TWI669215B - 鋁－碳化矽質複合體及電力模組用基底板 - Google Patents

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Abstract

提供一種適合作為電力模組用基底板之鋁-碳化矽質複合體。
一種鋁-碳化矽質複合體，其特徵為，在將含有鋁的金屬含浸於碳化矽的含有率為50~80體積%的多孔質碳化矽成形體而成的板厚2~6mm的平板狀的鋁-碳化矽質複合體之外周，設置以含有平均纖維直徑為20μm以下且平均高寬比100以上的陶瓷纖維之鋁-陶瓷纖維複合體作為主體的外周部，且鋁-陶瓷纖維複合體在外周部所佔有的比例是50面積%以上。

Description

鋁-碳化矽質複合體及電力模組用基底板
本發明係有關適合作為電力模組用基底板的鋁-碳化矽質複合體及使用其之電力模組用基底板。
現今，伴隨著半導體元件的高積體化、小型化，發熱量係一天一天增加，如何使之有效率地放熱係成為課題。而且，在具有高絶緣性/高熱傳導性之例如氮化鋁基板、氮化矽基板等之陶瓷基板的表面形成銅製或鋁製的金屬電路且在背面形成銅製或鋁製的金屬放熱板而成的電路基板，係被用作為電力模組用電路基板。
以往的電路基板的典型放熱構造，係隔著電路基板的背面(放熱面)之金屬板例如銅板而銲接基底板而成者，在基底板方面一般是採用銅。然而，於此構造中，在熱負荷施加於半導體裝置之情況，在銲料層上會產生起因於基底板和電路基板的熱膨脹係數差之裂痕，其結果，會有放熱變得不充分使半導體元件誤作動、破損之課題。
於是，在熱膨脹係數是接近電路基板的基底板方面，提案了鋁-碳化矽質複合體。關於此基底板用的鋁-碳化矽質複合體之製法，係將鋁合金的熔融金屬加壓 含浸於碳化矽的多孔體之熔融金屬鍛造法(專利文獻1)、使鋁合金的熔融金屬以非加壓方式滲透於碳化矽的多孔體之非加壓含浸法(專利文獻2)已被實用化。
然而，在製作前述那種放熱元件等之情況， 鋁-碳化矽質複合體係被要求進行高精度的外形加工或螺紋孔加工等，為了進行該加工而複合有碳化矽，故會有被加工性差，成本變高的問題。
於是，為解決上述問題，慣例是預先將鋁- 多孔質碳化矽成形體的加工部分設為被加工性優異的鋁合金，以適用於利用公知的金屬加工方法進行外形加工或螺紋孔加工。
[專利文獻]
[專利文獻1]日本特許3468358號
[專利文獻1]日本特表平5-507030號公報
電力模組多為隔著基底板與放熱鰭片接合而使用，其接合部分的形狀或翹曲亦被舉出是重要的特性。在將鋁-碳化矽質複合體用作為電力模組用基底板之情況，會因為反覆使用而依鋁-碳化矽質複合體的外周鋁合金部與鋁-碳化矽質複合體的熱膨脹係數差而產生熱應力，而有在鋁-碳化矽質複合體產生彎曲或凹坑，使基底板與放熱鰭片的密貼性降低，熱傳達性顯著降低的情況。再者，會因為鋁-碳化矽質複合體的形狀變形，而有鋁-碳化矽質複合體被施加負荷而發生裂痕的情況。
又，在將鋁合金含浸於多孔質碳化矽成形體 並冷卻之際，會殘留由鋁-碳化矽質複合體與外周鋁合金部的熱膨脹係數差所產生的熱應力。鋁合金由於強度低，所以外周加工等之應力會成為起點，使殘留的應力被解放，而有在外周鋁合金部及鋁-碳化矽質複合體產生裂痕之情況。
本發明之課題在於提供一種減低鋁-碳化矽質複合體與外周鋁合金部的熱膨脹係數差，且可靠性更優異的鋁-碳化矽質複合體。
亦即，本發明係一種鋁-碳化矽質複合體，其特徵為，在包含板厚2~6mm的平板狀的鋁-碳化矽質複合體之第一相的除了兩個主面以外的外周，具有包含以體積率3~20%的比例含有平均纖維直徑為20μm以下、平均高寬比為100以上的陶瓷纖維之鋁-陶瓷纖維複合體之第二相，該鋁-碳化矽質複合體係將含有鋁的金屬含浸於碳化矽的含有率為50~80體積%的多孔質碳化矽成形體而成，該第二相所含之鋁-陶瓷纖維複合體的存在比例是前述第一相的外周面積的50面積%以上。
本發明中，較佳為鋁-陶瓷纖維複合體的熱膨脹係數為小於20×10-6/K，在25℃的強度是200MPa以上，在150℃的強度是150MPa以上。
本發明中，可建構成鋁-碳化矽質複合體的兩個主面或單一主面是被鋁合金層或鋁-陶瓷纖維層所覆蓋。
本發明中，較佳為第二相所含之鋁-陶瓷纖 維複合體中的陶瓷纖維的含有率相對於鋁-陶瓷纖維複合體全體是3~20體積%。又，較佳為陶瓷纖維是包含選自氧化鋁、矽石、氮化硼、碳化矽、及氮化矽的一種或二種以上。
又，本發明係一種電力模組用基底板，其特 徵為，其係於上述的鋁-碳化矽質複合體的表面施以鍍敷而成。
本發明藉由將包含鋁-碳化矽質複合體之第 一相的外周部設包含由鋁-陶瓷纖維複合體之第二相，可減低鋁-碳化矽質複合體與外周部的熱膨脹係數差，能改善在反覆使用時的形狀穩定性。本發明因為在與陶瓷電路基板進行銲接後的放熱性良好，故適合於被特別要求高可靠性之電力模組的基底板。
a)‧‧‧鋁-碳化矽質複合體
b)‧‧‧含有鋁-陶瓷纖維複合體的外周部
c)‧‧‧φ7mm的貫通孔
d)‧‧‧φ10-4mm的埋頭孔
e)‧‧‧表面鋁合金層
[第1圖]表示在本發明所使用的鋁-碳化矽質複合體之一實施形態的說明圖。
[第2圖]表示在本發明所使用的鋁-碳化矽質複合體之一實施形態的說明圖。
本發明係將含有鋁的金屬含浸於在多孔質碳化矽成形體的外周部鄰接設置有陶瓷纖維的成形體而成之複合體。本發明的複合體，係具有下述構造：在多孔質碳化矽成形體中含浸有鋁合金之鋁-碳化矽質複合體 的外周部，使陶瓷纖維中含浸有鋁合金之鋁-陶瓷纖維複合體相互鄰接。因此，鋁-碳化矽質複合體與鋁-陶瓷纖維複合體係彼此藉由同一金屬連續地繫接。因此，具有可防止在相互鄰接的多孔質碳化矽成形體與陶瓷纖維所形成之界面發生剝離等之效果。本發明中之鋁-碳化矽質複合體的構造例係記載於第1、2圖，但本發明不受此所限。
本發明中，設於鋁-碳化矽質複合體(第一 相)的外周部之鋁-陶瓷纖維複合體(第二相)的存在比例，是以鋁-碳化矽質複合體(第一相)的除了兩個主面以外的外周部的50面積%以上者較佳。當小於50面積%時，無法減低外周鋁合金部與鋁-碳化矽質複合體(第一相)之熱膨脹係數差，有可能因在反覆使用時產生彎曲或凹坑、在含浸及冷卻時因鋁-碳化矽質複合體與外周鋁合金部之熱膨脹係數差所產生的熱應力，導致在外周鋁合金部及鋁-碳化矽質複合體(第一相)產生裂痕之虞。此外，所謂「主面」係指表面或背面，所謂「兩個主面」係意味表背兩個面，所謂「一個主面」或「單一主面」係意味表面或背面中任一面。
本發明中，所謂多孔質碳化矽成形體係指具 有可含浸金屬的氣孔，且在含浸操作等中不易發生變形、破壞等例如具有10MPa程度的機械強度之成形體，例如可舉出燒結體。又，本發明中的陶瓷纖維係指纖維狀的無機化合物的集合體，無特別需要機械強度，亦可為毛氈、墊子等任一狀態。
在陶瓷纖維方面，可使用含有氧化鋁、矽石 、氮化硼、碳化矽、氮化矽等之市售者。此等當中，含有氧化鋁、矽石者，因廉價且容易取得而較佳。又，含有碳化矽者，在纖維方向的熱傳導率高，因容易散熱而較佳。
又，本發明較佳為，鋁-陶瓷纖維複合體( 第二相)的熱膨脹係數小於20×10-6/K，在25℃的強度是200MPa以上，在150℃的強度是150MPa以上。若熱膨脹係數是20×10-6/K以上，則鋁-碳化矽質複合體(第一相)與鋁-陶瓷纖維複合體(第二相)的熱膨脹係數差變大，會在第一相及第二相產生裂痕，並不理想。又，在25℃的強度是小於200MPa，在150℃的強度小於150MPa時，則會因為外周加工等之機械加工之際產生的應力而在鋁-陶瓷纖維複合體(第二相)產生裂痕，並不理想。
用在本發明的陶瓷纖維之體積率係以3~20 體積%者較佳。若超過20體積%，則有陶瓷纖維的含有率太高，在鋁-陶瓷纖維複合體表面大量露出陶瓷纖維使鍍敷密貼性降低的情況。另一方面，若體積率小於3體積%，則鋁-陶瓷纖維複合體的熱膨脹係數變高，並不理想。
又，用在本發明的陶瓷纖維之平均纖維直徑 係以20μm以下，平均高寬比100以上者較佳。平均高寬比小於100或平均纖維直徑超過20μm的情況，鋁-陶瓷複合體中變成存在多個強度低的玻璃質粗大粒子，因外周加工等之機械加工所致應力而以玻璃質粗大粒子為起點產生裂痕，故並不理想。所謂「平均纖維直徑」係意味 利用掃瞄型電子顯微鏡觀測20支以上的陶瓷纖維，將各纖維的直徑藉由畫像解析所計測得到的值之平均值。所謂「平均高寬比」係意味將與上述「平均直徑」同樣地測定得到的「平均長度」除以「平均直徑」後的值。
鋁-碳化矽質複合體之製法大致區分為含浸 法與粉末冶金法兩種。當中的粉末冶金法在熱傳導率等之特性面上無法充分獲得，而實際被商品化的是利用含浸法者。含浸法亦有各種製法，有在常壓下進行的方法與在高壓下進行的方法(高壓鍛造法)。高壓鍛造法有熔融金屬鍛造法與印模壓鑄法。
適合於本發明之方法為在高壓下進行含浸的 高壓鍛造法，雖可使用熔融金屬鍛造法與印模壓鑄法中任一方法，但以熔融金屬鍛造法更佳。高壓鍛造法係於高壓容器內裝填多孔質碳化矽成形體，並使鋁合金的熔融金屬於高溫、高壓下含浸於此而獲得複合體之方法。
以下，針對本發明，說明利用熔融金屬鍛造法的製法例。
將屬原料的碳化矽粉末(視需要添加例如矽石等之結合材)進行成形、燒結而製作多孔質碳化矽成形體。關於多孔質碳化矽成形體的製造方法未特別限制，能以公知的方法製造。例如，係可於碳化矽粉末添加作為結合材之矽石或氧化鋁等加以混合、成形且在800℃以上的溫度作燒結而獲得。關於成形方法無特別限制，可使用加壓成形、擠型、注漿成形等，可視需要併用保形用黏著劑。
本發明中，為形成既定厚度的均一鋁層，係 以多孔質碳化矽成形體之面內的厚度不均成為100μm以下，較佳為30μm以下之方式對成形或燒結品進行面加工者較佳。多孔質碳化矽成形體之面內的厚度不均超過100μm時，所獲得之鋁-碳化矽質複合體的表面鋁層的厚度的不均變大，故並不理想。
在多孔質碳化矽成形體的外周鄰接配置陶瓷 纖維。陶瓷纖維係以相對於多孔質碳化矽成形體的外周成為50面積%以上之方式配置。之後，將多孔質碳化矽成形體以塗布著脫模劑的脫模板包夾疊層，而作成一個塊。在將此多孔質碳化矽成形體疊層作成一個塊之際，係以面方向的鎖緊扭力成為1~20Nm之方式以脫模板夾入疊層。疊層方法無特別限定，例如可舉出，將多孔質碳化矽成形體以塗布著脫模劑之不鏽鋼製的脫模板包夾疊層後，於兩側配置鐵製的板餅以螺栓連結且比既定鎖緊扭力鎖緊成一個塊之方法。關於面方向的合適鎖緊扭力，係依使用的多孔質碳化矽成形體之強度而異，但就鎖緊扭力小於1Nm而言，會有所獲得之鋁-碳化矽質複合體的表面鋁層的厚度變厚，厚度差變太大的情況。另一方面，若鎖緊扭力超過20Nm時，所獲得之鋁-碳化矽質複合體的表面鋁層局部變得太薄，會有在之後的鍍敷前處理等的表面處理時，鋁-碳化矽質複合體部分地露出，在其部分上產生無鍍敷，鍍敷密貼性降低等之問題的情況。
又，在將多孔質碳化矽成形體疊層之際，亦 可將在多孔質碳化矽成形體的兩個主面或一個主面含有氧化鋁或矽石的陶瓷纖維包夾疊層在與脫模板之間。由於使陶瓷纖維鄰接更能均一地控制鋁-碳化矽質複合體之鋁合金層的厚度，故較佳。
其次，將前述塊以500~750℃程度預熱後， 在高壓容器內配置1個或2個以上，為防止塊的溫度降低而盡可能快速地供給鋁合金的熔融金屬，並用30MPa以上的壓力加壓。藉此，透過使鋁合金含浸於多孔質碳化矽成形體的空隙中及陶瓷纖維的間隙，可獲得在外周有鋁-陶瓷纖維複合體且於兩個主面或一個主面設有鋁層的鋁-碳化矽質複合體。又，在多孔質碳化矽成形體的兩個主面或一個主面疊層含有氧化鋁或矽石之陶瓷纖維的情況，係於鋁-碳化矽質複合體的兩個主面或一個主面設置鋁-陶瓷纖維層。此外，亦有為了除去含浸時的變形之目的而進行含浸品的退火處理之情形。
關於用在本發明的鋁合金並無特別限制，可 使用泛用的鋁合金。從鑄造的容易性、高熱傳導性的發現點考量，係以Si含有量是4~10%的AC2A、AC2B、AC4A、AC4B、AC4C、AC8B、AC4D、AC8C、ADC10、ADC12等之鑄造用鋁合金或1000系、2000系、3000系、4000系、5000系、6000系、7000系的延展用鋁合金特佳。
鋁-碳化矽質複合體特別重要的特性為熱傳 導率與熱膨脹係數。鋁-碳化矽質複合體中的碳化矽含有率高者，因熱傳導率高，熱膨脹係數變小故較佳，但在含有率太高的情況則鋁合金之含浸操作變難。在實用方 面，以多孔質碳化矽成形體的相對密度是在50~80%的範圍者較佳。又多孔質碳化矽成形體的強度若彎曲強度為3MPa以上則變得無須擔心在處理時或含浸中破裂，故較佳。
設於鋁-碳化矽質複合體表面之包含鋁合金 的鋁層的厚度，其平均厚度是0.05mm~0.3mm，較佳為0.05mm~0.1mm。亦可對鋁-碳化矽質複合體表面研削加工而將鋁層的厚度調整為既定厚度。為確保在施以鍍敷處理之際的鍍敷密貼性，鋁層是必要的。就平均厚度小於0.05mm而言，會有在之後的鍍敷前處理等的表面處理時，鋁-碳化矽質複合體部分地露出，在其部分上產生鍍敷未着，鍍敷密貼性降低等之問題的情況。另一方面，若平均厚度超過0.3mm，則會有所獲得之基底板自體的熱膨脹率變得過大而接合部的可靠性降低之情況。再者，若平均厚度超過0.3mm，則亦有鋁層的厚度差變大的情況。
將鋁-碳化矽質複合體用作電力模組用基底 板之情況，兩個主面的鋁層之平均厚度差為0.05mm以下。電力模組用基底板係在鋁-碳化矽質複合體的兩個主面具備鋁層所成之構造，由於鋁-碳化矽質複合體與鋁層之熱膨脹率不同，故在兩個主面之鋁層的平均厚度差超過0.05mm時，具有在之後的電力模組組立工程附加熱循環之際翹曲變化的問題。
其次，就所獲得之鋁-碳化矽質複合體的加 工方法例作說明。本發明的鋁-碳化矽質複合體之外周部 及穴部等係使用NC車床，加工中心機等之裝置可容易進行機械加工。
經施加形狀加工後的鋁-碳化矽質複合體係 透過以可成為既定的翹曲形狀之方式一邊被施加10KPa以上的應力一邊進行在溫度450~550℃下30秒以上的加熱處理，使鋁-碳化矽質複合體潛變變形而賦予翹曲。賦予翹曲處理後的鋁-碳化矽質複合體係視需要以300℃~400℃的溫度進行退火處理，除去在進行賦予翹曲時所產生的殘留應力。本發明的電力模組用基底板係因表面之鋁層的厚度控制成非常薄且均一，使翹曲形狀成為接近於彎曲或凹坑少的理想球面形狀之翹曲形狀。
亦可在使用多孔質碳化矽成形體製作鋁-碳 化矽質複合體後，對放熱面進行平面研削加工使鋁-碳化矽質複合體露出。在對放熱面進行平面研削加工使鋁-碳化矽質複合體露出後，透過以500℃~560℃的溫度進行1分鐘以上的退火處理，使依鋁-碳化矽質複合體的一個主面的鋁合金層與鋁-碳化矽質複合體的熱膨脹差而產生接進理想球面形狀之翹曲。
再者，本發明的電力模組用基底板的板厚為 2mm~6mm。就板厚小於2mm而言，用作為電力模組用基底板的情況，會導致朝向基底板的面方向之放熱性降低，電力模組的放熱性降低，故並不理想。另一方面，若板厚超過6mm則基底板自體的熱阻會變大而使電力模組的放熱性降低，故並不理想。
本發明的鋁-碳化矽質複合體在用作為電力 模組用基底板之情況，一般是利用銲接以與陶瓷電路基板接合作使用。因此，必須在鋁-碳化矽質複合體表面施以Ni鍍敷。鍍敷處理方法無特別限定，可為無電解鍍敷處理、電鍍處理法任一。Ni鍍敷的厚度係以1~20μm者較佳。就鍍敷厚度小於1μm而言，會有部份地產生鍍敷針孔，於銲接時產生銲接料空隙(void)使來自於電路基板的放熱特性降低之情況。另一方面，在Ni鍍敷的厚度超過20μm時，會有因Ni鍍敷膜與表面鋁合金的熱膨脹差而產生鍍敷剝離之情況。關於Ni鍍敷膜的純度，只要不阻礙銲料濡濕性者即可，無特別限制，可含有磷、硼等。再者，亦可於Ni鍍敷表面施以鍍金。
[實施例]
以下，依據實施例、比較例，就本發明作更詳細說明，但本發明不受此所限。
〔實施例1〕
秤取碳化矽粉末A(Pacific Rundum Co,Ltd.製：NG-150，平均粒徑：100μm)100g、碳化矽粉末B(Pacific Rundum Co,Ltd.製：NG-220，平均粒徑：60μm)100g、碳化矽粉末C(屋久島電工公司製：GC-1000F，平均粒徑：10μm)100g、及矽石溶膠(日產化學公司製：SNOWTEX(註冊商標))30g，以攪拌混合機混合30分鐘後，以10MPa的壓力加壓成形為190mm×140mm×5.5mm的尺寸的平板狀。
將所獲得之成形體，在溫度120℃下乾燥2小時後，於大氣中，以溫度950℃燒結2小時，獲得相對 密度是65%的多孔質碳化矽成形體。所獲得之多孔質碳化矽成形體係在平面磨床被以金剛石製的磨石進行面加工成4.8mm的厚度後，以加工中心機加工外周部而成為外形尺寸183×133mm。經測定所獲得之多孔質碳化矽成形體的3點彎曲強度的結果為10MPa。
在所獲得之多孔質碳化矽成形體的外周的兩 長邊(鋁-陶瓷纖維複合體在外周部所佔有的比例：58面積%)鄰接配置莫來石質的陶瓷纖維(平均纖維直徑15μm、平均高寬比120、體積率5體積%)，將兩面以塗布有碳的210mm×160mm×0.8mm的尺寸的不鏽鋼板包夾並疊層30片後，於兩側配置6mm厚度的鐵板，以6支M10的螺栓連結並以面方向的鎖緊扭力成為3Nm的方式用扭力扳手鎖緊而成為一個塊。其次，將成為一體的塊在電爐600℃預熱之後，放進預先加熱的內徑400mmφ的壓機模內，注入含有矽12質量%，鎂0.8質量%的鋁合金之熔融金屬，以100MPa的壓力加壓20分鐘使鋁合金含浸於碳化矽質多孔體。在冷卻到25℃後，以濕式帶鋸沿著脫模板的形狀切斷，剝下包夾的不鏽鋼板後，為除去在含浸時的變形而在530℃的溫度進行3小時退火處理，獲得鋁-碳化矽質複合體。
在所獲得之鋁-碳化矽質複合體的緣周部8個 部位加工直徑7mm的貫通孔，於4個部位加工φ10-4mm的埋頭孔，將外周的鋁部及鋁-陶瓷纖維複合體部以NC車床加工，形成187mm×137mm×5.0mm的形狀。其次，因為要對此鋁-碳化矽質複合體賦予翹曲，故準備碳製且設有曲 率半徑是15000mm的球面之凹凸模。將此凹凸模裝設於熱壓機，加熱使模具的表面溫度成為470℃。於此凹凸模之間配置前述複合體並以400KPa加壓。此際，使該複合體的側面與熱電偶接觸進行測溫。從複合體的溫度成為450℃的時間點保持3分鐘後，解除加壓，自然冷卻到50℃。其次，為除去變形而在電爐以350℃的溫度進行1小時退火處理。所獲得之複合體經使用輪廓形狀測定機(東京精密公司製；輪廓形狀測定機1600D-22)，測定平均每長度10cm的翹曲之結果，平均每長度10cm是被附加了80μm的翹曲。
將所獲得之鋁-碳化矽質複合體以壓力 0.4MPa、搬運速度1.0m/min的條件利用氧化鋁磨粒進行噴氣處理而清淨化後，進行了無電解Ni-P及Ni-B鍍敷。 在複合體表面形成8μm厚(Ni-P：6μm+Ni-B：2μm)的鍍敷層。
從所獲得之鋁-碳化矽質複合體，藉由研削加 工製作熱膨脹係數測定用試驗體(縱20mm、橫4mm、厚度4mm的板狀體)、熱傳導率測定用試驗體(縱10mm、橫10mm、厚度1mm的板狀體)、強度測定用試驗體(縱40mm、橫4mm、厚度3mm的板狀體)。使用各個試驗體，針對第一相，利用熱膨脹計(精工電子工業公司製；TMA300)測定在25℃~150℃下的熱膨脹係數，利用雷射閃光法(理學電機公司製；TC-7000)測定在25℃下的熱傳導率，利用抗彎強度計(今田製作所製；SV-301)測定在25℃的3點彎曲強度。將所獲得之結果顯示於表1。
接著，從所獲得之鋁-碳化矽質複合體的外 周鋁-陶瓷纖維複合體部(第二相)，藉由研削加工製作熱膨脹係數測定用試驗體(縱20mm、橫4mm、厚度4mm的板狀體)、強度測定用試驗體(縱40mm、橫4mm、厚度3mm的板狀體)。使用各個試驗體，針對第二相，利用熱膨脹計(精工電子工業公司製；TMA300)測定在25℃~150℃下的熱膨脹係數，利用抗彎強度計(今田製作所製；SV-301)測定在25℃及150℃下的3點彎曲強度。將所獲得之結果顯示於表1。
使用實施例1的鍍敷品，進行10次將該鍍敷 品載放於加熱到溫度350℃的熱板且物體溫度達350℃後，保持10分鐘再自然冷卻到25℃為止的熱循環試驗。實施例1的熱循環試驗後，確認在鋁-碳化矽質複合體無彎曲或凹坑形狀。又，經目視確認外周部後，無裂痕，藉由超音波探傷裝置進行了內部探傷檢查，在鋁-碳化矽質複合體上無裂痕。
接著，進行將Al電路基板利用無鉛銲料接合 於實施例1的鍍敷品後，在-40℃與125℃的恆溫槽保持30分鐘的熱循環試驗(500次)。之後，藉由超音波探傷確認外觀及接合狀態，確認在屬接合層的銲料上無裂痕。 將所獲得之結果顯示於表2。
〔實施例2〕
秤取碳化矽粉末A(Pacific Rundum Co,Ltd.製：NG-150，平均粒徑：100μm)100g、碳化矽粉末B(Pacific Rundum Co,Ltd.製：NG-220，平均粒徑：60μm)100g、 碳化矽粉末C(屋久島電工公司製：GC-1000F，平均粒徑：10μm)100g、及矽石溶膠(日產化學公司製：SNOWTEX(註冊商標))30g，以攪拌混合機混合30分鐘後，以10MPa的壓力加壓成形為190mm×140mm×5.5mm的尺寸的平板狀。
將所獲得之成形體，在溫度120℃下乾燥2 小時後，於大氣中，以溫度950℃燒結2小時，獲得相對密度是65%的多孔質碳化矽成形體。所獲得之多孔質碳化矽成形體係在平面磨床上被以金剛石製的磨石進行面加工成4.8mm的厚度後，以加工中心機加工外周部而成為外形尺寸183×133mm。經測定所獲得之多孔質碳化矽成形體的3點彎曲強度的結果為10MPa。
在多孔質碳化矽成形體的外周的兩長邊及兩 短邊(鋁-陶瓷纖維複合體在外周部所佔有的比例：100面積%)鄰接配置莫來石質的陶瓷纖維(平均纖維直徑15μm、平均高寬比120、體積率5體積%)，其餘條件同實施例1而獲得鋁-碳化矽質複合體。
使用實施例2的鍍敷品，進行10次將該鍍敷 品載放於加熱到溫度350℃的熱板且物體溫度達350℃後，保持10分鐘再自然冷卻到25℃為止的熱循環試驗。
接著，進行將Al電路基板利用無鉛銲料接合 於實施例2的鍍敷品後，在-40℃與125℃的恆溫槽保持30分鐘的熱循環試驗(500次)。將所獲得之結果顯示於表2。
〔實施例3〕
除了將陶瓷纖維的體積率設為20體積%以外，其餘條件同實施例1而獲得鋁-碳化矽質複合體。
使用實施例3的鍍敷品，進行10次將該鍍敷 品載放於加熱到溫度350℃的熱板且物體溫度達350℃後，保持10分鐘再自然冷卻到25℃為止的熱循環試驗。
接著，進行將Al電路基板利用無鉛銲料接合 於實施例3的鍍敷品後，在-40℃與125℃的恆溫槽保持30分鐘的熱循環試驗(500次)。將所獲得之結果顯示於表2。
〔實施例4〕
將實施例1的鋁-碳化矽質複合體於平面磨床上以金剛石製的磨石研削加工1.0mm使鋁-碳化矽質複合體露出，形成187×137×4mm的形狀。其次，所獲得之加工體，為除去在加工時的變形，在電爐以530℃的溫度進行1小時退火處理。接著，以壓力0.4MPa、搬運速度1.0m/min的條件利用氧化鋁磨粒進行噴氣處理而清淨化後，進行了無電解Ni-P及Ni-B鍍敷。在複合體表面形成8μm厚(Ni-P：6μm+Ni-B：2μm)的鍍敷層。
使用實施例4的鍍敷品，進行10次將該鍍敷 品載放於加熱到溫度350℃的熱板且物體溫度達350℃後，保持10分鐘再自然冷卻到25℃為止的熱循環試驗。
接著，進行將Al電路基板利用無鉛銲料接合 於實施例4的鍍敷品後，在-40℃與125℃的恆溫槽保持30分鐘的熱循環試驗(500次)。將所獲得之結果顯示於表2。
〔實施例5、6〕
除了將鋁碳化矽質複合體中之碳化矽的含有率設為50體積%、80體積%以外，其餘條件同實施例1而獲得鋁-碳化矽質複合體。
使用實施例5、6的鍍敷品，進行10次將該鍍敷品載放於加熱到溫度350℃的熱板且物體溫度達350℃後，保持10分鐘再自然冷卻到25℃為止的熱循環試驗。
接著，進行將Al電路基板利用無鉛銲料接合於實施例5、6的鍍敷品後，在-40℃與125℃的恆溫槽保持30分鐘的熱循環試驗(500次)。將所獲得之結果顯示於表2。
〔實施例7、8〕
除了將多孔質碳化矽質成形體係在平面磨床上被以金剛石製的磨石進行面加工成為1.8mm、5.8mm的厚度、將鋁-碳化矽質複合體的厚度設為2.0mm、6.0mm以外，其餘條件同實施例1而獲得鋁-碳化矽質複合體。
使用實施例7、8的鍍敷品，進行10次將該鍍敷品載放於加熱到溫度350℃的熱板且物體溫度達350℃後，保持10分鐘再自然冷卻到25℃為止的熱循環試驗。
接著，進行將Al電路基板利用無鉛銲料接合於實施例7、8的鍍敷品後，在-40℃與125℃的恆溫槽保持30分鐘的熱循環試驗(500次)。將所獲得之結果顯示於表2。
〔實施例9〕
除了將陶瓷纖維的平均纖維直徑設為20μm、平均高寬比設為100、體積率設為5體積%以外，其餘條件同實施例1而獲得鋁-碳化矽質複合體。
使用實施例9的鍍敷品，進行10次將該鍍敷 品載放於加熱到溫度350℃的熱板且物體溫度達350℃後，保持10分鐘再自然冷卻到25℃為止的熱循環試驗。
接著，進行將Al電路基板利用無鉛銲料接合 於實施例9的鍍敷品後，在-40℃與125℃的恆溫槽保持30分鐘的熱循環試驗(500次)。將所獲得之結果顯示於表2。
〔比較例1〕
秤取碳化矽粉末A(Pacific Rundum Co,Ltd.製：NG-150，平均粒徑：100μm)100g、碳化矽粉末B(Pacific Rundum Co,Ltd.製：NG-220，平均粒徑：60μm)100g、碳化矽粉末C(屋久島電工公司製：GC-1000F，平均粒徑：10μm)100g、及矽石溶膠(日產化學公司製：SNOWTEX(註冊商標))30g，以攪拌混合機混合30分鐘後，以10MPa的壓力加壓成形為190mm×140mm×5.5mm的尺寸的平板狀。
將所獲得之成形體在溫度120℃乾燥2小時後 ，於大氣中，以溫度950℃燒結2小時，獲得相對密度是65%的多孔質碳化矽成形體。所獲得之多孔質碳化矽成形體係在平面磨床上被以金剛石製的磨石進行面加工成4.8mm的厚度後，以加工中心機加工外周部而成為外形尺寸183×133mm。經測定所獲得之多孔質碳化矽成形體 的3點彎曲強度的結果為10MPa。
在所獲得之多孔質碳化矽成形體的外周的單
一長邊(鋁-陶瓷纖維複合體在外周部所佔有的比例：29面積%)鄰接配置莫來石質的陶瓷纖維(平均纖維直徑15μm、平均高寬比120、體積率5體積%)，其餘條件同實施例1而獲得鋁-碳化矽質複合體。
將所獲得之鋁-碳化矽質複合體以壓力 0.4MPa、搬運速度1.0m/min的條件利用氧化鋁磨粒進行噴氣處理而清淨化後，進行了無電解Ni-P及Ni-B鍍敷。 在複合體表面形成8μm厚(Ni-P：6μm+Ni-B：2μm)的鍍敷層。
使用比較例1的鍍敷品，進行10次將該鍍敷 品載放於加熱到溫度350℃的熱板且物體溫度達350℃後，保持10分鐘再自然冷卻到25℃為止的熱循環試驗。確認在試驗後有形狀彎曲。
接著，進行將Al電路基板利用無鉛銲料接合 於比較例1的鍍敷品後，在-40℃與125℃的恆溫槽保持30分鐘的熱循環試驗(500次)。之後，藉由超音波探傷確認外觀及接合狀態，確認在屬接合層的銲料上無裂痕。 將所獲得之結果顯示於表2。
〔比較例2〕
除了將鋁碳化矽質複合體中之碳化矽的含有率設為45體積%以外，其餘條件同實施例1而獲得鋁-碳化矽質複合體。
使用比較例2的鍍敷品，進行10次將該鍍敷 品載放於加熱到溫度350℃的熱板且物體溫度達350℃後，保持10分鐘再自然冷卻到25℃為止的熱循環試驗。
接著，進行將Al電路基板利用無鉛銲料接合 於比較例2的鍍敷品後，在-40℃與125℃的恆溫槽保持30分鐘的熱循環試驗(500次)。之後，藉由超音波探傷確認外觀及接合狀態，發現在屬接合層的銲料上有裂痕。
〔比較例3〕
除了將鋁碳化矽質複合體中之碳化矽的含有率設為85體積%以外，其餘條件同實施例1而獲得鋁-碳化矽質複合體。所獲得之鋁-碳化矽質複合體經超音波探傷裝置進行內部探傷檢查後，發現在鋁-碳化矽質複合體有裂痕。
〔比較例4〕
除了將多孔質碳化矽質成形體係在平面磨床上被以金剛石製的磨石進行面加工成為1.3mm的厚度、將鋁-碳化矽質複合體的厚度設為1.5mm以外，其餘條件同實施例1而獲得鋁-碳化矽質複合體。將所獲得之鋁-碳化矽質複合體藉由超音波探傷裝置進行內部探傷檢查後，發現在鋁-碳化矽質複合體有裂痕。
〔比較例5〕
除了將多孔質碳化矽質成形體係在平面磨床上被以金剛石製的磨石進行面加工成為6.3mm的厚度、將鋁-碳化矽質複合體的厚度設為6.5mm以外，其餘條件同實施例1而獲得鋁-碳化矽質複合體。
使用比較例5的鍍敷品，進行10次將該鍍敷品載放於加熱到溫度350℃的熱板且物體溫度達350℃後 ，保持10分鐘再自然冷卻到25℃為止的熱循環試驗。
接著，進行將Al電路基板利用無鉛銲料接合 於比較例5的鍍敷品後，在-40℃與125℃的恆溫槽保持3o分鐘的熱循環試驗(500次)。之後，藉由超音波探傷確認外觀及接合狀態，發現在屬接合層的銲料上有裂痕。
〔比較例6〕
除了將陶瓷纖維的平均纖維直徑設為25μm、平均高寬比設為90、體積率設為5體積%以外，其餘條件同實施例1而獲得鋁-碳化矽質複合體。經目視確認所獲得之鋁-碳化矽質複合體的外周部後，確認在外周鋁-陶瓷纖維複合體部有裂痕。
〔比較例7〕
除了將陶瓷纖維的平均纖維直徑設為15μm、平均高寬比設為120、體積率設為25體積%以外，其餘條件同實施例1而獲得鋁-碳化矽質複合體。
將所獲得之鋁-碳化矽質複合體以壓力0.4MPa、搬運速度1.0m/min的條件利用氧化鋁磨粒進行噴氣處理而清淨化後，進行了無電解Ni-P及Ni-B鍍敷。在複合體表面形成8μm厚(Ni-P：6μm+Ni-B：2μm)的鍍敷層。
經目視確認比較例7的鍍敷品的外周後，發現在外周鋁-陶瓷纖維複合體部有多數個無鍍敷部。
將實施例、比較例的主要條件和結果顯示於表1、2。此外，針對實施例2~9、比較例1~7，與實施例1同樣地，測定了第一相的熱膨脹係數、熱傳導率及3點彎曲強度。

Claims (7)

  1. 一種鋁-碳化矽質複合體，其特徵為在包含板厚2~6mm的平板狀的鋁-碳化矽質複合體之第一相的除了兩個主面以外的外周，具有包含以體積率3~20%的比例含有平均纖維直徑20μm以下、平均高寬比100以上的陶瓷纖維之鋁-陶瓷纖維複合體的第二相，該鋁-碳化矽質複合體係將含有鋁的金屬含浸於碳化矽的含有率50~80體積%的多孔質碳化矽成形體而成，該第二相所含之鋁-陶瓷纖維複合體的存在比例是前述第一相的除了兩個主面以外的外周面積的50面積%以上。
  2. 如請求項1之鋁-碳化矽質複合體，其中前述鋁-陶瓷纖維複合體的熱膨脹係數為小於20×10-6/K，在25℃下的強度是200MPa以上，在150℃下的強度是150MPa以上。
  3. 如請求項1或2之鋁-碳化矽質複合體，其中兩個主面是被鋁合金層或鋁-陶瓷纖維層所覆蓋。
  4. 如請求項1或2之鋁-碳化矽質複合體，其中一個主面是被鋁合金層或鋁-陶瓷纖維層所覆蓋。
  5. 如請求項1或2之鋁-碳化矽質複合體，其中前述第二相所含之鋁-陶瓷纖維複合體中的陶瓷纖維的含有率相對於鋁-陶瓷纖維複合體全體是3~20體積%。
  6. 如請求項1或2之鋁-碳化矽質複合體，其中陶瓷纖維是包含選自氧化鋁、矽石、氮化硼、碳化矽、及氮化矽的一種或二種以上。
  7. 一種電力模組用基底板，其特徵為，其係在如請求項1至6中任一項之鋁-碳化矽質複合體的表面施以鍍敷而成。
TW104108658A 2014-03-18 2015-03-18 鋁－碳化矽質複合體及電力模組用基底板 TWI669215B (zh)

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