JP2013176782A - 金属材料の接合方法 - Google Patents

Abstract

【課題】少なくとも一方の表面に酸化皮膜が存在する金属材料を大気中で、低温度、低加圧、低コストで直接的な接合が可能な金属材料の接合方法を提供する。
【解決手段】少なくとも接合面が金属Ａから成る第１の部材１と、少なくとも接合面が金属Ｂから成る第２の部材２と接合するに際して、接合面間にインサート材３を介在させた状態で、相対的に加圧しつつ加熱して、金属Ａ及び金属Ｂのそれぞれとインサート材３の間で共晶反応を生じさせ、この共晶反応溶融物を金属Ａ、Ｂの酸化皮膜１ｆ、２ｆと共に接合面から排出して第１及び第２の部材１，２を接合する。
【選択図】図１

Description

本発明は、少なくとも一方の表面に酸化皮膜が存在する金属材料の接合方法に係り、さらに詳しくは、上記金属材料を大気中、低温度で接合することができ、母材や周辺への熱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に関するものである。

工業製品には、種々の金属材料が使用されており、同種の金属材料同士はもとより、異種材間接合を含む種々の金属の接合が行われている。
例えば、各種電池や電気・電子機器の部品においては、電気抵抗が小さい銅やアルミニウム系金属などが用いられ、これら金属間の接合や、接触抵抗低減を目的に金や銀から成るめっきを施した部品を含む接合が考えられる。

このような部品における上記のような金属の接合には、はんだを用いたろう付けを採用することができるが、はんだ（ろう材）の融点（例えば２００℃程度）よりも高い温度では、部品を使用することができない。
また、高温はんだを適用することによって、部品の使用温度を高めることができなくはないが、貴金属を含有するはんだを用いた場合には、高コスト化を招くと共に、その成分組成によっては、高温保持した場合に金属間化合物やカーケンダルボイドを生成して、強度や耐久性が損なわれることがある。したがって、上記のような金属材料同士をろう材を用いることなく、直接的に接合することが望ましい。

一方、上記金属材料の中で、金以外の一般的な材料の表面には酸化皮膜が生成しており、このような酸化皮膜が直接接合の障害となって、冶金的な接合が難しい。

例えば、特許文献１には、アルミニウム同士、あるいはアルミニウムとアルミナを接合するに際して、被接合面間に母材と共晶反応を起こす元素を含むインサート材を介在させ、酸素雰囲気中で接触させた後、上記被接合面を共晶反応が生じる温度範囲に加熱し、接触面に共晶反応による融液相と、母材成分と接触面の空隙に存在する酸素との反応による酸化物相を生成させることが記載されている（特許請求の範囲１参照）。これによって、母材表面の酸化皮膜は破壊され、融液中の成分と酸素の反応による酸化物と共に、融液相中に混入されるとされている（第３頁左欄中央参照）。

特公平３−６６０７２号公報

しかしながら、上記特許文献１に記載の方法においては、インサート材として、銅、銀、シリコン、アルミニウム−銀過共晶合金、アルミニウム−銅過共晶合金、アルミニウム−シリコン過共晶合金を用いるようにしている（特許請求の範囲３参照）。したがって、これらインサート材とアルミニウムとの共晶温度は、いずれも５００℃を超え（例えばＡｌ−Ｃｕ系では５４８℃、Ａｌ−Ｓｉ系では５７７℃）、接合温度が高くなるため、特に６０００系など熱処理型合金の場合、溶体化処理温度を超えることから、母材が軟化し強度が低下するという問題がある。
また、酸素雰囲気で接合が行われるため、特殊なチャンバーが必要となり、設備コストが増加する点にも問題があった。

本発明は、被接合材の一方がアルミニウム系金属材料である接合や、アルミニウム材以外でも表面に酸化皮膜を備えた材料における上記のような課題に鑑みてなされたものである。そして、その目的とするところは、少なくとも一方の表面に酸化皮膜が存在する金属材料を大気中で、低温度、低加圧、低コストで直接的な接合が可能な金属材料の接合方法を提供することにある。

本発明者らは、上記目的を達成すべく、鋭意検討を重ねた結果、被接合部材の間に、各部材に含まれる金属とそれぞれ共晶反応を生じる金属を含むインサート材を介在させた状態で、加圧及び加熱して共晶反応を生じさせることによって、上記課題が解決できることを見出し、本発明を完成するに到った。

すなわち、本発明は上記知見に基づくものであって、本発明の金属材料の接合方法においては、少なくとも接合面がＡｌ、Ｃｕ、Ａｇ及びＡｕから成る群より選ばれた少なくとも１種を主成分とする金属Ａから成る第１の部材と、少なくとも接合面がＡｌ、Ｃｕ、Ａｇ及びＡｕから成る群より選ばれた少なくとも１種を主成分とする金属Ｂから成る第２の部材とを接合する（但し、Ａｌを主成分とする金属同士、Ａｕを主成分とする金属同士の接合を除く）方法であって、上記両部材の接合面間に、上記金属Ａに含まれるＡｕ以外の少なくとも１種の金属と、上記金属Ｂに含まれるＡｕ以外の少なくとも１種の金属とそれぞれ共晶反応を生じる金属としてＺｎを含むインサート材を介在させ、両部材を相対的に加圧した状態で、上記共晶反応を生じる温度に加熱して、両部材の接合界面に共晶反応による溶融物を生成させ、当該溶融物と共に、上記金属Ａ及び／又は金属Ｂの表面に生成された酸化皮膜を接合界面から排出して両部材を接合するようにしたことを特徴とする。

本発明によれば、金属Ａに含まれるＡｌ、Ｃｕ及びＡｇの少なくとも１種の金属とインサート材中のＺｎとの共晶反応によって金属Ａの酸化皮膜が破壊され、金属Ｂに含まれるＡｌ、Ｃｕ及びＡｇの少なくとも１種の金属とインサート材中のＺｎとの共晶反応によって金属Ｂの酸化皮膜が破壊される。そして、破壊された酸化皮膜は、共晶反応溶融物と共に接合界面から排除されることから、金属Ａと金属Ｂとの間を低温度、低加圧（低入熱、低歪み）、低コストのもとで直接接合することができる。

（ａ）〜（ｅ）は本発明の金属材料の接合方法による接合過程の一形態を概略的に示す断面図である。 （ａ）〜（ｅ）は本発明の金属材料の接合方法による接合過程の他の形態を概略的に示す断面図である。 （ａ）〜（ｃ）は本発明において接合面に形成する微細凹凸の形状の形態例を概略的に示す斜視図である。 本発明の金属材料の接合方法によって得られた接合界面の電気抵抗を従来例と比較して示すグラフである。

以下に、本発明の金属材料の接合方法について、さらに詳細、かつ具体的に説明する。なお、本明細書において「％」は、特記しない限り、質量百分率を意味するものとする。

本発明の金属材料の接合方法においては、少なくとも接合面がＡｌ、Ｃｕ、Ａｇ及びＡｕから成る群より選ばれた少なくとも１種を主成分とする金属Ａから成る第１の部材と、少なくとも接合面がＡｌ、Ｃｕ、Ａｇ及びＡｕから成る群より選ばれた少なくとも１種を主成分とする金属Ｂから成る第２の部材とを接合するに際して（但し、Ａｌを主成分とする金属同士、Ａｕを主成分とする金属同士の接合を除く）、上記したように、上記両部材の接合面間に、上記金属Ａに含まれるＡｕ以外の少なくとも１種の金属と、上記金属Ｂに含まれるＡｕ以外の少なくとも１種の金属とそれぞれ共晶反応を生じる金属としてＺｎを含むインサート材を介在させる。
そして、両部材を相対的に加圧した状態で、上記した共晶反応を生じる温度に加熱することによって、両部材の接合界面に、上記共晶反応による溶融物を生成させ、当該溶融物と共に、上記金属Ａ及び／又は金属Ｂの表面に生成された酸化皮膜を接合界面から排出して両部材を接合する。

共晶反応による溶融は、２種以上の金属が相互拡散して生じた相互拡散域の組成が共晶組成となった場合に生じ、保持温度が共晶温度以上であれば共晶反応により液相が形成される。例えば、Ｚｎ−Ａｌ系合金の場合、Ａｌの融点は６６０℃、Ｚｎの融点は４１９．５℃であり、この共晶金属はそれぞれの融点より低い３８２℃にて溶融する。
したがって、両金属の清浄面を接触させ、３８２℃以上に加熱保持すると反応（共晶溶融）が生じ、Ａｌ−９５％Ｚｎが共晶組成となるが、共晶反応自体は合金成分に無関係な一定の変化であり、インサート材の組成は共晶反応の量を増減するに過ぎない。

一方、Ａｕを除き一般的な金属材料の表面には酸化皮膜が存在するが、接合過程における加圧によって材料表面に塑性変形が生じることにより、物理的に、局部破壊されることになる。
すなわち、加圧によって材料表面の微視的な凸部同士が擦れ合うことから、一部の酸化皮膜の局所的な破壊によって母材とインサート材が接触した部分から母材とインサート材成分金属の間に共晶溶融が生じる。

そして、この液相の生成によって近傍の酸化皮膜が破砕、分解され、さらに共晶溶融が全面に拡がっていくことによって、酸化皮膜破壊が拡大し、促進され、接合面の酸化皮膜が低温度（共晶温度）で除去され、ろう材を介在させることなく、両部材のダイレクトな接合が達成される。
共晶組成は相互拡散によって自発的達成されるため、組成のコントロールは必要なく、必須条件は母材とインサート材金属の間に、低融点の共晶反応が生成することである。

なお、接合面には、金属Ａに含まれる金属と金属Ｂに含まれる金属とＺｎとの共晶反応をそれぞれ生じさせることが必要であり、「共晶反応を生じる温度」とは、当然のことながら、両共晶温度の高い方を意味することになる。
但し、被接合部材の一方の少なくとも接合面がＡｕを主成分とする金属の場合には、当該金属とＺｎの間に共晶反応が生じることはなく、その接合面に酸化皮膜は生成していないことから、酸化皮膜を除去するために共晶反応が生じる必要もない。

図１（ａ）〜（ｅ）は、本発明による金属材料の接合プロセスを順を追って説明する工程図である。

まず、少なくとも接合面がＡｌ、Ｃｕ、Ａｇ及びＡｕから成る群より選ばれた少なくとも１種を主成分とする金属Ａから成る第１の部材１と、少なくとも接合面がＡｌ、Ｃｕ、Ａｇ及びＡｕから成る群より選ばれた少なくとも１種を主成分とする金属Ｂから成る第２の部材２を用意する。但し、Ａｌを主成分とする金属同士、Ａｕを主成分とする金属同士の接合の場合を除外する。
すなわち、第１及び第２の部材としては、部材全体が上記金属Ａ及び金属Ｂから成るものであっても、他の金属から成る部材の少なくとも接合面に、めっきやスパッタリング、溶射などの手段によって、上記金属Ａや金属Ｂから成る層を形成したものであってもよい。このとき、金属Ａ及び金属Ｂの表面には酸化皮膜１ｆ、２ｆが生成している。金属Ａ及び金属Ｂの一方がＡｕを主成分とする金属の場合には酸化皮膜の生成はない。

このように、金属Ａ及び金属Ｂの組合せとしては、アルミニウム系材料同士、金系材料同士の場合を除いて、純金属や合金を含む種々の組合せを採用することができるが、同種材同士の接合とした方が界面の劣化反応の起点がなくなるため、耐久信頼性のより高い接合が可能となる。なお、ここで言う「同種材」とは、金属組織や成分系が同じであることを意味し、必ずしも合金成分の含有量が一致する必要はない。

そして、図１（ａ）に示すように、これらの部材１、２の間に、インサート材３を配置する。
このインサート材３としては、上記金属Ａに含まれるＡｕ以外、すなわちＡｌ、Ｃｕ及びＡｇのうちの少なくとも１種の金属元素と、上記金属Ｂに含まれる同様の金属元素のそれぞれと共晶反応を生じる金属であるＺｎを含むものであって、例えば、Ｚｎを主成分とする金属（純亜鉛、亜鉛合金）が用いられる。

また、Ｚｎと、Ａｌ、Ｍｇ、Ｃｕ、Ａｇ及びＳｎから成る群より選ばれた少なくとも１種の金属を主成分とする合金、例えばＺｎとＡｌを主成分とする合金、ＺｎとＡｌとＭｇを主成分とする合金を用いることもできる。
すなわち、ＺｎとＡｌを含む合金系の共晶温度は低く（Ｚｎ−Ａｌ系合金では３８２℃、Ｚｎ−Ａｌ−Ｍｇ系合金では３３０℃）、このような低い温度で、母材の軟化や変形を惹起することなく、接合を阻害する酸化皮膜を接合界面から除去して、両部材を接合することができる。

さらに、インサート材３には、上記金属Ａもしくは金属Ｂ材の一方、または両方の成分を含有させた方が、インサート材と被接合部材との反応性の向上や、接合界面の親和性の向上のためから望ましい。

上記インサート材３の厚さとしては、２０μｍ以上、２００μｍ以下とすることが望ましい。
インサート材３の厚さが２０μｍに満たない場合、酸化皮膜の排出が不十分となったり、接合部のシール性が低下し、接合中に酸化が進み接合部の強度特性を低下させたりする。一方、２００μｍを超えると、余剰部分の排出のために高い加圧力が必要となったり、界面への残存が多くなり、継ぎ手性能を低下させたりすることがある。

また、上記においては、板状のインサート材３を部材１、２の間に挟持しただけの例を示したが、インサート材３の形状や両材料の間に介在させる方法としては、めっきやパウダーデポジション法によって、両部材の一方あるいは両方の接合面に予め被覆しておくこともできる。さらに、組成や形状（厚さ）などに関する選択の自由度が高いことから、箔状のインサート材を用いて、両部材の間に挟み込むことが望ましい。

なお、本発明において、金属Ａ、金属Ｂ、インサート材における「主成分」とは、それら金属の含有量が合計で８０％以上であることを意味するものとする。

次に、図１（ｂ）に示すように第１及び第２の両部材１、２を加圧して、両部材をインサート材３を介して密着させ、さらに加圧しながら、加熱を開始する。すると、両部材１、２に加圧による変形が生じ、図１（ｃ）に示すように、両部材１、２の酸化皮膜１ｆ、２ｆに亀裂Ｃが入る。

この状態で、共晶温度域に達すると、先ず酸化皮膜１ｆ、２ｆの内側の金属Ａ、金属Ｂとインサート材３のＺｎとが共晶反応を起こし、共晶溶融相が発生する。そして、図１（ｄ）に示すように、この液相が酸化皮膜１ｆ、２ｆの亀裂Ｃから母材側に浸入する。これによって、共晶溶融範囲が拡がり、破壊された酸化皮膜１ｆ、２ｆの欠片は液相中に分散する。

続く加圧によって、図１（ｅ）に示すように、余剰の共晶溶融物が接合界面から排出され、この液相中に分散されていた酸化皮膜１ｆ、２ｆの欠片も共晶溶融物と共に排出物４となって、同時に接合界面から押し出される。これによって、両部材１、２がインサート材３に由来する混合物、この場合にはＺｎや、Ｚｎ−Ａｌ合金などを含む混合物５から成る層を介して互いに接合される。

このとき、接合条件によっては、上記混合物が完全に排出されて、両部材１と２が直接接合される場合や、混合物層４が介在する部分と直接接合された部分とが混在することもある。また、接合面の近傍には、Ｚｎの拡散が認められることもある。

また、共晶溶融物と酸化皮膜欠片を含む接合界面からの排出物３は、突き合わせ接合の場合には、接合界面から押し出され、完成した接合継手から除去することができる。
これに対し、重ね接合やスポット接合の場合には、接合部分から押し出されて、その周囲に残存してシール部となり、接合部のシール性向上に寄与することになる。

本発明の接合方法は、不活性ガス雰囲気で行うこともできるが、大気中でも何ら支障はなく行うことができる。
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。

本発明の接合方法において、接合部を上記温度範囲に加熱し、維持するための手段としては、特に限定されることはなく、例えば、抵抗加熱や高周波加熱、赤外線加熱、あるいはこれらを組み合わせた方法を採用することができる。
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、インサート材の融点以上、融点＋１００℃までの温度範囲が好ましい。

上記接合温度への昇温速度については、遅い場合には、界面が酸化されて溶融物の排出性が低下して、強度が低下する原因となることがあるため、速い方が望ましい。特に大気中の接合の場合には、この傾向がある。具体的には、３℃／秒以上、１０℃／秒以上がより望ましく、２５℃／秒以上であることがさらに望ましい。

本発明の接合方法における加圧力については、５ＭＰａ以上３０ＭＰａ未満とすることが望ましい。すなわち、加圧力が５ＭＰａに満たない場合には、共晶反応による溶融物や、酸化皮膜の接合界面からの排出が十分にできないことがある。一方、加圧力が３０ＭＰａ以上になると、被接合材料に変形を生じさせることがある。

本発明の接合方法においては、接合部分、すなわち接合面及びインサート材表面の少なくとも一部に微細凹凸を形成することが望ましく、これによる応力集中効果によって、酸化皮膜の破壊（亀裂の発生）を容易にし、これに要する加圧力を低減して負荷を減らしながら、均一な接合状態を得ることができる。

図２（ａ）〜（ｅ）は、被接合材の一方に微細凹凸を形成した場合の接合プロセスについて、順を追って説明する工程図である。

まず、図２（ａ）に示すように、この形態例では、第１の部材（金属Ａ）１の接合面に微細凹凸１ｒを予め形成しておき、この状態の第１の部材１と第２の部材（金属Ｂ）２との間にインサート材３を配置する。
なお、金属Ａと金属Ｂの表面には、それぞれ酸化皮膜１ｆ、２ｆが生成している。

上記第１の部材１の接合面に形成する微細凹凸１ｒの形状としては、応力を集中させて、酸化皮膜の破壊を促進させる機能さえあれば、その形状や数に制限はなく、例えば、図３（ａ）〜（ｃ）に示すようなものを採用することができる。
すなわち、図３（ａ）に示すように、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。

また、図３（ｂ）に示すように、三角柱を並列させたような凹凸構造を採用することも可能であり、これによって、凹凸構造の凸部先端が線状のものとなり、応力集中度を高めて、酸化皮膜の破断効果を向上させることができる。
さらに、図３（ｃ）に示すように、四角錐を縦横方向に並列させた凹凸構造を採用することもでき、凹凸構造の凸部先端が点状となることから、さらに応力集中度を高めて、酸化皮膜の破断性能を向上させることができる。

微細凹凸１ｒの形状としては、上記したように、応力を集中させて、酸化皮膜の破壊を促進させる機能さえあれば、特に限定されることはなく、上記の他には、波形やかまぼこ形、半球状など凸部先端を曲面とすることも可能である。なお、当該曲面の曲率半径は、小さいほど応力集中が顕著なものとなって、酸化皮膜が破壊し易くなることは言うまでもない。

このような微細凹凸１ｒは、例えば、切削加工、研削加工、塑性加工（ローラ加工）、レーザ加工、放電加工、エッチング加工、リソグラフィーなどによって形成することができ、その形成方法としては、特に限定されるものではない。これら加工方法のうち、塑性加工によれば、非常に低コストで形成が可能である。
なお、微細凹凸の寸法、形状としては、アスペクト比（高さ／幅）：０．００１以上、ピッチ：１μｍ以上で、アスペクト比については０．１以上、ピッチについては１０μｍ以上程度であることが望ましい。

そして、図２（ａ）に示した状態で、第１及び第２の部材１、２を相対的に加圧して、これらをインサート材３を介して密着させ、さらに加圧しながら加熱を開始する。
これにより、図２（ｂ）に示すように、微細凹凸１ｒの凸部先端が接触した部位の応力が局所的に急激に上昇し、加圧力をさほど増すことなく、第２の部材２ｃの酸化被膜２ｆが機械的に破壊され、亀裂Ｃが入る。この実施形態においては、微細形状１ｒを形成したことにより、接合時の加圧力を低減することができ、加圧力は、１ＭＰａ以上、３０ＭＰａ以下が望ましい。

この状態で、接合面の温度がインサート材３の融点に達すると、インサート材３の溶融物が亀裂Ｃに浸入し、第２の部材２を構成する金属Ｂ中の金属元素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、この共晶溶融範囲が接合界面全体に拡がっていくことにより、第１及び第２の部材１、２の酸化被膜１ｆ、２ｆが表面から除去され、図２（ｃ）に示すように、酸化皮膜１ｆ、２ｆの欠片が共晶溶融相中に分散する。

続く加圧によって、図２（ｄ）に示すように、共晶反応溶融物が接合界面から排出され、この液相中に分散されていた酸化皮膜１ｆ、２ｆの欠片もその大部分が共晶溶融物と共に接合界面から押し出され、金属Ａ、Ｂの新生面が露出し、接合界面に相互拡散反応が生じる。
これによって、図２（ｅ）に示すように、第１及び第２の部材１、２の直接的な接合が達成される。このとき、共晶反応生成物や酸化皮膜、インサート材に由来する金属などを含む微量の混合物が接合界面に残存することがあり得るが、接合接合条件の調整によって最小限に減らすことができる。なお、第１及び第２の部材１、２の直接的な接合部が形成されている限り、強度上の問題となることはない。

なお、図２においては、微細凹凸１ｒを第１の部材１の側に形成した例を示したが、これに限定されることはなく、微細凹凸の形成位置については、接合部位の少なくとも１箇所に形成すればよく、上記のように第１及び第２の部材における接合面の一方に形成するほか、接合面の両方に設けることができる。両面に形成することによって、酸化皮膜の破壊起点をより多くすることができる。
さらに、微細凹凸は、インサート材３の片面あるいは両面に形成することもでき、こうすることによって、第１及び第２の部材に微細凹凸の形成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。

以下、本発明を実施例に基づいて具体的に説明する。

第１の部材としては、純銅製の径５ｍｍ、長さ１５ｍｍの丸棒（金属Ａ）と、当該純銅製丸棒の端面に厚さ３μｍの銀めっき（金属Ａ）、金めっき（金属Ａ）を施したものをそれぞれ用いた。
一方、第２の部材としては、アルミニウム合金（Ａ６０６１）から成る径１０ｍｍ、長さ２５ｍｍの丸棒（金属Ｂ）と、同一寸法の無酸素銅から成る丸棒（金属Ｂ）と、この無酸素銅から成る丸棒の端面に厚さ３μｍの銀めっき（金属Ｂ）を施したものをそれぞれ用いた。

このとき、接合端面は旋盤加工とし、それぞれＲａ０．０１μｍの表面粗さの鏡面加工のものと、第２の部材側に高さ１００μｍ、アスペクト比１．０、ピッチ１００μｍの三角形溝の周期構造から成る微細凹凸（図３（ｂ）参照）を備えたものを用意した。

インサート材としては、径８ｍｍ、厚さ１００μｍのＺｎ−Ａｌ合金箔（１０．８％Ａｌ−８９．２％Ｚｎ、融点：３８５℃）、Ｚｎ−Ａｌ−Ｍｇ合金箔（４．１％Ａｌ−２．５％Ｍｇ−９３．４％Ｚｎ、融点：３５２℃）及びＺｎ−Ａｌ−Ａｇ合金箔（３．２８％Ａｇ−４．１９％Ａｌ−９２．５３％Ｚｎ、融点：３８９℃）と共に、径８ｍｍ、厚さ２０μｍ、１００μｍ及び３００μｍのＺｎ−Ａｌ−Ｃｕ合金箔（４．０％Ａｌ−２．０％Ｃｕ−９４．０％Ｚｎ、融点：３８９℃）を準備した。
なお、これら合金箔については、それぞれの成分を有する合金溶湯を高速で回転する金属ロールに吹き付けることによって得られた厚さ約２０μｍの急冷箔帯をそれぞれ所要の厚さとなるように重ねて使用した。

接合に際しては、丸棒の接合端面間に、上記組成、サイズのインサート材を配置し、大気中において、２〜２５ＭＰａに加圧した状態で、接合部の周囲に配置した高周波加熱コイルによって４００〜４２０℃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。なお、接合温度は、丸棒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。

そして、得られた突き合わせ継手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。
その結果については、従来のＳｎ−Ａｇ−Ｃｕはんだの平均的な接合強度の下限を３０ＭＰａとし、この強度を超えるものを「○」、２０ＭＰａを超え、３０ＭＰａに満たないものを「△」、２０ＭＰａを下回るものを「×」としてそれぞれ評価した。これらを接合条件と共に表１に示す。

（実施例１）
純銅製の第１の部材（金属Ａ）と、微細凹凸を備えたアルミニウム合金製の第２の部材（金属Ｂ）との間に、インサート材として、厚さ１００μｍのＺｎ−Ａｌ合金箔を介在させ、１０ＭＰａの加圧力のもとで、４２０℃×１分間の接合を行い、当該実施例１による突き合わせ継手を得た。

（実施例２）
インサート材をＺｎ−Ａｌ合金箔からＺｎ−Ａｌ−Ｃｕ合金箔に変更し、接合時の加圧力を２ＭＰａとしたこと以外は、上記実施例１と同様の操作を繰り返すことによって、当該実施例２による突き合わせ継手を得た。

（実施例３）
接合時の加圧力を２０ＭＰａとしたこと以外は、上記実施例２と同様の操作を繰り返すことによって、当該実施例３による突き合わせ継手を得た。

（実施例４）
第２の部材（金属Ｂ）として、微細凹凸を形成することなく、接合面を鏡面加工したものを用い、接合時の加圧力を２５ＭＰａとしたことを除いて、上記実施例２と同様の操作を繰り返すことによって、当該実施例４による突き合わせ継手を得た。

（実施例５）
インサート材の厚さを３００μｍとし、接合時の加圧力を１０ＭＰａとしたこと以外は、上記実施例２と同様の操作を繰り返すことによって、当該実施例５による突き合わせ継手を得た。

（実施例６）
インサート材の厚さを３００μｍから２０μｍに変更したこと以外は、上記実施例５と同様の操作を繰り返すことによって、当該実施例６による突き合わせ継手を得た。

（実施例７）
第１の部材（金属Ａ）として、純銅製の丸棒端面に銀めっきを施したものを使用したことを除いて、上記実施例１と同様の操作を繰り返すことによって、当該実施例７による突き合わせ継手を得た。

（実施例８）
インサート材をＺｎ−Ａｌ合金箔からＺｎ−Ａｌ−Ａｇ合金箔に変更したこと以外は、上記実施例７と同様の操作を繰り返すことによって、当該実施例８による突き合わせ継手を得た。

（実施例９）
第１の部材（金属Ａ）として、純銅製の丸棒端面に金めっきを施したものを使用したことを除いて、上記実施例１と同様の操作を繰り返すことによって、当該実施例９による突き合わせ継手を得た。

（実施例１０）
インサート材をＺｎ−Ａｌ合金箔からＺｎ−Ａｌ−Ｍｇ合金箔に変更し、接合温度を４００℃としたこと以外は、上記実施例９と同様の操作を繰り返すことによって、当該実施例１０による突き合わせ継手を得た。

（実施例１１）
第２の部材（金属Ｂ）として、無酸素銅から成る丸棒を用いたこと以外は、上記実施例１と同様の操作を繰り返すことによって、当該実施例１１による突き合わせ継手を得た。

（実施例１２）
インサート材をＺｎ−Ａｌ合金箔からＺｎ−Ａｌ−Ｃｕ合金箔に変更したこと以外は、上記実施例１１と同様の操作を繰り返すことによって、当該実施例１２による突き合わせ継手を得た。

（実施例１３）
第２の部材（金属Ｂ）として、微細凹凸を設けることなく、接合面を鏡面加工したものを用い、接合時の加圧力を２５ＭＰａとしたことを除いて、上記実施例１２と同様の操作を繰り返すことによって、当該実施例１３による突き合わせ継手を得た。

（実施例１４）
第１の部材（金属Ａ）として、純銅製の丸棒端面に銀めっきを施したものを使用したことを除いて、上記実施例１１と同様の操作を繰り返すことによって、当該実施例１４による突き合わせ継手を得た。

（実施例１５）
インサート材をＺｎ−Ａｌ合金箔からＺｎ−Ａｌ−Ｃｕ合金箔に変更したこと以外は、上記実施例１４と同様の操作を繰り返すことによって、当該実施例１５による突き合わせ継手を得た。

（実施例１６）
インサート材をＺｎ−Ａｌ−Ａｇ合金箔に変更したこと以外は、上記実施例１４と同様の操作を繰り返すことによって、当該実施例１６による突き合わせ継手を得た。

（実施例１７）
第１の部材（金属Ａ）として、純銅製の丸棒端面に金めっきを施したものを使用したことを除いて、上記実施例１４と同様の操作を繰り返すことによって、当該実施例１７による突き合わせ継手を得た。

（実施例１８）
インサート材をＺｎ−Ａｌ合金箔からＺｎ−Ａｌ−Ｍｇ合金箔に変更し、接合温度を４００℃としたこと以外は、上記実施例１７と同様の操作を繰り返すことによって、当該実施例１８による突き合わせ継手を得た。

（実施例１９）
インサート材をＺｎ−Ａｌ合金箔からＺｎ−Ａｌ−Ｃｕ合金箔に変更したこと以外は、上記実施例１７と同様の操作を繰り返すことによって、当該実施例１９による突き合わせ継手を得た。

（実施例２０）
第２の部材（金属Ｂ）として、無酸素銅製の丸棒端面に銀めっきを施したものを使用したことを除いて、上記実施例１４と同様の操作を繰り返すことによって、当該実施例２０による突き合わせ継手を得た。

（実施例２１）
インサート材をＺｎ−Ａｌ合金箔からＺｎ−Ａｌ−Ａｇ合金箔に変更したこと以外は、上記実施例２０と同様の操作を繰り返すことによって、当該実施例２１による突き合わせ継手を得た。

（実施例２２）
第１の部材（金属Ａ）として、純銅製の丸棒端面に金めっきを施したものを使用したことを除いて、上記実施例２０と同様の操作を繰り返すことによって、当該実施例２２による突き合わせ継手を得た。

（実施例２３）
インサート材をＺｎ−Ａｌ合金箔からＺｎ−Ａｌ−Ｍｇ合金箔に変更し、接合温度を４００℃としたこと以外は、上記実施例２２と同様の操作を繰り返すことによって、当該実施例２３による突き合わせ継手を得た。

（実施例２４）
インサート材をＺｎ−Ａｌ合金箔からＺｎ−Ａｌ−Ａｇ合金箔に変更したこと以外は、上記実施例２２と同様の操作を繰り返すことによって、当該実施例２４による突き合わせ継手を得た。

（比較例１）
純銅製の第１の部材（金属Ａ）とアルミニウム合金から成る第２の部材（金属Ｂ）との接合に際して、第２の部材に微細凹凸を形成することも、インサート材を介在させることもなく、上記実施例１と同様の条件で接合を実施した。

（比較例２）
純銅製の丸棒端面に銀めっきを施してなる第１の部材（金属Ａ）と無酸素銅製の丸棒端面に銀めっきを施してなる第２の部材（金属Ｂ）とを接合するに際して、接合面間にＳｎ−Ａｇ−Ｃｕはんだを介在させた状態で、２６０℃に５分間加熱することによって両部材をろう付けした。

表１に示す結果から明らかなように、インサート材を用いることなく接合を行った比較例１においては、実質的に接合がなされていない。これに対し、実施例１〜２４においては、Ｚｎを含有するインサート材を両部材の間に介在させ、金属Ａ及び金属Ｂのそれぞれとの間に共晶反応を生じさせることによって、健全な接合が可能になることが判明した。
また、この実施例の範囲内では、接合温度が高くて加圧力が低い場合や、接合面の表面粗さに対するインサート材の厚さが過大な場合に、接合強度が低下する傾向が認められた。

図４は、上記実施例２０と比較例２による突き合わせ接合継手における接合界面の電気抵抗を測定した結果を示すものであって、本発明によれば、従来のＳｎ−Ａｇ−Ｃｕはんだと用いた場合と比較して、大幅な電気抵抗の低減が可能となることが確認された。また、熱抵抗を低くすることもでき、半導体装置、電子部品の接合に好適なことが確認された。

１ 第１の部材（金属Ａ）
１ｆ 酸化皮膜
１ｒ 微細凹凸
２ 第２の部材（金属Ｂ）
２ｆ 酸化皮膜
３ インサート材
４ 排出物

Claims (8)

1. 少なくとも接合面がＡｌ、Ｃｕ、Ａｇ及びＡｕから成る群より選ばれた少なくとも１種を主成分とする金属Ａから成る第１の部材と、少なくとも接合面がＡｌ、Ｃｕ、Ａｇ及びＡｕから成る群より選ばれた少なくとも１種を主成分とする金属Ｂから成る第２の部材とを接合する（但し、Ａｌを主成分とする金属同士、Ａｕを主成分とする金属同士の接合を除く）に際して、
   上記両部材の接合面間に、上記金属Ａに含まれるＡｕ以外の少なくとも１種の金属と、上記金属Ｂに含まれるＡｕ以外の少なくとも１種の金属とそれぞれ共晶反応を生じる金属としてＺｎを含むインサート材を介在させ、両部材を相対的に加圧した状態で、上記共晶反応を生じる温度に加熱して、両部材の接合界面に共晶反応による溶融物を生成させ、当該溶融物と共に、上記金属Ａ及び／又は金属Ｂの表面に生成された酸化皮膜を接合界面から排出して両部材を接合することを特徴とする金属材料の接合方法。
2. 上記インサート材がＺｎを主成分とする金属であることを特徴とする請求項１に記載の接合方法。
3. 上記インサート材がＺｎと、Ａｌ、Ｍｇ、Ｃｕ、Ａｇ及びＳｎから成る群より選ばれた少なくとも１種の金属を主成分とする合金であることを特徴とする請求項１に記載の接合方法。
4. 上記インサート材がＺｎ及びＡｌを主成分とする合金であることを特徴とする請求項３に記載の接合方法。
5. 上記インサート材がＺｎ、Ａｌ及びＭｇを主成分とする合金であることを特徴とする請求項３に記載の接合方法。
6. 上記金属Ａと金属Ｂとが同種材料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。
7. 上記インサート材の厚さが２０〜２００μｍであることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１つの項に記載の接合方法。
8. 上記接合面及びインサート材表面の少なくとも一部に微細凹凸を形成することを特徴とする請求項１〜７のいずれか１つの項に記載の接合方法。

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