WO2012029789A1 - アルミニウム系金属の接合方法 - Google Patents

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南部　俊和
宮本　健二
井上　雅之
千花 山本
義貴 上原
明夫 廣瀬
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日産自動車株式会社
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Definitions

  • the present invention relates to a method of joining an aluminum-based metal material having a strong oxide film on the surface, and more specifically, the above-mentioned metal material can be joined at low temperature in the atmosphere, and heat to the base material and its periphery It relates to a low cost joining method that can minimize the impact and parts joined by such a method.
  • the aluminum-based metal means a metal containing at least Al, that is, pure aluminum or an aluminum alloy.
  • a dense and strong oxide film is formed on the surface of a material made of pure aluminum or aluminum alloy (hereinafter collectively referred to as "aluminium-based metal"), and the presence thereof becomes an obstacle, these aluminum-based metal materials For metallurgical bonding is difficult.
  • aluminium-based metal a material made of pure aluminum or aluminum alloy
  • Patent Document 1 when joining aluminum to each other or aluminum and alumina, an insert material containing an element that causes a eutectic reaction with the base material is interposed between the surfaces to be joined and brought into contact in an oxygen atmosphere And heating the bonding surface to a temperature range in which the eutectic reaction occurs, and forming an oxide phase on the contact surface by the reaction between the melt phase by the eutectic reaction and oxygen present in the void of the base material component and the contact surface.
  • the oxide film on the surface of the base material is broken, and is considered to be mixed in the melt phase together with the oxide due to the reaction between the components in the melt and oxygen (see the center on the left side of page 3).
  • brazing using a brazing material made of an Al-Si-based alloy is also known, but in this case, for example, an oxide film is formed by using a fluoride-based flux. I am trying to remove it.
  • the present invention has been made in view of the above problems in joining aluminum-based metal materials, and is a thin member having a thickness of 1 mm or less in the atmosphere between materials made of aluminum-based metals and without using a flux. Even if it is joined by low temperature, low pressurization, and a low distortion, it aims at providing a low cost joining method which can minimize influence on a base material and the circumference.
  • Another object of the present invention is to provide various joint components to which the above-mentioned joint method is applied.
  • the present inventors intercalated an insert material containing zinc as an element causing a eutectic reaction with aluminum, between the materials to be joined, and The inventors have found that the above-mentioned problems can be solved by causing eutectic reaction between them, and the present invention has been accomplished.
  • the present invention is based on the above findings, and the bonding method of the present invention comprises at least Zn (zinc) as an element causing a eutectic reaction with Al (aluminium) between both materials consisting of an aluminum-based metal.
  • the insert containing material is intervened, and in a state where both materials are relatively pressurized, the material is heated to a temperature that causes eutectic reaction to form a melt by eutectic reaction with Al in the base material at the bonding interface of both materials And an oxide film of Al is discharged from the bonding interface together with the melt to bond the two materials.
  • the component of the present invention is characterized by being joined by the above-mentioned method, wherein both of the aluminum-based metal materials are joined directly or through a mixture containing a component derived from the insert material. There is.
  • the insert material containing at least Zn is interposed between both the aluminum-based metal materials, low pressure eutectic melting containing Zn between the base material Al and the aluminum by pressing and heating As a result, bonding can be performed at low temperature, low heat input, low distortion, and low cost without using flux in the atmosphere. Therefore, it is possible to prevent the deformation and the strength reduction of the members to be joined, and to minimize the thermal influence on the peripheral members.
  • (A) to (e) are process diagrams schematically showing a bonding process according to the bonding method of the present invention. It is the schematic which shows the structure of the engine-head block of a division casting type as an example of the components joined by the joining method of this invention. It is the schematic which shows the structure of the separator for fuel cells as another example of the components joined by the joining method of this invention. It is the schematic which shows the mounting structure of a semiconductor chip as another example of the components joined by the joining method of this invention. It is the schematic which shows the point of the butt joining of the round bar in the Example of this invention. It is the schematic which shows the point of the lap
  • the eutectic temperature of the alloy system containing Al and Zn is significantly lower than that of Cu (copper), Si (silicon), Ag (silver), etc. (382 ° C. for Al—Zn system) Al-Zn-Mg system, 330 ° C), at such a low temperature, without causing softening or deformation of the base material, remove the oxide film that inhibits bonding from the bonding interface, and bond both materials be able to.
  • Melting due to the eutectic reaction occurs when the composition of the interdiffusion zone produced by mutual diffusion of two or more metals becomes a eutectic composition, and if the holding temperature is equal to or higher than the eutectic temperature, the eutectic reaction causes the liquid to A phase is formed.
  • the melting point of Al is 933 K (660 ° C.)
  • the melting point of Zn is 692.5 K (419.5 ° C.)
  • this eutectic metal is 655 K (382 ° C.) lower than the respective melting points. Melt with).
  • the eutectic composition is achieved spontaneously by interdiffusion, there is no need to control the composition, and the essential condition is that a low melting eutectic reaction is generated between the base Al and the insert metal.
  • FIGS. 1 (a) to 1 (e) are schematic views showing a process of bonding aluminum-based metal materials according to the method of the present invention.
  • an insert material 2 made of a material containing at least Zn, such as zinc foil is sandwiched between materials made of an aluminum-based metal, such as aluminum alloy materials 1 and 1, for example. Pile up. Note that the surfaces of the material 1, 1, the oxide film 1a mainly composed of Al 2 O 3 is generated.
  • both materials 1 and 1 are pressed to bring them in close contact via the insert material 2, and heating is started while further pressing. Then, deformation due to pressure occurs in both materials 1 and 1, and as shown in FIG. 1C, a crack C is generated in the oxide film 1a on the surface of the plate material.
  • Al in the oxide film 1a and Zn of the insert metal 2 cause a eutectic reaction to generate a eutectic melt phase.
  • FIG. 1 (d) when the liquid phase infiltrates from the crack C of the oxide film 1a to the base material side, the eutectic melting range is expanded, and the broken pieces of the oxide film 1a are liquid phase Disperse into.
  • the discharge 3 from the bonding interface including the eutectic melt and the oxide film fragments can be extruded from the bonding interface and removed from the completed bonded joint.
  • the lap bonding or the spot bonding it is pushed out from the bonding portion and remains on the periphery thereof to form a seal portion, which contributes to the improvement of the sealing performance of the bonding portion.
  • the method for bonding an aluminum-based metal of the present invention can also be carried out in an inert gas atmosphere, but there is no problem in the air.
  • it can also be performed in a vacuum, but not only the vacuum equipment is required, but also melting in the insert material may damage the vacuum gauge and the gate valve, so it is costly to carry out in the air. Is also advantageous.
  • the pressing force in the bonding method of the present invention is desirably 5 MPa or more and less than 30 MPa. That is, when the pressure is less than 5 MPa, the melt from the eutectic reaction or the aluminum oxide film may not be sufficiently discharged from the bonding interface. On the other hand, when the applied pressure is 30 MPa or more, deformation does not necessarily occur in the material to be joined.
  • resistance heating, high frequency heating, or a combination thereof may be employed as means for heating and maintaining the bonding portion in the above temperature range.
  • the bonding temperature is too high, the base material dissolves and a liquid phase is generated excessively, and when the liquid phase is excessive, it tends to remain at the bonding interface and the strength can not be obtained.
  • a temperature range up to the eutectic temperature and up to the eutectic temperature + 100 ° C. is preferable.
  • the rate of temperature rise to the bonding temperature is preferably as high as possible because the interface may be oxidized and the dischargeability of the molten material may be reduced to lower the strength if the temperature is low. This tendency is particularly true in the case of bonding in the atmosphere. Specifically, 3 ° C./second or more and 10 ° C./second or more are more preferable, and 25 ° C./second or more is more preferable.
  • the insert material contains at least Zn, and specifically, Zn, Zn and Al, Zn and Mg, Zn, Mg and Al, and further, It is desirable that the metal contains Zn, Cu and Al, Zn, Ag and Al as main components.
  • main component means a metal (pure zinc or zinc-containing alloy) containing 80% or more of Zn, Zn + Al, Zn + Mg + Al, Zn + Cu + Al, Zn + Ag + Al, etc. It shall be.
  • the melting point of the insert material is preferably 500 ° C. or less. That is, if the melting point exceeds this temperature, the bonding temperature rises along with it, and in the case of a heat-treated aluminum alloy, the solution treatment temperature may be exceeded and the material may be softened / deformed.
  • the ratio Ra / t of the surface roughness Ra of the bonding surface of both materials to the thickness t of the insert material is in the range of 0.00003 to 0.06. At this time, it is more desirable to set the Ra / t ratio in the range of 0.00005 to 0.05, and more preferably in the range of 0.0001 to 0.05.
  • the coating thickness be such that the surface roughness Ra of the bonding surface can be filled.
  • the oxide film may not be discharged because the liquid phase due to eutectic melting is insufficient.
  • both materials consisting of aluminum-based metal are derived directly or from insert material Are joined via a mixture containing the following components.
  • a diffusion phenomenon of Zn which is a component of the insert material is observed in the vicinity of the bonding surface of both materials.
  • a discharge consisting of a component derived from an oxide film or eutectic melt extruded from the bonding portion remains between the two materials, and Seals will be formed around the periphery (both sides of the joint if seamed).
  • FIG. 2 is a schematic view showing a structure of a division casting type engine head block joined by the joining method as one embodiment of the present invention.
  • the engine head block 10 shown in the figure is composed of pieces 11, 12, 13, 14 separately cast from an aluminum alloy for die casting, for example, an Al-Si-Cu-Mg-based alloy (AC4D).
  • AC4D Al-Si-Cu-Mg-based alloy
  • the engine head block 10 manufactured in this manner is excellent in sealability and less in distortion.
  • the degree of freedom in design is improved.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view showing the structure of an aluminum alloy separator for a fuel cell joined by the above joining method as another embodiment of the present invention.
  • the fuel cell separator 20 is overlapped so as to illustrate two corrugated plate members 21 and 22 formed by press forming an aluminum alloy plate material (for example, 5000 series and 6000 series), and a contact portion indicated by an oval mark Are joined according to the method of the present invention to form a fuel gas or oxidizing gas passage 23.
  • separator 20 manufactured in this manner it is possible to obtain a high-precision fuel cell stack which is excellent in sealability as described above, has a small distortion, and is free from the risk of gas leakage. Further, according to this method, a large number of separators can be accommodated in a large furnace, and a large number of joint portions can be joined simultaneously, which enables highly efficient manufacture as compared with the manufacture by TIG welding or laser welding.
  • FIG. 4 is a schematic cross-sectional view showing the structure of a semiconductor component formed by bonding semiconductor chips by the above bonding method as yet another embodiment of the present invention. That is, the semiconductor component 30 shown in the figure includes the insulating substrate 32 fixed on the heat sink 31, and has a structure in which the silicon chip 34 is joined to the wiring metal 33 disposed on the surface of the substrate 32.
  • the wiring metal 33 is made of an aluminum alloy, and the bonding surface of the silicon chip 34 is previously coated with aluminum, and these aluminum-based metals are bonded by the method of the present invention.
  • a quenched foil strip of Al-Sn-Zn alloy with a thickness of 25 ⁇ m is disposed as an insert material between them, and a pressing force of 10 MPa is always applied using a jig. It is fixed so that it hangs.
  • the wiring metal 33 and the silicon chip 34 can be joined, for example, by storing in this state in a brazing furnace and holding at 220 ° C. for 1 minute. According to this method, since the bonding is completed in a low temperature for a short time, the heat influence on the semiconductor chip can be minimized, and the distortion of the component and the performance deterioration can be prevented.
  • various kinds of semiconductor chips such as SiC and GaN can be used as the semiconductor chip.
  • the thickness is as described above.
  • a good bonding state can be obtained.
  • a plurality of chips can be joined simultaneously.
  • solder has been used for die attach of such semiconductor chips.
  • it has been general to form a bonding electrode containing Ag on the back of the chip by PVD or the like, but the film formation of Ag leads to an increase in cost.
  • the back of the chip is finished with Al, the cost of Al wave material is low, and the deposition rate is also fast, so that the cost can be reduced.
  • Al is a non-solderable material, in the semiconductor industry, Al termination of the chip backside is not generally performed.
  • Test Material As shown in FIG. 5 (a), a 15 mm long, 5 mm diameter round bar 5 made of aluminum alloy A6061 (Al-Mg-Si) and a 25 mm long, 10 mm diameter round bar 5 I prepared a stick 6. At this time, machining of the bonding end face was done by lathing and finished to surface roughness of Ra 0.01 ⁇ m and 2.5 ⁇ m respectively, and the surface roughness was confirmed by a stylus type measuring device respectively .
  • the insert material is a rolled foil (plate thickness: 25 ⁇ m, 100 ⁇ m, 300 ⁇ m) consisting of pure zinc (99.99% Zn) with a diameter of 8 mm, and an Al-Mg-Zn alloy foil (4.1% Al) with a thickness of 100 ⁇ m.
  • insert material F5 of the above composition and size is disposed between the joining end faces of the round bars 5 and 6, and pressurized with anvils A and A in the atmosphere.
  • heating was performed to 400 to 500 ° C. by the high-frequency heating coil S disposed around the bonding portion, and bonding was performed by holding for 1 minute after reaching the target bonding temperature.
  • the temperature rising rate at this time was 10 ° C./second.
  • the bonding temperature was measured by an R-type thermocouple T welded to the side surface in the vicinity of the bonding end surface of the round bar 6.
  • the applied pressure by Anvil A and A was in the range of 10 to 25 MPa, and the application of pressure was started from normal temperature and was unloaded after completion of bonding.
  • a plate material 7 having a length of 56 mm, a width of 15 mm and a thickness of 1 mm made of the same aluminum alloy as that used for butt bonding is prepared.
  • the end portions of the plate members 7, 7 were joined by overlapping 15 mm.
  • the surface roughness Ra of the bonding surface was finished to 0.01 ⁇ m, 0.1 ⁇ m and 0.6 ⁇ m, respectively.
  • the surface roughness was confirmed by a stylus type measuring instrument as described above.
  • the insert material is a rolled foil (plate thickness: 25 ⁇ m, 100 ⁇ m) consisting of pure zinc (99.99% Zn) with a diameter of 5 mm and a quenched foil strip of the Al-Mg-Zn alloy used above (plate Thickness: 200 ⁇ m) was prepared by the same method as in Examples 1 to 12 above. Moreover, what plated Zn plate (plating thickness: 10 micrometers) on the board
  • insert material F6 of the above composition and size is disposed between the joining surfaces of both plates 7 and 7 and pressurized with anvils A and A in the atmosphere.
  • the plate materials 7 and 7 were overlapped and joined by heating to 450 ° C. or 500 ° C. by energizing in the above state.
  • Anvils A and A having a flat end surface and a diameter of 5 mm are used, and the temperature rising rate by resistance heat generation is 25 ° C./second, and other bonding conditions and bonding methods Is basically the same as in the case of the butt joint described above.

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Abstract

　アルミニウム系金属から成る材料同士をフラックスを用いることなく、低温度、低加圧、低歪みで大気中で接合することができ、母材や周辺への影響を最小限に抑えることができる低コストの接合方法と、このような接合方法を適用して成る各種の接合部品を提供する。　アルミニウム系金属から成る両材料１，１の間に、Ａｌと共晶反応を生じる元素として少なくともＺｎを含むインサート材２を介在させ、両材料１，１を相対的に加圧した状態で、共晶反応を生じる温度に加熱して両材料１，１の接合界面に母材中のＡｌとの共晶反応による溶融物を生成させ、当該溶融物と共にＡｌの酸化皮膜１ａを接合界面から排出して両材料を接合する。

Description

アルミニウム系金属の接合方法
　本発明は、表面に強固な酸化皮膜が存在するアルミニウム系金属材料の接合方法に係り、さらに詳しくは、上記金属材料を大気中、低温度で接合することができ、母材や周辺への熱影響を最小限に抑えることができる低コストの接合方法と、このような方法により接合された部品に関するものである。なお、本発明において、アルミニウム系金属とは、少なくともＡｌを含有する金属、つまり純アルミニウムやアルミニウム合金を意味する。
　純アルミニウムやアルミニウム合金（以下、「アルミニウム系金属」と総称する）から成る材料の表面には、緻密で強固な酸化皮膜が生成されており、その存在が障害となるため、これらアルミニウム系金属材料については、冶金的な接合が難しい。
　例えば、特許文献１には、アルミニウム同士、あるいはアルミニウムとアルミナを接合するに際して、被接合面間に母材と共晶反応を起こす元素を含むインサート材を介在させ、酸素雰囲気中で接触させた後、上記被接合面を共晶反応が生じる温度範囲に加熱し、接触面に共晶反応による融液相と、母材成分と接触面の空隙に存在する酸素との反応による酸化物相を生成させることが記載されている（特許請求の範囲１参照）。これによって、母材表面の酸化皮膜は破壊され、融液中の成分と酸素の反応による酸化物と共に、融液相中に混入されるとされている（第３頁左欄中央参照）。
　また、アルミニウム系金属の接合技術としては、Ａｌ－Ｓｉ系合金から成るろう材を用いたろう付けも知られているが、この場合には、例えばフッ化物系のフラックスを用いることによって、酸化皮膜を除去するようにしている。
特公平３－６６０７２号公報
　しかしながら、上記特許文献１に記載の方法においては、インサート材として、銅、銀、シリコン、アルミニウム－銀過共晶合金、アルミニウム－銅過共晶合金、アルミニウム－シリコン過共晶合金を用いるようにしている（特許請求の範囲３参照）。したがって、これらインサート材とアルミニウムとの共晶温度は、いずれも５００℃を超え（例えばＡｌ－Ｃｕ系では５４８℃、Ａｌ－Ｓｉ系では５７７℃）、接合温度が高くなるため、特に６０００系など熱処理型合金の場合、溶体化処理温度を超えることから、母材が軟化し強度が低下するという問題がある。
　また、酸素雰囲気で接合が行われるため、特殊なチャンバーが必要となるため、設備コストが増加する点にも問題があった。
　本発明は、アルミニウム系金属材料の接合における上記課題に鑑みてなされたものであって、アルミニウム系金属から成る材料同士を大気中で、しかもフラックスを用いることなく、板厚が１ｍｍ以下の薄い部材であっても、低温度、低加圧、低歪みで接合することができ、母材や周辺への影響を最小限に抑えることができる低コストの接合方法を提供することを目的としている。
　また、本発明のさらなる目的は、上記接合方法を適用した各種の接合部品を提供することにある。
　本発明者らは、上記目的を達成すべく、鋭意検討を重ねた結果、被接合材料の間に、アルミニウムと共晶反応を生じる元素として亜鉛を含むインサート材を介在させ、母材アルミニウムとの間に共晶反応を生じさせることによって、上記課題が解決できることを見出し、本発明を完成するに到った。
　すなわち、本発明は上記知見に基づくものであって、本発明の接合方法は、アルミニウム系金属から成る両材料の間に、Ａｌ（アルミニウム）と共晶反応を生じる元素として少なくともＺｎ（亜鉛）を含むインサート材を介在させ、両材料を相対的に加圧した状態で、共晶反応を生じる温度に加熱して両材料の接合界面に母材中のＡｌとの共晶反応による溶融物を生成させ、当該溶融物と共にＡｌの酸化皮膜を接合界面から排出して両材料を接合することを特徴とする。
　また、本発明の部品は、上記方法によって接合されたものであって、アルミニウム系金属から成る両材料が直接、又はインサート材に由来する成分を含む混合物を介して接合されていることを特徴としている。
　本発明によれば、両アルミニウム系金属材料の間に、少なくともＺｎを含むインサート材を介在させているため、加圧、加熱によって母材Ａｌとの間にＺｎを含む低融点の共晶溶融が生じ、大気中でフラックスを用いることもなく、低温度、低入熱、低歪み、低コストで接合することができる。したがって、被接合部材の変形や強度低下を防止することができ、周辺部材への熱影響をも最小限にすることができる。
（ａ）～（ｅ）は本発明の接合方法による接合過程を概略的に示す工程図である。 本発明の接合方法により接合された部品の一例として分割鋳造タイプのエンジンヘッドブロックの構造を示す概略図である。 本発明の接合方法により接合された部品の他の例として燃料電池用のセパレータの構造を示す概略図である。 本発明の接合方法により接合された部品の別の例とし半導体チップの実装構造を示す概略図である。 本発明の実施例における丸棒の突き合わせ接合の要領を示す概略図である。 本発明の実施例における板材の重ね接合の要領を示す概略図である。
　以下に、本発明のアルミニウム系金属の接合方法について、これによって得られる接合構造などと共に、さらに詳細、かつ具体的に説明する。なお、本明細書において「％」は、特記しない限り、質量百分率を意味するものとする。
　本発明のアルミニウム系金属の接合方法においては、上記したように、アルミニウム系金属から成る両材料を接合するに際して、両材料の間に、まず、Ａｌと共晶反応を生じる元素としてＺｎを少なくとも含むインサート材を介在させる。
　そして、接合に際しては、両材料を相対的に加圧した状態で、共晶反応を生じる温度に加熱することによって、両材料の接合界面に母材中のＡｌとインサート材に含まれる少なくともＺｎとの共晶反応による溶融物を生成させる。次いで、得られた溶融物と共に母材表面の酸化皮膜を接合界面から排出して、両材料を接合するようにしている。
　このとき、ＡｌとＺｎを含む合金系の共晶温度は、Ｃｕ（銅）やＳｉ（シリコン）、Ａｇ（銀）などとの共晶温度と較べて大幅に低く（Ａｌ－Ｚｎ系では３８２℃、Ａｌ－Ｚｎ－Ｍｇ系では３３０℃）、このような低い温度で、母材の軟化や変形を惹起することなく、接合を阻害する酸化皮膜を接合界面から除去して、両材料を接合することができる。
　共晶反応による溶融は、２種以上の金属が相互拡散して生じた相互拡散域の組成が共晶組成となった場合に生じ、保持温度が共晶温度以上であれば共晶反応により液相が形成される。例えば、Ａｌ－Ｚｎ系合金の場合、Ａｌの融点は９３３Ｋ（６６０℃）、Ｚｎの融点は６９２．５Ｋ（４１９．５℃）であり、この共晶金属はそれぞれの融点より低い６５５Ｋ（３８２℃）にて溶融する。
　したがって、両金属の清浄面を接触させ、６５５Ｋ以上に加熱保持すると反応（共晶溶融）が生じ、Ａｌ－９５％Ｚｎが共晶組成となるが、共晶反応自体は合金成分に無関係な一定の変化であり、インサート材の組成は共晶反応の量を増減するに過ぎない。
　一方、アルミニウム系金属材料の表面には強固な酸化皮膜が存在するが、接合過程における加圧によってアルミニウム材に塑性変形が生じることにより物理的に破壊されることになる。
　すなわち、加圧によって材料表面の微視的な凸部同士が擦れ合うことから、一部の酸化皮膜の局所的な破壊によって母材Ａｌとインサート材が接触した部分からＡｌとインサート材成分金属の間に共晶溶融が生じる。そして、この液相の生成によって近傍の酸化皮膜が破砕、分解され、さらに共晶溶融が全面に拡がっていくことによって、酸化皮膜破壊が拡大し、促進され、両材料の接合が達成される。
　共晶組成は相互拡散によって自発的達成されるため、組成のコントロールは必要なく、必須条件は母材Ａｌとインサート材金属の間に、低融点の共晶反応が生成することである。
　図１（ａ）～（ｅ）は、本発明方法によるアルミニウム系金属材料同士の接合プロセスを示す概略図である。
　まず、図１（ａ）に示すように、アルミニウム系金属から成る材料、例えばアルミニウム合金材１，１の間に、少なくともＺｎを含有する材料、例えば亜鉛箔から成るインサート材２を挟んだ状態に重ねる。なお、両材料１，１の表面には、Ａｌ２Ｏ３を主成分とする酸化皮膜１ａが生成している。
　次に、図１（ｂ）に示すように両材料１，１を加圧して、両材料１，１をインサート材２を介して密着させ、さらに加圧しながら、加熱を開始する。すると、両材料１，１に加圧による変形が生じ、図１（ｃ）に示すように、板材表面の酸化皮膜１ａに亀裂Ｃが入る。
　この状態で、共晶温度域に達すると、先ず酸化皮膜１ａ中のＡｌとインサート金属２のＺｎとが共晶反応を起こし、共晶溶融相が発生する。そして、図１（ｄ）に示すように、この液相が酸化皮膜１ａの亀裂Ｃから母材側に浸入することによって、共晶溶融範囲が拡がり、破壊された酸化皮膜１ａの欠片は液相中に分散する。
　続く加圧によって、図１（ｅ）に示すように、余剰の共晶溶融物が接合界面から排出され、この液相中に分散されていた酸化皮膜１ａの欠片も共晶溶融物と共に排出物３となって、同時に接合界面から押し出される。これによって、両材料１，１がインサート材に由来する混合物、この場合にはＺｎや、Ｚｎ－Ａｌ合金などを含む混合物４から成る層を介して互いに接合される。
　このとき、接合条件によっては、上記混合物が完全に排出されて、両材料１，１が直接接合される場合や、混合物層４が介在する部分と直接接合された部分とが混在することもある。また、アルミニウム合金材１，１の接合面の近傍には、Ｚｎの拡散が認められることもある。
　また、共晶溶融物と酸化皮膜欠片を含む接合界面からの排出物３は、突き合わせ接合の場合には、接合界面から押し出され、完成した接合継手から除去することができる。
　これに対し、重ね接合やスポット接合の場合には、接合部分から押し出されて、その周囲に残存してシール部となり、接合部のシール性向上に寄与することになる。
　なお、上記においては、酸化皮膜中のＡｌとインサート金属とが先ず共晶反応を起こす旨の説明を行ったが、インサート材の成分やその融点、昇温速度によっては、酸化皮膜中Ａｌとの反応の有無が確認できないことがある。すなわち、このような場合、酸化皮膜の亀裂を介して、固体状態あるいは溶融状態のインサート金属と母材Ａｌとが接触することによって共晶反応が生じているとも考えられる。
　本発明のアルミニウム系金属の接合方法は、不活性ガス雰囲気で行うこともできるが、大気中でも何ら支障はない。もちろん、真空中で行うことも可能であるが、真空設備が必要となるばかりでなく、インサート材の溶融により真空計やゲートバルブを損傷する可能性があるので、大気中で行うことがコスト的にも有利である。
　本発明の接合方法における加圧力については、５ＭＰａ以上３０ＭＰａ未満とすることが望ましい。すなわち、加圧力が５ＭＰａに満たない場合には、共晶反応による溶融物や、アルミニウムの酸化皮膜の接合界面からの排出が十分にできないことがある。一方、加圧力が３０ＭＰａ以上になると、被接合材料に変形が生じることがないとも限らないことによる。
　本発明の接合方法において、接合部を上記温度範囲に加熱し、維持するための手段としては、抵抗加熱や高周波加熱、あるいはこれらを組み合わせた方法を採用することができる。
　また、接合温度については、高過ぎると、母材が溶け込むために液相が過剰に発生し、液相が過多になると接合界面に残存し、強度が得られなくなる傾向がある。具体的には、共晶温度以上、共晶温度＋１００℃までの温度範囲が好ましい。
　上記接合温度への昇温速度については、遅い場合には、界面が酸化されて溶融物の排出性が低下して、強度が低下する原因となることがあるため、速い方が望ましい。特に大気中の接合の場合には、この傾向がある。具体的には、３℃／秒以上、１０℃／秒以上がより望ましく、２５℃／秒以上であることがさらに望ましい。
　本発明のアルミニウム系金属の接合方法において、上記インサート材としては、少なくともＺｎを含有するものであるが、具体的には、Ｚｎ、Ｚｎ及びＡｌ、Ｚｎ及びＭｇ、Ｚｎ，Ｍｇ及びＡｌ、さらにはＺｎ，Ｃｕ及びＡｌ、Ｚｎ，Ａｇ及びＡｌを主成分として含有する金属であることが望ましい。
　ここで、「主成分」とは上記金属の含有量が８０％以上のもの、すなわちＺｎ、Ｚｎ＋Ａｌ、Ｚｎ＋Ｍｇ＋Ａｌ、Ｚｎ＋Ｃｕ＋Ａｌ、Ｚｎ＋Ａｇ＋Ａｌなどを８０％以上含有する金属（純亜鉛又は亜鉛含有合金）を意味するものとする。
　なお、インサート材の融点としては５００℃以下であることが望ましい。すなわち融点がこの温度を超えると、それに伴って接合温度が高くなり、熱処理型のアルミニウム合金の場合、溶体化処理温度を超え、素材の軟化・変形が生じることがある。
　上記インサート材の形状や両材料の間に介在させる方法としては、めっきやパウダーデポジション法によって、両材料の一方あるいは両方の接合面に予め被覆しておくことや、箔の形態として両材料の間に挟み込むことも可能である。この場合、組成や形状（厚さ）などに関する選択の自由度が高いことから、箔状のインサート材を用いることが望ましい。
　箔状インサート材を用いる場合、その厚さｔとしては、厚すぎると液相過多になって排出性が低下し、逆に薄すぎると液相不足となって酸化被膜を十分に除去できなくなる傾向がある。
　また、接合面の表面粗さＲａについては、大き過ぎる（粗過ぎる）と凹凸が作る空間を液相が満たせなくなって、酸化皮膜の除去が困難になる傾向がある。逆に小さ過ぎると、凹凸に対して液相が過多となって接合面の接触を妨げ、酸化皮膜に亀裂を作ることが困難になる傾向があるため、接合面の表面粗さに応じて調整する必要がある。
　具体的には、両材料の接合面の表面粗さＲａとインサート材の厚さｔとの比Ｒａ／ｔが０．００００３～０．０６の範囲となるように設定することが望ましい。このとき、Ｒａ／ｔ比を０．００００５～０．０５の範囲、さらには０．０００１～０．０５の範囲とすることがより望ましい。
　なお、めっきやパウダーデポジション法によるコーティングの場合には、接合面の表面粗さＲａを埋めることができる程度の被覆厚さであることが望ましい。
　また、接合する面積全体に対してインサート材が覆う面積の比率としては、被接合部材の形状にもよるが、接合面積の３０％以上であることが望ましい。３０％に満たない場合には、共晶溶融による液相が不足して酸化皮膜を排出できないことがある。
　本発明のアルミニウム系金属の接合方法による接合構造、言い換えると、上記接合方法によって接合された部品の構造は、接合工程として前述したように、アルミニウム系金属から成る両材料が直接又はインサート材に由来する成分を含む混合物を介して接合されたものとなる。このとき、両材料の接合面近傍には、インサート材成分であるＺｎの拡散現象が認められる。
　なお、重ね接合やスポット接合、シーム接合のような場合には、接合部から押し出された酸化皮膜や共晶溶融物に由来する成分から成る排出物が両材料の間に残存し、接合部の周囲（接合部がシーム状の場合はその両側）にシール部を形成することになる。
　図２は、本発明の一実施形態として、上記接合方法により接合された分割鋳造タイプのエンジンヘッドブロックの構造を示す概略図である。
　図に示すエンジンヘッドブロック１０は、ダイカスト用アルミニウム合金、例えばＡｌ－Ｓｉ－Ｃｕ－Ｍｇ系合金（ＡＣ４Ｄ）から４つに分割鋳造されたピース１１，１２，１３，１４から構成されている。
　これら４つの分割ピース１１，１２，１３及び１４は、図に示すように、それぞれの間に、シリンダボアに相当する位置にそれぞれ円形孔を形成して成る厚さ３００μｍの純亜鉛箔製インサート材Ｆ１～Ｆ３を挟んだ状態に重ねられる。
　そして、所定の治具によって互いに加圧状態に固定されたのち、高周波誘導加熱炉中において、ＡｌとＺｎの共晶反応が生じる３８２～４８２℃程度の温度範囲、例えば４５０℃に昇温、保持することによって、各分割ピースがそれぞれ接合され、エンジンヘッドブロック１０が完成する。
　このとき、各分割ピースの接合面は、インサート材の厚さ３００μｍに対する表面粗さの比が上記したように０．００００３～０．０６の範囲となるような表面粗さＲａ、例えばＲａ１．６μｍ程度（Ｒａ／ｔ＝０．００５３）に仕上げることが望ましい。
　このようにして製造されたエンジンヘッドブロック１０は、シール性に優れ、歪みが少ないものとなる。また、鋳造時に際して、ボア形成用の中子が不要となるので、設計の自由度が向上することになる。
　図３は、本発明の他の実施形態として、上記接合方法により接合された燃料電池用のアルミニウム合金製セパレータの構造を示す断面図である。
　図において、燃料電池用セパレータ２０は、アルミニウム合金板材（例えば、５０００系、６０００系）をプレス成形して成る２枚の波板材２１，２２を図示するように重ね、楕円マークで示す当接部分を本発明方法によって接合することによって、燃料ガス又は酸化性ガスの通路２３を形成した構造を有するものである。
　接合に際しては、厚さ１００μｍのテープ状亜鉛箔から成るインサート材を接合部分に配置した状態に両板材２１，２２を重ね、治具を用いて加圧状態に固定した上で、高周波誘導加熱炉内に収納する。
　そして、例えば、同様に４５０℃に昇温、保持することによって、両板材２１，２２が接合され、アルミニウム合金製の燃料電池用セパレータ２０が完成することになる。このときの両板材２１，２２の表面粗さＲａとしては、Ｒａ／ｔ比が上記好適範囲内になるように、例えば０．６μｍ（Ｒａ／ｔ＝０．００６）程度に仕上げることにより、良好な接合状態を得ることができる。
　このように製造されたセパレータ２０においては、上記同様にシール性に優れ、歪みが少なく、ガス漏れの危険性のない、高精度の燃料電池スタックを得ることができる。
　また、この方法によれば、多数のセパレータを大型炉内に収納し、多くの接合箇所を同時に接合することもでき、ＴＩＧ溶接やレーザ溶接による製造に較べて高能率な製造が可能となる。
　図４は、本発明のさらに別の実施形態として、半導体チップを上記接合方法により接合して成る半導体部品の構造を示す概略断面図である。
　すなわち、図に示す半導体部品３０は、ヒートシンク３１上に固定された絶縁基板３２を備え、当該基板３２の表面上に配置された配線金属３３にシリコンチップ３４が接合された構造を備えている。
　上記配線金属３３はアルミニウム合金から成るものであり、シリコンチップ３４の接合面には、予めアルミニウムによるコーティングが施してあり、これらアルミニウム系金属同士が本発明方法によって接合されている。
　これら配線金属３３とシリコンチップ３４の接合に際しては、これらの間に、厚さ２５μｍのＡｌ－Ｓｎ－Ｚｎ合金の急冷箔帯をインサート材として配置し、治具を用いて、常時１０ＭＰａの加圧力が掛かるように固定される。
　そして、例えばろう付け炉内にこの状態で収納し、２２０℃に１分間保持することによって、配線金属３３とシリコンチップ３４を接合することができる。
　この方法によれば、低温度、短時間で接合が完了することから、半導体チップへの熱影響を最小限のものとすることができ、部品の歪みや性能劣化を防止することができる。なお、半導体チップとしては、上記したシリコンチップ以外にも、種々のもの、例えばＳｉＣやＧａＮなどを用いることができる。
　なお、この場合、シリコンチップ３４の裏面側に掲載されたアルミニウムコーティング層の表面粗さＲａが０．０１μｍ、配線金属３３の表面粗さＲａが０．０５μｍであることから、上記のように厚さ２５μｍのインサート材を用いることによって（Ｒａ／ｔ＝０．００２、０．０００４）、良好な接合状態が得られる。
　また、このような方法によれば、複数のチップを同時に接合することができる。
　このような半導体チップのダイアタッチには、従来、Ｓｎ（錫）系のはんだが用いられてきた。この場合、はんだの濡れ性向上のため、チップ裏にＡｇを含む接合電極をＰＶＤ等によって成膜するのが一般的であったが、Ａｇの成膜はコストアップに繋がる。
　これに対し、本発明では、上記のようにチップ裏をＡｌで仕上げており、Ａｌ波素材価格が安く、しかも蒸着レートも早いのでコスト低減が可能となる。なお、Ａｌははんだ付けできない材料なので、半導体業界においてチップ裏をＡｌ終端することは一般に行われない。
　以下、本発明を実施例に基づいて具体的に説明する。
〔１〕突き合わせ接合（実施例１～１２、比較例１）
　アルミニウム合金から成る丸棒同士の突き合わせ接合を実施した。
〔１－１〕供試材料
　図５（ａ）に示すように、アルミニウム合金Ａ６０６１（Ａｌ－Ｍｇ－Ｓｉ系）から成る長さ１５ｍｍ、径５ｍｍの丸棒５と長さ２５ｍｍ、径１０ｍｍの丸棒６を用意した。
　このとき、接合端面の加工は、旋盤加工とし、それぞれＲａ０．０１μｍの表面粗さのものと、２．５μｍのものとに仕上げ、表面粗さについては、触針式の測定器によってそれぞれ確認した。
　インサート材としては、径８ｍｍの純亜鉛（９９．９９％Ｚｎ）から成る圧延箔（板厚：２５μｍ、１００μｍ、３００μｍ）と、板厚１００μｍのＡｌ－Ｍｇ－Ｚｎ合金箔（４．１％Ａｌ－２．５％Ｍｇ－９３．４％Ｚｎ、融点：３５２℃）、Ａｇ－Ａｌ－Ｚｎ合金箔（３．２８％Ａｇ－４．１９％Ａｌ－９２．５３％Ｚｎ、融点：３８９℃）、Ａｌ－Ｃｕ－Ｚｎ合金箔（４．０％Ａｌ－２．０％Ｃｕ－９４．０％Ｚｎ、融点：３８９℃）、Ａｌ－Ｓｎ－Ｚｎ合金箔（０．５９％Ａｌ－９１．７２％Ｓｎ－７．６９％Ｚｎ、融点：２０４℃）、Ａｌ－Ｚｎ合金箔（１０．８％Ａｌ－８９．２％Ｚｎ、融点：３８５℃）を準備した。なお、これら合金箔については、それぞれの成分を有する合金溶湯を高速で回転する金属ロールに吹き付けることによって得られた厚さ約２０μｍの急冷箔帯を１００μｍの厚さとなるように重ねて使用した。
〔１－２〕接合要領
　図５（ｂ）に示すように、丸棒５，６の接合端面間に、上記組成、サイズのインサート材Ｆ５を配置し、大気中においてアンヴィルＡ，Ａにより加圧した状態で、接合部の周囲に配置した高周波加熱コイルＳによって４００～５００℃に加熱し、目的の接合温度に到達後１分間保持して接合を行った。このときの昇温速度は１０℃／秒とした。また、接合温度は、丸棒６の接合端面近傍の側面に溶接したＲ式熱電対Ｔによって測定した。
　なお、アンヴィルＡ，Ａによる加圧力は１０～２５ＭＰａの範囲とし、加圧は常温から開始し、接合終了後に除荷することとした。
〔１－３〕強度試験方法
　得られた突き合わせ継手の接合強度を万能試験器による引張試験によって評価した。このときの試験速度は１ｍｍ／分とした。
　この結果を接合条件と共に表１に示す。
〔２〕重ね接合（実施例１３～１９、比較例２）
　上記アルミニウム合金から成る板材の重ね接合を実施した。
〔２－２〕供試材料
　図６（ａ）に示すように、上記突き合わせ接合に用いたものと同種のアルミニウム合金から成る長さ５６ｍｍ、幅１５ｍｍ、厚さ１ｍｍの板材７を準備し、両板材７，７の端部を１５ｍｍ重ね合わせて接合することとした。
　このとき、接合面の表面粗さＲａについては、それぞれ０．０１μｍ、０．１μｍ及び０．６μｍに仕上げたものを用意した。この表面粗さについては、上記同様に、触針式の測定器によって確認した。
　インサート材としては、径５ｍｍの純亜鉛（９９．９９％Ｚｎ）から成る圧延箔（板厚：２５μｍ、１００μｍ）と、上記で用いたＡｌ－Ｍｇ－Ｚｎ合金の急冷箔帯から成るもの（板厚：２００μｍ）を、上記実施例１～１２と同様の方法によって準備した。また、インサート材として、厚さ１ｍｍの６０００系Ａｌの板材にそれぞれＺｎめっき（めっき厚さ：１０μｍ）を行ったもの、Ｍｇ－Ｚｎめっき（めっき厚さ：２０μｍ、３．０％Ｍｇ－９７．０％Ｚｎ、融点：３６４℃）を行ったものを準備した。
〔２－２〕接合要領
　図６（ｂ）に示すように、両板材７，７の接合面間に、上記組成、サイズのインサート材Ｆ６を配置し、大気中においてアンヴィルＡ，Ａにより加圧した状態で通電することによって４５０℃又は５００℃に加熱して、両板材７，７を重ね接合した。
　この重ね接合においては、先端面が平らで、その径が５ｍｍのアンヴィルＡ，Ａを用いており、抵抗発熱による昇温速度は２５℃／秒であって、これ以外の接合条件、接合方法については、上記した突き合わせ接合の場合と基本的に変わるものではない。
〔１－３〕強度試験方法
　得られた重ね継手の接合強度を万能試験器による引張せん断試験によって評価した。このときの試験速度は２ｍｍ／分、チャック間距離は５３ｍｍとした。
　この結果を接合条件と共に表１に併せて示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
　表１に示すように、インサート材を用いることなく接合を行った比較例１及び２においては、実質的に接合がなされていないのに対し、実施例においては、Ｚｎを主成分とするインサート材を両材料の間に介在させ、母材Ａｌとの間に共晶反応を生じさせることによって、健全な接合が可能になることが確認された。
　また、この実施例の範囲内では、接合温度が高くて加圧力が低い場合や、接合面の表面粗さに対するインサート材の厚さが過大な場合に、接合強度が低下する傾向が認められた。
　　１，５，６，７　アルミニウム合金材（アルミニウム系金属から成る材料）
　　１ａ　酸化皮膜
　　２　インサート材
　　４　混合物
　１０　エンジンヘッドブロック
　２０　燃料電池用セパレータ
　３０　半導体部品
　Ｆ１，Ｆ２，Ｆ３，Ｆ５，Ｆ６　インサート材

Claims (18)

  1. 　アルミニウム系金属から成る両材料の間に、アルミニウムと共晶反応を生じる元素として亜鉛を含むインサート材を介在させ、両材料を相対的に加圧した状態で、共晶反応を生じる温度に加熱して両材料の接合界面に母材中のアルミニウムとの共晶反応による溶融物を生成させ、当該溶融物と共にアルミニウムの酸化皮膜を接合界面から排出して両材料を接合することを特徴とするアルミニウム系金属の接合方法。
  2. 　上記インサート材が亜鉛を主成分とする金属であることを特徴とする請求項１に記載の接合方法。
  3. 　上記インサート材が亜鉛及びアルミニウムを主成分とする金属であることを特徴とする請求項１に記載の接合方法。
  4. 　上記インサート材が亜鉛及びマグネシウムを主成分とする金属であることを特徴とする請求項１に記載の接合方法。
  5. 　上記インサート材が亜鉛，マグネシウム及びアルミニウムを主成分とする金属であることを特徴とする請求項１に記載の接合方法。
  6. 　上記インサート材が亜鉛、銅及びアルミニウムを主成分とする金属であることを特徴とする請求項１に記載の接合方法。
  7. 　上記インサート材が亜鉛、錫及びアルミニウムを主成分とする金属であることを特徴とする請求項１に記載の接合方法。
  8. 　上記インサート材が亜鉛、銀及びアルミニウムを主成分とする金属であることを特徴とする請求項１に記載の接合方法。
  9. 　接合時の加圧力が５ＭＰａ以上３０ＭＰａ未満であることを特徴とする請求項１～８のいずれか１つの項に又は２に記載の接合方法。
  10. 　上記インサート材が箔であることを特徴とする請求項１～９のいずれか１つの項に記載の接合方法。
  11. 　両材料の接合面の表面粗さＲａとインサート材の厚さｔとの比Ｒａ／ｔが０．００００３～０．０６の範囲であることを特徴とする請求項１０に記載の接合方法。
  12. 　上記インサート材がめっき又はパウダーデポジション法により両材料の少なくとも一方の接合面に被覆されていることを特徴とする請求項１～９のいずれか１つの項に記載の接合方法。
  13. 　請求項１～１２のいずれか１つの項に記載の方法により接合された部品であって、上記両材料が直接、又はインサート材に由来する成分を含む混合物を介して接合されていることを特徴とする部品。
  14. 　上記両材料が直接、又はインサート材に由来する成分を含む混合物を介して接合された接合部と、共晶溶融物及び酸化皮膜に由来する成分から成り、上記接合部の外周側に位置するシール部を備えていることを特徴とする請求項１３に記載の部品。
  15. 　亜鉛が両材料の接合面内に拡散していることを特徴とする請求項１３又は１４に記載の部品。
  16. 　分割鋳造型エンジンヘッドブロックであることを特徴とする請求項１３～１５のいずれか１つの項に記載の部品。
  17. 　燃料電池用セパレータであることを特徴とする請求項１３～１５のいずれか１つの項に記載の部品。
  18. 　半導体部品であることを特徴とする請求項１３～１５のいずれか１つの項に記載の部品。
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