JP2017120828A - Method for manufacturing assembly, method for manufacturing substrate for heat sink-equipped power module, assembly, and substrate for heat sink-equipped power module - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、アルミニウム又はアルミニウム合金からなる金属部材と、炭素質部材中にマグネシウム又はマグネシウム合金が充填されたマグネシウム基複合材料とが、接合されてなる接合体の製造方法、ヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法、接合体及びヒートシンク付パワーモジュール用基板に関する。 The present invention relates to a method for manufacturing a joined body in which a metal member made of aluminum or an aluminum alloy and a magnesium-based composite material in which magnesium or a magnesium alloy is filled in a carbonaceous member, and a power module substrate with a heat sink The manufacturing method, the joined body, and the substrate for a power module with a heat sink.
一般に、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、このようなパワー半導体素子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形成された回路層と、セラミックス基板の他方の面に形成された金属層と、を備えたパワーモジュール用基板が、従来から広く利用されている。パワーモジュール用基板の金属層としては、アルミニウム及びアルミニウム合金などのアルミニウム部材が広く用いられている。 In general, in a power semiconductor element for high power control used for controlling wind power generation, electric vehicles, hybrid vehicles, etc., since the amount of heat generated is large, as a substrate on which such a power semiconductor element is mounted, for example, A ceramic substrate made of AlN (aluminum nitride), Al 2 O 3 (alumina), a circuit layer formed on one surface of the ceramic substrate, and a metal layer formed on the other surface of the ceramic substrate, The power module substrate provided has been widely used. As the metal layer of the power module substrate, aluminum members such as aluminum and aluminum alloys are widely used.
また、搭載した半導体素子等から発生した熱を効率的に放散させるために、パワーモジュール用基板の金属層側にヒートシンクを接合したヒートシンク付パワーモジュール用基板が提供されている。
ヒートシンクとしては、低い線膨張係数と高い熱伝導率とを有するものであることが好ましいとされている。この低い線膨張係数と高い熱伝導率とを有するヒートシンク用の材料として、MgSiCが知られている。このMgSiCは、炭化ケイ素中にマグネシウム又はマグネシウム合金が充填されたものである。
In addition, in order to efficiently dissipate heat generated from a mounted semiconductor element or the like, there is provided a power module substrate with a heat sink in which a heat sink is bonded to the metal layer side of the power module substrate.
The heat sink preferably has a low coefficient of linear expansion and a high thermal conductivity. MgSiC is known as a heat sink material having such a low coefficient of linear expansion and high thermal conductivity. This MgSiC is a silicon carbide filled with magnesium or a magnesium alloy.
非特許文献1には、MgSiCと両面Al層付きの窒化アルミニウム(AlN)基板とをはんだで接合することが記載されている。 Non-Patent Document 1 describes joining MgSiC and an aluminum nitride (AlN) substrate with a double-sided Al layer with solder.
ところで、最近では、パワー半導体素子等の高出力化が進められており、これを搭載するヒートシンク付パワーモジュール用基板に対して厳しいヒートサイクルが負荷されることになり、従来にも増して、ヒートサイクルに対する接合信頼性に優れたヒートシンク付パワーモジュール用基板が要求されている。ところが、非特許文献1に記載されているように、パワーモジュール用基板の金属層とヒートシンクとをはんだで接合した場合には、ヒートサイクル負荷時に、はんだにクラックが生じて接合率が低下してしまい、熱抵抗が上昇することがある。 By the way, recently, higher output of power semiconductor elements and the like has been promoted, and a severe heat cycle has been applied to the power module substrate with a heat sink on which the power semiconductor element is mounted. There is a demand for a power module substrate with a heat sink having excellent bonding reliability with respect to the cycle. However, as described in Non-Patent Document 1, when the metal layer of the power module substrate and the heat sink are joined with solder, cracks occur in the solder during a heat cycle load, and the joining rate decreases. As a result, the thermal resistance may increase.
従って、パワーモジュール用基板とMgSiCとをはんだを使用しないで接合することができれば望ましい。しかしながら、本発明者の検討によると、パワーモジュール用基板の金属層として用いられるアルミニウム部材とMgSiCとを直接接触させて加熱すると、Al−Mgの液相が多量に発生して、アルミニウム部材とMgSiCとの間から漏れ出てしまうため、アルミニウム部材とMgSiCとを優れた接合信頼性で接合させることは難しいことが判明した。多量のAl−Mgの液相が発生する理由としては、AlとMgとが接触した状態で、AlとMgの共晶温度以上に加熱されると、Al−Mg混和溶融物が発生するが、接合されるアルミニウム部材やMgSiCはそれぞれ数mm程度の厚さを有するため、Al−Mg混和溶融物が生成している接合界面にAlとMgが多量に供給され続けることとなり、アルミニウム部材とMgSiCと間からAl−Mg混和溶融物が漏れ出てしまうと考えられる。 Therefore, it is desirable if the power module substrate and MgSiC can be joined without using solder. However, according to the study of the present inventor, when the aluminum member used as the metal layer of the power module substrate and MgSiC are heated by direct contact, a large amount of Al—Mg liquid phase is generated, and the aluminum member and MgSiC It has been found difficult to join the aluminum member and MgSiC with excellent joint reliability. The reason why a large amount of Al—Mg liquid phase is generated is that when Al and Mg are in contact with each other and heated to a temperature higher than the eutectic temperature of Al and Mg, an Al—Mg mixed melt is generated. Since the aluminum member and MgSiC to be joined each have a thickness of about several millimeters, a large amount of Al and Mg will continue to be supplied to the joining interface where the Al-Mg mixed melt is generated. It is thought that the Al-Mg mixed melt leaks from the gap.
この発明は、前述した事情に鑑みてなされたものであって、パワーモジュール用基板の金属層として広く利用されているアルミニウムやアルミニウム合金などの金属部材と、ヒートシンクとして利用できるMgSiCに代表されるマグネシウム基複合材料とを、はんだを使用しないで、優れた接合信頼性で接合できる接合体の製造方法及びヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法を提供することを目的とする。また、この発明は、アルミニウムやアルミニウム合金などの金属部材とマグネシウム基複合材料とを、はんだを使用しないで接合した接合体及びヒートシンク付パワーモジュール用基板を提供することもその目的とする。 The present invention has been made in view of the above-mentioned circumstances, and is a magnesium member typified by a metal member such as aluminum or aluminum alloy that is widely used as a metal layer of a power module substrate, and MgSiC that can be used as a heat sink. An object of the present invention is to provide a method for manufacturing a bonded body and a method for manufacturing a substrate for a power module with a heat sink, which can be bonded to the base composite material with excellent bonding reliability without using solder. Another object of the present invention is to provide a joined body in which a metal member such as aluminum or aluminum alloy and a magnesium-based composite material are joined without using solder, and a power module substrate with a heat sink.
前述の課題を解決するために、本発明の接合体の製造方法は、アルミニウム又はアルミニウム合金からなる金属部材と、炭素質部材中にマグネシウム又はマグネシウム合金(本願では単にマグネシウムと称す)が充填されたマグネシウム基複合材料とが、接合されてなる接合体の製造方法であって、前記金属部材と前記マグネシウム基複合材料との間にチタン箔を配置して、前記金属部材と前記チタン箔とを接合し、前記チタン箔と前記マグネシウム基複合材料とを銅、ニッケル、銀、アルミニウムのいずれかからなる接合材を用いて液相接合することを特徴としている。なお、本発明においては、銅、ニッケル、銀、アルミニウムはそれらの合金を含むものとする。 In order to solve the above-described problems, a method for manufacturing a joined body according to the present invention includes a metal member made of aluminum or an aluminum alloy, and a carbonaceous member filled with magnesium or a magnesium alloy (simply referred to as magnesium in the present application). A method for producing a joined body in which a magnesium-based composite material is joined, wherein a titanium foil is disposed between the metal member and the magnesium-based composite material, and the metal member and the titanium foil are joined together. The titanium foil and the magnesium-based composite material are liquid-phase bonded using a bonding material made of copper, nickel, silver, or aluminum. In addition, in this invention, copper, nickel, silver, and aluminum shall include those alloys.
この構成の接合体の製造方法によれば、前記金属部材と前記マグネシウム基複合材料との間にチタン箔を配置しているので、このチタン箔がバリヤー膜として作用し、前記金属部材と前記マグネシウム基複合材料が直接接触することがない。よって、Al−Mg混和溶融物が多量に発生することが抑えられる。また、前記金属部材と前記マグネシウム基複合材料との間にチタン箔を配置しているので、前記マグネシウム基複合材料と前記チタン箔とが接合され、前記チタン箔と前記金属部材とを接合されるので、前記金属部材と前記マグネシウム基複合材料とを、チタン箔を介して、強固に接合することが可能となる。従って、接合信頼性に優れた接合体を製造することが可能となる。 According to the method of manufacturing a joined body having this configuration, since the titanium foil is disposed between the metal member and the magnesium-based composite material, the titanium foil acts as a barrier film, and the metal member and the magnesium There is no direct contact between the matrix composites. Therefore, it is possible to suppress the generation of a large amount of Al-Mg mixed melt. Further, since the titanium foil is disposed between the metal member and the magnesium-based composite material, the magnesium-based composite material and the titanium foil are joined, and the titanium foil and the metal member are joined. Therefore, the metal member and the magnesium-based composite material can be firmly bonded via the titanium foil. Therefore, it is possible to manufacture a bonded body having excellent bonding reliability.
また、本発明の接合体の製造方法において、チタン箔が、3μm以上85μm以下の範囲内であることが好ましい。この構成によれば、チタン箔の厚さが3μm以上であるので、前記金属部材と前記マグネシウム基複合材料が直接接触することをより確実に防止することができる。また、チタン箔の厚さが85μm以下であるので、熱抵抗となるチタン箔を薄くすることができ、接合体の熱抵抗を低くすることが可能である。従って、接合信頼性と放熱特性に優れた接合体を製造することが可能となる。 Moreover, in the manufacturing method of the joined body of this invention, it is preferable that titanium foil exists in the range of 3 micrometers or more and 85 micrometers or less. According to this configuration, since the thickness of the titanium foil is 3 μm or more, it is possible to more reliably prevent the metal member and the magnesium-based composite material from coming into direct contact. Moreover, since the thickness of the titanium foil is 85 μm or less, the titanium foil that becomes the thermal resistance can be thinned, and the thermal resistance of the joined body can be lowered. Therefore, it is possible to manufacture a bonded body having excellent bonding reliability and heat dissipation characteristics.
また、本発明の接合体の製造方法において、前記接合材が、アルミニウムからなる接合材であることが好ましい。前記接合材として用いることができる、銅、ニッケル、銀、アルミニウムのうち、アルミニウムとマグネシウムと溶融混和物が最も低い温度で発生することから、液相を保持できる時間が長くなり、前記チタン箔と前記前記マグネシウム基複合材料とを強固に接合することができる。従って、より接合信頼性に優れた接合体を製造することが可能となる。 Moreover, in the manufacturing method of the joined body of this invention, it is preferable that the said joining material is a joining material which consists of aluminum. Among copper, nickel, silver, and aluminum that can be used as the bonding material, aluminum and magnesium and a molten mixture are generated at the lowest temperature, so that the time during which the liquid phase can be maintained is increased, and the titanium foil and The magnesium-based composite material can be firmly bonded. Therefore, it is possible to manufacture a bonded body with higher bonding reliability.
また、本発明の接合体の製造方法において、前記チタン箔と前記マグネシウム基複合材料とを、接合材を用いて液相接合する際には、前記マグネシウム基複合材料と前記チタン箔との間にマグネシウムを介在させてもよい。この構成によれば、接合材の溶融物中のマグネシウムの含有量を均一にできるので、前記マグネシウム基複合材料と前記チタン箔とを均一な強さで接合することができる。従って、より接合信頼性に優れた接合体を製造することが可能となる。 In the method for producing a joined body of the present invention, when the titanium foil and the magnesium-based composite material are liquid-phase bonded using a bonding material, the magnesium-based composite material and the titanium foil are interposed between the titanium-based composite material and the titanium foil. Magnesium may be interposed. According to this configuration, since the magnesium content in the melt of the bonding material can be made uniform, the magnesium-based composite material and the titanium foil can be bonded with a uniform strength. Therefore, it is possible to manufacture a bonded body with higher bonding reliability.
さらに、本発明の接合体の製造方法において、前記チタン箔と前記金属部材との接合を、接合材を用いた液相接合もしくは固相拡散接合によって接合することが好ましい。この構成によれば、前記チタン箔と前記金属部材とをより強固に接合することができる。従って、より接合信頼性に優れた接合体を製造することが可能となる。 Furthermore, in the method for manufacturing a joined body of the present invention, it is preferable that the titanium foil and the metal member are joined by liquid phase joining or solid phase diffusion joining using a joining material. According to this structure, the said titanium foil and the said metal member can be joined more firmly. Therefore, it is possible to manufacture a bonded body with higher bonding reliability.
さらにまた、本発明の接合体の製造方法において、前記チタン箔と前記金属部材とを液相接合する場合、前記接合材は、銅、ニッケル、銀、マグネシウム、ケイ素、アルミニウムとケイ素の合金、アルミニウムとマグネシウムの合金、又はアルミニウムとケイ素とマグネシウムの合金、アルミニウム合金芯材の片面または両面にアルミニウムとケイ素とマグネシウムの合金皮材を積層したクラッド材であることが好ましい。この構成によれば、前記チタン箔と前記金属部材とをさらに強固に接合することができる。従って、より接合信頼性に優れた接合体を製造することが可能となる。 Furthermore, in the method for producing a joined body of the present invention, when the titanium foil and the metal member are subjected to liquid phase joining, the joining material is copper, nickel, silver, magnesium, silicon, an alloy of aluminum and silicon, aluminum A clad material in which an alloy skin of aluminum, silicon and magnesium is laminated on one or both sides of an alloy of aluminum and magnesium, an alloy of aluminum, silicon and magnesium, or an aluminum alloy core material is preferable. According to this structure, the said titanium foil and the said metal member can be joined still more firmly. Therefore, it is possible to manufacture a bonded body with higher bonding reliability.
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は、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アルミニウム又はアルミニウム合金からなる金属層と、を備えたパワーモジュール用基板の金属層と、炭素質部材中にマグネシウムが充填されたマグネシウム基複合材料であるヒートシンクとが、接合されてなる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、前記金属層と前記マグネシウム基複合材料との間にチタン箔を配置して、前記金属層と前記チタン箔とを接合し、前記チタン箔と前記マグネシウム基複合材料とを銅、ニッケル、銀、アルミニウムのいずれかからなる接合材を用いて液相接合することを特徴としている。 The method for manufacturing a power module substrate with a heat sink of the present invention comprises an insulating layer, a circuit layer formed on one surface of the insulating layer, and aluminum or an aluminum alloy formed on the other surface of the insulating layer. A method for producing a power module substrate with a heat sink, in which a metal layer of a power module substrate provided with a metal layer and a heat sink, which is a magnesium-based composite material in which magnesium is filled in a carbonaceous member, are joined together A titanium foil is disposed between the metal layer and the magnesium-based composite material, the metal layer and the titanium foil are joined, and the titanium foil and the magnesium-based composite material are combined with copper, nickel, It is characterized by performing liquid phase bonding using a bonding material made of either silver or aluminum.
この構成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よれば、前記パワーモジュール用基板の金属層と前記ヒートシンクであるマグネシウム基複合材料との間にチタン箔を配置しているので、このチタン箔がバリヤー膜として作用し、前記パワーモジュール用基板の金属層と前記マグネシウム基複合材料が直接接触することがない。よって、Al−Mg混和溶融物が多量に発生することが抑えられる。また、前記パワーモジュール用基板の金属層と前記マグネシウム基複合材料との間にチタン箔を配置しているので、前記マグネシウム基複合材料と前記チタン箔とが接合され、前記チタン箔と前記パワーモジュール用基板の金属層とが接合されるので、前記パワーモジュール用基板の金属層と前記マグネシウム基複合材料とを、チタン箔を介して、強固に接合することが可能となる。 According to the manufacturing method of the power module substrate with a heat sink having this configuration, the titanium foil is disposed between the metal layer of the power module substrate and the magnesium-based composite material that is the heat sink. It acts as a barrier film, and the metal layer of the power module substrate and the magnesium-based composite material do not come into direct contact. Therefore, it is possible to suppress the generation of a large amount of Al-Mg mixed melt. Further, since the titanium foil is disposed between the metal layer of the power module substrate and the magnesium-based composite material, the magnesium-based composite material and the titanium foil are joined, and the titanium foil and the power module are joined. Since the metal layer of the power substrate is bonded, the metal layer of the power module substrate and the magnesium-based composite material can be firmly bonded via the titanium foil.
本発明の接合体は、アルミニウム又はアルミニウム合金からなる金属部材と、炭素質部材中にマグネシウムが充填されたマグネシウム基複合材料とが、接合されてなる接合体であって、前記金属部材と前記マグネシウム基複合材料との間にチタン層が配置されていて、前記金属部材と前記チタン層とが、アルミニウムとチタンを含む金属間化合物層を介して接合されており、前記チタン層と前記マグネシウム基複合材料とが、添加元素−マグネシウム相を含む添加元素−マグネシウム含有層を介して接合されていて、前記添加元素−マグネシウム含有層と接触している前記マグネシウム基複合材料に添加元素を含む拡散層が形成されており、前記添加元素が銅、ニッケル、銀、アルミニウムの何れかであることを特徴としている。 The joined body of the present invention is a joined body in which a metal member made of aluminum or an aluminum alloy and a magnesium-based composite material in which magnesium is filled in a carbonaceous member are joined, and the metal member and the magnesium A titanium layer is disposed between the base composite material, and the metal member and the titanium layer are joined via an intermetallic compound layer containing aluminum and titanium, and the titanium layer and the magnesium base composite A diffusion layer containing an additive element is added to the magnesium-based composite material in which the material is bonded via the additive element-magnesium-containing layer including the additive element-magnesium phase and in contact with the additive element-magnesium-containing layer. The additive element is any one of copper, nickel, silver, and aluminum.
この接合体の構成によれば、前記チタン層と前記マグネシウム基複合材料とは、添加元素−マグネシウム相を含むアルミニウム−マグネシウム含有層を介して接合されていて、前記添加元素−マグネシウム含有層と接触している前記マグネシウム基複合材料にアルミニウムを含む拡散層が形成されていることによって、前記チタン層と前記マグネシウム基複合材料との接合強度が高くなる。また、前記金属部材と前記チタン層とが、アルミニウムとチタンを含む金属間化合物層を介して接合されていることによって、前記金属部材と前記チタン層との接合強度は高くなる。従って、この接合体は、前記マグネシウム基複合材料と前記金属部材との接合信頼性に優れたものとなる。 According to the structure of the joined body, the titanium layer and the magnesium-based composite material are joined via the aluminum-magnesium-containing layer containing an additive element-magnesium phase, and are in contact with the additive element-magnesium-containing layer. By forming a diffusion layer containing aluminum in the magnesium-based composite material, the bonding strength between the titanium layer and the magnesium-based composite material is increased. Moreover, when the metal member and the titanium layer are bonded via an intermetallic compound layer containing aluminum and titanium, the bonding strength between the metal member and the titanium layer is increased. Therefore, this joined body is excellent in joining reliability between the magnesium-based composite material and the metal member.
ここで、本発明の接合体においては、前記チタン層が、1μm以上84μm以下の範囲内とされていることが好ましい。この構成によれば、チタン層の厚さが1μm以上であるので、前記金属部材中のAlと前記マグネシウム基複合材料中のMgが直接接触することなく、チタン層を介して接合されているため、接合信頼性が向上する。また、チタン層の厚さが84μm以下であるので、チタン層の熱抵抗が低くなる。従って、接合信頼性と放熱特性に優れた接合体を製造することが可能となる。 Here, in the joined body of the present invention, it is preferable that the titanium layer is in a range of 1 μm to 84 μm. According to this configuration, since the thickness of the titanium layer is 1 μm or more, Al in the metal member and Mg in the magnesium-based composite material are joined via the titanium layer without being in direct contact with each other. , Bonding reliability is improved. Moreover, since the thickness of the titanium layer is 84 μm or less, the thermal resistance of the titanium layer is lowered. Therefore, it is possible to manufacture a bonded body having excellent bonding reliability and heat dissipation characteristics.
本発明のヒートシンク付パワーモジュール用基板は、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アルミニウム又はアルミニウム合金からなる金属層と、を備えたパワーモジュール用基板の金属層と、炭素質部材中にマグネシウムが充填されたマグネシウム基複合材料であるヒートシンクとが、接合されてなるヒートシンク付パワーモジュール用基板であって、前記金属層と前記マグネシウム基複合材料との間にチタン層が配置されていて、前記金属層と前記チタン層とがアルミニウムとチタンを含む金属間化合物層を介して接合されており、前記チタン層と前記マグネシウム基複合材料とが、添加元素−マグネシウム相を含む添加元素−マグネシウム含有層を介して接合されていて、前記添加元素−マグネシウム含有層と接触している前記マグネシウム基複合材料に添加元素を含む拡散層が形成されており、前記添加元素が銅、ニッケル、銀、アルミニウムの何れかであることを特徴としている。 A power module substrate with a heat sink according to the present invention includes an insulating layer, a circuit layer formed on one surface of the insulating layer, and a metal layer made of aluminum or an aluminum alloy formed on the other surface of the insulating layer. A power module substrate with a heat sink, which is formed by bonding a metal layer of a power module substrate including a heat sink that is a magnesium-based composite material in which a carbonaceous member is filled with magnesium, the metal layer And the magnesium-based composite material, a titanium layer is disposed, and the metal layer and the titanium layer are joined via an intermetallic compound layer containing aluminum and titanium, and the titanium layer and the magnesium The base composite material is joined via the additive element-magnesium-containing layer including the additive element-magnesium phase. Element - and a diffusion layer containing an additive element to the magnesium-based composite material in contact with the magnesium-containing layer is formed, the additional element is copper, nickel, silver, and characterized in that either aluminum.
このヒートシンク付パワーモジュール用基板の構成によれば、前記チタン層と前記ヒートシンクであるマグネシウム基複合材料とは、添加元素−マグネシウム相を含むアルミニウム−マグネシウム含有層を介して接合されていて、前記添加元素−マグネシウム含有層と接触している前記マグネシウム基複合材料にアルミニウムを含む拡散層が形成されていることによって、前記マグネシウム基複合材料と前記チタン層との接合強度は高くなる。また、前記パワーモジュール用基板の金属部材と前記チタン層とが、アルミニウムとチタンを含む金属間化合物層を介して接合されていることによって、前記金属部材と前記チタン層との接合強度は高くなる。従って、このヒートシンク付パワーモジュール用基板は、前記ヒートシンクと前記パワーモジュール用基板との接合信頼性に優れたものとなる。 According to the configuration of the power module substrate with a heat sink, the titanium layer and the magnesium-based composite material that is the heat sink are bonded via an aluminum-magnesium-containing layer containing an additive element-magnesium phase, and the addition By forming a diffusion layer containing aluminum in the magnesium-based composite material that is in contact with the element-magnesium-containing layer, the bonding strength between the magnesium-based composite material and the titanium layer is increased. In addition, since the metal member of the power module substrate and the titanium layer are bonded via an intermetallic compound layer containing aluminum and titanium, the bonding strength between the metal member and the titanium layer is increased. . Therefore, the power module substrate with a heat sink has excellent bonding reliability between the heat sink and the power module substrate.
本発明によれば、アルミニウムやアルミニウム合金などの金属部材と、MgSiCに代表されるマグネシウム基複合材料とを、はんだを使用しないで、優れた接合信頼性で接合できる接合体の製造方法及びヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法を提供することが可能となる。また、本発明によれば、アルミニウムやアルミニウム合金などの金属部材とマグネシウム基複合材料とを、はんだを使用しないで接合した接合体及びヒートシンク付パワーモジュール用基板を提供することができる。本発明のヒートシンク付パワーモジュール用基板は、その製造に際してはんだを使用しないので、ヒートサイクル負荷時に、はんだにクラックが生じることによる接合率の低下や熱抵抗の上昇が発生しないため、長期間にわたって安定して使用することができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the manufacturing method of the joining body which can join metal members, such as aluminum and aluminum alloy, and the magnesium group composite material represented by MgSiC by soldering without outstanding soldering reliability, and a heat sink It is possible to provide a method for manufacturing a power module substrate. In addition, according to the present invention, it is possible to provide a joined body in which a metal member such as aluminum or aluminum alloy and a magnesium-based composite material are joined without using solder, and a power module substrate with a heat sink. The power module substrate with a heat sink according to the present invention does not use solder in the production thereof, and therefore does not cause a decrease in bonding rate or an increase in thermal resistance due to cracks in the solder during a heat cycle load. Can be used.
(第一実施形態)
以下に、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は、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の製造方法を説明する概略説明図である。
(First embodiment)
Hereinafter, an embodiment of a method for manufacturing a power module substrate with a heat sink according to the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
FIG. 1 is a schematic explanatory view illustrating a method for manufacturing a power module substrate with a heat sink according to the first embodiment of the present invention.
図1においてパワーモジュール用基板10は、絶縁層を構成するセラミックス基板11と、セラミックス基板11の一方の面(図1においては上面)に形成された回路層12と、セラミックス基板11の他方の面(図1においては下面)に形成されたアルミニウム又はアルミニウム合金からなる金属層13と、を備えている。
1, a
セラミックス基板11は、例えば、絶縁性および放熱性に優れたSi3N4(窒化ケイ素)、AlN(窒化アルミニウム)、Al2O3(アルミナ)等のセラミックスで構成されている。セラミックス基板11の厚さは、例えば、0.2mm以上1.5mm以下の範囲内にある。
The
回路層12は、例えば、セラミックス基板11の一方の面に、金属板が接合されることにより形成されている。金属板の例としては、銅又は銅合金からなる銅板、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を挙げることができる。回路層12は、二種以上の金属層の積層体でもよい。回路層12として用いることができる積層体しては、アルミニウム板の上に銅板を固相拡散接合によって積層した積層体を挙げることができる。回路層12は、純度が99質量%(2N)以上であることが好ましい。回路層12の厚さは、例えば、0.1mm以上6.0mm以下の範囲内にある。
The
金属層13は、例えば、セラミックス基板11の一方の面に、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が接合されることにより形成されている。金属層13は、純度が99質量%(2N)以上のアルミニウムであることが好ましく、純度が99.99質量%(4N)以上のアルミニウムであることがより好ましい。金属層13の厚さは、例えば、0.1mm以上6.0mm以下の範囲内にある。
The
ヒートシンク付パワーモジュール用基板のヒートシンクとして用いるマグネシウム基複合材料20は、炭素質部材21中にマグネシウム22が充填されたものである。炭素質部材21の例としては、炭素繊維及び炭化ケイ素を挙げることができる。マグネシウム基複合材料20の例としては、炭化ケイ素中にマグネシウムが充填されたMgSiCを挙げることができる。MgSiCの組成として、炭化ケイ素が70体積%以上とされているとよい。マグネシウム22としては、99.8質量%以上マグネシウム及び不可避不純物からなる純マグネシウムや、Li、Ag、Ni、Ca、Al、Zn、Mn、Si、Cu、Zr等の添加元素が添加されたマグネシウム及び不可避不純物からなるマグネシウム合金を用いることができる。マグネシウム合金を用いる場合、添加元素は、合計で20質量%以下であるとよく、特に、Alは3質量%以下、Znは5質量%以下、その他の元素はそれぞれ10質量%以下とするとよい(但し、添加元素の量はマグネシウム合金を100とする)。マグネシウム基複合材料20の厚さは、例えば、0.4mm以上5.0mm以下の範囲内にある。
A magnesium-based
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の製造方法では、パワーモジュール用基板10の金属層13とマグネシウム基複合材料20との間にチタン箔30を配置する。そして、マグネシウム基複合材料20とチタン箔30とを接合し、チタン箔30と金属層13とを液相接合することによって、パワーモジュール用基板10の金属層13とマグネシウム基複合材料20とを接合する。
In the method for manufacturing a power module substrate with a heat sink according to this embodiment, a
チタン箔30は、バリヤー膜として作用して、パワーモジュール用基板10の金属層13とマグネシウム基複合材料20が直接接触することを防止する作用がある。この作用効果を発揮させるために、チタン箔30は、パワーモジュール用基板10の金属層13及びマグネシウム基複合材料20のうちの少なくとも一方よりも面積が広いことが好ましい。
また、チタン箔30は、厚さが厚い方が、接合時(すなわち加熱時)にAlとTiの金属間化合物の成長しチタン箔の厚さが減少しても、パワーモジュール用基板10の金属層13とマグネシウム基複合材料20が直接接触すること防ぐことができるので好ましい。一方、チタン箔30は、厚さが薄い方が、熱抵抗が低くなるので好ましい。
これらの点を考慮すると、チタン箔30の厚さは、3μm以上85μm以下の範囲内とされていることが好ましく、より好ましくは10μm以上20μm以下の範囲内とするとよい。
The
Further, when the
Considering these points, the thickness of the
第一実施形態では、チタン箔30とマグネシウム基複合材料20との接合に、ヒートシンク接合用接合材40を用いる。ヒートシンク接合用接合材40としては、銅、ニッケル、銀、アルミニウムのいずれかからなる接合材を用いることができる。好ましくはアルミニウムやアルミニウム合金の箔材を用いるとよい。アルミニウム合金の例としては、アルミニウムとケイ素(Al−Si)の合金、アルミニウムとマグネシウム(Al−Mg)の合金、アルミニウムとケイ素とマグネシウム(Al−Si−Mg)の合金を挙げることができる。また、例えば、アルミニウム合金(例えばA3003)を芯材とし、皮材をAl−Si−Mg合金とした両面クラッド材や片面クラッド材を用いることもできる。
In the first embodiment, the heat
ヒートシンク接合用接合材40は、チタン箔30とマグネシウム基複合材料20との間に均一に存在することが好ましい。このため、ヒートシンク接合用接合材40は、金属層13と面積が同じであることが好ましい。
また、ヒートシンク接合用接合材40は、厚さが薄くなりすぎると、チタン箔30とマグネシウム基複合材料20との接合強度が低くなり、接合信頼性が低下することがある。一方、厚さが厚くなりすぎると接合時に液相が過剰に発生し、チタン箔30とマグネシウム基複合材料20との間から液相が漏れ出てしまい、ろうこぶを発生させる可能性がある。これらの点を考慮すると、ヒートシンク接合用接合材40の厚さは、2μm以上100μm以下の範囲内とすることが好ましく、10μm以上85μm以下の範囲内とすることがより好ましい。
The heat
Moreover, if the thickness of the
第一実施形態では、パワーモジュール用基板10の金属層13とチタン箔30との接合に、パワーモジュール用基板接合用接合材50を用いる。パワーモジュール用基板接合用接合材50としては、銅、ニッケル、銀、マグネシウム、ケイ素、アルミニウムとケイ素(Al−Si)の合金、アルミニウムとマグネシウム(Al−Mg)の合金、又はアルミニウムとケイ素とマグネシウムの合金(Al−Si−Mg)を用いることができる。また、例えば、アルミニウム合金(例えばA3003)を芯材とし、皮材をAl−Si−Mg合金とした両面クラッド材や片面クラッド材を用いることもできる。
In the first embodiment, the power module
パワーモジュール用基板接合用接合材50は、金属層13とチタン箔30との間に均一に存在することが好ましい。このため、パワーモジュール用基板接合用接合材50は、金属層13と面積が同じであることが好ましい。
また、パワーモジュール用基板接合用接合材50の厚さは、100μm以下であるとよく、好ましくは75μm以下、さらに好ましくは50μm以下であるとよい。厚さが厚くなりすぎると、接合時に液相が過剰に発生し、チタン箔30と金属層13との間から液相が漏れ出てしまい、ろうこぶを発生させるおそれがある。
The power module
Further, the thickness of the power module
第一実施形態では、図1に示すように、パワーモジュール用基板10とマグネシウム基複合材料20との間に、パワーモジュール用基板10の金属層13側から、パワーモジュール用基板接合用接合材50、チタン箔30、ヒートシンク接合用接合材40、マグネシウム基複合材料20の順に積層して、積層体を得る。
次いで、得られた積層体を、積層方向に荷重を付与しながら、加熱することによって、ヒートシンク付パワーモジュール用基板を作製する。積層体に付与する荷重は、5kgf/cm2以上15kgf/cm2以下の範囲内にあることが好ましい。積層体の加熱温度は、460℃以上610℃以下の範囲内にあることが好ましい。積層体の加熱時間は、1分以上30分以下の範囲内にあることが好ましい。積層体の加熱は、窒素やアルゴンなどの不活性ガスの雰囲気中又は真空中で行うことが好ましい。
この積層体を加熱することによって、金属層13とチタン箔30との間には液相が発生する。また、チタン箔30とマグネシウム基複合材料20との間においては、マグネシウム基複合材料20のマグネシウム22がヒートシンク接合用接合材40に拡散することで液相が発生する。そして、冷却することによって液相は凝固する。なお、マグネシウム22のさらなる拡散によって、液相の融点が上昇し、加熱温度を保ったまま凝固する、いわゆる等温凝固によって液相が凝固する場合もある。そして、チタン箔30とマグネシウム基複合材料20が液相接合されることとなる。
In the first embodiment, as shown in FIG. 1, the power module
Next, the obtained laminated body is heated while applying a load in the laminating direction to produce a power module substrate with a heat sink. The load applied to the laminate is preferably in the range of 5 kgf / cm 2 or more and 15 kgf / cm 2 or less. The heating temperature of the laminate is preferably in the range of 460 ° C. or more and 610 ° C. or less. The heating time of the laminate is preferably in the range of 1 minute to 30 minutes. The laminated body is preferably heated in an atmosphere of an inert gas such as nitrogen or argon or in a vacuum.
By heating this laminate, a liquid phase is generated between the
(第二実施形態)
次に、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の第二実施形態について説明する。
図2は、本発明の第二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の製造方法を説明する概略説明図である。
(Second embodiment)
Next, a second embodiment of the method for manufacturing a power module substrate with a heat sink of the present invention will be described.
FIG. 2 is a schematic explanatory view illustrating a method for manufacturing a power module substrate with a heat sink according to the second embodiment of the present invention.
第二実施形態では、ヒートシンク接合用接合材40とマグネシウム基複合材料20との間に、マグネシウム箔60を介在させている。マグネシウム箔60は、チタン箔30とヒートシンク接合用接合材40との間に介在させてもよい。
チタン箔30とマグネシウム基複合材料20との接合時の加熱によってマグネシウム基複合材料20のマグネシウム22はヒートシンク接合用接合材40へ拡散し、液相(ヒートシンク接合用接合材40に含まれる銅、ニッケル、銀、アルミニウムのいずれかの元素とMgの混和溶融物)が発生するが、マグネシウム基複合材料20の表面には炭素質部材21が存在しているため、炭素質部材21によってヒートシンク接合用接合材40へのマグネシウム22の拡散が抑制されるおそれがある。マグネシウム22の拡散が不十分であると、液相の発生も不均一となり、チタン箔30とマグネシウム基複合材料20とを均一な強さで接合することが困難となるおそれがある。マグネシウム箔60は、ヒートシンク接合用接合材40へのマグネシウムの拡散及び液相の発生を均一にして、チタン箔30とマグネシウム基複合材料20とを均一な強さで接合させる作用がある。このため、マグネシウム箔60は、ヒートシンク接合用接合材40と面積が同じであることが好ましい。
なお、マグネシウム箔60として、純度89.0質量%以上99.9質量%以下のマグネシウム箔を用いるとよい。
また、マグネシウム箔60は、厚さが厚くなりすぎると、ヒートシンク接合用接合材40とマグネシウム箔60間で発生した液相がマグネシウム基複合材料20に到達せずチタン箔30とマグネシウム基複合材料20とが接合性が低下するおそれがある。このため、マグネシウム箔60の厚さは、100μm以下とするとよく、望ましくは50μm以下、さらに望ましくは10μm以下とするとよい。
In the second embodiment, a
The
As the
If the
第二実施形態では、図2に示すように、パワーモジュール用基板10とマグネシウム基複合材料20との間に、パワーモジュール用基板10の金属層13側から、パワーモジュール用基板接合用接合材50、チタン箔30、ヒートシンク接合用接合材40、マグネシウム箔60、マグネシウム基複合材料20の順で積層して、積層体を得る。次いで、得られた積層体を積層方向に荷重を付与しながら、加熱することによって、ヒートシンク付パワーモジュール用基板を作製する。積層体の加熱時に付与する荷重、加熱温度、加熱時間、加熱雰囲気は、第一実施形態と同じである。
In the second embodiment, as shown in FIG. 2, the power module
(第三実施形態)
次に、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の第三実施形態について説明する。
図3は、本発明の第三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の製造方法を説明する概略説明図である。
(Third embodiment)
Next, a third embodiment of the method for manufacturing a power module substrate with a heat sink of the present invention will be described.
FIG. 3 is a schematic explanatory view illustrating a method for manufacturing a power module substrate with a heat sink according to the third embodiment of the present invention.
第三実施形態では、第一実施形態においてパワーモジュール用基板10の金属層13とチタン箔30との接合に使用したパワーモジュール用基板接合用接合材50を省略している。
すなわち、第三実施形態では金属層13とチタン箔30とを固相拡散によって接合する。この第三実施形態では、金属層13には、高純度のアルミニウム、特に4Nもしくはそれ以上の高純度のアルミニウムを用いることが好ましい。
In the third embodiment, the power module
That is, in the third embodiment, the
第三実施形態では、図3に示すように、パワーモジュール用基板10とマグネシウム基複合材料20との間に、パワーモジュール用基板10の金属層13側から、チタン箔30、ヒートシンク接合用接合材40、マグネシウム基複合材料20の順で積層して、積層体を得る。次いで、得られた積層体を積層方向に荷重を付与しながら、加熱することによって、ヒートシンク付パワーモジュール用基板を作製する。積層体の加熱時に付与する荷重、加熱温度、加熱時間、加熱雰囲気は、第一実施形態と同じである。なお、接合荷重については、12kgf/cm2以上15kgf/cm2以下とすることがより好ましい。
In the third embodiment, as shown in FIG. 3, the
以上、ヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法の実施形態について説明したが、本発明はこれに限定されることはなく、その発明の技術的思想を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。 As mentioned above, although embodiment of the manufacturing method of the board | substrate for power modules with a heat sink was described, this invention is not limited to this, It can change suitably in the range which does not deviate from the technical idea of the invention.
例えば、第三の実施形態において、マグネシウム箔60を、ヒートシンク接合用接合材40とマグネシウム基複合材料20との間、あるいはチタン箔30とヒートシンク接合用接合材40との間に介在させてもよい。
For example, in the third embodiment, the
また、第一から第三の実施形態では、チタン箔30とマグネシウム基複合材料20との接合と、金属層13とチタン箔30との接合を同時に行っているが、それぞれの接合を分けて行ってもよい。例えば、チタン箔30とマグネシウム基複合材料20とを接合した後に、金属層13とチタン箔30とを接合してもよいし、また、金属層13とチタン箔30とを接合した後にチタン箔30とマグネシウム基複合材料20とを接合してもよい。
In the first to third embodiments, the joining of the
次に、本発明の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を、図4を参照しながら説明する。
図4は、本発明の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の概略説明図である。
Next, a power module substrate with a heat sink according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
FIG. 4 is a schematic explanatory view of a power module substrate with a heat sink according to an embodiment of the present invention.
図4に示されているヒートシンク付パワーモジュール用基板は、上述のヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法の実施形態によって製造されたものである。この実施形態のヒートシンク付パワーモジュール用基板は、絶縁層を構成するセラミックス基板11と、セラミックス基板11の一方の面(図4においては上面)に形成された回路層12と、セラミックス基板11の他方の面(図4においては下面)に形成されたアルミニウム又はアルミニウム合金からなる金属層13と、を備えたパワーモジュール用基板10の金属層13と、炭素質部材21中にマグネシウム22が充填されたマグネシウム基複合材料20であるヒートシンクとが、接合されてなるものである。
The power module substrate with a heat sink shown in FIG. 4 is manufactured by the above-described embodiment of the method for manufacturing the power module substrate with a heat sink. The power module substrate with a heat sink of this embodiment includes a
パワーモジュール用基板10の金属層13とマグネシウム基複合材料20との間にはチタン層31が配置されている。チタン層31の厚さは、1μm以上84μm以下の範囲内とされていることが好ましい。
A
前記チタン層31とマグネシウム基複合材料20とは、添加元素−マグネシウム相を含む添加元素−マグネシウム含有層41を介して接合されていて、前記添加元素−マグネシウム含有層41と接触している前記マグネシウム基複合材料20に添加元素を含む拡散層23が形成されている。なお、添加元素は、銅、ニッケル、銀、アルミニウムの何れかである。
The
添加元素−マグネシウム含有層41は、接合時の加熱によって、マグネシウムがヒートシンク接合用接合材40に拡散することにより、液相が発生し、この液相が凝固することで生成した層である。
添加元素−マグネシウム含有層41は、添加元素とマグネシウムとをモル比(添加元素:Mg)で以下の範囲内で含むことが好ましい。
添加元素が銅の場合(Cu:Mg);94:6〜99.9:0.1
添加元素がニッケルの場合(Ni:Mg);95:5〜99.9:0.1
添加元素が銀の場合(Ag:Mg);95:5〜98:2
添加元素がアルミニウムの場合(Al:Mg);75:25〜98:2
なお、添加元素−マグネシウム含有層41の添加元素−マグネシウム相中には、Siを含有するヒートシンク接合用接合材40(例えば、Al−Si系ろう材)を用いた場合、Mg2Si粒が分散して存在している。
The additive element-magnesium-containing
The additive element-magnesium-containing
When the additive element is copper (Cu: Mg); 94: 6 to 99.9: 0.1
When the additive element is nickel (Ni: Mg); 95: 5 to 99.9: 0.1
When the additive element is silver (Ag: Mg); 95: 5-98: 2
When the additive element is aluminum (Al: Mg); 75:25 to 98: 2
In addition, in the additive element-magnesium phase of the additive element-magnesium-containing
マグネシウム基複合材料20の拡散層23は、添加元素がマグネシウム基複合材料20に拡散することによって生成した層である。拡散層23の厚さは、0.1mm以上であることが好ましい。ここで、拡散層23はマグネシウム基複合材料20において添加元素の濃度が3at%以上の層である。拡散層23の厚さが0.1mm以上とされているので、チタン層31とマグネシウム基複合材料20とが確実に接合されている。
The
パワーモジュール用基板10の金属層13とチタン層31とは、アルミニウムとチタンを含む金属間化合物層51を介して接合されている。金属間化合物層51は、チタン層31と金属層13との接合を、パワーモジュール用基板接合用接合材50を用いた場合には、接合時の加熱によって発生したアルミニウム溶融物とチタン箔30との反応によって生成した層である。なお、パワーモジュール用基板接合用接合材50として、Al―Siの合金、Al−Mgの合金又はMg−Si−Alの合金、アルミニウム合金(例えばA3003)を芯材とし皮材をAl−Si−Mg合金とした両面クラッド材や片面クラッド材を用いた場合には、金属間化合物層51は、アルミニウムとチタンとケイ素を含む。また、金属層13とチタン層31との接合を、パワーモジュール用基板接合用接合材50を用いずに、固相拡散により行った場合は、金属間化合物層51は、金属層13とチタン層31との反応によって生成した層となる。なお、チタン層31の厚さは加熱時における拡散により、チタン箔30よりも薄くなる。
The
本実施形態のヒートシンク付パワーモジュール用基板は、パワーモジュール用基板の回路層12に、パワー半導体素子を搭載して、ヒートシンク付パワーモジュールとして利用することができる。
The power module substrate with a heat sink of the present embodiment can be used as a power module with a heat sink by mounting a power semiconductor element on the
本発明の有効性を確認するために行った確認実験について説明する。 A confirmation experiment conducted to confirm the effectiveness of the present invention will be described.
[本発明例1〜21]
AlN製絶縁層(40mm×40mm、厚さ1.0mm)の両面に、4Nアルミニウム層(37mm×37mm、厚さ0.4mm)が形成されたパワーモジュール用基板と、MgSiC(60mm×60mm、厚さ5.0mm、Mg含有率14.7体積%)とを用意した。
パワーモジュール用基板とMgSiCの間に、表1に示すマグネシウム箔、ヒートシンク接合用接合材、チタン箔、そしてパワーモジュール用基板接合用接合材を、MgSiC/マグネシウム箔/ヒートシンク接合用接合材/チタン箔/パワーモジュール用基板接合用接合材/パワーモジュール用基板の順で積層して積層体を得た。次いで、得られた積層体を、積層方向に15kgf/cm2の接合荷重を付与しながら、窒素雰囲気中にて610℃の温度で15分間加熱して、ヒートシンク付パワーモジュール用基板を作製した。
[Invention Examples 1 to 21]
A power module substrate having a 4N aluminum layer (37 mm × 37 mm, thickness 0.4 mm) formed on both sides of an AlN insulating layer (40 mm × 40 mm, thickness 1.0 mm), and MgSiC (60 mm × 60 mm, thickness) 5.0 mm, Mg content 14.7% by volume).
Between the power module substrate and MgSiC, the magnesium foil, the heat sink bonding material, titanium foil, and the power module substrate bonding material shown in Table 1 are MgSiC / magnesium foil / heat sink bonding material / titanium foil. A laminate was obtained by laminating in the order of: / a power module substrate bonding material / a power module substrate. Next, the obtained laminate was heated in a nitrogen atmosphere at a temperature of 610 ° C. for 15 minutes while applying a bonding load of 15 kgf / cm 2 in the laminating direction to produce a power module substrate with a heat sink.
[従来例1]
AlN製絶縁層(40mm×40mm、厚さ1.0mm)の両面に、4Nアルミニウム層(37mm×37mm、厚さ0.4mm)が形成されたパワーモジュール用基板にMgSiC(60mm×60mm、厚さ5.0mm、Mg含有率14.7体積%)をSn‐Sb系はんだ(厚さ0.3mm)を用いてはんだ付けし、従来例1のヒートシンク付パワーモジュール用基板を得た。
[Conventional example 1]
MgSiC (60 mm × 60 mm, thickness) on a power module substrate on which a 4N aluminum layer (37 mm × 37 mm, thickness 0.4 mm) is formed on both sides of an AlN insulating layer (40 mm × 40 mm, thickness 1.0 mm) 5.0 mm, Mg content 14.7% by volume) was soldered using Sn—Sb solder (thickness 0.3 mm) to obtain a power module substrate with a heat sink of Conventional Example 1.
得られた本発明例及び従来例のヒートシンク付パワーモジュール用基板について、下記の評価を行った。その評価結果を表2に示す。 The following evaluation was performed about the board | substrate for power modules with a heat sink of the obtained example of this invention and a prior art example. The evaluation results are shown in Table 2.
(ろうこぶの有無)
ろうこぶの有無は、ヒートシンク付パワーモジュール用基板を目視で観察し、ろうこぶが生じていたものを「○」、生じていなかったものを「◎」と評価した。
(With or without a bump)
The presence or absence of a bump was evaluated by visually observing a power module substrate with a heat sink, and “も の” when the bump was generated, and “」 ”when it was not.
(熱抵抗)
熱抵抗は、次のようにして測定した。半導体素子としてヒータチップを各ヒートシンク付パワーモジュール用基板に実装し、100Wの電力で加熱し、熱電対を用いてヒータチップの温度を実測した。また、ヒータチップが実装されたヒートシンク付パワーモジュールを冷却器に固定し、冷却器を流通する冷却媒体(エチレングリコール:水=9:1)の温度を実測した。そして、ヒータチップの温度と冷却媒体の温度差を電力で割った値を熱抵抗とした。
(Thermal resistance)
The thermal resistance was measured as follows. A heater chip as a semiconductor element was mounted on each power module substrate with a heat sink, heated with 100 W of power, and the temperature of the heater chip was measured using a thermocouple. Moreover, the power module with a heat sink on which the heater chip was mounted was fixed to the cooler, and the temperature of the cooling medium (ethylene glycol: water = 9: 1) flowing through the cooler was measured. And the value which divided the temperature difference of a heater chip | tip and the temperature of a cooling medium with electric power was made into thermal resistance.
(拡散層の厚さの測定)
拡散層の厚さは、AMETEK社EDAX事業部製エネルギー分散型X線分析装置Genesisを用い、チタン層からMgSiCへ積層方向に線定量分析を実施し、接合界面から添加元素の濃度が3at%を下回った境界までの距離を拡散層の厚さとした。ただし、添加元素+Mg+Siの濃度の合計が30at%以下の領域はボイドを測定していることから、この領域は拡散層の厚さ測定に考慮しない。また、Si濃度が30at%以上の部分はSiCを測定しており、この領域も拡散層の厚さ測定に考慮しない。
(Measurement of diffusion layer thickness)
The thickness of the diffusion layer was determined by conducting quantitative line analysis in the stacking direction from the titanium layer to MgSiC using the energy dispersive X-ray analyzer Genesis manufactured by EDAX Division of AMETEK, and the concentration of the additive element from the bonding interface was 3 at%. The distance to the lower boundary was taken as the thickness of the diffusion layer. However, since the void is measured in the region where the total concentration of the additive element + Mg + Si is 30 at% or less, this region is not considered in the measurement of the thickness of the diffusion layer. Further, SiC is measured at a portion where the Si concentration is 30 at% or more, and this region is not taken into consideration for the thickness measurement of the diffusion layer.
(チタン層の厚さの測定)
作製したヒートシンク付パワーモジュール用基板に対し、SEMによる断面写真観察からチタン層の厚さを測定した。
倍率2000倍の視野(縦64.4μm、幅74.7μm)において、チタン層の面積を測定し、測定視野の幅の寸法で除してチタン層の厚さを求めた。5視野の平均をチタン層の厚さとした。
(Measurement of thickness of titanium layer)
The thickness of the titanium layer was measured from the cross-sectional photograph observation by SEM with respect to the produced power module substrate with a heat sink.
The area of the titanium layer was measured in a 2000 × field of view (length 64.4 μm, width 74.7 μm), and divided by the width of the measurement field, the thickness of the titanium layer was determined. The average of the five fields of view was the thickness of the titanium layer.
(初期接合率)
パワーモジュール用基板とヒートシンクとの接合率を評価した。具体的には、ヒートシンク付パワーモジュール用基板において、パワーモジュール用基板の金属層とヒートシンクとの界面の接合率について超音波探傷装置を用いて評価し、以下の式から算出した。ここで、初期接合面積とは、接合前における接合すべき面積、すなわち金属層面積とした。超音波探傷像において非接合部は接合部内の白色部で示されることから、この白色部の面積を非接合部面積とした。
(接合率)={(初期接合面積)−(非接合部面積)}/(初期接合面積)×100
(Initial joining rate)
The bonding rate between the power module substrate and the heat sink was evaluated. Specifically, in the power module substrate with a heat sink, the bonding rate at the interface between the metal layer of the power module substrate and the heat sink was evaluated using an ultrasonic flaw detector and calculated from the following equation. Here, the initial bonding area is an area to be bonded before bonding, that is, a metal layer area. In the ultrasonic flaw detection image, the non-joined part is indicated by a white part in the joined part, and thus the area of the white part is defined as the non-joined part area.
(Joining rate) = {(initial joining area) − (non-joining area)} / (initial joining area) × 100
(冷熱サイクル後の接合率)
冷熱サイクル後の接合率は、冷熱衝撃試験機エスペック社製TSB−51を使用し、ヒートシンク付パワーモジュール用基板に対して、液相(フロリナート)で、−40℃×3分←→150℃×7分の1000サイクルを実施し、上述した方法と同じ方法で接合率を評価した。
(Joint rate after thermal cycle)
The joint ratio after the thermal cycle is -40 ° C x 3 minutes ← → 150 ° C x in the liquid phase (Fluorinert) with respect to the power module substrate with heat sink using TSB-51 manufactured by Espec Corp. 1000 cycles of 7/7 were implemented, and the joining rate was evaluated by the same method as described above.
表2の結果から、本発明例にて作製されたヒートシンク付パワーモジュール用基板は、はんだを用いた従来例1よりも、熱抵抗が低く、冷熱サイクル後の接合率が高く、接合信頼性に優れたヒートシンク付パワーモジュール用基板であることが分かる。なお、マグネシウム箔、ヒートシンク接合用接合材、パワーモジュール用基板接合用接合材の厚さが厚い本発明例5,10,12では、ろうこぶが確認されたが、何れも使用に問題のない程度であった。 From the results of Table 2, the power module substrate with a heat sink produced in the example of the present invention has a lower thermal resistance than the conventional example 1 using solder, a higher joining rate after the thermal cycle, and a higher joining reliability. It turns out that it is the board | substrate for power modules with an excellent heat sink. In the present invention examples 5, 10, and 12 where the thicknesses of the magnesium foil, the heat sink bonding material, and the power module substrate bonding material were thick, the bumps were confirmed, but there was no problem in using them. Met.
10 パワーモジュール用基板
11 セラミックス基板
12 回路層
13 金属層
20 マグネシウム基複合材料
21 炭素質部材
22 マグネシウム又はマグネシウム合金
23 拡散層
30 チタン箔
31 チタン層
40 ヒートシンク接合用接合材
41 添加元素−マグネシウム含有層
50 パワーモジュール用基板接合用接合材
51 金属間化合物層
60 マグネシウム箔
DESCRIPTION OF
Claims (10)
前記金属部材と前記マグネシウム基複合材料との間にチタン箔を配置して、
前記金属部材と前記チタン箔とを接合し、前記チタン箔と前記マグネシウム基複合材料とを銅、ニッケル、銀、アルミニウムのいずれかからなる接合材を用いて液相接合することを特徴とする接合体の製造方法。 A metal member made of aluminum or an aluminum alloy, and a magnesium-based composite material in which magnesium or a magnesium alloy is filled in a carbonaceous member, is a method of manufacturing a joined body,
A titanium foil is disposed between the metal member and the magnesium-based composite material,
The metal member and the titanium foil are bonded, and the titanium foil and the magnesium-based composite material are liquid-phase bonded using a bonding material made of copper, nickel, silver, or aluminum. Body manufacturing method.
前記金属層と前記マグネシウム基複合材料との間にチタン箔を配置して、
前記金属層と前記チタン箔とを接合し、前記チタン箔と前記マグネシウム基複合材料とを銅、ニッケル、銀、アルミニウムのいずれかからなる接合材を用いて液相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。 A metal layer of a power module substrate, comprising: an insulating layer; a circuit layer formed on one surface of the insulating layer; and a metal layer made of aluminum or an aluminum alloy formed on the other surface of the insulating layer. And a heat sink that is a magnesium-based composite material in which a carbonaceous member is filled with magnesium or a magnesium alloy is a method of manufacturing a power module substrate with a heat sink formed by bonding,
A titanium foil is disposed between the metal layer and the magnesium-based composite material,
The heat sink, wherein the metal layer and the titanium foil are bonded, and the titanium foil and the magnesium-based composite material are liquid-phase bonded using a bonding material made of copper, nickel, silver, or aluminum. Method for manufacturing a power module substrate.
前記金属部材と前記マグネシウム基複合材料との間にチタン層が配置されていて、
前記金属部材と前記チタン層とが、アルミニウムとチタンを含む金属間化合物層を介して接合されており、
前記チタン層と前記マグネシウム基複合材料とが、添加元素−マグネシウム相を含む添加元素−マグネシウム含有層を介して接合されていて、前記添加元素−マグネシウム含有層と接触している前記マグネシウム基複合材料に添加元素を含む拡散層が形成されており、
前記添加元素が銅、ニッケル、銀、アルミニウムの何れかであることを特徴とする接合体。 A metal member made of aluminum or an aluminum alloy and a magnesium-based composite material in which magnesium or a magnesium alloy is filled in a carbonaceous member is a joined body,
A titanium layer is disposed between the metal member and the magnesium-based composite material;
The metal member and the titanium layer are joined via an intermetallic compound layer containing aluminum and titanium,
The magnesium-based composite material in which the titanium layer and the magnesium-based composite material are joined via an additive element-magnesium-containing layer including an additive element-magnesium phase and in contact with the additive element-magnesium-containing layer. Is formed with a diffusion layer containing an additive element,
The joined body, wherein the additive element is any one of copper, nickel, silver, and aluminum.
前記金属層と前記マグネシウム基複合材料との間にチタン層が配置されていて、
前記金属層と前記チタン層とがアルミニウムとチタンを含む金属間化合物層を介して接合されており、
前記チタン層と前記マグネシウム基複合材料とが、添加元素−マグネシウム相を含む添加元素−マグネシウム含有層を介して接合されていて、前記添加元素−マグネシウム含有層と接触している前記マグネシウム基複合材料に添加元素を含む拡散層が形成されており、
前記添加元素が銅、ニッケル、銀、アルミニウムの何れかであ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。 A metal layer of a power module substrate, comprising: an insulating layer; a circuit layer formed on one surface of the insulating layer; and a metal layer made of aluminum or an aluminum alloy formed on the other surface of the insulating layer. And a heat sink which is a magnesium-based composite material in which a carbonaceous member is filled with magnesium or a magnesium alloy is a power module substrate with a heat sink formed by bonding,
A titanium layer is disposed between the metal layer and the magnesium-based composite material;
The metal layer and the titanium layer are bonded via an intermetallic compound layer containing aluminum and titanium,
The magnesium-based composite material in which the titanium layer and the magnesium-based composite material are joined via an additive element-magnesium-containing layer including an additive element-magnesium phase and in contact with the additive element-magnesium-containing layer. Is formed with a diffusion layer containing an additive element,
The power module substrate with a heat sink, wherein the additive element is any one of copper, nickel, silver, and aluminum.
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