WO2023100939A1 - 仮止め材、および、接合体の製造方法 - Google Patents
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Definitions
- the present invention relates to a temporary fixing material used when temporarily fixing a first member and a second member, and a method for manufacturing a joined body using this temporary fixing material.
- This application claims priority based on Japanese Patent Application No. 2021-194457 filed in Japan on November 30, 2021 and Japanese Patent Application No. 2022-190222 filed in Japan on November 29, 2022. , the contents of which are hereby incorporated by reference.
- a power module, an LED module, and a thermoelectric module have a structure in which a power semiconductor element, an LED element, and a thermoelectric element are joined to an insulating circuit board in which a circuit layer made of a conductive material is formed on one side of an insulating layer. .
- a metal piece having excellent conductivity is bonded to one surface of the insulating layer to form the circuit layer, and a metal piece having excellent heat dissipation is bonded to the other surface of the insulating layer.
- a layered construction is provided. Furthermore, in order to efficiently dissipate the heat generated by the elements mounted on the circuit layer, there is also provided an insulating circuit board with a heat sink, in which a heat sink is bonded to the other side of the insulating layer.
- Patent Document 1 discloses an insulated circuit board in which a circuit layer is formed by bonding an aluminum piece to one surface of a ceramic substrate, and a metal layer is formed by bonding an aluminum piece to the other surface. and a semiconductor element bonded to the circuit layer via a solder material.
- Patent Document 2 an aluminum piece is joined to one surface of a ceramic substrate, and a copper piece is solid-phase diffusion-bonded to the aluminum piece to form a circuit layer in which an aluminum layer and a copper layer are laminated.
- An insulated circuit board has been proposed.
- Patent Document 3 a conductive circuit layer is formed on one surface of a substrate made of ceramics, a radiator is joined to the other surface of an insulating substrate, and a light emitting element is mounted on the circuit layer.
- a structural LED module is disclosed.
- polyethylene glycol is added between the members to be joined as described in Patent Documents 4 to 6, for example.
- a temporary bonding material containing an organic substance such as (PEG) the members are bonded together by applying pressure in the stacking direction and heating in a state in which the members are aligned and temporarily bonded.
- Japanese Patent No. 3171234 Japanese Patent No. 5403129 JP 2015-070199 A JP 2014-175425 A JP 2014-209591 A JP 2016-105452 A
- the present invention has been made in view of the circumstances described above, and includes a temporary fixing material capable of reliably temporarily fixing members to each other, and positioning the members using the temporary fixing material. It is an object of the present invention to provide a method for manufacturing a joined body capable of joining members to each other with high positional accuracy.
- the temporary fixing material of aspect 1 of the present invention contains an acrylic resin, a plasticizer composed of an adipate ester, and a solvent, and the content of the acrylic resin is 5 mass% or more. and the ratio A/B of the weight A of the plasticizer to the weight B of the acrylic resin is set within the range of 0.07 ⁇ A/B ⁇ 1.50.
- the temporary fixing material of aspect 1 of the present invention contains an acrylic resin and a plasticizer made of an adipate ester, and the content of the acrylic resin is 5 mass% or more, and the plasticizer Since the ratio A/B between the weight A of the acrylic resin and the weight B of the acrylic resin is within the range of 0.07 ⁇ A/B ⁇ 1.50, this temporary fixing material is disposed between the members By applying pressure to the members, it is possible to suppress misalignment between the members due to the adhesive force of the temporary fixing material.
- a method for producing a joined body according to aspect 2 of the present invention is a method for producing a joined body in which a first member and a second member are joined, comprising: a lamination step of laminating the first member and the second member; , and a bonding step of bonding the laminated first member and the second member, and the laminating step includes bonding the first member and the second member to one or both of the bonding surfaces of the first member and the second member.
- the temporary fixing material of aspect 1 of the present invention is arranged between the first member and the second member, and the first member and the second member are is laminated, the laminated first member and the second member are temporarily fixed, and the temporarily fixed first member and the second member are joined, so in the joining step, the first Positional deviation between the member and the second member can be reliably suppressed, and the first member and the second member can be joined with high positional accuracy.
- Aspect 3 of the present invention is the method for manufacturing a joined body according to Aspect 2, wherein a temporary fixing material drying step of drying the temporary fixing material disposed in the temporary fixing material disposing step is performed before the temporary fixing step. It is characterized by having According to the manufacturing method of the joined body of aspect 3 of the present invention, the temporary fixing material drying step is provided for drying the temporary fixing material disposed in the temporary fixing material disposing step before the temporary fixing step. Therefore, the adhesive force of the temporary fixing material can be improved by drying, and the first member and the second member can be reliably temporarily fixed.
- Aspect 4 of the present invention is the method for manufacturing a joined body according to aspect 2 or aspect 3 of the present invention, wherein the first member is an aluminum member made of aluminum or an aluminum alloy, and the second member is made of copper or a copper alloy. It is characterized by being made of a copper member.
- the first member is an aluminum member and the second member is a copper member.
- Aspect 5 of the present invention is characterized in that, in the method of manufacturing a joined body according to Aspect 4 of the present invention, the first member, which is an aluminum member, is a heat sink.
- the first member which is an aluminum member
- a heat sink made of aluminum or an aluminum alloy and a copper member made of copper or a copper alloy can be joined reliably and with high positional accuracy.
- Aspect 6 of the present invention is characterized in that, in the method of manufacturing a joined body according to aspect 4 of the present invention, the second member, which is a copper member, is a heat sink.
- the second member which is a copper member
- a heat sink made of copper or a copper alloy and an aluminum member made of aluminum or an aluminum alloy can be joined reliably and with high positional accuracy.
- Aspect 7 of the present invention is characterized in that the first member is a metal member and the second member is a brazing material in the method of manufacturing a joined body according to aspect 2 or aspect 3 of the present invention.
- the first member is a metal member
- the second member is a brazing material
- these metal members and the brazing material are temporarily fixed with the above temporary fixing material. Since they are fixed, the metal member and the brazing material can be precisely positioned and temporarily fixed.
- Aspect 8 of the present invention is the method for manufacturing a joined body according to aspect 2 or aspect 3 of the present invention, wherein the first member is an aluminum member made of aluminum or an aluminum alloy, and the second member is made of aluminum or an aluminum alloy. It is characterized by being made of an aluminum member.
- the first member is an aluminum member and the second member is an aluminum member.
- the aluminum member can be securely joined to the aluminum member with high positional accuracy.
- a ninth aspect of the present invention is the method for manufacturing a joined body according to the second aspect or the third aspect of the present invention, wherein the first member is a copper member made of copper or a copper alloy, and the second member is copper or a copper alloy. It is characterized in that it is a copper member made of.
- the first member is a copper member and the second member is a copper member.
- the copper member can be securely joined to the copper member with high positional accuracy.
- a tenth aspect of the present invention is characterized in that the first member is a ceramic member and the second member is a brazing material in the method of manufacturing a joined body according to the second or third aspect of the present invention.
- the first member is a ceramic member
- the second member is a brazing material
- the metal member and the brazing material are temporarily bonded together by the above-described temporary bonding material. Since they are fixed, the ceramic member and the brazing material can be accurately positioned and temporarily fixed.
- the present invention it is possible to join the members with high positional accuracy by positioning the members with a temporary fixing material that can reliably temporarily fix the members together, and by using the temporary fixing material to position the members. It is possible to provide a method for manufacturing a conjugated body.
- FIG. 2 is a flowchart showing a method of manufacturing the insulated circuit board and power module shown in FIG. 1; 1. It is explanatory drawing which shows the manufacturing method of the insulated circuit board shown in FIG. 1. It is explanatory drawing which shows the manufacturing method of the insulated circuit board shown in FIG.
- FIG. 5 is a cross-sectional explanatory view of an insulated circuit board and a power module manufactured by a method of manufacturing a joined body according to a second embodiment of the present invention; FIG.
- 6 is a flowchart showing a method of manufacturing the insulated circuit board and power module shown in FIG. 5; 6A and 6B are explanatory views showing a method of manufacturing the insulated circuit board shown in FIG. 5; 6A and 6B are explanatory views showing a method of manufacturing the insulated circuit board shown in FIG. 5; 6A and 6B are explanatory views showing a method of manufacturing the insulated circuit board shown in FIG. 5;
- FIG. 1 shows an insulated circuit board 10 and a power module 1 manufactured by the method for manufacturing a joined body using the temporary fixing material of the present embodiment.
- This power module 1 includes an insulating circuit board 10 on which a circuit layer 12 and a metal layer 13 are arranged, and a semiconductor element 3 bonded to one surface (upper surface in FIG. 1) of the circuit layer 12 via a bonding layer 2. and a heat sink 31 arranged on the other side (lower side in FIG. 1) of the metal layer 13 .
- the semiconductor element 3 is made of a semiconductor material such as Si.
- the semiconductor element 3 and the circuit layer 12 are bonded via the bonding layer 2 .
- the bonding layer 2 is made of, for example, a Sn--Ag-based, Sn--In-based, or Sn--Ag--Cu-based solder material.
- the insulating circuit board 10 is composed of a ceramic substrate 11 serving as an insulating layer, a circuit layer 12 disposed on one surface of the ceramic substrate 11 (upper surface in FIG. 1), and the ceramic substrate 11. and a metal layer 13 formed on the other surface (lower surface in FIG. 1).
- the ceramic substrate 11 prevents electrical connection between the circuit layer 12 and the metal layer 13, and is made of a highly insulating material such as AlN (aluminum nitride) or Si3N4 (silicon nitride) . It is configured.
- the thickness of the ceramic substrate 11 is set within a range of 0.2 mm or more and 1.5 mm or less. ing. When using Si 3 N 4 (silicon nitride) as the ceramic substrate 11, the thickness is preferably 0.32 mm.
- the circuit layer 12 is formed by joining a metal piece 22 made of copper, copper alloy, aluminum, or aluminum alloy to one surface of the ceramic substrate 11 .
- the circuit layer 12 is composed of a metal piece 22 bonded to one surface of the ceramic substrate 11, and the metal piece 22 is made of copper, copper alloy, aluminum, or aluminum alloy.
- Oxygen-free copper, tough pitch copper, or the like can be used as the copper or copper alloy.
- aluminum and aluminum alloys aluminum having a purity of 99.99 mass % or higher (so-called 4N aluminum), rolled plates of A3003 alloy, A6063 alloy, or the like can be used.
- the metal piece 22 forming the circuit layer 12 one obtained by punching a rolled plate of oxygen-free copper is used.
- a circuit pattern is formed on the circuit layer 12 by joining the metal pieces 22 in a pattern, and one surface (the upper surface in FIG. 1) of the circuit layer 12 serves as a mounting surface on which the semiconductor element 3 is mounted. It is
- the thickness of the circuit layer 12 is set within a range of 0.1 mm or more and 2.0 mm or less, and is set to 0.8 mm in this embodiment.
- the metal layer 13 is formed by bonding a metal piece 23 made of copper, copper alloy, aluminum, or an aluminum alloy to the other surface of the ceramic substrate 11, as shown in FIG.
- the metal layer 13 is composed of a metal piece 23 bonded to the other surface of the ceramic substrate 11, and the metal piece 23 is made of copper, copper alloy, aluminum, or aluminum alloy.
- the metal piece 23 one made of oxygen-free copper, tough pitch copper, or the like can be used.
- aluminum and aluminum alloys aluminum having a purity of 99.99 mass % or higher (so-called 4N aluminum), rolled plates of A3003 alloy, A6063 alloy, or the like can be used.
- a rolled sheet of oxygen-free copper is used as the metal piece 23 forming the metal layer 13 .
- the thickness of the metal layer 13 is set within a range of 0.1 mm or more and 2.0 mm or less, and is set to 0.8 mm in this embodiment.
- the heat sink 31 is for dissipating heat from the insulating circuit board 10 side.
- the heat sink 31 is made of a material with good thermal conductivity, such as aluminum or an aluminum alloy, and is made of A6063 alloy in this embodiment.
- the thickness of the heat sink 31 is set within a range of 3 mm or more and 10 mm or less.
- the metal layer 13 of the insulated circuit board 10 and the heat sink 31 are bonded by solid phase diffusion bonding.
- FIG. 1 the manufacturing method of the joined body (the manufacturing method of the insulating circuit board and the manufacturing method of the insulating circuit board with a heat sink) according to the present embodiment will be described with reference to FIGS. 2 to 4.
- FIG. 1 the manufacturing method of the joined body (the manufacturing method of the insulating circuit board and the manufacturing method of the insulating circuit board with a heat sink) according to the present embodiment will be described with reference to FIGS. 2 to 4.
- FIG. 1 the manufacturing method of the joined body (the manufacturing method of the insulating circuit board and the manufacturing method of the insulating circuit board with a heat sink) according to the present embodiment will be described with reference to FIGS. 2 to 4.
- FIG. 1 the manufacturing method of the insulating circuit board and the manufacturing method of the insulating circuit board with a heat sink
- Metal piece lamination step S01 First, as shown in FIG. 3, a metal piece 22 to be the circuit layer 12 is laminated on one surface of the ceramic substrate 11 with a brazing filler metal foil 26 interposed therebetween, and a brazing filler metal foil is laminated on the other surface of the ceramic substrate 11 . 27 are interposed, and a metal piece 23 to be the metal layer 13 is laminated.
- a brazing material containing active metals such as Ag and Ti is used.
- a brazing filler metal in which aluminum and silicon or aluminum and copper are mixed is used.
- the brazing foils 26 and 27 are made of Ag--Cu--Ti based brazing material.
- the thickness is within the range of 5 ⁇ m or more and 50 ⁇ m or less.
- Temporary fixing materials 40 of the present embodiment are arranged between the brazing foil 27 and the metal piece 23 (temporary fixing material arrangement step S11).
- the provision of the temporary fixing material 40 is performed by coating, for example.
- the application amount of the temporary fixing material 40 per unit area of the joint surface is preferably 0.5 mg/cm 2 or more and 10 mg/cm 2 or less, and more preferably 1 mg/cm 2 or more and 5 mg/cm 2 or less.
- the metal piece 22, the brazing filler metal foil 26, the ceramic substrate 11, the brazing filler metal foil 27, and the metal piece 23 are temporarily fixed by using the temporary fixing material 40 (metal piece temporary fixing step S12). ).
- the temporary fixing material 40 of the present embodiment contains an acrylic resin, a plasticizer made of an adipate ester, and a solvent.
- the ratio A/B between the weight A of the acrylic resin and the weight B of the acrylic resin is within the range of 0.07 ⁇ A/B ⁇ 1.50.
- the acrylic resin content is preferably 7 mass % or more, more preferably 10 mass % or more.
- the content of the acrylic resin is preferably 60 mass% or less, more preferably 40 mass% or less.
- the ratio A/B between the weight A of the plasticizer and the weight B of the acrylic resin is preferably 0.40 or more.
- the ratio A/B between the weight A of the plasticizer and the weight B of the acrylic resin is preferably 0.90 or less.
- plasticizers composed of adipates include diisononyl adipate, diisodecyl adipate, bis(2-ethylhexyl) adipate, and bis(2-butoxyethyl) adipate.
- solvents that can be used include ⁇ -terpineol, texanol (3-hydroxy-2,2,4-trimethylpentyl isobutyrate), butyl carbitol acetate, and the like.
- the solvent content is preferably in the range of 6.5 mass % or more and 86.0 mass % or less.
- the viscosity range of the temporary fixing material 40 at the time of application can be set to a viscosity range suitable for each application method.
- a dispenser it is preferable to set the pressure within the range of 0.01 Pa ⁇ s to 10 Pa ⁇ s.
- screen printing it is preferable to make it within the range of 10 Pa.s or more and 200 Pa.s or less.
- a spray it is preferably within the range of 0.001 Pa ⁇ s or more and 10 Pa ⁇ s or less.
- a temporary fixing material drying process for drying the arranged temporary fixing material may be carried out.
- drying the temporary fixing material it is preferable to dry at a temperature higher than the volatilization temperature of the solvent and lower than the volatilization temperature of the plasticizer, or at a temperature higher than the volatilization temperature of the solvent and lower than the decomposition temperature of the plasticizer.
- the drying time is preferably in the range of 5 seconds to 30 minutes.
- the metal piece temporary fixing step S12 the metal piece 22, the brazing filler metal foil 26, the ceramic substrate 11, the brazing filler metal foil 27, and the metal piece 23 laminated via the temporary fixing material 40 are pressed under pressure: It is preferable to apply pressure in the stacking direction under the conditions of 0.01 MPa or more and 1.0 MPa or less and the pressure time of 1 second or more and 600 seconds or less.
- the applied pressure in the metal piece temporary fixing step S12 is more preferably 0.03 MPa or more, more preferably 0.05 MPa or more.
- the applied pressure in the metal piece temporary fixing step S12 is more preferably 0.7 MPa or less, more preferably 0.5 MPa or less.
- the pressurization time in the metal piece temporary fixing step S12 is more preferably 5 seconds or longer, more preferably 10 seconds or longer.
- the pressurization time in the metal piece temporary fixing step S12 is more preferably 300 seconds or less, more preferably 120 seconds or less.
- the metal pieces 22 and 23 and the brazing foils 26 and 27 may be temporarily fixed by their own weight without applying pressure.
- Metal Piece Joining Step S02 Next, the metal piece 22, the brazing filler metal foil 26, the ceramic substrate 11, the brazing filler metal foil 27, and the metal piece 23 laminated and temporarily fixed are pressed in the stacking direction using a pressure device, and placed in a vacuum heating furnace.
- the circuit layer 12 is formed by bonding the metal piece 22 and the ceramic substrate 11 together
- the metal layer 13 is formed by bonding the metal piece 23 and the ceramic substrate 11 together.
- the heating temperature is appropriately selected depending on the metal pieces to be joined.
- the metal piece is copper or a copper alloy, it is above the eutectic point of Ag and Cu, and when it is aluminum or an aluminum alloy, it is above the eutectic point of aluminum and the metal contained in the metal paste for bonding. ing.
- the vacuum condition is in the range of 10 -6 Pa or more and 10 -3 Pa or less
- the heating temperature is in the range of 790 ° C. or more and 850 ° C. or less
- the holding time at the above heating temperature is 0.1 minute or more and 120 minutes.
- the pressure load in the stacking direction is set within the range of 0.01 MPa or more and 1.0 MPa or less.
- the heating temperature in the metal piece bonding step S02 is preferably 800° C. or higher. On the other hand, the heating temperature is preferably 840° C. or lower. Moreover, it is preferable that the holding time at the heating temperature in the metal piece bonding step S02 is 5 minutes or longer. On the other hand, the holding time at the heating temperature is preferably 60 minutes or less. Furthermore, the applied pressure in the metal piece bonding step S02 is preferably 0.1 MPa or more. On the other hand, the pressure load is preferably 0.6 MPa or less.
- the insulated circuit board 10 is manufactured through the steps described above.
- the insulating circuit board 10 (metal layer 13) and the heat sink 31 are laminated.
- temporary fixing material disposing step S31 temporary fixing material disposing step S31
- the metal layer 13 and the heat sink 31 are temporarily fixed by using the temporary fixing material 40 (heat sink temporary fixing step S32).
- the temporary fixing material 40 used in this embodiment, the temporary fixing material 40 having the same structure as the temporary fixing material 40 described above can be applied. Also, the above-described method can be applied to the method of applying the temporary fixing material 40 .
- a pressure in the range of 0.01 MPa or more and 1.0 MPa or less is applied to the insulating circuit board 10 (metal layer 13) and the heat sink 31 laminated via the temporary fixing material 40.
- Pressure time It is preferable to apply pressure in the stacking direction under conditions within the range of 1 second or more and 600 seconds or less.
- the applied pressure in the heat sink temporary fixing step S32 is more preferably 0.03 MPa or more, more preferably 0.05 MPa or more.
- the applied pressure in the heat sink temporary fixing step S32 is more preferably 0.7 MPa or less, more preferably 0.5 MPa or less.
- the pressurization time in the heat sink temporary fixing step S32 is more preferably 5 seconds or longer, more preferably 10 seconds or longer.
- the pressurization time in the heat sink temporary fixing step S32 is more preferably 300 seconds or less, more preferably 120 seconds or less.
- Heat-sink bonding step S04 Next, the laminated insulating circuit board 10 and the heat sink 31 are put into a vacuum heating furnace while being pressed in the stacking direction using a pressurizing device, and the metal layer 13 and the heat sink 31 are solid-phase diffusion bonded.
- the bonding conditions in this heat sink bonding step S04 are vacuum conditions in the range of 10 ⁇ 6 Pa or more and 10 ⁇ 3 Pa or less, heating temperature in the range of 440° C. or more and 548° C. or less, and holding time at the heating temperature of 30 minutes or more. It is set within the range of 150 minutes or less. It should be noted that the load in the stacking direction should be in the range of 0.9 MPa or more and 1.2 MPa or less.
- semiconductor element bonding step S05 Next, the semiconductor element 3 is soldered to one surface of the circuit layer 12 of the insulating circuit board 10 .
- the power module 1 shown in FIG. 1 is produced by the above-described steps.
- the temporary fixing material 40 of the present embodiment contains an acrylic resin and a plasticizer made of an adipate ester, and the content of the acrylic resin is 5 mass% or more.
- the ratio A/B of the weight A of the plasticizer to the weight B of the acrylic resin is set within the range of 0.07 ⁇ A/B ⁇ 1.50. Therefore, the adhesive strength of the temporary fixing material 40 (for example, an adhesive strength of 30 Pa or more and 50000 Pa or less, or an adhesive strength of 30 Pa or more and 900 Pa or less if there is no drying process for the temporary fixing material) causes the metal piece 22 and the brazing filler metal foil to be separated. 26, the brazing filler metal foil 26 and the ceramics substrate 11, the ceramics substrate 11 and the brazing filler metal foil 27, and the brazing filler metal foil 27 and the metal piece 23 can be positioned and fixed firmly.
- the metal piece temporary fixing step S12 pressure is applied in the stacking direction, the applied pressure is in the range of 0.01 MPa or more and 1.0 MPa or less, and the pressure time is in the range of 1 second or more and 600 seconds or less.
- the distance between the metal piece 22, the brazing filler metal foil 26, the ceramic substrate 11, the brazing filler metal foil 27, and the metal piece 23 is more reliably suppressed, the metal piece 22, the ceramic substrate 11, and the metal piece 23 can be more reliably prevented from being displaced. 23 can be temporarily fixed with higher positional accuracy.
- the temporary fixing material 40 of the present embodiment is arranged on the joint surface of the metal layer 13 and the joint surface of the heat sink 31, and the metal layer 13 and the heat sink 31 are positioned and temporarily fixed, the occurrence of positional deviation in the heat sink bonding step S04 can be suppressed, and the metal layer 13 and the heat sink 31 can be bonded with high positional accuracy.
- the metal layer 13 and the heat sink 31 are temporarily fixed in the heat sink temporary fixing step S32, pressure is applied in the stacking direction, and the applied pressure is 0.01 MPa or more and 1.0 MPa.
- the pressurization time is within the range of 1 second or more and 600 seconds or less, the metal layer 13 and the heat sink 31 can be temporarily fixed more firmly, and the position in the heat sink bonding step S04 The occurrence of misalignment can be further suppressed, and the metal layer 13 and the heat sink 31 can be joined with high positional accuracy.
- FIG. 5 shows an insulated circuit board 110 and a power module 101 manufactured by the method for manufacturing a joined body using the temporary fixing material according to the present embodiment.
- Members similar to those of the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted.
- This power module 101 includes an insulating circuit board 110 on which a circuit layer 112 and a metal layer 113 are arranged, and a semiconductor element 3 bonded to one surface (upper surface in FIG. 5) of the circuit layer 112 via a bonding layer 2. and a heat sink 131 arranged on the other side (lower side in FIG. 5) of the metal layer 113 .
- the insulating circuit board 110 of the present embodiment includes a ceramic substrate 11, a circuit layer 112 provided on one surface (upper surface in FIG. 5) of the ceramic substrate 11, and a ceramic substrate. and a metal layer 113 disposed on the other surface of the substrate 11 (lower surface in FIG. 5).
- the circuit layer 112 includes an aluminum layer 112A provided on one surface of the ceramic substrate 11 and a copper layer 112B laminated on one side (upper side in FIG. 5) of the aluminum layer 112A. ,have.
- the aluminum layer 112A is formed by bonding an aluminum piece 122A to one surface (upper surface in FIG. 7) of the ceramics substrate 11.
- the aluminum piece 122A that forms the aluminum layer 112A is obtained by punching out a rolled plate of aluminum having a purity of 99.99 mass % or higher (so-called 4N aluminum). As shown in FIG.
- the copper layer 112B is formed by joining a copper piece 122B made of copper or a copper alloy to one side (upper side in FIG. 8) of the aluminum layer 112A.
- the copper piece 122B that forms the copper layer 112B is obtained by punching out a rolled sheet of oxygen-free copper.
- the circuit layer 112 has a circuit pattern formed by arranging the aluminum pieces 122A and the copper pieces 122B in a pattern, and one surface (the upper surface in FIG. 5) is a semiconductor layer. It is used as a mounting surface on which the element 3 is mounted.
- the thickness of the aluminum layer 112A constituting the circuit layer 112 is set within a range of 0.1 mm or more and 1.0 mm or less, and the thickness of the copper layer 112B constituting the circuit layer 112 is 0.
- the width is set within a range of 0.1 mm or more and 2.0 mm or less.
- the aluminum layer 112A (aluminum piece 122A) and the copper layer 112B (copper piece 122B) are solid phase diffusion bonded.
- This circuit layer 112 (aluminum layer 112A and copper layer 112B) serves as a bonded body in this embodiment.
- the metal layer 113 is formed by bonding an aluminum piece 123 made of aluminum or an aluminum alloy to the other surface of the ceramic substrate 11 (the lower surface in FIG. 7).
- an aluminum piece 123 forming the metal layer 113 a rolled plate of aluminum having a purity of 99.99 mass % or higher (so-called 4N aluminum) is used.
- the heat sink 131 is for dissipating heat from the insulating circuit board 110 side.
- the heat sink 131 is made of copper or a copper alloy with good thermal conductivity, and in this embodiment, it is a radiator plate made of oxygen-free copper.
- the thickness of the heat sink 131 is set within a range of 3 mm or more and 10 mm or less.
- the metal layer 113 of the insulating circuit board 110 and the heat sink 131 are solid phase diffusion bonded.
- FIG. 6 a method for manufacturing a bonded body (a method for manufacturing an insulating circuit board and a method for manufacturing an insulating circuit board with a heat sink) according to this embodiment will be described with reference to FIGS. 6 to 9.
- FIG. 6 a method for manufacturing a bonded body (a method for manufacturing an insulating circuit board and a method for manufacturing an insulating circuit board with a heat sink) according to this embodiment will be described with reference to FIGS. 6 to 9.
- an aluminum piece 122A to be an aluminum layer 112A is laminated on one surface of the ceramic substrate 11 with a brazing filler metal foil 126 interposed therebetween, and a brazing filler metal foil is laminated on the other surface of the ceramic substrate 11.
- An aluminum piece 123 to be the metal layer 113 is laminated with a metal layer 113 interposed therebetween.
- the brazing filler metal foils 126 and 127 are made of Al--Si based brazing filler metal and have a thickness within the range of 5 ⁇ m or more and 50 ⁇ m or less.
- the temporary fixing members 40 of the present embodiment are respectively provided (temporary fixing member providing step S111). ).
- the aluminum piece 122A, the brazing filler metal foil 126, the ceramic substrate 11, the brazing filler metal foil 127, and the aluminum piece 123 are temporarily fixed by using the temporary fixing material 40 (aluminum piece temporary fixing step S112).
- the temporary fixing material 40 used in this embodiment can have the same structure as the temporary fixing material described in the first embodiment.
- the method described in the first embodiment can also be applied to the method of applying the temporary fixing material 40 .
- a pressure of 0.01 MPa is applied to the aluminum piece 122A, the brazing filler metal foil 126, the ceramic substrate 11, the brazing filler metal foil 127, and the aluminum piece 123 laminated via the temporary fixing material 40. It is preferable to pressurize in the stacking direction under the conditions of 1.0 MPa or more and a pressurization time of 1 second or more and 600 seconds or less.
- the applied pressure in the step S112 of temporarily fixing the aluminum piece is more preferably 0.03 MPa or more, more preferably 0.05 MPa or more.
- the applied pressure in the aluminum piece temporary fixing step S112 is more preferably 0.7 MPa or less, more preferably 0.5 MPa or less.
- the pressurization time in the step S112 of temporarily fixing the aluminum pieces is more preferably 5 seconds or longer, more preferably 10 seconds or longer.
- the pressurization time in the aluminum piece temporary fixing step S112 is more preferably 300 seconds or less, more preferably 120 seconds or less.
- the aluminum piece 122A, the brazing filler metal foil 126, the ceramic substrate 11, the brazing filler metal foil 127, and the aluminum piece 123 laminated and temporarily fixed are pressed in the stacking direction using a pressure device, and placed in a vacuum heating furnace.
- the aluminum piece 122A and the ceramic substrate 11 are joined to form the aluminum layer 112A, and the aluminum piece 123 and the ceramic substrate 11 are joined to form the metal layer 113.
- the bonding conditions in this aluminum piece bonding step S102 are as follows: the vacuum condition is in the range of 10 ⁇ 6 Pa or more and 10 ⁇ 3 Pa or less, the heating temperature is in the range of 630° C. or more and 655° C. or less, and the holding time at the above heating temperature is 1.
- the pressure load in the stacking direction is set in the range of 0.01 MPa to 1.0 MPa.
- the heating temperature in the aluminum piece bonding step S102 is preferably 635° C. or higher. On the other hand, the heating temperature is preferably 650° C. or lower. Further, the holding time at the heating temperature in the aluminum piece joining step S102 is preferably 5 minutes or longer. On the other hand, the holding time at the heating temperature is preferably 120 minutes or less. Furthermore, the pressure load in the aluminum piece bonding step S102 is preferably 0.3 MPa or more. On the other hand, the pressure load is preferably 0.6 MPa or less.
- Copper piece lamination step S103 Next, as shown in FIG. 8, a copper piece 122B made of copper or a copper alloy is laminated on the surface of the aluminum layer 112A.
- a copper piece 122B to be the copper layer 112B is laminated on the surface of the aluminum layer 112A.
- the temporary fixing material 40 is used to temporarily fix the aluminum layer 112A and the copper piece 122B in a positioned state (copper piece temporary fixing step S132).
- the temporary fixing material 40 used in this embodiment can have the same structure as the temporary fixing material described in the first embodiment.
- the method described in the first embodiment can also be applied to the method of applying the temporary fixing material 40 .
- the aluminum layer 112A and the copper piece 122B laminated via the temporary fixing material 40 are pressurized in a range of 0.01 MPa or more and 1.0 MPa or less for a pressurization time of 1. It is preferable to apply pressure in the stacking direction under conditions within the range of seconds to 600 seconds.
- the applied pressure in the copper piece temporary fixing step S132 is more preferably 0.03 MPa or more, and more preferably 0.05 MPa or more.
- the applied pressure in the copper piece temporary fixing step S132 is more preferably 0.7 MPa or less, more preferably 0.5 MPa or less.
- the pressurization time in the step S132 of temporarily fixing the copper pieces is more preferably 5 seconds or longer, more preferably 10 seconds or longer.
- the pressurization time in the copper piece temporary fixing step S132 is more preferably 300 seconds or less, more preferably 120 seconds or less.
- Heat sink laminating step S104 Next, as shown in FIGS. 8 and 9, the metal layer 113 and the heat sink 131 are laminated.
- the temporary fixing material 40 is used to temporarily fix the metal layer 113 and the heat sink 131 in a positioned state (heat sink temporary fixing step S142).
- the temporary fixing material 40 used in this embodiment can have the same structure as the temporary fixing material described in the first embodiment.
- the method described in the first embodiment can also be applied to the method of applying the temporary fixing material 40 .
- a pressure of 0.01 MPa or more and 1.0 MPa or less is applied to the metal layer 113 made of an aluminum member or the like laminated via the temporary fixing material 40 and the heat sink 131 made of a copper member or the like. It is preferable to pressurize in the stacking direction under conditions within the range, pressurization time: 1 second or more and 600 seconds or less.
- the applied pressure in the heat sink temporary fixing step S142 is more preferably 0.03 MPa or more, more preferably 0.05 MPa or more.
- the applied pressure in the heat sink temporary fixing step S142 is more preferably 0.7 MPa or less, more preferably 0.5 MPa or less.
- the pressurization time in the heat sink temporary fixing step S142 is more preferably 5 seconds or longer, more preferably 10 seconds or longer.
- the pressurization time in the heat sink temporary fixing step S142 is more preferably 300 seconds or less, more preferably 120 seconds or less.
- Solid phase diffusion bonding step S105 Next, as shown in FIG. 9, the copper piece 122B and the aluminum layer 112A, and the metal layer 113 and the heat sink 131, which are temporarily fixed, are placed in a vacuum heating furnace while being pressurized in the stacking direction using a pressurizing device. Then, the copper piece 122B and the aluminum layer 112A are solid phase diffusion bonded to form the circuit layer 112, and the metal layer 113 and the heat sink 131 are solid phase diffusion bonded.
- the bonding conditions in this solid phase diffusion bonding step S105 are as follows: vacuum condition within the range of 10 ⁇ 6 Pa or more and 10 ⁇ 3 Pa or less, heating temperature within the range of 400° C. or more and 548° C. or less, and holding time at the heating temperature of 5. It is set within the range of minutes to 240 minutes. It should be noted that the load in the stacking direction should be in the range of 0.9 MPa or more and 1.2 MPa or less.
- the insulating circuit board 110 (insulating circuit board with heat sink) of the present embodiment is manufactured.
- the aluminum piece temporary fixing step S112 in the aluminum piece temporary fixing step S112, the aluminum piece 122A and the brazing filler metal foil 126, the brazing filler metal foil 126 and the ceramic substrate 11, and the ceramic substrate 11 and the brazing foil 127, and between the brazing foil 127 and the aluminum piece 123, respectively. Therefore, the occurrence of positional deviation in the aluminum piece joining step S102 can be suppressed, and the aluminum piece 122A, the ceramic substrate 11, and the aluminum piece 123 can be joined with good positional accuracy.
- the aluminum layer 112A and the copper piece 122B are arranged with the temporary fixing material 40 according to the present embodiment, and are positioned by the temporary fixing material 40. Temporarily fastened. Therefore, the occurrence of positional deviation in the solid-phase diffusion bonding step S105 can be suppressed, and the aluminum layer 112A and the copper piece 122B can be solid-phase diffusion bonded with high positional accuracy.
- the metal layer 113 and the heat sink 131 are temporarily fixed in a state of being positioned using the temporary fixing material 40 of the present embodiment.
- the occurrence of positional deviation in the bonding step S105 can be suppressed, and the metal layer 113 and the heat sink 131 can be solid-phase diffusion bonded with high positional accuracy.
- the pressing pressure is in the range of 0.01 MPa or more and 1.0 MPa or less and the pressing time is in the range of 1 second or more and 600 seconds or less, the positions of the aluminum piece 122A, the ceramic substrate 11 and the aluminum piece 123 Displacement, positional displacement between the aluminum layer 112A and the copper piece 122B, and positional displacement between the metal layer 113 and the heat sink 131 can be further reliably suppressed, and the temporary fixing can be performed with high positional accuracy.
- oxygen-free copper was used as the metal piece 22 (circuit layer 12) and the metal piece 23 (metal layer 13), but aluminum or an aluminum alloy may be used instead. Although oxygen-free copper is used as the heat sink in the above embodiment, aluminum or an aluminum alloy may be used.
- the power module is configured by mounting the power semiconductor element on the circuit layer of the insulated circuit board, but the present invention is not limited to this.
- an LED module may be configured by mounting an LED element on an insulating circuit board, or a thermoelectric module may be configured by mounting a thermoelectric element on the circuit layer of an insulating circuit board.
- the insulating layer is made of a ceramic substrate, but the present invention is not limited to this, and the insulating layer may be made of resin or the like.
- the insulation circuit board (metal layer) and the heat sink have been described as being bonded by solid phase diffusion bonding, but the present invention is not limited to this, and other bonding methods such as brazing, TLP, etc. may apply.
- the heat sink has been described as a radiator plate, but the heat sink is not limited to this, and may be provided with a flow path through which a cooling medium is circulated inside.
- Example 1 An aluminum piece (40 mm ⁇ 40 mm ⁇ 0.4 mmt) made of 4N aluminum with a purity of 99.99 mass % or higher and a copper piece (37 mm ⁇ 37 mm ⁇ 0.8 mmt) made of oxygen-free copper were prepared. Then, a temporary fixing material having a composition shown in Table 1 was prepared.
- a temporary fixing material was provided between the aluminum piece and the copper piece, and the aluminum piece and the copper piece were laminated. Then, the aluminum piece and the copper piece were temporarily fixed by applying pressure in the stacking direction at the pressure and time shown in Table 2. After that, the aluminum piece and the copper piece, which were temporarily fixed, were pressurized and heated under the conditions shown in Table 2, thereby performing solid-phase diffusion bonding of the aluminum piece and the copper piece.
- the shear strength of the temporarily bonded aluminum piece and copper piece was measured using a bonding tester PTR-1101 manufactured by Lesca Corporation. Apply the tool to the side of the copper piece, move it horizontally to the aluminum piece, that is, in the direction parallel to the joint surface with the aluminum piece, measure the load applied when the copper piece is separated from the temporary fixing material, The fixing strength in the horizontal direction is used.
- the share speed (the speed at which the tool is moved) was set to 0.05 mm/sec. Table 2 shows the evaluation results.
- the bonding rate of the bonding interface between the aluminum piece and the copper piece after bonding was evaluated using an ultrasonic flaw detector (FineSAT200 manufactured by Hitachi Power Solutions Co., Ltd.) and calculated from the following equation.
- the initial bonding area is the area to be bonded before bonding.
- the total joint area was taken as the initial joint area.
- delamination is indicated by a white portion within the bonded portion, so the area of this white portion was defined as the delaminated area (non-bonded portion area).
- (bonding ratio) ⁇ (initial bonding area) - (non-bonding area) ⁇ /(initial bonding area) x 100
- the ratio A/B of the weight A of the plasticizer to the weight B of the acrylic resin is 0.05, which is smaller than the range of the present invention, and the fixing strength in the horizontal direction and the fixing strength in the vertical direction during temporary fixing The strength was 0 Pa, and the aluminum piece and the copper piece could not be temporarily fixed.
- Comparative Example 2 the acrylic resin was not contained, and the fixing strength in the horizontal direction and the fixing strength in the vertical direction during temporary fixing were 0 Pa, and the aluminum piece and the copper piece could not be temporarily fixed.
- Comparative Example 3 the content of the acrylic resin is 3.0 mass%, the fixing strength in the horizontal direction and the fixing strength in the vertical direction during temporary fixing are 0 Pa, and the aluminum piece and the copper piece can be temporarily fixed. I could't do it.
- the content of the acrylic resin is 5 mass% or more, and the ratio A/B of the weight A of the plasticizer to the weight B of the acrylic resin is 0.07 ⁇ A / B ⁇ 1.50, the fixing strength in the horizontal direction at the time of temporary fixing is 37 Pa or more, and the fixing strength in the vertical direction is 0.4 kPa or more, and the aluminum piece and the copper piece are securely attached. I was able to temporarily stop it.
- Example 2 A ceramic substrate (40 mm ⁇ 40 mm ⁇ 0.635 mmt) made of aluminum nitride, and an aluminum piece (37 mm ⁇ 37 mm ⁇ 0.4 mmt) was prepared. Then, a temporary fixing material having a composition shown in Table 3 was prepared.
- a temporary bonding material was applied onto a ceramic substrate, and the applied temporary bonding material was dried in a hot air drying oven under the conditions shown in Table 4.
- An aluminum piece with a brazing filler metal foil was laminated on the ceramic substrate on which the dried temporary fixing material was arranged so that the brazing filler metal faced the ceramic substrate.
- the ceramic substrate and the aluminum piece were temporarily fixed. After that, the temporarily fixed ceramic substrate and the aluminum piece with brazing material were pressurized and heated under the conditions shown in Table 4 to bond the ceramic substrate and the aluminum piece.
- the bonding ratio of the bonding interface after bonding was evaluated using an ultrasonic flaw detector (FineSAT200 manufactured by Hitachi Power Solutions Co., Ltd.) and calculated from the following equation.
- the initial bonding area is the area to be bonded before bonding.
- delamination is indicated by a white portion within the bonded portion, so the area of this white portion was defined as the delaminated area (non-bonded portion area).
- (bonding ratio) ⁇ (initial bonding area) - (non-bonding area) ⁇ /(initial bonding area) x 100
- the ratio A/B of the weight A of the plasticizer to the weight B of the acrylic resin is 1.60, which is larger than the range of the present invention, and the fixing strength in the horizontal direction and the fixing strength in the vertical direction during temporary fixing The strength was 0 Pa, and the aluminum piece and the ceramic substrate could not be temporarily fixed.
- the ratio A/B of the weight A of the plasticizer to the weight B of the acrylic resin was 0.05, which is smaller than the range of the present invention, and the fixing strength in the horizontal direction and the fixing strength in the vertical direction during temporary fixing The strength was 0 Pa, and the aluminum piece and the ceramic substrate could not be temporarily fixed.
- the content of the acrylic resin is 5 mass% or more, and the ratio A/B of the weight A of the plasticizer to the weight B of the acrylic resin is 0.07 ⁇ A/B ⁇ 1.50 is satisfied, and the fixing strength in the horizontal direction and the fixing strength in the vertical direction are sufficiently high at the time of temporary fixing, and the aluminum piece and the ceramic substrate can be reliably temporarily fixed. rice field.
- a temporary fixing material capable of reliably temporarily fixing members to each other, and by positioning the members using this temporary fixing material, the members can be fixed to each other. It was confirmed that it is possible to provide a method for manufacturing a joined body that can be joined with high positional accuracy.
- the present invention it is possible to join the members with high positional accuracy by positioning the members with a temporary fixing material that can reliably temporarily fix the members together, and by using the temporary fixing material to position the members. It is possible to provide a method for manufacturing a conjugated body.
- Reference Signs List 1 101 power module 3 semiconductor element 10, 110 insulating circuit board 11 ceramic substrate 12, 112 circuit layer 13, 113 metal layer 22 metal piece 23 metal piece 26, 126 brazing foil 27, 127 brazing foil 31, 131 heat sink 40
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Abstract
本発明の仮止め材は、アクリル樹脂と、アジピン酸エステルからなる可塑剤と、溶剤と、を含有し、前記アクリル樹脂の含有量が5mass%以上とされるとともに、前記可塑剤の重量Aと前記アクリル樹脂の重量Bとの比A/Bが0.07≦A/B≦1.50の範囲内とされている。
Description
本発明は、第一部材と第二部材とを仮止めする際に用いられる仮止め材、この仮止め材を用いた接合体の製造方法に関する。
本願は、2021年11月30日に、日本に出願された特願2021-194457号、および2022年11月29日に、日本に出願された特願2022-190222号に基づく優先権を主張し、その内容をここに援用する。
本願は、2021年11月30日に、日本に出願された特願2021-194457号、および2022年11月29日に、日本に出願された特願2022-190222号に基づく優先権を主張し、その内容をここに援用する。
パワーモジュール、LEDモジュール及び熱電モジュールにおいては、絶縁層の一方の面に導電材料からなる回路層を形成した絶縁回路基板に、パワー半導体素子、LED素子及び熱電素子が接合された構造とされている。
また、上述の絶縁回路基板においては、絶縁層の一方の面に導電性の優れた金属片を接合して回路層とし、また、他方の面に放熱性に優れた金属片を接合して金属層を形成した構造のものが提供されている。
さらに、回路層に搭載した素子等において発生した熱を効率的に放散させるために、絶縁層の他方の面側にヒートシンクを接合したヒートシンク付き絶縁回路基板も提供されている。
また、上述の絶縁回路基板においては、絶縁層の一方の面に導電性の優れた金属片を接合して回路層とし、また、他方の面に放熱性に優れた金属片を接合して金属層を形成した構造のものが提供されている。
さらに、回路層に搭載した素子等において発生した熱を効率的に放散させるために、絶縁層の他方の面側にヒートシンクを接合したヒートシンク付き絶縁回路基板も提供されている。
例えば、特許文献1には、セラミックス基板の一方の面にアルミニウム片を接合することで回路層が形成されるとともに、他方の面にアルミニウム片を接合することにより金属層が形成された絶縁回路基板と、この回路層上にはんだ材を介して接合された半導体素子と、を備えたパワーモジュールが開示されている。
また、特許文献2には、セラミックス基板の一方の面にアルミニウム片を接合し、このアルミニウム片に銅片を固相拡散接合することにより、アルミニウム層と銅層とが積層された回路層を形成した絶縁回路基板が提案されている。
さらに、特許文献3には、セラミックスからなる基材の一方の面に導電性の回路層が形成され、絶縁基板の他方の面に放熱体が接合され、回路層上に発光素子が搭載された構造のLEDモジュールが開示されている。
また、特許文献2には、セラミックス基板の一方の面にアルミニウム片を接合し、このアルミニウム片に銅片を固相拡散接合することにより、アルミニウム層と銅層とが積層された回路層を形成した絶縁回路基板が提案されている。
さらに、特許文献3には、セラミックスからなる基材の一方の面に導電性の回路層が形成され、絶縁基板の他方の面に放熱体が接合され、回路層上に発光素子が搭載された構造のLEDモジュールが開示されている。
ここで、セラミックス基板と金属片、アルミニウム片と銅片、絶縁回路基板とヒートシンク等を接合する場合には、例えば特許文献4-6に記載されているように、接合する部材の間にポリエチレングリコール(PEG)等の有機物を含む仮止め材を用いて、部材同士の位置合せをして仮止めした状態で積層方向に加圧して加熱することにより、部材同士を接合している。
ところで、最近では、接合する部材の小型化が図られており、接合面積が小さくなるため、従来にも増して、仮止め材による固定強度の向上が求められている。また、仮止め材を用いて仮止めした部材同士が確実に接合され、接合後の外観が良好であることが求められている。
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、部材同士を確実に仮止めすることが可能な仮止め材、および、この仮止め材を用いて部材同士を位置決めすることで、部材同士を位置精度良く接合することが可能な接合体の製造方法を提供することを目的とする。
上述の課題を解決するために、本発明の態様1の仮止め材は、アクリル樹脂と、アジピン酸エステルからなる可塑剤と、溶剤と、を含有し、前記アクリル樹脂の含有量が5mass%以上とされるとともに、前記可塑剤の重量Aと前記アクリル樹脂の重量Bとの比A/Bが0.07≦A/B≦1.50の範囲内とされていることを特徴としている。
本発明の態様1の仮止め材によれば、アクリル樹脂と、アジピン酸エステルからなる可塑剤と、を含有しており、前記アクリル樹脂の含有量が5mass%以上とされるとともに、前記可塑剤の重量Aと前記アクリル樹脂の重量Bとの比A/Bが0.07≦A/B≦1.50の範囲内とされているので、部材同士の間にこの仮止め材を配設して加圧することにより、仮止め材の粘着力によって部材同士の位置ずれを抑制することができる。
本発明の態様2の接合体の製造方法は、第一部材と第二部材とが接合された接合体の製造方法であって、前記第一部材と前記第二部材とを積層する積層工程と、積層した前記第一部材と前記第二部材とを接合する接合工程と、を有し、前記積層工程は、前記第一部材および前記第二部材の接合面の一方又は両方に、本発明の態様1の仮止め材を配設する仮止め材配設工程と、前記仮止め材を介して前記第一部材と前記第二部材とを積層し、積層された前記第一部材と前記第二部材とを仮止めする仮止め工程と、を備えていることを特徴としている。
本発明の態様2の接合体の製造方法によれば、前記第一部材および前記第二部材の間に本発明の態様1の仮止め材を配設し、前記第一部材と前記第二部材とを積層し、積層された前記第一部材と前記第二部材とを仮止めし、仮止めした前記第一部材と前記第二部材とを接合しているので、接合工程において、前記第一部材と前記第二部材との位置ずれを確実に抑制でき、前記第一部材と前記第二部材とを位置精度良く接合することが可能となる。
本発明の態様3は、態様2の接合体の製造方法において、前記仮止め工程の前に、前記仮止め材配設工程で配設された前記仮止め材を乾燥させる仮止め材乾燥工程を備えていることを特徴としている。
本発明の態様3の接合体の製造方法によれば、前記仮止め工程の前に、前記仮止め材配設工程で配設された前記仮止め材を乾燥させる仮止め材乾燥工程を備えているので、乾燥によって仮止め材の粘着力を向上させることができ、前記第一部材と前記第二部材とを確実に仮止めすることができる。
本発明の態様3の接合体の製造方法によれば、前記仮止め工程の前に、前記仮止め材配設工程で配設された前記仮止め材を乾燥させる仮止め材乾燥工程を備えているので、乾燥によって仮止め材の粘着力を向上させることができ、前記第一部材と前記第二部材とを確実に仮止めすることができる。
本発明の態様4は、本発明の態様2又は態様3の接合体の製造方法においては、前記第一部材がアルミニウムまたはアルミニウム合金からなるアルミニウム部材であり、前記第二部材が銅または銅合金からなる銅部材とされていることを特徴としている。
本発明の態様4の接合体の製造方法によれば、第一部材がアルミニウム部材とされ、第二部材が銅部材とされているので、これらアルミニウム部材と銅部材を上述の仮止め材で仮止めし、アルミニウム部材と銅部材とを固相拡散接合することで、アルミニウム部材と銅部材とを確実にかつ位置精度良く接合することができる。
本発明の態様4の接合体の製造方法によれば、第一部材がアルミニウム部材とされ、第二部材が銅部材とされているので、これらアルミニウム部材と銅部材を上述の仮止め材で仮止めし、アルミニウム部材と銅部材とを固相拡散接合することで、アルミニウム部材と銅部材とを確実にかつ位置精度良く接合することができる。
本発明の態様5は、本発明の態様4の接合体の製造方法において、アルミニウム部材である前記第一部材がヒートシンクとされていることを特徴としている。
本発明の態様5の接合体の製造方法によれば、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銅又は銅合金からなる銅部材とを確実にかつ位置精度良く接合することができる。
本発明の態様5の接合体の製造方法によれば、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銅又は銅合金からなる銅部材とを確実にかつ位置精度良く接合することができる。
また、本発明の態様6は、本発明の態様4の接合体の製造方法において、銅部材である前記第二部材がヒートシンクとされていることを特徴としている。
本発明の態様6の接合体の製造方法によれば、銅又は銅合金からなるヒートシンクと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部材とを確実にかつ位置精度良く接合することができる。
本発明の態様6の接合体の製造方法によれば、銅又は銅合金からなるヒートシンクと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部材とを確実にかつ位置精度良く接合することができる。
また、本発明の態様7は、本発明の態様2又は態様3の接合体の製造方法においては、前記第一部材が金属部材であり、前記第二部材がろう材であることを特徴としている。
本発明の態様7の接合体の製造方法によれば、第一部材が金属部材とされ、前記第二部材がろう材とされており、これら金属部材とろう材を上述の仮止め材で仮止めしているので、金属部材とろう材とを精度良く位置決めして仮止めすることができる。
本発明の態様7の接合体の製造方法によれば、第一部材が金属部材とされ、前記第二部材がろう材とされており、これら金属部材とろう材を上述の仮止め材で仮止めしているので、金属部材とろう材とを精度良く位置決めして仮止めすることができる。
本発明の態様8は、本発明の態様2又は態様3の接合体の製造方法において、前記第一部材がアルミニウムまたはアルミニウム合金からなるアルミニウム部材であり、前記第二部材がアルミニウムまたはアルミニウム合金からなるアルミニウム部材とされていることを特徴としている。
本発明の態様8の接合体の製造方法によれば、第一部材がアルミニウム部材とされ、第二部材がアルミニウム部材とされているので、これらアルミニウム部材とアルミニウム部材を上述の仮止め材で仮止めすることができ、アルミニウム部材とアルミニウム部材とを確実にかつ位置精度良く接合することができる。
本発明の態様8の接合体の製造方法によれば、第一部材がアルミニウム部材とされ、第二部材がアルミニウム部材とされているので、これらアルミニウム部材とアルミニウム部材を上述の仮止め材で仮止めすることができ、アルミニウム部材とアルミニウム部材とを確実にかつ位置精度良く接合することができる。
また、本発明の態様9は、本発明の態様2又は態様3の接合体の製造方法において、前記第一部材が銅または銅合金からなる銅部材であり、前記第二部材が銅または銅合金からなる銅部材とされていることを特徴としている。
本発明の態様9の接合体の製造方法によれば、第一部材が銅部材とされ、第二部材が銅部材とされているので、これら銅部材と銅部材を上述の仮止め材で仮止めすることができ、銅部材と銅部材とを確実にかつ位置精度良く接合することができる。
本発明の態様9の接合体の製造方法によれば、第一部材が銅部材とされ、第二部材が銅部材とされているので、これら銅部材と銅部材を上述の仮止め材で仮止めすることができ、銅部材と銅部材とを確実にかつ位置精度良く接合することができる。
本発明の態様10は、本発明の態様2又は態様3の接合体の製造方法において、前記第一部材がセラミックス部材であり、前記第二部材がろう材であることを特徴としている。
本発明の態様10の接合体の製造方法によれば、第一部材がセラミックス部材とされ、前記第二部材がろう材とされており、これら金属部材とろう材を上述の仮止め材で仮止めしているので、セラミックス部材とろう材とを精度良く位置決めして仮止めすることができる。
本発明の態様10の接合体の製造方法によれば、第一部材がセラミックス部材とされ、前記第二部材がろう材とされており、これら金属部材とろう材を上述の仮止め材で仮止めしているので、セラミックス部材とろう材とを精度良く位置決めして仮止めすることができる。
本発明によれば、部材同士を確実に仮止めすることが可能な仮止め材、および、この仮止め材を用いて部材同士を位置決めすることで、部材同士を位置精度良く接合することが可能な接合体の製造方法を提供することができる。
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。
<第一の実施形態>
本発明の第一の実施形態について、図1から図4を参照して説明する。図1に、本実施形態の仮止め材を用いた接合体の製造方法によって製造された絶縁回路基板10、および、パワーモジュール1を示す。
本発明の第一の実施形態について、図1から図4を参照して説明する。図1に、本実施形態の仮止め材を用いた接合体の製造方法によって製造された絶縁回路基板10、および、パワーモジュール1を示す。
このパワーモジュール1は、回路層12および金属層13が配設された絶縁回路基板10と、回路層12の一方の面(図1において上面)に接合層2を介して接合された半導体素子3と、金属層13の他方側(図1において下側)に配置されたヒートシンク31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。この半導体素子3と回路層12は、接合層2を介して接合されている。
接合層2は、例えばSn-Ag系、Sn-In系、若しくはSn-Ag-Cu系のはんだ材で構成されている。
接合層2は、例えばSn-Ag系、Sn-In系、若しくはSn-Ag-Cu系のはんだ材で構成されている。
絶縁回路基板10は、図1に示すように、絶縁層とな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)に形成された金属層13と、を備えている。
セラミックス基板11は、回路層12と金属層13との間の電気的接続を防止するものであって、絶縁性の高い材料、例えばAlN(窒化アルミニウム)やSi3N4(窒化ケイ素)等で構成されている。また、セラミックス基板11の厚さは、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、セラミックス基板11としてAlN(窒化アルミニウム)を用い、0.635mmに設定されている。なお、セラミックス基板11としてSi3N4(窒化ケイ素)を用いる場合、厚さは0.32mmとすることが好ましい。
回路層12は、図3に示すように、セラミックス基板11の一方の面に銅、銅合金、アルミニウム、又は、アルミニウム合金からなる金属片22が接合されることにより形成されている。換言すると、回路層12は、セラミックス基板11の一方の面に接合された金属片22によって構成され、この金属片22は、銅、銅合金、アルミニウム、又は、アルミニウム合金からなる。
銅又は銅合金としては、無酸素銅やタフピッチ銅等を用いることができる。また、アルミニウム、アルミニウム合金としては、純度が99.99mass%以上のアルミニウム(いわゆる4Nアルミニウム)やA3003合金、A6063合金などの圧延板等を用いることができる。本実施形態においては、回路層12を構成する金属片22として、無酸素銅の圧延板を打抜いたものが用いられている。
この回路層12には、上述の金属片22をパターン状に接合することで回路パターンが形成されており、その一方の面(図1において上面)が、半導体素子3が搭載される搭載面とされている。ここで、回路層12の厚さは0.1mm以上2.0mm以下の範囲内に設定されており、本実施形態では0.8mmに設定されている。
銅又は銅合金としては、無酸素銅やタフピッチ銅等を用いることができる。また、アルミニウム、アルミニウム合金としては、純度が99.99mass%以上のアルミニウム(いわゆる4Nアルミニウム)やA3003合金、A6063合金などの圧延板等を用いることができる。本実施形態においては、回路層12を構成する金属片22として、無酸素銅の圧延板を打抜いたものが用いられている。
この回路層12には、上述の金属片22をパターン状に接合することで回路パターンが形成されており、その一方の面(図1において上面)が、半導体素子3が搭載される搭載面とされている。ここで、回路層12の厚さは0.1mm以上2.0mm以下の範囲内に設定されており、本実施形態では0.8mmに設定されている。
金属層13は、図3に示すように、セラミックス基板11の他方の面に銅、銅合金、アルミニウム、又は、アルミニウム合金からなる金属片23が接合されることにより形成されている。換言すると、金属層13は、セラミックス基板11の他方の面に接合された金属片23によって構成され、この金属片23は、銅、銅合金、アルミニウム、又は、アルミニウム合金からなる。
金属片23としては、無酸素銅やタフピッチ銅等で構成されたものを用いることができる。また、アルミニウム、アルミニウム合金としては、純度が99.99mass%以上のアルミニウム(いわゆる4Nアルミニウム)やA3003合金、A6063合金などの圧延板等を用いることができる。本実施形態においては、金属層13を構成する金属片23として、無酸素銅の圧延板が用いられている。ここで、金属層13の厚さは0.1mm以上2.0mm以下の範囲内に設定されており、本実施形態では0.8mmに設定されている。
金属片23としては、無酸素銅やタフピッチ銅等で構成されたものを用いることができる。また、アルミニウム、アルミニウム合金としては、純度が99.99mass%以上のアルミニウム(いわゆる4Nアルミニウム)やA3003合金、A6063合金などの圧延板等を用いることができる。本実施形態においては、金属層13を構成する金属片23として、無酸素銅の圧延板が用いられている。ここで、金属層13の厚さは0.1mm以上2.0mm以下の範囲内に設定されており、本実施形態では0.8mm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る。ヒートシンク31は、熱伝導性が良好な材料、例えばアルミニウム又はアルミニウム合金等で構成されており、本実施形態においては、A6063合金で構成されている。このヒートシンク31の厚さは、3mm以上10mm以下の範囲内に設定されている。
そして、本実施形態においては、絶縁回路基板10の金属層13とヒートシンク31とが、固相拡散接合によって接合されている。
そして、本実施形態においては、絶縁回路基板10の金属層13とヒートシンク31とが、固相拡散接合によって接合されている。
次に、本実施形態である接合体の製造方法(絶縁回路基板の製造方法およびヒートシンク付き絶縁回路基板の製造方法)について、図2から図4を用いて説明する。
(金属片積層工程S01)
まず、図3で示すように、セラミックス基板11の一方の面に、ろう材箔26を介在させて回路層12となる金属片22を積層し、セラミックス基板11の他方の面に、ろう材箔27を介在させ、金属層13となる金属片23を積層する。AlNやSi3N4からなるセラミックス基板と銅または銅合金を接合する際は、AgとTi等、活性金属が含有されているろう材を用いる。AlNやSi3N4からなるセラミックス基板とアルミニウムまたはアルミニウム合金を接合する際は、アルミニウムとケイ素、またはアルミニウムと銅等が混合されたろう材を用いる。
本実施形態では、AlNからなるセラミックス基板11と無酸素銅からなる金属片22,23を接合することから、ろう材箔26,27として、Ag-Cu-Ti系ろう材を用いている。また、その厚さは5μm以上50μm以下の範囲内とされている。
まず、図3で示すように、セラミックス基板11の一方の面に、ろう材箔26を介在させて回路層12となる金属片22を積層し、セラミックス基板11の他方の面に、ろう材箔27を介在させ、金属層13となる金属片23を積層する。AlNやSi3N4からなるセラミックス基板と銅または銅合金を接合する際は、AgとTi等、活性金属が含有されているろう材を用いる。AlNやSi3N4からなるセラミックス基板とアルミニウムまたはアルミニウム合金を接合する際は、アルミニウムとケイ素、またはアルミニウムと銅等が混合されたろう材を用いる。
本実施形態では、AlNからなるセラミックス基板11と無酸素銅からなる金属片22,23を接合することから、ろう材箔26,27として、Ag-Cu-Ti系ろう材を用いている。また、その厚さは5μm以上50μm以下の範囲内とされている。
そして、金属片22、ろう材箔26、セラミックス基板11、ろう材箔27、金属片23を積層する際には、まず、図3に示すように、金属片22、ろう材箔26、セラミックス基板11、ろう材箔27、金属片23の間に、それぞれ本実施形態の仮止め材40を配設する(仮止め材配設工程S11)。仮止め材40の配設は、例えば塗布によって行われる。接合面の単位面積当たりにおける仮止め材40の塗布量は、0.5mg/cm2以上、10mg/cm2以下であれば好ましく、1mg/cm2以上、5mg/cm2以下であればより好ましい。
次に、仮止め材40を用いて、金属片22、ろう材箔26、セラミックス基板11、ろう材箔27、金属片23をれぞれ位置決めした状態で仮止めする(金属片仮止め工程S12)。
次に、仮止め材40を用いて、金属片22、ろう材箔26、セラミックス基板11、ろう材箔27、金属片23をれぞれ位置決めした状態で仮止めする(金属片仮止め工程S12)。
ここで、本実施形態である仮止め材40は、アクリル樹脂と、アジピン酸エステルからなる可塑剤と、溶剤と、を含有し、アクリル樹脂の含有量が5mass%以上とされるとともに、可塑剤の重量Aとアクリル樹脂の重量Bとの比A/Bが0.07≦A/B≦1.50の範囲内とされている。
なお、アクリル樹脂の含有量は、7mass%以上であることが好ましく、10mass%以上であることがより好ましい。一方、アクリル樹脂の含有量は、60mass%以下であることが好ましく、40mass%以下であることがより好ましい。
また、可塑剤の重量Aとアクリル樹脂の重量Bとの比A/Bは、0.40以上であることが好ましい。一方、可塑剤の重量Aとアクリル樹脂の重量Bとの比A/Bは、0.90以下であることが好ましい。
なお、アクリル樹脂の含有量は、7mass%以上であることが好ましく、10mass%以上であることがより好ましい。一方、アクリル樹脂の含有量は、60mass%以下であることが好ましく、40mass%以下であることがより好ましい。
また、可塑剤の重量Aとアクリル樹脂の重量Bとの比A/Bは、0.40以上であることが好ましい。一方、可塑剤の重量Aとアクリル樹脂の重量Bとの比A/Bは、0.90以下であることが好ましい。
アジピン酸エステルからなる可塑剤として、例えば、アジピン酸ジイソノニル、アジピン酸ジイソデシル、アジピン酸ビス(2-エチルヘキシル)、アジピン酸ビス(2-ブトキシエチル)などを用いることができる。溶剤としては、α-テルピネオール、テキサノール(イソ酪酸3-ヒドロキシ-2,2,4-トリメチルペンチル)やブチルカルビトールアセタートなどを用いることができる。
また、本実施形態である仮止め材40においては、溶剤の含有量は、6.5mass%以上86.0mass%以下の範囲内とすることが好ましい。なお、アジピン酸エステルからなる可塑剤としては、25℃における蒸気圧が5×10-3Pa以下でTG-DTAで昇温した際に、揮発による吸熱ピークではなく、分解による発熱ピークが見られ、常温(25℃)で液体の有機物が更に好ましい。
また、本実施形態である仮止め材40においては、溶剤の含有量は、6.5mass%以上86.0mass%以下の範囲内とすることが好ましい。なお、アジピン酸エステルからなる可塑剤としては、25℃における蒸気圧が5×10-3Pa以下でTG-DTAで昇温した際に、揮発による吸熱ピークではなく、分解による発熱ピークが見られ、常温(25℃)で液体の有機物が更に好ましい。
また、この仮止め材40の塗布方法としては、ディスペンサーを用いた塗布法、スクリーン印刷法、スプレーを用いた塗布法等の各種方法を適用することができる。
塗布時における仮止め材40の粘度範囲は、それぞれの塗布方法に適した粘度範囲とすることができる。例えば、ディスペンサーを用いる場合には0.01Pa・s以上10Pa・s以下の範囲内とすることが好ましい。また、スクリーン印刷を用いる場合には10Pa・s以上200Pa・s以下の範囲内とすることが好ましい。さらに、スプレーを用いる場合には0.001Pa・s以上10Pa・s以下の範囲内とすることが好ましい。
なお、本実施形態では、図3に示すように、金属片22,23及びセラミックス基板11に仮止め材40を塗布しているが、金属片22,23及びセラミックス基板11に仮止め材40を塗布せず、ろう材箔26、27の両面に仮止め材40を塗布することも可能である。
塗布時における仮止め材40の粘度範囲は、それぞれの塗布方法に適した粘度範囲とすることができる。例えば、ディスペンサーを用いる場合には0.01Pa・s以上10Pa・s以下の範囲内とすることが好ましい。また、スクリーン印刷を用いる場合には10Pa・s以上200Pa・s以下の範囲内とすることが好ましい。さらに、スプレーを用いる場合には0.001Pa・s以上10Pa・s以下の範囲内とすることが好ましい。
なお、本実施形態では、図3に示すように、金属片22,23及びセラミックス基板11に仮止め材40を塗布しているが、金属片22,23及びセラミックス基板11に仮止め材40を塗布せず、ろう材箔26、27の両面に仮止め材40を塗布することも可能である。
なお、配設した仮止め材を乾燥させる仮止め材乾燥工程を実施してもよい。仮止め材を乾燥させる際は、溶剤の揮発温度以上で可塑剤の揮発温度未満の温度、または、溶剤の揮発温度以上で可塑剤の分解温度未満の温度で乾燥させることが好ましい。乾燥時間は5秒以上30分以内の範囲内とすることが好ましい。
ここで、金属片仮止め工程S12においては、仮止め材40を介して積層した金属片22、ろう材箔26、セラミックス基板11、ろう材箔27、金属片23に対して、加圧圧力:0.01MPa以上1.0MPa以下の範囲内、加圧時間:1秒以上600秒以下の範囲内の条件で、積層方向に加圧することが好ましい。
なお、金属片仮止め工程S12における加圧圧力は0.03MPa以上とすることがさらに好ましく、0.05MPa以上とすることがより好ましい。金属片仮止め工程S12における加圧圧力は0.7MPa以下とすることがさらに好ましく、0.5MPa以下とすることがより好ましい。
また、金属片仮止め工程S12における加圧時間は5秒以上とすることがさらに好ましく、10秒以上とすることがより好ましい。金属片仮止め工程S12における加圧時間は300秒以下とすることがさらに好ましく、120秒以下とすることがより好ましい。
なお、加圧をすることなく、金属片22、23や、ろう材箔26、27の自重で仮止めを行ってもよい。
なお、金属片仮止め工程S12における加圧圧力は0.03MPa以上とすることがさらに好ましく、0.05MPa以上とすることがより好ましい。金属片仮止め工程S12における加圧圧力は0.7MPa以下とすることがさらに好ましく、0.5MPa以下とすることがより好ましい。
また、金属片仮止め工程S12における加圧時間は5秒以上とすることがさらに好ましく、10秒以上とすることがより好ましい。金属片仮止め工程S12における加圧時間は300秒以下とすることがさらに好ましく、120秒以下とすることがより好ましい。
なお、加圧をすることなく、金属片22、23や、ろう材箔26、27の自重で仮止めを行ってもよい。
(金属片接合工程S02)
次いで、積層して仮止めした金属片22、ろう材箔26、セラミックス基板11、ろう材箔27、金属片23を、加圧装置を用いて積層方向に加圧した状態で真空加熱炉に装入し、金属片22とセラミックス基板11とを接合して回路層12を形成し、金属片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。加熱温度は接合する金属片によって適宜選択される。金属片が銅や銅合金であった場合は、AgとCuの共晶点以上、アルミニウムまたはアルミニウム合金であった場合はアルミニウムと接合用金属ペースト内に含まれる金属との共晶点以上とされている。
本実施形態ではAlNからなるセラミックス基板11と無酸素銅からなる金属片22,23をAg-Cu-Ti系であるろう材箔26、27を用いて接合することから、この金属片接合工程S02における接合条件は、真空条件は10-6Pa以上10-3Pa以下の範囲内、加熱温度は790℃以上850℃以下の範囲内、上記加熱温度での保持時間は0.1分以上120分以下の範囲内、積層方向の加圧荷重が0.01MPa以上1.0MPa以下の範囲内に設定されている。
次いで、積層して仮止めした金属片22、ろう材箔26、セラミックス基板11、ろう材箔27、金属片23を、加圧装置を用いて積層方向に加圧した状態で真空加熱炉に装入し、金属片22とセラミックス基板11とを接合して回路層12を形成し、金属片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。加熱温度は接合する金属片によって適宜選択される。金属片が銅や銅合金であった場合は、AgとCuの共晶点以上、アルミニウムまたはアルミニウム合金であった場合はアルミニウムと接合用金属ペースト内に含まれる金属との共晶点以上とされている。
本実施形態ではAlNからなるセラミックス基板11と無酸素銅からなる金属片22,23をAg-Cu-Ti系であるろう材箔26、27を用いて接合することから、この金属片接合工程S02における接合条件は、真空条件は10-6Pa以上10-3Pa以下の範囲内、加熱温度は790℃以上850℃以下の範囲内、上記加熱温度での保持時間は0.1分以上120分以下の範囲内、積層方向の加圧荷重が0.01MPa以上1.0MPa以下の範囲内に設定されている。
なお、金属片接合工程S02における加熱温度は800℃以上とすることが好ましい。一方、加熱温度は840℃以下とすることが好ましい。
また、金属片接合工程S02における加熱温度での保持時間は5分以上とすることが好ましい。一方、加熱温度での保持時間は60分以下とすることが好ましい。
さらに、金属片接合工程S02における加圧圧力は0.1MPa以上とすることが好ましい。一方、加圧荷重は0.6MPa以下とすることが好ましい。
また、金属片接合工程S02における加熱温度での保持時間は5分以上とすることが好ましい。一方、加熱温度での保持時間は60分以下とすることが好ましい。
さらに、金属片接合工程S02における加圧圧力は0.1MPa以上とすることが好ましい。一方、加圧荷重は0.6MPa以下とすることが好ましい。
以上のような工程によって、絶縁回路基板10が製造される。
(ヒートシンク積層工程S03)
次に、図4で示すように、絶縁回路基板10(金属層13)とヒートシンク31とを積層する。
絶縁回路基板10(金属層13)とヒートシンク31とを積層する際には、まず、図4に示すように、金属層13とヒートシンク31の間に、本実施形態である仮止め材40を配設する(仮止め材配設工程S31)。
次に、仮止め材40を用いて、金属層13とヒートシンク31を位置決めした状態で仮止めする(ヒートシンク仮止め工程S32)。
なお、本実施形態で用いられる仮止め材40は、上述の仮止め材40と同様の構成のものを適用することができる。また、仮止め材40の塗布方法についても、上述の方法を適用することができる。
次に、図4で示すように、絶縁回路基板10(金属層13)とヒートシンク31とを積層する。
絶縁回路基板10(金属層13)とヒートシンク31とを積層する際には、まず、図4に示すように、金属層13とヒートシンク31の間に、本実施形態である仮止め材40を配設する(仮止め材配設工程S31)。
次に、仮止め材40を用いて、金属層13とヒートシンク31を位置決めした状態で仮止めする(ヒートシンク仮止め工程S32)。
なお、本実施形態で用いられる仮止め材40は、上述の仮止め材40と同様の構成のものを適用することができる。また、仮止め材40の塗布方法についても、上述の方法を適用することができる。
ヒートシンク仮止め工程S32においては、仮止め材40を介して積層した絶縁回路基板10(金属層13)とヒートシンク31に対して、加圧圧力:0.01MPa以上1.0MPa以下の範囲内、加圧時間:1秒以上600秒以下の範囲内の条件で、積層方向に加圧することが好ましい。
なお、ヒートシンク仮止め工程S32における加圧圧力は0.03MPa以上とすることがさらに好ましく、0.05MPa以上とすることがより好ましい。ヒートシンク仮止め工程S32における加圧圧力は0.7MPa以下とすることがさらに好ましく、0.5MPa以下とすることがより好ましい。
また、ヒートシンク仮止め工程S32における加圧時間は5秒以上とすることがさらに好ましく、10秒以上とすることがより好ましい。ヒートシンク仮止め工程S32における加圧時間は300秒以下とすることがさらに好ましく、120秒以下とすることがより好ましい。
なお、ヒートシンク仮止め工程S32における加圧圧力は0.03MPa以上とすることがさらに好ましく、0.05MPa以上とすることがより好ましい。ヒートシンク仮止め工程S32における加圧圧力は0.7MPa以下とすることがさらに好ましく、0.5MPa以下とすることがより好ましい。
また、ヒートシンク仮止め工程S32における加圧時間は5秒以上とすることがさらに好ましく、10秒以上とすることがより好ましい。ヒートシンク仮止め工程S32における加圧時間は300秒以下とすることがさらに好ましく、120秒以下とすることがより好ましい。
(ヒートシンク接合工程S04)
次いで、積層した絶縁回路基板10とヒートシンク31を、加圧装置を用いて積層方向に加圧した状態で真空加熱炉に装入し、金属層13とヒートシンク31を固相拡散接合する。
このヒートシンク接合工程S04における接合条件は、真空条件は10-6Pa以上10-3Pa以下の範囲内、加熱温度は440℃以上548℃以下の範囲内、加熱温度での保持時間が30分以上150分以下の範囲内に設定されている。なお、積層方向への荷重は0.9MPa以上1.2MPa以下の範囲とするとよい。
次いで、積層した絶縁回路基板10とヒートシンク31を、加圧装置を用いて積層方向に加圧した状態で真空加熱炉に装入し、金属層13とヒートシンク31を固相拡散接合する。
このヒートシンク接合工程S04における接合条件は、真空条件は10-6Pa以上10-3Pa以下の範囲内、加熱温度は440℃以上548℃以下の範囲内、加熱温度での保持時間が30分以上150分以下の範囲内に設定されている。なお、積層方向への荷重は0.9MPa以上1.2MPa以下の範囲とするとよい。
(半導体素子接合工程S05)
次に、絶縁回路基板10の回路層12の一方の面に、半導体素子3をはんだ付けにより接合する。
前述の工程により、図1に示すパワーモジュール1が製出される。
次に、絶縁回路基板10の回路層12の一方の面に、半導体素子3をはんだ付けにより接合する。
前述の工程により、図1に示すパワーモジュール1が製出される。
以上のような構成とされた本実施形態である仮止め材40によれば、アクリル樹脂と、アジピン酸エステルからなる可塑剤と、を含有しており、アクリル樹脂の含有量が5mass%以上とされるとともに、可塑剤の重量Aとアクリル樹脂の重量Bとの比A/Bが0.07≦A/B≦1.50の範囲内とされている。したがって、この仮止め材40の粘着力(例えば、30Pa以上50000Pa以下の粘着力、仮止め材の乾燥工程がない場合には、30Pa以上900Pa以下の粘着力)によって、金属片22とろう材箔26、ろう材箔26とセラミックス基板11、セラミックス基板11とろう材箔27、ろう材箔27と金属片23を、それぞれ位置決めして強固に仮止めすることができる。
本実施形態においては、金属片22とろう材箔26、ろう材箔26とセラミックス基板11、セラミックス基板11とろう材箔27、ろう材箔27と金属片23の間にそれぞれ本実施形態である仮止め材40を配設し、この仮止め材40によって位置決めした状態で仮止めしているので、金属片接合工程S02、ヒートシンク接合工程S04における位置ずれの発生を抑制でき、金属片22とセラミックス基板11と金属片23を位置精度良く接合することが可能となる。
本実施形態において、金属片仮止め工程S12で、積層方向に加圧する構成とされ、加圧圧力が0.01MPa以上1.0MPa以下の範囲内、加圧時間が1秒以上600秒以下の範囲内とされている場合には、金属片22とろう材箔26とセラミックス基板11とろう材箔27と金属片23の位置ずれをさらに確実に抑制でき、金属片22とセラミックス基板11と金属片23をさらに位置精度良く仮止めすることができる。
また、本実施形態において、ヒートシンク積層工程S03で、金属層13の接合面、及び、ヒートシンク31の接合面に、本実施形態である仮止め材40を配設し、金属層13とヒートシンク31とを位置決めして仮止めしている場合には、ヒートシンク接合工程S04における位置ずれの発生を抑制でき、金属層13とヒートシンク31を位置精度良く接合することが可能となる。
さらに、本実施形態において、ヒートシンク仮止め工程S32で、金属層13とヒートシンク31とを仮止めする際に、積層方向に加圧する構成とされており、加圧圧力が0.01MPa以上1.0MPa以下の範囲内、加圧時間が1秒以上600秒以下の範囲内とされている場合には、金属層13とヒートシンク31とをさらに強固に仮止めすることができ、ヒートシンク接合工程S04における位置ずれの発生をさらに抑制でき、金属層13とヒートシンク31を位置精度良く接合することが可能となる。
<第二の実施形態>
本発明の第二の実施形態について、図5から図9を参照して説明する。図5に、本実施形態である仮止め材を用いた接合体の製造方法によって製造された絶縁回路基板110、および、パワーモジュール101を示す。なお、第一の実施形態と同様の部材には、同じ符号を付して詳細な説明を省略する。
本発明の第二の実施形態について、図5から図9を参照して説明する。図5に、本実施形態である仮止め材を用いた接合体の製造方法によって製造された絶縁回路基板110、および、パワーモジュール101を示す。なお、第一の実施形態と同様の部材には、同じ符号を付して詳細な説明を省略する。
このパワーモジュール101は、回路層112および金属層113が配設された絶縁回路基板110と、回路層112の一方の面(図5において上面)に接合層2を介して接合された半導体素子3と、金属層113の他方側(図5において下側)に配置されたヒートシンク131と、を備えている。
そして、本実施形態である絶縁回路基板110は、図5に示すように、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5において上面)に配設された回路層112と、セラミックス基板11の他方の面(図5において下面)に配設された金属層113と、を備えている。
回路層112は、図5に示すように、セラミックス基板11の一方の面に配設されたアルミニウム層112Aと、このアルミニウム層112Aの一方側(図5において上側)に積層された銅層112Bと、を有している。
アルミニウム層112Aは、図7に示すように、アルミニウム片122Aがセラミックス基板11の一方の面(図7において上面)に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、アルミニウム層112Aとなるアルミニウム片122Aとして、純度が99.99mass%以上のアルミニウム(いわゆる4Nアルミニウム)の圧延板を打ち抜いたものを用いている。
銅層112Bは、図8に示すように、アルミニウム層112Aの一方側(図8において上側)に銅又は銅合金からなる銅片122B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、銅層112Bとなる銅片122Bとして、無酸素銅の圧延板を打ち抜いたものを用いている。
アルミニウム層112Aは、図7に示すように、アルミニウム片122Aがセラミックス基板11の一方の面(図7において上面)に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、アルミニウム層112Aとなるアルミニウム片122Aとして、純度が99.99mass%以上のアルミニウム(いわゆる4Nアルミニウム)の圧延板を打ち抜いたものを用いている。
銅層112Bは、図8に示すように、アルミニウム層112Aの一方側(図8において上側)に銅又は銅合金からなる銅片122B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、銅層112Bとなる銅片122Bとして、無酸素銅の圧延板を打ち抜いたものを用いている。
本実施形態においては、回路層112は、上述のアルミニウム片122Aおよび銅片122Bをパターン状に配設することで回路パターンが形成されており、その一方の面(図5において上面)が、半導体素子3が搭載される搭載面とされている。
ここで、回路層112を構成するアルミニウム層112Aの厚さは0.1mm以上1.0mm以下の範囲内に設定されていることが好ましく、回路層112を構成する銅層112Bの厚さは0.1mm以上2.0mm以下の範囲内に設定されていることが好ましい。
ここで、回路層112を構成するアルミニウム層112Aの厚さは0.1mm以上1.0mm以下の範囲内に設定されていることが好ましく、回路層112を構成する銅層112Bの厚さは0.1mm以上2.0mm以下の範囲内に設定されていることが好ましい。
そして、アルミニウム層112A(アルミニウム片122A)と銅層112B(銅片122B)は、固相拡散接合されている。この回路層112(アルミニウム層112Aおよび銅層112B)が、本実施形態における接合体となる。
金属層113は、図7に示すように、セラミックス基板11の他方の面(図7において下面)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片123が接合されることによって形成されている。本実施形態においては、金属層113となるアルミニウム片123として、純度が99.99mass%以上のアルミニウム(いわゆる4Nアルミニウム)の圧延板を用いている。
ヒートシンク131は、絶縁回路基板110側の熱を放散するためのものである。ヒートシンク131は、熱伝導性が良好な銅又は銅合金で構成されており、本実施形態においては、無酸素銅で構成された放熱板とされている。このヒートシンク131の厚さは、3mm以上10mm以下の範囲内に設定されている。
そして、本実施形態においては、絶縁回路基板110の金属層113とヒートシンク131とが、固相拡散接合されている。
そして、本実施形態においては、絶縁回路基板110の金属層113とヒートシンク131とが、固相拡散接合されている。
次に、本実施形態である接合体の製造方法(絶縁回路基板の製造方法およびヒートシンク付き絶縁回路基板の製造方法)について、図6から図9を用いて説明する。
(アルミニウム片積層工程S101)
まず、図7に示すように、セラミックス基板11の一方の面に、ろう材箔126を介在させてアルミニウム層112Aとなるアルミニウム片122Aを積層し、セラミックス基板11の他方の面に、ろう材箔127を介在させ、金属層113となるアルミニウム片123を積層する。
ここで、ろう材箔126,127として、Al-Si系ろう材を用いており、その厚さが5μm以上50μm以下の範囲内とされている。
まず、図7に示すように、セラミックス基板11の一方の面に、ろう材箔126を介在させてアルミニウム層112Aとなるアルミニウム片122Aを積層し、セラミックス基板11の他方の面に、ろう材箔127を介在させ、金属層113となるアルミニウム片123を積層する。
ここで、ろう材箔126,127として、Al-Si系ろう材を用いており、その厚さが5μm以上50μm以下の範囲内とされている。
そして、アルミニウム片122A、ろう材箔126、セラミックス基板11、ろう材箔127、アルミニウム片123を積層する際には、まず、図7に示すように、アルミニウム片122Aとろう材箔126、ろう材箔126とセラミックス基板11、セラミックス基板11とろう材箔127、ろう材箔127とアルミニウム片123の間に、それぞれ本実施形態である仮止め材40を配設する(仮止め材配設工程S111)。
次に、仮止め材40を用いて、アルミニウム片122A、ろう材箔126、セラミックス基板11、ろう材箔127、アルミニウム片123を、それぞれ位置決めした状態で仮止めする(アルミニウム片仮止め工程S112)。
なお、本実施形態で用いられる仮止め材40は、第一の実施形態で説明した仮止め材と同様の構成のものを適用することができる。また、仮止め材40の塗布方法についても、第一の実施形態で説明した方法を適用することができる。
次に、仮止め材40を用いて、アルミニウム片122A、ろう材箔126、セラミックス基板11、ろう材箔127、アルミニウム片123を、それぞれ位置決めした状態で仮止めする(アルミニウム片仮止め工程S112)。
なお、本実施形態で用いられる仮止め材40は、第一の実施形態で説明した仮止め材と同様の構成のものを適用することができる。また、仮止め材40の塗布方法についても、第一の実施形態で説明した方法を適用することができる。
アルミニウム片仮止め工程S112においては、仮止め材40を介して積層したアルミニウム片122A、ろう材箔126、セラミックス基板11、ろう材箔127、アルミニウム片123に対して、加圧圧力:0.01MPa以上1.0MPa以下の範囲内、加圧時間:1秒以上600秒以下の範囲内の条件で、積層方向に加圧することが好ましい。
なお、アルミニウム片仮止め工程S112における加圧圧力は0.03MPa以上とすることがさらに好ましく、0.05MPa以上とすることがより好ましい。アルミニウム片仮止め工程S112における加圧圧力は0.7MPa以下とすることがさらに好ましく、0.5MPa以下とすることがより好ましい。
また、アルミニウム片仮止め工程S112における加圧時間は5秒以上とすることがさらに好ましく、10秒以上とすることがより好ましい。アルミニウム片仮止め工程S112における加圧時間は300秒以下とすることがさらに好ましく、120秒以下とすることがより好ましい。
なお、アルミニウム片仮止め工程S112における加圧圧力は0.03MPa以上とすることがさらに好ましく、0.05MPa以上とすることがより好ましい。アルミニウム片仮止め工程S112における加圧圧力は0.7MPa以下とすることがさらに好ましく、0.5MPa以下とすることがより好ましい。
また、アルミニウム片仮止め工程S112における加圧時間は5秒以上とすることがさらに好ましく、10秒以上とすることがより好ましい。アルミニウム片仮止め工程S112における加圧時間は300秒以下とすることがさらに好ましく、120秒以下とすることがより好ましい。
(アルミニウム片接合工程S102)
次いで、積層して仮止めしたアルミニウム片122A、ろう材箔126、セラミックス基板11、ろう材箔127、アルミニウム片123を、加圧装置を用いて積層方向に加圧した状態で真空加熱炉に装入し、アルミニウム片122Aとセラミックス基板11とを接合してアルミニウム層112Aを形成し、アルミニウム片123とセラミックス基板11とを接合して金属層113を形成する。
このアルミニウム片接合工程S102における接合条件は、真空条件は10-6Pa以上10-3Pa以下の範囲内、加熱温度は630℃以上655℃以下の範囲内、上記加熱温度での保持時間は1分以上180分以下の範囲内、積層方向の加圧荷重が0.01MPa以上1.0MPa以下の範囲内に設定されている。
次いで、積層して仮止めしたアルミニウム片122A、ろう材箔126、セラミックス基板11、ろう材箔127、アルミニウム片123を、加圧装置を用いて積層方向に加圧した状態で真空加熱炉に装入し、アルミニウム片122Aとセラミックス基板11とを接合してアルミニウム層112Aを形成し、アルミニウム片123とセラミックス基板11とを接合して金属層113を形成する。
このアルミニウム片接合工程S102における接合条件は、真空条件は10-6Pa以上10-3Pa以下の範囲内、加熱温度は630℃以上655℃以下の範囲内、上記加熱温度での保持時間は1分以上180分以下の範囲内、積層方向の加圧荷重が0.01MPa以上1.0MPa以下の範囲内に設定されている。
なお、アルミニウム片接合工程S102における加熱温度は635℃以上とすることが好ましい。一方、加熱温度は650℃以下とすることが好ましい。
また、アルミニウム片接合工程S102における加熱温度での保持時間は5分以上とすることが好ましい。一方、加熱温度での保持時間は120分以下とすることが好ましい。
さらに、アルミニウム片接合工程S102における加圧荷重は0.3MPa以上とすることが好ましい。一方、加圧荷重は0.6MPa以下とすることが好ましい。
また、アルミニウム片接合工程S102における加熱温度での保持時間は5分以上とすることが好ましい。一方、加熱温度での保持時間は120分以下とすることが好ましい。
さらに、アルミニウム片接合工程S102における加圧荷重は0.3MPa以上とすることが好ましい。一方、加圧荷重は0.6MPa以下とすることが好ましい。
(銅片積層工程S103)
次に、図8に示すように、アルミニウム層112Aの表面に、銅又は銅合金からなる銅片122Bを積層する。
この銅片積層工程S103においては、まず、図8に示すように、アルミニウム層112Aの表面に、銅層112Bとなる銅片122Bを積層する。
次に、図8に示すように、アルミニウム層112Aの表面に、銅又は銅合金からなる銅片122Bを積層する。
この銅片積層工程S103においては、まず、図8に示すように、アルミニウム層112Aの表面に、銅層112Bとなる銅片122Bを積層する。
そして、アルミニウム層112Aと銅片122Bを積層する際には、まず、図8に示すように、アルミニウム層112Aと銅片122Bの間に、本実施形態である仮止め材40を配設する(仮止め材配設工程S131)。
次に、仮止め材40を用いて、アルミニウム層112Aと銅片122Bを位置決めした状態で仮止めする(銅片仮止め工程S132)。
なお、本実施形態で用いられる仮止め材40は、第一の実施形態で説明した仮止め材と同様の構成のものを適用することができる。また、仮止め材40の塗布方法についても、第一の実施形態で説明した方法を適用することができる。
次に、仮止め材40を用いて、アルミニウム層112Aと銅片122Bを位置決めした状態で仮止めする(銅片仮止め工程S132)。
なお、本実施形態で用いられる仮止め材40は、第一の実施形態で説明した仮止め材と同様の構成のものを適用することができる。また、仮止め材40の塗布方法についても、第一の実施形態で説明した方法を適用することができる。
銅片仮止め工程S132においては、仮止め材40を介して積層したアルミニウム層112Aと銅片122Bに対して、加圧圧力:0.01MPa以上1.0MPa以下の範囲内、加圧時間:1秒以上600秒以下の範囲内の条件で、積層方向に加圧することが好ましい。
なお、銅片仮止め工程S132における加圧圧力は0.03MPa以上とすることがさらに好ましく、0.05MPa以上とすることがより好ましい。銅片仮止め工程S132における加圧圧力は0.7MPa以下とすることがさらに好ましく、0.5MPa以下とすることがより好ましい。
また、銅片仮止め工程S132における加圧時間は5秒以上とすることがさらに好ましく、10秒以上とすることがより好ましい。銅片仮止め工程S132における加圧時間は300秒以下とすることがさらに好ましく、120秒以下とすることがより好ましい。
なお、銅片仮止め工程S132における加圧圧力は0.03MPa以上とすることがさらに好ましく、0.05MPa以上とすることがより好ましい。銅片仮止め工程S132における加圧圧力は0.7MPa以下とすることがさらに好ましく、0.5MPa以下とすることがより好ましい。
また、銅片仮止め工程S132における加圧時間は5秒以上とすることがさらに好ましく、10秒以上とすることがより好ましい。銅片仮止め工程S132における加圧時間は300秒以下とすることがさらに好ましく、120秒以下とすることがより好ましい。
(ヒートシンク積層工程S104)
次に、図8および図9に示すように、金属層113とヒートシンク131とを積層する。
金属層113とヒートシンク131とを積層する際には、まず、図8に示すように、金属層113とヒートシンク131の間に、本実施形態である仮止め材40を配設する(仮止め材配設工程S141)。
次に、仮止め材40を用いて、金属層113とヒートシンク131を位置決めした状態で仮止めする(ヒートシンク仮止め工程S142)。
なお、本実施形態で用いられる仮止め材40は、第一の実施形態で説明した仮止め材と同様の構成のものを適用することができる。また、仮止め材40の塗布方法についても、第一の実施形態で説明した方法を適用することができる。
次に、図8および図9に示すように、金属層113とヒートシンク131とを積層する。
金属層113とヒートシンク131とを積層する際には、まず、図8に示すように、金属層113とヒートシンク131の間に、本実施形態である仮止め材40を配設する(仮止め材配設工程S141)。
次に、仮止め材40を用いて、金属層113とヒートシンク131を位置決めした状態で仮止めする(ヒートシンク仮止め工程S142)。
なお、本実施形態で用いられる仮止め材40は、第一の実施形態で説明した仮止め材と同様の構成のものを適用することができる。また、仮止め材40の塗布方法についても、第一の実施形態で説明した方法を適用することができる。
ヒートシンク仮止め工程S142においては、仮止め材40を介して積層したアルミニウム部材等からなる金属層113と銅部材等からなるヒートシンク131に対して、加圧圧力:0.01MPa以上1.0MPa以下の範囲内、加圧時間:1秒以上600秒以下の範囲内の条件で、積層方向に加圧することが好ましい。
なお、ヒートシンク仮止め工程S142における加圧圧力は0.03MPa以上とすることがさらに好ましく、0.05MPa以上とすることがより好ましい。ヒートシンク仮止め工程S142における加圧圧力は0.7MPa以下とすることがさらに好ましく、0.5MPa以下とすることがより好ましい。
また、ヒートシンク仮止め工程S142における加圧時間は5秒以上とすることがさらに好ましく、10秒以上とすることがより好ましい。ヒートシンク仮止め工程S142における加圧時間は300秒以下とすることがさらに好ましく、120秒以下とすることがより好ましい。
なお、ヒートシンク仮止め工程S142における加圧圧力は0.03MPa以上とすることがさらに好ましく、0.05MPa以上とすることがより好ましい。ヒートシンク仮止め工程S142における加圧圧力は0.7MPa以下とすることがさらに好ましく、0.5MPa以下とすることがより好ましい。
また、ヒートシンク仮止め工程S142における加圧時間は5秒以上とすることがさらに好ましく、10秒以上とすることがより好ましい。ヒートシンク仮止め工程S142における加圧時間は300秒以下とすることがさらに好ましく、120秒以下とすることがより好ましい。
なお、上述の銅片積層工程S103(仮止め材配設工程S131および銅片仮止め工程S132)とヒートシンク積層工程S104(仮止め材配設工程S141およびヒートシンク仮止め工程S142)は、同時に実施してもよい。
(固相拡散接合工程S105)
次いで、図9に示すように、仮止めした銅片122Bとアルミニウム層112A、および、金属層113とヒートシンク131とを、加圧装置を用いて積層方向に加圧した状態で真空加熱炉に装入し、銅片122Bとアルミニウム層112Aとを固相拡散接合して回路層112を形成するとともに、金属層113とヒートシンク131とを固相拡散接合する。
この固相拡散接合工程S105における接合条件は、真空条件は10-6Pa以上10-3Pa以下の範囲内、加熱温度は400℃以上548℃以下の範囲内、加熱温度での保持時間が5分以上240分以下の範囲内に設定されている。なお、積層方向への荷重は0.9MPa以上1.2MPa以下の範囲とするとよい。
次いで、図9に示すように、仮止めした銅片122Bとアルミニウム層112A、および、金属層113とヒートシンク131とを、加圧装置を用いて積層方向に加圧した状態で真空加熱炉に装入し、銅片122Bとアルミニウム層112Aとを固相拡散接合して回路層112を形成するとともに、金属層113とヒートシンク131とを固相拡散接合する。
この固相拡散接合工程S105における接合条件は、真空条件は10-6Pa以上10-3Pa以下の範囲内、加熱温度は400℃以上548℃以下の範囲内、加熱温度での保持時間が5分以上240分以下の範囲内に設定されている。なお、積層方向への荷重は0.9MPa以上1.2MPa以下の範囲とするとよい。
以上の工程によって、本実施形態である絶縁回路基板110(ヒートシンク付き絶縁回路基板)が製造される。
以上のような構成とされた本実施形態である接合体の製造方法によれば、アルミニウム片仮止め工程S112において、アルミニウム片122Aとろう材箔126、ろう材箔126とセラミックス基板11、セラミックス基板11とろう材箔127、ろう材箔127とアルミニウム片123の間にそれぞれ本実施形態である仮止め材40を配設し、この仮止め材40によって位置決めした状態で仮止めしている。そのため、アルミニウム片接合工程S102における位置ずれの発生を抑制でき、アルミニウム片122Aとセラミックス基板11とアルミニウム片123を位置精度良く接合することが可能となる。
そして、本実施形態においては、銅片仮止め工程S132において、アルミニウム層112Aと銅片122Bとを、本実施形態である仮止め材40を配設し、この仮止め材40によって位置決めした状態で仮止めしている。そのため、固相拡散接合工程S105における位置ずれの発生を抑制でき、アルミニウム層112Aと銅片122Bとを位置精度良く固相拡散接合することが可能となる。
また、本実施形態においては、ヒートシンク仮止め工程S142において、金属層113とヒートシンク131とを、本実施形態である仮止め材40を用いて位置決めした状態で仮止めしているので、固相拡散接合工程S105における位置ずれの発生を抑制でき、金属層113とヒートシンク131とを位置精度良く固相拡散接合することが可能となる。
本実施形態において、アルミニウム片仮止め工程S112、銅片仮止め工程S132およびヒートシンク仮止め工程S142で、積層方向に加圧する構成とされている。加圧圧力が0.01MPa以上1.0MPa以下の範囲内、加圧時間が1秒以上600秒以下の範囲内とされている場合には、アルミニウム片122Aとセラミックス基板11とアルミニウム片123の位置ずれ、アルミニウム層112Aと銅片122Bの位置ずれ、金属層113とヒートシンク131との位置ずれをさらに確実に抑制することができ、位置精度良く仮止めすることができる。
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。
第一実施形態では、金属片22(回路層12)、金属片23(金属層13)として無酸素銅を用いたが、これに限らずアルミニウムやアルミニウム合金を用いてもよい。
上記実施形態ではヒートシンクとして無酸素銅を用いたが、アルミニウム又はアルミニウム合金を用いてもよい。
上記実施形態ではヒートシンクとして無酸素銅を用いたが、アルミニウム又はアルミニウム合金を用いてもよい。
例えば、本実施形態では、絶縁回路基板の回路層にパワー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。
また、本実施形態では、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、本実施形態では、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、本実施形態では、絶縁回路基板(金属層)とヒートシンクとを固相拡散接合によって接合するものとして説明したが、これに限定されることはなく、ろう付け、TLP等の他の接合方法を適用してもよい。
さらに、本実施形態では、ヒートシンクを放熱板として説明したが、これに限定されることはなく、内部に冷却媒体が流通される流路を備えたものであってもよい。
さらに、本実施形態では、ヒートシンクを放熱板として説明したが、これに限定されることはなく、内部に冷却媒体が流通される流路を備えたものであってもよい。
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。
(実施例1)
純度が99.99mass%以上の4Nアルミニウムからなるアルミニウム片(40mm×40mm×0.4mmt)、および、無酸素銅からなる銅片(37mm×37mm×0.8mmt)を準備した。そして、表1に示す組成の仮止め材を準備した。
純度が99.99mass%以上の4Nアルミニウムからなるアルミニウム片(40mm×40mm×0.4mmt)、および、無酸素銅からなる銅片(37mm×37mm×0.8mmt)を準備した。そして、表1に示す組成の仮止め材を準備した。
アルミニウム片と銅片との間に仮止め材を配設し、アルミニウム片と銅片とを積層した。そして、表2に示す加圧圧力および加圧時間で積層方向に加圧することにより、アルミニウム片と銅片とを仮止めした。
その後、仮止めしたアルミニウム片と銅片とを、表2に示す条件で加圧および加熱することで、アルミニウム片と銅片とを固相拡散接合した。
その後、仮止めしたアルミニウム片と銅片とを、表2に示す条件で加圧および加熱することで、アルミニウム片と銅片とを固相拡散接合した。
そして、以下の項目について評価した。
(水平方向の固定強度)
仮止めしたアルミニウム片と銅片について、株式会社レスカ製ボンディングテスタPTR-1101を用いて、シェア強度を測定した。ツールを銅片の側面にあて、アルミニウム片に対して水平方向、すなわちアルミニウム片との接合面に平行な方向へ動かし、銅片が仮止め材からはがれたときにかかっていた荷重を測定し、水平方向の固定強度とした。なお、シェア速度(ツールを動かす速度)を0.05mm/secとした。評価結果を表2に示す。
仮止めしたアルミニウム片と銅片について、株式会社レスカ製ボンディングテスタPTR-1101を用いて、シェア強度を測定した。ツールを銅片の側面にあて、アルミニウム片に対して水平方向、すなわちアルミニウム片との接合面に平行な方向へ動かし、銅片が仮止め材からはがれたときにかかっていた荷重を測定し、水平方向の固定強度とした。なお、シェア速度(ツールを動かす速度)を0.05mm/secとした。評価結果を表2に示す。
(鉛直方向の固定強度)
厚さを調整した様々な重量の銅片を準備した。これらの各銅片をアルミニウム片に仮止めした。銅片が鉛直方向下側を向くように、表1に記載した各仮止め材を使用し、表2記載の仮止め工程の条件で仮止めした。そして、軽量の銅片を仮止めした積層体から重量の銅片を仮止めした積層体の順に、積層体を銅片が鉛直方向下側を向くようにし、約10秒以内に銅片が落下した時の積層体の銅片の重量から、仮止め材の単位面積当たりの落下した時の銅片の重量を算出し、鉛直方向の固定強度とした。
厚さを調整した様々な重量の銅片を準備した。これらの各銅片をアルミニウム片に仮止めした。銅片が鉛直方向下側を向くように、表1に記載した各仮止め材を使用し、表2記載の仮止め工程の条件で仮止めした。そして、軽量の銅片を仮止めした積層体から重量の銅片を仮止めした積層体の順に、積層体を銅片が鉛直方向下側を向くようにし、約10秒以内に銅片が落下した時の積層体の銅片の重量から、仮止め材の単位面積当たりの落下した時の銅片の重量を算出し、鉛直方向の固定強度とした。
(接合性評価)
接合後のアルミニウム片と銅片との接合界面の接合率について、超音波探傷装置(株式会社日立パワーソリューションズ製FineSAT200)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とした。接合面が複数の領域に分かれている場合には、それらの接合面積の合計を初期接合面積とした。超音波探傷像を二値化処理した画像において剥離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剥離面積(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
接合後のアルミニウム片と銅片との接合界面の接合率について、超音波探傷装置(株式会社日立パワーソリューションズ製FineSAT200)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とした。接合面が複数の領域に分かれている場合には、それらの接合面積の合計を初期接合面積とした。超音波探傷像を二値化処理した画像において剥離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剥離面積(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
比較例1においては、可塑剤の重量Aとアクリル樹脂の重量Bとの比A/Bが0.05と本発明の範囲よりも小さく、仮止め時の水平方向の固定強度および鉛直方向の固定強度が0Paとなり、アルミニウム片および銅片を仮止めすることができなかった。
比較例2においては、アクリル樹脂を含有しておらず、仮止め時の水平方向の固定強度および鉛直方向の固定強度が0Paとなり、アルミニウム片および銅片を仮止めすることができなかった。
比較例3においては、アクリル樹脂の含有量が3.0mass%とされており、仮止め時の水平方向の固定強度および鉛直方向の固定強度が0Paとなり、アルミニウム片および銅片を仮止めすることができなかった。
比較例3においては、アクリル樹脂の含有量が3.0mass%とされており、仮止め時の水平方向の固定強度および鉛直方向の固定強度が0Paとなり、アルミニウム片および銅片を仮止めすることができなかった。
これに対して、本発明例1-7においては、アクリル樹脂の含有量が5mass%以上とされるとともに、可塑剤の重量Aとアクリル樹脂の重量Bとの比A/Bが0.07≦A/B≦1.50の範囲内とされており、仮止め時の水平方向の固定強度が37Pa以上、かつ、鉛直方向の固定強度が0.4kPa以上となり、アルミニウム片および銅片を確実に仮止めすることができた。
(実施例2)
窒化アルミニウムからなるセラミックス基板(40mm×40mm×0.635mmt)、および、純度が99.99mass%以上の4Nアルミニウムからなり、Al-Siろう材を超音波にて固定したアルミニウム片(37mm×37mm×0.4mmt)を準備した。そして、表3に示す組成の仮止め材を準備した。
窒化アルミニウムからなるセラミックス基板(40mm×40mm×0.635mmt)、および、純度が99.99mass%以上の4Nアルミニウムからなり、Al-Siろう材を超音波にて固定したアルミニウム片(37mm×37mm×0.4mmt)を準備した。そして、表3に示す組成の仮止め材を準備した。
セラミックス基板上に仮止め材を塗布し、熱風乾燥炉にて表4に示す条件で塗布した仮止め材を乾燥した。乾燥した仮止め材を配設したセラミックス基板上に、ろう材がセラミックス基板と対向するように、ろう材箔付きアルミニウム片を積層し、表4に示す加圧圧力および加圧時間で積層方向に加圧することにより、セラミックス基板とアルミニウム片を仮止めした。
その後、仮止めしたセラミックス基板とろう材付きアルミニウム片とを、表4に示す条件で加圧および加熱することで、セラミックス基板とアルミニウム片とを接合した。
その後、仮止めしたセラミックス基板とろう材付きアルミニウム片とを、表4に示す条件で加圧および加熱することで、セラミックス基板とアルミニウム片とを接合した。
そして、実施例1と同様に、水平方向の固定強度、鉛直方向の固定強度、接合性評価を実施した。
(水平方向の固定強度)
仮止めしたセラミックス基板とアルミニウム片について、株式会社レスカ製ボンディングテスタPTR-1101を用いて、シェア強度を測定した。ツールをアルミニウム片の側面にあて、セラミックス基板に対して水平方向へ動かし、アルミニウム片が仮止め材からはがれたときにかかっていた荷重を測定し、水平方向の固定強度とした。なお、シェア速度(ツールを動かす速度)を0.05mm/secとした。評価結果を表4に示す。
仮止めしたセラミックス基板とアルミニウム片について、株式会社レスカ製ボンディングテスタPTR-1101を用いて、シェア強度を測定した。ツールをアルミニウム片の側面にあて、セラミックス基板に対して水平方向へ動かし、アルミニウム片が仮止め材からはがれたときにかかっていた荷重を測定し、水平方向の固定強度とした。なお、シェア速度(ツールを動かす速度)を0.05mm/secとした。評価結果を表4に示す。
(鉛直方向の固定強度)
厚さを調整した様々な重量のアルミニウム片を準備した。これらの各アルミニウム片をセラミックス基板に仮止めした。アルミニウム片が鉛直方向下側を向くように、表3に記載した各仮止め材を使用し、表4記載の仮止め工程の条件で仮止めした。そして、アルミニウム片をセラミックス基板に仮止めした積層体を作製し、アルミニウム片が鉛直方向下側を向くようにし、10秒以内にアルミニウム片が落下した時のアルミニウム片の重量から、仮止め材の単位面積当たりのアルミニウム片重量を算出し、鉛直方向の固定強度とした。
厚さを調整した様々な重量のアルミニウム片を準備した。これらの各アルミニウム片をセラミックス基板に仮止めした。アルミニウム片が鉛直方向下側を向くように、表3に記載した各仮止め材を使用し、表4記載の仮止め工程の条件で仮止めした。そして、アルミニウム片をセラミックス基板に仮止めした積層体を作製し、アルミニウム片が鉛直方向下側を向くようにし、10秒以内にアルミニウム片が落下した時のアルミニウム片の重量から、仮止め材の単位面積当たりのアルミニウム片重量を算出し、鉛直方向の固定強度とした。
(接合性評価)
接合後の接合界面の接合率については、超音波探傷装置(株式会社日立パワーソリューションズ製FineSAT200)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とした。超音波探傷像を二値化処理した画像において剥離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剥離面積(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
接合後の接合界面の接合率については、超音波探傷装置(株式会社日立パワーソリューションズ製FineSAT200)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とした。超音波探傷像を二値化処理した画像において剥離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剥離面積(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
比較例11においては、可塑剤の重量Aとアクリル樹脂の重量Bとの比A/Bが1.60と本発明の範囲よりも大きく、仮止め時の水平方向の固定強度および鉛直方向の固定強度が0Paとなり、アルミニウム片とセラミックス基板とを仮止めすることができなかった。
比較例12においては、可塑剤の重量Aとアクリル樹脂の重量Bとの比A/Bが0.05と本発明の範囲よりも小さく、仮止め時の水平方向の固定強度および鉛直方向の固定強度が0Paとなり、アルミニウム片とセラミックス基板とを仮止めすることができなかった。
比較例12においては、可塑剤の重量Aとアクリル樹脂の重量Bとの比A/Bが0.05と本発明の範囲よりも小さく、仮止め時の水平方向の固定強度および鉛直方向の固定強度が0Paとなり、アルミニウム片とセラミックス基板とを仮止めすることができなかった。
これに対して、本発明例11,12においては、アクリル樹脂の含有量が5mass%以上とされるとともに、可塑剤の重量Aとアクリル樹脂の重量Bとの比A/Bが0.07≦A/B≦1.50の範囲内とされており、仮止め時の水平方向の固定強度、鉛直方向の固定強度が十分に高く、アルミニウム片とセラミックス基板とを確実に仮止めすることができた。
本実施例の結果から、本発明例によれば、部材同士を確実に仮止めすることが可能な仮止め材、および、この仮止め材を用いて部材同士を位置決めすることで、部材同士を位置精度良く接合することが可能な接合体の製造方法を提供可能であることが確認された。
本発明によれば、部材同士を確実に仮止めすることが可能な仮止め材、および、この仮止め材を用いて部材同士を位置決めすることで、部材同士を位置精度良く接合することが可能な接合体の製造方法を提供することができる。
1,101 パワーモジュール
3 半導体素子
10,110 絶縁回路基板
11 セラミックス基板
12,112 回路層
13,113 金属層
22 金属片
23 金属片
26,126 ろう材箔
27,127 ろう材箔
31,131 ヒートシンク
40 仮止め材
112A アルミニウム層
112B 銅層
122A アルミニウム片
122B 銅片
123 アルミニウム片
3 半導体素子
10,110 絶縁回路基板
11 セラミックス基板
12,112 回路層
13,113 金属層
22 金属片
23 金属片
26,126 ろう材箔
27,127 ろう材箔
31,131 ヒートシンク
40 仮止め材
112A アルミニウム層
112B 銅層
122A アルミニウム片
122B 銅片
123 アルミニウム片
Claims (10)
- アクリル樹脂と、アジピン酸エステルからなる可塑剤と、溶剤と、を含有し、
前記アクリル樹脂の含有量が5mass%以上とされるとともに、前記可塑剤の重量Aと前記アクリル樹脂の重量Bとの比A/Bが0.07≦A/B≦1.50の範囲内とされていることを特徴とする仮止め材。 - 第一部材と第二部材とが接合された接合体の製造方法であって、
前記第一部材と前記第二部材とを積層する積層工程と、積層した前記第一部材と前記第二部材とを接合する接合工程と、を有し、
前記積層工程は、前記第一部材および前記第二部材の接合面の一方又は両方に、請求項1に記載の仮止め材を配設する仮止め材配設工程と、前記仮止め材を介して前記第一部材と前記第二部材と積層し、積層された前記第一部材と前記第二部材とを仮止めする仮止め工程と、を備えていることを特徴とする接合体の製造方法。 - 前記仮止め工程の前に、前記仮止め材配設工程で配設された前記仮止め材を乾燥させる仮止め材乾燥工程を備えていることを特徴とする請求項2に記載の接合体の製造方法。
- 前記第一部材がアルミニウムまたはアルミニウム合金からなるアルミニウム部材であり、前記第二部材が銅または銅合金からなる銅部材であることを特徴とする請求項2又は請求項3に記載の接合体の製造方法。
- 前記第一部材がヒートシンクであることを特徴とする請求項4に記載の接合体の製造方法。
- 前記第二部材がヒートシンクであることを特徴とする請求項4に記載の接合体の製造方法。
- 前記第一部材が金属部材であり、前記第二部材がろう材であることを特徴とする請求項2又は請求項3に記載の接合体の製造方法。
- 前記第一部材がアルミニウムまたはアルミニウム合金からなるアルミニウム部材であり、前記第二部材がアルミニウムまたはアルミニウム合金からなるアルミニウム部材であることを特徴とする請求項2又は請求項3に記載の接合体の製造方法。
- 前記第一部材が銅または銅合金からなる銅部材であり、前記第二部材が銅または銅合金からなる銅部材であることを特徴とする請求項2又は請求項3に記載の接合体の製造方法。
- 前記第一部材がセラミックス部材であり、前記第二部材がろう材であることを特徴とする請求項2又は請求項3に記載の接合体の製造方法。
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