JP2010137244A - Metal bonded body, and method for manufacturing the same - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は、アルミニウム部材と銅部材とが接合された金属接合体およびその製造方法に関する。 The present invention relates to a metal joined body in which an aluminum member and a copper member are joined, and a manufacturing method thereof.
伝熱性や熱放散性に優れるが軽量化の点で課題のある銅部材と、軽量化に優れ伝熱性や熱放散性が銅に次いで優れるアルミニウム製のアルミニウム部材とを接合した金属接合体は、電子機器、通信機器、航空機、自動車などの熱交換器、ヒートパイプ、ヒートシンクなどに幅広く用いられている。例えば熱交換器の銅配管とアルミニウム製ヒートシンクとがろう付けやカシメなどで接合された金属接合体が用いられている。 A metal joined body obtained by joining a copper member that is excellent in heat transfer and heat dissipation but has a problem in terms of weight reduction and an aluminum aluminum member that is excellent in weight reduction and heat transfer and heat dissipation is next to copper. Widely used in heat exchangers, heat pipes, heat sinks, etc. for electronic devices, communication devices, aircraft, automobiles, etc. For example, a metal joined body in which a copper pipe of a heat exchanger and an aluminum heat sink are joined by brazing or caulking is used.
一方、モータなどマグネットワイヤとしては、主にエナメルなどで絶縁被覆された銅線が用いられているが、近年低コスト化が可能なアルミニウム製のマグネットワイヤの適用も検討され、これを錫主成分とするはんだで銅電極に接合することも行われている。しかしながら、アルミニウムは電気化学的に碑な電位を有しており、瞬時に酸化皮膜が形成されるため、はんだ付けが非常に困難で十分な信頼性を確保することが課題であった。 On the other hand, copper wires with insulation coating such as enamel are mainly used as magnet wires for motors, but in recent years, the application of aluminum magnet wires, which can reduce costs, has been studied. Joining to a copper electrode is also performed with the solder. However, since aluminum has an electrochemically-potential potential and an oxide film is instantaneously formed, soldering is extremely difficult and ensuring sufficient reliability is a problem.
これを解決するためのはんだ材料として、例えば錫または錫合金からなるはんだ材料に０．００５質量％のアルミニウムを添加したものが開示されている（例えば特許文献１参照）。また、接合するアルミニウム部材の接合面にニッケル、銅あるいは錫をめっきしてはんだ付けをおこなう方法が開示されている（例えば特許文献２参照）。 As a solder material for solving this problem, for example, a solder material made of tin or a tin alloy with 0.005% by mass of aluminum added is disclosed (for example, see Patent Document 1). In addition, a method is disclosed in which nickel, copper, or tin is plated on the joint surfaces of the aluminum members to be joined and soldered (see, for example, Patent Document 2).
しかしながら、従来の０．００５質量％のアルミニウムを添加したはんだ材料を用いる場合、はんだ材料またはアルミニウム部材に超音波振動を印加しながら行なう必要があった。また、接合面にニッケル、銅あるいは錫をめっきする方法では、めっき処理する装置が必要であった。このように従来の方法においては、超音波振動装置やめっき処理装置が必要であり、余分なコストがかかるという問題があった。また、そのような装置を用いないと、高温多湿な環境下における長期間の使用によって接合強度が低下するという問題もあった。 However, when using a conventional solder material added with 0.005% by mass of aluminum, it is necessary to apply the ultrasonic vibration to the solder material or the aluminum member. In addition, in the method of plating nickel, copper, or tin on the joint surface, a plating apparatus is required. As described above, the conventional method requires an ultrasonic vibration device and a plating processing device, and there is a problem in that extra cost is required. Further, if such an apparatus is not used, there is a problem that the bonding strength is lowered by long-term use in a high temperature and humidity environment.
この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、超音波振動装置やめっき処理装置が不要で、低コストの金属接合体の製造方法を提供することを目的としている。また、高温多湿な環境下における長期間の使用による接合強度の低下を抑制することができる金属接合体を提供することを目的としている。 The present invention has been made to solve the above-described problems, and an object of the present invention is to provide a low-cost manufacturing method of a metal joined body that does not require an ultrasonic vibration device or a plating processing device. Another object of the present invention is to provide a metal joined body that can suppress a reduction in joining strength due to long-term use in a high temperature and humidity environment.
この発明に係る金属接合体の製造方法は、銅を主成分とする銅部材の表面とアルミニウムを主成分とするアルミニウム部材の表面との酸素濃度を５０００ｐｐｍ以下にする前処理工程と、当該前処理工程が施された銅部材の表面とアルミニウム部材の表面とに錫を主成分とする接合材を接触させる接触工程と、当該接触工程の後に銅部材とアルミニウム部材と接合材とを酸素濃度１０００ｐｐｍ以下の雰囲気において接合材の融点以上でアルミニウム部材の融点以下の温度で加熱する加熱工程と、当該加熱工程の後に接合材を冷却固化させる固化工程とを含んでいる。 The method for producing a metal joined body according to the present invention includes a pretreatment step in which the oxygen concentration between the surface of a copper member containing copper as a main component and the surface of an aluminum member containing aluminum as a main component is 5000 ppm or less, and the pretreatment A contact step in which a bonding material mainly composed of tin is brought into contact with the surface of the copper member subjected to the process and the surface of the aluminum member; and after the contact step, the copper member, the aluminum member, and the bonding material have an oxygen concentration of 1000 ppm or less. A heating step of heating at a temperature not lower than the melting point of the bonding material and not higher than the melting point of the aluminum member in this atmosphere, and a solidification step of cooling and solidifying the bonding material after the heating step.
また、この発明における金属接合体は、銅を主成分とする銅部材と、この銅部材に銅と錫との拡散層を介して接合された錫を主成分とする接合材と、この接合材にアルミニウムと錫との拡散層を介して接合ざれたアルミニウムを主成分とするアルミニウム部材とを備えた金属接合体において、アルミニウムと錫との拡散層の任意の断面接合界面における厚さ５０ｎｍ以上のアルミニウム酸化物の存在する接合界面長の総和が、前記断面接合界面の全接合界面長の６０％以下としたものである。 Further, the metal joined body in the present invention includes a copper member mainly composed of copper, a joining material mainly composed of tin joined to the copper member via a diffusion layer of copper and tin, and the joining material. A metal joined body comprising an aluminum member mainly composed of aluminum bonded to each other through a diffusion layer of aluminum and tin, and having a thickness of 50 nm or more at an arbitrary cross-sectional bonding interface of the diffusion layer of aluminum and tin The sum total of the junction interface length in which the aluminum oxide exists is 60% or less of the total junction interface length of the cross-section junction interface.
この発明における金属接合体の製造方法は、銅部材の表面とアルミニウム部材の表面との酸素濃度を５０００ｐｐｍ以下にする前処理工程と、酸素濃度１０００ｐｐｍ以下の雰囲気において接合材の融点以上でアルミニウム部材の融点以下の温度で加熱する加熱工程とを備えているので、超音波振動装置やめっき処理装置が不要となる。 The method for producing a metal joined body according to the present invention includes a pretreatment step in which the oxygen concentration between the surface of the copper member and the surface of the aluminum member is 5000 ppm or less; And a heating step of heating at a temperature below the melting point, an ultrasonic vibration device and a plating apparatus are not required.
また、この発明における金属接合体は、アルミニウムと錫との拡散層の任意の断面接合界面における厚さ５０ｎｍ以上のアルミニウム酸化物の存在する接合界面長の総和が、前記断面接合界面の全接合界面長の６０％以下としたので、高温多湿な環境下における長期間の使用による接合強度の低下を抑制することができる。 Further, in the metal joined body according to the present invention, the total sum of the joining interface lengths in which the aluminum oxide having a thickness of 50 nm or more exists at the arbitrary sectional joining interface of the diffusion layer of aluminum and tin is the total joining interface of the sectional joining interface. Since it is 60% or less of the length, it is possible to suppress a decrease in bonding strength due to long-term use in a hot and humid environment.
実施の形態１．
この発明を実施するための実施の形態１について説明する。なお、本実施の形態においては、この発明に係る金属接合体の接合方法を模擬的に行なったものである。アルミニウム部材として外形φ０．６ｍｍで長さ２０ｍｍのＡｌ線と、銅部材として厚さが０．５ｍｍの無酸素銅板を１０ｍｍ×５０ｍｍの立方体に切り出したＣｕブロックとを用意する。接合材として日本アルミット（株）製のＳｎ系はんだ材Ｔ−２３５（Ｓｎ−９Ｚｎ：ｗｔ％）を厚さ１００μｍで３ｍｍ×３ｍｍのペレット状に加工したものを用意する。また、雰囲気制御できる加熱装置して、山陽精工（株）製の高温観察装置ＳＫ−８０００を用意した。本装置は、ステージサイズが５０ｍｍ×５０ｍｍで、最大８００℃まで均一に加熱することが可能で、最大２５０℃／ｍｉｎの昇温速度で加熱することが可能である。また、３ＭＰａまでの減圧も可能であり、窒素雰囲気による酸素濃度制御も可能である。
まず始めに、Ａｌ線材を＃１２００の紙やすりで磨き、エチルアルコールで洗浄後、Ａｌ線材の表面の酸素濃度を、オージェ電子分光分析装置を用いて測定し、約４０００ｐｐｍの酸素濃度であることを確認した。 First, after polishing the Al wire with # 1200 sandpaper and washing with ethyl alcohol, the oxygen concentration on the surface of the Al wire is measured using an Auger electron spectroscopic analyzer, and the oxygen concentration is about 4000 ppm. confirmed.
次に、Ｃｕブロックを上述の高温観察装置内のステージの上に配置する。このＣｕブロックの上に上述のペレット状のＳｎ系はんだ材を載せ、さらにその上にＡｌ線材を載せる。次に、高温観察装置内の雰囲気を制御して窒素を主成分として酸素濃度が約５００ｐｐｍの雰囲気とした。その後ステージの温度を２５０℃まで９０秒で上昇させたのちに２５０℃で１０秒間保持し、ステージの加熱を止めて約５分間で室温まで冷却した。このようにして、銅部材であるＣｕブロックとアルミニウム部材であるＡｌ線材とを接合材であるＳｎ系はんだ材で接合したサンプルを作製した。 Next, the Cu block is placed on the stage in the above-described high-temperature observation apparatus. The above-mentioned pellet-shaped Sn-based solder material is placed on the Cu block, and an Al wire is placed thereon. Next, the atmosphere in the high-temperature observation apparatus was controlled to obtain an atmosphere having nitrogen as a main component and an oxygen concentration of about 500 ppm. Thereafter, the temperature of the stage was raised to 250 ° C. in 90 seconds, then held at 250 ° C. for 10 seconds, heating of the stage was stopped, and the temperature was cooled to room temperature in about 5 minutes. In this way, a sample was prepared in which a Cu block as a copper member and an Al wire as an aluminum member were joined with an Sn-based solder material as a joining material.
得られたサンプルのＡｌ線をプルテスタでＣｕブロックから破断させて破断強度を測定したところ、初期の破断強度は３０Ｎであった。また、同様にして作製したサンプルを８５℃／８５％ＲＨの高温高湿の環境下で１０００時間放置した後、同様の破断強度の測定を行ったところ、高温高湿処理後の破断強度は２５Ｎであった。上述のような接合方法で得られたサンプルを今後実施例１と記載する。 When the Al wire of the obtained sample was broken from the Cu block with a pull tester and the breaking strength was measured, the initial breaking strength was 30N. Further, when the sample prepared in the same manner was allowed to stand for 1000 hours in a high temperature and high humidity environment of 85 ° C./85% RH and then measured for the same breaking strength, the breaking strength after the high temperature and high humidity treatment was 25 N. Met. A sample obtained by the joining method as described above will be referred to as Example 1 hereinafter.
比較として次のようなサンプルを作製した。上述のＡｌ線を紙やすりで磨く工程を除き、それ以外は実施例１と同様な方法で作製したサンプルを比較例１とする。このとき、Ａｌ線の表面の酸素濃度を実施例１と同様にオージェ電子分光分析装置を用いて測定したところ、約１００００ｐｐｍであった。次に、高温観察装置内の酸素濃度を１３００ｐｐｍとし、それ以外は実施例１と同様な方法で作製したサンプルを比較例２とする。さらに、Ａｌ線を紙やすりで磨く工程を除くとともに高温観察装置内の酸素濃度を１３００ｐｐｍとし、それ以外は実施例１と同様な方法で作製したサンプルを比較例３とする。 For comparison, the following samples were prepared. A sample produced by the same method as in Example 1 except for the above-described process of polishing the Al wire with sandpaper is referred to as Comparative Example 1. At this time, when the oxygen concentration on the surface of the Al wire was measured using an Auger electron spectroscopic analyzer in the same manner as in Example 1, it was about 10,000 ppm. Next, a sample produced by the same method as in Example 1 except that the oxygen concentration in the high-temperature observation apparatus is 1300 ppm is referred to as Comparative Example 2. Furthermore, a sample produced by the same method as in Example 1 except that the step of polishing the Al wire with sandpaper is excluded and the oxygen concentration in the high-temperature observation apparatus is 1300 ppm.
次に、比較例１、２および３のサンプルにおいて、実施例１と同様に初期の破断強度と、８５℃／８５％ＲＨの高温高湿の環境下で１０００時間放置した後の高温高湿処理後の破断強度とを測定した。その結果、比較例１の初期の破断強度は２２Ｎであり、高温高湿処理後の破断強度は１０Ｎと大幅に低下した。また、比較例２の初期の破断強度は２９Ｎであり、高温高湿処理後の破断強度は４Ｎと大幅に低下した。さらに、比較例３の初期の破断強度は１０Ｎであり、高温高湿処理後の破断強度は２Ｎと大幅に低下した。 Next, in the samples of Comparative Examples 1, 2, and 3, high-temperature and high-humidity treatment after leaving for 1000 hours in the high-temperature and high-humidity environment of 85 ° C./85% RH in the same manner as in Example 1 The subsequent breaking strength was measured. As a result, the initial breaking strength of Comparative Example 1 was 22N, and the breaking strength after the high temperature and high humidity treatment was greatly reduced to 10N. Moreover, the initial breaking strength of Comparative Example 2 was 29N, and the breaking strength after the high temperature and high humidity treatment was greatly reduced to 4N. Furthermore, the initial breaking strength of Comparative Example 3 was 10 N, and the breaking strength after the high temperature and high humidity treatment was greatly reduced to 2 N.
本実施の形態において、高温高湿の環境下での破断強度の低下原因がアルミニウム部材と接合材との接合界面の構造にあると予想して分析を行なった。本実施の形態で得られた実施例１および比較例１〜３を、それぞれエポキシ樹脂に埋め込み、断面研磨を実施後、日本電子（株）製の電界放出型電子銃を持つ電子顕微鏡付特性Ｘ線分析装置ＪＸＡ８５００Ｆを用いて、アルミニウム部材と接合材との接合界面の断面における酸素元素の分布をマッピングした画像と二次電子像を取得し、全接合界面長に対する、厚さ５０ｎｍ以上の酸素元素の分布を示す領域の長さの総和の割合（以下、酸化率と記す）を算出した。また、このような酸化率の分析は、初期のサンプルおよび高温高湿処理後のサンプルについて行なった。 In this embodiment, the analysis was performed assuming that the cause of the decrease in fracture strength in a high-temperature and high-humidity environment lies in the structure of the bonding interface between the aluminum member and the bonding material. Example 1 and Comparative Examples 1 to 3 obtained in this embodiment were embedded in an epoxy resin, and after cross-section polishing, characteristics X with an electron microscope having a field emission electron gun manufactured by JEOL Ltd. Using a line analyzer JXA8500F, an image and a secondary electron image obtained by mapping the distribution of oxygen elements in the cross section of the bonding interface between the aluminum member and the bonding material are obtained, and the oxygen element having a thickness of 50 nm or more with respect to the total bonding interface length The ratio of the sum of the lengths of the regions showing the distribution (hereinafter referred to as the oxidation rate) was calculated. Further, such an analysis of the oxidation rate was performed on the initial sample and the sample after the high temperature and high humidity treatment.
実施例１の酸化率は、初期が５０％で高温高湿処理後が６５％であった。また、比較例１の酸化率は、初期が６５％で高温高湿処理後が８０％であった。また、比較例２の酸化率は、初期が６７％で高温高湿処理後が８５％であった。さらに、比較例３の酸化率は、初期が７５％で高温高湿処理後が９０％であった。これらのことから、接合強度低下の原因は、アルミニウム部材と接合材との接合界面に生成する酸化物層が高温高湿下で増加し、これが亀裂発生の起点となって剥離などが発生して接合強度が低下することをつきとめた。したがって、このアルミニウム部材と接合材との界面に生成する酸化物層が少なくなるようにはんだ付けを行うことが、初期接合信頼性および長期信頼性を高めることなる。 The oxidation rate of Example 1 was 50% in the initial stage and 65% after the high temperature and high humidity treatment. Moreover, the oxidation rate of Comparative Example 1 was 65% in the initial stage and 80% after the high temperature and high humidity treatment. Moreover, the oxidation rate of Comparative Example 2 was 67% in the initial stage and 85% after the high temperature and high humidity treatment. Furthermore, the oxidation rate of Comparative Example 3 was 75% in the initial stage and 90% after the high temperature and high humidity treatment. Therefore, the cause of the decrease in bonding strength is that the oxide layer generated at the bonding interface between the aluminum member and the bonding material increases under high temperature and high humidity. It was found that the bonding strength was reduced. Therefore, performing the soldering so that the oxide layer generated at the interface between the aluminum member and the bonding material is reduced increases the initial bonding reliability and the long-term reliability.
本実施の形態においては、接合前のアルミニウム部材の表面の酸素濃度を約４０００ｐｐｍとし、加熱接合時の雰囲気の酸素濃度を約５００ｐｐｍとしているので、アルミニウム部材と接合材との界面の酸化物層の生成を抑制することができ、高温多湿な環境下における長期間の使用による接合強度の低下を抑制することができる。 In the present embodiment, the oxygen concentration on the surface of the aluminum member before bonding is about 4000 ppm, and the oxygen concentration in the atmosphere at the time of heat bonding is about 500 ppm. Therefore, the oxide layer at the interface between the aluminum member and the bonding material Generation | occurrence | production can be suppressed and the fall of the joint strength by long-term use in a hot and humid environment can be suppressed.
なお、本実施の形態においては、アルミニウム部材としてＡｌ線、銅部材としてＣｕブロックを用いたが、アルミニウム部材や銅部材は、純Ａｌや純Ｃｕである必要はなく、アルミニウム部材としてＡｌ−Ｃｕ系合金やＡｌ−Ｍｇ系合金のようなＡｌを主成分とする材料、銅部材としてリン青銅や黄銅のようなＣｕを主成分とする材料を用いても、同様な効果が得られる。 In this embodiment, an Al wire is used as the aluminum member and a Cu block is used as the copper member. However, the aluminum member and the copper member do not need to be pure Al or pure Cu. Similar effects can be obtained by using a material mainly containing Al, such as an alloy or an Al-Mg alloy, and a material mainly containing Cu, such as phosphor bronze or brass, as the copper member.
実施の形態２．
実施の形態２においては、接合前のアルミニウム部材の表面の酸素濃度を変化させて金属接合体を作製し、初期のサンプルおよび高温高湿処理後のサンプルにおける破断強度と酸化率との関係を調べたものである。
Embodiment 2. FIG.
In Embodiment 2, a metal joined body is produced by changing the oxygen concentration on the surface of the aluminum member before joining, and the relationship between the breaking strength and the oxidation rate in the initial sample and the sample after the high temperature and high humidity treatment is examined. It is a thing.
本実施の形態においては、実施の形態１と同様な方法で金属接合体を作製するが、接合前のアルミニウム部材であるＡｌ線の表面の酸素濃度は、エチルアルコール洗浄後ある程度の時間放置して所定の酸素濃度になったのちに高温観察装置に投入して制御した。また、加熱接合時の雰囲気の酸素濃度は、高温観察装置に接続された窒素ボンベと酸素ボンベからの窒素と酸素との流量を調整して制御した。表１は、本実施の形態における金属接合体の特性を示したものである。なお、表１には、実施の形態１で説明した実施例１および比較例１〜３も合せて示している。 In the present embodiment, a metal joined body is manufactured by the same method as in the first embodiment, but the oxygen concentration on the surface of the Al wire, which is the aluminum member before joining, is allowed to stand for a certain period of time after washing with ethyl alcohol. After reaching a predetermined oxygen concentration, it was put into a high-temperature observation apparatus and controlled. Further, the oxygen concentration in the atmosphere at the time of heat bonding was controlled by adjusting the flow rate of nitrogen and oxygen from the nitrogen cylinder connected to the high temperature observation apparatus and the oxygen cylinder. Table 1 shows the characteristics of the metal joined body in the present embodiment. In Table 1, Example 1 and Comparative Examples 1 to 3 described in the first embodiment are also shown.
図２は、表１における実施例１、実施例３、比較例２および比較例６から、Ａｌ線表面の酸素濃度が４０００ｐｐｍの場合に、加熱接合時の酸素濃度に対する破断強度の特性図である。図１からわかるように、初期の破断強度は加熱接合時の酸素濃度が高い場合でも大きな低下はないが、高温高湿処理後の破断強度は加熱接合時の酸素濃度が１０００ｐｐｍを超えると急激に低下する。したがって、加熱接合時の酸素濃度は、１０００ｐｐｍ以下が好ましい。 FIG. 2 is a characteristic diagram of the breaking strength with respect to the oxygen concentration at the time of heat bonding when the oxygen concentration on the surface of the Al wire is 4000 ppm from Example 1, Example 3, Comparative Example 2 and Comparative Example 6 in Table 1. . As can be seen from FIG. 1, the initial breaking strength does not decrease greatly even when the oxygen concentration at the time of heat bonding is high, but the breaking strength after the high temperature and high humidity treatment increases rapidly when the oxygen concentration at the time of heat bonding exceeds 1000 ppm. descend. Therefore, the oxygen concentration at the time of heat bonding is preferably 1000 ppm or less.
図２は、表１における実施例１、実施例２、比較例１および比較例４〜５から、加熱接合時の酸素濃度が５００ｐｐｍの場合に、Ａｌ線表面の酸素濃度に対する破断強度の特性図である。図２からわかるように、初期の破断強度および高温高湿処理後の破断強度はＡｌ線表面の酸素濃度が５０００ｐｐｍを超えると急激に低下する。したがって、Ａｌ線表面の酸素濃度は、５０００ｐｐｍ以下が好ましい。 FIG. 2 is a characteristic diagram of the breaking strength with respect to the oxygen concentration on the surface of the Al wire when the oxygen concentration at the time of heat bonding is 500 ppm from Example 1, Example 2, Comparative Example 1 and Comparative Examples 4 to 5 in Table 1. It is. As can be seen from FIG. 2, the initial breaking strength and the breaking strength after the high-temperature and high-humidity treatment rapidly decrease when the oxygen concentration on the Al wire surface exceeds 5000 ppm. Therefore, the oxygen concentration on the Al wire surface is preferably 5000 ppm or less.
実施の形態３．
実施の形態１においては、はんだ材との接合時にフラックスを用いなかったが、実施の形態３においては、接合信頼性を向上させるために、フラックスを用いたものである。
Embodiment 3 FIG.
In the first embodiment, the flux is not used at the time of joining with the solder material. However, in the third embodiment, the flux is used in order to improve the joining reliability.
Ａｌ線をエチルアルコールで洗浄したのちに、Ａｌ線のはんだ材と接触する面にフラックスを塗布した。フラックスとしては、例えば日本アルミット（株）製ＴＦフラックスを用いることができる。それ以外は実施の形態１の実施例１と同様にして金属接合体を作製した。また、このようにして作製したサンプルの酸化率の測定、初期の破断強度および高温高湿処理後の破断強度の測定を、実施の形態１と同様な方法で行なった。
After the Al wire was washed with ethyl alcohol, a flux was applied to the surface of the Al wire that was in contact with the solder material. As the flux, for example, TF flux manufactured by Nippon Almit Co., Ltd. can be used. Other than that was carried out similarly to Example 1 of
本実施の形態で作製された金属接合体における初期の破断強度は３２Ｎ、高温高湿処理後の破断強度は３０Ｎ、初期の酸化率は３５％、高温高湿処理後の酸化率は５０％であった。このように、アルミニウム部材に適したフラックスを使用することにより、さらに接合信頼性を向上させることができる。 The metal bonded body produced in this embodiment has an initial breaking strength of 32 N, a breaking strength after high temperature and high humidity treatment of 30 N, an initial oxidation rate of 35%, and an oxidation rate after high temperature and high humidity treatment of 50%. there were. Thus, joint reliability can be further improved by using the flux suitable for the aluminum member.
実施の形態４．
実施の形態１においては、アルミニウム部材であるＡｌ線と銅部材であるＣｕブロックの間に接合材であるはんだ材を固体状態のペレットを挟んだ後にはんだ材を加熱溶融したが、実施の形態４においては、溶融状態のはんだ材を用いたものである。
Embodiment 4 FIG.
In the first embodiment, the solder material is heated and melted after the solid material pellets are sandwiched between the Al wire that is the aluminum member and the Cu block that is the copper member. In the method, a molten solder material is used.
まず始めに、窒素ガスを流して酸素濃度を１０００ｐｐｍ以下に調整したグローブボックス内で、はんだ溶融バスの中に入れたＳＵＳカップ内で日本アルミット（株）製のＳｎ系はんだ材Ｔ−２３５はんだを約３００ｇ溶融させ、３００℃に保っておく。次に、実施の形態１で用いたものと同様のＡｌ線の表面をカッターの刃で軽く削り、アルコールで洗浄後実施の形態１と同様にオージェ分析により表面酸素濃度が５０００ｐｐｍ以下であることを確認した。また、銅部材として、厚さが０．２ｍｍの無酸素銅板を１０ｍｍ×５０ｍｍに切り出したＣｕ板を用意する。次に、表面酸素濃度が５０００ｐｐｍ以下の表面がＣｕ板と接触するようにＡｌ線とＣｕ板とをピンセットで挟み、グローブボックス内のはんだ材の溶融物の中に２秒間浸漬させた後、溶融物から取り出してはんだ材を固化させて金属接合体を作製した。Ａｌ線とＣｕ板とをピンセットで挟んだ状態でも、Ａｌ線とＣｕ板とは完全に接合面が密着した状態とはならないので、溶融したはんだ材はＡｌ線とＣｕ板との隙間に十分浸透していくことができる。 First, Sn-type solder material T-235 solder manufactured by Nippon Almit Co., Ltd. was placed in a SUS cup placed in a solder melting bath in a glove box adjusted to 1000 ppm or less by flowing nitrogen gas. About 300 g is melted and kept at 300 ° C. Next, the surface of the Al wire similar to that used in the first embodiment is lightly shaved with a cutter blade, and after washing with alcohol, the surface oxygen concentration is 5000 ppm or less by Auger analysis as in the first embodiment. confirmed. Moreover, a Cu plate obtained by cutting an oxygen-free copper plate having a thickness of 0.2 mm into 10 mm × 50 mm is prepared as a copper member. Next, the Al wire and the Cu plate are sandwiched with tweezers so that the surface having a surface oxygen concentration of 5000 ppm or less is in contact with the Cu plate, immersed in the solder material melt in the glove box for 2 seconds, and then melted. It was taken out from the object and the solder material was solidified to produce a metal joined body. Even when the Al wire and the Cu plate are sandwiched by tweezers, the Al wire and the Cu plate are not completely in contact with each other, so the molten solder material sufficiently penetrates the gap between the Al wire and the Cu plate. Can continue.
このようにして作製したサンプルの酸化率の測定、初期の破断強度および高温高湿処理後の破断強度の測定を、実施の形態１と同様な方法で行なった。本実施の形態で作製された金属接合体における初期の破断強度は３２Ｎ、高温高湿処理後の破断強度は２８Ｎ、初期の酸化率は５３％、高温高湿処理後の酸化率は６７％であった。 The measurement of the oxidation rate, the initial breaking strength, and the breaking strength after the high-temperature and high-humidity treatment of the sample thus produced were performed in the same manner as in the first embodiment. In the metal joined body manufactured in this embodiment, the initial breaking strength is 32 N, the breaking strength after high temperature and high humidity treatment is 28 N, the initial oxidation rate is 53%, and the oxidation rate after high temperature and high humidity treatment is 67%. there were.
本実施の形態においては、Ａｌ線とＣｕ板とを所定の間隔で固定した後に、溶融したはんだ材に浸漬することにより、実施の形態１の実施例１と同様な金属接合体が得られ、高温多湿な環境下における長期間の使用による接合強度の低下を抑制することができる。 In the present embodiment, after fixing the Al wire and the Cu plate at a predetermined interval, a metal joined body similar to Example 1 of the first embodiment is obtained by immersing in a molten solder material, It is possible to suppress a decrease in bonding strength due to long-term use in a hot and humid environment.
実施の形態５．
実施の形態５は、実施の形態４において、Ａｌ線とＣｕ板とを溶融したはんだ材に浸漬させる前に、Ａｌ線とＣｕ板とを過熱する工程を加えたものである。
In the fifth embodiment, before the Al wire and the Cu plate are immersed in the molten solder material in the fourth embodiment, a step of heating the Al wire and the Cu plate is added.
本実施の形態においては、実施の形態４において、グローブボックス内に３００℃に保たれたホットプレートを用意する。Ａｌ線とＣｕ板とをそれぞれピこのホットプレートに約５秒間載置することによって加熱し、その後すぐにＡｌ線とＣｕ板とをピンセットで挟み、グローブボックス内のはんだ材の溶融物の中に２秒間浸漬させた後、溶融物から取り出してはんだ材を固化させて金属接合体を作製した。 In the present embodiment, a hot plate maintained at 300 ° C. is prepared in the glove box in the fourth embodiment. The Al wire and the Cu plate are heated by placing them on the hot plate for about 5 seconds, and immediately after that, the Al wire and the Cu plate are sandwiched with tweezers, and in the solder material melt in the glove box. After being immersed for 2 seconds, it was taken out from the melt and the solder material was solidified to produce a metal joined body.
このようにして作製したサンプルの酸化率の測定、初期の破断強度および高温高湿処理後の破断強度の測定を、実施の形態１と同様な方法で行なった。本実施の形態で作製された金属接合体における初期の破断強度は４５Ｎ、高温高湿処理後の破断強度は３８Ｎ、初期の酸化率は３５％、高温高湿処理後の酸化率は４８％であった。 The measurement of the oxidation rate, the initial breaking strength, and the breaking strength after the high-temperature and high-humidity treatment of the sample thus produced were performed in the same manner as in the first embodiment. In the metal joined body produced in this embodiment, the initial breaking strength is 45 N, the breaking strength after high temperature and high humidity treatment is 38 N, the initial oxidation rate is 35%, and the oxidation rate after high temperature and high humidity treatment is 48%. there were.
本実施の形態においては、Ａｌ線とＣｕ板と加熱したことにより、溶融したはんだ材の濡れ性が向上してはんだ材の付着量が増加した。その結果、実施の形態１の実施例１よりも破断強度が高くなり、高温多湿な環境下における長期間の使用による接合強度の低下をさらに抑制することができる。 In the present embodiment, heating with the Al wire and the Cu plate improved the wettability of the molten solder material and increased the amount of solder material deposited. As a result, the breaking strength is higher than that of Example 1 of the first embodiment, and a decrease in bonding strength due to long-term use in a high temperature and high humidity environment can be further suppressed.
実施の形態６．
実施の形態６においては、実施の形態１で得られた実施例１の金属接合体の接合部に防湿剤を塗布したものである。
Embodiment 6 FIG.
In the sixth embodiment, a moisture-proofing agent is applied to the joint portion of the metal joined body of Example 1 obtained in the first embodiment.
実施の形態１で得られた実施例１の金属接合体において、接合部を完全に被覆するように防湿剤を塗布した。防湿剤としては、例えばサンユレック（株）製ＥＣ−２００を用いることができる。
In the metal joined body of Example 1 obtained in
このように構成することにより、高温多湿な環境下における長期間の使用による接合強度の低下をさらに抑制することができる。 By comprising in this way, the fall of the joint strength by the long-term use in a hot and humid environment can further be suppressed.
なお、上述の実施の形態においては、金属接合体の接合方法を模擬的に行なうため、オージェ電子分光分析装置、高温観察装置やチャンバーなどを用いて説明したが、工業的に実施する場合のアルミニウム部材の表面の酸素濃度を５０００ｐｐｍ以下にする工程は、被覆剥離機などで被覆付Ａｌ線の被覆を剥離したのちにエチルアルコールで表面を洗浄した後にはんだ材と接触させるまでの時間を所定時間以下で行なうことでも可能である。また、加熱接合時の酸素濃度１０００ｐｐｍ以下の雰囲気に制御する方法も、加熱接合を行なうときに窒素ガスを吹き付ける方法などを採用することができ、適宜コストのかからない方法を採用することが可能である。 In the above-described embodiment, in order to simulate the joining method of the metal joined body, the Auger electron spectroscopic analysis apparatus, the high-temperature observation apparatus, the chamber, and the like have been described. The step of reducing the oxygen concentration on the surface of the member to 5000 ppm or less is a predetermined time or less after the surface of the coated Al wire is removed with a coating peeling machine and the surface is washed with ethyl alcohol and then contacted with the solder material. It is also possible to do it. Further, as a method of controlling the atmosphere with an oxygen concentration of 1000 ppm or less at the time of heat bonding, a method of blowing nitrogen gas at the time of heat bonding can be adopted, and a method that does not cost appropriately can be adopted. .
Claims (6)
当該前処理工程が施された前記銅部材の表面と前記アルミニウム部材の表面とに錫を主成分とする接合材を接触させる接触工程と、
当該接触工程の後に前記銅部材と前記アルミニウム部材と接合材とを酸素濃度１０００ｐｐｍ以下の雰囲気において前記接合材の融点以上で前記アルミニウム部材の融点以下の温度で加熱する加熱工程と、
当該加熱工程の後に前記接合材を冷却固化させる固化工程と
を含んだことを特徴とする金属接合体の製造方法。 A pretreatment step in which the oxygen concentration between the surface of the copper member containing copper as a main component and the surface of the aluminum member containing aluminum as a main component is 5000 ppm or less;
A contact step in which a bonding material mainly composed of tin is brought into contact with the surface of the copper member and the surface of the aluminum member subjected to the pretreatment step;
A heating step of heating the copper member, the aluminum member, and the bonding material after the contact step at a temperature not lower than the melting point of the bonding member and not higher than the melting point of the aluminum member in an atmosphere having an oxygen concentration of 1000 ppm or less;
And a solidifying step of cooling and solidifying the bonding material after the heating step.
当該前処理工程が施された前記銅部材の表面と前記アルミニウム部材の表面とを所定の間隔で固定する固定工程と、
当該当該工程で固定された前記銅部材と前記アルミニウム部材とを酸素濃度１０００ｐｐｍ以下の雰囲気において錫を主成分とする接合材の融点以上で前記アルミニウム部材の融点以下の温度に溶融された前記接合材に浸漬させる浸漬工程と、
当該浸漬工程の後に前記銅部材の表面と前記アルミニウム部材の表面との間の前記接合材を冷却固化させる固化工程と
を含んだことを特徴とする金属接合体の製造方法。 A pretreatment step in which the oxygen concentration between the surface of the copper member containing copper as a main component and the surface of the aluminum member containing aluminum as a main component is 5000 ppm or less;
A fixing step of fixing the surface of the copper member subjected to the pretreatment step and the surface of the aluminum member at a predetermined interval;
The bonding material in which the copper member and the aluminum member fixed in the step are melted to a temperature not lower than the melting point of the bonding material mainly composed of tin and not higher than the melting point of the aluminum member in an atmosphere having an oxygen concentration of 1000 ppm or less. Dipping process to immerse in,
A method for producing a metal joined body comprising a solidifying step of cooling and solidifying the bonding material between the surface of the copper member and the surface of the aluminum member after the dipping step.
この銅部材に銅と錫との拡散層を介して接合された錫を主成分とする接合材と、
この接合材にアルミニウムと錫との拡散層を介して接合されたアルミニウムを主成分とするアルミニウム部材と
を備えた金属接合体において、
前記アルミニウムと錫との拡散層の任意の断面接合界面における厚さ５０ｎｍ以上のアルミニウム酸化物の存在する接合界面長の総和が、前記断面接合界面の全接合界面長の６０％以下であることを特徴とする金属接合体。 A copper member mainly composed of copper;
A bonding material mainly composed of tin bonded to the copper member via a diffusion layer of copper and tin;
In a metal joined body comprising an aluminum member mainly composed of aluminum joined to the joining material via a diffusion layer of aluminum and tin,
The total sum of the junction interface lengths of the aluminum oxide having a thickness of 50 nm or more at the arbitrary cross-section junction interface of the diffusion layer of aluminum and tin is 60% or less of the total junction interface length of the cross-section junction interface. Characteristic metal joint.
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| JP2016518897A (en) * | 2013-04-05 | 2016-06-30 | コーニンクレッカ フィリップス エヌ ヴェＫｏｎｉｎｋｌｉｊｋｅ Ｐｈｉｌｉｐｓ Ｎ．Ｖ． | Gradient coil assembly with an outer coil comprising aluminum |
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