-复合体和使用该复合体的散热零件

申请号 CN200780014043.3 申请日 2007-04-23 公开(公告)号 CN101427367A 公开(公告)日 2009-05-06
申请人 电气化学工业株式会社; 发明人 广津留秀树; 岩元豪; 塚本秀雄; 日隈智志; 桥本信行;
摘要 本 发明 提供适合作为电源模 块 用 底板 的 铝 - 碳 化 硅 复合体 。该电源模块用底板的特征在于,由铝-碳化硅复合体形成,该复合体通过将平板状碳化硅多孔体成形或加工成面内厚度差为100μm以下后以1~20Nm的面方向的紧固 力 矩用脱模板夹持而层叠、并使其含浸以铝为主要成分的金属而得到;在两主面具有由以铝为主要成分的金属形成的铝层,该铝层的平均厚度为10~150μm,铝层的面内厚度的最大值与最小值之差为80μm以下,两主面的铝层的平均厚度之差为50μm以下,且上述碳化硅多孔体的形状是长方形,或是在长方形上附加了将孔部包围的部分的外周部而形成的形状。
权利要求

1.电源模底板,其特征在于,由复合体形成,所述复 合体通过将平板状碳化硅多孔体成形或加工成面内厚度差为100μm以下 后以1~20Nm的面方向的紧固矩用脱模板夹持而层叠、并使其含浸以铝 为主要成分的金属而得到,
在两主面具有由以铝为主要成分的金属形成的铝层,该铝层的平均厚 度为10~150μm,铝层的面内厚度的最大值与最小值之差为80μm以下, 两主面的铝层的平均厚度之差为50μm以下,且所述碳化硅多孔体的形状 是长方形,或是在长方形上附加了将孔部包围的部分的外周部而形成的形状。
2.如权利要求1所述的电源模块用底板,其特征在于,两主面、安装 孔的周围以及外周部由以铝为主要成分的金属层或由陶瓷纤维与以铝为主 要成分的金属的复合体形成。
3.如权利要求1所述的电源模块用底板,其特征在于,外周部的铝— 碳化硅复合体露出。
4.如权利要求1~3中任一项所述的电源模块用底板,其特征在于, 对铝—碳化硅复合体施加10Pa以上的应力,并在温度450℃~550℃下加热 处理30秒以上所形成的翘曲的翘曲量在每10cm的长度上为0~200μm, 且凹坑深度为50μm以下。
5.如权利要求1~4中任一项所述的电源模块用底板,其特征在于, 铝—碳化硅复合体的导热系数为180W/mK以上,且温度为150℃时的热膨 胀系数为9×10-6/K以下。
6.如权利要求1~5中任一项所述的电源模块用底板,其特征在于, 实施在温度350℃下保持10分钟后在室温下自然冷却的热循环10次后的翘 曲量的变化在每10cm的长度上为30μm以下。
7.如权利要求1~6中任一项所述的电源模块用底板,其特征在于, 由用高压含浸法制得的铝—碳化硅复合体形成。
8.散热零件,其特征在于,对权利要求1~7中任一项所述的电源模 块用底板实施镍处理,形成厚1~20μm的镀敷被膜,再接合半导体安装 用陶瓷基板而形成。

说明书全文

技术领域

发明涉及适合作为电源模底板复合体以及使用该复 合体的散热零件。

背景技术

近年来半导体元件随着高集成化和小型化,其发热量也在不断增加,如何 高效散热已成为研究课题。作为电源模块用电路基板,如今使用在具有高绝缘 性·高导热性的例如氮化铝基板、氮化硅基板等陶瓷基板的表面形成有制或 铝制的金属电路的电路基板。
现有电路基板的典型散热结构为在电路基板背面(散热面)的金属板例如 铜板上焊底板而形成的结构,作为底板,通常为铜制。但该结构存在以下问 题:当在半导体器件上施加热负荷时,焊锡层会出现因底板与电路基板的热膨 胀差引起的裂纹,其结果是,散热不充分而引起半导体元件的误动作或损坏。
为此,作为热膨胀系数与电路基板接近的底板,提出了铝合金—碳化硅复 合体(专利文献1)。
专利文献1:日本专利特表平3—509860号公报
底板多与散热片接合使用,其接合部分的形状、翘曲程度也是重要的特性。 例如将底板与散热片接合时,通常在涂布高导热性的散热润滑油后,利用设置 在底板周缘部的孔和螺丝将底板固定在散热片或散热单元等上,但如果底板上 存在大量微小凹凸,则在底板与散热片之间会产生间隙,即使涂布高导热性的 散热润滑油,导热性也会显著下降。其结果导致由陶瓷电路基板、底板、散热 片等构成的模块整体的散热性显著下降。
因此,为了使底板与散热片之间尽量不产生间隙,采用事先赋予了凸形翘 曲的底板。通常,使用具有规定形状的夹具,在加热下对底板施加压使其变 形来获得该翘曲。但是,当底板表面有波纹时,用该方法得到的翘曲存在形状 不稳定、品质不稳定的问题。而且,还存在因翘曲形状的偏差和表面凹凸使底 板与散热片之间产生较大间隙的问题。
另外,还有通过对底板表面进行加工来赋予翘曲的方法,但存在以下问题: 由于铝—碳化硅复合体非常硬,需要用金刚石等的工具进行大量磨削,因此成 本增加。
为了解决上述问题,已提出有如下方法:使以铝为主要成分的金属含浸入 平板状碳化硅多孔体,在两主面上设置由以铝为主要成分的金属形成的铝层, 对散热面侧的铝合金层进行机械加工
但是,用上述方法制造的底板在机械加工后,表面铝合金层的厚度增加, 因此底板自身的热膨胀率变大,若在电源模块组装时与陶瓷电路基板进行锡 焊,则有时会在相当于陶瓷电路基板背面的散热面上产生凹坑。
此外,上述方法还存在以下问题:为了控制两主面的铝合金层的厚度均一 并使铝—碳化硅复合体不露出,需要高级加工技术。
发明的揭示
本发明鉴于上述情况而完成,其目的在于提供适合作为电源模块用底板使 用的铝—碳化硅复合体。
本发明者为了实现上述目的进行了潜心研究,结果发现:对于使平板状碳 化硅多孔体含浸以铝为主要成分的金属(以下称为铝合金)而形成的铝—碳化 硅复合体,通过在两主面设置由铝合金形成的铝层来赋予敷性,控制平板状 碳化硅多孔体的面内厚度差的同时,在含浸时采用合适的层叠方法来控制两主 面的铝层厚度及其偏差,能控制翘曲形状,从而完成了本发明。
即,本发明的电源模块用底板的特征在于,所述底板由铝—碳化硅复合 体形成,该复合体通过将平板状碳化硅多孔体成形或加工成面内厚度差为 100μm以下后以1~20Nm的面方向的紧固力矩用脱模板夹持而层叠、并 使其含浸铝合金而得到;在两主面具有由铝合金形成的铝层,该铝层的平 均厚度为10~150μm,铝层的面内厚度的最大值与最小值之差为80μm以 下,两主面的铝层的平均厚度之差为50μm以下,且上述平板状碳化硅多 孔体的形状是长方形,或是在长方形上附加了将孔部包围的部分的外周部而 形成的形状。
本发明的电源模块用底板的特征还在于,两主面、安装孔的周围以及 外周部由铝合金层或由陶瓷纤维与铝合金的复合体形成,外周部由铝—碳 化硅复合体露出而形成。
本发明的电源模块用底板的特征还在于,对铝—碳化硅复合体施加 10Pa以上的应力,并在温度450℃~550℃下加热处理30秒以上而形成翘 曲,翘曲量在每10cm的长度上为0~200μm,且凹坑深度为50μm以下, 导热系数为180W/mK以上,且温度为150℃时的热膨胀系数为9×10-6/K 以下,且实施在温度350℃下保持10分钟后在室温下自然冷却的热循环10 次后,翘曲量的变化在每10cm的长度上为30μm以下。
此外,本发明的电源模块用底板的特征还在于,铝—碳化硅复合体用 高压含浸法制得。本发明的散热零件的特征在于,对电源模块用底板实施 镀镍处理,形成厚1~20μm的镀敷被膜,再接合半导体安装用陶瓷基板而 形成。
本发明的铝—碳化硅复合体具有热膨胀性低和导热性高的特性。
另外,将平板状的铝—碳化硅复合体的两主面制成薄且均一的铝层,不仅 可赋予镀敷性,还能显著改善成为散热面的主面的平面度。因此,与现有的赋 予翘曲的方法相比,由于与陶瓷电路基板锡焊后的散热性良好,因而适合作为 可靠性要求特别高的安装半导体元件的电源模块的底板使用。
附图的简单说明
图1是表示本发明一实施方式的底板用铝—碳化硅复合体的结构图。
图2是表示本发明一实施方式的底板用铝—碳化硅复合体的结构图。
图3是表示本发明一实施方式的底板用铝—碳化硅复合体的结构图。
图4是表示本发明一实施方式的底板用铝—碳化硅复合体的结构图。
图5是表示本发明一实施方式的底板用铝—碳化硅复合体的结构图。
图6是实施例1的由轮廓形状测定仪测得的翘曲形状测定结果。
符号说明
(a)铝—碳化硅复合体
(b)铝合金
(c)Φ7mm的贯通孔
(d)表面铝合金层
(e)铝—碳化硅复合体
(f)Φ10—4mm的埋头孔
(g)铝—碳化硅复合体
(h)M4mm的固定用螺丝孔
实施发明的最佳方式
金属—陶瓷复合体的制造方法大致有含浸法和粉末冶金法这2种。其 中,粉末冶金法无法得到导热系数等特性方面充分令人满意的复合体,已 商业化的金属—陶瓷复合体均采用含浸法生产。含浸法也包括各种制造方 法,如在常压下进行的方法和在高压下进行的方法(高压含浸法)。高压 含浸法有液态模锻法和压铸法。
本发明优选在高压下进行含浸的高压含浸法,可以使用液态模锻法和 压铸法中的任一种,但更优选液态模锻法。
高压含浸法中的液态模锻法是指在高压容器内装填陶瓷多孔体(以下 称为预制件),在高温、高压下使铝合金的熔液含浸入其中而得到复合体 的方法。
以下,说明本发明利用液态模锻法的制造方法的例子。
将作为原料的碳化硅粉末(根据需要添加例如化硅等粘合材料。) 成形、烧结,制成预制件。本发明为了形成具有规定厚度的均一铝层,优 选通过成形或通过对烧结品进行平面加工以使预制件的面内厚度偏差在 100μm以下、最好在30μm以下。若预制件的面内厚度偏差超过100μm, 则所得铝—碳化硅复合体的表面铝层的厚度偏差变大,不理想。
将预制件用涂有脱模剂的脱模板夹住,层叠制成一个粗坯。在将该预 制件层叠形成一个粗坯时,用脱模板夹住层叠使面方向的紧固力矩为1~ 20Nm、优选为2~10Nm。层叠方法无特殊限制,可列举如下方法:例如将 预制件用涂有脱模剂的不锈制脱模板夹住层叠后,在两侧配置制板, 用螺栓连接,以规定的紧固力矩紧固制成一个粗坯。关于面方向的适宜紧 固力矩,虽然根据所使用的预制件的强度而异,但若紧固力矩不足1Nm, 则有时得到的铝—碳化硅复合体的表面铝层的厚度增加,或厚度差过大。 另一方面,若紧固力矩超过20Nm,则有时得到的铝—碳化硅复合体的表面 铝层局部过薄,在之后的镀敷前处理等表面处理时会局部露出铝—碳化硅 复合体,导致该部分未形成镀层或镀层密合性下降等。
另外,还有如下方法:将在预制件的两面含有5~40质量%以氧化铝 或二氧化硅为主要成分的纤维的成形体夹于脱模板之间而层叠,然后在两 侧配置铁制板,用螺栓连接,以规定的紧固力矩紧固制成一个粗坯。预先 配置该成形体具有如下优点:能形成具有规定厚度的铝层,能控制表面铝 层的厚度。若上述成形体中以氧化铝或二氧化硅为主要成分的纤维的含量 不足5质量%,则有时很难控制含浸后两主面的铝层的厚度。另一方面, 若纤维含量超过40质量%,则有时因含浸时的压力导致预制件破裂。
接着,将上述粗坯在500~750℃左右的温度下预热,然后在高压容器 内配置1个或2个以上,为防止粗坯温度下降,应尽快提供铝合金熔液, 优选在30MPa以上的压力下加压,使铝合金含浸入预制件的空隙中,籍此 得到在两主面设有铝层的铝—碳化硅质复合体。另外,为了除去含浸时的 应力,还进行含浸品的退火处理。
本发明的铝—碳化硅复合体中的铝合金优选尽可能低的熔点,以在含 浸时能充分含浸到预制件的空隙内。作为这种铝合金,例如可列举含有5~ 25质量%硅的铝合金。若进一步含有镁,则碳化硅粒子与金属部分的结合 更牢固,比较理想。关于铝合金中除铝、硅、镁以外的金属成分,在特性 不极度变化的前体下,无特殊限制,例如可以含有铜等。
为了除去向预制件中含浸铝合金时的应力而进行的退火处理优选在 400℃~550℃、特别优选在500℃~550℃下进行10分钟以上。若退火温度 不足400℃,则有时复合体内部的应力未充分释放,在机械加工后的加热处 理工序中翘曲会发生较大变化。另一方面,若退火温度超过550℃,则有时 含浸中使用过的铝合金会熔融。若退火时间不足10分钟,则即使退火温度 在400℃~550℃,复合体内部的应力有时也无法充分释放,在机械加工后 为除去应力而进行的加热处理工序中,翘曲会发生较大变化。
关于本发明的多孔质碳化硅成形体(以下称为SiC预制件)的制造方 法,没有特殊限制,可用公知的方法来制造。例如,可在碳化硅粉末中添 加二氧化硅或氧化铝等粘合材料,混合,成形,在800℃以上烧结来制得。 对成形方法也没有特殊限制,可使用加压成形、挤出成形、浇铸成形等, 可根据需要并用保形用粘合剂
铝—碳化硅复合体的特别重要的特性有导热系数和热膨胀系数。若铝 —碳化硅复合体中的碳化硅(以下称为SiC)含量高,则导热系数高,热膨 胀系数小,因而优选,但含量过高时,不易进行铝合金的含浸操作。从实 用性出发,优选含有40质量%以上的粒径为40μm以上的粗SiC粒子且SiC 预制件的相对密度在55~75%的范围内。另外,关于SiC预制件的强度, 若弯曲强度在3MPa以上,则无需担心操作时或含浸中的开裂,因而优选。
对用于获得SiC预制件的原料SiC粉,最好进行粒度调节。这是因为 若光是粗粉,则不易显现强度,若光是微粉,则难以期待得到的复合体具 有高导热系数。据本发明者的研究,例如由40~80质量%、最好是50~70 质量%的粒径40μm以上的碳化硅粗粉和60~20质量%、最好是50~30 质量%的粒径15μm以下的碳化硅微粉混合而成的混合粉末比较理想。
通过将碳化硅粉末的成形体脱脂、烧结,可制得SiC预制件。当用二 氧化硅溶胶作为粘合剂使用时,若烧结温度在800℃以上,则无论烧结时处 于何种氛围气下,均可制得弯曲强度为3MPa以上的预制件。
在氧化性氛围气中,若在超过1100℃的温度下烧结,则碳化硅的氧化 被促进,有时铝—碳化硅复合体的导热系数下降。因此,在氧化性氛围气 下,比较理想的是在800~1100℃、最好在900~1050℃的温度下烧结。烧 结时间可根据SiC预制件的大小、烧结炉中的投入量、烧结氛围气等条件 来适当决定。
本发明的SiC预制件若在成形时附加规定的形状,可通过一块块进行 干燥,或在SiC预制件间用碳等隔离物重叠进行干燥,籍此防止干燥引起 的翘曲形状改变。另外,在烧结时,也可以与干燥时同样使用能在烧结温 度下使用的隔离物来防止伴随内部组织变化而产生的形状变化。
SiC预制件的形状最好是长方形形状(图1(a))或在长方形上附加 将孔部包围的部分的外周部而形成的形状(图2(e)和图3(g))的平板。
本发明的铝—碳化硅复合体若用作电源模块用底板等,则需要形成外 周形状以及在外周部形成安装孔等。此时,由于铝—碳化硅复合体非常硬, 需要用金刚石等工具进行大量磨削,因而存在成本增加的问题。因此,为 了易于进行机械加工,优选先将加工部分制成铝合金或由陶瓷纤维、陶瓷 粒子以及铝合金形成的易加工性复合体。
SiC预制件在底板面内所占的面积只要满足与陶瓷电路基板接合的部 分即可,无特殊限制,优选为底板面积的70%以上,特别优选为85%以上。 将与陶瓷电路基板接合的部分制成铝—碳化硅复合体,能抑制两构件的热 膨胀差,提高接合部的可靠性。另一方面,若SiC预制件的面积不足底板 面积的70%,则得到的底板自身的热膨胀系数过大,翘曲形状和接合部的 可靠性有时会下降。
下面,对得到的铝—碳化硅复合体的加工方法的例子进行说明。本发 明的铝—碳化硅复合体可以用NC车床、自动换刀数控机床等装置容易地 对外周部以及孔部等进行机械加工。
用上述SiC预制件制作铝-碳化硅复合体后,可以用喷射加工机、电 火花加工机等对外周部或外周部和孔部进行加工,使铝—碳化硅复合体露 出(图4)。另外,用面积大于所得底板形状的SiC预制件制作铝—碳化硅 复合体后,也可用上述加工方法形成底板的外周部、孔部等(图5)。
设于铝—碳化硅复合体表面的由铝合金形成的铝层的厚度的平均值为 10~150μm,优选为30~100μm。关于铝层的厚度,也可以对铝—碳化硅 复合体表面进行磨削加工来调节到规定厚度。
铝层是确保实施镀敷处理时的镀层密合性所必需的。若平均厚度不足 10μm,则在之后的镀敷前处理等表面处理时铝-碳化硅复合体有时会局部 露出,在该部分出现未形成镀层或镀层密合性下降等问题。另一方面,若 平均厚度超过150μm,则有时得到的底板自身的热膨胀率过大,接合部的 可靠性下降。此外,当平均厚度超过150μm时,铝层的厚度差有时会变大。
本发明的电源模块用底板中,表面铝层的厚度的最大值与最小值之差 在80μm以下,优选为60μm以下。若表面铝层的厚度的最大值与最小值 之差超过80μm,则会产生因表面铝层的厚度差引起的波纹、凹坑。当作 为电源模块用底板使用时,若散热面存在波纹、凹坑,则在之后的模块组 装工序中会在底板与散热片之间产生间隙,即使涂布高导热性的散热润滑 油,导热性也会显著下降,其结果导致由陶瓷电路基板、底板、散热片等 构成的模块的散热性显著下降。
本发明的电源模块用底板的两主面的铝层的平均厚度之差在50μm以 下,优选为30μm以下。本发明的电源模块用底板的结构为在铝—碳化硅 复合体的两主面具有铝层,由于铝—碳化硅复合体与铝层的热膨胀率不同, 因此两主面的铝层的平均厚度之差若超过50μm,则在之后的模块组装工 序中附加热循环时,存在翘曲会发生变化的问题。
实施了形状加工的铝—碳化硅复合体为了形成规定的翘曲形状,在施 加10Pa以上的应力的同时,在温度450~550℃、优选在500~550℃下加 热处理30秒以上,使铝—碳化硅复合体蠕变变形而赋予翘曲。赋予翘曲后 的铝—碳化硅复合体根据需要在300℃~400℃的温度下进行退火处理,除 去赋予翘曲时产生的残余应力。将本发明的电源模块用底板的表面的铝层 的厚度控制得非常薄且很均匀,籍此形成波纹和凹坑少的接近理想球面形 状的翘曲形状(图6)。
本发明的电源模块用底板的翘曲量在每10cm的长度上为0~200μm, 优选为50~150μm。当作为电源模块用底板使用时,若散热面翘曲成凹型, 则在之后的模块组装工序中会在底板与散热片之间产生间隙,即使涂布高 导热性的散热润滑油,导热性也会显著下降,其结果导致由陶瓷电路基板、 底板、散热片等构成的模块的散热性显著下降。若翘曲量超过200μm,则 与散热片接合之际用螺丝固定时,有时会在底板或陶瓷电路基板上出现开 裂。
在本发明中,通过控制设于铝—碳化硅复合体表面的铝层的厚度,能 将上述底板的散热面制成凹凸少、凹坑深度为50μm以下的形状。若散热 面的凹坑深度超过50μm,则作为电源模块用底板使用时,在之后的模块 安装工序中会在底板与散热片之间产生间隙,即使涂布高导热性的散热润 滑油,导热性也会显著下降,其结果导致由陶瓷电路基板、底板、散热片 等构成的模块的散热性显著下降。
本发明的电源模块用底板的由作为电源模块可靠性尺度的热循环试验 (在温度350℃下保持10分钟后,室温下自然冷却)所测得的形状稳定性 优异,例如,实施10次上述条件的热循环试验后的翘曲变化量在每10cm 的长度上为30μm以下。若翘曲变化量在每10cm的长度上超过30μm, 则在电源模块组装工序中会在底板与散热片之间产生间隙,即使涂布高导 热性的散热润滑油,导热性也有可能显著下降。
本发明的铝-碳化硅复合体具有良好的散热特性和应力松弛性,因此适 合作为例如介于陶瓷电路基板与散热片等散热零件之间的底板使用。
本发明的铝-碳化硅复合体作为电源模块用底板使用时,通常通过锡焊 与陶瓷电路基板接合后使用。因此,必须在底板表面实施镀镍。镀敷处理 方法不受特殊限制,可以是非电解镀处理、电镀处理法中的任一种。镀镍 的厚度为1~20μm,优选为3~12μm。若镀层厚度不足1μm,则有时局 部产生镀层针孔,锡焊时出现焊锡空洞(空隙),电路基板的散热特性下 降。另一方面,若镀镍的厚度超过20μm,则有时会因为镀镍被膜与表面 铝合金的热膨胀差而出现镀层剥离。关于镀镍被膜的纯度,只要对焊锡润 湿性没有不利影响即可,无特殊限制,可以含有磷、等。
本发明的铝—碳化硅复合体优选导热系数为180W/mK以上,温度为 150℃时的热膨胀系数为9×10-6/K以下。除上述效果外,由于具有高导热 系数且具有与半导体零件、陶瓷电路基板同等水平的低膨胀率,因此使用 了该复合体的散热零件以及使用了该散热零件的电源模块在散热特性方面 表现优异,即使有温度变化也不易变形,从而具有能得到高可靠性的优点。
实施例
下面,结合实施例和比较例更具体地说明本发明,但本发明不限于以 下实施例。
(实施例1和比较例1)
称取碳化硅粉末A(太平洋蓝登株式会社制:NG—150、平均粒径: 100μm)100g、碳化硅粉末B(太平洋蓝登株式会社制:NG—220、平均 粒径:60μm)100g、碳化硅粉末C(屋久岛电工株式会社制:GC—1000F、 平均粒径:10μm)100g以及二氧化硅溶胶(日产化学株式会社制:スノ —テツクス)30g,用搅拌混合机混合30分钟后,在压力10MPa下加压成 形制成190mm×140mm×5.5mm尺寸的平板状。
将得到的成形体在温度120℃下干燥2小时后,在大气中、温度950 ℃下烧结2小时,得到相对密度为65%的SiC预制件。将得到的SiC预制 件在平面磨床上用金刚石制的砂轮平面加工成厚度为5.0mm,然后用自动 换刀数控机床以183×133mm的外形尺寸将外周部加工成图2的形状。测 定得到的SiC预制件的3点弯曲强度,结果为5MPa。
比较例1除了将成形体尺寸定为190mm×140mm×5.0mm以外,用与 实施例1同样的方法制作SiC预制件,不进行平面加工,仅对外周部进行 加工。
实施例1和比较例1中得到的加工后的SiC预制件的厚度的测定结果 见表1。另外,在测定厚度时,将预制件划分为9个部分,并将各个部分的 中心部作为厚度测定点。
〔表1〕

※1厚度差=最大值与最小值之差
实施例1和比较例1中得到的SiC预制件的两面用涂敷有碳层的 210mm×160mm×0.8mm尺寸的不锈钢板夹住,层叠20块,然后在两侧配 置厚12mm的铁板,用6个M10的螺栓连接,以3Nm的面方向的紧固力 矩用扳手紧固制成一个粗坯。然后,将一体化后的粗坯在电炉中预热至600 ℃,再收纳于事先已加热的内径400mm的加压模内,注入含有12质量% 硅、0.8质量%镁的铝合金熔液,在100MPa的压力下加压20分钟使铝合金 含浸到碳化硅质孔体中。冷却至室温后,用湿式带锯沿脱模板的形状切断, 脱去夹持的不锈钢板后,在530℃的温度下进行3小时退火处理以消除含浸 时的应力,得到铝—碳化硅复合体。
在得到的铝—碳化硅复合体的缘周部的8处加工形成直径7mm的贯通 孔,4处加工形成Φ10-4mm的埋头孔,用NC车床对外周的铝层部分进行 加工,制成187mm×137mm×5mm的形状。
然后,为了赋予该铝—碳化硅复合体以翘曲,准备碳制的、设有曲率 半径为15000mm的球面的凹凸模。将该凹凸模装于热压机中,加热使模表 面温度为510℃。在该凹凸模之间配置上述复合体,在40KPa下加压。此 时,使热电偶接触该复合体的侧面进行测温。在复合体的温度为500℃后保 持3分钟,然后解除加压,自然冷却到50℃。然后,为了除去赋予翘曲时 的残留应力,将得到的复合体在电炉中在350℃的温度下退火处理30分钟。 然后,在压力0.4MPa、运送速度1.0m/min的条件下用二氧化铝磨料进行喷 砂处理,净化。然后,进行非电解镀Ni—P及Ni—B,在复合体表面形成 厚8μm(Ni—P:6μm+Ni—B:2μm)的镀层。
将得到的铝—碳化硅复合体沿各样品的对线切断,分别在对角线上 等间距的20处测定切断后露出的一主面的铝层的厚度,算出其平均厚度。
另外,通过磨削加工,制作热膨胀系数测定用试验体(直径3mm、长 10mm)、导热系数测定用试验体(直径11mm、厚3mm)。用各试验体, 用热膨胀计(精工电子工业株式会社制;TMA300)测定温度为150℃时的 热膨胀系数,用激光闪光法(理学电机株式会社制;LF/TCM-8510B)测定 温度为25℃时的导热系数。关于翘曲形状,用轮廓形状测定仪(东京精密 株式会社制;コンタ—レコ—ド1600D-22)测定每10cm长度上的翘曲量 和凹坑深度。测得的结果如表2所示。另外,用轮廓形状测定仪测定的实 施例1的翘曲形状测定结果如图6所示。
〔表2〕

※2范围=最大值与最小值之差
※3赋予翘曲面(B面)的长边方向的中央部的每10cm长度上的翘曲量
采用实施例1的镀件,将该镀件置于已加热至温度350℃的加热板上, 在物温达到350℃后,保持10分钟,然后自然冷却到室温,进行10次上述 热循环试验。实施例1在热循环试验后的每10cm长度上的翘曲量的变化为 15μm。
(实施例2)
除了用碳化硅粉末A(太平洋蓝登株式会社制:NG—150、平均粒径: 100μm)150g、碳化硅粉末D(太平洋蓝登株式会社制:NG—500、平均 粒径:30μm)50g、碳化硅粉末C(屋久岛电工株式会社制:GC—1000F、 平均粒径:10μm)100g以及二氧化硅溶胶(日产化学株式会社制:スノ —テツクス)30g作为原料外,用与实施例1同样的方法制得相对密度为 66%的SiC预制件。将得到的SiC预制件在平面磨床上用金刚石制的砂轮 平面加工成厚度为4.9mm,然后用自动换刀数控机床将外周部按183× 133mm的外形尺寸加工成图2的形状。加工后的SiC预制件的厚度测定结 果见表3。
〔表3〕

※1厚度差=最大值与最小值之差
在得到的SiC预制件的两面配置180mm×130mm×0.2mm的5质量% 氧化铝纤维(田中制纸株式会社制,纯度97%),两面用涂敷有碳层的210mm ×160mm×0.8mm尺寸的不锈钢板夹住,层叠20块,然后在两侧配置厚 12mm的铁板,用6个M10的螺栓连接,以5Nm的面方向的紧固力矩用扭 力扳手紧固制成一个粗坯。然后,将一体化后的粗坯用与实施例1同样的 方法进行含浸处理以及为了除去含浸时的应力而在530℃的温度下进行3 小时退火处理,得到铝—碳化硅复合体。
在得到的铝—碳化硅复合体的缘周部的8处加工形成直径7mm的贯通 孔,4处加工形成Φ10—4mm的埋头孔,将外周部加工成187×137mm(角 部为R7mm)(参照图2)。然后,用与实施例1同样的方法赋予翘曲。然 后,在压力0.4MPa、运送速度1.0m/min的条件下用二氧化铝磨料进行喷砂 处理,净化。然后,进行非电解镀Ni—P及Ni—B,在复合体表面形成厚8 μm(Ni—P:6μm+Ni—B:2μm)的镀层。得到的复合体进行与实施例 1同样的评价。结果见表4。
〔表4〕

※2范围=最大值与最小值之差
※3赋予翘曲面(B面)的长边方向的中央部的每10cm长度上的翘曲量
(实施例3)
除了将SiC预制件在大气中、温度1100℃下烧结2小时外,用与实施 例2同样的方法制作SiC预制件。得到的预制件的3点弯曲强度为12MPa。 加工后的SiC预制件的厚度测定结果如表5所示。然后,将紧固力矩改为 10Nm,用与实施例1同样的方法制作铝—碳化硅复合体,进行与实施例1 同样的镀敷处理,并进行与实施例1同样的评价。结果见表6。
〔表5〕

※1厚度差=最大值与最小值之差
〔表6〕

※2范围=最大值与最小值之差
※3赋予翘曲面(B面)的长边方向的中央部的每10cm长度上的翘曲量
(实施例4)
除了使SiC预制件形状为190×140×5.3mm以外,用与实施例1同样 的方法制作铝—碳化硅复合体。在得到的复合体的缘周部的8处加工形成 直径8mm的贯通孔并用水喷射加工机将外周部加工成187×137mm(角部 为R7mm)(参照图5)。然后,为了赋予该铝—碳化硅复合体以翘曲,用 碳制的设有曲率半径为12000mm的球面的凹凸模,用与实施例1同样的方 法赋予翘曲。然后,在压力0.4MPa、运送速度1.0m/min的条件下用二氧化 铝磨料进行喷砂处理,净化。然后,进行非电解镀Ni—P及Ni—B,在复 合体表面形成厚8μm(Ni—P:6μm+Ni—B:2μm)的镀层。得到的复 合体进行与实施例1同样的评价。结果见表7。
〔表7〕

※2范围=最大值与最小值之差
※3赋予翘曲面(B面)的长边方向的中央部的每10cm长度上的翘曲量
(实施例5)
将实施例1的SiC预制件加工成185mm×135mm×5.0mm后,用金刚 石制的砂轮在缘周部12处形成直径10mm的贯通孔(参照图4)。然后, 用与实施例1同样的方法,制作187mm×137mm×5.0mm的复合体,进行 镀敷处理后,进行与实施例1同样的评价。结果见表8。
〔表8〕

※2范围=最大值与最小值之差
※3赋予翘曲面(B面)的长边方向的中央部的每10cm长度上的翘曲
(实施例6)
除了将实施例1的预制件形状改为180×110×5.3mm(参照图1)外, 用与实施例1同样的方法制作铝—碳化硅复合体,进行机械加工、镀敷处 理。对得到的复合体进行与实施例1同样的评价,其结果见表9。
〔表9〕

※2范围=最大值与最小值之差
※3赋予翘曲面(B面)的长边方向的中央部的每10cm长度上的翘曲
产业上利用的可能性
本发明的铝—碳化硅复合体具有与半导体零件、陶瓷电路基板同等程 度的低热膨胀性,采用该铝—碳化硅复合体的电源模块的散热特性优异, 而且即使有温度变化也不易变形,可用作要求高可靠性的安装半导体元件 的电源模块的底板。
另外,在此引用2006年4月26日提出申请的日本专利申请2006— 122350号说明书权利要求书、附图以及摘要的全部内容,作为本发明说 明书的揭示。
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