JP2010177414A - 発熱部品冷却装置用アルミニウム・クラッド材 - Google Patents

Abstract

【課題】発熱部品と冷却器とをろう付け接合することによって製造される発熱部品冷却装置において、高い熱疲労耐久性を有する発熱部品冷却装置の製造に用いられる熱応力緩和材として好適な、面接合性に優れたアルミニウム・クラッド材を提供する。
【解決手段】心材２０の片面或いは両面にＡｌ−Ｓｉ系合金ろう材からなる皮材２２をクラッドしたアルミニウム・クラッド材１６において、かかる心材２０を、不可避的不純物の含有量を０．１質量％以下とした、アルミニウム純度が９９．９質量％以上の高純度アルミニウムにて構成した。
【選択図】図３

Description

本発明は、発熱部品冷却装置用アルミニウム・クラッド材、特に、弗化物系フラックスを用いるろう付け、又は真空ろう付け等の、ろう付け接合により製造される発熱部品冷却装置において、発熱部品と冷却器（ヒートシンクの場合もあり）を接合する部材として、好適に使用されるアルミニウム・クラッド材に関するものである。

従来から、発熱部品冷却装置は、半導体素子や集積回路等の発熱部品と、冷却水通路とヘッダー（必要に応じてフィン）とを組み合わせてなる熱交換器等の構造の冷却器とから構成され、それら発熱部品と熱交換器等の冷却器との間は、はんだ付けやろう付けによって接合されている。具体的には、発熱部品冷却装置の一つである半導体素子冷却装置においては、例えば、図１に示される如く、冷却器たる熱交換器２に対して、発熱部品である半導体素子４が、はんだ（ろう）６により接合されて、かかる熱交換器２内に設けられた冷却水通路８内を流通せしめられる冷却水によって、半導体素子４が冷却されるようになっている。

しかしながら、そのような従来の発熱部品冷却装置にあっては、半導体素子や集積回路等の発熱部品と熱交換器等の冷却器との間の温度差や線膨張係数の差により、熱ひずみが生じ、半導体素子や集積回路、熱交換器のそれぞれに、繰り返し熱応力が作用することとなる結果、熱疲労による割れが惹起され、甚だしい場合にあっては、集積回路の機能が損なわれることとなったり、熱交換器から冷媒の漏洩を生じることがあった。また、半導体素子の場合には、半導体素子と熱交換器との間の膨張率の差によって破壊され、その機能が失われる場合もあったのである。

尤も、それら半導体素子や集積回路等の発熱部品と熱交換器等の冷却器とを接合するはんだやろうは、熱応力緩和材として有効であることが知られているのであるが（非特許文献１）、そのような半導体素子や集積回路等の発熱部品と熱交換器等の冷却器との間の温度差や熱膨張係数の差が大きい場合にあっては、その効果は充分でなく、前記した問題を惹起することとなるものであった。

一方、特許文献１においては、半導体素子や集積回路等の発熱部品とヒートシンクとの間に、純度９９重量％以上のアルミニウム箔を介装して、それらを接合することにより、かかるアルミニウム箔を熱応力緩和材として用いるようにした構造が、提案されている。しかしながら、この場合において、アルミニウム箔の表面には、Ａｌ−Ｓｉ合金等をコーティングしたり、又は蒸着したりして、半導体素子や集積回路とヒートシンクとの接合のためのＡｌ融点降下層を設ける必要があるところ、そのようなＡｌ融点降下層を設けた場合にあっても、アルミニウム箔と半導体素子や集積回路との間や、アルミニウム箔とヒートシンクとの間の接合に対し、ろう量が充分でないために、充分な接合を実現することが出来ず、それらの間に、すきまが生じてしまい、その結果、冷却性能が低下する場合が生じていた。

特開平１０−２７０５９６号公報

社団法人軽金属溶接構造協会発行「アルミニウムブレージングハンドブック」（改訂版）第２５２〜２６１頁

ここにおいて、本発明は、かかる事情を背景にして為されたものであって、その解決課題とするところは、半導体素子や集積回路等の発熱部品と熱交換器の如き冷却器との間をろう付け接合することによって製造される発熱部品冷却装置において、高い熱疲労耐久性を有する発熱部品冷却装置の製造に用いられる熱応力緩和材として好適な、面接合性に優れたアルミニウム・クラッド材を提供することにある。

そして、本発明は、上記した課題、又は明細書全体の記載や図面から把握される課題を解決するために、以下に列挙せる如き各種の態様において、好適に実施され得るものであるが、また、以下に記載の各態様は、任意の組み合わせにおいても採用可能である。なお、本発明の態様乃至は技術的特徴は、以下に記載のものに何等限定されることなく、明細書全体の記載並びに図面に開示の発明思想に基づいて、認識され得るものであることが、理解されるべきである。

（１） 心材の片面或いは両面にＡｌ−Ｓｉ系合金ろう材からなる皮材をクラッドしたアルミニウム・クラッド材であって、該心材が、不可避的不純物の含有量を０．１質量％以下とした、アルミニウム純度が９９．９質量％以上の高純度アルミニウムからなることを特徴とする発熱部品冷却装置用アルミニウム・クラッド材。

（２） 前記アルミニウム・クラッド材が、０．５ｍｍを超え、３ｍｍ以下の厚さを有していることを特徴とする上記態様（１）に記載の発熱部品冷却装置用アルミニウム・クラッド材。

（３） 前記心材が、不可避的不純物の含有量を０．０１質量％以下とした、アルミニウム純度が９９．９９質量％以上の高純度アルミニウムからなることを特徴とする上記態様（１）又は（２）に記載の発熱部品冷却装置用アルミニウム・クラッド材。

（４） 前記心材が、不可避的不純物の含有量を０．００１質量％以下とした、アルミニウム純度が９９．９９９質量％以上の高純度アルミニウムからなることを特徴とする上記態様（１）又は（２）に記載の発熱部品冷却装置用アルミニウム・クラッド材。

（５） 前記皮材のクラッド厚さが、０．００５ｍｍ〜０．１ｍｍである上記態様（１）乃至（４）の何れか一つに記載の発熱部品冷却装置用アルミニウム・クラッド材。

このように、本発明に従うアルミニウム・クラッド材にあっては、その心材を与える高純度アルミニウムが、ろう材に比べて、引張強さ及び耐力が極めて小さく、延性が高い特徴を有しているところから、そのような高純度アルミニウムをクラッド材の芯に使用することによって、高い熱ひずみ緩和特性が発揮され得ることとなるのであり、また、そのような高純度アルミニウム心材の片面或いは両面に所定厚さのろう材層を配して、アルミニウム・クラッド材とすることによって、半導体素子や集積回路等の発熱部品と高純度アルミニウムとの接合面や、高純度アルミニウムと熱交換器の如き冷却器の接合面には、充分なろう材が供給され得るようになるのであり、以て、良好な面接合性が得られることとなるのである。

従来の半導体素子冷却装置の一例を示す断面説明図である。 本発明に従うアルミニウム・クラッド材を用いて得られた半導体素子冷却装置の一例を示す断面説明図である。 本発明に従うアルミニウム・クラッド材の一例を示す断面説明図である。

ここにおいて、図２には、本発明に従う発熱部品冷却装置用アルミニウム・クラッド材を用いて接合されてなる、発熱部品冷却装置の一つである半導体素子冷却装置の一例が、図１に対応する断面形態において、概略的に示されている。そこにおいて、半導体素子冷却装置１０は、冷却器の一つである、従来と同様な構造の熱交換器１２に対して、発熱部品の一つである半導体素子１４が、アルミニウム・クラッド材１６を介して接合されているのである。なお、熱交換器１２には、従来と同様に、冷却水通路１８が配設されており、この冷却水通路１８内を冷却水が流通せしめられることによって、半導体素子１４の冷却が行なわれるようになっている。

また、そこで、クラッド材１６は、図３に示される如く、板状の心材２０の両面に、所定厚さのろう材２２、２２が、一体的に設けられてなる構造を有しており、このクラッド材１６が熱交換器１２の所定の部位に配置され、更にその上に、半導体素子１４が配置せしめられた状態下において、加熱されることにより、かかるろう材２２を溶融せしめ、以て、心材２０を介して、熱交換器１２に対して、半導体素子１４が一体的に接合されているのである。

ところで、かくの如く、熱交換器１２と半導体素子１４との接合に用いられるアルミニウム・クラッド材１６において、それを構成する心材２０は、本発明に従って、不可避的不純物の含有量を０．１質量％以下とした、アルミニウム純度が９９．９質量％以上の純アルミニウム（高純度アルミニウム）を、その材質としていることにより、熱応力の緩和が有効に行なわれ得るようになっている。即ち、かかる心材２０を与える高純度アルミニウムは、ろう材に比べて、引張強さ及び耐力が極めて小さく、延性が高い特徴を有しており、例えば、９９．９９質量％Ａｌ心材にあっては、引張強さ：３０ＭＰａ、伸び：３０％であって、ろう材の引張強さ：１４０ＭＰａ及びろう材の伸び：１０％に比べて、優れた特徴を有しているのである。このため、そのような高純度アルミニウムをクラッド材の心材に用いることによって、高い熱ひずみ緩和性が得られることとなるのである。なお、アルミニウム純度が９９．９質量％未満では、そのような効果が充分でなく、熱応力緩和性能が低下することとなる。また、かかるアルミニウム純度は、より好ましくは９９．９９質量％以上（不可避的不純物の含有量は０．０１質量％以下）であり、更に好ましくは９９．９９９質量％以上（不可避的不純物の含有量は０．００１質量％以下）である。

また、かかる高純度アルミニウムにおいて、アルミニウムを除く残余の成分は、不可避的不純物であって、精錬方法に応じて、各種の元素が不可避的に存在することとなるのであるが、そのような不可避的不純物は、合計量において、０．１質量％以下、好ましくは０．０１質量％以下、更に好ましくは０．００１質量％以下となるように、調整される。そして、そのような不可避的不純物は、例えば、９９．９質量％の高純度アルミニウムにあっては、通常、Ｆｅ、Ｓｉ、Ｔｉ、Ｖ、Ｚｒ、Ｇａ等が１０ｐｐｍ程度或いはそれ以下、更にＭｎやＺｎ等が数ｐｐｍ程度若しくはそれ以下の割合とされている。また、９９．９９質量％の高純度アルミニウムの場合にあっては、Ｆｅ、Ｓｉ、Ｃｕ等が数ｐｐｍ程度若しくはそれ以下の割合で含有され、更に、９９．９９９質量％の高純度アルミニウムにあっては、Ｓｉ、Ｆｅ、Ｃｕ、Ｍｎ、Ｍｇ、Ｃｒ、Ｚｎ、Ｔｉ等が、それぞれ１ｐｐｍ程度或いはそれ以下の割合で含有されているものである。

なお、かくの如き高純度アルミニウムは、公知の各種の精錬手法に従って得ることが可能であり、例えば、９９．９質量％の高純度アルミニウムは、通常の電解精錬法で得られたアルミニウム地金を用いて、分別結晶法（ペシネー法）により、その純度を高めることで、得ることが出来る。また、９９．９９質量％の高純度アルミニウムは、通常の電解精錬法で得られたアルミニウム地金を用いて、三層電解法により、その純度を高めることで、得ることが出来、更に、９９．９９９質量％の高純度アルミニウムは、上記した三層電解法で得られた高純度地金を用いて、一方向凝固法やゾーンメルティング法によって、その純度を高めることで、得ることが可能である。

そして、そのような高純度アルミニウムからなる心材２０の厚さとしては、０．５ｍｍを超え、３ｍｍ以下の厚さが採用され、特に、０．６ｍｍ以上２ｍｍ以下の厚さが、有利に採用されることとなる。なお、心材厚さが０．５ｍｍ以下となると、熱ひずみ緩和性が不十分となり、半導体素子冷却装置１０の特性に悪影響をもたらすこととなり、また、３ｍｍを超えるようになると、冷却性能が低下する等の問題を惹起することとなる。

さらに、アルミニウム・クラッド材１６における他の一つの構成成分たる皮材２２は、Ａｌ−Ｓｉ系合金ろう材を材質とするものであって、そのようなＡｌ−Ｓｉ系合金ろう材としては、Ａｌ−Ｓｉ系やＡｌ−Ｓｉ−Ｍｇ系等の、公知の４０００系合金ろう材を用いることが出来、例えば、Ｓｉ：４〜１３質量％のＡｌ−Ｓｉ系合金ろう材や、それに、更にＭｇ：０．１〜２．０質量％を含有せしめてなるＡｌ−Ｓｉ−Ｍｇ系合金ろう材を挙げることが出来る。また、そのようなＡｌ合金ろう材には、Ｃｕ、ＺｎやＳｒ等の各種元素の少なくとも１種を更に添加した、公知のろう材を用いることも出来、そこでは、例えば、Ｃｕは５質量％程度以下において、Ｚｎは８質量％程度以下において、更に、Ｆｅは２質量％程度以下において添加され、更にその他の元素として、Ｓｒ：０．００５〜０．１質量％程度、Ｂｉ：０．２質量％程度以下、Ｂｅ：０．１質量％程度以下、Ｉｎ：０．００１〜０．０５質量％程度、Ｓｎ：０．００１〜０．００５質量％程度、Ｎａ：１〜１００ｐｐｍ程度において、それぞれ必要に応じて添加される。

そして、かかるＡｌ合金ろう材からなる皮材２２は、図３に示される如く、心材２０の両側の面に、所定厚さにおいて一体的に設けられる他、そのような心材２０の一方の側の面に対してのみ設けて、一体的なクラッド材とすることも可能である。また、そこで、心材２０の片面或いは両面にクラッドされる皮材２２の厚さとしては、一般に、０．００５ｍｍ以上０．１ｍｍ以下が有利に採用され、そのような厚さの皮材２２が、心材２０の少なくとも一方の面に一体的に設けられて、クラッド材１６とされるのである。かかる皮材２２の厚さが０．００５ｍｍ未満となると、熱交換器１２と半導体素子１４との間のろう付けが不良となり易く、良好な接合を得ることが困難となるからであり、また０．１ｍｍを超えるようになると、余ったろう材が接合部以外に流れ出し、冷却装置の機能が損なわれる場合が生じるからである。

このように、高純度アルミニウムからなる心材２０の片面或いは両面に、Ａｌ−Ｓｉ系合金ろう材からなる皮材２２をクラッドしてなるアルミニウム・クラッド材１６を用い、これを熱交換器１２と半導体素子１４との間に配置して、加熱、ろう付けを行なうことによって、熱交換器１２と心材２０との接合面や、半導体素子１４と心材２０との接合面には、充分なろう材が供給されることとなり、以て、良好な面接合性が得られ、そしてそれによって、高純度アルミニウムからなる心材２０による、それら熱交換器１２と半導体素子との間の高い熱ひずみ緩和作用が、効果的に発揮され得ることとなる。

ところで、かくの如き本発明に従うアルミニウム・クラッド材１６を製造するに際しては、例えば、熱間圧延操作や熱間押出操作等の公知の各種の合わせ接合操作が、適宜に採用されることとなる。なお、そこで、熱間圧延操作においては、前記高純度アルミニウムからなる第一の部材と、前記Ａｌ合金ろう材からなる第二の部材とを用い、かかる第一の部材の片面或いは両面に第二の部材を重ね合わせた後、熱間圧延を行ない、以て、第一の部材から構成される心材２０に対して、第二の部材からなる皮材２２が一体的に接合されてなるクラッド材１６が、所定厚さにおいて形成されるのである。また、熱間押出操作においては、高純度アルミニウムからなる心素材に対して、所定のろう材からなる皮素材を巻き付け或いは重ね合わせてなる複合ビレットを用い、これを、フラットバー形状に熱間押出することによって、心素材と皮素材の変形抵抗差に関係なく、心素材と皮素材が良好に接合されて、目的とするクラッド材を得ることが可能である。

以下に、本発明の代表的な実施例を示し、本発明を更に具体的に明らかにすることとするが、本発明が、そのような実施例の記載によって、何等の制約をも受けるものでないことは、言うまでもないところである。また、本発明には、以下の実施例の他にも、更には上記した具体的記述以外にも、本発明の趣旨を逸脱しない限りにおいて、当業者の知識に基づいて、種々なる変更、修正、改良等を加え得るものであることが、理解されるべきである。

−クラッド材の製造−
純度が９９．５％（質量基準。以下同じ）、９９．９％、９９．９９％、又は９９．９９９％である心材用Ａｌ、及びＪＩＳ Ａ４００４のろう材用Ａｌ合金を、それぞれ、通常の連続鋳造法により造塊し、そして、心材用鋳塊については６００℃×３時間の均質化処理、またろう材用鋳塊については５００℃×１時間の均質化処理をそれぞれ施す一方、ろう材用Ａｌ合金の鋳塊については、更に熱間圧延を行なって、所定の厚さ（約１．５ｍｍ）の板材を得た。

次いで、かかるろう材用Ａｌ合金からなる板材を、前記得られた心材用Ａｌからなる厚さ２７ｍｍの鋳塊の両面に配置して、重ね合わせ、厚さ３０ｍｍとし、圧延開始温度：５００℃又は５５０℃の下で、熱間合わせ圧延を行なった。

そして、上記で得られた各熱間圧延クラッド材をそれぞれ冷間圧延して、その全体の厚さが１．００ｍｍのアルミニウム・クラッド材（１６）を得た。なお、このクラッド材（１６）におけるクラッド構成は、心材（２０）の厚さが０．９０ｍｍであり、皮材（２２）のそれぞれの厚さが０．０５ｍｍ（クラッド率として５％）であった。

−ろう付け性の評価−
上記において、純度が９９．９９質量％の高純度アルミニウムからなる心材（２０）を用いて得られたクラッド材（２０ｍｍ×２０ｍｍ×１ｍｍｔ）と、アルミニウム合金（Ａ３００３）板材（５０ｍｍ×５０ｍｍ×１ｍｍｔ）とを重ね合わせ、カーボン治具で固定した後、真空ろう付けを行なった。なお、このろう付け時の到達真空度（圧力）は、５×１０^-5ｔｏｒｒ以下、最高到達温度は６００℃とし、更に、かかる到達温度における保持時間は３分とした。

また、比較のために、純度が９９．９９％のアルミニウム板（２０ｍｍ×２０ｍｍ×１ｍｍｔ）を用い、その表面にノコロックＳｉｌフラックス（ノコロックフラックス：平均粒径２０μｍのＳｉ粉末＝３：１）と合成樹脂バインダの混合物を塗布したものと、アルミニウム合金（Ａ３００３）板材（５０ｍｍ×５０ｍｍ×１ｍｍｔ）とを重ね合わせ、カーボン治具で固定した後、窒素ガス雰囲気中でろう付けを行なった。なお、上記の混合物の塗布量は、フラックスとＳｉ粉末を合わせた重量として１０〜１５ｇ／ｍ² とし、酸素濃度は１００ｐｐｍ以下、最高到達温度は６００℃、到達温度における保持時間は３分とした。

そして、上記のろう付け操作にて得られた二種のろう付け物について、そのろう付け後の重ね合わせ部を超音波探傷し、接合部を二次元マッピングした画像を解析することにより、面接合率を求め、その結果を、下記表１に示した。この表１の結果よりして、本発明に従うクラッド材を用いた場合にあっては、従来のろう材を単に付与したものに比べて、面接合率が高く、効果的な接合面を形成していることが認められる。

−熱応力緩和性の評価−
上記で得られたアルミニウム純度が異なる各種のアルミニウム心材（２０）と、アルミニウム合金ろう材（Ａ４００４）からなる皮材（２２）とにて構成されるクラッド材（１６）を用いて、熱応力緩和性を評価した。なお、アルミニウム純度が９９．９％のアルミニウム心材（２０）の片面に対して、アルミニウム合金ろう材（Ａ４００４）からなる皮材（２２）が設けられてなるクラッド材（１６）にあっては、その一つの皮材（２２）の厚さが０．０５ｍｍとなるようにされている。そして、ぞれぞれのクラッド材（１６）について、その熱応力緩和性を、それぞれの心材（２０）の機械的特性により評価し、素子（１４）の温度上昇を想定した１５０℃における耐力が２５ＭＰａ以下であれば○、それを越えた時に×として、その結果を、下記表２に示した。

かかる表２の結果から明らかな如く、クラッド材（１６）を与える心材（２０）におけるアルミニウム純度を９９．９％以上とすることにより、優れた熱応力緩和性を有していることが認められた。

２，１２ 熱交換器（冷却器）
４，１４ 半導体素子
６ はんだ（ろう）
８，１８ 冷却水通路
１０ 半導体素子冷却装置
１６ クラッド材
２０ 心材
２２ ろう材

Claims (5)

1. 心材の片面或いは両面にＡｌ−Ｓｉ系合金ろう材からなる皮材をクラッドしたアルミニウム・クラッド材であって、該心材が、不可避的不純物の含有量を０．１質量％以下とした、アルミニウム純度が９９．９質量％以上の高純度アルミニウムからなることを特徴とする発熱部品冷却装置用アルミニウム・クラッド材。
2. 前記アルミニウム・クラッド材が、０．５ｍｍを超え、３ｍｍ以下の厚さを有していることを特徴とする請求項１に記載の発熱部品冷却装置用アルミニウム・クラッド材。
3. 前記心材が、不可避的不純物の含有量を０．０１質量％以下とした、アルミニウム純度が９９．９９質量％以上の高純度アルミニウムからなることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の発熱部品冷却装置用アルミニウム・クラッド材。
4. 前記心材が、不可避的不純物の含有量を０．００１質量％以下とした、アルミニウム純度が９９．９９９質量％以上の高純度アルミニウムからなることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の発熱部品冷却装置用アルミニウム・クラッド材。
5. 前記皮材のクラッド厚さが、０．００５ｍｍ〜０．１ｍｍである請求項１乃至請求項４の何れか一つに記載の発熱部品冷却装置用アルミニウム・クラッド材。
   

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