JP2009038162A - 放熱部品、その製造方法及びパワーモジュール - Google Patents

放熱部品、その製造方法及びパワーモジュール Download PDF

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Abstract

【課題】ヒートシンクとその上に形成されたＣｕ又はＣｕ合金からなる金属層との接合部の信頼性が高い放熱部品、その製造方法及びパワーモジュールを提供する。
【解決手段】放熱部品は、Ａｌ又はＡｌ合金からなるヒートシンク２１上に、Ｎｉ又はＮｉ合金からなるバッファー層２２とＣｕ又はＣｕ合金からなる溶射によって形成された金属層２３とを備えている。バッファー層２２が介在していることで、ヒートシンク２１を構成する金属材料と、金属層２３を構成する金属材料との反応による金属間化合物の生成が抑制される。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体チップ等の発熱に対する冷却機能を有する放熱部品、その製造方法及びパワーモジュールに関する。
パワーデバイスとしての半導体素子の発熱を放出するための放熱部品として、ＡｌやＡｌ合金からなるヒートシンクを備えたものが一般に採用されている。ヒートシンクには、フィンが設けられていることが多く、放熱効率を高めるように工夫されている。また、Ａｌ又はＡｌ合金からなるヒートシンクにＡｌやＡｌ合金よりも熱伝導率が高いＣｕ又はＣｕ合金からなる部材を設けたものが知られている。
例えば、特許文献１には、一方の面に放熱フィンが設けられているＡｌ製のヒートシンクにおいて、他方の面に溶射法によりＣｕの金属層を形成することにより、優れた放熱性能を実現する技術が提案されている。
特開２００７−５３３２号公報
しかしながら、製造時において、Ｃｕの溶射層の格子欠陥を低減し熱伝導率を向上させるとともに加工歪みを除去することを目的として４００℃程度の熱処理を行う場合があり、さらにパワーデバイスの動作時には１５０℃程度で長時間高温にさらされる場合がある。このような高温条件下では、Ａｌ−Ｃｕ金属間化合物による脆性層が生成し、熱ストレス耐性が低下するという問題がある。
本発明は、このような従来の実情に鑑みて提案されたものであり、ヒートシンクとその上に形成されたＣｕ又はＣｕ合金からなる金属層との接合部の信頼性が高い放熱部品、その製造方法及びパワーモジュールを提供することにある。
上記の課題を解決するため、第１発明に係る放熱部品は、Ａｌ又はＡｌ合金からなるヒートシンクの、少なくとも一部面上に、バッファー層を介してＣｕ又はＣｕ合金からなる金属層が設けられている。
この発明によれば、Ａｌ又はＡｌ合金からなるヒートシンクと、Ｃｕ又はＣｕ合金からなる金属層が直接接することがないため、当該放熱部品の製造工程における熱処理時、あるいは、当該放熱部品にパワーデバイス等の発熱体が載置されその動作時に長時間高温にさらされても、Ａｌ−Ｃｕ金属間化合物による脆性層の生成を抑制し、熱ストレス耐性の低下を防止することができる。なおこの場合、バッファー層はＡｌ、Ａｌ合金、Ｃｕ、Ｃｕ合金以外の材料から構成されている必要がある。
また、第２発明に係る放熱部品は、第１発明において、前記バッファー層がＮｉ又はＮｉ合金によって構成されている。
これらの材料とＡｌ及びＣｕとの界面では脆性層が生成することがないため、バッファー層を形成する材料としては好適であり、接合部分の熱ストレス耐性が維持され得る。
また、第３発明に係る放熱部品は、第1発明および第２発明において、前記ヒートシンクはフィン部を有している。
フィン部を設けることで空気若しくはその他の冷媒を用いてより効率的に冷却を行うことができる。
また、第４発明に係るパワーモジュールは、第１発明乃至第３発明のいずれかに記載の放熱部品と、配線部材上に固定された半導体チップを備えたパワーモジュールであって、前記金属層の上に前記絶縁接続層を介して前記配線部材が固定されている。
これにより、高温条件下でも高い熱ストレス耐性を有するパワーモジュールが得られる。
また、第５発明に係る放熱部品の製造方法は、Ａｌ又はＡｌ合金からなるヒートシンクを準備する工程（ａ）と、前記ヒートシンク上にバッファー層を形成する工程（ｂ）と、前記バッファー層の上にＣｕ又はＣｕ合金からなる金属層を形成する工程（ｃ）と、を有する。これにより前記放熱部品が製造される。
また、第６発明に係る放熱部品の製造方法は、第５発明に係る放熱部品の製造方法において、前記工程（ｂ）は、めっき法又は蒸着法によりＮｉ又はＮｉ合金からなるバッファー層を形成する工程である。これにより低コストで前記放熱部品が製造される。
また、第７発明に係る放熱部品の製造方法は、第５発明又は第６発明に係る放熱部品の製造方法において、前記工程（ｃ）は、前記金属層を溶射法により形成する工程である。これにより低コストでかつ用途等に応じて任意の箇所に任意の形状の金属層を形成した前記放熱部品が製造される。
本発明によれば、ヒートシンクとその上に形成されたＣｕ又はＣｕ合金からなる金属層との接合部の接続信頼性が高い放熱部品、その製造方法及びパワーモジュールを提供することができる。
（実施の形態１）
図１は、実施の形態１に係る放熱部品の断面図である。本実施の形態の放熱部品は、平板部２１ａ及びフィン部２１ｂを有するヒートシンク２１と、平板部２１ａの上に形成されたバッファー層２２と、バッファー層２２の上に形成された金属層２３とを備えている。フィン部２１ｂは、熱交換媒体である冷却水にさらされて、熱交換効率を高めるように構成されているが、フィン部２１ｂは必ずしも必要ではなく、また、フィン部２１ｂに代えて、他の放熱部材を備えていてもよい。
本実施の形態では、ヒートシンク２１は、Ａｌ又はＡｌ合金を用いた押し出し成形によって形成されている。但し、ダイキャスト成形を利用してもよい。
本実施の形態では、金属層２３は、Ｃｕ又はＣｕ合金からなり、溶射法を用いて形成されている。後述するように、溶射法を用いて形成された金属層２３は、Ａｌ又はＡｌ合金よりも熱伝導率が高い被膜を溶射によって形成するので、工程が簡単になり、その分製造コストを抑えることができる上、ヒートシンクに対して変形等を引き起こすような熱影響を及ぼすおそれがない。
本実施の形態では、バッファー層２２は、Ｎｉ又はＮｉ合金からなり、めっき法又は蒸着法により形成されている。
ここで、高温条件下ではバッファー層中にもＡｌやＣｕの拡散が起こるため、Ｎｉをバッファー層として用いた場合の拡散距離について、以下に検討する。
一般に固体中の拡散係数はアレニウスの式よりＤ＝Ｄ０ｅｘｐ（−Ｑ／ＲＴ）により表され、拡散距離はＬ＝√（Ｄｔ）により計算される。ここで、Ｄは拡散係数（ｍ２／ｓ）、Ｄ０は頻度因子（ｍ２／ｓ）、Ｑは活性化エネルギー（ｋＪ／ｍｏｌ）、Ｒはガス定数（Ｊ／ｍｏｌ・Ｋ）、Ｔは絶対温度（Ｋ）、Ｌは拡散距離（ｍ）、ｔは時間（ｓ）を示す。
ここで金属データブック（日本機械学会編改定４版）によれば、Ｎｉに対するＡｌのＤ０は１．０×１０−４（ｍ２／ｓ）、Ｑは２６０（ｋＪ／ｍｏｌ）であり、同様にＮｉに対するＣｕのＤ０は６．０×１０−５（ｍ２／ｓ）、Ｑは２５５（ｋＪ／ｍｏｌ）である。
例えば製造工程における熱処理時においては、４００℃で１時間程度の高温条件にさらされることになるが、上記計算式とデータを用いて計算すれば、Ｎｉ中のＣｕの拡散距離Ｌは４．９×１０−９ｍ（４．９ｎｍ）、同じくＡｌの拡散距離は６．０×１０−９ｍ（６．０ｎｍ）となる。
また、例えばパワーデバイス動作時においては、１５０℃で1万時間程度の高温条件にさらされることになるが、上記計算式とデータを用いて計算すれば、Ｎｉ中のＣｕの拡散距離Ｌは５．３×１０−１５ｍ（５．３×１０−６ｎｍ）、同じくＡｌの拡散距離は８．５×１０−１５ｍ（８．５×１０−６ｎｍ）となる。
従って、上記より計算上の拡散距離は最大でも６ｎｍ程度となるため、Ｎｉからなるバッファー層の厚みは６ｎｍ以上あれば、Ａｌ及びＣｕがバッファー層を突き抜けて拡散することはなく、バッファー層は有効に機能するものといえる。なお、使用条件により拡散距離も変動するため安全率を考慮すれば、バッファー層の厚みは好ましくは０．５μｍあればよい。また、めっき法による製造上の膜厚制御性を考慮し、より好ましくは１μｍ以上あればよい。
以上のように、バッファー層２２が存在することで、Ａｌ又はＡｌ合金からなるヒートシンク２１と、Ｃｕ又はＣｕ合金からなる金属層２３が直接接することがないため、当該放熱部品の製造工程における熱処理時、あるいは、当該放熱部品にパワーデバイス等の発熱体が載置されその動作時に長時間高温にさらされても、Ａｌ−Ｃｕ金属間化合物（例えばＣｕＡｌ２）による脆性層の生成を抑制することができる。
図２（ａ）〜（ｃ）は、実施の形態１における放熱部品の製造工程を示す斜視図である。図２（ａ）に示す工程では、Ａｌ又はＡｌ合金を用いた押し出し成形により、ヒートシンク連続体２１ｘを形成する。ヒートシンク連続体２１ｘは、平板部２１ａとフィン部２１ｂとを有している。
次に、図２（ｂ）に示す工程で、ヒートシンク連続体２１ｘ（平板部２１ａ）の上面に、めっき法によりＮｉからなるバッファー層２２をヒートシンク連続体２１ｘ（平板部２１ａ）の上面に形成する。図３は、めっき法の概略を説明する図である。Ｎｉ溶液中に電極と被めっき物であるヒートシンク連続体２１ｘを浸漬し、電解めっきを行うことでバッファーを形成することができる。この場合、ヒートシンク連続体２１ｘ（平板部２１ａ）の上面以外にめっきを行わないためにはめっき処理前に例えばレジストなどでめっきを行わない部分を覆っておき、めっき後レジストを剥離液で除去することで、余分な部分にめっき層が形成されることを防止できる。なお、電解めっき法に代えて、無電解めっき法を用いても良い。
さらにバッファー層２２を形成する別の方法として、蒸着法を用いることもできる。図４は蒸着法の概略を説明する図である。真空蒸着槽内のルツボ内に蒸着材料であるＮｉをセットし、当該槽内上面にヒートシンク連続体２１ｘの平板部２１ａの上面をルツボ側に向けて設置し、電子銃より電子ビームを蒸着材料であるＮｉに照射することでＮｉが蒸発し、ヒートシンク連続体２１ｘ（平板部２１ａ）の上面にＮｉのバッファー層を形成することができる。
次に、図２（ｃ）に示す工程で、溶射法の一つであるコールドスプレー法を用いて、Ｃｕ又はＣｕ合金からなる金属層２３をバッファー層２２の上に形成する。図５はコールドスプレー法の概略を説明する図である。コールドスプレー装置３６は、情報から粒子が投入されるホッパー３１と、圧縮空気を加熱するヒータ３５と、粒子を吹き付けるためのガン３３と、配管３２、３４とを備えている。そして、ガン３３から約５〜３０ｍｍ程度離れた位置に、ヒートシンク連続体２１ｘが設置されている。なお、圧縮空気に代えて、ヘリウム、窒素などの圧縮ガスを用いてもよい。
ホッパー３１に被膜材料であるＣｕ又はＣｕ合金の粒子（粒径１０〜４０μｍ）が投入されると、配管３２から送り込まれた圧縮空気によってガン３３に送られる。一方、配管３４から送り込まれた圧縮空気はヒータ３５で３００〜５００℃に熱せられて、ガン３３に送られる。そして、ガン３３で加熱圧縮空気と粒子とが混ざり合った状態で、超音速流で噴射される。粒子は、５００ｍ／ｓ以上の高速で、ヒートシンク連続体２１ｘ上に形成されたバッファー層２２に衝突し、粒子の運動エネルギーによって粒子が塑性変形して堆積されて、金属層２３が形成される。
さらに金属層２３を形成する別の溶射法として、ＨＶＡＦ（Ｈｉｇｈ Ｖｅｌｏｃｉｔｙ Ａｅｒｏ Ｆｕｅｌ）法を用いることができる。
図６は、ＨＶＡＦ法の概略を説明する図である。ＨＶＡＦ装置４７は、ホッパー４１と、圧縮空気および可燃性ガスを燃焼させる点火プラグ４６と、粒子を吹き付けるためのガン４３と、圧縮空気を供給する配管４２、４４と、可燃性ガス（プロパンガスなど）を供給するガス管４５とを備えている。そして、ガン４３から約５〜３０ｍｍ程度離れた位置に、基板が設置されている。
ホッパー４１に、Ｃｕ又はＣｕ合金の粒子（粒径１０〜４０μｍ）が投入されると、配管４２から送り込まれる圧縮空気によってガン４３に送られる。一方、配管４４、ガス管４５から送り込まれた圧縮空気および可燃性ガスは、点火プラグ４６で燃焼させられ、ガン４３に送られる。そして、ガン４３で燃焼ガス、圧縮空気および各粒子群が混ざり合った状態で、フレームに沿って、超音速流で噴射される。粒子は、コールドスプレー法とほぼ同じ温度（３００〜５００℃）かつ、より高速（６００〜８００ｍ／ｓ）で、基板に衝突し、粒子の運動エネルギーによって粒子が塑性変形して堆積されて、金属層２３が形成される。
さらに金属層２３を形成する別の溶射法として、ＨＶＯＦ（Ｈｉｇｈ Ｖｅｌｏｃｉｔｙ Ｏｘｉｇｅｎ Ｆｕｅｌ）法を用いることができる。
ＨＶＯＦ法を用いた場合は、供給管４２、４４から酸素が供給される点を除いては、図６に示す通りの装置を用いる。その場合、フレーム速度で２０００ｍ／ｓ以上、粒子速度で７５０ｍ／ｓが達成される。
さらに金属層２３を形成する別の溶射法として、ＡＤ（Ａｅｒｏｓｏｌ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法を用いることができる。
図７は、ＡＤ法の概略を説明する図である。ＡＤ装置５７は、真空ポンプが付設された成膜室５１内に、ワークホルダー５２と、ヒートシンク連続体２１ｘと、メタルマスク５３と、ノズル５４とが配置されている。また、エアロゾル化室５５には、Ｃｕ又はＣｕ合金の粒子が供給される。粒子は、空気、Ｈｅ、Ａｒ、窒素などの圧縮ガスボンベから供給されるガス流に乗って、連絡配管５６からノズル５４に運ばれ、高速で噴射される。そして、バッファー層２２が形成されたヒートシンク連続体２１ｘ上に衝突し、粒子の運動エネルギーによって粒子が塑性変形して堆積されて、金属層２３が形成される。
この方法では、コールドスプレー法と同様に、室温程度の低温で成膜が行われる。粒子の速度は２００〜４００ｍ／ｓ、粒子の粒径は０．０３μｍ〜０．１μｍであり、より緻密な粒子を用いることができる。
以上のように、ヒートシンク連続体２１ｘの上に、バッファー層２２、金属層２３を順次形成した後、ヒートシンク連続体２１ｘを切断して、ヒートシンク２１、バッファー層２７及び金属層２８からなる放熱部品を形成することができる。これにより、Ａｌ−Ｃｕ金属間化合物（例えばＣｕＡｌ２）による脆性層の生成を抑制することができ、ヒートシンクと金属層の接合部の信頼性が高い放熱部品を提供することができる。また、多数のヒートシンク２１を含むヒートシンク連続体２１ｘの上に、バッファー層２２、金属層２３を形成するので、製造工程が簡素化されて、製造コストの低減を図ることができる。
（実施の形態２）
図８は実施の形態２におけるパワーモジュールの断面図である。同図に示すように、パワーモジュール１０には、実施の形態１と同様の構成を有するヒートシンク２１、バッファー層２２及び金属層２３に加えて、ＩＧＢＴなどの半導体素子が形成された半導体チップ７５と、配線部材７６（金属配線）と、配線部材７６と半導体チップ７５とを接合する、Ｐｂフリー半田からなる半田層７７と、配線部材７６と金属層２３との間に介在する絶縁接続層７８（絶縁樹脂層）とが設けられている。さらに半導体チップ７５の上面には上部電極８２が設けられ、信号配線８３、大電力用配線８１によって接続されている。
図９は、実施の形態２におけるパワーモジュールセットの構造を示す斜視図である。同図に示すように、本実施の形態のパワーモジュールセットは、放熱器６１の上に、複数のパワーモジュール１０を取り付けて構成されている。放熱器６１は、天板６１ａと天板６１ａに接合された容器６１ｂとからなり、天板６１ａには、パワーモジュール１０を組み込むための多数の矩形状貫通穴が設けられている。本実施形態においては、矩形状貫通穴が多数設けられているが、１つだけでもよい。放熱器６１を構成する天板６１ａと容器６１ｂとは、アルミニウム又はアルミニウム合金からなり、ダイキャスト、押し出し、鍛造、鋳造、機械加工等によって組み立てることができる。
本実施の形態では、放熱器６１は天板６１ａと容器６１ｂとを個別に形成してから両者を接合しているが、天板と容器とを一体に形成してもよい。その場合、たとえば一体型を用いたダイキャストにより放熱器を形成することができる。
図１０は、実施の形態２に係るパワーモジュールセットのＶ−Ｖ線における断面図である。
ただし、図１０において配線構造の図示は省略されている。図１に示す部材と同じ符号で示されている部材は、実施の形態１で説明した通りであるので、本実施の形態では説明を省略する。
本実施の形態のパワーモジュールセットにおいて、放熱器６１の天板６１ａと容器６１ｂとの間の空間７２には、熱交換媒体としての冷却水が紙面に直交する方向に流れている。パワーモジュール１０は、Ｏリング７３により気密を保持しつつボルト７４により天板６１ａにネジ止めされている。
そして、パワーモジュール１０には、実施の形態１と同様の構成を有するヒートシンク２１、バッファー層２２及び金属層２３に加えて、ＩＧＢＴなどの半導体素子が形成された半導体チップ７５と、半導体チップ７５内の半導体素子と外部部材とを電気的に接続するための配線部材７６と、配線部材７６と半導体チップ７５とを接合する、Ｐｂフリー半田からなる半田層７７と、配線部材７６と金属層２３との間に介在する絶縁接続層７８とが設けられている。さらに、半導体チップ７５の上面および下面には、それぞれ、ＩＧＢＴなどの半導体素子の活性領域に接続される上面電極および裏面電極が設けられている。そして、半導体チップ７５の裏面電極が、半田層７７によって、配線部材７６に導通状態で接合されている。
また、放熱器６１の天板６１ａ上に、半導体チップ７５等を囲むモジュール樹脂枠７９が設けられていて、モジュール樹脂枠７９がボルト７４によって天板７１ａに固定されている。モジュール樹脂枠７９の内部および外表面には、一体成形により、電極端子層８０（バスバー）が設けられている。この電極端子層８０と配線部材７６とは、大電力用配線８１によって接続されており、電極端子層８０と半導体チップ７５の上面電極８２の一部とは、信号配線８３によって接続されている。これによって、パワーモジュール１０と外部機器との電気的な接続が可能になっている。また、モジュール樹脂枠７９の内方には、シリコンゲルからなるゲル層８４が設けられていて、ヒートシンク２１の上面側で半導体チップ７５、信号配線８３、大電力用配線８１、配線部材７６、半田層７７、絶縁接続層７８などの部材がゲル層８４内に埋設されている。
本実施の形態のパワーモジュール１０においては、上述のＰｂフリー半田からなる半田層７７と、絶縁接続層７８とを備えている。一般に、Ｐｂフリー半田には、以下のものがある。たとえば、Ｓｎ（液相点２３２℃）、Ｓｎ−３．５％Ａｇ（液相点２２１℃）、Ｓｎ−３．０％Ａｇ（液相点２２２℃）、Ｓｎ−３．５％Ａｇ−０．５５％Ｃｕ（液相点２２０℃）、Ｓｎ−３．０％Ａｇ−０．５％Ｃｕ（液相点２２０℃）、Ｓｎ−１．５％Ａｇ−０．８５％Ｃｕ−２．０％Ｂｉ（液相点２２３℃）、Ｓｎ−２．５％Ａｇ−０．５％Ｃｕ−１．０％Ｂｉ（液相点２１９℃）、Ｓｎ−５．８％Ｂｉ（液相点１３８℃）、Ｓｎ−０．５５％Ｃｕ（液相点２２６℃）、Ｓｎ−０．５５％Ｃｕ−その他（液相点２２６℃）、Ｓｎ−０．５５％Ｃｕ−０．３％Ａｇ（液相点２２６℃）、Ｓｎ−５．０％Ｃｕ（液相点３５８℃）、Ｓｎ−３．０％Ｃｕ−０．３％Ａｇ（液相点３１２℃）、Ｓｎ−３．５％Ａｇ−０．５％Ｂｉ−３．０％Ｉｎ（液相点２１６℃）、Ｓｎ−３．５％Ａｇ−０．５％Ｂｉ−４．０％Ｉｎ（液相点２１１℃）、Ｓｎ−３．５％Ａｇ−０．５％Ｂｉ−８．０％Ｉｎ（液相点２０８℃）、Ｓｎ−８．０％Ｚｎ−３．０％Ｂｉ（液相点１９７℃）等がある。本実施の形態では、液相点が３００℃以下の低融点のＰｂフリー半田、たとえば、Ｓｎ−３．０％Ａｇ−０．５％Ｃｕ（液相点２２０℃）を用いているが、これに限定されるものではない。ただし、Ｓｎ−５．０％Ｃｕ（液相点３５８℃）、Ｓｎ−３．０％Ｃｕ−０．３％Ａｇ（液相点３１２℃）等の高融点のＰｂフリー半田（液相点が３００℃を超えるもの）は除くものとする。
絶縁接続層７８には、本実施の形態では、金属やセラミックスの充填剤を含むエポキシ樹脂が用いられている。エポキシ樹脂の使用可能温度は、種類によって異なるが、３００℃を超えるものを選択することは容易であり、本実施の形態では、Ｐｂフリー半田の液相点よりも高いものを用いている。したがって、後述するパワーモジュールの組み立て工程において、絶縁接続層７８を形成した後で、Ｐｂフリー半田のリフロー工程を行うことが可能になる。例えば、エポキシ樹脂に、アルミナ、シリカ、アルミニウム、窒化アルミニウムなどを充填したものを用いることができ、熱伝導率が１．０（Ｗ／ｍ・Ｋ）以上であることが好ましく、５．０（Ｗ／ｍ・Ｋ）以上であることがより好ましい。
絶縁接続層７８の厚みは、０．４ｍｍ以下であることが好ましく、０．２ｍｍ以下であることがより好ましい。絶縁接続層７８の熱抵抗は、熱伝導率と厚みに依存して定まるが、厚みが薄いほど熱抵抗が小さくなる。したがって、厚みが０．４ｍｍ以下であることにより、放熱機能が高くなることになる。
本実施の形態によると、配線部材７６を、絶縁接続層７８を挟んで放熱構造体の金属層２３に接続する構造としているので、部品数の低減により、製造コストの低減を図ることができる。しかも、金属層２３の表面を溶射処理されたままにしているので、絶縁接続層２６による放熱部品の金属層２３と配線部材７６との固着強度が向上し、接合部の信頼性を高く維持することができる。
また、１つの半田層７７と、樹脂接着剤からなる絶縁接続層７８とを用いているので、絶縁接続層を使用しない従来のパワーモジュールのように２つの半田層を設ける場合のごとく、工程の先後に応じて低融点のＰｂフリー半田と高融点のＰｂフリー半田とを用いる必要はなく、低融点のＰｂフリー半田だけで済むことになる。現在、Ｐｂフリー半田として、比較的Ｃｕ組成比の高いＰｂフリー半田（たとえば液相点が３００℃以上のＳｎ−５．０％Ｃｕ、Ｓｎ−３．０％Ｃｕ−０．３％Ａｇ）も開発されているが、銅喰われ問題、酸化物問題はじめ多くの問題が重なって、確実な接続信頼性を有する高融点のＰｂフリー半田を得ることは困難である。一方、低融点のＰｂフリー半田としては、例えば液相点が２２０℃のＳｎ−３．０％Ａｇ−０．５％Ｃｕ（ＪＥＩＴＡ推奨合金）などの接続信頼性の高いものが得られている。また、樹脂接着剤としては、使用可能温度が３００℃を超えるエポキシ樹脂など、低融点のＰｂフリー半田の液相点よりも高温に耐え得るものは容易に得られる。したがって、本実施の形態により、半田層１４をＰｂフリー化して、接続信頼性を確保しつつ、Ｐｂフリー化を図ることができるのである。
すなわち、２つの半田層を用いる場合には、先に半田付けする半田層には、液相点が３００℃〜３３０℃の高融点半田（Ｓｎ−９０％Ｐｂ）を用い、後に半田付けする半田層には、液相点が２１６℃程度の低融点半田（Ｓｎ−５０％Ｐｂ）を用いている。すなわち、先の半田付け工程では高融点半田を用い、後の半田付け工程では、先の工程で形成された半田層がリフロー炉内で融解しないように、低融点半田を用いるのである。
一方、環境問題から各種製品として、Ｐｂ（鉛）を使わない、いわゆるＰｂフリー（鉛フリー）部品を用いることが義務づけられつつあるが、低融点半田（Ｓｎ−５０％Ｐｂ）を、たとえば（Ｓｎ−３．０％Ａｇ−０．５％Ｃｕ）などの低融点のＰｂフリー半田に置き換えることは現在の技術で可能であるが、従来の高融点半田（Ｓｎ−９０％Ｐｂ）に代わる、接続信頼性の高い高融点のＰｂフリー半田を用いることは困難である。
それに対し、本実施の形態のごとく、金属層２３と配線部材７６との接続には絶縁接続層７８を用いることにより、半導体チップ７５と配線部材７６との接合のみに半田層７７を用いることができる。よって、半田層７７を低融点のＰｂフリー半田を用いて、接続信頼性を確保しつつ、Ｐｂフリー化を図ることができるのである。
本実施の形態では、金属層２３の材料として、Ｃｕ又はＣｕ合金を用いており、その厚みを０．５ｍｍ以上にすることにより、半導体チップ７５からの放熱経路を横方向に拡大する、いわゆるヒートスプレッダー機能を高めることができる。また、金属層２３には、ヒートシンク２１、絶縁接続層７８、配線部材７６などとの熱膨張率差に起因する熱応力が作用する。また、金属層２３の形成時には、粒子の超高速流の衝撃によって、バッファー層２２およびヒートシンク２１に残留圧縮歪が生じるが、この残留圧縮歪によっても金属層２３に応力が加わる。そこで、金属層２３の厚みを０．５ｍｍ以上にすることにより、各種応力に耐え得る強度が確保される。
また、ヒートシンク２１をＡｌ又はＡｌ合金により構成し、金属層２３をＣｕ又はＣｕ合金により構成し、配線部材７６をＣｕ又はＣｕ合金によって構成することにより、以下のような顕著な効果を発揮することができる。まず、ヒートシンク２１をＡｌ又はＡｌ合金によって構成することにより、押し出し成形によって微細ピッチのフィン部２１ｂを容易に形成することができ、放熱機能をより高く発揮することができる。また、金属層２３をＣｕ又はＣｕ合金によって構成することにより、上述のヒートスプレッダー機能を発揮し得るとともに、同じくＣｕ又はＣｕ合金からなる配線部材７６と金属層２３とが絶縁接続層７８を挟む構造になるので、ろう付けや半田付けよりも接合機能の低い樹脂絶縁層７８に、熱膨張率差に起因する熱応力をほとんど印加せずに済む利点がある。
つまり、低融点のＰｂフリー半田のみを使用することによるＰｂフリー化を実現するために有利な構造となる。
さらにＡｌ又はＡｌ合金からなるヒートシンク２１と金属層２３の間にＮｉのバッファー層を設けているため、パワーモジュールの動作時のおける高熱の影響によるＡｌ−Ｃｕ金属間化合物による脆性層の形成も抑制され、熱ストレス耐性に対し接合部の信頼性が高いパワーモジュールを実現することができる。
また、本発明のパワーモジュールに配置される半導体素子は、ワイドバンドギャップ半導体（ＳｉＣ、ＧａＮなど）を用いたパワーデバイスでもよいし、Ｓｉを用いたパワーデバイスでもよい。
上記実施の形態では、半導体チップ７５に、ＩＧＢＴが形成されているが、ＭＯＳＦＥＴ、ダイオード、ＪＦＥＴなどが形成された半導体チップを用いてもよい。
ヒートシンク２１との熱交換を行う熱交換媒体は、冷却能やコストを考慮すると、フロリナートや水などの液体であることが好ましい。ただし、ヘリウム、アルゴン、窒素、空気などの気体であってもよい。
上記において、本発明の実施の形態及び実施例について説明を行ったが、上記に開示された本発明の実施の形態及び実施例は、あくまで例示であって、本発明の範囲はこれら発明の実施の形態に限定されない。本発明の範囲は、特許請求の範囲の記載によって示され、さらに特許請求の範囲の記載と均等の意味及び範囲内でのすべての変更を含むものである。
本発明のパワーモジュールは、ＭＯＳＦＥＴ、ＩＧＢＴ、ダイオード、ＪＦＥＴ等を搭載した各種機器に利用することができる。
実施の形態１に係る放熱部品の断面図である。 （ａ）〜（ｃ）は、実施の形態１における放熱部品の製造工程を示す斜視図である。 めっき法の概略を説明する図である。 蒸着法の概略を説明する図である。 コールドスプレー法の概略を説明する図である。 ＨＶＡＦ法（ＨＶＯＦ法）の概略を説明する図である。 ＡＤ法の概略を説明する図である。 実施の形態２におけるパワーモジュールの構造を示す断面図である。 実施の形態２におけるパワーモジュールセットの構造を示す斜視図である。 実施の形態２におけるパワーモジュールセットのＶ−Ｖ線における断面図である。
符号の説明
１０ パワーモジュール
２１ ヒートシンク
２１ａ ヒートシンク平板部
２１ｂ ヒートシンクフィン部
２１ｘ ヒートシンク連続体
２２ バッファー層
２３ 金属層
３１ ホッパー
３２ 配管
３３ ガン
３４ 配管
３５ ヒータ
３６ コールドスプレー装置
４１ ホッパー
４２ 配管
４３ ガン
４４ 配管
４５ ガス配管
４６ 点火プラグ
４７ ＨＶＡＦ装置
５１ 成膜室
５２ ワークホルダー
５３ メタルマスク
５４ ノズル
５５ エアロゾル化室
５６ 連結配管
５７ ＡＤ装置
６１ 放熱器
６１ａ 放熱器天板
６１ｂ 放熱器容器
７２ 放熱器空間
７３ Ｏリング
７４ ボルト
７５ 半導体チップ
７６ 配線部材
７７ 半田層
７８ 絶縁接続層
７９ モジュール樹脂枠
８０ 電極端子層（バスバー）
８１ 大電力用配線
８２ 上面電極
８３ 信号配線
８４ ゲル層

Claims (7)

  1. Ａｌ又はＡｌ合金からなるヒートシンクの、少なくとも一部面上に、バッファー層を介してＣｕ又はＣｕ合金からなる金属層が設けられていることを特徴とする、放熱部品。
  2. 請求項１に記載の放熱部品において、
    前記バッファー層がＮｉ又はＮｉ合金によって構成されていることを特徴とする、放熱部品。
  3. 請求項１又は請求項２に記載の放熱部品において、
    前記ヒートシンクはフィン部を有していることを特徴とする、放熱部品。
  4. 請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の放熱部品と、
    配線部材上に固定された半導体チップを備えたパワーモジュールであって、
    前記金属層の上に絶縁接続層を介して前記配線部材が固定されていることを特徴とする、パワーモジュール。
  5. Ａｌ又はＡｌ合金からなるヒートシンクを準備する工程（ａ）と、
    前記ヒートシンク上にバッファー層を形成する工程（ｂ）と、
    前記バッファー層の上にＣｕ又はＣｕ合金からなる金属層を形成する工程（ｃ）と、
    を有する放熱部品の製造方法。
  6. 請求項５に記載の放熱部品の製造方法において、
    前記工程（ｂ）は、めっき法又は蒸着法によりＮｉ又はＮｉ合金からなるバッファー層を形成する工程であることを特徴とする、放熱部品の製造方法。
  7. 請求項５又は請求項６に記載の放熱部品の製造方法において、
    前記工程（ｃ）は、前記金属層を溶射法により形成する工程であることを特徴とする、放熱部品の製造方法。
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