JP6176854B2 - 活性金属ろう材層を備える複合材料 - Google Patents

Description

本発明は、セラミックス上に銅板を接合固定するための複合材料に関し、銅板に特定組成の活性金属ろう材層を接合した複合材料に関する。

図３は、自動車、発電設備等への利用が検討されているＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ：絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）モジュールの構造の一例を示すものである。ＩＧＢＴは、大電流の高速スイッチングを可能とする半導体素子であり、その発熱を考慮したモジュール構造を採用し、大判のヒートシンクを適用しつつ、セラミック回路基板の要所で銅等の熱伝導性金属を接合している。

上記のＩＧＢＴモジュールの例のように、各種の電気・電子回路においては銅板とセラミック基板との接合が必要となることがある。このような場合、Ａｇ合金ろう等の一般的なろう材はセラミックに対する接合性がないことから、活性金属ろう材が適用されている。活性金属ろう材は、例えば、Ａｇ−Ｃｕ合金に活性金属成分であるＴｉが添加されたＡｇ−Ｃｕ−Ｔｉ合金等からなるろう材が従来から知られている。

特開平７−１６７８９号公報

上記のような、セラミック基板と銅板との接合部（活性金属ろう材層）を有するモジュールについて、近年、接合部の厚さを可能な限り薄くすることが要求されている。これは、半導体素子からの伝熱・放熱特性の改善、モジュールの低背化等を考慮したものである。接合部の薄型化を図るためには、従来の活性金属ろう材をより薄く加工する対応の他、活性金属ろう材の構成金属であるＡｇ、Ｃｕ、Ｔｉ等の金属粉末を混合して溶剤に分散させてペースト状にしてこれを薄く塗布するといった対応が考えられる。

しかしながら、従来の活性金属ろう材は、一応の薄型化は可能であるが、それを実際に使用したとき、接合部の内部でボイドを生じさせることが多く、健全な接合部を得ることが困難であった。また、ペースト状の活性金属ろう材の適用に関してみると、接合部の薄型化のためには個々の金属粉末の微細化が必要となるが、ここに限界があった。更に、ペースト状の活性金属ろう材は均一に薄く塗布することは容易であるとはいい難い。

そこで本発明は、セラミックに銅板を接合固定する際に、接合部の厚さを極力薄くすることができる複合材料を提供する。

本発明者等は、上記課題を解決するために、接合部の薄型化のための適切な活性金属ろう材の組成及びその供給形態について検討を行った。そして、活性金属ろう材としてＡｇ−Ｃｕ−Ｔｉ合金にＳｎを添加したＡｇ−Ｃｕ−Ｔｉ−Ｓｎ合金を適用すると共に、これを銅板の接合面の全面にクラッドすることとした。そして、クラッドされる活性金属ろう材層の厚さについての最適範囲を見出し、本発明に想到した。

即ち、本発明は、銅板と、前記銅板に全面的に形成された活性金属ろう材層とからなる複合材料であって、前記活性金属ろう材層は、２０〜４０質量％のＣｕ、１．０〜３．０質量％のＴｉ、１．２〜６．０質量％のＳｎ、残部がＡｇであり、ＴｉおよびＳｎの質量比Ｓｎ／Ｔｉが１．２以上５．０以下であるＡｇ−Ｃｕ−Ｔｉ−Ｓｎ合金よりなり、更に、活性金属ろう材層の厚さが１０〜５０μｍである複合材料とする。

以下、本発明ついて詳細に説明する。上記の通り、本発明に係る複合材料は、銅板に所定厚さのＡｇ−Ｃｕ−Ｔｉ−Ｓｎ合金からなる活性金属ろう材層をクラッド接合してなるものである。

活性金属ろう材として、Ａｇ−Ｃｕ−Ｔｉ−Ｓｎ合金の４元系合金を適用するのは、ろう材層の厚さを薄く制限するため、その製造過程で生成する金属間化合物のサイズを制御するためである。従来から知られているＡｇ−Ｃｕ−Ｔｉ合金では、鋳造時にＣｕとＴｉからなる金属間化合物が生成する。この金属間化合物は、粗大であることに加え（粒径：５０〜１００μｍ程度）、非常に硬いという特徴がある。本願発明では、接合物厚さを薄くするという目的を有することから、金属間化合物を微細にする必要があるが、Ｃｕ−Ｔｉ系金属間化合物は加工により分断して微細化するのが困難である。

本発明が適用する活性金属ろう材に添加されるＳｎは、Ｔｉと優先的に結合し金属間化合物（Ｓｎ−Ｔｉ、Ｓｎ−Ｔｉ−Ｃｕ）を生成する。これにより、Ｃｕ−Ｔｉ系金属間化合物の生成が抑制され、多少生成したとしても粗大化することはない。また、上記Ｓｎを含む金属間化合物は、比較的微細であることに加え、脆いために加工による微細化が可能である。これらの作用により、本発明が適用する活性金属ろう材は、粗大な金属間化合物を含むことがなく、接合部の薄型化に寄与することができる。このように金属間化合物の粗大化を抑制することで、本発明が適用する活性金属ろう材層は、薄く加工された場合であっても、接合部内にボイド等の欠陥を発生させることなく良好な状態を発現することができるようになる。

本発明が適用するＡｇ−Ｃｕ−Ｔｉ−Ｓｎ合金からなる活性金属ろう材の組成範囲は、上記の通り、２０〜４０重量％のＣｕ、１．０〜３．０重量％のＴｉ、１．２〜６．０重量％のＳｎ、残部がＡｇである。Ｓｎの量が１．２重量％未満である場合、Ｃｕ−Ｔｉ金属間化合物の成長抑制効果が不十分となる。また、６．０重量％を超えると、金属間化合物の量が多くなり加工性が悪化する傾向があるからである。

そして、上記組成において、更に、ＴｉおよびＳｎの重量比Ｓｎ／Ｔｉが１．２〜５．０とする必要がある。重量比Ｓｎ／Ｔｉが１．２より小さい場合、粗大なＣｕ−Ｔｉ金属間化合物が析出しやすくなり、接合部の薄型化は困難となる。また、５．０より大きい場合は、加工性が低下する。

本発明では、上記の組成を有するＡｇ−Ｃｕ−Ｔｉ−Ｓｎ合金からなる活性金属ろう材を銅板の全面にクラッドし、その厚さを１０〜５０μｍと規定する。この活性金属ろう材層の厚さは、接合のために溶融させたとき活性金属ろう材と銅との間における固有の特性（濡れ性、ろう流れ性）を考慮し、ろう材不足やはみ出しがなく、また、接合部にボイド等の欠陥を生じさせることのない厚さ範囲を設定するものである。

即ち、活性金属ろう材層の厚さが１０μｍ未満であるとろう材の不足が生じ均一な接合部を形成することができない。また、外観上ろう材不足がないように見えても、内部にボイドが生じるおそれがある。一方、５０μｍを超える場合、ろう材のはみ出しが生じやすくなり、銅板へのせり上がり、回路短絡が起こることとなる。本発明における活性金属ろう材層厚さの設定は、接合部の厚さは薄くすることがもと得られるとしても、単に薄くすれば良いというわけではなく一定の限界があることを示すものである。

そして、本発明においては、上記の通り、活性金属ろう材層が１０〜５０μｍの厚さであることを要することから、金属間化合物はこの厚さよりも小さくなければならない。具体的には、金属間化合物の粒子径は、１〜５μｍとなっているのが好ましい。尚、本発明で適用するＡｇ−Ｃｕ−Ｔｉ−Ｓｎ合金からなる活性金属ろう材における金属間化合物は、Ｓｎ−Ｔｉ金属間化合物が主であり少なくともこれを含むが、任意的にＳｎ−Ｔｉ−Ｃｕ金属間化合物、Ｃｕ−Ｔｉ金属間化合物のいずれか又は双方の金属間化合物が形成されることがある。

以上説明した活性金属ろう材層を接合する銅板は、特に限定されるものではなく、純銅、無酸素銅、タフピッチ銅等の銅からなる。その厚さは特に制限されるものではないが、銅板厚さと活性金属ろう材層厚さとの比（銅板／活性金属ろう材層）が２０〜７０となるようなものが好ましく用いられる。尚、活性金属ろう材は銅板の全面に接合することを要する。

本発明に係る複合材料は、セラミックス回路基板への接合時にろう材のはみ出しなく接合することができる。従って、銅板及び活性金属ろう材層の双方を、セラミックス回路基板におけるそれらの接合領域である回路の平面形状と略同じく形成することができる。そして、このようにして複合材料を接合したセラミックス回路基板は、ＩＧＢＴ等のパワー半導体用のセラミックス回路基板として好適なものといえる。

本発明に係る銅板／活性金属ろう材層からなる複合材料の製造方法は、活性金属ろう材を鋳造、加工・成形してテープ状、フィルム状に成形し、これを銅板に圧接することで製造できる。ここで、活性金属ろう材の加工工程は重要な工程となる。

上記の通り、本発明で適用するＡｇ−Ｃｕ−Ｔｉ−Ｓｎ合金からなる活性金属ろう材は、溶解鋳造後で粗大な金属間化合物の析出が抑制されており、比較的微細な金属間化合物が分散する。但し、比較的微細といっても、本発明で要求される金属間化合物の粒径（１〜５μｍ）を超えるものが析出する場合もある。そのため、活性金属ろう材層の製造の際には、鋳造から銅板へのクラッド接合の段階までに加工率９５％以上の塑性加工を施し、金属間化合物を分断させると共にＡｇ合金素地中に均一に分散させることが必要となる。この塑性加工により金属間化合物の粒子径は５μｍ以下となる。尚、このようにして銅板へクラッドされる前段階の活性金属ろう層の厚さは、目的とする活性金属ろう材層の厚さ（１０〜５０μｍ）と等しくしなければならないというわけではない。銅板へのクラッドの段階で更に厚さを調整することができるからである。

そして、上記のように高加工率の組成加工を経て製造された活性金属ろう材層と銅板とを重ねて加圧することで接合され、複合材料を製造することができる。接合する活性金属ろう材層、銅板は長尺のテープ状のものも適用でき、連続的に圧接することで長尺の複合材料も製造することができる。

以上説明した、本発明に係る銅板／活性金属ろう材層からなる複合材料は、接合部の薄型化に適した活性金属ろう材（Ａｇ−Ｃｕ−Ｔｉ−Ｓｎ合金）を採用しつつ、その厚さを最適範囲にしたものである。これにより、セラミック上に銅板を接合固定する際の作業を効率的なものとする。そして、形成される接合部厚さも薄く、欠陥もない。

第１実施形態の複合材料の断面写真。 第１実施形態のセラミック基板と複合材料との接合界面の断面写真。 ＩＧＢＴモジュールの構造の一例を示す図。

第１実施形態：以下、本発明の実施形態について、以下に記載する実施例に基づいて説明する。ここでは、活性金属ろう材としてＡｇ−Ｃｕ２８．０質量％−Ｔｉ２．０質量％−Ｓｎ５．０質量％（Ｓｎ／Ｔｉ比２．５）のＡｇ−Ｃｕ−Ｔｉ−Ｓｎ合金を適用した複合材料を製造し、セラミック基板へ接合したときの品質を検討した。

複合材料の製造においては、まず、活性金属ろう材層を製造し、これを銅板にクラッド接合して複合材料とした。活性金属ろう材の製造においては、上記組成の合金を溶解・鋳造してインゴットとし、このインゴットについて冷間圧延と焼鈍（非酸化雰囲気で６００〜８００℃加熱）との組合せを加工率９５％となるよう複数回行った。これによりテープ状の活性金属ろう材層（厚さ０．０５ｍｍ、）を製造した。そして、製造したテープ状の活性金属ろう材層と、テープ状の銅板（厚さ０．３ｍｍ、幅）とを圧延ロールにてクラッド接合した。このクラッド工程で、活性金属ろう材層の厚さは１５μｍとなった。

図１は、製造した複合材料の断面ＳＥＭ写真である。活性金属ろう材層の厚さは略均一であった（±０．３μｍ）。そして、ろう材層内には、金属間化合物が存在するが、微細且つ均一に分散しており全体として均質であることが確認できる。

この複合材料をセラミック基板へ接合し、接合性及び接合部の品質を検討した。セラミック基板としてアルミナ基板（２５ｍｍ×２５ｍｍ、厚さ０．５ｍｍ）を用意し、ここに２０ｍｍ×２０ｍｍにカットした複合材料を載置した。そして、５０ｇの荷重をかけつつ真空炉中（２×１０^−３Ｐａ）で８３０℃まで昇温し、８３０℃で３ｍｉｎ保持した後冷却して取り出した。

接合後の試験材について外観を観察したが、ろう材のはみ出しや銅板へのろう材のはい上がりは見られなかった。また、銅板全面についてマイクロフォーカスＸ線透視装置で接合部内の欠陥を探したが、ボイド等の欠陥は見られなかった。

また、図２は接合部の断面ＳＥＭ写真であるが、ろう材はセラミックに密着している。接合界面についてＥＰＭＡ分析を行ったところ、活性元素であるＴｉ層がろう材側接合界面に形成されており、安定した接合を示唆していた。尚、外観上もセラミックから銅板の剥離は見られなかった。

第２実施形態：ここでは、活性金属ろう材層の厚さを変更して複合材料を製造し、セラミック基板への接合試験を行った。活性金属ろう材が第１実施形態と同じ組成のものを用い、製造工程も第１実施形態と同じくした。複合材料の活性金属ろう材層の厚さは、銅板とのクラッド接合時の条件（加圧力）を調整して変更した。また、この実施形態では、従来の活性金属ろう材であるＡｇ−Ｃｕ−Ｔｉ合金（Ａｇ−Ｃｕ２７．５質量％−Ｔｉ１．５質量％）を厚さ３０μｍまで銅板にクラッドしたものを従来例として評価した。

本実施形態の接合試験におけるセラミック基板、接合条件も第１実施形態と同様とした。試験結果の評価は、接合後のろう材の形態（はみ出し、せり上がりの有無）、接合部内のボイドの有無、セラミックからの銅板の剥離の有無を検討した。この結果を表１に示す。

表１から、本発明で適用する活性金属ろう材層の厚さには最適範囲が存在することが確認できる。即ち、ろう材層が厚すぎる場合（比較例２）、ろう材のはみ出し・せり上がりが生じ、更に、それが過度であると（比較例３）、銅板の全面的な剥離が生じる。また、ろう材層が薄すぎる場合（比較例１）、ろう材のはみ出し等はないが、ろう材が接合界面全体にいきわたらずに、ボイドが発生する。よって、接合部を薄くするとしても一定の限界があるとみられ、その適切化が必要であることがわかる。尚、従来例の活性金属ろう材（Ａｇ−Ｃｕ−Ｔｉ合金）については、これを薄く加工して使用した場合、ろう材接合内でボイドが多数みられることが確認された。

本発明に係る活性金属ろう材層を備える銅板は、セラミックに対して薄型化された接合部を有する銅層の形成を容易なものとすることができる。本発明は、ＩＧＢＴモジュールなどのパワー半導体に用いられる回路基板やヒートシンクの銅層形成に好適である。

Claims (3)

1. 銅板と、前記銅板に全面的に形成された活性金属ろう材層とからなる複合材料であって、
   前記活性金属ろう材層は、２０〜４０質量％のＣｕ、１．０〜３．０質量％のＴｉ、１．２〜６．０質量％のＳｎ、残部がＡｇであり、ＴｉおよびＳｎの質量比Ｓｎ／Ｔｉが１．２以上５．０以下であるＡｇ−Ｃｕ−Ｔｉ−Ｓｎ合金よりなり、
   更に、活性金属ろう材層の厚さが１０〜５０μｍであり、
   前記活性金属ろう材層は、Ａｇ−Ｃｕ合金マトリックス中に少なくともＳｎ−Ｔｉ金属間化合物が分散し、任意的にＳｎ−Ｔｉ−Ｃｕ金属間化合物、Ｃｕ−Ｔｉ金属間化合物のいずれか又は双方が分散した金属組織を有し、
   前記金属間化合物の粒子径はいずれも１〜５μｍである複合材料。
2. 請求項１記載の複合材料であって、
   銅板及び活性金属ろう材層がセラミックス回路基板における回路の平面形状と略同じく形成された複合材料。
3. 請求項１又は請求項２に記載の複合材料の製造方法であって、
   ２０〜４０質量％のＣｕ、１．０〜３．０質量％のＴｉ、１．２〜６．０質量％のＳｎ、残部がＡｇからなり、ＴｉおよびＳｎの質量比Ｓｎ／Ｔｉが１．２〜５．０のＡｇ−Ｃｕ−Ｔｉ−Ｓｎ合金を溶解鋳造し、これに加工率９５％以上の塑性加工を行い、粒子径１〜５μｍの金属間化合物が分散する活性金属ろう材層を製造する工程と、
   前記活性金属ろう材層を銅板に圧接して一体化する工程とを含む複合材料の製造方法