JP5548722B2 - ヒートシンク付パワーモジュール用基板、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 - Google Patents

ヒートシンク付パワーモジュール用基板、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 Download PDF

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Description

この発明は、ヒートシンクの接合面及びパワーモジュール用基板の接合面がそれぞれアルミニウム又はアルミニウム合金で構成されたヒートシンク付パワーモジュール用基板、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に関するものである。
上述のヒートシンク付パワーモジュール用基板としては、例えば、特許文献1〜3に開示されたものが提案されている。
特許文献1、2に記載されたヒートシンク付パワーモジュール用基板は、AlN(窒化アルミ)からなるセラミックス基板の両面にAl(アルミニウム)の金属板(回路層及び金属層)が接合されてなるパワーモジュール用基板と、アルミニウムからなるヒートシンクとが、Al−Si系のろう材を用いたろう付けによって接合されている。
また、特許文献3に示す半導体モジュールの冷却装置においては、セラミックス材からなる絶縁基板の両面にAl(アルミニウム)の金属板(上部電極及び下部電極)が接合されており、上部電極に半導体素子が接合された半導体モジュールと、アルミニウムからなる冷却器の天板とが、フラックスを用いたろう付けによって接合されたものが提案されている。
このフラックスを用いたろう付けは、主に、アルミニウム部材同士を接合する技術であり、例えばAl−Si系ろう材箔とフラックスとを、アルミニウム部材同士の間に配置し、フラックスによってアルミニウム部材の表面に形成された酸化膜を除去するとともに、ろう材の溶融を促進して、接合するものである。
特開2010−093225号公報 特開2009−135392号公報 特開2009−105166号公報
ここで、アルミニウム部材においては、その表面にアルミニウムの酸化皮膜が形成されるため、単に、ろう付けを行っても良好に接合することができない。
そこで、特許文献1,2においては、真空炉を用いて真空雰囲気内でろう付けを行うことにより、アルミニウムの酸化皮膜の影響を抑制して、アルミニウム部材同士を接合している。
しかしながら、ろう付けを行う際の真空度が低いであった場合には、酸化皮膜の影響を十分に抑制することができず、接合信頼性が劣るおそれがあった。真空度を高くしようとすると、多くの時間と労力が必要となり、ろう付けを効率良くできなくなるとともに、コストが大幅に増加してしまうといった問題があった。
一方、特許文献3においては、フラックスによってアルミニウムの酸化皮膜を除去してアルミニウム部材同士を接合していることから、真空雰囲気でろう付けを行う必要がなく、窒素ガス等の非酸化雰囲気中において常圧条件でろう付けを行うことが可能となる。
しかしながら、フラックスを用いていることから、ろう付け作業が煩雑になるといった問題があった。また、上述のように、パワーモジュール用基板とヒートシンクとを接合する際にフラックスを用いた場合には、フラックス成分の一部が揮発して、パワーモジュール用基板のセラミックス基板と金属板との接合界面等に侵入し、セラミックス基板と金属板との接合信頼性を低下させてしまうおそれがあった。
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、フラックスを用いることなく常圧条件下において強固にろう付けされてなるヒートシンク付パワーモジュール用基板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。
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付パワーモジュール用基板は、絶縁層の一方の面に回路層が配設されたパワーモジュール用基板と、このパワーモジュール用基板の他方の面側に接合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であって、前記ヒートシンクの接合面及び前記パワーモジュール用基板の接合面が、それぞれアルミニウム又はアルミニウム合金で構成されており、前記パワーモジュール用基板は、前記絶縁層の他方の面側にアルミニウム又はアルミニウム合金の圧延板からなる金属層が形成され、この金属層と前記ヒートシンクとが接合されており、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界面には、Al−Si共晶組織にMgを含むMg含有化合物(MgOを除く)が分散した接合層が形成されており、前記接合層の厚さが5μm以上80μm以下の範囲内とされるとともに、前記接合層におけるMgOの含有量が20面積%以下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付パワーモジュール用基板によれば、Al−Si共晶組織にMgを含むMg含有化合物(MgOを除く)が分散した接合層が形成されており、前記接合層の厚さが5μm以上80μm以下の範囲内とされているので、ヒートシンクとパワーモジュール用基板とが、強固に接合されることになる。すなわち、Al−Si共晶組織に分散しているMg含有化合物は、アルミニウムの酸化物とMgとが反応することにより生成されるものであることから、ヒートシンクの接合面及びパワーモジュール用基板の接合面に形成されたアルミニウムの酸化皮膜が除去されていることになり、ヒートシンクとパワーモジュール用基板とが、強固に接合されるのである。
Al−Si共晶組織にMgを含むMg含有化合物(MgOを除く)が分散した接合層の厚さが5μm未満の場合には、ヒートシンクの接合面及びパワーモジュール用基板の接合面に形成されたアルミニウムの酸化皮膜の除去が不十分であって、ヒートシンクとパワーモジュール用基板とを強固に接合できないおそれがある。一方、前記接合層の厚さが80μmより大きい場合には、接合層内部でクラック等が生じるおそれがある。
このため、Al−Si共晶組織にMgを含むMg含有化合物(MgOを除く)が分散した接合層の厚さを5μm以上80μm以下の範囲内に規定しているのである。
MgOは、冷熱サイクル負荷時においてクラックの起点になるため、好ましくない。また、MgO自体が大きく成長し、ろう付けを阻害することになる。このため、前記接合層におけるMgOの含有量が20面積%以下に抑制することが好ましいのである。
ここで、前記ヒートシンクの接合面及び前記パワーモジュール用基板の接合面の少なくとも一方が、Mgを含有したMg含有アルミニウム合金で構成されており、前記Mg含有アルミニウム合金で構成された接合面の界面近傍には、Mg含有化合物の存在比率が減少したMg低減領域が形成されていることとしてもよい。
この場合、前記ヒートシンクの接合面及び前記パワーモジュール用基板の接合面の少なくとも一方に含有されたMgの一部が接合界面で作用し、前記ヒートシンクの接合面及び前記パワーモジュール用基板の接合面に形成されたアルミニウムの酸化皮膜と反応してMg含有化合物となり、Al−Si共晶組織にMgを含むMg含有化合物(MgOを除く)が分散した接合層が形成されることになる。また、前記Mg含有アルミニウム合金で構成された接合面の界面近傍には、Mg含有化合物の存在比率が減少したMg低減領域が形成されているので、このMg低減領域においては、変形抵抗が低くなり、応力緩和層として機能することになる。
さらに、前記接合層に分散されたMg含有化合物が、MgSi系化合物又はMgAlO系化合物を含むことが好ましい。
MgSi系化合物及びMgAlO系化合物は、Mgがアルミニウムの酸化物と反応することによって生成し、微細な粒子状に分散するため、前記ヒートシンクの接合面及び前記パワーモジュール用基板の接合面に形成されたアルミニウムの酸化皮膜を確実に除去されることになり、ヒートシンクとパワーモジュール用基板とが強固に接合され、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を提供することが可能となる。
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、絶縁層の一方の面に回路層が配設されたパワーモジュール用基板と、このパワーモジュール用基板の他方の面側に接合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、前記ヒートシンクの接合面及び前記パワーモジュール用基板の接合面が、それぞれアルミニウム又はアルミニウム合金で構成されており、前記パワーモジュール用基板は、前記絶縁層の他方の面側にアルミニウム又はアルミニウム合金の圧延板からなる金属層が形成され、この金属層と前記ヒートシンクとが接合されており、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界面に、Al−Si系ろう材とMgとを介在させ、前記ヒートシンクと前記パワーモジュール用基板とを積層し、積層方向に0.001MPa以上0.5MPa以下の条件で加圧した状態で、窒素雰囲気中において常圧でフラックスを使用せずにろう付けを実施し、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界面に、Al−Si共晶組織にMgを含むMg含有化合物(MgOを除く)が分散した接合層を、厚さが5μm以上80μm以下の範囲内、前記接合層におけるMgOの含有量が20面積%以下となるように形成することを特徴としている。
このような構成とされ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よれば、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界面に、Al−Si系ろう材とMgとを介在させているので、フラックスを用いることなく常圧条件でろう付けしても、前記ヒートシンクの接合面及び前記パワーモジュール用基板の接合面に形成された酸化皮膜を除去でき、前記ヒートシンクと前記パワーモジュール用基板とを確実に接合することが可能となる。
また、前記ヒートシンクと前記パワーモジュール用基板とを積層し、積層方向に加圧した状態でろう付けを実施しているので、前記ヒートシンクと前記パワーモジュール用基板とが面で接触し、接合界面に存在するMgが揮発して雰囲気中に抜けることを抑制でき、Al−Si共晶組織にMgを含むMg含有化合物(MgOを除く)が分散した接合層を形成することが可能となる。なお、雰囲気中に揮発したMgは、酸素と反応してMgOとなり、接合を阻害するおそれがあることから、Mgの揮発を抑える必要がある。
本発明によれば、フラックスを用いることなく常圧条件下において強固にろう付けされてなるヒートシンク付パワーモジュール用基板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できる。
本発明の第一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。 図1における金属層とヒートシンクとの接合部の拡大説明図である。 図1のヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法を示すフロー図である。 本発明の第二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。 図4における金属層とヒートシンクとの接合部の拡大説明図である。 図4のヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法を示すフロー図である。
以下に、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1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用いたパワーモジュールを示す。
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40と、このヒートシンク付パワーモジュール用基板40の一方側(図1において上側)の面にはんだ層2を介して接合された半導体素子(電子部品)3と、を備えている。
ここで、はんだ層2は、例えばSn−Ag系、Sn−In系、若しくはSn−Ag−Cu系のはんだ材とされている。
ヒートシンク付パワーモジュール用基板40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を冷却するヒートシンク41と、を備えている。
パワーモジュール用基板10は、絶縁基板11と、この絶縁基板11の一方の面(図1において上面)に配設された回路層12と、絶縁基板11の他方の面(図1において下面)に配設された金属層13とを備えている。
絶縁基板11は、回路層12と金属層13との間の電気的接続を防止するものであって、例えばAlN(窒化アルミ)、Si(窒化珪素)、Al(アルミナ)等の絶縁性の高いセラミックスで構成され、本実施形態では、Al(アルミナ)で構成されている。また、絶縁基板11の厚さは、0.2mm以上1.5mm以下の範囲内に設定されており、本実施形態では0.635mmに設定されている。
回路層12は、絶縁基板11の一方の面に銅又は銅合金からなる銅板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、回路層12を構成する銅板として、タフピッチ銅の圧延板が用いられている。この回路層12には、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されている。
金属層13は、絶縁基板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23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、金属層13を構成するアルミニウム板として、純度が99.99%以上のアルミニウム(いわゆる4Nアルミニウム)の圧延板が用いられている。
本実施形態におけるヒートシンク41は、パワーモジュール用基板10と接合される天板部42と、この天板部42に積層配置される冷却部材43と、を備えている。冷却部材43の内部には、冷却媒体が流通する流路44が形成されている。
ここで、天板部42と冷却部材43とは、固定ネジ45によって連結される構造とされている。このため、天板部42には、固定ネジ45をねじ込んでも容易に変形しないように剛性を確保する必要がある。そこで、本実施形態では、ヒートシンク41の天板部42を、0.2%耐力が100N/mm以上の金属材料で構成し、その厚さを2mm以上としている。
具体的には、パワーモジュール用基板10と接合される天板部42は、Mgを含有したMg含有アルミニウム合金で構成されており、本実施形態では、天板部42は、A6063合金(Mg;0.45質量%以上0.9質量%以下)で構成されている。
そして、図2に示すように、4Nアルミニウムからなる金属層13とA6063合金からなる天板部42との間には、接合層50が形成されている。この接合層50は、Al−Si共晶組織からなる母相51の内部に、Mgを含むMg含有化合物52が分散した構造とされている。ここで、接合層50の厚さtは、5μm≦t≦80μmの範囲内とされている。
なお、接合層50の厚さtは、断面観察を実施し、接合層50が水平になるように位置合わせを行い、接合層50の面積Aを測定し、この面積Aを接合層50の水平方向長さLで割ることで算出した。
この接合層50においては、MgOの含有量が20面積%以下とされており、本実施形態では、10面積%以下とされている。
また、接合層50に分散されたMg含有化合物52は、MgSi系化合物又はMgAlO系化合物を含有している。
ここで、天板部42は、Mgを含有したA6063合金で構成されていることから、天板部42には、Mgを含むMg含有化合物48が分散していることになる。そして、天板部42のうち接合層50の近傍部分には、このMg含有化合物48の存在比率が減少したMg低減領域49が形成されている。
次に、このヒートシンク付パワーモジュール用基板40の製造方法について、図3のフロー図を参照して説明する。
まず、回路層12となる銅板と、絶縁基板11とを接合する(回路層形成工程S01)。ここで、絶縁基板11がAlで構成されていることから、銅板と絶縁基板11とを、銅と酸素の共晶反応を利用したDBC法により接合する。具体的には、タフピッチ銅からなる銅板と、絶縁基板11とを接触させ、窒素ガス雰囲気中で1075℃で10分加熱することで、銅板と絶縁基板11とが接合されることになる。
次に、絶縁基板11の他方の面側に金属層13となるアルミニウム板を接合する(金属層形成工程S02)。
アルミニウム板の絶縁基板11との接合面にスパッタリングによって添加元素(Si,Cu,Zn,Mg,Ge,Ca,Liのいずれか1種又は2種以上)を固着して固着層を形成する。ここで、固着層における添加元素量は0.01mg/cm以上10mg/cm以下の範囲内とされており、本実施形態では、添加元素としてCuを用いており、固着層におけるCu量が0.08mg/cm以上2.7mg/cm以下に設定されている。
このアルミニウム板を絶縁基板11の他方の面側に積層し、積層方向に加圧(圧力1〜35kgf/cm)した状態で真空加熱炉内に装入して加熱する。ここで、本実施形態では、真空加熱炉内の圧力は10−3〜10−6Paの範囲内に設定し、加熱温度は550℃以上650℃以下の範囲内に設定している。すると、固着層の添加元素(Cu)がアルミニウム板側に拡散することによって、アルミニウム板の固着層近傍の添加元素の濃度(Cu濃度)が上昇して融点が低くなることによりアルミニウム板と絶縁基板11との界面に溶融金属領域が形成されることになる。
次に、溶融金属領域が形成された状態で温度を一定に保持しておく。すると、溶融金属領域中のCuが、さらにアルミニウム板側へと拡散していくことになる。これにより、溶融金属領域であった部分のCu濃度が徐々に低下していき融点が上昇することになり、温度を一定に保持した状態で凝固が進行していく。これにより、絶縁基板11とアルミニウム板とが接合される。つまり、絶縁基板11とアルミニウム板(金属層13)とは、いわゆる拡散接合(Transient Liquid Phase Diffusion Bonding)によって接合されているのである。そして、凝固が進行した後に、常温にまで冷却を行う。
このようにして、パワーモジュール用基板10が製出されるのである。
次に、パワーモジュール用基板10の金属層13とヒートシンク41の天板部42とを接合する(ヒートシンク接合工程S03)。
まず、パワーモジュール用基板10の金属層13と天板部42との間にAl−Si系ろう材かを介在させて、パワーモジュール用基板10と天板部42とを積層する(積層工程S31)。ここで、本実施形態では、Siの含有量が5.5質量%以上11.0質量%以下、厚さが5μm以上100μm以下のろう材箔を用いた。
パワーモジュール用基板10と天板部42とを積層方向に加圧(0.001MPa〜0.5MPa)した状態で、非酸化雰囲気とした雰囲気炉内に装入して加熱する(加熱工程S32)。ここで、本実施形態では、雰囲気加熱炉内を窒素ガス雰囲気とし、酸素分圧を120ppm以下とし、炉内圧力を常圧とした。また、加熱温度は590℃以上630℃以下とした。すると、金属層13と天板部42との接合界面には、ろう材箔、金属層13の一部及び天板部42の一部が溶融することによって、溶融金属領域が形成されることになる。
このとき、天板部42の接合界面近傍に分散していたMg含有化合物48中のMgが接合界面で作用し、天板部42の接合面及び金属層13の接合面に形成されていたアルミニウムの酸化被膜がMgと反応することによって除去されることになる。
そして、雰囲気炉の炉内温度を下げることによって、金属層13と天板部42との接合界面に形成された溶融金属領域を凝固させて、金属層13と天板部42とを接合する(溶融金属凝固工程S33)。このとき、金属層13と天板部42との接合界面には、Al−Si共晶組織を母相51とする接合層50が形成されることになる。また、この接合層50の内部には、アルミニウムの酸化被膜がMgと反応することによって生成したMg含有化合物(本実施形態では、MgAlO系化合物)が分散されることになる。
さらに、天板部42の接合界面近傍に分散していたMg含有化合物48が接合界面に作用することにより、天板部42の接合界面近傍には、Mg含有化合物の存在比率が減少したMg低減領域が形成されることになる。
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40が製出される。
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40によれば、4Nアルミニウムからなる金属層13とA6063合金からなる天板部42との接合界面に、Al−Si共晶組織を母相51とし、この母相51内にMg含有化合物52が分散した構造の接合層50が形成されており、この接合層50の厚さが5μm以上80μm以下の範囲内とされているので、金属層13の接合面及び天板部42の接合面に形成されたアルミニウムの酸化被膜が除去されており、金属層13と天板部42とを強固に接合することが可能となる。よって、パワーモジュール用基板10とヒートシンク41との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40を構成することができる。
また、接合層50におけるMgOの含有量が20面積%以下とされているので、冷熱サイクル負荷時において接合層50におけるクラックの発生が抑制されるとともに、ろう付けが良好に行われることになり、パワーモジュール用基板10とヒートシンク41との接合信頼性が大幅に向上することになる。特に、本実施形態では、接合層50におけるMgOの含有量を10面積%以下としているので、パワーモジュール用基板10とヒートシンク41との接合信頼性を確実に向上させることが可能となる。
さらに、接合層50の母相51中に分散されたMg含有化合物52が、MgSi系化合物、MgAlO系とされているので、接合層50内において微細な粒子状に分散することになり、パワーモジュール用基板10とヒートシンク41とを確実に、かつ、強固に接合することが可能となる。
また、天板部42が、Mgを含有したA6063合金で構成されており、天板部42のうち接合層50の近傍部分には、Mg含有化合物48の存在比率が減少したMg低減領域49が形成されているので、このMg低減領域49が、変形抵抗が低く応力緩和層として機能することになる。よって、ヒートシンク41と絶縁基板11との熱膨張係数の差に起因する熱応力を、このMg低減領域49の変形によって緩和することができ、絶縁基板11の割れを防止することが可能となる。
また、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40の製造方法によれば、窒素ガス雰囲気、酸素分圧120ppm以下、常圧条件で、パワーモジュール用基板10とヒートシンク41とが接合されているので、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40を、効率よく、かつ、低コストで製造することが可能となる。
さらに、フラックスを用いていないので、パワーモジュール用基板10とヒートシンク41との接合の際に、回路層12と絶縁基板11の接合界面、及び、絶縁基板11と金属層13の接合界面に、影響が少なく、回路層12と絶縁基板11、及び、絶縁基板11と金属層13の接合信頼性の劣化を防止することができる。
そして、パワーモジュール用基板10と天板部42とを積層方向に加圧(0.001MPa〜0.5MPa)した状態で、非酸化雰囲気とした雰囲気炉内に装入して加熱することによってろう付けしているので、パワーモジュール用基板10と天板部42とが面で接触し、接合界面に存在するMgが揮発して雰囲気中に抜けることを抑制でき、Al−Si共晶組織にMgを含むMg含有化合物(MgOを除く)が分散した接合層50を形成することが可能となる。
以下に、本発明の第2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について説明する。図4に、本発明の第2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用いたパワーモジュールを示す。
このパワーモジュール101は、ヒートシンク付パワーモジュール用基板140と、このヒートシンク付パワーモジュール用基板140の一方側(図4において上側)の面にはんだ層2を介して接合された半導体素子(電子部品)3と、を備えている。
ここで、はんだ層2は、例えばSn−Ag系、Sn−In系、若しくはSn−Ag−Cu系のはんだ材とされている。
ヒートシンク付パワーモジュール用基板140は、パワーモジュール用基板110と、パワーモジュール用基板110を冷却するヒートシンク141と、を備えている。
パワーモジュール用基板110は、絶縁基板111と、この絶縁基板111の一方の面(図4において上面)に配設された回路層112と、絶縁基板111の他方の面(図4において下面)に配設された金属層113とを備えている。
絶縁基板111は、回路層112と金属層113との間の電気的接続を防止するものであって、例えばAlN(窒化アルミ)、Si(窒化珪素)、Al(アルミナ)等の絶縁性の高いセラミックスで構成され、本実施形態では、絶縁性の高いAlN(窒化アルミ)で構成されている。また、絶縁基板111の厚さは、0.2mm以上1.5mm以下の範囲内に設定されており、本実施形態では0.635mmに設定されている。
回路層112は、絶縁基板111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。本実施形態においては、回路層112を構成するアルミニウム板として、純度が99.99%以上のアルミニウム(いわゆる4Nアルミニウム)の圧延板が用いられている。この回路層112には、回路パターンが形成されており、その一方の面(図4において上面)が、半導体素子3が搭載される搭載面されている。
金属層113は、絶縁基板111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、金属層113を構成するアルミニウム板として、純度が99.99%以上のアルミニウム(いわゆる4Nアルミニウム)の圧延板が用いられている。
本実施形態におけるヒートシンク141は、パワーモジュール用基板110と接合される天板部142と、冷却媒体(例えば冷却水)を流通するための流路144と、を備えている。
ここで、ヒートシンク141(天板部142)は、熱伝導性が良好な材質で構成されることが望ましく、かつ、構造材としての剛性を確保する必要がある。そこで、本実施形態においては、ヒートシンク141の天板部142は、A3003(アルミニウム合金)で構成されている。
そして、図5に示すように、4Nアルミニウムからなる金属層113とA3003合金からなる天板部142との間には、接合層150が形成されている。この接合層150は、Al−Si共晶組織からなる母相151の内部に、Mgを含むMg含有化合物152が分散した構造とされている。ここで、接合層150の厚さtは、5μm≦t≦80μmの範囲内とされている。
なお、接合層150の厚さtは、断面観察を実施し、接合層150が水平になるように位置合わせを行い、接合層150の面積Aを測定し、この面積Aを接合層150の水平方向長さLで割ることで算出した。
この接合層150においては、MgOの含有量が20面積%以下とされており、本実施形態では、10面積%以下とされている。
また、接合層150に分散されたMg含有化合物152は、MgSi系化合物又はMgAlO系化合物を含有している。
次に、このヒートシンク付パワーモジュール用基板140の製造方法について、図6のフロー図を参照して説明する。
まず、回路層112となるアルミニウム板と絶縁基板111とを接合する(回路層形成工程S101)。また、金属層113となるアルミニウム板と絶縁基板111とを接合する(金属層形成工程S102)。本実施形態では、これら回路層形成工程S101と、金属層形成工程S102と、を同時に実施することになる。
絶縁基板111の一方の面及び他方の面に、スクリーン印刷によって添加元素(Si,Cu,Zn,Mg,Ge,Ca,Liのいずれか1種又は2種以上)を含むペーストを塗布して乾燥させることにより、固着層を形成する。
ここで、本実施形態では、添加元素としてAgを用いている。使用されるAgペーストは、Ag粉末と、樹脂と、溶剤と、分散剤と、を含有しており、Ag粉末の含有量が、Agペースト全体の60質量%以上90質量%以下とされており、残部が樹脂、溶剤、分散剤とされている。なお、本実施形態では、Ag粉末の含有量は、Agペースト全体の85質量%とされている。
次に、回路層112となるアルミニウム板、絶縁基板111、金属層113となるアルミニウム板を積層し、積層方向に加圧(圧力1〜35kgf/cm)した状態で真空加熱炉内に装入して加熱する。ここで、本実施形態では、真空加熱炉内の圧力は10−3〜10−6Paの範囲内に設定し、加熱温度は550℃以上650℃以下の範囲内に設定している。すると、固着層の添加元素(Ag)がアルミニウム板側に拡散することによって、アルミニウム板の固着層近傍の添加元素の濃度(Ag濃度)が上昇して融点が低くなることにより、アルミニウム板と絶縁基板111との界面に、それぞれ溶融金属領域が形成されることになる。
次に、溶融金属領域が形成された状態で温度を一定に保持しておく。すると、溶融金属領域中のAgが、さらにアルミニウム板側へと拡散していくことになる。これにより、溶融金属領域であった部分のAg濃度が徐々に低下していき融点が上昇することになり、温度を一定に保持した状態で凝固が進行していく。これにより、絶縁基板111とアルミニウム板とが接合される。つまり、回路層112と絶縁基板111、及び、絶縁基板111と金属層113とは、いわゆる拡散接合(Transient Liquid Phase Diffusion Bonding)によって接合されているのである。そして、凝固が進行した後に、常温にまで冷却を行う。
このようにして、パワーモジュール用基板110が製出されるのである。
次に、パワーモジュール用基板110の金属層113とヒートシンク141とを接合する(ヒートシンク接合工程S103)。
まず、パワーモジュール用基板110の金属層113とヒートシンク141との間にAl−Si系ろう材を介在させて、パワーモジュール用基板110とヒートシンク141とを積層する(積層工程S131)。ここで、本実施形態では、Siの含有量が5.5質量%以上11.0質量%以下、厚さが5μm以上100μm以下のろう材箔を用いた。また、このろう材箔に、Mgを、0.1質量%以上2.5質量%以下の範囲内で含有させた。
パワーモジュール用基板110とヒートシンク141とを積層方向に加圧(0.001MPa〜0.5MPa)した状態で、非酸化雰囲気とした雰囲気炉内に装入して加熱する(加熱工程S132)。ここで、本実施形態では、雰囲気加熱炉内を窒素ガス雰囲気とし、酸素分圧を120ppm以下とした。また、炉内圧力を常圧とした。また、加熱温度は590℃以上630℃以下とした。すると、金属層113とヒートシンク141との接合界面には、ろう材箔、金属層113の一部及びヒートシンク141の一部が溶融することによって、溶融金属領域が形成されることになる。
このとき、ヒートシンク141の接合面及び金属層13の接合面に形成されていたアルミニウムの酸化被膜は、ろう材箔に含有されたMgと反応することによって除去されることになる。
そして、雰囲気炉の炉内温度を下げることによって、金属層113とヒートシンク141との接合界面に形成された溶融金属領域を凝固させて、金属層113とヒートシンク141とを接合する(凝固工程S133)。このとき、金属層113とヒートシンク141との接合界面には、Al−Si共晶組織を母相151とする接合層150が形成されることになる。また、この接合層150の内部には、アルミニウムの酸化被膜がMgと反応することによって生成したMg含有化合物152(本実施形態では、MgAlO系化合物)が分散されることになる。
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140が製出される。
本実施形態であるアルミニウム部材の接合構造を利用したヒートシンク付パワーモジュール用基板140によれば、4Nアルミニウムからなる金属層113とA3003合金からなるヒートシンク141との接合界面に、Al−Si共晶組織を母相151とし、この母相151内にMg含有化合物152が分散した構造の接合層150が形成されており、この接合層150の厚さが5μm以上80μm以下の範囲内とされているので、金属層113の接合面及びヒートシンク141の接合面に形成されたアルミニウムの酸化被膜が除去されており、金属層113とヒートシンク141とを強固に接合することが可能となる。よって、パワーモジュール用基板110とヒートシンク141との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140を構成することができる。
また、ろう材箔にMgを含有させているので、Mgを含有しないアルミニウム又はアルミニウム合金で構成された金属層113(4Nアルミニウム)とヒートシンク141(A3003合金)とを、Al−Si共晶組織を母相151とし、この母相151内にMg含有化合物152が分散した構造の接合層150を介して接合することが可能となる。
そして、パワーモジュール用基板110とヒートシンク141とを積層方向に加圧(0.001MPa〜0.5MPa)した状態で、酸素分圧を120ppm以下とした非酸化雰囲気の雰囲気炉内に装入して加熱することによってろう付けしているので、パワーモジュール用基板110とヒートシンク141とが面で接触し、接合界面に存在するMgが揮発して雰囲気中に抜けることを抑制でき、Al−Si共晶組織にMgを含むMg含有化合物(MgOを除く)が分散した接合層150を形成することが可能となる。
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、ヒートシンクの構造、パワーモジュール用基板の構造に、特に限定はなく、アルミニウム部材同士を接合する構造であれば、他の構成のヒートシンク、パワーモジュール用基板であってもよい。
また、本実施形態では、金属層を構成するアルミニウム板を純度99.99%の純アルミニウムの圧延板として説明したが、これに限定されることはなく、純度99%のアルミニウム(2Nアルミニウム)であってもよい。
さらに、絶縁層としてAl3、AlNからなるセラミックス板を用いたものとして説明したが、これに限定されることはなく、Si等からなるセラミックス板を用いても良いし、絶縁樹脂によって絶縁層を構成してもよい。
以下に、本発明の効果を確認すべく行った確認実験の結果について説明する。
表1に示すように、絶縁基板、回路層となるアルミニウム板、金属層となるアルミニウム板、を接合し、パワーモジュール用基板を作製した。
回路層となるアルミニウム板と絶縁基板、及び、絶縁基板と金属層となるアルミニウム板との接合は、次の条件で実施した。回路層となるアルミニウム板と絶縁基板と金属層となるアルミニウム板とを、Al−10質量%Siのろう材箔を介して積層し、積層方向に5kgf/cmで加圧した状態で、真空加熱炉内に装入し、650℃で30分加熱することによって、接合した。
そして、このパワーモジュール用基板とヒートシンク(天板部)とを、表2に示す条件で接合し、ヒートシンク付パワーモジュール用基板を作製した。
得られたヒートシンク付パワーモジュール用基板について、金属層とヒートシンクとの接合界面を観察し、接合層の厚さ、Mg含有化合物の有無、MgO量を評価した。
接合層の厚さは、次のようにして測定した。得られたヒートシンク付パワーモジュール用基板をダイヤモンドソーで絶縁基板の対角線に沿って切断した。これを樹脂埋めし、断面を鏡面研磨して断面試料を作製した。この断面試料を観察し、EPMAの反射電子像で、金属層とヒートシンクとの接合界面を解析する。ここで、観察された接合層を水平になるように位置調整を行って反射電子像を撮影し、2値化処理によって接合層の面積Aを測定する。そして、この接合層の面積Aを観察視野の水平方向長さLで割ることによって厚さを算出した。この作業を5視野について実施し、その平均値を接合層の厚さtとした。
Mg含有化合物は、上述の断面資料について、EPMAによる元素マッピングを取得し、Mgの存在する部位と同位置に存在する元素を特定して化合物の組成を判断した。本実施例1から4、及び比較例1及び2において、Mg、Al、Oが同位置に存在していたことからMgAlO系化合物が存在していることを確認した。
MgO量(MgOの面積分率)については、上述のようにして作製した断面試料について、観察された接合層を水平になるように位置調整を行って反射電子像を撮影し、2値化処理によって接合層の面積Aを測定する。次に、EPMAによる元素マッピングを取得し、MgとOのみが共存する部位を検出し、その部位の面積を画像処理により計測するし、MgOの面積とする。そして、MgOの面積を接合層の面積Aで割る。この作業を5視野について実施し、その平均値をMgO量(MgOの面積分率)とした。
また、得られたヒートシンク付パワーモジュール用基板に冷熱サイクル試験を行い、初期の接合率と冷熱サイクル試験後の接合率とを比較した。冷熱サイクルは、−40℃×5分←→125℃×3分、3000サイクルとした。
なお、接合率は、超音波探傷装置を用いて、以下の式を用いて接合率を求めた。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)−(剥離面積)}/(初期接合面積)
評価結果を表3に示す。
Mg源がなかったため、Mg含有化合物を形成することができなかった比較例1においては、初期の接合率及び冷熱サイクル後の接合率が低かった。
また、接合層の厚さが2μmと非常に薄かった比較例2では、Mg含有化合物は存在したが、冷熱サイクル後の接合率が低かった。
さらに、接合層の厚さが92μmと厚かった比較例3では、接合層内でクラックが生じてしまい冷熱サイクル後の接合率が低くなった。
これに対して、実施例1−4においては、初期の接合率及び冷熱サイクル後の接合率がともに高く、パワーモジュール用基板とヒートシンクとが強固に接合されていることが確認される。
1,101 パワーモジュール
10,110 パワーモジュール用基板
11,111 絶縁基板
12,112 回路層
13,113 金属層
40,140 ヒートシンク付パワーモジュール用基板
41,141 ヒートシンク
42,142 天板部
49 Mg低減領域
50,150 接合層
52,152 Mg含有化合物

Claims (4)

  1. 絶縁層の一方の面に回路層が配設されたパワーモジュール用基板と、このパワーモジュール用基板の他方の面側に接合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であって、
    前記ヒートシンクの接合面及び前記パワーモジュール用基板の接合面が、それぞれアルミニウム又はアルミニウム合金で構成されており、
    前記パワーモジュール用基板は、前記絶縁層の他方の面側にアルミニウム又はアルミニウム合金の圧延板からなる金属層が形成され、この金属層と前記ヒートシンクとが接合されており、
    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界面には、Al−Si共晶組織にMgを含むMg含有化合物(MgOを除く)が分散した接合層が形成されており、
    前記接合層の厚さが5μm以上80μm以下の範囲内とされるとともに、前記接合層におけるMgOの含有量が20面積%以下とされてい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。
  2. 前記ヒートシンクの接合面及び前記パワーモジュール用基板の接合面の少なくとも一方が、Mgを含有したMg含有アルミニウム合金で構成されており、
    前記Mg含有アルミニウム合金で構成された接合面の界面近傍には、Mg含有化合物の存在比率が減少したMg低減領域が形成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付パワーモジュール用基板。
  3. 前記接合層に分散されたMg含有化合物が、MgSi系化合物又はMgAlO系化合物を含むことを特徴とする請求項1または請求項2に記載のヒートシンク付パワーモジュール用基板。
  4. 絶縁層の一方の面に回路層が配設されたパワーモジュール用基板と、このパワーモジュール用基板の他方の面側に接合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、
    前記ヒートシンクの接合面及び前記パワーモジュール用基板の接合面が、それぞれアルミニウム又はアルミニウム合金で構成されており、
    前記パワーモジュール用基板は、前記絶縁層の他方の面側にアルミニウム又はアルミニウム合金の圧延板からなる金属層が形成され、この金属層と前記ヒートシンクとが接合されており、
    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界面に、Al−Si系ろう材とMgとを介在させ、前記ヒートシンクと前記パワーモジュール用基板とを積層し、積層方向に0.001MPa以上0.5MPa以下の条件で加圧した状態で、窒素雰囲気中において常圧でフラックスを使用せずにろう付けを実施し、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界面に、Al−Si共晶組織にMgを含むMg含有化合物(MgOを除く)が分散した接合層を、厚さが5μm以上80μm以下の範囲内、前記接合層におけるMgOの含有量が20面積%以下となるように形成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。
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Families Citing this family (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2011049067A1 (ja) * 2009-10-22 2011-04-28 三菱マテリアル株式会社 パワーモジュール用基板、ヒートシンク付パワーモジュール用基板、パワーモジュール、パワーモジュール用基板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
JP5542765B2 (ja) * 2011-09-26 2014-07-09 日立オートモティブシステムズ株式会社 パワーモジュール
JP5614423B2 (ja) * 2012-03-29 2014-10-29 三菱マテリアル株式会社 パワーモジュール用基板及びその製造方法
JP2015050257A (ja) * 2013-08-30 2015-03-16 株式会社東芝 車両用電力変換装置及び鉄道車両
CN104754913B (zh) * 2013-12-27 2018-06-05 华为技术有限公司 导热复合材料片及其制作方法
WO2015105124A1 (ja) * 2014-01-08 2015-07-16 三菱マテリアル株式会社 抵抗器及び抵抗器の製造方法
EP3208839A4 (en) * 2014-10-16 2018-12-05 Mitsubishi Materials Corporation Substrate with cooler for power modules and method for producing same
WO2016060079A1 (ja) * 2014-10-16 2016-04-21 三菱マテリアル株式会社 冷却器付パワーモジュール用基板及びその製造方法
JP6638282B2 (ja) * 2015-09-25 2020-01-29 三菱マテリアル株式会社 冷却器付き発光モジュールおよび冷却器付き発光モジュールの製造方法
JP6656657B2 (ja) * 2015-11-06 2020-03-04 三菱マテリアル株式会社 セラミックス/アルミニウム接合体、パワーモジュール用基板、及び、パワーモジュール
KR101956983B1 (ko) * 2016-09-20 2019-03-11 현대자동차일본기술연구소 파워 모듈 및 그 제조 방법

Family Cites Families (17)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6033787A (en) * 1996-08-22 2000-03-07 Mitsubishi Materials Corporation Ceramic circuit board with heat sink
JP3180677B2 (ja) * 1996-08-22 2001-06-25 三菱マテリアル株式会社 ヒートシンク付セラミック回路基板
JP2002064169A (ja) 2000-08-21 2002-02-28 Denki Kagaku Kogyo Kk 放熱構造体
CN1277650C (zh) 2001-09-28 2006-10-04 古河Sky株式会社 铝合金钎焊板
JP2006100770A (ja) 2004-09-01 2006-04-13 Toyota Industries Corp 回路基板のベース板の製造方法及び回路基板のベース板並びにベース板を用いた回路基板
WO2007017945A1 (ja) 2005-08-11 2007-02-15 Mitsubishi Denki Kabushiki Kaisha ヒートシンクおよびその製造方法
JP4759384B2 (ja) 2005-12-20 2011-08-31 昭和電工株式会社 半導体モジュール
JP5056340B2 (ja) 2007-10-22 2012-10-24 トヨタ自動車株式会社 半導体モジュールの冷却装置
JP5067187B2 (ja) 2007-11-06 2012-11-07 三菱マテリアル株式会社 ヒートシンク付パワーモジュール用基板及びヒートシンク付パワーモジュール
JP4832419B2 (ja) 2007-12-25 2011-12-07 トヨタ自動車株式会社 半導体モジュール
WO2009116439A1 (ja) 2008-03-17 2009-09-24 三菱マテリアル株式会社 ヒートシンク付パワーモジュール用基板及びその製造方法、並びに、ヒートシンク付パワーモジュール、パワーモジュール用基板
JP5359954B2 (ja) * 2009-03-31 2013-12-04 三菱マテリアル株式会社 ヒートシンク付きパワーモジュール用基板及びパワーモジュール、並びに、ヒートシンク付きパワーモジュール用基板の製造方法
JP4547032B1 (ja) * 2009-04-17 2010-09-22 三菱アルミニウム株式会社 アルミニウム材のフラックスレスろう付け方法およびフラックスレスろう付け用アルミニウムクラッド材
JP5724273B2 (ja) 2009-10-22 2015-05-27 三菱マテリアル株式会社 パワーモジュール用基板、ヒートシンク付パワーモジュール用基板、パワーモジュール、パワーモジュール用基板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
JP2012061483A (ja) 2010-09-14 2012-03-29 Mitsubishi Alum Co Ltd アルミニウム材のフラックスレスろう付方法
JP6122573B2 (ja) * 2011-01-14 2017-04-26 日本軽金属株式会社 液冷一体型基板の製造方法
JP5854758B2 (ja) * 2011-10-24 2016-02-09 昭和電工株式会社 電子素子搭載用基板

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