(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱膨張率に差がある第１の部材と第２の部材とが接合材料からなる接合層を介して接合しておりかつ熱履歴が反覆して課せられる場所で使用される接合層含有部材であって、
前記接合層は複数の接合区画が隙間をおいて配置された形状であり、かつ前記接合層はその外周域である外側領域と該外側領域より内側に位置する内側領域に区分けされており、接合区画１つ当たりの面積は、前記外側領域で最も小さく、内側領域ではより大きくされていることを特徴とする接合層含有部材。
【請求項２】
前記内側領域において、前記接合区画１つ当たりの面積が外側から内側に向けて次第に大きくなっていることを特徴とする請求項１に記載の接合層含有部材。
【請求項３】
接合材料が鉛フリーはんだであることを特徴とする請求項１または２に記載の接合層含有部材。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれかに記載の接合層含有部材の製造方法であって、前記複数の接合区画の配置パターンに応じて作成したマスクを用いて前記第１の部材およびまたは第２の部材の接合面に接合材料を塗布する工程と、マスクを除去する工程と、前記第１の部材と第２の部材とを接合する工程と、を含むことを特徴とする接合層含有部材の製造方法。
【請求項５】
請求項１〜３のいずれか記載の接合層含有部材の製造方法であって、前記第１の部材およびまたは第２の部材の接合面における、前記複数の接合区画が形成されるべき場所には接合材料が濡れやすい材料を配置し、前記隙間が形成されるべき場所には接合材料が濡れにくい材料を配置する工程と、前記接合層となるべき領域の全面に接合材料を塗布する工程と、前記第１の部材と第２の部材とを接合する工程と、を含むことを特徴とする接合層含有部材の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は接合層含有部材とその製造方法に関し、限定されないが、熱膨張差のある２つの部材を接合層としてはんだやろう材を用いて接合一体化した接合層含有部材とその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
広い面積を持つ２つの部材を、接合面となる領域にはんだやろう材のような接合材料を塗布して接合層とし、両者を接合一体化した接合層含有部材は知られている。一例として、半導体素子をはじめとする各種素子を実装するために放熱性基板に接合した回路基板などが挙げられる。また、ＨＶ車用のインバータもその一例であり、大面積である半導体素子と絶縁材と放熱材の３つの部材がはんだやろう材等の接合材で接合一体化することで形成されている。このような製品において、通常の場合、接合する各部材の熱膨張率は異なっており、繰り返して熱応力が加わると熱履歴により接合層に亀裂（クラック）が入ることがある。
【０００３】
図４は、それを模式的に示しており、図４（ａ）は試験前の状態、図４（ｂ）は試験後の状態である。広い面積を持ちかつ熱膨張率の異なる部品１（例えば絶縁材や放熱材）と部品２（例えば半導体素子）とを、部品２の面積にほぼ相当する領域に接合材料（例えばはんだ）を塗布して接合層３を形成し、両者を接合一体化して製品５とする。その製品５に繰り返し熱応力を反復して加えると、熱履歴に起因して、図４（ｂ）に示すように、接合層３の周縁部から内側に向けての領域に、図に６で示すように、クラックが発生するのを観察できる。このようなクラックが発生すると、設計時の接合強度や電気伝導性あるいは熱伝導性を維持できなくなる恐れがある。
【０００４】
熱履歴に対する信頼性を向上させる一つの解決策として、特許文献１には、セラミックス基板と金属回路板とを接合層（ろう材）を介して接合したセラミックス回路基板において、接合層の外周部を金属回路板のパターンに沿って波形形状とすることが記載されている。波形の外周形状として接合層の外周長を見かけ上で長くすることにより、セラミックス基板と金属回路板との接合端への応力集中を緩和でき、熱応力や熱サイクルに起因してセラミックス基板にクラックが発生するのを防止できる旨、記載されている。
【０００５】
【特許文献１】特開２００５−９３８０３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
前記したように、２つの部材を接合層を介して一体化した接合層含有部材において、熱履歴により接合層の外側領域にクラックが発生する場合があり、例えば、接合層含有部材が回路基板のような場合には、クラックの発生によって設計時の電気伝導性あるいは熱伝導性を維持できなくなり、製品の劣化を早めるので、回避することが望まれる。
【０００７】
従って、本発明は、２つの部材が接合層を介して一体化した接合層含有部材において、熱履歴によって接合層にクラックが発生するのを回避できるようにした接合層含有部材を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明者は、従来の接合層含有部材において、熱履歴に起因して接合層の周縁部から内側に向けてクラックが発生するのは、温度変化に伴う熱応力が、接合層の中央部では小さく外周部に行くほど大きくなること、また、接合面積が大きいほど端部（周縁部）に発生する熱応力は大きくこと、によると考えた。そして、接合層を多数の接合区画に分割し、各接合区画の１つ当たりの大きさを中心から外周に向かって次第に小さくなるようにして接合面に配置することにより、熱応力によるクラックの発生を抑制できることを実験により確認した。
【０００９】
特許文献１に記載のように、接合層の外周部を金属回路板のパターンに沿って波形形状とし、接合層の外周長を見かけ上長くすることで、セラミックス基板と金属回路板との接合端への応力集中を緩和することができても、接合層が大きな面積を有している以上、外周縁にクラックが発生するのを完全は抑制することは困難である。
【００１０】
本発明は上記の知見に基づきなされたものであり、本発明による接合層含有部材は、第１の部材に接合材料からなる接合層を介して第２の部材を接合した接合層含有部材であって、前記接合層は複数の接合区画が隙間をおいて配置された形状であり、かつ前記接合層はその外周域である外側領域と該外側領域より内側に位置する内側領域に区分けされており、接合区画１つ当たりの面積は、前記外側領域で最も小さく、内側領域ではより大きくされていることを特徴とする。
【００１１】
本発明による接合層含有部材において、接合層の内側領域は、同じ面積を持つ複数個の接合区画の集合として形成されていてもよいが、好ましくは、接合区画１つ当たりの面積が外側から内側に向けて次第に大きくされた複数個の接合区画の集合として形成されるのが好ましい。
【００１２】
本発明による接合層含有部材では、全体としては外周部に行くほど熱応力が大きくなり歪みが大きくなっても、外周側に行くほど接合区画１つ当たりの面積が小さくなっているので、接合区画１つ当たりに加わる歪みは小さく、発生する応力も小さくなる。そのために、接合層の外側領域においてクラックが発生するのを抑制することができ、結果として当該接合層含有部材の製品寿命を長くすることができる。
【００１３】
本発明は、上記の接合層含有部材を製造する第１の方法として、前記複数の接合区画の配置パターンに応じて作成したマスクを用いて前記第１の部材およびまたは第２の部材の接合面に接合材料を塗布する工程と、マスクを除去する工程と、前記第１の部材と第２の部材とを接合する工程と、を含むことを特徴とする接合層含有部材の製造方法をも開示する。
【００１４】
さらに第２の製造方法として、前記第１の部材およびまたは第２の部材の接合面における、前記複数の接合区画が形成されるべき場所には接合材料が濡れやすい材料を配置し、前記隙間が形成されるべき場所には接合材料が濡れにくい材料を配置する工程と、前記接合層となるべき領域の全面に接合材料を塗布する工程と、前記第１の部材と第２の部材とを接合する工程と、を含むことを特徴とする接合層含有部材の製造方法をも開示する。
【００１５】
上記の製造方法を採用することにより、接合面に容易に、複数の接合区画の所望の配置パターンを形成することができる。第２の方法において、接合材料としてはんだを用いる場合、濡れやすい材料としては、Ｎｉ，Ｃｕ等を例として挙げることができ、濡れにくい材料としては、Ａｌ，ＡｌＮ，Ｓｉ３Ｎ４，ＳｉＣ，Ａｌ２Ｏ３等を例として挙げることができる。全面に塗布されたはんだは、濡れにくい材料上のはんだが、濡れやすい材料が配置されている領域に移動することにより、所期どおりの接合区画の配置パターンを得ることができる。
【００１６】
本発明による接合層含有部材において、前記第１の部材と第２の部材は、熱膨張率が同じものであってもよく、異なったものでもよい。熱膨張率が異なる２つの部材の場合、熱膨張係数差によって、中心から外周に向かって大きくなるような分布の熱応力が、接合材料に加わるが、前記のように接合区画１つ当たりの面積を調整することにより、クラックの発生を効果的に抑制することができる。
【００１７】
本発明による接合層含有部材において、接合層における前記隙間が接合層の全面積に占める割合は、接合強度、電気伝導性あるいは熱伝導性等の観点から、小さい方が望ましい。しかし、小さすぎると、接合区画同士が接合してしまい、所期の目的が達成されないことが起こる。得ようとする接合層含有部材に求められる諸物性値を考慮して、最適値を設定する。本発明による接合層含有部材において、接合層が前記隙間を有する分だけ、接合層の全面が接合材料で覆われている従来の製品と比較して、接合強度、電気伝導性あるいは熱伝導性等において性能低下する。しかし、その低下は僅かであり、かつクラック発生を抑制でき設計時の諸性能を長期のわたり維持できるので、トータルとして本発明による接合層含有部材は、高い優位性を持つ。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、２つの部材が接合層を介して一体化した接合層含有部材において、熱履歴によって接合層にクラックが発生するのを回避できるようにした接合層含有部材が提供される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、本発明を実施の形態により説明する。図１は本発明による接合層含有部材の一例を示す。
【００２０】
この例で、接合層含有部材１０は、熱膨張率ａである第１の部材１１と熱膨張率ｂである第２の部材１２が、第２の部材１２とほぼ等しい面積に塗布された接合材料（はんだ等）からなる接合層１３により、接合一体化している。なお、実際の接合層含有部材１０において、接合層１３は第１の部材１１と第２の部材１２との間に存在しており、実際には目視できないが、説明の都合上、図では、見える状態に描いている。
【００２１】
接合層１３は、複数の接合区画１４，１５，１６が隙間１７をおいて配置された形状であり、この例では、一つ当たりの面積が最も小さい第１接合区画１４と、２番面に大きい第２接合区画１５と、３番面に大きい第３接合区画１６と、で形成されている。面積が最も小さい第１接合区画１４からなる群が本発明でいう接合領域の外側領域を形成し、第２接合区画１５からなる群および第３接合区画１６からなる群が内側領域を形成する。内側領域において、第２接合区画１５からなる群が外側に位置し、第３接合区画１６からなる群がその内側に位置している。
【００２２】
従って、接合層１３全体では、隙間をおいて配置された複数の接合区画１４，１５，１６が、接合層１３の外周域では１つ当たりの接合面積が最も小さく、以下、内側（中心部）に向けて次第に大きくなるようにして配されている。なお、図示の例では、第１接合区画１４からなる領域が２周にわたって配置され、その内側に、第２接合区画１５からなる領域が２周にわたって配置されて、さらに最も内側には、最も大きな接合面積である第３の接合区画１６が２列×５行の形態で配置されているが、この配置形態はあくまでも例示であって、接合領域の最外側領域で最も小さく、内側に行くに従って連続的にまたは階段状的に次第に大きくなるような配列であれば、すべて所期の目的を達することができる。
【００２３】
上記のような複数の接合区画１４，１５，１６の配置パターンを形成する方法は任意であるが、１つの方法として、図示しないが、配置パターンに応じて作成したマスクを用い、第１の部材１１およびまたは第２の部材１２の接合面にマスクを置いて、その上から接合材料を塗布した後、マスクを除去し、第１の部材１１と第２の部材１２とを接合する方法がある。
【００２４】
また、他の方法として、複数の接合区画１４，１５，１６が形成されるべき場所には、Ｎｉ，Ｃｕのような接合材料が濡れやすい材料を、また、前記隙間１７が形成されるべき場所には、ＡｌＮ，Ｓｉ３Ｎ４のような接合材料が濡れにくい材料を予めパターニングしておき、その上から、接合層１３となるべき領域の全面に接合材料を塗布する方法がある。この方法では、濡れにくい材料上のはんだが、濡れやすい材料が配置されている領域に移動していくことによって、所期どおりの配置パターンを備えた接合層１３が形成される。      
【００２５】
本発明による接合層含有部材１０は、上記のように、中央部では１つ当たりの接合面積が大きな接合区画が隙間を置いて配置され、接合領域の外周に向かって次第に接合面積が小さい接合区画がやはり隙間を置いて配置され、最外周では１つ当たりの接合面積が最も小さい接合区画が隙間をおいて配置されることから、加熱により接合層含有部材１０の全体としては、外周部に行くほど大きくなる熱応力と歪みが作用しても、接合区画１つ当たりに加わる熱応力および歪みは小さくなる。そのために、接合層１３の外側領域においてクラックが発生するのを効果的に抑制することができ、接合層含有部材１０の製品寿命を長くすることができる。
【実施例】
【００２６】
以下、実施例と比較例により本発明の有用性を説明する。
【００２７】
［実施例１］
図２（ａ）に示すように、第１の部材１１としてのＣｕＭｏ放熱板（１１０ｍｍ×１１０ｍｍ×３ｍｍ）と、第２の部材１２としてのＡｌ電極付窒化アルミ絶縁板（１０２ｍｍ×１０２ｍｍ×１．５ｍｍ）とを、はんだ材料Ｓｎ３Ａｇ０．５Ｃｕ（鉛フリー）による接合層１３により接合一体化した。マスク（不図示）を用いて、図示されるパターンで前記はんだを印刷後、窒素雰囲気中、ピーク温度２８０℃でリフローした。接合区画１つ当たりの面積は、最も外側の接合区画１４の大きさを１０ｍｍ×１０ｍｍ＝１００ｍｍ２、中間の接合区画１５の大きさを１２ｍｍ×１２ｍｍ＝１４４ｍｍ２、中央の接合区画１６の大きさを２４ｍｍ×２４ｍｍ＝５７６ｍｍ２、とした。各接合区画はほぼ等しい隙間を置いて配置した。接合層１３の全接合材面積は、７４０８ｍｍ２である。
【００２８】
［比較例］
図２（ｂ）に示すように、１００ｍｍ×１００ｍｍの領域のすべてにはんだ材料Ｓｎ３Ａｇ０．５Ｃｕ（鉛フリー）による接合層１３を形成した以外は、実施例１と同様にして接合層含有部材を作った。接合層１３の全接合材面積は、１００００ｍｍ２である。
【００２９】
［試験］
実施例品、比較例品に対して、気相冷熱サイクル試験（−４０℃〜１０５℃、最大２０００サイクル）を行った。試験の途中で、試験体を抜き取り、超音波探傷装置を用いて、発生したクラック面積を測定した。その結果を図３のグラフに示した。
【００３０】
［評価］
図３のグラフが示すように、実施例のものはクラックの発生が大幅に減少しており、本発明品の有用性が評価できる。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明による接合層含有部材の一例を示す図。
【図２】実施例の接合層含有部材（図２（ａ））と比較例の接合層含有部材（図２（ｂ））を示す図。
【図３】実施例と比較例のクラック発生面積を示すグラフ。
【図４】熱履歴により接合層含有部材の接合層に亀裂（クラック）が入ることを試験したときの模式図あり、図４（ａ）は試験前の状態、図４（ｂ）は試験後の状態である。
【符号の説明】
【００３２】
１０…接合層含有部材、１１…第１の部材、１２…第２の部材、１３…接合層、１４，１５，１６…複数の接合区画、１７…隙間
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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