JP5132962B2

JP5132962B2 - アルミニウム合金−炭化珪素質複合体

Info

Publication number: JP5132962B2
Application number: JP2007073194A
Authority: JP
Inventors: 智志日隈; 豪岩元
Original assignee: Denki Kagaku Kogyo KK
Current assignee: Denka Co Ltd
Priority date: 2007-03-20
Filing date: 2007-03-20
Publication date: 2013-01-30
Anticipated expiration: 2027-03-20
Also published as: JP2008231510A

Description

本発明は、回路基板のベース板として好適なアルミニウム合金-炭化珪素質複合体に関する。

高絶縁性、高熱伝導性を有する窒化アルミニウム基板や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接合されてなる回路基板は、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、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するかが課題となっている。

従来の回路基板の放熱構造は、回路基板裏面の金属放熱板にベース板がはんだ付けされており、ベース板としては銅、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際に、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上記はんだに発生し、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ベース板として、アルミニウム合金-炭化珪素質複合体が提案されている（特許文献１）。
特表平０５−５０７０３０号公報

半導体搭載用のセラミックス基板とニッケルめっきを施したアルミニウム合金-炭化珪素質複合体を接合する際に、ニッケルめっき層が酸化すると半田濡れ性が悪くなり基板とベース板の接合不良が起こり、放熱が不十分になるという課題があった。

本発明の目的は、上記課題に鑑み、疎水基を有する高級脂肪酸をニッケルめっき表面にコーティングすることでニッケルめっき層の酸化を抑制し、半田濡れ性が良好なアルミニウム合金-炭化珪素質複合体を提供することである。

即ち、本発明は、ニッケルめっきを施したアルミニウム合金-炭化珪素質複合体の表面に、炭素数が１２〜２０の高級脂肪酸をコーティングしてなることを特徴とするアルミニウム合金-炭化珪素質複合体であり、高級脂肪酸のコーティング量が、０．０１〜３．０ｇ／ｍ²であることを特徴とするアルミニウム合金-炭化珪素質複合体であり、高級脂肪酸がステアリン酸及び／又はパルミチン酸であるアルミニウム合金-炭化珪素質複合体である。

更には、フラックスレスでの半田濡れ率が９０％以上であるアルミニウム合金-炭化珪素質複合体であり、熱伝導率が１８０W/ｍK以上及び熱膨張係数が１０×１０^−６／Ｋ以下であるアルミニウム合金-炭化珪素質複合体であり、高圧鍛造法で製造されることを特徴とするアルミニウム合金-炭化珪素質複合体であり、アルミニウム合金-炭化珪素質複合体に、半導体搭載用セラミックス基板を接合してなる放熱部品である。

本発明のアルミニウム合金-炭化珪素質複合体は、ニッケルめっき層の表面にステアリン酸やパルミチン酸等の疎水基を有する高級脂肪酸をコーティングしてニッケルめっき層の酸化を抑制するため、半田濡れ性が良好であり、高信頼性を要求される半導体部品搭載用パワーモジュールのベース板等として好適である。

本発明に用いるアルミニウム合金-炭化珪素質複合体の製造方法については、炭化珪素質多孔体にアルミニウム合金を含浸する含浸法であれば特に問題はなく、常圧で行う方法、溶湯鍛造法やダイキャスト法等の高圧鍛造法などの公知の方法で製造することができるが、生産性等の点から溶湯鍛造法が好適である。

本発明の炭化珪素質多孔体（以後、プリフォームという）の成形方法は、特に限定されるものではなく、プレス成形、押し出し成形、鋳込み成形等の公知の方法が使用できる。プリフォームに強度を与える為、シリカ或いはアルミナ等を結合材として添加してもよく、更に成形直後の保形性を高めるため、必要に応じてシリカ或いはアルミナ等の結合材に有機バインダーを併用してもかまわない。ただし結合材を過剰に用いるとプリフォームの熱伝導率を低下させる要因となるので、結合材を用いる場合は、０．５〜５．０質量％の範囲で用いることが好ましい。

本発明に係る成形体は、有機バインダーを併用した場合には脱脂処理と焼成処理が施され、プリフォームとなる。脱脂は、大気中、１００〜４００℃の温度で１時間以上保持する条件で行われるのが一般的である。焼成温度は、３ＭＰａ以上の曲げ強度のプリフォームを得るため、８００℃以上とすることが好ましい。曲げ強度が３ＭＰａ未満であると、取り扱い時や含浸中に割れる恐れがある。焼成温度が高いほど、プリフォームは高強度となるが、炭化珪素質粉末は、酸化性雰囲気下で焼成すると酸化する場合があるので、酸化性雰囲気下では１１００℃以下の温度で焼成することが好ましい。焼成温度及び時間は、プリフォームの大きさ、炉への投入量、雰囲気等の条件に合わせて、適宜決められる。

本発明に係る炭化珪素質粉末は特に限定されず、気相法、アチソン法等公知の製造方法によって製造された粉末を用いることができる。炭化珪素質粉末の平均粒子径は、特に限定されるものではないが、平均粒子径が１０〜１００μｍのものが好ましい。平均粒子径が１００μｍよりも大きいと強度発現性に乏しく、一方、平均粒子径が１０μｍ未満であると、アルミニウム合金-炭化珪素質複合体の熱伝導率が低くなる場合がある。炭化珪素質粉末の平均粒子径が１０〜１００μｍの範囲において、粗い粒子の割合が多くなるように調整すると、熱伝導率が高くなる傾向がある。

本発明におけるプリフォームは、プリフォーム中の炭化珪素質成分が５５〜７５体積％であることが好ましい。プリフォーム中の炭化珪素質成分が７５体積％を超えると、３０ＭＰａ以上の高圧をかけてもアルミニウム合金がプリフォーム中に含浸せず、気孔が残り熱伝導の妨げとなるので、良好な熱伝導性を得ることが困難になる。一方、プリフォーム中の炭化珪素質成分が５５体積％より低い場合は、熱膨張係数を１０×１０^−６／Ｋ以下とすることが困難である。

プリフォームの積層は金属製の簡易治具を用いて行うのが一般的である。プリフォームの両端を離型板で交互に挟み込み一つのブロックとする。離型板は、予備加熱やアルミニウム合金含浸時に、プリフォームやアルミニウム合金と反応しない材質であれば特に限定されず、鉄、ステンレス、チタン等の金属板が好適に用いられる。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おくことが好ましい。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、全面にアルミニウム合金層を有するアルミニウム合金-炭化珪素質複合体のブロックが得られる。尚、含浸時の歪み除去の目的でアニール処理を行うこともある。アニール処理には、アルミニウム合金層と炭化珪素質複合体との接合をより強固にするという効果もある。

本発明のアルミニウム合金-炭化珪素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す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挙げられる。更にマグネシウムを含有させることは、炭化珪素質粒子と金属部分との結合がより強固になり好ましく、含有量は０．５質量％以上が好ましい。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場合がある。

含浸時の歪み除去の為に行うアニール処理は、含浸に用いたアルミニウム合金の溶融温度未満の温度でアニール処理を行うことが好ましい。アニール処理は、４００〜５５０℃の温度で１０分以上行うのが一般的である。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その後の工程で反りが大きく変化してしまう場合がある。一方、アニール温度が５５０℃を超えると、含浸に用いた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除去できない場合がある。

本発明のアルミニウム合金-炭化珪素質複合体の用途の一つであるベース板は、放熱フィンと接合して用いることが多いので、その接合部分の形状や反りもまた重要な特性として挙げられる。予めベース板に凸型の反りを付けたものを用いる場合もある。

本発明のアルミニウム合金-炭化珪素質複合体は、両主面にアルミニウム合金からなるアルミニウム層を有する。このアルミニウム層は、めっき処理を施す際のめっき密着性を確保するために必要であり、アルミニウム層の厚みは平均厚みが１０μｍ〜１５０μｍであることが好ましい。平均厚みが１０μｍ未満では、めっき前処理等の表面処理時に部分的に炭化珪素が露出し、その部分にめっき未着が発生したり、めっき密着性が低下したりする場合がある。一方、アルミニウム層の平均厚みが１５０μｍを超えると、得られるベース板自体の熱膨張率が大きくなり過ぎて、接合部の信頼性が低下する場合がある。

本発明のアルミニウム合金-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、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。このため、ベース板表面にはニッケル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。ニッケルめっきの厚みは１〜１５μｍであることが好ましい。めっき厚みが１μｍ未満では、部分的にめっきの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性が低下する場合がある。一方、ニッケルめっきの厚みが１５μｍを超えると、ニッケルめっき膜とアルミニウム合金との熱膨張係数の違いによりめっき剥離が発生する場合がある。ニッケル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程度であれば特に制限はなく、リン、ホウ素等を含有してもよい。

本発明のアルミニウム合金-炭化珪素質複合体のニッケルめっき膜表面に撥水性の有機化合物をコーティングすることは、大気中の水分やニッケルめっき処理時に使用する水分に対して撥水性を示すため、ニッケルめっき膜表面の酸化を抑制することに効果的である。撥水性の有機化合物としては、炭素数が１２〜２０の高級脂肪酸が好ましい。炭素数が１２未満だと、高級脂肪酸の疎水基(Ｃ_nＨ_2n+1)が少ないため撥水効果が低下し、ニッケルめっき膜の酸化抑制効果が低下する場合がある。一方、炭素数が２０より大きいと、親水性が低下するため、ニッケルめっき膜表面の高級脂肪酸が配向しにくくなり、酸化抑制効果が低下する場合がある。高級脂肪酸の純度に関しては、半田濡れ性に支障をきたさない程度であれば特に制限はないが、９０％以上が好ましい。

高級脂肪酸のコーティング方法は特に限定されず、高級脂肪酸を含む水溶液中にアルミニウム合金-炭化珪素質複合体を浸漬するか、或いは、高級脂肪酸を含む水溶液をアルミニウム合金-炭化珪素質複合体にスプレー等で吹き付けてもよい。コーティング量は撥水性が発現する０．０１〜３．０ｇ／ｍ²でコーティングすることが好ましい。高級脂肪酸を溶剤に溶かして使用することもできるが、廃棄処理上の観点から水に分散させる方が好ましい。高級脂肪酸を水に分散させる方法としては、水に界面活性剤を添加した後に高級脂肪酸を加え、１０〜３０分間程度攪拌することが一般的である。

高級脂肪酸をコーティングすることで撥水性を発現させるためには、疎水基(Ｃ_nＨ_2n+1)のｎ数が１２〜２０かつ、飽和脂肪酸であることが好ましい。飽和脂肪酸として、ステアリン酸（炭素数１７）やパルミチン酸（炭素数１５）が好適に用いられる。

（実施例１）
炭化珪素粉末Ａ（太平洋ランダム社製：ＮＧ−２２０、平均粒径：１００μｍ）６９ｇ、炭化珪素粉末Ｂ（屋久島電工社製：ＧＣ−１０００Ｆ、平均粒径：１０μｍ）３１ｇ、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％）２１ｇを秤取し、攪拌混合機で３０分間混合した後、１８５ｍｍ×１３５ｍｍ×４．８ｍｍ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、プリフォーム中の炭化珪素質成分が６４体積％のプリフォームを得た。

得られたプリフォームを溶湯が流入できる湯口がついた１８５ｍｍ×１３５ｍｍ×５ｍｍの鉄製枠にプリフォームを入れ、両面をカーボンコートしたＳＵＳ板（２００ｍｍ×１５０ｍｍ×１ｍｍ）で鉄製枠を挟んで一体としたものを２０個積層し、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１２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（融点５８０℃）の溶湯を注ぎ、８０ＭＰａの圧力で３０分間加圧して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-炭化珪素質複合体ブロックを室温まで冷却した後、湿式バンドソーにて枠等を切断し、両面に挟んだ離型板をはがした後に、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いアルミニウム合金-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、ブラスト表面研磨機を用いてアルミナ砥粒で表面研磨した後（圧力：０．４ＭＰａ、搬送速度：１．０ｍ/ｍｉｎ）、めっき処理を行った。なお、前記めっきは、無電解Ni-P（６μm）、無電解Ni-B（２μm）の２層とした。めっき処理したアルミニウム合金-炭化珪素質複合体を高級脂肪酸（ステアリン酸７０質量％、パルミチン酸３０質量％）を０．１質量％含有する水溶液中（界面活性剤を１０質量％含有）に２分間浸漬し、イオン交換水で洗浄、乾燥した。高級脂肪酸のコーティング量は０．０５ｇ/ｍ²であった。
（使用材料）
ステアリン酸：花王社製、商品名「ルナックＳ-２０」
パルミチン酸：花王社製、商品名「ルナックＰ-９５」
界面活性剤：花王社製、商品名「アンヒトール-２４Ｂ」

（実施例２）
高級脂肪酸を０．０１ｇ/ｍ^２コーティングしたこと以外は、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た。

（実施例３）
高級脂肪酸を３．０ｇ/ｍ^２コーティングしたこと以外は、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た。

（実施例４）
高級脂肪酸を０．００５ｇ/ｍ^２コーティングしたこと以外は、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た。

（実施例５）
高級脂肪酸を３．５ｇ/ｍ^２コーティング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た。

（比較例１）
高級脂肪酸をコーティングしなかったこと以外は、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た。

実施例及び比較例で作製したアルミニウム合金-炭化珪素質複合体の外観評価を行った。外観評価後に、半田濡れ評価用試験体（５０ｍｍ×５０ｍｍ×５ｍｍ）を作製した。この試験片を２３０℃の半田バス（千住金属（株）製：H63A-B20半田）に２０秒間浸漬後、１０秒かけて取り出してフラックスレスでの半田濡れ性評価を行った。半田濡れ性は、光学顕微鏡を用いて、一定面積内（２０ｍｍ×２０ｍｍ）の半田が濡れた面積の割合を求めた。半田広がり率は、千住金属(株)製のフラックス入り半田SPARKLETSURU 22F2RH60-1.0A（Sn60%-Pb40%）を０．１００g、棒(Φ３mm)に巻き付けて、２３０℃のホットプレートで加熱した試料にのせ、３０秒放置した後の半田広がり率を算出した（JIS-Z3197の4.11項）。

高級脂肪酸のコーティング量が０．００５ｇ/ｍ^２だと撥水性が乏しくなるため、半田濡れ性の向上は見られない。コーティング量が３．５ｇ/ｍ^２だと半田濡れ性は良好だが、外観不良（変色）が発生する場合がある。アルミニウム合金-炭化珪素質複合体のめっき表面に高級脂肪酸をコーティングすることで半田濡れ性の向上が確認できた。

Claims

アルミニウム合金-炭化珪素質複合体の表面にニッケルめっきを施し、さらにその上に、炭素数が１２〜２０の高級飽和脂肪酸を所定量コーティングしてなることを特徴とするアルミニウム合金-炭化珪素質複合体。
高級飽和脂肪酸のコーティング量が、０．０１〜３．０ｇ／ｍ^２であ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-炭化珪素質複合体。
高級飽和脂肪酸がステアリン酸及び／又はパルミチン酸であることを特徴とする請求項１又は請求項２記載のアルミニウム合金-炭化珪素質複合体。
フラックスレスでの半田濡れ率が９０％以上であることを特徴とする請求項１〜３のうちいずれか一項記載のアルミニウム合金-炭化珪素質複合体。
熱伝導率が１８０Ｗ/ｍＫ以上、並びに、熱膨張係数が１０×１０^−６／Ｋ以下であることを特徴とする請求項１〜４のうちいずれか一項記載のアルミニウム合金-炭化珪素質複合体。
アルミニウム合金-炭化珪素質複合体が高圧鍛造法で製造されることを特徴とする請求項１〜５のうちいずれか一項記載のアルミニウム合金-炭化珪素質複合体。
請求項１〜６のうちいずれか一項記載のアルミニウム合金-炭化珪素質複合体に、半導体搭載用セラミックス基板を接合してなる放熱部品。