JP2021003885A - 金属板の接合体およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】アルミニウムまたはアルミニウム合金からなる２枚の金属板が十分な接合強度で接合した安価な且つ変形が小さい金属板の接合体およびその製造方法を提供する。【解決手段】アルミニウムまたはアルミニウム合金からなる第１の金属板１０の一方の面に銀層１２を配置し、この銀層１２上に、アルミニウムまたはアルミニウム合金からなる第２の金属板１４を載置して積層体１６を作製し、この積層体１６にその厚さ方向に０．１〜３０ＭＰａの荷重を加えながら、積層体１６を２５０〜３７０℃で１〜１８０分間加熱することにより、銀層１２の銀粉同士が焼結し、第１の金属板１０と第２の金属板１４との間の弱い接合を形成して、第１の金属板１０と第２の金属板１４の仮接合体を作製し、この仮接合体を接合炉内に入れ、３８０〜６３０℃で１〜１８０分間加熱することにより、第１の金属板１０と第２の金属板１４を強固に接合する。【選択図】図１

Description

本発明は、金属板の接合体およびその製造方法に関し、特に、アルミニウムまたはアルミニウム合金からなる２枚の金属板を接合した金属板の接合体およびその製造方法に関する。

近年、電気自動車、電車、工作機械などの大電流を制御するためのパワーモジュールの絶縁基板として、セラミックス基板の一方の面にアルミニウムまたはアルミニウム合金などからなる金属板が接合するとともに他方の面にアルミニウムまたはアルミニウム合金などからなる金属ベース板が接合した金属−セラミックス接合基板が使用されている。また、金属ベース板の他方の面（裏面）には、アルミニウムまたはアルミニウム合金などからなる（裏面に放熱フィンなどが形成された放熱板などの）放熱板が取り付けられている。

このような金属−セラミックス接合基板のアルミニウムまたはアルミニウム合金からなる金属ベース板にアルミニウムまたはアルミニウム合金からなる放熱板を取り付ける方法として、ろう付けにより放熱板を取り付ける方法が提案されている（例えば、特許文献１〜２参照）。

特開２０１１−１６６１２７号公報（段落番号００１５） 特開２０１５−１７０８２６号公報（段落番号００１１）

しかし、特許文献１および２の方法では、アルミニウムまたはアルミニウム合金からなる金属ベース板にアルミニウムまたはアルミニウム合金からなる放熱板を取り付ける際に、アルミニウムの融点（約６６０℃）近くまで高温に加熱してろう材を溶かして取り付けるため、取り付け後に放熱板が変形し易い。また、特許文献１および２の方法では、ろう付けする際の固定冶具が必要であるため、大型の炉が必要になるとともに、加熱および冷却の時間がかかり、製造コストが高くなる。

そのため、アルミニウムまたはアルミニウム合金からなる金属ベース板にアルミニウムまたはアルミニウム合金からなる放熱板を十分な接合強度で安価に且つ小さい変形で接合することが望まれている。

したがって、本発明は、このような従来の問題点に鑑み、アルミニウムまたはアルミニウム合金からなる２枚の金属板が十分な接合強度で接合した安価な且つ変形が小さい金属板の接合体およびその製造方法を提供することを目的とする。

本発明者らは、上記課題を解決するために鋭意研究した結果、アルミニウムまたはアルミニウム合金からなる第１の金属板の一方の面に銀層を配置し、この銀層上に、アルミニウムまたはアルミニウム合金からなる第２の金属板を載置して積層体を作製し、この積層体にその厚さ方向に０．１〜３０ＭＰａの荷重を加えながら、積層体を２５０〜３７０℃で１〜１８０分間加熱することにより仮接合体を作製し、この仮接合体を３８０〜６３０℃で１〜１８０分間加熱することにより、第１の金属板と第２の金属板を接合すれば、アルミニウムまたはアルミニウム合金からなる２枚の金属板が十分な接合強度で接合した安価な且つ変形が小さい金属板の接合体を製造することができることを見出し、本発明を完成するに至った。

すなわち、本発明による金属板の接合体の製造方法は、アルミニウムまたはアルミニウム合金からなる第１の金属板の一方の面に銀層を配置し、この銀層上に、アルミニウムまたはアルミニウム合金からなる第２の金属板を載置して積層体を作製し、この積層体にその厚さ方向に０．１〜３０ＭＰａの荷重を加えながら、積層体を２５０〜３７０℃で１〜１８０分間加熱することにより仮接合体を作製し、この仮接合体を３８０〜６３０℃で１〜１８０分間加熱することにより、第１の金属板と第２の金属板を接合することを特徴とする。

この金属板の接合体の製造方法において、仮接合体を作製する際の加熱温度が３２０〜３７０℃であるのが好ましく、仮接合体を作製する際に加える荷重が１〜２５ＭＰａであるのが好ましく、仮接合体を作製する際の加熱時間が３〜１２０分間であるのが好ましい。また、仮接合体を作製した後に、仮接合体を加熱する温度が３９０〜６２０℃であるのが好ましく、仮接合体を加熱する時間が３〜１２０分間であるのが好ましい。さらに、第１または第２の金属板が、アルミニウムまたはアルミニウム合金からなる金属板がセラミックス基板に直接接合した金属−セラミックス基板の金属板でもよい。また、積層体への荷重がプレス機により加えられるのが好ましく、積層体および仮接合体の加熱が、固定冶具により固定しないで行われるのが好ましい。また、銀層は、銀粉層、銀ペーストまたは銀シートであるのが好ましい。銀層が銀粉層の場合、銀粉層の銀粉の平均粒径が０．０１〜５．０μｍであるのが好ましい。

また、本発明による金属板の接合体は、アルミニウムまたはアルミニウム合金からなる第１の金属板とアルミニウムまたはアルミニウム合金からなる第２の金属板が、銀にアルミニウムが拡散している層により接合されていることを特徴とする。

この金属板の接合体において、第１の金属板および第２の金属板との間の接合強度が１．１０ＭＰａ以上であるのが好ましく、１．５０ＭＰａ以上であるのがさらに好ましい。また、第１の金属板および第２の金属板の一方が他方から剥がれるときの力が７００Ｎ以上であるのが好ましく、８５０Ｎ以上であるのがさらに好ましい。また、第１または第２の金属板が、アルミニウムまたはアルミニウム合金からなる金属板がセラミックス基板に直接接合した金属−セラミックス基板の金属板でもよい。

本発明によれば、アルミニウムまたはアルミニウム合金からなる２枚の金属板が十分な接合強度で接合した安価な且つ変形が小さい金属板の接合体およびその製造方法を提供することができる。

本発明による金属板の接合体の製造方法の実施の形態において、金属板の仮接合体を作製する方法を概略的に説明する図である。 本発明による金属板の接合体の製造方法により作製した仮接合体および接合体の接合強度を測定する装置を概略的に説明する図である。 実施例１の金属板の接合体の厚さ方向に切断した断面の走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）による二次電子像である。 実施例７の金属板の接合体の厚さ方向に切断した断面のＳＥＭによる二次電子像である。 実施例１３の金属板の接合体の厚さ方向に切断した断面の走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）によるＣＯＭＰ（組成）像である。 実施例１６の金属板の接合体の厚さ方向に切断した断面のＳＥＭによるＣＯＭＰ（組成）像である。

以下、添付図面を参照して、本発明による金属板の接合体およびその製造方法の実施の形態について詳細に説明する。

本発明による金属板の接合体の製造方法の実施の形態では、図１に示すように、アルミニウムまたはアルミニウム合金からなる第１の金属板１０の一方の面に（好ましくは銀粉層、銀ペーストまたは銀シートからなる）銀層１２を配置し、この銀層１２上に、アルミニウムまたはアルミニウム合金からなる第２の金属板１４を載置して積層体１６を作製し、この積層体１６にその厚さ方向（図１において矢印で示す方向）に０．１〜３０ＭＰａ（好ましくは１〜２５ＭＰａ）の荷重を加えながら、積層体１６を２５０〜３７０℃（好ましくは３２０〜３７０℃）で１〜１８０分間（好ましくは３〜１２０分間）加熱することにより、銀層１２の銀粉同士の焼結（または加熱した銀シート）により、第１の金属板１０と第２の金属板１４との間に弱い接合を形成し、第１の金属板１０と第２の金属板１４の仮接合体を作製する。なお、この仮接合体の弱い接合は、（仮接合体を加熱して接合体を製造するための）接合炉内に仮接合体を搬入することができる程度の接合であればよいので、容易に剥離する程度の弱い接合でもよく、０．１ＭＰａ以上の荷重を加えながら２５０℃以上の温度で加熱すればよい。

この仮接合体は、図１に示すように、敷板１８の上面に（ガラスウールからなる）断熱材２０を介して配置された（内部にカートリッジヒータ２２ａを備えた）下側加熱板２２の上面と、天板２４の下面に（ガラスウールからなる）断熱材２０を介して配置された（内部にカートリッジヒータ２６ａを備えた）上側加熱板２６の下面とを鉛直方向に離間して対向させ、下側加熱板２２の上面と上側加熱板２６の下面に配置された（ＡｌＮ基板などのセラミックス基板からなる）一対のスペーサ２８の間に積層体１６を配置し、（図示しない）油圧プレスによって天板２４の上面から０．１〜３０ＭＰａの荷重を加えながら、下側加熱板２２のカートリッジヒータ２２ａと上側加熱板２６のカートリッジヒータ２６ａに電流を流して、積層体１６を２５０〜３７０℃で１〜１８０分間加熱した後、冷却することによって作製することができる。

なお、この仮接合体の作製は、加圧しながら加熱することができるホットプレスなどによって行うことができる。特に、仮接合体を作製する際に積層体を加圧しながら加熱するためにホットプレス装置を使用すれば、仮接合体を作製する際にねじ止めなどの固定冶具を使用する必要がなく、固定冶具を脱着する作業を行う必要がなくなるので、製造コストを削減できる。また、仮接合体を作製する際の加熱は、生産性を向上させるために急速に加熱するのが好ましく、例えば、ホットプレスによって加圧しながら加熱する前に、別の装置で予備加熱を行ってもよい。また、各々のスペーサ２８は、複数のセラミックス基板からなるスペーサでもよく、スペーサ２８と加熱板（下側加熱板２２および上側加熱板２６）との間にアルミニウム合金（Ａ６０６３）などからなる板材を配置してもよい。

次に、このようにして作製された第１の金属板１０と第２の金属板１４の仮接合体を（図示しない）接合炉内に入れ、３８０〜６３０℃（好ましくは３９０〜６２０℃）で１〜１８０分間（好ましくは３〜１２０分間）加熱することにより、第１の金属板１０と第２の金属板１４の間の銀層１２の銀が拡散することにより、第１の金属板１０と第２の金属板１４を強固に接合する。この接合の加熱温度Ｙ（℃）と接合時間Ｘ（分）との関係は、Ｙ≧−３．６４Ｘ＋５６６であるのが好ましい。この接合体を作製する際の加熱は、外部から全く加圧しない状態（または０．０５ＭＰａ以下の低い圧力を加えた状態）、すなわち、仮接合体上にスペーサを載置したり、さらにスペーサ上に重りなどを載置することによって仮接合体に加えられる程度の圧力（０．０５ＭＰａ以下、好ましくは０．０１ＭＰａ以下の圧力）を加えた状態で行ってもよい。このように仮接合体上にスペーサや重りなどを載置した状態（や仮接合体上にスペーサなどを載置しない状態）で接合炉内に入れて接合体を作製すれば、固定冶具を使用した場合と比べて、非常に多くの仮接合体を接合炉内に投入して、一度に接合体を作製することができるので、製造コストを低減することができる。なお、アルミニウムまたはアルミニウム合金からなる第１の金属板１０と第２の金属板１４が、３８０℃以上で圧力を加えると変形し易い純アルミニウムなどからなる場合に、高温域で荷重を加えたまま接合すると、金属板１０および金属板１４の変形量が大きくなる場合があるので、上記のように外部から全く加圧しない状態（または０．０５ＭＰａ以下の低い圧力を加えた状態）で加熱すれば、金属板１０および金属板１４の変形量を小さくすることができる。

なお、第１の金属板１０と第２の金属板１４の接合に使用する銀粉は、平均粒径０．０１〜５．０μｍであるのが好ましく、０．０５〜２．０μｍの銀粉であるのがさらに好ましく、０．１〜１．０μｍであるのが最も好ましい。また、銀層１２の配置は、第１の金属板１０の一方の面に、銀粉をそのまま塗布して銀粉層を形成してもよいし、銀粉を含む溶剤をスプレーして塗布した後に溶剤を揮発させて銀粉層を形成してもよいし、銀粉をペースト状にしてスクリーン印刷などにより塗布した後に加熱などによりペースト中のバインダを除去して形成してもよいし、銀シートを配置してもよい。また、第１の金属板１０および第２の金属板１４は、放熱性や導電性の観点から、好ましくは９０質量％以上、さらに好ましくは９５質量％以上、最も好ましくは９７質量％以上のアルミニウムを含む。

また、ＡｌＮ、ＳｉＮ、アルミナなどのセラミックス基板の一方の面にアルミニウムまたはアルミニウム合金からなる金属回路板が接合し、他方の面にアルミニウムまたはアルミニウム合金からなる金属ベース板が接合した金属−セラミックス接合基板の金属ベース板を第１の金属板１０および第２の金属板１４の一方とし、（裏面にフィンやピンが形成された放熱板などの）放熱板を第１の金属板１０および第２の金属板１４の他方として、本発明による金属板の接合方法の実施の形態により、第１の金属板１０と第２の金属板１４を強固に接合することができる。このように、金属ベース板と放熱板を本発明による金属板の接合体の製造方法の実施の形態により接合すれば、アルミニウムまたはアルミニウム合金と銀の拡散接合により接合され、ろう材のように広く溶融しないので、比較的低温で接合することができ、金属−セラミックス接合基板の変形も抑制することができる。

また、本発明による金属板の接合体の実施の形態は、アルミニウムまたはアルミニウム合金からなる第１の金属板１０とアルミニウムまたはアルミニウム合金からなる第２の金属板１４が、銀にアルミニウムが拡散している層により接合されている。

この金属板の接合体において、第１の金属板および第２の金属板との間の接合強度が１．１０ＭＰａ以上であるのが好ましく、１．５０ＭＰａ以上であるのがさらに好ましく、２．００ＭＰａ以上であるのが最も好ましい。なお、第１の金属板および第２の金属板との間の接合強度を１０ＭＰａ以上にすることができ、さらに１５ＭＰａ以上にすることもできる。また、第１の金属板および第２の金属板の一方が他方から剥がれるときの力が７００Ｎ以上であるのが好ましく、８５０Ｎ以上であるのがさらに好ましい。また、第１または第２の金属板が、アルミニウムまたはアルミニウム合金からなる金属板がセラミックス基板に直接接合した金属−セラミックス基板の金属板でもよい。

なお、本発明による金属板の接合体の製造方法により作製した仮接合体および接合体の接合強度（せん断強度）は、図２に示すように、略鉛直方向に延びる壁部１１２が固定された試験台１１０上に、積層体１６を第１の金属板１０を下側にして載置し、積層体１６の第１の金属板１０と略同じ厚さの支持板１１４を試験台１１０上の壁部１１２と積層体１６の間に載置した状態で、せん断強度プローブ１１６により積層体１６の第２の金属板１４を矢印方向に押圧して、金属板（第１の金属板１０または第２の金属板）が剥がれたときの力（剥がれない場合は金属板が変形する直前の力）を測定し、その力を接合面積で除することにより求めることができる。

以下、本発明による金属板の接合体およびその製造方法の実施例について詳細に説明する。

［実施例１］
金属板として２５ｍｍ×２５ｍｍ×１ｍｍの大きさの純アルミニウム板（山元株式会社製の圧延材Ａ１０５０Ｐ Ｈ２４ ＭＦ）を２枚用意し、一方の金属板としての純アルミニウム板の一方の面に、０．２ｇの銀粉（ＤＯＷＡハイテック株式会社製のＧ−１７、平均粒径０．４５〜０．７０μｍ）を塗布し、薬さじで平らにして、厚さ約３０μｍの銀粉層を形成し、この銀粉層上に他方の金属板としての純アルミニウム板を載置して積層体を作製し、図１に示す仮接合体の作製方法と同様の方法により、それぞれカートリッジヒータを組み込んだ上側加熱板と下側加熱板を備えたホットプレス機の上側加熱板と下側加熱板の間に、それぞれＢＮ粉を塗布したスペーサ（積層体側から厚さ１．０ｍｍのＡｌＮ基板と厚さ１０ｍｍのアルミニウム合金板（Ａ６０６３）からなるスペーサ）を介して積層体を配置して、油圧プレス（株式会社大阪ジャッキ製作所製）により積層体の厚さ方向に１０ＭＰａの荷重を加えながら、昇温速度５℃／分程度で３５０℃まで昇温して１０分間保持することにより積層体を加熱した後、除荷して空冷（ファンで送風して冷却速度１０℃／分程度で強制空冷）することにより仮接合体を作製した。なお、加熱温度は、純アルミニウム板に熱電対を接触させて測定した。このようにして作製した仮接合体から金属板が剥がれたときの力を、シェア強度測定機（株式会社アドウェルズ製のＳＰＳＴ２０００Ｎ）を使用して、図２と同様の方法により測定したところ、３００Ｎ程度であり、接合強度は０．４８ＭＰａであった。また、仮接合体の変形を肉眼で確認したところ、その変形は小さかった。

次に、上記と同様の方法により作製した仮接合体を接合炉に入れ、６００℃で５分間保持して加熱することにより、一対の純アルミニウム板の接合体を製造した。この接合体から金属板が剥がれたときの力（剥がれない場合は金属板が変形する直前の力）を、シェア強度測定機（株式会社アドウェルズ製のＳＰＳＴ２０００Ｎ）を使用して、図２と同様の方法により測定したところ、金属板は剥がれず、金属板が変形する直前の力は１１４９Ｎであった。この力を接合強度に換算すると、１．８４ＭＰａ以上であり、非常に強固に接合していた。また、接合体の変形を肉眼で確認したところ、その変形は小さかった。

また、この実施例１の金属板の接合体の厚さ方向に切断した断面のＳＥＭ−ＥＤＳ（エネルギー分散型Ｘ線分光器（ＥＤＳ）を搭載した走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）（株式会社日本電子製のＪＳＭ−６３９０Ａ））による二次電子像を図３に示す。図３の二次電子像から、銀にアルミニウムが拡散している層（拡散反応相）によって２枚のアルミニウム板が接合されていることがわかる。

［実施例２］
接合体を製造する際の加熱の温度を５００℃、保持時間を３０分間とした以外は、実施例１と同様の方法により、接合体を製造し、その接合体から金属板が剥がれたときの力（剥がれない場合は金属板が変形する直前の力）を測定したところ、金属板は剥がれず、金属板が変形する直前の力は９５３Ｎであり、接合強度は１．５２ＭＰａ以上であり、非常に強固に接合していた。また、接合体の変形は小さかった。

［実施例３］
接合体を製造する際の加熱の温度を４００℃、保持時間を３０分間とした以外は、実施例１と同様の方法により、接合体を製造し、その接合体から金属板が剥がれたときの力（剥がれない場合は金属板が変形する直前の力）を測定したところ、金属板が剥がれたときの力は７２７Ｎであり、接合強度は１．１６ＭＰａであり、強固に接合していた。また、接合体の変形は小さかった。

［実施例４］
接合体を製造する際の加熱の温度を４００℃、保持時間を６０分間とした以外は、実施例１と同様の方法により、接合体を製造し、その接合体から金属板が剥がれたときの力（剥がれない場合は金属板が変形する直前の力）を測定したところ、金属板は剥がれず、金属板が変形する直前の力は１０４８Ｎであり、接合強度は１．６８ＭＰａ以上であり、非常に強固に接合していた。また、接合体の変形は小さかった。

［実施例５］
一方の金属板として４０ｍｍ×４０ｍｍ×１０ｍｍの大きさの（Ａｌ−Ｓｉ−Ｍｇ系）アルミニウム合金板（Ａ６０６３ ＢＥ−Ｔ５）を使用し、接合体を製造する際の加熱の温度を５００℃とした以外は、実施例１と同様の方法により、接合体を製造し、その接合体から金属板が剥がれたときの力（剥がれない場合は金属板が変形する直前の力）を測定したところ、金属板が剥がれたときの力は８４８Ｎであり、接合強度は１．３６ＭＰａであり、強固に接合していた。また、接合体の変形は小さかった。

［実施例６］
一方の金属板として４０ｍｍ×４０ｍｍ×１０ｍｍの大きさの（Ａｌ−Ｓｉ−Ｍｇ系）アルミニウム合金板（Ａ６０６３ ＢＥ−Ｔ５）を使用した以外は、実施例２と同様の方法により、接合体を製造し、その接合体から金属板が剥がれたときの力（剥がれない場合は金属板が変形する直前の力）を測定したところ、金属板は剥がれず、金属板が変形する直前の力は１０２０Ｎであり、接合強度は１．６３ＭＰａ以上であり、非常に強固に接合していた。また、接合体の変形は小さかった。

［実施例７］
一方の金属板として４０ｍｍ×４０ｍｍ×１０ｍｍの大きさの（Ａｌ−Ｓｉ−Ｍｇ系）アルミニウム合金板（Ａ６０６３ ＢＥ−Ｔ５）を使用した以外は、実施例１と同様の方法により、接合体を製造し、その接合体から金属板が剥がれたときの力（剥がれない場合は金属板が変形する直前の力）を測定したところ、金属板は剥がれず、金属板が変形する直前の力は１３９６Ｎであり、接合強度は２．２３ＭＰａ以上であり、非常に強固に接合していた。また、接合体の変形は小さかった。

また、この実施例７の金属板の接合体の厚さ方向に切断した断面のＳＥＭ−ＥＤＳ（エネルギー分散型Ｘ線分光器（ＥＤＳ）を搭載した走査電子顕微鏡（ＳＥＭ））による二次電子像を図４に示す。図４の二次電子像から、銀にアルミニウムが拡散している層（拡散反応相）によって２枚のアルミニウム板が接合されていることがわかる。

［実施例８］
鋳型内に２５ｍｍ×２５ｍｍ×１ｍｍの大きさのＡｌＮからなる２枚のセラミックス基板を２．２ｍｍ離間して配置し、０．４質量％のＳｉと０．０４質量％のＢと残部としてのＡｌとからなるアルミニウム合金の溶湯をセラミックス基板の両面に接触するように鋳型内に注湯した後、冷却して溶湯を凝固させることにより、２５ｍｍ×２５ｍｍ×２．２ｍｍの大きさのアルミニウム合金板の両面に、２５ｍｍ×２５ｍｍ×１ｍｍの大きさのセラミックス基板の一方の面が直接接合し、これらのセラミックス基板の他方の面に、２５ｍｍ×２５ｍｍ×０．４ｍｍの大きさのアルミニウム合金板が直接接合した金属−セラミックス接合基板を作製し、この金属−セラミックス接合基板の一方の面のアルミニウム合金板を一方の金属板として使用し、４０ｍｍ×４０ｍｍ×１０ｍｍの大きさの（Ａｌ−Ｓｉ−Ｍｇ系）アルミニウム合金板（Ａ６０６３ ＢＥ−Ｔ５）を他方の金属板として使用し、仮接合体を製造する際の保持時間を１００分間とし、接合体を製造する際の保持時間を６０分間とした以外は、実施例１と同様の方法により、接合体を製造し、金属板の代わりにセラミックス基板を押圧した以外は、実施例１と同様の方法により、その接合体から金属板が剥がれたときの力（剥がれない場合は金属板が変形する直前の力）を測定したところ、金属板は剥がれず、金属板が変形する直前の力は１８０３Ｎであり、接合強度は２．８８ＭＰａ以上であり、非常に強固に接合していた。また、接合体の変形は小さかった。

［実施例９］
接合体を製造する際の加熱の保持時間を５分間とした以外は、実施例８と同様の方法により、接合体を製造し、金属板の代わりにセラミックス基板を押圧した以外は、実施例１と同様の方法により、その接合体から金属板が剥がれたときの力（剥がれない場合は金属板が変形する直前の力）を測定したところ、金属板は剥がれず、金属板が変形する直前の力は１９０８Ｎであり、接合強度は３．０５ＭＰａ以上であり、非常に強固に接合していた。また、接合体の変形は小さかった。

［実施例１０］
鋳型内に４０ｍｍ×３４ｍｍ×０．６ｍｍの大きさのＡｌＮからなるセラミックス基板を配置し、０．４質量％のＳｉと０．０４質量％のＢと残部としてのＡｌとからなるアルミニウム合金の溶湯をセラミックス基板の両面に接触するように鋳型内に注湯した後、冷却して溶湯を凝固させることにより、セラミックス基板の一方の面に３８ｍｍ×３２ｍｍ×０．２ｍｍの大きさのアルミニウム合金板が直接接合し、他方の面に３８ｍｍ×３２ｍｍ×０．４ｍｍの大きさのアルミニウム合金板が直接接合した金属−セラミックス接合基板を作製し、この金属−セラミックス接合基板の他方の面のアルミニウム合金板を一方の金属板として使用し、４０ｍｍ×４０ｍｍ×１０ｍｍの大きさの（Ａｌ−Ｓｉ−Ｍｇ系）アルミニウム合金板（Ａ６０６３ ＢＥ−Ｔ５）を他方の金属板として使用し、上記の一方の金属板に代えて他方の金属板の一方の面に銀粉層を形成し、仮接合体を作製する際のスペーサとした厚さ１．０ｍｍのＡｌＮ基板からなるスペーサを使用した以外は、実施例９と同様の方法により、接合体を製造し、金属板の代わりにセラミックス基板を押圧した以外は、実施例１と同様の方法により、その接合体から金属板が剥がれたときの力（剥がれない場合は金属板が変形する直前の力）を測定したところ、金属板は剥がれず、金属板が変形する直前の力は１８３２Ｎであり、接合強度は１．５１ＭＰａであり、非常に強固に接合していた。また、接合体の変形は小さかった。

［実施例１１］
鋳型内に２５ｍｍ×２５ｍｍ×１ｍｍの大きさのＡｌＮからなる２枚のセラミックス基板を２．２ｍｍ離間して配置し、０．４質量％のＳｉと０．０４質量％のＢと残部としてのＡｌとからなるアルミニウム合金の溶湯をセラミックス基板の両面に接触するように鋳型内に注湯した後、冷却して溶湯を凝固させることにより、２５ｍｍ×２５ｍｍ×２．２ｍｍの大きさのアルミニウム合金板の両面に、２５ｍｍ×２５ｍｍ×１ｍｍの大きさのセラミックス基板の一方の面が直接接合し、これらのセラミックス基板の他方の面に、２５ｍｍ×２５ｍｍ×０．４ｍｍの大きさのアルミニウム合金板が直接接合した金属−セラミックス接合基板を作製し、この金属−セラミックス接合基板の一方の面のアルミニウム合金板を一方の金属板として使用し、４０ｍｍ×４０ｍｍ×１０ｍｍの大きさの（Ａｌ−Ｓｉ−Ｍｇ系）アルミニウム合金板（Ａ６０６３ ＢＥ−Ｔ５）を他方の金属板として使用し、仮接合体を作製する際の保持時間を１０分間とし、仮接合体を作製する際のスペーサとした厚さ１．０ｍｍのＡｌＮ基板からなるスペーサを使用した以外は、実施例９と同様の方法により、接合体を製造し、金属板の代わりにセラミックス基板を押圧した以外は、実施例１と同様の方法により、その接合体から金属板が剥がれたときの力（剥がれない場合は金属板が変形する直前の力）を測定したところ、金属板は剥がれず、金属板が変形する直前の力は２０１０Ｎであり、接合強度は３．２２ＭＰａ以上であり、非常に強固に接合していた。また、接合体の変形は小さかった。

［実施例１２］
０．４質量％のＳｉと０．０４質量％のＢと残部としてのＡｌとからなるアルミニウム合金の溶湯を鋳型内に注湯した後、冷却して溶湯を凝固させることにより、２５ｍｍ×２５ｍｍ×４ｍｍの大きさのアルミニウム合金板を作製し、このアルミニウム合金板を一方の金属板として使用し、４０ｍｍ×４０ｍｍ×１０ｍｍの大きさの（Ａｌ−Ｓｉ−Ｍｇ系）アルミニウム合金板（Ａ６０６３ ＢＥ−Ｔ５）を他方の金属板として使用し、上記の一方の金属板に代えて他方のアルミニウム合金板の一方の面に銀粉層を形成し、仮接合体を作製する際の荷重を４ＭＰａにした以外は、実施例１と同様の方法により、接合体を製造し、その接合体から金属板が剥がれたときの力（剥がれない場合は金属板が変形する直前の力）を測定したところ、金属板は剥がれず、金属板が変形する直前の力は２０４３Ｎであり、接合強度は３．２７ＭＰａ以上であり、非常に強固に接合していた。また、接合体の変形は小さかった。

［比較例１］
接合体を製造する際の加熱の温度を３５０℃とした以外は、実施例４と同様の方法により、接合体を製造し、その接合体から金属板が剥がれたときの力（剥がれない場合は金属板が変形する直前の力）を測定したところ、金属板が剥がれたときの力は６７０Ｎであり、接合強度は１．０７ＭＰａであり、（接合体を製造する際の加熱の温度が低過ぎたため）接合強度は不十分であった。また、接合体の変形は小さかった。

［比較例２］
仮接合体を作製しないで接合体を製造する際の加熱の保持時間を１００分間とした以外は、実施例８と同様の方法により、接合体を製造し、金属板の代わりにセラミックス基板を押圧した以外は、実施例１と同様の方法により、その接合体から金属板が剥がれたときの力（剥がれない場合は金属板が変形する直前の力）を測定することを試みたが、（仮接合体を作製しないで接合体を製造したので）手を触れただけで金属板が剥がれて、測定できないほど弱かった。

［実施例１３］
金属板として４．２ｍｍ×４．２ｍｍ×１ｍｍの大きさと２５ｍｍ×２５ｍｍ×１ｍｍの大きさの純アルミニウム板（山元株式会社製の圧延材Ａ１０５０Ｐ Ｈ２４ ＭＦ）をそれぞれ１枚用意し、一方の金属板としての大きい方の純アルミニウム板の一方の面の４．２ｍｍ×４．２ｍｍの大きさの領域に、銀粉（ＤＯＷＡハイテック株式会社製のＧ−１７、平均粒径０．４５〜０．７０μｍ）と（アクリル系バインダと溶剤からなる）ビヒクルを質量比８６：１４で混合した銀ペーストを、この銀ペースト中の銀の厚さが５μｍになるように秤量した銀ペーストを薬さじで均一に塗布し、この銀ペースト上に他方の金属板としての小さい方の純アルミニウム板を載置して積層体を作製し、図１に示す仮接合体の作製方法と同様の方法により、それぞれカートリッジヒータを組み込んだ上側加熱板と下側加熱板を備えたホットプレス機の上側加熱板と下側加熱板の間に、それぞれＢＮ粉を塗布したスペーサ（厚さ１．０ｍｍのＡｌＮ基板）を介して積層体を配置して、昇温速度５℃／分程度で１５０℃まで昇温し、その直後に、油圧プレス（株式会社大阪ジャッキ製作所製）により積層体の厚さ方向に１０ＭＰａの荷重を加えながら、昇温速度５℃／分程度で２５０℃まで昇温し、その直後に、５ＭＰａの荷重を加えながら、昇温速度５℃／分程度で３５０℃まで昇温して１０分間保持することにより積層体を加熱した後、除荷して空冷（ファンで送風して冷却速度１０℃／分程度で強制空冷）することにより仮接合体を作製した。なお、加熱温度は、純アルミニウム板に熱電対を接触させて測定した。

次に、上記と同様の方法により作製した仮接合体を接合炉に入れ、６００℃で１０分間保持して加熱した後、１００℃までの平均冷却速度を４℃／分として冷却することにより、一対の純アルミニウム板の接合体を製造した。この接合体から金属板が剥がれたときの力を、シェア強度測定機（株式会社アドウェルズ製のＳＰＳＴ２０００Ｎ）を使用して、図２と同様の方法により（小さい方の純アルミニウム板を押し出して）測定したところ、５９７Ｎであった。この力を接合強度に換算すると、３４．０ＭＰａ以上であり、非常に強固に接合していた。また、接合体の変形は小さかった。

また、この実施例１３の金属板の接合体の厚さ方向に切断した断面のＳＥＭ−ＥＤＳ（エネルギー分散型Ｘ線分光器（ＥＤＳ）を搭載した走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）（株式会社日本電子製のＪＳＭ−６３９０Ａ））によるＣＯＭＰ（組成）像を図５に示す。図５のＣＯＭＰ（組成）像から、銀にアルミニウムが拡散している層（拡散反応相）によって２枚のアルミニウム板が接合されていることがわかる。なお、拡散反応相は、２枚のアルミニウムを接合する層（接合層）であり、この拡散反応相中の白く観察される領域は、Ａｇ濃度が高い領域であり、この領域の３カ所でエネルギー分散型Ｘ線分析（ＥＤＸ）により組成分析を行ったところ、Ａｇ濃度とＡｌ濃度の合計を１００ａｔ％とすると、Ａｌ濃度は３９．８〜４０．６ａｔ％であり、この領域は、ＡｇとＡｌの２元系状態図から、ζ相からなる領域であると推定される。また、接合されたアルミニウム板中の白っぽい線状の部分が交差したメッシュ状に観察される領域は、Ａｇが拡散している領域であり、この領域の３カ所でエネルギー分散型Ｘ線分析（ＥＤＸ）により組成分析を行ったところ、Ａｇ濃度とＡｌ濃度の合計を１００ａｔ％とすると、Ａｌ濃度は８３．５〜９１．８ａｔ％であり、この領域は、（「ＨＥＴＥＲＯＧＥＮＥＯＵＳ ＮＵＣＬＥＡＴＩＯＮ ＯＦ γ’ ＩＮ Ａｌ−Ａｇ ＡＮＤ Ａｌ−Ａｇ（Ｃｄ ＯＲ Ｃｕ） ＡＬＬＯＹＳ」（ＡＣＴＡ ＭＥＴＡＬＬＵＲＧＩＣＡ Ｖｏｌ．１９， １９７１）のＦＩＧ．１に示すような）ＡｇとＡｌの２元系状態図から、δ相とζ相とからなる領域であると推定される。

［実施例１４］
他方の金属板（小さい方の純アルミニウム板）として４．１５ｍｍ×４．１５ｍｍ×１ｍｍの大きさの純アルミニウム板（山元株式会社製の圧延材Ａ１０５０Ｐ Ｈ２４ ＭＦ）を使用し、１５０℃から２５０℃まで昇温する際に加える加重を５ＭＰａとした以外は、実施例１３と同様の方法により、一対の純アルミニウム板の接合体を製造した。この接合体から金属板が剥がれたときの力を、シェア強度測定機（株式会社アドウェルズ製のＳＰＳＴ２０００Ｎ）を使用して、図２と同様の方法により（小さい方の純アルミニウム板を押し出して）測定したところ、４０１Ｎであった。この力を接合強度に換算すると、２３．３ＭＰａ以上であり、非常に強固に接合していた。また、接合体の変形は小さかった。

［実施例１５］
金属板として４ｍｍ×５ｍｍ×１ｍｍの大きさと４０ｍｍ×４０ｍｍ×３ｍｍの大きさの純アルミニウム板（山元株式会社製の圧延材Ａ１０５０Ｐ Ｈ２４ ＭＦ）をそれぞれ１枚使用し、これらの２枚の純アルミニウム板の間に、銀ペーストに代えて、１４ｍｍ×１５ｍｍの大きさで厚さ１０μｍの銀シート（竹内金属箔粉工業株式会社製の純度９９．９９％以上の銀シート）を配置し、１５０℃から２５０℃まで昇温する際に加重を加えず、２５０℃から３５０℃まで昇温して保持する際に加える加重を１０ＭＰａとした以外は、実施例１３と同様の方法により、一対の純アルミニウム板の接合体を製造した。この接合体から金属板が剥がれたときの力を、シェア強度測定機（株式会社アドウェルズ製のＳＰＳＴ２０００Ｎ）を使用して、図２と同様の方法により（小さい方の純アルミニウム板を押し出して）測定したところ、３０７Ｎであった。この力を接合強度に換算すると、１８．５ＭＰａ以上であり、非常に強固に接合していた。また、接合体の変形は小さかった。

［実施例１６］
一方の金属板としてＡｌ−Ｓｉ−Ｍｇ系合金（Ａ６０６３ＢＥ−Ｔ５）からなる４０ｍｍ×４０ｍｍ×３ｍｍの大きさのアルミニウム合金板を使用し、他方の金属板として４ｍｍ×６ｍｍ×１ｍｍの大きさの純アルミニウム板（山元株式会社製の圧延材Ａ１０５０Ｐ Ｈ２４ ＭＦ）を使用し、２５０℃から３５０℃まで昇温して保持する際に加える加重を５ＭＰａとした以外は、実施例１５と同様の方法により、一対の純アルミニウム板の接合体を製造した。この接合体から金属板が剥がれたときの力を、シェア強度測定機（株式会社アドウェルズ製のＳＰＳＴ２０００Ｎ）を使用して、図２と同様の方法により（小さい方の純アルミニウム板を押し出して）測定したところ、３７８Ｎであった。この力を接合強度に換算すると、１５．７５ＭＰａ以上であり、非常に強固に接合していた。また、接合体の変形は小さかった。

また、この実施例１６の金属板の接合体の厚さ方向に切断した断面のＳＥＭ−ＥＤＳ（エネルギー分散型Ｘ線分光器（ＥＤＳ）を搭載した走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）（株式会社日本電子製のＪＳＭ−６３９０Ａ））によるＣＯＭＰ（組成）像を図６に示す。図６のＣＯＭＰ（組成）像から、銀にアルミニウムが拡散している層（拡散反応相）によって２枚のアルミニウム板が接合されていることがわかる。なお、拡散反応相は、２枚のアルミニウムを接合する層（接合層）であり、この拡散反応相中の白く観察される領域は、Ａｇ濃度が高い領域であり、この領域の３カ所でエネルギー分散型Ｘ線分析（ＥＤＸ）により組成分析を行ったところ、Ａｇ濃度とＡｌ濃度の合計を１００ａｔ％とすると、Ａｌ濃度は１４〜４５ａｔ％であり、この領域は、ＡｇとＡｌの２元系状態図から、μ相とζ相とαＡｇ相とからなる領域であると推定される。また、一方の金属板としてのアルミニウム合金板中の白っぽい線状の部分が交差したメッシュ状に観察される領域は、Ａｇが拡散している領域であり、この領域の３カ所でエネルギー分散型Ｘ線分析（ＥＤＸ）により組成分析を行ったところ、Ａｇ濃度とＡｌ濃度の合計を１００ａｔ％とすると、Ａｌ濃度は５４〜７５ａｔ％であり、この領域は、ＡｇとＡｌの２元系状態図から、δ相とζ相とからなる領域であると推定される。さらに、他方の金属板としての純アルミニウム板中の白っぽい線状の部分が交差したメッシュ状に観察される領域は、Ａｇが拡散している領域であり、この領域の３カ所でエネルギー分散型Ｘ線分析（ＥＤＸ）により組成分析を行ったところ、Ａｇ濃度とＡｌ濃度の合計を１００ａｔ％とすると、Ａｌ濃度は５１〜７８ａｔ％であり、この領域は、ＡｇとＡｌの２元系状態図から、δ相とζ相とからなる領域であると推定される。

［実施例１７］
金属板として４０ｍｍ×４０ｍｍ×３．０ｍｍの大きさと１０ｍｍ×１０ｍｍ×１．０ｍｍの大きさの純アルミニウム板（山元株式会社製の圧延材Ａ１０５０Ｐ Ｈ２４ ＭＦ）をそれぞれ１枚用意し、一方の金属板としての大きい方の純アルミニウム板の一方の面の１０ｍｍ×１０ｍｍの大きさの領域に、銀粉（ＤＯＷＡハイテック株式会社製のＧ−１７、平均粒径０．４５〜０．７０μｍ）と（アクリル系バインダと溶剤からなる）ビヒクルを質量比８４：１６で混合した銀ペーストを、この銀ペースト中の銀の厚さが５μｍになるように秤量した銀ペーストを薬さじで均一に塗布し、この銀ペースト上に他方の金属板としての小さい方の純アルミニウム板を載置して積層体を作製し、図１に示す仮接合体の作製方法と同様の方法により、それぞれカートリッジヒータを組み込んだ上側加熱板と下側加熱板を備えたホットプレス機の上側加熱板と下側加熱板の間に、それぞれＢＮ粉を塗布したスペーサ（厚さ１．０ｍｍのＡｌＮ基板）を介して積層体を配置して、昇温速度５℃／分程度で１５０℃まで昇温し、その直後に、油圧プレス（株式会社大阪ジャッキ製作所製）により積層体の厚さ方向に５ＭＰａの荷重を加えながら、昇温速度５℃／分程度で３５０℃まで昇温して１０分間保持することにより積層体を大気中で加熱した後、除荷して空冷（ファンで送風して冷却速度１０℃／分程度で強制空冷）することにより仮接合体を作製した。なお、加熱温度は、純アルミニウム板に熱電対を接触させて測定した。

次に、上記と同様の方法により作製した仮接合体を接合炉に入れ、大気中において６００℃で１０分間保持して加熱した後、１００℃までの平均冷却速度を４℃／分として冷却することにより、一対の純アルミニウム板の接合体を製造した。この接合体の一対のアルミニウム板は強固に接合していた。

この接合体の小さい方の純アルミニウム板の変形量を、純アルミニウム板の一方の主面（接合面と反対側の主面）の面積が接合により増大した割合（面積％）＝｛（接合後の純アルミニウム板の一方の主面の面積）−（接合前の純アルミニウム板の一方の主面の面積）｝×１００／（接合前の純アルミニウム板の一方の主面の面積）として評価したところ、６．０面積％であり、変形量は小さかった。

［比較例３］
金属板として４０ｍｍ×４０ｍｍ×３．０ｍｍの大きさと１．５ｍｍ×１．５ｍｍ×０．９ｍｍの大きさの純アルミニウム板（山元株式会社製の圧延材Ａ１０５０Ｐ Ｈ２４ ＭＦ）をそれぞれ１枚用意し、一方の金属板としての大きい方の純アルミニウム板の一方の面の１．５ｍｍ×１．５ｍｍの大きさの領域に、銀粉（ＤＯＷＡハイテック株式会社製のＧ−１７、平均粒径０．４５〜０．７０μｍ）と（アクリル系バインダと溶剤からなる）ビヒクルを質量比８４：１６で混合した銀ペーストを、この銀ペースト中の銀の厚さが５μｍになるように秤量した銀ペーストを薬さじで均一に塗布し、この銀ペースト上に他方の金属板としての小さい方の純アルミニウム板を載置して積層体を作製した。この積層体の他方の金属板（小さい方の純アルミニウム板）上に１．２３ｋｇの重りを載置することにより積層体の厚さ方向に５．５ＭＰａの荷重を加えた状態で、真空加熱炉に入れて昇温速度４．３℃／分程度で５２５℃まで昇温して１０分間保持することにより積層体を加熱した後、真空雰囲気中において２５０℃まで冷却し、その後、冷却用窒素ガスを炉内に導入して冷却することにより、一対の純アルミニウム板の接合体を製造した。この接合体の一対のアルミニウム板は、強固に接合していた。なお、加熱温度は、純アルミニウム板に熱電対を接触させて測定した。また、５２５℃から１００℃までの平均冷却速度は４．４℃／分であった。また、この接合体の小さい方の純アルミニウム板の変形量を、実施例１７と同様の方法により評価したところ、純アルミニウム板の一方の面積が接合により増大した割合は２６．７面積％であり、変形量は大きかった。この接合体は、荷重を加えた状態で高温域で接合することにより製造したので、接合強度は高かったが、変形量が大きかった。

これらの実施例と比較例の金属板の仮接合体および接合体の製造条件および特性を以下の表１および表２に示す。

なお、接合体の接合強度（せん断強度）は、その測定に使用したシェア強度測定機の測定荷重の限界が２０００Ｎ程度であるため、実施例１〜２、４及び６〜１２では、測定を途中で手動により中止したので、表２に示すように、中止した時点の接合力から算出した接合強度以上として表示した。

１０ 第１の金属板
１２ 銀層
１４ 第２の金属板
１６ 積層体
１８ 敷板
２０ 断熱材
２２ 下側加熱板
２２ａ カートリッジヒータ
２４ 天板
２６ 上側加熱板
２６ａ カートリッジヒータ
１１０ 試験台
１１２ 壁部
１１４ 支持板
１１６ せん断強度プローブ

Claims (19)

1. アルミニウムまたはアルミニウム合金からなる第１の金属板の一方の面に銀層を配置し、この銀層上に、アルミニウムまたはアルミニウム合金からなる第２の金属板を載置して積層体を作製し、この積層体にその厚さ方向に０．１〜３０ＭＰａの荷重を加えながら、積層体を２５０〜３７０℃で１〜１８０分間加熱することにより仮接合体を作製し、この仮接合体を３８０〜６３０℃で１〜１８０分間加熱することにより、第１の金属板と第２の金属板を接合することを特徴とする、金属板の接合体の製造方法。
2. 前記仮接合体を作製する際の加熱温度が３２０〜３７０℃であることを特徴とする、請求項１に記載の金属板の接合体の製造方法。
3. 前記仮接合体を作製する際に加える荷重が１〜２５ＭＰａであることを特徴とする、請求項１または２に記載の金属板の接合体の製造方法。
4. 前記仮接合体を作製する際の加熱時間が３〜１２０分間であることを特徴とする、請求項１乃至３のいずれかに記載の金属板の接合体の製造方法。
5. 前記仮接合体を加熱する温度が３９０〜６２０℃であることを特徴とする、請求項１乃至４のいずれかに記載の金属板の接合体の製造方法。
6. 前記仮接合体を加熱する時間が３〜１２０分間であることを特徴とする、請求項１乃至５のいずれかに記載の金属板の接合体の製造方法。
7. 前記第１または第２の金属板が、アルミニウムまたはアルミニウム合金からなる金属板がセラミックス基板に直接接合した金属−セラミックス基板の金属板であることを特徴とする、請求項１乃至６のいずれかに記載の金属板の接合体の製造方法。
8. 前記荷重がプレス機により加えられることを特徴とする、請求項１乃至７のいずれかに記載の金属板の接合体の製造方法。
9. 前記積層体および前記仮接合体の加熱が、固定冶具により固定しないで行われることを特徴とする、請求項１乃至８のいずれかに記載の金属板の接合体の製造方法。
10. 前記銀層が銀粉層であることを特徴とする、請求項１乃至９のいずれかに記載の金属板の接合体の製造方法。
11. 前記銀粉層の銀粉の平均粒径が０．０１〜５．０μｍであることを特徴とする、請求項１０に記載の金属板の接合体の製造方法。
12. 前記銀層が銀ペーストまたは銀シートであることを特徴とする、請求項１乃至９のいずれかに記載の金属板の接合体の製造方法。
13. アルミニウムまたはアルミニウム合金からなる第１の金属板とアルミニウムまたはアルミニウム合金からなる第２の金属板が、銀にアルミニウムが拡散している層により接合されていることを特徴とする、金属板の接合体。
14. 前記第１の金属板および前記第２の金属板との間の接合強度が１．１０ＭＰａ以上であることを特徴とする、請求項１３に記載の金属の接合体。
15. 前記第１の金属板および前記第２の金属板との間の接合強度が１．５０ＭＰａ以上であることを特徴とする、請求項１３に記載の金属の接合体。
16. 前記第１の金属板および前記第２の金属板との間の接合強度が１０ＭＰａ以上であることを特徴とする、請求項１３に記載の金属の接合体。
17. 前記第１の金属板および前記第２の金属板の一方が他方から剥がれるときの力が７００Ｎ以上であることを特徴とする、請求項１３乃至１６のいずれかに記載の金属の接合体。
18. 前記第１の金属板および前記第２の金属板の一方が他方から剥がれるときの力が８５０Ｎ以上であることを特徴とする、請求項１３乃至１６のいずれかに記載の金属の接合体。
19. 前記第１または第２の金属板が、アルミニウムまたはアルミニウム合金からなる金属板がセラミックス基板に直接接合した金属−セラミックス基板の金属板であることを特徴とする、請求項１３乃至１８のいずれかに記載の金属板の接合体。
    
    
    

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