WO2021025081A1 - はんだ－金属メッシュ複合材及びその製造方法 - Google Patents

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metal mesh
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free solder
composite material
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西村　哲郎
貴利 西村
徹哉 赤岩
安　克彦
光 宇野
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株式会社日本スペリア社
メルク、パテント、ゲゼルシャフト、ミット、ベシュレンクテル、ハフツング
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Definitions

  • the present invention relates to a solder-metal mesh composite material and a method for producing the same. Above all, the present invention relates to a solder-metal mesh composite material preferably used for joining electronic components in an electronic circuit exposed to high temperature, and a method for manufacturing the same. The present invention also relates to a solder joint formed by using the solder-metal mesh composite material.
  • semiconductor devices used in power converters such as inverters and converters have attracted attention as devices used for effective use of energy in electric vehicles, hybrid vehicles, air conditioners, and various general-purpose motors.
  • the power device the power loss at the time of power conversion is small, and the higher the performance is, the more the element can be used even in a high voltage load environment.
  • high-temperature operation of power devices is also required due to demands such as miniaturization of the cooling mechanism of the system. Therefore, in power devices that require the above-mentioned performance, the solder, which is a joining member between electronic components, is also required to have the performance to withstand high-temperature operation in a high-voltage load environment.
  • the strength of the joint portion of the electronic component deteriorates.
  • SAC305 Consisting of "tin (Sn), silver (Ag), copper (Cu)” is expressed as Sn-3.0Ag-0.5Cu.
  • a composite material in which thin metal Cu and Ni mesh is embedded in a solder joint alloy of 3.0% by weight of silver, 0.5% by weight of copper, and the balance of tin
  • Non-Patent Document 1 A composite material in which thin metal Cu and Ni mesh is embedded in a solder joint (alloy of 3.0% by weight of silver, 0.5% by weight of copper, and the balance of tin) has been developed.
  • Non-Patent Document 1 Non-Patent Document 1
  • silver is used like the above SAC305 solder.
  • Solder containing as much as 3.0% by weight is not preferable from the viewpoint of cost.
  • the inventors of the present invention have been diligently studying to solve the above problems, and found that a metal mesh having high thermal conductivity is included in a lead-free solder layer made of a specific Sn—Cu—Ni-based lead-free solder. It has heat resistance, excellent thermal conductivity, and excellent solder fluidity in the manufacturing process and solder progress during pressurization, so it is easy to adjust to the desired thickness, and after joining.
  • the present invention has been completed by finding that the number of pores that affect heat resistance and thermal conductivity is reduced in the solder joint.
  • the gist of the present invention is (1) A metal mesh having high thermal conductivity is included in the lead-free solder layer formed of Sn—Cu—Ni-based lead-free solder, and the proportion of pores in the cross section in the thickness direction is 15% or less.
  • the Sn—Cu—Ni-based lead-free solder contains Cu 0.1 to 2% by weight and Ni 0.002 to 1% by weight, and the balance is Sn or Cu 0.1 to 2% by weight and Ni 0.002 to 1% by weight. , Ge 0.001 to 1% by weight, and the balance is Sn, a solder-metal mesh composite material, (2) The solder-metal mesh composite material according to (1) above, wherein the metal mesh is a copper mesh.
  • a method for manufacturing a solder-metal mesh composite material A process of coating the surface of a metal mesh having high thermal conductivity with Sn—Cu—Ni-based lead-free solder to obtain a solder-coated metal mesh.
  • the solder-coated metal mesh is placed between Sn—Cu—Ni-based lead-free solder sheets, and then heated to a temperature equal to or higher than the melting point of Sn—Cu—Ni-based lead-free solder while pressurizing.
  • the process of melting lead-free solder sheets Includes the steps of cooling until the molten solder solidifies and recovering the solder-metal mesh composite.
  • the Sn—Cu—Ni-based lead-free solder contains Cu 0.1 to 2% by weight and Ni 0.002 to 1% by weight, and the balance is Sn or Cu 0.1 to 2% by weight and Ni 0.002 to 1% by weight.
  • a method for producing a solder-metal mesh composite material which comprises 0.001 to 1% by weight of Ge and has a remainder of Sn.
  • a Sn—Cu—Ni-based lead-free solder sheet, the solder-coated metal mesh, and a Sn—Cu—Ni-based lead-free solder sheet are arranged between the heat-resistant plate A and the heat-resistant plate B in this order. Then, while pressurizing from the heat-resistant plate A side, heating is performed from the heat-resistant plate B side, according to the production method (4) or (5) above. Regarding.
  • the solder-metal mesh composite material of the present invention is a member having heat resistance, excellent thermal conductivity, and high joint reliability, and has few pores in the solder joint. Therefore, it is electronic as a solder joint material.
  • the solder-metal mesh composite material of the present invention is used in semiconductor elements (power devices) used in power converters such as inverters and converters of electric vehicles, hybrid vehicles, air conditioners, and various general-purpose motors. It can be suitably used as a joining material for parts or a joining material for a heat radiating material such as a heat sink material.
  • FIG. 2A shows a laminated state of each member before pressing and heating each member, and is a Sn—Cu—Ni-based lead-free solder sheet 6 between the heat-resistant plate A7 and the heat-resistant plate B8.
  • FIG. 2B shows that after loading each member on the heating device 9 as shown in FIG. 2A, the heating device 9 is heated to a desired temperature while pressurizing from above the heat-resistant plate A7.
  • the heat-resistant plate B8 is heated to a temperature equal to or higher than the melting point of the Sn—Cu—Ni-based lead-free solder to melt the lead-free solder sheet 6 and integrate it with the solder-coated metal mesh 5. ..
  • An image showing a cross section in the thickness direction of the solder-metal mesh composite material 1 obtained in Example 1 observed with a digital microscope is shown.
  • the solder-metal mesh composite material 1 shows a state in which the copper mesh 3 is included in the composite layer 2 formed of Sn—Cn—Ni-based lead-free solder. Further, although the composite layer 2 had pores 11, the proportion of the pores in the cross section in the thickness direction was 1% or less.
  • An image of a cross section in the thickness direction of the solder-metal mesh composite obtained in Comparative Example 2A observed with a digital microscope is shown. The image after the processing when the image of FIG. 4 is binarized is shown. The proportion of pores in the cross section of the composite layer in the thickness direction was 15.1%.
  • a metal mesh 3 having high thermal conductivity is included in a composite layer 2 formed of Sn—Cu—Ni-based lead-free solder.
  • the proportion of pores in the cross section in the thickness direction is 15% or less
  • the Sn—Cu—Ni-based lead-free solder contains Cu 0.1 to 2% by weight and Ni 0.002 to 1% by weight, and the balance is Sn. Or, it contains Cu 0.1 to 2% by weight, Ni 0.002 to 1% by weight, and Ge 0.001 to 1% by weight, and the balance is Sn.
  • the composite layer 2 formed of the Sn—Cu—Ni-based lead-free solder is basically the Sn—Cu—Ni-based lead-free solder 4 and the metal included. It is composed of mesh 3. Further, as described later, an intermetallic compound formed by the reaction of the lead-free solder 4 and the metal mesh 3 by heating during manufacturing is generated at the interface between the lead-free solder 4 and the metal mesh 3. May be (not shown).
  • the thickness of the composite layer 2 is not particularly limited as long as it has the effect of the present invention.
  • the Sn—Cu—Ni-based lead-free solder (hereinafter, also referred to as lead-free solder) contains Cu 0.1 to 2% by weight and Ni 0.002 to 1% by weight, and the balance is Sn, lead-free solder or Cu0. Examples thereof include lead-free solder containing 1 to 2% by weight, Ni0.002 to 1% by weight, and Ge0.001 to 1% by weight, and the balance is Sn.
  • lead-free solder contains Cu 0.1 to 2% by weight and Ni0.002 to 1% by weight, and the balance is Sn, lead-free solder or Cu0. Examples thereof include lead-free solder containing 1 to 2% by weight, Ni0.002 to 1% by weight, and Ge0.001 to 1% by weight, and the balance is Sn.
  • the solder-metal mesh composite material of the present invention by using the lead-free solder, a joining member having remarkably few pores and excellent thermal conductivity can be obtained as described later.
  • a lead-free solder to which elements such as Bi, In, Sb, P, Ga, Co, Mn, Mo, Ti, Al, and Au are added can also be used.
  • the content of these elements is not particularly limited as long as it does not significantly deteriorate the thermal conductivity of the lead-free solder.
  • the high thermal conductivity of the metal mesh means that it has higher thermal conductivity than the lead-free solder.
  • the metal mesh material having high thermal conductivity has higher thermal conductivity characteristics than the lead-free solder and is relatively inexpensive lead-free such as copper, an alloy containing copper as a main component, and an alloy containing tin as a main component. Examples include metals having a higher melting point than solder. Among them, copper (Cu) is preferable from the viewpoint that the Sn—Cu—Ni-based lead-free solder has good wettability to the metal mesh and the strength of the solder-metal mesh composite material of the present invention is high.
  • the shape of the metal mesh is not particularly limited as long as it has the effect of the present invention, and the process of incorporating it into the Sn—Cu—Ni-based lead-free solder is easy to control, and the solder-metal mesh composite of the present invention is easy to control.
  • a wire diameter that improves the strength of the material is preferable.
  • the wire diameter is not particularly limited as long as it has the effect of the present invention, but for example, the wire diameter is preferably 500 ⁇ m or less, and more preferably 100 ⁇ m or less.
  • the cross-sectional shape of the wire of the metal mesh is preferably circular or elliptical.
  • the opening of the metal mesh is not particularly limited as long as the effect of the present invention is obtained, and the wettability of the Sn—Cu—Ni-based lead-free solder is good, and the manufacturing process of the solder-metal mesh composite material of the present invention. It does not matter as long as the mesh does not break or there is no problem in including the mesh in the lead-free solder.
  • the solder-metal mesh composite material in which the lead-free solder of the present invention contains a metal mesh having high thermal conductivity can be processed into a predetermined size by rolling so that the metal mesh is not broken.
  • the size of the metal mesh may be any size suitable for mounting on an electronic device, and is not particularly limited.
  • the ratio of the pores in the thickness direction (L) cross section is the solder-metal mesh composite material in the braided wire 1 intersection section which is a repeating unit of the metal mesh. It refers to the pore area (excluding the area of the copper wire) that occupies the entire area of 1.
  • the detection of the pores in the solder-metal mesh composite material 1 can be performed by using an X-ray fluoroscope that observes a perspective hyperimage from the vertically upper side or the vertical lower side of the solder-metal mesh composite material 1. Moreover, you may use an X-ray CT apparatus as needed.
  • the cross section in the thickness direction with the detected vacancies is observed with a digital microscope, and the ratio of the vacancies in the cross section in the thickness direction is determined from the obtained image by the International Electrotechnical Commission (IEC).
  • the measurement may be performed in accordance with IEC61191-6: 2010, which is an international standard established by.
  • the proportion of pores in the thickness direction (L) cross section is 15% or less, and 10% or less from the viewpoint of excellent thermal conductivity and joint reliability. Preferably, 5% or less is more preferable.
  • SAC305 which has a proven track record as a typical composition of lead-free solder, contains 15.1% of pores, whereas the solder-metal mesh composite of the present invention of Example 1 is used. Since the material 1 has a small proportion of pores in the solder joint as described above, it is possible to efficiently transfer the heat generated by the electronic component when it is used as a solder joint in the joint of an electronic device.
  • a step of coating a surface of a metal mesh having high thermal conductivity with Sn—Cu—Ni-based lead-free solder to obtain a solder-coated metal mesh (first step).
  • the solder-coated metal mesh is placed between Sn—Cu—Ni-based lead-free solder sheets, and then heated to a temperature equal to or higher than the melting point of Sn—Cu—Ni-based lead-free solder while pressurizing.
  • Step of melting lead-free solder sheet (second step), A process of recovering the solder-metal mesh composite material by cooling the molten solder until it solidifies (third process). There is a method including.
  • the surface of a metal mesh having high thermal conductivity is coated with Sn—Cu—Ni-based lead-free solder to obtain a solder-coated metal mesh.
  • Sn—Cu—Ni-based lead-free solder By coating the surface of the metal mesh having high thermal conductivity with Sn—Cu—Ni-based lead-free solder as in the first step, the lead-free solder sheet melted in the second step and the metal mesh It is easy to get used to the solder coating of the above, and homogenization can be achieved. As a result, the number of pores generated in the composite material layer can be expected to be reduced, and as a result, the solder-metal mesh composite material can be efficiently manufactured while significantly reducing the ratio of the pores in the composite layer 2. .. In particular, the Sn—Cu—Ni-based lead-free solder is excellent in fluidity at the time of melting, so that the opening portion of the metal mesh can be efficiently coated quickly.
  • a method of immersing the metal mesh in the molten lead-free solder dip method or melting the metal mesh on the surface of the metal mesh.
  • Examples thereof include a method of pouring lead-free solder and a method of sandwiching the metal mesh with solder sheets from both sides and then melting the solder sheet, but the method is not particularly limited.
  • the lead-free solder is used in a state of being melted by heating above the melting point at the time of the coating.
  • the gaps between the meshes of the metal mesh may be filled with the lead-free solder, and the thickness of the coating is not particularly limited.
  • the lead-free solder can be coated with good finish.
  • the method for adhering the flux include a method of immersing the metal mesh in the flux (dip method) and a method of applying the flux to the surface of the metal mesh, but the method is not particularly limited.
  • the basic composition of the flux is composed of an activator and a solvent
  • the activators include malonic acid, succinic acid, glutaric acid, adipic acid, suberic acid, azelaic acid, sebacic acid, maleic acid, citric acid, tartaric acid, and Examples include those containing one selected from succinic acid, and the content thereof is not particularly limited as long as the effect of the present invention is obtained, but the content thereof is 4.55 mmol / g to 45.5 mmol / with respect to 100 g of the flux amount. g is preferable.
  • the solvent used for the flux is not particularly limited as long as it has the effect of the present invention, but alcohols such as ethanol, isopropanol and isobutanol, glycol ethers such as butyl carbitol and hexyl carbitol, ethylene glycol, diethylene glycol and the like.
  • Glycols esters such as ethyl propionate and butyl benzoate, hydrocarbons such as n-hexane and dodecane, terpene derivatives such as 1,8-terpine monoacetate and 1,8-terpine diacetate, Examples thereof include isobolonylcyclohexanol, and the content thereof can be arbitrarily set within a range that satisfies the effect of the activator, the flux coating property and the stability.
  • the cooling temperature is not particularly limited as long as it is a temperature equal to or lower than the melting point of the lead-free solder.
  • the solder-coated metal mesh is placed between Sn—Cu—Ni-based lead-free solder sheets (hereinafter, also referred to as lead-free solder sheets), and then pressurized to exceed the melting point of the lead-free solder.
  • the lead-free solder sheet is melted by heating to the temperature of.
  • the solder-coated metal mesh is sandwiched between two lead-free solder sheets, and then pressure-heated to melt the lead-free solder coated on the metal mesh and the lead-free solder sheet. And integrate.
  • the lead-free solder sheet melts and easily becomes compatible with the lead-free solder coated on the metal mesh, homogenization can be achieved, and even if integrated, holes are formed. There is an advantage that it is difficult to enter. Further, when the lead-free solder composition contains Cu 0.1 to 2% by weight, Ni 0.002 to 1% by weight, and Ge 0.001 to 1% by weight and the balance is Sn, the fluidity at the time of melting is excellent.
  • the solder flows smoothly into the gap between the openings of the metal mesh, the wettability with the metal mesh is good, the mixing of pores is suppressed, and the metal mesh is uniformly coated. Further, when the pressure heating is performed after melting, there is an advantage that vacancies in the solder are less likely to occur due to the excellent fluidity.
  • the size of the lead-free solder sheet may be the same size as the electronic components such as semiconductor elements to be bonded and the heat radiating material such as the heat sink material, and is not particularly limited. Further, the thickness of the lead-free solder sheet may be appropriately adjusted according to the application target of the solder-metal mesh composite material, and is not particularly limited.
  • Examples of the method of the second step include a method of pressurizing and heating as shown in FIGS. 2 (a) and 2 (b). Specifically, first, as shown in FIG. 2A, a Sn—Cu—Ni-based lead-free solder sheet 6 and the solder-coated metal are placed between the heat-resistant plate A7 and the heat-resistant plate B8. The mesh 5 and the Sn—Cu—Ni-based lead-free solder sheet 6 are laminated and arranged in this order.
  • the heat-resistant plate A7 may be a sheet having a size and thickness that makes it easy to pressurize the solder-coated metal mesh 5, the lead-free solder sheet 6, and the like, and the thickness and size are not particularly limited. Further, the size of the heat-resistant plate A7 may be made larger than that of the solder-coated metal mesh 5, and a spacer 10 may be provided around the solder-coated metal mesh 5.
  • the material of the heat-resistant plate A7 and the spacer should be excellent in heat resistance, easy to process and inexpensive, and examples thereof include ceramics such as alumina and zirconia, as well as aluminum, steel and stainless steel, but are particularly limited. There is no.
  • the means for pressurizing is not particularly limited as long as it is a method in which a uniform load is applied to a metal mesh having high thermal conductivity and a lead-free solder sheet, and press by hydraulic or air, application by placing a weight, or the like can be mentioned. Be done.
  • the degree of pressurization is not particularly limited as long as the thickness can be secured so that the effect peculiar to the solder-metal mesh composite material of the present invention can be obtained, and the target is suitable for the object to be joined. It may be set arbitrarily.
  • the heat-resistant plate B8 may be a sheet having a size and thickness that makes it easy to heat the laminate of the solder-coated metal mesh 5 and the lead-free solder sheet 6 between the heat-resistant plate A7 and the heat-resistant plate A7. There is no particular limitation on.
  • Examples of the means for heating the heat-resistant plate B8 include a method of connecting the heating device 9 to the lower surface of the heat-resistant plate B8 and a method of heating the entire heat-resistant plate B8 in a high-temperature bath.
  • the heating temperature may be a temperature equal to or higher than the melting point of the lead-free solder constituting the lead-free solder sheet 6. Further, the upper limit of the heating temperature is preferably adjusted within the temperature range of the melting point of the lead-free solder + 50 ° C. from the viewpoint of quality deterioration such as oxidation of the lead-free solder and economic efficiency.
  • the heating temperature is preferably 227 to 350 ° C.
  • the lead-free solder sheet 6 sandwiching the solder-coated metal mesh 5 from above and below can be efficiently melted.
  • the heating temperature is preferably around 227 to 350 ° C. You just have to adjust.
  • the solder melted in the second step is cooled until it solidifies, and the solder-metal mesh composite material is recovered.
  • the cooling temperature may be equal to or lower than the temperature at which the lead-free solder solidifies, but from the viewpoint of efficient cooling, it is preferable to perform cooling at a lower temperature.
  • the pressurized state is released and the solder-metal mesh composite material is recovered.
  • the leaked portion can be cut or the solder-metal mesh composite material can be formed into a desired shape. It may be molded. Further, in order to make the thickness of the solder-metal mesh composite material more uniform, for example, the surface of the solder-metal mesh composite material may be polished, or the surface may be flattened with a three-roll or press machine. May be applied. Further, the solder-metal mesh composite material can be processed into a predetermined size by rolling the metal mesh so as not to break the wire.
  • solder-metal mesh composite material of the present invention can be used as a bonding material for electronic components or a bonding material for heat radiating materials such as a heat sink material, similarly to conventional solders.
  • the solder joint according to the embodiment is formed by using the solder-metal mesh composite material.
  • the solder joint includes a predetermined base material and a joint portion made of a solder-metal mesh composite material bonded to the base material.
  • the base material may be any one for electronic components used in semiconductor elements (power devices), and is not particularly limited. Further, the base material may be a heat radiating material such as a heat sink material, and is not particularly limited.
  • the joining method using the solder-metal mesh composite material can be carried out according to a conventional method using, for example, a reflow method. Further, the heating temperature may be appropriately adjusted according to the heat resistance of the base material and the melting temperature of the solder alloy used in the solder-metal mesh composite material. Further, from the viewpoint of suppressing the generation of pores in the bonded body, a treatment such as decompression may be performed at the time of bonding.
  • the joint has heat resistance and excellent thermal conductivity, and the joint reliability is high. Therefore, for example, the joint is generated by heat generated by an electronic component in a high voltage load environment. Even when the solder is heated, strain stress is unlikely to occur inside the joint and can withstand the stress. Therefore, the solder-metal mesh composite material of the present invention is used in semiconductor elements (power devices) used in power converters such as inverters and converters of electric vehicles, hybrid vehicles, air conditioners, and various general-purpose motors. It can be suitably used as a joining material for parts. It is also suitable for joining heat-dissipating materials such as heat sinks in which heat-dissipating characteristics are an important factor, and its application can be expected.
  • semiconductor elements power devices
  • inverters and converters of electric vehicles hybrid vehicles, air conditioners, and various general-purpose motors.
  • heat-dissipating materials such as heat sinks in which heat-dissipating characteristics are an important factor, and its application can be expected.
  • Example 1 A commercially available copper mesh (wire diameter of about 50 ⁇ m, opening of 75 ⁇ m, length of 6 cm, width of 6 cm) was immersed in a container containing a flux (a low-residue non-cleaning flux of NS-334 manufactured by Nippon Superior Co., Ltd.). The copper mesh was taken out of the container to remove excess flux, and then heated to 260 ° C. to melt the copper mesh into a container containing SN100C (Sn-0.7Cu0.05Ni + Ge composition lead-free solder manufactured by Nippon Superior Co., Ltd.). It was immersed and subjected to lead-free solder coating, and was taken out from the container to remove excess SN100C to obtain a solder-coated copper mesh.
  • a flux a low-residue non-cleaning flux of NS-334 manufactured by Nippon Superior Co., Ltd.
  • the obtained solder-coated copper mesh 5 is sandwiched between two SN100C sheets 6 of the same size to prepare a laminate, and alumina is further formed from the outside of the SN100C sheet 6. It is sandwiched between a plate A7 (length 2.5 cm, width 7.5 cm, thickness 0.6 mm) and an alumina plate B8 (length 5 cm, width 5 cm, thickness 500 ⁇ m), and placed on the heating device 9 from the alumina plate B8 side. I put it. Spacers 10 having a thickness of 120 ⁇ m were provided at both ends of the alumina plate A7.
  • FIG. 2B when the temperature of the heating device 9 was adjusted to 227 ° C.
  • the SN100C sheet was obtained. After confirming that 6 was melted and the melted SN100C from the laminate leaked to the outside of the alumina plate 7, heating was stopped. Then, it is cooled using a local blower, and after confirming that the leaked SN100C has solidified, the pressurized state is released, and the lead-free solder layer of the SN100C contains a copper mesh. A composite material was obtained.
  • solder-metal mesh composite material obtained in Example 1 the proportion of pores in the cross section in the thickness direction is determined from vertically above or vertically below the solder-metal mesh composite material 1 according to IEC61191-6: 2010. The measurement was performed using an X-ray fluoroscope for observing a fluoroscopic hyperimage (not shown). Next, an image of a cross section in the thickness direction observed with a digital microscope is shown in FIG. The proportion of the pores 11 in the cross section in the thickness direction was 1% as measured according to IEC61191-6: 2010 based on the image shown in FIG.
  • the solder-metal mesh composite material obtained in Example 1 is a member having high strength and excellent thermal conductivity because it contains a copper mesh, and further, holes in the solder joint. It can be seen that, for example, even in a high-voltage load environment, the soldering material is remarkably small, and can withstand the high-temperature operation by exhibiting high bonding reliability with higher heat resistance and better thermal conductivity. Therefore, the solder-metal mesh composite material obtained in Example 1 is used in semiconductor elements (power devices) used in power converters such as inverters and converters of electric vehicles, hybrid vehicles, air conditioners, and various general-purpose motors. , It can be seen that it can be suitably used as a bonding material for a heat radiation material such as a bonding material for electronic parts and a heat sink material.
  • a heat radiation material such as a bonding material for electronic parts and a heat sink material.
  • Example 1 ⁇ Density measurement> According to the Archimedes method, each sample of Example 1 and Comparative Example 1 was submerged in water in a container having the same inner diameter as the sample, the sample volume was measured from the change in the liquid level before and after the sample was charged, and the sample weight was calculated.
  • Example 1 and Comparative Example 1 blackened with an aerosol dry graphite film forming lubricant DGF manufactured by Nippon Ship Tool Co., Ltd.
  • a laser flash analyzer LFA457 manufactured by NETZSCH
  • the solder-metal mesh composite material obtained in Example 1 contains a metal mesh as compared with Sample 1 in Comparative Example 1, so that the thermal conductivity is about three times higher. It can be seen that it has increased remarkably.
  • Sample 2A was prepared in the same manner as in Example 1 except that the solder was replaced with SAC305 (composition: Sn-3Ag-0.5Cu composition) instead of SN100C (Comparative Example 2A).
  • Sample 3A was prepared in the same manner as in Example 1 except that the solder was replaced with Sn-5Sb instead of SN100C (Comparative Example 3A).
  • Sample 2B and Sample 3B were prepared in the same manner except that the metal mesh was not used (Comparative Example 2B and Comparative Example 3B).
  • the thermal conductivity of the solder-metal mesh composite material obtained in Example 1 was the highest as compared with Comparative Examples 2A and 3A. Further, the thermal conductivity in the case of having the mesh tended to be improved as compared with the thermal conductivity in the case of having no mesh. Among them, the thermal conductivity of the solder-metal mesh composite material obtained in Example 1 tended to be improved.
  • the ratio of 100 was set to 100, it was higher than SAC305 (96.5), which has a proven track record as a typical composition of lead-free solder, and Sn-5Sb (89.7), which has a high melting temperature.
  • Comparative Example 2A similarly to Test Example 1, the ratio of the pores in the cross section in the thickness direction is determined from the vertical upper side or the vertical lower side of the solder-metal mesh composite material 1 according to IEC61191-6: 2010. The measurement was performed using an X-ray fluoroscope for observing a fluoroscopic hyperimage. Next, an image of a cross section in the thickness direction observed with a digital microscope is shown in FIG. The proportion of the pores in the cross section in the thickness direction was measured by binarization according to IEC61191-6: 2010 based on the image shown in FIG. 4 (FIG. 5) and was 15.1%. It can be seen that in Comparative Example 2A, the pores in the solder joint are remarkably large. The pores remaining in the state of Comparative Example 2A hinder the thermal conductivity of the solder joint and become a factor that does not fully exhibit the performance of the power device, and are required for electronic components. It may be a factor that impairs the joining reliability.
  • solder-metal mesh composite using a Sn—Cu—Ni-based lead-free solder containing Cu 0.1 to 2% by weight, Ni 0.002 to 1% by weight, and Ge 0.001 to 1% by weight and the balance being Sn.
  • the material is a bonding material having higher heat resistance and higher thermal conductivity and higher bonding reliability. Therefore, it can be used in electric vehicles, hybrid vehicles, air conditioners, etc.
  • solder-metal mesh composite material using lead-free solder containing Cu 0.1 to 2% by weight and Ni 0.002 to 1% by weight and the balance being Sn was produced.
  • the lead-free solder in which the solder alloy in the solder-metal mesh composite material of the present invention contains Cu 0.1 to 2% by weight and Ni 0.002 to 1% by weight and the balance is Sn is also a member in, for example, a high voltage load environment.
  • Solder-metal mesh composite material 1
  • Composite layer formed of Sn-Cu-Ni-based lead-free solder 3
  • Metal mesh with high thermal conductivity 4
  • Sn-Cu-Ni-based lead-free solder 5
  • Solder-coated metal mesh 6
  • Sn -Cu-Ni-based lead-free solder sheet 7
  • Heat-resistant plate A 8
  • Heat resistant plate B 9
  • Heating device 10 Spacer 11 Vacancy

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Abstract

Ｓｎ－Ｃｕ－Ｎｉ系の無鉛はんだにより形成された無鉛はんだ層に、高熱伝導性を有する金属メッシュが包含されており、厚さ方向断面における空孔の占める割合が１５％以下であり、前記Ｓｎ－Ｃｕ－Ｎｉ系の無鉛はんだがＣｕ０．１～２重量％、Ｎｉ０．００２～１重量％を含み、残部がＳｎであること、若しくはＣｕ０．１～２重量％、Ｎｉ０．００２～１重量％、Ｇｅ０．００１～１重量％を含み、残部がＳｎであることを特徴とする、はんだ－金属メッシュ複合材。本発明のはんだ－金属メッシュ複合材は、耐熱性があり、熱伝導性に優れた接合信頼性の高い部材であり、かつ、はんだ接合体中の空孔が少ないために、はんだ接合材として電子機器や放熱材の接合部で使用した場合に、電子部品が発する熱を効率よく伝えることが可能となり、より熱伝導性に優れた接合信頼性の高い接合部を形成することができる。

Description

はんだ－金属メッシュ複合材及びその製造方法
　本発明は、はんだ－金属メッシュ複合材及びその製造方法に関する。中でも、高温にさらされる電子回路における電子部品の接合に好適に使用されるはんだ－金属メッシュ複合材及びその製造方法に関する。また、前記はんだ－金属メッシュ複合材を用いて形成されたはんだ接合体に関する。
　近年、エネルギーへの有効利用に使用されるデバイスとして、電気自動車、ハイブリッド自動車、エアコンなどや各種汎用モーターなどにおいて、インバーターやコンバーターなどの電力変換器に用いられる半導体素子（パワーデバイス）が注目されている。
　前記パワーデバイスとしては、電力変換時の電力損失が少なく、高電圧負荷環境でも使用できる素子であるほど高性能ということになる。また、システムの冷却機構の小型化などの要求からパワーデバイスの高温動作も求められている。
　したがって、上記のような性能が求められるパワーデバイスでは、電子部品どうしの接合部材であるはんだにも高電圧負荷環境での高温動作に耐える性能が求められている。しかしながら、電子部品が高温状態となったり、温度変化にさらされると、電子部品の接合部の強度が劣化することは広く知られている。
　そこで、上記のような問題を解決する手法の一つとして、ＳＡＣ３０５（「錫（Ｓｎ）・銀（Ａｇ）・銅（Ｃｕ）」からなり、Ｓｎ－３．０Ａｇ－０．５Ｃｕと表現され、銀３．０重量％および銅０．５重量％、残部錫の合金）はんだ接合部内に薄い金属ＣｕおよびＮｉメッシュを埋め込んだ複合材が開発されている（非特許文献１）。
　しかしながら、金属価格が変動、高騰化している現在において、はんだ合金に使用されている金属にも影響が出ており、特に銀の価格の影響は大きいことから、上記のＳＡＣ３０５はんだのように銀を３．０重量％も含有するはんだではコストの観点で好ましいとはいえない。
Adrian Lis et al., Materials and Design 160 (2018) 475-485
　本発明の目的は、耐熱性があり、熱伝導性に優れた接合信頼性の高いはんだ－金属メッシュ複合材及びその製造方法を提供することにある。また、このようなはんだ－金属メッシュ複合材を用いて形成されたはんだ接合体を提供することにある。
　本件発明者らは、前記課題を解決すべく、鋭意検討を進めていたところ、特定のＳｎ－Ｃｕ－Ｎｉ系の無鉛はんだからなる無鉛はんだ層に、高熱伝導性を有する金属メッシュを包含させることで、耐熱性があり、熱伝導性に優れており、かつ、製造工程におけるはんだの流動性と加圧時のはんだの進展性に優れるために、所望の厚みに調整し易く、しかも、接合後のはんだ接合体には耐熱性および熱伝導性に影響を与える空孔の発生が少なくなることを見出して、本発明を完成させた。
　即ち、本発明の要旨は、
（１）Ｓｎ－Ｃｕ－Ｎｉ系の無鉛はんだにより形成された無鉛はんだ層に、高熱伝導性を有する金属メッシュが包含されており、厚さ方向断面における空孔の占める割合が１５％以下であり、前記Ｓｎ－Ｃｕ－Ｎｉ系の無鉛はんだがＣｕ０．１～２重量％、Ｎｉ０．００２～１重量％を含み、残部がＳｎ、若しくはＣｕ０．１～２重量％、Ｎｉ０．００２～１重量％、Ｇｅ０．００１～１重量％を含み、残部がＳｎであることを特徴とするはんだ－金属メッシュ複合材、
（２）前記金属メッシュが銅メッシュである、前記（１）に記載のはんだ－金属メッシュ複合材、
（３）前記（１）または（２）に記載のはんだ－金属メッシュ複合材を用いて形成されたはんだ接合体、
（４）はんだ－金属メッシュ複合材の製造方法であって、
　高熱伝導性を有する金属メッシュの表面に、Ｓｎ－Ｃｕ－Ｎｉ系の無鉛はんだをコーティングして、はんだコーティングされた金属メッシュを得る工程、
　前記はんだコーティングされた金属メッシュを、Ｓｎ－Ｃｕ－Ｎｉ系の無鉛はんだシートの間に配置し、次いで加圧しながら、Ｓｎ－Ｃｕ－Ｎｉ系の無鉛はんだの融点以上の温度に加熱して、前記無鉛はんだシートを溶融させる工程、
　溶融されたはんだが凝固するまで冷却し、はんだ－金属メッシュ複合材を回収する工程
を含み、
　前記Ｓｎ－Ｃｕ－Ｎｉ系の無鉛はんだがＣｕ０．１～２重量％、Ｎｉ０．００２～１重量％を含み、残部がＳｎ、若しくはＣｕ０．１～２重量％、Ｎｉ０．００２～１重量％、Ｇｅ０．００１～１重量％を含み、残部がＳｎであることを特徴とする、はんだ－金属メッシュ複合材の製造方法、
（５）前記金属メッシュが銅メッシュである、前記（４）に記載の製造方法、
（６）耐熱性プレートＡと、耐熱性プレートＢとの間に、Ｓｎ－Ｃｕ－Ｎｉ系の無鉛はんだシート、前記はんだコーティングされた金属メッシュおよびＳｎ－Ｃｕ－Ｎｉ系の無鉛はんだシートの順に配置し、次いで、耐熱性プレートＡ側から加圧しながら、耐熱性プレートＢ側から加熱する、前記（４）または（５）に記載の製造方法、
に関する。
　本発明のはんだ－金属メッシュ複合材は、耐熱性があり、熱伝導性に優れた接合信頼性の高い部材であり、かつ、はんだ接合体中の空孔が少ないために、はんだ接合材として電子機器や放熱材の接合部で使用した場合に、電子部品が発する熱を効率よく伝えることが可能となり、より熱伝導性に優れた接合信頼性の高い接合部を形成することができる。
　したがって、本発明のはんだ－金属メッシュ複合材は、例えば、電気自動車、ハイブリッド自動車、エアコンなどや各種汎用モーターなどの、インバーターやコンバーターなどの電力変換器に用いられる半導体素子（パワーデバイス）において、電子部品の接合材またはヒートシンク材などの放熱材の接合材として好適に使用することができる。
本発明のはんだ－金属メッシュ複合材１の厚さ方向断面の概略図を示す。はんだ－金属メッシュ複合材１では、Ｓｎ－Ｃｕ－Ｎｉ系の無鉛はんだにより形成された無鉛はんだ層である複合層２に、高熱伝導性を有する金属メッシュ３が包含されている。前記複合層２は、無鉛はんだ４と、金属メッシュ３とから主に構成される。 本発明のはんだ－金属メッシュ複合材の作成例の概略図を示す。図２（ａ）は、各部材を押圧、加熱する前の各部材の積層状態を示し、耐熱性プレートＡ７と、耐熱性プレートＢ８との間に、Ｓｎ－Ｃｕ－Ｎｉ系の無鉛はんだシート６、はんだコーティングされた金属メッシュ５およびＳｎ－Ｃｕ－Ｎｉ系の無鉛はんだシート６の順に配置し、次いで、加熱装置９上に載置する状態を示す。図２（ｂ）は、図２（ａ）のように加熱装置９上に各部材を積載した後、耐熱性プレートＡ７の上方向から加圧しながら、加熱装置９を所望の温度に加熱することで、耐熱性プレートＢ８からＳｎ－Ｃｕ－Ｎｉ系の無鉛はんだの融点以上の温度に加熱して、前記無鉛はんだシート６を溶融させて、はんだコーティングされた金属メッシュ５と一体化させる状態を示す。 実施例１で得られたはんだ－金属メッシュ複合材１の厚さ方向断面を、デジタルマイクロスコープで観察した画像を示す。はんだ－金属メッシュ複合材１では、Ｓｎ－Ｃｎ－Ｎｉ系の無鉛はんだにより形成された複合層２に、銅メッシュ３が包含されている状態を示す。また、複合層２には、空孔１１が見られるものの、厚さ方向断面における空孔の占める割合が１％以下であった。 比較例２Ａで得られたはんだ－金属メッシュ複合材の厚さ方向断面を、デジタルマイクロスコープで観察した画像を示す。 図４の画像を、二値化処理した場合の処理後の画像を示す。複合層の、厚さ方向断面における空孔の占める割合は１５．１％であった。
　本発明のはんだ－金属メッシュ複合材１は、図１に示すように、Ｓｎ－Ｃｕ－Ｎｉ系の無鉛はんだにより形成された複合層２に、高熱伝導性を有する金属メッシュ３が包含されており、厚さ方向断面における空孔の占める割合が１５％以下であり、前記Ｓｎ－Ｃｕ－Ｎｉ系の無鉛はんだがＣｕ０．１～２重量％、Ｎｉ０．００２～１重量％を含み、残部がＳｎ、若しくはＣｕ０．１～２重量％、Ｎｉ０．００２～１重量％、Ｇｅ０．００１～１重量％を含み、残部がＳｎであることを特徴とする。
　本発明のはんだ－金属メッシュ複合材１において、Ｓｎ－Ｃｕ－Ｎｉ系の無鉛はんだにより形成された複合層２は、基本的に、Ｓｎ－Ｃｕ－Ｎｉ系の無鉛はんだ４および包含される前記金属メッシュ３から構成される。また、後述のように製造時に、加熱することにより、前記無鉛はんだ４と前記金属メッシュ３とが反応して生じる金属間化合物が、前記無鉛はんだ４と前記金属メッシュ３との界面に生じていてもよい（図示せず）。
　前記複合層２の厚みとしては、本発明の効果を有する範囲において特に限定がない。
　前記Ｓｎ－Ｃｕ－Ｎｉ系の無鉛はんだ（以下、無鉛はんだともいう。）としては、Ｃｕ０．１～２重量％、Ｎｉ０．００２～１重量％を含み、残部がＳｎである無鉛はんだ、若しくはＣｕ０．１～２重量％、Ｎｉ０．００２～１重量％、Ｇｅ０．００１～１重量％を含み、残部がＳｎである無鉛はんだが挙げられる。
　本発明のはんだ－金属メッシュ複合材では、前記無鉛はんだを用いることで、後述のように空孔が顕著に少ない、熱伝導性に優れた接合部材となる。
　前記無鉛はんだに、Ｂｉ、Ｉｎ、Ｓｂ、Ｐ、Ｇａ、Ｃｏ、Ｍｎ、Ｍｏ、Ｔｉ、Ａｌ、Ａｕ等の元素を添加したものも使用可能である。これらの元素の含有量としては、前記無鉛はんだの熱伝導性などを大きく変質しない量であればよく、特に限定はない。
　本発明において、金属メッシュが有する高熱伝導性とは、前記無鉛はんだよりも高い熱伝導性を有することをいう。
　前記高熱伝導性を有する金属メッシュの材質としては、前記無鉛はんだよりも高い熱伝導特性を有し、比較的安価な銅、銅を主成分とする合金、錫を主成分とする合金などの無鉛はんだよりも融点の高い金属が挙げられる。中でも、Ｓｎ－Ｃｕ－Ｎｉ系の無鉛はんだが金属メッシュへの濡れ性が良く、本発明のはんだ－金属メッシュ複合材の強度が高い観点から、銅（Ｃｕ）が好ましい。
　また、金属メッシュの形状としては、本発明の効果を有する範囲において特に限定がなく、Ｓｎ－Ｃｕ－Ｎｉ系の無鉛はんだに包含させる際の工程が管理し易く、本発明のはんだ－金属メッシュ複合材の強度を向上する線径が好ましい。
　そして、前記線径としては、本発明の効果を有する範囲において特に限定がないが、例えば、線径は５００μｍ以下が好ましく、１００μｍ以下が更に好ましい。また、前記金属メッシュの素線の断面形状としては円形や楕円形が好ましい。
　また、金属メッシュの目開きとしては、本発明の効果を有する範囲において特に限定がなく、Ｓｎ－Ｃｕ－Ｎｉ系の無鉛はんだの濡れ性が良く、本発明のはんだ－金属メッシュ複合材の製造工程においてメッシュが断線したり、当該無鉛はんだに包含させるのに不具合が発生しない目開きであれば構わない。
　更に、本発明の無鉛はんだに高熱伝導性を有する金属メッシュを包含させたはんだ－金属メッシュ複合材を、金属メッシュが断線しないように圧延処理をすることにより所定のサイズに加工することもできる。
　また、金属メッシュのサイズとしては、電子機器に実装するのに適した大きさであればよく、特に限定はない。
　本発明のはんだ－金属メッシュ複合材１において、前記厚さ方向（Ｌ）断面における空孔の占める割合とは、金属メッシュの繰り返し単位である編み線１交差区間内の、はんだ－金属メッシュ複合材１の面積全体に占める空孔面積（ただし、銅線の面積分は除く）をいう。
　前記はんだ－金属メッシュ複合材１の空孔の検出には、はんだ－金属メッシュ複合材１の垂直上方または垂直下方からの透視過画像を観測するＸ線透視装置を用いて行うことができる。また、必要に応じてＸ線ＣＴ装置を用いてもよい。次いで、検出した空孔がある厚さ方向断面を、デジタルマイクロスコープで観察し、得られた画像から、厚さ方向断面における空孔の占める割合を、国際電気標準会議（International Electrotechnical Commission：ＩＥＣ）が制定する国際規格であるＩＥＣ６１１９１－６：２０１０に準じて測定すればよい。
　本発明のはんだ－金属メッシュ複合材１としては、前記厚さ方向（Ｌ）断面における空孔の占める割合が１５％以下であり、熱伝導性および接合信頼性に優れる観点から、１０％以下が好ましく、５％以下がより好ましい。
　例えば、後述の比較例２Ａのように、無鉛はんだの代表的組成として実績の多いＳＡＣ３０５でも空孔が１５．１％も含まれることに比べると、実施例１の本発明のはんだ－金属メッシュ複合材１は、前記のようにはんだ接合体中における空孔の割合が少ないために、はんだ接合材として電子機器の接合部で使用した場合に、電子部品が発する熱を効率よく伝えることが可能となり、より熱伝導性に優れた接合信頼性の高い接合部を形成することができる。
　なお、実施例１のように空孔の割合が少ないはんだ－金属メッシュ複合材を用いて、はんだ接合体を形成した場合、得られる接合部の空孔の発生を抑えることが可能になる。
　前記のような構造を有する本発明のはんだ－金属メッシュ複合材の製造方法（以下、本発明の方法ともいう）としては、
　高熱伝導性を有する金属メッシュの表面に、Ｓｎ－Ｃｕ－Ｎｉ系の無鉛はんだをコーティングして、はんだコーティングされた金属メッシュを得る工程（第一工程）、
　前記はんだコーティングされた金属メッシュを、Ｓｎ－Ｃｕ－Ｎｉ系の無鉛はんだシートの間に配置し、次いで加圧しながら、Ｓｎ－Ｃｕ－Ｎｉ系の無鉛はんだの融点以上の温度に加熱して、前記無鉛はんだシートを溶融させる工程（第二工程）、
　溶融されたはんだが凝固するまで冷却し、はんだ－金属メッシュ複合材を回収する工程（第三工程）
を含む方法が挙げられる。
　前記第一工程では、高熱伝導性を有する金属メッシュの表面に、Ｓｎ－Ｃｕ－Ｎｉ系の無鉛はんだをコーティングして、はんだコーティングされた金属メッシュを得る。
　前記第一工程のように、高熱伝導性を有する金属メッシュの表面に、Ｓｎ－Ｃｕ－Ｎｉ系の無鉛はんだをコーティングしておくことで、第二工程において溶融させた無鉛はんだシートと前記金属メッシュのはんだコーティングとが馴染みやすく、均質化が図れる。その結果、複合材層に発生する空孔も低減が期待でき、その結果、複合層２中の空孔の割合を顕著に低減させながら、はんだ－金属メッシュ複合材を効率よく製造することができる。特に前記Ｓｎ－Ｃｕ－Ｎｉ系の無鉛はんだは、溶融時の流動性に優れることから、効率よく金属メッシュの目開き部分を速やかにコーティングすることができる。
　高熱伝導性を有する金属メッシュの表面に、前記無鉛はんだをコーティングする方法としては、前記金属メッシュを、溶融させた無鉛はんだ中に浸漬させる方法（ディップ法）、前記金属メッシュの表面に溶融させた無鉛はんだを流し込む方法、前記金属メッシュの両側からはんだシートで挟みその後はんだシートを溶融させる方法などが挙げられるが、特に限定はない。
　前記無鉛はんだは、前記コーティング時に、融点以上に加熱して溶融された状態で使用する。
　なお、コーティングの状態としては、前記金属メッシュのメッシュ間の空隙が前記無鉛はんだで埋められていればよく、コーティングの厚みについては特に限定はない。
　また、前記無鉛はんだをコーティングする前に、前記金属メッシュの表面に予めフラックスを付着させていることで、前記無鉛はんだのコーティングを仕上がりよく行うことができる。
　前記フラックスを付着させる方法としては、前記金属メッシュをフラックス中に浸漬させる方法（ディップ法）、前記金属メッシュの表面にフラックスを塗布する方法などが挙げられるが、特に限定はない。
　前記フラックスとしては、基本組成が、活性剤及び溶剤からなり、当該活性剤としてマロン酸、コハク酸、グルタル酸、アジピン酸、スベリン酸、アゼライン酸、セバシン酸、マレイン酸、クエン酸、酒石酸、及び安息香酸から選ばれる１種を含有するものが挙げられ、その含有量は、本発明の効果を有する範囲において特に限定されないが、フラックス量１００ｇに対して、４．５５ｍｍｏｌ／ｇ～４５．５ｍｍｏｌ／ｇが好ましい。
　前記フラックスに用いる溶剤は、本発明の効果を有する範囲において特に限定はないが、エタノール、イソプロパノール、イソブタノール等のアルコール類、ブチルカルビトール、ヘキシルカルビトール等のグリコールエーテル類、エチレングリコール、ジエチレングリコール等のグリコール類、プロピオン酸エチル、安息香酸ブチル等のエステル類、ｎ-ヘキサン、ドデカン等の炭化水素類等、１，８-テルピンモノアセテート、１，８-テルピンジアセテート等のテルペン誘導体、イソボロニルシクロヘキサノール等が挙げられ、その含有量は活性剤の効果並びにフラックス塗布性や安定性を満足させる範囲に於いて任意に設定が可能である。
　前記コーティング後、冷却することではんだコーティングされた金属メッシュを得る。冷却温度としては、前記無鉛はんだの融点以下の温度であればよく特に限定はない。
　前記第二工程では、前記はんだコーティングされた金属メッシュを、Ｓｎ－Ｃｕ－Ｎｉ系の無鉛はんだシート（以下、無鉛はんだシートともいう）の間に配置し、次いで加圧しながら、無鉛はんだの融点以上の温度に加熱して、前記無鉛はんだシートを溶融させる。
　前記第二工程では、前記はんだコーティングされた金属メッシュを２枚の無鉛はんだシートで挟み、次いで、加圧加熱することで、金属メッシュにコーティングされた無鉛はんだと、前記無鉛はんだシートとが溶融して一体化する。また、あらかじめ金属メッシュは、無鉛はんだでコーティングされているため、前記無鉛はんだシートが溶融して、前記金属メッシュにコーティングされた無鉛はんだと馴染みやすく、均質化が図れ、一体化しても、空孔が入り難いという利点がある。
　また、前記無鉛はんだ組成が、Ｃｕ０．１～２重量％、Ｎｉ０．００２～１重量％、Ｇｅ０．００１～１重量％を含み、残部がＳｎである場合、溶融時の流動性が優れているため前記金属メッシュを溶融はんだにディップする際に前記金属メッシュの目開き間へはんだがスムーズに流れ込み、金属メッシュとの濡れ性が良く、空孔の混入が抑えられ、均一に前記金属メッシュをコーティングすることが可能となり、また、溶融後に前記加圧加熱を行うと、優れた流動性によって、はんだ内の空孔が発生しにくいという利点がある。
　前記無鉛はんだシートのサイズは、接合対象となる半導体素子等の電子部品やヒートシンク材などの放熱材と同じサイズであればよく、特に限定はない。また、前記無鉛はんだシートの厚みとしては、はんだ－金属メッシュ複合材の適用対象に応じて適宜調整すればよく、特に限定はない。
　前記第二工程の手法としては、例えば、図２（ａ）、２（ｂ）に示すような加圧加熱する方法が挙げられる。具体的には、まず、図２（ａ）に示すように、耐熱性プレートＡ７と、耐熱性プレートＢ８との間に、Ｓｎ－Ｃｕ－Ｎｉ系の無鉛はんだシート６、前記はんだコーティングされた金属メッシュ５およびＳｎ－Ｃｕ－Ｎｉ系の無鉛はんだシート６の順に積層して配置する。
　前記耐熱性プレートＡ７は、前記はんだコーティングされた金属メッシュ５、無鉛はんだシート６などを加圧し易いサイズおよび厚みのシートであればよく、厚みおよびサイズについては特に限定はない。
　また、前記耐熱性プレートＡ７のサイズを、前記はんだコーティングされた金属メッシュ５よりも大きくして、前記はんだコーティングされた金属メッシュ５の周囲にスペーサー１０を設けてもよい。
　前記耐熱性プレートＡ７およびスペーサーの材質は、耐熱性に優れ、加工がし易く安価なものがよく、例えば、アルミナやジルコニア等のセラミックのほか、アルミニウムやスチール、ステンレス鋼などが挙げられるが特に限定はない。
　次いで、図２（ｂ）に示すように、前記耐熱性プレートＡ７の外側から加圧しながら耐熱性プレートＢ８の外側から加熱する。
　前記加圧する手段としては、高熱伝導性を有する金属メッシュ並びに無鉛はんだシートに均一の荷重が負荷される方法であれば特に制限はなく、油圧またはエアーによるプレス、重りを乗せることによる印加などが挙げられる。
　前記加圧の程度としては、本発明のはんだ－金属メッシュ複合材に特有の効果が奏されるように厚みが確保できる程度であれは特に制限はなく、接合対象に適した目標となるように任意に設定すればよい。
　前記耐熱性プレートＢ８は、前記耐熱性プレートＡ７との間にある、はんだコーティングされた金属メッシュ５および無鉛はんだシート６の積層物を加熱し易いサイズおよび厚みのシートであればよく、厚みおよびサイズについては特に限定はない。
　前記耐熱性プレートＢ８を加熱する手段としては、例えば、前記耐熱性プレートＢ８の下面に加熱装置９を接続する方法や高温槽にて前記耐熱性プレートＢ８の全体を加熱する方法などが挙げられる。
　前記の加熱温度としては、前記無鉛はんだシート６を構成する無鉛はんだの融点以上の温度であればよい。また、加熱温度の上限については、前記無鉛はんだの酸化等の品質劣化や経済性の観点から、前記無鉛はんだの融点＋５０℃の温度範囲内に調整するのが好ましい。
　例えば、前記無鉛はんだの組成がＣｕ０．１～２重量％、Ｎｉ０．００２～１重量％、Ｇｅ０．００１～１重量％を含み、残部がＳｎである場合、加熱温度を好ましくは２２７～３５０℃付近に調整することで、はんだコーティングされた金属メッシュ５を上下方向から挟んでいる前記無鉛はんだシート６を効率よく溶融させることができる。また、前記Ｓｎ－Ｃｕ－Ｎｉ系の無鉛はんだがＣｕ０．１～２重量％、Ｎｉ０．００２～１重量％を含み、残部がＳｎである場合、加熱温度は、好ましくは２２７～３５０℃付近に調整すればよい。
　前記第三工程では、前記第二工程で溶融されたはんだが凝固するまで冷却し、はんだ－金属メッシュ複合材を回収する。
　前記溶融された無鉛はんだシートなどのはんだが凝固するまで冷却する方法としては、第二工程での加圧状態を維持しながら冷却する方法が挙げられる。前記の冷却温度については無鉛はんだが凝固する温度以下であればよいが、効率よく冷却を行う観点から、より低い温度で冷却を行うことが好ましい。
　前記のように、溶融されたはんだが凝固するまで冷却した後、前記の加圧した状態を解除して、はんだ－金属メッシュ複合材を回収する。
　なお、はんだ－金属メッシュ複合材の端部に、溶融されたはんだが漏れた状態で凝固している場合には、その漏れた部分をカットしたり、所望の形状にはんだ－金属メッシュ複合材を成形してもよい。また、はんだ－金属メッシュ複合材の厚みをより均一にするために、例えば、前記はんだ－金属メッシュ複合材の表面を研磨してもよいし、３本ロールやプレス機にて表面の平坦化などを施してもよい。更に、はんだ－金属メッシュ複合材を、金属メッシュが断線しないように圧延処理をすることにより所定のサイズに加工することもできる。
　本発明のはんだ－金属メッシュ複合材は、従来のはんだと同様に、電子部品の接合材またはヒートシンク材などの放熱材の接合材として使用することができる。
　実施形態に係るはんだ接合体は、前記はんだ－金属メッシュ複合材を用いて形成されたものである。はんだ接合体は、所定の基材と、この基材と接合したはんだ－金属メッシュ複合材により構成される接合部とを含む。
　前記基材としては、半導体素子（パワーデバイス）において、使用される電子部品用のものであればよく、特に限定はない。また、前記基材としては、ヒートシンク材等の放熱材でもよく、特に限定はない。
　前記はんだ－金属メッシュ複合材を用いた接合方法は、例えばリフロー法を用いて常法に従って行うことができる。
　また、加熱温度は、基材の耐熱性やはんだ－金属メッシュ複合材で用いるはんだ合金の溶解温度に応じて適宜調整すればよい。
　また、接合体における空孔の発生を抑える観点から、接合時に減圧等の処理をしてもよい。
　このようにして形成されるはんだ接合体では、接合部に耐熱性があり、熱伝導率性に優れた接合信頼性が高いため、例えば、高電圧負荷環境において電子部品が発する熱により前記接合部が加熱された場合でも、接合部内部にひずみ応力が発生しにくく、応力に耐えることができる。
　したがって、本発明のはんだ－金属メッシュ複合材は、例えば、電気自動車、ハイブリッド自動車、エアコンなどや各種汎用モーターなどの、インバーターやコンバーターなどの電力変換器に用いられる半導体素子（パワーデバイス）において、電子部品の接合材として好適に使用することができる。
　また、放熱特性が重要な要素を占めるヒートシンク材等の放熱材の接合にも好適であり、応用が期待できる。
（実施例１）
　市販の銅メッシュ（線径約５０μｍ、目開き７５μｍ、縦６ｃｍ、横６ｃｍ）を、フラックス（日本スペリア社製ＮＳ－３３４の低残渣型無洗浄フラックス）が入った容器中に浸漬した。
　銅メッシュを前記容器から取り出して、余分なフラックスを落とし、次いで、２６０℃に加熱して溶融されたＳＮ１００Ｃ（日本スペリア社製Ｓｎ-０．７Ｃｕ０．０５Ｎｉ＋Ｇｅ組成の無鉛はんだ）が入った容器中に浸漬して無鉛はんだコーティングを行い、前記容器から取り出して、余分なＳＮ１００Ｃを落として、はんだコーティングされた銅メッシュを得た。
　次いで、図２（ａ）に示すように、得られたはんだコーティングされた銅メッシュ５を、同じサイズの２枚のＳＮ１００Ｃシート６で挟んで積層物を作製し、さらにＳＮ１００Ｃシート６の外側からアルミナプレートＡ７（縦２．５ｃｍ、横７．５ｃｍ、厚さ０．６ｍｍ）、アルミナプレートＢ８（縦５ｃｍ、横５ｃｍ、厚さ５００μｍ）で挟み、加熱装置９の上に、アルミナプレートＢ８側から載置した。
　なお、アルミナプレートＡ７の両端には厚さ１２０μｍのスペーサー１０を設けていた。
　次いで、図２（ｂ）に示すように、アルミナプレート７の上方向から加圧装置を用いて０．５ａｔｍの荷重をかけながら、加熱装置９の温度を２２７℃に調整したところ、前記ＳＮ１００Ｃシート６が溶融して、前記の積層物から溶融したＳＮ１００Ｃが前記アルミナプレート７の外側に漏れてくるのを確認した後、加熱を停止した。
　次いで、局所送風機を用いて冷却し、前記漏れたＳＮ１００Ｃが凝固したのを確認した後、前記加圧状態を解除して、ＳＮ１００Ｃの無鉛はんだ層に、銅メッシュが包含されているはんだ－金属メッシュ複合材を得た。
（試験例１）
　実施例１で得られたはんだ－金属メッシュ複合材において、厚さ方向断面における空孔の占める割合を、ＩＥＣ６１１９１－６：２０１０に準じてはんだ－金属メッシュ複合材１の垂直上方または垂直下方からの透視過画像を観測するＸ線透視装置を用いて測定した（図示せず）。
　次いで、厚さ方向断面を、デジタルマイクロスコープで観察した画像を図３に示す。
　前記厚さ方向断面における空孔１１の占める割合は、図３に示す画像に基づいてＩＥＣ６１１９１－６：２０１０に準じて測定したところ、１％であった。
　したがって、実施例１で得られたはんだ－金属メッシュ複合材は、銅メッシュを包含しているために、強度が高く、かつ熱伝導性に優れた部材であり、さらにはんだ接合体中の空孔が顕著に少ないことから、例えば、高電圧負荷環境においても、より耐熱性があり、より熱伝導性に優れた高い接合信頼性を発揮してその高温動作に耐えられるものであることがわかる。
　よって、実施例１で得られたはんだ－金属メッシュ複合材は、電気自動車、ハイブリッド自動車、エアコンなどや各種汎用モーターなどの、インバーターやコンバーターなどの電力変換器に用いられる半導体素子（パワーデバイス）において、電子部品の接合材やヒートシンク材等の放熱材の接合材として好適に使用できることがわかる。
　（試験例２）
　実施例１において金属メッシュを用いない以外は同様にして試料１を作製した（比較例１）
　実施例１および比較例１の各試料（ｎ＝４）について、下記の手順に基づいて密度、比熱および熱拡散率を測定後、熱伝導率を算出した。
＜密度測定＞
　アルキメデス法に従い、実施例１および比較例１の各試料を内径が当該試料と合同の容器中の水に沈め、試料投入前後の液面の変化より試料体積を測定し、試料重量より算出した。
＜比熱測定＞
　示差走査熱量測定装置ＤＳＣ３５００（ＮＥＴＺＳＣＨ社製）を用い、サファイアを基準物質として、アルゴン雰囲気下、室温条件にて、ＤＳＣ法により実施例１および比較例１の各試料の比熱を測定した。
＜熱拡散率の測定＞
　エアゾール乾性黒鉛被膜形成潤滑剤ＤＧＦ（日本船舶工具(有)製）を用いて黒化処理を行った実施例１および比較例１の各試料を、レーザーフラッシュアナライザーＬＦＡ４５７（ＮＥＴＺＳＣＨ社製）を用いて、大気中、室温における熱拡散率の測定を行った。
＜熱伝導率＞
　実施例１および比較例１の各試料について、前述のようにして得られた、密度、比熱および熱拡散率から、下記式に従って熱伝導率を算出した。
　熱伝導率（Ｗ/（ｍ・Ｋ)）　＝　熱拡散率（ｍ２/s）×密度（Ｋｇ/ｍ３）×比熱（Ｊ／(Ｋｇ・Ｋ)）
　以上の結果を、表１に示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
　表１に示す結果より、実施例１で得られたはんだ－金属メッシュ複合材は、比較例１の試料１と比べて、金属メッシュを包含していることで、熱伝導率が約３倍と顕著に増大していることがわかる。
　（試験例３）
　はんだをＳＮ１００Ｃのかわりに、ＳＡＣ３０５（組成：Ｓｎ－３Ａｇ－０．５Ｃｕ組成）に替えた以外は実施例１と同様にして、試料２Ａを作製した（比較例２Ａ）。
　同様に、はんだをＳＮ１００Ｃのかわりに、Ｓｎ－５Ｓｂに替えた以外は実施例１と同様にして、試料３Ａを作製した（比較例３Ａ）。
　また、比較例２Ａおよび比較例３Ａにおいて、金属メッシュを用いない以外は同様にして試料２Ｂおよび試料３Ｂをそれぞれ作製した（比較例２Ｂよび比較例３Ｂ）。
　次いで、比較例２Ａ、２Ｂ、３Ａ、３Ｂの各試料（ｎ＝４）の熱伝導率を、試験例２と同様に測定した。
　その結果を表１に示す。
　また、表１では、はんだ合金が同じ場合に、金属メッシュがない試料の熱伝導率に対する、金属メッシュがある試料の熱伝導率の比率を計算して記載した。
　表１に示す結果より、実施例１で得られたはんだ－金属メッシュ複合材の熱伝導率は、比較例２Ａ、３Ａと比べて最も高かった。
　また、メッシュがない場合の熱伝導率に比べて、メッシュを有する場合の熱伝導率は向上する傾向があったが、中でも、実施例１で得られたはんだ－金属メッシュ複合材の熱伝導率の比率を１００とした場合、無鉛はんだの代表的組成として実績の多いＳＡＣ３０５（９６．５）や溶融温度が高いＳｎ－５Ｓｂ（８９．７）よりも高かった。
　また、比較例２Ａについて、前記試験例１と同様に、厚さ方向断面における空孔の占める割合を、ＩＥＣ６１１９１－６：２０１０に準じてはんだ－金属メッシュ複合材１の垂直上方または垂直下方からの透視過画像を観測するＸ線透視装置を用いて測定した。
　次いで、厚さ方向断面を、デジタルマイクロスコープで観察した画像を図４に示す。
　前記厚さ方向断面における空孔の占める割合は、図４に示す画像に基づいてＩＥＣ６１１９１－６：２０１０に準じて二値化処理をして測定したところ（図５）、１５．１％であり、比較例２Ａのものは、はんだ接合体中の空孔が顕著に大きいものであることがわかる。
比較例２Ａのような状態で残存している空孔は、はんだ接合体における熱伝導性を阻害し、パワーデバイスの性能を十分に発揮させられない因子となり、また、電子部品で必要とされる接合信頼性を損なう要因となることが考えられる。
　したがって、Ｃｕ０．１～２重量％、Ｎｉ０．００２～１重量％、Ｇｅ０．００１～１重量％を含み、残部がＳｎであるＳｎ－Ｃｕ－Ｎｉ系の無鉛はんだを用いたはんだ－金属メッシュ複合材は、例えば、高電圧負荷環境で部材が発熱した場合でも、より耐熱性があり、より熱伝導性に優れた接合信頼性の高い接合材であるため、電気自動車、ハイブリッド自動車、エアコンなどや各種汎用モーターなどの、インバーターやコンバーターなどの電力変換器に用いられる半導体素子（パワーデバイス）の電子部品の接合材やヒートシンク材等の放熱材の接合材として好適に使用できることがわかる。
　また、Ｓｎ－Ｃｕ－Ｎｉ系の無鉛はんだとして、Ｃｕ０．１～２重量％、Ｎｉ０．００２～１重量％を含み、残部がＳｎである無鉛はんだを用いたはんだ－金属メッシュ複合材を作製し、試験例１、２と同様に、各測定を行ったところ、いずれも、実施例１で得られたはんだ－金属メッシュ複合材と同様に、空孔が顕著に少なく、かつ熱伝導率も高い結果となった。
　したがって、本発明のはんだ－金属メッシュ複合材におけるはんだ合金がＣｕ０．１～２重量％、Ｎｉ０．００２～１重量％を含み、残部がＳｎである無鉛はんだも、例えば、高電圧負荷環境で部材が発熱した場合でも、より耐熱性があり、より熱伝導性に優れた接合信頼性の高い接合材となるため、電気自動車、ハイブリッド自動車、エアコンなどや各種汎用モーターなどの、インバーターやコンバーターなどの電力変換器に用いられる半導体素子（パワーデバイス）の電子部品の接合材やヒートシンク材などの放熱材の接合材として好適に使用できることがわかる。
１　はんだ－金属メッシュ複合材
２　Ｓｎ－Ｃｕ－Ｎｉ系の無鉛はんだにより形成された複合層
３　高熱伝導性を有する金属メッシュ
４　Ｓｎ－Ｃｕ－Ｎｉ系の無鉛はんだ
５　はんだコーティングされた金属メッシュ
６　Ｓｎ－Ｃｕ－Ｎｉ系の無鉛はんだシート
７　耐熱性プレートＡ
８　耐熱性プレートＢ
９　加熱装置
１０　スペーサー
１１　空孔
 

Claims (6)

  1. 　Ｓｎ－Ｃｕ－Ｎｉ系の無鉛はんだにより形成された無鉛はんだ層に、高熱伝導性を有する金属メッシュが包含されており、
    　厚さ方向断面における空孔の占める割合が１５％以下であり、
    　前記Ｓｎ－Ｃｕ－Ｎｉ系の無鉛はんだがＣｕ０．１～２重量％、Ｎｉ０．００２～１重量％を含み、残部がＳｎであること、若しくはＣｕ０．１～２重量％、Ｎｉ０．００２～１重量％、Ｇｅ０．００１～１重量％を含み、残部がＳｎであることを特徴とする、はんだ－金属メッシュ複合材。
  2. 　前記金属メッシュが銅メッシュである、請求項１に記載のはんだ－金属メッシュ複合材。
  3. 　請求項１または２に記載のはんだ－金属メッシュ複合材を用いて形成されたはんだ接合体。
  4. 　はんだ－金属メッシュ複合材の製造方法であって、
    　高熱伝導性を有する金属メッシュの表面に、Ｓｎ－Ｃｕ－Ｎｉ系の無鉛はんだをコーティングして、はんだコーティングされた金属メッシュを得る工程、
    　前記はんだコーティングされた金属メッシュを、Ｓｎ－Ｃｕ－Ｎｉ系の無鉛はんだシートの間に配置し、次いで加圧しながら、Ｓｎ－Ｃｕ－Ｎｉ系の無鉛はんだの融点以上の温度に加熱して、前記無鉛はんだシートを溶融させる工程、
    　溶融されたはんだが凝固するまで冷却し、はんだ－金属メッシュ複合材を回収する工程
    を含み、
    　前記Ｓｎ－Ｃｕ－Ｎｉ系の無鉛はんだがＣｕ０．１～２重量％、Ｎｉ０．００２～１重量％を含み、残部がＳｎであること、若しくはＣｕ０．１～２重量％、Ｎｉ０．００２～１重量％、Ｇｅ０．００１～１重量％を含み、残部がＳｎであることを特徴とする、はんだ－金属メッシュ複合材の製造方法。
  5. 　前記金属メッシュが銅メッシュである、請求項４に記載の製造方法。
  6. 　耐熱性プレートＡと、耐熱性プレートＢとの間に、Ｓｎ－Ｃｕ－Ｎｉ系の無鉛はんだシート、前記はんだコーティングされた金属メッシュおよびＳｎ－Ｃｕ－Ｎｉ系の無鉛はんだシートの順に配置し、次いで、耐熱性プレートＡ側から加圧しながら、耐熱性プレートＢ側から加熱する、請求項４または５に記載の製造方法。
     
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