JP2011105982A - Aluminum alloy and method for producing the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、アルミニウム合金およびその製造方法に関する。特に、本発明は圧延加工性に優れたアルミニウム合金およびその製造方法に関する。該アルミニウム合金は、半導体モジュールの配線などの構成部材として好適に使用されうる。 The present invention relates to an aluminum alloy and a method for producing the same. In particular, the present invention relates to an aluminum alloy excellent in rolling workability and a method for producing the same. The aluminum alloy can be suitably used as a constituent member for wiring of a semiconductor module.
ヤング率を低減した金属を含む応力緩衝材料は、負荷応力に対して大きな弾性変位を与えることができ、種々の用途に用いられている。例えば、ばね材料として用いた場合は、スプリングの巻き数を低減できるため、ばねを小型化することができる。また、そのしなやかな特性から、眼鏡に使用した場合は、使用感を向上させることができる。さらに、ゴルフクラブの材料として用いると、飛距離を向上させることができる。この他にも、ロボット、人工骨補助材などの製品に好適に使用されうる。 A stress buffer material containing a metal having a reduced Young's modulus can give a large elastic displacement to a load stress, and is used in various applications. For example, when used as a spring material, the number of turns of the spring can be reduced, so that the spring can be reduced in size. In addition, due to its supple characteristics, when used in eyeglasses, the feeling of use can be improved. Furthermore, when used as a material for a golf club, the flight distance can be improved. In addition, it can be suitably used for products such as robots and artificial bone auxiliary materials.
このような低ヤング率を有する応力緩衝材料としては、例えば、チタン系合金、Ni−Ti形状記憶合金、およびマグネシウムなどが知られている。しかしながら、上記チタン系合金およびNi−Ti形状記憶合金は、いずれもチタンをベースとしているため、高コストであるという問題点を有していた。また、マグネシウム(純金属)はヤング率が40GPa台と低いが、強度、耐熱性、耐食性、または耐久性が低く、用途が限定されるという問題点を有していた。 As stress buffer materials having such a low Young's modulus, for example, titanium alloys, Ni—Ti shape memory alloys, magnesium, and the like are known. However, since both the titanium-based alloy and the Ni—Ti shape memory alloy are based on titanium, they have a problem of high cost. Magnesium (pure metal) has a low Young's modulus on the order of 40 GPa, but has a problem that its strength, heat resistance, corrosion resistance, or durability is low and its use is limited.
そこで、近年、金属のうちでも比較的低コストであるアルミニウムをベースとしたアルミニウム合金を応力緩衝材料として用いる技術が開発されている。例えば、特許文献1では、純アルミニウムまたはアルミニウム合金をマトリックスとし、これに強化材料として5〜80体積%の炭素成分を複合化させる、低弾性率アルミニウム基複合材料の製造方法が開示されている。そして、該製造方法によって製造された低弾性率アルミニウム複合材料は、強度、熱伝導性、振動吸収性能、耐熱性、耐摩耗性などに優れる、としている。 Thus, in recent years, a technique has been developed in which an aluminum alloy based on aluminum, which is a relatively low cost among metals, is used as a stress buffer material. For example, Patent Document 1 discloses a method for producing a low elastic modulus aluminum-based composite material in which pure aluminum or an aluminum alloy is used as a matrix and 5 to 80% by volume of a carbon component is composited as a reinforcing material. The low elastic modulus aluminum composite material manufactured by the manufacturing method is excellent in strength, thermal conductivity, vibration absorption performance, heat resistance, wear resistance, and the like.
しかしながら、特許文献1に記載のアルミニウム合金は、圧延加工性が低く、1mm以下の厚さに圧延しようとすると割れが生じてしまい、箔状に加工することができないという問題点を有していた。アルミニウム合金を箔状に加工することが可能であれば、例えば、半導体モジュールの配線などの構成部材、メタルシール、板ばね材料などに使用することが可能となるため、応力緩衝材料としてのアルミニウム合金の適用範囲を格段に広げることができる。 However, the aluminum alloy described in Patent Document 1 has a problem that rolling workability is low and cracking occurs when it is rolled to a thickness of 1 mm or less, and it cannot be processed into a foil shape. . If the aluminum alloy can be processed into a foil shape, for example, it can be used for components such as wiring of semiconductor modules, metal seals, leaf spring materials, etc., so an aluminum alloy as a stress buffer material Can be greatly expanded.
そこで、本発明は、低ヤング率を有しながら圧延加工性に優れたアルミニウム合金を提供することを目的とする。 Then, an object of this invention is to provide the aluminum alloy excellent in rolling workability, having a low Young's modulus.
本発明は、Al相と、Al4Ca相とを含むアルミニウム合金であって、該Al4Ca相がAl4Ca晶出物を含み、該Al4Ca晶出物の長辺の平均値が50μm以下である。 The present invention relates to an aluminum alloy containing an Al phase, and Al 4 Ca phase, the Al 4 Ca phase comprises Al 4 Ca crystallizate, the average value of the long sides of the Al 4 Ca crystallizate 50 μm or less.
本発明によると、マトリックス中におけるAl4Ca晶出物の転位を伴う移動が容易となるので、アルミニウム合金の圧延加工性を顕著に向上させることができる。 According to the present invention, it becomes easy to move the Al 4 Ca crystallized substance in the matrix with dislocations, so that the rolling workability of the aluminum alloy can be remarkably improved.
以下、本発明の好ましい形態について説明する。本形態は、Al相と、Al4Ca相とを含むアルミニウム合金に関する。該アルミニウム合金は、Al4Ca相がAl4Ca晶出物を含み、該Al4Ca晶出物の長辺の平均値が、50μm以下であることを特徴とする。 Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described. The present embodiment relates to an aluminum alloy including an Al phase and an Al 4 Ca phase. The aluminum alloy, Al 4 comprises Ca phase of Al 4 Ca crystallizate, the average value of the long sides of the Al 4 Ca crystallized substances, characterized in that at 50μm or less.
以下、添付した図面を参照しながら、本発明の実施形態を説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。また、図面の寸法比率は、説明の都合上誇張されており、実際の比率とは異なる場合がある。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. In the description of the drawings, the same elements are denoted by the same reference numerals, and redundant description is omitted. In addition, the dimensional ratios in the drawings are exaggerated for convenience of explanation, and may be different from the actual ratios.
<アルミニウム合金>
図1は、本発明の一実施形態に係るアルミニウム合金の組織を模式的に表した図である。図1のような組織は、アルミニウム合金の断面を、光学顕微鏡を用いて観察することによって確認できる。図1のアルミニウム合金1は、Al相2と、AlとCaとが複合化したAl4Ca相(3a、3b)とを含む。Al4Ca相(3a、3b)のうち、Al4Ca相3aは、アルミニウム合金の溶湯を冷却する過程において、最初に晶出するAl4Caの初晶である(以下、「Al4Ca晶出物3a」とも称する)。図1に示すように、Al4Ca晶出物3aは針状の形態を有し、アルミニウム合金1中に均一(ランダム)に分散している。Al4Ca晶出物3aが晶出した後に、該アルミニウム合金の溶湯をさらに冷却すると、溶湯中のAl成分とCa成分とが共晶反応によって凝固し、Al相2とAl4Ca相3bとを含む共晶組織4を形成する。共晶組織4中のAl相2とAl4Ca相3bは、密に混合して存在し、アルミニウム合金1のマトリックスとして機能する。
<Aluminum alloy>
FIG. 1 is a diagram schematically showing the structure of an aluminum alloy according to an embodiment of the present invention. The structure as shown in FIG. 1 can be confirmed by observing the cross section of the aluminum alloy using an optical microscope. An aluminum alloy 1 in FIG. 1 includes an Al phase 2 and an Al 4 Ca phase (3a, 3b) in which Al and Ca are combined. Among the Al 4 Ca phases (3a, 3b), the Al 4 Ca phase 3a is an Al 4 Ca primary crystal that crystallizes first in the process of cooling the molten aluminum alloy (hereinafter referred to as “Al 4 Ca crystals”). Also referred to as “product 3a”). As shown in FIG. 1, the Al 4 Ca crystallized product 3 a has a needle-like form and is uniformly (randomly) dispersed in the aluminum alloy 1. When the molten aluminum alloy is further cooled after the Al 4 Ca crystallized product 3a is crystallized, the Al component and the Ca component in the molten metal are solidified by a eutectic reaction, and the Al phase 2 and the Al 4 Ca phase 3b The eutectic structure 4 containing is formed. The Al phase 2 and the Al 4 Ca phase 3 b in the eutectic structure 4 exist in close mixing and function as a matrix of the aluminum alloy 1.
なお、本形態のアルミニウム合金は、アルミニウム合金の溶湯を鋳造することによって得られうるインゴット状のアルミニウム合金である。従来のアルミニウム合金は伸びが著しく小さいために、圧延によって1mm以下の箔に成形することが不可能であった。これに対して、本発明は、インゴット状のアルミニウム合金の伸びを著しく向上させたものであり、鍛造、圧延等の種々の成形加工工程によって、板状、箔状、棒状、線状など所望の形状に成形することを可能としたものである。以下、本形態のアルミニウム合金について詳細に説明する。 The aluminum alloy of this embodiment is an ingot-like aluminum alloy that can be obtained by casting a molten aluminum alloy. Since the conventional aluminum alloy has a remarkably small elongation, it has been impossible to form into a foil of 1 mm or less by rolling. On the other hand, the present invention remarkably improves the elongation of the ingot-shaped aluminum alloy, and a desired shape such as a plate shape, a foil shape, a rod shape, or a linear shape by various forming processes such as forging and rolling. It can be formed into a shape. Hereinafter, the aluminum alloy of this embodiment will be described in detail.
[Al相]
本形態のアルミニウム合金において、Al相は合金のマトリックスとして機能する。また、Al相は、アルミニウム合金の軽量性、熱伝導性、電気伝導性、延性を向上させる役割を有する。
[Al phase]
In the aluminum alloy of this embodiment, the Al phase functions as an alloy matrix. The Al phase has a role of improving the lightness, thermal conductivity, electrical conductivity, and ductility of the aluminum alloy.
[Al4Ca相]
Al4Ca相は、アルミニウム合金に含まれるAl成分とCa成分とが複合化してなる成分であり、合金の強度を向上させる役割を有する。Al4Ca相は、Al4Ca晶出物(図1に示す符号3a)として存在する他、Al相と密に混合した共晶組織(図1に示す符号3b)の形態で合金のマトリックスを形成しうる。なお、Al4Ca晶出物と共晶組織に含まれるAl4Ca相は、Al4Ca成分を含む点では共通するが、形状、形成過程、合金の機械的特性に及ぼす役割が異なることから当該分野ではこれらを区別して取り扱う。
[Al 4 Ca phase]
The Al 4 Ca phase is a component formed by combining an Al component and a Ca component contained in an aluminum alloy, and has a role of improving the strength of the alloy. The Al 4 Ca phase exists as an Al 4 Ca crystallized product (reference numeral 3a shown in FIG. 1), and also forms an alloy matrix in the form of a eutectic structure (reference numeral 3b shown in FIG. 1) intimately mixed with the Al phase. Can form. The Al 4 Ca phase contained in the eutectic structure and the Al 4 Ca crystallized product are common in that they contain the Al 4 Ca component, but have different roles on the shape, formation process, and mechanical properties of the alloy. In this field, these are distinguished.
(Al4Ca晶出物)
Al4Ca晶出物は、AlおよびCaが含まれるアルミニウム合金の溶湯を冷却する過程において、最初に晶出するAl4Caの初晶であり、長辺の長さが5μm以上であるものをいう。Al4Ca晶出物は、アルミニウム合金の強度を向上させるとともに、合金の延性に寄与する。なお、本明細書において「Al4Ca晶出物の長辺」とは、図2の11に示すように、Al4Ca晶出物の外延を最小面積の長方形で囲んだ際の、該長方形の長辺を意味する。
(Al 4 Ca crystallized product)
The Al 4 Ca crystallized product is an Al 4 Ca primary crystal that crystallizes first in the process of cooling the molten aluminum alloy containing Al and Ca, and has a long side length of 5 μm or more. Say. The Al 4 Ca crystallized matter improves the strength of the aluminum alloy and contributes to the ductility of the alloy. In the present specification, the “long side of the Al 4 Ca crystallized product” means the rectangle when the outer extension of the Al 4 Ca crystallized product is surrounded by a rectangle having the minimum area, as indicated by 11 in FIG. Means the long side of
Al4Ca晶出物は、図1に示すように針状の形態を有する。本形態のアルミニウム合金においては、Al4Ca晶出物の長辺の平均値は50μm以下であり、好ましくは30μm以下であり、さらに好ましくは20μm以下である。Al4Ca晶出物の長辺が50μmを超えると、Al4Ca晶出物の転位を伴う移動が困難となるために、アルミニウム合金の伸びが小さくなり、圧延加工性が低下する虞がある。よって、より好ましい形態としては、Al4Ca晶出物のうち、長辺が10μm以下であるAl4Ca晶出物の数の割合が、Al4Ca晶出物の総数に対して80%以上であり、さらに好ましくは90%以上であり、特に好ましくは95%以上である。なお、「Al4Ca晶出物の長辺の平均値」は、アルミニウム合金の断面を光学顕微鏡で観察した際に、0.1mm×0.1mmの領域に存在するAl4Ca晶出物の長辺の総計をAl4Ca晶出物の数で除すことによって求められる。「Al4Ca晶出物のうち、長辺が10μm以下であるAl4Ca晶出物の数の割合」は、アルミニウム合金の断面を光学顕微鏡で観察した際に、0.1mm×0.1mmの領域に存在するAl4Ca晶出物の総数に対する、長辺が10μm以下であるAl4Ca晶出物の数の割合を算出することによって求められる。 The Al 4 Ca crystallized product has a needle-like form as shown in FIG. In the aluminum alloy of this embodiment, the average value of the long side of the Al 4 Ca crystallized product is 50 μm or less, preferably 30 μm or less, and more preferably 20 μm or less. When the long side of the Al 4 Ca crystallized product exceeds 50 μm, it becomes difficult to move the Al 4 Ca crystallized product with dislocations, so that the elongation of the aluminum alloy becomes small and the rolling processability may be reduced. . Therefore, a more preferred form, of the Al 4 Ca crystallizate, the ratio of the number of Al 4 Ca crystallizate long side is 10μm or less, be more than 80% relative to the total number of Al 4 Ca crystallizate More preferably, it is 90% or more, and particularly preferably 95% or more. The “average value of the long side of the Al 4 Ca crystallized product” refers to the Al 4 Ca crystallized product existing in the region of 0.1 mm × 0.1 mm when the cross section of the aluminum alloy is observed with an optical microscope. It is determined by dividing the total long side by the number of Al 4 Ca crystals. “The ratio of the number of Al 4 Ca crystallized substances having a long side of 10 μm or less among the Al 4 Ca crystallized substances” is an area of 0.1 mm × 0.1 mm when the cross section of the aluminum alloy is observed with an optical microscope. to the total number of Al 4 Ca crystallized substances present in the long side is determined by calculating the ratio of the number of Al 4 Ca crystallizate is 10μm or less.
また、本形態のアルミニウム合金において、Al4Ca晶出物の平均アスペクト比は10以下であることが好ましく、5以下であることがより好ましい。平均アスペクト比がこのような範囲にあることにより、鍛造、圧延などの成形加工工程においてAl4Ca晶出物の転位を伴う移動がしやすくなる。また、該成形加工工程において、Al4Ca晶出物が微細化されやすくなる。よって、アルミニウム合金の伸びが増し、圧延加工性が一層向上する。なお、本明細書において、「アスペクト比」とは、Al4Ca晶出物の長辺の長さを短辺の長さで割った値を意味する。「Al4Ca晶出物の短辺」とは、図2の13に示すようにAl4Ca晶出物の長辺11に対して垂直なAl4Ca晶出物の最大幅を意味する。「Al4Ca晶出物の平均アスペクト比」は、アルミニウム合金の断面を光学顕微鏡で観察した際に、0.1mm×0.1mmの領域に存在するAl4Ca晶出物のアスペクト比の平均値を算出することによって求められる。 Moreover, in the aluminum alloy of this embodiment, the average aspect ratio of the Al 4 Ca crystallized product is preferably 10 or less, and more preferably 5 or less. When the average aspect ratio is in such a range, the Al 4 Ca crystallized product can easily move with dislocations in the forming process such as forging and rolling. Further, in the molding process, the Al 4 Ca crystallized product is easily refined. Therefore, the elongation of the aluminum alloy is increased and the rolling processability is further improved. In the present specification, the “aspect ratio” means a value obtained by dividing the length of the long side of the Al 4 Ca crystallized product by the length of the short side. The "short sides of the Al 4 Ca crystallizate" means the maximum width of the vertical Al 4 Ca crystallizate against Al 4 Ca crystallized products of the long sides 11, as shown in 13 of FIG. “Average aspect ratio of Al 4 Ca crystallized product” is the average of the aspect ratio of Al 4 Ca crystallized product existing in a region of 0.1 mm × 0.1 mm when the cross section of the aluminum alloy is observed with an optical microscope. It is obtained by calculating the value.
本形態のアルミニウム合金は、Alを主成分としたAl基合金であって、Caが含有されてなる。アルミニウム合金におけるCaの含有量は、5〜12原子%であることが好ましく、6〜12原子%であることがより好ましく、6〜9原子%であることがさらに好ましい。Caの含有量が5原子%以上であると、アルミニウム合金におけるAl4Ca晶出物の体積分率が大きくなり、ヤング率を十分に低減することができる。一方、Caの含有量が12原子%以下であると、Al4Ca晶出物同士がマトリックスを介して分断された状態で分散されるので、伸びが増し、優れた圧延加工性を発揮することができる。また、本形態のアルミニウム合金は、本発明の効果を著しく阻害しない範囲において、Ca以外の他の元素(以下「第3の元素」とも称する)を含んでもよい。第3の元素としては、例えば、Mg、Sr、Baなどの第2族元素、Mn、Cu、Fe、Ti、Cr、Zrなどの第4〜11族元素(遷移金属元素)、Zrなどの第12族元素(亜鉛族元素)、Siなどの第14族元素、Pなどの第15族元素などが挙げられる。これらの元素は1種のみを含有してもよいし、2種以上を組み合わせて含有してもよい。なお、本形態のアルミニウム合金は、これ以外にも不可避不純物を含有しうる。 The aluminum alloy of this embodiment is an Al-based alloy containing Al as a main component and contains Ca. The Ca content in the aluminum alloy is preferably 5 to 12 atomic%, more preferably 6 to 12 atomic%, and further preferably 6 to 9 atomic%. When the Ca content is 5 atomic% or more, the volume fraction of Al 4 Ca crystallized material in the aluminum alloy is increased, and the Young's modulus can be sufficiently reduced. On the other hand, when the content of Ca is 12 atomic% or less, Al 4 Ca crystallized substances are dispersed in a state of being separated from each other through the matrix, so that elongation is increased and excellent rolling workability is exhibited. Can do. In addition, the aluminum alloy of the present embodiment may contain an element other than Ca (hereinafter also referred to as “third element”) as long as the effects of the present invention are not significantly impaired. Examples of the third element include Group 2 elements such as Mg, Sr, and Ba, Group 4 to 11 elements (transition metal elements) such as Mn, Cu, Fe, Ti, Cr, and Zr, and Zr. Examples include Group 12 elements (zinc group elements), Group 14 elements such as Si, Group 15 elements such as P, and the like. These elements may contain only 1 type and may contain it in combination of 2 or more type. In addition, the aluminum alloy of this form can contain an unavoidable impurity other than this.
本形態のアルミニウム合金は、上述のようにAl4Ca晶出物が所定の形状を有することにより、従来のアルミニウム合金と比較して伸びに優れる。本形態のアルミニウム合金の伸び率は、室温における破断伸びが0.5%以上であることが好ましく、2%以上であることがより好ましい。このような伸び率を有することにより、優れた圧延加工性を発揮することができ、厚さ1mm以下の箔を容易に製造することができる。なお、本明細書におけるアルミニウム合金の伸び率は、後述の実施例で用いる方法により測定された値を採用する。 As described above, the aluminum alloy of this embodiment is excellent in elongation as compared with a conventional aluminum alloy because the Al 4 Ca crystallized product has a predetermined shape. The elongation at break of the aluminum alloy of this embodiment is preferably 0.5% or more, more preferably 2% or more, at room temperature. By having such an elongation rate, excellent rolling processability can be exhibited, and a foil having a thickness of 1 mm or less can be easily produced. In addition, the value measured by the method used in the below-mentioned Example is employ | adopted for the elongation rate of the aluminum alloy in this specification.
<アルミニウム合金の製造方法>
上述の本形態のアルミニウム合金は、以下の製造方法によって製造されうる。すなわち、本形態のアルミニウム合金の製造方法は、AlおよびCaを含む金属を溶融する溶融工程(A)と、得られた溶融物を冷却する冷却工程(B)と、を含む。そして、冷却工程(B)において、溶融物が液相線以上の温度を有するときに、溶融物に超音波を付与してAl4Ca晶出物を晶出させることを特徴とする。以下、該製造方法の好ましい形態について説明する。
<Method for producing aluminum alloy>
The aluminum alloy of the present embodiment described above can be manufactured by the following manufacturing method. That is, the aluminum alloy manufacturing method of this embodiment includes a melting step (A) for melting a metal containing Al and Ca, and a cooling step (B) for cooling the obtained melt. Then, in the cooling step (B), melt when having a temperature above the liquidus, it is characterized by crystallizing the Al 4 Ca crystallized products to impart ultrasonic waves to the melt. Hereinafter, the preferable form of this manufacturing method is demonstrated.
まず、溶融工程(A)において、AlおよびCaを含む金属を溶融する。AlおよびCaを含む金属は、予め調製したAlおよびCaを含む合金であってもよいし、Al純金属に対してCa純金属を所望の組成となるように添加した金属組成物であってもよい。また、溶融方法も特に制限はなく、従来公知の方法を適宜採用することができる。一例を挙げると、上記AlおよびCaを含む金属を坩堝に入れ、大気中またはArなどの不活性ガス雰囲気下、大気圧条件下で、溶解炉において700〜1000℃の温度に昇温させる。溶解炉としては、電気炉、高周波溶解炉などが使用されうる。 First, in the melting step (A), a metal containing Al and Ca is melted. The metal containing Al and Ca may be an alloy containing Al and Ca prepared in advance, or a metal composition in which pure Ca metal is added to Al pure metal so as to have a desired composition. Good. Also, the melting method is not particularly limited, and a conventionally known method can be appropriately employed. As an example, the metal containing Al and Ca is put in a crucible and heated to a temperature of 700 to 1000 ° C. in a melting furnace under atmospheric pressure or an inert gas atmosphere such as Ar. As the melting furnace, an electric furnace, a high-frequency melting furnace, or the like can be used.
次に、冷却工程(B)において、上記溶融工程(A)で得られた溶融物を冷却する。該工程では、溶融物が液相線以上の温度を有するときに、溶融物に超音波を付与してAl4Ca晶出物を析出させることを特徴とする。ここで、本形態の製造方法を説明するために、Al−Ca合金のAl側の二次元状態図(図3)について説明する。図3に示すように、一般的なAl−Ca合金は、液相線l以上の液相領域(符号L)において、液状の溶融物として存在する。溶融物が冷却されて液相線lの温度に達すると、Al4Ca晶出物が析出し始める。Al4Ca晶出物が析出することによって、溶融物中のCa含有量は減少するので、Al4Ca晶出物の析出が始まると、溶融物の温度が共晶点pまで冷却される間はAl4Ca晶出物が晶出し続ける。さらに冷却が進み、溶融物の温度が共晶点p未満になると、溶融物中に残存するCa成分は、共晶反応により凝固し、共晶組織中に含まれるAl4Ca相としてAl相とともに析出する。例えば、Ca含有量が7原子%であるアルミニウム合金の溶融物を1000℃から徐々に冷却していくと、図3中の矢印で示す経路をたどる。矢印の(I)の段階ではアルミニウム合金は溶融物として存在し、(II)の段階で溶融物中においてAl4Ca晶出物が晶出し、(III)の段階で共晶組織の凝固が起こる。 Next, in the cooling step (B), the melt obtained in the melting step (A) is cooled. In this step, when the melt has a temperature equal to or higher than the liquidus, an ultrasonic wave is applied to the melt to precipitate an Al 4 Ca crystallized product. Here, in order to describe the manufacturing method of this embodiment, a two-dimensional state diagram (FIG. 3) on the Al side of the Al—Ca alloy will be described. As shown in FIG. 3, a general Al—Ca alloy exists as a liquid melt in a liquid phase region (reference symbol L) above the liquidus line 1. When the melt is cooled and reaches the temperature of the liquidus 1, Al 4 Ca crystallized material begins to precipitate. By Al 4 Ca crystallizate is precipitated, so decreases Ca content in the melt, the Al 4 Ca crystallizate precipitation starts, while the temperature of the melt is cooled to a eutectic point p Continues to crystallize Al 4 Ca crystals. When the cooling further proceeds and the temperature of the melt becomes less than the eutectic point p, the Ca component remaining in the melt is solidified by the eutectic reaction and together with the Al phase as the Al 4 Ca phase contained in the eutectic structure. Precipitate. For example, when a molten aluminum alloy having a Ca content of 7 atomic% is gradually cooled from 1000 ° C., the path indicated by the arrow in FIG. 3 is followed. In the stage (I) of the arrow, the aluminum alloy exists as a melt. In the stage (II), an Al 4 Ca crystallized crystallizes in the melt, and in the stage (III) solidification of the eutectic structure occurs. .
本形態の製造方法では、溶融物が液相線以上の温度を有するときに、溶融物に超音波を付与する。すなわち、通常であれば液相線以上の温度ではAl4Ca晶出物の晶出が起こらないところ、超音波を付与してエネルギーを溶融物に与えることによって、Al4Ca晶出物の核(溶湯表面やホーン表面などで、局所的に晶出したAl4Ca晶出物が超音波で分断された自己核や、微量に混在するMgOやAl2O3などの異質核)を人為的に形成するのである。これにより、通常の冷却によって形成されるよりもAl4Ca晶出物の核を多数作り出すことができる。この結果、Al4Ca晶出物一つ一つの結晶サイズが小さくなり、上述のような所望のAl4Ca晶出物を含むアルミニウム合金を製造することができるのである。 In the manufacturing method of the present embodiment, ultrasonic waves are applied to the melt when the melt has a temperature equal to or higher than the liquidus. That is, normally, Al 4 Ca crystallized material does not crystallize at a temperature higher than the liquidus, but by applying ultrasonic waves to the melt, energy is imparted to the core of the Al 4 Ca crystallized material. (Self nuclei in which Al 4 Ca crystallized crystals crystallized locally on the molten metal surface or horn surface, etc., or heterogeneous nuclei such as MgO and Al 2 O 3 mixed in a trace amount) Is formed. Thereby, many nuclei of Al 4 Ca crystallized products can be produced rather than formed by ordinary cooling. As a result, Al 4 Ca crystallizate one single crystal size is reduced, it is possible to produce an aluminum alloy containing a desired Al 4 Ca crystallized substances as described above.
溶融物に超音波を付与する方法は特に制限はないが、一例を挙げると図4に示すような超音波ホーンを用いて、溶融物に直接付与する形態であることが好ましい。また、付与する超音波の条件は、アルミニウム合金の量や溶融物の温度によって当業者が適宜設定することが可能である。通常は、周波数20〜22kHz、出力0.3〜3kW、全振幅約20μmで、大気雰囲気下またはArなどの不活性雰囲気下で付与される。 The method for applying ultrasonic waves to the melt is not particularly limited. However, for example, it is preferable that the ultrasonic wave is directly applied to the melt using an ultrasonic horn as shown in FIG. Further, the conditions of ultrasonic waves to be applied can be appropriately set by those skilled in the art depending on the amount of the aluminum alloy and the temperature of the melt. Usually, it is applied in an air atmosphere or an inert atmosphere such as Ar at a frequency of 20 to 22 kHz, an output of 0.3 to 3 kW, and a total amplitude of about 20 μm.
超音波を付与する際の溶融物の温度は、液相線以上の温度であることが必須であるが、好ましくは液相線から0〜+120℃の温度範囲であり、より好ましくは液相線から0〜+100℃の温度範囲であり、さらに好ましくは液相線から0〜+70℃の温度範囲であり、特に好ましくは液相線から0〜+50℃の温度範囲である。このような温度範囲において超音波を付与することにより、Al4Ca晶出物の核を多数晶出することができる。 The temperature of the melt when applying ultrasonic waves is essential to be a temperature equal to or higher than the liquidus, but is preferably in the temperature range of 0 to + 120 ° C. from the liquidus, more preferably the liquidus. The temperature range is from 0 to + 100 ° C., more preferably from 0 to + 70 ° C. from the liquidus, and particularly preferably from 0 to + 50 ° C. from the liquidus. By applying ultrasonic waves in such a temperature range, a large number of nuclei of Al 4 Ca crystallized products can be crystallized.
超音波の付与回数は、特に制限はないが、好ましくは上記の温度範囲で連続的に照射する。付与時間も特に制限はないが、好ましくは1〜90秒、より好ましくは1〜30秒である。 The number of times of applying ultrasonic waves is not particularly limited, but it is preferably irradiated continuously in the above temperature range. The application time is not particularly limited, but is preferably 1 to 90 seconds, and more preferably 1 to 30 seconds.
溶融物に超音波を付与してAl4Ca晶出物を晶出させた後、Al4Ca晶出物を含む溶融物をさらに冷却してAl4Ca晶出物の結晶を成長させ、さらに冷却することにより残存する溶融物を凝固させて共晶組織を形成させる。冷却方法は、特に制限はないが、晶出したAl4Ca晶出物の核が再び溶融しないように冷却速度を1℃/秒以上とすることが好ましい。より好ましい形態としては、超音波付与後に直ちに溶融物を鋳型に流し込んで急冷させる方法を用いる。このような方法を用いて急冷することにより、晶出したAl4Ca晶出物の核を再び溶解させずに、所望のAl4Ca晶出物形状を作り出すことができる。 After the melt by applying ultrasonic crystallized the Al 4 Ca crystallized products, and further cooling the melt comprising Al 4 Ca crystallizate grown Al 4 Ca of crystallized substance crystals, further By cooling, the remaining melt is solidified to form a eutectic structure. The cooling method is not particularly limited, but the cooling rate is preferably 1 ° C./second or more so that the nuclei of the crystallized Al 4 Ca crystals are not melted again. As a more preferred form, a method is used in which the melt is poured into a mold immediately after application of ultrasonic waves and rapidly cooled. By rapidly cooling using such a method, a desired Al 4 Ca crystallized shape can be created without dissolving the crystallized Al 4 Ca crystallized nuclei again.
<アルミニウム合金箔>
本形態のアルミニウム合金は、上述のように伸びに優れるため、従来不可能であった1mm以下の厚さまで圧延することができる。すなわち、本発明によると、上記アルミニウム合金を圧延してなる、厚さが30〜80μmのアルミニウム合金箔が提供される。アルミニウム合金箔の厚さは、30〜800μmが必須であるが、好ましくは50〜500μmであり、より好ましくは100〜200μmである。
<Aluminum alloy foil>
Since the aluminum alloy of this embodiment is excellent in elongation as described above, it can be rolled to a thickness of 1 mm or less, which has been impossible in the past. That is, according to the present invention, there is provided an aluminum alloy foil having a thickness of 30 to 80 μm formed by rolling the aluminum alloy. As for the thickness of aluminum alloy foil, although 30-800 micrometers is essential, Preferably it is 50-500 micrometers, More preferably, it is 100-200 micrometers.
また、本形態のアルミニウム合金箔は、上述のアルミニウム合金に含まれるAl4Ca晶出物が圧延により分断され、一つ一つのAl4Ca晶出物分断物がマトリックスを介して分断される。一実施形態によると、後述の実施例1の図7で示すように、圧延によりアルミニウム合金において針状の形態を有していたAl4Ca晶出物のうちの80%が長辺10〜50μm、アスペクト比15以下にまで分断されている。さらに、図7によると、長辺が10〜50μmである分断されたAl4Ca晶出物の面積率が、アルミニウム合金箔の組織の全面積に対して5〜15%の範囲となっている。このような組織構造を有することにより、表面で起こった腐食がアルミニウム合金箔の深部にまで達しにくくなり、優れた耐食性を発揮することができる。 Further, the aluminum alloy foil of the present embodiment, Al 4 Ca crystallizate contained in the above-described aluminum alloy is divided by rolling, every one of Al 4 Ca crystallizate divided material is cut through the matrix. According to one embodiment, as shown in FIG. 7 of Example 1 to be described later, 80% of the Al 4 Ca crystallized product having an acicular shape in the aluminum alloy by rolling is 10 to 50 μm on the long side. The aspect ratio is divided to 15 or less. Furthermore, according to FIG. 7, the area ratio of the divided Al 4 Ca crystallized material having a long side of 10 to 50 μm is in the range of 5 to 15% with respect to the total area of the structure of the aluminum alloy foil. . By having such a structure, it is difficult for the corrosion occurring on the surface to reach the deep part of the aluminum alloy foil, and excellent corrosion resistance can be exhibited.
本形態のアルミニウム合金箔は、Al4Ca相の特性により、低弾性特性、広弾性特性を有し、さらに線膨張係数が低いという特性を有する。特に、アルミニウム合金におけるCaの含有量が5〜12原子%であると、上記特性がより一層顕著なものとなりうる。好ましくは、アルミニウム合金箔のヤング率が100GPa以下であり、降伏応力(0.2%耐力)が70MPa以上と大きい。このようなアルミニウム合金箔は、全歪みが0.2%以上発生してもその変形を弾性変形領域で受け持つことができる。さらに、線膨張係数が25×10−6/℃以下であることが好ましい。さらに、電気伝導性、熱伝導性に優れるため、半導体モジュールの配線などの構成部材、メタルシール、板ばね材料などに好適である。なお、本明細書においてヤング率および線膨張係数は後述の実施例で用いた方法により測定される値を採用する。 The aluminum alloy foil of this embodiment has low elastic characteristics and wide elastic characteristics due to the characteristics of the Al 4 Ca phase, and further has a characteristic that the coefficient of linear expansion is low. In particular, when the content of Ca in the aluminum alloy is 5 to 12 atomic%, the above characteristics can be more remarkable. Preferably, the Young's modulus of the aluminum alloy foil is 100 GPa or less, and the yield stress (0.2% yield strength) is as large as 70 MPa or more. Such an aluminum alloy foil can take the deformation in the elastic deformation region even if the total strain is 0.2% or more. Furthermore, the linear expansion coefficient is preferably 25 × 10 −6 / ° C. or less. Furthermore, since it is excellent in electrical conductivity and thermal conductivity, it is suitable for components such as wiring of semiconductor modules, metal seals, leaf spring materials, and the like. In this specification, Young's modulus and linear expansion coefficient are values measured by the method used in the examples described later.
本形態のアルミニウム合金箔は、上述のアルミニウム合金を圧延することにより得られうる。圧延の方法は、特に制限はなく、熱間圧延または冷間圧延など従来公知の方法を適宜採用することができる。また、圧延の前にアルミニウム合金を鍛造する工程を含んでもよい。鍛造工程を経ることによって、アルミニウム合金の組織に含まれる空隙が減少し、合金の強度を増すことができる。また、鍛造によってアルミニウム合金に含まれるAl4Ca晶出物が分断されるので、圧延加工性を一層向上させることができる。 The aluminum alloy foil of this embodiment can be obtained by rolling the aluminum alloy described above. There is no restriction | limiting in particular in the method of rolling, Conventionally well-known methods, such as hot rolling or cold rolling, can be employ | adopted suitably. Moreover, you may include the process of forging an aluminum alloy before rolling. By passing through the forging process, voids contained in the structure of the aluminum alloy are reduced, and the strength of the alloy can be increased. Moreover, since the Al 4 Ca crystallized substance contained in the aluminum alloy is divided by forging, rolling workability can be further improved.
<セラミック配線基板>
本形態のアルミニウム合金箔は、上述のように機械的特性に優れるため半導体モジュールの配線などの構成部材として好適に使用されうる。すなわち、本発明によると、セラミック基板と、該セラミック基板の少なくとも一方の面に接合された上記アルミニウム合金箔とを有するセラミック配線基板が提供される。以下、本形態のセラミック配線基板の各部材について詳細に説明する。
<Ceramic wiring board>
Since the aluminum alloy foil of this embodiment is excellent in mechanical properties as described above, it can be suitably used as a constituent member such as a wiring of a semiconductor module. That is, according to the present invention, there is provided a ceramic wiring board having a ceramic substrate and the aluminum alloy foil bonded to at least one surface of the ceramic substrate. Hereinafter, each member of the ceramic wiring board of this embodiment will be described in detail.
[セラミック基板]
セラミック基板に用いられるセラミックは、電気絶縁材料であれば特に制限はないが、例えば、窒化ケイ素(Si3N4)、窒化アルミニウム(AlN)、酸化アルミニウム(Al2O3)、およびムライト(3Al2O3・2SiO2)などが挙げられる。中でも、特に高温環境で用いられうる電動車両のパワーモジュールへの適用が可能なことから、窒化アルミニウム(AlN)を含むことが好ましい。
[Ceramic substrate]
The ceramic used for the ceramic substrate is not particularly limited as long as it is an electrically insulating material. For example, silicon nitride (Si 3 N 4 ), aluminum nitride (AlN), aluminum oxide (Al 2 O 3 ), and mullite (3Al 2 O 3 · 2SiO 2 ). Among these, aluminum nitride (AlN) is preferably included because it can be applied to a power module of an electric vehicle that can be used particularly in a high temperature environment.
[接合部材]
接合部材は、セラミック基板の表面にアルミニウム合金箔を接合するために使用する部材であり、例えば、金属ナノ粒子やはんだが挙げられる。
[Joint material]
A joining member is a member used in order to join aluminum alloy foil to the surface of a ceramic substrate, for example, a metal nanoparticle and solder are mentioned.
金属ナノ粒子に用いられる金属材料としては、具体的には、金、銀、および銅からなる群から選択される少なくとも1種の金属を含むことが好ましい。また、はんだに用いられる材料としては、Au−Si、Au−Sn、Au−Ge、およびSn−Cuからなる群から選択される少なくとも1種の合金を含むことが好ましい。これらの金属ナノ粒子またははんだを用いることによって、セラミック基板とアルミニウム合金箔とを400℃以下の温度で接合することができる。 Specifically, the metal material used for the metal nanoparticles preferably includes at least one metal selected from the group consisting of gold, silver, and copper. Moreover, it is preferable that the material used for the solder includes at least one alloy selected from the group consisting of Au—Si, Au—Sn, Au—Ge, and Sn—Cu. By using these metal nanoparticles or solder, the ceramic substrate and the aluminum alloy foil can be joined at a temperature of 400 ° C. or lower.
本形態のセラミック配線基板は、配線金属として上述のように線膨張係数が小さいアルミニウム合金箔を用いるため、配線基板とセラミック基板との線膨張係数差による熱応力を低減することができる。また、低弾性特性かつ広弾性領域を有することから、熱応力によって全歪みが0.2%以上発生しても塑性変形を抑制することができる。よって、低温〜高温の熱サイクルが繰り返されても、セラミック基板からの配線金属の剥離を効果的に防ぐことができる。 Since the ceramic wiring board of this embodiment uses the aluminum alloy foil having a small linear expansion coefficient as the wiring metal as described above, it is possible to reduce the thermal stress due to the difference in linear expansion coefficient between the wiring board and the ceramic substrate. Further, since it has a low elastic characteristic and a wide elastic region, plastic deformation can be suppressed even if the total strain is 0.2% or more due to thermal stress. Therefore, even if the low-temperature to high-temperature thermal cycle is repeated, it is possible to effectively prevent peeling of the wiring metal from the ceramic substrate.
<セラミック配線基板の製造方法>
本形態のセラミック配線基板は、セラミック基板と上述のアルミニウム合金箔を接合することによって製造されうる。接合する際の温度は、好ましくは400℃以下であり、より好ましくは350℃以下である。このような温度で接合することによって、接合時の熱衝撃によるセラミック基板の破損を防止することができる。なお、上述の金属ナノ粒子またははんだなどの接合部材を使用することによって、400℃以下での接合が可能となる。
<Manufacturing method of ceramic wiring board>
The ceramic wiring board of this embodiment can be manufactured by joining the ceramic substrate and the above-described aluminum alloy foil. The temperature at the time of joining becomes like this. Preferably it is 400 degrees C or less, More preferably, it is 350 degrees C or less. By bonding at such a temperature, it is possible to prevent the ceramic substrate from being damaged by a thermal shock during bonding. In addition, joining at 400 degrees C or less is attained by using joining members, such as the above-mentioned metal nanoparticle or solder.
<実装構造>
本形態のセラミック配線基板のアルミニウム合金箔表面に、半導体チップを搭載して実装構造とすることができる。図5は、本発明の一実施形態に係る実装構造を模式的に表した図である。図5の実装構造20は、AlNからなる15×15mmのセラミック基板31の一方の面に、12×12mmのアルミニウム合金箔32が、接合部材33を介して接合されている。さらに、一方のアルミニウム合金箔32の表面には、SiCからなる5×5mmの半導体チップ34が接合されている。
<Mounting structure>
A semiconductor chip can be mounted on the surface of the aluminum alloy foil of the ceramic wiring board of this embodiment to form a mounting structure. FIG. 5 is a diagram schematically showing a mounting structure according to an embodiment of the present invention. In the mounting structure 20 of FIG. 5, a 12 × 12 mm aluminum alloy foil 32 is bonded to one surface of a 15 × 15 mm ceramic substrate 31 made of AlN via a bonding member 33. Furthermore, a 5 × 5 mm semiconductor chip 34 made of SiC is bonded to the surface of one aluminum alloy foil 32.
半導体チップの半導体材料としては、SiC(シリコンカーバイド)、GaAs、Siなどを使用することができる。このうち、高電圧・高電流を流すことができ、耐熱性にも優れることから、SiCを用いることが好ましい。 As the semiconductor material of the semiconductor chip, SiC (silicon carbide), GaAs, Si, or the like can be used. Among these, it is preferable to use SiC because a high voltage and a high current can flow and heat resistance is excellent.
このような実装構造は、高温環境下においてもセラミック基板から配線金属が剥離することが防げるので、電気自動車(EV)やハイブリッド電動自動車(HEV)等の電動自動車の制御用などに好適に使用されうる。 Such a mounting structure can be suitably used for controlling an electric vehicle such as an electric vehicle (EV) or a hybrid electric vehicle (HEV) because the wiring metal can be prevented from peeling off from the ceramic substrate even in a high temperature environment. sell.
本発明の作用効果を、以下の実施例および比較例を用いて説明する。ただし、本発明の技術的範囲が以下の実施例のみに制限されるわけではない。 The effect of this invention is demonstrated using a following example and a comparative example. However, the technical scope of the present invention is not limited only to the following examples.
<アルミニウム合金およびアルミニウム合金箔の製造>
[実施例1]
(鋳造)
Caの含有量が7原子%(10質量%)であるAl−Ca合金(液相線温度:650℃)を坩堝で溶融した。得られた溶融物を700℃まで冷却し、空気雰囲気下、700〜650℃の温度範囲で超音波(周波数21.8kHz、出力2.4kW、振幅20μm)を照射した。その後、650℃のアルミニウム合金溶融物を70mm×70mm×15mmのブックモールドに鋳造し、冷却することによって厚さ15mmのアルミニウム合金を作製した。
<Manufacture of aluminum alloy and aluminum alloy foil>
[Example 1]
(casting)
An Al—Ca alloy (liquidus temperature: 650 ° C.) having a Ca content of 7 atomic% (10 mass%) was melted in a crucible. The obtained melt was cooled to 700 ° C. and irradiated with ultrasonic waves (frequency 21.8 kHz, output 2.4 kW, amplitude 20 μm) in an air atmosphere at a temperature range of 700 to 650 ° C. Thereafter, an aluminum alloy melt at 650 ° C. was cast into a 70 mm × 70 mm × 15 mm book mold and cooled to prepare an aluminum alloy having a thickness of 15 mm.
得られたアルミニウム合金の断面の光学顕微鏡写真を図6に示す。図6によると、得られたアルミニウム合金の組織中に、長辺の平均値が50μmの針状結晶が析出していることが確認された。該針状結晶はEDX分析の結果、Al4Caであることが確認された。合金の液相線直上(650℃[+50〜0℃]の温度範囲)で超音波を付与することにより、Al4Ca晶出物の種が多数形成される。これにより、Al4Ca晶出物が完全に成長した場合であっても、長辺の平均値を50μm以下とすることが可能となると考えられた。 An optical micrograph of a cross section of the obtained aluminum alloy is shown in FIG. According to FIG. 6, it was confirmed that acicular crystals having an average value of 50 μm on the long side were precipitated in the structure of the obtained aluminum alloy. As a result of EDX analysis, the acicular crystals were confirmed to be Al 4 Ca. By applying ultrasonic waves immediately above the liquidus line of the alloy (temperature range of 650 ° C. [+50 to 0 ° C.]), a large number of Al 4 Ca crystallized seeds are formed. Thereby, even when the Al 4 Ca crystallized substance was completely grown, it was considered that the average value of the long side could be 50 μm or less.
(熱間鍛造)
上記鋳造工程で得られた厚さ15mmのアルミニウム合金のインゴットを、素材温度400℃、金型温度150℃、加工度70%で熱間鍛造し、厚さ4.5mmとした。
(Hot forging)
The 15 mm thick aluminum alloy ingot obtained in the casting process was hot forged at a material temperature of 400 ° C., a mold temperature of 150 ° C., and a workability of 70% to a thickness of 4.5 mm.
(冷間圧延)
熱間鍛造後のアルミニウム合金を冷間圧延機によって厚さ50μmまで圧延することによってアルミニウム合金箔を作製した。1回あたりのリダクションは0.1mmであった。
(Cold rolling)
An aluminum alloy foil was produced by rolling the aluminum alloy after hot forging to a thickness of 50 μm with a cold rolling mill. Reduction per time was 0.1 mm.
得られたアルミニウム合金箔の断面の光学顕微鏡写真を図7に示す。図7によると、Al4Ca晶出物が鍛造および圧延により粉砕され、微細なAl4Ca晶出物となったことが確認された。 An optical micrograph of a cross section of the obtained aluminum alloy foil is shown in FIG. According to FIG. 7, Al 4 Ca crystallizate is crushed by forging and rolling, it was confirmed that became fine Al 4 Ca crystallizate.
<弾性率、破断伸びの測定>
試験片形状:JIS14B−3 試験片 (但し、全長は50mm)を用い、インストロン製 デジタル材料試験機 5581型により応力歪み線図を取得し、弾性率および伸びを計測した。試験速度:0.2mm/min、試験温度:23℃、各n=2にて評価を行った。
<Measurement of elastic modulus and elongation at break>
Specimen shape: JIS14B-3 specimen (however, the total length is 50 mm), a stress-strain diagram was obtained with an Instron digital material testing machine Model 5581, and the elastic modulus and elongation were measured. Evaluation was performed at a test speed of 0.2 mm / min, a test temperature of 23 ° C., and each n = 2.
本手法によりアルミニウム合金の伸び率を測定したところ、15%であった。 When the elongation percentage of the aluminum alloy was measured by this method, it was 15%.
<耐食性試験>
厚さ100μm箔で恒温高湿試験を実施した。試験環境は、温度85℃、湿度85%RHで、100時間実施しした。
<Corrosion resistance test>
A constant temperature and high humidity test was conducted on a 100 μm thick foil. The test environment was a temperature of 85 ° C. and a humidity of 85% RH for 100 hours.
耐食性試験の結果から、腐食は試験片表面のみで発生し、試験片内部には至らなかった。これは表面に露出しているAl4Caが腐食してもAl4Ca晶出物同士が分断されているため、腐食の進行が抑制されたことによると考えられた。 From the results of the corrosion resistance test, corrosion occurred only on the surface of the test piece and did not reach the inside of the test piece. This is because the Al 4 Ca exposed on the surface is separated is Al 4 Ca crystallized substances together be corroded, the progress of corrosion was believed to be due to being suppressed.
<線膨張係数測定>
アルミニウム合金箔の線膨張係数を、熱機械分析装置(Thermal Mechanical Analysis;TMASIINT製 熱機械分析装置 TMA−120C)による測定で求めた。昇温、降温速度は5℃/分で、23〜300℃の平均線膨張係数を求めた。また、雰囲気は還流N2(200ml/min)、静荷重は98mN(100gf)とした。
<Measurement of linear expansion coefficient>
The linear expansion coefficient of the aluminum alloy foil was determined by measurement with a thermomechanical analyzer (Thermal Mechanical Analysis; TMASINT thermomechanical analyzer TMA-120C). The temperature increase / decrease rate was 5 ° C./min, and an average linear expansion coefficient of 23 to 300 ° C. was obtained. The atmosphere was reflux N 2 (200 ml / min), and the static load was 98 mN (100 gf).
[比較例1]
(鋳造)
アルミニウム合金の溶融物を超音波の照射をしないまま750℃の温度でブックモールドに鋳造して、冷却したことを除いては実施例1と同様の方法でアルミニウム合金を製造した。
[Comparative Example 1]
(casting)
An aluminum alloy was produced in the same manner as in Example 1 except that the molten aluminum alloy was cast into a book mold at 750 ° C. without being irradiated with ultrasonic waves and cooled.
得られたアルミニウム合金の断面の光学顕微鏡写真を図8に示す。図8によると、超音波を照射せずに鋳造したアルミニウム合金の組織中のAl4Ca晶出物は、長辺の平均値が50μm以上であった。 An optical micrograph of a cross section of the obtained aluminum alloy is shown in FIG. According to FIG. 8, the average value of the long side of the Al 4 Ca crystallized material in the structure of the aluminum alloy cast without irradiating ultrasonic waves was 50 μm or more.
(熱間鍛造および冷間圧延)
実施例1と同様の方法で、熱間鍛造後、冷間圧延を試みたが、圧延性が著しく低いために箔に加工することができなかった。
(Hot forging and cold rolling)
Although cold rolling was attempted after hot forging in the same manner as in Example 1, it was not possible to process the foil because of its extremely low rollability.
<伸び率の測定>
実施例1と同様の方法を用いて、アルミニウム合金の伸び率の測定を試みたが、材料が脆弱的であり、試験に供することができなかった。
<Measurement of elongation>
An attempt was made to measure the elongation of the aluminum alloy using the same method as in Example 1, but the material was brittle and could not be subjected to the test.
[比較例2]
純度99.9%以上のAlおよびCaの純金属を用い、アトマイズ法によって、Caの含有量が9原子%であるアルミニウム合金粉(平均粒子径:50μm)を作製した。このアルミニウム合金粉を直径50mmの円柱形容器に充填後、300〜400℃で脱気処理を行い、400℃で直径10mmの棒状に押出成形することによってアルミニウム合金を作製した。
[Comparative Example 2]
Aluminum alloy powder (average particle size: 50 μm) having a Ca content of 9 atomic% was prepared by an atomizing method using pure metals of Al and Ca having a purity of 99.9% or more. After filling this aluminum alloy powder into a cylindrical container having a diameter of 50 mm, a deaeration treatment was performed at 300 to 400 ° C., and an aluminum alloy was produced by extrusion forming at 400 ° C. into a rod shape having a diameter of 10 mm.
得られたアルミニウム合金の断面の光学顕微鏡写真を図9に示す。図9に示すように、アトマイズ法で作製したアルミニウム合金は、Alマトリックス中に粒径5μm未満のAl4Ca粒子が分散された形態を有しており、Al4Ca粒子同士が互いに接触していた。 An optical micrograph of a cross section of the obtained aluminum alloy is shown in FIG. As shown in FIG. 9, an aluminum alloy produced by an atomization method has a form in which Al 4 Ca particles having a particle size of less than 5μm are dispersed in the Al matrix, Al 4 Ca grains are in contact with each other It was.
(熱間圧延)
得られたアルミニウム合金に対して熱間圧延を試みたが、厚さ1mmで耳割れが発生し、箔を得ることができなった。
(Hot rolling)
Although the hot rolling was tried with respect to the obtained aluminum alloy, an ear crack generate | occur | produced with thickness 1mm, and foil was not able to be obtained.
<伸び率の測定>
実施例1と同様の方法を用いて、アルミニウム合金の伸び率を測定したところ、0.2%であった。
<Measurement of elongation>
Using the same method as in Example 1, the elongation of the aluminum alloy was measured and found to be 0.2%.
<耐食性試験>
実施例1と同様の方法を用いて、厚さ1mmのアルミニウム合金箔の耐食性試験を実施したところ、ネットワーク化したAl4Ca粒子を伝播して腐食が試験片の深部まで進行していることが確認された。
<Corrosion resistance test>
When a corrosion resistance test was conducted on an aluminum alloy foil having a thickness of 1 mm using the same method as in Example 1, the networked Al 4 Ca particles propagated and corrosion progressed to the depth of the test piece. confirmed.
<実装構造の作製>
[実施例2]
AlN(線膨張係数:4.5×10−6/℃、ヤング率:300GPa)からなるセラミック基板(15×15mm、厚さ635μm)の一方の面に、実施例1で作製したアルミニウム合金箔(12×12mm、厚さ400μm、線膨張係数:24.1×10−6/℃、ヤング率:41.4GPa)を接合した。接合されたアルミニウム合金箔の表面にSiCチップ(5×5mm、厚さ300μm)を上記と同様の方法で接合することによって、実装構造(図4)を作製した。セラミック基板とアルミニウム合金箔との接合およびアルミニウム合金箔とSiCチップとの接合には銀ナノ粒子を用い、接合温度350℃、加圧力5MPa、保持時間30分間の条件で行った。
<Production of mounting structure>
[Example 2]
On one surface of a ceramic substrate (15 × 15 mm, thickness 635 μm) made of AlN (linear expansion coefficient: 4.5 × 10 −6 / ° C., Young's modulus: 300 GPa), the aluminum alloy foil prepared in Example 1 ( 12 × 12 mm, thickness 400 μm, linear expansion coefficient: 24.1 × 10 −6 / ° C., Young's modulus: 41.4 GPa). A mounting structure (FIG. 4) was produced by bonding a SiC chip (5 × 5 mm, thickness 300 μm) to the surface of the bonded aluminum alloy foil in the same manner as described above. Silver nanoparticles were used for the bonding of the ceramic substrate and the aluminum alloy foil and the bonding of the aluminum alloy foil and the SiC chip under the conditions of a bonding temperature of 350 ° C., a pressure of 5 MPa, and a holding time of 30 minutes.
[比較例3]
配線金属としてCu箔(線膨張係数:17.0×10−6/℃、ヤング率:120GPa)を使用した。また、接合には、アルミニウムロウ材(アルミニウム88質量%、シリコン12質量%)にチタン、タングステンの水素添加物を3質量%添加したものを使用し、接合温度600℃、加圧力2MPa、保持時間30分間の条件で行った。これ以外は実施例2と同様の方法で実装構造を作製した。
[Comparative Example 3]
Cu foil (linear expansion coefficient: 17.0 × 10 −6 / ° C., Young's modulus: 120 GPa) was used as the wiring metal. For joining, an aluminum brazing material (aluminum 88 mass%, silicon 12 mass%) added with 3 mass% of hydrogenated titanium and tungsten is used. The bonding temperature is 600 ° C., the applied pressure is 2 MPa, the holding time. The test was performed for 30 minutes. Other than this, a mounting structure was fabricated in the same manner as in Example 2.
[比較例4]
配線金属としてAl箔(線膨張係数:23.89×10−6/℃、ヤング率:68.2GPa)を使用した。これ以外は比較例3と同様の方法で実装構造を作製した。
[Comparative Example 4]
Al foil (linear expansion coefficient: 23.89 × 10 −6 / ° C., Young's modulus: 68.2 GPa) was used as the wiring metal. Other than this, a mounting structure was fabricated in the same manner as in Comparative Example 3.
<熱サイクル試験>
上記実施例2ならびに比較例3および4で作製した実装構造を熱サイクル試験に供した。熱サイクル試験は、窒素雰囲気下、室温下(23℃)で15分間保持後、200℃で15分間保持するサイクルを1サイクルとした。そして100サイクル後に実装構造を図5の破線部で切断し、セラミック基板と配線金属との界面を観察して剥離が起こっているか否かを判定した。結果を表1に示す。
<Thermal cycle test>
The mounting structures produced in Example 2 and Comparative Examples 3 and 4 were subjected to a thermal cycle test. In the thermal cycle test, one cycle was held at 200 ° C. for 15 minutes after being held at room temperature (23 ° C.) for 15 minutes in a nitrogen atmosphere. After 100 cycles, the mounting structure was cut along the broken line in FIG. 5, and the interface between the ceramic substrate and the wiring metal was observed to determine whether peeling occurred. The results are shown in Table 1.
表1によると、配線金属としてアルミニウム合金箔を用いた実施例2では、熱サイクルを繰り返してもセラミック基板から配線金属が剥離することなく、優れた耐久特性を有することが示された。 According to Table 1, in Example 2 using an aluminum alloy foil as the wiring metal, it was shown that the wiring metal did not peel from the ceramic substrate even when the thermal cycle was repeated, and had excellent durability characteristics.
一方、配線金属としてCu箔を用いた比較例3、Al箔を用いた比較例4では、熱サイクルによりセラミック基板から配線金属が剥離した。比較例3における剥離は、AlNとCuとの線膨張係数差が大きく、Cuの高い弾性率のために、セラミック基板と配線金属の界面で大きな応力が発生したものと考えられた。また、比較例4における剥離は、AlNとAlとの熱膨張係数差が大きいことにより大きな応力が発生することと、Alの弾性域が狭いために永久歪となってAlが大変形することによるものと考えられた。 On the other hand, in Comparative Example 3 using Cu foil as the wiring metal and Comparative Example 4 using Al foil, the wiring metal was peeled from the ceramic substrate by the thermal cycle. The peeling in Comparative Example 3 was considered to be caused by a large difference in linear expansion coefficient between AlN and Cu, and a large stress generated at the interface between the ceramic substrate and the wiring metal due to the high elastic modulus of Cu. Further, the peeling in Comparative Example 4 is due to the fact that a large stress is generated due to the large difference in thermal expansion coefficient between AlN and Al, and that Al is permanently deformed due to the narrow elastic region of Al, resulting in large deformation of Al. It was considered a thing.
1 アルミニウム合金、
2 Al相、
3a Al4Ca晶出物、
3b 共晶組織に含まれるAl4Ca相、
4 共晶組織、
11 長辺、
13 短辺、
21 振動子、
22 ホーン、
23 溶融物、
24 るつぼ、
25 ヒーター、
26 電気炉、
27 熱電対、
30 実装構造、
31 セラミック基板、
32 配線金属、
33 接合部材、
34 半導体チップ、
l 液相線、
p 共晶点、
L 液相領域。
1 Aluminum alloy,
2 Al phase,
3a Al 4 Ca crystallized product,
3b Al 4 Ca phase contained in the eutectic structure,
4 eutectic structure,
11 Long side,
13 Short side,
21 vibrator,
22 horn,
23 Melt,
24 crucible,
25 heater,
26 Electric furnace,
27 thermocouple,
30 mounting structure,
31 Ceramic substrate,
32 Wiring metal,
33 joining members,
34 Semiconductor chip,
l Liquidus line,
p eutectic point,
L Liquid phase region.
Claims (10)
前記Al4Ca相がAl4Ca晶出物を含み、
前記Al4Ca晶出物の長辺の平均値が50μm以下である、アルミニウム合金。 An Al—Ca alloy containing an Al phase and an Al 4 Ca phase,
The Al 4 Ca phase contains Al 4 Ca crystals,
The Al 4 Ca average value of the long sides of the crystallizate is 50μm or less, an aluminum alloy.
前記セラミック基板の少なくとも一方の面に接合された請求項5に記載のアルミニウム合金箔と、を有するセラミック配線基板。 A ceramic substrate;
A ceramic wiring board having the aluminum alloy foil according to claim 5 bonded to at least one surface of the ceramic board.
得られた溶融物を冷却する冷却工程(B)を含み、
前記冷却工程(B)において、前記溶融物が液相線以上の温度を有するときに、前記溶融物に超音波を付与してAl4Ca晶出物を晶出させる、アルミニウム合金の製造方法。 A melting step (A) for melting a metal containing Al and Ca, and a cooling step (B) for cooling the obtained melt,
In the cooling step (B), when the melt has a temperature equal to or higher than the liquidus, an aluminum alloy manufacturing method is provided in which an ultrasonic wave is applied to the melt to crystallize an Al 4 Ca crystallized product.
得られた溶融物を冷却する冷却工程(B)、および
前記冷却工程(B)で得られたアルミニウム合金を圧延する圧延工程(C)を含み、
前記冷却工程(B)において、前記溶融物が液相線以上の温度を有するときに、前記溶融物に超音波を付与してAl4Ca晶出物を晶出させる、アルミニウム合金箔の製造方法。 A melting step (A) for melting a metal containing Al and Ca,
A cooling step (B) for cooling the obtained melt, and a rolling step (C) for rolling the aluminum alloy obtained in the cooling step (B),
In the cooling step (B), when the melt has a temperature equal to or higher than the liquidus, a method for producing an aluminum alloy foil, wherein an Al 4 Ca crystallized product is crystallized by applying ultrasonic waves to the melt. .
得られた溶融物を冷却する冷却工程(B)、
前記冷却工程(B)で得られたアルミニウム合金を圧延する圧延工程(C)、および
前記圧延工程(C)で得られたアルミニウム合金箔とセラミック基板とを、400℃以下の温度で接合する接合工程(D)を含み、
前記冷却工程(B)において、前記溶融物が液相線以上の温度を有するときに、前記溶融物に超音波を付与してAl4Ca晶出物を晶出させる、セラミック配線基板の製造方法。 A melting step (A) for melting a metal containing Al and Ca,
A cooling step (B) for cooling the obtained melt,
Rolling step (C) for rolling the aluminum alloy obtained in the cooling step (B), and joining for joining the aluminum alloy foil obtained in the rolling step (C) and the ceramic substrate at a temperature of 400 ° C. or lower. Including step (D),
In the cooling step (B), when the melt has a temperature equal to or higher than the liquidus, a method for producing a ceramic wiring substrate, wherein an ultrasonic wave is applied to the melt to crystallize an Al 4 Ca crystallized product. .
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