JP2018167275A - 接合体の製造方法、絶縁回路基板の製造方法、及び、接合体、絶縁回路基板 - Google Patents
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Abstract
Description
例えば、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は、動作時の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)、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、を備えた絶縁回路基板が、従来から広く用いられている。
ここで、絶縁回路基板の回路層および金属層として、アルミニウム層と銅層とが積層された接合体を用いたものが提案されている。
ここで、上述のように、アルミニウム層と銅層との間にバリア層を形成したものにおいては、バリア層の熱伝導率がアルミニウム層や銅層に比べて低いため、このバリア層が熱抵抗となり、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、前記積層工程において、前記アルミニウム部材と前記銅部材との間に配設される前記ニッケル層の厚さ(すなわち、接合前の状態のニッケル層の厚さ)が0.01mm以上とされているので、高温保持工程後にニッケル層を残存させることができ、アルミニウムと銅との金属間化合物が多量に生成することを抑制できる。一方、前記積層工程において、前記アルミニウム部材と前記銅部材との間に配設される前記ニッケル層の厚さ(接合前の状態のニッケル層の厚さ)が0.05mm以下とされているので、低温保持工程において比較的短時間でニッケル層を消失させることが可能となる。
ここで、回路層20におけるアルミニウム層21の厚さは、0.1mm以上3.0mm以下の範囲内に設定されており、本実施形態では0.4mmに設定されている。
また、回路層20における銅層22の厚さは、0.1mm以上6.0mm以下の範囲内に設定されており、本実施形態では、1.0mmに設定されている。
ここで、金属層30におけるアルミニウム層31の厚さは、0.1mm以上3.0mm以下の範囲内に設定されており、本実施形態では0.4mmに設定されている。
また、金属層30における銅層32の厚さは、0.1mm以上6.0mm以下の範囲内に設定されており、本実施形態では、1.0mmに設定されている。
アルミニウム層21,31となるアルミニウム板51、61は、純度が99mass%以上のアルミニウムや純度99.99mass%以上のアルミニウムで構成されている。
アルミニウム層21,31と銅層22,32との接合界面においては、アルミニウム層21,31側に、AlとNiの金属間化合物を含むAl−Ni金属間化合物層25,35が形成され、銅層22,32側に、Cuの母相中にNiが固溶したCu−Ni固溶体層26,36が形成されている。そして、これらAl−Ni金属間化合物層25,35とCu−Ni固溶体層26,36とが直接積層した構造とされている。
また、Al−Ni金属間化合物層25,35の厚さは、0.02mm以上0.1mm以下の範囲内とされている。
また、Cu−Ni固溶体層26,36の厚さは、0.001mm以上0.02mm以下の範囲内とされている。
なお、ニッケル材54,64としては、厚さが0.01mm以上0.05mm以下の範囲内、純度99mass%以上の純ニッケル箔を用いることができる。
また、高温保持工程S02における保持温度が642℃を超えると、アルミニウム板51,61とニッケル材54,64(ニッケル層24,34)の間に液相が生じ、アルミニウム板51,61が溶融してしまい、形状不良が発生する。
以上のことから、本実施形態では、高温保持工程S02における保持温度を620℃以上642℃以下の範囲内に設定している。
なお、高温保持工程S02における保持温度の下限は630℃以上とすることが好ましく、635℃以上とすることがさらに好ましい。また、高温保持工程S02における保持温度の上限は640℃以下とすることが好ましい。
ここで、高温保持工程S02における保持時間の下限は10分以上とすることが好ましく、20分以上とすることがさらに好ましい。
また、低温保持工程S03における保持温度がアルミニウムと銅の共晶温度以上となると、ニッケル層24,34が消失してアルミニウム層21,31と銅層22,32とが直接接触した時点で液相が生じてしまい、形状不良が発生する。
以上のことから、本実施形態では、低温保持工程S03における保持温度を500℃以上でアルミニウムと銅の共晶温度未満の範囲内に設定している。
なお、低温保持工程S03における保持温度の下限は520℃以上とすることが好ましく、540℃以上とすることがさらに好ましい。
本実施形態では、ニッケル層24,34の厚さが0.01mm以上0.05mm以下の範囲内とされているので、低温保持工程S03における保持時間は、例えば30分以上300分以下の範囲内とすることが好ましい。
次いで、回路層20の一方の面(銅層22の表面)に、はんだ材を介してパワー半導体素子3を積層し、還元炉内においてはんだ接合する(パワー半導体素子接合工程S05)。
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。
あるいは、図9に示すパワーモジュール201及び絶縁回路基板210のように、セラミックス基板211の他方の面(図9において下面)に形成された金属層230のみが銅又は銅合金からなる銅部材(銅層232)と、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部材(アルミニウム層231)とが積層されたものであってもよい。この場合、回路層220及びヒートシンク241の材質等には特に限定はない。
AlNからなるセラミックス基板(40mm×40mm×0.635mmt)の一方の面及び他方の面に、Al−7mass%Si合金からなるろう材箔(厚さ10μm)を介して純度99mass%以上のアルミニウム(2Nアルミニウム)からなるアルミニウム板(37mm×37mm×0.6mmt)、ニッケル材(37mm×37mm、厚さは表1に記載)、無酸素銅からなる銅板(37mm×37mm×0.3mmt)を順に積層し、積層体を得た。
接合率の評価は、絶縁回路基板に対し、セラミックス基板とアルミニウム層との界面の接合率について超音波探傷装置(株式会社日立パワーソリューションズ製FineSAT200)を用いて評価し、以下の式から接合率を算出した。
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、すなわち本実施例では回路層及び金属層の面積(37mm×37mm)とした。
(接合率)={(初期接合面積)−(剥離面積)}/(初期接合面積)
超音波探傷像を二値化処理した画像において剥離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剥離面積とした。
熱源チップ(1.0mm×1.0mm)を絶縁回路基板の一方の面側の表面に、はんだ付けした。そして、投入電力1Wとした際の熱源チップの温度と雰囲気温度(25℃)から以下の式で熱抵抗を算出した。
(熱源チップ温度−雰囲気温度)/投入電力
得られた絶縁回路基板の回路層の断面を、EPMA(日本電子株式会社製JXA−8530F)を用いアルミニウム層から銅層に向かって積層方向にNi濃度のライン分析を行い、Ni濃度が99mass%以上の箇所が存在した場合、Ni層「有」とした。
一方、高温保持工程の保持温度及び低温保持工程の保持温度を本件発明の範囲内とした本発明例1〜11では、ニッケル層が消失し、熱抵抗が低くなっているとともに、セラミックス基板とアルミニウム層が良好に接合された絶縁回路基板を得ることができた。
3 パワー半導体素子
10 絶縁回路基板
11 セラミックス基板
20 回路層
30 金属層
21、31 アルミニウム層(アルミニウム部材)
22、32 銅層(銅部材)
24,34 ニッケル層
25,35 Al−Ni金属間化合物層
26,36 Cu−Ni固溶体層
54、64 ニッケル材
Claims (9)
- セラミックス部材と、このセラミックス部材に接合された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部材と、前記アルミニウム部材に接合された銅又は銅合金からなる銅部材と、を備えた接合体の製造方法であって、
前記セラミックス部材と前記アルミニウム部材とを接合材を介して積層するとともに、前記アルミニウム部材と前記銅部材とをニッケル層を介して積層する積層工程と、
積層された前記セラミックス部材、前記アルミニウム部材及び前記銅部材を積層方向に加圧した状態で加熱し、620℃以上642℃以下の温度範囲で保持する高温保持工程と、
この高温保持工程の後に、500℃以上でアルミニウムと銅の共晶温度未満の温度範囲で保持する低温保持工程と、を有しており、
前記高温保持工程において、前記セラミックス部材と前記アルミニウム部材を接合するとともに前記アルミニウム部材とニッケル層及びニッケル層と前記銅部材をそれぞれ固相拡散接合し、
前記低温保持工程において、前記ニッケル層のNi原子を拡散させて前記ニッケル層を消失させることを特徴とする接合体の製造方法。 - 前記積層工程において、前記アルミニウム部材と前記銅部材との間に配設される前記ニッケル層の厚さを0.01mm以上0.05mm以下の範囲内と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。
- セラミックス基板の一方の面に、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層と銅又は銅合金からなる銅層とが積層されてなる回路層が形成された絶縁回路基板の製造方法であって、
前記回路層を、請求項1又は請求項2に記載の接合体の製造方法によって形成することを特徴とする絶縁回路基板の製造方法。 - セラミックス基板の一方の面に回路層が配設され、前記セラミックス基板の他方の面に、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層と銅又は銅合金からなる銅層とが積層されてなる金属層が形成された絶縁回路基板の製造方法であって、
前記金属層を、請求項1又は請求項2に記載の接合体の製造方法によって形成することを特徴とする絶縁回路基板の製造方法。 - セラミックス基板の一方の面に、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層と銅又は銅合金からなる銅層とが積層されてなる回路層が形成され、前記セラミックス基板の他方の面に、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層と銅又は銅合金からなる銅層とが積層されてなる金属層が形成された絶縁回路基板の製造方法であって、
前記回路層及び前記金属層を、請求項1又は請求項2に記載の接合体の製造方法によって形成することを特徴とする絶縁回路基板の製造方法。 - セラミックス部材と、このセラミックス部材に接合された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部材と、前記アルミニウム部材に接合された銅又は銅合金からなる銅部材と、を備えた接合体であって、
前記アルミニウム部材と前記銅部材との接合界面においては、前記アルミニウム部材側に、AlとNiの金属間化合物を含むAl−Ni金属間化合物層が形成され、前記銅部材側に、Cuの母相中にNiが固溶したCu−Ni固溶体層が形成されており、前記Al−Ni金属間化合物層と前記Cu−Ni固溶体層とが直接積層されていることを特徴とする接合体。 - セラミックス基板の一方の面に、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層と銅又は銅合金からなる銅層とが積層されてなる回路層が形成された絶縁回路基板であって、
前記アルミニウム層と前記銅層との接合界面においては、前記アルミニウム層側に、AlとNiの金属間化合物を含むAl−Ni金属間化合物層が形成され、前記銅層側に、Cuの母相中にNiが固溶したCu−Ni固溶体層が形成されており、前記Al−Ni金属間化合物層と前記Cu−Ni固溶体層とが直接積層されていることを特徴とする絶縁回路基板。 - セラミックス基板の一方の面に回路層が配設され、前記セラミックス基板の他方の面に、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層と銅又は銅合金からなる銅層とが積層されてなる金属層が形成された絶縁回路基板であって、
前記アルミニウム層と前記銅層との接合界面においては、前記アルミニウム層側に、AlとNiの金属間化合物を含むAl−Ni金属間化合物層が形成され、前記銅層側に、Cuの母相中にNiが固溶したCu−Ni固溶体層が形成されており、前記Al−Ni金属間化合物層と前記Cu−Ni固溶体層とが直接積層されていることを特徴とする絶縁回路基板。 - セラミックス基板の一方の面に、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層と銅又は銅合金からなる銅層とが積層されてなる回路層が形成され、前記セラミックス基板の他方の面に、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層と銅又は銅合金からなる銅層とが積層されてなる金属層が形成された絶縁回路基板であって、
前記アルミニウム層と前記銅層との接合界面においては、前記アルミニウム層側に、AlとNiの金属間化合物を含むAl−Ni金属間化合物層が形成され、前記銅層側に、Cuの母相中にNiが固溶したCu−Ni固溶体層が形成されており、前記Al−Ni金属間化合物層と前記Cu−Ni固溶体層とが直接積層されていることを特徴とする絶縁回路基板。
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