JP6512309B2 - 金属組成物、金属間化合物部材、接合体 - Google Patents

金属組成物、金属間化合物部材、接合体 Download PDF

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Description

本発明は、金属成分を含む金属組成物、この金属組成物から生成される金属間化合物部材、及びこの金属間化合物部材を備える接合体に関するものである。
従来、例えば第１接合対象物と第２接合対象物とを接合するために、金属組成物が用いられている。このような金属組成物として例えば特許文献１は、導電性材料を開示している。
導電性材料は、Ｓｎ粉末とＣｕＮｉ合金粉末を含む金属成分とフラックスとを含んでいる。導電性材料は、一対の電極の間に設けられる。そして、導電性材料中のＳｎ粉末とＣｕＮｉ合金粉末とは、加熱されることによって反応し、金属間化合物であるＣｕＮｉＳｎ合金を生成する。この結果、導電性材料は、金属間化合物で構成された金属間化合物部材となる。これにより、金属間化合物部材は、一対の電極を接合する。金属間化合物部材は、一対の電極とともに接合体を構成する。
ここで、加熱の温度は、Ｓｎの融点以上、ＣｕＮｉ合金の融点以下であり、例えば２５０〜３５０℃である。ＣｕＮｉＳｎ合金は、高い融点（例えば４００℃以上）を有する。そのため、金属間化合物部材は、耐熱性に優れる。
国際公開第２０１２／０６６７９５号パンフレット
しかしながら、特許文献１の金属間化合物部材を含む従来の金属間化合物部材は一般的に、面心立方格子構造を持つ一部の特殊なものを除いて結晶すべりを起こし難い。これにより、従来の金属間化合物部材は塑性変形し難いことが知られている。そのため、特許文献１の金属間化合物部材は、熱衝撃による機械的応力が大きい場合、前述の塑性変形能が低い性質から機械的応力を吸収することができず、脆性破壊を起こすことがある。
本発明の目的は、高温において高い塑性変形能を有し、脆性破壊を起こし難い金属間化合物部材を生成できる金属組成物、金属間化合物部材、及び接合体を提供することにある。
本発明の金属組成物は、第１金属と第２合金とを含む。第２合金は、第１金属より融点の高い第１合金に第１遷移金属元素が添加された合金であって、第１金属と金属間化合物を生成しうる合金である。
ここで、第１金属は例えば、Ｓｎ又はＳｎ系合金である。第１合金は例えば、ＣｕＡｌ合金、ＣｕＣｒ合金、ＣｕＮｉ合金又はＣｕＭｎ合金である。第１遷移金属元素は例えば、Ｃｏ、Ｆｅ、及びＣｒのいずれか１つである。なお、第２合金がＣｕ−ｘＮｉ−ｙＣｏ合金である場合、ｘは、１以上３０以下の範囲内であり、ｙは、０．５以上２０以下の範囲内であることが好ましい。
この構成では、第１金属と第２合金とが反応し、金属間化合物を生成する。これにより、この構成の金属組成物は、多結晶の金属間化合物で構成される金属間化合物部材を生成する。この構成で生成される金属間化合物部材の平均結晶粒径は、従来の金属間化合物部材の平均結晶粒径より小さい。この理由は、第２合金が、第１合金に第１遷移金属元素が添加された合金であるためと考えられる。
そのため、この構成の金属間化合物部材は、結晶粒径の大きい従来の金属間化合物部材に比べて、高温において高い塑性変形能を有する。よって、この構成の金属間化合物部材は、熱衝撃による機械的応力が大きい場合でも、機械的応力を吸収することができ、脆性破壊を起こし難い。
したがって、この構成の金属組成物は、高温において高い塑性変形能を有し、脆性破壊を起こし難い金属間化合物部材を生成できる。さらに、この金属間化合物部材は、常温において高い強度を有する。
また、本発明の金属組成物は、フラックスをさらに含むことが好ましい。フラックスは、第１金属の表面と第２合金の表面とにおける酸化被膜を除去する還元機能を果たす。そのため、この構成の金属組成物は、第１金属と第２合金との反応を促進できる。
また、本発明の金属間化合物部材は、第１金属と第２合金とからなる金属間化合物で構成される。第２合金は、第１金属より融点の高い第１合金に第１遷移金属元素が添加された合金であって、第１金属と反応して金属間化合物を生成する合金である。なお、金属間化合物の平均結晶粒径は、３μｍ以下であることが好ましい。
本発明の金属間化合物部材は、本発明の金属組成物から生成される。そのため、本発明の金属間化合物部材は、高温において高い塑性変形能を有し、脆性破壊を起こし難い。さらに、本発明の金属間化合物部材は、常温において高い強度を有する。
また、本発明の接合体は、第１接合対象物と、第２接合対象物と、第１接合対象物と第２接合対象物とを接合する本発明の金属間化合物部材と、を備える。
本発明の接合体は、本発明の金属間化合物部材を備えるため、高温において高い塑性変形能を有し、脆性破壊を起こし難い。さらに、本発明の接合体は、常温において高い強度を有する。
なお、本発明の接合体では、金属間化合物は金属間化合物部材内において、第１接合対象物から第２接合対象物まで連続して存在していることが好ましい。
本発明の金属組成物は、高温において高い塑性変形能を有し、脆性破壊を起こし難い金属間化合物部材を生成できる。また、本発明の金属間化合物部材および接合体は、高温において高い塑性変形能を有し、脆性破壊を起こし難い。
本発明の実施形態に係る金属組成物１０の正面図である。 図１に示すＳ−Ｓ線の断面図である。 図１に示す金属組成物１０を用いた接合方法を示すフローチャートである。 図３に示す接合方法で行われる配置工程の様子を示す断面図である。 図３に示す接合方法で行われる加熱工程の様子を示す断面図である。 図３に示す接合方法で行われる加熱工程の温度プロファイルを示す図である。 図３に示す接合方法で行われる加熱工程によって生成される金属間化合物部材１００及び接合体１５０の様子を示す断面図である。 図３に示す接合方法で行われる加熱工程によって生成される金属間化合物部材１００及び接合体１５０の様子を示す拡大断面図である。 図８に示す金属間化合物部材１００を構成する多結晶の金属間化合物を示す拡大断面図である。 図９に示す金属間化合物部材１００の比較例に係る金属間化合物部材８００を構成する多結晶の金属間化合物を示す拡大断面図である。 各金属間化合物の結晶粒径の分布を示すグラフである。 Ｎｉ及びＣｏの重量比と金属間化合物の結晶粒径との関係を示す図である。 図９に示す金属間化合物部材１００と図１０に示す金属間化合物部材８００とに対して行った圧縮試験の測定方法を示す図である。 図１３に示す２つの試験片１９１、１９３に対して常温、２００℃、３００℃で圧縮試験を行った結果を示す応力―ひずみ曲線を示す図である。 図１３に示す圧縮試験を行った後の試験片１９５を構成する多結晶の様子を示す拡大断面図である。 図１５に示す試験片１９５においてクラックＣ１〜Ｃ３が生じた部分の拡大断面図である。 Ｅｒｏｓｉｏｎ Ｓｐｅｅｄと合金組成との関係を示す表である。
以下、本発明の実施形態に係る金属組成物１０、金属間化合物部材１００及び接合体１５０について説明する。
図１は、本発明の実施形態に係る金属組成物１０の正面図である。図２は、図１に示すＳ−Ｓ線の断面図である。なお、図１中の点線は、金属箔１１と金属箔１２とが融着した融着部分Ｍを示している。
金属組成物１０は、第１金属で構成される金属箔１１と、第２合金で構成される高融点合金ペースト１５と、第１金属で構成される金属箔１２とを備える。
ここで、第２合金は、第１合金に第１遷移金属元素が添加された合金であって、第１第１金属および第２第１金属と反応して金属間化合物を生成する合金である。金属間化合物は、金属箔１１および金属箔１２の少なくとも１つと第２合金とから成る。
なお、金属箔１１の材料は、ＳｎまたはＳｎ系合金である。金属箔１２の材料は、ＳｎまたはＳｎ系合金である。Ｓｎ系合金は例えば、ＳｎＡｇＣｕ合金、ＳｎＡｇ合金、ＳｎＣｕ合金、ＳｎＢｉ合金、ＳｎＳｂ合金、ＳｎＡｕ合金、ＳｎＰｂ合金、ＳｎＺｎ合金などである。
なお、金属箔１１の材料と、金属箔１２の材料は異なる材料であってもよいし、同じ材料であってもよい。
また、第１合金の材料は、例えば、ＣｕＮｉ合金、ＣｕＭｎ合金、ＣｕＡｌ合金又はＣｕＣｒ合金である。また、第１合金の材料は、この他にも、ＣｕＴｉ合金、ＣｕＣｏ合金、ＣｕＰｔ合金、ＮｉＣｒ合金、ＮｉＶ合金、ＮｉＰｄ合金、ＮｉＰｔ合金、ＮｉＡｕ合金などであってもよい。
また、第１遷移金属元素の材料は、原子番号２１のスカンジウムＳｃから原子番号２９の銅Ｃｕまでの金属元素である。第１遷移金属元素の材料は、Ｃｏ、Ｆｅ、又はＣｒのいずれかの元素であることが好ましい。
また、第２合金の材料は、第１合金に第１遷移金属元素が添加された材料であり、例えば、ＣｕＮｉＣｏ合金、ＣｕＭｎＣｏ合金、ＣｕＮｉＦｅ合金、ＣｕＭｎＦｅ合金、ＣｕＮｉＣｒ合金、ＣｕＭｎＣｒ合金などである。第２合金がＣｕ−ｘＮｉ−ｙＣｏ合金である場合、前記ｘは、１以上３０以下の範囲内であり、前記ｙは、０．５以上２０以下の範囲内であることが好ましい。
また、金属間化合物の材料は、例えばＣｕＮｉＣｏＳｎ合金又はＣｕＭｎＣｏＳｎ合金である。具体的には金属間化合物の材料は、例えば（（Ｃｕ，Ｎｉ，Ｃｏ）６Ｓｎ５）、（（Ｃｕ，Ｎｉ，Ｆｅ）６Ｓｎ５）、（（Ｃｕ，Ｎｉ，Ｃｒ）６Ｓｎ５）等である。
そのため、第１合金の融点は、金属箔１１及び金属箔１２の融点より高い。第２合金の融点は、金属箔１１及び金属箔１２の融点より高い。金属間化合物の融点は、金属箔１１及び金属箔１２の融点より高い。
金属箔１１と金属箔１２とは、図１に示すように、高融点合金ペースト１５を挟んだ状態で、高融点合金ペースト１５の全周で融着されている。これにより、金属箔１１と金属箔１２とは、図２に示すように、高融点合金ペースト１５を収納している。すなわち、金属箔１１と金属箔１２とは、高融点合金ペースト１５を封止している。なお、封止は、収納の一例に相当する。
これにより、高融点合金ペースト１５が完全に密閉される。高融点合金ペースト１５は図２に示すように、第２合金で構成される複数の高融点合金粒子５（金属成分）が有機成分８中に均一に分散したペーストである。そのため、金属箔１１と金属箔１２とは、複数の高融点合金粒子５が酸化することをより防ぐことができる。
なお、高融点合金粒子５の平均粒径（Ｄ５０）は、０．１μｍ〜３０μｍの範囲内であることが好ましい。ここで、平均粒径（Ｄ５０）は例えば、レーザ回折・散乱法によって求めた粒度分布における積算値５０％での粒径を意味する。
高融点合金粒子５の平均粒径が０．１μｍ以上の場合、高融点合金粒子５の表面積を適度に減少できる。これにより、高融点合金粒子５の表面に、酸化物が形成されることを抑制でき、溶融したＳｎに対する高融点合金粒子５の濡れ性が向上し、金属間化合物の生成反応が促進する。
一方、高融点合金粒子５の平均粒径が３０μｍ以下の場合、各高融点合金粒子５間の隙間のサイズが適度に減少する。これにより、高融点合金粒子５の中心部分まで金属間化合物の生成反応に利用することができ、金属間化合物の生成量が増加する。
また、金属組成物１０の高融点合金ペースト１５において、金属成分と有機成分との配合比は、重量比で、金属成分：有機成分＝７５：２５〜９９．５：０．５の範囲内であることが好ましい。
なお、金属成分と有機成分の配合比を上記範囲内とすることで、十分な粘性を得ることができ、有機成分から金属成分が剥落するおそれを抑制できる。一方、金属成分の配合量が上記よりも少ないと、高融点合金粒子５を十分に反応させることができず、後述する金属間化合物部材１００中に未反応の高融点合金粒子５が多量に残存するおそれがある。
次に、有機成分８は図２に示すように、フラックス、溶剤、チキソ剤などを含む。
フラックスは、ロジンと活性剤を含む。フラックスは、金属箔１１、金属箔１２、及び高融点合金粒子５のそれぞれの表面の酸化被膜を除去する還元機能を果たす。そのため、フラックスは後に詳述する、溶融した金属箔１１と第２合金又は金属箔１２と第２合金との反応を促進できる。
ロジンは例えば、天然ロジン、水素化ロジン、不均化ロジン、重合ロジン、不飽和二塩基酸変性ロジン、アクリル酸変性ロジンなどのロジン誘導体等、またはこれらの混合材などである。ロジンは例えば、重合ロジンＲ−９５を用いる。
また、活性剤はフラックスの還元反応を促進する。活性剤は例えば、モノカルボン酸（例えば、ギ酸、酢酸、ラウリン酸、パルミチン酸、ステアリン酸、安息香酸など）、ジカルボン酸（例えば、シュウ酸、マロン酸、コハク酸、グルタル酸、アジピン酸、スベリン酸、アゼライン酸、セバシン酸、フタル酸など）、ブロモアルコール類（例えば、１−ブロモー２−ブタノールなど）、有機アミンのハロゲン化水素酸塩類、ブロモアルカン類、ブロモアルケン類、ベンジルブロマイド類、ポリアミン類、塩素系活性剤などである。活性剤は例えば、アジピン酸を用いる。
溶剤は、金属組成物１０の高融点合金ペースト１５の粘度を調整する。溶剤は例えば、アルコール、ケトン、エステル、エーテル、芳香族系、炭化水素類などである。溶剤は例えば、ヘキシルジグリコール（ＨｅＤＧ）を用いる。
チキソ剤は、金属成分と有機成分を均一に混和させた後、金属成分と有機成分が分離しないように維持する。チキソ剤は例えば、硬化ヒマシ油、カルナバワックス、アミド類、ヒドロキシ脂肪酸類、ジベンジリデンソルビトール、ビス（ｐ−メチルベンジリデン）ソルビトール類、蜜蝋、ステアリン酸アミド、ヒドロキシステアリン酸エチレンビスアミドなどである。
なお、高融点合金ペースト１５には、添加物として、Ａｇ、Ａｕ、Ａｌ、Ｂｉ、Ｃ、Ｃｏ、Ｃｕ、Ｆｅ、Ｇａ、Ｇｅ、Ｉｎ、Ｍｎ、Ｍｏ、Ｎｉ、Ｐ、Ｐｂ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｓｉ、Ｓｂ、Ｚｎ等が含まれていても良い。また、高融点合金ペースト１５には、これらの添加物だけでなく、添加剤として金属錯体、金属化合物等が含まれていても良い。
以下、金属組成物１０を用いて、第１接合対象物１０１と第２接合対象物１０２とを接合する具体的な接合方法について説明する。
図３は、図１に示す金属組成物１０を用いた接合方法を示すフローチャートである。図４は、図３に示す接合方法で行われる配置工程の様子を示す断面図である。図５は、図３に示す接合方法で行われる加熱工程の様子を示す断面図である。図６は、図３に示す接合方法で行われる加熱工程の温度プロファイルを示す図である。図７は、図３に示す接合方法で行われる加熱工程によって生成される金属間化合物部材１００及び接合体１５０の様子を示す断面図である。図８は、図３に示す接合方法で行われる加熱工程によって生成される金属間化合物部材１００及び接合体１５０の様子を示す拡大断面図である。
まず、金属組成物１０と第１接合対象物１０１と第２接合対象物１０２とを用意する。
なお、本接合方法では説明簡略化のため、金属箔１１及び金属箔１２の材料はＳｎを使用し、高融点合金粒子５の材料はＣｕＮｉＣｏ合金を使用する。ＣｕＮｉＣｏ合金は、第１遷移金属元素ＣｏがＣｕＮｉ合金に添加された合金である。ＣｕＮｉＣｏ合金は、溶融したＳｎと反応し、金属間化合物であるＣｕＮｉＣｏＳｎ合金を生成する材料である。
また、第１接合対象物１０１及び第２接合対象物１０２は例えば、積層セラミックコンデンサ等の電子部品の表面電極のような素体の表面に形成された電極部材、および、電子部品を実装するプリント配線基板の表面に設けられた電極部材である。第１接合対象物１０１及び第２接合対象物１０２の材料は例えば、Ｃｕである。
次に、図４に示すように、第１接合対象物１０１と第２接合対象物１０２との間に金属組成物１０を配置する（Ｓ１１：配置工程）。この状態では、高融点合金ペースト１５は、金属箔１１及び金属箔１２に封止されている。そのため、高融点合金ペースト１５は、金属箔１１及び金属箔１２の外部の空気に接触しない。
次に、図５に示すように、第１接合対象物１０１と第２接合対象物１０２とによって金属組成物１０を厚み方向から圧縮しながら第１接合対象物１０１、第２接合対象物１０２及び金属組成物１０を加熱する（Ｓ１２：加熱工程）。この加熱工程は、例えばリフロー装置によって図６に示す温度プロファイルに従って金属組成物１０を加熱する。
具体的には加熱工程は、Ｓｎの融点Ｔｍ以上ＣｕＮｉＣｏ合金の融点以下の範囲内の温度まで、金属組成物１０を加熱する。Ｓｎの融点Ｔｍは、２３１．９℃である。ＣｕＮｉＣｏ合金の融点は、Ｎｉの含有量によって変化し、例えば１２２０℃以上である。加熱工程は例えば、１５０℃〜２３０℃でプレヒートを行った後、加熱温度２５０℃〜４００℃で２分〜１０分の間、加熱する。ピーク温度は４００℃に到達させる。
なお、有機成分８に含まれる溶剤は、加熱を開始してから、時間ｔ１が経過するまでの間に、揮発または蒸発する。
加熱により金属組成物１０の温度がＳｎの融点Ｔｍ以上に達したとき、金属箔１１及び金属箔１２が溶融する。そして、溶融したＳｎと高融点合金粒子５のＣｕＮｉＣｏ合金とが反応し、金属間化合物であるＣｕＮｉＣｏＳｎ合金を生成する。そして、図７、図８に示すように、金属間化合物（ＣｕＮｉＣｏＳｎ合金）で構成される金属間化合物部材１００が生成される。この反応は、例えば、液相拡散接合（「ＴＬＰ接合：Ｔｒａｎｓｉｅｎｔ Ｌｉｑｕｉｄ Ｐｈａｓｅ Ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ Ｂｏｎｄｉｎｇ」）に伴う反応である。
次に、図６に示すように、時間ｔ２が経過した後、リフロー装置は加熱を停止する。これにより、金属間化合物部材１００の温度がＳｎの融点Ｔｍ未満になり、溶融したＳｎと高融点合金粒子５との反応は完了する。時間ｔ２が経過した後、金属間化合物部材１００は常温まで自然冷却していく。
以上より、金属組成物１０は、図７、図８に示すように、金属間化合物で構成された金属間化合物部材１００となる。金属間化合物部材１００は、第１接合対象物１０１および第２接合対象物１０２を接合する。金属間化合物部材１００は、第１接合対象物１０１および第２接合対象物１０２とともに接合体１５０を構成する。
金属間化合物部材１００は、図８に示すように、微細な空隙が殆ど存在しない緻密な構造を有する。
また、高融点合金ペースト１５では比較的低温での熱処理によってＳｎと高融点合金粒子５との合金化反応が進行する。そして、金属間化合物（ＣｕＮｉＣｏＳｎ合金）は、高い融点（例えば４００℃以上）を有する。そのため、金属間化合物部材１００は、第１接合対象物１０１と第２接合対象物１０２とを低温で接合できるとともに、高い耐熱性を有する。
特に、金属間化合物（ＣｕＮｉＣｏＳｎ合金）が、第１金属よりも高い融点を有することで、金属間化合物部材１００を内部に有する電子部品などをさらにリフローなどの加熱により他の装置、部品、基板などに実装する際にも、金属間化合物部材１００の構造は損なわれない。即ち金属間化合物部材１００は接合力を維持できる。
次に、金属間化合物（ＣｕＮｉＣｏＳｎ合金）で構成される金属間化合物部材１００と、金属間化合物（ＣｕＮｉＳｎ合金）で構成される従来の金属間化合物部材８００とを比較する。従来の金属間化合物部材８００は、第１遷移金属元素Ｃｏが添加されていない点で金属間化合物部材１００と相違する。
図９は、図８に示す金属間化合物部材１００を構成する多結晶の金属間化合物を示す拡大断面図である。図１０は、図９に示す金属間化合物部材１００の比較例に係る金属間化合物部材８００を構成する多結晶の金属間化合物を示す拡大断面図である。
なお、図９は、第１金属Ｓｎと第２合金であるＣｕ―１０Ｎｉ―３Ｃｏ合金とが反応することによって生成された多結晶の金属間化合物の画像を示している。図１０は、第１金属Ｓｎと第１合金であるＣｕ―１０Ｎｉ合金とが反応することによって生成された多結晶の金属間化合物の画像を示している。
また、図９、図１０は、ＴＳＬソリューションズ社製のＯＩＭ（ＯｒｉｅｎｔａｔｉｏｎＩｍａｇｉｎｇ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ）で解析した画像を示している。ＯＩＭは、ＥＢＳＤ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｂａｃｋ Ｓｃａｔｔｅｒ Ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ Ｐａｔｔｅｒｎｓ）測定装置で測定した画像を専用のソフトウェアで解析する装置である。
ここで、ＯＩＭは、隣り合う測定点同志の方位差が、予め設定された角度（本実施形態では５°）より大きければ異なる結晶粒に属すると解析し、予め設定された角度（本実施形態では５°）以下であれば同一の結晶粒に属すると解析する。
ＯＩＭの測定および解析により、金属間化合物部材１００の平均結晶粒径は図９、図１０に示すように、従来の金属間化合物部材８００の平均結晶粒径より小さいことが明らかとなった。この理由は、第２合金が、第１合金に第１遷移金属元素Ｃｏが添加された合金であるためと考えられる。
次に、Ｎｉ及びＣｏの重量比と金属間化合物の結晶粒径との関係について、図１１、図１２を用いて説明する。
図１１は、各金属間化合物の結晶粒径の分布を示すグラフである。図１１の横軸は、結晶粒径であり、図１１の縦軸は、解析断面において、当該結晶粒径を有する結晶粒の面積の総和が、解析断面の総面積に占める比率（断面積比率）である。図１１に示すグラフは、前述のＯＩＭによって解析した結果である。
なお、図１１に示す実線は、第１金属Ｓｎと第１合金であるＣｕ―３Ｎｉ合金とが反応することによって生成された金属間化合物の結晶粒径の分布を示している。図１１に示す点線は、第１金属Ｓｎと第１合金であるＣｕ―５Ｎｉ合金とが反応することによって生成された金属間化合物の結晶粒径の分布を示している。図１１に示す一点鎖線は、第１金属Ｓｎと第２合金であるＣｕ―１０Ｎｉ―５Ｃｏ合金とが反応することによって生成された金属間化合物の結晶粒径の分布を示している。図１１に示す二点鎖線は、第１金属Ｓｎと第１合金であるＣｕ―１０Ｎｉ合金とが反応することによって生成された金属間化合物の結晶粒径の分布を示している。
図１２は、Ｎｉ及びＣｏの重量比と金属間化合物の平均結晶粒径との関係を示す図である。図１２に示す平均結晶粒径は、前述のＯＩＭにより解析したデータをもとにＡｒｅａ Ｆｒａｃｔｉｏｎ法で求めたものである。具体的には、ＯＩＭ解析の解析断面において、各結晶粒ごとにその面積と断面積比率を乗じた各値を総和することで平均結晶面積を求め、さらに平均結晶面積の４倍を円周率で割った値の平方根を平均結晶粒径としている。
以上の解析により、第１遷移金属元素Ｃｏが添加された金属間化合物の平均結晶粒径は図１１、図１２に示すように、第１遷移金属元素Ｃｏが添加されていない金属間化合物の平均結晶粒径より小さいことが明らかとなった。特に、第１遷移金属元素Ｃｏが添加された金属間化合物の平均結晶粒径は図１２に示すように、３μｍ以下になることが明らかとなった。
次に、金属間化合物（ＣｕＮｉＣｏＳｎ合金）で構成される金属間化合物部材１００の応力―ひずみ曲線と、金属間化合物（ＣｕＮｉＳｎ合金）で構成される従来の金属間化合物部材８００の応力―ひずみ曲線とについて説明する。まず、これらの応力―ひずみ曲線を得た圧縮試験の測定方法から説明する。
図１３は、図９に示す金属間化合物部材１００と図１０に示す金属間化合物部材８００とに対して行った圧縮試験の測定方法を示す図である。図１３の矢印は、圧縮方向を示す。圧縮試験は、インストロン製の材料試験機（Ｉｎｓｔｒｏｎ５９８２）とインコネル製の圧縮治具５０１、５０２とを用いて測定した。圧縮試験は、平均結晶粒径２．２μｍの金属間化合物部材１００から放電加工機で切り出した試験片１９１と平均結晶粒径１０．５μｍの金属間化合物部材８００から放電加工機で切り出した試験片１９３とを用いた。各試験片１９１、１９３の形状は、幅２ｍｍ×長さ２ｍｍ×厚み４ｍｍの角柱である。圧縮試験は、２．１×１０−４Ｓ−１のひずみ速度で各試験片１９１、１９３を圧縮治具５０１、５０２によって圧縮し、応力を測定して応力―ひずみ曲線を得た。
次に、２つの試験片１９１、１９３に対して常温、２００℃、３００℃で圧縮試験を行った結果について説明する。
図１４は、図１３に示す２つの試験片１９１、１９３に対して常温、２００℃、３００℃で圧縮試験を行った結果を示す応力―ひずみ曲線を示す図である。図１４の実線は、試験片１９１の結果を示している。図１４の点線は、試験片１９３の結果を示している。なお、グラフの×印は試験片の破壊による試験終了を意味する。
３００℃で圧縮試験を行った結果、図１４に示すように、平均結晶粒径１０．５μｍの試験片１９３ではグラフが顕著なピークを有し、平均結晶粒径２．２ｕｍの試験片１９１ではグラフがピークを有さないことが明らかとなった。ここで、急激な応力の減少は試験片１９３内部のクラックの進展等によるものと考えられる。したがって、グラフのピークは、脆性破壊の起点となるクラックが圧縮試験によって生じたことを示すと考えられる。
すなわち、３００℃で圧縮試験を行った結果、平均結晶粒径１０．５μｍの試験片１９３では脆性破壊が起きて、平均結晶粒径２．２ｕｍの試験片１９１では脆性破壊が起きていないことが明らかとなった。
次に、２００℃で圧縮試験を行った結果、平均結晶粒径１０．５μｍの試験片１９３及び平均結晶粒径２．２ｕｍの試験片１９１の両方でグラフが顕著なピークを有することが明らかとなった。しかし、２００℃で圧縮試験を行った結果、平均結晶粒径１０．５μｍの試験片１９３に比べて、平均結晶粒径２．２ｕｍの試験片１９１は、ひずみ量がより大きな位置でピーク、すなわち脆性破壊を生じており、ひずみに対して強いことが明らかとなった。
次に、常温で圧縮試験を行った結果、平均結晶粒径１０．５μｍの試験片１９３に比べて、平均結晶粒径２．２ｕｍの試験片１９１は、ひずみ量がより大きな位置で破壊を生じており、圧縮応力に対して強いことが明らかとなった。
以上の結果より、金属間化合物部材１００は、結晶粒径の大きい従来の金属間化合物部材８００に比べて、高温において高い塑性変形能を有すると考えられる。よって、金属間化合物部材１００は、熱衝撃による機械的応力が大きい場合でも、機械的応力を吸収することができ、脆性破壊を起こし難い。
したがって、金属間化合物部材１００は、高温において高い塑性変形能を有し、脆性破壊を起こし難い。さらに、金属間化合物部材１００は、結晶粒径の大きい従来の金属間化合物部材８００に比べて、常温において高い圧縮強度を有する。
また、図８、図９に示すように、金属間化合物は金属間化合物部材１００内において、第１接合対象物１０１から第２接合対象物１０２まで連続して存在している。すなわち、高温において高い塑性変形能を有する金属間化合物が第１接合対象物１０１および第２接合対象物１０２を直接接続する。
そのため、接合体１５０は、金属間化合物の高い塑性変形能を十分に発揮できる。また、金属間化合物が連続して存在するということは、金属間化合物部材１００内に空隙が少ないことを意味し、金属間化合物部材１００自体の強度が向上していることを意味する。
したがって、接合体１５０は、高温において高い塑性変形能を有し、脆性破壊を起こし難い。さらに、接合体１５０は、常温において高い強度を有する。
図１５は、図１３に示す圧縮試験を行った後の試験片１９５を構成する多結晶の様子を示す拡大断面図である。図１６は、図１５に示す試験片１９５においてクラックＣ１〜Ｃ３が生じた部分の拡大断面図である。この圧縮試験は、結晶粒径が大きい金属間化合物と結晶粒径が小さい金属間化合物とが混在した試験片１９５を用いた。
なお、図１５の画像は、反射電子検出器により撮影した画像である。
前述の圧縮試験を行った試験片１９５の断面を観察した結果、図１５に示すように、試験片１９５では、脆性破壊の起点となるクラックＣ１〜Ｃ３が生じていることが明らかとなった。
しかし、図１６に示すように、試験片１９５においてクラックＣ１〜Ｃ３が生じた部分の平均結晶粒径は、Ａｒｅａ Ｆｒａｃｔｉｏｎ法に基づいて前述のＯＩＭにより解析した結果、３．０６ｕｍであることが明らかとなった。すなわち、試験片１９５において平均結晶粒径が３．０ｕｍ以下である部分では、脆性破壊の起点となるクラックが生じていないことが明らかとなった。
したがって、金属間化合物の平均結晶粒径は３．０ｕｍ以下であることが好ましいと考えられる。
次に、ＣｕＮｉＣｏＳｎ合金、ＣｕＮｉＦｅＳｎ合金、および、ＣｕＮｉＳｎ合金の生成速度について説明する。図１７は、Ｅｒｏｓｉｏｎ Ｓｐｅｅｄと合金組成との関係を示す表である。以下に示す各組成からなる合金と溶融Ｓｎとを、次に示す条件で反応させたときのＥｒｏｓｉｏｎ Ｓｐｅｅｄを測定した。
溶融温度＝２９０℃
溶融時間＝１０分
図１７において、試料Ｎｏ．１は、ＳｎとＣｕＮｉ合金とを反応させた場合、試料Ｎｏ．２〜５は、ＳｎとＣｕＮｉＣｏ合金とを反応させた場合、試料Ｎｏ．６は、ＳｎとＣｕＮｉＦｅ合金とを反応させた場合を示している。なお、図１７におけるＮｉの量、Ｃｏの量、および、Ｆｅの量の列は、それぞれの試料に含まれるＮｉ、Ｃｏ、Ｆｅの重量％を示している。また、Ｅｒｏｓｉｏｎ Ｓｐｅｅｄとは、生成した金属間化合物を画像解析により定量化し、全てが（Ｃｕ，Ｍ）６Ｓｎ５になったと仮定して、金属間化合物の生成のために単位時間当たりに消費されるＣｕ合金板の厚みを逆算したものである。Ｅｒｏｓｉｏｎ Ｓｐｅｅｄが大きいほど金属間化合物の生成速度が速い。第１遷移元素を添加した試料Ｎｏ．２〜６の場合、第１遷移元素を添加しなかった試料Ｎｏ．１の場合と比較して、Ｅｒｏｓｉｏｎ Ｓｐｅｅｄが最大８．５倍程度まで大きくなっていることが分かる。
第１合金に第１遷移元素を添加した場合、第１遷移元素を添加しなかった場合と比較して、第１金属と第２合金との反応によって生成する金属間化合物の結晶粒径が小さくなる。その結果、金属間化合物における第１金属の粒界拡散経路が増大し、拡散速度が向上して、金属間化合物の生成速度が速くなったと考えられる。
《他の実施形態》
なお、本実施形態の接合方法において金属箔１１及び金属箔１２の材料は、Ｓｎ単体であるが、これに限るものではない。実施の際は、金属箔１１及び金属箔１２の材料は、Ｓｎ系合金であってもよい。また、金属箔１１の材料と金属箔１２の材料とは、異なっていても良い。Ｓｎ系合金は例えば、ＳｎＡｇＣｕ合金、ＳｎＡｇ合金、ＳｎＣｕ合金、ＳｎＢｉ合金、ＳｎＳｂ合金、ＳｎＡｕ合金、ＳｎＰｂ合金、ＳｎＺｎ合金などである。
また、本実施形態の金属組成物１０では、金属箔１１と金属箔１２とは、高融点合金ペースト１５を挟んだ状態で、高融点合金ペースト１５の全周で融着されていたが、これに限るものではない。例えば、金属箔１１と金属箔１２とは一部で融着されていてもよいし、融着されていなくてもよい。さらに、例えば、金属箔１２を備えていなくてもよい。
また、本実施形態の金属組成物１０では、金属箔１１及び金属箔１２が第１金属に相当し、高融点合金ペースト１５が第２合金に相当したが、これに限るものではない。例えば、第１金属は箔状ではなく、粒子状やペースト状であってもよいし、第２合金は、ペースト状ではなく、粒子状や箔状であってもよいし、金属組成物はこれらを適宜組み合わせたものであってもよい。
また、本実施形態の接合方法において高融点合金粒子５の材料は、ＣｕＮｉＣｏ合金であるが、これに限るものではない。実施の際は、高融点合金粒子５の材料は、例えばＣｕＭｎＣｏ合金粒子であってもよい。
また、本明細書で記載した金属や合金は、厳密な組成を指すものではなく、第１金属と第２高融点金属との反応を阻害しない程度、例えば１重量％以下の割合で、明示していない元素を不純物として含んでいてもよい。
ＣｕＭｎＣｏ合金粒子を用いる場合、溶融したＳｎとＣｕＭｎＣｏ合金粒子との反応により、金属間化合物が生成される。この金属間化合物は例えば、（Ｃｕ、Ｍｎ、Ｃｏ）６Ｓｎ５である。
また、本実施形態において加熱工程は、金属組成物１０を熱風加熱しているが、これに限るものではない。実施の際、加熱工程は、金属組成物１０に対して例えば遠赤外線加熱や高周波誘導加熱、ホットプレート等を行ってもよい。
また、本実施形態において加熱工程は、大気中で金属組成物１０を熱風加熱しているが、これに限るものではない。実施の際、加熱工程は、例えばＮ２、Ｈ２、ギ酸、又は真空中で金属組成物１０を熱風加熱しても良い。
また、本実施形態において加熱工程は加熱中、金属組成物１０を加圧しているが、これに限るものではない。実施の際、加熱工程は加熱中、金属組成物１０を加圧していなくてもよい。
また、本実施形態においては、金属組成物１０を接合材料として用いたが、金属組成物１０の用途はこれに限定されない。例えば、金属組成物１０により生成した金属間化合物を超塑性素材として制振ダンパーに用いてもよい。
また、金属間化合物一般が脆いのに対し、金属組成物１０により生成した金属間化合物は、高い塑性変形能を有し、加工が可能である。そのため、金属組成物１０により生成した金属間化合物は、例えば成形物などの加工物に用いることができる。また、当該金属間化合物は、加工可能であるとともに銀色の金属質感を有する物質であるため、例えば、芸術品や玩具などの造形、装飾用途に用いてもよい。
最後に、前記実施形態の説明は、すべての点で例示であって、制限的なものではない。本発明の範囲は、前記実施形態ではなく、特許請求の範囲および均等の範囲である。
Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３…クラック
Ｍ…融着部分
５…高融点合金粒子
８…有機成分
１０…金属組成物
１１…金属箔
１２…金属箔
１５…高融点合金ペースト
１００…金属間化合物部材
１０１…第１接合対象物
１０２…第２接合対象物
１５０…接合体
１９１、１９３…試験片
１９５…試験片
５０１、５０２…圧縮治具
８００…金属間化合物部材

Claims (7)

  1. 第１金属と、
    前記第１金属より融点の高い第１合金に第１遷移金属元素が添加された第２合金と、を含み、
    前記第１金属は、Ｓｎ又はＳｎ系合金であり、
    前記第１合金は、ＣｕＮｉ合金であり、
    前記第１遷移金属元素は、Ｃｏ又はＦｅである、金属組成物。
  2. 前記第１遷移金属元素は、Ｃｏであり、
    前記第２合金は、
    Ｃｕ−ｘＮｉ−ｙＣｏ合金であって、
    前記ｘは、１以上３０以下の範囲内であり、
    前記ｙは、０．５以上２０以下の範囲内である、請求項１に記載の金属組成物。
  3. フラックスをさらに含む、請求項１又は請求項２に記載の金属組成物。
  4. 第１金属と、前記第１金属より融点の高い第１合金に第１遷移金属元素が添加された第２合金と、からなる金属間化合物で構成され、
    前記第１金属は、Ｓｎ又はＳｎ系合金であり、
    前記第１合金は、ＣｕＮｉ合金であり、
    前記第１遷移金属元素は、Ｃｏ又はＦｅである、金属間化合物。
  5. 前記金属間化合物の平均結晶粒径は、３μｍ以下である、請求項４に記載の金属間化合物部材。
  6. 第１接合対象物と、
    第２接合対象物と、
    請求項４又は請求項５に記載の金属間化合物部材と、を備え、
    前記金属間化合物部材は、前記第１接合対象物と前記第２接合対象物とを接合する接合体。
  7. 前記金属間化合物は前記金属間化合物部材内において、前記第１接合対象物から前記第２接合対象物まで連続して存在している、請求項６に記載の接合体。
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