(57)【要約】【課題】ろう付けしたときに、熱伝導性と接合性を両立できる接合シートを提供する。【解決手段】本発明は、金属層（３０）と、金属層の第１面上に形成された第１ろう材からなる第１層と（３１）、金属層の第２面上に形成された第２ろう材からなる第２層（３２）とを備える接合シートである。金属層は、第１ろう材および第２ろう材よりも融点が高いと共に熱伝導率が３００Ｗ／ｍ・Ｋ以上である高熱伝導金属からなる。金属層の厚さは、接合シート全体の厚さに対して５０％以上ある。少なくとも第１ろう材は、第１ろう材全体に対して、活性金属元素を合計で１〜１０質量％含む。この接合シートを用いて、例えば、グラファイト板（第１層側）と銅板（第２層側）を接合すると、剥離や反りを生じることなく、それらの接合部には高い熱伝導性が確保される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属層と、
該金属層の第１面上に形成された第１ろう材からなる第１層と、
該金属層の第２面上に形成された第２ろう材からなる第２層と、
を備える接合シートであって、
該金属層は、該第１ろう材および該第２ろう材よりも融点が高いと共に熱伝導率が３００Ｗ／ｍ・Ｋ以上である高熱伝導金属からなり、
該金属層の厚さは、該接合シート全体の厚さに対して５０％以上あり、
該第１ろう材は、該第１ろう材全体に対して、活性金属元素を合計で１〜１０質量％含む接合シート。
【請求項２】
前記高熱伝導金属は、金、銀または銅のいずれかである請求項１に記載の接合シート。
【請求項３】
前記第１ろう材は、銀ろうからなる請求項１または２に記載の接合シート。
【請求項４】
前記活性金属元素は、ＴｉとＺｒの少なくとも一方を含む請求項１〜３のいずれかに記載の接合シート。
【請求項５】
前記金属層は、厚さが１０〜５００μｍである請求項１〜４のいずれかに記載の接合シート。
【請求項６】
前記第１層と前記第２層は、厚さが１〜５０μｍである請求項１〜５のいずれかに記載の接合シート。
【請求項７】
前記第１層は、グラファイトからなる被接合面のろう付けに用いられる請求項１〜６のいずれかに記載の接合シート。
【請求項８】
第１部材と第２部材を接合した接合体の製造方法であって、
請求項１〜６のいずれかに記載の接合シートを介装した該第１部材と該第２部材を、前記金属層の融点未満で、前記第１ろう材および前記第２ろう材が溶融する温度以上で加熱するろう付け工程を備える接合体の製造方法。
【請求項９】
前記接合シートの第１層は、前記第１部材の被接合面に対面しており、
該第１部材の被接合面は、グラファイトからなる請求項８に記載の接合体の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ろう付けに用いる接合シート等に関する。
【背景技術】
【０００２】
部材同士の接合方法の一つに、ろう付けがある。ろう付けは、接合される部材の融点よりも低温で溶融する溶加材を用いて接合する点で、はんだ付けと共通する。但し、ろう付けは、溶加材（ろう材）の融点（液相線温度）が４５０℃以上であり、その融点が４５０℃未満であるはんだ付けと区別されている。
【０００３】
ところで、ろう付けを適切に行うためには、被接合面に対する溶融したろう材のぬれ性を確保する必要がある。接合される部材（適宜「被接合部材」という。）が、表面エネルギーの小さい炭素系材料（グラファイト等）やセラミックス等からなる場合、ぬれ性を確保するために、活性金属元素を含むろう材（活性金属ろう）が用いられる。これに関連する記載が、例えば、下記の特許文献にある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開昭６４−８７０５９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１は、被接合部材の材質に応じた活性金属量の最適化と、活性金属の活性低下防止を図るため、塊状の活性金属を表層部にだけ埋設したろう材を提案している。
【０００６】
しかし、特許文献１のようなろう材を用いて高熱伝導部材（グラファイト等）をろう付けした場合、接合体の熱伝導性が大きく低下することがわかった。これは、活性金属元素が接合層中で固溶または析出して、接合層の熱抵抗を高めるためと考えられる。
【０００７】
本発明はこのような事情に鑑みて為されたものであり、ろう付けにより形成された接合部の高熱伝導性を確保できる接合シート等を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明者はこの課題を解決すべく鋭意研究した結果、高熱伝導金属層とろう材を組合わせた接合シートを用いることにより、接合部の高熱伝導性を確保することに成功した。この成果を発展させることにより、以降に述べる本発明を完成するに至った。
【０００９】
《接合シート》
（１）本発明は、金属層と、該金属層の第１面上に形成された第１ろう材からなる第１層と、該金属層の第２面上に形成された第２ろう材からなる第２層と、を備える接合シートであって、該金属層は、該第１ろう材および該第２ろう材よりも融点が高いと共に熱伝導率が３００Ｗ／ｍ・Ｋ以上である高熱伝導金属からなり、該金属層の厚さは、該接合シート全体の厚さに対して５０％以上あり、該第１ろう材は、該第１ろう材全体に対して、活性金属元素を合計で１〜１０質量％含む接合シートである。
【００１０】
（２）本発明の接合シートは、先ず、第１層を構成する第１ろう材が活性金属を含む。このため、少なくとも第１層側において、炭素系材料やセラミックス等のろう付けが可能となる。
【００１１】
次に、本発明の接合シートの大部分は、各ろう材よりも高融点で高熱伝導な金属層が占める。この金属層は、ろう付け（加熱）後も、その殆どが残存する。このため、接合部における熱伝導性は、ほぼ、その残存した金属層の熱伝導性が支配的となり、ろう付け後に形成された接合部は高い熱伝導性を発揮する。換言すると、第１層に含まれていた活性金属元素は、被接合面の界面近傍にある薄い接合層に留められる。このため、接合部全体として観れば、活性金属元素による熱抵抗の上昇が抑制され、高熱伝導性が確保される。
【００１２】
ちなみに、金属層を構成する高熱伝導金属は、通常、低ヤング率（高延性）でもある。また、ろう付け後に残存した金属層は十分な厚さを有する。このため、金属層は、ろう付け後の接合部に作用する残留応力や、接合体の使用により生じる熱応力等を緩和し得る。従って、本発明の接合シートを用いると、接合不良の抑止や接合体の耐久性（信頼性）の向上等も期待される。このような金属層による応力緩和性は、特に、熱膨張係数差（ＣＴＥ（Coefficient of Thermal Expansion）不整合）が大きくて、残留応力や熱応力が作用し易い異種部材をろう付けするときに有効となる。
【００１３】
《接合体の製造方法》
本発明は、上述した接合シートを用いた部材同士の接合方法（接合体の製造方法）としても把握できる。例えば、本発明は、第１部材と第２部材を接合した接合体の製造方法であって、上述した接合シートを介装した該第１部材（第１層側）と該第２部材（第２層側）を、前記金属層の融点未満で、前記第１ろう材および前記第２ろう材が溶融する温度以上で加熱するろう付け工程を備える接合体の製造方法でもよい。なお、第１ろう材は活性金属元素を含むため、接合シートの第１層側には、例えば、被接合面が炭素系材料（グラファイト等）やセラミックスからなる第１部材が接合され得る。
【００１４】
《接合体》
本発明は、その接合体としても把握できる。例えば、本発明は、第１部材と、該第１部材と接合され得る第２部材と、該第１部材と該第２部材を接合する接合部とを備える接合体であって、該接合部は、金属層と、該金属層と該第１部材をろう付けする第１接合層と、該金属層と該第２部材をろう付けする第２接合層とを有し、該金属層は、該第１接合層および該第２接合層よりも融点が高いと共に熱伝導率が３００Ｗ／ｍ・Ｋ以上である高熱伝導金属からなり、該金属層の厚さは該接合部全体の厚さに対して５０％以上あり、該第１接合層は、該第１接合層全体に対して、活性金属元素を合計で１〜１０質量％含む接合体でもよい。
【００１５】
活性金属元素を含む第１接合層により接合される第１部材は、例えば、炭素系材料（グラファイト等）やセラミックスからなる被接合面を有する。第２接合層が活性金属元素を含まないとき、その第２接合層により接合される第２部材は、例えば、金属からなる被接合面を有する。第２接合層が活性金属元素を含むとき、その第２接合層により接合される第２部材は、第１部材と同様に、例えば、炭素系材料やセラミックスからなる被接合面を有する。
【００１６】
《その他》
（１）本明細書では、説明の便宜上、第１または第２という呼称を用いている。そして、少なくとも「第１」側が、活性金属元素を含むろう材（適宜「活性金属ろう」という。）により接合される側としている。「第２」側は、「第１」側と同じ構成でもよいし、異なる構成でもよい。
【００１７】
（２）特に断らない限り本明細書でいう「ｘ〜ｙ」は下限値ｘおよび上限値ｙを含む。本明細書に記載した種々の数値または数値範囲に含まれる任意の数値を、新たな下限値または上限値として「ａ〜ｂ」のような範囲を新設し得る。また、特に断らない限り、本明細書でいう「ｘ〜ｙμｍ」はｘμｍ〜ｙμｍを意味する。他の単位系についても同様である。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】接合シートを用いた接合過程を模式的に示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
本発明の構成要素に、本明細書中から任意に選択した一以上の構成要素を付加し得る。本明細書で説明する内容は、本発明の接合シートや接合体のみならず、それらの製造方法にも該当し得る。「方法」に関する構成要素は「物」に関する構成要素ともなり得る。
【００２０】
《接合シート》
接合シートは、芯材となる金属層と、その各面に形成されたろう材層である第１層および第２層を有する。以下、それらについて詳述する。
【００２１】
（１）金属層
金属層は、ろう付け時の温度（接合温度）よりも高い融点を有し、熱伝導率が３００Ｗ／ｍ・Ｋ以上さらには３５０Ｗ／ｍ・Ｋ以上である高熱伝導金属からなるとよい。高熱伝導金属は、例えば、金、銀または銅のいずれかである。これらは純金属であるとよい。なお、本明細書でいう純金属（純銀等）は、純度（質量割合）が９８％以上さらには９９％以上の金属である。
【００２２】
ちなみに、金は、融点：１０６４℃、熱伝導率：３１９Ｗ／ｍ・Ｋ、ヤング率：７８ＧＰａである。銀は、融点：９６２℃、熱伝導率：４２８Ｗ／ｍ・Ｋ、ヤング率：８３ＧＰａである。銅は、融点：１０８５℃、熱伝導率：４０８Ｗ／ｍ・Ｋ、ヤング率：１３０ＧＰａである。特に（純）銀は、熱伝導率が非常に大きく、軟質（低ヤング率、高延性）であり、熱伝導性および応力緩和性に優れる。
【００２３】
金属層の厚さは、接合シート全体の厚さに対して５０％以上、７０％以上さらには８５％以上あるとよい。接合シート全体（または接合部全体）に対する金属層の厚さ比率を高めることにより、相対的にろう材層（接合層）が薄くなり、接合部の熱伝導性が高まる。また、金属層が厚くなるほど、金属層による応力緩和性も高まるが、その分、接合部の熱伝導性は低下する。そこで金属層の厚さは、例えば、１０〜５００μｍ、３０〜４００μｍさらには５０〜３００μｍとするとよい。
【００２４】
金属箔により金属層を形成すると、接合シートを効率的に製造できる。金属箔は、例えば、金箔、銀箔または銅箔のいずれかである。金、銀または銅は展延性に優れるため、所望厚さの金属箔が得られる。
【００２５】
（２）ろう材層（第１層、第２層）
ろう材の種類（組成）、厚さ等は、被接合部材に応じて選択され得る。このため、第１層と第２層は、材質や形態（厚さ等）が同じでも異なっていてもよい。
【００２６】
ろう材には、銀ろう、金ろう、銅ろう、黄銅ろう、アルミニウムろう、ニッケルろう等がある。被接合部材の材質に応じて選択される。いずれのろう材も、共晶合金系とすることにより、融点（ろう付け温度）を低下させることができる。
【００２７】
銀ろうは、炭素系材料（グラファイト等）やセラミックス等の接合にも、多くの金属材料の接合にも利用され、熱伝導性も良好である。銀ろうは、主成分（残部）であるＡｇに加えて、通常、Ｃｕを含む銀合金（主にＡｇ−Ｃｕ系共晶合金）からなる。銀ろうは、Ｚｎ、Ｓｎ、Ｎｉのいずれかを一種以上を含んでもよい。各層のろう材全体を１００質量％として、例えば、Ｃｕ：２０〜３５質量％、Ｚｎ：０〜２０質量％、Ｓｎ：０〜１０質量％、Ｎｉ：０〜５質量％とするとよい。なお、Ｚｎ、ＳｎおよびＮｉのいずれか一種以上が含まれるとき、その下限値は１質量％とするとよい。
【００２８】
アルミニウムやその合金からなる部材を接合するときは、アルミニウムろうを用いるとよい。アルミニウムろうは、アルミニウム合金からなり、主成分（残部）であるＡｌに加えて、通常、Ｓｉを含むアルミニウム合金（主にＡｌ−Ｓｉ系共晶合金）からなる。アルミニウムろうは、その全体を１００質量％として、例えば、Ｓｉ：５〜２０質量％を含む。アルミニウムろうは、さらに、ＭｇまたはＢｉのいずれかを一種以上を含んでもよい。
【００２９】
炭素系材料やセラミックス等からなる部材のろう付けは、活性金属法によると、メタライズ法で必要な前処理を省略でき、効率的である。活性金属法で用いるろう材は、例えば、上述した組成範囲に加えて、活性金属元素を合計で１〜１０質量％さらには３〜８質量％含むとよい。活性金属元素が過少では、ぬれ性が不十分となり、接合が困難となる。活性金属元素が過多になると、接合層の熱抵抗が増す。
【００３０】
活性金属元素は、例えば、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｔａ等である。特に、活性金属元素は、ＴｉとＺｒの少なくとも一方を含むとよい。
【００３１】
第１層と第２層は、例えば、厚さが１〜５０μｍさらには２〜１０μｍとするとよい。その厚さが過小では、接合強度の確保に必要となる反応層の形成が不十分となる。その厚さが過大になると、接合層の熱伝導性が低下する。
【００３２】
第１層と第２層とで、ろう材の種類または組成が異なるとき、ろう付けを安定的、効率的に行うため、両材の融点差は、例えば、±２０℃さらには±１０℃であるとよい。
【００３３】
（３）製法
接合シートは、金属層の各面に、第１層と第２層（各層を単に「ろう材層」ともいう。）を積層して得られる。積層方法には、圧延等の機械的な積層法、スパッタリング等の物理的な堆積法、めっき等の化学的な堆積法等がある。例えば、金属層となる高熱伝導金属箔とろう材層となるろう材（合金）の箔とを重ねて、熱間圧延またはクラッド等すると、接合シート（原反）が得られる。
【００３４】
高熱伝導金属箔上に、ろう材（合金）をスパッタリングや真空蒸着等で堆積させて、ろう材層を形成してもよい。またろう材層は、例えば、ろう材の微粒子からなるペーストを金属箔上に塗布（スクリーン印刷）しても形成され得る。
【００３５】
《被接合部材》
接合シートによりろう付け接合される部材やその組合せは種々あり得る。本発明の接合シートは、高熱伝導性部材の接合に用いられるとよい。高熱伝導性部材の一例として、炭素系材料からなるシート材、板材等がある。炭素系材料は、例えば、グラファイト（黒鉛）、ダイヤモンド、カーボンナノチューブ等である。これらの熱伝導率は非常に大きく、例えば、５００〜５５００Ｗ／ｍ・Ｋである。なお、グラファイトからなるシート材や板材等は、熱伝導率が大きいａ−ｂ面（グラファイトのｃ軸に垂直な面）を被接合面とするとよい。
【００３６】
高熱伝導性部材の具体例は、例えば、半導体装置（モジュール）の放熱部材（ヒートシンク、ヒートスプレッター、冷却板、筐体等を含む）である。
【００３７】
接合される部材は、同種材でも異種材でもよい。熱膨張係数差が大きい異種部材を本発明の接合シートで接合すると、熱伝導性と共に応力緩和性も確保された接合体が得られる。
【実施例】
【００３８】
接合シートを用いた部材の接合例を示しつつ、本発明をさらに詳しく説明する。
【００３９】
《概要》
第１部材１と第２部材２とを、接合シート３を用いてろう付けした接合体Ｍの製造過程を図１に示した。
【００４０】
接合シート３は、芯材（金属箔）からなる金属層３０と、その第１面上に積層された第１ろう材からなる第１層３１と、その第２面上に積層された第２ろう材からなる第２層３２とを有する。この接合シート３を介装した第１部材１と第２部材２を加熱（ろう付け工程）すると、第１部材１と第２部材２は接合部４により接合された接合体Ｍとなる。
【００４１】
接合部４は、金属層４０、第１接合層４１および第２接合層４２からなる。金属層４０は、ろう付け時の加熱により、金属層３０が第１層３１および第２層３２と反応して形成される。同様に、第１接合層４１は、第１層３１が第１部材１の被接合面および金属層３０と反応して形成される。第２接合層４２は、第２層３２が第２部材２の被接合面および金属層３０と反応して形成される。なお、各界面には、薄い反応層（図略）が形成される。また、金属層３０は、第１ろう材および第２ろう材よりも高融点な金属からなるため、反応層を除いて、ろう付け後も、ほぼそのまま金属層４０として残存する。
【００４２】
《具体例》
［試料１］
（１）芯材である銀箔（純度：９９．９８％、厚さ：２０μｍ）の両面に、ろう材である銀合金（Ａｇ−２７％Ｃｕ−５％Ｔｉ／単位：質量％、以下同様）を高周波マグネトロンスパッタ法により積層した。ろう材層の厚さはいずれも３μｍとした。こうして得られた積層シートを１０ｍｍ角に成形（切断）して、接合シートとした。
【００４３】
被接合部材である２枚のグラファイトａ面板(１０ｍｍ□×ｔ１ｍｍ／株式会社サーモグラフィティクス製)で、その接合シートを挟持した。このとき、被接合面間には３０ＭＰａを印加した。それらを放電プラズマ焼結装置を用いて、真空雰囲気（５Ｐａ未満）中で３０分間加熱した。装置上の設定温度は７００℃とした。但し、事前に接合部に相当する部位に挿入した熱電対で測定したところ、試料温度は約８３０℃となっていた。こうして、２枚のグラファイト板がろう付けされた接合体を得た。
【００４４】
（２）その接合体を超音波顕微鏡で観察したところ、接合部に欠陥は確認されなかった。また、目視上、その接合体に反り等も見られなかった。レーザーフラッシュ法で測定した接合部の平均熱伝導率は２７０Ｗ／ｍ・Ｋであった。なお、ここでいう「平均」は、同一の接合体内で、異なる５点の測定位置で得られた熱伝導率の平均という意味である（以下同様）。
【００４５】
［試料２］
（１）試料１の接合シートに対して、その一方のろう材層（第２層）を、別な銀合金（Ａｇ−２８％Ｃｕ）とした接合シートを製作した。この接合シートを用いて、前述したグラファイトａ面板（第１部材）と、無酸素銅板（ＪＩＳ  Ｃ１０２０／第２部材）とをろう付けした。このとき、接合シートの第２層（Ａｇ−２８％Ｃｕ）を無酸素銅板に対面させた。その他は、試料１と同じ条件でろう付けした。こうして、グラファイト板と銅板がろう付けされた接合体を得た。
【００４６】
（２）その接合体を超音波顕微鏡で観察したところ、接合部に欠陥は確認されなかった。また、目視上、その接合体に反り等も見られなかった。レーザーフラッシュ法で測定した接合部の平均熱伝導率は２８０Ｗ／ｍ・Ｋであった。
【００４７】
［試料Ｃ１］
（１）試料１の接合シートを、市販の活性金属ろう材箔(Ａｇ−２８％Ｃｕ−２％Ｔｉ−５％Ｓｎ／１０ｍｍ□×ｔ０．１ｍｍ／田中貴金属工業株式会社製）に替えた。その他は、試料１と同じ条件でろう付けした。こうして、２枚のグラファイト板がろう付けされた接合体を得た。
【００４８】
（２）その接合体を超音波顕微鏡で観察したところ、接合部に欠陥は確認されなかった。また、目視上、その接合体に反り等も見られなかった。レーザーフラッシュ法で測定した接合部の平均熱伝導率は１１０Ｗ／ｍ・Ｋであった。
【００４９】
［試料Ｃ２］
（１）試料２の接合シートを、上記の活性金属ろう材箔(Ａｇ−２８％Ｃｕ−２％Ｔｉ−５％Ｓｎ）に替えて、グラファイト板と銅板を試料１と同条件でろう付けした。こうして、グラファイト板と銅板がろう付けされた接合体を得た。
【００５０】
（２）その接合体を超音波顕微鏡で観察したところ、接合部に欠陥は確認されなかった。しかし、その接合体に反りが見られた。また、レーザーフラッシュ法で測定した接合部の平均熱伝導率は９０Ｗ／ｍ・Ｋであった。
【００５１】
《評価》
試料１および試料２の結果から明らかなように、高熱伝導金属からなる厚い金属層（厚さ比率：約７７％）を有する接合シートを用いると、同種部材間でも異種部材間でも、接合欠陥や反り等を生じさせることなく、ろう付けできることがわかった。また、その接合部は、熱抵抗が小さく、高い熱伝導性が確保されていることもわかった。
【００５２】
試料Ｃ１および試料Ｃ２の結果から明らかなように、従来のろう材箔を用いた場合、接合部の熱伝導性が大きく低下することがわかった。また、異種部材をろう付けすると、反り等の接合不良を生じることもわかった。
【００５３】
以上から、本発明の接合シートを用いれば、接合性と熱伝導性を高次元で両立したろう付けが可能となることが確認された。
【符号の説明】
【００５４】
Ｍ          接合体
１          第１部材
２          第２部材
３          接合シート
３０        金属層
３１        第１層
３２        第２層
【図１】
2020189307.tif 000003