(57)【要約】【課題】熱伝導率を低下させることなく、接合部におけるはんだ接合信頼性を向上する。【解決手段】はんだ接合材１１は、発泡金属材と、Ｎｉ又はＮｉ合金膜と、はんだ材とを備える。発泡金属材はＣｕ又はＣｕ合金により三次元網状多孔質に形成される。またＮｉ又はＮｉ合金膜は発泡金属材の全部又は一部の表面を被覆する。更にはんだ材はＳｎを主成分とし、このはんだ材はＮｉ又はＮｉ合金膜により被覆された発泡金属材に充填される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｃｕ又はＣｕ合金により三次元網状多孔質に形成された発泡金属材(12)と、
前記発泡金属材(12)の全部又は一部の表面を被覆するＮｉ又はＮｉ合金膜と、
前記Ｎｉ又はＮｉ合金膜により被覆された発泡金属材(12)に充填されＳｎを主成分とするはんだ材と
を備えたはんだ接合材。
【請求項２】
Ｎｉ又はＮｉ合金膜の厚さが０．０１〜５μｍである請求項１記載のはんだ接合材。
【請求項３】
発泡金属材(12)を用意する工程と、
前記発泡金属材(12)の表面をＮｉ又はＮｉ合金膜により被覆する工程と、
前記Ｎｉ又はＮｉ合金膜により被覆された発泡金属材(12)の気孔(12b)に、Ｓｎを主成分とするはんだ材を充填する工程と
を含むはんだ接合材の製造方法。
【請求項４】
発泡金属材(12)を用意する工程と、
前記発泡金属材(12)の表面をＮｉ又はＮｉ合金膜により被覆する工程と、
前記Ｎｉ又はＮｉ合金膜により被覆された発泡金属材(12)の気孔(12b)に、Ｓｎを主成分とするはんだ材を充填する工程と、
前記はんだ材が充填された発泡金属材(12)を圧延又は厚さ方向にプレスする工程と
を含むはんだ接合材の製造方法。
【請求項５】
発泡金属材(12)が、
Ｃｕ又はＣｕ合金からなる原料粉末と水溶性樹脂結合剤とを含有する水系スラリーを調製する工程と、
前記水系スラリーに、水より蒸気圧が高い非水溶性有機溶剤を混合して非水溶性有機溶剤含有スラリーを調製する工程と、
前記非水溶性有機溶剤含有スラリーにより成形体を作製する工程と、
前記成形体から前記非水溶性有機溶剤を蒸発させて前記成形体に気孔を残した後に、水を蒸発させて三次元網状多孔質の発泡構造成形体を得る工程と、
前記発泡構造成形体を脱バインダ処理した後に還元雰囲気中で焼結して発泡金属材(12)を得る工程と
を含む方法により作製された請求項３又は４記載のはんだ接合材の製造方法。
【請求項６】
Ｎｉ又はＮｉ合金膜の厚さが０．０１〜１０μｍである請求項３又は４記載のはんだ接合材の製造方法。
【請求項７】
発泡金属材(12)の表面を被覆するＮｉ又はＮｉ合金膜が、めっき法、スパッタリング法又は真空蒸着法により形成された請求項３又は４記載のハンダ接合材の製造方法。
【請求項８】
請求項１又は２記載のはんだ接合材(11)を用いたパワーモジュール基板。
【請求項９】
請求項３ないし７いずれか１項に記載の方法で製造されたはんだ接合材(11)を用いたパワーモジュール基板。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、回路及び放熱板の積層接着や、めっき層及び回路の積層接着に適したはんだ接合材及びその製造方法と、このはんだ接合材を用いたパワーモジュール基板に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、発泡金属材及びはんだ材を備え、発泡金属材が、はんだより融点が高くかつはんだ濡れ性のある金属材料により、三次元網状多孔質に形成されたはんだ接合材が開示されている（例えば、特許文献１参照。）。このはんだ接合材では、はんだ材が発泡金属材に含浸されるとともに、発泡金属材表面を被覆するように構成される。また発泡金属材はＣｕ、Ｎｉ、Ａｇ又はＦｅにより形成される。
このように構成されたはんだ接合材では、はんだ接合材の両面に接合部材をそれぞれ接合した状態で温度サイクルが作用しても、機械的強度が高い三次元網状多孔質構造を有する発泡金属材により、発泡金属材に含浸されたはんだ材への歪みの蓄積が阻止される。この結果、上記はんだ材にクラックが発生しないので、はんだ接合材の熱サイクル寿命を延すことができる。また発泡金属材に含浸されたはんだ材の熱伝導率は低いけれども、三次元網状多孔質構造の発泡金属材の熱伝導率が高いため、はんだ接合材の一方の面の熱は上記発泡金属材を通ってはんだ接合材の他方の面にスムーズに伝わる。この結果、はんだ接合材の熱伝導率を向上できるようになっている。
【特許文献１】特開２００４−２９８９６２号公報（請求項１及び２、段落［０００６］）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかし、上記従来の特許文献１に示されたはんだ接合材では、発泡金属材をＣｕにより形成し、この発泡金属材を含むはんだ接合材を用いて接合部材を接合（はんだ付け）すると、発泡金属材中のＣｕがはんだ材に溶出してしまうおそれがあった。このＣｕのはんだ材への溶出により、予め正確に調整したはんだ材の成分比（例えば、Ｓｎ−３．５Ａｇ−０．７Ｃｕ）が変化してしまうため、はんだ材の特性が変る、具体的にははんだ材の液相線温度が上昇する。このため、はんだ接合材を用いて接合部材を所定の温度、即ち接合前のはんだ材より僅かに高い温度であって上記上昇した液相線温度より低い温度で接合したときに、はんだ材の一部が固体の状態で接合されて、はんだ接合材の接合強度が低下してしまうおそれがあった。
本発明の目的は、熱伝導率を低下させることなく、接合部におけるはんだ接合信頼性を向上できる、はんだ接合材及びその製造方法並びにこれを用いたパワーモジュール基板を提供することにある。
本発明の別の目的は、はんだ材が充填された発泡金属材を圧延等することにより、厚さ精度が良好となり、はんだ材中のミクロなポアや発泡金属材及びはんだの界面の隙間などの欠陥を低減できる、はんだ接合材の製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
請求項１に係る発明は、図１及び図２に示すように、Ｃｕ又はＣｕ合金により三次元網状多孔質に形成された発泡金属材１２と、発泡金属材１２の全部又は一部の表面を被覆するＮｉ又はＮｉ合金膜と、Ｎｉ又はＮｉ合金膜により被覆された発泡金属材１２に充填されＳｎを主成分とするはんだ材とを備えたはんだ接合材である。
この請求項１に記載されたはんだ接合材では、Ｃｕ製又はＣｕ合金製の発泡金属材１２を含むはんだ接合材１１を用いて接合部材を接合すると、発泡金属材１２の全部又は一部の表面がＮｉ又はＮｉ合金膜により被覆されているため、発泡金属材１２中のＣｕがはんだ材に溶出し難くなる。このため、予め正確に調整したはんだ材の成分比が殆ど変化しないので、はんだ材の液相線温度はほぼ所定値に保たれる。この結果、このはんだ接合材１１を用いて接合部材を所定の温度、即ち接合前のはんだ材より僅かに高い温度で接合しても、はんだ材の液相線温度が殆ど変らないため、はんだ材の全てが溶融して接合部材が接合される。また発泡金属材１２に充填されたはんだ材の熱伝導率は低いけれども、三次元網状多孔質構造の発泡金属材１２の熱伝導率が高いため、はんだ接合材１１の一方の面の熱は上記発泡金属材１２を通ってはんだ接合材１１の他方の面にスムーズに伝わる。
【０００５】
請求項３に係る発明は、図１及び図２に示すように、発泡金属材１２を用意する工程と、この発泡金属材１２の表面をＮｉ又はＮｉ合金膜により被覆する工程と、このＮｉ又はＮｉ合金膜により被覆された発泡金属材１２の気孔１２ｂに、Ｓｎを主成分とするはんだ材を充填する工程とを含むはんだ接合材の製造方法である。
この請求項３に記載されたはんだ接合材の製造方法では、上記はんだ接合材１１を効率良く製造することができる。
【０００６】
請求項４に係る発明は、図１及び図２に示すように、発泡金属材１２を用意する工程と、この発泡金属材１２の表面をＮｉ又はＮｉ合金膜により被覆する工程と、このＮｉ又はＮｉ合金膜により被覆された発泡金属材１２の気孔１２ｂに、Ｓｎを主成分とするはんだ材を充填する工程と、このはんだ材が充填された発泡金属材１２を圧延又は厚さ方向にプレスする工程とを含むはんだ接合材の製造方法である。
この請求項４に記載されたはんだ接合材の製造方法では、はんだ材を発泡金属材１２に充填した後に圧延することにより、厚さ精度が良好となり、はんだ材中のミクロなポアや発泡金属材１２及びはんだの界面の隙間などの欠陥が少ないはんだ接合材が得られる。
【０００７】
請求項５に係る発明は、図１及び図２に示すように、発泡金属材１２が、Ｃｕ又はＣｕ合金からなる原料粉末と水溶性樹脂結合剤とを含有する水系スラリーを調製する工程と、この水系スラリーに、水より蒸気圧が高い非水溶性有機溶剤を混合して非水溶性有機溶剤含有スラリーを調製する工程と、この非水溶性有機溶剤含有スラリーにより成形体を作製する工程と、この成形体から非水溶性有機溶剤を蒸発させて成形体に気孔を残した後に、水を蒸発させて三次元網状多孔質の発泡構造成形体を得る工程と、この発泡構造成形体を脱バインダ処理した後に還元雰囲気中で焼結して発泡金属材１２を得る工程とを含む方法により作製されたことを特徴とする。
この請求項５に記載されたはんだ接合材の製造方法では、上記発泡金属材１２をいわゆるスラリー発泡法により効率良く製造することができる。
【０００８】
請求項８に係る発明は、請求項１又は２記載のはんだ接合材を用いたパワーモジュール基板である。
請求項９に係る発明は、請求項３ないし７いずれか１項に記載の方法で製造されたはんだ接合材を用いたパワーモジュール基板である。
この請求項８又は９に記載されたパワーモジュール基板では、パワーモジュール基板２０の接合部におけるはんだ接合信頼性を向上できるとともに、パワーモジュール基板２０の熱伝導率の低下を防止できる。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、発泡金属材をＣｕ又はＣｕ合金により三次元網状多孔質に形成し、発泡金属材の全部又は一部の表面をＮｉ又はＮｉ合金膜により被覆し、更にＮｉ又はＮｉ合金膜により被覆された発泡金属材にＳｎを主成分とするはんだ材を充填したので、このはんだ接合材を用いて接合部材を接合しても、発泡金属材中のＣｕがはんだ材に殆ど溶出しない。このため、予め正確に調整したはんだ材の成分比が殆ど変化しないので、はんだ材の液相線温度はほぼ所定値に保たれる。この結果、このはんだ接合材を用いて接合部材を所定の温度、即ち接合前のはんだ材より僅かに高い温度で接合すると、はんだ材の全てが溶融して接合部材が接合されるので、はんだ接合材の接合強度が低下するのを防止できる。
また発泡金属材に含浸されたはんだ材の熱伝導率は低いけれども、Ｃｕ製又はＣｕ合金製の発泡金属材の熱伝導率が高いため、はんだ接合材の一方の面の熱は上記発泡金属材を通ってはんだ接合材の他方の面にスムーズに伝わる。この結果、はんだ接合材の熱伝導率の低下を防止できる。
【００１０】
また用意した発泡金属材の表面にＮｉ又はＮｉ合金膜により被覆し、このＮｉ又はＮｉ合金膜により被覆された発泡金属材の気孔にＳｎを主成分とするはんだ材を充填すれば、上記はんだ接合材を効率良く製造することができる。
また用意した発泡金属材の表面にＮｉ又はＮｉ合金膜により被覆し、このＮｉ又はＮｉ合金膜により被覆された発泡金属材の気孔にＳｎを主成分とするはんだ材を充填し、更にこのはんだ材が充填された発泡金属材を圧延又は厚さ方向にプレスすれば、はんだ接合材の厚さ精度が良好となり、はんだ材中のミクロなポアや発泡金属材及びはんだの界面の隙間などの欠陥を低減できる。
またＣｕ又はＣｕ合金からなる原料粉末と水溶性樹脂結合剤とを含有する水系スラリーに非水溶性有機溶剤を混合して非水溶性有機溶剤含有スラリーを調製し、この非水溶性有機溶剤含有スラリーにより作製した成形体から非水溶性有機溶剤及び水を蒸発させて三次元網状多孔質の発泡構造成形体を作製し、この発泡構造成形体を脱バインダ処理した後に還元雰囲気中で焼結して発泡金属材を作製すれば、上記発泡金属材を効率良く製造することができる。
更に上記はんだ接合材を用いたパワーモジュール基板では、パワーモジュール基板の熱伝導率を低下させずに、パワーモジュール基板の接合部におけるはんだ接合信頼性を向上できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
次に本発明を実施するための最良の形態を図面に基づいて説明する。
図１及び図２に示すように、はんだ接合材１１は発泡金属材１２とＮｉ又はＮｉ合金膜とはんだ材とを備える。発泡金属材１２はＣｕ又はＣｕ合金により三次元網状多孔質に形成され、骨格１２ａで形成された互いに連なる気孔１２ｂとを有する（図２）。またＮｉ又はＮｉ合金膜は発泡金属材の全部又は一部の表面、具体的には発泡金属材の各骨格１２ａの全部又は一部の表面を被覆するように構成される。ここで、『Ｎｉ膜』ではなく『Ｎｉ又はＮｉ合金膜』としたのは、純粋なＮｉ膜のみならず、合金化したＮｉ膜（Ｎｉ合金膜）を含む場合があるからである。更にはんだ材はＳｎを主成分とし、Ｎｉ又はＮｉ合金膜により各骨格１２ａの全部又は一部の表面が被覆された発泡金属材１２に充填される。即ち、はんだ材は発泡金属材１２の各骨格１２ａ間の気孔１２ｂに充填される。この実施の形態では、溶融したはんだ材に発泡金属材１２を含浸することにより、はんだ材が発泡金属材１２の各骨格１２ａ間の気孔１２ｂに充填される。これにより発泡金属材１２表面に形成されたＮｉ又はＮｉ合金膜表面がはんだ材により被覆されるように構成される。ここで、発泡金属材をＣｕ又はＣｕ合金により形成したのは、Ｃｕの熱伝導率が３９８Ｗ／(ｍ・Ｋ)と極めて高いからである。また発泡金属材をＣｕ合金により形成する場合のＣｕ合金としては、Ｃｕ−Ａｇ合金、Ｃｕ−Ｚｎ合金、Ｃｕ−Ｃｒ合金、Ｃｕ−Ｃｒ−Ｚｒ合金等が挙げられる。なお、Ｎｉの熱伝導率は９０．５Ｗ／(ｍ・Ｋ)であり、はんだ（Ｓｎ−３．０Ａｇ−０．５Ｃｕ）の熱伝導率は６０Ｗ／(ｍ・Ｋ)であり、はんだ（Ｓｎ−１５．５Ｉｎ）の熱伝導率は５１Ｗ／(ｍ・Ｋ)である。
【００１２】
発泡金属材１２の互いに連なる気孔１２ｂ（図２）の平均直径は１０〜１０００μｍ、好ましくは５０〜５００μｍであり、発泡金属材１２の気孔率は２０〜９５％、好ましくは４０〜９０％である。またＮｉ又はＮｉ合金膜の厚さは０．０１〜５μｍの範囲に形成されることが好ましく、０．０５〜５μｍの範囲に形成されることが更に好ましい。ここで、気孔１２ｂの平均直径を１０〜１０００μｍに限定したのは、１０μｍ未満でははんだ接合材１１の熱伝導率が低下し、１０００μｍを超えるとはんだ接合材１１の機械的強度が低下するためである。また気孔率を２０〜９５％に限定したのは、２０％未満でははんだ材を侵入させることが難しく気泡が残るとともにパワーモジュール基板とのはんだ接合強度が低下してしまい、９５％を超えるとはんだ接合材１１の熱伝導率が低下するためである。更にＮｉ又はＮｉ合金膜の厚さを０．０１〜５μｍの範囲に限定したのは、０．０１μｍ未満では発泡金属材１２中のＣｕがはんだ材に溶出してしまい、５μｍを超えると熱伝導率が低下してしまうからである。
なお、Ｓｎを主成分とするはんだ材としては、Ｓｎ−Ｉｎ系、Ｓｎ−Ｃｕ−Ｎｉ−Ｇｅ系、Ｓｎ−Ｓｂ系、Ｓｎ−Ａｇ系、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ系、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ−Ｎｉ−Ｇｅ系、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ−Ｓｂ系等のはんだ材が挙げられる。
【００１３】
上記はんだ接合材１１の発泡金属材１２に充填されたはんだ材により、Ａｌ、Ａｌ合金、Ｃｕ、Ｃｕ合金、Ａｕ等の金属により形成された接合部材や、ＡｌＳｉＣ、Ａｌ−Ｃ、Ｃｕ−Ｃ等の複合材により形成された接合部材が積層接着される。これらの接合部材の具体例としては、図１に詳しく示すように、Ａｌ、Ａｌ合金、Ｃｕ、Ｃｕ合金、ＡｌＳｉＣ等により形成された放熱板１３や、絶縁基板１４の両面に積層接着されかつＡｌ、Ａｌ合金、Ｃｕ、Ｃｕ合金等により形成された第１及び第２回路２１，２２や、半導体素子１６の裏面に形成されたＡｕめっき等のめっき層１６ａが挙げられる。なお、図１に示す基板２０はパワーモジュール基板であるが、本発明のはんだ接合材１１はパワーモジュール基板２０のみならず、金属ベース基板、厚膜基板等の積層接着に用いることができる。また図１の符号１７，１７はＡｌ−Ｓｉ系等のろう材層であり、符号１８はグリース１９により放熱板１３に積層されたＡｌ冷却器である。このＡｌ冷却器１８には冷却気体又は冷却液体が通る通路１８ａが形成される。
【００１４】
このように構成されたはんだ接合材１１の製造法を説明する。
先ず原料粉末と水溶性樹脂結合剤とを含有する通常のシート成形用の水系スラリーを調製する。上記原料粉末としては、Ｃｕ又はＣｕ合金の粉末が用いられ、その原料粉末の平均粒径は１〜５００μｍの範囲が好ましく、より好ましくは５〜２０μｍである。次いで上記水系スラリーに、水より蒸気圧が高い非水溶性有機溶剤，水溶性樹脂結合剤，可塑剤及び水と必要に応じて界面活性剤を混合して、非水溶性有機溶剤含有スラリーを調製する。このスラリーは発泡剤となる非水溶性有機溶剤を含有している点を除けば、通常のシート成形法に用いる水系スラリーと同じである。非水溶性有機溶剤は蒸気圧が水より高ければ特に制限されないが、好ましいのは炭素数５〜８の炭化水素系溶剤である。その具体例としては、ネオペンタン，ヘキサン，イソヘキサン，ヘプタン，イソヘプタン，オクタン，ベンゼン，トルエン等が挙げられる。
【００１５】
界面活性剤は特に制限されず、食器洗い用の中性洗剤でもよい。水溶性樹脂結合剤の例としては、メチルセルロース，ヒドロキシプロピルメチルセルロース，ヒドロキシエチルメチルセルロース，カルボキシメチルセルロースアンモニウム，エチルセルロース，ポリビニルアルコール等がある。可塑剤は必要に応じて使用すればよく、多価アルコール，油脂，エーテル，エステルから選ぶことができる。具体例としては、ポリエチレングリコール，オリーブ油，石油エーテル，フタル酸ジノルマルブチル，ソルビタンモノオレート，グリセリン等がある。上記各成分の配合割合は、原料粉末が５〜８０重量％、非水溶性有機溶剤が０．０５〜１０重量％、水溶性樹脂結合剤が０．５〜２０重量％、界面活性剤が０．０５〜１０重量％、可塑剤が１５重量％以下（ゼロでもよい。）、残りが水となることが好ましい。
【００１６】
上記非水溶性有機溶剤含有スラリーをよく混合して、公知のドクタブレード法やスリップキャスティング法等のシート成形法によりシート状の成形体を作製する。この成形体を大気中５〜４０℃で３０〜１８０分間保持すると、水が蒸発するより先に、水より蒸気圧が高い非水溶性有機溶剤が気化して蒸発する。例えば、非水溶性有機溶剤が上記の炭化水素系溶剤である場合には、５℃以上の温度でこの有機溶剤の蒸発が起こる。上記保持温度は、水の蒸発が急激に起こらないように、比較的低温、例えば４０℃以下であることが好ましい。蒸発する溶剤はスラリー中に分散して閉じ込められていたため、これが気化する際の体積膨張により溶剤蒸発後には成形体に大きな気孔が残る。水も蒸発させて乾燥が終了すると、大きな気孔が多数形成された三次元網状多孔質構造体が得られる。この大きな気孔は原料粉末の粒径より著しく大きいが、大きさは比較的よく揃っている。この構造体は樹脂結合剤と可塑剤を含むため、気孔率が大きくても、ハンドリング可能な強度を有する。
【００１７】
この構造体を乾燥させてグリーンシートである発泡構造成形体を作製し、この発泡構造成形体を還元雰囲気中で脱バインダ処理した後に還元雰囲気中で焼結すると、焼結後も三次元網状多孔質構造を有する発泡金属体が得られる。なお焼結前に、焼結温度より低温に加熱してシートから有機物（例えば、結合剤，可塑剤，界面活性剤）を除去する脱脂を行ってもよい。焼結後に得られた発泡金属材１２は骨格１２ａを形成している原料粉末の粒径より著しく大きな気孔１２ｂ（大径気孔群）が多数存在し、三次元網状多孔質構造になっている（図２）。この大径気孔群に加えて、骨格１２ａ自体が原料粉末の焼成により形成された多孔質体であるため小さい気孔（小径気孔群）が多数存在する。この発泡金属材１２の作製方法は一般的にスラリー発泡法と呼ばれる。
【００１８】
次に上記発泡金属材１２の各骨格１２ａにＮｉ又はＮｉ合金膜を形成する。ここで『Ｎｉ膜』ではなく『Ｎｉ又はＮｉ合金膜』としたのは、Ｎｉ膜中にリンやボロン等の不純物を含んでＮｉが合金化する場合があるからである。このＮｉ又はＮｉ合金膜は、めっき法、スパッタリング法、真空蒸着法、ＣＶＤ法などを用いて形成することが好ましい。例えば、電解めっき法を用いてＮｉ又はＮｉ合金膜を形成する場合には、図３に示すように、所定のめっき液３１をめっき浴槽３２に貯留し、このめっき液３１に、陰極として発泡金属材１２と、陽極としてニッケル板３３とを所定の間隔をあけて浸し、この状態で電源３４を用いて発泡金属材１２とニッケル板３３に直流電流を流すことにより、発泡金属材１２の各骨格１２ａの表面に好ましくは０．０１〜１０μｍの厚さ、更に好ましくは０．１〜１μｍの厚さのＮｉ又はＮｉ合金膜を形成する。上記めっき液３１は硝酸ニッケルと塩化アンモニウムとホウ酸とを所定の割合、例えば硝酸ニッケル：塩化アンモニウム：ホウ酸＝１０：１：１の割合で混合することにより調製される。めっき液３１のｐＨは５．８〜６．２に調整され、めっき液３１の温度は２０〜３０℃に調整されることが好ましい。更に上記直流電流の電流密度と、この直流電流の流す時間は、上記Ｎｉ又はＮｉ合金膜の厚さに応じて適宜調整されるが、電流密度は０．５〜１．０Ａ／ｄｍ2の範囲で調整され、直流電流を流す時間は１０秒〜８時間、好ましくは２分〜４５分間の範囲で調整される。なお、無電解めっきの例としては、無電解ニッケル−リン合金めっきが挙げられる。
【００１９】
更に各骨格１２ａの全部又は一部の表面がＮｉ又はＮｉ合金膜により被覆された発泡金属材１２を、Ｓｎ−Ｉｎ系、Ｓｎ−Ｃｕ−Ｎｉ−Ｇｅ系、Ｓｎ−Ｓｂ系、Ｓｎ−Ａｇ系、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ系、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ−Ｎｉ−Ｇｅ系、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ−Ｓｂ系等のはんだの溶融したはんだ溶融槽に浸漬する。これにより発泡金属材１２の多数の気孔１２ｂにはんだ材が侵入して充填されるとともに、発泡金属材１２の各骨格１２ａの全部又は一部の表面を被覆するＮｉ又はＮｉ合金膜表面が更にはんだ材により被覆されて、はんだ接合材１１（図１）が得られる。
なお、はんだ材を浸漬する前の三次元網状多孔質構造体を圧延又は厚さ方向にプレスすると、構造体の嵩密度を任意に制御することができる。
またはんだ材が充填された発泡金属材を圧延又は厚さ方向にプレスしてもよい。この場合、はんだ接合材の厚さ精度が良好となり、はんだ材中のミクロなポアや発泡金属材及びはんだの界面の隙間などの欠陥を低減できる。上記圧延又は厚さ方向へのプレスによる圧下率は０．５〜４０％、好ましくは０．５〜１０％に設定される。圧下率がこの上限値を越えると、材質によっては発泡金属材の骨格が破断し、熱伝導率が低下するなど所望の特性が得られない。上記「圧下率」は、圧延等による加工度を示す尺度であり、圧延等の前の厚さをｈ１とし、圧延等の後の厚さをｈ２とするとき、［（ｈ１−ｈ２）／ｈ１］×１００（％）で示される。
【００２０】
このように製造されたはんだ接合材１１では、Ｃｕ製又はＣｕ合金製の発泡金属材１２を含むはんだ接合材１１を用いて接合部材を接合しても、発泡金属材１２の各骨格１２ａの全部又は一部の表面がＮｉ又はＮｉ合金膜により被覆されているため、発泡金属材１２中のＣｕがはんだ材に殆ど溶出しない。このため、予め正確に調整したはんだ材の成分比が殆ど変化しないので、はんだ材の液相線温度はほぼ所定値に保たれる。この結果、このはんだ接合材１１を用いて接合部材を所定の温度、即ち接合前のはんだ材より僅かに高い温度、例えば、５〜５０℃高い温度で接合しても、はんだ材の液相線温度が殆ど変らないため、はんだ材の一部が固体の状態で接合部材が接合されることはなく、はんだ材の全てが溶融して接合部材が接合される。従って、接合部におけるはんだ接合信頼性を向上できる。
また発泡金属材１２の気孔１２ｂに侵入して充填されたはんだ材の熱伝導率は低いけれども、Ｃｕ製又はＣｕ合金製の発泡金属材１２の熱伝導率が高いため、半導体素子１６で発生した熱は上側のはんだ接合材１１の発泡金属材１２を通って第１回路２１にスムーズに伝わり、更に絶縁基板１４、第２回路２２及び下側のはんだ接合材１１の発泡金属材１２を通って放熱板１３にスムーズに伝わる。この結果、半導体素子１６の過熱を防止できる。
【００２１】
なお、この実施の形態では、いわゆるスラリー発泡法を用いて発泡金属材を作製したが、めっき法やスペースホルダー法などを用いて発泡金属材を作製してもよい。
また、この実施の形態では、溶融したはんだ材に発泡金属材を含浸することにより発泡金属材の気孔にはんだ材を充填したが、トレーに入れたはんだ材の粉末に発泡金属材を埋めた状態で振動を付与して、はんだ材の粉末を発泡金属材の気孔に充填した後に、はんだ材の粉末を溶かすことにより、はんだ材の気孔にはんだ材を充填してもよく、或いはハンダ材の粉末を充填するのではなく、はんだ材のペーストを充填してもよい。
【実施例】
【００２２】
次に本発明の実施例を比較例とともに詳しく説明する。
＜実施例１＞
先ず原料粉末として８０重量％のＣｕ粉末と、非水溶性有機溶剤として２重量％のヘキサンと、界面活性剤として２重量％の中性洗剤と、水溶性樹脂結合剤として１０重量％のメチルセルロースと、可塑剤として３重量％のグリセリンと、３重量％の水とを混合して、非水溶性有機溶剤を含有する水系スラリーを調製し、ドクタブレード法により厚さ０．１ｍｍの成形体を形成した。
次いで上記成形体を、温度及び湿度がそれぞれ４０℃及び９５％である雰囲気中に２時間保持した。この間に成形体中の非水溶性有機溶剤であるヘキサンが気化してガスとなり、成形体中に微細でかつ寸法の揃った気孔が多数形成され、厚さが０．４ｍｍの三次元網状多孔質構造体を得た。この構造体を、ヒータ温度が１５０℃に設定された遠赤外線乾燥機に入れて水分を蒸発させて乾燥させてグリーンシートである発泡構造成形体を得た。この発泡構造成形体を、還元雰囲気中で５００℃に１時間保持して脱バインダ処理を行った後に、還元雰囲気中で９００℃に３時間保持して焼結した。これにより気孔の平均直径が３００μｍでありかつ気孔率が９５％である三次元網状多孔質構造を有する発泡金属材を作製した。そしてこの発泡金属材を圧延して、厚さが０．１ｍｍであり、気孔率が８０％である発泡金属材を得た。
【００２３】
次に上記発泡金属材にＮｉめっきを施した。具体的には、図３に示すように、１５０ｇ／リットルの硝酸ニッケルと、１５ｇ／リットルの塩化アンモニウムと、１５ｇ／リットルのホウ酸とを混合してめっき液３１を調製した後に、このめっき液３１のｐＨ及び温度をそれぞれ６及び２５℃に調整して、めっき浴槽３２に貯留した。このめっき浴槽３２内のめっき液３１に、陰極として縦４０ｍｍ、横４０ｍｍ、厚さ０．１ｍｍのシート状の発泡金属材１２と、陽極として縦４０ｍｍ、横４０ｍｍ、厚さ１．０ｍｍのニッケル板３３とを所定の間隔をあけて浸した。この状態で電源３４を用いて発泡金属材１２とニッケル板３３に電流密度０．５Ａ／ｄｍ2の直流電流を３０秒間流すことにより、発泡金属材１２の各骨格の表面に厚さ０．０１μｍのＮｉ又はＮｉ合金膜を形成した。
更に上記各骨格がＮｉ又はＮｉ合金膜により被覆された発泡金属材をＳｎ−３．０Ａｇ−０．５Ｃｕはんだ（熱伝導率：６０Ｗ／(ｍ・Ｋ)）の溶融したはんだ溶融槽に浸漬し、各骨格がＮｉ又はＮｉ合金膜で被覆された発泡金属材の多数の気孔にはんだ材を侵入させて充填するとともに、Ｎｉ又はＮｉ合金膜の全部又は一部の表面を更にはんだ材により被覆することにより、厚さ約０．１ｍｍのはんだ接合材を得た。このはんだ接合材を実施例１とした。なお、上記発泡金属材を走査型電子顕微鏡で撮影した写真を図２に示す。
【００２４】
＜実施例２＞
はんだ材としてＳｎ−３．０Ａｇ−０．５Ｃｕはんだ（熱伝導率：６０Ｗ／(ｍ・Ｋ)）を用い、はんだ材充填前のＮｉ又はＮｉ合金膜の厚さが０．０５μｍであったことを除いて、実施例１と同様にして厚さ０．１ｍｍのはんだ接合材を作製した。このはんだ接合材を実施例２とした。
＜実施例３＞
はんだ材としてＳｎ−３．０Ａｇ−０．５Ｃｕはんだ（熱伝導率：６０Ｗ／(ｍ・Ｋ)）を用い、はんだ材充填前のＮｉ又はＮｉ合金膜の厚さが１．５μｍであったことを除いて、実施例１と同様にして厚さ０．１ｍｍのはんだ接合材を作製した。このはんだ接合材を実施例３とした。
＜実施例４＞
はんだ材としてＳｎ−３．０Ａｇ−０．５Ｃｕはんだ（熱伝導率：６０Ｗ／(ｍ・Ｋ)）を用い、はんだ材充填前のＮｉ又はＮｉ合金膜の厚さが１０μｍであったことを除いて、実施例１と同様にして厚さ０．１ｍｍのはんだ接合材を作製した。このはんだ接合材を実施例４とした。
【００２５】
＜実施例５＞
はんだ材としてＳｎ−１５．５Ｉｎはんだ（熱伝導率：５１Ｗ／(ｍ・Ｋ)）を用い、はんだ材充填前のＮｉ又はＮｉ合金膜の厚さが０．０１μｍであったことを除いて、実施例１と同様にして厚さ０．１ｍｍのはんだ接合材を作製した。このはんだ接合材を実施例５とした。
＜実施例６＞
はんだ材としてＳｎ−１５．５Ｉｎはんだ（熱伝導率：５１Ｗ／(ｍ・Ｋ)）を用い、はんだ材充填前のＮｉ又はＮｉ合金膜の厚さが０．０５μｍであったことを除いて、実施例１と同様にして厚さ０．１ｍｍのはんだ接合材を作製した。このはんだ接合材を実施例６とした。
＜実施例７＞
はんだ材としてＳｎ−１５．５Ｉｎはんだ（熱伝導率：５１Ｗ／(ｍ・Ｋ)）を用い、はんだ材充填前のＮｉ又はＮｉ合金膜の厚さが１．５μｍであったことを除いて、実施例１と同様にして厚さ０．１ｍｍのはんだ接合材を作製した。このはんだ接合材を実施例７とした。
＜実施例８＞
はんだ材としてＳｎ−１５．５Ｉｎはんだ（熱伝導率：５１Ｗ／(ｍ・Ｋ)）を用い、はんだ材充填前のＮｉ又はＮｉ合金膜の厚さが１０μｍであったことを除いて、実施例１と同様にして厚さ０．１ｍｍのはんだ接合材を作製した。このはんだ接合材を実施例８とした。
【００２６】
＜実施例９＞
はんだ材としてＳｎ−３．０Ａｇ−０．５Ｃｕはんだ（熱伝導率：６０Ｗ／(ｍ・Ｋ)）を用い、はんだ材充填前のＮｉ又はＮｉ合金膜の厚さが０．００５μｍであったことを除いて、実施例１と同様にして厚さ０．１ｍｍのはんだ接合材を作製した。このはんだ接合材を実施例９とした。
＜実施例１０＞
はんだ材としてＳｎ−３．０Ａｇ−０．５Ｃｕはんだ（熱伝導率：６０．４Ｗ／(ｍ・Ｋ)）を用い、はんだ材充填前のＮｉ又はＮｉ合金膜の厚さが１５μｍであったことを除いて、実施例１と同様にして厚さ０．１ｍｍのはんだ接合材を作製した。このはんだ接合材を実施例１０とした。
＜実施例１１＞
はんだ材としてＳｎ−１５．５Ｉｎはんだ（熱伝導率：５１Ｗ／(ｍ・Ｋ)）を用い、はんだ材充填前のＮｉ又はＮｉ合金膜の厚さが０．００５μｍであったことを除いて、実施例１と同様にして厚さ０．１ｍｍのはんだ接合材を作製した。このはんだ接合材を実施例１１とした。
＜実施例１２＞
はんだ材としてＳｎ−１５．５Ｉｎはんだ（熱伝導率：５１Ｗ／(ｍ・Ｋ)）を用い、はんだ材充填前のＮｉ又はＮｉ合金膜の厚さが１５μｍであったことを除いて、実施例１と同様にして厚さ０．１ｍｍのはんだ接合材を作製した。このはんだ接合材を実施例１２とした。
【００２７】
＜比較例１＞
発泡金属材の各骨格の表面をＮｉ又はＮｉ合金膜で被覆せずに直接はんだ材（Ｓｎ−３．０Ａｇ−０．５Ｃｕはんだ（熱伝導率：６０Ｗ／(ｍ・Ｋ)））で被覆したことを除いて、実施例１と同様にして厚さ０．１ｍｍのはんだ接合材を作製した。このはんだ接合材を比較例１とした。
＜比較例２＞
発泡金属材の各骨格の表面をＮｉ又はＮｉ合金膜で被覆せずに直接はんだ材（Ｓｎ−１５．５Ｉｎはんだ（熱伝導率：５１Ｗ／(ｍ・Ｋ)））で被覆したことを除いて、実施例１と同様にして厚さ０．１ｍｍのはんだ接合材を作製した。このはんだ接合材を比較例２とした。
【００２８】
＜比較試験及び評価＞
実施例１〜１２と比較例１及び２のはんだ接合材の熱伝導率をレーザフラッシュ法により測定した。具体的には、先ず実施例１〜１２と比較例１及び２のはんだ接合材の表面をパルスレーザで加熱し、このときのはんだ接合材の裏面での温度応答を赤外線検出器によりそれぞれ検出した。次にこの赤外線検出器にて検出された温度応答の曲線を解析することにより、はんだ接合材の熱伝導率を導出した。
また実施例１〜１２と比較例１及び２のはんだ接合材を用いて２枚の銅板をはんだ付けし、このはんだ付けした２枚の銅板の接合強度を次の方法で測定した。先ず厚さ１ｍｍ、幅１０ｍｍの２枚の銅板を用意し、これらの銅板のクリアランスが０．１ｍｍとなり、接合面積が３０ｍｍ2（３ｍｍ×１０ｍｍの長方形）となるように、２枚の銅板ではんだ接合材を挟持した。次に上記はんだ接合材を挟持した２枚の銅板を水素還元雰囲気炉に入れ、表１に示した温度にてはんだ接合材を溶融させることにより接合した。この接合した２枚の銅板を２００℃の高温環境下で引張って接合強度を測定した。
【００２９】
更に実施例１〜１２と比較例１及び２のはんだ接合材をそれぞれ２枚重ねて厚さ０．２ｍｍとした後に、縦×横が２３ｍｍ×２３ｍｍの正方形状に切出したものを用いて、はんだ接合材のクラック進展率を測定した。具体的には、Ｃｕ放熱板上に上記はんだ接合材を介してＤＢＣ基板を載せて積層体を作製した。ここでＣｕ放熱板の縦×横×厚さは５０ｍｍ×５０ｍｍ×３ｍｍであった。またＤＢＣ基板とは、Ａｌ2Ｏ3基板（縦×横×厚さが２５ｍｍ×２５ｍｍ×０．６３５ｍｍ）の上面及び下面に銅板（縦×横×厚さが２３ｍｍ×２３ｍｍ×０．３ｍｍ）をＤＢＣ（Direct Bonding Copper）法にてそれぞれ直接接合した、いわゆるセラミック回路基板である。上記積層体を水素還元炉に入れて、２００℃に昇温してこの温度に５分間保持した後に、３００〜３２０℃の間の所定の温度まで昇温してこの温度に５分間保持することにより、はんだ接合材を溶融してＤＢＣ基板とＣｕ放熱板との接合体を作製した。このＤＢＣ基板とＣｕ放熱板との接合体について、−４０℃から１２５℃までの昇温及び１２５℃から−４０℃までの降温を１サイクルとする冷熱サイクル試験を１０００回行った。上記接合体のはんだ接合材のクラック面積率を超音波映像探査装置を用いてクラック進展エリアの面積を測定した。このクラック進展エリアの面積をはんだ接合面積で除した値をクラック進展率として算出した。
上記はんだ接合材の熱伝導率と接合強度とクラック進展率を、発泡金属材の厚さ及び気孔率と、Ｎｉ又はＮｉ合金膜の厚さと、はんだ材の材質と、はんだ接合材の接合温度とともに表１に示す。
【００３０】
【表１】
2008200728.tif 000003
表１から明らかなように、比較例１及び２のはんだ接合材では、熱伝導率が１０８〜１１３Ｗ／(ｍ・Ｋ)であったのに対し、実施例１〜１２のはんだ接合材では、熱伝導率が１００〜１０８Ｗ／(ｍ・Ｋ)であり、比較例１及び２のはんだ接合材と同等であった。また比較例１及び２では、接合強度が３２０〜３８０ＭＰａと低かったのに対し、実施例１〜１２では、接合強度が４００〜５９０ＭＰａと高くなった。更に比較例１及び２では、クラック進展率が４０〜４６％と高かったのに対し、実施例１〜１２では、クラック進展率が３〜２０％と低くなった。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明実施形態のはんだ接合材を含むパワーモジュール基板の縦断面図である。
【図２】はんだ接合材の発泡金属材の走査型電子顕微鏡写真図である。
【図３】発泡金属材の各骨格の表面に電解めっき法によりＮｉ又はＮｉ合金膜を形成するための装置の構成図である。
【符号の説明】
【００３２】
１１  はんだ接合材
１２  発泡金属材
１２ｂ  気孔
２０  パワーモジュール基板
【図１】
2008200728.tif 000004
【図３】
2008200728.tif 000005
【図２】
2008200728.tif 000006