JP2005305526A - 銅とセラミックス又は炭素基銅複合材料との接合用ろう材及び同接合方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 低コストで且つ接着性が良好である銅とセラミックス又は炭素基銅複合材料との接合用ろう材及び接合方法を提供することを課題とする。
【解決手段】 （Ｃｕ−Ｍｇ）＋Ｔｉ系ろう材１４は、Ｃｕ−Ｍｇ合金粉末１５と、Ｔｉ粉末粒子１６とを、樹脂のバインダー１７で練ってペースト状としたものである。
【効果】 ろう材に含まれるＭｇは、ろう材の融点を下げることができ、より低温でのろう付けを可能とし、加熱温度をより低くすることができるので、本発明のろう材を用いることで接合体を製造するためのランニングコストの削減を行うことができる。
ろう材はＣｕ、Ｍｇ、Ｔｉの３元系で、高価なＡｇの使用を避けているので低コストである。
【選択図】 図２

Description

本発明は、銅とセラミックス又は炭素基銅複合材料との接合用ろう材及び同接合方法に関するものである。

ある種のパワーモジュール（特にそれのヒートシンク）に、銅とセラミックス又は炭素基銅複合材料を接合して一体化した構造のものが実用化されている。このときの接合、一体化するための材料及び方法が異種材同士の場合に問題となる。

例えば、ボルト・ナットで一体化した場合には、ボルト・ナットから離れた部位に隙間が発生し易く、高い密着性が得られない。
ろう付けや半田付けで一体化しようとすると、ろうや半田がセラミックス又は炭素基銅複合材料においては、金属から剥がれやすい。すなわち、炭素基銅複合材料はろう材や半田と濡れ性が悪く、接合性が悪い。また、セラミックスは表面に薄い酸化物膜が存在し、この酸化物膜のためにろうや半田との濡れ性が悪く、接合を阻害する。

従来のろう付け法として、セラミックスと金属をろう付けする方法が知られている（例えば、特許文献１参照。）。
特許第３０９５１８７号公報（第３頁、図２）

特許文献１を次図に基づいて説明する。
図１０は従来の技術の比較例を示す図であり、Ｃｕと９９．５％アルミナを３種類のろう材を用いて接合したもの（以下、Ｃｕーアルミナ接合体とする。）について、ろう接温度とろう接強度の関係を求めたものである。

比較例１のＣｕ−アルミナ接合体は、３９ｗｔ％Ｃｕ、１１ｗｔ％Ｔｉ、５０ｗｔ％Ｓｎの３成分からなるろう材を使用した接合体であり、９７３Ｋで１００ＭＰａのろう接強度、１０２３Ｋ以上で１７０ＭＰａであるが、１０２３Ｋ以上でろう接を行う場合に、母材の銅を著しく溶かしてしまい、良好な接合体が得られない。
比較例２のＣｕ−アルミナ接合体は、５１ｗｔ％Ｃｕ、１４ｗｔ％Ｔｉ、３５ｗｔ％Ｓｎの３成分からなるろう材を使用した接合体であり、比較例１と比べて、ろう接温度が高く、また、約２０ＭＰａ高いろう接強度を得た。

なお、比較例２の場合のろう材をさらに調整した比較例３は、４５ｗｔ％Ｃｕ、１４ｗｔ％Ｔｉ、３５ｗｔ％Ｓｎ、６ｗｔ％Ｎｉの４成分からなるろう材を使用した接合体であり、比較例２に比べて、同じろう接強度を得るために約５０℃低いろう接温度であって良いことがわかった。
さらに、比較例３は、１１２３Ｋでのろう接強度が２００ＭＰａに達し、著しく強いことが判明した。

しかし、図１０の比較例１〜３においては、活性金属であるＴｉの酸化や窒化を防止するために、高真空や水素雰囲気での処理を行うためにろう付け費用が高コストになる。

本発明は、低コストで且つ接着性が良好である銅とセラミックス又は炭素基銅複合材料との接合用ろう材及び同接合方法を提供することを課題とする。

請求項１に係る発明は、高温の窒素ガス雰囲気下で、銅とセラミックスとを接合する、又は銅と炭素基銅複合材とを接合するときに用いるろう材であって、
このろう材は、Ｍｇが２０〜４５質量％、Ｔｉが３〜１５質量％、残部がＣｕである組成物であるとともに、Ｃｕ−Ｍｇ合金にＴｉを添加したもの、又はＣｕ−Ｍｇ合金にＴｉ−Ｃｕ合金を添加したもの、又はＣｕ−Ｍｇ−Ｔｉ合金であることを特徴とする。

ろう材中のＭｇは、２０質量％未満の含有量では雰囲気中の窒素と結合しても十分に窒化マグネシウムを生成できない。
また、Ｍｇは４５質量％より多いと、昇華しきれず残ったＭｇが欠陥として作用し、被接合材を溶かしてしまう。

ろう材中のＴｉは、セラミックスや炭素基銅複合材と反応し、拡散層を形成する。
Ｔｉは３質量％未満の含有量では活性金属としての効果が不十分で、ろう付け強度が不足する。
また、Ｔｉは１５質量％より多いと、ろう材中のＴｉ−Ｃｕ金属間化合物粒子が粗大化し且つその量も増加し、ろう付け時にＴｉの拡散が遅くなり、ろう付け後にろう付け面においてＴｉ−Ｃｕ金属間化合物粒子が残留し、ろう付け強度が低下すると共にろう付け強度のばらつきも大きくなる。

請求項２に係る発明は、Ｃｕ−Ｍｇ合金、Ｔｉ、Ｔｉ−Ｃｕ合金又はＣｕ−Ｍｇ−Ｔｉ合金は、粉末であることを特徴とする。

請求項３に係る発明は、ろう材は、バインダーを用いてペースト状としたことを特徴とする。

請求項４に係る発明は、Ｍｇが２０〜４５質量％、Ｔｉが３〜１５質量％、残部がＣｕである組成物であるとともに、Ｃｕ−Ｍｇ合金にＴｉを添加したもの、又はＣｕ−Ｍｇ合金にＴｉ−Ｃｕ合金を添加したもの、又はＣｕ−Ｍｇ−Ｔｉ合金であるろう材を準備すると共に、接合対象物である銅とセラミックス又は銅と炭素基銅複合材を準備する工程と、
接合対象物間にろう材を介在させる工程と、
ろう材を介在させた接合対象物を、５６０〜８００℃の窒素ガス雰囲気下で処理する工程とからなる銅とセラミックス又は炭素基銅複合材料との接合方法であることを特徴とする。

請求項１に係る発明では、高温の窒素ガス雰囲気下で、銅とセラミックスとを接合する、又は銅と炭素基銅複合材とを接合するときに用いるろう材であって、ろう材は、Ｃｕ−Ｍｇ合金にＴｉを添加したもの、又はＣｕ−Ｍｇ合金にＴｉ−Ｃｕ合金を添加したもの、又はＣｕ−Ｍｇ−Ｔｉ合金である。

加熱雰囲気は窒素であり、窒素は安価であり、爆発の危険もない。したがって、接合に要するコストを大幅に下げることができる。
また、ろう材に含まれるＭｇは、ろう材の融点を下げることができ、より低温でのろう付けを可能とし、加熱温度をより低くすることができるので、請求項１のろう材を用いることで接合体を製造するためのランニングコストの削減を行うことができる。
さらに、ろう材はＣｕ、Ｍｇ、Ｔｉの３元系で、高価なＡｇの使用を避けているので低コストである。

Ｍｇ（固体）は加熱すると昇華してＭｇ（ガス）になり、雰囲気の窒素と結合してＭｇ_３Ｎ_２になる。このＭｇ_３Ｎ_２は、標準生成エネルギーの観点からＴｉＮより安定する。この結果、ＴｉＮの生成を抑えることができる。

加えて、Ｍｇ_３Ｎ_２は強い還元作用を発揮し、銅表面やセラミックス表面又は炭素基銅複合材の銅表面の酸化物膜を還元し、除去する。酸化物膜が除去されて濡れ性の増した銅やセラミックス又は炭素基銅複合材に、ＴｉＮ化しないＴｉが良好に浸透し、ＴｉＣなどが生成するために、接着性を格段に高めることができる。

したがって、請求項１によれば、低コストで且つ接着性が良好である銅とセラミックス又は炭素基銅複合材料との接合用ろう材を提供することができる。

請求項２に係る発明では、Ｃｕ−Ｍｇ合金、Ｔｉ、Ｔｉ−Ｃｕ合金又はＣｕ−Ｍｇ−Ｔｉ合金は、粉末としたので、箔状に製造するより容易に製造することができる。

請求項３に係る発明では、ろう材は、バインダーを用いてペースト状としたので、必要な量のみを付着させることができ、被接合体の形状の自由度が高まる。

請求項４に係る発明では、Ｃｕ−Ｍｇ合金にＴｉを添加したもの、又はＣｕ−Ｍｇ合金にＴｉ−Ｃｕ合金を添加したもの、又はＣｕ−Ｍｇ−Ｔｉ合金であるろう材を介在させた接合対象物を、５６０〜８００℃の窒素ガス雰囲気下で処理する銅とセラミックス又は炭素基銅複合材料との接合方法である。

ろう接合体は、ろう材を介在させた接合対象物を、Ｃｕ−Ｍｇ合金の固相線温度である５６０℃以上で且つ接合対象物間の熱膨張差に起因する接合後の接合体の反りを低減できる８００℃以下で処理するので、接着性を高めることができる。

また、加熱雰囲気は窒素であり、窒素は安価であり、爆発の危険もないために、接合に要するコストを大幅に下げることができる。
したがって、請求項４によれば、低コストで且つ接着性が良好である銅とセラミックス又は炭素基銅複合材料との接合方法を提供することができる。

本発明を実施するための最良の形態を添付図に基づいて以下に説明する。
図１は本発明に係る接合対象物の準備からろう材を介在させるまでの作用説明図（第１実施例）である。
（ａ）において、銅板１１と、接合材を構成するためのペースト状ろう材１２と、セラミックスとしてのＳｉ_３Ｎ_４板１３とからなる出発材料を準備する。

（ｂ）において、先ずＳｉ_３Ｎ_４板１３の上に、ろう材中の混合粉末量を１０ｍｇ／ｃｍ^２の割合を目安に調整したペースト状ろう材１２を載せ、このペースト状ろう材１２の上に銅板１１を載せる。
ペースト状ろう材１２は、必要な量のみを付着させることができ、被接合体の形状の自由度が高まる。

図２は図１のペースト状ろう材１２の２部拡大図であり、（Ｃｕ−Ｍｇ）＋Ｔｉ系ろう材１４は、Ｃｕ−Ｍｇ合金粉末１５と、Ｔｉ粉末粒子１６とを、樹脂のバインダー１７で練ってペースト状としたものである。

Ｍｇ（固体）は加熱すると昇華してＭｇ（ガス）になり、雰囲気の窒素と結合してＭｇ_３Ｎ_２になる。このＭｇ_３Ｎ_２は、標準生成エネルギーの観点からＴｉＮより安定する。この結果、ＴｉＮの生成を抑えることができる。

加えて、Ｍｇ_３Ｎ_２は強い還元作用を発揮し、銅表面やセラミックス表面又は炭素基銅複合材の銅表面の酸化物膜を還元し、除去する。酸化物膜が除去されて濡れ性の増した銅やセラミックス又は炭素基銅複合材に、ＴｉＮ化しないＴｉが良好に浸透し、ＴｉＣなどが生成するために、接着性を格段に高めることができる。

図３は本発明での加熱要領図（第１実施例）であり、加熱手段２１や窒素ガス吹込み手段２２やガス抜き手段２３を備えた加熱炉２０に、るつぼ１８を挿入する。そして、炉内の空気を窒素ガスに置換して、窒素ガス雰囲気にする。次に、加熱手段２１にて炉内を例えば７００℃に保持する。

７００℃は、５６０〜８００℃の範囲で変更することが可能である。５６０℃はＣｕ−Ｍｇ合金の固相線温度である。８００℃は銅部材の融点以下で、且つ接合対象物間の熱膨張差に起因する接合後の接合体の反りを低減できる上限温度である。
加熱により加熱炉２０内及びるつぼ１８内で次の反応が起こる。

（１）式に示す通りに、Ｃｕ−Ｍｇ合金粉末１５のＭｇが、昇華してＭｇ（ガス）となる。すると、（２）式に示す通りに、Ｍｇが雰囲気のＮ_２と反応してＭｇ_３Ｎ_２が生成する。このＭｇ_３Ｎ_２は強い還元作用を発揮する。

ペースト状ろう材１２である（Ｃｕ−Ｍｇ）＋Ｔｉ系ろう材１４（図２参照。）に含まれるＴｉが雰囲気のＮ_２と反応するか否かを検討する。
Ｍｇ_３Ｎ_２は、標準生成エネルギーの観点からＴｉＮより安定する。不安定なＴｉＮは仮に生成したとしてもその形で存在することはない。そのため安定したＭｇ_３Ｎ_２が主として生成し、不安定なＴｉＮは実質的に生成しない。
一方、ＴｉはＴｉ単体として存在する可能性があるので、その場合、Ｔｉが濡れ性促進剤としての役割を果す。

ところで、図１（ａ）において、セラミックスとしてのＳｉ_３Ｎ_４板１３には表面に酸化物膜としてのＳｉＯ_２が存在し、銅板１１の表面にはＣｕＯ（酸化第２銅）が存在すると、考えられる。

以上の酸化物ＳｉＯ_２、ＣｕＯは次の反応（Ｍｇ_３Ｎ_２による還元反応）により、Ｓｉ、Ｃｕに変化し、実質的に酸化物膜が除去される。

すなわち、（３）式により酸化物膜ＳｉＯ_２が除去され、（４）式により酸化物膜ＣｕＯが除去される。これで、Ｓｉ_３Ｎ_４板１３及び銅板１１はペースト状ろう材１２との濡れ性が高まる。
７００℃の加熱により、ペースト状ろう材１２は、Ｓｉ_３Ｎ_４板１３及び銅板１１に浸透し、良好な接着が行える。

図４は本発明方法で製造した接合体の断面図（第１実施例）であり、接合体２５は、Ｓｉ_３Ｎ_４板１３と銅板１１とからなるが、Ｓｉ_３Ｎ_４板１３はペースト状ろう材１２（図では示さない。）を介して銅板１１に強固に接合できた接合物である。

図１において、セラミックスとしてのＳｉ_３Ｎ_４板１３は、ＳｉＯ_２、ＡｌＮ、Ａｌ_２Ｏ_３、ＴｉＣであってもよい。その理由は次の通りである。
Ｓｉ_３Ｎ_４、ＳｉＯ_２での酸化物膜はＳｉＯ_２であり、上記（３）式により還元できる。ＡｌＮ、Ａｌ_２Ｏ_３での酸化物膜はＡｌ_２Ｏ_３であり、同様にＭｇ_３Ｎ_２での還元が可能である。ＴｉＣでの酸化物膜はＴｉＯ_２であり、同様にＭｇ_３Ｎ_２での還元が可能である。
すなわち、セラミックスは酸化物、窒化物、炭化物など何れでもよい。

次に、第１実施例の別実施例を説明する。別実施例としての第２実施例は、第１実施例と重複する部分が多いが、正確を期すために詳しく説明する。
図５は本発明に係る接合対象物の準備からろう材を介在させるまでの作用説明図（第２実施例）である。
（ａ）において、銅板１１と、接合材を構成するためのペースト状ろう材１２と、炭素基銅複合材２６とからなる出発材料を準備する。炭素基銅複合材２６は、図面ではＣ／Ｃｕと表記する。

（ｂ）において、先ず炭素基銅複合材２６の上に、ろう材中の混合粉末量を１０ｍｇ／ｃｍ^２の割合を目安に調整したペースト状ろう材１２を載せ、このペースト状ろう材１２の上に銅板１１を載せる。
ペースト状ろう材１２は、必要な量のみを付着させることができ、被接合体の形状の自由度が高まる。

図６は本発明での加熱要領図（第２実施例）であり、加熱手段２１や窒素ガス吹込み手段２２やガス抜き手段２３を備えた加熱炉２０に、るつぼ１８を挿入する。そして、炉内の空気を窒素ガスに置換して、窒素ガス雰囲気にする。次に、加熱手段２１にて炉内を例えば７００℃に保持する。

上記加熱により加熱炉２０内及びるつぼ１８内で次の反応が起こる。

（５）式に示す通りに、Ｃｕ−Ｍｇ合金粉末１５のＭｇが、昇華してＭｇ（ガス）となる。すると、（６）式に示す通りに、Ｍｇが雰囲気のＮ_２と反応してＭｇ_３Ｎ_２が生成する。このＭｇ_３Ｎ_２は強い還元作用を発揮する。

ところで、図５（ａ）において、炭素基銅複合材２６の銅表面には、酸化物膜としてのがＣｕＯ（酸化第２銅）が存在し、銅板１１の表面にもＣｕＯ（酸化第２銅）が存在すると、考えられる。

以上の酸化物膜ＣｕＯは次の反応（Ｍｇ_３Ｎ_２による還元反応）により、Ｃｕに変化し、実質的に酸化物膜が除去される。

すなわち、（７）式により酸化物膜ＣｕＯが除去される。これで、銅板１１及び炭素基銅複合材２６はペースト状ろう材１２との濡れ性が高まる。

７００℃での加熱により、ペースト状ろう材１２は炭素基銅複合材２６及び銅板１１に浸透し、良好な接着が行える。特に接着が困難な炭素基銅複合材２６においては、ＴｉＣの生成により結合力を高めることができる。

図７は本発明方法で製造した接合体の断面図（第２実施例）であり、接合体２７は、銅板１１と、炭素基銅複合材２６とからなる。なお、ペースト状ろう材１２は、銅板１１と炭素基銅複合材２６とに一体化するために図示できない。

図８は図２の別実施例であり、（Ｃｕ−Ｍｇ）＋（Ｔｉ−Ｃｕ）系ろう材３１は、Ｃｕ−Ｍｇ合金粉末１５と、Ｔｉ−Ｃｕ合金粉末３２とを、樹脂のバインダー１７で練ってペースト状としたものである。

（Ｃｕ−Ｍｇ）＋（Ｔｉ−Ｃｕ）系ろう材３１においても、Ｍｇ（固体）は加熱すると昇華してＭｇ（ガス）になり、雰囲気の窒素と結合してＭｇ_３Ｎ_２になる。このＭｇ_３Ｎ_２は、標準生成エネルギーの観点からＴｉＮより安定する。この結果、ＴｉＮの生成を抑えることができる。

加えて、Ｍｇ_３Ｎ_２は強い還元作用を発揮し、銅表面やセラミックス表面又は炭素基銅複合材の銅表面の酸化物膜を還元し、除去する。酸化物膜が除去されて濡れ性の増した銅やセラミックス又は炭素基銅複合材に、ＴｉＮ化しないＴｉが良好に浸透し、ＴｉＣなどが生成するために、接着性を格段に高めることができる。

図９は図２のさらなる別実施例であり、（Ｃｕ−Ｍｇ−Ｔｉ）系ろう材３３は、Ｃｕ−Ｍｇ−Ｔｉ合金粉末３４を樹脂のバインダー１７で練ってペースト状としたものである。
（Ｃｕ−Ｍｇ−Ｔｉ）系ろう材３３においても、Ｍｇ、Ｔｉは図８の場合と同様の作用を及ぼすので、説明を省略する。

尚、実施の形態で用いたろう材は、合金粉末を樹脂バインダーで固めてろう材としたが、用いる樹脂バインダーは、ろう付けの際にできるだけ蒸発するものを適用することが好ましい。

本発明は、ヒートシンクを構成する銅とセラミックス又は炭素基銅複合材料を接合するためのろう材に好適である。

本発明に係る接合対象物の準備からろう材を介在させるまでの作用説明図（第１実施例）である。 図１のペースト状ろう材１２の２部拡大図である。 本発明での加熱要領図（第１実施例）である。 本発明方法で製造した接合体の断面図（第１実施例）である。 本発明に係る接合対象物の準備からろう材を介在させるまでの作用説明図（第２実施例）である。 本発明での加熱要領図（第２実施例）である。 本発明方法で製造した接合体の断面図（第２実施例）である。 図２の別実施例である。 図２のさらなる別実施例である。 従来の技術の比較例を示す図である。

符号の説明

１１…銅板 、１２…ペースト状ろう材 、１３…Ｓｉ_３Ｎ_４板 、１４…（Ｃｕ−Ｍｇ）＋Ｔｉ系ろう材 、１５…Ｃｕ−Ｍｇ合金粉末 、１６…Ｔｉ粉末粒子 、１７…バインダー 、２０…加熱炉 、２２…窒素ガス吹込み手段 、２５、２７…接合体 、２６…炭素基銅複合材 、３１…（Ｃｕ−Ｍｇ）＋（Ｔｉ−Ｃｕ）系ろう材 、３２…Ｔｉ−Ｃｕ合金粉末 、３３…（Ｃｕ−Ｍｇ−Ｔｉ）系ろう材 、３４…Ｃｕ−Ｍｇ−Ｔｉ合金粉末。

Claims (4)

1. 高温の窒素ガス雰囲気下で、銅とセラミックスとを接合する、又は銅と炭素基銅複合材とを接合するときに用いるろう材であって、
   このろう材は、Ｍｇが２０〜４５質量％、Ｔｉが３〜１５質量％、残部がＣｕである組成物であるとともに、Ｃｕ−Ｍｇ合金にＴｉを添加したもの、又はＣｕ−Ｍｇ合金にＴｉ−Ｃｕ合金を添加したもの、又はＣｕ−Ｍｇ−Ｔｉ合金であることを特徴とする銅とセラミックス又は炭素基銅複合材料との接合用ろう材。
2. 前記Ｃｕ−Ｍｇ合金、Ｔｉ、Ｔｉ−Ｃｕ合金又はＣｕ−Ｍｇ−Ｔｉ合金は、粉末であることを特徴とする請求項１記載の銅とセラミックス又は炭素基銅複合材料との接合用ろう材。
3. 前記ろう材は、バインダーを用いてペースト状としたことを特徴とする請求項１記載の銅とセラミックス又は炭素基銅複合材料との接合用ろう材。
4. Ｍｇが２０〜４５質量％、Ｔｉが３〜１５質量％、残部がＣｕである組成物であるとともに、Ｃｕ−Ｍｇ合金にＴｉを添加したもの、又はＣｕ−Ｍｇ合金にＴｉ−Ｃｕ合金を添加したもの、又はＣｕ−Ｍｇ−Ｔｉ合金であるろう材を準備すると共に、接合対象物である銅とセラミックス、又は銅と炭素基銅複合材を準備する工程と、
   前記接合対象物間に前記ろう材を介在させる工程と、
   ろう材を介在させた接合対象物を、５６０〜８００℃の窒素ガス雰囲気下で処理する工程と、からなる銅とセラミックス又は炭素基銅複合材料との接合方法。

Images