JP2012240112A - 活性金属ろう材 - Google Patents

Abstract

【課題】Ａｇ−Ｃｕ−Ｔｉ合金活性金属ろう材の加工性を改善し、従来よりも高い加工率で微小寸法に加工可能な活性金属ろう材を提供する。
【解決手段】本発明は、２０〜４０重量％のＣｕ、１．０〜３．０重量％のＴｉ、１．２〜６．０重量％のＳｎ、残部がＡｇのＡｇ−Ｃｕ−Ｔｉ−Ｓｎ合金よりなり、Ａｇ−Ｃｕ合金マトリックス中にＳｎ−Ｔｉ金属間化合物、又は、Ｃｕ−Ｔｉ金属間化合物が分散する金属組織を有する活性金属ろう材であって、 ＴｉおよびＳｎの重量比Ｓｎ／Ｔｉが１．２以上であり、更に、前記金属間化合物の粒子径が２０μｍ以下である活性金属ろう材である。この活性金属ろう材は、上記組成のＡｇ−Ｃｕ−Ｔｉ−Ｓｎ合金を溶解鋳造した後に、加工率９０％以上の塑性加工を施すことで、金属間化合物を微細化して製造することができる。
【選択図】なし

Description

本発明は、セラミックス等の接合に用いられる活性金属ろう材に関するものである。

セラミックス同士、セラミックスと金属との接合に用いられる活性金属ろう材として、Ａｇ−Ｃｕ合金に活性金属成分であるＴｉが添加されたＡｇ−Ｃｕ−Ｔｉ合金が従来から知られている。この活性金属ろう材は、原料を真空溶解炉で溶解、鋳造し、圧延加工等により薄い板状とし、プレス加工にて所望の形状に打ち抜いて使用されることが多い。

この活性金属ろう材の問題として、その加工性が挙げられ、上記の製造・加工工程において、材料に割れ、断線、破断が起こりやすい。これは、Ａｇ−Ｃｕ−Ｔｉ合金においては、鋳造凝固時にＡｇ−Ｃｕ合金素地中に５０〜１００μｍの大きなＣｕとＴｉからなる金属間化合物が析出するためである。この金属間化合物は非常に硬く強いために、その後の塑性加工時に分断されず、析出段階からその大きさをほぼ維持する。そのため、その化合物粒子径に近い寸法の形状までの加工を施すと、割れ等を生じさせる。そして、例えば、板形状に加工する場合、その厚みは１００μｍが限界となり、それ以下の厚みまでの加工が不可能となっている。この点、近年の電子・電気部品の小型化の進行に伴い、使用される活性金属ろう材にも薄型、微細なものが要求されており、これまでのＡｇ−Ｃｕ−Ｔｉ合金活性金属ろう材は、その市場要求に応えることができていない。

ここで、Ａｇ−Ｃｕ−Ｔｉ合金のＡｇ−Ｃｕ合金素地中に析出するＣｕとＴｉからなる金属間化合物の粒子径を小さくする方法もないわけではない。例えば、特許文献１では、溶解時にＡｇ−Ｃｕ−Ｔｉ合金をＣｕとＴｉの化合物の融点以上の温度に維持し、鋳造時に急冷することが知られている。

特開平７−１６７８９号公報

しかしながら、上記方法の場合、活性成分であるＴｉが酸化し易いため、溶解は高真空中で行わなければならず、溶解炉真空チャンバー内で急冷するための装置を付加するのは設備が非常に煩雑になり、その上、メンテナンス性も悪く、高額になる。

本発明は、以上のような事情を背景としてなされたものであり、Ａｇ−Ｃｕ−Ｔｉ合金活性金属ろう材の加工性を改善し、市場要求に応えることが可能な寸法に加工可能な活性金属ろう材を提供するものである。

上記課題を解決するために、本発明者らは、Ａｇ−Ｃｕ−Ｔｉ合金活性金属ろう材に第４金属元素であるＳｎを添加し、急冷凝固させることなく、Ａｇ合金素地に析出する化合物の粒子径を制御することとした。そして、このＡｇ−Ｃｕ−Ｔｉ−Ｓｎ合金活性金属ろう材の組成および製造条件について種々の実験、研究を重ねることによって、次のようなＡｇ−Ｃｕ−Ｔｉ−Ｓｎ合金活性金属ろう材を見出すに至った。

即ち、本発明は、２０〜４０重量％のＣｕ、１．０〜３．０重量％のＴｉ、１．２〜６．０重量％のＳｎ、残部がＡｇのＡｇ−Ｃｕ−Ｔｉ−Ｓｎ合金よりなり、Ａｇ−Ｃｕ合金マトリックス中にＳｎ−Ｔｉ金属間化合物、又は、Ｃｕ−Ｔｉ金属間化合物が分散する金属組織を有する活性金属ろう材であって、 ＴｉおよびＳｎの重量比Ｓｎ／Ｔｉが１．２以上であり、更に、前記金属間化合物の粒子径が２０μｍ以下である活性金属ろう材である。

本発明に係る活性金属ろう材は、第４金属元素としてＳｎを添加するものであるが、これはＳｎがＴｉ、Ｃｕと結合することにより生成する金属間化合物は、Ｃｕ−Ｔｉ金属間化合物よりも優先的に生成する傾向に基づくものである。これにより、Ｃｕ−Ｔｉ金属間化合物の生成が抑制されることとなり、Ｃｕ−Ｔｉ金属間化合物が全く生成しないわけではないが、粗大なものが生じ難くなっている。

また、Ｓｎ添加により生成する金属間化合物は、Ｓｎ−Ｔｉ又はＳｎ−Ｔｉ−Ｃｕからなるものであるが（前者の方が存在割合は大きい）、この金属間化合物は比較的微細（１００μｍ以下程度）である。更に、これら金属間化合物（Ｓｎ−Ｔｉ、Ｓｎ−Ｔｉ−Ｃｕ）は、微細であることに加え、加工により更に微細化することができ、その粒径を２０μｍ以下に微細化することで、加工性を良好にすることができる。尚、本発明における金属間化合物の粒径（２０μｍ以下）の意義は、金属間化合物の最大粒子径である。金属間化合物の形状は、球形のものだけではなく長尺の不定形ものもみられるが、その場合には長軸方向の長さを粒径とする。また、粒径の下限値は、０．１μｍが好ましい。

以上のように、本発明に係る活性金属ろう材は、Ｓｎの添加によりＳｎ−Ｔｉ又はＳｎ−Ｔｉ−Ｃｕを優先的に析出させて粗大なＣｕ−Ｔｉ発生を抑制すると共に、Ｓｎ−Ｔｉ又はＳｎ−Ｔｉ−Ｃｕの金属間化合物を微細化することで加工性を改善するものである。ここで、Ａｇ−Ｃｕ−Ｔｉ−Ｓｎ合金の組成範囲は、上記の通り、２０〜４０重量％のＣｕ、１．０〜３．０重量％のＴｉ、１．２〜６．０重量％のＳｎ、残部がＡｇである。第４金属元素であるＳｎの添加量を１．２〜６．０重量％とする。これは、Ｓｎの量が１．２重量％未満である場合、Ｃｕ−Ｔｉ金属間化合物の成長抑制効果が不十分となり、粗大なＣｕ−Ｔｉ金属間化合物が生じるおそれがあるからである。また、６．０重量％を超えると、金属間化合物の量が多くなり加工性が悪化する傾向があるからである。

また、本発明では、上記組成において、更に、ＴｉおよびＳｎの重量比Ｓｎ／Ｔｉが１．２以上とする必要がある。この重量比Ｓｎ／Ｔｉが１．２より小さい場合、粗大なＣｕ−Ｔｉ金属間化合物が析出しやすくなり、加工性を著しく悪化させるからである。また、ＴｉおよびＳｎの重量比Ｓｎ／Ｔｉは、５．０以下であることが好ましく、５．０より大きい場合は、加工性の劣化を招く。

以上説明した組成のＡｇ−Ｃｕ−Ｔｉ−Ｓｎ合金からなるろう材の製造は、一般的な溶解鋳造を基にし、溶解鋳造の段階から、粗大な金属間化合物の析出が抑制されている。この金属間化合物は、Ｓｎ−Ｔｉからなる金属間化合物が主であり、少なくともこれを含むが、部分的にＳｎ−Ｔｉ−Ｃｕからなる金属間化合物も見られる。また、Ｃｕ−Ｔｉ金属間化合物も一部形成されることがあるが、加工性を劣化させるほどの粗大な化合物は析出しない。

但し、この溶解鋳造直後の金属間化合物の粒径は、比較的微細といっても、加工性を最良とするためには多少大きいものである（１００〜５０μｍ程度である。）。そこで、本発明では、前記組成のＡｇ−Ｃｕ−Ｔｉ−Ｓｎ合金を溶解鋳造し、これに加工率９０％以上の塑性加工を施すことにより、Ａｇ合金素地中に分散している金属間化合物を分断し、その粒子径が２０μｍ以下にしている。本発明で析出する金属間化合物は、主にＳｎ−Ｔｉ、Ｓｎ−Ｔｉ−Ｃｕであるが、これらは、Ｃｕ−Ｔｉ金属間化合物と異なり、非常に脆いために、溶解鋳造後の圧延等塑性加工により素地中で分断できる。

以上説明した、本発明に係るＡｇ−Ｃｕ−Ｔｉ−Ｓｎ合金活性金属ろう材は、Ａｇ合金素地中に分散する金属間化合物の微細化により加工性が改善され、軽薄短小な寸法まで、塑性加工が可能となる。尚、本発明に係るＡｇ−Ｃｕ−Ｔｉ−Ｓｎ合金活性金属ろう材は、ろう付性（接合強度）も十分に備えており、従来のＡｇ−Ｃｕ−Ｔｉ合金活性金属ろう材同等以上の性能を具備するものである。

第１実施形態：以下、本発明の実施形態について、以下に記載する実施例に基づいて説明する。ここでは、Ａｇ−Ｃｕ２６．０％−Ｔｉ２．０％−Ｓｎ５．０％（Ｓｎ／Ｔｉ比２．５）の活性金属ろう材を溶解鋳造し、その後塑性加工した。この活性金属ろう材は、真空溶解炉を用い、前記組成のＡｇ合金を溶解後、カーボンるつぼに鋳造、徐冷し、幅１００ｍｍ、長さ１５０ｍｍ、厚さ１５ｍｍのインゴットにした。溶解鋳造後、鋳造時に析出したインゴット中の金属間化合物の粒子径を評価するために、断面金属組織を観察し、析出した化合物の構成元素をＥＤＳの面分析で同定した。

鋳造後のインゴットには、８０μｍ以下の金属間化合物が析出、分散していた。析出物に関するＥＤＳ分析では、金属間化合物は、ＳｎとＴｉからなり、Ｃｕはほとんど含有されていない金属間化合物であった。

次に、インゴットを塑性加工して、金属間化合物の粒径（最大粒径）の変化を検討した。この検討は、加工率を６０、７０、８０、９０、９８、９９．５％に設定して圧延加工を行い。加工後の断面組織から、金属間化合物の粒径を測定した。尚、金属間化合物の最大粒子径測定は、各サンプルの断面を金属顕微鏡１０００倍で、０．１ｍｍ×１．０ｍｍの範囲を観察し、その中の粒子で最大のものの長軸方向の長さとした。この結果を表１に示す。

表１から、加工率の上昇に伴い、金属間化合物の粒子径が小さくなっていくのが確認できる。そして、９０％以上の加工率により２０μｍ以下の粒子径にすることができる。これは、このＡｇ−Ｃｕ−Ｔｉ−Ｓｎ合金においては、金属間化合物が脆く、加工により容易に粒子径の調整ができることによるものである。

第２実施形態：ここでは、表２に示す各種組成のＡｇ−Ｃｕ−Ｔｉ−Ｓｎ合金活性金属ろう材を製造した。尚、比較例１〜４は本発明の有効な組成範囲を限定させるための試作組成である。また、従来例は、実施例との比較のための従来使用されているＡｇ−Ｃｕ−Ｔｉ合金活性金属ろう材である。

上記の活性金属ろう材は、第１実施形態と同様、真空溶解炉を用い、各組成のＡｇ合金を溶解後、カーボンるつぼに鋳造、徐冷し、幅１００ｍｍ、長さ１５０ｍｍ、厚さ１５ｍｍのインゴットにした。その後、各合金インゴットについて加工率９０％の圧延加工を行い、加工後の断面組織から、金属間化合物の粒径を測定した。尚、ここでは、溶解鋳造後のインゴットについても金属間化合物の粒径の測定を行った。
この結果を表３に示す。

各実施例の活性金属ろう材は、鋳造直後は、８０μｍ程度の金属間化合物が析出、分散していた。析出物に関するＥＤＳ分析では、実施例１の析出物は、上記からＳｎとＴｉからなり、Ｃｕはほとんど含有していない金属間化合物であった。また、実施例２、３の析出物は、Ｃｕ、Ｓｎ、Ｔｉからなるものであった。このように析出する金属間化合物の組成は、Ｓｎ／Ｔｉ比により異なる。但し、これらの金属間化合物は加工により微細化され、粒子径（最大粒子径）も２０μｍ以下となっていた。

一方、比較例１、２および従来例は、１００μｍ以上の粗大な化合物の析出が観察され、一部には、５００μｍの析出物も確認された。これらでみられた粗大な析出物は、そのＥＤＳ分析から、ＣｕとＴｉからなる金属間化合物であった。この粗大な金属間化合物は、Ｓｎ／Ｔｉ比が０．５と小さいために生じたものと考えられる。そして、この金属間化合物は、鋳造後の加工によっても微細化されず粗大なまま残存した。また、比較例３および４は、Ｓｎ添加量を多くし、Ｓｎ／Ｔｉ重量％比を１．２以上にしたものであるが、金属間化合物の粒子径は極めて微細であった。但し、これらは、金属間化合物の割合が高くなっており、材料全体が脆く割れが発生しやすいものであり、加工途中でわれが発生した。

次に、加工の段階で割れが発生した比較例３、４を除く各活性金属ろう材の加工性を評価した。上記加工後のろう材（厚さ１．５ｍｍ）について圧延と焼鈍を繰り返し、割れ、破断が発生した場合、その時点で加工を終了し、割れ、破断が発生しない場合、厚さ５０μｍまで加工を施した。この結果を表４に示す。

上記の通り、実施例１〜３のＡｇ−Ｃｕ−Ｔｉ−Ｓｎ合金活性金属ろう材は、厚さ５０μｍの厚さまでの圧延加工が可能であった。一方、同じＡｇ−Ｃｕ−Ｔｉ−Ｓｎ合金活性金属ろう材であっても、Ｓｎ／Ｔｉ比が１．２未満の比較例１、２は、加工性が劣り、厚さ１．０ｍｍの段階で割れが発生した。また、Ｓｎを添加しない従来のＡｇ−Ｃｕ−Ｔｉ合金活性金属ろう材も同様であった。これら比較例１、２及び従来例の加工割れは、材料中に残留する粗大な化合物析出に起因するものである。

最後に、実施例１、３および従来例の０．１ｍｍ厚みの板を用いて、真空雰囲気中、８３０℃で１０ｍｍ×１０ｍｍ×２０ｍｍのアルミナ同士および窒化珪素同士をろう付けした後、３ｍｍ×４ｍｍ×４０ｍｍの試験片を切り出し、４点曲げ試験により各１０点づつＪＩＳ Ｒ１６０１に従い破断強度を測定した。（試験方法はＪＩＳ Ｒ１６０１に従った。）その結果を表５に示す。その結果、アルミナおよび窒化珪素のいずれのセラミックス同士の接合においても、実施例１および３は従来例よりも破断強度が高く、実使用上に耐え得るろう付け強度を有することが確認された。

本発明に係るＡｇ−Ｃｕ−Ｔｉ−Ｓｎ合金活性金属ろう材は、Ａｇ合金素地中に微細な化合物の粒子が分散され、昨今の電子、電機部品の小型化に対応すべく、軽薄短小な寸法まで、塑性加工が可能な良好な加工性を有し、さらに、従来のＡｇ−Ｃｕ−Ｔｉ合金活性金属ろう材同等のろう付性（接合強度）を具備するものである。

即ち、本発明は、２０〜４０質量％のＣｕ、１．０〜３．０質量％のＴｉ、１．２〜６．０質量％のＳｎ、残部がＡｇのＡｇ−Ｃｕ−Ｔｉ−Ｓｎ合金よりなり、Ａｇ−Ｃｕ合金マトリックス中に、必須的にＳｎ−Ｔｉ金属間化合物及びＳｎ−Ｔｉ−Ｃｕ金属間化合物が分散し、任意的にＣｕ−Ｔｉ金属間化合物が分散する金属組織を有する活性属ろう材であって、ＴｉおよびＳｎの質量比Ｓｎ／Ｔｉが１．２以上５．０以下であり、 更に、前記金属間化合物の粒子径がいずれも２０μｍ以下である活性金属ろう材である。

Claims (2)

1. ２０〜４０重量％のＣｕ、１．０〜３．０重量％のＴｉ、１．２〜６．０重量％のＳｎ、残部がＡｇのＡｇ−Ｃｕ−Ｔｉ−Ｓｎ合金よりなり、Ａｇ−Ｃｕ合金マトリックス中にＳｎ−Ｔｉ金属間化合物、又は、Ｓｎ−Ｔｉ−Ｃｕ金属間化合物、若しくは、Ｃｕ−Ｔｉ金属間化合物が分散する金属組織を有する活性金属ろう材であって、
   ＴｉおよびＳｎの重量比Ｓｎ／Ｔｉが１．２以上であり、
   更に、前記金属間化合物の粒子径が２０μｍ以下である活性金属ろう材。
2. 請求項１の活性金属ろう材の製造方法であって、
   ２０〜４０重量％のＣｕ、１．０〜３．０重量％のＴｉ、１．２〜６．０重量％のＳｎ、残部がＡｇからなり、ＴｉおよびＳｎの重量比Ｓｎ／Ｔｉが１．２〜３．５のＡｇ−Ｃｕ−Ｔｉ−Ｓｎ合金を溶解鋳造し、
   これに加工率９０％以上の塑性加工を施すことにより、Ａｇ−Ｃｕ−Ｔｉ−Ｓｎ合金中の金属間化合物を２０μｍ以下に破断させる工程を含む活性金属ろう材の製造方法。