JP2013078793A - 接合方法及び接合部品 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】重ね合わせた被接合材1,1の間にインサート材2を介在させた状態で、当該被接合材1,1を相対的に加圧しつつ加熱して、被接合材1,1とインサート材2の間で共晶反応を生じさせ、共晶反応溶融物を被接合材の酸化皮膜1aと共に接合面から排出して被接合材1,1を接合するに際して、予め接合部位の少なくとも1箇所に設けた応力集中手段によって、酸化皮膜1aを破壊し、共晶反応の起点となるように、被接合材1とインサート材2を接触させる。
【選択図】図1
Description
また、接合が酸素雰囲気内で行われるため、特殊なチャンバーが必要となって、設備コストが増加する点にも問題があった。
また、本発明のさらなる目的は、このような接合方法を適用した各種の接合部品を提供することにある。
さらに、本発明の接合構造は、被接合材同士の直接接合部と、上記被接合材の酸化皮膜と共晶反応物を含む混合物を介した間接接合部とが接合界面に断続していることを特徴とする。
このとき、本発明の接合方法においては、接合部位の少なくとも1箇所、例えば接合面の一方又は双方、あるいはインサート材の被接合材との接触面に、例えば突起(凹凸構造)のような応力集中手段を設けるようにしている。したがって、母材表面の酸化皮膜を低荷重で破壊して、共晶反応の起点とすることができ、半導体部品や、板厚が1mm以下のような薄い部材であっても、低加圧で接合することができ、被接合材や周辺への影響を最小限に抑えることができる低コストの接合方法となる。
次いで、このような応力集中手段を備えた接合面の間に、まず、被接合材と共晶反応を生じる元素を含むインサート材を介在させる。
このとき、接合面には応力集中手段(凹凸構造)が形成されており、その凸部先端が選択的に相手面に接触し、局所的に応力を増大させるため、低い荷重で酸化皮膜を局所破壊して、共晶反応を引き起こすことができ、低い荷重のもとに、新生面による強固な接合が可能となる。
このとき、アルミニウム合金材1、1の表面、ここでは図中上側の合金材の接合面には、凹凸構造の応力集中手段1cが形成され、さらにその表面には、Al2O3を主成分とする酸化皮膜1aが生成している。
亀裂Cを介して、合金材1の新生面とインサート材2が直接的に接触した状態で、接合面の温度が共晶反応が発生する温度に到達すると、合金材1中のAlとの間に共晶反応を起こし、共晶溶融相が発生する。そして、図1(d)に示すように、共晶溶融範囲が拡がり、破壊された酸化皮膜1aの欠片が共晶溶融相中に分散する。
なお、接合条件によっては、インサート材に由来する混合物、この場合にはZnや、Zn−Al合金などを含む微量の混合物が接合界面に、局所的に残存することもあり得る。
また、図2(b)に示すように、インサート材2に形成することもできる。こうすることによって、被接合材の生産工程に応力集中手段の作製工程を加える必要がなくなるので、低コストの接合が可能になる。
すなわち、図3(a)に示したように、台形状断面の凹凸構造として、凸部先端を略平面とすれば、応力集中度は若干低下するとしても、応力集中手段の形成が容易となり、加工費を削減することができる。
このとき、このような応力集中手段1cを接合面の相対向する両面に形成し、それぞれの凸部先端線の方向が互いに交差するように配置することによって、接合面同士が点接触することになり、局所応力をより高めることができ、接合時の荷重を低減したとしても高い接合強度が得られる。なお、応力集中手段1cの線状先端部の交差角度としては、直角とすることが望ましいが、10°以上とすることによって一応の効果が得られる。
なお、被接合材の双方がアルミニウムやマグネシウム系金属材料のように、強固な酸化皮膜を形成するものでない限り、異材間の接合にも適用することができる。
なお、Cuとの間に共晶反応を生じる金属としては、上記の他に、Ti(チタン)を挙げることができるが、Tiの融点はCuの融点よりも高いことから、上記同様に、Tiに予めCuを合金化したCuよりも低融点の合金をインサート材として使用することが必要となる。
なお、Si(ケイ素)もMgとの間に共晶反応を生じる元素であるが、Siの融点はMgの融点よりも高いため、上記同様に、予めMgを合金化したMgよりも低融点の合金をインサート材として使用することが必要となる。また、上記Alについても、Mgの融点に近いことから、同様にMgを合金化したインサート材を用いることが望ましい。
また、Cuの他に、Niとの間に共晶反応を生じる金属として、Ti,Nb(ニオブ),Cr(クロム)を挙げることができるが、これら金属の融点は何れもNiの融点よりも高いため、予めNiを合金化することによって、上記同様にNiよりも低融点化した合金をインサート材として使用する必要がある。
また、めっきやパウダーデポジション法によって、両材料の一方あるいは両方の接合面にインサート材を予め被覆しておくことも可能であり、この場合には、被覆によって酸化皮膜の生成を防止できることから、特に異材接合に適用した場合に有効なものとなる。
もちろん、真空中で行うことも可能であるが、真空設備が必要となるばかりでなく、インサート材の溶融により真空計やゲートバルブを損傷する可能性があるので、大気中で行うことがコスト的にも有利である。
また、接合温度については、高過ぎると、母材が溶け込むために液相が過剰に発生し、液相が過多になると接合界面に残存し、強度が得られなくなる傾向がある。具体的には、共晶点以上、共晶点+100℃までの温度範囲が好ましい。
また、被接合材(上記した例ではアルミニウム合金材)の接合面の近傍に、インサート材に由来する成分(上記した例ではZn)の拡散現象が認められ、これによって接合強度をさらに向上させることができる。
すなわち、図に示す半導体部品は、ヒートシンク11上に固定された絶縁基板12を備え、当該基板12の表面上に配置された配線金属13にシリコンチップ14が接合された構造を備えている。
これら配線金属13とシリコンチップ14の接合に際しては、予め、アルミニウム合金製の配線金属13の接合面に、応力集中手段としての凹凸を塑性加工あるいは切削加工によって形成しておく。そして、これら配線金属13とシリコンチップ14間に、厚さ25μmのAl−Sn−Zn合金の急冷箔帯をインサート材として配置し、治具を用いて、常時15MPa以下の加圧力が掛かるように固定される。
この方法によれば、低温度、短時間で接合が完了することから、半導体チップへの熱影響を最小限のものとすることができ、部品の歪みや性能劣化を防止することができる。また、複数のチップを同時に接合することができる。なお、半導体チップとしては、上記したシリコンチップ以外にも、種々のもの、例えばSiCやGaNなどを用いることができる。
図において、燃料電池用セパレータは、アルミニウム合金板材(例えば、5000系、6000系)をプレス成形して成る2枚の波板材21、22を図示するように重ね、重ね合わせた部分を本発明方法により接合することによって、燃料ガス又は酸化性ガスの通路23を形成した構造を有するものである。このとき、波板材22の接合面には、応力集中手段としての凹凸構造を同様に形成しておく。
そして、例えば、同様に450℃に昇温、保持することによって、両板材21、22が接合され、アルミニウム合金製の燃料電池用セパレータが完成することになる。
また、この方法によれば、多数のセパレータを大型炉内に収納し、多くの接合箇所を同時に接合することもでき、TIG溶接やレーザ溶接による製造に較べて高能率な製造が可能となる。
図に示すエンジンヘッドブロックは、ダイカスト用アルミニウム合金、例えばAl−Si−Cu−Mg系合金(AC4D)から4つに分割鋳造されたピース31、32、33、34から構成されている。
そして、所定の治具によって互いに加圧状態に固定されたのち、高周波誘導加熱炉中において、AlとZnの共晶反応が生じる382〜482℃程度の温度範囲、例えば450℃に昇温、保持することによって、各分割ピースがそれぞれ接合され、エンジンヘッドブロックが完成する。
図8に示すように、アルミニウム合金A6061(Al−Mg−Si系)から成る長さ15mm、径5mmの丸棒3と長さ25mm、径10mmの丸棒4を用意した。
このとき、本発明の実施例として、接合面の一方又は両方の端面には、精密切削加工によって、図9(a)〜(c)に示すような凹凸構造から成る応力集中手段4cをそれぞれ形成した。なお、このような応力集中手段を形成しない他方の接合面には鏡面加工を施した。
また、比較のために、ラップ加工によって、両接合面に鏡面加工を施したものも用意し、以下の接合試験に供した。
図10に示すように、丸棒3、4の接合端面間に、上記組成、サイズのインサート材5を配置し、大気中においてアンヴィルA、Aにより加圧した状態で、接合部の周囲に配置した高周波加熱コイルSによって400〜500℃に加熱し、目的の接合温度に到達後1分間保持して接合を行った。このときの昇温速度は10℃/秒とした。また、接合温度は、丸棒4の接合端面近傍の側面に溶接したR式熱電対Tによって測定した。なお、アンヴィルA、Aによる加圧は常温から開始し、接合終了後に除荷することとした。
また、上記したように、別途用意した応力集中手段を形成しない丸棒についても、同様の要領によって接合し、比較例とした。
得られた試験片の接合強度を万能試験器による引張試験によって評価した。このときの試験速度は1mm/分とした。この結果を、応力集中手段の形状や接合条件と共に表1に示す。
これに対し、実施例1〜実施例15のように、応力集中手段応力集中部を形成することによって、加圧力30MPa以下の極めて低加圧でも充分な接合強度が得られ、加圧システムの簡素化、エネルギー費の低減、被接合材へのダメージの低減を図ることができる。
また、応力集中手段の形状は、ピッチが1μm以上で、またアスペクト比が0.001以上の場合に、応力集中手段の加工を行わない鏡面状の接合面とした比較例に対して、顕著な効果が認められた。
この図から、特に、ピッチ10μm以上、アスペクト比0.1以上で、一層の接合強度向上効果が認められる。
この結果、応力集中手段の凹凸パターンとしては、図9(b)に示した独立形状の場合に最も高強度が得られる結果となった。
接合界面は、図11のように特徴的な界面構造を呈しており、被接合材同士、この例ではアルミニウム合金同士の直接接合部Dと、少なくともインサート材であるZn−Al−Sn合金、またはこれと被接合材との共晶反応により生成した共晶反応物を介した間接接合部Mとがそれぞれ複数並列されている。なお、余剰となった共晶反応物は、破壊された酸化皮膜片と共に接合界面の外に排出物Eとして排出されている。
一方間接接合部Mは、応力集中手段が見かけ上の接合線長さの増大に寄与するため充分な接合強度を保つと共に、シール性や水密性の高い接合界面構造が得られるため、図7に示したような分割鋳造タイプのエンジンヘッドブロックの接合に好適な接合界面構造となる。
1a 酸化皮膜
1c、4c 応力集中手段
2、5、35、36、37 インサート材
D 直接接合部
M 間接接合部
Claims (20)
- 間にインサート材を介在させた状態に重ね合わせた被接合材を相対的に加圧しつつ加熱して、被接合材とインサート材の間で共晶反応を発生させ、生じた共晶反応溶融物を被接合材の酸化皮膜と共に接合面から排出して上記被接合材を接合するに際して、
上記酸化皮膜を破壊するための応力集中手段を接合部位の少なくとも1箇所に設けることを特徴とする接合方法。 - 上記応力集中手段が凹凸構造をなしていることを特徴とする請求項1に記載の接合方法。
- 上記応力集中手段が被接合材の接合面の少なくとも一方に設けてあることを特徴とする請求項1又は2に記載の接合方法。
- 上記応力集中手段が被接合材の接合面の両方に設けてあることを特徴とする請求項3に記載の接合方法。
- 上記応力集中手段がインサート材に設けてあることを特徴とする請求項1又は2に記載の接合方法。
- 上記応力集中手段が凹凸構造をなし、その凸部先端形状が略平面であることを特徴とする請求項1〜5のいずれか1つの項に記載の接合方法。
- 上記応力集中手段が凹凸構造をなし、その凸部先端形状が線状をなしていることを特徴とする請求項1〜5のいずれか1つの項に記載の接合方法。
- 凹凸構造をなし、その凸部先端形状が線状をなす応力集中手段が互いに交差して配置されていることを特徴とする請求項4に記載の接合方法。
- 上記応力集中手段が凹凸構造をなし、その凸部先端形状が略点状をなしていることを特徴とする請求項1〜5のいずれか1つの項に記載の接合方法。
- 上記応力集中手段が凹凸構造をなし、その凸部先端形状が略球状をなしていることを特徴とする請求項1〜5のいずれか1つの項に記載の接合方法。
- 上記凹凸構造の凸部の高さが全凸部の頂点の高低差以上であることを特徴とする請求項2〜10のいずれか1つの項に記載の接合方法。
- 上記凹凸構造の形状がアスペクト比0.001以上、ピッチ1μm以上であることを特徴とする請求項2〜11のいずれか1つの項に記載の接合方法。
- 上記凹凸構造の形状がアスペクト比0.1以上、ピッチ10μm以上であることを特徴とする請求項12に記載の接合方法。
- 上記凹凸構造の凸部の形状が複数種存在することを特徴とする請求項2〜13のいずれか1つの項に記載の接合方法。
- 上記凹凸構造が塑性加工によって形成されていることを特徴とする請求項2〜14のいずれか1つの項に記載の接合方法。
- 接合時の加圧力が30MPa以下であることを特徴とする請求項1〜15のいずれか1つの項に記載の接合方法。
- 上記インサート材が箔状の材料であることを特徴とする請求項1〜16のいずれか1つの項に記載の接合方法。
- 請求項1〜17のいずれか1つの項に記載の方法による接合部品であって、被接合材の新生面同士が直接接合されていることを特徴とする接合部品。
- 上記インサート材に由来する成分が被接合材の接合面近傍に拡散していることを特徴とする請求項18に記載の接合部品。
- 請求項1〜17のいずれか1つの項に記載の方法による接合構造であって、接合界面に、被接合材同士の直接接合部と、上記被接合材の酸化皮膜と共晶反応物を含む混合物を介した間接接合部とが断続していることを特徴とする接合構造。
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