JP5247293B2 - 鋼材とアルミニウム材料のろう付け接合構造およびろう付け方法 - Google Patents
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Description
したがって、鋼材としてステンレス鋼を使用した場合でも、鋼材とアルミニウム材料の間のろう付け接合界面における耐久性を十分に確保できるろう付け技術の確立が強く求められている。
図1に一般的なパワーモジュールの構成例を模式的に示す。半導体素子1を搭載する半導体基板2は、アルミナや窒化アルミニウム等のセラミックスからなる絶縁基板4の表面に銅またはアルミニウムの導体層3が接合されており、その上に半導体素子1が取り付けられる。絶縁基板4の裏面(半導体素子1と反対側の面)には熱伝導性の良好な銅またはアルミニウムからなる裏面導体層5が接合されている。半導体基板2の裏面導体層5は、ろう付けにより放熱板6と接合される。放熱板6は例えばヒートシンク7に取り付けられる。
(1)Al−Fe−Si系合金層の平均厚さが15μm以下であること
(2)Al−Fe−Si系合金層は、Cu濃度が異なる2種類のAl−Fe−Si系合金の相が混在した構成を有するものであること
本発明では鋼材としては「Alめっき鋼材」を使用する。鋼材の表面にAlめっき層が存在することにより、ろう材との反応性が向上し、ろう付け温度の低減が可能となる。
Alめっき層は、Siを5〜13質量%含有するAl−Si合金浴に鋼材を浸漬することによって得られる溶融Alめっき層とすることが好ましい。
アルミニウム材料は、純Alや、マトリクスがAl相である種々のAl合金(Al含有量80質量%以上、好ましくは85質量%以上)が適用対象となる。既存の規格材料としては、JIS H4000に規定される種々のもの(1000系〜8000系)が採用できる。
ろう材は、融点が550℃未満のものを使用する。540℃未満のものがより好ましい。アルミニウム合金用の従来一般的なろう材としてはAl−Si系のものが知られており、例えばSi:約12原子%を含む組成のものが主流である。しかし、Al−Si系は融点が570℃を超えて高く、Al−Fe−Si系合金層の厚さをできるだけ薄くすることが重要となる本発明では使用できない。
Alめっき鋼材とアルミニウム材料を上記Al−Cu−Si系ろう材を用いてろう付け接合すると、ろう付け部の構造は、鋼材側から順に、「鋼素地」、「Al−Fe−Si系合金層」、「Al素地」となる。Al素地は、アルミニウム材料が元から存在していた領域と、鋼材のAlめっき層、ろう材およびアルミニウム材料が反応して形成された領域からなるが、それら双方の領域の境界は必ずしも明瞭ではない。本発明のろう付け接合構造においては多くの場合、Al−Fe−Si系合金層に近い部分には通常、Cu−Al合金の晶出相またはそれに由来するCu濃化相が残存している。また、Si濃化相やMg濃化相も存在する。本明細書では、このような「Al相ではなくAl−Fe−Si系合金の相でもない相」を「異相」と呼んでいる。ろう付け接合部において異相が存在する領域、すなわち、ろう付け時に溶融凝固した部分であることが明らかである領域についても、素地はAl相であり、このAl相はアルミニウム材料が元から存在していた部分のAl相と明瞭な境界を有しないことから、本明細書ではこれら異相が存在する領域も「Al素地」に含めている(後述図4〜図6のSEM像参照)。特に、ろう材の使用量が比較的少ない場合やろう付け時間が比較的長い場合には、凝固組織に由来する異相の大部分が拡散により消失しており、溶融凝固した部分を把握することが一層困難となる。なお、Al相に固溶されるろう材由来のCuの濃度は、Al−Fe−Si系合金層から遠ざかるにしたがって徐々に減少する傾向にある。
ろう付けの方法は、
(i)ろう付け温度を530℃以上かつろう材の融点以上、580℃以下の温度範囲とすること、
(ii)前記のAl−Fe−Si系合金層の平均厚さが15μm以下好ましくは10μm以下となるように短時間でろう付け温度での保持を終了し、冷却過程に移行させること、
を除き、従来一般的な方法に従えばよい。ろう付け温度は570℃以下あるいは570℃未満に管理することが一層好ましい。真空ろう付けの場合は、Mgを含有する前記ろう材を適用し、上記(i)(ii)の条件を採用した上で、従来公知の真空ろう付け技術を利用すればよい。
アルミニウム材料として、JIS H4000、合金番号1050に相当するAl:99.5質量%以上のアルミニウム合金板材を用意した。板厚は5mmである。
ろう材として、Al−27質量%Cu−4.5質量%Si−2質量%Mg組成の合金シートを用意した。シート厚さは0.1mm、融点は約535℃である。
◎:割れが認められない
○:割れが認められるが、局部的な微小な割れであり、上記冷熱サイクルでの伝播性はほとんどないと考えられる
△:発生した微小割れが伝播して繋がったと考えられる割れが部分的に認められるが、上記冷熱サイクルで連続的な割れに進展する可能性はほとんどないと考えられる
×:発生した割れが伝播して繋がったと考えられる連続的な割れが認められ、この割れは材料破断を招く恐れがある
上記において、△評価以上であれば、昇温・降温の繰り返しを伴う多くの伝熱用途において使用可能であると判断されることから、△評価以上を合格と判定した。○評価以上であれば、昇温・降温の繰り返しを伴う多くの伝熱用途において高い信頼性が得られる。
2 半導体基板
3 導体層
4 絶縁基板
5 裏面導体層
6 放熱板
7 ヒートシンク
10 接合界面
Claims (5)
- Alめっき鋼材とアルミニウム材料を、Mg含有量が0.3〜4質量%であり融点が550℃未満であるAl−Cu−Si系合金組成のろう材を用いてろう付けした接合構造であって、鋼材側から順に、鋼素地、Al−Fe−Si系合金層、Al素地により構成され、前記Al素地中にはCu−Al合金の晶出相またはそれに由来するCu濃化相、Si濃化相、およびMg濃化相が存在し、前記Al−Fe−Si系合金層の平均厚さが15μm以下であり、そのAl−Fe−Si系合金層はCu濃度が異なる2種類のAl−Fe−Si系合金の相が混在した構成を有するものである、鋼材とアルミニウム材料のろう付け接合構造。
- 鋼材がステンレス鋼である請求項1に記載の鋼材とアルミニウム材料のろう付け接合構造。
- 前記アルミニウム材料が半導体基板の素子搭載面と反対側の面を構成する部材であり、前記鋼材が半導体基板と接合される放熱板である請求項1または2に記載の鋼材とアルミニウム材料のろう付け接合構造。
- Si:5〜13質量%を含有する溶融Alめっき層を表面に有する鋼材と、アルミニウム材料とを、それら双方の材料間にMgを0.3〜4質量%の範囲で含有する融点550℃未満のAl−Cu−Si系ろう材が介在する状態で、530℃以上かつろう材の融点以上、580℃以下の温度の炉中に装入して真空中でろう材を溶融させ、鋼素地表面に形成されるAl−Fe−Si系合金層の平均厚さが15μm以下となるように上記温度範囲における保持を終了し冷却過程に移行させる、鋼材とアルミニウム材料のろう付け方法。
- 鋼材がステンレス鋼である請求項4に記載の鋼材とアルミニウム材料のろう付け方法。
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