TW201742951A - 焊料連接構造及成膜方法 - Google Patents

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Abstract

本發明提供一種焊料潤濕性提高之具有鋁基材之焊料連接構造、及於鋁基材上成膜焊料潤濕性較高之金屬膜之成膜方法。 本發明之焊料連接構造(50)具備：鋁基板(30)；Ni膜(35)，其係利用冷噴塗法而成膜於鋁基板上；以及混合金屬膜(40)，其係使用混合有Ni粉末(41)與Sn粉末(42)之混合粉末材料，利用冷噴塗法成膜於Ni膜上。

Description

焊料連接構造及成膜方法
本發明係關於一種經由焊料材料與其他構件連接之焊料連接構造、及於基材上成膜金屬膜之成膜方法。
近年來，對於電氣零件，小型化、輕量化、性能、可靠性等觀點方面之要求正在提高。作為電氣零件之例，可列舉：電源、電池、電路基板、及連接器等。一般而言，於將該等電氣零件連接於基板、或端子等之情形時，使用冷噴塗、螺固、焊接、或焊接等。 專利文獻1揭示以下之構成。具體而言，於包含鋁或鋁合金之帶狀之平形導體之面，隔開特定之間隔而部分地形成包含容易焊接之導電性金屬之金屬層。並且，於該金屬層之間自平形導體之兩面貼附絕緣樹脂膜。導電性金屬可使用Ni、Sn、Au、Zn、Ag、Cu之任一者或該等之組合。上述金屬層係藉由冷噴塗等形成。 [先前技術文獻] [專利文獻] [專利文獻1]日本專利特開2012-3877號公報(2012年1月5日公開)
[發明所欲解決之問題] 專利文獻1之技術係利用冷噴塗法於包含鋁或鋁合金之帶狀之平形導體之面上成膜Ni膜。然而，利用冷噴塗法而成膜之Ni膜由於其表面密度較低，故而存在焊料潤濕性不充分之問題。 鑒於上述課題，本發明之目的在於提供一種焊料潤濕性提高之具有鋁基材之焊料連接構造、及於鋁基材上成膜焊料潤濕性較高之金屬膜之成膜方法。 [解決問題之技術手段] 為了解決上述課題，本發明之一實施形態之焊料連接構造之特徵在於：其係經由焊料材料與其他構件連接者，且具備：鋁基材；鎳(Ni)膜，其係利用冷噴塗法成膜於上述鋁基材上；以及混合金屬膜，其係使用混合有以鎳(Ni)、金(Au)、鋅(Zn)、銀(Ag)、銅(Cu)之任一者、或包含該等2種以上之合金為成分之第一粉末材料、及以錫(Sn)或包含Sn之合金為成分之第二粉末材料之混合粉末材料，利用冷噴塗法成膜於上述鎳(Ni)膜上。 為了解決上述課題，本發明之一實施形態之成膜方法之特徵在於：其係於鋁基材上成膜金屬膜者，且包括：第一成膜步驟，其係利用冷噴塗法於上述鋁基材上成膜鎳(Ni)膜；以及第二成膜步驟，其係使用混合有以鎳(Ni)、金(Au)、鋅(Zn)、銀(Ag)、銅(Cu)之任一者、或包含該等2種以上之合金為成分之第一粉末材料、及以錫(Sn)或包含Sn之合金為成分之第二粉末材料之混合粉末材料，利用冷噴塗法於上述鎳(Ni)膜上成膜混合金屬膜。 於上述焊料連接構造及成膜方法中，於上述鋁基材上成膜上述混合金屬膜。該混合金屬膜係使用混合有上述第一粉末材料及上述第二粉末材料之混合粉末材料而成膜。此處，上述第二粉末材料包含相較於上述第一粉末材料，當冷噴塗時更容易成為半熔融狀態之成分。因此，成為半熔融狀態之上述第二粉末材料混入至構成上述第一粉末材料之粒子間，起到將上述粒子相互結合之作用。又，構成上述第一粉末材料之粒子被成為半熔融狀態之上述第二粉末材料覆蓋，藉此，不易於上述第一粉末材料之上述粒子上生成導致焊料潤濕性降低之氧化物。 因此，本發明之一實施形態之焊料連接構造及成膜方法相較於在鋁基材上僅成膜有Ni膜之焊料連接構造更能提高焊料潤濕性。 又，於本發明之一實施形態之焊料連接構造中，上述鎳(Ni)膜及上述混合金屬膜較佳為總膜厚大於10 μm且為30 μm以下。 藉由設為上述構成，本發明之一實施形態之焊料連接構造能夠提高拉伸強度。 又，於本發明之一實施形態之焊料連接構造中，上述混合粉末材料較佳為按重量比計包含80%以上且95%以下之上述第一粉末材料。 藉由設為上述構成，能夠進一步提高本發明之一實施形態之焊料連接構造之焊料潤濕性。 [發明之效果] 根據本發明之一態樣，能夠提高具有鋁基材之焊料連接構造中之焊料潤濕性。
以下，一面參照圖式，一面對各實施形態進行說明。於以下之說明中，對相同零件及構成要素標註相同符號。該等之名稱及功能亦相同。因此，不重複對該等之詳細之說明。 〔關於冷噴塗〕 近年來，業界利用稱為冷噴塗法之皮膜形成法。冷噴塗法係如下方法，即，使較成為金屬皮膜之材料之金屬粉末之熔點或軟化溫度低之溫度的載氣成為高速流，於該載氣流中放入金屬粉末並使之加速，維持固相狀態而使之高速碰撞於基板等，藉此形成皮膜。 關於冷噴塗法之成膜原理，理解如下。 為了使金屬粉末附著、堆積於基板而成膜，需要某臨界值以上之碰撞速度，將其稱為臨界速度。若金屬粉末以低於臨界速度之速度與基板碰撞，則基板會磨耗，僅能於基板出現較小之凹坑狀之凹陷。臨界速度會根據金屬粉末之材質、大小、形狀、溫度、氧含量、及基板之材質等發生變化。 若金屬粉末以臨界速度以上之速度碰撞於基板，則於金屬粉末與基板(或已經形成之皮膜)之界面附近因較大之剪切而產生塑性變形。伴隨該塑性變形、及因碰撞所產生之固體內之較強之衝擊波之產生，界面附近之溫度亦上升，於該過程中，在金屬粉末與基板、及金屬粉末與皮膜(已經附著之金屬粉末)之間產生固相接合。 〔實施形態〕 以下，參照圖1對本實施形態之冷噴塗裝置100進行說明。 (冷噴塗裝置100) 圖1係冷噴塗裝置100之概略圖。如圖1所示，冷噴塗裝置100具備罐110、加熱器120、噴嘴130、進料器140、基材固持器150、及控制裝置(未圖示)。 罐110儲存載氣。載氣自罐110供給至加熱器120。作為載氣之一例，可列舉：氮、氦、空氣、或該等之混合氣體。載氣之壓力係以於罐110之出口成為例如70 PSI以上且150 PSI以下(約0.48 Mpa以上且約1.03 Mpa以下)之方式進行調整。但是，罐110之出口中之載氣之壓力並不限定於上述範圍，可根據金屬粉末之材質、大小、或基板之材質等適當進行調整。 加熱器120對自罐110供給之載氣進行加熱。更具體而言，載氣被加熱至較自進料器140供給至噴嘴130之金屬粉末之熔點低之溫度。例如，載氣當於加熱器120之出口進行測定時，於50℃以上且500℃以下之範圍內加熱。但是，載氣之加熱溫度並不限定於上述範圍，可根據金屬粉末之材質、大小、或基板之材質等適當進行調整。 載氣係於藉由加熱器120加熱之後，供給至噴嘴130。 噴嘴130係以300 m/s以上且1200 m/s以下之範圍加速藉由加熱器120加熱後之載氣，並朝向基材10噴射。再者，載氣之速度並不限定於上述範圍，可根據金屬粉末之材質、大小、或基板之材質等適當進行調整。 進料器140向利用噴嘴130加速之載氣之流動中供給金屬粉末。自進料器140供給之金屬粉末之粒徑為1 μm以上且50 μm以下之大小。自進料器140供給之金屬粉末自噴嘴130與載氣一同向基材10噴射。 基材固持器150將基材10固定。對固定於基材固持器150之基材10自噴嘴130噴射載氣及金屬粉末。基材10之表面與噴嘴130之前端之距離例如於5 mm以上且30 mm以下之範圍內進行調整。但是，基材10之表面與噴嘴130之距離並不限定於上述範圍，可根據金屬粉末之材質、大小、或基板之材質等適當進行調整。 控制裝置基於預先記憶之資訊、及/或系統操作員之輸入控制冷噴塗裝置100。具體而言，控制裝置控制自罐110向加熱器120供給之載氣之壓力、藉由加熱器120加熱之載氣之溫度、自進料器140供給之金屬粉末之種類及量、基材10之表面與噴嘴130之距離等。 (Ni膜35及混合金屬膜40之成膜) 其次，利用冷噴塗法，於鋁基板30上成膜Ni膜35，進而利用圖2、3對在Ni膜35上成膜混合金屬膜40之方法等進行說明。圖2表示本實施形態之成膜方法之流程圖。圖3表示本實施形態之焊料連接構造50之概略圖。 最初，參照圖3對焊料連接構造50進行說明。 焊料連接構造50具備鋁基板30、成膜於鋁基板30上之Ni膜35、及成膜於Ni膜35上之混合金屬膜40。 Ni膜35係藉由利用冷噴塗法將Ni粉末41噴射至鋁基板30上而成膜。混合金屬膜40係藉由使用冷噴塗法將混合有Ni粉末41(第一粉末材料)與Sn粉末42(第二粉末材料)之混合粉末材料噴射至Ni膜35上而成膜。此處，第一粉末材料可將Ni、金(Au)、鋅(Zn)、銀(Ag)、銅(Cu)之任一者、或包含該等之2種以上之合金作為成分。第二粉末材料可將Sn或包含Sn之合金作為成分。為了便於說明，於圖2、及圖3中，混合金屬膜40設為使用Ni粉末41與Sn粉末42之混合粉末材料所形成者來進行說明。 Sn之熔點(231.97℃)低於Ni之熔點(1453℃)。因此，Sn粉末42於冷噴塗時較Ni更容易成為熔融狀態(或半熔融狀態)。因此，當冷噴塗上述混合粉末材料時，成為半熔融狀態之Sn混入至Ni粒子之間，發揮將Ni粒子相互結合之作用。又，藉由該Sn之作用，而具有於混合金屬膜40之表面凹凸較少之特徵。 其次，對圖2之流程圖之各步驟進行說明。首先，利用冷噴塗法將Ni粉末41噴射至鋁基板30上(S1，第一成膜步驟)。其結果為，於鋁基板30上成膜Ni膜35(S2，第一成膜步驟)。其次，將Ni粉末41與Sn粉末42混合(S3)。並且，利用冷噴塗法將Ni粉末41與Sn粉末42之混合粉末材料噴射至Ni膜35上(S4，第二成膜步驟)。其結果為，於Ni膜35上成膜混合金屬膜40(Ni＋Sn膜)(S5，第二成膜步驟)。 (實施例1) 以下，對本實施形態之實施例1進行說明。於實施例1中，圖3之焊料連接構造係藉由以下之條件而形成。 於實施例1中，圖3之鋁基板30相當於圖1記載之基材10。鋁基板30係鋁製之板材，且呈矩形狀，厚度為0.5 mm。 於實施例1中，Ni膜35使用Ni粉末41而成膜。Ni粉末41之平均粒徑約為10 μm。Ni膜35係藉由自噴嘴130將Ni粉末41噴射至鋁基板30而成膜於鋁基板30上。 混合金屬膜40係使用將Ni粉末41與Sn粉末42混合之混合粉末材料而成膜。Ni粉末41之平均粒徑約為10 μm，Sn粉末42之平均粒徑約為38 μm。Ni粉末41與Sn粉末42之混合比率按重量比計為Ni：Sn＝95：5。混合金屬膜40係藉由自噴嘴130將上述混合粉末材料噴射至鋁基板30而成膜於Ni膜35上。 噴嘴130之前端與鋁基板30之距離為12 mm。 自罐110供給之載氣為空氣。載氣之壓力於罐110之出口設定為150 PSI(約1.03 Mpa)。加熱器120之設定溫度為250℃，與Ni粉末及Sn粉末接觸時之載氣之溫度低於Sn之熔點(231.97℃)。 自噴嘴130噴射至鋁基板30之Ni粉末41到達鋁基板30時之溫度約為103℃。又，自噴嘴130噴射至Ni膜35之上述混合粉末材料到達Ni膜35時之溫度約為103℃。 藉由以上之條件，形成圖3之焊料連接構造50。 (比較例1) 其次，對用以與實施例1進行比較的比較例1之焊料連接構造進行說明。比較例1之焊料連接構造中具備鋁基板、及使用冷噴塗裝置100而成膜於鋁基板上之Ni膜。Ni膜係Ni粒子之集合，於Ni之粒子間形成間隙。因此，Ni膜之表面具有較多之凹凸。 於比較例1之焊料連接構造中，鋁基板係鋁製之板材，且呈矩形狀，厚度為0.5 mm。Ni粉末之平均粒徑約為10 μm，自噴嘴130噴射至鋁基板。 噴嘴130之前端與鋁基板之距離為12 mm。 自罐110供給之載氣為空氣。載氣之壓力於罐110之出口設定為150 PSI(約1.03 Mpa)。加熱器120之設定溫度為250℃，與Ni粉末接觸時之載氣之溫度低於Ni之熔點(1453℃)。 (利用Sn浴所進行之潤濕性評價) 其次，說明對實施例1之焊料連接構造50、及比較例1之焊料連接構造進行之潤濕性評價試驗。 鑒於焊料材料多為Sn系金屬，潤濕性評價試驗係於熔融有Sn之坩堝內將除去氧化膜之塗佈有助焊劑之成膜面浸漬5秒而進行。此處，「成膜面」係於各個焊料連接構造中，藉由冷噴塗而形成有混合金屬膜40(實施例1)或Ni膜(比較例1)側之面。 以下，參照圖4及圖5對其潤濕性評價試驗之結果進行說明。圖4係表示將比較例1之焊料連接構造(僅Ni膜)浸漬於Sn浴5秒後之情況之照片。圖5係表示將實施例1之焊料連接構造50(Ni膜35＋混合金屬膜40)浸漬於Sn浴5秒後之情況之照片(重量比 Ni：Sn＝95：5)。 最初，根據比較例1中之結果進行說明。將比較例1之焊料連接構造浸漬於Sn浴5秒，結果未附著Sn，觀察到複數個Ni膜露出之部位(圖4)。作為其理由，可列舉以下之點。 於冷噴塗法中，維持固相狀態而使金屬粒子高速碰撞基板，藉此成膜金屬膜。因此，於比較例1之焊料連接構造中，於噴射Ni粉末之方向上，成為Ni粉末之粒子之集合體積層於鋁基板之狀態。另一方面，於與噴射Ni粉末之方向垂直之方向上，於Ni粉末之粒子間容易產生間隙或凹陷，其結果為，於Ni膜之表面形成較多之凹凸。因此，於比較例1之焊料連接構造中，根據(1)Ni之表面密度變低，(2)Ni膜受到於Ni膜上生成之氧化物之影響等理由，觀察圖4可知，焊料潤濕性變低。 另一方面，實施例1之焊料連接構造50如參照圖2及圖3所說明般，具備鋁基板30、成膜於鋁基板30上之Ni膜35、及成膜於Ni膜35上之混合金屬膜40。Ni膜35係藉由冷噴塗Ni粉末41而成膜於鋁基板30上之金屬膜。混合金屬膜40係藉由冷噴塗Ni粉末41與Sn粉末42之混合粉末材料而成膜於Ni膜35上之金屬膜。 此處，Sn較Ni之熔點低。因此，Sn粉末42於冷噴塗時容易成為半熔融狀態。成為半熔融狀態之Sn混入至Ni粒子之間，起到將Ni粒子相互結合之作用。 將該焊料連接構造50浸漬於Sn浴5秒後之結果如圖5所示。觀察浸漬於Sn浴5秒後之焊料連接構造50，幾乎觀察不到Ni層35露出之部位。由此，明示焊料連接構造50與比較例1之焊料連接構造相比較焊料潤濕性更高。 (附註1) 採用上述焊料連接構造作為比較例1之理由如下所述。 對鋁基板冷噴塗Ni粉末之焊料連接構造為先前技術。然而，本案之發明者認為(a)比較例1之焊料連接構造體之焊料潤濕性不佳，(b)作為其理由，Ni之表面密度變低，其結果為Ni膜受到於Ni膜上生成之氧化物之影響為一個原因。為了驗證上述(a)、(b)，本案發明者採用比較例1之焊料連接構造作為比較對象。 (附註2) 上述利用Sn浴所進行之潤濕性評價試驗並非按照使用對熔融焊料與電子零件之潤濕性進行評價之焊料測試儀之「JIS C60068-2-54・JIS Z3198-4」。其原因在於：利用外觀觀察之焊料潤濕性之評價之可靠性亦較高。 (關於Ni粉末與Sn粉末之混合比率) 其次，對成膜混合金屬膜40時之Ni粉末41與Sn粉末42之混合比率對焊料潤濕性產生的影響進行說明。 於實施例1中，混合金屬膜40中之Ni粉末41與Sn粉末42之混合比率按重量比計為Ni：Sn＝95：5。因此，對將混合金屬膜40中之Ni粉末41與Sn粉末42之混合比率按重量比計變更為以下5個實例之情形時之各者的焊料潤濕性進行評價。 (實例1)Ni：Sn＝95：5 (實例2)Ni：Sn＝90：10 (實例3)Ni：Sn＝80：20 (實例4)Ni：Sn＝60：40 (實例5)Ni：Sn＝98：2 對變更為5個實例之情形時之各者之焊料潤濕性進行評價的結果為，於實例1(重量比 Ni：Sn＝95：5)、實例2(重量比 Ni：Sn＝90：10)、及實例3(重量比 Ni：Sn＝80：20)中，確認出焊料潤濕性較為良好。然而，於實例4(重量比 Ni：Sn＝60：40)，進而實例5(重量比 Ni：Sn＝98：2)中，焊料潤濕性較低。根據該結果，發現若Ni粉末與Sn粉末之混合比率為特定之範圍內，焊料潤濕性變高。以下對其理由進行說明。 如上所述，於冷噴塗法中，維持固相狀態而使金屬粒子高速碰撞基板，藉此成膜金屬膜。因此，於比較例1之焊料連接構造中，於噴射Ni粉末之方向上，成為Ni粉末之粒子之集合體積層於鋁基板之狀態。另一方面，於與噴射Ni粉末之方向垂直之方向上，於Ni粉末之粒子間容易產生間隙或凹陷，於Ni膜之表面形成較多之凹凸。因此，於比較例1之焊料連接構造中，(1)Ni之表面密度較低，(2)Ni膜容易受到於Ni膜上生成之氧化物之影響。並且，若將此種焊料連接構造浸漬於Sn浴5秒，則Sn膜難以附著於Ni膜之表面，Ni膜之一部分露出。 根據此種理由，比較例1之焊料連接構造之焊料潤濕性變低。該情況於Ni粉末41與Sn粉末42之混合粉末材料中之Ni粉末41之重量比率較高之實例5的焊料連接構造中亦同樣如此。 其次，對實例4之焊料連接構造之焊料潤濕性變低之情況進行說明。如上所述，Sn之熔點為231.97℃。其熔點與載氣之設定溫度接近。因此，Sn粉末42於冷噴塗時容易成為半熔融狀態。成為半熔融狀態之Sn混入至Ni粒子之間，起到將該Ni粒子相互結合之作用。其結果為，混合金屬膜40成為凹凸較少之連續膜。又，Ni粒子被成為半熔融狀態之Sn覆蓋，抑制會導致焊料潤濕性變低之上述氧化物之生成。 然而，上述混合粉末材料中Sn粒子所占之比率高達40%，因此若將實例4之焊料連接構造浸漬於Sn浴5秒，則混合金屬膜40中所包含之Sn之一部分於Sn浴內熔融，下層之Ni膜之一部分露出。其結果為，實例4之焊料連接構造之焊料潤濕性變低。 根據此種理由，實例4、5之焊料連接構造之焊料潤濕性較低。 另一方面，於實例1、2及3之焊料連接構造50中，由於混合粉末材料中Ni粉末41所占之比率較高，故而混合金屬膜40中之Ni密度亦變高。藉此，即便將實例1、2及3之焊料連接構造浸漬於Sn浴5秒，亦能夠減輕混合金屬膜40中所包含之Sn於Sn浴內熔融之比率。其結果為，實例1、2及3之焊料連接構造50之焊料潤濕性變高。 此外，由於Ni粉末41被Sn層覆蓋，故而會導致焊料潤濕性變低之上述氧化物之生成得到抑制。根據該理由，亦認為實例1、2及3之焊料連接構造50能夠提高焊料潤濕性。 根據以上之理由，於使用混合有Ni粉末41與Sn粉末42之混合粉末材料於Ni膜35上成膜混合金屬膜40之情形時，該混合粉末材料較佳為按重量比計包含80%以上且95%以下之Ni粉末。並且，藉由使混合粉末材料中所包含之Ni粉末之重量比為上述範圍內，能夠使焊料連接構造50之焊料潤濕性變高。 (焊料連接構造之拉伸強度) 如上所述，本實施形態之焊料連接構造50之焊料潤濕性變高。但是，即便焊料連接構造50之焊料潤濕性較高，若使用焊料連接構造50時之成為焊接之對象之對象基材與焊料連接構造50之間的拉伸強度較低，則焊料連接構造50亦稱不上適於實用。因此，以下，對焊料連接構造50之拉伸強度進行驗證。 再者，以下之說明中之「拉伸強度」係當對焊料連接構造以7 mm×10 mm＝70 mm2 之接合面積將Cu材接合時為了自焊料連接構造使Cu材剝離所需之力的大小。換言之，於算出一般之拉伸強度、即每單位面積之力之大小之情形時，將本說明書中所記載之拉伸強度除以70 mm2 即可。 再者，首先敍述，作為焊料連接構造之拉伸強度降低之原因之一，可列舉於焊料連接構造之內部產生之空隙(以下，稱為「孔隙」)。 於以下之說明中，藉由將比較例2之焊料連接構造與實施例1之焊料連接構造50進行比較，而對成為將焊料連接構造50焊接之對象之對象基材與焊料連接構造50之間之拉伸強度進行研究。 再者，比較例2之焊料連接構造如以下說明般，係於鋁基板上僅形成有混合金屬膜之焊料連接構造。又，以下之說明中使用之圖示所示之SEM(Scanning Electron Microscope)照片係使用日本電子股份有限公司製造之JSM‐6510LA拍攝所得者。 (比較例2) 對用以與實施例1進行比較之比較例2之焊料連接構造進行說明。比較例2之焊料連接構造中具備鋁基板、及混合金屬膜。混合金屬膜係使用Ni粉末與Sn粉末之混合粉末材料而形成之混合膜，且係利用冷噴塗直接成膜於鋁基板上。 於比較例2之焊料連接構造中，鋁基板係鋁製之板材，且呈矩形狀，厚度為0.5 mm。Ni粉末之平均粒徑約為10 μm，Sn粉末之平均粒徑約為38 μm。Ni粉末41與Sn粉末42之混合比率按重量比計為Ni：Sn＝95：5。將該混合粉末材料自噴嘴130噴射至鋁基板30。 噴嘴130之前端與鋁基板30之距離為12 mm。 自罐110供給之載氣為空氣。載氣之壓力於罐110之出口設定為150 PSI(約1.03 Mpa)。加熱器120之設定溫度為250℃，與Ni粉末41及Sn粉末42接觸時之載氣之溫度低於Sn之熔點(231.97℃)。 (條件1：230℃、10秒) 圖6係以1000倍之倍率拍攝於230℃下對比較例2之焊料連接構造焊接10秒之情形時之該焊料連接構造之剖面的SEM照片。用於焊接之焊料材料為Sn-Ag-Cu系(無鉛焊料)。 焊接之溫度(230℃)低於Sn之熔點(231.97℃)。因此，比較例2之焊料連接構造中所包含之Sn粒子即便一部分成為半熔融狀態，亦不會完全熔融。因此，於條件1下之比較例2之焊料連接構造中，未產生較大之孔隙(圖6)。 然而，基於「JIS Z3198-5 焊料接頭之拉伸及剪切試驗方法」對焊接於該焊料連接構造之Cu材與鋁基板之間之拉伸強度進行測定，測定5次之結果之平均值為34.9 N。該值係較實施例1之焊料連接構造(Ni膜35＋混合金屬膜40)及比較例1之焊料連接構造(僅Ni膜)之拉伸強度(下述)低之值。認為其原因在於：雖未因焊接產生較大之孔隙，但產生複數個微細之孔隙，因該複數個孔隙而導致拉伸強度降低。 (條件2：270℃、10秒) 其次，參照圖7對在270℃下對比較例2之焊料連接構造(僅混合金屬膜)進行焊接10秒之情形進行說明。圖7係以1000倍之倍率拍攝於270℃下對比較例2之焊料連接構造進行焊接10秒之情形時之該焊料連接構造之剖面的SEM照片。 由於焊接之溫度(270℃)高於Sn之熔點(231.97℃)，故而比較例2之焊料連接構造中所包含之Sn粒子熔融。因此，於條件2下之比較例2之焊料連接構造中，於鋁基板與混合金屬膜之界面附近的混合金屬膜中所包含之Sn熔融，於混合金屬膜之內部產生較大之孔隙60(圖7)。 基於「JIS Z3198-5 焊料接頭之拉伸及剪切試驗方法」對焊接於此種焊料連接構造之Cu材與鋁基板之間之拉伸強度進行測定，測定5次之結果之平均值為12.0 N。因於比較例2之焊料連接構造之內部產生起因於Sn之熔融的較大之孔隙60，而導致鋁基板與混合金屬膜之連接部分之面積減少(圖7)。認為其結果為，焊接於比較例2之焊料連接構造之Cu材與鋁基板之間之拉伸強度降低，成為12.0 N之較低之值。 (條件3：270℃、5秒) 基於「JIS Z3198-5 焊料接頭之拉伸及剪切試驗方法」，於以270℃焊接5秒之條件下，對比較例2之焊料連接構造(僅混合金屬膜)測定焊接於該焊料連接構造之Cu材與鋁基板之間的拉伸強度。測定5次，結果為7.79 N、21.74 N、21.91 N、28.18 N、11.69 N。平均值為18.3 N。 認為，條件3亦與條件2相同，孔隙之產生成為一個原因，焊接於焊料連接構造之Cu材與鋁基板之間之拉伸強度降低。 (實施例1之焊料連接構造50) 其次，參照圖8、及圖9對實施例1之焊料連接構造50之拉伸強度進行說明。圖8係以1000倍之倍率拍攝實施例1之焊料連接構造50(Ni膜35＋混合金屬膜40)之剖面的SEM照片。 (條件4：270℃、15秒) 圖9係以1000倍之倍率拍攝於270℃下對焊料連接構造50(Ni膜35＋混合金屬膜40)焊接15秒之情形時之該焊料連接構造之剖面的SEM照片。焊料連接構造50經由焊料材65與Cu材70連接。 於該條件下，在焊料連接構造50中於焊接後亦未觀察到孔隙之產生(圖9)。又，基於「JIS Z3198-5 焊料接頭之拉伸及剪切試驗方法」對焊接於焊料連接構造50之Cu材70與鋁基板30之間之拉伸強度進行測定，5次之測定值之平均值為高達82.0 N之值。關於其理由想到以下內容。 於焊料連接構造50中，於鋁基板30上成膜Ni膜35，於Ni膜35上成膜混合金屬膜40(圖8)。因此，混合金屬膜40中所包含之Sn粒子不與鋁基板30直接接觸。藉此，於焊料連接構造50(Ni膜35＋混合金屬膜40)中，能夠抑制Sn粒子之溫度上升。認為其結果為，於焊料連接構造50(Ni膜35＋混合金屬膜40)中，引起拉伸強度之降低之孔隙之產生得以抑制，拉伸強度變高。 (小結) 如上所述，於比較例2之焊料連接構造(僅混合金屬膜)中，焊接於焊料連接構造之Cu材與鋁基板之間之拉伸強度變低。另一方面，本實施形態之焊料連接構造50(Ni膜35＋混合金屬膜40)之焊料潤濕性變高，進而，焊接於焊料連接構造之Cu材與鋁基板之間之拉伸強度亦變高，稱得上是更適於實用之焊料連接構造。 以下，亦提及比較例1之焊料連接構造(僅Ni膜)，僅供參考。 於270℃下對比較例1之焊料連接構造(僅Ni膜)進行焊接10秒。對焊接於比較例1之焊料連接構造之Cu材與鋁基板之間之拉伸強度進行5次測定，結果為，平均值為70.1 N。因此，比較例1之焊料連接構造(僅Ni膜)僅就拉伸強度之觀點而言，認可耐久性。然而，如上所述，比較例1之焊料連接構造(僅Ni膜)於潤濕性之方面，不及本實施形態之焊料連接構造50(Ni膜35＋混合金屬膜40)。 (關於將焊料連接構造50與Cu材70焊接後之構造) 其次，利用圖10對將焊料連接構造50與Cu材70焊接後之構造進行說明。圖10係將焊料連接構造50與Cu材70焊接後之構造之概略圖。 於圖10中，Cu材70係經由焊料材65而與焊料連接構造50之混合金屬膜40連接之構件。 焊料材65並不限定於特定之種類。例如，亦可為共晶焊料、高熔點焊料、高溫焊料、低熔點焊料、含銀之焊料、含鉛之焊料、或者無鉛焊料等。 Cu材70例如可為Cu板材、或銅線等。或者，Cu材70不限定於銅製之構件，亦可為其他金屬(包括合金)、電路、基板、或端子等。 圖11表示將Cu材70連接於鋁基板30之方法之流程圖。於圖11中，由於利用圖2對步驟S1～S5進行了說明，故而省略重複之說明。於藉由步驟S5而成膜之混合金屬膜40上使焊料材65熔融(S6)。其後，經由熔融之焊料材65焊接Cu材70(S7)。按照以上之順序，能夠獲得將焊料連接構造50與Cu材70焊接後之構造。 於焊料連接構造50(Ni膜35＋混合金屬膜40)中，即便於高於Sn之熔點(231.97℃)之溫度下進行焊接，與以往之焊料連接構造相比，亦不易產生孔隙。又，由於在Ni粒子之間混入Sn，故而於混合金屬膜40之表面凹凸較少。藉此，將焊料連接構造50與Cu材70焊接後之構造獲得能夠使電阻變小之進一步之效果。 (混合金屬膜40之膜厚與拉伸強度之關係) 利用圖12～圖14對本實施形態之焊料連接構造50(Ni膜35＋混合金屬膜40)中之混合金屬膜40之膜厚與拉伸強度之關係進行說明。以下，將Ni膜35之厚度與混合金屬膜40之厚度之和稱為「總膜厚」。又，Ni膜35均以約10 μm成膜。又，圖12～圖14所示之SEM照片依序為以500倍、1000倍、3000倍之倍率拍攝之SEM照片(為了便於觀察，準備複數個倍率不同之照片)。 圖12之(a)係表示拍攝比較例1之焊料連接構造(僅Ni膜)之剖面之SEM照片的圖。於圖12之(a)中，總膜厚約為10 μm。圖12之(b)係表示拍攝總膜厚約為15 μm之焊料連接構造50(Ni膜35＋混合金屬膜40)之剖面之SEM照片的圖。圖12之(c)係表示拍攝總膜厚約為20 μm之焊料連接構造50之剖面之SEM照片的圖。圖12之(d)係表示拍攝總膜厚約為40 μm之焊料連接構造50之剖面之SEM照片的圖。圖12之(e)係表示拍攝總膜厚約為80 μm之焊料連接構造50之剖面之SEM照片的圖。 圖13之(a)係表示拍攝比較例1之焊料連接構造(僅Ni膜)之剖面之SEM照片的圖。圖13之(b)係表示拍攝總膜厚約為15 μm之焊料連接構造50(Ni膜35＋混合金屬膜40)之剖面之SEM照片的圖。圖13之(c)係表示拍攝總膜厚約為20 μm之焊料連接構造50之剖面之SEM照片的圖。圖13之(d)係表示拍攝總膜厚約為40 μm之焊料連接構造50之剖面之SEM照片的圖。圖13之(e)係表示拍攝總膜厚約為80 μm之焊料連接構造50之剖面之SEM照片的圖。 圖14之(a)係表示拍攝比較例1之焊料連接構造(僅Ni膜)之剖面之SEM照片的圖。圖14之(b)係表示拍攝總膜厚約為15 μm之焊料連接構造50(Ni膜35＋混合金屬膜40)之剖面之SEM照片的圖。圖14之(c)係表示拍攝總膜厚約為20 μm之焊料連接構造50之剖面之SEM照片的圖。圖14之(d)係表示拍攝總膜厚約為40 μm之焊料連接構造50之剖面之SEM照片的圖。圖14之(e)係表示拍攝總膜厚約為80 μm之焊料連接構造50之剖面之SEM照片的圖。 以下，表示各個焊料連接構造與圖12～14所示之SEM照片之對應關係。 ・總膜厚10 μm：圖12之(a)、圖13之(a)、圖14之(a) ・總膜厚15 μm：圖12之(b)、圖13之(b)、圖14之(b) ・總膜厚20 μm：圖12之(c)、圖13之(c)、圖14之(c) ・總膜厚40 μm：圖12之(d)、圖13之(d)、圖14之(d) ・總膜厚80 μm：圖12之(e)、圖13之(e)、圖14之(e) 於270℃下對各個焊料連接構造進行焊接15秒，對焊接於焊料連接構造之Cu材與鋁基板之間之拉伸強度進行5次測定所得之平均值如下。 ・總膜厚10 μm：70.01 N ・總膜厚15 μm：81.68 N ・總膜厚20 μm：73.44 N ・總膜厚40 μm：29.90 N ・總膜厚80 μm：32.66 N 根據該結果，於總膜厚為20 μm以下之情形時，焊料連接構造50(Ni膜35＋混合金屬膜40)之拉伸強度高於比較例1之焊料連接構造(僅Ni膜，總膜厚10 μm)之拉伸強度。 此處，由於Ni層35之膜厚約為10 μm，故而於本實施形態之焊料連接構造50中，總膜厚大於10 μm。若如此，就拉伸強度之觀點而言，焊料連接構造50(Ni膜35＋混合金屬膜40)尤佳為總膜厚大於10 μm且為20 μm以下。 另一方面，於總膜厚為40 μm以上之情形時，焊料連接構造50(Ni膜35＋混合金屬膜40)之拉伸強度低於比較例1之焊料連接構造(僅Ni膜)之拉伸強度。其原因在於：若總膜厚變大，則(i)金屬粒子碰撞堆積於鋁基板30上之膜，由此導致冷噴塗時之來自氣壓之內部應力聚集，(ii)金屬粒子間之接合界面增加，由此導致於混合金屬膜40與焊料材65之交界部分容易發生剝離。並且，發明者發現，若總膜厚約為30 μm，則獲得與比較例1之焊料連接構造(僅Ni膜，總膜厚10 μm)之拉伸強度(70.01 N)同等之拉伸強度。因此，於焊料連接構造50(Ni膜35＋混合金屬膜40)中，較佳為總膜厚大於10 μm且為30 μm以下。 根據上文，焊料連接構造50(Ni膜35＋混合金屬膜40)較佳為總膜厚大於10 μm且為30 μm以下，進而較佳為總膜厚大於10 μm且為20 μm以下。若焊料連接構造50(Ni膜35＋混合金屬膜40)之總膜厚為上述範圍內，則能夠提高焊料連接構造50之焊料潤濕性，且獲得較高之拉伸強度。 (其他1) 於本實施形態之焊料連接構造中，第一粉末材料亦可不為Ni粉末，而將金(Au)、鋅(Zn)、銀(Ag)、銅(Cu)之任一者、或包含Ni、Au、Zn、Ag、Cu中之2種以上之合金設為粉末材料。又，於本實施形態之焊料連接構造中，第二粉末材料亦可不為Sn粉末，而使用以包含Sn之合金為成分之粉末材料。 此處，「合金」係指複數種金屬元素或包含金屬元素與非金屬元素之金屬。合金存在各種狀態，有完全熔化之固溶體、於結晶等級中作為成分之金屬分別獨立之共晶、於原子之等級中以固定比率結合之金屬間化合物等。於本實施形態中，「合金」包含該等各種狀態。 又，「鋁基板」只要為用以實現某些功能之零件、構件即可，可將該等總稱為「鋁基材」。例如，本實施形態之焊料連接構造可用於電池引板、匯流排等用途。 又，一般而言，於各種金屬之接合(連接)技術中，主要利用螺固、焊接、各種焊接技術。但是，根據金屬之材質，有產生腐蝕之虞。例如，於將鋁基材與銅線螺固之情形時，產生電池作用，有鋁基材腐蝕之虞。又，於藉由焊接將鋁基材與和鋁不同之金屬材料固定之情形時，需要去除氧化膜等步驟，從而耗費工夫與成本。鑒於此種先前之異種金屬之接合(連接)技術具有之課題，本實施形態之焊料連接構造中利用冷噴塗。藉此，關於本實施形態之焊料連接構造，(1)與先前之鍍覆、蒸鍍、披覆技術相比，能夠擴大材料之組合範圍，(2)能夠進行部分加工，(3)亦能夠抑制成本。 (其他2) 如上所述，於冷噴塗法中，維持固相狀態而使金屬粉末高速碰撞基板等，藉此形成皮膜，故而於金屬膜中殘留金屬粒子之情況居多。因此，若該金屬粒子存在於上述金屬膜中，則可判斷為該金屬膜係藉由冷噴塗法而成膜。另一方面，於火焰熔射、電弧熔射、或電漿熔射等中，由於使金屬粉末熔化並吹送至基板，故而幾乎不會於金屬膜中殘留金屬粒子。 因此，若為業者，則能夠根據該金屬膜之剖面辨別某金屬膜是否係利用冷噴塗法而成膜者。 (其他3) 藉由其構造或特性直接特定出利用冷噴塗法而成膜之金屬膜係不可能或不實際的。 第一，若對照根據所使用之各種金屬材料其構造或與其相伴之特性不同，則不可能根據某特定之詞句規定利用冷噴塗法而成膜之金屬膜。第二，構造上或特性上明確地特定出利用冷噴塗法而成膜之金屬膜之詞句亦不存在。原因在於：利用冷噴塗法所噴射之原材料粒子高速碰撞於非處理基材上後會塑性變形成不定形狀，無法保留原型。第三，對於利用冷噴塗法而成膜之金屬膜，基於測定進行解析並以某些詞句進行特定係不可能或不實際的。原因在於：當多次重複困難之操作與測定，進行統計性處理，找到特定出某些特徵之指標時，需要重複明顯之多次試誤，完全不實際。 本發明並不限定於上述各實施形態，可於技術方案所示之範圍進行各種變更，由不同之實施形態中分別揭示之技術手段適當組合而獲得之實施形態亦包含於本發明之技術範圍。
10‧‧‧基材 30‧‧‧鋁基板(鋁基材) 35‧‧‧Ni膜 40‧‧‧混合金屬膜 41‧‧‧Ni粉末(第一粉末材料) 42‧‧‧Sn粉末(第二粉末材料) 50‧‧‧焊料連接構造 60‧‧‧孔隙 65‧‧‧焊料材 70‧‧‧Cu材 100‧‧‧冷噴塗裝置 110‧‧‧罐 120‧‧‧加熱器 130‧‧‧噴嘴 140‧‧‧進料器 150‧‧‧基材固持器 S1～S7‧‧‧步驟
圖1係冷噴塗裝置之概略圖。 圖2表示本實施形態之成膜方法之流程圖。 圖3表示本實施形態之焊料連接構造之概略圖。 圖4係表示將比較例1之焊料連接構造浸漬於Sn浴5秒後之情況之照片。 圖5係表示將本實施形態之焊料連接構造浸漬於Sn浴5秒後之情況之照片(重量比 Ni：Sn＝95：5)。 圖6係以1000倍之倍率拍攝於230℃下對比較例2之焊料連接構造進行焊接10秒之情形時之該焊料連接構造之剖面的SEM(scanning electron microscope，掃描式電子顯微鏡)照片。 圖7係以1000倍之倍率拍攝於270℃下對比較例2之焊料連接構造焊接10秒之情形時之該焊料連接構造之剖面的SEM照片。 圖8係以1000倍之倍率拍攝本實施形態之焊料連接構造之剖面的SEM照片。 圖9係以1000倍之倍率拍攝於270℃下對本實施形態之焊料連接構造焊接15秒之情形時之該焊料連接構造之剖面的SEM照片。 圖10係將本實施形態之焊料連接構造與Cu材焊接後之構造的概略圖。 圖11表示將Cu材連接於鋁基板之方法之流程圖。 圖12係以500倍之倍率拍攝之SEM照片，圖12(a)表示比較例1之焊料連接構造之剖面，圖12(b)表示總膜厚約為15 μm之焊料連接構造之剖面，圖12(c)表示總膜厚約為20 μm之焊料連接構造之剖面，圖12(d)表示總膜厚約為40 μm之焊料連接構造之剖面，圖12(e)表示總膜厚約為80 μm之焊料連接構造之剖面。 圖13係以1000倍之倍率拍攝之SEM照片，圖13(a)表示比較例1之焊料連接構造之剖面，圖13(b)表示總膜厚約為15 μm之焊料連接構造之剖面，圖13(c)表示總膜厚約為20 μm之焊料連接構造之剖面，圖13(d)表示總膜厚約為40 μm之焊料連接構造之剖面，圖13(e)表示總膜厚約為80 μm之焊料連接構造之剖面。 圖14係以3000倍之倍率拍攝之SEM照片，圖14(a)表示比較例1之焊料連接構造之剖面，圖14(b)表示總膜厚約為15 μm之焊料連接構造之剖面，圖14(c)表示總膜厚約為20 μm之焊料連接構造之剖面，圖14(d)表示總膜厚約為40 μm之焊料連接構造之剖面，圖14(e)表示總膜厚約為80 μm之焊料連接構造之剖面。
30‧‧‧鋁基板(鋁基材)
35‧‧‧Ni膜
40‧‧‧混合金屬膜
41‧‧‧Ni粉末(第一粉末材料)
42‧‧‧Sn粉末(第二粉末材料)
50‧‧‧焊料連接構造

Claims (4)

  1. 一種焊料連接構造，其特徵在於：其係經由焊料材料與其他構件連接者，且具備： 鋁基材； 鎳(Ni)膜，其係利用冷噴塗法成膜於上述鋁基材上；以及 混合金屬膜，其係使用混合有以鎳(Ni)、金(Au)、鋅(Zn)、銀(Ag)、銅(Cu)之任一者、或包含該等2種以上之合金為成分之第一粉末材料、及以錫(Sn)或包含Sn之合金為成分之第二粉末材料之混合粉末材料，利用冷噴塗法成膜於上述鎳(Ni)膜上。
  2. 如請求項1之焊料連接構造，其中上述鎳(Ni)膜及上述混合金屬膜之總膜厚大於10 μm且為30 μm以下。
  3. 如請求項1或2之焊料連接構造，其中上述混合粉末材料按重量比計包含80%以上且95%以下之上述第一粉末材料。
  4. 一種成膜方法，其特徵在於：其係於鋁基材上成膜金屬膜者，且包括： 第一成膜步驟，其係利用冷噴塗法於上述鋁基材上成膜鎳(Ni)膜；以及 第二成膜步驟，其係使用混合有以鎳(Ni)、金(Au)、鋅(Zn)、銀(Ag)、銅(Cu)之任一者、或包含該等2種以上之合金為成分之第一粉末材料、及以錫(Sn)或包含Sn之合金為成分之第二粉末材料之混合粉末材料，利用冷噴塗法於上述鎳(Ni)膜上成膜混合金屬膜。
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