JP6552464B2 - 異種金属の接合構造、その接合方法および電気製品の生産方法 - Google Patents

異種金属の接合構造、その接合方法および電気製品の生産方法 Download PDF

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Description

実施形態は、異種金属の接合構造、その接合方法および電気製品の生産方法に関する。
異種金属の接合方法として、摩擦攪拌接合(FSW)の利用が試みられている。しかし、従来の摩擦攪拌接合を利用した異種金属の接合方法では、高硬度の材料への適用や接合の安定性などに課題がある。異種金属どうしを安定して接合することが望まれている。
特開2005−28378号公報 特許第4404052号
実施形態は、異種金属どうしを安定して接合することが可能な異種金属の接合構造、その接合方法、および電気製品の生産方法を提供する。
実施形態の異種金属の接合構造は、第1金属を含む第1部材と、前記第1部材上に設けられた、前記第1金属と異なる遷移金属を含む遷移金属層と、前記遷移金属層上に設けられた、前記第1金属および前記遷移金属とは異なる第2金属を含む第1金属層と、前記第1金属層上に設けられた、前記第2金属を含む第2部材と、前記第2部材の内部に設けられた、前記第1金属層に達する攪拌部と、を備えている。
図1(a)〜(f)は第1実施形態に係る異種金属の接合方法の一例を示す模式断面図である。 図2(a)および(b)は参考例に係る異種金属の接合部分を示す模式断面図である。 図3(a)および(b)は実施形態に係る異種金属の接合部分を示す模式断面図である。 図4(a)〜(f)は第2実施形態に係る異種金属の接合方法の一例を示す模式断面図である。 図5(a)〜(c)は第3実施形態に係る異種金属の接合方法の一例を示す模式断面図である。 図6(a)〜(f)は第4実施形態に係る異種金属の接合方法の一例を示す模式断面図である。 図7は第5実施形態に係るパワーモジュールの模式断面図である。
以下、図面を参照し、実施形態について説明する。なお、各図面中、同じ要素には同じ符号を付す。実施形態は、銅もしくは銅合金とアルミニウムとの接合方法および接合構造である。銅合金は、例えば、銅タングステン(WCu)である。しかし、実施形態は、銅もしくは銅合金とアルミニウムとの接合に限られるものではない。
<第1実施形態>
図1(a)〜(f)は、第1実施形態に係る異種金属の接合方法の一例を示す模式断面図である。
図1(a)に示すように、第1金属部材10、および第2金属部材20を準備する。実施形態では、第2金属部材20を、第1金属部材10に接合する。第1金属部材10は、第1金属を含む。第1金属は、例えば、銅(Cu)である。実施形態の第1金属部材10は、例えば、Cuとタングステン(W)との合金(WCu)である。
第2金属部材20は、第2金属を含む。第2金属は、第1金属と異なる。第1金属がCu又は第1金属の合金がWCuの場合、第2金属は、例えば、アルミニウム(Al)である。第2金属の融点は、第1金属又は第1金属の合金の融点よりも、例えば、低い。また、第2金属の硬度は、第1金属又は第1金属の合金の硬度よりも、例えば、低い。
次に、第1金属部材10の接合面10a上に、第1金属層11を形成する。第1金属層11は、第2金属と同じ金属を含む。第1金属層11は、例えば、Alを含む。第1金属層11は、第2金属部材と、例えば、同じ金属又は第2金属を含む合金である。実施形態の第1金属層11は、Al層である。
第1金属層11は、第1金属部材10上に、例えば、化学的気相堆積(CVD)法、又は物理的気相堆積(PVD)法を用いて形成される。第2金属がAlである場合、CVD法では、材料ガスとして、Alを含むAlプリカーサーガスを含むガス用いられる。PVD法では、材料ターゲットとして、Alを含むAlターゲットが用いられる。
次に、図1(b)に示すように、第1金属部材10に、第2金属部材20を第1金属層11を介して接触させる。
次に、図1(c)に示すように、摩擦攪拌接合ツール30を、第2金属部材20上に移動させる。摩擦攪拌接合ツール30は、ショルダ31と、プローブピン32とを有する。プローブピン32は、ショルダ31から突出する。プローブピン32は、第2金属部材20に向けられる。摩擦攪拌接合ツール30は、第2金属部材20の外表面に対して傾きを持ちつつ、第2金属部材20と相対する。傾きは、前進角と呼称される。
次に、図1(d)に示すように、摩擦攪拌接合ツール30を回転させながら、第2金属部材20の内部に、第1金属層11に向かって挿入する。回転する摩擦攪拌接合ツール30を第2金属部材20に挿入すると、第2金属部材20は摩擦熱によって軟化し、摩擦攪拌接合ツール30の回転により、摩擦攪拌接合ツール30の周囲に塑性流動が生じる。
図1(d)中の参照符号“21”は、“塑性流動”が生じた部分を示す。本明細書において、塑性流動が生じた部分を“攪拌部”という。以下、参照符号“21”に示す部分を、攪拌部21と呼ぶ。プローブピン32の挿入深さは、例えば、プローブピン32の先端が、第1金属層11に到達、あるいは攪拌部21が第1金属層11に接触するよう第1金属層11の近傍に到達するように制御される。攪拌部21は、例えば、第2金属部材20の内部から第1金属層11の内部にかけて形成される。攪拌部21は、第1金属層11の内部を介して第1金属部材10に達していてもよい。
次に、図1(e)に示すように、摩擦攪拌接合ツール30を用いて、第2金属部材20を、第1金属層11および第1金属部材10に摩擦攪拌接合する。実施形態では、例えば、第2金属部材20に挿入された摩擦攪拌接合ツール30を回転させながら、例えば、接合面10aに平行に移動させる。これにより、第2金属部材20は、第1金属層11に、摩擦攪拌接合される。
次に、図1(f)に示すように、摩擦攪拌接合ツール30を、第2金属部材20から引き抜く。これにより、第2金属部材20の、第1金属部材10への異種接合が終了する。第2金属部材20には、摩擦攪拌接合ツール30を抜いた痕、例えば、抜き穴21aが残る。
第1実施形態では、第1金属部材10の接合面10a上に、第2金属部材20と同じ金属を含む第1金属層11を形成する。第2金属部材20は、第1金属層11を介して第1金属部材10に接触される。この状態で、第2金属部材20を、第1金属層11とともに第1金属部材10に摩擦攪拌接合する。
このような第1実施形態によれば、第1金属部材10の接合面10a上に、第1金属層11を設けない場合に比較して、第2金属部材20を、第1金属部材10に安定して接合することが可能となる。
図2(a)および(b)は、参考例に係る異種金属の接合部分を示す模式断面図である。
例えば、図2(a)に示すように、第2金属部材20を、第1金属部材10に直接に接触させた場合、プローブピン32の先端は、第2金属部材20の内部に止めなくてはならない。しかし、プローブピン32の先端と第1金属部材10との距離がわずかであるために、制御が困難である。このため、例えば、摩擦攪拌接合を利用した工業的生産品(以下、単に生産品という)の1つ1つに対して、均一な異種金属の接合を再現することが難しい。
例えば、図2(b)に示すように、図2(a)に示す生産品に対して、第1金属部材10の厚さに“Δt”のばらつきが生じていたとする。摩擦攪拌接合ツール30の挿入深さは、図2(a)および(b)の双方で、誤差はない、と考える。この場合、図2(a)に示す生産品では、プローブピン32の先端が第2金属部材20の内部に止まるのに対し、図2(b)に示す生産品では、プローブピン32の先端が第1金属部材10の内部に達する。
したがって、参考例においては、たとえ、摩擦攪拌接合ツール30の制御が正確であったとしても、生産品の1つ1つに対して、均一な異種金属の接合を再現することが難しい。
参考例では、第2金属部材20は、第1金属部材10に、金属間化合物を生成しつつ接合される。プローブピン32の先端と第1金属部材10との距離は、生成される金属間化合物の量を左右する。金属間化合物の量は、例えば、第1金属部材10と第2金属部材20との“接合強度”を左右する。
したがって、均一な異種金属の接合を再現し難い参考例では、例えば、第1金属部材10と第2金属部材20との“接合強度”のばらつきが、拡大しやすい。
しかも、図2(b)に示す参考例では、プローブピン32の先端が、第1金属部材10の内部に達する。第1金属部材10は、通常、第2金属部材20よりも固い金属である。このため、プローブピン32が摩耗しやすい。
図3(a)および(b)は、実施形態に係る異種金属の接合部分を示す模式断面図である。
参考例に対して、実施形態では、第2金属部材20を、第1金属部材10に、第1金属層11を介して接触させる。プローブピン32の先端は、参考例と同様に、第2金属部材20の内部に止める。しかし、図3(a)および(b)に示すように、参考例と同様に、第1金属部材10の厚さにばらつきΔtが生じていた場合でも、プローブピン32の先端は、第1金属層11の途中で止めることが可能である。
第1金属層11は、例えば、第2金属を含む合金、もしくは第2金属部材20と同じ金属である。例えば、第2金属部材20がAlならば、第1金属層11もAlである。このため、プローブピン32の先端と第1金属部材10との距離が変っても、第1金属部材10と第2金属部材20との“接合強度”は、参考例に比較して、変わり難い。
したがって、実施形態では、生産品間の、第1金属部材10と第2金属部材20との“接合強度”の、生産品間の“ばらつき”を、参考例に比較して、縮小することができる。
このように、実施形態によれば、異種金属どうしを安定して接合することが可能な異種金属の接合構造および接合方法を提供できる。
さらに、実施形態によれば、参考例に比較して、プローブピン32の摩耗量を抑制することも可能である。
異種金属の接合に、摩擦攪拌接合を用いる場合、プローブピン32を挿入する金属は、例えば、2つの金属のうち、
・融点が低い金属
・硬度が低い金属
が選ばれる。
参考例では、プローブピン32は、第2金属部材20に比較して、硬度が高い第1金属部材10の内部にも挿入される。このため、プローブピン32が、摩耗しやすい。
これに対して、実施形態では、第1金属層11があるので、プローブピン32が第1金属部材10の内部に挿入される可能性を、参考例に比較して低減できる。第1金属層11が、例えば、第2金属部材20と同じ金属であるならば、硬度は、互いに同じである。したがって、実施形態によれば、プローブピン32の摩耗量を、参考例に比較して抑制できる。
<第2実施形態>
図4(a)〜(f)は、第2実施形態に係る異種金属の接合方法の一例を示す模式断面図である。
図4(a)〜(f)に示すように、第2実施形態が、図1(a)〜(f)に示した第1実施形態と異なるところは、第1金属部材10と第1金属層11との間に、第2金属層12が設けられていること、である。
第2金属層12は、第1金属および第2金属とは異なる遷移金属である第3金属を含む。第2金属層12は、例えば、第1金属部材10と第1金属層11との密着性を高める役割を持つ。第3金属は、例えば、チタン(Ti)、クロム(Cr)等である。
第2実施形態では、図4(a)に示すように、第1金属部材10の接合面10a上に、第2金属層12を形成する。実施形態の第1金属部材10は、WCuである。第2金属層12は、例えば、Tiを含む。実施形態の第2金属層12は、Ti層である。次に、第2金属層12上に、第1金属層11を形成する。実施形態の第1金属層11は、Al層である。
次に、図4(b)に示すように、第1金属部材10に、第2金属部材20を第1金属層11および第2金属層12を介して接触させる。実施形態の第2金属部材20は、Alである。
以下、第1実施形態と同様に、摩擦攪拌接合ツール30を回転させながら、第2金属部材20の内部に、第1金属層11に向かって挿入する(図4(c)〜(d))。
次に、第2金属部材20に挿入された摩擦攪拌接合ツール30を回転させながら、例えば、接合面10aに平行に移動させる。これにより、第2金属部材20は、第1金属層11に、摩擦攪拌接合する(図4(e))。第2実施形態においても、攪拌部21は、例えば、金属部材20の内部から第1金属層11の内部にかけて形成される。攪拌部21は、第1金属層11の内部をを介して第2金属層12に達していてもよい。さらに、攪拌部21は、第1金属層11の内部および第2金属層12の内部を介して第1金属部材10に達していてもよい。
次に、摩擦攪拌接合ツール30を、第2金属部材20から引き抜く(図4(f))。これにより、第2実施形態に係る第2金属部材20の、第1金属部材10への異種接合が終了する。
このような第2実施形態においても、第1実施形態と同様の利点を得ることができる。さらに、第2実施形態によれば、第1金属部材10と第1金属層11との間に、第2金属層12が設けられている。このため、第2実施形態は、第1実施形態に比較して、第1金属部材10と第1金属層11との密着性が高まる、という利点を、さらに得ることができる。
<第3実施形態>
図5(a)〜(c)は、第3実施形態に係る異種金属の接合方法の一例を示す模式断面図である。
図5(a)〜(c)に示すように、第3実施形態が、図1(a)〜(f)に示した第2実施形態と異なるところは、点接合であること、である。
第1実施形態では、図1(e)に示したように、第2金属部材20に挿入された摩擦攪拌接合ツール30を回転させながら、例えば、接合面10aに平行に移動させる。これにより、第2金属部材20を、第1金属層11に、摩擦攪拌接合させた。
第3実施形態では、図5(a)に示すように、摩擦攪拌接合ツール30を回転させながら、第2金属部材20の内部に、第1金属層11に向かって挿入する。
次に、図5(b)に示すように、摩擦攪拌接合ツール30を用いて、第2金属部材20を、第1金属層11に、摩擦攪拌接合する。第3実施形態においても、攪拌部21は、例えば、金属部材20の内部から第1金属層11の内部にかけて形成される。攪拌部21は、第1金属層11を介して第2金属層12に達していてもよい。さらに、攪拌部21は、第1金属層11および第2金属層12を介して第1金属部材10に達していてもよい。
次に、図5(c)に示すように、摩擦攪拌接合ツール30を、例えば、接合面10aに平行に移動させることなく、そのまま、第2金属部材20から引き抜く。これにより、第3実施形態に係る第2金属部材20の、第1金属部材10への異種接合が終了する。
このように実施形態は、摩擦攪拌“点”接合にも応用することができる。したがって、本明細書に記載する摩擦攪拌接合は、摩擦攪拌“点”接合も含む。
第3実施形態においても、第1、第2実施形態で説明した利点と、同様の利点を得ることができる。
<第4実施形態>
図6(a)〜(f)は、第4実施形態に係る異種金属の接合方法の一例を示す模式断面図である。
図6(a)〜(f)に示すように、第4実施形態が、図1(a)〜(f)に示した第1実施形態と異なるところは、実施形態に係る異種金属の接合構造および接合方法を、電気的接点に適用したこと、である。電気的接点の例は、例えば、端子と、配線との接続である。配線どうしの接続でもよい。端子および配線は、電気製品に使用される電気的接続部材である。
第4実施形態では、図6(a)に示すように、端子45の接合面45a上の、例えば、一部に、第2金属層12を形成する。第2金属層12は、端子45の接合面45a上の全面に形成されてもよい。端子45は、例えば、42アロイと呼称される鉄(Fe)とニッケル(Ni)との合金である。実施形態の第2金属層12は、例えば、Ti層である。次に、第2金属層12上に、第1金属層11を形成する。実施形態の第1金属層11は、Al層である。次に、配線50を、端子45上に、第1金属層11および第2金属層12を介して接触させる。配線50は、例えば、Al製である。
次に、図6(b)および(c)に示すように、摩擦攪拌接合ツール30を回転させながら、配線50の内部に、第1金属層11に向かって挿入する。
次に、図6(d)に示すように、配線50に挿入された摩擦攪拌接合ツール30を回転させながら、例えば、接合面45aに平行に移動させる。これにより、配線50を、第1金属層11に、摩擦攪拌接合する。接合は、摩擦攪拌“点”接合であってもよい。攪拌部21は、例えば、第1金属層11から配線50の表面にかけて形成される。攪拌部21は、第1金属層11を介して第2金属層12に達していてもよい。さらに、攪拌部21は、第1金属層11および第2金属層12を介して端子45に達していてもよい。
次に、図6(e)に示すように、摩擦攪拌接合ツール30を、配線50から引き抜く。これにより、第4実施形態に係る配線50の、端子45への異種接合が終了する。
第4実施形態では、図6(f)に示すように、例えば、配線50から、攪拌部21を介して端子45に向かって電流Iが流れる。このように実施形態の接合構造および接合方法は、電気製品の電気的接続部材どうしの接続に適用することができる。
このような第4実施形態によれば、例えば、生産品間で、接触抵抗のばらつきが小さく、電力損失のばらつきも少ない、安定した電気的接点を備えた電気的生産品(電気製品)を得ることができる。
第4実施形態においても、例えば、第1、第2実施形態で説明した利点と、同様の利点を得ることができる。
<第5実施形態>
第5実施形態は、実施形態の接合構造および接合方法を用いた生産品の例に関する。第5実施形態では、生産品の例として、半導体装置を示す。半導体装置の例は、例えば、電力用半導体装置である。電力用半導体装置の例は、パワーモジュールである。
図7は、第5実施形態に係るパワーモジュールの模式断面図である。
図7に示すように、パワーモジュールは、ケース40を備える。ケース40の内部には、IGBT、パワーMOSFET、ダイオード等のパワー半導体デバイスを含む半導体素子14が複数収容される。ケース40は、例えば、樹脂製である。ケース40は、収容部41を含む。
ケース40の、例えば、裏面には、第2金属部材20が設けられる。第2金属部材20は、ケース40に固定される。第2金属部材20上には、第1金属層11が設けられる。第1金属層11上には、第2金属層12が設けられる。第2金属層12上には、第1金属部材10が設けられる。第1金属部材10は、絶縁性基板15の裏面上に形成される。絶縁性基板15は、例えば、セラミック製である。
第2金属部材20は、例えば、第1〜第3実施形態で説明した異種金属の接合方法のいずれ1つに従って、第1金属部材10に摩擦攪拌接合される。
絶縁性基板15の表面上には、図示せぬ電極パターンが形成される。半導体素子14は、はんだ層13を介して図示せぬ電極パターンに接合される。第5実施形態において、第2金属部材20は、放熱板の役目を果たす。放熱板は、半導体素子14が発した熱を拡散させる。
第1金属部材10、第1金属層11、第2金属層12、はんだ層13、半導体素子14、および絶縁性基板15を含む構造体は、ユニットモジュールUMと呼ばれる。第5実施形態のパワーモジュールは、ユニットモジュールUMを、第2金属部材20上に、例えば、3つ含む。ユニットモジュールUMの数は、任意である。ユニットモジュールUMは、収容部41内に収容される。
ケース40は、外部端子42を含む。外部端子42は、ユニットモジュールUMと、配線43を介して電気的に接続される。ユニットモジュールUMどうしも、必要に応じて、配線43を介して電気的に接続される。
外部端子42には、配線50が接合される。実施形態において、配線50は、例えば、バスバーである。配線50は、外部端子42に、例えば、第1〜第3実施形態で説明した異種金属の接合方法のいずれ1つに従って、摩擦攪拌接合される。
このように実施形態の接合構造および接合方法は、例えば、パワーモジュールの、
(1) 第2金属部材(例えば、放熱板)20と、絶縁性基板15の第1金属部材10との接合
(2) 外部端子42と配線(例えば、バスバー)50との接合
等に適用することができる。
このようなパワーモジュールによれば、第2金属部材(例えば、放熱板)20と、絶縁性基板15の第1金属部材10との接合、および外部端子42と配線(例えば、バスバー)50との接合が安定する。このため、例えば、第2金属部材20と第1金属部材10、および外部端子42と配線50とが、はずれ難くなる。これにより、長期間に及んで、信頼性良く、安定して使用可能なパワーモジュールを得ることができる。
さらに、パワーモジュールによれば、生産されたパワーモジュール間で、外部端子42と配線50との間の接触抵抗のばらつきも小さくすることも可能である。したがって、例えば、生産されたパワーモジュール間で、電力損失のばらつきも少ない高品質のパワーモジュールを得ることができる。
なお、第1〜第3実施形態で説明した接合構造および接合方法は、パワーモジュールの上記(1)、(2)のいずれか1つに、適用されてもよい。
また、実施形態の接合構造および接合方法を用いた生産品としては、半導体装置の他、電動機および発電機等を挙げることができる。電動機および発電機においては、例えば、ステータコイルと、渡り線との接続に、第1〜第3実施形態で説明した接合構造および接合方法を、適用することができる。
以上、第1〜第5実施形態について説明した。しかし、実施形態は、上記第1〜第5実施形態に限られるものではない。これらの実施形態は、一例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、実施形態の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、および変更を行うことができる。
例えば、実施形態では、第1金属部材10、第2金属部材20、第1金属層11、および第2金属層21について、具体的な材料例を示した。しかし、第1金属部材10、第2金属部材20、第1金属層11、および第2金属層21の材料は、適宜変更することが可能である。
10…第1金属部材(WCu)、10a…接合面、11…第1金属層(Al)、11a…ベース側第1金属層(Al)、11b…端子側第1金属層(Al)、12…第2金属層(Ti)、12a…ベース側第2金属層(Ti)、12b…端子側第2金属層(Ti)、13…はんだ層、14…半導体素子、15…絶縁性基板、20…第2金属部材(Al)、21…攪拌部、21a…抜き穴、30…摩擦攪拌接合ツール、31…ショルダ、32…プローブピン、40…ケース、41…収容部、42…外部端子、43…配線、45…端子、45a…接合面、50…配線(バスバー)

Claims (6)

  1. 第1金属を含む第1部材と、
    前記第1部材上に設けられた、前記第1金属と異なる遷移金属を含む遷移金属層と、
    前記遷移金属層上に設けられた、前記第1金属および前記遷移金属とは異なる第2金属を含む第1金属層と、
    前記第1金属層上に設けられた、前記第2金属を含む第2部材と、
    前記第2部材の内部に設けられた、前記第1金属層に達する攪拌部と、
    を備えた、異種金属の接合構造。
  2. 前記遷移金属は、チタンおよびクロムのいずれかである請求項1記載の異種金属の接合構造。
  3. 第1金属を含む第1部材上に、前記第1金属と異なる遷移金属を含む遷移金属層を形成する工程と、
    前記遷移金属層上に、前記第1金属および前記遷移金属とは異なる第2金属を含む第1金属層を化学的気相堆積法および物理的気相堆積法のいずれかを用いて形成する工程と、
    前記第1部材に、前記第2金属を含む第2部材を前記第1金属層および前記遷移金属層を介して接触させる工程と、
    摩擦攪拌接合ツールを、前記第2部材の内部に前記第1金属層に向かって挿入し、前記摩擦攪拌接合ツールを用いて、前記第2部材と前記第1金属層とを摩擦攪拌接合する工程と、
    を備えた、異種金属の接合方法。
  4. 前記遷移金属はチタンおよびクロムのいずれかである、請求項3記載の異種金属の接合方法。
  5. 第1金属を含む第1電気的接続部材上に、前記第1金属と異なる遷移金属を含む遷移金属層を形成する工程と、
    前記遷移金属層上に、前記第1金属および前記遷移金属とは異なる第2金属を含む第1金属層を化学的気相堆積法および物理的気相堆積法のいずれかを用いて形成する工程と、
    前記第1電気的接続部材に、前記第2金属を含む第2電気的接続部材を前記第1金属層および前記遷移金属層を介して接触させる工程と、
    摩擦攪拌接合ツールを、前記第2電気的接続部材の内部に前記第1金属層に向かって挿入し、前記摩擦攪拌接合ツールを用いて、前記第2電気的接続部材と前記第1金属層とを摩擦攪拌接合する工程と、
    を備えた、電気製品の生産方法。
  6. 前記遷移金属はチタンおよびクロムのいずれかである、請求項5記載の電気製品の生産方法。
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