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JP7167642B2 - 接合体、ヒートシンク付絶縁回路基板、及び、ヒートシンク - Google Patents

接合体、ヒートシンク付絶縁回路基板、及び、ヒートシンク Download PDF

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Description

この発明は、Mnを含有するAl-Mn系合金からなるアルミニウム合金部材と、銅又銅合金からなる銅部材と、が接合された接合体、絶縁層の一方の面に回路層が形成された絶縁回路基板にヒートシンクが接合されたヒートシンク付絶縁回路基板、ヒートシンク本体に銅部材層が形成されたヒートシンクに関するものである。
LEDやパワーモジュール等の半導体装置においては、導電材料からなる回路層の上に半導体素子が接合された構造とされている。
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、これを搭載する基板としては、例えば窒化アルミニウム(AlN)、アルミナ(Al)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導電性の優れた金属板を接合して形成した回路層と、を備えた絶縁回路基板が、従来から広く用いられている。なお、パワージュール用基板としては、セラミックス基板の他方の面に金属層を形成したものも提供されている。
例えば、特許文献1に示すパワーモジュールにおいては、セラミックス基板の一方の面及び他方の面に、アルミニウム板、又は、銅板を接合することによって、回路層及び金属層が形成された絶縁回路基板と、この回路層上に接合された半導体素子と、を備えた構造とされている。
そして、絶縁回路基板の金属層側には、ヒートシンクが接合されており、半導体素子から絶縁回路基板側に伝達された熱を、ヒートシンクを介して外部へ放散する構成とされている。
従来、絶縁回路基板とヒートシンクとを接合する方法として、例えば特許文献2には、絶縁回路基板の金属層とヒートシンクとの間にグリースを介在させてネジ留めによって接合する方法が開示されている。
また、特許文献3には、絶縁回路基板の金属層とヒートシンクとを、はんだ材を用いて接合する方法が開示されている。
しかしながら、特許文献2、3に示すように、グリースやはんだ材を介して金属層とヒートシンクとを接合した場合には、金属層やヒートシンクに比べてグリースやはんだ材の熱抵抗が大きいため、金属層とヒートシンクとの接合部において熱の伝達が不十分となり、放熱特性が低下してしまうおそれがあった。
また、グリースは、ヒートサイクルやパワーサイクルが負荷された際にグリースが劣化し、熱抵抗がさらに上昇してしまうおそれがあった。
さらに、金属層やヒートシンクの接合面がアルミニウム又はアルミニウム合金で構成されている場合には、その表面にAlの酸化皮膜が形成されるため、はんだ材によって強固に接合することができなくなるおそれがあった。
そこで、特許文献4においては、金属層とヒートシンクとをろう材を用いて接合する方法が提案されている。
また、特許文献5においては、銅又は銅合金からなる金属層と、アルミニウム又はアルミニウム合金からなるヒートシンクとを、固相拡散接合によって接合する方法が提案されている。
特許第3171234号公報 特開2004-288828号公報 特開2009-224571号公報 特開2012-169318号公報 特開2014-099596号公報
ところで、ヒートシンクを構成するアルミニウム合金として、例えばA3003合金等のAl-Mn系合金が用いられることがある。このAl-Mn系合金においては、Mnを含む析出物が分散することにより、強度が向上するとともに、熱伝導率が比較的高く、放熱特性に優れている。
ここで、特許文献4に示すように、Al-Mn系合金からなるヒートシンクと絶縁回路基板の金属層とをろう材を用いて接合する場合には、接合温度がろう材の融点以上と比較的高くなり、析出していたMnが母相に固溶し、Al-Mn系合金からなるヒートシンク自体の熱伝導率が低下し、放熱特性が低下してしまうおそれがあった。
また、特許文献5に示すように、Al-Mn系合金からなるヒートシンクと絶縁回路基板の金属層とを固相拡散接合した場合においては、ろう付けに比べて接合温度が低いものの、やはり接合時に析出していたMnが母相に固溶し、Al-Mn系合金からなるヒートシンク自体の熱伝導率が低下し、放熱特性が低下してしまうおそれがあった。
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、Al-Mn系合金からなるアルミニウム部材と銅又は銅合金からなる銅部材とを接合した場合であっても、アルミニウム部材の熱伝導率の低下を抑制できる接合体、この接合体を備えたヒートシンク付絶縁回路基板及びヒートシンクを提供することを目的とする。
前述の課題を解決するために、本発明の接合体は、アルミニウム合金からなるアルミニウム部材と、銅又銅合金からなる銅部材とが固相拡散接合された接合体であって、前記アルミニウム部材は、Mnを含有するAl-Mn系合金で構成されており、前記アルミニウム部材全体のMn濃度Cが0.4mass%以上1.5mass%以下の範囲内とされ、前記アルミニウム部材内の析出物を除いた領域におけるMn濃度を固溶Mn濃度Cとし、前記アルミニウム部材全体のMn濃度Cから前記固溶Mn濃度Cを引いた値を析出Mn濃度Cとした場合に、前記固溶Mn濃度Cと前記析出Mn濃度Cとの比C/Cが0.1以上2.7以下の範囲内とされていることを特徴としている。
この構成の接合体によれば、前記アルミニウム部材内の析出物を除いた領域におけるMn濃度を固溶Mn濃度Cとし、前記アルミニウム部材全体のMn濃度Cから前記固溶Mn濃度Cを引いた値を析出Mn濃度Cとした場合に、前記固溶Mn濃度Cと前記析出Mn濃度Cとの比C/Cが0.1以上2.7以下の範囲内とされているので、Al-Mn系合金で構成されたアルミニウム部材において、Mnを含む析出物が十分に分散しており、固溶Mn量が少なく、アルミニウム部材の強度が確保されるとともに、熱伝導性が十分に確保されている。
よって、銅部材で拡げた熱をアルミニウム部材側へと効率良く伝達させることができ、放熱特性に優れた接合体を提供することができる。
ここで、本発明の接合体においては、前記アルミニウム部材におけるCu,Si,Feの合計濃度が1.5mass%以下であることが好ましい。
この場合、前記アルミニウム部材におけるCu,Si,Feの合計濃度が1.5mass%以下に制限されているので、Mnを含有する析出物の生成を促進することができ、固溶Mn量を低減し、アルミニウム部材の熱伝導性をさらに十分に確保することができる。
本発明のヒートシンク付絶縁回路基板は、絶縁層と、この絶縁層の一方の面に形成された回路層と、前記絶縁層の他方の面に形成された金属層と、この金属層の前記絶縁層とは反対側の面に配置されたヒートシンクと、を備えたヒートシンク付絶縁回路基板であって、前記金属層のうち前記ヒートシンクとの接合面は、銅又は銅合金で構成され、前記ヒートシンクのうち前記金属層との接合面は、Mnを含有するAl-Mn系合金で構成されており、前記Al-Mn系合金全体のMn濃度Cが0.4mass%以上1.5mass%以下の範囲内とされ、前記ヒートシンクのAl-Mn系合金内の析出物を除いた領域におけるMn濃度を固溶Mn濃度Cとし、前記Al-Mn系合金全体のMn濃度Cから前記固溶Mn濃度Cを引いた値を析出Mn濃度Cとした場合に、前記固溶Mn濃度Cと前記析出Mn濃度Cとの比C/Cが0.1以上2.7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付絶縁回路基板によれば、前記ヒートシンクのAl-Mn系合金内の析出物を除いた領域におけるMn濃度を固溶Mn濃度Cとし、前記Al-Mn系合金全体のMn濃度Cから前記固溶Mn濃度Cを引いた値を析出Mn濃度Cとした場合に、前記固溶Mn濃度Cと前記析出Mn濃度Cとの比C/Cが0.1以上2.7以下の範囲内とされているので、ヒートシンクのAl-Mn系合金において、Mnを含む析出物が十分に分散しており、固溶Mn量が少なく、ヒートシンクの強度が確保されるとともに、熱伝導性が十分に確保されている。
よって、銅又は銅合金からなる金属層において拡げた熱をヒートシンク側へと効率良く伝達させることができ、放熱特性に優れたヒートシンク付絶縁回路基板を提供することができる。
ここで、本発明のヒートシンク付絶縁回路基板においては、前記ヒートシンクのAl-Mn系合金におけるCu,Si,Feの合計濃度が1.5mass%以下であることが好ましい。
この場合、前記ヒートシンクのAl-Mn系合金におけるCu,Si,Feの合計濃度が1.5mass%以下に制限されているので、Mnを含有する析出物の生成を促進することができ、固溶Mn量を低減し、前記ヒートシンクの熱伝導性をさらに十分に確保することができる。
本発明のヒートシンクは、ヒートシンク本体と、前記ヒートシンク本体に接合された銅又は銅合金からなる銅部材層と、を備えたヒートシンクであって、前記ヒートシンク本体のうち前記銅部材層との接合面は、Mnを含有するAl-Mn系合金で構成されており、前記Al-Mn系合金全体のMn濃度Cが0.4mass%以上1.5mass%以下の範囲内とされ、前記ヒートシンク本体の前記Al-Mn系合金内の析出物を除いた領域におけるMn濃度を固溶Mn濃度Cとし、前記Al-Mn系合金全体のMn濃度Cから前記固溶Mn濃度Cを引いた値を析出Mn濃度Cとした場合に、前記固溶Mn濃度Cと前記析出Mn濃度Cとの比C/Cが0.1以上2.7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、前記ヒートシンク本体のAl-Mn系合金内の析出物を除いた領域におけるMn濃度を固溶Mn濃度Cとし、前記Al-Mn系合金全体のMn濃度Cから前記固溶Mn濃度Cを引いた値を析出Mn濃度Cとした場合に、前記固溶Mn濃度Cと前記析出Mn濃度Cとの比C/Cが0.1以上2.7以下の範囲内とされているので、ヒートシンク本体のAl-Mn系合金において、Mnを含む析出物が十分に分散しており、固溶Mn量が少なく、ヒートシンク本体の強度が確保されるとともに、熱伝導性が十分に確保されている。
よって、銅部材層で拡げた熱をヒートシンク本体側へと効率良く伝達させることができ、放熱特性に優れたヒートシンクを提供することができる。
ここで、本発明のヒートシンクにおいては、前記ヒートシンク本体のAl-Mn系合金におけるCu,Si,Feの合計濃度が1.5mass%以下であることが好ましい。
この場合、前記ヒートシンク本体のAl-Mn系合金におけるCu,Si,Feの合計濃度が1.5mass%以下に制限されているので、Mnを含有する析出物の生成を促進することができ、固溶Mn量を低減し、前記ヒートシンク本体の熱伝導性をさらに十分に確保することができる。
本発明によれば、Al-Mn系合金からなるアルミニウム部材と銅又は銅合金からなる銅部材とを接合した場合であっても、アルミニウム部材の熱伝導率の低下を抑制できる接合体、この接合体を備えたヒートシンク付絶縁回路基板及びヒートシンクを提供することが可能となる。
本発明の第一実施形態に係るヒートシンク付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。 図1に示すヒートシンク付絶縁回路基板におけるヒートシンクの断面観察写真である。 AlとMnの2元状態図の一部拡大図である。 第一実施形態に係るヒートシンク付絶縁回路基板の製造方法を説明するフロー図である。 第一実施形態に係るヒートシンク付絶縁回路基板の製造方法の概略説明図である。 本発明の第二実施形態に係るヒートシンクの概略説明図である。 第二実施形態に係るヒートシンクの製造方法を説明するフロー図である。 第二実施形態に係るヒートシンクの製造方法の概略説明図である。
(第一実施形態)
以下に、本発明の実施形態について、添付した図面を参照して説明する。
図1に、本発明の第一実施形態であるヒートシンク付絶縁回路基板30を用いたパワーモジュール1を示す。
このパワーモジュール1は、ヒートシンク付絶縁回路基板30と、このヒートシンク付絶縁回路基板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。
半導体素子3は、Si等の半導体材料で構成されている。ヒートシンク付絶縁回路基板30と半導体素子3とを接合する第1はんだ層2は、例えばSn-Ag系、Sn-Cu系、Sn-In系、若しくはSn-Ag-Cu系のはんだ材(いわゆる鉛フリーはんだ材)とされている。
ヒートシンク付絶縁回路基板30は、絶縁回路基板10と、絶縁回路基板10に接合されたヒートシンク31と、を備えている。
絶縁回路基板10は、絶縁層を構成するセラミックス基板11と、このセラミックス基板11の一方の面(図1において上面)に配設された回路層12と、セラミックス基板11の他方の面(図1において下面)に配設された金属層13と、を備えている。
セラミックス基板11は、絶縁性および放熱性に優れた窒化ケイ素(Si)、窒化アルミニウム(AlN)、アルミナ(Al)等のセラミックスで構成されている。本実施形態では、セラミックス基板11は、特に放熱性の優れた窒化アルミニウム(AlN)で構成されている。また、セラミックス基板11の厚さは、例えば、0.2mm以上1.5mm以下の範囲内に設定されており、本実施形態では、0.635mmに設定されている。
回路層12は、図5に示すように、セラミックス基板11の一方の面(図5において上面)に、銅又は銅合金からなる銅板22が接合されることにより形成されている。本実施形態においては、回路層12は、無酸素銅の圧延板がセラミックス基板11に接合されることで形成されている。なお、回路層12となる銅板22の厚さは0.1mm以上1.0mm以下の範囲内に設定されており、本実施形態では、0.6mmに設定されている。
金属層13は、図5に示すように、セラミックス基板11の他方の面(図5において下面)に、銅又は銅合金からなる銅板23が接合されることにより形成されている。本実施形態においては、金属層13は、無酸素銅の圧延板がセラミックス基板11に接合されることで形成されている。なお、金属層13となる銅板23の厚さは0.1mm以上1.0mm以下の範囲内に設定されており、本実施形態では、0.6mmに設定されている。
ヒートシンク31は、絶縁回路基板10側の熱を放散するためのものであり、本実施形態では、図1に示すように、放熱板とされている。
このヒートシンク31は、少なくとも絶縁回路基板10の金属層13と接合される接合面が、Mnを含有するAl-Mn系合金で構成されている。なお、本実施形態では、ヒートシンク31の全体が、Al-Mn系合金で構成されている。
ここで、本実施形態においては、Mnを含有するAl-Mn系合金で構成されたヒートシンク31と、銅又は銅合金で構成された金属層13とが、固相拡散接合によって接合されている。
ヒートシンク31と金属層13の接合界面においては、CuとAlの金属間化合物からなる金属間化合物層が形成されており、この金属間化合物層は、複数の相の金属間化合物が積層した構成とされている。
本実施形態においては、ヒートシンク31を構成するAl-Mn系合金全体のMn濃度Cが0.4mass%以上1.5mass%以下の範囲内とされている。
なお、Al-Mn系合金全体のMn濃度Cの下限は0.6mass%以上であることが好ましく、0.8mass%以上であることがさらに好ましい。一方、Al-Mn系合金全体のMn濃度Cの上限は1.3mass%以下であることが好ましく、1.1mass%以下であることがさらに好ましい。
ここで、図2に、ヒートシンク31のAl-Mn系合金の組織を示す。
図2に示すように、ヒートシンク31のAl-Mn系合金は、Cuの母相32の中に、Mn含有析出物33が分散した組織とされている。
そして、ヒートシンク31のAl-Mn系合金内のMn含有析出物33を除いた領域(Cuの母相32)におけるMn濃度を固溶Mn濃度Cとし、Al-Mn系合金全体のMn濃度Cから固溶Mn濃度Cを引いた値を析出Mn濃度Cとした場合に、固溶Mn濃度Cと析出Mn濃度Cとの比C/Cが0.1以上2.7以下の範囲内とされている。
なお、固溶Mn濃度Cと析出Mn濃度Cとの比C/Cの上限は2.1以下であることが好ましく、1.0以下であることがさらに好ましい。
なお、Al-Mn系合金全体のMn濃度Cは、測定試料を酸に溶解して、ICP発光分光分析によって定量することができる。
また、Al-Mn系合金内のMn含有析出物33を除いた領域(Cuの母相32)におけるMn濃度である固溶Mn濃度Cは、EPMAを用いて観察し、Mn含有析出物33を除いた領域(Cuの母相32)を定量分析することによって測定することができる。
本実施形態においては、ヒートシンク31を構成するAl-Mn系合金において、固溶Mn濃度Cと析出Mn濃度Cとの比C/Cが0.1以上2.7以下の範囲内とされていることから、固溶Mn量が少なく抑えられ、Mn含有析出物33が十分に分散した状態とされている。
なお、本実施形態においては、ヒートシンク31が金属層13に固相拡散接合された状態で、ヒートシンク31を構成するAl-Mn系合金におけるMn含有析出物33の分散状態が上述のように規定されているのである。
また、本実施形態においては、ヒートシンク31を構成するAl-Mn系合金におけるCu,Si,Feの合計濃度が1.5mass%以下であってもよい。すなわち、本実施形態においては、ヒートシンク31を構成するAl-Mn系合金において、不純物として含有されるCu,Si,Feの合計含有量を上述のように規定しているのである。
なお、ヒートシンク31を構成するAl-Mn系合金におけるCu,Si,Feの合計濃度は、1.3mass%以下であることが好ましく、1.1mass%以下であることがさらに好ましい。また、Cu,Si,Feのそれぞれの含有量は、0.8mass%以下とすることが好ましく、0.5mass%以下とすることがさらに好ましい。
次に、本実施形態であるヒートシンク付絶縁回路基板30の製造方法について、図4及び図5を参照して説明する。
(銅板積層工程S01)
図5に示すように、セラミックス基板11の一方の面に回路層12となる銅板22を活性ろう材26を介して積層するとともに、セラミックス基板11の他方の面に金属層13となる銅板23を活性ろう材26を介して積層する。なお、本実施形態では、活性ろう材26として、Ag-27mass%Cu-1.5mas%Ti合金のペーストを用いた。
(回路層及び金属層形成工程S02)
積層した銅板22、セラミックス基板11、銅板23を、積層方向に1kgf/cm以上35kgf/cm以下(0.1MPa以上3.5MPa以下)の範囲で加圧した状態で真空加熱炉内に装入して加熱し、銅板22とセラミックス基板11とを接合して回路層12を形成するとともに、銅板23とセラミックス基板11とを接合して金属層13を形成する。
ここで、真空加熱炉内の圧力は10-6Pa以上10-3Pa以下の範囲内に、加熱温度は790℃以上850℃以下の範囲内に、加熱温度での保持時間は5分以上60分以下の範囲内に設定されることが好ましい。
以上により、本実施形態である絶縁回路基板10が製造される。
(溶体化処理工程S11)
一方、ヒートシンク31となるAl-Mn系合金からなる圧延板を、熱処理炉50内に装入し、加熱温度:590℃以上640℃以下、加熱温度での保持時間:45分以上240分以下、の条件で熱処理し、加熱温度から200℃までの冷却速度を30℃/分以上とし、MnをAlの母相中に十分に固溶させる。
なお、溶体化処理工程S11における加熱温度の下限は600℃以上とすることが好ましく、610℃以上とすることがさらに好ましい。一方、加熱温度の上限は635℃以下とすることが好ましく、630℃以下とすることがさらに好ましい。
加熱温度での保持時間の下限は60分以上とすることが好ましく、90分以上とすることがさらに好ましい。一方、保持時間の上限は180分以下とすることが好ましく、150分以下とすることがさらに好ましい。
加熱温度から200℃までの冷却速度は50℃/分以上とすることが好ましく、100℃/分以上とすることがさらに好ましい。
(析出処理工程S12)
次に、溶体化処理した圧延板(ヒートシンク31)を、熱処理炉50内に装入し、加熱温度:500℃以上560℃以下、加熱温度での保持時間:30時間以上150時間以下、の条件で熱処理し、Mn含有析出物33を十分に析出させ、Mnの固溶量を十分に低下させる。なお、このとき、図3に示すAlとMnの2元状態図から、平衡状態におけるMnの固溶限を算出し、固溶Mn濃度Cが目標値となる温度条件を求めることが好ましい。
ここで、析出処理工程S12における加熱温度の上限は540℃以下とすることが好ましく、520℃以下とすることがさらに好ましい。
加熱温度での保持時間の下限は50時間以上とすることが好ましく、120時間以上とすることがさらに好ましい。
(ヒートシンク積層工程S03)
次に、絶縁回路基板10の金属層13と、溶体化処理工程S11及び析出処理工程S12を施した圧延板(ヒートシンク31)を積層し、積層体を形成する。
なお、金属層13及びヒートシンク31のそれぞれの接合面は、予め当該面の傷が除去されて平滑にされている。
(固相拡散接合工程S04)
次に、上述の積層体を、積層方向に加圧(圧力3~35kgf/cm(0.3~3.5MPa))するとともに加熱して、金属層13とヒートシンク31とを固相拡散接合する。
ここで、固相拡散接合工程S04においては、加熱温度は450℃以上520℃未満の範囲内、加熱温度での保持時間は30分以上240分以下の範囲内に設定されることが好ましい。
なお、固相拡散接合工程S04の加圧及び加熱時に、通電加熱装置やホットプレス装置を用いることが好ましい。
以上のようにして、本実施形態であるヒートシンク付絶縁回路基板30が製造される。
(半導体素子接合工程S05)
次いで、回路層12の一方の面(表面)に、はんだ材を介して半導体素子3を積層し、還元炉内においてはんだ接合する。
上記のようにして、本実施形態であるパワーモジュール1が製造される。
以上のような構成とされた本実施形態に係るヒートシンク付絶縁回路基板30によれば、ヒートシンク31を構成するAl-Mn系合金全体のMn濃度Cから固溶Mn濃度Cを引いた値を析出Mn濃度Cとした場合に、固溶Mn濃度Cと析出Mn濃度Cとの比C/Cが0.1以上2.7以下の範囲内とされているので、Al-Mn系合金で構成されたヒートシンク31において、Mn含有析出物33が十分に分散しており、固溶Mn量が少なく、ヒートシンク31の強度が確保されるとともに、熱伝導性が十分に確保されている。
よって、銅板23からなる金属層13で拡げた熱をヒートシンク31側へと効率良く伝達させることができ、放熱特性に優れたヒートシンク付絶縁回路基板30を提供することが可能となる。
また、本実施形態において、ヒートシンク31を構成するAl-Mn系合金におけるCu,Si,Feの合計濃度を1.5mass%以下とした場合には、Mn含有析出物33の生成を促進することが可能となる。よって、ヒートシンク31を構成するAl-Mn系合金において、固溶Mn量を低減することができ、ヒートシンク31の熱伝導性をさらに十分に確保することができる。
(第二実施形態)
次に、本発明の第二実施形態であるヒートシンクについて説明する。図6に、本発明の第二実施形態に係るヒートシンク101を示す。
このヒートシンク101は、ヒートシンク本体110と、ヒートシンク本体110の一方の面(図6において上側)に積層された銅又は銅合金からなる銅部材層117と、を備えている。本実施形態では、銅部材層117は、図8に示すように、無酸素銅の圧延板からなる銅板127を接合することによって構成されている。
ヒートシンク本体110は、冷却媒体が流通する流路111が設けられている。このヒートシンク本体110は、少なくとも銅部材層117と接合される接合面が、Mnを含有するAl-Mn系合金で構成されている。なお、本実施形態では、ヒートシンク本体110の全体が、上述のAl-Mn系合金で構成されている。
ここで、本実施形態においては、Mnを含有するAl-Mn系合金で構成されたヒートシンク本体110と、銅又は銅合金で構成された銅部材層117とが、固相拡散接合によって接合されている。
ヒートシンク本体110と銅部材層117の接合界面においては、CuとAlの金属間化合物からなる金属間化合物層が形成されており、この金属間化合物層は、複数の相の金属間化合物が積層した構成とされている。
そして、本実施形態においては、ヒートシンク本体110を構成するAl-Mn系合金全体のMn濃度Cが0.4mass%以上1.5mass%以下の範囲内とされている。
なお、Al-Mn系合金全体のMn濃度Cの下限は0.6mass%以上であることが好ましく、0.8mass%以上であることがさらに好ましい。一方、Al-Mn系合金全体のMn濃度Cの上限は1.3mass%以下であることが好ましく、1.1mass%以下であることがさらに好ましい。
さらに、ヒートシンク本体110のAl-Mn系合金内の析出物を除いた領域におけるMn濃度を固溶Mn濃度Cとし、Al-Mn系合金全体のMn濃度Cから固溶Mn濃度Cを引いた値を析出Mn濃度Cとした場合に、固溶Mn濃度Cと析出Mn濃度Cとの比C/Cが0.1以上2.7以下の範囲内とされている。
なお、固溶Mn濃度Cと析出Mn濃度Cとの比C/Cの上限は2.1以下であることが好ましく、1.0以下であることがさらに好ましい。
本実施形態においては、ヒートシンク本体110を構成するAl-Mn系合金において、固溶Mn濃度Cと析出Mn濃度Cとの比C/Cが0.1以上2.7以下の範囲内とされていることから、固溶Mn量が少なく抑えられ、Mn含有析出物が十分に分散した状態とされている。
なお、本実施形態においては、ヒートシンク本体110が銅部材層117に固相拡散接合された状態で、ヒートシンク本体110を構成するAl-Mn系合金におけるMn含有析出物の分散状態が上述のように規定されているのである。
また、本実施形態においては、ヒートシンク本体110を構成するAl-Mn系合金におけるCu,Si,Feの合計濃度が1.5mass%以下であってもよい。すなわち、本実施形態においては、ヒートシンク本体110を構成するAl-Mn系合金において、不純物として含有されるCu,Si,Feの合計含有量を上述のように規定しているのである。
次に、本実施形態であるヒートシンク101の製造方法について、図7及び図8を参照して説明する。
(溶体化処理工程S101)
まず、Al-Mn系合金からなるヒートシンク本体110を、熱処理炉50内に装入し、加熱温度:590℃以上640℃以下、加熱温度での保持時間:45分以上240分以下、の条件で熱処理し、200℃まで30℃/分以上の冷却時間で冷却し、MnをAlの母相中に十分に固溶させる。
(析出処理工程S102)
次に、溶体化処理工程S101を施したヒートシンク本体110を、熱処理炉50内に装入し、加熱温度:500℃以上560℃以下、加熱温度での保持時間:30時間以上150時間以下、の条件で熱処理し、Mn含有析出物を十分に析出させ、Mnの固溶量を十分に低下させる。なお、このとき、図3に示すAlとMnの2元状態図から、平衡状態におけるMnの固溶限を算出し、固溶Mn濃度Cが目標値となる温度条件を求めることが好ましい。
(積層工程S103)
次に、銅部材層117となる銅板127と、溶体化処理工程S11及び析出処理工程S12を施したヒートシンク本体110を積層し、積層体を形成する。
なお、銅部材層117となる銅板127及びヒートシンク本体110のそれぞれの接合面は、予め当該面の傷が除去されて平滑にされている。
(固相拡散接合工程S104)
次に、図8に示すように、ヒートシンク本体110と銅部材層117となる銅板127とを積層した積層体に対して、積層方向に加圧(圧力5~35kgf/cm(0.5~3.5MPa))した状態で真空加熱炉内に配置して加熱することにより、銅板127とヒートシンク本体110とを固相拡散接合する。
ここで、真空加熱炉内の圧力は10-6Pa以上10-3Pa以下の範囲内に、加熱温度は450℃以上520℃以下の範囲内に、加熱温度での保持時間は30分以上240分以下の範囲内に設定されることが好ましい。
このようにして、本実施形態であるヒートシンク101が製造される。
以上のような構成とされた本実施形態に係るヒートシンク101によれば、ヒートシンク本体110の一方の面側に、無酸素銅の圧延板からなる銅板127を接合することによって銅部材層117が形成されているので、熱を銅部材層117によって面方向に広げることができ、放熱特性を大幅に向上させることができる。
そして、本実施形態では、ヒートシンク本体110を構成するAl-Mn系合金全体のMn濃度Cから固溶Mn濃度Cを引いた値を析出Mn濃度Cとした場合に、固溶Mn濃度Cと析出Mn濃度Cとの比C/Cが0.1以上2.7以下の範囲内とされているので、Al-Mn系合金で構成されたヒートシンク本体110において、Mn含有析出物が十分に分散しており、固溶Mn量が少なく、ヒートシンク本体110の強度が確保されるとともに、熱伝導性が十分に確保されている。
よって、銅部材層117で拡げた熱をヒートシンク本体110側へと効率良く伝達させることができ、放熱特性に優れたヒートシンク101を提供することが可能となる。
また、本実施形態において、ヒートシンク本体110を構成するAl-Mn系合金におけるCu,Si,Feの合計濃度を1.5mass%以下とした場合には、Mn含有析出物の生成を促進することが可能となる。よって、ヒートシンク本体110を構成するAl-Mn系合金において、固溶Mn量を低減することができ、ヒートシンク本体110の熱伝導性をさらに十分に確保することができる。
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、第一実施形態では、回路層及び金属層を、銅板を接合することによって形成したものとして説明したが、これに限定されることはなく、回路層が、アルミニウム又はアルミニウム合金で構成されたものであってもよい。
また、回路層及び金属層の少なくとも一方又は両方が、アルミニウム層と銅層とが積層された構造であってもよい。
さらに、金属層等を構成する銅板として、無酸素銅の圧延板を例に挙げて説明したが、これに限定されることはなく、他の銅又は銅合金で構成したものであってもよい。
また、第一実施形態では、絶縁回路基板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、絶縁回路基板の回路層にLED素子を搭載してLEDモジュールを構成してもよいし、絶縁回路基板の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。
さらに、第一実施形態では、絶縁層をセラミックス基板で構成したもので説明したが、これに限定されることはなく、絶縁層を樹脂等で構成したものであってもよい。
また、第一実施形態では、セラミックス基板と銅板とを活性ろう材を用いて接合するものとして説明したが、セラミックス基板と銅板との接合方法に特に限定はない。
以下に、本発明の効果を確認すべく行った確認実験の結果について説明する。
(試験片の作製)
本発明例1~10においては、アルミニウム鋳塊から切削によって所定形状とし、これに、表1に示す条件で溶体化処理及び析出処理を施したアルミニウム板(50mm×50mm、厚さ5mm)を準備した。このアルミニウム板の一方の面に、無酸素銅からなる銅板(40mm×40mm、厚さ5mm)を、上述の実施形態に記載した方法によって固相拡散接合した。
比較例1,2においては、アルミニウム鋳塊から切削によって所定形状とし、溶体化処理及び析出処理を施していないアルミニウム板(50mm×50mm、厚さ5mm)を準備した。このアルミニウム板の一方の面に、無酸素銅からなる銅板(40mm×40mm、厚さ5mm)を、上述の実施形態に記載した方法によって固相拡散接合した。
ここで、本発明例1~10及び比較例1,2においては、アルミニウム板と銅板とを積層方向に15kgf/cm(1.5MPa)の荷重で押圧し、真空加熱炉で500℃×180minの条件で固相拡散接合を実施した。
(アルミニウム板全体のMn濃度C
得られた接合体のアルミニウム板全体のMn濃度Cは、アルミニウム板から採取した測定試料をフッ素樹脂製容器に入れ、これに塩酸を加えて加熱分解した。その後、硝酸及びフッ化水素酸を加えてさらに分解した。これを一定量に定容し、ICP発光分光分析装置を用いて、Al-Mn系合金全体のMn濃度Cを測定した。
(アルミニウム板の固溶Mn濃度C及び析出Mn濃度C
得られた接合体のアルミニウム板から測定試料を採取し、この測定試料を鏡面研磨し、EPMAを用いて観察を行った。加速電圧10kV、分析径1μmで、析出物を除いた領域の定量分析を10点行い、その平均値を固溶Mn濃度Cとした。
析出Mn濃度Cは、アルミニウム板全体のMn濃度Cから固溶Mn濃度Cを引いて算出した。
これを、100μm×100μmの領域に対して5視野の測定を行い、その平均値を採用した。
(熱抵抗の測定)
ヒータチップ(13mm×10mm×0.25mm)を銅板の表面に半田付けし、アルミニウム板を冷却器にろう付け接合した。次に、ヒータチップを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、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。
なお、比較例1のヒートサイクル試験前の熱抵抗を基準として1とし、この比較例1との比率で熱抵抗を評価した。評価結果を表2に示す。
Figure 0007167642000001
Figure 0007167642000002
Mnを0.6mass%含有するアルミニウム合金からなり、溶体化処理及び析出処理を実施しなかった比較例1においては、固溶Mn濃度Cと析出Mn濃度Cとの比C/Cが62.0と本発明の範囲よりも大きくなり、熱抵抗が比較的大きくなった。
Mnを1.8mass%含有するアルミニウム合金からなり、溶体化処理及び析出処理を実施しなかった比較例2においては、固溶Mn濃度Cが1.78mass%と高く、熱抵抗が比較例1よりも大きくなった。
これに対して、Mnを0.4mass%以上1.5mass%以下の範囲内で含むアルミニウム合金からなり、溶体化処理及び析出処理を実施した本発明例1~10においては、固溶Mn濃度Cと析出Mn濃度Cとの比C/Cが0.1以上2.7以下の範囲内となり、熱抵抗が比較例1よりも小さくなった。
以上の確認実験の結果、本発明例によれば、Al-Mn系合金からなるアルミニウム部材と銅又は銅合金からなる銅部材とを接合した場合であっても、アルミニウム部材の熱伝導率の低下を抑制できる接合体を提供可能であることが確認された。
10 絶縁回路基板(接合体)
11 セラミックス基板
13 金属層(銅部材)
31 ヒートシンク(アルミニウム部材)
101 ヒートシンク(接合体)
110 ヒートシンク本体(アルミニウム部材)
117 銅部材層

Claims (6)

  1. アルミニウム合金からなるアルミニウム部材と、銅又銅合金からなる銅部材とが固相拡散接合された接合体であって、
    前記アルミニウム部材は、Mnを含有するAl-Mn系合金で構成されており、前記アルミニウム部材全体のMn濃度Cが0.4mass%以上1.5mass%以下の範囲内とされ、
    前記アルミニウム部材内の析出物を除いた領域におけるMn濃度を固溶Mn濃度Cとし、前記アルミニウム部材全体のMn濃度Cから前記固溶Mn濃度Cを引いた値を析出Mn濃度Cとした場合に、
    前記固溶Mn濃度Cと前記析出Mn濃度Cとの比C/Cが0.1以上2.7以下の範囲内とされていることを特徴とする接合体。
  2. 前記アルミニウム部材におけるCu,Si,Feの合計濃度が1.5mass%以下であることを特徴とする請求項1に記載の接合体。
  3. 絶縁層と、この絶縁層の一方の面に形成された回路層と、前記絶縁層の他方の面に形成された金属層と、この金属層の前記絶縁層とは反対側の面に配置されたヒートシンクと、を備えたヒートシンク付絶縁回路基板であって、
    前記金属層のうち前記ヒートシンクとの接合面は、銅又は銅合金で構成され、
    前記ヒートシンクのうち前記金属層との接合面は、Mnを含有するAl-Mn系合金で構成されており、前記Al-Mn系合金全体のMn濃度Cが0.4mass%以上1.5mass%以下の範囲内とされ、
    前記ヒートシンクのAl-Mn系合金内の析出物を除いた領域におけるMn濃度を固溶Mn濃度Cとし、前記Al-Mn系合金全体のMn濃度Cから前記固溶Mn濃度Cを引いた値を析出Mn濃度Cとした場合に、
    前記固溶Mn濃度Cと前記析出Mn濃度Cとの比C/Cが0.1以上2.7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付絶縁回路基板。
  4. 前記ヒートシンクのAl-Mn系合金におけるCu,Si,Feの合計濃度が1.5mass%以下であることを特徴とする請求項3に記載のヒートシンク付絶縁回路基板。
  5. ヒートシンク本体と、前記ヒートシンク本体に接合された銅又は銅合金からなる銅部材層と、を備えたヒートシンクであって、
    前記ヒートシンク本体のうち前記銅部材層との接合面は、Mnを含有するAl-Mn系合金で構成されており、前記Al-Mn系合金全体のMn濃度Cが0.4mass%以上1.5mass%以下の範囲内とされ、
    前記ヒートシンク本体の前記Al-Mn系合金内の析出物を除いた領域におけるMn濃度を固溶Mn濃度Cとし、前記Al-Mn系合金全体のMn濃度Cから前記固溶Mn濃度Cを引いた値を析出Mn濃度Cとした場合に、
    前記固溶Mn濃度Cと前記析出Mn濃度Cとの比C/Cが0.1以上2.7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。
  6. 前記ヒートシンク本体のAl-Mn系合金におけるCu,Si,Feの合計濃度が1.5mass%以下であることを特徴とする請求項5に記載のヒートシンク。
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