JP4538671B2 - 異種金属の接合方法および装置 - Google Patents

Description

この発明は、異種金属の母材であるワークを固相の状態で接合する方法およびそのための装置に関する。

従来、異種金属の母材であるワークを固相の状態で接合する方法には、液相拡散接合方法がある。ワーク１とワーク２の間に両ワークの融点より小さい融点をもつ第３の異種金属であるインサート材を挿入したうえで、両ワークを加圧し、接合温度に加熱してインサート材および母材の表面部を溶融させ等温凝固させる方法である。

ところで、異種金属の接合においては様々な金属の組合せがあり、特に接合する母材であるワークを固相の状態を維持して接合する場合に、少なくとも一方のワークの表面部に他の材料の元素が拡散した金属間化合物の層を形成することが条件となる組合せがある。

この条件に相当する方法を使った例としては、母材に厚さ０．５μｍ以下の下地メッキ、厚さ０．５μｍ以下のＡｕメッキ、厚さ０．５μｍ以下のＳｎメッキ、厚さ０．５μｍ以下のＡｕメッキを層状に施した金属部材同士を、真空中あるいは不活性ガス中にて加熱・加圧して接合するものが知られている（例えば、特許文献１参照。）。
特開平８−１６８８８９号公報

上記方法ではインサート材の層が数μｍに及び、それらが接合温度で溶融されたときに生成する金属間化合物の層も数μｍ程度になってしまう。この金属間化合物の層は母材などと比べると脆く割れやすいため、可能な限り薄くすることが望ましい。

さらに、ワーク１およびワーク２とそれぞれ異なる第３の異種金属インサート材を用いているから、接合後はワーク１およびワーク２の中に不純物が含まれることになる。不純物の存在は脆さの原因になり、接合後の材料を強度を要する用途や不純物の存在を嫌う用途には使い辛いものとなってた。

この発明の目的は、金属間化合物の層厚を、ミクロン未満に生成することのできる異種金属の接合方法および装置を提供することにある。

この発明による異種金属の接合方法は、固相状態での接合に金属間化合物層の形成を要する異種金属ワークを固相状態で加圧および加熱して接合する接合方法であって、少なくとも一方のワークの接合面にクラスター源からのクラスターを照射して金属間化合物層を形成したうえで前記加圧および加熱をすることを特徴とするものである。

この発明による異種金属の接合方法では、クラスターを用いているため、金属間化合物層をミクロン未満、例えば、１００ｎｍ以下の厚さに薄くすることができる。

さらに、前記クラスターを金属間化合物層を形成するワークの接合相手と同一材料とすれば、第３の異種金属を用いた場合に生じる不純物混入が無いため、強度を要する用途や不純物を嫌う用途でも使用することができる。

また、前記クラスターの照射は、ワーク表面の酸化層等の不純物層を取り除くとともに内部に拡散する高エネルギーの照射を行い、その後低エネルギーのクラスターを照射し堆積させると、不純層を取り除く程のエネルギーをもたせたクラスターを照射することで、不純層の除去とワーク内への拡散を可能としたので、薄い金属間化合物層を形成することができる。また、その金属間化合物層上に低エネルギーをもたせたクラスターを照射し堆積させるようにしたため、接合の際には同じ金属同士の接合であるとともに微少なクラスターとの接合であるため、クラスターの表面活性（表面積が小さいことによる接合相手との原子間結合のし易さ）により接合がなされる。このため、ワークが液化せずに低温度での接合が可能となる。

また、前記低エネルギーのクラスターは、バルク材料における融点温度の半分以下を示す直径であると、クラスターのサイズが小さいことにより、表面活性が良く接合し易いとともに、バルク材料（マクロスコピックな視点から物性値が測定できるだけの量をもつ材料）の状態よりも融点がはるかに小さくなるため、ワークの融点よりもはるかに小さな温度での加熱で済み、よって、従来よりはるかに低温での接合が可能となる。このことは、加熱温度が小さいため精密部品等温度を高めることにより状態が変化することを嫌うものの製作においても有利になる。

この発明による異種金属の接合装置は、固相状態での接合に金属間化合物層の形成を要する異種金属ワークを固相状態で加圧および加熱して接合する接合装置であって、接合すべき異種金属ワークが入れられる真空容器と、真空容器内の一方のワークの接合面にようにクラスターを照射するクラスター源と、金属間化合物層を形成したワークと他方のワークを加圧および加熱する加圧・加熱手段とを備えているものである。

この発明による異種金属の接合装置では、ミクロン未満、例えば数ナノオーダーの厚さの薄い金属間化合物層を生成することがてきる。

さらに、クラスター源が、ワーク表面の酸化層等の不純層を取り除くとともに内部に拡散する高エネルギーのクラスターの照射と、クラスターを堆積させる低エネルギーの照射との切換を可能とすると、１つのクラスター源から、高エネルギーおよび低エネルギーのクラスターを照射することができる。

また、クラスタ源が、ワーク表面の酸化層等の不純層を取り除くとともに内部に拡散する高エネルギーのクラスターを照射する高エネルギー用クラスター源と、クラスターを堆積させる低エネルギーのクラスターを照射する低エネルギー用クラスター源とよりなると、照射するクラスターのエネルギーの高低の範囲を拡げることが可能となる。

この発明によれば、金属間化合物の層厚を、ミクロン未満に生成することのできる異種金属の接合方法および装置が提供される。

また、従来、加圧と加熱を１日程度かけて行っていたところ、この発明によれば、２時間から３時間程度に圧縮することができる。

この発明の実施の形態を図面を参照しながらつぎに説明する。

図１を参照すると、接合装置は、真空容器11と、真空容器11の頂壁を貫通してその上方に突出させられている垂直ロッド12を有しかつ真空容器11内において第１ワークＷ1をその接合面を下向きにして保持している昇降ヘッド13と、第１ワークＷ1の接合面に相対させるように接合面を上に向けて第２ワークＷ2を支持している支持台14と、第２ワークＷ2の接合面に向けてクラスターのビームＢを照射するクラスター源15と、第１ワークＷ1に対し第２ワークＷ2を押圧しうるように垂直ロッド12の上端に取付られている加圧手段である錘16と、真空容器11の胴壁を取り囲んでいる加熱手段である高周波誘導加熱コイル17とを備えている。

ここでは、第１ワークＷ1の材料として銅が、第２ワークＷ2の材料としてアルミニウムが選択されている。

クラスター源15としては、特開２００１−１５８９５６号公報または特開２００２−０３８２５７号公報に開示されているクラスター銃を好適に採用することができる。

クラスター源15については詳細には図示しないが、概略構成は以下の通りである。すなわち、クラスター源15は、クラスター生成室を有しかつクラスターターゲットをその蒸発面がクラスター生成室に臨ませられるように保持するクラスター本体21と、ミラー22を介して蒸発面にレーザＬを照射してターゲットを蒸発ガス化させるとともに、ターゲットの蒸発により衝撃波を発生させるレーザ光源23と、蒸発ガスを不活性ガスの流れにのせて第２ワークＷ２の接合面に導くように不活性ガスの流れを生じさせる不活性ガス手段24とを備えており、蒸発面に対するレーザ入射方向が、不活性ガスの流れ方向に対し所定の角度に保持されているものである。

クラスターターゲットの材料としては、第１ワークＷ1の材料と同じ銅が選択されている。

クラスター源15からは、高エネルギーのクラスターおよび低エネルギーのクラスターが切換られて照射可能となっている。高低エネルギーの切換は、不活性ガスの圧力およびレーザの強度によって調整される。また、このように高低エネルギーを調整することに代えて、高エネルギー用クラスター源および低エネルギー用クラスター源をそれぞれ第２ワークW2の接合面にクラスタービームを照射可能に用意しておき、２つのクラスター源を使い分けるようにしてもよい。そうすれば、照射されるクラスターのエネルギーの高低幅が広くなる。

クラスター源15からは、第２ワークＷ2の接合面に向かって銅クラスターが照射される。まず、最初に、高エネルギーの銅クラスターが第２ワークＷ2の接合面に照射される。これにより、同接合面の酸化被膜が破壊・除去されるとともに、銅がアルミニウム母材中に拡散し、金属間化合物の層が形成される。ついで、低エネルギーの銅クラスターが形成された金属間化合物層の上に照射される。そうすると、金属間化合物層の上に銅クラスターの層が形成される。ついで、第１ワークＷ1および第２ワークＷ2を、昇降ヘッドを下降させて加圧しかつ高周波誘導加熱コイル17によって接合温度に加熱する。

ここで、生成されるクラスターと、その接合条件について、詳しく検証する。

ナノクラスターの融点Ｔmfはその直径ｒが小さくなるとともに低下する。その関係式はギブスの自由エネルギー変化を吟味することによって第１式のように示される。

Ｔ_ｍｆ／Ｔ_０＝１−２（σ_ｓ−σ_l）／ｒＬ₀ （１）
ここに、Ｔ_０はバルク材料の融点、σ_ｓはその固体の表面自由エネルギー、σ_lはその液体の表面自由エネルギー、Ｌ₀は単位体積当たりの潜熱を表す。

（１）式をグラフ化すると、図２に示す通りである。図２によれば、銅のクラスター径が２ナノメータ以下では融解温度が４００℃以下になることが分かる。このように、クラスターの直径が数ｎｍになると、その融点がバルクの半分以下まで低下する。このようなクラスターを、ここではナノクラスターと称する。

今、銅の拡散層を形成することを想定し、銅のナノクラスタビームを第２ワークＷ2であるアルミニウム基板に照射する場合を考える。クラスタービーム中のナノクラスターの運動エネルギーをＥk、質量をｍ、比熱をｃとすると、温度上昇ΔＴは第２式の通りである。

ΔＴ＝Ｅk／ｍｃ （２）
Ｅ_ｋ＝１／２・ｍｖ^２ （３）
また、クラスタービーム中のナノクラスターの速度をｖとすると、運動エネルギーＥkは第３式の通りであるから、第２式に第３式を代入して、第４式を得る。

ΔＴ＝１／２・ｖ^２／ｃ （４）
速度ｖは、別の実験装置で得られた数値２．８［km/s］を用い、銅の比熱ｃを３８６［Ｊ／Ｋ・kg］とし、これを第４式に代入すると、温度上昇ΔＴは、
ΔＴ＝１／２×２８００^２ ／３８６
＝１０１５７［Ｋ］
となる。

運動エネルギーの５０％が熱エネルギーに変換されるものとすると、温度上昇は、５０００［Ｋ］程度となる。この程度の温度上昇が見込まれると、アルミニウムの酸化被膜のエネルギーは高いが、これを、銅クラスターの熱エネルギーによって破ることができる。

真空中において高速で銅クラスターを照射することによつて、第２ワークＷ2のアルミニウム基板中に銅が拡散し、アルミニウムの界面近傍では金属間化合物が形成される。この後、低エネルギーの銅ナノクラスターを堆積させることによって、基板表面上に強固に密着した銅ナノクラスター層が形成される。

ナノオーダのクラスターが堆積してなるクラスター層は、そのクラスター表面積が小さいため第１ワークＷ1の表面と接合し易い状態にある。押圧し加熱することにより高い表面活性が効力を発揮するようになり、クラスター層と第１ワークW1の間で原子間結合が生じる。原子間結合によりクラスターのサイズが大きくなることによってその融点が接合温度より高くなると、クラスター層と第１ワークW1の間で凝固が開始する。つまり、接合温度をクラスター層の融点とバルク材料の融点との間に設定しておけば、クラスター層中のクラスターが第１ワークW1との接合によってそのサイズを増大することに伴い、融点が上昇するために自発的な凝固が生じ、クラスター層と第１ワークW1の接合が完了する。接合温度は、クラスターの融点とバルク材料の間であればよく、クラスターの融点より少し高めに設定しておけば、低温での接合が可能となる。このことによって、ワークに与える熱量が小さくなり、ワークに悪影響を与えずに接合することができる。

上記において、１つの真空容器11内でクラスターの照射から加圧・加熱まで行っているが、クラスター照射および加圧・加熱を別々の真空容器内で行うようにしてもよい。この場合、この２つの真空容器の間に同じく真空容器内に配置されたハンドリングロボットでワークの受渡を行うようにすればよい。

本願発明の対象は、固相での接合に際し金属間化合物の形成を要件とするような異種材料ワークであり、その代表例として、銅およびアルミニウムを示しているが、これに限定されるものではない。なお、アルミニウムに高エネルギーのクラスターを照射し金属間化合物を形成する理由は、銅の酸化膜よりもアルミニウムの酸化膜の方が、膜の除去に要するエネルギーが高いためである。

この発明による接合装置の概略構成図である。 銅クラスター直径と融解温度の関係を示すグラフである。

符号の説明

11 真空容器
13 昇降ヘッド
14 支持台
15 クラスター源
Ｂ クラスタービーム
Ｌ レーザ
Ｗ1 第１ワーク
Ｗ2 第２ワーク

Claims (5)

1. 固相状態での接合に金属間化合物層の形成を要する異種金属ワークを固相状態で加圧および加熱して接合する接合方法であって、
   少なくとも一方のワークの接合面にクラスター源からのクラスターを照射して金属間化合物層を形成したうえで前記加圧および加熱をし、
   前記クラスターの照射は、ワーク表面の酸化層を取り除くとともにクラスターを内部に拡散させる照射を行い、その後、該拡散させるクラスターよりも低エネルギーのクラスターを照射し堆積させることを特徴とする異種金属の接合方法。
2. 前記クラスターは金属間化合物層を形成するワークの接合相手の材料であることを特徴とする請求項１に記載の異種金属の接合方法。
3. 前記堆積させるクラスターは、バルク材料における融点温度の半分以下を示す直径であることを特徴とする請求項１または２に記載の異種金属の接合方法。
4. 固相状態での接合に金属間化合物層の形成を要する異種金属ワークを接合する接合装置であって、
   接合すべき異種金属ワークが入れられる真空容器と、真空容器内の一方のワークの接合面に金属間化合物層を形成するようにクラスターを照射するクラスター源と、金属間化合物層を形成したワークと他方のワークを加圧および加熱する加圧・加熱手段とを備えており、
   クラスター源が、ワーク表面の酸化層を取り除くとともに内部に拡散させるクラスターを照射するクラスター源と、クラスターを堆積させるクラスターを照射するクラスター源とよりなる異種金属の接合装置。
5. クラスター源が、ワーク表面の酸化層を取り除くとともに内部に拡散させるクラスターの照射と、クラスターを堆積させるクラスターの照射との切換を可能とする請求項４に記載の異種金属の接合装置。

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