JP2023149861A - 圧延接合体及びその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】本発明は、高いピール強度と、ボンディングや曲げ加工に対する高い耐性とを両立した圧延接合体を提供することを目的とする。【解決手段】本発明は、アルミニウム層と銅層からなる圧延接合体であって、前記アルミニウム層と前記銅層の界面に、アルミニウム及び銅を含む金属間化合物を有さず、且つピール強度が１０Ｎ／ｃｍ超である圧延接合体、並びにその製造方法に関する。【選択図】図１－１
Description
本発明は、圧延接合体及びその製造方法に関する。
パワーモジュールは、産業機器、家電や情報端末などの様々な製品に用いられている。パワーモジュール用のボンディングワイヤやボンディングリボンには種々の金属材料が用いられている。このような金属材料として、２種類以上の金属板又は金属箔を積層した圧延接合体（金属積層材、クラッド材とも呼ばれる）が知られている。圧延接合体は、単独の材料では得られない複合特性を有する高機能性金属材料であり、例えば、アルミニウム層と銅層からなる圧延接合体が検討されている（特許文献１～５）。
パワーモジュール用のボンディングワイヤやボンディングリボンに用いられる圧延接合体には、パワーモジュールの用途に応じて様々な特性が求められ、例えば、高いピール強度（接合強度とも呼ばれる）を有することや、ボンディングや曲げ加工に対する耐性が高いことが求められる。従来のアルミニウム層と銅層からなる圧延接合体においては、圧延接合体のピール強度を十分に高くするためには、通常、一定の温度以上の熱処理が必要であった。しかし、この熱処理により、アルミニウム層と銅層の界面にこれらの金属を含む金属間化合物が生成してしまう。圧延接合体の界面に金属間化合物が存在すると、ピール強度の低下につながり、また、ボンディングや曲げ加工時に亀裂や剥離が発生するなどの悪影響を及ぼす可能性がある。
前記のように、従来のアルミニウム層と銅層からなる圧延接合体においては、高いピール強度を有しつつ、ボンディングや曲げ加工に対して高い耐性を有することが難しいことがあった。そこで本発明は、高いピール強度と、ボンディングや曲げ加工に対する高い耐性とを両立した圧延接合体を提供することを目的とする。
本発明者らは、前記課題を解決するため鋭意検討を行った結果、熱処理を制御した表面活性化接合法により圧延接合体を製造することにより、圧延接合体において、高いピール強度と、ボンディングや曲げ加工に対する高い耐性とを両立できることを見出し、発明を完成した。
すなわち、本発明の要旨は以下の通りである。
（１）アルミニウム層と銅層からなる圧延接合体であって、前記アルミニウム層と前記銅層の界面に、アルミニウム及び銅を含む金属間化合物を有さず、且つピール強度が１０Ｎ／ｃｍ超である、圧延接合体。
（２）前記アルミニウム層の硬度ＨＶが４０以下である、前記（１）に記載の圧延接合体。
（３）前記アルミニウム層の表面粗さＲｚが０．５μｍ以下である、前記（１）又は（２）に記載の圧延接合体。
（４）アルミニウムが、ＪＩＳに規定の１０００系の純アルミニウムである、前記（１）～（３）のいずれかに記載の圧延接合体。
（５）前記銅層の硬度ＨＶが１３０以下である、前記（１）～（４）のいずれかに記載の圧延接合体。
（６）銅が、ＪＩＳに規定の１０００系の純銅である、前記（１）～（５）のいずれかに記載の圧延接合体。
（７）前記銅層の硬度と前記アルミニウム層の硬度の比（銅層の硬度／アルミニウム層の硬度）が、１．０～５．０である、前記（１）～（６）のいずれかに記載の圧延接合体。
（８）ワイヤ形状又はリボン形状である、前記（１）～（７）のいずれかに記載の圧延接合体。
（９）前記（１）～（８）のいずれかに記載の圧延接合体の製造方法であって、
アルミニウム板をスパッタエッチングする工程と、
銅板をスパッタエッチングする工程と、
前記アルミニウム板と前記銅板のスパッタエッチングした表面同士を、圧延接合体の圧下率が３％以上となるように圧接して接合する工程とを含み、前記接合する工程の後に、熱処理を行わないか、又は２５０℃未満の熱処理を行う、圧延接合体の製造方法。
（１０）前記（１）～（８）のいずれかに記載の圧延接合体からなるボンディングワイヤ又はボンディングリボン。
（１）アルミニウム層と銅層からなる圧延接合体であって、前記アルミニウム層と前記銅層の界面に、アルミニウム及び銅を含む金属間化合物を有さず、且つピール強度が１０Ｎ／ｃｍ超である、圧延接合体。
（２）前記アルミニウム層の硬度ＨＶが４０以下である、前記（１）に記載の圧延接合体。
（３）前記アルミニウム層の表面粗さＲｚが０．５μｍ以下である、前記（１）又は（２）に記載の圧延接合体。
（４）アルミニウムが、ＪＩＳに規定の１０００系の純アルミニウムである、前記（１）～（３）のいずれかに記載の圧延接合体。
（５）前記銅層の硬度ＨＶが１３０以下である、前記（１）～（４）のいずれかに記載の圧延接合体。
（６）銅が、ＪＩＳに規定の１０００系の純銅である、前記（１）～（５）のいずれかに記載の圧延接合体。
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（８）ワイヤ形状又はリボン形状である、前記（１）～（７）のいずれかに記載の圧延接合体。
（９）前記（１）～（８）のいずれかに記載の圧延接合体の製造方法であって、
アルミニウム板をスパッタエッチングする工程と、
銅板をスパッタエッチングする工程と、
前記アルミニウム板と前記銅板のスパッタエッチングした表面同士を、圧延接合体の圧下率が３％以上となるように圧接して接合する工程とを含み、前記接合する工程の後に、熱処理を行わないか、又は２５０℃未満の熱処理を行う、圧延接合体の製造方法。
（１０）前記（１）～（８）のいずれかに記載の圧延接合体からなるボンディングワイヤ又はボンディングリボン。
本発明によれば、高いピール強度と、ボンディングや曲げ加工に対する高い耐性とを両立した圧延接合体を提供することができる。
以下、本発明を詳細に説明する。本発明は、アルミニウム層と銅層の２層構造を有する圧延接合体に関し、すなわち、アルミニウム層と銅層が直接積層した、アルミニウム層と銅層からなる圧延接合体に関する。
アルミニウム層に用いられるアルミニウムは、純アルミニウム又はアルミニウム合金のいずれでもよいが、ボンディングワイヤ又はボンディングリボン等に用いた際における曲げ性や導電性の観点から、純アルミニウムが好ましい。
純アルミニウムは、純度が、通常９９．０質量％以上であり、好ましくは９９．５質量％以上である。純アルミニウム中のアルミニウム以外の添加金属元素の合計含有量は、通常１．０質量％以下であり、好ましくは０．７質量％以下であり、より好ましくは０．５質量％以下であり、特に好ましくは０．３質量％以下である。純アルミニウムとしては、例えば、ＪＩＳ（ＪＩＳ－Ｈ４０００）に規定の１０００系の純アルミニウムを用いることができ、Ａ１１００、Ａ１Ｎ３０、Ａ１０５０、Ａ１０８５、Ａ１Ｎ９９が好ましい。
アルミニウム合金としては、アルミニウム以外の金属元素の合計含有量が１質量％超のものを用いることができ、例えば、Ｍｇ、Ｍｎ、Ｓｉ及びＣｕから選ばれる少なくとも１種の添加金属元素を、添加金属元素の合計含有量１質量％超で含有するものを用いることができる。
アルミニウム合金としては、例えば、ＪＩＳに規定のＡｌ－Ｃｕ系合金（２０００系）、Ａｌ－Ｍｎ系合金（３０００系）、Ａｌ－Ｓｉ系合金（４０００系）、Ａｌ－Ｍｇ系合金（５０００系）、Ａｌ－Ｍｇ－Ｓｉ系合金（６０００系）及びＡｌ－Ｚｎ－Ｍｇ系合金（７０００系）を用いることができ、プレス成形性、強度、耐食性の観点から３０００系、５０００系、６０００系及び７０００系のアルミニウム合金が好ましく、特に強度や導電性の観点から３０００系のアルミニウム合金がより好ましい。
アルミニウム層の厚みは、通常０．０１ｍｍ以上であれば適用可能であり、圧延接合体の加工性及びハンドリングの観点から、下限は好ましくは０．０３ｍｍ以上であり、さらに強度を必要とする場合には０．０５ｍｍ以上がより好ましい。アルミニウム層の厚みは、軽量化やコストの観点から好ましくは１．０ｍｍ以下であり、より好ましくは０．５ｍｍ以下であり、特に好ましくは０．３ｍｍ以下である。アルミニウム層の厚みは、好ましくは０．０１ｍｍ～１．０ｍｍであり、より好ましくは０．０１ｍｍ～０．５ｍｍであり、特に好ましくは０．０３ｍｍ～０．３ｍｍである。アルミニウム層の厚みは、圧延接合体の断面の光学顕微鏡写真を取得し、その光学顕微鏡写真において任意の１０点におけるアルミニウム層の厚みを計測し、得られた測定値の平均値をいう。
アルミニウム層の硬度ＨＶは、特に制限されないが、通常８０以下であり、曲げ性の観点から、好ましくは６０以下であり、より好ましくは４０以下であり、特に好ましくは３０以下である。特に、アルミニウム層の硬度ＨＶを３０以下の軟質とすることで、圧延接合体を例えばパワーモジュール用のボンディングワイヤやボンディングリボンに用いる場合に、半導体チップへの超音波接合時の荷重を低くすることができるため、半導体チップへのダメージを低減することができる。アルミニウム層の硬度ＨＶの下限は、特に制限されないが、通常１０以上であり、強度やハンドリング性の観点から、好ましくは１５以上であり、より好ましくは２０以上であり、特に好ましくは２５以上である。アルミニウム層の硬度ＨＶは、好ましくは１５～６０であり、より好ましくは１５～４０であり、特に好ましくは１５～３０である。アルミニウム層の硬度は、マイクロビッカース硬度計（荷重５０ｇｆ）を用い、ＪＩＳ Ｚ ２２４４（ビッカース硬さ試験－試験方法）に準じて測定することができる。
アルミニウム層の表面粗さＲａは、特に制限されないが、好ましくは０．５μｍ以下であり、より好ましくは０．１μｍ以下であり、特に好ましくは０．０５μｍ以下である。表面粗さＲａは、ＳＵＲＦＣＯＭ １４００Ｄ－３ＤＦ（株式会社東京精密製）にてＪＩＳ－Ｂ０６０１－１９９４に準拠して測定することができる。
アルミニウム層の表面粗さＲｚは、特に制限されないが、好ましくは０．５μｍ以下であり、より好ましくは０．２μｍ以下であり、特に好ましくは０．１μｍ以下である。表面粗さＲｚは、ＳＵＲＦＣＯＭ １４００Ｄ－３ＤＦ（株式会社東京精密製）にてＪＩＳ－Ｂ０６０１－１９９４に準拠して測定することができる。
アルミニウム層の表面粗さＲａ及び／又はＲｚを上記範囲とすることにより、圧延接合体を例えばパワーモジュール用のボンディングワイヤやボンディングリボンに用いる場合に、半導体チップへの超音波接合時の密着性が優れるため好ましい。
銅層に用いられる銅は、純銅又は銅合金のいずれでもよいが、ボンディングワイヤ又はボンディングリボン等に用いた際における曲げ性や導電性の観点から、純銅が好ましい。
純銅は、純度が、通常９９．０質量％以上であり、好ましくは９９．５質量％以上であり、より好ましく９９．９質量％以上である。純銅中の銅以外の添加金属元素の合計含有量は、通常１．０質量％以下であり、好ましくは０．５質量％以下であり、より好ましくは０．３質量％以下であり、特に好ましくは０．１質量％以下である。純銅としては、例えば、ＪＩＳに規定の１０００系の純銅を用いることができ、具体的には、ＪＩＳに規定のＪＩＳ－Ｈ３５１０（Ｃ１０１１）、ＪＩＳ－Ｈ３１００（Ｃ１０２０）に規格される無酸素銅、及びＪＩＳ－Ｈ３１００（Ｃ１１００）に規格されるタフピッチ銅を用いることができる。
銅合金としては、銅以外の金属元素の合計含有量が１質量％超のものを用いることができ、例えば、銅以外の金属元素として、Ｓｎ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｚｎ、Ｚｒ、Ｎｉ、Ｓｉ、Ｍｇ及びＡｇから選ばれる少なくとも１種の添加金属元素を、添加金属元素の合計含有量１質量％超で含有するものを用いることができる。
銅層の厚みは、通常０．０１ｍｍ以上であれば適用可能であり、圧延接合体の加工性及びハンドリングの観点から、下限は好ましくは、０．０３ｍｍ以上、さらに強度を必要とする場合には０．０５ｍｍ以上がより好ましい。銅層の厚みは、軽量化やコストの観点から好ましくは１．０ｍｍ以下であり、より好ましくは０．５ｍｍ以下であり、特に好ましくは０．３ｍｍ以下である。銅層の厚みは、好ましくは０．０１ｍｍ～１．０ｍｍであり、より好ましくは０．０１ｍｍ～０．５ｍｍであり、特に好ましくは０．０３ｍｍ～０．３ｍｍである。銅層の厚みは、前記のアルミニウム層と同様にして測定できる。
銅層の硬度ＨＶは、特に制限されないが、通常１５０以下であり、曲げ性の観点から、好ましくは１４０以下であり、より好ましくは１３０以下である。なお圧延接合体をリード線などの柔軟性が求められるものに使用する場合、銅層の硬度ＨＶは、好ましくは８５以下であり、より好ましくは７０以下であり、特に好ましくは６５以下である。特に、銅層の硬度ＨＶを６５以下の軟質とすると、上述したアルミニウム層と同様に、半導体チップへの超音波接合時の荷重を低くすることができるため、半導体チップへのダメージを低減することができる。銅層の硬度ＨＶの下限は、特に制限されないが、強度やハンドリング性の観点から、好ましくは４０以上であり、より好ましくは５０以上であり、特に好ましくは６０以上である。銅層の硬度ＨＶは、好ましくは４０～１４０であり、より好ましくは４０～１３０であり、特に好ましくは４０～８５である。銅層の硬度は、前記のアルミニウム層と同様にして測定できる。
銅層の硬度とアルミニウム層の硬度の比（銅層の硬度／アルミニウム層の硬度）（以下、硬度比とも記載する）は、１に近いほど、曲げ加工の際により過酷な条件に耐え得るため、好ましい。銅層の硬度とアルミニウム層の硬度の比は、好ましくは１．０～５．０であり、より好ましくは１．０～４．０であり、特に好ましくは１．５～３．５である。硬度比がこの範囲内であると、銅層とアルミニウム層の硬度のバランスが取れ、曲げ加工の際により過酷な条件においても亀裂の発生及び亀裂伝播を抑制することができる。本発明の圧延接合体は、界面に金属間化合物を有さず、曲げ加工に対する耐性が高いため、前記のように硬度比を制御することで、より過酷な条件の曲げ加工にも耐え得る。一方、界面に金属間化合物を有する圧延接合体では、硬度比が例えば１．０～２．０と１に近い場合であっても、早期に亀裂が発生し、亀裂伝播が起こり破断してしまい、より過酷な条件の曲げ加工に対する耐性が低い。
銅層の表面粗さＲａは、特に制限されないが、好ましくは０．５μｍ以下であり、より好ましくは０．１μｍ以下であり、特に好ましくは０．０５μｍ以下である。銅層の表面粗さＲａは、前記のアルミニウム層と同様にして測定できる。
銅層の表面粗さＲｚは、特に制限されないが、好ましくは０．５μｍ以下であり、より好ましくは０．２μｍ以下であり、特に好ましくは０．１μｍ以下である。銅層の表面粗さＲｚは、前記のアルミニウム層と同様にして測定できる。
なお、銅層の表面粗さＲａ及び／又はＲｚを上記範囲とすることにより、上述したアルミニウム層と同様に、半導体チップへの超音波接合時の密着性が優れるため好ましい。
本発明の圧延接合体は、アルミニウム層と銅層からなる２層材である。本発明の圧延接合体は、アルミニウム層と銅層が直接積層した、アルミニウム層と銅層からなる圧延接合体である。本発明の圧延接合体は、アルミニウム層と銅層の間に他の層（例えば、めっき層など）を有さない。
本発明の圧延接合体は、アルミニウム層と銅層の界面に金属間化合物を有さないことを特徴とする。本発明において、金属間化合物とは、アルミニウム及び銅を含む金属間化合物をいう。アルミニウム層と銅層の界面に金属間化合物が存在しないことにより、ボンディングや曲げ加工に対する耐性が高くなる。本発明において、「界面に金属間化合物を有さない」とは、界面を１００倍～１００００倍（例えば、２０００倍）で観察することにより、界面の生成物の有無の確認が可能であり、界面に厚み０．１μｍ以上の生成物の形成がない状態をいう。
本発明の圧延接合体は、ピール強度が１０Ｎ／ｃｍ超である。圧延接合体のピール強度が１０Ｎ／ｃｍ超であると、アルミニウム層と銅層が十分に高い密着力を有し、ボンディングや曲げ加工時に層が剥離することなく圧延接合体を使用することができる。圧延接合体のピール強度は、好ましくは１５Ｎ／ｃｍ以上であり、より好ましくは２０Ｎ／ｃｍ以上であり、さらに好ましくは２５Ｎ／ｃｍ以上であり、特に好ましくは３０Ｎ／ｃｍ以上である。
本発明において、圧延接合体のピール強度は、圧延接合体から幅２０ｍｍの試験片を作製し、アルミニウム層と銅層を一部剥離後、厚膜層側又は硬質層側を固定し、他方の層を固定側と１８０°反対側へ引っ張った際に引きはがすのに要する力を測定し、単位としてＮ／ｃｍを用いた。なお、同様の試験において、試験片の幅が１０ｍｍ～３０ｍｍの間であれば、ピール強度は変化しない。
本発明の圧延接合体の厚みは、特に限定されずに、通常０．０１５ｍｍ～１．０ｍｍであり、上限は、好ましくは０．８ｍｍ以下であり、より好ましくは０．５ｍｍ以下であり、特に好ましくは０．３ｍｍ以下である。下限は、好ましくは０．０２ｍｍ以上であり、より好ましくは０．１ｍｍ以上である。圧延接合体の厚みは、好ましくは０．０２ｍｍ～０．８ｍｍであり、特に好ましくは０．０５ｍｍ～０．３ｍｍである。圧延接合体の厚みとは、アルミニウム層と銅層の総厚みをいう。圧延接合体の厚みは、圧延接合体上の任意の１０点における厚みをマイクロメータなどで測定し、得られた測定値の平均値をいう。
本発明の圧延接合体の形状としては、特に限定されずに、例えば、板、箔、テープ、リボン、ワイヤ、リング及びコイルなどの形状が挙げられる。本発明の圧延接合体は、高いピール強度及びボンディングや曲げ加工に対する高い耐性を有し、ワイヤ及びリボンの形状が好ましい。
本発明は、前記の圧延接合体の製造方法も含む。本発明では、圧延接合体は表面活性化接合法により製造される。具体的には、本発明の圧延接合体は、アルミニウム板をスパッタエッチングする工程と、銅板をスパッタエッチングする工程と、アルミニウム板と銅板のスパッタエッチングした表面同士を、圧延接合体の圧下率が３％以上となるように圧接して接合する工程とを含み、接合する工程の後に、熱処理を行わないか、又は２５０℃未満、好ましくは２２０℃以下の熱処理を行う。
本発明の圧延接合体の製造方法において用いられるアルミニウム板は、圧延接合体のアルミニウム層について前記の純アルミニウム又はアルミニウム合金の板材である。
アルミニウム板の厚みは、通常０．０１ｍｍ以上であれば適用可能であり、圧延接合体の加工性及びハンドリングの観点から、下限は好ましくは０．０３ｍｍ以上であり、さらに強度を必要とする場合には０．０５ｍｍ以上がより好ましい。アルミニウム板の厚みは、軽量化やコストの観点から好ましくは１．０ｍｍ以下であり、より好ましくは０．５ｍｍ以下であり、特に好ましくは０．３ｍｍ以下である。アルミニウム板の厚みは、好ましくは０．０１ｍｍ～１．０ｍｍであり、より好ましくは０．０１ｍｍ～０．５ｍｍであり、特に好ましくは０．０３ｍｍ～０．３ｍｍである。アルミニウム板の厚みは、マイクロメータなどによって測定可能であり、アルミニウム板の表面上からランダムに選択した１０点において測定した厚みの平均値をいう。
アルミニウム板の硬度ＨＶは、特に制限されないが、通常８０以下であり、曲げ性の観点から、好ましくは６０以下であり、より好ましくは４０以下であり、特に好ましくは３０以下である。表面活性化接合法では、軟質なアルミニウム板をその硬度をほぼ維持したまま積層することができる。アルミニウム板の硬度ＨＶの下限は、特に制限されないが、通常１０以上であり、強度やハンドリング性の観点から、好ましくは１５以上であり、特に好ましくは２０以上である。アルミニウム板の硬度ＨＶは、好ましくは１５～６０であり、より好ましくは１５～４０である。本発明において、アルミニウム板の硬度は、前記の圧延接合体のアルミニウム層と同様にして測定できる。
本発明の圧延接合体の製造方法において用いられる銅板は、圧延接合体の銅層について前記の純銅又は銅合金の板材である。
銅板の厚みは、通常０．０１ｍｍ以上であれば適用可能であり、圧延接合体の加工性及びハンドリングの観点から、下限は好ましくは、０．０３ｍｍ以上であり、さらに強度を必要とする場合には０．０５ｍｍ以上がより好ましい。銅板の厚みは、軽量化やコストの観点から好ましくは１．０ｍｍ以下であり、より好ましくは０．５ｍｍ以下であり、特に好ましくは０．３ｍｍ以下である。銅板の厚みは、好ましくは０．０１ｍｍ～１．０ｍｍであり、より好ましくは０．０１ｍｍ～０．５ｍｍであり、特に好ましくは０．０３ｍｍ～０．３ｍｍである。銅板の厚みは、前記のアルミニウム板と同様にして測定できる。
銅板の硬度ＨＶは、特に制限されないが、通常１５０以下であり、曲げ性の観点から、好ましくは１４０以下であり、特に好ましくは１３０以下である。銅板の硬度ＨＶの下限は、特に制限されないが、強度やハンドリング性の観点から、好ましくは４０以上であり、より好ましくは５０以上であり、特に好ましくは６０以上である。銅板の硬度ＨＶは、好ましくは４０～１４０であり、より好ましくは４０～１３０である。本発明において、銅板の硬度は、前記の圧延接合体のアルミニウム層と同様にして測定できる。
本発明の製造方法において、まず、アルミニウム板及び銅板をそれぞれスパッタエッチングする（スパッタエッチング処理工程）。
スパッタエッチング処理は、具体的には、アルミニウム板と銅板を、幅１００ｍｍ～６００ｍｍの長尺コイルとして用意し、接合面を有するアルミニウム板と銅板をそれぞれアース接地した一方の電極とし、絶縁支持された他の電極との間に１ＭＨｚ～５０ＭＨｚの交流を印加してグロー放電を発生させ、且つグロー放電によって生じたプラズマ中に露出される電極の面積を前記の他の電極の面積の１／３以下として行う。スパッタエッチング処理中は、アース接地した電極が冷却ロールの形をとっており、各搬送材料の温度上昇を防いでいる。
スパッタエッチング処理では、真空中でアルミニウム板と銅板の接合する面を不活性ガスによりスパッタすることにより、表面の吸着物を完全に除去し、且つ表面の酸化膜の一部又は全部を除去する。酸化膜は必ずしも完全に除去する必要はなく、一部残存した状態であっても十分な接合力を得ることができる。酸化膜を一部残存させることにより、完全に除去する場合に比べてスパッタエッチング処理時間を大幅に減少させ、生産性を向上させることができる。不活性ガスとしては、アルゴン、ネオン、キセノン、クリプトンなどや、これらを少なくとも１種類含む不活性ガスの混合気体を適用することができる。アルミニウム板と銅板のいずれについても、表面の吸着物は、エッチング量約１ｎｍ程度で完全に除去することができる。
アルミニウム板についてのスパッタエッチング処理は、例えば単板の場合、真空下で、例えば１００Ｗ～１ｋＷのプラズマ出力で１～５０分間行うことができ、また、例えばライン材のような長尺の材料の場合、真空下で、例えば１００Ｗ～１０ｋＷのプラズマ出力、ライン速度１ｍ／分～３０ｍ／分で行うことができる。この時の真空度は、表面への再吸着物を防止するため高い方が好ましいが、例えば１×１０－５Ｐａ～１０Ｐａであればよい。スパッタエッチング処理において、アルミニウム板の温度は、好ましくは常温～１５０℃に保たれる。なお、本発明において、常温とは１５℃～２５℃をいう。
銅板についてのスパッタエッチング処理は、例えば単板の場合、真空下で、例えば１００Ｗ～１ｋＷのプラズマ出力で１～５０分間行うことができ、また、例えばライン材のような長尺の材料の場合、１００Ｗ～１０ｋＷのプラズマ出力、ライン速度１ｍ／分～３０ｍ／分で行うことができる。この時の真空度は、表面への再吸着物を防止するため高い方が好ましいが、１×１０－５Ｐａ～１０Ｐａであればよい。スパッタエッチング処理において、銅板の温度は、好ましくは常温～１５０℃に保たれる。
次に、以上のようにしてスパッタエッチングしたアルミニウム板と銅板のスパッタエッチングした表面（接合面）同士を、圧延接合体の圧下率が３％以上となるように、例えばロール圧接により圧接して、アルミニウム板と銅板を接合する（接合工程）。
圧延接合体の圧下率は、３％以上であり、好ましくは４％以上であり、より好ましくは４.５％以上であり、特に好ましくは５％以上である。圧延接合体の圧下率が３％以上であると、十分に高いピール強度を有する圧延接合体を得ることができる。圧延接合体の圧下率の上限は、通常１０％以下であり、形状制御や硬度等の観点から、好ましくは８％以下であり、特に好ましくは６％以下である。圧延接合体の圧下率は、好ましくは３％～１０％であり、より好ましくは３％～８％であり、特に好ましくは３％～６％である。圧延接合体の圧下率は、接合前のアルミニウム板及び銅板の総厚みと、最終的な圧延接合体の厚みから、以下の式：（接合前のアルミニウム板及び銅板の総厚み－最終的な圧延接合体の厚み）／接合前のアルミニウム板及び銅板の総厚み、により求められる。
ロール圧接の圧延線荷重は、特に限定されずに、圧延接合体の所定の圧下率を達成するように設定し、例えば、０．１ｔｆ／ｃｍ～１０．０ｔｆ／ｃｍの範囲に設定することができる。例えば圧接ロールのロール直径が３００ｍｍ～４００ｍｍのとき、ロール圧接の圧延線荷重は、好ましくは０．１ｔｆ／ｃｍ～３．０ｔｆ／ｃｍであり、より好ましくは０．３ｔｆ／ｃｍ～３．０ｔｆ／ｃｍであり、特に好ましくは０．３ｔｆ／ｃｍ～１．８ｔｆ／ｃｍである。ただし、ロール直径が大きくなった場合や接合前のアルミニウム板や銅板の厚みが厚い場合などには、所定の圧下率を達成するための圧力確保のために圧延線荷重を高くすることが必要になる場合があり、この数値範囲に限定されるものではない。
接合時の温度は、特に限定されずに、例えば常温～１５０℃である。
接合は、アルミニウム板と銅板の表面への酸素の再吸着によって両者間の接合強度が低下するのを防止するため、非酸化雰囲気中、例えばＡｒなどの不活性ガス雰囲気中で行うことが好ましい。
本発明の製造方法においては、以上のようにしてアルミニウム板と銅板を接合して得た圧延接合体について、熱処理を行わないか、又は熱処理を行う場合、２５０℃未満で、好ましくは２２０℃以下で熱処理を行う。このように熱処理を制御することにより、金属間化合物の生成を抑制することができるため、圧延接合体が、高いピール強度及びボンディングや曲げ加工に対する高い耐性を有する。熱処理の適用の要否は圧延接合体の用途に応じて選択することができ、例えば、２２０℃以下の熱処理を行うと、圧延接合体のピール強度をより高めることができ、また、銅層を軟化させることができる。特に、銅層を軟化させることにより、アルミニウム層と銅層の硬度比を上述した範囲に制御することが可能であり、例えば、リード線などの柔軟性を求められる用途に好適に用いることができる。
熱処理を行う場合、熱処理温度は、２５０℃未満であり、好ましくは２２０℃以下である。熱処理温度を２２０℃以下とすることにより、金属間化合物の生成を抑制することができる。熱処理温度の下限は、十分に高いピール強度が得られるという観点から、好ましくは１００℃以上であり、より好ましくは１５０℃以上である。熱処理温度は、好ましくは１００℃～２２０℃であり、より好ましくは１５０℃～２２０℃である。
熱処理時間は、熱処理温度や熱処理を行う圧延接合体のサイズに応じて、金属間化合物が生成しないようにして適宜設定することができる。熱処理時間は、例えば０．５時間～８時間であり、好ましくは０．５時間～５時間であり、特に好ましくは０．５時間～３時間である。なお、金属間化合物が生成しなければ８時間以上の熱処理を行っても問題ない。なお、熱処理時間とは、熱処理を行う圧延接合体が所定の温度になってからの時間をいい、圧延接合体の昇温時間は含まない。熱処理時間は、例えば、熱処理温度が１５０℃の場合、通常０．５時間～８時間であり、熱処理温度が２００℃の場合、通常０．５時間～５時間であり、熱処理温度が２２０℃の場合、通常０．５時間～３時間である。
本発明の圧延接合体は、界面に金属間化合物を有さず、且つ十分に高いピール強度を有するため、ボンディングや曲げ加工に対する高い耐性を有し、より過酷な条件の曲げ加工においても亀裂や剥離の発生を抑制することができ、ボンディングワイヤ、ボンディングリボン及びリード線などに好適に用いることができる。よって、本発明は、前記の圧延接合体からなるボンディングワイヤ、ボンディングリボン及びリード線も含む。本発明のボンディングワイヤ、ボンディングリボン及びリード線は、例えばパワーモジュールに用いることができる。
以下、実施例及び比較例に基づき本発明をさらに詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
実施例１
アルミニウム板として、硬度ＨＶが２４．５であるＡ１Ｎ３０（厚み０．０５ｍｍ）を用い、銅板として、硬度ＨＶが１２２．５であるＣ１０２０（厚み０．１５ｍｍ）を用いて、以下のようにして、表面活性化接合法によりアルミニウム板と銅板を接合して、アルミニウム層と銅層からなる圧延接合体を製造した。
アルミニウム板として、硬度ＨＶが２４．５であるＡ１Ｎ３０（厚み０．０５ｍｍ）を用い、銅板として、硬度ＨＶが１２２．５であるＣ１０２０（厚み０．１５ｍｍ）を用いて、以下のようにして、表面活性化接合法によりアルミニウム板と銅板を接合して、アルミニウム層と銅層からなる圧延接合体を製造した。
Ａ１Ｎ３０及びＣ１０２０の接合する各々の面に対してスパッタエッチング処理を実施した。Ａ１Ｎ３０についてのスパッタエッチングは、スパッタガスとしてＡｒを流入し、０．２Ｐａ下で、プラズマ出力３００Ｗ、１分間の条件にて実施し、Ｃ１０２０についてのスパッタエッチングは、スパッタガスとしてＡｒを流入し、０．２Ｐａ下で、プラズマ出力６００Ｗ、１分間の条件にて実施した。
スパッタエッチング処理後のＡ１Ｎ３０とＣ１０２０を、常温で、圧延ロール径３００ｍｍ～４００ｍｍ、圧延線荷重０．９ｔｆ／ｃｍ～１．８ｔｆ／ｃｍの加圧力で、ロール圧接により接合し、アルミニウム層と銅層からなる圧延接合体を得た。圧延接合体の圧下率は５％であった。
実施例２
実施例１と同様にして製造した圧延接合体に対し、２２０℃、１時間の条件で熱処理を行い、実施例２の圧延接合体を製造した。
実施例１と同様にして製造した圧延接合体に対し、２２０℃、１時間の条件で熱処理を行い、実施例２の圧延接合体を製造した。
実施例３
アルミニウム板として、硬度ＨＶが２３．６であるＡ１０５０（厚み０．１ｍｍ）を用い、銅板として、硬度ＨＶが１２３．５であるＣ１０２０（厚み０．１ｍｍ）を用いた以外は実施例１と同様にして実施例３の圧延接合体を製造した。圧延接合体の圧下率は３％であった。
アルミニウム板として、硬度ＨＶが２３．６であるＡ１０５０（厚み０．１ｍｍ）を用い、銅板として、硬度ＨＶが１２３．５であるＣ１０２０（厚み０．１ｍｍ）を用いた以外は実施例１と同様にして実施例３の圧延接合体を製造した。圧延接合体の圧下率は３％であった。
実施例４
アルミニウム板として、硬度ＨＶが３４．５であるＡ１０５０（厚み０．１ｍｍ）を用いた以外は実施例３と同様にして実施例４の圧延接合体を製造した。圧延接合体の圧下率は３％であった。
アルミニウム板として、硬度ＨＶが３４．５であるＡ１０５０（厚み０．１ｍｍ）を用いた以外は実施例３と同様にして実施例４の圧延接合体を製造した。圧延接合体の圧下率は３％であった。
比較例１
熱処理条件を４００℃、３時間に変えた以外は実施例２と同様にして比較例１の圧延接合体を製造した。
熱処理条件を４００℃、３時間に変えた以外は実施例２と同様にして比較例１の圧延接合体を製造した。
比較例２
実施例４と同様にして製造した圧延接合体に対し、３５０℃、１時間の条件で熱処理を行い、比較例２の圧延接合体を製造した。
実施例４と同様にして製造した圧延接合体に対し、３５０℃、１時間の条件で熱処理を行い、比較例２の圧延接合体を製造した。
比較例３
接合時の加圧力を変えて圧延接合体の圧下率を２.５％とした以外は実施例４と同様にして、比較例３の圧延接合体を製造した。
接合時の加圧力を変えて圧延接合体の圧下率を２.５％とした以外は実施例４と同様にして、比較例３の圧延接合体を製造した。
比較例４
熱処理条件を２５０℃、１時間に変えた以外は実施例２と同様にして比較例４の圧延接合体を製造した。
熱処理条件を２５０℃、１時間に変えた以外は実施例２と同様にして比較例４の圧延接合体を製造した。
実施例１～４及び比較例１～４の圧延接合体について、以下の特性を測定した。
［硬度］
マイクロビッカース硬度計を用い、ＪＩＳ Ｚ ２２４４（ビッカース硬さ試験－試験方法）に準じて測定した。
マイクロビッカース硬度計を用い、ＪＩＳ Ｚ ２２４４（ビッカース硬さ試験－試験方法）に準じて測定した。
［表面粗さＲａ、Ｒｚ］
圧延接合体のアルミニウム層及び銅層の表面を三次元表面粗さ形状測定機（株式会社東京精密製ＳＵＲＦＣＯＭ １４００Ｄ－３ＤＦ）を用い、ＪＩＳ－Ｂ０６０１－１９９４に準拠して、表面粗さＲａ及びＲｚを測定した。
圧延接合体のアルミニウム層及び銅層の表面を三次元表面粗さ形状測定機（株式会社東京精密製ＳＵＲＦＣＯＭ １４００Ｄ－３ＤＦ）を用い、ＪＩＳ－Ｂ０６０１－１９９４に準拠して、表面粗さＲａ及びＲｚを測定した。
［ピール強度］
圧延接合体から幅２０ｍｍの試験片を作製し、アルミニウム層と銅層を一部剥離後、銅層側を固定し、アルミニウム層を銅層側と１８０°反対側へ、引張速度２０ｍｍ／分にて引っ張った際に引きはがすのに要する力（単位：Ｎ／ｃｍ）を、テンシロン万能材料試験機 ＲＴＣ－１３５０Ａ（株式会社オリエンテック製）を用いて測定した。
圧延接合体から幅２０ｍｍの試験片を作製し、アルミニウム層と銅層を一部剥離後、銅層側を固定し、アルミニウム層を銅層側と１８０°反対側へ、引張速度２０ｍｍ／分にて引っ張った際に引きはがすのに要する力（単位：Ｎ／ｃｍ）を、テンシロン万能材料試験機 ＲＴＣ－１３５０Ａ（株式会社オリエンテック製）を用いて測定した。
［金属間化合物の有無の確認］
圧延接合体をクロスセクションポリッシャ（ＣＰ）断面加工した後、走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）を用いて２０００倍で断面を観察し、金属間化合物の有無を確認した。表１において、アルミニウム層と銅層の界面に厚み０．１μｍ以上の金属間化合物がある場合を「有」と記載し、０．１μｍ以上の金属間化合物がない場合を「無」と記載した。
圧延接合体をクロスセクションポリッシャ（ＣＰ）断面加工した後、走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）を用いて２０００倍で断面を観察し、金属間化合物の有無を確認した。表１において、アルミニウム層と銅層の界面に厚み０．１μｍ以上の金属間化合物がある場合を「有」と記載し、０．１μｍ以上の金属間化合物がない場合を「無」と記載した。
［曲げ曲げ戻しによる亀裂の有無の確認］
圧延接合体から縦５０ｍｍ×横１０ｍｍの試験片を作製し、次いで得られた試験片をバイスに挟み固定した後、９０°に曲げて戻す曲げ曲げ戻し加工を行った。加工後の圧延接合体の断面を手動で研磨した後、走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）を用いて２０００倍で断面を観察し、亀裂の有無を確認した。表１において、亀裂がある場合を「有」と記載し、亀裂がない場合を「無」と記載した。
圧延接合体から縦５０ｍｍ×横１０ｍｍの試験片を作製し、次いで得られた試験片をバイスに挟み固定した後、９０°に曲げて戻す曲げ曲げ戻し加工を行った。加工後の圧延接合体の断面を手動で研磨した後、走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）を用いて２０００倍で断面を観察し、亀裂の有無を確認した。表１において、亀裂がある場合を「有」と記載し、亀裂がない場合を「無」と記載した。
［折り曲げ剥離試験］
圧延接合体から縦５０ｍｍ×横１０ｍｍの試験片を作製し、折り曲げ試験機で９０°折り曲げ、次いで反対側へ同様に９０°折り曲げる工程を試験片が破断するまで繰り返し、試験片の破断後の層の剥離の有無を確認した。表１において、剥離がある場合を「有」と記載し、剥離がない場合を「無」と記載した。また、表２に、試験片が破断するまでの折り曲げの回数を示した。
圧延接合体から縦５０ｍｍ×横１０ｍｍの試験片を作製し、折り曲げ試験機で９０°折り曲げ、次いで反対側へ同様に９０°折り曲げる工程を試験片が破断するまで繰り返し、試験片の破断後の層の剥離の有無を確認した。表１において、剥離がある場合を「有」と記載し、剥離がない場合を「無」と記載した。また、表２に、試験片が破断するまでの折り曲げの回数を示した。
実施例１～４及び比較例１～４の圧延接合体について、原板の特性及び圧延接合体の評価結果を以下の表１に示す。また、図１Ａ～Ｄに、金属間化合物の有無の確認の結果を示す。図１Ａは、実施例１の圧延接合体の断面のＳＥＭ像（２０００倍）であり、図１Ｂは、実施例２の圧延接合体の断面のＳＥＭ像（２０００倍）であり、図１Ｃは、比較例１の圧延接合体の断面のＳＥＭ像（２０００倍）であり、図１Ｄは、比較例４の圧延接合体の断面のＳＥＭ像（２０００倍）である。また、図２Ａ～Ｃに、曲げ曲げ戻しによる亀裂の有無の確認の結果を示す。図２Ａは、実施例１の圧延接合体の断面のＳＥＭ像（２０００倍）であり、図２Ｂは、実施例２の圧延接合体の断面のＳＥＭ像（２０００倍）であり、図２Ｃは、比較例１の圧延接合体の断面のＳＥＭ像（２０００倍）である。
表１に示されるように、実施例１～４の圧延接合体は、界面に金属間化合物を有さず、且つピール強度が１０Ｎ／ｃｍ超であり、曲げ曲げ戻し加工及び折り曲げ加工に対する高い耐性を示した。実施例１、２と比較例１、４の比較により、２５０℃以上の温度で熱処理を行うと、界面に金属間化合物が生成し（図１Ａ～Ｄ参照）、曲げ曲げ戻し加工において界面に亀裂が発生し（図２Ａ～Ｃ参照）、折り曲げ加工において剥離が発生し、曲げ曲げ戻し加工及び折り曲げ加工に対する耐性が低下したことが示された。また、別のアルミニウムを用いた場合について、実施例４と比較例２の比較により、３５０℃の熱処理を行うと金属間化合物が生成し、曲げ曲げ戻し加工及び折り曲げ加工に対する耐性が低下したことが示され、実施例４と比較例３の比較により、圧延接合体の圧下率が低いと十分に高いピール強度が得られないことが示された。
実施例１～４及び比較例１の圧延接合体について、圧延接合体の各層の硬度及び硬度比、並びに折り曲げ剥離試験において試験片が破断するまでの折り曲げ回数を以下の表２に示す。
表２に示されるように、界面に金属間化合物を有さない実施例１～４の圧延接合体では、銅層とアルミニウム層の硬度比（Ｃｕ層／Ａｌ層）が１に近いほど、より過酷な折り曲げ加工にも耐え得ることが示された。これは、銅層とアルミニウム層の硬度の差が大きい場合、亀裂が生じた個所を起点に亀裂が広がり易く、硬度比が１に近いほど、２つの層の硬度のバランスが取れ、亀裂の広がりを抑制することができるためであると考えられる。一方、界面に金属間化合物を有する比較例１の圧延接合体では、硬度比は１に近いものの、実施例１～４の圧延接合体よりも早期に破断した。これは、比較例１の圧延接合体は、界面に金属間化合物を有するため、早期に亀裂が発生し、そこからアルミニウム層及び銅層に亀裂伝播して破断に至るためであると考えられる。また、表２に示されるように、実施例２の圧延接合体は、２２０℃での熱処理により、熱処理なしの実施例１と比較して、アルミニウム層の硬度は同程度で銅層の硬度が大幅に低下していた。
Claims (10)
- アルミニウム層と銅層からなる圧延接合体であって、前記アルミニウム層と前記銅層の界面に、アルミニウム及び銅を含む金属間化合物を有さず、且つピール強度が１０Ｎ／ｃｍ超である、圧延接合体。
- 前記アルミニウム層の硬度ＨＶが４０以下である、請求項１に記載の圧延接合体。
- 前記アルミニウム層の表面粗さＲｚが０．５μｍ以下である、請求項１又は２に記載の圧延接合体。
- アルミニウムが、ＪＩＳに規定の１０００系の純アルミニウムである、請求項１～３のいずれか１項に記載の圧延接合体。
- 前記銅層の硬度ＨＶが１３０以下である、請求項１～４のいずれか１項に記載の圧延接合体。
- 銅が、ＪＩＳに規定の１０００系の純銅である、請求項１～５のいずれか１項に記載の圧延接合体。
- 前記銅層の硬度と前記アルミニウム層の硬度の比（銅層の硬度／アルミニウム層の硬度）が、１．０～５．０である、請求項１～６のいずれか１項に記載の圧延接合体。
- ワイヤ形状又はリボン形状である、請求項１～７のいずれか１項に記載の圧延接合体。
- 請求項１～８のいずれか１項に記載の圧延接合体の製造方法であって、
アルミニウム板をスパッタエッチングする工程と、
銅板をスパッタエッチングする工程と、
前記アルミニウム板と前記銅板のスパッタエッチングした表面同士を、圧延接合体の圧下率が３％以上となるように圧接して接合する工程と
を含み、
前記接合する工程の後に、熱処理を行わないか、又は２５０℃未満の熱処理を行う、圧延接合体の製造方法。 - 請求項１～８のいずれか１項に記載の圧延接合体からなるボンディングワイヤ又はボンディングリボン。
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| JP2022058644A JP2023149861A (ja) | 2022-03-31 | 2022-03-31 | 圧延接合体及びその製造方法 |
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Also Published As
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