JP7189926B2

JP7189926B2 - 積層体及び積層体の製造方法

Info

Publication number: JP7189926B2
Application number: JP2020218363A
Authority: JP
Inventors: 嘉政許; 重銘陳
Original assignee: Industrial Technology Research Institute ITRI
Current assignee: Industrial Technology Research Institute ITRI
Priority date: 2020-12-28
Filing date: 2020-12-28
Publication date: 2022-12-14
Anticipated expiration: 2040-12-28
Also published as: JP2022103620A

Description

本発明は、積層体及び積層体の製造方法に関する。

第５世代移動通信（５Ｇ）が続々と商業化されている。モノのインターネット（ＩｏＴ）、自動車のインターネット（ＩｏＶ）、スマートマニュファクチャリング、スマートシティ、自動車のスマート自動運転等の５Ｇの新たな応用は、５Ｇ業界の活発な発展を促進する。関連する部品の要求されるパフォーマンスの更なる向上に伴い、５Ｇデバイスの熱管理の問題を早急に解決する必要がある。

このほか、電子製品の薄型軽量化に伴い、その放熱面積及び空間は更に多くの制限を受ける。このため、現在、放熱モジュールの製造業者はいずれも、超薄型ヒートパイプ及び超薄型均熱板（ベーパーチャンバー）等の薄型放熱部品を研究開発している。超薄型均熱板（超薄型ベーパーチャンバー）の放熱能力は超薄型ヒートパイプの数倍であり、このため５Ｇの最良の放熱部品であり、将来の５Ｇスマートフォンの主流な放熱手段として見られている。
特許文献１は、同軸コネクタの端子と超電導素子の電極とを比較的低い温度で接合し得る同軸コネクタ及びその製造方法並びにその同軸コネクタを用いた超伝導装置及びその製造方法を提供することを課題とする。
その解決手段として、同軸ケーブルに接続される同軸コネクタであって、中心導体である端子の表面に、Ｉｎと共晶反応を生じる金属材料より成る表面被覆層が形成されている。同軸コネクタの端子の表面に、Ｉｎと共晶反応を生じる金属材料より成る表面被覆層が形成されているため、同軸コネクタの端子と超伝導素子の電極超伝導とをＩｎ系はんだより成るはんだ層により比較的低い温度で接合することができる。このため、前記超伝導フィルタの超伝導体膜の内部から酸素が放出されるのを抑制することができ、臨界温度Ｔ _Ｃの低下を抑制することができる。
特許文献２は、放熱部品を製造するプロセスの一部に６５０℃以上の温度に加熱するプロセスが含まれる場に、製造後の放熱部品に十分な強度と放熱性能を持たせることができる銅合金板の提供を課題とする。
その解決手段として、Ｎｉ：０．２～０．９５質量％及びＦｅ：０．０５～０．８質量％と、Ｐ：０．０３～０．２質量％を含有し、Ｎｉ及びＦｅの合計含有量を［Ｎｉ＋Ｆｅ］とし、Ｐの含有量を［Ｐ］としたとき、［Ｎｉ＋Ｆｅ］が０．２５～１．０質量％、かつ［Ｎｉ＋Ｆｅ］／［Ｐ］が２～１０であり、残部がＣｕ及び不可避不純物からなる銅合金板を提供する。この銅合金板は、０．２％耐力が１００ＭＰａ以上で優れた曲げ加工性を有し、８５０℃で３０分加熱後水冷し、次いで５００℃で２時間加熱する時効処理をした後の０．２％耐力が１２０ＭＰａ以上、導電率が４０％ＩＡＣＳ以上である。

しかし、従来の均熱板封止接合技術は、生産効率の低さ、コストの高さ、接合ステップの煩雑さという問題に面している。これを鑑み、均熱板プロセスの生産効率の低さ、コストの高さ、接合ステップの複雑さの問題を解決できる積層体及び積層体の製造方法が早急に必要である。
特開２００８－０７１５８３特開２０１７－１１９９０９

本発明の目的は、均熱板プロセスの生産効率の低さ、コストの高さ、接合ステップの煩雑さの課題を解決できる積層体及び積層体の製造方法を提供することである。

本発明の１つの実施例による積層体は、第１の層と、第２の層と、第１の層と第２の層との間に設けられた接合層とを含む。第１の層と第２の層は５０重量％以上の銅を含み、接合層は、インジウム及び亜鉛と第１の層及び第２の層とで形成された金属間化合物を含み、接合層の亜鉛含有量は０．０３重量％～５重量％である。

本発明のもう１つの実施例による積層体の製造方法は、インジウムと亜鉛とを含み、亜鉛含有量が０．１重量％以上６重量％未満の接合材料を提供することと、接合材料を第１の層と第２の層との間に設けることと、接合温度が２００℃～５００℃の接合工程を行うこととを含む。

本発明のもう１つの実施例によると、積層体及び積層体の製造方法を提供し、これは低融点の合金を含む接合材料を用い、低温固液相互拡散（ＳＬＩＤ）技術で従来の高温接合工程を置き換え、均熱板プロセスの生産効率の低さ、コストの高さ、接合ステップの煩雑さの課題を解決する。

本発明の上記特徴と利点の更なる明確な理解のため、下記にて特に実施例を挙げ、添付図面と併せて以下に詳細に説明する。

図１は、本発明の１つの実施例による積層体の概略断面図である。図２は、インジウム亜鉛合金系の状態図である。図３は、銅インジウム合金系の状態図である。図４Ａ～図４Ｄは、本発明の１つの実施例による積層体の製造方法の概略断面図である。図５は、実施例３の接合層の電子顕微鏡写真である。図６は、実施例５の接合層の電子顕微鏡写真である。図７は、比較例３の接合層の電子顕微鏡写真である。図８は、比較例４の接合層の電子顕微鏡写真である。

以下に図面を参照し、本発明の１つの実施例の積層体について説明する。

図１は、本発明の１つの実施例による積層体の概略断面図である。図１に示されるように、本発明の積層体１は、第１の層１０と、第２の層１２と、第１の層１０と第２の層１２との間に設けられた接合層１４とを含む。そのうち、第１の層１０と第２の層１２は５０重量％以上の銅を含み、接合層１４は、インジウム及び亜鉛と、第１の層１０及び第２の層１２とで形成された金属間化合物とを含み、且つ接合層１４の亜鉛含有量は０．０３重量％～５重量％である。

上記の本発明の１つの実施例の積層体１により、均熱板プロセスの生産効率の低さ、コストの高さ、接合ステップの煩雑さの課題を解決できる。

以下に、本発明の１つの実施例の積層体の各特徴について説明する。

第１の層１０と第２の層１２は５０重量％以上の銅を含む。銅含有量が５０重量％よりも低い場合、反応速度が遅く、短時間に十分な接合強度を有する接合層１４を形成できず、生産効率の低下を引き起こす。

接合層１４は、インジウム及び亜鉛と第１の層１０及び第２の層１２とで形成された金属間化合物を含む。図２はインジウム亜鉛合金系の状態図である。図２から分かるように、インジウムの融点は１５６．６℃であり、亜鉛の融点は４１９．５℃であり、両者の共晶温度は１４３．５℃であり、接合材料中のインジウムと亜鉛の比率を調整することにより、合金系の融点を共晶温度付近に制御することで、接合工程の温度を低くすることができる。このほか、接合材料中のインジウムと第１の層１０及び第２の層１２中の銅は、均質な金属間化合物層を接合層１４として迅速に形成でき、且つインジウム亜鉛合金は好ましい柔軟性と可鍛性を有し、このため過度に大きな工程圧力を必要としない。また、インジウム亜鉛合金の回復速度と再結晶速度は速く、このため異種材料間の接合における使用に非常に適しており、且つ熱サイクルに耐える放熱部品に用いるのに適する。

換言すれば、接合層１４は、第１の層１０及び第２の層１２中の銅原子が、低温固液拡散接合工程中に、インジウムと亜鉛とを含む接合材料へ拡散して形成される。１つの実施例において、接合材料はインジウム亜鉛合金であってよい。接合層１４は均質構造であり、即ち接合層１４内部は単一の金属間化合物のみを含むことに注意されたい。このため、冷却時において、異なる相の間の熱膨張係数の差異のために亀裂発生を引き起こすことを避け、これにより接合強度を高めることができる。

接合層１４の亜鉛含有量は０．０３重量％～５重量％である。これにより接合強度の高い接合層を得ることができる。

以下に、本発明の積層体１のその他の実施例について説明する。

１つの実施例において、第１の層１０の厚さは０．０５ｍｍ～１ｍｍである。１つの実施例において、第１の層１０の厚さは０．０９９ｍｍ～０．２ｍｍである。

１つの実施例において、第２の層１２の厚さは０．０５ｍｍ～１ｍｍである。１つの実施例において、第２の層１２の厚さは０．０９９ｍｍ～０．２ｍｍである。第１の層１０及び第２の層１２の厚さは、同じであってよく、異なってもよい。

１つの実施例において、銅含有量は５０重量％以上である。１つの実施例において、銅含有量は６０重量％以上である。もう１つの実施例において、銅含有量は９９重量％以上である。更にもう１つの実施例において、銅含有量は５０重量％～９９重量％の間にあり、例えば６０重量％～９０重量％の間、６５重量％～８５重量％の間、７０重量％～８０重量％の間にある。銅含有量を更に高めた場合、更に短い時間内に十分な接合強度を有する接合層１４を形成できる。

１つの実施例において、第１の層１０及び第２の層１２はそれぞれジルコニウム、ニッケル等の元素を含んでよい。ジルコニウム、ニッケルを含むことにより、材料自身の強度を高めることができる。１つの実施例において、ジルコニウムの含有量は０．１重量％～１重量％である。１つの実施例において、ジルコニウムの含有量は０．３重量％～０．８重量％である。１つの実施例において、ニッケルの含有量は１重量％～４０重量％である。１つの実施例において、ニッケルの含有量は１０重量％～２５重量％である。

１つの実施例において、接合層１４の亜鉛含有量は０．５重量％～３．６重量％である。１つの実施例において、接合層１４の亜鉛含有量は０．７重量％～３重量％である。１つの実施例において、接合層１４の亜鉛含有量は１重量％～２．５重量％である。１つの実施例において、接合層１４の亜鉛含有量は１．５重量％～２重量％である。

１つの実施例において、接合層１４はＭ_２（Ｉｎ－ｘＺｎ）_１で表される金属化合物を含み、そのうちＭは銅、ｘは０．０３重量％～５重量％である。ｘの範囲は、接合層１４の亜鉛含有量と同一である。１つの実施例において、接合層１４はＣｕ_ａ（Ｉｎ－ｘＺｎ）_ｂで表される金属化合物を含み、そのうちａは６０～７０、ｂは３０～４０である。

１つの実施例において、接合層１４の厚さは８０μｍ以下である。接合層１４の厚さは５μｍ以上である。接合層１４の厚さが８０μｍよりも厚い場合、工程時間が長くなり、且つ接合層１４の合金相組成は制御が容易でなくなる。接合層１４の厚さが５μｍ未満である場合、接合強度が強くない。厚さが８０μｍ以下であることにより、均質な単一の金属間化合物の形成を更に速めることができ、また接合強度を更に高めることができる。厚さが５μｍ以上であることにより、接合強度を更に高めることができる。１つの実施例において、接合層１４の厚さは６μｍ～１０μｍである。１つの実施例において、接合層１４の厚さは３０μｍ～５０μｍである。１つの実施例において、接合層１４の厚さは６０μｍ～７０μｍである。

１つの実施例において、接合層１４の融点は３００℃～７００℃である。説明すべき点として、接合層１４の亜鉛含有量は５重量％を超えず、このため亜鉛の存在は接合層１４の融点に対し顕著な影響を与えないと考えてよく、故に（図３に示されるような）銅インジウム合金系の状態図により接合層１４の融点を説明する。図３は、銅インジウム合金系の状態図である。図３から、Ｍ_２（Ｉｎ－ｘＺｎ）_１で表される金属化合物の融点は３００℃～７００℃にあることが分かる。接合層１４の融点が３００℃～７００℃であることから、高温下で安定した接合層を得ることができる。１つの実施例において、１つの実施例において、接合層１４の融点は４００℃～６５０℃である。１つの実施例において、接合層１４の融点は５００℃～６００℃である。

１つの実施例において、積層体１は放熱部品である。

１つの実施例において、第１の層１０と接合層１４と第２の層１２の厚さの合計は０．４ｍｍ以下である。第１の層１０と接合層１４と第２の層１２の厚さの合計が０．４ｍｍ以下であることから、小型化された電子デバイスに用いる放熱部品を得ることができる。１つの実施例において、第１の層１０と接合層１４と第２の層１２の厚さの合計は０．３ｍｍ以下である。１つの実施例において、第１の層１０及び第２の層１２の厚さはそれぞれ０．１０ｍｍ以下であり、接合層１４の厚さは０．０５ｍｍ以下である。１つの実施例において、第１の層１０と接合層１４と第２の層１２の厚さの合計は０．２ｍｍ以下である。１つの実施例において、第１の層１０及び第２の層１２の厚さはそれぞれ０．０５ｍｍ以下であり、接合層１４の厚さは０．０５ｍｍ以下である。

以下に図面を参照し、本発明の１つの実施例の積層体１の製造方法を説明する。

図４Ａ～図４Ｄは、本発明の１つの実施例による積層体の製造方法の概略断面図である。図４Ａ～図４Ｄに示されるように、本発明の積層体の製造方法は、インジウムと亜鉛とを含み、且つ亜鉛含有量が０．１重量％以上６重量％未満である接合材料１６を提供することと、接合材料１６を第１の層１０と第２の層１２との間に設けることと、接合温度が２００℃～５００℃の接合工程を行うこととを含む。

以下に、本発明の積層体の製造方法の各特徴について説明する。

図４Ａに示されるように、先ず、接合材料１６が第１の層１０と第２の層１２との間に設けられ、一時的な積層体１ａを形成する。接合材料１６はインジウムと亜鉛とを含み、且つ亜鉛含有量が０．１重量％以上６重量％未満である。接合材料１６の亜鉛含有量が０．１重量％以上６重量％未満であることから、合金系の融点を共晶温度付近に制御することができ、これにより低融点の接合材料を得る。また、接合材料１６の亜鉛含有量が０．１重量％以上６重量％未満であることから、亜鉛含有量が０．０３重量％～５重量％である接合層１４を形成することができ、これにより接合強度の高い接合層を得る。本発明のインジウム亜鉛合金を接合材料１６として選択することのその他の利点は既に上述しており、ここでは繰り返さない。

次いで、図４Ｂに示されるように、第１の層１０、第２の層１２、接合層１４に対し、加熱及び状況を見て行う加圧を実施する。具体的には、第１の層１０、第２の層１２、接合材料１６を順に含む一時的な積層体１ａに対し、接合温度が２００℃～５００℃の接合工程を実施する。説明すべき点として、本発明の積層体の製造方法において、加圧しない状況において接合層１４を形成してもよい。

図４Ｃ～図４Ｄに示されるように、接合材料１６の融点が共晶温度付近にあることから、２００℃～５００℃まで加熱しさえすれば接合材料１６を溶化させ、溶融層１６ａを形成することができる。これと同時に、溶融層１６ａ中のインジウムと、第１の層１０及び第２の層１２中の銅が、均質な金属間化合物を急速に形成する。接合工程完了時に、接合材料１６と第１の層１０及び第２の層１２は接合層１４を形成する。

本発明の１つの実施例のインジウムと亜鉛とを含む接合材料を採用することにより、接合温度が２００℃～５００℃と低くとも、短時間内に十分な接合強度を有する接合層を形成することができる。

以下に本発明の積層体の製造方法の他の実施例について説明する。

１つの実施例において、接合材料１６の亜鉛含有量は０．１重量％以上６重量％未満である。１つの実施例において、接合材料１６の亜鉛含有量は０．５重量％～４．８重量％である。１つの実施例において、接合材料１６の亜鉛含有量は１．０重量％～３．９重量％である。１つの実施例において、接合材料１６の亜鉛含有量は２重量％～３重量％である。

１つの実施例において、接合工程の接合圧力は０．１ＭＰａ～１ＭＰａであり、接合時間は１時間～３時間である。１つの実施例において、接合圧力は０．２ＭＰａ～０．８ＭＰａである。１つの実施例において、接合圧力は０．４ＭＰａ～０．６ＭＰａである。１つの実施例において、接合時間は１時間～２．５時間である。１つの実施例において、接合時間は１．５時間～２時間である。接合圧力が０．１ＭＰａ以上であることから、均質な単一の金属間化合物の形成を更に速め、接合強度を更に高めることができる。接合圧力が１ＭＰａ以下であることから、溶融した接合材料１６が溢出することを更に防止し、生産設備の負担を更に低減することができる。接合時間が１時間以上であることから、均質な単一の金属間化合物を更に十分に形成し、接合強度を更に高めることができる。接合時間が３時間以内であることから、生産効率を更に高めることができる。

１つの実施例において、接合層１４はＭ_２（Ｉｎ－ｘＺｎ）_１で表される金属化合物を含み、そのうちＭは銅、ｘは０．０３重量％～５重量％である。ｘの範囲は接合層１４の亜鉛含有量と同一である。１つの実施例において、接合層１４はＣｕ_ａ（Ｉｎ－ｘＺｎ）_ｂで表される金属化合物を含み、そのうちａは６０～７０、ｂは３０～４０である。

[実施例]
以下に実施例と比較例を列挙し、本発明について更に説明するが、本発明はこれら実施例に限定されない。

＜接合材料の比較実験＞

亜鉛含有量を表１に記載の数値とし、インジウム、亜鉛原料を加熱し、これらを均質に混合してインジウム亜鉛合金を製造した。得られたインジウム亜鉛合金を圧延又は予圧して厚さ１００μｍのインジウム亜鉛接合材料を成形した。

[積層体の製造]
得られたインジウム亜鉛合金接合材料を２つ銅製の均熱板筐体の間の接合位置に配置し、３００℃の温度且つ０．３ＭＰａの圧力の条件下で２時間の接合工程を行い、実施例１～実施例６及び比較例１～比較例４の積層体を得た。

[接合層の画像分析及び成分分析]
ＪＥＯＬ社製の電界放出走査型電子顕微鏡を用い、実施例３、実施例５、比較例３、比較例４に対し接合層の画像分析及びエネルギー分散型Ｘ線分光（ＥＤＳ）成分分析を行った。結果を表２、表３、図５～図８に示す。

表２、表３から、実施例の接合層の亜鉛含有量は０．０３重量％～５重量％の範囲内にあることが分かる。
図５は、実施例３の接合層の電子顕微鏡写真である。図６は、実施例５の接合層の電子顕微鏡写真である。図５、図６から分かるように、実施例の接合層は均質構造であり、即ち接合層の内部には単一の金属間化合物のみを含む。
図７は、比較例３の接合層の電子顕微鏡写真である。図８は、比較例４の接合層の電子顕微鏡写真である。図７、図８から分かるように、比較例の接合層は不均質構造であり、即ち単一の金属間化合物を形成できない。

[接合材料の融点及び接合後のせん断応力強度分析]
示差走査熱量計（ＤＳＣ）を用いて、得られた接合材料の融点を測定し、インストロン社製の５トン静的材料試験機を用いて、接合後のせん断応力を測定し、ＡＳＴＭＥ８標準の方法で試験した。結果を表４に示す。

表４から分かるように、接合材料が純粋なインジウム（比較例１）のときの融点は１５６．６℃であり、亜鉛含有量を３．９重量％まで増加（実施例５）したときの接合材料の融点は共晶温度、即ち１４３．５℃まで下がり、４．８重量％まで増加（実施例６）したときの接合材料の融点は１６３℃まで大幅に増加する。
接合後のせん断応力の強度について、表４から分かるように、インジウムに０．２重量％の亜鉛を加える（実施例１）とせん断応力の強度を大幅に高めることができ、インジウムに０．５重量％の亜鉛を加えた（実施例２）とき、せん断応力の強度は更に高まる。亜鉛含有量が１重量％（実施例３）～３．９重量％（実施例５）のとき、せん断応力の強度はやや下がるが、接合材料が純粋なインジウムのときのせん断応力に比べやはり高い。亜鉛含有量が４．８重量％（実施例６）のとき、せん断応力の強度は再度増加する。しかし、亜鉛含有量を継続して増加させた場合（比較例２）、接合材料の融点は２００℃以上に達し、このときの接合材料は短時間の低温接合工程に用いるのは適さない。
また、接合材料が純粋なスズである（比較例３）のときの融点は高すぎ、接合材料と均熱板筐体は完全に反応して単一の金属間化合物を形成することができず、このためせん断応力の強度が非常に低い。このほか、インジウムに４８重量％のスズを加える（比較例４）ことにより接合材料の融点を大幅に下げることができるが、やはり単一の金属間化合物を形成することができず、このためせん断応力の強度は非常に低い。

＜接合条件の比較実験＞
接合条件を表５に示された数値に設定し、実施例２の接合材料の組成で実施例７～実施例１０の積層体を製造し、せん断応力の強度の分析を行った。

表５から分かるように、たとえ異なる接合条件を採用したとしても、せん断応力の強度が非常に高い積層体を得ることができる。

＜筐体材料の比較実験＞
筐体材料及び接合時間を表６のように設定し、実施例２の接合材料の組成で実施例１１～実施例１６の積層体を製造し、せん断応力の強度の分析を行った。

表６から分かるように、異なる筐体材料及び接合条件を採用しても、筐体自身の強度が高まる以外に、やはり積層体の接合層の接合強度を維持できる。

本発明は実施例を以て以上のように開示されているとはいえ、これは本発明を本開示に限定するために用いられず、当業者は本が維持の精神と範囲から逸脱することなく、いくつかの変更及び改変を行うことができ、故に本開示の保護範囲は添付の特許請求の範囲の定めるところを正とする。

本発明は、積層体及び積層体の製造方法を提供し、これは低融点の合金を含む接合材料を用い、低温固液拡散技術で従来の高温接合構成を置き換え、これにより均熱板プロセスの生産効率の低さ、コストの高さ、接合ステップの煩雑さの課題を解決する。

１：積層体
１ａ：一時的な積層体
１０：第１の層
１２：第２の層
１４：接合層
１６：接合材料
１６ａ：溶融層

Claims

第１の層と、
第２の層と、
前記第１の層と前記第２の層との間に設けられた、接合層と
を含み、
前記第１の層と前記第２の層が５０重量％以上の銅を含み、
前記接合層が、インジウム及び亜鉛と前記第１の層及び前記第２の層とで形成された金属間化合物を含み、
前記接合層の亜鉛含有量が０．５０重量％～３．６１重量％である、
積層体。
前記接合層がＭ_２（Ｉｎ－ｘＺｎ）_１で表される金属化合物を含み、そのうちＭが銅、ｘが０．５０重量％～３．６１重量％である、
請求項１に記載の積層体。
前記接合層が均質構造である、
請求項1又は２に記載の積層体。
前記接合層の厚さが８０μｍ以下である、
請求項１～３のいずれか１項に記載の積層体。
前記接合層の融点が３００℃～７００℃である、
請求項１～４のいずれか１項に記載の積層体。
放熱部品である、
請求項１～５のいずれか１項に記載の積層体。
前記第１の層と前記接合層と前記第２の層の厚さの合計が０．４ｍｍ以下である、
請求項１～６のいずれか１項に記載の積層体。
インジウムと亜鉛とを含み、亜鉛含有量が０．１重量％以上４．８重量％以下である、接合材料を提供することと、
前記接合材料を第１の層と第２の層との間に設けることと、
接合温度が２００℃～５００℃の接合工程を行うことと
を含み、
前記接合工程において、接合圧力が０．１ＭＰａ～１ＭＰａであり、接合時間が１時間～３時間である、
積層体の製造方法。
前記接合工程を行った後、前記接合材料と前記第１の層及び前記第２の層とが接合層を形成する、
請求項８に記載の積層体の製造方法。
前記接合層がＭ_２（Ｉｎ－ｘＺｎ）_１で表される金属化合物を含み、そのうちＭが銅、ｘが０．５０重量％～３．６１重量％である、
請求項９に記載の積層体の製造方法。