JP2004001069A - アルミニウム部材と銅部材の接合方法及びその接合構造物 - Google Patents

Abstract

【課題】アルミニウム部材と銅部材を強固に接合する方法、及びこれを用いた接合構造物の提供。
【解決手段】（１）アルミニウム部材と銅部材との接合に際して、前記銅部材の接合面に金属層を形成し、この金属層と前記アルミニウム部材の接合面とろう付するアルミニウム部材と銅部材の接合方法である。（２）アルミニウム部材と銅部材との接合面の間に金属層とろう付層とを有し、前記金属層は銅製の部材の接合面に構成されたものである接合構造物である。また、（３）アルミニウムまたはアルミニウム合金製の部材と銅または銅合金製の部材との接合断面が、銅または銅合金層と、この銅または銅合金層に形成され残存した金属層と、ろう材、当該金属及びアルミニウムの反応層と、アルミニウムまたはアルミニウム合金層とから構成されたものである接合構造物である。
【選択図】図３

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、アルミニウムまたはアルミニウム合金（この明細書では、これらをまとめて「アルミニウム」と総称することがある）製の部材と、銅または銅合金（この明細書では、これらをまとめて「銅」と総称することがある）製の部材とを用いた異種金属材料（以下、単に「異材」という）の接合方法に関する。また、本発明は、アルミニウム部材と銅部材との異材接合を備えた接合構造物に関するものである。
【０００２】
ここでいう接合構造物とは、アルミニウム及び銅が具備する特性を併せて活用するため、アルミニウムと銅の接合部を有する構造物である。アルミニウム及び銅が有する熱伝導性を活用する場合には、熱の発生源から伝熱によって熱を移動させる熱交換装置、例えば、半導体デバイスの冷却に使用されるヒートシンクのように、各種機器の放熱を助ける装置がある。また、両金属の導電効率に優れた特性を活用する場合には、通電効率を高めることができる電極装置、例えば、アルマイト電極のように、通電ロスを極力少なくできる機器がある。
【０００３】
【従来技術】
一般に、アルミニウム部材同士のように同種金属の接合には、融接、ろう接等、各種の接合方法が確立され実用化されている。しかし、異材接合においては、適用できる接合方法及び接合材料の組合せが限定される。特にアルミニウム部材と銅部材の接合では、接合界面にアルミニウムと銅を主成分とする非常に脆い金属間化合物が生成するため、十分な接合部の性能、特に接合強度を確保することができる接合方法が確立されていないのが現状である。
【０００４】
前述の通り、アルミニウム部材と銅部材との接合が問題となる機器としては、熱交換装置や電極装置などがあるが、特にアルミニウムも銅も熱伝導性に優れていることから、これらの両金属を組み合わせた交換装置が多用されている。その一例に集積回路（ＬＳＩ）のような半導体デバイスから発生する熱を奪って、冷却するためのヒートシンクがある。以下、これを例にして説明する。
【０００５】
ヒートシンクは、概略、図４および図５に示す構造のものである。図３に示す熱交換装置１は、放熱部２を構成するアルミニウム製のフィン２−１と底板２−２とからなるもので、その底板中央部に半導体デバイス等の発熱源７を配置し、その熱を底板２−２からフィン２−１へ伝導させて放熱する。このような装置では、矢印で示すように、発熱源からの熱の流れは中央部のフィンに集中し、多数のフィンに均等に伝わり難いために放熱効率が低い。これを改良したのが図５に示す構造のものである。
【０００６】
図５に示すヒートシンクは、底板２−２と発熱源７との間に熱拡散用の基板３を設けたものである。この基板３は、アルミニウムよりも熱伝導率の大きい銅または銅合金製である。したがって、発熱源７からの熱は、基板３内を拡散し、多数のフィン２−１に均等に伝わって放熱の効率が高まる。
【０００７】
上記図５に示すヒートシンクの問題点は、基板３と放熱部の底板２−２との接合にある。すなわち、前者は銅、後者はアルミニウムであるから、いわゆる異材接合となるが、接着剤による接合、ろう付、はんだ付等の通常の接合では、接合強度が不十分である。アルミニウムと銅では熱膨脹率が異なるから、加熱−冷却の繰り返しによって接合部には熱疲労が発生し、脆弱な接合部はこれに耐えきれず剥離することになる。
【０００８】
さらに、前述の通り、放熱部はアルミニウム製であり、しかも多数の薄いフィンを備えているので、基板との接合前後あるいは接合中に加圧して接合強度を高めるという手段も採り難い。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
従来から、アルミニウムと銅の異材接合に関して、拡散接合、摩擦圧接及び爆着等の固相接合法の適用が検討されており、一部では実用化に至っている接合方法もある。しかし、これらの接合方法では、接合体の形状に制限があり、特に電子部品等に代表される精密部品への適用は困難である。
【００１０】
一方、ろう付は、金属の接合法として従来から汎用されている技術であり、簡易であるとともに、被接合材に自由度が大きいことから、精密部品への適用も容易である。したがって、今後の精密部品の加工において、さらなる低コスト化の要請も予測されることから、アルミニウムと銅の異材接合におけるろう付接合の適用が大きな課題となっている。
【００１１】
本発明は、上述した従来の問題点や課題に鑑みてなされたものであり、汎用されている接合技術であるろう付を採用して、アルミニウム製の部材と銅製の部材とを強固に接合する新しい方法を提供するとともに、アルミニウム製の部材と銅製の部材との異材接合を備えた構造物であっても、これらの接合強度に優れ、上述した問題のない接合構造物を提供することを目的としている。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、上述の課題を解決するため、市販のろう材を用いてろう付を行い、その際に生じる現象を把握するとともに、アルミニウムと銅の異材接合におけるろう付特性について種々検討を行った。
【００１３】
図１は、アルミニウム（Ａｌ）と銅（Ｃｕ）を直接ろう付した異材接合におけるろう付部分の代表的な組織を模式的に示した図である。接合条件は、後述する実施例のろう付条件と同じである。同図に示すように、Ａｌ−Ｃｕの接合部には、層状の生成相５と、不定形の生成相６が形成されるが、これらはいずれもＡｌ−Ｃｕの金属間化合物である。
【００１４】
Ａｌ−Ｃｕの接合部の特性を明確にするため、アルミニウムと銅の母材及びこれらの金属間化合物の硬さを測定した。アルミニウム母材及び銅母材がともにＨｖ１００以下であるのに対し、層状の金属間化合物相５及び不定形な金属間化合物相６の硬度はＨｖ５００〜６００であり、母材に比べて著しく硬く、脆弱な組織であることが分かる。
【００１５】
次に、接合部における脆弱なＡｌ−Ｃｕの金属間化合物の生成を回避するため、銅の接合面に薄い金属層を形成した後、ろう付にて接合を行った。上記の金属層は、後述する実施例で示す条件で、銀箔を固相拡散接合することによって構成してもよく、また、銅表面に銀箔を圧着して構成した銅−銀のクラッド材を用いてもよい。
【００１６】
図２は、アルミニウム（Ａｌ）と銅（Ｃｕ）の接合面に固相拡散接合で形成された金属層（Ａｇ）との接合におけるろう付部分の代表的な組織を模式的に示した図である。Ｃｕ−Ａｇの接合部は、固相拡散接合時の状態が保持されており、ろう付により組織的な変化は観察されず、アルミニウムや銅の反応やそれによる脆弱な金属間化合物の形成も認められない。
【００１７】
一方、銀とアルミニウムの接合部には、ろう材、Ａｇ及びＡｌの反応層８が形成され、さらに、この反応層７中にはＡｌ−Ａｇの金属間化合物が生成された領域９が存在するようになる。図１の場合と同様に、Ａｌ−Ａｇの金属間化合物が生成された領域９の硬さを測定したが、Ｈｖ３５０程度であり、アルミニウム母材及び銅母材よりも硬いものであるが、Ａｌ−Ａｇのマトリックス相へ網目状に生成された構造であり、優れた接合強度を発揮することが分かる。
【００１８】
すなわち、アルミニウムと銅の異種金属を直接ろう付する場合には、接合部に脆弱な金属間化合物が生成するのを完全には避けることができないが、脆弱な金属間化合物を形成することがない、金属層を一方の母材金属の表面に形成し、この金属層と他の母材金属の表面とをろう付することによって、接合強度に優れた異材接合が可能になる。
【００１９】
本発明は、上記の知見に基づいて完成されたものであり、下記（１）の接合方法並びに（２）及び（３）の接合構造物を要旨としている。
（１）アルミニウム部材と銅部材との接合に際して、前記銅部材の接合面に金属層を形成し、この金属層と前記アルミニウム部材の接合面とろう付することを特徴とするアルミニウム部材と銅部材の接合方法である。
（２）アルミニウムまたはアルミニウム合金製の部材と銅または銅合金製の部材との接合面の間に金属層と、ろう材、当該金属及びアルミニウムの反応層とを有し、前記金属層は銅または銅合金製の部材の接合面に構成されたものであることを特徴とする接合構造物である。
（３）アルミニウムまたはアルミニウム合金製の部材と銅または銅合金製の部材との接合断面が、銅または銅合金層と、この銅または銅合金層に形成され残存した金属層と、ろう材、当該金属及びアルミニウムの反応層と、アルミニウムまたはアルミニウム合金層とから構成されたものであることを特徴とする接合構造物である。
【００２０】
上記（１）〜（３）の金属層は、銀箔を固相拡散接合することによって構成することができるが、量産性を考慮すると、銅−銀箔のクラッド材を用いるのが望ましい。
【００２１】
さらに、金属層の厚さは２０μｍ以上にするのが望ましく、また、ろう付はＡｌ−Ｓｉ系の合金ろう材を用いるのが望ましい。
【００２２】
さらに、上記（３）の接合構造物では、反応層には当該金属−アルミニウム金属間化合物が網目状に生成した領域を含むが否かを判断するのが望ましい。
【００２３】
しかしながら、後述する図３に示すように、金属層を銀（Ａｇ）とした場合に、Ａｌ−Ａｇの金属間化合物が生成された領域が反応層中に層状に存在して観察されるが、この領域を超えた広い範囲においてもＡｌ−Ａｇの金属間化合物の生成が観られる。この範囲においても、所定の接合強度が確保できることを確認している。
【００２４】
したがって、本発明の接合構造物では、単にＡｌ−Ａｇの金属間化合物が網目状に生成された領域の存否を判断するのではなく、ろう材、ＡｇおよびＡｌの反応によって構成された反応層中で、マトリックス相へ網目状に生成するＡｌ−Ａｇの金属間化合物が存在するか否かを判断することになる。
【００２５】
【発明の実施の形態】
本発明の接合方法は、銅部材の接合面に金属層を形成し、この金属層と前記アルミニウム部材とをろう付することを特徴としている。本発明が対象とするろう材には、アルミニウム部材同士のろう付材料として、市販のＡｌ−Ｓｉ系の合金ろうを使用することができる。
【００２６】
本発明で金属層を形成する金属材料としては、銅とのろう付け特性に優れ、かつアルミニウムとのろう付性にも優れたものである必要がある。本発明のように、Ａｌ−Ｓｉ系のろう材でアルミニウムとの接合を対象とする場合には、銀を用いるのが望ましい。
【００２７】
これは、Ａｌ−Ｓｉ系ろう材によるアルミニウムと銀のろう付部には、ろう材、銀及びアルミニウムの反応層が形成され、さらに、この反応層にアルミニウムと銀との金属間化合物が生成された領域が存在するようになる。このＡｌ−Ａｇの金属間化合物は、Ａｌ−Ａｇのマトリックス相へ網目状に生成された構造であり、優れた接合強度を発揮することができる。さらに、銀は銅との接合性にも優れていることによる。
【００２８】
銀による金属層の厚さは、ろう付時に生じる液相が銅接合面と接触することを防ぐ必要があることから、２０μｍ以上確保するのが望ましい。一方、Ａｌ−Ａｇの金属間化合物が形成される領域は金属層の厚さに依存しないので、直接、金属層の厚さは接合強度に影響を及ぼさない。このため、本発明では金属層の厚さの上限を規定しない。
【００２９】
本発明の接合方法で採用するろう付の条件は、特に限定されるものではなく、対象となるろう材に基づいて慣用されている接合条件（温度、時間、荷重等）であればよい。
【００３０】
本発明の接合構造物は、例示したヒートシンクに代表される熱交換装置に限定されるものではなく、前述の通り、アルミニウム及び銅の導電効率に優れた特性を活用する場合には、通電効率を高めることができる電極装置、例えば、アルマイト電極のように、通電ロスを極力少なくできる機器に適用することができる。
【００３１】
【実施例】
（実施例１）
本発明の接合方法による接合強度に及ぼす効果を確認するため、アルミニウム部材（工業用純アルミニウム…ＪＩＳ　Ｈ　４０００相当）と銅部材（工業用純銅…ＪＩＳ　Ｈ３１００　相当）を接合する試験を行った。
【００３２】
まず、銅部材の表面に金属層を形成するため、銅部材の表面に鏡面仕上げ加工を施したのち、厚さ１００μｍの工業用銀箔（Ａｇ≧９９．９％）を銅部材の表面に接触するように載置し、固相拡散処理を行った。このときの拡散条件は、拡散温度が７６５℃で、拡散時間を５Ｈｒとして、接触荷重は０．２６Ｋｇｆ／ｍｍ^２とした。拡散接合は、５×１０^−５Ｔｏｒｒの真空中で、加圧には油圧を用いた。
【００３３】
上記の金属層を形成した後、市販のＡｌ−１０Ｓｉ−１．５Ｍｇ−０．１Ｂｉ系の合金ろうを厚さ１００μｍの箔ろう材に加工して、金属層とアルミニウム部材のろう付けを行った。接合に際して、接合面をアセトンで充分に脱脂した後、スプリングで０．０３ｋｇｆ／ｍｍ^２を付加し、３×１０^−５Ｔｏｒｒの真空中において、接合温度が５５０℃で１０ｍｉｎの条件で炉中ろう付とした。
【００３４】
上記の接合処理の後、接合部材から２０ｍｍ×５２．５ｍｍ×３ｍｍの試料を５．２ｍｍ重ね合わせて接合した試験片を作製して、試験数５で引張破壊試験を実施した。
【００３５】
なお、比較のために、金属層を形成することなく、直接、Ａｌ−１０Ｓｉ−１．５Ｍｇ−０．１Ｂｉ系の厚さ１００μｍの箔ろう材を用いて、銅部材とアルミニウム部材とのろう付接合を実施した。ろう付の条件は、本発明例と同じにした。表１に各試験数５での引張破壊試験よる破断強度、伸び及び破壊位置の測定結果を示す。
【００３６】
【表１】

【００３７】
表１の結果から明らかなように、比較例における破断は、母材金属の変形をほとんど伴わない脆性的な破壊であり、最高荷重点における瞬時破壊であった。これに対し、本発明例では、充分な母材の変形を伴う延性破壊であり、接合部では破壊せず、アルミニウム母材で破壊した。
【００３８】
（実施例２）
本発明の接合構造物の接合断面を観察するため、実施例１と同様に、アルミニウム部材（工業用純アルミニウム…ＪＩＳ　Ｈ　４０００相当）と銅部材（工業用純銅…ＪＩＳ　Ｈ　３１００相当）を接合する試験を行った。
【００３９】
実施例２では、銅部材の表面に金属層を形成するため、厚さ１００μｍの工業用銀箔（Ａｇ≧９９．９％）を銅部材に圧着した、市販の銅−銀クラッド材を用いた。このクラッド材に市販のＡｌ−１０Ｓｉ−１．５Ｍｇ−０．１Ｂｉ系の合金ろうを厚さ１００μｍの箔ろう材に加工して、金属層とアルミニウム部材のろう付けを行った。
【００４０】
接合条件は実施例１と同様とし、接合面をアセトンで充分に脱脂した後、スプリングで０．０３ｋｇｆ／ｍｍ^２を付加し、３×１０^−５Ｔｏｒｒの真空中において、接合温度が５５０℃で１０ｍｉｎの条件で炉中ろう付とした。接合処理の後、接合部材から接合断面の観察用試料を作製して、電子顕微鏡で金属組織を観察した。
【００４１】
図３は、電子顕微鏡による接合断面の金属組織を観察した結果を示す図である。同図に示すように、接合断面は図面の右方より、Ｃｕ層、Ａｇ層、反応層及びＡｌ層で構成されている。Ａｇ層は処理前には厚さ１００μｍであったが、接合処理後に残存した層厚さは３０〜４０μｍとなっていた。また、図３に示す接合処理後のＡｇ層では、一部にＡｌ拡散層を含んでいた。
【００４２】
反応層はろう材、ＡｇおよびＡｌの反応によって構成されたものであり、ろう材に含有されるＳｉの析出が観察される。さらに、この反応層にＡｌ−Ａｇの金属間化合物が生成された領域が存在するようになる。この金属間化合物の組成はＡｇ_２Ａｌであって、その構造はＡｌ−Ａｇのマトリックス相へ網目状に生成されたものである。このため、Ａｌ−Ａｇの接合断面において優れた接合強度を発揮することが分かる。
【００４３】
図３では、Ａｌ−Ａｇの金属間化合物が生成された領域が反応層中に層状に存在しているように構成されているが、この領域を超えた広い範囲においてもＡｌ−Ａｇの金属間化合物の生成が観察される。したがって、この領域はＡｌ−Ａｇの金属間化合物が高濃度に生成した領域を示しているのである。また、この領域を超えてＡｌ−Ａｇの金属間化合物の生成が観察される範囲では、所定の接合強度が確保できることを確認している。
【００４４】
【発明の効果】
本発明の接合方法によれば、アルミニウム部材と銅部材という異種材料であっても、汎用されているろう付に両部材を強固に接合することができる。さらに、アルミニウム製の部材と銅製の部材との異材接合を備えた構造物であっても、これらの接合強度に優れ、最適な熱交換装置や電極装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】アルミニウム（Ａｌ）と銅（Ｃｕ）を直接ろう付した異材接合におけるろう付部分の代表的な組織を模式的に示した図である。
【図２】アルミニウム（Ａｌ）と銅（Ｃｕ）の接合面に固相拡散接合で形成された金属層（Ａｇ）との接合におけるろう付部分の代表的な組織を模式的に示した図である。
【図３】電子顕微鏡による接合断面の金属組織を観察した結果を示す図である。
【図４】従来のヒートシンクの一例を示す縦断面図である。
【図５】従来のヒートシンクの改良例を示す縦断面図である。
【符号の説明】
１…熱交換装置（ヒートシンク）、
２…放熱部、２−１…放熱部のフィン
２−２…放熱部の底板
３…基板、　４…接合層
５…層状の金属化合物相
６…不定型な金属間化合物相
７…発熱体、８…反応層
９…Ａｌ−Ａｇ金属間化合物の生成領域

Claims (10)

1. アルミニウムまたはアルミニウム合金製の部材と銅または銅合金製の部材との接合に際して、前記銅または銅合金製の部材の接合面に金属層を形成し、この金属層と前記アルミニウムまたはアルミニウム合金製の部材の接合面とろう付することを特徴とするアルミニウムまたはアルミニウム合金製の部材と銅または銅合金製の部材との接合方法。
2. 上記銅または銅合金製の部材の接合面に形成される金属層は、銀で構成されることを特徴とする請求項１に記載のアルミニウムまたはアルミニウム合金製の部材と銅または銅合金製の部材との接合方法。
3. 上記銅または銅合金製の部材の接合面に形成される金属層の厚さは２０μｍ以上であることを特徴とする請求項１または２に記載のアルミニウムまたはアルミニウム合金製の部材と銅または銅合金製の部材との接合方法。
4. Ａｌ−Ｓｉ系の合金ろう材を用いてろう付することを特徴とする請求項１に記載のアルミニウムまたはアルミニウム合金製の部材と銅または銅合金製の部材との接合方法。
5. アルミニウムまたはアルミニウム合金製の部材と銅または銅合金製の部材との接合面の間に金属層と、ろう材、当該金属及びアルミニウムの反応層とを有し、前記金属層は銅または銅合金製の部材の接合面に構成されたものであることを特徴とする接合構造物。
6. 上記金属層は、銀で構成されたものであることを特徴とする請求項５に記載の接合構造物。
7. 上記ろう材は、Ａｌ−Ｓｉ系の合金ろうであることを特徴とする請求項５または６に記載の接合構造物。
8. アルミニウムまたはアルミニウム合金製の部材と銅または銅合金製の部材との接合断面が、銅または銅合金層と、この銅または銅合金層に形成され残存した金属層と、ろう材、当該金属及びアルミニウムの反応層と、アルミニウムまたはアルミニウム合金層とから構成されたものであることを特徴とする接合構造物。
9. 上記反応層には当該金属−アルミニウム金属間化合物が網目状に生成した領域を含むことを特徴とする請求項８に記載の接合構造物。
10. 上記金属層は、銀で構成されたものであることを特徴とする請求項８または９に記載の接合構造物。

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