WO2015186643A1 - Composite material, laminate body and power module - Google Patents
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Abstract
Provided are: a composite material which has the performance required of a buffer layer in a power module and can be manufactured at low cost; a laminate body which contains said composite material; and a power module which, while suppressing decreases in heat conduction efficiency, can mitigate thermal stress between a substrate and a cooler. This power module (1) is provided with a substrate (10) having a semiconductor chip (16) mounted on one surface, a buffer layer (11) which is formed on the other surface of said substrate (10), and a cooler (12) which comprises a base unit (12a) in the shape of a flat plate and a cooling unit (12b) disposed on one surface of said base unit (12a), said cooler (12) being bonded to the buffer layer (11) on the other surface of the base unit (12a). The buffer layer (11) is a composite material formed in that a mixed powder, which is a mixture of a copper powder and a powder additive comprising any of an iron-nickel alloy, tungsten and molybdenum, is accelerated together with a gas and, still in solid state, is sprayed and deposited onto the surface of the base material, wherein the volumetric content ratio of the aforementioned additive is greater than 0% and less than 20%.
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。
The present invention relates to a composite material composed of a plurality of types of metals, a laminate including the composite material, and a power module to which the composite material is applied.
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１６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１６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。
Conventionally, power modules are known as energy-saving key devices used in a wide range of fields from power control to motor control for industrial and automotive applications. FIG. 16 is a cross-sectional view schematically showing a conventional power module. As shown in FIG. 16, in the power module 9, a semiconductor chip 94 is disposed on one surface of an insulating base 91 made of ceramics or the like via a circuit layer 92 and solder 93, and a metal layer 95 is disposed on the other surface. The formed substrate 96 is a device in which a cooler (heat radiator) 98 is disposed via a buffer layer 97 made of a metal plate. In such a power module 9, the heat generated from the semiconductor chip 94 can be cooled by moving it to the cooler 98 through the metal layer 95 and the buffer layer 97 and dissipating it to the outside.
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の材料としての銅（Ｃｕ）と、該第１の材料よりも熱膨張係数の小さい第２の材料としてのケイ素（Ｓｉ）、アルミナ（Ａｌ2Ｏ3）、炭化ケイ素（ＳｉＣ）、窒化ケイ素（Ｓｉ3Ｎ4）、二酸化ケイ素（ＳｉＯ2）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、タングステン（Ｗ）、モリブデン（Ｍｏ）、インバー合金等とを含み、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。
The buffer layer 97 is disposed to relieve thermal stress between the insulating base 91 and the cooler 98. For this reason, as the material of the buffer layer 97, a metal having low expansion and high thermal conductivity, specifically, a composite material such as copper tungsten or copper molybdenum is used. Patent Document 1 discloses copper (Cu) as a first material, silicon (Si) as a second material having a smaller thermal expansion coefficient than the first material, and alumina (Al 2 O 3 ). , Silicon carbide (SiC), silicon nitride (Si 3 N 4 ), silicon dioxide (SiO 2 ), aluminum nitride (AlN), tungsten (W), molybdenum (Mo), Invar alloy, etc., by the cold spray method A power module is disclosed in which the underlying conductive member formed is provided between a metal wiring and a semiconductor chip.
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共に末広ノズル（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共に金属である場合、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。
In the cold spray method, powder of a material is sprayed from a divergent nozzle (Laval nozzle) together with an inert gas having a melting point or a softening point or less, and is collided with the substrate in a solid state, thereby causing the material surface to be surfaced. This is a method of forming a film. In the cold spray method, since the processing is performed at a lower temperature than the thermal spraying method, the influence of thermal stress is reduced. Therefore, it is possible to obtain a metal film having no phase transformation and suppressing oxidation. In particular, when both the base material and the material to be coated are metal, when the powder of the metal material collides with the base material or the previously formed film, plastic deformation occurs between the powder and the base material, and the anchor The effect is obtained, and the oxide films of each other are destroyed to form a metal bond between the new surfaces, so that a laminate with high adhesion strength can be obtained.
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。
For example, Non-Patent Document 1 discloses a technique for forming a composite material of copper and tungsten by a cold spray method. Non-Patent Document 2 discloses a technique for forming a part of a power module by a cold spray method.
図１６に示すパワーモジュール９において、緩衝層９７は、伝熱シートやグリス９９を用いて基板９６及び冷却器９８に接着されているため、伝熱シートやグリス９９がモジュールの熱抵抗を増大させる要因になっていた。そのため、熱抵抗の増大を抑制しつつ、基板と冷却器との間の熱応力を緩和することができるパワーモジュールの構造の開発が望まれていた。また、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。そのため、パワーモジュールに適用することができ、低熱膨張性及び高熱伝導性といった用途に応じて必要な性能を維持しつつ、コストを低減することができる緩衝層の材料の開発も望まれている。
In the power module 9 shown in FIG. 16, since the buffer layer 97 is bonded to the substrate 96 and the cooler 98 using a heat transfer sheet or grease 99, the heat transfer sheet or grease 99 increases the thermal resistance of the module. It was a factor. Therefore, it has been desired to develop a power module structure that can reduce thermal stress between the substrate and the cooler while suppressing an increase in thermal resistance. Moreover, since a composite material such as copper tungsten used as the material of the buffer layer 97 is expensive, the cost increases significantly when the size of the power module 9 is increased. Therefore, it is desired to develop a material for a buffer layer that can be applied to a power module and can reduce costs while maintaining necessary performances according to uses such as low thermal expansion and high thermal conductivity.
この点について、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。
With regard to this point, Patent Document 1 focuses only on the thermal stress mitigating action of the underlying conductive member, and no material has been known that can achieve both thermal stress mitigation and thermal resistance mitigation.
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として必要な性能を有し、低コストで作製可能な複合材、該複合材を含む積層体、及び、熱伝導効率の低下を抑制しつつ基板と冷却器との間の熱応力を緩和することができるパワーモジュールを提供することを目的とする。
The present invention has been made in view of the above, and has a performance necessary as a buffer layer of a power module, and can be produced at low cost, a laminate including the composite material, and heat conduction efficiency An object of the present invention is to provide a power module that can alleviate thermal stress between a substrate and a cooler while suppressing a decrease in the temperature.
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、鉄ニッケル合金、タングステン、及びモリブデン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、前記添加材の体積含有率が０％より大きく２０％未満であることを特徴とする。
In order to solve the above-described problems and achieve the object, the composite material according to the present invention is a mixed powder obtained by mixing a copper powder and an additive powder composed of any of iron-nickel alloy, tungsten, and molybdenum. Is accelerated by gas and sprayed and deposited on the surface of the base material in a solid state, and the volume content of the additive is greater than 0% and less than 20%.
上記複合材において、前記鉄ニッケル合金は、Ｆｅ－３６Ｎｉ又はＦｅ－３２Ｎｉ－５Ｃｏであることを特徴とする。
In the above composite material, the iron-nickel alloy is Fe-36Ni or Fe-32Ni-5Co.
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。
The laminate according to the present invention includes the composite material and the base material.
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。
The power module according to the present invention includes a substrate on which a semiconductor element is mounted on one surface, the composite material formed with the other surface of the substrate as the surface of the base material, a base having a flat plate shape, A cooling unit provided on one surface of the base, and a cooler bonded to the composite material on the other surface of the base.
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。
The power module according to the present invention is formed of a cooler having a flat plate-like base portion and a cooling portion provided on one surface of the base portion, and the other surface of the base portion as the surface of the base material. And a substrate having a semiconductor element mounted on one surface and bonded to the composite material on the other surface.
本発明によれば、銅に、鉄ニッケル合金、タングステン、及びモリブデンのいずれかの金属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として必要な性能を有する複合材を低コストで作製することができる。また、本発明によれば、そのような複合材を所謂コールドスプレー法によりパワーモジュールの基板と冷却器のいずれかに直接形成するので、熱伝導効率の低下を抑制しつつ、基板と冷却器との間の熱応力を緩和することが可能となる。
According to the present invention, a composite material in which any one of iron-nickel alloy, tungsten, and molybdenum is added to copper is formed by a so-called cold spray method, so that a composite having performance necessary as a buffer layer of a power module is formed. The material can be manufactured at low cost. In addition, according to the present invention, such a composite material is directly formed on either the power module substrate or the cooler by the so-called cold spray method, so that the decrease in the heat conduction efficiency is suppressed, and the substrate and the cooler It becomes possible to relieve the thermal stress between the two.
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。
Hereinafter, embodiments for carrying out the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In addition, this invention is not limited by the following embodiment. The drawings referred to in the following description only schematically show the shape, size, and positional relationship so that the contents of the present invention can be understood. That is, the present invention is not limited only to the shape, size, and positional relationship illustrated in each drawing.
（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。 (Embodiment 1)
1 is a cross-sectional view showing the structure of a power module according toEmbodiment 1 of the present invention. A power module 1 shown in FIG. 1 includes a substrate 10 and a cooler (heat radiator) 12 disposed via the substrate 10 and a buffer layer 11. In such a power module 1, heat generated from the semiconductor chip 16 is transferred to the cooler 12 through the metal layer 17 and the buffer layer 11, and is radiated to the outside.
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。 (Embodiment 1)
1 is a cross-sectional view showing the structure of a power module according to
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。
The substrate 10 includes a circuit layer 14 formed on one surface of a flat insulating base 13, a semiconductor chip 16 disposed on the circuit layer 14 via solder 15, and the other of the insulating base 13. And a metal layer 17 formed on the surface.
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。
The insulating base material 13 is an insulating material such as nitride ceramics such as aluminum nitride and silicon nitride, and oxide ceramics such as alumina, magnesia, zirconia, steatite, forsterite, mullite, titania, silica, and sialon. Is a substantially plate-like member.
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。
The circuit layer 14 is a metal layer made of a metal or alloy having good electrical conductivity such as copper. A circuit pattern for transmitting an electrical signal to the semiconductor chip 16 and the like is formed on the circuit layer 14.
半導体チップ１６は、ダイオード、トランジスタ、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）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。
The semiconductor chip 16 is realized by a semiconductor element such as a diode, a transistor, or an insulated gate bipolar transistor (IGBT). A plurality of semiconductor chips 16 may be provided on the circuit layer 14 in accordance with the purpose of use.
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。
The metal layer 17 is made of a metal or alloy having good electrical conductivity such as copper, and is provided to transfer heat generated in the semiconductor chip 16 and the circuit layer 14 to the buffer layer 11 and the cooler 12. Yes.
緩衝層１１は、銅に対し、鉄ニッケル合金（Ｆｅ－３６Ｎｉ、Ｆｅ－３２Ｎｉ－５Ｃｏ）と、タングステンと、モリブデン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。なお、鉄ニッケル合金（Ｆｅ－３６Ｎｉ）は一般にインバー（ＩＮＶＡＲ（登録商標））と呼ばれており、以下においても、鉄ニッケル合金（Ｆｅ－３６Ｎｉ）のことをインバーともいう。また、鉄ニッケル合金（Ｆｅ－３２Ｎｉ－５Ｃｏ）は一般にスーパーインバーと呼ばれており、以下においても、鉄ニッケル合金（Ｆｅ－３２Ｎｉ－５Ｃｏ）のことをスーパーインバーともいう。
The buffer layer 11 is made of a composite material in which any of iron nickel alloy (Fe-36Ni, Fe-32Ni-5Co), tungsten, and molybdenum is added to copper, and on the metal layer 17 side of the substrate 10, It is directly formed by a so-called cold spray method. The iron-nickel alloy (Fe-36Ni) is generally called Invar (INVAR (registered trademark)), and hereinafter, the iron-nickel alloy (Fe-36Ni) is also referred to as Invar. Further, the iron nickel alloy (Fe-32Ni-5Co) is generally called a super invar, and in the following, the iron nickel alloy (Fe-32Ni-5Co) is also called a super invar.
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、純銅に対する緩衝層１１の熱伝導率比が５０％～１００％程度であることが好ましい。また、緩衝層１１の熱膨張率は、半導体チップ１６が実装される基板１０の熱膨張率と冷却器１２の熱膨張率との中間的な値であることが好ましい。例えば、基板１０の熱膨張率が４．０～７．５×１０-6／Ｋ程度であり、冷却器１２が熱膨張率２３．６×１０-6／Ｋのアルミニウムで形成されている場合、緩衝層１１の熱膨張率を７．５×１０-6／Ｋ以上１６．６×１０-6／Ｋ未満にすると良い。
The buffer layer 11 suppresses the generation of thermal stress due to the high thermal conductivity for efficiently conducting the heat generated in the substrate 10 to the cooler 12 and the difference in thermal expansion coefficient with the insulating base material 13. Therefore, characteristics such as a low coefficient of thermal expansion are required. Specifically, the thermal conductivity ratio of the buffer layer 11 to pure copper is preferably about 50% to 100%. The thermal expansion coefficient of the buffer layer 11 is preferably an intermediate value between the thermal expansion coefficient of the substrate 10 on which the semiconductor chip 16 is mounted and the thermal expansion coefficient of the cooler 12. For example, when the substrate 10 has a coefficient of thermal expansion of about 4.0 to 7.5 × 10 −6 / K, and the cooler 12 is made of aluminum having a coefficient of thermal expansion of 23.6 × 10 −6 / K. The thermal expansion coefficient of the buffer layer 11 is preferably 7.5 × 10 −6 / K or more and less than 16.6 × 10 −6 / K.
しかしながら、比重やヤング率や粒径が互いに異なる母材及び添加材の粉末を混合してコールドスプレー法を行う場合、複合材における添加材の比率を一定以上に上げられないなどの事情がある。そのため、本出願においては、上記熱膨張率の好ましい範囲のうち、１３．０×１０-6／Ｋ以上１６．６×１０-6／Ｋ未満の範囲を目標とし、この範囲の特性を得るために、母材に対する添加材の体積含有率を０％より多く２０％未満としている。
However, when the cold spray method is performed by mixing powders of base materials and additive materials having different specific gravities, Young's moduli, and particle diameters, there are circumstances in which the ratio of the additive material in the composite material cannot be increased beyond a certain level. Therefore, in the present application, among the preferable ranges of the thermal expansion coefficient, the range of 13.0 × 10 −6 / K or more and less than 16.6 × 10 −6 / K is targeted, and characteristics within this range are obtained. Furthermore, the volume content of the additive with respect to the base material is more than 0% and less than 20%.
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。
Such a buffer layer 11 is bonded to the cooler 12 via the heat transfer sheet 18 on the surface opposite to the substrate 10 (the lower surface in FIG. 1). The cooler 12 is made of a metal or alloy having good thermal conductivity such as aluminum or aluminum alloy, and has a plate-like base portion 12a and a plate shape provided on the back surface (the lower surface in FIG. 1) of the base portion 12a. And a plurality of cooling parts (cooling fins) 12b. The heat generated from the semiconductor chip 16 is released to the outside through the insulating base 13 through the cooler 12.
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。
The heat transfer sheet 18 is a material in which an adhesive material is disposed on both surfaces of a sheet-like member having good thermal conductivity and electrical insulation. The buffer layer 11 and the cooler 12 may be bonded using a gel sheet member or grease instead of the heat transfer sheet 18.
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。
Next, a method for manufacturing the power module 1 will be described. FIG. 2 is a flowchart showing a method for manufacturing the power module 1.
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１５等を用いて回路層１４上に実装される。
First, in step S1, the substrate 10 is manufactured. That is, the circuit layer 14 is formed on one surface of the insulating base 13 and the metal layer 17 is formed on the other surface by a brazing method, and a circuit pattern is formed by an etching method. In addition, you may form the circuit layer 14 and the metal layer 17 using the cold spray method mentioned later instead of the brazing method. The semiconductor chip 16 is mounted on the circuit layer 14 using solder 15 or the like.
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。
In the subsequent step S2, a mixed powder as a material for the buffer layer 11 is prepared. That is, a copper powder and an additive powder each having a predetermined center particle diameter are prepared, and both are weighed and mixed so as to have a preset mixing ratio. The mixing method of the powder is not particularly limited, and in the first embodiment, mixing is performed by a dry mixing method (dry blending method).
銅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であれば特に限定されない。具体的には、５～１００μｍ程度であれば良い。一方、添加材の粉末の粒径は、銅の粉末の粒径に対して±６０％の範囲内にすると良い。これは、コールドスプレー法を行った際に、銅の粉末のふるまいに対して添加材の粉末が同様にふるまうことが好ましいからである。そのため、例えば、中心粒径が約２５μｍの銅の粉末を用いる場合、添加材の粉末の中心粒径を１０～４０μｍ程度にすると良い。粉末の調製方法については、後で詳しく説明する。
The particle size of the copper powder is not particularly limited as long as it is a particle size applicable to the cold spray method. Specifically, it may be about 5 to 100 μm. On the other hand, the particle size of the additive powder is preferably within a range of ± 60% with respect to the particle size of the copper powder. This is because it is preferable that the powder of the additive behave similarly to the behavior of the copper powder when the cold spray method is performed. Therefore, for example, when a copper powder having a center particle size of about 25 μm is used, the center particle size of the additive powder is preferably about 10 to 40 μm. The method for preparing the powder will be described in detail later.
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。
In the subsequent step S3, the buffer layer 11 is formed on the metal layer 17 side of the substrate 10 produced in the step S1 by a cold spray method. FIG. 3 is a schematic diagram illustrating a configuration example of a cold spray apparatus. A cold spray device 100 shown in FIG. 3 includes a gas heater 101 that heats compressed gas, a powder supply device 102 that stores powder of a coating material and supplies the powder to the spray gun 103, and a material supplied to the spray gun 103. The gas nozzle 104 for injecting the powder together with the heated compressed gas toward the substrate 110, and valves 105 and 106 for adjusting the supply amount of the compressed gas to the gas heater 101 and the powder supply device 102, respectively.
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。
As the compressed gas, helium, nitrogen, air or the like is used. The compressed gas supplied to the gas heater 101 is heated to a temperature in a range lower than the melting point of the material powder, and then supplied to the spray gun 103. The heating temperature of the compressed gas is preferably 300 to 1000 ° C.
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。
On the other hand, the compressed gas supplied to the powder supply device 102 supplies the material powder in the powder supply device 102 to the spray gun 103 so as to have a predetermined discharge amount.
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、約３４０ｍ／ｓ以上の超音速流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。
The heated compressed gas is injected as a supersonic flow of about 340 m / s or more by passing through a gas nozzle 104 having a divergent shape. At this time, the gas pressure of the compressed gas is preferably about 1 to 5 MPa. This is because by adjusting the pressure of the compressed gas to this level, the adhesion strength of the coating film 111 to the substrate 110 can be improved. More preferably, the treatment is performed at a pressure of about 2 to 5 MPa.
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、即ち基板１０の金属層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。
In such a cold spray device 100, as the base material 110, the metal layer 17 side of the substrate 10 is disposed toward the spray gun 103, and the mixed powder prepared in step S2 is charged into the powder supply device 102 and heated by gas. Supply of compressed gas to the vessel 101 and the powder supply device 102 is started. Thereby, the mixed powder supplied to the spray gun 103 is put into the supersonic flow of the compressed gas, accelerated, and sprayed from the spray gun 103. The mixed powder is deposited while colliding with the base material 110, that is, the metal layer 17 of the substrate 10 at a high speed in the solid state, thereby forming the coating film 111. Then, the buffer layer 11 is formed by depositing the film 111 to a desired thickness.
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。
Note that the film forming apparatus using the cold spray method is limited to the configuration of the cold spray apparatus 100 shown in FIG. 3 as long as it can form a film by colliding the material powder toward the base material 110 in a solid state. Is not to be done.
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。
In the subsequent step S4, the cooler 12 is attached to the buffer layer 11 formed in step S3 via the heat transfer sheet 18. Thereby, the power module 1 shown in FIG. 1 is completed.
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）として用いられる窒化ケイ素の特性を示す。
Next, the method for preparing the mixed powder in step S2 will be described in detail. The inventor of the present application is a mixed powder in which various materials are added to copper in order to search for a composite material having high thermal conductivity and low thermal expansion coefficient suitable as the buffer layer 11 and can be easily manufactured. An experiment was carried out to form a film by cold spray method. FIG. 4 is a table showing characteristics of copper as a base material and materials used as an additive. In addition, the characteristics of silicon nitride used as the base material (insulating base material 13 shown in FIG. 1) are shown at the right end of FIG.
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。なお、インバーについては、中心粒径が１１μｍ、２５μｍ、及び３６μｍの３種類の粉末を用いて実験を行った。 Specifically, the following experiments (1) to (3) were performed.
Experiment (1): Mixing ratios of copper powder and additive powder were mixed at various ratios, and a 10 mm film was formed on a 50 mm square × 3 mm thick aluminum substrate (A1050) by the cold spray method. . As the copper powder, a powder having a center particle diameter of 25 μm prepared by a water atomization method was used and mixed with the additive powder by a dry mixing method. The mixing ratio of the copper powder and the additive powder was three types: copper: additive = 20: 80, 50:50, and 80:20. Moreover, as cold spray conditions, the temperature of the compressed gas was 800 ° C., and the gas pressure was 3 MPa. For invar, an experiment was performed using three types of powders having a center particle diameter of 11 μm, 25 μm, and 36 μm.
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。なお、インバーについては、中心粒径が１１μｍ、２５μｍ、及び３６μｍの３種類の粉末を用いて実験を行った。 Specifically, the following experiments (1) to (3) were performed.
Experiment (1): Mixing ratios of copper powder and additive powder were mixed at various ratios, and a 10 mm film was formed on a 50 mm square × 3 mm thick aluminum substrate (A1050) by the cold spray method. . As the copper powder, a powder having a center particle diameter of 25 μm prepared by a water atomization method was used and mixed with the additive powder by a dry mixing method. The mixing ratio of the copper powder and the additive powder was three types: copper: additive = 20: 80, 50:50, and 80:20. Moreover, as cold spray conditions, the temperature of the compressed gas was 800 ° C., and the gas pressure was 3 MPa. For invar, an experiment was performed using three types of powders having a center particle diameter of 11 μm, 25 μm, and 36 μm.
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。
Then, the volume content of copper in the formed film was measured, and the correlation between the volume content of copper in the mixed powder and the volume content of copper in the film was determined. The volume content of copper in the film was calculated by performing image analysis on the SEM image of the film surface and comparing the area of the copper region with the area of the additive material region.
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。
Experiment (2): A 10 mm thick film was formed in the same manner as in Experiment (1), and a 2 mm square × 40 mm thick test piece was cut out from the film by the discharge wire method, and the conductivity was measured by the four-terminal method. From the measurement results, the correlation between the copper volume content and the electrical conductivity in the coating was determined.
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。
Experiment (3): A 10 mm thick film was formed in the same manner as in Experiment (1), and a 2 mm square x 15 mm thick test piece was cut out from the film by the discharge wire method, and heat in a direction perpendicular to the film deposition direction The expansion coefficient was measured. From the measurement results, the correlation between the volume content of copper in the coating and the coefficient of thermal expansion was determined.
図５Ａ～図５Ｃは、中心粒径が約２５μｍのインバー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。
FIGS. 5A to 5C are graphs respectively showing the results of experiments (1) to (3) in the case of using Invar powder having a center particle size of about 25 μm as an additive. Among these, the horizontal axis of FIG. 5A shows the volume content [vol%] of copper in the mixed powder before film formation, and the vertical axis shows the volume content [vol%] of copper in the film after film formation. .
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。
Moreover, the horizontal axis of FIG. 5B shows the volume content [vol%] of the copper in a film | membrane, and a vertical axis | shaft shows the electrical conductivity ratio [%] with respect to pure copper. Here, since the electrical conductivity ratio with respect to pure copper respond | corresponds to the thermal conductivity ratio with respect to pure copper, below, thermal conductivity ratio is evaluated by electrical conductivity ratio. FIG. 5B also shows the theoretical value of the thermal conductivity ratio with respect to the copper volume content. This theoretical value is calculated by the following equation (1).
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
インバーの場合、添加材の熱伝導率λaは１３．４Ｗ／ｍ・Ｋである。 Each code | symbol in Formula (1) shows the following values.
1-Φ: Volume content of additive in composite material λ c : Thermal conductivity in composite material λ m : Thermal conductivity of base material (copper) (λ m = 397 W / m · K in the case of copper)
λ a : Thermal conductivity of additive material In the case of Invar, the thermal conductivity λ a of the additive material is 13.4 W / m · K.
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
インバーの場合、添加材の熱伝導率λaは１３．４Ｗ／ｍ・Ｋである。 Each code | symbol in Formula (1) shows the following values.
1-Φ: Volume content of additive in composite material λ c : Thermal conductivity in composite material λ m : Thermal conductivity of base material (copper) (λ m = 397 W / m · K in the case of copper)
λ a : Thermal conductivity of additive material In the case of Invar, the thermal conductivity λ a of the additive material is 13.4 W / m · K.
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） Moreover, the horizontal axis of FIG. 5C shows the volume content [vol%] of copper in the film, and the vertical axis shows the coefficient of thermal expansion (CTE) [× 10 −6 / K]. FIG. 5C also shows the theoretical value of the coefficient of thermal expansion with respect to the volume content of copper. This theoretical value is calculated according to the Turner rule given by the following equation (2).
α c = (v m E m α m + v a E a α a) / (v m E m + v a E a) ... (2)
αc＝（ｖmＥmαm＋ｖaＥaαa）／（ｖmＥm＋ｖaＥa） …（２） Moreover, the horizontal axis of FIG. 5C shows the volume content [vol%] of copper in the film, and the vertical axis shows the coefficient of thermal expansion (CTE) [× 10 −6 / K]. FIG. 5C also shows the theoretical value of the coefficient of thermal expansion with respect to the volume content of copper. This theoretical value is calculated according to the Turner rule given by the following equation (2).
α c = (v m E m α m + v a E a α a) / (v m E m + v a E a) ... (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
インバーの場合、添加材のヤング率Ｅaは１４２ＧＰａであり、添加材の熱膨張率αaは１．２×１０-6／Ｋである。 Each code | symbol in Formula (2) shows the following values.
α c : coefficient of thermal expansion in the composite material v m : volume content of the base material (copper) E m : Young's modulus of the base material (E m = 120 GPa in the case of copper)
α m : coefficient of thermal expansion of base material (α m = 16.6 × 10 −6 / K in the case of copper)
v a : Volume content of additive material E a : Young's modulus of additive material α a : Thermal expansion coefficient of additive material In the case of Invar, Young's modulus E a of the additive material is 142 GPa, and thermal expansion coefficient α a of the additive material Is 1.2 × 10 −6 / K.
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
インバーの場合、添加材のヤング率Ｅaは１４２ＧＰａであり、添加材の熱膨張率αaは１．２×１０-6／Ｋである。 Each code | symbol in Formula (2) shows the following values.
α c : coefficient of thermal expansion in the composite material v m : volume content of the base material (copper) E m : Young's modulus of the base material (E m = 120 GPa in the case of copper)
α m : coefficient of thermal expansion of base material (α m = 16.6 × 10 −6 / K in the case of copper)
v a : Volume content of additive material E a : Young's modulus of additive material α a : Thermal expansion coefficient of additive material In the case of Invar, Young's modulus E a of the additive material is 142 GPa, and thermal expansion coefficient α a of the additive material Is 1.2 × 10 −6 / K.
また、図６Ａ～図６Ｃは、実験（１）により得られた皮膜の表面を写したＳＥＭ画像である。このうち、図６Ａは混合粉末における銅とインバーとの混合比率（銅：インバー）が２０：８０、図６Ｂは５０：５０、図６Ｃは８０：２０の場合をそれぞれ示している。
FIGS. 6A to 6C are SEM images showing the surface of the film obtained by the experiment (1). Among these, FIG. 6A shows the case where the mixing ratio (copper: invar) of copper and invar in the mixed powder is 20:80, FIG. 6B is 50:50, and FIG. 6C is 80:20.
図５Ａに示すように、中心粒径が２５μｍのインバーの粉末を添加材として用いた場合、成膜前の混合粉末における銅の体積含有率は、皮膜における銅の体積含有率に概ねリニアな関係が見られた。これより、粉末の状態における銅とインバーとの混合比率を調節することによって、皮膜に含まれる銅とインバーとの比率を精度良く制御できることがわかる。
As shown in FIG. 5A, when an invar powder having a center particle size of 25 μm is used as an additive, the volume content of copper in the mixed powder before film formation is generally linearly related to the volume content of copper in the film. It was observed. From this, it is understood that the ratio of copper and invar contained in the coating can be controlled with high accuracy by adjusting the mixing ratio of copper and invar in the powder state.
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。これより、皮膜に含まれる銅とインバーとの比率を調節することにより、皮膜の導電率比（熱伝導率比）を制御できることがわかる。具体的には、銅の体積含有率を約７５％以上、即ちインバーの体積含有率を約２５％未満にすることで、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。
As shown in FIG. 5B, the measured value of the electrical conductivity ratio with respect to the volume content of copper tended to be almost in line with the theoretical value of the thermal conductivity ratio. From this, it can be seen that the conductivity ratio (thermal conductivity ratio) of the coating can be controlled by adjusting the ratio of copper and invar contained in the coating. Specifically, the conductivity ratio can be 50% or more suitable for the buffer layer 11 by setting the volume content of copper to about 75% or more, that is, the volume content of Invar is less than about 25%. .
図５Ｃ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。これより、皮膜における銅とインバーとの比率を調節することにより、熱膨張率を制御できることがわかる。具体的には、銅の体積含有率を約８０％以上、即ちインバーの体積含有率を約２０％未満にすることで、熱膨張率を緩衝層１１に好適な１３．０×１０-6／Ｋ以上１６．６×１０-6／Ｋ未満とすることができる。
As shown in FIG. 5C, the measured value of the coefficient of thermal expansion with respect to the volume content of copper tended to be almost in line with the theoretical value. This shows that the coefficient of thermal expansion can be controlled by adjusting the ratio of copper and invar in the coating. Specifically, by setting the volume content of copper to about 80% or more, that is, the volume content of Invar is less than about 20%, the coefficient of thermal expansion is 13.0 × 10 −6 / suitable for the buffer layer 11. K or more and less than 16.6 × 10 −6 / K.
従って、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、皮膜における銅の体積含有率を約８０％以上、即ちインバーの体積含有率を約２０％未満にすれば良い。そして、図５Ａに示す実験（１）の結果を考慮すると、上述した好適な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９０％以上、即ちインバーの体積含有率を約１０％未満にすれば良い。
Therefore, in order to form a film having a thermal conductivity and a thermal expansion coefficient suitable for the buffer layer 11, the volume content of copper in the film is about 80% or more, that is, the volume content of Invar is less than about 20%. Just do it. Then, in consideration of the result of the experiment (1) shown in FIG. 5A, in order to form a film having the above-mentioned preferable characteristics by the cold spray method, the volume content of copper in the mixed powder is about 90% or more, that is, The volume content of invar may be less than about 10%.
図７Ａ～図７Ｃは、中心粒径が約１１μｍのインバー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。図７Ａに示すように、インバーの粉末の中心粒径を１１μｍとした場合、成膜前の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た。これより、粉末の状態における銅とインバーとの混合比率を調節することによって、皮膜に含まれる銅とインバーとの比率を精度よく制御できることがわかる。
FIGS. 7A to 7C are graphs respectively showing the results of experiments (1) to (3) in the case of using Invar powder having a center particle diameter of about 11 μm as an additive. As shown in FIG. 7A, when the center particle diameter of the Invar powder is 11 μm, there is a substantially linear relationship between the copper volume content in the mixed powder before film formation and the copper volume content in the film. It was observed. This shows that the ratio of copper and invar contained in the coating can be controlled with high accuracy by adjusting the mixing ratio of copper and invar in the powder state.
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に概ね沿った傾向を示していた。また、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、理論値に概ね沿った傾向を示していた。従って、インバーの中心粒径を１１μｍとした場合であっても、皮膜における銅とインバーとの比率を調節することにより、皮膜の導電率比及び熱膨張率を制御できることがわかる。また、図７Ａに示す実験結果を考慮すると、上述した緩衝層１１に好適な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９０％以上、即ちインバーの体積含有率を約１０％未満にすれば良い。
As shown in FIG. 7B, the measured value of the conductivity ratio with respect to the volume content of copper tended to be almost in line with the theoretical value of the thermal conductivity ratio. Moreover, as shown to FIG. 7C, the measured value of the thermal expansion coefficient with respect to the volume content of copper showed the tendency which followed the theoretical value in general. Therefore, even when the center particle diameter of invar is 11 μm, it can be seen that the conductivity ratio and thermal expansion coefficient of the film can be controlled by adjusting the ratio of copper to invar in the film. Further, in consideration of the experimental results shown in FIG. 7A, in order to form a film having characteristics suitable for the buffer layer 11 by the cold spray method, the volume content of copper in the mixed powder is about 90% or more, that is, The volume content of invar may be less than about 10%.
図８Ａ～図８Ｃは、中心粒径が約３６μｍのインバー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。図８Ａに示すように、インバーの粉末の中心粒径を３６μｍとした場合、成膜前の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た。これより、粉末の状態における銅とインバーとの混合比率を調節することによって、皮膜に含まれる銅とインバーとの比率を精度よく制御できることがわかる。
8A to 8C are graphs showing the results of experiments (1) to (3), respectively, in the case where Invar powder having a center particle diameter of about 36 μm was used as an additive. As shown in FIG. 8A, when the center particle diameter of the Invar powder is 36 μm, there is a substantially linear relationship between the copper volume content in the mixed powder before film formation and the copper volume content in the film. It was observed. This shows that the ratio of copper and invar contained in the coating can be controlled with high accuracy by adjusting the mixing ratio of copper and invar in the powder state.
図８Ｂ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。また、図８Ｃ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、インバーの中心粒径を３６μｍとした場合であっても、皮膜における銅とインバーとの比率を調節することにより、皮膜の導電率比及び熱膨張率を制御できることがわかる。また、図８Ａに示す実験結果を考慮すると、上述した緩衝層１１に好適な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９０％以上、即ちインバーの体積含有率を約１０％未満にすれば良い。
As shown in FIG. 8B, the measured value of the conductivity ratio with respect to the volume content of copper tended to be almost in line with the theoretical value of the thermal conductivity ratio. Moreover, as shown in FIG. 8C, the measured value of the coefficient of thermal expansion with respect to the volume content of copper tended to be almost in line with the theoretical value. Therefore, even when the center particle diameter of Invar is set to 36 μm, it can be seen that the conductivity ratio and the thermal expansion coefficient of the film can be controlled by adjusting the ratio of copper to Invar in the film. Further, in consideration of the experimental results shown in FIG. 8A, in order to form a film having characteristics suitable for the buffer layer 11 by the cold spray method, the volume content of copper in the mixed powder is about 90% or more, that is, The volume content of invar may be less than about 10%.
図９Ａ～図９Ｃは、中心粒径が約９．８μｍのタングステン（Ｗ）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９Ｂに示す理論値は、式（１）において、添加材の熱伝導率λaを１７４Ｗ／ｍ・Ｋとして算出したものである。また、図９Ｃに示す理論値は、式（２）において、添加材のヤング率Ｅaを４００ＧＰａとし、添加材の熱膨張率αaを４．５×１０-6／Ｋとして算出したものである。
FIGS. 9A to 9C are graphs respectively showing the results of experiments (1) to (3) in the case of using tungsten (W) powder having a center particle size of about 9.8 μm as an additive. Among these values, the theoretical value shown in FIG. 9B is calculated by assuming that the thermal conductivity λ a of the additive is 174 W / m · K in the equation (1). Further, the theoretical values shown in FIG. 9C are calculated in Formula (2) with the Young's modulus E a of the additive as 400 GPa and the thermal expansion coefficient α a of the additive as 4.5 × 10 −6 / K. is there.
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、タングステンの粉末が皮膜に入り込み難いため、タングステンの体積含有率を、例えば約３０％以上といったレベルまで多くすることが困難であることを示している。しかしながら、銅が約７０％以上、即ちタングステンが約３０％未満の範囲であれば、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ため、粉末の状態における銅とタングステンとの混合比率を調節することにより、皮膜における銅とタングステンとの比率を制御することは可能である。
As shown in FIG. 9A, the volume content of copper in the coating was larger than the volume content of copper in the mixed powder. This indicates that when a film is formed by the cold spray method, it is difficult to increase the volume content of tungsten to a level of, for example, about 30% or more because tungsten powder hardly enters the film. . However, when copper is about 70% or more, that is, when tungsten is in the range of less than about 30%, there is a substantially linear relationship between the volume content of copper in the mixed powder and the volume content of copper in the coating. Therefore, it is possible to control the ratio of copper and tungsten in the coating by adjusting the mixing ratio of copper and tungsten in the powder state.
図９Ｂ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が可能である。具体的には、銅の体積含有率を約７５％以上、即ちタングステンの体積含有率を約２５％未満にすることで、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。
As shown in FIG. 9B, the measured value of the conductivity ratio with respect to the volume content of copper deviated from the theoretical value of the thermal conductivity ratio. However, even in the measured values, there is a certain relationship in the conductivity ratio with respect to the volume content of copper, so it is possible to control the conductivity ratio of the film by adjusting the ratio of copper and tungsten. is there. Specifically, the conductivity ratio can be 50% or more suitable for the buffer layer 11 by setting the volume content of copper to about 75% or more, that is, the volume content of tungsten is less than about 25%. .
図９Ｃ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、皮膜における銅とタングステンとの比率を調節することにより熱膨張率を制御することが可能であるといえる。例えば、銅の体積含有率を約８５％以上、即ちタングステンの体積含有率を約１５％未満にすることで、熱膨張率を緩衝層１１に好適な１３．０×１０-6／Ｋ以上１６．６×１０-6／Ｋ未満とすることができる。
As shown in FIG. 9C, the measured value of the coefficient of thermal expansion with respect to the volume content of copper tended to be almost in line with the theoretical value. Therefore, it can be said that the coefficient of thermal expansion can be controlled by adjusting the ratio of copper and tungsten in the coating. For example, when the volume content of copper is about 85% or more, that is, the volume content of tungsten is less than about 15%, the coefficient of thermal expansion is 13.0 × 10 −6 / K or more suitable for the buffer layer 16 16 Less than 6 × 10 −6 / K.
従って、図９Ａに示す実験結果を考慮すると、緩衝層１１に好適な熱伝導率及び熱膨張率を有する皮膜、具体的には銅の体積含有率が８５％以上であ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、即ちタングステンの体積含有率を約４０％未満にすれば良い。
Therefore, in consideration of the experimental results shown in FIG. 9A, a film having a thermal conductivity and a thermal expansion coefficient suitable for the buffer layer 11, specifically, a film having a copper volume content of 85% or more is obtained by the cold spray method. In order to form, the volume content of copper in the mixed powder may be about 60% or more, that is, the volume content of tungsten may be less than about 40%.
図１０Ａ～図１０Ｃは、中心粒径が約５．３μｍのモリブデン（Ｍｏ）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１０Ｂに示す理論値は、式（１）において、添加材の熱伝導率λaを１３８Ｗ／ｍ・Ｋとして算出したものである。また、図１０Ｃに示す理論値は、式（２）において、添加材のヤング率Ｅaを３３０ＧＰａとし、添加材の熱膨張率αaを４．８×１０-6／Ｋとして算出したものである。
FIGS. 10A to 10C are graphs showing the results of experiments (1) to (3), respectively, when molybdenum (Mo) powder having a center particle size of about 5.3 μm is used as an additive. Among these values, the theoretical value shown in FIG. 10B is calculated by assuming that the thermal conductivity λ a of the additive is 138 W / m · K in the equation (1). Further, the theoretical values shown in FIG. 10C are calculated in Formula (2) with Young's modulus E a of the additive as 330 GPa and thermal expansion coefficient α a of the additive as 4.8 × 10 −6 / K. is there.
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、モリブデンの粉末が皮膜に入り込み難いため、モリブデンの体積含有率を、例えば３５％以上といったレベルまで多くすることが困難であることを示している。しかしながら、銅が６５％以上、即ちモリブデンが３５％未満の範囲であれば、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所定の傾向が見られるため、粉末の状態における銅とモリブデンとの混合比率を調節することにより、皮膜における銅とモリブデンとの比率を制御することは可能である。
As shown in FIG. 10A, the volume content of copper in the coating was larger than the volume content of copper in the mixed powder. This indicates that when a film is formed by the cold spray method, it is difficult to increase the volume content of molybdenum to a level of, for example, 35% or more because molybdenum powder hardly enters the film. However, if the copper content is 65% or more, that is, the molybdenum content is less than 35%, a predetermined tendency is observed between the copper volume content in the mixed powder and the copper volume content in the coating. It is possible to control the ratio of copper and molybdenum in the coating by adjusting the mixing ratio of copper and molybdenum in the above state.
図１０Ｂ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、銅とモリブデン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。
As shown in FIG. 10B, the measured value of the conductivity ratio with respect to the volume content of copper deviated from the theoretical value of the thermal conductivity ratio. However, even in the actual measurement values, there is a certain relationship in the conductivity ratio with respect to the volume content of copper, so it is possible to control the conductivity ratio of the film by adjusting the ratio of copper and molybdenum. is there.
ここで、理論的には、銅の体積含有率によらず、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。しかしながら、図１０Ａに示す実験結果を考慮すると、皮膜におけるモリブデンの体積含有率を約３５％以上とすることは困難なので、実際には、銅の体積含有率を約６５％以上、即ちモリブデンの体積含有率を約３５％未満にすることで、上記好適な導電率比を得ることができる。
Here, theoretically, the conductivity ratio can be 50% or more suitable for the buffer layer 11 regardless of the volume content of copper. However, considering the experimental results shown in FIG. 10A, it is difficult to set the volume content of molybdenum in the coating to about 35% or more. In practice, therefore, the volume content of copper is about 65% or more, that is, the volume of molybdenum. By setting the content ratio to less than about 35%, the above-described preferable conductivity ratio can be obtained.
図１０Ｃ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、皮膜における銅とモリブデンとの比率を調節することにより、熱膨張率を制御することが可能であるといえる。例えば、銅の体積含有率を約８５％以上（モリブデンを約１５％未満）とすることで、熱膨張率を緩衝層１１に好適な１３．０×１０-6／Ｋ以上１６．６×１０-6／Ｋ未満とすることができる。
As shown in FIG. 10C, the measured value of the coefficient of thermal expansion with respect to the volume content of copper tended to be almost in line with the theoretical value. Therefore, it can be said that the coefficient of thermal expansion can be controlled by adjusting the ratio of copper and molybdenum in the coating. For example, when the volume content of copper is about 85% or more (molybdenum is less than about 15%), the coefficient of thermal expansion is 13.0 × 10 −6 / K or more suitable for the buffer layer 11 and 16.6 × 10. -6 / K or less.
従って、図１０Ａに示す実験結果を考慮すると、緩衝層１１に好適な熱伝導率及び熱膨張率を有する皮膜、具体的には銅の体積含有率が８５％以上であ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６５％以上、即ちモリブデンの体積含有率を約３５％未満にすれば良い。
Therefore, in consideration of the experimental results shown in FIG. 10A, a film having a thermal conductivity and a coefficient of thermal expansion suitable for the buffer layer 11, specifically, a film having a volume content of copper of 85% or more is obtained by the cold spray method. In order to form it, the volume content of copper in the mixed powder may be about 65% or more, that is, the volume content of molybdenum may be less than about 35%.
図１１Ａ及び図１１Ｂ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１１Ｂ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。
FIGS. 11A and 11B are graphs showing the results of experiments (1) and (3), respectively, when an alumina (Al 2 O 3 ) powder having a center particle size of about 30 μm is used as an additive. Among these values, the theoretical values shown in FIG. 11B are calculated by assuming that the Young's modulus E a of the additive is 380 GPa and the thermal expansion coefficient α a of the additive is 7.2 × 10 −6 / K in the formula (2). It is. In addition, when the additive is not a metal or an alloy, the conductivity ratio (thermal conductivity ratio) is not evaluated because the conductivity ratio of the film to pure copper does not correspond to the thermal conductivity ratio to pure copper.
図１１Ａ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、例えば３０％以上といったレベルまで多くする、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。
As shown in FIG. 11A, the volume content of copper in the film was larger than the volume content of copper in the mixed powder. This indicates that when a film is formed by the cold spray method, the alumina powder hardly enters the film. Therefore, it can be said that it is difficult to increase the volume content of alumina in the coating to a level of, for example, 30% or more, or to control the ratio of both in the coating by the mixing ratio of copper and alumina in the mixed powder.
図１１Ｂ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１３．０×１０-6／Ｋ以上１６．６×１０-6／Ｋ未満を得ることができた。しかしながら、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は困難といえる。
As shown in FIG. 11B, in the range of the experimental data, a thermal expansion coefficient suitable for the buffer layer 11 of 13.0 × 10 −6 / K or more and less than 16.6 × 10 −6 / K could be obtained. However, since the measured value of the thermal expansion coefficient with respect to the volume content of copper deviates from the theoretical value, it can be said that it is difficult to control the thermal expansion coefficient of the film by adjusting the ratio of copper and alumina.
図１２Ａ及び図１２Ｂ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１２Ｂ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。
12A and 12B are graphs showing the results of experiments (1) and (3), respectively, when silicon carbide (SiC) powder having a center particle size of about 30 μm is used as an additive. Among these values, the theoretical values shown in FIG. 12B are calculated by assuming that the Young's modulus E a of the additive is 450 GPa and the thermal expansion coefficient α a of the additive is 4.4 × 10 −6 / K in the formula (2). It is.
図１２Ａ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、例えば２０％以上といったレベルまで多くする、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。
As shown in FIG. 12A, the volume content of copper in the coating was larger than the volume content of copper in the mixed powder. This indicates that when a film is formed by the cold spray method, the silicon carbide powder hardly enters the film. Therefore, it is difficult to increase the volume content of silicon carbide in the coating to a level of, for example, 20% or more, or to control the ratio of both in the coating by the mixing ratio of copper and silicon carbide in the mixed powder.
図１２Ｂ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１３．０×１０-6／Ｋ以上１６．６×１０-6／Ｋ未満を得ることができた。しかしながら、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は困難といえる。
As shown in FIG. 12B, in the range of the experimental data, a thermal expansion coefficient suitable for the buffer layer 11 of 13.0 × 10 −6 / K or more and less than 16.6 × 10 −6 / K could be obtained. However, since the measured value of the thermal expansion coefficient with respect to the volume content of copper deviates from the theoretical value, it can be said that it is difficult to control the thermal expansion coefficient of the film by adjusting the ratio of copper to silicon carbide. .
図１３Ａ及び図１３Ｂ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１３Ｂ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。
13A and 13B are graphs showing the results of experiments (1) and (3), respectively, in the case of using carbon (C) powder having a center particle size of about 25 μm as an additive. Among these values, the theoretical values shown in FIG. 13B are calculated by assuming that the Young's modulus E a of the additive is 15 GPa and the thermal expansion coefficient α a of the additive is 4.4 × 10 −6 / K in the formula (2). It is.
図１３Ａ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、例えば１０％以上といったレベルまで多くする、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。
As shown in FIG. 13A, the volume content of copper in the coating was greater than the volume content of copper in the mixed powder. This indicates that when a film is formed by the cold spray method, the carbon powder hardly enters the film. Therefore, it is difficult to increase the volume content of carbon to a level of, for example, 10% or more in the film, or to control the ratio of both in the film by the mixing ratio of copper and carbon in the mixed powder.
図１３Ｂ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１３．０×１０-6／Ｋ以上１６．６×１０-6／Ｋ未満を得ることができた。しかしながら、図１３Ａ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。
As shown in FIG. 13B, in the range of the experimental data, a thermal expansion coefficient suitable for the buffer layer 11 of 13.0 × 10 −6 / K or more and less than 16.6 × 10 −6 / K could be obtained. However, considering the experimental results shown in FIG. 13A, it is difficult to control the thermal expansion coefficient of the coating because it is difficult to control the ratio of copper to carbon in the coating.
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、鉄ニッケル合金、タングステン、又はモリブデンを用い、皮膜における添加材の体積含有率を好ましくは２０％未満にすると良い。特に、添加材としてタングステン又はモリブデ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１５％未満にすることが好ましい。
From these experimental results, in order to form a film having a suitable thermal conductivity and coefficient of thermal expansion for the buffer layer 11, an iron nickel alloy, tungsten, or molybdenum is used as the additive, and the volume of the additive in the film. The content is preferably less than 20%. In particular, when tungsten or molybdenum is used as the additive, the volume content of the additive in the coating is preferably less than 15%.
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の金属層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。
As described above, according to the first embodiment, the buffer layer 11 can be directly formed on the metal layer 17 of the substrate 10 by using the cold spray method. Therefore, the thermal stress between the insulating base material 13 and the cooler 12 can be relaxed. Further, one heat resistance layer such as a heat transfer sheet or grease can be omitted from the configuration of the conventional power module. Accordingly, it is possible to realize a power module that can efficiently release the heat generated in the substrate 10 and has excellent durability.
また、本実施の形態１によれば、銅と、鉄ニッケル合金、タングステン、又はモリブデン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。また、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。
Further, according to the first embodiment, the mixed powder of copper and an additive made of iron-nickel alloy, tungsten, or molybdenum is applied to the material powder of the cold spray method, so that the powder mixing ratio is adjusted. Thus, a film having a desired composition ratio, in other words, a film having a desired coefficient of thermal expansion and thermal conductivity can be easily formed. Moreover, the thermal expansion coefficient and thermal conductivity of the film can be easily controlled by adjusting the mixing ratio of the copper and additive powders. Therefore, a film corresponding to required characteristics such as low thermal expansion and high thermal conductivity can be easily realized like the buffer layer 11 in the power module 1. Moreover, the control of the composition and characteristics of such a film can be performed more easily and at a lower cost than in the case of a sintered body.
（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１４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１４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１４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。 (Embodiment 2)
Next, a second embodiment of the present invention will be described. FIG. 14 is a cross-sectional view showing the structure of the power module according to the second embodiment. In thepower module 2 shown in FIG. 14, a buffer layer 11 is formed directly on the surface of the cooler 12 (upper surface in FIG. 14) as compared with the power module 1 shown in FIG. The difference is that the buffer layer 11 is bonded to the metal layer 17 side of the substrate 10. The material and configuration of each part are the same as in the first embodiment.
次に、本発明の実施の形態２について説明する。図１４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１４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１４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。 (Embodiment 2)
Next, a second embodiment of the present invention will be described. FIG. 14 is a cross-sectional view showing the structure of the power module according to the second embodiment. In the
図１５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。
FIG. 15 is a flowchart showing a method for manufacturing the power module 2. Among these, steps S1 and S2 are the same as those in the first embodiment.
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１４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。
In step S5 following step S2, the buffer layer 11 is formed on the cooler 12 by a cold spray method. That is, in the cold spray device 100 illustrated in FIG. 3, the surface of the base 12 a of the cooler 12 (upper surface in FIG. 14) is disposed as the base material 110 toward the spray gun 103, and the mixed powder prepared in step S <b> 2. Is put into the powder supply apparatus 102 to form a film.
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１４に示すパワーモジュール２が完成する。
In subsequent step S6, the substrate 10 produced in step S1 is attached to the buffer layer 11 formed in step S5 via the heat transfer sheet 18. Thereby, the power module 2 shown in FIG. 14 is completed.
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。
According to the second embodiment, even when the buffer layer 11 is formed directly on the cooler 12 side, one heat resistance layer such as a heat transfer sheet or grease can be omitted from the configuration of the conventional power module. Therefore, it is possible to efficiently release the heat generated in the substrate 10 and realize a power module excellent in durability.
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 1, 2, 9Power module 10, 96 Substrate 11, 97 Buffer layer 12, 98 Cooler 12a Base 12b Cooling unit 13, 91 Insulating substrate 14, 92 Circuit layer 15, 93 Solder 16, 94 Semiconductor chip 17, 95 Metal Layer 18 Heat transfer sheet 100 Cold spray device 101 Gas heater 102 Powder supply device 103 Spray gun 104 Gas nozzle 105, 106 Valve 110 Base material 111 Coating
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 1, 2, 9
Claims (5)
- 銅の粉末と、鉄ニッケル合金、タングステン、及びモリブデン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、
前記添加材の体積含有率が０％より大きく２０％未満であることを特徴とする複合材。 Accelerate a mixed powder, which is a mixture of copper powder and additive powder made of iron-nickel alloy, tungsten, and molybdenum, together with gas, and spray and deposit on the surface of the substrate in a solid state. Formed by
A composite material having a volume content of the additive of greater than 0% and less than 20%. - 前記鉄ニッケル合金は、Ｆｅ－３６Ｎｉ又はＦｅ－３２Ｎｉ－５Ｃｏであることを特徴とする請求項１に記載の複合材。 The composite material according to claim 1, wherein the iron-nickel alloy is Fe-36Ni or Fe-32Ni-5Co.
- 請求項１又は２に記載の複合材と、
前記基材と、
を備えることを特徴とする積層体。 The composite material according to claim 1 or 2,
The substrate;
A laminate comprising: - 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請求項１～３のいずれか１項に記載の複合材と、
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パワーモジュール。 A substrate with a semiconductor element mounted on one side;
The composite material according to any one of claims 1 to 3, wherein the other surface of the substrate is formed as a surface of the base material;
A cooler having a base having a flat plate shape and a cooling part provided on one surface of the base, and bonded to the composite material on the other surface of the base;
A power module comprising: - 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請求項１～３のいずれか１項に記載の複合材と、
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パワーモジュール。 A cooler having a base portion having a flat plate shape, and a cooling portion provided on one surface of the base portion;
The composite material according to any one of claims 1 to 3, wherein the other surface of the base is formed as the surface of the base material.
A substrate having a semiconductor element mounted on one surface and bonded to the composite material on the other surface;
A power module comprising:
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