KR20090004864A

KR20090004864A - 알루미늄-탄화규소질 복합체 및 그것을 사용한 방열 부품

Info

Publication number: KR20090004864A
Application number: KR1020087020448A
Authority: KR
Inventors: 히데키 히로츠루; 고 이와모토; 히데오 츠카모토; 사토시 히구마; 노부유키 하시모토
Original assignee: 덴끼 가가꾸 고교 가부시키가이샤
Priority date: 2006-04-26
Filing date: 2007-04-23
Publication date: 2009-01-12
Also published as: CN101427367B; EP2012354A1; KR101344152B1; JP4996600B2; EP2012354B1; US20090092793A1; CN101427367A; JPWO2007125878A1; WO2007125878A1; EP2012354A4; US7993728B2

Abstract

파워 모듈용 베이스판으로서 바람직한 알루미늄-탄화규소질 복합체를 제공한다.

평판 형상의 탄화규소질 다공체를 면내 두께 차이가 100㎛ 이하가 되도록 성형 또는 가공한 후, 면 방향의 조임 토크가 1 ∼ 20Nm 가 되도록 이형판의 사이에 끼워 적층시키고, 알루미늄을 주성분으로 하는 금속을 함침시킨 알루미늄-탄화규소질 복합체로 이루어지고,

양 주면에 알루미늄을 주성분으로 하는 금속으로 이루어지는 알루미늄층을 가지고, 그 알루미늄층의 평균 두께가 10 ∼ 150㎛ 이며, 알루미늄층의 면내 두께의 최대치와 최소치의 차이가 80㎛ 이하이고, 양 주면의 알루미늄층의 평균 두께의 차이가 50㎛ 이하이며, 또한 상기 탄화규소질 다공체의 형상이 직사각형이거나 또는 구멍부를 둘러싸는 부분의 외주부가 직사각형으로 부가된 형상인 것을 특징으로 하는 파워 모듈용 베이스판.

Description

알루미늄-탄화규소질 복합체 및 그것을 사용한 방열 부품{ALUMINUM/SILICON CARBIDE COMPOSITE AND RADIATING PART COMPRISING THE SAME}

본 발명은 파워 모듈용 베이스판으로서 바람직한 알루미늄-탄화규소질 복합체 및 그것을 사용한 방열 부품에 관한 것이다.

최근, 반도체 소자의 고집적화, 소형화에 수반하여 발열량이 계속해서 증가하고 있어, 어떻게 효율적으로 방열시킬지가 과제가 되어 있다. 그리고 고절연성·고열전도성을 갖는, 예를 들어 질화알루미늄 기판, 질화규소 기판 등의 세라믹스 기판의 표면에, 구리제 또는 알루미늄제의 금속 회로가 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 통하여 베이스판이 납땜되어 이루어지는 것으로, 베이스판으로는 구리가 일반적이었다. 그러나, 이 구조에 있어서는, 반도체 장치에 열 부하가 가해진 경우, 베이스판과 회로 기판의 열팽창 차이에서 기인하는 크랙이 땜납층에 발생되고, 그 결과 방열이 불충분해져 반도체 소자를 오작동시키거나 파손시킨다는 과제가 있었다.

그래서, 열팽창 계수를 회로 기판의 그것에 접근시킨 베이스판으로서 알루미 늄 합금-탄화규소질 복합체가 제안되어 있다 (특허 문헌 1).

특허 문헌 1 : 일본 공표특허공보 평3-509860호.

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 도포하고 베이스판의 주연부에 형성된 구멍을 이용하여 방열 핀이나 방열 유닛 등에 나사로 고정시키는데, 베이스판에 미소한 요철이 다수 존재하면 베이스판과 방열 핀 사이에 간극이 생겨, 고열전도성의 방열 그리스를 도포하더라도 열 전달성이 현저하게 저하된다. 그 결과, 세라믹스 회로 기판, 베이스판, 방열 핀 등으로 구성되는 모듈 전체의 방열성이 현저하게 저하된다는 과제가 있었다.

그래서, 베이스판과 방열 핀 사이에 가능한 한 간극이 생기지 않도록, 미리 베이스판으로 볼록 형상의 휨을 부여한 것을 사용하는 방법이 실시되고 있다. 이 휨은 통상적으로 소정의 형상을 갖는 지그를 사용하여, 가열하, 베이스판에 압력을 가해 변형시킴으로써 얻어진다. 그러나, 이 방법에 의해 얻어진 휨은 베이스판표면에 굴곡이 있는 경우, 형상이 일정하지 않고, 품질이 안정적이지 않다는 과제가 있었다. 또, 휨 형상의 편차나 표면의 요철에 의해, 방열 핀과의 사이에 큰 간극이 생긴다는 과제가 있었다.

베이스판 표면을 가공함으로써 휘어지게 하는 방법도 있지만, 알루미늄-탄화규소질 복합체는 매우 단단하기 때문에 다이아몬드 등의 공구를 사용하여 많은 연삭을 필요로 하여, 비용이 높아진다는 과제가 있었다.

그래서, 상기 과제를 해결하기 위해, 평판 형상의 탄화규소질 다공체에 알루미늄을 주성분으로 하는 금속을 함침하여, 양 주면에 알루미늄을 주성분으로 하는 금속으로 이루어지는 알루미늄층을 형성하고, 방열면측의 알루미늄 합금층을 기계 가공하는 방법이 제안되어 있다.

그러나, 상기 방법을 사용하여 제조된 베이스판은, 기계 가공 후에 표면 알루미늄 합금층의 두께가 두꺼워지고, 그 때문에 베이스판 자체의 열팽창률이 커져, 파워 모듈 조립시에 세라믹스 회로 기판과 납땜을 실시하면, 세라믹스 회로 기판의 이면에 상당하는 방열면에 패임이 발생하는 경우가 있었다.

또한, 상기 방법에 있어서는, 양 주면의 알루미늄 합금층의 두께를 균일하게 제어하고, 또한 알루미늄-탄화규소질 복합체를 노출시키지 않도록 하기 위해, 고도의 가공 기술이 필요해진다는 과제가 있었다.

발명의 개시

발명이 해결하고자 하는 과제

본 발명은 상기 상황을 감안하여 이루어진 것으로, 그 목적은 파워 모듈용 베이스판으로서 바람직한 알루미늄-탄화규소질 복합체를 제공하는 것이다.

과제를 해결하기 위한 수단

본 발명자는, 상기의 목적을 달성하기 위해서 예의 검토한 결과, 평판 형상의 탄화규소질 다공체에 알루미늄을 주성분으로 하는 금속 (이하, 알루미늄 합금이라고 한다) 을 함침하여 이루어지는 알루미늄-탄화규소질 복합체에 있어서, 양 주면에 알루미늄 합금으로 이루어지는 알루미늄층을 배치함으로써 도금성을 부여하여, 평판 형상의 탄화규소질 다공체의 면내 두께 차이를 제어함과 함께, 함침시의 적층 방법을 적정화하여 양 주면의 알루미늄층 두께, 그리고 그 편차를 제어함으로써, 휨 형상을 제어할 수 있다는 견지를 얻어 본 발명을 완성하였다.

즉, 본 발명은 평판 형상의 탄화규소질 다공체를 면내 두께 차이가 100㎛ 이하가 되도록 성형 또는 가공한 후, 면 방향의 조임 토크가 1 ∼ 20Nm 가 되도록 이형판의 사이에 끼워 적층시키고, 알루미늄 합금을 함침하여 이루어지는 알루미늄-탄화규소질 복합체로 이루어지고,

양 주면에 알루미늄 함금으로 이루어지는 알루미늄층을 가지고, 그 알루미늄층의 평균 두께가 10 ∼ 150㎛ 이며, 알루미늄층의 면내 두께의 최대치와 최소치의 차이가 80㎛ 이하이고, 양 주면의 알루미늄층의 평균 두께의 차이가 50㎛ 이하이며, 또한 상기 평판 형상의 탄화규소질 다공체의 형상이 직사각형, 또는 구멍부를 둘러싸는 부분의 외주부가 직사각형으로 부가된 형상인 것을 특징으로 하는 파워 모듈용 베이스판이다.

또, 본 발명은 양 주면 및 장착 구멍의 주위 및 외주부가, 알루미늄 합금층, 또는 세라믹스 섬유와 알루미늄 합금의 복합체로 이루어지는 것을 특징으로 하는 파워 모듈용 베이스판이고, 외주부가 알루미늄-탄화규소질 복합체가 노출되어 이루어지는 것을 특징으로 하는 파워 모듈용 베이스판이다.

또한, 본 발명은 알루미늄-탄화규소질 복합체에 10㎩ 이상의 응력을 가하면서, 온도 450℃ ∼ 550℃ 에서 30 초간 이상 가열 처리함으로써 휨을 형성하여 이루어지고, 휨량이 길이 10㎝ 당 0 ∼ 200㎛ 이고, 또한 패임 깊이가 50㎛ 이하인 것을 특징으로 하는 파워 모듈용 베이스판이고, 열전도율이 180W/mK 이상, 그리고 온도 150℃ 의 열팽창 계수가 9×10^-6/K 이하인 것을 특징으로 하는 파워 모듈용 베이스판이며, 또한 온도 350℃ 에서 10 분간 유지한 후, 실온에서 자연 냉각시키는 히트 사이클을 10 회 실시한 후의 휨량의 변화가 길이 10㎝ 당 30㎛ 이하인 것을 특징으로 하는 파워 모듈용 베이스판이다.

또한, 본 발명은 알루미늄-탄화규소질 복합체가 고압 함침법으로 제조되는 것을 특징으로 하는 파워 모듈용 베이스판이고, 파워 모듈용 베이스판에 Ni 도금 처리를 실시하여 두께 1 ∼ 20㎛ 의 도금 피막을 형성하고, 반도체 탑재용 세라믹스 기판을 접합하여 이루어지는 방열 부품이다.

발명의 효과

본 발명의 알루미늄-탄화규소질 복합체는 저열팽창, 및 고열전도라는 특성을 갖는다.

또, 평판 형상의 알루미늄-탄화규소질 복합체의 양 주면을 얇고 균일한 알루미늄층으로 함으로써, 도금성을 부여함과 함께, 방열면이 되는 주면의 평면도를 현저하게 개선시킬 수 있다. 이 때문에, 종래에 휨을 부여하던 방법에 비하여, 세라믹스 회로 기판과 납땜을 실시한 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 구조도이다.

도 2 는, 본 발명의 일 실시형태를 나타내는 베이스판용 알루미늄-탄화규소질 복합체의 구조도이다.

도 3 은, 본 발명의 일 실시형태를 나타내는 베이스판용 알루미늄-탄화규소질 복합체의 구조도이다.

도 4 는, 본 발명의 일 실시형태를 나타내는 베이스판용 알루미늄-탄화규소질 복합체의 구조도이다.

도 5 는, 본 발명의 일 실시형태를 나타내는 베이스판용 알루미늄-탄화규소질 복합체의 구조도이다.

도 6 은, 실시예 1 의 윤곽 형상 측정기에 의한 휨 형상 측정 결과이다.

※부호의 설명※

(a) 알루미늄-탄화규소질 복합체

(b) 알루미늄 합금

(c) ø7㎜ 의 관통 구멍

(d) 표면 알루미늄 합금층

(e) 알루미늄-탄화규소질 복합체

(f) ø10-4㎜ 의 접시형 구멍

(g) 알루미늄-탄화규소질 복합체

(h) M4㎜ 의 탭 나사

발명을 실시하기 위한 최선의 형태

금속-세라믹스 복합체의 제법은, 크게 나누면 함침법과 분말 야금법의 2 종류가 있다. 이 중 분말 야금법은 열 전도율 등의 특성면에서 충분한 것이 얻어지지 않고, 실제로 상품화되어 있는 것은 함침법에 의한 것이다. 함침법에도 여러 가지 제법이 있어, 상압에서 실시하는 방법과 고압하에서 실시하는 방법 (고압 함침법) 이 있다. 고압 함침법에는 용탕 단조법과 다이캐스트법이 있다.

본 발명에 바람직한 방법은 고압하에서 함침을 실시하는 고압 함침법으로, 용탕 단조법과 다이캐스트법 중 어느 것이나 사용할 수 있지만, 용탕 단조법이 보다 바람직하다.

고압 함침법에 있어서의 용탕 단조법이란, 고압 용기 내에 세라믹스 다공체 (이하, 프리폼이라고 한다) 를 장전하고, 이것에 알루미늄 합금의 용탕을 고온, 고압하에서 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 제작한다. 본 발명에 있어서는, 소정 두께의 균일한 알루미늄층을 형성시키기 위해서, 프리폼의 면내 두께 편차가 100㎛ 이하, 바람직하게는 30㎛ 이하가 되도록 성형 또는 소성품을 면 가공하는 것이 바람직하다. 프리폼의 면내 두께 편차가 100㎛ 를 초과하면, 얻어지는 알루미늄-탄화규소질 복합체의 표면 알루미늄층의 두께 편차가 커져 바람직하지 않다.

프리폼은 이형제를 도포한 이형판의 사이에 끼워서 적층시켜 하나의 블록으 로 한다. 이 프리폼을 적층시켜 하나의 블록으로 할 때에, 면 방향의 조임 토크가 1 ∼ 20Nm, 바람직하게는 2 ∼ 10Nm 가 되도록 이형판의 사이에 끼워 적층시킨다. 적층 방법은 특별히 한정되지 않지만, 예를 들어 프리폼을 이형제를 도포한 스테인리스제의 이형판의 사이에 끼워 적층시킨 후, 양측에 철제 판을 배치하고 볼트로 연결하여 소정의 조임 토크로 조여서 하나의 블록으로 하는 방법을 들 수 있다. 면 방향의 적정한 조임 토크에 관해서는 사용하는 프리폼의 강도에 따라 상이한데, 조임 토크가 1Nm 미만에서는 얻어지는 알루미늄-탄화규소질 복합체의 표면 알루미늄층 두께가 두꺼워지거나 두께 차이가 지나치게 커지는 경우가 있다. 한편, 조임 토크가 20Nm 를 초과하면, 얻어지는 알루미늄-탄화규소질 복합체의 표면 알루미늄층이 국소적으로 지나치게 얇아져, 그 후 도금 전처리 등의 표면 처리시에 부분적으로 알루미늄-탄화규소질 복합체가 노출되고, 그 부분에 도금 미착이 발생되거나 도금 밀착성이 저하되는 등의 문제가 발생하는 경우가 있다.

또, 프리폼의 양면에 알루미나 또는 실리카를 주성분으로 하는 섬유를 5 ∼ 40 질량％ 함유한 성형체를 이형판과의 사이에 끼워 적층시킨 후, 양측에 철제 판을 배치하고 볼트로 연결하여 소정의 조임 토크로 조여서 하나의 블록으로 하는 방법도 있다. 이 성형체를 미리 배치함으로써, 소정 두께의 알루미늄층을 형성할 수 있고, 표면 알루미늄층의 두께 제어를 할 수 있다는 이점이 있다. 상기 성형체 중의 알루미나 또는 실리카를 주성분으로 하는 섬유 함유율이 5 질량％ 미만에서는 함침 후에 양 주면의 알루미늄층의 두께 제어가 곤란해지는 경우가 있다. 한편, 섬유 함유율이 40％ 질량을 초과하면 함침시의 압력에 의해 프리폼이 균열 되는 경우가 있다.

다음으로, 상기 블록을 500 ∼ 750℃ 정도에서 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 바람직하게는 30㎫ 이상의 압력으로 가압하고, 알루미늄 합금을 프리폼의 공극 중에 함침시킴으로써, 양 주면에 알루미늄층을 형성한 알루미늄-탄화규소질 복합체가 얻어진다. 또한 함침시의 변형 제거를 목적으로 함침품의 어닐 처리를 실시하는 경우도 있다.

본 발명의 알루미늄-탄화규소질 복합체 중의 알루미늄 합금은 함침시에 프리폼의 공극 내에 충분히 침투시키기 위해서 융점이 가능한 한 낮은 것이 바람직하다. 이와 같은 알루미늄 합금으로서, 예를 들어 실리콘을 5 ∼ 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 변화되지 않는 범위이면 특별히 제한은 없고, 예를 들어 구리 등이 포함되어 있어도 된다.

프리폼에 대한 알루미늄 합금 함침시의 변형 제거 목적으로 실시하는 어닐 처리는, 바람직하게는 400℃ ∼ 550℃, 특히 바람직하게는 500 ∼ 550℃ 에서 10 분 이상 실시하는 것이 바람직하다. 어닐 온도가 400℃ 미만이면, 복합체 내부의 변형이 충분히 개방되지 않고 기계 가공 후의 가열 처리 공정에서 휨이 크게 변화되는 경우가 있다. 한편, 어닐 온도가 550℃ 를 초과하면, 함침에서 사용한 알루미늄 합금이 용융되는 경우가 있다. 어닐 시간이 10 분 미만이면, 어닐 온도가 400℃ ∼ 550℃ 라도 복합체 내부의 변형이 충분히 개방되지 않고, 기계 가공 후의 가공 변형 제거를 위한 가열 처리 공정에서 휨이 크게 변화되는 경우가 있다.

본 발명에 관련된 다공질 탄화규소 성형체 (이하, SiC 프리폼이라고 한다) 의 제조 방법에 관해서 특별히 제한은 없고, 공지된 방법으로 제조할 수 있다. 예를 들어, 탄화규소 분말에 실리카 또는 알루미나 등을 결합재로서 첨가하여 혼합, 성형하고, 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 바인더를 병용할 수 있다.

알루미늄-탄화규소질 복합체의 특별히 중요한 특성은, 열전도율과 열팽창 계수이다. 알루미늄-탄화규소질 복합체 중의 탄화규소 (이하, SiC 라고 한다) 함유율이 높은 것이 열전도율이 높고, 열팽창 계수가 작아지기 때문에 바람직하지만, 지나치게 함유율이 높은 경우에는 알루미늄 합금의 함침 조작이 용이하지 않게 된다. 실용적으로는, 40㎛ 이상의 조대 SiC 입자를 40 질량％ 이상 함유하고, SiC 프리폼의 상대 밀도가 55 ∼ 75％ 의 범위에 있는 것이 바람직하다. 또 SiC 프리폼의 강도는, 휨 강도로 3㎫ 이상이면, 취급시나 함침 중의 균열의 우려가 없어지기 때문에 바람직하다.

SiC 프리폼을 얻기 위한 원료 SiC 분말에 대해서는, 입도 조정을 실시하는 것이 바람직하다. 조분만으로는 강도 발현이 부족하고, 미분만으로는 얻어지는 복합체에 대해 높은 열전도율을 기대할 수 없기 때문이다. 본 발명자의 검토에 의하면, 예를 들어 40㎛ 이상의 입경의 탄화규소 조분을 40 ∼ 80 질량％, 바람직하게는 50 ∼ 70 질량％ 와, 15㎛ 이하의 입경의 탄화규소 미분을 60 ∼ 20 질량％, 바람직하게는 50 ∼ 30 질량％ 를 혼합한 혼합 분말을 바람직한 것으로서 들 수 있다.

SiC 프리폼은 탄화규소 분말의 성형체를 탈지, 소성함으로써 얻어진다. 실리카졸을 바인더로서 사용한 경우, 소성 온도가 800℃ 이상이면, 소성시의 분위기에 관계없이 휨 강도가 3㎫ 이상의 프리폼으로 할 수 있다.

산화성 분위기에서는 1100℃ 를 초과하는 온도에서 소성하면, 탄화규소의 산화가 촉진되어, 알루미늄-탄화규소질 복합체의 열전도율이 저하되는 경우가 있다. 그 때문에, 산화성 분위기에서는 800 ∼ 1100℃, 바람직하게는 900 ∼ 1050℃ 의 온도에서 소성하는 것이 바람직하다. 소성 시간은 SiC 프리폼의 크기, 소성 노로에 대한 투입량, 소성 분위기 등의 조건에 맞추어 적절하게 결정된다.

본 발명에 관련된 SiC 프리폼은 성형시에 소정의 형상을 부가하는 경우, 1 장씩 건조시키거나 또는 SiC 프리폼 사이에 카본 등의 스페이서를 사용하여 겹쳐서 건조시킴으로써, 건조에 의한 휨 형상 변화를 방지할 수 있다. 또, 소성에 관해서도 건조시와 동일하게 소성 온도에서 사용할 수 있는 스페이서를 사용함으로써, 내부 조직의 변화에 수반되는 형상 변화를 방지할 수 있다.

SiC 프리폼의 형상은 직사각형 형상 (도 1(a)) 또는 구멍부를 둘러싸는 부분의 외주부가 직사각형으로 부가된 형상 (도 2(e), 및 도 3(g)) 의 평판인 것이 바람직하다.

본 발명의 알루미늄-탄화규소질 복합체는 파워 모듈용 베이스판 등으로서 사용하기 위해서, 외주 형상 및 외주부에 장착 구멍 등을 형성할 필요가 있다. 이 경우, 알루미늄-탄화규소질 복합체는 매우 단단하여, 다이아몬드 등의 공구를 사용하여 많은 연삭이 필요해지기 때문에 비용이 높아진다는 과제가 있다. 따라서, 용이하게 기계 가공할 수 있도록, 미리 가공 부분을 알루미늄 합금, 또는 세라믹스 섬유, 세라믹스 입자 및 알루미늄 함금으로 이루어지는 가공이 용이한 복합체로 해두는 것이 바람직하다.

SiC 프리폼이 베이스판 면내에서 차지하는 면적은 세라믹스 회로 기판과 접합하는 부분을 만족시키면 특별한 제약은 없는데, 베이스판 면적의 70％ 이상, 특히 85％ 이상이 바람직하다. 세라믹스 회로 기판과 접합하는 부분을 알루미늄-탄화규소질 복합체로 함으로써, 양 부재의 열팽창 차이를 억제하여 접합부의 신뢰성이 향상된다. 한편, SiC 프리폼의 면적이 베이스판 면적의 70％ 미만에서는, 얻어지는 베이스판 자체의 열팽창률이 지나치게 커져, 휨 형상이나 접합부의 신뢰성이 저하되는 경우가 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.

상기 SiC 프리폼을 사용하여 알루미늄-탄화규소질 복합체를 제작한 후, 외주부 또는 외주부 및 구멍부를 워터 제트 가공기, 방전 가공기 등을 사용하여 알루미늄-탄화규소질 복합체가 노출되도록 가공할 수도 있다 (도 4). 또한, 얻어지는 베이스판 형상보다 면적이 큰 SiC 프리폼을 사용하여 알루미늄-탄화규소질 복합체를 제작한 후, 상기 가공법에 의해 베이스판의 외주부, 구멍부 등을 형성할 수도 있다 (도 5).

알루미늄-탄화규소질 복합체 표면에 형성되는 알루미늄 합금으로 이루어지는 알루미늄층 두께는 평균 두께가 10 ∼ 150㎛ 이고, 바람직하게는 30 ∼ 100㎛ 이다. 알루미늄층 두께는 알루미늄-탄화규소질 복합체 표면을 연삭 가공하여 소정 두께로 조정할 수도 있다.

알루미늄층은 도금 처리를 실시할 때의 도금 밀착성을 확보하기 위해서 필요하다. 평균 두께가 10㎛ 미만에서는 그 후의 도금 전처리 등의 표면 처리시에 부분적으로 알루미늄-탄화규소질 복합체가 노출되고, 그 부분에 도금 미착이 발생되거나 도금 밀착성이 저하되는 등의 문제가 발생하는 경우가 있다. 한편, 평균 두께가 150㎛ 를 초과하면, 얻어지는 베이스판 자체의 열팽창률이 지나치게 커져, 접합부의 신뢰성이 저하되는 경우가 있다. 또한, 평균 두께가 150㎛ 를 초과하면, 알루미늄층의 두께 차이가 커지는 경우도 있다.

본 발명의 파워 모듈용 베이스판은 표면 알루미늄층의 두께의 최대치와 최소치의 차이가 80㎛ 이하, 바람직하게는 60㎛ 이하이다. 표면 알루미늄층 두께의 최대치와 최소치의 차이가 80㎛ 를 초과하면, 표면 알루미늄층 두께 차이에서 기인되는 굴곡, 패임이 발생된다. 파워 모듈용 베이스판으로서 사용하는 경우, 방열면에 굴곡이나 패임이 있으면, 그 후의 모듈 조립 공정에서 베이스판과 방열 핀 사이에 간극이 발생하여, 비록 고열전도성의 방열 그리스를 도포하더라도 열 전달 성이 현저하게 저하되고, 그 결과 세라믹스 회로 기판, 베이스판, 방열 핀 등으로 구성되는 모듈의 방열성이 현저하게 저하되는 경우가 있다.

본 발명의 파워 모듈용 베이스판은 양 주면의 알루미늄층의 평균 두께의 차이가 50㎛ 이하, 바람직하게는 30㎛ 이하이다. 본 발명의 파워 모듈용 베이스판은 알루미늄-탄화규소질 복합체의 양 주면에 알루미늄층을 구비하여 이루어지는 구조이고, 알루미늄-탄화규소질 복합체와 알루미늄층에서는 열 팽창률이 상이하기 때문에, 양 주면의 알루미늄층의 평균 두께 차이가 50㎛ 를 초과하면, 그 후의 모듈 조립 공정에서 열 사이클을 부가했을 때에 휨이 변화되는 문제가 있다.

형상 가공을 실시한 알루미늄-탄화규소질 복합체는 소정의 휨 형상이 되도록 10㎩ 이상의 응력을 가하면서, 온도 450 ∼ 550℃, 바람직하게 500 ∼ 550℃ 에서 30 초간 이상 가열 처리함으로써, 알루미늄-탄화규소질 복합체를 크립 변형시켜 휨을 부여한다. 휨 부여 처리 후의 알루미늄-탄화규소질 복합체는 필요에 따라 300℃ ∼ 400℃ 의 온도에서 어닐 처리를 실시하여, 휨 부여시에 발생한 잔류 응력을 제거한다. 본 발명의 파워 모듈용 베이스판은 표면 알루미늄층의 두께를 매우 얇게 또한 균일하게 제어함으로써, 휨 형상은 굴곡이나 패임이 적은 이상적인 구면 형상에 가까운 휨 형상 (도 6) 이 된다.

본 발명의 파워 모듈용 베이스판의 휨량은 길이 10㎝ 당 0 ∼ 200㎛, 바람직하게는 50 ∼ 150㎛ 이다. 파워 모듈용 베이스판으로서 사용하는 경우에, 방열면이 오목 형상으로 휘면, 그 후의 모듈 조립 공정에서 베이스판과 방열 핀 사이에 간극이 생겨, 비록 고열전도성의 방열 그리스를 도포하더라도 열 전달성이 현저하 게 저하되고, 그 결과 세라믹스 회로 기판, 베이스판, 방열 핀 등으로 구성되는 모듈의 방열성이 현저하게 저하되는 경우가 있다. 또, 휨량이 200㎛ 를 초과하면, 방열 핀과의 접합시의 나사 고정시에, 베이스판 또는 세라믹스 회로 기판에 크랙이 발생되는 경우가 있다.

본 발명에서는, 알루미늄-탄화규소질 복합체 표면에 형성되는 알루미늄층의 두께를 제어함으로써, 상기 베이스판의 방열면을 요철이 적은, 패임 깊이 50㎛ 이하의 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, 비록 고열전도성의 방열 그리스를 도포하더라도 열 전달성이 현저하게 저하되고, 그 결과 세라믹스 회로 기판, 베이스판, 방열 핀 등으로 구성되는 모듈의 방열성이 현저하게 저하되는 경우가 있다.

본 발명의 파워 모듈용 베이스판은 파워 모듈의 신뢰성의 척도가 되는 히트 사이클 시험 (온도 350℃ 에서 10 분간 유지한 후, 실온에서 자연 냉각시킨다) 을 실시했을 때의 형상 안정성이 우수하다. 예를 들어, 상기 조건의 히트 사이클 시험을 10 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, 비록 고열전도성의 방열 그리스를 도포하더라도 열 전달성이 현저하게 저하되는 경우가 있다.

본 발명에 관련된 알루미늄-탄화규소질 복합체는 양호한 방열 특성과 함께 응력 완화성을 갖기 때문에, 예를 들어 세라믹스 회로 기판과 방열 핀 등의 방열 부품 사이에 개재하는 베이스판으로서 바람직하다.

본 발명에 관련된 알루미늄-탄화규소질 복합체는, 파워 모듈용 베이스판으로서 사용하는 경우, 세라믹스 회로 기판과 납땜에 의해 접합되어 사용되는 것이 일반적이다. 이 때문에, 베이스판 표면에는 Ni 도금을 실시할 필요가 있다. 도금 처리 방법은 특별히 한정되지 않고, 무전해 도금 처리, 전기 도금 처리법 중 어느 것이어도 된다. Ni 도금의 두께는 1 ∼ 20㎛, 바람직하게는 3 ∼ 12㎛ 이다. 도금 두께가 1㎛ 미만에서는, 부분적으로 도금 핀 홀이 발생되고, 납땜시에 땜납 보이드 (공극) 가 발생되어, 회로 기판으로부터의 방열 특성이 저하되는 경우가 있다. 한편, Ni 도금의 두께가 20㎛ 를 초과하면, Ni 도금막과 표면 알루미늄 합금의 열팽창 차이에 의해 도금 박리가 발생되는 경우가 있다. Ni 도금막의 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, 온도 150℃ 의 열팽창 계수가 9×10^-6/K 이하인 것이 바람직하다. 상기 효과에 더하여, 고열전도율이고, 또한 반도체 부품이나 세라믹스 회로 기판과 동등한 레벨의 저 팽창율이기 때문에, 이것을 사용한 방열 부품, 또한 그것을 사용한 파워 모듈은 방열 특성이 우수하고, 또한 온도 변화를 받아도 잘 변형되지 않으며, 그 결과 고신뢰성이 얻어진다는 특징이 있다.

다음으로, 실시예 및 비교예에 의해 본 발명을 보다 구체적으로 설명하는데, 본 발명은 이하의 실시예로 한정되어 해석되는 것은 아니다.

(실시예 1 및 비교예 1)

탄화규소 분말 A (다이헤이요 랜덤사 제조 : NG-150, 평균 입경 : 100㎛) 100g, 탄화규소 분말 B (다이헤이요 랜덤사 제조 : NG-220, 평균 입경 : 60㎛) 100g, 탄화규소 분말 C (야쿠시마 덴코사 제조 : GC-1000F, 평균 입경 : 10㎛) 100g 및 실리카졸 (닛산 화학사 제조 : 스노우텍스) 30g 을 칭량하여 취하고, 교반 혼합기로 30 분간 혼합한 후, 190㎜×140㎜×5.5㎜ 치수의 평판 형상으로 압력 10㎫ 로 프레스 성형하였다.

얻어진 성형체를 온도 120℃ 에서 2 시간 건조 후, 대기 중, 온도 950℃ 에서 2 시간 소성하여, 상대 밀도가 65％ 인 SiC 프리폼을 얻었다. 얻어진 SiC 프리폼은 평면 연삭반에서 다이아몬드제 지석을 사용하여 5.0㎜ 의 두께로 면 가공한 후, 머시닝 센터에서 외형 치수가 183×133㎜ 이고, 도 2 의 형상으로 외주부를 가공하였다. 얻어진 SiC 프리폼의 3 점 휨 강도를 측정한 결과, 5㎫ 였다.

비교예 1 은 성형체 치수를 190㎜×140㎜×5.0㎜ 로 한 것 이외에는 실시예 1 과 동일한 방법에서의 SiC 프리폼을 제작하여, 면 가공을 실시하지 않고 외주부만 가공을 실시하였다.

실시예 1 및 비교예 1 에서 얻어진 가공 후의 SiC 프리폼의 두께 측정 결과를 표 1 에 나타낸다. 또한, 두께 측정 포인트는 프리폼을 9 분할한 중심부를 측정하였다.

※1 두께 차이 = 최대치와 최소치의 차이

실시예 1 및 비교예 1 에서 얻어진 SiC 프리폼은 양면을 카본 코트한 210㎜×160㎜×0.8㎜ 의 치수인 스테인리스판 사이에 끼우고, 20 장을 적층시킨 후, 양측에 12㎜ 두께의 철판을 배치하고, M10 의 볼트 6 개로 연결하여 면 방향의 조임 토크가 3Nm 가 되도록 토크 렌치로 조여 하나의 블록으로 하였다. 다음으로, 일체로 한 블록을 전기로에서 600℃ 로 예비 가열한 후, 미리 가열해 둔 내경 400㎜ 의 프레스형 내에 넣고, 실리콘을 12 질량％, 마그네슘을 0.8 질량％ 함유하는 알루미늄 합금의 용탕을 부어, 100㎫ 의 압력으로 20 분간 가압하여 탄화규소질 다공체에 알루미늄 합금을 함침시켰다. 실온까지 냉각시킨 후, 습식 밴드소로 이형판의 형상을 따라 절단하고, 사이에 끼운 스테인리스판을 벗긴 후, 함침시의 변형 제거를 위해서 530℃ 의 온도에서 3 시간 어닐 처리를 실시하여, 알루미늄-탄화규소질 복합체를 얻었다.

얻어진 알루미늄-탄화규소질 복합체의 주연부 8 지점에 직경 7㎜ 의 관통 구멍, 4 지점에 ø10-4㎜ 의 접시형 구멍을 가공하고, 외주의 알루미늄층 부분을 NC 선반으로 가공하여, 187㎜×137㎜×5㎜ 의 형상으로 하였다.

다음으로, 이 알루미늄-탄화규소질 복합체에 휨을 부여하기 위해, 카본제이고 곡률 반경이 15000㎜ 인 구면을 형성한 요철형을 준비하였다. 이 요철형을 열 프레스기에 장착하고, 가열하여 형태의 표면 온도를 510℃ 로 하였다. 이 요철형 사이에 상기 복합체를 배치하고 40KPa 로 프레스하였다. 이 때, 당해 복합체의 측면에 열전대를 접촉시켜 측온하였다. 복합체의 온도가 500℃ 가 된 시점으로부터 3 분간 유지 후, 가압을 해제하고 50℃ 까지 자연 냉각시켰다. 다음으로, 얻어진 복합체는 휨 부여시의 잔류 변형 제거를 위해서, 전기로에서 350℃ 의 온도에서 30 분간 어닐 처리를 실시하였다. 이어서, 압력 0.4㎫, 반송 속도 1.0m/min 의 조건에서 알루미나 지립으로 블라스트 처리를 실시하여 청정화하였다. 그 후, 무전해 Ni-P 및 Ni-B 를 실시하고, 복합체 표면에 8㎛ 두께 (Ni-P : 6㎛+Ni-B : 2㎛) 의 도금층을 형성하였다.

얻어진 알루미늄-탄화규소질 복합체를 각 샘플의 대각선을 따라 절단하고, 절단에 의해 노출된 편주면의 알루미늄층 두께를 각각 대각선으로 등간격으로 20 점 측정하여, 그 평균의 두께를 산출하였다.

또, 연삭 가공에 의해 열팽창 계수 측정용 시험체 (직경 3㎜ 길이 10㎜), 열전도율 측정용 시험체 (직경 11㎜ 두께 3㎜) 를 제작하였다. 각각의 시험체를 사용하여, 온도 150℃ 의 열팽창 계수를 열팽창계 (세이코 전자 공업사 제조 ; TMA300) 로, 25℃ 에서의 열전도율을 레이저-플래시법 (리가쿠 전기사 제조 ; LF/TCM-8510B) 에 의해 측정하였다. 휨 형상에 대해서는 윤곽 형상 측정기 (토쿄 정밀사 제조 ; 콘타레코드 1600D-22) 를 사용하여, 길이 10㎝ 당 휨량 및 패임 깊이를 측정하였다. 얻어진 결과를 표 2 에 나타낸다. 또, 윤곽 형상 측정기에 의한 실시예 1 의 휨 형상 측정 결과를 도 6 에 나타낸다.

※2 범위 = 최대치와 최소치의 차이

※3 휨 부여면(B면)의 장변 방향 중앙부의 길이 10㎝ 당 휨량

실시예 1 의 도금품을 사용하여, 온도 350℃ 에서 가열한 핫 플레이트에 당해 도금품을 탑재하고, 물온이 350℃ 에 도달한 후, 10 분간 유지한 후, 실온까지 자연 냉각시키는 히트 사이클 시험을 10 회 실시하였다. 실시예 1 의 히트 사이클 시험 후의 길이 10㎝ 당 휨량의 변화는 15㎛ 였다.

(실시예 2)

탄화규소 분말 A (다이헤이요 랜덤사 제조 : NG-150, 평균 입경 : 100㎛) 150g, 탄화규소 분말 D (다이헤이요 랜덤사 제조 : NG-500, 평균 입경 : 30㎛) 50g, 탄화규소 분말 C (야쿠시마 덴코사 제조 : GC-1000F, 평균 입경 : 10㎛) 100g 및 실리카졸 (닛산 화학사 제조 : 스노우 텍스) 30g 를 원료로서 사용한 이외에는 실시예 1 과 동일한 방법으로 상대 밀도가 66％ 인 SiC 프리폼을 얻었다. 얻어진 SiC 프리폼은 평면 연삭반으로 다이아몬드제 지석을 사용하여 4.9㎜ 의 두께로 면 가공한 후, 머시닝 센터로 외형 치수가 183×133㎜ 이고, 도 2 의 형상과 같이 외주부를 가공하였다. 가공 후의 SiC 프리폼의 두께 측정 결과를 표 3 에 나타낸다.

※1 두께 차이 = 최대치와 최소치의 차이

얻어진 SiC 프리폼은 양면에 180㎜×130㎜×0.2㎜ 의 5 질량％ 알루미나 섬유 (타나카 제지사 제조, 순도 97％) 를 배치하고, 양면을 카본 코트한 210㎜×160㎜×0.8㎜ 의 치수인 스테인리스판의 사이에 끼워, 20 장을 적층시킨 후, 양측에 12㎜ 두께의 철판을 배치하고, M10 의 볼트 6 개로 연결하여 면 방향의 조임 토크가 5Nm 가 되도록 토크 렌치로 조여 하나의 블록으로 하였다. 다음으로, 일체로 한 블록을 실시예 1 과 동일한 방법으로 함침 처리 및 함침시의 변형 제거를 위해서 530℃ 의 온도에서 3 시간 어닐 처리를 실시하여, 알루미늄-탄화규소질 복합체를 얻었다.

얻어진 알루미늄-탄화규소질 복합체는 주연부 8 지점에 직경 7㎜ 의 관통 구멍, 4 지점에 ø10-4㎜ 의 접시형 구멍을 가공하고, 외주부를 187×137㎜ (코너부는 R7㎜) 로 가공하였다 (도 2 참조). 다음으로, 실시예와 동일한 방법으로 휨 부여 처리를 하였다. 이어서, 압력 0.4㎫, 반송 속도 1.0m/min 의 조건에서 알루미나 지립으로 블라스트 처리를 실시하여 청정화하였다. 그 후, 무전해 Ni-P 및 Ni-B 도금을 실시하여, 복합체 표면에 8㎛ 두께 (Ni-P : 6㎛+Ni-B : 2㎛) 의 도금층을 형성하였다. 얻어진 복합체는 실시예 1 과 동일한 평가를 실시하였다. 결과를 표 4 에 나타낸다.

※2 범위 = 최대치와 최소치의 차이

※3 휨 부여면(B면)의 장변 방향 중앙부의 길이 10㎝ 당 휨량

(실시예 3)

SiC 프리폼을 대기 중, 온도 1100℃ 에서 2 시간 소성한 것 이외에는 실시예 2 와 동일한 방법으로 SiC 프리폼을 제작하였다. 얻어진 프리폼의 3 점 휨 강도는 12㎫ 였다. 가공 후의 SiC 프리폼의 두께 측정 결과를 표 5 에 나타낸다. 다음으로, 조임 토크를 10Nm 로 변경하고, 실시예 1 과 동일한 방법으로 알루미늄-탄화규소질 복합체를 제작하여, 실시예 1 과 동일한 도금 처리를 실시하고, 실시예 1 과 동일한 평가를 실시하였다. 결과를 표 6 에 나타낸다.

※1 두께 차이 = 최대치와 최소치의 차이

※2 범위 = 최대치와 최소치의 차이

※3 휨 부여면(B면)의 장변 방향 중앙부의 길이 10㎝ 당 휨량

(실시예 4)

SiC 프리폼 형상을 190×140×5.3㎜ 로 한 것 이외에는 실시예 1 과 동일한 방법으로 알루미늄-탄화규소질 복합체를 제작하였다. 얻어진 복합체는 주연부 8 지점에 직경 8㎜ 의 관통 구멍 및 외주부를 워터 제트 가공기로 187×137㎜ (코너부는 R7㎜) 로 가공하였다 (도 5 참조). 다음으로, 이 알루미늄-탄화규소질 복합체에 휨을 부여하기 위해, 카본제이고 곡률 반경이 12000㎜ 인 구면을 형성한 요철형을 사용하여 실시예 1 과 동일한 방법으로 휨을 부여하였다. 이어서 압력 0.4㎫, 반송 속도 1.0m/min 의 조건에서 알루미나 지립으로 블라스트 처리를 실시하여 청정화하였다. 그 후, 무전해 Ni-P 및 Ni-B 도금을 실시하여, 복합체 표면에 8㎛ 두께 (Ni-P : 6㎛+Ni-B : 2㎛) 의 도금층을 형성하였다. 얻어진 복합체는 실시예 1 과 동일한 평가를 실시하였다. 결과를 표 7 에 나타낸다.

※2 범위 = 최대치와 최소치의 차이

※3 휨 부여면(B면)의 장변 방향 중앙부의 길이 10㎝ 당 휨량

(실시예 5)

실시예 1 의 SiC 프리폼을 185㎜×135㎜×5.0㎜ 로 가공한 후, 다이아몬드제 지석을 사용하여 주연부 12 지점에 직경 10㎜ 의 관통 구멍을 형성하였다 (도 4 참조). 이어서, 실시예 1 과 동일한 방법으로 187㎜×137㎜×5.0㎜ 의 복합체를 제작하고, 도금 처리를 실시한 후, 실시예 1 과 동일한 평가를 실시하였다. 결과를 표 8 에 나타낸다.

※2 범위 = 최대치와 최소치의 차이

※3 휨 부여면(B면)의 장변 방향 중앙부의 길이 10㎝ 당 휨량

(실시예 6)

실시예 1 의 프리폼 형상을 180×110×5.3㎜ (도 1 참조) 로 변경한 것 이외에는 실시예 1 과 동일한 방법으로 알루미늄-탄화규소질 복합체를 제작하고, 기계 가공, 도금 처리를 실시하였다. 얻어진 복합체는 실시예 1 과 동일한 평가를 실시하고, 그 결과를 표 9 에 나타낸다.

※2 범위 = 최대치와 최소치의 차이

※3 휨 부여면(B면)의 장변 방향 중앙부의 길이 10㎝ 당 휨량

본 발명의 알루미늄-탄화규소질 복합체는 반도체 부품이나 세라믹스 회로 기판과 동등 레벨의 저열팽창이고, 그것을 사용한 파워 모듈은 방열 특성이 우수하고, 또한 온도 변화를 받아도 잘 변형되지 않아, 고신뢰성이 요구되는 반도체 소자를 탑재하는 파워 모듈의 베이스판으로서 이용할 수 있다.

또한 2006년 4월 26일에 출원된 일본 특허 출원2006-122350호의 명세서, 특허 청구의 범위, 도면 및 요약서의 전체 내용을 여기에 인용하고, 본 발명의 명세서의 개시로서 도입하는 것이다.

Claims

평판 형상의 탄화규소질 다공체를 면내 두께 차이가 100㎛ 이하가 되도록 성형 또는 가공한 후, 면 방향의 조임 토크가 1 ∼ 20Nm 가 되도록 이형판의 사이에 끼워 적층시키고, 알루미늄을 주성분으로 하는 금속을 함침시킨 알루미늄-탄화규소질 복합체로 이루어지고,

양 주면에 알루미늄을 주성분으로 하는 금속으로 이루어지는 알루미늄층을 가지고, 그 알루미늄층의 평균 두께가 10 ∼ 150㎛ 이며, 알루미늄층의 면내 두께의 최대치와 최소치의 차이가 80㎛ 이하이고, 양 주면의 알루미늄층의 평균 두께의 차이가 50㎛ 이하이며, 또한 상기 탄화규소질 다공체의 형상이 직사각형이거나 또는 구멍부를 둘러싸는 부분의 외주부가 직사각형으로 부가된 형상인 것을 특징으로 하는 파워 모듈용 베이스판.
제 1 항에 있어서,

양 주면 및 장착 구멍의 주위 및 외주부가, 알루미늄을 주성분으로 하는 금속층, 또는 세라믹스 섬유 및 알루미늄을 주성분으로 하는 금속과의 복합체로 이루어지는 파워 모듈용 베이스판.
제 1 항에 있어서,

외주부가, 알루미늄-탄화규소질 복합체가 노출되어 있는 파워 모듈용 베이스 판.
제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,

알루미늄-탄화규소질 복합체가, 10㎩ 이상의 응력을 가하면서 온도 450℃ ∼ 550℃ 에서 30 초간 이상 가열 처리하여 형성된 휨의 휨량이 길이 10㎝ 당 0 ∼ 200㎛ 이고, 또한 패임 깊이가 50㎛ 이하인 파워 모듈용 베이스판.
제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,

알루미늄-탄화규소질 복합체가, 열전도율이 180W/mK 이상, 그리고 온도 150℃ 의 열팽창 계수가 9×10^-6/K 이하인 파워 모듈용 베이스판.
제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,

온도 350℃ 에서 10 분간 유지한 후, 실온에서 자연 냉각시키는 히트 사이클을 10 회 실시한 후의 휨량의 변화가 길이 10㎝ 당 30㎛ 이하인 파워 모듈용 베이스판.
제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,

고압 함침법으로 제조된 알루미늄-탄화규소질 복합체로 이루어지는 파워 모듈용 베이스판.
제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 기재된 파워 모듈용 베이스판에 Ni 도금 처리를 실시하여 두께 1 ∼ 20㎛ 의 도금 피막을 형성하고, 반도체 탑재용 세라믹스 기판을 접합하여 이루어지는 방열 부품.