接合方法及び接合部品
【課題】例えば、アルミニウム系也マグネシウム系金属のように、接合面に酸化比膜を有する材料を大気中で、しかもフラックスを用いることなく、低加圧で接合することができる接合方法と共に、このような接合に用いるインサート材を提供する。
【解決手段】重ね合わせた被接合材４２，４６の間にインサート材４３を介在させた状態で、これら被接合材同士を相対的に加圧しつつ加熱して、被接合材４２，４６とインサート材４３の間で共晶反応を生じさせ、共晶反応溶融物を被接合材の酸化皮膜４２ａ，４６ａと共に接合面から排出して両被接合材を接合するに際して、共晶反応の起点となるように、酸化皮膜４２ａ，４６ａを破壊するための応力集中手段として、凹凸４３ｃをインサート材４３に設ける。
【解決手段】重ね合わせた被接合材４２，４６の間にインサート材４３を介在させた状態で、これら被接合材同士を相対的に加圧しつつ加熱して、被接合材４２，４６とインサート材４３の間で共晶反応を生じさせ、共晶反応溶融物を被接合材の酸化皮膜４２ａ，４６ａと共に接合面から排出して両被接合材を接合するに際して、共晶反応の起点となるように、酸化皮膜４２ａ，４６ａを破壊するための応力集中手段として、凹凸４３ｃをインサート材４３に設ける。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えばアルミニウム系やマグネシウム系金属材料のように、表面に酸化皮膜が存在する金属材料の接合方法に係り、このような金属材料を大気中、低温度、低加圧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、これに用いるインサート材に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
アルミニウム系やマグネシウム系金属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、この酸化皮膜の存在が障害となるため、これらの金属材料については、冶金的な接合が難しい。
【０００３】
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生ずる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。これによって、母材表面の酸化皮膜が破壊され、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。
【０００４】
なお、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必要がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特公平３−６６０７２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上記特許文献１に記載の方法においては、インサート材と母材が接触して共晶反応を生じさせるためには、インサート材と母材の接触部において、接合面の酸化皮膜を機械的に破壊する必要があり、そのための荷重（みかけの圧力）が非常に大きくなる。 したがって、この大きな荷重によって、被接合材が変形し、被接合材へのダメージが大きくなるという問題がある。
【０００７】
特に、被接合材が半導体等の場合には、高い荷重を付与することによって、半導体の機能が損なわれることから、このような材料には、上記の接合方法は適用できないという問題があった。
また、接合が酸素雰囲気内で行われるため、特殊なチャンバーが必要となって、設備コストが増加する点にも問題があった。
【０００８】
本発明は、アルミニウム系金属材料のように、接合面に常温で安定な酸化膜を有する部材を含む接合における上記課題に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、このような接合を大気中で、しかもフラックスを用いることなく、低加圧で接合することができる接合方法を提供することにある。
また、本発明のさらなる目的は、このような接合方法に適用するためのインサート材を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明者らは、上記目的を達成すべく、種々検討を重ねた。その結果、被接合材の間にインサート材を介在させ、母材とインサート材の間に生じた共晶反応溶融物を酸化皮膜と共に排出して被接合材を接合するに際して、被接合材の酸化皮膜を破壊するための応力集中手段をインサート材に設けておくことによって、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。
【００１０】
すなわち、本発明は上記知見に基づくものであって、本発明の接合方法においては、重ね合わせた被接合材の間にインサート材を介在させ、該被接合材を相対的に加圧しつつ加熱して、被接合材とインサート材の間で共晶反応を生じさせ、生じた共晶反応溶融物を被接合材の酸化皮膜と共に接合面から排出して上記被接合材を接合するに際して、上記酸化皮膜を破壊するための応力集中手段を上記インサート材に設けるようにしている。
【００１１】
また、本発明のインサート材は、上記方法に好適に用いられるものであって、Ｚｎ及びＡｌを含有する合金から成り、少なくとも一方の面の一部又は全部に、上記被接合材の参加皮膜を破壊するための応力集中手段としての凹凸を備えていることを特徴とする。
【００１２】
そして、本発明のインサート材の製造方法においては、Ｚｎ−Ａｌ系合金、Ｚｎ−Ａｌ−Ｃｕ系合金、Ｚｎ−Ａｌ−Ａｇ系合金、Ｓｎ−Ｚｎ−Ａｌ系合金のいずれかの合金から成る材料を圧延し、得られた圧延材の片面又は両面の少なくとも一部に転写加工を施し、凹凸を形成することを特徴としている。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、インサート材の側に応力集中手段を設けるようにしたため、被接合材に較べて応力集中手段を比較的容易に形成することができ、母材表面の酸化皮膜を破壊して共晶反応の起点を形成するための荷重（加圧力）を低減することができ、被接合材の加圧によるダメージを少なくすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の一実施形態として半導体部品の接合要領を示す概略断面図である。
【図２】（ａ）本発明の参考形態としてアルミニウム系金属材料同士の接合要領を示す概略断面図である。（ｂ）本発明の他の参考形態として半導体部品の接合要領を示す概略断面図である。（ｃ）本発明の他の実施形態として半導体部品の接合要領を示す概略断面図である。
【図３】本発明のさらに他の実施形態として半導体部品の接合要領を示す概略断面図である。
【図４】本発明のインサート材の製造要領を示す製造工程図である。
【図５】（ａ）〜（ｃ）は応力集中手段としての凹凸形状の成形方法の一例を示す示す説明図である。
【図６】本発明のインサート材の表面に形成する凹凸形状の好適形状例を示す断面図である。
【図７】（ａ）及び（ｂ）は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説明図である。
【図８】接合試験２により得られた突き合わせ継手の強度を比較して示すグラフである。
【図９】精密切削加工（ａ）とラップ加工（ｂ）による接合端面の凹凸形状を比較して示すグラフである。
【図１０】接合試験３により得られた突き合わせ継手の強度を比較して示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下に、本発明の接合方法について、これに用いるインサート材やその製造方法などと共に、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。
【００１６】
本発明の接合方法においては、被接合材とその間に介在させたインサート材との間で共晶反応を生じさせ、生成した共晶反応溶融物を被接合材表面の酸化皮膜と共に接合面から排出するようにしている。したがって、接合面に強固な酸化皮膜が生じていたとしても、共晶反応が生じることによって、接合面から排出することができ、新生面による強固な接合が可能になる。
【００１７】
このとき、上記インサート材の被接合材との接触面に、応力集中手段が設けてあることから、母材（被接合材）表面の酸化皮膜を低荷重で破壊して、共晶反応の起点とすることができ、被接合材や周辺への荷重の影響を最小限に抑えながら、共晶反応溶融物を酸化皮膜と共に接合面から円滑に排出することができる。
本発明の接合方法においては、上記応力集中手段を板状や箔状をなすインサート材の側に設ける要にしているので、形状や板厚、特性上などの制約が多い被接合材に較べて応力集中手段を容易に形成することができ、被接合材や周辺への加圧の影響を最小限に抑えることができる。
【００１８】
すなわち、本発明の接合方法においては、被接合材と共晶反応を生じる元素を含む後述するような材料から成り、例えば、凹凸構造のような応力集中手段を表面に備えたインサート材を用意しておく。
次いで、被接合材を重ね合わせ、上記のような応力集中手段を備えたインサート材をその間に介在させる。
【００１９】
そして、接合に際しては、両被接合材に相対的な荷重を付与し、インサート材に形成された応力集中手段によって局所的な応力を増加させ、被接合材の酸化皮膜を局所的に破壊する。
その後、インサート材が溶融する温度に加熱されることによって、酸化皮膜が破壊された部位にインサート材の溶融物が侵入し、母材中の元素と共晶反応をおこし、両材料の接合界面に母材中の元素とインサート材に含まれる元素との共晶反応による溶融物を生成させる。
【００２０】
被接合材のさらなる加圧によって、生じた共晶反応溶融物と共に母材表面の酸化皮膜が接合界面から排出され、被接合材の接合面が直接接合される。
このとき、インサート材の表面には応力集中手段（凹凸構造）が形成されており、その凸部先端が選択的に被接合材に接触し、局所的に応力を増大させるため、低い荷重で酸化皮膜を局所破壊して、共晶反応を引き起こすことができ、低い荷重のもとに、新生面による強固な接合が可能となる。
【００２１】
図１は本発明の一実施形態として、半導体チップを本発明の方法によって接合する要領を示す半導体部品の概略断面図である。
すなわち、図に示す半導体部品はヒートシンク１１上に固定された絶縁基板１２を備え、当該基板１２の表面上に配置された配線金属１３にシリコンチップ１４が接合された構造を備えている。
【００２２】
上記配線金属１３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１４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ることになる。
これら配線金属１３とシリコンチップ１４の接合に際しては、これらの間に厚さ１００μｍのＺｎ−Ａｌ−Ｃｕ合金であって、圧延により製造され、表面に応力集中手段としての微細な凹凸形状が加工されたインサート材１５を配置し、治具を用いて５ＭＰａ程度の加圧力が掛かるように固定される。
【００２３】
そして、例えばろう付け炉内にこの状態で収納し、４２０℃に１分間保持することによって、配線金属１３とシリコンチップ１４を接合することができる。
この方法によれば、低温、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。
【００２４】
このような方法によれば、半導体チップの金属と、配線金属との接合面を共晶反応と凹凸形状を利用して互いに接合し、少なくとも一部領域で被接合材同士のダイレクト接合部を有することで、凹凸形状による応力集中効果により、接合面に応力集中させ、接合面の酸化皮膜破壊が促進される。その結果、接合時のプロセスの低加圧化をはかり、加圧によるチップへのダメージを防止することができる。
さらに低融点共晶反応により、低温にて共晶融液を生じさせ、酸化皮膜を除去することができる。また、生成された接合部が被接合材同士のダイレクト接合領域を有することで、電気抵抗が低く、熱伝達性が良好で、かつ脆い金属間化合物層といった反応層を生成せず、カーケンダルボイドも生じず、高温保持、熱サイクルといった高温耐久信頼性を実現できる。このような構成とすることで、Ｐｂフリー、低コスト、電気的特性や放熱性、耐久信頼性に優れた半導体を製造することが可能となる。
【００２５】
図２は、本発明の他の実施形態として、アルミニウム系金属材料同士の接合プロセスを参考例と共に示す概略図であって、図２（ａ）及び（ｂ）は、応力集中手段である凹凸形状をインサート材ではなく、被接合材の側に設けた参考例、図２（ｃ）は、凹凸形状をインサート材の片面に形成した実施形態例を示す。
【００２６】
図２（ａ）は、アルミニウム合金材２１，２１の間に、Ｚｎ−Ａｌ−Ｃｕ合金箔から成り、凹凸形状のないインサート材２０を挟んだ状態に重ねたものであって、両材料２１，２１の表面には、微細凹凸形状２１ｃが形成されている。なお、その表面にはＡｌ２Ｏ３を主成分とする酸化皮膜２１ａが生成している。
【００２７】
図２（ｂ）は、この接合方法を半導体の実装接合に適用し、アルミニウム合金２１にチップ２３を接合する例を示す。チップ２３の接合面には金属膜として、ここではアルミニウム２４が形成されており、その表面には酸化皮膜２４ｃが生成している。ここで、微細凹凸形状２１ｃは、被接合材の一方であるアルミニウム合金２１に形成されており、他方のチップ２３には、その厚さが薄いため形成されていない。そして、Ｚｎ−Ａｌ−Ｃｕ合金箔から成り、凹凸形状が形成されていないインサート材２０を挟んだ状態に重ねられている。
【００２８】
図２（ｃ）は、圧延により製造され、応力集中手段としての微細凹凸形状を有するインサート材を半導体実装接合に適用した本発明の実施形態例を示す。
微細凹凸形状２１ｃは、接合されるアルミニウム合金２１に形成され、チップ２３の側には形成されていない。チップ２３の接合面には金属膜として、同様にアルミニウム２４が被覆されており、その表面には酸化皮膜２４ｃが生成している。インサート材２５は、Ｚｎ−Ａｌ−Ｃｕ合金箔から成り、チップ側の面に微細凹凸形状２５ｃが形成されている。
【００２９】
図３は、さらに他の実施形態例として、その両面に微細凹凸形状を加工したインサート材の例を示す半導体部品の概略断面図である。
図において、両側にアルミニウムなどの金属４２が貼られた絶縁基板４１の表面には酸化皮膜４２ａが形成されている。一方、半導体チップ４５の接合面側にはアルミニウムなどの金属４６が被覆されており、その表面にも酸化皮膜４６aが形成されている。また、インサート材４３は、上記実施形態例と同様の材料から成り、その両面に同様の微細凹凸形状４３ｃが加工されている。
【００３０】
そして、例えば、先に示したように、治具により５ＭＰａ程度の加圧力が掛かるように固定した状態で、ろう付け炉内に４２０℃に１分間保持することによって、インサート材４３に形成した微細凹凸形状４３ｃにより応力が集中し、絶縁基板４１及びアルミニウム４６の表面の酸化皮膜４２ａ及び４６ａが破壊される。
また、共晶反応の拡大により、被接合材表面の酸化皮膜４２ａ、４６ａの破壊が促進され、周囲に除去される結果、被接合材の新生面が露出し、両金属間の相互拡散によるダイレクト接合により、良好な接合継手が得られる。
【００３１】
なお、接合部の加熱方法として、上記ではろう付け炉内に保持する方法を示したが、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、特に限定されるものではなく、抵抗加熱や高周波加熱、遠赤外線加熱、ヒータ加熱、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。
【００３２】
本発明の上記接合方法に用いるインサート材としては、Ｚｎ及びＡｌを含有する合金から成り、少なくとも一方の面の一部又は全部に、上記被接合材の酸化皮膜を破壊するための応力集中手段としての凹凸構造を備えたものを好適に用いることができる。
【００３３】
また、本発明に用いる上記インサート材としては、後述するように、圧延とそれに続く転写加工とによって、安価に製造できることから、Ｚｎ及びＡｌを含有する合金のうちでも、特にＺｎ−Ａｌ系合金、Ｚｎ−Ａｌ−Ｃｕ系合金、Ｚｎ−Ａｌ−Ａｇ系合金、Ｓｎ−Ｚｎ−Ａｌ系合金のいずれかの合金から成るものであることが望ましい。
なお、本発明に用いるＺｎ−Ａｌ系合金とは、５〜１８％のＡｌを含有し、残部が実質的にＺｎである合金を意味する。また、Ｚｎ−Ａｌ−Ｃｕ系合金とは、４〜１５％のＡｌと０．５〜６％のＣｕを含有し、残部が実質的にＺｎである合金、Ｚｎ−Ａｌ−Ａｇ系合金とは、２〜７％のＡｌと０．２〜５％のＡｇを含有し、残部が実質的にＺｎである合金、Ｓｎ−Ｚｎ−Ａｌ系合金とは、４〜１５％のＺｎと０．１〜２％のＡｌを含有し、残部が実質的にＳｎである合金をそれぞれ意味するものとする。
【００３４】
このとき、インサート材の厚さとしては、２０μｍ以上、２００μｍ以下とすることが望ましい。なお、インサート材の厚さとは、凹凸部分を含めた厚さ寸法、つまり凸部の頂点から頂点の距離を言うものとする。
すなわち、厚さが２０μｍに満たないと、接合時の酸化皮膜の排出が不十分となったり、接合部のシール性が低下して、接合中に酸化が進み接合部の強度特性を低下させたりすることがある。また、圧延により製造する場合の圧延の手間が掛かる要になることもある。逆に、厚さが２００μｍを超えた場合には、余剰部分の排出のために高い加圧力が必要となったり、界面への残存が多くなって継ぎ手性能を低下させたりすることがある。
【００３５】
また、インサート材に形成する応力集中手段としての凹凸形状については、その高さが１μｍ以上、ピッチが１μｍ以上の場合にその効果が認められるが、１０μｍ以上１００μｍ以下の高さ、１０μｍ以上１００μｍ以下のピッチの場合に、最も好ましい結果が得られることが確認されている。
【００３６】
上記インサート材を製造するに際しては、上記したようなＺｎ−Ａｌ系合金、Ｚｎ−Ａｌ−Ｃｕ系合金、Ｚｎ−Ａｌ−Ａｇ系合金、Ｓｎ−Ｚｎ−Ａｌ系合金のいずれかの合金から成る素材を圧延した後、得られた圧延材の片面又は両面の少なくとも一部に転写加工を施し、凹凸を形成するようになすことができる。
【００３７】
これまで、Ｚｎ−Ａｌ合金箔や、Ｚｎ−Ａｌ−Ｍｇ合金箔は、一般的には単ロール急冷凝固法などにより製造されていたため、インサート材として用いるには、板厚や表面性状が不均一、量産が難しい等の問題があった。また、このような製造法ため、その表面に、応力集中手段として、意図した微細凹凸形状を加工することが困難であった。
これに対して、上記した合金を用いることによって、圧延とそれに続く転写加工とによって、微細凹凸を備えたインサート材を安価に製造することができるようになる。
【００３８】
すなわち、図４は、このようなインサート材の製造工程を示すものであって、まず、目的の組成となるように成分調整した合金をるつぼで溶解し、スラブを製造する。
これに溶体化熱処理を施した後、面削により表面層を除去する。その後適宜、熱間や冷間で圧延を行い、その後、例えばロール成形による転写加工によって、片面、又は両面に微細凹凸形状を加工し、最後に切断することにより、目的の厚さ、凹凸形状を備えたインサート材が得られる。
【００３９】
ここでは、微細凹凸形状を加工するためのロール成形を、板の圧延工程と同一工程内で行なうことによって、生産性の向上や製造コストの低減を図ることができるが、必ずしも同一工程としなくても、微細形状加工は、板の圧延工程と別工程で行なうことも可能である。
このとき、板材の圧延工程、特に熱間圧延工程では、高温に長時間さらされるため、板の表面に厚い酸化皮膜が形成される。このような厚い酸化皮膜が形成されたインサート材を接合に使用した場合、接合条件によっては反応性が低下する場合があるため、熱間圧延工程の後工程において、これら厚い酸化皮膜を、例えば酸洗浄などによって一旦除去する洗浄工程を組み入れることが有効である。
【００４０】
図５は、転写による微細凹凸形状の加工方法例を示すものであって、図５（ａ）は、ロール成形により圧延材の両面に微細凹凸形状を加工する例を示す。
表面に微細形状５２が加工された１対のローラ５１を相対的に加圧しながら回転させ、その間に圧延された板材５３を、冷間または熱間で通し、ローラ５１の表面に加工された微細形状５２が転写されて成る微細凹凸形状５４を、連続的に備えた合金箔から成るインサート材の製造法である。
【００４１】
これによって、均一な板厚と形状を有した微細凹凸形状付きインサート材を極めて高い生産性のもとに製造することができる。
なお、１対のローラのうちの一方だけに微細形状を加工したものを用いることによって、インサート材の片面だけに微細凹凸形状を形成することをできる。また、ローラ側に断続的に微細形状を加工しておくことによって、断続的な微細凹凸形状を加工することもできる。
【００４２】
図５（ｂ）は、１対の平滑ローラ５５の間に、微細形状５７が加工された押型５６と共に、圧延された板材５３を通すことによって、微細形状５７が転写されて、片側のみに微細凹凸形状５８を形成したインサート材が得られる。この方法によれば、必要な部分のみに、断続的に微細凹凸形状を加工することができる。
上記図５（ａ）及び（ｂ）に示した凹凸の形成方法は、図４に示した圧延工程内で実施してもよいが、圧延工程後に、別途で加工することもできる。
【００４３】
図５（ｃ）は、ロール成形に代えて、プレス加工により微細凹凸形状を加工する方法を示すものである。
すなわち、下型６０の上に、圧延された板材６１が供給される一方、微細形状６３が加工された上型６２をプレス（図示せず）などの加圧手段により加圧することにより、微細形状６３が転写されて、板材６１の側に微細凹凸形状６４が加工される。次に、上型６２を上方に逃がし、板材６１を矢印の方向に送り、上型を再度加圧することを繰り返すことで、連続的または断続的に微細凹凸形状６４が加工されたインサート材を得ることができる。
【００４４】
なお、上記した方法のみならず、この他、板材を上記した工程によって圧延した後、一般的な機械加工や、レーザ加工、エッチングなどの手段を利用して微細凹凸形状を加工することも可能である。
【００４５】
図６は、インサート材に形成する好ましい微細凹凸形状の一例を示す詳細図であって、ロール成形による転写により加工された形状例を示しており、板厚１００μｍの圧延板の片面に、高さＨ：３０μｍ、幅Ｗ：３０μｍ、アスペクト比（Ｈ／Ｗ）：１、ピッチ：１００μｍの微細凹凸形状が加工されている。
【実施例】
【００４６】
以下、本発明を実施例に基づいて具体的に説明する。なお、本発明はこれらの実施例のみに限定されるものではない。
【００４７】
〔インサート材の作製〕
材料となる合金種を５種類選定し、図４に示した製造工程により、圧延と微細凹凸形状加工を実施し、インサート材を作製した。
インサート材の材料合金としては、Ｚｎ−Ａｌ合金（１０．８％Ａｌ−Ｚｎ、融点：３８５℃）、Ｚｎ−Ａｌ−Ｃｕ合金（７．０％Ａｌ−３．７％Ｃｕ−Ｚｎ、融点：３８１℃）、Ｚｎ−Ａｌ−Ｍｇ合金（４．１％Ａｌ−２．５％Ｍｇ−Ｚｎ、融点：３５２℃）、Ｚｎ−Ａｌ−Ａｇ合金（４．２％Ａｌ−３．３％Ａｇ−Ｚｎ、融点：３８９℃）、Ｓｎ−Ｚｎ−Ａｌ合金（７．７％Ｚｎ−０．６％Ａｌ−Ｓｎ、融点：２０４℃）を用いた。
【００４８】
これらの材料合金のうち、Ｚｎ−Ａｌ−Ｍｇ合金は延性性が低く、板厚３０μｍまでの圧延が困難であった。
これに対し、上記以外の合金、すなわちＺｎ−Ａｌ合金、Ｚｎ−Ａｌ−Ｃｕ合金、Ｚｎ−Ａｌ−Ａｇ合金及びＳｎ−Ｚｎ−Ａｌ合金については、いずれも板厚３０μｍの圧延箔が得られた。続いて、図５（ａ）に示したロール転写加工を施すことによって、上記４種類の圧延箔の両面に、図６に示したような高さ３０μｍ、幅３０μｍ、ピッチ１００μｍの微細凹凸形状を加工した後、それぞれ径８ｍｍに打ち抜いて、インサート材とした。
【００４９】
〔接合試験１〕
図７（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３と長さ２５ｍｍ、径１０ｍｍの丸棒４を用意した。
そして、図７（ｂ）に示すように、丸棒３、４の接合端面間に、上記組成、サイズのインサート材５をそれぞれ配置し、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４２０℃に加熱し、接合温度に到達後１分間保持して丸棒３、４の接合を行った。なお、このときの昇温速度は１０℃／秒とした。また、接合温度は、丸棒４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１０ＭＰａとした。
【００５０】
得られた突き合わせ継手の接合強度を万能試験機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。この結果を表１に示す。
【００５１】
【表１】
【００５２】
〔接合試験２〕
（１）試験６（参考例）
図７（ａ）に示したようなアルミニウム合金Ａ６０６１（Ａｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系）から成る丸棒３と丸棒４を用意し、図２（ａ）に示した接合形態に準じて、丸棒３と丸棒４の接合両端面に、高さ１００μｍの三角形断面から成る凹凸をピッチ１００μｍにそれぞれ加工し、応力集中手段とした。
そして、丸棒３、４の間に、上記Ｚｎ−Ａｌ−Ｃｕ合金から成り、厚さ１００μｍ、径８ｍｍのインサート材（微細凹凸なし）を介在させた後、図７（ｂ）に示した同様の要領により、丸棒３、４を接合した。そして、同様の引張試験により評価した。この結果を図８に示す。
【００５３】
（２）試験７（参考例）
同様の丸棒３及び４を用意し、図２（ｂ）に示した接合形態に準じて、丸棒４の接合端面にのみ、応力集中手段として、同様の三角形断面から成る凹凸を加工した。
そして、丸棒３、４の間に、微細凹凸のない上記同様のインサート材を介在させた後、図７（ｂ）に示した同様の要領により、丸棒３、４を接合した後、同様の引張試験により評価した。この結果を図８に併せて示す。
【００５４】
（３）試験８（実施例）
同様のアルミニウム合金から成る丸棒３及び４を用意し、図２（ｃ）に示した接合形態に準じて、丸棒４の接合端面に、同様の三角形断面から成る凹凸を応力集中手段として加工した。
そして、丸棒３、４の間に、同じくＺｎ−Ａｌ−Ｃｕ合金から成り、丸棒３の側のみに微細凹凸を備え、厚さ１００μｍ、径８ｍｍのインサート材を介在させた後、図７（ｂ）に示した同様の要領により、丸棒３、４を接合した後、同様の引張試験により評価した。この結果を図８に併せて示す。なお、インサート材に形成した微細凹凸は、図６に記載したような、高さ３０μｍ、幅３０μｍ、ピッチ１００μｍのものとした。
【００５５】
（４）試験９（実施例）
同様のアルミニウム合金から成る丸棒３及び４を用意し、図３に示した接合形態に準じて、丸棒３、４の間に、同じくＺｎ−Ａｌ−Ｃｕ合金から成り、その両面に、高さ３０μｍ、幅３０μｍ、ピッチ１００μｍの微細凹凸を応力集中手段として備えた厚さ１００μｍ、径８ｍｍのインサート材を介在させた。
そして、同様の要領により、丸棒３、４を接合した後、同様の引張試験により同様に評価した。その結果、上記試験６と同様の接合強度が得られることが確認された。
【００５６】
〔接合試験３〕
（１）試験１０（比較例）
図７（ａ）に示したようなアルミニウム合金Ａ６０６１（Ａｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系）から成る丸棒３と丸棒４を用意し、丸棒３と丸棒４の接合両端面をラップ加工によって、図９（ｂ）に示すような平坦な接合面にそれぞれ加工した。
そして、丸棒３、４の間に、インサート材として、径８ｍｍのＺｎ−Ａｌ−Ｃｕ合金から成る厚さ１００μｍの急冷箔帯を介在させた。そして、図７（ｂ）に示すように、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４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３５ＭＰａ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。
得られた突き合わせ継手の接合強度を万能試験機による引張試験によって同様に評価した。この結果を図１０に示す．
【００５７】
（２）試験１１（参考例）
同様の丸棒３及び４を用意し、その接合両端面に、精密切削加工によって、図９（ａ）に示すような凹凸形状の応力集中手段４ｃをそれぞれ形成した。
そして、丸棒３、４の間に、Ｚｎ−Ａｌ−Ｃｕ合金から成る同様のインサート材を介在させ、同様の要領により、丸棒３、４を接合した後、同様の引張試験により評価した。この結果を図１０に併せて示す。
【符号の説明】
【００５８】
３、４、１３、１４、２１、２４、４２、４６ 被接合材
２４ｃ、２１ｃ、４２ａ、４６ａ 酸化皮膜
５、１５、２５、４３ インサート材
２５ｃ、４３ｃ 凹凸（応力集中手段）
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えばアルミニウム系やマグネシウム系金属材料のように、表面に酸化皮膜が存在する金属材料の接合方法に係り、このような金属材料を大気中、低温度、低加圧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、これに用いるインサート材に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
アルミニウム系やマグネシウム系金属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、この酸化皮膜の存在が障害となるため、これらの金属材料については、冶金的な接合が難しい。
【０００３】
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生ずる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。これによって、母材表面の酸化皮膜が破壊され、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。
【０００４】
なお、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必要がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特公平３−６６０７２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上記特許文献１に記載の方法においては、インサート材と母材が接触して共晶反応を生じさせるためには、インサート材と母材の接触部において、接合面の酸化皮膜を機械的に破壊する必要があり、そのための荷重（みかけの圧力）が非常に大きくなる。 したがって、この大きな荷重によって、被接合材が変形し、被接合材へのダメージが大きくなるという問題がある。
【０００７】
特に、被接合材が半導体等の場合には、高い荷重を付与することによって、半導体の機能が損なわれることから、このような材料には、上記の接合方法は適用できないという問題があった。
また、接合が酸素雰囲気内で行われるため、特殊なチャンバーが必要となって、設備コストが増加する点にも問題があった。
【０００８】
本発明は、アルミニウム系金属材料のように、接合面に常温で安定な酸化膜を有する部材を含む接合における上記課題に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、このような接合を大気中で、しかもフラックスを用いることなく、低加圧で接合することができる接合方法を提供することにある。
また、本発明のさらなる目的は、このような接合方法に適用するためのインサート材を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明者らは、上記目的を達成すべく、種々検討を重ねた。その結果、被接合材の間にインサート材を介在させ、母材とインサート材の間に生じた共晶反応溶融物を酸化皮膜と共に排出して被接合材を接合するに際して、被接合材の酸化皮膜を破壊するための応力集中手段をインサート材に設けておくことによって、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。
【００１０】
すなわち、本発明は上記知見に基づくものであって、本発明の接合方法においては、重ね合わせた被接合材の間にインサート材を介在させ、該被接合材を相対的に加圧しつつ加熱して、被接合材とインサート材の間で共晶反応を生じさせ、生じた共晶反応溶融物を被接合材の酸化皮膜と共に接合面から排出して上記被接合材を接合するに際して、上記酸化皮膜を破壊するための応力集中手段を上記インサート材に設けるようにしている。
【００１１】
また、本発明のインサート材は、上記方法に好適に用いられるものであって、Ｚｎ及びＡｌを含有する合金から成り、少なくとも一方の面の一部又は全部に、上記被接合材の参加皮膜を破壊するための応力集中手段としての凹凸を備えていることを特徴とする。
【００１２】
そして、本発明のインサート材の製造方法においては、Ｚｎ−Ａｌ系合金、Ｚｎ−Ａｌ−Ｃｕ系合金、Ｚｎ−Ａｌ−Ａｇ系合金、Ｓｎ−Ｚｎ−Ａｌ系合金のいずれかの合金から成る材料を圧延し、得られた圧延材の片面又は両面の少なくとも一部に転写加工を施し、凹凸を形成することを特徴としている。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、インサート材の側に応力集中手段を設けるようにしたため、被接合材に較べて応力集中手段を比較的容易に形成することができ、母材表面の酸化皮膜を破壊して共晶反応の起点を形成するための荷重（加圧力）を低減することができ、被接合材の加圧によるダメージを少なくすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の一実施形態として半導体部品の接合要領を示す概略断面図である。
【図２】（ａ）本発明の参考形態としてアルミニウム系金属材料同士の接合要領を示す概略断面図である。（ｂ）本発明の他の参考形態として半導体部品の接合要領を示す概略断面図である。（ｃ）本発明の他の実施形態として半導体部品の接合要領を示す概略断面図である。
【図３】本発明のさらに他の実施形態として半導体部品の接合要領を示す概略断面図である。
【図４】本発明のインサート材の製造要領を示す製造工程図である。
【図５】（ａ）〜（ｃ）は応力集中手段としての凹凸形状の成形方法の一例を示す示す説明図である。
【図６】本発明のインサート材の表面に形成する凹凸形状の好適形状例を示す断面図である。
【図７】（ａ）及び（ｂ）は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説明図である。
【図８】接合試験２により得られた突き合わせ継手の強度を比較して示すグラフである。
【図９】精密切削加工（ａ）とラップ加工（ｂ）による接合端面の凹凸形状を比較して示すグラフである。
【図１０】接合試験３により得られた突き合わせ継手の強度を比較して示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下に、本発明の接合方法について、これに用いるインサート材やその製造方法などと共に、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。
【００１６】
本発明の接合方法においては、被接合材とその間に介在させたインサート材との間で共晶反応を生じさせ、生成した共晶反応溶融物を被接合材表面の酸化皮膜と共に接合面から排出するようにしている。したがって、接合面に強固な酸化皮膜が生じていたとしても、共晶反応が生じることによって、接合面から排出することができ、新生面による強固な接合が可能になる。
【００１７】
このとき、上記インサート材の被接合材との接触面に、応力集中手段が設けてあることから、母材（被接合材）表面の酸化皮膜を低荷重で破壊して、共晶反応の起点とすることができ、被接合材や周辺への荷重の影響を最小限に抑えながら、共晶反応溶融物を酸化皮膜と共に接合面から円滑に排出することができる。
本発明の接合方法においては、上記応力集中手段を板状や箔状をなすインサート材の側に設ける要にしているので、形状や板厚、特性上などの制約が多い被接合材に較べて応力集中手段を容易に形成することができ、被接合材や周辺への加圧の影響を最小限に抑えることができる。
【００１８】
すなわち、本発明の接合方法においては、被接合材と共晶反応を生じる元素を含む後述するような材料から成り、例えば、凹凸構造のような応力集中手段を表面に備えたインサート材を用意しておく。
次いで、被接合材を重ね合わせ、上記のような応力集中手段を備えたインサート材をその間に介在させる。
【００１９】
そして、接合に際しては、両被接合材に相対的な荷重を付与し、インサート材に形成された応力集中手段によって局所的な応力を増加させ、被接合材の酸化皮膜を局所的に破壊する。
その後、インサート材が溶融する温度に加熱されることによって、酸化皮膜が破壊された部位にインサート材の溶融物が侵入し、母材中の元素と共晶反応をおこし、両材料の接合界面に母材中の元素とインサート材に含まれる元素との共晶反応による溶融物を生成させる。
【００２０】
被接合材のさらなる加圧によって、生じた共晶反応溶融物と共に母材表面の酸化皮膜が接合界面から排出され、被接合材の接合面が直接接合される。
このとき、インサート材の表面には応力集中手段（凹凸構造）が形成されており、その凸部先端が選択的に被接合材に接触し、局所的に応力を増大させるため、低い荷重で酸化皮膜を局所破壊して、共晶反応を引き起こすことができ、低い荷重のもとに、新生面による強固な接合が可能となる。
【００２１】
図１は本発明の一実施形態として、半導体チップを本発明の方法によって接合する要領を示す半導体部品の概略断面図である。
すなわち、図に示す半導体部品はヒートシンク１１上に固定された絶縁基板１２を備え、当該基板１２の表面上に配置された配線金属１３にシリコンチップ１４が接合された構造を備えている。
【００２２】
上記配線金属１３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１４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ることになる。
これら配線金属１３とシリコンチップ１４の接合に際しては、これらの間に厚さ１００μｍのＺｎ−Ａｌ−Ｃｕ合金であって、圧延により製造され、表面に応力集中手段としての微細な凹凸形状が加工されたインサート材１５を配置し、治具を用いて５ＭＰａ程度の加圧力が掛かるように固定される。
【００２３】
そして、例えばろう付け炉内にこの状態で収納し、４２０℃に１分間保持することによって、配線金属１３とシリコンチップ１４を接合することができる。
この方法によれば、低温、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。
【００２４】
このような方法によれば、半導体チップの金属と、配線金属との接合面を共晶反応と凹凸形状を利用して互いに接合し、少なくとも一部領域で被接合材同士のダイレクト接合部を有することで、凹凸形状による応力集中効果により、接合面に応力集中させ、接合面の酸化皮膜破壊が促進される。その結果、接合時のプロセスの低加圧化をはかり、加圧によるチップへのダメージを防止することができる。
さらに低融点共晶反応により、低温にて共晶融液を生じさせ、酸化皮膜を除去することができる。また、生成された接合部が被接合材同士のダイレクト接合領域を有することで、電気抵抗が低く、熱伝達性が良好で、かつ脆い金属間化合物層といった反応層を生成せず、カーケンダルボイドも生じず、高温保持、熱サイクルといった高温耐久信頼性を実現できる。このような構成とすることで、Ｐｂフリー、低コスト、電気的特性や放熱性、耐久信頼性に優れた半導体を製造することが可能となる。
【００２５】
図２は、本発明の他の実施形態として、アルミニウム系金属材料同士の接合プロセスを参考例と共に示す概略図であって、図２（ａ）及び（ｂ）は、応力集中手段である凹凸形状をインサート材ではなく、被接合材の側に設けた参考例、図２（ｃ）は、凹凸形状をインサート材の片面に形成した実施形態例を示す。
【００２６】
図２（ａ）は、アルミニウム合金材２１，２１の間に、Ｚｎ−Ａｌ−Ｃｕ合金箔から成り、凹凸形状のないインサート材２０を挟んだ状態に重ねたものであって、両材料２１，２１の表面には、微細凹凸形状２１ｃが形成されている。なお、その表面にはＡｌ２Ｏ３を主成分とする酸化皮膜２１ａが生成している。
【００２７】
図２（ｂ）は、この接合方法を半導体の実装接合に適用し、アルミニウム合金２１にチップ２３を接合する例を示す。チップ２３の接合面には金属膜として、ここではアルミニウム２４が形成されており、その表面には酸化皮膜２４ｃが生成している。ここで、微細凹凸形状２１ｃは、被接合材の一方であるアルミニウム合金２１に形成されており、他方のチップ２３には、その厚さが薄いため形成されていない。そして、Ｚｎ−Ａｌ−Ｃｕ合金箔から成り、凹凸形状が形成されていないインサート材２０を挟んだ状態に重ねられている。
【００２８】
図２（ｃ）は、圧延により製造され、応力集中手段としての微細凹凸形状を有するインサート材を半導体実装接合に適用した本発明の実施形態例を示す。
微細凹凸形状２１ｃは、接合されるアルミニウム合金２１に形成され、チップ２３の側には形成されていない。チップ２３の接合面には金属膜として、同様にアルミニウム２４が被覆されており、その表面には酸化皮膜２４ｃが生成している。インサート材２５は、Ｚｎ−Ａｌ−Ｃｕ合金箔から成り、チップ側の面に微細凹凸形状２５ｃが形成されている。
【００２９】
図３は、さらに他の実施形態例として、その両面に微細凹凸形状を加工したインサート材の例を示す半導体部品の概略断面図である。
図において、両側にアルミニウムなどの金属４２が貼られた絶縁基板４１の表面には酸化皮膜４２ａが形成されている。一方、半導体チップ４５の接合面側にはアルミニウムなどの金属４６が被覆されており、その表面にも酸化皮膜４６aが形成されている。また、インサート材４３は、上記実施形態例と同様の材料から成り、その両面に同様の微細凹凸形状４３ｃが加工されている。
【００３０】
そして、例えば、先に示したように、治具により５ＭＰａ程度の加圧力が掛かるように固定した状態で、ろう付け炉内に４２０℃に１分間保持することによって、インサート材４３に形成した微細凹凸形状４３ｃにより応力が集中し、絶縁基板４１及びアルミニウム４６の表面の酸化皮膜４２ａ及び４６ａが破壊される。
また、共晶反応の拡大により、被接合材表面の酸化皮膜４２ａ、４６ａの破壊が促進され、周囲に除去される結果、被接合材の新生面が露出し、両金属間の相互拡散によるダイレクト接合により、良好な接合継手が得られる。
【００３１】
なお、接合部の加熱方法として、上記ではろう付け炉内に保持する方法を示したが、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、特に限定されるものではなく、抵抗加熱や高周波加熱、遠赤外線加熱、ヒータ加熱、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。
【００３２】
本発明の上記接合方法に用いるインサート材としては、Ｚｎ及びＡｌを含有する合金から成り、少なくとも一方の面の一部又は全部に、上記被接合材の酸化皮膜を破壊するための応力集中手段としての凹凸構造を備えたものを好適に用いることができる。
【００３３】
また、本発明に用いる上記インサート材としては、後述するように、圧延とそれに続く転写加工とによって、安価に製造できることから、Ｚｎ及びＡｌを含有する合金のうちでも、特にＺｎ−Ａｌ系合金、Ｚｎ−Ａｌ−Ｃｕ系合金、Ｚｎ−Ａｌ−Ａｇ系合金、Ｓｎ−Ｚｎ−Ａｌ系合金のいずれかの合金から成るものであることが望ましい。
なお、本発明に用いるＺｎ−Ａｌ系合金とは、５〜１８％のＡｌを含有し、残部が実質的にＺｎである合金を意味する。また、Ｚｎ−Ａｌ−Ｃｕ系合金とは、４〜１５％のＡｌと０．５〜６％のＣｕを含有し、残部が実質的にＺｎである合金、Ｚｎ−Ａｌ−Ａｇ系合金とは、２〜７％のＡｌと０．２〜５％のＡｇを含有し、残部が実質的にＺｎである合金、Ｓｎ−Ｚｎ−Ａｌ系合金とは、４〜１５％のＺｎと０．１〜２％のＡｌを含有し、残部が実質的にＳｎである合金をそれぞれ意味するものとする。
【００３４】
このとき、インサート材の厚さとしては、２０μｍ以上、２００μｍ以下とすることが望ましい。なお、インサート材の厚さとは、凹凸部分を含めた厚さ寸法、つまり凸部の頂点から頂点の距離を言うものとする。
すなわち、厚さが２０μｍに満たないと、接合時の酸化皮膜の排出が不十分となったり、接合部のシール性が低下して、接合中に酸化が進み接合部の強度特性を低下させたりすることがある。また、圧延により製造する場合の圧延の手間が掛かる要になることもある。逆に、厚さが２００μｍを超えた場合には、余剰部分の排出のために高い加圧力が必要となったり、界面への残存が多くなって継ぎ手性能を低下させたりすることがある。
【００３５】
また、インサート材に形成する応力集中手段としての凹凸形状については、その高さが１μｍ以上、ピッチが１μｍ以上の場合にその効果が認められるが、１０μｍ以上１００μｍ以下の高さ、１０μｍ以上１００μｍ以下のピッチの場合に、最も好ましい結果が得られることが確認されている。
【００３６】
上記インサート材を製造するに際しては、上記したようなＺｎ−Ａｌ系合金、Ｚｎ−Ａｌ−Ｃｕ系合金、Ｚｎ−Ａｌ−Ａｇ系合金、Ｓｎ−Ｚｎ−Ａｌ系合金のいずれかの合金から成る素材を圧延した後、得られた圧延材の片面又は両面の少なくとも一部に転写加工を施し、凹凸を形成するようになすことができる。
【００３７】
これまで、Ｚｎ−Ａｌ合金箔や、Ｚｎ−Ａｌ−Ｍｇ合金箔は、一般的には単ロール急冷凝固法などにより製造されていたため、インサート材として用いるには、板厚や表面性状が不均一、量産が難しい等の問題があった。また、このような製造法ため、その表面に、応力集中手段として、意図した微細凹凸形状を加工することが困難であった。
これに対して、上記した合金を用いることによって、圧延とそれに続く転写加工とによって、微細凹凸を備えたインサート材を安価に製造することができるようになる。
【００３８】
すなわち、図４は、このようなインサート材の製造工程を示すものであって、まず、目的の組成となるように成分調整した合金をるつぼで溶解し、スラブを製造する。
これに溶体化熱処理を施した後、面削により表面層を除去する。その後適宜、熱間や冷間で圧延を行い、その後、例えばロール成形による転写加工によって、片面、又は両面に微細凹凸形状を加工し、最後に切断することにより、目的の厚さ、凹凸形状を備えたインサート材が得られる。
【００３９】
ここでは、微細凹凸形状を加工するためのロール成形を、板の圧延工程と同一工程内で行なうことによって、生産性の向上や製造コストの低減を図ることができるが、必ずしも同一工程としなくても、微細形状加工は、板の圧延工程と別工程で行なうことも可能である。
このとき、板材の圧延工程、特に熱間圧延工程では、高温に長時間さらされるため、板の表面に厚い酸化皮膜が形成される。このような厚い酸化皮膜が形成されたインサート材を接合に使用した場合、接合条件によっては反応性が低下する場合があるため、熱間圧延工程の後工程において、これら厚い酸化皮膜を、例えば酸洗浄などによって一旦除去する洗浄工程を組み入れることが有効である。
【００４０】
図５は、転写による微細凹凸形状の加工方法例を示すものであって、図５（ａ）は、ロール成形により圧延材の両面に微細凹凸形状を加工する例を示す。
表面に微細形状５２が加工された１対のローラ５１を相対的に加圧しながら回転させ、その間に圧延された板材５３を、冷間または熱間で通し、ローラ５１の表面に加工された微細形状５２が転写されて成る微細凹凸形状５４を、連続的に備えた合金箔から成るインサート材の製造法である。
【００４１】
これによって、均一な板厚と形状を有した微細凹凸形状付きインサート材を極めて高い生産性のもとに製造することができる。
なお、１対のローラのうちの一方だけに微細形状を加工したものを用いることによって、インサート材の片面だけに微細凹凸形状を形成することをできる。また、ローラ側に断続的に微細形状を加工しておくことによって、断続的な微細凹凸形状を加工することもできる。
【００４２】
図５（ｂ）は、１対の平滑ローラ５５の間に、微細形状５７が加工された押型５６と共に、圧延された板材５３を通すことによって、微細形状５７が転写されて、片側のみに微細凹凸形状５８を形成したインサート材が得られる。この方法によれば、必要な部分のみに、断続的に微細凹凸形状を加工することができる。
上記図５（ａ）及び（ｂ）に示した凹凸の形成方法は、図４に示した圧延工程内で実施してもよいが、圧延工程後に、別途で加工することもできる。
【００４３】
図５（ｃ）は、ロール成形に代えて、プレス加工により微細凹凸形状を加工する方法を示すものである。
すなわち、下型６０の上に、圧延された板材６１が供給される一方、微細形状６３が加工された上型６２をプレス（図示せず）などの加圧手段により加圧することにより、微細形状６３が転写されて、板材６１の側に微細凹凸形状６４が加工される。次に、上型６２を上方に逃がし、板材６１を矢印の方向に送り、上型を再度加圧することを繰り返すことで、連続的または断続的に微細凹凸形状６４が加工されたインサート材を得ることができる。
【００４４】
なお、上記した方法のみならず、この他、板材を上記した工程によって圧延した後、一般的な機械加工や、レーザ加工、エッチングなどの手段を利用して微細凹凸形状を加工することも可能である。
【００４５】
図６は、インサート材に形成する好ましい微細凹凸形状の一例を示す詳細図であって、ロール成形による転写により加工された形状例を示しており、板厚１００μｍの圧延板の片面に、高さＨ：３０μｍ、幅Ｗ：３０μｍ、アスペクト比（Ｈ／Ｗ）：１、ピッチ：１００μｍの微細凹凸形状が加工されている。
【実施例】
【００４６】
以下、本発明を実施例に基づいて具体的に説明する。なお、本発明はこれらの実施例のみに限定されるものではない。
【００４７】
〔インサート材の作製〕
材料となる合金種を５種類選定し、図４に示した製造工程により、圧延と微細凹凸形状加工を実施し、インサート材を作製した。
インサート材の材料合金としては、Ｚｎ−Ａｌ合金（１０．８％Ａｌ−Ｚｎ、融点：３８５℃）、Ｚｎ−Ａｌ−Ｃｕ合金（７．０％Ａｌ−３．７％Ｃｕ−Ｚｎ、融点：３８１℃）、Ｚｎ−Ａｌ−Ｍｇ合金（４．１％Ａｌ−２．５％Ｍｇ−Ｚｎ、融点：３５２℃）、Ｚｎ−Ａｌ−Ａｇ合金（４．２％Ａｌ−３．３％Ａｇ−Ｚｎ、融点：３８９℃）、Ｓｎ−Ｚｎ−Ａｌ合金（７．７％Ｚｎ−０．６％Ａｌ−Ｓｎ、融点：２０４℃）を用いた。
【００４８】
これらの材料合金のうち、Ｚｎ−Ａｌ−Ｍｇ合金は延性性が低く、板厚３０μｍまでの圧延が困難であった。
これに対し、上記以外の合金、すなわちＺｎ−Ａｌ合金、Ｚｎ−Ａｌ−Ｃｕ合金、Ｚｎ−Ａｌ−Ａｇ合金及びＳｎ−Ｚｎ−Ａｌ合金については、いずれも板厚３０μｍの圧延箔が得られた。続いて、図５（ａ）に示したロール転写加工を施すことによって、上記４種類の圧延箔の両面に、図６に示したような高さ３０μｍ、幅３０μｍ、ピッチ１００μｍの微細凹凸形状を加工した後、それぞれ径８ｍｍに打ち抜いて、インサート材とした。
【００４９】
〔接合試験１〕
図７（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３と長さ２５ｍｍ、径１０ｍｍの丸棒４を用意した。
そして、図７（ｂ）に示すように、丸棒３、４の接合端面間に、上記組成、サイズのインサート材５をそれぞれ配置し、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４２０℃に加熱し、接合温度に到達後１分間保持して丸棒３、４の接合を行った。なお、このときの昇温速度は１０℃／秒とした。また、接合温度は、丸棒４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１０ＭＰａとした。
【００５０】
得られた突き合わせ継手の接合強度を万能試験機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。この結果を表１に示す。
【００５１】
【表１】
【００５２】
〔接合試験２〕
（１）試験６（参考例）
図７（ａ）に示したようなアルミニウム合金Ａ６０６１（Ａｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系）から成る丸棒３と丸棒４を用意し、図２（ａ）に示した接合形態に準じて、丸棒３と丸棒４の接合両端面に、高さ１００μｍの三角形断面から成る凹凸をピッチ１００μｍにそれぞれ加工し、応力集中手段とした。
そして、丸棒３、４の間に、上記Ｚｎ−Ａｌ−Ｃｕ合金から成り、厚さ１００μｍ、径８ｍｍのインサート材（微細凹凸なし）を介在させた後、図７（ｂ）に示した同様の要領により、丸棒３、４を接合した。そして、同様の引張試験により評価した。この結果を図８に示す。
【００５３】
（２）試験７（参考例）
同様の丸棒３及び４を用意し、図２（ｂ）に示した接合形態に準じて、丸棒４の接合端面にのみ、応力集中手段として、同様の三角形断面から成る凹凸を加工した。
そして、丸棒３、４の間に、微細凹凸のない上記同様のインサート材を介在させた後、図７（ｂ）に示した同様の要領により、丸棒３、４を接合した後、同様の引張試験により評価した。この結果を図８に併せて示す。
【００５４】
（３）試験８（実施例）
同様のアルミニウム合金から成る丸棒３及び４を用意し、図２（ｃ）に示した接合形態に準じて、丸棒４の接合端面に、同様の三角形断面から成る凹凸を応力集中手段として加工した。
そして、丸棒３、４の間に、同じくＺｎ−Ａｌ−Ｃｕ合金から成り、丸棒３の側のみに微細凹凸を備え、厚さ１００μｍ、径８ｍｍのインサート材を介在させた後、図７（ｂ）に示した同様の要領により、丸棒３、４を接合した後、同様の引張試験により評価した。この結果を図８に併せて示す。なお、インサート材に形成した微細凹凸は、図６に記載したような、高さ３０μｍ、幅３０μｍ、ピッチ１００μｍのものとした。
【００５５】
（４）試験９（実施例）
同様のアルミニウム合金から成る丸棒３及び４を用意し、図３に示した接合形態に準じて、丸棒３、４の間に、同じくＺｎ−Ａｌ−Ｃｕ合金から成り、その両面に、高さ３０μｍ、幅３０μｍ、ピッチ１００μｍの微細凹凸を応力集中手段として備えた厚さ１００μｍ、径８ｍｍのインサート材を介在させた。
そして、同様の要領により、丸棒３、４を接合した後、同様の引張試験により同様に評価した。その結果、上記試験６と同様の接合強度が得られることが確認された。
【００５６】
〔接合試験３〕
（１）試験１０（比較例）
図７（ａ）に示したようなアルミニウム合金Ａ６０６１（Ａｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系）から成る丸棒３と丸棒４を用意し、丸棒３と丸棒４の接合両端面をラップ加工によって、図９（ｂ）に示すような平坦な接合面にそれぞれ加工した。
そして、丸棒３、４の間に、インサート材として、径８ｍｍのＺｎ−Ａｌ−Ｃｕ合金から成る厚さ１００μｍの急冷箔帯を介在させた。そして、図７（ｂ）に示すように、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４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３５ＭＰａ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。
得られた突き合わせ継手の接合強度を万能試験機による引張試験によって同様に評価した。この結果を図１０に示す．
【００５７】
（２）試験１１（参考例）
同様の丸棒３及び４を用意し、その接合両端面に、精密切削加工によって、図９（ａ）に示すような凹凸形状の応力集中手段４ｃをそれぞれ形成した。
そして、丸棒３、４の間に、Ｚｎ−Ａｌ−Ｃｕ合金から成る同様のインサート材を介在させ、同様の要領により、丸棒３、４を接合した後、同様の引張試験により評価した。この結果を図１０に併せて示す。
【符号の説明】
【００５８】
３、４、１３、１４、２１、２４、４２、４６ 被接合材
２４ｃ、２１ｃ、４２ａ、４６ａ 酸化皮膜
５、１５、２５、４３ インサート材
２５ｃ、４３ｃ 凹凸（応力集中手段）
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被接合材の間にインサート材を介在させ、被接合剤を相対的に加圧しつつ加熱して、被接合材とインサート材の間で共晶反応を発生させ、生じた共晶反応溶融物を被接合材の酸化皮膜と共に接合面から排出して上記被接合材を接合するに際して、
上記酸化皮膜を破壊するための応力集中手段を上記インサート材に設けることを特徴とする接合方法。
【請求項２】
被接合材の間に介在させ、この状態で被接合剤を相対的に加圧しつつ加熱して、被接合材との間で共晶反応を発生させ、生じた共晶反応溶融物を被接合材の酸化皮膜と共に接合面から排出して上記被接合材を接合するのに用いるインサート材であって、
Ｚｎ及びＡｌを含有する合金から成り、少なくとも一方の面の一部又は全部に、上記被接合材の酸化皮膜を破壊するための応力集中手段としての凹凸を備えていることを特徴とするインサート材。
【請求項３】
Ｚｎ−Ａｌ系合金、Ｚｎ−Ａｌ−Ｃｕ系合金、Ｚｎ−Ａｌ−Ａｇ系合金、Ｓｎ−Ｚｎ−Ａｌ系合金のいずれかの合金から成ることを特徴とする請求項２に記載のインサート材。
【請求項４】
２０μｍ以上２００μｍ以下の厚さを備えていることを特徴とする請求項２又は３に記載のインサート材。
【請求項５】
高さが１０μｍ以上１００μｍ以下、ピッチが１０μｍ以上１００μｍ以下の凹凸を備えていることを特徴とする請求項２〜４のいずれか１つの項に記載のインサート材。
【請求項６】
Ｚｎ−Ａｌ系合金、Ｚｎ−Ａｌ−Ｃｕ系合金、Ｚｎ−Ａｌ−Ａｇ系合金、Ｓｎ−Ｚｎ−Ａｌ系合金のいずれかの合金から成る材料を圧延した後、該圧延材の片面又は両面の少なくとも一部に転写加工を施し、凹凸を形成することを特徴とするインサート材の製造方法。
【請求項７】
圧延時に生じた表面の酸化皮膜を洗浄して除去することを特徴とする請求項６に記載のインサート材の製造方法。
【請求項１】
被接合材の間にインサート材を介在させ、被接合剤を相対的に加圧しつつ加熱して、被接合材とインサート材の間で共晶反応を発生させ、生じた共晶反応溶融物を被接合材の酸化皮膜と共に接合面から排出して上記被接合材を接合するに際して、
上記酸化皮膜を破壊するための応力集中手段を上記インサート材に設けることを特徴とする接合方法。
【請求項２】
被接合材の間に介在させ、この状態で被接合剤を相対的に加圧しつつ加熱して、被接合材との間で共晶反応を発生させ、生じた共晶反応溶融物を被接合材の酸化皮膜と共に接合面から排出して上記被接合材を接合するのに用いるインサート材であって、
Ｚｎ及びＡｌを含有する合金から成り、少なくとも一方の面の一部又は全部に、上記被接合材の酸化皮膜を破壊するための応力集中手段としての凹凸を備えていることを特徴とするインサート材。
【請求項３】
Ｚｎ−Ａｌ系合金、Ｚｎ−Ａｌ−Ｃｕ系合金、Ｚｎ−Ａｌ−Ａｇ系合金、Ｓｎ−Ｚｎ−Ａｌ系合金のいずれかの合金から成ることを特徴とする請求項２に記載のインサート材。
【請求項４】
２０μｍ以上２００μｍ以下の厚さを備えていることを特徴とする請求項２又は３に記載のインサート材。
【請求項５】
高さが１０μｍ以上１００μｍ以下、ピッチが１０μｍ以上１００μｍ以下の凹凸を備えていることを特徴とする請求項２〜４のいずれか１つの項に記載のインサート材。
【請求項６】
Ｚｎ−Ａｌ系合金、Ｚｎ−Ａｌ−Ｃｕ系合金、Ｚｎ−Ａｌ−Ａｇ系合金、Ｓｎ−Ｚｎ−Ａｌ系合金のいずれかの合金から成る材料を圧延した後、該圧延材の片面又は両面の少なくとも一部に転写加工を施し、凹凸を形成することを特徴とするインサート材の製造方法。
【請求項７】
圧延時に生じた表面の酸化皮膜を洗浄して除去することを特徴とする請求項６に記載のインサート材の製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【公開番号】特開２０１３−７８７９５（Ｐ２０１３−７８７９５Ａ）
【公開日】平成２５年５月２日（２０１３．５．２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１２−２０４２９５（Ｐ２０１２−２０４２９５）
【出願日】平成２４年９月１８日（２０１２．９．１８）
【出願人】（０００００３９９７）日産自動車株式会社 (16,386)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年５月２日（２０１３．５．２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２４年９月１８日（２０１２．９．１８）
【出願人】（０００００３９９７）日産自動車株式会社 (16,386)
【Ｆターム（参考）】
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