JP5555146B2 - 金属樹脂複合構造体及びその製造方法、並びにバスバ、モジュールケース及び樹脂製コネクタ部品 - Google Patents
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Description
図1は、本実施形態に係る金属樹脂複合構造体10の断面を模式的に示す図である。即ち、本実施形態に係る金属樹脂複合構造体10は、融点が500℃以上の高融点金属を含む金属部材1と樹脂部材2とが一体化され、金属部材1と樹脂部材2との間には、500℃未満の融点を有する低融点金属を含んでなる合金層3が設けられている。そして、合金層3の平均表面粗さが5nm以上1μm未満であり、合金層3の接合面に形成される凹凸の凹凸周期が5nm以上1μm未満となっている。
本実施形態に係る金属樹脂複合構造体10における金属部材1に含まれる金属は、その融点が500℃以上のもの(このような金属のことを、本発明においては「高融点金属」と呼称するものとする。)である。金属部材1に含まれる高融点金属の量は特に制限されないが、金属部材1に含まれる金属の全てが高融点金属であることが好ましい。
本実施形態に係る金属樹脂複合構造体10における樹脂部材2は、後述する合金層3表面に設けられるものである。樹脂部材2を構成する樹脂(即ちポリマー樹脂)に特に制限は無く、例えば熱硬化性樹脂、熱可塑性樹脂等を用いることができる。より具体的には、エポキシ樹脂、メラミン樹脂、ユリア樹脂、フェノール樹脂、アルキド樹脂、ポリエチレン、ポリプロピレン、アクリル樹脂等の汎用プラスチック、ポリアミド、ポリカーボネート、ポリブチレンテレフタレート、ポリエチレンテレフタレート等のエンジニアリングプラステック、ポリフェニレンスルファイド、液晶ポリマー、ポリエーテルエーテルケトン等のスーパーエンジニアリングプラスチック等が挙げられる。中でも、樹脂部材2を構成する樹脂としては上記のものが好ましく、上記の樹脂を用いることにより、樹脂部材2と合金層3との接着信頼性が特に高い金属樹脂複合構造体とすることができる。なお、樹脂部材2を構成する樹脂は、1種が単独で用いられてもよく、2種以上が任意の比率及び組み合わせで用いられてもよい。
本実施形態に係る金属樹脂複合構造体10における合金層3は、金属部材1と樹脂部材2との間に設けられるものであり、500℃未満の融点を有する金属(このような金属を、本発明においては「低融点金属」と呼称するものとする。)を含んでなるものである。合金層3に含まれる低融点金属としては特に制限されないが、人体への影響が特に小さく、金属部材1を構成する高融点金属と特に合金化し易いという観点から、亜鉛、スズ、インジウム、ビスマスが好ましい。なお、低融点金属は、1種が単独で含まれてもよく、2種以上が任意の比率及び組み合わせで含まれていてもよい。
本実施形態に係る金属樹脂複合構造体10は、金属部材1と樹脂部材2とが、平均表面粗さ及び凹凸周期が特定の範囲内にある合金層3を介して接着するようになっている。このような合金層3を設けることにより、金属部材1が複数の金属を含む場合であっても、含まれる金属種に依らず樹脂部材2との接着力を向上させることができる。このような効果は、主に、合金層3に含まれる合金と樹脂部材2との結合において、化学的相互作用によって濡れ易くなることにより、接着強度を向上させることができるからである。この強度は、物理吸着よりも強固なものである。
次に、本実施形態に係る金属樹脂複合構造体の製造方法(以下、適宜「本実施形態に係る製造方法」と言う。)について説明する。本実施形態に係る製造方法は、融点が500℃以上の高融点金属を含む金属部材1と樹脂部材2とを一体化した金属樹脂複合構造体10の製造方法において、500℃未満の融点を有する低融点金属を含み、厚さが30nm以上5μm以下の薄膜を金属部材1の表面に形成する薄膜形成工程と、非酸化雰囲気若しくは還元雰囲気下、薄膜を溶融させない加熱条件にて、薄膜が形成された金属部材1に対して熱処理を行い、高融点金属と前記低融点金属とが相互拡散した合金層3を形成する合金層形成工程と、合金層3の表面に樹脂部材2を形成する樹脂形成工程と、を含むものである。以下、図7を参照しながら、本実施形態に係る製造方法を説明する。
本実施形態に係る金属樹脂複合構造体は、例えば電子装置分野、自動車部品等の幅広い分野で用いることができる。以下、本実施形態に係る金属樹脂複合構造体を適用したものとして、3つの実施形態を挙げて図面を参照しながら具体的に説明する。ただし、以下に記載する金属樹脂複合構造体の具体例はあくまでも例示物であり、本発明の要旨を損なわない範囲で任意に変更して実施できる。
本実施形態に係るバスバは、図9に示すように、少なくとも2つの金属リード導電体21,21が絶縁性の樹脂24により封止されているものである。そして、金属リード導電体21,21と樹脂24との間に、亜鉛、スズ、インジウム及びビスマスからなる群より選ばれる1種以上の金属と、金属リード導電体に含まれる金属と、からなる合金層(図9においては図示していない。)が形成されている。また、合金層と樹脂24との接合面において、合金層の平均表面粗さが5nm以上1μm未満であり、合金層の接合面に形成される凹凸のうちの少なくとも一部の形状がオーバーハング形状を有し、前記オーバーハング形状が接合面に平行な方向1μmあたり、1個以上形成されている。なお、合金層の説明については、上記の金属樹脂複合構造体10において説明した合金層と同様であるためその説明を省略し、以下の記載においてはバスバ20の全体構成についてのみ説明している。
本実施形態に係るモジュールケース40は、図10に示すように、金属を含む放熱板42上に樹脂43の側壁が形成され、側壁内に金属リード導電体41が封止されたものである。そして、放熱板としてのベース基板42と樹脂43との間、及び/又は、金属リード導電体41と樹脂43との間に、亜鉛、スズ、ビスマス及びインジウムからなる群より選ばれる1種以上の金属と、ベース基板42に含まれる金属、若しくは金属リード導電体41に含まれる金属と、からなる合金層(図10においては図示していない。)が形成されている。また、合金層と樹脂43との接合面において、合金層の平均表面粗さが5nm以上1μm未満であり、合金層の接合面に形成される凹凸のうちの少なくとも一部の形状がオーバーハング形状を有し、オーバーハング形状が、接合面に平行な方向1μmあたり、1個以上形成されている。なお、合金層の説明については、上記の金属樹脂複合構造体10において説明した合金層と同様であるためその説明を省略し、以下の記載においてはモジュールケース40の全体構成についてのみ説明している。
本実施形態に係る樹脂性コネクタ部品30は、図12に示すように、樹脂34内に金属リード導電体31が封止されているものである。そして、金属リード導電体31と樹脂34との間に、亜鉛、スズ、ビスマス及びインジウムからなる群より選ばれる1種以上の金属と、金属リード導電体31に含まれる金属と、からなる合金層(図12においては図示していない。)が形成されている。さらに、合金層と樹脂との接合面において、合金層の平均表面粗さが5nm以上1μm未満であり、合金層の接合面に形成される凹凸のうちの少なくとも一部の形状がオーバーハング形状を有し、オーバーハング形状が、接合面に平行な方向1μmあたり、1個以上形成されている。なお、合金層の説明については、上記の金属樹脂複合構造体10において説明した合金層と同様であるためその説明を省略し、以下の記載においては樹脂製コネクタ部品30の全体構成についてのみ説明している。
金属部材1に含まれる高融点金属としてニッケルを、合金層3に含まれる低融点金属として亜鉛を、樹脂部材2としてエポキシ樹脂を選択し、金属樹脂複合構造体を製造した。
図13(a)に示すように、金属部材1の表面には合金層3が形成され、合金層3の表面には樹脂部材2が形成されている。また、図13(b)に示すように、合金層3と樹脂部材2との接合面において、合金層3の表面には数十〜数百nmの凹凸が形成され、その凹凸の一部がオーバーハング形状を有している。そして、このようなオーバーハング形状は、樹脂部材2と合金層3との接合面に平行な方向1μmあたり、1個以上形成されていることがわかる。
0.5mm厚のニッケルめっきを施した銅板(金属部材)に対して、50nm、200nm及び900nmの亜鉛めっきを施した。その後、上記製造例1と同様の熱処理を行ってエポキシ樹脂(Cognis社製RM370)を樹脂部材として形成し、金属樹脂複合構造体を得た。得られた金属樹脂複合構造体について剪断試験を行った。剪断試験の方法を図15(a)に、試験結果を図15(b)に示す。剪断試験は、図15(a)に示すように、形成された樹脂部材2に対して側面から押圧し、樹脂部材2が剥離した時の圧力を図15(b)に示している。
なお、図15(b)においては、参考として、上記の熱処理を行わず、エポキシ樹脂を接着させた場合(未処理)も示している。
図15(b)に示すように、めっき厚50nmの場合で劣化処理前の場合のみ15MPa以上の強度が得られているが、熱処理を行わないそれ以外の場合には10MPa程度以下の低い強度しか得られなかった。また、熱処理を行わず、めっき厚が200nm、900nmの場合における劣化処理後は、エポキシ樹脂が剥離してしまい、測定が不可能であった。一方で、熱処理を行った場合、いずれの膜厚であっても、劣化処理後であっても15MPa程度の良好な強度を示した。なお、エポキシ樹脂は14MPa〜15MPa程度で樹脂内破断を起こすため、熱処理を行った場合には、樹脂内破断が起きる剪断強度である15MPa程度となった。一方で、熱処理を行わない場合には、エポキシ樹脂と金属部材との界面近傍にて破断が起きた。
金属部材1に含まれる高融点金属として銅を、合金層3に含まれる低融点金属として亜鉛を、樹脂部材2としてエポキシ樹脂を選択し、金属樹脂複合構造体10を製造した。
図17に示すように、銅−亜鉛合金層が形成され、合金層における樹脂部材2側には数百nmの凹凸が形成され、凸部がオーバーハング形状を有している。その結果、エポキシ樹脂は数十百nmサイズの窪み部まで充填され、欠陥無く密着している。
図19は、ニッケルめっき面に900nm厚の亜鉛めっき膜を形成し、400℃10分の熱処理を行った後の金属部材及び形成された合金層界面の透過型電子顕微鏡写真により撮影された図面代用写真である。図19では、微細な凹凸が形成されたニッケル−亜鉛合金層の上部に薄い皮膜状の酸化亜鉛が残存していることがわかる。比較的厚い亜鉛めっきを施した場合は、図19に示される酸化膜が残存して、樹脂部材2と合金層3との密着を阻害したり、残存物が移動して電子回路の特性に悪影響を及ぼしたりすることがある。そこで、図7に示す製造工程において、金属部材1の合金化処理後に部材表面を酸あるいはアルカリ液で洗浄する工程を追加することが特に好ましいことがわかる。酸化亜鉛はアルカリ液によって溶解するが、ニッケル−亜鉛合金はアルカリ液に溶解しないため、酸化亜鉛からなる皮膜のみを容易に除去できる。
2 樹脂部材
3 合金層
10 金属樹脂複合構造体
20 バスバ
21 金属リード導電体
23 隙間
24 樹脂
30 樹脂製コネクタ部品
31 金属リード導電体
32 外気空間
33 モジュール内部空間
34 樹脂
40 モジュールケース
41 金属リード導電体
42 ベース基板(放熱板)
43 樹脂
44 はんだ
45 セラミック配線基板
45a 金属パターン
46 蓋
47 シリコーンゲル
48 IGBTチップ
50 IGBTモジュール
Claims (11)
- 融点が500℃以上の高融点金属を含む金属部材と樹脂部材とを一体化した金属樹脂複合構造体において、
前記金属部材と前記樹脂部材との間に、500℃未満の融点を有する低融点金属と前記高融点金属との合金層が設けられ、前記金属部材と前記合金層とが接合しているとともに、前記合金層と前記樹脂部材とが接合し、
前記合金層と前記樹脂部材との接合面における前記合金層の表面は所定の相互拡散処理により粗面化され、前記合金層と前記樹脂部材との接合面において、前記合金層の平均表面粗さが5nm以上1μm未満であり、前記合金層の接合面に形成される凹凸の凹凸周期が5nm以上1μm未満であり、
前記合金層を前記接合面に対して平行な方向に二分した時に、前記樹脂部材との接合面側に含まれる前記低融点金属量が、前記金属部材との接合面側に含まれる前記低融点金属量よりも多く、
前記金属部材との接合面側に含まれる前記低融点金属の濃度が連続的に変化している
ことを特徴とする、金属樹脂複合構造体。 - 請求項1に記載の金属樹脂複合構造体において、
前記高融点金属が、アルミニウム、銅、ニッケル又は鉄である
ことを特徴とする、金属樹脂複合構造体。 - 請求項1又は2に記載の金属樹脂複合構造体において、
前記低融点金属が、亜鉛、スズ、インジウム又はビスマスである
ことを特徴とする、金属樹脂複合構造体。 - 請求項1〜3の何れか1項に記載の金属樹脂複合構造体において、
前記凹凸のうちの少なくとも一部の形状がオーバーハング形状を有し、
前記オーバーハング形状が、前記接合面に平行な方向1μmあたり、1個以上形成されている
ことを特徴とする、金属樹脂複合構造体。 - 融点が500℃以上の高融点金属を含む金属部材と樹脂部材とを一体化した金属樹脂複合構造体の製造方法において、
500℃未満の融点を有する低融点金属を含み、厚さが30nm以上5μm以下の薄膜を前記金属部材の表面に形成する薄膜形成工程と、
非酸化雰囲気又は還元雰囲気下、前記薄膜を溶融させない加熱条件にて、前記薄膜が形成された前記金属部材に対して熱処理を行うことで、前記金属部材と前記合金層との接合面に対して平行な方向に二分した時に、前記樹脂部材との接合面側に含まれる前記低融点金属の含有量が、前記金属部材との接合面側に含まれる前記低融点金属の含有量よりも多く、前記金属部材との接合面側に含まれる前記低融点金属の濃度が連続的に変化しているとともに、前記高融点金属と前記低融点金属とを相互拡散させて凹凸周期が5nm以上1μm未満の凹凸を表面に有する合金層を形成する合金層形成工程と、
前記合金層形成工程において形成された前記合金層の外側表面に樹脂部材を形成する樹脂形成工程と、
を含む
ことを特徴とする、金属樹脂複合構造体の製造方法。 - 請求項5に記載の金属樹脂複合構造体の製造方法において、
前記薄膜形成工程の前に、前記金属部材表面を清浄化する清浄化工程と、
前記合金層形成工程後、前記樹脂形成工程前に、残存する前記低融点金属及び前記低融点金属の酸化物を除去する低融点金属除去工程と、
を含む
ことを特徴とする、金属樹脂複合構造体の製造方法。 - 請求項5又は6に記載の金属樹脂複合構造体の製造方法において、
前記薄膜形成工程が、電気めっき、物理蒸着又は化学蒸着の少なくとも何れかの方法により行われる
ことを特徴とする、金属樹脂複合構造体の製造方法。 - 請求項5〜7の何れか1項に記載の金属樹脂複合構造体の製造方法において、
前記樹脂形成工程が、熱硬化性樹脂のトランスファー成形若しくはポッティング成形、又は、熱可塑性樹脂の射出成形により行われる
ことを特徴とする、金属樹脂複合構造体の製造方法。 - 少なくとも2つの金属リード導電体が絶縁性の樹脂により封止されているバスバであって、
前記金属リード導電体と前記樹脂との間に、亜鉛、スズ、インジウム及びビスマスからなる群より選ばれる1種以上の第一金属と、前記金属リード導電体に含まれる第二金属と、からなる合金層が形成され、前記金属リード導電体と前記合金層とが接合しているとともに、前記合金層と前記樹脂とが接合し、
前記合金層と前記樹脂との接合面における前記合金層の表面は所定の相互拡散処理により粗面化され、前記合金層と前記樹脂との接合面において、前記合金層の平均表面粗さが5nm以上1μm未満であり、
前記合金層の接合面に形成される凹凸のうちの少なくとも一部の形状がオーバーハング形状を有し、
前記オーバーハング形状が、前記接合面に平行な方向1μmあたり、1個以上形成され、
前記合金層を前記接合面に対して平行な方向に二分した時に、前記樹脂との接合面側に含まれる前記第一金属量が、前記金属リード導電体との接合面側に含まれる前記第一金属量よりも多く、
前記金属リード導電体との接合面側に含まれる前記第一金属の濃度が連続的に変化している
ことを特徴とする、バスバ。 - 金属を含む放熱板上に樹脂の側壁が形成され、前記側壁内に金属リード導電体が封止されたモジュールケースであって、
前記放熱板と前記樹脂との間、及び/又は、前記金属リード導電体と前記樹脂との間に、亜鉛、スズ、ビスマス及びインジウムからなる群より選ばれる1種以上の第一金属と、前記放熱板に含まれる第二金属又は前記金属リード導電体に含まれる第三金属と、からなる合金層が形成され、前記放熱板及び/又は金属リード導電体と前記合金層とが接合しているとともに、前記合金層と前記樹脂とが接合し、
前記合金層と前記樹脂との接合面における前記合金層の表面は所定の相互拡散処理により粗面化され、前記合金層と前記樹脂との接合面において、前記合金層の平均表面粗さが5nm以上1μm未満であり、
前記合金層の接合面に形成される凹凸のうちの少なくとも一部の形状がオーバーハング形状を有し、
前記オーバーハング形状が、前記接合面に平行な方向1μmあたり、1個以上形成され、
前記合金層を前記接合面に対して平行な方向に二分した時に、前記樹脂との接合面側に含まれる前記第一金属量が、前記放熱板及び/又は金属リード導電体との接合面側に含まれる前記第一金属量よりも多く、
前記放熱板及び/又は金属リード導電体との接合面側に含まれる前記第一金属の濃度が連続的に変化している
ことを特徴とする、モジュールケース。 - 樹脂内に金属リード導電体が封止されている樹脂製コネクタ部品であって、
前記金属リード導電体と前記樹脂との間に、亜鉛、スズ、ビスマス及びインジウムからなる群より選ばれる1種以上の第一金属と、前記金属リード導電体に含まれる第二金属と、からなる合金層が形成され、前記金属リード導電体と前記合金層とが接合しているとともに、前記合金層と前記樹脂とが接合し、
前記合金層と前記樹脂との接合面における前記合金層の表面は所定の相互拡散処理により粗面化され、前記合金層と前記樹脂との接合面において、前記合金層の平均表面粗さが5nm以上1μm未満であり、
前記合金層の接合面に形成される凹凸のうちの少なくとも一部の形状がオーバーハング形状を有し、
前記オーバーハング形状が、前記接合面に平行な方向1μmあたり、1個以上形成され、
前記合金層を前記接合面に対して平行な方向に二分した時に、前記樹脂との接合面側に含まれる前記第一金属量が、前記金属リード導電体との接合面側に含まれる前記第一金属量よりも多く、
前記金属リード導電体との接合面側に含まれる前記第一金属の濃度が連続的に変化している
ことを特徴とする、樹脂製コネクタ部品。
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