JPWO2005007596A1 - 活性銀ろう付用部品および当該部品を使用した活性銀ろう付製品 - Google Patents

Abstract

製造速度が速く、ろう付部のろう材組成が均一で接合信頼性が高く、かつ臭気による作業環境の低下などの問題のないろう付方法で金属とセラミックスをろう付したろう付製品を提供する。又、このようなろう付製品を製造する際に使用されるセラミックス部品及び金属部品も開示されている。 本発明のろう付製品は、金属より成る金属部品又はセラミックスより成るセラミックス部品の少なくとも一方のろう付部位にバインダーを塗布した後、活性銀ろう粉末を散布固着し、次いで相手材の接合面と合わせた後、炉中で加熱して活性銀ろう粉末を溶融させてろう付することにより製造される。本発明のろう付部品は、金属又はセラミックスの少なくとも一方のろう付部位にバインダーが塗布され、このバインダー上に活性銀ろう粉末が散布固着されているセラミックス部品及び金属部品である。

Description

本発明は、金属とセラミックスとを活性銀ろうでろう付したろう付製品、特に半導体素子の放熱のために使用するヒートシンクに関する。又、本発明は、このようなろう付製品を製造する際に使用される部品（ろう付用セラミックス部品又はろう付用金属部品）に関するものでもある。

従来より半導体素子の放熱用ヒートシンクには、銅板とアルミナ、窒化アルミニウム又は窒化珪素の板とをダイレクトボンディングといわれる方法で接合したものが使用されている。
最近半導体素子の出力が大きくなってきたが、従来のダイレクトボンディング方法で製造するヒートシンクでは銅板を厚くすることができないために放熱が不十分となり、また大電流を流せないなどの問題が生じている。
銅板を厚くしたヒートシンクを製造する方法としては、活性銀ろうと言われるチタンやジルコニウム、ハフニウム等を含んだ銀ろうで銅板とセラミックス板とをろう付する方法が知られている。更に、従来よりセラミックスと金属とをろう付する方法として、セラミックスのろう付面にメタライズを施し、銀ろう他のろう材を使用して金属とろう付する方法が知られているが、この方法ではメタライズ処理の工数がかかる不具合があった。

一般に、活性銀ろうは展延性が悪く、圧延で薄板や箔を作ることが困難であるため、銀粉末と銅粉末及びチタンあるいは水素化チタンの粉末とを有機溶剤系のバインダーとともに混練したペースト状の活性銀ろうが一般に使用され、このペースト状の活性銀ろうを金属あるいはセラミックスの接合面に塗布した後、炉中で加熱溶融してろう付を行っている。また、銀粉末及び銅粉末に替えて銀と銅の合金である銀ろう粉末を使用したペースト状活性銀ろう材や水素化チタン粉末に替えて他の活性金属あるいはその化合物の粉末を使用したペースト状活性銀ろう材も開発されている。さらに、チタンあるいはジルコニウム他の活性金属を銀及び銅とともに溶解後、アトマイズして合金粉末とした活性銀ろう粉末とバインダーとを混練したペースト状活性銀ろう材も開発されている。

金属あるいはセラミックスのろう付部にペースト状の活性銀ろうを塗布する方法としてディスペンサーによる方法やスクリーン印刷による方法が知られているが、ディスペンサーによる方法ではペースト状の活性銀ろうを薄く均一に塗布することは困難であり、一般にはスクリーン印刷による方法が行われている。
しかしながら、スクリーン印刷による方法では銅板やセラミックス板が厚くなると、塗布作業時における外周部へのペースト状ろう材の垂れを防止することが困難となり、またスキージやスクリーンに付着したペースト状ろう材を除去する手間がかかるなどの不都合がある。

そこで、このようなディスペンサーやスクリーン印刷方法によるペースト状活性銀ろう材の塗布の不具合を解消する方法として、チタンやジルコニウム等の活性金属を重量比で２％前後含有した活性銀ろうの薄板や箔を作り、これをセラミックスと金属との間に挟んで炉中で加熱してろう付する方法も検討されている。
しかしながら、チタン等の活性金属を含む合金は展延性が悪く、圧延時に割れが発生するため、活性金属を含む合金の薄板や箔を製造することは工業的に問題があった。

本発明は、従来のディスペンサーやスクリーン印刷などの方法によってペースト状活性銀ろうを塗布する際の不具合を解消し、製造速度が速く工業的に優れた方法でろう付した金属とセラミックスのろう付製品、更には熱伝導性の優れたヒートシンクを提供することを目的としている。
又、ペースト状活性銀ろう材や活性銀ろう材の薄板や箔を使用して金属とセラミックスをろう付する際の不具合を解消し、工業的に使用が可能な活性銀ろう付用セラミックス部品および活性銀ろう付用金属部品を提供することも本発明の課題である。

本発明に係るろう付製品は、金属より成る金属部品とセラミックスより成るセラミックス部品とがろう付されたろう付製品であって、該金属部品又はセラミックス部品の少なくとも一方のろう付部位にバインダーを塗布した後、該バインダー上に、下記の成分ａ）〜ｃ）：
ａ）銀、
ｂ）銅、及び
ｃ）チタン、ジルコニウム、インジウム及びスズの少なくとも１種
を含有する活性銀ろう粉末を散布固着させ、ろう付する相手部品のろう付部位とを重ね合せた後、炉中で加熱して前記活性銀ろう粉末を溶融させてろう付したことを特徴とする。

又、本発明は、上述のろう付製品において、前記活性銀ろう粉末が、アトマイズ法で製造した１０μｍ〜１００μｍの粒径を有する粉末を９０％以上含むことを特徴とするものである。

更に本発明は、上述のろう付製品において、前記金属部品が銅又は銅合金製であり、前記セラミックス部品が窒化アルミニウム又は窒化珪素製であり、前記ろう付製品が、半導体素子の放熱用ヒートシンクであることを特徴とするものでもある。

又、本発明に係るろう付部品は、金属又はセラミックスより成り、金属とセラミックスとのろう付を行なってろう付製品を製造する際に使用される部品であって、金属より成る金属部品又はセラミックスより成るセラミックス部品の少なくとも一方のろう付部位にバインダーが塗布され、該バインダー上に、下記の成分ａ）〜ｃ）：
ａ）銀、
ｂ）銅、及び
ｃ）チタン、ジルコニウム、インジウム及びスズの少なくとも１種
を含有する活性銀ろう粉末が散布固着されていることを特徴とする。

本発明において金属あるいはセラミックスの一方の接合面にバインダーを塗布する理由は、活性銀ろう粉末を接合面に固着させるためであり、有機溶剤系のバインダーでも良いが、有機溶剤系のバインダーは塗布時及びろう付時の臭気によって作業環境が悪くなることから、水溶性バインダーが望ましく、エチレングリコール水溶液やポリビニルアルコール水溶液等が挙げられる。
本発明においてバインダーを塗布した後、その上に活性銀ろう粉末を散布して固着させる理由は、従来のペースト状活性銀ろうの場合に比べてバインダー使用量が少なくなるためにろう付時にガスの放出を少なく、ろう付後の接合部のピンホールやブローホールの発生を少なくすることができるためである。
バインダーの塗布及び活性銀ろう粉末の散布に要する時間は、ペースト状ろう材を利用したスクリーン印刷方法に比べて短縮でき、大量生産が可能となる。

バインダーを塗布する方法として種々の方法が知られているが、スプレー方法によるバインダーの噴霧が簡単で作業も早くできることから工業的に望ましい。スプレー方法でのバインダーの塗布状態としては、バインダーを粒状に均一に分散させることが望ましい。バインダーを粒状に均一に分散させることによって活性銀ろう粉末を接合面に均一に分散させて固着させることができる。
本発明においてバインダーと活性銀ろう粉末を同時に散布しない理由は、活性銀ろう粉末の回収再利用を容易にするためである。
バインダーと活性銀ろう粉末を予め混合したスラリー状の活性銀ろうを噴霧して塗布した場合、ろう付部以外に飛散したスラリー状の活性銀ろうが塗布装置内に付着して、回収再利用が困難になる。また、米国ウォールコルモノイ社の粉末ろう材塗布装置を使用した場合、バインダーと粉末ろう材は別々に粉末ろう材塗布装置に供給されるが、バインダーの噴霧と同時に粉末ろう材が散布されて混合するため、ろう材部以外に飛散した活性銀ろう粉末の回収再利用が困難となる。

本発明において活性銀ろう粉末を用いている理由は、バインダーの上に銀粉末、銅粉末およびチタンあるいは水素化チタンを順次散布する場合にはバインダーの塗布回数が増え処理時間が増えること、またバインダーの使用量が多くなり、工業的でないことによる。バインダーの上に銀粉末、銅粉末およびチタンあるいは水素化チタンの粉末の混合物を散布する場合には、夫々の粒子径や比重の違いによって均一な割合に散布することが困難となる。

本発明における活性銀ろう粉末は、ａ）銀、ｂ）銅、及びｃ）チタン、ジルコニウム、インジウム及びスズの少なくとも１種、の所要量を配合し溶解後、アトマイズ方法で作った球状粉末がバインダー上に散布しやすいことから望ましい。
本発明における活性銀ろう粉末にインジウムやスズ等の元素が含有されている場合、融点が下がるために、ろう付時の作業温度（溶融温度）が低くなり、ろう付部品の残留応力を低下させることができるという利点がある。また、酸素や窒素はろう付特性を低下させるために少ないほうが望ましく、実用上はいずれも０．０５％以下が好ましい。

本発明において好ましい活性銀ろう粉末の合金系を以下に示す。
１）Ａｇ−Ｃｕ−Ｉｎ−Ｔｉ合金
この際、Ｃｕは２０〜３０％が好ましく、特に好ましくは２３〜２８％であり、Ｉｎは２〜１６％が好ましく、特に好ましくは３〜１５％であり、Ｔｉは１〜３％が好ましく、特に好ましくは１．５〜２．５％である。この合金は、添加されたＩｎによって、Ｉｎを含まない下記のＡｇ−Ｃｕ−Ｔｉ合金に比べて融点が低く、低い温度でろう付ができるという利点がある。
２）Ａｇ−Ｃｕ−Ｓｎ−Ｔｉ合金
この際、Ｃｕは２０〜３５％が好ましく、Ｓｎは２〜１５％が好ましく、Ｔｉは１〜３％が好ましく、特に好ましくは１．５〜２．５％である。この合金も、添加されたＳｎによって、Ｓｎを含まない下記のＡｇ−Ｃｕ−Ｔｉ合金に比べて融点が低く、低い温度でろう付ができるという利点がある。
３）Ａｇ−Ｃｕ−Ｔｉ合金
この際、Ｃｕは２０〜３５％が好ましく、Ｔｉは１〜３％が好ましく、特に好ましくは１．５〜２．５％である。

本発明では、活性銀ろう粉末として１０μｍ〜１００μｍの粒径を有する粉末を９０％以上含む合金粉末が使用され、この理由は、１０μｍ以下の微細粉末の場合には微細粉末が飛散したり、その粉末の回収が困難になるためであり、１００μｍ以上の粗大粉末の場合にはろう付面に散布固着した粗大粉末がまばらとなり、良好なろう付が困難になることによる。尚、本発明における活性銀ろう粉末の粒径は２０μｍ〜８０μｍが望ましい。

本発明において、活性銀ろうの粉末をセラミックス又は金属のろう付面にバインダーで固着させてろう付用セラミックス部品又はろう付用金属部品とする方法としては、セラミックス又は金属のろう付面にバインダーをスプレーで噴霧した後、その上に活性銀ろう粉末を電磁振動子等の振動を利用したフィーダー装置を使用して散布し、その後乾燥すれば良い。バインダーの噴霧と活性銀ろう粉末の散布に要する時間は、ペースト状活性銀ろう材を使用したスクリーン印刷方法に比べ大幅に短縮でき、大量生産が可能になる。本発明のろう付用部品においては、ろう付面の単位面積あたり前記の活性銀ろうの粉末が０．００４ｇ／ｃｍ^２以上、好ましくは０．０１〜０．０３ｇ／ｃｍ^２の量にて固着されている。

本発明において、ろう付される金属が銅又は銅合金であることが好ましい理由は、優れた熱伝導性と電気伝導性を有するためであり、ろう付されるセラミックスとして窒化アルミニウム又は窒化珪素が好ましい理由は、これらのセラミックスが半導体素子の放熱用ヒートシンクとして必要な優れた熱伝導性と電気絶縁性を有するためである。

本発明に係るろう付用部品（ろう付用セラミックス部品及びろう付用金属部品）の活性銀ろう粉末が固着したろう付面に、もう一方のろう付用部品のろう付面を合わせてろう付を行うことによって、金属とセラミックスの活性銀ろう付を容易に行うことが可能となる。この際、ろう付温度は、活性銀ろう粉末の組成によって適宜選択されるが、一般的には７５０〜９００℃である。
以下、本発明について実施例をもって詳細に説明する。

＜実施例１＞
銅２７．４％、チタン１．８％、残部銀及び付随的不純物よりなる合金をアルゴン雰囲気中で溶解後、アトマイズ方法で溶湯を噴霧して活性銀ろう粉末を作製した。次いで分級装置を用いてこれを分級し、表１に示したように粒度分布の異なる４種の粉末を得た。次に、２５×２５×０．５ｍｍの銅板の上に市販の水溶性バインダー（ポリビニルアルコール水溶液）をスプレーにより噴霧し、その上に分級した活性銀ろう粉末を電磁フィーダーにより散布した。その後、バインダーに付着していない余分な活性銀ろう粉末を除去してからバインダーを乾燥し、銅板に固着した活性銀ろう粉末の重量測定を行うとともに、粉末の散布状態を目視検査した。これらの結果を表１に示した。

これらの結果から、活性銀ろう粉末の粒径が１０μｍより細かいものを多く含んだものでは散布が良好にできず、また粒径が１００μｍより大きなものを多く含んだものではフィーダーでの散布は良好にできるが、粉末の分布がまばらとなり、良好なろう付が期待できないことが判明した。尚、銅板の代わりに、アルミナ板を使用した場合にも上記と同様の結果が得られた。

＜実施例２＞
窒化アルミニウムと無酸素銅の２０ｍｍ角の角棒各１本及び、アトマイズ法で製造した銅２３．７％、チタン２．２％、インジウム１４．２％、酸素０．０２％、窒素０．００１％以下、残部銀及び付随的不純物より成る粒径２０μｍ〜８０μｍの活性銀ろう粉末を用意した。
無酸素銅の２０ｍｍ角の面に、市販の前記水溶性バインダーをスプレーで噴霧した後、上記の活性銀ろう粉末０．０８ｇをバインダーの上に散布固着した。次いで、窒化アルミニウムの２０ｍｍ角面を、活性銀ろう粉末を散布固着した面に突合せ、真空炉中で７５０℃に加熱してろう付を行った。得られたろう付品より試験片を採取し、ＪＩＳに準じて折り曲げ試験を行った。その結果、窒化アルミニウムが破損したが、ろう付部には異常は見られず健全なろう付ができていることが判明した。尚、同様にして、窒化アルミニウムの表面に上記バインダーをスプレー塗布し、活性銀ろう粉末を散布固着させて無酸素銅の面とろう付けした場合にも同様の結果が得られた。

＜実施例３＞
窒化珪素と無酸素銅の２０ｍｍ角の角棒各１本及び銅２７．４％、チタン１．８％、酸素０．０２％、窒素０．００１％以下、残部銀及び付随的不純物より成る粒径２０μｍ〜８０μｍの活性銀ろう粉末を用意した。
無酸素銅の２０ｍｍ角の面に市販の前記水溶性バインダーをスプレーで噴霧した後、活性銀ろう粉末を０．０９ｇバインダーの上に散布固着した。次いで、窒化珪素の２０ｍｍ角面を活性銀ろう粉末を散布固着した面に突合せ、真空炉中で８３０℃に加熱してろう付を行った。得られたろう付品より試験片を採取し、ＪＩＳに準じて折り曲げ試験を行った。その結果、窒化珪素が破損したが、ろう付部には異常は見られず健全なろう付ができていることが判明した。
尚、同様にして、窒化珪素の表面に上記バインダーをスプレー塗布し、活性銀ろう粉末を散布固着させて無酸素銅の面とろう付けした場合にも同様の結果が得られた。

＜実施例４＞
２５×２５×０．６ｍｍの窒化珪素と２５×２５×１ｍｍの無酸素銅を用意した。また、銅２４．５％、チタン２．１％、インジウム１３．８％、酸素０．０３％、窒素０．００１％、残部銀及び付随的不純物より成る粒径２０μｍ〜８０μｍの活性銀ろう粉末を用意した。
無酸素銅の２５ｍｍ角の面に市販の水溶性バインダーをスプレーで噴霧した後、活性銀ろう粉末０．０９ｇをバインダーの上に散布固着した。次いで、窒化珪素を銅板の活性銀ろう粉末を散布固着した面に重ね合わせ、真空炉中で７５０℃に加熱してろう付を行った。
得られたろう付部品の接合部を超音波探傷したところ、ピンホールやブローホールなどが検出されず、健全なろう付ができていることが確認された。

＜実施例５＞
２５×２５×０．６ｍｍの窒化アルミニウムと２５×２５×１ｍｍの無酸素銅を用意した。また、銅２６．７％、チタン２．０％、スズ４．８％、酸素０．０３％、窒素０．００１％、残部銀及び付随的不純物より成る粒径２０μｍ〜８０μｍの活性銀ろうの合金粉末を用意した。
無酸素銅の２５ｍｍ角の面に市販の前記水溶性バインダーをスプレーで噴霧した後、活性銀ろうの合金粉末０．１０ｇをバインダーの上に散布固着した。次いで、窒化珪素を銅板の活性銀ろうの合金粉末を散布固着した面に重ね合わせ、真空炉中で８００℃に加熱してろう付を行った。
得られたろう付部品の接合部を超音波探傷したところ、ピンホールやブローホールなどが検出されず、健全なろう付ができていることが確認された。

＜比較例＞
窒化アルミニウムと無酸素銅の２０ｍｍ角の角棒各１本及び、銅２５．７％、インジウム７．６％、酸素０．０２％、窒素０．００１％以下、残部銀及び付随的不純物より成る粒径２０μｍ〜８０μｍの銀ろう粉末を用意した。
無酸素銅の２０ｍｍ角の面に、市販の前記水溶性バインダーをスプレーで噴霧した後、上記の銀ろう粉末０．０９ｇをバインダーの上に散布固着した。次いで、窒化アルミニウムの２０ｍｍ角面を、銀ろう粉末を散布固着した面に突合せ、真空炉中で７９０℃に加熱したが、ろう付はできなかった。

本発明の活性銀ろう付用セラミックス部品及び金属部品によれば、ペースト状活性銀ろう材を使用する不具合がなく、従来のろう付方法で製造したろう付部品に比べ作業スピードが速く大量生産が可能となり、またろう付部の活性銀ろうの化学組成が均一なことから、ろう付部の接合信頼性が高いろう付ができるなど工業上非常に有益である。

Claims (4)

1. 金属より成る金属部品とセラミックスより成るセラミックス部品とがろう付されたろう付製品において、該金属部品又はセラミックス部品の少なくとも一方のろう付部位にバインダーを塗布した後、該バインダー上に、下記の成分ａ）〜ｃ）：
   ａ）銀、
   ｂ）銅、及び
   ｃ）チタン、ジルコニウム、インジウム及びスズの少なくとも１種
   を含有する活性銀ろう粉末を散布固着させ、ろう付する相手部品のろう付部位とを重ね合せた後、炉中で加熱して前記活性銀ろう粉末を溶融させてろう付したことを特徴とするろう付製品。
2. 前記活性銀ろう粉末が、アトマイズ法で製造した１０μｍ〜１００μｍの粒径を有する粉末を９０％以上含むことを特徴とする請求項１に記載のろう付製品。
3. 前記金属部品が銅又は銅合金製であり、前記セラミックス部品が窒化アルミニウム又は窒化珪素製であり、前記ろう付製品が、半導体素子の放熱用ヒートシンクであることを特徴とする請求項１又は２に記載のろう付製品。
4. 金属又はセラミックスより成り、金属とセラミックスとのろう付を行なってろう付製品を製造する際に使用されるろう付用部品において、金属より成る金属部品又はセラミックスより成るセラミックス部品の少なくとも一方のろう付部位にバインダーが塗布され、該バインダー上に、下記の成分ａ）〜ｃ）：
   ａ）銀、
   ｂ）銅、及び
   ｃ）チタン、ジルコニウム、インジウム及びスズの少なくとも１種
   を含有する活性銀ろう粉末が散布固着されていることを特徴とするろう付用部品。