JP2012201890A - 積層体、導電材料および積層体の製造方法 - Google Patents

積層体、導電材料および積層体の製造方法 Download PDF

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Abstract

【課題】界面強度が高い、銅皮膜をアルミニウム基材に積層した積層体、またはアルミニウム皮膜を銅基材に積層した積層体をコールドスプレー法により製造する。
【解決手段】本発明の積層体１０は、アルミニウム又はアルミニウムを含む合金によって形成された基材１と、基材１表面に、銀、金、クロム、鉄、ゲルマニウム、マンガン、ニッケル、ケイ素または亜鉛から選択されるいずれか１種の金属または非金属、あるいは前記いずれか１種の金属を含む合金から形成される中間層２と、中間層２の表面に、銅または銅を含む合金の粉末材料を該粉末材料の融点より低い温度に加熱されたガスと共に加速し、前記中間層に固相状態のままで吹き付けて堆積させた皮膜層３と、を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、積層体、導電材料および積層体の製造方法に関するものである。
近年、溶射法の１種として、材料粉末を高温、高速にして基材に吹き付けることにより、該材料粉末を基材に堆積・コーティングするコールドスプレー方法が注目されている。コールドスプレー方法では、材料粉末の融点または軟化点以下に加熱した不活性ガスとともに先細末広（ラバル）ノズルから噴射して、皮膜となる材料を固相状態のまま基材に衝突させることによって基材の表面に皮膜を形成させるため、相変態がなく酸化も抑制された金属皮膜を得ることができる。
従来、コールドスプレー方法として、基材の温度を所定温度に温度制御した後、材料粉末を噴射する技術や（例えば、特許文献１参照）、基材および／または不活性ガスの温度を制御して金属皮膜を形成する技術が開示されている（例えば、特許文献２参照）。
特開２００８−３０２３１７号公報 特開２００８−１２７６７６号公報
ところで、コールドスプレー法により金属皮膜を形成した積層体を導電材料等に使用する場合、高い導電性を備えた積層体が好適に使用される。しかしながら、コールドスプレー法により積層された積層体は所望する導電性を有していないため、アニール処理を行う必要がある。
銅をアニール処理する場合、通常３００〜６００℃程度でアニール処理を行っているが、アルミニウム基材に銅皮膜を積層した積層体においては、アニール温度を６００℃まで上げることはできない。一般に、高い温度でアニール処理を行うほど、銅皮膜の加工性および導電性の向上を期待できるが、銅／アルミニウム積層体を２５０℃以上の温度でアニール処理すると、銅とアルミニウムの界面で金属間化合物が生成され、界面の強度低下および積層体の抵抗が増大するという問題を有していた。
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、コールドスプレー法を用いて銅皮膜をアルミニウム基材に積層、またはアルミニウム皮膜を銅基材に積層した積層体において、該積層体の界面での金属間化合物の生成を抑制し、積層体の界面の強度の低下を防止するとともに積層体、該積層体を使用する導電材料および積層体の製造方法を提供することを目的とする。
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明にかかる積層体は、アルミニウム又はアルミニウムを含む合金によって形成された基材と、前記基材の表面に、銀、金、クロム、鉄、ゲルマニウム、マンガン、ニッケル、ケイ素または亜鉛から選択されるいずれか１種の金属または非金属、あるいは前記いずれか１種の金属を含む合金から形成される中間層と、前記中間層の表面に、銅または銅を含む合金の粉末材料を該粉末材料の融点より低い温度に加熱されたガスと共に加速し、前記中間層に固相状態のままで吹き付けて堆積させた皮膜層と、を備えることを特徴とする。
また、本発明にかかる積層体は、銅又は銅を含む合金によって形成された基材と、前記基材の表面に、銀、金、クロム、鉄、ゲルマニウム、マンガン、ニッケル、ケイ素または亜鉛から選択されるいずれか１種の金属または非金属、あるいは前記いずれか１種の金属を含む合金から形成される中間層と、前記中間層の表面に、アルミニウムまたはアルミニウムを含む合金の粉末材料を該粉末材料の融点より低い温度に加熱されたガスと共に加速し、前記中間層に固相状態のままで吹き付けて堆積させた皮膜層と、を備えることを特徴とする。
また、本発明にかかる積層体は、上記発明において、前記積層体は、前記皮膜層を形成後、所定温度で加熱処理したことを特徴とする。
また、本発明にかかる積層体は、上記発明において、前記加熱処理温度は、３００〜５００℃であることを特徴とする。
また、本発明にかかる積層体は、上記発明において、前記中間層は、前記元素の多層積層体であることを特徴とする。
また、本発明にかかる積層体は、上記発明において、前記中間層の厚さは０．２〜２０μｍであることを特徴とする。
また、本発明にかかる積層体は、上記発明において、前記中間層は、溶射、コールドスプレー、メッキ、スパッタリング、またはＣＶＤにより形成することを特徴とする。
また、本発明の導電材料は、上記のいずれか一つに記載の積層体を使用することを特徴とする。
また、本発明にかかる積層体の製造方法は、アルミニウム又はアルミニウムを含む合金によって形成された基材の表面に、銀、金、クロム、鉄、ゲルマニウム、マンガン、ニッケル、ケイ素または亜鉛から選択されるいずれか１種の金属または非金属、あるいは前記いずれか１種の金属を含む合金から形成される中間層を形成する中間層形成ステップと、前記中間層の表面に、銅または銅を含む合金の粉末材料を該粉末材料の融点より低い温度に加熱されたガスと共に加速し、前記中間層に固相状態のままで吹き付けて堆積させて皮膜層を形成する皮膜層形成ステップと、を含むことを特徴とする。
また、本発明にかかる積層体の製造方法は、銅又は銅を含む合金によって形成された基材の表面に、銀、金、クロム、鉄、ゲルマニウム、マンガン、ニッケル、ケイ素または亜鉛から選択されるいずれか１種の金属または非金属、あるいは前記いずれか１種の金属を含む合金から形成される中間層を形成する中間層形成ステップと、前記中間層の表面に、アルミニウムまたはアルミニウムを含む合金の粉末材料を該粉末材料の融点より低い温度に加熱されたガスと共に加速し、前記中間層に固相状態のままで吹き付けて堆積させて皮膜層を形成する皮膜層形成ステップと、を含むことを特徴とする。
また、本発明にかかる積層体の製造方法は、前記皮膜層形成ステップ後、所定温度で加熱処理するアニール処理ステップを含むことを特徴とする。
本発明にかかる積層体は、アルミニウム基材と銅皮膜との間、または銅基材とアルミニウム皮膜との間に、所定の金属等から形成された中間層を設けることにより、該積層体をアニール処理した場合に発生しうるアルミニウムと銅との金属間化合物の生成を抑制して、界面での強度低下を防止し、積層体の導電性を向上するという効果を奏する。さらに、本発明の積層体は、アニール処理を行わない場合においても、長期間の使用環境下で金属間化合物の生成を抑制できるので、積層体の界面での強度を保持できるという効果を奏する。
図１は、本発明の実施の形態にかかる積層体の構成を示す模式図である。 図２は、本発明の実施の形態にかかる積層体の製造に使用されるコールドスプレー装置の概要を示す模式図である。 図３は、本発明の実施の形態に係る積層体の断面構造を示す図である。 図４は、本発明の実施の形態に係る積層体の断面構造を示す図である。 図５は、比較例にかかる積層体の断面構造を示す図である。 図６は、本発明の積層体の長時間保持試験後の断面構造を示す図である。 図７は、比較例にかかる積層体の長時間保持試験後の断面構造を示す図である。
以下、本発明を実施するための形態を図面と共に詳細に説明する。なお、以下の実施の形態により本発明が限定されるものではない。また、以下の説明において参照する各図は、本発明の内容を理解し得る程度に形状、大きさ、および位置関係を概略的に示してあるに過ぎない。すなわち、本発明は各図で例示された形状、大きさ、および位置関係のみに限定されるものではない。
まず、本発明の実施の形態にかかる積層体について、図面を参照して詳細に説明する。図１は、本発明の実施の形態にかかる積層体の構成を示す模式図である。
積層体１０は、基材１と、基材１の表面に形成した中間層２と、中間層２に後述するコールドスプレー法によって積層された金属皮膜３とからなる。
基材１は、略板状のものが使用され、アルミニウムまたはアルミニウム合金から形成される。
中間層２は、基材１の表面に、溶射、コールドスプレー、メッキ、スパッタリングまたはＣＶＤにより形成された皮膜である。中間層２は、銀、金、クロム、鉄、ゲルマニウム、マンガン、ニッケル、ケイ素または亜鉛から選択されるいずれか１種の金属または非金属、あるいは前記いずれか１種の金属を含む合金から形成される。中間層２は０．２〜２０μｍの厚さであることが好ましい。０．２μｍ未満であると、基材１と後述する金属皮膜３との間の金属間化合物の生成抑制の効果が小さくなり、また２０μｍより厚さが厚くなると、積層体１０の導電性等に影響を及ぼすおそれがあるためである。また、中間層２は、上記のいずれか１種の金属または非金属、あるいは前記いずれか１種の金属を含む合金から形成された１層構造の中間層２のほか、上記のいずれか１種の金属または非金属、あるいは前記いずれか１種の金属を含む合金からそれぞれ形成された２層以上の多層構造の中間層２としてもよい。
金属皮膜３は、中間層２を介して基材１の表面に形成された銅または銅合金の皮膜である。金属皮膜３は、銅または銅合金の粉末材料を、後述するコールドスプレー装置により、該粉末材料の融点より低い温度に加熱されたガスと共に加速し、中間層２の基材１と接する面と反対の面に固相状態のままで吹き付けて堆積させて形成する。
次に、金属皮膜３の形成について、図２を参照して説明する。図２は、金属皮膜３の形成に使用されるコールドスプレー装置の概要を示す模式図である。
コールドスプレー装置６０は、圧縮ガスを加熱するガス加熱器６１と、基材に噴射する粉末材料を収容し、スプレーガン６２に供給する粉末供給装置６３と、スプレーガン６２で加熱された圧縮ガスと混合された材料粉末を基材１に噴射するガスノズル６４とを備えている。
圧縮ガスとしては、ヘリウム、窒素、空気などが使用される。供給された圧縮ガスは、バルブ６５および６６により、ガス加熱器６１と粉末供給装置６３にそれぞれ供給される。ガス加熱器６１に供給された圧縮ガスは、例えば５０℃以上であって、金属皮膜３の材料粉末である銅または銅合金の融点以下の温度に加熱された後、スプレーガン６３に供給される。圧縮ガスの加熱温度は、好ましくは３００〜９００℃である。
粉末供給装置６３に供給された圧縮ガスは、粉末供給装置６３内の、例えば、粒径が１０〜１００μｍ程度の材料粉末をスプレーガン６２に所定の吐出量となるように供給する。加熱された圧縮ガスは先細末広形状をなすガスノズル６４により超音速流（約３４０ｍ／ｓ以上）にされる。また、圧縮ガスのガス圧力は、１〜５ＭＰａ程度とすることが好ましい。圧縮ガスの圧力を１〜５ＭＰａ程度とすることにより、基材１と金属皮膜３との間の密着強度の向上を図ることができる。２〜４ＭＰａ程度の圧力で処理することが好ましい。スプレーガン６２に供給された粉末材料は、この圧縮ガスの超音速流の中への投入により加速され、固相状態のまま基材に高速で衝突して皮膜を形成する。なお、材料粉末を基材１に固相状態で衝突させて皮膜を形成できる装置であれば、図２のコールドスプレー装置６０に限定されるものではない。
金属皮膜３を、中間層２を介して基材１上にコールドスプレー装置により形成した後、積層体１０を所定温度で加熱処理するアニール処理を行う。アニール処理温度は、３００〜５００℃で行うことが好ましい。３００℃以上の温度で加熱することにより、銅または銅合金からなる金属皮膜３の硬度を低下して加工性を向上させるとともに、積層体１０の導電性を向上することができる。また、５００℃以下の温度とすることで、積層体１０への加熱による影響を少なくすることができる。
本発明の実施の形態にかかる積層体１０は、アルミニウムまたはアルミニウム合金からなる基材１とコールドススプレー装置６０により積層される銅または銅合金の金属皮膜３との間に、アルミニウムと銅との金属間化合物の形成を抑制する所定の金属等からなる中間層２を形成するため、より高い温度でアニール処理を行うことが可能となり、積層体１０の界面での強度低下を抑制しながら、積層体１０の加工性および導電性向上を図ることができる。
なお、上記の本発明の実施の形態は、アルミニウムまたはアルミニウムを基材１として選択し、銀、金、クロム、鉄、ゲルマニウム、マンガン、ニッケル、ケイ素または亜鉛から選択されるいずれか１種の金属または非金属、あるいは前記いずれか１種の金属を含む合金からなる中間層２を基材１上に形成し、銅または銅合金からなる金属皮膜３をコールドスプレー装置６０により中間層２の表面に形成した積層体１０について説明したが、銅または銅合金を基材１として選択し、銀、金、クロム、鉄、ゲルマニウム、マンガン、ニッケル、ケイ素または亜鉛から選択されるいずれか１種の金属または非金属、あるいは前記いずれか１種の金属を含む合金からなる中間層２を基材１上に形成し、アルミニウムまたはアルミニウム合金からなる金属皮膜３をコールドスプレー装置６０により中間層２の表面に形成する積層体１０についても同様にして製造することができる。
中間層２を介して銅または銅合金からなる基材１上にアルミニウムまたはアルミニウム合金の金属皮膜３を形成する場合、コールドスプレー装置６０で使用する圧縮ガスは、例えば５０℃以上であって、金属皮膜３の材料粉末であるアルミニウムまたはアルミニウム合金の融点以下、好ましくは２００〜４００℃に加熱して行う。
銅または銅合金からなる基材１とコールドススプレー装置６０により積層されるアルミニウムまたはアルミニウム合金の金属皮膜３との間に、アルミニウムと銅との金属間化合物の形成を抑制する所定の元素からなる中間層２を形成した本発明の積層体１０は、高い温度でアニール処理を行うことが可能となり、積層体１０の界面での強度低下を抑制しながら、積層体１０の加工性および導電性向上を図ることができる。
（実施例１）
アルミニウムからなる基材１に、メッキ法により銀またはニッケルの中間層２（厚さ：５μｍ）を形成し、コールドスプレー装置６０により銅の金属皮膜３を中間層２の基材１と接する面と反対側の面に形成して（圧縮ガス温度：８００℃、ガス圧力：５ＭＰａ）、積層体１０を形成した。この積層体１０を、真空中、４００℃で、アニール処理を４時間行い、アルミニウムと銅との金属間化合物の形成について確認した。また、比較例として、アルミニウムからなる基材１に、所定の中間層２を形成しないで、コールドスプレー装置により銅の金属皮膜３を基材１表面に形成した積層体についても（圧縮ガス温度：８００℃、ガス圧力：５ＭＰａ）、同様に、真空中、４００℃で、アニール処理を４時間行い、金属間化合物の形成について確認した。
図３は、中間層２を銀で形成した本発明の実施例１にかかる積層体１０の断面構造を示す図である。図４は、中間層２をニッケルで形成した本発明の実施例１にかかる積層体１０の断面構造を示す図である。図５は、比較例にかかる積層体の断面構造を示す図である。
図５に示すように、比較例では、中間層２を有していないため、真空中、４００℃、４時間アニール処理により金属間化合物がおよそ１６μｍの厚みで形成されている。これに対し、厚さ５μｍの銀を中間層２としてメッキ法により形成した積層体１０では、図３に示すように、金属間化合物がおよそ１１μｍの厚みに生成が抑制されていることがわかる。また、厚さ５μｍのニッケルを中間層２としてメッキ法により形成した積層体１０では、図４に示すように、金属間化合物がおよそ２μｍの厚みまで生成が抑制された。
（実施例２）
アルミニウムからなる基材１に、メッキ法によりニッケルの中間層２（厚さ：２μｍ）を形成し、コールドスプレー装置６０により銅の金属皮膜３を中間層２の基材１と接する面と反対側の面に形成して（圧縮ガス温度：８００℃、ガス圧力：５ＭＰａ）、積層体１０を形成した。この積層体１０を、大気中、２５０℃、３００時間保持して、積層体１０の使用環境下における長時間保持試験を行った。また、比較例として、アルミニウムからなる基材１に、所定の中間層２を形成しないで、コールドスプレー装置により銅の金属皮膜３を基材１表面に形成した積層体についても（圧縮ガス温度：８００℃、ガス圧力：５ＭＰａ）、同様に、大気中、２５０℃、３００時間保持して長時間保持試験を行った。
図６は、中間層２をニッケルで形成した本発明の実施例２にかかる積層体１０の長時間保持試験後の断面構造を示す図である。図７は、比較例にかかる積層体の長時間保持試験後の断面構造を示す図である。
図７に示すように、比較例では、大気中、２５０℃、３００時間の長時間保持試験において、約６μｍの厚みの金属間化合物が形成された。これに対し、厚さ２μｍのニッケルを中間層２としてメッキ法により形成した積層体１０では、図６に示すように、金属間化合物の層がほとんど認められず、金属間化合物の生成が抑制されていることがわかる。
以上のように、本発明にかかる積層体、該積層体を使用する導電材料、および積層体の製造方法は、導電部材の製造に有用である。
１ 基材
２ 中間層
３ 金属皮膜
１０ 積層体
６０ コールドスプレー装置
６１ ガス加熱器
６２ スプレーガン
６３ 粉末供給装置
６４ ガスノズル

Claims (11)

  1. アルミニウム又はアルミニウムを含む合金によって形成された基材と、
    前記基材表面に、銀、金、クロム、鉄、ゲルマニウム、マンガン、ニッケル、ケイ素または亜鉛から選択されるいずれか１種の金属または非金属、あるいは前記いずれか１種の金属を含む合金から形成される中間層と、
    前記中間層の表面に、銅または銅を含む合金の粉末材料を該粉末材料の融点より低い温度に加熱されたガスと共に加速し、前記中間層に固相状態のままで吹き付けて堆積させた皮膜層と、
    を備えることを特徴とする積層体。
  2. 銅又は銅を含む合金によって形成された基材と、
    前記基材表面に、銀、金、クロム、鉄、ゲルマニウム、マンガン、ニッケル、ケイ素または亜鉛から選択されるいずれか１種の金属または非金属、あるいは前記いずれか１種の金属を含む合金から形成される中間層と、
    前記中間層の表面に、アルミニウムまたはアルミニウムを含む合金の粉末材料を該粉末材料の融点より低い温度に加熱されたガスと共に加速し、前記中間層に固相状態のままで吹き付けて堆積させた皮膜層と、
    を備えることを特徴とする積層体。
  3. 前記積層体は、前記皮膜層を形成後、所定温度で加熱処理したことを特徴とする請求項１または２に記載の積層体。
  4. 前記加熱処理温度は、３００〜５００℃であることを特徴とする請求項３に記載の積層体。
  5. 前記中間層は、前記いずれか１種の金属または非金属、あるいは前記いずれか１種の金属を含む合金の多層積層体であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一つに記載の積層体。
  6. 前記中間層の厚さは０．２〜２０μｍであることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一つに記載の積層体。
  7. 前記中間層は、溶射、コールドスプレー、メッキ、スパッタリングまたはＣＶＤにより形成することを特徴とする請求項１〜６のいずれか一つに記載の積層体。
  8. 請求項３〜７のいずれか一つに記載の積層体を使用することを特徴とする導電材料。
  9. アルミニウム又はアルミニウムを含む合金によって形成された基材の表面に、銀、金、クロム、鉄、ゲルマニウム、マンガン、ニッケル、ケイ素または亜鉛から選択されるいずれか１種の金属または非金属、あるいは前記いずれか１種の金属を含む合金から形成される中間層を形成する中間層形成ステップと、
    前記中間層の表面に、銅または銅を含む合金の粉末材料を該粉末材料の融点より低い温度に加熱されたガスと共に加速し、前記中間層に固相状態のままで吹き付けて堆積させて皮膜層を形成する皮膜層形成ステップと、
    を含むことを特徴とする積層体の製造方法。
  10. 銅又は銅を含む合金によって形成された基材の表面に、銀、金、クロム、鉄、ゲルマニウム、マンガン、ニッケル、ケイ素または亜鉛から選択されるいずれか１種の金属または非金属、あるいは前記いずれか１種の金属を含む合金から形成される中間層を形成する中間層形成ステップと、
    前記中間層の表面に、アルミニウムまたはアルミニウムを含む合金の粉末材料を該粉末材料の融点より低い温度に加熱されたガスと共に加速し、前記中間層に固相状態のままで吹き付けて堆積させて皮膜層を形成する皮膜層形成ステップと、
    を含むことを特徴とする積層体の製造方法。
  11. 前記皮膜層形成ステップ後、所定温度で加熱処理するアニール処理ステップを含むことを特徴とする請求項９または１０に記載の積層体の製造方法。
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