CN106796920A - 散热部件及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供将电路基板接合后的翘曲的回复小、散热性优异的散热部件的制造方法和采用该制造方法制造的散热部件。本发明提供散热部件的制造方法，其为包括包含碳化硅和铝合金的复合化部、具有翘曲的平板状的散热部件的制造方法，其特征在于，用具有450℃以上的表面温度、具有曲率半径7000mm～30000mm的1对相对的球面的凹凸模夹持散热部件，以该散热部件的温度成为450℃以上的温度的方式用10KPa以上的应力模压30秒以上。
Description
技术领域
本发明涉及散热部件及其制造方法。
背景技术
为了使由半导体元件产生的热扩散，将底板接合于用于安装半导体元件的电路基板，进而将散热叶片等散热部件接合于底板的相反的板面。作为这样的用途的底板，使用导热性高、具有接近所接合的电路基板的热膨胀系数、包含铝或铝合金和碳化硅的复合体(专利文献1)。
在上述的用途中使用平坦的底板的情况下，由于因底板与电路基板的热膨胀系数之差而在两者接合时产生的应力或其后利用树脂密封等进行封装时产生的应力，与散热叶片等密合的一侧的底板面翘曲为凹型，将散热叶片固定于底板时，无法获得充分的密合性。
作为解决该问题的手段，有预先使底板的与散热叶片等接合的板面翘曲为凸型的翘曲加工的技术(专利文献2)。
专利文献1：日本特开平3-509860号公报
专利文献2：日本特开平11-330308号公报
发明内容
但是，在以往的翘曲加工中，在安装后的热循环等环境下，存在底板的翘曲变动的问题。
另外，在对底板施加应力的同时进行加热处理而赋予翘曲的方法中，在陶瓷基板与底板的焊料接合和树脂密封等进行封装后，与散热叶片密合的一侧的面不是作为原本目标的凸型，而是成为凹型的翘曲形状，即翘曲的回复大，其结果散热性差，这是问题。
根据本发明，提供将电路基板接合后的翘曲的回复小、散热性优异的散热部件的制造方法和采用该制造方法制造的散热部件。
根据本发明，提供散热部件的制造方法，其为包括包含碳化硅和铝合金的复合化部、具有翘曲的平板状的散热部件的制造方法，其特征在于，用具有450℃以上的表面温度、具有曲率半径7000mm～30000mm的1对相对的球面的凹凸模夹持散热部件，以该散热部件的温度成为450℃以上的温度的方式用10KPa以上的应力模压30秒以上。
根据本发明的一个方式，在上述的制造方法中，其特征在于，上述曲率半径为20000mm～30000mm。
根据本发明的一个方式，其特征在于，采用上述的制造方法制造的散热部件在将赋予翘曲前每10cm的翘曲量设为X，将赋予翘曲后每10cm的翘曲量设为(X+Y)，将在320℃以下的温度下对赋予翘曲后的散热部件加热处理了1小时以上后每10cm的翘曲量设为(X+Z)时，在Y与Z之间满足成为(Y-Z)＜(Y/2)的关系。
根据本发明的一个方式，在上述的制造方法中，其特征在于，(Y-Z)为18μm以下。
根据本发明的一方式，在上述的制造方法中，其特征在于，(Y/2)-(Y-Z)为1μm～80μm。
另外，根据本发明，提供采用上述任一个的制造方法制造的散热部件。
根据本发明，能够提供将电路基板接合后的翘曲的回复小、散热性优异的散热部件的制造方法和采用该制造方法制造的散热部件。
附图说明
图1为说明散热部件的翘曲量的图。
图2为说明本发明实施方式涉及的制造方法的模压结构的概念性的图，图2(a)表示模压前的状态，图2(b)表示模压时的状态，图2(c)表示模压后的状态。
附图标记说明
1 散热部件
2 模压凸模
3 模压凹模
具体实施方式
以下通过实施方式对本发明更详细地说明。但是，本发明并不限定于这些实施方式是显而易见的。
本发明中，所谓“翘曲量”，假想平板状的散热部件的中心部(散热部件的中心部可设为大致矩形的平板的板面中的、对角线的交点)成为中点的、将散热部件的板面的长边方向或短边方向的线段的端点之间连结的直线，谋求该直线的垂线中通过上述中心部的垂线的长度，将其定义为翘曲量。
例如，在图1的例子中，散热部件的中心部O成为中点，P1和P2成为长边方向或短边方向的线段的端点。假想将该P1与P2连结的直线，将从该直线向中心部O所引的垂线的长度设为L。此时，将连结P1和P2的直线的长度设为M，将长度L相对于长度M的值设为翘曲量。例如，将长度M设为10cm时的、长度L的换算值设为每10cm的翘曲量。
本发明中，所谓“球面”，能够定义为使平面上的曲线围绕该平面上的一直线旋转时产生的曲面。
本实施方式的散热部件的制造方法，是包括包含碳化硅和铝合金的复合化部、具有翘曲的平板状的散热部件的制造方法，其特征在于，用具有450℃以上的表面温度、具有曲率半径7000mm～30000mm的1对相对的球面的凹凸模夹持散热部件，以该散热部件的温度成为450℃以上的温度的方式用10KPa以上的应力模压30秒以上。
采用具有上述构成的制造方法，提供翘曲的回复小、与散热叶片等其他散热部件相接时的密合性良好、因而散热性优异的散热部件。其结果，能够安装半导体元件等，稳定地并生产率良好地得到高可靠性的组件。
本实施方式中，对底板(散热部件)的表面全面给予应力时，使用具有曲率半径为7000mm～30000mm的球面形状的凹模和具有与上述球面相同的曲率半径的球面形状的凸模这2个组成的模具(以下将该一对模具称为凹凸模)。采用将底板夹持在凹凸模的上述球面之间，边在夹持底板的方向上给予应力(边进行所谓的模压)边加热的方法。
上述的方法中，采用：预先将夹持了底板的1对模具加热，用模压机进行模压的方法，或者施加载荷的方法；将底板投入预先加热到规定温度的一对模具中，进行模压的方法，进而在此时预先将底板加热的方法等。
压模为图2中所示那样的压模，具有夹持散热部件1的模压凸模2和模压凹模3(图2(a))。通过使一对的模压凸模2与模压凹模3对置，夹持散热部件1(图2(b))，在上述的条件下进行加热模压，从而对散热部件1赋予规定的翘曲(图2(c))。
采用上述的方法，可以对散热部件1在散热部件1的板面的长度方向和宽度方向上每10cm赋予5μm～200μm的翘曲量。
电路基板接合时，由于其热膨胀系数差，在散热部件中一般作用凸面趋向于凹面的力，因此，由于散热部件的形状，在一部分中容易产生凹型的区域，但通过形成球面形状的翘曲，即使上述的力发挥作用，也不会变形直至一部分的区域成为凹型，因此制成组件时能够充分地维持散热叶片等的接合，得到高可靠性的组件。
本实施方式中，由于为包含铝合金和碳化硅的复合体，因此在赋予翘曲时，优选在成为其基体的铝或铝合金部不熔融的范围内的温度下，底板成为尽可能高的温度，具体地，优选在450℃～550℃左右的温度范围进行处理。
另外，应力可以为10KPa以上，优选为30KPa以上且250KPa以下。可根据底板的板厚、赋予翘曲时的温度等实验上确定最适合应力。
本实施方式中，一般是通过将散热部件夹持在被加热的相对的球面模间而将其加热。因此，复合体自身成为450℃以上的温度时，受到复合体的厚度、面积等影响，但如果在散热部件自身的温度基本上为450℃以上的温度下模压30秒以上且300秒以下，则得到具有本实施方式的特性的散热部件。
再有，作为本实施方式中所使用的1对的凹凸模的材质，只要是在本实施方式的加热处理温度下能够维持其形状历时特定时间，则对材质无限制，优选使用如碳、氮化硼等陶瓷、超硬合金、不锈钢这样的金属材料。
用于对散热部件进行模压的一对压模的模压面可具有曲率半径为20000mm～30000mm的球面形状。通过曲率半径为20000mm～30000mm，能够使加热处理引起的翘曲量的变化小。
就上述的散热部件而言，将赋予翘曲前每10cm的翘曲量设为X，将赋予翘曲后每10cm的翘曲量设为(X+Y)，将赋予翘曲后的散热部件在320℃以下的温度下加热处理了1小时以上后的每10cm的翘曲量设为(X+Z)时，可以使Y与Z之间满足(Y-Z)＜(Y/2)的关系。
关于赋予翘曲，在赋予前每10cm的翘曲量为Xμm，赋予后每10cm的翘曲量成为了(X+Y)μm的情况下，赋予的每10cm的翘曲量成为Yμm。另外，关于翘曲量的回复，将上述的每10cm的翘曲量为(X+Y)μm的散热部件在320℃以下的温度下加热处理1小时以上，每10cm的翘曲量成为了(X+Z)μm的情况下，定义为(Y-Z)μm。
在上述的制造方法中，对于(Y-Z)，通过满足成为(Y-Z)＜(Y/2)的关系，从而翘曲的回复小，能够提供散热性更为优异的散热部件。
通过如上述那样规定在上述的温度下实施了1小时以上加热处理前后的翘曲量的关系，从而能够维持赋予的翘曲量的50％以上，因此实际将陶瓷电路基板等焊接，进而进行树脂密封等封装后，也能够将散热部件的散热叶片固定侧维持于凸面的状态，得到散热性优异的组件。
再有，(Y-Z)可以为18μm以下。通过加热处理前后的翘曲量的回复为18μm以下，能够均匀地保持散热部件的形状，生产率良好地制造散热部件。
再有，(Y/2)-(Y-Z)可以为1μm～80μm的范围。通过设为这样的范围，密合性更为良好，能够制造散热性优异的散热部件。
采用本实施方式的制造方法，可得到加热后的翘曲的回复量小、具有接近球面的形状的翘曲的散热部件。
作为本实施方式中使用的包含铝合金和碳化硅的复合体，可以优选地应用铝或铝合金、碳化硅这两者三维地具有网眼结构的复合体，其中，从具有高热导率并且具有低膨胀率出发，进一步优选将碳化硅粉粒制成成型体、使上述成型体中的空隙部含浸铝或含有铝的合金而得到的复合体。
为了得到这样的复合体，例如，能够使用高压锻造法。在高压锻造法中，为了防止在后述的含浸铝或铝合金(以下简称为铝)的工序中的开裂等异常发生，使得到的复合体满足高热导率、低膨胀率、高强度等特性，可以预先将碳化硅制成成型体(预型件)，使其含浸铝。
作为制作碳化硅的预型件的方法，能够采用：将碳化硅粉末和有机粘结剂以及为了维持烧成后的强度而使用的无机粘结剂等混合的混合粉末模压成型后，在空气中或非活性气氛中烧成而制成预型件的方法；在上述混合粉末中进一步添加水、溶剂以及增塑剂、分散剂等，混炼后，进行挤出成型、烧成的方法；将上述混合物制成低粘度的浆料，在模具中铸塑成型，进行烧成的注射法；还有将浆料填充于具有规定的吸水性的模具中，进行加压成型的湿式加压成型法等公知的方法。
在本实施方式中利用的情况下，碳化硅含有率可以根据其用途适当地选择，要得到具有高热导率、并且热膨胀系数为6ppm/K～9ppm/K左右的铝-碳化硅质底板，无论采用何种方法制作预型件，都希望使预型件的相对密度为50％以上，更优选为60％以上。因此，作为碳化硅原料，将具有不同粒径的2种以上的原料粉末适当地混合是有效的。相对密度可以采用阿基米德法等测定。
在使预型件含浸铝而制成复合体的工序中，通过将碳化硅质预型件设置于模具中后，将熔融的铝投入模具中，对熔融铝进行模压，从而使预型件的空隙内含浸铝，通过冷却，制作铝-碳化硅质复合体。
此时，为了顺利地进行含浸，预先将预型件预热。另外，作为含浸的铝原料，为了低熔融温度化、含浸的容易性和含浸后的机械特性的提高等，使用含有6质量％～18质量％的硅的铝-硅系合金，为了进一步提高与预型件的润湿性，使用添加了3质量％以下的镁的铝-硅-镁系合金等。
使用何种合金可以任意地选择，一般地，含浸在800℃～900℃下熔融的铝合金。采用上述方法制作的铝-碳化硅质复合体在原样的状态下，或者其后将其表面和外周加工为规定的形状，进而根据需要实施镀敷等表面处理，成为散热部件。
通过以上的工序得到的散热部件如上述那样，是平坦的，或者存在未受控的翘曲，但采用本实施方式的方法，成为球状的翘曲量受控的散热部件。
采用上述实施方式的散热部件的制造方法，提供在与陶瓷电路基板的焊料接合、进行树脂密封等封装化后与散热叶片的密合性也高的散热部件。
实施例
以下基于实施例和比较例对本发明进行说明。
(实施例1)
将相对密度为65％、由碳化硅构成、尺寸为179mm×129mm、厚度为4.9mm的预型件设置于具有尺寸为182mm×132mm、深度为5.0mm的模腔的带有浇口的模具内。
将其在600℃下加热1小时后，立即注入含有12质量％的硅和0.9质量％的镁的熔融铝合金，进行高压模压，从而使预型件内的空隙含浸铝合金。冷却后，从模具脱模，得到了铝-碳化硅质复合体。
通过对得到的复合体的外周进行加工，制成尺寸为180mm(称为长度)×130mm(称为宽度)、厚度为5mm的底板。再有，此时的表面用铝合金覆盖。
对于上述底板，测定了翘曲量。翘曲量的测定采用激光三维形状测定器(KEYENCECORPORATION制造：LK-G500)进行，测定范围以底板的中央成为中点的方式在长度方向上设为100mm，在宽度方向上设为100mm。
再有，长度方向、宽度方向的测定位置都是设为通过底板的中心的线。测定了翘曲量，结果显示一面在长度方向、宽度方向都为凸状、反面都为凹状的翘曲形状。对于该凸面，考察将测定范围的两端换算为零时的线中的最高高度，即翘曲量，结果在长度方向上为16μm，在宽度方向上为14μm。
为了对上述底板赋予翘曲，准备了SUS制成的设置了曲率半径为10000mm的球面的凹凸模。将该凹凸模安装于热压机，加热，使模具的表面温度成为460℃。在该凹凸模之间配置上述底板，用40KPa进行模压。此时，使热电偶与底板的侧面接触而测温。从底板的温度成为450℃的时刻开始保持3分钟后，急冷，将加压解除。
测定了得到的底板的凸面侧的翘曲量，结果长度方向为135μm，宽度方向为122μm。
将上述底板进一步在320℃下加热2小时后，测定了翘曲量，结果为：长度方向为122μm，宽度方向为111μm。将这些结果示于表1和表2中。
[表1]
[表2]
(实施例2)
除了使用曲率半径为7000mm的模具以外，采用全部与实施例1相同的方法对底板进行了处理。将各阶段中的翘曲量示于表1和表2中。
(实施例3)
除了使用曲率半径为20000mm的模具以外，采用全部与实施例1相同的方法对底板进行了处理。将各阶段的翘曲量示于表1和表2中。
(实施例4)
除了使用曲率半径为30000mm的模具以外，采用全部与实施例1相同的方法对底板进行了处理。将各阶段的翘曲量示于表1和表2中。
(实施例5)
除了使模具的表面温度为560℃，使模压压力为10KPa，从底板的温度成为550℃的时刻开始保持0.5分钟(30秒)以外，采用全部与实施例1相同的方法对底板进行了处理。将各阶段中的翘曲量示于表1和表2中。
(实施例6)
除了使模具的表面温度为530℃，使模压压力为30KPa，从底板的温度成为520℃的时刻开始保持4分钟以外，采用全部与实施例1相同的方法对底板进行了处理。将各阶段中的翘曲量示于表1和表2中。
(实施例7)
除了使用曲率半径为15000mm的模具，使模具的表面温度为560℃，使模压压力为10KPa，从底板的温度成为550℃的时刻开始保持0.5分钟，进而使赋予翘曲后的加热处理为270℃、3小时以外，全部采用与实施例1相同的方法对底板进行了处理。将各阶段中的翘曲量示于表1和表2中。
(实施例8)
除了使用曲率半径为15000mm的模具，使模压压力为40KPa以及使保持时间为4分钟，进而使赋予翘曲后的加热处理为270℃、3小时以外，全部采用与实施例2相同的方法对底板进行了处理。将各阶段中的翘曲量示于表1和表2中。
(实施例9)
除了使用曲率半径为15000mm的模具，使模具的表面温度为530℃，使模压压力为30KPa，从底板的温度成为520℃的时刻开始保持3分钟，进而使赋予翘曲后的加热处理为270℃、3小时以外，全部采用与实施例3相同的方法对底板进行了处理。将各阶段中的翘曲量示于表1和表2中。
(比较例1)
除了使模具的表面温度成为560℃，使模压压力成为8KPa，从底板的温度成为550℃的时刻保持3分钟以外，采用全部与实施例1相同的方法对底板进行了处理。将各阶段中的翘曲量示于表1和表2中。
(比较例2)
除了使模具的温度成为440℃，使底板温度成为430℃，使模压压力成为10KPa，使模压时间成为0.5分钟(30秒)以外，采用全部与实施例1相同的方法对底板进行了处理。将各阶段中的翘曲量示于表1和表2中。
(比较例3)
除了使模具的温度成为530℃，使底板温度成为520℃，使模压压力成为30KPa，使保持时间成为0.25分钟(15秒)以外，采用全部与实施例4相同的方法对底板进行了处理。将各阶段中的翘曲量示于表1和表2中。
(比较例4)
除了使用曲率半径为15000mm的模具，使模具的温度成为560℃，使底板温度成为550℃，使模压压力成为10KPa，使保持时间成为0.25分钟(15秒)，进而使赋予翘曲后的加热处理成为270℃、3小时以外，采用全部与实施例1相同的方法对底板进行了处理。将各阶段中的翘曲量示于表1和表2中。
(比较例5)
除了使用曲率半径为5000mm的模具，使模压时间成为4分钟以外，采用全部与实施例1相同的方法对底板进行了处理。实施了赋予翘曲后的外观检查，结果在底板中确认了裂纹。
(比较例6)
除了使用曲率半径为35000mm的模具以外，采用全部与实施例1相同的方法对底板进行了处理。将各阶段中的翘曲量示于表1和表2中。
(比较例7)
将采用实施例1的含浸方法和外周加工得到的、预先测定了翘曲的底板放在160mm×120mm、深5mm的模腔上，用螺丝将底板的中心紧固在里面，以模腔的边缘为支点使其弯曲。在该状态下投入炉中，在550℃下加热30分钟后冷却。其后，释放螺丝紧固，测定所赋予的翘曲后，实施320℃、2小时的加热处理，再次测定了翘曲。将结果示于表1和表2中。
(比较例8)
除了以450℃、30分钟进行了用螺丝紧固在里面的状态的加热，使螺丝紧固释放后的加热处理为320℃、1小时以外，在全部与比较例7相同的条件下进行了处理。将结果示于表1和表2。
如由表1和表2可知，采用本发明的制造方法所制造的散热部件具有如下的效果：将电路基板接合后的翘曲的回复小，散热性优异。
如以上那样，能够期待如下的效果：采用本发明的方法，能够制造在电路基板接合时等翘曲的回复小、通过其后的封装而在散热叶片侧具有凸的稳定的形状的散热部件，其结果，能够稳定地提供散热性优异、长期可靠性高的组件。
Claims (6)
1.散热部件的制造方法，其为包括包含碳化硅和铝合金的复合化部、具有翘曲的平板状的散热部件的制造方法，其特征在于，
用具有450℃以上的表面温度、具有曲率半径7000mm～30000mm的1对相对的球面的凹凸模夹持散热部件，以该散热部件的温度成为450℃以上的温度的方式用10KPa以上的应力加压30秒以上。
2.根据权利要求1所述的散热部件的制造方法，其特征在于，上述曲率半径为20000mm～30000mm。
3.根据权利要求1或2所述的散热部件的制造方法，其特征在于，
采用根据权利要求1或2所述的制造方法制造的散热部件，在将赋予翘曲前每10cm的翘曲量设为X，将赋予翘曲后每10cm的翘曲量设为(X+Y)，在320℃以下的温度下将赋予翘曲后的散热部件加热处理1小时以上后每10cm的翘曲量设为(X+Z)时，在Y与Z之间满足成为(Y-Z)＜(Y/2)的关系。
4.根据权利要求1-3的任一项所述的散热部件的制造方法，其特征在于，
采用根据权利要求1-3的任一项所述的制造方法制造的散热部件，在将赋予翘曲前每10cm的翘曲量设为X，将赋予翘曲后每10cm的翘曲量设为(X+Y)，在320℃以下的温度下将赋予翘曲后的散热部件加热处理1小时以上后的每10cm的翘曲量设为(X+Z)时，(Y-Z)为18μm以下。
5.根据权利要求1-4的任一项所述的散热部件的制造方法，其特征在于，
采用根据权利要求1-4的任一项所述的制造方法制造的散热部件，在将赋予翘曲前每10cm的翘曲量设为X，将赋予翘曲后每10cm的翘曲量设为(X+Y)，在320℃以下的温度下将赋予翘曲后的散热部件加热处理1小时以上后的每10cm的翘曲量设为(X+Z)时，(Y/2)-(Y-Z)为1μm～80μm。
6.散热部件，其为采用根据权利要求1-5的任一项所述的制造方法制造的散热部件。
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