JP2008142729A - アルミニウム部材直接接続用はんだ - Google Patents

Abstract

【課題】 たとえば電動車両用インバータとして高電圧、大電流動作が可能なパワー半導体モジュール（例えばＩＧＢＴモジュール）に代表される半導体装置の放熱部材や熱応力を緩和する部材等として用いられるアルミニウム部材をめっき層等を介さずに接合できるはんだを提供する。
【解決手段】 質量％でＡｇ１０％以下、Ａｌ５％以下、残部実質的にＳｎよりなるアルミニウム部材直接接合用はんだである。好ましくは、Ａｇ５％以下、Ａｌ１％以下とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、たとえば半導体装置の放熱部材等に用いられるアルミニウム部材の接合に適したアルミニウム部材直接接合用はんだに関するものである。

近年、電動車両用インバータとして高電圧、大電流動作が可能なパワー半導体モジュール（例えばＩＧＢＴモジュール）が用いられている。こうした半導体モジュールにおいては、半導体チップが自己の発熱によって高温になるため、その放熱を効率よく行なうという機能が要求される。このため、この半導体モジュールにおいて、半導体チップを搭載する基板としては、機械的強度が高く、熱伝導率の高いセラミックス基板が用いられている。そしてこのセラミックス基板としては、両面に金属層が予めを形成されたものが使用されている。
さらに、セラミックス基板からの熱を拡散するため、放熱部材が用いられることが多い。放熱部材としては、セラミックス基板との熱膨張差を低減した銅・タングステン、あるいは銅・モリブデンの複合材料が用いられる場合が多い。また、たとえば特許文献１に記載されているように熱伝導率の点から銅、あるいは安価でヤング率が低いという点からアルミニウムも使用されることがある。

特開２００６−２４０９５５号公報

放熱部材としてのアルミニウムは、銅ほどでは無いが高い熱伝導率を有し、かつヤング率が低いために、熱応力の発生が少なく、半導体部品用途として適している。
しかし、アルミニウムを放熱部材として適用する場合の問題点として、はんだ付け性が悪いという問題がある。これは、アルミニウム表面は酸化膜で覆われているため、Ｓｎ−Ｐｂ系あるいはＰｂフリーのはんだとして広く用いられるようになった、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ系はんだを用いて接合しようとしても十分な接合強度が得られないということである。
本発明の目的は、上記問題点に鑑み、アルミニウム部材を直接接合できる新しいはんだを提供することである。

本発明者は、Ｓｎ−Ａｇ系はんだにＡｌを添加することで、アルミニウム部材に対して、優れた接合強度を得るこができることを見出し本発明に到達した。
即ち、本発明は、質量％でＡｇ１０％以下、Ａｌ５％以下、残部実質的にＳｎよりなるアルミニウム部材直接接合用はんだである。
ここで、元素記号での表記は、構成要素中における特定の元素の存在を示すものとして用いている。

本発明によれば、半導体装置等における放熱部材や熱応力を緩和する有効なアルミニウム部材を直接はんだ接合することができるため、半導体装置等の信頼性向上に極めて有効である。

本発明の重要な特徴は、アルミニウム部材の直接接続用はんだとしてＡｌ含有のＳｎ−Ａｇはんだを見出したことにある。
以下に、詳しく説明する。
まず、本発明におけるはんだの基本組成は、Ｓｎ−Ａｇ系である。Ｓｎ−Ａｇにより基本的なはんだとしての液層線温度を調整する。また、Ａｇは耐熱疲労特性改善に著しい効果がある元素である。
Ａｇは含有量が多いと液相線温度が高くなるため、３５０℃以下ではんだ付けをするためのはんだ組成としては、Ａｇが１０質量%以下とした。

本発明においては、Ｓｎ−Ａｇ系はんだにＡｌを含有されることが重要であり、はんだ中のＡｌは酸化活性が高いため、アルミニウム部材上に表面酸化皮膜が存在していても、十分な接合強度を確保できるものとなる。
はんだ中のＡｌの含有が多過ぎると接合中に酸化が進行しやすくなり、接続界面に酸化物が介在し、接合強度が得られにくくなる。そのため、本発明においては、Ａｌ量は、５質量%以下とした。また、Ａｌの含有量が多いと塗付時の粘性が高くなり塗付性悪くなることからＡｌの含有量は、１質量%以下とすることが望ましい。
また、はんだ中のＡｌの効果を明確に得るためには、はんだ中のＡｌの含有量は、０．０１質量％以上が好ましい。さらに接合強度を求めるためには、０．１質量％以上であることが望ましい。

１０×２０×０．２ｍｍの銅板と５０×２０×１ｍｍのアルミニウム板を準備した。
このアルミニウム板を３２０℃に加熱し、表１に示す本発明および比較例のはんだを塗付するとともに、銅層側を２６０℃に加熱した状態で同様のはんだを塗付した。その後、アルミニウム板と銅層を重ねて接合した。１ｋｇｆで接合層を加圧しながら２００℃まで徐冷し、その後室温まで無荷重で冷却した。
得られた接合体に対して、ピール試験を行った。ピール試験は、結果を表１に示す。また、代表的な接合部分の組織として試料１および試料２の走査型電子顕微鏡によるミクロ組織写真を図１および図２にそれぞれ示す

表１に示すように、本発明のＳｎ−Ａｇ−Ａｌ系はんだを用いて接合層を形成した接合体は、アルミニウム板にめっき等の処理をしていないにも関わらず、ハンドリングによって剥離しない接合強度が得られることが確認できた。一方、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕはんだを用いた場合は、アルミニウム板上ではんだが濡れずセラミックス基板を作製することができなかった。

また、本発明に適用したＳｎ−Ａｇ−Ａｌ系はんだのうち、Ａｌの量の多いはんだを使用した場合は、接合体を作製することはできたが、ピール試験時の取り扱いでアルミニウム板との界面で剥離が発生し、接合強度の測定ができなかった。このことから、はんだ中のＡｌの過度の含有は接合強度を低下させる傾向があることが確認された。
本発明に適用したＡｌ含有量が０．３質量％のはんだを用いた場合においては、いずれもピール試験が実施できる強度を有し、ピール試験においては、アルミニウム板の界面で剥離が発生した。この時の試験では、実施例の２つ試料では接合強度にばらつきがあることが確認され、接合条件等による影響によるものと推定された。

本発明のＳｎ−Ａｇ−Ａｌ系はんだを用いて形成した接合部分の金属ミクロ組織の一例を示す走査型顕微鏡写真である。 本発明のＳｎ−Ａｇ−Ａｌ系はんだを用いて形成した接合部分の金属ミクロ組織の別の例を示す走査型顕微鏡写真である。

Claims (1)

1. 質量％でＡｇ１０％以下、Ａｌ５％以下、残部実質的にＳｎよりなることを特徴とするアルミニウム部材直接接合用はんだ。