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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