JP2013127092A - ろう付用クラッド材 - Google Patents

Abstract

【課題】熱間でクラッド圧延が可能な高温強度を有し、かつ常温における応力緩和能力を兼ね備えたろう付用クラッド材を提供する。
【解決手段】ろう付用クラッド材（20）（30）は、心材（21）（31）を構成するアルミニウム合金が０．２〜０．６質量％のＭｎおよび０．０５〜０．４質量％のＦｅを含有し、かつ常温における引張強さが１００Ｎ／ｍｍ^２以下であり、前記心材（21）（31）の少なくとも一方の面にろう材（22）（32）（33）がクラッドされている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、電子素子搭載用基板において絶縁基板にろう付するアルミニウム回路層、あるいは絶縁基板とヒートシンクとの間に介在させる緩衝層として用いられるろう付用クラッド材、およびその関連技術に関する。

電子素子搭載用基板として、絶縁基板の一方の面、あるいは両方の面にアルミニウム回路層が接合したものが知られている。かかる基板において、絶縁基板は電気絶縁性が優れていることはもとより、熱伝導性が良く放熱性が優れているセラミックが用いられ、前記アルミニウム回路層は導電性が高くかつ前記絶縁基板と接合可能な金属として高純度アルミニウムが用いられる。また、冷熱サイクル時の線膨張率に起因する応力を緩和するためにも、回路層は軟らかい高純度アルミニウムが適している。

前記絶縁基板の他方の面にはヒートシンクが積層されることがあり、冷熱サイクル時の線膨張係数に起因する応力を緩和するための緩衝層を介してヒートシンクが積層される。ヒートシンクは軽量性、強度維持、成形性、耐食性が要求されることから、Ａｌ−Ｍｎ系合金等のアルミニウム合金を用いることが一般的であり、発生する応力を緩和するために、緩衝層は高純度アルミニウムを用いるのが一般的である（特許文献１参照）。

また、前記絶縁基板とアルミニウム回路層および緩衝層とのろう付にはＡｌ−Ｓｉ系合金ろう材箔が用いられている。

一般にアルミニウム材のろう付においては、ブレージングシートを用いることによって仮組み作業の効率化を図ることが行われている（特許文献２、３参照）。

特開２００４−１５３０７５号公報 実公平８−１０２０２号公報 特開２０１０−１７７４１３号公報

しかしながら、高純度アルミニウムは高温強度が低いために、高純度アルミニウムにＡｌ−Ｓｉ系合金ろう材を熱間圧延してクラッドすることは困難である。このため、電子素子搭載用基板の作製にはブレージングシートを使わずにろう材箔を使用していた。

なお、従来のアルミニウムブレージングシートに用いられている心材は常温においても強度が高いので、高い応力緩和効果を要求されるアルミニウム回路層や緩衝層には適さない。

本発明は、上述した技術背景に鑑みて、熱間でクラッド圧延が可能な高温強度を有し、かつ常温における応力緩和能力を兼ね備えたろう付用クラッド材およびその製造方法の提供を目的とする。

即ち、本発明は下記［１］〜［９］に記載の構成を有する。

［１］心材を構成するアルミニウム合金が０．２〜０．６質量％のＭｎおよび０．０５〜０．４質量％のＦｅを含有し、かつ常温における引張強さが１００Ｎ／ｍｍ^２以下であり、前記心材の少なくとも一方の面にろう材がクラッドされていることを特徴とするろう付用クラッド材。

［２］前記ろう付用クラッド材は、電子素子搭載用基板において、絶縁基板にろう付して電子素子を搭載するアルミニウム回路層、または絶縁基板の前記アルミニウム回路層とは反対の面にろう付するアルミニウム層である前項１に記載のろう付用クラッド材。

［３］前記心材を構成するアルミニウム合金が０．０５〜０．５質量％のＺｒおよび０．０５〜０．５質量％のＶのうちの少なくとも一方を含有する前項１または２に記載のろう付用クラッド材。

［４］前記心材を構成するアルミニウム合金が０．０５〜０．５質量％のＳｉを含有する前項１〜３のいずれかに記載のろう付用クラッド材。

［５］前記心材を構成するアルミニウム合金が、０．２質量％以下のＣｕ、０．２質量％以下のＺｎ、０．２質量％以下のＭｇ、０．２質量％以下のＴｉのうちの少なくとも１種を含有する前項１〜４のいずれかに記載のろう付用クラッド材。

［６］心材が０．２〜０．６質量％のＭｎおよび０．０５〜０．４質量％のＦｅを含有するアルミニウム合金からなり、
均質化処理を行うことなく、５００℃における引張強さを５Ｎ／ｍｍ^２以上となされた前記心材の少なくとも一方の面にろう材を重ねて熱間でクラッド圧延することに一体化し、さらに複数パスの圧延を行う間に３５０〜４５０℃×１〜１２時間の中間焼鈍を行うことを特徴とするろう付用クラッド材の製造方法。

［７］絶縁基板の一方の面に電子素子を搭載するアルミニウム回路層がろう付された電子素子搭載用基板であって、
前記アルミニウム回路層は前項１〜５のいずれかに記載のろう付用クラッド材で構成され、ろう付後の心材における結晶粒の平均粒径が５０〜１５００μｍとなされていることを特徴とする電子素子搭載用基板。

［８］絶縁基板の一方の面に電子素子を搭載するアルミニウム回路層がろう付され、他方の面にアルミニウム層がろう付された電子素子搭載用基板であって、
前記アルミニウム回路層およびアルミニウム層の少なくとも一方は、前項１〜５のいずれかに記載のろう付用クラッド材で構成され、ろう付後の心材における結晶粒の平均粒径が５０〜１５００μｍとなされていることを特徴とする電子素子搭載用基板。

［９］前項８に記載の電子素子搭載用基板のアルミニウム層が緩衝層であり、この緩衝層にヒートシンクが接合されていることを特徴とする放熱装置。

上記［１］に記載の発明にかかるろう付用クラッド材は、心材がその合金組成に基づいて高い導電性および熱伝導性を有し、心材の常温における引張強さが１００Ｎ／ｍｍ^２以下であり、既存のブレージングシートよりも強度が低い。このため、本発明のろう付用クラッド材を用いて製造したアルミニウムろう付品は、高い導電性、熱伝導性、応力緩和能力を兼ね備えたものとなる。

上記［２］に記載の発明によれば、上述したろう付用クラッド材の効果によって、ろう材のクラッドが不可能であった高純度アルミニウムに代えて、絶縁基板にろう付するアルミニウム回路層またはアルミニウム層として使用できる。

上記［３］に記載の発明によれば、常温における引張強さを低下させる効果が大きい。

上記［４］に記載の発明によれば、高温強度を高める効果が大きい。

上記［５］に記載の発明によれば、心材として０．２質量％以下のＣｕ、Ｚｎ、Ｍｇ、Ｔｉを含む合金を用いた場合もろう材のクラッドが可能であり、かつこのろう付用クラッド材を用いて製造したアルミニウムろう付品は、高い導電性、熱伝導性、応力緩和能力を兼ね備えたものとなる。

上記［６］に記載の発明によれば、０．２〜０．６質量％のＭｎおよび０．０５〜０．４質量％のＦｅを含有するアルミニウム合金からなる心材が均質化処理を施さないことで、Ｍｎ固溶量を維持して５００℃における引張強さが５Ｎ／ｍｍ^２以上となされている。このため、前記心材とろう材とを熱間圧延しても心材が割れることなく良好にクラッドできる。また、中間焼鈍によってＭｎ固溶量が減少するので、常温における引張強さを低下させることができる。

上記［７］に記載の電子素子搭載用基板は、絶縁基板にろう付されるアルミニウム回路層が上記［１］〜［５］に記載されたろう付用クラッド材で構成されているから、絶縁基板とアルミニウム回路層の仮組作業が簡単であり、応力緩和能力の高いアルミニウム回路層が形成される。また、ろう付後のアルミニウム回路層（ろう付用クラッド材の心材）は平均粒径が５０〜１５００μｍに微細化されている。このため、アルミニウム回路層の表面において隣接する結晶粒との間に生じる段差が小さいので、絶縁基板との接合界面に生じるろう材溜まりも小さくなる。あるいは、ろう材溜まりが発生しなくなる。また、結晶粒の微細化によって結晶粒界面積率が高くなるので、ろう材が結晶粒界に拡散するので接合界面に残存するろう材が減少する。これらによって、接合界面に残存する余剰ろう材の量が抑えられ、あるいは余剰ろう材が残存しなくなる。また、接合界面にろう材溜まりとして残存する余剰ろう材を減らすことによって、冷熱サイクルにおけるろう材溜まりへの応力集中を防いで電子素子搭載用基板の冷熱耐久性を向上させることができる。

上記［８］に記載の電子素子搭載用基板は、絶縁基板にろう付されるアルミニウム回路層およびアルミニウム層が上記［１］〜［５］に記載されたろう付用クラッド材で構成されているから、絶縁基板、アルミニウム回路層、アルミニウム層の仮組作業が簡単である。また、ろう付後のアルミニウム回路層（ろう付用クラッド材の心材）およびアルミニウム層（ろう付用クラッド材の心材）は平均粒径が５０〜１５００μｍに微細化されている。このため、アルミニウム回路層およびアルミニウム層の表面において隣接する結晶粒との間に生じる段差が小さいので、絶縁基板との接合界面に生じるろう材溜まりも小さくなる。あるいは、ろう材溜まりが発生しなくなる。また、結晶粒の微細化によって結晶粒界面積率が高くなるので、ろう材が結晶粒界に拡散するので接合界面に残存するろう材が減少する。これらによって、接合界面に残存する余剰ろう材の量が抑えられ、あるいは余剰ろう材が残存しなくなる。また、接合界面にろう材溜まりとして残存する余剰ろう材を減らすことによって、冷熱サイクルにおけるろう材溜まりへの応力集中を防いで電子素子搭載用基板の冷熱耐久性を向上させることができる。

上記［９］に記載の放熱装置によれば、絶縁基板とアルミニウム回路層との接合界面、および絶縁基板とアルミニウム層の接合界面において、クラッド材を用いた側の接合界面に残存する余剰ろう材の量が抑えられ、あるいは余剰ろう材が残存しなくなる。また、これらの接合界面にろう材溜まりとして残存する余剰ろう材を減らすことによって、冷熱サイクルにおけるろう材溜まりへの応力集中を防いで放熱装置の冷熱耐久性を向上させることができる。

本発明にかかるろう付用クラッド材をアルミニウム回路層および緩衝層として用いた電子素子搭載用基板、およびこの電子素子搭載用基板を用いた放熱装置の仮組物を示す縦断面図である。 本発明にかかる電子素子搭載用基板において、ろう付後の絶縁基板とアルミニウム回路層との接合界面およびその近傍を示す断面図である。

図１は、本発明のろう付用クラッド材を用いて作製する電子素子搭載用基板と、この電子素子搭載用基板を用いて作製する放熱装置の仮組物を、構成部材が積層する方向で切断した断面で示している。

電子素子搭載用基板（1）は、絶縁基板（11）と、この絶縁基板（11）の一方の面に重ねられたアルミニウム回路層（20）と、他方の面に重ねられた緩衝層（30）とにより構成されている。前記アルミニウム回路層（20）および緩衝層（30）が本発明のろう材用クラッド材で構成されている。前記アルミニウム回路層（20）は電子素子（18）を搭載するための層であって、心材（21）の一方の面にろう材（22）を接合した二層のろう付用クラッド材で構成されている。前記緩衝層（30）は本発明におけるアルミニウム層に対応する層であって、心材（31）の両面にろう材（32）（33）を接合した三層のろう付用クラッド材で構成されている。また、放熱装置（2）として、前記電子素子搭載用基板（1）の緩衝層（30）側に複数の中空部を有するチューブ型のヒートシンク（16）が重ねられている。

前記放熱装置（2）は前記仮組物を一括してろう付加熱され、ろう付用クラッド材（20）（30）のろう材（22）（32）（33）によってろう付される。その後アルミニウム回路層（20）上に電子素子（18）が搭載されてはんだ付される。ろう付後の放熱装置（2）において、アルミニウム回路層（20）がろう付された絶縁基板（11）とヒートシンク（16）とは緩衝層（30）を介して熱的に結合され、電子素子（18）が発する熱はヒートシンク（16）に排熱される。

なお、図示例のアルミニウム回路層（20）は二層のろう付用クラッド材であるが、三層のろう付用クラッド材を用いれば電子素子（18）も他の部材とともに一括してろう付することができる。

［ろう付用クラッド材の構成］
前記ろう付用クラッド（20）（30）は、心材（21）（31）とろう材（22）（32）（33）とを重ねて熱間圧延してクラッドし、さらに所要厚さに圧延することにより作製される。従って、心材（21）（31）の材料は、その特性として、作製時には熱間で行うクラッド圧延に耐える高い強度を有し、ろう付後には冷熱サイクルによって発生する応力を緩和できる低い強度を有することが条件となる。本発明のろう付用クラッド材は、心材に添加する元素を規定することによってクラッド圧延時の強度を得、かつ規定された組成において常温時の引張強さの上限値を規定することによって応力緩和能力を確保している。

ろう付用クラッド材（20）（30）の心材（21）（31）は、常温における引張強さを１００Ｎ／ｍｍ^２以下とする。引張強さが１００Ｎ／ｍｍ^２を超えると、冷熱サイクル時に絶縁基板（11）に加わる応力が高くなり、絶縁基板（11）の割れや接合部の剥離が発生する可能性が高くなる。常温における好ましい引張強さは４５〜９０Ｎ／ｍｍ^２である。

また、前記心材（21）（31）の高温強度は心材（21）（31）中のＭｎ濃度およびＦｅ濃度を規定することにより確保されているので、本発明は高温強度を規定するものではない。ただし、心材（21）（31）とろう材（22）（32）（33）とのクラッド圧延は熱間で行うことから、５００℃における引張強さが５Ｎ／ｍｍ^２以上であることが好ましく、特に７Ｎ／ｍｍ^２以上であることが好ましい。また、高温強度は熱間圧延に耐えれば十分であるから、過度の強度は必要としない。高温強度が必要以上に高い心材（21）（31）は常温時に低い強度を実現することが困難になるので、心材（21）（31）の高温強度１７Ｎ／ｍｍ^２以下であることが好ましい。

前記心材（21）（31）の材料として、所定量のＭｎおよびＦｅを含有するアルミニウム合金を用いる。また、前記アルミニウム合金の任意添加元素として、Ｚｒ、Ｖ、Ｓｉ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｍｇ、Ｔｉを推奨できる。以下に各元素の含有意義と濃度範囲の限定理由について詳述する。

Ｍｎは、アルミニウムに固溶して高温強度を高める元素であり、その濃度を０．２〜０．６質量％とする。Ｍｎ濃度が０．２質量％未満ではＭｎ固溶量が少なく高温強度が不足してろう材とのクラッド圧延が困難になる。一方、Ｍｎ濃度が０．６質量％を超えると、常温強度を１００Ｎ／ｍｍ^２以下に抑えることが困難になり、冷熱サイクル時の応力緩和能力が低下する。好ましいＭｎ濃度は０．２〜０．４質量％である。

Ｆｅは、ろう付後の結晶粒径を適正にして所期する常温強度を発現させるためにその濃度を０．０５〜０．４質量％の範囲に規制する。Ｆｅ濃度が０．４質量％を超えると結晶粒径が細かくなり、常温強度が高くなって冷熱サイクル時の応力緩和能力が低下する。一方、Ｆｅ濃度が０．０５質量％であれば常温強度を低く抑えることができるので、０．０５質量％未満に濃度規制する意義が少ない。しかも、Ｆｅ濃度を０．０５質量％未満に規制しようとすれば、材料に高純度アルミニウムを使用する必要があるため、材料コストの点で不経済である。好ましいＦｅ濃度は０．１〜０．４質量％である。

ＺｒおよびＶは結晶粒径に影響を及ぼす元素であり、少なくとも一方を０．０５〜０．５質量％添加することによって結晶粒を粗大化して常温強度を低く抑えることができる。Ｚｒ濃度およびＶ濃度は０．０５質量％未満では前記効果が少なく、０．５質量％を超えると材料コストが上がるので不経済である。好ましいＺｒ濃度は０．１〜０．３質量％であり、好ましいＶ濃度は０．０５〜０．３質量％である。

ＳｉはＭｎの固溶度に影響を及ぼす元素であり、その濃度を０．０５〜０．５質量％とする。Ｓｉ濃度が０．５質量％を超えるとＭｎ固溶量が低下するので高い高温強度を得ることが困難となり、熱間圧延性が低下する。一方、Ｓｉ濃度を０．０５質量％未満とするには材料に高純度アルミニウムを使用する必要があるため、材料コストの点で不経済である。材料の精製コストが上がるので不経済である。好ましいＳｉ濃度は０．１〜０．５質量％である。

その他の元素については、ろう材とのクラッド圧延が可能であり、かつ常温における引張強さが１００Ｎ／ｍｍ^２以下であるという条件を満たす限り含有が許容される。例えば、それぞれ０．２質量％以下のＣｕ、Ｚｎ、Ｍｇ、Ｔｉの添加が許容される。これらの元素による効果、０．２質量％以下とする理由、特に好ましい濃度範囲は以下のとおりである。

Ｃｕ、Ｚｎ、Ｍｇ、Ｔｉは０．２質量％を越える範囲では強度に影響を与えるが、０．２質量％以下では大きく影響を与えない。Ｃｕの好ましい範囲は０．１質量％以下である。Ｚｎの好ましい範囲は０．１質量％以下である。Ｍｇの好ましい範囲は０．０５質量％以下である。Ｔｉの好ましい範囲は０．１質量％以下である。

上述した組成の心材（21）（31）用アルミニウム合金は、高い導電性および熱伝導性を有しているので、アルミニウム回路層（20）および緩衝層（30）として要求される条件を満たしている。また、アルミニウム回路層（20）および緩衝層（30）として用いる心材は高い導電性および熱伝導性を求められるので、アルミニウム純度が９９．５〜９８質量％であることが好ましい。

また、前記ろう材（22）（32）（33）の材料は限定されないが、Ａｌ−Ｓｉ系合金またはＡｌ−Ｓｉ−Ｍｇ系合金が好ましい。

本発明のろう付用クラッド材は、心材の一方の面にのみろう材をクラッドした二層クラッド材でも、心材の両面にろう材をクラッドした三層クラッド材であっても良い。図１に示したアルミニウム回路層（20）は心材（21）の絶縁基板（11）側にろう材（22）にクラッドした二層クラッド材であるが、電子素子（18）の面にもろう材層をクラッドしても良いし、緩衝層（30）は絶縁基板（11）側にのみろう材をクラッドした二層材であっても良い。また、心材（21）（31）の厚さおよびろう材（22）（32）（33）のクラッド率に制限はなく、用途に適した厚さに設定することができる。また、図示例の緩衝層（30）は、クラッド後に応力吸収空間として複数の円形貫通穴を穿設したパンチングメタルであるが、本発明における緩衝層は貫通穴の有るものに限定されない。

［ろう付用クラッド材の作製］
ろう付用クラッド材は、心材材料とろう材材料とを重ねて熱間でクラッド圧延して一体化し、さらに冷間圧延、仕上げ圧延の複数パスの圧延を行うことにより製造する。本発明は、この工程中に特有の熱処理を行う、あるいは熱処理を行わないことによって、クラッド圧延に耐える高温強度と、冷熱サイクル時の応力緩和効果を奏する常温強度を発現させる。

本発明においては、熱間圧延前の心材材料に均質化処理を行わない。均質処理を行わないことによって、心材中のＭｎ固溶量が維持され、Ｍｎ固溶量を維持した状態でろう材をクラッドする。心材はＭｎの固溶によって熱間圧延に耐える強度を有しているので、熱間圧延によって割れることはなくろう材が良好にクラッドされる。また、クラッド材がＭｎ固溶量を維持したままでは常温強度も高くなるので、熱間圧延後の工程中に中間焼鈍を行ってＭｎ固溶量を低下させ、かつ結晶粒を粗大化することによって、常温における引張強さを１００Ｎ／ｍｍ^２を以下にする。中間焼鈍は熱間圧延後、冷間圧延および仕上げ圧延の複数パスの圧延を行う間、特に好ましくは仕上げ圧延前に行う。中間焼鈍は前記期間中に少なくとも１回行うこととし、複数回行っても良い。また、中間焼鈍条件は３５０〜４５０℃×１〜１２時間とする。焼鈍温度が３５０℃未満では所要の引張強さを得るのに長時間を要するので不経済であり、４５０℃を超える焼鈍はエネルギーコストの点で不経済である。また１時間未満の焼鈍では引張強さを低下させる効果が少なく、１２時間を超える焼鈍はエネルギーコストの点で不経済である。好ましい中間焼鈍条件は３７０〜４４０℃×２〜１２時間である。

［電子素子搭載用基板および放熱装置］
作製したろう付用クラッド材はアルミニウム回路層（20）および緩衝層（30）に適した大きさに切断し、図１に示したように電子素子搭載用基板（1）および放熱装置(2)を仮組みし、全ての部材を一括してろう付する。

前記絶縁基板（11）を構成する材料としては、窒化アルミニウム、酸化アルミニウム、窒化ケイ素、酸化ジルコニウム、炭化ケイ素等のセラミックを例示できる。これらのセラミックは電気絶縁性が優れていることはもとより、熱伝導性が良く放熱性が優れている点で推奨できる。

前記ヒートシンク（16）を構成する金属は、軽量性、強度維持、成形性、耐食性に優れた材料を用いることが好ましく、これらの特性を有するものとしてＡｌ−Ｍｎ系合金等のアルミニウム合金を推奨できる。ヒートシンク（16）は緩衝層（30）側の外面がフラットであれば緩衝層（30）と広い面積でろう付して高い放熱性能が得られるので、緩衝層（30）側の面以外の外部形状や内部形状は問わない。ヒートシンクの他の形状として、平板、平板の他方の面にフィンをろう付したヒートシンク、平板の他方の面にフィンを立設したヒートシンク、中空部内にフィンを設けたチューブ型ヒートシンク等を例示できる。

前記アルミニウム回路層（20）および緩衝層（30）は心材（21）（31）とろう材（22）（32）（33）を一体化したろう付用クラッド材であるから、ろう材がずれるがことがなくかつ部品点数も少ないので、仮組作業は容易である。

ろう付後の心材（21）（31）は結晶粒の平均粒径が５０〜１５００μｍであることが好ましい。前記平均粒径は４Ｎ以上の高純度アルミニウムの平均結晶粒径よりも小さく、ろう付後の結晶粒が高純度アルミニウムよりも微細化されていることで、接合界面に残留する余剰ろう材を少なくすることができる。以下に、結晶粒が小さくなると余剰ろう材が減少する理由とその効果について詳述する。

図２は、ろう付後の絶縁基板（11）とアルミニウム回路層（20）の心材（21）との接合界面およびその近傍を拡大して模式的に示した断面図である。図２に示すように、心材（21）の表面を構成する結晶粒（41）（42）（43）（44）（45）（46）は必ずしも同じ高さで並んでいるのではなく不揃いの高さで並んでおり、隣接する結晶粒との間に段差が生じて絶縁基板（11）との間に隙間が生じる。その隙間には溶融したろう材（22）が存在し、絶縁基板（11）の表面からアルミニウム回路層（20）側に退いた結晶粒（42）（44）の部分にはろう材溜まり（47）が生じて余剰ろう材となる。結晶粒が大きくなると、前記隙間は絶縁基板（11）の表面に平行な方向の寸法が大きくなるだけでなく、前記段差（材料の積層方向の寸法）も大きくなることがわかっている。結晶粒が微細化されていることで隣接する結晶粒との間に生じる段差も小さくなり、ろう材溜まり（47）も小さくなる。あるいは、段差が無くなってろう材溜まりが発生しなくなる。

結晶粒が小さくなると隣接する結晶粒との間に生じる段差が小さくなる理由は、以下のとおりである。

結晶方位の異なる結晶粒は方向によって線膨張係数が異なる。このため、結晶方位の異なる結晶粒が隣接していると、それらの結晶粒はろう付中に線膨張係数の差によって相互に回転力または変形力を受ける。さらに、ろう付中の材料に加わる荷重や摩擦力等は結晶粒を回転させる力または変形させる力となって作用する。そして、結晶粒の回転角度が同じであっても結晶粒が大きくなるほどずれは大きくなり、結晶粒が小さくなるほどずれは小さくなる。また変形力を受ける場合おいても、大きい結晶粒で変形力を受けることで粒界でのずれが大きくなり、小さい結晶粒の粒界ではずれが小さくなる。隣接する結晶粒の段差はこのようなずれによって生じるために、結晶粒が小さくなるほど段差が小さくなる。

さらに、結晶粒の微細化によって結晶粒界面積率が高くなるので、ろう材が結晶粒界に拡散するので接合界面に残存するろう材が減少する。従って、結晶粒が小さくなると、接合界面に残存する余剰ろう材の量が抑えられ、あるいは余剰ろう材が残存しなくなって、ろう材の使用量が抑えられる。また、結晶粒が細かいために結晶粒界面積率が高くなるので、結晶粒界に拡散するろう材量が増えることによっても絶縁基板（11）との接合界面に残存する余剰ろう材が減少する。図示は省略するが、前記絶縁基板（11）と緩衝層（30）の心材（31）との接合界面においても同様であり、残存する余剰ろう材の量が抑えられ、あるいは余剰ろう材が残存しなくなる。

また、ろう材（22）（32）（33）は心材（21）（31）よりも硬質であるから、接合界面に硬いろう材溜まり（47）が生じると冷熱サイクルにおいて応力が集中しやすくなるおそれがある。このため、電子素子搭載用基板（1）の冷熱耐久性の向上を図るためにも、接合界面に余剰ろう材が残存しないこと、あるいは残存する余剰ろう材量が少ないことが好ましい。

ろう付後の心材（21）（31）において結晶粒の平均粒径が１５００μｍを超えると上記の諸効果が少なく、平均粒径が５０μｍ未満では心材への侵食(結晶粒の溶融)が発生するため好ましくない。よって、ろう付後の心材（21）（31）における結晶粒の平均粒径は５０〜１５００μｍであることが好ましく、特に好ましい結晶粒の平均粒径は１５０〜１０００μｍである。前記結晶粒の平均粒径はろう付後、即ちろう付加熱を受けることによって達成される平均粒径であるから、ろう付前の心材（21）（31）においては必ずしも平均粒径が上記範囲内であるとは限らない。また、本発明はろう付条件を限定するものではないが、ろう付条件として５９０〜６２０℃で５〜３０分の加熱を推奨できる。

図１の電子素子搭載用基板（1）は絶縁基板（11）の一方の面にアルミニウム回路層（20）を積層し他方の面にアルミニウム層としての緩衝層（30）を積層したものであり、アルミニウム回路層（20）および緩衝層（30）の両方を本発明のろう付用クラッド材で構成したものであるが、アルミニウム回路層（20）および緩衝層（30）のどちらか一方のみをろう付用クラッド材で構成した電子搭載用基板も本発明に含まれる。また、前記絶縁基板（11）の他方の面にろう付するアルミニウム層はヒートシンクをろう付することを前提とした緩衝層に限定されず、ヒートシンクをアルミニウム層としてヒートシンクを直接絶縁基板にろう付する電子素子搭載用基板も本発明に含まれる。さらに、絶縁基板にアルミニウム回路層のみをろう付するものとし、他方の面にはアルミニウム層が存在しない電子素子搭載用基板や、絶縁基板（11）の両面にアルミニウム回路層をろう付して電子素子を搭載するように構成した電子素子搭載用基板も本発明に含まれる。

さらに、本発明のろう付用クラッド材はその用途を電子素子搭載用基板に限定するものではない。心材がその合金組成に基づいて高い導電性および熱伝導性を有し、かつ常温における引張強さが１００Ｎ／ｍｍ^２以下であるから、高い導電性および熱伝導性を有し、かつ応力緩和能力が要求されるアルミニウムろう付品の製造材料として広く用いることができる。

図１に参照される積層構造の電子素子搭載用基板（1）を含む放熱装置（2）を、アルミニウム回路層および緩衝層の材料を変えて作製した。前記放熱装置（2）において積層した部材は、積層順に、アルミニウム回路層（ろう付用クラッド材）（20）、絶縁基板（11）、緩衝層（ろう付用クラッド材）（30）、ヒートシンク（16）である。

［ろう付用クラッド材の作製］
アルミニウム回路層（20）および緩衝層（30）として用いるろう付用クラッド材を作製した。表１の各例において、アルミニウム回路層（20）は心材（21）の片面にろう材（22）をクラッドした二層クラッド材を使用し、緩衝層（30）は心材（31）の両面にろう材（32）（33）をクラッドした三層クラッド材を使用した。前記心材（21）（31）の材料は表１に示す組成のアルミニウム合金であり、ろう材（22）（32）（33）はＡｌ−１０質量％Ｓｉ−１質量％Ｍｇ合金である。

アルミニウム回路層（20）用の二層クラッド材は、最終的に心材（21）の厚さが０．６ｍｍ、ろう材（22）の厚さが２０μｍになるように厚さを調節した心材材料とろう材材料を重ね、５００℃で熱間圧延してクラッドし、さらに冷間圧延、仕上げ圧延を施して作製した。また、緩衝層（30）用の三層クラッド材は、最終的に心材（31）の厚さが１．６ｍｍ、ろう材（32）（33）の厚さが４０μｍになるように厚さを調節した心材材料とろう材材料を重ね、熱間圧延、冷間圧延、仕上げ圧延を施して作製した。これらの工程において、実施例１〜９および比較例２は心材材料に均質化処理を施すことなく熱間圧延を行い、比較例１および比較例３は心材材料に６２０℃×１８時間の均質化処理を行った後に熱間圧延を行った。また、実施例１〜９は仕上げ圧延前に表１に記載した条件で中間焼鈍を行った。

上述した二層または三層のろう付用クラッド材（20）（30）の製造工程において、実施例１〜９および比較例２は熱間圧延によって心材（21）（31）とろう材（22）（32）（33）とを良好にクラッドすることができた。しかし、比較例１、３は熱間圧延時に心材（21）（31）が割れが発生したため、その後の工程を行わなかった。表１に、熱間圧延性として良好にクラッドできたものを「○」、割れが発生して良好にクラッドできなかったものを「×」として示す。

また、各例のクラッド材の心材材料について５００℃および常温における引張強さを測定した。

５００℃引張強さ測定用試験材にはクラッド前の心材材料を用いることとし、熱間圧延時の心材に近い状態で測定した。即ち、均質化処理を行なわなかった実施例１〜９および比較例２については均質化処理を行わない材料について測定し、均質化処理を行った比較例１、３については均質化処理を行った材料について測定した。

常温引張強さ測定用試験材にはクラッド後にアルミニウム回路層および緩衝層として用いるクラッド材またはそれに近い状態で測定することとし、実施例１〜９（中間焼鈍あり）および比較例２（中間焼鈍なし）は作製したろう付用クラッド材の心材について測定した。比較例１は熱間圧延時に心材が割れてろう付用クラッド材の作製に至らなかったが、実施例との比較のために均質化処理後の心材について測定した。比較例３は熱間圧延時に心材が割れてクラッド材の作製に至らなかったために常温強度を測定しなかった。

［電子素子搭載用基板および放熱装置］
実施例１〜９および比較例２で作製したアルミニウム回路層（20）用の二層クラッド材は２８ｍｍ×２８ｍｍに切断したものを放熱装置（2）の仮組みに使用した。また緩衝層（30）用の三層クラッド材は２８ｍｍ×２８ｍｍに切断し、さらに切削加工を施して直径２ｍｍの円形の１２個の貫通穴を形成したものを放熱装置（2）の仮組みに使用した。

また、比較例１はクラッド圧延時に心材が割れたためにクラッド材を作製できなかったが、高純度アルミニウムのろう付後の結晶粒径および冷熱耐久性を実施例と比較するために、クラッド材の心材と同一厚さの高純度アルミニウム無垢板を実施例と同一形状に加工したものをアルミニウム回路層および緩衝層として、これらと厚さ３０μｍのＡｌ−１０質量％Ｓｉ−１質量％Ｍｇ合金箔を用いて放熱装置（2）を仮組した。

前記アルミニウム回路層および緩衝層を除く部材は各例で共通のものを用いた。

前記絶縁基板（11）は窒化アルミニウムからなる３０ｍｍ×３０ｍｍ×厚さ０．６ｍｍの平板である。前記ヒートシンク（16）はＡｌ−１質量％Ｍｎ合金からなる扁平多穴チューブである。

［ろう付］
実施例１〜９および比較例１、２の仮組物を７×１０^−４Ｐａの真空中で６００℃×２０分で真空ろう付した。

ろう付した放熱装置（2）について、ろう付後の心材における結晶粒の平均粒径を調べたところ、表１に示す数値であった。また、絶縁基板（11）とアルミニウム回路層（20）との接合界面、絶縁基板（11）と緩衝層（30）との接合界面における余剰ろう材（ろう材溜まり）の有無を観察するとともに、冷熱サイクルにおける耐久性を下記の方法で試験にて評価した。評価結果を表1に示す。

［冷熱耐久性試験］
冷熱サイクル試験（１２５℃⇔−４０℃）を２０００サイクル行い、絶縁基板（11）（ＡｌＮ）とアルミニウム回路層（20）（Ａｌ）および緩衝層（30）（Ａｌ）の接合界面の接合面積を超音波探傷機により測定し、剥離のあった部分の面積割合を測定して評価した。ＡｌＮに割れが発生もしくはＡｌＮ／Ａｌ接合界面での剥離が接合面積に対して５％以上剥離したものを×、５％未満のものを○とした。

表１の結果より、各実施例は心材材料の高い高温強度によってろう付用クラッド材の作製が可能であり、かつ低い常温強度によって冷熱サイクルにおける耐久性が優れていることを確認した。

本発明のろう付用クラッド材は、絶縁基板の一方の面にアルミニウム回路層がろう付された電子素子搭載基板、およびこの電子素子搭載基板の組み込んだ放熱装置の製造に好適に利用できる。

1…電子素子搭載用基板
2…放熱装置
11…絶縁基板
20…アルミニウム回路層（ろう付用クラッド材）
30…緩衝層（ろう付用クラッド材）
21、31…心材
22、32、33…ろう材
18…電子素子
16…ヒートシンク

Claims (9)

1. 心材を構成するアルミニウム合金が０．２〜０．６質量％のＭｎおよび０．０５〜０．４質量％のＦｅを含有し、かつ常温における引張強さが１００Ｎ／ｍｍ^２以下であり、前記心材の少なくとも一方の面にろう材がクラッドされていることを特徴とするろう付用クラッド材。
2. 前記ろう付用クラッド材は、電子素子搭載用基板において、絶縁基板にろう付して電子素子を搭載するアルミニウム回路層、または絶縁基板の前記アルミニウム回路層とは反対の面にろう付するアルミニウム層である請求項１に記載のろう付用クラッド材。
3. 前記心材を構成するアルミニウム合金が０．０５〜０．５質量％のＺｒおよび０．０５〜０．５質量％のＶのうちの少なくとも一方を含有する請求項１または２に記載のろう付用クラッド材。
4. 前記心材を構成するアルミニウム合金が０．０５〜０．５質量％のＳｉを含有する請求項１〜３のいずれかに記載のろう付用クラッド材。
5. 前記心材を構成するアルミニウム合金が、０．２質量％以下のＣｕ、０．２質量％以下のＺｎ、０．２質量％以下のＭｇ、０．２質量％以下のＴｉのうちの少なくとも１種を含有する請求項１〜４のいずれかに記載のろう付用クラッド材。
6. 心材が０．２〜０．６質量％のＭｎおよび０．０５〜０．４質量％のＦｅを含有するアルミニウム合金からなり、
   均質化処理を行うことなく、５００℃における引張強さを５Ｎ／ｍｍ^２以上となされた前記心材の少なくとも一方の面にろう材を重ねて熱間でクラッド圧延することに一体化し、さらに複数パスの圧延を行う間に３５０〜４５０℃×１〜１２時間の中間焼鈍を行うことを特徴とするろう付用クラッド材の製造方法。
7. 絶縁基板の一方の面に電子素子を搭載するアルミニウム回路層がろう付された電子素子搭載用基板であって、
   前記アルミニウム回路層は請求項１〜５のいずれかに記載のろう付用クラッド材で構成され、ろう付後の心材における結晶粒の平均粒径が５０〜１５００μｍとなされていることを特徴とする電子素子搭載用基板。
8. 絶縁基板の一方の面に電子素子を搭載するアルミニウム回路層がろう付され、他方の面にアルミニウム層がろう付された電子素子搭載用基板であって、
   前記アルミニウム回路層およびアルミニウム層の少なくとも一方は、請求項１〜５のいずれかに記載のろう付用クラッド材で構成され、ろう付後の心材における結晶粒の平均粒径が５０〜１５００μｍとなされていることを特徴とする電子素子搭載用基板。
9. 請求項８に記載の電子素子搭載用基板のアルミニウム層が緩衝層であり、この緩衝層にヒートシンクが接合されていることを特徴とする放熱装置。
   

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