JP7135716B2 - 接合体、ヒートシンク付絶縁回路基板、及び、ヒートシンク - Google Patents
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Description
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においては、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(AlN)、アルミナ(Al2O3)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、パワージュール用基板としては、セラミックス基板の他方の面に金属層を形成したものも提供されている。
そして、絶縁回路基板の金属層側には、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。
ところで、特許文献1に記載されたパワーモジュールのように、回路層及び金属層をアルミニウム又はアルミニウム合金で構成した場合には、その表面にAlの酸化皮膜が形成されるため、はんだ材によって半導体素子やヒートシンクを接合することができないといった問題があった。
なお、この特許文献2に示すように、ヒートシンクを放熱板とし、この放熱板を冷却部に締結ネジによってネジ止めする構造のものも提案されている。
ここで、η2相、ζ2相、δ相は、比較的硬いため、冷熱サイクルを負荷した際に、金属化合物層に割れが生じ、熱抵抗が高くなるとともに接合率が低下するといった問題があった。
この場合、マグネシウム酸化物膜によってAl原子の拡散を抑制することができ、金属間化合物が必要以上に成長することを抑制できる。これにより、冷熱サイクルを負荷した際における化合物層の割れの発生をさらに抑制することができる。
この場合、マグネシウム酸化物膜の強度が向上し、接合強度をさらに向上させることが可能となる。
この場合、マグネシウム酸化物膜によってAl原子の拡散を抑制することができ、金属間化合物が必要以上に成長することを抑制できる。これにより、冷熱サイクルを負荷した際における化合物層の割れの発生をさらに抑制することができる。
この場合、マグネシウム酸化物膜の強度が向上し、接合強度をさらに向上させることが可能となる。
この場合、マグネシウム酸化物膜によってAl原子の拡散を抑制することができ、金属間化合物が必要以上に成長することを抑制できる。これにより、冷熱サイクルを負荷した際における化合物層の割れの発生をさらに抑制することができる。
この場合、マグネシウム酸化物膜の強度が向上し、接合強度をさらに向上させることが可能となる。
以下に、本発明の実施形態について、添付した図面を参照して説明する。
図2に、本発明の第一実施形態であるヒートシンク付絶縁回路基板30を用いたパワーモジュール1を示す。
このパワーモジュール1は、ヒートシンク付絶縁回路基板30と、このヒートシンク付絶縁回路基板30の一方の面(図2において上面)にはんだ層2を介して接合された半導体素子3と、を備えている。
ヒートシンク付絶縁回路基板30は、絶縁回路基板10と、絶縁回路基板10に接合されたヒートシンク31と、を備えている。
Al層13Aは、図5に示すように、セラミックス基板11の他方の面に、アルミニウム又はアルミニウム合金からなるアルミニウム板23Aが接合されることにより形成されている。本実施形態においては、Al層13Aは、純度が99mass%以上のアルミニウム(2Nアルミニウム)または純度が99.99mass%以上のアルミニウム(4Nアルミニウム)の圧延板(アルミニウム板23A)がセラミックス基板11に接合されることで形成されている。接合されるアルミニウム板23A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、0.6mmに設定されている。
Cu層13Bは、図5に示すように、Al層13Aの他方の面に、銅又は銅合金からなる銅板23Bが接合されることにより形成されている。本実施形態においては、Cu層13Bは、無酸素銅の圧延板(銅板23B)が接合されることで形成されている。Cu層13Bの厚さは0.1mm以上6mm以下の範囲内に設定されており、本実施形態では、1mmに設定されている。
金属層13(Cu層13B)とヒートシンク31との接合界面には、図3に示すように、化合物層40が形成されている。この化合物層40は、ヒートシンク31の金属原子と金属層13(Cu層13B)のCu原子とが相互に拡散することによって形成されたものである。
また、このCu-Al-Mg層43のMgは、ヒートシンク31を構成するアルミニウム合金に含まれたMgが拡散したものである。このため、ヒートシンク31の接合界面近傍には、Mgが欠乏したMg欠乏層が形成されることになる。
また、Cu-Al-Mg層43の厚さは、1μm以上45μm以下の範囲内、好ましくは、2.5μm以上30μm以下の範囲内に設定されている。
このマグネシウム酸化物膜は、MgO、又は、MgAl2O4で構成されている。また、マグネシウム酸化物膜においては、結晶性の粒状体を有していることが好ましい。非晶質のアルミナ皮膜がMgと反応することで結晶性の粒状体が生成することから、結晶性の粒状体が存在することで、アルミナ皮膜とMgの反応が十分に進行していることになる。
まず、図5に示すように、セラミックス基板11の一方の面に、回路層12となるアルミニウム板22を、Al-Si系のろう材箔26を介して積層する。
また、セラミックス基板11の他方の面に、Al層13Aとなるアルミニウム板23A、Al-Si系のろう材箔26を介して積層する。なお、本実施形態では、Al-Si系のろう材箔26として、厚さ10μmのAl-8mass%Si合金箔を用いた。
そして、積層方向に加圧(圧力1~35kgf/cm2(0.1~3.5MPa))した状態で真空加熱炉内に配置し加熱して、アルミニウム板22とセラミックス基板11を接合して回路層12を形成する。また、セラミックス基板11とアルミニウム板23Aを接合してAl層13Aを形成する。
ここで、真空加熱炉内の圧力は10-6Pa以上10-3Pa以下の範囲内、加熱温度は600℃以上650℃以下の範囲内、加熱温度での保持時間は15分以上180分以下の範囲内に設定されることが好ましい。
次に、Al層13Aの他方の面側に、Cu層13Bとなる銅板23Bを積層する。
そして、積層方向に加圧(圧力3~35kgf/cm2(0.3~3.5MPa))した状態で真空加熱炉内に配置し加熱して、Al層13Aと銅板23Bとを固相拡散接合し、金属層13を形成する。
ここで、真空加熱炉内の圧力は10-6Pa以上10-3Pa以下の範囲内、加熱温度は400℃以上548℃以下の範囲内、加熱温度での保持時間は5分以上240分以下の範囲内に設定されることが好ましい。
なお、Al層13A、銅板23Bのうち固相拡散接合される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ている。
次に、金属層13(Cu層13B)とヒートシンク31とを積層し、積層方向に加圧(圧力5~35kgf/cm2(0.5~3.5MPa))した状態で真空加熱炉内に配置し加熱して、金属層13(Cu層13B)とヒートシンク31を固相拡散接合する。なお、金属層13(Cu層13B)及びヒートシンク31のうち固相拡散接合される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ている。
ここで、真空加熱炉内の圧力は10-6Pa以上10-3Pa以下の範囲内、加熱温度は400℃以上520℃以下の範囲内、加熱温度での保持時間は30分以上240分以下の範囲内に設定されることが好ましい。
なお、ヒートシンク31と金属層13(Cu層13B)との接合界面において、ヒートシンク31の表面部分にマグネシウム酸化物膜が形成されることもある。また、マグネシウム酸化物膜においては、金属層/ヒートシンク接合工程S04の加熱温度が高く、かつ、保持時間が長くなることで、アルミナ皮膜とMgとの反応が促進され、非晶質から結晶質へと変化することになる。
このようにして、本実施形態であるヒートシンク付絶縁回路基板30が製造される。
次いで、回路層12の一方の面(表面)に、はんだ材を介して半導体素子3を積層し、還元炉内においてはんだ接合する。
上記のようにして、本実施形態であるパワーモジュール1が製造される。
さらに、本実施形態においては、化合物層40の厚さが70μm以下とされているので、金属間化合物が必要以上に成長しておらず、化合物層40における割れの発生等を抑制することができる。
さらに、本実施形態においては、Cu-Al-Mg層43の厚さが45μm以下とされているので、金属間化合物の成長が必要以上に阻害されず、ヒートシンク31と金属層13(Cu層13B)を確実に固相拡散接合することができる。
さらに、マグネシウム酸化物膜が結晶性の粒状体を有している場合には、マグネシウム酸化物膜の強度が向上し、ヒートシンク31と金属層13(Cu層13B)との接合強度をさらに向上させることが可能となる。
次に、本発明の第二実施形態であるヒートシンクについて説明する。図6に、本発明の第二実施形態に係るヒートシンク101を示す。
このヒートシンク101は、ヒートシンク本体110と、ヒートシンク本体110の一方の面(図6において上側)に積層された銅又は銅合金からなる銅部材層117と、を備えている。本実施形態では、銅部材層117は、図9に示すように、無酸素銅の圧延板からなる銅板127を接合することによって構成されている。
ヒートシンク本体110と銅部材層117との接合界面には、図7に示すように、AlとCuを含有する化合物層140が形成されている。この化合物層140は、ヒートシンク本体110の金属原子と銅部材層117のCu原子とが相互に拡散して形成されたものである。
また、このCu-Al-Mg層143のMgは、ヒートシンク本体110を構成するアルミニウム合金に含まれたMgが拡散したものである。このため、ヒートシンク本体110の接合界面近傍には、Mgが欠乏したMg欠乏層が形成されることになる。
このマグネシウム酸化物膜112は、ヒートシンク本体110の表面に形成されたアルミナ皮膜が、ヒートシンク本体110(アルミニウム合金)のMgと反応することで形成されたものである。
また、マグネシウム酸化物膜においては、結晶性の粒状体を有していることが好ましい。非晶質のアルミナ皮膜がMgと反応することで結晶性の粒状体が生成することから、結晶性の粒状体が存在することで、アルミナ皮膜とMgの反応が十分に進行していることになる。
まず、接合するヒートシンク本体110に対して熱処理を行い、ヒートシンク本体110の表面にマグネシウム酸化物膜112を形成する。このときの熱処理条件は、雰囲気:10-6Pa以上10-3Pa以下の範囲内の真空または窒素雰囲気、熱処理温度:250℃以上400℃以下、熱処理温度での保持時間:10分以上30分以下、としている。
次に、図9に示すように、ヒートシンク本体110と銅部材層117となる銅板127とを積層し、積層方向に加圧(圧力5~35kgf/cm2(0.5~3.5MPa))した状態で真空加熱炉内に配置して加熱することにより、銅板127とヒートシンク本体110とを固相拡散接合する。なお、銅板127、ヒートシンク本体110のうち固相拡散接合される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ている。
ここで、真空加熱炉内の圧力は10-6Pa以上10-3Pa以下の範囲内、加熱温度は450℃以上520℃以下の範囲内、加熱温度での保持時間は30分以上240分以下の範囲内に設定されることが好ましい。
このようにして、本実施形態であるヒートシンク101が製造される。
また、マグネシウム酸化物膜112が結晶性の粒状体を有している場合には、マグネシウム酸化物膜112の強度が向上し、ヒートシンク本体110と銅部材層117との接合強度が向上することになる。
例えば、第一実施形態では、金属層13を、Al層13AとCu層13Bとを有するものとして説明したが、これに限定されることはなく、図10に示すように、金属層全体を銅又は銅合金で構成してもよい。この図10に示すヒートシンク付絶縁回路基板230においては、セラミックス基板11の他方の面(図10において下側)に銅板がDBC法あるいは活性金属ろう付け法等によって接合され、銅又は銅合金からなる金属層213が形成されている。そして、この金属層213とヒートシンク31とが、固相拡散接合されている。なお、図10に示す絶縁回路基板210においては、回路層212も銅又は銅合金によって構成されたものとされている。
また、通電加熱法を適用する場合には、アルミニウム合金部材301及び銅部材302の表面粗さは、算術平均粗さRaで0.3μm以上0.6μm以下、または、最大高さRzで1.3μm以上2.3μm以下の範囲内とすることが好ましい。通常の固相拡散接合では、接合面の表面粗さは小さいことが好ましいが、通電加熱法の場合には、接合面の表面粗さが小さすぎると、界面接触抵抗が低下し、接合界面を局所的に加熱することが困難となるため、上述の範囲内とすることが好ましい。
また、金属層13(Cu層13B)とヒートシンク31の表面粗さについては、上述したアルミニウム合金部材301及び銅部材302の場合と同様である。
表1に示すアルミニウム合金板(50mm×50mm、厚さ5mm)の一方の面に、無酸素銅からなる銅板(40mm×40mm、厚さ5mm)を、上述の実施形態に記載した方法によって固相拡散接合した。本発明例6および7においては、アルミニウム合金板に対して熱処理を行い、その後、銅板と固相拡散接合した。
本発明例1-7及び比較例1-3においては、アルミニウム板と金属板とを積層方向に15kgf/cm2(1.5MPa)の荷重で押圧し、真空加熱炉で500℃×180minの条件で固相拡散接合を実施した。
固相拡散接合されたアルミニウム合金板と金属板との接合体の断面観察を行い、接合界面に形成された化合物層の構造を以下のように評価した。評価結果を表1に示す。
透過型電子顕微鏡(FEI社製Titan ChemiSTEM、加速電圧200kV)を用いて電子回折図形を、エネルギー分散型X線分析法(サーモサイエンティフィック社製NSS7)を用いて組成を分析し、形成層を決定した。なお、電子回折図形は、1nm程度に絞った電子ビームを照射することで得た(NBD法)。
次に、このようにして製造された接合体において、冷熱サイクル試験を実施した。冷熱衝撃試験機エスペック社製TSA-72ESを使用し、試験片(ヒートシンク付パワーモジュール)に対して、気槽で、-50℃で45分、175℃で45分のヒートサイクルを2500回実施した。
そして、冷熱サイクル試験前における接合体の積層方向の熱抵抗と接合率、及び、冷熱サイクル試験後における接合体の積層方向の熱抵抗と接合率を、以下のようにして評価した。
接合体のアルミニウム板と金属板との接合部の接合率について超音波探傷装置を用いて評価し、以下の式から算出した。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、すなわちアルミニウム板の面積とした。超音波探傷像において剥離は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。評価結果を表1に示す。
接合率(%)={(初期接合面積)-(剥離面積)}/(初期接合面積)×100
ヒータチップ(13mm×10mm×0.25mm)を金属板の表面に半田付けし、アルミニウム合金板を冷却器にろう付け接合した。次に、ヒータチップを100Wの電力で加熱し、熱電対を用いてヒータチップの温度を実測した。また、冷却器を流通する冷却媒体(エチレングリコール:水=9:1)の温度を実測した。そして、ヒータチップの温度と冷却媒体の温度差を電力で割った値を熱抵抗とした。
なお、比較例1のヒートサイクル試験前の熱抵抗を基準として1とし、この比較例1との比率で熱抵抗を評価した。評価結果を表1に示す。
アルミニウム合金板のMg濃度が0.1mass%とされた比較例2においては、化合物層にCuとAlの金属間化合物であるη2相、ζ2相、δ相が形成されており、冷熱サイクル後の接合率が低く、かつ、熱抵抗が大きくなった。
アルミニウム合金板のMg濃度が10.3mass%とされた比較例3においては、冷熱サイクル後の接合率が低く、かつ、熱抵抗が大きくなった。化合物層にCu-Al-Mg相が厚く形成されることで、金属間化合物の成長が必要以上に阻害され、金属間化合物層の厚さが不均一となり、さらにアルミニウム合金板の硬度が増加し、界面への応力負荷が増加し、これによりクラックが生じたためと推測される。
表2に示すアルミニウム合金板(10mm×10mm、厚さ3mm)の一方の面に、無酸素銅からなる銅板(2mm×2mm、厚さ1mm)を、上述の実施形態に記載した方法によって固相拡散接合した。アルミニウム板と金属板とを積層方向に15kgf/cm2(1.5MPa)の荷重で押圧し、表2に示す温度及び保持時間で固相拡散接合を実施した。
また、以下のようにして、マグネシウム酸化物膜の有無、マグネシウム酸化物膜における粒状体の有無、接合強度(シェア強度)について評価した。
透過型電子顕微鏡(FEI社製Titan ChemiSTEM、加速電圧200kV)を用いて倍率60000倍で測定し、エネルギー分散型X線分析法(サーモサイエンティフィック社製NSS7)により、Cu、Al、Mg及びOの元素マッピングを取得した。CuとAlが同一に存在する領域内においてMgとOが同一領域に存在する領域をマグネシウム酸化物層とした。そして、マグネシウム酸化物膜における粒状体の有無を確認した。本発明例16のマグネシウム酸化物膜の観察結果を図12に示す。
また、1nmに絞った電子ビームを用いたナノビーム回折法(NBD法)によって電子回折図形を得た。そして、電子回折図形がハローパターンを有する場合には、非晶質酸化物膜が「有」と判断した。
シェアテストによって、シェア強度(せん断強度)の測定を行った。銅板を上にしてアルミニウム合金板を水平に固定し、銅板をシェアツールで横から水平に押圧(シェア速度0.1mm/sec)して、銅板とアルミニウム合金板との接合が破壊されたときの強度及び破壊の位置(破壊モード)を確認した。なお、強度は、20回のシェア強度試験を実施してその平均値とした。評価結果を表2に示す。
11 セラミックス基板
13、213 金属層
13B Cu層(銅部材)
31 ヒートシンク(アルミニウム合金部材)
40 化合物層
41 第1金属間化合物層
42 第2金属間化合物層
43 Cu-Al-Mg層
101 ヒートシンク
110 ヒートシンク本体(アルミニウム合金部材)
117 銅部材層
140 化合物層
141 第1金属間化合物層
142 第2金属間化合物層
143 Cu-Al-Mg層
Claims (9)
- アルミニウム合金からなるアルミニウム合金部材と、銅又は銅合金からなる銅部材とが接合された接合体であって、
前記アルミニウム合金部材は、Mg濃度が0.4mass%以上7.0mass%以下の範囲内とされ、Si濃度が1mass%未満とされたアルミニウム合金で構成され、
前記アルミニウム合金部材と前記銅部材とが固相拡散接合されており、
前記アルミニウム合金部材と前記銅部材との接合界面に、前記アルミニウム合金部材の金属原子と前記銅部材のCu原子とが拡散して形成された化合物層を備え、
この化合物層は、前記アルミニウム合金部材側に配設されたCuとAlの金属間化合物のθ相からなる第1金属間化合物層と、前記銅部材側に配設されたCuとAlの金属間化合物のγ2相からなる第2金属間化合物層と、これら第1金属間化合物層と第2金属間化合物層との間に形成されたCu-Al-Mg層と、で構成されていること特徴とする接合体。 - 前記アルミニウム合金部材の接合面にマグネシウム酸化物膜が形成されていることを特徴とする請求項1に記載の接合体。
- 前記マグネシウム酸化物膜は、結晶性の粒状体を有していることを特徴とする請求項2に記載の接合体。
- 絶縁層と、この絶縁層の一方の面に形成された回路層と、前記絶縁層の他方の面に形成された金属層と、この金属層の前記絶縁層とは反対側の面に配置されたヒートシンクと、を備えたヒートシンク付絶縁回路基板であって、
前記金属層のうち前記ヒートシンクとの接合面は、銅又は銅合金で構成され、
前記ヒートシンクのうち前記金属層との接合面は、Mg濃度が0.4mass%以上7.0mass%以下の範囲内とされ、Si濃度が1mass%未満とされたアルミニウム合金で構成され、
前記ヒートシンクと前記金属層とが固相拡散接合されており、
前記ヒートシンクと前記金属層との接合界面に、前記アルミニウム合金の金属原子と前記銅又は銅合金のCu原子とが拡散して形成された化合物層を備え、
この化合物層は、前記ヒートシンク側に配設されたCuとAlの金属間化合物のθ相からなる第1金属間化合物層と、前記金属層側に配設されたCuとAlの金属間化合物のγ2相からなる第2金属間化合物層と、これら第1金属間化合物層と第2金属間化合物層との間に形成されたCu-Al-Mg層と、で構成されていることを特徴とするヒートシンク付絶縁回路基板。 - 前記ヒートシンクの接合面にマグネシウム酸化物膜が形成されていることを特徴とする請求項4に記載のヒートシンク付絶縁回路基板。
- 前記マグネシウム酸化物膜は、結晶性の粒状体を有していることを特徴とする請求項5に記載のヒートシンク付絶縁回路基板。
- ヒートシンク本体と、前記ヒートシンク本体に接合された銅又は銅合金からなる銅部材層と、を備えたヒートシンクであって、
前記ヒートシンク本体は、Mg濃度が0.4mass%以上7.0mass%以下の範囲内とされ、Si濃度が1mass%未満とされたアルミニウム合金で構成され、
前記ヒートシンク本体と前記銅部材層とが固相拡散接合されており、
前記ヒートシンク本体と前記銅部材層との接合界面に、前記ヒートシンク本体の金属原子と前記銅部材層のCu原子とが拡散して形成された化合物層を備え、
この化合物層は、前記ヒートシンク本体側に配設されたCuとAlの金属間化合物のθ相からなる第1金属間化合物層と、前記銅部材層側に配設されたCuとAlの金属間化合物のγ2相からなる第2金属間化合物層と、これら第1金属間化合物層と第2金属間化合物層との間に形成されたCu-Al-Mg層と、で構成されていることを特徴とするヒートシンク。 - 前記ヒートシンク本体の接合面にマグネシウム酸化物膜が形成されていることを特徴とする請求項7に記載のヒートシンク。
- 前記マグネシウム酸化物膜は、結晶性の粒状体を有していることを特徴とする請求項8に記載のヒートシンク。
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