JP2012254891A - Aluminum-silicon carbide-based composite, and method for manufacturing the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、パワーモジュール用ベース板として好適なアルミニウム−炭化珪素質複合体及びそれを用いた放熱部品に関する。 The present invention relates to an aluminum-silicon carbide composite suitable as a base plate for a power module and a heat dissipation component using the same.
今日、半導体素子の高集積化、小型化に伴い、発熱量は増加の一途をたどっており、いかに効率よく放熱させるかが課題となっている。そして、高絶縁性・高熱伝導性を有する例えば窒化アルミニウム基板、窒化珪素基板等のセラミックス基板の表面に、銅製又はアルミニウム製の金属回路を、また裏面に銅製又はアルミニウム製の金属放熱板が形成されてなる回路基板が、パワーモジュール用回路基板として使用されている。 Today, as the integration and size of semiconductor elements increase, the amount of generated heat continues to increase, and the issue is how to efficiently dissipate heat. A copper or aluminum metal circuit is formed on the surface of a ceramic substrate such as an aluminum nitride substrate or a silicon nitride substrate having high insulation and high thermal conductivity, and a metal heat sink made of copper or aluminum is formed on the back surface. This circuit board is used as a power module circuit board.
従来の回路基板の典型的な放熱構造は、回路基板の裏面（放熱面）の金属板、例えば銅板を介してベース板が半田付けされてなるものであり、ベース板としては銅が一般的であった。しかしながら、この構造においては、半導体装置に熱負荷がかかった場合、ベース板と回路基板の熱膨張係数差に起因するクラックが半田層に発生し、その結果放熱が不十分となって半導体素子を誤作動させたり、破損させたりするという課題があった。 A typical heat dissipation structure of a conventional circuit board is formed by soldering a base plate via a metal plate, for example, a copper plate, on the back surface (heat dissipation surface) of the circuit board, and copper is generally used as the base plate. there were. However, in this structure, when a thermal load is applied to the semiconductor device, a crack caused by a difference in thermal expansion coefficient between the base plate and the circuit board occurs in the solder layer, and as a result, heat radiation becomes insufficient and the semiconductor element is There was a problem of malfunction or damage.
そこで、熱膨張係数を回路基板のそれに近づけたベース板として、アルミニウム−炭化珪素質複合体が提案されている。このベース板用のアルミニウム−炭化珪素質複合体の製法としては、炭化珪素の多孔体にアルミニウム合金の溶湯を加圧含浸する溶湯鍛造法（特許文献１）、炭化珪素の多孔体にアルミニウム合金の溶湯を非加圧で浸透させる非加圧含浸法（特許文献２）が実用化されている。一方、コスト面からは、アルミニウム粉末と炭化珪素粉末を混合して、加熱成形する粉末冶金法が有利であり、同製法によるアルミニウム−炭化珪素質複合体の検討も行われている（特許文献３，４）。しかし、粉末冶金法によるアルミニウム−炭化珪素質複合体は、溶湯鍛造法のものに比べ、熱伝導率等が低いという課題がある。 Therefore, an aluminum-silicon carbide composite has been proposed as a base plate having a thermal expansion coefficient close to that of a circuit board. As a method for producing the aluminum-silicon carbide composite for the base plate, a molten forging method (Patent Document 1) in which a silicon carbide porous body is impregnated with a molten aluminum alloy (Patent Document 1), an aluminum alloy porous silicon body is made of aluminum alloy. A non-pressure impregnation method (Patent Document 2) in which molten metal permeates without pressure has been put into practical use. On the other hand, in terms of cost, a powder metallurgy method in which aluminum powder and silicon carbide powder are mixed and heat-molded is advantageous, and an aluminum-silicon carbide composite by the same production method is also being studied (Patent Document 3). 4). However, the aluminum-silicon carbide composite by the powder metallurgy method has a problem that the thermal conductivity and the like are lower than those of the melt forging method.
そこで、熱伝導率向上を目的に、炭化珪素粉末の粒度、含有量を適正化し、アルミニウムの融点以下の温度域にて温度、圧力、時間の加熱成形条件を適正化したアルミニウム−炭化珪素質複合体が提案されている。（特許文献５）本手法を用いることで、回路基板の熱膨張係数に近い熱膨張係数と高い熱伝導率を兼ねたコスト的にも優位なパワーモジュール用アルミニウム−炭化珪素質複合体を提供することが可能となる。 Therefore, for the purpose of improving thermal conductivity, an aluminum-silicon carbide composite that optimizes the particle size and content of silicon carbide powder and optimizes the temperature, pressure, and time heating molding conditions in the temperature range below the melting point of aluminum. The body has been proposed. (Patent Document 5) By using this method, an aluminum-silicon carbide composite for power modules having both a thermal expansion coefficient close to the thermal expansion coefficient of a circuit board and high thermal conductivity is provided. It becomes possible.
ここで、パワーモジュール用ベース板は実使用時に放熱フィンや樹脂ケースにネジ止めを行うが、穴部分の強度についても重要な特性として挙げられる。ベース板の穴部分の強度が低いと、樹脂ケースの固定が弱くなりケース内に充填されているシリコーン漏れによる部分放電特性低下や、放熱フィンへのベース板の締め付け力低下により放熱フィンとベース板との間に空隙が発生し放熱特性が大きく低下するため好ましくない。 Here, the power module base plate is screwed to the radiating fin or the resin case in actual use, but the strength of the hole portion is also an important characteristic. If the strength of the hole in the base plate is low, the resin case is weakly fixed and the partial discharge characteristics deteriorate due to silicone leakage filled in the case, or the tightening force of the base plate to the heat dissipation fin decreases. An air gap is generated between them and the heat dissipation characteristics are greatly deteriorated.
特許文献５において作製されるアルミニウム−炭化珪素質複合体はパワーモジュール用途としての使用を考慮し、縁周部に放熱フィン、樹脂ケース取り付け用の穴を配置した形状を有している。アルミニウム−炭化珪素質複合体の縁周部の穴形成方法については、穴加工時の加工性を考慮し予備成形体に穴加工を施し加工性に優れたアルミニウムやアルミニウム合金等の金属材を配置後、加熱成形を行った後、金属材の直径以下の大きさの穴を機械加工により形成する手法が紹介されている。 The aluminum-silicon carbide composite produced in Patent Document 5 has a shape in which a heat radiating fin and a hole for attaching a resin case are arranged on the peripheral portion in consideration of use as a power module application. Regarding the hole forming method for the peripheral edge of the aluminum-silicon carbide composite, in consideration of the workability at the time of drilling, the preform is drilled and a metal material such as aluminum or aluminum alloy having excellent workability is arranged. After that, after performing heat forming, a technique of forming a hole having a size smaller than the diameter of the metal material by machining is introduced.
しかしながら、本手法で作製されたパワーモジュール用ベース板の穴部周囲の金属材部分は加熱成形の際に原料のアルミニウム粉末、またはアルミニウム合金粉末と金属材が塑性変形による接合をしているため、接合界面の強度が低く、そのためベース板穴部分の強度が低く、実使用時に熱サイクルがかかった際に穴部の破損等が発生し、部分放電特性が低下したり、放熱特性が低下するという問題が想定される。 However, since the metal material part around the hole of the power module base plate made by this method is joined by plastic deformation of the raw aluminum powder, or the aluminum alloy powder and the metal material at the time of thermoforming, The strength of the joint interface is low, so the strength of the hole in the base plate is low, and when the thermal cycle is applied during actual use, the hole is damaged, and the partial discharge characteristics and heat dissipation characteristics are reduced. A problem is assumed.
本発明は、上記の状況に鑑みてなされたものであり、その目的は、パワーモジュール用ベース板として好適なアルミニウム−炭化珪素質複合体を提供することである。 The present invention has been made in view of the above situation, and an object thereof is to provide an aluminum-silicon carbide composite suitable as a base plate for a power module.
本発明者は、上記の目的を達成するために鋭意検討した結果、アルミニウム−炭化珪素質複合体において、炭化珪素粉末の粒度、含有量を適正化し、アルミニウム−炭化珪素質複合体の縁周部に設けた穴部周囲の金属またはセラミックス−金属複合体の形状を規定することにより穴部分の強度を発現出来るとの知見を得て本発明を完成した。 As a result of intensive studies to achieve the above object, the present inventor has optimized the particle size and content of silicon carbide powder in the aluminum-silicon carbide based composite, and the peripheral portion of the aluminum-silicon carbide based composite The present invention was completed by obtaining the knowledge that the strength of the hole portion can be expressed by defining the shape of the metal or ceramic-metal composite around the hole portion provided in the hole.
即ち、本発明はアルミニウム粉末、又はアルミニウムを９０質量％以上含むアルミニウム合金粉末との混合粉末を含む金属粉末２０体積％〜４０体積％と、平均粒径が１０μｍ〜３５０μｍの炭化珪素を９５体積％以上含有するセラミックス粉末６０体積％〜８０体積％との混合粉末を金属粉末の融点未満の温度で加圧成形してなり、加圧成形時に最終的に穴加工を行う箇所に融点が成形温度以上である金属、若しくは融点が成形温度以上である金属にセラミックスを含有するセラミックス−金属複合体等の易加工性材料を配置することを特徴とする板状のアルミニウム−炭化珪素質複合体であり、前記易加工性材料部分が円柱状であり、最終的に穴加工を行う際の穴径をｘｍｍとした際の直径yが１．０５ｘｍｍ〜１．５ｘｍｍであり、柱状部分に０．０１ｍｍ〜（ｙ−ｘ）／２ｍｍの深さで、０．２ｍｍ以上の幅の１本以上の溝を有し、溝間隔が０．１ｍｍ以上であり、前記易加工性材料を機械加工し、穴部を形成したことを特徴とする板状のアルミニウム−炭化珪素質複合体である。 That is, the present invention is a metal powder containing 20% by volume to 40% by volume containing aluminum powder or an aluminum alloy powder containing 90% by mass or more of aluminum, and 95% by volume of silicon carbide having an average particle size of 10 μm to 350 μm. The above mixed ceramic powder containing 60 vol% to 80 vol% is pressure-molded at a temperature lower than the melting point of the metal powder, and the melting point is higher than the molding temperature at the location where the hole is finally drilled during pressure molding. It is a plate-like aluminum-silicon carbide composite characterized in that an easily processable material such as a ceramic-metal composite containing ceramics is disposed on a metal that is or a metal having a melting point equal to or higher than the molding temperature, The easily processable material portion is cylindrical, and the diameter y is 1.05xmm to 1.5xmm when the hole diameter at the time of drilling is finally xmm. And having one or more grooves with a depth of 0.01 mm to (yx) / 2 mm per minute and a width of 0.2 mm or more, and a groove interval of 0.1 mm or more, A plate-like aluminum-silicon carbide composite material that is machined to form a hole.
また、本発明の、板状のアルミニウム−炭化珪素質複合体の厚みは２ｍｍ〜６ｍｍであることが好ましい。 The thickness of the plate-like aluminum-silicon carbide composite of the present invention is preferably 2 mm to 6 mm.
本発明は、２５℃〜１５０℃の熱膨張係数が５×１０−６／Ｋ〜１２×１０−６／Ｋである板状のアルミニウム−炭化珪素質複合体であり、加圧成形時に最終的に穴加工を行う箇所に配置するセラミックス−金属複合体のセラミックスの充填量が２０体積％以下である板状のアルミニウム−炭化珪素質複合体である。 The present invention, plate-like aluminum thermal expansion coefficient of 25 ° C. to 150 DEG ° C. is 5 × 10 -6 / K~12 × 10 -6 / K - a silicon carbide composite, ultimately during compacting This is a plate-like aluminum-silicon carbide composite in which the ceramic filling amount of the ceramic-metal composite disposed at the location where holes are to be drilled is 20% by volume or less.
本発明は、板状のアルミニウム−炭化珪素質複合体の一主面の反り量が２００ｍｍあたり０〜５００μmである板状のアルミニウム−炭化珪素質複合体である。 The present invention is a plate-like aluminum-silicon carbide composite in which the amount of warpage of one principal surface of the plate-like aluminum-silicon carbide composite is 0 to 500 μm per 200 mm.
また、本発明はアルミニウム粉末、又はアルミニウムを９０質量％以上含むアルミニウム合金粉末との混合粉末を含む金属粉末２０体積％〜４０体積％と、平均粒径が１０μｍ〜３５０μｍの炭化珪素を９５体積％以上含有するセラミックス粉末６０体積％〜８０体積％との混合粉末を金属粉末の融点未満の温度で加圧成形してなり、加圧成形時に最終的に穴加工を行う箇所に融点が成形温度以上である金属、若しくは融点が成形温度以上である金属にセラミックスを含有するセラミックス−金属複合体等の易加工性材料を配置することを特徴とする板状のアルミニウム−炭化珪素質複合体であり、前記易加工性材料部分が円柱状であり、最終的に穴加工を行う際の穴径をｘｍｍとした際の直径yが１．０５ｘｍｍ〜１．５ｘｍｍであり、柱状部分に０．０１ｍｍ〜（ｙ−ｘ）／２ｍｍの深さで、０．２ｍｍ以上の幅の１本以上の溝を有し、溝間隔が０．１ｍｍ以上であり、前記易加工性材料を機械加工し、穴部を形成したことを特徴とする板状のアルミニウム−炭化珪素質複合体の製造方法である。 Further, the present invention is a metal powder containing 20% by volume to 40% by volume containing aluminum powder or an aluminum alloy powder containing 90% by mass or more of aluminum, and 95% by volume of silicon carbide having an average particle size of 10 μm to 350 μm. The above mixed ceramic powder containing 60 vol% to 80 vol% is pressure-molded at a temperature lower than the melting point of the metal powder, and the melting point is higher than the molding temperature at the location where the hole is finally drilled during pressure molding. It is a plate-like aluminum-silicon carbide composite characterized in that an easily processable material such as a ceramic-metal composite containing ceramics is disposed on a metal that is or a metal having a melting point equal to or higher than the molding temperature, The easily processable material portion is cylindrical, and the diameter y is 1.05xmm to 1.5xmm when the hole diameter at the time of drilling is finally xmm. And having one or more grooves with a depth of 0.01 mm to (yx) / 2 mm per minute and a width of 0.2 mm or more, and a groove interval of 0.1 mm or more, It is a manufacturing method of a plate-like aluminum-silicon carbide composite, which is machined to form a hole.
更にアルミニウム−炭化珪素質複合体の表面に、めっき処理を行い、一主面がセラミックス回路基板に半田付け又はロウ付け接合され、他の主面が放熱面として用いられるパワーモジュール用ベース板である。 Further, a power module base plate in which the surface of the aluminum-silicon carbide composite is plated, one main surface is soldered or brazed to a ceramic circuit board, and the other main surface is used as a heat dissipation surface. .
本発明のアルミニウム−炭化珪素質複合体は、低熱膨張、並びに高熱伝導という特性を有し、穴部の強度が従来技術品に比べ高いという特性を有する。本発明は、アルミニウム粉末等の金属粉末と炭化珪素粉末を金属の融点未満の温度で加熱成形して得られるアルミニウム−炭化珪素質複合体において、縁周部に設けた穴部周囲の金属またはセラミックス−金属複合体の形状を規定することにより穴部分の強度を発現させることで、モジュール化後の使用環境時に発生する応力による穴部の破損で部分放電特性や放熱特性の低下を抑制可能なアルミニウム−炭化珪素質複合体を安価に供給するものである。 The aluminum-silicon carbide based composite of the present invention has the characteristics of low thermal expansion and high thermal conductivity, and has the characteristics that the strength of the hole is higher than that of the prior art product. The present invention relates to an aluminum-silicon carbide composite obtained by heat-molding a metal powder such as aluminum powder and a silicon carbide powder at a temperature lower than the melting point of the metal. -Aluminum that can suppress the deterioration of partial discharge characteristics and heat dissipation characteristics due to breakage of holes due to stress generated in the use environment after modularization by expressing the strength of the holes by defining the shape of the metal composite -A silicon carbide composite is supplied at low cost.
本発明のアルミニウム−炭化珪素質複合体は、主成分がアルミニウムであるアルミニウム合金からなる第一の成分と、主成分が炭化珪素からなる第二の成分からなる。本発明のような異種の材料を複合化した複合体では、異種の材料の界面が強固に結びつくことでお互いに熱のやり取りが可能となる。このため、界面の密着性が悪い場合は、複合体の熱伝導率はマトリックス材（本発明ではアルミニウム合金）に支配され、強化材（本発明では炭化珪素）自体の熱伝導率が如何に高くても、複合体全体の熱伝導特性はマトリックス材以下となる。本発明の基本的な考え方は、複合体において如何に金属成分と強化材を強固に密着させるかであり、その手法として、金属成分を融点以下の温度で加圧成形する圧力と時間を適正化することで、アルミニウムのクリープ変形を利用した緻密化により両者の界面を強固なものとし、目的とする特性を達成するものである。 The aluminum-silicon carbide composite of the present invention comprises a first component made of an aluminum alloy whose main component is aluminum and a second component whose main component is silicon carbide. In the composite body in which different kinds of materials are combined as in the present invention, heat can be exchanged with each other because the interfaces of the different kinds of materials are firmly connected. For this reason, when the adhesion at the interface is poor, the thermal conductivity of the composite is governed by the matrix material (in the present invention, an aluminum alloy), and how high the thermal conductivity of the reinforcing material (in the present invention, silicon carbide) itself is. Even so, the thermal conductivity characteristics of the entire composite are less than the matrix material. The basic idea of the present invention is how to firmly adhere the metal component and the reinforcing material in the composite, and as a technique, the pressure and time for pressure forming the metal component at a temperature below the melting point are optimized. By doing so, the interface between the two is strengthened by densification utilizing the creep deformation of aluminum, and the desired characteristics are achieved.
本発明のアルミニウム−炭化珪素質複合体の特に重要な特性は、熱伝導率と熱膨張係数である。このため、用いる強化材としては、素材自体の熱伝導率が高く且つ熱膨張係数が小さいことが必要であり、炭化珪素が好適である。更に、炭化珪素とアルミニウムでは、その熱伝達機構が異なる。このため、両素材の界面での熱伝達ロスが複合体の熱伝導率を大きく左右し、この界面の面積を少なくすること（粒子径の大きい炭化珪素粉末を用いること）が、得られる複合体の熱伝導率の向上に効果的である。 Particularly important characteristics of the aluminum-silicon carbide composite of the present invention are thermal conductivity and coefficient of thermal expansion. For this reason, as a reinforcing material to be used, it is necessary that the raw material itself has a high thermal conductivity and a low thermal expansion coefficient, and silicon carbide is preferable. Furthermore, the heat transfer mechanism differs between silicon carbide and aluminum. For this reason, the heat transfer loss at the interface between the two materials greatly affects the thermal conductivity of the composite, and reducing the area of this interface (using silicon carbide powder having a large particle diameter) results in a composite It is effective in improving the thermal conductivity of
本発明のアルミニウム−炭化珪素質複合体に用いる強化材としては、炭化珪素を９０体積％以上含有するセラミックス粉末を６０体積〜８０体積％含有することが好ましい。炭化珪素含有量が９０体積％未満であると、アルミニウム−炭化珪素質複合体の低熱膨張性、
及び高熱伝導特性を維持することが困難になる。セラミックス粉末としては、窒化珪素、
窒化アルミニウム、窒化硼素、ダイヤモンド及び黒鉛から選ばれた少なくとも１種であり
、強度、熱伝導、加工性等の必要に応じて炭化珪素に添加してもよい。
As a reinforcing material used for the aluminum-silicon carbide based composite of the present invention, it is preferable to contain 60 to 80% by volume of ceramic powder containing 90% by volume or more of silicon carbide. When the silicon carbide content is less than 90% by volume, the low thermal expansion property of the aluminum-silicon carbide composite,
In addition, it is difficult to maintain high thermal conductivity characteristics. As ceramic powder, silicon nitride,
It is at least one selected from aluminum nitride, boron nitride, diamond and graphite, and may be added to silicon carbide as required in terms of strength, heat conduction, workability, and the like.
炭化珪素粉末の平均粒子径は１０〜３５０μｍが好ましく、炭化珪素粉末の粒度に関しては、アルミニウム−炭化珪素質複合体の緻密化の点から、平均粒子径が１０μｍ以上である。平均粒子径が１０μm未満の場合、アルミニウム−炭化珪素質複合体と金型内に配置した金属若しくはセラミックス−金属複合体との複合化が不十分となり、前記易加工性材料に加工した穴部の強度が低下する。一方、平均粒子径が３５０μｍを超えると、アルミニウム−炭化珪素質複合体の表面粗さ、強度が低下すると共に、アルミニウム−炭化珪素質複合体と金型内に配置した金属若しくはセラミックス−金属複合体に施した溝部分への炭化珪素粉末の浸入量が低減し、前記易加工性材料に加工した穴部の強度が低下する。炭化珪素粉末の含有量が６０体積％未満では、アルミニウム−炭化珪素質複合体の熱伝導率が低下し、熱膨張係数が大きくなり好ましくない。一方、炭化珪素粉末の含有量が８０体積％を超えると、アルミニウム−炭化珪素質複合体の緻密化が不足し、強度、熱伝導率が低下して好ましくない。また、炭化珪素粉末の含有量を上げ、且つ、緻密化を達成するためには、平均粒子径の異なる炭化珪素粉末を粒度配合することが好適である。この場合、炭化珪素粉末の平均粒子径は、個々の炭化珪素粉末の平均粒子径と含有量より算出する。このため、粒度配合を行う場合には、平均粒子径が１０μｍ未満及び／又は３５０μｍを超える粉末も、使用することができる。更に、球形状に近い炭化珪素粉末を使用することは、含有量を上げるために効果的である。 The average particle diameter of the silicon carbide powder is preferably 10 to 350 μm, and the particle diameter of the silicon carbide powder is 10 μm or more from the viewpoint of densification of the aluminum-silicon carbide composite. When the average particle size is less than 10 μm, the composite of the aluminum-silicon carbide composite and the metal or ceramic-metal composite disposed in the mold becomes insufficient, and the hole processed into the easily processable material Strength decreases. On the other hand, when the average particle diameter exceeds 350 μm, the surface roughness and strength of the aluminum-silicon carbide composite decreases and the aluminum-silicon carbide composite and the metal or ceramics-metal composite disposed in the mold The amount of silicon carbide powder intruding into the groove portion formed in the above is reduced, and the strength of the hole processed into the easily processable material is reduced. If the content of the silicon carbide powder is less than 60% by volume, the thermal conductivity of the aluminum-silicon carbide composite is lowered, and the thermal expansion coefficient is increased, which is not preferable. On the other hand, if the content of the silicon carbide powder exceeds 80% by volume, the aluminum-silicon carbide composite is insufficiently densified, and the strength and thermal conductivity are undesirably lowered. In order to increase the content of silicon carbide powder and achieve densification, it is preferable to mix silicon carbide powders having different average particle sizes. In this case, the average particle diameter of the silicon carbide powder is calculated from the average particle diameter and content of each silicon carbide powder. For this reason, when carrying out particle size blending, a powder having an average particle size of less than 10 μm and / or more than 350 μm can also be used. Furthermore, using a silicon carbide powder close to a spherical shape is effective for increasing the content.
本発明に用いる金属粉末は、アルミニウム粉末、アルミニウム合金粉末又は、アルミニウムとアルミニウム以外の金属の混合粉である。アルミニウム合金及びアルミニウムとアルミニウム以外の金属の混合粉の組成はアルミニウム７７〜１００質量％、珪素０〜２０質量％及びマグネシウム０〜３質量％が好ましい。この金属粉末としては、（１）金属粉末を混合して用いる、（２）金属粉末と合金粉末を混合して用いる（例えば、アルミニウム粉末、珪素粉末及びアルミニウム−マグネシウム合金粉末を用いる）、（３）３成分を所定量含有する合金粉末を用いることが可能である。珪素成分が２０質量％を超えると、得られる合金の熱伝導率が低下し、その結果、得られる熱伝導率が低下して好ましくない。
一方、珪素成分が２０質量％を超えると、得られる合金の熱伝導率が低下し、得られるアルミニウム−炭化珪素質複合体の熱伝導率が低下し好ましくない。マグネシウム成分は、得られる合金と炭化珪素の密着性を向上させる効果があり、５質量％を超えると、複合化時に炭化アルミニウム（Ａｌ４Ｃ３）を生成し易くなり、熱伝導率、強度の面で好ましくない。
The metal powder used in the present invention is an aluminum powder, an aluminum alloy powder, or a mixed powder of metal other than aluminum and aluminum. The composition of the aluminum alloy and the mixed powder of metal other than aluminum and aluminum is preferably 77 to 100% by mass of aluminum, 0 to 20% by mass of silicon, and 0 to 3% by mass of magnesium. As this metal powder, (1) a mixed metal powder is used, (2) a mixed metal powder and an alloy powder are used (for example, an aluminum powder, a silicon powder and an aluminum-magnesium alloy powder are used), (3 ) It is possible to use an alloy powder containing a predetermined amount of the three components. When the silicon component exceeds 20% by mass, the thermal conductivity of the obtained alloy is lowered, and as a result, the obtained thermal conductivity is lowered, which is not preferable.
On the other hand, when the silicon component exceeds 20% by mass, the thermal conductivity of the obtained alloy is lowered, and the thermal conductivity of the obtained aluminum-silicon carbide composite is lowered, which is not preferable. The magnesium component has an effect of improving the adhesion between the obtained alloy and silicon carbide, and if it exceeds 5% by mass, it becomes easy to produce aluminum carbide (Al 4 C 3 ) at the time of compounding, and the thermal conductivity and strength are increased. It is not preferable in terms of the aspect.
これらの金属粉末の含有量は、得られるアルミニウム−炭化珪素質複合体に対して、２０〜４０体積％である。ここで、金属粉末の含有量（体積％）は、金属粉末の平均密度を２．７ｇ／ｃｍ３として含有量（体積％）を規定している。２０体積％未満では、加熱プレ
ス成形時の金属粉末量が不足し、アルミニウム−炭化珪素質複合体の緻密化が不足するため好ましくない。一方、４０体積％を超えると、緻密なアルミニウム−炭化珪素質複合体を得ることはできるが、アルミニウム−炭化珪素質複合体の熱膨張係数が大きくなり過ぎて好ましくない。これらの金属粉末の粒度に関しては、平均粒子径が１０〜１００μｍ程度が好適である。平均粒子径が１０μｍ未満では、金属粒子表面の酸化により緻密化が阻害され好ましくない。また、平均粒子径が１００μｍを超えると、クリープ変形による金属粒子の緻密化が進みにくくなることがあり好ましくない。
The content of these metal powders is 20 to 40% by volume with respect to the obtained aluminum-silicon carbide composite. Here, the content (volume%) of the metal powder defines the content (volume%) with the average density of the metal powder being 2.7 g / cm 3 . If it is less than 20% by volume, the amount of metal powder at the time of hot press molding is insufficient, and densification of the aluminum-silicon carbide composite is insufficient. On the other hand, if it exceeds 40% by volume, a dense aluminum-silicon carbide based composite can be obtained, but this is not preferable because the thermal expansion coefficient of the aluminum-silicon carbide based composite becomes too large. Regarding the particle size of these metal powders, an average particle size of about 10 to 100 μm is suitable. If the average particle size is less than 10 μm, the densification is inhibited by oxidation of the metal particle surface, which is not preferable. On the other hand, when the average particle diameter exceeds 100 μm, it is difficult to make the metal particles more dense due to creep deformation, which is not preferable.
本発明の原料粉末の混合方法に関しては、個々の原料が均一に混合される方法であれば特に制約はない。ボールミル混合、ミキサーによる混合等が可能である。混合時間に関しては、原料粉末の酸化及び粉砕が進まない程度の時間が好ましく、混合方法及び充填量にもよるが、１５分〜５時間程度が一般的である。混合時間が短いと、アルミニウム-炭化珪
素質複合体の緻密化不足が発生したり、複合体組織の不均一が発生したりするため好ましくない。一方、混合時間が長すぎると原料粉末の酸化及び粉砕による微粉化が起こり、その結果、アルミニウム−炭化珪素質複合体の熱伝導率が低下する場合があり好ましくない。また、加熱プレス成形時の加熱段階で除去可能なものであれば、必要に応じて保形用バインダー等の使用が可能である。
The mixing method of the raw material powder of the present invention is not particularly limited as long as the individual raw materials are uniformly mixed. Ball mill mixing, mixing with a mixer, and the like are possible. Regarding the mixing time, a time that does not allow oxidation and pulverization of the raw material powder is preferable, and depending on the mixing method and the filling amount, it is generally about 15 minutes to 5 hours. If the mixing time is short, insufficient densification of the aluminum-silicon carbide composite or non-uniformity of the composite structure may occur. On the other hand, if the mixing time is too long, the raw material powder is pulverized by oxidation and pulverization, and as a result, the thermal conductivity of the aluminum-silicon carbide composite may be lowered. Moreover, if it can be removed at the heating stage at the time of hot press molding, a shape-retaining binder or the like can be used as necessary.
本発明の加熱プレス成形で用いる金型は、強度の点から、鋳鉄、ステンレス等の鉄製の材料が適しており、高価ではあるが窒化珪素等のセラミックスも用いることができる。更に、黒鉛製の金型も用いることができる。金型は、加熱プレス成形で得られる複合体との離型性の面より、表面に離型剤を塗布して用いる。この離型剤としては、黒鉛、アルミナ、窒化硼素等の離型剤が適している。また、金型にアルミナ等の薄膜を形成した後、離型剤を塗布することにより、優れた離型性を得ることが出来ると共に、金型の寿命を延ばすことができる。また、必要に応じて金型と製品の間に、黒鉛シート等の離型板を用いることもできる。金型の構造については、成形時にアルミニウム−炭化珪素質複合体の外形を決定する中型と上下のパンチから構成される。 The mold used in the hot press molding of the present invention is suitably made of an iron material such as cast iron or stainless steel from the viewpoint of strength, and although expensive, ceramics such as silicon nitride can also be used. Furthermore, a graphite mold can also be used. The mold is used by applying a release agent on the surface from the surface of the mold release property with the composite obtained by hot press molding. As the mold release agent, a mold release agent such as graphite, alumina, boron nitride or the like is suitable. In addition, by forming a thin film such as alumina on the mold and then applying a release agent, it is possible to obtain excellent mold release properties and extend the life of the mold. In addition, a release plate such as a graphite sheet can be used between the mold and the product as necessary. The mold structure includes a middle mold and upper and lower punches that determine the outer shape of the aluminum-silicon carbide composite during molding.
本発明では、金属粉末と炭化珪素粉末の混合粉末を金型内に充填し、金属粉末の融点以下の温度で加熱成形することにより、緻密化した板厚２〜６ｍｍの板状アルミニウム−炭化珪素質複合体とする。この場合、得られる板状アルミニウム−炭化珪素質複合体の板厚は、金型に充填する混合粉末量により調整する。板厚２ｍｍ未満では、パワーモジュール用のベース板として用いる場合、面方向の熱伝達が不足し、パワーモジュール全体の放熱特性が低下し好ましくない。一方、板厚が６ｍｍを超えると、板厚の増加によりベース板自体の熱抵抗が大きくなり、その結果、半導体素子の温度が上がり過ぎてしまい好ましくない。更に好ましい板状アルミニウム−炭化珪素質複合体の板厚は、３〜５ｍｍである。 In the present invention, a mixed powder of metal powder and silicon carbide powder is filled in a mold, and heat-molded at a temperature not higher than the melting point of the metal powder, thereby densifying plate-like aluminum-silicon carbide having a thickness of 2 to 6 mm. It is a quality complex. In this case, the plate thickness of the obtained plate-like aluminum-silicon carbide composite is adjusted by the amount of mixed powder filled in the mold. When the plate thickness is less than 2 mm, when used as a base plate for a power module, heat transfer in the surface direction is insufficient, and the heat dissipation characteristics of the entire power module are deteriorated. On the other hand, if the plate thickness exceeds 6 mm, the thermal resistance of the base plate itself increases due to the increase in the plate thickness, and as a result, the temperature of the semiconductor element increases excessively, which is not preferable. A more preferable plate thickness of the plate-like aluminum-silicon carbide composite is 3 to 5 mm.
本発明で、混合粉末を金型に充填し成形体を作製する際、予備成形圧力は１０ＭＰａ以上である。予備成形時の圧力が１０ＭＰａ未満では、緻密化が不足するため好ましくない。また、プレス圧の上限については、特性面からの制約はないが、金型の強度、装置の力量より３００ＭＰａ以下が適当である。 In the present invention, when the mixed powder is filled in a mold to produce a molded body, the preforming pressure is 10 MPa or more. If the pressure at the time of preforming is less than 10 MPa, densification is insufficient, which is not preferable. Further, the upper limit of the press pressure is not limited in terms of characteristics, but 300 MPa or less is appropriate from the strength of the mold and the strength of the apparatus.
本発明では、混合粉末、若しくは予備成形体を離型処理を施した金型に充填し、使用する金属粉末の融点未満の温度に加熱する。加熱温度は使用する金属粉末の融点より１００Ｋ低い温度から融点未満の範囲の温度が好ましい。融点より１００Ｋ低い温度に満たない場合、金属粉末が変形しにくくなり、アルミニウム−炭化珪素質複合体の緻密化が不足するため好ましくない。一方、加熱温度が、融点を超えると、成形時にアルミニウムが漏出し、熱伝導率や強度などの特性バラツキが生じやすくなるため好ましくない。 In the present invention, the mixed powder or preform is filled in a mold subjected to a release treatment and heated to a temperature below the melting point of the metal powder to be used. The heating temperature is preferably in the range of a temperature that is 100K lower than the melting point of the metal powder to be used and less than the melting point. When the temperature is lower than 100 K lower than the melting point, the metal powder is not easily deformed and the aluminum-silicon carbide composite is insufficiently densified, which is not preferable. On the other hand, when the heating temperature exceeds the melting point, aluminum leaks during molding, and characteristic variations such as thermal conductivity and strength tend to occur, which is not preferable.
アルミニウム−炭化珪素質複合体は融点以下の温度で加圧成形した後、室温まで冷却する。なお、複合化時の歪み除去の目的で、アルミニウム−炭化珪素質複合体のアニール処理を行うこともある。 The aluminum-silicon carbide composite is pressure-molded at a temperature below the melting point and then cooled to room temperature. For the purpose of removing the strain at the time of compounding, annealing treatment of the aluminum-silicon carbide composite may be performed.
複合化時の歪み除去の目的で行うアニール処理は、４００℃〜５５０℃の温度で１０分以上行うことが好ましい。アニール温度が４００℃未満であると、複合体内部の歪みが十分に開放されずに機械加工後の熱処理で形状が変化してしまう場合がある。一方、アニール温度が５５０℃を越えると、複合体中のアルミニウム合金が溶融する場合がある。アニール時間が１０分未満であると、アニール温度が４００℃〜５５０℃であっても複合体内部の歪みが十分に開放されず、機械加工後の熱処理で形状が変化してしまう場合がある。上記条件を満たす場合は、加熱成形後にそのまま冷却を行っても十分なアニール効果が得られる。 The annealing treatment performed for the purpose of removing strain at the time of compounding is preferably performed at a temperature of 400 ° C. to 550 ° C. for 10 minutes or more. If the annealing temperature is less than 400 ° C., the distortion inside the composite may not be sufficiently released, and the shape may change due to heat treatment after machining. On the other hand, when the annealing temperature exceeds 550 ° C., the aluminum alloy in the composite may be melted. When the annealing time is less than 10 minutes, even if the annealing temperature is 400 ° C. to 550 ° C., the distortion inside the composite is not sufficiently released, and the shape may be changed by the heat treatment after machining. When the above conditions are satisfied, a sufficient annealing effect can be obtained even if cooling is performed as it is after the heat forming.
アルミニウム−炭化珪素質複合体の片面又は両面の表面がアルミニウムを主成分とする金属層で覆われていると、アルミニウム−炭化珪素質複合体をめっき処理するのに好適である。 When the surface of one side or both sides of the aluminum-silicon carbide based composite is covered with a metal layer mainly composed of aluminum, it is suitable for plating the aluminum-silicon carbide based composite.
表面の金属層の材料としては、アルミニウム−炭化珪素質複合体と密着しやすいアルミニウム、又はアルミニウム合金が好ましく、アルミニウム、又はアルミニウム合金の融点より１００Ｋ低い温度〜融点未満の温度で加圧成形することで、アルミニウム−炭化珪素質複合体の表面に複合化することができる。 As the material of the metal layer on the surface, aluminum or aluminum alloy that is easily in close contact with the aluminum-silicon carbide composite is preferable, and pressure molding is performed at a temperature lower than the melting point of the aluminum or aluminum alloy by 100K to a temperature lower than the melting point. Thus, the composite can be formed on the surface of the aluminum-silicon carbide composite.
また、アルミニウム−炭化珪素質複合体の片面又は両面の表面に形成される金属層の厚みは、５０〜３００μｍであることが好ましい。金属層の厚みが５０μｍ以上であれば、めっき性を確保することができる。一方、金属層の厚みが３００μｍを超えると、アルミニウム−炭化珪素質複合体の熱膨張係数が増加し好ましくない。 The thickness of the metal layer formed on one or both surfaces of the aluminum-silicon carbide composite is preferably 50 to 300 μm. If the thickness of the metal layer is 50 μm or more, the plating property can be ensured. On the other hand, if the thickness of the metal layer exceeds 300 μm, the thermal expansion coefficient of the aluminum-silicon carbide composite increases, which is not preferable.
更に、この表面層は、積層時に離型処理を施した金型に、厚みが０．１〜１．０ｍｍで、Ｖｆ（セラミックスの含有量）が２〜１０体積％のセラミックス繊維を片面又は両面に配置して、金属粉末と炭化珪素粉末の混合粉末を充填し、融点以下の温度で加圧成形することで、調製することができる。上記製造方法により得られたアルミニウム−炭化珪素質複合体は、両主面に厚み０．０１〜０．２ｍｍのアルミニウム−セラミックス繊維複合体からなる表面層が形成される。 Furthermore, this surface layer is formed on a single-sided or double-sided ceramic fiber having a thickness of 0.1 to 1.0 mm and a Vf (ceramics content) of 2 to 10% by volume on a mold that has been subjected to a release treatment during lamination. It can be prepared by placing the metal powder and filling with a mixed powder of metal powder and silicon carbide powder and press-molding at a temperature below the melting point. In the aluminum-silicon carbide composite obtained by the above production method, a surface layer made of an aluminum-ceramic fiber composite having a thickness of 0.01 to 0.2 mm is formed on both main surfaces.
このアルミニウム−セラミックス繊維複合体層は、めっき性の関係より、アルミニウム合金以外の含有量は、３０体積％未満であることが好ましい。このため、金型内に配置するセラミックス繊維として、厚みが０．１〜１．０ｍｍでＶｆが２〜１０体積％とする。セラミックス繊維の厚みが、１．０ｍｍを超えると、加熱プレス成形によって、十分に緻密化したアルミニウム−セラミックス繊維複合体層が得られず好ましくない。セラミックス繊維の厚みの下限については、特性状の制約はないが、ハンドリング性の点より０．１ｍｍ以上であることが好ましい。また、セラミックス繊維のＶｆが、２０体積％を超えると、得られるアルミニウム−セラミックス繊維複合体層のアルミニウム合金以外の含有量が３０体積％を超え、めっき性が低下し好ましくない。Ｖｆの下限については、特性状の制約はないが、ハンドリング性の点より３体積％以上であることが好ましい。セラミックス繊維としては、特に限定されないが、耐熱性の面より、アルミナ繊維、シリカ繊維、ムライト繊維等のセラミックス繊維が好ましく使用できる。 In the aluminum-ceramic fiber composite layer, the content other than the aluminum alloy is preferably less than 30% by volume because of the plating property. For this reason, as ceramic fiber arrange | positioned in a metal mold | die, thickness is 0.1-1.0 mm and Vf shall be 2-10 volume%. When the thickness of the ceramic fiber exceeds 1.0 mm, a sufficiently densified aluminum-ceramic fiber composite layer cannot be obtained by hot press molding, which is not preferable. The lower limit of the thickness of the ceramic fiber is not limited by characteristics, but is preferably 0.1 mm or more from the viewpoint of handling properties. Moreover, when Vf of ceramic fiber exceeds 20 volume%, content other than the aluminum alloy of the aluminum-ceramic fiber composite layer obtained exceeds 30 volume%, and plating property falls and it is not preferable. The lower limit of Vf is not limited by characteristics, but is preferably 3% by volume or more from the viewpoint of handling properties. Although it does not specifically limit as a ceramic fiber, Ceramic fibers, such as an alumina fiber, a silica fiber, and a mullite fiber, can use preferably from a heat resistant surface.
本発明では、加熱プレス成形時に、２００ｍｍあたり０〜５００μｍの凹型の反りを具備してなる金型を用いて、加熱プレス成形することで、一主面に２００ｍｍあたり０〜５００μｍの凸型の反りを付与することができる。この場合、金型表面を機械加工により、反り量が０〜５００μｍの凹型形状とすることにより、得られる板状のアルミニウム−炭化珪素質複合体は、理想的な球面形状の放熱面を得ることが可能であり、良好な放熱特性を得ることができる。本発明の板状のアルミニウム−炭化珪素質複合体を、パワーモジュール用ベース板として用いる場合、その反り量が、長さ２００ｍｍあたり０μｍ未満では、その後のモジュール組み立て工程でベース板と放熱フィンとの間に隙間が生じ、たとえ高熱伝導性の放熱グリースを塗布しても、熱伝達性が著しく低下し、その結果セラミックス回路基板、ベース板、放熱フィン等で構成されるモジュールの放熱性が著しく低下してしまう場合がある。一方、反り量が５００μｍを超えると、放熱フィンとの接合の際のネジ止め時に、ベース板、又はセラミックス回路基板にクラックが発生してしまう場合があり好ましくない。 In the present invention, a convex warp of 0 to 500 μm per 200 mm is formed on one main surface by hot press molding using a mold having a concave warp of 0 to 500 μm per 200 mm during hot press molding. Can be granted. In this case, by machining the die surface into a concave shape with a warp amount of 0 to 500 μm, the obtained plate-like aluminum-silicon carbide composite can obtain an ideal spherical heat dissipation surface. Therefore, good heat dissipation characteristics can be obtained. When the plate-like aluminum-silicon carbide composite of the present invention is used as a base plate for a power module, if the amount of warpage is less than 0 μm per 200 mm in length, the base plate and the radiating fin are not assembled in the subsequent module assembly process. Even if high thermal conductivity heat dissipation grease is applied, the heat transfer performance is significantly reduced, resulting in a significant decrease in the heat dissipation performance of the module composed of ceramic circuit board, base plate, heat dissipation fins, etc. May end up. On the other hand, if the amount of warpage exceeds 500 μm, a crack may occur in the base plate or the ceramic circuit board at the time of screwing at the time of joining to the heat radiating fin, which is not preferable.
次に、本発明のアルミニウム−炭化珪素質複合体の穴形成方法について説明する。アルミニウム−炭化珪素質複合体をパワーモジュール用ベース板用途で使用する場合、ケースや放熱フィン取り付け用に縁周部に穴部分が必要となる。ベース板に求められる穴の種類としては、貫通穴、皿穴、タップ穴等がある。 Next, the method for forming holes in the aluminum-silicon carbide composite of the present invention will be described. When the aluminum-silicon carbide composite is used for a base plate for a power module, a hole is required in the peripheral edge portion for attaching a case or a radiation fin. As the types of holes required for the base plate, there are through holes, countersink holes, tapped holes, and the like.
ここで、アルミニウム−炭化珪素質複合体は非常に硬い難加工性材料であり、直接アルミニウム−炭化珪素質複合体に穴加工もできるが、加工工具の摩耗が大きく、かつ多くの加工時間を要すため加工コストが高くなり、そのためベース板自体のコストが高くなってしまう。また、加工する穴の種類がタップ穴の場合には、加工コストアップに加え実使用時のネジ締め付け時にアルミニウム−炭化珪素質複合体にカケ等が発生する可能性がある。 Here, the aluminum-silicon carbide composite is an extremely hard and difficult-to-process material, and can be directly drilled into the aluminum-silicon carbide composite, but the wear of the processing tool is large and a long processing time is required. Therefore, the processing cost is increased, and therefore the cost of the base plate itself is increased. In addition, when the type of hole to be processed is a tapped hole, there is a possibility that chipping or the like may occur in the aluminum-silicon carbide composite when tightening screws during actual use in addition to an increase in processing cost.
本発明のアルミニウム−炭化珪素質複合体の穴形成方法において、穴の種類が貫通穴や皿穴の場合は、例えば、金型の下パンチに最終的に穴が必要な箇所にピンを配置し、上パンチに下パンチのピン位置と同様の位置にスリットを設けることで容易に形成することが出来る。 In the method for forming a hole in an aluminum-silicon carbide composite of the present invention, when the hole type is a through hole or a countersink, for example, a pin is disposed at a place where a hole is finally required in the lower punch of the mold. The upper punch can be easily formed by providing a slit at the same position as the pin position of the lower punch.
金型に配置するピンの材質については、加熱成形温度以上の融点である必要がありSUSやダイス鋼等の金属材料でも、窒化珪素や窒化アルミ、アルミナ等のセラミックス材料でも構わないが、本発明で使用する原料の炭化珪素は硬いため、耐摩耗性に優れた材料であることが好ましい。このため、ピンは金型にネジ止め等の脱着可能な方式で固定した方が摩耗した際、交換が容易であるため好ましい。ピン径については、ピンに使用する材質の熱膨張係数を考慮し、加熱成形時のピンの熱膨張係数とアルミニウム−炭化珪素質複合体の熱膨張係数における冷却時の穴の収縮量とで設計する必要がある。 The material of the pin to be placed in the mold needs to have a melting point higher than the heat forming temperature, and may be a metal material such as SUS or die steel, or a ceramic material such as silicon nitride, aluminum nitride, or alumina. Since silicon carbide used as a raw material is hard, it is preferably a material having excellent wear resistance. For this reason, it is preferable to fix the pin to the mold by a detachable method such as screwing because it is easy to replace when worn. The pin diameter is designed by considering the thermal expansion coefficient of the material used for the pin, and the pin thermal expansion coefficient during thermoforming and the shrinkage of the hole during cooling in the thermal expansion coefficient of the aluminum-silicon carbide composite. There is a need to.
ピンの形状については、加熱成形後のアルミニウム−炭化珪素質複合体の抜き出しを考慮し１〜５°の抜き勾配を設けることが好ましい。抜き勾配が１°未満であるとアルミニウム−炭化珪素質複合体抜き出しの際に、ピン部分周囲に微小なクラックが発生し、アルミニウム−炭化珪素質複合体強度が低下する。また、抜き勾配が５°を超えると、アルミニウム−炭化珪素質複合体の両主面の穴寸法差が大きくなりベース板に放熱フィンやケース取り付け時に位置ズレや締め付け力不足が発生しやすくなる。 Regarding the shape of the pin, it is preferable to provide a draft of 1 to 5 ° in consideration of the extraction of the aluminum-silicon carbide composite after thermoforming. When the draft is less than 1 °, a minute crack is generated around the pin portion when the aluminum-silicon carbide composite is extracted, and the strength of the aluminum-silicon carbide composite decreases. If the draft angle exceeds 5 °, the hole size difference between the two main surfaces of the aluminum-silicon carbide composite becomes large, and positional displacement and insufficient tightening force are likely to occur when attaching the radiating fin or the case to the base plate.
上下金型のピンとスリットのクリアランスについては０．０１〜１．０ｍｍの範囲であることが好ましい。上下金型のピンとスリットのクリアランスが０．０１ｍｍ未満の場合、上下の金型に温度差がある場合、ピン径よりもスリット径が小さくなり加熱成形時にピンとスリットが接触し、金型が劣化することがある。また、上下金型のピンとスリットのクリアランスが１ｍｍを超えると、アルミニウム−炭化珪素質複合体の穴周囲の密度低下が発生し、穴部の強度が大きく低下する。 The clearance between the pins and slits of the upper and lower molds is preferably in the range of 0.01 to 1.0 mm. If the clearance between the pins of the upper and lower molds is less than 0.01 mm, if there is a temperature difference between the upper and lower molds, the slit diameter will be smaller than the pin diameter, and the pins and slits will be in contact during heat molding, causing the mold to deteriorate Sometimes. Further, if the clearance between the pin and the slit of the upper and lower molds exceeds 1 mm, the density around the hole of the aluminum-silicon carbide composite is reduced, and the strength of the hole is greatly reduced.
本発明のアルミニウム−炭化珪素質複合体の穴形成方法において、穴の種類がタップ穴の場合について説明する。タップ穴部分については、加工コストや実使用時のタップ穴部のアルミニウム−炭化珪素質複合体のカケ等を考慮し易加工性材料にする必要がある。 In the hole forming method of the aluminum-silicon carbide composite of the present invention, the case where the hole type is a tapped hole will be described. The tap hole portion needs to be made into an easily processable material in consideration of processing cost, chipping of the aluminum-silicon carbide composite in the tap hole portion in actual use, and the like.
易加工性材料は、融点が成形温度以上である金属、もしくは穴部の強度を考慮し、融点が成形温度以上である金属にセラミックスを含有するセラミックス−金属複合体を用いる。 As the easily processable material, a metal having a melting point equal to or higher than the molding temperature or a ceramic-metal composite containing ceramics in a metal having a melting point equal to or higher than the molding temperature is used.
融点が成形温度以上である金属としては、アルミニウムやアルミニウム合金、銅や鉄等があるが、アルミニウム−炭化珪素質複合体と加熱成形の際に金属間化合物を生成しない材料が好ましく、好ましくはアルミニウムやアルミニウム合金である。また、セラミックス−金属複合体中のセラミックスの種類については、アルミナや炭化珪素、黒鉛、窒化硼素などの材料を選定することができる。セラミックスにアルミナやシリカからなるセラミックス繊維や炭素繊維等を用いても構わない。 Examples of the metal having a melting point equal to or higher than the molding temperature include aluminum, aluminum alloys, copper, and iron, but a material that does not generate an intermetallic compound during aluminum-silicon carbide composite and thermoforming is preferable, preferably aluminum. And aluminum alloy. Moreover, about the kind of ceramics in a ceramics-metal composite body, materials, such as an alumina, silicon carbide, graphite, boron nitride, can be selected. Ceramic fibers made of alumina or silica, carbon fibers, or the like may be used for the ceramics.
融点が成形温度以上である金属にセラミックスを含有するセラミックス−金属複合体のセラミックス充填量については２０体積％以下が好ましく、更に好ましくは１５体積％以下である。セラミックス充填量が２０体積％を超えると、セラミックス−金属複合体部分にタップ穴等を加工する際に、工具の摩耗が大きくなり生産性が大きく低下する。 The ceramic filling amount of the ceramic-metal composite containing the ceramic in the metal having a melting point equal to or higher than the molding temperature is preferably 20% by volume or less, more preferably 15% by volume or less. When the ceramic filling amount exceeds 20% by volume, the tool wear increases when the tapped holes and the like are processed in the ceramic-metal composite portion, and the productivity is greatly reduced.
アルミニウムやアルミニウム合金、もしくはセラミックス−金属複合体等の易加工性材料の形状は円柱状であることが好ましい。この易加工性材料の直径については加熱成形後に加工する穴径の１．０５〜１．５倍であることが好ましい。易加工性材料の直径が加工する穴径の１．０５倍未満であると、アルミニウム−炭化珪素質複合体と易加工性材料を複合化した際に易加工性材料の微妙な位置ズレが発生した際、穴加工時にアルミニウム−炭化珪素質複合体に加工工具が接触し、工具が摩耗または破損する可能性がある。また、易加工性材料の直径が加工する穴径の１．５倍を超える場合、アルミニウム−炭化珪素質複合体と易加工性材料の熱膨張係数差から、実使用時にアルミニウム−炭化珪素質複合体と易加工性材料の界面の密着性が低下し、放熱フィンや樹脂ケースとの締め付け力が低下してしまう。易加工性材料とアルミニウム−炭化珪素質複合体に必要な界面強度は２ＭＰａ以上が好ましい。 The shape of an easily processable material such as aluminum, an aluminum alloy, or a ceramic-metal composite is preferably a columnar shape. The diameter of the easily processable material is preferably 1.05 to 1.5 times the hole diameter to be processed after heat forming. When the diameter of the easily processable material is less than 1.05 times the diameter of the hole to be processed, a subtle misalignment of the easily processable material occurs when the aluminum-silicon carbide composite and the easily processable material are combined. Then, the machining tool may come into contact with the aluminum-silicon carbide composite during drilling, and the tool may be worn or damaged. In addition, when the diameter of the easily processable material exceeds 1.5 times the diameter of the hole to be processed, the aluminum-silicon carbide composite in actual use due to the difference in thermal expansion coefficient between the aluminum-silicon carbide composite and the easily processable material. Adhesiveness at the interface between the body and the easily processable material is reduced, and the fastening force between the radiating fin and the resin case is reduced. The interface strength required for the easily processable material and the aluminum-silicon carbide composite is preferably 2 MPa or more.
易加工性材料の柱状部には、アルミニウム−炭化珪素質複合体と加熱成形時の強度を発現させるために溝を形成することが効果的である。易加工性材料の柱状部の溝の深さは、最終的に穴加工を行う際の穴径をｘｍｍ、易加工性材料の直径をｙｍｍとした場合、０．０１ｍｍ〜（ｙ−ｘ）／２ｍｍである必要がある。易加工性材料の柱状部の溝深さが０．０１ｍｍ未満であると、加熱成形後に易加工性材料の柱状部に存在する溝部分にアルミニウム−炭化珪素質複合体量が不十分となり、実使用時に易加工性材料とアルミニウム−炭化珪素質複合体の密着性強度が低下した場合、放熱フィンや樹脂ケースとの締め付け力が低下してしまう。易加工性材料の柱状部の溝深さが（ｙ−ｘ）／２ｍｍを超えると、穴加工時にアルミニウム−炭化珪素質複合体に加工工具が接触し、工具が摩耗または破損する可能性がある。易加工性材料の溝の幅は０．２ｍｍ以上が好ましい。易加工性材料の溝の幅が０．２ｍｍ未満であると、加熱成形時の複合化の際に溝部分に十分なアルミニウム−炭化珪素質複合体が供給されなくなる場合があり、アルミニウム−炭化珪素質複合体と易加工性材料の強度が低下する場合がある。 It is effective to form a groove in the columnar portion of the easily processable material in order to develop the strength at the time of thermoforming with the aluminum-silicon carbide composite. The depth of the groove of the columnar portion of the easily processable material is 0.01 mm to (y−x) / when the hole diameter when finally drilling is xmm and the diameter of the easily processable material is ymm. It must be 2 mm. If the groove depth of the columnar portion of the easily processable material is less than 0.01 mm, the amount of the aluminum-silicon carbide composite is insufficient in the groove portion existing in the columnar portion of the easily processable material after thermoforming. When the adhesive strength between the easily processable material and the aluminum-silicon carbide composite decreases during use, the fastening force between the heat dissipating fins and the resin case decreases. If the groove depth of the columnar portion of the easily processable material exceeds (yx) / 2 mm, the processing tool may come into contact with the aluminum-silicon carbide composite during drilling, and the tool may be worn or damaged. . The width of the groove of the easily processable material is preferably 0.2 mm or more. When the groove width of the easily processable material is less than 0.2 mm, sufficient aluminum-silicon carbide based composite material may not be supplied to the groove portion at the time of compounding at the time of thermoforming. In some cases, the strength of the plastic composite and the easily processable material may decrease.
易加工性材料の柱状部に存在する溝の本数としては1本以上であり、実使用時の易加工性材料とアルミニウム−炭化珪素質複合体の密着性強度を考慮した場合、2本以上が好ましい。アルミニウムやアルミニウム合金、もしくはセラミックス−金属複合体等の易加工性材料の製造方法については制限がなく、機械加工で所定の形状に加工しても構わないが、コスト面からプレス加工等の打ち抜きや成形加工を行ったほうが好ましい。 The number of grooves present in the columnar portion of the easily processable material is 1 or more, and when considering the adhesion strength between the easily processable material and the aluminum-silicon carbide composite in actual use, 2 or more preferable. There are no restrictions on the method of manufacturing easily processable materials such as aluminum, aluminum alloys, or ceramics-metal composites, and they may be processed into a predetermined shape by machining. It is preferable to perform molding.
易加工性材料の溝の数が２本以上の場合、溝と溝の間隔は０．１ｍｍ以上が好ましい。溝間隔が０．１ｍｍ未満であると溝間に存在する易加工性材料の強度が低下するため加熱成形の際にヒビやカケ等が発生する可能性がある。 When the number of grooves of the easily processable material is two or more, the distance between the grooves is preferably 0.1 mm or more. If the groove interval is less than 0.1 mm, the strength of the easily processable material existing between the grooves is reduced, so that cracking or chipping may occur during the heat forming.
アルミニウムやアルミニウム合金、もしくはセラミックス−金属複合体等の易加工性材料とアルミニウム−炭化珪素質複合体の複合化については、混合粉末を金型に充填し、加圧成形し成形体を作製する段階で金型内に最終的に穴加工が必要な箇所に易加工性材料を配置することで所定の位置に易加工性材料が配置された成形体を作製することができる。混合粉末を金型に充填し、予備成形し成形体を作製後、予備成形体に最終的に穴加工が必要な箇所にダイヤモンド工具等を用いて穴加工を行った後、穴部分に易加工性材料を配置後、本成形を行いアルミニウム−炭化珪素質複合体と易加工性材料を複合化しても構わないが加工費用が高くなり、ベース板コストが高くなるため好ましくない。 For compounding aluminum, aluminum alloy, or an easily processable material such as a ceramic-metal composite and an aluminum-silicon carbide composite, the mixed powder is filled in a mold, and pressure-molded to produce a compact. Thus, by arranging an easily processable material at a place where drilling is finally required in the mold, a molded body in which the easily processable material is disposed at a predetermined position can be produced. After filling the mold with the mixed powder and pre-molding to make a molded body, after drilling the preform using a diamond tool etc. at the place where the final drilling is required, easy processing to the hole part After placing the functional material, this molding may be performed to composite the aluminum-silicon carbide composite and the easily processable material, but this is not preferable because the processing cost increases and the base plate cost increases.
本発明のアルミニウム−炭化珪素質複合体の温度２５℃での板厚方向の熱伝導率は、１５０Ｗ／ｍＫ以上である。熱伝導率が、１５０Ｗ／ｍＫ未満では、パワーモジュール用のベース板等の放熱部品として用いる場合に十分な放熱特性が得られず好ましくない。熱伝導率の上限に関しては、特性面からの制約はないが、炭化珪素自体の特性より３００Ｗ／ｍＫ以下となる。 The thermal conductivity in the plate thickness direction at a temperature of 25 ° C. of the aluminum-silicon carbide composite of the present invention is 150 W / mK or more. A thermal conductivity of less than 150 W / mK is not preferable because sufficient heat dissipation characteristics cannot be obtained when used as a heat dissipation component such as a base plate for a power module. The upper limit of the thermal conductivity is not limited in terms of characteristics, but is 300 W / mK or less due to the characteristics of silicon carbide itself.
本発明のアルミニウム−炭化珪素質複合体の温度２５℃から１５０℃の熱膨張係数は、５×１０−６〜１２×１０−６／Ｋである。パワーモジュール用のベース板等の放熱部品と
して用いる場合、接合されるセラミックス回路基板との熱膨張係数のマッチングが非常に重要である。熱膨張係数が、５×１０−６／Ｋ未満又は１２×１０−６／Ｋを超えると、
半導体素子作動時の熱負荷により、接合層（半田層等）やセラミックスの破壊が起こり、放熱特性が低下する場合があり好ましくない。
The thermal expansion coefficient of the aluminum-silicon carbide composite of the present invention at a temperature of 25 ° C. to 150 ° C. is 5 × 10 −6 to 12 × 10 −6 / K. When used as a heat radiating component such as a base plate for a power module, matching of the thermal expansion coefficient with the ceramic circuit board to be joined is very important. When the thermal expansion coefficient is less than 5 × 10 −6 / K or more than 12 × 10 −6 / K,
The thermal load during the operation of the semiconductor element is not preferable because the bonding layer (solder layer, etc.) and ceramics may be destroyed and the heat dissipation characteristics may be deteriorated.
本発明に係るアルミニウム−炭化珪素質複合体は、パワーモジュール用ベース板として用いる場合、取り付け穴等を加工した後、セラミックス回路基板と半田付けにより接合して用いられるのが一般的である。このため、アルミニウム−炭化珪素質複合体表面には、Ｎｉめっきを施すことが必要である。めっき処理方法は特に限定されず、無電解めっき処理、電気めっき処理法のいずれでもよい。Ｎｉめっきの厚みは１〜２０μｍであることが好ましい。めっき厚みが１μｍ未満では、部分的にめっきピンホールが発生し、半田付け時に半田ボイド（空隙）が発生し、回路基板からの放熱特性が低下する場合がある。一方、
Ｎｉめっきの厚みが２０μｍを超えると、Ｎｉめっき膜と表面アルミニウム合金との熱膨張差によりめっき剥離が発生する場合がある。Ｎｉめっき膜の純度に関しては、半田濡れ性に支障をきたさないものであれば特に制約はなく、リン、硼素等を含有することができる。更に、Ｎｉめっき表面に金めっきを施すことも可能である。
When the aluminum-silicon carbide composite according to the present invention is used as a base plate for a power module, it is generally used after processing a mounting hole or the like and then joining to a ceramic circuit board by soldering. For this reason, it is necessary to apply Ni plating to the surface of the aluminum-silicon carbide composite. The plating method is not particularly limited, and any of electroless plating and electroplating may be used. The thickness of the Ni plating is preferably 1 to 20 μm. If the plating thickness is less than 1 μm, plating pinholes are partially generated, solder voids (voids) are generated during soldering, and the heat dissipation characteristics from the circuit board may be deteriorated. on the other hand,
If the thickness of the Ni plating exceeds 20 μm, plating peeling may occur due to a difference in thermal expansion between the Ni plating film and the surface aluminum alloy. The purity of the Ni plating film is not particularly limited as long as it does not hinder solder wettability, and may contain phosphorus, boron, or the like. Furthermore, it is also possible to apply gold plating to the Ni plating surface.
［実施例１］
炭化珪素粉末Ａ（大平洋ランダム社製／平均粒子径：１２０μｍ、密度：３．２ｇ／ｃｍ３）：１３８．４（３２．５体積％）ｇ、炭化珪素粉末Ｂ（大平洋ランダム社製／平均粒子径：１０μｍ、密度：３．２ｇ／ｃｍ３）：１３８．４ｇ（３２．５体積％）、アルミニウム粉末（アルコア社製／平均粒子径：２５μｍ）：１２５．８ｇをボールミルにて１時間混合し、混合粉末を４０２．７ｇ秤量した。次に、図１に示す鋳鉄製の金型１（外形：２５０×２００×５０ｍｍ、内径：１９０×１４０×５０ｍｍ）及び鋳鉄製の底部寸法φ７ｍｍで抜き勾配１°の鋳鉄製の高さ９ｍｍのピン付きで、曲率半径２０ｍの凹形状を施した金型２（下部：２５０×２００×２０mm、上部：１８９．９×１３９．９×１０ｍｍ）、及び鋳鉄製の金型３（１８９．９×１３９．９×６０ｍｍ）に離型剤として黒鉛及び窒化硼素を塗布した後、金型２の最終的にタップ穴加工を行う箇所に図２に示す高さ９ｍｍ、直径５ｍｍで柱状部分には金型２の面から２ｍｍの位置に溝深さ０．２５ｍｍ、溝幅０．２５ｍｍ、溝間隔０．２５ｍｍの２本の溝を設けた易加工性材料アルミニウムピン（材質Ａ１０８５）を配置した。
[Example 1]
Silicon carbide powder A (manufactured by Taiyo Random Corporation / average particle size: 120 μm, density: 3.2 g / cm 3 ): 138.4 (32.5% by volume) g, silicon carbide powder B (manufactured by Taiyo Random Corporation / Average particle size: 10 μm, density: 3.2 g / cm 3 ): 138.4 g (32.5% by volume), aluminum powder (manufactured by Alcoa / average particle size: 25 μm): 125.8 g in a ball mill for 1 hour After mixing, 402.7 g of the mixed powder was weighed. Next, cast iron mold 1 shown in FIG. 1 (outer diameter: 250 × 200 × 50 mm, inner diameter: 190 × 140 × 50 mm) and cast iron bottom dimension φ7 mm, cast iron height 9 mm Mold 2 with a pin and having a concave shape with a curvature radius of 20 m (lower part: 250 × 200 × 20 mm, upper part: 189.9 × 139.9 × 10 mm), and cast iron mold 3 (189.9 × After applying graphite and boron nitride as a release agent to 139.9 × 60 mm), the final tapping process of the mold 2 is 9 mm in height and 5 mm in diameter as shown in FIG. An easily workable material aluminum pin (material A1085) provided with two grooves having a groove depth of 0.25 mm, a groove width of 0.25 mm, and a groove interval of 0.25 mm was disposed at a position 2 mm from the surface of the mold 2.
その後、金型２、３側の面に純アルミニウム箔（１００μｍ）を配置して、金型２に前記混合粉末を投入後、図１の通りに積層し、油圧プレスにて面圧：５０ＭＰａで予備成形を実施した。 Thereafter, pure aluminum foil (100 μm) is placed on the surfaces of the molds 2 and 3, and the mixed powder is put into the mold 2 and laminated as shown in FIG. 1, and the surface pressure is 50 MPa by a hydraulic press. Pre-forming was performed.
次に、この積層体を電気炉にて、大気雰囲気下、温度６００℃に加熱して１５分間保持して、積層体の温度を６００℃とした。加熱した積層体は、厚み５mmの断熱材を介して、油圧プレスにて面圧：１００ＭＰａで３分間、加熱成形を行った後、圧力を開放して室温まで冷却した。次に、金型２を外し、油圧プレスにて金型３を押し込み、成形体を取り出した後、離型用に配置した黒鉛シートを剥がして、１９０×１４０×５ｍｍｔのアルミニウム−炭化珪素質複合体を得た。 Next, this laminate was heated in an electric furnace to a temperature of 600 ° C. in an air atmosphere and held for 15 minutes, so that the temperature of the laminate was 600 ° C. The heated laminate was heat-molded with a hydraulic press at a surface pressure of 100 MPa for 3 minutes through a heat insulating material having a thickness of 5 mm, and then the pressure was released to cool to room temperature. Next, the mold 2 is removed, the mold 3 is pushed in with a hydraulic press, the molded body is taken out, and then the graphite sheet arranged for mold release is peeled off, and a 190 × 140 × 5 mmt aluminum-silicon carbide composite Got the body.
[実施例２]
炭化珪素粉末Ａ（大平洋ランダム社製／平均粒子径：３５０μｍ、密度：３．２ｇ／ｃｍ３）：１９９．５（４８体積％）ｇ、炭化珪素粉末Ｂ（大平洋ランダム社製／平均粒子径：５０μｍ、密度：３．２ｇ／ｃｍ３）：１３３．０ｇ（３２体積％）、アルミニウム粉末（アルコア社製／平均粒子径：２５μｍ）：７０．１ｇをボールミルにて１時間混合し、混合粉末を４０２．７ｇ秤量した以外は実施例１と同様にしてアルミニウム−炭化珪素質複合体を得た。
[Example 2]
Silicon carbide powder A (manufactured by Taiyo Random Corporation / average particle size: 350 μm, density: 3.2 g / cm 3 ): 199.5 (48 vol%) g, silicon carbide powder B (manufactured by Taiyo Random Corporation / average particle Diameter: 50 μm, density: 3.2 g / cm 3 ): 133.0 g (32% by volume), aluminum powder (manufactured by Alcoa / average particle size: 25 μm): 70.1 g are mixed for 1 hour in a ball mill and mixed. An aluminum-silicon carbide composite was obtained in the same manner as in Example 1 except that 402.7 g of the powder was weighed.
[実施例３]
炭化珪素粉末Ａ（大平洋ランダム社製／平均粒子径：１２０μｍ、密度：３．２ｇ／ｃｍ３）：１５０．３（３５体積％）ｇ、炭化珪素粉末Ｂ（大平洋ランダム社製／平均粒子径：５０μｍ、密度：３．２ｇ／ｃｍ３）：１０７．４ｇ（２５体積％）、アルミニウム粉末（アルコア社製／平均粒子径：２５μｍ）：１４５．０ｇをボールミルにて１時間混合し、混合粉末を４０２．７ｇ秤量した以外は実施例１と同様にしてアルミニウム−炭化珪素質複合体を得た。
[Example 3]
Silicon carbide powder A (manufactured by Taiyo Random Corporation / average particle size: 120 μm, density: 3.2 g / cm 3 ): 150.3 (35% by volume) g, silicon carbide powder B (manufactured by Taiyo Random Corporation / average particle) Diameter: 50 μm, density: 3.2 g / cm 3 ): 107.4 g (25% by volume), aluminum powder (manufactured by Alcoa / average particle size: 25 μm): 145.0 g are mixed for 1 hour in a ball mill and mixed. An aluminum-silicon carbide composite was obtained in the same manner as in Example 1 except that 402.7 g of the powder was weighed.
[実施例４]
金型２の最終的にタップ穴加工を行う箇所に図２に示す高さ９ｍｍのアルミニウム−アルミナ複合体（アルミナ充填量１８体積％）を配置した以外は実施例１と同様にしてアルミニウム−炭化珪素質複合体を得た。
[Example 4]
Aluminum-carbonization was performed in the same manner as in Example 1 except that a 9 mm-high aluminum-alumina composite (alumina filling amount: 18% by volume) shown in FIG. A silicon composite was obtained.
[実施例５]
高さ９ｍｍ、直径４．４ｍｍで柱状部分には金型２の面から２ｍｍの位置に溝深さ０．２５ｍｍ、溝幅０．２５ｍｍ、溝間隔０．２５ｍｍの２本の溝を設けたアルミニウムピンを使用した以外は実施例１と同様にしてアルミニウム−炭化珪素質複合体を得た。
[Example 5]
Aluminum having a height of 9 mm, a diameter of 4.4 mm, and a columnar portion provided with two grooves having a groove depth of 0.25 mm, a groove width of 0.25 mm, and a groove interval of 0.25 mm at a position 2 mm from the surface of the mold 2 An aluminum-silicon carbide composite was obtained in the same manner as in Example 1 except that pins were used.
[実施例６]
高さ９ｍｍ、直径６ｍｍで柱状部分には金型２の面から２ｍｍの位置に溝深さ０．２５ｍｍ、溝幅０．２５ｍｍ、溝間隔０．２５ｍｍの２本の溝を設けたアルミニウムピンを使用した以外は実施例１と同様にしてアルミニウム−炭化珪素質複合体を得た。
[Example 6]
An aluminum pin having a height of 9 mm and a diameter of 6 mm and provided with two grooves having a groove depth of 0.25 mm, a groove width of 0.25 mm, and a groove interval of 0.25 mm at a position 2 mm from the surface of the mold 2 is provided. An aluminum-silicon carbide composite was obtained in the same manner as in Example 1 except that it was used.
[実施例７]
高さ９ｍｍ、直径５ｍｍで柱状部分には金型２の面から２ｍｍの位置に溝深さ０．２５
ｍｍ、溝幅０．２５ｍｍ、溝間隔０．２５ｍｍの５本の溝を設けたアルミニウムピンを使
用した以外は実施例１と同様にしてアルミニウム−炭化珪素質複合体を得た。
[Example 7]
9mm in height and 5mm in diameter, the columnar part has a groove depth of 0.25 at a position 2mm from the surface of the mold 2
An aluminum-silicon carbide composite was obtained in the same manner as in Example 1 except that an aluminum pin provided with five grooves having a diameter of 0.25 mm, a groove width of 0.25 mm, and a groove interval of 0.25 mm was used.
[実施例８]
高さ９ｍｍ、直径５ｍｍで柱状部分には金型２の面から２ｍｍの位置に溝深さ０．２５ｍｍ、溝幅０．２５ｍｍの１本の溝を設けたアルミニウムピンを使用した以外は実施例１と同様にしてアルミニウム−炭化珪素質複合体を得た。
[Example 8]
Example except that an aluminum pin having a height of 9 mm, a diameter of 5 mm, and a columnar portion provided with a single groove having a groove depth of 0.25 mm and a groove width of 0.25 mm at a position 2 mm from the surface of the mold 2 is used. In the same manner as in Example 1, an aluminum-silicon carbide composite was obtained.
[実施例９]
高さ９ｍｍ、直径５ｍｍで柱状部分には金型２の面から２ｍｍの位置に溝深さ０．４５ｍｍ、溝幅０．２５ｍｍ、溝間隔０．２５ｍｍの２本の溝を設けたアルミニウムピンを使用した以外は実施例１と同様にしてアルミニウム−炭化珪素質複合体を得た。
[Example 9]
An aluminum pin having a height of 9 mm, a diameter of 5 mm, and a columnar portion provided with two grooves of a groove depth of 0.45 mm, a groove width of 0.25 mm, and a groove interval of 0.25 mm at a position 2 mm from the surface of the mold 2. An aluminum-silicon carbide composite was obtained in the same manner as in Example 1 except that it was used.
[実施例１０]
高さ９ｍｍ、直径５ｍｍで柱状部分には金型２の面から２ｍｍの位置に溝深さ０．２５ｍｍ、溝幅０．２１ｍｍ、溝間隔０．２５ｍｍの２本の溝を設けたアルミニウムピンを使用した以外は実施例１と同様にしてアルミニウム−炭化珪素質複合体を得た。
[Example 10]
An aluminum pin having a height of 9 mm and a diameter of 5 mm and provided with two grooves of a groove depth of 0.25 mm, a groove width of 0.21 mm, and a groove interval of 0.25 mm at a position 2 mm from the surface of the mold 2 is provided. An aluminum-silicon carbide composite was obtained in the same manner as in Example 1 except that it was used.
[実施例１１]
高さ９ｍｍ、直径５ｍｍで柱状部分には金型２の面から２ｍｍの位置に溝深さ０．２５ｍｍ、溝幅０．２５ｍｍ、溝間隔０．１５ｍｍの２本の溝を設けたアルミニウムピンを使用した以外は実施例１と同様にしてアルミニウム−炭化珪素質複合体を得た。
[Example 11]
An aluminum pin having a height of 9 mm and a diameter of 5 mm and provided with two grooves with a groove depth of 0.25 mm, a groove width of 0.25 mm, and a groove interval of 0.15 mm at a position 2 mm from the surface of the mold 2 in the columnar part. An aluminum-silicon carbide composite was obtained in the same manner as in Example 1 except that it was used.
[実施例１２]
曲率半径１１ｍの凹形状を施した金型２を用いた以外は実施例１と同様にしてアルミニウム−炭化珪素質複合体を得た。
[Example 12]
An aluminum-silicon carbide based composite was obtained in the same manner as in Example 1 except that the mold 2 having a concave shape with a curvature radius of 11 m was used.
[比較例１]
炭化珪素粉末Ａ（大平洋ランダム社製／平均粒子径：１２０μｍ、密度：３．２ｇ／ｃｍ３）：１２９．９（３０体積％）ｇ、炭化珪素粉末Ｂ（大平洋ランダム社製／平均粒子径：１０μｍ、密度：３．２ｇ／ｃｍ３）：１０８．３ｇ（２５体積％）、アルミニウム粉末（アルコア社製／平均粒子径：２５μｍ）：１６４．５ｇをボールミルにて１時間混合し、混合粉末を４０２．７ｇ秤量した以外は実施例１と同様にしてアルミニウム−炭化珪素質複合体を得た。
[Comparative Example 1]
Silicon carbide powder A (manufactured by Taiyo Random Corporation / average particle size: 120 μm, density: 3.2 g / cm 3 ): 129.9 (30% by volume) g, silicon carbide powder B (manufactured by Taiyo Random Corporation / average particle) Diameter: 10 μm, density: 3.2 g / cm 3 ): 108.3 g (25% by volume), aluminum powder (Alcoa / average particle size: 25 μm): 164.5 g were mixed for 1 hour in a ball mill and mixed. An aluminum-silicon carbide composite was obtained in the same manner as in Example 1 except that 402.7 g of the powder was weighed.
[比較例２]
炭化珪素粉末Ａ（大平洋ランダム社製／平均粒子径：１２０μｍ、密度：３．２ｇ／ｃｍ３）：１８５．６（４５体積％）ｇ、炭化珪素粉末Ｂ（大平洋ランダム社製／平均粒子径：１０μｍ、密度：３．２ｇ／ｃｍ３）：１６４．９ｇ（４０体積％）、アルミニウム粉末（アルコア社製／平均粒子径：２５μｍ）：５２．２ｇをボールミルにて１時間混合し、混合粉末を４０２．７ｇ秤量した以外は実施例１と同様にしてアルミニウム−炭化珪素質複合体を得た。
[Comparative Example 2]
Silicon carbide powder A (manufactured by Taiyo Random Co./average particle size: 120 μm, density: 3.2 g / cm 3 ): 185.6 (45% by volume) g, silicon carbide powder B (manufactured by Taiyo Random Co., Ltd./average particle) Diameter: 10 μm, density: 3.2 g / cm 3 ): 164.9 g (40% by volume), aluminum powder (manufactured by Alcoa / average particle size: 25 μm): 52.2 g are mixed for 1 hour in a ball mill and mixed. An aluminum-silicon carbide composite was obtained in the same manner as in Example 1 except that 402.7 g of the powder was weighed.
[比較例３]
炭化珪素粉末Ａ（大平洋ランダム社製／平均粒子径：５００μｍ、密度：３．２ｇ／ｃｍ３）：２７６．８（６５体積％）ｇ、アルミニウム粉末（アルコア社製／平均粒子径：２５μｍ）：１２５．８ｇをボールミルにて１時間混合し、混合粉末を４０２．７ｇ秤量した以外は実施例１と同様にしてアルミニウム−炭化珪素質複合体を得た。
[Comparative Example 3]
Silicon carbide powder A (manufactured by Taiyo Random Corporation / average particle size: 500 μm, density: 3.2 g / cm 3 ): 276.8 (65% by volume) g, aluminum powder (manufactured by Alcoa / average particle size: 25 μm) : 125.8 g was mixed in a ball mill for 1 hour, and an aluminum-silicon carbide composite was obtained in the same manner as in Example 1 except that 402.7 g of the mixed powder was weighed.
[比較例４]
炭化珪素粉末Ａ（大平洋ランダム社製／平均粒子径：７μｍ、密度：３．２ｇ／ｃｍ３）：２７６．８ｇ（６５体積％）、アルミニウム粉末（アルコア社製／平均粒子径：２５μｍ）：１２５．８ｇをボールミルにて１時間混合し、混合粉末を４０２．７ｇ秤量した以外は実施例１と同様にしてアルミニウム−炭化珪素質複合体を得た。
[Comparative Example 4]
Silicon carbide powder A (manufactured by Taiyo Random Company / average particle size: 7 μm, density: 3.2 g / cm 3 ): 276.8 g (65% by volume), aluminum powder (manufactured by Alcoa / average particle size: 25 μm): An aluminum-silicon carbide composite was obtained in the same manner as in Example 1 except that 125.8 g was mixed with a ball mill for 1 hour, and 402.7 g of the mixed powder was weighed.
[比較例５]
高さ９ｍｍ、直径４．２ｍｍで柱状部分には金型２の面から２ｍｍの位置に溝深さ０．２５ｍｍ、溝幅０．２５ｍｍ、溝間隔０．２５ｍｍの２本の溝を設けたアルミニウムピンを使用した以外は実施例１と同様にしてアルミニウム−炭化珪素質複合体を得た。
[Comparative Example 5]
Aluminum with a height of 9 mm, a diameter of 4.2 mm, and a columnar portion provided with two grooves having a groove depth of 0.25 mm, a groove width of 0.25 mm, and a groove interval of 0.25 mm at a position 2 mm from the surface of the mold 2 An aluminum-silicon carbide composite was obtained in the same manner as in Example 1 except that pins were used.
[比較例６]
高さ９ｍｍ、直径６．５ｍｍで柱状部分には金型２の面から２ｍｍの位置に溝深さ０．２５ｍ、溝幅０．２５ｍｍ、溝間隔０．２５ｍｍの２本の溝を設けたアルミニウムピンを
使用した以外は実施例１と同様にしてアルミニウム−炭化珪素質複合体を得た。
[Comparative Example 6]
Aluminum with a height of 9 mm, a diameter of 6.5 mm, and a columnar portion provided with two grooves having a groove depth of 0.25 m, a groove width of 0.25 mm, and a groove interval of 0.25 mm at a position 2 mm from the surface of the mold 2 An aluminum-silicon carbide composite was obtained in the same manner as in Example 1 except that pins were used.
[比較例７]
高さ９ｍｍ、直径５ｍｍで柱状部分に溝の存在しないアルミニウムピンを使用した以外
は実施例１と同様にしてアルミニウム−炭化珪素質複合体を得た。
[Comparative Example 7]
An aluminum-silicon carbide composite was obtained in the same manner as in Example 1 except that an aluminum pin having a height of 9 mm and a diameter of 5 mm and having no groove in the columnar portion was used.
[比較例８]
高さ９ｍｍ、直径５ｍｍで柱状部分には金型２の面から２ｍｍの位置に溝深さ０．６ｍ
ｍ、溝幅０．２５ｍｍ、溝間隔０．２５ｍｍの２本の溝を設けたアルミニウムピンを使用
した以外は実施例１と同様にしてアルミニウム−炭化珪素質複合体を得た。
[Comparative Example 8]
9mm in height and 5mm in diameter, the columnar part has a groove depth of 0.6m at a position 2mm from the surface of the mold 2
m, a groove width of 0.25 mm, an aluminum-silicon carbide based composite was obtained in the same manner as in Example 1 except that an aluminum pin provided with two grooves having a groove interval of 0.25 mm was used.
[比較例９]
高さ９ｍｍ、直径５ｍｍで柱状部分には金型２の面から２ｍｍの位置に溝深さ０．２５
ｍｍ、溝幅０．１８ｍｍ、溝間隔０．２５ｍｍの２本の溝を設けたアルミニウムピンを使
用した以外は実施例１と同様にしてアルミニウム−炭化珪素質複合体を得た。
[Comparative Example 9]
9mm in height and 5mm in diameter, the columnar part has a groove depth of 0.25 at a position 2mm from the surface of the mold 2
An aluminum-silicon carbide composite was obtained in the same manner as in Example 1 except that an aluminum pin provided with two grooves of mm, groove width 0.18 mm, and groove interval 0.25 mm was used.
[比較例１０]
高さ９ｍｍ、直径５ｍｍで柱状部分には金型２の面から２ｍｍの位置に溝深さ０．２５
ｍｍ、溝幅０．２５ｍｍ、溝間隔０．０８ｍｍの２本の溝を設けたアルミニウムピンを使
用した以外は実施例１と同様にしてアルミニウム−炭化珪素質複合体を得た。
[Comparative Example 10]
9mm in height and 5mm in diameter, the columnar part has a groove depth of 0.25 at a position 2mm from the surface of the mold 2
An aluminum-silicon carbide based composite was obtained in the same manner as in Example 1 except that an aluminum pin provided with two grooves having a diameter of mm, a groove width of 0.25 mm, and a groove interval of 0.08 mm was used.
実施例１〜１２、比較例１〜１０の方法で板状のアルミニウム−炭化珪素質複合体を各５枚作製し、各板状のアルミニウム−炭化珪素質複合体の４隅に存在する易加工性材料部分の中心部にマシニングセンタ（ヤマザキマザック社製；バーチカルセンターネクサス）を用いて図３のようにＭ４のタップ穴を加工後、各種評価を実施した。 Five plate-like aluminum-silicon carbide composites were produced by the methods of Examples 1 to 12 and Comparative Examples 1 to 10, respectively, and easy processing existed at the four corners of each plate-like aluminum-silicon carbide composite. Using a machining center (manufactured by Yamazaki Mazak Co., Ltd .; vertical center nexus) at the center of the functional material portion, various evaluations were performed after machining the M4 tapped hole as shown in FIG.
実施例１〜１２、比較例１〜１０で得られたアルミニウム−炭化珪素質複合体から、熱膨張測定用試験体（３×３×１０ｍｍ）、その試験片を用いて温度２５℃〜１５０℃の熱膨張係数を熱膨張計（セイコー電子工業社製；ＴＭＡ３００）で測定した。結果を表２に示す。 From the aluminum-silicon carbide composites obtained in Examples 1 to 12 and Comparative Examples 1 to 10, using a test piece for measuring thermal expansion (3 × 3 × 10 mm) and its test piece, a temperature of 25 ° C. to 150 ° C. Was measured with a thermal dilatometer (manufactured by Seiko Denshi Kogyo; TMA300). The results are shown in Table 2.
実施例１〜１２、比較例１〜１０で得られたアルミニウム−炭化珪素質複合体の放熱面の形状を接触型二次元輪郭形状測定機（東京精密社製；コンターレコード１６００Ｄ−２２）にて測定した。結果を表２に示す。 The shape of the heat radiation surface of the aluminum-silicon carbide composite obtained in Examples 1 to 12 and Comparative Examples 1 to 10 was measured with a contact type two-dimensional contour shape measuring instrument (manufactured by Tokyo Seimitsu Co., Ltd .; contour record 1600D-22). It was measured. The results are shown in Table 2.
アルミニウム−炭化珪素質複合体を−４０℃と１２５℃の気槽雰囲気に、それぞれ３０分間保持し、加熱冷却処理を１０００回実施した後に板状のアルミニウム−炭化珪素質複合体の易加工性材料部分の強度を測定するため、Ｍ４タップ部分にφ７ｍｍの鉄製ボールを配置後、鉄製ボールに加重を加えアルミニウム−炭化珪素質複合体と易加工性材料界面耐荷重を測定した。また、Ｍ４タップ穴加工後の加工工具の摩耗状態をルーペで確認した。結果を表２に示す。 The aluminum-silicon carbide composite is held in an air bath atmosphere at -40 ° C. and 125 ° C. for 30 minutes, and after heating and cooling is performed 1000 times, a plate-shaped aluminum-silicon carbide composite is easily processable material In order to measure the strength of the part, a steel ball having a diameter of 7 mm was placed on the M4 tap part, and then the load was applied to the iron ball to measure the interfacial load resistance of the aluminum-silicon carbide composite and the easily processable material. Moreover, the abrasion state of the processing tool after M4 tapped hole processing was confirmed with a loupe. The results are shown in Table 2.
１ 金型１
２ 金型２
３ 金型３
４ 金属粉末と炭化珪素粉末の混合粉末
４’ 金属−炭化珪素質複合体
５ 純アルミニウム箔
６ 融点が成形温度以上の金属または融点が成形温度以上であるセラミックス−金属複合体
７ 金属ピン
８ 融点が成形温度以上の金属または融点が成形温度以上であるセラミックス−金属複合体に穴加工施したもの
1 Mold 1
2 Mold 2
3 Mold 3
4 Mixed powder of metal powder and silicon carbide powder 4 'Metal-silicon carbide composite 5 Pure aluminum foil 6 Metal having a melting point equal to or higher than the molding temperature or ceramic-metal composite 7 having a melting point equal to or higher than the molding temperature 8 Metal pin 8 Melting point Holes drilled in a metal above the molding temperature or a ceramic-metal composite with a melting point above the molding temperature
Claims (7)
A surface of the aluminum-silicon carbide composite according to any one of claims 1 to 5 is plated, one main surface is soldered or brazed to a ceramic circuit board, and the other main surface is a heat dissipation surface. As a base plate for power modules.
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