JP5940589B2 - 積層体、及びパワーモジュール - Google Patents
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Description
本発明は、複数種類の金属からなる複合材、該複合材を含む積層体、及び該複合材が適用されたパワーモジュールに関する。
従来、産業用、自動車用などの電力制御からモータ制御まで、幅広い分野に使用される省エネルギー化のキーデバイスとして、パワーモジュールが知られている。図１３は、従来のパワーモジュールを模式的に示す断面図である。図１３に示すように、パワーモジュール９は、セラミックス等からなる絶縁基材９１の一方の面に回路層９２及び半田９３を介して半導体チップ９４を配設し、他方の面に金属層９５を形成した基板９６を、金属板からなる緩衝層９７を介して冷却器（放熱器）９８を配設した装置である。このようなパワーモジュール９においては、半導体チップ９４から発生した熱を、金属層９５及び緩衝層９７を介して冷却器９８に移動させて外部に放熱することにより、冷却を行うことができる。
緩衝層９７は、絶縁基材９１と冷却器９８との間の熱応力を緩和するために配設されている。このため、緩衝層９７の材料としては通常、低膨張性及び高熱伝導性の金属、具体的には銅タングステンや銅モリブデンなどの複合材料が用いられる。また、特許文献１には、第１の材料（Ｃｕ）と、該第１の材料よりも熱膨張係数の小さい第２の材料（Ｓｉ、Ａｌ2Ｏ3、ＳｉＣ、Ｓｉ3Ｎ4、ＳｉＯ2、ＡｌＮ、Ｗ、Ｍｏ、インバー合金など）とを含み、コールドスプレー法により形成された下敷き導電部材を、金属配線と半導体チップとの間に設けたパワーモジュールが開示されている。
コールドスプレー法とは、材料の粉末を、融点又は軟化点以下の状態の不活性ガスとともに末広（ラバル）ノズルから噴射し、固相状態のまま基材に衝突させることにより、基材の表面に皮膜を形成する方法である。コールドスプレー法においては、溶射法と比較して低い温度で加工が行われるので、熱応力の影響が緩和される。そのため、相変態がなく酸化も抑制された金属皮膜を得ることができる。特に、基材及び皮膜となる材料がともに金属である場合、金属材料の粉末が基材（又は先に形成された皮膜）に衝突した際に粉末と基材との間で塑性変形が生じてアンカー効果が得られると共に、互いの酸化皮膜が破壊されて新生面同士による金属結合が生じるので、密着強度の高い積層体を得ることができる。
例えば非特許文献１には、銅とタングステンの複合材をコールドスプレー法により形成する技術が開示されている。また、非特許文献２には、パワーモジュールの一部をコールドスプレー法により形成する技術が開示されている。
カン（Hyun-Ki Kang）、他、「Tungsten/Copper composite deposit produced by a cold spray」、スクリプタ マテリアリア（Scripta Materialia）４９（２００３年）、第１１６９〜１１７４頁
オスターヴァルト（Osterwald）、他、「Sprayed Stress Reducing Interlayers for Highly Reliable Large Solder Joints」、［２０１３年１２月１１日検索］、インターネット＜http://www.danfoss.com/NR/rdonlyres/522FBBBC-EA80-4CEE-8BCC-361026167619/0/InterlayersforHighlyReliableLargeSolderJoints＿PCIM2007.pdf＞
しかしながら、緩衝層９７の材料として用いられる銅タングステンなどの複合材料は高価であるため、パワーモジュール９のサイズが大きくなるとコストが大幅に上昇してしまう。また、特許文献１においては下敷き導電部材による熱応力の緩和作用にしか着目しておらず、熱応力の緩和と熱抵抗の抑制とを両立可能な材料は従来知られていない。そのため、パワーモジュールの緩衝層に好適な低熱膨張性及び高熱伝導性を有する新たな材料の開発が望まれている。
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、パワーモジュールの緩衝層に好適な低熱膨張性及び高熱伝導性を有する複合材、該複合材を含む積層体、及び、該複合材が適用されたパワーモジュールを提供することを目的とする。
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係る複合材は、銅の粉末と、クロム、チタン、及びタングステンカーバイドのいずれかからなる添加材の粉末とを混合した混合粉末をガスと共に加速し、基材の表面に固相状態のままで吹き付けて堆積させることによって形成されたことを特徴とする。
上記複合材は、純銅に対する熱伝導率比が５０％以上であり、熱膨張率が７．５×１０-6／Ｋ以上１６．６×１０-6／Ｋ未満であることを特徴とする。
上記複合材において、前記添加材はクロムであり、前記クロムの体積含有率が０％より多く５５％未満であることを特徴とする。
上記複合材において、前記添加材はチタンであり、前記チタンの体積含有率が０％より多く３５％未満であることを特徴とする。
上記複合材において、前記添加材はタングステンカーバイドであり、前記タングステンカーバイドの体積含有率が０％より多く２０％未満であることを特徴とする。
本発明に係る積層体は、前記複合材と、前記基材と、を備えることを特徴とする。
本発明に係るパワーモジュールは、一方の面に半導体素子が実装された基板と、前記基板の他方の面を前記基材の表面として形成された前記複合材と、平板状をなす基部と、該基部の一方の面に設けられた冷却部と、を有し、前記基部の他方の面において前記複合材と接着された冷却器と、を備えることを特徴とする。
本発明に係るパワーモジュールは、平板状をなす基部と、該基部の一方の面に設けられた冷却部と、を有する冷却器と、前記基部の他方の面を前記基材の表面として形成された前記複合材と、一方の面に半導体素子が実装され、他方の面において前記複合材に接着された基板と、を備えることを特徴とする。
本発明によれば、銅に、クロム、チタン、及びタングステンカーバイドのいずれかが添加された複合材を所謂コールドスプレー法によって形成するので、パワーモジュールの緩衝層に好適な低熱膨張性及び高熱伝導性を有する複合材を作製することが可能となる。
以下、本発明を実施するための形態を、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、以下の実施の形態により本発明が限定されるものではない。また、以下の説明において参照する各図は、本発明の内容を理解し得る程度に形状、大きさ、及び位置関係を概略的に示してあるに過ぎない。即ち、本発明は各図で例示された形状、大きさ、及び位置関係のみに限定されるものではない。
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１に係るパワーモジュールの構造を示す断面図である。
図１に示すパワーモジュール１は、基板１０と、該基板１０と緩衝層１１を介して配設された冷却器（放熱器）１２とを備える。このようなパワーモジュール１においては、半導体チップ１６から発生した熱を、金属層１７及び緩衝層１１を介して冷却器１２に移動させることにより、外部に放熱する。
図１は、本発明の実施の形態１に係るパワーモジュールの構造を示す断面図である。
図１に示すパワーモジュール１は、基板１０と、該基板１０と緩衝層１１を介して配設された冷却器（放熱器）１２とを備える。このようなパワーモジュール１においては、半導体チップ１６から発生した熱を、金属層１７及び緩衝層１１を介して冷却器１２に移動させることにより、外部に放熱する。
基板１０は、平板状をなす絶縁基材１３の一方の面に形成された回路層１４と、該回路層１４に半田１５を介して配設された半導体チップ１６と、絶縁基材１３の他方の面に形成された金属層１７とを有する。
絶縁基材１３は、例えば、窒化アルミニウム、窒化ケイ素等の窒化物系セラミックスや、アルミナ、マグネシア、ジルコニア、ステアタイト、フォルステライト、ムライト、チタニア、シリカ、サイアロン等の酸化物系セラミックスといった絶縁性材料からなる略板状の部材である。
回路層１４は、例えば銅等の良好な電気伝導度を有する金属又は合金からなる金属層である。この回路層１４には、半導体チップ１６等に対して電気信号を伝達するための回路パターンが形成されている。
半導体チップ１６は、ダイオード、トランジスタ、ＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）等の半導体素子によって実現される。なお、半導体チップ１６は、使用の目的に合わせて回路層１４上に複数個設けられても良い。
金属層１７は、例えば銅等の良好な電気伝導度を有する金属又は合金からなり、半導体チップ１６及び回路層１４において発生した熱を緩衝層１１及び冷却器１２に伝熱するために設けられている。
緩衝層１１は、銅に対し、クロムと、チタンと、タングステンカーバイドとのいずれかを添加した複合材からなり、基板１０の金属層１７側に、所謂コールドスプレー法により直接形成されている。
緩衝層１１には、基板１０において発生した熱を効率良く冷却器１２に伝導させるための高熱伝導率、及び、絶縁基材１３との熱膨張率の差に起因する熱応力の発生を抑制するための低熱膨張率といった特性が要求される。具体的には、純銅に対する熱伝導率比が５０％〜１００％程度であることが好ましい。また、熱膨張率としては、半導体チップ１６が実装される基板１０の熱膨張率（例えば、４．０〜７．５×１０-6／Ｋ）と冷却器１２の熱膨張率（アルミニウムの場合、２３．６×１０-6／Ｋ）との中間的な値であることが好ましく、具体的には、７．５×１０-6／Ｋ以上１６．６×１０-6／Ｋ未満である。このような特性を実現するため、実施の形態１においては、緩衝層１１における母材（銅）に対し、クロム、チタン、又はタングステンカーバイドを添加した複合材を用いている。各添加材を用いた複合材の特性については後述する。
このような緩衝層１１は、基板１０と反対側の面（図１においては下面）において、伝熱シート１８を介して冷却器１２と接着されている。冷却器１２は、アルミニウムやアルミニウム合金等の良好な熱伝導性を有する金属又は合金からなり、平板状をなす基部１２ａと、該基部１２ａの裏面（図１においては下面）に設けられた板状をなす複数の冷却部（冷却フィン）１２ｂとを有する。このような冷却器１２を介して、半導体チップ１６から発生した熱が絶縁基材１３を介して外部に放出される。
伝熱シート１８は、良好な熱伝導性及び電気絶縁性を有するシート状部材の両面に粘着材を配置した材料である。なお、伝熱シート１８の代わりに、ゲル状のシート部材やグリスを用いて緩衝層１１と冷却器１２とを接着しても良い。
次に、パワーモジュール１の製造方法について説明する。図２は、パワーモジュール１の製造方法を示すフローチャートである。
まず、工程Ｓ１において、基板１０を作製する。即ち、絶縁基材１３の一方の面に回路層１４を、他方の面に金属層１７をろう付法により形成し、エッチング法により回路パターンを形成する。なお、ろう付法の代わりに、後述するコールドスプレー法を用いて回路層１４や金属層１７を形成しても良い。半導体チップ１６は半田等を用いて回路層１４上に実装される。
まず、工程Ｓ１において、基板１０を作製する。即ち、絶縁基材１３の一方の面に回路層１４を、他方の面に金属層１７をろう付法により形成し、エッチング法により回路パターンを形成する。なお、ろう付法の代わりに、後述するコールドスプレー法を用いて回路層１４や金属層１７を形成しても良い。半導体チップ１６は半田等を用いて回路層１４上に実装される。
続く工程Ｓ２において、緩衝層１１の材料となる混合粉末を調製する。即ち、所定の中心粒径をそれぞれ有する銅の粉末及び添加材の粉末を用意し、予め設定された混合比率となるように両者を秤量して混合する。粉末の混合方法は特に限定されず、本実施の形態１においては、乾式混合法（ドライブレンド法）によって混合する。
銅の粉末及び添加材の粉末の粒径については、コールドスプレー法に適用可能な粒径（例えば５〜１００μｍ程度）であれば特に限定されない。粉末の調製方法については、後で詳しく説明する。
続く工程Ｓ３において、コールドスプレー法により、工程Ｓ１において作製した基板１０の金属層１７側に緩衝層１１を形成する。図３は、コールドスプレー装置の構成例を示す模式図である。図３に示すコールドスプレー装置１００は、圧縮ガスを加熱するガス加熱器１０１と、皮膜の材料の粉末を収容してスプレーガン１０３に供給する粉末供給装置１０２と、スプレーガン１０３に供給された材料の粉末を、加熱された圧縮ガスと共に基材１１０に向けて噴射するガスノズル１０４と、ガス加熱器１０１及び粉末供給装置１０２に対する圧縮ガスの供給量をそれぞれ調節するバルブ１０５及び１０６とを備える。
圧縮ガスとしては、ヘリウム、窒素、空気などが使用される。ガス加熱器１０１に供給された圧縮ガスは、材料の粉末の融点よりも低い範囲の温度に加熱された後、スプレーガン１０３に供給される。圧縮ガスの加熱温度は、好ましくは３００〜１０００℃である。
一方、粉末供給装置１０２に供給された圧縮ガスは、粉末供給装置１０２内の材料粉末をスプレーガン１０３に所定の吐出量となるように供給する。
加熱された圧縮ガスは、末広形状をなすガスノズル１０４を通過することにより超音速流（約３４０ｍ／ｓ以上）となって噴射される。この際の圧縮ガスのガス圧力は、１〜５ＭＰａ程度とすることが好ましい。圧縮ガスの圧力をこの程度に調整することにより、基材１１０に対する皮膜１１１の密着強度の向上を図ることができるからである。より好ましくは、２〜５ＭＰａ程度の圧力で処理すると良い。
このようなコールドスプレー装置１００において、基材１１０として、基板１０の金属層１７側をスプレーガン１０３に向けて配置すると共に、工程Ｓ２において調製した混合粉末を粉末供給装置１０２に投入し、ガス加熱器１０１及び粉末供給装置１０２への圧縮ガスの供給を開始する。それにより、スプレーガン１０３に供給された混合粉末が、この圧縮ガスの超音速流の中に投入されて加速され、スプレーガン１０３から噴射される。この混合粉末が、固相状態のまま基材１１０（金属層１７）に高速で衝突して堆積することにより、皮膜１１１が形成される。そして、この皮膜１１１を所望の厚さとなるまで堆積させることで、緩衝層１１が形成される。
なお、コールドスプレー法による成膜装置としては、材料の粉末を基材１１０に向けて固相状態で衝突させて皮膜を形成できる装置であれば、図３に示すコールドスプレー装置１００の構成に限定されるものではない。
続く工程Ｓ４において、伝熱シート１８を介して、工程Ｓ３において形成した緩衝層１１に冷却器１２を貼り付ける。それにより、図１に示すパワーモジュール１が完成する。
次に、工程Ｓ２における混合粉末の調製方法を詳しく説明する。
本願発明者は、緩衝層１１として好適な高熱伝導率及び低熱膨張率を有し、且つ、容易に作製することができる複合材を探索するため、銅に対して種々の材料を添加した混合粉末を用いてコールドスプレー法により皮膜を形成する実験を実施した。図４は、母材である銅及び添加材として用いた材料の特性を示す表である。併せて、図４の右端に、基材（図１に示す絶縁基材１３）として用いる窒化ケイ素の特性を示す。
本願発明者は、緩衝層１１として好適な高熱伝導率及び低熱膨張率を有し、且つ、容易に作製することができる複合材を探索するため、銅に対して種々の材料を添加した混合粉末を用いてコールドスプレー法により皮膜を形成する実験を実施した。図４は、母材である銅及び添加材として用いた材料の特性を示す表である。併せて、図４の右端に、基材（図１に示す絶縁基材１３）として用いる窒化ケイ素の特性を示す。
具体的には、以下の実験（１）〜（３）を行った。
実験（１）：銅の粉末と添加材の粉末との混合比率を種々の比率で混合し、コールドスプレー法により、５０ｍｍ角×３ｍｍ厚のアルミニウム基材（Ａ１０５０）上に１０ｍｍの皮膜を形成した。銅の粉末としては、水アトマイズ法で作製した中心粒径２５μｍの粉末を用い、乾式混合法により添加材の粉末と混合した。銅の粉末と添加材の粉末との混合比率は、銅：添加材＝２０：８０、５０：５０、及び８０：２０の３種類とした。また、コールドスプレー条件としては、圧縮ガスの温度を８００℃とし、ガス圧力を３ＭＰａとした。
実験（１）：銅の粉末と添加材の粉末との混合比率を種々の比率で混合し、コールドスプレー法により、５０ｍｍ角×３ｍｍ厚のアルミニウム基材（Ａ１０５０）上に１０ｍｍの皮膜を形成した。銅の粉末としては、水アトマイズ法で作製した中心粒径２５μｍの粉末を用い、乾式混合法により添加材の粉末と混合した。銅の粉末と添加材の粉末との混合比率は、銅：添加材＝２０：８０、５０：５０、及び８０：２０の３種類とした。また、コールドスプレー条件としては、圧縮ガスの温度を８００℃とし、ガス圧力を３ＭＰａとした。
そして、形成した皮膜における銅の体積含有率を測定し、混合粉末における銅の体積含有率と、皮膜における銅の体積含有率との相関を求めた。皮膜における銅の体積含有率は、皮膜表面のＳＥＭ画像に対して画像解析を行い、銅の領域の面積と添加材の領域の面積とを比較することにより算出した。
実験（２）：実験（１）と同様にして厚さ１０ｍｍの皮膜を形成し、この皮膜から２ｍｍ角×４０ｍｍ厚の試験片を放電ワイヤー法により切り出し、四端子法により導電率を測定した。該測定結果より、皮膜における銅の体積含有率と導電率との相関を求めた。
実験（３）：実験（１）と同様にして厚さ１０ｍｍの皮膜を形成し、この皮膜から２ｍｍ角×１５ｍｍ厚の試験片を放電ワイヤー法により切り出し、皮膜の堆積方向と直交する方向における熱膨張率を測定した。該測定結果より、皮膜における銅の体積含有率と熱膨張率との相関を求めた。
図５Ａ〜図５Ｃは、中心粒径が約２５μｍのクロム（Ｃｒ）の粉末を添加材として用いた場合の実験（１）〜（３）の結果をそれぞれ示すグラフである。このうち、図５Ａの横軸は、成膜前の混合粉末における銅の体積含有率［vol％］を示し、縦軸は、成膜後の皮膜における銅の体積含有率［vol％］を示す。
また、図５Ｂの横軸は、皮膜における銅の体積含有率［vol％］を示し、縦軸は、純銅に対する導電率比［％］を示す。ここで、純銅に対する導電率比は、純銅に対する熱伝導率比に対応するため、以下においては、導電率比により熱伝導率比を評価する。図５Ｂには併せて、銅の体積含有率に対する熱伝導率比の理論値も表示している。この理論値は、次式（１）により算出されたものである。
式（１）における各符号は、以下の値を示す。
１−Φ：複合材における添加材の体積含有率
λc：複合材における熱伝導率
λm：母材（銅）の熱伝導率（銅の場合、λm＝３９７Ｗ／ｍ・Ｋ）
λa：添加材の熱伝導率
クロムの場合、添加材の熱伝導率λaは９３．９Ｗ／ｍ・Ｋである。
１−Φ：複合材における添加材の体積含有率
λc：複合材における熱伝導率
λm：母材（銅）の熱伝導率（銅の場合、λm＝３９７Ｗ／ｍ・Ｋ）
λa：添加材の熱伝導率
クロムの場合、添加材の熱伝導率λaは９３．９Ｗ／ｍ・Ｋである。
また、図５Ｃの横軸は、皮膜における銅の体積含有率［vol％］を示し、縦軸は、熱膨張率（ＣＴＥ）［×１０-6／Ｋ］を示す。図５Ｃには併せて、銅の体積含有率に対する熱膨張率の理論値も表示している。この理論値は、次式（２）によって与えられるターナー（Ｔｕｒｎｅｒ）則に従って算出されたものである。
αc＝（ｖmＥmαm＋ｖaＥaαa）／（ｖmＥm＋ｖaＥa） …（２）
αc＝（ｖmＥmαm＋ｖaＥaαa）／（ｖmＥm＋ｖaＥa） …（２）
式（２）における各符号は、以下の値を示す。
αc：複合材における熱膨張率
ｖm：母材（銅）の体積含有率
Ｅm：母材のヤング率（銅の場合、Ｅm＝１２０ＧＰａ）
αm：母材の熱膨張率（銅の場合、αm＝１６．６×１０-6／Ｋ）
ｖa：添加材の体積含有率
Ｅa：添加材のヤング率
αa：添加材の熱膨張率
クロムの場合、添加材のヤング率Ｅaは２７９ＧＰａであり、添加材の熱膨張率αaは４．９×１０-6／Ｋである。
αc：複合材における熱膨張率
ｖm：母材（銅）の体積含有率
Ｅm：母材のヤング率（銅の場合、Ｅm＝１２０ＧＰａ）
αm：母材の熱膨張率（銅の場合、αm＝１６．６×１０-6／Ｋ）
ｖa：添加材の体積含有率
Ｅa：添加材のヤング率
αa：添加材の熱膨張率
クロムの場合、添加材のヤング率Ｅaは２７９ＧＰａであり、添加材の熱膨張率αaは４．９×１０-6／Ｋである。
図５Ａに示すように、混合粉末における銅の体積含有率に対し、皮膜においては銅の体積含有率が若干多くなっていた。これは、コールドスプレー法で皮膜を形成した場合、クロムの粉末が皮膜に若干入り込み難いためと考えられる。しかしながら、混合粉末における銅の体積含有率と皮膜における銅の体積含有率との間には概ねリニアな関係が見られるので、粉末の状態における銅とクロムとの混合比率を調節することにより、皮膜における銅とクロムとの比率を制御することは可能である。
図５Ｂに示すように、銅の体積含有率に対する導電率比の実測値は、熱伝導率比の理論値に概ね沿った傾向を示していた。従って、皮膜における銅とクロムとの比率を調節することにより、導電率比（即ち、熱伝導率）を制御できるといえる。例えば、銅の体積含有率を約４５％以上（クロムの比率を５５％未満）とすることで、導電率比を緩衝層１１に好適な５０％以上とすることができる。
図５Ｃに示すように、銅の体積含有率に対する熱膨張率（ＣＴＥ）の実測値は、理論値に対して乖離してしまった。しかしながら、実測値においても、皮膜における銅の体積含有率に対する熱膨張率に一定の関係が見られることから、銅の体積含有率を調節することにより熱膨張率を制御することは可能であるといえる。また、緩衝層１１に好適な７．５×１０-6／Ｋ以上１６．６×１０-6／Ｋ未満という熱膨張率は、銅とクロムの比率によらず実現することができる。
従って、上記緩衝層１１として好ましい特性（熱伝導率及び熱膨張率）を両立させるためには、皮膜における銅の体積含有率を約４５％以上１００％未満（クロムを０％より多く５５％未満）とすれば良い。さらに、図５Ａに示す実験結果を考慮すると、上記好ましい特性を有する皮膜をコールドスプレー法により形成するためには、混合粉末における銅の体積含有率を約１５％以上１００％未満（クロムを０％より多く８５％未満）にすれば良い。
図６Ａ〜図６Ｃは、中心粒径が約２５μｍのチタン（Ｔｉ）の粉末を添加材として用いた場合の実験（１）〜（３）の結果をそれぞれ示すグラフである。このうち、図６Ｂに示す理論値は、式（１）において、添加材の熱伝導率λaを２１．９Ｗ／ｍ・Ｋとして算出したものである。また、図６Ｃに示す理論値は、式（２）において、添加材のヤング率Ｅaを１０６ＧＰａとし、添加材の熱膨張率αaを８．６×１０-6／Ｋとして算出したものである。
図６Ａに示すように、混合粉末における銅の体積含有率に対し、皮膜においては銅の体積含有率が若干少なくなっていた。これは、コールドスプレー法で皮膜を形成した場合、チタンの粉末が皮膜に入り込み易いことを示している。また、混合粉末における銅の体積含有率と皮膜における銅の体積含有率との間には概ねリニアな関係が見られるので、粉末の状態における銅とチタンとの混合比率を調節することにより、皮膜における銅とチタンとの比率を制御できることがわかる。
図６Ｂに示すように、銅の体積含有率に対する導電率比の実測値は、熱伝導率の理論値に概ね沿った傾向を示していた。従って、皮膜における銅とチタンとの体積含有率を調節することにより、導電率比を制御できるといえる。例えば、銅の体積含有率を約６５％以上（チタンを３５％未満）とすることで、導電率比を緩衝層１１に好適な５０％以上とすることができる。
図６Ｃに示すように、銅の体積含有率に対する熱膨張率の実測値は、理論値に概ね沿った傾向を示していた。従って、皮膜における銅とチタンとの比率を調節することにより、熱膨張率を制御できるといえる。例えば、銅の体積含有率を１００％未満（チタンを約０％より多く）とすることで、熱膨張率を緩衝層１１に好適な７．５×１０-6／Ｋ以上１６．６×１０-6／Ｋ未満とすることができる。
従って、上記緩衝層１１として好ましい特性を両立させるためには、皮膜における銅の体積含有率を約６５％以上１００％未満（チタンを約０％より多く３５％未満）とすれば良い。さらに、図６Ａに示す実験結果を考慮すると、上記好ましい特性を有する皮膜をコールドスプレー法により形成するためには、混合粉末における銅の体積含有率を約７５％以上１００％未満（チタンを０％より多く２５％未満）にすれば良い。
図７Ａ〜図７Ｃは、中心粒径が約４．３μｍのタングステンカーバイド（ＷＣ）の粉末を添加材として用いた場合の実験（１）〜（３）の結果をそれぞれ示すグラフである。このうち、図７Ｃに示す理論値は、式（２）において、添加材のヤング率Ｅaを７８０ＧＰａとし、添加材の熱膨張率αaを５．２×１０-6／Ｋとして算出したものである。なお、添加材が金属又は合金でない場合、皮膜の純銅に対する導電率比と純銅に対する熱伝導率比とが対応しないため、図７Ｂには、熱伝導率比の理論値を記載していない。
図７Ａに示すように、混合粉末における銅の体積含有率に対し、皮膜においては銅の体積含有率が若干多くなっていた。これは、コールドスプレー法で皮膜を形成した場合、タングステンカーバイドの粉末が皮膜に若干入り込み難いためと考えられる。しかしながら、混合粉末における銅の体積含有率と皮膜における銅の体積含有率との間には概ねリニアな関係が見られるので、粉末の状態における銅とタングステンカーバイドとの混合比率を調節することにより、皮膜における銅とタングステンカーバイドとの比率を制御することは可能である。
図７Ｂに示すように、銅の体積含有率に対する導電率比の実測値は、熱伝導率比の理論値から乖離してしまった。しかしながら、実測値においても、銅の体積含有率に対する導電率比に一定の関係が見られることから、銅とタングステンカーバイドとの比率を調節することにより、皮膜の導電率比を制御することは可能である。例えば、銅の体積含有率を約８０％以上１００％未満（タングステンカーバイドを０％より多く約２０％未満）とすることで、導電率比を緩衝層１１に好適な５０％以上とすることができる。
図７Ｃに示すように、銅の体積含有率に対する熱膨張率の実測値は、理論値から乖離してしまった。しかしながら、実測値においても、銅の体積含有率に対する熱膨張率に一定の関係が見られることから、銅とタングステンカーバイドとの比率を調節することにより、皮膜の熱膨張率を制御できるといえる。また、銅の体積含有率が７０％以上１００％未満である場合（タングステンカーバイドが０％より多く３０％未満の場合）、緩衝層１１に好適な７．５×１０-6／Ｋ以上１６．６×１０-6／Ｋ未満が満たされている。
従って、上記緩衝層として好ましい特性を両立させるためには、皮膜における銅の体積含有率を約８０％以上１００％未満（タングステンカーバイドを約０％より多く２０％未満）とすれば良い。さらに、図７Ａに示す実験結果を考慮すると、上記好ましい特性を有する皮膜をコールドスプレー法により形成するためには、混合粉末における銅の体積含有率を約６０％以上（タングステンカーバイドを約４０％未満）にすれば良い。
図８Ａ及び図８Ｂは、中心粒径が約３０μｍのアルミナ（Ａｌ2Ｏ3）の粉末を添加材として用いた場合の実験（１）及び（３）の結果をそれぞれ示すグラフである。このうち、図８Ｂに示す理論値は、式（２）において、添加材のヤング率Ｅaを３８０ＧＰａとし、添加材の熱膨張率αaを７．２×１０-6／Ｋとして算出したものである。なお、添加材が金属又は合金でない場合、皮膜の純銅に対する導電率比と純銅に対する熱伝導率比とが対応しないため、導電率比（熱伝導率比）の評価は行っていない。
図８Ａに示すように、混合粉末における銅の体積含有率に対し、皮膜における銅の体積含有率が多くなっていた。これは、コールドスプレー法で皮膜を形成する場合、アルミナの粉末が皮膜に入り込み難いことを示している。従って、皮膜においてアルミナの体積含有率を多く（例えば３０％以上に）する、或いは、混合粉末における銅とアルミナとの混合比率によって皮膜における両者の比率を制御することは困難といえる。
図８Ｂに示すように、実験データの範囲では、緩衝層１１に好適な熱膨張率（７．５×１０-6／Ｋ以上１６．６×１０-6／Ｋ未満）を得ることはできなかった。また、銅の体積含有率に対する熱膨張率の実測値は、理論値から乖離していたため、銅とアルミナとの比率を調節することにより、皮膜の熱膨張率を制御することも困難といえる。
図９Ａ及び図９Ｂは、中心粒径が約３０μｍの炭化ケイ素（ＳｉＣ）の粉末を添加材として用いた場合の実験（１）及び（３）の結果をそれぞれ示すグラフである。このうち、図９Ｂに示す理論値は、式（２）において、添加材のヤング率Ｅaを４５０ＧＰａとし、添加材の熱膨張率αaを４．４×１０-6／Ｋとして算出したものである。
図９Ａに示すように、混合粉末における銅の体積含有率に対し、皮膜においては銅の体積含有率が多くなっていた。これは、コールドスプレー法で皮膜を形成する場合、炭化ケイ素の粉末が皮膜に入り込み難いことを示している。従って、皮膜において炭化ケイ素の体積含有率を多く（例えば２０％以上に）する、或いは、混合粉末における銅と炭化ケイ素との混合比率によって皮膜における両者の比率を制御することは困難である。
図９Ｂに示すように、実験データの範囲では、緩衝層１１に好適な熱膨張率（７．５×１０-6／Ｋ以上１６．６×１０-6／Ｋ未満）を得ることはできなかった。また、銅の体積含有率に対する熱膨張率の実測値は、理論値から乖離していたため、銅の炭化ケイ素との比率を調節することにより、皮膜の熱膨張率を制御することも困難といえる。
図１０Ａ及び図１０Ｂは、中心粒径が約２５μｍの炭素（Ｃ）の粉末を添加材として用いた場合の実験（１）及び（３）の結果をそれぞれ示すグラフである。このうち、図１０Ｂに示す理論値は、式（２）において、添加材のヤング率Ｅaを１５ＧＰａとし、添加材の熱膨張率αaを４．４×１０-6／Ｋとして算出したものである。
図１０Ａに示すように、混合粉末における銅の体積含有率に対し、皮膜における銅の体積含有率が多くなっていた。これは、コールドスプレー法で皮膜を形成する場合、炭素の粉末が皮膜に入り込み難いことを示している。従って、皮膜において炭素の体積含有率を多く（例えば１０％以上に）する、或いは、混合粉末における銅と炭素との混合比率によって皮膜における両者の比率を制御することは困難である。
図１０Ｂに示すように、実験データの範囲では、緩衝層１１に好適な熱膨張率（７．５×１０-6／Ｋ以上１６．６×１０-6／Ｋ未満）を得ることはできなかった。また、図１０Ａに示す実験結果を考慮すると、そもそも、皮膜における銅と炭素との比率を制御することが困難であるので、皮膜の熱膨張率を制御することも困難といえる。
これらの実験結果から、緩衝層１１に好適な熱伝導率及び熱膨張率を有する皮膜を形成するためには、添加材としてクロム、チタン、又はタングステンカーバイドを用いることが好ましいことがわかる。より詳細には、添加材としてクロムを用いる場合には、皮膜における添加材の体積含有率を０％より多く５５％未満にすると良い。また、添加材としてチタンを用いる場合には、皮膜における添加材の体積含有率を０％より多く３５％未満にすると良い。さらに、添加材としてタングステンカーバイドを用いる場合には、皮膜における添加材の体積含有率を０％より多く２０％未満にすると良い。また、これらの添加材の比率は、混合粉末における銅と添加材との混合比率を調節することにより、制御することができる。
以上説明したように、本実施の形態１によれば、コールドスプレー法を用いることにより、緩衝層１１を基板１０（金属層１７）上に直接形成することができる。そのため、絶縁基材１３と冷却器１２との間における熱応力を緩和することができる。また、従来のパワーモジュールの構成に対し、伝熱シートやグリス等の熱抵抗層を１層省くことができる。従って、基板１０において発生した熱を効率良く放出することができ、且つ耐久性に優れたパワーモジュールを実現することが可能となる。
また、本実施の形態１によれば、銅と、クロム、チタン、又はタングステンカーバイドからなる添加材との混合粉末をコールドスプレー法の材料粉末に適用するので、粉末の混合比率を調節することで、所望の組成比を有する皮膜、言い換えると、所望の熱膨張率や熱伝導率を有する皮膜を容易に形成することができる。また、銅と添加材との粉末の混合比率を調節することにより、皮膜の熱膨張率や熱伝導率を容易に制御することができる。従って、パワーモジュール１における緩衝層１１のように、低熱膨張且つ高熱伝導といった要求される特性等に応じた皮膜を容易に実現することができる。さらに、このような皮膜の組成や特性の制御を、焼結体の場合よりも容易且つ安価に行うことができる。
（実施の形態２）
次に、本発明の実施の形態２について説明する。図１１は、本実施の形態２に係るパワーモジュールの構造を示す断面図である。
図１１に示すパワーモジュール２は、図１に示すパワーモジュール１に対し、緩衝層１１が冷却器１２の表面（図１においては上面）に直接形成されていると共に、伝熱シート１８を介して緩衝層１１が基板１０の金属層１７側に接着されている点が異なる。各部の材料や構成については、実施の形態１と同様である。
次に、本発明の実施の形態２について説明する。図１１は、本実施の形態２に係るパワーモジュールの構造を示す断面図である。
図１１に示すパワーモジュール２は、図１に示すパワーモジュール１に対し、緩衝層１１が冷却器１２の表面（図１においては上面）に直接形成されていると共に、伝熱シート１８を介して緩衝層１１が基板１０の金属層１７側に接着されている点が異なる。各部の材料や構成については、実施の形態１と同様である。
図１２は、パワーモジュール２の製造方法を示すフローチャートである。このうち、工程Ｓ１及びＳ２については、実施の形態１と同様である。
工程Ｓ２に続く工程Ｓ５において、コールドスプレー法により、冷却器１２に緩衝層１１を形成する。即ち、図３に例示するコールドスプレー装置１００において、基材１１０として冷却器１２の基部１２ａの表面（図１１においては上面）をスプレーガン１０３に向けて配置すると共に、工程Ｓ２において調製した混合粉末を粉末供給装置１０２に投入して、皮膜形成を行う。
工程Ｓ２に続く工程Ｓ５において、コールドスプレー法により、冷却器１２に緩衝層１１を形成する。即ち、図３に例示するコールドスプレー装置１００において、基材１１０として冷却器１２の基部１２ａの表面（図１１においては上面）をスプレーガン１０３に向けて配置すると共に、工程Ｓ２において調製した混合粉末を粉末供給装置１０２に投入して、皮膜形成を行う。
続く工程Ｓ６において、伝熱シート１８を介して、工程Ｓ５において形成した緩衝層１１に、工程Ｓ１において作製した基板１０を貼り付ける。それにより、図１１に示すパワーモジュール２が完成する。
このように、本実施の形態２によれば、冷却器１２側に直接緩衝層１１を形成する場合においても、従来のパワーモジュールの構成に対し、伝熱シートやグリス等の熱抵抗層を１層省くことができるので、基板１０において発生した熱を効率良く放出することができ、且つ耐久性に優れたパワーモジュールを実現することが可能となる。
１、２、９ パワーモジュール
１０、９６ 基板
１１、９７ 緩衝層
１２、９８ 冷却器
１２ａ 基部
１２ｂ 冷却部
１３、９１ 絶縁基材
１４、９２ 回路層
１５、９３ 半田
１６、９４ 半導体チップ
１７、９５ 金属層
１８ 伝熱シート
１００ コールドスプレー装置
１０１ ガス加熱器
１０２ 粉末供給装置
１０３ スプレーガン
１０４ ガスノズル
１０５、１０６ バルブ
１１０ 基材
１１１ 皮膜
１０、９６ 基板
１１、９７ 緩衝層
１２、９８ 冷却器
１２ａ 基部
１２ｂ 冷却部
１３、９１ 絶縁基材
１４、９２ 回路層
１５、９３ 半田
１６、９４ 半導体チップ
１７、９５ 金属層
１８ 伝熱シート
１００ コールドスプレー装置
１０１ ガス加熱器
１０２ 粉末供給装置
１０３ スプレーガン
１０４ ガスノズル
１０５、１０６ バルブ
１１０ 基材
１１１ 皮膜
Claims (10)
- 基材と、
銅の粉末と、クロムの粉末とを混合した混合粉末からなり、前記基材との間で塑性変形によるアンカー効果が生じているとともに、前記基材の表面と新生面同士による金属結合が生じており、該表面に密着して積層されてなる複合材と、
を備え、
前記複合材は、
純銅に対する熱伝導率比が５０％以上であり、熱膨張率が７．５×１０ -6 ／Ｋ以上１６．６×１０ -6 ／Ｋ未満であり、前記クロムの体積含有率が０％より多く５５％未満であることを特徴とする積層体。 - 基材と、
銅の粉末と、チタンの粉末とを混合してなる混合粉末からなり、前記基材との間で塑性変形によるアンカー効果が生じているとともに、前記基材の表面と新生面同士による金属結合が生じており、該表面に密着して積層されてなる複合材と、
を備え、
前記複合材は、
純銅に対する熱伝導率比が５０％以上であり、熱膨張率が７．５×１０ -6 ／Ｋ以上１６．６×１０ -6 ／Ｋ未満であり、前記チタンの体積含有率が０％より多く３５％未満であることを特徴とする積層体。 - 基材と、
銅の粉末と、タングステンカーバイドの粉末とを混合してなる混合粉末からなり、前記基材との間で塑性変形によるアンカー効果が生じているとともに、前記基材の表面と新生面同士による金属結合が生じており、該表面に密着して積層されてなる複合材と、
を備えたことを特徴とする積層体。 - 前記複合材は、
純銅に対する熱伝導率比が５０％以上であり、
熱膨張率が７．５×１０-6／Ｋ以上１６．６×１０-6／Ｋ未満であることを特徴とする請求項３に記載の積層体。 - 前記添加材はタングステンカーバイドであり、
前記複合材は、前記タングステンカーバイドの体積含有率が０％より多く２０％未満であることを特徴とする請求項４に記載の積層体。 - 一方の面に半導体素子が実装されている基板と、
銅の粉末と、クロムの粉末とを混合した混合粉末からなり、前記基板の他方の面との間で塑性変形によるアンカー効果が生じているとともに、前記基板の他方の面と新生面同士による金属結合が生じており、該他方の面に密着して積層されてなる複合材と、
平板状をなす基部と、該基部の一方の面に設けられている冷却部と、を有し、前記基部の他方の面において前記複合材と接着されている冷却器と、
を備え、
前記複合材は、
純銅に対する熱伝導率比が５０％以上であり、熱膨張率が７．５×１０ -6 ／Ｋ以上１６．６×１０ -6 ／Ｋ未満であり、前記クロムの体積含有率が０％より多く５５％未満であることを特徴とするパワーモジュール。 - 一方の面に半導体素子が実装されている基板と、
銅の粉末と、チタンの粉末とを混合した混合粉末からなり、前記基板の他方の面との間で塑性変形によるアンカー効果が生じているとともに、前記基板の他方の面と新生面同士による金属結合が生じており、該他方の面に密着して積層されてなる複合材と、
平板状をなす基部と、該基部の一方の面に設けられている冷却部と、を有し、前記基部の他方の面において前記複合材と接着されている冷却器と、
を備え、
前記複合材は、
純銅に対する熱伝導率比が５０％以上であり、熱膨張率が７．５×１０ -6 ／Ｋ以上１６．６×１０ -6 ／Ｋ未満であり、前記チタンの体積含有率が０％より多く３５％未満であることを特徴とするパワーモジュール。 - 一方の面に半導体素子が実装されている基板と、
銅の粉末と、タングステンカーバイドの粉末とを混合した混合粉末からなり、前記基板の他方の面との間で塑性変形によるアンカー効果が生じているとともに、前記基板の他方の面と新生面同士による金属結合が生じており、該他方の面に密着して積層されてなる複合材と、
平板状をなす基部と、該基部の一方の面に設けられている冷却部と、を有し、前記基部の他方の面において前記複合材と接着されている冷却器と、
を備えたことを特徴とするパワーモジュール。 - 前記複合材は、
純銅に対する熱伝導率比が５０％以上であり、
熱膨張率が７．５×１０-6／Ｋ以上１６．６×１０-6／Ｋ未満であることを特徴とする請求項８に記載のパワーモジュール。 - 前記添加材はタングステンカーバイドであり、
前記複合材は、前記タングステンカーバイドの体積含有率が０％より多く２０％未満であることを特徴とする請求項９に記載のパワーモジュール。
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|---|---|---|---|
| JP2014118184A JP5940589B2 (ja) | 2014-06-06 | 2014-06-06 | 積層体、及びパワーモジュール |
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