JP6558272B2 - Manufacturing method of joined body, manufacturing method of power module substrate with heat sink, joined body and power module substrate with heat sink - Google Patents
Manufacturing method of joined body, manufacturing method of power module substrate with heat sink, joined body and power module substrate with heat sinkInfo
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Description
本発明は、銅又は銅合金からなる金属部材と、炭素質部材中にマグネシウム又はマグネシウム合金が充填されたマグネシウム基複合材料とが、接合されてなる接合体の製造方法、ヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法、接合体及びヒートシンク付パワーモジュール用基板に関する。 The present invention relates to a method for manufacturing a joined body in which a metal member made of copper or a copper alloy and a magnesium-based composite material in which magnesium or a magnesium alloy is filled in a carbonaceous member, and a power module substrate with a heat sink The manufacturing method, the joined body, and the substrate for a power module with a heat sink.
一般に、風力発電、電気自動車、ハイブリッド自動車等を制御するために用いられる大電力制御用のパワー半導体素子においては、発熱量が多いことから、このようなパワー半導体素子を搭載する基板としては、例えばAlN(窒化アルミニウム)、Al2O3(アルミナ)などからなるセラミックス基板と、このセラミックス基板の一方の面に形成された回路層と、セラミックス基板の他方の面に形成された金属層と、を備えたパワーモジュール用基板が、従来から広く利用されている。パワーモジュール用基板の回路層および金属層としては、銅及び銅合金などの銅部材やアルミニウム及びアルミニウム合金などのアルミニウム部材が広く用いられている。 In general, in a power semiconductor element for high power control used for controlling wind power generation, electric vehicles, hybrid vehicles, etc., since the amount of heat generated is large, as a substrate on which such a power semiconductor element is mounted, for example, A ceramic substrate made of AlN (aluminum nitride), Al 2 O 3 (alumina), a circuit layer formed on one surface of the ceramic substrate, and a metal layer formed on the other surface of the ceramic substrate, The power module substrate provided has been widely used. As circuit layers and metal layers of power module substrates, copper members such as copper and copper alloys and aluminum members such as aluminum and aluminum alloys are widely used.
また、搭載した半導体素子等から発生した熱を効率的に放散させるために、パワーモジュール用基板の金属層側にヒートシンクを接合したヒートシンク付パワーモジュール用基板が提供されている。
ヒートシンクとしては、低い線膨張係数と高い熱伝導率とを有するものであることが好ましいとされている。この低い線膨張係数と高い熱伝導率とを有するヒートシンク用の材料として、MgSiCが知られている。このMgSiCは、炭化ケイ素中にマグネシウム又はマグネシウム合金が充填されたものである。
In addition, in order to efficiently dissipate heat generated from a mounted semiconductor element or the like, there is provided a power module substrate with a heat sink in which a heat sink is bonded to the metal layer side of the power module substrate.
The heat sink preferably has a low coefficient of linear expansion and a high thermal conductivity. MgSiC is known as a heat sink material having such a low coefficient of linear expansion and high thermal conductivity. This MgSiC is a silicon carbide filled with magnesium or a magnesium alloy.
非特許文献1には、MgSiCと両面Al層付きの窒化アルミニウム(AlN)基板とをはんだで接合することが記載されている。 Non-Patent Document 1 describes joining MgSiC and an aluminum nitride (AlN) substrate with a double-sided Al layer with solder.
ところで、最近では、パワー半導体素子等の高出力化が進められており、これを搭載するヒートシンク付パワーモジュール用基板に対して厳しいヒートサイクルが負荷されることになり、従来にも増して、ヒートサイクルに対する接合信頼性に優れたヒートシンク付パワーモジュール用基板が要求されている。ところが、非特許文献1に記載されているように、パワーモジュール用基板の金属層とヒートシンクとをはんだで接合した場合には、ヒートサイクル負荷時に、はんだにクラックが生じて接合率が低下してしまい、熱抵抗が上昇することがある。 By the way, recently, higher output of power semiconductor elements and the like has been promoted, and a severe heat cycle has been applied to the power module substrate with a heat sink on which the power semiconductor element is mounted. There is a demand for a power module substrate with a heat sink having excellent bonding reliability with respect to the cycle. However, as described in Non-Patent Document 1, when the metal layer of the power module substrate and the heat sink are joined with solder, cracks occur in the solder during a heat cycle load, and the joining rate decreases. As a result, the thermal resistance may increase.
従って、パワーモジュール用基板とMgSiCとをはんだを使用しないで接合することができれば望ましい。しかしながら、本発明者の検討によると、パワーモジュール用基板の金属層として用いられる銅部材とMgSiCとを直接接触させて加熱すると、Cu−Mgの液相が多量に発生して、銅部材とMgSiCとの間から漏れ出てしまうため、銅部材とMgSiCとを優れた接合信頼性で接合させることは難しいことが判明した。多量のCu−Mgの液相が発生する理由としては、CuとMgとが接触した状態で、CuとMgの共晶温度以上に加熱されると、Cu−Mg混和溶融物が発生するが、接合される銅部材やMgSiCはそれぞれ数mm程度の厚さを有するため、Cu−Mg混和溶融物が生成している接合界面にCuとMgが多量に供給され続けることとなり、銅部材とMgSiCと間からCu−Mg混和溶融物が漏れ出てしまうと考えられる。 Therefore, it is desirable if the power module substrate and MgSiC can be joined without using solder. However, according to the study of the present inventors, when the copper member used as the metal layer of the power module substrate and MgSiC are heated by direct contact, a large amount of Cu-Mg liquid phase is generated, and the copper member and MgSiC It has been found that it is difficult to bond the copper member and MgSiC with excellent bonding reliability. The reason why a large amount of Cu-Mg liquid phase is generated is that when Cu and Mg are in contact with each other, when heated to a temperature higher than the eutectic temperature of Cu and Mg, a Cu-Mg mixed melt is generated. Since the copper member and MgSiC to be joined each have a thickness of about several millimeters, a large amount of Cu and Mg will continue to be supplied to the joining interface where the Cu-Mg mixed melt is generated. It is thought that the Cu-Mg mixed melt leaks out from there.
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、パワーモジュール用基板の金属層として広く利用されている銅や銅合金などの金属部材と、ヒートシンクとして利用できるMgSiCに代表されるマグネシウム基複合材料とを、はんだを使用しないで、優れた接合信頼性で接合できる接合体の製造方法及びヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法を提供することを目的とする。また、この発明は、銅や銅合金などの金属部材とマグネシウム基複合材料とを、はんだを使用しないで接合した接合体及びヒートシンク付パワーモジュール用基板を提供することもその目的とする。 The present invention has been made in view of the above-mentioned circumstances, and is a magnesium member typified by a metal member such as copper or a copper alloy widely used as a metal layer of a power module substrate and MgSiC that can be used as a heat sink. An object of the present invention is to provide a method for manufacturing a bonded body and a method for manufacturing a substrate for a power module with a heat sink, which can be bonded to the base composite material with excellent bonding reliability without using solder. Another object of the present invention is to provide a joined body in which a metal member such as copper or copper alloy and a magnesium-based composite material are joined without using solder, and a power module substrate with a heat sink.
前述の課題を解決するために、本発明の接合体の製造方法は、銅又は銅合金からなる金属部材と、炭素質部材中にマグネシウム又はマグネシウム合金が充填されたマグネシウム基複合材料とが、接合されてなる接合体の製造方法であって、前記金属部材と前記マグネシウム基複合材料との間にチタン箔を配置して、前記金属部材と前記チタン箔とを固相接合し、前記チタン箔と前記マグネシウム基複合材料とを銅、ニッケル、銀、アルミニウム、アルミニウムとケイ素の合金のいずれかからなる接合材を用いて液相接合することを特徴としている。なお、本発明においては、銅、ニッケル、銀はそれらの合金を含むものとする。 In order to solve the above-described problem, a method for manufacturing a joined body according to the present invention includes a metal member made of copper or a copper alloy and a magnesium-based composite material in which magnesium or a magnesium alloy is filled in a carbonaceous member. A method for producing a joined body, comprising: arranging a titanium foil between the metal member and the magnesium-based composite material; solid-phase joining the metal member and the titanium foil; and The magnesium-based composite material is liquid phase bonded using a bonding material made of any of copper, nickel, silver, aluminum, and an alloy of aluminum and silicon. In addition, in this invention, copper, nickel, and silver shall include those alloys.
この構成の接合体の製造方法によれば、前記金属部材と前記マグネシウム基複合材料との間にチタン箔を配置しているので、このチタン箔がバリヤー膜として作用し、前記金属部材と前記マグネシウム基複合材料が直接接触することがない。よって、Cu−Mg混和溶融物が多量に発生することが抑えられる。また、前記金属部材と前記マグネシウム基複合材料との間にチタン箔を配置しているので、前記マグネシウム基複合材料と前記チタン箔とが接合され、前記チタン箔と前記金属部材とが接合されるので、前記金属部材と前記マグネシウム基複合材料とを、チタン箔を介して、強固に接合することが可能となる。従って、接合信頼性に優れた接合体を製造することが可能となる。 According to the method of manufacturing a joined body having this configuration, since the titanium foil is disposed between the metal member and the magnesium-based composite material, the titanium foil acts as a barrier film, and the metal member and the magnesium There is no direct contact between the matrix composites. Therefore, a large amount of Cu—Mg mixed melt is suppressed. Further, since the titanium foil is disposed between the metal member and the magnesium-based composite material, the magnesium-based composite material and the titanium foil are joined, and the titanium foil and the metal member are joined. Therefore, the metal member and the magnesium-based composite material can be firmly bonded via the titanium foil. Therefore, it is possible to manufacture a bonded body having excellent bonding reliability.
また、本発明の接合体の製造方法において、チタン箔が、3μm以上85μm以下の範囲内であることが好ましい。この構成によれば、チタン箔の厚さが3μm以上であるので、前記金属部材と前記マグネシウム基複合材料が直接接触することをより確実に防止することができる。また、チタン箔の厚さが85μm以下であるので、熱抵抗となるチタン箔を薄くすることができ、接合体の熱抵抗を低くすることが可能である。従って、接合信頼性と放熱特性に優れた接合体を製造することが可能となる。 Moreover, in the manufacturing method of the joined body of this invention, it is preferable that titanium foil exists in the range of 3 micrometers or more and 85 micrometers or less. According to this configuration, since the thickness of the titanium foil is 3 μm or more, it is possible to more reliably prevent the metal member and the magnesium-based composite material from coming into direct contact. Moreover, since the thickness of the titanium foil is 85 μm or less, the titanium foil that becomes the thermal resistance can be thinned, and the thermal resistance of the joined body can be lowered. Therefore, it is possible to manufacture a bonded body having excellent bonding reliability and heat dissipation characteristics.
また、本発明の接合体の製造方法において、前記接合材が、アルミニウムとケイ素の合金からなる接合材であることが好ましい。前記接合材として用いることができる、銅、ニッケル、銀、アルミニウム、アルミニウムとケイ素の合金のうち、アルミニウムとケイ素の合金は、マグネシウムとの溶融混和物を最も低い温度で発生することから、液相を保持できる時間が長くなり、前記チタン箔と前記前記マグネシウム基複合材料とを強固に接合することができる。従って、より接合信頼性に優れた接合体を製造することが可能となる。 Moreover, in the manufacturing method of the joined body of this invention, it is preferable that the said joining material is a joining material which consists of an alloy of aluminum and silicon. Among the alloys of copper, nickel, silver, aluminum, and aluminum and silicon that can be used as the bonding material, an alloy of aluminum and silicon generates a molten mixture with magnesium at the lowest temperature, so that the liquid phase The time that can be maintained becomes longer, and the titanium foil and the magnesium-based composite material can be firmly bonded. Therefore, it is possible to manufacture a bonded body with higher bonding reliability.
本発明のヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法は、絶縁層と、この絶縁層の一方の面に形成された銅又は銅合金からなる回路層と、前記絶縁層の他方の面に形成された銅又は銅合金からなる金属層と、を備えたパワーモジュール用基板の金属層と、炭素質部材中にマグネシウム又はマグネシウム合金が充填されたマグネシウム基複合材料であるヒートシンクとが、接合されてなるヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法であって、前記金属層と前記マグネシウム基複合材料との間にチタン箔を配置して、前記金属層と前記チタン箔とを固相接合し、前記チタン箔と前記マグネシウム基複合材料とを銅、ニッケル、銀、アルミニウム、アルミニウムとケイ素の合金のいずれかからなる接合材を用いて液相接合することを特徴としている。 The method for manufacturing a power module substrate with a heat sink according to the present invention includes an insulating layer, a circuit layer made of copper or a copper alloy formed on one surface of the insulating layer, and the other surface of the insulating layer. A heat sink formed by bonding a metal layer of a power module substrate including a metal layer made of copper or a copper alloy and a heat sink that is a magnesium-based composite material in which a carbonaceous member is filled with magnesium or a magnesium alloy. A power module substrate manufacturing method comprising: disposing a titanium foil between the metal layer and the magnesium-based composite material; solid-phase bonding the metal layer and the titanium foil; and Liquid phase bonding with the magnesium-based composite material using a bonding material made of copper, nickel, silver, aluminum, or an alloy of aluminum and silicon. It is a symptom.
この構成のヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法によれば、前記パワーモジュール用基板の金属層と前記ヒートシンクであるマグネシウム基複合材料との間にチタン箔を配置しているので、このチタン箔がバリヤー膜として作用し、前記パワーモジュール用基板の金属層と前記マグネシウム基複合材料が直接接触することがない。よって、Cu−Mg混和溶融物が多量に発生することが抑えられる。また、前記パワーモジュール用基板の金属層と前記マグネシウム基複合材料との間にチタン箔を配置しているので、前記マグネシウム基複合材料と前記チタン箔とが接合され、前記チタン箔と前記パワーモジュール用基板の金属層とが接合されるので、前記パワーモジュール用基板の金属層と前記マグネシウム基複合材料とを、チタン箔を介して、強固に接合することが可能となる。 According to the manufacturing method of the power module substrate with a heat sink having this configuration, the titanium foil is disposed between the metal layer of the power module substrate and the magnesium-based composite material that is the heat sink. It acts as a barrier film, and the metal layer of the power module substrate and the magnesium-based composite material do not come into direct contact. Therefore, a large amount of Cu—Mg mixed melt is suppressed. Further, since the titanium foil is disposed between the metal layer of the power module substrate and the magnesium-based composite material, the magnesium-based composite material and the titanium foil are joined, and the titanium foil and the power module are joined. Since the metal layer of the power substrate is bonded, the metal layer of the power module substrate and the magnesium-based composite material can be firmly bonded via the titanium foil.
本発明の接合体は、銅又は銅合金からなる金属部材と、炭素質部材中にマグネシウム又はマグネシウム合金が充填されたマグネシウム基複合材料とが、接合されてなる接合体であって、前記金属部材と前記マグネシウム基複合材料との間にチタン層が配置されていて、前記金属部材と前記チタン層とが、銅とチタンを含む金属間化合物層を介して接合されており、前記チタン層と前記マグネシウム基複合材料とが、添加元素−マグネシウム相を含む添加元素−マグネシウム含有層を介して接合されていて、前記添加元素−マグネシウム含有層と接触している前記マグネシウム基複合材料に添加元素を含む拡散層が形成されており、前記添加元素が銅、ニッケル、銀、アルミニウム、アルミニウムとケイ素の組合せのいずれかであることを特徴としている。 The joined body of the present invention is a joined body in which a metal member made of copper or a copper alloy and a magnesium-based composite material in which a carbonaceous member is filled with magnesium or a magnesium alloy are joined. And the magnesium-based composite material, a titanium layer is disposed, and the metal member and the titanium layer are bonded via an intermetallic compound layer containing copper and titanium, and the titanium layer and the titanium layer The magnesium-based composite material is joined through the additive element-magnesium-containing layer including the additive element-magnesium phase, and the magnesium-based composite material in contact with the additive element-magnesium-containing layer includes the additive element. A diffusion layer is formed, and the additive element is copper, nickel, silver, aluminum, or a combination of aluminum and silicon It is.
この接合体の構成によれば、前記チタン層と前記マグネシウム基複合材料とは、添加元素−マグネシウム相を含む添加元素−マグネシウム含有層を介して接合されていて、前記添加元素−マグネシウム含有層と接触している前記マグネシウム基複合材料に添加元素を含む拡散層が形成されていることによって、前記チタン層と前記マグネシウム基複合材料との接合強度が高くなる。また、前記金属部材と前記チタン層とが、銅とチタンを含む金属間化合物層を介して接合されていることによって、前記金属部材と前記チタン層との接合強度は高くなる。従って、この接合体は、前記マグネシウム基複合材料と前記金属部材との接合信頼性に優れたものとなる。 According to the structure of the joined body, the titanium layer and the magnesium-based composite material are joined via the additive element-magnesium-containing layer including an additive element-magnesium phase, and the additive element-magnesium-containing layer By forming a diffusion layer containing an additive element in the magnesium-based composite material that is in contact, the bonding strength between the titanium layer and the magnesium-based composite material is increased. Moreover, when the metal member and the titanium layer are bonded via an intermetallic compound layer containing copper and titanium, the bonding strength between the metal member and the titanium layer is increased. Therefore, this joined body is excellent in joining reliability between the magnesium-based composite material and the metal member.
ここで、本発明の接合体においては、前記チタン層が、1μm以上84μm以下の範囲内とされていることが好ましい。この構成によれば、チタン層の厚さが1μm以上であるので、前記金属部材中のCuと前記マグネシウム基複合材料中のMgが直接接触することなく、チタン層を介して接合されているため、接合信頼性が向上する。また、チタン層の厚さが84μm以下であるので、チタン層の熱抵抗が低くなる。従って、接合信頼性と放熱特性に優れた接合体を製造することが可能となる。 Here, in the joined body of the present invention, it is preferable that the titanium layer is in a range of 1 μm to 84 μm. According to this configuration, since the thickness of the titanium layer is 1 μm or more, Cu in the metal member and Mg in the magnesium-based composite material are joined via the titanium layer without being in direct contact with each other. , Bonding reliability is improved. Moreover, since the thickness of the titanium layer is 84 μm or less, the thermal resistance of the titanium layer is lowered. Therefore, it is possible to manufacture a bonded body having excellent bonding reliability and heat dissipation characteristics.
本発明のヒートシンク付パワーモジュール用基板は、絶縁層と、この絶縁層の一方の面に形成された銅又は銅合金からなる回路層と、前記絶縁層の他方の面に形成された銅又は銅合金からなる金属層と、を備えたパワーモジュール用基板の金属層と、炭素質部材中にマグネシウム又はマグネシウム合金が充填されたマグネシウム基複合材料であるヒートシンクとが、接合されてなるヒートシンク付パワーモジュール用基板であって、前記金属層と前記マグネシウム基複合材料との間にチタン層が配置されていて、前記金属層と前記チタン層とが、銅とチタンを含む金属間化合物層を介して接合されており、前記チタン層と前記マグネシウム基複合材料とが、添加元素−マグネシウム相を含む添加元素−マグネシウム含有層を介して接合されていて、前記添加元素−マグネシウム含有層と接触している前記マグネシウム基複合材料に添加元素を含む拡散層が形成されており、前記添加元素が銅、ニッケル、銀、アルミニウム、アルミニウムとケイ素の組合せのいずれかであることを特徴としている。 The power module substrate with a heat sink of the present invention includes an insulating layer, a circuit layer made of copper or a copper alloy formed on one surface of the insulating layer, and copper or copper formed on the other surface of the insulating layer. A power module with a heat sink formed by joining a metal layer of a power module substrate including an alloy metal layer and a heat sink, which is a magnesium-based composite material in which a carbonaceous member is filled with magnesium or a magnesium alloy. A titanium substrate is disposed between the metal layer and the magnesium-based composite material, and the metal layer and the titanium layer are bonded via an intermetallic compound layer containing copper and titanium. The titanium layer and the magnesium-based composite material are joined via an additive element-magnesium-containing layer including an additive element-magnesium phase. A diffusion layer containing an additive element is formed in the magnesium-based composite material in contact with the additive element-magnesium-containing layer, and the additive element is a combination of copper, nickel, silver, aluminum, aluminum and silicon. It is characterized by being either.
このヒートシンク付パワーモジュール用基板の構成によれば、前記チタン層と前記ヒートシンクであるマグネシウム基複合材料とは、添加元素−マグネシウム相を含む添加元素−マグネシウム含有層を介して接合されていて、前記添加元素−マグネシウム含有層と接触している前記マグネシウム基複合材料に添加元素を含む拡散層が形成されていることによって、前記マグネシウム基複合材料と前記チタン層との接合強度は高くなる。また、前記パワーモジュール用基板の金属層と前記チタン層とが、銅とチタンを含む金属間化合物層を介して接合されていることによって、前記金属層と前記チタン層との接合強度は高くなる。従って、このヒートシンク付パワーモジュール用基板は、前記ヒートシンクと前記パワーモジュール用基板との接合信頼性に優れたものとなる。 According to the configuration of the power module substrate with a heat sink, the titanium layer and the magnesium-based composite material that is the heat sink are bonded via an additive element-magnesium-containing layer including an additive element-magnesium phase, By forming a diffusion layer containing an additive element in the magnesium-based composite material in contact with the additive element-magnesium-containing layer, the bonding strength between the magnesium-based composite material and the titanium layer is increased. In addition, the bonding strength between the metal layer and the titanium layer is increased by bonding the metal layer of the power module substrate and the titanium layer via an intermetallic compound layer containing copper and titanium. . Therefore, the power module substrate with a heat sink has excellent bonding reliability between the heat sink and the power module substrate.
本発明によれば、銅又は銅合金などの金属部材と、MgSiCに代表されるマグネシウム基複合材料とを、はんだを使用しないで、優れた接合信頼性で接合できる接合体の製造方法及びヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法を提供することが可能となる。また、本発明によれば、銅又は銅合金などの金属部材とマグネシウム基複合材料とを、はんだを使用しないで接合した接合体及びヒートシンク付パワーモジュール用基板を提供することができる。本発明のヒートシンク付パワーモジュール用基板は、その製造に際してはんだを使用しないので、ヒートサイクル負荷時に、はんだにクラックが生じることによる接合率の低下や熱抵抗の上昇が発生しないため、長期間にわたって安定して使用することができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the manufacturing method of the joined body which can join metal members, such as copper or copper alloy, and the magnesium group composite material represented by MgSiC by soldering without using solder, and with a heat sink It is possible to provide a method for manufacturing a power module substrate. Moreover, according to this invention, the board | substrate for power modules with a joining body and heat sink which joined metal members, such as copper or a copper alloy, and magnesium group composite material, without using solder can be provided. The power module substrate with a heat sink according to the present invention does not use solder in the production thereof, and therefore does not cause a decrease in bonding rate or an increase in thermal resistance due to cracks in the solder during a heat cycle load. Can be used.
以下に、本発明のヒートシンク付パワーモジュール用基板およびその製造方法の実施形態について、添付した図面を参照して説明する。 Hereinafter, embodiments of a power module substrate with a heat sink and a method for manufacturing the same according to the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
図1は、本発明の実施形態であるヒートシンク付パワーモジュール用基板を説明する概略説明図である。
この実施形態のヒートシンク付パワーモジュール用基板は、絶縁層を構成するセラミックス基板11と、セラミックス基板11の一方の面(図1においては上面)に形成された回路層12と、セラミックス基板11の他方の面(図1においては下面)に形成され金属層13と、を備えたパワーモジュール用基板10の金属層13と、マグネシウム基複合材料20であるヒートシンクとが、接合されてなるものである。
FIG. 1 is a schematic explanatory view illustrating a power module substrate with a heat sink according to an embodiment of the present invention.
The power module substrate with a heat sink of this embodiment includes a
セラミックス基板11は、例えば、絶縁性および放熱性に優れたSi3N4(窒化ケイ素)、AlN(窒化アルミニウム)、Al2O3(アルミナ)等のセラミックスで構成されている。セラミックス基板11の厚さは、例えば、0.2mm以上1.5mm以下の範囲内にある。
The
回路層12は、銅又は銅合金からなる。回路層12は、例えば、純度99.96質量%以上の無酸素銅の銅板がセラミックス基板11に、活性金属ろう材にてろう付け接合することにより成形される。回路層12の厚さは、例えば、0.1mm以上3.0mm以下の範囲内にある。
The
金属層13は、銅又は銅合金からなる。金属層13は、回路層12の同様に、純度99.96質量%以上の無酸素銅の銅板がセラミックス基板11に、活性金属ろう材にてろう付け接合することにより成形される。金属層13の厚さは、例えば、0.1mm以上3.0mm以下の範囲内にある。
The
マグネシウム基複合材料20は、炭素質部材21中にマグネシウム22が充填されたものである。炭素質部材21の例としては、炭素繊維及び炭化ケイ素を挙げることができる。マグネシウム基複合材料20の例としては、炭化ケイ素中にマグネシウムが充填されたMgSiCを挙げることができる。MgSiCの組成として、炭化ケイ素が70体積%以上とされているとよい。マグネシウム22としては、99.8質量%以上マグネシウム及び不可避不純物からなる純マグネシウムや、Li、Ag、Ni、Ca、Al、Zn、Mn、Si、Cu、Zr等の添加元素が添加されたマグネシウム及び不可避不純物からなるマグネシウム合金を用いることができる。マグネシウム合金を用いる場合、添加元素は、合計で20質量%以下であるとよく、特に、Alは3質量%以下、Znは5質量%以下、その他の元素はそれぞれ10質量%以下とするとよい(但し、添加元素の量はマグネシウム合金を100とする)。マグネシウム基複合材料20の厚さは、例えば、0.4mm以上5.0mm以下の範囲内にある。
The magnesium-based
本実施形態であるヒートシンク付パワーモジュール用基板では、パワーモジュール用基板10の金属層13とマグネシウム基複合材料20との間にはチタン層31が配置されている。チタン層31の厚さは、1μm以上84μm以下の範囲内とされていることが好ましい。
In the power module substrate with a heat sink according to the present embodiment, a
チタン層31は、後述するヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法において、チタン箔を金属層13に固相拡散接合することによって成形される。この固相拡散接合により、パワーモジュール用基板10の金属層13とチタン層31との間には、銅とチタンを含む金属間化合物層51が生成される。
The
チタン層31とマグネシウム基複合材料20とは、添加元素−マグネシウム相を含む添加元素−マグネシウム含有層41を介して接合されている。マグネシウム基複合材料20は、添加元素−マグネシウム含有層41と接触している側の表面に添加元素を含む拡散層23が形成されている。なお、添加元素は、銅、ニッケル、銀、アルミニウム、アルミニウムとケイ素の組合せのいずれかである。
The
添加元素−マグネシウム含有層41は、後述するヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法において、接合材をチタン層31とマグネシウム基複合材料20との間に配置して加熱することによって、マグネシウム基複合材料20内のマグネシウムが接合材に拡散して液相が発生し、この液相が凝固することで生成した層である。すなわち、添加元素−マグネシウム含有層41中の添加元素は、後述するヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法において、接合材として用いられた元素である。
The additive element-magnesium-containing layer 41 is a magnesium-based composite material by heating a bonding material disposed between the
添加元素−マグネシウム含有層41は、添加元素とマグネシウムとをモル比(添加元素:Mg)で以下の範囲内で含むことが好ましい。
添加元素が銅の場合(Cu:Mg);94:6〜99.9:0.1
添加元素がニッケルの場合(Ni:Mg);95:5〜99.9:0.1
添加元素が銀の場合(Ag:Mg);95:5〜98:2
添加元素がアルミニウムの場合及び添加元素がアルミニウムとケイ素の組み合わせの場合(Al:Mg);75:25〜98:2
なお、添加元素がアルミニウムとケイ素の組み合わせの場合のように、添加元素−マグネシウム含有層41の添加元素−マグネシウム相中にSiを含有する場合、SiはMg2Si粒として分散して存在している。
The additive element-magnesium-containing layer 41 preferably contains the additive element and magnesium in a molar ratio (added element: Mg) within the following range.
When the additive element is copper (Cu: Mg); 94: 6 to 99.9: 0.1
When the additive element is nickel (Ni: Mg); 95: 5 to 99.9: 0.1
When the additive element is silver (Ag: Mg); 95: 5-98: 2
When the additive element is aluminum and when the additive element is a combination of aluminum and silicon (Al: Mg); 75:25 to 98: 2
In addition, when Si is contained in the additive element-magnesium phase of the additive element-magnesium-containing layer 41 as in the case where the additive element is a combination of aluminum and silicon, Si is present as dispersed Mg 2 Si grains. Yes.
マグネシウム基複合材料20の拡散層23は、添加元素がマグネシウム基複合材料20に拡散することによって生成した層である。拡散層23の厚さは、0.1mm以上であることが好ましい。ここで、拡散層23はマグネシウム基複合材料20において添加元素の濃度が3at%以上の層である。拡散層23の厚さが0.1mm以上とされているので、チタン層31とマグネシウム基複合材料20とが確実に接合されている。
The
本実施形態のヒートシンク付パワーモジュール用基板は、パワーモジュール用基板の回路層12に、パワー半導体素子を搭載して、ヒートシンク付パワーモジュールとして利用することができる。
The power module substrate with a heat sink of the present embodiment can be used as a power module with a heat sink by mounting a power semiconductor element on the
次に、本実施形態であるヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法について、図2を参照して説明する。
まず、図2(a)に示すように、パワーモジュール用基板10とチタン箔30とを用意して、パワーモジュール用基板10の金属層13とチタン箔30とが固相接合された積層体50を作製する。
Next, a method for manufacturing a power module substrate with a heat sink according to the present embodiment will be described with reference to FIG.
First, as shown in FIG. 2A, a
具体的には、はじめに、セラミックス基板11の一方の面及び他方の面に無酸素銅からなる銅板をそれぞれ活性金属ろう材によって接合し、セラミックス基板11の一方の面及び他方の面に回路層12及び金属層13が形成されたパワーモジュール用基板10を得る。なお、活性金属ろう材には、Ag−Cu−Tiろう材やAg−Tiろう材等が用いられる。そして、得られたパワーモジュール用基板10の金属層13とチタン箔30とを積層し、積層方向に荷重を付与しながら加熱することによって、金属層13とチタン箔30とが固相接合された積層体50を得る。金属層13とチタン箔30とが固相接合することによって、前述の金属間化合物層51が生成する。このときの荷重は、5kgf/cm2以上15kgf/cm2以下の範囲内にあることが好ましい。加熱温度は、640℃以上798℃以下の範囲内にあることが好ましい。加熱時間は、30分以上150分以下の範囲内にあることが好ましい。加熱は、窒素やアルゴンなどの不活性ガスの雰囲気中又は真空中で行うことが好ましい。
Specifically, first, a copper plate made of oxygen-free copper is bonded to one surface and the other surface of the
チタン箔30は、バリヤー膜として作用して、パワーモジュール用基板10の金属層13とマグネシウム基複合材料20が直接接触することを防止する作用がある。この作用効果を発揮させるために、チタン箔30は、パワーモジュール用基板10の金属層13及びマグネシウム基複合材料20のうちの少なくとも一方よりも面積が広いことが好ましい。
また、チタン箔30は、厚さが厚い方が、接合時(すなわち加熱時)にCuとTiの金属間化合物が成長し、チタン箔の厚さが減少しても、パワーモジュール用基板10の金属層13とマグネシウム基複合材料20が直接接触すること防ぐことができるので好ましい。一方、チタン箔30は、厚さが薄い方が、熱抵抗が低くなるので好ましい。
これらの点を考慮すると、チタン箔30の厚さは、3μm以上85μm以下の範囲内とされていることが好ましく、より好ましくは10μm以上20μm以下の範囲内とするとよい。なお、チタン層31の厚さは加熱時における拡散により、チタン箔30よりも薄くなる。
The
Further, when the thickness of the
Considering these points, the thickness of the
次いで、図2(b)に示すように、得られた積層体50とマグネシウム基複合材料20とを接合材40を介して積層して、積層方向に荷重を付与しながら加熱する。このときの荷重は、5kgf/cm2以上15kgf/cm2以下の範囲内にあることが好ましい。加熱温度は、440℃以上650℃以下の範囲内にあることが好ましい。加熱時間は、1分以上30分以下の範囲内にあることが好ましい。加熱は、窒素やアルゴンなどの不活性ガスの雰囲気中又は真空中で行うことが好ましい。
Next, as shown in FIG. 2B, the obtained
積層体50とマグネシウム基複合材料20とを接合材40を介して積層して加熱することによって、マグネシウム基複合材料20のマグネシウム22が接合材40に拡散することで液相が発生する。そして、冷却することによって液相は凝固することによって、前述の添加元素−マグネシウム含有層41が生成する。なお、マグネシウム22のさらなる拡散によって、液相の融点が上昇し、加熱温度を保ったまま凝固する、いわゆる等温凝固によって液相が凝固する場合もある。そして、チタン箔30とマグネシウム基複合材料20が液相接合されることとなる。
By laminating the
接合材40としては、銅、ニッケル、銀、アルミニウム、アルミニウムとケイ素の合金のいずれかからなる接合材を用いることができる。
接合材40として用いるアルミニウムとしては、純度99%以上の純アルミニウム(2N−Al)、純度99.9%以上の純アルミニウム(3N−Al)、純度99.99%以上の純アルミニウム(4N−Al)等の純アルミニウムや、A1050、A6063等のアルミニウムを用いることができる。
As the
As the aluminum used as the
接合材40は、チタン箔30とマグネシウム基複合材料20との間に均一に存在することが好ましい。このため、接合材40は、マグネシウム基複合材料20と面積が同じであることが好ましい。
また、接合材40は、厚さが薄くなりすぎると、チタン箔30とマグネシウム基複合材料20との接合強度が低くなり、接合信頼性が低下することがある。一方、厚さが厚くなりすぎると接合時に液相が過剰に発生し、チタン箔30とマグネシウム基複合材料20との間から液相が漏れ出てしまい、ろうこぶを発生させる可能性がある。これらの点を考慮すると、接合材40の厚さは、2μm以上100μm以下の範囲内とすることが好ましく、10μm以上85μm以下の範囲内とすることがより好ましい。
It is preferable that the
Further, if the thickness of the
なお、接合材40に、アルミニウムとケイ素の合金からなる接合材を用いる場合、ケイ素の含有量は5質量%以上12.5質量%以下の範囲内とすることができる。特に、接合材40の厚さが比較的薄い場合に、アルミニウムとケイ素の合金からなる接合材を用いることによって液相を保持しやすくなり、接合信頼性を向上させることができる。
アルミニウムとケイ素の合金は、マグネシウムの含有量が1質量%未満であることが好ましく0.9質量%以下であることが特に好ましい。マグネシウムの含有量が上記の量よりも多いアルミニウムとケイ素の合金は、薄膜状の接合材として成形しにくくなるおそれがある。
In addition, when using the joining material which consists of an alloy of aluminum and silicon for the joining
The alloy of aluminum and silicon preferably has a magnesium content of less than 1% by mass and particularly preferably 0.9% by mass or less. An alloy of aluminum and silicon having a magnesium content higher than the above amount may be difficult to form as a thin film-like bonding material.
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、パワーモジュール用基板10とチタン箔30と接合材40とマグネシウム基複合材料20の接合は、以下のようにして行うこともできる。
As mentioned above, although embodiment of this invention was described, this invention is not limited to this, It can change suitably in the range which does not deviate from the technical idea of the invention.
For example, the
図3は、発明の実施形態であるヒートシンク付パワーモジュール用基板の他の製造方法を説明する概略説明図である。
まず、図3(a)に示すように、前述した方法によってパワーモジュール用基板10とチタン箔30とを固相拡散接合して、パワーモジュール用基板10の(金属層13)とチタン箔30とが固相接合された積層体50を作製する。
FIG. 3 is a schematic explanatory view illustrating another method for manufacturing a power module substrate with a heat sink according to an embodiment of the invention.
First, as shown in FIG. 3A, the
次に、図3(b)に示すように、積層体50のチタン箔30と接合材40が対向するように積層し、積層方向に、5kgf/cm2以上15kgf/cm2以下の荷重を付加し、550℃以上640℃以下で加熱し、積層体50に接合材40が固相接合された積層体を作製する。なお、固相拡散接合は、窒素やアルゴンなどの不活性ガスの雰囲気中又は真空中で行うことができる。接合材40としてアルミニウムとケイ素の合金を用いる場合には、真空中で行うことがより好ましい。接合材40として純度99.99%以上のアルミニウムを用いる場合には窒素やアルゴンなどの不活性ガスの雰囲気中で固相拡散接合を行うことがより好ましい。
Next, as shown in FIG. 3B, the laminate 50 is laminated so that the
そして、図3(c)に示すように、積層体50に接合材40が固相接合された積層体とマグネシウム基複合材料20を積層し、積層方向に、5kgf/cm2以上15kgf/cm2以下の荷重を付加し、440℃以上650℃以下で加熱し、積層体50に接合材40が固相接合された積層体にマグネシウム基複合材料20を液相接合することで、ヒートシンク付パワーモジュール用基板を得ることができる。
Then, as shown in FIG. 3 (c), by laminating a laminate 50 laminate and magnesium-based
なお、パワーモジュール用基板10(金属層13)とチタン箔30とが固相接合された積層体50を作製する方法としては、次のような方法を用いることもできる。
In addition, as a method of producing the
図4は、本発明の実施形態に用いられるパワーモジュール用基板とチタン箔30とが固相接合された積層体の製造方法を説明する概略説明図である。
先ず、図4(a)に示すように、チタン箔30、金属層13となる銅板、活性金属ろう材(図示せず)、セラミックス基板11、活性金属ろう材(図示せず)、回路層12となる銅板、をこの順に積層し、積層方向に加圧しながら加熱する。
FIG. 4 is a schematic explanatory view illustrating a method for manufacturing a laminate in which a power module substrate and a
First, as shown in FIG. 4A, the
このような方法によって、図4(b)に示すように、セラミックス基板と銅板の接合及びチタン箔と金属層の固相拡散接合を同時に行うことができる。活性金属ろう材としては、Ag−Cu−Tiろう材やAg−Tiを用い、加熱温度を640℃以上798℃以下の範囲内とするとよい。なお、活性金属ろう材として、Cu−P−Ni−Snろう材とTi箔を組み合わせたろう材を用いてもよい。Cu−P−Ni−Snろう材とTi箔を組み合わせたろう材を用いる場合、加熱温度を比較的低温(例えば、600℃以〜650℃)とした場合でも接合することが可能である。
なお、積層方向への加圧は5kgf/cm2以上15kgf/cm2以下の範囲内とするとよい。
By such a method, as shown in FIG. 4B, the bonding of the ceramic substrate and the copper plate and the solid phase diffusion bonding of the titanium foil and the metal layer can be performed simultaneously. As the active metal brazing material, Ag—Cu—Ti brazing material or Ag—Ti is used, and the heating temperature is preferably in the range of 640 ° C. to 798 ° C. In addition, you may use the brazing material which combined Cu-P-Ni-Sn brazing material and Ti foil as an active metal brazing material. When using a brazing material in which a Cu—P—Ni—Sn brazing material and a Ti foil are combined, bonding is possible even when the heating temperature is relatively low (eg, 600 ° C. to 650 ° C.).
Note that the pressure in the stacking direction is preferably in the range of 5 kgf / cm 2 to 15 kgf / cm 2 .
さらに、パワーモジュール用基板10とチタン箔30と接合材40とマグネシウム基複合材料20の接合のその他の方法として、以下のようにして行うこともできる。
Furthermore, as another method of joining the
図5は、発明の実施形態であるヒートシンク付パワーモジュール用基板のさらに他の製造方法を説明する概略説明図である。
先ず、図5(a)に示すように、前述した方法でパワーモジュール用基板10を作製し、パワーモジュール用基板10の金属層13とチタン箔30と接合材40を、この順で積層し、積層方向に荷重を付与しながら加熱することによって、金属層13とチタン箔30と接合材40とが固相接合された積層体を得る。このときの荷重は、5kgf/cm2以上15kgf/cm2以下の範囲内にあることが好ましい。加熱温度は、550℃以上650℃以下の範囲内にあることが好ましい。加熱時間は、30分以上150分以下の範囲内にあることが好ましい。加熱は、窒素などの不活性ガスの雰囲気中又は真空中で行うことができる。好ましくは、真空中で行うとよい。加熱を真空中で行う場合、接合材40として銅、ニッケル、銀、アルミニウム、のいずれかからなる接合材を用いることが好ましい。
FIG. 5 is a schematic explanatory view for explaining still another method for manufacturing a power module substrate with a heat sink according to an embodiment of the invention.
First, as shown in FIG. 5A, the
そして、図5(b)に示すように、金属層13とチタン箔30と接合材40とが固相接合された積層体とマグネシウム基複合材料20とを、接合材40とマグネシウム基複合材料20とが対向するよう積層して、積層方向に荷重を付与しながら加熱する。このときの荷重は、5kgf/cm2以上15kgf/cm2以下の範囲内にあることが好ましい。加熱温度は、440℃以上650℃以下の範囲内にあることが好ましい。加熱時間は、1分以上30分以下の範囲内にあることが好ましい。加熱は、窒素やアルゴンなどの不活性ガスの雰囲気中又は真空中で行うことが好ましい。
Then, as shown in FIG. 5B, the laminate in which the
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。 A confirmation experiment conducted to confirm the effectiveness of the present invention will be described.
[本発明例]
AlN製絶縁板(40mm×40mm、厚さ0.635mm)の両面に、純度99.96質量%以上の無酸素銅の銅板(37mm×37mm、厚さ0.3mm)を、活性金属ろう材(Ag−27.4質量%Cu−2.0質量%Ti)にてろう付け接合して作成したパワーモジュール用基板と、MgSiC(60mm×60mm、厚さ5.0mm、Mg含有率14.7%)とを用意した。
[Example of the present invention]
On both sides of an AlN insulating plate (40 mm × 40 mm, thickness 0.635 mm), an oxygen-free copper plate (37 mm × 37 mm, thickness 0.3 mm) having a purity of 99.96% by mass or more is used as an active metal brazing material ( A power module substrate made by brazing with Ag-27.4 mass% Cu-2.0 mass% Ti, and MgSiC (60 mm × 60 mm, thickness 5.0 mm, Mg content 14.7%) ) And prepared.
パワーモジュール用基板と、表1に示すチタン箔と接合材とを積層して、積層方向に12kgf/cm2の接合荷重を付与しながら、真空雰囲気中にて640℃の温度で60分間加熱して、パワーモジュール用基板とチタン箔とからなる積層体を得た。
得られた積層体とMgSiCを表1記載の接合材を介して積層し、積層方向に15kgf/cm2の接合荷重を付与しながら、窒素雰囲気中にて610℃の温度で15分間加熱して、ヒートシンク付パワーモジュール用基板を作製した。
The power module substrate, the titanium foil and the bonding material shown in Table 1 are laminated and heated at a temperature of 640 ° C. for 60 minutes in a vacuum atmosphere while applying a bonding load of 12 kgf / cm 2 in the lamination direction. Thus, a laminate composed of a power module substrate and a titanium foil was obtained.
The obtained laminate and MgSiC were laminated through the bonding materials shown in Table 1, and heated at a temperature of 610 ° C. for 15 minutes in a nitrogen atmosphere while applying a bonding load of 15 kgf / cm 2 in the lamination direction. Then, a power module substrate with a heat sink was produced.
[従来例1]
AlN製絶縁層(40mm×40mm、厚さ1.0mm)の両面に、純度99.96質量%以上の無酸素銅の銅板(37mm×37mm、厚さ0.3mm)を、活性金属ろう材(Ag−27.4質量%Cu−2.0質量%Ti)にてろう付け接合して作成したパワーモジュール用基板にMgSiC(60mm×60mm、厚さ5.0mm、Mg含有率14.7体積%)をSn‐Sb系はんだ(厚さ0.3mm)を用いてはんだ付けし、従来例1のヒートシンク付パワーモジュール用基板を得た。
[Conventional example 1]
On both sides of an AlN insulating layer (40 mm × 40 mm, thickness 1.0 mm), an oxygen-free copper plate (37 mm × 37 mm, thickness 0.3 mm) having a purity of 99.96% by mass or more is applied to an active metal brazing material ( MgSiC (60 mm × 60 mm, thickness 5.0 mm, Mg content 14.7% by volume) was prepared by brazing and bonding with Ag-27.4 mass% Cu-2.0 mass% Ti). ) Was soldered using Sn—Sb solder (thickness: 0.3 mm) to obtain a power module substrate with a heat sink of Conventional Example 1.
得られた本発明例及び従来例のヒートシンク付パワーモジュール用基板について、下記の評価を行った。その評価結果を表1に示す。 The following evaluation was performed about the board | substrate for power modules with a heat sink of the obtained example of this invention and a prior art example. The evaluation results are shown in Table 1.
(ろうこぶの有無)
ろうこぶの有無は、ヒートシンク付パワーモジュール用基板を目視で観察し、ろうこぶが生じていたものを「○」、生じていなかったものを「◎」と評価した。
(With or without a bump)
The presence or absence of a bump was evaluated by visually observing a power module substrate with a heat sink, and “も の” when the bump was generated, and “」 ”when it was not.
(熱抵抗)
熱抵抗は、次のようにして測定した。半導体素子としてヒータチップを各ヒートシンク付パワーモジュール用基板に実装し、100Wの電力で加熱し、熱電対を用いてヒータチップの温度を実測した。また、ヒータチップが実装されたヒートシンク付パワーモジュールを冷却器に固定し、冷却器を流通する冷却媒体(エチレングリコール:水=9:1)の温度を実測した。そして、ヒータチップの温度と冷却媒体の温度差を電力で割った値を熱抵抗とした。
(Thermal resistance)
The thermal resistance was measured as follows. A heater chip as a semiconductor element was mounted on each power module substrate with a heat sink, heated with 100 W of power, and the temperature of the heater chip was measured using a thermocouple. Moreover, the power module with a heat sink on which the heater chip was mounted was fixed to the cooler, and the temperature of the cooling medium (ethylene glycol: water = 9: 1) flowing through the cooler was measured. And the value which divided the temperature difference of a heater chip | tip and the temperature of a cooling medium with electric power was made into thermal resistance.
(拡散層の厚さの測定)
拡散層の厚さは、AMETEK社EDAX事業部製エネルギー分散型X線分析装置Genesisを用い、チタン層からMgSiCへ積層方向に線定量分析を実施し、接合界面から添加元素の濃度が3at%を下回った境界までの距離を拡散層の厚さとした。ただし、添加元素+Mg+Siの濃度の合計が30at%以下の領域はボイドを測定していることから、この領域は拡散層の厚さ測定に考慮しない。また、Si濃度が30at%以上の部分はSiCを測定しており、この領域も拡散層の厚さ測定に考慮しない。
(Measurement of diffusion layer thickness)
The thickness of the diffusion layer was determined by conducting quantitative line analysis in the stacking direction from the titanium layer to MgSiC using the energy dispersive X-ray analyzer Genesis manufactured by EDAX Division of AMETEK, and the concentration of the additive element from the bonding interface was 3 at%. The distance to the lower boundary was taken as the thickness of the diffusion layer. However, since the void is measured in the region where the total concentration of the additive element + Mg + Si is 30 at% or less, this region is not considered in the measurement of the thickness of the diffusion layer. Further, SiC is measured at a portion where the Si concentration is 30 at% or more, and this region is not taken into consideration for the thickness measurement of the diffusion layer.
(チタン層の厚さの測定)
作製したヒートシンク付パワーモジュール用基板に対し、SEMによる断面写真観察からチタン層の厚さを測定した。
倍率2000倍の視野(縦64.4μm、幅74.7μm)において、チタン層の面積を測定し、測定視野の幅の寸法で除してチタン層の厚さを求めた。5視野の平均をチタン層の厚さとした。
(Measurement of thickness of titanium layer)
The thickness of the titanium layer was measured from the cross-sectional photograph observation by SEM with respect to the produced power module substrate with a heat sink.
The area of the titanium layer was measured in a 2000 × field of view (length 64.4 μm, width 74.7 μm), and divided by the width of the measurement field, the thickness of the titanium layer was determined. The average of the five fields of view was the thickness of the titanium layer.
(初期接合率)
パワーモジュール用基板とヒートシンクとの接合率を評価した。具体的には、ヒートシンク付パワーモジュール用基板において、パワーモジュール用基板の金属層とヒートシンクとの界面の接合率について超音波探傷装置を用いて評価し、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、すなわち金属層面積とした。超音波探傷像において非接合部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非接合部面積とした。
(接合率(%))={(初期接合面積)−(非接合部面積)}/(初期接合面積)×100
(Initial joining rate)
The bonding rate between the power module substrate and the heat sink was evaluated. Specifically, in the power module substrate with a heat sink, the bonding rate at the interface between the metal layer of the power module substrate and the heat sink was evaluated using an ultrasonic flaw detector and calculated from the following equation. Here, the initial bonding area is an area to be bonded before bonding, that is, a metal layer area. In the ultrasonic flaw detection image, the non-joined part is indicated by a white part in the joined part, and thus the area of the white part is defined as the non-joined part area.
(Bonding rate (%)) = {(initial bonding area) − (non-bonding area)} / (initial bonding area) × 100
(冷熱サイクル後の接合率)
冷熱サイクル後の接合率は、冷熱衝撃試験機エスペック社製TSB−51を使用し、ヒートシンク付パワーモジュール用基板に対して、液相(フロリナート)で、−40℃×3分←→150℃×7分の1000サイクルを実施し、上述した方法と同じ方法で接合率を評価した。
(Joint rate after thermal cycle)
The joint ratio after the thermal cycle is -40 ° C x 3 minutes ← → 150 ° C x in the liquid phase (Fluorinert) with respect to the power module substrate with heat sink using TSB-51 manufactured by Espec Corp. 1000 cycles of 7/7 were implemented, and the joining rate was evaluated by the same method as described above.
表1の結果から、本発明例にて作製されたヒートシンク付パワーモジュール用基板は、はんだを用いた従来例1よりも、熱抵抗が低く、冷熱サイクル後の接合率が高く、接合信頼性に優れたヒートシンク付パワーモジュール用基板であることが分かる。なお、本発明例5では、ろうこぶが確認されたが、使用に問題のない程度であった。 From the results shown in Table 1, the power module substrate with a heat sink manufactured in the present invention example has a lower thermal resistance than the conventional example 1 using solder, a higher bonding rate after the thermal cycle, and a higher bonding reliability. It turns out that it is the board | substrate for power modules with an excellent heat sink. In Example 5 of the present invention, a bump was confirmed, but there was no problem in use.
10 パワーモジュール用基板
11 セラミックス基板
12 回路層
13 金属層
20 マグネシウム基複合材料
21 炭素質部材
22 マグネシウム又はマグネシウム合金
23 拡散層
30 チタン箔
31 チタン層
40 接合材
41 添加元素−マグネシウム含有層
50 積層体
51 金属間化合物層
DESCRIPTION OF
Claims (7)
前記金属部材と前記マグネシウム基複合材料との間にチタン箔を配置して、
前記金属部材と前記チタン箔とを固相接合し、前記チタン箔と前記マグネシウム基複合材料とを銅、ニッケル、銀、アルミニウム、アルミニウムとケイ素の合金のいずれかからなる接合材を用いて液相接合することを特徴とする接合体の製造方法。 A metal member made of copper or a copper alloy, and a magnesium-based composite material in which magnesium or a magnesium alloy is filled in a carbonaceous member, is a method of manufacturing a joined body,
A titanium foil is disposed between the metal member and the magnesium-based composite material,
The metal member and the titanium foil are solid-phase bonded, and the titanium foil and the magnesium-based composite material are liquid-phased using a bonding material made of copper, nickel, silver, aluminum, or an alloy of aluminum and silicon. The manufacturing method of the joined body characterized by bonding.
前記金属層と前記マグネシウム基複合材料との間にチタン箔を配置して、
前記金属層と前記チタン箔とを固相接合し、前記チタン箔と前記マグネシウム基複合材料とを銅、ニッケル、銀、アルミニウムとケイ素の合金のいずれかからなる接合材を用いて液相接合することを特徴とするヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法。 A power provided with an insulating layer, a circuit layer made of copper or a copper alloy formed on one surface of the insulating layer, and a metal layer made of copper or a copper alloy formed on the other surface of the insulating layer A method of manufacturing a power module substrate with a heat sink, in which a metal layer of a module substrate and a heat sink, which is a magnesium-based composite material in which magnesium or a magnesium alloy is filled in a carbonaceous member, are joined,
A titanium foil is disposed between the metal layer and the magnesium-based composite material,
The metal layer and the titanium foil are solid-phase bonded, and the titanium foil and the magnesium-based composite material are liquid-phase bonded using a bonding material made of copper, nickel, silver, an alloy of aluminum and silicon. A method for manufacturing a power module substrate with a heat sink.
前記金属部材と前記マグネシウム基複合材料との間にチタン層が配置されていて、
前記金属部材と前記チタン層とが、銅とチタンを含む金属間化合物層を介して接合されており、
前記チタン層と前記マグネシウム基複合材料とが、添加元素−マグネシウム相を含む添加元素−マグネシウム含有層を介して接合されていて、前記添加元素−マグネシウム含有層と接触している前記マグネシウム基複合材料に添加元素を含む拡散層が形成されており、
前記添加元素が銅、ニッケル、銀、アルミニウム、アルミニウムとケイ素の組合せのいずれかであることを特徴とする接合体。 A metal member made of copper or a copper alloy, and a magnesium-based composite material in which a carbonaceous member is filled with magnesium or a magnesium alloy is a joined body,
A titanium layer is disposed between the metal member and the magnesium-based composite material;
The metal member and the titanium layer are joined via an intermetallic compound layer containing copper and titanium,
The magnesium-based composite material in which the titanium layer and the magnesium-based composite material are joined via an additive element-magnesium-containing layer including an additive element-magnesium phase and in contact with the additive element-magnesium-containing layer. Is formed with a diffusion layer containing an additive element,
The joined body is characterized in that the additive element is any one of copper, nickel, silver, aluminum, and a combination of aluminum and silicon.
前記金属層と前記マグネシウム基複合材料との間にチタン層が配置されていて、
前記金属層と前記チタン層とが、銅とチタンを含む金属間化合物層を介して接合されており、
前記チタン層と前記マグネシウム基複合材料とが、添加元素−マグネシウム相を含む添加元素−マグネシウム含有層を介して接合されていて、前記添加元素−マグネシウム含有層と接触している前記マグネシウム基複合材料に添加元素を含む拡散層が形成されており、
前記添加元素が銅、ニッケル、銀、アルミニウム、アルミニウムとケイ素の組合せのいずれかであることを特徴とするヒートシンク付パワーモジュール用基板。 A power provided with an insulating layer, a circuit layer made of copper or a copper alloy formed on one surface of the insulating layer, and a metal layer made of copper or a copper alloy formed on the other surface of the insulating layer A power module substrate with a heat sink, in which a metal layer of the module substrate and a heat sink, which is a magnesium-based composite material in which magnesium or a magnesium alloy is filled in a carbonaceous member, are joined,
A titanium layer is disposed between the metal layer and the magnesium-based composite material;
The metal layer and the titanium layer are bonded via an intermetallic compound layer containing copper and titanium,
The magnesium-based composite material in which the titanium layer and the magnesium-based composite material are joined via an additive element-magnesium-containing layer including an additive element-magnesium phase and in contact with the additive element-magnesium-containing layer. Is formed with a diffusion layer containing an additive element,
The power module substrate with a heat sink, wherein the additive element is any one of copper, nickel, silver, aluminum, and a combination of aluminum and silicon.
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