WO2022230877A1 - ヒートシンク、および、ヒートシンク一体型絶縁回路基板 - Google Patents

ヒートシンク、および、ヒートシンク一体型絶縁回路基板 Download PDF

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WO2022230877A1
WO2022230877A1 PCT/JP2022/018886 JP2022018886W WO2022230877A1 WO 2022230877 A1 WO2022230877 A1 WO 2022230877A1 JP 2022018886 W JP2022018886 W JP 2022018886W WO 2022230877 A1 WO2022230877 A1 WO 2022230877A1
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WO
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aluminum
layer
heat sink
copper
top plate
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PCT/JP2022/018886
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English (en)
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Inventor
東洋 大橋
祥郎 黒光
航 岩崎
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三菱マテリアル株式会社
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L23/00—Details of semiconductor or other solid state devices
    • H01L23/34—Arrangements for cooling, heating, ventilating or temperature compensation ; Temperature sensing arrangements
    • H01L23/36—Selection of materials, or shaping, to facilitate cooling or heating, e.g. heatsinks
    • H01L23/373—Cooling facilitated by selection of materials for the device or materials for thermal expansion adaptation, e.g. carbon
    • H01L23/3735—Laminates or multilayers, e.g. direct bond copper ceramic substrates
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K20/00—Non-electric welding by applying impact or other pressure, with or without the application of heat, e.g. cladding or plating
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
    • H01L21/04—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof the devices having potential barriers, e.g. a PN junction, depletion layer or carrier concentration layer
    • H01L21/48—Manufacture or treatment of parts, e.g. containers, prior to assembly of the devices, using processes not provided for in a single one of the subgroups H01L21/06 - H01L21/326
    • H01L21/4814—Conductive parts
    • H01L21/4871—Bases, plates or heatsinks
    • H01L21/4882—Assembly of heatsink parts

Definitions

  • the present invention relates to a heat sink including a top plate portion and radiation fins, and a heat sink integrated insulated circuit board including the heat sink.
  • a power module, an LED module, and a thermoelectric module have a structure in which a power semiconductor element, an LED element, and a thermoelectric element are joined to an insulating circuit board in which a circuit layer made of a conductive material is formed on one side of an insulating layer.
  • a circuit layer made of a conductive material is formed on one side of an insulating layer.
  • the insulating layer one using ceramics and one using insulating resin have been proposed.
  • Patent Literature 1 proposes a heatsink-integrated insulated circuit board in which a heatsink and a circuit layer are insulated by an insulating resin sheet.
  • Patent Document 2 proposes an insulating circuit board with a heat sink in which a heat sink is joined to an insulating circuit board in which metal plates are joined to both surfaces of a ceramic substrate.
  • a heat sink having a structure including a top plate portion and heat radiation fins.
  • One surface of the top plate portion serves as a mounting surface for the insulating circuit board, and the other surface side of the top plate portion is provided with radiation fins.
  • radiation fins various shapes such as pin fins, comb-shaped fins, and corrugated fins have been proposed.
  • examples of the material that constitutes the heat sink described above include copper, copper alloys, aluminum, and aluminum alloys, which are excellent in thermal conductivity.
  • a copper member made of copper or a copper alloy has properties such as particularly excellent thermal conductivity, high mechanical strength, and high deformation resistance.
  • aluminum members made of aluminum or aluminum alloys are slightly inferior to copper in terms of thermal conductivity, but they are lightweight, have low deformation resistance, and are easy to form into complex shapes. .
  • Patent Document 3 a copper member and an aluminum member are solid-phase diffusion-bonded, and the average grain size of the aluminum member after bonding is set to 500 ⁇ m or more.
  • the average crystal grain size is coarse in this manner, the deformation resistance of the aluminum member is small, and there is a possibility that the aluminum member is easily deformed during use.
  • the average thickness of the Al--Cu intermetallic compound layer formed between the copper layer and the aluminum layer is relatively thin at 0.5 ⁇ m to 10 ⁇ m.
  • the Al—Cu intermetallic compound layer is thin, solid-phase diffusion of copper and aluminum is not sufficiently performed, and there is a possibility that the bonding reliability is lowered.
  • the present invention has been made in view of the above-mentioned circumstances, has a copper layer made of copper or a copper alloy and an aluminum layer made of aluminum or an aluminum alloy, and provides a bonding reliability between the copper layer and the aluminum layer.
  • a heat sink that is excellent in heat resistance, can suppress deformation of a member made of aluminum or an aluminum alloy, and can be used stably, and a heat sink-integrated insulated circuit board provided with the heat sink. for the purpose.
  • the heat sink of the present invention is a heat sink comprising a top plate portion and radiation fins, wherein one surface of the top plate portion is covered by another member.
  • the radiation fins are formed on the other surface of the top plate portion, and the top plate portion is made of an aluminum layer made of aluminum or an aluminum alloy and copper or a copper alloy.
  • a copper layer are solid-phase diffusion bonded to form a clad structure, the aluminum layer has an average crystal grain size in the range of 50 ⁇ m or more and less than 500 ⁇ m, and is formed between the aluminum layer and the copper layer.
  • the thickness of the Al--Cu intermetallic compound layer is in the range of more than 10 .mu.m and 40 .mu.m or less.
  • the top plate portion has a clad structure in which an aluminum layer made of aluminum or an aluminum alloy and a copper layer made of copper or a copper alloy are solid-phase diffusion bonded, so that the mounting surface
  • the copper layer efficiently spreads heat from other members placed on the top plate along the plate surface of the top plate portion, resulting in excellent heat dissipation characteristics.
  • it since it has an aluminum layer, the weight of the heat sink can be reduced.
  • the aluminum layer and the copper layer are solid phase diffusion bonded, and the average crystal grain size of the aluminum layer is 50 ⁇ m or more and less than 500 ⁇ m, so that the aluminum layer is moderately hardened and deformation of the aluminum layer is suppressed. can do. Further, since the thickness of the Al—Cu intermetallic compound layer formed between the aluminum layer and the copper layer is in the range of more than 10 ⁇ m and 40 ⁇ m or less, copper and aluminum are sufficiently fixed. It is phase-diffused and has excellent bonding reliability between the copper layer and the aluminum layer.
  • the aluminum layer and the radiation fins may be integrally formed.
  • the aluminum layer and the radiating fins may be integrally formed.
  • the radiation fins are molded integrally with the aluminum layer, it is possible to prevent the radiation fins from coming off or deforming.
  • the purity of aluminum in the aluminum layer is 99.5 mass % or less.
  • the purity of aluminum in the aluminum layer is 99.5 mass % or less and a certain amount of impurities is contained, the growth of crystal grains is suppressed by the impurities, and the crystal grains of the aluminum layer after bonding are coarsened. can be reliably suppressed.
  • the heatsink-integrated insulated circuit board of the present invention comprises the heat sink described above, an insulating layer formed on the mounting surface of the top plate portion of the heat sink, and a surface of the insulating layer opposite to the top plate portion. and a formed circuit layer.
  • the heatsink-integrated insulating circuit board having this configuration since the above-mentioned heatsink is provided, the heat on the side of the insulating circuit board can be efficiently dissipated, and the deformation of the heatsink can be suppressed, so that the heatsink can be stably used. can do.
  • the present invention has a copper layer made of copper or a copper alloy and an aluminum layer made of aluminum or an aluminum alloy, has excellent bonding reliability between the copper layer and the aluminum layer, and is made of aluminum or an aluminum alloy. It is possible to provide a heat sink that can suppress the deformation of the member to which it is attached and that can be used stably, and a heat sink-integrated insulated circuit board provided with this heat sink.
  • FIG. 1 is a schematic explanatory diagram of a power module provided with a heatsink and a heatsink-integrated insulated circuit board according to an embodiment of the present invention
  • 1 is an explanatory diagram of a heat sink that is an embodiment of the present invention
  • FIG. 4 is an enlarged explanatory view of the top plate portion of the heat sink according to the embodiment of the present invention
  • FIG. 4 is an observation photograph of a bonding interface between a copper layer and an aluminum layer of the top plate portion shown in FIG. 3;
  • It is a flow figure showing a manufacturing method of a heat sink which is an embodiment of the present invention.
  • It is explanatory drawing which shows the manufacturing method of the heat sink which is embodiment of this invention.
  • FIG. 1 is a flowchart showing a method for manufacturing a heat sink-integrated insulated circuit board according to an embodiment of the present invention
  • FIG. FIG. 4 is an explanatory view showing a method of manufacturing a heatsink-integrated insulated circuit board according to an embodiment of the present invention
  • (a) is a resin composition placement step
  • (b) is a metal piece placement step
  • (c) is a pressurization and heating step
  • (d) is a heat sink integrated insulated circuit board obtained through a pressurization and heating step.
  • FIG. 1 shows a heat sink 10, a heat sink integrated insulating circuit board 30, and a power module 1 using this heat sink integrated insulating circuit board 30, which are embodiments of the present invention.
  • the upper surface of each member in FIGS. 1 to 3, 6 and 8 will be referred to as one surface or first surface, and the lower surface of each member will be referred to as the other surface or second surface.
  • the power module 1 shown in FIG. 1 includes a heatsink-integrated insulating circuit board 30 and a semiconductor element 3 bonded to one surface (upper surface in FIG. 1) of the heatsink-integrated insulating circuit board 30 via a solder layer 2 . , is equipped with
  • the heatsink-integrated insulating circuit board 30 includes the heatsink 10 of the present embodiment, an insulating layer 31 formed on one surface of the top plate portion 11 of the heatsink 10 (upper surface in FIG. and a circuit layer 32 formed on the surface (top surface in FIG. 1).
  • the semiconductor element 3 described above is bonded to one surface (upper surface in FIG. 1) of the circuit layer 32 .
  • the insulating layer 31 prevents electrical connection between the circuit layer 32 and the heat sink 10, and is made of an insulating resin in this embodiment.
  • a resin containing an inorganic filler as the resin constituting the insulating layer 31 in order to ensure the strength of the insulating layer 31 and to ensure thermal conductivity.
  • alumina, boron nitride, aluminum nitride, or the like can be used as the filler.
  • the content of the filler is preferably 50 mass% or more, more preferably 70 mass% or more.
  • Epoxy resin, polyimide resin, silicone resin, etc. can be used as the thermosetting resin.
  • it is a silicon resin, it can contain 70 mass % or more of said fillers, and if it is an epoxy resin, it can contain 80 mass % or more of said fillers.
  • the lower limit of the thickness of the insulating layer 31 is preferably 25 ⁇ m or more, more preferably 50 ⁇ m or more.
  • the upper limit of the thickness of the insulating layer 31 is preferably 300 ⁇ m or less, more preferably 200 ⁇ m or less.
  • the circuit layer 32 is formed by joining a metal piece 42 made of a highly conductive metal to one surface of the insulating layer 31 .
  • the metal piece 42 copper or a copper alloy, aluminum or an aluminum alloy, or the like can be used.
  • the metal piece 42 forming the circuit layer 32 is obtained by punching out a rolled sheet of oxygen-free copper.
  • a circuit pattern is formed on the circuit layer 32, and one surface (upper surface in FIG. 1) of the circuit layer 32 serves as a mounting surface on which the semiconductor element 3 is mounted.
  • the heat sink 10 of the present embodiment includes a top plate portion 11 and radiation fins 18 protruding from the other surface of the top plate portion 11 (lower surface in FIGS. 1 and 2).
  • the radiation fins 18 may be pin fins, comb-shaped fins, or corrugated fins. In this embodiment, pin fins are used.
  • the top plate portion 11 has a clad structure in which an aluminum layer 12 made of aluminum or an aluminum alloy and a copper layer 13 made of copper or a copper alloy are solid phase diffusion bonded.
  • the aluminum layer 12 and the heat radiation fins 18 are integrally formed, and the structure is such that the copper layer 13 is laminated on the aluminum layer 12 .
  • Al in the aluminum layer 12 and Cu in the copper layer 13 interdiffusion to form an Al—Cu intermetallic compound layer 15. is formed.
  • the black portion is the Al—Cu intermetallic compound layer 15 .
  • the intermetallic compound of Al and Cu there are a plurality of phases with different composition ratios. It is
  • the thickness t of the Al--Cu intermetallic compound layer 15 is in the range of more than 10 ⁇ m and 40 ⁇ m or less.
  • the thickness t of the Al—Cu intermetallic compound layer 15 is 10 ⁇ m or less, interdiffusion of Al and Cu is insufficient, and the bonding strength between the aluminum layer 12 and the copper layer 13 may decrease.
  • the thickness t of the Al—Cu intermetallic compound layer 15 exceeds 40 ⁇ m, the bonding interface becomes harder than necessary, and cracks occur in the vicinity of the bonding interface when a thermal cycle is applied, reducing bonding reliability. There is a risk of Therefore, in the present embodiment, the thickness t of the Al--Cu intermetallic compound layer 15 is set within a range exceeding 10 ⁇ m and 40 ⁇ m or less.
  • the thickness t of the Al—Cu intermetallic compound layer 15 is preferably 15 ⁇ m or more, more preferably 20 ⁇ m or more. . Further, in order to further improve the joint reliability under thermal cycle load, the thickness t of the Al—Cu intermetallic compound layer 15 is preferably 35 ⁇ m or less, more preferably 30 ⁇ m or less.
  • the average crystal grain size D1 of the aluminum layer 12 is within the range of 50 ⁇ m or more and less than 500 ⁇ m.
  • the average crystal grain size D1 of the aluminum layer 12 is less than 50 ⁇ m, the aluminum layer 12 becomes hard and cannot relax the thermal stress when a thermal cycle is applied, and cracks occur in the vicinity of the bonding interface. There is a possibility that the bonding reliability may be lowered.
  • the average crystal grain size D1 of the aluminum layer 12 exceeds 500 ⁇ m, the aluminum layer 12 is soft and has low deformation resistance, and may be easily deformed. Therefore, in the present embodiment, the average crystal grain size D1 of the aluminum layer 12 is set within the range of 50 ⁇ m or more and less than 500 ⁇ m.
  • the average crystal grain size D1 of the aluminum layer 12 is preferably 100 ⁇ m or more, more preferably 150 ⁇ m or more. In order to further suppress deformation of the aluminum layer 12, the average crystal grain size D1 of the aluminum layer 12 is preferably 300 ⁇ m or less, more preferably 200 ⁇ m or less.
  • the aluminum layer 12 is preferably made of aluminum or an aluminum alloy having an aluminum purity of 99.5 mass % or less, and can be made of A1050, A6063, ADC12, or the like, for example.
  • the aluminum layer 12 and the heat radiation fins 18 are integrally molded, the aluminum layer 12 and the heat radiation fins 18 are made of the same material.
  • the purity of aluminum is more preferably 99.0 mass% or less and 95.0 mass% or more.
  • the purity of aluminum in the aluminum layer 12 is 99.5 mass % or less, a certain amount of impurities are contained in the aluminum layer 12, the impurities suppress the growth of crystal grains, and the coarsening of the crystal grains of the aluminum layer after bonding is prevented. can be reliably suppressed.
  • the purity of aluminum in the aluminum layer 12 can be confirmed by ICP (Inductively Coupled Plasma) analysis.
  • the average crystal grain size of the copper layer 13 is not particularly limited, but is preferably in the range of 50 ⁇ m or more and 300 ⁇ m or less, for example.
  • the copper or copper alloy forming the copper layer 13 is also not particularly limited, but oxygen-free copper, tough pitch copper, etc. can be used, for example.
  • an aluminum member 22 to be the aluminum layer 12 and a copper member 23 to be the copper layer 13 are prepared.
  • the bonding surfaces of the aluminum member 22 and the copper member 23 are polished to remove flaws and the like in advance so as to be finished as a smooth surface.
  • the aluminum member 22 has a structure in which an aluminum plate 22A serving as the aluminum layer 12 and a fin body 22B serving as the radiation fins 18 are integrally molded.
  • the aluminum member 22 is preferably made of aluminum or an aluminum alloy with an aluminum purity of 99.5 mass % or less. Moreover, it is preferable that the average crystal grain size of the aluminum member 22 before joining is within the range of 5 ⁇ m or more and 30 ⁇ m or less.
  • the laminated aluminum member 22 and the copper member 23 are put into a vacuum furnace, and in a vacuum atmosphere, the aluminum member 22 and the copper member 23 are pressed and heated in the lamination direction, and the aluminum member 22 and the copper member 23 are solid phase diffusion bonded.
  • the pressure load in the stacking direction is within the range of 0.3 MPa or more and 3.5 MPa or less
  • the bonding temperature is within the range of 400° C. or more and 545° C. or less
  • the holding time at the bonding temperature is within the range of 5 minutes or more and 240 minutes or less
  • It is preferable to set the degree of vacuum to 0.1 Pa or less.
  • the pressure load is more preferably 0.5 MPa or more, more preferably 0.8 MPa or more. Further, the pressure load is more preferably 2.0 MPa or less, more preferably 1.5 MPa or less.
  • the bonding temperature is more preferably 450° C. or higher, more preferably 480° C. or higher. Also, the bonding temperature is more preferably 540° C. or lower, more preferably 535° C. or lower.
  • the holding time at the bonding temperature is more preferably 10 minutes or longer, more preferably 15 minutes or longer. Further, the holding time at the bonding temperature is more preferably 180 minutes or less, more preferably 120 minutes or less. Further, the degree of vacuum is more preferably 0.05 Pa or less, more preferably 0.01 Pa or less.
  • the average crystal grain size D0 of the aluminum member 22 (aluminum plate 22A) before bonding and the average crystal grain size D1 of the aluminum layer 12 after bonding are represented by the following formula:
  • the amount of grain change is 90% or less.
  • Amount of change (%) (D1-D0)/D1 x 100
  • the pressure load, bonding temperature, and holding time in the bonding step S03 are adjusted within the ranges described above so that the amount of change described above is 90% or less.
  • the bonding step S03 diffusion and grain growth occur at the same time. Therefore, by limiting the amount of change described above to 90% or less, the diffusion paths can be stabilized and the diffusion can proceed uniformly.
  • the thickness of the Cu intermetallic compound layer 15 can be made uniform. It should be noted that the amount of change described above is more preferably 80% or less, more preferably 70% or less. Note that the lower limit of the amount of change is preferably 30%.
  • the aluminum member 22 and the copper member 23 are solid-phase diffusion-bonded, and the heat sink 10 of the present embodiment can be manufactured (FIG. 6(c)).
  • one surface (upper surface in FIG. 8(a)) of the top plate portion 11 (copper layer 13) of the heat sink 10 contains an inorganic filler, a resin, and a curing agent.
  • a resin composition 41 is provided.
  • the resin composition 41 is in the form of a sheet.
  • Metal piece placement step S12 Next, a plurality of metal pieces 42 to be the circuit layer 32 are arranged in a circuit pattern on one surface (upper surface in FIG. 5) of the resin composition 41 (FIG. 8(b)).
  • the heating temperature is in the range of 120°C or higher and 350°C or lower, and the holding time at the heating temperature is in the range of 10 minutes or longer and 180 minutes or shorter.
  • the pressure load in the stacking direction is within the range of 1 MPa or more and 30 MPa or less.
  • the lower limit of the heating temperature is more preferably 150° C. or higher, more preferably 170° C. or higher.
  • the upper limit of the heating temperature is more preferably 320° C. or lower, more preferably 300° C. or lower.
  • the lower limit of the holding time at the heating temperature is more preferably 30 minutes or longer, more preferably 60 minutes or longer.
  • the upper limit of the holding time at the heating temperature is more preferably 120 minutes or less, more preferably 90 minutes or less.
  • the lower limit of the applied load in the stacking direction is more preferably 3 MPa or more, more preferably 5 MPa or more.
  • the upper limit of the pressure load in the stacking direction is more preferably 15 MPa or less, more preferably 10 MPa or less.
  • the heat sink-integrated insulated circuit board 30 of the present embodiment is manufactured through the above-described steps (FIG. 8(d)).
  • the top plate portion 11 includes the aluminum layer 12 made of aluminum or an aluminum alloy and the copper layer 13 made of copper or a copper alloy. Since the clad structure is joined and the copper layer 13 is used as the mounting surface, the heat from the semiconductor element 3 can be efficiently spread along the plate surface of the top plate portion 11 by the copper layer 13, thereby dissipating heat. Excellent characteristics. Moreover, since the aluminum layer 12 is provided, the weight of the heat sink 10 can be reduced.
  • the aluminum layer 12 and the copper layer 13 are solid-phase diffusion-bonded, and the average crystal grain size D1 of the aluminum layer 12 is set to 50 ⁇ m or more and less than 500 ⁇ m, the aluminum layer 12 is moderately hardened. deformation can be suppressed.
  • the thickness t of the Al—Cu intermetallic compound layer 15 formed between the aluminum layer 12 and the copper layer 13 is in the range of more than 10 ⁇ m and 40 ⁇ m or less, copper and aluminum are sufficiently mixed. is diffused in solid phase, and the bonding reliability between the copper layer 13 and the aluminum layer 12 is excellent.
  • the heat dissipation fins 18 can be formed in a complicated shape, and the heat dissipation characteristics can be further improved. Moreover, since the radiation fins 18 are formed integrally with the aluminum layer 12, it is possible to prevent the radiation fins 18 from coming off or deforming.
  • the purity of aluminum in the aluminum layer 12 is 99.5 mass % or less, a certain amount of impurities are contained, and the impurities suppress the growth of crystal grains, and the aluminum layer 12 after bonding It is possible to reliably suppress the coarsening of the crystal grains.
  • the heat sink-integrated insulated circuit board 30 of the present embodiment includes the heat sink 10 of the present embodiment, an insulating layer 31 formed on the mounting surface of the top plate portion 11 of the heat sink 10, and the top plate portion of the insulating layer 31. Since the circuit layer 32 is formed on the opposite side of the circuit layer 32, the heat from the semiconductor element 3 mounted on the circuit layer 32 can be efficiently radiated, and the deformation of the heat sink 10 can be prevented. can be suppressed and used stably.
  • the present invention is not limited to this, and can be modified as appropriate without departing from the technical idea of the invention.
  • the heat sink has been described as having a pin-fin structure, but the heat sink is not limited to this, and may be a heat sink having comb-shaped fins or corrugated fins.
  • the heatsink-integrated insulating circuit board in which the insulating layer is formed on the top plate of the heatsink has been described as an example.
  • An insulated circuit board with a heat sink may be configured to be placed on the top plate.
  • the power module is configured by mounting the semiconductor element on the circuit layer, but the present invention is not limited to this.
  • an LED module may be configured by mounting an LED element on the circuit layer
  • a thermoelectric module may be configured by mounting a thermoelectric element on the circuit layer.
  • the copper member was a copper plate having a size of 100 mm ⁇ 100 mm and a thickness of 1.0 mm.
  • the aluminum member was provided with an aluminum plate of 100 mm ⁇ 100 mm and a thickness of 4.0 mm, and a cylindrical pin fin (pin diameter: 1.5 mm, length: 10 mm) integrally formed with the aluminum plate.
  • the number of pin fins was 500.
  • the purity of aluminum in each aluminum member is 97.9 mass% for A6063, 85.0 mass% for ADC12, 99.5 mass% for A1050, and 99.99 mass% for 4N-Al. Aluminum purity was confirmed by ICP analysis.
  • the copper member and the aluminum member were laminated in a state in which the joining surfaces of the copper member and the aluminum member were polished in advance and finished to have a smooth surface.
  • the laminated copper member and aluminum member were placed in a vacuum furnace and pressurized and heated under the conditions shown in Table 1 in an atmosphere of a degree of vacuum of 0.05 Pa to solid-phase diffusion bond the copper member and the aluminum member.
  • the average crystal grain size D1 of the aluminum layer, the thickness of the Al—Cu intermetallic compound layer, the presence or absence of deformation of the heat radiating fins, and the bonding ratio after the thermal cycle load are as follows. evaluated to Table 2 shows the evaluation results.
  • the cross-section of the bonding interface between the aluminum layer and the copper layer was polished using a cross-section polisher (SM-09010 manufactured by JEOL Ltd.) at an ion acceleration voltage of 5 kV, processing time of 14 hours, and protrusion from the shielding plate of 100 ⁇ m. Observation was made after ion etching to measure the thickness of the Al—Cu intermetallic compound layer formed at the joint interface.
  • SM-09010 manufactured by JEOL Ltd.
  • the thickness of the Al--Cu intermetallic compound layer is measured by EPMA (JXA-8530F manufactured by JEOL Ltd., acceleration voltage: 15 kV, spot diameter: 1 ⁇ m or less, magnification: 500 A line analysis was performed at 0.3 .mu.m intervals), and the thickness of the Al--Cu intermetallic compound layer was measured by regarding the region where the Al concentration and the Cu concentration are respectively 1 at % or more.
  • the heat sink is subjected to a liquid phase (Fluorinert) load of -40 ° C. x 10 minutes and 150 ° C. x 10 minutes as one cooling cycle, and 4000 cycles. Carried out. Then, the bonding rate of the heat sink (bonding rate between the aluminum layer and the copper layer) after the thermal cycle test was evaluated using an ultrasonic flaw detector (FineSAT200 manufactured by Hitachi Power Solutions Co., Ltd.) and calculated from the following equation.
  • the initial bonding area is the area to be bonded before bonding.
  • peeling is indicated by a white portion in the joint portion, so the area of this white portion was defined as the peeling area.
  • (bonding ratio) ⁇ (initial bonding area) - (non-bonding area) ⁇ /(initial bonding area) x 100
  • Heat radiation fins of a heat sink were set on the water jacket, and cooling water (20° C.) was circulated at a flow rate adjusted according to the cross-sectional area of the water channel so that the average flow velocity was 1 m/s. After the cooling water was passed through for 10 minutes, the heat radiation fins were taken out from the water jacket, and the presence or absence of deformation of the heat radiation fins was visually confirmed.
  • Comparative Example 1 the average crystal grain size of the aluminum layer was 42 ⁇ m, and the bonding rate after the thermal cycle load was as low as 75%. It is presumed that the aluminum layer became hard and could not sufficiently relax the thermal stress during the thermal cycle load. In Comparative Example 2, the average crystal grain size of the aluminum layer was 515 ⁇ m, and deformation of the radiation fins was observed. It is presumed that this is because the crystal growth of the aluminum layer and the radiation fin integrally formed with the aluminum layer was promoted during bonding, and the deformation resistance was lowered.
  • the thickness of the Al—Cu intermetallic compound layer was set to 8 ⁇ m, and the joining ratio after the thermal cycle load was 74%. It is presumed that the mutual diffusion between Al in the aluminum layer and Cu in the copper layer was insufficient.
  • the thickness of the Al—Cu intermetallic compound layer was set to 42 ⁇ m, and the bonding rate after the thermal cycle load was 78%. It is presumed that the vicinity of the joint interface became hard and cracks were generated during thermal cycle loading.
  • the average crystal grain size of the aluminum layer is in the range of 50 ⁇ m or more and less than 500 ⁇ m, and the thickness of the Al—Cu intermetallic compound layer is in the range of more than 10 ⁇ m and 40 ⁇ m or less.
  • the bonding rate after the thermal cycle load was 83% or more, and the bonding reliability was excellent. Moreover, no deformation of the radiation fins was observed.
  • the example of the present invention has a copper layer made of copper or a copper alloy and an aluminum layer made of aluminum or an aluminum alloy, and the bonding reliability between these copper layers and the aluminum layer is excellent.

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Abstract

このヒートシンクは、天板部と放熱フィンとを備えたヒートシンクであって、天板部の一方の面は他の部材が載置される載置面とされ、天板部の他方の面に放熱フィンが形成されており、天板部は、アルミニウム又はアルミニウム合金からなるアルミニウム層と、銅又は銅合金からなる銅層と、が固相拡散接合されたクラッド構造とされており、アルミニウム層の平均結晶粒径が５０μｍ以上５００μｍ未満の範囲内とされ、アルミニウム層と銅層との間に形成されたＡｌ－Ｃｕ金属間化合物層の厚さが１０μｍを超えて４０μｍ以下の範囲内とされている。

Description

ヒートシンク、および、ヒートシンク一体型絶縁回路基板
　本発明は、天板部と放熱フィンとを備えたヒートシンク、および、このヒートシンクを備えたヒートシンク一体型絶縁回路基板に関する。
　本願は、２０２１年４月２７日に、日本に出願された特願２０２１－０７４７４６号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。
　パワーモジュール、ＬＥＤモジュールおよび熱電モジュールにおいては、絶縁層の一方の面に導電材料からなる回路層を形成した絶縁回路基板に、パワー半導体素子、ＬＥＤ素子および熱電素子が接合された構造とされている。なお、絶縁層としては、セラミックスを用いたものや絶縁樹脂を用いたものが提案されている。
　また、これらの絶縁回路基板においては、搭載された素子からの熱を放熱するために、ヒートシンクが配設されている。
　例えば、特許文献１には、ヒートシンクと回路層とを絶縁樹脂シートによって絶縁したヒートシンク一体型絶縁回路基板が提案されている。
　また、特許文献２には、セラミックス基板の両面に金属板が接合された絶縁回路基板とヒートシンクとが接合されたヒートシンク付き絶縁回路基板が提案されている。
　上述のヒートシンクとして、天板部と放熱フィンとを備えた構造のものが提供されている。天板部の一方の面が絶縁回路基板の搭載面とされ、天板部の他方の面側に放熱フィンが配設されている。
　なお、放熱フィンとしては、ピンフィン、櫛形フィン、コルゲートフィン等の様々な形状のものが提案されている。
　ここで、上述のヒートシンクを構成する材料としては、熱伝導性に優れた銅又は銅合金やアルミニウム又はアルミニウム合金が挙げられる。
　銅又は銅合金からなる銅部材は、熱伝導性に特に優れ、機械的強度が高く、変形抵抗が大きいといった特性を有している。
　一方、アルミニウム又はアルミニウム合金からなるアルミニウム部材は、銅に比べて熱伝導性には若干劣るものの、軽量であるとともに変形抵抗が小さく、複雑な形状のものを成形しやすいといった特性を有している。
　このため、上述のヒートシンクにおいては、要求される性能に応じて、銅又は銅合金およびアルミニウム又はアルミニウム合金を選択して使用されており、最近では、銅部材とアルミニウム部材とを接合した構造のものが要求されている。
　ここで、銅部材とアルミニウム部材とを接合する方法として、例えば、特許文献３，４に記載されているように、固相拡散接合法が提案されている。
特開平１１－２０４７００号公報 特開２００４－０２２９１４号公報 特開２０１４－０７６４８６号公報 再公表ＷＯ２０１１／１５５３７９号公報
　ここで、特許文献３においては、銅部材とアルミニウム部材を固相拡散接合しており、接合後のアルミニウム部材の平均結晶粒径が５００μｍ以上とされている。このように平均結晶粒径が粗大であると、アルミニウム部材の変形抵抗が小さく、使用時に容易に変形してしまうおそれがあった。
　また、特許文献４においては、銅層とアルミニウム層との間に形成されるＡｌ－Ｃｕ金属間化合物層の平均厚さが０．５μｍ～１０μｍと比較的薄く形成されている。このように、Ａｌ－Ｃｕ金属間化合物層が薄い場合には、十分に銅とアルミニウムとが固相拡散されておらず、接合信頼性が低くなるおそれがある。
　この発明は、前述した事情に鑑みてなされたものであって、銅又は銅合金からなる銅層とアルミニウム又はアルミニウム合金からなるアルミニウム層とを有し、これら銅層とアルミニウム層との接合信頼性に優れ、かつ、アルミニウム又はアルミニウム合金で構成された部材の変形を抑制することができ、安定して使用することが可能なヒートシンク、および、このヒートシンクを備えたヒートシンク一体型絶縁回路基板を提供することを目的とする。
　このような課題を解決して前記目的を達成するために、本発明のヒートシンクは、天板部と放熱フィンとを備えたヒートシンクであって、前記天板部の一方の面は他の部材が載置される載置面とされ、前記天板部の他方の面に前記放熱フィンが形成されており、前記天板部は、アルミニウム又はアルミニウム合金からなるアルミニウム層と、銅又は銅合金からなる銅層と、が固相拡散接合されたクラッド構造とされており、前記アルミニウム層の平均結晶粒径が５０μｍ以上５００μｍ未満の範囲内とされ、前記アルミニウム層と前記銅層との間に形成されたＡｌ－Ｃｕ金属間化合物層の厚さが１０μｍを超えて４０μｍ以下の範囲内とされていることを特徴としている。
　この構成のヒートシンクによれば、前記天板部は、アルミニウム又はアルミニウム合金からなるアルミニウム層と銅又は銅合金からなる銅層とが固相拡散接合されたクラッド構造とされているので、載置面に載置された他の部材からの熱を、銅層によって天板部の板面に沿って効率良く広げることができ、放熱特性に優れている。また、アルミニウム層を有しているので、ヒートシンクの軽量化を図ることができる。
　そして、アルミニウム層と銅層とが固相拡散接合されており、前記アルミニウム層の平均結晶粒径が５０μｍ以上５００μｍ未満とされているので、アルミニウム層が適度に硬くなり、アルミニウム層の変形を抑制することができる。
　また、前記アルミニウム層と前記銅層との間に形成されたＡｌ－Ｃｕ金属間化合物層の厚さが１０μｍを超えて４０μｍ以下の範囲内とされているので、十分に銅とアルミニウムとが固相拡散されており、銅層とアルミニウム層との接合信頼性に優れている。
　ここで、本発明のヒートシンクにおいては、前記アルミニウム層と前記放熱フィンとが一体成型されていてもよい。
　この場合、成形が比較的容易なアルミニウム又はアルミニウム合金により、アルミニウム層と放熱フィンとを一体成型することで、複雑な形状の放熱フィンを形成することができ、放熱特性をさらに向上させることが可能となる。
　また、放熱フィンがアルミニウム層に一体に成型されていることから、放熱フィンの脱落や変形を抑制することができる。
　また、本発明のヒートシンクにおいては、前記アルミニウム層におけるアルミニウムの純度が９９．５ｍａｓｓ％以下であることが好ましい。
　この場合、前記アルミニウム層におけるアルミニウムの純度が９９．５ｍａｓｓ％以下であり、不純物を一定量含有しているので、不純物によって結晶粒の成長が抑制され、接合後のアルミニウム層の結晶粒の粗大化を確実に抑制することができる。
　本発明のヒートシンク一体型絶縁回路基板は、上述のヒートシンクと、このヒートシンクの前記天板部の載置面に形成された絶縁層と、この絶縁層の前記天板部とは反対側の面に形成された回路層と、を備えていることを特徴としている。
　この構成のヒートシンク一体型絶縁回路基板によれば、上述のヒートシンクを備えているので、絶縁回路基板側の熱を効率的に放熱することができるとともに、ヒートシンクの変形を抑制でき、安定して使用することができる。
　本発明によれば、銅又は銅合金からなる銅層とアルミニウム又はアルミニウム合金からなるアルミニウム層とを有し、これら銅層とアルミニウム層との接合信頼性に優れ、かつ、アルミニウム又はアルミニウム合金で構成された部材の変形を抑制することができ、安定して使用することが可能なヒートシンク、および、このヒートシンクを備えたヒートシンク一体型絶縁回路基板を提供することが可能となる。
本発明の実施形態であるヒートシンクおよびヒートシンク一体型絶縁回路基板を備えたパワーモジュールの概略説明図である。 本発明の実施形態であるヒートシンクの説明図である。 本発明の実施形態であるヒートシンクの天板部の拡大説明図である。 図３に示す天板部の銅層とアルミニウム層との接合界面の観察写真である。 本発明の実施形態であるヒートシンクの製造方法を示すフロー図である。 本発明の実施形態であるヒートシンクの製造方法を示す説明図である。（ａ）は積層工程、（ｂ）は接合工程、（ｃ）は接合工程を経て得られるヒートシンクである。 本発明の実施形態であるヒートシンク一体型絶縁回路基板の製造方法を示すフロー図である。 本発明の実施形態であるヒートシンク一体型絶縁回路基板の製造方法を示す説明図である。（ａ）は樹脂組成物配設工程、（ｂ）は金属片配置工程、（ｃ）は加圧および加熱工程、（ｄ）は加圧および加熱工程を経て得られるヒートシンク一体型絶縁回路基板である。
　以下、図面を参照して、本発明の実施形態について説明する。なお、以下に示す各実施形態は、発明の趣旨をより良く理解させるために具体的に説明するものであり、特に指定のない限り、本発明を限定するものではない。また、以下の説明で用いる図面は、本発明の特徴をわかりやすくするために、便宜上、要部となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率などが実際と同じであるとは限らない。
　図１に、本発明の実施形態であるヒートシンク１０、ヒートシンク一体型絶縁回路基板３０、および、このヒートシンク一体型絶縁回路基板３０を用いたパワーモジュール１を示す。
　以下、図１～３、６及び８における各部材の上面を一方の面又は第１面とし、各部材の下面を他方の面又は第２面とする。
　図１に示すパワーモジュール１は、ヒートシンク一体型絶縁回路基板３０と、このヒートシンク一体型絶縁回路基板３０の一方の面（図１において上面）にはんだ層２を介して接合された半導体素子３と、を備えている。
　ヒートシンク一体型絶縁回路基板３０は、本実施形態のヒートシンク１０と、このヒートシンク１０の天板部１１の一方の面（図１において上面）に形成された絶縁層３１と、絶縁層３１の一方の面（図１において上面）に形成された回路層３２と、を備えている。なお、上述の半導体素子３は、回路層３２の一方の面（図１において上面）に接合される。
　絶縁層３１は、回路層３２とヒートシンク１０との間の電気的接続を防止するものであり、本実施形態では、絶縁性を有する樹脂で構成されている。
　本実施形態では、絶縁層３１の強度を確保するとともに、熱伝導性を確保するために、絶縁層３１を構成する樹脂として、無機材料のフィラーを含有する樹脂を用いることが好ましい。ここで、フィラーとしては、例えばアルミナ、窒化ホウ素、窒化アルミニウム等を用いることができる。絶縁層３１における熱伝導性を確保する観点から、フィラーの含有量は５０ｍａｓｓ％以上であることが好ましく、７０ｍａｓｓ％以上であることがより好ましい。
　また、熱硬化型樹脂としては、エポキシ樹脂，ポリイミド樹脂，シリコン樹脂等を用いることができる。ここで、シリコン樹脂であれば上述のフィラーを７０ｍａｓｓ％以上含有することができ、エポキシ樹脂であれば上述のフィラーを８０ｍａｓｓ％以上含有することができる。
　なお、絶縁層３１における絶縁性を十分に確保するためには、絶縁層３１の厚さの下限を２５μｍ以上とすることが好ましく、５０μｍ以上とすることがより好ましい。一方、ヒートシンク一体型絶縁回路基板３０における放熱性をさらに確保するためには、絶縁層３１の厚さの上限を３００μｍ以下とすることが好ましく、２００μｍ以下とすることがより好ましい。
　回路層３２は、図８（ａ）～（ｄ）に示すように、絶縁層３１の一方の面に、導電性に優れた金属からなる金属片４２が接合されることにより形成されている。金属片４２としては、銅又は銅合金、アルミニウム又はアルミニウム合金等を用いることができる。本実施形態においては、回路層３２を構成する金属片４２として、無酸素銅の圧延板を打ち抜いたものが用いられている。
　この回路層３２においては、回路パターンが形成されており、その一方の面（図１において上面）が、半導体素子３が搭載される搭載面とされている。
　そして、本実施形態のヒートシンク１０においては、天板部１１と、この天板部１１の他方の面（図１および図２において下面）から突出した放熱フィン１８と、を備えている。
　なお、放熱フィン１８は、ピンフィンであってもよいし、櫛形に形成された構造であってもよいし、コルゲートフィンであってもよい。本実施形態では、ピンフィンとされている。
　天板部１１は、アルミニウム又はアルミニウム合金からなるアルミニウム層１２と、銅又は銅合金からなる銅層１３と、が固相拡散接合されたクラッド構造とされている。
　なお、本実施形態では、アルミニウム層１２と放熱フィン１８とが一体成型されており、このアルミニウム層１２の上に銅層１３が積層された構造とされている。
　アルミニウム層１２と銅層１３との接合界面においては、図３および図４に示すように、アルミニウム層１２のＡｌと銅層１３のＣｕとが相互拡散することによってＡｌ－Ｃｕ金属間化合物層１５が形成されている。なお、図４において、黒色部がＡｌ－Ｃｕ金属間化合物層１５となる。
　ＡｌとＣｕの金属間化合物としては、組成比が異なる複数の相が存在しているが、本実施形態においては、Ａｌ－Ｃｕ金属間化合物層１５は、これらの各種相が積層された構造とされている。
　本実施形態では、このＡｌ－Ｃｕ金属間化合物層１５の厚さｔが１０μｍを超えて４０μｍ以下の範囲内とされている。
　ここで、Ａｌ－Ｃｕ金属間化合物層１５の厚さｔが１０μｍ以下では、ＡｌとＣｕの相互拡散が不十分であって、アルミニウム層１２と銅層１３との接合強度が低くなるおそれがある。一方、Ａｌ－Ｃｕ金属間化合物層１５の厚さｔが４０μｍを超えると、接合界面が必要以上に硬くなり、冷熱サイクルを負荷した際に、接合界面近傍にクラックが生じ、接合信頼性が低下するおそれがある。
　このため、本実施形態では、Ａｌ－Ｃｕ金属間化合物層１５の厚さｔを、１０μｍを超えて４０μｍ以下の範囲内に設定している。
　なお、アルミニウム層１２と銅層１３との接合強度をさらに向上させるためには、Ａｌ－Ｃｕ金属間化合物層１５の厚さｔを１５μｍ以上とすることが好ましく、２０μｍ以上とすることがさらに好ましい。
　また、冷熱サイクル負荷時における接合信頼性をさらに向上させるためには、Ａｌ－Ｃｕ金属間化合物層１５の厚さｔを３５μｍ以下とすることが好ましく、３０μｍ以下とすることがさらに好ましい。
　また、本実施形態においては、アルミニウム層１２の平均結晶粒径Ｄ１が５０μｍ以上５００μｍ未満の範囲内とされている。
　ここで、アルミニウム層１２の平均結晶粒径Ｄ１が５０μｍ未満の場合には、アルミニウム層１２が硬くなり、冷熱サイクルを負荷した際の熱応力を緩和することができず、接合界面近傍にクラックが生じ、接合信頼性が低下するおそれがある。一方、アルミニウム層１２の平均結晶粒径Ｄ１が５００μｍを超える場合には、アルミニウム層１２が軟らかく変形抵抗が小さくなり、容易に変形してしまうおそれがある。
　このため、本実施形態では、アルミニウム層１２の平均結晶粒径Ｄ１を５０μｍ以上５００μｍ未満の範囲内に設定している。
　なお、冷熱サイクル負荷時における接合信頼性をさらに向上させるためには、アルミニウム層１２の平均結晶粒径Ｄ１を１００μｍ以上とすることが好ましく、１５０μｍ以上とすることがさらに好ましい。
　また、アルミニウム層１２の変形をさらに抑制するためには、アルミニウム層１２の平均結晶粒径Ｄ１を３００μｍ以下とすることが好ましく、２００μｍ以下とすることがさらに好ましい。
　ここで、アルミニウム層１２は、アルミニウムの純度が９９．５ｍａｓｓ％以下のアルミニウムおよびアルミニウム合金で構成されていることが好ましく、例えば、Ａ１０５０，Ａ６０６３，ＡＤＣ１２等で構成することができる。なお、本実施形態においては、アルミニウム層１２と放熱フィン１８とが一体成型されていることから、アルミニウム層１２と放熱フィン１８は、同一の材質で構成されることになる。
　アルミニウムの純度は、より好ましくは９９．０ｍａｓｓ％以下かつ９５．０ｍａｓｓ％以上であることが好ましい。
　アルミニウム層１２におけるアルミニウムの純度が９９．５ｍａｓｓ％以下であると、不純物がアルミニウム層１２に一定量含まれ、不純物によって結晶粒の成長が抑制され、接合後のアルミニウム層の結晶粒の粗大化を確実に抑制することができる。
　アルミニウム層１２におけるアルミニウムの純度は、ＩＣＰ（Inductively Coupled Plasma）分析法によって確認することが出来る。
　さらに、本実施形態において、銅層１３の平均結晶粒径については特に制限はないが、例えば、５０μｍ以上３００μｍ以下の範囲内であることが好ましい。
　また、銅層１３を構成する銅又は銅合金についても特に限定はないが、例えば、無酸素銅、タフピッチ銅等を用いることができる。
　次に、本実施形態のヒートシンク１０の製造方法について、図５および図６（ａ）～（ｃ）を参照して説明する。
（部材準備工程Ｓ０１）
　まず、アルミニウム層１２となるアルミニウム部材２２と、銅層１３となる銅部材２３を準備する。
　なお、アルミニウム部材２２および銅部材２３の接合面を、あらかじめ研磨等によって傷等を除去して、平滑な面に仕上げておくことが好ましい。
　ここで、アルミニウム部材２２は、アルミニウム層１２となるアルミニウム板２２Ａと放熱フィン１８となるフィン体２２Ｂとが一体成型された構造とされている。
　このアルミニウム部材２２は、アルミニウムの純度が９９．５ｍａｓｓ％以下のアルミニウム又はアルミニウム合金で構成されていることが好ましい。
　また、接合前のアルミニウム部材２２の平均結晶粒径は、５μｍ以上３０μｍ以下の範囲内とすることが好ましい。
（積層工程Ｓ０２）
　そして、アルミニウム部材２２のアルミニウム板２２Ａの上に銅部材２３を積層する（図６（ａ））。
（接合工程Ｓ０３）
　次に、積層したアルミニウム部材２２と銅部材２３とを、真空炉内に装入し、真空雰囲気下で、積層方向に加圧するとともに加熱し、アルミニウム部材２２と銅部材２３とを固相拡散接合する（図６（ｂ））。
　このとき、積層方向の加圧荷重を０．３ＭＰａ以上３．５ＭＰａ以下の範囲内、接合温度を４００℃以上５４５℃以下の範囲内、接合温度での保持時間を５ｍｉｎ以上２４０ｍｉｎ以下の範囲内、真空度を０．１Ｐａ以下とすることが好ましい。
　なお、加圧荷重は０．５ＭＰａ以上とすることがさらに好ましく、０．８ＭＰａ以上とすることがより好ましい。また、加圧荷重は２．０ＭＰａ以下とすることがさらに好ましく、１．５ＭＰａ以下とすることがより好ましい。
　接合温度は４５０℃以上とすることがさらに好ましく、４８０℃以上とすることがより好ましい。また、接合温度は５４０℃以下とすることがさらに好ましく、５３５℃以下とすることがより好ましい。
　接合温度での保持時間は１０ｍｉｎ以上とすることがさらに好ましく、１５ｍｉｎ以上とすることがより好ましい。また、接合温度での保持時間は１８０ｍｉｎ以下とすることがさらに好ましく、１２０ｍｉｎ以下とすることがより好ましい。
また、真空度は０．０５Ｐａ以下とすることがさらに好ましく、０．０１Ｐａ以下とすることがより好ましい。
　ここで、本実施形態においては、接合前のアルミニウム部材２２（アルミニウム板２２Ａ）の平均結晶粒径Ｄ０、接合後のアルミニウム層１２の平均結晶粒径Ｄ１とした場合に、以下の式で示す結晶粒の変化量を９０％以下とする。
　変化量（％）＝（Ｄ１－Ｄ０）／Ｄ１×１００
　本実施形態においては、上述の変化量が９０％以下となるように、接合工程Ｓ０３における加圧荷重、接合温度、保持時間を、上述の範囲内で調整することになる。
　接合工程Ｓ０３においては、拡散と粒成長とが同時に起こるため、上述の変化量を９０％以下に制限することによって、拡散のパスが安定し、拡散を均一に進行させることができ、上述のＡｌ－Ｃｕ金属間化合物層１５の厚さを均一化させることが可能となる。
　なお、上述の変化量は、８０％以下とすることがさらに好ましく、７０％以下とすることがより好ましい。なお、変化量の下限値は３０％であることが好ましい。
　以上の工程により、アルミニウム部材２２と銅部材２３とが固相拡散接合され、本実施形態のヒートシンク１０を製造することができる（図６（ｃ））。
　次に、本実施形態のヒートシンク一体型絶縁回路基板３０の製造方法について、図７および図８（ａ）～（ｄ）を参照して説明する。
（樹脂組成物配設工程Ｓ１１）
　図８（ａ）に示すように、ヒートシンク１０の天板部１１（銅層１３）の一方の面（図８（ａ）において上面）に、無機材料のフィラーと樹脂と硬化剤とを含有する樹脂組成物４１を配設する。本実施形態では、樹脂組成物４１はシート状のものを用いている。
（金属片配置工程Ｓ１２）
　次に、樹脂組成物４１の一方の面（図５において上面）に、回路層３２となる複数の金属片４２を回路パターン状に配置する（図８（ｂ））。
（加圧および加熱工程Ｓ１３）
　次に、加圧装置によってし、ヒートシンク１０と樹脂組成物４１と金属片４２とを積層方向に加圧するとともに加熱することにより、樹脂組成物４１を硬化させて絶縁層３１を形成するとともに、ヒートシンク１０の天板部１１と絶縁層３１、絶縁層３１と金属片４２とを接合する（図８（ｃ））。
　この加圧および加熱工程Ｓ１３においては、加熱温度が１２０℃以上３５０℃以下の範囲内とされ、加熱温度での保持時間が１０分以上１８０分以下の範囲内とされていることが好ましい。また、積層方向の加圧荷重が１ＭＰａ以上３０ＭＰａ以下の範囲内とされていることが好ましい。
　ここで、加熱温度の下限は１５０℃以上とすることがさらに好ましく、１７０℃以上とすることがより好ましい。一方、加熱温度の上限は３２０℃以下とすることがさらに好ましく、３００℃以下とすることがより好ましい。
　加熱温度での保持時間の下限は３０分以上とすることがさらに好ましく、６０分以上とすることがより好ましい。一方、加熱温度での保持時間の上限は１２０分以下とすることがさらに好ましく、９０分以下とすることがより好ましい。
　積層方向の加圧荷重の下限は３ＭＰａ以上とすることがさらに好ましく、５ＭＰａ以上とすることがより好ましい。一方、積層方向の加圧荷重の上限は１５ＭＰａ以下とすることがさらに好ましく、１０ＭＰａ以下とすることがより好ましい。
　上述した各工程によって、本実施形態のヒートシンク一体型絶縁回路基板３０が製造される（図８（ｄ））。
　以上のような構成とされた本実施形態のヒートシンク１０によれば、天板部１１が、アルミニウム又はアルミニウム合金からなるアルミニウム層１２と、銅又は銅合金からなる銅層１３と、が固相拡散接合されたクラッド構造であって銅層１３が載置面とされているので、半導体素子３からの熱を銅層１３によって天板部１１の板面に沿って効率良く広げることができ、放熱特性に優れている。また、アルミニウム層１２を有しているので、ヒートシンク１０の軽量化を図ることができる。
　そして、アルミニウム層１２と銅層１３とが固相拡散接合されており、アルミニウム層１２の平均結晶粒径Ｄ１が５０μｍ以上５００μｍ未満とされているので、アルミニウム層１２が適度に硬くなり、アルミニウム層の変形を抑制することができる。
　また、アルミニウム層１２と銅層１３との間に形成されたＡｌ－Ｃｕ金属間化合物層１５の厚さｔが１０μｍを超えて４０μｍ以下の範囲内とされているので、十分に銅とアルミニウムとが固相拡散されており、銅層１３とアルミニウム層１２との接合信頼性に優れている。
　さらに、本実施形態において、アルミニウム層１２と放熱フィン１８とが一体成型されている場合には、複雑な形状の放熱フィン１８を形成することができ、放熱特性をさらに向上させることが可能となる。
　また、放熱フィン１８がアルミニウム層１２に一体に成型されていることから、放熱フィン１８の脱落や変形を抑制することができる。
　本実施形態において、アルミニウム層１２におけるアルミニウムの純度が９９．５ｍａｓｓ％以下である場合には、不純物を一定量含有しており、この不純物によって結晶粒の成長が抑制され、接合後のアルミニウム層１２の結晶粒の粗大化を確実に抑制することができる。
　本実施形態のヒートシンク一体型絶縁回路基板３０は、本実施形態のヒートシンク１０と、このヒートシンク１０の天板部１１の載置面に形成された絶縁層３１と、この絶縁層３１の天板部１１とは反対側の面に形成された回路層３２と、を備えているので、回路層３２に搭載された半導体素子３からの熱を効率的に放熱することができるとともに、ヒートシンク１０の変形を抑制でき、安定して使用することができる。
　以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこれに限定されることはなく、その発明の技術的思想を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。
　例えば、本実施形態においては、ヒートシンクを、ピンフィン構造のものとして説明したが、これに限定されることはなく、櫛形フィン、コルゲートフィンを備えたヒートシンクであってもよい。
　また、本実施形態では、ヒートシンクの天板部に絶縁層を形成したヒートシンク一体型絶縁回路基板を例に挙げて説明したが、セラミックス基板の両面に金属板を接合した絶縁回路基板を、ヒートシンクの天板部に載置した構造のヒートシンク付き絶縁回路基板を構成してもよい。
　さらに、本実施形態では、回路層に半導体素子を搭載してパワーモジュールを構成するものとして説明したが、これに限定されることはない。例えば、回路層にＬＥＤ素子を搭載してＬＥＤモジュールを構成してもよいし、回路層に熱電素子を搭載して熱電モジュールを構成してもよい。
　本発明の有効性を確認するために行った確認実験について説明する。
　まず、表１に示す材質からなる銅部材と、アルミニウム部材とを準備した。銅部材は、１００ｍｍ×１００ｍｍ、厚さ１．０ｍｍの銅板とした。
　アルミニウム部材は、１００ｍｍ×１００ｍｍ、厚さ４．０ｍｍのアルミニウム板と、このアルミニウム板と一体成型された円柱状のピンフィン（ピン径１．５ｍｍ、長さ１０ｍｍ）を備えたものとした。なお、ピンフィンの本数は、５００本とした。
　なお、各アルミニウム部材におけるアルミニウムの純度は、Ａ６０６３が９７．９ｍａｓｓ％、ＡＤＣ１２が８５．０ｍａｓｓ％、Ａ１０５０が９９．５ｍａｓｓ％、４Ｎ－Ａｌが９９．９９ｍａｓｓ％である。
　アルミニウムの純度は、ＩＣＰ分析法によって確認した。
　これら銅部材およびアルミニウム部材の接合面を予め研磨して平滑な面に仕上げた状態で、銅部材とアルミニウム部材を積層した。
　積層した銅部材およびアルミニウム部材を、真空炉内に装入し、真空度０．０５Ｐａの雰囲気下で、表１示す条件で加圧および加熱し、銅部材とアルミニウム部材を固相拡散接合した。
　上述のようにして得られたヒートシンクについて、アルミニウム層の平均結晶粒径Ｄ１、Ａｌ－Ｃｕ金属間化合物層の厚さ、放熱フィンの変形の有無、冷熱サイクル負荷後の接合率について、以下のように評価した。評価結果を表２に示す。
（アルミニウム層の平均結晶粒径）
　アルミニウム層の天板部の厚さ方向に沿った断面をクロスセクションポリッシャ（日本電子株式会社製ＳＭ－０９０１０）を用いて、イオン加速電圧：５ｋＶ、加工時間：１４時間、遮蔽板からの突出量：１００μｍでイオンエッチングした後に観察し、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）を用いてアルミニウム層の平均結晶粒径を測定した。なお、この平均結晶粒径の測定は、ＪＩＳ　Ｈ　０５０１記載の切断法に準拠して実施した。
（Ａｌ－Ｃｕ金属間化合物層の厚さ）
　アルミニウム層と銅層との接合界面の断面をクロスセクションポリッシャ（日本電子株式会社製ＳＭ－０９０１０）を用いて、イオン加速電圧：５ｋＶ、加工時間：１４時間、遮蔽板からの突出量：１００μｍでイオンエッチングした後に観察し、接合界面に形成されたＡｌ－Ｃｕ金属間化合物層の厚さを測定した。
　Ａｌ－Ｃｕ金属間化合物層の厚さは、アルミニウム層と銅層との接合界面を厚さ方向にＥＰＭＡ（日本電子社製ＪＸＡ－８５３０Ｆ，加速電圧：１５ｋＶ，スポット径：１μｍ以下，倍率：５００倍，間隔：０．３μｍ）にてライン分析を行い、Ａｌ濃度及びＣｕ濃度が各々１ａｔ％以上となる領域をＡｌ－Ｃｕ金属間化合物層とみなし、厚さを測定した。
（冷熱サイクル負荷後の接合率）
　冷熱衝撃試験機エスペック社製ＴＳＢ－５１を使用し、ヒートシンクに対して、液相（フロリナート）で、－４０℃×１０分、１５０℃×１０分の負荷を１サイクルの冷熱サイクルとし、４０００サイクル実施した。
　そして、冷熱サイクル試験後のヒートシンクの接合率（アルミニウム層と銅層の接合率）について超音波探傷装置（株式会社日立パワーソリューションズ製ＦｉｎｅＳＡＴ２００）を用いて評価し、以下の式から算出した。ここで、初期接合面積とは、接合前における接合すべき面積とした。超音波探傷像を二値化処理した画像において剥離は接合部内の白色部で示されることから、この白色部の面積を剥離面積とした。
　（接合率）＝｛（初期接合面積）－（非接合部面積）｝／（初期接合面積）×１００
（放熱フィンの変形の有無）
　ヒートシンクの放熱フィンをウォータジャケットにセットし、平均流速が１ｍ／ｓになるように、水路の断面積に応じて流量を調整し、冷却水（２０℃）を流通した。
　冷却水を１０分流通した後、ウォータジャケットから放熱フィンを取り出し、放熱フィンの変形の有無を目視で確認した。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000002
　比較例１においては、アルミニウム層の平均結晶粒径が４２μｍとされており、冷熱サイクル負荷後の接合率が７５％と低くなった。アルミニウム層が硬くなり、冷熱サイクル負荷時の熱応力を十分に緩和できなかったためと推測される。
　比較例２においては、アルミニウム層の平均結晶粒径が５１５μｍとされており、放熱フィンの変形が認められた。接合時に、アルミニウム層およびアルミニウム層と一体成型された放熱フィンの結晶成長が促進され、変形抵抗が低くなったためと推測される。
　比較例３においては、Ａｌ－Ｃｕ金属間化合物層の厚さが８μｍとされており、冷熱サイクル負荷後の接合率が７４％となった。アルミニウム層のＡｌと銅層のＣｕとの相互拡散が不十分であったためと推測される。
　比較例４においては、Ａｌ－Ｃｕ金属間化合物層の厚さが４２μｍとされており、冷熱サイクル負荷後の接合率が７８％となった。接合界面近傍が硬くなり、冷熱サイクル負荷時にクラックが生じたためと推測される。
　これに対して、本発明例１～６においては、アルミニウム層の平均結晶粒径が５０μｍ以上５００μｍ未満の範囲内とされ、Ａｌ－Ｃｕ金属間化合物層の厚さが１０μｍを超えて４０μｍ以下の範囲内とされており、冷熱サイクル負荷後の接合率が８３％以上であり、接合信頼性に優れていた。また、放熱フィンの変形は認められなかった。
　以上の確認実験の結果、本発明例によれば、銅又は銅合金からなる銅層とアルミニウム又はアルミニウム合金からなるアルミニウム層とを有し、これら銅層とアルミニウム層との接合信頼性に優れ、かつ、アルミニウム又はアルミニウム合金で構成された部材の変形を抑制することができ、安定して使用することが可能なヒートシンクを提供可能であることが確認された。
１０　ヒートシンク
１１　天板部
１２　アルミニウム層
１３　銅層
１８　放熱フィン
３０　ヒートシンク一体型絶縁回路基板
３１　絶縁層
３２　回路層

Claims (4)

  1. 　天板部と放熱フィンとを備えたヒートシンクであって、
    　前記天板部の一方の面は他の部材が載置される載置面とされ、前記天板部の他方の面に前記放熱フィンが形成されており、
    　前記天板部は、アルミニウム又はアルミニウム合金からなるアルミニウム層と、銅又は銅合金からなる銅層と、が固相拡散接合されたクラッド構造とされており、
    　前記アルミニウム層の平均結晶粒径が５０μｍ以上５００μｍ未満の範囲内とされ、
    前記アルミニウム層と前記銅層との間に形成されたＡｌ－Ｃｕ金属間化合物層の厚さが１０μｍを超えて４０μｍ以下の範囲内とされていることを特徴とするヒートシンク。
  2. 　前記アルミニウム層と前記放熱フィンとが一体成型されていることを特徴とする請求項１に記載のヒートシンク。
  3. 　前記アルミニウム層におけるアルミニウムの純度が９９．５ｍａｓｓ％以下であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のヒートシンク。
  4. 　請求項１から請求項３のいずれか一項に記載のヒートシンクと、このヒートシンクの前記天板部の載置面に形成された絶縁層と、この絶縁層の前記天板部とは反対側の面に形成された回路層と、を備えていることを特徴とするヒートシンク一体型絶縁回路基板。
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