KR101021450B1

KR101021450B1 - 알루미늄-탄화 규소질 복합체

Info

Publication number: KR101021450B1
Application number: KR1020067027916A
Authority: KR
Inventors: 고 이와모토; 히데키 히로츠루; 가즈노리 히라하라
Original assignee: 덴끼 가가꾸 고교 가부시키가이샤
Priority date: 2004-09-14
Filing date: 2005-09-07
Publication date: 2011-03-15
Also published as: EP1796164B1; US20070248829A1; EP1796164A4; WO2006030676A1; JPWO2006030676A1; US7838107B2; EP1796164A1; TWI357788B; KR20070064293A; TW200618697A; CN100472766C; CN1977378A; JP4761157B2

Abstract

고신뢰성이 요구되는 반도체 부품을 탑재하는 세라믹 회로 기판의 베이스판으로서 바람직한 알루미늄-탄화 규소질 복합체를 제공한다. 평판 형상의 탄화 규소질 다공체에 알루미늄을 주성분으로 하는 금속을 함침하여 이루어지고, 양 주면에 알루미늄을 주성분으로 하는 금속으로 이루어지는 알루미늄층을 갖고, 일 주면이 회로 기판에 접합되어 타 주면이 방열면으로서 사용되는 알루미늄-탄화 규소질 복합체에 있어서, 탄화 규소질 다공체의 방열면을 볼록형의 휨 형상으로 성형 또는 기계 가공하여, 알루미늄을 주성분으로 하는 금속을 함침 후, 방열면의 알루미늄층에 추가로 기계 가공을 하고, 휨을 부여한 것을 특징으로 하는 알루미늄-탄화 규소질 복합체.

Description

알루미늄-탄화 규소질 복합체{ALUMINUM-SILICON CARBIDE COMPOSITE}

본 발명은, 회로 기판의 베이스판으로서 바람직한 알루미늄-탄화 규소질 복합체에 관한 것이다. 또한, 본 발명에서의 장축은, 평판의 형상이 사각형인 경우에는 대각선을, 원인 경우에는 직경을, 타원인 경우에는 장축을, 그 외의 형상인 경우에는 최대 길이의 축을 각각 표시한다.

오늘날, 반도체 소자의 고집적화, 소형화에 수반하여, 발열량은 증가 일로를 걷고 있고, 얼마나 효율적으로 방열시키는지가 과제로 되어 있다. 그리고, 고절연성ㆍ고열전도성을 갖는 예를 들어 질화 알루미늄 기판, 질화규소 기판 등의 세라믹 기판의 표면에, 구리제 또는 알루미늄제의 금속 회로가 형성된 세라믹 회로 기판을 제작하고, 그리고, 그 이면에 방열판으로서 구리제 또는 알루미늄제의 베이스판이 형성되는 기판이, 예를 들어 파워 모듈용 기판으로서 사용되고 있다.

종래의 세라믹 회로 기판의 전형적인 방열 구조는, 세라믹 회로 기판에 베이스판이 납땜되어 이루어지는 것으로서, 베이스판으로서는 구리, 알루미늄이 일반적이었다. 그러나, 이 구조에서는, 예를 들어 열부하가 가해졌을 경우, 베이스판과 세라믹 회로 기판의 열팽창 계수 차이에 기인하는 크랙이 땜납층에 발생하고, 그 결과 방열이 불충분하게 되어 회로상의 반도체를 오작동시키거나 파손시키거나 하는 등의 문제가 있었다.

그래서, 열팽창 계수를 세라믹 회로 기판의 그것에 접근시킨 베이스판으로서 알루미늄 합금 탄화 규소질 복합체가 특공표 평5-507030호에 제안되고 있다.

베이스판은 방열 핀이나 방열 유닛 등에 접합되는 경우가 많고, 그 접합 부분의 형상이나 휨도 중요하다. 예를 들어, 베이스판을 방열 핀이나 방열 유닛 등에 접합하는 경우, 일반적으로 베이스판의 주연부에 형성된 구멍을 사용하여 나사 고정시키지만, 베이스판에 미소한 요철이 존재하면, 베이스판과 방열 핀이나 방열 유닛 등 사이에 간극이 생겨 비록 고열전도성의 방열 그리스를 도포해도, 열전달성이 저하되는 경우가 있다. 그 결과, 세라믹 회로 기판, 베이스판, 방열 핀이나 방열 유닛 등으로 구성되는 모듈 전체의 방열성이 저하된다는 과제가 있었다.

그래서, 베이스판과 방열 핀 사이에 가능한 한 간극이 생기도록, 미리 베이스판에 볼록형의 휨을 부여한 것을 사용하는 경우가 많다. 이 휨은 통상, 소정 형상을 갖는 지그를 사용하고, 가열하, 베이스판에 압력을 가함으로써 얻을 수 있지만, 이 방법에 따라 얻어진 휨은, 휨량의 불균형이 크고, 또한 형상이 일정하지 않기 때문에 품질이 안정되지 않다는 과제가 있었다. 또, 휨 형상의 불균형에 의해, 방열 핀이나 방열 유닛 등 사이에 간극이 생긴다는 과제가 있었다.

베이스판 표면을 기계 가공에 의해 절삭함으로써 휨을 부여하는 방법도 있지만, 알루미늄-탄화 규소질 복합체의 경우에는 재질이 매우 딱딱하고, 다이아몬드 등의 공구를 사용한 연삭이 필요하고, 가공 시간이 길어, 비용이 비싸진다는 과제 가 있었다.

그래서, 상기 과제를 해결할 수 있도록, 평판 형상의 탄화 규소질 다공체에 알루미늄을 주성분으로 하는 금속을 함침하고, 양 주면에 알루미늄층을 형성하고 방열면측의 알루미늄층을 기계 가공하는 방법이 제안되고 있다. 또한, 본 발명에 있어서, 알루미늄층이란 알루미늄 합금층 등의 알루미늄을 주성분으로 하는 금속층을 의미한다.

그러나, 상기 방법을 사용하여 제조된 베이스판은, 기계 가공 후 알루미늄층의 중앙부가 두꺼워지는 경향이 있다. 그 때문에, 파워 모듈 조립시에 세라믹 회로 기판과 납땜을 실시하면, 세라믹 회로 기판의 배치에 따라서는 방열면 중앙부의 형상이 변형되고, 방열 핀 사이에 간극이 생겨, 충분한 방열 특성을 발휘할 수 없는 경우가 있었다.

또한, 상기 방법에 있어서, 양 주면의 알루미늄층의 두께를 제어하기 위해, 함침시에 사용하는 알루미늄 합금보다 융점이 높은, 고순도의 알루미늄판을 사용하는 경우가 있고, 함침시에, 고순도 알루미늄과 융점이 낮은 알루미늄층의 반응에 의해 국소적인 색조 차를 일으키는 경우가 있었다.

발명의 개시

발명이 해결하고자 하는 과제

본 발명은, 상기 상황을 감안하여 이루어진 것으로서, 그 목적은, 세라믹 회로 기판용 베이스판으로서 바람직한 알루미늄-탄화 규소질 복합체를 제공하는 것에 있다.

과제를 해결하기 위한 수단

본 발명자는, 상기 목적을 달성하기 위하여 예의 연구를 진행시킨 바, 하기의 요지를 갖는 알루미늄-탄화 규소질 복합체에 도달하였다.

(1) 평판 형상의 탄화 규소질 다공체에 알루미늄을 주성분으로 하는 금속을 함침하여 이루어지고, 양 주면에 알루미늄을 주성분으로 하는 금속으로 이루어지는 알루미늄층을 갖고, 일 주면이 회로 기판에 접합되어 타 주면이 방열면으로서 사용되는 알루미늄-탄화 규소질 복합체에 있어서, 탄화 규소질 다공체의 방열면을 볼록형의 휨 형상으로 성형 또는 기계 가공하고, 알루미늄을 주성분으로 하는 금속을 함침 후, 방열면의 알루미늄층에 추가로 기계 가공을 실시하여 휨을 부여한 것을 특징으로 하는 알루미늄-탄화 규소질 복합체.

(2) 회로 기판 접합면의 알루미늄층의 평균 두께가 0.1∼0.3mm, 상기 회로 기판 접합면 내의 알루미늄층의 두께 차가 0.1mm 이내이고, 추가로 양 주면의 알루미늄층의 평균 두께의 차가, 두꺼운 쪽의 알루미늄층의 평균 두께의 40% 이내인 상기 (1) 기재된 알루미늄-탄화 규소질 복합체.

(3) 알루미늄을 주성분으로 하는 금속으로 이루어지는 알루미늄층 중에, 알루미나 혹은 실리카를 주성분으로 하는, 섬유, 구상 입자 및 파쇄 형상의 입자 중 1종 이상을 5∼40질량% 함유시키는 상기 (1) 또는 (2) 기재된 알루미늄-탄화 규소질 복합체.

(4) 열전도율이 180W/mK 이상이고, 또한 열팽창 계수가 10×10^-6/K 이하인 상기 (1)∼(3) 중 어느 한 항에 기재된 알루미늄-탄화 규소질 복합체.

(5) 가공 변형 제거를 위한 가열 처리 전후의 방열면의 장축 방향의 휨량의 변화량이 200mm 당 30㎛ 이하인 상기 (1)∼(4) 중 어느 한 항에 기재된 알루미늄-탄화 규소질 복합체.

(6) 고압 단조법으로 제조되는 상기 (1)∼(5) 중 어느 한 항에 기재된 알루미늄-탄화 규소질 복합체.

도 1 은 본 발명의 알루미늄-탄화 규소질 복합체의 실시 양태의 사시도.

도 2 는 도 1 의 A-A에서의 단면도.

〈도면의 주요부분에 대한 부호의 설명〉

1 : 알루미늄-탄화 규소질 복합체

2 : 알루미늄층

발명의 효과

본 발명의 알루미늄-탄화 규소질 복합체는, 저열팽창 및 고열전도라는 특징을 갖는다. 평판 형상의 탄화 규소질 다공체의 일 주면을, 알루미늄 합금 함침 전에 볼록형의 형상으로 미리 성형 또는 기계 가공하고, 알루미늄 합금 함침 후, 추가로 표면 알루미늄층을 기계 가공함으로써, 종래의 휨 부여 방법에 비하여, 세라믹 회로 기판과 납땜 후의 방열성이 양호해진다. 간단하게 소정 형상으로 가공할 수 있고, 방열면의 변형 형상 변화가 적어, 외관의 국소적인 색 불균일 불량의 발생을 막을 수 있기 때문에, 특히 고신뢰성이 요구되는 반도체 부품을 탑재하는 세라믹 회로 기판의 베이스판으로서 바람직하다.

발명을 실시하기 위한 최선의 형태

금속-세라믹 복합체의 제법은, 크게 분리하면 함침법과 분말야금법의 2종이 있다. 이 중 분말야금법은 열전도율 등의 특성면에서 충분한 것을 얻을 수 없고, 실제로 상품화되어 있는 것은, 함침법에 의한 것이다. 함침법에도 여러 가지 제법이 있고, 상압(常壓)에서 실시하는 방법과 고압 하에서 실시하는 방법 (고압 단조법) 이 있다. 고압 단조법에는, 용탕 단조법과 다이캐스트법이 있다.

본 발명에 바람직한 방법은, 고압 하에서 함침을 실시하는 고압 단조법으로서, 용탕 단조법과 다이캐스트법 중 어느 것이나 사용할 수 있지만, 용탕 단조법이 보다 바람직하다. 고압 단조법은, 고압 용기 내에, 세라믹 다공체 (이하, 프리폼이라 한다) 를 장전하고, 이에 알루미늄 합금의 용탕을 고압에서 함침시켜 복합체를 얻는 방법이다.

이하, 본 발명에 대해, 용탕 단조법에 의한 제법예를 설명한다.

본 발명에 관련되는 탄화 규소 다공체 (이하, SiC 프리폼이라고 한다) 의 제조 방법에 관하여 특별히 제한은 없고, 공지된 방법으로 제조할 수 있다. 예를 들어, 원료인 탄화 규소 (이하, SiC 라고 한다) 분말에 실리카 혹은 알루미나 등을 결합재로서 첨가하여 혼합하고, 성형하여, 800℃ 이상에서 소성함으로써 얻을 수 있다. 성형 방법에 대해서도 특별히 제한은 없고, 프레스 성형, 압출 성형, 주조 성형 등을 사용할 수 있고, 필요에 따라 보형용 바인더의 병용이 가능하다.

본 발명의 특징 중 하나인 SiC 프리폼의 일 주면의 볼록형 휨 형상은 성형 또는 기계 가공에 의해 형성한다. 성형 및 기계 가공 방법에 관하여 특별히 제한은 없지만, 상기 SiC 프리폼의 제조 방법에 있어서, SiC 분말에 결합재를 첨가한 혼합물을 성형시에, 형상을 부가한 성형형을 사용하는 방법, 또는 소성 후에 일 주면을 기계 가공하여 볼록형의 형상을 형성하는 방법 중 어느 것도 사용할 수 있다.

알루미늄 합금을 SiC 프리폼에 함침시켜, 알루미늄-탄화 규소질 복합체를 얻는 방법으로서는, 예를 들어, 하기 방법이 있다. SiC 프리폼을 형 틀 내에 수납한 후, 상기 형 틀의 양 주면에, 알루미나 혹은 실리카를 주성분으로 하는, 섬유, 구상 입자, 및 파쇄 형상의 입자 중 1종 이상을 직접 접하도록 배치하고, 하나의 블록으로 한다. 알루미늄 합금으로서는, 바람직하게는, AC4C, AC4CH, ADC12 등이 사용된다. 상기 블록을 500∼650℃ 정도에서 예열 후, 고압 용기 내에 1개 또는 2개 이상 배치하고, 블록의 온도 저하를 막기 위하여 가능한 한 신속하게 알루미늄 합금의 용탕을 30MPa 이상의 압력에서 가압하고, 알루미늄 합금을 SiC 프리폼의 공극 중에 함침시킴으로써, 양 주면에 알루미늄층을 형성한 알루미늄-탄화 규소질 복합체를 얻을 수 있다. 본 발명에서는, 함침시의 변형 제거의 목적으로 어닐 처리를 실시하는 경우도 있다.

본 발명의 탄화 규소질 다공체에 알루미늄 또는 그 합금을 함침하여 이루어지는 알루미늄-탄화 규소질 복합체의 중요한 특성은, 열전도율과 열팽창 계수이다. 탄화 규소질 다공체 중의 SiC 함유율이 높은 것이, 열전도율이 높고, 열팽창 계수가 작아지기 때문에 바람직하지만, 함유율이 높아지면 알루미늄 합금이 충분히 함침되지 않는 경우가 있다. 실용적으로는, 평균 입자경이 바람직하게는 40㎛ 이상의 거친 SiC 입자를 40질량% 이상 함유하고, SiC 프리폼의 상대 밀도가 바람직하게는 55∼75% 의 범위에 있는 것이 바람직하다. SiC 프리폼의 강도는, 취급시나 함침 중의 균열을 막기 위해, 굴곡 강도에서 3MPa 이상 있는 것이 바람직하다.

SiC 프리폼용 원료 SiC 분말에 대해서는, 입도 조정을 실시하는 것이 바람직하다. 조분만으로는, 강도 발현성이 저하되고, 또한, 미분만으로는, 얻을 수 있는 복합체에 대해 높은 열전도율을 바랄 수 없는 경우가 있다. 본 발명자의 검토에 의하면, 예를 들어, 평균 입자경이 바람직하게는 40∼150㎛ 의 SiC 조분 40∼80질량% 와 평균 입자경이 바람직하게는 5∼15㎛ 의 SiC 미분을 60∼20질량% 혼합한 혼합분말이 바람직하다.

SiC 프리폼은, 상기 SiC 분말에 결합재를 첨가한 혼합물의 성형체를, 탈지, 소성함으로써 얻을 수 있다. 소성 온도가 800℃ 이상이면, 소성시의 분위기에 상관없이, 굴곡 강도가 3MPa 이상인 SiC 프리폼을 얻을 수 있다. 그러나, 산화성 분위기 중에서는, 1100℃ 를 초과하는 온도에서 소성하면, SiC 의 산화가 촉진되고, 알루미늄-탄화 규소질 복합체의 열전도율이 저하되는 경우가 있으므로, 산 화성 분위기 중에서는, 1100℃ 이하의 온도에서 소성하는 것이 바람직하다. 소성 시간은, SiC 프리폼의 크기, 소성로에 대한 투입량, 소성 분위기 등의 조건에 맞추어 적절하게 결정할 수 있다.

본 발명에 관련되는 SiC 프리폼은, 성형시에 소정 형상으로 하는 경우, 1매씩 건조시키거나, SiC 프리폼 사이에 프리폼 형상과 동일한 형상의 카본 등의 스페이서를 사용하여 건조시킴으로써, 건조에 의한 휨 형상의 변화를 막을 수 있다. 또, 소성에 관해서도 건조시와 동일한 처리를 실시함으로써, 내부 조직의 변화에 수반하는 형상 변화를 막을 수 있다.

또한, 본 발명의 알루미늄-탄화 규소질 복합체 중의 알루미늄 합금은, 함침시에 프리폼의 공극내에 충분히 침투하기 위하여 융점이 가능한 한 낮은 것이 바람직하다. 이러한 알루미늄 합금으로서 예를 들어 규소를 7∼25질량% 함유한 알루미늄 합금을 들 수 있다. 또한, 마그네슘을 함유시키는 것은, 탄화 규소 입자와 금속 부분의 결합이 보다 강고하게 되어 바람직하다. 알루미늄 합금 중의 알루미늄, 규소, 마그네슘 이외의 금속 성분에 관해서는, 극단적으로 특성이 변화되지 않는 범위라면 특별히 제한은 없고, 예를 들어 구리 등이 함유되어 있어도 된다.

본 발명에 있어서, 소정 두께의 알루미늄층을 형성시키기 위해, 알루미나 혹은 실리카를 주성분으로 하는, 섬유, 구상 입자, 및 파쇄 형상의 입자 중 1종 이상을 적층 공정에 있어서, SiC 프리폼의 표면에 직접 접하도록 배치하는 것이 바람직하다. 이에 따라, 소정 두께의 알루미늄층을 형성할 수 있을 뿐만 아니라, 함 침 후의 색 불균일도 거의 없어, 형상 첨가시에 가공성이 양호해진다는 이점이 있다.

알루미늄층 중의, 알루미나 혹은 실리카를 주성분으로 하는 섬유, 구상 입자 및 파쇄 형상의 입자 중 1종 이상으로 이루어지는 재료의 함유량은, 알루미늄-탄화 규소질 복합체의 질량에 대해, 바람직하게는 5∼40질량%, 특히 바람직하게는 10∼20질량% 가 바람직하다. 함유량이 5질량% 미만에서는, 양 주면의 알루미늄층의 두께 제어가 어려워지는 경우가 있고, 가공 후의 어닐 처리에 의해 휨 형상이 크게 변화되는 경우가 있다. 한편, 함유량이 40% 질량을 초과하면, 알루미늄 합금층이 지나치게 딱딱해져, 일반적인 기계 가공이 어려워진다.

SiC 프리폼에 대한 알루미늄 합금 함침시의 변형 제거의 목적으로 실시하는 어닐 처리는, 400∼550℃ 의 온도에서 10분 이상 실시하는 것이 바람직하다. 어닐 온도가 400℃ 미만이면, 복합체 내부의 변형이 충분히 개방되지 않고 기계 가공 후의 어닐 처리 공정에서 휨이 크게 변화되는 경우가 있다. 또한, 어닐 온도가 550℃ 를 초과하면, 함침으로 사용한 알루미늄 합금이 용융하는 경우가 있다. 어닐 시간이 10분 미만이면, 어닐 온도가 400∼550℃ 이어도 복합체 내부의 변형이 충분히 개방되지 않고, 기계 가공 후의 가공 변형 제거를 위한 어닐 처리 공정에서, 휨이 크게 변화되는 경우가 있다.

알루미늄-탄화 규소질 복합체 표면에 형성되는 알루미늄층의 두께는, 기계 가공으로 양 주면을 가공하는 경우에는 양 주면의 두께를 동일하게 할 수도 있으나, 방열면측만을 가공하는 경우에는, 가공 후에 양 주면의 알루미늄층의 두께가 크게 상이하지 않도록, 미리 가공하는 방열면측의 알루미늄층의 두께를 두껍게 해 두는 것이 좋다. 회로 기판 접합면의 알루미늄층의 평균 두께는 0.1∼0.3mm 가 바람직하고, 양 주면의 알루미늄층의 평균 두께의 차가 두꺼운 쪽의 알루미늄층의 평균 두께의 40% 이내인 것이 바람직하다.

회로 기판 접합면의 알루미늄층의 평균 두께가 0.1mm 미만이면, 기계 가공시에 알루미늄-탄화 규소질 복합체 중의 SiC 프리폼 구조 부분에 가공 칼날이 맞닿아 칩핑의 원인이 됨과 동시에, 알루미늄-탄화 규소질 복합체 중의 SiC 프리폼 구조 부분이 노출되어 도금 불량의 원인이 되는 경우가 있다. 한편, 회로 기판 접합면의 알루미늄층의 평균 두께가 0.3mm 를 초과하면, 세라믹 회로 기판을 납땜한 후에 방열면의 형상이 변형되고, 방열 핀 사이에 간극이 생겨 충분한 방열 특성을 얻을 수 없는 경우가 있다. 또, 양 주면의 알루미늄층의 평균 두께의 차가, 두꺼운 쪽의 알루미늄층의 평균 두께의 40%를 초과하면, 열전도율이 저하되거나 그 후의 가공 변형 제거를 위한 어닐 처리시에, 양 주면의 알루미늄층의 열팽창 계수 차이에 의해 휨량이 변화되는 경우가 있다.

회로 기판 접합면 내의 알루미늄층의 두께 차이는, 바람직하게는 0.1mm 이내, 특히 바람직하게는 0.05mm 이내가 바람직하다. 회로 기판 접합면 내의 알루미늄층의 두께 차가, 0.1mm 보다 커지면, 기계 가공을 실시했을 경우, 그 후의 어닐 처리시에 휨이 크게 변화되는 경우가 있다. 또한, 실장된 소자로부터의 열에 의해, 가장 두꺼운 부위와 가장 얇은 부위에서의 열팽창 차가, 크랙의 발생 원인이 되는 경우가 있다.

방열면, 또는 회로 기판 접합면의 휨 형성은, 선반 등의 기계 가공에 의해 실시하는 것이 바람직하다. 선반 등에 대한 피가공품의 고정은 피가공품의 주연부에 형성된 구멍 등을 사용하여 나사 고정시키는 방법이 일반적으로 사용된다. 본 발명에서는, 알루미늄-탄화 규소질 복합체 표면의 알루미늄층을 기계 가공하기 위해, 이상적인 구면 형상의 방열면을 얻을 수 있고, 양호한 방열 특성과 응력 완화성을 갖는 알루미늄-탄화 규소질 복합체를 얻을 수 있다.

기계 가공 전의 알루미늄-탄화 규소질 복합체의 알루미늄층의 두께가 거의 같을 때에는, 양 주면과도 가공을 실시하고, 양 주면의 알루미늄층의 평균 두께의 차가, 두꺼운 쪽의 알루미늄층의 평균 두께의 40% 이내로 하는 것이 필요한 경우가 있다. 회로 기판 접합면을 기계 가공시에는, 방열면측과 동일한 휨 가공을 실시할 필요는 없고 평면 연삭으로도 상관없지만, 방열면만의 가공의 경우에 비하여 가공 비용이 비싸진다는 과제가 있다. 방열면측의 알루미늄층의 두께를 미리 두껍게 했을 경우에는, 방열면만을 가공하여, 양 주면의 알루미늄층의 평균 두께의 차가, 방열면의 알루미늄층의 평균 두께의 바람직하게는 40% 이내, 특히 바람직하게는 30% 이내로 조정하는 것이 바람직하다.

또한, 기계 가공 후의 양 주면의 알루미늄층의 평균 두께의 합계는 바람직하게는 1.0mm 이하, 특히 바람직하게는 0.6mm 이하로 하는 것이 바람직하다. 양 주면의 알루미늄층의 평균 두께의 합계가 1.0mm 를 초과하면 알루미늄-탄화 규소질 복합체 전체의 열팽창 계수가 커지고, 반도체 부품 탑재 후에 열부하가 가해졌을 때, 알루미늄-탄화 규소질 복합체와 세라믹 회로 기판의 열팽창 계수 차이에 기인 하는 크랙이 땜납층에 발생하고, 그 결과, 방열이 불충분하게 되어 반도체를 오작동시키거나 파손시키거나 하는 문제가 생길 우려가 있다.

기계 가공 후의 알루미늄-탄화 규소질 복합체의 방열면의 휨량은, 장축 상에서 200mm 당 바람직하게는 10∼400㎛, 특히 바람직하게는 100∼300㎛ 가 되도록 가공하는 것이 바람직하다. 방열면의 휨량이 10㎛ 미만이면, 그 후의 모듈 조립 공정에 있어서, 방열면과 방열 핀 사이에 간극이 생기고, 비록 고열전도성의 방열 그리스를 도포해도, 열전도성이 저하되고, 그 결과, 세라믹 회로 기판, 베이스판, 방열 핀 등으로 구성되는 모듈의 방열성이 저하되는 경우가 있다. 또한, 휨량이 400㎛ 를 초과하면, 방열 핀과 접합시의 나사 고정 시에, 알루미늄-탄화 규소질 복합체, 또는 세라믹 회로 기판에 크랙이 발생하는 경우가 있다.

회로 기판 면의 장축 상의 휨량은, 200mm 당, 바람직하게는 -200∼200㎛, 특히 바람직하게는 -100∼100㎛ 인 것이 바람직하다. 회로 기판 면의 장축 상의 휨량이 상기 범위를 벗어나면, 회로 기판 접합시의 땜납 두께가 일정하게 되지 않고, 또 납땜시에 보이드가 발생하기 쉽고, 세라믹 회로 기판, 알루미늄-탄화 규소질 복합체, 방열 핀 등으로 구성되는 모듈의 방열성이 저하되는 경우가 있다.

가공 변형 제거를 위한 어닐 처리는 400℃∼550℃ 의 온도에서 10분간 이상 실시하는 것이 바람직하다. 어닐 온도가 400℃ 미만이거나 어닐 온도가 400℃∼550℃ 이어도 어닐 시간이 10분 미만이면, 복합체 내부의 변형이 충분히 개방되지 않고 그 후의 회로 기판의 납땜 공정 등에서 휨이 크게 변화되는 경우가 있다. 또, 어닐 온도가 550℃ 를 초과하면 함침된 알루미늄 합금이 용융되는 경우가 있다.

어닐 처리 전후의 방열면의 장축 상의 휨량의 차이는, 200mm 당, 바람직하게는 30㎛ 이하, 특히 바람직하게는 20㎛ 이하인 것이 바람직하다. 휨량의 차가 30㎛ 를 초과하면, 모듈 조립 공정에서 알루미늄-탄화 규소질 복합체와 방열 핀 사이에 간극이 생기고, 비록 고열전도성의 방열 그리스를 도포해도, 열전도성이 저하되는 경우가 있다.

본 발명에 관련되는 알루미늄-탄화 규소질 복합체는, 양호한 방열 특성과 응력 완화성을 갖는 것으로서, 예를 들어, 세라믹 회로 기판과 방열 핀 등의 방열 부품 사이에 개재하는 베이스판으로서 바람직하다.

본 발명에 관련되는 알루미늄-탄화 규소질 복합체는, 양 주면 상에 알루미늄층을 갖고, 방열면을 이상적인 구면 형상으로 가공하는 것이 가능하기 때문에, 본 발명에 관련되는 알루미늄-탄화 규소질 복합체를 베이스판으로서 사용했을 경우, 베이스판과 방열 핀 등의 방열 부품과의 접촉이 양호해지고, 세라믹 회로 기판, 베이스판, 그리고 방열 핀 등으로 구성되는 모듈의 방열 특성이 우수하다는 효과를 나타낸다.

본 발명의 알루미늄-탄화 규소질 복합체는, 열전도율이 180W/mK 이상, 특히, 200W/m 이상이고, 열팽창 계수가 10×10^-6/K 이하, 특히, 8.5×10^-6/K 이하에 도달할 수 있다. 상기 효과에 추가하여, 고열전도율이고, 게다가 반도체 부품이나 세라믹 회로 기판과 동등 레벨의 저팽창비율이기 때문에, 이것을 사용한 방열 부품, 나아가 그것을 사용한 모듈은, 방열 특성이 우수하고 또, 온도 변화를 수용하여도 변형되기 어렵고, 그 결과, 고신뢰성을 얻을 수 있다는 특징이 있다

실시예 1

SiC 분말 A (타이헤이요 랜덤사 제조 : NG-220, 평균입경:60㎛) 70g, SiC 분말 B (야쿠시마 전공사 제조 :G,C-1000F, 평균입경 : 10㎛) 30g, 및 실리카 졸 (닛산 화학사 제조 : 스노우텍스) 10g 을 칭량하고, 교반 혼합기로 30분간 혼합한 후, 세로 185mm×가로 135mm×두께 5.0mm 의 치수의 평판 형상으로 압력 10MPa 에서 프레스 성형했다.

얻어진 성형체를, 대기 중, 900℃ 에서 2시간 소성하고, 상대 밀도가 65% 인 SiC 프리폼을 얻은 후, SiC 프리폼의 일 주면을 선반에 의해 200mm 당 200㎛ 가 휘어지도록 볼록형 구면 형상으로 가공하여, 중앙부의 두께를 4.6mm 로 하였다.

얻어진 SiC 프리폼을, 용탕을 유입할 수 있는 탕구가 형성된, 세로 185mm×가로 135mm×높이 5.2mm 의 철제 틀에 넣고, 구면 형상 면 (방열면) 상에, 세로 185mm×가로 135mm×두께 0.4mm 의 알루미나 섬유 (타나카 제지사 제조, 순도97%, 시트상 형태), 그리고, 평면형상 면 (회로 기판 접합면) 상에, 세로 185mm×가로 135mm×두께 0.2mm 의 알루미나 섬유 (타나카 제지사 제조, 순도 97%, 시트상 형태) 를, 형성되는 알루미늄층에 대해 모두 함유량이 35질량% 가 되도록 배치했다.

양면을 카본코팅한 SUS판으로 사이에 끼워 일체로 한 것을 전기로로 600℃ 로 예열하였다. 다음으로 그것을 미리 가열해 둔 내경 300mm 의 프레스형 내 에 넣고, 실리콘을 12질량%, 마그네슘을 0.5질량% 함유하는 알루미늄 합금의 용탕을 부어, 100MPa의 압력에서 20분간 가압하여 SiC 프리폼에 알루미늄 합금을 함침시켰다. 실온까지 냉각시킨 후, 습식 밴드소로 철 틀 등을 절단하여, 사이에 끼운 SUS판을 벗긴 후, 함침시의 변형 제거를 위하여 530℃ 의 온도에서 3시간 어닐 처리를 실시하고, 알루미늄-탄화 규소질 복합체를 얻었다.

다음으로, 알루미늄-탄화 규소질 복합체의 주연부 4구석에 직경 8mm 의 가공 구멍을 형성하고, 선반 지그에 가공 구멍을 이용하여 나사 고정하고, 알루미늄층의 두께가 0.4mm 의 면에 200mm 당 200㎛ 의 휨을 부여하고 구면 형상이 되도록 가공하였다. 또, 연삭량은, 가공 후의 양 주면의 알루미늄층 평균 두께가 동일해지도록, 평균 200㎛ 의 연삭을 실시하여 평균 두께 5.0mm 로 하였다. 기계 가공 후, 머플로를 사용하여 530℃ 의 온도에서 3시간 어닐 처리를 실시하여 가공 변형의 제거를 실시했다.

비교예 1 <가열하, 압력을 가하여 휨을 부여한 예>

세로 185mm×가로 135mm×높이 5.0mm 의 철제 틀를 사용하여, SiC 프리폼의 형상을, 세로 185mm×가로 135mm×두께 5.0mm 의 평판 형상으로 하고, SiC 프리폼의 양면에 알루미나 섬유를 배치하지 않고, 프리폼 및 알루미늄-탄화 규소질 복합체의 기계 가공을 실시하지 않은 것 이외에는, 실시예 1 과 동일하게 하여 알루미늄-탄화 규소질 복합체를 제작하였다.

다음으로, 얻어진 알루미늄-탄화 규소질 복합체의 상하에 250mm 당 250㎛ 의 구면 형상의 요철 카본형을 배치하고, 대기 중 530℃ 의 온도에서 10분간 가열하 고, 추가로 5MPa의 압력에서 10분간 가압하여 200mm 당 200㎛ 의 휨이 부여되도록 휨을 부여하였다. 휨 부여 후, 530℃ 의 온도에서 3시간 어닐 처리를 실시했다.

<물성 측정>

실시예 1 및 비교예 1 에서 얻어진 알루미늄-탄화 규소질 복합체를 대각선 을 따라 절단하고, 각각 주면 (이하, 주면 1, 주면 2 라고 한다.) 의 알루미늄층(AL층) 의 두께를 대각선을 따라 등간극으로 20점 측정하고, 그 평균치를 산출했다.

다음으로, ((주면 1 과 주면 2 의 알루미늄층의 평균 두께의 차이의 절대치)/(두꺼운 쪽의 알루미늄층의 평균 두께)×100) 의 값을 산출했다. 또, 연삭 가공에 의해 열팽창 계수 측정용 시험체 (직경 3mm, 길이 10mm), 열전도율 측정용 시험체 (직경 11mm, 두께 3mm), 휨 형상 측정용 시험체 (100mm×50mm×3mm) 를 제작했다. 각각 시험체를 사용하여, 25∼250℃ 의 열팽창 계수를 열팽창계 (세이코 전자공업사 제조;TMA300) 로, 25℃에서의 열전도율을 레이저-플래시법 (리가쿠 전기사 제조;LF/TCM-8510B) 으로 측정했다. 휨 형상에 대해서는, 윤곽 형상 측정기 (토쿄 정밀사 제조;윤곽 레코드 1600 D-22) 를 사용하고, 시험체 각 20점에 대해, 실시예 1 에서는 기계 가공 후 및 어닐 처리 후의 방열면의 대각선상 200mm 당의 휨량을, 비교예 1 에서는 휨 부여 후 및 어닐 처리 후의 방열면의 대각선상 200mm 당의 휨량을 측정했다. 또한, 편차를 알기 위해, 2개의 대각선상의 휨 값 차의 평균 및 표준편차를 산출한 C 결과를 표 1 및 표 2 에 나타낸다.

실시예 2∼9

알루미늄층의 평균 두께가 100㎛ 가 되도록, 평면형상 면의 알루미나 섬유의 두께 0.1mm 로 바꾸고, 알루미늄 합금 함침 후, 구면 형상 면을 300㎛ 연삭한 것 (실시예 2), 알루미늄층의 평균 두께가 300㎛ 가 되도록, 평면형상 면의 알루미나 섬유의 두께를 0.3mm 로 바꾸고, 알루미늄 합금 함침 후, 구면 형상 면을 100㎛ 연삭한 것 (실시예 3), 알루미늄층의 평균 두께가 50㎛ 가 되도록, 평면형상 면의 알루미나 섬유의 두께를 0.05mm 로 바꾸어 알루미늄 합금 함침 후, 구면 형상 면을 350㎛ 연삭한 것 (실시예 4), 알루미늄층의 평균 두께가 350㎛ 가 되도록, 평면형상 면의 알루미나 섬유의 두께를 0.35mm 로 바꾸고, 구면 형상 면을 50㎛ 연삭한 것 (실시예 5), 평면형상 면의 알루미늄층의 두께 차가 100㎛ 가 되도록, 평면형상 면의 알루미나 섬유의 일단의 두께를 0.15mm 가 되고, 타단의 두께를 0.25mm 가 되도록 단계적으로 두께를 바꾼 것 (실시예 6), 평면형상 면의 알루미나 섬유의 두께를 0.12mm 로 바꾼 것 (실시예 7), 평면형상 면의 알루미나 섬유의 두께를 0.11mm 로 바꾼 것 (실시예 8), 평면형상 면의 알루미나 섬유의 두께를 0.1mm 로 바꾼 것 (실시예 9) 이외에는, 실시예 1 과 동일하게 하여 알루미늄-탄화 규소질 복합체를 제작하고, 가공, 평가를 실시했다. 결과를 표 1 및 표 2 에 나타낸다.

실시예 10∼16

알루미나 섬유의 함유량을 3질량% 로 한 것 (실시예 10), 알루미나 섬유의 함유량을 45질량% 로 한 것 (실시예 11), 알루미나 섬유의 함유량을 5질량% 로 한 것 (실시예 12), 알루미나 섬유의 함유량을 40질량% 로 한 것 (실시예 13), SiC 프 리폼의 양면에 알루미나 섬유를 배치하지 않았던 것 (실시예 14), 알루미나 섬유 대신에 구형 알루미나 입자 (스미토모 화학사 제조 알루미나 CB-10 그레이드 순도 99.9%) 를 35질량% 충전하여 사용한 것 (실시예 15) 알루미나 섬유 대신에 파쇄 형상의 알루미나 입자 (쇼와 전공사 제조 알루미나 AL-15-H 그레이드 순도 99.9%) 를 35질량% 충전하여 사용한 것 (실시예 16) 이외에는, 실시예 1 과 동일하게 하여 알루미늄-탄화 규소질 복합체를 제작하여, 평가를 실시한다. 결과를 표 1 및 표 2 에 나타낸다.

	Al층 평균 두께 (㎛)*1		Al층 평균 두께의 차 (㎛)	Al층 평균 두께(㎛) 최대 두께-최소 두께		Al층 평균 두께 차/주면 1)×100(%)	열전도율(W/mk)	열팽창계수(10^-6/K)
	주면 1	주면 2	Al층 평균 두께의 차 (㎛)	주면 1	주면 2	Al층 평균 두께 차/주면 1)×100(%)	열전도율(W/mk)	열팽창계수(10^-6/K)
실시예 1	208	191	17	18	15	8.1	195	7.5
실시예 2	105	101	4	16	11	3.8	187	4.2
실시예 3	295	283	12	22	26	4.1	201	9.5
실시예 4	62	55	7	7	7	11.2	188	3.8
실시예 5	353	331	22	24	20	6.2	203	9.2
실시예 6	210	194	16	112	14	7.6	195	10.6
실시예 7	207	127	80	13	11	38.6	200	5.5
실시예 8	208	117	91	14	10	43.8	192	5.7
실시예 9	207	102	105	13	11	50.7	195	5.6
실시예 10	212	189	23	16	12	10.9	198	9.6
실시예 11	206	187	19	13	7	9.2	176	8.7
실시예 12	210	189	21	21	23	10	196	9.4
실시예 13	211	190	21	25	19	10	184	8.1
실시예 14	210	185	25	33	36	11.9	198	9.1
실시예 15	206	189	17	15	15	8.3	195	7.3
실시예 16	209	190	19	18	14	9.1	195	7.7
비교예 1	63	51	12	5	7	19.0	194	7.5

*1 계산상, Al층 평균 두께가 두꺼운 쪽을 주면 1 로 한다.

	기계 가공 후 또는 휨 부여 후*3		어닐 후		어닐 전후의 휨량의 차
	평균 휨*2	2개의 대각선 휨 값 차의 표준 편차	평균 휨*2	2개의 대각선 휨 값 차의 표준 편차	어닐 전후의 휨량의 차
	(㎛/200mm 스팬)		(㎛/200mm 스팬)		(㎛/200mm 스팬)
실시예 1	204	3.3	206	5.3	2
실시예 2	205	2.1	206	4.3	1
실시예 3	200	3.5	207	10.2	7
실시예 4	203	2.5	204	3.8	1
실시예 5	203	4.8	208	13.1	5
실시예 6	201	4.6	239	41.2	38
실시예 7	201	3.8	181	17.1	20
실시예 8	199	3.9	172	25.5	27
실시예 9	202	3.9	156	22.1	46
실시예 10	205	3.5	183	27.6	22
실시예 11	203	3.4	205	6.8	2
실시예 12	204	3.1	206	10.3	2
실시예 13	202	3.3	188	7.2	4
실시예 14	206	5.6	188	11.8	18
실시예 15	201	3.3	198	18.7	3
실시예 16	204	3.3	214	13.6	10
비교예 1	201	66.2	185	79.8	16

*2 방열면의 장축 상의 평균 휨량. 휨 값에 관해서는 볼록 형상이 +.

*3 비교예 1 은 휨 부여 가공 처리.

본 발명의 알루미늄-탄화 규소질 복합체는, 간단하게 소정 형상으로 가공할 수 있고 방열면의 변형 형상 변화가 적고, 외관의 국소적인 색 불균일 불량의 발생을 막을 수 있기 때문에, 특히 고신뢰성이 요구되는 반도체 부품을 탑재하는 세라믹 회로 기판의 베이스판 등으로서, 광범위하게 바람직하게 사용할 수 있다.

또한, 2004년 9월 14일에 출원된 일본 특허 출원2004-266144호의 명세서, 특허 청구 범위, 도면 및 요약서의 전체 내용을 여기에 인용하고, 본 발명의 명세서의 개시로서 받아들인다.

Claims

평판 형상의 탄화 규소질 다공체에 알루미늄을 함유하는 금속을 함침하여 이루어지고, 양 주면에 알루미늄을 함유하는 금속으로 이루어지는 알루미늄층을 갖고, 일 주면이 회로 기판에 접합되어 타 주면이 방열면으로서 사용되는 알루미늄-탄화 규소질 복합체에 있어서, 탄화 규소질 다공체의 방열면을 볼록형의 휨 형상으로 성형 또는 기계 가공하고, 알루미늄을 함유하는 금속을 함침 후, 방열면의 알루미늄층에 추가로 기계 가공을 실시하여 휨을 부여한 것을 특징으로 하는 알루미늄-탄화 규소질 복합체.
제 1 항에 있어서,

회로 기판 접합면의 알루미늄층의 평균 두께가 0.1∼0.3mm, 상기 회로 기판 접합면 내의 알루미늄층의 두께 차가 0.1mm 이내이며, 추가로 양 주면의 알루미늄층의 평균 두께의 차가, 두꺼운 쪽의 알루미늄층의 평균 두께의 40% 이내인 것을 특징으로 하는 알루미늄-탄화 규소질 복합체.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

알루미늄을 함유하는 금속으로 이루어지는 알루미늄층 중에, 알루미나 혹은 실리카를 함유하는, 섬유, 구상 입자 및 파쇄 형상의 입자 중 1종 이상을 5∼40질량% 함유시키는 것을 특징으로 하는 알루미늄-탄화 규소질 복합체.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

열전도율이 180W/mK 이상이고, 또한 열팽창 계수가 10×10^-6/K 이하인 것을 특징으로 하는 알루미늄-탄화 규소질 복합체.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

가공 변형 제거를 위한 가열 처리 전후의 방열면의 장축 방향의 휨량의 변화량이, 200mm 당 30㎛ 이하인 것을 특징으로 하는 알루미늄-탄화 규소질 복합체.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

고압 단조법으로 제조되는 것을 특징으로 하는 알루미늄-탄화 규소질 복합체.