JPWO2018105297A1 - 複合部材、放熱部材、及び半導体装置 - Google Patents
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Abstract
Description
本出願は、2016年12月06日付の日本国出願の特願2016−236959に基づく優先権を主張し、前記日本国出願に記載された全ての記載内容を援用するものである。
金属と非金属とを含む複合材料から構成される基板を備え、
前記基板の一面には、曲率半径Rが5000mm以上35000mm以下の球面状の反りを有し、
前記基板における反り部分の輪郭を測定した複数の測定点と前記複数の測定点から求めた近似円弧との平均距離を球面誤差とし、前記球面誤差が10.0μm以下であり、
前記基板の熱伝導率が150W/m・K以上であり、
前記基板の線膨張係数が10ppm/K以下である。
金属と非金属とを含む複合材料から構成される基板素材に加工を施して、前記加工後の基板を備える複合部材を製造する複合部材の製造方法であって、
前記基板素材を曲率半径が5000mm以上35000mm以下である成形型に収納して熱プレスを行うプレス工程を備え、
前記プレス工程は、
加熱温度を200℃超とし、印加圧力を10kPa以上として所定時間保持する保持工程と、
前記印加圧力の80%以上の加圧状態を保持したまま前記加熱温度から100℃以下まで冷却する冷却工程とを備える。
電子機器の高出力化に伴い、電子機器に備える半導体素子の作動時の発熱量がますます増加する傾向にある。従って、半導体素子の放熱部材に代表される各種の放熱部材、及びその素材には、使用初期から長期に亘り、放熱性に優れることが望まれる。
上記の本開示の複合部材は、設置対象との密着性に優れる。上記の本開示の複合部材の製造方法は、設置対象との密着性に優れる複合部材を製造できる。
本発明者らは、Mg−SiCなどの金属と非金属とを複合した複合材料の基板に種々の条件で球面状の反りを設け、設置対象との密着状態が安定しており、設置対象への熱伝導性に優れる基板を検討した。特許文献1では、反り量の指標として、長方形の基板の対角線上に沿った表面変位の差を開示する。しかし、反り量を指標としても、球面状態を適切に把握できず、上述のような球面からのずれが大きい基板を認識することが困難であると考えられる。そこで、球面状態をより的確にかつ簡便に示す指標として、後述の球面誤差を用いる。また、本発明者らは、上述の球面状の湾曲金型などの成形型を用いて加熱及び加圧状態で球面状の反りを成形する場合には、成形型の曲率半径Rd、加熱温度、印加圧力を特定の範囲とすると共に、特定の条件で冷却することで、後述の球面誤差が特定の範囲を満たし、設置対象との密着状態が安定していて、設置対象への熱伝導性に優れる複合材料の基板が得られるとの知見を得た。本願発明はこれらの知見に基づくものである。
(1)本開示の一態様に係る複合部材は、
金属と非金属とを含む複合材料から構成される基板を備え、
前記基板の一面には、曲率半径Rが5000mm以上35000mm以下の球面状の反りを有し、
前記基板における反り部分の輪郭を測定した複数の測定点と前記複数の測定点から求めた近似円弧との平均距離を球面誤差とし、前記球面誤差が10.0μm以下であり、
前記基板の熱伝導率が150W/m・K以上であり、
前記基板の線膨張係数が10ppm/K以下である。
前記反りとは凸の反りとし、この凸の反りにおける球面誤差が10.0μm以下を満たす。この複合部材には、基板の一面に球面状の凸の反り、対向する他面に凹の反りを備える形態、基板の一面に球面状の凸の反りを備え、他面が平坦な形態(球欠形態)などが挙げられる。
前記非金属の含有量が55体積%以上である形態が挙げられる。
−60℃から175℃の冷熱サイクルを10サイクル、100サイクル、1000サイクルそれぞれ負荷した前後の前記曲率半径Rの変化率がいずれも20%以下である形態が挙げられる。
300℃×1時間の熱処理を行った前後の前記曲率半径Rの変化率が20%以下である形態が挙げられる。
前記基板の一面に凸の前記球面状の反りを有し、対向する他面に凹の反りを有し、
前記基板の凸側面における重心箇所の残留応力をX1(MPa)、前記基板の凹側面における重心箇所の残留応力をX2(MPa)、前記基板の外縁を内包する長方形の対角線の長さをL(mm)、前記基板の厚さをH(mm)とし、前記残留応力の差の絶対値|X1−X2|が105×(H/L2)(MPa)未満である形態が挙げられる。
前記基板が例えば長方形であれば、前記基板の外縁を内包する長方形とは基板の外形に相当する。内包する長方形は最小の長方形とする。
前記基板の凸側面における重心箇所の残留応力と前記基板の凹側面における重心箇所の残留応力との双方が圧縮応力である、又は双方が引張応力である形態が挙げられる。
前記金属はマグネシウム又はマグネシウム合金であり、
前記非金属はSiCを含む形態が挙げられる。
前記金属はアルミニウム又はアルミニウム合金であり、
前記非金属はSiCを含む形態が挙げられる。
上記(1)から上記(8)のいずれか一つに記載の複合部材を備える。
上記の本開示の一態様に係る放熱部材と、
前記放熱部材に搭載される半導体素子とを備える。
金属と非金属とを含む複合材料から構成される基板素材に加工を施して、前記加工後の基板を備える複合部材を製造する複合部材の製造方法であって、
前記基板素材を曲率半径が5000mm以上35000mm以下である成形型に収納して熱プレスを行うプレス工程を備え、
前記プレス工程は、
加熱温度を200℃超とし、印加圧力を10kPa以上として所定時間保持する保持工程と、
前記印加圧力の80%以上の加圧状態を保持したまま前記加熱温度から100℃以下まで冷却する冷却工程とを備える。
以下、本願発明の実施形態を具体的に説明する。図1から図7を参照して実施形態の複合部材1、図8を参照して実施形態の放熱部材3、実施形態の半導体装置5を順に説明し、その後に実施形態の複合部材の製造方法を説明する。図1では、分かり易いように非金属22を誇張して示す。図8では、半導体装置5に備える放熱部材3及び半導体素子50の近傍のみを示し、ボンディングワイヤやパッケージ、冷却装置(設置対象)などを省略している。
(概要)
実施形態の複合部材1は、図1に示すように金属20と非金属22とを含む複合材料から構成される基板10を備える。基板10は、その一面に曲率半径Rが5000mm以上35000mm以下の球面状の反りを有し(図2,図3)、後述する球面誤差が10.0μm以下であるという特定の形状である。また、基板10の熱伝導率が150W/m・K以上、かつ基板10の線膨張係数が10ppm/K以下である。熱伝導性に優れる上に熱伸縮量が小さく、上述の特定の形状である基板10を備える複合部材1は、各種の放熱部材に利用でき、特に半導体素子50の放熱部材3に好適に利用できる(図8)。基板10の反り部分を放熱部材3の設置対象(図示せず)に押し付けた状態でボルトなどの締結部材によって、基板10を設置対象に固定すると、放熱部材3を設置対象に密着できる上に、密着状態が安定しており、半導体素子50からの熱を、放熱部材3を介して設置対象に良好に伝達できるからである。また、実施形態の複合部材1は、絶縁基板52などが半田付けされるなどしても変形し難く、上記の密着状態をより維持し易いからである。好ましくは、実施形態の複合部材1は、冷熱サイクルを受けても変形し難い。球冠に近い反りを有すること、変形し難いこと、設置対象への熱伝達性に優れることについては、後述の試験例で具体的に説明する。
以下、基板10を中心に詳細に説明する。
基板10は、複合部材1の主要素であり、金属20と非金属22とを含む複合材料から構成される成形体である。
基板10中の金属20は、例えば、Mg,Al,Ag,及びCuの群から選択される1種であるいわゆる純金属、又は上記群から選択される1種の金属元素を基とする合金などが挙げられる。マグネシウム合金、アルミニウム合金、銀合金、銅合金は公知の組成のものが利用できる。
基板10中の非金属22は、例えば、金属元素又は非金属元素の炭化物、酸化物、窒化物、硼化物、珪素化物、塩化物などのセラミクス、珪素(Si)などの非金属元素、ダイヤモンドやグラファイトなどの炭素材といった無機材料が挙げられる。具体的なセラミクスは、SiC,AlN,h−BN,c−BN,B4Cなどが挙げられる。複数種の非金属22を組み合わせて含むことができる。
複合材料の具体例として、純マグネシウム又はマグネシウム合金(以下、まとめてMg等と呼ぶことがある)とSiCとが主として複合されたMg−SiC、純アルミニウム又はアルミニウム合金(以下、まとめてAl等と呼ぶことがある)とSiCとが主として複合されたAl−SiCなどが挙げられる。また、ダイヤモンド複合材料として、銀又は銀合金とダイヤモンドとが主として複合されたもの、Mg等とダイヤモンドとが主として複合されたもの、Al等とダイヤモンドとが主として複合されたもの、銅又は銅合金とダイヤモンドとが主として複合されたものなどが挙げられる。
基板10の外形(ここでは基板10の外縁が描く平面形状)は、代表的には長方形が挙げられる。長方形の基板10は、(1)容易に形成できて製造性に優れる、(2)半導体素子50の放熱部材3などに利用される場合、半導体素子50などの実装部品の設置面積を十分に確保できる、といった利点を有する。基板10の外形は、用途、上記実装部品の形状・数や設置対象などに応じて変更できる。例えば、基板10の外形として、六角形等の多角形、円形や楕円形などが挙げられる。
基板10の大きさは、用途や、上述の実装部品の実装面積などに応じて適宜選択できる。例えば、基板10の外縁が描く平面形状を内包する長方形(基板10が長方形なら基板10の外形に相当)をとり、この長方形の長辺の長さが100mm以上であり、かつ短辺の長さが50mm以上であれば、上記実装面積が大きく、大型の放熱部材3を構築できる。更に長辺の長さ150mm×短辺の長さ120mm以上などとすることができる。このような大型の基板10であっても特定の球面状の反りを有するため、複合部材1を設置対象に密着させられる。また、大型の基板10であっても、上述の半田付け時などの熱履歴を受けて変形し難い。
・曲率半径R
実施形態の複合部材1は、基板10の一面に曲率半径Rが5000mm(5m)以上35000mm(35m)以下の球面状の反りを有する。具体的な形態として、(a)基板10の一面に球面状の凸の反り、対向する他面に凸に対応した凹の反りを有する形態、(b)基板10の一面に球面状の凸の反りを有し、他面が平坦面である形態が挙げられる。いずれの形態も基板10における凸の反りについて、曲率半径R及び後述の球面誤差が特定の範囲を満たす。複合部材1が半導体素子50の放熱部材3などに利用される場合、形態(a)では、代表的には凸側面を設置対象への設置面、凹側面を半導体素子50などの実装部品の実装面とすることが挙げられる。形態(b)では反りを有する面を設置面、平坦面を実装面とすることが挙げられる。
実施形態の複合部材1は、球面誤差を10.0μm以下とする。球面誤差とは、複合部材1における反り部分の球面状態の度合いを示す指標であり、以下の(1)から(5)の手順で測定する。以下、図6,図7を参照して、具体的に説明する。概要を述べると、基板10の外周面(表裏面、側面)のうち、最も面積が大きく、凸の反りを有する面(代表的には表面又は裏面)を主面とし、この主面から測定領域10αをとり、測定領域10αにおける反り部分の輪郭から測定点を抽出し、この測定点を用いて球面誤差を求める。
(1)測定領域10αの抽出
(2)輪郭抽出直線Lnの抽出(n=1から10、以下同様)
(3)反り部分の輪郭を描く複数の測定点の抽出
(4)測定点の集合10βnから近似円弧10γnの抽出
(5)各測定点と近似円弧10γn間の距離dの平均の算出
実施形態の複合部材1は、曲率半径Rに応じた反り量を有する。反り量は、例えば、基板10の反り部分の表面形状を上述の三次元測定装置によって解析し、この解析結果を利用して求めた最大変位量(μm)とすることが挙げられる。端的に言うと、反り量は、基板10の反り部分を側面視した場合に最低位置を高さの基準として、最低位置と最高位置との高さの差である。具体的な反り量(mm)は、複合部材1の大きさなどにもよるが、例えば、長さが130mm×幅が70mmから長さが200mm×幅が150mmの長方形状の基板10では、50μm以上600μm以下、更に400μm以下程度が挙げられる。
実施形態の複合部材1は、一面に凸の反り、他面に凹の反りを有する場合に基板10の反り部分において凸側面の残留応力と凹側面の残留応力との差が小さいことが好ましい。この残留応力差が小さいほど、冷熱サイクルや半田付けなどの熱履歴を受けた場合に残留応力の解放に起因する変形を抑制し易いからである。定量的には、基板10の凸側面における上述の重心箇所の残留応力をX1(MPa)、凹側面における上述の重心箇所の残留応力をX2(MPa)、基板10の外縁を内包する長方形の対角線の長さをL(mm)、基板10の厚さをH(mm)とし、凸側面の残留応力と凹側面の残留応力との差の絶対値|X1−X2|が105×(H/L2)(MPa)未満であることが挙げられる。ここで、梁の公式に基づくと、基板10の厚さ方向に荷重Pが加えられた場合に基板10の長辺方向に加わる張力Tは、基板10のヤング率Ε、たわみ量δ、基板10の長辺長さl、基板10の厚さHを用いて、T=6E×δ×(H/l2)と表される。たわみ量δを反り戻り量とし、張力Tを上述の残留応力の差|X1−X2|に基づく力とすると、105×(H/l2)(MPa)未満であれば、反り戻り量を小さくできるといえる。本発明者らが検討した結果、基板10の対角線の長さLを用いて、105×(H/L2)(MPa)未満であれば反り戻り量をより確実に小さくできるとの知見を得た(後述の試験例2参照)。例えば、長辺の長さLが190mm程度、厚さHが5mmの基板10では、残留応力の解放に起因する反り戻り量δを100μm以下とすることができる。残留応力の差|X1−X2|(MPa)が小さいほど、残留応力に起因する反り戻りが小さく変形し難いため、8×104×(H/L2)(MPa)以下、更に6×104×(H/L2)(MPa)以下、5×104×(H/L2)(MPa)以下が好ましい。
・熱伝導率及び線膨張係数
基板10は、熱伝導率が150W/m・K以上であり、かつ線膨張係数が10ppm/K以下である。金属20の組成、非金属22の組成、含有量などを調整することで、熱伝導率がより高いもの、線膨張係数がより小さいものとすることができる。基板10の熱伝導率は、例えば180W/m・K以上、更に200W/m・K以上、特に220W/m・K以上とすることができる。ダイヤモンド複合材料から構成される基板10では、例えば、熱伝導率を500W/m・K以上、更に520W/m・K以上、550W/m・K以上、600W/m・K以上とすることができる。基板10の線膨張係数は、例えば9ppm/W以下、更に8ppm/W以下とすることができる。基板10の線膨張係数がより小さいことで、後述する金属被覆を備える場合でも、基板10と金属被覆とを含めた複合部材1の線膨張係数を小さくでき、好ましくは10ppm/K以下を満たすことができる。熱伝導率がより高く、かつ線膨張係数が3ppm/K以上10ppm/K以下程度である基板10を備える複合部材1は、半導体素子50及びその周辺部品との線膨張係数の整合性に優れるため、半導体素子50の放熱部材3の素材に好適に利用できる。半導体素子50などの整合性に優れる範囲で、基板10の線膨張係数は、例えば3ppm/K以上、4ppm/K以上、4.5ppm/K以上とすることができる。
実施形態の複合部材1は、上述のように特定の曲率半径R及び特定の球面誤差を満たす球面状の反りを備えるため、冷熱サイクルを受けても変形し難い。定量的には、−60℃から175℃の冷熱サイクルを10サイクル、100サイクル、1000サイクルそれぞれ負荷した前後の曲率半径Rの変化率がいずれも20%以下であることが挙げられる。曲率半径Rの変化率(%)は、[1−(所定数の冷熱サイクル後の基板10の曲率半径R)/(冷熱サイクル前の基板10の曲率半径R)]×100とする。曲率半径Rの測定方法は上述の通りである。この複合部材1は、冷熱サイクル数が少ない場合は勿論多くても変形し難いといえる。このような複合部材1を半導体素子50の放熱部材3などに利用して冷熱サイクルを受けた場合でも、使用初期から長期に亘り変形し難く、設置対象との密着状態を維持できる。曲率半径Rの変化率は、小さいほど、上述のように放熱部材などとして使用した場合に使用初期から長期に亘り変形し難いため、18%以下、更に15%以下、10%以下が好ましい。
・金属被覆
複合部材1は、基板10の表面の少なくとも一部に金属被覆(図示せず)を備えることができる。金属被覆は、構成する金属種にもよるが、半田との濡れ性、耐食性、意匠性などを高める機能を有するものが挙げられる。複合部材1を半導体素子50の放熱部材3に利用する場合、金属被覆には半田との濡れ性を高められる半田下地層を含むことが好ましい。半田下地層は、基板10の表面において半田付けされる領域に備えるとよく、基板10の一面の少なくとも一部、又は両面の少なくとも一部のいずれに備えてもよい。
複合部材1は、設置対象への取付部を備えることができる。取付部は、基板10自体に設けられ、ボルトなどの締結部材が挿通されるボルト孔などが挙げられる。又は、基板10に非金属22を含まない金属領域を設け、この金属領域にボルト孔や、ボルト孔を有するボス部などを備えることができる。金属領域は、例えば、溶融状態の金属20と非金属22とを複合するときなどに同時に成形することができる。取付部は、基板10において球面状の反りを有する領域から離れた箇所、例えば基板10の角部や外縁10e近傍などに備えると、球面状の反りの変動に影響を与え難いと考えられる。取付部の形成方法は、公知の方法などを参照できる。
実施形態の複合部材1は、上述のように熱伝導率が高く、線膨張係数が小さく、特定の球面状の反りを有して設置対象に密着でき、この密着状態を使用初期から長期に亘って維持できることから、放熱部材に好適に利用できる。特に、複合部材1は、半導体素子50やその周辺部品(図示せず)などの線膨張係数との整合性にも優れることから、半導体素子50の放熱部材3に好適に利用できる。その他、実施形態の複合部材1は、熱伝導性に優れ、熱伸縮量が小さいことが望まれる適宜な構造材料等としての利用が期待できる。
実施形態の放熱部材3(図8参照)は、実施形態の複合部材1を備える。放熱部材3の形状、大きさは発熱対象を載置可能な範囲で適宜選択できる。代表的には、放熱部材3の形状、大きさは基板10の形状、大きさを実質的に維持するため、基板10の形状、大きさを調整するとよい。実施形態の放熱部材3は、熱伝導率が高く、線膨張係数が小さく、特定の球面状の反りを有して設置対象に密着でき、この密着状態を使用初期から長期に亘って維持できる実施形態の複合部材1を備えるため、半導体素子50の放熱部材や半導体装置5の構成要素に好適に利用できる。
実施形態の半導体装置5は、図8に示すように実施形態の放熱部材3と、放熱部材3に搭載される半導体素子50とを備える。放熱部材3の一面は、代表的には、AlN(窒化アルミニウム)などの非金属無機材料から構成される絶縁基板52と半田54とを介して半導体素子50が半田付けされる実装面であり、他面は冷却装置(図示せず)との設置面である。放熱部材3の実装面のうち、少なくとも半導体素子50などの実装部品が取り付けられる領域には、上述の金属からなるめっき層などの半田下地層を備えることが好ましい。実施形態の半導体装置5は、各種の電子機器、特に高周波パワーデバイス(例、LDMOS(Laterally Diffused Metal Oxide Semiconductor))、半導体レーザ装置、発光ダイオード装置、その他、各種のコンピュータの中央処理装置(CPU)、グラフィックス プロセッシング ユニット(GPU)、高電子移動形トランジスタ(HEMT)、チップセット、メモリーチップなどに利用できる。
実施形態の複合部材1を製造する方法として、例えば、以下の特定の条件で熱プレスといった加工を行う実施形態の複合部材の製造方法を利用できる。実施形態の複合部材の製造方法は、金属20と非金属22とを含む複合材料から構成される基板素材に加工を施して、加工後の基板を備える複合部材を製造するものであり、基板素材を曲率半径が5000mm以上35000mm以下である成形型に収納して熱プレスを行うプレス工程を備える。この熱プレス工程は、以下の保持工程と冷却工程とを備える。その他、実施形態の複合部材の製造方法は、基板素材を準備する準備工程、金属被覆を形成する被覆工程、取付部を形成したり、表面粗さを調整するためなどの軽微な表面研磨などを施したりする加工工程などを備えることができる。
(保持工程)加熱温度を200℃超とし、印加圧力を10kPa以上として所定時間保持する工程
(冷却工程)基板素材に対する印加圧力の80%以上の加圧状態を保持したまま、加熱温度から100℃以下まで冷却する工程
(準備工程)
この工程では、熱プレスに供する基板素材を準備する。基板素材は、金属20と非金属22とを含む複合材料を板状に製造する公知の製造方法が利用できる。例えば、成形型に非金属22の粉末や成形体を充填などし、溶融状態の金属20を溶浸する溶浸法(特許文献1参照)、高圧で溶浸する加圧溶浸法、その他、粉末冶金法、溶融法などが挙げられる。金属20と非金属22とを含む複合材料から構成される市販の基板を素材として利用することもできる。
この工程では、代表的には、曲率半径Rdが上述の特定の範囲を満たす球面状の凸面を有する第一型及び球面状の凹面を有する第二型を備える成形型を用いて熱プレスを行う。第一型と第二型とで基板素材を挟んで加熱状態で加圧して、基板素材に曲率半径Rdの球面を転写し、曲率半径Rd≒Rの球面状の反り、理想的には曲率半径Rd=Rの球面状の反りを有する基板を製造する。第一型及び第二型における曲率半径Rdについては、上述の曲率半径Rの項を参照するとよい。
熱プレス時の加熱温度(ここでは成形型の加熱温度)を200℃超かつ印加圧力を10kPa以上とすることで、非金属22を含む基板素材であっても塑性変形でき、上記特定の球面状の反りを付与可能になる。加熱温度が高いほど、塑性変形し易いことから、加熱温度を250℃超、更に280℃以上、300℃以上とすることができる。印加圧力が大きいほど、塑性変形し易いことから、印加圧力を100kPa以上、更に500kPa以上、700kPa以上とすることができる。加熱温度がより高くかつ印加圧力がより大きいと、残留応力を小さくし易い。その結果、上記特定の球面状の反りを有する複合部材であって、上述のように冷熱サイクルなどの熱履歴を受けても変形し難いものを製造できる。残留応力や変形の低減などの観点から、加熱温度を350℃以上、更に380℃以上、400℃以上、かつ印加圧力を800kPa以上、更に900kPa以上、1MPa以上とすることができる。基板素材の組成によっては、加熱温度を500℃以上、印加圧力を10MPa以上、20MPa以上とすることができる。比較的高温かつ比較的高圧で十分に保持することで(後述の保持時間、冷却速度も参照)、上記特定の球面状の反りをより精度よく設けられる。加熱温度の上限は、基板素材を構成する金属20の液相線温度未満であって、金属20や非金属22が熱劣化し難い範囲で選択できる。印加圧力の上限は、基板素材に割れなどが生じない範囲で選択できる。
上述の保持時間が経過したら、上述の加熱温度から室温(例、10℃から20℃程度)まで冷却する。冷却過程における上記加熱温度から100℃までの範囲では、加圧状態で冷却する。冷却過程の印加圧力は、上述の熱プレス時の印加圧力の80%以上とする。このような特定の加圧状態で冷却することで、不均一な冷却に伴う局所的な熱収縮に起因する変形などを抑制して、上述の特定の球面状の反りを高精度に設けられる。また、不均一な冷却に伴う局所的な熱収縮を抑制することで、残留応力が存在することも防止し易い。冷却過程での印加圧力は、高過ぎると、割れが生じたり、冷却中に生じた新たな変形に伴って内部応力が増加したりする可能性があることから、熱プレス時の印加圧力と同等以下(熱プレス時の印加圧力の100%以下)の範囲で調整することが好ましい。冷却過程において100℃未満の温度から室温までの範囲では、除荷して無加圧状態で冷却してもよい。
<熱プレス前の熱処理>
上述のプレス工程前に熱処理を行うことができる。この熱処理によって、複合時に生じた残留応力を低減、除去することができる場合がある。基板素材の組成にもよるが、熱処理条件は、例えば、加熱温度が350℃以上550℃以下程度(例、400℃程度)、保持時間が30分以上720分以下程度(例、60分程度)が挙げられる。
<熱プレス後の熱処理>
上述のプレス工程後に熱処理を行うことができる。熱処理条件を調整することで、上述のプレス工程によって基板に付与された残留応力を調整したり、低減したり、除去したりすることができる場合がある。基板素材の組成にもよるが、例えば、加熱温度が100℃以上200℃以下、保持時間が100時間以上1000時間以下の条件で熱処理を施すと、残留応力を除去し易い。但し、プレス工程後に残留応力を除去した場合、除去と同時に変形が生じることがあるため、プレス条件を調整して、プレス工程では残留応力を実質的に発生させないことが望ましい。
Mg−SiCから構成される基板素材、Al−SiCから構成される基板素材に種々の条件で熱プレスを施して、反りを有する複合部材を作製し、反り状態を調べた。
Mg−SiCを用いた試料は、特許文献1などに記載される溶浸法で作製する。概略は以下の通りである。
原料の金属は、99.8質量%以上がMgであり、残部が不可避不純物からなる純マグネシウムのインゴットである。原料のSiC粉末は、平均粒径が90μmであり、酸化処理を施した被覆粉末である。原料はいずれも市販品である。
用意した上記被覆粉末を成形型(ここでは黒鉛鋳型)に充填した後(キャビティに対するSiC粉末の充填率は70体積%)、上記インゴットを溶融して、成形型に充填した被覆粉末に溶浸する。溶浸条件は、溶浸温度:875℃、Ar雰囲気、雰囲気圧力:大気圧である。溶浸後冷却して純マグネシウムを凝固した後、成形型から成形物を取り出す。この成形物は、長さ190mm×幅140mm×厚さ5mmの板材であり、この長方形状の成形物を基板素材とする。基板素材の組成は、用いた原料に実質的に等しく、基板素材におけるSiCの含有量は、成形型への充填率(70体積%)に実質的に等しい(これらの点は、Al−SiCを用いた試料についても同様)。
Al−SiCを用いた試料は、加圧溶浸法で作製する。ここでは、原料の金属を、99.8質量%以上がAlであり、残部が不可避不純物からなる純アルミニウムのインゴットに変更した点、成形型を金属型とした点、溶浸条件を変更した点(溶浸温度:750℃、Ar雰囲気、加圧圧力:15MPa以上30MPa以下から選択)を除いて、Mg−SiCを用いた試料と同様に作製する(SiC粉末の充填率は70体積%)。得られた長方形状の成形物、ここでは長さ190mm×幅140mm×厚さ5mmの板材を基板素材とする。
各試料の基板素材を球面状の成形型(球状の凸面を有する第一型、球状の凹面を有する第二型)に収納して熱プレスを施す。表1に熱プレスの条件(成形型の曲率半径Rd(mm)、成形型の加熱温度(℃)、印加圧力(kPa又はMPa)、保持時間(min))を示す。
各試料の複合部材(基板)について、曲率半径R(mm)、球面誤差E(μm)、反り量(μm)を表1に示す。
反り量は、各試料の複合部材(基板)の表面形状を市販の三次元測定装置によって解析し、この解析結果における最大変位量(μm)とする。ここでは、基板の長手方向(長辺方向)に沿って変位量を調べ、その最大変位量とする。
(a)熱プレス時の加熱温度をより高く、印加圧力をより大きくとすると(ここでは300℃超、10kPa超)、球面誤差がより小さくなり易い(例、試料No.1−11と、No.1−12からNo.1−16とを比較参照)。
(b)Mg−SiCは、Al−SiCに比較して、加熱温度をより低くしたり、印加圧力をより小さくしたり、保持時間をより短めにしたりするなどしても、球面誤差Eがより小さくなり易い(例、試料No.1−12からNo.1−14と試料No.1−1からNo.1−3とを比較参照)。
(c)熱プレス時の印加圧力が大きくても冷却過程で特定の加圧状態としないと(無加圧で冷却すると)、上述の特定の球面状の反りを精度よく設けられない(試料No.1−114参照)。
(d)Mg−SiCは、Al−SiCに比較して、熱処理や冷熱サイクルを受けても変形し難い(試料No.1−11からNo.1−20と、試料No.1−1,No.1−2,No.1−4からNo.1−7とを比較参照)。ここでは、Mg−SiCの試料は、10サイクル経過後の曲率半径の変化率、100サイクル経過後の曲率半径の変化率、1000サイクル経過後の曲率半径の変化率がいずれも20%以下である。
(e)曲率半径が小さい基板では、反り量が大きくなり易い傾向にある(試料No.1−115、No.1−5,No.1−17参照)。
試験例1と同様にして反りを有する複合部材を作製し、反り状態、残留応力を調べた。
この試験では、金属被覆を有する複合部材と、試験例1と同様に金属被覆を有さない複合部材とを作製する。
金属被覆を有さない複合部材に用いる基板素材は、試験例1と同様に作製して、同様の形状とする(長さ190mm×幅140mm×厚さ5mmの長方形板)。
金属被覆を有する複合部材に用いる被覆付き基板素材は、以下のように作製する。市販の板状のSiC焼結体(相対密度が80%の多孔体)に875℃×2時間の酸化処理を施した被覆成形体を用意し、成形型に被覆成形体と所定の厚さを有するスペーサ(特許文献1参照)とを収納し、溶融状態の金属と被覆成形体との複合時に同時に金属被覆を形成する。ここでは、金属と被覆成形体とを複合した複合材料の板の表裏面に、実質的に同一の厚さの金属被覆を有するものを作製する。この複合材料の板の各面における金属被覆の厚さ(μm、スペーサの厚さに等しい)を表2に示す。金属被覆は、複合材料の金属と同じ金属から構成され、複合材料の板の金属に連続する組織を有する。被覆付き基板素材の形状、大きさは、金属被覆を有さない基板素材と同様である(長さ190mm×幅140mm×厚さ5mmの長方形板)。金属被覆と複合材料の板との合計厚さが5mmとなるように、SiC焼結体の厚さを調整する。
各試料の基板素材、被覆付き基板素材に、試験例1と同様にして熱プレスを施し、得られた熱プレス加工物を各試料の複合部材(基板)とする。熱プレス条件を表2に示す。この試験では、試験例1と同様に、基板素材などの予熱、成形型の中心と基板素材の中心との位置合わせ収納、冷却過程の制御を行う。
各試料の複合部材(基板)について、曲率半径R(mm)、球面誤差E(μm)、熱伝導率(W/m・K)、線膨張係数(ppm/K)、凸側面の残留応力X1(MPa)、凹側面の残留応力X2(MPa)、残留応力の差|X1−X2|(MPa)を表2に示す。
曲率半径R、球面誤差E、熱伝導率、線膨張係数は試験例1と同様にして測定する。
残留応力は、長方形状の基板の凸側面について基板の外縁の表面形状における重心箇所、長方形状の基板の凹側面について基板の外縁の表面形状における重心箇所をそれぞれ測定する。また、測定は、代表的には、凸側面が上向きになるように台などの上に各試料の複合部材を配置して行う。残留応力の測定には市販の歪ゲージを利用できる。残留応力を破壊試験で測定する場合、残留応力の測定用の複合部材(基板)は、その他の測定、評価に用いる複合部材(基板)とは別のものとし、後述する冷熱サイクルや熱処理を受けていないものとする。
(e)非加圧で冷却すると、基板の表裏面で残留応力の方向性が変わり、残留応力の差|X1−X2|が大きくなり易い(試料No.1−102,No.2−113参照)。
(f)急冷とすると、基板の表裏面で残留応力の方向性が変わり、残留応力の差|X1−X2|が大きくなり易い(試料No.1−101,No.2−112参照)。
(g)熱プレス時の加熱温度が低く(ここでは200℃以下)、印加圧力が比較的大きいと(ここでは1MPa)、基板の表裏面で残留応力の方向性が変わり、残留応力の差|X1−X2|が大きくなり易い(試料No.2−111)。
これらのことから、加熱温度を200℃超とし、冷却過程を加圧状態とすると共に、徐冷することが好ましいと考えられる。
試験例1,2で作製した複合部材を半導体素子の放熱部材とし、放熱性を評価した。
例えば、上述の試験例1から3において、基板の組成、形状、大きさ(長さ、幅、厚さ)、金属被覆を有する場合にその厚さ、形成方法、複合時の条件などを適宜変更できる。
3 放熱部材
5 半導体装置 50 半導体素子 52 絶縁基板 54 半田
10α 測定領域 10c 周縁領域 10e 外縁 G 重心
L1からL10 輪郭抽出直線
Claims (11)
- 金属と非金属とを含む複合材料から構成される基板を備え、
前記基板の一面には、曲率半径Rが5000mm以上35000mm以下の球面状の反りを有し、
前記基板における反り部分の輪郭を測定した複数の測定点と前記複数の測定点から求めた近似円弧との平均距離を球面誤差とし、前記球面誤差が10.0μm以下であり、
前記基板の熱伝導率が150W/m・K以上であり、
前記基板の線膨張係数が10ppm/K以下である複合部材。 - 前記非金属の含有量が55体積%以上である請求項1に記載の複合部材。
- −60℃から175℃の冷熱サイクルを10サイクル、100サイクル、1000サイクルそれぞれ負荷した前後の前記曲率半径Rの変化率がいずれも20%以下である請求項1又は請求項2に記載の複合部材。
- 300℃×1時間の熱処理を行った前後の前記曲率半径Rの変化率が20%以下である請求項1から請求項3のいずれか1項に記載の複合部材。
- 前記基板の一面に凸の前記球面状の反りを有し、対向する他面に凹の反りを有し、
前記基板の凸側面における重心箇所の残留応力をX1(MPa)、前記基板の凹側面における重心箇所の残留応力をX2(MPa)、前記基板の外縁を内包する長方形の対角線の長さをL(mm)、前記基板の厚さをH(mm)とし、前記残留応力の差の絶対値|X1−X2|が105×(H/L2)(MPa)未満である請求項1から請求項4のいずれか1項に記載の複合部材。 - 前記基板の凸側面における重心箇所の残留応力と前記基板の凹側面における重心箇所の残留応力との双方が圧縮応力である、又は双方が引張応力である請求項5に記載の複合部材。
- 前記金属はマグネシウム又はマグネシウム合金であり、
前記非金属はSiCを含む請求項1から請求項6のいずれか1項に記載の複合部材。 - 前記金属はアルミニウム又はアルミニウム合金であり、
前記非金属はSiCを含む請求項1から請求項6のいずれか1項に記載の複合部材。 - 請求項1から請求項8のいずれか1項に記載の複合部材を備える放熱部材。
- 請求項9に記載の放熱部材と、
前記放熱部材に搭載される半導体素子とを備える半導体装置。 - 金属と非金属とを含む複合材料から構成される基板素材に加工を施して、前記加工後の基板を備える複合部材を製造する複合部材の製造方法であって、
前記基板素材を曲率半径が5000mm以上35000mm以下である成形型に収納して熱プレスを行うプレス工程を備え、
前記プレス工程は、
加熱温度を200℃超とし、印加圧力を10kPa以上として所定時間保持する保持工程と、
前記印加圧力の80%以上の加圧状態を保持したまま前記加熱温度から100℃以下まで冷却する冷却工程とを備える複合部材の製造方法。
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