JP2015231041A - 積層体、及びパワーモジュール - Google Patents
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Abstract
Description
図1は、本発明の実施の形態1に係るパワーモジュールの構造を示す断面図である。
図1に示すパワーモジュール1は、基板10と、該基板10と緩衝層11を介して配設された冷却器(放熱器)12とを備える。このようなパワーモジュール1においては、半導体チップ16から発生した熱を、金属層17及び緩衝層11を介して冷却器12に移動させることにより、外部に放熱する。
まず、工程S1において、基板10を作製する。即ち、絶縁基材13の一方の面に回路層14を、他方の面に金属層17をろう付法により形成し、エッチング法により回路パターンを形成する。なお、ろう付法の代わりに、後述するコールドスプレー法を用いて回路層14や金属層17を形成しても良い。半導体チップ16は半田等を用いて回路層14上に実装される。
本願発明者は、緩衝層11として好適な高熱伝導率及び低熱膨張率を有し、且つ、容易に作製することができる複合材を探索するため、銅に対して種々の材料を添加した混合粉末を用いてコールドスプレー法により皮膜を形成する実験を実施した。図4は、母材である銅及び添加材として用いた材料の特性を示す表である。併せて、図4の右端に、基材(図1に示す絶縁基材13)として用いる窒化ケイ素の特性を示す。
実験(1):銅の粉末と添加材の粉末との混合比率を種々の比率で混合し、コールドスプレー法により、50mm角×3mm厚のアルミニウム基材(A1050)上に10mmの皮膜を形成した。銅の粉末としては、水アトマイズ法で作製した中心粒径25μmの粉末を用い、乾式混合法により添加材の粉末と混合した。銅の粉末と添加材の粉末との混合比率は、銅:添加材=20:80、50:50、及び80:20の3種類とした。また、コールドスプレー条件としては、圧縮ガスの温度を800℃とし、ガス圧力を3MPaとした。
1−Φ:複合材における添加材の体積含有率
λc:複合材における熱伝導率
λm:母材(銅)の熱伝導率(銅の場合、λm=397W/m・K)
λa:添加材の熱伝導率
クロムの場合、添加材の熱伝導率λaは93.9W/m・Kである。
αc=(vmEmαm+vaEaαa)/(vmEm+vaEa) …(2)
αc:複合材における熱膨張率
vm:母材(銅)の体積含有率
Em:母材のヤング率(銅の場合、Em=120GPa)
αm:母材の熱膨張率(銅の場合、αm=16.6×10-6/K)
va:添加材の体積含有率
Ea:添加材のヤング率
αa:添加材の熱膨張率
クロムの場合、添加材のヤング率Eaは279GPaであり、添加材の熱膨張率αaは4.9×10-6/Kである。
次に、本発明の実施の形態2について説明する。図11は、本実施の形態2に係るパワーモジュールの構造を示す断面図である。
図11に示すパワーモジュール2は、図1に示すパワーモジュール1に対し、緩衝層11が冷却器12の表面(図1においては上面)に直接形成されていると共に、伝熱シート18を介して緩衝層11が基板10の金属層17側に接着されている点が異なる。各部の材料や構成については、実施の形態1と同様である。
工程S2に続く工程S5において、コールドスプレー法により、冷却器12に緩衝層11を形成する。即ち、図3に例示するコールドスプレー装置100において、基材110として冷却器12の基部12aの表面(図11においては上面)をスプレーガン103に向けて配置すると共に、工程S2において調製した混合粉末を粉末供給装置102に投入して、皮膜形成を行う。
10、96 基板
11、97 緩衝層
12、98 冷却器
12a 基部
12b 冷却部
13、91 絶縁基材
14、92 回路層
15、93 半田
16、94 半導体チップ
17、95 金属層
18 伝熱シート
100 コールドスプレー装置
101 ガス加熱器
102 粉末供給装置
103 スプレーガン
104 ガスノズル
105、106 バルブ
110 基材
111 皮膜
Claims (8)
- 銅の粉末と、クロム、チタン、及びタングステンカーバイドのいずれかからなる添加材の粉末とを混合した混合粉末をガスと共に加速し、基材の表面に固相状態のままで吹き付けて堆積させることによって形成されたことを特徴とする複合材。
- 純銅に対する熱伝導率比が50%以上であり、
熱膨張率が7.5×10-6/K以上16.6×10-6/K未満であることを特徴とする請求項1に記載の複合材。 - 前記添加材はクロムであり、
前記クロムの体積含有率が0%より多く55%未満であることを特徴とする請求項1又は2に記載の複合材。 - 前記添加材はチタンであり、
前記チタンの体積含有率が0%より多く35%未満であることを特徴とする請求項1又は2に記載の複合材。 - 前記添加材はタングステンカーバイドであり、
前記タングステンカーバイドの体積含有率が0%より多く20%未満であることを特徴とする請求項1又は2に記載の複合材。 - 請求項1〜5のいずれか1項に記載の複合材と、
前記基材と、
を備えることを特徴とする積層体。 - 一方の面に半導体素子が実装された基板と、
前記基板の他方の面を前記基材の表面として形成された請求項1〜5のいずれか1項に記載の複合材と、
平板状をなす基部と、該基部の一方の面に設けられた冷却部と、を有し、前記基部の他方の面において前記複合材と接着された冷却器と、
を備えることを特徴とするパワーモジュール。 - 平板状をなす基部と、該基部の一方の面に設けられた冷却部と、を有する冷却器と、
前記基部の他方の面を前記基材の表面として形成された請求項1〜5のいずれか1項に記載の複合材と、
一方の面に半導体素子が実装され、他方の面において前記複合材に接着された基板と、
を備えることを特徴とするパワーモジュール。
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