TW202006152A - 金屬-碳化矽質複合體、及金屬-碳化矽質複合體之製造方法 - Google Patents

金屬-碳化矽質複合體、及金屬-碳化矽質複合體之製造方法 Download PDF

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Abstract

本揭示提供一種金屬-碳化矽質複合體，具有：複合化部，包含由多數碳化矽粒子構成的碳化矽質多孔體、以及含浸於上述碳化矽質多孔體的金屬；及包含金屬，並且被覆上述複合化部的兩個主面之第一表面層與第二表面層；上述金屬包含選自由鋁及鎂構成之群組中的至少一種，而上述多數碳化矽粒子中，粒徑在300μm以上的粒子之含量在5體積%以下。

Description

金屬-碳化矽質複合體、及金屬-碳化矽質複合體之製造方法
本揭示係關於一種金屬-碳化矽質複合體、及金屬-碳化矽質複合體之製造方法。本揭示特別係關於一種熱傳導特性優良且輕量而適合作為陶瓷基板及IC封裝體等的半導體零件中所使用之散熱片等散熱體的高熱傳導性金屬-碳化矽質複合體及其製造方法。
作為電源模組用的散熱片，一般係使用銅、鋁、Cu-Mo及Cu-W這樣的金屬、AlN、Si3 N4 、Al2 O3 等的陶瓷、Al-SiC等的金屬與陶瓷的複合體等。作為用作電源模組之散熱片的金屬-碳化矽質複合體，可舉出例如專利文獻1中記載的鋁合金‐碳化矽質複合體，及專利文獻2中記載的鎂或鎂合金與碳化矽的複合體等。該等的文獻中所示的複合體輕量、熱傳導率高且具有與半導體元件等的模組之構成零件相近的熱膨脹係數，適合作為電源模組用散熱片。 [先前技術文獻] [專利文獻]
[專利文獻1]日本特開2017-39997號公報 [專利文獻2]日本特開2013-245374號公報
[發明所欲解決之課題]
電源模組用散熱片，一般係在表面上焊接有陶瓷電路基板。從提升對於焊料之親和性的觀點而言，在金屬-碳化矽質複合體表面上，一般係由金屬層覆蓋表面。
因為該覆蓋金屬-碳化矽質複合體之頂面與底面的金屬層，複合體具備熱膨脹係數不同的多數層，而成為類似雙金屬的結構。各層的熱膨脹係數有差異的情況，會因為暴露在高溫與低溫的熱循環而產生熱應力。此時，頂面與底面的金屬層的厚度的差越大則導致熱應力的差距越大，進而因為熱循環而導致金屬-碳化矽質複合體產生翹曲的變化。因為產生翹曲的變化，而在散熱片與冷卻鰭片之間產生間隙，導致散熱特性大幅降低。因此，頂面與底面之金屬層的厚度較佳係均勻且無差值。
此處，形成於金屬-碳化矽質複合體之頂面與底面的金屬層(以下也稱為表面層)的厚度，大幅度地被含浸金屬前之碳化矽質多孔體的表面狀態所左右。碳化矽質多孔體的面精度影響複合化時的厚度、表面粗糙度，因此經常進行磨面(faceting)加工。然而，即使在進行了磨面加工的情況，亦可能無法充分縮小頂面與底面之金屬層的厚度的差。
本揭示之目的，係鑒於上述情事而提供一種金屬-碳化矽質複合體，其具有與以往相同程度的熱傳導率以及熱膨脹係數，且形成於碳化矽質多孔體頂面與底面之表面層的厚度的差小，即使經過熱循環，其翹曲的變化量亦小；以及提供一種能夠以低成本製造這種金屬-碳化矽質複合體的方法。 [解決課題之手段]
本揭示的一個面向，係提供一種金屬-碳化矽質複合體，其具有：複合化部，其包含由多數碳化矽粒子構成的碳化矽質多孔體以及含浸於上述碳化矽質多孔體的金屬；及包含金屬，並且被覆上述複合化部的兩個主面之第一表面層與第二表面層；上述金屬包含選自由鋁及鎂所構成之群組中的至少一種，上述多數碳化矽粒子之中粒徑在300μm以上的粒子其含量為5體積%以下。
本揭示的一個面向，係提供一種金屬-碳化矽質複合體之製造方法，係上述的金屬-碳化矽質複合體之製造方法，該方法包含：分級步驟，將碳化矽粉末分級，得到粒徑300μm以上的碳化矽為5體積%以下的分級粉末；成形步驟，將在上述分級粉末中混合氧化矽溶膠而製備的混合物加壓成形，藉此得到成形體；預燒製步驟，在大氣中或鈍性氣體環境中將上述成形體加熱至800~1100℃，得到碳化矽質多孔體；磨面加工步驟，以鑽石加工治具對上述碳化矽質多孔體進行磨面加工；含浸步驟，對於已進行磨面加工的上述碳化矽質多孔體含浸金屬熔湯，之後進行冷卻，藉此形成包含上述碳化矽質多孔體及含浸於上述碳化矽質多孔體之金屬的複合化部、與包含金屬並且被覆上述複合化部之兩個主面的第一表面層及第二表面層。 [發明之效果]
根據本揭示，可提供一種具有與以往程度相同的熱傳導率及熱膨脹係數、且形成於碳化矽質多孔體之頂面與底面的表面層之厚度的差小、即使經歷熱循環其翹曲的變化量仍小的金屬-碳化矽質複合體。根據本揭示，另外可提供一種能夠以低成本製造如上述之金屬-碳化矽質複合體的方法。
以下使用圖說明本揭示之金屬-碳化矽質複合體及其製造方法。另外，本揭示不限於以下的實施態樣。又，上下左右等的位置關係，若未特別說明，則係根據圖式所示的位置關係。再者，各要件的尺寸比例不限於圖中所示的比例。
[定義] 以下的說明中，「~」的記號意指「以上」及「以下」，以「~」記載的數值範圍，包含其上限值及下限值。例如「A~B」係指A以上B以下的意思。又，「主面」則係指形成平板狀之物體的上下任一面。
[金屬-碳化矽質複合體] 說明金屬-碳化矽質複合體的一實施態樣。圖1係顯示金屬-碳化矽質複合體之一例的剖面圖。金屬-碳化矽質複合體1，具有複合化部2、設於複合化部2之一主面上的第一表面層3a、及設於複合化部2之另一主面上的第二表面層3b。
金屬-碳化矽質複合體1，例如具有使以鋁或鎂的任一者以上為主成分的金屬含浸於由碳化矽粒子構成之碳化矽質多孔體而成的複合化部2，而該複合化部2的兩個主面被包含以鋁或鎂的任一者以上為主成分之金屬的表面層(第一表面層3a及第二表面層3b)所被覆。關於複合化部2所包含的碳化矽粒子，其特徵為粒徑300μm以上的粒子在5體積%以下。另外，圖1所示的金屬-碳化矽質複合體1為平板狀。
金屬-碳化矽質複合體1中，關於被覆複合化部2之兩個主面的表面層(第一表面層3a及第二表面層3b)，頂面側與底面側的厚度的差可在50μm以內。
金屬-碳化矽質複合體1，在進行熱循環試驗時的翹曲變化量可在±50%以內。
上述構成所構成之金屬-碳化矽質複合體1，具有高熱傳導且接近半導體元件的熱膨脹係數，而且複合化部2的兩個主面之表面層間的厚度的差降低，因此熱循環時的翹曲穩定性優良。
[碳化矽粒子] 構成金屬-碳化矽質複合體1之複合化部2的碳化矽質多孔體，包含碳化矽粒子。構成複合化部2之碳化矽質多孔體的碳化矽粒子的碳化矽成分量，對應製備碳化矽質多孔體時的碳化矽粉末之碳化矽成分量，宜為90質量%以上，為95質量%以上更佳，為99質量%以上再更佳。又，上限可為100質量%。
構成上述碳化矽粉末(SiC粉末)的碳化矽粒子宜為高熱傳導性。碳化矽粉末的碳化矽成分宜為90質量%以上，為95質量%以上更佳，為99質量%以上的高純度再更佳。碳化矽粉末，一般宜使用呈現「綠色」的碳化矽粉末。碳化矽粒子的上述碳化矽成分的上限亦可為100質量%。
碳化矽粒子在碳化矽質多孔體中所占的填充率，亦即上述原料之碳化矽粉末的填充率，宜為例如50~80體積%，為60~75體積%更佳。更具體而言，碳化矽質多孔體中的碳化矽粒子之含量的下限值，可為例如50體積%以上、55體積%以上或60體積%以上。碳化矽質多孔體中的碳化矽粒子之含量的上限值，可為例如80體積%以下、75體積%以下或70體積%以下。為了提高多孔體的碳化矽的填充率即碳化矽質多孔體中的碳化矽含量，碳化矽粉末宜具有適當的粒度分布，從該目的而言，碳化矽粉末亦可使用適當摻合了2種以上之粉末者。
構成碳化矽質多孔體的碳化矽粒子的粒徑並無特別限制，從提升熱傳導率的觀點而言，宜包含粒徑不同的多數碳化矽粒子。亦即，關於碳化矽粉末的粒度並無特別限定，但構成碳化矽質多孔體的碳化矽粒子中，從熱傳導率的觀點而言，宜包含粒徑在1μm以上且小於50μm的碳化矽粒子與粒徑在100μm以上且小於300μm的碳化矽粒子。
構成碳化矽質多孔體的碳化矽粒子中，宜以粒徑在1μm以上且小於50μm的碳化矽粒子與粒徑在100μm以上且小於300μm的碳化矽粒子為主。具體而言，上述二種碳化矽粒子的總含量的下限值，在設碳化矽質多孔體的碳化矽粒子部分為100體積%時，可為例如70體積%以上、75體積%以上、80體積%以上、85體積%以上或90體積%以上。上述總含量的上限值可為100體積%以下、99體積%以下或98體積%以下。
構成碳化矽質多孔體的碳化矽粒子中，粒徑在1μm以上且小於50μm的碳化矽粒子之含量以及粒徑在100μm以上且小於300μm的碳化矽粒子之含量的下限值，分別可為10體積%以上、15體積%以上或20體積%以上。粒徑在1μm以上且小於50μm的碳化矽粒子的含量以及粒徑在100μm以上且小於300μm的碳化矽粒子的含量的上限值，分別可為80體積%以下、75體積%以下或70體積%以下。
構成碳化矽質多孔體的碳化矽粒子中，作為粒徑在1μm以上且小於50μm的碳化矽粒子以及粒徑在100μm以上且小於300μm的碳化矽粒子以外的其他碳化矽粒子，可舉出例如粒徑在300μm以上的碳化矽粒子、粒徑在50μm以上且小於100μm的碳化矽粒子、粒徑小於1μm的碳化矽粒子等。
其他碳化矽粒子的含量，例如，亦可在以下的範圍內。粒徑在300μm以上的碳化矽粒子之含量為本揭示之金屬-碳化矽質複合體的特徵之一，於後段中敘述。粒徑在50μm以上且小於100μm的碳化矽粒子的含量，其上限值可為例如15體積%以下、10體積%以下、5體積%以下或3體積%以下，其下限值可為例如0體積%以上、1體積%以上或2體積%以上。粒徑小於1μm的碳化矽粒子之含量其上限值可為例如15體積%以下、10體積%以下、5體積%以下、3體積%以下，其下限值可為例如0體積%以上、1體積%以上或2體積%以上。
本揭示的金屬-碳化矽質複合體，其特徵為在金屬-碳化矽質複合體的碳化矽質多孔體所包含的碳化矽粒子中，粒徑300μm以上的碳化矽粒子的含量在5體積%以下。粒徑300μm以上的碳化矽粒子之含量的上限值宜為4體積%以下或3體積%以下。粒徑300μm以上的碳化矽粒子之含量的下限值可為例如0體積%以上或1體積%以上。這可藉由針對作為原料使用的碳化矽粉末進行分級等的操作而使粒徑300μm以上的碳化矽粒子之含量在5體積%以下而達成。另外，粒徑在300μm以上的粒子中，粒徑的最大值通常為500μm。
粒徑在300μm以上的碳化矽粒子的含量超過5體積%的情況，碳化矽質多孔體的表面上的凹凸變大。這是因為碳化矽本身的硬度高，在如圖2所示進行碳化矽質多孔體的磨面加工時，粗大粒子殘留處成為凸部，而以從碳化矽質多孔體去除粒子的方式進行加工之處則成為凹部。另一方面，粒徑在300μm以上之粒子的含量在5體積%以下的情況，可縮小碳化矽質多孔體表面上的凹凸。碳化矽質多孔體表面上的凹凸，大幅影響在含浸金屬後形成於複合化部2之頂面與底面上的表面層(第一表面層3a及第二表面層3b，圖2中的表面金屬層)的厚度。表面金屬層的厚度，例如，係指在圖2的金屬含浸後的示意圖中，從表面金屬層的最表面至一點鏈線之位置的厚度。凹凸越少，則越能夠縮小形成於複合化部2之頂面與底面的表面層(第一表面層3a及第二表面層3b)的厚度的差。如上所述，複合化部2之頂面與底面的表面層的厚度的差越大，則各層的熱膨脹係數的差值變得越大，而因為熱循環產生熱應力，進而產生翹曲的變化。因為產生翹曲的變化，導致翹曲形狀有所變化。在將翹曲變化大亦即翹曲形狀的變化大的金屬-碳化矽質複合體作為電源模組用的散熱片使用的情況，在熱循環試驗後，在與冷卻鰭片之間產生間隙，導致散熱特性大幅降低。從上述理由而言，金屬-碳化矽質複合體的表面層(第一表面層3a及第二表面層3b)的厚度宜均勻且在頂面與底面無差值。
金屬-碳化矽質複合體1中的碳化矽粒子的含量宜為50體積%以上且80體積%以下，更佳為60體積%以上且70體積%以下。只要金屬-碳化矽質複合體1中的碳化矽粒子的含量為50體積%以上，可充分確保所得之金屬-碳化矽質複合體的熱傳導率。又，從填充性的觀點而言，金屬-碳化矽質複合體1中的碳化矽粒子的含量宜為80體積%以下。只要金屬-碳化矽質複合體1中的碳化矽粒子的含量為80體積%以下，則無需將碳化矽粒子的形狀加工為球形等，可以穩定的成本得到金屬-碳化矽質複合體。
藉由減少金屬-碳化矽質複合體內所包含之粗大粒子的量，可降低複合化部2的表面粗糙度，亦可降低設於該複合化部2上的第一表面層3a及第二表面層3b中與上述複合化部2側相反之一側的面的表面粗糙度。藉此提升焊料在金屬-碳化矽質複合體1上的潤濕性，而可期待降低彎曲強度的不均勻。
[原料碳化矽粉末的粒徑測量] 原料碳化矽粉末的粒徑可依照JIS Z 8825：2013「粒徑解析-雷射繞射･散射法」記載的雷射繞射･散射法，藉由粒度分布測量裝置來進行測量。
[複合體內的碳化矽之粒徑測量] 金屬-碳化矽質複合體1中，構成複合化部2的碳化矽質多孔體的碳化矽粒子的粒徑，可以下述方法求得。首先，將成為對象的金屬-碳化矽質複合體浸入僅溶解該金屬-碳化矽質複合體所包含之金屬部分的化學藥品(例如，氫氧化鈉等)，藉此使金屬部分完全溶解，再藉由過濾僅回收構成該金屬-碳化矽質複合體的碳化矽粒子。針對所得之粒子，可依照JIS Z 8825：2013「粒徑解析-雷射繞射･散射法」記載的雷射繞射･散射法，藉由粒度分布測量裝置來進行測量。
[金屬成分] 金屬-碳化矽質複合體1中，上述金屬包含選自由鋁及鎂構成之群組的至少一種。本揭示的一實施態樣之金屬-碳化矽質複合體1中的金屬，係以鋁或鎂的任一者以上為主成分的金屬。上述金屬，可使用例如由99.8質量%以上的鋁及不可避雜質所構成之純鋁、由添加元素與剩餘部分為鋁及不可避雜質所構成之鋁合金、由99.8質量%以上的鎂及不可避雜質所構成之純鎂、由添加元素與剩餘部分為鎂及不可避雜質所構成之鎂合金等。鋁合金及鎂合金的情況，為了在含浸時容易進行金屬熔湯的管理，宜盡量降低熔點。作為這樣的合金，可舉出例如含有5~25質量%之矽(Si)的鋁合金。藉由使用含有5~25質量%之矽的鋁合金，可得到促進金屬-碳化矽質複合體之緻密化這樣的效果。
鋁及鎂的總含量可為例如60質量%以上、65質量%以上、70質量%以上、75質量%以上或80質量%以上。又，鋁及鎂的總含量可為例如100質量%，亦可為例如小於100質量%、99.8質量%以下、99.0質量%以下或98.0質量%以下。另外，上述金屬包含合金的情況，鋁及鎂的總含量可為例如98質量%以下、95質量%以下、90質量%以下。
說明鋁為主成分之情況的含量。此情況中，鋁的含量可為例如60質量%以上、65質量%以上、70質量%以上、75質量%以上或80質量%以上。又，因為鋁亦可為純品，因此鋁的含量可為例如100質量%，例如可為小於100質量%、99.8質量%以下、99.0質量%以下或98.0質量%以下。另外，上述金屬包含合金的情況，鋁的含量可為例如98質量%以下、95質量%以下、90質量%以下。
說明鎂為主成分之情況的含量。此情況中，鎂的含量可為例如60質量%以上、65質量%以上、70質量%以上、75質量%以上或80質量%以上。又，因為鎂亦可為純品，因此鎂的含量可為例如100質量%，可為例如小於100質量%、99.8質量%以下、99.0質量%以下或98.0質量%以下。另外，上述金屬包含合金的情況，鎂的含量可為例如98質量%以下、95質量%以下、90質量%以下。
使用上述鋁合金的情況，藉由使合金中含有鎂，可使碳化矽粒子與金屬部分的鍵結更穩固，因而較佳。鋁合金中所包含的鎂的含量宜為0.2~5.0質量%。關於鋁合金或鎂合金中的其他成分，只要在合金的特性未極端變化的範圍，則無特別限制，例如，亦可包含鐵(Fe)或銅(Cu)等。
[氧化矽溶膠] 複合化部2，包含碳化矽粒子與氧化矽溶膠之混合物的加熱處理物即碳化矽質多孔體。本揭示的一實施態樣之金屬-碳化矽質複合體1，例如，因為係以濕式成形法得到高填充率的碳化矽質多孔體，因此亦可以對於原料碳化矽粉末添加氧化矽溶膠的方法製備。作為氧化矽溶膠，可使用市售的固體成分濃度20質量%左右的商品。作為氧化矽溶膠的摻合量，相對於碳化矽100質量份，固體成分濃度在0.5~10質量份左右即足夠，但宜為1~5質量份。氧化矽溶膠的摻合量若在0.5質量份以上，則所得之成形體(碳化矽質多孔體)的強度即使在煅燒後亦充分。另一方面，氧化矽溶膠的摻合量在10質量份以下的情況，所得之成形體(碳化矽質多孔體)中的碳化矽的填充率高，可發揮預期的特性。又，氧化矽溶膠係作為將複合化部2的碳化矽質多孔體中的碳化矽粒子黏結的黏結劑而存在。
[表面層(第一表面層3a及第二表面層3b)] 金屬-碳化矽質複合體1中，在複合化部2的兩個主面上存在含有以鋁或鎂的任一者以上為主成分之金屬的第一表面層3a及第二表面層3b。金屬-碳化矽質複合體1，在作為半導體元件的散熱片使用的情況，藉由具備如上述之構成，可期待在於複合體的兩面實施鍍覆處理之情況提升密合性的效果。再者，因為金屬-碳化矽質複合體1具備如上述之構成，亦可得到改善複合體兩面之表面粗糙度這樣的效果。金屬係以鋁或鎂的任一者以上為主成分的金屬。上述金屬，可使用例如由99.8質量%以上的Al及不可避雜質所構成之純鋁、由添加元素與剩餘部分為Al及不可避雜質所構成之鋁合金、由99.8質量%以上的Mg及不可避雜質所構成之純鎂、由添加元素與剩餘部分為Mg及不可避雜質所構成之鎂合金等。
鋁及鎂的總含量可為例如60質量%以上、65質量%以上、70質量%以上、75體積%以上或80體積%以上。又，鋁及鎂的總含量可為例如100質量%，亦可為例如小於100質量%、99.8質量%以下、99.0質量%以下或98.0質量%以下。另外，上述金屬包含合金的情況，鋁及鎂的總含量可為例如98質量%以下、95質量%以下、90質量%以下。
說明鋁為主成分之情況的含量。此情況中，鋁的含量可為例如，60質量%以上、65質量%以上、70質量%以上、75質量%以上或80質量%以上。又，因為鋁亦可為純品，因此鋁的含量可為例如100質量%，可為例如小於100質量%、99.8質量%以下、99.0質量%以下或98.0質量%以下。另外，上述金屬包含合金的情況，鋁的含量可為例如98質量%以下、95質量%以下、90質量%以下。
說明鎂為主成分的情況的含量。此情況中，鎂的含量可為例如60質量%以上、65質量%以上、70質量%以上、75質量%以上或80質量%以上。又，因為鎂亦可為純品，因此鎂的含量可為例如100質量%，可為例如小於100質量%、99.8質量%以下、99.0質量%以下或98.0質量%以下。另外，上述金屬包含合金的情況，鎂的含量可為例如98質量%以下、95質量%以下、90質量%以下。
此處，上述表面層(第一表面層3a及第二表面層3b)，雖由包含與上述金屬成分相同地具有鋁或鎂之金屬的材料所構成，但亦可包含其以外的雜質等。
上述表面層(第一表面層3a及第二表面層3b的分別)的厚度，其平均厚度宜為10μm以上且小於150μm以下。第一表面層3a及第二表面層3b各別的厚度，以平均厚度計，若在10μm以上，則可抑制在後續的處理中碳化矽粒子在複合體表面露出，而可確保作為目標的面精度及鍍覆層的密合性。第一表面層3a及第二表面層3b各別的平均厚度之下限值宜為40μm以上，例如可為50μm以上、60μm以上、70μm以上或80μm以上。第一表面層3a及第二表面層3b各別的平均厚度之上限值宜為140μm以下，例如可為130μm以下或120μm以下。
兩面的表面層(第一表面層3a及第二表面層3b)的平均厚度之總和宜為金屬-碳化矽質複合體1之厚度的20%以下。只要表面層的平均厚度(第一表面層3a及第二表面層3b各層的平均厚度)為150μm以下且平均厚度的總和(第一表面層3a及第二表面層3b之平均厚度的總和)在複合體之厚度的20%以下，則可得到除了面精度高及鍍覆層的密合性優良以外亦具備充分熱傳導率的金屬-碳化矽質複合體。
將複合化部2的兩個主面被覆的第一表面層3a與第二表面層3b的厚度的差宜為50μm以下。只要第一表面層3a與第二表面層3b的厚度的差在50μm以下，則即使在金屬-碳化矽質複合體暴露於溫度變化激烈的環境下的情況，由表面層(第一表面層3a及第二表面層3b)與複合化部2之間的熱膨脹係數差而產生的熱應力差小，而使得因熱循環所產生之翹曲的變化量變小。藉此，可防止散熱片與冷卻鰭片之間產生間隙而大幅降低散熱特性。第一表面層3a與第二表面層3b的厚度的差為45μm以下、40μm以下、35μm以下或30μm以下更佳。第一表面層3a與第二表面層3b的厚度的差宜小，從容易控制的觀點而言，可在1μm以上或3μm以上。
上述表面層(第一表面層3a及第二表面層3b)，可以一層構成，亦可為更包含金屬組成不同的層或除了金屬成分以外亦含有陶瓷纖維等的層之多數層。關於上述表面層(第一表面層3a及第二表面層3b)的導入，例如，在對於碳化矽質多孔體含浸金屬成分時，可在碳化矽質多孔體與用於含浸的模具之間配置金屬箔等，而使其複合化。作為金屬箔等，可舉出例如鋁箔、鎂箔及以氧化鋁纖維等的陶瓷纖維所構成的片材等。又，亦可在得到複合體後，藉由對於表面進行熔射、冷噴塗或以熱壓貼附金屬箔等進行導入。
[覆蓋兩個主面的表面層之厚度的測量] 覆蓋金屬-碳化矽質複合體內的兩個主面的表面層之厚度，可以下述方式求得。圖3中，沿著以點線所示的、通過從端部起複合體全長的20%內側之處的直線、以及複合體的中線，以鑽石加工治具切斷金屬-碳化矽質複合體。之後，圖3中，在以○符號表示之處，藉由掃描式電子顯微鏡以100倍觀察表面部分(第一表面層及第二表面層)。以200μm的間隔，於5處測量從最表面至碳化矽粒子的距離，並計算5點的平均，再將其作為表面層的厚度。此處表面層，係在板厚方向上，從兩個主面的最表面至碳化矽粒子(構成複合化部的碳化矽質複合體的表面)的區域(複合化部2與表面層的交界，其位置係在將構成複合化部2的碳化矽粒子中位於最表面側之碳化矽粒子相連之處(參照圖2及圖5))。又，表面層的厚度的差，可由以上述方法所得到的兩個主面上的表面層之厚度的差的絕對值，亦即|(頂面側主面之表面層(第一表面層)的厚度)-(底面側主面之表面層(第二表面層)的厚度)|(μm)求得。
本揭示的一實施態樣之金屬-碳化矽質複合體中，上述金屬-碳化矽質複合體的熱傳導率可為180W/(m･K)以上，上述金屬-碳化矽質複合體在從室溫加熱至150℃時的熱膨脹係數可為9ppm/K以下。
[金屬-碳化矽質複合體的翹曲] 金屬-碳化矽質複合體的翹曲受到了抑制。金屬-碳化矽質複合體的翹曲，可以下述方式求得。以接觸式3維測量儀測量複合體的主面中線上任意的10cm長，以起點為A，並以終點為B。將圖4中相對於線段AB之極大點為止的距離(箭號部分)作為金屬-碳化矽質複合體的翹曲。
[金屬-碳化矽質複合體之翹曲的變化] 對於本揭示的一實施態樣之金屬-碳化矽質複合體，進行熱循環試驗時的翹曲的變化量可為±50%以下。進行熱循環試驗時的翹曲變化量為±30%以下更佳，為±20%以下再更佳。只要進行熱循環試驗時的翹曲之變化量在±50%以內，當使用金屬-碳化矽質複合體作為散熱片的情況，即使經過熱循環後，在散熱片與冷卻鰭片之間亦不會輕易產生間隙，而可防止散熱特性降低。
本說明書中的熱循環試驗的條件，係以在保持於-40℃的氣相中暴露30分鐘，之後在保持於125℃的氣相中暴露30分鐘作為1次的循環，並重複此循環100次。此處，翹曲的變化量為[(熱循環試驗後的翹曲量)-(熱循環試驗前的翹曲量)]/(熱循環試驗前的翹曲量)×100(%)。
本揭示之金屬-碳化矽複合體，形成於上述碳化矽質多孔體之頂面與底面上的表面層之厚度的差可降低。以往，碳化矽質多孔體的面精度會影響複合化時的厚度、表面粗糙度，因此實施磨面加工。然而，因為碳化矽粒子硬，因此磨面加工成為從碳化矽質多孔體將表面的碳化矽粒子去除的加工。因此，碳化矽質多孔體包含大量粗大粒子的情況，若進行磨面加工，則在加工後表面上的凹凸變大。另外，先行文獻的複合體中，對於構成之碳化矽粒子的粒徑僅規定平均粒度，並未提及粗大粒子，容易在碳化矽質多孔體之頂面與底面的表面層產生厚度的差。
構成本揭示之金屬-碳化矽質複合體之複合化部的碳化矽粒子中，粗大粒子少。此意味著由磨面加工所得之碳化矽質多孔體之表面上的凹凸變小，若上述凹凸變小，則形成於上述碳化矽質多孔體之頂面與底面上的表面層之厚度降低，可減少熱循環時的翹曲變化量。藉由這樣的作用，可提供熱循環時的翹曲之變化量小(翹曲穩定性優良)的金屬-碳化矽質複合體，以及可以低成本製造這種金屬-碳化矽質複合體的製造方法。
[製造方法] 以下針對本揭示的一實施態樣之金屬-碳化矽質複合體，說明以熔湯鍛造法所進行的製造方法作為一例。然而，本揭示之金屬-碳化矽質複合體並不僅限定於以熔湯鍛造法所製造者。
此處，金屬-碳化矽質複合體的製法大致分為含浸法與粉末冶金法兩種。其中，從熱傳導率等的特性面來看，實際商品化的通常係使用含浸法所得者。含浸法中亦具有各種製法，其中具有在常壓下進行的方法與在高壓下進行的高壓鍛造法。高壓鍛造法中具有熔湯鍛造法與模澆鑄法。
適合本揭示之一實施態樣的方法，係在高壓下進行含浸的高壓鍛造法，為了得到熱傳導率等的特性優良的緻密複合體，宜為熔湯鍛造法。熔湯鍛造法，一般係在高壓容器內裝填陶瓷等的粉末或多孔體，並在高溫、高壓下使金屬熔湯含浸於其中而得到複合體的方法。
本揭示之一實施態樣的複合體之製造方法，係由例如原料分級步驟、成形步驟、預燒製步驟、磨面加工步驟、及含浸步驟所構成。藉由該方法，可以低價大量製造本揭示之金屬-碳化矽質複合體。
金屬-碳化矽質複合體之製造方法的一實施態樣，具有：分級步驟，將碳化矽粉末分級，得到粒徑300μm以上的碳化矽在5體積%以下的分級粉末；成形步驟，將對於上述分級粉末混合氧化矽溶膠而製備的混合物進行加壓成形，而得到成形體；預燒製步驟，在大氣中或鈍性氣體環境中將上述成形體加熱至800~1100℃，得到碳化矽質多孔體；磨面加工步驟，以鑽石加工治具對上述碳化矽質多孔體進行磨面加工；含浸步驟，對於經過磨面加工的上述碳化矽質多孔體含浸金屬熔湯，之後進行冷卻，藉此形成包含上述碳化矽質多孔體及含浸於上述碳化矽質多孔體之金屬的複合化部、與包含金屬並且被覆上述複合化部之兩個主面的第一表面層及第二表面層。另外，原料分級步驟為任意步驟，作為其替代，亦可使用預先使粒徑300μm以上的碳化矽在5體積%以下的碳化矽粉末。
[原料分級步驟] 將碳化矽粉末分級，使粒徑300μm以上的碳化矽在5體積%以下，藉此得到分級粉末。作為分級的方法，可使用篩網、重力分級、慣性力分級、離心力分級等的習知的方法。藉由此步驟，可得到適合本揭示的一實施態樣之金屬-碳化矽質複合體的碳化矽粒子。
[成形步驟] 對於上述碳化矽粉末添加混合既定量的氧化矽溶膠，成形為預期的形狀而得到成形體。作為成形的方法，可使用乾式壓製成形，濕式壓製成形、擠製成形、鑄入成形等。
[預燒製步驟] 在大氣中或鈍性氣體環境中，於溫度800~1100℃將上述成形步驟中所得之成形體加熱，得到碳化矽質多孔體。上述鈍性氣體，可舉出例如氮氣等。經由成形步驟及預燒製步驟，可進行磨面加工。
[磨面加工步驟] 作為磨面加工的方法，可使用習知的方法，可舉出例如銑削加工等。又，磨面加工步驟中，藉由使用鑽石加工治具對於碳化矽質多孔體實施磨面加工，可進行碳化矽質多孔體的厚度調整。藉由此步驟，可將複合化時的金屬-碳化矽質複合體調整為預期的厚度及表面粗糙度。
[含浸步驟] 進行了磨面加工的碳化矽質多孔體，為了防止因熱衝擊造成破裂等，而預先加熱，以高壓使加熱至熔點以上之溫度的金屬成分所構成之熔湯含浸，之後進行冷卻，藉此形成含有包含上述碳化矽質多孔體及含浸於上述碳化矽質多孔體之金屬的複合化部與包含金屬且被覆上述複合化部之兩個主面的第一表面層及第二表面層。第一表面層及第二表面層，可為由在碳化矽質多孔質體的兩個主面上滲出的上述金屬成分構成之金屬層，亦可為由上述金屬成分構成之金屬層與設於上述金屬層上之金屬箔的積層體。使第一表面層及第二表面層為金屬層及金屬箔之積層體的情況，可在含浸步驟中，以高壓使由金屬成分構成之熔湯含浸時，藉由將金屬箔等設置於碳化矽質多孔體的兩個主面而形成。藉由含浸步驟得到金屬-碳化矽質複合體。藉由此步驟，可將本揭示之金屬-碳化矽質複合體的熱傳導率調整至預期的範圍。
[散熱零件] 散熱零件的一實施態樣，具有上述的金屬-碳化矽質複合體。上述散熱零件，例如，可藉由在金屬-碳化矽質複合體上搭載陶瓷電路基板等而製備。陶瓷基板等的搭載，例如，亦可使用焊料等。為了提升對於焊料等的親和性，亦可在金屬-碳化矽質複合體上設置鍍Ni層。亦即，對於本揭示的一實施態樣之金屬-碳化矽質複合體的表面進行鍍Ni處理，以焊接等搭載氮化鋁基板、氮化矽基板等的陶瓷電路基板，藉此可成為電源模組用散熱片等的散熱零件。該散熱零件，即使經過熱循環，複合體的翹曲的變化量仍小，因此可在金屬-碳化矽質複合體與陶瓷電路基板之間抑制裂縫及剝離，即使在溫度變化激烈的環境中，仍可適當地作為散熱零件。
以上舉出發明的一實施態樣說明本揭示之金屬-碳化矽質複合體及使用其之散熱零件、以及該等之製造方法，但本發明不限於此等。 [實施例]
以下舉出實施例及比較例，更詳細說明本揭示。然而，本揭示並不限於下述的實施例。
[實施例1~8、比較例1~2] 將市售高純度的碳化矽粉末分級，得到碳化矽粉末A(粒徑：300μm以上)、碳化矽粉末B(粒徑：100μm以上且小於300μm)、碳化矽粉末C(粒徑：50μm以上且小於100μm)、碳化矽粉末D(粒徑：1μm以上且小於50μm)、碳化矽粉末E(粒徑：小於1μm)。各碳化矽粉末的粒徑係依照JIS Z 8825：2013「粒徑解析-雷射繞射･散射法」記載的雷射繞射･散射法，藉由粒度分布測量裝置(BECKMAN COULTER公司製，產品名稱「LS230」，以下相同)測量(該粒度分布對應構成複合化部之碳化矽質多孔體的碳化矽粒子的粒度分布)。
以表1所示的組成摻合如上述所得之碳化矽粉末A~D，製備粒度經調整的碳化矽粉末(實施例1~8及比較例1~2)。對於所製備之碳化矽粉末，添加3質量%的氧化矽溶膠後，以攪拌混合機混合30分鐘。以10MPa的壓力將混合物成形，成為100mm×100mm×6mm之形狀的成形體。
【表1】
Figure 108124551-A0304-0001
在大氣中於溫度900℃將所得之成形體加熱2小時，得到碳化矽質多孔體。然後使用鑽石加工治具，對於上述碳化矽質多孔體的兩個面進行磨面加工，藉此使厚度為4.8mm，以作為試片。另外，加工後的碳化矽質多孔體的厚度，係以測微計測量主面之中央部的厚度來確認。製備10片的試片後，藉由塗布了脫模劑的不銹鋼製(SUS304)的板(脫模板)將10片試片之間隔開，並於兩端配置厚度12mm的鐵板後，以10mmφ的螺栓、螺帽固定，形成一個塊體。
然後以電爐將上述塊體預熱至溫度600℃。之後，將經過加熱的上述塊體收納於預先加熱的、具有內周尺寸為250mmφ×300mm之空隙的壓製模內，注入具有包含12質量%的矽、1質量%的鎂且剩餘部分為鋁及不可避雜質所構成之組成的、溫度800℃的鋁合金之熔湯，以60MPa的壓力加壓10分鐘，使鋁合金含浸於碳化矽質多孔體，得到複合體。包含所得之複合體的金屬塊，冷卻至室溫後，使用濕式帶鋸沿著脫模板的側面形狀將其切斷，再將夾著的不銹鋼製板剝離，得到100mm×100mm×5mm的複合體。
使用鑽石加工治具將所得之金屬-碳化矽質複合體研削加工成熱膨脹係數測量用試驗體(3mm×4mm×20mm)與室溫的熱傳導率測量用試驗體(縱25mm×橫25mm×厚度2mm)。又，沿著圖3中以點線所示的直線即通過從複合體的端部恰以複合體全長(縱或橫)之20%的長度往內側之位置的直線以及複合體主面的中線，以鑽石加工治具將金屬-碳化矽質複合體切斷。
得到複合體的切斷面後，在圖3中以○符號所示之處，藉由掃描式電子顯微鏡以100倍觀察表面部分(第一表面層及第二表面層)。以200μm的間隔在5處測量從最表面至碳化矽粒子(構成複合化部之碳化矽質複合體的表面)的距離，計算5點的平均值，將該值作為表面層的厚度。所得之結果顯示於表2。
如表2所示，實施例1~8之金屬-碳化矽質複合體，相較於比較例1~2之金屬-碳化矽質複合體，頂面(第一表面層)及底面(第二表面層)的厚度的差小。又，藉由使用能量分散型X光分析裝置的表面分析，確認該區域係由以鋁為主成分(含量最多的成分)的金屬所構成。
以實施例1為例，以下述方式求得所得之金屬-碳化矽質複合體所包含的碳化矽粒子的粒徑。首先，準備研削加工成與室溫的熱傳導率測量用試驗體相同形狀的金屬-碳化矽質複合體，將該金屬-碳化矽質複合體浸漬於20%氫氧化鈉水溶液，僅將源自金屬部及氧化矽溶膠的成分完全溶解。之後，藉由過濾回收碳化矽粒子。依照JIS Z 8825：2013「粒徑解析-雷射繞射･散射法」記載的雷射繞射･散射法，以粒度分布測量裝置測量回收之碳化矽粒子的粒徑。
從所得之測量結果製作刻度為5μm的直方圖，結果確認間隔分開50μm以上的二個波峰。此時，確認粒徑較小者的波峰在粒徑1μm以上且小於50μm的範圍內，粒徑較大者的波峰在粒徑100μm以上且小於300μm的範圍內。又，粒徑較小者的波峰與粒徑較大者的波峰，其波峰面積比約為25：75。
【表2】
Figure 108124551-A0304-0002
接著，對於各試驗體，依照下述的方法測量熱膨脹係數、熱傳導率、碳化矽粒子的體積分率、密度、翹曲量及翹曲變化量。
＜熱膨脹係數及熱傳導率＞ 對於各試驗體，以熱膨脹計測量從室溫至150℃的熱膨脹係數、及以雷射閃光法測量室溫的熱傳導率。所得之結果顯示於表3。
＜碳化矽粒子的體積分率及密度＞ 又，使用熱傳導率測量用試驗體，藉由阿基米德法測量各試驗體的密度，從密度的值算出碳化矽粒子的體積分率。所得之結果顯示於表3。
＜翹曲量及熱循環試驗後的翹曲變化量＞ 又，藉由接觸式3維測量儀(ACCRETECH公司製，產品名稱「CONTOURECORD 1600D」，以下相同)，測量各試驗體的主面中線上的任意10cm長度，使起點為A，並使終點為B。將與該線段AB相對之極大點為止的距離(圖4中，以箭號表示的距離)作為金屬-碳化矽質複合體的翹曲量。所得之結果顯示於表3。
再者，使用該等的金屬-碳化矽質複合體，以-40~125℃的溫度範圍進行100次的熱循環試驗。另外，1次循環係在-40℃及125℃的端點分別維持30分鐘。之後，藉由接觸式3維測量儀，測量相對於複合體主面的長度10cm的翹曲量，算出與初始值相對的翹曲量之變化量(翹曲變化量)。此時之翹曲變化量為[(熱循環試驗後的翹曲量)-(熱循環試驗前的翹曲量)]/(熱循環試驗前的翹曲量)×100(%)。所得之結果顯示於表3。
【表3】
Figure 108124551-A0304-0003
※1：相對於樣本長度10cm的翹曲量 ※2：熱循環-40℃⇔125℃(各30分)×100次循環後的翹曲變化量
如表3所示，實施例1~8之金屬-碳化矽質複合體，相較於比較例1~2之金屬-碳化矽質複合體，即使在進行熱循環試驗後，翹曲變化量仍小，且具有低熱膨脹係數、高熱傳導率。
相對於此，比較例1及比較例2之金屬-碳化矽質複合體，在進行熱循環試驗後的翹曲變化量的絕對值超過50%。這被認為是因為粒徑300μm以上的碳化矽粉末之含量在5體積%以上。
[實施例9] 實施例9中，將含浸之金屬變更為由99.8質量%以上的鎂、剩餘部分為不可避雜質所構成之市售的純鎂，除此之外，與實施例3相同地製作金屬-碳化矽質複合體。所得之金屬-碳化矽質複合體，頂面(第一表面層)的平均厚度為90μm，底面(第二表面層)的平均厚度為98μm，厚度的差距為8μm。
又，針對所得之金屬-碳化矽質複合體，與實施例1相同地測量熱膨脹係數、熱傳導率、碳化矽粒子的體積分率、密度、翹曲量以及翹曲變化量。熱膨脹係數為7.5ppm/K，熱傳導率為197W/(m･K)，碳化矽粒子的體積分率為65體積%，密度為2.69g/cm3 ，相對於複合體之主面長度10cm的翹曲量為46μm，翹曲變化量為8%。亦即，即便使用以鎂為主成分的金屬作為含浸之金屬，亦可得到與使用以鋁為主成分之金屬的情況相同的結果。
[實施例10、11] 在藉由塗布有脫模劑的不銹鋼製(SUS304)的板將10片試片之間隔開時，於碳化矽質多孔體與不銹鋼製板之間配置金屬板，除此之外，與實施例3相同地製作金屬-碳化矽質複合體。另外，金屬板的尺寸為長度100mm、寬度100mm、厚度50μm。配置之金屬板及含浸之金屬熔湯的材質顯示於表4。
針對所得之金屬-碳化矽質複合體，測量頂面(第一表面層)的平均厚度、底面(第二表面層)的平均厚度及厚度的差距。結果顯示於表5。又，針對各金屬-碳化矽質複合體，測量從室溫至150℃的熱膨脹係數、室溫的熱傳導率、碳化矽粒子的體積分率、密度、相對於複合體之主面長度10cm的翹曲量及翹曲變化量。結果顯示於表6。
Figure 108124551-A0304-0004
【表5】
Figure 108124551-A0304-0005
【表6】
Figure 108124551-A0304-0006
如表4~表6所示，即便在使用含浸之金屬、及與含浸之金屬不同之金屬的金屬板製作金屬-碳化矽質複合體的情況，與實施例1~8相同地，可得到頂面及底面的厚度的差距小的金屬-碳化矽質複合體。另外可確認，該金屬-碳化矽質複合體，具有低熱膨脹係數及高熱傳導率，即使在進行熱循環試驗後，翹曲變化量仍小。
[實施例12] 對於實施例2中製作的金屬-碳化矽質複合體進行無電解Ni鍍覆處理，於複合體表面進一步形成厚度5μm的鍍覆層，將此作為新的金屬-碳化矽質複合體。在經過鍍覆處理的複合體表面上網版印刷厚度100μm的焊料膏。於焊料膏的印刷面上搭載市售的氮化鋁基板，在溫度300℃的回焊爐中加熱處理5分鐘，以在經過鍍覆處理複合體表面上介隔焊錫而接合陶瓷電路基板。
[實施例13] 使用市售的氮化矽基板代替氮化鋁基板，除此之外，與實施例12相同地接合陶瓷電路基板。
[比較例3] 使用銅板代替金屬-碳化矽質複合體，除此之外，與實施例12相同地接合陶瓷電路基板。
使用接合了實施例12、13及比較例3中製備的陶瓷電路基板的複合體，在-40~125℃的溫度範圍進行1000次的熱循環試驗。另外，1次循環係在-40℃及125℃的端點分別維持30分鐘。實施例12及13的複合體，即使在熱循環試驗後，在金屬-碳化矽質複合體與陶瓷電路基板之間亦未觀察到裂縫或剝離，作為散熱零件呈現適當的可靠度。另一方面，關於比較例3，進行熱循環30次即在銅板與陶瓷電路基板之間產生裂縫。
1‧‧‧金屬-碳化矽質複合體 2‧‧‧複合化部 3a‧‧‧表面層(第一表面層) 3b‧‧‧表面層(第二表面層)
圖1係顯示金屬-碳化矽質複合體之一例的剖面圖。 圖2係用以說明本揭示之金屬-碳化矽質複合體所發揮之效果的示意圖。 圖3係用以說明金屬-碳化矽質複合體的第一及第二表面層之厚度的測量方法的示意圖。 圖4係用以說明金屬-碳化矽質複合體之翹曲量的測量方法的示意圖。 圖5係顯示金屬-碳化矽質複合體之一例的部分剖面影像。
1‧‧‧金屬-碳化矽質複合體
2‧‧‧複合化部
3a‧‧‧表面層(第一表面層)
3b‧‧‧表面層(第二表面層)

Claims (5)

  1. 一種金屬-碳化矽質複合體，包含： 複合化部，其含有由多數碳化矽粒子構成的碳化矽質多孔體、以及含浸於該碳化矽質多孔體的金屬： 包含金屬，並且被覆該複合化部的兩個主面的第一表面層及第二表面層； 該金屬包含選自由鋁及鎂構成之群組中的至少一種； 該多數碳化矽粒子中，粒徑在300μm以上的粒子之含量在5體積%以下。
  2. 如申請專利範圍第1項之金屬-碳化矽質複合體，其中該第一表面層的厚度與該第二表面層的厚度的差距在50μm以下。
  3. 如申請專利範圍第1或2項之金屬-碳化矽質複合體，其在進行熱循環試驗時之翹曲變化量在±50%以下。
  4. 一種金屬-碳化矽質複合體之製造方法，係如申請專利範圍第1至3項中任一項之金屬-碳化矽質複合體之製造方法，具有下列步驟： 分級步驟，將碳化矽粉末分級，得到粒徑300μm以上的碳化矽在5體積%以下的分級粉末； 成形步驟，將於該分級粉末混合氧化矽溶膠所製備的混合物進行加壓成形，藉此得到成形體； 預燒製步驟，在大氣中或鈍性氣體環境中將該成形體加熱至800~1100℃，得到碳化矽質多孔體； 磨面加工步驟，以鑽石加工治具對該碳化矽質多孔體進行磨面加工；及 含浸步驟，對於經過磨面加工的該碳化矽質多孔體含浸金屬熔湯，之後進行冷卻，藉此得到金屬-碳化矽質複合體。
  5. 一種散熱零件，具有如申請專利範圍第1至3項中任一項之金屬-碳化矽質複合體。
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