JP5506644B2

JP5506644B2 - アルミニウムろう付品の製造方法

Info

Publication number: JP5506644B2
Application number: JP2010266321A
Authority: JP
Inventors: 一郎岩井; 和彦南
Original assignee: Showa Denko KK
Current assignee: Showa Denko KK
Priority date: 2010-11-30
Filing date: 2010-11-30
Publication date: 2014-05-28
Anticipated expiration: 2030-11-30
Also published as: JP2012116683A

Description

本発明は、軟質の純アルミニウムが他の材料にろう付されたアルミニウムろう付品の製造方法に関する。

アルミニウムとセラミックとのろう付品の一つに半導体を搭載する基板がある（特許文献１、２参照）。

特許文献１は、セラミック基板に回路層として純度９９．９９％以上のアルミニウムをろう付したパワーモジュール用基板に関する文献であり、セラミック基板とアルミニウムとをＡｌ−７．５％Ｓｉ合金からなり厚さ２５〜３０μｍのろう材箔を介在させてろう付接合する方法が開示されている。この方法で製造された基板は、回路層がセラミック基板との接合界面から２００μｍ以内の領域でＳｉ含有量が０．７〜１．２ｗｔ％となり、接合界面のＳｉ含有量を規定することにより回路層形成時のエッチング性を改善したものである。

特許文献２は、アルミニウム製ヒートシンクにろう付するパワーモジュール用基板に関する文献であり、セラミック基板における回路層の反対面、即ちヒートシンクにろう付する面に、Ａｌ純度が９９．５〜９９．９ｗｔ％の第１アルミニウム層とＡｌ純度が９９．９９以上の第２アルミニウム層とを積層したクラッド材の第１アルミニウム層側をろう付したものである。ろう付は、セラミック基板とクラッド材との間にＡｌ−Ｓｉ系ろう材箔を挟んで加熱することにより行われる。前記基板は、セラミック基板と直接的にろう付される層として相対的に純度の低い第１アルミニウム層を配置することによって、使用時に加熱と冷却の熱サイクルによって接合界面に発生する応力を緩和するようにしたものである。即ち、セラミック基板とヒートシンクとの間に純度の低いアルミニウム層を介在させ、アルミニウム層を熱サイクルによる剥離や割れを防止するための緩衝材として機能させるものである。

また、特許文献３においては、ろう材層付きアルミニウム部材の製造方法として、アルミニウム部材の表面にコールドスプレーによりＳｉ粒子を付着させる方法が提案されている。

特開２００８−３０６１０６号公報特開２００９−６５１４４号公報特開２０１０−１３２９８６号公報

しかしながら、特許文献１、２に記載されたろう付方法ではろう材箔をセラミック基板とアルミニウム層との間に挟む際の位置決めやろう材箔の固定に手間がかかるという問題点がある。かかる問題点を解消するためには、アルミニウム母材とろう材とが一体化したブレージングシートが望ましいが、純アルミニウムは軟質でありＡｌ−Ｓｉ系合金ろう材とのクラッド圧延時の変形抵抗差が大きいために、クラッド率が均一なブレージングシートの作製は極めて困難である。例えば、ＪＩＳＡ４００５、Ａ３００３、９９．９％アルミニウムの室温におけるおおよその耐力は、６０ＭＰａ（４００５）、４０ＭＰａ（３００３）、２５ＭＰａ（９９．９％Ａｌ）であり、Ａ４００５／Ａ３００３のブレージングシートは両者の耐力差が小さいので均一な厚さに作製可能であるが、Ａ４００５／９９．９％Ａｌのブレージングシートは耐力差が大きいために、熱間クラッド圧延時に９９．９％アルミニウムが軟質アルミニウム特有の波状不均一変形を起こして均一なクラッド率に製作することが極めて困難である。

さらに、フラックスを使用しない真空ろう付では、ろう付面の中央部のろう付性が悪いという問題点もあった。

本発明は上述の技術背景に鑑み、軟質のアルミニウムと他の材料とのろう付品の製造に際し、冷熱サイクルに対して接合界面の応力が緩和されて割れにくいろう付品を簡単な工程で製造できるアルミニウムろう付品の製造方法を提供するものである。

即ち、本発明は下記の［１］〜［５］に記載の構成を有する。

［１］Ａｌ純度が９９．９質量％以上のアルミニウム基材の少なくとも一つの面の表面に、コールドスプレーによって平均粒径２５μｍ以下のＳｉ粒子を衝突させてＳｉ付着量が３〜１０ｇ／ｍ^２のＳｉ層を形成し、さらに、物理蒸着によりＭｇ付着量が０．３ｇ／ｍ^２以上のＭｇ皮膜を形成することによりろう付用材料を作製し、
前記ろう付用材料と他の材料とを組み付けて真空ろう付することを特徴とするアルミニウムろう付品の製造方法。

［２］前記他の材料はセラミックである前項１に記載のアルミニウムろう付品の製造方法。

［３］前記ろう付用材料と他の材料とを重ねて面接合する前項１または２に記載のアルミニウムろう付品の製造方法。

［４］前記アルミニウム基材の両面に前記Ｓｉ層およびＭｇ皮膜を形成し、アルミニウム基材の両面に他の材料をろう付する前項１〜３のいずれかに記載のアルミニウムろう付品の製造方法。

［５］前項１〜４のいずれかの方法で製造されたことを特徴とするアルミニウムろう付品。

上記［１］に記載の発明は、Ａｌ純度が９９．９質量％以上の純アルミニウムからなるアルミニウム基材にＳｉ層およびＭｇ皮膜を形成し、これらをろう材層としてアルミニウム基材と一体化したろう付用材料を製作した後、ろう付用材料と他の材料とを組み付けて真空中で加熱し、ＳｉとＡｌの合金化させてろう付する。

Ｓｉ層は平均粒径が２５μｍ以下のＳｉ粒子をコールドスプレーによってアルミニウム基板に付着させて形成したものであるからＳｉ粒子を薄く均一に付着させることができる。Ｓｉ付着量は３〜１０ｇ／ｍ^２であるからろう付部が硬くなることがなく、軟質材であるアルミニウム基材との耐力差が大きくならない。従って、ろう付品においては冷熱サイクルにおいて接合界面に発生する応力が抑制され、本発明によって割れにくいろう付品を製造できる。

また、Ｍｇ皮膜のＭｇのゲッター効果によってアルミニウム基材の表面が活性化されるので、良好なろう付を達成できる。Ｍｇは真空ろう付時に蒸発してしまいろう付部には拡散しないので、Ｍｇがろう付部を硬化させることがなく、軟質材であるアルミニウム基材との耐力差が拡大することもない。前記Ｍｇ皮膜は物理蒸着によって形成するので薄く均一なＭｇ皮膜を形成することができ、Ｍｇ付着量は０．３ｇ／ｍ^２以上であるから、十分なゲッター効果が得られる。

前記ろう付用材料の作製に際し、Ｓｉ層をコールドスプレーによって形成し、Ｍｇ皮膜を物理蒸着によって形成するので、アルミニウム基材やろう付部の形状、ろう付面積に関係なくろう材層を形成することができ、アルミニウム基材の表面の所望の位置にろう材層を形成することができる。

また、ろう材層はアルミニウム基材と一体化したろう付用材料として取り扱われるので、ブレージングシートと同様に、ろう付時に他の材料との組み付けが容易であり、ろう付品を効率良く製造できる。

上記［２］に記載の発明によれば、純アルミニウムに対して難ろう付材料であるセラミックとのろう付品を製造することができる。

上記［３］に記載の発明によれば、Ｍｇのゲッター効果によりろう付面の中央部まで良好にろう付できることを利用して、広い面積でろう付される面接合されたろう付品を製造できる。

上記［４］に記載の発明によれば、アルミニウム基材の両面に他の材料がろう付されたろう付品を製造できる。

上記［５］に記載の発明によれば、Ａｌ純度が９９．９質量％以上のアルミニウム基材と他の材料とがろう付されたろう付品において、冷熱サイクルに対して割れにくいものとすることができる。

本発明にかかるろう付品の製造方法の工程を示す断面図である。本発明によって製造される他のろう付品の断面図である。本発明によって製造される他のろう付品の断面図である。

本発明においては、軟質の純アルミニウムを他の材料にろう付するために、予備工程としてアルミニウム基材の表面にＳｉ層およびＭｇ皮膜を順次形成してこれらをろう材層とするろう付用材料を作製し、このろう付用材料を他の材料にろう付する。

前記アルミニウム基材はＡｌ純度が９９．９質量％以上の純アルミニウムからなる。かかる高純度アルミニウムはＡｌ−Ｓｉ合金ろう材との耐力差が大きく、クラッド圧延によるブレージングシートの製作が極めて困難であるから、本発明の適用意義が大きい。アルミニウム基材の寸法や厚さは限定されないが、コールドスプレー時にアルミニウム基材を破れないように固定する必要があり、かつ平均粒径が２５μｍ以下のＳｉ粒子を食い込ませるように付着させるので、厚みは１００μｍ以上が好ましい。

一方、アルミニウム基材とろう付する他の材料は限定されず、窒化アルミニウム、酸化アルミニウム、窒化ケイ素、酸化ジルコニウム等のセラミック、アルミニウムまたはアルミニウム合金、その他の金属を例示できる。これらのなかでも、アルミニウムに対する難ろう付材料であるセラミックは本発明を適用する意義が大きい。

図１は本発明のアルミニウムろう付品の製造方法の工程を示している。以下に、図１を参照しつつ、本発明のアルミニウムろう付品の製造方法について詳述する。

（１）アルミニウム基材（10）の表面にコールドスプレーによりＳｉ粒子（11）を付着させてＳｉ層（12）を形成する。

（２）Ｓｉ層（12）上に物理蒸着によりＭｇを付着させてＭｇ皮膜（13）を形成する。

上記の（１）（２）の工程により、アルミニウム基材（10）の表面にＳｉ層（12）およびＭｇ皮膜（13）が積層され、Ｓｉ層（12）およびＭｇ皮膜（13）をろう材層（14）として、アルミニウム基材（10）とろう材層（14）が一体化したろう付用材料（15）が作製される。

（３）ろう付用材料（15）のろう材層（14）側、即ちＭｇ皮膜（13）上に他の材料（16）を組み付けて真空ろう付する。真空ろう付においては、Ｍｇ皮膜（13）のＭｇのゲッター効果によってアルミニウム基材（10）の表面が活性化されるとともに、Ｓｉ粒子（11）と基材（10）のＡｌとが合金化してろう材として機能し、アルミニウム基材（10）と他の材料（16）とがろう付されてろう付品（17）が作製される。

〔Ｓｉ層〕
上記（１）の工程でＳｉ層（12）を形成するコールドスプレーは、ノズルから加速用ガスとともに粒子を高速で噴出させて基材に衝突させ、粒子を溶融またはガス化させることなく基材に付着させる技術である。図１に示すように、衝突したＳｉ粒子（11）はアルミニウム基材（10）に食い込むようにして付着する。また、アルミニウム基材（10）とノズルとを相対的に移動させることによってアルミニウム基材（10）の所望の位置にＳｉ粒子（11）を付着させることができ、Ｓｉ付着量はＳｉ粒子（11）の粒径、Ｓｉ粒子（11）の噴出量、Ｓｉ粒子（11）衝突速度、ノズルとの相対移動速度等によって制御することができる。

Ｓｉ粒子（11）同士は性状的に相互に付着しにくいため、コールドスプレーしたアルミニウム基材（10）表面にはＳｉ粒子（11）が一層分しか付着しない。従って、形成されるＳｉ層（12）の厚さが薄く均一になることに加え、その厚さを使用するＳｉ粒子（11）の粒径によって精度良く設定することができる。従って、粒径の小さいＳｉ粒子（11）を使用することによってＳｉ層（12）を極薄化することも可能となり、本発明が規定するＳｉ付着量のＳｉ層（12）を形成することができる。形成したＳｉ層（12）はアルミニウム基材（10）のＡｌと合金化してＡｌ−Ｓｉ合金ろう材となり、アルミニウム基材（10）と他の材料（16）とをろう付接合する。Ｓｉ粒子はＡｌ−Ｓｉ合金粒子よりもコールドスプレー時の酸化が少ないので、Ｓｉ粒子によるろう材層はＡｌ−Ｓｉ合金粒子を付着させて形成したろう材層よりもろう付性が良い。

前記Ｓｉ層（12）におけるＳｉ付着量は３〜１０ｇ／ｍ^２であるから、ろう付部が硬くなることがなく、軟質材であるアルミニウム基材との耐力差が大きくならないので、冷熱サイクルにおいて接合界面に発生する応力が抑制されるので、割れにくいろう付品を製造できる。Ｓｉ付着量３ｇ／ｍ^２未満ではフィレット量が不足してろう付不良となる。一方１０ｇ／ｍ^２を超えるとろう付部が硬くなって強度が増してアルミニウム基材（10）との耐力差が大きくなり、その結果ろう付品が冷熱サイクルにおいて割れやすくなる。好ましいＳｉ付着量は４〜８ｇ／ｍ^２である。

コールドスプレーに用いるＳｉ粒子（11）は平均粒径が２５μｍ以下のものを用いる。平均粒径が２５μｍを超える大きい粒子をコールドスプレーすると、形成されるＳｉ層（12）が厚くなり、Ｓｉ付着量を上述した適正範囲に制御することが困難になる。平均粒径の下限値は規定されないが、超微粒子はコスト高になるのでコスト面で１μｍ以上が好ましい。特に好ましいＳｉ粒子（11）の平均粒径は５〜２０μｍである。

また、Ｓｉ粒子（11）には不純物としてＦｅやＣａが含まれることが多いため、良好なろう付け性を確保する上で、使用するＳｉ粒子（11）の純度は９７質量％以上であるのが好ましく、中でも９９質量％以上であるのが特に好ましい。

アルミニウム基材（10）の表面に対するＳｉ粒子（11）の衝突速度は、２００ｍ／秒以上に設定することが好ましい。この衝突速度が２００ｍ／秒未満では、アルミニウム基材（10）の表面に対するＳｉ粒子（11）の食込みが弱くなり、ろう付の際にＳｉとＡｌの共晶反応を生じにくくなってろう付性が低下するおそれがある。

Ｓｉ粒子（11）の加速用ガスとしては、窒素、ヘリウム、アルゴン等の不活性ガスの他、空気も使用できる。そして、この加速用ガスの温度は５００℃以下に設定し、５００℃以下に加熱したＳｉ粒子（11）をアルミニウム基板（10）に衝突させることが好ましい。この温度が５００℃を超えるとアルミニウム基材（10）を酸化させてしまう懸念がある。また、前記温度が低すぎては充分な粒子速度が得られ難くなることから、前記加速用ガスの温度は２００〜５００℃の範囲に設定するのが好ましい。

コールドスプレーに用いるノズルのアルミニウム基材（10）表面に対する相対的移動速度は、１〜１５０ｍ／分の範囲とするのが好ましい。１ｍ／分以上とすることで製造効率が良くなるし、１５０ｍ／分以下とすることでＳｉ粒子（10）を充分に付着させることができる。

〔Ｍｇ皮膜〕
上記（２）の工程において、Ｓｉ層（12）上に形成するＭｇ皮膜（13）は真空ろう付においてＭｇのゲッター効果を得るために形成される。Ｍｇ皮膜（13）におけるＭｇ付着量は０．３ｇ／ｍ^２以上とする。０．３ｇ／ｍ^２未満ではゲッター効果によるろう付性向上効果が少ない。Ｍｇ付着量の上限値は規定されないが、１ｇ／ｍ^２を超えても効果が飽和するので１ｇ／ｍ^２を超える多量付着はコストアップによる不利益となる。好ましいＭｇ付着量は０．４〜０．８ｇ／ｍ^２である。かかる少量のＭｇを薄く均一に付着させる方法として、真空蒸着、スパッタリング、イオンプレーティング等の物理蒸着を用いる。これらの物理蒸着によればＳｉ層（12）上に薄く均一なＭｇ皮膜（13）を形成できる。

付着させたＭｇは真空ろう付時に蒸発する。このため、Ｍｇがろう付部中に拡散してろう付部を硬化させることはなく、軟質材であるアルミニウム基材（10）との耐力差が拡大することもない。

〔ろう付品〕
前記ろう付用材料（15）の作製に際し、Ｓｉ層（12）をコールドスプレーによって形成し、Ｍｇ皮膜（13）を物理蒸着によって形成するので、アルミニウム基材（10）やろう付部の形状、ろう付面積に関係なくろう材層（14）を形成することができ、アルミニウム基材（10）の表面の所望の位置にろう材層（14）を形成することができる。従って、クラッド圧延によるブレージングシートでは作製不可能な形状のろう付品でも製造可能である。また、アルミニウム基材（10）のどの面にもろう材層（14）を形成することが可能であるから、アルミニウム基材の表面の一部分にろう材層を形成すること、アルミニウム基材（10）の複数の面にろう材層を形成すること、アルミニウム基材の複数箇所に異なる材料をろう付することもできる。例えば、アルミニウム基材の両面にろう材層を形成し、両面に他の材料をろう付することができる。また、両面にろう材層を形成したろう付用材料を、２つの他の材料をろう付するための媒介材として利用することもできる。

また、Ｍｇのゲッター効果によりろう付面の中央部まで良好にろう付できることから、本発明は広い面積のろう付を行う場合にも適している。例えば、ろう付用材料の厚み方向に他の材料を重ねてこれらを面接合するろう付や重ね継ぎ手の製造に適している。さらに、複数のろう付用材料を用いて多層構造のろう付品を作製することもできる。

さらに、ろう材層はアルミニウム基材と一体化したろう付用材料として取り扱われるので、ブレージングシートと同様に、ろう付時に他の材料との組み付けが容易であり、ろう付品を効率良く製造できる。

図２および図３は、本発明の製造方法で製造されるろう付品（20）（30）の他の例である。

図２のろう付品（20）は、アルミニウム基板（10）の片面にＳｉ層およびＭｇ皮膜を順次形成したろう材層（14）を有するろう付用材料（15）を２枚使用し、窒化アルミニウム板（21）の両面にろう付用材料（15）をろう付したものである。

図３のろう付品（30）は、半導体チップ搭載用基板（31）にアルミニウム製熱交換器の外側板（32）をろう付したものである。前記ろう付品（30）は、アルミニウム基板（10）の片面にＳｉ層およびＭｇ皮膜を順次形成したろう材層（14）を有する片面ろう付用材料（15）と、アルミニウム基板（10）の両面にＳｉ層およびＭｇ皮膜を順次形成して両面にろう材層（14）を有する両面ろう付用材料（18）を作製しておき、セラミック絶縁板（21）の一方の面に前記片面ろう付用材料（15）を配置するとともに、他方の面に両面ろう付用材料（18）を介してアルミニウム製熱交換器の外側板（32）を配置して仮組みし、この仮組物を真空ろう付けして３箇所のろう付を同時に行ったものである。前記片面ろう付用材料（15）のアルミニウム基材（10）は導電部でありセラミック絶縁板（21）とともに半導体チップ搭載用基板（31）を構成し、この基板（31）が両面ろう付用材料（18）を介してアルミニウム放熱板（またはアルミニウム製熱交換器の外側板）（32）にろう付されている。

なお、本発明において、アルミニウム基材は図示例のような板材に限定されず、棒状材、ブロック材等任意形状の基材を用いることができる。また、ろう材層（Ｓｉ層、Ｍｇ皮膜）の形成方法はコールドスプレーおよび物理蒸着であり、これらの方法によれば曲面や凹凸部にもろう材層を形成することが可能であるから、ろう付面は平面に限定されず、曲面同士のろう付や凹部と凸部のろう付等も可能である。

図１に参照されるろう付用材料（15）を異なる製造条件で作製し、窒化アルミニウム板（16）とのろう付品（17）を作製した。表１のＮｏ．１〜１６のろう付品のうち、「発明」と記載したものは本発明の条件でろう材層（14）を形成したものであり、「比較」と記載したものは本発明から逸脱する条件でろう材層（14）を形成したものである。

アルミニウム基板（10）は全てのろう付品で共通であり、Ａｌ純度が９９．９質量％の純アルミニウムからなる、１５０ｍｍ×８０ｍｍ×厚さ１．０ｍｍの平板を用いた。

前記アルミニウム基板（10）をアセトンで脱脂洗浄し、一方の面の全域にＳｉ粒子（11）をコールドスプレーで付着させてＳｉ層（12）を形成した。コールドスプレーは、加速用ガスとして窒素ガスを用い、表１に示す平均粒径のＳｉ粒子（11）を２８０℃で４００ｍ／秒に加速して基板（10）に衝突させた。また、Ｓｉ付着量は表１に示すとおりであり、Ｓｉ粒子（11）の噴出量およびノズルの移動速度によって調節した。次に、真空蒸着により、Ｓｉ層（12）上にＭｇ皮膜（13）を形成し表１に示す量のＭｇを付着させた。これにより、Ｓｉ層（12）およびＭｇ皮膜（13）をろう材層（14）とするろう付用材料（15）を作製した。

前記ろう付アルミニウム材料（15）と同寸の窒化アルミニウム板（16）とを重ね、１．３３×１０^−２Ｐａ（１０^−５Ｔｏｒｒ）の真空中で６０５℃×２０分加熱してろう付した。

Ｎｏ．１〜１６のろう付品について、ろう付性を調べ、さらに冷熱試験を行った。

（ろう付性）
ろう付品のろう付部を超音波探傷し、アルミニウム基板（10）と窒化アルミニウム板（16）の接合状態を調べた。ろう付部（面）の周縁部から中心部に至るまで全領域が良好に接合されていたものを「○」、周縁部は接合されていたが中心部がろう付不良であったものを「△」、周縁部を含む全領域で接合できなかったものを「×」と評価した。

（冷熱試験）
ろう付性が「○」と評価されたろう付品について、−４０℃と１２５℃の反復を１０００サイクル行う冷熱試験を行った。冷熱試験後のろう付品を観察し、ろう付界面に割れが発生しなかったものを「○」、割れが発生したものを「×」と評価した。

表１より、本発明の方法で製造したろう付品は難ろう付材料であるセラミックに対しても純アルミニウムを良好にろう付され、かつ冷熱サイクルにおいても割れが生じないことを確認した。

本発明は軟質材である純アルミニウムと他の材料とのろう付品の製造方法であり、セラミック板にアルミニウム回路をろう付するセラミック基板の製造や、このセラミック基板のアルミニウム熱交換器へのろう付に好適に利用できる。

10…アルミニウム基材
11…Ｓｉ粒子
12…Ｓｉ層
13…Ｍｇ皮膜
14…ろう材層
15…ろう付用材料
16…他の材料
17、20、30…ろう付品
21…窒化アルミニウム板（セラミック絶縁板、他の材料）
32…アルミニウム放熱板（熱交換器の外側板、他の材料）

Claims

Ａｌ純度が９９．９質量％以上のアルミニウム基材の少なくとも一つの面の表面に、コールドスプレーによって平均粒径２５μｍ以下のＳｉ粒子を衝突させてＳｉ付着量が３〜１０ｇ／ｍ^２のＳｉ層を形成し、さらに、物理蒸着によりＭｇ付着量が０．３ｇ／ｍ^２以上のＭｇ皮膜を形成することによりろう付用材料を作製し、
前記ろう付用材料と他の材料とを組み付けて真空ろう付することを特徴とするアルミニウムろう付品の製造方法。
前記他の材料はセラミックである請求項１に記載のアルミニウムろう付品の製造方法。
前記ろう付用材料と他の材料とを重ねて面接合する請求項１または２に記載のアルミニウムろう付品の製造方法。
前記アルミニウム基材の両面に前記Ｓｉ層およびＭｇ皮膜を形成し、アルミニウム基材の両面に他の材料をろう付する請求項１〜３のいずれかに記載のアルミニウムろう付品の製造方法。
請求項１〜４のいずれかの方法で製造されたことを特徴とするアルミニウムろう付品。