JP2009032996A

JP2009032996A - Manufacturing method of heat dissipation structure

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Publication number: JP2009032996A
Application number: JP2007196808A
Authority: JP
Inventors: Kazuhiko Futai; 和彦二井; Takao Maeda; 貴雄前田; Haruhisa Toyoda; 晴久豊田
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 2007-07-28
Filing date: 2007-07-28
Publication date: 2009-02-12

Abstract

【課題】接合部の信頼性が高く、製造コストが安価で、熱伝導度の良好な放熱構造体の製造方法を提供する。
【解決手段】放熱構造体は、ヒートシンク２１の上に、溶射法（コールドスプレー法）によって形成された溶射金属層２８とを備えている。溶射法を用いて、溶射金属層２８を形成した後で、溶射金属層２８中の欠陥を低減するための熱処理を行う。熱処理によって再結晶が進行することで、結晶粒が大結晶粒に成長して結晶粒界が低減するとともに、原子空孔、転位などの格子欠陥も低減される。結晶粒界の界面におけるフォノン散乱の減少や、格子振動の非調和性の減少により、溶射金属層２８の熱伝導度が向上する。
【選択図】図２The present invention provides a method for manufacturing a heat dissipation structure with high reliability of a joint, low manufacturing cost, and good thermal conductivity.
A heat dissipation structure includes a thermal spray metal layer formed on a heat sink by a thermal spraying method (cold spray method). After forming the sprayed metal layer 28 using the spraying method, heat treatment for reducing defects in the sprayed metal layer 28 is performed. As recrystallization proceeds by the heat treatment, crystal grains grow into large crystal grains and crystal grain boundaries are reduced, and lattice defects such as atomic vacancies and dislocations are also reduced. The thermal conductivity of the sprayed metal layer 28 is improved by reducing the phonon scattering at the interface of the crystal grain boundaries and reducing the anharmonicity of the lattice vibration.
[Selection] Figure 2

Description

本発明は、半導体チップ等の発熱に対する冷却機能を有する放熱構造体の製造方法に関する。 The present invention relates to a method for manufacturing a heat dissipation structure having a cooling function against heat generation of a semiconductor chip or the like.

パワーデバイスとしての半導体素子の発熱を放出するための放熱構造体として、アルミニウムやアルミニウム合金からなるヒートシンクを備えたものが一般に採用されている。ヒートシンクには、フィンが設けられていることが多く、放熱効率を高めるように工夫されている。また、アルミニウムまたはアルミニウム合金からなるヒートシンクに銅または銅合金からなる銅部材を設けたものが知られている。 As a heat dissipation structure for releasing heat generated by a semiconductor element as a power device, a structure including a heat sink made of aluminum or an aluminum alloy is generally employed. The heat sink is often provided with fins and is devised to increase the heat dissipation efficiency. Moreover, what provided the copper member which consists of copper or a copper alloy in the heat sink which consists of aluminum or an aluminum alloy is known.

たとえば、特許文献１には、銅部材の接合面に銀からなる金属層を形成しておいて、この金属層とアルミニウムヒートシンクとをろう付けすることにより、Ａｌ−Ａｇ金属間化合物を形成して、高い接合強度を実現する技術が開示されている。
特開２００４−１０６９号公報 For example, in Patent Document 1, a metal layer made of silver is formed on the joint surface of a copper member, and the metal layer and an aluminum heat sink are brazed to form an Al-Ag intermetallic compound. A technique for realizing a high bonding strength is disclosed.
JP 2004-1069 A

しかしながら、特許文献１の技術では、５００℃以上の温度でろう付けするために、銅とアルミニウムとの熱膨張率差によって冷却後にそりが生じるおそれがあった。また、接合の信頼性を確保するために、銅とアルミニウムとの拡散反応を防止するために銀からなる金属層を設けているので、製造コストが高くつくという不具合があった。 However, in the technique of Patent Document 1, since brazing is performed at a temperature of 500 ° C. or higher, there is a possibility that warping may occur after cooling due to a difference in thermal expansion coefficient between copper and aluminum. Moreover, in order to ensure the reliability of joining, since the metal layer which consists of silver was provided in order to prevent the diffusion reaction of copper and aluminum, there existed a malfunction that manufacturing cost became expensive.

本発明の目的は、接合部の信頼性が高く、製造コストが安価で、熱伝導度の良好な放熱構造体の製造方法を提供することにある。 An object of the present invention is to provide a method for manufacturing a heat dissipation structure with high reliability of the joint, low manufacturing cost, and good thermal conductivity.

本発明の放熱構造体の製造方法は、ヒートシンク上に溶射金属層を形成した後に、溶射金属層中の欠陥を低減するための熱処理を行う方法である。 The manufacturing method of the heat dissipation structure of the present invention is a method of performing heat treatment for reducing defects in the sprayed metal layer after forming the sprayed metal layer on the heat sink.

この方法により、比較的低温での処理である溶射処理によって形成された溶射金属層と、ヒートシンクとの熱膨張率差に起因する反りを小さく抑制することができる。また、Ａｇ等の高価な材料を用いる必要がないので、製造コストが比較的安価である。
一方、溶射金属層の熱伝導度が、その金属本来の熱伝導度よりも小さくなる現象も生じる。その原因は、多数の粒界の存在や、溶射金属層を形成する際に生じた欠陥、特に、原子空孔，転位、双晶などの格子欠陥の存在によると考えられる。
そこで、溶射金属層を形成した後の熱処理により、溶射金属層を形成する際に生じた欠陥、特に、原子空孔，転位、双晶などの格子欠陥が低減すると共に、溶射金属層の再結晶によって粒界も低減される。したがって、接合部の信頼性が高く、製造コストが安価で、熱伝導度の良好な放熱構造体が得られる。 By this method, it is possible to suppress warpage caused by a difference in thermal expansion coefficient between the thermal spray metal layer formed by the thermal spraying process, which is a process at a relatively low temperature, and the heat sink. Further, since it is not necessary to use an expensive material such as Ag, the manufacturing cost is relatively low.
On the other hand, a phenomenon occurs in which the thermal conductivity of the sprayed metal layer becomes smaller than the original thermal conductivity of the metal. The cause is considered to be due to the existence of a large number of grain boundaries and defects generated when the sprayed metal layer is formed, particularly the presence of lattice defects such as atomic vacancies, dislocations and twins.
Therefore, heat treatment after forming the sprayed metal layer reduces defects generated when forming the sprayed metal layer, particularly lattice defects such as atomic vacancies, dislocations and twins, and recrystallizes the sprayed metal layer. As a result, grain boundaries are also reduced. Therefore, it is possible to obtain a heat radiating structure with high reliability of the joint, low manufacturing cost, and good thermal conductivity.

その場合、ヒートシンクに、フィン部を設けることにより、放熱機能の拡大を図ることができる。 In that case, the heat dissipation function can be expanded by providing the fin portion on the heat sink.

熱処理が、金属間化合物の生成を抑制する条件で行われることにより、溶射金属層とヒートシンクとの界面における接合強度が低下するのを抑制することができ、接合信頼性の高い放熱構造体を得ることができる。 By performing the heat treatment under conditions that suppress the formation of intermetallic compounds, it is possible to suppress a decrease in bonding strength at the interface between the sprayed metal layer and the heat sink, and to obtain a heat dissipation structure with high bonding reliability. be able to.

アルミニウムを主成分とするヒートシンクの上に銅を主成分とする溶射金属層を形成する場合には、熱処理を１５０℃〜５５０℃の範囲から選ばれる温度条件で行うことにより、金属間化合物の生成を抑制しつつ、欠陥を低減することができる。 When a thermal spray metal layer mainly composed of copper is formed on a heat sink mainly composed of aluminum, the heat treatment is performed under a temperature condition selected from the range of 150 ° C. to 550 ° C., thereby generating an intermetallic compound. Defects can be reduced while suppressing the above.

本発明の放熱構造体の製造方法によると、接合の信頼性を保持しつつ、安価で熱伝導度の良好な放熱構造体を得ることができる。 According to the method for manufacturing a heat dissipation structure of the present invention, it is possible to obtain a heat dissipation structure that is inexpensive and has good thermal conductivity while maintaining the reliability of bonding.

（実施の形態１）
−放熱構造体の構造−
図１は、実施の形態１に係る放熱構造体Ａの断面図である。本実施の形態の放熱構造体Ａは、平板部２１ａおよびフィン部２１ｂを有するヒートシンク２１と、平板部２１ａの上に形成された溶射金属層２８とを備えている。フィン部２１ｂは、熱交換媒体である冷却水にさらされて、熱交換効率を高めるように構成されているが、フィン部２１ｂは必ずしも必要ではない。 (Embodiment 1)
-Structure of heat dissipation structure-
FIG. 1 is a cross-sectional view of a heat dissipation structure A according to the first embodiment. The heat dissipation structure A of the present embodiment includes a heat sink 21 having a flat plate portion 21a and a fin portion 21b, and a sprayed metal layer 28 formed on the flat plate portion 21a. The fin portion 21b is configured to be exposed to cooling water that is a heat exchange medium to increase heat exchange efficiency, but the fin portion 21b is not necessarily required.

本実施の形態では、ヒートシンク２１は、アルミニウム（Ａｌ）またはアルミニウム合金（Ａｌ合金）を用いた押し出し成形によって形成されている。ただし、ダイキャスト成形を利用してもよい。
本実施の形態においては、ヒートシンク２１の平面部２１ａの厚みは４mm程度であり、フィン部２１ｂのフィン長さは約１５ｍｍ程度であり、溶射金属層２８の厚みは１ｍｍ程度である。 In the present embodiment, the heat sink 21 is formed by extrusion using aluminum (Al) or an aluminum alloy (Al alloy). However, die casting may be used.
In the present embodiment, the thickness of the flat portion 21a of the heat sink 21 is about 4 mm, the fin length of the fin portion 21b is about 15 mm, and the thickness of the sprayed metal layer 28 is about 1 mm.

本実施の形態では、溶射金属層２８は、銅（Ｃｕ）または銅合金（Ｃｕ合金）からなり、コールドスプレー法を用いて形成されている。後述するように、コールドスプレー法を用いて形成された溶射金属層２８は、比較的低温（数百℃）で形成されるので、ＡｌまたはＡｌ合金からなるヒートシンク２１との熱膨張率の差があっても、実用的に問題となる程の大きな反りを生じることがない。また、コールドスプレー法を用いて形成された膜は、緻密であることが確認されている。そして、コールドスプレー法では、膜の堆積能率が高く、製造コストも安価である。 In the present embodiment, the sprayed metal layer 28 is made of copper (Cu) or a copper alloy (Cu alloy), and is formed using a cold spray method. As will be described later, since the sprayed metal layer 28 formed using the cold spray method is formed at a relatively low temperature (several hundred degrees Celsius), there is a difference in thermal expansion coefficient from the heat sink 21 made of Al or Al alloy. Even if it exists, it does not produce the large curvature which is a problem practically. In addition, it has been confirmed that the film formed using the cold spray method is dense. In the cold spray method, the deposition efficiency of the film is high and the manufacturing cost is low.

ヒートシンク２１は、Ａｌ，Ａｌ合金，ＣｕまたはＣｕ合金によって構成されていることが好ましい。後述するように、ヒートシンク２１は押し出し成形によって形成することにより、製造コストの低減を図ることができるが、これらの材料は押し出し成形が可能であり、しかも熱伝導率が高いので、放熱構造体Ａのヒートシンクには好適な材料である。 The heat sink 21 is preferably made of Al, Al alloy, Cu or Cu alloy. As will be described later, although the heat sink 21 can be formed by extrusion molding, the manufacturing cost can be reduced. However, these materials can be extrusion molded and have high thermal conductivity. This is a suitable material for the heat sink.

−放熱構造体の製造方法−
図２（ａ）〜（ｃ）は、実施の形態１における放熱構造体Ａの製造工程を示す斜視図である。図２（ａ）に示す工程では、ＡｌまたはＡｌ合金を用いた押し出し成形により、ヒートシンク連続体２１ｘを形成する。ヒートシンク連続体２１ｘは、平板部２１ａとフィン部２１ｂとを有している。ＡｌまたはＡｌ合金に代えて、熱伝導率がより高いＣｕまたはＣｕ合金を用いてもよいが、ＡｌまたはＡｌ合金を用いた方が、ピッチの小さいフィン部２１ｂを形成することができる利点がある。 -Manufacturing method of heat dissipation structure-
2A to 2C are perspective views showing a manufacturing process of the heat dissipation structure A in the first embodiment. In the step shown in FIG. 2A, the heat sink continuous body 21x is formed by extrusion molding using Al or an Al alloy. The heat sink continuous body 21x includes a flat plate portion 21a and a fin portion 21b. In place of Al or Al alloy, Cu or Cu alloy having higher thermal conductivity may be used. However, using Al or Al alloy has an advantage that fin portions 21b having a small pitch can be formed. .

次に、図２（ｂ）に示す工程で、コールドスプレー法を用いて、ＣｕまたはＣｕ合金からなる溶射金属層２８をヒートシンク連続体２１ｘの上に形成する。図３は、コールドスプレー法の概略を説明する断面図である。コールドスプレー装置６０は、上方から粒子が投入されるホッパー６１と、圧縮空気を加熱するヒータ６２と、粒子を吹き付けるためのガン６３と、配管６４，６５とを備えている。そして、ガン６３から約５〜３０ｍｍ程度離れた位置に、ヒートシンク連続体２１ｘが設置されている。なお、圧縮空気に代えて、ヘリウム，窒素などの圧縮ガスを用いてもよい。 Next, in the step shown in FIG. 2B, a sprayed metal layer 28 made of Cu or a Cu alloy is formed on the heat sink continuum 21x using a cold spray method. FIG. 3 is a cross-sectional view for explaining the outline of the cold spray method. The cold spray device 60 includes a hopper 61 into which particles are introduced from above, a heater 62 that heats compressed air, a gun 63 for spraying particles, and pipes 64 and 65. And the heat sink continuous body 21x is installed in the position about 5-30 mm away from the gun 63. FIG. Instead of compressed air, compressed gas such as helium or nitrogen may be used.

ホッパー６１に被膜材料であるＣｕまたはＣｕ合金の粒子（粒径１０〜４０μｍ）が投入されると、配管６４から送り込まれる圧縮空気によってガン６３に送られる。一方、配管６５から送り込まれた圧縮空気はヒータ６２で３００〜５００℃に熱されて、ガン６３に送られる。そして、ガン６３で加熱圧縮空気と粒子とが混ざり合った状態で、超音速流で噴射される。粒子は、５００ｍ／ｓ以上の高速で、ヒートシンク連続体２１ｘに衝突し、粒子の運動エネルギーによって粒子が塑性変形して堆積されて、溶射金属層２８が形成される。 When Cu or Cu alloy particles (particle size of 10 to 40 μm) as a coating material is put into the hopper 61, it is sent to the gun 63 by compressed air sent from the pipe 64. On the other hand, the compressed air sent from the pipe 65 is heated to 300 to 500 ° C. by the heater 62 and sent to the gun 63. Then, in a state where the heated compressed air and the particles are mixed with each other by the gun 63, the jet is injected in a supersonic flow. The particles collide with the heat sink continuum 21x at a high speed of 500 m / s or more, and the particles are plastically deformed and deposited by the kinetic energy of the particles, so that the sprayed metal layer 28 is formed.

次に、図２（ｃ）に示す工程で、熱処理を行なって、溶射金属層２８中の欠陥を低減する。その後の工程の図示は省略するが、ヒートシンク連続体２１ｘを切断して、ヒートシンク２１および溶射金属層２８からなる放熱構造体Ａを形成する。なお、先にヒートシンク連続体２１ｘを切断してから、熱処理を行なってもよい。 Next, in the process shown in FIG. 2C, heat treatment is performed to reduce defects in the sprayed metal layer 28. Although illustration of subsequent steps is omitted, the heat sink continuous body 21x is cut to form a heat dissipation structure A composed of the heat sink 21 and the sprayed metal layer 28. Note that the heat treatment may be performed after the heat sink continuous body 21x is cut first.

本実施の形態の放熱構造体Ａの製造方法によると、溶射金属層２８の形成工程で、コールドスプレー法などの溶射法を採用することにより、比較的低温で溶射金属層を形成することができる。その際、ヒータ６２で３００〜４００℃に加熱された圧縮空気を用いるものの、空気の膨張によって急激に冷却されるので、ヒートシンク連続体２１ｘに衝突する際には、室温〜１００℃の低温になっているからである。したがって、加工後にヒートシンク２１と溶射金属層２８との熱膨張率差に起因する反りを小さく抑制することができる。また、多数のヒートシンク２１を含むヒートシンク連続体２１ｘの上に、溶射金属層２８を形成するので、製造工程が簡素化されて、製造コストの低減を図ることができる。 According to the manufacturing method of the heat dissipation structure A of the present embodiment, the sprayed metal layer can be formed at a relatively low temperature by adopting a spraying method such as a cold spray method in the step of forming the sprayed metal layer 28. . At that time, although compressed air heated to 300 to 400 ° C. by the heater 62 is used, it is rapidly cooled by the expansion of the air. Therefore, when it collides with the heat sink continuum 21x, it becomes a low temperature of room temperature to 100 ° C. Because. Therefore, it is possible to suppress warping caused by the difference in thermal expansion coefficient between the heat sink 21 and the sprayed metal layer 28 after processing. Moreover, since the thermal spray metal layer 28 is formed on the heat sink continuous body 21x including a large number of heat sinks 21, the manufacturing process can be simplified and the manufacturing cost can be reduced.

一方、このような溶射法で形成された溶射金属層２８をパワーモジュールの放熱構造体Ａの一部として用いると、冷却性能があまり高くならないという現象も生じた。その原因は、溶射法では、金属粒子を低温状態で溶着させるために、結晶粒が小さく（つまり、粒界が多く）、かつ、金属粒子が基材に衝突する際に受ける衝撃力によって、原子空孔や転位などの結晶欠陥も多いことに起因すると考えられる。一般に、結晶粒界では、フォノン散乱を受けるために、熱伝導度が低下することが知られており、格子欠陥によって格子振動の非調和性が増大することで、熱伝導度が低下することが知られている。 On the other hand, when the sprayed metal layer 28 formed by such a spraying method is used as a part of the heat dissipation structure A of the power module, a phenomenon that the cooling performance does not become so high has occurred. The reason for this is that, in the thermal spraying method, the metal particles are deposited at a low temperature, so that the crystal grains are small (that is, there are many grain boundaries), and the atomic force is applied when the metal particles collide with the substrate. This is thought to be due to many crystal defects such as vacancies and dislocations. In general, it is known that the thermal conductivity decreases due to phonon scattering at the grain boundary, and the thermal conductivity decreases due to an increase in anharmonicity of lattice vibration due to lattice defects. Are known.

そこで、本実施の形態では、溶射金属層２８を形成した後で熱処理を行う。この熱処理によって再結晶が進行することで、結晶粒が大結晶粒に成長して結晶粒界が低減するとともに、原子空孔、転位などの格子欠陥も低減される。その結果、結晶粒界の界面におけるフォノン散乱の減少や、格子振動の非調和性の減少により、溶射金属層２８の熱伝導度が向上することになる。 Therefore, in the present embodiment, heat treatment is performed after the sprayed metal layer 28 is formed. As the recrystallization proceeds by this heat treatment, the crystal grains grow into large crystal grains and the grain boundaries are reduced, and lattice defects such as atomic vacancies and dislocations are also reduced. As a result, the thermal conductivity of the sprayed metal layer 28 is improved due to a decrease in phonon scattering at the interface between crystal grain boundaries and a decrease in anharmonicity of lattice vibration.

図４は、純銅に各種元素を添加したときの再結晶温度を示すグラフである。同図に示すように、純銅の再結晶温度は１５０℃であり、他の元素を０．０１％程度添加した場合には、もっとも再結晶温度が高いものでも３００℃程度である。たとえば、スズ（Ｓｎ）を添加した場合は、０．２％程度添加しても、再結晶温度は３００℃をやや超える程度である。したがって、熱処理温度が１５０℃以上であれば、溶射金属層２８中の結晶粒の再結晶を進行させることが可能である。ただし、一般にはＣｕに、図４に示される各種元素を０．３％程度まで添加することを考慮すると、２５０℃以上であることが好ましい。保持時間は、加熱温度によって異なり、低温であれば長時間加熱状態を保持する必要があり、高温になるほど、保持時間は短くて済む。たとえば、３００℃では３時間程度保持することにより、溶射金属層２８の再結晶を進行させて、熱伝導度を改善させることができる。したがって、１５０℃で加熱する場合には、より長時間の加熱を行う必要がある。 FIG. 4 is a graph showing the recrystallization temperature when various elements are added to pure copper. As shown in the figure, the recrystallization temperature of pure copper is 150 ° C., and when about 0.01% of other elements are added, even the highest recrystallization temperature is about 300 ° C. For example, when tin (Sn) is added, even if about 0.2% is added, the recrystallization temperature is slightly over 300 ° C. Therefore, if the heat treatment temperature is 150 ° C. or higher, recrystallization of the crystal grains in the sprayed metal layer 28 can be advanced. However, in general, when adding various elements shown in FIG. 4 to about 0.3% to Cu, the temperature is preferably 250 ° C. or higher. The holding time varies depending on the heating temperature. If the temperature is low, it is necessary to hold the heating state for a long time. The higher the temperature is, the shorter the holding time is. For example, by maintaining at 300 ° C. for about 3 hours, recrystallization of the sprayed metal layer 28 can be advanced to improve the thermal conductivity. Therefore, when heating at 150 ° C., it is necessary to perform heating for a longer time.

一方、ヒートシンク２１−溶射金属層２８の界面領域で、ヒートシンク２１を構成するＡｌと、溶射金属層２８を構成するＣｕとの反応による金属間化合物が生成されると、界面領域の強度が弱くなり、溶射金属層２８が一部または全域で剥離するおそれがある。そこで、金属間化合物の生成を抑制するための熱処理温度の上限について説明する。 On the other hand, if an intermetallic compound is generated in the interface region between the heat sink 21 and the sprayed metal layer 28 by reaction between Al constituting the heat sink 21 and Cu constituting the sprayed metal layer 28, the strength of the interface region becomes weak. The sprayed metal layer 28 may be partially or entirely peeled off. Then, the upper limit of the heat processing temperature for suppressing the production | generation of an intermetallic compound is demonstrated.

一般に、拡散係数をＤ、拡散距離をＬとすると、下記式（１），（２）
Ｄ＝Ｄ0・ｅｘｐ（−Ｑ／ＲＴ）（１）
Ｌ＝√（Ｄ・ｔ）（２）
の関係式が成り立つ。ただし、Ｄ0は、拡散係数の定数部分であって各元素に固有の頻度因子（ｍ^２／sec）であり、Ｑは、金属間化合物の活性化エネルギー（ｋJ/mol）であり、ｔは熱処理時間であり、Ｒ＝８．３１５（Ｊ／mol・K)である。
式（１），（２）より、下記式（３）
Ｌ＝√｛Ｄ0・ｅｘｐ（−Ｑ／ＲＴ）・ｔ｝（３）
が成り立つので、頻度因子Ｄ0，活性化エネルギーＱの値がわかると、式（３）から、ＣｕおよびＡｌの拡散距離を求めることができる。 In general, when the diffusion coefficient is D and the diffusion distance is L, the following equations (1) and (2)
D = D0 · exp (−Q / RT) (1)
L = √ (D · t) (2)
The following relational expression holds. Where D0 is a constant part of the diffusion coefficient and is a frequency factor (m ² / sec) specific to each element, Q is the activation energy (kJ / mol) of the intermetallic compound, and t is heat treatment. Time, R = 8.315 (J / mol · K).
From the formulas (1) and (2), the following formula (3)
L = √ {D0 · exp (−Q / RT) · t} (3)
Therefore, if the values of the frequency factor D0 and the activation energy Q are known, the diffusion distance of Cu and Al can be obtained from the equation (3).

図５は、ＣｕおよびＡｌの拡散に関するデータを表にして示す図である。たとえば、熱処理温度３００℃（５７３Ｋ）で、熱処理時間を３時間（１０８００sec）とすると、式（３）および図５のデータから、Ｃｕ中のＡｌの拡散距離Ｌ１は、１．４×１０^−９ｍとなり、Ａｌ中のＣｕの拡散距離Ｌ２は、５．３×１０^−７ｍとなる。また、熱処理温度５５０℃（８２３Ｋ）で、熱処理時間を５secとすると、式（３）および図５のデータから、Ｃｕ中のＡｌの拡散距離Ｌ１は、１．１×１０^−８ｍとなり、Ａｌ中のＣｕの拡散距離Ｌ２は、８．７×１０^−７ｍとなる。上記拡散距離Ｌ１，Ｌ２は、いずれも１μｍ（１×１０^−６ｍ）以下であり、この条件下では、金属間化合物がほとんど生じない。また、適切な熱処理時間は、熱処理温度によって異なるが、上記式（３）と図４および図５のデータとを併せて決定することができる。 FIG. 5 is a table showing data relating to diffusion of Cu and Al. For example, when the heat treatment temperature is 300 ° C. (573 K) and the heat treatment time is 3 hours (10800 sec), the diffusion distance L1 of Al in Cu is 1.4 × 10 ⁻⁹ from the data of formula (3) and FIG. m, and the diffusion distance L2 of Cu in Al is 5.3 × 10 ⁻⁷ m. Further, when the heat treatment temperature is 550 ° C. (823 K) and the heat treatment time is 5 seconds, the diffusion distance L1 of Al in Cu is 1.1 × 10 ⁻⁸ m from the data of the formula (3) and FIG. The diffusion distance L2 of Cu inside is 8.7 × 10 ⁻⁷ m. The diffusion distances L1 and L2 are both 1 μm (1 × 10 ⁻⁶ m) or less, and an intermetallic compound hardly occurs under these conditions. Further, although an appropriate heat treatment time varies depending on the heat treatment temperature, the above formula (3) and the data shown in FIGS. 4 and 5 can be determined together.

（変形例）
上記実施の形態では、溶射法としてコールドスプレー法を用いたが、他の溶射法を用いることもできる。
図６は、ＨＶＡＦ（High Velocity Aero Fuel）法の概略を説明する断面図である。ＨＶＡＦ装置６０Ｂは、原料供給管６８から投入される材料（粒子）を圧縮空気と混合するホッパー６７と、圧縮空気および可燃性ガスを加熱するヒータ６２と、粒子を吹き付けるためのガン６３と、圧縮空気を供給する配管６４，６５と、可燃性ガス（プロパンガスなど）を供給するガス管６６とを備えている。そして、ガン６３から約５〜３０ｍｍ程度離れた位置に、基板（ヒートシンクなど）が設置されている。 (Modification)
In the above embodiment, the cold spray method is used as the thermal spraying method, but other thermal spraying methods can also be used.
FIG. 6 is a cross-sectional view for explaining the outline of the HVAF (High Velocity Aero Fuel) method. The HVAF device 60B includes a hopper 67 that mixes material (particles) input from the raw material supply pipe 68 with compressed air, a heater 62 that heats compressed air and combustible gas, a gun 63 for spraying particles, and a compression Pipes 64 and 65 for supplying air and a gas pipe 66 for supplying a combustible gas (such as propane gas) are provided. A substrate (such as a heat sink) is installed at a position about 5 to 30 mm away from the gun 63.

ホッパー６７に、原料供給管６８から、材料（Ｃｕ）の粒子群（粒径１０〜４０μｍ）が投入されると、ホッパー６７内で圧縮空気と混合された後、配管６４から送り込まれる圧縮空気によってガン６３に送られる。一方、配管６５，ガス管６６から送り込まれた圧縮空気および可燃性ガスは、点火プラグ６９で燃焼が促進され、ガン６３に送られる。そして、ガン６３で燃焼ガス，圧縮空気および粒子群が混ざり合った状態で、フレームとともに、超音速流で噴射される。粒子は、コールドスプレー法とほぼ同じ温度（３００〜５００℃）かつ、より高速（６００〜８００ｍ／ｓ）で、基板に衝突し、粒子の運動エネルギーによって粒子が塑性変形して、からみ合った状態で結合されて、溶射金属層２８が形成される。粒子の粒径は、１０〜４０μｍである。 When a particle group (particle size: 10 to 40 μm) of material (Cu) is introduced into the hopper 67 from the raw material supply pipe 68, it is mixed with the compressed air in the hopper 67 and then compressed air fed from the pipe 64. Sent to gun 63. On the other hand, the compressed air and combustible gas sent from the pipe 65 and the gas pipe 66 are accelerated by the ignition plug 69 and sent to the gun 63. Then, in a state where combustion gas, compressed air, and particle groups are mixed with each other by the gun 63, the fuel is injected together with the frame in supersonic flow. The particles collide with the substrate at approximately the same temperature (300 to 500 ° C.) and higher speed (600 to 800 m / s) as in the cold spray method, and the particles are entangled by plastic deformation due to the kinetic energy of the particles. Are bonded together to form the sprayed metal layer 28. The particle size of the particles is 10 to 40 μm.

また、ＨＶＯＦ（High Velocity Oxigen Fuel）法を用いた場合は、供給管６４，６５から酸素が供給される点を除いては、図６に示す通りの装置を用いる。その場合、フレーム速度で２０００ｍ／ｓ以上、粒子速度で７５０ｍ／ｓが達成される。 Further, when the HVOF (High Velocity Oxigen Fuel) method is used, an apparatus as shown in FIG. 6 is used except that oxygen is supplied from the supply pipes 64 and 65. In that case, a frame speed of 2000 m / s or more and a particle speed of 750 m / s are achieved.

図７は、ＡＤ（Aerosol Deposition）法の概略を説明する断面図である。真空ポンプＶＰが付設された成膜室７１内に、ワークホルダー７３と、基板（本実施の形態では、ヒートシンク２１）と、メタルマスク７５と、ノズル７６とが配置されている。また、エアロゾル化室７８には、原料供給管７９から材料（Ｃｕ）の粒子群が供給され、エアロゾル化室７８内に送り込まれる。粒子は、空気，Ｈｅ，Ａｒ，窒素などの圧縮ガスボンベから供給されるガス流に乗って、連絡配管７７からノズル７６に運ばれ、高速で噴射される。そして、基板上に、溶射金属層２８が堆積される。 FIG. 7 is a sectional view for explaining the outline of the AD (Aerosol Deposition) method. A work holder 73, a substrate (in this embodiment, a heat sink 21), a metal mask 75, and a nozzle 76 are arranged in a film forming chamber 71 provided with a vacuum pump VP. In addition, a particle group of material (Cu) is supplied to the aerosolization chamber 78 from the raw material supply pipe 79 and is sent into the aerosolization chamber 78. The particles are carried on a gas flow supplied from a compressed gas cylinder such as air, He, Ar, nitrogen, etc., are transported from the connecting pipe 77 to the nozzle 76, and are ejected at high speed. Then, a sprayed metal layer 28 is deposited on the substrate.

（実施の形態２）
−パワーモジュールの構造−
図８は、実施の形態２におけるパワーモジュールセットの断面図である。同図において配線構造の図示は省略されている。本実施の形態のパワーモジュールセットは、放熱器５０の上に、複数のパワーモジュール１０を取り付けて構成されている（同図には、１つのパワーモジュール１０のみ表示）。放熱器５０は、天板５０ａと天板５０ａに接合された容器５０ｂとからなり、天板５０ａには、パワーモジュール１０を組み込むための多数の矩形状貫通穴が設けられている。放熱器５０を構成する天板５０ａと容器５０ｂとは、アルミニウムまたはアルミニウム合金からなり、ダイキャスト，押し出し，鍛造，鋳造，機械加工等によって組み立てることができる。 (Embodiment 2)
-Power module structure-
FIG. 8 is a cross-sectional view of the power module set according to the second embodiment. In the figure, the illustration of the wiring structure is omitted. The power module set of the present embodiment is configured by mounting a plurality of power modules 10 on a radiator 50 (only one power module 10 is shown in the figure). The radiator 50 includes a top plate 50a and a container 50b joined to the top plate 50a. The top plate 50a is provided with a number of rectangular through holes for incorporating the power module 10 therein. The top plate 50a and the container 50b constituting the radiator 50 are made of aluminum or an aluminum alloy, and can be assembled by die casting, extrusion, forging, casting, machining, or the like.

本実施の形態では、放熱器５０は天板５０ａと容器５０ｂとを個別に形成してから両者を接合しているが、天板と容器とを一体に形成してもよい。その場合、たとえば一体型を用いたダイキャストにより放熱器を形成することができる。 In the present embodiment, the radiator 50 is formed by individually forming the top plate 50a and the container 50b and then joining the two. However, the top plate and the container may be integrally formed. In that case, the radiator can be formed, for example, by die casting using an integral type.

本実施の形態のパワーモジュールセットにおいて、放熱器５０の天板５０ａと容器５０ｂとの間の空間５１には、熱交換媒体としての冷却水が紙面に直交する方向に流れている。パワーモジュール１０は、Ｏリング２５により気密を保持しつつボルト５４により天板５０ａにネジ止めされている。 In the power module set of the present embodiment, cooling water as a heat exchange medium flows in a direction orthogonal to the paper surface in the space 51 between the top plate 50a and the container 50b of the radiator 50. The power module 10 is screwed to the top plate 50 a by bolts 54 while being kept airtight by the O-ring 25.

そして、パワーモジュール１０には、実施の形態１と同様の構成を有するヒートシンク２１および溶射金属層２８からなる放熱構造体Ａに加えて、ＩＧＢＴなどの半導体素子が形成された半導体チップ１１と、半導体チップ１１内の半導体素子と外部部材とを電気的に接続するための金属配線２３と、金属配線２３と半導体チップ１１とを接合する，Ｐｂフリー半田を含む半田層１４と、金属配線２３と溶射金属層２８との間に介在する絶縁樹脂層２６とが設けられている。図示されていないが、半導体チップ１１の上面および下面には、それぞれ、ＩＧＢＴなどの半導体素子の活性領域に接続される上面電極および裏面電極が設けられている。そして、半導体チップ１１の裏面電極が、半田層１４によって、金属配線２３に導通状態で接合されている。 The power module 10 includes a semiconductor chip 11 in which a semiconductor element such as an IGBT is formed in addition to the heat dissipation structure A including the heat sink 21 and the sprayed metal layer 28 having the same configuration as that of the first embodiment, and a semiconductor Metal wiring 23 for electrically connecting a semiconductor element in chip 11 and an external member, solder layer 14 including Pb-free solder for joining metal wiring 23 and semiconductor chip 11, and metal wiring 23 and thermal spraying An insulating resin layer 26 interposed between the metal layer 28 is provided. Although not shown, an upper surface electrode and a back surface electrode connected to an active region of a semiconductor element such as an IGBT are provided on the upper surface and the lower surface of the semiconductor chip 11, respectively. The back electrode of the semiconductor chip 11 is joined to the metal wiring 23 in a conductive state by the solder layer 14.

また、放熱器５０の天板５０ａ上に、半導体チップ１１等を囲むモジュール樹脂枠５３が設けられていて、モジュール樹脂枠５３がボルト５４によって天板５０ａに固定されている。モジュール樹脂枠５３の内部および外表面には、一体成形により、電極端子層５６（バスバー）が設けられている。この電極端子層５６と金属配線２３とは、大電力用配線１８によって接続されており、電極端子層５６と半導体チップ１１の上面電極１２の一部とは、信号配線１７によって接続されている。これによって、パワーモジュール１０と外部機器との電気的な接続が可能になっている。また、モジュール樹脂枠５３の内方には、シリコンゲルからなるゲル層４０が設けられていて、ヒートシンク２１の上面側で半導体チップ１１，信号配線１７，大電力用配線１８，金属配線２３，半田層１４，絶縁樹脂層２６などの部材がゲル層４０内に埋設されている。 A module resin frame 53 surrounding the semiconductor chip 11 and the like is provided on the top plate 50 a of the radiator 50, and the module resin frame 53 is fixed to the top plate 50 a by bolts 54. An electrode terminal layer 56 (bus bar) is provided on the inner and outer surfaces of the module resin frame 53 by integral molding. The electrode terminal layer 56 and the metal wiring 23 are connected by the high power wiring 18, and the electrode terminal layer 56 and a part of the upper surface electrode 12 of the semiconductor chip 11 are connected by the signal wiring 17. As a result, the power module 10 and the external device can be electrically connected. Further, a gel layer 40 made of silicon gel is provided on the inner side of the module resin frame 53, and the semiconductor chip 11, the signal wiring 17, the high power wiring 18, the metal wiring 23, the solder on the upper surface side of the heat sink 21. Members such as the layer 14 and the insulating resin layer 26 are embedded in the gel layer 40.

本実施の形態のパワーモジュール１０においては、上述のＰｂフリー半田からなる半田層１４と、絶縁樹脂層２６とを備えている。一般に、Ｐｂフリー半田には、以下のものがある。たとえば、Ｓｎ（液相点２３２℃），Ｓｎ−3.5%Ａｇ（液相点２２１℃），Ｓｎ−3.0%Ａｇ（液相点２２２℃），Ｓｎ−3.5%Ａｇ−0.55%Ｃｕ（液相点２２０℃），Ｓｎ−3.0%Ａｇ−0.5%Ｃｕ（液相点２２０℃），Ｓｎ−1.5%Ａｇ−0.85%Ｃｕ−2.0Ｂｉ（液相点２２３℃），Ｓｎ−2.5%Ａｇ−0.5%Ｃｕ−1.0Ｂｉ（液相点２１９℃），Ｓｎ−5.8Ｂｉ（液相点１３８℃），Ｓｎ−0.55%Ｃｕ（液相点２２６℃），Ｓｎ−0.55%Ｃｕ−その他（液相点２２６℃），Ｓｎ−0.55%Ｃｕ−0.3%Ａｇ（液相点２２６℃），Ｓｎ−5.0%Ｃｕ（液相点３５８℃），Ｓｎ−3.0%Ｃｕ−0.3%Ａｇ（液相点３１２℃），Ｓｎ−3.5%Ａｇ−0.5%Ｂｉ−3.0Ｉｎ（液相点２１６℃），Ｓｎ−3.5%Ａｇ−0.5%Ｂｉ−4.0Ｉｎ（液相点２１１℃），Ｓｎ−3.5%Ａｇ−0.5%Ｂｉ−8.0Ｉｎ（液相点２０８℃），Ｓｎ−8.0%Ｚｎ−3.0%Ｂｉ（液相点１９７℃）等がある。本実施の形態では、液相点が３００℃以下の低融点のＰｂフリー半田、たとえば、Ｓｎ−3.0%Ａｇ−0.5%Ｃｕ（液相点２２０℃）を用いているが、これに限定されるものではない。ただし、Ｓｎ−5.0%Ｃｕ（液相点３５８℃），Ｓｎ−3.0%Ｃｕ−0.3%Ａｇ（液相点３１２℃）等の高融点のＰｂフリー半田（液相点が３００℃を超えるもの）は除くものとする。 The power module 10 according to the present embodiment includes the solder layer 14 made of the Pb-free solder and the insulating resin layer 26. In general, Pb-free solder includes the following. For example, Sn (liquid phase point 232 ° C.), Sn-3.5% Ag (liquid phase point 221 ° C.), Sn-3.0% Ag (liquid phase point 222 ° C.), Sn-3.5% Ag−0.55% Cu (liquid phase point) 220 ° C.), Sn-3.0% Ag-0.5% Cu (liquid phase point 220 ° C.), Sn-1.5% Ag-0.85% Cu-2.0 Bi (liquid phase point 223 ° C.), Sn-2.5% Ag-0.5% Cu -1.0Bi (liquid phase point 219 ° C), Sn-5.8Bi (liquid phase point 138 ° C), Sn-0.55% Cu (liquid phase point 226 ° C), Sn-0.55% Cu-others (liquid phase point 226 ° C) , Sn-0.55% Cu-0.3% Ag (liquid phase point 226 ° C), Sn-5.0% Cu (liquid phase point 358 ° C), Sn-3.0% Cu-0.3% Ag (liquid phase point 312 ° C), Sn- 3.5% Ag-0.5% Bi-3.0In (liquid phase point 216 ° C), Sn-3.5% Ag-0.5% Bi-4.0In (liquid phase point 211 ° C), Sn-3.5% Ag-0.5% Bi-8.0In (Liquid phase point 208 ° C), Sn-8.0% Zn 3.0% Bi (liquidus point 197 ° C.), and the like. In this embodiment, a low melting point Pb-free solder having a liquidus point of 300 ° C. or lower, for example, Sn-3.0% Ag-0.5% Cu (liquidus point 220 ° C.) is used. It is not a thing. However, high melting point Pb-free solder such as Sn-5.0% Cu (liquid phase point 358 ° C), Sn-3.0% Cu-0.3% Ag (liquid phase point 312 ° C) (liquid phase point exceeding 300 ° C) Shall be excluded.

絶縁樹脂層２６には、本実施の形態では、金属やセラミクスの充填剤を含むエポキシ樹脂が用いられている。エポキシ樹脂の使用可能温度は、種類によって異なるが、３００℃を超えるものを選択することは容易であり、本実施の形態では、Ｐｂフリー半田の液相点よりも高いものを用いている。したがって、後述するパワーモジュールの組み立て工程において、絶縁樹脂層２６を形成した後で、Ｐｂフリー半田のリフロー工程を行うことが可能になる。たとえば、エポキシ樹脂に、アルミナ，シリカ，アルミニウム，窒化アルミニウムなどを充填したものを用いることができ、熱伝導率が１．０（Ｗ／ｍ・Ｋ）以上であることが好ましく、５．０（Ｗ／ｍ・Ｋ）以上であることがより好ましい。 In the present embodiment, an epoxy resin containing a metal or ceramic filler is used for the insulating resin layer 26. Although the usable temperature of the epoxy resin varies depending on the type, it is easy to select a temperature exceeding 300 ° C. In this embodiment, a temperature higher than the liquid phase point of Pb-free solder is used. Therefore, it becomes possible to perform a Pb-free solder reflow process after the insulating resin layer 26 is formed in the power module assembly process described later. For example, an epoxy resin filled with alumina, silica, aluminum, aluminum nitride, or the like can be used, and the thermal conductivity is preferably 1.0 (W / m · K) or more, and 5.0 ( W / m · K) or more is more preferable.

本実施の形態では、絶縁樹脂層２６の下地である溶射金属層２８の表面は溶射処理された状態であり、研磨等はされていない。溶射処理された状態では、表面が荒れた状態であるので、絶縁樹脂層２６との接触面積が拡大するなど、研磨面よりも接着剤の接着力を高める点で有利である。 In the present embodiment, the surface of the sprayed metal layer 28 that is the base of the insulating resin layer 26 is in a state of being sprayed and is not polished. In the thermal sprayed state, the surface is rough, which is advantageous in that the adhesive force of the adhesive is higher than that of the polished surface, for example, the contact area with the insulating resin layer 26 is increased.

絶縁樹脂層２６の厚みは、０．４ｍｍ以下であることが好ましく、０．２ｍｍ以下であることがより好ましい。絶縁樹脂層２６の熱抵抗は、熱伝導率と厚みに依存して定まるが、厚みが薄いほど熱抵抗が小さくなる。したがって、厚みが０．４ｍｍ以下であることにより、放熱機能が高くなることになる。 The thickness of the insulating resin layer 26 is preferably 0.4 mm or less, and more preferably 0.2 mm or less. The thermal resistance of the insulating resin layer 26 is determined depending on the thermal conductivity and thickness, but the thermal resistance decreases as the thickness decreases. Therefore, when the thickness is 0.4 mm or less, the heat dissipation function is enhanced.

本実施の形態によると、金属配線２３を、絶縁樹脂層２６を挟んで放熱構造体Ａの溶射金属層２８に接続する構造としているので、部品数の低減により、製造コストの低減を図ることができる。しかも、溶射金属層２８の表面を溶射処理されたままにしているので、絶縁樹脂層２６による放熱構造体Ａの溶射金属層２８と金属配線２３との固着強度が向上し、接合部の信頼性を高く維持することができる。 According to the present embodiment, the metal wiring 23 is connected to the sprayed metal layer 28 of the heat dissipation structure A with the insulating resin layer 26 interposed therebetween, so that the manufacturing cost can be reduced by reducing the number of components. it can. In addition, since the surface of the sprayed metal layer 28 is left sprayed, the bonding strength between the sprayed metal layer 28 and the metal wiring 23 of the heat dissipation structure A by the insulating resin layer 26 is improved, and the reliability of the joint portion is increased. Can be kept high.

また、１つの半田層１４と、樹脂接着剤からなる絶縁樹脂層２６とを用いているので、２つの半田層を設ける場合のごとく、工程の先後に応じて低融点のＰｂフリー半田と高融点のＰｂフリー半田とを用いる必要はなく、低融点のＰｂフリー半田だけで済むことになる。現在、Ｐｂフリー半田として、比較的Ｃｕ組成比の高いＰｂフリー半田（たとえば積層点が３００℃以上のＳｎ−5.0%Ｃｕ，Ｓｎ−3.0%Ｃｕ−0.3%Ａｇ）も開発されているが、確実な接続信頼性を有する高融点のＰｂフリー半田を得ることは困難である。一方、低融点のＰｂフリー半田としては、たとえば液相点が２２０℃のＳｎ−3.0%Ａｇ−0.5%Ｃｕ（ＪＥＩＴＡ推奨合金）などの接続信頼性の高いものが得られている。また、樹脂接着剤としては、使用可能温度が３００℃を超えるエポキシ樹脂など、低融点のＰｂフリー半田の液相点よりも高温に耐えうるものは容易に得られる。したがって、本実施の形態により、半田層１４をＰｂフリー化して、接続信頼性を確保しつつ、Ｐｂフリー化を図ることができるのである。リフロー工程における加熱時間は、５分程度である。 In addition, since one solder layer 14 and an insulating resin layer 26 made of a resin adhesive are used, a low melting point Pb-free solder and a high melting point are provided depending on the process before and after the process, as in the case of providing two solder layers. There is no need to use a Pb-free solder, and only a low-melting point Pb-free solder is required. Currently, Pb-free solder with relatively high Cu composition ratio (for example, Sn-5.0% Cu, Sn-3.0% Cu-0.3% Ag with a lamination point of 300 ° C. or higher) has been developed as Pb-free solder. It is difficult to obtain a high melting point Pb-free solder having excellent connection reliability. On the other hand, as the low melting point Pb-free solder, for example, a solder having high connection reliability such as Sn-3.0% Ag-0.5% Cu (JEITA recommended alloy) having a liquidus point of 220 ° C. has been obtained. Moreover, as the resin adhesive, an epoxy resin having a usable temperature exceeding 300 ° C. can easily be obtained that can withstand a higher temperature than the liquid phase point of the low melting point Pb-free solder. Therefore, according to the present embodiment, the solder layer 14 can be made Pb-free and Pb-free can be achieved while ensuring connection reliability. The heating time in the reflow process is about 5 minutes.

すなわち、２つの半田層を用いる場合には、先に半田付けする半田層には、液相点が３００℃〜３３０℃の高融点半田（Ｓｎ−90%Ｐｂ）を用い、後に半田付けする半田層には、液相点が２１６℃程度の低融点半田（Ｓｎ−50%Ｐｂ）を用いている。すなわち、先の半田付け工程では高融点半田を用い、後の半田付け工程では、先の工程で形成された半田層がリフロー炉内で融解しないように、低融点半田を用いるのである。 That is, when two solder layers are used, high melting point solder (Sn-90% Pb) having a liquidus point of 300 ° C. to 330 ° C. is used for the solder layer to be soldered first, and solder to be soldered later. For the layer, low melting point solder (Sn-50% Pb) having a liquidus point of about 216 ° C. is used. That is, high melting point solder is used in the previous soldering process, and low melting point solder is used in the subsequent soldering process so that the solder layer formed in the previous process does not melt in the reflow furnace.

一方、環境問題から各種製品として、Ｐｂ（鉛）を使わない、いわゆるＰｂフリー（鉛フリー）部品を用いることが義務づけられつつあるが、低融点半田（Ｓｎ−50%Ｐｂ）を、たとえば（Ｓｎ−3.0%Ａｇ−0.5%Ｃｕ）などの低融点のＰｂフリー半田に置き換えることは現在の技術で可能であるが、従来の高融点半田（Ｓｎ−90%Ｐｂ）に代わる，接続信頼性の高い高融点のＰｂフリー半田を用いることは困難である。 On the other hand, it is being obliged to use so-called Pb-free (lead-free) parts that do not use Pb (lead) as various products due to environmental problems, but low melting point solder (Sn-50% Pb), for example, (Sn It is possible to replace with low melting point Pb-free solder such as -3.0% Ag-0.5% Cu), but it is possible to replace with conventional high melting point solder (Sn-90% Pb). It is difficult to use high melting point Pb-free solder.

それに対し、本実施の形態のごとく、溶射金属層２８と金属配線２３（配線部材）との接続には絶縁樹脂層２６を用いることにより、半導体チップ１１と金属配線２３との接合のみに半田層１４を用いることができる。よって、半田層１４を低融点のＰｂフリー半田を用いて、接続信頼性を確保しつつ、Ｐｂフリー化を図ることができるのである。 On the other hand, as in the present embodiment, the insulating resin layer 26 is used for the connection between the sprayed metal layer 28 and the metal wiring 23 (wiring member), so that the solder layer is only bonded to the semiconductor chip 11 and the metal wiring 23. 14 can be used. Therefore, the solder layer 14 can be made Pb-free while using Pb-free solder having a low melting point while ensuring connection reliability.

また、従来のように、２つの半田層を用いる場合には、高融点の半田層形成のためのリフロー工程で、溶射金属層２８の再結晶がある程度進行するが、本実施の形態のごとく、低融点の半田層１４だけを用いる場合には、溶射金属層２８の再結晶はほとんど進行しない。したがって、本発明の熱処理を、絶縁樹脂層２６と半田層１４とを用いたパワーモジュールの放熱構造体Ａに適用することで、より顕著な効果を得ることができる。 Further, when two solder layers are used as in the prior art, recrystallization of the sprayed metal layer 28 proceeds to some extent in the reflow process for forming a high melting point solder layer, but as in this embodiment, When only the low melting point solder layer 14 is used, recrystallization of the sprayed metal layer 28 hardly proceeds. Therefore, a more remarkable effect can be obtained by applying the heat treatment of the present invention to the heat dissipation structure A of the power module using the insulating resin layer 26 and the solder layer 14.

本実施の形態では、ヒートシンク２１の材料として、ＡｌまたはＡｌ合金を用いているが、これに限定されるものではない。たとえば、ＣｕまたはＣｕ合金も、押し出し成形が可能であり、熱伝導率はＡｌまたはＡｌ合金よりも高い。その他、押し出し成形を行うのでなければ、Ａｌ−ＳｉＣ，Ｃｕ−Ｗ，Ｃｕ−Ｍｏなどの複合材料を用いてもよい。 In the present embodiment, Al or Al alloy is used as the material of the heat sink 21, but the material is not limited to this. For example, Cu or Cu alloy can be extruded, and the thermal conductivity is higher than that of Al or Al alloy. In addition, a composite material such as Al—SiC, Cu—W, or Cu—Mo may be used unless extrusion molding is performed.

本実施の形態では、金属配線２３の材料として、ＣｕまたはＣｕ合金を用いているが、これに限定されるものではない。たとえば、Ａｌ，Ａｌ合金や、Ａｌ−ＳｉＣ，Ｃｕ−Ｗ，Ｃｕ−Ｍｏなどの複合材料を用いてもよい。 In the present embodiment, Cu or Cu alloy is used as the material of the metal wiring 23, but the material is not limited to this. For example, a composite material such as Al, Al alloy, Al—SiC, Cu—W, or Cu—Mo may be used.

本実施の形態では、溶射金属層２８の材料として、ＣｕまたはＣｕ合金を用いているが、その厚みを０．５ｍｍ以上（本実施の形態では１ｍｍ程度）にすることにより、半導体チップ１１からの放熱経路を横方向に拡大する，いわゆるヒートスプレッダー機能を高めることができる。また、溶射金属層２８には、ヒートシンク２１，絶縁樹脂層２６，金属配線２３などとの熱膨張率差に起因する熱応力が作用する。また、溶射金属層２８の形成時には、粒子の超高速流の衝撃によって、加工ひずみによってヒートシンク２１に残留圧縮歪が生じるが、この残留圧縮歪によっても溶射金属層２８に応力が加わる。そこで、溶射金属層２８の厚みを０．５ｍｍ以上にすることにより、各種応力に耐えうる強度が確保される。 In the present embodiment, Cu or Cu alloy is used as the material of the sprayed metal layer 28. However, by setting the thickness to 0.5 mm or more (about 1 mm in the present embodiment), A so-called heat spreader function that expands the heat dissipation path in the horizontal direction can be enhanced. Further, the thermal spraying metal layer 28 is subjected to thermal stress due to a difference in thermal expansion coefficient from the heat sink 21, the insulating resin layer 26, the metal wiring 23, and the like. Further, when the sprayed metal layer 28 is formed, residual compressive strain is generated in the heat sink 21 due to processing strain due to the impact of the ultra-high-speed flow of particles, and stress is also applied to the sprayed metal layer 28 due to this residual compressive strain. Therefore, by setting the thickness of the sprayed metal layer 28 to 0.5 mm or more, strength that can withstand various stresses is ensured.

また、ヒートシンク２１をＡｌまたはＡｌ合金により構成し、溶射金属層２８をＣｕまたはＣｕ合金により構成し、金属配線２３をＣｕまたはＣｕ合金によって構成することにより、以下のような顕著な効果を発揮することができる。まず、ヒートシンク２１をＡｌまたはＡｌ合金によって構成することにより、押し出し成形によって微細ピッチのフィン部２１ｂを容易に形成することができ、放熱機能をより高く発揮することができる。よって、本発明による溶射金属層２８の熱伝導度を改善することによる放熱機能の向上効果は大きい。 Further, the heat sink 21 is made of Al or an Al alloy, the sprayed metal layer 28 is made of Cu or a Cu alloy, and the metal wiring 23 is made of Cu or a Cu alloy. be able to. First, when the heat sink 21 is made of Al or an Al alloy, the fine pitch fin portions 21b can be easily formed by extrusion molding, and the heat dissipation function can be further enhanced. Therefore, the improvement effect of the heat dissipation function by improving the thermal conductivity of the thermal spray metal layer 28 according to the present invention is great.

また、溶射金属層２８をＣｕまたはＣｕ合金によって構成することにより、上述のヒートスプレッダー機能を発揮しうるとともに、同じくＣｕまたはＣｕ合金からなる金属配線２３と溶射金属層２８とが絶縁樹脂層２６を挟む構造になるので、ろう付けや半田付けよりも接合機能の低い樹脂絶縁層２６に、熱膨張率差に起因する熱応力をほとんど印加せずに済む利点がある。つまり、低融点のＰｂフリー半田のみを使用することによるＰｂフリー化を実現するために有利な構造となる。 Further, by forming the sprayed metal layer 28 from Cu or Cu alloy, the above-described heat spreader function can be exhibited, and the metal wiring 23 and the sprayed metal layer 28 also made of Cu or Cu alloy form the insulating resin layer 26. Since the structure is sandwiched, there is an advantage that almost no thermal stress due to the difference in thermal expansion coefficient is applied to the resin insulating layer 26 having a bonding function lower than that of brazing or soldering. That is, it is an advantageous structure for realizing Pb-free by using only low-melting-point Pb-free solder.

（他の実施の形態）
本発明のパワーモジュールに配置される半導体素子は、ワイドバンドギャップ半導体（ＳｉＣ，ＧａＮなど）を用いたパワーデバイスでもよいし、Ｓｉを用いたパワーデバイスでもよい。 (Other embodiments)
The semiconductor element disposed in the power module of the present invention may be a power device using a wide band gap semiconductor (SiC, GaN, etc.) or a power device using Si.

上記実施の形態２では、半導体チップ１１に、ＩＧＢＴが形成されているが、ＭＯＳＦＥＴ，ダイオード，ＪＦＥＴなどが形成された半導体チップを用いてもよい。 In the second embodiment, an IGBT is formed on the semiconductor chip 11, but a semiconductor chip on which a MOSFET, a diode, a JFET, or the like is formed may be used.

上記実施の形態２は、天板５０ａに多数のパワーモジュール１０を取り付ける構造を採ったが、天板を兼ねる単一のヒートシンク部材２４上に多数の半導体チップを搭載してもよい。 Although the second embodiment employs a structure in which a large number of power modules 10 are attached to the top plate 50a, a large number of semiconductor chips may be mounted on a single heat sink member 24 that also serves as the top plate.

ヒートシンク２１との熱交換を行う熱交換媒体は、冷却能やコストを考慮すると、フロリナートや水などの液体であることが好ましい。ただし、ヘリウム，アルゴン，窒素，空気などの気体であってもよい。 The heat exchange medium for exchanging heat with the heat sink 21 is preferably a liquid such as fluorinate or water in consideration of cooling ability and cost. However, it may be a gas such as helium, argon, nitrogen or air.

上記実施の形態２では、絶縁樹脂層２６を熱硬化樹脂であるエポキシ樹脂によって構成したが、ＰＰＳなどの熱可塑性樹脂によって構成してもよい。その場合には、絶縁樹脂層２６の上に金属配線２３を設置した状態でも、気泡を抜くことが容易であるので、接着剤層の１回塗りで済み、製造コストがより安価になる。 In the second embodiment, the insulating resin layer 26 is made of an epoxy resin that is a thermosetting resin, but may be made of a thermoplastic resin such as PPS. In that case, even when the metal wiring 23 is placed on the insulating resin layer 26, it is easy to remove the bubbles, so that the adhesive layer only needs to be applied once and the manufacturing cost becomes lower.

上記開示された本発明の実施の形態の構造は、あくまで例示であって、本発明の範囲はこれらの記載の範囲に限定されるものではない。本発明の範囲は、特許請求の範囲の記載によって示され、さらに特許請求の範囲の記載と均等の意味及び範囲内でのすべての変更を含むものである。 The structure of the embodiment of the present invention disclosed above is merely an example, and the scope of the present invention is not limited to the scope of these descriptions. The scope of the present invention is indicated by the description of the scope of claims, and further includes meanings equivalent to the description of the scope of claims and all modifications within the scope.

本発明の放熱構造体は、ＭＯＳＦＥＴ，ＩＧＢＴ，ダイオード，ＪＦＥＴ等を搭載したパワーモジュールとして、各種機器に利用することができる。 The heat dissipation structure of the present invention can be used for various devices as a power module on which MOSFET, IGBT, diode, JFET and the like are mounted.

実施の形態１に係る放熱構造体の断面図である。3 is a cross-sectional view of the heat dissipation structure according to Embodiment 1. FIG. （ａ）〜（ｃ）は、実施の形態１における放熱構造体の製造工程を示す斜視図である。(A)-(c) is a perspective view which shows the manufacturing process of the thermal radiation structure in Embodiment 1. FIG. コールドスプレー法の概略を説明する断面図である。It is sectional drawing explaining the outline of the cold spray method. 純銅に各種元素を添加したときの再結晶温度を示すグラフである。It is a graph which shows the recrystallization temperature when various elements are added to pure copper. ＣｕおよびＡｌの拡散に関するデータを表にして示す図である。It is a figure which shows the data regarding the spreading | diffusion of Cu and Al by a table | surface. ＨＶＡＦ法の概略を説明する断面図である。It is sectional drawing explaining the outline of HVAF method. ＡＤ法の概略を説明する断面図である。It is sectional drawing explaining the outline of AD method. 実施の形態２におけるパワーモジュールセットの断面図である。It is sectional drawing of the power module set in Embodiment 2. FIG.

Explanation of symbols

Ａ放熱構造体
１０パワーモジュール
１１半導体チップ
１４半田層
１７信号配線
１８大電力用配線
２１ヒートシンク
２１ａ平板部
２１ｂフィン部
２１ｘヒートシンク連続体
２３金属配線
２５Ｏリング
２６絶縁樹脂層
２８溶射金属層
４０ゲル層
５０放熱器
５０ａ天板
５０ｂ容器
５１空間
５３モジュール樹脂枠
５６電極端子層 A heat dissipation structure 10 power module 11 semiconductor chip 14 solder layer 17 signal wiring 18 high power wiring 21 heat sink 21a flat plate portion 21b fin portion 21x heat sink continuum 23 metal wiring 25 O-ring 26 insulating resin layer 28 sprayed metal layer 40 gel layer 50 Radiator 50a Top plate 50b Container 51 Space 53 Module resin frame 56 Electrode terminal layer

Claims

Forming a sprayed metal layer containing at least one metal on the heat sink;
Performing a heat treatment for reducing defects in the sprayed metal layer (b);
The manufacturing method of the thermal radiation structure containing this.

In the manufacturing method of the heat dissipation structure according to claim 1,
The said heat sink is a manufacturing method of the thermal radiation structure which has a fin part.

In the manufacturing method of the thermal radiation structure of Claim 1 or 2,
The said process (b) is a manufacturing method of the thermal radiation structure performed on the conditions which suppress the production | generation of an intermetallic compound.

In the manufacturing method of the thermal radiation structure according to any one of claims 1 to 3,
In the step (a), a sprayed metal layer mainly composed of copper is formed on a heat sink mainly composed of aluminum,
The said process (b) is a manufacturing method of the thermal radiation structure performed on the temperature conditions chosen from the range of 150 to 550 degreeC.