JP4191124B2 - アルミニウム合金−セラミックス質複合体及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、アルミニウム合金-セラミックス質複合体及びその製造方法に関する。

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、また裏面には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基板として使用されている。今日、半導体素子の高集積化、大型化に伴い、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するかが課題となっている。

従来の回路基板の典型的な放熱構造は、回路基板裏面の金属放熱板にヒートシンクがはんだ付けされてなるものであり、ヒートシンク材としては銅、アルミニウムが一般的であった。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ときに、ヒートシンクと回路基板の熱膨張係数差に起因するクラックがはんだ部分に発生し、放熱が不十分となって、半導体を誤作動させたり、破損させたりする場合があった。

そこで、熱膨張係数を回路基板に近づけたヒートシンクとして、アルミニウム合金-セラミックス質複合体が提案され、その一例として、アルミニウム合金-炭化珪素質複合体が知られている（特許文献１）。
特願平３−５０９８６０号

アルミニウム合金-セラミックス質複合体を製造する方法として、従来、セラミックス質粒子又は繊維とアルミニウム金属粉末を混合後、高温高圧下で複合化させる粉末冶金法や、セラミックス質粒子又は繊維から多孔質体（以下、プリフォームという）を作製し、アルミニウムを主成分とする金属（以下、アルミニウム合金）等を含浸させる含浸法、中でも高圧鍛造法が採用されている。

粉末冶金法は、緻密化が不十分で、その結果十分な熱特性が得られず、さらに、ダイヤモンド等を用いた高価な加工が必要となるので、多くの場合、ダイキャスト法、溶湯鍛造法が採用されている。ダイキャスト法は、形状別に型を揃え、それに適した装置が必要であり、設備費がかさむという課題がある。

含浸法は、大型の容器を用いて溶融アルミニウム合金をプリフォームに含浸させるため、アルミニウム合金がプリフォーム周囲に多く固着し、それを除去するための機械加工が必要であると共に、加工クズの発生量も多くなるという課題がある。少なくとも一面が解放された鉄製枠体に一個のプリフォームを収納し、必要最小限の溶融アルミニウム合金とプリフォームとが接触するような方法が考案されてはいるが、この方法では、一個のプリフォームに一個の鉄製枠体が必要となり、生産性が悪いという課題があった。

そこで、本発明では、（１）治具に積層したセラミックス多孔質体に、アルミニウム合金を含浸する工程、（２）５５０〜８００℃の温度において、溶融したアルミニウム合金を取り除く工程、（３）冷却後、積層したアルミニウム合金-セラミックス質複合体を離型する工程を含むことを特徴とする含浸法によって、アルミニウム合金-セラミックス質複合体の生産効率を大幅に向上させることを可能とした。

さらに、本発明では、溶融したアルミニウム合金を取り除く工程において、アルミニウム合金の溶け出しにより表面に平滑でない部分が発生するという課題を解決することが可能である。

本発明の目的は、上記に鑑み、含浸法に関して、生産性の良好なアルミニウム合金-セラミックス質複合体の製造方法を提供し、表面状態と特性の良好なアルミニウム合金-セラミックス質複合体を提供することである。

すなわち、本発明は、含浸法によるアルミニウム合金-セラミックス質複合体の製造において、（１）セラミックス多孔質体に、アルミニウム合金を含浸する工程、（２）５５０〜８００℃の温度において、溶融したアルミニウム合金を取り除く工程、（３）冷却後、積層したアルミニウム合金-セラミックス質複合体を離型する工程を含むことを特徴とするアルミニウム合金-セラミックス質複合体の製造方法であり、セラミックス多孔質体が、炭化珪素、窒化珪素、窒化アルミニウム、窒化硼素、炭化硼素、硼化チタンから選ばれる少なくとも１種以上のセラミックス質粉末からなることを特徴とする該アルミニウム合金-セラミックス質複合体の製造方法であり、セラミックス多孔体の酸素含有量が１〜８質量％であることを特徴とする該アルミニウム合金-セラミックス質複合体の製造方法である。

さらに、アルミニウム合金中のマグネシウム含有量が０．５〜３．０質量％であることを特徴とする該アルミニウム合金-セラミックス質複合体の製造方法であり、金属製治具にセラミックス多孔質体を離型板と交互に配置し、溶融したアルミニウムを主成分とする金属を、高圧鍛造法にてセラミックス多孔質体に含浸することを特徴とする該アルミニウム合金-セラミックス質複合体の製造方法であり、熱伝導率が１８０Ｗ／ｍＫ以上、並びに、熱膨張係数が９×１０^−６／Ｋ以下、相対密度が９５〜９９体積％であることを特徴とする該アルミニウム合金-セラミックス質複合体の製造方法によって得られるアルミニウム合金-セラミックス質複合体である。そして、得られた該アルミニウム合金-セラミックス質複合体の一主面又は両主面に回路基板を接合してなることを特徴とする電力制御部品であり、回路基板上に半導体デバイスを搭載してなることを特徴とする該電力制御部品である。

本発明により、含浸法による生産性の良好なアルミニウム合金-セラミックス質複合体の製造方法が提供され、表面状態、物性面共に良好なアルミニウム合金-セラミックス質複合体が得られる。さらに、アルミニウム合金−炭化珪素質複合体を分離する際に機械加工が不要であり、溶融して取り除いたアルミニウム合金の再利用が容易である。

以下、溶湯鍛造法による製法を説明する。
必要に応じて結合材を添加したセラミックス質粉末を、成形、仮焼してプリフォームを作製し、金属製の簡易治具にプリフォームと離型板を交互に配置（積層）して、一つのブロックとする。離型板は、後に述べる予備加熱温度及び高圧下においてプリフォーム、アルミニウム合金と反応しないものならばいずれでもよく、鉄、ステンレス、チタン等の金属板が好適に用いられる。また離型板の厚みについても特に制限されるものではないが、０．５〜２．０ｍｍのものが好ましい。２．０ｍｍより厚いとブロックに充填されるプリフォームの充填個数が少なくなり生産性に劣る。また０．５ｍｍより薄いと、アルミニウム合金-セラミックス質複合体の厚みムラが生じる場合がある。更に離型性を高めるため、カーボンや窒化ホウ素等を離型板にコーティングしてもよい。
前記ブロックを５００〜７００℃で予備加熱後、高圧容器内に１個または２個以上配置し、ブロックの温度低下を防ぐためできるだけ速やかにアルミニウム合金の溶湯を３０ＭＰａ以上の圧力で加圧し、アルミニウム合金をプリフォームの空隙中に含浸させることで、アルミニウム合金-セラミックス質複合体が得られる。

得られたアルミニウム合金-セラミックス質複合体を含有するアルミニウム合金ブロックを、アルミニウム合金の融点以上の温度（５５０〜８００℃）に加熱して、アルミニウム合金-セラミックス質複合体の周囲に付着している余分なアルミニウム合金を溶解して取り除いた後、アルミニウム合金-セラミックス質複合体と離型板を離型することで、アルミニウム合金-セラミックス質複合体が得られる。加熱温度が５５０℃未満ではアルミニウム合金が溶解しない場合があり、一方、８００℃を超えるとアルミニウム合金-セラミックス質複合体の内部からアルミニウム合金が溶け出す場合があるため、５５０〜８００℃の温度でアルミニウム合金を溶解することが好ましい。また、アルミニウム合金-セラミックス質複合体のブロックを５５０℃以上に加熱するため、含浸後のアニール処理が不要である。

本発明に用いられるプリフォームの原料としては、窒化アルミニウム（AlN）、窒化珪素（Si₃N₄）、窒化硼素（BN）、硼化チタン（TiB₂）、炭化珪素（SiC）、炭化硼素（B₄C）から選ばれる少なくとも１種以上を組み合わせて用いることができる。特に、高熱伝導、低熱膨張の観点から、炭化珪素（SiC）を主成分としたものの使用が好ましい。

本発明において、使用するプリフォームの製造方法に関して特に制限はなく、公知の方法が可能である。例えば、セラッミクス質粉末にシリカ或いはアルミナ等を結合材として添加して混合、成形し、８００℃以上で焼成することによって得ることができる。成形方法について特に制限はなく、プレス成形、押し出し成形、鋳込み成形等が採用可能であり、必要に応じて保形用バインダーの併用が可能である。

アルミニウム合金-セラミックス質複合体のプリフォームに添加するシリカ或いはアルミナ等の無機バインダーは、セラミックス質粉末に対して１〜８質量％（固形分換算）添加することが好ましい。添加量が８質量％を超えると、プリフォームの強度は高くなるが熱伝導率が低下する場合があり、一方、添加量が１質量％未満であるとプリフォームの強度が低下して、アルミニウム合金溶解時にアルミニウム合金が溶け出し過ぎる場合がある。

プリフォームは、セラミックス質粉末の成形体を、脱脂、焼成することにより得られる。成形体を非酸化性雰囲気下或いは酸化性雰囲気下で焼成するが、焼成温度は、８００℃以上であることが、３ＭＰａ以上の曲げ強度のプリフォームが得られるため好ましい。焼成温度が高いほど、プリフォームが高強度となり好ましいが、非酸化物セラミックスは、酸化性雰囲気下で焼成する際に酸化する場合がある。焼成温度、焼成時間は、プリフォームの大きさ、焼成炉への投入量、焼成雰囲気等の条件に合わせて、適宜決める必要がある。

原料であるセラミックス質粉末の粒度については、特に限定されるものではないが、粗粉のみでは強度発現性に乏しく、微粉のみでは得られる複合体について高い熱伝導率が得られない場合があり、必要に応じて粒度調整を行うことが好ましい。

本発明のアルミニウム-セラミックス質複合体は、熱伝導率が１８０Ｗ/ｍＫ以上、熱膨張係数が９×１０^−６／Ｋ以下であることが好ましい。アルミニウム合金-セラミックス質複合体の熱伝導率と熱膨張係数に関しては、使用するセラミックス質粉末の熱伝導率及び熱膨張率を考慮して、１８０Ｗ／ｍＫ以上の熱伝導率と９×１０^−６／Ｋ以下の熱膨張率となるようにプリフォームの相対密度を適宜調整することができる。例えば炭化珪素であれば、アルミニウム-炭化珪素質複合体中の炭化珪素含有率の高い方が、熱伝導率が高く、熱膨張係数が小さくなるため好ましいが、含有率が高過ぎると含浸操作が容易でなくなる。実用的には、プリフォームの相対密度が５５〜７５体積％の範囲にあって、粗いセラミックス質粒子を多く含むものが好ましい。また、前記成形体の強度は、曲げ強度で３ＭＰａ以上あることが、取り扱い時や含浸中の割れの心配がないため好ましい。

本発明のアルミニウム合金-セラミックス質複合体に用いるアルミニウム合金は、含浸時にプリフォームの空隙内に十分に浸透させるために融点がなるべく低いことが好ましい。このようなアルミニウム合金として、例えばシリコンを７〜２５質量％含有したアルミニウム合金があげられる。更にマグネシウムを含有させることは、セラミックス質粒子と金属部分との結合がより強固になり好ましい。例えば、セラミックス質多孔体が炭化珪素であれば、炭化珪素粒子表面の酸化層とアルミニウム合金との間にスピネル粒子（MgAl₂O₄）が生成するため、炭化珪素粒子とアルミニウム合金の界面の濡れ性が良好になり、熱伝導率が向上するため、アルミニウム合金中のマグネシウム含有量は０．５〜３.０質量％が好ましい。アルミニウム合金中のアルミニウム、シリコン、マグネシウム以外の金属成分に関しては、極端に特性が変化しない範囲であれば特に制限はなく、例えば、銅等が含まれていてもよい。
本発明による製造方法では、マグネシウム含有量が０．５〜３．０質量％のアルミニウム合金を用いることによって熱伝導特性を改善できる。マグネシウム含有量が０．５質量％未満では、アルミニウム合金を複合化したセラミックス粒子表面に酸化層が残留してしまうため、アルミニウム合金とセラミックス質粒子間の熱伝導が阻害されるものと考えられる。一方、アルミニウム合金中のマグネシウム含有量が３．０質量％を超えると、アルミニウム合金-セラミックス質複合体の機械的特性が低下するという問題がある。
本発明のアルミニウム合金-セラミックス質複合体は、相対密度が９５〜９９体積％であることが好ましい。

本発明のアルミニウム-セラミックス質複合体は、高熱伝導率で、しかも半導体部品やセラミックス回路基板と同等レベルの低熱膨張係数であるため、これを用いた放熱部品、さらにその放熱部品を用いたモジュールは放熱特性に優れ、また、温度変化を受けても変形し難く、その結果、高信頼性が得られるという特長を有する。

炭化珪素粉末Ａ（太平洋ランダム社製：ＮＧ−２２０、平均粒径：１００μｍ）７０ｇ、炭化珪素粉末Ｂ（屋久島電工社製：ＧＣ−１０００Ｆ、平均粒径：１０μｍ）３０ｇ、及びシリカゾル（日産化学社製：スノーテックス０ 固形分濃度２０％）２０ｇを秤取し、攪拌混合機で３０分間混合した後、１８５ｍｍ×１３５ｍｍ×４．６ｍｍの寸法の平板状に圧力１０ＭＰａでプレス成形した。
得られた成形体を、大気中、温度９００℃で２時間焼成して、相対密度（嵩密度）が６５体積％のＳｉＣプリフォームを得た。得られたプリフォームの酸素含有量を酸素・窒素同時分析システム（ＬＥＣＯ社製；ＴＣ-１３６）で測定した。結果を表１に示す。

得られたＳｉＣプリフォームの両面をカーボンコートしたＳＵＳ板（厚み１ｍｍ）で挟んで一体としたものを２０個積層し、鉄製の簡易治具に取り付け、電気炉で６００℃に予備加熱した。次にそれをあらかじめ加熱しておいた内径３００ｍｍのプレス型内に収め、シリコンを１０質量％、マグネシウムを０．５質量％含有するアルミニウム合金（日本軽金属社製）の溶湯を注ぎ、１００ＭＰａの圧力で２０分間加圧してＳｉＣプリフォームにアルミニウム合金を含浸させた。アルミニウム合金-炭化珪素質複合体のブロックを室温まで冷却した後、７００℃でブロックを再加熱してアルミニウム合金を取り除き、ＳＵＳ板を離型して、相対密度９８体積％のアルミニウム合金-炭化珪素質複合体を得た。

得られたアルミニウム合金−炭化珪素質複合体の縁周部４隅に直径８ｍｍの加工穴を設け、端部に付着したアルミニウム合金を除去した。アルミニウム合金−炭化珪素質複合体の表面を平面研削機で表面加工した後、めっき処理を行い、アルミニウム合金−炭化珪素質複合体を得た。なお、前記めっきは、無電解Ni-P（５μm）、無電解Ni-B（２μm）の２層とした。

得られたアルミニウム合金−炭化珪素質複合体より、研削加工により熱膨張係数測定用試験体（２０ｍｍ×５ｍｍ×５ｍｍ）、熱伝導率測定用試験体（２５ｍｍ×２５ｍｍ×１ｍｍ）、強度測定用試験体（３×４×４０ｍｍ）の試験片を作製した。それぞれの試験片を用いて、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、２５℃での熱伝導率をレーザーフラッシュ法（理学電機社製；ＴＣ−７０００）で、２５℃の３点曲げ強度を抗折強度計（今田製作所製；ＳＶ-３０１）で、表面粗さを表面粗さ計（Mitutoyo Corporation 社製；SURFTEST３０１）で測定した。結果を表１に示す。

シリカゾルの添加量を４０ｇとしたこと以外は、実施例１と同様にしてアルミニウム合金−炭化珪素質複合体を作製し評価を行った。結果を表１に示す。

炭化珪素粉へのシリカゾルの添加量を４０ｇ、アルミニウム合金中のマグネシウム量を２．０質量％としたこと以外は、実施例１と同様にしてアルミニウム合金−炭化珪素質複合体を作製し評価を行った。結果を表１に示す。

（実施例４〜６）
プリフォームの原料として、窒化珪素（電気化学工業製：デンカ窒化けい素ＳＮ-Ｆ２グレード、平均粒径：２４μｍ）、炭化珪素／窒化珪素混合粉末（質量比で１：１）、窒化硼素（電気化学工業製：デンカボロンナイトライドＧＰグレード、平均粒径：５μｍ）を使用したこと以外は、実施例１と同様にしてアルミニウム合金−セラミックス質複合体を作製し評価を行った。結果を表１に示す。

（比較例１）
実施例１で得られたＳｉＣプリフォームを鉄製の枠に入れ、両面にＳＵＳ板を配置して１つのブロックとしたものにアルミニウム合金を含浸し、冷却してアルミニウム合金-炭化珪素質複合体のブロックを得た。このブロックを湿式バンドソーにて枠等を切断し、挟んだＳＵＳ板をはがしてアルミニウム合金-炭化珪素質複合体を取り出し、含浸時のひずみ除去の為に、５３０℃で３時間アニール処理を行った。実施例１と同様にしてめっき処理を施した後、アルミニウム合金-炭化珪素質複合体の評価を行った。結果を表１に示す。

Claims (4)

1. 含浸法によるアルミニウム合金-セラミックス質複合体の製造において、
   （１）セラミックス多孔質体にマグネシウムを０．５〜３．０質量％含むアルミニウム合金を含浸する工程、
   （２）５５０〜８００℃の温度において、溶融したアルミニウムを主成分とする金属を取り除く工程、
   （３） 冷却後、積層したアルミニウム合金-セラミックス質複合体を離型する工程を含むことを特徴とするアルミニウム合金-セラミックス質複合体の製造方法。
2. セラミックス多孔質体が、炭化珪素、窒化珪素、窒化アルミニウム、窒化硼素、炭化硼素、硼化チタンから選ばれる少なくとも１種以上のセラミックス質粉末からなることを特徴とする請求項１項記載のアルミニウム合金-セラミックス質複合体の製造方法。
3. 酸素含有量が１〜８質量％であるセラミックス多孔質体を使用することを特徴とする請求項１又は２記載のアルミニウム合金-セラミックス質複合体の製造方法。
4. 金属製治具にセラミックス多孔質体を離型板と交互に配置し、溶融したアルミニウムを主成分とする金属を、高圧鍛造法にてセラミックス多孔質体に含浸することを特徴とする請求項１〜３いずれか一項記載のアルミニウム合金-セラミックス質複合体の製造方法。