JP5691901B2 - Power module manufacturing method - Google Patents

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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, Patent Document 1 or 2).

特開２００８−３００４５５号公報JP 2008-300455 A 特開２００９−１２７０８６号公報JP 2009-127086 A

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 Patent Document 1 or 2. However, in the first place, since the cold spray method is performed by spraying a metal powder in a solid state, it is necessary to increase the spray pressure of the carrier gas in order to improve the adhesion of the metal film.

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.

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。It is a schematic diagram for demonstrating the manufacturing method of the power module which concerns on embodiment of this invention, (a) is a figure for demonstrating a masking process, (b) is for demonstrating a 1st 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. 図１（ｂ）および（ｃ）に用いる成膜装置の模式的概念図。The typical conceptual diagram of the film-forming apparatus used for FIG.1 (b) and (c). 実施例１に係る試験体の密着強度の測定方法を説明するための模式的概念図。FIG. 3 is a schematic conceptual diagram for explaining a method for measuring the adhesion strength of a test specimen according to Example 1. 実施例１，２および比較例１，２に係る試験体の密着強度と、破断位置の結果を示した図。The figure which showed the adhesion strength of the test body which concerns on Examples 1, 2 and Comparative Examples 1, 2, and the result of a fracture | rupture position. 実施例１および比較例２にかかるパワーモジュールのはんだ付け後のはんだのＸ線透過画像の写真図であり、（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、（ｂ）は、比較例２のはんだ付け後のはんだのＸ線透過画像。It is a photograph figure of the X-ray transmission image of the solder after soldering of the power module concerning Example 1 and Comparative Example 2, (a) is an X-ray transmission image of the solder after soldering of Example 1, (B) is an X-ray transmission image of the solder after soldering of Comparative Example 2. 実施例３および比較例３に係る基材（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写真図であり、（ａ）は、実施例３に係る界面近傍を顕微鏡により観察した写真図であり、（ｂ）は、比較例３に係る界面近傍を顕微鏡により観察した写真図。It is the photograph which observed the interface vicinity of the base material (Al base material) which concerns on Example 3 and Comparative Example 3, and the 1st metal membrane | film | coat (Cu layer) with the microscope, (a) concerns on Example 3. It is the photograph which observed the interface vicinity with the microscope, (b) is the photograph figure which observed the interface vicinity which concerns on the comparative example 3 with the microscope. 実施例３および比較例３に係る基材（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結果を示した表図。The table | surface figure which showed the result of having observed the interface vicinity of the base material (Al base material) which concerns on Example 3 and the comparative example 3, and a 1st metal membrane | film | coat (Cu layer) with the microscope. 実施例１および比較例３に係る試験体の密着強度と、破断位置の結果を示した図。The figure which showed the adhesive strength of the test body which concerns on Example 1, and Comparative Example 3, and the result of the fracture | rupture position.

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 material 31 masks the surface other than the surface 11b covering the metal film among the surface 11a of the substrate 11. The masking material may be any material as long as the masking material 31 does not peel off by a cold spray method described later, and examples thereof include a metal material or a resin material.

〔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 film forming apparatus 20 shown in FIG. The film forming apparatus 20 includes at least a compressed gas supply unit 21, a metal powder supply unit 22, a spray gun 23, and a spray gun moving unit 24.

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 spray gun 23 which will be described later, and is connected to the spray gun 23 via a pressure adjusting valve 21a for adjusting the pressure of the compressed gas. The compressed gas supply means 21 can include a cylinder filled with air, an inert gas, etc., a compressor that compresses the atmosphere, and the like, and is sprayed as a compressed gas (carrier gas) under a pressure condition of 0.3 to 5 MPa. What can supply to the gun 23 is preferable. This is because it is difficult to form a film if the pressure of the carrier gas is less than 0.3 MPa, and when the pressure of the carrier gas is greater than 5 MPa, not only a film-forming facility having pressure resistance is required, but also described later. It cannot be expected that the adhesion of the first metal film 12 to be formed is further secured.

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 heating unit 21 b for heating the carrier gas is further provided downstream of the compressed gas supply unit 21. The carrier gas is heated by the heating means 21b, and the metal powder p, which will be described later, can be sprayed onto the substrate 11 under a desired temperature condition. The heating means 21b is for indirectly heating the metal powder p with the compressed gas, and may be arranged inside the compressed gas supply means 21. If it can be heated to a temperature, it is not particularly necessary.

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 spray gun 23 so that the metal powder sprayed on the base material 11 is accommodated in the hopper 22a, and the metal powder p can be supplied to the spray gun 23 with a predetermined supply amount. Yes. As the metal powder p accommodated in the metal powder supply means 22, a water atomized powder having an average particle diameter of preferably an average particle diameter of 25 μm or less is used in the first film forming process, and an average is used in the second film forming process. Electrolytic powder having an average particle diameter of preferably 25 μm or less is used.

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 spray gun 23 is connected to the spray gun moving means 24. By driving the spray gun moving means 24, the spray gun 23 can be moved to a predetermined route. Furthermore, a heater 23 a for heating the supplied metal powder p is provided inside the spray gun 23. Using such a film forming apparatus 20, the following first and second film forming steps are performed.

〔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 surface 11b of the base material 11 together with the transport gas at a spraying pressure so that the transport gas is included, whereby the surface 11b of the base material 11 Then, a first metal film (undercoat layer) 12 made of metal powder is formed.

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 pressure regulating valve 21a, and the temperature of the carrier gas is adjusted by the heating means 21b and the heater 23a. To do. Here, the gas temperature of the carrier gas is preferably 200 ° C. to 500 ° C., and the spraying pressure to the base material 11 (pressure in the pressure regulating valve 21a) is preferably 2 to 5 MPa.

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 first metal film 12 to the substrate 11 may be reduced. If the temperature of the carrier gas exceeds 500 ° C, the metal powder may be oxidized. Moreover, even if the spraying pressure exceeds 5 MPa, it is not expected to improve the adhesion of the first metal film 12 any more.

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 first metal film 12 with high adhesion can be formed.

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 first metal film 12 is 8.0 kg / m 3 or more, preferably 8.56 to 8.73 kg / m. It is in the range of 3 . The density of copper itself (copper bulk material) is 8.92 kg / m 3 . In addition, the density shown in this specification is a value based on “4. Measuring method for weighing in liquid” of JIS Z8807 “Method for measuring solid specific gravity”.

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 | coat 12 sprays metal powder (copper powder) on the base material 11 with high energy, it becomes close to the density of a copper bulk material, and carrier gas is contained in the 1st metal membrane | film | coat 12. It will be included. Therefore, when a bonding member such as a power element is soldered to the surface of the first metal film 12 via a bonding material (solder), the contained carrier gas is released and voids (pores) are generated in the solder. Will be. Therefore, in the present embodiment, the generation of this void is suppressed by performing the following second film forming step.

〔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 second metal film 13 as shown in FIG. Specifically, in the second film-forming step, the metal powder is sprayed onto the surface of the first metal film 12 at a spraying pressure lower than the spraying pressure of the metal powder in the first film-forming step. A second metal film (topcoat layer) 13 made of metal powder is formed on the surface of the metal film 12.

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 pressure adjusting valve 21a, and the temperature of the carrier gas is adjusted by the heating means 21b and the heater 23a. To do. Here, the gas temperature of the carrier gas is preferably about 400 ° C. to 600 ° C., and the spray pressure to the base material 11 (pressure in the pressure adjusting valve 21a) is preferably 0.3 to 1 MPa.

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 second metal film 13 to the first metal film 12 is high. When the temperature of the carrier gas exceeds 600 ° C., the metal powder may be oxidized. Further, when the spray pressure of the carrier gas exceeds 1 MPa, the carrier gas that causes voids generated in the solder is included in the metal powder.

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 second metal film 13 having a high porosity can be formed.

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 second metal film 13 is in the range of 6.0 kg / m 3 to less than 8.0 kg / m 3 , preferably 7 It is in the range of 0.0 to 7.8 kg / m 3 .

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 second metal film 13 is formed as a topcoat layer on the surface of the first metal film 12 at a spraying pressure lower than the spraying pressure of the metal powder in the first film forming step, The pressure of the carrier gas contained (enclosed) in the second metal film 13 can be reduced as compared with the first metal film 12. Thereby, generation | occurrence | production of a void can be suppressed when soldering a power element. In particular, since the second metal film is porous with a high porosity in the above-described density range, the solder wettability can be improved in the soldering process described later.

〔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 material 31 is removed from the base material 11, and the base material 11 on which the first and second metal films 12 and 13 are formed is put into the heating furnace 32 as shown in FIG. To do. And the inside of the heating furnace 32 is made into the atmosphere containing the non-oxidizing gas whose hydrogen gas density | concentration becomes 3-50 volume% specifically with respect to air | atmosphere, The heat source 33 is used in this oxidizing gas atmosphere. Then, the first and second metal films 12 and 13 are heat-treated.

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 base material 11 and the first metal film 12. The first and second metal films 12 and 13 are heated.

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 first metal film 12 and the second metal film 13 are diffused to each other, and the bonding strength thereof can be increased. Further, by performing this heat treatment in an atmosphere containing a reducing gas, the oxide film (metal oxide) on the surface of the second metal film 13 during the heat treatment is reduced, and the metal oxide on the surface is reduced. Can do. Thereby, the wettability of the 2nd metal film 13 with respect to a power element can be improved at the time of soldering which is a post process.

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 second metal film 13 does not proceed (the oxide is not reduced), and the wettability of the solder may be reduced. There is. Moreover, since the heat treatment step is performed so that the Al—Cu alloy phase has a thickness of 20 μm or less, peeling of the metal film from the substrate can be suppressed.

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 second metal film 13 sufficiently, a long heat treatment time is required, and when it exceeds 550 ° C., An Al—Cu alloy phase that causes a decrease in adhesion strength is likely to be generated.

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 power element 15 is disposed on the second metal film 13 of the base material 11 after the heat treatment via a solder (joining material) 14 such as Sn—Cu, and the solder material is set to a melting point or higher (for example, 300 ° C. or higher). The power element 15 is soldered to the base material 11 by heating.

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 base material 11 and the first metal film 12, and the bondability between the first metal film 12 and the second metal film 13 is also improved. Since it can raise, as a result, the adhesiveness of the power element 15 and the base material 11 can be improved.

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 base material 11 via a buffer member such as copper-molybdenum (Cu-Mo) or aluminum-silicon carbide (Al-SiC). Is done.

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 base material 11 after the heat treatment via a bonding material (solder) made of Sn—Cu, and heating the bonding material at 300 ° C. for 10 minutes, A power element was soldered to the base material to make a power module. Moreover, in order to measure the following adhesion strength, the test piece as shown in FIG. 3 was produced. Specifically, first and second metal films 12 and 13 are sequentially formed on the surface of the base material 11 under the same conditions, and Ni plating is performed instead of a member corresponding to a power element. A long alloy alloy pin 16 was soldered with a bonding material 14 to obtain a test body.

（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 second metal film 13 is formed on the surface of the substrate 11, and a long metal film is formed on the surface of the second metal film 13. A long pin 16 was soldered with a bonding material 14.

（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 first metal film 12 on the surface of the substrate 11, and the first metal film 12 A long pin 16 was soldered to the surface with a bonding material 14.

〔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 base material 11 and the second metal film 13, and Comparative Example 2 The description of “14” means that the bonding material 14 had a fracture position.

〔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 bonding material 14. The fracture position of the test body of Example 2 was at the interface between the first metal film 12 and the second metal film 13. The fracture position of the specimen of Comparative Example 1 was at the interface between the base material 11 and the first metal film 12. The fracture position of the specimen of Comparative Example 2 was in the bonding material 14.

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 base material 11 and the first metal film 12 ( More precisely, it was between the Al-Cu alloy phase and the copper layer. From the above results, it is considered that when the Al—Cu alloy phase exceeds 20 μm as in Comparative Example 3, the adhesion strength of the metal film to the base material is lowered after the heat treatment due to Al—Cu alloying. .

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)

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. 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ことを特徴とする請求項１に記載のパワーモジュールの製造方法。   The method for manufacturing a power module according to claim 1, further comprising a heat treatment step of heat-treating the first and second metal films in an atmosphere containing a reducing gas. 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ことを特徴とする請求項１または２に記載のパワーモジュールの製造方法。   3. The method of manufacturing a power module according to claim 1, wherein 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. . 前記基材に、アルミニウム、アルミニウム合金、またはアルミニウムを主材としたセラミックスを用いることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のパワーモジュールの製造方法。 Before Kimotozai, aluminum, a manufacturing method for a power module according to claim 1, characterized by using an aluminum alloy or aluminum was mainly made ceramics. 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、加熱することを特徴とする請求項２に記載のパワーモジュールの製造方法。 In the heat treatment step, between the base material and the first metal film, the first and the first and the first and second under heating conditions of 300 ° C. to 550 ° C. so that the thickness of the Al—Cu alloy phase is 20 μm or less. The method for manufacturing a power module according to claim 2 , wherein the second metal film is heated.
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