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ZN-AL EUTECTOID-BASE ALLOY JOINING MATERIAL, METHOD FOR MANUFACTURING ZN-AL EUTECTOID-BASE ALLOY JOINING MATERIAL, JOINING METHOD USING ZN-AL EUTECTPOID-BASE ALLOY JOINING MATERIAL, AND SEMICONDUCTOR DEVICE USING ZN-AL EUTECTPOID-BASE ALLOY JOINING MATERIAL commons

Patent code P110005252
File No. IB32
Posted date Aug 18, 2011
Application number P2007-285825
Publication number P2009-113050A
Patent number P4803834
Date of filing Nov 2, 2007
Date of publication of application May 28, 2009
Date of registration Aug 19, 2011
Inventor
  • (In Japanese)大貫 仁
  • (In Japanese)田代 優
  • (In Japanese)本橋 嘉信
  • (In Japanese)佐久間 隆昭
  • (In Japanese)クウ キュウ ピン
Applicant
  • (In Japanese)国立大学法人茨城大学
Title ZN-AL EUTECTOID-BASE ALLOY JOINING MATERIAL, METHOD FOR MANUFACTURING ZN-AL EUTECTOID-BASE ALLOY JOINING MATERIAL, JOINING METHOD USING ZN-AL EUTECTPOID-BASE ALLOY JOINING MATERIAL, AND SEMICONDUCTOR DEVICE USING ZN-AL EUTECTPOID-BASE ALLOY JOINING MATERIAL commons
Abstract PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a Zn-Al eutectoid-base alloy joining material which is lead-free, has a high melting point, enables joining in a solid phase state, a method for manufacturing the same, a joining method, and a semiconductor device using the same.
SOLUTION: The Zn-Al eutectoid-base alloy joining material comprises 17 to 30 wt.% Al-0 to 0.5 wt.% Cu-0 to 0.5 wt.% Mg-Zn, wherein an object is joined in the solid phase state by using a superplastic phenomenon.
Outline of related art and contending technology (In Japanese)


パワー半導体素子のダイボンデイング、パワーモジュールにおける半導体素子の実装基板への接合及び実装基板の放熱板への接合にはんだ接合が従来から使用されている。はんだ材としては鉛-錫系合金、Zn-Al共晶系合金が周知で、鉛-錫合金系は錫の添加量を調整することにより低温はんだ及び高温はんだを実現し、Zn-Al共晶系合金は鉛フリーの高温はんだとして使用されている。Zn-Al共晶系合金はんだの場合、液相状態から固相状態に凝固する過程で接合が行われる。この際、体積収縮が発生し、大きな熱応力が発生し、大きな残留応力をもつ固相になる。更に、脆いZn-rich相(β相)が大部分を占めるため、強度に問題が残る。これらの点から、Zn-Al共晶系合金はんだを用いて接合した場合、温度変化や機械的なストレスによって接合部に亀裂が入り易くなり、接合部の寿命が短くなること、及び過酷なヒートサイクルや外力が加わる用途には適用できなくなるという問題がある。



環境対応ハイブリッド車の燃費向上及びコスト低減には、モータ制御に用いられるインバータ用IGBTモジュールの動作温度を高めることが極めて有効である。最高動作温度を現状の120℃から200℃に高めることが実現できれば、冷却装置を水冷方式から空冷方式に変更が可能になり、大幅な軽量化が期待できる。IGBTモジュールの200℃動作の実現に際して、半導体自体には基本的に障害はなく、インバータを構成するMOS型パワーデバイスのはんだ接合に使用する高温はんだ合金の実現が課題となっている。



高温はんだ合金の一例として、1~7質量%Al-0.5~6質量%Mg-1~25質量%Sn-Znからなり300℃程度の融点を有するZn-Al共晶系合金はんだが提案されている(特許文献1)。
【特許文献1】
特開平11-207487号

Field of industrial application (In Japanese)


本発明は超塑性現象を利用して対象物を接合するZn-Al共析系合金接合材、Zn-Al共析系合金接合材の製造方法、Zn-Al共析系合金接合材を用いた接合方法及びZn-Al共析系合金接合材を用いた半導体装置に関する。

Scope of claims (In Japanese)
【請求項1】
 
半導体基体をセラミック基板もしくは金属基板に接合するための接合層を形成する合金接合材であって、前記合金接合材は、17~30質量%Al-0~1.5質量%Cu-0~0.5質量%Mg-Zn系からなり、等軸粒状の微細組織を有し、200~410℃の温度領域で超塑性現象を発現し、280~410℃から徐冷することによって超塑性を発現しない層状の金属組織に変態することを特徴とするZn-Al共析系合金接合材。

【請求項2】
 
半導体基体をセラミック基板もしくは金属基板に接合するための合金接合材であって、前記合金接合材は、17~30質量%Al-0~1.5質量%Cu-0~0.5質量%Mg-Zn共析系合金を溶解鋳造し、これを280~410℃の温度で30分~3時間保持した後、-4~20℃の水中で急冷した鋳塊を更に150~270℃の温度範囲において厚さ0.1~1mmの帯状に圧延加工して製造されることを特徴とするZn-Al共析系合金接合材の製造方法。

【請求項3】
 
半導体基体とセラミック基板もしくは金属基板との間に17~30質量%Al-0~1.5質量%Cu-0~0.5質量%Mg-Zn系からなるZn-Al共析系合金接合材を介在し、該接合材を280~410℃に加熱し、超塑性を発現する状態で1~30分間保持した後徐冷することを特徴とする接合方法。

【請求項4】
 
半導体基体とセラミック基板もしくは金属基板との間に17~30質量%Al-0~1.5質量%Cu-0~0.5質量%Mg-Zn系からなるZn-Al共析系合金接合材を介在し、該接合材を200~275℃に加熱し、超塑性を発現する状態で1~30分間保持した後、280~410℃に昇温後徐冷することを特徴とする接合方法。

【請求項5】
 
半導体基体、半導体基体に直接またはセラミック基板を介して接合層によって接合された金属基板を備え、接合層が17~30質量%Al-0~1.5質量%Cu-0~0.5質量%Mg-Zn系からなるZn-Al共析系合金接合材からなり、接合時に超塑性現象を発現し、接合後は超塑性を発現しない金属組織を有することを特徴とする半導体装置。

【請求項6】
 
前記半導体基体が炭化珪素であることを特徴とする請求項5項記載の半導体装置。
IPC(International Patent Classification)
F-term
Drawing

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JP2007285825thum.jpg
State of application right Registered
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