JP5992499B2

JP5992499B2 - パワーデバイスに用いられるアルミニウム材の接合方法

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Publication number: JP5992499B2
Application number: JP2014258741A
Authority: JP
Inventors: 難波　茂信; 茂信難波
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 2014-12-22
Filing date: 2014-12-22
Publication date: 2016-09-14
Anticipated expiration: 2030-04-28
Also published as: JP2015091605A

Description

本発明は、アルミニウム材同士、或いは、アルミニウム材とアルミニウム・セラミックス複合体を、フラックスを加えたろう材を用いて接合するアルミニウム材の接合方法に関するもの、特に、整流ダイオード、パワートランジスタ、サイリスタ等のパワーデバイスに用いられるアルミニウム材同士、或いは、アルミニウム材とアルミニウム・セラミックス複合体を接合するパワーデバイスに用いられるアルミニウム材の接合方法に関するものである。

パワーデバイスに用いられるアルミニウム材同士、或いは、アルミニウム材とＤＢＡ（ＤｉｒｅｃｔＢｚａｚｉｎｇＡｌｕｍｉｎｕｍ）等のアルミニウム・セラミックス複合体の接合に用いられるろう材は、通常のアルミニウム材同士等の接合に用いられるＡｌ−Ｓｉ系ろう材が使用されることが一般的であり、ろう材の融点に応じて５８０〜６２０℃程度に加熱することで、ろう付けが行われていた。

この方法による接合では、通常のアルミニウム材同士等の接合の場合と同様に、被ろう付け材のろう付け部の表面の酸化皮膜を破壊して、その表面を活性化させて接合面に対する溶融ろうの濡れ性を高める必要があるため、５８０〜６２０℃程度のろう付け温度で溶融するフッ化物系や塩化物系のフラックスが用いられ、ろう付けが行われていた。

しかしながら、パワーデバイスに用いられるアルミニウム材同士等の接合に、この方法を用いた場合、パワーデバイスを冷却する部材にはアルミニウム合金鋳物が用いられていることが一般的で、そのアルミニウム合金鋳物の融点は、ろう付けによる接合温度に極めて近い温度であるため、ろう付けでの接合時にアルミニウム合金鋳物が溶融してしまう可能性があった。従って、鋳物として最適の成分系のアルミニウム合金鋳物が使えないなどの問題があった。

また、ろう付けで接合される部材の一方が、二枚の純アルミニウム板の間にＡｌＮ板を挟んで形成されたＤＢＡ等のアルミニウム・セラミックス複合体である場合には、５８０〜６２０℃程度の高温でろう付けを行うと、熱膨張率の差によって、反りなどの変形が発生することもあった。

一方、単純に考えると、ろう付けの接合温度を低温にすることが考えられるが、パワーデバイスの場合、回路の性質上、後工程で各種回路をハンダ付けする必要があり、そのろう付け温度が低すぎては、２００〜３５０℃程度のハンダ付けの際に、ろう付け部が同時に溶融してしまう可能性があった。

尚、このように低温でろう付けを行うことができるろう材としては、特許文献１記載のＺｎ−Ａｌ−Ｔｉ系のろう材や、特許文献２記載のＺｎ−希土類元素やＺｎ−Ａｌ−希土類元素といったＺｎ系ろう材等が既に提案されている。また、本出願人も、特許文献３として、ろう材をフラックスと組み合わせることで、低温でろう付けを行うことができるアルミニウム材のろう付け方法を提案している。

しかしながら、これら特許文献１〜３記載の提案は、その何れもが、パワーデバイス等に用いられるアルミニウム材同士、或いは、アルミニウム材とアルミニウム・セラミックス複合体を接合する技術を対象としたものではなく、また、その示唆もされていない。

特開平１０−５９９４号公報特開平１１−５１９０号公報特開２００１−１５０１８５号公報

本発明は、上記従来の問題を解決せんとしてなされたもので、パワーデバイスに用いられるアルミニウム材同士、或いは、アルミニウム材とアルミニウム・セラミックス複合体を、一般的なアルミニウム系の鋳造合金の融点として考えられる６００℃程度よりは低く、且つ、後工程で行うハンダ付けの最も高い温度である３５０℃よりも高い温度で、接合することができるパワーデバイスに用いられるアルミニウム材の接合方法を提供することを課題とするものである。

また、パワーデバイスの冷却部材がアルミニウム合金鋳物で形成されていても、接合時にその冷却部材が溶融する危険性がない低い温度で接合することが可能で、且つ、ろう付け接合層の厚みが厚すぎて冷却部材の冷却能に影響を及ぼすこともないパワーデバイスに用いられるアルミニウム材の接合方法を提供することを課題とするものである。

本発明に係るパワーデバイスに用いられるアルミニウム材の接合方法は、パワーデバイスに用いられるアルミニウム材同士、或いは、アルミニウム材とアルミニウム・セラミックス複合体を、フラックスを加えたろう材を用いて接合するパワーデバイスに用いられるアルミニウム材の接合方法であって、前記パワーデバイス用の冷却器は、アルミニウム合金鋳物で形成されており、前記ろう材として、Ｃｕ濃度が０．５〜８質量％のＺｎ−Ｃｕ系合金ろう材を用い、前記フラックスとして、ＣｓＦ−ＡｌＦ_３系共晶系フラックスを用い、前記フラックスを加えたろう材を大気圧下で溶融、冷却して、０．０２〜０．２ｍｍの厚みのろう付け接合層を間に形成することで、アルミニウム材同士、或いは、アルミニウム材とアルミニウム・セラミックス複合体を接合し、その後の後工程でハンダ付けを行うことを特徴とするパワーデバイスに用いられるアルミニウム材の接合方法である。尚、本明細書では本発明の名称で示すように、アルミニウム材とアルミニウム・セラミックス複合体を含めてアルミニウム材と称することがある。

本発明に係るパワーデバイスに用いられるアルミニウム材の接合方法によると、パワーデバイスに用いられるアルミニウム材同士、或いは、アルミニウム材とアルミニウム・セラミックス複合体を、一般的なアルミニウム系の鋳造合金の融点として考えられる６００℃程度よりは低く、且つ、後工程で行うハンダ付けの最も高い温度である３５０℃よりも高い温度で、ろう付けによる接合を行うことができる。

従って、パワーデバイスに用いられるアルミニウム材同士等を接合した場合に、パワーデバイスの冷却部材がアルミニウム合金鋳物で形成されていても、接合時にその冷却部材が溶融する危険性がない低い温度で接合することができ、冷却部材に安価なＡｌ−Ｓｉ合金等を採用することができる。

一方、接合後の、２００〜３５０℃程度で行うハンダ付けの際に、ろう付け部が同時に溶融してしまう可能性がなく、また、パワーデバイスの回路にハンダの中でも融点の高いＰｂフリーハンダを採用することもできる。

また、ろう付け層の厚みが厚すぎて、冷却部材の冷却能に影響を及ぼすということもない。更には、ろう材とフラックスが共に、従来の接合より低温でも溶融する材質で形成されているため、接合するアルミニウム材、特にアルミニウム・セラミックス複合体に大きな反りが発生することがない。

本発明に用いるＣｓＦ−ＡｌＦ_３系共晶系フラックスの状態を示す説明図である。せん断強度の測定に用いた試料の概要を示すもので、本発明のアルミニウム材の接合方法で接合したアルミニウムの積層体を示す斜視図である。反り量の測定に用いた試料の概要を示すもので、左図はアルミニウム材とアルミニウム・セラミックス複合体を接合する前の側面図、右図は接合後の側面図である。

本発明者は、パワーデバイスに用いられるアルミニウム材同士、或いは、アルミニウム材とＤＢＡ（ＤｉｒｅｃｔＢｚａｚｉｎｇＡｌｕｍｉｎｕｍ）等のアルミニウム・セラミックス複合体とを接合するにあたり、ろう付けによる接合時に、冷却器を形成するアルミニウム合金鋳物が溶融してしまう可能性がなく、且つ、接合後のハンダ付けにも影響を及ぼすことのない接合温度、例えば、４６０℃程度でも、アルミニウム材等を接合することができ、また、冷却器の冷却能にも影響を及ぼすことがないパワーデバイスに用いられるアルミニウム材の接合方法を見出すために、鋭意研究を重ねた。

その結果、アルミニウム材等の接合に用いるろう材の成分組成を適切な組成とすると共に、用いるフラックスをＣｓＦ−ＡｌＦ_３系共晶系フラックスとし、更には、ろう付け接合層の厚みを適切な厚みとすることで、所望の効果を達成できることを見出し、本発明の完成に至った。

以下、本発明を実施形態に基づいて更に詳細に説明する。尚、本発明で述べるアルミニウム材とは、アルミニウム合金材、純アルミニウム材の両方を示す。

ろう付けによる接合時に、冷却器（冷却部材）を形成するアルミニウム合金鋳物が溶融してしまう可能性がなく、且つ、接合後のハンダ付けにも影響を及ぼすことのない接合温度で、アルミニウム材等を接合することができるろう材の融点（固液共存温度）は、３８０〜４５０℃程度であると考えられる。

また、ろう材として望ましい特性は、流動性、濡れ性などである。それらの特性を備えているろう材としては、Ｚｎ−Ａｌ系合金ろう材とＺｎ−Ｃｕ系合金ろう材を挙げることができる。

Ｚｎ−Ａｌ系合金ろう材を挙げたのは、その共晶温度が３８２℃と理想的な温度であるからである。このＺｎ−Ａｌ系合金ろう材の融点（固液共存温度）を３８０〜４５０℃に調整するためには、Ａｌ濃度を０．５〜１３質量％に制御すれば良い。一方、Ｚｎ−Ｃｕ系合金ろう材の包晶温度は４２４℃であり、このＺｎ−Ｃｕ系合金ろう材の融点（固液共存温度）を３８０〜４５０℃に調整するためには、Ｃｕ濃度を０．５〜８質量％に制御すれば良い。

また、ろう付け接合層の厚みは、冷却器の冷却能に影響を及ぼさないようにするためには薄ければ薄い方が良く、その冷却器の冷却能に悪影響を及ぼさない最大厚は０．２ｍｍである。しかしながら、ある程度のろう付け層の厚みがなければ、接合に不具合を生じるので、ろう付け層の厚みは０．０２ｍｍ以上でなければならない。

また、ろう材の融点（固液共存温度）を３８０〜４５０℃に調整して、アルミニウム材等を接合するためには、ろう材とアルミニウム材等の反応を促進するために、フラックスを用いることが有効であるが、この温度範囲（３８０〜４５０℃）に融点があるフラックスは、ＣｓＦ−ＡｌＦ_３系共晶系フラックスである。

図１に、ＣｓＦ−ＡｌＦ_３系共晶系フラックスの状態図を示すが、ＣｓＦに対して、２〜８ｍｏｌ％程度のＡｌＦ_３を含有する濃度で融点が下がるので、２〜８ｍｏｌ％程度のＡｌＦ_３を含有するＣｓＦ−ＡｌＦ_３系共晶系フラックスを用いることが特に有効である。尚、図１の縦軸の温度は絶対温度（単位：Ｋ）で示している。

以下、実施例を挙げて本発明をより具体的に説明するが、本発明はもとより下記実施例によって制限を受けるものではなく、本発明の趣旨に適合し得る範囲で適宜変更を加えて実施することも可能であり、それらは何れも本発明の技術的範囲に含まれる。

本実施例では、アルミニウム材同士、或いは、アルミニウム材とアルミニウム・セラミックス複合体を、フラックスを加えたろう材を用いて様々な条件で接合した。尚、以下の説明では、アルミニウム材およびアルミニウム・セラミックス複合体を、まとめて接合体と称することがある。

アルミニウム材同士の接合に用いたのは、全て、米国のＡＡ規格に規定された純アルミニウム系の１０５０アルミニウム合金であり、そのサイズは５０ｍｍ×５０ｍｍ×４ｍｍで、図２に示すように、二枚のアルミニウム材１，１を貼り合わせるようにして、ろう付け接合層３で接合した。

アルミニウム材とアルミニウム・セラミックス複合体の接合に用いたアルミニウム材も、米国のＡＡ規格に規定された純アルミニウム系の１０５０アルミニウム合金であり、そのサイズは２５ｍｍ×７０ｍｍ×４ｍｍである。一方、アルミニウム・セラミックス複合体として用いたのは、ＤＢＡ（ＤｉｒｅｃｔＢｚａｚｉｎｇＡｌｕｍｉｎｕｍ）であって、二枚の２５ｍｍ×７０ｍｍ×０．２ｍｍの純アルミニウム板の間に、２５ｍｍ×７０ｍｍ×０．２ｍｍのＡｌＮ板を挟んで形成されている。図２および図３に示すように、アルミニウム材１とアルミニウム・セラミックス複合体２を接合する場合も、アルミニウム材１とアルミニウム・セラミックス複合体２を重ね合わせ、ろう付け接合層３で接合した。

ろう材としては、Ｚｎ−Ａｌ系合金ろう材として、Ａｌ濃度が５質量％のＺｎ−Ａｌ合金ろう材を、Ｚｎ−Ｃｕ系合金ろう材として、Ｃｕ濃度が３質量％のＺｎ−Ｃｕ合金ろう材を夫々用いた。また、比較材として、従来から一般にアルミニウム材同士等の接合に用いられているＳｉ濃度が１０質量％のＡｌ−１０％Ｓｉ合金ろう材等も用いた。

フラックスとしては二種類のフラックスを用い、ＣｓＦ−ＡｌＦ_３系共晶系フラックスとして第一希元素化学工業製のＣＦ５を用い、比較材としてノコロックフラックスを用いた。尚、ＣＦ５の溶融温度は、４１０〜５１０℃であるが、４５０℃までにその殆どが溶融する。一方、ノコロックフラックスの融点は、５６０℃である。

これら接合体、ろう材、フラックスを適宜選択して接合体の接合を行い、接合体の接合ができた試料について接合強度（せん断強度）と、アルミニウム・セラミックス複合体の反り量を測定した。尚、接合雰囲気は、大気圧、Ｎ_２雰囲気であり、各接合温度で１０分間保持を行った。

せん断強度は、図２に示すように、試料の中心部からφ１０ｍｍの円柱状の試験片４をくりぬき、接合界面にせん断応力がかかるように負荷を付与し、その時の最大の荷重を断面積で割って、せん断強度としている。反り量は、アルミニウム材とアルミニウム・セラミックス複合体の接合に用いたアルミニウム材についてのみ測定しており、図３に示すように、アルミニウム材とアルミニウム・セラミックス複合体を接合したときの、アルミニウム材の中心部が変形した量ｄを測定した。その試験結果を表１に示す。

試料Ｎｏ．２、３、７が本発明の要件を満たす発明例であって、Ｎｏ．２はアルミニウム材同士をＺｎ−Ａｌ系合金ろう材を用いて接合した発明例、Ｎｏ．３はアルミニウム材同士をＺｎ−Ｃｕ系合金ろう材を用いて接合した発明例、Ｎｏ．７はアルミニウム材とアルミニウム・セラミックス複合体をＺｎ−Ａｌ系合金ろう材を用いて接合した発明例である。また、これらは全てフラックスはＣｓＦ−ＡｌＦ_３系共晶系フラックスを用いている。

尚、Ｎｏ．２、３、７の接合温度は全て４６０℃であるが、この温度は、ろう材の融点の３８０〜４５０℃より高く、また、ＣｓＦ−ＡｌＦ_３系共晶系フラックス（ＣＦ５）もその殆どが溶融する温度であるので、接合体同士の接合は確実にできる。また、ろう付け接合層の厚みは全て０．１ｍｍとした。

これらＮｏ．２、３、７は、全て本発明の要件を満たすため、十分な接合強度（せん断強度）を有している。また、Ｎｏ．７では、反り量は０．２ｍｍと小さく使用に問題がない結果を得ることができた。

これに対し、試料Ｎｏ．１、４、５、６、８、９は比較例である。Ｎｏ．１は、融点が５６０℃のノコロックフラックスを用いており、ろう材が適材であっても、４６０℃の接合温度では接合体同士を接合することはできなかった。また、Ｎｏ．４、８では、ノコロックフラックスを用いると共に、更にろう材として融点が高いＡｌ−Ｓｉ合金ろう材を用いたため、４６０℃の接合温度では接合体同士を接合することはできなかった。

Ｎｏ．５では、接合体同士を接合することはできなかった。ろう材とフラックスは共に適材であったが、接合温度が３５０℃と低く、ろう材とフラックスが共に溶融する温度ではなかったので、接合体同士を接合することはできなかった。また、Ｎｏ．６は、ろう材とフラックスが共に適材でないばかりか、接合温度が３５０℃と低温であったため、接合体同士を接合することはできなかった。

Ｎｏ．９では、ノコロックフラックスを用いたが、接合温度がノコロックフラックスが溶融する温度の６００℃であったため、接合体同士を接合することはでき、また、接合強度も十分であるという結果を得ることができたが、反り量が０．８ｍｍと非常に大きく使用に適さないものであった。また、この接合温度は、ろう付けによる接合時に、冷却器を形成するアルミニウム合金鋳物が溶融してしまう温度でもあり、パワーデバイスに用いる場合、適切な接合温度ではない。

１…アルミニウム材
２…アルミニウム・セラミックス複合体
３…ろう付け接合層

Claims

パワーデバイスに用いられるアルミニウム材同士、或いは、アルミニウム材とアルミニウム・セラミックス複合体を、フラックスを加えたろう材を用いて接合するパワーデバイスに用いられるアルミニウム材の接合方法であって、
前記パワーデバイス用の冷却器は、アルミニウム合金鋳物で形成されており、
前記ろう材として、Ｃｕ濃度が０．５〜８質量％のＺｎ−Ｃｕ系合金ろう材を用い、前記フラックスとして、ＣｓＦ−ＡｌＦ_３系共晶系フラックスを用い、前記フラックスを加えたろう材を大気圧下で溶融、冷却して、０．０２〜０．２ｍｍの厚みのろう付け接合層を間に形成することで、アルミニウム材同士、或いは、アルミニウム材とアルミニウム・セラミックス複合体を接合し、その後の後工程でハンダ付けを行うことを特徴とするパワーデバイスに用いられるアルミニウム材の接合方法。