JP2016074935A - 溶射用複合粉体材料及び溶射絶縁基板 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】平均粒子径が20〜100μmのAlN粒子11を、Al2O3粒子12またはY2O3粒子12の少なくとも一種類により被覆してなる複合粒子を含み、20μm以上AlN粒子の平均粒子径値以下の範囲から選択される所定値未満の平均粒子径を有する微粒子が5体積%未満である、溶射用複合粉体材料1、かかる溶射用複合粉体材料1を銅もしくはアルミニウムからなる基材の一方の面に溶射してなる溶射膜を備える溶射絶縁基板、並びにこれを用いた半導体装置。
【選択図】図1
Description
本発明は、第1実施形態によれば、溶射用複合粉体材料であって、平均粒子径が20〜100μmのAlN粒子を、Al2O3粒子またはY2O3粒子の少なくとも一種類により被覆してなる複合粒子を含み、20μm以上AlN粒子の平均粒子径値以下の範囲から選択される所定値未満の平均粒子径を有する微粒子が、5体積%未満である。
第1工程として、AlN粒子を、Al2O3粒子またはY2O3粒子の少なくとも一種類で被覆する工程を実施する。AlN粒子を、Al2O3粒子またはY2O3粒子については、先に説明した平均粒子径を有するものを用いることができる。Al2O3粒子及び/またはY2O3粒子によるAlN粒子の被覆は、種々の方法により実施することができ、当業者であれば、特定の方法に限定されることなく、適切な方法を実施することができる。好ましくは、メカノヒュージョン法又は、スプレードライ法によることができる。
第2工程として、被覆工程により得られた粒子混合物から、20μm以上AlN粒子の平均粒子径値以下の範囲から選択される所定値未満の粒子径を有する微粒子を分級により除去する分級工程を実施する。具体的には、目的とする複合粒子と、それ以外の粒子を含みうる、上記工程の反応生成物から、所定値未満の粒子径を有する微粒子を除去する。上記所定値を基準とする理由は、AlN粒子の平均粒子径以上の粒子径で分級すると、目的の複合粒子を分級するおそれがある上に、粉体の収率が低くなり、経済的に不利益だからである。一方、20μmよりも小さい所定値で分級すると、粉体の凝集の原因となり得る微粒子を含んだ溶射用複合粉体材料となり、溶射時の配管閉塞の可能性が高くなるためである。
本発明は、第2実施形態によれば、溶射絶縁基板であって、銅もしくはアルミニウムからなる基材の一方の面に、第1実施形態による溶射用複合粉体材料を溶射してなる溶射膜を備える溶射絶縁基板である。
本発明は、第3実施形態によれば、半導体装置であって、半導体素子と、前記半導体素子の一方の面に接合された第2実施形態による溶射絶縁基板と、前記半導体素子の他方の面に接合された外部回路との接続用プリント基板とを含む部材を、封止材で封止してなる。半導体装置は任意選択的に、溶射により取り付けられた冷却体を備えてもよい。
平均粒子径が50μmの球状AlN焼結粉(トクヤマ製)を80質量部と、平均粒子径が1μmのAl2O3を15質量部と、平均粒子径が0.4μmのY2O3を5質量部と、エタノールと、ポリビニルブチラール(PVB)樹脂を5質量部と、と分散剤(SN ディスパーサント9228 サンノプコ株式会社製)を0.5質量部とを混ぜ、ボールミルによりスラリー化した。次いで、回転数9000rpm、ディスク径50mmのスプレードライ装置(大川原化工機株式会社製)により、目的とする複合粒子を含む粒子混合物を得た。そして、気流分級機(株式会社セイシン企業製 型式N−01)を用いて、回転数2000rpm、ブロワー流量1.4m3/h、処理速度600g/hの条件で、気流分級を実施した。さらに、ふるい分級(振動式ふるい器網目75μm)により、粒子混合物の粒子径を調整後、乾燥して、実施例1の溶射用複合粉体材料を得た。
[溶射条件]
電流 600A
溶射距離 120mm
ガス流量 Ar 60slm、H2 9slm
ガン移動速度 45m/min
パス回数 80回以上
実施例1において、セラミックスの配合を、平均粒子径が50μmの球状AlN焼結粉(トクヤマ製)を60質量部と、Al2O3(平均粒子径10μm)35質量部、平均粒子径が0.4μmのY2O3を5質量部に変更した以外は、実施例1と同様に溶射用複合粉体材料を製造し、評価した。
実施例1において、セラミックスの配合を、平均粒子径が20μmの球状AlN焼結粉(トクヤマ製)を60質量部と、Al2O3(平均粒子径1μm)を20質量部、AlN(粒子径10μm)を20質量部に変更した以外は、実施例1と同様に溶射用複合粉体材料を製造した。
実施例3において、セラミックスの配合を、平均粒子径が20μmの球状AlN焼結粉(トクヤマ製)を60質量部と、Al2O3(平均粒子径10μm)を40質量部に変更した以外は、実施例3と同様に溶射用複合粉体材料を製造した。
実施例4において、セラミックスの配合を、平均粒子径が20μmの球状AlN焼結粉(トクヤマ製)を40質量部と、Al2O3(平均粒子径10μm)を60質量部に変更した以外は、実施例3と同様に溶射用複合粉体材料を製造した。
実施例1において、セラミックスの配合を平均粒子径が100μmの球状AlN焼結粉(トクヤマ製)80質量部とAl2O3(平均粒子径1μm)20質量部に変更した以外は、実施例1と同様に溶射用複合粉体材料を製造した。この場合のふるい分級は、振動式ふるい器で、網目125μmのものを用いて実施した。
比較例1は、実施例1において、粉体の分級を実施しなかった以外は実施例1と同様に行った。比較例2は、実施例3において、粉体の分級を実施しなかった以外は実施例3と同様に行った。比較例3は、実施例6において粉体の分級を実施しなかった以外は実施例6と同様に行った。
実施例1による溶射用複合粉体材料の製造において、複合粒子を製造する工程を経た後、分級工程前の粒子混合物について、粒度分布測定を行った。粒度分布の測定は、レーザ回折散乱式粒度分布測定器を用いて、行った。結果を図6に示す。グラフにおいて、実線は体積比率、破線は累積体積比率、一点鎖線は分級を行った粒子径を示す。分級工程前の粒子混合物には、粒子径が20μm未満の微粒子の存在に起因する分布ピークが見られる。この分布ピークは、被覆されなかったAl2O3粒子、Y2O3粒子に起因するものである。また、その総量は、本実施例においては、10体積%程度になることがグラフからわかる。また、実線で表される分布の右側の大きなピークは、Al2O3粒子及びY2O3粒子に被覆されたAlN粒子からなる複合粒子を表す。
実施例1〜6及び比較例1〜3で製造した溶射絶縁基板を用いて、図5に示すような半導体モジュールを製造した。封止材としては、ナガセケムテックス製エポキシ樹脂を用い、200℃で、4時間、熱硬化させた。得られた半導体モジュールについて、熱衝撃試験を行った。具体的には、低温側は、−40℃で30分保持、高温側は150℃で30分保持を1サイクルとし、これを300サイクル実施した。試験後の半導体装置の、封止樹脂部におけるクラックの存在を目視とX線透過観察で確認したが、クラックは存在しなかった。一方、溶射絶縁基板に代えて、図8に示す従来技術による構造のDBC基板を用いた以外は上記と同様にして、比較例の半導体モジュールを組み立て、比較例の半導体モジュールに対し、同様の熱衝撃試験を行った。熱衝撃試験後の比較例の半導体モジュールの、X線透過写真に基づく部分的な模式図を、図9に示す。比較例の半導体モジュール200において、封止層24には、DBC基板130の突出した基板の先端を起点に、内部クラック140の発生が見られた。この結果から、基板構造の相違に起因する、本発明の溶射絶縁基板の効果が示された。
11 AlN粒子
12 Al2O3粒子、Y2O3粒子の被覆層
10 溶射膜
20 基材
30 溶射絶縁基板
100 半導体装置
21 SiC半導体素子a
22a 導電接合層
22b 導電接合層
23 アルミフィン(冷却体)
24 封止層
28 インプラントピン
29 インプラント方式プリント基板
130 DBC(登録商標)基板
140 クラック
200 従来技術による半導体モジュール
Claims (12)
- 平均粒子径が20〜100μmのAlN粒子を、Al2O3粒子またはY2O3粒子の少なくとも一種類により被覆してなる複合粒子を含み、20μm以上AlN粒子の平均粒子径値以下の範囲から選択される所定値未満の粒子径を有する微粒子が5体積%未満である、溶射用複合粉体材料。
- 20μm未満の粒子径を有する微粒子が、5体積%未満である、請求項1に記載の溶射用複合粉体材料。
- 室温における安息角が、55°未満である、請求項1または2に記載の溶射用複合粉体材料。
- 室温におけるCarrの流動性指数が、70以上である、請求項1〜3のいずれかに記載の溶射用複合粉体材料。
- 前記Al2O3粒子またはY2O3粒子の平均粒子径が、20μm未満である、請求項1〜4のいずれかに記載の溶射用複合粉体材料。
- 前記Al2O3粒子またはY2O3粒子による被覆の厚みが、1〜30μmである、請求項1〜5のいずれかに記載の溶射用複合粉体材料。
- 平均粒子径が20〜100μmのAlN粒子を、Al2O3粒子またはY2O3粒子の少なくとも一種類で被覆する工程と、
前記工程により得られた粒子混合物から、20μm以上、AlN粒子の平均粒子径値以下の範囲から選択される所定値未満の粒子径を有する微粒子を分級により除去する工程と
を含む方法により調製される、溶射用複合粉体材料。 - 前記分級により除去する工程が、20μm未満の平均粒子径を有する微粒子が5体積%未満となるように実施される、請求項7に記載の溶射用複合粉体材料。
- 前記被覆する工程が、メカノヒュージョン法又は、スプレードライ法による、請求項7または8に記載の溶射用複合粉体材料。
- 銅もしくはアルミニウムからなる基材の一方の面に、請求項1〜9に記載の溶射用複合粉体材料を溶射してなる溶射膜を備える、溶射絶縁基板。
- 半導体素子と、前記半導体素子の一方の面に接合された請求項10に記載の溶射絶縁基板と、前記半導体素子の他方の面に接合された外部回路との接続用プリント基板とを含む部材を、封止材で封止してなる半導体装置。
- 前記溶射絶縁基板の前記溶射膜面に、溶射により取り付けられた冷却体をさらに含む、請求項10に記載の半導体装置。
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