JP6251381B2 - 流路部材および半導体モジュール - Google Patents

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Description

本発明は、流路部材および半導体モジュールに関する。
近年、半導体素子が、大電流下において高速にスイッチングする用途に用いられている。この半導体素子は、発熱して高温になると、スイッチング機能に影響を及ぼす可能性がある。そのため、半導体素子の搭載にあたっては、流体との熱交換により、半導体素子を冷却可能な流路を有する流路部材が用いられている。
このような流路部材として、例えば、特許文献１には、半導体部品が実装される回路の下部に冷媒流路となる空隙部が形成され、前記回路から前記空隙部までの基板厚さ方向の距離ｔが０．５ｍｍ≦ｔ≦５ｍｍの条件を満たし、該距離ｔと前記空隙部の幅ＹとがＹ≦２０ｔの関係にある構造の流路部材が提案されている。
特開２００２−３２９９３８号公報
半導体素子を冷却可能な流路を有していることにより、流路を有していないものよりも放熱特性に優れたものとなるものの、今般において、流路部材には、さらなる放熱特性の向上が求められている。
本発明は、上記要求を満たすべく案出されたものであり、放熱特性に優れた流路部材および半導体モジュールを提供するものである。
本発明の流路部材は、壁に囲まれた空間が流体の流れる流路であり、前記壁がセラミックスからなる流路部材であって、前記壁のうち、熱交換が行なわれる壁部の内面における粒界相の面積占有率が、外面における粒界相の面積占有率よりも小さいことを特徴とするものである。
また、本発明の半導体モジュールは、上記構成の本発明の流路部材の前記壁に設けられた金属層上に半導体素子が搭載されてなることを特徴とするものである。
本発明の流路部材は、放熱特性に優れる。
また、本発明の半導体モジュールによれば、大電流下において高速にスイッチングする機能を高く維持することが可能となる。
本実施形態の半導体モジュールの一例を示す、（ａ）は斜視図であり、（ｂ）は断面図である。 本実施形態の流路部材を構成する蓋体部の一例を示す、（ａ）は斜視図であり、（ｂ）は（ａ）におけるＡ−Ａ線での断面図であり、（ｃ）は（ｂ）におけるＢ部の拡大図である。 紡錘形状の孔の形状例を示す概略図である。
以下、本実施形態の一例について図面を参照しながら説明する。図１は、本実施形態の半導体モジュールの一例を示す、（ａ）は斜視図であり、（ｂ）は断面図である。なお、同一の部材については、同一の番号を付するものとする。
図１（ａ）に示すように、本実施形態の半導体モジュール３０は、流路部材１に金属層１０を備え、その上に半導体素子２０が搭載されている。この半導体素子２０は、使用に伴って発熱するものであり、特にＩＧＢＴ素子やＬＥＤ素子等のパワー半導体である場合、発熱量が多いものである。
なお、図１においては、蓋体部３上に半導体素子２０が２つ設けられた例を示しているが、半導体素子２０は２つに限られるものではなく、１つでも、また３つ以上であってもよい。
そして、本実施形態の流路部材１は、図１（ｂ）に示すように、壁（蓋体部３、側壁部６、底板部７）に囲まれた空間が流体の流れる流路２であり、供給口４から供給された冷媒が、流路２を通って排出口５から排出されるものである。なお、図１においては、供給口４および排出口５を側壁部６に形成しているが、蓋体部３や底板部７に設けるなど、適宜変更しても構わない。
また、本実施形態の流路部材１において、蓋体部３、側壁部６および底板部７は、セラミックスからなる。このように、蓋体部３、側壁部６および底板部７がセラミックスからなることにより、腐食性を有する冷媒を流すことができたり、腐食性を有する環境において用いたりすることができる。
次に、本実施形態の流路部材１は、使用に伴って半導体素子２０から生じた熱と、流路２を流す冷媒が有する熱との熱交換によって、半導体素子２０が高温になり過ぎるのを抑制するものであり、図１に示す構成においては、壁のうち、蓋体部３が熱交換が行なわれる壁部に該当する。なお、流路部材１が、半導体素子２０の搭載に用いられるものであるとき、熱交換が行なわれる壁部とは、半導体素子２０が搭載される側の壁部とも言い換えることができる。また、流路部材１が、外部環境との熱交換に用いられるものであるとき、蓋体部３、側壁部６、底板部７のすべてが、熱交換が行なわれる壁部である。
本実施形態の流路部材１において蓋体部３は、内面３ａにおける粒界相の面積占有率が、外面３ｂにおける粒界相の面積占有率よりも小さい。なお、内面３ａとは、流路２の一部を構成するものである。
このように、内面３ａにおける粒界相の面積占有率が、外面３ｂにおける粒界相の面積占有率よりも小さいことにより、蓋体部３の外面３ｂから内面３ａに向かう、半導体素子２０で生じた熱の熱伝導性が向上し、流路２を流れる冷媒と効率よく熱交換することができるため、流路部材１は、放熱特性に優れたものとなる。
ここで、蓋体部３の外面３ｂから内面３ａに向かう、半導体素子２０で生じた熱の熱伝導性が向上するのは、以下の理由による。粒界相は、結晶相よりも熱伝導性の低いものであることから、対比して粒界相の面積占有率が大きい外面３ｂにおいて、半導体素子２０で生じた熱は、外面３ｂに沿う方向（図１（ｂ）における横方向）に拡散しにくく、対比して粒界相の面積占有率が小さい内面３ａ側（図１（ｂ）における縦方向）に移動しやすくなるため、半導体素子２０で生じた熱の熱伝導性が向上するのである。
なお、内面３ａの粒界相の面積占有率は０．１面積％以上４．０面積％以下であることが好ましい。内面３ａの粒界相の面積占有率が上記範囲を満たしているときには、優れた放熱特性に加えて、高い圧力の流体を流したとしても内面３ａにおける脱粒による損傷を抑制することができる。
また、外面３ｂの粒界相の面積占有率は８．０面積％以上２３．０面積％以下であることが好ましい。外面３ｂの粒界相の面積占有率が上記範囲を満たしているときには、優れた放熱特性に加えて、機械的特性に優れたものとすることができる。
ここで、蓋体部３の内面３ａおよび外面３ｂの粒界相の面積占有率の測定方法としては、例えば次に記すような方法がある。まず、蓋体部３から適当な大きさのサンプルを切り出した後、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）を用いて倍率を１０００〜６０００倍として観察し、元素マッピング（例えば、粒界相にマグネシウム（Ｍｇ）を含むならばマグネシウムを指定する）により粒界相の位置を確認した後、反射電子像を撮影する。次に、得られた写真に対し画像解析ソフト「Ａ像くん」（登録商標、旭化成エンジニアリング（株）製、なお、以降に画像解析ソフト「Ａ像くん」と記した場合、旭化成エンジニアリング（株）製の画像解析ソフトを示すものとする。）を用いて、粒界相と結晶相とのコントラストが明確になるように閾値を設定し、画像解析を行ない、この作業を任意の５箇所で測定した平均値を、粒界相の面積占有率とする。
また、元素マッピングには、電子線マイクロアナライザー（ＥＰＭＡ）を用いることもできる。なお、粒界相の面積占有率の測定にあたって、研磨を行なう場合には、蓋体部３の厚みに対し、それぞれの研磨量は５０μｍ程度までの範囲において、内面３ａおよび外面３ｂの研磨量を同じとする。
また、熱交換が行なわれる壁部である蓋体部３は、内面３ａにおける平均結晶粒径が、外面３ｂにおける平均結晶粒径よりも大きいことが好ましい。
このような構成を満たしているときには、外面３ｂにおいて結晶相間の熱伝導を妨げる界面が多いため、外面３ｂを沿う方向に熱が拡散しにくく、内面３ａ側に熱が移動しやすくなり、半導体素子２０で発生した熱と流路２を流れる流体である冷媒とが、効率よく熱交換することができ、放熱特性が向上する。
なお、内面３ａの平均結晶粒径は、例えば、１．３μｍ以上４μｍ以下であり、外面３ｂの平均結晶粒径は０．５μｍ以上１μｍ以下である。
ここで、蓋体部３の内面３ａおよび外面３ｂの平均結晶粒径の測定方法としては、例えば、蓋体部３から内面３ａおよび外面３ｂを含む適当な大きさのサンプルを切り出した後、蓋体部３の厚みに対し、５０μｍ程度までの範囲において、同じ研磨量で内面３ａおよび外面３ｂを鏡面研磨する。次に、それぞれの研磨面をＳＥＭを用いて１０００〜６０００倍で観察し撮影した後に、画像解析ソフト「Ａ像くん」を用いて画像解析することにより、平均結晶粒径を求めることができる。なお、画像解析ソフト「Ａ像くん」を用いた画像解析は、ＪＩＳ Ｒ １６７０−２００６に準拠したものである。
また、他には、コード法を用いて平均結晶粒径を求めることもできる。具体的には、撮影した写真に対し一定長さの直線上にある結晶相の個数から粒径を測定し、これを複数カ所で行ない平均値を求めればよい。
また、本実施形態の流路部材１において蓋体部３は、内面３ａの算術平均粗さＲａが０．２μｍ以上であることが好ましい。
このような構成を満たしているときには、流路２内を流れる流体が内面３ａにおいて乱流が生じやすくなり、熱交換効率が向上することととなり、流路部材１の放熱特性が向上する。なお、流路２に高圧の流体を流した際に、蓋体部３の損傷を抑制するには、蓋体部３の内面３ａの算術平均粗さＲａは１μｍ以下にすることが好ましい。
ここで、蓋体部３の内面３ａの算術平均粗さＲａの確認方法としては、例えば、蓋体部３から内面３ａを含むように、適当な大きさのサンプルを切り出した後、接触型もしくは非接触型粗さ測定器を用いて、ＪＩＳ Ｂ ０６０１−２００１に基づいて測定し、この作業を任意の５箇所で行い平均値を求めればよい。
次に、図２は、本実施形態の流路部材を構成する蓋体部３の一例を示す、（ａ）は斜視図であり、（ｂ）は（ａ）におけるＡ−Ａ線での断面図であり、（ｃ）は（ｂ）におけるＢ部の拡大図である。また、図３は、紡錘形状の孔の形状例を示す概略図である。
図２（ｂ）に示すような断面において、蓋体部３が、外面３ｂに沿った方向が長径８ａである紡錘形状の孔８（以下、単に孔ともいう。）を有していることが好適である。なお、外面３ｂに沿った方向とは、図２（ｃ）における横方向のことである。
また、紡錘形状とは、図３（ａ）、図３（ｂ）に示すような形状であり、中央側が太く、端部側に向かって細くなっている形状のことである。具体的な紡錘形状の孔８の大きさは、対象とする孔８の最も長い方向の長さである長径８ａが１０μｍ〜２００μｍであり、長径８ａの中点８ｃ部分における長径８ａに垂直な部分の長さを短径８ｂとしたとき、長径８ａ／短径８ｂで求められる比が２以上となるものである。
そして、蓋体部３が、外面３ｂに沿った方向が長径８ａである紡錘形状の孔８を有しているときには、繰り返される熱の移動によって結晶相の界面等に微小な亀裂が生じたときの亀裂の進展を抑制することができる。また、蓋体部３の厚み方向（図２（ｃ）における縦方向）に沿った方向が長径の孔を有しているときよりも、優れた機械的特性を有するものであることから、長期間にわたる使用が可能である。
また、外面３ｂに沿った方向が長径８ａである紡錘形状の孔８を厚み方向に複数有しており、それぞれにおける長径８ａの中点の鉛直線（図２（ｃ）に示す矢印）が、蓋体部３の厚み内において重ならないことが好ましい。このような構成を満たしているときには、蓋体部３の厚み内において重なっているときよりも優れた機械的特性を有しつつ、微小亀裂の進展を抑制することができる。また、外面３ｂから伝わった熱の局部集中によって微小亀裂が生じるおそれを少なくすることができる。
なお、外面３ｂに沿った方向が長軸８ａである紡錘形状の孔８の確認方法としては、蓋体部３から外面３ｂに垂直な断面（図２（ａ）のＡ−Ａ線のような断面）を切り出し、公知の顕微鏡（金属顕微鏡やＳＥＭなどを用いて、１０００倍以上２０００倍以下の倍率で観察することにより確認することができる。また、紡錘形状の孔８を厚み方向に複数有しているか否かについては、厚み方向において、異なる領域を観察し、複数の領域で紡錘形状の孔８が観察されるか否かで判断すればよい。さらに、それぞれの紡錘形状の孔８における長径８ａの中点の鉛直線が、蓋体部３の厚み内において重なっているか否かについては、確認された紡錘形状の孔８から鉛直方向に、外面３ｂ側および内面３ａ側まで観察領域を移動させて観察すればよい。
次に、流路部材１を構成するセラミックスとしては、アルミナ、ジルコニア、ムライト、炭化硅素、炭化硼素、コージェライト、窒化珪素、窒化アルミニウムやこれらの複合材料からなる焼結体が挙げられる。このように、流路部材１を構成する壁がセラミックスからなることにより、図１に示すように、配線導体などの金属層１０を流路部材１に直接形成することができるため、この金属層１０上に半導体素子２０などの電子部品を搭載できる。それにより、部品点数の削減ができるとともに、部品の接合部が少なくできる分、接合部における熱抵抗を低減でき熱交換効率を向上することができる。
特に、図１に示す蓋体部３は、窒化珪素質焼結体からなることが好ましい。ここで、窒化珪素質焼結体とは、焼結体を構成する全成分１００質量％のうち、窒化珪素の含有量が７０質量％以上の焼結体のことである。蓋体部３が、窒化珪素質焼結体からなるときには、窒化珪素質焼結体は耐電圧性および耐熱衝撃性が高いことから、大電流下での使用にも耐えることができ、また電子部品の発熱量が大きい場合であっても、亀裂などの損傷を生じにくくすることができる。
なお、蓋体部３を構成する成分は、蓋体部３から所定の大きさの試料を切り出し、Ｘ線回折装置（ＸＲＤ）によって確認することができる。また、含有量については、ＳＥＭによるエネルギー分散型Ｘ線（ＥＤＳ）分析を行なうことによって確認することができる。また、ＩＣＰ発光分光分析装置または蛍光Ｘ線分析装置を用いても含有量を確認することもできる。
また、蓋体部３が窒化珪素質焼結体からなるものであるとき、内面３ａにおいて、鉄および珪素を含む化合物が点在し、円相当径が０．０５μｍ以上５μｍ以下の化合物の個数が、１ｍｍ２当たり２．０×１０４個以上２．０×１０５個以下であることが好ましい。
このような構成を満たしているときには、流路２に高圧の流体を流した際に、蓋体部３の内面３ａに圧力が掛かることによって亀裂が発生したとしても、鉄および珪素を含む化合物が点在することによって、蓋体部３の内部側への亀裂の進展を抑制することができる。なお、鉄および珪素を含む化合物は、蓋体部３の粒界相に存在することが好ましい。
ここで、鉄および珪素を含む化合物が点在しているか否かについては、ＥＰＭＡを用いた元素マッピングの確認により、Ｆｅの存在位置とＳｉの存在位置とが重なっている箇所が複数存在するか否かで確認することができる。なお、化合物の同定は、ＸＲＤで測定して同定すればよい。
また、円相当径が０．０５μｍ以上５μｍ以下の鉄および珪素を含む化合物の１ｍｍ２当たりの個数は、ＳＥＭを用いて倍率を１０００倍として、例えば、面積が１０．８×１０４μｍ２（横方向の長さが１２７μｍ、縦方向の長さが８５．３μｍ）となるように範囲を設定し、ＣＣＤカメラでこの範囲の反射電子像を取り込み、画像解析ソフト「Ａ像くん」を用いて、粒子解析という手法で解析すればよい。
ここで、この手法の設定条件としては、明度を明、２値化の方法を手動、反射電子像の明暗を示す指標である閾値を、反射電子像内の各点（各ピクセル）が有する明るさを示すヒストグラムのピーク値の例えば、１．５倍〜１．８倍に設定すればよい。なお、ＳＥＭの代わりに光学顕微鏡を用いても構わない。この作業を任意の５箇所で行ない平均値を求めればよい。
また、本実施形態の流路部材１は、蓋体部３が窒化珪素質焼結体からなる場合において、蓋体部３の内面３ａに凹部を有し、凹部の内部に互いに交錯した柱状結晶が存在することが好ましい。
このような構成を満たしているときには、柱状結晶の交錯している凹部に流路２を流れる流体が入り込んだ際に、流体の流れが撹拌されて熱交換効率が向上することとなり、流路部材１の放熱特性が向上する。
ここで、凹部の大きさは、開口部の最大幅が２０μｍ以上１００μｍ以下であることが好ましく、その確認方法としては、ＳＥＭを用いて、倍率を２００〜５００倍として確認することができる。
なお、凹部の内部において、柱状結晶が互いに交錯している状態とは、ＳＥＭを用いて、倍率を１０００〜３０００倍に拡大することにより確認することができる。また、交錯している状態とは、それぞれの柱状結晶の軸が任意の角度をなして交差している状態のことをいう。
そして、本実施形態の半導体モジュール３０は、流路部材１の蓋体部３に設けられた金属層１０上に半導体素子２０を搭載してなるものである。
例えば、図１に示すように、流路部材１の蓋体部３上に複数の半導体素子２０を搭載した場合、蓋体部３は、外面３ｂを沿う方向に熱が拡散しにくいものであることから、それぞれの半導体素子２０から生じた互いの熱に、それぞれの半導体素子２０が干渉されることを抑制できる。さらに、半導体素子２０で生じた熱が、蓋体部３の内面３ａ側移動しやすいことから、半導体素子２０の放熱を効率よく行なうことができ、大電流下においても高速にスイッチングすることが可能となる。
ここで、金属層１０は、銅、銀、アルミニウムなどを主成分とすることが好ましい。これらを主成分とする金属層１０は電気抵抗率が低いことから、許容電流が大きい場合にも対応することができる。また、熱伝導率が高いことから、金属層１０を放熱部材として使用することも可能である。
また、上述の説明において、熱源が半導体素子２０である例について説明したが、熱源は半導体素子２０に限らず、昇華型サーマルプリンターヘッド素子やサーマルインクジェットプリンターヘッド素子等でも構わない。
なお、図示していないが、金属層１０や半導体素子２０は、ボンディングワイヤなどを用いて他の回路基板や外部電源と接続される。
また、本実施形態の流路部材１は、内部に流体の流れる方向を変更したり分岐させたりするための隔壁部を備えても構わない。このような隔壁部を備えることによって、半導体素子２０などを効率よく冷却することができる。
次に、本実施形態の流路部材の作製方法の一例として、流路部材が窒化珪素質焼結体からなる例を説明する。
なお、以下の説明においては、本実施形態の流路部材１の蓋体部３の作製方法として、セラミックグリーンシートによる積層法で作製する例について説明する。
まず、β化率が20％以下である窒化珪素の粉末と、焼結助剤としてマグネシウム（Ｍｇ）、カルシウム（Ｃａ）、アルミニウム（Ａｌ）、モリブデン（Ｍｏ）、クロム（Ｃｒ）、ニッケル（Ｎｉ）、マンガン（Ｍｎ）およびタングステン（Ｗ）の酸化物の粉末の少なくともいずれかならびに希土類元素の酸化物（例えば、Ｓｃ２Ｏ３、Ｙ２Ｏ３、Ｌａ２Ｏ３、Ｃｅ２Ｏ３、Ｐｒ６Ｏ１１、Ｎｄ２Ｏ３、Ｐｍ２Ｏ３、Ｓｍ２Ｏ３、Ｅｕ２Ｏ３、Ｇｄ２Ｏ３、Ｔｂ２Ｏ３、Ｄｙ２Ｏ３、Ｈｏ２Ｏ３、Ｅｒ２Ｏ３、Ｔｍ２Ｏ３、Ｙｂ２Ｏ３およびＬｕ２Ｏ３の少なくともいずれか）の粉末を所望量秤量する。そして、セラミックスからなるボールの入った回転ミルに入れて混合・粉砕を行なった後、パラフィンワックス、ポリビニルアルコール（ＰＶＡ）、ポリエチレングリコール（ＰＥＧ）等の有機バインダを入れて混合することによりスラリーを作製する。
上述の焼結助剤は、窒化珪素の粉末とこれら焼結助剤の粉末の合計との総和を１００質量％とした場合に、マグネシウム（Ｍｇ）、カルシウム（Ｃａ）、アルミニウム（Ａｌ）、モリブデン（Ｍｏ）、クロム（Ｃｒ）、ニッケル（Ｎｉ）、マンガン（Ｍｎ）およびタングステン（Ｗ）の酸化物の粉末の少なくともいずれかを２〜７質量％、希土類元素の酸化物の粉末を７〜１６質量％となるようにすればよい。
ここで、本実施形態の流路部材の作製方法においては、蓋体部３の内面３ａ側となるセラミックグリーンシートの出発原料Ａと、蓋体部３の外面３ｂ側となるセラミックグリーンシートの出発原料Ｂとの調合組成を異ならせて作製する。具体的には、出発原料Ｂよりも出発原料Ａにおける焼結助剤の粉末の含有量を少なくすることにより、蓋体部３の内面３ａにおける粒界相の面積占有率を、外面３ｂにおける粒界相の面積占有率よりも小さくすることができる。
なお、蓋体部３の厚みを厚いものとする場合には、焼結助剤の粉末の含有量が、出発原料Ａよりも多く、出発原料Ｂよりも少ない出発原料Ｃを用意し、出発原料Ａからなるセラミックグリーンシートと、出発原料Ｂからなるセラミックグリーンシート間に挟む構成とすればよい。
また、出発原料Ａ100質量部に対して、比表面積が０．５ｍ２／ｇ以上５０ｍ２／ｇ以下である酸化鉄の粉末を１質量部以上１．７質量部以下添加してもよい。酸化鉄は、焼成時に珪素と反応して酸素を離脱することで、熱力学的に安定した鉄および硅素からなる化合物である珪化物が生成する。そして、上述した比表面積および含有量の酸化鉄の粉末を含むことによって、蓋体部３の内面３ａにおいて、鉄および珪素を含む化合物が点在し、円相当径が０．０５μｍ以上５μｍ以下の前記化合物の個数が、１ｍｍ２当たり２．０×１０４個以上２．０×１０５個以下とすることができる。
なお、窒化珪素および焼結助剤の粉末の混合・粉砕で用いるセラミックスからなるボールは、窒化珪素質焼結体の作製にあたっては、窒化珪素質焼結体からなるボールを用いることが好ましい。また、窒化珪素および焼結助剤の粉末の混合・粉砕は、粒度分布曲線の累積体積の総和を１００％とした場合の累積体積が９０％となる粒径（Ｄ９０）が３μｍ以下となるまで混合・粉砕することが、焼結性の向上および結晶組織の柱状化または針状化の点から好ましい。
ここで、混合・粉砕を短時間で行なうには、予め累積体積50％となる粒径（Ｄ５０）が１μｍ以下の粉末を用いることが好ましい。また、粉砕粒径の調整は、ボールの外径、ボールの量、スラリーの粘度、粉砕時間等で調整することができる。スラリーの粘度を下げるには分散剤を添加すればよい。このような調整によって、粉砕粒径を調整することができ、引いては、内面３ａおよび外面３ｂにおける平均結晶粒径を調整することができる。
次に、得られたそれぞれのスラリーを用いてドクターブレード法によりシートを作製する。そして、得られたシートを金型で打ち抜く若しくはレーザー加工により、所定形状の蓋体部３の内面３ａ側および外面３ｂ側となるセラミックグリーンシートを得る。
また、他の成形体の作製方法としては、得られたそれぞれのスラリーを噴霧乾燥することによって造粒した顆粒を用いて、冷間静水圧加圧成形（ＣＩＰ）法、押出成形法、加圧プレス法などで成形した後、所定形状に切削加工したりしてもよい。さらに、顆粒を圧延するロールコンパクション法で作製したシートを金型で打ち抜く若しくはレーザー加工により所定形状の蓋体部３の内面３ａ側および外面３ｂ側となるセラミックグリーンシートを得てもよい。
そして、得られた蓋体部３の内面３ａ側となるセラミックグリーンシートと、外面３ｂとなるセラミックグリーンシートとの接合面となる少なくとも一方の面にスラリーを塗布した後に積層して加圧することにより、蓋体部３となる積層体である成形体を得ることができる。なお、上述したように、蓋体部３の厚みを厚いものとする場合には、内面３ａとなるセラミックグリーンシートと、外面３ｂとなるセラミックグリーンシートとの間に、出発原料Ｃからなるセラミックグリーンシートを介在させて積層すればよい。
そして、蓋体部３の内面３ａにあたる成形体の表面にブラスト処理を施すことによって、焼成後の算術平均粗さＲａを調整することができる。
さらに、蓋体部３に、外面３ａに沿った方向が長径８ａである紡錘形状の孔８を形成するには、接合面にスラリーを塗布する際に、スラリーを塗布しない円形状の領域を設ければよく、紡錘形状の孔８を複数有しており、それぞれの紡錘形状の孔８における長径８ａの中点８ｃの鉛直線が、蓋体部３の厚み内において重ならないものとするには、積層数が３層以上であるときには、スラリーを塗布しない円形状の領域の配置が、各接合面で重ならないものとなるようにすればよい。
また、流路部材１を構成する蓋体部３以外の側壁部６および底板部７の成形体を作製方法としては、顆粒を用いてＣＩＰ法、押出成形法などでブロック状の成形体を得た後に、流路２の形状になるように削りだすことによって作製してもよいが、蓋体部３を積層法で作製するのであれば、側壁部６および底板部７についても積層法で作製することが好ましい。積層法ならば、積層するセラミックグリーンシートの枚数を変更することによって、容易に厚みを変更することができる。また、金型で打ち抜く若しくはレーザー加工により所望形状としたセラミックグリーンシートを積層することにより、隔壁部を備えるような複雑な流路２を備えた流路部材１を作製することができる。
そして、側壁部６および底板部７を積層法によって作製するにあたっては、上述した蓋体部３となる成形体を作製したときと同様の方法により作製することができ、側壁部６および底板部７となる成形体をそれぞれ積層して得てもよく、積層および加圧を同時に行ない、蓋体部３、側壁部６および底板部７を備える成形体を得てもよい。
なお、供給口４および排出口５については、図１に示すように、側壁部６に設けるものであるとき、蓋体部３、側壁部６および底板部７を備える成形体に孔加工を行なってもよいが、加工クズが内部に残るものとなるため、セラミックグリーンシートの段階で孔となる加工を行なっておくことが好ましい。
次に、得られた成形体を窒化珪素質焼結体からなるこう鉢の内部に入れる。なお、このとき、窒化珪素質成形体の含有成分の揮発を抑制するために、窒化珪素質成形体の周囲に酸化マグネシウムおよび希土類元素の酸化物等の成分を含んだ共材を配置して、黒鉛抵抗発熱体が設置された焼成炉内に入れて焼成する。この共材は窒化珪素質成形体の各質量の合計に対して、２質量％以上10質量％未満の量が好ましい。
また、焼成条件については、室温から３００〜１０００℃までは真空雰囲気中にて昇温し、その後、窒素ガスを導入して、窒素分圧を１５〜９００ｋＰａに維持する。そして、さらに昇温を進めて、１５６０℃以上１６４０℃以下で４時間を超えて６時間以下の範囲で保持した後、さらに温度を上げて１７４０℃以上１８００℃未満で４時間以上１０時間以下保持する。その後、５００℃／時間以上の降温速度で冷却することにより、本実施形態の流路部材１を得ることができる。なお、用途に応じて流路部材１は研磨加工を施しても構わない。
ここまで、蓋体部３を複数のセラミックグリーンシートを積層し作製する作製方法を記載したが、蓋体部３の内面３ａと外面３ｂの粒界相の面積占有率を制御するその他の製造方法としては、以下の方法がある。
まず、出発原料Ａからなるセラミックグリーンシートを用いて所望形状となるように金型で打ち抜く若しくはレーザー加工を行ない、接合面にスラリーを塗布して、積層し加圧することにより、蓋体部３、側壁部６および底板部７を備える成形体を得る。
次に、上述した共材の粉末を敷いた上に、蓋体部３の外面３ｂが位置するように成形体を載置する。そして、上述した条件により焼成する。このような方法で焼成するいことにより、蓋体部３の外面３ｂにおいては、粒界相を構成する成分が蒸発しにくく、内面３ａにおいては、粒界相の蒸発が外面３ｂより抑制されていないため、内面３ａと外面３ｂとを対比して、内面３ａにおける粒界相の面積占有率は小さくなり、外面３ｂにおける粒界相の面積占有率は大きくなる。また、粒界相の蒸発量の違いにより、結晶相の粒成長抑制効果が異なるものとなることから、内面３ａと外面３ｂとを対比して、内面３ａにおける平均結晶粒径は大きくなり、外面３ｂにおける平均結晶粒径は小さくなる。
次に、本実施形態の半導体モジュール３０については、流路部材１の蓋体部３に金属層１０を設け、金属層１０の上に半導体素子２０を搭載することにより作製することができる。
なお、蓋体部３上に設ける金属層１０については、例えば、銀、銅またはアルミニウムなどの導電性粉末と、ガラス粉末と、有機ビヒクルとを用いてペーストを作製し、公知のスクリーン印刷法により、蓋体部３の外面３ｂに得られたペーストを印刷し、乾燥の後、導電性粉末に合わせた雰囲気で焼成すればよい。また、他の作製方法として、電解めっき法、無電解めっき法、または、銅板やアルミニウム板を用いた直接接合法や活性金属法により金属層１０を作製してもよい。
以上、本発明について詳細に説明したが、本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々の変更、改良等が可能であり、側壁部や底板部が、蓋体部と異なる構成である必要は無く、同じ構成あってもよい。
また、例えば、本発明の流路部材は、半導体素子等の電子部品の搭載に用いるのみならず、流路部材の外部を流れる高温流体と、流路部材の内部を流れる冷媒とで熱交換する熱交換器用部材としても使用することができる。
１：流路部材
２：流路
３：蓋体部
３ａ：内面
３ｂ：外面
４：供給口
５：排出口
６：側壁部
７：底板部
８：紡錘形状の孔（孔）
１０：金属層
２０：半導体素子
３０：半導体モジュール

Claims (8)

  1. 壁に囲まれた空間が流体の流れる流路であり、前記壁がセラミックスからなる流路部材であって、
    前記壁のうち、熱交換が行なわれる壁部の内面における粒界相の面積占有率が、外面における粒界相の面積占有率よりも小さいことを特徴とする流路部材。
  2. 前記内面における平均結晶粒径が、前記外面における平均結晶粒径よりも大きいことを特徴とする請求項１に記載の流路部材。
  3. 前記内面における算術平均粗さＲａが０．２μｍ以上であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の流路部材。
  4. 前記壁部の前記外面に垂直な断面において、前記外面に沿った方向が長径である紡錘形状の孔を有していることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の流路部材。
  5. 前記孔を複数有しており、それぞれにおける長径の中点の鉛直線が、前記壁部の厚み内において重ならないことを特徴とする請求項４に記載の流路部材。
  6. 前記壁部が、窒化珪素質焼結体からなることを特徴とする請求項１乃至請求項５のうちいずれかに記載の流路部材。
  7. 前記壁部が、鉄および珪素を含む化合物が点在し、円相当径が０．０５μｍ以上５μｍ以下の前記化合物の個数が、１ｍｍ２当たり２．０×１０４個以上２．０×１０５個以下であることを特徴とする請求項６に記載の流路部材。
  8. 請求項１乃至請求項７のうちいずれかに記載の流路部材の前記壁部に設けられた金属層上に半導体素子を搭載してなることを特徴とする半導体モジュール。
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