CN110036473A - 复合构件、散热构件、半导体装置和制造复合构件的方法 - Google Patents

复合构件、散热构件、半导体装置和制造复合构件的方法 Download PDF

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Abstract

一种设置有基板的复合构件，所述基板由包含金属和非金属的复合材料构成。所述基板的一个表面具有球面状翘曲，该球面状翘曲的曲率半径R不小于5000毫米且不大于35000毫米。测量所述基板的翘曲部分的轮廓的多个测量点与由所述多个测量点限定的近似弧之间的平均距离被定义为球面误差。所述球面误差不大于10.0微米，所述基板的热导率不低于150W/m·K，并且线膨胀系数不大于10ppm/K。

Description

复合构件、散热构件、半导体装置和制造复合构件的方法
技术领域
本发明涉及复合构件、散热构件、半导体装置和制造复合构件的方法。
本申请要求2016年12月6日提交的日本专利申请第2016-236959号的优先权，其全部内容通过引用并入本文。
背景技术
专利文献1公开了一种镁基复合材料(以下可称为Mg-SiC)，其中，镁(Mg)或其合金和碳化硅(SiC)制成适合于半导体元件的散热构件(散热器)的复合材料。
半导体元件的散热构件代表性地呈平板形，并且其一个表面被用作安装半导体元件等的安装面，而其另一个表面被用作被固定到诸如冷却设备这样的放置目标的放置面。专利文献1公开了如下内容：由Mg-SiC构成的散热构件的放置面被翘曲为凸起，散热构件被压靠在该放置目标上，以使该翘曲变直，并且该散热构件在加压状态下、通过在该状态下用螺栓固定散热构件而与所述放置目标紧密接触。
现有技术列表
专利文献
专利文献1:日本专利申请公开2012-197496
发明内容
根据本公开的复合构件包括基板，所述基板由包含金属和非金属的复合材料构成，该基板的一个表面具有曲率半径R不小于5000毫米且不大于35000毫米的球面状翘曲，球面误差不大于10.0微米，球面误差被定义为测量基板的翘曲部分的轮廓的多个测量点与由多个测量点限定的近似弧之间的平均距离，并且基板具有不低于150W/m·K的热导率和不高于10ppm/K的线膨胀系数
根据本公开的制造复合构件的方法是一种用于通过加工由包含金属和非金属的复合材料构成的基板材料来制造复合构件的制造复合构件的方法，该复合构件包括经加工的基板，并且该方法包括通过将基板材料容纳在曲率半径不小于5000mm且不大于35000mm的模具中来执行热压的压制步骤，该压制步骤包括：以规定的时间维持超过200℃的加热温度和不低于10kPa的施加压力，并且在维持施加不低于所施加的压力的80％的压力的状态下，执行从加热温度到不高于100℃温度的冷却。
附图说明
图1是实施例中的复合构件的示意立体图。
图2是沿着图1所示的(II)-(II)线截取的、实施例中的复合构件的基板中心附近的局部竖直截面图。
图3是沿着图1所示的(III)-(III)线截取的、实施例中的复合构件的基板中心附近的局部横向截面图。
图4是示出了利用三维测量设备对实施例中的复合构件的表面形状进行分析的结果的说明图，该分析结果被转换成二维。
图5是示出在利用三维测量设备对热循环之前和之后的实施例中的复合构件的表面形状进行分析的结果的说明图，该分析结果被转换成二维。
图6是示出测量球面误差的方法并示出用于从基板提取测量区域和轮廓提取线Ln的过程的说明图。
图7是示出测量球面误差的方法并示出限定沿着轮廓提取线Ln提取的轮廓的每个测量点、近似弧以及测量点与近似弧之间的距离d的说明图。
图8是示意性示出实施例中的半导体装置的元件的示意性截面图。
具体实施例
[本公开要解决的问题]
随着来自电子装置的输出提高，在电子装置中包括的半导体元件操作时，发热量趋于增加。因此，期望由半导体元件的散热构件所代表的各种散热构件及其材料从使用的初始阶段开始起在长时间内具有优异的散热性能。
专利文献1公开了如下方案：通过将由Mg-SiC构成的基板材料夹在球面状弯曲模具之间，并将该基板材料在加热和加载状态下保持一段规定的时间，从而获得基板，该基板包括翘曲为凸起的放置面和翘曲为对应于凸起的凹进的安装面。然而，本发明人已经发现，作为其研究结果，即使控制弯曲模具的曲率半径，根据制造条件，成形的精度也较差，并且翘曲基板的表面形状可能显著偏离球面状表面。与具有适当球面状翘曲的基板相比，显著偏离球面状表面并且具有不适当翘曲的基板向放置目标进行热传导的能力趋于较差，这是因为即使这种基板被压靠在放置目标上(参见稍后将描述的测试例3)，这种基板也不能与放置目标形成密切接触，或者它们密切接触的状态是不稳定的。
本发明人已经发现，即使如上所述控制弯曲模具的曲率半径，根据制造条件，也可能发生由于热力过程引起的变形。例如，当该基板被用于半导体元件的散热构件时，诸如使半导体元件与基板彼此绝缘的绝缘基板的焊接或使用期间的热循环这样的热力过程被施加到该基板。所述热力过程导致基板变形或不稳定形状，并且导致偏离初始翘曲形状(设计形状)，这可能造成基板与放置目标之间的密切接触的状态不稳定，并且降低对放置目标的热传导能力。
一个目的是提供一种在与放置目标密切接触方面优异的复合构件。另一个目的是提供一种制造复合构件的方法，该方法允许制造在与放置目标密切接触方面优异的复合构件。
另一个目的是提供一种在与放置目标密切接触方面优异的散热构件和一种半导体装置。
[本公开的效果]
根据本公开的复合构件在与放置目标密切接触方面是优异的。根据本公开的制造复合构件的方法允许制造在与放置目标密切接触方面优异的复合构件。
[对本申请的发明的实施例的描述]
通过在各种条件下向由复合材料构成的基板提供球面状翘曲，本发明人已经研究了这样的基板，其在与放置目标密切接触的状态下稳定且在对放置目标的热传导能力方面优异，在所述复合材料中，金属和非金属构成诸如Mg-SiC这样的复合物。专利文献1公开了沿着矩形基板的对角线的表面位移的差异作为翘曲量的指标。然而，即使采用翘曲量作为指标，也不能够适当地知道球面状状态，并且可能难以识别如上所述与球面状表面有很大偏离的基板。稍后将描述的球面误差被用作以简化方式更恰当地指示球面状状态的指标。本发明人已经发现，当通过使用诸如上述球面状弯曲模具这样的模具在加热和加压状态下形成球面状翘曲时，通过将模具的曲率半径Rd、加热温度和所施加的压力设定在特定范围内并且在特定条件下执行冷却来获得如下基板，该基板球面误差(稍后将描述)满足特定范围，并且在与放置目标密切接触的状态下稳定，其在对放置目标的热传导能力方面优异，且由复合材料构成。本申请的发明基于这些发现。
首先列出并描述了本申请的发明的实施例。
(1)根据本公开的一种方式的复合构件包括基板，该基板由包含金属和非金属的复合材料构成，所述基板的一个表面具有曲率半径R不小于5000毫米且不大于35000毫米的球面状翘曲，不大于10.0微米的球面误差，所述球面误差被定义为测量基板的翘曲部分的轮廓的多个测量点与由所述多个测量点所限定的近似弧之间的平均距离，并且该基板具有不低于150W/m·K的热导率和不高于10ppm/K的线膨胀系数。
假设该翘曲为凸起翘曲，并且该凸起翘曲的球面误差满足不大于10.0微米的条件。复合构件包括这样的形式，即使得基板的一个表面具有球面状凸起翘曲，而相反的另一个表面具有凹进翘曲，以及这样的形式，即使得基板的一个表面具有球面状凸起翘曲，而另一个表面是平坦的(球截形的形式)。
复合构件具有球面状翘曲，其曲率半径R在基板的一个表面中的特定范围内，并且翘曲部分的球面误差为10.0微米或更小。这种翘曲部分的表面形状能够被推断为接近真正球面状表面的一部分(球冠)(其细节将在后面描述)。因为复合构件具有接近球冠的球面状翘曲部分，所以通过将翘曲部分均匀地压在放置目标上，能够使该翘曲部分与放置目标形成密切接触，并且能够确保该密切接触的稳定状态。此外，该复合构件具有高热导率，因此，其在对放置目标的热传导能力方面优异。由于该复合构件具有接近球冠的球面状翘曲部分并且具有小的线膨胀系数，所以即使对其施加包括诸如焊接的这样的临时热处理的热力过程，该复合构件也难以变形。具体而言，在焊接期间的不均匀的热膨胀和收缩不太可能发生，并且诸如翘曲恢复或球面状状态的变化这样的改变也不太可能发生。由于难以变形，所以该复合构件能够更容易地维持上述密切接触的状态。代表性地，该复合构件的残余应力小。当该复合构件包括线膨胀系数与该复合构件的线膨胀系数不同的表面涂层时，通过将该表面涂层的厚度设定在某个范围内(参见稍后将描述的金属涂层部分)，由于在热循环期间热应力所引起的翘曲量随时间的变化(热棘轮现象)也不太可能。通过采用这种复合构件(例如，用于半导体元件的散热构件的材料)，能够在散热构件与放置目标之间的密切接触状态从使用的初始阶段起维持很长时间的同时，构造在散热性能方面优异的半导体装置。密切接触的状态很容易维持，这也是因为半导体元件与其周边部件的线膨胀系数的差异小。
球面误差的测量如下(稍后将详细说明)。除了基板的外周和包括该基板附近的周边区域之外，限定了以基板重心为中心的矩形测量区域。总共限定了十条直线，所述十条直线包括矩形的长边和与所述长边平行的直线(以下称为轮廓提取线)。沿着每个轮廓提取线获取多个测量点，所述多个测量点限定了基板的翘曲部分的轮廓。通过用最小二乘法逼近所述多个测量点来限定十个近似弧。判定每个测量点与近似弧之间的距离，并将所述距离的平均值定义为球面误差。能够推断的是，由于球面误差较小，所以翘曲部分的轮廓与所述近似弧彼此匹配，并且每个轮廓都遵循弧形。能够推断的是，当每个轮廓都是弧形时，由一组这些轮廓限定的表面形状限定了真正球面状表面的一部分(球冠)。因此，如上所述的球面误差小的复合构件能够被推断为具有翘曲部分，该翘曲部分的表面形状为接近真正球面状表面的一部分的球面状。球面误差被认为是适合作为指示翘曲部分的球面状状的态程度的指标。
(2)复合构件的示例包括这样的形式，即使得非金属含量不低于55体积％。
由于该形式的非金属的含量高，所以热导率趋于更高，并且线膨胀系数则趋于更小。因此，该形式在与放置目标的密切接触方面是优异的，并且在绝缘基板的结合中难以变形。
(3)复合构件的示例包括这样的形式，即使得在施加从-60℃到175℃的10次、100次和1000次热循环前后之间，曲率半径R的变化率不高于20％。
能够推断的是，即使施加热循环，所述形式也难以变形，并且容易长时间维持上述特定的球面状翘曲。因此，即使施加热循环，所述形式也难以变形，并且在与放置目标密切接触方面是优异的。
(4)复合构件的示例包括这样的形式，即，使得在300℃×1小时的热处理前后之间的曲率半径R的变化率不高于20％。
能够推断的是，即使施加热处理，所述形式也难以变形，并且容易保持上述特定的球面状翘曲。热处理的条件能够被推断为上述焊接条件的一个示例。因此，即使所述形式被用于半导体元件的散热构件并且经受诸如焊接这样的的热力过程，该形式也难以变形，并且所述形式在与放置目标密切接触方面是优异的。稍后将描述的基板前面和后面之间的残余应力差小的形式(5)可能具有变化率不高于20％的特征。
(5)复合构件的示例包括这样的形式，即，使得基板的一个表面具有凸起的球面状翘曲，而相反的另一个表面具有凹进的翘曲，并且残余应力差的绝对值|X1-X2|小于105×(H/L2)(MPa)，其中X1(MPa)表示所述基板的凸起表面的重心位置处的残余应力，X2(MPa)表示所述基板凹进表面的重心位置处的残余应力，L(mm)表示包含所述基板外周的矩形的对角线的长度，并且H(mm)表示所述基板的厚度。
当基板是例如矩形时，包含所述基板的外周的矩形与所述基板的外形相对应。最小的矩形被假定为所包含的矩形。
所述形式在基板的翘曲部分的凸起表面与凹进表面之间的残余应力差小。因此，当通过施加诸如焊接或热循环这样的热力过程释放残余应力时，不太可能发生基于残余应力的差的变形。因此，即使施加由焊接或热循环导致的热量，所述形式也难以变形，并且其在与放置目标密切接触方面是优异的。与塑性变形范围相比，曲率半径R不小于5000毫米的平缓翘曲形状在基板的表面附近的弹性变形范围较大。在这点上，根据本公开的一种方式的复合构件能够被推断为具有在通过上述热力过程释放残余应力时易于改变形状的形状。因此，满足如所述形式(5)中的特定范围的基板中的残余应力差能够被推断为有效地减少变形。根据(5)的复合构件的示例包括大致不包括覆盖所述基板的表面的金属涂层的形式，或者所述示例包括这样的形式，其包括厚度不大于100微米且小于50微米、并且特别是不大于20微米(如果其包括任何金属涂层)的金属涂层。
(6)根据(5)的复合构件的示例包括这样的形式，即使得在所述基板的凸起表面中的重心位置处的残余应力和所述基板的凹进表面中的重心位置处的残余应力二者都是压缩应力或都是拉伸应力，在该示例中，所述凸起表面与所述凹进表面之间的残余应力差在特定范围内。
所述形式的残余应力可能更小，并且所述形式更不容易发生基于该残余应力差的变形。因此，即使经受焊接或热循环导致的热量，该形式也更不容易变形，并且在与放置目标密切接触方面是优异的。
(7)复合构件的示例包括这样的形式，即，使得采用镁或镁合金作为金属，并且非金属包括SiC。
因为所述形式包括由Mg-SiC构成的基板，所以与包括由铝(铝)或其合金和SiC的复合材料(以下可以称为Al-SiC)构成的基板的示例相比，所述基板更轻、热导率更高、并且散热性能更好。镁或其合金比铝或其合金更容易发生应力松弛。因此，如上所述，所述形式的残余应力小，并且凸起表面与凹进表面之间的残余应力差可能更小，并且易于从中移除所述残余应力。因此，即使施加诸如热循环或焊接这样的热力过程，该形式也更不易变形，并且在与放置目标密切接触方面特别优异。
(8)复合构件的示例包括这样的形式，即，使得采用铝或铝合金作为金属，并且非金属包括SiC。
由于所述形式包括由Al-SiC构成的基板，所以它比包括由包含铜或银或其合金的复合材料构成的基板的示例轻。因此，所述形式在与放置目标密切接触方面是优异的，并且重量轻。
(9)根据本公开的一种方式的散热构件包括(1)至(8)中的任一项所述的复合构件。
散热构件包括复合构件，该复合构件的热导率高且线膨胀系数小，并且该符合构件具有上述特定的球面状翘曲。因此，该散热构件能够如上所述与放置目标密切接触，并且能够以稳定的方式维持该密切接触的状态。即使施加诸如焊接这样的热力过程，该散热构件也难以变形。优选地，即使施加热循环，该复合构件也难以变形。因此，该散热构件从使用的初始阶段起长时间维持与放置目标密切接触的状态，令人满意地通过它将热量从半导体元件传导到放置目标，并且其散热性能优异。这种散热构件能够被合适地用作半导体元件的散热构件或半导体装置的部件。
(10)根据本公开的一种方式的半导体装置包括根据本公开的一种方式的散热构件和安装在该散热构件上的半导体元件。
所述半导体装置包括作为散热构件的复合构件，该复合构件的热导率高且线膨胀系数小，并且其具有如上所述的特定球面状翘曲。在半导体装置中，该散热构件能够与诸如上述冷却设备这样的放置目标形成密切接触，并且能够以稳定的方式维持该密切接触的状态。即使施加诸如焊接这样的热力过程，该散热构件也难以变形。优选地，即使施加热循环，该散热构件也难以变形。因此，在半导体装置中，热量通过该散热构件令人满意地从半导体元件传导到放置目标，并且该半导体装置在从使用的初始阶段起的长时间内具有优异的散热性能。该半导体装置以诸如功率模块这样的半导体模块例示。
(11)根据本公开的一种方式制造复合构件的方法是如下制造复合构件的方法，其用于通过加工由包含金属和非金属的复合材料构成的基板材料来制造复合构件，该复合构件包括加工的基板，并且该方法包括通过将基板材料容纳在曲率半径不小于5000mm且不大于35000mm的模具中来执行热压的压制步骤，该压制步骤包括以规定的时间维持超过200℃的加热温度和不低于10kPa的施加压力，并且在维持压力的施加状态不低于所施加的压力的80％的同时，执行从加热温度到不高于100℃的温度的冷却。
在制造该复合构件的方法中，在使用曲率半径Rd被设定成特定尺寸的模具的热压中，加热温度和所施加的压力被设定成在特定范围内，并且在加压状态下执行从加热温度到特定温度的特定冷却。由于在热压期间的加热温度和所施加的压力满足特定范围并且相对较高，所以加速了塑性变形，并且能够将模具的球面状形状精确地转移到基板材料。由于如上所述在加压状态下执行冷却过程，所以能够释放残余应力，能够抑制可以由在非加压状态下冷却所导致的形状改变或形状扭曲，并且所述基板材料能够设置有与模具一样的高球度的翘曲形状。优选地，模具的曲率半径Rd能够被大致转移到基板材料上。据推断，在非加压状态下的冷却期间，例如，产生由于从基板材料的表面到内部的不均匀冷却而导致的局部热收缩所引起的应力，并且可以发生来自上述转移形状的变形。由于应力中的一些仍为残余应力，在施加诸如上述热循环或焊接这样的热力过程时，可能会发生变形。因此，制造复合构件的方法能够允许制造如下这样的复合构件：该复合构件包括基板，所述基板的曲率半径R接近或优选大致等于模具的曲率半径Rd，并且该基板的一个表面具有凸起的球面状翘曲，而相反的另一个表面具有对应于该凸起翘曲的凹进翘曲。例如，当曲率彼此不同的模具(即，具有凸起表面的第一模具和具有凹进表面的第二模具)被用作模具时，获得包括在凸起表面与凹进表面之间的曲率不同的基板的复合构件。替代地，例如，当具有凸起表面的第一模具和具有平坦成形表面的第二模具被用作模具时，获得类似球截形的复合构件，该复合构件包括基板，该基板的一个表面翘曲为凸起，而另一个表面是平坦的。当凸起表面具有小曲率半径时，该曲率半径也能够通过根据需要使用多个模具重复压制而逐步变形。所述制造复合构件的方法能够被用于制造根据本上述公开的一种方式的复合构件。
[本申请的发明实施例的细节]
下面将具体描述本申请的本发明的实施例。将参照图1至7描述根据该实施例的复合构件1，将参照图8顺序描述根据该实施例的散热构件3和根据该实施例的半导体装置5，并且随后将描述制造根据该实施例的复合构件的方法。为了便于理解，图1以放大的方式示出了非金属22。图8仅示出了包括在半导体装置5中的散热构件3和半导体元件50的附近，并且没有示出结合线、封装或冷却设备(放置目标)。
[复合构件]
(概述)
如图1所示，该实施例中的复合构件1包括基板10，基板10由包含金属20和非金属22的复合材料构成。基板10具有这样的特定形状：其一个表面具有曲率半径R不小于5000毫米且不大于35000毫米的球面状翘曲(图2和3)，并且稍后将描述的球面误差不大于10.0微米。基板10具有不低于150W/m·K的热导率和不高于10ppm/K的线膨胀系数。包括基板10的复合部件1不仅热传导能力优异，而且热膨胀和热收缩量小，并且具有上述特定形状，包括基板10的复合部件1能够被用于各种散热构件，并且特别适合用于半导体元件50的散热构件3(图8)。当利用诸如螺栓这样的紧固构件将基板10固定到散热构件3的放置目标(未示出)上，同时基板10的翘曲部分被压靠在该放置目标上时，散热构件3能够与放置目标形成密切接触，并且另外，该密切接触的状态是稳定的，并且通过散热构件3，来自半导体元件50的热量能够令人满意地传导到该放置目标。即使绝缘基板52等被焊接，该实施例中的复合构件1也难以变形，并且更容易维持密切接触的状态。优选地，即使施加热循环，该实施例中的复合构件1环也难以变形。接近球冠的翘曲、难以变形以及对放置目标的优异热传导能力将在稍后描述的测试例中被具体描述。
(基板)
下面将主要详细描述基板10。
基板10是复合构件1的主要元件，并且它是由包含金属20和非金属22的复合材料构成的成形体。
<金属>
基板10中的金属20的示例包括表示选自由Mg、Al、Ag和Cu组成的组中的一种类型的所谓的纯金属，或者基于选自该组的一种类型的金属元素的合金。能够使用具有已知组成的镁合金、铝合金、银合金和铜合金。
<非金属>
基板10中的非金属22的示例包括陶瓷，诸如金属元素或非金属元素的碳化物、氧化物、氮化物、硼化物、硅化物和氯化物，诸如硅(Si)这样的非金属元素，以及包括诸如金刚石和石墨这样的碳材料的无机材料。陶瓷的具体示例包括SiC、AlN、h-BN、c-BN和B4C。能够组合地包括多种类型的非金属22。
基板10中的非金属22在维持其在源材料中组成、形状和尺寸的同时代表性地存在。例如，当采用非金属的粉末被用作源材料时，非金属作为粉末颗粒存在，并且当非金属的、诸如网状的多孔成形体这样的成形体被用作源材料时，该非金属作为成形体存在。分散有粉末的基板10具有优异的韧性。包括多孔成形体的基板10具有较高的散热性能，这是因为非金属22在基板10中像网一样是连续的，并且构成散热路径。
能够适当选择基板10中非金属22的含量。在许多情况下，当该含量较高时，热导率趋于较高，线膨胀系数趋于较小，机械特征(例如，刚性)趋于较高，并且能够预期特征的改进。从特征改进的观点来看，作为示例，含量被设定成55体积％或更高。在这种情况下，尽管取决于金属20或非金属22的组成，例如Mg-SiC、Al-SiC和金刚石复合材料趋于满足热导率不低于150W/m·K(金刚石复合材料中更高)且线膨胀系数不高于10ppm/K的条件。从上述特征改进的观点来看，含量能够不低于60体积％或不低于70体积％。例如，当含量低到一定程度时，用源材料填充模具或用熔融金属20填充非金属22中的间隙更容易，并且可制造性优异。从可制造性的观点来看，含量能够不高于90体积％，不高于85体积％，或者不高于80体积％。
<复合材料的具体示例>
复合材料的具体示例包括：Mg-SiC，在Mg-SiC中，纯镁或镁合金(下文可以统称为Mg等)和SiC主要制成复合物；以及Al-SiC，其中纯铝或铝合金(下文可以统称为Al等)和SiC主要制成复合物。金刚石复合材料的示例包括：其中银或银合金和金刚石主要制成复合物的复合材料；其中镁等和金刚石主要制成复合物的复合材料；其中铝等和金刚石主要制成复合物的复合材料；以及其中铜或铜合金和金刚石主要制成复合物的复合材料。
与Al-SiC相比，Mg-SiC重量更轻、热导率更高并且散热性能更高，在Mg-SiC中，镁等被用作金属20并且非金属22包括SiC。与Al-SiC相比，Mg-SiC能够在较低的温度下且在较短的时间段中获得较小的残余应力，这是因为应力在金属20中更容易松弛。当一个表面具有凸起翘曲而另一个表面具有凹进翘曲时，凸起表面与凹进表面之间的残余应力的差趋于是小的。因此，即使施加诸如热循环或焊接这样的热力过程，包括由Mg-SiC构成的基板10的复合构件1也难以变形。Al-SiC的重量比含有银、铜或其合金作为金属20的示例的重量轻，并且Al-SiC的耐腐蚀性比镁等的耐腐蚀性高。该金刚石复合材料的热导率非常高，并且其散热性能跟高。
<外形>
基板10代表性地具有矩形外形(由基板10的外周限定的二维形状)。矩形基板10的优点在于(1)它能够容易地形成，并且它的可制造性优异，并且(2)当基板被用于半导体元件50的散热构件3时，能够充分地确保用于放置诸如半导体元件50这样的安装部件的面积。基板10的外形能够根据应用、安装部件的形状和数量以及放置目标来修改。基板10的外形的示例包括诸如六边形、环形和椭圆形这样的多边形形状。
<尺寸>
能够根据应用或上述安装部件的安装面积来适当选择基板10的尺寸。例如，定义了包含由基板10的外周限定的二维形状的矩形(如果基板10是矩形，则对应于基板10的外形)。当该矩形具有不短于100毫米的长边和不短于50毫米的短边时，安装面积大，并且能够构造大尺寸的散热构件3。基板能够具有至少150毫米的长边和120毫米的短边。因为即使这种大尺寸的基板10也具有特定的球面状翘曲，所以复合构件1能够与放置目标形成密切接触。即使在上述焊接期间施加热力过程，大尺寸的基板10也难以变形。
能够适当选择基板10的厚度。当复合构件1被用于诸如半导体元件50的散热构件3这样的散热构件时，随着该复合构件的厚度变小，能够更令人满意地将热量传导到放置目标。这是因为复合构件的厚度越大，作为结构材料的强度越高，并且热量因为其在横向方向(与厚度方向正交的方向)上传播而越容易辐射。当复合构件厚度太大时，热阻增加。因此，基板10的厚度优选不大于10毫米、不大于6毫米或不大于5毫米
<翘曲>
-曲率半径R
本实施例中的复合构件1在基板10的一个表面中具有球面状翘曲，该球面状翘曲的曲率半径R不小于5000毫米(5m)且不大于35000毫米(35m)。具体形式的示例包括(a)这样的形式，即，使得基板10的一个表面具有球面状凸起的翘曲，而相反的另一个表面具有与该凸起相对应的凹进翘曲，以及(b)这样的形式，即使得基板10的一个表面具有球面状凸起的翘曲，而另一个表面是平坦的。在每种形式中，基板10中的凸起翘曲的曲率半径R和稍后将描述的球面误差满足特定范围。当复合构件1被用于半导体元件50的散热构件3时，在形式(a)中，代表性地，所述凸起表面能够被设定为用于放置到放置目标上的放置面，并且所述凹进表面被设定为用于诸如半导体元件50这样的安装部件的安装面。在形式(b)中，翘曲表面能够被设定为放置面，而平坦表面能够被设定为安装面。
当曲率半径R满足该范围时，翘曲部分的凸起量是适当的，并且整个翘曲部分被均匀地压靠在放置目标上。当上述球面状翘曲的中心位于由基板10的外周限定的二维形状的重心附近时(矩形基板10的示例中的对角线的交点)，压力趋于被更均匀地施加到基板10的整个前表面和后表面。因此，基板10的整个翘曲表面能够与放置目标形成密切接触，并且能够通过用螺栓等将复合构件1固定到该放置目标来实现适当的加压状态。当曲率半径R因此在该范围内时，实现了在适当加压的状态下与放置目标的密切接触，并且从使用的初始阶段起的长时间内散热性能优异。即使在施加诸如热循环这样的热力过程情况下，也难以变形。从这种观点来看，曲率半径R能够不小于6000毫米、不小于7000毫米、或不小于8000毫米、且不大于34000毫米、不大于33000毫米、不大于32000毫米、或不大于25000毫米。将在下文描述测量曲率半径R的方法。
在制造曲率半径R满足该范围的复合构件1时，例如，可以使用曲率半径Rd满足该范围的球面状模具。特别地，通过使用在稍后将描述的实施例中的制造复合构件的方法，基板10的曲率半径R能够接近或者优选在值上大致等于模具的曲率半径Rd。
-球面误差
该实施例中的复合构件1具有不大于10.0微米的球面误差。球面误差是指指示复合构件1的翘曲部分的球面状状态的程度的指标，并且以下面从(1)至(5)的步骤测量。下面将参照图6和7给出具体描述。通常，在基板10的外周表面(前、后表面和侧表面)之中具有最大面积并且具有凸起翘曲的表面(代表性地，前表面或后表面)被定义为主表面，从主表面获取测量区域10α，从测量区域10α中的翘曲部分的轮廓提取测量点，并且通过使用所述测量点来判定球面误差。
(1)提取测量区域10α
(2)提取轮廓提取线Ln(n＝1至10，这在下文中类似地理解)
(3)提取限定翘曲部分的轮廓的多个测量点
(4)从测量点的集合10βn中提取近似弧10γn
(5)计算所述测量点与近似弧10γn之间的平均距离d
在步骤(1)中，如图6的上部所示，除了基板10的外周10e和基板10的主表面中包括外周10e附近的周边区域10c之外，还限定了以基板10的重心G为中心的最大矩形测量区域10α。重心G对应于由基板10的外周10e限定的二维形状的中心。当该二维形状如示例中那样是矩形时，重心G位于该矩形的对角线(在图6中用点划线示出)的相交处。周边区域10c是指从基板10的外周10e向内延伸至多10毫米的区域，即，宽度为10毫米的周围区域。在该示例中，矩形基板10具有长度为M(毫米)的短边和长度为N(毫米)的长边，其重心G被定义为原点，该短边的方向被定义为X线的方向，该长边的方向被定义为Y轴的方向。获取由如下四条直线围绕的矩形：一直线从原点沿着X轴方向经过在{(-M/2)-10}处的点并与Y轴方向(图6的上部中用双点划线示出的竖直线)平行，一直线经过在{(+M/2)-10}处的点并与Y轴方向(同上)平行，一直线从原点沿着Y轴方向经过在{(-N/2)-10}处的点并与X轴线方向(图6的上部用双点划线示出的水平线)，并且一直线经过在{(+N/2)-10}处的点并与X轴方向(同上)平行。该矩形区域被定义为测量区域10α。周边区域10c被排除在基板10之外的原因是，当基板10被用于半导体装置5的散热构件3时，可能在外周10e附近的区域中设置用于紧固的孔，或者周边区域10c可以不翘曲。当从除了周围区域10c之外的区域如上所述获取的矩形区域包括用于紧固的孔的至少一部分时，除了该孔之外的区域被定义为测量区域10α。
在步骤(2)中，如图6的下部所示，在基板10的主表面中总共获取十条轮廓提取线Ln，所述十条轮廓提取线Ln包括限定测量区域10α的矩形的长边并与所述长边平行。限定一条长边的直线(即，经过在{(-M/2)-10}处的点的直线)和限定另一条长边的直线(即，经过在{(+M/2)-10}处的点的直线)分别被定义为轮廓提取线L1和L10。包括包括L1和L10在内的轮廓提取线L1至L10被限定为沿着短边方向等分所述矩形的直线。
在步骤(3)中，通过沿着每条轮廓提取线Ln确定基板10的主表面中的翘曲部分的轮廓来获取多个测量点，并且为每个轮廓提取线Ln提取一个测量点集合10βn。市售的三维测量设备(例如，基恩士公司制造的非接触式三维测量仪器VR3000)被用于确定轮廓。对于一条轮廓提取线Ln，以1mm的间隔设定所述测量点。采用以下平均值作为每个测量点处的值。如图6中用虚线在圆内放大示出的那样，从轮廓提取线Ln(图6中的L2)以1毫米的间隔获取点P，并且在点P被定义为基准的情况下，获取点P及其附近点的平均值。具体而言，点P(X，Y)的坐标被定义为(0，0)，获取总共九个点处的值，其中设定X＝0mm±1mm，Y＝0mm±1mm的条件，即，取(X，Y)＝(0，0)，(-1，0)，(+1，0)，(0，-1)，(0，+1)，(-1，+1)，(+1，+1)，(-1，-1)和(+1，-1)处的值(代表性地，位移量)。认为，通过采用平均值作为每个测量点处的值，与原样使用点P处的值的示例相比，实现了平滑并且更容易提取更平滑的形状。通过执行与测量点相关的平滑处理，例如，利用上述具有设定条件的三维测量设备，能够容易地获得每个测量点处的值。图7是示意性示出了用市售三维测量设备判定的分析结果的图。在图7中，为了便于理解，设定了二十个测量点。在图7的图中，横坐标表示与轮廓提取线Ln平行的直线上的点的位置，纵坐标表示经过上述重心G并且与轮廓提取线Ln(长边的方向)和短边的方向二者都正交的直线上的点的位置。在该图的原点被定义为基准的情况下，横坐标上的每个点都与轮廓提取线Ln上的每个点的位置大致匹配，并且纵坐标上的每个点表示轮廓的位移量。在图7中，20个测量点(图例·)的集合表示基于轮廓提取线Ln提取的测量点的集合10βn。
在步骤(4)中，对于每个测量点的集合10βn，用最小二乘法逼近多个测量点，以判定十个近似弧10γn。取近似弧10γn，使得集合10βn中的每个测量点和与集合10βn相对应的近似弧10γn之间的距离d最小化。所有获得的距离d的平均值被定义为球面误差E。10个近似弧10γn的半径Rn的平均值被定义为基板翘曲部分的曲率半径R。通过使用市售的诸如这样的分析软件可以容易地判定近似弧10γn和距离d
能够推断的是，由于球面误差较小，翘曲更接近具有曲率半径R的真正球面状表面。例如，当截取矩形基板10的竖向截面(图2)和水平截面(图3)时，它们的截面形状大致相似。例如，通过上述三维测量设备判定基板10的翘曲部分的表面形状，并且获得三维的分析结果。当基板10被二维查看并且三维分析结果中的高度信息被二维表达(转换成二维)为等高线时，所述等高线绘制同心圆。图4示出了该实施例中的复合构件1的二维转换图像的一个示例(稍后将描述的测试例1，样本号1-15，Mg-SiC)，并且采用具有排除了外周附近的区域(大约170mm×120mm)的复合构件作为分析样本。在将矩形基板10中的拐角部的位移定义为基准(0微米)的情况下，该二维转换图像通过颜色示出了距参照的位移量(微米)。图4在图4的左侧的色标上以深蓝色、蓝色、浅蓝色、浅绿色、绿色、黄色和橙色的降序示出位移量(色标的下部用深蓝色示出，并且该色标的上部用橙色示出)。如图4所示，复合构件1的二维转换图像围绕矩形基板10的中心绘制同心圆(外周的二维形状的重心＝对角线的交点)。因此能够看出，复合构件1具有翘曲部分，该翘曲部分由接近具有曲率半径R的真正球面状表面的表面限定。
由于球面误差较小，所以能够更均匀地使复合构件1与放置目标形成密切接触，或者能够进一步防止由于不均匀热扩张胀和收缩引起的变形。在使用这种例如用于半导体元件50的散热构件3这样的复合构件1时，即使半导体元件50等被安装在基板10上的任何位置处，热量也令人满意地从半导体元件50通过基板10传导到诸如冷却设备这样的放置目标。从密切接触和热传导的能力的观点来看，球面误差能够是不大于10.0微米，不大于7.0微米，不大于5.0微米，或不大于3.0微米，并且理想的是0微米。考虑到工业生产率.，该球面误差能够是大约不小于1.0微米
为了制造球面误差满足该范围的复合构件1，例如，采用如下方法，即：例如通过使用曲率半径Rd满足该范围的球面状模具来制造稍后将描述的实施例中的复合构件。
-翘曲量
该实施例中的复合构件1具有根据曲率半径R的翘曲量。例如通过用上述三维测量设备分析基板10的翘曲部分的表面形状，并且采用由使用分析的结果而判定出的最大位移量(微米)来确定该翘曲量。简而言之，翘曲量是指在最低位置与最高位置之间的高度差，其中当基板10的翘曲部分被横向观察时，最低位置被定义为高度的参照。尽管取决于复合构件1的尺寸，但是在130mm长×70mm宽至200mm长×150mm宽的矩形基板10中，翘曲的具体量(mm)例如是不小于50微米且不大于600微米和大约不大于400微米。
<残余应力>
当本实施例中的复合构件1在一个表面上具有凸起翘曲并且在另一个表面上具有凹进翘曲时，优选地，在基板10的翘曲部分中的凸起表面与凹进表面之间的残余应力差很小。因为残余应力的差较小，所以在施加诸如热循环或焊接这样的热力过程时，由于残余应力的释放而导致的变形更容易被抑制。定量地，凸起表面与凹进表面之间的残余应力差的绝对值|X1-X2|小于105×(H/L2)(MPa)，其中X1(MPa)表示在基板10的凸起表面中的上述重心位置处的残余应力，X2(MPa)表示在凹进表面中的上述重心位置处的残余应力，L(mm)表示包含基板10的外周的矩形的对角线长度，并且H(mm)表示基板10的厚度。基于与梁相关联的公式，当在基板10的厚度方向上施加载荷P时，沿着基板10的长边的方向施加的张力T被表达为T＝6E×δ×(H/l2)，其中E表示基板10的杨氏模量，δ表示偏差量，l表示基板10的长边的长度，并且H表示基板10的厚度。当偏差量δ指的是翘曲的恢复量，并且张力T是基于上述残余应力差|X1-X2|时，在满足小于105×(H/l2)(MPa)的条件的情况下，能够推断的是，能够减小翘曲恢复量。作为研究的结果，本发明人已经发现，当满足条件105×(H/L2)(MPa)(其中L表示基板10的对角线长度)时，能够更可靠地使翘曲的恢复量变小(参见稍后将描述的测试例2)。例如，在具有长边的长度L约为190mm且厚度H为5mm的基板10中，由于残余应力释放而导致的翘曲的恢复量δ能够不大于100微米。因为残余应力差|X1-X2|(MPa)较小，所以由于残余应力而导致的翘曲的恢复较小，并且难以变形。因此，该差优选不大于8×104×(H/L2)(MPa)、不大于6×104×(H/L2)(MPa)，或不大于5×104×(H/L2)(MPa)。
认为基板10的重心附近(代表性地是翘曲的顶点附近)最趋于具有残余应力。因此，在重心位置处测量上述残余应力。
除了上述小的残余应力差|X1-X2|之外，基板10的凸起表面中的残余应力和凹进表面中的残余应力的方向性优选彼此相同(符号相同的应力)。具体而言，在基板10的凸起表面中的上述重心位置处的残余应力和凹进表面中的上述重心位置处的残余应力二者优选均为压缩应力或均为拉伸应力。在这种情况下，即使残余应力被释放，也更加难以变形。
可以基于制造条件代表性地调节上述残余应力的差|X1-X2|或残余应力的方向性(符号)。一般，当通过被冲压机夹在中间进行挤压而向板状构件设置翘曲时，通常，凸起表面中的残余应力和凹进表面中的残余应力在符号上彼此相反。代表性地，拉伸应力残留在凸起表面中，且压缩应力残留在凹进表面中。为了使基板10的前部与后部之间的残余应力的符号相同，期望地，通过使用热量或压力来控制由于应力松弛和蠕变现象而导致的变形来调节内应力。如在稍后将描述的实施例中的制造复合构件的方法中，通过在特定条件下执行热压，能够使残余应力差较小，此外，凸起表面中的残余应力和凹进表面中的残余应力的符号能够彼此相同。调节残余应力的方法的其它示例包括在热压之后的单独热处理。
特别地，当采用Mg-SiC作为基板10的复合材料时，与Al-SiC的示例相比，应力更容易松弛，并且残余应力更容易在更短的时间内在更低的温度下被移除。因此，上述残余应力的差|X1-X2|趋于减小，并且由于残余应力而导致的变形趋于容易减小。
<热特性>
-热导率和线膨胀系数
基板1的热导率不低于150W/m·K，并且线膨胀系数不大于10ppm/K。通过调节金属20的组成、非金属22的组成及其含量，热导率能够更高，并且线膨胀系数能够更小。基板10的热导率能够例如是不低于180W/m·K、不低于200W/m·K、或者特别是不低于220W/m·K。由金刚石复合材料构成的基板10的热导率能够例如是不低于500W/m·K、不低于520W/m·K、不低于550W/m·K、或者不低于600W/m·K。基板10的线膨胀系数能够例如是不大于9ppm/W或不大于8ppm/W。因为基板10的较小线膨胀系数，所以即使基板包括稍后将描述的金属涂层，也能够使包括基板10和金属涂层的复合构件1的线膨胀系数较小，并且该线膨胀系数能够优选是不大于10ppm/K。由于包括具有较高热导率和大约不小于3ppm/K且不大于10ppm/K的线膨胀系数的基板10的复合构件1与半导体元件50及其周边部件在线膨胀系数的兼容性方面优异，所以它能够被适合地用于半导体元件50的散热构件3的材料。只要与半导体元件50的兼容性优异，基板10的线膨胀系数就能够例如是不小于3ppm/K、不小于4ppm/K或不小于4.5ppm/K。
-抗热变形性
由于本实施例中的复合构件1包括如上所述的满足特定曲率半径R和特定球面误差的球面状翘曲，因此即使施加热循环也难以变形。定量地，在施加从-60℃到175℃的10次、100次和1000次热循环前后之间，曲率半径R的变化率不高于20％。曲率半径R的变化率(％)被表达为[1-(在规定次数的热循环之后基板10的曲率半径)/(在这些热循环之前基板10的曲率半径)]×100。测量曲率半径R的方法如上文所描述。复合构件1能够被推断为：即使在热循环次数大时也难以变形，当热循环次数少时，变形少得多。即使当这种复合构件1被用于半导体元件50的散热构件3并且经受热循环时，这种复合构件1在从使用的初始阶段起的较长时间内也难以变形，并且能够维持与放置目标密切接触的状态。由于曲率半径R的变化率较低，当其被用于如上所述的散热构件时，复合构件在从使用的初始阶段起的较长时间内难以变形。因此，变化率优选不高于18％、不高于15％、或不高于10％。
图5示出了通过利用如上所述的三维测量设备判定实施例(稍后将描述的测试例1，样本号1-15，Mg-SiC)中的复合构件1的基板10的翘曲部分的表面形状，并将三维的分析结果转换成二维而获得的二维转换图像。该二维转换图像是在当温度在上述从-60℃到175℃的热循环中被设定成室温(RT)、100℃、125℃、150℃和175℃时的图像。在将矩形基板10的拐角部分的位移定义为参照(0微米)的情况下，每个温度的二维转换图像都在左边的色标上通过颜色示出了距参照的位移量(微米)，如上文图4中所述。如图5所示，复合构件1的二维转换图像在任何温度下大致围绕矩形基板10的中心(外周的二维形状中的重心＝对角线的交点)绘制同心圆。由此可见，即使复合构件1经受热循环，翘曲部分也趋于维持接近具有曲率半径R的球面状表面的表面，并且该复合构件难以变形。
由于本实施例中的复合构件1包括如上所述的满足特定曲率半径R和特定球面误差的球面状翘曲，因此即使施加热处理，所述复合构件1也难以变形。定量地，在300℃×1小时的热处理前后之间，曲率半径R的变化率不高于20％。曲率半径R的变化率(％)被表达为[1-(经受热处理的基板10的曲率半径R)/(在热处理之前基板10的曲率半径R)]×100。测量曲率半径R的方法如上文所描述。能够推断的是，该热处理模拟了用于焊接绝缘基板52的条件的一个示例(图8)。尽管施加了热处理，但是即使当被用于半导体元件50的散热构件3并如上所述被焊接时，该曲率半径R的变化率低的复合构件1也难以变形，并且其能够维持特定的球面状翘曲，并且能够通过使用所述翘曲而与诸如冷却设备这样的放置目标形成密切接触。由于曲率半径R的变化率较低，所以复合构件不太可能由于诸如如上所述的焊接这样的热处理而变形。因此，变化率优选不高于18％、不高于15％、或不高于10％。
当复合构件1虽然不包括金属涂层但是基本上由基板10组成时，当复合构件1虽然包括金属涂层但是该金属涂层的厚度小(优选厚度不大于20微米)时，当基板10由Mg-SiC构成时，当上述残余应力差|X1-X2|小时，或者当残余应力的方向性(符号)相同时，被施加上述多个热循环的曲率半径R的变化率或者被施加上述特定热处理的曲率半径R的变化率都趋于较低。
<其它>
-金属涂层
复合构件1能够在基板10的表面的至少一部分中包括金属涂层(未示出)。尽管取决于构成金属涂层的金属的类型，但是金属涂层具有提高可焊性、耐腐蚀性和设计的功能。当复合构件1被用于半导体元件50的散热构件3时，金属涂层优选包括改进可焊性的焊料底层。期望将该焊料底层设置在基板10的表面中的待焊接的区域中，并且可以将该焊料底层设置在基板10的一个表面的至少一部分中或者相反表面的至少一部分中。
构成金属涂层的金属可以是与构成基板10的复合材料的金属20的类型相同的金属，或者是基于相同金属的合金(如果任何合金用作金属20)，或者可以是类型不同的金属(诸如纯镍或镍合金、锌或锌合金、或者纯金或金合金)。构成焊料底层的金属的示例包括纯镍、镍合金、纯铜、铜合金、纯金、金合金、纯银和银合金。金属涂层能够具有单层结构和多层结构，该多层结构包括构成金属不同的多个金属层。
当在基板10的一个表面上设置金属涂层时，该金属涂层的厚度(在多层结构的示例中的总厚度，其应当与金属涂层的厚度类似地理解)优选是均匀且相对较小的。当在基板10的每个相反表面上设置金属涂层时，优选地，相反表面上的金属涂层的厚度彼此大致相等，并且该厚度相对较小。当金属涂层的厚度太大或者金属涂层的厚度在基板10的前表面和后表面上不均匀时，很可能出现这样的现象，即在施加热循环时，金属涂层重复进行在高温下蠕变和在低温下塑性变形，并且每次被施加热循环时都可能发生变形(热棘轮现象)。基板10的每个表面的金属涂层的厚度优选都不大于100微米、不大于80微米、或不大于50微米，或特别地不大于20微米、不大于18微米、或不大于15微米。在金属涂层的厚度小的情况下，也能够减少复合构件1的由于该金属涂层而导致的线膨胀系数的增加。
-安装部
复合构件1能够包括安装到放置目标的部分。该安装部被设置在基板10本身中，并且其示例包括螺栓孔，诸如螺栓这样的紧固构件穿过该螺栓孔插入。替代地，在基板10中设置不包含非金属22的金属区域，并且该金属区域能够包括螺栓孔或包括带有螺栓孔的凸台部。所述金属区域能够例如与熔融金属20和非金属22的复合物的制造同时形成。认为在远离基板10中包括球面状翘曲的区域的部分(诸如基板10的拐角部或外周10e附近的部分)中设置安装部分不太可能影响球面状翘曲的变化。能够参考已知的方法作为形成安装部分的方法。
<应用>
本实施例中的复合构件1如上所述热导率高，并且线膨胀系数较小，其能够通过包括特定的球面状翘曲而与放置目标形成密切接触，并且能够从使用的初始阶段起长时间维持该密切接触的状态。因此，复合构件能够被适合地用于散热构件。特别地，由于复合构件1与半导体元件50及其外围部件(未示出)在线膨胀系数的兼容性方面也是优异的，因此它能够被适合地用于半导体元件50的散热构件3。此外，本实施例中的复合构件1预期被用作适当的结构材料，期望该结构材料具的热传导能力优异且热膨胀和收缩的量小。
[散热构件]
该实施例中的散热构件3(见图8)包括该实施例中的复合构件1。能够适当选择散热构件3的形状和尺寸，只要发热器能够放置在其上即可。代表性地，因为散热构件3的形状和尺寸大致维持了基板10的形状和尺寸，所以基板10的形状和尺寸被合期望地调节。由于本实施例中的散热构件3包括本实施例中的复合构件1，该复合构件1的热导率高且线膨胀系数小，通过包括特定的球面状翘曲，该复合构件1能够与放置目标形成密切接触，并且能够从使用的初始阶段起长时间维持该密切接触的状态，因此它能够被适合地用于半导体元件50的散热构件或半导体装置5的组成元件。
[半导体装置]
如图8所示，该实施例中的半导体装置5包括实施例中的散热构件3和安装在散热构件3上的半导体元件50。散热构件3的一个表面代表性地是安装面，半导体元件50利用绝缘基板52和焊料54被焊接到该安装面，绝缘基板52由诸如氮化铝(AlN)这样的非金属无机材料构成，焊料54介于该安装面、半导体元件50和半导体元件50之间，并且散热构件3的另一个表面是放置面，用于放置冷却设备(未示出)。在散热构件3的安装面中的待安装的安装部件(至少诸如半导体元件50)的区域中，优选地设置焊料底层(诸如由上述金属构成的镀层)。本实施例中的半导体装置5能够被用于各种电子装置，特别是高频功率装置(例如，横向扩散金属氧化物半导体(LDMOS))、半导体激光设备和发光二极管装置，以及各种计算机的中央处理单元(CPU)、图形处理单元(GPU)、高电子迁移率晶体管(HEMT)、芯片组和存储芯片。
[制造复合构件的方法]
例如，制造在该实施例中的复合构件的方法能够被用作制造该实施例中的复合构件1的方法，在该方法中，在以下特定条件下执行诸如热压这样的加工。制造该实施例中的复合构件的方法允许通过加工由包含金属20和非金属22的复合材料构成的基板材料来制造复合构件，该复合构件包括经加工的基板，并且所述方法包括通过将基板材料容纳在曲率半径不小于5000毫米且不大于35000毫米的模具中来执行热压的压制步骤。热压步骤包括下面的维持步骤和冷却步骤。此外，制造在该实施例中的复合构件的方法能够包括制备基板材料的制备步骤、形成金属涂层的涂覆步骤以及执行用于形成安装部分或用于调节表面粗糙度的光表面抛光的加工步骤。
(维持步骤)将超过200℃的加热温度和不低于10kPa的施加的压力维持规定的时间段的步骤
(冷却步骤)在维持施加不低于被施加到基板材料的压力的80％的压力施加状态同时执行从加热温度冷却到不高于100℃的温度的步骤
下面将描述每个步骤。
(制备步骤)
在该步骤中，制备待经受热压的基板材料。对于基板材料，能够采用已知的、用于制造包含金属20和非金属22的板形复合材料的制造方法。该方法的示例包括用非金属22的粉末或成形体填充模具并用熔融金属20浸渗该物体的浸渗方法(见PTL 1)、在高压下浸渗的压力浸渗方法、粉末冶金方法和熔化方法。由包含金属20和非金属22的复合材料构成的市售基板也能够用作材料。
代表性地，最终从基板材料获得的基板10的热导率和线膨胀系数能够通过调节规格诸如金属20的组成和非金属22(粉末或成形体)的组成、含量或形式这样的规格而被设定成期望值。在制造该实施例中的复合构件1时，期望地适当调节所述规格，以便满足热导率不低于150W/m·K和线膨胀系数不高于10ppm/K的条件。尽管取决于金属20的组成和非金属22的组成，但是当基板材料中的非金属22的含量被设定成55体积％或更高时，更容易获得如上所述的具有高热导率和小线膨胀系数的本实施例中的复合构件1。
在制造包括金属涂层的复合构件时，例如，电镀、复合轧制和其它已知的方法能够被适当地用于形成金属涂层(参见PTL 1)。金属涂层能够在下面的热压(压制步骤)之前或之后形成(涂覆步骤的一个示例)。在热压之前制备包括金属涂层的基板材料，并且然后对其进行热压时，如上所述，金属涂层被制成厚度小，并且优选厚度均匀。然后，能够减少由提供金属涂层而导致的在热压期间的翘曲的变化，并且可能够选精确地形成规定的翘曲。在这种情况下，在制造基板10时，金属涂层的形成例如与熔融金属20和非金属22的复合物的制造同时进行(参见专利文献1)。所获得的基板材料包括直接在基板10上的金属涂层，该金属涂层由与基板10的金属20的类型相同的金属组成，并且包括与基板10的金属20连续的结构。该金属涂层也能够通过使用上述电镀与制造金属20和非金属22的复合物的步骤分开形成。当在热压之后形成金属涂层时，能够防止在热压期间由设置金属涂层而导致的翘曲变化，并且优选能够高度精确地形成规定的翘曲。在这种情况下，诸如电镀这样的没有显著改变翘曲的形成方法能够被合适地用于形成金属涂层。在任何情况下，金属涂层优选小的厚度(不大于20微米)并且均匀的厚度，使得所获得的复合构件在施加诸如如上所述的热循环这样的热力过程时难以变形。通过电镀，容易形成厚度小的金属涂层，并且此外，原则上容易使厚度均匀。因此，认为能够合适地使用所述基板。
(压制步骤)
在该步骤中，代表性地，模具包括具有球面状凸起表面的第一模具和具有球面状凹进表面的第二模具，所述第一模具的曲率半径Rd满足上述特定范围，使用这种模具来执行热压。通过将基板材料夹在所述第一模具与所述第二模具之间，在加热状态下施加压力，并将具有曲率半径Rd的球面状表面转移到基板材料来制造基板，该基板具有曲率半径满足Rd≈R条件的球面状翘曲或者理想地曲率半径满足Rd＝R条件的球面状翘曲。对于第一模具和第二模具的曲率半径Rd参考上面描述曲率半径R的部分。
例如，当采用矩形基板材料时，该基板材料被容纳在模具中，使得该基板材料的中心(对角线的交点＝外周的表面形状中的重心)与第一模具和第二模具的球面状表面的中心相匹配。通过这样做，最终获得在矩形基板的外周的表面形状中围绕重心(≈基板材料的中心)具有球面状翘曲的复合构件，其曲率半径满足R≈Rd(理想地R＝Rd)的条件。
-维持步骤
通过将在热压期间的加热温度(模具的加热温度)设定成超过200℃的温度，并将所施加的压力设定成10kPa或更高，即使包含非金属22的基板材料都能够塑性变形，并且能够提供特定的球面状翘曲。随着加热温度的升高，塑性变形更容易发生。因此，加热温度能够被设定成超过250℃，不低于280℃，或不低于300℃。当施加的压力较高时，更有可能发生塑性变形。因此，所施加的压力能够是不低于100kPa、不低于500kPa、或不低于700kPa。随着加热温度的升高和所施加的压力的升高，残余应力趋于减小。因此，能够制造具这样的复合构件，其有特定球面状翘曲并且即使在施加诸如上所述的热循环这样的热力过程时也难以变形。从残余应力或变形的减少的观点来看，加热温度能够是不低于350℃、不低于380℃、或不低于400℃，并且所施加的压力能够是不低于800kPa、不低于900kPa、或不低于1MPa。取决于基板材料的组成，加热温度能够是不低于500℃，并且所施加的压力能够是不低于10MPa或不低于20MPa。通过充分维持相对较高的温度和相对较高的压力(也参见稍后将描述的维持时间段和冷却速度)，能够更精确地提供特定的球面状翘曲。加热温度的上限能够在比构成基板材料的金属20的液相线的温度低的范围内选择，在该范围内金属20或非金属22不太可能热劣化。所施加的压力的上限能够在不导致基板材料破裂的范围内选择。
除了将模具加热到上述加热温度之外，也优选被加热(预热)所述基板材料。能够预期这样的效果，即，随着所述基板材料的均匀加热，容易实现均匀的塑性变形，并且成形能够是高度精确的，或者由于模具与基板材料之间的温度差而导致的破裂不太可能发生。从效果的观点来看，在模具中优选容纳这样的的基板材料，其被加热到模具的加热温度±20℃或模具的加热温度±10℃或优选被加热到与模具的加热温度一样高的温度。
维持上述加热和加压状态的时间段能够根据基板材料的组成被适当选择，并且能够例如在不短于10秒且不长于180分钟的范围内选择。更具体的示例包括：对于Mg-SiC而言该时间段大约不短于1分钟且不长于5分钟，对于Al-SiC而言该时间段大约不短于1分钟且不长于100分钟。当采用由Mg-SiC构成的基板材料时，即使在热压期间维持的时间段比Al-SiC的示例中的时间段短，也可以形成上述特定的球面状翘曲，并且由Mg-SiC构成的基板材料的可制造性更高。
-冷却步骤
在经过上述维持时间段之后，执行从上述加热温度到室温(例如，大约10℃到20℃)的冷却。在该冷却过程中，在从加热温度到100℃的范围内，该冷却被在加压状态下进行。该冷却过程中所施加的压力被设定成在上述热压期间被施加的压力的至少80％。通过在这种特定的加压状态下执行冷却，抑制了由不均匀冷却所导致的由于局部热收缩而引起的变形，并且能够高度精确地提供上述特定的球面状翘曲。通过抑制由于不均匀冷却而导致的局部热收缩，还易于防止残余应力。在该冷却过程期间所施加的压力过高可能导致破裂或内应力随着在冷却期间产生的新变形而增加。因此，所施加的压力优选在等于或低于热压期间所施加的压力的范围内(在热压期间所施加的压力的100％或更低)调节。在该冷却过程中，冷却可以在非加压和卸载状态下在从低于100℃的温度到室温的范围内执行。
在上述冷却过程中，在上述特定加压状态下的冷却范围内，优选执行缓慢冷却，这是因为能够充分确保上述冷却过程中的加压状态，并且能够精确地提供上述特定球面状翘曲(也参见稍后将描述的测试例)。在快速冷却(代表性地，冷却速度不小于10℃/min)的情况下，由于模具与基板材料之间的热容量或热导率的差异，所以难以均匀地冷却整个基板材料。因此，发生了局部冷却，产生了热应力，并因此导致内应力或变形。缓慢冷却满足冷却速度不超过3℃/min的条件。冷却速度能够被设定成不超过1℃/min、或者不超过0.5℃/min。可以调节模具周围的温度或者可以调节由强制冷却机构进行的冷却的状态，使得冷却速度满足上述范围。在非金属22含量高(诸如不低于55体积％、不低于60体积％、或不低于65体积％)且刚性相对较高的基板材料的使用中，缓慢冷却被认为是优选的。
通过上述压制步骤，经由使用基板材料，获得了具有球面状翘曲的复合构件，其曲率半径R不小于5000毫米且不大于35000毫米，并且上述球面误差不大于10.0微米。通过使用热导率和线膨胀系数满足上述特定范围的基板材料作为基板材料来获得本实施例中的复合构件1。
可以在制造该实施例中的复合构件1的方法中切割或抛光上述基板材料。在向由包含至少50体积％的SiC或金刚石的复合材料构成的基板材料提供上述特定球面状翘曲时，优选采用上述热压而不是切割或抛光。由于由包含至少50体积％的SiC或金刚石的复合材料构成的基板材料通常非常硬，因此大致没有能够切削该基板材料的刀具。即使使用金刚石磨石，也需要长时间抛光，并且应在该磨石与基板材料之间施加高压。高压的施加会导致基板材料中的回弹或残余应力的积聚，并且导致难以加工成精确的三维形状。由于金刚石磨石非常昂贵，所以不适用于工业生产。
(其它步骤)
<热压之前的热处理>
能够在上述压制步骤之前执行热处理。该热处理可以减少或移除在复合物制造期间产生的残余应力。尽管取决于基板材料的组成，热处理条件的示例包括加热温度约不低于350℃且不高于550℃(例如，约400℃)和维持时间段约不短于30分钟且不超过720分钟(例如，约60分钟)。
<热压之后的热处理>
能够在上述压制步骤之后执行热处理。通过调节热处理条件，可以调节、减小或移除在上述压制步骤期间提供到基板的残余应力。尽管取决于基板材料的组成，例如在不低于100℃且不高于200℃的加热温度和不短于100小时且不长于1000小时的维持时间段的条件下的热处理易于移除残余应力。当在压制步骤之后移除残余应力时，变形可能与移除同时发生。因此，期望调节压制条件，使得在压制步骤中基本上不产生残余应力。
[测试例1]
使由Mg-SiC构成的基板材料和由Al-SiC构成的基板材料在各种条件下经受热压，以制造具有翘曲的复合构件，并检查翘曲状态。
采用未设置有金属涂层但基本上由复合材料组成的基板被用作每个样本中的复合构件，并按如下方式制造。
(包含Mg-SiC的样本)
用PTL 1中描述的浸渗方法制造了含有Mg-SiC的样本，这将在下面概述。
采用由纯镁构成的锭，其中至少99.8质量％的源材料金属是Mg，剩余部分由不可避免的杂质构成。作为源材料的SiC粉末是经受氧化处理的涂覆粉末，并且其平均粒度为90微米。源材料是市售的。
模具(由石墨构成的模具)填充有经制备的涂覆粉末(SiC粉末相对于腔的填充系数体积为70体积％)。此后，熔化该锭，并且随后浸渗填充在该模具中的涂覆粉末。浸渗条件包括875℃的浸渗温度、氩气氛和在大气压下的气氛的压力。在浸渗之后，执行冷却以固化纯镁，并且然后从模具中取出成形体。该成形体是190毫米长×140毫米宽×5毫米厚的板形材料，并且该矩形成形体被用作基板材料。该基板材料的组成大致与源材料所用的组成相同，并且该基板材料中SiC的含量大致等于模具中的填充系数(70体积％)(这也适用于包含Al-SiC的样本)。
(包含Al-SiC样本)
用压力浸渗法制造了包含Al-SiC的样本。除了将作为源材料的金属变为由纯铝构成的锭，在锭该中，至少99.8质量％由Al构成，剩余部分由不可避免的杂质构成之外，与包含Mg-SiC的样本类似地制造样本，采用金属模具作为模具，并且改变浸渗条件(750℃的浸渗温度、Ar气氛和在不低于15MPa且不高于30MPa的范围内选择的所施加的压力)。所获得的矩形成形体，即采用190毫米长×140毫米宽×5毫米厚的板形材料作为基板材料。
(热压)
每个样本中的基板材料都被容纳在球面状模具(具有球面状凸起表面的第一模具和具有球面状凹进表面的第二模具)中，并经受热压。表1示出了热压的条件(模具的曲率半径Rd(mm)、模具的加热温度(℃)、所施加的压力(kPa或MPa)和维持时间段(min))。
通过不仅预加热模具，而且还将基板材料预加热到表1所示的加热温度来执行热压。基板材料被容纳在模具中，使得经预加热的基板材料的中心(矩形对角线的交点＝外周的表面形状中的重心)与第一模具和第二模具的球面状表面的中心相匹配。在经过维持时间段之后，执行从加热温度到室温(约20℃)的冷却。所获得的热压产品被用作每个样本中的复合构件(基板)。每个样本中的散热构件(基板)均在一个表面中具有凸起的翘曲并且在另一个表面中具有凹进的翘曲。为每个样本制备多个复合构件(基板)，并且所述多个复合构件被用于稍后将描述的测量和评估(这也适用于稍后将描述的测试例2和3)。
在冷却过程中，在从加热温度到100℃的范围内维持在热压期间所施加的压力的至少80％的加压状态的同时被冷却的样本在表1中被示出为“在冷却期间施加压力”，并且在经过了维持时间段之后取消加压状态的情况下，在非加压状态下冷却的样本在表1中被示出为“在冷却期间不施加压力”。在冷却期间所施加的压力在热压期间所施加的压力的不低于80％且不高于100％的范围内选择。
在冷却过程中从加热温度到100℃的范围内冷却速度不超过3℃/min的样本在表1中被示出为“冷却速度为缓慢冷却”，并且冷却速度大于10℃/min的样本在表1中被示出为“冷却速度为快速冷却”。调节环境温度或强制冷却机构以实现上述冷却速度。
(测量和评估)
表1示出了每个样本中复合构件(基板)的曲率半径R(mm)、球面误差E(微米)和翘曲量(微米)。
测量球面误差E和曲率半径R的方法的细节如上所述，并且概述如下。每个样本中的复合构件都是矩形板形材料，其在平面图中大约具有190毫米×140毫米的尺寸。在每个样本的复合构件(基板)中，在具有凸起翘曲的主表面中获取重心(其与矩形的对角线的交点大致匹配)，并且提取具有170mm的长边和120mm的短边的矩形测量区域10α。在测量区域10α中获取与矩形的长边平行的轮廓提取线L1至L10。轮廓提取线L1和L10是限定相应长边的直线，并且轮廓提取线L2至L9是与所述长边平行的直线，并且它们将短边分割成九个相等的部分。通过使用市售的三维测量设备，沿着每个轮廓提取线Ln设定限定轮廓的多个测量点。采用上述平均值作为在每个测量点处的值。通过将每个样本中的复合构件布置在基体上，使得包括凸起翘曲的主表面朝上来代表性地进行该测量。对于每个集合10βn的测量点，通过用最小二乘法逼近所述多个测量点来判定近似弧10γn。集合10βn中的测量点与近似弧10γn之间的距离d的平均值被定义为球面误差E。十个近似弧10γn的半径Rn的平均值被定义为复合构件(基板)的曲率半径R，其中n为1至10。
用市售的三维测量设备分析每个样本中的复合构件(基板)的表面形状，并且白用分析的结果中的最大位移量(微米)作为翘曲量。沿着基板的纵向方向(长边的方向)检查位移量，并且采用最大位移量作为翘曲量。
测量每个样本中的复合构件(基板)的热导率和线膨胀系数。从每个样本中的复合构件上切下测量试样，并且用市售的测量仪器测量所述测量式样。热导率在室温(约20℃)下测量。线膨胀系数在30℃到150℃的范围内测量
检查每个样本中由于复合构件(基板)的热循环所导致的变形的状态。检查在施加从-60℃到175℃的10次、100次和1000次热循环前后之间的曲率半径R的变化率(％)。在施加热循环之前的曲率半径被标注为R0，在10次循环之后的曲率半径被标注为R10，在10次循环之后的曲率半径的变化率被标注为|1-(R10/R0)|×100。在100次循环之后的曲率半径被标注为R100，在100次循环之后的曲率半径变化率被标注为|1-(R100/R0)|×100。在1000次循环之后的曲率半径被标注为R1000，在1000次循环后的曲率半径变化率被标注为|1-(R1000/R0)|×100。当三种曲率半径中的每一种的变化率都不高于20％时，基板被评估为难以变形，并在表1中用“G”示出。当上述三种曲率半径中的一种的变化率超过20％时，基板被评估为可能变形，并在表1中用“B”示出。在每个循环之后测量曲率半径的方法类似于上述测量方法。
在300℃×1小时下对每个样本中的复合构件(基板)进行热处理，并检查其在该热处理中的变形的状态。检查在热处理之前和之后的曲率半径R的变化率(％)，并基于该变化率是高还是低来评估变形的状态。热处理前后之间的变化率不高于20％的基板被评估为难以变形的基板，并在表1中用“G”示出，并且变化率超过20％的基板被评估为可能变形的基板，并在表1中用“B”示出。
由Al-SiC构成的样本号1-1至1-7中的复合构件的基板的热导率为180W/m·K，并且该基板的线膨胀系数为7.5ppm/K。由Mg-SiC构成的样本号1-11至1-20中的复合构件的基板热导率为220W/m·K，该热导率比由Al-SiC构成的样本的热导率高，且该基板的线膨胀系数为7.5ppm/K。
如表1所示，能够看出，样本号1-1至1-7和1-11至1-20中的复合构件在基板中具有高球度的球面状翘曲，该球面状翘曲的曲率半径R不小于5000毫米，并且球面误差E小到10.0微米或更小。还有大量样本的球面误差不大于5.0微米或不大于3.0微米。这种翘曲部分的表面形状能够被推断为接近球面状表面(球冠)的一部分的形状。当具有高球度的翘曲的样本中的复合构件被用于半导体元件的散热构件时，期望其能够以稳定的方式维持与放置目标密切接触的状态。
如表1所示，能够看出，通过在特定加热温度和特定施加压力下执行用于成形的热压，并在特定加压状态下执行冷却(例如，参见样本号1-1和样本号1-102之间的比较以及样本号1-13和1-16与样本号1-113和1-114之间的比较)能够制造具有特定球面状翘曲的复合构件，其曲率半径R和球面误差E满足上述特定范围。认为，通过将缓慢冷却设定为加压状态下的冷却并确保在该测试中冷却过程中加压状态下相对长的维持时间，和通过预热基板材料(这也适用于将在后面描述的测试例2和3)，也高度精确地设置了球面误差E小到10.0微米或更小的高球度的翘曲(例如，参见样本号1-1和样本号1-101之间的比较，以及样本号1-13和1-16与样本号1-111和1-112之间的比较)。
此外，该测试能够得出以下结论。
(a)当热压过程中加热温度升高且所施加的压力增加(温度超过300℃且压力超过10kPa)时，球面误差趋于较小(例如，参见样本号1-11与样本号1-12至1-16之间的比较)。
(b)通过降低加热温度、降低所施加的压力或缩短保持时间段，Mg-SiC比Al-SiC更易于使球面误差E变小(例如，参见样本号1-12至1-14与样本号1-1至1-3之间的比较)。
(c)即使在热压期间所施加的压力高，(当在没有施加压力的情况下执行冷却时)除非在冷却过程中设定特定的加压状态，否则上述特定的球面状翘曲不能够被精确地提供(见样本号1-114)。
(d)即使施加了热处理或热循环，Mg-SiC也比Al-SiC更易于变形(见样本号1-11至1-20与样本号1-1、1-2和1-4至1-7之间的比较)。由Mg-SiC构成的样本在10次循环之后实现了曲率半径不高于20％的变化率，在100次循环之后实现了曲率半径不高于20％的变化率，并且在1000次循环之后实现了曲率半径不高于20％的变化率。
(e)曲率半径小的基板趋于翘曲量大(见样本号1-115、1-5和1-17)。
[测试例2]
如测试例1中那样制造翘曲复合构件，并检查翘曲和残余应力的状态。
(基板材料的制备)
在该测试中，制造如测试例1中的具有金属涂层的复合构件和不具有金属涂层的复合构件。
如测试例1中那样制造被用于没有金属涂层的复合构件的基板材料，并且该基板材料形成类似的形状(190毫米长×140毫米宽×5毫米厚的矩形板)。
如下制造被用于具有金属涂层的复合构件的具有涂层的基板材料。制备通过在875℃×2小时下对市售板形SiC烧结材料(相对密度为80％的多孔成形体)进行氧化处理而获得的涂覆成形体。将该涂覆成形体和具有规定厚度的间隔物(见PTL 1)容纳在模具中。形成金属涂层与熔融金属和涂覆成形体的复合物的制造同时进行。在由作为金属和涂覆成形体的复合物的复合材料构成的板的相应前表面和后表面上制造厚度大致相同的金属涂层。表2示出了由复合材料构成的板的每个表面上的金属涂层的厚度(微米，等于间隔物的厚度)。该金属涂层由与用于复合材料的金属相同的金属构成，并且具有与用于由该复合材料构成的板的金属连续的结构。具有涂层的基板材料的形状和尺寸与没有金属涂层的基板材料(190毫米长×140毫米宽×5毫米厚的矩形板)的形状和尺寸类似。调节SiC烧结材料的厚度，使得金属涂层和由复合材料构成的板的总厚度被设定为5毫米
(热压)
如测试例1中那样，对每个样本中的基板材料和具有涂层的基板材料进行热压，并且将所获得的热压产品用作每个样本中的复合构件(基板)。表2示出了热压条件。在该测试中，如测试例1中那样预热基板材料，将该基板材料容纳在模具中，使得模具的中心和基板材料的中心彼此对准，并且控制冷却过程。
(测量和评估)
表2示出了每个样本中的复合构件(基板)的曲率半径R(mm)、球面误差E(微米)、热导率(W/m·K)、线膨胀系数(ppm/K)、凸起表面中的残余应力X1(MPa)、凹进表面中的残余应力X2(MPa)和残余应力差|X1-X2|(MPa)。
如测试例1中那样测量曲所述率半径R、球面误差E、热导率和线膨胀系数。
在基板的、矩形基板的凸起表面中的外周的表面形状中的重心位置处和在基板的、矩形基板的凹进表面中的外周的表面形状中的重心位置处测量残余应力。代表性地，通过将每个样本中的复合构件布置在基体上，使得凸起表面朝上来进行该测量。市售应变仪能够被用于残余应力的测量。在破坏测试中测量残余应力时，制备用于测量残余应力的复合构件(基板)，该复合构件与待经受其它测量和评估的复合构件(基板)不同，并且该复合构件没有经受将在后面描述的热循环或热处理。
如测试例1中那样检查和评估每个样本中的复合构件(基板)的热循环前后之间的曲率半径R的变化率和在300℃×1小时下热处理前后之间的曲率半径R变化率。表2示出了结果。
如表2所示，样本号2-1至2-6和2-11至1-17中的复合构件的基板的热导率都不低于150W/m·K或不低于180W/m·K，并且所述基板的线膨胀系数都为7.5ppm/K。特别地，由Mg-SiC构成的样本号2-11至2-17的基板的热导率不低于200W/m·K。能够看出，这些复合构件在基板中具有曲率半径R不小于5000mm并且球面误差E不大于10.0微米的球面状翘曲，即高球度的球面状翘曲。能够看出，即使施加热处理，这些复合构件也难以变形。能够进一步看出，即使在施加长达1000次循环的周期的热循环中，这些复合构件中的一些也难以变形。具体而言，样本号2-1、2-6、2-11至1-13、2-16和2-17(以下统称为一组球面状样本)满足如下条件：曲率半径R不小于5000毫米且不大于35000毫米和球面误差E不大于10.0微米并且不具有金属涂层或涂层厚度小(每个表面不大于20微米)的金属涂层，并且在基板的前表面与后表面之间具有小的残余应力差|X1-X2|，即使在施加热循环时，所述样本难以变形。能够推断的是，如果残余应力差|X1-X2|小于105×(5/2362)≈9.0MPa，则通过使用基板的对角线的长度(1902+1402)0.5≈236mm，这些样本难以变形
能够看出，即使曲率半径R和球面误差E以及残余应力差|X1-X2|满足上述范围，但是在金属涂层厚度大(不小于50微米/一个表面)的情况下，尽管不太可能由热处理而导致变形(样本号2-4、2-5、2-14和2-15)，也可能由于上述长周期热循环导致变形。已经证实，当热循环的次数少时，虽然金属涂层的厚度大的样本的曲率半径R的变化率低且变形小，但是，随着热循环次数的增加，变化率增加并且变形变得显著。认为，在金属涂层的厚度大的情况下，金属涂层的厚度趋于不均匀或者趋于出现热棘轮现象，并且因此变形是可能的。
能够看出，当残余应力差|X1-X2|大(不低于9.0MPa)时，即使曲率半径R和球面误差E满足该范围并且没有设置金属涂层，也可能由于施加热循环或热处理而变形(样本号2-111)。认为，当施加热循环或热处理时，残余应力被释放，并且由于翘曲的恢复而导致发生变形。因此，能够推断的是，当长时间施加热处理或热循环时，在上述曲率半径R和球面误差E以及残余应力差|X1-X2|满足特定范围并且没有金属涂层或具有小厚度金属涂层的球面状样本组中的复合构件是优选的。
如表2所示，能够看出，通过如测试例1中那样(例如，参见样本号2-1于样本号2-102之间的比较以及样本号2-17与样本号2-113之间的比较)，在特定条件下执行热压并在特定加压状态下冷却，能够制造曲率半径R和球面误差E满足上述特定范围并且残余应力差|X1-X2|满足上述特定范围的复合构件。特别地，在该测试中，获得了复合构件，在该复合构件中，基板的前表面和后表面中的残余应力的方向性相等，并且基本上没有残余应力差|X1-X2|。
此外，该测试能够推断以下结论。
(e)在没有施加的压力的冷却中，残余应力的方向性在基板的前表面与后表面之间变化，并且残余应力差|X1-X2|趋于是大的(见样本号1-102和2-113)。
(f)在快速冷却中，残余应力的方向性在基板的前表面与后表面之间变化，并且残余应力差|X1-X2|趋于是大的(见样本号1-101和2-112)。
(g)当在热压期间加热温度低(不高于200℃)并且所施加的压力相对高(1MPa)时，残余应力的方向性在基板的前表面与后表面之间变化，并且残余应力差|X1-X2|趋于是大的(见样本号2-111)。
基于以上考虑，优选地，加热温度被设定为超过200℃，在施加压力的情况下执行冷却过程，并且执行缓慢冷却。
测试例1中样本号1-1至1-7与1-11至1-20之间的残余应力差|X1-X2|近似等于测试例2中球面状样本组中的残余应力差。
[测试例3]
将测试例1和2中制造的复合构件用于半导体元件的散热构件，并评估散热性能。
在该测试中，制备了这样的复合构件(具有大约190mm×大约140mm×5mm厚的外周的二维形状的尺寸)，每个所述复合构件在测试例1和2中制造的复合构件的四个拐角中的每个拐角中均设置有螺栓孔。如下所述，通过使用复合构件制造待被评估的散热性能的构件。
绝缘基板被焊接到每个复合构件的凹进表面中的中心(外周的二维形状中的重心位置)，并且半导体元件被焊接到绝缘基板上。采用IGBT元件作为半导体元件，并且采用50毫米×40毫米×0.6毫米的直接结合铝(DBA)基板作为绝缘基板。在每种情况下，采用焊接温度被设定为300℃。半导体元件、绝缘基板和复合构件的堆叠作为待评估的构件。
待评估的制造构件用螺栓紧固到保持在30℃下的水冷冷却器上。在这种状态下，将待评估构件中的复合构件的凸起表面压靠在该冷却器上，并通过在复合构件的四个拐角中的每个螺栓孔中插入螺栓来紧固。电力被馈送到设定在该冷却器中的待评估构件中的半导体元件，并且生成100瓦的热量。此后，重复规定时间的馈电和不供电。“馈电10分钟，并且保持十分钟没有馈电”被定义为一个循环，并且在生成热量之后重复2000次循环。测量在第一次循环中馈电10分钟之后即刻的半导体元件的温度(℃)和在第2000次循环中馈电10分钟之后即刻的半导体元件的温度(℃)，并且表3示出结果。例如，基于半导体元件的内阻的温度依赖性来测量半导体元件的温度。此外，市售非接触式温度计或接触式温度计也能够被用于温度的测量。
如测试例1和2中那样检查并如测试例1和2中那样评估在热循环前后之间的曲率半径R的变化率和在300℃×1小时下的热处理前后之间的曲率半径R的变化率。表3也示出了其结果。
如表3所示，能够看出，曲率半径R满足不小于5000mm且不大于35000mm的条件且球面误差E满足不大于10.0微米的条件的样本号3-1、3-2和3-11至3-16中的复合构件从用作半导体元件的散热构件的初始阶段起的长时间内元件的温度低，令人满意地将热量传导到放置目标，并且散热性能优异。在测试中，基于组成相同的复合构件之间的比较，与曲率半径R和球面误差E在上述范围之外的样本号3-101、3-102、3-111、3-113和3-114相比，这些复合构件的半导体元件的温度低约至少10℃。这种结果的一个原因可能是因为翘曲部分的形状接近球冠(也参见图4和5)，待评估的构件能够与冷却器形成均匀地密切接触，如表3所示，即使通过长时间的热处理或热循环也不太可能导致变形，并且能够维持密切接触的状态。
在该测试中，能够看出，当采用Mg-SiC或Al-SiC作为构成复合构件的复合材料时，趋势相似，并且由Mg-SiC构成的基板的半导体元件的温度较低，并且散热性能较高。此外，已经证实，当热处理期间的变形较小(变形率不高于15％或不高于10％)时，半导体元件的温度较低，并且散热性能较高。已经证实，当上述热循环期间的变形较小(变形率不高于15％或不高于10％)时，半导体元件的温度较低，并且散热性能较高。
与没有涂层的样本或涂层的厚度较小的样本(3-1、3-11至3-13和3-16号)相比，虽然曲率半径R和球面误差E满足上述特定范围的金属涂层的厚度大的样本(3-2和3-14号)在第一次循环中半导体元件的温度较低，但是在第2000次循环中的半导体元件的温度较高。因此，能够推断的是，当设置金属涂层时，金属涂层的厚度优选小于50微米或不大于20微米，如在本示例中那样。与曲率半径R较小的样本(例如3-13号)相比，曲率半径R相对大的样本(3-112号)的半导体元件温度高。一个原因可能是因为由于曲率半径R大而导致对放置目标施加的压力不足够大。考虑到半导体元件的更好的密切接触和良好的散热性能，曲率半径R能够被推断为更优选是例如不大于32000毫米。
当采用直接结合铜(DBC)基板作为绝缘基板时，也获得了类似的结果。
本发明不限于这些范例，而是由权利要求书来定义，并且旨在包括在等同于权利要求书的范围和含义内的任何修改。
例如，在上述测试例1至3中，能够适当地修改基板的组成、形状和尺寸(长度、宽度和厚度)，以及如果包括金属涂层，则还能够修改厚度、形成方法和制造复合物的条件。
附图标记列表
1复合构件；10基板；20金属；22非金属；3散热构件；5半导体装置；50半导体元件；52绝缘基板；54焊料；10α测量区域；10c周边区域；10e外周；G重心；L1至L10轮廓提取线。

Claims (11)

1.一种复合构件，包括:
基板，所述基板由包含金属和非金属的复合材料构成，
所述基板的一个表面具有球面状翘曲，所述球面状翘曲的曲率半径R不小于5000毫米且不大于35000毫米，
球面误差，所述球面误差不大于10.0微米，所述球面误差被定义为测量所述基板的翘曲部分的轮廓的多个测量点与由所述多个测量点所限定的近似弧之间的平均距离，并且
所述基板的热导率不低于150W/m·K，并且线膨胀系数不大于10ppm/K。
2.根据权利要求1所述的复合构件，其中，所述非金属的含量不低于55体积％。
3.根据权利要求1或2所述的复合构件，其中，在施加从-60℃到175℃的10次、100次和1000次热循环前后之间的曲率半径R的变化率不高于20％。
4.根据权利要求1至3中的任一项所述的复合构件，其中，在进行300℃×1小时的热处理前后之间的曲率半径R的变化率不高于20％。
5.根据权利要求1至4中的任一项所述的复合构件，其中，所述基板的一个表面具有球面状凸起翘曲，并且相反的另一个表面具有凹进翘曲，并且
残余应力差的绝对值|X1-X2|小于105×(H/L2)(MPa)，其中，X1(MPa)表示所述基板的凸起表面中的重心位置处的残余应力，X2(MPa)表示所述基板的凹进表面中的重心位置处的残余应力，L(mm)表示包含所述基板的外周的矩形的对角线长度，并且H(mm)表示所述基板的厚度。
6.根据权利要求5所述的复合构件，其中，所述基板的所述凸起表面中的所述重心位置处的残余应力和所述基板的所述凹进表面中的所述重心位置处的残余应力都是压缩应力或拉伸应力。
7.根据权利要求1至6中的任一项所述的复合构件，其中，采用镁或镁合金作为所述金属，并且所述非金属包括SiC。
8.根据权利要求1至6中的任一项所述的复合构件，其中，采用铝或铝合金作为所述金属，并且所述非金属包括SiC。
9.一种散热构件，包括根据权利要求1至8中的任一项所述的复合构件。
10.一种半导体装置，包括:
根据权利要求9所述的散热构件；以及
半导体元件，所述半导体元件被安装在所述散热构件上。
11.一种制造复合构件的方法，所述方法用于通过加工由包含金属和非金属的复合材料构成的基板材料来制造复合构件，所述复合构件包括经加工的基板，所述方法包括:
压制步骤，所述压制步骤通过将所述基板材料容纳在曲率半径不小于5000mm且不大于35000mm的模具中来执行热压，
所述压制步骤包括：
以规定的时间维持超过200℃的加热温度和不低于10kPa的施加压力，以及
在维持施加不低于所述所施加压力的80％的压力的状态下，执行从所述加热温度到不高于100℃的温度的冷却。
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