JP6729225B2 - 銅/チタン/アルミニウム接合体、絶縁回路基板、ヒートシンク付き絶縁回路基板、パワーモジュール、ledモジュール、熱電モジュール - Google Patents
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Description
例えば、風力発電、電気自動車、ハイブリッド自動車等を制御するために用いられる大電力制御用のパワー半導体素子は、動作時に発熱量が多いことから、これを搭載する基板として、耐熱性、絶縁性に優れた窒化ケイ素(Si3N4)からなるセラミックス基板(絶縁層)が広く用いられている。
ここで、絶縁回路基板(パワーモジュール用基板)の回路層および金属層として、アルミニウム層と銅層とが積層された接合体を用いることが検討されている。例えば、特許文献1には、回路層及び金属層を、アルミニウム層と銅層とがチタン層を介して接合した構成としたものが提案されている。
例えば、特許文献1においては、金属層がアルミニウム又はアルミニウム合金で構成され、ヒートシンクが銅又は銅合金で構成されており、金属層とヒートシンクとをチタン層を介して接合したヒートシンク付き絶縁回路基板が提案されている。
また、
ここで、上述のように、アルミニウム層と銅層とがチタン層を介して接合した構造を有する絶縁回路基板及びヒートシンク付き絶縁回路基板においては、従来よりも高い温度までの冷熱サイクルを負荷した際に、銅層とチタン層との接合界面において剥離が生じることがあった。
また、前記金属間化合物未形成部の接合界面に沿った長さの合計ΣLiと、前記接合界面の全体長さL0との比ΣLi/L0が0.16以下とされているので、CuとTiを含有する金属間化合物が形成されていない領域の存在比率が小さく、従来よりも高い温度までの冷熱サイクルを負荷した場合においても、金属間化合物未形成部を起点として剥離が生じることを抑制することが可能となる。
また、本発明のパワーモジュールは、前項に記載のヒートシンク付き絶縁回路基板と、前記回路層の一方の面側に接合されたパワー半導体素子と、を備えていることを特徴としている。
また、本発明のLEDモジュールは、前項に記載のヒートシンク付き絶縁回路基板と、前記回路層の一方の面側に接合されたLED素子と、を備えていることを特徴としている。
また、本発明の熱電モジュールは、前項に記載のヒートシンク付き絶縁回路基板と、前記回路層の一方の面側に接合された熱電素子と、を備えていることを特徴としている。
図1に、本発明の第1の実施形態である絶縁回路基板10を用いたパワーモジュール1を示す。なお、本実施形態における接合体は、図1に示す絶縁回路基板10において、アルミニウム部材としてアルミニウム層21及び銅部材として銅層22がチタン層25を介して接合されてなる回路層20、アルミニウム部材としてアルミニウム層31及び銅部材として銅層32がチタン層35を介して接合されてなる金属層30とされている。
ここで、回路層20におけるアルミニウム層21の厚さは、0.1mm以上1.0mm以下の範囲内に設定されており、本実施形態では0.4mmに設定されている。
また、回路層20における銅層22の厚さは、0.1mm以上6.0mm以下の範囲内に設定されており、本実施形態では、1.0mmに設定されている。
ここで、金属層30におけるアルミニウム層31の厚さは、0.1mm以上3.0mm以下の範囲内に設定されており、本実施形態では0.4mmに設定されている。
また、金属層30における銅層32の厚さは、0.1mm以上6.0mm以下の範囲内に設定されており、本実施形態では、1.0mmに設定されている。
アルミニウム層21,31となるアルミニウム板51、61は、純度が99mass%以上のアルミニウム(2Nアルミニウム)で構成されている。すなわち、Siの含有量が0.03mass%以上1.0mass%以下の範囲内とされている。
なお、アルミニウム層21、31とチタン層25、35、チタン層25,35と銅層22、32は、それぞれ固相拡散接合されている。
このAl−Ti−Si層26、36は、アルミニウム層21、31のAl原子と、チタン層25、35のTi原子とが相互拡散することによって形成されたAl3Tiに、アルミニウム層21、31のSiが固溶することにより形成されたものである。
Al−Ti−Si層26、36の厚さは、0.5μm以上10μm以下に設定されており、本実施形態においては3μmとされている。
この金属間化合物相27,37は、銅層22、32のCu原子と、チタン層25、35のTi原子とが相互拡散することによって形成されるものである。
なお、チタン層25、35と銅層22、32との接合界面においては、図2に示すように、上述の金属間化合物相27,37が形成されていない領域(金属間化合物未形成部28,38)が存在することがある。
また、金属間化合物未形成部28、38の接合界面に沿った長さの合計ΣLiと、接合界面の全体長さL0との比ΣLi/L0が0.16以下とされている。
本実施形態においては、チタン層25、35と銅層22、32との接合界面を観察した結果、観察された金属間化合物未形成部28、38の接合界面に沿った長さLiの最大値が20μm以下とされており、観察された金属間化合物未形成部28、38の接合界面に沿った長さの合計ΣLiと、観察視野における接合界面の全体長さL0との比ΣLi/L0が0.16以下とされている。
そして、本実施形態では、接合温度において加圧圧力が上述の範囲内となるように、ホットプレス装置を用いて加圧及び加熱を実施した。
なお、アルミニウム板51、61、チタン材55、65、及び銅板52、62の接合されるそれぞれの面は、予め当該面の傷が除去されて平滑にされた後に、固相拡散接合されている。
上記のようにして、本実施形態である絶縁回路基板10が製造される。
このようにして、本実施形態であるヒートシンク付絶縁回路基板40が製造される。
次いで、回路層20の一方の面(銅層22の表面)に、はんだ材を介してパワー半導体素子3を積層し、還元炉内においてはんだ接合する(パワー半導体素子接合工程S04)。
上記のようにして、本実施形態であるパワーモジュール1が製造される。
また、金属層30における銅層32とチタン層35との接合信頼性に優れていることから、回路層20上に搭載されたパワー半導体素子3からの熱を、金属層30を介してヒートシンク41側へと効率的に放熱することができる。
さらに、アルミニウム層21,31のうちセラミックス基板11が形成された面と反対側の面には、比較的変形抵抗の大きい銅層22、32が形成されているので、冷熱サイクルが負荷された際に回路層20及び金属層30の表面の変形が抑制され、回路層20とパワー半導体素子3を接合する第1はんだ層2、及び、金属層30とヒートシンク41を接合する第2はんだ層42における亀裂の発生を抑制でき、接合信頼性を向上できる。
また、本実施形態においては、アルミニウム板51、61と、チタン材55、65と、銅板52、62との固相拡散接合は、積層方向へ8〜20kgf/cm2の圧力をかけられた状態で630℃以上643℃以下に保持することで行われる構成とされているので、Al原子とTi原子、及びTi原子とCu原子とを相互拡散させ、チタン材25中にAl原子及びCu原子を固相拡散させて固相拡散接合し、アルミニウム板51,61と、チタン材55、65と、銅板52、62を確実に接合することができる。
図5に、本発明の第2の実施形態であるヒートシンク付き絶縁回路基板140を用いたパワーモジュール101を示す。なお、第1の実施形態と同一の部材には、同一の符号を付して詳細な説明を省略する。
また、本実施形態における接合体は、図5に示すヒートシンク付き絶縁回路基板140において、アルミニウム部材である金属層130と、銅部材であるヒートシンク141とが、チタン層145を介して接合されたものである。
なお、金属層130とチタン層145、チタン層145とヒートシンク141は、それぞれ固相拡散接合されている。
このAl−Ti−Si層146は、金属層130のAl原子と、チタン層145のTi原子とが相互拡散することによって形成されたAl3Tiに、金属層130のSiが固溶することにより形成されたものである。
Al−Ti−Si層146の厚さは、0.5μm以上10μm以下に設定されており、本実施形態においては3μmとされている。
この金属間化合物相147は、ヒートシンク141のCu原子と、チタン層145のTi原子とが相互拡散することによって形成されるものである。
なお、チタン層145とヒートシンク141との接合界面においては、図2に示すように、上述の金属間化合物相147が形成されていない領域(金属間化合物未形成部148)が存在することがある。
また、金属間化合物未形成部148の接合界面に沿った長さの合計ΣLiと、観察視野における接合界面の全体長さL0との比ΣLi/L0が0.16以下とされている。
なお、チタン層145とヒートシンク141との接合界面の観察は、第1の実施形態と同様の条件で実施した。
なお、本実施形態においては、アルミニウム板151、161とセラミックス基板11との間には、Al−Si系のろう材箔58,68を介して積層した。
同時に、アルミニウム板161とチタン材165、チタン材165とヒートシンク141とをそれぞれ固相拡散接合する(ヒートシンク接合工程S103)。
そして、本実施形態では、接合温度において加圧圧力が上述の範囲内となるように、ホットプレス装置を用いて加圧及び加熱を実施した。
なお、アルミニウム板161、チタン材165、及びヒートシンク141のそれぞれの接合面は、予め当該面の傷が除去されて平滑にされた後に、固相拡散接合されている。
上記のようにして、本実施形態であるヒートシンク付き絶縁回路基板140が製造される。
上記のようにして、本実施形態であるパワーモジュール101が製造される。
あるいは、図10に示すパワーモジュール301及び絶縁回路基板310のように、金属層330のみが銅又は銅合金からなる銅部材(銅層332)と、アルミニウム又はアルミニウム合金からなるアルミニウム部材(アルミニウム層331)とが、チタン層(335)を介して接合されてなる銅/チタン/アルミニウム接合体で構成されていてもよい。
AlNからなるセラミックス基板(40mm×40mm×0.635mmt)の一方の面及び他方の面に、Al−7mass%Si合金からなるろう材箔(厚さ10μm)を介して純度99mass%以上のアルミニウム(2Nアルミニウム)からなるアルミニウム板(37mm×37mm×0.6mmt)、チタン材(37mm×37mm×0.020mmt)、表1に示すCu板(37mm×37mm×0.3mmt)を順に積層し、積層体を得た。
この構成の加圧治具を用いた場合、加圧治具400のガイドポスト402等の熱膨張により、加熱温度での加圧圧力は表1に示す条件よりも低くなっている。
以上のようにして、従来例の絶縁回路基板を得た。
上述のようにして得られた絶縁回路基板に対して、銅層とチタン層との接合界面の観察を行い、金属間化合物未形成部の接合界面に沿った長さLi、及び、観察視野における接合界面の全体長さL0との比Li/L0を測定した。
本実施例では、絶縁回路基板の断面観察を、EPMA(日本電子株式会社製JXA−8539F)を用いて行い、銅層とチタン層との接合界面を含む領域(縦100μm×横200μm)のCu及びTiの元素MAPを取得し、Cu濃度が5at%以上かつTi濃度が16at%以上70at%以下の領域を金属間化合物相とし、接合界面におけるこれら金属間化合物相の間の領域を金属間化合物未形成部の接合界面に沿った長さLiとした。このような測定を10視野で実施し、金属間化合物未形成部の接合界面に沿った長さLiの最大値、及び、観察された金属間化合物未形成部の接合界面に沿った長さの合計ΣLiと、観察視野における接合界面の全体長さL0との比ΣLi/L0を算出した。評価結果を表2に示す。また、本発明例1におけるEPMA像を図11に示す。
冷熱衝撃試験機(エスペック株式会社製TSA−72ES)を使用し、絶縁回路基板に対して、気相で、−40℃×5分←→175℃×5分の1000サイクルを実施した。
この後、銅層とチタン層との接合率を以下のようにして評価した。なお、接合率の評価は、冷熱サイクル試験前(初期接合率)と冷熱サイクル試験後(サイクル後接合率)に行った。
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、すなわち本実施例では回路層及び金属層の面積(37mm×37mm)とした。
(接合率)={(初期接合面積)−(剥離面積)}/(初期接合面積)
超音波探傷像を二値化処理した画像において剥離は接合部内の白色部で示されることから、この白色部の面積を剥離面積とした。
これらの結果を表2に記載した。
3 パワー半導体素子
10 絶縁回路基板
11 セラミックス基板
20 回路層
30 金属層
21、31 アルミニウム層(アルミニウム部材)
22、32 銅層(銅部材)
25、35 チタン層
27、37 金属間化合物相
28、38 金属間化合物未形成部
101 パワーモジュール
110 絶縁回路基板
130 金属層(アルミニウム部材)
141 ヒートシンク(銅部材)
140 ヒートシンク付き絶縁回路基板
Claims (11)
- 銅又は銅合金からなる銅部材と、アルミニウム又はアルミニウム合金からなるアルミニウム部材とが、チタン層を介して接合されてなる銅/チタン/アルミニウム接合体であって、
前記銅部材と前記チタン層との接合界面には、CuとTiを含有する金属間化合物が形成されており、
前記銅部材と前記チタン層との接合界面において、前記金属間化合物が形成されていない金属間化合物未形成部の接合界面に沿った長さLiの最大値が20μm以下であり、前記金属間化合物未形成部の接合界面に沿った長さの合計ΣLiと、前記接合界面の全体長さL0との比ΣLi/L0が0.16以下であることを特徴とする銅/チタン/アルミニウム接合体。 - セラミックス基板と、前記セラミックス基板の一方の面に形成された回路層と、を備えた絶縁回路基板であって、
前記回路層は、請求項1に記載の銅/チタン/アルミニウム接合体であることを特徴とする絶縁回路基板。 - セラミックス基板と、前記セラミックス基板の一方の面に形成された回路層と、前記セラミックス基板の他方の面に形成された金属層と、を備えた絶縁回路基板であって、
前記金属層は、請求項1に記載の銅/チタン/アルミニウム接合体であることを特徴とする絶縁回路基板。 - セラミックス基板と、前記セラミックス基板の一方の面に形成された回路層と、前記セラミックス基板の他方の面に形成された金属層と、を備えた絶縁回路基板であって、
前記回路層及び前記金属層は、請求項1に記載の銅/チタン/アルミニウム接合体であることを特徴とする絶縁回路基板。 - セラミックス基板と、前記セラミックス基板の一方の面に形成された回路層と、前記セラミックス基板の他方の面に形成された金属層と、前記金属層に接合されたヒートシンクと、を備えたヒートシンク付き絶縁回路基板であって、
前記金属層及び前記ヒートシンクが、請求項1に記載の銅/チタン/アルミニウム接合体であることを特徴とするヒートシンク付き絶縁回路基板。 - 請求項2から請求項4のいずれか一項に記載の絶縁回路基板と、前記回路層の一方の面側に接合されたパワー半導体素子と、を備えていることを特徴とするパワーモジュール。
- 請求項5に記載のヒートシンク付き絶縁回路基板と、前記回路層の一方の面側に接合されたパワー半導体素子と、を備えていることを特徴とするパワーモジュール。
- 請求項2から請求項4のいずれか一項に記載の絶縁回路基板と、前記回路層の一方の面側に接合されたLED素子と、を備えていることを特徴とするLEDモジュール。
- 請求項5に記載のヒートシンク付き絶縁回路基板と、前記回路層の一方の面側に接合されたLED素子と、を備えていることを特徴とするLEDモジュール。
- 請求項2から請求項4のいずれか一項に記載の絶縁回路基板と、前記回路層の一方の面側に接合された熱電素子と、を備えていることを特徴とする熱電モジュール。
- 請求項5に記載のヒートシンク付き絶縁回路基板と、前記回路層の一方の面側に接合された熱電素子と、を備えていることを特徴とする熱電モジュール。
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