TW202112482A - 銲錫－金屬網複合材及其製造方法 - Google Patents

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赤岩徹哉
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Abstract

於藉由Sn-Cu-Ni系之無鉛銲錫所形成之無鉛銲錫層，包含具有高熱傳導性之金屬網，於厚度方向剖面之空洞之佔有比率為15%以下，前述Sn-Cu-Ni系之無鉛銲錫則包含Cu0.1~2重量%、Ni0.002~1重量%，殘留部為Sn，或包含Cu0.1~2重量%、Ni0.002~1重量%、Ge0.001~1重量%，殘留部為Sn為特徵之銲錫-金屬網複合材。本發明之銲錫-金屬網複合材係具有耐熱性、熱傳導性優異接合可靠性高之構件，且銲錫接合體中之空洞為少之故，做為銲錫接合材，在電子機器或散熱材之接合部被使用之時，可有效率傳導電子零件發出之熱，形成熱傳導性更優異之接合可靠性高之接合部。

Description

銲錫－金屬網複合材及其製造方法
本發明係有關銲錫-金屬網複合材及其製造方法。其中，係關於適於使用於曝露於高溫之電子電路之電子零件之接合的銲錫-金屬網複合材及其製造方法。又，關於使用前述銲錫-金屬網複合材形成之銲錫接合體。
近年以來，做為使用於對能量之有效利用之裝置，在於電動車、油電混合車、空調機等或各種汎用馬達等，使用換流器或轉換器等電力變換器之半導體元件(功率元件)則倍受矚目。 做為前述功率裝置，電力變換時之電力損失愈少，在高電壓負荷環境下亦可使用之元件，則可稱之為高性能。又，由於系統之冷卻機構之小型化等之要求，亦有功率裝置之高溫動作之需求。 因此，要求如上述性能之功率裝置中，對於電子零件之間之接合構件之銲錫，亦有承受高電壓負荷環境之高溫動作性能之要求。但是，電子零件在高溫狀態下，曝露於溫度變化時，廣為所知，電子零件之接合部之強度會有劣化之問題。
在此，做為解決上述問題之手法之一，開發出於SAC305(由錫(Sn)・銀(Ag)・銅(Cu)」所成，以Sn-3.0Ag-0.5Cu表現之，銀3.0重量%及銅0.5重量%、殘留部錫合金)銲錫接合部內，埋入薄金屬Cu及Ni網之複合材(非專利文獻1)。 可是，就金屬價格變動，高價化之現在，使用於銲錫合金之金屬亦會受到影響，尤其由於銀之價格影響較大，如上述SAC305銲錫中，因為含有銀3.0重量%之銲錫，從成本觀點來的看，並不適合。 [先前技術文獻] [非專利文獻]
[非專利文獻1]Adrian Lis et al., Materials and Design 160 (2018) 475-485
[發明欲解決之課題]
本發明之目的係提供具有耐熱性、熱傳導性優異之接合可靠性高之銲錫-金屬網複合材及其製造方法。又，可提供使用如此銲錫-金屬網複合材所形成之銲錫接合體。 [為解決課題之手段]
本件發明人等為了解決前述課題，進行檢討之結果，發現在於特定之Sn-Cu-Ni系之無鉛銲錫所成無鉛銲錫層，藉由包含具有高熱傳導性之金屬網，具有耐熱性、熱傳導性優異，且製造工程之銲錫之流動性與加壓時之銲錫之進展優異之故，易於調整成所期望之厚度，而且，接合後之銲錫接合體中，顯少有影響到耐熱性及熱傳導性之空洞之產生，以完成本發明。
即，本發明之要點係關於 (1)於藉由Sn-Cu-Ni系之無鉛銲錫所形成之無鉛銲錫層，包含具有高熱傳導性之金屬網，於厚度方向剖面之空洞之佔有比率為15%以下，前述Sn-Cu-Ni系之無鉛銲錫則包含Cu0.1~2重量%、Ni0.002~1重量%，殘留部為Sn，或包含Cu0.1~2重量%、Ni0.002~1重量%、Ge0.001~1重量%，殘留部為Sn為特徵之銲錫-金屬網複合材， (2)前述金屬網為銅網，記載於前述(1)之銲錫-金屬網複合材， (3)使用記載於前述(1)或(2)之銲錫-金屬網複合材所形成之銲錫接合體， (4)銲錫-金屬網複合材之製造方法中，包含: 於具有高熱傳導性之金屬網之表面，塗佈Sn-Cu-Ni系之無鉛銲錫，得銲錫塗佈之金屬網的工程， 將前述銲錫塗佈之金屬網，配置於Sn-Cu-Ni系之無鉛銲錫薄片之間，接著邊進行加壓，邊加熱至Sn-Cu-Ni系之無鉛銲錫之熔點以上之溫度，熔融前述無鉛銲錫薄片的工程， 冷卻至熔融之銲錫被凝固，回收銲錫-金屬網複合材的工程， 前述Sn-Cu-Ni系之無鉛銲錫則包含Cu0.1~2重量%、Ni0.002~1重量%，殘留部為Sn，或包含Cu0.1~2重量%、Ni0.002~1重量%、Ge0.001~1重量%，殘留部為Sn為特徵之銲錫-金屬網複合材之製造方法。 (5)前述金屬網為銅網，記載於前述(4)之製造方法， (6)於耐熱性板A、與耐熱性板B之間，依Sn-Cu-Ni系之無鉛銲錫薄片、前述銲錫塗佈之金屬網及Sn-Cu-Ni系之無鉛銲錫薄片之順序配置，接著邊從耐熱性板A側加壓，邊從耐熱性板B側加熱之記載於前述4)或5)之製造方法。 [發明效果]
本發明之銲錫-金屬網複合材係具有耐熱性、熱傳導性優異接合可靠性高之構件，且銲錫接合體中之空洞為少之故，做為銲錫接合材，在電子機器或散熱材之接合部被使用之時，可有效率傳導電子零件發出之熱，形成熱傳導性優異之接合可靠性高之接合部。 因此，本發明之銲錫-金屬網複合材係例如電動車、油電混合車、空調機等或各種汎用馬達等之使用於換流器或轉換器等電力變換器之半導體元件(功率元件)中，可適切使用做為電子零件之接合材或散熱片材等之散熱材之接合材。
[為實施發明之形態]
本發明之銲錫-金屬網複合材1係如圖1所示，於藉由Sn-Cu-Ni系之無鉛銲錫所形成之複合層2，包含具有高熱傳導性之金屬網3，於厚度方向剖面之空洞之佔有比率為15%以下，前述Sn-Cu-Ni系之無鉛銲錫則包含Cu0.1~2重量%、Ni0.002~1重量%，殘留部為Sn，或包含Cu0.1~2重量%、Ni0.002~1重量%、Ge0.001~1重量%，殘留部為Sn為特徵者。
本發明之銲錫-金屬網複合材1中，於藉由Sn-Cu-Ni系之無鉛銲錫所形成之複合層2，係基本上由Sn-Cu-Ni系之無鉛銲錫4及所包含前述金屬網3所構成。又，如後述，於製造時，經由加熱，前述無鉛銲錫4與前述金屬網3反應而產生之金屬間化合物，則可產生於前述無鉛銲錫4與前述金屬網3之界面(未圖示)。
做為前述複合層2之厚度，在具有本發明之效果之範圍下，沒有特別之限定。
做為前述Sn-Cu-Ni系之無鉛銲錫(以下亦稱無鉛銲錫)，可列舉包含Cu0.1~2重量%、Ni0.002~1重量%，殘留部為Sn之無鉛銲錫，或包含Cu0.1~2重量%、Ni0.002~1重量%、Ge0.001~1重量%，殘留部為Sn之無鉛銲錫。 本發明之銲錫-金屬網複合材中，藉由使用前述無鉛銲錫，成為如後述空洞顯著為少，熱傳導性優異之接合構件。 可使用於前述無鉛銲錫，添加Bi、In、Sb、P、Ga、Co、Mn、Mo、Ti、Al、Au等之元素者。做為此等之元素之含有量，只要前述無鉛銲錫之熱傳導性等為大，不會變質之量即可，並沒有特別之限制。
本發明中，具有金屬網之高熱傳導性係指具有較前述無鉛銲錫為高之熱傳導性。 做為具有前述高熱傳導性之金屬網之材質，可列舉具有較前述無鉛銲錫高之熱傳導特性，較便宜之銅、銅為主成份之合金、錫為主成分之合金等之較無鉛銲錫熔點為高之金屬。其中，Sn-Cu-Ni系之無鉛銲錫對於金屬網之濕潤性為佳，從本發明之銲錫-金屬網複合材之強度為高之觀點來看，以銅(Cu)為佳。 又，做為金屬網之形狀，在具有本發明之效果之範圍中無特別之限定，在包含於Sn-Cu-Ni系之無鉛銲錫時之工程易於管理，提升對本發明之銲錫-金屬網複合材之強度的線徑為佳。 然後，做為前述線徑，在具有本發明之效果之範圍下，雖沒有特別之限定，例如線徑為500μm以下為佳，100μm以下則更佳。又，做為前述金屬網之素線之剖面形狀，以圓形或橢圓形為佳。 又，做為金屬網之網眼，在具有本發明之效果之範圍中無特別之限定，只要在Sn-Cu-Ni系之無鉛銲錫之濕潤性佳，本發明之銲錫-金屬網複合材之製造工程中，不產生網目斷線，或包含於該無鉛銲錫卻產生不妥的情形即可。 更且，可將於本發明之無鉛銲錫包含具有高熱傳導性之金屬網之銲錫-金屬網複合材，使金屬網不會斷線，經由輥壓處理，加工成特定之尺寸。 又，做為金屬網之尺寸，只要適於安裝於電子機器之大小即可，無特別之限定。
本發明之銲錫-金屬網複合材1中，前述厚度方向(L)剖面之空洞之佔有比率，係指金屬網之重覆單位之編織線1交叉區間內，佔有銲錫-金屬網複合材1之面積整體之空洞面積(唯排除銅線之面積部分)。 前述銲錫-金屬網複合材1之空洞之檢出中，可使用觀察從銲錫-金屬網複合材1之垂直上方或垂直下方之透視畫像的X線透視裝置加以進行。又，依需要，可使用X線CT裝置。接著，將有檢出空洞之厚度方向剖面，以數位顯微鏡加以觀察，從所得畫像，將厚度方向剖面之空洞之佔有比率，根據國際電氣標準會議(International Electrotechnical Commission:IEC)所制定之國際規格之IEC61191-6:2010，加以測定即可。
做為本發明之銲錫-金屬網複合材1，前述厚度方向(L)剖面之空洞之佔有比率為15%以下，從熱傳導性及接合可靠性優異之觀點視之，10%以下為佳，5%以下為更佳。 例如，如後述比較例2A，相較做為無鉛銲錫之代表性組成，具有許多實績之SAC305亦含有空洞15.1%，實施例1之本發明之銲錫-金屬網複合材1係如前述，銲錫接合體中之空洞比例為少之故，做為銲錫接合材，在電子機器之接合部被使用之時，可有效率傳導電子零件發出之熱，形成熱傳導性更優異之接合可靠性高之接合部。 然而，如實施例1，使用空洞比率為少之銲錫-金屬網複合材，形成銲錫接合體之時，可抑制所得接合部之空洞之產生。
做為具有如前述構造之本發明之銲錫-金屬網複合材之製造方法(以下亦稱本發明之方法)，可列舉包含 於具有高熱傳導性之金屬網之表面，塗佈Sn-Cu-Ni系之無鉛銲錫，得銲錫塗佈之金屬網的工程(第一工程)， 將前述銲錫塗佈之金屬網，配置於Sn-Cu-Ni系之無鉛銲錫薄片之間，接著邊進行加壓，邊加熱至Sn-Cu-Ni系之無鉛銲錫之熔點以上之溫度，熔融前述無鉛銲錫薄片的工程(第二工程)， 冷卻至熔融之銲錫被凝固，回收銲錫-金屬網複合材的工程(第三工程)之方法。
前述第一工程中，於具有高熱傳導性之金屬網之表面，塗佈Sn-Cu-Ni系之無鉛銲錫，得銲錫塗佈之金屬網。 如前述第一工程，於具有高熱傳導性之金屬網之表面，藉由塗佈Sn-Cu-Ni系之無鉛銲錫，於第二工程中，易於熔合熔融之無鉛銲錫薄片與前述金屬網之銲錫塗佈，以達到均質化。其結果，可期待產生於複合材層之空洞的減少，其結果，可邊顯著減低複合層2中之空洞之比例，邊有效率製造銲錫-金屬網複合材。尤其，前述Sn-Cu-Ni系之無鉛銲錫係熔融時之流動性等優異之故，可有效率快速塗佈金屬網之網眼部分。
做為於具有高熱傳導性之金屬網之表面，塗佈前述無鉛銲錫之方法，雖可列舉將前述金屬網，浸漬於熔融之無鉛銲錫中之方法(浸漬法)、於前述金屬網之表面，流入熔融之無鉛銲錫之方法、從前述金屬網之兩側，挾著銲錫薄片，之後熔融銲錫薄片之方法等，但非特別加以限定。 前述無鉛銲錫係於前述塗佈時，加熱至熔點以上，在熔融之狀態下使用。
然而，做為塗佈之狀態，前述金屬網之網目間之空隙以前述無鉛銲錫加以埋入即可，對於塗佈之厚度則不特別加以限定。
又，於塗佈前述無鉛銲錫之前，於前述金屬網之表面，藉由預先附著助焊劑，良好完成前述無鉛銲錫之塗佈。 做為附著前述助熔劑之方法，雖可列舉將前述金屬網，浸漬於助焊劑中之方法(浸漬法)、於前述金屬網之表面，塗佈助熔劑之方法等，但非特別加以限定。
做為前述助焊劑，基本組成則由活性劑及溶劑所成，做為該活性劑，列舉含有選自丙二酸、琥珀酸、戊二酸、己二酸、辛二酸、杜鵑花酸、癸二酸、馬來酸、檸檬酸、酒石酸及安息香酸之一種，該含有量係於具有本發明之效果範圍下雖未特別加以限定，對於100g助熔劑量，以4.55mmol/g~45.5mmol/g為佳。
使用於前述助焊劑之溶劑，於具有本發明之效果之範圍，雖未特別加以限定，可列舉乙醇、異丙醇、異丁醇等之醇類、丁基卡必醇、己基卡必醇等之乙二醇醚類、乙二醇、二甘醇等之二元醇類、丙酸乙酯、安息香酸丁酯等之酯類、n-己烷、十二烷等之碳氫類等、1,8-萜烯單乙酸鹽、1,8-萜烯二乙酸鹽等之萜烯衍生物、異硼烷環己醇等，該含有量係在於滿足活性劑之效果，以及助熔劑塗佈性或安定性之範圍中，可任意加以設定。
前述塗佈之後，經由冷卻，可得銲錫塗佈之金屬網。做為冷卻溫度，只要是前述無鉛銲錫之熔點以下之溫度，並沒有特別之限定。
前述第二工程中，將前述銲錫塗佈之金屬網，配置於Sn-Cu-Ni系之無鉛銲錫薄片（以下亦稱無鉛銲錫薄片）之間，接著邊進行加壓，邊加熱至無鉛銲錫之熔點以上之溫度，熔融前述無鉛銲錫薄片。 前述第二工程中，將前述銲錫塗佈之金屬網，以2枚無鉛銲錫薄片挾住，接著進行加壓加熱，於金屬網，熔融塗佈之無鉛銲錫、和前述無鉛銲錫薄片加以一體化。又，事先金屬網以無鉛銲錫加以塗佈之故，熔融前述無鉛銲錫薄片，於前述金屬網熔合塗佈之無鉛銲錫，達成均質化而一體化時，亦有空洞難以進入之優點。 又，前述無鉛銲錫組成為包含Cu0.1~2重量%、Ni0.002 ~1重量%、Ge0.001~1重量%，殘留部為Sn之時，熔融時之流動性優異之故，將前述金屬網浸漬於熔融銲錫之時，銲錫順利流入前述金屬網之網眼之間，金屬網之濕潤性佳，抑制空洞之混入，可均勻塗佈前述金屬網，更且於熔融後，進行前述加壓加熱時，由於優異之流動性，會有難以產生銲錫內之空洞之優點。
前述無鉛銲錫薄片之尺寸係與接合對象之半導體元件等之電子零件或散熱片材等之散熱材相同尺寸即可，沒有特別之限定。又，做為前述無鉛銲錫薄片之厚度，對應於銲錫-金屬網複合材之適用對象做適切調整即可，沒有特別之限定。
做為前述第二工程之手法，例如可列舉如圖2(a)、2(b)所示之加壓加熱之方法。具體而言，首先，如圖2(a)所示，於耐熱性板A7、與耐熱性板B8之間，依Sn-Cu-Ni系之無鉛銲錫薄片6、前述銲錫塗佈之金屬網5及Sn-Cu-Ni系之無鉛銲錫薄片6之順序層積配置。
前述耐熱性板A7係易於加壓前述銲錫塗佈之金屬網5、無鉛銲錫薄片6等之尺寸及厚度之薄片即可，對於厚度及尺寸，沒有特別之限定。 又、使前述耐熱性板A7之尺寸，相較前述銲錫塗佈之金屬網5為大，於前述焊錫塗佈之金屬網5之周圍，設置間隔件10亦可。 前述耐熱性板A7及間隔件之材質係耐熱性優異，易於加工便宜者為佳，例如氧化鋁或氧化鋯等之陶瓷之外，雖可列舉鋁或鐵、不鏽鋼等，但沒有特別之限定。
接著，如圖2(b)所示，邊從前述耐熱性板A7之外側進行加壓，邊從耐熱性板B8之外側進行加熱。 做為前述加壓手段，只要是於具有高熱傳導性之金屬網以及無鉛銲錫薄片，負荷均勻之荷重之方法，沒有特別限制，可列舉油壓或空氣所進行之加壓、附加重物所進行之施加等。 做為前述加壓之程度，只要在本發明之銲錫-金屬網複合材可發揮特有之效果，可確保厚度之程度下，沒有特別限制，可適於接合對象之目標，加以任意設定即可。
前述耐熱性板B8係在於前述耐熱性板A7之間，只要是易於加熱銲錫塗佈之金屬網5及無鉛銲錫薄片6之層積物之尺寸及厚度之薄片即可，對於厚度及尺寸，沒有特別之限定。
做為加熱前述耐熱性板B8之手段，例如可列舉於前述耐熱性板B8之下面，連接加熱裝置9之方法，或於高溫槽，加熱前述耐熱性板B8之整體之方法等。 做為前述之加熱溫度，只要是構成前述無鉛銲錫6之無鉛銲錫之熔點以上之溫度即可。又，對於加熱溫度之上限，從前述無鉛銲錫之氧化等之品質劣化或經濟性之觀點視之，調整於前述無鉛銲錫之熔點+50℃之溫度範圍內為佳。 例如，前述無鉛銲錫之組成係包含Cu0.1~2重量%、Ni0.002~1重量%、Ge0.001~1重量%，殘留部為Sn之時，經由加熱溫度較佳調整於227~350℃附近，可有效率熔融將銲錫塗佈之金屬網5從上下方向挾住之前述無鉛銲錫薄片6。又，前述Sn-Cu-Ni系之無鉛銲錫係包含Cu0.1~2重量%、Ni0.002~1重量%，殘留部為Sn之時，加熱溫度調整於227~350℃附近即可。
前述第三工程中，前述第二工程所熔融之銲錫則冷卻至凝固，回收銲錫-金屬網複合材。
做為前述熔融之無鉛銲錫薄片等之銲錫冷卻至凝固之方法，可列舉維持第二工程之加壓狀態進行冷卻之方法。對於前述之冷卻溫度，只要是凝固無鉛銲錫之溫度以下即可，但從效率佳進行冷卻之觀點視之，以更低之溫度進行冷卻為佳。
如前所述，冷卻至熔融之銲錫被凝固後，解除前述之加壓狀態，回收銲錫-金屬網複合材。
然而，於銲錫-金屬網複合材之端部，熔融之銲錫在洩漏狀態被凝固時，可切割該洩漏部分，按所期望之形狀成形銲錫-金屬網複合材亦可。又，為使銲錫-金屬網複合材之厚度更為均勻，例如可研磨前述銲錫-金屬網複合材之表面，或以3條滾軸或加壓機施以表面之平坦化等亦可。更且，使銲錫-金屬網複合材，金屬網不被斷線，經由輥壓處理，加工成特定之尺寸。
本發明之銲錫-金屬網複合材係與以往之銲錫同樣地，可做為電子零件之接合材或散熱片材等之散熱材之接合材加以使用。
關於實施形態之銲錫接合體，係使用前述銲錫-金屬網複合材形成者。銲錫接合體係包含特定之基材、和與此基材接合之銲錫-金屬網複合材所構成之接合部。 做為前述基材，只要是於半導體元件(功率裝置)中，使用之電子零件用者即可，沒有特別之限定。又，做為前述基材，可為散熱片材等之散熱材，沒有特別之限定。 使用前述銲錫-金屬網複合材之接合方法係，例如使用迴焊法，根據正常手法加以進行。 又，加熱溫度係對應基材之耐熱性或在銲錫-金屬網複合材所使用之銲錫合金之熔解溫度做適切調整即可。 又，從抑制接合體之空洞之產生的觀點視之，於接合時進行減壓等之處理亦可。
如此形成之銲錫接合體中，於接合部有耐熱性，熱傳導率性優異之接合可靠性高之故，例如於高電壓負荷環境下，由於電子零件所發出之熱，加熱前述接合部之時，於接合部內部難以產生應變應力，可承受應力。 因此，本發明之銲錫-金屬網複合材係例如電動車、油電混合車、空調機等或各種汎用馬達等之使用於換流器或轉換器等電力變換器之半導體元件(功率元件)中，可適切使用做為電子零件之接合材。 又，亦適於散熱特性為重要要件之散熱片等之散熱材之接合，其應用則倍所期待。 [實施例]
(實施例1) 將市售之銅網(線徑約50μm，網眼75μm、縱6cm、橫6cm)，浸漬於放入助焊劑(日本SUPERIOR公司製NS-334之低殘渣型無洗淨助焊劑)之容器中。 將銅網從前述容器取出，去除多餘之助焊劑，接著，加熱至260℃，浸漬於置入熔融之SN100C(日本SUPERIOR公司製Sn-0.7Cu0.05Ni+Ge組成之無鉛銲錫)的容器中，進行無鉛銲錫塗佈，從前述容器取出，去除多餘之SN100C，得到銲錫塗佈之銅網。 接著，如圖2(a)所示，將所得銲錫塗佈之銅網5，挾著相同尺寸之2枚之SN100C薄片6，製作層積物，更且，從SN100C薄片6之外側，以氧化鋁板A7(縱2.5cm、橫7.5cm、厚0.6mm)、氧化鋁板B8(縱5cm、橫5cm、厚500μm)加以挾住、於加熱裝置9之上，從氧化鋁板B8側加以載置。 然而，於氧化鋁板A7之兩端，設置厚120μm之間隔件10。 接著，如圖2(B)所示，從氧化鋁板7之上方向，使用加壓裝置，施加0.5atm之荷重下，將加熱裝置9之溫度調整成227℃，前述SN100C薄片6被熔融，確認到從前述層積物熔融之SN100C，洩漏到前述氧化鋁板7之外側之後，停止加熱。 接著，使用局部送風機加以冷卻，確認前述洩漏之SN100C被凝固之後，解除前述加壓狀態，於SN100C之無鉛銲錫層，得到包含銅網之銲錫-金屬網複合材。
(試驗例1) 於實施例1所得之銲錫-金屬網複合材中，將厚度方向剖面之空洞之佔有比例，使用根據IEC61191-6:2010觀測從銲錫-金屬網複合材1之垂直上方或垂直下方之透視畫像的X線透視裝置加以測定(未圖示)。 接著，將厚度方向剖面，以數位顯微鏡觀察之畫像，示於圖3。 前述厚度方向剖面之空洞11之佔有比例係根據圖3所示畫像，根據IEC61191-6:2010加以測定之結果，為1%。 因此，實施例1所得銲錫-金屬網複合材係包含銅網之故，是為強度高，且熱傳導性優異之構件，更且銲錫接合體中之空洞明顯為少之故，例如於高電壓負荷環境下，更發揮具有耐熱性，熱傳導性更優異，高接合可靠性，更可承受該高溫動作。 因此，得知實施例1所得之銲錫-金屬網複合材係在於電動車、油電混合車、空調機等或各種汎用馬達等之使用於換流器或轉換器等電力變換器之半導體元件(功率元件)中，可適切使用做為電子零件之接合材或散熱片材等之散熱材之接合材。
(試驗例2) 於實施例1中，除了未使用金屬網以外，同樣製作試料1(比較例1)。 有關實施例1及比較例1之各試料(n=4)，根據下述程序，測定密度、比熱及熱擴散率之後，算出熱傳導率。
＜密度測定＞ 根據阿基米德法，將實施例1及比較例1之各試料，沈入內徑與該試料一致之容器中之水，經由試料投入前後之液面之變化，測定試料體積，經由試料重量加以算出。
＜比熱測定＞ 使用差示掃描熱量測定裝置DSC3500(NETZSCH公司製)，將藍寶石做為基準物質，於氬環境下，於室溫條件下，經由DSC法，測定實施例1及比較例1之各試料之比熱。
＜熱擴散率之測定＞ 將使用氣膠乾性石墨被膜形成潤滑劑DGF(日本船舶工具有限公司製)，進行黑化處理之實施例1及比較例1之各試料，使用雷射閃光分析儀LFA457(NETZSCH公司製)，進行大氣中，室溫之熱擴散率的測定。
＜熱傳導率＞ 有關實施例1及比較例1之各試料，從前述所得密度、比熱及熱擴散率，根據下述式，算出熱傳導率。 熱傳導率(W/(m・K))=熱擴散率(m2 /s)×密度(Kg/m3 )×比熱(J/(Kg･K))
將以上結果，示於表1。
Figure 02_image001
經由表1所示結果，實施例1所得銲錫-金屬網複合材係相較於比較例1之試料1，包含金屬網之故，熱傳導率顯著增大到約3倍。
(試驗例3) 將銲錫代替SN100C，替換為SAC305(組成:Sn-3Ag-0.5Cu組成)之外，與實施例1同樣地，製作試料2A(比較例2A)。 同樣地，將銲錫代替SN100C，替換為Sn-5Sb之外，與實施例1同樣地，製作試料3A(比較例3A)。 又，比較例2A及比較例3A中，除了未使用金屬網之外，同樣各別製作試料2B及試料3B(比較例2B及比較例3B)。 接著，將比較例2A、2B、3A、3B之各試料(n=4)之熱傳導率，與試驗例2同樣地加以測定。 將結果示於表1。 又，表1中，記載銲錫合金相同之時，計算相對於無金屬網試料之熱傳導率，有金屬網試料之熱傳導率之比率。
經由表1所示結果，實施例1所得銲錫-金屬網複合材之熱傳導率係相較比較例2A、3A，是為最高者。 又，相較於無網目時之熱傳導率，具有網目時之熱傳導率有提升之傾向，其中，實施例1所得銲錫-金屬網複合材之熱傳導率之比率為100時，相較做為無鉛銲錫之代表組成實績為多之SAC305(96.5)或熔融溫度高之Sn-5Sb(89.7)明顯為高。
又，對於比較例2A，與前述試驗例1同樣地，將厚度方向剖面之空洞之佔有比例，使用根據IEC61191-6:2010觀測從銲錫-金屬網複合材1之垂直上方或垂直下方之透視畫像的X線透視裝置加以測定。 接著，將厚度方向剖面，以數位顯微鏡觀察之畫像，示於圖4。 前述厚度方向剖面之空洞之佔有比例係根據圖4所示畫像，根據IEC61191-6:2010進行二值化處理測定之結果(圖5)，為15.1%，可知比較例2A者銲錫接合體中之空洞明顯為大。 在比較例2A之狀態殘留之空洞係阻礙銲錫接合體之熱傳導性，成為無法充分發揮功率裝置之性能的因子，又會成為損及電子零件所需接合可靠性之要因。
因此，使用包含Cu0.1~2重量%、Ni0.002~1重量%、Ge0.001~1重量%，殘留部為Sn之Sn-Cu-Ni系之無鉛銲錫的銲錫-金屬網複合材係例如在高電壓負荷環境下，構件發熱之情形下，是為更具有耐熱性，熱傳導性更優異，接合可靠性高之接合材之故，可適切使用做為在於電動車、油電混合車、空調機等或各種汎用馬達等之使用於換流器或轉換器等電力變換器之半導體元件(功率元件)之電子零件之接合材或散熱片材等之散熱材之接合材。
又，做為Sn-Cu-Ni系之無鉛銲錫，製作使用包含Cu0.1~2重量%、Ni0.002~1重量%，殘留部為Sn之無鉛銲錫之銲錫-金屬網複合材，與試驗例1、2同樣地，進行各測定之結果，皆與實施例1所得銲錫-金屬網複合材相同，得到空洞明顯為少，且熱傳導率為高之結果。 因此，本發明之銲錫-金屬網複合材之銲錫合金為包含Cu0.1~2重量%、Ni0.002~1重量%，殘留部為Sn之無鉛銲錫，亦例如在高電壓負荷環境下，構件發熱之情形下，成為更具有耐熱性，熱傳導性更優異，接合可靠性高之接合材之故，可適切使用做為在於電動車、油電混合車、空調機等或各種汎用馬達等之使用於換流器或轉換器等電力變換器之半導體元件(功率元件)之電子零件之接合材或散熱片材等之散熱材之接合材。
1:銲錫-金屬網複合材 2:藉由Sn-Cu-Ni系之無鉛銲錫所形成之複合層 3:具有高熱傳導性之金屬網 4:Sn-Cu-Ni系之無鉛銲錫 5:銲錫塗佈之金屬網 6:Sn-Cu-Ni系之無鉛銲錫薄片 7:耐熱性板A 8:耐熱性板B 9:加熱裝置 10:間隔件 11:空洞
[圖1]顯示本發明之銲錫-金屬網複合材1之厚度方向剖面之概略圖。銲錫-金屬網複合材1中，於藉由Sn-Cu-Ni系之無鉛銲錫所形成之無鉛銲錫層之複合層2，包含具有高熱傳導性之金屬網3。前述複合層2係主要由無鉛銲錫4、和金屬網3所構成。 [圖2]顯示本發明之銲錫-金屬網複合材之作成例之概略圖。圖2(a)係顯示按壓、加熱各構件前之各構件之層積狀態，顯示在於耐熱性板A7、與耐熱性板B8之間，依Sn-Cu-Ni系之無鉛銲錫薄片6、銲錫塗佈之金屬網5及Sn-Cu-Ni系之無鉛銲錫薄片6之順序配置，接著載置於加熱裝置9上之狀態。圖2(b)係顯示如圖2(a)，於加熱裝置9上積載各構件之後，邊從耐熱性板A7之上方向加壓，將加熱裝置9加熱至所期望之溫度，從耐熱性板B8加熱至Sn-Cu-Ni系之無鉛銲錫之熔點以上之溫度，熔融前述無鉛銲錫薄片6，與銲錫塗佈之金屬網5成為一體化之狀態。 [圖3]顯示將實施例1所得銲錫-金屬網複合材1之厚度方向剖面，以數位顯微鏡觀察之畫像。顯示銲錫-金屬網複合材1中，於藉由Sn-Cu-Ni系之無鉛銲錫所形成之複合層2，包含銅網3之狀態。又，於複合層2中，雖可發現空洞11，厚度方向剖面之空洞佔有比率為1%以下。 [圖4]顯示將比較例2A所得銲錫-金屬網複合材之厚度方向剖面，以數位顯微鏡觀察之畫像。 [圖5]顯示將圖4之畫像，進行二值化處理之情形之處理後的畫像。複合層之厚度方向剖面之空洞佔有比率為15.1%。
1:銲錫-金屬網複合材
2:藉由Sn-Cu-Ni系之無鉛銲錫所形成之複合層
3:具有高熱傳導性之金屬網
4:Sn-Cu-Ni系之無鉛銲錫

Claims (6)

  1. 一種銲錫-金屬網複合材，係於藉由Sn-Cu-Ni系之無鉛銲錫所形成之無鉛銲錫層，包含具有高熱傳導性之金屬網， 厚度方向剖面之空洞佔有比率為15%以下， 前述Sn-Cu-Ni系之無鉛銲錫係包含Cu0.1～2重量%、Ni0.002～1重量%，殘留部為Sn，或包含Cu0.1～2重量%、Ni0.002～1重量%、Ge0.001～1重量%，殘留部為Sn。
  2. 如請求項1記載之銲錫-金屬網複合材，其中，前述金屬網為銅網。
  3. 一種銲錫接合體，係使用如請求項1或2記載之銲錫-金屬網複合材所形成。
  4. 一種銲錫-金屬網複合材之製造方法，係具有下述步驟 於具有高熱傳導性之金屬網之表面塗佈Sn-Cu-Ni系之無鉛銲錫，而得銲錫塗佈之金屬網； 將前述銲錫塗佈之金屬網配置於Sn-Cu-Ni系之無鉛銲錫薄片之間，接著一邊進行加壓一邊加熱至Sn-Cu-Ni系之無鉛銲錫之熔點以上之溫度，而熔融前述無鉛銲錫薄片；及 將熔融之銲錫冷卻至凝固，回收銲錫-金屬網複合材； 前述Sn-Cu-Ni系之無鉛銲錫係包含Cu0.1～2重量%、Ni0.002～1重量%，殘留部為Sn，或包含Cu0.1～2重量%、Ni0.002～1重量%、Ge0.001～1重量%，殘留部為Sn。
  5. 如請求項4記載之製造方法，其中，前述金屬網為銅網。
  6. 如請求項4或5記載之製造方法，其中，於耐熱性板A、與耐熱性板B之間，依序配置Sn-Cu-Ni系之無鉛銲錫薄片、前述銲錫塗佈之金屬網及Sn-Cu-Ni系之無鉛銲錫薄片，接著一邊從耐熱性板A側加壓，一邊從耐熱性板B側加熱。
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