JP4636329B2

JP4636329B2 - 放熱緩衝板の製造方法

Info

Publication number: JP4636329B2
Application number: JP2006097225A
Authority: JP
Inventors: 暁森; 利玄臂
Original assignee: Mitsubishi Materials Corp
Current assignee: Mitsubishi Materials Corp
Priority date: 2006-03-31
Filing date: 2006-03-31
Publication date: 2011-02-23
Anticipated expiration: 2026-03-31
Also published as: JP2007273706A

Description

この発明は、パワーモジュールにおける絶縁体基板と冷却板との間に挿入し接合して使用する放熱緩衝板の製造方法に関するものである。

一般に、パワーモジュールは図１の断面図に示される構造を有していることが知られている。図１において、１はパワーモジュール、２は半導体チップ、３ははんだ層、４は絶縁体基板、５は純度:９９．９９質量％以上の高純度Ａｌ層、６は放熱緩衝板、７は空洞８を有する冷却板である。前記絶縁体基板４は高温においても半導体チップ２の絶縁性を確保しかつ半導体チップ２の熱を逃がす役目を果たしていることから放熱性に優れる必要がある。そのために絶縁体基板４には各種セラミックス板が使用されるが、ＡｌＮ板が最も広く使用されている。半導体チップ２は絶縁体基板４の表面に形成されている高純度Ａｌ層５を介してはんだ層３により絶縁体基板４に接合されており、絶縁体基板４は絶縁体基板４の表面に形成されている高純度Ａｌ層５を介してはんだ層３により放熱緩衝板６に接続されている。はんだ層３と接する高純度Ａｌ層５および放熱緩衝板６の面には強固なはんだ接合を確保するために予めＮｉめっき膜９を形成しておき、このＮｉめっき膜９表面にはんだ層３を形成する。そして、この放熱緩衝板６はネジ１１により伝熱グリース１０を介して冷却板７に取り付けられている。この冷却板７には空洞８が設けられており、空洞８などに必要に応じて水または空気などの冷媒を流すことにより強制冷却する。冷却板７は冷却能が優れている構造であれば、いかなる構造を有していてもよく、単純に冷却フィン（図示せず）を設けた構造のものであってもよい。

放熱緩衝板６は熱伝導の優れた材料を使用して作製する必要があるが、同時に絶縁体基板４の熱膨張率と近似した熱膨張率を有する材料で作製する必要がある。放熱緩衝板６の熱膨張率と絶縁体基板４の熱膨張率が大きく異なると、絶縁体基板４やはんだ層３に歪が発生し、この歪が絶縁体基板４やはんだ層３にクラックが生じ、半導体チップ２の冷却不良の原因になるので好ましくないからである。そこで、近年、熱伝導性に優れた純Ｃｕ（熱膨張率:１７×１０^−６／℃、熱伝導率：３９０ｗ／ｍ／Ｋ）からなる粉末と熱伝導性が低いが熱膨張率が極めて小さいインバー合金からなる粉末との混合粉末をプレス成形したのち焼結することにより得られたＣｕ基焼結合金が放熱緩衝板の材料として使用されており、このＣｕ基焼結合金は、Ｃｕ素地中にインバー合金粉末が分散した組織を有し、このＣｕ基焼結合金からなる放熱緩衝板は、絶縁体基板の熱膨張率に近い熱膨張率を有しかつ熱伝導率が１００ｗ／ｍ／Ｋ以上有し、パワーモジュールにおける放熱緩衝板として優れた特性を有すると言われている。
このＣｕ素地中にインバー合金粉末が分散した組織を有する放熱緩衝板は、Ｃｕ粉末とインバー合金粉末との混合粉末を成形して圧粉体を作製し、この圧粉体を非酸化性雰囲気の焼結炉中で焼結することにより作製する。
さらに、インバー合金としてＮｉ：３６〜３７％を含有し、残部がＦｅおよび不可避不純物からなる成分組成を有するＦｅ基合金などが知られており、広く使用されている（特許文献１参照）。
特開２００４−２００５６７号公報

しかし、実際に放熱緩衝板を焼結炉中で焼結することにより製造してみると、焼結中に微細なＣｕ粉末とインバー合金粉末との間で合金化が進み、Ｃｕ素地中にインバー合金粉末が分散した組織が得られず、したがって、良好な熱伝導率を有する放熱緩衝板が得られないという欠点があった。

そこで、本発明者らは、上述のような観点から、良好な熱伝導性を有する放熱緩衝板を得るべく研究を行った。
その結果、原料粉末として、Ｃｕ粉末およびインバー合金粉末を用意し、これら原料粉末をインバー合金粉末：１０〜５０質量％を含有し、残部がＣｕ粉末からなる組成となるように配合し混合して混合粉末を作り、この混合粉末をプレス成形して圧粉体を成形し、得られた圧粉体に通電すると同時に加圧する通電焼結を施すことにより得られた放熱緩衝板は、インバー合金粉末がＣｕ素地中に均一分散している組織を有し、この方法で得られた放熱緩衝板は、従来の前記圧粉体を焼結炉中で焼結することにより得られた放熱緩衝板に比べて、良好な熱伝導率を示す、という知見を得たのである。

この発明は、かかる知見にもとづいて成されたものであって、
（１）純Ｃｕ粉末に、インバー合金粉末を１０〜５０質量％配合し混合して得られた混合粉末を成形して圧粉体を作製し、得られた圧粉体に電流密度：５〜１００Ａ／ｍｍ ^２、通電時間：０．１〜６０秒で通電すると同時に加圧する通電焼結を施す放熱緩衝板の製造方法、に特徴を有するものである。

この発明の放熱緩衝板の製造方法で使用するインバー合金粉末は、Ｎｉ：３６〜３７質量％を含有し、残部がＦｅおよび不可避不純物からなる成分組成またはＮｉ：３５〜３７質量％、Ｓｉ：０．１〜１．５質量％、Ｍｎ：０．０５〜１質量％を含有し、残部がＦｅおよび不可避不純物からなる成分組成を有する。この成分組成を有するインバー合金粉末はすでに知られており、一般に市販されている。したがって、この発明は、
（２）前記インバー合金粉末は、質量％でＮｉ：３５〜３７％含有し、残部がＦｅおよび不可避不純物からなる成分組成を有するＦｅ基合金粉末である前記（１）記載の放熱緩衝板の製造方法、
（３）前記インバー合金粉末は、質量％でＮｉ：３５〜３７％、Ｓｉ：０．１〜１．５％、Ｍｎ：０．０５〜１％を含有し、残部がＦｅおよび不可避不純物からなる成分組成を有するＦｅ基合金粉末である前記（１）記載の放熱緩衝板の製造方法、に特徴を有するものである。

この発明の放熱緩衝板を作製する際の通電焼結における通電条件は、電流密度：５〜１００Ａ／ｍｍ²（一層好ましくは１５〜５０Ａ／ｍｍ²）、通電時間：０．１〜６０秒（一層好ましくは１〜１０秒）である。

この条件で通電焼結すると、インバー合金粉末：１０〜５０質量％を含有し、残部がＣｕ粉末からなる配合組成の圧粉体が短時間で焼結されて通電焼結体となるためにインバー合金粉末とＣｕ粉末とが合金化される前に焼結が完成し、そのために、この発明により得られた放熱緩衝板はＣｕ素地中にインバー合金粉末が均一分散した組織を有し、素地全体がＣｕで形成されているために良好な熱伝導率を保持するものと考えられる。

この発明の方法で作製した放熱緩衝板は良好な熱伝導率を示すところから、この放熱緩衝板を使用して製造したパワーモジュールは優れた特性を有し、産業上優れた効果をもたらすものである。

実施例１
２００メッシュアンダーの純銅粉末を用意し、さらに１００メッシュアンダーのＮｉ：３６．５質量％、残部：Ｆｅおよび不可避不純物からなる成分組成を有するインバー合金粉末を用意し、さらに厚さ：０．１ｍｍの薄い無酸素銅板を用意した。
このインバー合金粉末に純銅粉末を表１に示される割合で配合し混合して混合粉末を作製し、得られた混合粉末を金型に充填し成形して表１の配合組成を有する圧粉体Ａ〜Ｅを作製した。この圧粉体Ａ〜Ｅを厚さ：０．１ｍｍの薄い無酸素銅板で挟み、これをグラファイトモールドに装入し、１．５ＭＰａの圧力で加圧しながら電圧：４．５Ｖ、電流：２０００Ａ（電流密度：３２Ａ／ｍｍ^２）の電流を１５秒間通電することにより通電焼結する本発明法１〜５を実施し、縦：２５ｍｍ、横：２５ｍｍ、厚さ：２ｍｍ（無酸素銅板の厚さも含む）の寸法を有する放熱緩衝板を作製した。

従来例１
実施例１で作製した表１の圧粉体Ａ〜Ｅを焼結炉に装入し、温度：６５０℃、１時間保持の条件で焼結することにより従来法１〜５を実施し、縦：２５ｍｍ、横：２５ｍｍ、厚さ：２ｍｍ（無酸素銅板の厚さも含む）放熱緩衝板を作製した。

本発明法１〜５および従来法１〜５で得られたこれら放熱緩衝板の熱膨張率および熱伝導率を測定し、その結果を表２に示した。なお、熱膨張率はディラト（ＤＩＬＡＴＯ）メータ（ブルカＡＸＳ製）で測定し、熱伝導率はレーザーフラッシュ（リガク製）で測定した。

表１〜２に示される結果から、本発明法１で作製した放熱緩衝板は、従来法１で作製した放熱緩衝板と比べて良好な熱伝導率を示すことが分かる。同様にして本発明法２〜５で作製した放熱緩衝板は、それぞれ従来法２〜５で作製した放熱緩衝板と比べてそれぞれ良好な熱伝導率を示すことが分かる。

実施例２
２００メッシュアンダーの純銅粉末を用意し、さらに１００メッシュアンダーのＮｉ：３６．４質量％、Ｓｉ：０．７７質量％、Ｍｎ：０．１１質量％を含有し、残部：Ｆｅおよび不可避不純物からなる成分組成を有するインバー合金粉末を用意し、さらに厚さ：０．１ｍｍの薄い無酸素銅板を用意した。
このインバー合金粉末に純銅粉末を表３に示される割合で配合し混合して混合粉末を作製し、得られた混合粉末を金型に充填し成形して表３の配合組成を有する圧粉体Ｆ〜Ｊを作製した。この圧粉体Ｆ〜Ｊを厚さ：０．１ｍｍの薄い無酸素銅板で挟み、これをグラファイトモールドに装入し、１．５ＭＰａの圧力で加圧しながら電圧：４．５Ｖ、電流：２０００Ａ（電流密度：３２Ａ／ｍｍ^２）の電流を１５秒間通電することにより通電焼結し、本発明法６〜１０を実施し、縦：２５ｍｍ、横：２５ｍｍ、厚さ：２ｍｍ（無酸素銅板の厚さも含む）の寸法を有する放熱緩衝板を作製した。

従来例２
実施例２で作製した表３の圧粉体Ｆ〜Ｊを焼結炉に装入し、温度：６５０℃、１時間保持の条件で焼結することにより従来法６〜１０を実施し、縦：２５ｍｍ、横：２５ｍｍ、厚さ：２ｍｍ（無酸素銅板の厚さも含む）放熱緩衝板を作製した。

本発明法６〜１０および従来法６〜１０で得られたこれら放熱緩衝板の熱膨張率および熱伝導率を測定し、その結果を表４に示した。なお、熱膨張率はディラト（ＤＩＬＡＴＯ）メータ（ブルカＡＸＳ製）で測定し、熱伝導率はレーザーフラッシュ（リガク製）で測定した。

表３〜４に示される結果から、本発明法６で作製した放熱緩衝板は、従来法６で作製した放熱緩衝板と比べて良好な熱伝導率を示すことが分かる。同様にして本発明法７〜１０で作製した放熱緩衝板は、それぞれ従来法７〜１０で作製した放熱緩衝板と比べて良好な熱伝導率を示すことが分かる。

パワーモジュールにおける放熱緩衝板の使用例を説明するための断面説明図である。

符号の説明

１：パワーモジュール、２：半導体チップ、３：はんだ層、４：絶縁体基板、５：純度:９９．９９質量％以上の高純度Ａｌ層、６：放熱緩衝板、７：冷却板、８：空洞、９：Ｎｉめっき膜、１０：伝熱グリース、１１：ネジ

Claims

純Ｃｕ粉末に、インバー合金粉末を１０〜５０質量％配合し混合して得られた混合粉末を成形して圧粉体とし、得られた圧粉体に電流密度：５〜１００Ａ／ｍｍ ^２、通電時間：０．１〜６０秒で通電すると同時に加圧する通電焼結を施すことを特徴とする放熱緩衝板の製造方法。
前記インバー合金粉末は、質量％でＮｉ：３５〜３７％を含有し、残部がＦｅおよび不可避不純物からなる成分組成を有するＦｅ基合金粉末であることを特徴とする請求項１記載の放熱緩衝板の製造方法。
前記インバー合金粉末は、質量％でＮｉ：３５〜３７％、Ｓｉ：０．１〜１．５％、Ｍｎ：０．０５〜１％を含有し、残部がＦｅおよび不可避不純物からなる成分組成を有するＦｅ基合金粉末であることを特徴とする請求項１記載の放熱緩衝板の製造方法。