JP7786276B2 - 接合体の製造方法 - Google Patents
接合体の製造方法Info
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Description
この実施形態はパワーモジュール用基板を接合体とした例である。このパワーモジュール用基板1は、図1に示すように、絶縁層であるセラミックス基板10と、このセラミックス基板10の一方の面に接合された回路層20と、セラミックス基板10の他方の面に接合された放熱層30とを備える。
セラミックス基板10は、例えばAlN(窒化アルミニウム)、Si3N4(窒化珪素)等の窒化物系セラミックス、もしくはAl2O3(アルミナ)等の酸化物系セラミックスを用いることができる。また、セラミックス基板10の厚さは、0.2mm以上1.5mm以下とされる。
第二金属層42は、例えば純度99.96質量%以上の銅(無酸素銅)や純度99.90質量%以上の銅(タフピッチ銅)が好適である。
先ず、図2(a)に示すようにセラミックス基板10の両面に、アルミニウム又はアルミニウム合金からなるアルミニウム板41Aをろう材43を介して積層し、その積層体を加圧加熱することにより、セラミックス基板10とアルミニウム板41Aとを接合して、セラミックス基板10の両面に第一金属層41を形成する(第一接合工程)。アルミニウム板41Aは回路のパターン形状に対応して形成されており、本実施形態では平面視で輪郭が矩形に構成されたアルミニウム板41Aを例に説明する。なお、接合荷重は0.2MPa~0.9MPa(2kgf/cm2~10kgf/cm2)の範囲とし、接合温度は640℃~650℃の範囲とするとよい。第一接合工程によって、第一金属層41をセラミックス基板10の両面に設けた第一の接合体11を製造する。
本実施形態のパワーモジュール用基板1の製造に用いる銅板42Aは、プレスによる打ち抜き成形によって成形する(銅板成形工程)。以下、銅板成形工程を説明する。
(第一の成形方法)
先ず、図4(a)に示すように、ダイ51とパンチ53とによって銅又は銅合金で成る素板を所定形状の打ち抜き板61に成形する。なお、図中の符号52は素板を押さえる板押さえ部である。このダイ51とパンチ53とで打ち抜いて形成される打ち抜き板61の周縁部には、図4(b)に示すように、一方の面にダレ面61A,その反対面にバリ61B及びテーパー面61Cが形成される。テーパー面61Cは、パンチ53を下降して素板を打ち抜いた後に再び下降前の元の位置まで上方に動かす過程で形成される。素板の厚さが2.0mm~5.0mmに対して、ダイ51とパンチ53との間のクリアランスd1は0.07mm~1.5mmである。
前述の第一の成形方法では、打ち抜き板61を形成した後に、さらに周縁部の加工処理を行うが、第二の成形方法では銅又は銅合金から成る素板の一回の打ち抜きで、周縁部420に前述の幅寸法w2及び深さ寸法h2のテーパー面422Aと前述の幅寸法w1及び深さ寸法h1のダレ面421Aとを設けた銅板42Aを、製造する。図示することを省略するが、第二の成形方法では、パンチ73とダイ71との間のクリアランスは好ましくは0.01mmである。
(1)先ず、セラミックス基板の両面にアルミニウム板をろう材を介して積層し、積層方向に加圧した状態で加熱し、セラミックス基板の一方の面及び他方の面に、それぞれ第一金属層を形成して、第一の接合体を製造した。
なお、一方の第一金属層にマスク印刷を行って塩化鉄によるエッチングを行った後、マスク除去を経て回路パターン間の距離が1.00mmの回路パターンを形成した。
(1―1)第一の接合体の材料
セラミックス基板 : Si3N4(厚さ0.32mm)
アルミニウム板 : 4Nアルミニウム(厚さ0.4mm)
ろう材 : Al-7.5mass%Si合金からなるろう材箔(厚さ0.017mm)
(1-2)第一の接合体の製造条件
接合荷重 : 0.2MPa
加熱温度 : 650℃
保持時間 : 30分
接合雰囲気:真空
(2-1)接合に用いる銅板
銅板として、それぞれ無酸素銅から成る厚さ2.0mmの素板を成形し、周縁部の寸法にばらつきがある中から選んで試料として使用した。なお、試料1,2は実施形態で説明した第一の成形方法で作製したものであり、試料3~8は、試料1,2と異なり、シェービング加工を行わずに、それぞれ素板の一回の打ち抜きで成形したものである。試料3,4は実施形態で説明した第二の成形方法で作製したものである。なお、試料3,4ではクリアランスd3が0.01mmであり、試料5~8ではクリアランスd3が0.07mmである。成形された銅板において後述する測定方法により求められるテーパー面の幅寸法や深さ寸法を有する試料を用いた。
各銅板に設けられるテーパー面の寸法を表面粗さ計(株式会社ミツトヨ製 SURFTEST SJ-410)で測定した。接触針の走査方向を銅板の内側領域から銅板の縁(壁面部)とし、内側領域内から周縁までの測定を行った。具体的には、銅板の縁から4mm入った位置が測定の始点であり、測定の終点は測定値がオーバーレンジに至るところである。換言すれば表面粗さ計の接触針が銅板の周縁から離れて針の高さの下点の限界値に至るまで測定した。図5は銅板の周縁領域において接触針の軌跡により描画される輪郭線を示すグラフ図であり、輪郭線からテーパー面の幅寸法や深さ寸法を算出した。
接合荷重 : 2.4MPa
加熱温度 : 533℃
保持時間 : 120分
接合雰囲気:真空
(3-1)評価方法
接合後の第一金属層と第二金属層との界面を、超音波探傷装置を用いて評価した。
評価方法として、以下の式(1)から接合率を算出した(初期接合)。
接合率(%)=[{(接合面積)-(剥離面積)}/(接合面積)]×100 (1)
ここで、接合面積は、第一金属層と第二金属層との界面で、銅板の縁(壁面部)から1mm内側までの領域を評価対象とした。超音波探傷の像(二値化した画像)から剥離している箇所が白色で示されることから、この白色箇所の総面積を剥離面積とした。なお、試料1~6の接合体については、300℃でのベーク後の接合率も算出した。
これらの結果を表1に示す。
表1に示すように、試料1~試料6接合体では、何れも初期接合とベーク後で第二金属層の接合率が100%で良好であり、テーパー面における未接合部が存在せず、剥離が進展し難いことが確認できた。
図6(a)は試料1のSEM画像であり、第一金属層をAl、第二金属層をCuと表記している。第二金属層42が第一金属層41との間に隙間やクラックも無く接合されていることが分かる。
これに対して、試料7,8の接合体では、何れも第二金属層の接合率が91%~98%であり、テーパー面の未接合及び剥離を確認できた。
図6(b)は試料7のSEM画像であり、第二金属層42が第一金属層41との間にテーパー面でクラックが生じていると共に未接合の領域が残っていることがわかる。
10 セラミックス基板
20 回路層
30 放熱層
41 第一金属層
41A アルミニウム板
42 第二金属層
42A 銅板
421 上面
421A 周縁領域(ダレ面)
421B,422B 内側領域
422 下面
422A 周縁領域(テーパー面)
423 壁面部
51,71 ダイ
53,73 パンチ
61 打ち抜き板
Claims (2)
- 銅又は銅合金から成る銅板と、アルミニウム又はアルミニウム合金から成るアルミニウム板とを接合させてなる接合体の製造方法であって、
厚さが2.0mm以上5.0mm以下の前記銅板をダイ及びパンチを有するプレスで打ち抜き成形する銅板成形工程と、前記銅板と前記アルミニウム板とを固相拡散接合によって接合する接合工程と、を備え、
前記銅板成形工程は、前記ダイと前記パンチとのクリアランスを0.01mm以上0.07mm以下に設定して打ち抜くとともに、前記アルミニウム板に接合される面の周縁領域を内側領域側が厚く縁側が薄くなるテーパー面を有する銅板を形成しており、
前記テーパー面は、前記銅板の面方向の幅寸法が1.80mm以下であり且つ前記銅板の面方向の周縁における深さ寸法が20.0μm以下であり、
前記接合工程は、前記テーパー面を前記アルミニウム板に向けて接合することを特徴とする、接合体の製造方法。 - 銅又は銅合金から成る銅板と、アルミニウム又はアルミニウム合金から成るアルミニウム板とを接合させてなる接合体の製造方法であって、
厚さが2.0mm以上5.0mm以下の前記銅板をプレス用ダイ及びプレス用パンチを有するプレスで打ち抜き成形する銅板成形工程と、前記銅板と前記アルミニウム板とを固相拡散接合によって接合する接合工程と、を備え、
前記銅板成形工程は、プレス用ダイ及びプレス用パンチを有するプレスによって銅又は銅合金で成る素板から打ち抜き板を成形した後に前記打ち抜き板の周縁部をシェービング用ダイ及びシェービング用パンチによってシェービング加工するとともに、前記プレス用ダイと前記プレス用パンチとのクリアランスより前記シェービング用ダイと前記シェービング用パンチとのクリアランスを小さく設定して前記アルミニウム板に接合される面の周縁領域を内側領域側が厚く縁側が薄くなるテーパー面を有する銅板を形成しており、
前記テーパー面は、前記銅板の面方向の幅寸法が1.80mm以下であり且つ前記銅板の面方向の周縁における深さ寸法が20.0μm以下であり、
前記接合工程は、前記テーパー面を前記アルミニウム板に向けて接合することを特徴とする、接合体の製造方法。
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