JP2022169003A - ヒートシンク、および、ヒートシンク一体型絶縁回路基板 - Google Patents
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Abstract
【課題】銅層とアルミニウム層とを有し、これら銅層とアルミニウム層との接合信頼性に優れ、かつ、アルミニウム又はアルミニウム合金で構成された部材の変形を抑制することができ、安定して使用することが可能なヒートシンクを提供する。【解決手段】天板部11と放熱フィン18とを備えたヒートシンク10であって、天板部11の一方の面は他の部材が載置される載置面とされ、天板部11の他方の面に放熱フィン18が形成されており、天板部11は、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12と、銅又は銅合金からなる銅層13と、が固相拡散接合されたクラッド構造とされており、アルミニウム層12の平均結晶粒径が50μm以上500μm未満の範囲内とされ、アルミニウム層12と銅層13との間に形成されたAl-Cu金属間化合物層の厚さが10μmを超えて40μm以下の範囲内とされている。【選択図】図2
Description
この発明は、天板部と放熱フィンとを備えたヒートシンク、および、このヒートシンクを備えたヒートシンク一体型絶縁回路基板に関するものである。
パワーモジュール、LEDモジュールおよび熱電モジュールにおいては、絶縁層の一方の面に導電材料からなる回路層を形成した絶縁回路基板に、パワー半導体素子、LED素子および熱電素子が接合された構造とされている。なお、絶縁層としては、セラミックスを用いたものや絶縁樹脂を用いたものが提案されている。
また、これらの絶縁回路基板においては、搭載された素子からの熱を放熱するために、ヒートシンクが配設されている。
例えば、特許文献1には、ヒートシンクと回路層とを絶縁樹脂シートによって絶縁したヒートシンク一体型絶縁回路基板が提案されている。
また、特許文献2には、セラミックス基板の両面に金属板が接合された絶縁回路基板とヒートシンクとが接合されたヒートシンク付き絶縁回路基板が提案されている。
例えば、特許文献1には、ヒートシンクと回路層とを絶縁樹脂シートによって絶縁したヒートシンク一体型絶縁回路基板が提案されている。
また、特許文献2には、セラミックス基板の両面に金属板が接合された絶縁回路基板とヒートシンクとが接合されたヒートシンク付き絶縁回路基板が提案されている。
上述のヒートシンクとして、天板部と放熱フィンとを備えた構造のものが提供されている。天板部の一方の面が絶縁回路基板の搭載面とされ、天板部の他方の面側に放熱フィンが配設されている。
なお、放熱フィンとしては、ピンフィン、櫛形フィン、コルゲートフィン等の様々な形状のものが提案されている。
なお、放熱フィンとしては、ピンフィン、櫛形フィン、コルゲートフィン等の様々な形状のものが提案されている。
ここで、上述のヒートシンクを構成する材料としては、熱伝導性に優れた銅又は銅合金やアルミニウム又はアルミニウム合金が挙げられる。
銅又は銅合金からなる銅部材は、熱伝導性に特に優れ、機械的強度が高く、変形抵抗が大きいといった特性を有している。
一方、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は、銅に比べて熱伝導性には若干劣るものの、軽量であるとともに変形抵抗が小さく、複雑な形状のものを成形しやすいといった特性を有している。
銅又は銅合金からなる銅部材は、熱伝導性に特に優れ、機械的強度が高く、変形抵抗が大きいといった特性を有している。
一方、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は、銅に比べて熱伝導性には若干劣るものの、軽量であるとともに変形抵抗が小さく、複雑な形状のものを成形しやすいといった特性を有している。
このため、上述のヒートシンクにおいては、要求される性能に応じて、銅又は銅合金およびアルミニウム又はアルミニウム合金を選択して使用されており、最近では、銅部材とアルミニウム部材とを接合した構造のものが要求されている。
ここで、銅部材とアルミニウム部材とを接合する方法として、例えば、特許文献3,4に記載されているように、固相拡散接合法が提案されている。
ここで、銅部材とアルミニウム部材とを接合する方法として、例えば、特許文献3,4に記載されているように、固相拡散接合法が提案されている。
ここで、特許文献3においては、銅部材とアルミニウム部材を固相拡散接合しており、接合後のアルミニウム部材の平均結晶粒径が500μm以上とされている。このように平均結晶粒径が粗大であると、アルミニウム部材の変形抵抗が小さく、使用時に容易に変形してしまうおそれがあった。
また、特許文献4においては、銅層とアルミニウム層との間に形成されるAl-Cu金属間化合物層の平均厚さが0.5μm~10μmと比較的薄く形成されている。このように、Al-Cu金属間化合物層が薄い場合には、十分に銅とアルミニウムとが固相拡散されておらず、接合信頼性が低くなるおそれがある。
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、銅又は銅合金からなる銅層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層とを有し、これら銅層とアルミニウム層との接合信頼性に優れ、かつ、アルミニウム又はアルミニウム合金で構成された部材の変形を抑制することができ、安定して使用することが可能なヒートシンク、および、このヒートシンクを備えたヒートシンク一体型絶縁回路基板を提供することを目的とする。
このような課題を解決して前記目的を達成するために、本発明のヒートシンクは、天板部と放熱フィンとを備えたヒートシンクであって、前記天板部の一方の面は他の部材が載置される載置面とされ、前記天板部の他方の面に前記放熱フィンが形成されており、前記天板部は、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、が固相拡散接合されたクラッド構造とされており、前記アルミニウム層の平均結晶粒径が50μm以上500μm未満の範囲内とされ、前記アルミニウム層と前記銅層との間に形成されたAl-Cu金属間化合物層の厚さが10μmを超えて40μm以下の範囲内とされていることを特徴としている。
この構成のヒートシンクによれば、前記天板部は、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固相拡散接合されたクラッド構造とされているので、載置面に載置された他の部材からの熱を、銅層によって天板部の板面に沿って効率良く広げることができ、放熱特性に優れている。また、アルミニウム層を有しているので、ヒートシンクの軽量化を図ることができる。
そして、アルミニウム層と銅層とが固相拡散接合されており、前記アルミニウム層の平均結晶粒径が50μm以上500μm未満とされているので、アルミニウム層が適度に硬くなり、アルミニウム層の変形を抑制することができる。
また、前記アルミニウム層と前記銅層との間に形成されたAl-Cu金属間化合物層の厚さが10μmを超えて40μm以下の範囲内とされているので、十分に銅とアルミニウムとが固相拡散されており、銅層とアルミニウム層との接合信頼性に優れている。
また、前記アルミニウム層と前記銅層との間に形成されたAl-Cu金属間化合物層の厚さが10μmを超えて40μm以下の範囲内とされているので、十分に銅とアルミニウムとが固相拡散されており、銅層とアルミニウム層との接合信頼性に優れている。
ここで、本発明のヒートシンクにおいては、前記アルミニウム層と前記放熱フィンとが一体成型されていてもよい。
この場合、成形が比較的容易なアルミニウム又はアルミニウム合金により、アルミニウム層と放熱フィンとを一体成型することで、複雑な形状の放熱フィンを形成することができ、放熱特性をさらに向上させることが可能となる。
また、放熱フィンがアルミニウム層に一体に成型されていることから、放熱フィンの脱落や変形を抑制することができる。
この場合、成形が比較的容易なアルミニウム又はアルミニウム合金により、アルミニウム層と放熱フィンとを一体成型することで、複雑な形状の放熱フィンを形成することができ、放熱特性をさらに向上させることが可能となる。
また、放熱フィンがアルミニウム層に一体に成型されていることから、放熱フィンの脱落や変形を抑制することができる。
また、本発明のヒートシンクにおいては、前記アルミニウム層におけるアルミニウムの純度が99.5mass%以下であることが好ましい。
この場合、前記アルミニウム層におけるアルミニウムの純度が99.5mass%以下であり、不純物を一定量含有しているので、不純物によって結晶粒の成長が抑制され、接合後のアルミニウム層の結晶粒の粗大化を確実に抑制することができる。
この場合、前記アルミニウム層におけるアルミニウムの純度が99.5mass%以下であり、不純物を一定量含有しているので、不純物によって結晶粒の成長が抑制され、接合後のアルミニウム層の結晶粒の粗大化を確実に抑制することができる。
本発明のヒートシンク一体型絶縁回路基板は、上述のヒートシンクと、このヒートシンクの前記天板部の載置面に形成された絶縁層と、この絶縁層の前記天板部とは反対側の面に形成された回路層と、を備えていることを特徴としている。
この構成のヒートシンク一体型絶縁回路基板によれば、上述のヒートシンクを備えているので、絶縁回路基板側の熱を効率的に放熱することができるとともに、ヒートシンクの変形を抑制でき、安定して使用することができる。
この構成のヒートシンク一体型絶縁回路基板によれば、上述のヒートシンクを備えているので、絶縁回路基板側の熱を効率的に放熱することができるとともに、ヒートシンクの変形を抑制でき、安定して使用することができる。
本発明によれば、銅又は銅合金からなる銅層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層とを有し、これら銅層とアルミニウム層との接合信頼性に優れ、かつ、アルミニウム又はアルミニウム合金で構成された部材の変形を抑制することができ、安定して使用することが可能なヒートシンク、および、このヒートシンクを備えたヒートシンク一体型絶縁回路基板を提供することが可能となる。
以下、図面を参照して、本発明の実施形態について説明する。なお、以下に示す各実施形態は、発明の趣旨をより良く理解させるために具体的に説明するものであり、特に指定のない限り、本発明を限定するものではない。また、以下の説明で用いる図面は、本発明の特徴をわかりやすくするために、便宜上、要部となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率などが実際と同じであるとは限らない。
図1に、本発明の実施形態であるヒートシンク10、ヒートシンク一体型絶縁回路基板30、および、このヒートシンク一体型絶縁回路基板30を用いたパワーモジュール1を示す。
図1に示すパワーモジュール1は、ヒートシンク一体型絶縁回路基板30と、このヒートシンク一体型絶縁回路基板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。
ヒートシンク一体型絶縁回路基板30は、本実施形態であるヒートシンク10と、このヒートシンク10の天板部11の一方の面(図1において上面)に形成された絶縁層31と、絶縁層31の一方の面(図1において上面)に形成された回路層32と、を備えている。なお、上述の半導体素子3は、回路層32の一方の面(図1において上面)に接合される。
絶縁層31は、回路層32とヒートシンク10との間の電気的接続を防止するものであり、本実施形態では、絶縁性を有する樹脂で構成されている。
本実施形態では、絶縁層31の強度を確保するとともに、熱伝導性を確保するために、絶縁層31を構成する樹脂として、無機材料のフィラーを含有する樹脂を用いることが好ましい。ここで、フィラーとしては、例えばアルミナ、窒化ホウ素、窒化アルミニウム等を用いることができる。絶縁層31における熱伝導性を確保する観点から、フィラーの含有量は50mass%以上であることが好ましく、70mass%以上であることがより好ましい。
また、熱硬化型樹脂としては、エポキシ樹脂,ポリイミド樹脂,シリコン樹脂等を用いることができる。ここで、シリコン樹脂であれば上述のフィラーを70mass%以上含有することができ、エポキシ樹脂であれば上述のフィラーを80mass%以上含有することができる。
本実施形態では、絶縁層31の強度を確保するとともに、熱伝導性を確保するために、絶縁層31を構成する樹脂として、無機材料のフィラーを含有する樹脂を用いることが好ましい。ここで、フィラーとしては、例えばアルミナ、窒化ホウ素、窒化アルミニウム等を用いることができる。絶縁層31における熱伝導性を確保する観点から、フィラーの含有量は50mass%以上であることが好ましく、70mass%以上であることがより好ましい。
また、熱硬化型樹脂としては、エポキシ樹脂,ポリイミド樹脂,シリコン樹脂等を用いることができる。ここで、シリコン樹脂であれば上述のフィラーを70mass%以上含有することができ、エポキシ樹脂であれば上述のフィラーを80mass%以上含有することができる。
なお、絶縁層31における絶縁性を十分に確保するためには、絶縁層31の厚さの下限を25μm以上とすることが好ましく、50μm以上とすることがより好ましい。一方、ヒートシンク一体型絶縁回路基板30における放熱性をさらに確保するためには、絶縁層31の厚さの上限を300μm以下とすることが好ましく、200μm以下とすることがより好ましい。
回路層32は、図8に示すように、絶縁層31の一方の面に、導電性に優れた金属からなる金属片42が接合されることにより形成されている。金属片42としては、銅又は銅合金、アルミニウム又はアルミニウム合金等を用いることができる。本実施形態においては、回路層32を構成する金属片42として、無酸素銅の圧延板を打ち抜いたものが用いられている。
この回路層32においては、回路パターンが形成されており、その一方の面(図1において上面)が、半導体素子3が搭載される搭載面とされている。
この回路層32においては、回路パターンが形成されており、その一方の面(図1において上面)が、半導体素子3が搭載される搭載面とされている。
そして、本実施形態であるヒートシンク10においては、天板部11と、この天板部11の他方の面(図1および図2において下面)から突出した放熱フィン18と、を備えている。
なお、放熱フィン18は、ピンフィンであってもよいし、櫛形に形成された構造であってもよいし、コルゲートフィンであってもよい。本実施形態では、ピンフィンとされている。
なお、放熱フィン18は、ピンフィンであってもよいし、櫛形に形成された構造であってもよいし、コルゲートフィンであってもよい。本実施形態では、ピンフィンとされている。
天板部11は、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12と、銅又は銅合金からなる銅層13と、が固相拡散接合されたクラッド構造とされている。
なお、本実施形態では、アルミニウム層12と放熱フィン18とが一体成型されており、このアルミニウム層12の上に銅層13が積層された構造とされている。
なお、本実施形態では、アルミニウム層12と放熱フィン18とが一体成型されており、このアルミニウム層12の上に銅層13が積層された構造とされている。
アルミニウム層12と銅層13との接合界面においては、図3および図4に示すように、アルミニウム層12のAlと銅層13のCuとが相互拡散することによってAl-Cu金属間化合物層15が形成されている。なお、図4において、黒色部がAl-Cu金属間化合物層15となる。
AlとCuの金属間化合物としては、組成比が異なる複数の相が存在しているが、本実施形態においては、Al-Cu金属間化合物層15は、これらの各種相が積層された構造とされている。
AlとCuの金属間化合物としては、組成比が異なる複数の相が存在しているが、本実施形態においては、Al-Cu金属間化合物層15は、これらの各種相が積層された構造とされている。
本実施形態では、このAl-Cu金属間化合物層15の厚さtが10μmを超えて40μm以下の範囲内とされている。
ここで、Al-Cu金属間化合物層15の厚さtが10μm以下では、AlとCuの相互拡散が不十分であって、アルミニウム層12と銅層13との接合強度が低くなるおそれがある。一方、Al-Cu金属間化合物層15の厚さtが40μmを超えると、接合界面が必要以上に硬くなり、冷熱サイクルを負荷した際に、接合界面近傍にクラックが生じ、接合信頼性が低下するおそれがある。
このため、本実施形態では、Al-Cu金属間化合物層15の厚さtを、10μmを超えて40μm以下の範囲内に設定している。
ここで、Al-Cu金属間化合物層15の厚さtが10μm以下では、AlとCuの相互拡散が不十分であって、アルミニウム層12と銅層13との接合強度が低くなるおそれがある。一方、Al-Cu金属間化合物層15の厚さtが40μmを超えると、接合界面が必要以上に硬くなり、冷熱サイクルを負荷した際に、接合界面近傍にクラックが生じ、接合信頼性が低下するおそれがある。
このため、本実施形態では、Al-Cu金属間化合物層15の厚さtを、10μmを超えて40μm以下の範囲内に設定している。
なお、アルミニウム層12と銅層13との接合強度をさらに向上させるためには、Al-Cu金属間化合物層15の厚さtを15μm以上とすることが好ましく、20μm以上とすることがさらに好ましい。
また、冷熱サイクル負荷時における接合信頼性をさらに向上させるためには、Al-Cu金属間化合物層15の厚さtを35μm以下とすることが好ましく、30μm以下とすることがさらに好ましい。
また、冷熱サイクル負荷時における接合信頼性をさらに向上させるためには、Al-Cu金属間化合物層15の厚さtを35μm以下とすることが好ましく、30μm以下とすることがさらに好ましい。
また、本実施形態においては、アルミニウム層12の平均結晶粒径D1が50μm以上500μm未満の範囲内とされている。
ここで、アルミニウム層12の平均結晶粒径D1が50μm未満の場合には、アルミニウム層12が硬くなり、冷熱サイクルを負荷した際の熱応力を緩和することができず、接合界面近傍にクラックが生じ、接合信頼性が低下するおそれがある。一方、アルミニウム層12の平均結晶粒径D1が500μmを超える場合には、アルミニウム層12が軟らかく変形抵抗が小さくなり、容易に変形してしまうおそれがある。
このため、本実施形態では、アルミニウム層12の平均結晶粒径D1を50μm以上500μm未満の範囲内に設定している。
ここで、アルミニウム層12の平均結晶粒径D1が50μm未満の場合には、アルミニウム層12が硬くなり、冷熱サイクルを負荷した際の熱応力を緩和することができず、接合界面近傍にクラックが生じ、接合信頼性が低下するおそれがある。一方、アルミニウム層12の平均結晶粒径D1が500μmを超える場合には、アルミニウム層12が軟らかく変形抵抗が小さくなり、容易に変形してしまうおそれがある。
このため、本実施形態では、アルミニウム層12の平均結晶粒径D1を50μm以上500μm未満の範囲内に設定している。
なお、冷熱サイクル負荷時における接合信頼性をさらに向上させるためには、アルミニウム層12の平均結晶粒径D1を100μm以上とすることが好ましく、150μm以上とすることがさらに好ましい。
また、アルミニウム層12の変形をさらに抑制するためには、アルミニウム層12の平均結晶粒径D1を300μm以下とすることが好ましく、200μm以下とすることがさらに好ましい。
また、アルミニウム層12の変形をさらに抑制するためには、アルミニウム層12の平均結晶粒径D1を300μm以下とすることが好ましく、200μm以下とすることがさらに好ましい。
ここで、アルミニウム層12は、アルミニウムの純度が99.5mass%以下のアルミニウムおよびアルミニウム合金で構成されていることが好ましく、例えば、A1050,A6063,ADC12等で構成することができる。なお、本実施形態においては、アルミニウム層12と放熱フィン18とが一体成型されていることから、アルミニウム層12と放熱フィン18は、同一の材質で構成されることになる。
さらに、本実施形態において、銅層13の平均結晶粒径については特に制限はないが、例えば、50μm以上300μm以下の範囲内であることが好ましい。
また、銅層13を構成する銅又は銅合金についても特に限定はないが、例えば、無酸素銅、タフピッチ銅等を用いることができる。
また、銅層13を構成する銅又は銅合金についても特に限定はないが、例えば、無酸素銅、タフピッチ銅等を用いることができる。
次に、本実施形態であるヒートシンク10の製造方法について、図5および図6を参照して説明する。
(部材準備工程S01)
まず、アルミニウム層12となるアルミニウム部材22と、銅層13となる銅部材23を準備する。
なお、アルミニウム部材22および銅部材23の接合面を、あらかじめ研磨等によって傷等を除去して、平滑な面に仕上げておくことが好ましい。
まず、アルミニウム層12となるアルミニウム部材22と、銅層13となる銅部材23を準備する。
なお、アルミニウム部材22および銅部材23の接合面を、あらかじめ研磨等によって傷等を除去して、平滑な面に仕上げておくことが好ましい。
ここで、アルミニウム部材22は、アルミニウム層12となるアルミニウム板22Aと放熱フィン18となるフィン体22Bとが一体成型された構造とされている。
このアルミニウム部材22は、アルミニウムの純度が99.5mass%以下のアルミニウム又はアルミニウム合金で構成されていることが好ましい。
また、接合前のアルミニウム部材22の平均結晶粒径は、5μm以上30μm以下の範囲内とすることが好ましい。
このアルミニウム部材22は、アルミニウムの純度が99.5mass%以下のアルミニウム又はアルミニウム合金で構成されていることが好ましい。
また、接合前のアルミニウム部材22の平均結晶粒径は、5μm以上30μm以下の範囲内とすることが好ましい。
(積層工程S02)
そして、アルミニウム部材22のアルミニウム板22Aの上に銅部材23を積層する。
そして、アルミニウム部材22のアルミニウム板22Aの上に銅部材23を積層する。
(接合工程S03)
次に、積層したアルミニウム部材22と銅部材23とを、真空炉内に装入し、真空雰囲気下で、積層方向に加圧するとともに加熱し、アルミニウム部材22と銅部材23とを固相拡散接合する。
このとき、積層方向の加圧荷重を0.3MPa以上3.5MPa以下の範囲内、接合温度を400℃以上545℃以下の範囲内、接合温度での保持時間を5min以上240min以下の範囲内、真空度を0.1Pa以下とすることが好ましい。
次に、積層したアルミニウム部材22と銅部材23とを、真空炉内に装入し、真空雰囲気下で、積層方向に加圧するとともに加熱し、アルミニウム部材22と銅部材23とを固相拡散接合する。
このとき、積層方向の加圧荷重を0.3MPa以上3.5MPa以下の範囲内、接合温度を400℃以上545℃以下の範囲内、接合温度での保持時間を5min以上240min以下の範囲内、真空度を0.1Pa以下とすることが好ましい。
なお、加圧荷重は0.5MPa以上とすることがさらに好ましく、0.8MPa以上とすることがより好ましい。また、加圧荷重は2.0MPa以下とすることがさらに好ましく、1.5MPa以下とすることがより好ましい。
接合温度は450℃以上とすることがさらに好ましく、480℃以上とすることがより好ましい。また、接合温度は540℃以下とすることがさらに好ましく、535℃以下とすることがより好ましい。
接合温度は450℃以上とすることがさらに好ましく、480℃以上とすることがより好ましい。また、接合温度は540℃以下とすることがさらに好ましく、535℃以下とすることがより好ましい。
接合温度での保持時間は10min以上とすることがさらに好ましく、15min以上とすることがより好ましい。また、接合温度での保持時間は180min以下とすることがさらに好ましく、120min以下とすることがより好ましい。
また、真空度は0.05Pa以下とすることがさらに好ましく、0.01Pa以下とすることがより好ましい。
また、真空度は0.05Pa以下とすることがさらに好ましく、0.01Pa以下とすることがより好ましい。
ここで、本実施形態においては、接合前のアルミニウム部材22(アルミニウム板22A)の平均結晶粒径D0、接合後のアルミニウム層12の平均結晶粒径D1とした場合に、以下の式で示す結晶粒の変化量を90%以下とする。
変化量(%)=(D1-D0)/D1×100
本実施形態においては、上述の変化量が90%以下となるように、接合工程S03における加圧荷重、接合温度、保持時間を、上述の範囲内で調整することになる。
変化量(%)=(D1-D0)/D1×100
本実施形態においては、上述の変化量が90%以下となるように、接合工程S03における加圧荷重、接合温度、保持時間を、上述の範囲内で調整することになる。
接合工程S03においては、拡散と粒成長とが同時に起こるため、上述の変化量を90%以下に制限することによって、拡散のパスが安定し、拡散を均一に進行させることができ、上述のAl-Cu金属間化合物層15の厚さを均一化させることが可能となる。
なお、上述の変化量は、80%以下とすることがさらに好ましく、70%以下とすることがより好ましい。
なお、上述の変化量は、80%以下とすることがさらに好ましく、70%以下とすることがより好ましい。
以上の工程により、アルミニウム部材22と銅部材23とが固相拡散接合され、本実施形態であるヒートシンク10を製造することができる。
次に、本実施形態であるヒートシンク一体型絶縁回路基板30の製造方法について、図7および図8を参照して説明する。
(樹脂組成物配設工程S11)
図8に示すように、ヒートシンク10の天板部11(銅層13)の一方の面(図8において上面)に、無機材料のフィラーと樹脂と硬化剤とを含有する樹脂組成物41を配設する。本実施形態では、樹脂組成物41はシート状のものを用いている。
図8に示すように、ヒートシンク10の天板部11(銅層13)の一方の面(図8において上面)に、無機材料のフィラーと樹脂と硬化剤とを含有する樹脂組成物41を配設する。本実施形態では、樹脂組成物41はシート状のものを用いている。
(金属片配置工程S12)
次に、樹脂組成物41の一方の面(図5において上面)に、回路層32となる複数の金属片42を回路パターン状に配置する。
次に、樹脂組成物41の一方の面(図5において上面)に、回路層32となる複数の金属片42を回路パターン状に配置する。
(加圧および加熱工程S13)
次に、加圧装置によってし、ヒートシンク10と樹脂組成物41と金属片42とを積層方向に加圧するとともに加熱することにより、樹脂組成物41を硬化させて絶縁層31を形成するとともに、ヒートシンク10の天板部11と絶縁層31、絶縁層31と金属片42とを接合する。
次に、加圧装置によってし、ヒートシンク10と樹脂組成物41と金属片42とを積層方向に加圧するとともに加熱することにより、樹脂組成物41を硬化させて絶縁層31を形成するとともに、ヒートシンク10の天板部11と絶縁層31、絶縁層31と金属片42とを接合する。
この加圧および加熱工程S13においては、加熱温度が120℃以上350℃以下の範囲内とされ、加熱温度での保持時間が10分以上180分以下の範囲内とされていることが好ましい。また、積層方向の加圧荷重が1MPa以上30MPa以下の範囲内とされていることが好ましい。
ここで、加熱温度の下限は150℃以上とすることがさらに好ましく、170℃以上とすることがより好ましい。一方、加熱温度の上限は320℃以下とすることがさらに好ましく、300℃以下とすることがより好ましい。
加熱温度での保持時間の下限は30分以上とすることがさらに好ましく、60分以上とすることがより好ましい。一方、加熱温度での保持時間の上限は120分以下とすることがさらに好ましく、90分以下とすることがより好ましい。
積層方向の加圧荷重の下限は3MPa以上とすることがさらに好ましく、5MPa以上とすることがより好ましい。一方、積層方向の加圧荷重の上限は15MPa以下とすることがさらに好ましく、10MPa以下とすることがより好ましい。
加熱温度での保持時間の下限は30分以上とすることがさらに好ましく、60分以上とすることがより好ましい。一方、加熱温度での保持時間の上限は120分以下とすることがさらに好ましく、90分以下とすることがより好ましい。
積層方向の加圧荷重の下限は3MPa以上とすることがさらに好ましく、5MPa以上とすることがより好ましい。一方、積層方向の加圧荷重の上限は15MPa以下とすることがさらに好ましく、10MPa以下とすることがより好ましい。
上述した各工程によって、本実施形態であるヒートシンク一体型絶縁回路基板30が製造される。
以上のような構成とされた本実施形態のヒートシンク10によれば、天板部11が、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12と、銅又は銅合金からなる銅層13と、が固相拡散接合されたクラッド構造とされているので、半導体素子3からの熱を銅層13によって天板部11の板面に沿って効率良く広げることができ、放熱特性に優れている。また、アルミニウム層12を有しているので、ヒートシンク10の軽量化を図ることができる。
そして、アルミニウム層12と銅層13とが固相拡散接合されており、アルミニウム層12の平均結晶粒径D1が50μm以上500μm未満とされているので、アルミニウム層12が適度に硬くなり、アルミニウム層の変形を抑制することができる。
また、アルミニウム層12と銅層13との間に形成されたAl-Cu金属間化合物層15の厚さtが10μmを超えて40μm以下の範囲内とされているので、十分に銅とアルミニウムとが固相拡散されており、銅層13とアルミニウム層12との接合信頼性に優れている。
また、アルミニウム層12と銅層13との間に形成されたAl-Cu金属間化合物層15の厚さtが10μmを超えて40μm以下の範囲内とされているので、十分に銅とアルミニウムとが固相拡散されており、銅層13とアルミニウム層12との接合信頼性に優れている。
さらに、本実施形態において、アルミニウム層12と放熱フィン18とが一体成型されている場合には、複雑な形状の放熱フィン18を形成することができ、放熱特性をさらに向上させることが可能となる。
また、放熱フィン18がアルミニウム層12に一体に成型されていることから、放熱フィン18の脱落や変形を抑制することができる。
また、放熱フィン18がアルミニウム層12に一体に成型されていることから、放熱フィン18の脱落や変形を抑制することができる。
本実施形態において、アルミニウム層12におけるアルミニウムの純度が99.5mass%以下である場合には、不純物を一定量含有しており、この不純物によって結晶粒の成長が抑制され、接合後のアルミニウム層12の結晶粒の粗大化を確実に抑制することができる。
本実施形態であるヒートシンク一体型絶縁回路基板30は、本実施形態であるヒートシンク10と、このヒートシンク10の天板部11の載置面に形成された絶縁層31と、この絶縁層31の天板部11とは反対側の面に形成された回路層32と、を備えているので、回路層32に搭載された半導体素子3からの熱を効率的に放熱することができるとともに、ヒートシンク10の変形を抑制でき、安定して使用することができる。
以上、本発明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。
例えば、本実施形態においては、ヒートシンクを、ピンフィン構造のものとして説明したが、これに限定されることはなく、櫛型フィン、コルゲートフィンを備えたヒートシンクであってもよい。
例えば、本実施形態においては、ヒートシンクを、ピンフィン構造のものとして説明したが、これに限定されることはなく、櫛型フィン、コルゲートフィンを備えたヒートシンクであってもよい。
また、本実施形態では、ヒートシンクの天板部に絶縁層を形成したヒートシンク一体型絶縁回路基板を例に挙げて説明したが、セラミックス基板の両面に金属板を接合した絶縁回路基板を、ヒートシンクの天板部に載置した構造のヒートシンク付き絶縁回路基板を構成してもよい。
さらに、本実施形態では、回路層に半導体素子を搭載してパワーモジュールを構成するものとして説明したが、これに限定されることはない。例えば、回路層にLED素子を搭載してLEDモジュールを構成してもよいし、回路層に熱電素子を搭載して熱電モジュールを構成してもよい。
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。
まず、表1に示す材質からなる銅部材と、アルミニウム部材とを準備した。銅部材は、100mm×100mm、厚さ1.0mmの銅板とした。
アルミニウム部材は、100mm×100mm、厚さ4.0mmのアルミニウム板と、このアルミニウム板と一体成型された円柱状のピンフィン(ピン径1.5mm、長さ10mm)を備えたものとした。なお、ピンフィンの本数は、500本とした。
アルミニウム部材は、100mm×100mm、厚さ4.0mmのアルミニウム板と、このアルミニウム板と一体成型された円柱状のピンフィン(ピン径1.5mm、長さ10mm)を備えたものとした。なお、ピンフィンの本数は、500本とした。
これら銅部材およびアルミニウム部材の接合面を予め研磨して平滑な面に仕上げた状態で、銅部材とアルミニウム部材を積層した。
積層した銅部材およびアルミニウム部材を、真空炉内に装入し、真空度0.05Paの雰囲気下で、表1示す条件で加圧および加熱し、銅部材とアルミニウム部材を固相拡散接合した。
積層した銅部材およびアルミニウム部材を、真空炉内に装入し、真空度0.05Paの雰囲気下で、表1示す条件で加圧および加熱し、銅部材とアルミニウム部材を固相拡散接合した。
上述のようにして得られたヒートシンクについて、アルミニウム層の平均結晶粒径D1、Al-Cu金属間化合物層の厚さ、放熱フィンの変形の有無、冷熱サイクル負荷後の接合率について、以下のように評価した。評価結果を表2に示す。
(アルミニウム層の平均結晶粒径)
天板部の厚さ方向に沿った断面をクロスセクションポリッシャ(日本電子株式会社製SM-09010)を用いて、イオン加速電圧:5kV、加工時間:14時間、遮蔽板からの突出量:100μmでイオンエッチングした後に観察し、走査型電子顕微鏡(SEM)を用いてアルミニウム層の平均結晶粒径を測定した。なお、この平均結晶粒径の測定は、JIS H 0501記載の切断法に準拠して実施した。
天板部の厚さ方向に沿った断面をクロスセクションポリッシャ(日本電子株式会社製SM-09010)を用いて、イオン加速電圧:5kV、加工時間:14時間、遮蔽板からの突出量:100μmでイオンエッチングした後に観察し、走査型電子顕微鏡(SEM)を用いてアルミニウム層の平均結晶粒径を測定した。なお、この平均結晶粒径の測定は、JIS H 0501記載の切断法に準拠して実施した。
(Al-Cu金属間化合物層の厚さ)
アルミニウム層と銅層との接合界面の断面をクロスセクションポリッシャ(日本電子株式会社製SM-09010)を用いて、イオン加速電圧:5kV、加工時間:14時間、遮蔽板からの突出量:100μmでイオンエッチングした後に観察し、接合界面に形成されたAl-Cu金属間化合物層の厚さを測定した。
Al-Cu金属間化合物層の厚さは、アルミニウム層と銅層との接合界面を厚さ方向にEPMA(日本電子社製JXA-8530F,加速電圧:15kV,スポット径:1μm以下,倍率:500倍,間隔:0.3μm)にてライン分析を行い、Al濃度及びCu濃度が1at%以上となる領域をAl-Cu金属間化合物層とみなし、厚さを測定した。
アルミニウム層と銅層との接合界面の断面をクロスセクションポリッシャ(日本電子株式会社製SM-09010)を用いて、イオン加速電圧:5kV、加工時間:14時間、遮蔽板からの突出量:100μmでイオンエッチングした後に観察し、接合界面に形成されたAl-Cu金属間化合物層の厚さを測定した。
Al-Cu金属間化合物層の厚さは、アルミニウム層と銅層との接合界面を厚さ方向にEPMA(日本電子社製JXA-8530F,加速電圧:15kV,スポット径:1μm以下,倍率:500倍,間隔:0.3μm)にてライン分析を行い、Al濃度及びCu濃度が1at%以上となる領域をAl-Cu金属間化合物層とみなし、厚さを測定した。
(冷熱サイクル負荷後の接合率)
冷熱衝撃試験機エスペック社製TSB-51を使用し、ヒートシンクに対して、液相(フロリナート)で、-40℃×10分←→150℃×10分の冷熱サイクルを、4000サイクル実施した。
そして、冷熱サイクル試験後のヒートシンクの接合率(アルミニウム層と銅層の接合率)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とした。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。
(接合率)={(初期接合面積)-(非接合部面積)}/(初期接合面積)×100
冷熱衝撃試験機エスペック社製TSB-51を使用し、ヒートシンクに対して、液相(フロリナート)で、-40℃×10分←→150℃×10分の冷熱サイクルを、4000サイクル実施した。
そして、冷熱サイクル試験後のヒートシンクの接合率(アルミニウム層と銅層の接合率)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とした。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。
(接合率)={(初期接合面積)-(非接合部面積)}/(初期接合面積)×100
(放熱フィンの変形の有無)
ヒートシンクの放熱フィンをウォータジャケットにセットし、平均流速が1m/sになるように、水路の断面積に応じて流量を調整し、冷却水(20℃)を流通した。
冷却水を10分流通した後、ウォータジャケットから放熱フィンを取り出し、放熱フィンの変形の有無を目視で確認した。
ヒートシンクの放熱フィンをウォータジャケットにセットし、平均流速が1m/sになるように、水路の断面積に応じて流量を調整し、冷却水(20℃)を流通した。
冷却水を10分流通した後、ウォータジャケットから放熱フィンを取り出し、放熱フィンの変形の有無を目視で確認した。
比較例1においては、アルミニウム層の平均結晶粒径が42μmとされており、冷熱サイクル負荷後の接合率が75%と低くなった。アルミニウム層が硬くなり、冷熱サイクル負荷時の熱応力を十分に緩和できなかったためと推測される。
比較例2においては、アルミニウム層の平均結晶粒径が515μmとされており、放熱フィンの変形が認められた。接合時に、アルミニウム層およびアルミニウム層と一体成型された放熱フィンの結晶成長が促進され、変形抵抗が低くなったためと推測される。
比較例2においては、アルミニウム層の平均結晶粒径が515μmとされており、放熱フィンの変形が認められた。接合時に、アルミニウム層およびアルミニウム層と一体成型された放熱フィンの結晶成長が促進され、変形抵抗が低くなったためと推測される。
比較例3においては、Al-Cu金属間化合物層の厚さが8μmとされており、冷熱サイクル負荷後の接合率が74%となった。アルミニウム層のAlと銅層のCuとの相互拡散が不十分であったためと推測される。
比較例4においては、Al-Cu金属間化合物層の厚さが42μmとされており、冷熱サイクル負荷後の接合率が78%となった。接合界面近傍が硬くなり、冷熱サイクル負荷時にクラックが生じたためと推測される。
比較例4においては、Al-Cu金属間化合物層の厚さが42μmとされており、冷熱サイクル負荷後の接合率が78%となった。接合界面近傍が硬くなり、冷熱サイクル負荷時にクラックが生じたためと推測される。
これに対して、本発明例1~6においては、アルミニウム層の平均結晶粒径が50μm以上500μm未満の範囲内とされ、Al-Cu金属間化合物層の厚さが10μmを超えて40μm以下の範囲内とされており、冷熱サイクル負荷後の接合率が83%以上であり、接合信頼性に優れていた。また、放熱フィンの変形は認められなかった。
以上の確認実験の結果、本発明例によれば、銅又は銅合金からなる銅層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層とを有し、これら銅層とアルミニウム層との接合信頼性に優れ、かつ、アルミニウム又はアルミニウム合金で構成された部材の変形を抑制することができ、安定して使用することが可能なヒートシンクを提供可能であることが確認された。
10 ヒートシンク
11 天板部
12 アルミニウム層
13 銅層
18 放熱フィン
30 ヒートシンク一体型絶縁回路基板
31 絶縁層
32 回路層
11 天板部
12 アルミニウム層
13 銅層
18 放熱フィン
30 ヒートシンク一体型絶縁回路基板
31 絶縁層
32 回路層
Claims (4)
- 天板部と放熱フィンとを備えたヒートシンクであって、
前記天板部の一方の面は他の部材が載置される載置面とされ、前記天板部の他方の面に前記放熱フィンが形成されており、
前記天板部は、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、が固相拡散接合されたクラッド構造とされており、
前記アルミニウム層の平均結晶粒径が50μm以上500μm未満の範囲内とされ、
前記アルミニウム層と前記銅層との間に形成されたAl-Cu金属間化合物層の厚さが10μmを超えて40μm以下の範囲内とされていることを特徴とするヒートシンク。 - 前記アルミニウム層と前記放熱フィンとが一体成型されていることを特徴とする請求項1に記載のヒートシンク。
- 前記アルミニウム層におけるアルミニウムの純度が99.5mass%以下であることを特徴とする請求項1又は請求項2に記載のヒートシンク。
- 請求項1から請求項3のいずれか一項に記載のヒートシンクと、このヒートシンクの前記天板部の載置面に形成された絶縁層と、この絶縁層の前記天板部とは反対側の面に形成された回路層と、を備えていることを特徴とするヒートシンク一体型絶縁回路基板。
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