TWI753854B - 接合體之製造方法、附散熱片之電力模組用基板之製造方法、及散熱片之製造方法 - Google Patents

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Abstract

本發明係接合由銅或銅合金所構成之銅構件、與由鋁合金所構成之鋁構件而成之接合體之製造方法，該鋁合金係Si濃度成為1mass%以上且25mass%以下範圍內，其特徵為在接合前之前述鋁構件，將在與前述銅構件之接合面之Si相的圓等效直徑之D90定為1μm以上且8μm以下的範圍內，固相擴散接合此鋁構件與前述銅構件。

Description

接合體之製造方法、附散熱片之電力模組用基板之製造方法、及散熱片之製造方法
此發明係關於接合由包含比較多Si之鋁合金所構成之鋁構件、與由銅或銅合金所構成之銅構件而成之接合體之製造方法、於絕緣層一側的面形成電路層之電力模組用基板接合散熱片之附散熱片的電力模組用基板之製造方法、於散熱片本體形成銅構件層之散熱片之製造方法。
本案係根據於2015年3月11日，根據日本所申請之日本特願2015-048151號、及於2016年2月12日根據日本所申請之特願2016-025164號主張優先權，將其內容援用於此。
在LED或電力模組等之半導體裝置，係具備有於由導電材料所構成之電路層之上接合半導體元件的構造。
在用以調控風力發電、電動車、油電混合汽車等所使用之大電力調控用的功率半導體元件，發熱量多。因此，作為搭載如此之功率半導體元件的基板，例如自以往即廣泛使用電力模組用基板，該電力模組用基板係具備由AlN(氮化鋁)、Al2O3(氧化鋁)等所構成之陶瓷基板、與於此陶瓷基板一側的面接合導電性優異之金屬板而形成之電路層。尚，作為電源模組用基板，亦可提供於陶瓷基板另一側的面形成金屬層者。
例如，在專利文獻1所示之電力模組，係成為具備於陶瓷基板一側的面及另一側的面形成由Al所構成之電路層及金屬層之電力模組用基板、與於此電路層上透過焊接材料而接合之半導體元件的構造。
而且，電力模組用基板之下側中具備有已接合散熱片，將從半導體元件傳達至電力模組用基板側的熱透過散熱片對外部擴散之構成。
而且，如專利文獻1所記載之電力模組，將電路層及金屬層以Al構成的情況下，由於在表面形成Al之氧化皮膜，無法藉由焊接材料接合半導體元件或散熱片。
於此，以往例如如專利文獻2所揭示，除了於電路層及金屬層的表面藉由無電解鍍敷等形成鍍Ni膜之外，並且焊接接合半導體元件或散熱片。
又，專利文獻3中，提案有作為焊接材料的代替，使用包含由氧化銀粒子與有機物所構成之還原劑的氧化銀 膏，接合電路層與半導體元件、及、金屬層與散熱片之技術。
然而，如專利文獻2所記載，在於電路層及金屬層表面形成鍍Ni膜之電力模組用基板，在至接合半導體元件及散熱片的過程，有鍍Ni膜的表面因氧化等而劣化，降低與透過焊接材料接合之半導體元件及散熱片的接合信賴性之虞。於此，散熱片與金屬層的接合不夠充分時，有熱電阻上昇，降低放熱特性之虞。又，於鍍Ni步驟，有時於不要的區域形成鍍Ni以不產生電解腐蝕等之麻煩的方式進行遮罩處理。如此，在進行遮罩處理後再進行鍍敷處理時，使得於電路層表面及金屬層表面形成鍍Ni膜之步驟需要莫大努力，導致有大幅增加電力模組之製造成本的問題。
又，如專利文獻3所記載，使用氧化銀膏接合電路層與半導體元件、金屬層與散熱片的情況下，由於Al與氧化銀膏之燒成體的接合性不良，有必要預先於電路層表面及金屬層表面形成Ag基底層。將Ag基底層藉由鍍敷形成的情況下，變成與鍍Ni同樣有需要莫大努力的問題。
於此，專利文獻4中提案有將電路層及金屬層作為Al層與Cu層之層合構造的電力模組用基板。在此電力模組用基板，由於在電路層及金屬層的表面配置Cu層，使用焊接材料可良好接合半導體元件及散熱片。因此，層合方向之熱電阻變小，使得將從半導體元件所產生 的熱對散熱片側效率良好傳達變可能。
又，專利文獻5中，提案有金屬層及散熱片之一側以鋁或鋁合金構成，另一側以銅或銅合金構成，此等前述金屬層與前述散熱片經固相擴散接合之附散熱片之電力模組用基板。在此附散熱片之電力模組用基板，由於固相擴散接合金屬層與散熱片，故熱電阻小且放熱特性優異。
〔先前技術文獻〕 〔專利文獻〕
[專利文獻1]日本專利第3171234號公報
[專利文獻2]日本特開2004-172378號公報
[專利文獻3]日本特開2008-208442號公報
[專利文獻4]日本特開2014-160799號公報
[專利文獻5]日本特開2014-099596號公報
尚且，在於內部形成冷卻媒體之流動路徑等複雜構造的散熱片，有時使用包含比較多Si之鋁鑄件合金來製造。
於此，經確認將由包含比較多Si之鋁鑄件合金所構成之鋁構件、與由銅或銅合金所構成之銅構件，如專利文獻5所記載，經固相擴散接合的情況下，於接合界面附近 大量產生因相互擴散的不均衡所產生之克肯達孔洞(Kirkendall voids)。如此之克肯達孔洞存在於電力模組用基板與散熱片之間時，有熱電阻上昇，且降低放熱特性的問題。
此發明係鑑於前述之事情而完成者，以提供一種即使固相擴散接合由包含比較多Si之鋁合金所構成之鋁構件、與由銅或銅合金所構成之銅構件的情況下，可抑制在接合界面之克肯達孔洞的產生之接合體之製造方法、附散熱片之電力模組用基板之製造方法、及、散熱片之製造方法作為目的。
本發明者們經努力研究的結果而得到以下之卓見。判定由於Si較Cu熔點更高，且Si中之Cu的擴散速度快，Si與Cu接觸時，促進Cu的擴散。因此，由包含比較多Si之鋁合金所構成之鋁構件中存在粗大Si相時，在鋁構件與銅構件的接合界面，Si相與銅構件之Cu接觸，促進Cu的擴散，而得到大量產生克肯達孔洞的卓見。
本發明係根據上述之卓見而完成者，本發明之一態樣即接合體之製造方法，其係接合由銅或銅合金所構成之銅構件、與由鋁合金所構成之鋁構件而成之接合體之製造方法，該鋁合金係Si濃度成為1mass%以上且25mass%以下範圍內，其特徵為在接合前之前述鋁構件， 將在與前述銅構件之接合面之Si相的圓等效直徑之D90定為1μm以上且8μm以下的範圍內，固相擴散接合此鋁構件與前述銅構件。
根據此構成之接合體之製造方法，以Si濃度成為1mass%以上且25mass%以下範圍內之鋁合金構成之鋁構件當中，在與前述銅構件的接合面，由於將分散至母相中之Si相之圓等效直徑的D90定為1μm以上且8μm以下的範圍內，與銅構件接觸之接合面的Si相已充分微細化，不會促進銅構件中之Cu的擴散，變成可抑制在接合界面之克肯達孔洞的產生。
於此，在本發明之接合體之製造方法，較佳為藉由層合前述鋁構件與前述銅構件，邊對層合方向進行加壓邊進行通電加熱，來固相擴散接合前述鋁構件與前述銅構件。
此情況下，由於將前述鋁構件與前述銅構件邊對層合方向進行加壓邊進行通電加熱，可加速昇溫速度，使得以比較短的時間進行固相擴散接合變可能。藉此，例如即使於大氣中接合的情況，亦可縮小接合面之氧化的影響，可良好接合前述鋁構件與前述銅構件。
本發明之一態樣即附散熱片之電力模組用基板之製造方法，其係具備絕緣層、與形成於此絕緣層之一側的面之電路層、與形成於前述絕緣層之另一側的面之金屬層、與配置於與此金屬層之前述絕緣層相反側的面之散熱片之附散熱片之電力模組用基板之製造方法，其特徵為 前述金屬層當中與前述散熱片之接合面係以銅或銅合金構成，前述散熱片當中與前述金屬層之接合面係以Si濃度成為1mass%以上且25mass%以下範圍內之鋁合金構成，在接合前之前述散熱片，將與在前述金屬層之接合面之Si相的圓等效直徑之D90定為1μm以上且8μm以下的範圍內，固相擴散接合此散熱片與前述金屬層。
根據此構成之附散熱片之電力模組用基板之製造方法，在以Si濃度成為1mass%以上且25mass%以下範圍內之鋁合金構成之散熱片當中，與由銅或銅合金所構成之金屬層的接合面，由於將分散在母相中之Si相之圓等效直徑的D90定為1μm以上且8μm以下的範圍內，故與金屬層接觸之接合面的Si相已充分微細化，不會促進金屬層中之Cu的擴散，變成可抑制在接合界面之克肯達孔洞的產生。藉此，可提供一種熱電阻少且放熱性優異之附散熱片之電力模組用基板。
又，在本發明之一態樣即附散熱片之電力模組用基板之製造方法，由於將散熱片以Si濃度成為1mass%以上且25mass%以下範圍內之鋁合金構成，故可構成具有流動路徑等複雜構造之散熱片，使得使散熱片之放熱特性提昇變可能。
於此，在本發明之附散熱片之電力模組用基板之製造方法，較佳為藉由層合前述散熱片與前述金屬層，邊對層合方向進行加壓邊進行通電加熱，來固相擴散接合前述散熱片與前述金屬層。
此情況下，由於將前述散熱片與前述金屬層邊對層合方向進行加壓邊進行通電加熱，可加速昇溫速度，使得以比較短的時間進行固相擴散接合變可能。藉此，例如即使於大氣中接合的情況，亦可縮小接合面之氧化的影響，可良好接合前述散熱片與前述金屬層。
本發明之一態樣即散熱片之製造方法，其係具備散熱片本體、與由銅或銅合金所構成之銅構件層之散熱片之製造方法，其特徵為前述散熱片本體係以Si濃度成為1mass%以上且25mass%以下範圍內之鋁合金構成，在接合前之前述散熱片本體，將在與前述銅構件層之接合面之Si相的圓等效直徑之D90定為1μm以上且8μm以下的範圍內，固相擴散接合此散熱片本體與前述銅構件層。
根據此構成之散熱片之製造方法，在以Si濃度成為1mass%以上且25mass%以下範圍內之鋁合金構成之散熱片本體當中，與由銅或銅合金所構成之銅構件層的接合面，由於將分散在母相中之Si相之圓等效直徑的D90定為1μm以上且8μm以下的範圍內，故與銅構件層接觸之接合面的Si相已充分微細化，不會促進銅構件層中之Cu的擴散，變成可抑制在接合界面之克肯達孔洞的產生。因此，可提供一種熱電阻少且放熱性優異之散熱片。
又，散熱片本體由於係以Si濃度成為1mass%以上且25mass%以下範圍內之鋁合金構成，可構成具有流動路徑等複雜構造之散熱片本體。進而，於此散熱片本體由於形 成由銅或銅合金所構成之銅構件層，故可將散熱片與其他構件透過焊接等進行良好接合。又，可將熱於銅構件層擴散至面方向，可大幅提昇放熱特性。
於此，在本發明之散熱片之製造方法，較佳為藉由層合前述散熱片本體與前述銅構件層，邊對層合方向進行加壓邊進行通電加熱，來固相擴散接合前述散熱片本體與前述銅構件層。
此情況下，由於將前述散熱片本體與前述銅構件層邊對層合方向進行加壓邊進行通電加熱，可加速昇溫速度，使得以比較短的時間進行固相擴散接合變可能。藉此，例如即使於大氣中接合的情況，亦可縮小接合面之氧化的影響，可良好接合前述散熱片本體與前述銅構件層。
根據本發明，使得提供一種即使為固相擴散接合由包含比較多Si之鋁合金所構成之鋁構件、與由銅或銅合金所構成之銅構件的情況下，可抑制在接合界面之克肯達孔洞的產生之接合體之製造方法、附散熱片之電力模組用基板之製造方法、及、散熱片之製造方法變可能。
1、201‧‧‧電力模組
2‧‧‧焊接層
3‧‧‧半導體元件
10、210‧‧‧電力模組用基板
11‧‧‧陶瓷基板
12、212‧‧‧電路層
13、213‧‧‧金屬層
13A‧‧‧Al層(鋁構件)
13B‧‧‧Cu層(銅構件)
22、23A‧‧‧鋁板
23B、128‧‧‧銅板
26‧‧‧填料金屬箔
30、230‧‧‧附散熱片之電力模組用基板
31‧‧‧散熱片(鋁構件)
32‧‧‧流動路徑
52‧‧‧Si相
101‧‧‧散熱片
110‧‧‧散熱片本體
118‧‧‧銅構件層
301‧‧‧鋁構件
302‧‧‧銅構件
311‧‧‧碳板
312‧‧‧一對電極
[圖1]係具備有關本發明之第一實施形態之附散熱片之電力模組用基板的電力模組之概略說明圖。
[圖2]係說明有關第一實施形態之附散熱片之電力模組用基板之製造方法、及具備有關第一實施形態之附散熱片之電力模組用基板之電力模組之製造方法之流程圖。
[圖3]有關第一實施形態之電力模組用基板之製造方法、及、有關第一實施形態之附散熱片之電力模組用基板之製造方法的概略說明圖。
[圖4]係在有關第一實施形態之電力模組用基板之製造方法，與接合前之散熱片之銅構件的接合面之組織觀察照片。
[圖5]係有關本發明之第二實施形態之散熱片的概略說明圖。
[圖6]係說明有關第二實施形態之散熱片之製造方法之流程圖。
[圖7]係有關第二實施形態之散熱片之製造方法的概略說明圖。
[圖8]係具有本發明之其他實施形態之附散熱片之電力模組用基板之電力模組的概略說明圖。
[圖9]係表示藉由通電加熱法進行固相擴散接合狀況的概略說明圖。
[圖10]係表示在本發明例2，測定接合面之Si相的圓等效直徑順序之說明圖。
[圖11]係表示在比較例2，測定接合面之Si相的圓等效直徑順序之說明圖。
(第一實施形態)
以下針對本發明之實施形態，參照經添附之圖面進行說明。
圖1系表示使用本發明之第一實施形態即附散熱片之電力模組用基板30之電力模組1。
此電力模組1係具備有附散熱片之電力模組用基板30、與於此附散熱片之電力模組用基板30一側的面(在圖1為上面)透過焊接層2接合之半導體元件3。
附散熱片之電力模組用基板30係具備有電力模組用基板10、與接合在電力模組用基板10之散熱片31。
電力模組用基板10係具備有構成絕緣層之陶瓷基板11、與配設在此陶瓷基板11一側的面(在圖1為上面)之電路層12、與配設在陶瓷基板11另一側的面之金屬層13。
電路層12係如圖3所示，藉由於陶瓷基板11一側的面接合由鋁或鋁合金所構成之鋁板22形成。在本實施形態，電路層12係藉由純度為99mass%以上之鋁(2N鋁)的軌製板(鋁板22)接合在陶瓷基板11而形成。尚，作為電路層12之鋁板22的厚度已設定在0.1mm以上且1.0mm以下的範圍內，於本實施形態係設定在0.6mm。
金屬層13係如圖1所示，係具有配設在陶瓷 基板11之另一側的面之Al層13A、與此Al層13A當中層合在與接合陶瓷基板11的面相反側的面之Cu層13B。
Al層13A係如圖3所示，藉由於陶瓷基板11之另一側的面接合由鋁或鋁合金所構成之鋁板23A而形成。在本實施形態，Al層13A係藉由純度為99質量%以上之鋁(2N鋁)的軌製板(鋁板23A)接合在陶瓷基板11而形成。接合之鋁板23A的厚度已設定在0.1mm以上且1.0mm以下的範圍內，於本實施形態係設定在0.6mm。
Cu層13B係藉由於Al層13A之另一側的面接合由銅或銅合金所構成之銅板23B而形成。在本實施形態，Cu層13B係藉由接合無氧銅之軌製板(銅板23B)形成。銅層13B的厚度已設定在0.1mm以上且6mm以下的範圍內，於本實施形態係設定在1mm。
散熱片31係用以擴散電力模組用基板10側之熱者，於本實施形態，如圖1所示，係設置有流通冷卻媒體之流動路徑32。
此散熱片31係以Si濃度成為1mass%以上且25mass%以下範圍內之鋁合金構成，具體而言，係以JIS H 2118：2006所規定之壓鑄用鋁合金之ADC12構成。尚，此ADC12係包含Cu為1.5~3.5mass%的範圍內、Si為9.6~12.0mass%的範圍內之鋁合金。上述鋁合金之Si濃度雖以定為10.5mass%以上且12.0mass%以下的範圍內較佳，但並非被限定於此。
於此，散熱片31與金屬層13(Cu層13B) 係固相擴散接合。
金屬層13(Cu層13B)與散熱片31的接合界面中形成有金屬間化合物層。此金屬間化合物層係藉由相互擴散散熱片31之Al原子、與Cu層13B之Cu原子而形成。在此金屬間化合物層，依照從散熱片31面向Cu層13B，具有漸次Al原子的濃度降低，且Cu原子之濃度提高的濃度梯度。
金屬間化合物層係以由Cu與Al所構成之金屬間化合物構成，於本實施形態，成為複數金屬間化合物經沿著接合界面層合之構造。於此，金屬間化合物層的厚度設定在1μm以上且80μm以下的範圍內，較佳為設定在5μm以上且80μm以下的範圍內。
又，於本實施形態，金屬間化合物層已成為層合3種金屬間化合物之構造，依從散熱片31側面向Cu層13B側順序，沿著散熱片31與Cu層13B的接合界面，層合θ相、η2相，進而層合ζ2相、δ相、及γ2相當中之至少一個相而構成。
又，此金屬間化合物層與Cu層13B的接合界面中，氧化物係沿著接合界面分散成層狀。尚，在本實施形態，此氧化物成為氧化鋁(Al2O3)等之鋁氧化物。尚，氧化物係以被劃分在金屬間化合物層與Cu層13B的界面之狀態分散，亦存在金屬間化合物層與Cu層13B直接接觸之區域。又，亦有氧化物於θ相、η2相或是ζ2相、δ相、及γ2相當中之至少一個相的內部分散成層狀的情況。
其次，針對本實施形態即附散熱片之電力模組用基板30之製造方法，參照從圖2至圖4進行說明。
(鋁板層合步驟S01)
首先，如圖3所示，於陶瓷基板11之一側的面，將作為電路層12之鋁板22透過Al-Si系之焊接填料金屬(brazing filler metal)箔26層合。
又，於陶瓷基板11之另一側的面，將作為Al層13A之鋁板23A透過Al-Si系之焊接填料金屬箔26層合。尚，於本實施形態，作為Al-Si系之焊接填料金屬箔26，係使用厚度15μm之Al-6mass%Si合金箔。
(電路層及Al層形成步驟S02)
而且，於層合方向以經加壓(壓力1~35kgf/cm2(0.10~3.43MPa))之狀態配置於真空加熱爐內進行加熱，接合鋁板22與陶瓷基板11而形成電路層12。又，接合陶瓷基板11與鋁板23A而形成Al層13A。
於此，以真空加熱爐內之壓力設定在10-6Pa以上且10-3Pa以下的範圍內，加熱溫度設定在600℃以上且643℃以下，保持時間設定在30分鐘以上且180分鐘以下的範圍內較佳。
(Cu層(金屬層)形成步驟S03)
其次，於Al層13A之另一側的面側層合作為Cu層 13B之銅板23B。
而且，於層合方向以經加壓(壓力3~35kgf/cm2(0.29~3.43MPa))之狀態配置於真空加熱爐內進行加熱，固相擴散接合Al層13A與銅板23B，而形成金屬層13。
於此，以真空加熱爐內之壓力設定在10-6Pa以上且10-3Pa以下的範圍內，加熱溫度設定在400℃以上且548℃以下，保持時間設定在5分鐘以上且240分鐘以下的範圍內較佳。
尚，Al層13A、銅板23B當中固相擴散接合之個別的接合面預先去除該面之傷痕而變平滑。
(散熱片準備步驟S04)
其次，準備接合之散熱片31。此時，如圖4所示，準備散熱片31當中在與金屬層13(Cu層13B)接合之接合面，分散至母相51中之Si相52的圓等效直徑之D90為1μm以上且8μm以下範圍內者。
於此，鑄造散熱片31時，藉由調整散熱片31之至少接合面附近的冷卻速度，可調控在接合面之Si相52的尺寸及形狀。此情況下，例如可將鑄造時之模具的溫度定為230℃以下，期望為210℃以下。鑄造時之模具的溫度之下限值雖可為170℃，但並非被限定於此。
或者藉由使散熱片31之至少接合面附近熔融後再進行急冷，可調控在接合面之Si相52的尺寸及形狀。
(金屬層/散熱片接合步驟S05)
其次，層合金屬層13(Cu層13B)與散熱片31，於層合方向以經加壓(壓力5~35kgf/cm2(0.49~3.43MPa))之狀態配置於真空加熱爐內進行加熱，固相擴散接合金屬層13(Cu層13B)與散熱片31。尚，金屬層13(Cu層13B)及散熱片31當中固相擴散接合之個別的接合面預先去除該面之傷痕而變平滑。
於此，以真空加熱爐內之壓力設定在10-6Pa以上且10-3Pa以下的範圍內，加熱溫度設定在400℃以上且520℃以下，保持時間設定在0.5小時以上且3小時以下的範圍內較佳。
如此進行，製造本實施形態之附散熱片之電力模組用基板30。
(半導體元件接合步驟S06)
其次，於電路層12一側的面(表面)透過焊接材料層合半導體元件3，在還原爐內進行焊接接合。
如上述進行，製造本實施形態之電力模組1。
根據有關成為如以上之構成之本實施形態的附散熱片之電力模組用基板30之製造方法，由於具有已使用以Si濃度成為1mass%以上且25mass%以下範圍內之鋁合金構成的散熱片31，故在與金屬層13(Cu層13B)接合之接合面，準備分散至母相51中之Si相52的圓等 效直徑之D90定為1μm以上且8μm以下範圍內之散熱片31的散熱片準備步驟S04，與金屬層13(Cu層13B)接觸之接合面的Si相52已充分微細化，在之後之金屬層/散熱片接合步驟S05，不會促進金屬層13(Cu層13B)中之Cu的擴散，變成可抑制在接合界面之克肯達孔洞的產生。
於此，分散至母相中之Si相52的圓等效直徑之D90未滿1μm時，由於散熱片31之接合面附近藉由藉微細分散之Si相的析出硬化已導致超過必要硬化，有藉由負荷熱循環於附散熱片之電力模組用基板30時所產生之熱應力，於陶瓷基板11產生破裂之虞。
另一方面，分散至母相中之Si相52的圓等效直徑之D90超過8μm時，有促進Cu之擴散，變成無法充分抑制在接合界面之克肯達孔洞的產生之虞。
因此，在本實施形態，將在接合面之Si相52的圓等效直徑之D90設定在1μm以上且8μm以下的範圍內。
尚，為了確實抑制在接合界面之克肯達孔洞的產生，以Si相52的圓等效直徑之D50為5μm以下較佳，以Si相52的圓等效直徑之D50為3μm以下且D90為6μm以下更佳。
又，由於將散熱片31以Si濃度成為1mass%以上且25mass%以下範圍內之鋁合金構成，故可構成具有流動路徑32之複雜構造的散熱片31，使得使散熱片31之放熱特性提昇變可能。
進而，由於抑制在接合界面之克肯達孔洞的產生，故可構成散熱片31與金屬層13(Cu層13B)的接合強度優異，且熱電阻少之高性能附散熱片之電力模組用基板30。
進而，於本實施形態，固相擴散接合時，於接合面有傷痕的情況下，雖有於接合界面產生間隙之虞，但於本實施形態，Cu層13B(銅板23B)、及、散熱片31之接合的面，由於預先去除該面之傷痕而變平滑後進行固相擴散接合，故可抑制於接合界面產生間隙，可確實進行固相擴散接合。
又，於本實施形態，於金屬層13(Cu層13B)與散熱片31的接合界面，以形成由Cu與Al之金屬間化合物所構成之金屬間化合物層，此金屬間化合物層由於成為複數之金屬間化合物沿著接合界面層合之構造，故可抑制脆的金屬間化合物大幅成長。又，縮小在金屬間化合物層內部之體積變動，抑制內部彎曲。
進而，於本實施形態，在Cu層13B與金屬間化合物層的接合界面，由於氧化物沿著此等之接合界面分別分散成層狀，變成散熱片31之接合面所形成之氧化膜確實被破壞，Cu與Al之相互擴散正充分進行，Cu層13B與散熱片31確實接合。
(第二實施形態)
其次，針對本發明之第二實施形態之散熱片進行說 明。圖5係表示有關本發明之第二實施形態之散熱片101。
此散熱片101係具備有散熱片本體110、與層合於散熱片本體110一側的面(在圖5為上側)之由銅或銅合金所構成之銅構件層118。於本實施形態，銅構件層118係如圖7所示，藉由接合由無氧銅之軌製板所構成之銅板128而構成。
散熱片本體110設置有流通冷卻媒體之流動路徑111。此散熱片本體110係以Si濃度成為1mass%以上且25mass%以下範圍內之鋁合金構成，具體而言，係以JIS H 2118：2006所規定之壓鑄用鋁合金之ADC3構成。 尚，此ADC3係包含Si為9.0~11.0mass%的範圍內、Mg為0.45~0.64mass%的範圍內之鋁合金。上述鋁合金之Si濃度雖以成為10.5mass%以上且11.0mass%以下的範圍內較佳，但並非被限定於此。
於此，散熱片本體110與銅構件層118係固相擴散接合。
散熱片本體110與銅構件層118的接合界面中形成有金屬間化合物層。此金屬間化合物層係藉由散熱片本體110之Al原子、與銅構件層118之Cu原子相互擴散而形成。在此金屬間化合物層，依照從散熱片本體110面向銅構件層118，具有漸次Al原子的濃度降低，且Cu原子之濃度提高的濃度梯度。
金屬間化合物層係以由Cu與Al所構成之金屬間化合 物構成，於本實施形態，複數之金屬間化合物成為沿著接合界面層合之構造。於此，金屬間化合物層的厚度設定在1μm以上且80μm以下的範圍內，較佳為設定在5μm以上且80μm以下的範圍內。
又，於本實施形態，金屬間化合物層已成為層合3種金屬間化合物之構造，依從散熱片本體110側面向銅構件層118側順序，沿著散熱片本體110與銅構件層118的接合界面，層合θ相、η2相，進而層合ζ2相、δ相、及γ2相當中之至少一個相而構成。
又，此金屬間化合物層與銅構件層118的接合界面中，氧化物係沿著接合界面分散成層狀。尚，在本實施形態，此氧化物成為氧化鋁(Al2O3)等之鋁氧化物。尚，氧化物係以被劃分在金屬間化合物層與銅構件層118之界面的狀態分散，亦存在金屬間化合物層與銅構件層118直接接觸之區域。又，亦有氧化物於θ相、η2相或是ζ2相、δ相、及γ2相當中之至少一個相的內部分散成層狀的情況。
其次，針對本實施形態之散熱片101之製造方法，參照圖6及圖7進行說明。
(散熱片本體準備步驟S101)
首先，準備接合之散熱片本體110。此時，散熱片本體110當中在與銅構件層118接合之接合面，與第一實施形態所說明之散熱片31(參照圖4)相同，準備分散至母 相中之Si相的圓等效直徑之D90定為1μm以上且8μm以下範圍內之散熱片本體110。
於此，鑄造散熱片本體110時，藉由調整散熱片本體110之至少接合面附近的冷卻速度，可調控在接合面之Si相的尺寸及形狀。此情況下，例如可將鑄造時之模具的溫度定為230℃以下，期望為210℃以下。鑄造時之模具的溫度之下限值雖可為170℃，但並非被限定於此。
或者藉由使散熱片本體110之至少接合面附近熔融後再進行急冷，可調控在接合面之Si相的尺寸及形狀。
(散熱片本體/銅構件層接合步驟S102)
其次，如圖7所示，層合散熱片本體110與作為銅構件層118之銅板128，於層合方向以經加壓(壓力1~35kgf/cm2(0.10~3.43MPa))之狀態配置於真空加熱爐內進行加熱，固相擴散接合銅板128與散熱片本體110。尚，銅板128、散熱片本體110當中固相擴散接合之個別的接合面預先去除該面之傷痕而變平滑。
於此，以真空加熱爐內之壓力設定在10-6Pa以上且10-3Pa以下的範圍內，加熱溫度設定在400℃以上且520℃以下，保持時間設定在0.5小時以上且3小時以下的範圍內較佳。
如此進行，來製造本實施形態之散熱片101。
根據有關成為如以上之構成之本實施形態的散熱片101之製造方法，由於具有已使用以Si濃度成為 1mass%以上且25mass%以下範圍內之鋁合金構成的散熱片本體110，故在與銅構件層118(銅板128)接合之接合面，準備分散至母相中之Si相的圓等效直徑之D90定為1μm以上且8μm以下範圍內之散熱片本體110的散熱片本體準備步驟S101，與銅構件層118(銅板128)接觸之接合面的Si相已充分微細化，不會促進銅構件層118(銅板128)中之Cu的擴散，變成可抑制在接合界面之克肯達孔洞的產生。
又，於本實施形態，藉由於散熱片本體110之一側的面，接合由無氧銅之軌製板所構成之銅板128，形成銅構件層118，可將熱藉由銅構件層118擴散至面方向，可大幅提昇放熱特性。。又，使用焊接等可良好接合其他構件與散熱片101。
又，散熱片本體110係以Si濃度成為1mass%以上且25mass%以下範圍內之鋁合金構成，具體而言，由於係以JIS H 2118：2006所規定之壓鑄用鋁合金之ADC3(Si濃度9.0~11.0mass%)構成，可構成具有流動路徑等複雜構造之散熱片本體110。
又，於本實施形態，由於銅構件層118與散熱片本體110的接合界面係成為與第1實施形態之Cu層13B與散熱片31的接合界面相同之構成，變成可發揮與第一實施形態同樣之作用效果。
以上，雖針對本發明之實施形態進行說明，但本發明並非被限定於此，可於不脫離其發明之技術思想 的範圍適當變更。
例如於第一實施形態，雖說明金屬層13係作為具有Al層13A與Cu層13B者，但並非被限定於此，如圖8所示，可將金屬層全體以銅或銅合金構成。在此圖8所示之附散熱片之電力模組用基板230，於陶瓷基板11之另一側的面(在圖8為下側)銅板藉由DBC法或者活性金屬硬銲法等接合，形成由銅或銅合金所構成之金屬層213。而且，此金屬層213與散熱片31係固相擴散接合。尚，在圖8所示之電力模組用基板210，電路層212亦藉由銅或銅合金構成。
又，在第一實施形態，雖說明作為藉由將電路層接合純度99mass%以上之鋁板而形成者，但並非被限定於此，可為以純度99.99mass%以上(4N-Al)、或以其他鋁或鋁合金、銅或銅合金等之其他金屬構成者。又，可將電路層作為Al層與Cu層之2層構造者。此係與圖8所示之附散熱片之電力模組用基板相同。
又，在第一實施形態之金屬層/散熱片接合步驟S05，雖說明層合金屬層13(Cu層13B)與散熱片31，作為以對層合方向加壓之狀態配置於真空加熱爐內進行加熱之構成，在第二實施形態之散熱片本體/銅構件層接合步驟S102，層合散熱片本體110與作為銅構件層118之銅板128，作為以對層合方向進行加壓(壓力5~35kgf/cm2)之狀態配置於真空加熱爐內進行加熱之構成，但並非被限定於此，如圖9所示，固相擴散接合鋁構 件301(散熱片31、散熱片本體110)與銅構件302(金屬層13、銅構件層118)時可適用通電加熱法。
進行通電加熱時，如圖9所示，層合鋁構件301與銅構件302，將此等之層合體透過碳板311、311藉由一對電極312、312加壓在層合方向，同時對於鋁構件301及銅構件302進行通電。如此一來藉由焦耳熱加熱碳板311、311及鋁構件301與銅構件302，固相擴散接合鋁構件301與銅構件302。
在上述之通電加熱法，由於直接通電加熱鋁構件301及銅構件302，故可使昇溫速度例如成為30~100℃/min而變比較快速，可於短時間進行固相擴散接合。藉此，縮小接合面之氧化的影響，變成例如即使大氣環境下亦可接合。又，藉由鋁構件301及銅構件302之電阻值或比熱，使得於此等鋁構件301及銅構件302以產生溫度差異的狀態接合亦變可能，縮小熱膨脹的差異，亦可實現熱應力的減低。
於此，在上述之通電加熱法，以藉由一對電極312、312之加壓荷重成為30kgf/cm2以上且100kgf/cm2以下(2.94MPa以上且9.8MPa以下)的範圍內較佳。
又，適用通電加熱法時，以鋁構件301及銅構件302的表面粗糙度以算術平均粗糙度Ra成為0.3μm以上且0.6μm以下、或以最大高度Rz成為1.3μm以上且2.3μm以下的範圍內較佳。於通常之固相擴散接合，雖以接合面的表面粗糙度小較佳，但通電加熱法的情況下，接合面的 表面粗糙度過小時，降低界面接觸電阻，由於局部性加熱接合界面變困難，故以成為上述的範圍內較佳。
尚，於第一實施形態之金屬層/散熱片接合步驟S05雖亦可使用上述之通電加熱法，但該情況下，由於陶瓷基板11為絕緣體，例如以由碳所構成之夾具等必須短路碳板311、311。接合條件係與上述之鋁構件301與銅構件302的接合相同。
又，針對金屬層13(Cu層13B)與散熱片31的表面粗糙度，係與上述之鋁構件301及銅構件302的情況相同。
〔實施例〕
於以下，針對應確認本發明的效果所進行之確認實驗的結果進行說明。
(試驗片之製作)
於表1所示之鋁板(10mm×10mm、厚度3mm)一側的面，將由無氧銅所構成之銅板(2mm×2mm、厚度0.3mm)藉由上述之實施形態所記載之方法固相擴散接合。
在本發明例1-7及比較例1、2，將鋁板與銅板於層合方向以15kgf/cm2(1.47MPa)之荷重按壓，於真空加熱爐以500℃且120min之條件實施固相擴散接合。
在本發明例8-11，將鋁板與銅板藉由圖9所示之通電 加熱法固相擴散接合。尚，於電極將加壓荷重定為15kgf/cm2(1.47MPa)，將加熱溫度(銅板溫度)定為510℃，將於加熱溫度之保持時間定為5min，將昇溫速度定為80℃/min。又，將接合環境定為大氣環境。
(接合面之Si相的粒徑)
於接合之前進行鋁板之接合面的組織觀察，將分散在母相中之Si相的D90及D50如以下進行來測定。尚，圖10係表示本發明例2之測定例，圖11係表示比較例2之測定例。
首先，使用EPMA(日本電子股份有限公司製JXA-8530F)，以視野360μm□、加速電壓15kV、Si等高水準0~1000之條件，實施Si之面分析，而得到圖10(a)及圖11(a)所示之Si分布像。
將所得之Si分布像變換成8位(bit)灰度，而得到如圖10(b)及圖11(b)所示之Si分布像。
其次，根據Kapur-Sahoo-Wong(Maximum Entropy)thresholding mrthod(參照Kapur,JN；Sahoo,PK；Wong,ACK(1985)、“A New Method for Gray-Level Picture Thresholding Using the Entropy of the Histogram”,Graphical Models and Image Processing 29(3)：273-285)，如圖10(c)及圖11(c)所示，2值化Si分布像。
其次，如圖10(d)及圖11(d)所示，從經2值化之圖像抽出Si相之輪廓。
將抽出Si相之輪廓的圖像為基本，從輪廓內之面積(像素數)算出圓等效直徑(直徑)。
而且，求得經算出之圓等效直徑之D90及D50。將測定結果示於表1。
(剪力試驗)
使用此試驗片，實施剪力試驗。尚，此剪力試驗係依據國際電氣標準會議之規格IEC 60749-19實施。剪力試驗之n數定為30。在剪切強度之威伯爾圖表(Weibull plot)，將剪切強度作為100MPa之累積故障率定為破損率。尚，累積故障率之計算係根據中位階實施。將評估結果示於表1。
(陶瓷破裂之評估)
又，將表1所示之鋁板作為散熱片，製作於第一實施形態說明之構造的附散熱片之電力模組用基板。附散熱片之電力模組用基板的構成係如以下所述。尚，金屬層(Cu層)與散熱片的固相擴散接合，係以將層合方向之荷重定為15kgf/cm2(1.47MPa)，於真空加熱爐以500℃且120min之條件實施。
陶瓷基板：AlN、40mm×40mm、厚度0.635mm
電路層：4N鋁、37mm×37mm、厚度0.6mm
金屬層(Al層)：4N鋁、37mm×37mm、厚度0.9mm
金屬層(Cu層)：無氧銅、37mm×37mm、厚度 0.3mm
散熱片：表1記載之鋁合金、50mm×50mm、厚度5mm
於所得之附散熱片之電力模組用基板使用冷熱衝撃試驗機(ESPEC公司製TSB-51)，將於液相(電子化學液(Fluorinert))以-40℃下5分鐘、以150℃下5分鐘之冷熱循環負荷2500次，使用超音波探傷裝置，評估陶瓷基板之破裂的有無。將評估結果示於表1。
Figure 105107037-A0202-12-0029-1
在鋁板(散熱片)之接合面之Si相的D90較本發明的範圍更小之比較例1，於陶瓷基板產生破裂。推測係因為藉由微細之Si粒子多數分散，鋁板(散熱片)超過必要之硬化。
在鋁板(散熱片)之接合面之Si相的D90較本發明的範圍更大之比較例2，藉由剪力試驗之故障率變非常 高。推測係因為於接合界面大量產生克肯達孔洞。
對此，在鋁板(散熱片)之接合面之Si相的D90成為本發明的範圍內之本發明例1-11，破損率比較低，亦無觀察到陶瓷破裂的產生。又，即使在Si濃度成為23.9mass%之本發明例6及Si濃度成為1.0mass%之本發明例7，亦為同樣之結果。又，在適用通電加熱法之本發明例8-11，即使於大氣中接合，鋁板與銅板亦成為良好接合。
由以上，根據本發明例，確認可製造由包含比較多Si之鋁合金所構成之鋁構件、與由銅或銅合金所構成之銅構件良好接合之接合體。
〔產業上之可利用性〕
根據本發明之接合體之製造方法，可抑制在鋁構件與銅構件的接合界面之克肯達孔洞的產生。又，根據本發明之附散熱片之電力模組用基板之製造方法，可提供一種熱電阻少，且放熱性優異之附散熱片之電力模組用基板。
10‧‧‧電力模組用基板
11‧‧‧陶瓷基板
12‧‧‧電路層
13‧‧‧金屬層
13A‧‧‧Al層(鋁構件)
13B‧‧‧Cu層(銅構件)
22、23A‧‧‧鋁板
23B‧‧‧銅板
26‧‧‧填料金屬箔
30‧‧‧附散熱片之電力模組用基板
31‧‧‧散熱片(鋁構件)

Claims (6)

  1. 一種接合體之製造方法，其係接合由銅或銅合金所構成之銅構件、與由鋁合金所構成之鋁構件而成之接合體之製造方法，該鋁合金係Si濃度成為9.0mass%以上且25mass%以下範圍內，其特徵為在接合前之前述鋁構件中，將在與前述銅構件之接合面之Si相的圓等效直徑之D90定為1μm以上且8μm以下的範圍內，層合前述銅構件與前述鋁構件，於層合方向以經加壓之狀態進行加熱，固相擴散接合前述鋁構件與前述銅構件，將在前述鋁合金之Cu濃度定為1.5~3.5mass%的範圍內。
  2. 如請求項1之接合體之製造方法，其係藉由層合前述鋁構件與前述銅構件，邊對層合方向進行加壓邊進行通電加熱，來固相擴散接合前述鋁構件與前述銅構件。
  3. 一種附散熱片之電力模組用基板之製造方法，其係具備絕緣層、與形成於此絕緣層之一側的面之電路層、與形成於前述絕緣層之另一側的面之金屬層、與配置於與此金屬層之前述絕緣層相反側的面之散熱片之附散熱片之電力模組用基板之製造方法，其特徵為前述金屬層當中與前述散熱片之接合面係以銅或銅合金構成，前述散熱片當中與前述金屬層之接合面係以成為Si濃度為9.0mass%以上且25mass%以下範圍內，且Cu濃度成為1.5~3.5mass%的範圍內之鋁合金構成，在接合前之前述散熱片中，將與在前述金屬層之接合面之Si相的圓等效直徑之D90定為1μm以上且8μm以下 的範圍內，固相擴散接合此散熱片與前述金屬層。
  4. 如請求項3之附散熱片之電力模組用基板之製造方法，其係藉由層合前述散熱片與前述金屬層，邊對層合方向進行加壓邊進行通電加熱，來固相擴散接合前述散熱片與前述金屬層。
  5. 一種散熱片之製造方法，其係具備散熱片本體、與由銅或銅合金所構成之銅構件層之散熱片之製造方法，其特徵為前述散熱片本體係以Cu濃度成為1.5~3.5mass%的範圍內，且Si濃度成為9.0mass%以上且25mass%以下範圍內之鋁合金構成，在接合前之前述散熱片本體中，將在與前述銅構件層之接合面之Si相的圓等效直徑之D90定為1μm以上且8μm以下的範圍內，固相擴散接合此散熱片本體與前述銅構件層。
  6. 如請求項5之散熱片之製造方法，其係藉由層合前述散熱片本體與前述銅構件層，邊對層合方向進行加壓邊進行通電加熱，來固相擴散接合前述散熱片本體與前述銅構件層。
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