(57)【要約】  本発明は、アルミニウム材上に高導電性表面を形成する方法に関するものである。銀の高導電性層が、共晶接合によってその材上に形成される。アルミニウム材は徐々に昇温され、その材の表面上に形成された酸化皮膜は除去される。第一加熱工程の後、結合されるべき銀材が清浄化された表面に移される。その接触点は、アルミニウムと銀との間で共晶接合が生成される温度まで加熱される。第二加熱工程の間に、接触点に軽度で瞬時的な負荷が加えられる。【特許請求の範囲】
【請求項１】
アルミニウム材の表面に高導電性銀被覆を形成する方法において、前記アルミニウム材は複数の工程において加熱され、これによって、第一加熱工程後に、付するべき銀材が接合表面に加えられ、その後、加熱が第二工程において再開されて少なくともアルミニウムと銀との間の共晶反応に必要な温度まで続けられ、前記加熱が大気条件またはわずかな還元条件において行われ、また、第二加熱期間中に接合点に負荷が加えられ、さらに前記負荷がスポット状で周期的に反復されることを特徴とする方法。
【請求項２】
請求項１に記載の方法において、第一加熱工程で前記アルミニウム材の温度が280〜330 ℃の間のある範囲まで昇温されることを特徴とする方法。
【請求項３】
請求項２に記載の方法において、第一加熱工程で前記アルミニウム材の温度が300 ℃前後の温度まで昇温されることを特徴とする方法。
【請求項４】
請求項１ないし３のいずれかに記載の方法において、前記アルミニウムの表面に形成された酸化被膜が第一加熱工程後に除去されることを特徴とする方法。
【請求項５】
請求項４に記載の方法において、前記酸化被膜の除去が研削によって機械的に実行されることを特徴とする方法。
【請求項６】
請求項１ないし５のいずれかに記載の方法において、第二加熱工程において前記接合点に加えられる負荷が0.2〜3 barのオーダーであることを特徴とする方法。
【請求項７】
請求項１ないし６のいずれかに記載の方法において、前記アルミニウム材の加熱が予熱トーチによって行われることを特徴とする方法。
【請求項８】
請求項７に記載の方法において、前記トーチがアセチレントーチであることを特徴とする方法。
【請求項９】
請求項７に記載の方法において、前記加熱が火炎の還元部で行われることを特徴とする方法。
【請求項１０】
請求項１ないし６のいずれかに記載の方法において、前記アルミニウム材の加熱が温度制御された加熱手段によって行われることを特徴とする方法。
【請求項１１】
請求項１ないし６のいずれかに記載の方法において、前記アルミニウム材の加熱が炉内で行われることを特徴とする方法。
【請求項１２】
請求項１１に記載の方法において、前記炉内にシールドガス大気があることを特徴とする方法。
【請求項１３】
請求項１１に記載の方法において、前記炉内に還元大気があることを特徴とする方法。
【発明の詳細な説明】
【発明の分野】
【０００１】
本発明は、アルミニウム材上に高導電性表面を形成する方法に関するものである。銀の高導電性層は、共晶接合によってその材上に形成される。アルミニウム材は徐々に昇温され、その材の表面上に形成された酸化被膜は除去される。第一加熱工程の後、結合されるべき銀材が清浄化された表面に移され、同時にその接触点に負荷が加えられて、アルミニウムと銀との間で共晶点に合致する合金が生成される温度まで加熱され、これが継続されるとそれが凝固するに従って冶金接合を形成する。
【発明の背景】
【０００２】
アルミニウムは導電率が非常に良好であるので、電気伝導構造体において多量に使用されている。しかし、アルミニウムは大気中で酸化被膜を形成し、それによってアルミニウム材への、またはアルミニウム材からの電気伝導率が著しく阻害される。時々、アルミニウム材の電気伝導率を局所的に改善する必要があり、これは、たとえば銅材をアルミニウム材に接合することによって実行される。また、必ずしも伝導率の改善のためとは限らないが、同様にして、アルミニウムと銀とを接合する方法も知られている。
【０００３】
他の材料をアルミニウムに接合する場合、最大の問題は一般に大気中におけるアルミニウムの即時的酸化である。生成された酸化アルミニウムを、通常のはんだ付け法に関して恒久的に除去することは困難である。たとえば、市販のカドミウム含有融剤およびフッ化物含有融剤は、十分な量の酸化物を除去せず、また、はんだ付けにより形成された接合部は、依然として小穴が多く、脆弱である。
【０００４】
国際公開第２００４／０４２１２１号によって、アルミニウム電極支持バー上に銀被覆を形成する方法が知られている。アルミニウムと被服材料との接触は、特に熱溶射皮膜法によって達成される。熱溶射技術は、アルミニウムの保護被膜、すなわち酸化被膜を破り、金属の接触は冶金接合を形成し、被覆物をその基材に結合させるのに十分良好である。
【０００５】
アルミニウム表面への気密被覆は、熱溶射皮膜法によって達成できるが、この法に必要な装置はまだかなり高価である。さらに、一般的に熱溶射皮膜法においては、被覆材料のすべてが被覆すべき材の表面に達することはなく、被覆材料の一部はこの法の効率に関連して浪費される。
【０００６】
欧州特許公報第２８７６３号には、金属材を相互に接合する方法が記載されている。この材は同一金属でも異種金属でもよい。この特許に記載された金属接合は、Al-Al、Cu-CuおよびAl-Cuであり、また、接合すべき材の間に仲介物質、たとえばシリコン、アルミニウム−シリコン合金、または銀を導入する接合が記載されている。接合は、酸素昇圧下の圧力で、金属間で発生する共晶反応を利用して行われる。共晶反応に必要な温度は、接合すべき材料によって決まり、使用される温度は、共融温度〜その温度＋50℃の範囲である。この方法の記載では、材の加熱に酸素富有空気を使用する場合に、材の接触点上に形成された酸化層が、液化した共晶合金とともに絞りだされることが示されている。その例では純酸素が使用されており、使用圧力は150〜710 barの範囲であった。
【０００７】
その欧州公報に記載された金属材相互の接合は、非常な高圧で行われ、加熱中に酸化した不純物および被膜が接合点から外に絞り出される。しかしながら、加熱中の酸素大気および高圧の利用によって、これは非常に高価な接合方法になっている。
【０００８】
特開昭５７-１９５５９２号公報は、銀とアルミニウムとの相互接合方法に関するものであり、表面の酸化を、ホットプレスにより真空中または不活性大気中で接合を行うことによって防止している。
【０００９】
その日本国特許出願公報に記載された、ホットプレスによる真空中または不活性大気中での金属結合は、特に費用効率のよい接合手法ではない。
【発明の目的】
【００１０】
本発明の目的は、上述の方法において生じる欠点を除去することである。
【００１１】
本発明の目的は、アルミニウム材上に高伝導性の銀被覆を形成する単純で安価な方法を提案することである。その目的は、通常のまたはわずかな還元環境においてアルミニウム材の表面に銀被覆を形成し、接合に用いられる負荷が従来技術で用いられるものの何分の一かにすぎない方法を提案することである。
【００１２】
本発明の目的は、アルミニウム材が複数の工程において加熱され、銀材が加熱期間の間にアルミニウムの表面上に配される方法を提案することである。また、銀材が加えられる前に、酸化被膜をアルミニウム材の表面から除去することもできる。
【発明の概要】
【００１３】
本発明による方法の基本的な特徴は、添付の特許請求の範囲に示されている。
【００１４】
本発明は、アルミニウム材の表面に高導電性銀被覆を形成する方法に関するもので、酸化被膜を取り除かれたアルミニウム材は複数の工程で加熱される。第一加熱工程の後、銀材がアルミニウムの表面に加えられる。第二加熱工程は、少なくともアルミニウムと銀との間の共晶反応に必要な温度で実行され、冶金接合は金属間の拡散および溶融層から形成される。加熱は大気条件またはわずかな還元条件において行われる。接合点にはおよそ0.2〜3 barの負荷が加えられる。その負荷はスポット状で周期的に反復されるのが好ましい。酸化被膜は、第一加熱工程後で銀材がアルミニウム材の接合表面に加えられる前に、必要に応じてその接合表面から除去される。
【発明の詳細な説明】
【００１５】
銀とアルミニウムの平衡図に基づいて、最低共晶点が567℃であることが知られている。銀のアルミニウムへの溶解度は400℃から共晶温度まで急に上昇し、最大溶解度はおよそ56重量％である。共晶点におけるアルミニウムの銀への溶解度はおよそ5重量％である。材が接合されて温度が上昇するとき、薄い酸化被膜が銀の表面に生じるが、それは約200℃の温度で破壊される。これによって効果的な拡散および冶金接合の生成反応が可能となる。
【００１６】
今回開発した方法において、その目的はできる限り容易かつ簡単にアルミニウムと銀との間の冶金接合を形成することであった。その方法によれば、アルミニウム材の接合範囲は、酸化被膜が取り除かれ、270〜330℃、好ましくは300℃に加熱される。当該接合範囲は一般に広範囲に及ぶことがないので、酸化被膜の除去は、機械的に、たとえば研削によって行ってもよい。また、もし必要であれば、酸化被膜の除去は第一加熱工程の後でも実行される。しかし、適切な配置、段階的な複数の作業工程、および適切に時間設定された作業によって、高温における酸化被膜の除去を容易に回避することができ、その処理はすべて加熱開始前に行うことができる。しかし、無条件に良好な品質を確保するために、研削を複数の加熱工程の間に実行することもできる。
【００１７】
第一加熱工程および起こりうる酸化被膜の除去の直後に、付するべき銀材または銀薄片がアルミニウム材の表面に加えられ、その材の加熱が第二工程においてAl-Ag共晶点に向けて続けられる。加熱中において、銀材は少し押圧されてその負荷がおよそ0.2〜3 barとなる。その圧力は、必ずしも連続的に銀材の全範囲におよぼす必要はなく、むしろスポット状で周期的に反復するのが好ましい。接合範囲が共晶点に達すると、銀材の下で共晶が沸き出し始める。加熱は、共晶溶湯が全接合範囲に到るまで続けられる。その材の加熱が停止されると、形成された共晶合金は凝固し、その銀は金属結合によってアルミニウムに結びつけられる。
【００１８】
アルミニウム材の加熱は、その材に応じて、予熱トーチを用いて、その対象物に適した熱制御される加熱ツール（たとえば抵抗操作式）を用いて、または炉内で行われる。加熱は通常の大気状態またはわずかな還元状態でなされてよい。還元状態は、たとえば予熱トーチが調整されて還元炎で作動するときに達成される。加熱が炉で実行される場合は、不活性シールドガス（たとえばアルゴン）、または還元ガス（たとえば水素）を炉に供給できる。
【００１９】
今回開発された方法の被覆作業自体の効率は100％であるが、なんらかの仕上げ加工によってその効率はある程度低下することがある。他方、仕上げ加工は、たとえばまさに同じ手法で、溶射によって製造された被覆材料の効率を低下させる。銀被覆の場合は、とくに、高い効率は、材料費をかなり節約することを意味する。
【実施例】
【００２０】
実施例１
本発明の方法によりアルミニウム試験ロッド上に銀接合を生成した。加熱をアセチレントーチで実行して、その材の温度を、加熱中に熱電対に基づくデジタル表面温度計によって監視した。試験ロッドの表面温度が300℃に達したときに、酸化被膜を研削によって表面から除去し、銀材をその取り除かれた表面上に配した。共晶温度567℃になるまで再び加熱した。加熱中、いくつかの試験ロッドには0.3〜0.6 barのオーダーのスポット状で断続的な負荷を向けて、他のものにはまったく負荷をかけなかった。実際には加熱は、25℃まで、さらには共晶点を40℃超えるまで継続することができた。拡散反応は、当該金属において上述の温度で急速に進行して、接合部の形成には数秒しかかからない。実際の日常業務において、接合端から沸き出す溶湯の挙動／溶湯を監視することにより、視覚的に温度を制御することができる。還元炎は通常のトーチ調節によって達成される（火炎の還元部）。
【００２１】
冷却した試験ロッドから検鏡試片を取り、顕微鏡で検査した。顕微鏡写真によって、負荷をかけずに製造した試験ロッドの共晶が、断片的な波形の形態でアルミニウムおよび銀の両方に向かってかなり厚い域に広がっていることが示された。また、その写真はシグマ相も示しており、それは共晶点の高温において生成されたものである。接合端の厚みは数百ミクロンであった。
【００２２】
接合中に負荷をかけた試験ロッドの顕微鏡写真によって、機械的な圧縮の間に、共晶溶湯が接合端から沸き出し、その結果厚みがわずか数十ミクロンの一様な接合端があることが示された。
【００２３】
接合強さを確かめるために、加熱中に負荷をかけた試験ロッドについて引張り強さ試験を実施した。ロッドの最大抗張力平均値は94 N/mm2超であった。
【国際調査報告】
2008539330.tif 000002
2008539330.tif 000003
2008539330.tif 000004
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