KR20080077094A - 알루미늄-탄화규소질 복합체 및 그것을 사용한 방열 부품 - Google Patents
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Abstract
파워 모듈용 베이스판으로서 바람직한 알루미늄-탄화규소질 복합체를 제공한다. 평판상의 탄화규소질 다공체에 알루미늄을 주성분으로 하는 금속을 함침시켜 이루어지는 알루미늄-탄화규소질 복합체로서, 1 주면에만 알루미늄을 주성분으로 하는 금속으로 이루어지는 알루미늄층을 갖고, 다른 주면인 이면은 알루미늄-탄화규소질 복합체가 노출되어 있고, 그 형상이 직사각형 또는 직사각형에 외주부의 구멍부를 둘러싸는 부분이 부가된 형상인 것을 특징으로 하는 파워 모듈용 베이스판. 1 주면에 알루미늄층을 배치함으로써 도금성을 부여하고, 이면을 연삭 가공하여 알루미늄-탄화규소질 복합체를 노출시킴으로써 평면도를 향상시키고, 또한, 상기 알루미늄층의 두께를 제어함으로써, 이면을 연삭 가공한 후의 휨 형상을 제어한다.
파워 모듈용 베이스판, 알루미늄-탄화규소질 복합체
Description
본 발명은, 파워 모듈용 베이스판으로서 적합한 알루미늄-탄화규소질 복합체 및 그것을 사용한 방열 부품에 관한 것이다.
최근, 반도체 소자의 고집적화, 소형화에 수반하여, 사용시의 발열량은 증가 일로를 겪고 있으며, 얼마나 효율적으로 방열시킬지가 과제로 되어 있다. 그리고, 고절연성 및 고열전도성을 갖는, 예를 들어 질화알루미늄 기판, 질화규소 기판 등의 세라믹스 기판의 표면에, 구리제 또는 알루미늄제의 금속 회로를, 또 이면에 구리제 또는 알루미늄제의 금속 방열판이 형성되어 이루어지는 회로 기판이, 파워 모듈용 회로 기판으로서 사용되고 있다.
종래의 회로 기판의 전형적인 방열 구조는, 회로 기판의 이면 (방열면) 의 금속판, 예를 들어 구리판을 개재하여 베이스판이 납땜되어 이루어지는 것으로, 베이스판으로는 구리가 일반적이었다. 그러나, 이 구조에 있어서는, 반도체 장치에 열 부하가 걸린 경우, 베이스판과 회로 기판의 열팽창 계수 차에서 기인되는 크랙이 땜납층에 발생되고, 그 결과 방열이 불충분해져 반도체 소자를 오작동시키거나 파손시키는 문제가 있었다.
그래서, 열팽창 계수를 회로 기판의 그 자체에 접근한 베이스판으로서, 알루미늄 합금-탄화규소질 복합체가 제안되어 있다 (특허 문헌 1). 그러나, 특허 문헌 1 의 알루미늄 합금-탄화규소질 복합체는, 그 형상, 특히 휨 형상에 관해서는 기재되어 있지 않고, 실제로 파워 모듈용의 베이스판으로서 사용하는 경우에는, 충분한 방열 특성이 얻어지지 않는 경우가 있다.
베이스판은 방열 핀과 접합하여 사용하는 경우가 많고, 그 접합 부분의 형상이나 휨도 또한 중요한 특성으로서 들 수 있다. 예를 들어, 베이스판을 방열 핀에 접합하는 경우, 일반적으로 고열전도성의 방열 그리스를 접합부에 도포하여 베이스판의 둘레 가장자리부에 형성된 구멍을 이용하여 방열 핀이나 방열 유닛 등에 나사 고정하지만, 베이스판에 미소한 요철이 많이 존재하면, 베이스판과 방열 핀 사이에 간극이 생겨, 고열전도성의 방열 그리스를 도포해도, 열전달성이 현저하게 저하된다. 그 결과, 세라믹스 회로 기판, 베이스판, 방열 핀 등으로 구성되는 모듈 전체의 방열성이 현저하게 저하된다는 문제가 있었다.
그래서, 베이스판과 방열 핀 사이에 가능한 한 간극이 생기지 않도록, 미리 베이스판에 볼록형의 휨을 형성한 것을 사용하는 것이 행해지고 있다. 이 휨은, 통상적인 소정의 형상을 갖는 지그 (jig) 를 사용하여, 가열 하, 베이스판에 압력을 가함으로써 얻어지는데, 이 방법에 의해 얻어진 휨은, 휨량의 편차가 크고, 또한 형상이 일정하지 않기 때문에 품질이 안정되지 않는다는 문제가 있었다. 또, 휨 형상의 편차나 표면의 요철에 의해, 방열 핀과의 사이에 여전히 큰 간극이 생긴다는 문제가 있었다.
베이스판 표면을 기계 가공에 의해 절삭함으로써 휨을 형성하는 방법도 있다. 그러나, 이 방법은 알루미늄-탄화규소질 복합체가 매우 딱딱하기 때문에, 다이아몬드 등의 공구에 의한 많은 연삭이 필요해져, 비용이 높아진다는 문제가 있었다.
그래서, 상기 문제를 해결할 수 있도록, 평판상의 탄화규소질 다공체에 알루미늄을 주성분으로 하는 금속을 함침시켜, 양 주면에 알루미늄을 주성분으로 하는 금속으로 이루어지는 알루미늄 합금층 형성하고, 방열면측의 알루미늄 합금층을 기계 가공하는 방법이 제안되어 있다.
그러나, 상기 방법을 사용하여 제조된 베이스판은, 상기 알루미늄 합금층을 기계 가공할 때에, 알루미늄-탄화규소질 복합체가 노출되지 않도록 가공할 필요가 있다. 이 때문에, 베이스판 자체의 휨이나 변형, 가공시의 편차를 고려하면 양 주면에 형성되는 알루미늄 합금층의 두께가 불가피하게 두꺼워지고, 그 때문에, 베이스판 자체의 열팽창률이 커져, 파워 모듈 조립시에 세라믹스 회로 기판과 납땜하면, 세라믹스 회로 기판의 방열면에 패임이 발생되는 경우가 있었다.
또한, 상기 방법에 있어서는, 양 주면의 알루미늄 합금층의 두께를 균일하게 제어하고, 또한, 알루미늄-탄화규소질 복합체를 노출시키지 않도록 하기 위해, 고도의 가공 기술이 필요하다는 문제가 있었다.
특허 문헌 1: 일본 공표특허공보 평3-509860호.
발명의 개시
발명이 해결하고자 하는 과제
본 발명은, 상기의 상황을 감안하여 이루어진 것으로, 그 목적은, 파워 모듈용 베이스판으로서 바람직한 알루미늄-탄화규소질 복합체를 제공하는 것이다.
과제를 해결하기 위한 수단
본 발명자들는, 상기의 목적을 달성하기 위해서 예의 검토한 결과, 평판상의 탄화규소질 다공체에 알루미늄을 주성분으로 하는 금속을 함침시켜 이루어지는 알루미늄-탄화규소질 복합체에 있어서, 1 주면 (표면) 에 알루미늄 합금으로 이루어지는 알루미늄층을 배치함으로써 도금성을 부여하고, 이면의 알루미늄층을 연삭 가공하여 알루미늄-탄화규소질 복합체를 노출시킴으로써 평면도를 향상시킬 수 있다는 견지를 얻었다. 또한, 알루미늄층의 두께를 제어함으로써, 이면의 알루미늄층을 연삭 가공한 후의 휨 형상을 제어할 수 있다는 견지를 얻어 본 발명을 완성하였다.
즉, 본 발명은, 평판상의 탄화규소질 다공체에 알루미늄을 주성분으로 하는 금속 (이하, 알루미늄 합금이라고 한다) 을 함침시켜 이루어지는 알루미늄-탄화규소질 복합체로서, 1 주면에만 알루미늄을 주성분으로 하는 금속으로 이루어지는 알루미늄층을 갖고, 다른 주면인 이면은 알루미늄-탄화규소질 복합체가 노출되어 있고, 그 형상이 직사각형 또는 직사각형에 외주부의 구멍부를 둘러싸는 부분이 부가된 형상인 것을 특징으로 하는 파워 모듈용 베이스판이다.
또, 본 발명은, 외주부 또는 외주부와 구멍부의 주위가, 알루미늄을 주성분으로 하는 금속층, 또는, 세라믹스 섬유, 세라믹스 입자 및 알루미늄을 주성분으로 하는 금속과의 복합체로 이루어지는 상기 파워 모듈용 베이스판이거나, 또는 외주부는 알루미늄-탄화규소질 복합체가 노출되어 있는 것을 특징으로 하는 상기 파워 모듈용 베이스판이다.
또한, 본 발명은, 이면의 휨량이 길이 10㎝ 당 0 ∼ 200㎛ 인 상기 파워 모듈용 베이스판이고, 이면의 패임 깊이가 50㎛ 이하인 상기 파워 모듈용 베이스판이고, 상기 알루미늄층의 평균 두께가 1 ∼ 500㎛ 인 상기 파워 모듈용 베이스판이고, 또는 상기 알루미늄층의 평균 두께가 1 ∼ 100㎛ 이고, 또한, 두께의 최대값과 최소값의 차가 80㎛ 이하인 상기 파워 모듈용 베이스판이다.
또한 본 발명은, 열전도율이 180W/mK 이상, 그리고, 열팽창 계수가 10×10-6/K 이하인 상기 파워 모듈용 베이스판이고, 알루미늄-탄화규소질 복합체가 고압 단조법으로 제조되는 것을 특징으로 하는 상기 파워 모듈용 베이스판이고, 또는 상기 파워 모듈용 베이스판에 Ni 도금 처리하여 두께 1 ∼ 20㎛ 의 도금 피막을 형성하고, 그 도금 피막이 형성된 베이스판에 반도체 탑재용 세라믹스 기판을 접합하여 이루어지는 방열 부품이다.
발명의 효과
본 발명의 알루미늄-탄화규소질 복합체는, 저열팽창 및 고열 전도라고 하는 특성을 갖는다. 평판상의 알루미늄-탄화규소질 복합체의 1 주면 (이면) 을, 알루미늄 합금 함침 후에 연삭 가공함으로써, 방열면이 되는 가공면의 평면도를 현저하게 개선할 수 있고, 종래의 세라믹스 회로 기판을 휜 면에 부착하는 방법에 비해, 세라믹스 회로 기판과 납땜한 후의 방열성이 양호해지기 때문에, 특히 고신뢰성이 요구되는 반도체 소자를 탑재하는 파워 모듈의 베이스판으로서 바람직하다.
도 1 은 본 발명의 일 실시형태를 나타내는 베이스판용 알루미늄-탄화규소질 복합체의 설명도이다.
도 2 는 본 발명의 일 실시형태를 나타내는 베이스판용 알루미늄-탄화규소질 복합체의 설명도이다.
도 3 은 본 발명의 일 실시형태를 나타내는 베이스판용 알루미늄-탄화규소질 복합체의 설명도이다.
도 4 는 본 발명의 일 실시형태를 나타내는 베이스판용 알루미늄-탄화규소질 복합체의 설명도이다.
도 5 는 본 발명의 일 실시형태를 나타내는 베이스판용 알루미늄-탄화규소질 복합체의 설명도이다.
도 6 은 실시예 1의 윤곽 형상 측정기에 의한 휨 형상 측정 결과를 나타내는 그래프이다.
부호의 설명
1 : 알루미늄-탄화규소질 복합체
2 : 알루미늄 합금
3 : 관통공
4 : 표면 알루미늄층
5 : 수용공
6 : 탭 나사공
발명을 실시하기
위한 최선의 형태
금속-세라믹스 복합체의 제법은, 크게 나누면 함침법과 분말 야금법의 2 종이 있다. 이 중에서 분말 야금법은 열전도율 등의 특성면에서 충분한 것이 얻어지지 않고, 실제로 상품화되어 있는 것은 함침법에 의한 것이다. 함침법에도 여러 가지의 제법이 있어, 상압으로 실시하는 방법과, 고압 하에서 실시하는 방법 (고압 단조법) 이 있다. 고압 단조법에는, 용탕 단조법과 다이캐스트법이 있다.
본 발명에 바람직한 방법은, 고압 하에서 함침시키는 고압 단조법이고, 용탕 단조법과 다이캐스트법의 어느 쪽도 사용할 수 있지만, 용탕 단조법이 보다 바람직하다. 고압 단조법은, 고압 용기 내에, 세라믹스 다공체 (이하, 프리폼이라고 한다) 를 장전하고, 이것에 알루미늄 합금의 용탕을 고온, 고압 하에서 함침시켜 복합체를 얻는 방법이다.
이하, 본 발명에 대해, 용탕 단조법에 의한 제법예를 설명한다.
원료인 탄화규소 분말 (필요에 따라 예를 들어 실리카 등의 결합재를 첨가한다) 을, 성형, 소성하여 프리폼을 제조한다. 이 프리폼을 적층하여 1 개의 블록으로 하는 방법은 특별히 한정되는 것은 아니지만, 예를 들어, 다음의 방법을 들 수 있다. 상기 프리폼을, 이형제를 도포한 이형판 사이에 끼워 적층하여 1 개의 블록으로 하는 방법, 상기 프리폼의 편면 또는 양면에, 알루미나 또는 실리카를 주성분으로 하는 섬유, 및, 구상 또는 파쇄 형상의 입자를 직접 접하도록 배치하고, 이형판 사이에 끼워 1 개의 블록으로 하는 방법, 나아가서는, 상기 프리폼을 형틀 내에 넣을 때에, 편면 또는 양면에 알루미나 또는 실리카를 주성분으로 하는 섬유, 및/또는, 구상 또는 파쇄 형상의 입자를 직접 접하도록 배치한 후, 형틀 내에 넣고, 이형판을 사이에 끼워 적층하여 1 개의 블록으로 하는 방법이다.
다음으로, 상기 블록을 500 ∼ 750℃ 정도로 예비 가열 후, 고압 용기 내에 1 개 또는 2 개 이상 배치하고, 블록의 온도 저하를 방지하기 위해 가능한 한 신속하게 알루미늄 합금의 용탕을 급탕하여 30MPa 이상의 압력으로 가압하고, 알루미늄 합금을 프리폼의 공극 중에 함침시킴으로써, 양 주면에 알루미늄층을 형성한 알루미늄-탄화규소질 복합체가 얻어진다. 또한, 함침시의 변형 제거의 목적으로, 함침품의 어닐 처리하는 경우도 있다.
본 발명의 알루미늄-탄화규소질 복합체 중의 알루미늄 합금은, 함침시에 프리폼의 공극 내에 충분히 침투하기 위해서 융점이 가능한 한 낮은 것이 바람직하다. 이와 같은 알루미늄 합금으로서 예를 들어 실리콘을 7 ∼ 25 질량% 함유 한 알루미늄 합금을 들 수 있다. 또한 마그네슘을 함유시키는 것은, 탄화규소 입자와 금속 부분의 결합이 보다 강고해져 바람직하다. 알루미늄 합금 중의 알루미늄, 실리콘, 마그네슘 이외의 금속 성분에 관해서는, 극단적으로 특성이 변화하지 않는 범위이면 특별히 제한은 없고, 예를 들어 구리 등이 포함되어 있어도 된다.
본 발명에 있어서, 균일한 소정 두께의 알루미늄층을 형성시키기 위해서, 프 리폼의 면 내의 두께 편차가 150㎛ 이하, 바람직하게는 50㎛ 이하가 되도록 성형 또는 소성품을 면 가공하는 것이 바람직하다. 프리폼의 면 내의 두께 편차가 150㎛ 를 초과하면, 얻어지는 알루미늄-탄화규소질 복합체의 표면에 형성되는 알루미늄층의 두께의 편차가 커져 바람직하지 않다.
상기 프리폼은, 이형제를 도포한 이형판 사이에 끼워 적층하거나, 또는 예를 들어 알루미나 또는 실리카를 주성분으로 하는 섬유 60 ∼ 95 질량%, 및, 구상 또는 파쇄 형상의 입자 40 ∼ 5 질량% 를 함유하는 성형체를, 프리폼의 편면 또는 양면과 이형판 사이에 끼워 적층하는 것이 바람직하다. 이 성형체를 이와 같이 미리 배치함으로써, 소정 두께의 알루미늄층을 프리폼 표면에 형성할 수 있고, 이 알루미늄층의 두께의 제어를 용이하게 할 수 있다는 이점이 있다. 상기 성형 체 중의 구상 또는 파쇄 형상의 입자의 함유율이 5 질량% 미만에서는, 양 주면의 알루미늄층의 두께 제어가 곤란해져, 일방의 주면의 알루미늄층을 절삭 가공한 후의 어닐 처리에 의해 휨 형상이 크게 변화되는 경우가 있다. 한편, 입자의 함유율이 40질량% 를 초과하면, 함침시의 압력에 의해 프리폼이 갈라지는 경우가 있다.
프리폼에 대한 알루미늄 합금 함침시의 변형 제거의 목적으로 실시하는 어닐 처리는, 400 ∼ 550℃ 의 온도로 10 분 이상 실시하는 것이 바람직하다. 어닐 온도가 400℃ 미만이면, 상기 복합체 내부의 변형이 충분히 개방되지 않은 채 기계 가공 후의 어닐 처리 공정에서 휨이 크게 변화될 우려가 있다. 한편, 어닐 온도가 550℃ 를 초과하면, 함침에서 사용한 알루미늄 합금이 용융하는 경우가 있다. 어닐 시간이 10 분 미만이면, 어닐 온도가 400 ∼ 550℃ 이어도 상기 복합체 내부의 변형이 충분히 개방되지 않고, 연삭 가공 후의 가공 변형 제거를 위한 어닐 처리 공정에서, 휨이 크게 변화되는 경우가 있다.
본 발명에 관련되는 다공질 탄화규소 성형체 (이하, SiC 프리폼라고 한다) 의 제조 방법에 관해서 특별히 제한은 없고, SiC 프리폼은 공지된 방법으로 제조하는 것이 가능하다. 예를 들어, 탄화규소 분말에 실리카 혹은 알루미나 등을 결합재로서 첨가하여 혼합, 성형하고, 800℃ 이상으로 소성함으로써 얻을 수 있다. 성형 방법에 대해서도 특별히 제한은 없고, 프레스 성형, 압출 성형, 주입 성형 등을 사용할 수 있다. 그 때에, 필요에 따라 보형용 바인더의 병용이 가능하다.
알루미늄-탄화규소질 복합체의 특히 중요한 특성은, 열전도율과 열팽창 계수이다. 알루미늄-탄화규소질 복합체 중의 탄화규소 (SiC) 함유율이 높은 쪽이, 열전도율이 높고, 열팽창 계수가 작아지기 때문에 바람직하지만, 과도하게 SiC 함유율이 높은 경우에는 알루미늄 합금의 함침 조작이 용이하지 않게 된다. 실용적으로는, 입경이 40㎛ 이상의 거친 SiC 입자를 40 질량% 이상 함유하고, SiC 프리폼의 상대 밀도가 55 ∼ 75%의 범위에 있는 것이 바람직하다. 또 SiC 프리폼의 강도는, 굽힘 강도로 3MPa 이상 있으면, 취급시나 함침 중의 분열의 걱정이 없어지기 때문에 바람직하다.
SiC 프리폼을 얻기 위하여, 원료 SiC 분에 대해서는, 입도 조정하는 것이 바람직하다. 조분 (粗粉) 만으로는, 강도 발현이 부족하고, 미분만으로는, 얻어 지는 알루미늄-탄화규소질 복합체에 대해 높은 열전도율을 바랄 수 없기 때문이다. 본 발명자의 검토에 의하면, 예를 들어, 40㎛ 이상인 입경의 탄화규소 조분 40 ∼ 80 질량% 와, 15㎛ 이하의 입경의 탄화규소 미분 60 ∼ 20 질량% 를 혼합한 혼합 분말을 바람직한 것으로서 들 수 있다.
SiC 프리폼은, 탄화규소 분말의 성형체를, 탈지, 소성함으로써 얻어진다. 소성 온도가 800℃ 이상이면, 소성시의 분위기에 관계없이, 굽힘 강도가 3MPa 이상의 프리폼으로 할 수 있다. 산화성 분위기에서는, 1100℃ 를 초과하는 온도에서 소성하면, 탄화규소의 산화가 촉진되어, 알루미늄-탄화규소질 복합체의 열전도율이 저하될 우려가 있다. 그 때문에, 산화성 분위기에서는, 1100℃ 이하의 온도에서 소성하는 것이 바람직하다. 소성 시간은, SiC 프리폼의 크기, 소성로에 대한 투입량, 소성 분위기 등의 조건에 맞추어 적절히 결정된다.
본 발명에 관련되는 SiC 프리폼은, 성형시에 소정의 형상을 부여하는 경우, 1 장씩 건조시키거나, 또는, SiC 프리폼 사이에 카본 등의 스페이서를 사용하여 중첩하여 건조시킴으로써, 건조에 의한 휨 형상 변화를 방지하는 것이 가능하다. 또, 소성에 관해서도 건조시와 동일한 처리를 실시함으로써, 내부 조직의 변화에 수반하는 형상 변화를 방지하는 것이 가능하다.
SiC 프리폼의 형상은, 직사각형 형상 (도 1 참조) 또는 직사각형에 외주부의 구멍부를 둘러싸는 부분이 부가된 형상 (도 2, 도 3 참조) 의 평판인 것이 바람직하다. 본 발명의 알루미늄-탄화규소질 복합체는, 복합화 후에 파워 모듈용 베이스판 등으로서 사용하기 위하여, 외주부를 소정의 형상으로 형성하거나 외주부에 장착공 등을 형성할 필요가 있다. 이 경우, 알루미늄-탄화규소질 복합체는 매우 딱딱하고, 다이아몬드 등의 공구에 의한 많은 연삭이 필요하므로, 비용이 비싸진다는 문제가 있다. 따라서, 용이하게 기계 가공할 수 있도록, 미리 가공 부분을 알루미늄 합금, 또는, 세라믹스 섬유, 세라믹스 입자 및 알루미늄 합금으로 이루어지는 가공 용이성의 복합체로 해 놓는 것이 바람직하다.
SiC 프리폼이 베이스판 면내에서 차지하는 면적은, 세라믹스 회로 기판과 접합하는 부분을 만족시키면 특별히 제약되지 않지만, 베이스판의 면적의 70% 이상인 것이 바람직하다. 세라믹스 회로 기판과 접합하는 부분을 알루미늄-탄화규소질 복합체로 함으로써, 양쪽 부분재의 열팽창 차를 억제하여, 접합부의 신뢰성을 향상시킬 수 있다. SiC 프리폼의 면적이 베이스판의 면적의 70% 미만인 경우에는, 얻어지는 베이스판 자체의 열팽창률이 너무 커져, 휨 형상이나 접합부의 신뢰성이 저하될 우려가 있다.
다음으로, 얻어진 알루미늄-탄화규소질 복합체의 가공 방법의 예를 설명한다. 본 발명의 알루미늄-탄화규소질 복합체는, 외주부 및 구멍부 등을 NC 선반, 머시닝 센터 등의 장치를 사용하여 용이하게 기계 가공할 수 있다. 또, 상기 복합체의 면 가공에 관해서는, 평면 연삭반, 벨트 연삭반 등으로 연삭 가공하여, 알루미늄-탄화규소질 복합체가 노출되도록 가공할 수 있다. 또한, 선반 등에 의해 임의의 휨 형상으로 가공하여 구면 형상으로 마무리하는 것도 가능하다.
상기 SiC 프리폼을 사용하여 알루미늄-탄화규소질 복합체를 제작한 후, 그 외주부, 또는 외주부 및 구멍부를, 워터 제트 가공기, 방전 가공기 등을 사용하여, 베이스판 외주부의 측면에 알루미늄-탄화규소질 복합체가 노출되도록 가공할 수도 있다 (도 4 참조). 또, 베이스판 형상보다 면적이 큰 SiC 프리폼을 사용하여 알루미늄-탄화규소질 복합체를 제작한 후, 상기 가공법에 의해 베이스판의 외주부, 구멍부 등을 형성하고, 외주부와 구멍부의 측면의 양방 모두 알루미늄-탄화규소질 복합체가 노출되도록 가공할 수도 있다 (도 5 참조). 그리고, 얻어진 가공품은, 평면 연삭반, 벨트 연삭반 등으로 면 가공하여, 본 발명의 파워 모듈용 베이스판으로 할 수 있다.
가공된 알루미늄-탄화규소질 복합체는, 300 ∼ 550℃ 의 온도에서 10 분 이상의 어닐 처리하여 휨을 형성한다. 본 발명의 알루미늄-탄화규소질 복합체는, 1 주면 (표면) 에 알루미늄층을 갖고 있고, 상기 어닐 처리함으로써, 알루미늄층과 알루미늄-탄화규소질 복합체의 열팽창 차에 의해, 휨이 발생된다. 어닐 온도가 300℃ 미만이면, 알루미늄층과 복합체의 변형이 충분히 개방되지 않고, 납땜 등의 그 후의 열처리 공정에서 휨이 변화되는 경우가 있다. 한편, 어닐 온도가 550℃ 를 초과하면 함침에서 사용한 알루미늄 합금이 용융되는 경우가 있다. 어닐 시간이 10 분 미만이면, 어닐 온도가 300 ∼ 550℃ 이어도 알루미늄 합금과 복합체의 변형이 충분히 개방되지 않고, 납땜 등의 그 후의 열처리 공정에서 휨이 변화될 우려가 있다. 상기 어닐 처리에 의해 형성되는 휨 형상은, 알루미늄층과 알루미늄-탄화규소질 복합체의 열팽창 차에 의해 형성되기 때문에, 이상적인 구면 형상에 가까운 휨 형상 (도 6 참조) 이 된다.
알루미늄-탄화규소질 복합체의 노출된 연삭 가공면 (이면) 의 어닐 후의 휨 량은, 길이 10㎝ 당 0 ∼ 200㎛ 인 것이 바람직하다. 파워 모듈용 베이스판으로서 사용하는 경우에, 방열면이 되는 연삭 가공면이 오목형으로 휘면, 그 후의 모듈 조립 공정에서 베이스판과 방열 핀 사이에 간극이 생겨 이 간극부에 설령 고열전도성의 방열 그리스를 도포한다 해도, 열전달성이 현저하게 저하된다. 그 결과, 세라믹스 회로 기판, 베이스판, 방열 핀 등으로 구성되는 모듈의 방열성이 현저하게 저하되는 경우가 있다. 또, 휨량이 200㎛ 를 초과하면, 방열 핀과의 접합 시의 나사 고정시에, 베이스판이나 세라믹스 회로 기판에 크랙이 발생되는 경우가 있다.
방열면을 연삭 가공함으로써, 상기 복합체의 방열면을 요철이 적은, 패임 깊이가 50㎛ 이하인 형상으로 할 수 있다. 방열면의 패임 깊이가 50㎛ 를 초과하면, 파워 모듈용 베이스판으로서 사용하는 경우, 그 후의 모듈 장착 공정에서 베이스판과 방열 핀 사이에 간극이 생겨, 이 간극부에 설령 고열전도성의 방열 그리스를 도포한다 해도, 열전달성이 현저하게 저하된다. 그 결과, 세라믹스 회로 기판, 베이스판 및 방열 핀 등으로 구성되는 모듈의 방열성이 현저하게 저하되는 경우가 있다. 또한, 상기 패임 깊이는 최대값이다.
회로 기판면의 휨량은, 10㎝ 당 -100 ∼ 100㎛ 인 것이 바람직하다. 회로 기판면의 휨이 상기 범위를 벗어나면, 회로 기판 접합시의 땜납 두께가 일정해지지 않고, 또 납땜시에 보이드가 발생되기 쉽고, 세라믹스 회로 기판, 베이스판 및 방열 핀 등으로 구성되는 모듈의 방열성이 저하되는 경우가 있다.
알루미늄-탄화규소질 복합체의 표면에 형성되는 알루미늄층 (이하, 표면 알 루미늄층이라고 하는 경우도 있다) 의 두께는, 방열면측을 연삭 가공할 때에 문제가 되지 않는 범위이면 되지만, 평균 두께가 1 ∼ 500㎛ 인 것이 바람직하다. 표면 알루미늄층의 두께는, 상기 복합체 표면을 선반 등으로 기계 가공하여 소정 두께로 조정하는 것도 가능하다. 상기 표면 알루미늄층은, 도금 처리시의 도금 밀착성을 확보하기 위해서 필요하다. 평균 두께가 1㎛ 미만으로는, 그 후의 도금 전처리 등의 표면 처리시에 알루미늄-탄화규소질 복합체가 부분적으로 노출되고, 그 부분에 도금 미착이 발생되거나, 도금 밀착성이 저하되는 등의 문제가 발생될 우려가 있다. 한편, 평균 두께가 500㎛ 를 초과하면, 얻어지는 베이스판 자체의 열팽창률이 너무 커져, 접합부의 신뢰성이 저하되거나 상기한 어닐 후에 형성되는 휨량이 너무 커지는 경우가 있다. 표면 알루미늄층의 평균 두께의 최적값은, 소망하는 휨량 및 베이스판의 판두께에 의해 적절히 결정된다.
본 발명의 파워 모듈용 베이스판은, 표면 알루미늄층의 평균 두께가 1 ∼ 100㎛ 이고, 또한, 두께의 최대값과 최소값의 차가 80㎛ 이하인 것이 보다 바람직하다. 평균 두께가 100㎛ 이하이면, 표면 알루미늄층과 알루미늄-탄화규소질 복합체의 열팽창차에 의해 발생되는 변형량을 보다 작게 할 수 있고, 상기 히트 사이클 특성으로 대표되는 휨 형상의 안정성이 향상된다. 또, 표면 알루미늄층의 두께의 최대값과 최소값의 차가 80㎛ 를 초과하면, 표면 알루미늄층의 두께 차에서 기인되는 굴곡 등이 발생되어, 세라믹스 회로 기판 등을 납땜할 때에 땜납 두께가 불균일해져, 방열 특성이 저하될 우려가 있다.
본 발명의 파워 모듈용 베이스판은, 파워 모듈의 신뢰성의 척도가 되는 히트 사이클 시험 (-50℃ ∼ 150℃ 의 온도차로 10 분간 유지하는) 했을 때의 형상 안정성이 우수하고, 예를 들어, 상기 조건의 히트 사이클 시험을 300 회 실시한 후의 휨 변화량은 길이 10㎝ 당 30㎛ 이하이다. 휨 변화량이, 10㎝ 당 30㎛ 를 초과하면, 파워 모듈 조립 공정에서 베이스판과 방열 핀 사이에 간극이 생겨 간극부에 설령 고열전도성의 방열 그리스를 도포한다 해도, 열전달성이 현저하게 저하될 우려가 있다.
본 발명에 관련되는 알루미늄-탄화규소질 복합체는, 양호한 방열 특성과 함께 응력 완화성을 가짐으로써, 예를 들어, 세라믹스 회로 기판과 방열 핀 등의 방열 부품 사이에 개재하는 베이스판으로서 바람직하다.
본 발명에 관련되는 알루미늄-탄화규소질 복합체는, 파워 모듈용 베이스판으로서 사용하는 경우, 세라믹스 회로 기판과 납땜에 의해 접합하여 사용된다. 이 때문에, 베이스판 표면에는, Ni 도금하는 것이 필요하다. 처리 방법은 특별히 한정되지 않고, 무전해 도금 처리, 전기 도금 처리법 중 어느 것이어도 된다. Ni 도금의 두께는 1 ∼ 20㎛ 인 것이 바람직하다. 도금 두께가 1㎛ 미만에서는, 부분적으로 도금 핀홀이 발생되고, 땜납시에 땜납 보이드 (공극) 가 발생되어, 회로 기판으로부터의 방열 특성이 저하되므로 바람직하지 않다. 한편, Ni 도금의 두께가 20㎛ 를 초과하면, Ni 도금 피막과 표면 알루미늄층의 열팽창 차에 의해 도금 박리가 발생되는 경우가 있다. Ni 도금 피막의 순도에 관해서는, 땜납 젖음성에 지장을 초래하지 않는 것이면 특별히 제약은 없고, 인, 붕소 등을 함유할 수 있다.
본 발명의 알루미늄-탄화규소질 복합체는, 열전도율이 180W/mK 이상, 열팽창 계수가 10×10-6/K 이하인 것이 바람직하다. 상기 효과에 더하여, 고열전도율이고, 게다가 반도체 부품이나 세라믹스 회로 기판과 동등 레벨의 저팽창율이기 때문에, 이것을 사용한 방열 부품, 또한 그것을 사용한 파워 모듈은, 방열 특성이 우수하고, 또, 온도 변화를 받아도 쉽게 변형되지 않아, 그 결과, 고신뢰성이 얻어진다는 특장이 있다.
(실시예 1 ∼ 4)
탄화규소 분말 A (타이헤이요 랜덤사 제조 : NG-220, 평균 입경 : 60㎛) 210g, 탄화규소 분말 B (야쿠시마 전공사 제조 : GC-1000F, 평균 입경 : 10㎛) 90g, 및 실리카 졸 (닛산 화학사 제조 : 스노우텍스) 30g 을 칭취하고, 교반 혼합기에서 30 분간 혼합한 후, 190㎜×140㎜×5.8㎜ 의 치수의 평판상에 압력 10MPa 로 프레스 성형하였다.
얻어진 성형체를, 온도 120℃ 에서 2 시간 건조 후, 대기 중, 온도 900℃ 에서 2 시간 소성하고, 상대 밀도가 65% 인 SiC 프리폼을 얻었다. 얻어진 SiC 프리폼은, 평면 연삭반으로 다이아몬드제의 지석을 사용하고, 표 1 에 나타내는 두께로 면 가공한 후, 머시닝 센터에서 도 2 의 1 에 나타내는 형상으로 외주부를 가공하였다. 또한, 도 2 는 알루미늄-탄화규소질 복합체를 횡단면 (A-A 단면의 B-B' 부) 으로 모식적으로 나타낸 것이다. 도 1 및 도 3 ∼ 5 도 동일하다.
얻어진 SiC 프리폼을, 용탕을 유입할 수 있는 탕구가 형성된 185×135×5.5 ㎜ 의 철제틀에 넣고, 그 때, 실시예 2,3,4 의 SiC 프리폼은 180㎜×130㎜×0.2㎜ 의 알루미나 섬유 (타나카 제지사 제조, 순도 97%) 를 A 면 및 B 면 중 적어도 일방에 중첩한 후, 철틀 내에 넣고, 양면을 카본 코트한 스테인리스판을 사이에 끼워 일체로 한 것을 전기로에서 600℃ 로 예비 가열하였다. 다음으로, 그것을 미리 가열해 놓은 내경 300㎜ 의 프레스형 내에 넣고, 실리콘을 12 질량%, 마그네슘을 0.5 질량% 함유하는 알루미늄 합금의 용탕을 붓고, 100MPa 의 압력으로 20 분간 가압하여 SiC 프리폼에 알루미늄 합금을 함침시켰다. 실온까지 냉각시킨 후, 습식 밴드 톱으로 철틀 등을 절단하고, 사이에 끼운 스테인리스판을 떼어낸 후, 함침시의 변형 제거를 위하여 530℃ 의 온도에서 3 시간 어닐 처리하여, 알루미늄-탄화규소질 복합체를 얻었다.
얻어진 알루미늄-탄화규소질 복합체의 가장자리 둘레부 8 지점에 직경 7㎜ 의 관통공, 4 지점에 직경 10-4㎜ 의 수용공을 가공하고, 탕구 부분을 절단한 후, 평면 연삭반으로 다이아몬드제의 지우를 사용하여 편면 (표 1 의 A 면) 을 0.5㎜ 연삭 가공하여, 185×135×5㎜ 의 형상으로 하였다. 도 2 는 이와 같이 하여 얻어진 알루미늄-탄화규소질 복합체를 나타낸다. 도 2 에 있어서, (1) 은 알루미늄-탄화규소질 복합체, (2) 는 알루미늄 합금, (3) 은 관통공, (4) 는 표면 알루미늄층, (5) 는 수용공이다.
다음으로, 얻어진 가공체는, 가공시의 변형 제거를 위해서, 전기로에서 530℃ 의 온도에서 1 시간 어닐 처리하였다. 이어서, 압력 0.4MPa, 반송 속도 1.0 m/min 의 조건에서 알루미나 지립으로 블라스트 처리하여 청정화한 후, 무전해 Ni-P 및 Ni-B 도금하였다. 이로써, 복합체 표면에 8㎛ 두께 (Ni-P:6㎛+Ni-B:2㎛) 의 도금층을 형성하였다.
얻어진 알루미늄-탄화규소질 복합체에 대해, 기계 가공에 의해 각 샘플의 대각선을 따라 절단하고, 절단에 의해 노출된 편주면의 알루미늄층의 두께를 각각 대각선에 등간격으로 20 점 측정하여, 그 평균의 두께를 산출하였다. 또, 각 샘플로부터 연삭 가공에 의해 열팽창 계수 측정용 시험편 (직경 3㎜, 길이 10㎜), 및 열전도율 측정용 시험편 (직경 11㎜, 두께 3㎜) 을 제조하였다. 각각의 시험편을 사용하여, 25 ∼ 250℃ 의 열팽창 계수를 열팽창계 (세이코 전자 공업사 제조 : TMA300) 으로, 25℃ 에서의 열전도율을 레이저-플래시법 (리가쿠 전기사 제조 : LF/TCM-8510B) 로 측정하였다. 휨 형상에 대해서는, 윤곽 형상 측정기 (도쿄 정밀사 제조 : 콘터 레코드 1600D-22) 를 사용하여, 각 샘플의 길이 10㎝ 당의 휨량 및 패임 깊이를 측정하였다. 결과를 표 2 에 나타낸다. 또, 윤곽 형상 측정기에 의한 실시예 1 의 휨 형상 측정 결과를 도 6 에 나타낸다.
실시예 1 의 도금품을 사용하여, -40℃ ∼ 150℃ 에서의 온도폭으로 300 회의 히트 사이클 시험을 실시하였다. 실시예 1 의 히트 사이클 시험 후의 길이 10㎝ 당의 휨량은 45㎛ 이었다.
(실시예 5, 6)
탄화규소 분말 C (타이헤이요 랜덤사 제조 : NG-150, 평균 입경 : 100㎛) 195g, 탄화규소 분말 B (야쿠시마 덴코사 제조 : GC-1000F, 평균 입경 : 10㎛) 105g, 및 실리카 졸 (닛산 화학사 제조 : 스노우텍스) 30g 을 원료로서 사용한 것 이외에는, 실시예 1 과 동일한 방법으로 상대 밀도가 66% 인 SiC 프리폼을 얻었다. 얻어진 SiC 프리폼은, 평면 연삭반으로 다이아몬드제의 지석을 사용하여, 표 3의 두께로 면 가공한 후, 머시닝 센터에서 도 3 의 1 에 나타내는 형상으로 외주부 및 구멍부를 가공하였다.
얻어진 SiC 프리폼을, 실시예 6 에는 180㎜×130㎜×0.2㎜ 의 알루미나 섬유 (타나카 제지 제조, 순도97%) 를 편면 (B 면) 에 배치하고, 양면을 카본 코트한 스테인리스판 사이에 끼워 일체로 한 것을 전기로에서 600℃ 로 예비 가열하였다. 다음으로 그것을 미리 가열해 놓은 내경 300㎜ 의 프레스형 내에 넣어, 실리콘을 12 질량%, 마그네슘을 0.5 질량% 함유하는 알루미늄 합금의 용탕을 붓고, 100MPa 의 압력으로 20 분간 가압하여 SiC 프리폼에 알루미늄 합금을 함침시켰다. 실온까지 냉각시킨 후, 사이에 끼운 스테인리스판을 떼어낸 후, 함침시의 변형 제거를 위해서 530℃ 의 온도에서 3 시간 어닐 처리하여, 알루미늄-탄화규소질 복합체를 얻었다.
얻어진 알루미늄-탄화규소질 복합체는, 평면 연삭반으로 다이아몬드제의 지석을 사용하여 편면 (표 3 의 A 면) 을 0.5㎜ 연삭 가공한 후, 도 3 에 나타내는 바와 같이 가장자리 둘레부 8 지점에 직경 7㎜ 의 관통공 (3), 4 지점에 직경 4㎜ 의 탭 나사공 (6) 을 가공하고, 외주부를 187×137㎜ (코너부는 R7㎜) 로 가공하였다. 다음으로, 가공시의 변형 제거를 위해서, 전기로에서 530℃ 의 온도에서 1 시간 어닐 처리하였다. 이어서, 압력 0.4MPa, 반송 속도 1.0m/min 의 조건에서 알루미나 지립으로 블라스트 처리하여 청정화한 후, 무전해 Ni-P 및 Ni-B 도금하여, 복합체 표면에 8㎛ 두께 (Ni-P:6㎛+Ni-B:2㎛) 의 도금층을 형성하였다. 얻어진 복합체에 대해 실시예 1 과 동일한 평가를 실시하였다. 결과를 표 4 에 나타낸다.
(실시예 7)
SiC 프리폼 형상을 190×140×5.3㎜ 로 한 것 이외에는, 실시예 5 와 동일한 방법으로 알루미늄-탄화규소질 복합체를 제조하였다. 얻어진 복합체는, 평면 연삭반으로 다이아몬드제의 지석을 사용하여 편면을 0.3㎜ 연삭 가공한 후, 가장자리 둘레부 8 지점에 직경 7㎜ 의 관통공 (3), 4 지점에 직경 4㎜ 의 탭 나사공 (6) 을 가공하고, 외주부를 워터 제트 가공기에 의해 187×137㎜ (코너부는 R7㎜) 로 가공하였다 (도 4 참조). 다음으로, 가공시의 변형 제거를 위해서, 전기로에서 530℃ 의 온도에서 1 시간 어닐 처리하였다. 이어서, 압력 0.4MPa, 반송 속도 1.0 m/min 의 조건에서 알루미나 지립으로 블라스트 처리하여 청정화한 후, 무전해 Ni-P 및 Ni-B 도금하였다. 복합체 표면에 8㎛ 두께 (Ni-P:6㎛+Ni-B:2㎛) 의 도금층을 형성하였다. 얻어진 복합체에 대해 실시예 1 과 동일한 평가를 실시하였다. 결과를 표 5 에 나타낸다.
(실시예 8)
실시예 5 의 SiC 프리폼 형상을 190×140×5.3㎜ 로 하고, 구멍 가공하지 않고 사용한 것 이외에는, 실시예 5 와 동일한 방법으로 알루미늄-탄화규소질 복합체를 제조하였다. 얻어진 복합체는, 평면 연삭반으로 다이아몬드제의 지석을 사용하여 편면 0.3㎜ 연삭 가공한 후, 워터 제트 가공기에 의해 가장자리 주변부 8 지점에 직경 7㎜ 의 관통공 (3) 을 형성하고, 외주부를 187×137㎜ (코너부는 R7㎜) 로 가공하였다 (도 5 참조). 이어서, 실시예 5 와 동일한 방법으로, 어닐 처리, 블라스트 처리, 도금 처리하였다. 얻어진 복합체에 대해 실시예 1 과 동일한 평가를 실시하였다. 결과를 표 6 에 나타낸다.
(실시예 9)
실시예 5 의 SiC 프리폼 형상을 180×110×5.3㎜ (도 1 참조) 로 변경한 것 이외에는, 실시예 5 와 동일한 방법으로 알루미늄-탄화규소질 복합체를 제조하여, 기계 가공, 도금 처리하였다. 얻어진 복합체에 대해 실시예 1 과 동일한 평가를 실시하고, 그 결과를 표 7 에 나타낸다.
(실시예 10)
실시예 1 의 알루미늄-탄화규소질 복합체를, 구멍 가공, 탕구 절단, 평면 가공한 후에, 그 복합체에 휨을 부여하기 위해, 카본제로 곡률 반경이 10000㎜ 의 구면을 갖는 오목형 및 볼록형을 준비하였다. 이 오목형 및 볼록형을 열 프레스 기에 장착하고, 가열하여 형의 표면 온도를 510℃ 로 하였다. 이 오목형과 볼록형 사이에 상기 복합체를 배치하여 40KPa 로 프레스하였다. 이 때, 복합체의 측면에 열전대를 접촉시켜 측온하였다. 복합체의 온도가 500℃ 가 된 시점으로부터 3 분간 유지 후, 가압을 해제하고, 50℃ 까지 자연 냉각시켰다. 얻어진 복합체의 복록면측 (연삭 가공면) 의 휨을 측정한 결과, 길이 10㎝ 당의 휨량이 140㎛ 이었다.
(실시예 11)
실시예 1 의 알루미늄-탄화규소질 복합체를, 구멍 가공, 탕구 절단 후에, 다이아몬드제의 지석을 사용하여, 그 편면을 머시닝 센터에서 곡률 반경 15000㎜ 의 볼록면으로 연삭 가공하였다. 다음으로, 가공시의 변형 제거를 위해서, 전기로에서 530℃ 의 온도에서 1 시간 어닐 처리하였다. 얻어진 복합체의 볼록면측 (연삭 가공면) 의 휨을 측정한 결과, 길이 10㎝ 당의 휨량이 120㎛ 이었다.
본 발명의 알루미늄-탄화규소질 복합체는, 저열팽창 및 고열전도라고 하는 특성을 갖기 때문에, 파워 모듈용 베이스판으로서 사용할 수 있다.
또한, 2006 년 1 월 13 일에 출원된 일본 특허출원 2006-005475호의 명세서, 특허 청구의 범위, 도면 및 요약서의 전체 내용을 여기에 인용하여, 본 발명의 명세서의 개시로서 도입하는 것이다.
Claims (12)
- 평판상의 탄화규소질 다공체에 알루미늄을 주성분으로 하는 금속을 함침시켜 이루어지는 알루미늄-탄화규소질 복합체로서, 1 주면에만 알루미늄을 주성분으로 하는 금속으로 이루어지는 알루미늄층을 갖고, 다른 주면인 이면은 알루미늄-탄화규소질 복합체가 노출되어 있고, 노출되어 있는 알루미늄-탄화규소질 복합체의 형상이 직사각형 또는 직사각형으로 외주부의 구멍부를 둘러싸는 부분이 부가된 형상인 것을 특징으로 하는 파워 모듈용 베이스판.
- 제 1 항에 있어서,상기 외주부가, 알루미늄을 주성분으로 하는 금속층, 또는, 세라믹스 섬유, 세라믹스 입자 및 알루미늄을 주성분으로 하는 금속과의 복합체로 이루어지는, 파워 모듈용 베이스판.
- 제 2 항에 있어서,상기 외주부가, 알루미늄을 주성분으로 하는 금속층, 또는, 세라믹스 섬유, 세라믹스 입자 및 알루미늄을 주성분으로 하는 금속의 복합체로 이루어지고, 그 외주부에 구멍부가 형성되어 있는, 파워 모듈용 베이스판.
- 제 1 항에 있어서,상기 외주부는, 알루미늄-탄화규소질 복합체가 노출되어 있는, 파워 모듈용 베이스판.
- 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,상기 이면의 휨량이 길이 10㎝ 당 0 ∼ 200㎛ 인, 파워 모듈용 베이스판.
- 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,상기 이면의 패임 깊이가 50㎛ 이하인, 파워 모듈용 베이스판.
- 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,상기 알루미늄층의 평균 두께가 1 ∼ 500㎛ 인, 파워 모듈용 베이스판.
- 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,상기 알루미늄층의 평균 두께가 1 ∼ 100㎛ 이고, 또한, 두께의 최대값과 최소값의 차가 80㎛ 이하인, 파워 모듈용 베이스판.
- 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,열전도율이 180W/mK 이상, 및, 열팽창 계수가 10×10-6/K 이하인, 파워 모듈용 베이스판.
- 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,상기 알루미늄-탄화규소질 복합체가 고압 단조법으로 제조되는 것을 특징으로 하는 파워 모듈용 베이스판.
- 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,상기 탄화규소질 다공체의 베이스판 면내에서 차지하는 면적이 베이스판의 면적의 70% 이상인, 파워 모듈용 베이스판.
- 제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 기재된 파워 모듈용 베이스판에 Ni 도금 처리하여 두께 1 ∼ 20㎛ 의 도금 피막을 형성하고, 그 도금 피막이 형성된 베이스판에 반도체 탑재용 세라믹스 기판을 접합하여 이루어지는, 방열 부품.
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