JPWO2015115649A1 - 炭化珪素質複合体及びその製造方法並びにそれを用いた放熱部品 - Google Patents
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Abstract
【課題】熱伝導性を有すると共に、比重が小さく、且つ熱膨張係数がセラミックス基板に近く、しかも、反りを有していて放熱部品等に密着性良く接合できる放熱部品を安価に提供する。【解決手段】多孔質炭化珪素成形体にアルミニウムを主成分とする金属を含浸してなる板状複合体であって、複合体の主面の長さ１０ｃｍに対しての反り量が２５０μｍ以下の反りを有し、上記板状複合体を使用したパワーモジュールの反り量が２５０μｍ以下の反りを有する炭化珪素複合体と、それを用いてなる放熱部品。【選択図】なし
Description
本発明は、熱伝導特性に優れ、かつ軽量であり、セラミックス基板やＩＣパッケージなどの半導体部品のヒートシンクなどの放熱部材として好適な高熱伝導性の炭化珪素質複合材料とその製造方法及びそれを用いた放熱部品に関する。
近年、半導体分野での半導体素子の大容量化、半導体素子の高集積化が進むに従い、半導体素子から発生した熱エネルギーをいかに効率よく外部に放散させるかが重要な課題となっている。半導体素子は、通常、セラミックス基板等の絶縁性基板に搭載されて用いられる。この場合、半導体素子からの発熱は基板裏面等に設けられるヒートシンクと呼ばれる放熱部品を介して外部に発散させ、半導体素子の動作特性を確保している。
従来、このヒートシンク材料としては、主に銅（Ｃｕ）が用いられた。銅は、室温付近の熱伝導率が３９０Ｗ／ｍＫと高いが、熱膨張係数が１７×１０−６／Ｋと大きく、セラミックス基板（熱膨張係数：７〜８×１０−６／Ｋ）とヒートシンクの熱膨張差に起因して、加熱接合時や熱サイクルの負荷等によりセラミックス基板にクラックや割れ等が生じることがある。従来、セラミックス基板を信頼性が要求される分野に放熱部品として用いる場合には、セラミックス基板と熱膨張係数の差の小さいＭｏ又はＷ等をヒートシンクとして用いていた。
上述したようなＭｏ又はＷ製ヒートシンクは、信頼性に優れる反面、熱伝導率が１５０Ｗ／ｍＫと低く、放熱特性の面で問題があり、更に、このようなヒートシンクは高価である。このような事情から、近年、銅やアルミニウム合金を無機質繊維または粒子で強化したＭＭＣ（Ｍｅｔａｌ Ｍａｔｒｉｘ Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ）と略称される金属ーセラミックス複合体が注目されている。このような複合体は、一般には、強化材である無機質繊維あるいは粒子を、あらかじめ成形することでプリフォームを形成し、そのプリフォームの繊維間あるいは粒子間に基材である金属を溶浸させた複合体である。強化材としては、アルミナ、炭化珪素、窒化アルミニウム、窒化珪素、シリカ、炭素等のセラミックスが用いられている。しかし、強化材であるセラミックスと基材である合金の濡れ性や界面の反応層等も熱伝導率に大きく寄与する。
上記の複合体において、熱伝導率を上げようとする場合、強化材及び合金として熱伝導率の高い物質を選択する必要があり、熱膨張係数を下げるためには、熱膨張率の低い強化材を選択する必要がある。このため、炭化珪素−アルミニウム合金の複合体が主に研究されている。
しかしながら、上述したように従来のセラミックス基板とヒートシンクとの接合構造を有する放熱部品において、Ｍｏ又はＷ等の重金属材料をヒートシンクに用いた場合、放熱部品の重量が重くなると共に、放熱性に関しても必ずしも十分でないという問題がある。一方、比較的軽量で放熱性に優れるＣｕやＡｌ等をヒートシンクとして用いる場合、セラミックス基板との熱膨張差が大きく、信頼性の高い構造を得るためには、接合構造自体が非常に複雑になってしまい、製造コストの増加や放熱部品としての熱抵抗の増加等を招くといった問題があった。この様なことから、従来のセラミックス基板とヒートシンクの接合構造を有する放熱部品においては、接合構造の簡略化を図り、且つ信頼性や放熱性の向上を図ることが求められている。
一方、上記の課題を解決するため、金属−セラミックス複合体が検討されているが、セラミックス基板に近い熱膨張率を得ようとすると、熱膨張率の低い強化材であるセラミックスの比率を上げる必要がある。セラミックス成分の比率を上げるには、高い成形圧でプリフォームを成形する必要があり、コストアップに繋がると共に、その後の合金の十分な含浸が難しくなるという問題がある。このため、熱膨張率がセラミックス基板に近く、高い熱伝導率を有する金属−セラミックス複合体を安価に提供できる技術の開発が求められている。
更に、この様な複合体は、放熱部品として用いる場合、回路基板と半田付けして用いられるため、複合体の反り量が大きすぎると半田付けが難しくなる。このため、この様な複合体を放熱部品として用いる場合、所定量以下の反り量に制御する必要がある。一方、この様な放熱部品を組み込んだパワーモジュール等の部品は、一般に放熱フィン等にネジ止めされて用いられる。その場合、パワーモジュール等の部品と放熱フィンの接合面に応力が働くべく、接合面が凸型になっていることが、ネジ止め後の締め付け力が大きく放熱の面より好ましい。しかし、従来の金属−セラミックス複合体では、この様に、任意に反り等の形状を付加しようとする場合、後加工により調整するしか方法がなかった。この場合、金属−セラミックス複合体は、非常に硬く、加工費用が高く、部品自体が非常に高価になってしまうという課題があった。
本発明は、上記の事情に鑑みなされたものであって、高熱伝導性を有すると共に、比重が小さく、且つ熱膨張係数がセラミックス基板に近い、反りを有していて放熱部品等に密着性良く接合される複合体及びこれを用いた放熱部品を安価に提供することを目的とするものである。
本発明者らは、上記目的を達成するため鋭意研究した結果、複合体の組成及びその構造を調整することにより、熱膨張係数等の特性及び複合体の形状を制御できることを見出し、本発明を完成するに至ったのである。
すなわち、本発明は、多孔質炭化珪素成形体にアルミニウムを含有する金属を加圧含浸してなる板状複合体であって、板厚ｔが２ｍｍ〜６ｍｍであり、面内の厚みバラツキがｔ±０．３ｍｍに入ることを特徴とする炭化珪素質複合体である。
また、本発明は、板状複合体の面内に他の放熱部品に当該板状複合体の凸面を向けてネジ止めするための４個以上の穴部を有し、穴間方向（Ｘ方向）の長さ１０ｃｍに対する反り量（Ｃx；μm）と、それに垂直な方向（Ｙ方向）の長さ１０ｃｍに対する反り量（Ｃy；μm）の関係が、５０≦Ｃx≦２５０、且つ０≦Ｃy≦２００であり、上記板状複合体を使用したパワーモジュールでの反り量が５０≦Ｃx≦２５０、且つ０≦Ｃy≦２００であることを特徴とする炭化珪素複合体である。
更に、本発明は、板状複合体の表裏両面が平均厚さ１０〜１１０μｍのアルミニウムを主成分とする金属層で覆われており、しかも表裏の金属層の平均厚みの差が１００μｍ以下であることを特徴とする炭化珪素質複合体である。
また、本発明は、板状複合体が複合体部分（Ａ）と複合体の少なくとも片面に設けられたアルミニウムを主成分とする金属層（Ｂ）とからなり、複合体部分（Ａ）の厚さの平均値（ＴＡ；μｍ）と金属層（Ｂ）の両面の厚さの平均値との合計（ＴＢ；μｍ）の比（ＴＡ／ＴＢ）が１０〜３０であることを特徴とする炭化珪素質複合体である。
更に、複合体の主面の長さ１０ｃｍに対しての反り量が５０〜２５０μｍであり、しかも前記金属層（Ｂ）の表面側の厚さの平均値（ＴＢ１；μｍ）と裏面側の厚さの平均値（ＴＢ２；μｍ）との差の絶対値（｜ＴＢ１−ＴＢ２｜）と、複合体の最大長（Ｌ；ｃｍ）との積が５００以上２０００以下であることを特徴とする炭化珪素質複合体である。
また、本発明は、炭化珪素質複合体を温度３５０℃以上で応力を加えて塑性変形させることにより、反り付けを行うことを特徴とする炭化珪素質複合体の製造方法である。
更に、本発明は、室温（２５℃）から１５０℃に加熱した際の平均熱膨張係数が９×１０-6／Ｋ以下であり、室温（２５℃）の熱伝導率が１５０Ｗ／ｍＫ以上であることを特徴とする炭化珪素質複合体である。
更にまた、本発明は、板状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ことを特徴とする放熱部品である。
加えて、本発明は、セラミックス基板が窒化アルミニウム及び／又は窒化珪素であることを特徴とする放熱部品である。
更に、本発明は、セラミックス基板を接合していない面を、放熱グリースを介して、平面板装着する際に、締め付けトルクが２Ｎ以上の条件において、前記面の９０％以上が密着することを特徴とする前記の放熱部品である。
本発明の複合体は、炭化珪素質多孔体にアルミニウムを含有する金属を含浸してなることから、複合体の加工コストが低減でき、熱伝導率が高く、平均熱膨張係数がセラミックス基板に近くかつ軽量であるという特徴を有し、半導体搭載用セラミックス基板と接合して用いる放熱部品として、信頼性に優れかつ電機自動車等の移動機器等に好適な放熱部品を安価に提供することができる。加えて、本発明の複合体は、特定量の反りを有していて、例えば、放熱板として用いた場合に、セラミックス基板を放熱フィン等の放熱部品に密着性良くネジ止め固定することができ、放熱性が安定した。従って高信頼性のモジュールを形成することができるという効果があり、産業上極めて有用である。
金属−セラミックス複合体の熱膨張率は、通常、強化材であるセラミックスと基材である金属の熱膨張率とその配合比で決まる。セラミックスの熱膨張率は金属の熱膨張率に比べかなり小さく、複合体の熱膨張率を下げるには、セラミックスの比率を増やすことが効果がある。一方、金属−セラミックス複合体の熱伝導率も、基本的には、強化材であるセラミックスと基材である金属の熱伝導率とその配合比で決まるが、熱伝導率の場合、強化材と基材との界面の結合状態が大きく寄与する。セラミックスと金属では、一般に金属の方が熱伝導率が高いが、炭化珪素（ＳｉＣ）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、窒化硼素（ＢＮ）等は、金属と同等以上（３００Ｗ／ｍＫ以上）の理論熱伝導率を有し、熱伝導率向上の点からは、強化材として非常に有望である。しかし、実際に複合体を製造する場合、ＡｌＮやＢＮは高価であり、得られる複合体も高価になってしまう。また、ＡｌＮやＢＮは、大気雰囲気中で酸化され易く、複合体とした場合、強化材であるセラミックスと基材である金属との間に熱伝導率が極めて低いガラス相を形成し易く、その結果、得られる複合体の熱伝導率が低下してしまう。
本発明者らは、強化材について種々検討した結果、炭化珪素を主成分とするセラミックスが、高熱伝導率と低熱膨張率を兼ね備えた金属−セラミックス複合体を製造するのに適していることを見いだした。
一方、このような複合体を製造する場合、強化材と金属との濡れ性が、緻密な複合体を得るためには重要である。含浸する金属の融点が高いと、含浸時の温度が高くなり、セラミックスが酸化されたり、セラミックスと金属が反応して特性的に好ましくない化合物を形成したりすることがある。更に、基材である金属の融点が高いと、含浸温度が高くなることにより、型材等の材質が限定されてしまうと共に、鋳造コスト自体も増加し、得られる複合体が高価になってしまう。
本発明者らは、基材である金属について種々検討した結果、アルミニウムを主成分とする合金を用いることにより、良好な複合体を製造できることを見いだした。すなわち、本発明の複合体は、炭化珪素粉末又は炭化珪素質多孔体にアルミニウムを主成分とする金属を含浸してなるものである。
金属−セラミックス複合体の熱膨張率、熱伝導率等の特性は、強化材であるセラミックスと基材である金属の特性とその配合比で決まる。本発明の複合体中の炭化珪素の含有量は、５０〜８０体積％であることが好ましく、更に好ましくは６０〜７０体積％である。炭化珪素の含有量が５０体積％未満では、複合体の熱膨張率が高くなり、本発明が目的とする信頼性の高い放熱部品が得られなくなる。また、炭化珪素の含有量を高くすることは、複合体の高熱伝導率、低熱膨張率といった点では有効であるが、８０体積％を越えて充填する場合、非常に高い成形圧力を必要とする等の問題があり、得られる金属ーセラミックス複合体のコストが極端に高くなってしまう。
一方、本発明の炭化珪素質複合体中の金属は、アルミニウムを主成分とする合金であり、好ましくはシリコンを２０質量％以下、マグネシウムを５質量％以下含有する。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、極端に合金の特性が変化しない範囲であれば銅等も含有することができる。合金中のアルミニウム以外の成分を調整することにより、合金自体の熱伝導率や熱膨張率を変えることができ、得られる複合体の熱膨張率や熱伝導率も調整できる。また、アルミニウム金属にシリコンやマグネシウムが合金化することにより合金の融点低下や高温での溶融金属の粘性低下があり、高温鋳造法等で緻密な複合体が得やすくなる。更に、アルミニウム金属を合金化することにより、金属自体の硬度増加があり、その結果、得られる複合体の強度等の機械的特性が向上する。
また本発明の炭化珪素質複合体は、板厚ｔが２ｍｍ〜６ｍｍであり、面内の厚みバラツキがｔ±０．３ｍｍに入ることを特徴とする。板厚が２ｍｍ未満では、放熱部品として用いる場合、炭化珪素質複合体の面方向への放熱性が低下してしまい、放熱部品の放熱性が低下して好ましくない。一方、板厚が６ｍｍを超えると、炭化珪素質複合体自体の熱抵抗が大きくなり、放熱部品の放熱性が低下して好ましくない。また、面内の厚みバラツキがｔ±０．３ｍｍの範囲外であると、その炭化珪素質複合体からなる放熱部品を組み込んだパワーモジュール等の部品は、放熱フィン等にネジ止めされて用いられる場合、パワーモジュール等の部品と放熱フィンの接合面にエアギャップを生じ放熱性が低下して好ましくない。「面内の厚みバラツキがｔ±０．３ｍｍに入る」とは、複合体の厚みを複数個所で測定し、その平均値から複合体の平均厚みを算出して０とした場合に、最大値及び最小値の値が±０．３ｍｍに入ることを意味する。
また本発明は、複合体の主面の長さ１０ｃｍに対しての反り量が２５０μｍ以下の反りを有することを本質的とする。複合体の主面の長さ１０ｃｍに対しての反り量が２５０μｍを超えると、本発明の複合体を放熱部品として用いる場合、回路基板等との接合不良が発生してしまうという問題や、放熱フィン等にネジ止めする際に、過大な曲げ応力が加わり、複合体が破損してしまうという問題が発生する。一方、この様な複合体からなる放熱部品を組み込んだパワーモジュール等の部品は、放熱フィン等にネジ止めされて用いられる。その場合、パワーモジュール等の部品と放熱フィンの接合面に応力が働くべく、接合面が凸型になっていることが、ネジ止め後の締め付け力が大きく放熱の面より好ましい。凸面は、複合体を製造する際に生じる反りを利用して形成することができ、あるいは、図３に示す治具を用いて強制的に反りつけすることで形成することもできる。
本発明の第２の発明は、板状複合体の主面内に他の放熱部品にネジ止め固定できように、４個以上の穴部を有していることである。前記穴の形状については、放熱部品等の大きさにより適宜選択すれば良いが、一般的にはＭ６〜Ｍ１０のネジが貫通できるサイズであれば良い。穴部の個数については、放熱板の大きさに応じて４個以上の多数個を設けることができるが、３個以下のときには放熱板の全面を他の放熱部品に必ずしも密着させることができない。穴の形成箇所は、任意で選択できるが、例えば、板状複合体の四隅の角部に形成することができる。
本発明においては、穴間方向（Ｘ方向）の長さ１０ｃｍに対する反り量（Ｃx；μｍ）と前記Ｘ方向に垂直な方向（Ｙ方向）の長さ１０ｃｍに対する反り量（Ｃy；μｍ）とについて、０≦Ｃx≦２５０であり、しかも０≦Ｃy≦３００であることが本質的である。また、反り量（Ｃx；μｍ、並びにＣy；μｍ）が前記特定の範囲にあるときに、上記板状複合体を使用したパワーモジュールの反り量が５０≦Ｃx≦２５０、且つ０≦Ｃy≦２００となる。一般にここで、前記穴間方向（Ｘ方向）とは、図１（ａ）〜（ｄ）に例示した、放熱板表面の一方向を示し、Ｙ方向は、前記表面内のＸ方向と垂直な方向を示している。
本発明者らは、従来技術における前記課題の解決を図り、いろいろ実験的に検討した結果、反り量（Ｃx；μｍ、並びにＣy；μｍ）が前記特定の範囲にあるときに、複合体から成る放熱板を他の放熱部品に密着性良くネジ止め固定することができるという知見を得て、本発明に至ったものである。本発明の複合体から成る放熱板を他の放熱部品に密着性良くネジ止め固定する場合、一般には、放熱板と放熱部品との間に放熱グリス等を介して固定される。このため、Ｙ方向の反り量（Ｃy）に関しては、その絶対値が放熱グリス厚より小さいことが好ましい。また、締め付け時の放熱板の変形を考慮した場合、Ｙ方向の反り量（Ｃｙ）はＸ方向の反り量（Ｃｘ）より小さい方が好ましい。前記の反り量が前記特定範囲を満足できないときには、必ずしも密着性良く放熱板を他の放熱部品にネジ止め固定することができないことがある。
また、本発明の第３の発明は、板状複合体（Ａ）の両面にアルミニウムを主成分とする合金層（Ｂ）が接合してなる板状の複合体である。表面部がアルミニウムを主成分とする合金層で覆われていることにより、表面部を加工する際には、この金属部分の加工ですみ、加工時の負荷を大幅に抑えることができる。表面部に金属−セラミックス複合体があると、その部分のみが硬く、加工が不均一になったり、ダイヤモンド等の高価な加工治具を用いる必要があるためである。また、表面部が金属層であることにより、メッキ処理を行う場合の均一性が向上する。上記理由から、金属層の平均厚さは１０μｍ以上が選択される。
一方、前記金属層は、アルミニウムを主成分とする金属からなるので、金属−セラミックス複合体部分に比べ、熱膨張係数が大きい。従って、金属層の厚さが増加すると複合体全体の熱膨張係数が大きくなってしまうので、金属層の平均厚さは１１０μｍ以下に選択される。
また、表裏の金属層の平均厚さに差があると、金属層と金属−セラミックス複合体の熱膨張係数の違いに起因して、複合体自体の表裏面の熱膨張差が発生し、その結果、複合体に反りが発生する。この様な、反りは、これが制御されていない場合には、放熱部品等として複合体を用いるときに、回路基板等との接合不良の原因となる。この反り量と表裏の金属層の厚み差には、密接な関係があり、厚み差が１１０μｍを超えると、複合体の反り量が大きくなり過ぎて、放熱部品等として用いるに適当でなくなる。また、板状複合体の主面内に他の放熱部品にネジ止め固定できように、穴部を有している場合、その穴間距離が１０ｃｍ以下の小型形状では、密着性良く放熱板を他の放熱部品にネジ止め固定するためには、複合体の主面の長さ１０ｃｍに対しての反り量が１００μｍ以下であることが好ましい。
更に、本発明の第４の発明は、板状複合体（Ａ）の厚さの平均値（ＴＡ）と、表裏の合金層の厚さの平均値の合計（ＴＢ）との比（ＴＡ／ＴＢ）が５〜３０、好ましくは１０〜３０である複合体である。ＴＡ／ＴＢが５未満では、表面の該合金層の厚さが厚くなり過ぎて、熱膨張率や熱伝導率等の特性が低下してしまう。一方、ＴＡ／ＴＢが３０を超えると、表面の合金層が薄くなり過ぎ、表面部を機械加工等を行なう場合に、部分的に板状複合体が露出し、加工治具を破損するといった問題や、メッキ特性が低下するといった問題が発生する。また、表面の合金層の厚さを調整して、複合体の形状、具体的には反り量を調整する際にもある程度の合金層厚さが必要となるため、ＴＡ／ＴＢは３０以下である必要がある。
また、複合体の主面の長さ１０ｃｍに対しての反り量が５０〜２５０μｍであり、合金層（Ｂ）の表面側の厚さの平均値（ＴＢ１；μｍ）と裏面側の厚さの平均値（ＴＢ２；μｍ）の差と複合体の最大長（Ｌ；ｃｍ）とが５００＜（ＴＢ１−ＴＢ２）×Ｌ＜２５００、好ましくは５００＜（ＴＢ１−ＴＢ２）×Ｌ≦２０００である。複合体の主面の長さ１０ｃｍに対しての反り量が２５０μｍを超えると、本発明の複合体を放熱部品として用いる場合、回路基板等との接合不良が発生してしまうという問題や、放熱フィン等にネジ止めする際に、過大な曲げ応力が加わり、複合体が破損してしまうという問題が発生し易い。一方、この様な複合体からなる放熱部品を組み込んだパワーモジュール等の部品は、放熱フィン等にネジ止めされて用いられる。その場合、パワーモジュール等の部品と放熱フィンの接合面に応力が働くべく、接合面が凸型になっていることが、ネジ止め後の締め付け力が大きく放熱の面より好ましい。このため、複合体の主面の長さ１０ｃｍに対しての反り量が５０μｍ未満では、放熱部品等として用いる場合の反り量が不足し、放熱特性に問題が生じることがある。
このような構造の複合体においては、合金層と板状複合体（金属−セラミックス複合体）の熱膨張係数の違いから、表裏の合金層の厚さ差があると、複合体自体の表裏の熱膨張差が発生し、その結果、複合体に反りが発生する。この様な反りは、表裏の合金層の厚み差と板状複合体のサイズに密接な関係があり、表裏の合金層の厚み差が大きくなると、また、板状複合体のサイズが大きくなると大きくなる。（ＴＢ１−ＴＢ２）×Ｌが２５００を超えると、複合体の反り量が大きくなり過ぎて、また、（ＴＢ１−ＴＢ２）×Ｌが５００未満では、複合体の反り量が小さくなり過ぎて、放熱部品として用いる場合、上述した様な問題があり好ましくない。
複合体の反り量としては、複合体の主面の長さ１０ｃｍに対する反り量が５０〜２５０μｍであることが好ましい。複合体の主面の長さ１０ｃｍに対しての反り量が２５０μｍを超えると、本発明の複合体を放熱部品として用いる場合、回路基板等との接合不良が発生してしまうという問題や、放熱フィン等にネジ止めする際に、過大な曲げ応力が加わり、複合体が破損してしまうという問題が発生する。一方、この様な複合体からなる放熱部品を組み込んだパワーモジュール等の部品は、放熱フィン等にネジ止めされて用いられる。その場合、パワーモジュール等の部品と放熱フィンの接合面に応力が働くべく、接合面が凸型になっていることが、ネジ止め後の締め付け力が大きく放熱の面より好ましい。このため、複合体の主面の長さ１０ｃｍに対しての反り量が５０μｍ未満では、放熱部品等として用いる場合の反り量が不足し、本発明の目的を達成できないことがある。
また本発明は、前記の板状の複合体を３５０℃以上の温度で主面と垂直な応力を加えて塑性変形させることにより、反り付けを行うことを特徴とする炭化珪素質複合体の製造方法である。前記操作により、前記所望の反り量を有する板状の複合体を容易に得ることができる。この場合、予め所望の形状の内面を有する型に、複合体を押しつける方法が、再現性高く好ましい。尚、３５０℃未満の温度では、複合体中のアルミニウムを主成分とする金属が、実質的に塑性変形しないので、発明の目的を達しがたい。前記温度の上限については、６００℃を越えるとアルミニウム合金の一部が液相を形成し、流動を生じることがあるが、流動を生じる温度まで加熱すると、その冷却時に凝固に伴う変形が生じることがあり好ましくない。
更に、本発明の複合体の室温（２５℃）の熱伝導率は１５０Ｗ／ｍＫ以上である。熱伝導率が１５０Ｗ／ｍＫ未満では、放熱部品等として用いる場合に十分な放熱特性が得られず、その用途が限定されてしまうという問題がある。
また、本発明の複合体は、室温（２５℃）から１５０℃に加熱した際の平均熱膨張係数が９×１０−６／Ｋ以下である。室温（２５℃）から１５０℃に加熱した際の平均熱膨張係数が９×１０−６／Ｋを越えると、パワーモジュール等の放熱部品として用いる場合に、セラミックス基板との熱膨張係数の差が大きくなり過ぎて、加熱接合時や熱サイクル不可等により、セラミックス基板にクラックや割れ等が生じることがあり、信頼性が要求される放熱部品として用いる場合の用途が限定されてしまうという問題がある。
また、本発明の複合体は、密度が３ｇ／ｃｍ3程度と銅等の金属に比べ軽く、放熱部品等として用いる場合、部品の軽量化に有効である。一方、本発明の複合体は、曲げ強度が３００ＭＰａ以上と高く、放熱部品等として用いるに十分な機械的特性を有している。
更にまた、本発明は、上述した複合体を用いることを特徴とする放熱部品である。本発明の放熱部品は、熱伝導特性に優れ且つ十分な機械的特性を有しており、ヒートシンク等として用いるに好適である。また、本発明の放熱部品は、密度が３ｇ／ｃｍ3程度と軽量であり、移動用機器に用いる放熱部品として好適である。本発明の放熱部品は、熱伝導特性に優れ、平均熱膨張率が９×１０−６／Ｋ以下と低いためヒートシンク等の放熱部品として用いる場合、従来の銅等を用いた場合に比べ、放熱部品と接合されるセラミックス基板との熱膨張差が小さく、基板上の半導体素子の作動時に発生する熱サイクル等によるセラミックス基板のクラックや割れ等を抑えることができる。このことにより、高い信頼性が要求される電機自動車等の移動用機器に用いる放熱部品として好適である。
また、半導体素子の集積化や大型化に伴い、これを搭載するセラミックス基板には、高い放熱特性が要求されている。窒化アルミニウム及び窒化珪素基板は、絶縁特性に優れ、放熱特性に優れており、本発明の放熱部品と接合して用いることにより、熱サイクル等の付加によるクラックや割れ等の極めて少ない高信頼性を得ることができる。
また、本発明の放熱板は、セラミックス基板を接合していない面を、放熱グリースを介して、平面板装着する際に、締め付けトルクが２Ｎ以上の条件において、前記面の９０％以上が密着する特徴を有し、セラミックス基板上の半導体素子の作動時に発生する熱を速やかに放散することができ、高信頼性のモジュールを形成できる利点がある。
本発明の複合体の製造方法は、炭化珪素粉末に結合剤としてシリカゾル及び／又はアルミナゾル等を所定量添加混合し、所望の形状に成形する。成形方法は、乾式プレス成形、湿式プレス成形、押し出し成形、鋳込み成形等を用いることができ、必要に応じて保形用バインダーを添加してもよい。また、炭化珪素粉末に関しては、１種類の粉末を用いても良いが、複数の粉末を適宜粒度配合して高密度の成形体を容易に得ることができるので一層好ましい。次に、得られた成形体を、大気中又は窒素等の不活性ガス雰囲気中、温度７００〜１６００℃で仮焼して炭化珪素質多孔体を製造する。一方、炭化珪素粉末に結合材としてシリコン粉末を添加混合して、同様の方法で製造することもできる。更に、炭化珪素質多孔体の製造方法に関しては、炭化珪素粉末やシリコン粉末と炭素粉末の混合粉末を、不活性ガス雰囲気中、温度１６００〜２２００℃で焼成して製造することもできる。
得られた炭化珪素質多孔体は、所定形状に加工した後、熱衝撃による割れ等を防止するため予め加熱し、融点以上の温度に加熱したアルミニウムを主成分とする溶融金属を高圧で含浸させて複合体とする。複合体の表面の金属層の厚み調整は、炭化珪素質多孔体を加工する際に、表面部に溝等を付加することにより、含浸して得られる複合体の表面の合金層の厚さを調整することができる。また、Ａｌ合金の薄板を炭化珪素質多孔体の表面に積層して含浸することによっても調整できる。この場合、多孔体のみならず炭化珪素粉末を用いることもできる。更に、複合体の表面の金属層を機械加工することによっても複合体の表面の金属層の厚みを調整することができる。更に、金型等を利用し、該金型の空隙寸法よりも若干小さな寸法のプリフォームを前記空隙内に配置し、該金型内の前記空隙内に溶融金属を注入する方法によっても作製することができる。
金属成分の含浸方法に関しては、特に限定はなく、高圧鋳造法、ダイカスト法等が利用できる。
以下、実施例、比較例をあげて、本発明を一層詳細に説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。
［実施例１〜８、比較例１〜４］
炭化珪素粉末Ａ（大平洋ランダム社製：ＮＧ−１５０、平均粒径：１００μｍ）、炭化珪素粉末Ｂ（屋久島電工社製：ＧＣ−１０００Ｆ、平均粒径：１０μｍ）及びシリカゾル（日産化学社製：スノーテックス）を質量比６０：４０：１０に示す組成で配合し、攪拌混合機で１時間混合した後、１８７ｍｍ×１３７ｍｍ×７ｍｍの形状に１０ＭＰａの圧力で成形した。その後、前記の成形体を、大気中、９６０℃で２時間加熱して、炭化珪素質多孔体を作製した。得られた炭化珪素質多孔体は、２０ｍｍφ×７ｍｍの形状に加工して、その寸法と質量より相対密度を算出した結果、６５％であった。
炭化珪素粉末Ａ（大平洋ランダム社製：ＮＧ−１５０、平均粒径：１００μｍ）、炭化珪素粉末Ｂ（屋久島電工社製：ＧＣ−１０００Ｆ、平均粒径：１０μｍ）及びシリカゾル（日産化学社製：スノーテックス）を質量比６０：４０：１０に示す組成で配合し、攪拌混合機で１時間混合した後、１８７ｍｍ×１３７ｍｍ×７ｍｍの形状に１０ＭＰａの圧力で成形した。その後、前記の成形体を、大気中、９６０℃で２時間加熱して、炭化珪素質多孔体を作製した。得られた炭化珪素質多孔体は、２０ｍｍφ×７ｍｍの形状に加工して、その寸法と質量より相対密度を算出した結果、６５％であった。
次に、得られた炭化珪素質多孔体をダイヤモンド加工治具で所望の厚さに加工し、各試料１２枚の試料間に離型剤を塗布した０．８ｍｍ厚のＳＵＳ板で区切り、両端に１２ｍｍ厚の鉄板を配した後、１０ｍｍφのボルト、ナットで固定して、一つのブロックを形成した。
次に、前記ブロック２個を１ブロックとして電気炉で、温度６５０℃に予備加熱し、予め加熱しておいた内寸３２０ｍｍ×２６０ｍｍ×４４０ｍｍの空隙を有するプレス型内に載置した後、温度８１０℃に加熱してある、アルミニウム合金（ＡＤＣ−１２）の溶湯を流し込み、５００ＭＰａの圧力で１３分間以上プレスして、炭化珪素質多孔体にアルミニウム金属を含浸させた。得られた複合体を含む金属塊は、室温まで冷却したのち、湿式バンドソーにて切断して炭化珪素質複合体を離型した。
得られた複合体について、レーザー厚み測定機（キーエンス社製：ＶＴ２−１０ＳＢ）にて複合体の厚み方向の上下位置をレーザーにて検知し図２に示す５点の厚みを測定し、その平均値から複合体の平均厚みを算出し、最大値、最小値から厚みバラツキを求めた。また、複合体の表面をロール研摩機で磨き複合体表面の変質層を除去した後、レーザー３次元形状測定機（キーエンス社製：ＬＫ−ＧＤ５００）により、対象物へレーザー光を照射し、対象物からの拡散反射された光を受光して変位量を算出し、複合体の主面の反り量を測定した。それぞれの複合体を用いたパワーモジュールについて、レーザー３次元形状測定機により、複合体の主面の反り量（Ｃｘ，Ｃｙ）を測定した。その結果を表１に示す。
また得られた複合体より、ダイヤモンド加工治具を用いて、熱膨張率測定用試験体（４×４×２０ｍｍ）、室温の熱伝導率測定用試験体（２５ｍｍ×２５ｍｍ×１ｍｍ）、３点曲げ強さ評価用試験体（３ｍｍ×３０ｍｍ×厚み）に研削加工した。また、３点曲げ強さ評価用試験体の一部を用い、その断面を顕微鏡で観察し、複合体の表裏の金属層の厚みを９箇所について測定し、平均厚みを算出した。得られた結果を表２に示す。
次に、それぞれの試験体を用いて、熱膨張計により室温から２５０℃の熱膨張率、レーザーフラッシュ法による室温の熱伝導率及び曲げ試験機による３点曲げ強さを測定した。更に、熱伝導率測定用試験体の寸法と重量より、複合体の密度を算出した。得られた結果を表３に示す。
また、前記操作で得たいろいろの複合体について、片面側にシリコングリス（信越化学工業社製）を厚さ５０μmとなるように秤量して塗布したのち、厚さ３０ｍｍのアクリル板に６Ｍのネジを用いて３Ｎの締め付けトルクで取り付けた。１分間放置後、ネジ止めをはずし、シリコングリス塗布面の密着率（面積比率）を測定した。その結果を表４に示す。
〔実施例９〜１１〕
比較例１で作製した炭化珪素質複合体を、図３に示すＳＵＳ−３０４製の治具にセットし、Ｍ１０のネジで主面と垂直な応力を負荷した後、温度５００℃の電気炉で３０分間加熱したのち、室温まで冷却して負荷を解放した。得られた複合体の反り量を表５に示す。次に、得られた複合体を実施例１〜８と同様の方法で評価した結果を表５に示す。表５に示すように、治具を用いて凸面を形成することで密着率を高めることができる。
比較例１で作製した炭化珪素質複合体を、図３に示すＳＵＳ−３０４製の治具にセットし、Ｍ１０のネジで主面と垂直な応力を負荷した後、温度５００℃の電気炉で３０分間加熱したのち、室温まで冷却して負荷を解放した。得られた複合体の反り量を表５に示す。次に、得られた複合体を実施例１〜８と同様の方法で評価した結果を表５に示す。表５に示すように、治具を用いて凸面を形成することで密着率を高めることができる。
Claims (9)
- 多孔質炭化珪素成形体にアルミニウムを含有する金属を加圧含浸してなる板状複合体であって、板厚ｔが２ｍｍ〜６ｍｍであり、面内の厚みバラツキがｔ±０．３ｍｍに入り、前記板状複合体の面内に他の放熱部品に前記板状複合体の凸面を向けてネジ止めするための４個以上の穴部を有し、穴間方向（Ｘ方向）の長さ１０ｃｍに対する反り量（Ｃx；μm）と、それに垂直な方向（Ｙ方向）の長さ１０ｃｍに対する反り量（Ｃy；μm）の関係が、５０≦Ｃx≦２５０、且つ０≦Ｃy≦２００であり、上記板状複合体を使用したパワーモジュールでの該複合体主面の反り量が５０≦Ｃx≦２５０、且つ０≦Ｃy≦２００であることを特徴とする炭化珪素複合体。
- 表裏両面が平均厚さ１０〜１１０μｍのアルミニウムを含有する金属層で覆われており、表裏の前記金属層の平均厚みの差が１００μｍ以下である、請求項１に記載の炭化珪素複合体。
- 複合体部分（Ａ）と、複合体の少なくとも片面に設けられたアルミニウムを含有する金属層（Ｂ）とからなり、前記複合体部分（Ａ）の厚さの平均値（ＴＡ；μｍ）と前記金属層（Ｂ）の両面の厚さの平均値の合計（ＴＢ；μｍ）との比（ＴＡ／ＴＢ）が１０〜３０である、請求項1に記載の炭化珪素複合体。
- 前記金属層（Ｂ）の表面側の厚さの平均値（ＴＢ１；μｍ）と裏面側の厚さの平均値（ＴＢ２；μｍ）との差の絶対値（｜ＴＢ１−ＴＢ２｜）と、複合体の最大長（Ｌ；ｃｍ）との積が５００以上２０００以下である、請求項１又は２に記載の炭化珪素質複合体。
- 温度２５℃での熱伝導率が１５０Ｗ／ｍＫ以上、温度２５℃から３００℃の線熱膨張係数が５×１０−６〜１０×１０−６／Ｋ、温度２５℃での３点曲げ強度が１５０ＭＰａ〜５００ＭＰａ、温度２５℃での弾性率が１５０ＧＰａ〜３５０ＧＰａ、密度が２．８〜３．１ｇ／ｃｍ３である、請求項１〜４のいずれか１項に記載の炭化珪素質複合体。
- 炭化珪素質複合体を温度３５０℃以上で応力を加えて塑性変形させることにより、反り付けを行うことを特徴とする請求項１〜５いずれか１項に記載の炭化珪素質複合体の製造方法。
- 請求項１〜５いずれか１項に記載の板状の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ことを特徴とする放熱部品。
- セラミックス基板が窒化アルミニウム又は窒化珪素である、請求項７に記載の放熱部品。
- 前記半導体搭載用セラミックス基板を接合していない面を、放熱グリースを介して、平面板に装着する際に、締め付けトルクが２Ｎ以上の条件において、前記面の９０％以上が平面板に密着する、請求項７又は請求項８に記載の放熱部品。
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