JP2019122967A - Method for manufacturing copper tin alloy - Google Patents
Method for manufacturing copper tin alloy Download PDFInfo
- Publication number
- JP2019122967A JP2019122967A JP2018003500A JP2018003500A JP2019122967A JP 2019122967 A JP2019122967 A JP 2019122967A JP 2018003500 A JP2018003500 A JP 2018003500A JP 2018003500 A JP2018003500 A JP 2018003500A JP 2019122967 A JP2019122967 A JP 2019122967A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- tin
- copper
- layer
- metal
- metal layer
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
Abstract
Description
本発明は、銅錫合金の製造方法に関する。 The present invention relates to a method of producing a copper-tin alloy.
従来より、銅や錫はその加工性の高さや入手のしやすさ等から、種々の金属加工の場において重宝されてきた。特に近年では、銅や錫と共に文明の発達を支えてきた金属の一つである鉛に関して、その人体や環境への毒性が指摘され、使用を控える向きがある。今後、銅や錫をより効果的に使用していく方法を見出すことは、非常に有用なことであると考えられる。 Conventionally, copper and tin have been used in various metal processing fields because of their high processability and availability. In particular, with regard to lead, which is one of the metals that has supported the development of civilization with copper and tin in recent years, its toxicity to the human body and the environment has been pointed out, and there is a tendency to refrain from using it. Finding ways to use copper and tin more effectively in the future is considered to be very useful.
純粋な銅は、高い電気伝導性と展延性を有する一方で、融点が１０００℃以上と高く、またその入手における費用も比較的高く、材料として使用するに際して種々のデメリットも存在する。錫も、高い展延性を有し加工性が高いといったメリットがある一方で、錫単体として使用した場合には、融点が約２３２℃と、金属としては耐熱性が低く、また表面にウィスカが発生しやすいというデメリットも抱えている。 Pure copper, while having high electrical conductivity and spreadability, has a high melting point of 1000 ° C. or higher, the cost of obtaining it is relatively high, and various disadvantages exist when used as a material. Tin also has the advantage of high ductility and high processability, but when used as a single tin, it has a low melting point of about 232 ° C., and its metal has low heat resistance, and whiskers are generated on the surface. It also has the disadvantage of being easy to do.
そこで銅及び錫の短所を消しつつ、それらの長所を効果的に生かすべく、銅及び錫を単体で使用するのではなく、銅錫合金として使用する試みがなされてきた。特に合金に含まれる銅や錫の割合や結晶構造に応じて、銅錫合金の性質に多様性を持たせることが可能であり、めっき等の被覆用の材料や、接合用の材料など、多様な分野への応用が可能であると考えられる。 Therefore, in order to make the best use of their advantages while eliminating the disadvantages of copper and tin, attempts have been made to use copper and tin instead of using copper and tin alone. In particular, depending on the ratio of copper and tin contained in the alloy and the crystal structure, it is possible to give diversity to the properties of the copper-tin alloy, and various materials such as coating materials such as plating and materials for bonding It is considered that application to various fields is possible.
ところで、銅錫合金を製造するに際して、ボイドの形成を極力抑えたうえで、いかに安価かつ簡便に製造するかということは、いくつかの重要なポイントの中の一つである。 By the way, it is one of several important points how to manufacture cheaply and easily while suppressing the formation of voids as much as possible when manufacturing a copper-tin alloy.
銅錫系合金の中でも、Ｃｕ６Ｓｎ５やＣｕ３Ｓｎ合金は、銅の利点と錫の利点の双方を併せ持ち、高い有用性を有することから、長年にわたり研究されてきた。例えば、非特許文献１においては、錫と銅の層をそれぞれ交互に積層した構造を介し、高温・高圧下で銅材を接合する技術が開示されている。確かにＣｕ６Ｓｎ５やＣｕ３Ｓｎ合金は優れた耐熱性及び耐食性を有しており、かかるＣｕ６Ｓｎ５やＣｕ３Ｓｎ合金を接合部材等に使用することは有効であると考えられる。 Among copper-tin alloys, Cu 6 Sn 5 and Cu 3 Sn alloys have been studied for many years because they have both the advantages of copper and the advantages of tin and have high utility. For example, Non-Patent Document 1 discloses a technique of joining a copper material under high temperature and high pressure through a structure in which tin and copper layers are alternately stacked. Certainly, Cu 6 Sn 5 and Cu 3 Sn alloys have excellent heat resistance and corrosion resistance, and it is considered effective to use such Cu 6 Sn 5 and Cu 3 Sn alloys for joining members and the like.
一方で、銅と錫のそれぞれを積層した後、Ｃｕ６Ｓｎ５やＣｕ３Ｓｎ合金を形成する場合、積層界面の合金中にボイドが形成される可能性があり、Ｃｕ６Ｓｎ５やＣｕ３Ｓｎ合金を、接合材料等の各目的に使用するに際しては、そのボイドの発生を低減する必要がある。しかしながら、非特許文献１に記載された方法では、ボイドの発生を充分に抑えられているとは言い難かった。そこで、よりボイドの発生を抑制することのできるＣｕ６Ｓｎ５やＣｕ３Ｓｎ合金等の銅錫合金の製造方法を見出すことが求められている。 On the other hand, when forming Cu 6 Sn 5 or Cu 3 Sn alloy after laminating each of copper and tin, voids may be formed in the alloy of the lamination interface, and Cu 6 Sn 5 or Cu 3 In using Sn alloy for each purpose, such as joining material, it is necessary to reduce the generation of the void. However, in the method described in Non-Patent Document 1, it has been difficult to say that the generation of voids is sufficiently suppressed. Therefore, it is required to find a method for producing a copper-tin alloy such as Cu 6 Sn 5 or Cu 3 Sn alloy which can further suppress the generation of voids.
上記のような事情に鑑み、本発明の目的とするところは、ボイドの発生を低減することのできる、銅錫合金の製造方法を提供することにある。 In view of the above-mentioned circumstances, an object of the present invention is to provide a method for producing a copper-tin alloy which can reduce the occurrence of voids.
本発明者らは上記目的を解決すべく鋭意研究を重ねた結果、銅層又は銅錫層である第１の金属層、及び該第１の金属層より錫を多量に含有する銅錫層である第２の金属層が積層された、銅及び錫を元素構成比で銅：錫＝５０：５０〜９５：５で含む銅錫含有層、並びに錫により実質的に構成される錫供給層を接触させて積層体とし、前記積層体を加熱することにより、銅錫合金中のボイドの発生を低減できることを見出し、本発明を完成するに至った。 As a result of intensive studies to solve the above object, the present inventors found that a first metal layer which is a copper layer or a copper tin layer, and a copper tin layer containing a larger amount of tin than the first metal layer. A copper-tin-containing layer containing copper and tin in an elemental ratio of copper: tin = 50: 50 to 95: 5, and a tin supply layer substantially composed of tin, in which a second metal layer is laminated; By making it contact to make a laminated body and heating the said laminated body, it discovers that generation | occurrence | production of the void in copper tin alloy can be reduced, and came to complete this invention.
即ち、本発明は、以下の銅錫合金の製造方法を提供する。
項１．
銅錫合金の製造方法であって、
銅層又は銅錫層である第１の金属層、及び該第１の金属層より錫を多量に含有する銅錫層である第２の金属層が積層された、銅及び錫を元素構成比で銅：錫＝５０：５０〜９５：５で含む銅錫含有層、並びに
錫により実質的に構成される錫供給層を接触させて積層体とし、
前記積層体を加熱することを特徴とする、
銅錫合金の製造方法。
項２．
前記銅錫含有層の厚みは０．１〜５０μｍである、項１に記載の銅錫合金の製造方法。
項３．
前記第１の金属層及び前記第２の金属層の厚みは、それぞれ５〜５００ｎｍである、項１又は２に記載の銅錫合金の製造方法。
項４．
第１の金属部材と第２の金属部材とを接合する方法であって、
前記第１の金属部材と前記第２の金属部材との間に、
銅層又は銅錫層である第１の金属層、及び該第１の金属層より錫を多量に含有する銅錫層である第２の金属層が積層された、銅及び錫を元素構成比で銅：錫＝５０：５０〜９５：５で含む銅錫含有層、並びに
１層以上の錫供給層を配置し、
それら全体を加熱することを特徴とする、接合方法。
That is, the present invention provides the following method for producing a copper-tin alloy.
Item 1.
A method of producing a copper-tin alloy, comprising
Element ratio of copper and tin in which a first metal layer which is a copper layer or a copper tin layer and a second metal layer which is a copper tin layer containing a larger amount of tin than the first metal layer are laminated A copper-tin-containing layer containing copper: tin = 50: 50 to 95: 5, and a tin supply layer substantially composed of tin to make a laminate,
Heating the laminate,
Manufacturing method of copper tin alloy.
Item 2.
Item 2. The method for producing a copper-tin alloy according to item 1, wherein the thickness of the copper-tin-containing layer is 0.1 to 50 μm.
Item 3.
Item 3. The method for producing a copper-tin alloy according to item 1 or 2, wherein the thickness of each of the first metal layer and the second metal layer is 5 to 500 nm.
Item 4.
A method of joining a first metal member and a second metal member, the method comprising:
Between the first metal member and the second metal member,
Element ratio of copper and tin in which a first metal layer which is a copper layer or a copper tin layer and a second metal layer which is a copper tin layer containing a larger amount of tin than the first metal layer are laminated Place a copper-tin containing layer containing copper: tin = 50: 50 to 95: 5, and one or more tin supply layers,
A bonding method characterized in that the whole of them is heated.
本発明に係る銅錫合金の製造方法によれば、銅錫合金中のボイドの発生を低減することができる。 According to the method for producing a copper-tin alloy according to the present invention, the generation of voids in the copper-tin alloy can be reduced.
本発明の銅錫合金の製造方法は、銅層又は銅錫層である第１の金属層、及び該第１の金属層より錫を多量に含有する銅錫層である第２の金属層が積層された、銅及び錫を元素構成比で銅：錫＝５０：５０〜９５：５で含む銅錫含有層、並びに錫により実質的に構成される錫供給層を接触させて積層体とし、前記積層体を加熱することを特徴とする。 In the method for producing a copper-tin alloy of the present invention, a first metal layer which is a copper layer or a copper-tin layer, and a second metal layer which is a copper-tin layer containing a larger amount of tin than the first metal layer A copper-tin-containing layer containing copper and tin in an elemental ratio of copper: tin = 50: 50 to 95: 5 and a tin supply layer substantially composed of tin are brought into contact to form a laminate; The laminate is heated.
銅錫合金
銅錫合金としては、銅及び錫を含有する合金を主たる成分として含有する合金であれば特に限定はない。具体的には、Ｃｕ３Ｓｎ、Ｃｕ６Ｓｎ５から選択される一種以上を含有することが好ましく、Ｃｕ３Ｓｎを含有することがより好ましい。Ｃｕ６Ｓｎ５は融点が４１５℃、Ｃｕ３Ｓｎは６７６℃と、共に錫合金としては耐熱性に優れている。その他、銅錫合金には、ＣｕＳｎ、Ｃｕ４Ｓｎ、Ｃｕ１０Ｓｎ３、Ｃｕ４０Ｓｎ１１、Ｃｕ４１Ｓｎ１１、及びＣｕ８１Ｓｎ２２から選択される一種以上が不可避不純物として含まれていてよい。
The copper-tin alloy The copper-tin alloy is not particularly limited as long as it is an alloy containing an alloy containing copper and tin as a main component. Specifically, Cu 3 Sn, preferably contains one or more selected from Cu 6 Sn 5, and more preferably contains a Cu 3 Sn. The melting point of Cu 6 Sn 5 is 415 ° C., and that of Cu 3 Sn is 676 ° C., which are both excellent in heat resistance as a tin alloy. In addition, one or more types selected from CuSn, Cu 4 Sn, Cu 10 Sn 3 , Cu 40 Sn 11 , Cu 41 Sn 11 , and Cu 81 Sn 22 may be contained in the copper-tin alloy as unavoidable impurities.
銅錫含有層
銅錫含有層は、銅層又は銅錫層である第１の金属層、及び該第１の金属層より錫を多量に含有する銅錫層である第２の金属層を積層することにより得られる。積層を形成するための方法としては、上記第１の金属層と上記第２の金属層とを積層可能な、公知の方法を広く採用することができるが、例えば蒸着等の方法は、純粋な銅の積層や錫の積層しか形成することができないため、採用不可能である。銅錫含有層を形成する方法としては、具体的には、めっき法、スパッタリング法、等を挙げることができる。
Copper-tin-containing layer copper-tin-containing layer, the copper layer or the first metal layer is a copper-tin layer, and laminating a second metal layer is a copper-tin layer containing a large amount of tin than the first metal layer It is obtained by As a method for forming a laminate, known methods capable of laminating the first metal layer and the second metal layer can be widely adopted. For example, methods such as vapor deposition are pure. It can not be adopted because only copper lamination and tin lamination can be formed. Specifically as a method of forming a copper tin content layer, the plating method, sputtering method, etc. can be mentioned.
第１の金属層に含まれる銅及び錫の配合比率は、元素構成比で、銅：錫＝７０：３０〜１００：０とするのが好ましい。また、第２の金属層は、第１の金属層よりも、錫を多量に含有する銅錫層である。第２の金属層に含まれる銅及び錫の配合比率は、元素構成比で銅：錫＝７０：３０〜５：９５とするのが好ましい。かかる構成を有することにより、最終的に得られる銅錫合金中にボイドが形成されることを抑制することができる。 The compounding ratio of copper and tin contained in the first metal layer is preferably copper: tin = 70: 30 to 100: 0 in terms of element composition ratio. The second metal layer is a copper-tin layer containing a larger amount of tin than the first metal layer. The compounding ratio of copper and tin contained in the second metal layer is preferably copper: tin = 70: 30 to 5:95 in terms of element composition ratio. By having such a configuration, it is possible to suppress the formation of voids in the finally obtained copper-tin alloy.
純粋な銅や錫の層を積層することによって、銅錫含有層を構成することも可能であるが、上述した第１の金属層及び第２の金属層を積層することによって銅錫含有層を構成することにより、銅錫含有層を構成する各層間の、銅と錫との濃度勾配差を少なくすることができる。これにより、銅錫含有層を加熱した際に各層間で銅及び錫の異常拡散が抑制され、各層間の界面におけるボイドの発生を抑制することができると考えられる。 Although it is possible to construct a copper tin-containing layer by laminating pure copper and tin layers, it is also possible to laminate the copper tin-containing layer by laminating the first metal layer and the second metal layer described above. By comprising, the concentration gradient difference of copper and tin between each layer which comprises a copper tin content layer can be decreased. Thereby, when the copper-tin containing layer is heated, abnormal diffusion of copper and tin is suppressed between the respective layers, and it is considered that the generation of voids at the interface between the respective layers can be suppressed.
銅錫含有層における第１の金属層及び第２の金属層の積層数、各積層の一層当たりの厚み、及び銅錫含有層全体の厚み、及び錫供給層の厚みを勘案し、最終的に得られる銅錫合金中の銅及び錫は、元素構成比で銅：錫＝４５：５５〜９０：１０となることが好ましく、銅：錫＝５５：４５〜９０：１０とすることがより好ましい。かかる構成を有することにより、銅錫合金中のＣｕ６Ｓｎ５及びＣｕ３Ｓｎの含有率を高めることが可能となる。 Taking into consideration the number of laminations of the first metal layer and the second metal layer in the copper tin-containing layer, the thickness per layer of each lamination, and the total thickness of the copper tin-containing layer, and the thickness of the tin supply layer, The copper and tin in the obtained copper-tin alloy preferably have an elemental composition ratio of copper: tin = 45: 55 to 90:10, and more preferably copper: tin = 55: 45 to 90:10 . By having such a configuration, it is possible to increase the content of Cu 6 Sn 5 and Cu 3 Sn in the copper-tin alloy.
上記を勘案の上、銅錫含有層に含まれる銅及び錫は、元素構成比で銅：錫＝５０：５０〜９５：５となるように構成される。ここで、耐熱性等に優れたＣｕ６Ｓｎ５、Ｃｕ３Ｓｎの含有比率を高めるという面から、銅錫含有層中の銅及び錫の含有量は、元素構成比で銅：錫＝５５：４５〜９５：５とするのがより好ましい。 In consideration of the above, copper and tin contained in the copper tin-containing layer are configured to have copper: tin = 50: 50 to 95: 5 in terms of element composition ratio. Here, from the viewpoint of increasing the content ratio of Cu 6 Sn 5 and Cu 3 Sn which are excellent in heat resistance etc., the content of copper and tin in the copper-tin containing layer is copper: tin = 55: It is more preferable to set it as 45-95: 5.
銅錫含有層を構成する各積層の一層当たりの厚みとしては、第１の金属層及び第２の金属層共に、それぞれ独立して５〜５００ｎｍが好ましく、１０〜１００ｎｍがより好ましく、４０〜８０ｎｍがさらに好ましい。各積層の一層当たりの厚みをかかる数値範囲内とすることにより、拡散が速やかに進み、短時間でボイドの少ない銅錫合金が得られるという効果を得ることができる。 The thickness per one layer of each layer constituting the copper tin-containing layer is preferably independently 5 to 500 nm, more preferably 10 to 100 nm, and more preferably 40 to 80 nm for each of the first metal layer and the second metal layer. Is more preferred. By setting the thickness per layer of each lamination within such a numerical value range, it is possible to obtain the effect that diffusion progresses rapidly and a copper tin alloy with few voids can be obtained in a short time.
また、銅錫含有層を構成する第１の金属層及び第２の金属層の積層数としては、積層が過多とならないようにして不純物混入の可能性を低減し、また、生産性を向上させるために、合計で１０〜１０００とするのが好ましく、２０〜６５０とすることが、さらに好ましい。 Further, as the number of laminations of the first metal layer and the second metal layer constituting the copper tin-containing layer, the possibility of mixing of impurities is reduced so that the lamination does not become excessive, and the productivity is improved. In order to achieve this, the total amount is preferably 10 to 1000, and more preferably 20 to 650.
銅錫含有層全体の厚みとしては、錫供給層との速やかな拡散という点を考慮し、０．１〜５０μｍとするのが好ましく、０．５〜２０μｍとするのがさらに好ましい。また、銅錫含有層の厚みをかかる数値範囲内となるように、各積層の一層当たりの厚み及び積層数を上記の如く設定するのが好適である。かかる構成に加えて、後述する錫供給層も併せて加熱することにより、得られる銅錫合金中のＣｕ６Ｓｎ５、Ｃｕ３Ｓｎの含有率を高めることができる。 The thickness of the entire copper-tin-containing layer is preferably 0.1 to 50 μm, more preferably 0.5 to 20 μm, in consideration of rapid diffusion with the tin supply layer. In addition, it is preferable to set the thickness and the number of laminations of each lamination as described above so that the thickness of the copper tin-containing layer falls within the above numerical range. In addition to this configuration, the content of Cu 6 Sn 5 and Cu 3 Sn in the obtained copper-tin alloy can be increased by heating the tin supply layer described later together.
錫供給層
錫供給層は、錫により実質的に構成される。ここでいう「実質的に」とは、錫供給層がほぼ純粋な錫により構成され、わずかに他の金属元素等や、不純物が含まれることも許容されるということを意味する。
Tin Supply Layer The tin supply layer consists essentially of tin. "Substantially" as used herein means that the tin supply layer is composed of substantially pure tin, and that it is acceptable that a slight amount of other metal elements or the like and impurities be contained.
錫供給層はほぼ純粋な錫により構成されるため、第１の金属層及び第２の金属層よりも低融点である。錫供給層を備えることにより、後述する加熱工程を低温で実施することが可能になる。より具体的には、加熱工程において、２４０℃付近で、錫供給層中の錫が、第１の金属層及び第２の金属層に先んじて溶融して第１の金属層及び第２の金属層に含まれる銅中に拡散することにより、銅錫含有層に錫が供給される。これにより銅錫含有層を含めた全体を、約３００℃付近という低温で銅錫合金を製造することが可能となる。 Since the tin supply layer is composed of substantially pure tin, it has a lower melting point than the first metal layer and the second metal layer. By providing the tin supply layer, it is possible to carry out the heating step described below at a low temperature. More specifically, in the heating step, at about 240 ° C., tin in the tin supply layer melts prior to the first metal layer and the second metal layer, and the first metal layer and the second metal are melted. Tin is supplied to the copper tin-containing layer by diffusing into the copper contained in the layer. This makes it possible to produce a copper-tin alloy at a low temperature of about 300 ° C., including the copper-tin-containing layer as a whole.
本発明の製造方法により得られる銅錫合金を、例えば銅などの金属同士の接合に利用する場合には、錫供給層を備えることにより、低温、短時間で、高融点のＣｕ６Ｓｎ５、Ｃｕ３Ｓｎが生成可能となるだけでなく、ボイドの少ない、強固な接着が可能となる。 When the copper-tin alloy obtained by the manufacturing method of the present invention is used to join metals such as copper, for example, Cu 6 Sn 5 having a high melting point at a low temperature and in a short time by providing a tin supply layer. Not only Cu 3 Sn can be generated, but also bonding with less voids can be achieved.
錫供給層の厚みは、０．１〜２０μｍとするのが好ましく、０．５〜５μｍとするのがさらに好ましい。 The thickness of the tin supply layer is preferably 0.1 to 20 μm, and more preferably 0.5 to 5 μm.
錫供給層を形成するための方法としては、公知の方法を広く採用することができ、特に限定はない。具体的には、めっき法、蒸着法、スパッタリングなどの各種の方法を使用することが可能である。 A well-known method can be widely adopted as a method for forming a tin supply layer, and there is no limitation in particular. Specifically, various methods such as a plating method, a vapor deposition method, and sputtering can be used.
加熱
以上の通り、銅錫含有層及び錫供給層を設けて積層体を形成した後、該積層体を加熱することにより銅錫合金を形成する。加熱は、２００〜３５０℃で行うことが好ましく、２４０〜３２０℃で行うことがより好ましい。
As described above, a copper tin-containing layer and a tin supply layer are provided to form a laminate, and then the laminate is heated to form a copper-tin alloy. The heating is preferably performed at 200 to 350 ° C., and more preferably at 240 to 320 ° C.
加熱に際して、同時に加圧を行うことも好ましい実施態様である。０．１〜２０ＭＰａ、より好ましくは０．５〜１０ＭＰａ程度の圧力を加えるとよい。 It is also a preferred embodiment to apply pressure simultaneously with heating. A pressure of about 0.1 to 20 MPa, more preferably about 0.5 to 10 MPa may be applied.
以上のようにして得られた銅錫合金は、種々の目的に使用することが可能である。例えば、本発明の製造方法により製造された銅錫合金を、金属部材の接合に利用するのも好ましい。金属部材としては、公知の金属部材を広く採用することができ特に限定はなく、例えば銅などを挙げることができる。また本明細書における金属部材には、非金属部材を公知の金属で被覆したものも包含される。 The copper-tin alloy obtained as described above can be used for various purposes. For example, it is also preferable to utilize the copper tin alloy manufactured by the manufacturing method of this invention for joining of a metal member. As a metal member, a well-known metal member can be widely adopted and there is no limitation in particular, For example, copper etc. can be mentioned. Further, the metal members in the present specification also include those obtained by coating non-metal members with a known metal.
本発明の製造方法により得られた銅錫合金を、第１の金属部材と第２の金属部材の接合に使用する場合、第１の金属部材と第２の金属部材との間に、銅層又は銅錫層である第１の金属層、及び該第１の金属層より錫を多量に含有する第２の金属層とが積層された、銅及び錫を元素構成比で銅：錫＝５０：５０〜９５：５で含む銅錫含有層及び１層以上の錫供給層を配置し、それら全体を加熱することにより、接合することが可能である。 When the copper-tin alloy obtained by the manufacturing method of the present invention is used to join a first metal member and a second metal member, a copper layer is formed between the first metal member and the second metal member. Or copper and tin in an elemental composition ratio of copper: tin = 50 in which a first metal layer which is a copper tin layer and a second metal layer containing a larger amount of tin than the first metal layer are laminated It is possible to join by arrange | positioning the copper tin content layer which contains: 50-95: 5, and one or more layers of tin supply layers, and heating them whole.
第１の金属部材と第２の金属部材との接合における具体的な実施態様としては、一方の金属部材の被接合面上に銅錫含有層を設け、該銅錫含有層における金属部材と接触していないもう片方の面上に錫供給層を設け、該錫供給層を更にもう一方の金属部材に接触させた後に全体を加熱する方法が挙げられる。 As a specific embodiment in the bonding of the first metal member and the second metal member, a copper tin containing layer is provided on the to-be-joined surface of one metal member, and the metal tin in the copper tin containing layer is in contact There is a method of providing a tin supply layer on the other side and heating the whole after the tin supply layer is brought into contact with the other metal member.
さらに、第１の金属部材と第２の金属部材との接合における具体的な別の実施態様としては、ぞれぞれの金属部材の被接合面上に銅錫含有層を設け、それぞれの金属部材に形成された２つの銅錫含有層の何れか又は双方における金属部材と接触していないもう一方の面上に錫供給層を設ける。そしてそれぞれの金属部材に設けられた錫供給層同士、又は、一方のみの金属部材に設けられた錫供給層ともう一方の金属部材に設けられた銅錫含有層とを、接触させた後に全体を加熱する方法も挙げることができる。 Furthermore, as another specific embodiment in the bonding of the first metal member and the second metal member, a copper tin containing layer is provided on the surface to be bonded of each metal member, and the respective metals are formed. A tin supply layer is provided on the other side not in contact with the metal member in either or both of the two copper tin containing layers formed on the member. And after making the tin supply layers provided in each metal member or the tin supply layer provided in only one metal member contact the copper tin containing layer provided in the other metal member, The method of heating can also be mentioned.
上記何れの実施態様においても、加熱に加えて同時に加圧を行うことが好ましい。 In any of the above embodiments, it is preferable to simultaneously apply heating and pressure.
また、金属部材の接合に際しては、錫供給層の表面にフラックスを塗布などの公知の方法により、付着させるのも好ましい。 In addition, when bonding the metal members, it is also preferable to attach a flux to the surface of the tin supply layer by a known method such as coating.
使用するフラックスとしては、低残渣タイプが好ましい。 As a flux to be used, a low residue type is preferable.
本発明の製造方法により得られる銅錫合金は、該銅錫合金内のボイドの形成が少ない。また、これを金属部材同士の接合に用いた場合、接合される金属部材の素材くわれも少ないため、接合材料として非常に優れた特性を有する。また、本発明の製造方法により得られる銅錫合金は耐熱性に優れているため、特に金属部材同士が接合されて形成された物品が２００℃以上の高温下での使用に供されるような場合の使用に好適である。 The copper-tin alloy obtained by the manufacturing method of the present invention has less formation of voids in the copper-tin alloy. Moreover, when this is used for joining of metal members, since there are few raw material cracks of the metal member joined, it has a very outstanding characteristic as a joining material. Moreover, since the copper-tin alloy obtained by the manufacturing method of the present invention is excellent in heat resistance, in particular, an article formed by joining metal members is used for use at a high temperature of 200 ° C. or higher. Suitable for use in cases.
これまで上記のような、高温下での使用が想定される物品に使用される金属接合用の材料としては、鉛及び錫の合金が広く使用されてきた。しかし近年では人体や環境への毒性の観点から、鉛の使用を控える向きがある。本発明の製造方法によれば、４００℃以上の高融点の銅錫合金を得ることが可能であり、高温下での使用が想定される物品に使用される金属接合用の材料として好適である。 So far, alloys of lead and tin have been widely used as materials for metal bonding used in articles expected to be used under high temperatures as described above. However, in recent years there has been a tendency to refrain from using lead in terms of toxicity to human bodies and the environment. According to the manufacturing method of the present invention, it is possible to obtain a copper-tin alloy having a high melting point of 400 ° C. or higher, and it is suitable as a material for metal bonding used for articles expected to be used under high temperatures. .
また、本発明の製造方法によれば、かかる高融点の銅錫合金を、例えば３００℃付近の低温で製造することができる。 Further, according to the production method of the present invention, such a high melting point copper-tin alloy can be produced, for example, at a low temperature around 300 ° C.
それ以外の本発明の製造方法により得られる銅錫合金の使用用途としては、各種の部材を被覆する被覆材として使用するのも好ましい。本発明の銅錫合金による被覆材は、被覆材自体のボイドの発生が低減され、また、被覆される母材の素材くわれも低減される。さらには銅や錫単体でめっきした場合と比較して、耐腐蝕性の面で優れているだけでなく、ウィスカの発生も低減することができる。 As a use application of the copper-tin alloy obtained by the manufacturing method of this invention other than that, it is also preferable to use as a coating material which coats various members. In the copper-tin alloy coating of the present invention, the occurrence of voids in the coating itself is reduced, and the material breakage of the base material to be coated is also reduced. Furthermore, compared with the case where only copper or tin is plated, it is not only superior in terms of corrosion resistance, but also can reduce the generation of whiskers.
その他、本発明の製造方法により得られる銅錫合金を、リチウムイオン電池の負極材として使用するのも好ましい。本発明の製造方法により得られる銅錫合金は現在広く利用されている黒鉛に対して、理論的には約3倍の容量を有するため、リチウムイオン電池の負極材として使用するのに好適である。 In addition, it is also preferable to use the copper tin alloy obtained by the manufacturing method of this invention as a negative electrode material of a lithium ion battery. The copper-tin alloy obtained by the manufacturing method of the present invention is theoretically about three times the capacity of currently widely used graphite, and thus is suitable for use as a negative electrode material of a lithium ion battery .
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこうした例に何ら限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々なる形態で実施し得ることは勿論である。 Although the embodiments of the present invention have been described above, the present invention is not limited to these examples, and it is needless to say that the present invention can be practiced in various forms without departing from the scope of the present invention.
以下、実施例に基づき、本発明の実施形態をより具体的に説明するが、本発明がこれらに限定されるものではない。 Hereinafter, the embodiments of the present invention will be more specifically described based on examples, but the present invention is not limited to these.
（実施例１）
銅材上に、銅：錫の含有される割合が元素構成比で銅：錫＝９５：５の第１の金属層と、銅：錫の含有される割合が元素構成比で銅：錫＝６０：４０の第２の金属層とを、湿式めっき手法を用い交互に積層して、銅錫含有層を形成した。形成された第１の金属層、第２の金属層の各層の厚みは図１に示すように、約２５〜５０ｎｍとした。積層数は、第１の金属層を１００層、第２の金属層を１００層の合計２００層とした。さらに図２に示すように、銅錫含有層の上に、湿式めっき手法により錫めっきすることで、厚さ２μｍの錫供給層を形成した。その後、３００℃条件下で加熱した。銅錫含有層に含まれる銅及び錫の含有比率は、元素構成比で、銅：錫＝８３．７：１６．３であった。また、銅錫含有層の厚みは、１０μｍであった。
Example 1
In the copper material, the content ratio of copper: tin is the element composition ratio of the first metal layer of copper: tin = 95: 5, and the content ratio of copper: tin is the composition ratio of copper: tin = A 60:40 second metal layer was alternately laminated using a wet plating technique to form a copper tin containing layer. The thickness of each of the formed first metal layer and second metal layer was about 25 to 50 nm as shown in FIG. The number of stacked layers was 100 in the first metal layer and 100 in the second metal layer, for a total of 200 layers. Furthermore, as shown in FIG. 2, a tin supply layer having a thickness of 2 μm was formed by tin plating on the copper tin-containing layer by a wet plating method. Then, it heated at 300 degreeC conditions. The content ratio of copper and tin contained in the copper tin-containing layer was copper: tin = 83.7: 16.3 in terms of element composition ratio. Moreover, the thickness of the copper tin containing layer was 10 micrometers.
図３には実施例１の加熱後の断面の電子顕微鏡写真（反射電子像）を示した。錫供給層を形成し、加熱することで、均一な構造を有する銅錫合金が得られ、かつ銅材との境界でのボイドの形成が抑制されることが確認された。また、加熱後の銅錫合金の元素構成比は銅：錫＝７６．６：２３．４となっており、Ｃｕ３Ｓｎが生成していると考えられる。また、ボイドに関しても、直径１μｍにも満たない極微小なものしか確認されず、実質的に無視できるレベルであった。 The electron micrograph (reflected electron image) of the cross section after the heating of Example 1 was shown by FIG. By forming a tin supply layer and heating, it was confirmed that a copper-tin alloy having a uniform structure was obtained, and the formation of voids at the interface with the copper material was suppressed. Moreover, the elemental composition ratio of the copper-tin alloy after heating is copper: tin = 76.6: 23.4, and it is considered that Cu 3 Sn is generated. Further, as to the voids, only extremely minute particles having a diameter of less than 1 μm were confirmed, and were substantially negligible.
（実施例２）
図４に示したように、銅材（２０ｍｍ×２０ｍｍ、厚み１ｍｍ）上に、実施例１と同様の方法で銅錫含有層を作成した。その後、銅錫含有層の上に、湿式めっき手法により錫めっきすることで、厚さ１μｍの錫供給層を形成した。接合する銅材（１０ｍｍ×１０ｍｍ、厚み１ｍｍ）上にも同様に銅錫合金層および厚さ１μｍの錫供給層を形成した。これら錫供給層側同士を重ね合わせ、３００℃条件下、０.５ＭＰａの圧力をかけることにより銅錫合金を製造し、銅材の接合を行った。
(Example 2)
As shown in FIG. 4, a copper tin-containing layer was formed on a copper material (20 mm × 20 mm, thickness 1 mm) in the same manner as in Example 1. Thereafter, tin plating was performed by a wet plating method on the copper tin-containing layer to form a 1 μm thick tin supply layer. A copper-tin alloy layer and a 1 μm thick tin supply layer were similarly formed on a copper material (10 mm × 10 mm, 1 mm thick) to be joined. These tin supply layer sides were piled up, and a copper tin alloy was manufactured by applying a pressure of 0.5 MPa under a condition of 300 ° C. to bond a copper material.
（実施例３）
銅材（２０ｍｍ×２０ｍｍ、厚み１ｍｍ）及び銅材（１０ｍｍ×１０ｍｍ、厚み１ｍｍ）の接合を行った。第１の金属層及び第２の金属層の各層の厚みを約８〜１５ｎｍとし、第１の金属層と第２の金属層の積層数を、それぞれ３００層ずつの合計６００層とした以外は、実施例２と同様にして、銅錫合金を形成し、銅材の接合を行った。
(Example 3)
Bonding of a copper material (20 mm × 20 mm, thickness 1 mm) and a copper material (10 mm × 10 mm, thickness 1 mm) was performed. The thickness of each layer of the first metal layer and the second metal layer is about 8 to 15 nm, and the number of laminated layers of the first metal layer and the second metal layer is a total of 600 layers of 300 layers each. Then, in the same manner as in Example 2, a copper-tin alloy was formed, and a copper material was joined.
（実施例４）
銅材（２０ｍｍ×２０ｍｍ、厚み１ｍｍ）及び銅材（１０ｍｍ×１０ｍｍ、厚み１ｍｍ）の接合を行った。第１の金属層及び第２の金属層の各層の厚みを約２００〜４００ｎｍとし、第１の金属層と第２の金属層の積層数を、それぞれ１５層ずつの合計３０層とした以外は、実施例２と同様にして、銅錫合金を形成し、銅材の接合を行った。
(Example 4)
Bonding of a copper material (20 mm × 20 mm, thickness 1 mm) and a copper material (10 mm × 10 mm, thickness 1 mm) was performed. The thickness of each layer of the first metal layer and the second metal layer is about 200 to 400 nm, and the number of laminated layers of the first metal layer and the second metal layer is a total of 30 layers of 15 layers each. Then, in the same manner as in Example 2, a copper-tin alloy was formed, and a copper material was joined.
（比較例１）
銅材（２０ｍｍ×２０ｍｍ、厚み１ｍｍ）及び銅材（１０ｍｍ×１０ｍｍ、厚み１ｍｍ）の接合を行った。銅錫含有層は形成せず、両方の銅材に錫供給層を厚さ５μｍで形成した。これらを重ね合わせ、３００℃条件下、０.５ＭＰａの圧力をかけることにより銅錫合金を製造し、接合した。
(Comparative example 1)
Bonding of a copper material (20 mm × 20 mm, thickness 1 mm) and a copper material (10 mm × 10 mm, thickness 1 mm) was performed. A copper-tin containing layer was not formed, and a tin supply layer was formed to a thickness of 5 μm on both copper materials. These were superposed, and a copper-tin alloy was manufactured and joined by applying a pressure of 0.5 MPa under 300 ° C. conditions.
図５に、実施例２〜４及び比較例１の銅材の接合を行った接合断面の電子顕微鏡写真（反射電子像）を示した。図中、写真の上下に存在する黒色の部分は、共に銅材である。図から解るように、実施例２〜４の構成を用いて接合を行った場合には、形成された銅錫合金中のボイドの形成が比較例１よりも抑制されることが、確認された。
実施例２〜４において接合部分に形成された銅錫合金の厚みは，銅錫含有層の各層の厚みに依存する傾向があった。これらの接合部の元素組成比からは、実施例２〜４では、ともにＣｕ６Ｓｎ５、Ｃｕ３Ｓｎなどの銅錫合金が形成されていると考えられる。また、加熱後においても銅錫含有層が残存していることが観察された。また、残存した銅錫合金層は加熱前の銅錫含有層と同等の元素組成比を有しているため、高融点の銅錫合金又は銅と考えられる。比較例１においては，銅材との接合界面部の平滑性が損なわれ粗雑となる銅材の浸食、いわゆる銅食われが生じている様子が確認された。一方，銅材に銅錫含有層を形成した実施例２〜４においては、銅材との接合界面部は加熱前と同等の平滑性を保持しており，銅材の浸食（食われ）等はほとんど認められなかった。
In FIG. 5, the electron micrograph (reflected electron image) of the joining cross section which joined the copper material of Examples 2-4 and the comparative example 1 was shown. In the figure, the black parts present at the top and bottom of the photograph are both copper materials. As understood from the figure, it was confirmed that the formation of voids in the formed copper-tin alloy is suppressed more than in Comparative Example 1 when bonding is performed using the configuration of Examples 2 to 4 .
The thickness of the copper-tin alloy formed in the joint portion in Examples 2 to 4 tends to depend on the thickness of each layer of the copper-tin containing layer. From Examples 2 to 4, it is considered that a copper-tin alloy such as Cu 6 Sn 5 or Cu 3 Sn is formed in each of Examples 2 to 4 from the element composition ratio of these joint portions. Moreover, it was observed that the copper-tin containing layer remained even after heating. Further, since the remaining copper-tin alloy layer has the same element composition ratio as the copper-tin-containing layer before heating, it is considered to be a high melting point copper-tin alloy or copper. In Comparative Example 1, it was confirmed that corrosion of the copper material which is rough due to the loss of smoothness at the bonding interface with the copper material, that is, so-called copper corrosion occurs. On the other hand, in Examples 2 to 4 in which a copper-tin containing layer is formed on a copper material, the bonding interface with the copper material maintains the same smoothness as before heating, and corrosion (corrosion) of the copper material, etc. Was hardly observed.
１ 錫供給層
２ 銅錫含有層
３ 銅材
1 Tin supply layer 2 Copper-tin containing layer 3 Copper material
Claims (4)
銅層又は銅錫層である第１の金属層、及び該第１の金属層より錫を多量に含有する銅錫層である第２の金属層が積層された、銅及び錫を元素構成比で銅：錫＝５０：５０〜９５：５で含む銅錫含有層、並びに
錫により実質的に構成される錫供給層を接触させて積層体とし、
前記積層体を加熱することを特徴とする、
銅錫合金の製造方法。 A method of producing a copper-tin alloy, comprising
Element ratio of copper and tin in which a first metal layer which is a copper layer or a copper tin layer and a second metal layer which is a copper tin layer containing a larger amount of tin than the first metal layer are laminated A copper-tin-containing layer containing copper: tin = 50: 50 to 95: 5, and a tin supply layer substantially composed of tin to make a laminate,
Heating the laminate,
Manufacturing method of copper tin alloy.
前記第１の金属部材と前記第２の金属部材との間に、
銅層又は銅錫層である第１の金属層、及び該第１の金属層より錫を多量に含有する銅錫層である第２の金属層が積層された、銅及び錫を元素構成比で銅：錫＝５０：５０〜９５：５で含む銅錫含有層、並びに
１層以上の錫供給層を配置し、
それら全体を加熱することを特徴とする、接合方法。 A method of joining a first metal member and a second metal member, the method comprising:
Between the first metal member and the second metal member,
Element ratio of copper and tin in which a first metal layer which is a copper layer or a copper tin layer and a second metal layer which is a copper tin layer containing a larger amount of tin than the first metal layer are laminated Place a copper-tin containing layer containing copper: tin = 50: 50 to 95: 5, and one or more tin supply layers,
A bonding method characterized in that the whole of them is heated.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2018003500A JP7116946B2 (en) | 2018-01-12 | 2018-01-12 | Method for producing copper-tin alloy |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2018003500A JP7116946B2 (en) | 2018-01-12 | 2018-01-12 | Method for producing copper-tin alloy |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2019122967A true JP2019122967A (en) | 2019-07-25 |
| JP7116946B2 JP7116946B2 (en) | 2022-08-12 |
Family
ID=67397181
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2018003500A Active JP7116946B2 (en) | 2018-01-12 | 2018-01-12 | Method for producing copper-tin alloy |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP7116946B2 (en) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN113941797A (en) * | 2021-10-27 | 2022-01-18 | 浙江亚通焊材有限公司 | Grid-shaped composite strip of high-tin-content copper-tin brazing filler metal and preparation method thereof |
| CN116411202A (en) * | 2021-12-29 | 2023-07-11 | 无锡市蓝格林金属材料科技有限公司 | Copper-tin alloy wire and preparation method thereof |
Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2004220871A (en) * | 2003-01-10 | 2004-08-05 | Kobe Steel Ltd | Material of lithium cell anode and its manufacturing method |
| JP2008221290A (en) * | 2007-03-14 | 2008-09-25 | Toshiba Corp | Joined member and joining method |
| JP2013038330A (en) * | 2011-08-10 | 2013-02-21 | Toshiba Corp | Semiconductor device manufacturing method and semiconductor device |
| JP2015123485A (en) * | 2013-12-27 | 2015-07-06 | 三菱電機株式会社 | Bonding method and power semiconductor device |
| WO2017077824A1 (en) * | 2015-11-05 | 2017-05-11 | 株式会社村田製作所 | Joining member and manufacturing method for joining member |
| WO2017134974A1 (en) * | 2016-02-01 | 2017-08-10 | 株式会社村田製作所 | Bonding material, and bonding method and bonding structure using same |
| JP2018001238A (en) * | 2016-07-05 | 2018-01-11 | 有限会社 ナプラ | Multilayer preform sheet |
-
2018
- 2018-01-12 JP JP2018003500A patent/JP7116946B2/en active Active
Patent Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2004220871A (en) * | 2003-01-10 | 2004-08-05 | Kobe Steel Ltd | Material of lithium cell anode and its manufacturing method |
| JP2008221290A (en) * | 2007-03-14 | 2008-09-25 | Toshiba Corp | Joined member and joining method |
| JP2013038330A (en) * | 2011-08-10 | 2013-02-21 | Toshiba Corp | Semiconductor device manufacturing method and semiconductor device |
| JP2015123485A (en) * | 2013-12-27 | 2015-07-06 | 三菱電機株式会社 | Bonding method and power semiconductor device |
| WO2017077824A1 (en) * | 2015-11-05 | 2017-05-11 | 株式会社村田製作所 | Joining member and manufacturing method for joining member |
| WO2017134974A1 (en) * | 2016-02-01 | 2017-08-10 | 株式会社村田製作所 | Bonding material, and bonding method and bonding structure using same |
| JP2018001238A (en) * | 2016-07-05 | 2018-01-11 | 有限会社 ナプラ | Multilayer preform sheet |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN113941797A (en) * | 2021-10-27 | 2022-01-18 | 浙江亚通焊材有限公司 | Grid-shaped composite strip of high-tin-content copper-tin brazing filler metal and preparation method thereof |
| CN113941797B (en) * | 2021-10-27 | 2022-10-04 | 浙江亚通焊材有限公司 | Grid-shaped composite strip of high-tin-content copper-tin brazing filler metal and preparation method thereof |
| CN116411202A (en) * | 2021-12-29 | 2023-07-11 | 无锡市蓝格林金属材料科技有限公司 | Copper-tin alloy wire and preparation method thereof |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP7116946B2 (en) | 2022-08-12 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| JP5757359B2 (en) | Cu / ceramic bonded body, Cu / ceramic bonded body manufacturing method, and power module substrate | |
| JP4985129B2 (en) | Bonded body, electronic module, and bonding method | |
| JP6753869B2 (en) | How to make composites | |
| JP6281468B2 (en) | Semiconductor device and manufacturing method thereof | |
| JP2006144030A (en) | High thermal conductivity composite material and manufacturing method therefor | |
| KR20150079836A (en) | Metal-ceramic substrate and method for producing a metal-ceramic substrate | |
| CN107240440B (en) | Metal particle, paste, molded body, and laminate | |
| JP2017537792A (en) | Transient liquid phase composition with multilayer particles | |
| JP6443568B2 (en) | Bonding material, bonding method and bonding structure using the same | |
| JP6287759B2 (en) | Semiconductor device and manufacturing method thereof | |
| JP5504842B2 (en) | Power module substrate, power module substrate with heat sink, power module, and method for manufacturing power module substrate | |
| CN107073585B (en) | The manufacturing method of the porous composite component of copper porous sintered body, copper, the manufacturing method of copper porous sintered body and the porous composite component of copper | |
| JP2019122967A (en) | Method for manufacturing copper tin alloy | |
| CN107614162A (en) | The manufacture method of the porous composite component of copper porous body, copper, the manufacture method of copper porous body and the porous composite component of copper | |
| CN107530776A (en) | The manufacture method of the porous composite component of copper porous body, copper, the manufacture method of copper porous body and the porous composite component of copper | |
| US20160297029A1 (en) | Method for joining structural material, joining sheet, and joint structure | |
| KR20190131029A (en) | Manufacturing method of cylindrical sputtering target, and cylindrical sputtering target | |
| TWI727922B (en) | Low nickel, multiple layer laminate composite | |
| JP4925964B2 (en) | Multilayer thermoelectric conversion element and method for manufacturing the same | |
| KR100629445B1 (en) | Fabrication methid of titanium clad copper bus-bars | |
| JPH0565272B2 (en) | ||
| JPH1158072A (en) | Manufacture of copper brazing sheet | |
| JP2004276072A (en) | Different-metal composite | |
| JP2012169058A (en) | Oxide superconducting wire rod | |
| JPS59141393A (en) | Brazing filler material |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A80 | Written request to apply exceptions to lack of novelty of invention |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A80 Effective date: 20180202 |
|
| A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20201221 |
|
| A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20211118 |
|
| A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20211124 |
|
| A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20220121 |
|
| TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
| A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20220621 |
|
| A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20220720 |
|
| R150 | Certificate of patent or registration of utility model |
Ref document number: 7116946 Country of ref document: JP Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 |