JP5691901B2 - Power module manufacturing method - Google Patents
Power module manufacturing method Download PDFInfo
- Publication number
- JP5691901B2 JP5691901B2 JP2011152954A JP2011152954A JP5691901B2 JP 5691901 B2 JP5691901 B2 JP 5691901B2 JP 2011152954 A JP2011152954 A JP 2011152954A JP 2011152954 A JP2011152954 A JP 2011152954A JP 5691901 B2 JP5691901 B2 JP 5691901B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- film
- metal
- metal film
- powder
- base material
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L24/00—Arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies; Methods or apparatus related thereto
- H01L24/80—Methods for connecting semiconductor or other solid state bodies using means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected
- H01L24/83—Methods for connecting semiconductor or other solid state bodies using means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected using a layer connector
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L2224/00—Indexing scheme for arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies and methods related thereto as covered by H01L24/00
- H01L2224/80—Methods for connecting semiconductor or other solid state bodies using means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected
- H01L2224/83—Methods for connecting semiconductor or other solid state bodies using means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected using a layer connector
- H01L2224/8319—Arrangement of the layer connectors prior to mounting
- H01L2224/83191—Arrangement of the layer connectors prior to mounting wherein the layer connectors are disposed only on the semiconductor or solid-state body
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L2924/00—Indexing scheme for arrangements or methods for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies as covered by H01L24/00
- H01L2924/10—Details of semiconductor or other solid state devices to be connected
- H01L2924/11—Device type
- H01L2924/13—Discrete devices, e.g. 3 terminal devices
- H01L2924/1304—Transistor
- H01L2924/1305—Bipolar Junction Transistor [BJT]
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L2924/00—Indexing scheme for arrangements or methods for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies as covered by H01L24/00
- H01L2924/10—Details of semiconductor or other solid state devices to be connected
- H01L2924/11—Device type
- H01L2924/13—Discrete devices, e.g. 3 terminal devices
- H01L2924/1304—Transistor
- H01L2924/1305—Bipolar Junction Transistor [BJT]
- H01L2924/13055—Insulated gate bipolar transistor [IGBT]
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Computer Hardware Design (AREA)
- Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- Other Surface Treatments For Metallic Materials (AREA)
- Die Bonding (AREA)
- Cooling Or The Like Of Semiconductors Or Solid State Devices (AREA)
Description
本発明は、金属皮膜が、基材の表面に成膜されたパワーモジュールの製造方法に係り、特に、前記金属皮膜として、パワー素子等の接合部材をはんだを介してはんだ付けするために好適な金属皮膜が形成されたパワーモジュールの製造方法に関する。 The present invention relates to a method for manufacturing a power module in which a metal film is formed on the surface of a substrate, and particularly suitable for soldering a joining member such as a power element via solder as the metal film. The present invention relates to a method for manufacturing a power module on which a metal film is formed.
IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)等の半導体素子(パワー素子)を搭載したパワーモジュールにおいては、該パワー素子からの発熱を効率よく放熱し、発熱時においても基準温度以下となるような調整が図られている。 In a power module equipped with a semiconductor element (power element) such as an IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor), the heat generated from the power element is efficiently radiated, and adjustment is made so that the temperature is below the reference temperature even during the heat generation. ing.
ここで、従来のパワーモジュールは、窒化アルミニウム(AlN)板や純アルミニウム板の積層体等からなる絶縁基板(DBA(Direct Brazed Aluminum)ともいう)の一側面にパワー素子がはんだ付けにより固定されて回路ユニットを成している。一方、絶縁基板の他側面にパワー素子からの熱を絶縁基板(基材)を介して放熱するための放熱板(ヒートシンク)、および冷却器がはんだ付け、ろう付け、もしくは接着剤にて接合されてパワーモジュールが形成されている。 Here, in the conventional power module, a power element is fixed to one side surface of an insulating substrate (also referred to as DBA (Direct Brazed Aluminum)) made of an aluminum nitride (AlN) plate or a pure aluminum plate by soldering. It constitutes a circuit unit. On the other hand, a heat sink (heat sink) for dissipating heat from the power element through the insulating substrate (base material) and a cooler are joined to the other side of the insulating substrate by soldering, brazing, or adhesive. A power module is formed.
そして、基材とこれに接触する部材との熱膨張差に起因する応力を緩和させるために、基材の熱膨張差が低い、もしくは、基材の熱膨張に近い材料からなる固相状態の金属粉末を、固相状態で搬送ガスと共に吹き付けることにより(いわゆるコールドスプレー法により)、金属皮膜を成膜し、これらを接合することがなされている。このようなコールドスプレー法により、基材表面に熱によるダメージを与えることなく、金属皮膜を成膜することができる(例えば特許文献1または2参照)。
In order to relieve the stress caused by the difference in thermal expansion between the substrate and the member in contact with the substrate, the difference in thermal expansion of the substrate is low, or in a solid state made of a material close to the thermal expansion of the substrate. A metal film is formed by spraying a metal powder together with a carrier gas in a solid state (so-called cold spray method), and these are bonded. By such a cold spray method, a metal film can be formed without damaging the surface of the substrate due to heat (see, for example,
ここで、上述した基材の表面には、パワー素子等の接合部材との密着性を高めるために、絶縁基板の表面に金属皮膜が被覆され、金属皮膜と接合部材とは、はんだ(接合材)を介してはんだ付けされる。この金属皮膜の成膜として、例えば、特許文献1または2に示したコールドスプレー法により、成膜することが考えられる。しかしながら、そもそも、コールドスプレー法は、固相状態の金属粉末を吹き付けることによりなされるため、金属皮膜の密着性を高めるためには、搬送ガスの吹き付け圧を高める必要がある。
Here, the surface of the base material described above is coated with a metal film on the surface of the insulating substrate in order to improve the adhesion to the bonding member such as a power element, and the metal film and the bonding member are solder (bonding material). ) Is soldered through. For example, the metal film can be formed by a cold spray method described in
しかしながら、このような場合、搬送ガスの吹き付け圧を高めるに従って、金属皮膜の密着性は向上し、金属皮膜は高密度化する(緻密なる)が、金属皮膜の内部に搬送ガスが内包されることになる。これにより、金属皮膜を介して接合部材を基材の表面にはんだ付けを行った際には、金属皮膜の内部に内包された搬送ガスが起因して、はんだ層(はんだ)の内部に多数のボイド(気孔)が発生し、このボイドにより、パワーモジュールの伝熱性が阻害されるおそれがある。 However, in such a case, as the carrier gas spray pressure is increased, the adhesion of the metal film is improved and the metal film becomes denser (dense), but the carrier gas is included in the metal film. become. As a result, when the joining member is soldered to the surface of the base material via the metal film, the carrier gas included in the metal film causes a large number of solder inside the solder layer (solder). A void (pore) is generated, and the heat transfer property of the power module may be hindered by the void.
このように、接合部材のはんだ付けを考慮すると、ボイドの発生を抑えるべく、上述した搬送ガスの吹き付け圧を下げることにより、金属皮膜に内包する搬送ガスを低減することが望ましい。しかしながら、この場合、吹き付け圧が低下する分、基材と金属皮膜との密着性も低下する。 As described above, in consideration of soldering of the joining member, it is desirable to reduce the carrier gas contained in the metal film by lowering the carrier gas spraying pressure described above in order to suppress the generation of voids. However, in this case, the adhesiveness between the base material and the metal film also decreases as the spray pressure decreases.
そこで、成膜前に予め基材表面にブラスト処理を施して、基材の表面に凹凸形状を作り、凹凸形状によるアンカー効果により、金属皮膜に密着強度を確保することができる。しかしながら、このような場合、ブラスト処理という工程が増えることにより、作業工程は煩雑になり、さらには、ブラスト処理による残材が基材表面とその周辺に残り、これが、金属皮膜の成膜や、その後のはんだ付けを阻害するおそれもある。 Therefore, the surface of the base material is preliminarily subjected to blasting before film formation to create an uneven shape on the surface of the base material, and the adhesion strength of the metal film can be ensured by the anchor effect due to the uneven shape. However, in such a case, the work process becomes complicated due to an increase in the process of blasting, and further, the remaining material due to the blasting remains on the surface of the base material and its periphery, There is also a risk of hindering subsequent soldering.
本発明は、このような点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、接合部材をはんだ付けするための金属皮膜を前処理工程なく成膜することができると共に、はんだ付け時において、金属皮膜に内包された搬送ガスが起因となった、はんだのボイドの発生を抑制し、さらには接合部材と基材との密着強度を高めることができるパワーモジュールの製造方法を提供することにある。 The present invention has been made in view of the above points, and the object of the present invention is to form a metal film for soldering a joining member without a pretreatment process and at the time of soldering. A method of manufacturing a power module capable of suppressing the generation of solder voids caused by the carrier gas contained in the metal film and further increasing the adhesion strength between the joining member and the substrate. It is in.
本発明者は、鋭意検討を重ねた結果、パワー素子等の接合部材をはんだ(接合材)によりはんだ付けするための金属皮膜を成膜する際に、
(1)第1段階として、基材表面に前記搬送ガスが内包されるような吹き付け圧で金属粉末を吹き付けることにより、前処理工程なく基材とアンダーコート層となる金属皮膜との密着性を高めることができ、
(2)さらに第2段階として、吹き付け圧を下げて、この金属皮膜(アンダーコート層)の表面に、金属皮膜(トップコート層)を成膜することにより、このときに成膜された金属皮膜(トップコート層)中に含まれる搬送ガスの圧力を、金属皮膜(アンダーコート層)に比べて下げて、これによりはんだ付け時のはんだ内のボイドの発生を抑えることができるとの新たな知見を得た。
As a result of intensive studies, the inventor formed a metal film for soldering a joining member such as a power element with solder (joining material).
(1) As a first step, the metal powder is sprayed at a spraying pressure so that the carrier gas is encapsulated on the surface of the base material, thereby improving the adhesion between the base material and the metal film to be an undercoat layer without a pretreatment step. Can be increased,
(2) Further, as a second step, the metal film formed at this time is formed by forming a metal film (topcoat layer) on the surface of the metal film (undercoat layer) by lowering the spray pressure. New knowledge that the pressure of the carrier gas contained in the (top coat layer) can be reduced compared to the metal coating (undercoat layer), thereby suppressing the generation of voids in the solder during soldering Got.
本発明は、この新たな知見に基づくものであり、本発明に係るパワーモジュールの製造方法は、固相状態の金属粉末を圧縮された搬送ガスと共に吹き付けることにより、接合部材をはんだ付けするための金属皮膜を、基材の表面に成膜する成膜工程を少なくとも含むパワーモジュールの製造方法であって、前記成膜工程は、前記搬送ガスが内包されるような吹き付け圧で前記基材の表面に前記金属粉末を吹き付けることにより、前記基材の表面に、前記金属粉末からなる第1の金属皮膜を成膜する第1成膜工程と、該第1成膜工程における前記金属粉末の吹き付け圧よりも低い吹き付け圧で、前記金属粉末を前記第1の金属皮膜の表面に吹き付けることにより、前記第1の金属皮膜の表面に、前記金属粉末からなる第2の金属皮膜を成膜する第2成膜工程と、を少なくとも含むことを特徴とする。 The present invention is based on this new knowledge, and a method for manufacturing a power module according to the present invention is for soldering a joining member by spraying a solid-phase metal powder together with a compressed carrier gas. A power module manufacturing method including at least a film forming step of forming a metal film on a surface of a base material, wherein the film forming step includes a surface pressure of the base material with a spraying pressure such that the carrier gas is included. By spraying the metal powder onto the surface of the substrate, a first film forming step of forming a first metal film made of the metal powder on the surface of the substrate, and a spraying pressure of the metal powder in the first film forming step A second metal film made of the metal powder is formed on the surface of the first metal film by spraying the metal powder onto the surface of the first metal film with a lower spray pressure. Characterized in that it comprises at least a second film forming step.
本発明によれば、基材の表面に成膜される第1の金属皮膜(アンダーコート層)は、第2の金属皮膜(トップコート層)に比べて吹き付け圧が高い圧力で(前記搬送ガスが内包されるような吹き付け圧で)成膜されるので、第1の金属皮膜は、第2の金属皮膜に比べて、密着性の高い緻密な皮膜となり、基材と第1の金属皮膜との密着性を確保することができる。 According to the present invention, the first metal film (undercoat layer) formed on the surface of the substrate has a higher spraying pressure than the second metal film (topcoat layer) (the carrier gas). Therefore, the first metal film becomes a dense film having higher adhesion than the second metal film, and the base material and the first metal film Can be ensured.
さらに、第2の金属皮膜は、第1成膜工程における前記金属粉末の吹き付け圧よりも低い吹き付け圧で、第1の金属皮膜の表面にトップコート層として成膜されるので、第2の金属皮膜に含まれる(内包される)搬送ガスの圧力を、第1の金属皮膜よりも低減することができる。これにより、接合部材をはんだ付けする際に、ボイドの発生を抑制することができる。 Furthermore, since the second metal film is formed as a topcoat layer on the surface of the first metal film at a lower pressure than the pressure of the metal powder in the first film formation step, the second metal film The pressure of the carrier gas contained (encapsulated) in the film can be reduced as compared with the first metal film. Thereby, when soldering a joining member, generation | occurrence | production of a void can be suppressed.
すなわち、第2の金属皮膜は、第1の金属皮膜に比べて空孔率の高い多孔質皮膜となり、第2の金属皮膜の内部のガス圧力は、はんだ付けの環境下における圧力(大気圧)と略同じにまですることができるので、上述したボイドの発生を効果的に抑えることができ、これにより、はんだの濡れ性を向上させることができる。 That is, the second metal film is a porous film having a higher porosity than the first metal film, and the gas pressure inside the second metal film is the pressure (atmospheric pressure) in the soldering environment. Therefore, it is possible to effectively suppress the generation of the above-described voids, thereby improving the wettability of the solder.
また、上述した金属皮膜の成膜は、金属皮膜の密着性およびボイドの発生を低減することができるのであれば、その後処理工程は特に限定されるものではない。しかしながら、より好ましい態様としては、前記第1および第2の金属皮膜を、還元性ガスを含む雰囲気下で熱処理する熱処理工程をさらに含む。 In addition, the above-described metal film formation is not particularly limited as long as the metal film adhesion and the generation of voids can be reduced. However, as a more preferable aspect, the method further includes a heat treatment step of heat treating the first and second metal films in an atmosphere containing a reducing gas.
この態様によれば、熱処理工程を行うことにより、第1の金属皮膜と、第2の金属皮膜との接合強度を高めることができる。また、この熱処理を、還元性ガスを含む雰囲気下で行うことにより、熱処理時における第2の金属皮膜の表面の酸化皮膜(酸化物)が還元され、表面の酸化物を低減することができる。これにより、後工程であるはんだ付け時に、接合部材に対する第2の金属皮膜の濡れ性を高めることができる。 According to this aspect, the bonding strength between the first metal film and the second metal film can be increased by performing the heat treatment step. Moreover, by performing this heat treatment in an atmosphere containing a reducing gas, the oxide film (oxide) on the surface of the second metal film during the heat treatment can be reduced, and the surface oxide can be reduced. Thereby, the wettability of the 2nd metal film with respect to a joining member can be improved at the time of the soldering which is a post process.
ここで、本発明にいう「還元性ガス」とは、少なくとも第2の金属皮膜に含まれる金属酸化物を還元して、金属酸化物の割合を低減するためのガスのことをいう。ここで還元性ガスを含む雰囲気として、大気に対して、この還元性ガスを混合したガス雰囲気下であってもよい。しかしながら、より好ましくは、不活性ガスに還元性ガスが混合されたガス雰囲気下であることが望ましい。これにより、熱処理時における第2の金属皮膜の酸化が抑制される。例えば、還元性ガスとしては、水素ガスなどを挙げることができ、不活性ガスとしては、ヘリウムガス、アルゴンガス、窒素などを挙げることができ、この他にも、これらを混合したガスであってもよい。 Here, the “reducing gas” referred to in the present invention refers to a gas for reducing at least the metal oxide contained in the second metal film and reducing the ratio of the metal oxide. Here, the atmosphere containing the reducing gas may be a gas atmosphere in which the reducing gas is mixed with the atmosphere. However, more preferably, it is desirable to be in a gas atmosphere in which a reducing gas is mixed with an inert gas. Thereby, the oxidation of the second metal film during heat treatment is suppressed. For example, the reducing gas can include hydrogen gas, and the inert gas can include helium gas, argon gas, nitrogen, and the like. Also good.
また、本発明に係る第1および第2の成膜工程に好適な搬送ガス(圧縮ガス)として、窒素ガス、ヘリウムガス、アルゴンガスなどの不活性ガス、若しくは、エア(大気)などが挙げることができ、固相状態で金属粉末を付着させこれらを堆積させて金属皮膜を成膜することができるのであれば、特にその搬送ガスの種類は限定されるものではない。しかしながら、はんだ付けの工程におけるはんだの濡れ性を高めるためには、金属皮膜の表面に酸化物が少ないほうが望ましいので、上述した搬送ガスには、上述した不活性ガスを用いることが好ましい。 Further, examples of the carrier gas (compressed gas) suitable for the first and second film forming steps according to the present invention include an inert gas such as nitrogen gas, helium gas, and argon gas, or air (atmosphere). As long as the metal powder can be deposited in the solid phase and deposited to form a metal film, the type of the carrier gas is not particularly limited. However, in order to increase the wettability of the solder in the soldering process, it is desirable that the surface of the metal film has less oxide, so it is preferable to use the inert gas described above as the carrier gas described above.
また、金属粉末の形態としては、第1および第2の金属皮膜を形成することができるのであれば、特に限定されるものではなく、また、前記金属粉末として、ガスアトマイズ粉末または水アトマイズ粉末などのアトマイズ粉末、電気分解を利用して電極に金属を析出させることにより製造された電解粉末、またはこれらの粉末を造粒した造粒粉末などを挙げることができる。 In addition, the form of the metal powder is not particularly limited as long as the first and second metal films can be formed, and the metal powder may be a gas atomized powder or a water atomized powder. An atomized powder, an electrolytic powder produced by depositing metal on an electrode using electrolysis, or a granulated powder obtained by granulating these powders can be used.
しかしながら、より好ましい態様としては、前記第1成膜工程における前記金属粉末として水アトマイズ粉末を用い、前記第2成膜工程における前記金属粉末として電解粉末を用いる。 However, as a more preferable aspect, water atomized powder is used as the metal powder in the first film forming step, and electrolytic powder is used as the metal powder in the second film forming step.
本発明によれば、前記第1成膜工程において、水アトマイズ粉末を用いることにより、水アトマイズ粉末は球状に近い形状であるので、密着性の高い緻密な第1の金属皮膜を成膜することができる。 According to the present invention, in the first film forming step, by using the water atomized powder, the water atomized powder has a shape close to a sphere, so that the dense first metal film having high adhesion is formed. Can do.
一方、電解粉末は、葡萄の房状の粉末(葡萄状粉末)、樹木の枝状の粉末(樹枝状の粉末(デントライド状の粉末))の形態をしており、他の粉末に比べて凹凸を多く含む表面形状となっている。そのため、前記第2成膜工程において、電解粉末を用いることにより、他の粉末を用いた場合に比べて低い圧力で、第2の金属皮膜をより容易に成膜することができる。また、第2の金属皮膜を容易に多孔質皮膜にすることもでき、第2の金属皮膜に含まれる搬送ガスを逃がし易い。 On the other hand, the electrolytic powder is in the form of a tuft-like powder (cocoon-like powder) and a tree-like powder (dendritic powder (dent-like powder)), compared to other powders. The surface has a lot of irregularities. Therefore, in the second film forming step, the use of the electrolytic powder makes it possible to form the second metal film more easily at a lower pressure than when other powders are used. In addition, the second metal film can be easily made into a porous film, and the carrier gas contained in the second metal film can be easily released.
また、金属粉末としては、成膜された金属皮膜が、接合部材と基材との密着性および熱伝導性を確保することができるような材料であれば、特にその材料は限定されるものではなく、例えば、アルミニウム、クロム、ニッケル、銅、鉄及びこれらの合金のうち選択される少なくとも1つの材料を含む粉末を挙げることができる。 In addition, the metal powder is not particularly limited as long as the formed metal film is a material that can ensure the adhesion and thermal conductivity between the joining member and the base material. For example, a powder containing at least one material selected from aluminum, chromium, nickel, copper, iron, and alloys thereof can be used.
しかしながら、より好ましい金属粉末は、銅または銅合金からなる粉末である。本発明によれば、金属粉末に、銅又は銅合金からなる粉末を用いることにより、基材に対する付着性を高め、皮膜の熱伝導性及び電気伝導性を向上させることができる。また、基材としては、アルミニウム、銅、銀、またはこれらの合金、窒化アルミニウムなどのアルミ二ウムを主材としたセラミックスを挙げることができ、好ましい態様としては、基材として、アルミニウム、アルミニウム合金、またはアルミ二ウムを主材としたセラミックスを用いることができる。 However, a more preferable metal powder is a powder made of copper or a copper alloy. According to the present invention, by using a powder made of copper or a copper alloy as the metal powder, the adhesion to the substrate can be improved, and the thermal conductivity and electrical conductivity of the coating can be improved. Examples of the substrate include aluminum, copper, silver, or alloys thereof, and ceramics mainly composed of aluminum such as aluminum nitride. Preferred embodiments include aluminum and aluminum alloys as the substrate. Alternatively, ceramics mainly composed of aluminum can be used.
そして、このような好ましい態様の材料を選定した場合には、前記熱処理工程において、前記基材と前記第1の金属皮膜との間に、Al−Cu合金相が生成されるが、このAl−Cu合金相の厚さが20μm以下になるように、300℃〜550℃の加熱条件で、前記第1および第2の金属皮膜を加熱することがより好ましい。この態様によれば、Al−Cu合金相が20μm以下の厚さになるように、熱処理工程を行うので、基材に対する金属皮膜の密着強度を確保することができる。 And when the material of such a preferable aspect is selected, an Al-Cu alloy phase is generated between the base material and the first metal film in the heat treatment step. It is more preferable to heat the first and second metal films under heating conditions of 300 ° C. to 550 ° C. so that the thickness of the Cu alloy phase is 20 μm or less. According to this aspect, since the heat treatment step is performed so that the Al—Cu alloy phase has a thickness of 20 μm or less, the adhesion strength of the metal film to the substrate can be ensured.
すなわち、Al−Cu合金相が20μmを超えた場合には、熱処理後に基材に対する金属皮膜の密着強度が低下する。また、この熱処理において300℃未満の加熱条件の場合、第2の金属皮膜の還元処理を充分にするためには、熱処理時間を多大に要し、550℃を超えた場合には、密着強度の低下の起因となるAl−Cu合金相が形成されやすくなる。 That is, when the Al—Cu alloy phase exceeds 20 μm, the adhesion strength of the metal film to the substrate decreases after the heat treatment. In addition, in the case of heating conditions of less than 300 ° C. in this heat treatment, a long heat treatment time is required to sufficiently reduce the second metal film. An Al—Cu alloy phase that causes a decrease is easily formed.
本発明によれば、パワー素子等の接合部材をはんだ付けするための金属皮膜を前処理工程なく成膜することができると共に、はんだ付け時において、金属皮膜に内包された搬送ガスが起因となる、はんだ(層)のボイドの発生を抑制し、さらには接合部材と基材との密着強度を高めることができる。 According to the present invention, a metal film for soldering a joining member such as a power element can be formed without a pretreatment step, and the carrier gas included in the metal film is caused at the time of soldering. The generation of voids in the solder (layer) can be suppressed, and the adhesion strength between the joining member and the substrate can be increased.
以下に本発明のパワーモジュールの製造方法を実施形態により説明する。
図1は、本発明の実施形態に係るパワーモジュールの製造方法を説明するための模式図であり、(a)は、マスキング工程を説明するための図、(b)は、第1成膜工程を説明するための図、(c)第2成膜工程を説明するための図、(d)は、熱処理工程を説明するための図、(e)は、はんだ付け工程を説明するための図である。図2は、図1(b)および(c)に用いる成膜装置の模式的概念図である。
Embodiments of a method for manufacturing a power module according to the present invention will be described below.
1A and 1B are schematic views for explaining a method for manufacturing a power module according to an embodiment of the present invention. FIG. 1A is a diagram for explaining a masking process, and FIG. 1B is a first film forming process. (C) The figure for demonstrating a 2nd film-forming process, (d) is a figure for demonstrating a heat treatment process, (e) is a figure for demonstrating a soldering process. It is. FIG. 2 is a schematic conceptual diagram of the film forming apparatus used in FIGS. 1B and 1C.
〔1.マスキング工程〕
図1(a)に示すように、本実施形態に係るパワーモジュールを構成するパワー素子(接合部材)をはんだ付けする基板として、純アルミニウム、または窒化アルミニウムなどの基材11を準備する。
[1. Masking process)
As shown in FIG. 1A, a base 11 such as pure aluminum or aluminum nitride is prepared as a substrate to which a power element (joining member) constituting the power module according to this embodiment is soldered.
次に、基材11の表面11aのうち、金属皮膜を被覆する表面11b以外の表面を、マスキング材31は、マスキングする。マスキング材は、後述するコールドスプレー法により、マスキング材31が剥離しないものであればよく、例えば金属材料、または樹脂材料などを挙げることができる。
Next, the masking
〔2.成膜工程〕
次に、金属皮膜の成膜工程を行う。金属皮膜の成膜工程は、第1および第2の成膜工程からなる。具体的には、図2に示す成膜装置20を用いて成膜する。成膜装置20は、圧縮ガス供給手段21と、金属粉末供給手段22と、スプレーガン23と、スプレーガン移動手段24と、を少なくとも備えている。
[2. Film formation process]
Next, a metal film forming step is performed. The metal film deposition process includes first and second film deposition processes. Specifically, the film is formed using the
圧縮ガス供給手段21は、圧縮ガスを後述するスプレーガン23に供給するため手段であって、圧縮ガスの圧力を調整する圧力調整弁21aを介してスプレーガン23に接続されている。また、圧縮ガス供給手段21は、エア、不活性ガス等が充填されたボンベ、大気を圧縮するコンプレッサなどを挙げることができ、0.3〜5MPaの圧力条件の圧縮ガス(搬送ガス)としてスプレーガン23に供給できるものが好ましい。これは、搬送ガスの圧力が、0.3MPa未満であれば、皮膜が形成され難く、搬送ガスの圧力が、5MPaよりも大きい場合、耐圧性を有した成膜設備を要するばかりでなく、後述する成膜される第1の金属皮膜12の密着性をこれ以上確保することが期待できない。
The compressed gas supply means 21 is a means for supplying compressed gas to a
また、圧縮ガス供給手段21の下流には、搬送ガスを加熱するための加熱手段21bがさらに配設されている。加熱手段21bにより搬送ガスを加熱し、所望の温度条件で後述する金属粉末pを基材11に吹き付けることができる。なお、加熱手段21bは、金属粉末pを圧縮ガスにより間接的に加熱するためのものであり、圧縮ガス供給手段21の内部に配置されていてもよく、後述するヒータ23aにより金属粉末を所望の温度に加熱することができるのであれば、特に必要なものではない。
Further, a
金属粉末供給手段22は、基材11に吹き付ける金属粉末がホッパー22aに収容されており、該金属粉末pを所定の供給量でスプレーガン23に供給可能なように、スプレーガン23に接続されている。金属粉末供給手段22に収容する金属粉末pとして、第1の成膜工程では、平均粒径が、好ましくは25μm以下の平均粒径の水アトマイズ粉末を用い、第2の成膜工程では、平均粒径が、好ましくは25μm以下の平均粒径の電解粉末を用いる。
The metal powder supply means 22 is connected to the
ここで、電解粉末とは、電気分解を利用して電極に金属を析出させることにより製造された粉末であり、その形状は、水アトマイズ粉末が球状であるのに対して、これよりも(さらにはガスアトマイズ粉末よりも)凹凸を多く含む例えばデンドライト形状に近い表面形状となっている。 Here, the electrolytic powder is a powder produced by depositing a metal on an electrode using electrolysis, and the shape of the water atomized powder is more spherical than that of the water atomized powder. Has a surface shape close to, for example, a dendrite shape, which includes more irregularities than gas atomized powder.
さらに、スプレーガン23は、スプレーガン移動手段24に接続されおり、スプレーガン移動手段24を駆動させることにより、スプレーガン23を、所定のルートに移動させることができる。さらに、スプレーガン23の内部には、供給された金属粉末pを加熱するためのヒータ23aが設けられている。このような成膜装置20を用いて、以下に示す第1および第2の成膜工程を行う。
Further, the
〔2−1.第1成膜工程〕
具体的には、図1(b)に示すように、まず、第1成膜工程を行う。第1成膜工程では、搬送ガスが内包されるような吹き付け圧で、基材11の表面11bに金属粉末(たとえば銅または銅合金粉末)を搬送ガスと共に吹き付けことにより、基材11の表面11bに、金属粉末からなる第1の金属皮膜(アンダーコート層)12を成膜する。
[2-1. First film forming step]
Specifically, as shown in FIG. 1B, first, a first film forming step is performed. In the first film forming step, a metal powder (for example, copper or copper alloy powder) is sprayed on the
第1成膜工程における搬送ガスは、窒素ガスであることが好ましい。これにより、搬送ガスに大気を用いた場合に比べて、第1の金属皮膜(銅皮膜)の酸化を抑制することができる。 The carrier gas in the first film forming step is preferably nitrogen gas. Thereby, compared with the case where air | atmosphere is used for carrier gas, the oxidation of a 1st metal membrane | film | coat (copper membrane | film | coat) can be suppressed.
また、吹き付け圧は、圧縮ガス供給手段21から供給される例えば搬送ガスを、圧力調整弁21aで搬送ガスの圧力を調整することにより行い、搬送ガスの温度は、加熱手段21bおよびヒータ23aを調整することにより行う。ここでは、搬送ガスのガス温度は、200℃〜500℃が好ましく、基材11への吹き付け圧(圧力調整弁21aにおける圧力)は、2〜5MPaが好ましい。
In addition, the blowing pressure is performed by adjusting the pressure of the carrier gas, for example, the carrier gas supplied from the compressed gas supply means 21 with the
ここで、搬送ガスの温度が200℃未満である、または吹き付け圧が2MPa未満である場合、基材11に対する第1の金属皮膜12の密着性(金属粉末の付着性)が低下するおそれがあり、搬送ガスの温度が500℃を超えると、金属粉末が酸化されるおそれがある。また、吹き付け圧が5MPaを超えたとしても、それ以上、第1の金属皮膜12の密着性を高めることが期待できない。
Here, when the temperature of the carrier gas is less than 200 ° C. or the spraying pressure is less than 2 MPa, the adhesion (adhesiveness of the metal powder) of the
また、上述したように、第1の成膜工程では、金属粉末に水アトマイズ粉末を用いる。これにより、水アトマイズ粉末は、ガスアトマイズ粉末、電解粉末とは異なり、球状に近い形状であるので、密着性の高い緻密な第1の金属皮膜12を成膜することができる。
Further, as described above, in the first film forming process, water atomized powder is used as the metal powder. Thereby, unlike the gas atomized powder and the electrolytic powder, the water atomized powder has a nearly spherical shape, so that the dense
ここで、本実施形態では、第1の金属皮膜の膜厚は、5〜500μmの範囲にあることが好ましい。第1の金属皮膜の膜厚が5μm未満の場合、第1の金属皮膜がはんだ付けの下地層として充分に機能しないおそれがあり、第1の金属皮膜の膜厚が500μmを超えたとして、それ以上の効果を期待することができない。 Here, in this embodiment, it is preferable that the film thickness of a 1st metal film exists in the range of 5-500 micrometers. If the film thickness of the first metal film is less than 5 μm, the first metal film may not function sufficiently as an underlayer for soldering. If the film thickness of the first metal film exceeds 500 μm, The above effects cannot be expected.
本実施形態の場合には、金属粉末に銅粉末を用いたので、第1の金属皮膜12の密度は、8.0kg/m3以上にあり、好ましくは、8.56〜8.73kg/m3の範囲にある。なお、銅そのもの(銅バルク材の)密度は、8.92kg/m3である。なお、本明細書において示す密度は、JIS Z8807 「固体比重測定方法」の「4.液中でひょう量する測定方法」に準拠した値である。
In the case of this embodiment, since copper powder was used as the metal powder, the density of the
このように、第1の金属皮膜12は、高エネルギーで金属粉末(銅粉末)を基材11に吹き付けるので、銅バルク材の密度に近くなり、第1の金属皮膜12には、搬送ガスが内包されることになる。したがって、第1の金属皮膜12の表面に接合材(はんだ)を介してパワー素子等の接合部材をはんだ付けする際には、内包された搬送ガスが放出され、はんだにボイド(気孔)が生成されてしまう。そこで、本実施形態では、以下に示す第2成膜工程を行うことにより、このボイドの生成を抑制する。
Thus, since the 1st metal membrane | film |
〔2−2.第2成膜工程〕
第2成膜工程は、図1(c)に示すように、第2の金属皮膜13を成膜する工程である。具体的には、第2成膜工程では、第1成膜工程における前記金属粉末の吹き付け圧よりも低い吹き付け圧で、金属粉末を前記第1の金属皮膜12の表面に吹き付けることにより、第1の金属皮膜12の表面に、金属粉末からなる第2の金属皮膜(トップコート層)13を成膜する。
[2-2. Second film forming step]
The second film forming step is a step of forming the
第2成膜工程における搬送ガスは、窒素ガスであることが好ましい。これにより、搬送ガスに大気を用いた場合に比べて、第2の金属皮膜(銅皮膜)13の酸化を抑制され、はんだの濡れ性を向上させることができる。 The carrier gas in the second film forming step is preferably nitrogen gas. Thereby, compared with the case where air | atmosphere is used for carrier gas, the oxidation of the 2nd metal membrane | film | coat (copper membrane | film | coat) 13 is suppressed, and the wettability of solder can be improved.
吹き付け圧は、圧縮ガス供給手段21から供給される例えば搬送ガスを、圧力調整弁21aで圧縮ガスの圧力を調整することにより行い、搬送ガスの温度は、加熱手段21bおよびヒータ23aを調整することにより行う。ここでは、搬送ガスのガス温度は、400℃〜600℃程度が好ましく、基材11への吹き付け圧(圧力調整弁21aにおける圧力)は、0.3〜1MPaが好ましい。
For example, the carrier gas supplied from the compressed gas supply means 21 is adjusted by adjusting the pressure of the compressed gas with the
ここで、搬送ガスの温度が400℃未満である、または吹き付け圧が0.3MPa未満である場合、第1の金属皮膜12に対する第2の金属皮膜13の密着性(金属粉末の付着性)が低下するおそれがあり、搬送ガスの温度が600℃を超えた場合、金属粉末が酸化促進されるおそれがある。また搬送ガスの、吹き付け圧が1MPaを超えた場合には、金属粉末の内部に、はんだに生成されるボイドの起因となる搬送ガスが内包されてしまう。
Here, when the temperature of the carrier gas is less than 400 ° C. or the spraying pressure is less than 0.3 MPa, the adhesion (adhesion of the metal powder) of the
また、上述したように、第2の成膜工程では、金属粉末に電解粉末を用いる。これにより、アトマイズ粉末とは異なり、球状から遠い形状(デンドライトに近い形状)であるので、空孔率の高い緻密な第2の金属皮膜13を成膜することができる。
Further, as described above, in the second film forming step, electrolytic powder is used as the metal powder. Thereby, unlike the atomized powder, since the shape is far from spherical (a shape close to a dendrite), the dense
ここで、本実施形態では、第2の金属皮膜の膜厚は、10〜500μmの範囲にあることが好ましい。第2の金属皮膜の膜厚が10μm未満の場合、第1の金属皮膜がはんだ付けの下地層として充分に機能しないおそれがあり、第2の金属皮膜の膜厚が500μmを超えたとして、それ以上の効果を期待することができない。 Here, in this embodiment, it is preferable that the film thickness of a 2nd metal film exists in the range of 10-500 micrometers. If the thickness of the second metal film is less than 10 μm, the first metal film may not function sufficiently as an underlayer for soldering. If the film thickness of the second metal film exceeds 500 μm, The above effects cannot be expected.
本実施形態の場合には、金属粉末に銅粉末を用いたので、第2の金属皮膜13の密度は、6.0kg/m3〜8.0kg/m3未満の範囲あり、好ましくは、7.0〜7.8kg/m3の範囲にある。
In the present embodiment, since copper powder is used as the metal powder, the density of the
このように、第2の金属皮膜13は、第1成膜工程における前記金属粉末の吹き付け圧よりも低い吹き付け圧で、第1の金属皮膜12の表面にトップコート層として成膜されるので、第2の金属皮膜13に含まれる(内包される)搬送ガスの圧力を、第1の金属皮膜12よりも低減することができる。これにより、パワー素子をはんだ付けする際に、ボイドの発生を抑制することができる。とくに、第2の金属皮膜は、上述した密度の範囲では空孔率の高い多孔質となるため、後述するはんだ付け工程において、はんだの濡れ性を向上させることができる。
Thus, since the
〔3.熱処理工程〕
次に、マスキング材31を基材11から除去し、図1(d)に示すように、第1および第2の金属皮膜12,13が成膜された基材11を加熱炉32内に投入する。そして、加熱炉32内を、具体的には大気に対して、水素ガス濃度を3〜50体積%となる非酸化性ガスを含む雰囲気にして、この酸化性ガス雰囲気下で、熱源33を用いて、第1および第2の金属皮膜12,13を熱処理する。
[3. Heat treatment process]
Next, the masking
本実施形態では、熱処理工程において、基材11と前記第1の金属皮膜12との間に、Al−Cu合金相の厚さが20μm以下になるように、300℃〜550℃の加熱条件で、第1および第2の金属皮膜12,13を加熱する。
In the present embodiment, in the heat treatment step, the heating condition is 300 ° C. to 550 ° C. so that the thickness of the Al—Cu alloy phase is 20 μm or less between the
このように、熱処理工程を行うことにより、第1の金属皮膜12と、第2の金属皮膜13に含まれる原子が相互に拡散し、これらの接合強度を高めることができる。また、この熱処理を、還元性ガスを含む雰囲気下で行うことにより、熱処理時における第2の金属皮膜13の表面の酸化皮膜(金属酸化物)が還元され、表面の金属酸化物を低減することができる。これにより、後工程であるはんだ付け時に、パワー素子に対する第2の金属皮膜13の濡れ性を高めることができる。
As described above, by performing the heat treatment step, atoms contained in the
ここで、水素ガスの濃度が、3体積%未満である場合には、第2の金属皮膜13の表面の還元処理が進まず(酸化物が低減されず)、はんだの濡れ性が低下するおそれがある。また、Al−Cu合金相が20μm以下の厚さになるように、熱処理工程を行うので、基材からの金属皮膜の剥離を抑えることができる。
Here, when the concentration of hydrogen gas is less than 3% by volume, the reduction treatment of the surface of the
すなわち、Al−Cu合金相が20μmを超えた場合には、Al−Cu合金化の熱収縮によって、Al−Cu合金相と、銅層との間に隙間が生じ、密着強度が低下するおそれがある。また、この熱処理において300℃未満の加熱条件の場合には、第2の金属皮膜13の還元処理を充分にするためには、熱処理時間を多大に要し、550℃を超えた場合には、密着強度の低下の起因となるAl−Cu合金相が生成されやすくなる。
That is, when the Al—Cu alloy phase exceeds 20 μm, there is a possibility that a gap is formed between the Al—Cu alloy phase and the copper layer due to the heat shrinkage of Al—Cu alloying, and the adhesion strength is reduced. is there. Further, in the case of heating conditions of less than 300 ° C. in this heat treatment, in order to make the reduction treatment of the
なお、上述した熱処理工程における熱処理時間は、1〜60分間行うことが好ましい。処理時間が1分未満であると、第2の金属皮膜の還元処理が充分にされない場合もあり、60分を超えたときには、密着強度の低下の起因となるAl−Cu合金相が生成されやすくなる。 In addition, it is preferable to perform the heat processing time in the heat processing process mentioned above for 1 to 60 minutes. When the treatment time is less than 1 minute, the reduction treatment of the second metal film may not be sufficiently performed. When the treatment time exceeds 60 minutes, an Al—Cu alloy phase that causes a decrease in adhesion strength is easily generated. Become.
〔4.はんだ付け工程〕
熱処理後の基材11の第2の金属皮膜13に、例えばSn−Cuなどのはんだ(接合材)14を介して、パワー素子15を配置し、はんだ材を融点以上(たとえば300℃以上)に加熱することにより、基材11にパワー素子15をはんだ付けする。
[4. Soldering process)
The
このようにして、パワー素子をはんだ付けするための金属皮膜を前処理工程なく成膜することができると共に、さらには、はんだ付け時において、金属皮膜に内包された搬送ガスが起因となった、はんだ(層)のボイドの発生を抑制し、これにより熱伝導性が阻害されることを抑制することができる。さらに、第1成膜工程および熱処理工程により、基材11と第1の金属皮膜12との接合性を高めることができ、第1の金属皮膜12と第2の金属皮膜13との接合性も高めることができるので、結果としてパワー素子15と基材11との密着性を高めることができる。
In this way, a metal film for soldering the power element can be formed without a pretreatment step, and further, at the time of soldering, the carrier gas included in the metal film was caused. Generation | occurrence | production of the void of a solder (layer) can be suppressed and it can suppress that thermal conductivity is inhibited by this. Furthermore, the first film forming step and the heat treatment step can enhance the bondability between the
そして、この基材11に対して、例えば、銅−モリブデン(Cu−Mo)またはアルミニウム−炭化珪素(Al−SiC)などの緩衝部材などを介して、ヒートシンク部材を取り付けることにより、パワーモジュールが製造される。
And a power module is manufactured by attaching a heat sink member to the
本実施形態を以下の実施例により説明する。
(実施例1)
コールドスプレー法により基材に銅皮膜が形成されたパワーモジュールを製作した。具体的には、大きさ34mm×29mm×厚さ2mmのDBA基材を準備した。次に、この表面の一部をマスキング材によりマスキングし、第1の成膜工程として、銅からなる平均粒径20μmの水アトマイズ粉末を窒素ガス(搬送ガス)とともに、吹き付け圧力を4MPa(窒素ガスの圧縮された圧力4MPa)、窒素ガスの温度を400℃にして、膜厚が100μmになるまで、基材の表面に第1の金属皮膜(銅皮膜)を成膜した。
This embodiment will be described by the following examples.
Example 1
A power module in which a copper film was formed on a substrate was manufactured by a cold spray method. Specifically, a DBA substrate having a size of 34 mm × 29 mm × thickness 2 mm was prepared. Next, a part of this surface is masked with a masking material, and as a first film forming step, water atomized powder made of copper and having an average particle diameter of 20 μm is blown together with nitrogen gas (carrier gas) and a spraying pressure of 4 MPa (nitrogen gas). The first metal film (copper film) was formed on the surface of the substrate until the film thickness reached 100 μm at a compressed pressure of 4 MPa) and a nitrogen gas temperature of 400 ° C.
次に、この表面の一部をマスキング材によりマスキングし、第2の成膜工程として、銅からなる平均粒径20μmの電解粉末を窒素ガス(搬送ガス)とともに、吹き付け圧力を1MPa、搬送ガスの温度を400℃にして、膜厚が100μmになるまで、第1の金属皮膜の表面に第2の金属皮膜(銅皮膜)を成膜した。 Next, a part of this surface is masked with a masking material, and as a second film forming step, electrolytic powder made of copper with an average particle diameter of 20 μm is sprayed with nitrogen gas (carrier gas), spraying pressure is 1 MPa, carrier gas A second metal film (copper film) was formed on the surface of the first metal film at a temperature of 400 ° C. until the film thickness reached 100 μm.
そして、基材からマスキング部材を取り外し、加熱炉内において、大気に対して還元性ガスとして水素ガスを5体積%混合したガス雰囲気下で、第1および第2の金属皮膜を、400℃、10分で加熱することにより、熱処理工程を行った。なお、この熱処理工程の条件は、基材と第1の金属皮膜との間に、熱処理によって生成されるAl−Cu合金相の厚さが20μm以下になるような条件である。 Then, the masking member is removed from the substrate, and the first and second metal films are formed at 400 ° C., 10 ° C. in a heating furnace in a gas atmosphere in which 5% by volume of hydrogen gas is mixed as a reducing gas with respect to the atmosphere. A heat treatment step was performed by heating in minutes. The conditions for this heat treatment step are such that the thickness of the Al—Cu alloy phase generated by the heat treatment is 20 μm or less between the base material and the first metal film.
さらに、熱処理後の基材11の第2の金属皮膜に、Sn−Cuからなる接合材(はんだ)を介して、パワー素子を配置し、接合材を300℃、10分間に加熱することにより、基材にパワー素子をはんだ付けし、これをパワーモジュールとした。また、以下の密着強度を測定するために、図3に示すような試験片を作製した。具体的には、同じ条件で、基材11の表面に第1及び第2の金属皮膜12,13を順次成膜し、パワー素子に相当する部材の代わりに、Niメッキを施したアルミ二ウム合金の長尺のピン16を接合材14によりはんだ付けして、試験体とした。
Furthermore, by placing a power element on the second metal film of the
(実施例2)
実施例1と同じようにして、試験体を作製した。実施例1と相違する点は、熱処理工程を行っていない点である。
(Example 2)
A test body was produced in the same manner as in Example 1. The difference from Example 1 is that the heat treatment step is not performed.
(比較例1)
実施例1と同じようにして、パワーモジュールと試験体を作製した。実施例1と相違する点は、第1成膜工程を行わず、第2の成膜工程を行った点であり、すなわち、第1の金属皮膜を成膜せず、金属皮膜は、第2の金属皮膜(トップコート層)のみである。具体的には、試験体の場合を例に挙げると、図4に示すように、基材11の表面に第2の金属皮膜13を成膜し、第2の金属皮膜13の表面に、長尺のピン16を接合材14によりはんだ付けした。
(Comparative Example 1)
In the same manner as in Example 1, a power module and a test body were produced. The difference from Example 1 is that the first film formation step is not performed and the second film formation step is performed, that is, the first metal film is not formed, and the metal film is the second film process. This is only a metal film (top coat layer). Specifically, taking the case of a test specimen as an example, as shown in FIG. 4, a
(比較例2)
実施例1と同じようにして、パワーモジュールと試験体を作製した。実施例1と相違する点は、第1成膜工程を行い、第2の成膜工程を行わない点であり、すなわち、第2の金属皮膜を成膜せず、金属皮膜は、第1の金属皮膜(アンダーコート層)のみである。具体的には、試験体の場合を例に挙げると、図4に示すように、試験体は、基材11の表面に第1の金属皮膜12を成膜し、第1の金属皮膜12の表面に、長尺のピン16を接合材14によりはんだ付けした。
(Comparative Example 2)
In the same manner as in Example 1, a power module and a test body were produced. The difference from Example 1 is that the first film-forming step is performed and the second film-forming step is not performed. That is, the second metal film is not formed, and the metal film is the first film-forming process. Only a metal film (undercoat layer). Specifically, taking the case of the test body as an example, as shown in FIG. 4, the test body forms the
〔密着強度試験〕
実施例1、2及び比較例1〜3の試験体に対して、図3に示す方向に荷重を作用させて、試験体が破断したときの荷重を測定し、この荷重とその破断位置の断面積から密着強度を測定した。密着強度と破断位置の結果を図4に示す。ここで、例えば、図4に示す、比較例1の「11−13」の記載は、基材11と第2の金属皮膜13との界面に破断位置があったことを意味し、比較例2の「14」の記載は、接合材14に破断位置があったことを意味する。
[Adhesion strength test]
For the test specimens of Examples 1 and 2 and Comparative Examples 1 to 3, a load was applied in the direction shown in FIG. 3 to measure the load when the test specimen broke, and the breakage of this load and its breaking position was measured. The adhesion strength was measured from the area. The results of the adhesion strength and the fracture position are shown in FIG. Here, for example, the description of “11-13” in Comparative Example 1 shown in FIG. 4 means that there was a fracture position at the interface between the
〔はんだ付け性の確認試験〕
実施例1及び比較例1および2のパワーモジュール(はんだ付け後)のはんだ(接合材)の状態を、X線により観察した。この結果を、図5に示す。図5(a)は、実施例1のはんだ付け後のはんだのX線透過画像であり、図5(b)は、比較例2のはんだ付け後のはんだのX線透過画像である。
[Confirmation test of solderability]
The state of the solder (joining material) of the power modules (after soldering) of Example 1 and Comparative Examples 1 and 2 was observed with X-rays. The result is shown in FIG. FIG. 5A is an X-ray transmission image of the solder after soldering in Example 1, and FIG. 5B is an X-ray transmission image of the solder after soldering in Comparative Example 2.
〔結果1〕
図4に示すように、実施例1、2、および比較例2の試験体の密着強度は、20MPaを超えていた。しかしながら、比較例1の試験体は、密着強度が低く、測定できなかった。また、実施例1の試験体の破断位置は、接合材14にあった。実施例2の試験体の破断位置は、第1の金属皮膜12と第2の金属皮膜13との界面にあった。比較例1の試験体の破断位置は、基材11と第1の金属皮膜12との界面にあった。比較例2の試験体の破断位置は、接合材14にあった。
[Result 1]
As shown in FIG. 4, the adhesion strengths of the test bodies of Examples 1 and 2 and Comparative Example 2 exceeded 20 MPa. However, the specimen of Comparative Example 1 had a low adhesion strength and could not be measured. Moreover, the fracture position of the test body of Example 1 was in the
また、図5(b)に示すように、比較例2の場合には、はんだにボイドが生成されていた。図5(a)に示すように、実施例1の場合には、はんだにボイドは生成されておらず、比較例1の場合も同様であった。 Moreover, as shown in FIG.5 (b), in the case of the comparative example 2, the void was produced | generated by the solder. As shown in FIG. 5A, in the case of Example 1, no void was generated in the solder, and the case of Comparative Example 1 was the same.
〔考察1〕
実施例1、2及び比較例2の試験体の密着強度が比較例1のものに比べて高かったのは、第1の金属皮膜の密着性が高かったからであると考えられる。また、実施例1の如く、熱処理を行った場合、実施例2に比べてさらに密着強度が向上するのは、熱処理により第1及び第2の金属皮膜の密着強度(接合強度)が向上したからであるといえる。
[Discussion 1]
The reason why the adhesion strengths of the test bodies of Examples 1 and 2 and Comparative Example 2 were higher than that of Comparative Example 1 is considered to be that the adhesion of the first metal film was high. Further, when heat treatment is performed as in Example 1, the adhesion strength is further improved as compared to Example 2, because the adhesion strength (bonding strength) of the first and second metal films is improved by the heat treatment. You can say that.
また、比較例2のパワーモジュールは、実施例1のものに比べて密着強度は高いが、比較例2の接合材であるはんだにボイドが形成されているのは、第1の金属皮膜に内包された搬送ガスがはんだ付け時に放出されたことが起因すると考えられる。したがって、比較例2の試験体は、はんだの濡れ性が良いものであるとはいえない。このような結果、実施例1および2のパワーモジュールは、ボイドが生成された比較例2のパワーモジュールに比べて、熱伝導性が良いといえる。 Further, the power module of Comparative Example 2 has higher adhesion strength than that of Example 1, but the voids are formed in the solder, which is the bonding material of Comparative Example 2, because the first metal film contains the void. This is considered to be due to the release of the carried carrier gas during soldering. Therefore, it cannot be said that the specimen of Comparative Example 2 has good solder wettability. As a result, it can be said that the power modules of Examples 1 and 2 have better thermal conductivity than the power module of Comparative Example 2 in which voids are generated.
(実施例3)
実施例1と同じようにして、試験体を作製した。実施例1と相違する試験体は、図7の表の○印に示す加熱温度(熱処理温度)および熱処理時間の加熱条件で、第1および第2の金属皮膜を加熱することにより、熱処理工程を行った点である。そして、基材(Al基材)と第一の金属皮膜(Cu層)との界面近傍を顕微鏡により観察した。この結果を図6(a)、図7の○に示す。なお、図6(a)は、熱処理温度360℃、熱処理時間60分の熱処理条件の結果である。
(Example 3)
A test body was produced in the same manner as in Example 1. The test body different from Example 1 is that the heat treatment step is performed by heating the first and second metal films at the heating temperature (heat treatment temperature) and the heat treatment time indicated by the circle in the table of FIG. It is the point that went. And the interface vicinity of a base material (Al base material) and a 1st metal membrane | film | coat (Cu layer) was observed with the microscope. The results are shown in FIG. 6A and FIG. FIG. 6A shows the result of heat treatment conditions of a heat treatment temperature of 360 ° C. and a heat treatment time of 60 minutes.
(比較例3)
実施例1と同じようにして、試験体を作製した。実施例1と相違する試験体は、図7の表の×印に示す加熱温度(熱処理温度)および熱処理時間の加熱条件で、第1および第2の金属皮膜を加熱することにより、熱処理工程を行った点である。そして、基材(Al基材)と第一の金属皮膜(Cu層)との界面を顕微鏡により観察した。この結果を図6(b)、図7の×に示す。なお、図6(b)は、加熱温度550℃、熱処理時間60分の熱処理条件の結果である。さらに、この図6(b)に示した熱処理条件で、上述した図3に示す試験体を作製し、実施例1と同様の密着強度試験を行った。この結果を図8に示す。なお、図8には、上述した実施例1の試験結果も合わせて示した。
(Comparative Example 3)
A test body was produced in the same manner as in Example 1. The test body different from Example 1 was subjected to the heat treatment process by heating the first and second metal films under the heating conditions (heat treatment temperature) and the heat treatment time indicated by the x mark in the table of FIG. It is the point that went. And the interface of a base material (Al base material) and a 1st metal membrane | film | coat (Cu layer) was observed with the microscope. The result is shown by x in FIG. 6B and FIG. FIG. 6B shows the results of heat treatment conditions at a heating temperature of 550 ° C. and a heat treatment time of 60 minutes. Furthermore, the test body shown in FIG. 3 described above was produced under the heat treatment conditions shown in FIG. The result is shown in FIG. In addition, in FIG. 8, the test result of Example 1 mentioned above was also shown collectively.
〔結果2および考察〕
図6(a)、図6(b)及び図7に示すように、実施例3の場合には、基材と第1の金属皮膜との間に生成されたAl−Cu合金相の厚さは20μm以下となっていたが、比較例3の場合には、基材と第1の金属皮膜との間に生成されたAl−Cu合金相の厚さは20μmを超えていた。Al−Cu合金相と、銅層との間に隙間が生じていた。20μmの厚さを超えてAl−Cu合金相が成長すると、Al−Cu合金化による熱収縮により、Al−Cu合金相と銅層との間に隙間が生じたものと考えられる。なお、上述した実施例1の熱処理条件の場合には、基材と第1の金属皮膜との間に生成されたAl−Cu合金相の厚さは20μm以下となっていると考えられる。なお、加熱条件が、300℃であっても、1時間を越えて熱処理を行なえば、上述したのと同様に好適な熱処理を行なうことができると考えられる。
[Result 2 and discussion]
As shown in FIG. 6A, FIG. 6B, and FIG. 7, in the case of Example 3, the thickness of the Al—Cu alloy phase generated between the base material and the first metal film. However, in the case of Comparative Example 3, the thickness of the Al—Cu alloy phase generated between the base material and the first metal film exceeded 20 μm. There was a gap between the Al—Cu alloy phase and the copper layer. When the Al—Cu alloy phase grows beyond the thickness of 20 μm, it is considered that a gap is generated between the Al—Cu alloy phase and the copper layer due to thermal shrinkage due to Al—Cu alloying. In addition, in the case of the heat treatment conditions of Example 1 described above, the thickness of the Al—Cu alloy phase generated between the base material and the first metal film is considered to be 20 μm or less. Even if the heating condition is 300 ° C., it is considered that if the heat treatment is performed for more than 1 hour, a suitable heat treatment can be performed as described above.
さらに、図8に示すように、実施例1に比べて、比較例3の試験体の密着強度は、低くなっており、破断位置は、基材11と第1の金属皮膜12との界面(より正確には、Al−Cu合金相と銅層との間)にあった。以上の結果から、比較例3の如く、Al−Cu合金相が20μmを超えた場合には、Al−Cu合金化が起因して、熱処理後に基材に対する金属皮膜の密着強度が低下すると考えられる。
Further, as shown in FIG. 8, the adhesion strength of the test body of Comparative Example 3 is lower than that of Example 1, and the fracture position is the interface between the
以上、本発明の実施形態及び実施例について詳述したが、本発明は、前記の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の精神を逸脱しない範囲で、種々の設計変更を行うことができるものである。 As mentioned above, although embodiment and the Example of this invention were explained in full detail, this invention is not limited to the said embodiment, In the range which does not deviate from the mind of this invention described in the claim, Various design changes can be made.
11:基材、12:第1の金属皮膜、13:第2の金属皮膜、14:接合材(はんだ)、15:パワーモジュール、16:ピン、20:成膜装置、21:圧縮ガス供給手段、21a:圧力調整弁、21b:加熱手段、22:金属粉末供給手段、22a:ホッパー、23:スプレーガン、23a:ヒータ、24:移動手段、31:マスキング材、32:加熱炉、33:熱源 11: base material, 12: first metal film, 13: second metal film, 14: bonding material (solder), 15: power module, 16: pin, 20: film forming apparatus, 21: compressed gas supply means 21a: pressure adjusting valve, 21b: heating means, 22: metal powder supply means, 22a: hopper, 23: spray gun, 23a: heater, 24: moving means, 31: masking material, 32: heating furnace, 33: heat source
Claims (5)
前記金属粉末に、銅または銅合金を用い、
前記成膜工程は、前記搬送ガスが内包されるような2〜5MPaの吹き付け圧で前記基材の表面に前記金属粉末を吹き付けることにより、前記基材の表面に、前記金属粉末からなる第1の金属皮膜を成膜する第1成膜工程と、
該第1成膜工程における前記金属粉末の吹き付け圧よりも低い0.3〜1MPaの吹き付け圧で、前記金属粉末を前記第1の金属皮膜の表面に吹き付けることにより、前記第1の金属皮膜の表面に、前記金属粉末からなる第2の金属皮膜を成膜する第2成膜工程と、を少なくとも含むことを特徴とするパワーモジュールの製造方法。 A method of manufacturing a power module including at least a film forming step of forming a metal film for soldering a joining member on a surface of a base material by spraying a metal powder in a solid state together with a compressed carrier gas. And
Use copper or copper alloy for the metal powder,
In the film forming step, the metal powder is sprayed onto the surface of the base material at a spraying pressure of 2 to 5 MPa so that the carrier gas is contained, whereby the surface of the base material is made of the metal powder. A first film forming step of forming a metal film of
By spraying the metal powder onto the surface of the first metal film at a spraying pressure of 0.3 to 1 MPa lower than the spraying pressure of the metal powder in the first film forming step, A power module manufacturing method comprising at least a second film-forming step of forming a second metal film made of the metal powder on the surface.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2011152954A JP5691901B2 (en) | 2011-07-11 | 2011-07-11 | Power module manufacturing method |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2011152954A JP5691901B2 (en) | 2011-07-11 | 2011-07-11 | Power module manufacturing method |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2013019020A JP2013019020A (en) | 2013-01-31 |
JP5691901B2 true JP5691901B2 (en) | 2015-04-01 |
Family
ID=47690734
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2011152954A Active JP5691901B2 (en) | 2011-07-11 | 2011-07-11 | Power module manufacturing method |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP5691901B2 (en) |
Families Citing this family (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP6096094B2 (en) * | 2013-10-28 | 2017-03-15 | 日本発條株式会社 | Laminated body, insulating cooling plate, power module, and manufacturing method of laminated body |
JP6269116B2 (en) * | 2014-02-05 | 2018-01-31 | 三菱マテリアル株式会社 | Metal member with underlayer, insulated circuit board, semiconductor device, insulated circuit board with heat sink, and method for producing metal member with underlayer |
JP6400501B2 (en) * | 2015-02-18 | 2018-10-03 | Dowaメタルテック株式会社 | Metal-ceramic circuit board manufacturing method |
WO2018135499A1 (en) * | 2017-01-17 | 2018-07-26 | 国立大学法人信州大学 | Method for manufacturing ceramic circuit board |
JP6965706B2 (en) * | 2017-11-29 | 2021-11-10 | 三菱電機株式会社 | Semiconductor module, its manufacturing method and power converter |
CN116426911A (en) * | 2023-04-04 | 2023-07-14 | 东莞市精微新材料有限公司 | Manufacturing method of direct aluminum-coated ceramic substrate |
Family Cites Families (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP4586823B2 (en) * | 2007-06-21 | 2010-11-24 | トヨタ自動車株式会社 | Film forming method, heat transfer member, power module, vehicle inverter, and vehicle |
JP4241859B2 (en) * | 2007-07-19 | 2009-03-18 | トヨタ自動車株式会社 | Power module manufacturing method, power module, vehicle inverter, and vehicle |
JP2009032996A (en) * | 2007-07-28 | 2009-02-12 | Sumitomo Electric Ind Ltd | Manufacturing method of heat radiation structure |
JP2009127086A (en) * | 2007-11-22 | 2009-06-11 | Toyota Motor Corp | Heat-transfer member, and method for producing the same |
-
2011
- 2011-07-11 JP JP2011152954A patent/JP5691901B2/en active Active
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
JP2013019020A (en) | 2013-01-31 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US9831157B2 (en) | Method of attaching an electronic part to a copper plate having a surface roughness | |
JP5691901B2 (en) | Power module manufacturing method | |
JP4241859B2 (en) | Power module manufacturing method, power module, vehicle inverter, and vehicle | |
JP5359644B2 (en) | Power module substrate, power module, and method of manufacturing power module substrate | |
JP6696214B2 (en) | Bonded body, power module substrate with heat sink, heat sink, and method of manufacturing bonded body, method of manufacturing power module substrate with heat sink, and method of manufacturing heat sink | |
KR101572586B1 (en) | Layered body and manufacturing method for layered body | |
US8025921B2 (en) | Method of forming a metal powder film a thermal conduction member, power module, vehicle inverter, and vehicle formed thereof | |
JP6099453B2 (en) | Electronic component mounting substrate and manufacturing method thereof | |
EP2744310A1 (en) | Wiring substrate and method for manufacturing same and semiconductor device | |
JP6811719B2 (en) | Method of manufacturing a laminate | |
TW201246386A (en) | Metallic thermal joint for high power density chips | |
WO2013047330A1 (en) | Joint | |
Lu et al. | Low-Temperature Direct Bonding of Sputtered Nanocrystalline Ag Film for Power Electronic Packaging: Bonding Mechanism, Thermal Characteristics, and Reliability | |
TWI283463B (en) | Members for semiconductor device | |
JP4910903B2 (en) | Heat transfer member manufacturing method, power module, vehicle inverter, and vehicle | |
JP2009127086A (en) | Heat-transfer member, and method for producing the same | |
JP2010189754A (en) | Method of depositing metallic film, heat transfer member, power module, and inverter for vehicle | |
JP2013191640A (en) | Substrate for power module and manufacturing method of the same | |
WO2016167218A1 (en) | Bonded body, substrate for power module with heat sink, heat sink, method for producing bonded body, method for producing substrate for power module with heat sink, and method for producing heat sink | |
CN113438804A (en) | Production method of AMB ceramic copper-clad plate | |
CN206194726U (en) | Power is bottom plate and power module for module | |
JP2010010564A (en) | Method for manufacturing power module substrate and power module substrate | |
JP2024041251A (en) | Electronic component bonding method | |
JP2001332668A (en) | Al-SiC COMPOSITE UNIT | |
CN114007335A (en) | Production method of AMB ceramic copper-clad plate |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20140114 |
|
A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20140612 |
|
A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20140617 |
|
A521 | Written amendment |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20140807 |
|
TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20150106 |
|
A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20150119 |
|
R151 | Written notification of patent or utility model registration |
Ref document number: 5691901 Country of ref document: JP Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R151 |