物のアルコール分散液の粘度を調整する溶剤になる。
従って、カルボン酸金属化合物のアルコール分散液に有機化合物を混合すると、カルボン酸金属化合物と有機化合物とが分子状態で均一に混ざり合う。この混合液に、金属の扁平粉の集まりを混合し、混合液に回転と揺動とを加え、懸濁液を作成する。この後、一方の接合面に、懸濁液を塗布ないしは滴下し、さらに、左右、前後、上下の３方向の振動を繰り返し加え、最後に上下方向の振動を加えると、扁平面同士が重なり合った金属の扁平粉の集まりが懸濁液中に沈む。この後、懸濁液が存在する接合面に、もう一方の接合面を重ね合わせて積層体とし、積層体に圧縮荷重を加え、この後、圧縮荷重が加えられた積層体を、大気雰囲気で熱処理する。最初にアルコールが気化し、金属の扁平粉の表面にカルボン酸金属化合物の微細結晶の集まりが析出し、次いで有機化合物が気化する。さらに昇温すると、微細結晶をなすカルボン酸金属化合物の熱分解が始まり、２９０−４３０℃の温度でカルボン酸金属化合物の熱分解が完了し、微細結晶の大きさに近い４０−６０ｎｍの粒状の金属微粒子の集まりが、金属の扁平粉の表面に析出する。この際、熱分解で析出した金属は不純物を持たない活性状態にあるため、金属微粒子は互いに接触する部位で金属結合し、金属結合した金属微粒子の集まりが金属の扁平粉を覆うとともに、金属微粒子の金属結合で、扁平面同士が重なり合った金属の扁平粉同士が接合する。これによって、基材ないしは部品が、金属の扁平粉の集まりからなる接合層を介して接合される。このように、カルボン酸金属化合物と有機化合物は、７段落に記載した金属の扁平粉の集まりからなる接合層を介して、基材ないしは部品を接合する方法における好適な原料になる。
以上に説明したように、安価な工業用薬品であるカルボン酸金属化合物と、汎用的な工業用薬品である有機化合物と、金属の扁平粉を原料として用い、７段落に記載した金属の扁平粉の集まりからなる接合層を介して、基材ないしは部品を接合する方法に従って９つの処理を順番に行うと、大気雰囲気の２９０−４３０℃の温度の熱処理で、基材ないしは部品が接合層を介して接合される。このため、７段落に記載した金属の扁平粉の集まりからなる接合層を介して、基材ないしは部品を接合する方法において、安価な材料を用い、安価な費用で、基材ないしは部品が接合される。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】銅フレーク粉の表面を覆う銅微粒子が金属結合し、銅フレーク粉の扁平面同士が重なり合って接合した状態を、拡大して模式的に図示した説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
実施形態１
本実施形態は、７段落に記載した金属の扁平粉に係わる。
金属の扁平粉に、軟質金属からなるフレーク粉がある。軟質金属のフレーク粉は、搗砕機に相当するスタンプミルによって、多数の金属製の杵で軟質金属粉の集まりを叩き、薄いフレーク状に金属粉を延ばすことで製造される。原料となる金属粉は、多くの場合は、金属の純度が高く、鉛フリーの電解金属粉を用いる。この後、サイクロンなどの気流分級機で粒度分布を調整する。
なお、アルミニウムのフレーク粉の製造は、アルミニウム粉を粉砕する際に、アルミニウム粉が活性状態になり、燃焼しやすく、また、凝着しやすいため、粉砕助剤としてステアリン酸を加え、アルミニウム粉をスタンプミルで粉砕する。また、アルミニウム粉に、ステアリン酸やオレイン酸などの粉砕助剤を加え、ミネラルスピリットなどの溶剤中で湿式粉砕する湿式ボールミル法によっても、アルミニウムのフレーク粉が製造される。
こうしたフレーク粉に、例えば、厚みが０．２６μｍと薄く、厚みに対する長軸の比率であるアスペクト比が１４．８で、比表面積が４ｍ２／ｇに及ぶ銀フレーク粉がある。このようなアスペクト比が高いフレーク粉を粉体として用いて懸濁液を作成し、懸濁液に３方向の振動を繰り返し加えると、フレーク粉の面同士が重なったフレーク粉の集まりが、懸濁液中で沈む。従って、金や銀のような高価な粉体であっても、少ない量のフレーク粉で接合層が形成できる。
また、フレーク粉の表面が平坦な滑らかで、厚みが均一に近い薄い厚みである。このため、平坦面が重なり合ったフレーク粉の集まりに圧縮荷重を加え、この後、フレーク粉の表面に析出した金属微粒子が金属結合することで、平坦面同士が接合されるため、フレーク粉同士の接合力が増大する。
いっぽう、軟質金属のフレーク粉の耐熱温度は軟化点で決まり、軟化点が低い電解銅でも、８００℃と高い。なお、アルミニウム粉の溶融温度は６５０℃である。また、錫を除く軟質金属は低温脆性を持たないので、極低温での使用が可能になる。なお、錫は融点が２３２℃で、−４０℃付近で低温脆性を起こすため、錫のフレーク粉を用いた接合層のみは、使用温度が制限される。
以上に説明したように、軟質金属からなるフレーク粉を金属の扁平粉の集まりからなる接合層の原料として用いると、アスペクト比が高いフレーク粉の形状効果と、平坦な滑らかな表面による表面効果と、耐熱性、耐寒性に優れる材質効果とが得られる。
【００１９】
第２実施形態
本実施形態は、１４段落に記載した無機金属化合物からなる金属錯塩に関わる。熱分解で金属を析出する金属化合物は、第一にアルコールに分散し、第二に熱分解で金属を析出する性質を兼備する必要がある。ここでは金属を銀とし、銀化合物を例にして説明する。
最初に、アルコールに分散する銀化合物を説明する。硝酸銀はアルコールに溶解し、銀イオンが溶出し、多くの銀イオンが銀微粒子の析出に参加できない。従って、銀化合物は溶剤に溶解せず、溶剤に分散する性質を持つことが必要になる。また、酸化銀、塩化金、硫酸銀、水酸化銀、炭酸銀などの無機銀化合物はアルコール類に分散しない。このため、このような無機金化合物は、銀化合物として適切でない。
いっぽう、銀化合物は銀を析出する性質を持つ。銀化合物から銀が生成される化学反応の中で、最も簡単な化学反応に熱分解反応がある。さらに、銀化合物の熱分解温度が低ければ、耐熱性が低い合成樹脂からなる基材ないしは部品を接合できる。従って、熱分解温度が低い銀化合物は、銀微粒子の原料になる。このような銀化合物に、無機物からなる分子ないしはイオンが配位子となって、銀イオンに配位結合する銀錯イオンを有する無機金属化合物からなる銀錯塩がある。つまり、配位子が低分子量で、配位子の数が少なく、無機金属化合物を形成する無機物の分子量が小さいため、銀錯塩が熱分解する温度は低い。さらに、こうした銀錯塩は分子量が小さいため、他の銀錯イオンからなる銀錯塩より合成が容易で、安価である。
銀錯塩を構成する分子の中で、銀イオンが最も大きい。ちなみに、銀原子の単結合の共有結合半径は１２８ｐｍであり、窒素原子の単結合の共有結合半径の７１ｐｍであり、酸素原子の単結合の共有結合半径は６３ｐｍである。このため、配位子が銀イオンに配位結合する配位結合部の距離が最も長い。従って、還元雰囲気の熱処理では、最初に配位結合部が分断され、銀と無機物とに分解し、無機物の気化が完了した後に銀が析出する。
この無機金属化合物からなる銀錯塩に、アンモニアＮＨ３が配位子となって銀イオンに配位結合するジアンミン銀イオン［Ａｇ（ＮＨ３）２］＋を有する銀錯塩と、シアン化物イオンＣＮ−が配位子となって銀イオンに配位結合するジシアノ銀イオン［Ａｇ（ＣＮ）２］&#8722;を有する銀錯塩は、配位子が低分子量で、配位子の数が少ないため、他の銀錯イオンを有する銀錯塩に比べて、合成が容易で、安価に製造できる。こうした銀錯イオンを有する無機金属化合物からなる錯体は、無機物の分子量が小さいため、還元性雰囲気で熱処理すると、配位結合部位が最初に分断され、２００℃程度の低い温度で無機物の気化が完了して銀が析出する。また、メタノールやｎ−ブタノールなどのアルコールに１０重量％近くまで分散する。この銀錯塩として、例えば、塩化ジアンミン銀［Ａｇ（ＮＨ３）２］Ｃｌや、硫酸ジアンミン銀［Ａｇ（ＮＨ３）２］２ＳＯ４や、硝酸ジアンミン銀［Ａｇ（ＮＨ３）２］ＮＯ３などがある。
また、熱分解で銅を析出する無機銅化合物からなる銅錯塩に、アンモニアＮＨ３が配位子となって銅イオンに配位結合するテトラアンミン銅イオン［Ｃｕ（ＮＨ３）４］２＋やヘキサアンミン銅イオン［Ｃｕ（ＮＨ３）６］２＋を有する銅錯塩や、塩素イオンＣｌ−が配位子になって銅イオンに配位結合するテトラクロロ銅イオン［ＣｕＣｌ４］２―を有する銅錯塩は、配位子が低分子量で、配位子の数が少ないため、他の銅錯イオンを有する錯体に比べて合成が容易で安価である。こうした銅錯イオンを有する無機金属化合物からなる銅錯塩は、還元性雰囲気で熱処理すると、配位結合部位が最初に分断され、２００℃程度の比較的低い温度で熱分解が完了する。さらに、メタノールやｎ−ブタノールなどのアルコールに１０重量％近くまで分散する。このような銅錯塩に、テトラアンミン銅硝酸塩［Ｃｕ（ＮＨ３）４］（ＮＯ３）２や、ヘキサアンミン銅硫酸塩［Ｃｕ（ＮＨ３）６］ＳＯ４などがある。
さらに、熱分解でニッケルを析出する無機ニッケル化合物からなるニッケル錯塩に、アンモニアＮＨ３が配位子となって、ニッケルイオンに配位結合するヘキサアンミンニッケルイオン［Ｎｉ（ＮＨ３）６］２＋からなるニッケル錯塩は、配位子が低分子量で、配位子の数が少ないため、他のニッケル錯イオンを有する錯体に比べて合成が容易で安価である。こうしたニッケル錯イオンを有する無機金属化合物からなる錯体は、無機物の分子量が小さいため、還元性雰囲気で熱処理すると、配位結合部位が最初に分断され、２００℃程度の低い温度で熱分解が完了する。また、メタノールやｎ−ブタノールなどのアルコールに１０重量％近くまで分散する。このようなニッケル錯錯体に、例えば、ヘキサアンミンニッケル塩化物［Ｎｉ（ＮＨ３）６］Ｃｌ２がある。このように、無機金属化合物からなる金属錯塩は、様々な金属錯イオンで構成され、また、合成が容易である。
以上に説明したように、無機金属化合物からなる金属錯塩は、配位子が低分子量で、配位子の数が少なく、無機金属化合物を形成する無機物の分子量が小さいため、熱分解温度が最も低く、合成が容易で最も安価な金属錯塩である。また、多くの合成樹脂の融点は、金属錯塩の熱分解温度より高いため、耐熱性が低い合成樹脂にも、接合層が形成できる。
【００２０】
実施形態３
本実施形態は、１６段落に記載したカルボン酸金属化合物に関わる。熱分解で金属を析出する金属化合物は、第一にアルコールに分散し、第二に熱分解で金属を析出する性質を兼備する必要がある。ここでは金属を銅とし、銅化合物を例にして説明する。
最初に、アルコールに分散する性質を持つ銅化合物を説明する。塩化銅、硫酸銅、硝酸銅などの無機銅化合物はアルコールに溶解し、銅イオンが溶出してしまい、多くの銅イオンが銅微粒子の析出に参加できなくなる。従って、銅化合物は溶剤に溶解せず、溶剤に分散する性質を持つことが必要になる。また、酸化銅、塩化銅、硫化銅などの無機銅化合物は、最も汎用的な溶剤であるアルコール類に分散しない。このため、これらの無機銅化合物は、アルコールに分散する性質を持つ銅化合物として適切でない。
いっぽう、無機物の分子ないしはイオンが、銅イオンに配位結合する銅錯イオンを有する無機銅化合物からなる銅錯塩として、１９段落で説明したアンミン銅錯塩やクロロ銅錯塩がある。これらの錯体は、汎用的な有機酸からなる有機銅化合物に比べると高価であるが、熱分解温度が２００℃程度と低い特徴を持つ。
ここで、有機銅化合物について説明する。有機銅化合物から銅が生成される化学反応の中で、最も簡単な化学反応に熱分解反応がある。さらに、有機銅化合物の合成が容易でれば、有機銅化合物が安価に製造できる。こうした性質を兼備する有機銅化合物に、カルボン酸のカルボキシル基を構成する酸素イオンが銅イオンに共有結合するカルボン酸銅化合物がある。さらに、熱分解温度が合成樹脂の融点より低ければ、合成樹脂からなる基材ないしは部品を接合できる。従って、熱分解温度が低いカルボン酸金属化合物が望ましい。
つまり、カルボン酸銅化合物を構成するイオンの中で、最も大きいイオンは銅イオンである。従って、カルボン酸のカルボキシル基を構成する酸素イオンが、銅イオンに共有結合すれば、銅イオンとカルボキシル基を構成する酸素イオンとの距離が、イオン同士の距離の中で最も長い。こうしたカルボン酸銅化合物を大気雰囲気で昇温させると、カルボン酸の沸点を超えると、カルボン酸と銅とに分解する。さらに昇温すると、カルボン酸が飽和脂肪酸で構成されれば、カルボン酸が気化熱を伴って気化し、カルボン酸の気化した後に銅が析出する。なお、還元雰囲気でのカルボン酸銅化合物の熱分解は、大気雰囲気での熱分解より高温側で進むため、大気雰囲気での熱分解のほうが熱処理費用は安価で済む。また、カルボン酸が不飽和脂肪酸であれば、炭素原子が水素原子に対して過剰になり、不飽和脂肪酸からなるカルボン酸銅化合物が熱分解すると、酸化銅が析出する。
いっぽう、カルボン酸銅化合物の中で、カルボン酸のカルボキシル基を構成する酸素イオンが配位子となって銅イオンに近づいて配位結合するカルボン酸銅化合物は、銅イオンと酸素イオンとの距離が短くなり、反対に、酸素イオンが銅イオンと反対側で結合するイオンとの距離が最も長くなる。このような分子構造の特徴を持つカルボン酸銅化合物の熱分解反応は、酸素イオンが銅イオンと反対側で結合するイオンとの結合部が最初に分断され、この結果、酸化銅が析出する。
さらに、カルボン酸銅化合物は、カルボン酸が最も汎用的な有機酸であるため、合成が容易で最も安価な有機銅化合物である。つまり、カルボン酸を水酸化ナトリウムなどの強アルカリ溶液中で反応させると、カルボン酸アルカリ金属化合物が生成される。このカルボン酸アルカリ金属化合物を、硫酸銅などの無機銅化合物と反応させると、カルボン酸銅化合物が生成される。このため、有機銅化合物の中で最も安価な有機銅化合物である。
カルボン酸銅化合物の組成式はＣｕ（ＣＯＯＲ）２で表わせられる。Ｒは炭化水素で、組成式はＣｍＨｎである（ｍとｎは整数）。カルボン酸銅化合物を構成する物質の中で、組成式の中央に位置する銅イオンＣｕ２＋が最も大きい。従って、銅イオンＣｕ２＋とカルボキシル基を構成する酸素イオンＯ−とが共有結合する場合は、銅イオンと酸素イオンとの距離が最大になる。この理由は、銅原子の２重結合における共有結合半径は１１５ｐｍで、酸素原子の２重結合における共有結合半径は５７ｐｍで、炭素原子の２重結合における共有結合半径は６７ｐｍであることによる。このため、このような分子構造上の特徴を持つカルボン酸銅化合物は、カルボン酸の沸点を超えると、結合距離が最も長い銅イオンとカルボキシル基を構成する酸素イオンとの結合部が最初に分断され、銅とカルボン酸とに分離する。さらに昇温すると、カルボン酸が飽和脂肪酸であれば、カルボン酸が気化熱を伴って気化し、カルボン酸の気化が完了した後に銅が析出する。こうしたカルボン酸銅化合物として、オクチル酸銅、ラウリン酸銅、ステアリン酸銅などがある。このようなカルボン酸銅化合物は、金属石鹸として市販されている安価な工業用薬品である。
さらに、飽和脂肪酸の沸点が低ければ、カルボン酸銅化合物は低い温度で熱分解が始まり、熱分解温度が合成樹脂の融点より低くなる。飽和脂肪酸を構成する炭化水素が長鎖構造である場合は、長鎖が長いほど、つまり、飽和脂肪酸の分子量が大きいほど、飽和脂肪酸の沸点が高く、飽和脂肪酸の気化熱が大きいため、熱分解温度が高くなる。ちなみに、分子量が２００．３であるラウリン酸の大気圧での沸点は２９６℃であり、分子量が２８４．５であるステアリン酸の大気圧での沸点は３６１℃である。
また、分岐鎖構造を有する飽和脂肪酸は、直鎖構造の飽和脂肪酸より鎖の長さが短く、沸点はさらに低く、気化熱も小さい。従って、分岐鎖構造を有する飽和脂肪酸からなるカルボン酸銅化合物は、さらに低い温度で熱分解する。また、分岐鎖構造を有する飽和脂肪酸は極性を持ち、分岐鎖構造を有する飽和脂肪酸からなるカルボン酸銅化合物も極性を持ち、アルコールなどの極性を持つ有機溶剤に相対的に高い割合で分散する。分岐構造の飽和脂肪酸にオクチル酸があり、構造式がＣＨ３（ＣＨ２）３ＣＨ（Ｃ２Ｈ５）ＣＯＯＨで示され、ＣＨでＣＨ３（ＣＨ２）３とＣ２Ｈ５とのアルカンに分岐され、ＣＨにカルボキシル基ＣＯＯＨが結合する。オクチル酸の沸点は２２８℃であり、ラウリン酸の沸点より６８℃低い。従って、オクチル酸銅Ｃｕ（Ｃ７Ｈ１５ＣＯＯ）２が、銅を析出する原料として望ましい。このオクチル酸銅は、大気雰囲気において２９０℃で熱分解が完了して銅が析出し、メタノールやｎ−ブタノールに１０重量％近く分散する。
また、オクチル酸アルミニウムＡｌ（Ｃ７Ｈ１５ＣＯＯ）３がアルミニウムを析出する原料として、オクチル酸鉄Ｆｅ（Ｃ７Ｈ１５ＣＯＯ）３が鉄を析出する原料として、オクチル酸ニッケルＮｉ（Ｃ７Ｈ１５ＣＯＯ）２がニッケルを析出する原料として望ましい。このようにオクチル酸金属化合物は、様々な金属イオンで構成されるとともに、合成が容易なカルボン酸金属化合物でもある。
【００２１】
実施形態４
本実施形態は、第一にアルコールに溶解ないしは混和し、第二にアルコールより粘度が高く、第三に沸点が金属化合物の熱分解温度より低い、これら３つの性質を兼備する有機化合物に関する。これら３つの性質を兼備する有機化合物は、熱分解で金属を析出する金属化合物のアルコール分散液と均一に混ざり合った混合液を構成する。このような有機化合物に、カルボン酸エステル類、グリコール類、ないしは、グリコールエーテル類に属する有機化合物がある。ここでは、アルコールを最も汎用的な工業用アルコールであるメタノールとする。なお、メタノールの粘度は０．５９ｍＰａ秒である。
つまり、無機金属化合物からなる金属錯塩は１８０−２２０℃で熱分解し、オクチル酸金属化合物は２９０℃で熱分解する。従って、沸点が１８０℃より低い有機化合物は、金属錯塩およびカルボン酸金属化合物が分散された混合液を構成する。沸点が２９０℃より低い有機化合物は、オクチル酸金属化合物が分散された混合液を構成する。
【００２２】
最初に、カルボン酸エステル類について説明する。カルボン酸エステル類は、飽和カルボン酸からなるエステル類と、不飽和カルボン酸からなるエステル類と、芳香族カルボン酸からなるエステル類に分けられる。
飽和カルボン酸からなるエステル類の中で、メタノールに溶解し、メタノールより粘度が高く、沸点が１８０℃より低いカルボン酸エステルは、分子量が１５８．２であるカプリル酸メチルより分子量が小さいカルボン酸エステルである。なお、カプリル酸メチルの沸点は１９１℃で、メタノールの粘度の１．８倍である。沸点が２９０℃より低い飽和カルボン酸からなるエステル類は、分子量が２５６．４であるミリスチン酸エチルより分子量が小さいカルボン酸エステルである。なお、ミリスチン酸エチルの沸点は２９５℃で、メタノールの粘度の１１倍である。
【００２３】
不飽和カルボン酸からなるエステル類で、メタノールに混和し、メタノールより粘度が高く、沸点が１８０℃より低いカルボン酸エステルは、分子量が１９８であるメタクリル酸オクチルより分子量が小さいカルボン酸エステルである。ちなみに、メタクリル酸オクチルの沸点は２２９℃で、メタノールの粘度の２．８倍である。また、沸点が２９０℃より低い不飽和カルボン酸からなるエステル類は、分子量が２９６．６で、粘度がメタノールの８．７倍であるオレイン酸メチルより分子量が小さいカルボン酸エステルである。
【００２４】
芳香族カルボン酸からなるエステル類の中で、メタノールに溶解し、メタノールより粘度が高く、沸点が１８０℃より低いカルボン酸エステルは、分子量が１３６の安息香酸メチルより分子量が小さいカルボン酸エステルである。なお、安息香酸メチルの沸点は１９９．５℃で、粘度がメタノールの３．３倍である。また、沸点が２９０℃より低い芳香族カルボン酸からなるエステル類は、分子量が１９４であるフタル酸ジメチル以下の分子量のカルボン酸エステルである。なお、フタル酸ジメチルの沸点は２８４℃で、粘度がメタノールの２９倍である。
以上に説明したように、カルボン酸エステル類に、７段落で記載した基材ないしは部品の接合方法における３つの性質を兼備する多くの有機化合物が存在し、金属錯塩ないしはカルボン酸金属化合物のアルコール分散液と均一に混ざり合って混合液を構成する。このため、カルボン酸エステル類は、金属錯塩ないしはカルボン酸金属化合物のアルコール分散液の粘度を調整する溶剤の機能を持つ。
【００２５】
次に、グリコール類について説明する。グリコール類には、エチレングリコール、ジエチレングリコール、トリエチレングリコール、プロピレングリコール、ジプロピレングリコール、トリプロピレングリコールからなる６種類のグリコールがある。
エチレングリコールは、メタノール溶解し、メタノールの粘度の３６倍で、沸点が１９７℃の液状モノマーである。ジエチレングリコールはメタノールに溶解し、メタノールの粘度の６１倍で、沸点が２４４℃の液状モノマーである。プロピレングリコールは、メタノールと混和し、メタノールの粘度の８２倍で、沸点が１８８℃の液状モノマーである。ジプロピレングリコールは、メタノールに溶解し、メタノールの粘度の１２７倍で、沸点が２３２℃の液状モノマーである。トリプロピレングリコールは、メタノールと混和し、メタノールより粘度が高く、沸点が２６５℃の液状モノマーである。いずれも沸点が２９０℃より低いグリコールである。
以上に説明したように、グリコール類に、７段落で記載した基材ないしは部品の接合方法における３つの性質を兼備する多くの有機化合物が存在し、金属錯塩ないしはカルボン酸金属化合物のアルコール分散液と均一に混ざり合って混合液を構成する。このため、グリコール類は、金属錯塩ないしはカルボン酸金属化合物のアルコール分散液の粘度を調整する溶剤の機能を持つ。
なお、上記のモノマーは昇温や光の照射によってポリマーに重合しない。これに対し、スチレンモノマー、酢酸ビニルのようなビニル基を持つ有機化合物、メタクリル酸メチルなどのメタクリル酸エステルなどは、光や熱で容易に重合反応を起こす。これらの有機化合物をモノマーとして用いる時は、必ず重合禁止剤ないしは重合防止剤がモノマーに添加されているため、昇温によっても、光の照射によっても、重合反応は起きない。
【００２６】
最後に、グリコールエーテル類について説明する。グリコールエーテル類は、エチレングリコール系エーテルと、プロピレングリコール系エーテルと、エチレングリコール、ジエチレングリコール、トリエチレングリコールの各々の末端の水素をアルキル基で置換したジアルキルグリコールエーテルとの３種類がある。いずれのグリコールエーテルは、メタノールに溶解し、メタノールより粘度が高い。
エチレングリコール系エーテルの中で、沸点が１８０℃より低いエーテルは、沸点が１２４.５℃で、粘度がメタノールの２．８倍であるエチレングリコールモノメチルエーテルと、沸点が１４１.８℃で、粘度がメタノールの４．３倍であるエチレングリコールイソプロピルエーテルと、沸点が１５９℃で、粘度がメタノールの３．９倍であるエチレングリコールモノアリルエーテルと、沸点が１６０.５℃で、粘度がメタノールの４．９倍であるエチレングリコールモノイソブチルエーテルと、沸点が１７１.２℃で、粘度がメタノールの５．９倍であるエチレングリコールモノブチルエーテルがある。
沸点が２９０℃より低いエーテルは、沸点が２２９℃で、粘度がメタノールの１３倍であるエチレングリコールモノ２エチルヘキシルグリコールと、沸点が２３１℃で、粘度がメタノールの１１倍であるジエチレングリコールモノブチルエーテルと、沸点が２４５℃で、粘度がメタノールの５２倍であるエチレングリコールモノフェニルエーテルと、沸点が２４９℃で、粘度がメタノールの１３倍であるトリエチレングリコールモノメチルエーテルと、沸点が２５９℃で、粘度がメタノールの１５倍であるジエチレングリコールモノへシルエーテルと、沸点が２７１℃で、粘度がメタノールの１４倍であるトリエチレングリコールモノブチルエーテルと、沸点が２７２℃で、メタノールの粘度の１８倍であるジエチレングリコールモノ２エチルヘキシルエーテルがある。
【００２７】
プロピレングリコール系エーテルの中で、沸点が１８０℃より低いエーテルは、沸点が１２１℃で、粘度がメタノールの３．２倍であるプロピレングリコールモノメチルエーテルと、沸点が１４６℃で、粘度がメタノールの２．２倍であるプロピレングリコールモノメチルエーテルアセテートと、沸点が１４９.８℃で、粘度がメタノールの４．７倍であるプロピレングリコールモノプロピルエーテルと、沸点が１７０.２℃で、粘度がメタノールの５．８倍であるプロピレングリコールモノｎ−ブチルエーテルがある。沸点が２９０℃より低いエーテルは、沸点が２３１℃で、粘度がメタノールの１３倍であるジプロピレングリコールモノｎ−ブチルエーテルと、沸点が２４３℃で、粘度がメタノールの２１倍であるプロピレングリコールモノフェニルエーテルがある。
【００２８】
ジアルキルグリコール系エーテルの中で、沸点が１８０℃より低いエーテルは、沸点が８５.２℃で、粘度がメタノールの１．９倍であるエチレングリコールジメチルエーテルと、沸点が１６２℃で、粘度がメタノールの３．４倍であるジエチレングリコールジメチルエーテルがある。沸点が２９０℃より低いエーテルは、沸点が１８９℃で、粘度がメタノールの２．４倍であるジエチレングリコールジエチルエーテルと、沸点が２１６℃で、粘度がメタノールの６．４倍であるトリエチレングリコールジメチルエーテルと、沸点が２５５℃で、粘度がメタノールの４．１倍であるジエチレングリコールジブチルエーテルがある。
以上に説明したように、グリコールエーテル類に、７段落で記載した基材ないしは部品の接合方法における３つの性質を兼備する多くの有機化合物が存在し、金属錯塩ないしはカルボン酸金属化合物のアルコール分散液と均一に混ざり合って混合液を構成する。このため、グリコールエーテル類は、金属化合物のアルコール分散液の粘度を調整する溶剤の機能を持つ。
【００２９】
実施例１
本実施例は、エポキシ樹脂の板と銅板とを、銅フレーク粉の集まりと銅微粒子の集まりで接合する。この実施例は、半導体のパッケージとリードフレームとを接合することを想定した実施例である。従来は、エポキシ樹脂のパッケージとニッケルメッキした銅のリードフレームとを、導電性の接着剤で接合している。このため、接着剤とリードフレームとの熱膨張率の違いで、気密性が確保しにくく、また、接着力が継時変化する課題がある。これに対し、本実施例は、４０−６０ｎｍの銅微粒子が１００℃昇温されても、熱膨張は銅の原子半径より小さい０．８オングストロームに過ぎない。また、銅板とエポキシ樹脂との接合面に析出した銅微粒子は、接合面と接触するが、接合面と金属結合ないしは化学結合しない。このため、接合面が熱膨張しても、あるいは、熱収縮しても、接合層に応力が発生せず、接合強度は変わらない。なお、銅板の接合面に酸化膜が形成されていても、接合面の凹部に銅微粒子の集まりが析出し、アンカー効果によって銅板が接合する。このため、接合面をメッキ処理することや、接合面の酸化膜を除去することは不要である。
エポキシ樹脂からなる板材に、幅が５ｍｍで深さが０．５ｍｍの溝を加工した。また、幅が５ｍｍで板厚が１ｍｍの無酸素銅からなる板材を用意した。銅フレーク粉は、福田金属箔粉工業株式会社の銅フレーク粉Ｅ３を用いた。このフレーク粉の粒度分布は、７５μｍ以上が３％より少なく、４５μｍ以上が４０％より少なく、４５μｍ以下が６０％より多い。また、テトラアンミン銅硝酸塩［Ｃｕ（ＮＨ３）４］（ＮＯ３）２（例えば、三津和化学薬品の製品）を、銅微粒子の原料として用いた。さらに、有機化合物として、沸点が１５９℃で、粘度がメタノールの３．９倍であるエチレングリコールモノアリルエーテル（例えば、日本乳化剤株式会社の製品）を用いた。この有機化合物は、半導体の封止材やプリント基板などの電子材料の製造や、様々なコーティング剤に用いられている。
最初に、１００ｇのテトラアンミン銅硝酸塩（０．４モルに相応する）を、メタノールに対し１０重量％の割合で分散させる。このメタノール分散液に、エチレングリコールモノアリルエーテルの４５０ｇ（メタノールの半分の重量）を混合した。この混合液に、銅フレーク粉の７８０ｇを混合した。この混合物を、回転による拡散混合と揺動による移動混合とを同時に行う装置（愛知電機株式会社のロッキングミキサーＲＭＨ−ＨＴ）に充填し、回転と揺動を繰り返して懸濁液を作成した。
次に、エポキシ樹脂板の小片の１０個に対し、小片の溝に、前記の懸濁液を均一になるように塗布した。この後、小片を小型加振機の加振台の上に載せ、左右、前後、上下の３方向に、０．２Ｇの振動加速度を５秒間ずつ３回繰り返し、最後に、上下方向に０．２Ｇの振動加速度を１０秒間加えた。さらに、小片の溝に、銅の板材を重ね合わせ、１キログラムの重りを銅の板材に載せた。この後、１０個の積層体の集まりを、水素ガスの雰囲気の熱処理炉に入れ、１８０℃で５分間熱処理した。
最初に、複数の試料における銅板の結合力を、ＪＩＳＫ６８４９に規定された引っ張り接着強さの試験方法に基づいて測定した。この結果、４００グラム重に相当する引っ張り力に耐えた。さらに、複数の試料を沸騰水中で５分間煮沸させ、その後、引っ張り強さを測定したが、４００グラム重に相当する引っ張り力に耐えた。さらに、複数の試料を２５０℃の恒温槽に２分間放置し、その後、室温に戻し、引っ張り強さを測定したが、４００グラム重に相当する引っ張り力に耐えた。
この後、試料の中央を厚み方向に２つに切断し、断面の観察と分析とを電子顕微鏡で行なった。電子顕微鏡は、ＪＦＥテクノリサーチ株式会社の極低加速電圧ＳＥＭを用いた。この装置は、１００Ｖからの極低加速電圧による観察が可能で、試料に導電性の被膜を形成せずに直接試料が観察できる特長を持つ。
最初に、反射電子線の９００−１０００Ｖの間にある２次電子線を取り出して画像処理を行い、試料の断面を観察した。試料の断面は、４０−６０ｎｍの大きさからなる粒状微粒子の集まりが、銅板の接合面と小片の溝の接合面との凹部を埋め、また、８層前後の厚みで、銅フレーク粉の表面に積層していた。さらに、微粒子が積層した銅フレーク粉は、８層前後の銅フレーク粉が扁平面同士で重なり合うように積層されていた。
次に、試料の断面からの反射電子線について、９００−１０００Ｖの間にあるエネルギーを抽出して画像処理を行い、画像の濃淡で粒状微粒子の材質を分析した。いずれの粒状微粒子にも濃淡が認められなかったので、単一原子から構成されていることが分かった。さらに、特性エックス線のエネルギーとその強度を画像処理し、粒子を構成する元素の種類を分析した。銅原子のみで構成されていたため、銅の粒状微粒子である。
これらの結果から、金属結合した銅微粒子の集まりが、２枚の接合面の凹部を埋めるとともに、銅微粒子が８層前後で銅フレーク粉に積み重なり、この銅微粒子の集まりが、銅フレーク粉の表面を覆うとともに、銅フレーク粉同士を結合させ、扁平面同士が重なり合って積層した銅フレーク粉の集まりからなる接合層が、２枚の接合面に接合された。図１に、銅フレーク粉の表面を覆う銅微粒子が金属結合し、扁平面同士が重なり合って接合した状態を、図1に模式的に拡大して示す。１は銅フレーク粉で、２は金属結合した銅微粒子の集まりである。
実施例１における接合層は４００グラム重に相当する引っ張り力に耐え、半導体のパッケージとリードフレームとの接着力としては十分な強度を持つ。また、４０−６０ｎｍの大きさの粒状微粒子の気密性で、接合層に沸騰水が侵入できない。さらに、接合面における銅微粒子の集まりのアンカー効果と、金属結合した銅微粒子の結合力で、沸騰水で煮沸しても、また、２５０℃の熱衝撃を与えても、接合層の引っ張り強度が変わらなかった。
【００３０】
実施例２
本実施例は、実施例１における熱処理温度を２５０℃まで昇温して試料を作成した。
この複数の試料の引っ張り強さは、５００グラム重まで増大した。また、実施例１と同様に、沸騰水中での煮沸と、２５０℃の熱衝撃を加えても、接合層の引っ張り強さは変わらなかった。
実施例１と同様に、試料の断面を電子顕微鏡で観察した。試料の断面は、５０−７０ｎｍの大きさからなる粒状の銅微粒子の集まりが、２枚の接合面の凹部を埋め、また、６０−８０ｎｍの幅からなる楕円を潰した形状の銅微粒子の集まりが６層前後の厚みで、銅フレーク粉の表面に積層していた。さらに、８層前後の銅フレーク粉が扁平面同士で重なり合って積層されていた。なお、試料の断面は、図1に類似しているため図示しない。
これらの結果から、熱処理温度をテトラアンミン銅硝酸塩の熱分解温度より７０℃昇温することで、析出した銅微粒子が熱エネルギーを得て、隣接する銅微粒子を取り込んで成長し、粗大化した。いっぽう、接合面に圧縮荷重が加えられているため、金属微粒子の粗大化は、接合面に平行な方向に進み、銅微粒子は、断面形状において楕円が潰された形状になった。この結果、銅微粒子同士が接触する面積が広がり、銅微粒子同士の金属結合力が増大し、引っ張り強さが４００グラム重から５００グラム重に増大した。
【００３１】
実施例３
本実施例は、銅の薄い板とセラミックス基板とを、銅フレーク粉の集まりと銅微粒子の集まりで接合する。つまり、ＤＣＢ（Ｄｉｒｅｃｔ  Ｃｏｐｐｅｒ  Ｂｏｎｄｉｎｇ）基板と呼ばれる、セラミックス基板の表と裏の両面に薄い銅板を接合した基板がある。この表側の銅板に配線パターンを形成し、この配線パターンに、ＩＧＢＴなどのパワー半導体チップをマウントする。なお、セラミックス基板には、熱伝導性がセラミックスの中で最も高い窒化アルミニウム基板、ないしは、熱伝導性は窒化アルミニウムより１桁劣るが、安価なアルミナ基板を用いている。このセラミックス基板に、１ｍｍより厚みが薄い銅板をロウ付けで接合する。しかし、ＤＣＢ基板には、大量の熱を発生するパワー半導体チップが複数個搭載され、銅板とセラミックス基板との双方が昇温し、ロウ材とセラミックスとの熱膨張率の違いで、接合面に熱応力が頻繁に発生し、接合層にクラックが入りやすい課題を持つ。これに対し、本実施例では、４０−６０ｎｍの大きさの銅微粒子が１００℃昇温されても、熱膨張は銅の原子半径より小さい０．８オングストロームに過ぎない。また、銅板とセラミックス基板との接合面の凹部に析出した銅微粒子は、接合面と接触するが、接合面と金属結合ないしは化学結合しない。このため、接合面が熱膨張しても、あるいは、熱収縮しても、銅微粒子は応力を受けず、接合強度は変わらない。
板厚が０．５ｍｍで、純度が９６．５％からなるアルミナ基板の小片を、１０枚用意した。また、板厚が０．４ｍｍの無酸素銅からなる板材の小片を、１０枚用意した。フレーク状の金属粉は、実施例1で用いた銅フレーク粉を用いた。また、銅微粒子の原料は、オクチル酸銅Ｃｕ（Ｃ７Ｈ１５ＣＯＯ）２（例えば、三津和化学薬品株式会社の製品）を用いた。有機化合物は、沸点が２３１℃で、粘度がメタノールの１１倍であるジエチレングリコールモノブチルエーテル（例えば、日本乳化剤株式会社の製品）を用いた。
最初に、１４０ｇのオクチル酸銅（０．４モルに相応する）を、メタノールに対し１０重量％の割合で分散させる。このメタノール分散液に、エチレングリコールモノアリルエーテルの２１０ｇ（メタノールの１／６の重量）を混合した。さらに、この混合液に、銅フレーク粉の５８０ｇを混合した。この混合物を、実施例１と同様に、回転と揺動を繰り返して懸濁液を作成した。
次に、アルミナ基板の小片に、前記の懸濁液を均一になるように塗布した。この後、実施例１と同様に、小片を小型加振機の加振台の上に載せ加振させた。さらに、小片に、銅板を重ね合わせ、２キログラムの重りを銅板に載せた。この後、積層体の集まりを大気雰囲気の熱処理炉に入れ、２９０℃で１分間熱処理した。
最初に、複数の試料における銅板の結合力を、実施例１と同様に、引っ張り接着強さの試験方法に基づいて測定した結果、６００グラム重に相当する引っ張り力に耐えた。さらに、実施例１と同様に、複数の試料を沸騰水中で５分間煮沸させ、また、複数の試料を３５０℃の恒温槽に２分間放置し、その後、引っ張り強さを測定したが、６００グラム重に相当する引っ張り力に耐えた。
この後、試料の中央を厚み方向に２つに切断し、断面の観察と分析とを、実施例１と同様に、電子顕微鏡で行なった。この結果、金属結合した銅微粒子の集まりが、２枚の接合面の凹部を埋めるとともに、銅微粒子が８層前後で積み重なり、銅微粒子の集まりが、銅フレーク粉の表面を覆うとともに、銅フレーク粉を結合させ、６層前後の銅フレーク粉が扁平面同士を重なり合って積層した接合層が、２枚の接合面に接合された。
実施例３における接合層は６００グラム重に相当する引っ張り力に耐え、セラミックス基板と銅板との接着力としては十分な強度を持つ。なお、実施例１に比べ、引っ張り強度が増大した結果は、熱処理する際に積層体に加えた荷重が大きいことによる。また、４０−６０ｎｍの大きさの粒状微粒子の気密性で、接合層に沸騰水が侵入できない。さらに、接合面における銅微粒子の集まりのアンカー効果と、金属結合した銅微粒子の結合力で、沸騰水中で煮沸しても、また、３５０℃の熱衝撃を与えても、接合層の引っ張り強度が変わらない。なお、試料の断面は、図1に類似しているため図示しない。
【００３２】
実施例４
本実施例は、実施例３における熱処理温度を３５０℃まで昇温して試料を作成した。
この複数の試料の引っ張り強さは、７００グラム重まで増大した。また、実施例３と同様に、沸騰水中での煮沸と、３５０℃の熱衝撃を加えても、接合層の引っ張り強さは変わらなかった。
実施例１と同様に、試料の断面を電子顕微鏡で観察した。試料の断面は、実施例２と同様に、５０−７０ｎｍの大きさの粒状の銅微粒子の集まりが、２枚の接合面を埋め、６０−８０ｎｍの幅からなる楕円を潰した形状の銅微粒子の集まりが６層前後の厚みで、銅フレーク粉の表面に積層していた。さらに、６層前後の銅フレーク粉が扁平面同士で重なり合って積層されていた。なお、試料の断面は、図1に類似しているため図示しない。
これらの結果から、熱処理温度をオクチル酸銅の熱分解温度より６０℃昇温すると、実施例２と同様に、析出した銅微粒子が熱エネルギーを得て、隣接する銅微粒子を取り込んで成長し、粗大化した。いっぽう、接合面に圧縮荷重が加えられているため、金属微粒子の粗大化は、接合面に平行な方向に進み、銅微粒子は、断面形状において楕円が潰された形状になった。この結果、銅微粒子同士が接触する面積が広がり、銅微粒子同士の金属結合力が増大し、引っ張り強さが６００グラム重から７００グラム重に増大した。
【００３３】
実施例５
本実施例は、セラミックス基板と銅板とアルミニウム板とからなる３種類の板を、銅フレーク粉と銅微粒子とによって同時に接合させる。つまり、ＤＣＢ基板の裏側の銅板に、ヒートシンクを構成するアルミニウムの部品を接合させることを想定した実施例である。なお、ヒートシンクは、アルミニウムのブロックに多数のフィンが一体で形成されるが、本実施例では、銅板とアルミニウム板との接合に着目するため、アルミニウムにはフィンが形成されていない。なお、アルミニウムからなるヒートシンクの表面は、アルミニウムの酸化膜が形成され、アルミニウムの酸化膜が銅板との接合を阻害する。このため、従来は、アルミニウムと銅との接合面の双方に、無電解メッキでニッケルメッキ層を形成し、この後、半田によって接合面を接合する。これに対し、本実施例では、アルミニウムの接合面に酸化膜が形成されていても、接合面の凹部に銅微粒子の集まりが析出し、アンカー効果によってアルミニウム板が銅板と接合する。このため、無電解メッキ層の形成と半田付けとの処理が不要になる。さらに、無電解メッキによるニッケルメッキ層は、無電解メッキ液中でニッケルイオンを還元し、析出したニッケルの小片が積層してメッキ層を形成するため、ニッケルの小片同士の結合力は、本実施例の金属結合した金属微粒子の集まりによるアンカー効果による接合力比べる小さい。
実施例３で用いたアルミナ基板と銅板と、さらに、厚みが１ｃｍのアルミニウム板を用意した。このアルミニウム板に、深さが０．４ｍmの溝を形成した。また、銅微粒子の原料は、実施例３で用いたオクチル酸銅であり、有機化合物は、実施例３で用いたジエチレングリコールモノブチルエーテルである。
最初に、１４０ｇのオクチル酸銅（０．４モルに相応する）を、メタノールに対し１０重量％の割合で分散させる。このメタノール分散液に、エチレングリコールモノアリルエーテルの２１０ｇ（メタノールの１／６の重量）を混合した。さらに、この混合液に、銅フレーク粉の５８０ｇを混合した。この混合物を、実施例１と同様に、回転と揺動を繰り返して懸濁液を作成した。
次に、銅板の片側の面と、アルミニウム板の溝に、前記の懸濁液を均一になるように塗布した。この後、実施例１と同様に、銅板とアルミニウム板とを、小型加振機の加振台の上に載せ加振させた。さらに、アルミニウム板の懸濁液が塗布された溝に、銅板の懸濁液が塗布されない面を重ね、さらに、銅板の懸濁液が塗布された面にアルミナ基板を重ね合わせ、３キログラムの重りをアルミナ基板に載せた。この後、積層体の集まりを大気雰囲気の熱処理炉に入れ、２９０℃で１分間熱処理した。
最初に、試料におけるアルミナ基板の結合力を、実施例１と同様に、引っ張り接着強さの試験方法に基づいて測定した結果、８００グラム重に相当する引っ張り力に耐えた。さらに、実施例１と同様に、複数の試料を沸騰水中で５分間煮沸させ、また、複数の試料を３５０℃の恒温槽に２分間放置し、その後、引っ張り強さを測定したが、８００グラム重に相当する引っ張り力に耐えた。
この後、試料の中央を厚み方向に２つに切断し、断面の観察と分析とを、実施例１と同様に、電子顕微鏡で行なった。この結果、金属結合した銅微粒子の集まりが、３種類の基材の接合面の凹部を埋めるとともに、銅微粒子が８層前後で積み重なり、この銅微粒子の集まりが、銅フレーク粉の表面を覆うとともに、銅フレーク粉を結合させ、扁平面同士が重なり合うように６層前後に積層した銅フレーク粉の集まりからなる接合層が、３種類の基材の接合面に接合された。
実施例５における接合層は、８００グラム重に相当する引っ張り力に耐え、ヒートシンクが８００グラムの重量を持たないため、接着力としては十分な強度を持つ。なお、実施例３に比べ、引っ張り強度が増大した結果は、熱処理する際に積層体に加えた荷重が大きいことによる。また、４０−６０ｎｍの大きさからなる粒状微粒子の気密性で、接合層に沸騰水が侵入できない。さらに、接合面における銅微粒子の集まりのアンカー効果と、金属結合した銅微粒子の結合力で、沸騰水で煮沸しても、また、３５０℃の熱衝撃を与えても、接合層の引っ張り強度が変わらなかった。なお、試料の断面は、図1に類似しているため図示しない。
なお、本実施例では、銅微粒子によって３種類の板を同時に接合させたが、オクチル酸ニッケルＣｕ（Ｃ７Ｈ１５ＣＯＯ）２を熱分解することで、ニッケル微粒子によっても接合することができる。この場合、接合層の熱伝導性が若干劣るが、接合強度は増大する。つまり、銅のビッカース硬度は４６ＨＶで、熱伝導率が３８６Ｗ／ｍＫである。また、アルミニウムのビッカース硬度は２５ＨＶで、熱伝導率が２０４Ｗ／ｍＫである。これに対し、ニッケルのビッカース硬度は９６ＨＶで、熱伝導率が９０Ｗ／ｍＫである。従って、接合面に析出したニッケル微粒子は、アルミニウム板と銅板より硬く、接合面が圧縮されているため、ニッケル微粒子が、アルミニウム板と銅板との接合面に食い込む。これによって、接合力が増大する。さらに大きな接合力を得たい場合は、積層体に加える圧縮荷重を増やすだけで、より大きな接合力が得られる。
【００３４】
以上に、５つの事例をもって実施例を説明したが、本発明は汎用性の高い接合技術であるため、実施例はこれら５つの事例に限られない。
つまり、本発明では、第一に、金属微粒子の原料となる金属化合物を液相化させ、第二に、扁平面同士が重なり合うよう金属の扁平粉の集まりを配列させ、第三に、接合部に圧縮荷重を加えたため、金属の扁平粉の集まりが、双方の接合面に均等な圧縮応力を加え、双方の接合面の全ての凹部に混合液が入り込み、第四に、金属化合物を熱分解して金属微粒子の集まりを析出させると、接合力としてアンカー効果が生み出される。また、活性状態の金属微粒子の集まりが接合層の全体に満遍なく析出し、全ての金属微粒子同士が接触部位で互いに金属結合し、金属結合の結合部が全ての金属微粒子に繋がった金属微粒子の集まりとなる。これによって、接合層は金属微粒子の金属結合に基づく接合力でも、双方の接合面に接合する。このため、本発明は汎用性の高い接合方法で、大きな接合力がもたらされる。
また、基材ないしは部品の材質と大きさと形状とに拘わらず、接合面に懸濁液を滴下ないしは塗布することができる。さらに、無機金属化合物からなる金属錯塩は、および、オクチル酸金属化合物は、様々な金属で構成され、金属フレーク粉も様々な金属で構成されるため、接合に用いる金属微粒子と金属フレーク粉とを選択する幅が広い。このため、用途に応じて、金属微粒子と金属フレーク粉とを構成する金属が選択できる。
以上に説明したように、本発明は汎用性の高い接合技術であるため、本発明に係わる実施例は、前記した５つの実施例に制限されない。
【符号の説明】
【００３５】
１  銅フレーク粉    ２  金属結合した銅微粒子の集まり