CN101438401B - 铝-碳化硅质复合体及其加工方法 - Google Patents

铝-碳化硅质复合体及其加工方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供适合作为功率模块用底板等的铝—碳化硅质复合体。它是将以铝为主要成分的金属含浸至平板状的碳化硅质多孔体中而形成的铝—碳化硅质复合体，其特征在于，两主面具有由以铝为主要成分的金属形成的铝层，对侧面部及孔部进行水喷射加工，使侧面不具有由以铝为主要成分的金属形成的铝层。

Description

铝-碳化硅质复合体及其加工方法
技术领域
本发明涉及适合作为功率模块用底板(baseboard)等的铝—碳化硅质复合体及其加工方法。
背景技术
近年来，半导体元件随着高集成化和小型化，其发热量也在不断增加，如何使所用的电路基板有效地散热成为了问题。因此，在具有高绝缘性、高热传导性的例如氮化铝基板、氮化硅基板等陶瓷基板的表面形成铜制或铝制的金属电路并在其背面形成铜制或铝制的金属散热板而构成的陶瓷电路基板例如被用作功率模块用基板。
以往的功率模块的典型的散热结构是将底板锡焊于陶瓷电路基板而成的结构，作为底板一般为铜、铝。然而，该结构在例如受到热负荷时，焊锡层发生由底板与陶瓷电路基板的热膨胀系数差引起的开裂，结果散热变得不充分，出现使电路上的半导体误动作、破损等问题。
因此，作为热膨胀系数与陶瓷电路基板的热膨胀系数相近的底板，提出了铝合金—碳化硅质复合体(参照专利文献1)。
专利文献1：日本专利特愿平3—509860号公报。
近年来，随着功率模块用底板的形状复杂化，为形成所要的形状，使用钻石等工具的磨削等机械加工变得必要。另外，随着功率模块自身的小型化，为了防止底板精密加工时以及安装时因底板侧面附着有焊锡而导致尺寸变化，希望得到焊锡难以附着的结构的底板。如果为防止焊锡的附着而使与焊锡的浸润性差的碳化硅外露，则有显著的效果，但是由于铝—碳化硅质复合体是硬材质，因此如果机械加工至碳化硅外露，则存在加工时间变长等生产效率低、高成本的难点。
除此之外，有机械加工时铝—碳化硅质复合体的内部发生形变，在机械加工后的退火处理工序中翘曲程度大幅度变化的可能。因此，采取了预先将预制件插入与最终形状相近的金属制的框体中进行含浸、减少加工量等措施。然而，如果用最终形状的金属框体进行含浸，则存在含浸后的金属框体的脱模操作烦杂、脱模时产生缺陷、脱模后的铝—碳化硅质复合体的最终尺寸的偏差变大的问题。
此外，外周形状为复杂形状时，如果用最终形状的型箱复合化，则存在复合化后的冷却过程中应力集中于角落部分、发生开裂的问题。虽然也有制作外周部分由铝合金形成的例如图1所示的结构的复合体，然后对外周部分进行机械加工的方法，但加工时因铝合金与铝—碳化硅质复合体的热膨胀差使应力失去平衡而导致裂纹发生。因此，为制作复杂形状的底板，必需制作比制品形状大的平板状的铝—碳化硅质复合体，通过退火处理等充分地除去内部形变后，用钻石制的工具对外周形状进行磨削加工，此时，存在加工成本变得非常昂贵的难点。
发明的揭示
本发明鉴于上述状况，其目的是提供适合作为功率模块用底板等的铝—碳化硅质复合体及其加工方法。
即，本发明具有以下技术内容。
(1)铝—碳化硅质复合体，该复合体通过将以铝为主要成分的金属含浸至平板状的碳化硅质多孔体中而形成，
该铝—碳化硅质复合体的特征在于，两主面具有由以铝为主要成分的金属形成的铝层，对侧面部及孔部进行水喷射(water jet)加工，使侧面不具有由以铝为主要成分的金属形成的铝层。
(2)上述(1)记载的铝—碳化硅质复合体，其中，上述以铝为主要成分的金属含有7～25质量％的硅。
(3)上述(1)或(2)记载的铝—碳化硅质复合体，其中，上述以铝为主要成分的金属含有0.5～0.9质量％的镁。
(4)使用上述(1)～(3)中任一项记载的铝—碳化硅质复合体而形成的功率模块用底板。
(5)上述(1)～(4)中任一项记载的铝—碳化硅质复合体的制造方法，该方法的特征在于，使以铝为主要成分的金属含浸至碳化硅质多孔体中的方法是高压锻造法的液态模锻法。
(6)上述(5)记载的铝—碳化硅质复合体的制造方法，其中，使以铝为主要成分的金属含浸后，以400～550℃的温度进行10分钟以上的退火处理。
(7)铝—碳化硅质复合体的加工方法，该方法是使以铝为主要成分的金属含浸至平板状的碳化硅质多孔体中而形成的铝—碳化硅质复合体的加工方法，
该加工方法的特征在于，用水喷射对上述铝—碳化硅质复合体的侧面部及孔部进行加工，使两主面具有由以铝为主要成分的金属形成的铝层，且侧面不具有由以铝为主要成分的金属形成的铝层。
(8)上述(7)记载的铝—碳化硅质复合体的加工方法，其中，上述水喷射的加压水压为200～300MPa，加工速度为100mm/min以下。
本发明的铝—碳化硅质复合体通过使侧面不具有由铝合金形成的铝层，具有由安装时的焊锡附着导致的尺寸变化小、可容易地安装的特点。此外，通过用水喷射对铝—碳化硅质复合体部分进行加工，除不会因加工而产生热应力、能够防止加工时因应力释放而产生裂纹、可容易地附加复杂的形状的特点以外，还具有加工时间减少的效果。
因此，适合作为今后日益多样化的、要求高可靠性的、半导体部件搭载用功率模块用的底板等。
对附图的简单说明
图1是实施例1～3及比较例1中加工的铝—碳化硅质复合体的平面示意图。
图2是比较例2中使用的SiC预制件的平面示意图。
实施发明的最佳方式
本发明使用的铝—碳化硅质复合体的制造方法是使铝合金含浸至碳化硅质多孔体中的浸渍法即可，可采用在常压下进行的方法，或液态模锻法、压力铸造法等高压锻造法等公知的方法制造，但从生产性这一点来看液态模锻法更合适。
对于本发明的多孔质碳化硅成形体(下面也称为SiC预制件)的制造方法无特别限制，可采用公知的方法制造。例如，可将二氧化硅或氧化铝等作为粘结材料添加至碳化硅粉末(下面称为SiC粉末)中，混合，成形，优选在800℃以上的温度下进行烧成，藉此得到多孔质碳化硅成形体。
本发明所用的SiC粉末可使用采用气相法、阿切孙(Acheson)法等公知的制造方法制造的粉末。
此外，粒径分布也无特别限制，单独或进行粒度调整后使用均可。例如，作为一例，可例举使用将较好为40～80质量％的平均粒径40μm以上的SiC粗粉与较好为60～20质量％的平均粒径15μm以下的SiC微粉混合而成的混合粉末。
对于将本发明的SiC粉末成形为所要的形状的成形方法也无特别限制，可采用加压成形、挤压成形、浇铸成形等方法，可根据需要并用保形用粘合剂。
对于干燥方法无特别限制，但通过1块1块地进行干燥，或在SiC粉末的成形体间使用与预制件形状相同的碳等的间隔物的情况下进行干燥，可防止由干燥导致的翘曲形状的变化。
此外，关于烧成，也可通过进行与干燥时相同的处理，防止因内部组织变化而导致形状发生变化。
接着，将SiC粉末的成形体脱脂、烧成。烧成后的SiC预制件的相对密度较好在55～75％的范围内。为防止使用时或含浸中的开裂，SiC预制件的强度以弯曲强度计较好为3MPa以上，更好为5MPa以上。如果烧成温度为800℃以上、更好为900℃以上，则与烧成时的气氛无关，可得到弯曲强度为3MPa以上的预制件。然而，在氧化性气氛中，如果以超过1100℃的温度烧成，则有SiC的氧化被促进，铝—碳化硅质复合体的热传导率下降的可能，所以在氧化性气氛中较好的是以1100℃以下的温度烧成。烧成时间可根据SiC预制件的大小、烧成炉内的投入量、烧成气氛等条件适当决定。
本发明中，SiC预制件的大小必需大于最终尺寸。如果预制件尺寸小于最终尺寸，则用水喷射对含浸后的铝—碳化硅质复合体进行加工时，有铝合金层残留于一个或多个侧面的可能。
接着，层积SiC预制件。以往，将SiC预制件层积、收纳于预先确定的型箱内成为一个块(block)，使其在铝合金含浸时形成为所要的尺寸。但本发明中，含浸后用水喷射进行加工，因此含浸时可不使用型箱，在生产性这一点上较佳。本发明中使用型箱时，必需使用大于最终尺寸的型箱。
将层积SiC预制件而成的块以500～650℃左右的温度预加热后，在高压容器内配置1个或2个以上，为防止块的温度下降，尽快注入熔融的铝合金，以较好为30MPa以上、更好为35MPa以上的压力加压，使铝合金含浸至SiC预制件的空隙中。之后，如果将含浸的块切出，则可得到全部的面都具有铝合金层的铝—碳化硅质复合体。另外，有时也以除去含浸时的形变为目的进行退火处理。退火处理还具有使铝合金层与碳化硅质复合体的接合更牢固的效果。
本发明的铝—碳化硅质复合体中的铝合金为在含浸时充分地浸透至预制件的空隙内，较好的是熔点尽可能的低。作为上述铝合金，例如可例举含有7～25质量％、较好为9～15质量％的硅的铝合金。如果进一步还含有镁，则碳化硅粒与金属部分的结合会变得更牢固，所以更佳其含量较好为0.5～0.9质量％、更好为0.7～0.9质量％。关于铝合金中的铝、硅、镁以外的金属成分，在特性不发生极端地变化的范围内无特别限制，例如有时可含有铜等。
铝合金含浸后的以除去形变为目的进行的退火处理较好的是以400～550℃、较好为500～550℃的温度进行10分钟以上、较好为30分钟以上。如果退火温度未满400℃，则有复合体内部的形变未充分地释放、在之后的工序中翘曲程度大幅度变化的可能。另一方面，如果退火温度超过550℃，则有含浸中使用的铝合金熔融的可能。如果退火时间不足10分钟，则即使退火温度为400～550℃，也有复合体内部的形变未充分地释放，在之后的工序中翘曲程度大幅度变化的可能。
铝—碳化硅质复合体的重要特性是热传导率和热膨胀系数。铝—碳化硅质复合体中的SiC含有率越高，热传导率越高，热膨胀系数越小，因此较佳，但如果含有率过高，则有铝合金无法充分地含浸的可能。
本发明的铝—碳化硅质复合体的两主面具有由铝合金形成的铝层。为确保施以电镀处理时的镀层密合性，该铝层是必需的。铝层的厚度较好的是平均厚度为10～150μm，更好的是100μm以下。平均厚度未满10μm的情况下，有之后的电镀前处理等表面处理时铝—碳化硅质复合体部分露出，在该部分发生镀层不附着或镀层密合性下降的可能。另一方面，如果平均厚度超过150μm，则有所得底板自身的热膨胀率过度增大，接合部的可靠性下降的可能。
本发明的铝—碳化硅质复合体的特征还在于，侧面不具有由铝合金形成的铝层。与侧面残留铝层时相对照，侧面不具有铝层时，电镀后附着于侧面的焊锡可容易地除去，所以由锡焊导致的尺寸变化大幅减小，因此也能容易地安装于小型化的功率模块。
较好是铝—碳化硅质复合体的侧面的整个面都不具有铝层，但本发明中，不一定非要整个侧面都不具有铝层，而只要一部分侧面不具有铝层，就具有一定的效果。本发明中，较好的是侧面面积的较好为20％以上，更好为30％以上不具有铝层。
为将铝—碳化硅质复合体加工至最终尺寸而使用的水喷射中，将金刚砂等磨粒作为研磨剂使用。磨粒的平均粒度为80～150μm，较好为100～130μm。加工时的压力(水压)及加工速度可根据铝—碳化硅质复合体的厚度适当决定。例如，铝—碳化硅质复合体的厚度为3～5mm时，一般以水压较好为200～300MPa、更好为200～250MPa，加工速度较好为100mm/min以下、更好为80mm/min以下的条件进行加工。如果压力未满200MPa、加工速度超过100mm/min，则有切割缺陷和加工面与背面的尺寸差变大而成为加工缺陷的可能。
为使水喷射加工后的加工面与背面的尺寸差控制在所要的尺寸以下，有效的是减小水喷射加工机的磨料喷嘴径或使喷嘴头相对被加工体倾斜而进行加工。
如果例举加工条件的一个例子，则可例举在铝—碳化硅质复合体的厚度为5mm、水压200MPa以及加工速度100mm/min的加工条件下进行水喷射加工时，为将两主面的尺寸差控制在0.6mm以内，可以使磨料喷嘴径为1.0mm以下，或使喷嘴头相对被加工体从垂直方向朝外侧倾斜3°～20°。
本发明的铝—碳化硅质复合体通过在侧面不具有铝合金层，具有由安装时的锡焊导致的尺寸变化小、可容易地安装的特点。
此外，通过用水喷射进行加工，除了可容易地加工成复杂的形状的特点外，还有加工时间大幅缩短的效果。
因此，适合作为今后日益多样化的、要求高可靠性的、半导体部件搭载用功率模块用的底板等。
实施例
下面，通过本发明的实施例更详细地进行说明，但本发明不限定于此。
(实施例1)
称取SiC粉末A(太平洋蓝登公司制：NG—220，平均粒径：60μm)70g、SiC粉末B(屋久岛电工公司制：GC—1000F，平均粒径：10μm)30g及硅溶胶(日产化学公司制：Snowtex)10g，用搅拌混合机混合30分钟后，以10MPa的压力加压成形为190mm×140mm×5.0mm的尺寸的平板状。将所得成形体在大气中于900℃下烧成2小时，得到相对密度为65％的SiC预制件。
用两面碳包覆的SUS板夹住所得SiC预制件，成为一体，将其用电炉预加热至600℃。接着，将其收纳于预先加热的内径300mm的压模内，注入含有12质量％的硅、0.5质量％的镁的铝合金的熔融金属，以100MPa的压力加压20分钟，使铝合金含浸至SiC预制件中。冷却至室温后，用湿式带锯机(band saw)切断，使铝—碳化硅质复合体外周的由铝合金形成的铝层厚度为10mm以下，除去夹着的SUS板后，为除去含浸时的形变，以530℃的温度进行3小时的退火处理，得到铝—碳化硅质复合体。
接着，将铝—碳化硅质复合体加工成图1所示的形状。用水喷射机(杉野机械(SUGIN0Machine)公司制，abrasive·jet cutter NC)，以压力250MPa、加工速度50mm/min、磨料喷嘴径1.2mm、将喷嘴头固定的条件，使用粒度100μm的金刚砂作为研磨剂进行加工，使侧面的由铝合金形成的铝层消失。
(实施例2)
采用与实施例1相同的方法制作铝—碳化硅质复合体，除磨料喷嘴径为0.8mm以外，以采用与实施例1相同的方法的条件进行水喷射加工。
(实施例3)
采用与实施例1相同的方法制作铝—碳化硅质复合体，除使喷嘴头相对被加工体朝外侧倾斜10°而进行加工以外，以采用与实施例1相同的方法的条件进行水喷射加工。
(比较例1)
使用实施例1的铝—碳化硅质复合体，以机械加工(北村机械公司制，HX400iF)加工成图1的形状。
(比较例2)
除使用图2所示尺寸(单位：mm)的、厚度为5.0mm的平板状SiC预制件以外，采用与实施例1相同的方法制作铝—碳化硅质复合体，采用与实施例1相同的方法用水喷射机加工成图1的形状。本比较例的铝—碳化硅质复合体的侧面具有1mm的铝合金层。
(实施例4)
分别制作10块实施例1～3、比较例1、2的铝—碳化硅质复合体，求出每1块的加工所要的平均时间。此外，测定加工后的正反面的尺寸差，求出平均值。
对加工后的实施例1～3、比较例1、2的铝—碳化硅质复合体进行非电解镀镍处理，在由铝合金形成的铝层上形成5μm厚的镀层。接着，将市售的氮化铝电路基板(大小：120mm×80mm，电气化学工业公司制)用与氮化铝电路基板同一形状的、厚度为200μm的填充焊剂共晶焊锡接合至经过镀镍处理的铝—碳化硅质复合体上，接合后测定铝—碳化硅质复合体的侧面上附着了焊锡的块数。结果如表1所示。
[表1]
Figure G2007800159783D00081
产业上利用的可能性
本发明的铝—碳化硅质复合体通过用水喷射进行加工，除可抑制由加工时的应力释放导致的开裂的发生、可容易地附加复杂的形状的特点以外，还具有加工时间变少的效果，所以可作为要求高可靠性的半导体部件搭载用功率模块用的底板等使用。
这里引用2006年5月9日提出申请的日本专利申请2006-130044号的说明书、权利要求书、附图以及摘要的全部内容作为本发明的说明书的揭示。

Claims (8)

1.铝-碳化硅质复合体，它是将以铝为主要成分的金属含浸至平板状的碳化硅质多孔体中而形成的铝-碳化硅质复合体，
其特征在于，两主面具有由以铝为主要成分的金属形成的铝层，对侧面部及孔部进行水喷射加工，使侧面不具有由以铝为主要成分的金属形成的铝层。
2.如权利要求1所述的铝-碳化硅质复合体，其特征在于，所述以铝为主要成分的金属含有7～25质量％的硅。
3.如权利要求1或2所述的铝-碳化硅质复合体，其特征在于，所述以铝为主要成分的金属含有0.5～0.9质量％的镁。
4.功率模块用底板，其特征在于，使用权利要求1～3中任一项所述的铝-碳化硅质复合体形成。
5.权利要求1～3中任一项所述的铝-碳化硅质复合体的制造方法，其特征在于，使以铝为主要成分的金属含浸至碳化硅质多孔体中的方法是高压锻造法的液态模锻法。
6.如权利要求5所述的铝-碳化硅质复合体的制造方法，其特征在于，使以铝为主要成分的金属含浸后，以400～550℃的温度进行10分钟以上的退火处理。
7.铝-碳化硅质复合体的加工方法，它是使以铝为主要成分的金属含浸至平板状的碳化硅质多孔体中而形成的铝-碳化硅质复合体的加工方法，
其特征在于，用水喷射对所述铝-碳化硅质复合体的侧面部及孔部进行加工，使两主面具有由以铝为主要成分的金属形成的铝层，且侧面不具有由以铝为主要成分的金属形成的铝层。
8.如权利要求7所述的铝-碳化硅质复合体的加工方法，其特征在于，所述水喷射的加压水压为200～300MPa，加工速度为100mm/min以下。
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