特許 6472323 成膜方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6472323

(24)【登録日】2019年2月1日

(45)【発行日】2019年2月20日

(54)【発明の名称】成膜方法

(51)【国際特許分類】

   C23C 24/04 20060101AFI20190207BHJP

   C22C 19/03 20060101ALI20190207BHJP

   B23K 1/20 20060101ALI20190207BHJP

【ＦＩ】

   C23C24/04

   C22C19/03 G

   B23K1/20 A

【請求項の数】1

【全頁数】15

(21)【出願番号】特願2015-101235(P2015-101235)

(22)【出願日】2015年5月18日

(65)【公開番号】特開2016-216771(P2016-216771A)

(43)【公開日】2016年12月22日

【審査請求日】2017年12月21日

(73)【特許権者】

【識別番号】000108742

【氏名又は名称】タツタ電線株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110000338

【氏名又は名称】特許業務法人ＨＡＲＡＫＥＮＺＯ ＷＯＲＬＤ ＰＡＴＥＮＴ ＆ ＴＲＡＤＥＭＡＲＫ

(72)【発明者】

【氏名】平野 正樹

【審査官】 酒井 英夫

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１１−２１２６８４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１５−１３７３８４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 LI J.F., AGYAKWA P.a., JOHNSON C.m., ZHANG D., HUSSAIN T., MCCARTNEY D.g.，Characterization and solderability of cold sprayed Sn-Cu coatings on Al and Cu substrates，Surf Coat Technol，２０１０年 １月２５日，Vol.204 No.9-10，Page.1395-1404

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｃ２３Ｃ ２４／０４，

Ｂ２３Ｋ １／２０，

Ｈ０５Ｋ ３／３４

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

アルミニウム基材上に金属膜を成膜する成膜方法であって、
上記アルミニウム基材に対して、ニッケル（Ｎｉ）、金（Ａｕ）、亜鉛（Ｚｎ）、銀（Ａｇ）、銅（Ｃｕ）のいずれか、又は、これらの２種以上を含む合金を成分とする第一粉末材料と、錫（Ｓｎ）又はＳｎを含む合金を成分とする第二粉末材料とが混合された混合粉末材料をコールドスプレーすることにより、上記アルミニウム基材上に金属膜を成膜し、
上記第一粉末材料は、Ｎｉを成分とし、
上記第二粉末材料は、Ｓｎを成分とし、
上記混合粉末材料は、重量比で、上記第一粉末材料を８０％以上９５％以下含むことを特徴とする成膜方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、半田材料を介して他の部材と接続する半田接続構造、及び、アルミニウム基材上に金属膜を成膜する成膜方法に関する。

【背景技術】

【0002】

近年、電気部品に対して、小型化、軽量化、性能、信頼性等の観点で要求が高まっている。電気部品の例としては、電源、電池、回路基板、コネクタなどが挙げられる。一般に、これらの電気部品を基板、端子などに接続する場合には、コールドスプレー、螺子止め、半田付け、溶接等が使用される。

【0003】

特許文献１は、以下の構成を開示する。具体的には、アルミニウムまたはアルミニウム合金からなる帯状の平形導体の面に、所定の間隔をおいて半田付けが容易な導電性金属からなる金属層が部分的に形成される。そして、当該金属層の間に絶縁樹脂フィルムが平形導体の両面から貼り付けられる。導電性金属は、Ｎｉ、Ｓｎ、Ａｕ、Ｚｎ、Ａｇ、Ｃｕのいずれかまたはそれらの組み合わせが用いられる。上記金属層は、コールドスプレー等により形成される。

【0004】

特許文献２は、放熱体を開示する。当該放熱体は、アルミ製部材の表面にＮｉとＳｎとをコーティングしたメッキ層を備える。上記放熱体では、全放熱体に占めるＮｉの重量比率が０．１８％以上０．４８％以下であり、全放熱体に占めるＳｎの重量比率が０．１０％以上０．３８％以下になるようにメッキ層が形成される。また、上記放熱体では、全放熱体に示すウレタン樹脂の重量比が０．０１以上０．０８％以下になるように、上記メッキ層にウレタン樹脂がコーティングされる。

【0005】

特許文献３は、半田付け用組成物を開示する。当該半田付け用組成物は、鉛を含まず、第一金属成分と第二金属成分とを含む。第一金属成分の融点は、１８３℃以上２６０℃以下の範囲内である。第二金属成分の種類及び第一金属成分と第二金属成分との相対量は、溶融状態の第一金属成分中に第二金属成分が拡散して融点が２６０℃以上１５００℃以下の範囲内である合金を形成し得る種類及び相対量である。そして、第一金属成分として、例えば、Ｓｎ単独、又はＳｎ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｉｎ、Ｂｉ、Ｓｂ、Ｚｎ及びＮｉからなる群より選択された２種以上の金属元素からなる合金が例示されている。

【0006】

特許文献４は、Ｎｉ粒子とＳｎ粒子との混合体を金属体フィラーとして用いる半田組成物を開示する。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0007】

【特許文献1】特開２０１２− ３８７７号公報（２０１２年１月 ５日公開）

【特許文献2】特開２０１２− ９４５９５号公報（２０１２年５月１７日公開）

【特許文献3】特開２００２−２５４１９５号公報（２００２年９月１０日公開）

【特許文献4】特開２０１４− ７２３９８号公報（２０１４年４月２１日公開）

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0008】

しかしながら、特許文献１〜４の技術には次のような問題がある。

【0009】

特許文献１の技術は、コールドスプレー法により、アルミニウムまたはアルミニウム合金からなる帯状の平形導体の面上にＮｉ層を成膜する。しかしながら、コールドスプレー法で成膜されたＮｉは、その表面密度が低いため、半田濡れ性が十分ではない。

【0010】

特許文献２の技術は、アルミ製部材の表面にＮｉ、Ｓｎのメッキ層をその順序で形成することから、手間とコストを要する。また、特許文献２の技術は、コールドスプレー技術を利用していない。そのため、特許文献２の技術は、コールドスプレーの利点、すなわち、部分加工が可能、といった利点を享受することはできない。

【0011】

特許文献３および特許文献４の技術は、半田付け用組成物に関するものであって、半田材料を介して他の部材と接続する半田接続構造に関するものではない。そのため、特許文献３および特許文献４の技術は、半田濡れ性を向上させる半田接続構造を提供するものではない。

【0012】

また、一般に、異種金属の接合（接続）技術には、ネジ止め、はんだ付け、各種溶接技術が利用される。しかしながら、金属の材質によっては、腐食が生じる虞がある。例えば、アルミニウム基材と銅線とをネジ止めする場合、電池作用が生じ、アルミニウム基材が腐食する虞がある。また、アルミニウム基材とアルミニウムとは異なる金属材料とを溶接により固定する場合、酸化膜を除去するなどの工程が必要となり、手間とコストがかかる。

【0013】

本発明は、上記の課題に鑑み、半田濡れ性を向上させるための、半田接続構造、及び、アルミニウム基材上に金属膜を成膜する成膜方法を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0014】

上記の課題を解決するために、本発明の一実施形態に係る半田接続構造は、半田材料を介して他の部材と接続する半田接続構造であって、アルミニウム基材と、ニッケル（Ｎｉ）、金（Ａｕ）、亜鉛（Ｚｎ）、銀（Ａｇ）、銅（Ｃｕ）のいずれか、又は、これらの２種以上を含む合金を成分とする第一粉末材料と、錫（Ｓｎ）又はＳｎを含む合金を成分とする第二粉末材料とが混合された混合粉末材料を用いたコールドスプレー法により上記アルミニウム基材上に成膜された金属膜と、を備えることを特徴とする。

【0015】

上記の課題を解決するために、本発明の一実施形態に係る成膜方法は、アルミニウム基材上に金属膜を成膜する成膜方法であって、上記アルミニウム基材に対して、ニッケル（Ｎｉ）、金（Ａｕ）、亜鉛（Ｚｎ）、銀（Ａｇ）、銅（Ｃｕ）のいずれか、又は、これらの２種以上を含む合金を成分とする第一粉末材料と、錫（Ｓｎ）又はＳｎを含む合金を成分とする第二粉末材料とが混合された混合粉末材料をコールドスプレーすることにより、上記アルミニウム基材上に金属膜を成膜することを特徴とする。

【0016】

本発明の一実施形態に係る半田接続構造および成膜方法は、上記の構成を備えることにより、以下の効果を奏する。具体的には、上記混合粉末材料が上記アルミニウム基材に対してコールドスプレーされたときに、上記第二粉末材料の成分であるＳｎは、Ｓｎよりも融点の高い上記第一粉末材料の成分（Ｎｉ、Ａｕ、Ｚｎ、Ａｇ、Ｃｕ）と比べて、半溶融状態となりやすい。そのため、Ｓｎは、上記第一粉末材料の成分を構成する粒子間に入り込み、当該粒子を互いに結合する役割を果たし、かつ、上記金属膜を凹凸の少ない連続膜とすることができる。

【0017】

これにより、本発明の一実施形態に係る半田接続構造および成膜方法は、以下の（１）、（２）に係る半田接続構造と比べて、半田濡れ性を高めることができる。
（１）アルミニウム基材に対して、上記第一粉末材料のみがコールドスプレーされた半田接続構造。
（２）アルミニウム基材に対して、最初に上記第一粉末材料が、続いて上記第二粉末材料がコールドスプレーされた半田接続構造。

【0018】

また、本発明の一実施形態に係る半田接続構造では、上記第一粉末材料は、Ｎｉを成分とし、上記第二粉末材料は、Ｓｎを成分とし、上記混合粉末材料は、重量比で、上記第一粉末材料を８０％以上９５％以下含むことが好ましい。

【0019】

また、本発明の一実施形態に係る成膜方法では、上記第一粉末材料は、Ｎｉを成分とし、上記第二粉末材料は、Ｓｎを成分とし、上記混合粉末材料は、重量比で、上記第一粉末材料を８０％以上９５％以下含むことが好ましい。

【0020】

上記の構成とすることにより、本発明の一実施形態に係る半田接続構造および成膜方法は、さらに半田濡れ性を高めることができる。具体的には、上記混合粉末材料が上記アルミニウム基材に対してコールドスプレーされたときに、上記第二粉末材料の成分であるＳｎは、Ｓｎよりも融点が高い第一粉末材料の成分（Ｎｉ、Ａｕ、Ｚｎ、Ａｇ、Ｃｕ）と比べて、半溶融状態となりやすい。そのため、Ｓｎは、上記第一粉末材料の成分を構成する粒子間に入り込み、当該粒子を互いに結合する役割を果たし、かつ、上記金属膜を凹凸の少ない連続膜とすることができる。

【0021】

加えて、上記混合粉末材料に占める上記第一粉末材料の重量比を８０％以上９５％以下とすることにより、上記金属膜における第一粉末材料の密度を高く保つことができる。さらに、上記第一粉末材料により形成された層は上記第二粉末材料により形成された層に覆われており、上記第一粉末材料により形成された層に酸化物が生成することを抑えることもできる。このような理由から、本発明の一実施形態に係る半田接続構造および成膜方法は、さらに半田濡れ性を高めることができる。

【発明の効果】

【0022】

本発明の一態様によれば、半田濡れ性を向上させるための、半田接続構造、及び、アルミニウム基材上に金属膜を成膜する成膜方法を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0023】

【図1】本実施形態に係るコールドスプレー装置の概略図である。

【図2】アルミニウム基板上に金属膜を成膜するフローチャートを示す。

【図3】アルミニウム基板上に金属膜が成膜された半田接続構造体の概略図を示す。

【図4】比較例１に係る半田接続構造体の概略図を示す。

【図5】比較例２に係る半田接続構造体の概略図を示す。

【図6】本実施形態に係る半田接続構造をＳｎ浴に５秒間浸食した後の様子を示す写真である（重量比 Ｎｉ：Ｓｎ＝９５：５）。

【図7】比較例１に係る半田接続構造をＳｎ浴に５秒間浸食した後の様子を示す写真である。

【図8】比較例２に係る半田接続構造をＳｎ浴に５秒間浸食した後の様子を示す写真である。

【図9】本実施形態に係る半田接続構造をＳｎ浴に５秒間浸食した後の様子を示す写真である（重量比 Ｎｉ：Ｓｎ＝９０：１０）。

【図10】本実施形態に係る半田接続構造をＳｎ浴に５秒間浸食した後の様子を示す写真である（重量比 Ｎｉ：Ｓｎ＝８０：２０）。

【図11】本実施形態に係る半田接続構造をＳｎ浴に５秒間浸食した後の様子を示す写真である（重量比 Ｎｉ：Ｓｎ＝６０：４０）。

【図12】本実施形態に係る半田接続構造をＳｎ浴に５秒間浸食した後の様子を示す写真である（重量比 Ｎｉ：Ｓｎ＝９８：２）。

【図13】比較例１に係る半田接続構造をＳｎ浴に５秒間浸食した前後のＳｎの付着の様子を示す概略図である。

【図14】Ｎｉ粉末とＳｎ粉末との混合粉末において、Ｓｎ粉末の重量比率が所定の範囲内である場合に、半田濡れ性が高くなることを説明するための図である。

【図15】Ｎｉ粉末とＳｎ粉末との混合粉末において、Ｓｎ粉末の重量比率が所定の範囲よりも高い場合に、半田濡れ性が低くなることを説明するための図である。

【発明を実施するための形態】

【0024】

以下、図面を参照しつつ、各実施形態について説明する。以下の説明では、同一の部品および構成要素には同一の符号を付している。それらの名称および機能も同じである。したがって、それらについての詳細な説明は繰り返さない。

【0025】

〔コールドスプレーについて〕
近年、コールドスプレー法と呼ばれる皮膜形成法が利用されている。コールドスプレー法は、金属皮膜の材料となる金属粉末の融点または軟化温度よりも低い温度のキャリアガスを高速流にし、そのキャリアガス流中に金属粉末を投入し加速させ、固相状態のまま基板等に高速で衝突させて皮膜を形成する方法である。

【0026】

コールドスプレー法の成膜原理は、次のように理解されている。

【0027】

金属粉末が基板に付着・堆積して成膜するには、ある臨界値以上の衝突速度が必要であり、これを臨界速度と称する。金属粉末が臨界速度よりも低い速度で基板と衝突すると、基板が摩耗し、基板には小さなクレーター状の窪みしかできない。臨界速度は、金属粉末の材質、大きさ、形状、温度、酸素含有量、基板の材質などによって変化する。

【0028】

金属粉末が基板に対して臨界速度以上の速度で衝突すると、金属粉末と基板（あるいはすでに成形された皮膜）との界面付近で大きなせん断による塑性変形が生じる。この塑性変形、および衝突による固体内の強い衝撃波の発生に伴い、界面付近の温度も上昇し、その過程で、金属粉末と基板、および、金属粉末と皮膜（すでに付着した金属粉末）との間で固相接合が生じる。

【0029】

〔実施形態〕
以下、図１を参照して本実施形態に係るコールドスプレー装置１００を説明する。

【0030】

（コールドスプレー装置１００）
図１は、コールドスプレー装置１００の概略図である。図１に示すように、コールドスプレー装置１００は、タンク１１０と、ヒーター１２０と、ノズル１３０と、フィーダ１４０と、基材ホルダー１５０と、制御装置（不図示）とを備える。

【0031】

タンク１１０は、キャリアガスを貯蔵する。キャリアガスは、タンク１１０からヒーター１２０へ供給される。キャリアガスの一例として、窒素、ヘリウム、空気、またはそれらの混合ガスが挙げられる。キャリアガスの圧力は、タンク１１０の出口において、例えば７０ＰＳＩ以上１５０ＰＳＩ以下（約０．４８Ｍｐａ以上約１．０３Ｍｐａ以下）となるよう調整される。ただし、タンク１１０の出口におけるキャリアガスの圧力は、上記の範囲に限られるものではなく、金属粉末の材質、大きさ、基板の材質等により適宜調整される。

【0032】

ヒーター１２０は、タンク１１０から供給されたキャリアガスを加熱する。より具体的に、キャリアガスは、フィーダ１４０からノズル１３０に供給される金属粉末の融点より低い温度に加熱される。例えば、キャリアガスは、ヒーター１２０の出口において測定したときに、５０℃以上５００℃以下の範囲、好ましくは１５０℃以上２５０℃以下の範囲で加熱される。ただし、キャリアガスの加熱温度は、上記の範囲に限られるものではなく、金属粉末の材質、大きさ、基板の材質等により適宜調整される。

【0033】

キャリアガスは、ヒーター１２０により加熱された後、ノズル１３０へ供給される。

【0034】

ノズル１３０は、ヒーター１２０により加熱されたキャリアガスを３００ｍ／ｓ以上１２００ｍ／ｓ以下の範囲で加速し、基材１０へ向けて噴射する。なお、キャリアガスの速度は、上記の範囲に限られるものではなく、金属粉末の材質、大きさ、基板の材質等により適宜調整される。

【0035】

フィーダ１４０は、ノズル１３０により加速されるキャリアガスの流れの中に、金属粉末を供給する。フィーダ１４０から供給される金属粉末の粒径は、１μｍ以上５０μｍ以下といった大きさである。フィーダ１４０から供給された金属粉末は、ノズル１３０からキャリアガスとともに基材１０へ噴射される。

【0036】

基材ホルダー１５０は、基材１０を固定する。基材ホルダー１５０に固定された基材１０に対して、キャリアガスおよび金属粉末がノズル１３０から噴射される。基材１０の表面とノズル１３０の先端との距離は、例えば、５ｍｍ以上３０ｍｍ以下の範囲で調整される。ただし、基材１０の表面とノズル１３０との距離は、上記の範囲に限られるものではなく、金属粉末の材質、大きさ、基板の材質等により適宜調整される。

【0037】

制御装置は、予め記憶した情報、および／または、オペレーターの入力に基づいて、コールドスプレー装置１００を制御する。具体的に、制御装置は、タンク１１０からヒーター１２０へ供給されるキャリアガスの圧力、ヒーター１２０により加熱されるキャリアガスの温度、フィーダ１４０から供給される金属粉末の種類および量、基材１０の表面とノズル１３０との距離などを制御する。

【0038】

（アルミニウム基板３０への金属膜の成膜）
次に、コールドスプレー法を用いて、Ｎｉ粉末４１（第一粉末材料）とＳｎ粉末４２（第二粉末材料）とを混合した混合粉末材料をアルミニウム基板３０上に噴射し、アルミニウム基板３０上に金属膜４０を成膜する方法等を図２、図３により説明する。

【0039】

図２は、アルミニウム基板３０上に金属膜４０を成膜するフローチャートを示す。図３は、アルミニウム基板３０上に金属膜４０が成膜された半田接続構造５０の概略図を示す。なお、金属膜４０は、Ｎｉ、金（Ａｕ）、亜鉛（Ｚｎ）、銀（Ａｇ）、銅（Ｃｕ）のいずれか、又は、これらの２種以上を含む合金を成分とする第一粉末材料と、Ｓｎ又はＳｎを含む合金を成分とする第二粉末材料とが混合された混合粉末材料とで形成されてよい。説明の便宜上、図２、図３では、金属膜４０は、Ｎｉ粉末４１とＳｎ粉末４２とで形成されるものとして説明する。

【0040】

図２を参照して、Ｎｉ粉末４１とＳｎ粉末４２とを混合する（Ｓ１）。次に、Ｎｉ粉末４１とＳｎ粉末４２との混合粉末をコールドスプレー法によりアルミニウム基板３０に噴射する（Ｓ２）。その結果、アルミニウム基板３０上に金属膜４０が成膜される（Ｓ３）。なお、Ｓ１〜Ｓ３の詳細については、後述の（実施例）にて説明する。

【0041】

図３は、アルミニウム基板３０上に金属膜４０が成膜された半田接続構造５０の概略図を示す。図示するように、半田接続構造５０は、アルミニウム基板３０と、アルミニウム基板３０上に成膜された金属膜４０と、を備える。金属膜４０は、Ｎｉ粉末４１とＳｎ粉末４２との混合粉末材料がコールドスプレーされることでアルミニウム基板３０上に成膜された金属膜である。

【0042】

Ｓｎは、Ｎｉよりも融点が低い。そのため、Ｓｎ粉末４２はコールドスプレーされたときに半溶融状態となりやすく、Ｓｎは、Ｎｉ粒子の間に入り込み、Ｎｉ粒子を互いに結合する役割を果たす。また、そのＳｎの働きにより、金属膜４０の表面は凹凸が少ない。

【0043】

（実施例１）
以下、本実施形態に係る実施例１を示す。図３の半田接続構造は、例えば以下の条件により形成される。

【0044】

実施例１では、図３のアルミニウム基板３０が、図１に記載した基材１０に相当する。アルミニウム基板３０は、アルミニウム製の板材であり、矩形状で、厚みが０．５ｍｍである。

【0045】

実施例１では、Ｎｉ粉末４１とＳｎ粉末４２とを混合した混合粉末材料が用いられる。Ｎｉ粉末４１は平均粒径が約１０μｍであり、Ｓｎ粉末４２は平均粒径が約３８μｍである。混合比率は、重量比で、Ｎｉ：Ｓｎ＝９５：５である。この混合粉末材料が、ノズル１３０からアルミニウム基板３０に噴射される。

【0046】

ノズル１３０の先端とアルミニウム基板３０との距離は１０ｍｍである。

【0047】

タンク１１０から供給されるキャリアガスは、空気である。キャリアガスの圧力は、タンク１１０の出口において１２０ＰＳＩ（約０．８３Ｍｐａ）に設定されている。ヒーター１２０は設定温度が２５０℃であり、ＮｉおよびＳｎに接するときのキャリアガスの温度は、Ｎｉの融点（１４５３℃）およびＳｎの融点（２３１．９７℃）より低くなる。

【0048】

ノズル１３０からアルミニウム基板３０に噴射された上記混合粉末材料がアルミニウム基板３０へ到達する時の温度は約１０３℃である。

【0049】

以上の条件により、図３の半田接続構造５０が形成される。

【0050】

（比較例１）
次に、比較例１を図４により説明する。図４は、比較例１に係る半田接続構造５２の概略図を示す。

【0051】

比較例１において、アルミニウム基板３０は、アルミニウム製の板材であり、矩形状で、厚みが０．５ｍｍである。Ｎｉ粉末４１は、平均粒径が約１０μｍであり、ノズル１３０からアルミニウム基板３０に噴射される。

【0052】

ノズル１３０の先端とアルミニウム基板３０との距離は１０ｍｍである。

【0053】

タンク１１０から供給されるキャリアガスは、空気である。キャリアガスの圧力は、タンク１１０の出口において１２０ＰＳＩ（約０．８３Ｍｐａ）に設定されている。ヒーター１２０は設定温度が３５０℃であり、Ｎｉに接するときのキャリアガスの温度は、Ｎｉの融点（１４５３℃）より低い。

【0054】

図４は、上記の条件により形成された半田接続構造５２の概略図を示す。図示するように、半田接続構造５２は、アルミニウム基板３０と、アルミニウム基板３０上にコールドスプレーされたＮｉ膜４１ａとを備える。Ｎｉ膜４１ａは、Ｎｉ粒子の集まりであって、Ｎｉの粒子間に隙間が形成される。そのため、Ｎｉ膜４１ａは、その表面に多くの凹凸を有する。

【0055】

（比較例２）
比較例２を図５により説明する。図５は、比較例２に係る半田接続構造５４の概略図を示す。

【0056】

比較例２において、アルミニウム基板３０は、アルミニウム製の板材であり、矩形状で、厚みが０．５ｍｍである。Ｎｉ粉末４１は平均粒径が約１０μｍであり、Ｓｎ粉末４２は平均粒径が約３８μｍである。Ｎｉ粉末４１およびＳｎ粉末４２が、その順序で、ノズル１３０からアルミニウム基板３０に噴射される。

【0057】

ノズル１３０の先端とアルミニウム基板３０との距離は１０ｍｍである。

【0058】

キャリアガスの圧力は、ノズル１３０からＮｉ粉末４１およびＳｎ粉末４２が噴射される場合のいずれの場合も、タンク１１０の出口において１２０ＰＳＩ（約０．８３Ｍｐａ）に設定されている。

【0059】

キャリアガスの加熱温度は、ノズル１３０からＮｉ粉末４１が噴射される場合には、ヒーター１２０は設定温度が３５０℃であり、Ｎｉに接するときのキャリアガスの温度は、Ｎｉの融点（１４５３℃）より低い。また、ノズル１３０からＳｎ粉末４２が噴射される場合には、ヒーター１２０は設定温度が２５０℃であり、Ｓｎに接するときのキャリアガスの温度は、Ｓｎの融点（２３１．９７℃）より低くなる。

【0060】

ノズル１３０からアルミニウム基板３０に噴射されたＮｉ粉末４１がアルミニウム基板３０へ到達する時の温度は約２００℃であり、ノズル１３０からアルミニウム基板３０に噴射されたＳｎ粉末４２がアルミニウム基板３０へ到達する時の温度は約１０３℃である。

【0061】

図５は、上記の条件により形成された半田接続構造５４の概略図を示す。図示するように、半田接続構造５４は、アルミニウム基板３０と、金属膜４５とを備える。金属膜４５は、アルミニウム基板３０上に成膜されたＮｉ膜４１ａと、Ｎｉ膜４１ａ上に成膜されたＳｎ膜４３とからなる。Ｎｉ膜４１ａは、Ｎｉ粒子の集まりであって、Ｎｉの粒子間に隙間が形成される。そのため、Ｎｉ膜４１ａは、その表面に多くの凹凸を有する。Ｓｎ膜４３は、そのＮｉ膜４１ａ上に成膜されている。

【0062】

Ｓｎは、Ｎｉよりも融点が低い。そのため、Ｓｎ粉末４２はコールドスプレーされたときに半溶融状態となりやすい。そのため、Ｓｎ膜４３は、Ｎｉ膜４１ａに比べて、その表面は凹凸が少ない。

【0063】

（Ｓｎ浴による濡れ性評価）
次に、実施例（図３）、比較例１（図４）、比較例２（図５）で形成された各半田接続構造の濡れ性評価試験を説明する。

【0064】

濡れ性評価試験は、半田材料の多くがＳｎ系金属であることに鑑み、Ｓｎを溶融した坩堝内に、酸化膜を取り除くフラックスを塗布した成膜面を５秒間浸漬して行う。ここで、「成膜面」とは、半田接続構造５０、半田接続構造５２、および半田接続構造５４それぞれにおいて、コールドスプレーにより金属膜が形成された側の面である。

【0065】

以下、その濡れ性評価試験の結果を図６〜８を参照して説明する。図６は、実施例１に係る半田接続構造５０をＳｎ浴に５秒間浸食した後の様子を示す写真である（重量比 Ｎｉ：Ｓｎ＝９５：５）。図７は、比較例１に係る半田接続構造５２をＳｎ浴に５秒間浸食した後の様子を示す写真である。図８は、比較例２に係る半田接続構造５４をＳｎ浴に５秒間浸食した後の様子を示す写真である。

【0066】

最初に、比較例１における結果から説明する。比較例１に係る半田接続構造５２をＳｎ浴に５秒間浸食したところ、Ｓｎが付着せず、Ｎｉ膜４１ａの露出している箇所が複数認められる（図７）。その理由として、以下の点が挙げられる。

【0067】

コールドスプレー法は、固相状態のまま金属粒子を高速で基板に衝突させることで成膜する。そのため、半田接続構造５２では、Ｎｉ粉末４１が噴射される方向においては、Ｎｉ粉末４１の粒子の集合体がアルミニウム基板３０に積層した状態となる。一方、Ｎｉ粉末４１が噴射される方向と垂直な方向においては、Ｎｉ粉末４１の粒子間には隙間や凹みが生じやすく、Ｎｉ膜の表面に多くの凹凸が形成される。そのため、半田接続構造５２は、（１）Ｎｉの表面密度が低くなり、（２）Ｎｉ膜４１ａが酸化物の影響を受ける、等の理由から、図７を観察して分かるように、半田濡れ性が低くなる。

【0068】

次に、比較例２における結果を説明する。比較例２に係る半田接続構造５４は、図５を参照して説明したように、最初に、アルミニウム基板３０上にＮｉ膜４１ａを成膜する。次に、Ｎｉ膜４１ａ上にＳｎ膜４３を成膜する。Ｓｎは、Ｎｉよりも融点が低い。そのため、Ｓｎ粉末４２はコールドスプレーされたときに半溶融状態となりやすい。そのため、Ｓｎ膜４３は、Ｎｉ膜４１ａに比べて、その表面は凹凸が少ない。

【0069】

しかしながら、比較例２に係る半田接続構造５４をＳｎ浴に５秒間浸食すると、Ｓｎ膜４３の一部はＳｎ浴内で溶融してしまい、下層のＮｉ膜４１ａの一部が露出する（図８）。このような理由から、半田接続構造５４は、図８を観察して分かるように、半田濡れ性が低くなる。

【0070】

次に、実施例１における結果を説明する。実施例１に係る半田接続構造５０は、図２、図３を参照して説明したように、アルミニウム基板３０と、アルミニウム基板３０上に成膜された金属膜４０と、を備える。金属膜４０は、Ｎｉ粉末４１とＳｎ粉末４２との混合粉末材料がコールドスプレーされることでアルミニウム基板３０上に成膜された金属膜である。

【0071】

ここで、Ｓｎは、Ｎｉよりも融点が低い。そのため、Ｓｎ粉末４２はコールドスプレーされたときに半溶融状態となりやすく、Ｓｎは、Ｎｉ粒子の間に入り込み、Ｎｉ粒子を互いに結合する役割を果たす。

【0072】

その半田接続構造５０をＳｎ浴に５秒間浸食した結果が図６である。Ｓｎ浴に５秒間浸漬した後の半田接続構造５０を観察すると、Ｎｉ層が露出している箇所がほとんど認められず、比較例１、２と比べても、半田濡れ性が高いことが分かる。

【0073】

（備考１）
比較例１、２として半田接続構造５２および半田接続構造５４を採用した理由は次のとおりである。

【0074】

（１）比較例１
アルミニウム基板に対してＮｉ粉末をコールドスプレーした接続構造体は従来技術として認められる。しかしながら、本願の発明者は、(a)上記接続構造体の半田濡れ性が好ましくないこと、(b)Ｎｉの表面密度の低さがその理由と考えられること、を見出した。上記(a), (b)を確認するために、本願発明者は、比較例１として半田接続構造５２を採用した。

【0075】

（２）比較例２
本願の発明者は、アルミニウム基板上にＮｉ膜を成膜し、そのＮｉ膜上にＳｎ膜を成膜することで、比較例１の上記(a)が解消される可能性を検討した。

【0076】

（備考２）
上記の比較試験は、溶融はんだと電子部品のぬれ性を評価するソルダーチェッカを用いた「JIS C60068-2-54・JIS Z3198-4」に準拠したものではない。これは、外観観察による半田濡れ性の評価も信頼性が高いことに依る。

【0077】

（Ｎｉ粉末およびＳｎ粉末の混合比率について）
次に、Ｎｉ粉末４１とＳｎ粉末４２との混合比率が半田濡れ性に与える影響を検討する。実施例１では、Ｎｉ粉末４１とＳｎ粉末４２との混合比率は、重量比で、Ｎｉ：Ｓｎ＝９５：５であった。そこで、Ｎｉ粉末４１とＳｎ粉末４２との混合比率を、重量比で、次の５つのケースに変更した場合の半田濡れ性を図６、図９〜１２を参照して説明する。
（ケース１）Ｎｉ：Ｓｎ＝９５：５
（ケース２）Ｎｉ：Ｓｎ＝９０：１０
（ケース３）Ｎｉ：Ｓｎ＝８０：２０
（ケース４）Ｎｉ：Ｓｎ＝６０：４０
（ケース５）Ｎｉ：Ｓｎ＝９８：２
図６は、本実施形態に係る半田接続構造をＳｎ浴に５秒間浸食した後の様子を示す写真である（重量比 Ｎｉ：Ｓｎ＝９５：５）。図９は、本実施形態に係る半田接続構造をＳｎ浴に５秒間浸食した後の様子を示す写真である（重量比 Ｎｉ：Ｓｎ＝９０：１０）。図１０は、本実施形態に係る半田接続構造をＳｎ浴に５秒間浸食した後の様子を示す写真である（重量比 Ｎｉ：Ｓｎ＝８０：２０）。図１１は、本実施形態に係る半田接続構造をＳｎ浴に５秒間浸食した後の様子を示す写真である（重量比 Ｎｉ：Ｓｎ＝６０：４０）。図１２は、本実施形態に係る半田接続構造をＳｎ浴に５秒間浸食した後の様子を示す写真である（重量比 Ｎｉ：Ｓｎ＝９８：２）。

【0078】

図６、図９および図１０によると、ケース１（重量比 Ｎｉ：Ｓｎ＝９５：５）、ケース２（重量比 Ｎｉ：Ｓｎ＝９０：１０）およびケース３（重量比 Ｎｉ：Ｓｎ＝８０：２０）では、半田濡れ性は良好である。しかしながら、図１１、図１２によると、ケース４（重量比 Ｎｉ：Ｓｎ＝６０：４０）、さらには、ケース５（重量比 Ｎｉ：Ｓｎ＝９８：２）においては、半田濡れ性は低い。また、（ケース１）〜（ケース５）から、Ｓｎ粉末の混合比率が所定の範囲内であると、濡れ性が高くなることが見出された。その理由を、図１３〜図１５を参照して説明する。

【0079】

図１３は、比較例１に係る半田接続構造５２をＳｎ浴に５秒間浸食した前後のＳｎの付着の様子を示す概略図であり、左側図はＳｎ浴前を、右側図はＳｎ浴後の図を示す。

【0080】

上述したように、コールドスプレー法は、固相状態のまま金属粒子を高速で基板に衝突させることで成膜する。そのため、半田接続構造５２では、Ｎｉ粉末４１が噴射される方向においては、Ｎｉ粉末４１の粒子の集合体がアルミニウム基板３０に積層した状態となる。一方、Ｎｉ粉末４１が噴射される方向と垂直な方向においては、Ｎｉ粉末４１の粒子間には隙間や凹みが生じやすく、Ｎｉ膜の表面に多くの凹凸が形成される。そのため、半田接続構造５２は、（１）Ｎｉの表面密度が低くなり、（２）Ｎｉ膜４１ａが酸化物７０の影響を受ける（図１３左側）。そして、そのような半田接続構造５２をＳｎ浴に５秒間浸食すると、Ｎｉ膜の表面にＳｎが付着しにくく、Ｎｉ膜の一部が露出する（図１３の右側図に示すように、付着したＳｎ６０ａは非連続膜となる）。このような理由から、比較例１に係る半田接続構造５２は半田濡れ性が低くなる。このことは、Ｎｉ粉末とＳｎ粉末との混合粉末におけるＳｎ粉末の重量比率が所定の範囲よりも低いケース５においても同様である。

【0081】

図１４は、Ｎｉ粉末４１とＳｎ粉末４２との混合粉末において、Ｓｎ粉末４２の重量比率が所定の範囲内である場合に、半田濡れ性が高くなることを説明するための図である。ケース１、２および３が図１４に該当する。以下、ケース１、２および３において半田濡れ性が高くなることを説明する。

【0082】

Ｓｎは、Ｎｉよりも融点が低い。そのため、Ｓｎ粉末４２はコールドスプレーされたときに半溶融状態となりやすく、Ｓｎは、Ｎｉ粒子の間に入り込み、Ｎｉ粒子を互いに結合する役割を果たす。また、そのＳｎの働きにより、金属膜４０の表面は凹凸が少ない連続膜となる。また、混合粉末に占めるＮｉ粉末４１の割合が高いことから、金属膜４０におけるＮｉ密度も高くなる。加えて、Ｎｉ層は連続膜であるＳｎ層に覆われており、図１３を参照して説明した酸化物７０の影響は低い。そのため、そのような半田接続構造をＳｎ浴に５秒間浸食すると、連続膜であるＳｎ膜６０ｂが形成され、それにより半田濡れ性が高くなる。

【0083】

図１５は、Ｎｉ粉末４１とＳｎ粉末４２との混合粉末において、Ｓｎ粉末４２の重量比率が所定の範囲よりも高い場合に、半田濡れ性が低くなることを説明するための図である。ケース４が図１５に該当する。以下、ケース４において半田濡れ性が低くなることを説明する。

【0084】

Ｓｎは、複数のＮｉ粒子の間に入り込み、複数のＮｉ粒子を互いに結合する役割を果たす。また、Ｓｎ粉末４２は、コールドスプレーされたときに半溶融状態となりやすいことから、金属膜４０は、凹凸の少ない連続膜となる。また、Ｎｉ層はＳｎ層に覆われていることから、図１３を参照して説明した酸化物７０の影響は低い。しかしながら、混合粉末に占めるＮｉ粉末４１の割合が低いことから、Ｎｉ密度は低くなる。そのため、ケース４においては、ケース４に対応する半田接続構造をＳｎ浴に５秒間浸食すると、Ｓｎ膜の一部がＳｎ浴内で溶融してしまい、下層のＮｉ膜の一部が露出する（図１５の右側図に示すように、付着したＳｎ６０ｃは非連続膜となる）。その結果、ケース４においては、半田濡れ性が低くなる。

【0085】

以上の理由により、アルミニウム基板３０上にＮｉ粉末４１とＳｎ粉末４２とからなる金属膜４０を成膜する場合には、混合粉末におけるＮｉ粉末の重量比を８０％以上９５％以下に保つことで半田接続構造の濡れ性を高くすることができる。

【0086】

（その他）
本実施形態に係る半田接続構造において、第一粉末材料は、Ｎｉ粉末ではなく、金（Ａｕ）、亜鉛（Ｚｎ）、銀（Ａｇ）、銅（Ｃｕ）のいずれか、又は、Ｎｉ、Ａｕ、Ｚｎ、Ａｇ、Ｃｕのうち２種以上を含む合金を粉末材料とすることもできる。また、本実施形態に係る半田接続構造において、第二粉末材料は、Ｓｎ粉末ではなく、Ｓｎを含む合金を成分とする粉末材料を用いてもよい。

【0087】

ここで、「合金」とは、複数の金属元素あるいは金属元素と非金属元素からなる金属をいう。合金には様々な状態があり、完全に溶け込んでいる固溶体、結晶レベルでは成分の金属がそれぞれ独立している共晶、原子のレベルにおいて一定割合で結合した金属間化合物などがある。本実施形態において、「合金」は、これら様々な状態を含む。

【0088】

また、「アルミニウム基板」は、何らかの機能を実現するための部品、部材であればよく、これらを総称して「アルミニウム基材」と称することができる。例えば、本実施形態に係る半田接続構造は、用途として、電池タブ、バスバー等に用いることができる。

【0089】

また、一般に、異種金属の接合（接続）技術には、主にネジ止め、はんだ付け、各種溶接技術が利用される。ただし、金属の材質によっては、腐食が生じる虞がある。例えば、アルミニウム基材と銅線とをネジ止めする場合、電池作用が生じ、アルミニウム基材が腐食する虞がある。また、アルミニウム基材とアルミニウムとは異なる金属材料とを溶接により固定する場合、酸化膜を除去するなどの工程が必要となり、手間とコストがかかる。そのような従来の異種金属の接合（接続）技術の有する課題に鑑み、本実施形態に係る半田接続構造は、コールドスプレーを利用する。これにより、本実施形態に係る半田接続構造は、（１）従来のめっき・蒸着・クラッド技術と比べ材料の組合せ範囲を広くでき、（２）部分加工が可能であり、（３）コストを抑えることもできる。

【0090】

本発明は上述した各実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。

【産業上の利用可能性】

【0091】

本発明は、半田材料を介して他の部材と接続する半田接続構造に利用することができる。

【符号の説明】

【0092】

１０ 基材
３０ アルミニウム基板
４０、４５ 金属膜
４１ Ｎｉ粉末（第一粉末材料）
４２ Ｓｎ粉末（第二粉末材料）
５０ 半田接続構造（実施例１）
５２ 半田接続構造（比較例１）
５４ 半田接続構造（比較例２）
７０ 酸化物
１００ コールドスプレー装置
１１０ タンク
１２０ ヒーター
１３０ ノズル
１４０ フィーダ
１５０ 基材ホルダー

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】