(57)【要約】【課題】銅部材どうしの接合を、銅接合介在を用いて圧縮・熱処理する接合方法において、接合強度（破断強度）を大幅に向上させることが可能な、銅部材の接合方法を提供するもので、例えば多層プリント配線板の層間接続、プリント配線板の端子接続やヒートシンク等に、適用できるようにすることにある。【解決手段】互いに接合させる銅部材の間に銅材料からなる接合介在を配置し、これに圧力を加えて前記接合介在を圧縮し、一旦圧力を解除した状態で不活性ガス雰囲気中で熱処理を施し、放置後再度圧力を加えて前記接合介在を再圧縮する銅部材の接合方法とすることによって、また前記接合介在の圧縮率として、前記圧縮の圧縮率を５０％程度まで、再加圧する前記再圧縮の圧縮率を７０％程度までとした銅部材の接合方法とすることによって、解決される。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
互いに接合させる銅部材の間に銅材料からなる接合介在を配置し、これに圧力を加えて前記接合介在を圧縮し、一旦圧力を解除した状態で不活性ガス雰囲気中で熱処理を施し、放冷後再度圧力を加えて前記接合介在を再圧縮することを特徴とする、銅部材の接合方法。
【請求項２】
前記接合介在の圧縮率として、前記圧縮の圧縮率を５０％程度まで、再加圧する前記再圧縮の圧縮率を７０％程度までとしたことを特徴とする、請求項１に記載の銅部材の接合方法。
【請求項３】
前記熱処理温度が、２００〜８００℃であることを特徴とする、請求項１または２のいずれかに記載の、銅部材の接合方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えばプリント配線板の端子接続やヒートシンク等の銅部材の接合方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年電子機器に使用される各種部品やフレキシブルプリント配線基板の接続部等は、小型軽量化等の要望から微小、微細なものとなってきている。このような部品等のマイクロ化は、接合部分の特異性、多様性のため、接合技術も改良が必要となってきている。特に発熱の問題や電気抵抗を抑える必要がある場合には、銅材料が使用される。銅材料は、大気中で酸化し易くその表面に酸化膜が形成されるため、そのままでは接合し難い問題もある。そこで酸化膜除去効果をもつフラックスを用いた半田付や、銀ロウ付が行われている。またフラックスを使用しない方法としては、熱拡散接合、レーザ溶接、電気抵抗溶接や圧接接合等も行われている。例えば、ヒートパイプの接合に技術に関して特許文献１が見られる。
【０００３】
しかしながら、フラックスを用いる接合方法ではフラックス残渣による腐食や洗浄処理の問題があり、レーザ溶接や電気抵抗溶接の場合には熱の影響が懸念されている。また圧接接合方法では接合部に大荷重をかけるため、周辺部の破壊の問題が考えられる。さらに熱拡散による接合方法では、長時間の熱処理が必要なため生産性が悪い問題がある。さらにまた、銀ロウ付による接合方法では高温での加熱が必要であり、フラックス残渣の洗浄処理も必要なため、コストアップとなる問題もある。そこで、これらの問題は比較的少ない接合方法が、望まれていた。
【０００４】
【特許文献１】
特開２００２−２８６３８４号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
よって本発明が解決しようとする課題は、銅部材どうしの接合を、銅接合介在を用いて圧縮・熱処理する接合方法において、接合強度（破断強度）を大幅に向上させることが可能な、銅部材の接合方法を提供するもので、例えば多層プリント配線板の層間接続、プリント配線板の端子接続やヒートシンク等に、適用できるようにすることにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
以上のような課題を解決するためには、請求項１に記載されるように、互いに接合させる銅部材の間に銅材料からなる接合介在を配置し、これに圧力を加えて前記接合介在を圧縮し、一旦圧力を解除した状態で不活性ガス雰囲気中で熱処理を施し、放冷後再度圧力を加えて前記接合介在を再圧縮する銅部材の接合方法とすることによって、解決される。
【０００７】
また請求項２に記載されるように、前記接合介在の圧縮率として、前記圧縮の圧縮率を５０％程度まで、再加圧する前記再圧縮の圧縮率を７０％程度までとした、請求項１に記載の銅部材の接合方法とすることによって、解決される。
【０００８】
さらに請求項３に記載されるように、前記熱処理温度が２００〜８００℃である、請求項１または２のいずれかに記載の銅部材の接合方法とすることによって、解決される。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下に本発明を詳しく説明する。まず請求項１に記載される発明は、互いに接合させる銅部材の間に銅材料からなる接合介在を配置し、これに圧力を加えて前記接合介在を圧縮（一段目圧縮）し、一旦圧力を解除した状態で不活性ガス雰囲気中で熱処理を施し、放冷後再度圧力を加えて前記接合介在を再圧縮（二段目圧縮）することを特徴とする銅部材の接合方法（二段圧縮方法）とすることによって、従来のこの種の接合方法に比して、前記銅部材の接合強度（破断強度）を大幅に向上させることができる。また熱処理温度も低くすることができるので、実質的な熱処理時間を短縮することが可能となる。さらに、半田付や銀ロウ付方法に比較して、材料的にもコストダウンされ、同種の材料のみの使用なのでリサイクルも容易である。なお前記再圧縮処理は前記熱処理後、放冷した後行なわれる。これは、前記の銅材料の表面酸化を防止するためである。
【００１０】
まず、このような接合方法に適用される銅部材について説明すると、例えば多層プリント配線基板の層間接続される端子部、プリント配線基板の端子部どうしやヒートシンクの銅製の枠等が好ましい適用部材として挙げられる。このような銅部材に本発明を適用することによって、前述した従来の接合方法で問題となっていた、フラックス残渣による腐食の問題、レーザ溶接等の熱の影響、接合部に大荷重がかかるために周辺部の破壊の問題、長時間の熱処理が必要なため生産性が悪くなる問題や、銀ロウ付のように高温での加熱が必要であり、またフラックス残渣の洗浄処理が必要であるために、コストアップとなる等の問題が生じない。そして、このような問題がない接合方法によって得られた前記多層プリント配線基板、フレキシブルプリント配線基板やヒートシンク等は、接合部の接合強度が高く、また生産性にも優れた実用的なものである。
【００１１】
この銅部材の接合方法の特徴は、圧縮・熱処理を施した後、放冷後再度圧力を加えて、再圧縮処理を行うことによって、前記銅部材の接合強度（破断強度）を大幅に向上させることができる事を、確認したことにある。このような再圧縮処理を行うことによって、前記銅部材の接合強度（破断強度）が大幅に向上するのは、圧縮・熱処理によって生成したボイドが潰れ、また生成した酸化物も細かく分断されて、十分な金属結合が得られているためと考えられる。なお、前記銅材料からなる接合介在は、通常高さが１〜３ｍｍ程度で、面積が２〜２０ｍｍ２程度の円柱状、円筒状、角柱状等のもので、純銅や銅合金からなるものが使用される。
【００１２】
図１によって説明すると、図１（ａ）に示される銅板２、３の接合箇所に、銅からなる円柱状の接合介在１を配置し、図１（ｂ）で示されるように、上下から圧力を加えて前記接合介在１を一段目圧縮を行う。そしてそのまま動かないように固定した状態で一旦圧力を解除し（図１ｃ）、ついで図１（ｄ）で示す、窒素ガス等の不活性雰囲気中で加熱処理を行う。この後、図１（ｅ）の放冷を経た後図１（ｆ）で示されるように、再度の加圧による前記接合介在の二段目圧縮処理を施す。このように圧縮・熱処理された前記接合部に再度圧縮処理を施すことによって、前記銅板２、３の接合部は、従来の一度の圧縮・熱処理法（一段圧縮方法）に比較して、高い接合強度（破断強度）のものとすることができる。このような再圧縮処理による接合方法によって、前記接合部の接合強度（破断強度）が大幅に向上するのは、従来のように圧縮・熱処理するだけでは、生成したボイドや酸化物が残留しているが、このような状態の前記接合部に再圧縮処理を施すことによって、前記ボイドが潰れ、前記酸化物も細かく分断されることによって、金属結合が十分行われるためと推測される。
【００１３】
つぎに、前記接合方法における好ましい圧縮処理について説明すると、請求項２に記載されるように、前記接合介在の圧縮率を、前記圧縮の圧縮率を５０％程度までとし、再加圧する前記再圧縮の圧縮率を７０％程度までとした銅部材の接合方法とすることによって、前記圧縮（一段目圧縮）を５０％程度までとしたので、低圧力で仮の接合を行うことができ、ついでそのまま動かないように固定した状態で一旦圧力を解除し、放冷等によって温度を下げた後に、再圧縮（二段目圧縮）処理として、７０％程度までの圧縮率で圧縮処理するので、前記銅部材が軟化した状態で変形を行うことになり、また前記最初の圧縮処理で生成されたボイドや酸化物を潰したり微細に分断することになって、前記接合部は、金属結合が十分に行われることになり、接合強度（破断強度）が大幅に向上するものと考えられる。
【００１４】
図２に銅部材の総圧縮率と破断強度（破断力／ｋｇｆと表示）の関係を示した。図２から明らかなとおり、本発明の二段圧縮方法（二段接合と表示）の方が総圧縮率は同じでも、破断強度が高いことがわかる。詳細に述べると、○印で示した従来の一段圧縮方法（一段接合と表示）の場合は７０％程度の総圧縮率としても、本発明を示す□印における５０％程度の総圧縮率（一段目の圧縮率が３６％、二段目の圧縮率が１４％）よりも破断力が小さい。本発明における総圧縮率が７０％（一段目の圧縮率が５０％、二段目の圧縮率が２０％）の場合には、破断力が３倍弱程度向上していることがわかる。また本発明二段圧縮方法では、総圧縮率が３０％（一段目の圧縮率が２１％、二段目の圧縮率が９％）の場合でも、５０ｋｇｆ／ｍｍ２以上の破断力が得られ、従来の一段圧縮方法の総圧縮率が５０％のものよりも大きな破断力となっている。なお熱処理温度は、５００℃で２時間とした。
【００１５】
また、前記接合方法における好ましい前記熱処理温度について説明すると、請求項３に記載されるように、２００〜８００℃の範囲の熱処理温度で行う銅部材の接合方法とするのが、好ましい。このような温度範囲とすることにより、従来の接合方法の熱処理温度と比較して低温であり、実質的に短時間処理が行えることになる。この温度が２００℃未満であると銅どうしの接合が十分に行われず、また８００℃を超えると高温のため不活性ガス雰囲気の調整など、熱処理作業上のコントロールが難しくなるので、あまり好ましくない。より好ましくは、３００〜６００℃程度である。
【００１６】
図３に熱処理温度と破断強度（破断力／ｋｇｆと表示）の関係を示した。図３から明らかなとおり、本発明の二段圧縮方法（二段接合と表示）の方がいずれの熱処理温度においても、破断強度が高いことがわかる。詳細に述べると、本発明の二段圧縮方法においては、熱処理温度が２００℃でも破断力が５０ｋｇｆ／ｍｍ２のものが得られる。また４００℃〜８００℃では、破弾力は２００ｋｇｆ／ｍｍ２以上となり、特に２００〜６００℃程度の範囲は、高い破断力であると共に熱処理作業等がコントロールし易いので好ましい範囲である。これに対して、従来の一段圧縮方法（一段接合と表示）では、８００℃近くの高温にならないと高い破断力のものが得られず、熱処理作業上に難点がある。
【００１７】
【実施例】
実施例を示して、本発明の効果を説明する。
【００１８】
実施例１：２枚の銅製板（縦５０ｍｍ、横２０ｍｍ、厚さ１ｍｍ）の接合箇所に、銅製円柱（径４．５ｍｍ、高さ５ｍｍ）を配置し、前記銅板上から圧力を加えて前記銅製円柱を５０％圧縮した後、そのまま動かないように固定して圧力を解除し、ついで窒素ガス雰囲気中で５００℃、２時間の熱処理を施した。これを取り出した後放冷し、前記接合箇所に再度圧力を加えて前記銅製円柱を２０％圧縮して、実施例１の試料とした。比較のために前記と同様の材料を用いて、前記銅製円柱に７０％の圧縮を加えた後、窒素ガス雰囲気中で５００℃、２時間の熱処理を行って、比較例１の試料とした。これらの試料について、前記接合箇所にせん断力がかかるようにして上下の銅板を引張り、接合強度（破断強度）を測定した。実施例１のものは、比較例１に比較して約２．６倍以上の接合強度（破断強度）を有するものであった。またこれらの破断状態を観察した結果、実施例１のものは接合箇所の破断ではなく、前記銅板の部分での破断であるのに対し、比較例１は、前記接合箇所で剥離していた。結果を、表１に纏めた。
【００１９】
実施例２：２枚の銅製板（縦５０ｍｍ、横３０ｍｍ、厚さ１ｍｍ）の接合箇所に、銅製円筒（径が１２．７ｍｍφ、高さが３ｍｍ、肉厚１ｍｍ）を配置し、前記銅製円柱を５０％圧縮した後、（そのまま動かないように固定して圧力を解除し、）窒素ガス雰囲気中で５００℃、２時間の熱処理を施した。これを取り出した後放冷し、再度前記接合箇所に圧力を加えて銅製円柱を２０％圧縮して、実施例２の試料とした。比較のために、前記と同様の材料を用い銀ロウ付によって接合して、比較例２の試料とした。実施例１と同様に、接合強度（破断強度）を測定した。結果は、実施例２の破断強度は１２ｋｇｆ／ｍｍ２と、比較例２の２０ｋｇｆ／ｍｍ２と比較して若干劣るが、十分に実用的な破断強度であり、銀ロウ付に比較して高温での加熱が必要ではなく、またフラックス残渣の洗浄処理も必要がないため、作業上、コスト面から有利な方法である。
また実施例２の試料について、気密性評価試験を行ったが、十分な気密性を有するのものであった。
【００２０】
【表１】
2004291084.tif 000003
【００２１】
【発明の効果】
本発明は以上のように、互いに接合させる銅部材の間に銅材料からなる接合介在を配置し、これに圧力を加えて前記接合介在を圧縮し、一旦圧力を解除した状態で不活性ガス雰囲気中で熱処理を施し、放置後再度圧力を加えて前記接合介在を再圧縮する銅部材の接合方法としたので、従来のこの種接合方法に比して、前記銅部材の接合強度（破断強度）を大幅に向上させることができる。具体的には、一段圧縮の従来方法に比較して、約３倍程度の接合強度（破断強度）を有する接合部とすることができる。また熱処理温度も低くすることができるので、実質的な熱処理時間を短縮することが可能となる。さらに、半田付や銀ロウ付方法に比較して材料的にもコストダウンされ、同種の材料のみを使用しているのでリサイクルも容易である。
【００２２】
また前記接合介在の圧縮率を、前記圧縮の圧縮率を５０％程度までとし、再加圧する前記再圧縮の圧縮率を７０％程度までとした銅部材の接合方法とすることによって、低圧力で仮の接合を行うことができ、ついでそのまま動かないように固定した状態で一旦圧力を解除し、放冷等によって温度を下げた後に、再圧縮（二段目圧縮）処理として、７０％程度までの圧縮率で圧縮処理するので、前記銅部材が軟化した状態で変形を行うことができ、また前記最初の圧縮処理で生成されたボイドや酸化物を潰したり微細に分断することになって、前記接合部は、金属結合が十分に行われることになり、接合強度（破断強度）が大幅に向上される。
【００２３】
さらに前記熱処理温度が、２００〜８００℃である銅部材の接合方法とすることによって、高い破断強度が得られると共に熱処理作業等がコントロールし易く、好ましい方法となる。また、得られた前記接合部は完全に焼鈍されたものであり、低圧力で変形可能な効果もある。
【００２４】
また前記銅部材の接合方法を多層プリント配線基板、プリント配線基板並びにヒートシンクの接続部等に適用することによって、従来の接合方法で問題となっていた、フラックス残渣による腐食の問題、高温加熱による熱の影響、接合部に大荷重がかかるために周辺部の破壊の問題、長時間の熱処理が必要なため生産性が悪い等の問題や銀ロウ付のように高温での加熱が必要であり、またフラックス残渣の洗浄処理が必要であるために、コストアップとなる等の問題も生じない、実用的な接合方法である。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）は、本発明にかかる銅部材の接合方法の概略を示す工程図である。
【図２】図２は、総圧縮率と破断力との関係を示すグラフである。
【図３】図３は、熱処理温度と破断力との関係を示すグラフである。
【符号の説明】
１    銅接合介在
２、３    銅板
【図１】
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【図２】
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【図３】
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