絶縁積層材のろう付方法
【課題】絶縁板と金属層との剥離を防止しうるとともにコストの安い絶縁積層材のろう付方法を提供する。
【解決手段】絶縁積層材のろう付方法は、パワーモジュール用ベースにおける絶縁積層材としての絶縁回路基板４と応力緩和部材８とのろう付に適用される。絶縁回路基板４は、絶縁板５、絶縁板５の一面に形成されたアルミニウム製配線層、および絶縁板５の他面に形成されたアルミニウム製伝熱層７とからなる。絶縁回路基板４の伝熱層７をＡｌ−Ｍｇ合金で形成し、伝熱層７の周囲に、溶融したフラックスと反応して溶融フラックスの流れを止めるフラックス流動防止物を存在させておく。この状態で、絶縁回路基板４の伝熱層７と応力緩和部材８とを、フラックスを使用して炉中でろう付する。伝熱層７をＡｌ−Ｍｇ合金で形成しておき、伝熱層７の周面7aの表層部をフラックスと反応させる。
【解決手段】絶縁積層材のろう付方法は、パワーモジュール用ベースにおける絶縁積層材としての絶縁回路基板４と応力緩和部材８とのろう付に適用される。絶縁回路基板４は、絶縁板５、絶縁板５の一面に形成されたアルミニウム製配線層、および絶縁板５の他面に形成されたアルミニウム製伝熱層７とからなる。絶縁回路基板４の伝熱層７をＡｌ−Ｍｇ合金で形成し、伝熱層７の周囲に、溶融したフラックスと反応して溶融フラックスの流れを止めるフラックス流動防止物を存在させておく。この状態で、絶縁回路基板４の伝熱層７と応力緩和部材８とを、フラックスを使用して炉中でろう付する。伝熱層７をＡｌ−Ｍｇ合金で形成しておき、伝熱層７の周面7aの表層部をフラックスと反応させる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は絶縁積層材のろう付方法に関し、さらに詳しくは、絶縁板および絶縁板の少なくとも片面に設けられた金属層よりなる絶縁積層材を金属部材にろう付する方法に関する。
【０００２】
この明細書において、「アルミニウム」という用語には、「純アルミニウム」と表現する場合を除いて、純アルミニウムの他にアルミニウム合金を含むものとする。
【背景技術】
【０００３】
たとえばIGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor）などの半導体素子からなるパワーデバイスを備えたパワーモジュールにおいては、半導体素子から発せられる熱を効率良く放熱して、半導体素子の温度を所定温度以下に保つ必要がある。そこで、従来、パワーデバイスを実装するパワーモジュール用ベースとして、セラミックス製絶縁板、絶縁板の一面に形成されたアルミニウム製配線層（金属層）、および絶縁板の他面に形成されたアルミニウム製伝熱層（金属層）からなる絶縁回路基板（絶縁積層材）と、絶縁回路基板の伝熱層がろう付されたアルミニウム製放熱部材と、放熱部材における絶縁回路基板にろう付された側と反対側の面にろう付されかつ内部に冷却液流路が形成されたアルミニウム製ヒートシンクとからなるものが提案されている（特許文献１参照）。
【０００４】
特許文献１記載のパワーモジュール用ベースにおいては、絶縁回路基板の配線層上にパワーデバイスが実装されてパワーモジュールとして用いられる。そして、パワーデバイスから発せられた熱は、配線層、絶縁板、伝熱層および放熱部材を経てヒートシンクに伝えられ、冷却液流路内を流れる冷却液に放熱されるようになっている。
【０００５】
ところで、特許文献１記載のパワーモジュール用ベースにおいては、絶縁回路基板の伝熱層と放熱部材とのろう付は、真空雰囲気中で行われている（特許文献１の段落００２３参照）。しかしながら、真空雰囲気中で行う真空ろう付は、コストが高くなるという問題がある。
【０００６】
そこで、フラックスを使用する一般的な炉中ろう付法により、絶縁回路基板の伝熱層と放熱部材とのろう付を行うことが考えられる。この方法では、フラックスを放熱部材に塗布しておくことが一般的である。しかしながら、フラックスを使用する炉中ろう付法により、絶縁回路基板の伝熱層と放熱部材とのろう付を行う場合、溶融したフラックスが絶縁回路基板の伝熱層の周面に沿って絶縁板側に流れて絶縁板と伝熱層との界面の周縁に至り、その結果溶融フラックスが絶縁板と伝熱層との界面に悪影響を及ぼして、絶縁板と伝熱層とが剥離するという問題がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００３−８６７４４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
この発明の目的は、上記問題を解決し、絶縁板と金属層との剥離を防止しうるとともにコストの安い絶縁積層材のろう付方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、上記目的を達成するために以下の態様からなる。
【００１０】
1)絶縁板および絶縁板の少なくとも片面に設けられた金属層よりなる絶縁積層材の金属層を金属部材にろう付する方法であって、
金属部材にろう付される絶縁積層材の金属層の周囲に、溶融したフラックスと反応して溶融フラックスの流れを止めるフラックス流動防止物を存在させておき、フラックスを使用して炉中でろう付することを特徴とする絶縁積層材のろう付方法。
【００１１】
2)絶縁積層材の金属層をＡｌ−Ｍｇ合金で形成しておき、当該金属層の周面の表層部をフラックス侵入防止物として機能させる上記1)記載の絶縁積層材のろう付方法。
【００１２】
3)絶縁積層材の金属層を形成するＡｌ−Ｍｇ合金が、Ｍｇ０．００５〜０．２質量％を含み、残部Ａｌおよび不可避不純物からなる上記2)記載の絶縁積層材のろう付方法。
【００１３】
4)絶縁積層材の金属層の周面に沿って、金属層とは別個に形成されたＡｌ−Ｍｇ合金からなるフラックス流動防止物、金属層とは別個に形成されたＭｇ合金からなるフラックス流動防止物、および金属層とは別個に形成されたＭｇ化合物からなるフラックス流動防止物のうちの少なくとも１つを存在させておく上記1)記載の絶縁積層材の製造方法。
【００１４】
5)フラックス流動防止物が箔または線材であり、当該箔または線材を金属層の周囲に配置しておく上記4)記載の絶縁積層材の製造方法。
【００１５】
6)フラックス流動防止物が粒子状であり、当該粒子状フラックス流動防止物とバインダとの混合物を金属層の周面に塗布しておく上記4)記載の絶縁積層材の製造方法。
【００１６】
7)Ａｌ−Ｍｇ合金が、Ｍｇ０．００５〜０．２質量％を含み、残部Ａｌおよび不可避不純物からなる上記4)〜6)のうちのいずれかに記載の絶縁積層材のろう付方法。
【００１７】
8)Ｍｇ合金が、Ｍｇを９０質量％以上含む上記4)〜6)のうちのいずれかに記載の絶縁積層材のろう付方法。
【００１８】
9)Ｍｇ化合物が、ＦおよびＫのうちの少なくとも１つを含む上記4)〜6)のうちのいずれかに記載の絶縁積層材のろう付方法。
【００１９】
10)絶縁積層材の絶縁板の周縁部が、金属部材にろう付される金属層よりも外方に張り出しており、絶縁板における当該外方張り出し部における金属部材側を向いた面に沿ってフラックス流動防止物を配置しておく上記1)〜9)のうちのいずれかに記載の絶縁積層材のろう付方法。
【００２０】
11)絶縁積層材の両面に金属層が設けられており、金属部材にろう付される金属層とは反対側の金属層の周囲に、溶融したフラックスと反応して溶融フラックスの流れを止めるフラックス流動防止物を存在させておく上記1)〜10)のうちのいずれかに記載の絶縁積層材のろう付方法。
【００２１】
12)フラックスとしてＫＡｌＦ４を用いる上記1)〜11)のうちのいずれかに記載の絶縁積層材のろう付方法。
【００２２】
13)絶縁板および絶縁板の両面に金属層が設けられた絶縁積層材と、絶縁積層材の一方の金属層がろう付されたヒートシンクとを備えた放熱装置であって、
絶縁積層材の一方の金属層とヒートシンクとが、上記1)〜12)のうちのいずれかに記載の方法によりろう付されており、ヒートシンクにろう付された金属層の周面に、フラックスとフラックス侵入防止物との反応物が残存している放熱装置。
【００２３】
14)絶縁板および絶縁板の両面に金属層が設けられた絶縁積層材と、絶縁積層材の一方の金属層がろう付された応力緩和部材と、応力緩和部材における絶縁積層材の一方の金属層とろう付された面とは反対側の面がろう付されたヒートシンクとを備えた放熱装置であって、
絶縁積層材の一方の金属層と応力緩和部材とが、上記1)〜12)のうちのいずれかに記載の方法によりろう付されており、応力緩和部材にろう付された金属層の周面に、フラックスとフラックス侵入防止物との反応物が残存している放熱装置。
【００２４】
15)フラックスとフラックス侵入防止物との反応物が、ＫＭｇＦ３、ＭｇＦ２、Ｋ２ＭｇＦ４およびＡｌＦ３の少なくとも１つからなる上記13)または14)記載の放熱装置。
【発明の効果】
【００２５】
上記1)〜12)の絶縁積層材のろう付方法によれば、溶融したフラックスと反応して溶融フラックスの流れを止めるフラックス流動防止物を、金属部材にろう付される金属層の周囲に存在させておくので、フラックス流動防止物が溶融フラックスと反応することにより、溶融フラックスの流れを止められ、溶融フラックスが金属層の周面に沿って絶縁板と金属層の界面まで流れることが防止される。したがって、溶融フラックスが絶縁板と伝熱層との界面に悪影響を及ぼすことがなくなり、絶縁積層材の絶縁板と金属層との剥離が防止される。
【００２６】
上記2)および3)の絶縁積層材のろう付方法によれば、絶縁積層材の金属層と別個にフラックス流動防止物を形成する必要がない。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】この発明の方法によりろう付された絶縁回路基板および応力緩和部材を備えたパワーモジュール用ベースにパワーデバイスが実装されることにより構成されたパワーモジュールを示す垂直断面図である。
【図２】図１のパワーモジュールに用いられている応力緩和部材の斜視図である。
【図３】図１のパワーモジュール用ベースの絶縁回路基板と応力緩和部材とのろう付方法の他の実施形態を示す部分拡大垂直断面図である。
【図４】図１のパワーモジュール用ベースの絶縁回路基板と応力緩和部材とのろう付方法のさらに他の実施形態を示す部分拡大垂直断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
以下、この発明の実施形態を、図面を参照して説明する。この実施形態は、この発明によるろう付方法を、パワーモジュール用ベースにおける絶縁積層材としての絶縁回路基板と、応力緩和部材とのろう付に適用したものである。なお、以下の説明において、図１の上下を上下というものとする。
【００２９】
図１はパワーモジュールの全体構成を示し、図２は応力緩和部材を示す。
【００３０】
図１において、パワーモジュール(1)は、パワーモジュール用ベース(2)と、パワーモジュール用ベース(2)に実装されたパワーデバイス(3)とよりなる。
【００３１】
パワーモジュール用ベース(2)は、方形のセラミックス製絶縁板(5)、絶縁板(5)の上面に形成された方形のアルミニウム製配線層(6)、および絶縁板(5)の下面に形成された方形のアルミニウム製伝熱層(7)（金属層）からなる絶縁回路基板(4)（絶縁積層材）と、絶縁回路基板(4)の伝熱層(7)がろう付されたアルミニウム製応力緩和部材(8)と、応力緩和部材(8)における絶縁回路基板(4)にろう付された側と反対側の面にろう付されたアルミニウム製ヒートシンク(9)とからなる。
【００３２】
絶縁回路基板(4)の絶縁板(5)は、必要とされる絶縁特性、熱伝導率および機械的強度を満たしていれば、どのようなセラミックから形成されていてもよいが、たとえばＡｌＮ、Ａｌ２Ｏ３、Ｓｉ３Ｎ４などにより形成される。配線層(6)は、導電性に優れたアルミニウム、銅などの金属により形成されるが、電気伝導率が高く、変形能が高く、しかも半導体素子とのはんだ付け性に優れた純度の高い純アルミニウムにより形成されていることが好ましい。伝熱層(7)は、熱伝導性に優れたアルミニウム、ここではＭｇ０．００５〜０．２質量％を含み、残部Ａｌおよび不可避不純物からなるＡｌ−Ｍｇ合金により形成されている。配線層(6)および伝熱層(7)の大きさは同一であるとともに、絶縁板(5)よりも小さくなっており、絶縁板(5)の周縁寄りの部分は配線層(6)および伝熱層(7)の周縁から外側に張り出している。張り出し部を(5a)で示す。
【００３３】
応力緩和部材(8)は、図２に示すように、両面にろう材層を有するアルミニウムブレージングシートからなり、複数の円形貫通穴(11)が千鳥配置状に形成されている。
【００３４】
ヒートシンク(9)は、複数の冷却流体通路(12)が並列状に設けられた扁平中空状であり、熱伝導性に優れるとともに、軽量であるアルミニウムにより形成されていることが好ましい。冷却流体としては、液体および気体のいずれを用いてもよい。
【００３５】
パワーデバイス(3)は、絶縁回路基板(4)の配線層(6)上にはんだ付けされており、これによりパワーモジュール用ベース(2)に実装されている。パワーデバイス(3)から発せられる熱は、配線層(6)、絶縁板(5)、伝熱層(7)および応力緩和部材(8)を経てヒートシンク(9)に伝えられ、冷却流体通路(12)内を流れる冷却流体に放熱されるようになっている。
【００３６】
パワーモジュール用ベース(2)は、絶縁回路基板(4)と応力緩和部材(8)とヒートシンク(9)とを一括してろう付することによりつくられる。
【００３７】
絶縁回路基板(4)と応力緩和部材(8)とヒートシンク(9)とのろう付方法は、次の通りである。
【００３８】
まず、絶縁板(5)の一面に配線層(6)が形成されるとともに、他面に伝熱層(7)が形成された絶縁回路基板(4)と、応力緩和部材(8)と、ヒートシンク(9)とを用意する。ここで、Ｍｇ０．００５〜０．２質量％を含み、残部Ａｌおよび不可避不純物からなるＡｌ−Ｍｇ合金により形成されている伝熱層(7)の周面(7a)の表層部が、溶融したフラックスと反応して溶融フラックスの流れを止めるフラックス流動防止物となっている。伝熱層(7)を形成するＡｌ−Ｍｇ合金において、Ｍｇ含有量を０．００５〜０．２質量％としたのは、Ｍｇ含有量が少ないとフラックスとの反応による溶融フラックスの流れを止める効果が十分ではなく、多すぎると応力緩和部材(8)とのろう付性が低下するとともに、熱伝導性が低下するおそれがあるからである。Ｍｇ含有量は０．０１〜０．１５質量％であることが好ましい。
【００３９】
ついで、ヒートシンク(9)上に応力緩和部材(8)を配置するとともに、応力緩和部材(8)にフッ化物系のフラックス、たとえばＫＡｌＦ４の懸濁液を塗布した後、応力緩和部材(8)上に絶縁回路基板(4)を配置する。
【００４０】
その後、ヒートシンク(9)、応力緩和部材(8)および絶縁回路基板(4)を適当な手段で仮止めし、不活性ガス雰囲気、たとえば窒素ガス雰囲気とされた炉中において、適当な温度に適当な時間加熱し、ヒートシンク(9)と応力緩和部材(8)、および応力緩和部材(8)と絶縁回路基板(4)の伝熱層(7)をろう付する。こうして、パワーモジュール用ベース(2)が製造される。
【００４１】
ヒートシンク(9)、応力緩和部材(8)および絶縁回路基板(4)を加熱した際に、溶融したフラックスが絶縁回路基板(4)の伝熱層(7)の周面(7a)に流れてくるが、伝熱層(7)の周面(7a)の表層部がフラックス侵入防止物として機能し、伝熱層(7)に含まれるＭｇとフラックスとが、たとえば
３Ｍｇ＋２ＫＡｌＦ４→２ＫＭｇＦ３＋ＭｇＦ２＋２Ａｌ・・・(a)
という反応を起こす。したがって、溶融フラックスの流れが止められることになり、溶融フラックスが伝熱層(7)の周面(7a)に沿って伝熱層(7)と絶縁板(5)との界面まで流れることが防止される。その結果、溶融フラックスが絶縁板(5)と伝熱層(7)との界面に悪影響を及ぼすことがなくなって、絶縁回路基板(4)の絶縁板(5)と伝熱層(7)との剥離が防止される。
【００４２】
そして、伝熱層(7)の周面(7a)には、フラックスとフラックス侵入防止物との反応物であるＫＭｇＦ３およびＭｇＦ２という反応生成物（図示略）が残存する。
【００４３】
図３は、パワーモジュール用ベースの絶縁回路基板と応力緩和部材とのろう付方法の他の実施形態を示す。
【００４４】
まず、絶縁板(5)、配線層(6)および導電性に優れたアルミニウム、銅などの金属により形成され伝熱層(15)を有する絶縁回路基板(4)を用意する。絶縁回路基板(4)の伝熱層(15)は、電気伝導率が高く、変形能が高く、しかも半導体素子とのはんだ付け性に優れた純度の高い純アルミニウムにより形成されていることが好ましい。
【００４５】
ついで、ヒートシンク(9)上に応力緩和部材(8)を配置するとともに、応力緩和部材(8)にフッ化物系のフラックス、たとえばＫＡｌＦ４の懸濁液を塗布した後、応力緩和部材(8)上に絶縁回路基板(4)を配置する。
【００４６】
また、絶縁回路基板(4)の伝熱層(15)の周面(15a)に沿って、溶融したフラックスと反応して溶融フラックスの流れを止めるフラックス流動防止物からなり、かつ伝熱層(15)とは別個に形成された箔(16)を配置する。箔(16)を形成するフラックス流動防止物としては、Ａｌ−Ｍｇ合金、Ｍｇ合金またはＭｇ化合物が用いられる。箔(16)を形成するフラックス流動防止物の量は、伝熱層(15)の周面(15a)の単位面積当たり０．１〜２０ｇ／ｍ２であることが好ましい。フラックス流動防止物の量が少ないとフラックスとの反応による溶融フラックスの流れを止める効果が十分ではなく、多すぎるとコストが高くなるおそれがあるからである。
【００４７】
Ａｌ−Ｍｇ合金としては、図１に示す絶縁回路基板(4)の伝熱層(7)と同様に、Ｍｇ０．００５〜０．２質量％を含み、残部Ａｌおよび不可避不純物からなるものが用いられる。Ｍｇ合金としては、Ｍｇを９０質量％以上含むものが用いられる。Ｍｇ合金中のＭｇ含有量が９０質量％未満であると、不純物量が過剰になり、加工性が低下したり、応力緩和部材(8)と伝熱層(15)とのろう付性が低下したりするおそれがある。Ｍｇ化合物としては、ＭｇＦ２、ＫＭｇＦ３などのＦおよびＫのうちの少なくとも１つを含むものが用いられる。
【００４８】
その後、ヒートシンク(9)、応力緩和部材(8)および絶縁回路基板(4)を適当な手段で仮止めし、不活性ガス雰囲気、たとえば窒素ガス雰囲気とされた炉中において、適当な温度に適当な時間加熱し、ヒートシンク(9)と応力緩和部材(8)、および応力緩和部材(8)と絶縁回路基板(4)の伝熱層(15)(7)をろう付する。こうして、パワーモジュール用ベース(2)が製造される。
【００４９】
ヒートシンク(9)、応力緩和部材(8)および絶縁回路基板(4)を加熱した際に、溶融したフラックスが絶縁回路基板(4)の伝熱層(15)の周面(15a)に流れてくるが、箔(16)を構成するフラックス侵入防止物とフラックスとが反応を起こす。したがって、溶融フラックスの流れが止められることになり、溶融フラックスが伝熱層(15)の周面(15a)に沿って伝熱層(15)と絶縁板(5)との界面まで流れることが防止される。その結果、溶融フラックスが絶縁板(5)と伝熱層(15)との界面に悪影響を及ぼすことがなくなって、絶縁回路基板(4)の絶縁板(5)と伝熱層(15)との剥離が防止される。
【００５０】
箔(16)を形成するフラックス流動防止物としてＡｌ−Ｍｇ合金を用いる場合のフラックスとの反応は、上記式(a)の通りである。
【００５１】
箔(16)を形成するフラックス流動防止物としてＭｇ化合物を用いる場合、フラックスとは、次の反応を起こす。
【００５２】
ＭｇＦ２＋ＫＡｌＦ４→ＫＭｇＦ３＋ＡｌＦ３・・・(b)
ＫＭｇＦ３＋ＫＡｌＦ４→Ｋ２ＭｇＦ４＋ＡｌＦ３・・・(c)
箔(16)を形成するフラックス流動防止物としてＭｇ合金を用いる場合、フラックスとは、次の反応を起こす。
【００５３】
３Ｍｇ＋２ＫＡｌＦ４→２ＫＭｇＦ３＋ＭｇＦ２＋２Ａｌ・・・(d)
したがって、溶融フラックスの流れが止められることになり、溶融フラックスが伝熱層(15)の周面(15a)に沿って伝熱層(15)と絶縁板(5)との界面まで流れることが防止される。その結果、溶融フラックスが絶縁板(5)と伝熱層(15)との界面に悪影響を及ぼすことがなくなって、絶縁回路基板(4)の絶縁板(5)と伝熱層(15)との剥離が防止される。
【００５４】
そして、伝熱層(15)の周面(15a)には、フラックスとフラックス侵入防止物との反応物である２ＫＭｇＦ３、ＭｇＦ２、ＫＭｇＦ３、ＡｌＦ３、Ｋ２ＭｇＦ４などの反応生成物（図示略）が残存する。
【００５５】
図４は、パワーモジュール用ベースの絶縁回路基板と応力緩和部材とのろう付方法のさらに他の実施形態を示す。
【００５６】
図４に示す方法においては、フラックス流動防止物からなる箔(16)の代わりに、絶縁回路基板(4)の伝熱層(15)の周面(15a)に沿って、溶融したフラックスと反応して溶融フラックスの流れを止めるフラックス流動防止物からなり、かつ伝熱層(15)とは別個に形成された線材(20)を配置する。その他は、図３に示す方法と同様である。線材(20)は、箔(16)と同様な材料からなり、箔(16)と同様にして溶融フラックスと反応を起こす。
【００５７】
さらに、図３および図４に示すパワーモジュール用ベースの絶縁回路基板と応力緩和部材とのろう付方法において、フラックス流動防止物からなる箔(16)または線材(20)の代わりに、伝熱層(15)の周面(15a)に、粒子状のフラックス流動防止物を付着させておいてもよい。フラックス流動防止物としては、ＭｇＦ２、ＫＭｇＦ３などのＦ、ＫおよびＡｌのうちの少なくとも１つを含むＭｇ化合物が用いられる。伝熱層(15)の周面(15a)に付着させる粒子状フラックス流動防止物の量は、伝熱層(15)の周面(15a)の単位面積当たり０．１〜２０ｇ／ｍ２であることが好ましい。フラックス流動防止物の量が少ないとフラックスとの反応による溶融フラックスの流れを止める効果が十分ではなく、多すぎるとコストが高くなるおそれがあるからである。
【００５８】
粒子状フラックス流動防止物は、バインダと混合して塗布することにより伝熱層(15)の周面(15a)に付着させられる。ここで、粒子状フラックス流動防止物の平均粒径は３〜１００μｍ程度であることが好ましい。また、バインダとしてはアクリル系のものが用いられる。粒子状フラックス流動防止物とバインダとの混合比は、粒子状フラックス流動防止物１００重量部に対して、バインダ３０〜３００重量部とすることが好ましい。
【００５９】
上記において、絶縁回路基板(4)の伝熱層(7)(15)は応力緩和部材(8)にろう付されているが、応力緩和部材(8)は必ずしも必要とせず、絶縁回路基板(4)の伝熱層(7)(15)が直接ヒートシンク(9)にろう付されていてもよい。
【００６０】
次に、この発明の具体的実施例を比較例とともに述べる。
【００６１】
実施例１
厚みが０．６ｍｍの窒化アルミニウム製絶縁板(5)と、純度９９．９９wt％の純アルミニウムからなり、かつ絶縁板(5)の一面に形成された厚みが０．６ｍｍの配線層(6)と、純度９９．９９wt％の純アルミニウムからなり、かつ絶縁板(5)の他面に形成された厚みが０．６ｍｍの伝熱層(15)とよりなる絶縁回路基板(4)を用意した。また、アルミニウム製ヒートシンク(9)と、両面にろう材層が設けられ、かつ複数の円形貫通穴(11)が形成されたアルミニウムブレージングシート製応力緩和部材(8)とを用意した。
【００６２】
ついで、ヒートシンク(9)上に応力緩和部材(8)を配置するとともに、応力緩和部材(8)にＫＡｌＦ４の懸濁液を、ＫＡｌＦ４の付着量が５ｇ／ｍ２となるように塗布した。ＫＡｌＦ４の塗布は、ＫＡｌＦ４を水に懸濁させた懸濁液をスプレーで塗布することにより行った。
【００６３】
ついで、応力緩和部材(8)上に絶縁回路基板(4)を配置し、絶縁回路基板(4)の伝熱層(15)の周囲に、Ａｌ３質量％、Ｚｎ１質量％を含み、残部Ｍｇおよび不可避不純物からなるＭｇ合金で形成され、かつ伝熱層(15)とは別個に形成された箔(16)を配置した。箔(16)を形成するフラックス流動防止物の量は、伝熱層(15)の周面(15a)の単位面積当たり１０ｇ／ｍ２とした。なお、上記Ｍｇ合金中のＭｇ含有量は当然のことながら９０質量％以上である。
【００６４】
その後、ヒートシンク(9)、応力緩和部材(8)および絶縁回路基板(4)を適当な手段で仮止めし、窒素ガス雰囲気とされた炉中において、６００℃に５分間加熱し、ヒートシンク(9)と応力緩和部材(8)、および応力緩和部材(8)と絶縁回路基板(4)の伝熱層(15)をろう付した。
【００６５】
ろう付後の伝熱層(15)の周面(15a)には、ＭｇＦ２、ＫＭｇＦ３、Ｋ２ＭｇＦ４が残存していた。
【００６６】
実施例２
フラックス流動防止物として、粒子状のＭｇＦ２を使用し、粒子状ＭｇＦ２をアクリル系バインダと混合して塗布することによって、伝熱層(15)の周面(15a)に付着させた。フラックス流動防止物の量は、伝熱層(15)の周面(15a)の単位面積当たり１０ｇ／ｍ２とした。その他は、上記実施例１と同様な条件で、ヒートシンク(9)と応力緩和部材(8)、および応力緩和部材(8)と絶縁回路基板(4)の伝熱層(15)をろう付した。
【００６７】
ろう付後の伝熱層(15)の周面(15a)には、ＫＭｇＦ３およびＡｌＦ３が残存していた。
【００６８】
実施例３
フラックス侵入防止物として、粒子状のＫＭｇＦ３を使用し、粒子状ＫＭｇＦ３をアクリル系バインダと混合して塗布することによって、伝熱層(15)の周面(15a)に付着させた。フラックス流動防止物の量は、伝熱層(15)の周面(15a)の単位面積当たり１０ｇ／ｍ２とした。その他は、上記実施例１と同様な条件で、ヒートシンク(9)と応力緩和部材(8)、および応力緩和部材(8)と絶縁回路基板(4)の伝熱層(15)をろう付した。
【００６９】
ろう付後の伝熱層(15)の周面(15a)には、Ｋ２ＭｇＦ４およびＡｌＦ３が残存していた。
【００７０】
実施例４
フラックス侵入防止物として、Ｍｇ０．１質量％を含み、残部Ａｌおよび不可避不純物よりなるＡｌ−Ｍｇ合金からなり、かつ伝熱層(15)とは別個に形成された箔(16)を配置した。箔(16)を形成するフラックス流動防止物の量は、伝熱層(15)の周面(15a)の単位面積当たり１０ｇ／ｍ２とした。その他は、上記実施例１と同様な条件で、ヒートシンク(9)と応力緩和部材(8)、および応力緩和部材(8)と絶縁回路基板(4)の伝熱層(15)をろう付した。
【００７１】
ろう付後の伝熱層(15)の周面(15a)には、ＫＭｇＦ３およびＭｇＦ２が残存していた。
【００７２】
実施例５
絶縁回路基板(4)として、厚みが０．６ｍｍの窒化アルミニウム製絶縁板(5)と、純度９９．９９wt％の純アルミニウムで形成された厚みが０．６ｍｍの配線層(6)と、Ｍｇ０．０１質量％を含み、残部Ａｌおよび不可避不純物よりなるＡｌ−Ｍｇ合金で形成された厚みが０．６ｍｍの伝熱層(7)を有するものを用いた。
【００７３】
そして、伝熱層(7)の周囲にフラックス流動防止物を配置しなかったことを除いては上記実施例１と同様な条件で、ヒートシンク(9)と応力緩和部材(8)、および応力緩和部材(8)と絶縁回路基板(4)の伝熱層(7)をろう付した。
【００７４】
ろう付後の伝熱層(15)の周面(15a)には、ＫＭｇＦ３およびＭｇＦ２が残存していた。
【００７５】
実施例６
絶縁回路基板(4)の厚みが０．６ｍｍである伝熱層(7)を、Ｍｇ０．００２質量％を含み、残部Ａｌおよび不可避不純物よりなるＡｌ−Ｍｇ合金で形成しておいた。
【００７６】
その他は、上記実施例５と同様な条件で、ヒートシンク(9)と応力緩和部材(8)、および応力緩和部材(8)と絶縁回路基板(4)の伝熱層(15)をろう付した。
【００７７】
ろう付後の伝熱層(15)の周面(15a)には、ＫＭｇＦ３およびＭｇＦ２が残存していた。
【００７８】
比較例
絶縁回路基板の伝熱層の周囲にフラックス流動防止物を配置しなかったことを除いては、上記実施例１と同様な条件で、ヒートシンク(9)と応力緩和部材(8)、および応力緩和部材(8)と絶縁回路基板(4)の伝熱層(15)をろう付した。なお、当然のことながら、伝熱層(15)はフラックス流動防止物として機能するＡｌ−Ｍｇ合金で形成されていない。
【００７９】
評価試験
応力緩和部材(8))にろう付された絶縁回路基板(4)を観察し、伝熱層(7)(15)の絶縁板(5)からの剥離の有無および剥離が生じた場合の剥離量を調べた。剥離量は、伝熱層(7)(15)の周縁部からの剥離の距離を測定した。その結果を表１に示す。なお、実施例１〜６においては、表１に、用いたフラックス流動防止物の種類も記入した。
【表１】
【００８０】
表１の評価の欄において、○は、伝熱層(7)(15)の絶縁板(5)からの剥離が認められなかったものを示し、△は、剥離量（伝熱層(7)(15)の周縁部からの剥離距離）が１００μｍ未満のもとを示し、×は、剥離量（伝熱層(7)(15)の周縁部からの剥離距離）が１００μｍのものを示す。
【産業上の利用可能性】
【００８１】
この発明による積層絶縁材のろう付方法は、パワーデバイスが実装されてパワーモジュールとされるパワモジュール用ベースの製造に適用される。
【符号の説明】
【００８２】
(4)：絶縁回路基板（絶縁積層材）
(5)：絶縁板
(6)：配線層（金属層）
(7)(15)：伝熱層（金属層）
(7a)(15a)：周面
(8)：応力緩和部材（金属部材）
(16)：フラックス流動防止物からなる箔
(20)：フラックス流動防止物からなる線材
【技術分野】
【０００１】
この発明は絶縁積層材のろう付方法に関し、さらに詳しくは、絶縁板および絶縁板の少なくとも片面に設けられた金属層よりなる絶縁積層材を金属部材にろう付する方法に関する。
【０００２】
この明細書において、「アルミニウム」という用語には、「純アルミニウム」と表現する場合を除いて、純アルミニウムの他にアルミニウム合金を含むものとする。
【背景技術】
【０００３】
たとえばIGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor）などの半導体素子からなるパワーデバイスを備えたパワーモジュールにおいては、半導体素子から発せられる熱を効率良く放熱して、半導体素子の温度を所定温度以下に保つ必要がある。そこで、従来、パワーデバイスを実装するパワーモジュール用ベースとして、セラミックス製絶縁板、絶縁板の一面に形成されたアルミニウム製配線層（金属層）、および絶縁板の他面に形成されたアルミニウム製伝熱層（金属層）からなる絶縁回路基板（絶縁積層材）と、絶縁回路基板の伝熱層がろう付されたアルミニウム製放熱部材と、放熱部材における絶縁回路基板にろう付された側と反対側の面にろう付されかつ内部に冷却液流路が形成されたアルミニウム製ヒートシンクとからなるものが提案されている（特許文献１参照）。
【０００４】
特許文献１記載のパワーモジュール用ベースにおいては、絶縁回路基板の配線層上にパワーデバイスが実装されてパワーモジュールとして用いられる。そして、パワーデバイスから発せられた熱は、配線層、絶縁板、伝熱層および放熱部材を経てヒートシンクに伝えられ、冷却液流路内を流れる冷却液に放熱されるようになっている。
【０００５】
ところで、特許文献１記載のパワーモジュール用ベースにおいては、絶縁回路基板の伝熱層と放熱部材とのろう付は、真空雰囲気中で行われている（特許文献１の段落００２３参照）。しかしながら、真空雰囲気中で行う真空ろう付は、コストが高くなるという問題がある。
【０００６】
そこで、フラックスを使用する一般的な炉中ろう付法により、絶縁回路基板の伝熱層と放熱部材とのろう付を行うことが考えられる。この方法では、フラックスを放熱部材に塗布しておくことが一般的である。しかしながら、フラックスを使用する炉中ろう付法により、絶縁回路基板の伝熱層と放熱部材とのろう付を行う場合、溶融したフラックスが絶縁回路基板の伝熱層の周面に沿って絶縁板側に流れて絶縁板と伝熱層との界面の周縁に至り、その結果溶融フラックスが絶縁板と伝熱層との界面に悪影響を及ぼして、絶縁板と伝熱層とが剥離するという問題がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００３−８６７４４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
この発明の目的は、上記問題を解決し、絶縁板と金属層との剥離を防止しうるとともにコストの安い絶縁積層材のろう付方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、上記目的を達成するために以下の態様からなる。
【００１０】
1)絶縁板および絶縁板の少なくとも片面に設けられた金属層よりなる絶縁積層材の金属層を金属部材にろう付する方法であって、
金属部材にろう付される絶縁積層材の金属層の周囲に、溶融したフラックスと反応して溶融フラックスの流れを止めるフラックス流動防止物を存在させておき、フラックスを使用して炉中でろう付することを特徴とする絶縁積層材のろう付方法。
【００１１】
2)絶縁積層材の金属層をＡｌ−Ｍｇ合金で形成しておき、当該金属層の周面の表層部をフラックス侵入防止物として機能させる上記1)記載の絶縁積層材のろう付方法。
【００１２】
3)絶縁積層材の金属層を形成するＡｌ−Ｍｇ合金が、Ｍｇ０．００５〜０．２質量％を含み、残部Ａｌおよび不可避不純物からなる上記2)記載の絶縁積層材のろう付方法。
【００１３】
4)絶縁積層材の金属層の周面に沿って、金属層とは別個に形成されたＡｌ−Ｍｇ合金からなるフラックス流動防止物、金属層とは別個に形成されたＭｇ合金からなるフラックス流動防止物、および金属層とは別個に形成されたＭｇ化合物からなるフラックス流動防止物のうちの少なくとも１つを存在させておく上記1)記載の絶縁積層材の製造方法。
【００１４】
5)フラックス流動防止物が箔または線材であり、当該箔または線材を金属層の周囲に配置しておく上記4)記載の絶縁積層材の製造方法。
【００１５】
6)フラックス流動防止物が粒子状であり、当該粒子状フラックス流動防止物とバインダとの混合物を金属層の周面に塗布しておく上記4)記載の絶縁積層材の製造方法。
【００１６】
7)Ａｌ−Ｍｇ合金が、Ｍｇ０．００５〜０．２質量％を含み、残部Ａｌおよび不可避不純物からなる上記4)〜6)のうちのいずれかに記載の絶縁積層材のろう付方法。
【００１７】
8)Ｍｇ合金が、Ｍｇを９０質量％以上含む上記4)〜6)のうちのいずれかに記載の絶縁積層材のろう付方法。
【００１８】
9)Ｍｇ化合物が、ＦおよびＫのうちの少なくとも１つを含む上記4)〜6)のうちのいずれかに記載の絶縁積層材のろう付方法。
【００１９】
10)絶縁積層材の絶縁板の周縁部が、金属部材にろう付される金属層よりも外方に張り出しており、絶縁板における当該外方張り出し部における金属部材側を向いた面に沿ってフラックス流動防止物を配置しておく上記1)〜9)のうちのいずれかに記載の絶縁積層材のろう付方法。
【００２０】
11)絶縁積層材の両面に金属層が設けられており、金属部材にろう付される金属層とは反対側の金属層の周囲に、溶融したフラックスと反応して溶融フラックスの流れを止めるフラックス流動防止物を存在させておく上記1)〜10)のうちのいずれかに記載の絶縁積層材のろう付方法。
【００２１】
12)フラックスとしてＫＡｌＦ４を用いる上記1)〜11)のうちのいずれかに記載の絶縁積層材のろう付方法。
【００２２】
13)絶縁板および絶縁板の両面に金属層が設けられた絶縁積層材と、絶縁積層材の一方の金属層がろう付されたヒートシンクとを備えた放熱装置であって、
絶縁積層材の一方の金属層とヒートシンクとが、上記1)〜12)のうちのいずれかに記載の方法によりろう付されており、ヒートシンクにろう付された金属層の周面に、フラックスとフラックス侵入防止物との反応物が残存している放熱装置。
【００２３】
14)絶縁板および絶縁板の両面に金属層が設けられた絶縁積層材と、絶縁積層材の一方の金属層がろう付された応力緩和部材と、応力緩和部材における絶縁積層材の一方の金属層とろう付された面とは反対側の面がろう付されたヒートシンクとを備えた放熱装置であって、
絶縁積層材の一方の金属層と応力緩和部材とが、上記1)〜12)のうちのいずれかに記載の方法によりろう付されており、応力緩和部材にろう付された金属層の周面に、フラックスとフラックス侵入防止物との反応物が残存している放熱装置。
【００２４】
15)フラックスとフラックス侵入防止物との反応物が、ＫＭｇＦ３、ＭｇＦ２、Ｋ２ＭｇＦ４およびＡｌＦ３の少なくとも１つからなる上記13)または14)記載の放熱装置。
【発明の効果】
【００２５】
上記1)〜12)の絶縁積層材のろう付方法によれば、溶融したフラックスと反応して溶融フラックスの流れを止めるフラックス流動防止物を、金属部材にろう付される金属層の周囲に存在させておくので、フラックス流動防止物が溶融フラックスと反応することにより、溶融フラックスの流れを止められ、溶融フラックスが金属層の周面に沿って絶縁板と金属層の界面まで流れることが防止される。したがって、溶融フラックスが絶縁板と伝熱層との界面に悪影響を及ぼすことがなくなり、絶縁積層材の絶縁板と金属層との剥離が防止される。
【００２６】
上記2)および3)の絶縁積層材のろう付方法によれば、絶縁積層材の金属層と別個にフラックス流動防止物を形成する必要がない。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】この発明の方法によりろう付された絶縁回路基板および応力緩和部材を備えたパワーモジュール用ベースにパワーデバイスが実装されることにより構成されたパワーモジュールを示す垂直断面図である。
【図２】図１のパワーモジュールに用いられている応力緩和部材の斜視図である。
【図３】図１のパワーモジュール用ベースの絶縁回路基板と応力緩和部材とのろう付方法の他の実施形態を示す部分拡大垂直断面図である。
【図４】図１のパワーモジュール用ベースの絶縁回路基板と応力緩和部材とのろう付方法のさらに他の実施形態を示す部分拡大垂直断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
以下、この発明の実施形態を、図面を参照して説明する。この実施形態は、この発明によるろう付方法を、パワーモジュール用ベースにおける絶縁積層材としての絶縁回路基板と、応力緩和部材とのろう付に適用したものである。なお、以下の説明において、図１の上下を上下というものとする。
【００２９】
図１はパワーモジュールの全体構成を示し、図２は応力緩和部材を示す。
【００３０】
図１において、パワーモジュール(1)は、パワーモジュール用ベース(2)と、パワーモジュール用ベース(2)に実装されたパワーデバイス(3)とよりなる。
【００３１】
パワーモジュール用ベース(2)は、方形のセラミックス製絶縁板(5)、絶縁板(5)の上面に形成された方形のアルミニウム製配線層(6)、および絶縁板(5)の下面に形成された方形のアルミニウム製伝熱層(7)（金属層）からなる絶縁回路基板(4)（絶縁積層材）と、絶縁回路基板(4)の伝熱層(7)がろう付されたアルミニウム製応力緩和部材(8)と、応力緩和部材(8)における絶縁回路基板(4)にろう付された側と反対側の面にろう付されたアルミニウム製ヒートシンク(9)とからなる。
【００３２】
絶縁回路基板(4)の絶縁板(5)は、必要とされる絶縁特性、熱伝導率および機械的強度を満たしていれば、どのようなセラミックから形成されていてもよいが、たとえばＡｌＮ、Ａｌ２Ｏ３、Ｓｉ３Ｎ４などにより形成される。配線層(6)は、導電性に優れたアルミニウム、銅などの金属により形成されるが、電気伝導率が高く、変形能が高く、しかも半導体素子とのはんだ付け性に優れた純度の高い純アルミニウムにより形成されていることが好ましい。伝熱層(7)は、熱伝導性に優れたアルミニウム、ここではＭｇ０．００５〜０．２質量％を含み、残部Ａｌおよび不可避不純物からなるＡｌ−Ｍｇ合金により形成されている。配線層(6)および伝熱層(7)の大きさは同一であるとともに、絶縁板(5)よりも小さくなっており、絶縁板(5)の周縁寄りの部分は配線層(6)および伝熱層(7)の周縁から外側に張り出している。張り出し部を(5a)で示す。
【００３３】
応力緩和部材(8)は、図２に示すように、両面にろう材層を有するアルミニウムブレージングシートからなり、複数の円形貫通穴(11)が千鳥配置状に形成されている。
【００３４】
ヒートシンク(9)は、複数の冷却流体通路(12)が並列状に設けられた扁平中空状であり、熱伝導性に優れるとともに、軽量であるアルミニウムにより形成されていることが好ましい。冷却流体としては、液体および気体のいずれを用いてもよい。
【００３５】
パワーデバイス(3)は、絶縁回路基板(4)の配線層(6)上にはんだ付けされており、これによりパワーモジュール用ベース(2)に実装されている。パワーデバイス(3)から発せられる熱は、配線層(6)、絶縁板(5)、伝熱層(7)および応力緩和部材(8)を経てヒートシンク(9)に伝えられ、冷却流体通路(12)内を流れる冷却流体に放熱されるようになっている。
【００３６】
パワーモジュール用ベース(2)は、絶縁回路基板(4)と応力緩和部材(8)とヒートシンク(9)とを一括してろう付することによりつくられる。
【００３７】
絶縁回路基板(4)と応力緩和部材(8)とヒートシンク(9)とのろう付方法は、次の通りである。
【００３８】
まず、絶縁板(5)の一面に配線層(6)が形成されるとともに、他面に伝熱層(7)が形成された絶縁回路基板(4)と、応力緩和部材(8)と、ヒートシンク(9)とを用意する。ここで、Ｍｇ０．００５〜０．２質量％を含み、残部Ａｌおよび不可避不純物からなるＡｌ−Ｍｇ合金により形成されている伝熱層(7)の周面(7a)の表層部が、溶融したフラックスと反応して溶融フラックスの流れを止めるフラックス流動防止物となっている。伝熱層(7)を形成するＡｌ−Ｍｇ合金において、Ｍｇ含有量を０．００５〜０．２質量％としたのは、Ｍｇ含有量が少ないとフラックスとの反応による溶融フラックスの流れを止める効果が十分ではなく、多すぎると応力緩和部材(8)とのろう付性が低下するとともに、熱伝導性が低下するおそれがあるからである。Ｍｇ含有量は０．０１〜０．１５質量％であることが好ましい。
【００３９】
ついで、ヒートシンク(9)上に応力緩和部材(8)を配置するとともに、応力緩和部材(8)にフッ化物系のフラックス、たとえばＫＡｌＦ４の懸濁液を塗布した後、応力緩和部材(8)上に絶縁回路基板(4)を配置する。
【００４０】
その後、ヒートシンク(9)、応力緩和部材(8)および絶縁回路基板(4)を適当な手段で仮止めし、不活性ガス雰囲気、たとえば窒素ガス雰囲気とされた炉中において、適当な温度に適当な時間加熱し、ヒートシンク(9)と応力緩和部材(8)、および応力緩和部材(8)と絶縁回路基板(4)の伝熱層(7)をろう付する。こうして、パワーモジュール用ベース(2)が製造される。
【００４１】
ヒートシンク(9)、応力緩和部材(8)および絶縁回路基板(4)を加熱した際に、溶融したフラックスが絶縁回路基板(4)の伝熱層(7)の周面(7a)に流れてくるが、伝熱層(7)の周面(7a)の表層部がフラックス侵入防止物として機能し、伝熱層(7)に含まれるＭｇとフラックスとが、たとえば
３Ｍｇ＋２ＫＡｌＦ４→２ＫＭｇＦ３＋ＭｇＦ２＋２Ａｌ・・・(a)
という反応を起こす。したがって、溶融フラックスの流れが止められることになり、溶融フラックスが伝熱層(7)の周面(7a)に沿って伝熱層(7)と絶縁板(5)との界面まで流れることが防止される。その結果、溶融フラックスが絶縁板(5)と伝熱層(7)との界面に悪影響を及ぼすことがなくなって、絶縁回路基板(4)の絶縁板(5)と伝熱層(7)との剥離が防止される。
【００４２】
そして、伝熱層(7)の周面(7a)には、フラックスとフラックス侵入防止物との反応物であるＫＭｇＦ３およびＭｇＦ２という反応生成物（図示略）が残存する。
【００４３】
図３は、パワーモジュール用ベースの絶縁回路基板と応力緩和部材とのろう付方法の他の実施形態を示す。
【００４４】
まず、絶縁板(5)、配線層(6)および導電性に優れたアルミニウム、銅などの金属により形成され伝熱層(15)を有する絶縁回路基板(4)を用意する。絶縁回路基板(4)の伝熱層(15)は、電気伝導率が高く、変形能が高く、しかも半導体素子とのはんだ付け性に優れた純度の高い純アルミニウムにより形成されていることが好ましい。
【００４５】
ついで、ヒートシンク(9)上に応力緩和部材(8)を配置するとともに、応力緩和部材(8)にフッ化物系のフラックス、たとえばＫＡｌＦ４の懸濁液を塗布した後、応力緩和部材(8)上に絶縁回路基板(4)を配置する。
【００４６】
また、絶縁回路基板(4)の伝熱層(15)の周面(15a)に沿って、溶融したフラックスと反応して溶融フラックスの流れを止めるフラックス流動防止物からなり、かつ伝熱層(15)とは別個に形成された箔(16)を配置する。箔(16)を形成するフラックス流動防止物としては、Ａｌ−Ｍｇ合金、Ｍｇ合金またはＭｇ化合物が用いられる。箔(16)を形成するフラックス流動防止物の量は、伝熱層(15)の周面(15a)の単位面積当たり０．１〜２０ｇ／ｍ２であることが好ましい。フラックス流動防止物の量が少ないとフラックスとの反応による溶融フラックスの流れを止める効果が十分ではなく、多すぎるとコストが高くなるおそれがあるからである。
【００４７】
Ａｌ−Ｍｇ合金としては、図１に示す絶縁回路基板(4)の伝熱層(7)と同様に、Ｍｇ０．００５〜０．２質量％を含み、残部Ａｌおよび不可避不純物からなるものが用いられる。Ｍｇ合金としては、Ｍｇを９０質量％以上含むものが用いられる。Ｍｇ合金中のＭｇ含有量が９０質量％未満であると、不純物量が過剰になり、加工性が低下したり、応力緩和部材(8)と伝熱層(15)とのろう付性が低下したりするおそれがある。Ｍｇ化合物としては、ＭｇＦ２、ＫＭｇＦ３などのＦおよびＫのうちの少なくとも１つを含むものが用いられる。
【００４８】
その後、ヒートシンク(9)、応力緩和部材(8)および絶縁回路基板(4)を適当な手段で仮止めし、不活性ガス雰囲気、たとえば窒素ガス雰囲気とされた炉中において、適当な温度に適当な時間加熱し、ヒートシンク(9)と応力緩和部材(8)、および応力緩和部材(8)と絶縁回路基板(4)の伝熱層(15)(7)をろう付する。こうして、パワーモジュール用ベース(2)が製造される。
【００４９】
ヒートシンク(9)、応力緩和部材(8)および絶縁回路基板(4)を加熱した際に、溶融したフラックスが絶縁回路基板(4)の伝熱層(15)の周面(15a)に流れてくるが、箔(16)を構成するフラックス侵入防止物とフラックスとが反応を起こす。したがって、溶融フラックスの流れが止められることになり、溶融フラックスが伝熱層(15)の周面(15a)に沿って伝熱層(15)と絶縁板(5)との界面まで流れることが防止される。その結果、溶融フラックスが絶縁板(5)と伝熱層(15)との界面に悪影響を及ぼすことがなくなって、絶縁回路基板(4)の絶縁板(5)と伝熱層(15)との剥離が防止される。
【００５０】
箔(16)を形成するフラックス流動防止物としてＡｌ−Ｍｇ合金を用いる場合のフラックスとの反応は、上記式(a)の通りである。
【００５１】
箔(16)を形成するフラックス流動防止物としてＭｇ化合物を用いる場合、フラックスとは、次の反応を起こす。
【００５２】
ＭｇＦ２＋ＫＡｌＦ４→ＫＭｇＦ３＋ＡｌＦ３・・・(b)
ＫＭｇＦ３＋ＫＡｌＦ４→Ｋ２ＭｇＦ４＋ＡｌＦ３・・・(c)
箔(16)を形成するフラックス流動防止物としてＭｇ合金を用いる場合、フラックスとは、次の反応を起こす。
【００５３】
３Ｍｇ＋２ＫＡｌＦ４→２ＫＭｇＦ３＋ＭｇＦ２＋２Ａｌ・・・(d)
したがって、溶融フラックスの流れが止められることになり、溶融フラックスが伝熱層(15)の周面(15a)に沿って伝熱層(15)と絶縁板(5)との界面まで流れることが防止される。その結果、溶融フラックスが絶縁板(5)と伝熱層(15)との界面に悪影響を及ぼすことがなくなって、絶縁回路基板(4)の絶縁板(5)と伝熱層(15)との剥離が防止される。
【００５４】
そして、伝熱層(15)の周面(15a)には、フラックスとフラックス侵入防止物との反応物である２ＫＭｇＦ３、ＭｇＦ２、ＫＭｇＦ３、ＡｌＦ３、Ｋ２ＭｇＦ４などの反応生成物（図示略）が残存する。
【００５５】
図４は、パワーモジュール用ベースの絶縁回路基板と応力緩和部材とのろう付方法のさらに他の実施形態を示す。
【００５６】
図４に示す方法においては、フラックス流動防止物からなる箔(16)の代わりに、絶縁回路基板(4)の伝熱層(15)の周面(15a)に沿って、溶融したフラックスと反応して溶融フラックスの流れを止めるフラックス流動防止物からなり、かつ伝熱層(15)とは別個に形成された線材(20)を配置する。その他は、図３に示す方法と同様である。線材(20)は、箔(16)と同様な材料からなり、箔(16)と同様にして溶融フラックスと反応を起こす。
【００５７】
さらに、図３および図４に示すパワーモジュール用ベースの絶縁回路基板と応力緩和部材とのろう付方法において、フラックス流動防止物からなる箔(16)または線材(20)の代わりに、伝熱層(15)の周面(15a)に、粒子状のフラックス流動防止物を付着させておいてもよい。フラックス流動防止物としては、ＭｇＦ２、ＫＭｇＦ３などのＦ、ＫおよびＡｌのうちの少なくとも１つを含むＭｇ化合物が用いられる。伝熱層(15)の周面(15a)に付着させる粒子状フラックス流動防止物の量は、伝熱層(15)の周面(15a)の単位面積当たり０．１〜２０ｇ／ｍ２であることが好ましい。フラックス流動防止物の量が少ないとフラックスとの反応による溶融フラックスの流れを止める効果が十分ではなく、多すぎるとコストが高くなるおそれがあるからである。
【００５８】
粒子状フラックス流動防止物は、バインダと混合して塗布することにより伝熱層(15)の周面(15a)に付着させられる。ここで、粒子状フラックス流動防止物の平均粒径は３〜１００μｍ程度であることが好ましい。また、バインダとしてはアクリル系のものが用いられる。粒子状フラックス流動防止物とバインダとの混合比は、粒子状フラックス流動防止物１００重量部に対して、バインダ３０〜３００重量部とすることが好ましい。
【００５９】
上記において、絶縁回路基板(4)の伝熱層(7)(15)は応力緩和部材(8)にろう付されているが、応力緩和部材(8)は必ずしも必要とせず、絶縁回路基板(4)の伝熱層(7)(15)が直接ヒートシンク(9)にろう付されていてもよい。
【００６０】
次に、この発明の具体的実施例を比較例とともに述べる。
【００６１】
実施例１
厚みが０．６ｍｍの窒化アルミニウム製絶縁板(5)と、純度９９．９９wt％の純アルミニウムからなり、かつ絶縁板(5)の一面に形成された厚みが０．６ｍｍの配線層(6)と、純度９９．９９wt％の純アルミニウムからなり、かつ絶縁板(5)の他面に形成された厚みが０．６ｍｍの伝熱層(15)とよりなる絶縁回路基板(4)を用意した。また、アルミニウム製ヒートシンク(9)と、両面にろう材層が設けられ、かつ複数の円形貫通穴(11)が形成されたアルミニウムブレージングシート製応力緩和部材(8)とを用意した。
【００６２】
ついで、ヒートシンク(9)上に応力緩和部材(8)を配置するとともに、応力緩和部材(8)にＫＡｌＦ４の懸濁液を、ＫＡｌＦ４の付着量が５ｇ／ｍ２となるように塗布した。ＫＡｌＦ４の塗布は、ＫＡｌＦ４を水に懸濁させた懸濁液をスプレーで塗布することにより行った。
【００６３】
ついで、応力緩和部材(8)上に絶縁回路基板(4)を配置し、絶縁回路基板(4)の伝熱層(15)の周囲に、Ａｌ３質量％、Ｚｎ１質量％を含み、残部Ｍｇおよび不可避不純物からなるＭｇ合金で形成され、かつ伝熱層(15)とは別個に形成された箔(16)を配置した。箔(16)を形成するフラックス流動防止物の量は、伝熱層(15)の周面(15a)の単位面積当たり１０ｇ／ｍ２とした。なお、上記Ｍｇ合金中のＭｇ含有量は当然のことながら９０質量％以上である。
【００６４】
その後、ヒートシンク(9)、応力緩和部材(8)および絶縁回路基板(4)を適当な手段で仮止めし、窒素ガス雰囲気とされた炉中において、６００℃に５分間加熱し、ヒートシンク(9)と応力緩和部材(8)、および応力緩和部材(8)と絶縁回路基板(4)の伝熱層(15)をろう付した。
【００６５】
ろう付後の伝熱層(15)の周面(15a)には、ＭｇＦ２、ＫＭｇＦ３、Ｋ２ＭｇＦ４が残存していた。
【００６６】
実施例２
フラックス流動防止物として、粒子状のＭｇＦ２を使用し、粒子状ＭｇＦ２をアクリル系バインダと混合して塗布することによって、伝熱層(15)の周面(15a)に付着させた。フラックス流動防止物の量は、伝熱層(15)の周面(15a)の単位面積当たり１０ｇ／ｍ２とした。その他は、上記実施例１と同様な条件で、ヒートシンク(9)と応力緩和部材(8)、および応力緩和部材(8)と絶縁回路基板(4)の伝熱層(15)をろう付した。
【００６７】
ろう付後の伝熱層(15)の周面(15a)には、ＫＭｇＦ３およびＡｌＦ３が残存していた。
【００６８】
実施例３
フラックス侵入防止物として、粒子状のＫＭｇＦ３を使用し、粒子状ＫＭｇＦ３をアクリル系バインダと混合して塗布することによって、伝熱層(15)の周面(15a)に付着させた。フラックス流動防止物の量は、伝熱層(15)の周面(15a)の単位面積当たり１０ｇ／ｍ２とした。その他は、上記実施例１と同様な条件で、ヒートシンク(9)と応力緩和部材(8)、および応力緩和部材(8)と絶縁回路基板(4)の伝熱層(15)をろう付した。
【００６９】
ろう付後の伝熱層(15)の周面(15a)には、Ｋ２ＭｇＦ４およびＡｌＦ３が残存していた。
【００７０】
実施例４
フラックス侵入防止物として、Ｍｇ０．１質量％を含み、残部Ａｌおよび不可避不純物よりなるＡｌ−Ｍｇ合金からなり、かつ伝熱層(15)とは別個に形成された箔(16)を配置した。箔(16)を形成するフラックス流動防止物の量は、伝熱層(15)の周面(15a)の単位面積当たり１０ｇ／ｍ２とした。その他は、上記実施例１と同様な条件で、ヒートシンク(9)と応力緩和部材(8)、および応力緩和部材(8)と絶縁回路基板(4)の伝熱層(15)をろう付した。
【００７１】
ろう付後の伝熱層(15)の周面(15a)には、ＫＭｇＦ３およびＭｇＦ２が残存していた。
【００７２】
実施例５
絶縁回路基板(4)として、厚みが０．６ｍｍの窒化アルミニウム製絶縁板(5)と、純度９９．９９wt％の純アルミニウムで形成された厚みが０．６ｍｍの配線層(6)と、Ｍｇ０．０１質量％を含み、残部Ａｌおよび不可避不純物よりなるＡｌ−Ｍｇ合金で形成された厚みが０．６ｍｍの伝熱層(7)を有するものを用いた。
【００７３】
そして、伝熱層(7)の周囲にフラックス流動防止物を配置しなかったことを除いては上記実施例１と同様な条件で、ヒートシンク(9)と応力緩和部材(8)、および応力緩和部材(8)と絶縁回路基板(4)の伝熱層(7)をろう付した。
【００７４】
ろう付後の伝熱層(15)の周面(15a)には、ＫＭｇＦ３およびＭｇＦ２が残存していた。
【００７５】
実施例６
絶縁回路基板(4)の厚みが０．６ｍｍである伝熱層(7)を、Ｍｇ０．００２質量％を含み、残部Ａｌおよび不可避不純物よりなるＡｌ−Ｍｇ合金で形成しておいた。
【００７６】
その他は、上記実施例５と同様な条件で、ヒートシンク(9)と応力緩和部材(8)、および応力緩和部材(8)と絶縁回路基板(4)の伝熱層(15)をろう付した。
【００７７】
ろう付後の伝熱層(15)の周面(15a)には、ＫＭｇＦ３およびＭｇＦ２が残存していた。
【００７８】
比較例
絶縁回路基板の伝熱層の周囲にフラックス流動防止物を配置しなかったことを除いては、上記実施例１と同様な条件で、ヒートシンク(9)と応力緩和部材(8)、および応力緩和部材(8)と絶縁回路基板(4)の伝熱層(15)をろう付した。なお、当然のことながら、伝熱層(15)はフラックス流動防止物として機能するＡｌ−Ｍｇ合金で形成されていない。
【００７９】
評価試験
応力緩和部材(8))にろう付された絶縁回路基板(4)を観察し、伝熱層(7)(15)の絶縁板(5)からの剥離の有無および剥離が生じた場合の剥離量を調べた。剥離量は、伝熱層(7)(15)の周縁部からの剥離の距離を測定した。その結果を表１に示す。なお、実施例１〜６においては、表１に、用いたフラックス流動防止物の種類も記入した。
【表１】
【００８０】
表１の評価の欄において、○は、伝熱層(7)(15)の絶縁板(5)からの剥離が認められなかったものを示し、△は、剥離量（伝熱層(7)(15)の周縁部からの剥離距離）が１００μｍ未満のもとを示し、×は、剥離量（伝熱層(7)(15)の周縁部からの剥離距離）が１００μｍのものを示す。
【産業上の利用可能性】
【００８１】
この発明による積層絶縁材のろう付方法は、パワーデバイスが実装されてパワーモジュールとされるパワモジュール用ベースの製造に適用される。
【符号の説明】
【００８２】
(4)：絶縁回路基板（絶縁積層材）
(5)：絶縁板
(6)：配線層（金属層）
(7)(15)：伝熱層（金属層）
(7a)(15a)：周面
(8)：応力緩和部材（金属部材）
(16)：フラックス流動防止物からなる箔
(20)：フラックス流動防止物からなる線材
【特許請求の範囲】
【請求項１】
絶縁板および絶縁板の少なくとも片面に設けられた金属層よりなる絶縁積層材の金属層を金属部材にろう付する方法であって、
金属部材にろう付される絶縁積層材の金属層の周囲に、溶融したフラックスと反応して溶融フラックスの流れを止めるフラックス流動防止物を存在させておき、フラックスを使用して炉中でろう付することを特徴とする絶縁積層材のろう付方法。
【請求項２】
絶縁積層材の金属層をＡｌ−Ｍｇ合金で形成しておき、当該金属層の周面の表層部をフラックス侵入防止物として機能させる請求項１記載の絶縁積層材のろう付方法。
【請求項３】
絶縁積層材の金属層を形成するＡｌ−Ｍｇ合金が、Ｍｇ０．００５〜０．２質量％を含み、残部Ａｌおよび不可避不純物からなる請求項２記載の絶縁積層材のろう付方法。
【請求項４】
絶縁積層材の金属層の周面に沿って、金属層とは別個に形成されたＡｌ−Ｍｇ合金からなるフラックス流動防止物、金属層とは別個に形成されたＭｇ合金からなるフラックス流動防止物、および金属層とは別個に形成されたＭｇ化合物からなるフラックス流動防止物のうちの少なくとも１つを存在させておく請求項１記載の絶縁積層材の製造方法。
【請求項５】
フラックス流動防止物が箔または線材であり、当該箔または線材を金属層の周囲に配置しておく請求項４記載の絶縁積層材の製造方法。
【請求項６】
フラックス流動防止物が粒子状であり、当該粒子状フラックス流動防止物とバインダとの混合物を金属層の周面に塗布しておく請求項４記載の絶縁積層材の製造方法。
【請求項７】
Ａｌ−Ｍｇ合金が、Ｍｇ０．００５〜０．２質量％を含み、残部Ａｌおよび不可避不純物からなる請求項４〜６のうちのいずれかに記載の絶縁積層材のろう付方法。
【請求項８】
Ｍｇ合金が、Ｍｇを９０質量％以上含む請求項４〜６のうちのいずれかに記載の絶縁積層材のろう付方法。
【請求項９】
Ｍｇ化合物が、ＦおよびＫのうちの少なくとも１つを含む請求項４〜６のうちのいずれかに記載の絶縁積層材のろう付方法。
【請求項１０】
絶縁積層材の絶縁板の周縁部が、金属部材にろう付される金属層よりも外方に張り出しており、絶縁板における当該外方張り出し部における金属部材側を向いた面に沿ってフラックス流動防止物を配置しておく請求項１〜９のうちのいずれかに記載の絶縁積層材のろう付方法。
【請求項１１】
絶縁積層材の両面に金属層が設けられており、金属部材にろう付される金属層とは反対側の金属層の周囲に、溶融したフラックスと反応して溶融フラックスの流れを止めるフラックス流動防止物を存在させておく請求項１〜１０のうちのいずれかに記載の絶縁積層材のろう付方法。
【請求項１２】
フラックスとしてＫＡｌＦ４を用いる請求項１〜１１のうちのいずれかに記載の絶縁積層材のろう付方法。
【請求項１３】
絶縁板および絶縁板の両面に金属層が設けられた絶縁積層材と、絶縁積層材の一方の金属層がろう付されたヒートシンクとを備えた放熱装置であって、
絶縁積層材の一方の金属層とヒートシンクとが、請求項１〜１２のうちのいずれかに記載の方法によりろう付されており、ヒートシンクにろう付された金属層の周面に、フラックスとフラックス侵入防止物との反応物が残存している放熱装置。
【請求項１４】
絶縁板および絶縁板の両面に金属層が設けられた絶縁積層材と、絶縁積層材の一方の金属層がろう付された応力緩和部材と、応力緩和部材における絶縁積層材の一方の金属層とろう付された面とは反対側の面がろう付されたヒートシンクとを備えた放熱装置であって、
絶縁積層材の一方の金属層と応力緩和部材とが、請求項１〜１２のうちのいずれかに記載の方法によりろう付されており、応力緩和部材にろう付された金属層の周面に、フラックスとフラックス侵入防止物との反応物が残存している放熱装置。
【請求項１５】
フラックスとフラックス侵入防止物との反応物が、ＫＭｇＦ３、ＭｇＦ２、Ｋ２ＭｇＦ４およびＡｌＦ３の少なくとも１つからなる請求項１３または１４記載の放熱装置。
【請求項１】
絶縁板および絶縁板の少なくとも片面に設けられた金属層よりなる絶縁積層材の金属層を金属部材にろう付する方法であって、
金属部材にろう付される絶縁積層材の金属層の周囲に、溶融したフラックスと反応して溶融フラックスの流れを止めるフラックス流動防止物を存在させておき、フラックスを使用して炉中でろう付することを特徴とする絶縁積層材のろう付方法。
【請求項２】
絶縁積層材の金属層をＡｌ−Ｍｇ合金で形成しておき、当該金属層の周面の表層部をフラックス侵入防止物として機能させる請求項１記載の絶縁積層材のろう付方法。
【請求項３】
絶縁積層材の金属層を形成するＡｌ−Ｍｇ合金が、Ｍｇ０．００５〜０．２質量％を含み、残部Ａｌおよび不可避不純物からなる請求項２記載の絶縁積層材のろう付方法。
【請求項４】
絶縁積層材の金属層の周面に沿って、金属層とは別個に形成されたＡｌ−Ｍｇ合金からなるフラックス流動防止物、金属層とは別個に形成されたＭｇ合金からなるフラックス流動防止物、および金属層とは別個に形成されたＭｇ化合物からなるフラックス流動防止物のうちの少なくとも１つを存在させておく請求項１記載の絶縁積層材の製造方法。
【請求項５】
フラックス流動防止物が箔または線材であり、当該箔または線材を金属層の周囲に配置しておく請求項４記載の絶縁積層材の製造方法。
【請求項６】
フラックス流動防止物が粒子状であり、当該粒子状フラックス流動防止物とバインダとの混合物を金属層の周面に塗布しておく請求項４記載の絶縁積層材の製造方法。
【請求項７】
Ａｌ−Ｍｇ合金が、Ｍｇ０．００５〜０．２質量％を含み、残部Ａｌおよび不可避不純物からなる請求項４〜６のうちのいずれかに記載の絶縁積層材のろう付方法。
【請求項８】
Ｍｇ合金が、Ｍｇを９０質量％以上含む請求項４〜６のうちのいずれかに記載の絶縁積層材のろう付方法。
【請求項９】
Ｍｇ化合物が、ＦおよびＫのうちの少なくとも１つを含む請求項４〜６のうちのいずれかに記載の絶縁積層材のろう付方法。
【請求項１０】
絶縁積層材の絶縁板の周縁部が、金属部材にろう付される金属層よりも外方に張り出しており、絶縁板における当該外方張り出し部における金属部材側を向いた面に沿ってフラックス流動防止物を配置しておく請求項１〜９のうちのいずれかに記載の絶縁積層材のろう付方法。
【請求項１１】
絶縁積層材の両面に金属層が設けられており、金属部材にろう付される金属層とは反対側の金属層の周囲に、溶融したフラックスと反応して溶融フラックスの流れを止めるフラックス流動防止物を存在させておく請求項１〜１０のうちのいずれかに記載の絶縁積層材のろう付方法。
【請求項１２】
フラックスとしてＫＡｌＦ４を用いる請求項１〜１１のうちのいずれかに記載の絶縁積層材のろう付方法。
【請求項１３】
絶縁板および絶縁板の両面に金属層が設けられた絶縁積層材と、絶縁積層材の一方の金属層がろう付されたヒートシンクとを備えた放熱装置であって、
絶縁積層材の一方の金属層とヒートシンクとが、請求項１〜１２のうちのいずれかに記載の方法によりろう付されており、ヒートシンクにろう付された金属層の周面に、フラックスとフラックス侵入防止物との反応物が残存している放熱装置。
【請求項１４】
絶縁板および絶縁板の両面に金属層が設けられた絶縁積層材と、絶縁積層材の一方の金属層がろう付された応力緩和部材と、応力緩和部材における絶縁積層材の一方の金属層とろう付された面とは反対側の面がろう付されたヒートシンクとを備えた放熱装置であって、
絶縁積層材の一方の金属層と応力緩和部材とが、請求項１〜１２のうちのいずれかに記載の方法によりろう付されており、応力緩和部材にろう付された金属層の周面に、フラックスとフラックス侵入防止物との反応物が残存している放熱装置。
【請求項１５】
フラックスとフラックス侵入防止物との反応物が、ＫＭｇＦ３、ＭｇＦ２、Ｋ２ＭｇＦ４およびＡｌＦ３の少なくとも１つからなる請求項１３または１４記載の放熱装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図２】
【図３】
【図４】
【公開番号】特開２０１１−２４０３７４（Ｐ２０１１−２４０３７４Ａ）
【公開日】平成２３年１２月１日（２０１１．１２．１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−１１５０２２（Ｐ２０１０−１１５０２２）
【出願日】平成２２年５月１９日（２０１０．５．１９）
【出願人】（０００００２００４）昭和電工株式会社 (3,251)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年１２月１日（２０１１．１２．１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年５月１９日（２０１０．５．１９）
【出願人】（０００００２００４）昭和電工株式会社 (3,251)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]