JP6958441B2 - ヒートシンク付き絶縁回路基板の製造方法 - 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、動作時の発熱量が多いことから、これを搭載する基板としては、例えば窒化アルミニウムや窒化ケイ素などからなるセラミックス基板と、このセラミックス基板の一方の面に導電性の優れた金属板を接合して形成した回路層と、を備えた絶縁回路基板が、従来から広く用いられている。なお、絶縁回路基板としては、セラミックス基板の他方の面に金属板を接合して、金属層を形成したものも提供されている。
そして、絶縁回路基板の他方の面側には、ヒートシンクが接合されており、半導体素子から絶縁回路基板側に伝達された熱を、ヒートシンクを介して外部へ放散する構成とされている。
ここで、ヒートシンクを固相線温度の低いアルミニウム合金で構成した場合には、比較的構造が複雑な形状とすることができ、放熱特性を向上させることができる。また、ヒートシンクを炭化ケイ素質部材中にアルミニウムもしくはアルミニウム合金が充填されたアルミニウム基複合材料で構成した場合には、熱膨張係数が絶縁回路基板に近似することになり、冷熱サイクル負荷時の熱歪を低く抑えることが可能となる。
さらに、ヒートシンクの接合面が、固相線温度が650℃以下のアルミニウム又はアルミニウム合金で構成されているので、要求される性能に適したヒートシンクを構成することができる。
この場合、前記アルミニウム接合層の厚さtaと前記金属層の厚さtbとの比tb/taが0.08以上とされているので、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の厚さが確保され、冷熱サイクル負荷時の熱歪を金属層で吸収することができ、絶縁層の割れ等の発生を抑制することができる。
一方、前記アルミニウム接合層の厚さtaと前記金属層の厚さtbとの比tb/taが40以下とされているので、例えば、金属層とアルミニウム接合層をろう付けした場合、アルミニウム接合層にろう材(液相)が侵食し、粒界が溶融することでアルミニウム接合層の表面(金属層とは反対側の面)に凹凸が生じ、生じた凹凸に起因するボイドがアルミニウム接合層と銅接合材との間に形成されることがないため、アルミニウム接合層と銅接合材とを良好に接合することができる。
この場合、前記金属層と前記アルミニウム接合層との合計厚さが2.0mm以下とされているので、絶縁層とヒートシンクとの間に介在する前記金属層及び前記アルミニウム接合層の合計厚さが必要以上に厚くならず、積層方向の熱抵抗を抑えることができ、放熱特性を確保することができる。
この場合、前記絶縁層に前記金属層を形成する金属層形成工程と前記アルミニウム接合層形成工程とを同時に実施することで、製造工程を省略し、効率良くヒートシンク付き絶縁回路基板を製造することが可能となる。また、絶縁層への熱負荷を低減することができ、絶縁層の劣化を抑制することができる。
この場合、回路層がアルミニウム層と銅層とが積層された構造とされているので、回路層に搭載された発熱体の熱を銅層で面方向に広げることができ、放熱特性を向上させることが可能となる。また、アルミニウム層と銅層との間に、固相線温度が650℃以下のアルミニウム又はアルミニウム合金からなる第2アルミニウム接合層が形成されているので、アルミニウム接合層及び第2アルミニウム接合層を構成するアルミニウム及びアルミニウム合金と、ヒートシンクの接合面を構成するアルミニウム及びアルミニウム合金との固相線温度の差を小さくすることができ、比較的低温条件で固相拡散接合した場合であっても、アルミニウム接合層のAlと銅接合材のCu、銅接合材のCuとヒートシンクの接合面のAl、第2アルミニウム接合層のAlと銅層のCuを十分に拡散させることができ、絶縁回路基板とヒートシンクとを確実に接合することができるとともに、アルミニウム層と銅層とが積層された回路層を形成することができる。
図1に、本発明の実施形態であるヒートシンク付き絶縁回路基板の製造方法によって製造されたヒートシンク付き絶縁回路基板40、及び、このヒートシンク付き絶縁回路基板40を用いたパワーモジュール1を示す。
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。ここで、回路層12の厚さは0.1mm以上2.0mm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。
金属層13を構成するアルミニウム板23として、純度99mass%以上のアルミニウム(2Nアルミニウム)、純度99.9mass%以上のアルミニウム(3Nアルミニウム)、純度99.99mass%以上のアルミニウム(4Nアルミニウム)等を用いることができる。
本実施形態では、金属層13を構成するアルミニウム板23として、純度99.99mass%以上のアルミニウム(4Nアルミニウム)の圧延板が用いられている。
ここで、金属層13の厚さtbは0.1mm以上2.0mm以下の範囲内に設定されており、本実施形態では0.30mmに設定されている。
本実施形態におけるヒートシンク41は、SiCからなる多孔質体とこの多孔質体に含浸された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材とからなるAl−SiC複合材料(いわゆるAlSiC)で構成されている。本実施形態では、SiCからなる多孔質体に含浸させるアルミニウム材としてADC12(固相線温度570℃)を用いている。
ここで、本実施形態では、ヒートシンク本体42の厚さが0.5mm以上5.0mm以下の範囲内とされており、スキン層43の厚さtsはヒートシンク本体42の厚さの0.01倍以上0.1倍以下とすることが好ましい。
なお、アルミニウム接合層31の固相線温度と、ヒートシンク41の接合面(本実施形態ではスキン層43)を構成するアルミニウム合金の固相線温度との温度差が80℃以下とされている。
そして、本実施形態においては、アルミニウム接合層31の厚さtaと金属層13の厚さtbとの比tb/taが0.08以上40以下の範囲内とされている。
また、金属層13とアルミニウム接合層31との合計厚さ(ta+tb)が2.0mm以下とされている。
なお、金属層13とアルミニウム接合層31とは、ろう材を用いた接合や、固相拡散接合等によって接合されている。
ここで、アルミニウム接合層31と銅接合層32、及び、銅接合層32とヒートシンク41(スキン層43)とは、それぞれ固相拡散接合によって接合されている。
まず、図5に示すように、セラミックス基板11の一方の面及び他方の面に、ろう材26,27を介してアルミニウム板22、23を積層する。ここで、ろう材26,27としては、Al−Si系ろう材やAl−Si−Mg系ろう材等を用いることが好ましい。
また、本実施形態では、金属層13となるアルミニウム板23の他方の面側(図5において下側)に、アルミニウム接合層31となるクラッド材51を積層する。このクラッド材51は、A3003合金から成る本体層51aと、A4045合金からなるろう材層51bとを備えており、本体層51aがアルミニウム接合層31となる。ここで、図5に示すように、金属層13となるアルミニウム板23側にろう材層51bが向くように、クラッド材51を積層する。
以上のようにして、本実施形態である絶縁回路基板10及びアルミニウム接合層31が形成される。
次に、図6に示すように、アルミニウム接合層31の他方の面側(図6において下側)に、銅接合材として無酸素銅の圧延板からなる銅板52を介して、ヒートシンク41を積層する。ここで、ヒートシンク41は、スキン層43が銅板52側を向くように積層する。
そして、絶縁回路基板10、アルミニウム接合層31が接合された絶縁回路基板10、銅板52、ヒートシンク41を、積層方向に加圧して加熱し、アルミニウム接合層31と銅板52、銅板52とヒートシンク41(スキン層43)をそれぞれ固相拡散接合する。
ここで、本実施形態では、固相拡散条件として、積層方向の荷重を6kgf/cm2以上35kgf/cm2以下(0.6MPa以上3.5MPa以下)の範囲内とした。接合温度は460℃以上540℃以下の範囲内、好ましくは480℃以上520℃以下の範囲内であるとよい。保持時間は30min以上240min以下の範囲内とした。
以上のような工程により、本実施形態であるヒートシンク付き絶縁回路基板40が製造される。
次に、ヒートシンク付き絶縁回路基板40の回路層12に、はんだ材を介して半導体素子3を積層し、還元炉内において、ヒートシンク付き絶縁回路基板40の回路層12と半導体素子3とを接合する。
以上のようにして、図1に示すパワーモジュール1が製造される。
例えば、本実施形態では、セラミックス基板11として、窒化アルミニウム(AlN)を例に挙げて説明したが、これに限定されることはなく、アルミナ(Al2O3)、窒化珪素(Si3N4)等の他のセラミックスで構成されたものであってもよい。また、絶縁樹脂等を用いてもよい。
さらに、本実施形態では、ヒートシンクを、SiCの多孔質体にADC12からなるアルミニウム材を含浸させたAl−SiC複合材料(いわゆるAlSiC)で構成したものとして説明したが、これに限定されることはなく、ヒートシンクの接合面が、固相線温度が650℃以下のアルミニウム又はアルミニウム合金で構成されていれば、その材質や構造に限定はない。
例えば、図5において、クラッド材51の代わりに、アルミニウム接合層となるアルミニウム板(例えばA3003)と、ろう材箔(例えばA4045)を積層して配置し、アルミニウム接合層を形成してもよい。この場合でも、本実施形態と同様に、回路層及び金属層形成工程S01とアルミニウム接合層形成工程S02とを一括で実施することができる。
あるいは、アルミニウム接合層を固相線温度が510℃以上565℃未満のアルミニウム(例えば、ADC12(固相線温度:528℃)等)で構成する場合には、特開2016−189448号公報に開示されているように、ADC12等に含まれる合金元素を金属層側に拡散させることによって、真空度:10−6Pa以上10−3Pa以下、温度:400℃以上560℃以下、加圧荷重:0.6MPa以上3.5MPa以下の条件で固相拡散接合してもよい。
ここで、回路層及び金属層形成工程S01における接合条件は、真空度を10−6Pa以上10−3Pa以下の範囲内、加圧荷重を0.1MPa以上3.5MPa以下の範囲内、加熱温度を560℃以上655℃以下の範囲内とすることが好ましい。また、ろう材26,27としては、Al−Si系ろう材等を用いることが好ましい。
その後、図6に示すように、ヒートシンク41を接合することにより、ヒートシンク付き絶縁回路基板40が製造される。
なお、このヒートシンク付き絶縁回路基板140においても、金属層13、アルミニウム接合層31、銅接合層32、ヒートシンク41と、を備えている。
図9に示すヒートシンク付き絶縁回路基板140は、以下のようにして製造される。
まず、図11に示すように、セラミックス基板11の一方の面(図11において上面)に、ろう材126を介してアルミニウム層となるアルミニウム板122Aを積層し、さらにアルミニウム板122Aの一方の面にろう材127を介して、第2アルミニウム接合層となるアルミニウム板122Cを積層する。
さらに、セラミックス基板11の他方の面(図11において下面)に、ろう材128を介して、金属層13となるアルミニウム板23を積層し、さらにアルミニウム板23の他方の面にろう材129を介して、アルミニウム接合層となるアルミニウム板51を積層する。
また、アルミニウム層112Aとなるアルミニウム板122A、及び、金属層13となるアルミニウム板23は、例えば純度99.99mass%以上のアルミニウム(4Nアルミニウム)、純度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。
さらに、ろう材126、127、128、129は、Al−Si−Mg系合金で構成されており、その固相線温度が600℃以下であることが好ましい。
ここで、接合条件は、雰囲気を真空とし、加圧荷重を0.1MPa以上3.5MPa以下の範囲内、加熱温度を600℃以上640℃以下の範囲内とすることが好ましい。
次に、図12に示すように、第2アルミニウム接合層112Cの一方の面(図12において上側)に銅層112Bとなる銅板122Bを積層する。また、アルミニウム接合層31の他方の面側(図12において下側)に、銅接合材として無酸素銅の圧延板からなる銅板52を介して、ヒートシンク41を積層する。ここで、ヒートシンク41は、スキン層43が銅板52側を向くように積層して積層体を形成する。
ここで、本実施形態では、固相拡散条件として、積層方向の荷重を6kgf/cm2以上35kgf/cm2以下(0.6MPa以上3.5MPa以下)の範囲内とした。接合温度は460℃以上540℃以下の範囲内、好ましくは480℃以上520℃以下の範囲内であるとよい。保持時間は30min以上240min以下の範囲内とすることが好ましい。
以上のような工程により、図9に示すヒートシンク付き絶縁回路基板140が製造される。
窒化アルミニウム(AlN)からなるセラミックス基板(40mm×40mm×厚さ0.635mm)の一方の面に純度99.99mass%以上のアルミニウム(4Nアルミニウム)からなる回路層(37mm×37mm×厚さ0.4mm)を形成するとともに、セラミックス基板の他方の面に表1に示す材質及び厚みの金属層(37mm×37mm)を形成した。なお、セラミックス基板と回路層及び金属層となるアルミニウム板との接合は、Al−7.5mass%Siろう材箔(厚さ12μm)を用いて、真空雰囲気(3×10−3Pa)、加圧荷重6MPa、加熱温度645℃、保持時間45minの条件で接合した。
アルミニウム接合層がA3003合金で構成されたものは、A3003合金とA4045合金とのクラッド材を用いて、窒素雰囲気で加圧荷重1.2MPa、加熱温度630℃、保持時間45minの条件で接合した。
アルミニウム接合層がADC12で構成されたものは、真空雰囲気(6×10−4Pa)、加熱温度500℃、加圧荷重:20MPaの条件で接合した。
アルミニウム接合層が4N−Alで構成されたものは、金属層とアルミニウム接合層となる4N−Al板の間にAl−7.5mass%Siろう材箔(厚さ12μm)を配し、真空雰囲気(6×10−4Pa)、加熱温度645℃、加圧荷重:6MPaの条件で接合した。
なお、表2においてヒートシンクの材質が4N−Alで構成されたものは、純度99.99mass%以上(4N−Al)のアルミニウム板(50mm×60mm×厚さ5.0mm)を用いた。
ヒートシンク付き絶縁回路基板の金属層に対し、ナノインデンテーション法によりインデンテーション硬度を測定した。測定は10箇所行い、その平均値とした。なお、インデンテーション硬度は、バーコビッチ圧子と呼ばれる稜間角が114.8°以上115.1°以下の三角錐ダイヤモンド圧子を用いて試験荷重を5000mgfとして負荷をかけた際の荷重―変位の相関を計測し、インデンテーション硬度=37.926×10−3×(荷重〔mgf〕÷変位〔μm〕2)の式より求めた。
ヒートシンクを構成するアルミニウム(AlSiCの場合には含侵されているアルミニウム)とアルミニウム接合層を構成するアルミニウムのうち、固相線温度の高いアルミニウムを有する部材と銅接合材との界面の超音波探傷像を、超音波探傷装置(株式会社日立パワーソリューションズ製FineSAT200)を用いて測定し、以下の式から接合率を算出した。
ここで、初期接合面積とは、接合前における接合すべき面積、すなわち銅接合材の面積とした。
(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層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。
接合率が90%以上であった場合を「○」、接合率が90%未満であった場合を「×」と評価した。
ヒートシンク付き絶縁回路基板に対し、−40℃←→150℃の冷熱サイクルを3000サイクル行い、冷熱サイクル後にセラミックス基板を超音波探傷装置によって観察し、割れが認められなかったものを「○」、割れが生じていたものを「×」と評価した。
これに対し、本発明例1〜19では、アルミニウム接合層と銅接合材及びヒートシンクと銅接合材の接合性が高く、セラミックス基板に割れの生じないヒートシンク付絶縁回路基板が得られることが分かった。
次に、窒化ケイ素(Si3N4)からなるセラミックス基板(40mm×40mm×厚さ0.635mm)の一方の面に純度99.99mass%以上のアルミニウム(4Nアルミニウム)からなる回路層(37mm×37mm×厚さ0.4mm)を形成するとともに、セラミックス基板の他方の面に表3に示す材質及び厚みの金属層(37mm×37mm)を形成した。
この絶縁回路基板に、表3に示す材質及び厚みのアルミニウム接合層(37mm×37mm)を形成した。
11 セラミックス基板(絶縁層)
12 回路層
13 金属層
31 アルミニウム接合層
32 銅接合層
40 ヒートシンク付き絶縁回路基板
41 ヒートシンク
43 スキン層(接合面)
52 銅板(銅接合材)
Claims (5)
- 絶縁層の一方の面に回路層が形成されるとともに前記絶縁層の他方の面に金属層が形成された絶縁回路基板と、この絶縁回路基板の前記金属層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き絶縁回路基板の製造方法であって、
前記金属層は、アルミニウム又はアルミニウム合金で構成されており、
前記金属層のインデンテーション硬度が50mgf/μm2未満であり、
前記ヒートシンクは、前記絶縁回路基板との接合面が、固相線温度が650℃以下のアルミニウム又はアルミニウム合金で構成されており、
前記金属層の前記絶縁層とは反対側の面に、固相線温度が650℃以下の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接合層を形成するアルミニウム接合層形成工程と、
前記アルミニウム接合層と前記ヒートシンクの接合面との間に、銅又は銅合金からなる銅接合材を積層し、前記アルミニウム接合層と前記銅接合材、前記銅接合材と前記ヒートシンクとを固相拡散接合することによってヒートシンクを接合するヒートシンク接合工程と、
を備えていることを特徴とするヒートシンク付き絶縁回路基板の製造方法。 - 前記アルミニウム接合層の厚さtaと前記金属層の厚さtbとの比tb/taが、0.08以上40以下の範囲内と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き絶縁回路基板の製造方法。
- 前記金属層と前記アルミニウム接合層との合計厚さが2.0mm以下とされていることを特徴とする請求項1又は請求項2に記載のヒートシンク付き絶縁回路基板の製造方法。
- 前記アルミニウム接合層形成工程は、前記絶縁層に前記金属層を形成する金属層形成工程と同時に実施することを特徴とする請求項1から請求項3のいずれか一項に記載のヒートシンク付き絶縁回路基板の製造方法。
- 前記回路層は、前記絶縁層側に形成されたアルミニウム層と、このアルミニウム層に積層された銅層と、を備えており、このアルミニウム層と銅層との間に、固相線温度が650℃以下のアルミニウム又はアルミニウム合金からなる第2アルミニウム接合層が形成されており、
前記アルミニウム接合層形成工程において、前記アルミニウム接合層と前記第2アルミニウム接合層とを形成することを特徴とする請求項1から請求項4のいずれか一項に記載のヒートシンク付き絶縁回路基板の製造方法。
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