KR20160119839A - 유로 부재 및 반도체 모듈 - Google Patents
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Abstract
(과제) 방열 특성이 우수한 유로 부재 및 이 유로 부재에 형성된 금속층 상에 반도체 소자를 탑재해서 이루어지는 반도체 모듈을 제공한다.
(해결 수단) 벽으로 둘러싸인 공간이 유체가 흐르는 유로(2)이며, 상기 벽이 세라믹스로 이루어지는 유로 부재(1)로서 상기 벽 중 열교환이 행해지는 벽부의 내면(3a)에 있어서의 입계상의 면적 점유율이 외면(3b)에 있어서의 입계상의 면적 점유율보다 작은 유로 부재(1)이다. 이와 같은 구성을 만족시키고 있는 점으로부터 유로 부재(1)는 방열 특성이 우수하다.
(해결 수단) 벽으로 둘러싸인 공간이 유체가 흐르는 유로(2)이며, 상기 벽이 세라믹스로 이루어지는 유로 부재(1)로서 상기 벽 중 열교환이 행해지는 벽부의 내면(3a)에 있어서의 입계상의 면적 점유율이 외면(3b)에 있어서의 입계상의 면적 점유율보다 작은 유로 부재(1)이다. 이와 같은 구성을 만족시키고 있는 점으로부터 유로 부재(1)는 방열 특성이 우수하다.
Description
본 발명은 유로 부재 및 반도체 모듈에 관한 것이다.
최근 반도체 소자가 대전류 하에 있어서 고속으로 스위칭하는 용도로 사용되어 있다. 이 반도체 소자는 발열해서 고온이 되면 스위칭 기능에 영향을 미칠 가능성이 있다. 그 때문에, 반도체 소자의 탑재에 있어서는 유체와의 열교환에 의해 반도체 소자를 냉각 가능한 유로를 갖는 유로 부재가 사용되어 있다.
이와 같은 유로 부재로서, 예를 들면 특허문헌 1에는 반도체 부품이 실장되는 회로의 하부에 냉매 유로가 되는 공극부가 형성되고, 상기 회로로부터 상기 공극부까지의 기판 두께방향의 거리 t가 0.5㎜≤t≤5㎜의 조건을 만족시키고, 상기 거리 t와 상기 공극부의 폭 Y가 Y≤20t의 관계에 있는 구조의 유로 부재가 제안되어 있다.
반도체 소자를 냉각 가능한 유로를 갖고 있음으로써 유로를 갖고 있지 않은 것보다 방열 특성이 우수한 것이 되지만, 이번에 있어서, 유로 부재에는 추가적인 방열 특성의 향상이 요구되어 있다.
본 발명은 상기 요구를 만족시키기 위해 안출된 것이며, 방열 특성이 우수한 유로 부재 및 반도체 모듈을 제공하는 것이다.
본 발명의 유로 부재는 벽으로 둘러싸인 공간이 유체가 흐르는 유로이며, 상기 벽이 세라믹스로 이루어지는 유로 부재로서, 상기 벽 중 열교환이 행해지는 벽부의 내면에 있어서의 입계상의 면적 점유율이 외면에 있어서의 입계상의 면적 점유율보다 작은 것을 특징으로 하는 것이다.
또한, 본 발명의 반도체 모듈은 상기 구성의 본 발명의 유로 부재의 상기 벽에 형성된 금속층 상에 반도체 소자가 탑재되어서 이루어지는 것을 특징으로 하는 것이다.
(발명의 효과)
본 발명의 유로 부재는 방열 특성이 우수하다.
또한, 본 발명의 반도체 모듈에 의하면 대전류 하에 있어서 고속으로 스위칭하는 기능을 높게 유지하는 것이 가능해진다.
도 1은 본 실시형태의 반도체 모듈의 일례를 나타내고, 도 1(a)는 사시도이며, 도 1(b)는 단면도이다.
도 2는 본 실시형태의 유로 부재를 구성하는 덮개체부의 일례를 나타내고, 도 2(a)는 사시도이며, 도 2(b)는 도 2(a)에 있어서의 A-A선에서의 단면도이며, 도 2(c)는 도 2(b)에 있어서의 B부의 확대도이다.
도 3은 방추형상의 구멍의 형상예를 나타내는 개략도이다.
도 2는 본 실시형태의 유로 부재를 구성하는 덮개체부의 일례를 나타내고, 도 2(a)는 사시도이며, 도 2(b)는 도 2(a)에 있어서의 A-A선에서의 단면도이며, 도 2(c)는 도 2(b)에 있어서의 B부의 확대도이다.
도 3은 방추형상의 구멍의 형상예를 나타내는 개략도이다.
이하, 본 실시형태의 일례에 대해서 도면을 참조하면서 설명한다. 도 1은 본 실시형태의 반도체 모듈의 일례를 나타내고, 도 1(a)는 사시도이며, 도 1(b)는 단면도이다. 또한, 동일 부재에 대해서는 동일한 번호를 붙이는 것으로 한다.
도 1(a)에 나타내는 바와 같이 본 실시형태의 반도체 모듈(30)은 유로 부재(1)에 금속층(10)을 구비하고, 그 위에 반도체 소자(20)가 탑재되어 있다. 이 반도체 소자(20)는 사용에 따라서 발열하는 것이며, 특히 IGBT 소자나 LED 소자 등의 파워 반도체인 경우 발열량이 많은 것이다.
또한, 도 1에 있어서는 덮개체부(3) 상에 반도체 소자(20)가 2개 형성된 예를 나타내고 있지만, 반도체 소자(20)는 2개로 한정되는 것은 아니고 1개이어도, 또한 3개 이상이어도 좋다.
그리고, 본 실시형태의 유로 부재(1)는 도 1(b)에 나타내는 바와 같이 벽(덮개체부(3), 측벽부(6), 바닥판부(7))으로 둘러싸인 공간이 유체가 흐르는 유로(2)이며, 공급구(4)로부터 공급된 냉매가 유로(2)를 통해서 배출구(5)로부터 배출되는 것이다. 또한, 도 1에 있어서는 공급구(4) 및 배출구(5)를 측벽부(6)에 형성하고 있지만, 덮개체부(3)나 바닥판부(7)에 형성하는 등 적당히 변경해도 상관없다.
또한, 본 실시형태의 유로 부재(1)에 있어서, 덮개체부(3), 측벽부(6) 및 바닥판부(7)는 세라믹스로 이루어진다. 이와 같이, 덮개체부(3), 측벽부(6) 및 바닥판부(7)가 세라믹스로 이루어짐으로써 부식성을 갖는 냉매를 흐르게 할 수 있거나, 부식성을 갖는 환경에 있어서 사용하거나 할 수 있다.
이어서, 본 실시형태의 유로 부재(1)는 사용에 따라서 반도체 소자(20)로부터 발생한 열과, 유로(2)를 흐르는 냉매가 갖는 열의 열교환에 의해 반도체 소자(20)가 지나치게 고온이 되는 것을 억제하는 것이며, 도 1에 나타내는 구성에 있어서는 벽 중 덮개체부(3)가 열교환이 행해지는 벽부에 해당한다. 또한, 유로 부재(1)가 반도체 소자(20)의 탑재에 사용되는 것일 때 열교환이 행해지는 벽부란 반도체 소자(20)가 탑재되는 측의 벽부로도 바꿔 말할 수 있다. 또한, 유로 부재(1)가 외부 환경과의 열교환에 사용되는 것일 때, 덮개체부(3), 측벽부(6), 바닥판부(7)의 전부가 열교환이 행해지는 벽부이다.
본 실시형태의 유로 부재(1)에 있어서 덮개체부(3)는 내면(3a)에 있어서의 입계상의 면적 점유율이 외면(3b)에 있어서의 입계상의 면적 점유율보다 작다. 또한, 내면(3a)이란 유로(2)의 일부를 구성하는 것이다.
이와 같이, 내면(3a)에 있어서의 입계상의 면적 점유율이 외면(3b)에 있어서의 입계상의 면적 점유율보다 작음으로써 덮개체부(3)의 외면(3b)으로부터 내면(3a)을 향하는 반도체 소자(20)에서 발생한 열의 열전도성이 향상되고, 유로(2)를 흐르는 냉매와 효율적으로 열교환할 수 있기 때문에 유로 부재(1)는 방열 특성이 우수한 것이 된다.
여기에서, 덮개체부(3)의 외면(3b)으로부터 내면(3a)을 향하는 반도체 소자(20)에서 발생한 열의 열전도성이 향상되는 것은 이하의 이유에 의한다. 입계상은 결정상보다 열전도성이 낮은 점으로부터 대비해서 입계상의 면적 점유율이 큰 외면(3b)에 있어서, 반도체 소자(20)에서 발생한 열은 외면(3b)을 따르는 방향(도 1(b)에 있어서의 가로방향)으로 확산되기 어렵고, 대비해서 입계상의 면적 점유율이 작은 내면(3a)측(도 1(b)에 있어서의 세로방향)으로 이동하기 쉬워지기 때문에 반도체 소자(20)에서 발생한 열의 열전도성이 향상되는 것이다.
또한, 내면(3a)의 입계상의 면적 점유율은 0.1면적% 이상 4.0면적% 이하인 것이 바람직하다. 내면(3a)의 입계상의 면적 점유율이 상기 범위를 만족시키고 있을 때에는 우수한 방열 특성에 추가해서 높은 압력의 유체를 흐르게 했다고 해도 내면(3a)에 있어서의 탈립에 의한 손상을 억제할 수 있다.
또한, 외면(3b)의 입계상의 면적 점유율은 8.0면적% 이상 23.0면적% 이하인 것이 바람직하다. 외면(3b)의 입계상의 면적 점유율이 상기 범위를 만족시키고 있을 때에는 우수한 방열 특성에 추가해서 기계적 특성이 우수한 것으로 할 수 있다.
여기에서, 덮개체부(3)의 내면(3a) 및 외면(3b)의 입계상의 면적 점유율의 측정 방법으로서는, 예를 들면 다음에 기재하는 방법이 있다. 우선, 덮개체부(3)로부터 적당한 크기의 샘플을 잘라낸 후 주사형 전자 현미경(SEM)을 사용해서 배율을 1000~6000배로 해서 관찰하고, 원소 매핑(예를 들면, 입계상에 마그네슘(Mg)을 포함하면 마그네슘을 지정한다)에 의해 입계상의 위치를 확인한 후 반사 전자상을 촬영한다. 이어서, 얻어진 사진에 대하여 화상 해석 소프트 「Azokun」(등록상표, Asahi Kasei Engineering Corporation제, 또한 이후에 화상 해석 소프트 「Azokun」이라고 기재한 경우 Asahi Kasei Engineering Corporation제의 화상 해석 소프트를 나타내는 것으로 한다)을 사용해서 입계상과 결정상의 콘트라스트가 명확해지도록 역치를 설정하고, 화상 해석을 행하여 이 작업을 임의의 5개소에서 측정한 평균값을 입계상의 면적 점유율로 한다.
또한, 원소 매핑에는 전자선 마이크로 애널라이저(EPMA)를 사용할 수도 있다. 또한, 입계상의 면적 점유율의 측정에 있어서 연마를 행하는 경우에는 덮개체부(3)의 두께에 대하여 각각의 연마량은 50㎛ 정도까지의 범위에 있어서 내면(3a) 및 외면(3b)의 연마량을 동일하게 한다.
또한, 열교환이 행해지는 벽부인 덮개체부(3)는 내면(3a)에 있어서의 평균 결정 입경이 외면(3b)에 있어서의 평균 결정 입경보다 큰 것이 바람직하다.
이와 같은 구성을 만족시키고 있을 때에는 외면(3b)에 있어서 결정상 사이의 열전도를 방해하는 계면이 많기 때문에 외면(3b)을 따르는 방향으로 열이 확산되기 어렵고, 내면(3a)측으로 열이 이동하기 쉬워져 반도체 소자(20)에서 발생한 열과 유로(2)를 흐르는 유체인 냉매가 효율 좋게 열교환될 수 있어 방열 특성이 향상된다.
또한, 내면(3a)의 평균 결정 입경은, 예를 들면 1.3㎛ 이상 4㎛ 이하이며, 외면(3b)의 평균 결정 입경은 0.5㎛ 이상 1㎛ 이하이다.
여기에서, 덮개체부(3)의 내면(3a) 및 외면(3b)의 평균 결정 입경의 측정 방법으로서는, 예를 들면 덮개체부(3)로부터 내면(3a) 및 외면(3b)을 포함하는 적당한 크기의 샘플을 잘라낸 후 덮개체부(3)의 두께에 대하여 50㎛ 정도까지의 범위에 있어서 같은 연마량으로 내면(3a) 및 외면(3b)을 경면 연마한다. 이어서, 각각의 연마면을 SEM을 사용해서 1000~6000배로 관찰하여 촬영한 후에 화상 해석 소프트 「Azokun」을 사용해서 화상 해석함으로써 평균 결정 입경을 구할 수 있다. 또한, 화상 해석 소프트 「Azokun」을 사용한 화상 해석은 JIS R 1670-2006에 준거한 것이다.
또한, 그 외에는 코드법을 사용해서 평균 결정 입경을 구할 수도 있다. 구체적으로는 촬영한 사진에 대하여 일정 길이의 직선 상에 있는 결정상의 개수로부터 입경을 측정하고, 이것을 복수 개소에서 행하여 평균값을 구하면 좋다.
또한, 본 실시형태의 유로 부재(1)에 있어서 덮개체부(3)는 내면(3a)의 산술 평균 거칠기 Ra가 0.2㎛ 이상인 것이 바람직하다.
이와 같은 구성을 만족시키고 있을 때에는 유로(2) 내를 흐르는 유체가 내면(3a)에 있어서 난류가 발생하기 쉬워져 열교환 효율이 향상되게 되고, 유로 부재(1)의 방열 특성이 향상된다. 또한, 유로(2)에 고압의 유체를 흘렸을 때에 덮개체부(3)의 손상을 억제하는 데에는 덮개체부(3)의 내면(3a)의 산술 평균 거칠기 Ra는 1㎛ 이하로 하는 것이 바람직하다.
여기에서, 덮개체부(3)의 내면(3a)의 산술 평균 거칠기 Ra의 확인 방법으로서는, 예를 들면 덮개체부(3)로부터 내면(3a)을 포함하도록 적당한 크기의 샘플을 잘라낸 후 접촉형 또는 비접촉형 거칠기 측정기를 사용해서 JIS B 0601-2001에 의거하여 측정하고, 이 작업을 임의의 5개소에서 행하여 평균값을 구하면 좋다.
이어서, 도 2는 본 실시형태의 유로 부재를 구성하는 덮개체부(3)의 일례를 나타내고, 도 2(a)는 사시도이며, 도 2(b)는 도 2(a)에 있어서의 A-A선에서의 단면도이며, 도 2(c)는 도 2(b)에 있어서의 B부의 확대도이다. 또한, 도 3은 방추형상의 구멍의 형상예를 나타내는 개략도이다.
도 2(b)에 나타내는 단면에 있어서 덮개체부(3)가 외면(3b)을 따른 방향이 장경(8a)인 방추형상의 구멍(8)(이하, 단순히 구멍이라고도 한다)을 갖고 있는 것이 적합하다. 또한, 외면(3b)을 따른 방향이란 도 2(c)에 있어서의 가로방향이다.
또한, 방추형상이란 도 3(a), 도 3(b)에 나타내는 형상이며, 중앙측이 굵고, 단부측을 향해서 얇아지고 있는 형상이다. 구체적인 방추형상의 구멍(8)의 크기는 대상으로 하는 구멍(8)의 가장 긴 방향의 길이인 장경(8a)이 10㎛~200㎛이며, 장경(8a)의 중점(8c) 부분에 있어서의 장경(8a)에 수직인 부분의 길이를 단경(8b)으로 했을 때 장경(8a)/단경(8b)으로 구해지는 비가 2 이상이 되는 것이다.
그리고, 덮개체부(3)가 외면(3b)을 따른 방향이 장경(8a)인 방추형상의 구멍(8)을 갖고 있을 때에는 반복되는 열의 이동에 의해 결정상의 계면 등에 미소한 균열이 발생했을 때의 균열의 진전을 억제할 수 있다. 또한, 덮개체부(3)의 두께방향(도 2(c)에 있어서의 세로방향)을 따른 방향이 장경의 구멍을 갖고 있을 때보다 우수한 기계적 특성을 갖는 점으로부터 장기간에 걸친 사용이 가능하다.
또한, 외면(3b)을 따른 방향이 장경(8a)인 방추형상의 구멍(8)을 두께방향으로 복수 갖고 있고, 각각에 있어서의 장경(8a)의 중점의 연직선(도 2(c)에 나타내는 화살표)이 덮개체부(3)의 두께 내에 있어서 겹치지 않는 것이 바람직하다. 이와 같은 구성을 만족시키고 있을 때에는 덮개체부(3)의 두께 내에 있어서 겹쳐져 있을 때보다 우수한 기계적 특성을 가지면서 미소 균열의 진전을 억제할 수 있다. 또한, 외면(3b)으로부터 전해진 열의 국부 집중에 의해 미소 균열이 발생할 우려를 적게 할 수 있다.
또한, 외면(3b)을 따른 방향이 장축(8a)인 방추형상의 구멍(8)의 확인 방법으로서는 덮개체부(3)로부터 외면(3b)에 수직인 단면(도 2(a)의 A-A선과 같은 단면)을 잘라내고, 공지의 현미경(금속 현미경이나 SEM 등을 사용해서 1000배 이상 2000배 이하의 배율로 관찰함으로써 확인할 수 있다. 또한, 방추형상의 구멍(8)을 두께방향으로 복수 갖고 있는지의 여부에 대해서는 두께방향에 있어서 다른 영역을 관찰하여 복수의 영역에서 방추형상의 구멍(8)이 관찰되는지의 여부에 의해 판단하면 좋다. 또한, 각각의 방추형상의 구멍(8)에 있어서의 장경(8a)의 중점의 연직선이 덮개체부(3)의 두께 내에 있어서 겹쳐있는지의 여부에 대해서는 확인된 방추형상의 구멍(8)으로부터 연직방향으로 외면(3b)측 및 내면(3a)측까지 관찰 영역을 이동시켜서 관찰하면 좋다.
이어서, 유로 부재(1)를 구성하는 세라믹스로서는 알루미나, 지르코니아, 뮬라이트, 탄화규소, 탄화붕소, 코디어라이트, 질화규소, 질화알루미늄이나 이들의 복합 재료로 이루어지는 소결체를 들 수 있다. 이와 같이, 유로 부재(1)를 구성하는 벽이 세라믹스로 이루어짐으로써 도 1에 나타내는 바와 같이 배선 도체 등의 금속층(10)을 유로 부재(1)에 직접 형성할 수 있기 때문에 이 금속층(10) 상에 반도체 소자(20) 등의 전자 부품을 탑재할 수 있다. 그것에 의해 부품수의 삭감이 가능함과 아울러 부품의 접합부를 적게 할 수 있는 분만큼 접합부에 있어서의 열저항을 저감시킬 수 있어 열교환 효율을 향상시킬 수 있다.
특히, 도 1에 나타내는 덮개체부(3)는 질화규소질 소결체로 이루어지는 것이 바람직하다. 여기에서, 질화규소질 소결체란 소결체를 구성하는 전체 성분 100질량% 중 질화규소의 함유량이 70질량% 이상인 소결체이다. 덮개체부(3)가 질화규소질 소결체로 이루어질 때에는 질화규소질 소결체는 내전압성 및 내열 충격성이 높은 점으로부터 대전류 하에서의 사용에도 견딜 수 있고, 또한 전자 부품의 발열량이 큰 경우이어도 균열 등의 손상을 발생시키기 어렵게 할 수 있다.
또한, 덮개체부(3)를 구성하는 성분은 덮개체부(3)로부터 소정 크기의 시료를 잘라내고, X선 회절 장치(XRD)에 의해 확인할 수 있다. 또한, 함유량에 대해서는 SEM에 의한 에너지 분산형 X선(EDS) 분석을 행함으로써 확인할 수 있다. 또한, ICP 발광 분광 분석 장치 또는 형광 X선 분석 장치를 사용해도 함유량을 확인할 수도 있다.
또한, 덮개체부(3)가 질화규소질 소결체로 이루어지는 것일 때 내면(3a)에 있어서, 철 및 규소를 포함하는 화합물이 점재하고, 원 상당 지름이 0.05㎛ 이상 5㎛ 이하인 화합물의 개수가 1㎟당 2.0×104개 이상 2.0×105개 이하인 것이 바람직하다.
이와 같은 구성을 만족시키고 있을 때에는 유로(2)에 고압의 유체를 흘렸을 때에 덮개체부(3)의 내면(3a)에 압력이 가해짐으로써 균열이 발생했다고 해도 철 및 규소를 포함하는 화합물이 점재함으로써 덮개체부(3)의 내부측으로의 균열의 진전을 억제할 수 있다. 또한, 철 및 규소를 포함하는 화합물은 덮개체부(3)의 입계상에 존재하는 것이 바람직하다.
여기에서, 철 및 규소를 포함하는 화합물이 점재하고 있는지의 여부에 대해서는 EPMA를 사용한 원소 매핑의 확인에 의해 Fe의 존재 위치와 Si의 존재 위치가 겹쳐 있는 장소가 복수 존재하는지의 여부에 의해 확인할 수 있다. 또한, 화합물의 분류는 XRD로 측정해서 분류하면 좋다.
또한, 원 상당 지름이 0.05㎛ 이상 5㎛ 이하인 철 및 규소를 포함하는 화합물의 1㎟당 개수는 SEM을 사용해서 배율을 1000배로 해서, 예를 들면 면적이 10.8×104㎛2(가로방향의 길이가 127㎛, 세로방향의 길이가 85.3㎛)가 되도록 범위를 설정하고, CCD 카메라로 이 범위의 반사 전자상을 도입하여 화상 해석 소프트 「Azokun」을 사용해서 입자 해석이라는 방법으로 해석하면 좋다.
여기에서, 이 방법의 설정 조건으로서는 명도를 명, 2값화의 방법을 수동, 반사 전자상의 명암을 나타내는 지표인 역치를 반사 전자상 내의 각 점(각 픽셀)이 갖는 밝기를 나타내는 히스토그램의 피크값의, 예를 들면 1.5배~1.8배로 설정하면 좋다. 또한, SEM 대신에 광학 현미경을 사용해도 상관없다. 이 작업을 임의의 5개소에서 행하여 평균값을 구하면 좋다.
또한, 본 실시형태의 유로 부재(1)는 덮개체부(3)가 질화규소질 소결체로 이루어지는 경우에 있어서, 덮개체부(3)의 내면(3a)에 오목부를 갖고, 오목부의 내부에 서로 교착된 기둥형상 결정이 존재하는 것이 바람직하다.
이와 같은 구성을 만족시키고 있을 때에는 기둥형상 결정이 교착되어 있는 오목부에 유로(2)를 흐르는 유체가 들어갔을 때에 유체의 흐름이 교반되어서 열교환 효율이 향상되게 되고, 유로 부재(1)의 방열 특성이 향상된다.
여기에서, 오목부의 크기는 개구부의 최대 폭이 20㎛ 이상 100㎛ 이하인 것이 바람직하고, 그 확인 방법으로서는 SEM을 사용해서 배율을 200~500배로 해서 확인할 수 있다.
또한, 오목부의 내부에 있어서, 기둥형상 결정이 서로 교착되어 있는 상태란 SEM을 사용해서 배율을 1000~3000배로 확대함으로써 확인할 수 있다. 또한, 교착되어 있는 상태란 각각의 기둥형상 결정의 축이 임의의 각도를 이루어서 교차하고 있는 상태를 말한다.
그리고, 본 실시형태의 반도체 모듈(30)은 유로 부재(1)의 덮개체부(3)에 형성된 금속층(10) 상에 반도체 소자(20)를 탑재해서 이루어지는 것이다.
예를 들면, 도 1에 나타내는 바와 같이 유로 부재(1)의 덮개체부(3) 상에 복수의 반도체 소자(20)를 탑재한 경우, 덮개체부(3)는 외면(3b)을 따르는 방향으로 열이 확산되기 어려운 점으로부터 각각의 반도체 소자(20)로부터 발생한 서로의 열에 각각의 반도체 소자(20)가 간섭되는 것을 억제할 수 있다. 또한, 반도체 소자(20)에서 발생한 열이 덮개체부(3)의 내면(3a)측으로 이동하기 쉬운 점으로부터 반도체 소자(20)의 방열을 효율 좋게 행할 수 있고, 대전류 하에 있어서도 고속으로 스위칭하는 것이 가능해진다.
여기에서, 금속층(10)은 구리, 은, 알루미늄 등을 주성분으로 하는 것이 바람직하다. 이들을 주성분으로 하는 금속층(10)은 전기 저항율이 낮은 점으로부터 허용 전류가 큰 경우에도 대응할 수 있다. 또한, 열전도율이 높은 점으로부터 금속층(10)을 방열 부재로서 사용하는 것도 가능하다.
또한, 상술한 설명에 있어서, 열원이 반도체 소자(20)인 예에 대해서 설명했지만, 열원은 반도체 소자(20)에 한정되지 않고, 승화형 서멀 프린터 헤드 소자나 서멀 잉크젯 프린터 헤드 소자 등이어도 상관없다.
또한, 도시하고 있지 않지만, 금속층(10)이나 반도체 소자(20)는 본딩 와이어 등을 사용해서 다른 회로 기판이나 외부 전원과 접속된다.
또한, 본 실시형태의 유로 부재(1)는 내부에 유체가 흐르는 방향을 변경하거나 분기시키기 위한 격벽부를 구비해도 상관없다. 이와 같은 격벽부를 구비함으로써 반도체 소자(20) 등을 효율 좋게 냉각할 수 있다.
이어서, 본 실시형태의 유로 부재의 제작 방법의 일례로서 유로 부재가 질화규소질 소결체로 이루어지는 예를 설명한다.
또한, 이하의 설명에 있어서는 본 실시형태의 유로 부재(1)의 덮개체부(3)의 제작 방법으로서 세라믹스 그린 시트에 의한 적층법으로 제작하는 예에 대해서 설명한다.
우선, β화율이 20% 이하인 질화규소의 분말과, 소결 조제로서 마그네슘(Mg), 칼슘(Ca), 알루미늄(Al), 몰리브덴(Mo), 크롬(Cr), 니켈(Ni), 망간(Mn) 및 텅스텐(W)의 산화물의 분말 중 적어도 어느 하나 및 희토류 원소의 산화물(예를 들면, Sc2O3, Y2O3, La2O3, Ce2O3, Pr6O11, Nd2O3, Pm2O3, Sm2O3, Eu2O3, Gd2O3, Tb2O3, Dy2O3, Ho2O3, Er2O3, Tm2O3, Yb2O3 및 Lu2O3 중 적어도 어느 하나)의 분말을 소망량 칭량한다. 그리고, 세라믹스로 이루어지는 볼이 들어간 회전 밀에 넣어서 혼합·분쇄를 행한 후 파라핀 왁스, 폴리비닐알코올(PVA), 폴리에틸렌글리콜(PEG) 등의 유기 바인더를 넣어서 혼합함으로써 슬러리를 제작한다.
상술한 소결 조제는 질화규소의 분말과 이들 소결 조제의 분말의 합계의 총합을 100질량%로 했을 경우에 마그네슘(Mg), 칼슘(Ca), 알루미늄(Al), 몰리브덴(Mo), 크롬(Cr), 니켈(Ni), 망간(Mn) 및 텅스텐(W)의 산화물의 분말 중 적어도 어느 하나를 2~7질량%, 희토류 원소의 산화물의 분말을 7~16질량%가 되도록 하면 좋다.
여기에서, 본 실시형태의 유로 부재의 제작 방법에 있어서는 덮개체부(3)의 내면(3a)측이 되는 세라믹스 그린 시트의 출발 원료 A와, 덮개체부(3)의 외면(3b)측이 되는 세라믹스 그린 시트의 출발 원료 B의 조합 조성을 다르게 해서 제작한다. 구체적으로는 출발 원료 B보다 출발 원료 A에 있어서의 소결 조제의 분말의 함유량을 적게 함으로써 덮개체부(3)의 내면(3a)에 있어서의 입계상의 면적 점유율을 외면(3b)에 있어서의 입계상의 면적 점유율보다 작게 할 수 있다.
또한, 덮개체부(3)의 두께를 두꺼운 것으로 하는 경우에는 소결 조제의 분말의 함유량이 출발 원료 A보다 많고, 출발 원료 B보다 적은 출발 원료 C를 준비하여 출발 원료 A로 이루어지는 세라믹스 그린 시트와, 출발 원료 B로 이루어지는 세라믹스 그린 시트 사이에 끼우는 구성으로 하면 좋다.
또한, 출발 원료 A 100질량부에 대해서 비표면적이 0.5㎡/g 이상 50㎡/g 이하인 산화철의 분말을 1질량부 이상 1.7질량부 이하 첨가해도 좋다. 산화철은 소성시에 규소와 반응해서 산소를 이탈함으로써 열역학적으로 안정적인 철 및 규소로 이루어지는 화합물인 규화물이 생성된다. 그리고, 상술한 비표면적 및 함유량의 산화철의 분말을 포함함으로써 덮개체부(3)의 내면(3a)에 있어서, 철 및 규소를 포함하는 화합물이 점재하고, 원 상당 지름이 0.05㎛ 이상 5㎛ 이하의 상기 화합물의 개수를 1㎟당 2.0×104개 이상 2.0×105개 이하로 할 수 있다.
또한, 질화규소 및 소결 조제의 분말의 혼합·분쇄에서 사용하는 세라믹스로 이루어지는 볼은 질화규소질 소결체의 제작에 있어서는 질화규소질 소결체로 이루어지는 볼을 사용하는 것이 바람직하다. 또한, 질화규소 및 소결 조제의 분말의 혼합·분쇄는 입도 분포 곡선의 누적 체적의 총합을 100%로 한 경우의 누적 체적이 90%가 되는 입경(D90)이 3㎛ 이하가 될 때까지 혼합·분쇄하는 것이 소결성의 향상 및 결정 조직의 기둥형상화 또는 바늘형상화의 점으로부터 바람직하다.
여기에서, 혼합·분쇄를 단시간에서 행하는 데에는 미리 누적 체적 50%가 되는 입경(D50)이 1㎛ 이하인 분말을 사용하는 것이 바람직하다. 또한, 분쇄 입경의 조정은 볼의 외경, 볼의 양, 슬러리의 점도, 분쇄 시간 등으로 조정할 수 있다. 슬러리의 점도를 낮추기 위해서는 분산제를 첨가하면 좋다. 이와 같은 조정에 의해 분쇄 입경을 조정할 수 있고, 나아가서는 내면(3a) 및 외면(3b)에 있어서의 평균 결정 입경을 조정할 수 있다.
이어서, 얻어진 각각의 슬러리를 사용해서 독터 블레이드법에 의해 시트를 제작한다. 그리고, 얻어진 시트를 금형으로 펀칭하거나 또는 레이저 가공에 의해 소정형상의 덮개체부(3)의 내면(3a) 측 및 외면(3b)측이 되는 세라믹스 그린 시트를 얻는다.
또한, 다른 성형체의 제작 방법으로서는 얻어진 각각의 슬러리를 분무 건조함으로써 조립한 과립을 사용해서 냉간정수압 가압 성형(CIP)법, 압출 성형법, 가압 프레스법 등에 의해 성형한 후 소정 형상으로 절삭 가공하거나 해도 좋다. 또한, 과립을 압연하는 롤 콤팩션법에 의해 제작한 시트를 금형으로 펀칭하거나 또는 레이저 가공에 의해 소정형상의 덮개체부(3)의 내면(3a)측 및 외면(3b)측이 되는 세라믹스 그린 시트를 얻어도 좋다.
그리고, 얻어진 덮개체부(3)의 내면(3a)측이 되는 세라믹스 그린 시트와, 외면(3b)이 되는 세라믹스 그린 시트의 접합면이 되는 적어도 한쪽의 면에 슬러리를 도포한 후에 적층해서 가압함으로써 덮개체부(3)가 되는 적층체인 성형체를 얻을 수 있다. 또한, 상술한 바와 같이 덮개체부(3)의 두께를 두꺼운 것으로 하는 경우에는 내면(3a)이 되는 세라믹스 그린 시트와, 외면(3b)이 되는 세라믹스 그린 시트 사이에 출발 원료 C로 이루어지는 세라믹스 그린 시트를 개재시켜서 적층하면 좋다.
그리고, 덮개체부(3)의 내면(3a)에 접촉하는 성형체의 표면에 블라스트 처리를 행함으로써 소성 후의 산술 평균 거칠기 Ra를 조정할 수 있다.
또한, 덮개체부(3)에 외면(3a)을 따른 방향이 장경(8a)인 방추형상의 구멍(8)을 형성하는 데에는 접합면에 슬러리를 도포할 때에 슬러리를 도포하지 않는 원형상의 영역을 형성하면 좋고, 방추형상의 구멍(8)을 복수 갖고 있어 각각의 방추형상의 구멍(8)에 있어서의 장경(8a)의 중점(8c)의 연직선이 덮개체부(3)의 두께 내에 있어서 겹치지 않는 것으로 하는 데에는 적층 수가 3층 이상일 때에는 슬러리를 도포하지 않는 원형상의 영역의 배치가 각 접합면에서 겹치지 않는 것이 되도록 하면 좋다.
또한, 유로 부재(1)를 구성하는 덮개체부(3) 이외의 측벽부(6) 및 바닥판부(7)의 성형체를 제작 방법으로서는 과립을 사용해서 CIP법, 압출 성형법 등에 의해 블록형상의 성형체를 얻은 후에 유로(2)의 형상이 되도록 깎아냄으로써 제작해도 좋지만, 덮개체부(3)를 적층법에 의해 제작하는 것이면 측벽부(6) 및 바닥판부(7)에 대해서도 적층법에 의해 제작하는 것이 바람직하다. 적층법이면 적층하는 세라믹스 그린 시트의 매수를 변경함으로써 용이하게 두께를 변경할 수 있다. 또한, 금형으로 펀칭하거나 또는 레이저 가공에 의해 소망형상으로 한 세라믹스 그린 시트를 적층함으로써 격벽부를 구비하는 복잡한 유로(2)를 구비한 유로 부재(1)를 제작할 수 있다.
그리고, 측벽부(6) 및 바닥판부(7)를 적층법에 의해 제작하는 데에 있어서는 상술한 덮개체부(3)가 되는 성형체를 제작했을 때와 마찬가지의 방법에 의해 제작할 수 있고, 측벽부(6) 및 바닥판부(7)가 되는 성형체를 각각 적층해서 얻어도 좋고, 적층 및 가압을 동시에 행하고, 덮개체부(3), 측벽부(6) 및 바닥판부(7)를 구비하는 성형체를 얻어도 좋다.
또한, 공급구(4) 및 배출구(5)에 대해서는 도 1에 나타내는 바와 같이 측벽부(6)에 형성하는 것일 때 덮개체부(3), 측벽부(6) 및 바닥판부(7)를 구비하는 성형체에 구멍 가공을 행해도 좋지만, 가공 찌꺼기가 내부에 남는 것이 되기 때문에 세라믹스 그린 시트의 단계에서 구멍이 되는 가공을 행해 두는 것이 바람직하다.
이어서, 얻어진 성형체를 질화규소질 소결체로 이루어지는 갑발(匣鉢)의 내부에 넣는다. 또한, 이때 질화규소질 성형체의 함유 성분의 휘발을 억제하기 위해서 질화규소질 성형체의 주위에 산화마그네슘 및 희토류 원소의 산화물 등의 성분을 포함한 공재를 배치해서 흑연 저항 발열체가 설치된 소성로 내에 넣어서 소성한다. 이 공재는 질화규소질 성형체의 각 질량의 합계에 대해서 2질량% 이상 10질량% 미만의 양이 바람직하다.
또한, 소성 조건에 대해서는 실온으로부터 300~1000℃까지는 진공 분위기 중에서 승온하고, 그 후 질소 가스를 도입해서 질소 분압을 15~900㎪로 유지한다. 그리고, 승온을 더 진행시켜서 1560℃ 이상 1640℃ 이하에서 4시간을 초과해서 6시간 이하의 범위에서 유지한 후 온도를 더 올려서 1740℃ 이상 1800℃ 미만에서 4시간 이상 10시간 이하 유지한다. 그 후 500℃/시간 이상의 강온 속도로 냉각함으로써 본 실시형태의 유로 부재(1)를 얻을 수 있다. 또한, 용도에 따라 유로 부재(1)는 연마 가공을 실시해도 상관없다.
지금까지 덮개체부(3)를 복수의 세라믹스 그린 시트를 적층하여 제작하는 제작 방법을 기재했지만, 덮개체부(3)의 내면(3a)과 외면(3b)의 입계상의 면적 점유율을 제어하는 기타 제조 방법으로서는 이하의 방법이 있다.
우선, 출발 원료 A로 이루어지는 세라믹스 그린 시트를 사용해서 소망형상이 되도록 금형으로 펀칭하거나 또는 레이저 가공을 행하고, 접합면에 슬러리를 도포해서 적층하여 가압함으로써 덮개체부(3), 측벽부(6) 및 바닥판부(7)를 구비하는 성형체를 얻는다.
이어서, 상술한 공재의 분말을 깐 위에 덮개체부(3)의 외면(3b)이 위치하도록 성형체를 적재한다. 그리고, 상술한 조건에 의해 소성한다. 이와 같은 방법에 의해 소성함으로써 덮개체부(3)의 외면(3b)에 있어서는 입계상을 구성하는 성분이 증발하기 어렵고, 내면(3a)에 있어서는 입계상의 증발이 외면(3b)보다 억제되어 있지 않기 때문에 내면(3a)과 외면(3b)을 대비해서 내면(3a)에 있어서의 입계상의 면적 점유율은 작아지고, 외면(3b)에 있어서의 입계상의 면적 점유율은 커진다. 또한, 입계상의 증발량의 차이에 따라 결정상의 입성장 억제 효과가 다른 것이 되는 점으로부터 내면(3a)과 외면(3b)을 대비해서 내면(3a)에 있어서의 평균 결정 입경은 커지고, 외면(3b)에 있어서의 평균 결정 입경은 작아진다.
이어서, 본 실시형태의 반도체 모듈(30)에 대해서는 유로 부재(1)의 덮개체부(3)에 금속층(10)을 형성하고, 금속층(10) 상에 반도체 소자(20)를 탑재함으로써 제작할 수 있다.
또한, 덮개체부(3) 상에 형성하는 금속층(10)에 대해서는, 예를 들면 은, 구리 또는 알루미늄 등의 도전성 분말과, 유리 분말과, 유기 비히클을 사용해서 페이스트를 제작하고, 공지의 스크린 인쇄법에 의해 덮개체부(3)의 외면(3b)에 얻어진 페이스트를 인쇄하고, 건조 후 도전성 분말에 맞춘 분위기에서 소성하면 좋다. 또한, 다른 제작 방법으로서 전해 도금법, 무전해 도금법 또는 구리판이나 알루미늄판을 사용한 직접 접합법이나 활성 금속법에 의해 금속층(10)을 제작해도 좋다.
이상, 본 발명에 대해서 상세하게 설명했지만, 본 발명은 상술한 실시형태에 한정되는 것은 아니고, 본 발명의 요지를 일탈하지 않는 범위 내에 있어서 여러 가지의 변경, 개량 등이 가능하며, 측벽부나 바닥판부가 덮개체부와 다른 구성일 필요는 없고, 같은 구성이어도 좋다.
또한, 예를 들면 본 발명의 유로 부재는 반도체 소자 등의 전자 부품의 탑재에 사용할 뿐만 아니라 유로 부재의 외부를 흐르는 고온 유체와, 유로 부재의 내부를 흐르는 냉매로 열교환하는 열교환기용 부재로서도 사용할 수 있다.
1 : 유로 부재
2 : 유로
3 : 덮개체부 3a : 내면
3b : 외면 4 : 공급구
5 : 배출구 6 : 측벽부
7 : 바닥판부 8 : 방추형상의 구멍(구멍)
10 : 금속층 20 : 반도체 소자
30 : 반도체 모듈
3 : 덮개체부 3a : 내면
3b : 외면 4 : 공급구
5 : 배출구 6 : 측벽부
7 : 바닥판부 8 : 방추형상의 구멍(구멍)
10 : 금속층 20 : 반도체 소자
30 : 반도체 모듈
Claims (8)
- 벽으로 둘러싸인 공간이 유체가 흐르는 유로이며, 상기 벽이 세라믹스로 이루어지는 유로 부재로서,
상기 벽 중 열교환이 행해지는 벽부의 내면에 있어서의 입계상의 면적 점유율이 외면에 있어서의 입계상의 면적 점유율보다 작은 것을 특징으로 하는 유로 부재. - 제 1 항에 있어서,
상기 내면에 있어서의 평균 결정 입경이 상기 외면에 있어서의 평균 결정 입경보다 큰 것을 특징으로 하는 유로 부재. - 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 내면에 있어서의 산술 평균 거칠기 Ra가 0.2㎛ 이상인 것을 특징으로 하는 유로 부재. - 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 벽부의 상기 외면에 수직인 단면에 있어서, 상기 외면을 따른 방향이 장경인 방추형상의 구멍을 갖고 있는 것을 특징으로 하는 유로 부재. - 제 4 항에 있어서,
상기 구멍을 복수 갖고 있고, 각각에 있어서의 장경의 중점의 연직선이 상기 벽부의 두께 내에 있어서 겹치지 않는 것을 특징으로 하는 유로 부재. - 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 벽부가 질화규소질 소결체로 이루어지는 것을 특징으로 하는 유로 부재. - 제 6 항에 있어서,
상기 벽부가 철 및 규소를 포함하는 화합물이 점재하고, 원 상당 지름이 0.05㎛ 이상 5㎛ 이하인 상기 화합물의 개수가 1㎟당 2.0×104개 이상 2.0×105개 이하인 것을 특징으로 하는 유로 부재. - 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 기재된 유로 부재의 상기 벽부에 형성된 금속층 상에 반도체 소자를 탑재해서 이루어지는 것을 특징으로 하는 반도체 모듈.
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