JP5666372B2 - Laminated material for insulating substrates - Google Patents
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Description
本発明は、半導体素子の放熱に用いられる絶縁基板用積層材、その製造方法、絶縁基板及び半導体モジュール関する。 The present invention relates to a laminated material for an insulating substrate used for heat dissipation of a semiconductor element, a manufacturing method thereof, an insulating substrate, and a semiconductor module.
なお本明細書では、「板」の語は「箔」を含む意味で用いられる。 In the present specification, the term “plate” is used to include “foil”.
パワー半導体モジュール等の半導体モジュールは、半導体素子の動作により半導体素子から発生した熱を放出するため、放熱部材(例:ヒートシンク、冷却器)を備えている。さらに、この半導体モジュールでは、半導体素子と放熱部材との間に、半導体素子から発生した熱を放熱部材に伝達するための放熱用絶縁基板が配置されている。この絶縁基板は、熱的には伝導体であるが電気的には絶縁体として機能するものであり、具体的には、電気絶縁層としてのセラミック層と、その片面上に接合された配線層(回路層)を含む金属層と、を備えている(例えば特許文献1〜4参照)。そして、絶縁基板の金属層上に半導体素子がはんだ付けにより接合される。 A semiconductor module such as a power semiconductor module includes a heat radiating member (eg, a heat sink, a cooler) in order to release heat generated from the semiconductor element due to the operation of the semiconductor element. Further, in this semiconductor module, an insulating substrate for heat dissipation for transferring heat generated from the semiconductor element to the heat dissipation member is disposed between the semiconductor element and the heat dissipation member. This insulating substrate is a conductor thermally but functions electrically as an insulator. Specifically, a ceramic layer as an electrical insulating layer and a wiring layer bonded on one side thereof A metal layer including a (circuit layer) (see, for example, Patent Documents 1 to 4). Then, the semiconductor element is joined to the metal layer of the insulating substrate by soldering.
金属層を構成する層として、近年、Al又はAl合金で形成されたAl層が用いられてきている。その理由は、Al層は電気特性及び熱特性に優れているし、またAl層を用いると絶縁基板の製造コストの引下げを図ることができるからである。 In recent years, an Al layer formed of Al or an Al alloy has been used as a layer constituting the metal layer. The reason is that the Al layer is excellent in electrical characteristics and thermal characteristics, and the use of the Al layer can reduce the manufacturing cost of the insulating substrate.
しかし、Al層ははんだ接合性が悪い。そのため、半導体素子をはんだ付けにより接合できるように、Al層の表面にNi層としてNiめっき層を形成することが行われるが、この場合には、Al層とNiめっき層との接合界面に強度の弱い合金層が形成されてしまう。その結果、冷熱サイクルに伴い発生する熱応力(熱歪み)によってこの合金層で割れや剥離が生じ易くなり、またはNi層の表面の変形(凹凸)が生じ易くなる。 However, the Al layer has poor solderability. For this reason, a Ni plating layer is formed as a Ni layer on the surface of the Al layer so that the semiconductor elements can be joined by soldering. In this case, the strength of the bonding interface between the Al layer and the Ni plating layer is high. A weak alloy layer is formed. As a result, the alloy layer is likely to be cracked or peeled off due to the thermal stress (thermal strain) generated along with the cooling cycle, or the surface of the Ni layer is likely to be deformed (unevenness).
本発明は、上述した技術背景に鑑みてなされたもので、その目的は、絶縁基板に用いられる積層材であって、はんだ接合性が良好であり、接合界面での割れや剥離及びNi層の表面の変形(凹凸)の発生を防止できる積層材、その製造方法、絶縁基板及び半導体モジュールを提供することにある。 The present invention has been made in view of the above-described technical background, and the object thereof is a laminated material used for an insulating substrate, which has good solder jointability, cracking and peeling at the joint interface, and the Ni layer. An object of the present invention is to provide a laminated material capable of preventing the occurrence of surface deformation (unevenness), a manufacturing method thereof, an insulating substrate, and a semiconductor module.
本発明は以下の手段を提供する。 The present invention provides the following means.
[1] 表面に半導体素子が接合されるNi又はNi合金で形成されたNi層と、前記Ni層の片側に積層状に配置されたTi又はTi合金で形成されたTi層とが放電プラズマ焼結法により接合されるとともに、
前記Ti層と、前記Ti層の前記Ni層配置側とは反対側に積層状に配置されたAl又はAl合金で形成されたAl層とが放電プラズマ焼結法により接合されていることを特徴とする絶縁基板用積層材。
[1] An Ni layer formed of Ni or a Ni alloy having a semiconductor element bonded to the surface thereof, and a Ti layer formed of Ti or a Ti alloy arranged in a stacked manner on one side of the Ni layer are subjected to discharge plasma sintering. Joined by ligation,
The Ti layer and an Al layer formed of Al or an Al alloy arranged in a stacked manner on the opposite side of the Ti layer from the Ni layer arrangement side are joined by a discharge plasma sintering method. A laminated material for an insulating substrate.
[2] 前記Al層と、前記Al層の前記Ti層配置側とは反対側に積層状に配置されたろう材層とが放電プラズマ焼結法により接合されている前項1記載の絶縁基板用積層材。 [2] The laminate for an insulating substrate as recited in the aforementioned Item 1, wherein the Al layer and the brazing filler metal layer arranged in a laminated manner on the side of the Al layer opposite to the Ti layer arrangement side are joined by a discharge plasma sintering method. Wood.
[3] 前記Ni層と前記Ti層との接合界面に、前記Ni層のNiと前記Ti層のTiとが合金化してなる厚さ7μm以下の第1合金層が形成されている前項1又は2記載の絶縁基板用積層材。
[3] The
[4] 前記Ti層と前記Al層との接合界面に、前記Ti層のTiと前記Al層のAlとが合金化してなる厚さ5μm以下の第2合金層が形成されている前項1〜3のいずれかに記載の絶縁基板用積層材。 [4] A second alloy layer having a thickness of 5 μm or less formed by alloying Ti of the Ti layer and Al of the Al layer is formed at a bonding interface between the Ti layer and the Al layer. 4. A laminated material for an insulating substrate according to any one of 3 above.
[5] 前記Al層は、純度4N以上の純Alで形成されている前項1〜4のいずれかに記載の絶縁基板用積層材。 [5] The laminated material for an insulating substrate according to any one of [1] to [4], wherein the Al layer is formed of pure Al having a purity of 4N or higher.
[6] 表面に半導体素子が接合されるNi又はNi合金で形成されたNi層と、前記Ni層の片側に積層状に配置されるTi又はTi合金で形成されたTi層とを放電プラズマ焼結法により接合する第1接合工程と、
前記第1接合工程の後で、前記Ti層と、前記Ti層の前記Ni層配置側とは反対側に積層状に配置されるAl又はAl合金で形成されたAl層とを放電プラズマ焼結法により接合する第2接合工程と、を含んでいることを特徴とする絶縁基板用積層材の製造方法。
[6] A discharge plasma sintering is performed on a Ni layer formed of Ni or a Ni alloy with a semiconductor element bonded to the surface and a Ti layer formed of Ti or a Ti alloy arranged on one side of the Ni layer. A first joining step for joining by a bonding method;
After the first bonding step, the Ti layer and an Al layer formed of Al or an Al alloy arranged in a stacked manner on the opposite side of the Ti layer from the Ni layer arrangement side are subjected to discharge plasma sintering. And a second bonding step for bonding by a method.
[7] 前記第1接合工程では、前記Ni層と前記Ti層とを、これらの層の接合界面に前記Ni層のNiと前記Ti層のTiとが合金化してなる厚さ7μm以下の第1合金層が形成されるように、放電プラズマ焼結法により接合する前項6記載の絶縁基板用積層材の製造方法。 [7] In the first bonding step, the Ni layer and the Ti layer are formed by alloying Ni of the Ni layer and Ti of the Ti layer at a bonding interface between these layers. 7. The method for producing a laminated material for an insulating substrate according to 6 above, wherein bonding is performed by a discharge plasma sintering method so that one alloy layer is formed.
[8] 前記第2接合工程では、前記Ti層と前記Al層とを、これらの層の接合界面に前記Ti層のTiと前記Al層のAlとが合金化してなる厚さ5μm以下の第2合金層が形成されるように、放電プラズマ焼結法により接合する前項6又は7記載の絶縁基板用積層材の製造方法。 [8] In the second bonding step, the Ti layer and the Al layer are bonded to each other at a bonding interface between these layers, and Ti of the Ti layer and Al of the Al layer are alloyed to have a thickness of 5 μm or less. 8. The method for producing a laminated material for an insulating substrate according to 6 or 7 above, wherein bonding is performed by a discharge plasma sintering method so that two alloy layers are formed.
[9] 前記第1接合工程では、前記Ni層と前記Ti層とを、これらの層の周囲を放電プラズマ焼結用筒状ダイで包囲しない状態で放電プラズマ焼結法により接合する前項6〜8のいずれかに記載の絶縁基板用積層材の製造方法。 [9] In the first joining step, the Ni layer and the Ti layer are joined by the discharge plasma sintering method in a state where the periphery of these layers is not surrounded by a cylindrical die for spark plasma sintering. The method for producing a laminated material for an insulating substrate according to any one of 8.
[10] 前記第2接合工程では、前記Ti層と前記Al層とを、これらの層の周囲を放電プラズマ焼結用筒状ダイで包囲しない状態で放電プラズマ焼結法により接合する前項6〜9のいずれかに記載の絶縁基板用積層材の製造方法。
[10] In the second joining step, the Ti layer and the Al layer are joined by a discharge plasma sintering method in a state where the periphery of these layers is not surrounded by a cylindrical die for spark plasma sintering. The method for producing a laminated material for an insulating substrate according to
[11] 前記第1接合工程では、
前記Ni層と前記Ti層との第1未接合積層体を複数準備するとともに、前記複数の第1未接合積層体を互いに隣り合う各第1未接合積層体間に導電性離型板を介して積層し、
次いで、前記各第1未接合積層体のNi層とTi層とを放電プラズマ焼結法により一括して接合する前項6〜8のいずれかに記載の絶縁基板用積層材の製造方法。
[11] In the first joining step,
A plurality of first unbonded stacks of the Ni layer and the Ti layer are prepared, and the plurality of first unbonded stacks are interposed between the first unbonded stacks adjacent to each other via a conductive release plate. And laminated
Subsequently, the manufacturing method of the laminated material for insulating substrates in any one of the preceding clauses 6-8 which joins Ni layer and Ti layer of each said 1st unjoined laminated body collectively by a discharge plasma sintering method.
[12] 前記第1接合工程では、
前記Ni層と前記Ti層との第1未接合積層体を複数準備するとともに、前記複数の第1未接合積層体を互いに隣り合う各第1未接合積層体間に導電性離型板を介して積層し、
次いで、前記複数の第1未接合積層体の周囲を放電プラズマ焼結用筒状ダイで包囲しない状態で前記各第1未接合積層体のNi層とTi層とを放電プラズマ焼結法により一括して接合する前項6〜8のいずれかに記載の絶縁基板用積層材の製造方法。
[12] In the first joining step,
A plurality of first unbonded stacks of the Ni layer and the Ti layer are prepared, and the plurality of first unbonded stacks are interposed between the first unbonded stacks adjacent to each other via a conductive release plate. And laminated
Next, the Ni layer and the Ti layer of each of the first unbonded laminates are collectively collected by the discharge plasma sintering method without surrounding the plurality of first unbonded laminates with the discharge plasma sintering cylindrical die. 9. A method for producing a laminated material for an insulating substrate as described in any one of 6 to 8 above.
[13] 前記第2接合工程では、
前記Ti層と前記Al層との第2未接合積層体を複数準備するとともに、前記複数の第2未接合積層体を互いに隣り合う各第2未接合積層体間に導電性離型板を介して積層し、
次いで、前記各第2未接合積層体のTi層とAl層とを放電プラズマ焼結法により一括して接合する前項6〜8、11及び12のいずれかに記載の絶縁基板用積層材の製造方法。
[13] In the second joining step,
A plurality of second unbonded stacks of the Ti layer and the Al layer are prepared, and the plurality of second unbonded stacks are interposed between the second unbonded stacks adjacent to each other via a conductive release plate. And laminated
Next, the manufacture of the laminated material for an insulating substrate according to any one of the preceding
[14] 前記第2接合工程では、
前記Ti層と前記Al層との第2未接合積層体を複数準備するとともに、前記複数の第2未接合積層体を互いに隣り合う各第2未接合積層体間に導電性離型板を介して積層し、
次いで、前記複数の第2未接合積層体の周囲を放電プラズマ焼結用筒状ダイで包囲しない状態で前記各第2未接合積層体のTi層とAl層とを放電プラズマ焼結法により一括して接合する前項6〜8、11及び12のいずれかに記載の絶縁基板用積層材の製造方法。
[14] In the second joining step,
A plurality of second unbonded stacks of the Ti layer and the Al layer are prepared, and the plurality of second unbonded stacks are interposed between the second unbonded stacks adjacent to each other via a conductive release plate. And laminated
Next, the Ti layer and the Al layer of each of the second unbonded laminates are collectively collected by a discharge plasma sintering method without surrounding the plurality of second unbonded laminates with a cylindrical die for discharge plasma sintering. The manufacturing method of the laminated material for insulating substrates in any one of the preceding clauses 6-8, 11 and 12 which join it.
[15] 前記第2接合工程では、前記Ti層と、前記Al層と、前記Al層の前記Ti層配置側とは反対側に積層状に配置されるろう材層とを放電プラズマ焼結法により同時に接合する前項6又は7記載の絶縁基板用積層材の製造方法。 [15] In the second joining step, the Ti layer, the Al layer, and a brazing filler metal layer disposed in a laminated form on the opposite side of the Al layer from the Ti layer disposition side are subjected to a discharge plasma sintering method. 8. The method for producing a laminated material for an insulating substrate as described in 6 or 7 above, wherein the laminated materials are joined simultaneously.
[16] 前記第2接合工程では、前記Ti層と前記Al層と前記ろう材層とを、前記Ti層と前記Al層との接合界面に前記Ti層のTiと前記Al層のAlとが合金化してなる厚さ5μm以下の第2合金層が形成されるように、放電プラズマ焼結法により同時に接合する前項15記載の絶縁基板用積層材の製造方法。 [16] In the second bonding step, the Ti layer, the Al layer, and the brazing material layer are bonded to each other at the bonding interface between the Ti layer and the Al layer. 16. The method for producing a laminated material for an insulating substrate as described in 15 above, wherein the second alloy layers having a thickness of 5 μm or less formed by alloying are simultaneously joined by a discharge plasma sintering method.
[17] 前記第2接合工程では、前記Ti層と前記Al層と前記ろう材層とを、これらの層の周囲を放電プラズマ焼結用筒状ダイで包囲しない状態で放電プラズマ焼結法により同時に接合する前項15又は16記載の絶縁基板用積層材の製造方法。 [17] In the second bonding step, the Ti layer, the Al layer, and the brazing material layer are formed by a discharge plasma sintering method in a state where the periphery of these layers is not surrounded by a cylindrical die for discharge plasma sintering. 17. The method for producing a laminated material for an insulating substrate as described in 15 or 16 above, wherein the laminated materials are joined simultaneously.
[18] 前記第2接合工程では、
前記Ti層と前記Al層と前記ろう材層との第2未接合積層体を複数準備するとともに、前記複数の第2未接合積層体を互いに隣り合う各第2未接合積層体間に導電性離型板を介して積層し、
次いで、前記各第2未接合積層体のTi層とAl層とろう材層とを放電プラズマ焼結法により一括して同時に接合する前項15又は16記載の絶縁基板用積層材の製造方法。
[18] In the second joining step,
A plurality of second unbonded stacked bodies of the Ti layer, the Al layer, and the brazing material layer are prepared, and the plurality of second unbonded stacked bodies are electrically conductive between the second unbonded stacked bodies adjacent to each other. Laminate through a release plate,
17. The method for producing a laminated material for an insulating substrate according to 15 or 16 above, wherein the Ti layer, the Al layer, and the brazing material layer of each of the second unbonded laminated bodies are simultaneously bonded together by a discharge plasma sintering method.
[19] 前記第2接合工程では、
前記Ti層と前記Al層と前記ろう材層との第2未接合積層体を複数準備するとともに、前記複数の第2未接合積層体を互いに隣り合う各第2未接合積層体間に導電性離型板を介して積層し、
次いで、前記複数の第2未接合積層体の周囲を放電プラズマ焼結用筒状ダイで包囲しない状態で前記各第2未接合積層体のTi層とAl層とろう材層とを放電プラズマ焼結法により一括して同時に接合する前項15又は16記載の絶縁基板用積層材の製造方法。
[19] In the second joining step,
A plurality of second unbonded stacked bodies of the Ti layer, the Al layer, and the brazing material layer are prepared, and the plurality of second unbonded stacked bodies are electrically conductive between the second unbonded stacked bodies adjacent to each other. Laminate through a release plate,
Next, the Ti layer, the Al layer, and the brazing material layer of each of the second unbonded laminates are subjected to discharge plasma sintering without surrounding the plurality of second unbonded laminates with a cylindrical die for discharge plasma sintering. 17. The method for producing a laminated material for an insulating substrate as described in 15 or 16 above, wherein the laminated materials are joined together by a bonding method.
[20] 前記Al層は、純度4N以上の純Alで形成されている前項6〜19のいずれかに記載の絶縁基板用積層材の製造方法。
[20] The method for manufacturing a laminated material for an insulating substrate according to any one of
[21] 前項1〜5のいずれかに記載の積層材を備えていることを特徴とする絶縁基板。 [21] An insulating substrate comprising the laminated material according to any one of 1 to 5 above.
[22] 前項1〜5のいずれかに記載の積層材のNi層の表面に半導体チップがはんだ付けにより接合されていることを特徴とする半導体モジュール。 [22] A semiconductor module, wherein a semiconductor chip is joined to the surface of the Ni layer of the laminated material according to any one of 1 to 5 by soldering.
本発明は以下の効果を奏する。 The present invention has the following effects.
前項[1]記載の絶縁基板用積層材は、Ni層を備えているので、はんだ接合性が良好である。したがって、半導体素子をこのNi層の表面にはんだ付けにより確実に接合することができる。 Since the laminated material for an insulating substrate described in [1] is provided with a Ni layer, the solderability is good. Therefore, the semiconductor element can be reliably bonded to the surface of the Ni layer by soldering.
さらに、Ni層とAl層との間にTi層が配置されているので、次の効果を奏する。すなわち、もしNi層とAl層との間にTi層を配置しないでNi層とAl層とを直接接合した場合には、Ni層とAl層との接合界面に強度の弱い合金層が形成されてしまい、その結果、冷熱サイクルに伴い発生する熱応力(熱歪み)によってこの合金層で割れや剥離が生じ易くなる。これに対して、前項[1]記載の積層材では、Ni層とAl層との間にTi層が配置されているので、そのような強度の弱い合金層は形成されない。これにより、熱応力による積層材の接合界面での割れや剥離の発生を防止できるし、更にはNi層の表面の変形(凹凸)の発生も防止することができる。 Furthermore, since the Ti layer is disposed between the Ni layer and the Al layer, the following effects can be obtained. That is, if the Ni layer and the Al layer are directly bonded without disposing the Ti layer between the Ni layer and the Al layer, an alloy layer having low strength is formed at the bonding interface between the Ni layer and the Al layer. As a result, the alloy layer is likely to be cracked or peeled off due to thermal stress (thermal strain) generated with the cooling / heating cycle. On the other hand, in the laminated material described in [1], the Ti layer is disposed between the Ni layer and the Al layer, so that such a weak alloy layer is not formed. Thereby, the generation | occurrence | production of the crack and peeling in the joining interface of a laminated material by a thermal stress can be prevented, and also generation | occurrence | production of the deformation | transformation (unevenness | corrugation) of the surface of Ni layer can also be prevented.
しかも、Ni層とTi層とを放電プラズマ焼結法により接合することによって、Ni層とTi層との接合界面にはNi層のNiとTi層のTiとが合金化してなる第1合金層が形成される。この第1合金層は、Ni−Ti系超弾性合金相を含み、しかもNiとTiとの組成比が厚さ方向に徐々に変化する傾斜材料構造を採る。したがって、この第1合金層は熱応力を確実に緩和・吸収する役割を果たす。そのため、積層材の接合界面での割れや剥離の発生及びNi層の表面の変形の発生を確実に防止することができる。 Moreover, the first alloy layer formed by alloying Ni of the Ni layer and Ti of the Ti layer at the joint interface between the Ni layer and the Ti layer by joining the Ni layer and the Ti layer by the discharge plasma sintering method. Is formed. The first alloy layer includes a Ni—Ti superelastic alloy phase and adopts a gradient material structure in which the composition ratio of Ni and Ti gradually changes in the thickness direction. Therefore, this first alloy layer plays a role of reliably relaxing and absorbing thermal stress. Therefore, it is possible to reliably prevent the occurrence of cracks and peeling at the bonding interface of the laminated material and the deformation of the surface of the Ni layer.
その上、Ni層とTi層との接合手段と、Ti層とAl層との接合手段がいずれも放電プラズマ焼結法であることにより、接合前後の各層の寸法変化を少なくすることができる。これにより、高い寸法精度を有する積層材を得ることができる。 In addition, since the joining means between the Ni layer and the Ti layer and the joining means between the Ti layer and the Al layer are both of the discharge plasma sintering method, the dimensional change of each layer before and after joining can be reduced. Thereby, a laminated material having high dimensional accuracy can be obtained.
さらに、Ti層とAl層との接合手段として放電プラズマ焼結法を採用することにより、接合手段としてクラッド接合を採用する場合に比べて、厚さの厚いAl層をTi層と接合することが可能となる。そのため、Al層を配線層として確実に機能させることができる。 Further, by adopting the discharge plasma sintering method as a joining means between the Ti layer and the Al layer, it is possible to join a thick Al layer with the Ti layer as compared with the case where clad joining is adopted as the joining means. It becomes possible. Therefore, the Al layer can function reliably as a wiring layer.
前項[2]記載の積層材では、Al層とろう材層とが接合されているので、このろう材層を、積層材と絶縁基板の所定の層(例:セラミック層)とを接合する際のろう材として用いることができる。そのため、積層材と絶縁基板の所定の層とを容易に接合することができる。 In the laminated material described in [2], the Al layer and the brazing material layer are joined. Therefore, when this brazing material layer is joined to the laminated material and a predetermined layer (eg, ceramic layer) of the insulating substrate. It can be used as a brazing material. Therefore, the laminated material and the predetermined layer of the insulating substrate can be easily joined.
前項[3]記載の積層材では、Ni層とTi層との接合界面に形成される第1合金層は、一般に熱電導率が低いが、この第1合金層の厚さが7μm以下であることにより、第1合金層が形成されることによる積層材の熱伝導率の低下を防止することができる。 In the laminated material described in [3], the first alloy layer formed at the joint interface between the Ni layer and the Ti layer generally has a low thermal conductivity, but the thickness of the first alloy layer is 7 μm or less. Thereby, the fall of the thermal conductivity of the laminated material by forming a 1st alloy layer can be prevented.
前項[4]記載の積層材では、Ti層とAl層との接合界面に形成される第2合金層は、当該積層材において一番脆弱な相を含む層となるが、この第2合金層の厚さが5μm以下であることにより、Ti層とAl層との接合界面での割れや剥離の発生を防止することができる。 In the laminated material described in [4], the second alloy layer formed at the bonding interface between the Ti layer and the Al layer is a layer including the most fragile phase in the laminated material. When the thickness is 5 μm or less, it is possible to prevent the occurrence of cracking or peeling at the bonding interface between the Ti layer and the Al layer.
前項[5]記載の積層材では、Al層が純度4N以上の純Alで形成されることにより、Al層を配線層として好適に用いることができる。 In the laminated material described in [5], the Al layer can be suitably used as a wiring layer by forming the Al layer with pure Al having a purity of 4N or higher.
前項[6]記載の絶縁基板用積層材の製造方法では、前項[1]記載の積層材を製造することができる。 In the method for producing a laminated material for an insulating substrate described in [6], the laminated material described in [1] can be produced.
前項[7]記載の積層材の製造方法によれば、Ni層とTi層とを、これらの層の接合界面に厚さ7μm以下の第1合金層が形成されるように、放電プラズマ焼結法により接合することにより、第1合金層が形成されることによる積層材の熱伝導率の低下を防止することができる。 According to the method for manufacturing a laminated material described in [7], the discharge plasma sintering is performed so that the first alloy layer having a thickness of 7 μm or less is formed at the joint interface between the Ni layer and the Ti layer. By joining by the method, it is possible to prevent a decrease in the thermal conductivity of the laminated material due to the formation of the first alloy layer.
前項[8]記載の積層材の製造方法によれば、Ti層とAl層とを、これらの層の接合界面に厚さ5μm以下の第2合金層が形成されるように、放電プラズマ焼結法により接合することにより、第2合金層が形成されることによる接合界面での割れや剥離の発生を防止することができる。 According to the method for manufacturing a laminated material described in [8] above, spark plasma sintering is performed so that the second alloy layer having a thickness of 5 μm or less is formed at the bonding interface between the Ti layer and the Al layer. By joining by the method, it is possible to prevent the occurrence of cracking or peeling at the joining interface due to the formation of the second alloy layer.
前項[9]記載の積層材の製造方法によれば、Ni層とTi層とを、これらの層の周囲を放電プラズマ焼結用筒状ダイで包囲しない状態で放電プラズマ焼結法により接合することにより、放電プラズマ焼結法による接合の際にこれらの層のセッティング作業及び接合後における取り出し作業を容易に行うことができる。これにより、接合作業を迅速に行うことができるし、放電プラズマ焼結装置についての設備費の低減を図ることができる。 According to the method for manufacturing a laminated material described in [9] above, the Ni layer and the Ti layer are joined by the discharge plasma sintering method without surrounding the layers with the discharge plasma sintering cylindrical die. Thus, the setting operation of these layers and the taking-out operation after the bonding can be easily performed at the time of bonding by the discharge plasma sintering method. Thereby, joining work can be performed rapidly and the reduction of the installation cost about a discharge plasma sintering apparatus can be aimed at.
前項[10]記載の積層材の製造方法によれば、Ti層とAl層とを、これらの層の周囲を放電プラズマ焼結用筒状ダイで包囲しない状態で放電プラズマ焼結法により接合することにより、前項[9]記載の積層材の製造方法と同じく、放電プラズマ焼結法による接合の際にこれらの層のセッティング作業及び接合後における取り出し作業を容易に行うことができる。これにより、接合作業を迅速に行うことができるし、放電プラズマ焼結装置についての設備費の低減を図ることができる。 According to the method for manufacturing a laminated material described in [10] above, the Ti layer and the Al layer are joined by the discharge plasma sintering method without surrounding the layers with the discharge plasma sintering cylindrical die. Thus, as in the method for producing a laminated material described in [9], the setting operation of these layers and the taking-out operation after the bonding can be easily performed at the time of bonding by the discharge plasma sintering method. Thereby, joining work can be performed rapidly and the reduction of the installation cost about a discharge plasma sintering apparatus can be aimed at.
前項[11]記載の積層材の製造方法によれば、各第1未接合積層体のNi層とTi層とを放電プラズマ焼結法により一括して接合することにより、Ni層とTi層との接合体を大量に製造することができる。これにより、積層材の製造コストを引き下げることができる。 According to the method for manufacturing a laminated material described in [11], the Ni layer and the Ti layer of each first unbonded laminated body are bonded together by a discharge plasma sintering method to obtain the Ni layer and the Ti layer. Can be produced in large quantities. Thereby, the manufacturing cost of a laminated material can be reduced.
前項[12]記載の積層材の製造方法によれば、各第1未接合積層体のNi層とTi層とを放電プラズマ焼結法により一括して接合することにより、Ni層とTi層との接合体を大量に製造することができる。これにより、積層材の製造コストを引き下げることができる。 According to the method for manufacturing a laminated material described in [12] above, the Ni layer and the Ti layer of each first unbonded laminated body are bonded together by a discharge plasma sintering method, whereby the Ni layer and the Ti layer are bonded together. Can be produced in large quantities. Thereby, the manufacturing cost of a laminated material can be reduced.
さらに、複数の第1未接合積層体の周囲を放電プラズマ焼結用筒状ダイで包囲しない状態で放電プラズマ焼結法による接合を行うことにより、放電プラズマ焼結法による接合の際にこれらの第1未接合積層体のセッティング作業及び接合後における取り出し作業を容易に行うことができる。これにより、接合作業を迅速に行うことができるし、放電プラズマ焼結装置についての設備費の低減を図ることができる。 Further, by performing bonding by the discharge plasma sintering method without surrounding the plurality of first unbonded laminates by the discharge plasma sintering cylindrical die, these are bonded at the time of bonding by the discharge plasma sintering method. It is possible to easily perform the setting operation of the first unbonded laminate and the removing operation after the bonding. Thereby, joining work can be performed rapidly and the reduction of the installation cost about a discharge plasma sintering apparatus can be aimed at.
前項[13]記載の積層材の製造方法によれば、各第2未接合積層体のTi層とAl層とを放電プラズマ焼結法により一括して接合することにより、積層材を大量に製造することができる。これにより、積層材の製造コストを引き下げることができる。 According to the method for manufacturing a laminated material described in [13] above, a large amount of laminated material is manufactured by collectively joining the Ti layer and the Al layer of each second unbonded laminated body by a discharge plasma sintering method. can do. Thereby, the manufacturing cost of a laminated material can be reduced.
前項[14]記載の積層材の製造方法によれば、各第2未接合積層体のTi層とAl層とを放電プラズマ焼結法により一括して接合することにより、積層材を大量に製造することができる。これにより、積層材の製造コストを引き下げることができる。 According to the method for producing a laminated material described in [14], a large amount of laminated material is produced by collectively joining the Ti layer and the Al layer of each second unbonded laminated body by a discharge plasma sintering method. can do. Thereby, the manufacturing cost of a laminated material can be reduced.
さらに、複数の第2未接合積層体の周囲を放電プラズマ焼結用筒状ダイで包囲しない状態で放電プラズマ焼結法による接合を行うことにより、放電プラズマ焼結法による接合の際にこれらの第2未接合積層体のセッティング作業及び接合後における取り出し作業を容易に行うことができる。これにより、接合作業を迅速に行うことができるし、放電プラズマ焼結装置についての設備費の低減を図ることができる。 Furthermore, by joining by the discharge plasma sintering method without surrounding the plurality of second unbonded laminates by the discharge plasma sintering cylindrical die, it is possible to perform these steps when joining by the discharge plasma sintering method. The setting operation of the second unbonded laminate and the taking-out operation after bonding can be easily performed. Thereby, joining work can be performed rapidly and the reduction of the installation cost about a discharge plasma sintering apparatus can be aimed at.
前項[15]記載の積層材の製造方法によれば、Ti層とAl層とろう材層とを放電プラズマ焼結法により同時に接合することにより、ろう材層を備えた積層材を作業能率良く得ることができる。また、こうして得られた積層材によれば、ろう材層を、積層材と絶縁基板の所定の層(例:セラミック層)とを接合する際のろう材として用いることができ、そのため、積層材と絶縁基板の所定の層とを容易に接合することができる。 According to the method for producing a laminated material described in [15], the Ti material, the Al layer, and the brazing material layer are simultaneously joined by the discharge plasma sintering method, thereby making it possible to improve the working efficiency of the laminated material having the brazing material layer. Can be obtained. Further, according to the laminated material thus obtained, the brazing material layer can be used as a brazing material when joining the laminated material and a predetermined layer (eg, ceramic layer) of the insulating substrate. And a predetermined layer of the insulating substrate can be easily bonded.
前項[16]記載の積層材の製造方法によれば、Ti層とAl層とろう材層とを、Ti層とAl層との接合界面に厚さ5μm以下の第2合金層が形成されるように、放電プラズマ焼結法により接合することにより、第2合金層が形成されることによる接合界面での割れや剥離の発生を防止することができる。 According to the method for manufacturing a laminated material described in [16], the Ti alloy, the Al layer, and the brazing material layer are formed with the second alloy layer having a thickness of 5 μm or less at the joint interface between the Ti layer and the Al layer. Thus, by joining by a discharge plasma sintering method, the generation | occurrence | production of the crack and peeling in a joining interface by the 2nd alloy layer being formed can be prevented.
前項[17]記載の積層材の製造方法によれば、Ti層とAl層とろう材層とを、これらの層の周囲を放電プラズマ焼結用筒状ダイで包囲しない状態で放電プラズマ焼結法により接合することにより、放電プラズマ焼結法による接合の際にこれらの層のセッティング作業及び接合後における取り出し作業を容易に行うことができる。これにより、接合作業を迅速に行うことができるし、放電プラズマ焼結装置についての設備費の低減を図ることができる。 According to the method for manufacturing a laminated material described in [17] above, the discharge plasma sintering is performed in such a manner that the Ti layer, the Al layer, and the brazing material layer are not surrounded by a cylindrical die for discharge plasma sintering. By joining by the method, the setting work of these layers and the taking-out work after joining can be easily performed at the time of joining by the discharge plasma sintering method. Thereby, joining work can be performed rapidly and the reduction of the installation cost about a discharge plasma sintering apparatus can be aimed at.
前項[18]記載の積層材の製造方法によれば、各第2未接合積層体のTi層とAl層とろう材層とを放電プラズマ焼結法により一括して同時に接合することにより、積層材を大量に製造することができる。これにより、積層材の製造コストを引き下げることができる。 According to the method for manufacturing a laminated material described in [18], the Ti layer, the Al layer, and the brazing material layer of each second unbonded laminated body are simultaneously bonded together by a discharge plasma sintering method. A large amount of material can be produced. Thereby, the manufacturing cost of a laminated material can be reduced.
前項[19]記載の積層材の製造方法によれば、各第2未接合積層体のTi層とAl層とろう材層とを放電プラズマ焼結法により一括して同時に接合することにより、積層材を大量に製造することができる。これにより、積層材の製造コストを引き下げることができる。 According to the method for manufacturing a laminated material described in [19], the Ti layer, the Al layer, and the brazing material layer of each second unbonded laminated body are simultaneously bonded together by a discharge plasma sintering method, thereby A large amount of material can be produced. Thereby, the manufacturing cost of a laminated material can be reduced.
さらに、複数の第2未接合積層体の周囲を放電プラズマ焼結用筒状ダイで包囲しない状態で放電プラズマ焼結法による接合を行うことにより、放電プラズマ焼結法による接合の際にこれらの第2未接合積層体のセッティング作業及び接合後における取り出し作業を容易に行うことができる。これにより、接合作業を迅速に行うことができるし、放電プラズマ焼結装置についての設備費の低減を図ることができる。 Furthermore, by joining by the discharge plasma sintering method without surrounding the plurality of second unbonded laminates by the discharge plasma sintering cylindrical die, it is possible to perform these steps when joining by the discharge plasma sintering method. The setting operation of the second unbonded laminate and the taking-out operation after bonding can be easily performed. Thereby, joining work can be performed rapidly and the reduction of the installation cost about a discharge plasma sintering apparatus can be aimed at.
前項[20]記載の積層材の製造方法によれば、Al層が純度4N以上の純Alで形成されることにより、Al層を配線層として好適に用いることができる。 According to the method for manufacturing a laminated material described in [20], the Al layer can be suitably used as a wiring layer by forming the Al layer with pure Al having a purity of 4N or higher.
前項[21]記載の絶縁基板は、上記[1]〜[5]のいずれかに記載の積層材と同様の利点を有する。 The insulating substrate described in [21] above has the same advantages as the laminated material described in any one of [1] to [5] above.
前項[22]記載の半導体モジュールは、上記[1]〜[5]のいずれかに記載の積層材と同様の利点を有する。 The semiconductor module described in the preceding item [22] has the same advantages as the laminated material described in any one of the above [1] to [5].
次に、本発明の幾つかの実施形態について図面を参照して以下に説明する。 Next, several embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
なお、以下の説明において、各図面の上下を上下というものとする。また、各図面には、全図面を通じて同一部材には同一符号が付されている。 In the following description, the top and bottom of each drawing is referred to as the top and bottom. Moreover, the same code | symbol is attached | subjected to the same member through all drawings in each drawing.
図1において、20は本発明の第1実施形態に係る半導体モジュールである。この半導体モジュール20は、IGBTモジュール、MOSFETモジュール、サイリスタモジュール、ダイオードモジュール等であり、半導体素子21と絶縁基板15と放熱部材17とを備えている。絶縁基板15は、半導体素子21と放熱部材17との間に配置されており、半導体素子21から発生した熱を放熱部材17に伝達する役割を果たす。そのため、絶縁基板15は、優れた電気絶縁性と高い熱伝導性とを兼ね備えることが要求される。
In FIG. 1,
半導体素子21は、IGBTチップ、MOSFETチップ、サイリスタチップ、ダイオードチップ等である。
The
放熱部材17は、空冷式又は水冷式のヒートシンクや冷却器などであり、金属製であり、具体的には例えばAl又はAl合金製である。本第1実施形態では、放熱部材17は例えば放熱フィンを有するヒートシンクである。
The
図2に示すように、絶縁基板15は、本発明の第1実施形態に係る積層材1Aを用いて製造されたものであり、詳述すると、本第1実施形態の積層材1Aと、セラミック層10と、金属ベース層12とを含んでいる。
As shown in FIG. 2, the insulating
セラミック層10は、絶縁基板15における電気絶縁層として機能するセラミックで形成されたものであり、好ましくはAlN、Al2O3、Si3N4、Y2O3、CaO、BN及びBeOからなる群より選択される1種又は2種以上のセラミックで形成されたものである。このセラミック層10は、セラミック板から提供されて形成されたものである。セラミック層10の厚さは例えば300〜1000μmである。因みに、セラミック層10を形成するセラミックの融点又は分解点は、AlN:2200℃、Al2O3:2050℃、Si3N4:1900℃、Y2O3:2400℃、CaO:2570℃、BN:3000℃、BeO:2570℃である。なお、セラミック層10の大きさは、電気絶縁性を確実に確保するため他の層よりも若干大きく設定されるのが望ましい。
The
金属ベース層12は、セラミック層10と放熱部材17との間に配置されるものであり、熱応力の緩和を図ることを目的とするものである。この金属ベース層12は、金属板から提供されて形成されたものであり、例えばAl又はAl合金で形成されている。そして、この金属ベース層12がセラミック層10の下面側に積層状にセラミック層10とろう付けにより接合されている。金属ベース層12とセラミック層10との接合界面には、金属ベース層12とセラミック層10とを接合したろう材層11が形成されている。金属ベース層12の下面側には放熱部材17が金属ベース層12とろう付け等により接合される。
The
本第1実施形態の積層材1Aは、セラミック層10の片面側(本第1実施形態ではセラミック層10の上面側)に積層状にセラミック層とろう付けにより接合されるものであり、Ni層2、Ti層4、Al層6、ろう材層7などを備えている。なお図面では、ろう材層7は他の層と区別し易くするためドットハッチングで図示されている。
The
Ni層2は、その表面2a(上面)に半導体素子21がはんだ付けにより接合されるものである。このNi層2は、Ni又はNi合金で形成されており、詳述すると、Ni板又はNi合金板から提供されて形成されたものである。
The
Ti層4は、Ni層2の表面2a側とは反対側(即ち下側)に積層状に配置されている。そして、Ni層2とTi層4とが放電プラズマ焼結法により接合されている。このTi層4は、Ti又はTi合金で形成されており、詳述するとTi板又はTi合金板から提供されて形成されたものである。
The
さらに、Ni層2とTi層4との接合界面には、Ni層2のNiとTi層4のTiとが合金化してなる第1合金層3が形成されている。この第1合金層3は、Ni層2とTi層4とを放電プラズマ焼結法により接合した時に形成されたものであり、Ni−Ti系超弾性合金相を含んでいる。しかも、この第1合金層3は、NiとTiとの組成比が厚さ方向に徐々に変化する傾斜材料構造を採る。そのため、この第1合金層3は、熱応力(熱歪み)を確実に緩和・吸収する役割を果たす。これにより、積層材1Aの接合界面での割れや剥離の発生及び積層材1AのNi層2の表面2aの変形(凹凸)の発生を確実に防止することができる。Ni−Ti系超弾性合金相は、詳述すると例えばNiTi超弾性合金相である。
Further, a
Al層6は、Ti層4のNi層2配置側とは反対側(即ち下側)に積層状に配置されている。そして、Ti層4とAl層6とが放電プラズマ焼結法により接合されている。このAl層6は、Al又はAl合金で形成されており、詳述すると例えばAl板又はAl合金板から提供されて形成されたものである。特に、このAl層6は、絶縁基板15の配線層として機能するとともに応力緩和機能を有するものであり、そのため純度4N以上(即ち純度99.99質量%以上)の純アルミニウムで形成されるのが良い。
The
さらに、Ti層4とAl層6との接合界面には、Ti層4のTiとAl層6のAlとが合金化してなる第2合金層5が形成されている。この第2合金層5は、Ti層4とAl層6とを放電プラズマ焼結法により接合した時に形成されたものであり、Ti−Al系合金相を含んでいる。
Further, a
ここで、上述したように第1合金層3はNi−Ti系超弾性合金相を含んでおり、このNi−Ti系超弾性合金相は熱応力を緩和・吸収する。しかし、Ni−Ti系超弾性合金の熱伝導率は12.1W/m・Kであり、この値はAlの熱伝導率236W/m・Kと比べて著しく低い。したがって、第1合金層3の厚さはなるべく薄い方が積層材1A(更には絶縁基板15)の熱伝導率の低下を防止できる点で望ましく、特に7μm以下であることが良い。第1合金層3の厚さの下限は限定されるものではないが、特に2μmであることが熱応力を確実に緩和・吸収しうる点で特に望ましい。
Here, as described above, the
第2合金層5の厚さはなるべく薄い方が積層材1A(更には絶縁基板15)の接合界面での割れや剥離の発生を防止できる点で望ましく、特に5μm以下であることが良い。第2合金層5の厚さの下限は限定されるものではないが、特に0.8μmであることが特に望ましい。
The thickness of the
Ni層2及びTi層4の厚さは限定されるものではない。しかし、Niの熱伝導率は90.7W/m・K、Tiの熱伝導率は21.9W/m・Kであり、これらの熱伝導率はAlの熱伝導率236W/m・Kと比べて著しく低い。したがって、Ni層2及びTi層4の厚さはなるべく薄い方が、積層材1A(更には絶縁基板15)の熱伝導率の低下を防止できる点で望ましい。そこで、Ni層2の厚さは150μm以下、及び、Ti層4の厚さは100μm以下であることが特に望ましい。一方、Ni層2の厚さの下限は5μm、Ti層4の厚さの下限は2μmであることが各層2、4の特性を確実に発揮しうる点で特に望ましい。
The thicknesses of the
Al層6の厚さは限定されるものではないが、Al層6を絶縁基板15の配線層及び応力緩和層として確実に機能させるため、なるべく厚い方が望ましい。しかるに、本第1実施形態では、Al層6はTi層4とクラッド接合により接合されるのではなく放電プラズマ焼結法により接合されるので、厚さ0.1〜2.0mmという厚いAl層6をTi層4と接合することができる。そのため、Al層6を配線層及び応力緩和層として確実に機能させることができる。
The thickness of the
ろう材層7は、積層材1Aとセラミック層10とをろう付けにより接合する際に用いられるものであり、積層材1AのAl層6のTi層4配置側とは反対側(即ち下側)に積層状に配置されている。そして、Al層6とろう材層7とが放電プラズマ焼結法により接合されている。このろう材層7は、Al系ろう材板(例:Al−Si系合金のろう材板)から提供されて形成された層であることが望ましい。このろう材層7の厚さは限定されるものではないが、積層材1Aとセラミック層10とをろう付けにより確実に接合できるようにするため、更には、熱伝導率の低下を防止するため、10〜70μmの範囲に設定されるのが特に望ましい。
The
次に、本第1実施形態の積層材1A及び絶縁基板15の製造方法の一例について、図3〜5を参照して以下に説明する。
Next, an example of a method for manufacturing the
図3に示すように、Ni層2とTi層4とを互いに隣接させて放電プラズマ焼結法により積層状に接合する。この工程を「第1接合工程」という。この第1接合工程では、Ni層2とTi層4とを、Ni層2とTi層4との接合界面に厚さ7μm以下の第1合金層3が形成されるように放電プラズマ焼結法により接合することが特に望ましい。
As shown in FIG. 3, the
ここで、放電プラズマ焼結(Spark Plasma Sintering:SPS)法は、一般に、粉体を焼結するため又は部材同士を接合するために適用されるものであり、本第1実施形態では部材同士を接合するために適用されている。なお、この放電プラズマ焼結法は、「SPS接合法」、「パルス通電圧接法(Pulsed Current Hot Pressing:PCHP)」等とも呼ばれている。図3において、「SPS法」とは放電プラズマ焼結法を意味している。 Here, the spark plasma sintering (SPS) method is generally applied to sinter powder or to join members together. In the first embodiment, the members are joined together. Has been applied to join. This discharge plasma sintering method is also called “SPS bonding method”, “Pulsed Current Hot Pressing (PCHP)” or the like. In FIG. 3, “SPS method” means a discharge plasma sintering method.
第1接合工程においてNi層2とTi層4とを放電プラズマ焼結法により接合する場合には、図4に示すように、まず、放電プラズマ焼結装置30に備えられた筒状ダイ31内にNi層2とTi層4とを積層状に配置する。これにより、Ni層2とTi層4との未接合積層体8(当該未接合積層体8を説明の便宜上「第1未接合積層体8」という。以下同じ。)の周囲がダイ31で包囲される。ダイ31は導電性を有するものであり、例えば黒鉛製である。次いで、第1未接合積層体8をその厚さ方向に上下一対のパンチ32、32で挟む。各パンチ32は導電性を有するものであり、例えば黒鉛製である。また、各パンチ32の基部には電極33が電気的に接続されている。そして、例えば1〜10Paの真空雰囲気中、又は、窒素、アルゴン等の不活性ガス雰囲気中にて、両パンチ32、32で第1未接合積層体8をその厚さ方向に加圧しつつ、両パンチ32、32間の通電を確保した状態で両パンチ32、32間にパルス電流を通電することで第1未接合積層体8を加熱し、これによりNi層2とTi層4とを接合する。こうして得られたNi層2とTi層4との接合体8Zを、説明の便宜上「第1接合体8Z」という(図3参照)。また、この接合により、第1接合体8ZのNi層2とTi層4との接合界面に第1合金層3が形成される。この第1合金層3は、上述したようにNi−Ti系超弾性合金相を含み、しかもNiとTiとの組成比が厚さ方向に徐々に変化する傾斜材料構造を採る。この接合では、厚さ7μm以下の第1合金層3が形成されるように接合条件(例:加熱温度、加熱温度の保持時間、昇温速度、加圧力)を設定するのが望ましい。この接合条件について具体的に例示すると、加熱温度は600〜700℃、加熱温度の保持時間は5〜20min、室温から加熱温度への昇温速度は5〜50℃/min、第1未接合積層体8への加圧力は10〜20MPaである。
When the
次いで、図3に示すように、第1接合体8ZのTi層4と、Al層6と、ろう材層7とを、Ti層4とAl層6とを隣接させ且つAl層6とろう材層7とを隣接させて放電プラズマ焼結法により積層状に同時に接合する。この工程を「第2接合工程」という。この第2接合工程では、Ti層4とAl層6とろう材層7とを、Ti層4とAl層6との接合界面に厚さ5μm以下の第2合金層5が形成されるように放電プラズマ焼結法により接合することが特に望ましい。
Next, as shown in FIG. 3, the
第2接合工程においてTi層4とAl層6とろう材層7とを放電プラズマ焼結法により同時に接合する場合には、図5に示すように、まず、筒状ダイ31内にTi層4とAl層6とろう材層7とを積層状に配置する。これにより、Ti層4とAl層6とろう材層7との未接合積層体9(当該未接合積層体9を説明の便宜上、「第2未接合積層体9」という。以下同じ。)の周囲がダイ31で包囲される。次いで、第2未接合積層体9をその厚さ方向に上下一対のパンチ32、32で挟む。そして、例えば1〜10Paの真空雰囲気中、又は、窒素、アルゴン等の不活性ガス雰囲気中にて、両パンチ32、32で第2未接合積層体9をその厚さ方向に加圧しつつ、両パンチ32、32間の通電を確保した状態で両パンチ32、32間にパルス電流を通電することで第2未接合積層体9を加熱し、これによりTi層4とAl層6とろう材層7とを同時に接合する。また、この接合により、Ti層4とAl層6との接合界面に第2合金層5が形成される。この第2合金層5は上述したようにTi−Al系合金相を含んでいる。この接合では、厚さ5μm以下の第2合金層5が形成されるように接合条件(例:加熱温度、加熱温度の保持時間、昇温速度、加圧力)を設定するのが望ましい。この接合条件について具体的に例示すると、加熱温度は500〜560℃、加熱温度の保持時間は5〜20min、室温から加熱温度への昇温速度は5〜50℃/min、第2未接合積層体9への加圧力は10〜20MPaである。
When the
以上の工程を経ることで、本第1実施形態の積層材1Aが得られる。
Through the above steps, the
この積層材1Aを用いて絶縁基板15が製造される。その製造方法について例示すると次のとおりである。
The insulating
図3に示すように、この積層材1Aとセラミック層10と金属ベース層12とをろう付けにより接合する。これにより、絶縁基板15が得られる。ここで、積層材1Aはろう材層7を備えているので、このろう材層7をろう材として用いることにより積層材1Aとセラミック層10とを容易に接合することができる。なお本発明では、積層材1Aとセラミック層10と金属ベース層12とを炉内ろう付けにより同時に接合しても良い。
As shown in FIG. 3, the
こうして得られた絶縁基板15では、図1及び2に示すように、その金属ベース層12の下面に放熱部材17がろう付け等により接合されるとともに、Ni層2の表面2aに半導体素子21がはんだ付けにより接合される。これにより半導体モジュール20が得られる。
In the insulating
本第1実施形態の積層材1A及びその製造方法は、次の利点を有している。
The
本第1実施形態の積層材1Aは、Ni層2を備えているので、はんだ接合性が良好である。したがって、半導体素子21をこのNi層2の表面2aにはんだ付けにより確実に接合することができる。
Since the laminated material 1 </ b> A of the first embodiment includes the
さらに、Ni層2とAl層6との間にTi層4が配置されているので、次の効果を奏する。すなわち、もしNi層2とAl層6との間にTi層4を配置しないでNi層2とAl層6とを直接接合した場合には、Ni層2とAl層6との接合界面に強度の弱い合金層が形成されてしまい、その結果、冷熱サイクルに伴い発生する熱応力(熱歪み)によってこの合金層で割れや剥離が生じ易くなる。これに対して、本第1実施形態の積層材1Aでは、Ni層2とAl層6との間にTi層4が配置されているので、そのような強度の弱い合金層は形成されない。これにより、熱応力(熱歪み)による積層材の接合界面での割れや剥離の発生を防止できるし、更にはNi層2の表面2aの変形(凹凸)の発生も防止することができる。
Furthermore, since the
しかも、Ni層2とTi層4とを放電プラズマ焼結法により接合することによって、Ni層2とTi層4との接合界面に第1合金層3が形成される。この第1合金層3は、Ni−Ti系超弾性合金相を含み、しかもNiとTiとの組成比が厚さ方向に徐々に変化する傾斜材料構造を採る。したがって、この第1合金層3は、積層材1Aや絶縁基板15に発生する熱応力を確実に緩和・吸収する役割を果たす。
Moreover, the
ここで、積層材1Aや絶縁基板15に発生する熱応力について具体的に例示すると、次のとおりである。すなわち、絶縁基板15の金属ベース層12と放熱部材17との接合が例えばろう付けにより行われる場合、このろう付けの際に絶縁基板15の温度は室温から約600℃に上昇し、ろう付け後に室温に戻る。また、積層材1AのNi層2の表面2aに半導体素子21がはんだ付けにより接合される際に絶縁基板15の温度は室温から約300℃に上昇し、はんだ付け後に室温に戻る。さらに、半導体モジュール20の動作の際に半導体素子21の温度は室温から150〜300℃程度に上昇し、その動作の停止後に室温に戻る。このような冷熱サイクルによって積層材1Aや絶縁基板15に熱応力(熱歪み)が発生する。しかるに、本第1実施形態の積層材1Aや絶縁基板15では、この熱応力は第1合金層3により緩和・吸収される。これにより、積層材1Aの接合界面での割れや剥離の発生及びNi層2の表面2aの変形の発生を確実に防止することができる。
Here, specific examples of the thermal stress generated in the
その上、Ni層2とTi層4との接合手段、及び、Ti層4とAl層6とろう材層7との接合手段がいずれも放電プラズマ焼結法であることにより、接合前後の各層の寸法変化を少なくすることができる。これにより、高い寸法精度を有する積層材1Aを得ることができる。
In addition, since the joining means for the
しかも、図4に示すように、第1接合工程では、Ni層2とTi層4との第1未接合積層体8の周囲を放電プラズマ焼結用ダイ31で包囲した状態で第1未接合積層体8のNi層2とTi層4とを放電プラズマ焼結法により接合しているので、両パンチ32、32間の通電を確実に確保することができ、もって安定した温度制御を行うことができる。これにより、この接合を確実に行うことができる。これと同様に、図5に示すように、第2接合工程では、Ti層4とAl層6とろう材層7との第2未接合積層体9の周囲をダイ31で包囲した状態で第2未接合積層体9のTi層4とAl層6とろう材層7とを放電プラズマ焼結法により接合しているので、両パンチ32、32間の通電を確実に確保することができ、もって安定した温度制御を行うことができる。これにより、この接合を確実に行うことができる。
In addition, as shown in FIG. 4, in the first bonding step, the first unbonded state in which the periphery of the first unbonded
さらに、Ti層4とAl層6との接合手段として放電プラズマ焼結法を採用することにより、接合手段としてクラッド接合を採用する場合に比べて、厚さの厚いAl層6をTi層4と接合することが可能となる。具体的に示すと、Ti層4とAl層6との接合手段としてクラッド接合を採用し、厚さ100μm以下のTi層4を用いた場合、安定した接合を行うためにはTi層4の厚さと同じ程度の厚さのAl層6しかTi層4と接合することができない。これに対して、接合手段として放電プラズマ焼結法を採用する場合には、厚さ0.1〜2.0mmという厚いAl層6をTi層4と接合することができる。そのため、Al層6を配線層及び応力緩和層として確実に機能させることができる。
Further, by adopting the discharge plasma sintering method as the joining means between the
さらに、Al層6とろう材層7とが接合されているので、このろう材層7を、積層材1Aとセラミック層10とをろう付けにより接合する際のろう材として用いることができる。そのため、積層材1Aとセラミック層10とを容易に接合することができる。
Further, since the
さらに、Ti層4とAl層6とろう材層7とを放電プラズマ焼結法により同時に接合することにより、ろう材層7を備えた積層材1Aを作業能率良く得ることができる。
Furthermore, by simultaneously bonding the
ここで、上記第1実施形態の積層材1Aでは全ての層2、4、6、7が導電性を有している。そのため、放電プラズマ焼結用ダイ31を必ずしも用いなくても上下両パンチ32、32間の通電を確保し得て、放電プラズマ焼結法による接合を行うことができる。以下に、その接合方法を含め、上記第1実施形態の積層材1Aの製造方法の幾つかの変形例を説明する。
Here, in the
図6は、第1接合工程においてNi層2とTi層4とをダイ31を用いないで放電プラズマ焼結法により接合する場合を示す断面図である。
FIG. 6 is a cross-sectional view showing a case where the
同図に示した第1接合工程では、Ni層2とTi層4との第1未接合積層体8の周囲はダイで包囲されていない。次いで、第1未接合積層体8をその厚さ方向に上下一対のパンチ32、32で挟む。そして、真空雰囲気中、又は、窒素、アルゴン等の不活性ガス雰囲気中にて、両パンチ32、32で第1未接合積層体8をその厚さ方向に加圧しつつ、両パンチ32、32間の通電を確保した状態で両パンチ32、32間にパルス電流を通電することで第1未接合積層体8を加熱し、これによりNi層2とTi層4とを接合する。また、この接合により、Ni層2とTi層4との接合界面に第1合金層3が形成される。この接合に適用される接合条件は、上記第1実施形態の第1接合工程で適用した接合条件と同じである。
In the first bonding step shown in the figure, the periphery of the first unbonded
同図に示した第1接合工程では、Ni層2とTi層4との第1未接合積層体8を、第1未接合積層体8の周囲をダイで包囲しない状態で放電プラズマ焼結法により接合するので、放電プラズマ焼結法による接合の際にこれらの層2、4のセッティング作業及び接合後における取り出し作業を容易に行うことができる。これにより、接合作業を迅速に行うことができるし、放電プラズマ焼結装置30についての設備費の低減を図ることができる。
In the first bonding step shown in the figure, the first unbonded
図7は、第1接合工程において各第1未接合積層体8のNi層2とTi層4とをダイ31を用いて放電プラズマ焼結法により一括して接合する場合を示す断面図である。
FIG. 7 is a cross-sectional view showing a case where the
同図に示した第1接合工程では、Ni層2とTi層4との第1未接合積層体8を複数準備する。同図では、準備した第1未接合積層体8の個数は例えば3個である。なお本発明では、第1未接合積層体8の個数は3個であることに限定されるものではなく、2〜40個であっても良いし、40個を超えても良い。
In the first bonding step shown in the figure, a plurality of first
次いで、ダイ31内において、複数の第1未接合積層体8を互いに隣り合う各第1未接合積層体8、8間に導電性離型板35を介して積層する。つまり、ダイ31内において、互いに隣り合う2個の第1未接合積層体8、8の間に導電性離型板35が介在されるように、複数の第1未接合積層体8を積層する。これにより、複数の第1未接合積層体8の周囲がダイ31で包囲される。導電性離型板35は、互いに隣り合う第1未接合積層体8、8同士が接合しないようにする役割を有するものであり、更に、第1未接合積層体8とは接合しないものである。この導電性離型板35は、導電性を有し更に接合時に溶融しない耐熱性を有する板であることが望ましく、例えばカーボン板(グラファイト板・シートを含む)からなるものである。次いで、複数の第1未接合積層体8を一括してその厚さ方向に上下一対のパンチ32、32で挟む。そして、真空雰囲気中、又は、窒素、アルゴン等の不活性ガス雰囲気中にて、両パンチ32、32で複数の第1未接合積層体8をその厚さ方向に加圧しつつ、両パンチ32、32間の通電を確保した状態で両パンチ32、32間にパルス電流を通電することで複数の第1未接合積層体8を加熱し、これにより各第1未接合積層体8のNi層2とTi層4とを一括して接合する。また、この接合により、各第1未接合積層体8のNi層2とTi層4との接合界面に第1合金層3が形成される(図3参照)。この接合に適用される接合条件は、上記第1実施形態の第1接合工程で適用した接合条件と同じである。
Next, in the
同図に示した第1接合工程では、各第1未接合積層体8のNi層2とTi層4とを放電プラズマ焼結法により一括して接合するので、Ni層2とTi層4との第1接合体8Zを大量に製造することができる。これにより、積層材1Aの製造コストを引き下げることができる。
In the first bonding step shown in the figure, the
図8は、第1接合工程において各第1未接合積層体8のNi層2とTi層4とをダイ31を用いないで放電プラズマ焼結法により一括して接合する場合を示す断面図である。
FIG. 8 is a cross-sectional view showing a case where the
同図に示した第1接合工程では、Ni層2とTi層4との第1未接合積層体8を複数準備する。同図では、準備した第1未接合積層体8の個数は例えば3個である。なお本発明では、第1未接合積層体8の個数は3個であることに限定されるものではなく、2〜40個であっても良いし、40個を超えても良い。
In the first bonding step shown in the figure, a plurality of first
次いで、複数の第1未接合積層体8を互いに隣り合う各第1未接合積層体8、8間に導電性離型板35を介して積層する。つまり、互いに隣り合う2個の第1未接合積層体8、8の間に導電性離型板35が介在されるように、複数の第1未接合積層体8を積層する。このとき、複数の第1未接合積層体8の周囲はダイで包囲されていない。次いで、複数の第1未接合積層体8を一括してその厚さ方向に上下一対のパンチ32、32で挟む。そして、真空雰囲気中、又は、窒素、アルゴン等の不活性ガス雰囲気中にて、両パンチ32、32で複数の第1未接合積層体8をその厚さ方向に加圧しつつ、両パンチ32、32間の通電を確保した状態で両パンチ32、32間にパルス電流を通電することで複数の第1未接合積層体8を加熱し、これにより各第1未接合積層体8のNi層2とTi層4とを一括して接合する。また、この接合により、各第1未接合積層体8のNi層2とTi層4との接合界面に第1合金層3が形成される(図3参照)。この接合に適用される接合条件は、上記第1実施形態の第1接合工程で適用した接合条件と同じである。
Next, a plurality of first unbonded
同図に示した第1接合工程では、Ni層2とTi層4との第1未接合積層体8を、第1未接合積層体8の周囲をダイで包囲しない状態で放電プラズマ焼結法により接合するので、放電プラズマ焼結法による接合の際にこれらの層2、4のセッティング作業及び接合後における取り出し作業を容易に行うことができる。これにより、接合作業を迅速に行うことができるし、放電プラズマ焼結装置30についての設備費の低減を図ることができる。
In the first bonding step shown in the figure, the first unbonded
さらに、各第1未接合積層体8のNi層2とTi層4とを放電プラズマ焼結法により一括して接合するので、Ni層2とTi層4との第1接合体8Zを大量に製造することができる。これにより、積層材1Aの製造コストを引き下げることができる。
Further, since the
図9は、第2接合工程において第1接合体8ZのTi層4と、Al層6と、ろう材層7とをダイ31を用いないで放電プラズマ焼結法により接合する場合を示す断面図である。
FIG. 9 is a cross-sectional view showing a case where the
同図に示した第2接合工程では、Ti層4とAl層6とろう材層7との第2未接合積層体9の周囲はダイで包囲されていない。次いで、第2未接合積層体9をその厚さ方向に上下一対のパンチ32、32で挟む。そして、真空雰囲気中、又は、窒素、アルゴン等の不活性ガス雰囲気中にて、両パンチ32、32で第2未接合積層体9をその厚さ方向に加圧しつつ、両パンチ32、32間の通電を確保した状態で両パンチ32、32間にパルス電流を通電することで第2未接合積層体9を加熱し、これによりTi層4とAl層6とろう材層7とを同時に接合する。また、この接合により、Ti層4とAl層6との接合界面に第2合金層5が形成される(図3参照)。この接合に適用される接合条件は、上記第1実施形態の第2接合工程で適用した接合条件と同じである。
In the second bonding step shown in the figure, the periphery of the second
同図に示した第2接合工程では、Ti層4とAl層6とろう材層7との第2未接合積層体9を、第2未接合積層体9の周囲をダイで包囲しない状態で放電プラズマ焼結法により接合するので、放電プラズマ焼結法による接合の際にこれらの層4、6、7のセッティング作業及び接合後における取り出し作業を容易に行うことができる。これにより、接合作業を迅速に行うことができるし、放電プラズマ焼結装置30についての設備費の低減を図ることができる。
In the second bonding step shown in the figure, the second unbonded
図10は、第2接合工程において各第2未接合積層体9のTi層4とAl層6とろう材層7とをダイ31を用いて放電プラズマ焼結法により一括して接合する場合を示す断面図である。
FIG. 10 shows a case where the
同図に示した第2接合工程では、Ti層4とAl層6とろう材層7との第2未接合積層体9を複数準備する。同図では、準備した第2未接合積層体9の個数は例えば3個である。なお本発明では、第2未接合積層体9の個数は3個であることに限定されるものではなく、2〜40個であっても良いし、40個を超えても良い。
In the second bonding step shown in the figure, a plurality of second
次いで、ダイ31内において、複数の第2未接合積層体9を互いに隣り合う各第2未接合積層体9、9間に導電性離型板35を介して積層する。つまり、ダイ31内において、互いに隣り合う2個の第2未接合積層体9、9の間に導電性離型板35が介在されるように、複数の第2未接合積層体9を積層する。これにより、複数の第2未接合積層体9の周囲がダイ31で包囲される。次いで、複数の第2未接合積層体9を一括してその厚さ方向に上下一対のパンチ32、32で挟む。そして、真空雰囲気中、又は、窒素、アルゴン等の不活性ガス雰囲気中にて、両パンチで複数の第2未接合積層体をその厚さ方向に加圧しつつ、両パンチ間の通電を確保した状態で両パンチ32、32間にパルス電流を通電することで複数の第2未接合積層体9を加熱し、これにより各第2未接合積層体9のTi層4とAl層6とろう材層7を一括して同時に接合する。また、この接合により、各第2未接合積層体9のTi層4とAl層6との接合界面に第2合金層5が形成される(図3参照)。この接合に適用される接合条件は、上記第1実施形態の第2接合工程で適用した接合条件と同じである。
Next, in the
同図に示した第1接合工程では、各第2未接合積層体9のTi層4とAl層6とろう材層7とを放電プラズマ焼結法により一括して同時に接合するので、積層材1Aを大量に製造することができる。これにより、積層材1Aの製造コストを引き下げることができる。
In the first bonding step shown in the figure, the
図11は、第2接合工程において各第2未接合積層体9のTi層4とAl層6とろう材層7とをダイ31を用いないで放電プラズマ焼結法により一括して同時に接合する場合を示す断面図である。
FIG. 11 shows that the
同図に示した第2接合工程では、Ti層4とAl層6とろう材層7との第1未接合積層体9を複数準備する。同図では、準備した第2未接合積層体9の個数は例えば3個である。なお本発明では、第2未接合積層体9の個数は3個であることに限定されるものではなく、2〜40個であっても良いし、40個を超えても良い。
In the second bonding step shown in the figure, a plurality of first
次いで、複数の第2未接合積層体9を互いに隣り合う各第2未接合積層体9、9間に導電性離型板35を介して積層する。つまり、互いに隣り合う2個の第2未接合積層体9、9の間に導電性離型板35が介在されるように、複数の第2未接合積層体9を積層する。このとき、複数の第2未接合積層体9の周囲はダイで包囲されていない。次いで、複数の第2未接合積層体9を一括してその厚さ方向に上下一対のパンチ32、32で挟む。そして、真空雰囲気中、又は、窒素、アルゴン等の不活性ガス雰囲気中にて、両パンチ32、32で複数の第2未接合積層体9をその厚さ方向に加圧しつつ、両パンチ32、32間の通電を確保した状態で両パンチ32、32間にパルス電流を通電することで複数の第2未接合積層体9を加熱し、これにより各第2未接合積層体9のTi層4とAl層6とろう材層7とを一括して同時に接合する。また、この接合により、各第2未接合積層体9のTi層4とAl層6との接合界面に第2合金層5が形成される(図3参照)。この接合に適用される接合条件は、上記第1実施形態の第2接合工程で適用した接合条件と同じである。
Next, the plurality of second unbonded
同図に示した第2接合工程では、Ti層4とAl層6とろう材層7との第2未接合積層体8を、第2未接合積層体8の周囲をダイで包囲しない状態で放電プラズマ焼結法により接合するので、放電プラズマ焼結法による接合の際にこれらの層4、6、7のセッティング作業及び接合後における取り出し作業を容易に行うことができる。これにより、接合作業を迅速に行うことができるし、放電プラズマ焼結装置30についての設備費の低減を図ることができる。
In the second bonding step shown in the figure, the second unbonded
さらに、各第2未接合積層体9のTi層4とAl層6とろう材層7とを放電プラズマ焼結法により一括して同時に接合するので、積層材1Aを大量に製造することができる。これにより、積層材1Aの製造コストを引き下げることができる。
Furthermore, since the
図12は、本発明の第2実施形態に係る積層材1Bの製造工程の一例を示す概略断面図である。同図には、上記第1実施形態の積層材1Aの構成要素と同一又は対応する構成要素に同一の符号が付されている。
FIG. 12: is a schematic sectional drawing which shows an example of the manufacturing process of the
本第2実施形態の積層材1Bは、上記第1実施形態の積層材1Aからろう材層7を除いたものである。すなわち、この積層材1Bは、Ni層2とTi層4とAl層6とを備える一方、ろう材層7を備えていないものである。そして、この積層材1Bは、セラミック層10の片面側に積層状にセラミック層10とろう付けにより接合されるものである。このろう付けの際には、積層材1Bとは別体のろう材層7がろう材として用いられる。
The
本第2実施形態の積層材1Bの製造方法は、Al層6にろう材層7が接合されないことを除いて上記第1実施形態の積層材1Aの製造方法と同じである。
The manufacturing method of the
以上で本発明の幾つかの実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で様々に変更可能である。 Although several embodiments of the present invention have been described above, the present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications can be made without departing from the gist of the present invention.
また、本発明は、上記第1実施形態及び第2実施形態で適用した技術的思想を組み合わせて構成して良い。 Further, the present invention may be configured by combining the technical ideas applied in the first embodiment and the second embodiment.
本発明の具体的な幾つかの実施例を以下に示す。ただし、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。 Some specific examples of the present invention are shown below. However, the present invention is not limited to these examples.
<実施例1>
本実施例1では、図12に示した上記第2実施形態の積層材1Bを製造した。
<Example 1>
In Example 1, the
Ni層2、Ti層4及びAl層6として、それぞれ次の円盤状の板を準備した。
As the
Ni層2:直径100mm×厚さ0.02mmの純Ni板
Ti層4:直径100mm×厚さ0.1mmの純Ti板
Al層6:直径100mm×厚さ0.6mmの純Al板。
Ni layer 2: Pure Ni plate having a diameter of 100 mm × 0.02 mm in thickness Ti layer 4: Pure Ti plate having a diameter of 100 mm × 0.1 mm in thickness Al layer 6: Pure Al plate having a diameter of 100 mm × thickness of 0.6 mm
Ni層2を形成するNi板の純度はJIS(日本工業規格)1種である。Ti層4を形成するTi板の純度はJIS1種である。Al層6を形成するAl板の純度は4N(即ち99.99質量%)である。
The purity of the Ni plate forming the
次いで、第1接合工程では、Ni層2とTi層4とを、黒鉛製の円筒状ダイ31を用いて放電プラズマ焼結法により積層状に接合した。すなわち、Ni層2とTi層4との第1未接合積層体8の周囲をダイ31で包囲した状態で、3Paの真空雰囲気中にて第1未接合積層体8のNi層2とTi層4とを放電プラズマ焼結法により接合した。これにより、Ni層2とTi層4との第1接合体8Zを得た。また、この接合により、Ni層2とTi層4との接合界面にNi層2のNiとTi層4のTiとが合金化してなる厚さ2μmの第1合金層3が形成された。この第1合金層3は、NiTi超弾性合金相を含み、しかもNiとTiとの組成比が厚さ方向に徐々に変化する傾斜材料構造を採る。
Next, in the first joining step, the
この第1接合工程では、直径100mmの黒鉛製の上下各パンチ32、32を用いた。第1接合工程で適用した接合条件は、加熱温度650℃、加熱温度の保持時間5min、昇温速度35℃/min、加圧力20MPaである。
In the first joining step, upper and
次いで、第2接合工程では、第1接合体8ZのTi層4と、Al層6とを、黒鉛製の円筒状ダイ31を用いて放電プラズマ焼結法により積層状に接合した。すなわち、Ti層4とAl層6との第2未接合積層体8の周囲をダイ31で包囲した状態で、3Paの真空雰囲気中にて第2未接合積層体8のTi層4とAl層6とを放電プラズマ焼結法により接合した。これにより、所望する積層材(厚さ0.72mm)1Bを得た。また、この接合により、Ti層4とAl層6との接合界面にTi層4のTiとAl層6のAlとが合金化してなる厚さ1μmの第2合金層5が形成された。この第2合金層5はTiAl合金相を含んでいる。
Next, in the second joining step, the
この第2接合工程では、直径100mmの黒鉛製の上下各パンチ32、32を用いた。第2接合工程で適用した接合条件は、加熱温度530℃、加熱温度の保持時間5min、昇温速度35℃/min、加圧力20MPaである。なお、Ti層4とAl層6とを接合する前に、Al層6が接合されるTi層4の表面をブラシ研磨して当該表面上の酸化皮膜を予め除去した。
In this second joining step, upper and
次いで、こうして得られた積層材1Bを縦70mm×横70mmの大きさに切断後、積層材1Bと、ろう材層7と、セラミック層10と、ろう材層11と、金属ベース層12とを炉内ろう付けにより積層状に同時に接合した。この工程を「ろう付け工程」という。これにより、絶縁基板15を得た。
Next, the
このろう付け工程では、セラミック層10としてAlN板(縦70mm×横70mm×厚さ1mm)と、各ろう材層7、11としてAl−8質量%Siのろう材板(縦70mm×横70mm×厚さ0.04mm)と、金属ベース層12として純度が4Nの純Al板(縦70mm×横70mm×厚さ0.6mm)とを用いた。ろう付け工程で適用したろう付け条件は、加熱温度600℃、加熱温度の保持時間15min、印加荷重6g/cm2である。
In this brazing process, an AlN plate (length 70 mm × width 70 mm × thickness 1 mm) as the
次いで、こうして得られた絶縁基板15に対して−40〜125℃の冷熱サイクル試験を1000回繰り返して実施したところ、絶縁基板15の各接合界面での割れや剥離及び絶縁基板15のNi層2の表面2aの変形は発生しなかった。
Subsequently, when the thermal cycle test at −40 to 125 ° C. was repeated 1000 times for the insulating
<実施例2>
本第2実施例では、図3に示した上記第1実施形態の積層材1Aを製造した。
<Example 2>
In the second example, the
Ni層2、Ti層4、Al層6及びろう材層7として、それぞれ次の円盤状の板を準備した。
As the
Ni層2 :直径100mm×厚さ0.02mmの純Ni板
Ti層4 :直径100mm×厚さ0.1mmの純Ti板
Al層6 :直径100mm×厚さ0.6mmの純Al板
ろう材層7:直径100mm×厚さ0.04mmのろう材板。
Ni layer 2: Pure Ni plate having a diameter of 100 mm × 0.02 mm in thickness Ti layer 4: Pure Ti plate having a diameter of 100 mm × 0.1 mm in thickness Al layer 6: Pure Al plate having a diameter of 100 mm × 0.6 mm in thickness Brazing material Layer 7: brazing material plate having a diameter of 100 mm and a thickness of 0.04 mm.
Ni層2を形成するNi板の純度はJIS1種である。Ti層4を形成するTi板の純度はJIS1種である。Al層6を形成するAl板の純度は4Nである。ろう材層7を形成するろう材板の組成はAl−8質量%Siである。
The purity of the Ni plate forming the
次いで、第1接合工程では、図6に示すように、Ni層2とTi層4とを、放電プラズマ焼結用ダイを用いないで放電プラズマ焼結法により積層状に接合した。すなわち、Ni層2とTi層4との第1未接合積層体8の周囲をダイで包囲しない状態で、3Paの真空雰囲気中にて第1未接合積層体8のNi層2とTi層4とを放電プラズマ焼結法により接合した。これにより、Ni層2とTi層4との第1接合体8Zを得た(図3参照)。また、この接合により、Ni層2とTi層4との接合界面にNi層2のNiとTi層4のTiとが合金化してなる厚さ2μmの第1合金層3が形成された。この第1合金層3は、NiTi超弾性合金相を含み、しかもNiとTiとの組成比が厚さ方向に徐々に変化する傾斜材料構造を採る。
Next, in the first joining step, as shown in FIG. 6, the
この第1接合工程では、直径100mmの黒鉛製の上下各パンチ32、32を用いた。第1接合工程で適用した接合条件は、加熱温度650℃、加熱温度の保持時間5min、昇温速度35℃/min、加圧力20MPaである。
In the first joining step, upper and
次いで、第2接合工程では、図9に示すように、第1接合体8ZのTi層4と、Al層6と、ろう材層7とを、ダイを用いないで放電プラズマ焼結法により積層状に同時に接合した。すなわち、Ti層4とAl層6とろう材層7との第2未接合積層体9の周囲をダイで包囲しない状態で、3Paの真空雰囲気中にて第2未接合積層体9のTi層4とAl層6とろう材層7とを放電プラズマ焼結法により同時に接合した。これにより、所望する積層材(厚さ0.76mm)1Aを得た(図3参照)。また、この接合により、Ti層4とAl層6との接合界面にTi層4のTiとAl層6のAlとが合金化してなる厚さ1μmの第2合金層5が形成された。この第2合金層5はTiAl合金相を含んでいる。
Next, in the second bonding step, as shown in FIG. 9, the
この第2接合工程では、直径100mmの黒鉛製の上下各パンチを用いた。第2接合工程で適用した接合条件は、加熱温度530℃、加熱温度の保持時間5min、昇温速度35℃/min、加圧力20MPaである。なお、Ti層4とAl層6とを接合する前に、Al層6が接合されるTi層4の表面をブラシ研磨して当該表面上の酸化皮膜を予め除去した。
In this second joining step, upper and lower punches made of graphite having a diameter of 100 mm were used. The joining conditions applied in the second joining step are a heating temperature of 530 ° C., a heating temperature holding time of 5 min, a heating rate of 35 ° C./min, and a pressure of 20 MPa. Before joining the
次いで、図3に示すように、こうして得られた積層材1Aを縦70mm×横70mmの大きさに切断後、積層材1Aと、セラミック層10と、ろう材層11と、金属ベース層12とを炉内ろう付けにより積層状に同時に接合した[ろう付け工程]。これにより、絶縁基板15を得た。
Next, as shown in FIG. 3, the
このろう付け工程では、セラミック層10としてAlN板(縦70mm×横70mm×厚さ1mm)と、ろう材層11としてAl−8質量%Siのろう材板(縦70mm×横70mm×厚さ0.04mm)と、金属ベース層12として純度が4Nの純Al板(縦70mm×横70mm×厚さ0.6mm)とを用いた。ろう付け工程で適用したろう付け条件は、加熱温度600℃、加熱温度の保持時間15min、印加荷重6g/cm2である。
In this brazing process, an AlN plate (length 70 mm × width 70 mm × thickness 1 mm) is used as the
次いで、こうして得られた絶縁基板15に対して−40〜125℃の冷熱サイクル試験を1000回繰り返して実施したところ、絶縁基板15の各接合界面での割れや剥離及び絶縁基板15のNi層2の表面2aの変形は発生しなかった。
Subsequently, when the thermal cycle test at −40 to 125 ° C. was repeated 1000 times for the insulating
<実施例3>
本第3実施例では、図3に示した上記第1実施形態の積層材1Aを製造した。
<Example 3>
In the third example, the
Ni層2、Ti層4、Al層6及びろう材層7として、それぞれ次の円盤状の板を準備した。
As the
Ni層2 :直径100mm×厚さ0.02mmの純Ni板
Ti層4 :直径100mm×厚さ0.1mmの純Ti板
Al層6 :直径100mm×厚さ0.6mmの純Al板。
Ni layer 2: Pure Ni plate having a diameter of 100 mm × 0.02 mm in thickness Ti layer 4: Pure Ti plate having a diameter of 100 mm × 0.1 mm in thickness Al layer 6: Pure Al plate having a diameter of 100 mm × thickness of 0.6 mm
ろう材層7:直径100mm×厚さ0.04mmのろう材板。 Brazing material layer 7: brazing material plate having a diameter of 100 mm and a thickness of 0.04 mm.
Ni層2を形成するNi板の純度はJIS1種である。Ti層4を形成するTi板の純度はJIS1種である。Al層6を形成するAl板の純度は4Nである。ろう材層7を形成するろう材板の組成はAl−8質量%Siである。
The purity of the Ni plate forming the
次いで、第1接合工程では、Ni層2とTi層4との第1未接合積層体8を30個準備した。そして、図8に示すように、これらの第1未接合積層体8を互いに隣り合う各第1未接合積層体8、8間に導電性離型板35を介して積層した。導電性離型板35は、直径100mm×厚さ2mmの円盤状のカーボン板からなるものである。そして、各第1未接合積層体8のNi層2とTi層4とを、ダイを用いないで放電プラズマ焼結法により積層状に一括して接合した。すなわち、これらの第1未接合積層体8の周囲をダイで包囲しない状態で、3Paの真空雰囲気中にて各第1未接合積層体8のNi層2とTi層4とを放電プラズマ焼結法により一括して接合した。これにより、Ni層2とTi層4との第1接合体8Zを30個得た。また、この接合により、各第1接合体8ZのNi層2とTi層4との接合界面にNi層2のNiとTi層4のTiとが合金化してなる厚さ2μmの第1合金層3が形成された。この第1合金層3は、NiTi超弾性合金相を含み、しかもNiとTiとの組成比が厚さ方向に徐々に変化する傾斜材料構造を採る。
Next, in the first bonding step, 30 first
この第1接合工程では、直径100mmの黒鉛製の上下各パンチ32、32を用いた。第1接合工程で適用した接合条件は、加熱温度650℃、加熱温度の保持時間5min、昇温速度35℃/分、加圧力20MPaである。
In the first joining step, upper and
次いで、第2接合工程では、第1接合体8ZのTi層4とAl層6とろう材層7との第2未接合積層体9を30個順次した。そして、図11に示すように、これらの第2未接合積層体9を互いに隣り合う各第2未接合積層体9、9間に導電性離型板35を介して積層した。導電性離型板35は、直径100mm×厚さ2mmの円盤状のカーボン板からなるものである。そして、各第2未接合積層体9のTi層4とAl層6とろう材層7とを、ダイを用いないで放電プラズマ焼結法により積層状に一括して同時に接合した。すなわち、これらの第2未接合積層体9の周囲をダイで包囲しない状態で、3Paの真空雰囲気中にて各第2未接合積層体9のTi層4とAl層6とろう材層7とを放電プラズマ焼結法により一括して同時に接合した。これにより、所望する積層材(厚さ0.76mm)1Aを30個得た。また、この接合により、各積層材1AのTi層4とAl層6との接合界面にTi層4のTiとAl層6のAlとが合金化してなる厚さ1μmの第2合金層5が形成された。この第2合金層5はTiAl合金相を含んでいる。
Next, in the second bonding step, 30 second
この第2接合工程では、直径100mmの黒鉛製の上下各パンチ32、32を用いた。第2接合工程で適用した接合条件は、加熱温度530℃、加熱温度の保持時間5min、昇温速度35℃/分、加圧力20MPaである。なお、Ti層4とAl層6とを接合する前に、Al層6が接合されるTi層4の表面をブラシ研磨して当該表面上の酸化皮膜を除去した。
In this second joining step, upper and
次いで、これらの積層材1Aの中から任意に選択した一個の積層材1Aを縦70mm×横70mmの大きさに切断後、積層材1Aと、セラミック層10と、ろう材層11と、金属ベース層12とを炉内ろう付けにより積層状に同時に接合した[ろう付け工程]。これにより、絶縁基板15を得た。
Next, one
このろう付け工程では、セラミック層10としてAlN板(縦70mm×横70mm×厚さ1mm)と、ろう材層11としてAl−8質量%Siのろう材板(縦70mm×横70mm×厚さ0.04mm)と、金属ベース層12として純度が4Nの純Al板(縦70mm×横70mm×厚さ0.6mm)とを用いた。ろう付け工程で適用したろう付け条件は、加熱温度600℃、加熱温度の保持時間15min、印加荷重6g/cm2である。
In this brazing process, an AlN plate (length 70 mm × width 70 mm × thickness 1 mm) is used as the
次いで、こうして得られた絶縁基板15に対して−40〜125℃の冷熱サイクル試験を1000回繰り返して実施したところ、絶縁基板15の各接合界面での割れや剥離及び絶縁基板15のNi層2の表面2aの変形は発生しなかった。
Subsequently, when the thermal cycle test at −40 to 125 ° C. was repeated 1000 times for the insulating
<比較例1>
Ni層2、Ti層4、Al層6、AlN層10、金属ベース層12及び複数のろう材層として、それぞれ次の板を準備した。
<Comparative Example 1>
The following plates were prepared as the
Ni層2 :縦70mm×横70mm×厚さ0.02mmの純Ni板
Ti層4 :縦70mm×横70mm×厚さ0.1mmの純Ti板
Al層6 :縦70mm×横70mm×厚さ0.6mmの純Al板
AlN層10 :縦70mm×横70mm×厚さ1mmのAlN板
金属ベース層12:縦70mm×横70mm×厚さ0.6mmの純Al板
各ろう材層 :縦70mm×横70mm×厚さ0.04mmのろう材板。
Ni layer 2: pure Ni plate 70 mm long × 70 mm wide × 0.02 mm thick Ti layer 4: pure Ti plate 70 mm long × 70 mm wide × 0.1 mm thick Al layer 6: 70 mm long × 70 mm wide × thickness 0.6 mm pure Al plate AlN layer 10: 70 mm long × 70 mm wide × 1 mm thick AlN plate Metal base layer 12: 70 mm long × 70 mm wide × 0.6 mm thick pure Al plate Each brazing filler metal layer: 70 mm long X A brazing material plate having a width of 70 mm and a thickness of 0.04 mm.
Ni層2を形成するNi板の純度はJIS1種である。Ti層4を形成するTi板の純度はJIS1種である。Al層6を形成するAl板の純度は4Nである。金属ベース層12を形成するAl板の純度は4Nである。ろう材層を形成するろう材板の組成はAl−8質量%Siである。
The purity of the Ni plate forming the
次いで、Ni層2とろう材層とTi層4とろう材層とAl層6とろう材層とAlN層10とろう材層と金属ベース層12とをこの順に積層した。そして、これらの層を炉内ろう付けにより積層状に同時に接合した[ろう付け工程]。これにより、絶縁基板を得た。
Next, the
このろう付け工程で適用したろう付け条件は、加熱温度600℃、加熱温度の保持時間15min、印加荷重6g/cm2である。 The brazing conditions applied in this brazing step are a heating temperature of 600 ° C., a heating temperature holding time of 15 min, and an applied load of 6 g / cm 2 .
こうして得られた絶縁基板では、Ni層2とTi層4との接合界面に介在するろう材層と、Ti層4とAl層6との接合界面に介在するろう材層とに、それぞれろう付け時の熱応力により割れが発生した。
In the insulating substrate thus obtained, the brazing material layer interposed at the bonding interface between the
本発明は、絶縁基板用積層材及びその製造方法に利用可能である。 The present invention can be used for a laminated material for an insulating substrate and a manufacturing method thereof.
1A、1B:積層材
2:Ni層
3:第1合金層
4:Ti層
5:第2合金層
6:Al層
7:ろう材層
8:第1未接合積層体
8Z:第1接合体
9:第2未接合積層体
10:セラミック層
12:金属ベース層
15:絶縁基板
17:放熱部材
20:半導体モジュール
21:半導体素子
30:放電プラズマ焼結装置
31:ダイ
32:パンチ
35:導電性離型板
1A, 1B: Laminated material 2: Ni layer 3: First alloy layer 4: Ti layer 5: Second alloy layer 6: Al layer 7: Brazing material layer 8: First
Claims (22)
前記Ti層と、前記Ti層の前記Ni層配置側とは反対側に積層状に配置されたAl又はAl合金で形成されたAl層とが放電プラズマ焼結法により接合されていることを特徴とする絶縁基板用積層材。 A Ni layer formed of Ni or Ni alloy to which a semiconductor element is bonded to the surface, and a Ti layer formed of Ti or Ti alloy arranged in a stacked manner on one side of the Ni layer are formed by a discharge plasma sintering method. As it is joined
The Ti layer and an Al layer formed of Al or an Al alloy arranged in a stacked manner on the opposite side of the Ti layer from the Ni layer arrangement side are joined by a discharge plasma sintering method. A laminated material for an insulating substrate.
前記第1接合工程の後で、前記Ti層と、前記Ti層の前記Ni層配置側とは反対側に積層状に配置されるAl又はAl合金で形成されたAl層とを放電プラズマ焼結法により接合する第2接合工程と、を含んでいることを特徴とする絶縁基板用積層材の製造方法。 A Ni layer formed of Ni or Ni alloy having a semiconductor element bonded to the surface thereof, and a Ti layer formed of Ti or Ti alloy disposed in a stacked manner on one side of the Ni layer are formed by a discharge plasma sintering method. A first joining step for joining;
After the first bonding step, the Ti layer and an Al layer formed of Al or an Al alloy arranged in a stacked manner on the opposite side of the Ti layer from the Ni layer arrangement side are subjected to discharge plasma sintering. And a second bonding step for bonding by a method.
前記Ni層と前記Ti層との第1未接合積層体を複数準備するとともに、前記複数の第1未接合積層体を互いに隣り合う各第1未接合積層体間に導電性離型板を介して積層し、
次いで、前記各第1未接合積層体のNi層とTi層とを放電プラズマ焼結法により一括して接合する請求項6〜8のいずれかに記載の絶縁基板用積層材の製造方法。 In the first joining step,
A plurality of first unbonded stacks of the Ni layer and the Ti layer are prepared, and the plurality of first unbonded stacks are interposed between the first unbonded stacks adjacent to each other via a conductive release plate. And laminated
Subsequently, the manufacturing method of the laminated material for insulating substrates in any one of Claims 6-8 which joins Ni layer and Ti layer of each said 1st unjoined laminated body collectively by a discharge plasma sintering method.
前記Ni層と前記Ti層との第1未接合積層体を複数準備するとともに、前記複数の第1未接合積層体を互いに隣り合う各第1未接合積層体間に導電性離型板を介して積層し、
次いで、前記複数の第1未接合積層体の周囲を放電プラズマ焼結用筒状ダイで包囲しない状態で前記各第1未接合積層体のNi層とTi層とを放電プラズマ焼結法により一括して接合する請求項6〜8のいずれかに記載の絶縁基板用積層材の製造方法。 In the first joining step,
A plurality of first unbonded stacks of the Ni layer and the Ti layer are prepared, and the plurality of first unbonded stacks are interposed between the first unbonded stacks adjacent to each other via a conductive release plate. And laminated
Next, the Ni layer and the Ti layer of each of the first unbonded laminates are collectively collected by the discharge plasma sintering method without surrounding the plurality of first unbonded laminates with the discharge plasma sintering cylindrical die. The manufacturing method of the laminated material for insulating substrates in any one of Claims 6-8 bonded by doing.
前記Ti層と前記Al層との第2未接合積層体を複数準備するとともに、前記複数の第2未接合積層体を互いに隣り合う各第2未接合積層体間に導電性離型板を介して積層し、
次いで、前記各第2未接合積層体のTi層とAl層とを放電プラズマ焼結法により一括して接合する請求項6〜8、11及び12のいずれかに記載の絶縁基板用積層材の製造方法。 In the second joining step,
A plurality of second unbonded stacks of the Ti layer and the Al layer are prepared, and the plurality of second unbonded stacks are interposed between the second unbonded stacks adjacent to each other via a conductive release plate. And laminated
Then, the Ti layer and the Al layer of each of the second unbonded stacked bodies are bonded together by a discharge plasma sintering method, wherein the laminated material for an insulating substrate according to any one of claims 6 to 8, 11 and 12 is used. Production method.
前記Ti層と前記Al層との第2未接合積層体を複数準備するとともに、前記複数の第2未接合積層体を互いに隣り合う各第2未接合積層体間に導電性離型板を介して積層し、
次いで、前記複数の第2未接合積層体の周囲を放電プラズマ焼結用筒状ダイで包囲しない状態で前記各第2未接合積層体のTi層とAl層とを放電プラズマ焼結法により一括して接合する請求項6〜8、11及び12のいずれかに記載の絶縁基板用積層材の製造方法。 In the second joining step,
A plurality of second unbonded stacks of the Ti layer and the Al layer are prepared, and the plurality of second unbonded stacks are interposed between the second unbonded stacks adjacent to each other via a conductive release plate. And laminated
Next, the Ti layer and the Al layer of each of the second unbonded laminates are collectively collected by a discharge plasma sintering method without surrounding the plurality of second unbonded laminates with a cylindrical die for discharge plasma sintering. The method for producing a laminated material for an insulating substrate according to any one of claims 6 to 8, 11 and 12, wherein the laminated material is joined.
前記Ti層と前記Al層と前記ろう材層との第2未接合積層体を複数準備するとともに、前記複数の第2未接合積層体を互いに隣り合う各第2未接合積層体間に導電性離型板を介して積層し、
次いで、前記各第2未接合積層体のTi層とAl層とろう材層とを放電プラズマ焼結法により一括して同時に接合する請求項15又は16記載の絶縁基板用積層材の製造方法。 In the second joining step,
A plurality of second unbonded stacked bodies of the Ti layer, the Al layer, and the brazing material layer are prepared, and the plurality of second unbonded stacked bodies are electrically conductive between the second unbonded stacked bodies adjacent to each other. Laminate through a release plate,
The method for producing a laminated material for an insulating substrate according to claim 15 or 16, wherein the Ti layer, the Al layer, and the brazing filler metal layer of each second unbonded laminated body are simultaneously joined together by a discharge plasma sintering method.
前記Ti層と前記Al層と前記ろう材層との第2未接合積層体を複数準備するとともに、前記複数の第2未接合積層体を互いに隣り合う各第2未接合積層体間に導電性離型板を介して積層し、
次いで、前記複数の第2未接合積層体の周囲を放電プラズマ焼結用筒状ダイで包囲しない状態で前記各第2未接合積層体のTi層とAl層とろう材層とを放電プラズマ焼結法により一括して同時に接合する請求項15又は16記載の絶縁基板用積層材の製造方法。 In the second joining step,
A plurality of second unbonded stacked bodies of the Ti layer, the Al layer, and the brazing material layer are prepared, and the plurality of second unbonded stacked bodies are electrically conductive between the second unbonded stacked bodies adjacent to each other. Laminate through a release plate,
Next, the Ti layer, the Al layer, and the brazing material layer of each of the second unbonded laminates are subjected to discharge plasma sintering without surrounding the plurality of second unbonded laminates with a cylindrical die for discharge plasma sintering. The method for manufacturing a laminated material for an insulating substrate according to claim 15 or 16, wherein the bonding is performed simultaneously by a bonding method.
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