JP2013127092A - Clad material for brazing - Google Patents
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Abstract
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。 The present invention relates to an aluminum circuit layer that is brazed to an insulating substrate in an electronic element mounting substrate, or a brazing clad material that is used as a buffer layer interposed between an insulating substrate and a heat sink, and related technology.
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。 As an electronic element mounting substrate, one in which an aluminum circuit layer is bonded to one surface or both surfaces of an insulating substrate is known. In such a substrate, the insulating substrate is not only excellent in electrical insulation, but is also made of ceramic having excellent heat conductivity and heat dissipation, and the aluminum circuit layer has high conductivity and can be joined to the insulating substrate. High purity aluminum is used as a new metal. Moreover, in order to relieve the stress caused by the linear expansion coefficient during the cooling / heating cycle, a soft high-purity aluminum is suitable for the circuit layer.
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）。 A heat sink may be laminated on the other surface of the insulating substrate, and the heat sink is laminated via a buffer layer for relieving the stress caused by the linear expansion coefficient during the thermal cycle. Since heat sinks are required to be lightweight, maintain strength, formability, and corrosion resistance, it is common to use aluminum alloys such as Al-Mn based alloys. In general, pure aluminum is used (see Patent Document 1).
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。 An Al—Si alloy brazing foil is used for brazing the insulating substrate, the aluminum circuit layer, and the buffer layer.
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）。
In general, in brazing of an aluminum material, a temporary assembly work is made more efficient by using a brazing sheet (see
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。 However, since high-purity aluminum has low strength at high temperatures, it is difficult to clad high-purity aluminum by hot-rolling an Al—Si alloy brazing material. For this reason, brazing material foil was used for the production of the electronic device mounting substrate without using a brazing sheet.
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。 In addition, since the core material used for the conventional aluminum brazing sheet has high strength even at room temperature, it is not suitable for an aluminum circuit layer or a buffer layer that requires a high stress relaxation effect.
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。 In view of the above-described technical background, an object of the present invention is to provide a brazing clad material having a high temperature strength capable of hot clad rolling and having a stress relaxation capability at room temperature, and a method for producing the same.
即ち、本発明は下記［１］〜［９］に記載の構成を有する。 That is, the present invention has the configurations described in [1] to [9] below.
［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／ｍｍ２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。 [1] The aluminum alloy constituting the core material contains 0.2 to 0.6% by mass of Mn and 0.05 to 0.4% by mass of Fe, and the tensile strength at room temperature is 100 N / mm 2 or less. And a brazing material for brazing, wherein a brazing material is clad on at least one surface of the core material.
［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。
[2] The brazing clad material is brazed to an aluminum circuit layer on which an electronic element is mounted by brazing to an insulating substrate or a surface of the insulating substrate opposite to the aluminum circuit layer in the electronic element mounting substrate. 2. The clad material for brazing according to
［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。
[3] The wax according to
［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。
[4] The brazing material for brazing according to any one of
［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。
[5] The aluminum alloy constituting the core material is 0.2% by mass or less of Cu, 0.2% by mass or less of Zn, 0.2% by mass or less of Mg, and 0.2% by mass or less of Ti. 5. The brazing clad material according to any one of
［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／ｍｍ２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。
[6] The core material is made of an aluminum alloy containing 0.2 to 0.6% by mass of Mn and 0.05 to 0.4% by mass of Fe,
Without homogenization, it is integrated with hot-clad rolling with at least one surface of the core material having a tensile strength at 500 ° C. of 5 N / mm 2 or more, and multiple passes. A method for producing a brazing material for brazing, comprising performing intermediate annealing at 350 to 450 ° C. for 1 to 12 hours during the rolling.
［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。
[7] An electronic element mounting substrate in which an aluminum circuit layer for mounting an electronic element is brazed on one surface of an insulating substrate,
The aluminum circuit layer is composed of the brazing clad material according to any one of
［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。
[8] An electronic element mounting substrate in which an aluminum circuit layer for mounting an electronic element is brazed on one surface of an insulating substrate and an aluminum layer is brazed on the other surface,
At least one of the aluminum circuit layer and the aluminum layer is composed of the brazing clad material according to any one of 1 to 5 above, and an average grain size of crystal grains in the core material after brazing is 50 to 1500 μm. A substrate for mounting an electronic device, characterized by comprising:
［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。 [9] A heat dissipation device, wherein the aluminum layer of the electronic element mounting substrate described in the above item 8 is a buffer layer, and a heat sink is joined to the buffer layer.
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／ｍｍ２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。 In the brazing clad material according to the invention described in [1], the core material has high conductivity and thermal conductivity based on its alloy composition, and the core material has a tensile strength at room temperature of 100 N / mm 2 or less. Yes, the strength is lower than existing brazing sheets. For this reason, the aluminum brazing article manufactured using the brazing clad material of the present invention has high conductivity, thermal conductivity, and stress relaxation ability.
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。 According to the invention described in [2] above, an aluminum circuit layer that brazes to an insulating substrate instead of high-purity aluminum that cannot be clad by brazing due to the effect of the brazing clad material described above. Can be used as an aluminum layer.
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。 According to the invention described in [3] above, the effect of reducing the tensile strength at room temperature is great.
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。 According to the invention described in [4] above, the effect of increasing the high temperature strength is great.
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。 According to the invention described in [5] above, brazing of a brazing material is possible even when an alloy containing 0.2% by mass or less of Cu, Zn, Mg, Ti is used as a core material, and for this brazing An aluminum brazed product manufactured using a clad material has high conductivity, thermal conductivity, and stress relaxation capability.
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／ｍｍ２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。 According to the invention described in [6] above, a core material made of an aluminum alloy containing 0.2 to 0.6 mass% of Mn and 0.05 to 0.4 mass% of Fe is not subjected to homogenization treatment. Thus, the tensile strength at 500 ° C. is 5 N / mm 2 or more while maintaining the Mn solid solution amount. For this reason, even if the core material and the brazing material are hot-rolled, the core material can be clad satisfactorily without cracking. Moreover, since the amount of Mn solid solution decreases by intermediate annealing, the tensile strength at normal temperature can be reduced.
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。 In the electronic element mounting substrate described in [7], the aluminum circuit layer brazed to the insulating substrate is composed of the brazing clad material described in [1] to [5]. The aluminum circuit layer can be easily assembled temporarily, and an aluminum circuit layer having a high stress relaxation capability can be formed. The aluminum circuit layer after brazing (the core material of the brazing clad material) has an average particle size of 50 to 1500 μm. For this reason, since the level | step difference which arises between the adjacent crystal grains in the surface of an aluminum circuit layer is small, the brazing material pool produced in the joining interface with an insulating substrate also becomes small. Alternatively, no brazing material accumulation occurs. Further, since the crystal grain interface area ratio is increased by the refinement of the crystal grains, the brazing material diffuses into the crystal grain boundary, so that the brazing material remaining at the joining interface is reduced. As a result, the amount of surplus brazing material remaining at the bonding interface is suppressed, or surplus brazing material does not remain. Further, by reducing the excess brazing material remaining as a brazing material reservoir at the joining interface, it is possible to prevent stress concentration in the brazing material reservoir in the thermal cycle and to improve the thermal durability of the electronic element mounting substrate.
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。 In the electronic element mounting substrate described in [8] above, the aluminum circuit layer and the aluminum layer brazed to the insulating substrate are composed of the brazing clad material described in [1] to [5]. The temporary assembly work of the insulating substrate, the aluminum circuit layer, and the aluminum layer is simple. The aluminum circuit layer after brazing (the core material of the brazing clad material) and the aluminum layer (the core material of the brazing clad material) have an average particle size of 50 to 1500 μm. For this reason, since the level | step difference which arises between the crystal grain which adjoins on the surface of an aluminum circuit layer and an aluminum layer is small, the brazing | wax material pool produced in the joining interface with an insulated substrate also becomes small. Alternatively, no brazing material accumulation occurs. Further, since the crystal grain interface area ratio is increased by the refinement of the crystal grains, the brazing material diffuses into the crystal grain boundary, so that the brazing material remaining at the joining interface is reduced. As a result, the amount of surplus brazing material remaining at the bonding interface is suppressed, or surplus brazing material does not remain. Further, by reducing the excess brazing material remaining as a brazing material reservoir at the joining interface, it is possible to prevent stress concentration in the brazing material reservoir in the thermal cycle and to improve the thermal durability of the electronic element mounting substrate.
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。 According to the heat dissipating device described in [9] above, surplus brazing material remaining at the bonding interface on the side using the clad material at the bonding interface between the insulating substrate and the aluminum circuit layer and at the bonding interface between the insulating substrate and the aluminum layer. The amount of copper is reduced, or excess brazing material does not remain. Further, by reducing the excess brazing material remaining as a brazing material pool at these joint interfaces, it is possible to prevent stress concentration in the brazing material pool in the cooling and heating cycle and improve the cooling durability of the heat dissipation device.
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。 FIG. 1 shows an electronic element mounting substrate manufactured using the brazing clad material of the present invention and a temporary assembly of a heat dissipation device manufactured using the electronic element mounting substrate in the direction in which the constituent members are stacked. Shown in cut section.
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。 The electronic element mounting substrate (1) includes an insulating substrate (11), an aluminum circuit layer (20) overlaid on one surface of the insulating substrate (11), and a buffer layer (30 overlaid on the other surface). ). The aluminum circuit layer (20) and the buffer layer (30) are made of the clad material for brazing material of the present invention. The aluminum circuit layer (20) is a layer for mounting an electronic element (18), and is composed of a two-layer brazing clad material in which a brazing material (22) is joined to one surface of a core material (21). Has been. The buffer layer (30) is a layer corresponding to the aluminum layer in the present invention, and is composed of a three-layer brazing clad material in which a brazing material (32) (33) is bonded to both surfaces of a core material (31). Yes. Further, as the heat radiating device (2), a tube-type heat sink (16) having a plurality of hollow portions is stacked on the buffer layer (30) side of the electronic element mounting substrate (1).
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。 The heat dissipating device (2) is subjected to brazing heat for the temporary assembly and is brazed by the brazing materials (22), (32) and (33) of the brazing clad materials (20) and (30). Thereafter, the electronic element (18) is mounted on the aluminum circuit layer (20) and soldered. In the heat dissipation device (2) after brazing, the insulating substrate (11) to which the aluminum circuit layer (20) is brazed and the heat sink (16) are thermally coupled via the buffer layer (30) to form an electronic device. The heat generated by (18) is exhausted to the heat sink (16).
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。 The aluminum circuit layer (20) in the illustrated example is a two-layer brazing clad material, but if a three-layer brazing clad material is used, the electronic element (18) is brazed together with other members. can do.
［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。
[Configuration of brazing clad material]
The brazing clad (20) (30) is clad by hot rolling the core material (21) (31) and brazing material (22) (32) (33) and rolling to the required thickness. It is produced by doing. Therefore, the material of the core material (21) (31) has, as its characteristics, high strength that can withstand hot clad rolling at the time of production, and low strength that can relieve stress generated by the thermal cycle after brazing. It is a condition. The brazing clad material of the present invention obtains the strength at the time of clad rolling by defining the elements to be added to the core material, and the stress relaxation by defining the upper limit value of the tensile strength at normal temperature in the defined composition We have the ability.
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／ｍｍ２以下とする。引張強さが１００Ｎ／ｍｍ２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／ｍｍ２である。 The core material (21) (31) of the brazing clad material (20) (30) has a tensile strength at room temperature of 100 N / mm 2 or less. When the tensile strength exceeds 100 N / mm 2 , the stress applied to the insulating substrate (11) during the cooling / heating cycle increases, and the possibility that the insulating substrate (11) cracks and the joint is peeled off increases. A preferable tensile strength at room temperature is 45 to 90 N / mm 2 .
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／ｍｍ２以上であることが好ましく、特に７Ｎ／ｍｍ２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／ｍｍ２以下であることが好ましい。 Further, since the high temperature strength of the core material (21) (31) is ensured by defining the Mn concentration and the Fe concentration in the core material (21) (31), the present invention does not define the high temperature strength. . However, since the clad rolling of the core material (21) (31) and the brazing material (22) (32) (33) is performed hot, the tensile strength at 500 ° C. is preferably 5 N / mm 2 or more. In particular, it is preferably 7 N / mm 2 or more. Moreover, since high temperature strength is sufficient if it can endure hot rolling, excessive strength is not required. Since it is difficult for the core material (21) (31) having a higher high-temperature strength than necessary to realize a low strength at room temperature, the core material (21) (31) preferably has a high-temperature strength of 17 N / mm 2 or less.
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。 As the material of the core material (21) (31), an aluminum alloy containing a predetermined amount of Mn and Fe is used. Moreover, Zr, V, Si, Cu, Zn, Mg, Ti can be recommended as an optional additive element of the aluminum alloy. Hereinafter, the contents of each element and the reasons for limiting the concentration range will be described in detail.
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／ｍｍ２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。 Mn is an element that dissolves in aluminum and increases the high-temperature strength, and its concentration is 0.2 to 0.6 mass%. If the Mn concentration is less than 0.2% by mass, the Mn solid solution amount is small and the high-temperature strength is insufficient, so that clad rolling with the brazing material becomes difficult. On the other hand, when the Mn concentration exceeds 0.6% by mass, it becomes difficult to suppress the normal temperature strength to 100 N / mm 2 or less, and the stress relaxation ability during the cooling / heating cycle is lowered. A preferable Mn concentration is 0.2 to 0.4 mass%.
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。 Fe is regulated to have a concentration in the range of 0.05 to 0.4% by mass in order to make the crystal grain size after brazing appropriate and to exhibit the desired normal temperature strength. When the Fe concentration exceeds 0.4% by mass, the crystal grain size becomes fine, the room temperature strength becomes high, and the stress relaxation ability during the cooling / heating cycle is lowered. On the other hand, if the Fe concentration is 0.05% by mass, the room temperature strength can be kept low, so that there is little significance in regulating the concentration to less than 0.05% by mass. And if it is going to regulate Fe concentration to less than 0.05 mass%, since it is necessary to use high purity aluminum for material, it is uneconomical in terms of material cost. A preferable Fe concentration is 0.1 to 0.4% by mass.
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。 Zr and V are elements that affect the crystal grain size, and by adding at least one of 0.05 to 0.5% by mass, the crystal grains can be coarsened and the room temperature strength can be kept low. If the Zr concentration and the V concentration are less than 0.05% by mass, the above effects are small, and if it exceeds 0.5% by mass, the material cost increases, which is uneconomical. Good preferable Zr concentration is 0.1 to 0.3 wt%, preferably V concentration is 0.05 to 0.3 mass%.
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。 Si is an element that affects the solid solubility of Mn, and its concentration is 0.05 to 0.5 mass%. If the Si concentration exceeds 0.5% by mass, the Mn solid solution amount decreases, so that it is difficult to obtain high high-temperature strength, and hot rollability is deteriorated. On the other hand, in order to make the Si concentration less than 0.05% by mass, it is necessary to use high-purity aluminum as a material, which is uneconomical in terms of material cost. It is uneconomical because it increases the cost of refining the material. A preferable Si concentration is 0.1 to 0.5% by mass.
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／ｍｍ２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。 Other elements can be contained as long as the conditions that the clad rolling with the brazing material is possible and the tensile strength at room temperature is 100 N / mm 2 or less are satisfied. For example, addition of 0.2% by mass or less of Cu, Zn, Mg, and Ti is allowed. The effects of these elements, the reason why the content is 0.2% by mass or less, and particularly preferable concentration ranges are as follows.
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。 Cu, Zn, Mg, and Ti affect the strength in the range exceeding 0.2% by mass, but do not significantly affect the amount below 0.2% by mass. A preferable range of Cu is 0.1% by mass or less. The preferable range of Zn is 0.1 mass% or less. A preferable range of Mg is 0.05% by mass or less. A preferable range of Ti is 0.1% by mass or less.
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。 Since the aluminum alloy for the core material (21) (31) having the above composition has high conductivity and thermal conductivity, it satisfies the requirements for the aluminum circuit layer (20) and the buffer layer (30). Yes. Moreover, since the core material used as the aluminum circuit layer (20) and the buffer layer (30) is required to have high conductivity and thermal conductivity, the aluminum purity is preferably 99.5 to 98% by mass.
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。 Further, the material of the brazing filler metal (22), (32), and (33) is not limited, but an Al—Si alloy or an Al—Si—Mg alloy is preferable.
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。 The brazing clad material of the present invention may be a two-layer clad material in which a brazing material is clad only on one surface of the core material, or a three-layer clad material in which a brazing material is clad on both surfaces of the core material. The aluminum circuit layer (20) shown in FIG. 1 is a two-layer clad material clad with a brazing material (22) on the insulating substrate (11) side of the core material (21), but also on the surface of the electronic element (18). The material layer may be clad, and the buffer layer (30) may be a two-layer material in which a brazing material is clad only on the insulating substrate (11) side. Moreover, there is no restriction | limiting in the thickness of a core material (21) (31) and the clad rate of brazing material (22) (32) (33), and it can set to the thickness suitable for a use. Further, the buffer layer (30) in the illustrated example is a punching metal in which a plurality of circular through holes are formed as a stress absorption space after cladding, but the buffer layer in the present invention is not limited to the one having the through holes.
［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。
[Production of brazing clad material]
The brazing clad material is manufactured by superposing and integrating a core material and a brazing material by hot clad rolling, and further performing multiple passes of cold rolling and finish rolling. In the present invention, a specific heat treatment is performed during this process, or a heat treatment is not performed, so that a high temperature strength that can withstand clad rolling and a normal temperature strength that exerts a stress relaxation effect during a thermal cycle are exhibited.
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／ｍｍ２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。 In the present invention, homogenization is not performed on the core material before hot rolling. By not performing the homogenization treatment, the Mn solid solution amount in the core material is maintained, and the brazing material is clad in a state where the Mn solid solution amount is maintained. Since the core material has the strength to withstand hot rolling due to the solid solution of Mn, it is not cracked by hot rolling and the brazing material is clad well. Moreover, since the ordinary temperature strength is increased if the clad material maintains the Mn solid solution amount, intermediate annealing is performed during the process after hot rolling to reduce the Mn solid solution amount, and the crystal grains are coarsened. Thus, the tensile strength at room temperature is set to 100 N / mm 2 or less. The intermediate annealing is performed after hot rolling, during cold rolling and finishing rolling, and particularly preferably before finishing rolling. The intermediate annealing is performed at least once during the period, and may be performed a plurality of times. The intermediate annealing conditions are 350 to 450 ° C. × 1 to 12 hours. An annealing temperature of less than 350 ° C. is uneconomical because it takes a long time to obtain the required tensile strength. An annealing exceeding 450 ° C. is uneconomical in terms of energy costs. Also, annealing for less than 1 hour has little effect of reducing tensile strength, and annealing for more than 12 hours is uneconomical in terms of energy costs. A preferable intermediate annealing condition is 370 to 440 ° C. × 2 to 12 hours.
［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。
[Electronic element mounting substrate and heat dissipation device]
The produced brazing clad material was cut into a size suitable for the aluminum circuit layer (20) and the buffer layer (30), and as shown in FIG. 1, the electronic element mounting substrate (1) and the heat dissipation device (2) Are temporarily assembled, and all members are brazed together.
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。 Examples of the material constituting the insulating substrate (11) include ceramics such as aluminum nitride, aluminum oxide, silicon nitride, zirconium oxide, and silicon carbide. These ceramics are recommended not only because of their excellent electrical insulation, but also because they have good thermal conductivity and excellent heat dissipation.
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。 The metal constituting the heat sink (16) is preferably a material excellent in lightness, strength maintenance, formability, and corrosion resistance, and an aluminum alloy such as an Al-Mn alloy can be recommended as having these characteristics. . If the outer surface of the heat sink (16) is flat, the heat sink (16) is brazed in a large area with the buffer layer (30) to obtain high heat dissipation performance. There is no limitation on the shape or internal shape. Other shapes of the heat sink include a flat plate, a heat sink in which fins are brazed to the other surface of the flat plate, a heat sink in which fins are erected on the other surface of the flat plate, a tube heat sink in which fins are provided in the hollow portion, and the like.
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。 The aluminum circuit layer (20) and the buffer layer (30) are brazing clad materials in which the core material (21) (31) and the brazing material (22) (32) (33) are integrated. And the number of parts is small, so the temporary assembly work is easy.
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。 The core materials (21) and (31) after brazing preferably have an average grain size of 50 to 1500 μm. The average grain size is smaller than the average crystal grain size of high-purity aluminum of 4N or more, and the crystal grains after brazing are made finer than the high-purity aluminum, so that excess brazing material remaining at the bonding interface is reduced. can do. The reason why the excess brazing material is reduced when the crystal grains are reduced and the effect thereof will be described in detail below.
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。 FIG. 2 is an enlarged cross-sectional view schematically showing the bonding interface between the insulating substrate (11) after brazing and the core material (21) of the aluminum circuit layer (20) and its vicinity. As shown in FIG. 2, the crystal grains (41) (42) (43) (44) (45) (46) constituting the surface of the core material (21) are not necessarily arranged at the same height, but are irregular. They are arranged at a height, and a step is formed between adjacent crystal grains, and a gap is formed between the insulating substrate (11). The molten brazing material (22) exists in the gap, and the brazing material reservoir (47) is present in the crystal grains (42) and (44) that have retreated from the surface of the insulating substrate (11) to the aluminum circuit layer (20) side. ) Is generated, resulting in surplus brazing material. It has been found that as the crystal grains become larger, the gap not only increases in dimension in the direction parallel to the surface of the insulating substrate (11), but also increases in the step (dimension in the material stacking direction). Since the crystal grains are miniaturized, the level difference between adjacent crystal grains is reduced, and the brazing material reservoir (47) is also reduced. Or a level | step difference is lose | eliminated and a brazing material pool will not generate | occur | produce.
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。 The reason why the level difference between adjacent crystal grains becomes smaller as the crystal grains become smaller is as follows.
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。 Crystal grains having different crystal orientations have different linear expansion coefficients depending on directions. For this reason, when crystal grains having different crystal orientations are adjacent to each other, these crystal grains receive mutual rotational force or deformation force due to the difference in linear expansion coefficient during brazing. Furthermore, the load and frictional force applied to the material being brazed act as a force for rotating or deforming the crystal grains. And even if the rotation angle of the crystal grains is the same, the deviation becomes larger as the crystal grains become larger, and the deviation becomes smaller as the crystal grains become smaller. Even when receiving a deformation force, the displacement at the grain boundary increases by receiving the deformation force at a large crystal grain, and the displacement decreases at the grain boundary of a small crystal grain. Since a step between adjacent crystal grains is caused by such a shift, the step becomes smaller as the crystal grain becomes smaller.
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。 Furthermore, since the crystal grain interface area ratio is increased by the refinement of crystal grains, the brazing material diffuses into the crystal grain boundary, so that the brazing material remaining at the joint interface decreases. Therefore, when the crystal grains become small, the amount of surplus brazing material remaining at the bonding interface is suppressed, or the surplus brazing material does not remain and the amount of brazing material used is suppressed. In addition, since the crystal grain interface area ratio increases because the crystal grains are fine, the amount of surplus brazing filler metal remaining at the bonding interface with the insulating substrate (11) decreases even when the amount of brazing filler metal diffused into the crystal grain boundary increases. . Although not shown in the drawings, the same applies to the bonding interface between the insulating substrate (11) and the core material (31) of the buffer layer (30), so that the amount of remaining brazing filler metal can be suppressed or the surplus brazing filler metal remains. No longer.
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。 Also, since the brazing material (22), (32) and (33) are harder than the core material (21) and (31), if a hard brazing material pool (47) is generated at the joining interface, stress tends to concentrate in the thermal cycle. There is a fear. For this reason, in order to improve the thermal durability of the electronic element mounting substrate (1), it is preferable that no surplus brazing material remains at the bonding interface or that the surplus brazing material amount remaining is small.
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。 In the core material after brazing (21) and (31), when the average grain size exceeds 1500 μm, the above effects are small, and when the average grain size is less than 50 μm, the core material is eroded (melting of crystal grains). Therefore, it is not preferable. Therefore, the average particle diameter of the crystal grains in the core materials (21) and (31) after brazing is preferably 50 to 1500 μm, and the average particle diameter of particularly preferable crystal grains is 150 to 1000 μm. Since the average grain size of the crystal grains is an average grain size achieved after brazing, that is, by receiving brazing addition heat, the average grain size is not necessarily within the above range in the core material (21) (31) before brazing. It is not always within. Moreover, although this invention does not limit brazing conditions, the heating for 5 to 30 minutes at 590-620 degreeC can be recommended as brazing conditions.
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。 The electronic device mounting substrate (1) in FIG. 1 is obtained by laminating an aluminum circuit layer (20) on one surface of an insulating substrate (11) and a buffer layer (30) as an aluminum layer on the other surface. Both the aluminum circuit layer (20) and the buffer layer (30) are composed of the brazing clad material of the present invention, but only one of the aluminum circuit layer (20) and the buffer layer (30) is formed. An electronic mounting substrate constituted by a brazing clad material is also included in the present invention. Further, the aluminum layer brazed to the other surface of the insulating substrate (11) is not limited to the buffer layer premised on brazing the heat sink, and the heat sink is brazed directly to the insulating substrate using the heat sink as the aluminum layer. An electronic element mounting substrate is also included in the present invention. Furthermore, it is assumed that only the aluminum circuit layer is brazed to the insulating substrate, and the electronic circuit mounting substrate having no aluminum layer on the other surface or the aluminum circuit layer is brazed to both sides of the insulating substrate (11) to electronically An electronic element mounting substrate configured to mount elements is also included in the present invention.
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／ｍｍ２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。 Further, the use of the brazing clad material of the present invention is not limited to the substrate for mounting an electronic element. The core material has high conductivity and thermal conductivity based on its alloy composition and has a tensile strength at room temperature of 100 N / mm 2 or less, so it has high conductivity and thermal conductivity, and stress relaxation ability. Can be widely used as a material for producing aluminum brazing products.
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。 A heat dissipating device (2) including an electronic element mounting substrate (1) having a laminated structure referred to in FIG. 1 was produced by changing the materials of the aluminum circuit layer and the buffer layer. The members laminated in the heat dissipation device (2) are, in the order of lamination, an aluminum circuit layer (brazing clad material) (20), an insulating substrate (11), a buffer layer (brazing clad material) (30), a heat sink ( 16).
［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。
[Production of brazing clad material]
Brazing clad materials used as the aluminum circuit layer (20) and the buffer layer (30) were produced. In each example of Table 1, the aluminum circuit layer (20) uses a double-layer clad material in which a brazing material (22) is clad on one side of a core material (21), and the buffer layer (30) is on both sides of the core material (31). A three-layer clad material clad with brazing material (32) (33) was used. The core material (21) (31) is an aluminum alloy having the composition shown in Table 1, and the brazing materials (22), (32), and (33) are Al-10 mass% Si-1 mass% Mg alloy.
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。 The two-layer clad material for the aluminum circuit layer (20) is a core material whose thickness is adjusted so that the thickness of the core material (21) is finally 0.6 mm and the thickness of the brazing material (22) is 20 μm. The brazing filler metal material was piled up, clad by hot rolling at 500 ° C., and further subjected to cold rolling and finish rolling. The three-layer clad material for the buffer layer (30) is finally thickened so that the core material (31) has a thickness of 1.6 mm and the brazing materials (32) and (33) have a thickness of 40 μm. The adjusted core material and brazing material were stacked and hot rolled, cold rolled, and finish rolled. In these steps, Examples 1 to 9 and Comparative Example 2 were hot-rolled without subjecting the core material to homogenization, and Comparative Examples 1 and 3 were homogenized at 620 ° C. × 18 hours for the core material. Hot rolling was performed after the treatment. Moreover, Examples 1-9 performed the intermediate annealing on the conditions described in Table 1 before finish rolling.
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。 In the manufacturing process of the above-described two-layer or three-layer brazing clad material (20) (30), Examples 1 to 9 and Comparative Example 2 were subjected to hot rolling to produce the core material (21) (31) and the brazing material (22 ), (32) and (33) could be clad well. However, in Comparative Examples 1 and 3, since the core materials (21) and (31) were cracked during hot rolling, the subsequent steps were not performed. Table 1 shows “◯” for those that could be clad satisfactorily as hot-rollability, and “x” for those that could not be satisfactorily clad due to cracking.
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。 Moreover, about the core material of the clad material of each example, the tensile strength in 500 degreeC and normal temperature was measured.
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。 The test material for measuring the tensile strength at 500 ° C. was made of a core material before cladding, and was measured in a state close to the core material during hot rolling. That is, for Examples 1 to 9 and Comparative Example 2 where the homogenization treatment was not performed, the material not subjected to the homogenization treatment was measured, and for Comparative Examples 1 and 3 where the homogenization treatment was performed, the homogenization treatment was performed. The material was measured.
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。 For the test material for measuring the tensile strength at room temperature, the clad material used as the aluminum circuit layer and the buffer layer after clad or a state close thereto is measured, and Examples 1 to 9 (with intermediate annealing) and Comparative Example 2 (without intermediate annealing) ) Was measured on the core material of the brazing clad material produced. In Comparative Example 1, the core material was cracked during hot rolling and the clad material for brazing was not produced, but the core material after homogenization treatment was measured for comparison with Examples. In Comparative Example 3, since the core material was cracked during hot rolling and the clad material was not produced, the room temperature strength was not measured.
［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。
[Electronic element mounting substrate and heat dissipation device]
The two-layer clad material for the aluminum circuit layer (20) produced in Examples 1 to 9 and Comparative Example 2 was cut into 28 mm × 28 mm and used for temporary assembly of the heat dissipation device (2). The three-layer clad material for the buffer layer (30) was cut into 28 mm × 28 mm, and further cut to form 12 circular through-holes with a diameter of 2 mm for temporary assembly of the heat dissipation device (2). used.
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。 Moreover, although the comparative example 1 was not able to produce a clad material because the core material was cracked during clad rolling, in order to compare the crystal grain size and the cooling durability after brazing of high-purity aluminum with the examples, A high-purity aluminum solid plate having the same thickness as that of the core material is processed into the same shape as that of the example as an aluminum circuit layer and a buffer layer, and an Al-10 mass% Si-1 mass% Mg alloy foil having a thickness of 30 μm is used. The heat dissipation device (2) was provisionally assembled.
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。 The members excluding the aluminum circuit layer and the buffer layer were the same in each example.
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。 The insulating substrate (11) is a flat plate made of aluminum nitride and having a size of 30 mm × 30 mm × thickness 0.6 mm. The heat sink (16) is a flat multi-hole tube made of an Al-1 mass% Mn alloy.
［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。
[Brazing]
The temporary assemblies of Examples 1 to 9 and Comparative Examples 1 and 2 were vacuum brazed in a vacuum of 7 × 10 −4 Pa at 600 ° C. for 20 minutes.
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。 For the brazed heat dissipation device (2), the average grain size of the crystal grains in the core material after brazing was examined. The values are shown in Table 1. In addition, while observing the presence or absence of excess brazing material (brazing material reservoir) at the bonding interface between the insulating substrate (11) and the aluminum circuit layer (20) and the bonding interface between the insulating substrate (11) and the buffer layer (30), The durability in the cooling and heating cycle was evaluated by the following method. The evaluation results are shown in Table 1.
［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。
[Cooling durability test]
The thermal cycle test (125 ° C.−40 ° C.) was performed 2000 cycles, and the bonding area of the bonding interface between the insulating substrate (11) (AlN), the aluminum circuit layer (20) (Al) and the buffer layer (30) (Al) Measurement was performed with an ultrasonic flaw detector, and the area ratio of the peeled portion was measured and evaluated. The case where cracks occurred in AlN or the peeling at the AlN / Al bonding interface peeled 5% or more with respect to the bonding area was evaluated as x, and the case where it was less than 5%.
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。 From the results in Table 1, it was confirmed that each example can produce a brazing clad material due to the high high-temperature strength of the core material, and has excellent durability in a cold cycle due to the low normal temperature strength.
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。 The brazing clad material of the present invention can be suitably used for manufacturing an electronic element mounting substrate in which an aluminum circuit layer is brazed on one surface of an insulating substrate, and a heat dissipation device incorporating the electronic element mounting substrate.
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
1 ... Electronic device mounting board
2… Heat dissipation device
11… Insulating substrate
20 ... Aluminum circuit layer (clad material for brazing)
30 ... Buffer layer (clad material for brazing)
21, 31 ... Heartwood
22, 32, 33 ... brazing material
18 ... Electronic element
16… heat sink
Claims (9)
均質化処理を行うことなく、５００℃における引張強さを５Ｎ／ｍｍ２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。 The core material is made of an aluminum alloy containing 0.2 to 0.6% by mass of Mn and 0.05 to 0.4% by mass of Fe,
Without homogenization, it is integrated with hot-clad rolling with at least one surface of the core material having a tensile strength at 500 ° C. of 5 N / mm 2 or more, and multiple passes. A method for producing a brazing material for brazing, comprising performing intermediate annealing at 350 to 450 ° C. for 1 to 12 hours during the rolling.
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。 An electronic element mounting substrate in which an aluminum circuit layer for mounting an electronic element is brazed on one surface of an insulating substrate,
The said aluminum circuit layer is comprised with the clad material for brazing in any one of Claims 1-5, The average particle diameter of the crystal grain in the core material after brazing is 50-1500 micrometers, It is characterized by the above-mentioned. Electronic device mounting board.
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。 An electronic element mounting substrate in which an aluminum circuit layer for mounting an electronic element is brazed to one surface of an insulating substrate and an aluminum layer is brazed to the other surface,
At least one of the aluminum circuit layer and the aluminum layer is constituted by the brazing clad material according to any one of claims 1 to 5, and an average grain size of the crystal grains in the core material after brazing is 50 to 1500 µm. An electronic element mounting board characterized by comprising:
The heat dissipation device, wherein the aluminum layer of the electronic element mounting substrate according to claim 8 is a buffer layer, and a heat sink is bonded to the buffer layer.
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