(57)【要約】【課題】通常のアルミニウム材同士の接合温度より低い３８０〜５００℃という低温度で接合しても、その接合界面に発生するボイドを極めて少なくすることができるアルミニウム材の接合方法を提供する。【解決手段】ろう材として、Ａｌ濃度が０．５〜１０質量％のＺｎ−Ａｌ系合金ろう材を用い、フラックスとして、ＣｓＦ−ＡｌＦ３系共晶系フラックスを用い、そのフラックスを加えたろう材を５０Ｐａ以下の減圧下で３８０〜４７０℃に加熱して溶融後、冷却して、アルミニウム材１，１同士、或いは、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。【選択図】  図２
2011230164.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
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であって、
前記ろう材として、Ａｌ濃度が０．５〜１３質量％のＺｎ−Ａｌ系合金ろう材を用い、前記フラックスとして、ＣｓＦ−ＡｌＦ３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５０Ｐａ以下の減圧下で３８０〜５００℃に加熱して溶融後、冷却して、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ことを特徴とするアルミニウム材の接合方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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アルミニウム材の接合方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
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（Ｄｉｒｅｃｔ  Ｂｒａｚｉｎｇ  Ａｌｕｍｉｎｕｍ）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。
【０００３】
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。
【０００４】
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。
【０００５】
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。
【０００６】
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。
【０００７】
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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開平１０−５９９４号公報
【特許文献２】特開平１１−５１９０号公報
【特許文献３】特開２００１−１５０１８５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
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、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、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。
【００１０】
また、このような方法でパワーデバイスの冷却部材などの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場合、平面同士の接合となるために、大気圧下の接合では、十分な接合強度を確保することができても、通常のアルミニウム材同士の接合温度より低い温度での接合となるため、その接合界面にボイドが発生する可能性がある。また、アルミニウム材同士の接合においても、同様に、低温度で接合を実施する場合には、接合界面にボイドが発生する可能性がある。特にパワーデバイスでは半導体の発熱量が多く、この接合界面にボイドが多く発生した場合、すなわち接合面積がボイドが発生した分減少した場合には伝熱が不十分となり、パワーデバイスとしての性能が十分に発揮できないなどの問題が発生することが懸念される。
【００１１】
本発明は、上記従来の問題をも解決せんとしてなされたもので、パワーデバイスなど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にあたり、通常のアルミニウム材同士の接合温度より低い温度で接合しても、その接合界面に発生するボイドを極めて少なくすることができるアルミニウム材の接合方法を提供することも併せて課題とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明に係るアルミニウム材の接合方法は、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であって、前記ろう材として、Ａｌ濃度が０．５〜１３質量％のＺｎ−Ａｌ系合金ろう材を用い、前記フラックスとして、ＣｓＦ−ＡｌＦ３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５０Ｐａ以下の減圧下で３８０〜５００℃に加熱して溶融後、冷却して、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ことを特徴とするアルミニウム材の接合方法である。
【発明の効果】
【００１３】
本発明に係るアルミニウム材の接合方法によると、パワーデバイスなど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にあたり、通常のアルミニウム材同士の接合温度より低い３８０〜５００℃という低温度で接合しても、その接合界面に発生するボイドを極めて少なくすることができる。
【００１４】
また、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の３８０〜５００℃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。
【００１５】
また、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。
【００１６】
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に大きな反りが発生することがない。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明に用いるＣｓＦ−ＡｌＦ３系共晶系フラックスの状態を示す説明図である。
【図２】本発明のアルミニウム材の接合方法で接合した接合体を示す斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
本発明者らは、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（Ｄｉｒｅｃｔ  Ｂｒａｚｉｎｇ  Ａｌｕｍｉｎｕｍ）等のアルミニウム・セラミックス複合体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がない低い接合温度であっても、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ことができ、また、低温度で接合しても、その接合界面に発生するボイドを極めて少なくすることができ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。
【００１９】
その結果、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−ＡｌＦ３系共晶系フラックスとし、更には、そのフラックスを加えたろう材の溶融を５０Ｐａ以下の減圧下で行うことで、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。
【００２０】
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。
【００２１】
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の接合に用いるろう材として、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３８０〜５００℃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。
【００２２】
その融点が３８０℃より低い場合は、ハンダ付けを行う際に、Ｐｂフリーハンダのような融点の高いハンダを選択することができなくなる。一方、その融点が５００℃より高くなると、低融点のアルミニウム合金鋳物を使用できなくなることが懸念される。また、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場合は、アルミニウム材とアルミニウム・セラミックス複合体が５００℃より高い温度に加熱されると、そのアルミニウム・セラミックス複合体の低い熱膨張率とアルミニウム材の高い熱膨張率の差によって、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界面に大きな歪みが発生し、接合された部材の変形量が大きくなったり、使用中に破断するなどの問題が発生したりする可能性がある。
【００２３】
以上の理由により、Ｚｎ−Ａｌ系合金ろう材のＡｌ濃度を０．５〜１３質量％に制御することで、その融点を３８０〜５００℃に調整する必要がある。
【００２４】
また、フラックスを加えたろう材により形成される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出来る限り薄くすることが好ましい。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。従って、ろう付け層の厚みは、本発明では特に限定はしないが、０．０２ｍｍ〜０．２ｍｍとすることが好ましい。
【００２５】
また、ろう材の融点を３８０〜５００℃に調整して、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（３８０〜５００℃）に融点があるフラックスは、ＣｓＦ−ＡｌＦ３系共晶系フラックスである。
【００２６】
図１に、ＣｓＦ−ＡｌＦ３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ＡｌＦ３を含有する濃度で融点が下がるので、２〜８ｍｏｌ％程度のＡｌＦ３を含有するＣｓＦ−ＡｌＦ３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。
【００２７】
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際の圧力を大気圧以下とすることで、ボイドがそれらの接合界面から雰囲気に抜け出す駆動力を与えることができる。短時間で接合界面からボイドを取り除くには、その圧力差を利用する方法を取った。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の接合を行う際には、フラックスを加えたろう材を５０Ｐａ以下の減圧下で３８０〜５００℃に加熱して溶融すれば良く、その接合界面にボイドを面積率で数％未満まで減らした状態で、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することができる。
【実施例】
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
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は、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３５ｍｍ×４５ｍｍ×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（Ｄｉｒｅｃｔ  Ｂｒａｚｉｎｇ  Ａｌｕｍｉｎｕｍ）であって、二枚の２５ｍｍ×３５ｍｍ×０．２ｍｍの純アルミニウム板の間に、２５ｍｍ×３５ｍｍ×０．２ｍｍのＡｌＮ板を挟んで形成されている。図２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。
【００３２】
ろう材は複数種のろう材を用い、Ｚｎ−Ａｌ系合金ろう材としては、Ａｌ濃度が５質量％のＺｎ−Ａｌ合金ろう材を用いた。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（４３４３合金）等を用いた。
【００３３】
フラックスとしては二種類のフラックスを用い、ＣｓＦ−ＡｌＦ３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。また、フラックスを用いない比較例も示す。
【００３４】
これら接合体、ろう材、フラックスを適宜選択して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の接合を行った。尚、接合雰囲気はＮ２雰囲気で、０．１ＭＰａ（大気圧）若しくは１０Ｐａ（減圧下）とし、各接合温度で１０分間保持を行った。
【００３５】
以上の方法で作製した各試験体の接合界面に残存するボイドの面積率（ボイド率）を、（株）ＧＥＮＥＳ製のＣスキャン超音波探傷装置ＧＳＩＮＩＣ  ＳＣＡＮ（型番：８Ａ×１５００ＳＲ）を用い、探触子（２２Ｍｈｚ／Ｆ７．５ｉｎｃ．）をＸ，Ｙ方向に夫々平面でスキャンさせ、欠陥を平面表示させる超音波Ｃスキャン法で測定した。具体的な探傷条件は、以下に示すとおりである。
【００３６】
探傷ピッチ：０．２ｍｍピッチ（Ｘ方向）×０．２ｍｍピッチ（Ｙ方向）
探傷方向：アルミニウム材側から接合界面に向け、Ｘ−Ｙ操作にて探傷
探傷感度：アルミニウム材同士の接合では、接合界面状況がよいと思われるエコー高さを４０％と設定し、８０％以上のエコー高さがあるものをボイドと判定した。また、アルミニウム材とアルミニウム・セラミックス複合体（ＤＢＡ）の接合では、ＤＢＡがない部分におけるアルミニウム材の基底エコー高さを４０％と設定し、８０％以上のエコー高さがあるものをボイドと判定した。
【００３７】
また、参考ではあるが、接合強度（せん断強度）も併せて測定した。このせん断強度は、図２に示すように、試料の中心部からφ１０ｍｍの円柱状の試験片をくりぬき、接合界面にせん断応力がかかるようにして負荷を付与し、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。
【００３８】
表１に試験体の作成条件と共にこれらの試験結果を示す。
【００３９】
【表１】
2011230164.tif 000003
【００４０】
試料Ｎｏ．１〜３，６はアルミニウム材同士を接合した事例であり、試料Ｎｏ．４，５，７が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事例である。また、試料Ｎｏ．２，４が適正なろう材を用いて適正な条件で接合した発明例、試料Ｎｏ．１，３，５が適正でないろう材を用いて不適正な条件で接合した比較例、試料Ｎｏ．６，７がフラックスを用いなかった比較例である。
【００４１】
アルミニウム材同士を接合した試料Ｎｏ．１〜３の試験結果によると、Ｎｏ．２の発明例では、Ａｌ濃度が５質量％のＺｎ−Ａｌ合金ろう材を用いて、適正な条件で接合したため、ボイド率が１．３％であった。これに対し、Ｎｏ．１の比較例では、５０Ｐａ以下の減圧下ではなく大気圧下で接合を行ったため、ボイド率が２４．０％、Ｎｏ．３の比較例では、純Ｚｎをろう材として用いたため、ボイド率が３０．５％と、何れもがＮｏ．２の発明例より高くなってしまった。
【００４２】
また、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Ｎｏ．４と５の試験結果によると、Ｎｏ．４の発明例では、Ａｌ濃度が５質量％のＺｎ−Ａｌ合金ろう材を用いて、適正な条件で接合したため、ボイド率が５．５％であったのに対し、Ｎｏ．５の比較例では、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（４３４３合金）を用いて、しかも６００℃という不適正な温度条件で接合を行ったため、ボイド率は６．９％となり、Ｎｏ．４の発明例より高くなってしまった。
【００４３】
尚、Ｎｏ．２の発明例でボイド率が１．３％であったのに対し、Ｎｏ．４の発明例ではボイド率が５．５％であるという試験結果は、熱膨張率に差がある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場合、熱膨張率に全く差がないアルミニウム材同士を接合した場合と比較して、接合界面に発生するボイドが多くなり、ボイド率が高くなる傾向を如実に示す結果であるということができる。
【００４４】
また、Ｎｏ．１とＮｏ．３の試験結果は、熱膨張率に全く差がないアルミニウム材同士の接合という、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より良好な条件で、フラックスを加えたろう材を用いて接合した場合であっても、不適正な条件で接合した場合、ボイド率を低減できないことを示している。
【００４５】
本実施例では、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を、Ｎｏ．１とＮｏ．３と同じ条件で行う試験こそ実施しなかったが、同条件で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を行った場合、Ｎｏ．１とＮｏ．３よりも更に高いボイド率になることは明らかである。
【００４６】
尚、Ｎｏ．６とＮｏ．７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、フラックスを加えないろう材を用いて接合した比較例であるが、フラックスを加えないろう材を用いた場合、減圧下であっても接合することができないという結果が得られた。
【００４７】
また参考ではあるが、表１には、試験で得られた接合強度（せん断強度）も併せて示す。
【符号の説明】
【００４８】
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
【図１】
2011230164.tif 000004
【図２】
2011230164.tif 000005