WO2015147071A1 - 流路部材および半導体モジュール - Google Patents

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石峯　裕作
健司 小松原
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京セラ株式会社
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Definitions

  • the present invention relates to a flow path member and a semiconductor module.
  • a gap portion serving as a refrigerant flow path is formed in a lower part of a circuit on which a semiconductor component is mounted, and the substrate thickness direction from the circuit to the gap portion is formed.
  • a flow path member having a structure in which the distance t satisfies the condition of 0.5 mm ⁇ t ⁇ 5 mm and the distance t and the width Y of the gap portion have a relationship of Y ⁇ 20 t has been proposed.
  • the heat dissipation characteristics are superior to those that do not have a flow path. Is required.
  • the present invention has been devised to satisfy the above requirements, and provides a flow path member and a semiconductor module having excellent heat dissipation characteristics.
  • the flow path member of the present invention is a flow path in which a space surrounded by a wall flows a fluid, and the wall is a flow path member made of ceramics, and among the walls, an inner surface of a wall portion where heat exchange is performed.
  • the area occupancy ratio of the grain boundary phase in is smaller than the area occupancy ratio of the grain boundary phase on the outer surface.
  • the semiconductor module of the present invention is characterized in that a semiconductor element is mounted on the metal layer provided on the wall of the flow path member of the present invention having the above-described configuration.
  • the flow path member of the present invention is excellent in heat dissipation characteristics.
  • the semiconductor module of the present invention it is possible to maintain a high switching function at a high current under a large current.
  • FIG. 1 An example of the semiconductor module of this embodiment is shown, (a) is a perspective view, (b) is sectional drawing. An example of a lid part constituting the flow path member of the present embodiment is shown, (a) is a perspective view, (b) is a cross-sectional view taken along line AA in (a), and (c) is a cross-sectional view. It is an enlarged view of the B section in (b). It is the schematic which shows the example of a shape of a spindle-shaped hole.
  • FIG. 1A and 1B show an example of a semiconductor module of the present embodiment, in which FIG. 1A is a perspective view and FIG. 1B is a cross-sectional view.
  • the same number shall be attached
  • the semiconductor module 30 of this embodiment includes a metal layer 10 in a flow path member 1 and a semiconductor element 20 mounted thereon.
  • the semiconductor element 20 generates heat as it is used.
  • the semiconductor element 20 when it is a power semiconductor such as an IGBT element or an LED element, the semiconductor element 20 generates a large amount of heat.
  • FIG. 1 shows an example in which two semiconductor elements 20 are provided on the lid 3, but the number of semiconductor elements 20 is not limited to two, and one or three or more. It may be.
  • the flow path member 1 of the present embodiment is a flow path 2 in which a space surrounded by walls (the lid portion 3, the side wall portion 6, and the bottom plate portion 7) flows. Yes, the refrigerant supplied from the supply port 4 is discharged from the discharge port 5 through the flow path 2.
  • the supply port 4 and the discharge port 5 are formed in the side wall portion 6. However, the supply port 4 and the discharge port 5 may be appropriately changed such as being provided in the lid body portion 3 or the bottom plate portion 7.
  • the lid portion 3, the side wall portion 6 and the bottom plate portion 7 are made of ceramics.
  • the cover part 3, the side wall part 6 and the bottom plate part 7 are made of ceramic, so that a corrosive refrigerant can be flowed or used in a corrosive environment.
  • the lid portion 3 corresponds to a wall portion where heat exchange is performed among the walls.
  • the wall portion where heat exchange is performed can also be referred to as the wall portion on the side where the semiconductor element 20 is mounted.
  • the lid body portion 3, the side wall portion 6, and the bottom plate portion 7 are all wall portions in which heat exchange is performed.
  • the lid 3 has a grain boundary phase area occupancy ratio on the inner surface 3a smaller than an area occupancy ratio of the grain boundary phase on the outer surface 3b.
  • the inner surface 3a constitutes a part of the flow path 2.
  • the area occupancy of the grain boundary phase on the inner surface 3a is smaller than the area occupancy of the grain boundary phase on the outer surface 3b, and thus the semiconductor element 20 is generated from the outer surface 3b of the lid portion 3 toward the inner surface 3a. Since the heat conductivity of the heat is improved and heat exchange with the refrigerant flowing through the flow path 2 can be performed efficiently, the flow path member 1 has excellent heat dissipation characteristics.
  • the thermal conductivity of the heat generated in the semiconductor element 20 from the outer surface 3b of the lid 3 toward the inner surface 3a is improved for the following reason. Since the grain boundary phase has a lower thermal conductivity than the crystal phase, the heat generated in the semiconductor element 20 is in a direction along the outer surface 3b in the outer surface 3b where the area occupancy of the grain boundary phase is large. The semiconductor element 20 is less likely to diffuse (in the horizontal direction in FIG. 1B) and easily moves toward the inner surface 3a side (in the vertical direction in FIG. 1B) where the area occupancy of the grain boundary phase is small. This improves the thermal conductivity of the heat generated in the process.
  • the area occupation ratio of the grain boundary phase of the inner surface 3a is not less than 0.1 area% and not more than 4.0 area%.
  • the area occupancy ratio of the grain boundary phase of the inner surface 3a satisfies the above range, in addition to the excellent heat dissipation characteristics, even if a high-pressure fluid is flowed, damage due to degranulation on the inner surface 3a can be suppressed.
  • the area occupation ratio of the grain boundary phase of the outer surface 3b is preferably 8.0 area% or more and 23.0 area% or less.
  • the area occupancy of the grain boundary phase of the outer surface 3b satisfies the above range, in addition to excellent heat dissipation characteristics, it can be excellent in mechanical characteristics.
  • a measuring method of the area occupancy ratio of the grain boundary phase of the inner surface 3a and the outer surface 3b of the lid part 3 for example, there is a method as described below.
  • SEM scanning electron microscope
  • element mapping for example, magnesium (Mg After specifying the position of the grain boundary phase by specifying magnesium), take a backscattered electron image.
  • the image analysis software “A Image-kun” registered trademark, manufactured by Asahi Kasei Engineering Co., Ltd.
  • the image analysis software “A Image-kun” will be referred to as Asahi Kasei Engineering Co., Ltd.
  • the threshold value is set so that the contrast between the grain boundary phase and the crystal phase becomes clear, image analysis is performed, and this work is measured at five arbitrary locations.
  • the average value obtained is defined as the area occupation ratio of the grain boundary phase.
  • an electron beam microanalyzer can be used for element mapping.
  • the polishing amount of the inner surface 3a and the outer surface 3b is within a range up to about 50 ⁇ m with respect to the thickness of the lid 3. The same.
  • the lid 3 which is a wall portion where heat exchange is performed has an average crystal grain size on the inner surface 3a larger than the average crystal grain size on the outer surface 3b.
  • the average crystal grain size of the inner surface 3a is, for example, 1.3 ⁇ m or more and 4 ⁇ m or less
  • the average crystal grain size of the outer surface 3b is 0.5 ⁇ m or more and 1 ⁇ m or less.
  • the average crystal grain size of the inner surface 3a and the outer surface 3b of the lid part 3 for example, after cutting a sample of an appropriate size including the inner surface 3a and the outer surface 3b from the lid part 3,
  • the inner surface 3a and the outer surface 3b are mirror-polished with the same polishing amount in the range up to about 50 ⁇ m with respect to the thickness of the body part 3.
  • the average crystal grain size can be obtained by image analysis using image analysis software “A Image-kun”.
  • the image analysis using the image analysis software “A image-kun” is compliant with JIS R 1670-2006.
  • the average crystal grain size can also be obtained using a code method. Specifically, the grain size may be measured from the number of crystal phases on a straight line having a certain length with respect to the photographed image, and this may be performed at a plurality of locations to obtain an average value.
  • the lid part 3 preferably has an arithmetic average roughness Ra of the inner surface 3a of 0.2 ⁇ m or more.
  • the turbulent flow of the fluid flowing in the flow path 2 is likely to occur on the inner surface 3a, thereby improving the heat exchange efficiency and improving the heat dissipation characteristics of the flow path member 1.
  • the arithmetic average roughness Ra of the inner surface 3 a of the lid 3 is preferably 1 ⁇ m or less.
  • a contact type or Measurement may be performed based on JIS B 0601-2001 using a non-contact type roughness measuring instrument, and this operation may be performed at any five locations to obtain an average value.
  • FIG. 2 shows an example of the lid part 3 constituting the flow path member of the present embodiment
  • (a) is a perspective view
  • (b) is a cross section taken along the line AA in (a).
  • (c) is an enlarged view of the B section in (b).
  • FIG. 3 is a schematic view showing an example of the shape of a spindle-shaped hole.
  • the lid 3 has a spindle-shaped hole 8 (hereinafter also simply referred to as a hole) having a major axis 8a along the outer surface 3b. Is preferred.
  • the direction along the outer surface 3b is a horizontal direction in FIG.2 (c).
  • the spindle shape is a shape as shown in FIGS. 3A and 3B, and is a shape in which the center side is thick and narrows toward the end side.
  • the spindle-shaped hole 8 has a major axis 8a which is the length of the target hole 8 in the longest direction of 10 ⁇ m to 200 ⁇ m, and a portion perpendicular to the major axis 8a in the middle point 8c portion of the major axis 8a.
  • the ratio required for the long diameter 8a / short diameter 8b is 2 or more.
  • a plurality of spindle-shaped holes 8 having a major axis 8a in the direction along the outer surface 3b are provided in the thickness direction, and a vertical line (an arrow shown in FIG. 2 (c)) at the midpoint of each major axis 8a. It is preferable that they do not overlap within the thickness of the lid 3. When satisfying such a configuration, it is possible to suppress the development of microcracks while having mechanical properties superior to those when overlapping within the thickness of the lid body portion 3. Further, it is possible to reduce the possibility of micro cracks due to local concentration of heat transmitted from the outer surface 3b.
  • a cross section perpendicular to the outer surface 3b from the lid 3 (such as the line AA in FIG. 2A).
  • the cross section can be cut out and observed using a known microscope (metal microscope, SEM, etc.) at a magnification of 1000 to 2000 times, and there are a plurality of spindle-shaped holes 8 in the thickness direction. It can be determined by observing different regions in the thickness direction and determining whether or not the spindle-shaped holes 8 are observed in a plurality of regions.
  • examples of the ceramic constituting the flow path member 1 include alumina, zirconia, mullite, silicon carbide, boron carbide, cordierite, silicon nitride, aluminum nitride, and sintered bodies made of these composite materials.
  • the wall which comprises the flow-path member 1 consists of ceramics, as shown in FIG. 1, since metal layers 10, such as a wiring conductor, can be directly formed in the flow-path member 1, this metal layer An electronic component such as a semiconductor element 20 can be mounted on 10.
  • the number of parts can be reduced, and the thermal resistance at the joints can be reduced and the heat exchange efficiency can be improved by the amount that the joints of the parts can be reduced.
  • the lid 3 shown in FIG. 1 is preferably made of a silicon nitride sintered body.
  • the silicon nitride-based sintered body is a sintered body having a silicon nitride content of 70% by mass or more out of 100% by mass of all components constituting the sintered body.
  • the silicon nitride sintered body has high voltage resistance and thermal shock resistance, and can withstand use under a large current. Even if the heat generation amount of the component is large, damage such as cracks can be made difficult to occur.
  • the component which comprises the cover part 3 can cut out the sample of a predetermined magnitude
  • XRD X-ray-diffraction apparatus
  • the content can be confirmed by performing energy dispersive X-ray (EDS) analysis by SEM.
  • EDS energy dispersive X-ray
  • the content can also be confirmed using an ICP emission spectroscopic analyzer or a fluorescent X-ray analyzer.
  • the inner surface 3a is dotted with compounds containing iron and silicon, and the number of compounds having an equivalent circle diameter of 0.05 ⁇ m to 5 ⁇ m. It is preferable that it is 2.0 ⁇ 10 4 or more and 2.0 ⁇ 10 5 or less per 1 mm 2 .
  • a compound containing iron and silicon is present.
  • the progress of cracks toward the inner side of the lid 3 can be suppressed.
  • the compound containing iron and silicon is preferably present in the grain boundary phase of the lid portion 3.
  • the number per 1 mm 2 of the compound containing iron and silicon having an equivalent circle diameter of 0.05 ⁇ m or more and 5 ⁇ m or less is set to, for example, an area of 10.8 ⁇ 10 4 ⁇ m 2 ( The range is set so that the length in the horizontal direction is 127 ⁇ m and the length in the vertical direction is 85.3 ⁇ m.
  • the backscattered electron image in this range is captured by the CCD camera, and the image analysis software “A image kun” is used. Analysis may be performed by a method called particle analysis.
  • the brightness is bright
  • the binarization method is manual
  • the brightness that each point (each pixel) in the reflected electron image has a threshold that is an index indicating the brightness of the reflected electron image
  • it may be set to 1.5 times to 1.8 times the peak value of the histogram indicating the height.
  • An optical microscope may be used instead of the SEM. What is necessary is just to perform this operation
  • the columnar crystals that have a concave portion on the inner surface 3a of the lid portion 3 and intersect with each other inside the concave portion. Is preferably present.
  • the size of the recess is preferably such that the maximum width of the opening is not less than 20 ⁇ m and not more than 100 ⁇ m.
  • the magnification can be confirmed at 200 to 500 times using SEM.
  • the state in which the columnar crystals are intermingled with each other inside the concave portion can be confirmed by enlarging the magnification to 1000 to 3000 times using SEM.
  • the crossed state refers to a state in which the axes of the columnar crystals intersect at an arbitrary angle.
  • the semiconductor module 30 of this embodiment mounts the semiconductor element 20 on the metal layer 10 provided in the lid part 3 of the flow path member 1.
  • the lid body portion 3 is difficult to diffuse heat in a direction along the outer surface 3 b. Therefore, it is possible to suppress the interference of each semiconductor element 20 with the mutual heat generated from each semiconductor element 20. Furthermore, since the heat generated in the semiconductor element 20 easily moves on the inner surface 3a side of the lid portion 3, the semiconductor element 20 can be efficiently dissipated and can be switched at high speed even under a large current. It becomes.
  • the metal layer 10 preferably contains copper, silver, aluminum or the like as a main component. Since the metal layer 10 containing these as a main component has a low electric resistivity, it can cope with a case where the allowable current is large. Further, since the thermal conductivity is high, the metal layer 10 can be used as a heat radiating member.
  • the heat source is the semiconductor element 20
  • the heat source is not limited to the semiconductor element 20 and may be a sublimation thermal printer head element, a thermal inkjet printer head element, or the like.
  • the metal layer 10 and the semiconductor element 20 are connected to other circuit boards and external power sources using bonding wires or the like.
  • the flow path member 1 of the present embodiment may include a partition part for changing or branching the direction of fluid flow inside. By providing such a partition part, the semiconductor element 20 etc. can be cooled efficiently.
  • the channel member is made of a silicon nitride sintered body as an example of the method for producing the channel member of the present embodiment.
  • silicon nitride powder having a ⁇ conversion rate of 20% or less, and magnesium (Mg), calcium (Ca), aluminum (Al), molybdenum (Mo), chromium (Cr), nickel (Ni) as sintering aids ), At least one of oxides of manganese (Mn) and tungsten (W), and oxides of rare earth elements (for example, Sc 2 O 3 , Y 2 O 3 , La 2 O 3 , Ce 2 O 3 , Pr) 6 O 11 , Nd 2 O 3 , Pm 2 O 3 , Sm 2 O 3 , Eu 2 O 3 , Gd 2 O 3 , Tb 2 O 3 , Dy 2 O 3 , Ho 2 O 3 , Er 2 O 3 , Tm 2 O 3, Yb 2 O 3 and at least one of Lu 2 O 3) powder to the desired amount weighing.
  • Mg magnesium
  • Ca calcium
  • Al aluminum
  • Mo molybdenum
  • Cr chromium
  • Ni nickel
  • an organic binder such as paraffin wax, polyvinyl alcohol (PVA), polyethylene glycol (PEG), etc. is added and mixed to produce a slurry. To do.
  • PVA polyvinyl alcohol
  • PEG polyethylene glycol
  • the above-mentioned sintering aid is magnesium (Mg), calcium (Ca), aluminum (Al), molybdenum when the total of the powder of silicon nitride and the total of these sintering aid powders is 100 mass%.
  • Mo magnesium
  • Cr chromium
  • Ni nickel
  • Mn manganese
  • W tungsten oxide powders of 2 to 7% by mass
  • rare earth element oxide powders of 7 to 16% What is necessary is just to make it become mass%.
  • the starting material A of the ceramic green sheet on the inner surface 3a side of the lid 3 and the starting of the ceramic green sheet on the outer surface 3b of the lid 3 are started. It is produced by making the blended composition with the raw material B different. Specifically, by reducing the content of the powder of the sintering aid in the starting material A rather than the starting material B, the area occupancy of the grain boundary phase in the inner surface 3a of the lid part 3 is reduced to the grain size in the outer surface 3b. It can be made smaller than the area occupancy of the field phase.
  • the starting raw material C is prepared with a powder content of the sintering aid larger than that of the starting raw material A and less than that of the starting raw material B. What is necessary is just to set it as the structure pinched
  • an iron oxide powder having a specific surface area of 0.5 m 2 / g or more and 50 m 2 / g or less may be added to 1 part by mass or more and 1.7 parts by mass or less with respect to 100 parts by mass of the starting material A.
  • Iron oxide reacts with silicon during firing to release oxygen, thereby producing silicide, which is a thermodynamically stable iron and silicon compound.
  • compounds containing iron and silicon are scattered on the inner surface 3a of the lid portion 3, and the equivalent circle diameter is 0.05 ⁇ m or more and 5 ⁇ m or less.
  • the number of the compounds may be 2.0 ⁇ 10 4 or more and 2.0 ⁇ 10 5 or less per 1 mm 2 .
  • bowl which consists of ceramics used by mixing and grinding
  • the particle diameter (D 90 ) is 90 ⁇ m or less when the sum of the cumulative volume of the particle size distribution curve is 100%. It is preferable to mix and pulverize to the point of improving the sinterability and making the crystal structure columnar or acicular.
  • a powder having a cumulative particle size of 50% and a particle size (D 50 ) of 1 ⁇ m or less in order to perform mixing and pulverization in a short time, it is preferable to use a powder having a cumulative particle size of 50% and a particle size (D 50 ) of 1 ⁇ m or less.
  • the pulverized particle size can be adjusted by adjusting the outer diameter of the ball, the amount of the ball, the viscosity of the slurry, the pulverization time, and the like.
  • a dispersant may be added to lower the viscosity of the slurry.
  • the pulverized particle size can be adjusted, and in turn, the average crystal particle size on the inner surface 3a and the outer surface 3b can be adjusted.
  • a sheet is prepared by the doctor blade method using each of the obtained slurries.
  • the ceramic green sheet used as the inner surface 3a side and the outer surface 3b side of the cover part 3 of a predetermined shape is obtained by punching out the obtained sheet
  • a cold isostatic pressing (CIP) method an extrusion molding method, a pressurization method using granules granulated by spray drying each of the obtained slurries.
  • CIP cold isostatic pressing
  • a ceramic green sheet that is formed on the inner surface 3a side and the outer surface 3b side of the lid portion 3 having a predetermined shape may be obtained by punching out a sheet produced by a roll compaction method for rolling the granules with a mold or by laser processing.
  • the ceramic green made of the starting material C is interposed between the ceramic green sheet serving as the inner surface 3a and the ceramic green sheet serving as the outer surface 3b. What is necessary is just to laminate
  • the arithmetic average roughness Ra after firing can be adjusted by subjecting the surface of the molded body corresponding to the inner surface 3a of the lid portion 3 to blasting.
  • a circular region where no slurry is applied is provided on the joint surface.
  • the vertical line of the midpoint 8 c of the major axis 8 a in each spindle-shaped hole 8 does not overlap within the thickness of the lid 3.
  • the arrangement of the circular regions where the slurry is not applied may be arranged so as not to overlap at each bonding surface.
  • a block-shaped molded object is obtained by a CIP method, an extrusion molding method, etc. using a granule.
  • the lid 3 is manufactured by the laminating method
  • the side wall 6 and the bottom plate 7 are also manufactured by the laminating method. It is preferable to do.
  • the thickness can be easily changed by changing the number of ceramic green sheets to be laminated.
  • the flow path member 1 provided with the complicated flow path 2 provided with a partition part can be produced by punching with a metal mold
  • the side wall part 6 and the baseplate part 7 when producing the side wall part 6 and the baseplate part 7 by a lamination method, it can produce by the method similar to when producing the molded object used as the cover part 3 mentioned above, and the side wall part 6 and the baseplate part 7 are produced.
  • Each of the molded bodies to be obtained may be laminated, and lamination and pressurization may be performed at the same time to obtain a molded body including the lid portion 3, the side wall portion 6, and the bottom plate portion 7.
  • the obtained molded body is put into a slag bowl made of a silicon nitride sintered body.
  • a co-material containing components such as magnesium oxide and oxides of rare earth elements is arranged around the silicon nitride-based molded body, It is fired in a firing furnace in which a graphite resistance heating element is installed.
  • the amount of the common material is preferably 2% by mass or more and less than 10% by mass with respect to the total mass of the silicon nitride-based molded body.
  • the temperature is raised in a vacuum atmosphere from room temperature to 300 to 1000 ° C., and then nitrogen gas is introduced to maintain the nitrogen partial pressure at 15 to 900 kPa. Then, the temperature is further increased and held at 1560 ° C. or higher and 1640 ° C. or lower for more than 4 hours but not longer than 6 hours, and then further raised to 1740 ° C. or higher and lower than 1800 ° C. for 4 hours or longer and 10 hours or shorter To do. Then, the flow path member 1 of this embodiment can be obtained by cooling at a temperature decrease rate of 500 ° C./hour or more. Note that the flow path member 1 may be polished according to the application.
  • the compact is placed so that the outer surface 3b of the lid 3 is positioned on the above-mentioned powder of the common material. Then, firing is performed under the above-described conditions.
  • the components constituting the grain boundary phase are less likely to evaporate on the outer surface 3b of the lid portion 3, and the evaporation of the grain boundary phase is suppressed on the inner surface 3a than the outer surface 3b. Therefore, the area occupancy of the grain boundary phase on the inner surface 3a is reduced and the area occupancy of the grain boundary phase on the outer surface 3b is increased as compared with the inner surface 3a and the outer surface 3b.
  • the average crystal grain size on the inner surface 3a becomes larger in comparison with the inner surface 3a and the outer surface 3b.
  • the average crystal grain size in 3b becomes smaller.
  • the semiconductor module 30 of this embodiment can be manufactured by providing the metal layer 10 on the lid 3 of the flow path member 1 and mounting the semiconductor element 20 on the metal layer 10.
  • the metal layer 10 provided on the lid 3 for example, a paste is prepared using conductive powder such as silver, copper, or aluminum, glass powder, and an organic vehicle, and a known screen printing method is used.
  • the paste obtained on the outer surface 3b of the lid 3 may be printed, dried, and then fired in an atmosphere matched to the conductive powder.
  • the metal layer 10 may be manufactured by an electrolytic plating method, an electroless plating method, a direct bonding method using a copper plate or an aluminum plate, or an active metal method.
  • the bottom plate portion need not have a different configuration from the lid portion, and may have the same configuration.
  • the flow path member of the present invention is not only used for mounting electronic components such as semiconductor elements, but also exchanges heat between a high-temperature fluid flowing outside the flow path member and a refrigerant flowing inside the flow path member. It can also be used as a heat exchanger member.
  • Channel member 2 Channel 3: Cover part 3a: Inner surface 3b: Outer surface 4: Supply port 5: Discharge port 6: Side wall portion 7: Bottom plate portion 8: Spindle-shaped hole (hole) 10: Metal layer 20: Semiconductor element 30: Semiconductor module

Abstract

　【課題】　放熱特性に優れた流路部材およびこの流路部材に設けられた金属層上に半導体素子を搭載してなる半導体モジュールを提供する。　【解決手段】　壁に囲まれた空間が流体の流れる流路２であり、前記壁がセラミックスからなる流路部材１であって、前記壁のうち、熱交換が行なわれる壁部の内面３ａにおける粒界相の面積占有率が、外面３ｂにおける粒界相の面積占有率よりも小さい流路部材１である。このような構成を満たしていることにより、流路部材１は放熱特性に優れる。

Description

流路部材および半導体モジュール
　本発明は、流路部材および半導体モジュールに関する。
　近年、半導体素子が、大電流下において高速にスイッチングする用途に用いられている。この半導体素子は、発熱して高温になると、スイッチング機能に影響を及ぼす可能性がある。そのため、半導体素子の搭載にあたっては、流体との熱交換により、半導体素子を冷却可能な流路を有する流路部材が用いられている。
　このような流路部材として、例えば、特許文献１には、半導体部品が実装される回路の下部に冷媒流路となる空隙部が形成され、前記回路から前記空隙部までの基板厚さ方向の距離ｔが０．５ｍｍ≦ｔ≦５ｍｍの条件を満たし、該距離ｔと前記空隙部の幅ＹとがＹ≦２０ｔの関係にある構造の流路部材が提案されている。
特開２００２－３２９９３８号公報
　半導体素子を冷却可能な流路を有していることにより、流路を有していないものよりも放熱特性に優れたものとなるものの、今般において、流路部材には、さらなる放熱特性の向上が求められている。
　本発明は、上記要求を満たすべく案出されたものであり、放熱特性に優れた流路部材および半導体モジュールを提供するものである。
　本発明の流路部材は、壁に囲まれた空間が流体の流れる流路であり、前記壁がセラミックスからなる流路部材であって、前記壁のうち、熱交換が行なわれる壁部の内面における粒界相の面積占有率が、外面における粒界相の面積占有率よりも小さいことを特徴とするものである。
　また、本発明の半導体モジュールは、上記構成の本発明の流路部材の前記壁に設けられた金属層上に半導体素子が搭載されてなることを特徴とするものである。
　本発明の流路部材は、放熱特性に優れる。
　また、本発明の半導体モジュールによれば、大電流下において高速にスイッチングする機能を高く維持することが可能となる。
本実施形態の半導体モジュールの一例を示す、（ａ）は斜視図であり、（ｂ）は断面図である。 本実施形態の流路部材を構成する蓋体部の一例を示す、（ａ）は斜視図であり、（ｂ）は（ａ）におけるＡ－Ａ線での断面図であり、（ｃ）は（ｂ）におけるＢ部の拡大図である。 紡錘形状の孔の形状例を示す概略図である。
　以下、本実施形態の一例について図面を参照しながら説明する。図１は、本実施形態の半導体モジュールの一例を示す、（ａ）は斜視図であり、（ｂ）は断面図である。なお、同一の部材については、同一の番号を付するものとする。
　図１（ａ）に示すように、本実施形態の半導体モジュール３０は、流路部材１に金属層１０を備え、その上に半導体素子２０が搭載されている。この半導体素子２０は、使用に伴って発熱するものであり、特にＩＧＢＴ素子やＬＥＤ素子等のパワー半導体である場合、発熱量が多いものである。
　なお、図１においては、蓋体部３上に半導体素子２０が２つ設けられた例を示しているが、半導体素子２０は２つに限られるものではなく、１つでも、また３つ以上であってもよい。
　そして、本実施形態の流路部材１は、図１（ｂ）に示すように、壁（蓋体部３、側壁部６、底板部７）に囲まれた空間が流体の流れる流路２であり、供給口４から供給された冷媒が、流路２を通って排出口５から排出されるものである。なお、図１においては、供給口４および排出口５を側壁部６に形成しているが、蓋体部３や底板部７に設けるなど、適宜変更しても構わない。
　また、本実施形態の流路部材１において、蓋体部３、側壁部６および底板部７は、セラミックスからなる。このように、蓋体部３、側壁部６および底板部７がセラミックスからなることにより、腐食性を有する冷媒を流すことができたり、腐食性を有する環境において用いたりすることができる。
　次に、本実施形態の流路部材１は、使用に伴って半導体素子２０から生じた熱と、流路２を流す冷媒が有する熱との熱交換によって、半導体素子２０が高温になり過ぎるのを抑制するものであり、図１に示す構成においては、壁のうち、蓋体部３が熱交換が行なわれる壁部に該当する。なお、流路部材１が、半導体素子２０の搭載に用いられるものであるとき、熱交換が行なわれる壁部とは、半導体素子２０が搭載される側の壁部とも言い換えることができる。また、流路部材１が、外部環境との熱交換に用いられるものであるとき、蓋体部３、側壁部６、底板部７のすべてが、熱交換が行なわれる壁部である。
　本実施形態の流路部材１において蓋体部３は、内面３ａにおける粒界相の面積占有率が、外面３ｂにおける粒界相の面積占有率よりも小さい。なお、内面３ａとは、流路２の一部を構成するものである。
　このように、内面３ａにおける粒界相の面積占有率が、外面３ｂにおける粒界相の面積占有率よりも小さいことにより、蓋体部３の外面３ｂから内面３ａに向かう、半導体素子２０で生じた熱の熱伝導性が向上し、流路２を流れる冷媒と効率よく熱交換することができるため、流路部材１は、放熱特性に優れたものとなる。
　ここで、蓋体部３の外面３ｂから内面３ａに向かう、半導体素子２０で生じた熱の熱伝導性が向上するのは、以下の理由による。粒界相は、結晶相よりも熱伝導性の低いものであることから、対比して粒界相の面積占有率が大きい外面３ｂにおいて、半導体素子２０で生じた熱は、外面３ｂに沿う方向（図１（ｂ）における横方向）に拡散しにくく、対比して粒界相の面積占有率が小さい内面３ａ側（図１（ｂ）における縦方向）に移動しやすくなるため、半導体素子２０で生じた熱の熱伝導性が向上するのである。
　なお、内面３ａの粒界相の面積占有率は０．１面積％以上４．０面積％以下であることが好ましい。内面３ａの粒界相の面積占有率が上記範囲を満たしているときには、優れた放熱特性に加えて、高い圧力の流体を流したとしても内面３ａにおける脱粒による損傷を抑制することができる。
　また、外面３ｂの粒界相の面積占有率は８．０面積％以上２３．０面積％以下であることが好ましい。外面３ｂの粒界相の面積占有率が上記範囲を満たしているときには、優れた放熱特性に加えて、機械的特性に優れたものとすることができる。
　ここで、蓋体部３の内面３ａおよび外面３ｂの粒界相の面積占有率の測定方法としては、例えば次に記すような方法がある。まず、蓋体部３から適当な大きさのサンプルを切り出した後、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）を用いて倍率を１０００～６０００倍として観察し、元素マッピング（例えば、粒界相にマグネシウム（Ｍｇ）を含むならばマグネシウムを指定する）により粒界相の位置を確認した後、反射電子像を撮影する。次に、得られた写真に対し画像解析ソフト「Ａ像くん」（登録商標、旭化成エンジニアリング（株）製、なお、以降に画像解析ソフト「Ａ像くん」と記した場合、旭化成エンジニアリング（株）製の画像解析ソフトを示すものとする。）を用いて、粒界相と結晶相とのコントラストが明確になるように閾値を設定し、画像解析を行ない、この作業を任意の５箇所で測定した平均値を、粒界相の面積占有率とする。
　また、元素マッピングには、電子線マイクロアナライザー（ＥＰＭＡ）を用いることもできる。なお、粒界相の面積占有率の測定にあたって、研磨を行なう場合には、蓋体部３の厚みに対し、それぞれの研磨量は５０μｍ程度までの範囲において、内面３ａおよび外面３ｂの研磨量を同じとする。
　また、熱交換が行なわれる壁部である蓋体部３は、内面３ａにおける平均結晶粒径が、外面３ｂにおける平均結晶粒径よりも大きいことが好ましい。
　このような構成を満たしているときには、外面３ｂにおいて結晶相間の熱伝導を妨げる界面が多いため、外面３ｂを沿う方向に熱が拡散しにくく、内面３ａ側に熱が移動しやすくなり、半導体素子２０で発生した熱と流路２を流れる流体である冷媒とが、効率よく熱交換することができ、放熱特性が向上する。
　なお、内面３ａの平均結晶粒径は、例えば、１．３μｍ以上４μｍ以下であり、外面３ｂの平均結晶粒径は０．５μｍ以上１μｍ以下である。
　ここで、蓋体部３の内面３ａおよび外面３ｂの平均結晶粒径の測定方法としては、例えば、蓋体部３から内面３ａおよび外面３ｂを含む適当な大きさのサンプルを切り出した後、蓋体部３の厚みに対し、５０μｍ程度までの範囲において、同じ研磨量で内面３ａおよび外面３ｂを鏡面研磨する。次に、それぞれの研磨面をＳＥＭを用いて１０００～６０００倍で観察し撮影した後に、画像解析ソフト「Ａ像くん」を用いて画像解析することにより、平均結晶粒径を求めることができる。なお、画像解析ソフト「Ａ像くん」を用いた画像解析は、ＪＩＳ　Ｒ　１６７０－２００６に準拠したものである。
　また、他には、コード法を用いて平均結晶粒径を求めることもできる。具体的には、撮影した写真に対し一定長さの直線上にある結晶相の個数から粒径を測定し、これを複数カ所で行ない平均値を求めればよい。
　また、本実施形態の流路部材１において蓋体部３は、内面３ａの算術平均粗さＲａが０．２μｍ以上であることが好ましい。
　このような構成を満たしているときには、流路２内を流れる流体が内面３ａにおいて乱流が生じやすくなり、熱交換効率が向上することととなり、流路部材１の放熱特性が向上する。なお、流路２に高圧の流体を流した際に、蓋体部３の損傷を抑制するには、蓋体部３の内面３ａの算術平均粗さＲａは１μｍ以下にすることが好ましい。
　ここで、蓋体部３の内面３ａの算術平均粗さＲａの確認方法としては、例えば、蓋体部３から内面３ａを含むように、適当な大きさのサンプルを切り出した後、接触型もしくは非接触型粗さ測定器を用いて、ＪＩＳ　Ｂ　０６０１－２００１に基づいて測定し、この作業を任意の５箇所で行い平均値を求めればよい。
　次に、図２は、本実施形態の流路部材を構成する蓋体部３の一例を示す、（ａ）は斜視図であり、（ｂ）は（ａ）におけるＡ－Ａ線での断面図であり、（ｃ）は（ｂ）におけるＢ部の拡大図である。また、図３は、紡錘形状の孔の形状例を示す概略図である。
　図２（ｂ）に示すような断面において、蓋体部３が、外面３ｂに沿った方向が長径８ａである紡錘形状の孔８（以下、単に孔ともいう。）を有していることが好適である。なお、外面３ｂに沿った方向とは、図２（ｃ）における横方向のことである。
　また、紡錘形状とは、図３（ａ）、図３（ｂ）に示すような形状であり、中央側が太く、端部側に向かって細くなっている形状のことである。具体的な紡錘形状の孔８の大きさは、対象とする孔８の最も長い方向の長さである長径８ａが１０μｍ～２００μｍであり、長径８ａの中点８ｃ部分における長径８ａに垂直な部分の長さを短径８ｂとしたとき、長径８ａ／短径８ｂで求められる比が２以上となるものである。
　そして、蓋体部３が、外面３ｂに沿った方向が長径８ａである紡錘形状の孔８を有しているときには、繰り返される熱の移動によって結晶相の界面等に微小な亀裂が生じたときの亀裂の進展を抑制することができる。また、蓋体部３の厚み方向（図２（ｃ）における縦方向）に沿った方向が長径の孔を有しているときよりも、優れた機械的特性を有するものであることから、長期間にわたる使用が可能である。
　また、外面３ｂに沿った方向が長径８ａである紡錘形状の孔８を厚み方向に複数有しており、それぞれにおける長径８ａの中点の鉛直線（図２（ｃ）に示す矢印）が、蓋体部３の厚み内において重ならないことが好ましい。このような構成を満たしているときには、蓋体部３の厚み内において重なっているときよりも優れた機械的特性を有しつつ、微小亀裂の進展を抑制することができる。また、外面３ｂから伝わった熱の局部集中によって微小亀裂が生じるおそれを少なくすることができる。
　なお、外面３ｂに沿った方向が長軸８ａである紡錘形状の孔８の確認方法としては、蓋体部３から外面３ｂに垂直な断面（図２（ａ）のＡ－Ａ線のような断面）を切り出し、公知の顕微鏡（金属顕微鏡やＳＥＭなどを用いて、１０００倍以上２０００倍以下の倍率で観察することにより確認することができる。また、紡錘形状の孔８を厚み方向に複数有しているか否かについては、厚み方向において、異なる領域を観察し、複数の領域で紡錘形状の孔８が観察されるか否かで判断すればよい。さらに、それぞれの紡錘形状の孔８における長径８ａの中点の鉛直線が、蓋体部３の厚み内において重なっているか否かについては、確認された紡錘形状の孔８から鉛直方向に、外面３ｂ側および内面３ａ側まで観察領域を移動させて観察すればよい。
　次に、流路部材１を構成するセラミックスとしては、アルミナ、ジルコニア、ムライト、炭化硅素、炭化硼素、コージェライト、窒化珪素、窒化アルミニウムやこれらの複合材料からなる焼結体が挙げられる。このように、流路部材１を構成する壁がセラミックスからなることにより、図１に示すように、配線導体などの金属層１０を流路部材１に直接形成することができるため、この金属層１０上に半導体素子２０などの電子部品を搭載できる。それにより、部品点数の削減ができるとともに、部品の接合部が少なくできる分、接合部における熱抵抗を低減でき熱交換効率を向上することができる。
　特に、図１に示す蓋体部３は、窒化珪素質焼結体からなることが好ましい。ここで、窒化珪素質焼結体とは、焼結体を構成する全成分１００質量％のうち、窒化珪素の含有量が７０質量％以上の焼結体のことである。蓋体部３が、窒化珪素質焼結体からなるときには、窒化珪素質焼結体は耐電圧性および耐熱衝撃性が高いことから、大電流下での使用にも耐えることができ、また電子部品の発熱量が大きい場合であっても、亀裂などの損傷を生じにくくすることができる。
　なお、蓋体部３を構成する成分は、蓋体部３から所定の大きさの試料を切り出し、Ｘ線回折装置（ＸＲＤ）によって確認することができる。また、含有量については、ＳＥＭによるエネルギー分散型Ｘ線（ＥＤＳ）分析を行なうことによって確認することができる。また、ＩＣＰ発光分光分析装置または蛍光Ｘ線分析装置を用いても含有量を確認することもできる。
　また、蓋体部３が窒化珪素質焼結体からなるものであるとき、内面３ａにおいて、鉄および珪素を含む化合物が点在し、円相当径が０．０５μｍ以上５μｍ以下の化合物の個数が、１ｍｍ２当たり２．０×１０４個以上２．０×１０５個以下であることが好ましい。
　このような構成を満たしているときには、流路２に高圧の流体を流した際に、蓋体部３の内面３ａに圧力が掛かることによって亀裂が発生したとしても、鉄および珪素を含む化合物が点在することによって、蓋体部３の内部側への亀裂の進展を抑制することができる。なお、鉄および珪素を含む化合物は、蓋体部３の粒界相に存在することが好ましい。
　ここで、鉄および珪素を含む化合物が点在しているか否かについては、ＥＰＭＡを用いた元素マッピングの確認により、Ｆｅの存在位置とＳｉの存在位置とが重なっている箇所が複数存在するか否かで確認することができる。なお、化合物の同定は、ＸＲＤで測定して同定すればよい。
　また、円相当径が０．０５μｍ以上５μｍ以下の鉄および珪素を含む化合物の１ｍｍ２当たりの個数は、ＳＥＭを用いて倍率を１０００倍として、例えば、面積が１０．８×１０４μｍ２（横方向の長さが１２７μｍ、縦方向の長さが８５．３μｍ）となるように範囲を設定し、ＣＣＤカメラでこの範囲の反射電子像を取り込み、画像解析ソフト「Ａ像くん」を用いて、粒子解析という手法で解析すればよい。
　ここで、この手法の設定条件としては、明度を明、２値化の方法を手動、反射電子像の明暗を示す指標である閾値を、反射電子像内の各点（各ピクセル）が有する明るさを示すヒストグラムのピーク値の例えば、１．５倍～１．８倍に設定すればよい。なお、ＳＥＭの代わりに光学顕微鏡を用いても構わない。この作業を任意の５箇所で行ない平均値を求めればよい。
　また、本実施形態の流路部材１は、蓋体部３が窒化珪素質焼結体からなる場合において、蓋体部３の内面３ａに凹部を有し、凹部の内部に互いに交錯した柱状結晶が存在することが好ましい。
　このような構成を満たしているときには、柱状結晶の交錯している凹部に流路２を流れる流体が入り込んだ際に、流体の流れが撹拌されて熱交換効率が向上することとなり、流路部材１の放熱特性が向上する。
　ここで、凹部の大きさは、開口部の最大幅が２０μｍ以上１００μｍ以下であることが好ましく、その確認方法としては、ＳＥＭを用いて、倍率を２００～５００倍として確認することができる。
　なお、凹部の内部において、柱状結晶が互いに交錯している状態とは、ＳＥＭを用いて、倍率を１０００～３０００倍に拡大することにより確認することができる。また、交錯している状態とは、それぞれの柱状結晶の軸が任意の角度をなして交差している状態のことをいう。
　そして、本実施形態の半導体モジュール３０は、流路部材１の蓋体部３に設けられた金属層１０上に半導体素子２０を搭載してなるものである。
　例えば、図１に示すように、流路部材１の蓋体部３上に複数の半導体素子２０を搭載した場合、蓋体部３は、外面３ｂを沿う方向に熱が拡散しにくいものであることから、それぞれの半導体素子２０から生じた互いの熱に、それぞれの半導体素子２０が干渉されることを抑制できる。さらに、半導体素子２０で生じた熱が、蓋体部３の内面３ａ側移動しやすいことから、半導体素子２０の放熱を効率よく行なうことができ、大電流下においても高速にスイッチングすることが可能となる。
　ここで、金属層１０は、銅、銀、アルミニウムなどを主成分とすることが好ましい。これらを主成分とする金属層１０は電気抵抗率が低いことから、許容電流が大きい場合にも対応することができる。また、熱伝導率が高いことから、金属層１０を放熱部材として使用することも可能である。
　また、上述の説明において、熱源が半導体素子２０である例について説明したが、熱源は半導体素子２０に限らず、昇華型サーマルプリンターヘッド素子やサーマルインクジェットプリンターヘッド素子等でも構わない。
　なお、図示していないが、金属層１０や半導体素子２０は、ボンディングワイヤなどを用いて他の回路基板や外部電源と接続される。
　また、本実施形態の流路部材１は、内部に流体の流れる方向を変更したり分岐させたりするための隔壁部を備えても構わない。このような隔壁部を備えることによって、半導体素子２０などを効率よく冷却することができる。
　次に、本実施形態の流路部材の作製方法の一例として、流路部材が窒化珪素質焼結体からなる例を説明する。
　なお、以下の説明においては、本実施形態の流路部材１の蓋体部３の作製方法として、セラミックグリーンシートによる積層法で作製する例について説明する。
　まず、β化率が20％以下である窒化珪素の粉末と、焼結助剤としてマグネシウム（Ｍｇ）、カルシウム（Ｃａ）、アルミニウム（Ａｌ）、モリブデン（Ｍｏ）、クロム（Ｃｒ）、ニッケル（Ｎｉ）、マンガン（Ｍｎ）およびタングステン（Ｗ）の酸化物の粉末の少なくともいずれかならびに希土類元素の酸化物（例えば、Ｓｃ２Ｏ３、Ｙ２Ｏ３、Ｌａ２Ｏ３、Ｃｅ２Ｏ３、Ｐｒ６Ｏ１１、Ｎｄ２Ｏ３、Ｐｍ２Ｏ３、Ｓｍ２Ｏ３、Ｅｕ２Ｏ３、Ｇｄ２Ｏ３、Ｔｂ２Ｏ３、Ｄｙ２Ｏ３、Ｈｏ２Ｏ３、Ｅｒ２Ｏ３、Ｔｍ２Ｏ３、Ｙｂ２Ｏ３およびＬｕ２Ｏ３の少なくともいずれか）の粉末を所望量秤量する。そして、セラミックスからなるボールの入った回転ミルに入れて混合・粉砕を行なった後、パラフィンワックス、ポリビニルアルコール（ＰＶＡ）、ポリエチレングリコール（ＰＥＧ）等の有機バインダを入れて混合することによりスラリーを作製する。
　上述の焼結助剤は、窒化珪素の粉末とこれら焼結助剤の粉末の合計との総和を１００質量％とした場合に、マグネシウム（Ｍｇ）、カルシウム（Ｃａ）、アルミニウム（Ａｌ）、モリブデン（Ｍｏ）、クロム（Ｃｒ）、ニッケル（Ｎｉ）、マンガン（Ｍｎ）およびタングステン（Ｗ）の酸化物の粉末の少なくともいずれかを２～７質量％、希土類元素の酸化物の粉末を７～１６質量％となるようにすればよい。
　ここで、本実施形態の流路部材の作製方法においては、蓋体部３の内面３ａ側となるセラミックグリーンシートの出発原料Ａと、蓋体部３の外面３ｂ側となるセラミックグリーンシートの出発原料Ｂとの調合組成を異ならせて作製する。具体的には、出発原料Ｂよりも出発原料Ａにおける焼結助剤の粉末の含有量を少なくすることにより、蓋体部３の内面３ａにおける粒界相の面積占有率を、外面３ｂにおける粒界相の面積占有率よりも小さくすることができる。
　なお、蓋体部３の厚みを厚いものとする場合には、焼結助剤の粉末の含有量が、出発原料Ａよりも多く、出発原料Ｂよりも少ない出発原料Ｃを用意し、出発原料Ａからなるセラミックグリーンシートと、出発原料Ｂからなるセラミックグリーンシート間に挟む構成とすればよい。
　また、出発原料Ａ100質量部に対して、比表面積が０．５ｍ２／ｇ以上５０ｍ２／ｇ以下である酸化鉄の粉末を１質量部以上１．７質量部以下添加してもよい。酸化鉄は、焼成時に珪素と反応して酸素を離脱することで、熱力学的に安定した鉄および硅素からなる化合物である珪化物が生成する。そして、上述した比表面積および含有量の酸化鉄の粉末を含むことによって、蓋体部３の内面３ａにおいて、鉄および珪素を含む化合物が点在し、円相当径が０．０５μｍ以上５μｍ以下の前記化合物の個数が、１ｍｍ２当たり２．０×１０４個以上２．０×１０５個以下とすることができる。
　なお、窒化珪素および焼結助剤の粉末の混合・粉砕で用いるセラミックスからなるボールは、窒化珪素質焼結体の作製にあたっては、窒化珪素質焼結体からなるボールを用いることが好ましい。また、窒化珪素および焼結助剤の粉末の混合・粉砕は、粒度分布曲線の累積体積の総和を１００％とした場合の累積体積が９０％となる粒径（Ｄ９０）が３μｍ以下となるまで混合・粉砕することが、焼結性の向上および結晶組織の柱状化または針状化の点から好ましい。
　ここで、混合・粉砕を短時間で行なうには、予め累積体積50％となる粒径（Ｄ５０）が１μｍ以下の粉末を用いることが好ましい。また、粉砕粒径の調整は、ボールの外径、ボールの量、スラリーの粘度、粉砕時間等で調整することができる。スラリーの粘度を下げるには分散剤を添加すればよい。このような調整によって、粉砕粒径を調整することができ、引いては、内面３ａおよび外面３ｂにおける平均結晶粒径を調整することができる。
　次に、得られたそれぞれのスラリーを用いてドクターブレード法によりシートを作製する。そして、得られたシートを金型で打ち抜く若しくはレーザー加工により、所定形状の蓋体部３の内面３ａ側および外面３ｂ側となるセラミックグリーンシートを得る。
　また、他の成形体の作製方法としては、得られたそれぞれのスラリーを噴霧乾燥することによって造粒した顆粒を用いて、冷間静水圧加圧成形（ＣＩＰ）法、押出成形法、加圧プレス法などで成形した後、所定形状に切削加工したりしてもよい。さらに、顆粒を圧延するロールコンパクション法で作製したシートを金型で打ち抜く若しくはレーザー加工により所定形状の蓋体部３の内面３ａ側および外面３ｂ側となるセラミックグリーンシートを得てもよい。
　そして、得られた蓋体部３の内面３ａ側となるセラミックグリーンシートと、外面３ｂとなるセラミックグリーンシートとの接合面となる少なくとも一方の面にスラリーを塗布した後に積層して加圧することにより、蓋体部３となる積層体である成形体を得ることができる。なお、上述したように、蓋体部３の厚みを厚いものとする場合には、内面３ａとなるセラミックグリーンシートと、外面３ｂとなるセラミックグリーンシートとの間に、出発原料Ｃからなるセラミックグリーンシートを介在させて積層すればよい。
　そして、蓋体部３の内面３ａにあたる成形体の表面にブラスト処理を施すことによって、焼成後の算術平均粗さＲａを調整することができる。
　さらに、蓋体部３に、外面３ａに沿った方向が長径８ａである紡錘形状の孔８を形成するには、接合面にスラリーを塗布する際に、スラリーを塗布しない円形状の領域を設ければよく、紡錘形状の孔８を複数有しており、それぞれの紡錘形状の孔８における長径８ａの中点８ｃの鉛直線が、蓋体部３の厚み内において重ならないものとするには、積層数が３層以上であるときには、スラリーを塗布しない円形状の領域の配置が、各接合面で重ならないものとなるようにすればよい。
　また、流路部材１を構成する蓋体部３以外の側壁部６および底板部７の成形体を作製方法としては、顆粒を用いてＣＩＰ法、押出成形法などでブロック状の成形体を得た後に、流路２の形状になるように削りだすことによって作製してもよいが、蓋体部３を積層法で作製するのであれば、側壁部６および底板部７についても積層法で作製することが好ましい。積層法ならば、積層するセラミックグリーンシートの枚数を変更することによって、容易に厚みを変更することができる。また、金型で打ち抜く若しくはレーザー加工により所望形状としたセラミックグリーンシートを積層することにより、隔壁部を備えるような複雑な流路２を備えた流路部材１を作製することができる。
　そして、側壁部６および底板部７を積層法によって作製するにあたっては、上述した蓋体部３となる成形体を作製したときと同様の方法により作製することができ、側壁部６および底板部７となる成形体をそれぞれ積層して得てもよく、積層および加圧を同時に行ない、蓋体部３、側壁部６および底板部７を備える成形体を得てもよい。
　なお、供給口４および排出口５については、図１に示すように、側壁部６に設けるものであるとき、蓋体部３、側壁部６および底板部７を備える成形体に孔加工を行なってもよいが、加工クズが内部に残るものとなるため、セラミックグリーンシートの段階で孔となる加工を行なっておくことが好ましい。
　次に、得られた成形体を窒化珪素質焼結体からなるこう鉢の内部に入れる。なお、このとき、窒化珪素質成形体の含有成分の揮発を抑制するために、窒化珪素質成形体の周囲に酸化マグネシウムおよび希土類元素の酸化物等の成分を含んだ共材を配置して、黒鉛抵抗発熱体が設置された焼成炉内に入れて焼成する。この共材は窒化珪素質成形体の各質量の合計に対して、２質量％以上10質量％未満の量が好ましい。
　また、焼成条件については、室温から３００～１０００℃までは真空雰囲気中にて昇温し、その後、窒素ガスを導入して、窒素分圧を１５～９００ｋＰａに維持する。そして、さらに昇温を進めて、１５６０℃以上１６４０℃以下で４時間を超えて６時間以下の範囲で保持した後、さらに温度を上げて１７４０℃以上１８００℃未満で４時間以上１０時間以下保持する。その後、５００℃／時間以上の降温速度で冷却することにより、本実施形態の流路部材１を得ることができる。なお、用途に応じて流路部材１は研磨加工を施しても構わない。
　ここまで、蓋体部３を複数のセラミックグリーンシートを積層し作製する作製方法を記載したが、蓋体部３の内面３ａと外面３ｂの粒界相の面積占有率を制御するその他の製造方法としては、以下の方法がある。
　まず、出発原料Ａからなるセラミックグリーンシートを用いて所望形状となるように金型で打ち抜く若しくはレーザー加工を行ない、接合面にスラリーを塗布して、積層し加圧することにより、蓋体部３、側壁部６および底板部７を備える成形体を得る。
　次に、上述した共材の粉末を敷いた上に、蓋体部３の外面３ｂが位置するように成形体を載置する。そして、上述した条件により焼成する。このような方法で焼成するいことにより、蓋体部３の外面３ｂにおいては、粒界相を構成する成分が蒸発しにくく、内面３ａにおいては、粒界相の蒸発が外面３ｂより抑制されていないため、内面３ａと外面３ｂとを対比して、内面３ａにおける粒界相の面積占有率は小さくなり、外面３ｂにおける粒界相の面積占有率は大きくなる。また、粒界相の蒸発量の違いにより、結晶相の粒成長抑制効果が異なるものとなることから、内面３ａと外面３ｂとを対比して、内面３ａにおける平均結晶粒径は大きくなり、外面３ｂにおける平均結晶粒径は小さくなる。
　次に、本実施形態の半導体モジュール３０については、流路部材１の蓋体部３に金属層１０を設け、金属層１０の上に半導体素子２０を搭載することにより作製することができる。
　なお、蓋体部３上に設ける金属層１０については、例えば、銀、銅またはアルミニウムなどの導電性粉末と、ガラス粉末と、有機ビヒクルとを用いてペーストを作製し、公知のスクリーン印刷法により、蓋体部３の外面３ｂに得られたペーストを印刷し、乾燥の後、導電性粉末に合わせた雰囲気で焼成すればよい。また、他の作製方法として、電解めっき法、無電解めっき法、または、銅板やアルミニウム板を用いた直接接合法や活性金属法により金属層１０を作製してもよい。
　以上、本発明について詳細に説明したが、本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々の変更、改良等が可能であり、側壁部や底板部が、蓋体部と異なる構成である必要は無く、同じ構成あってもよい。
　また、例えば、本発明の流路部材は、半導体素子等の電子部品の搭載に用いるのみならず、流路部材の外部を流れる高温流体と、流路部材の内部を流れる冷媒とで熱交換する熱交換器用部材としても使用することができる。
　１：流路部材
　２：流路
　３：蓋体部
　３ａ：内面
　３ｂ：外面
　４：供給口
　５：排出口
　６：側壁部
　７：底板部
　８：紡錘形状の孔（孔）
　１０：金属層
　２０：半導体素子
　３０：半導体モジュール

Claims (8)

  1. 　壁に囲まれた空間が流体の流れる流路であり、前記壁がセラミックスからなる流路部材であって、
    前記壁のうち、熱交換が行なわれる壁部の内面における粒界相の面積占有率が、外面における粒界相の面積占有率よりも小さいことを特徴とする流路部材。
  2. 　前記内面における平均結晶粒径が、前記外面における平均結晶粒径よりも大きいことを特徴とする請求項１に記載の流路部材。
  3. 　前記内面における算術平均粗さＲａが０．２μｍ以上であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の流路部材。
  4. 　前記壁部の前記外面に垂直な断面において、前記外面に沿った方向が長径である紡錘形状の孔を有していることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の流路部材。
  5. 　前記孔を複数有しており、それぞれにおける長径の中点の鉛直線が、前記壁部の厚み内において重ならないことを特徴とする請求項４に記載の流路部材。
  6. 　前記壁部が、窒化珪素質焼結体からなることを特徴とする請求項１乃至請求項５のうちいずれかに記載の流路部材。
  7. 　前記壁部が、鉄および珪素を含む化合物が点在し、円相当径が０．０５μｍ以上５μｍ以下の前記化合物の個数が、１ｍｍ２当たり２．０×１０４個以上２．０×１０５個以下であることを特徴とする請求項６に記載の流路部材。
  8. 　請求項１乃至請求項７のうちいずれかに記載の流路部材の前記壁部に設けられた金属層上に半導体素子を搭載してなることを特徴とする半導体モジュール。
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