CN109562486A - 异种金属的接合结构、其接合方法及电气制品的生产方法 - Google Patents

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Abstract

实施方式的异种金属的接合结构包含第1构件、第2构件和第1金属层。上述第1构件包含第1金属。上述第2构件包含与上述第1金属不同的第2金属。上述第2构件具有搅拌部。上述第1金属层包含上述第2金属。上述第1金属层与上述搅拌部相接，且位于上述第1构件与上述第2构件之间。

Description

异种金属的接合结构、其接合方法及电气制品的生产方法
技术领域
实施方式涉及异种金属的接合结构、其接合方法及电气制品的生产方法。
背景技术
作为异种金属的接合方法，尝试了利用摩擦搅拌接合(FSW：Friction StirWelding)。但是，在利用了以往的摩擦搅拌接合的异种金属的接合方法中，在高硬度的材料中的适用和接合的稳定性等方面存在课题。期望将异种金属彼此稳定地接合。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2005-28378号公报
专利文献2：日本专利第4404052号
发明内容
发明所要解决的课题
实施方式提供能够将异种金属彼此稳定地接合的异种金属的接合结构、其接合方法、及电气制品的生产方法。
用于解决课题的手段
实施方式的异种金属的接合结构包含第1构件、第2构件和第1金属层。上述第1构件包含第1金属。上述第2构件包含与上述第1金属不同的第2金属。上述第2构件具有搅拌部。上述第1金属层包含上述第2金属。上述第1金属层与上述搅拌部相接，且位于上述第1构件与上述第2构件之间。
附图说明
图1(a)～(f)是表示第1实施方式所涉及的异种金属的接合方法的一个例子的示意剖视图。
图2(a)及(b)是表示参考例所涉及的异种金属的接合部分的示意剖视图。
图3(a)及(b)是表示实施方式所涉及的异种金属的接合部分的示意剖视图。
图4(a)～(f)是表示第2实施方式所涉及的异种金属的接合方法的一个例子的示意剖视图。
图5(a)～(c)是表示第3实施方式所涉及的异种金属的接合方法的一个例子的示意剖视图。
图6(a)～(f)是表示第4实施方式所涉及的异种金属的接合方法的一个例子的示意剖视图。
图7是第5实施方式所涉及的功率模块的示意剖视图。
具体实施方式
以下，参照附图对实施方式进行说明。需要说明的是，各附图中，对相同的要素标注相同的符号。实施方式为铜或铜合金与铝的接合方法及接合结构。铜合金例如为铜钨(WCu)。但是，实施方式并不限定于铜或铜合金与铝的接合。
<第1实施方式>
图1(a)～(f)是表示第1实施方式所涉及的异种金属的接合方法的一个例子的示意剖视图。
如图1(a)中所示的那样，准备第1金属构件10及第2金属构件20。在实施方式中，将第2金属构件20与第1金属构件10接合。第1金属构件10包含第1金属。第1金属例如为铜(Cu)。实施方式的第1金属构件10例如为Cu与钨(W)的合金(WCu)。
第2金属构件20包含第2金属。第2金属与第1金属不同。在第1金属为Cu或第1金属的合金为WCu的情况下，第2金属例如为铝(Al)。第2金属的熔点与第1金属或第1金属的合金的熔点相比例如低。另外，第2金属的硬度与第1金属或第1金属的合金的硬度相比例如低。
接着，在第1金属构件10的接合面10a上形成第1金属层11。第1金属层11包含与第2金属相同的金属。第1金属层11例如包含Al。第1金属层11为包含与第2金属构件例如相同的金属或第2金属的合金。实施方式的第1金属层11为Al层。
第1金属层11例如使用化学气相沉积(CVD)法或物理气相沉积(PVD)法而形成于第1金属构件10上。在第2金属为Al的情况下，在CVD法中，作为材料气体，使用包含含有Al的Al前体气体的气体。在PVD法中，作为材料靶，使用包含Al的Al靶。
接着，如图1(b)中所示的那样，使第2金属构件20介由第1金属层11与第1金属构件10接触。
接着，如图1(c)中所示的那样，使摩擦搅拌接合工具30移动到第2金属构件20上。摩擦搅拌接合工具30具有轴肩(shoulder)31和探针(probe pin)32。探针32从轴肩31突出。探针32朝向第2金属构件20。摩擦搅拌接合工具30相对于第2金属构件20的外表面具有倾斜，并且与第2金属构件20相对。倾斜被称为前进角。
接着，如图1(d)中所示的那样，使摩擦搅拌接合工具30一边旋转，一边朝向第1金属层11插入到第2金属构件20的内部。若将旋转的摩擦搅拌接合工具30插入第2金属构件20，则第2金属构件20因摩擦热而软化，通过摩擦搅拌接合工具30的旋转而在摩擦搅拌接合工具30的周围产生塑性流动。
图1(d)中的参照符号“21”表示产生了“塑性流动”的部分。在本说明书中，将产生了塑性流动的部分称为“搅拌部”。以下，将参照符号“21”所表示的部分称为搅拌部21。探针32的插入深度例如按照探针32的前端到达第1金属层11、或按照搅拌部21与第1金属层11接触的方式到达第1金属层11的附近的方式来控制。搅拌部21例如从第2金属构件20的内部一直形成到第1金属层11的内部。搅拌部21也可以介由第1金属层11的内部而到达第1金属构件10。
接着，如图1(e)中所示的那样，使用摩擦搅拌接合工具30，将第2金属构件20与第1金属层11及第1金属构件10进行摩擦搅拌接合。在实施方式中，例如使插入第2金属构件20的摩擦搅拌接合工具30一边旋转，一边例如在接合面10a上平行地移动。由此，第2金属构件20被与第1金属层11摩擦搅拌接合。
接着，如图1(f)中所示的那样，将摩擦搅拌接合工具30从第2金属构件20中拔出。由此，第2金属构件20向第1金属构件10的异种接合结束。在第2金属构件20中残留拔出摩擦搅拌接合工具30的痕迹、例如贯穿孔21a。
在第1实施方式中，在第1金属构件10的接合面10a上形成包含与第2金属构件20相同的金属的第1金属层11。第2金属构件20介由第1金属层11与第1金属构件10接触。在该状态下，将第2金属构件20与第1金属层11一起与第1金属构件10进行摩擦搅拌接合。
根据这样的第1实施方式，与在第1金属构件10的接合面10a上没有设置第1金属层11的情况相比，能够将第2金属构件20与第1金属构件10稳定地接合。
图2(a)及(b)是表示参考例所涉及的异种金属的接合部分的示意剖视图。
例如，如图2(a)中所示的那样，在使第2金属构件20与第1金属构件10直接接触的情况下，探针32的前端必须停在第2金属构件20的内部。但是，由于探针32的前端与第1金属构件10的距离很小，所以控制困难。因此，例如相对于一个一个利用了摩擦搅拌接合的工业产品(以下，简称为产品)，难以再现均匀的异种金属的接合。
例如，如图2(b)中所示的那样，相对于图2(a)中所示的产品，第1金属构件10的厚度产生了“Δt”的不均。认为摩擦搅拌接合工具30的插入深度在图2(a)及(b)的两者中没有误差。在该情况下，在图2(a)中所示的产品中，探针32的前端停在第2金属构件20的内部，与此相对，在图2(b)中所示的产品中，探针32的前端到达第1金属构件10的内部。
因此，在参考例中，即使摩擦搅拌接合工具30的控制正确，相对于一个一个产品，也难以再现均匀的异种金属的接合。
在参考例中，第2金属构件20一边生成金属间化合物一边与第1金属构件10接合。探针32的前端与第1金属构件10的距离会左右所生成的金属间化合物的量。金属间化合物的量会左右例如第1金属构件10与第2金属构件20的“接合强度”。
因此，在难以再现均匀的异种金属的接合的参考例中，例如第1金属构件10与第2金属构件20的“接合强度”的不均容易扩大。
并且，在图2(b)中所示的参考例中，探针32的前端到达第1金属构件10的内部。第1金属构件10通常为比第2金属构件20硬的金属。因此，探针32容易磨损。
图3(a)及(b)是表示实施方式所涉及的异种金属的接合部分的示意剖视图。
相对于参考例，在实施方式中，使第2金属构件20介由第1金属层11与第1金属构件10接触。探针32的前端与参考例同样地停在第2金属构件20的内部。但是，如图3(a)及(b)中所示的那样，与参考例同样地即使在第1金属构件10的厚度产生了不均Δt的情况下，探针32的前端也能够在第1金属层11的中途停止。
第1金属层11例如为包含第2金属的合金、或与第2金属构件20相同的金属。例如，若第2金属构件20为Al，则第1金属层11也为Al。因此，即使探针32的前端与第1金属构件10的距离改变，第1金属构件10与第2金属构件20的“接合强度”与参考例相比也不易改变。
因此，在实施方式中，与参考例相比，能够缩小产品间的第1金属构件10与第2金属构件20的“接合强度”在产品间的“不均”。
像这样，根据实施方式，能够提供可以将异种金属彼此稳定地接合的异种金属的接合结构及接合方法。
进而，根据实施方式，与参考例相比，还能够抑制探针32的磨损量。
在异种金属的接合中使用摩擦搅拌接合的情况下，插入探针32的金属选择例如两种金属中的
·熔点低的金属
·硬度低的金属。
在参考例中，探针32也被插入与第2金属构件20相比硬度高的第1金属构件10的内部。因此，探针32容易磨损。
与此相对，在实施方式中，由于有第1金属层11，所以与参考例相比能够降低探针32插入第1金属构件10的内部的可能性。若第1金属层11例如为与第2金属构件20相同的金属，则硬度彼此相同。因此，根据实施方式，与参考例相比能够抑制探针32的磨损量。
<第2实施方式>
图4(a)～(f)是表示第2实施方式所涉及的异种金属的接合方法的一个例子的示意剖视图。
如图4(a)～(f)中所示的那样，第2实施方式与图1(a)～(f)中所示的第1实施方式的不同处是在第1金属构件10与第1金属层11之间设置有第2金属层12。
第2金属层12包含与第1金属及第2金属不同的过渡金属即第3金属。第2金属层12具有例如提高第1金属构件10与第1金属层11的密合性的作用。第3金属例如为钛(Ti)、铬(Cr)等。
在第2实施方式中，如图4(a)中所示的那样，在第1金属构件10的接合面10a上形成第2金属层12。实施方式的第1金属构件10为WCu。第2金属层12包含例如Ti。实施方式的第2金属层12为Ti层。接着，在第2金属层12上形成第1金属层11。实施方式的第1金属层11为Al层。
接着，如图4(b)中所示的那样，使第2金属构件20介由第1金属层11及第2金属层12与第1金属构件10接触。实施方式的第2金属构件20为Al。
以下，与第1实施方式同样地使摩擦搅拌接合工具30一边旋转，一边朝向第1金属层11插入到第2金属构件20的内部(图4(c)～(d))。
接着，使插入第2金属构件20的摩擦搅拌接合工具30一边旋转，一边例如在接合面10a上平行地移动。由此，第2金属构件20与第1金属层11摩擦搅拌接合(图4(e))。在第2实施方式中，搅拌部21也例如从金属构件20的内部一直形成到第1金属层11的内部。搅拌部21也可以介由第1金属层11的内部而到达第2金属层12。进而，搅拌部21也可以介由第1金属层11的内部及第2金属层12的内部而到达第1金属构件10。
接着，将摩擦搅拌接合工具30从第2金属构件20中拔出(图4(f))。由此，第2实施方式所涉及的第2金属构件20向第1金属构件10的异种接合结束。
在这样的第2实施方式中，也能够得到与第1实施方式同样的优点。进而，根据第2实施方式，在第1金属构件10与第1金属层11之间，设置有第2金属层12。因此，第2实施方式与第1实施方式相比，能够进一步得到第1金属构件10与第1金属层11的密合性提高这样的优点。
<第3实施方式>
图5(a)～(c)是表示第3实施方式所涉及的异种金属的接合方法的一个例子的示意剖视图。
如图5(a)～(c)中所示的那样，第3实施方式与图1(a)～(f)中所示的第2实施方式的不同处是点接合。
在第1实施方式中，如图1(e)中所示的那样，使插入了第2金属构件20的摩擦搅拌接合工具30一边旋转，一边例如在接合面10a上平行地移动。由此，使第2金属构件20与第1金属层11摩擦搅拌接合。
在第3实施方式中，如图5(a)中所示的那样，使摩擦搅拌接合工具30一边旋转，一边朝向第1金属层11而插入到第2金属构件20的内部。
接着，如图5(b)中所示的那样，使用摩擦搅拌接合工具30，将第2金属构件20与第1金属层11进行摩擦搅拌接合。在第3实施方式中，搅拌部21也例如从金属构件20的内部一直形成到第1金属层11的内部。搅拌部21也可以介由第1金属层11而到达第2金属层12。进而，搅拌部21也可以介由第1金属层11及第2金属层12而到达第1金属构件10。
接着，如图5(c)中所示的那样，没有将摩擦搅拌接合工具30例如在接合面10a上平行地移动，而直接从第2金属构件20中拔出。由此，第3实施方式所涉及的第2金属构件20向第1金属构件10的异种接合结束。
像这样实施方式也可以应用于摩擦搅拌“点”接合。因此，本说明书中记载的摩擦搅拌接合也包含摩擦搅拌“点”接合。
在第3实施方式中，也能够得到与第1、第2实施方式中说明过的优点同样的优点。
<第4实施方式>
图6(a)～(f)是表示第4实施方式所涉及的异种金属的接合方法的一个例子的示意剖视图。
如图6(a)～(f)中所示的那样，第4实施方式与图1(a)～(f)中所示的第1实施方式的不同处是将实施方式所涉及的异种金属的接合结构及接合方法应用于电接点。电接点的例子例如为端子与布线的连接。也可以是布线彼此的连接。端子及布线为电气制品中使用的电连接构件。
在第4实施方式中，如图6(a)中所示的那样，在端子45的接合面45a上的例如一部分上形成第2金属层12。第2金属层12也可以形成于端子45的接合面45a上的整面上。端子45例如为被称为42合金的铁(Fe)与镍(Ni)的合金。实施方式的第2金属层12例如为Ti层。接着，在第2金属层12上形成第1金属层11。实施方式的第1金属层11为Al层。接着，使布线50介由第1金属层11及第2金属层12而与端子45上接触。布线50例如为Al制。
接着，如图6(b)及(c)中所示的那样，使摩擦搅拌接合工具30一边旋转，一边朝向第1金属层11而插入到布线50的内部。
接着，如图6(d)中所示的那样，使插入布线50的摩擦搅拌接合工具30一边旋转，一边例如在接合面45a上平行地移动。由此，将布线50与第1金属层11进行摩擦搅拌接合。接合也可以是摩擦搅拌“点”接合。搅拌部21例如从第1金属层11一直形成到布线50的表面。搅拌部21也可以介由第1金属层11而到达第2金属层12。进而，搅拌部21也可以介由第1金属层11及第2金属层12而到达端子45。
接着，如图6(e)中所示的那样，将摩擦搅拌接合工具30从布线50中拔出。由此，第4实施方式所涉及的布线50向端子45的异种接合结束。
在第4实施方式中，如图6(f)中所示的那样，例如电流I介由搅拌部21从布线50向端子45流动。像这样实施方式的接合结构及接合方法可以适用于电气制品的电连接构件彼此的连接。
根据这样的第4实施方式，能够得到例如在产品间接触电阻的不均小、电力损耗的不均也少的具备稳定的电接点的电气产品(电气制品)。
在第4实施方式中，也能够得到例如与第1、第2实施方式中说明过的优点同样的优点。
<第5实施方式>
第5实施方式涉及使用了实施方式的接合结构及接合方法的产品的例子。在第5实施方式中，作为产品的例子，示出半导体装置。半导体装置的例子例如为电力用半导体装置。电力用半导体装置的例子为功率模块。
图7是第5实施方式所涉及的功率模块的示意剖视图。
如图7中所示的那样，功率模块具备壳体40。在壳体40的内部容纳多个包含IGBT、功率MOSFET、二极管等功率半导体器件的半导体元件14。壳体40例如为树脂制。壳体40包含容纳部41。
在壳体40的例如背面设置第2金属构件20。第2金属构件20被固定于壳体40上。在第2金属构件20上设置第1金属层11。在第1金属层11上设置第2金属层12。在第2金属层12上设置第1金属构件10。第1金属构件10形成于绝缘性基板15的背面上。绝缘性基板15例如为陶瓷制。
第2金属构件20按照例如第1～第3实施方式中说明过的异种金属的接合方法中的任1种与第1金属构件10摩擦搅拌接合。
在绝缘性基板15的表面上形成未图示的电极图案。半导体元件14介由软钎料层13与未图示的电极图案接合。在第5实施方式中，第2金属构件20发挥散热板的作用。散热板使半导体元件14所产生的热扩散。
包含第1金属构件10、第1金属层11、第2金属层12、软钎料层13、半导体元件14、及绝缘性基板15的结构体被称为单元模块UM。第5实施方式的功率模块在第2金属构件20上例如包含3个单元模块UM。单元模块UM的数目是任意的。单元模块UM被容纳于容纳部41内。
壳体40包含外部端子42。外部端子42介由布线43与单元模块UM电连接。单元模块UM彼此也根据需要介由布线43而电连接。
布线50被与外部端子42接合。在实施方式中，布线50例如为汇流条。布线50按照例如第1～第3实施方式中说明过的异种金属的接合方法中的任1种与外部端子42摩擦搅拌接合。
像这样实施方式的接合结构及接合方法可以适用于例如功率模块的、
(1)第2金属构件(例如散热板)20与绝缘性基板15的第1金属构件10的接合
(2)外部端子42与布线(例如汇流条)50的接合等。
根据这样的功率模块，第2金属构件(例如散热板)20与绝缘性基板15的第1金属构件10的接合、及外部端子42与布线(例如汇流条)50的接合稳定。因此，例如，第2金属构件20与第1金属构件10、及外部端子42与布线50变得不易剥离。由此，能够得到长时间可靠性良好、能够稳定地使用的功率模块。
进而，根据功率模块，在所生产的功率模块间，还能够减小外部端子42与布线50之间的接触电阻的不均。因此，例如，能够得到在所生产的功率模块间电力损耗的不均也少的高品质的功率模块。
需要说明的是，第1～第3实施方式中说明过的接合结构及接合方法也可以适用于功率模块的上述(1)、(2)中的任1者。
另外，作为使用了实施方式的接合结构及接合方法的产品，除了半导体装置以外，还可列举出电动机及发电机等。在电动机及发电机中，例如，可以在定子线圈与搭接线的连接中适用第1～第3实施方式中说明过的接合结构及接合方法。
以上，对第1～第5实施方式进行了说明。但是，实施方式并不限定于上述第1～第5实施方式。这些实施方式是作为一个例子而提示出的，并不意图限定发明的范围。这些新颖的实施方式可以以其它各种方式实施，在不脱离实施方式的主旨的范围内，可以进行各种省略、置换、及变更。
例如，在实施方式中，对于第1金属构件10、第2金属构件20、第1金属层11、及第2金属层21，示出了具体的材料例。但是，第1金属构件10、第2金属构件20、第1金属层11、及第2金属层21的材料可以适当变更。

Claims (9)

1.一种异种金属的接合结构，其具备：
第1构件，其包含第1金属；
第2构件，其包含与所述第1金属不同的第2金属，且具有搅拌部；和
第1金属层，其包含所述第2金属，与所述搅拌部相接，且位于所述第1构件与所述第2构件之间。
2.根据权利要求1所述的异种金属的接合结构，其中，所述第2金属的熔点比所述第1金属或所述第1金属的合金的熔点低。
3.根据权利要求1所述的异种金属的接合结构，其中，所述第2金属的硬度比所述第1金属或所述第1金属的合金的硬度低。
4.根据权利要求1～3中任1项所述的异种金属的接合结构，其进一步具备第2金属层，
所述第2金属层包含与所述第1金属及所述第2金属不同的第3金属，且位于所述第1构件与所述第1金属层之间。
5.根据权利要求4所述的异种金属的接合结构，其中，所述第3金属包含过渡金属。
6.一种异种金属的接合方法，其具备以下工序：
在包含第1金属的第1构件上，形成包含与所述第1金属不同的第2金属的第1金属层的工序；
使包含所述第2金属的第2构件与所述第1金属层接触的工序；和
将摩擦搅拌接合工具朝向所述第1金属层插入到所述第2构件的内部，将所述第2构件与所述第1金属层进行摩擦搅拌接合的工序。
7.根据权利要求6所述的异种金属的接合方法，其中，在形成所述第1金属层之前，进一步具备以下工序：
在所述第1构件上，形成包含与所述第1金属及所述第2金属不同的过渡金属即第3金属的第2金属层的工序；
所述第1金属层形成于所述第2金属层上。
8.一种电气制品的生产方法，其具备以下工序：
在包含第1金属的第1电连接构件上，形成包含与所述第1金属不同的第2金属的第1金属层的工序；
使包含所述第2金属的第2电连接构件与所述第1金属层接触的工序；和
将摩擦搅拌接合工具朝向所述第1金属层插入到所述第2电连接构件的内部，将所述第2电连接构件与所述第1金属层进行摩擦搅拌接合的工序。
9.根据权利要求8所述的电气制品的生产方法，其中，在形成所述第1金属层之前，进一步具备以下工序：
在所述第1电连接构件上，形成包含与所述第1金属及所述第2金属不同的过渡金属即第3金属的第2金属层的工序，
所述第1金属层形成于所述第2金属层上。
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