WO2015186644A1 - 複合材、積層体、及びパワーモジュール - Google Patents

複合材、積層体、及びパワーモジュール Download PDF

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powder
composite material
additive
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雄一郎 山内
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日本発條株式会社
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    • C23C24/02—Coating starting from inorganic powder by application of pressure only
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    • H01L2924/1305—Bipolar Junction Transistor [BJT]
    • H01L2924/13055—Insulated gate bipolar transistor [IGBT]

Definitions

  • 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.
  • FIG. 13 is a cross-sectional view schematically showing a conventional power module.
  • 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.
  • the buffer layer 97 is bonded to the substrate 96 and the cooler 98 via an adhesive layer 99 such as a heat transfer sheet or grease.
  • 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.
  • 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 ).
  • a power module is disclosed in which the underlying conductive member formed is provided between a metal wiring and a semiconductor chip.
  • 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.
  • 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.
  • both the base material and the material to be coated are metal
  • 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.
  • 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.
  • Hyun-Ki Kang, et al. “Tungsten / Copper composite deposit produced by a cold spray”, Scripta Materialia 49 (2003), pp. 1169-1174 Osterwald, et al., “Sprayed Stress Reducing Interlayers for Highly Reliable Large Solder Joints” [Searched on December 11, 2013], Internet ⁇ http://www.danfoss.com/NR/rdonlyres/522FBBBC-EA80 -4CEE-8BCC-361026167619 / 0 / InterlayersforHighlyReliableLargeSolderJoints_PCIM2007.pdf>
  • Patent Document 1 focuses only on the thermal stress mitigating action of the underlying conductive member, and no material that can achieve both thermal stress mitigation and thermal resistance suppression has been known. Therefore, it is desired to develop a new material having low thermal expansion and high thermal conductivity suitable for the buffer layer of the power module.
  • the present invention has been made in view of the above, and a composite material having low thermal expansion and high thermal conductivity suitable for a buffer layer of a power module, a laminate including the composite material, and the composite material are applied. It is an object to provide an improved power module.
  • the composite material according to the present invention is a mixed powder obtained by mixing copper powder and additive powder composed of any one of chromium, titanium, and tungsten carbide. It is characterized by being formed by accelerating with gas and spraying and depositing on the surface of the substrate in a solid state.
  • the composite material has a thermal conductivity ratio with respect to pure copper of 50% or more, and a thermal expansion coefficient of 7.5 ⁇ 10 ⁇ 6 / K or more and less than 16.6 ⁇ 10 ⁇ 6 / K.
  • the additive material is chromium, and the volume content of the chromium is more than 0% and less than 55%.
  • the additive is titanium, and the volume content of the titanium is more than 0% and less than 35%.
  • the additive is tungsten carbide, and the volume content of the tungsten carbide is more than 0% and less than 20%.
  • the laminate according to the present invention includes the composite material and the base material.
  • 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.
  • 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.
  • a composite material in which any one of chromium, titanium, and tungsten carbide is added to copper is formed by a so-called cold spray method, low thermal expansion and high thermal conductivity suitable for a buffer layer of a power module. It becomes possible to produce a composite material having
  • FIG. 1 is a cross-sectional view showing the structure of a power module according to Embodiment 1 of the present invention.
  • FIG. 2 is a flowchart showing a method of manufacturing the power module shown in FIG.
  • FIG. 3 is a schematic diagram illustrating a configuration example of a cold spray apparatus.
  • FIG. 4 is a table showing characteristics of copper and materials used as additives.
  • FIG. 5A is a graph showing the experimental results when chromium (Cr) powder is used as an additive.
  • FIG. 5B is a graph showing experimental results when chromium (Cr) powder is used as an additive.
  • FIG. 5C is a graph showing experimental results in the case of using chromium (Cr) powder as an additive.
  • FIG. 6A is a graph showing experimental results when titanium (Ti) powder is used as an additive.
  • FIG. 6B is a graph showing experimental results when titanium (Ti) powder is used as an additive.
  • FIG. 6C is a graph showing experimental results when titanium (Ti) powder is used as an additive.
  • FIG. 7A is a graph showing experimental results when tungsten carbide (WC) powder is used as an additive.
  • FIG. 7B is a graph showing experimental results when tungsten carbide (WC) powder is used as an additive.
  • FIG. 7C is a graph showing experimental results when tungsten carbide (WC) powder is used as an additive.
  • FIG. 8A is a graph showing experimental results when alumina (Al 2 O 3 ) powder is used as an additive.
  • FIG. 8B is a graph showing experimental results when alumina (Al 2 O 3 ) powder is used as an additive.
  • FIG. 9A is a graph showing experimental results when silicon carbide (SiC) powder is used as an additive.
  • FIG. 9B is a graph showing experimental results when silicon carbide (SiC) powder is used as an additive.
  • FIG. 10A is a graph showing experimental results when carbon (C) powder is used as an additive.
  • FIG. 10B is a graph showing experimental results when carbon (C) powder is used as an additive.
  • FIG. 11 is a cross-sectional view showing the structure of the power module according to Embodiment 2 of the present invention.
  • FIG. 12 is a flowchart showing a method of manufacturing the power module shown in FIG.
  • FIG. 13 is a cross-sectional view showing the structure of a conventional power module.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view showing the structure of a power module according to Embodiment 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • a semiconductor element such as a diode, a transistor, or an insulated gate bipolar transistor (IGBT).
  • IGBT insulated gate bipolar transistor
  • 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.
  • the buffer layer 11 is made of a composite material in which any one of chromium, titanium, and tungsten carbide is added to copper, and is directly formed on the metal layer 17 side of the substrate 10 by a so-called cold spray method.
  • 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.
  • 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 may be 7.5 ⁇ 10 ⁇ 6 / K or more and less than 16.6 ⁇ 10 ⁇ 6 / K.
  • a composite material in which chromium, titanium, or tungsten carbide is added to the base material (copper) in the buffer layer 11 is used. The characteristics of the composite material using each additive will be described later.
  • 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.
  • 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.
  • FIG. 2 is a flowchart showing a method for manufacturing the power module 1.
  • 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.
  • 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).
  • the particle size of the copper powder and additive 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 ⁇ m. The method for preparing the powder will be described in detail later.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • the base material 110 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.
  • 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.
  • 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.
  • FIG. 4 is a table showing characteristics of copper as a base material and materials used as an additive.
  • the characteristics of silicon nitride used as the base material are shown at the right end of FIG.
  • 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.
  • A1050 aluminum substrate
  • the copper powder a powder having a center particle diameter of 25 ⁇ m prepared by a water atomization method was used and mixed with the additive powder by a dry mixing method.
  • the temperature of the compressed gas was 800 ° C., and the gas pressure was 3 MPa.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • FIGS. 5A to 5C are graphs respectively showing the results of experiments (1) to (3) in the case of using chromium (Cr) powder having a center particle diameter of about 25 ⁇ m as an additive.
  • the horizontal axis of FIG. 5A shows the volume content [vol%] of copper in the mixed powder before film formation
  • the vertical axis shows the volume content [vol%] of copper in the film after film formation.
  • FIG. 5B shows the horizontal axis of FIG. 5B shows the volume content [vol%] of the copper in a film
  • 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).
  • FIG. 5C shows 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].
  • ⁇ c coefficient of thermal expansion in the composite material
  • v m volume content of the base material (copper)
  • v a Volume content of additive material
  • E a Young's modulus of additive material
  • ⁇ a Thermal expansion coefficient of additive material In the case of chromium, Young's modulus E a of the additive material is 279 GPa, and thermal expansion coefficient ⁇ a of the additive material Is 4.9 ⁇ 10 ⁇ 6 / K.
  • the volume content of copper in the coating was slightly higher than the volume content of copper in the mixed powder. This is considered to be because when the film is formed by the cold spray method, the chromium powder hardly enters the film.
  • the film can be adjusted by adjusting the mixing ratio of copper and chromium in the powder state. It is possible to control the ratio of copper to chromium in
  • the conductivity ratio (that is, the thermal conductivity ratio) can be controlled by adjusting the ratio of copper and chromium in the coating.
  • the conductivity ratio can be set to 50% or more suitable for the buffer layer 11 by setting the volume content of copper to about 45% or more, that is, the volume content of chromium is less than about 55%.
  • the measured value of the coefficient of thermal expansion (CTE) with respect to the copper volume content has deviated from the theoretical value.
  • CTE coefficient of thermal expansion
  • the volume content of copper in the coating is about 45% or more and less than 100%, that is, the volume content of chromium is less than 0%. It may be less than about 55% in many cases.
  • the volume content of copper in the mixed powder is about 15% or more and less than 100%, that is, the volume of chromium. The content may be more than 0% and less than about 85%.
  • FIGS. 6A to 6C are graphs respectively showing the results of experiments (1) to (3) in the case where titanium (Ti) powder having a center particle diameter of about 25 ⁇ m is used as an additive.
  • the theoretical value shown in FIG. 6B is calculated by setting the thermal conductivity ⁇ a of the additive to 21.9 W / m ⁇ K in the equation (1).
  • the theoretical values shown in FIG. 6C are calculated by assuming that the Young's modulus E a of the additive is 106 GPa and the thermal expansion coefficient ⁇ a of the additive is 8.6 ⁇ 10 ⁇ 6 / K in Equation (2). is there.
  • the volume content of copper in the coating was slightly smaller than the volume content of copper in the mixed powder. This indicates that when a film is formed by the cold spray method, titanium powder easily enters the film.
  • the film can be adjusted by adjusting the mixing ratio of copper and titanium in the powder state. It can be seen that the ratio of copper and titanium in can be controlled.
  • the conductivity ratio can be controlled by adjusting the volume content of copper and titanium in the coating.
  • the conductivity ratio can be 50% or more suitable for the buffer layer 11 by setting the volume content of copper to about 65% or more, that is, the volume content of titanium is less than about 35%.
  • the coefficient of thermal expansion can be controlled by adjusting the ratio of copper and titanium in the coating.
  • the coefficient of thermal expansion is 7.5 ⁇ 10 ⁇ 6 / K or more suitable for the buffer layer 11 and 16.6 or more. It may be less than ⁇ 10 ⁇ 6 / K.
  • the volume content of copper in the film is about 65% or more and less than 100%, that is, the volume content of titanium is more than 0% and less than about 35%. good.
  • the volume content of copper in the mixed powder is about 75% or more and less than 100%, that is, the volume of titanium. The content may be more than 0% and less than about 25%.
  • FIGS. 7A to 7C are graphs respectively showing the results of experiments (1) to (3) in the case of using tungsten carbide (WC) powder having a center particle size of about 4.3 ⁇ m as an additive.
  • the theoretical values shown in FIG. 7C are calculated in Formula (2) with the Young's modulus E a of the additive as 780 GPa and the thermal expansion coefficient ⁇ a of the additive as 5.2 ⁇ 10 ⁇ 6 / K. It is.
  • the conductivity ratio of the film to pure copper does not correspond to the thermal conductivity ratio of pure copper, so FIG. 7B does not describe the theoretical value of the thermal conductivity ratio.
  • the volume content of copper in the coating was slightly higher than the volume content of copper in the mixed powder. This is considered to be because when the film is formed by the cold spray method, the tungsten carbide powder hardly enters the film.
  • the volume content of copper in the mixed powder was slightly higher than the volume content of copper in the mixed powder.
  • the conductivity ratio is adjusted in the measured value ⁇ of the conductivity ratio with respect to the copper volume content.
  • the ratio of copper to tungsten carbide is adjusted.
  • the conductivity ratio is 50% or more suitable for the buffer layer 11. It can be.
  • the measured value of the thermal expansion coefficient with respect to the volume content of copper has deviated from the theoretical value.
  • the thermal expansion coefficient of the film can be controlled by adjusting the ratio of copper and tungsten carbide.
  • the volume content of copper is less than about 70% to 100%, i.e. when the volume content of the tungsten carbide is less than most about 30% than 0%, the buffer layer 11 to a preferred 7.5 ⁇ 10 - 6 / K or more and less than 16.6 ⁇ 10 ⁇ 6 / K are satisfied.
  • the volume content of copper in the film should be about 80% or more and less than 100%, that is, the volume content of tungsten carbide should be more than 0% and less than about 20%. good. Further, in consideration of the experimental results shown in FIG. 7A, 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 60% or more, that is, the volume content of tungsten carbide. Should be less than about 40%.
  • FIG. 8A and 8B are graphs showing the results of experiments (1) and (3), respectively, in the case of using alumina (Al 2 O 3 ) powder having a center particle size of about 30 ⁇ m as an additive.
  • the theoretical values shown in FIG. 8B are calculated in Formula (2) with the Young's modulus E a of the additive as 380 GPa and the thermal expansion coefficient ⁇ a of the additive as 7.2 ⁇ 10 ⁇ 6 / K. It is.
  • the conductivity ratio thermal conductivity ratio
  • the 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.
  • the copper volume content in the coating was greater than the copper volume content 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.
  • FIG. 9A and 9B are graphs showing the results of experiments (1) and (3), respectively, when silicon carbide (SiC) powder having a center particle diameter of about 30 ⁇ m is used as an additive.
  • SiC silicon carbide
  • FIG. 9B the theoretical values shown in FIG. 9B are calculated by assuming that Young's modulus E a of the additive is 450 GPa and thermal expansion coefficient ⁇ a of the additive is 4.4 ⁇ 10 ⁇ 6 / K in equation (2). It is.
  • 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.
  • FIGS. 10A and 10B are graphs showing the results of experiments (1) and (3), respectively, when carbon (C) powder having a center particle size of about 25 ⁇ m is used as an additive.
  • the theoretical values shown in FIG. 10B are calculated in Formula (2) with the Young's modulus E a of the additive as 15 GPa and the thermal expansion coefficient ⁇ a of the additive as 4.4 ⁇ 10 ⁇ 6 / K. It is.
  • 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 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.
  • chromium, titanium, or tungsten carbide as an additive in order to form a film having a thermal conductivity and a thermal expansion coefficient suitable for the buffer layer 11. More specifically, when chromium is used as the additive, the volume content of the additive in the coating is preferably greater than 0% and less than 55%. When titanium is used as the additive, the volume content of the additive in the coating is preferably more than 0% and less than 35%. Furthermore, when tungsten carbide is used as the additive, the volume content of the additive in the coating is preferably greater than 0% and less than 20%. Moreover, the ratio of these additives can be controlled by adjusting the mixing ratio of copper and additives in the mixed powder.
  • 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.
  • the powder mixing ratio can be adjusted.
  • a film having a desired composition ratio in other words, a film having a desired thermal expansion coefficient and thermal conductivity can be easily formed.
  • 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.
  • the composition and characteristics of the coating can be controlled more easily and at a lower cost than in the case of a sintered body.
  • FIG. 11 is a cross-sectional view showing the structure of the power module according to the second embodiment.
  • a buffer layer 11 is formed directly on the surface (the upper surface in FIG. 11) of the cooler 12 with respect to 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.
  • FIG. 12 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.
  • 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 12a (the upper surface in FIG. 11) of the cooler 12 is disposed as the base material 110 toward the spray gun 103, and the mixed powder prepared in step S2 Is put into the powder supply apparatus 102 to form a film.
  • 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. 11 is completed.
  • a heat resistance layer such as a heat transfer sheet or grease is added to the configuration of the conventional power module. Since layers can be omitted, it is possible to efficiently release the heat generated in the substrate 10 and realize a power module having excellent durability.

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Abstract

　パワーモジュールの緩衝層に好適な低熱膨張性及び高熱伝導性を有する複合材等を提供する。パワーモジュール１は、一方の面に半導体チップ１６が実装された基板１０と、該基板１０の他方の面に形成された緩衝層１１と、平板状をなす基部１２ａと該基部１２ａの一方の面に設けられた冷却部１２ｂを有し、基部１２ａの他方の面において緩衝層１１と接着された冷却器１２とを備える。緩衝層１１は、銅の粉末と、クロム、チタン、及びタングステンカーバイド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た複合材である。

Description

複合材、積層体、及びパワーモジュール
　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。
　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１３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１３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。緩衝層９７は、伝熱シートやグリス等の接着層９９を介して基板９６及び冷却器９８と接着されている。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。
　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。
　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。
　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。
特開２００８－３００４５５号公報
カン（Hyun-Ki　Kang）、他、「Tungsten/Copper　composite　deposite　produced　by　a　cold　spray」、スクリプタ　マテリアリア（Scripta　Materialia）４９（２００３年）、第１１６９～１１７４頁 オスターヴァルト（Osterwald）、他、「Sprayed　Stress　Reducing　Interlayers　for　Highly　Reliable　Large　Solder　Joints」、［２０１３年１２月１１日検索］、インターネット＜http://www.danfoss.com/NR/rdonlyres/522FBBBC-EA80-4CEE-8BCC-361026167619/0/InterlayersforHighlyReliableLargeSolderJoints＿PCIM2007.pdf＞
　しかしながら、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。また、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。そのため、パワーモジュールの緩衝層に好適な低熱膨張性及び高熱伝導性を有する新たな材料の開発が望まれている。
　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に好適な低熱膨張性及び高熱伝導性を有する複合材、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を提供することを目的とする。
　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、クロム、チタン、及びタングステンカーバイド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たことを特徴とする。
　上記複合材は、純銅に対する熱伝導率比が５０％以上であり、熱膨張率が７．５×１０-6／Ｋ以上１６．６×１０-6／Ｋ未満であることを特徴とする。
　上記複合材において、前記添加材はクロムであり、前記クロムの体積含有率が０％より多く５５％未満であることを特徴とする。
　上記複合材において、前記添加材はチタンであり、前記チタンの体積含有率が０％より多く３５％未満であることを特徴とする。
　上記複合材において、前記添加材はタングステンカーバイドであり、前記タングステンカーバイドの体積含有率が０％より多く２０％未満であることを特徴とする。
　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。
　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。
　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。
　本発明によれば、銅に、クロム、チタン、及びタングステンカーバイドのいずれか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に好適な低熱膨張性及び高熱伝導性を有する複合材を作製することが可能となる。
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２は、図１に示すパワーモジュールの製造方法を示すフローチャートである。 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４は、銅及び添加材として用いた材料の特性を示す表である。 図５Ａは、クロム（Ｃｒ）の粉末を添加材として用いた場合の実験結果を示すグラフである。 図５Ｂは、クロム（Ｃｒ）の粉末を添加材として用いた場合の実験結果を示すグラフである。 図５Ｃは、クロム（Ｃｒ）の粉末を添加材として用いた場合の実験結果を示すグラフである。 図６Ａは、チタン（Ｔｉ）の粉末を添加材として用いた場合の実験結果を示すグラフである。 図６Ｂは、チタン（Ｔｉ）の粉末を添加材として用いた場合の実験結果を示すグラフである。 図６Ｃは、チタン（Ｔｉ）の粉末を添加材として用いた場合の実験結果を示すグラフである。 図７Ａは、タングステンカーバイド（ＷＣ）の粉末を添加材として用いた場合の実験結果を示すグラフである。 図７Ｂは、タングステンカーバイド（ＷＣ）の粉末を添加材として用いた場合の実験結果を示すグラフである。 図７Ｃは、タングステンカーバイド（ＷＣ）の粉末を添加材として用いた場合の実験結果を示すグラフである。 図８Ａは、アルミナ（Ａｌ2Ｏ3）の粉末を添加材として用いた場合の実験結果を示すグラフである。 図８Ｂは、アルミナ（Ａｌ2Ｏ3）の粉末を添加材として用いた場合の実験結果を示すグラフである。 図９Ａは、炭化ケイ素（ＳｉＣ）の粉末を添加材として用いた場合の実験結果を示すグラフである。 図９Ｂは、炭化ケイ素（ＳｉＣ）の粉末を添加材として用いた場合の実験結果を示すグラフである。 図１０Ａは、炭素（Ｃ）の粉末を添加材として用いた場合の実験結果を示すグラフである。 図１０Ｂは、炭素（Ｃ）の粉末を添加材として用いた場合の実験結果を示すグラフである。 図１１は、本発明の実施の形態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１２は、図１１に示すパワーモジュールの製造方法を示すフローチャートである。 図１３は、従来のパワーモジュールの構造を示す断面図である。
　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。
（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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　緩衝層１１は、銅に対し、クロムと、チタンと、タングステンカーバイド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。
　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未満にすれば良い。このような特性を実現するため、実施の形態１においては、緩衝層１１における母材（銅）に対し、クロム、チタン、又はタングステンカーバイドを添加した複合材を用いている。各添加材を用いた複合材の特性については後述する。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　銅の粉末及び添加材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。粉末の調製方法については、後で詳しく説明する。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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）として用いる窒化ケイ素の特性を示す。
　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。
　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。
　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。
　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。
　図５Ａ～図５Ｃは、中心粒径が約２５μｍのクロム（Ｃｒ）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。
　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。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
　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
クロムの場合、添加材の熱伝導率λaは９３．９Ｗ／ｍ・Ｋである。
　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）
　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
クロムの場合、添加材のヤング率Ｅaは２７９ＧＰａであり、添加材の熱膨張率αaは４．９×１０-6／Ｋである。
　図５Ａ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若干多くなっていた。これは、コールドスプレー法で皮膜を形成した場合、クロムの粉末が皮膜に若干入り込み難いためと考えられる。しかしながら、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ので、粉末の状態における銅とクロムとの混合比率を調節することにより、皮膜における銅とクロムとの比率を制御することは可能である。
　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。従って、皮膜における銅とクロムとの比率を調節することにより、導電率比（即ち、熱伝導率比）を制御できるといえる。例えば、銅の体積含有率を約４５％以上、即ちクロムの体積含有率を約５５％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。
　図５Ｃに示すように、銅の体積含有率に対する熱膨張率（ＣＴＥ）の実測値は、理論値に対して乖離してしまった。しかしながら、実測値においても、皮膜における銅の体積含有率に対する熱膨張率に一定の関係が見られることから、銅の体積含有率を調節することにより熱膨張率を制御することは可能であるといえる。また、緩衝層１１に好適な７．５×１０-6／Ｋ以上１６．６×１０-6／Ｋ未満という熱膨張率は、銅とクロムの比率によらず実現することができる。
　従って、上記緩衝層１１として好ましい熱伝導率及び熱膨張率の特性を両立させるためには、皮膜における銅の体積含有率を約４５％以上１００％未満、即ちクロムの体積含有率を０％より多く約５５％未満にすれば良い。さらに、図５Ａに示す実験結果を考慮すると、上記好ましい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１５％以上１００％未満、即ちクロムの体積含有率を０％より多く約８５％未満にすれば良い。
　図６Ａ～図６Ｃは、中心粒径が約２５μｍのチタン（Ｔｉ）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６Ｂに示す理論値は、式（１）において、添加材の熱伝導率λaを２１．９Ｗ／ｍ・Ｋとして算出したものである。また、図６Ｃに示す理論値は、式（２）において、添加材のヤング率Ｅaを１０６ＧＰａとし、添加材の熱膨張率αaを８．６×１０-6／Ｋとして算出したものである。
　図６Ａ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若干少なくなっていた。これは、コールドスプレー法で皮膜を形成した場合、チタンの粉末が皮膜に入り込み易いことを示している。また、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ので、粉末の状態における銅とチタンとの混合比率を調節することにより、皮膜における銅とチタンとの比率を制御できることがわかる。
　図６Ｂ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、熱伝導率の理論値に概ね沿った傾向を示していた。従って、皮膜における銅とチタンとの体積含有率を調節することにより、導電率比を制御できるといえる。例えば、銅の体積含有率を約６５％以上、即ちチタンの体積含有率を約３５％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。
　図６Ｃ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、皮膜における銅とチタンとの比率を調節することにより、熱膨張率を制御できるといえる。例えば、銅の体積含有率を１００％未満、即ちチタンの体積含有率を０％より多くすることで、熱膨張率を緩衝層１１に好適な７．５×１０-6／Ｋ以上１６．６×１０-6／Ｋ未満とすることができる。
　従って、上記緩衝層１１として好ましい特性を両立させるためには、皮膜における銅の体積含有率を約６５％以上１００％未満、即ちチタンの体積含有率を０％より多く約３５％未満にすれば良い。さらに、図６Ａに示す実験結果を考慮すると、上記好ましい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７５％以上１００％未満、即ちチタンの体積含有率を０％より多く約２５％未満にすれば良い。
　図７Ａ～図７Ｃは、中心粒径が約４．３μｍのタングステンカーバイド（ＷＣ）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７Ｃに示す理論値は、式（２）において、添加材のヤング率Ｅaを７８０ＧＰａとし、添加材の熱膨張率αaを５．２×１０-6／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、図７Ｂには、熱伝導率比の理論値を記載していない。
　図７Ａ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若干多くなっていた。これは、コールドスプレー法で皮膜を形成した場合、タングステンカーバイドの粉末が皮膜に若干入り込み難いためと考えられる。しかしながら、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ので、粉末の状態における銅とタングステンカーバイド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カーバイドとの比率を制御することは可能である。
　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 においては、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、銅とタングステンカーバイド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。例えば、銅の体積含有率を約８０％以上１００％未満、即ちタングステンカーバイドの体積含有率を０％より多く約２０％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。
　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熱膨張率に一定の関係が見られることから、銅とタングステンカーバイドとの比率を調節することにより、皮膜の熱膨張率を制御できるといえる。また、銅の体積含有率が約７０％以上１００％未満である場合、即ちタングステンカーバイドの体積含有率が０％より多く約３０％未満の場合、緩衝層１１に好適な７．５×１０-6／Ｋ以上１６．６×１０-6／Ｋ未満が満たされている。
　従って、上記緩衝層として好ましい特性を両立させるためには、皮膜における銅の体積含有率を約８０％以上１００％未満、即ちタングステンカーバイドの体積含有率を０％より多く約２０％未満にすれば良い。さらに、図７Ａに示す実験結果を考慮すると、上記好ましい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６０％以上、即ちタングステンカーバイドの体積含有率を約４０％未満にすれば良い。
　図８Ａ及び図８Ｂ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８Ｂ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。
　図８Ａ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。
　図８Ｂ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７．５×１０-6／Ｋ以上１６．６×１０-6／Ｋ未満を得ることはできなかった。また、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も困難といえる。
　図９Ａ及び図９Ｂ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９Ｂ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。
　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。
　図９Ｂ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７．５×１０-6／Ｋ以上１６．６×１０-6／Ｋ未満を得ることはできなかった。また、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も困難といえる。
　図１０Ａ及び図１０Ｂ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１０Ｂ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。
　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。
　図１０Ｂ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７．５×１０-6／Ｋ以上１６．６×１０-6／Ｋ未満を得ることはできなかった。また、図１０Ａ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。
　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、添加材としてクロム、チタン、又はタングステンカーバイドを用いることが好ましいことがわかる。より詳細には、添加材としてクロムを用いる場合には、皮膜における添加材の体積含有率を０％より多く５５％未満にすると良い。また、添加材としてチタ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０％より多く３５％未満にすると良い。さらに、添加材としてタングステンカーバイドを用いる場合には、皮膜における添加材の体積含有率を０％より多く２０％未満にすると良い。また、これらの添加材の比率は、混合粉末における銅と添加材との混合比率を調節することにより、制御することができる。
　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。
　また、本実施の形態１によれば、銅と、クロム、チタン、又はタングステンカーバイド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。さらに、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。
（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１１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１１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１１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。
　図１２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。
　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１１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。
　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１１に示すパワーモジュール２が完成する。
　このように、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。
　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
　９９　接着層
　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

Claims (8)

  1. 　銅の粉末と、クロム、チタン、及びタングステンカーバイド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たことを特徴とする複合材。
  2. 　純銅に対する熱伝導率比が５０％以上であり、
    　熱膨張率が７．５×１０-6／Ｋ以上１６．６×１０-6／Ｋ未満であることを特徴とする請求項１に記載の複合材。
  3. 　前記添加材はクロムであり、
    　前記クロムの体積含有率が０％より多く５５％未満であることを特徴とする請求項１又は２に記載の複合材。
  4. 　前記添加材はチタンであり、
    　前記チタンの体積含有率が０％より多く３５％未満であることを特徴とする請求項１又は２に記載の複合材。
  5. 　前記添加材はタングステンカーバイドであり、
    　前記タングステンカーバイドの体積含有率が０％より多く２０％未満であることを特徴とする請求項１又は２に記載の複合材。
  6. 　請求項１～５のいずれか１項に記載の複合材と、
    　前記基材と、
    を備えることを特徴とする積層体。
  7. 　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１～５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。
  8. 　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１～５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。
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