JP2016168625A - 接合体の製造方法、ヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法、及び、ヒートシンクの製造方法 - Google Patents
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Abstract
Description
風力発電、電気自動車、ハイブリッド自動車等を制御するために用いられる大電力制御用のパワー半導体素子においては、発熱量が多いことから、これを搭載する基板としては、例えばAlN(窒化アルミニウム)、Al2O3(アルミナ)などからなるセラミックス基板と、このセラミックス基板の一方の面に導電性の優れた金属板を接合して形成した回路層と、を備えたパワーモジュール用基板が、従来から広く用いられている。なお、パワージュール用基板としては、セラミックス基板の他方の面に金属層を形成したものも提供されている。
そして、パワーモジュール用基板の下側には、ヒートシンクが接合されており、半導体素子からパワーモジュール用基板側に伝達された熱を、ヒートシンクを介して外部へ放散する構成とされている。
そこで、従来、例えば特許文献2に開示されているように、回路層及び金属層の表面に無電解めっき等によってNiめっき膜を形成した上で、半導体素子やヒートシンクをはんだ接合している。
また、特許文献3には、はんだ材の代替として、酸化銀粒子と有機物からなる還元剤とを含む酸化銀ペーストを用いて、回路層と半導体素子、及び、金属層とヒートシンクとを接合する技術が提案されている。
ここで、Siを比較的多く含むアルミニウム鋳物合金からなるアルミニウム部材と、銅又は銅合金からなる銅部材とを、特許文献5に記載されたように、固相拡散接合した場合には、接合界面近傍に相互拡散の不均衡によって生じるカーケンダルボイドが多数発生することが確認された。このようなカーケンダルボイドがパワーモジュール用基板とヒートシンクとの間に存在すると、熱抵抗が上昇し、放熱特性が低下してしまうといった問題があった。
この場合、前記アルミニウム部材と前記銅部材とを積層方向に加圧しながら通電加熱しているので、昇温速度を速くすることができ、比較的短時間で固相拡散接合を行うことが可能となる。これにより、例えば大気中で接合した場合でも、接合面の酸化の影響が小さく、前記アルミニウム部材と前記銅部材とを良好に接合することができる。
また、本発明のヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法においては、ヒートシンクが、Si濃度が1mass%以上25mass%以下の範囲内とされたアルミニウム合金で構成されているので、流路等を有する複雑な構造のヒートシンクを構成することができ、ヒートシンクの放熱特性を向上させることが可能となる。
この場合、前記ヒートシンクと前記金属層とを積層方向に加圧しながら通電加熱しているので、昇温速度を速くすることができ、比較的短時間で固相拡散接合を行うことが可能となる。これにより、例えば大気中で接合した場合でも、接合面の酸化の影響が小さく、前記ヒートシンクと前記金属層とを良好に接合することができる。
また、ヒートシンク本体が、Si濃度が1mass%以上25mass%以下の範囲内とされたアルミニウム合金で構成されているので、流路等を有する複雑な構造のヒートシンク本体を構成することができる。さらに、このヒートシンク本体に、銅又は銅合金からなる銅部材層が形成されているので、ヒートシンクと他の部材とをはんだ等を介して良好に接合することができる。また、熱を銅部材層で面方向に広げることができ、放熱特性を大幅に向上することができる。
この場合、前記ヒートシンク本体と前記銅部材層とを積層方向に加圧しながら通電加熱しているので、昇温速度を速くすることができ、比較的短時間で固相拡散接合を行うことが可能となる。これにより、例えば大気中で接合した場合でも、接合面の酸化の影響が小さく、前記ヒートシンク本体と前記銅部材層とを良好に接合することができる。
以下に、本発明の実施形態について、添付した図面を参照して説明する。
図1に、本発明の第一実施形態であるヒートシンク付パワーモジュール用基板30を用いたパワーモジュール1を示す。
このパワーモジュール1は、ヒートシンク付パワーモジュール用基板30と、このヒートシンク付パワーモジュール用基板30の一方の面(図1において上面)にはんだ層2を介して接合された半導体素子3と、を備えている。
ヒートシンク付パワーモジュール用基板30は、パワーモジュール用基板10と、パワーモジュール用基板10に接合されたヒートシンク31と、を備えている。
Al層13Aは、図3に示すように、セラミックス基板11の他方の面に、アルミニウム又はアルミニウム合金からなるアルミニウム板23Aが接合されることにより形成されている。本実施形態においては、Al層13Aは、純度が99質量%以上のアルミニウム(2Nアルミニウム)の圧延板(アルミニウム板23A)がセラミックス基板11に接合されることで形成されている。接合されるアルミニウム板23Aの厚さは0.1mm以上1.0mm以下の範囲内に設定されており、本実施形態では、0.6mmに設定されている。
Cu層13Bは、Al層13Aの他方の面に、銅又は銅合金からなる銅板23Bが接合されることにより形成されている。本実施形態においては、Cu層13Bは、無酸素銅の圧延板(銅板23B)が接合されることで形成されている。銅層13Bの厚さは0.1mm以上6mm以下の範囲内に設定されており、本実施形態では、1mmに設定されている。
金属層13(Cu層13B)とヒートシンク31との接合界面には、金属間化合物層が形成されている。この金属間化合物層は、ヒートシンク31のAl原子と、Cu層13BのCu原子とが相互拡散することによって形成されるものである。この金属間化合物層においては、ヒートシンク31からCu層13Bに向かうにしたがい、漸次Al原子の濃度が低くなり、かつCu原子の濃度が高くなる濃度勾配を有している。
金属間化合物層は、CuとAlからなる金属間化合物で構成されており、本実施形態では、複数の金属間化合物が接合界面に沿って積層した構造とされている。ここで、金属間化合物層の厚さは、1μm以上80μm以下の範囲内、好ましくは、5μm以上80μm以下の範囲内に設定されている。
また、この金属間化合物層とCu層13Bとの接合界面には、酸化物が接合界面に沿って層状に分散している。なお、本実施形態においては、この酸化物は、アルミナ(Al2O3)等のアルミニウム酸化物とされている。なお、酸化物は、金属間化合物層とCu層13Bとの界面に分断された状態で分散しており、金属間化合物層とCu層13Bとが直接接触している領域も存在している。また、酸化物がθ相、η2相もしくは、ζ2相、δ相、及びγ2相のうち少なくとも一つの相の内部に層状に分散している場合もある。
まず、図3に示すように、セラミックス基板11の一方の面に、回路層12となるアルミニウム板22を、Al−Si系のろう材箔26を介して積層した。
また、セラミックス基板11の他方の面に、Al層13Aとなるアルミニウム板23A、Al−Si系のろう材箔26を介して積層した。なお、本実施形態では、Al−Si系のろう材箔26として、厚さ15μmのAl−6mass%Si合金箔を用いた。
そして、積層方向に加圧(圧力1〜35kgf/cm2(0.10〜3.43MPa))した状態で真空加熱炉内に配置し加熱して、アルミニウム板22とセラミックス基板11を接合して回路層12を形成する。また、セラミックス基板11とアルミニウム板23Aを接合してAl層13Aを形成する。
ここで、真空加熱炉内の圧力は10−6Pa以上10−3Pa以下の範囲内に、加熱温度は600℃以上643℃以下、保持時間は30分以上180分以下の範囲内に設定されることが好ましい。
次に、Al層13Aの他方の面側に、Cu層13Bとなる銅板23Bを積層する。
そして、積層方向に加圧(圧力3〜35kgf/cm2(0.29〜3.43MPa))した状態で真空加熱炉内に配置し加熱して、Al層13Aと銅板23Bとを固相拡散接合し、金属層13を形成する。
ここで、真空加熱炉内の圧力は10−6Pa以上10−3Pa以下の範囲内に、加熱温度は400℃以上548℃以下、保持時間は5分以上240分以下の範囲内に設定されることが好ましい。
なお、Al層13A、銅板23Bのうち固相拡散接合されるそれぞれの接合面は、予め当該面の傷が除去されて平滑にされている。
次に、接合するヒートシンク31を準備する。このとき、図4に示すように、ヒートシンク31のうち金属層13(Cu層13B)と接合される接合面において、母相51中に分散したSi相52の円相当径のD90が1μm以上8μm以下の範囲内とされたものを準備する。
ここで、ヒートシンク31を鋳造する際にヒートシンク31の少なくとも接合面近傍の冷却速度を調整することで接合面におけるSi相52のサイズ及び形状を制御することができる。この場合、例えば、鋳造する際の金型の温度を230℃以下、望ましくは、210℃以下とするとよい。鋳造する際の金型の温度の下限値は、170℃であってもよいが、これに限定されることはない。
あるいは、ヒートシンク31の少なくとも接合面近傍を溶融させた後に急冷することにより、接合面におけるSi相52のサイズ及び形状を制御することができる。
次に、金属層13(Cu層13B)とヒートシンク31とを積層し、積層方向に加圧(圧力5〜35kgf/cm2(0.49〜3.43MPa))した状態で真空加熱炉内に配置し加熱して、金属層13(Cu層13B)とヒートシンク31を固相拡散接合する。なお、金属層13(Cu層13B)及びヒートシンク31のうち固相拡散接合されるそれぞれの接合面は、予め当該面の傷が除去されて平滑にされている。
ここで、真空加熱炉内の圧力は10−6Pa以上10−3Pa以下の範囲内に、加熱温度は400℃以上520℃以下、保持時間は0.5時間以上3時間以下の範囲内に設定されることが好ましい。
このようにして、本実施形態であるヒートシンク付パワーモジュール用基板30が製造される。
次いで、回路層12の一方の面(表面)に、はんだ材を介して半導体素子3を積層し、還元炉内においてはんだ接合する。
上記のようにして、本実施形態であるパワーモジュール1が製造される。
一方、母相中に分散したSi相52の円相当径のD90が8μmを超える場合には、Cuの拡散が促進され、接合界面におけるカーケンダルボイドの発生を十分に抑制できなくなるおそれがある。
よって、本実施形態においては、接合面におけるSi相52の円相当径のD90を1μm以上8μm以下の範囲内に設定している。
なお、接合界面におけるカーケンダルボイドの発生を確実に抑制するためには、Si相52の円相当径のD50が5μm以下であることが好ましく、Si相52の円相当径のD50が3μm以下、且つ、D90が6μm以下であることがさらに好ましい。
さらに、接合界面におけるカーケンダルボイドの発生が抑制されているので、ヒートシンク31と金属層13(Cu層13B)との接合強度に優れ、かつ、熱抵抗が少ない高性能なヒートシンク付パワーモジュール用基板30を構成することができる。
次に、本発明の第二実施形態であるヒートシンクについて説明する。図5に、本発明の第二実施形態に係るヒートシンク101を示す。
このヒートシンク101は、ヒートシンク本体110と、ヒートシンク本体110の一方の面(図5において上側)に積層された銅又は銅合金からなる銅部材層118と、を備えている。本実施形態では、銅部材層118は、図7に示すように、無酸素銅の圧延板からなる銅板128を接合することによって構成されている。
ヒートシンク本体110と銅部材層118との接合界面には、金属間化合物層が形成されている。この金属間化合物層は、ヒートシンク本体110のAl原子と、銅部材層118のCu原子とが相互拡散することによって形成されるものである。この金属間化合物層においては、ヒートシンク本体110から銅部材層118に向かうにしたがい、漸次Al原子の濃度が低くなり、かつCu原子の濃度が高くなる濃度勾配を有している。
金属間化合物層は、CuとAlからなる金属間化合物で構成されており、本実施形態では、複数の金属間化合物が接合界面に沿って積層した構造とされている。ここで、金属間化合物層の厚さは、1μm以上80μm以下の範囲内、好ましくは、5μm以上80μm以下の範囲内に設定されている。
また、この金属間化合物層と銅部材層118との接合界面には、酸化物が接合界面に沿って層状に分散している。なお、本実施形態においては、この酸化物は、アルミナ(Al2O3)等のアルミニウム酸化物とされている。なお、酸化物は、金属間化合物層と銅部材層118との界面に分断された状態で分散しており、金属間化合物層と銅部材層118とが直接接触している領域も存在している。また、酸化物が、θ相、η2相もしくは、ζ2相、δ相、及びγ2相のうち少なくとも一つの相の内部に層状に分散している場合もある。
まず、接合するヒートシンク本体110を準備する。このとき、ヒートシンク本体110のうち銅部材層118と接合される接合面において、第一の実施形態で説明したヒートシンク31(図4参照)と同様に、母相中に分散したSi相の円相当径のD90を1μm以上8μm以下の範囲内とされたヒートシンク本体110を準備する。
ここで、ヒートシンク本体110を鋳造する際にヒートシンク本体110の少なくとも接合面近傍の冷却速度を調整することで接合面におけるSi相のサイズ及び形状を制御することができる。この場合、例えば、鋳造する際の金型の温度を230℃以下、望ましくは、210℃以下とするとよい。鋳造する際の金型の温度の下限値は、170℃であってもよいが、これに限定されることはない。
あるいは、ヒートシンク本体110の少なくとも接合面近傍を溶融させた後に急冷することにより、接合面におけるSi相のサイズ及び形状を制御することができる。
次に、図7に示すように、ヒートシンク本体110と銅部材層118となる銅板128とを積層し、積層方向に加圧(圧力1〜35kgf/cm2(0.10〜3.43MPa))した状態で真空加熱炉内に配置し加熱することにより、銅板128とヒートシンク本体110とを固相拡散接合する。なお、銅板128、ヒートシンク本体110のうち固相拡散接合されるそれぞれの接合面は、予め当該面の傷が除去されて平滑にされている。
ここで、真空加熱炉内の圧力は10−6Pa以上10−3Pa以下の範囲内に、加熱温度は400℃以上520℃以下、保持時間は0.5時間以上3時間以下の範囲内に設定されることが好ましい。
このようにして、本実施形態であるヒートシンク101が製造される。
また、通電加熱法を適用する場合には、アルミニウム部材301及び銅部材302の表面粗さは、算術平均粗さRaで0.3μm以上0.6μm以下、または、最大高さRzで1.3μm以上2.3μm以下の範囲内とすることが好ましい。通常の固相拡散接合では、接合面の表面粗さは小さいことが好ましいが、通電加熱法の場合には、接合面の表面粗さが小さすぎると、界面接触抵抗が低下し、接合界面を局所的に加熱することが困難となるため、上述の範囲内とすることが好ましい。
また、金属層13(Cu層13B)とヒートシンク31の表面粗さについては、上述したアルミニウム部材301及び銅部材302の場合と同様である。
表1に示すアルミニウム板(10mm×10mm、厚さ3mm)の一方の面に、無酸素銅からなる銅板(2mm×2mm、厚さ0.3mm)を、上述の実施形態に記載した方法によって固相拡散接合した。
本発明例1−7及び比較例1,2においては、アルミニウム板と銅板とを積層方向に15kgf/cm2(1.47MPa)の荷重で押圧し、真空加熱炉で500℃×120minの条件で固相拡散接合を実施した。
本発明例8−11においては、アルミニウム板と銅板とを図9に示す通電加熱法によって固相拡散接合した。なお、電極に加圧荷重を15kgf/cm2(1.47MPa)とし、加熱温度(銅板温度)を510℃、加熱温度での保持時間を5minとし、昇温速度を80℃/minとした。また、接合雰囲気を大気雰囲気とした。
接合する前にアルミニウム板の接合面の組織観察を行い、母相中に分散するSi相のD90及びD50を以下のようにして測定した。なお、図10は本発明例2の測定例、図11は比較例2の測定例を示す。
まず、EPMA(日本電子株式会社製JXA―8530F)を用いて、視野360μm□、加速電圧15kV、Siコンターレベル0〜1000の条件で、Siの面分析を実施し、図10(a)及び図11(a)に示すSi分布像を得た。
得られたSi分布像を8ビットグレースケールに変換し、図10(b)及び図11(b)に示すようなSi分布像を得た。
Si相の輪郭を抽出した画像を基に、輪郭内の面積(ピクセル数)から円相当径(直径)を算出した。
そして、算出された円相当径のD90及びD50を求めた。測定結果を表1に示す。
この試験片を用いて、シェアテストを実施した。なお、このシェアテストは、国際電気標準会議の規格IEC 60749−19に準拠して実施した。シェアテストのn数は30とした。シェア強度のワイブルプロットにおいて、シェア強度が100MPaとなる累積故障率を破損率とした。なお、累積故障率の計算はメディアンランクに基づいて実施した。評価結果を表1に示す。
また、表1に示すアルミニウム板をヒートシンクとし、第一の実施形態で説明した構造のヒートシンク付パワーモジュール用基板を作製した。ヒートシンク付パワーモジュール用基板の構成は以下の通りである。なお、金属層(Cu層)とヒートシンクとの固相拡散接合は、積層方向の荷重を15kgf/cm2(1.47MPa)とし、真空加熱炉で500℃×120minの条件で実施した。
セラミックス基板:AlN,40mm×40mm,厚さ0.635mm
回路層:4Nアルミニウム,37mm×37mm,厚さ0.6mm
金属層(Al層):4Nアルミニウム,37mm×37mm,厚さ0.9mm
金属層(Cu層):無酸素銅,37mm×37mm,厚さ0.3mm
ヒートシンク:表1記載のアルミニウム合金,50mm×50mm,厚さ5mm
アルミニウム板(ヒートシンク)の接合面におけるSi相のD90が本発明の範囲よりも大きい比較例2においては、シェアテストによる故障率が非常に高くなった。接合界面にカーケンダルボイドが多く発生したためと推測される。
以上のことから、本発明例によれば、Siを比較的多く含むアルミニウム合金からなるアルミニウム部材と、銅又は銅合金からなる銅部材とが良好に接合された接合体を製造可能であることが確認された。
11 セラミックス基板
13,213 金属層
13B Cu層(銅部材)
30、230 ヒートシンク付パワーモジュール用基板
31 ヒートシンク(アルミニウム部材)
52 Si相
101 ヒートシンク
110 ヒートシンク本体
118 銅部材層
Claims (6)
- 銅又は銅合金からなる銅部材と、Si濃度が1mass%以上25mass%以下の範囲内とされたアルミニウム合金からなるアルミニウム部材と、が接合されてなる接合体の製造方法であって、
接合前の前記アルミニウム部材において、前記銅部材との接合面におけるSi相の円相当径のD90を1μm以上8μm以下の範囲内とし、
このアルミニウム部材と前記銅部材とを固相拡散接合することを特徴とする接合体の製造方法。 - 前記アルミニウム部材と前記銅部材とを積層し、積層方向に加圧しながら通電して加熱することにより、前記アルミニウム部材と前記銅部材とを固相拡散接合することを特徴とする請求項1に記載の接合体の製造方法。
- 絶縁層と、この絶縁層の一方の面に形成された回路層と、前記絶縁層の他方の面に形成された金属層と、この金属層の前記絶縁層とは反対側の面に配置されたヒートシンクと、を備えたヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法であって、
前記金属層のうち前記ヒートシンクとの接合面は、銅又は銅合金で構成され、
前記ヒートシンクのうち前記金属層との接合面は、Si濃度が1mass%以上25mass%以下の範囲内とされたアルミニウム合金で構成されており、
接合前の前記ヒートシンクにおいて、前記金属層との接合面におけるSi相の円相当径のD90を1μm以上8μm以下の範囲内とし、
このヒートシンクと前記金属層とを固相拡散接合することを特徴とするヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法。 - 前記ヒートシンクと前記金属層とを積層し、積層方向に加圧しながら通電して加熱することにより、前記ヒートシンクと前記金属層とを固相拡散接合することを特徴とする請求項3に記載のヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法。
- ヒートシンク本体と、銅又は銅合金からなる銅部材層と、を備えたヒートシンクの製造方法であって、
前記ヒートシンク本体は、Si濃度が1mass%以上25mass%以下の範囲内とされたアルミニウム合金で構成されており、
接合前の前記ヒートシンク本体において、前記銅部材層との接合面におけるSi相の円相当径のD90を1μm以上8μm以下の範囲内とし、
このヒートシンク本体と前記銅部材層とを固相拡散接合することを特徴とするヒートシンクの製造方法。 - 前記ヒートシンク本体と前記銅部材層とを積層し、積層方向に加圧しながら通電して加熱することにより、前記ヒートシンク本体と前記銅部材層とを固相拡散接合することを特徴とする請求項5に記載のヒートシンクの製造方法。
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