(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
両主面にアルミニウム合金層を有し、一主面が回路基板の接合面として用いられ、他の主面が放熱面として用いられるアルミニウム−炭化珪素質複合体の製造方法において、下記の工程を順次経ることを特徴とするアルミニウム−炭化珪素質複合体の製造方法。
（１）相対密度５５〜７５％の炭化珪素質多孔体の放熱面を凸型の反り形状に成形または機械加工する工程。
（２）前記炭化珪素質多孔体の両主面に、アルミナ又はシリカから成る繊維、球状粒子、破砕形状粒子のうち１種以上を５〜４０質量％含有したスペーサーを配し、０．０３ｍｍ以下の平行度になるように２枚の離型板で挟み込んで積層する工程。
（３）前記炭化珪素質多孔体の側面の２０面積％以上の開口部から、アルミニウム合金を３０ＭＰａ以上の圧力で加圧含浸する工程。
（４）含浸後、離型したアルミニウム−炭化珪素質複合体の外周部をマシニング加工、レーザー加工又はウォータージェット加工のいずれかで外周形状加工後、放熱面のアルミニウム合金層に機械加工を施し、凸型の反り形状を形成する工程。
（５）反り形状形成後、取り付け穴の加工を行い、表面にめっき処理を行う工程。
【請求項２】
炭化珪素質多孔体の両主面において、離型板とスペーサーの間にアルミニウムを主成分とするアルミニウム箔を挟み込んで積層することを特徴とする請求項１記載のアルミニウム−炭化珪素質複合体の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、回路基板のベース板として好適なアルミニウム−炭化珪素質複合体に関する。なお、本発明における長軸は、平板の形状が四角形の場合は対角線を、円の場合は直径を、楕円の場合は長軸を、その他の形状の場合は最大長の軸をそれぞれ表す。
【背景技術】
【０００２】
今日、半導体素子の高集積化、小型化に伴い、発熱量は増加の一途をたどっており、いかに効率よく放熱させるかが課題となっている。そして、高絶縁性・高熱伝導性を有する例えば窒化アルミニウム基板、窒化珪素基板等のセラミックス基板の表面に、銅製又はアルミニウム製の金属回路を、また裏面に銅製又はアルミニウム製の金属放熱板が形成されてなるセラミックス回路基板が、例えばパワーモジュール用基板として使用されている。
【０００３】
従来のセラミックス回路基板の典型的な放熱構造は、セラミックス回路基板にベース板が半田付けされてなるものであり、ベース板としては銅、アルミニウムが一般的であった。しかしながら、この構造においては、例えば熱負荷がかかった場合、ベース板とセラミックス回路基板の熱膨張係数差に起因するクラックが半田層に発生し、その結果放熱が不十分となって回路上の半導体を誤作動させたり、破損させたりする等の問題があった。
【０００４】
そこで、熱膨張係数をセラミックス回路基板のそれに近づけたベース板として、アルミニウム合金−炭化珪素質複合体が提案されている（特許文献１参照）。
【０００５】
アルミニウム合金-炭化珪素質複合体を製造する方法として、従来より、炭化珪素粒子とアルミニウム金属粉末を混合後、高温高圧下で複合化させる粉末冶金法や、炭化珪素粒子により多孔質体（以下、プリフォームという）を作製し、アルミニウムを主成分とする金属（以下、アルミニウム合金）等を含浸させる含浸法、中でも高圧鍛造法が採用されている。
【０００６】
粉末冶金法は、緻密化が不十分で、その結果、熱特性があまり良くなく、また、ダイヤモンド等を用いた高価な加工法が必要となるので、多くの場合、ダイキャスト法、溶湯鍛造法が採用されている。ダイキャスト法は、形状別に型を揃え、また、それに適した装置が必要となることから設備費がかさむという問題がある。
【０００７】
含浸法は、大型の容器を用いて溶融アルミニウム合金をプリフォームに含浸させるため、アルミニウム合金がプリフォーム周囲に多く固着し、それを除去するための機械加工が必要であると共に、加工クズの発生量も多くなるという問題がある。少なくとも一面が解放された鉄製枠体に一個のプリフォームを収納し、必要最小限の溶融アルミニウム合金とプリフォームとが接触するような方法が考案されてはいるが、この方法では、アルミニウム合金とプリフォームの接触面積が制限されるためアルミニウム合金が十分に含浸されないことに加え、一個のプリフォームに一個の鉄製枠体が必要となるため、生産性が悪いという問題があった。
【０００８】
また、ベース板は放熱フィンや放熱ユニット等に接合されることが多く、その接合部分の形状や反りも重要である。例えば、ベース板を放熱フィンや放熱ユニット等に接合する場合、一般にベース板の周縁部に設けられた穴を利用してねじで固定するが、ベース板に微少な凹凸が存在すると、ベース板と放熱フィンや放熱ユニット等との間に隙間が生じ、たとえ高熱伝導性の放熱グリースを塗布しても、熱伝達性が低下する場合がある。その結果、セラミックス回路基板、ベース板、放熱フィンや放熱ユニット等で構成されるモジュール全体の放熱性が低下するという課題があった。
【０００９】
そこで、ベース板と放熱フィンとの間に出来るだけ隙間が出来ないように、予めベース板に凸型の反りを付けたものを用いることが多い。この反りは通常、所定の形状を有する治具を用い、加熱下、ベース板に圧力をかけることで得られるが、この方法によって得られた反りは、反り量のバラツキが大きく、且つ形状が一定でないため品質が安定しないという課題があった。また、反り形状のバラツキにより、放熱フィンや放熱ユニット等との間に隙間が生じるといった課題があった。
【００１０】
ベース板表面を機械加工により切削することで反りを付ける方法もあるが、アルミニウム−炭化珪素質複合体の場合は材質が非常に硬く、ダイヤモンド等の工具を用いた研削が必要であり、加工時間が長く、高コストになるという課題があった。
【００１１】
そこで、上記課題を解決するべく、放熱面が球面形状の炭化珪素質多孔体（以下、ＳｉＣプリフォームという）にアルミニウム合金を含浸し、両主面にアルミニウム合金層を設け、放熱面側のアルミニウム合金層を機械加工する方法が提案されている。（特許文献２参照）。
【００１２】
上記製造方法において、アルミニウム合金層を形成する方法として、積層時に炭化珪素質複合体の両主面にアルミナ若しくはシリカを主成分とする繊維、球状粒子、破砕形状の粒子からなるスペーサーを配置する方法が採用されているが、スペーサーがアルミニウム合金層から露出した場合に、めっき密着性が悪くなるという問題があった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１３】
【特許文献１】特願平３−５０９８６０号
【特許文献２】特願２００４−２６６１４４
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
本発明の目的は、上記の状況に鑑み、含浸法に関して生産性の良好なアルミニウム−炭化珪素質複合体の製造方法を提供すること及びセラミックス回路基板用ベース板として好適なアルミニウム−炭化珪素質複合体を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
即ち、本発明は、両主面にアルミニウムを主成分とする金属から成るアルミニウム合金層を有し、一主面が回路基板に接合され他の主面が放熱面として用いられるアルミニウム−炭化珪素質複合体の製造方法において、下記の工程を順次経ることを特徴とするアルミニウム−炭化珪素質複合体の製造方法である。
（１）相対密度５５〜７５％のＳｉＣプリフォームの放熱面を凸型の反り形状に成形または機械加工する工程。
（２）前記ＳｉＣプリフォームの両主面に、アルミナ若しくはシリカを主成分とする繊維、球状粒子、破砕形状の粒子のうち１種以上を５〜４０質量％含有したスペーサーを配し、０．０３ｍｍ以下の平行度になるように２枚の離型板で挟み込んで積層する工程。
（３）前記ＳｉＣプリフォームの側面の２０面積％以上の開口部から、アルミニウムを主成分とする金属を３０ＭＰａ以上の圧力で加圧含浸する工程。
（４）含浸後、離型したアルミニウム−炭化珪素質複合体の外周部をマシニング加工、レーザー加工、ウォータージェット加工のいずれかで外周形状加工後、放熱面のアルミニウム合金層に機械加工を施し、凸型の反り形状を形成する工程。
（５）反り形状形成後、取り付け穴の加工を行い、表面にめっき処理を行う工程。
【００１６】
さらに、本発明は、ＳｉＣプリフォームの両主面において、離型板とスペーサーの間にアルミニウムを主成分とするアルミニウム箔を挟み込んで積層することで、めっき密着性を改善してなることを特徴とする該アルミニウム−炭化珪素質複合体の製造方法であり、更に、ＳｉＣプリフォームの両主面において、離型板とＳｉＣプリフォームの間にアルミニウムを主成分とするアルミニウム箔を挟み込んで積層することで、めっき密着性を改善してなることを特徴とする該アルミニウム−炭化珪素質複合体の製造方法である。
【００１７】
アルミニウムを主成分とする金属からなるアルミニウム合金層中に、アルミナ若しくはシリカを主成分とする繊維、球状粒子、破砕形状の粒子のうち１種以上を５〜４０質量％含有させることを特徴とする該アルミニウム−炭化珪素質複合体であり、回路基板接合面のアルミニウム合金層の平均厚みが０．１〜０．３ｍｍ、前記回路基板接合面内のアルミニウム合金層の厚み差が０．１ｍｍ以内であり、更に両主面のアルミニウム合金層の平均厚みの差が、厚い方のアルミニウム合金層の平均厚みの４０％以内であることを特徴とする該アルミニウム−炭化珪素質複合体である。更に、熱伝導率が１８０Ｗ／ｍＫ以上、並びに熱膨張率が１０×１０−６／Ｋ以下であることを特徴とする該アルミニウム−炭化珪素質複合体である。
【発明の効果】
【００１８】
本発明により、含浸法による生産性の良好なアルミニウム合金-セラミックス質複合体の製造方法が提供される。即ち、ＳｉＣプリフォームを積層する際に、鉄製枠体が不要であり、ＳｉＣプリフォームの側面の２０面積％以上の開口部から、アルミニウムを主成分とする金属を加圧含浸することができる。更に、積層する際に、離型板とスペーサー若しくは離型板とＳｉＣプリフォームの間にアルミニウムを主成分とするアルミニウム箔を挟み込むことで、めっき密着性が良好となる。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
金属-セラミックス質複合体の製造方法については、大別すると含浸法と粉末冶金法の２種類がある。このうち粉末冶金法は熱伝導率等の特性面で十分なものが得られておらず、実際に商品化されているのは、含浸法によるものである。含浸法にも種々の製法があり、常圧で行う方法と、高圧下で行う方法（高圧鍛造法）がある。高圧鍛造法には、溶湯鍛造法とダイキャスト法がある。
【００２０】
本発明に好適な方法は、高圧下で含浸を行う高圧鍛造法であり、溶湯鍛造法とダイキャスト法のどちらも使用できるが、溶湯鍛造法がより好ましい。高圧鍛造法は、高圧容器内にセラミックス多孔体を配置し、これにアルミニウム合金の溶湯を高圧で含浸させてアルミニウム合金-セラミックス質複合体を得る方法である。
【００２１】
以下、本発明について、溶湯鍛造法による製法を説明する。
原料である炭化珪素（以下ＳｉＣという）粉末は、必要に応じて例えばシリカ等の結合剤                                                                        を添加し、成形、仮焼してプリフォームを作製する。金属製の簡易治具に、アルミナ若しくはシリカを主成分とする繊維、球状粒子、破砕形状の粒子のうち１種類以上を５〜４０質量％含むスペーサーを両主面に配置したプリフォームと離型板を０．０３ｍｍ以下の平
行度になるように交互に配置（積層）し、一つのブロックとする。前記ブロックを５００〜７００℃で予備加熱後、高圧容器内に１個または２個以上配置し、ブロックの温度低下を防ぐため出来るだけ速やかにアルミニウム合金の溶湯を３０ＭＰａ以上の圧力で加圧し、アルミニウム合金をＳｉＣプリフォームの側面の２０面積％以上の開口部から加圧含浸させることで、両主面にアルミニウム合金層を設けたアルミニウム合金-セラミックス質複合体が得られる。尚、含浸時の歪み除去の目的でアニール処理を行うこともある。アニール処理には、アルミニウム合金層と炭化珪素質複合体の接合をより強固にする効果もある。
【００２２】
本発明におけるアルミニウム合金の含浸圧力は、３０ＭＰａ以上である事が望ましい。含浸圧力が３０ＭＰａより低い場合、アルミニウム合金がプリフォーム中へ十分に含浸せず、熱伝導率が小さくなる場合がある。
【００２３】
本発明における積層体の平行度は、０．０３ｍｍ以下である事が望ましい。平行度が０．０３ｍｍより大きい場合、両主面のアルミニウム合金層の厚み制御が困難となる場合があり、製品の厚みにバラツキが生じてしまう。
【００２４】
また、プリフォーム一枚に対するアルミニウム合金の含浸面積は、プリフォームの側面の２０面積％以上の開口部である事が望ましい。含浸面積がプリフォームの側面の２０面積％より少ない場合、アルミニウム合金が十分に含浸する事ができず、生産性が低下する場合がある。
【００２５】
本発明に係るＳｉＣプリフォームの製造方法に関して特に制限はなく、公知の方法で製造することが可能である。例えば、ＳｉＣ粉末にシリカ或いはアルミナ等を結合剤として添加して混合、成形し、８００℃以上で焼成することによって得ることができる。成形方法についても特に制限はなく、プレス成形、押し出し成形、鋳込み成形等が採用可能であり、必要に応じて保形用バインダーの併用が可能である。
【００２６】
ＳｉＣプリフォームに添加するシリカ或いはアルミナ等の結合剤は、セラミックス質粉末に対して２〜８質量％（固形分換算）添加することが好ましい。添加量が８質量％を超えると、強度は高くなるが熱伝導率が低下する場合があり、一方、添加量が２質量％未満の場合、強度が低下して溶解時にアルミニウムが溶け出しやすくなる場合がある。
【００２７】
ＳｉＣプリフォームの一主面を、凸型の反り形状に成形又は機械加工する方法に関して特に制限はない。ＳｉＣ粉末成形時に形状を付加した成形型を用いる方法、又は、焼成後に一主面を機械加工して凸型の形状を形成する方法のいずれも使用可能である。
【００２８】
アルミニウム−炭化珪素質複合体の重要な特性は、熱伝導率と熱膨張係数である。アルミニウム−炭化珪素質複合体中のＳｉＣ含有率の高い方が、熱伝導率が高く、熱膨張係数が小さくなるため好ましいが、含有率が高くなるとアルミニウム合金が十分に含浸しない場合がある。
実用的には、４０μｍ以上の粗いＳｉＣ粒子を４０質量％以上含み、ＳｉＣプリフォームの相対密度が５５〜７５％の範囲にあるものが好ましい。ＳｉＣプリフォームの強度は、取り扱い時や含浸中の割れを防ぐため、曲げ強度で３ＭＰａ以上あることが好ましい。
【００２９】
原料であるセラミックス質粉末の粒度については、特に限定されるものではないが、粗粉のみでは強度発現性に乏しく、微粉のみでは得られる複合体について高い熱伝導率が望めない場合があり、必要に応じて粒度調整を行ってもよい。
【００３０】
ＳｉＣプリフォームは、ＳｉＣ粉末の成形体を、脱脂、焼成することにより得られる。焼成温度が８００℃以上であれば、焼成時の雰囲気に関係なく、曲げ強度が３ＭＰａ以上のプリフォームが得られる。しかしながら、酸化性雰囲気中では、１１００℃を超える温度で焼成すると、ＳｉＣの酸化が促進され、アルミニウム−炭化珪素質複合体の熱伝導率が低下してしまう場合があるので、酸化性雰囲気中では、１１００℃以下の温度で焼成することが好ましい。焼成時間は、ＳｉＣプリフォームの大きさ、焼成炉への投入量、焼成雰囲気等の条件に合わせて適宜決められる。
【００３１】
本発明に係るＳｉＣプリフォームは、成形時に所定の形状にする場合、１枚ずつ乾燥を行うか、ＳｉＣプリフォーム間にプリフォーム形状と等しい形状のカーボン等のスペーサーを用いて乾燥することで、乾燥による反り形状の変化を防ぐことが出来る。また、焼成に関しても乾燥時と同様の処理を行うことにより、内部組織の変化に伴う形状変化を防ぐことが可能である。
【００３２】
一方、本発明のアルミニウム−炭化珪素質複合体中のアルミニウム合金は、含浸時にプリフォームの空隙内に十分に浸透するために融点がなるべく低いことが好ましい。このようなアルミニウム合金として、例えばシリコンを７〜２５質量％含有したアルミニウム合金が挙げられる。更にマグネシウムを含有させることは、炭化珪素粒と金属部分との結合がより強固になり好ましい。アルミニウム合金中のアルミニウム、シリコン、マグネシウム以外の金属成分に関しては、極端に特性が変化しない範囲であれば特に制限はなく、例えば銅等が含まれていても良い。
【００３３】
本発明において、所定の厚みのアルミニウム合金層を形成させるために、アルミナ若しくはシリカを主成分とする繊維、球状粒子、破砕形状の粒子のうち１種以上からなるスペーサーを積層工程において、ＳｉＣプリフォームの表面に直接接するように配置することが好ましい。更に、離型板とスペーサー若しくは離型板とＳｉＣプリフォームの間にアルミニウムを主成分とするアルミニウム箔を挟み込むことが好ましい。これにより、めっき密着性が良好となる。アルミニウム−炭化珪素質複合体中の、アルミナ若しくはシリカを主成分とする繊維、球状粒子、破砕形状の粒子のうちの１種以上からなる添加材料は、５〜４０質量％が好ましい。含有量が５質量％未満では、両主面のアルミニウム合金層の厚み制御が困難となる場合があり、加工後のアニール処理により反り形状が大きく変化してしまう場合がある。一方、含有量が４０質量％を超えると含浸時の圧力によりプリフォームが割れる場合がある。
【００３４】
ＳｉＣプリフォームへのアルミニウム合金含浸時の歪み除去の目的で行うアニール処理は、４００〜５５０℃の温度で１０分以上行うことが好ましい。アニール温度が４００℃未満であると、複合体内部の歪みが十分に開放されずに機械加工後のアニール処理工程で反りが大きく変化してしまう場合がある。一方、アニール温度が５５０℃を越えると、含浸で用いたアルミニウム合金が溶融する場合がある。アニール時間が１０分未満であると、アニール温度が４００〜５５０℃であっても複合体内部の歪みが十分に開放されず、機械加工後の加工歪み除去のためのアニール処理工程で、反りが大きく変化してしまう場合がある。
【００３５】
本発明に係るアルミニウム−炭化珪素質複合体の外周加工方法に特に制限はなく、マシニング加工、レーザー加工、ウォータージェット加工のいずれかで採用可能である。
【００３６】
アルミニウム−炭化珪素質複合体表面に設けられるアルミニウム合金層の厚みは、機械加工で両主面を加工する場合には両主面の厚みを等しくしてもよいが、放熱面側のみを加工する場合は、加工後に両主面のアルミニウム合金層の厚みが大きく異ならないように、予め加工する放熱面側のアルミニウム合金層の厚みを厚くしておいた方が良い。回路基板接合面のアルミニウム合金層の平均厚みは０．１〜０．３ｍｍが好ましく、両主面のアルミニウム合金層の平均厚みの差が、厚い方のアルミニウム合金層の平均厚みの４０％以内であることが好ましい。回路基板接合面のアルミニウム合金層の平均厚みが０．１ｍｍ未満であると、機械加工の際にアルミニウム−炭化珪素質複合体部分に加工刃が当たりチッピングの原因となると共に、アルミニウム−炭化珪素質複合体層が露出してめっき不良の原因となる場合がある。一方、回路基板接合面のアルミニウム合金層の平均厚みが０．３ｍｍを超えると、セラミックス回路基板を半田付けした後に放熱面の形状が歪になり、放熱フィンとの間に隙間が生じて十分な放熱特性が得られない場合がある。又、両主面のアルミニウム合金層の平均厚みの差が、厚い方のアルミニウム合金層の平均厚みの４０％を超えると、熱伝導率が低下したり、その後の加工歪み除去のためのアニール処理の際に、両主面のアルミニウム合金層の熱膨張係数差により反り量が変化する場合がある。
【００３７】
回路基板接合面内のアルミニウム合金層の厚み差は、０．１ｍｍ以内であることが好ましい。回路基板接合面内のアルミニウム合金層の厚み差が、０．１ｍｍより大きくなると、機械加工を行った場合、その後のアニール処理の際に反りが大きく変化してしまう場合がある。更に、実装された素子からの熱により、最も厚い部位と最も薄い部位での熱膨張差が、クラックの発生原因となる場合がある。
【００３８】
放熱面、又は回路基板接合面の反り形成は、旋盤等の機械加工により行うのが一般的である。旋盤等への被加工品の固定は被加工品の周縁部に設けられた穴等を利用してねじ止めする方法が一般的に用いられる。本発明においては、アルミニウム−炭化珪素質複合体表面のアルミニウム合金層を機械加工するため、理想的な球面形状の放熱面を得ることが可能であり、良好な放熱特性と応力緩和性を有するアルミニウム−炭化珪素質複合体を得ることができる。
【００３９】
機械加工前のアルミニウム−炭化珪素質複合体のアルミニウム合金層の厚みがほぼ等しいときは、両主面とも加工を行い、両主面のアルミニウム合金層の平均厚みの差が、厚い方のアルミニウム合金層の平均厚みの４０％以内とすることが必要な場合がある。回路基板接合面を機械加工する際には、放熱面側の様な反り加工を行う必要はなく平面研削でも構わないが、放熱面のみの加工の場合に比べて加工費用が高くなるという課題がある。放熱面側のアルミニウム合金層の厚みを予め厚くした場合は、放熱面のみを加工し、両主面のアルミニウム合金層の平均厚みの差が、放熱面のアルミニウム合金層の平均厚みの４０％以内に調整することが可能である。
【００４０】
さらに、機械加工後の両主面のアルミニウム合金層の平均厚みの合計は１．０ｍｍ以下にすることが望ましい。両主面のアルミニウム合金層の平均厚みの合計が１．０ｍｍを超えるとベース板全体の熱膨張係数が大きくなり、半導体部品搭載後に熱負荷がかかった際、ベース板とセラミックス回路基板の熱膨張係数差に起因するクラックが半田層に発生し、その結果、放熱が不十分となって半導体を誤作動させたり、破損させたりする問題が起きる恐れがある。
【００４１】
機械加工後の放熱面の反り量は、長軸上で２００ｍｍあたり１０〜４００μｍになるように加工することが好ましい。放熱面の反り量が１０μｍ未満であると、その後のモジュール組み立て工程において、ベース板と放熱フィンとの間に隙間が生じ、たとえ高熱伝導性の放熱グリースを塗布しても、熱伝導性が低下し、その結果、セラミックス回路基板、ベース板、放熱フィン等で構成されるモジュールの放熱性が低下してしまう場合がある。一方、反り量が４００μｍを超えると、放熱フィンとの接合の際のネジ止め時に、ベース板、又はセラミックス回路基板にクラックが発生する場合がある。
【００４２】
回路基板面の長軸上の反り量は、２００ｍｍあたり−２００〜２００μｍであることが好ましい。回路基板面の長軸上の反り量が前記範囲をはずれると、回路基板接合の際の半田厚みが一定にならず、又半田付け時にボイドが発生し易く、セラミックス回路基板、ベース板、放熱フィン等で構成されるモジュールの放熱性が低下してしまう場合がある。
【００４３】
加工歪み除去のためのアニール処理は４００℃〜５５０℃の温度で１０分間以上行うことが好ましい。アニール温度が４００℃未満であったり、アニール温度が４００℃〜５５０℃であってもアニール時間が１０分未満であると、複合体内部の歪みが十分に開放されずにその後の回路基板の半田付け工程等で反りが大きく変化してしまう場合がある。また、アニール温度が５５０℃を超えると含浸したアルミニウム合金が溶融する場合がある。
【００４４】
アニール処理前後の放熱面の長軸上の反り量の差は、２００ｍｍあたり３０μm以下であることが好ましい。反り量の差が３０μmを超えると、モジュール組み立て工程でベース板と放熱フィンとの間に隙間が生じ、たとえ高熱伝導性の放熱グリースを塗布しても、熱伝導性が低下する場合がある。
【００４５】
本発明に係るアルミニウム−炭化珪素質複合体は、良好な放熱特性と応力緩和性を有するもので、例えば、セラミックス回路基板と放熱フィン等の放熱部品との間に介在するベース板として好適である。
【００４６】
本発明に係るアルミニウム−炭化珪素質複合体は、両主面上にアルミニウム合金層を有し、放熱面を理想的な球面形状に加工することが可能であるため、ベース板と放熱フィン等の放熱部品との接触が良好となり、セラミックス回路基板、ベース板、並びに放熱フィン等で構成されるモジュールの放熱特性が優れるという効果を奏する。
【００４７】
本発明のアルミニウム−炭化珪素質複合体は、熱伝導率が１８０Ｗ／ｍＫ以上、熱膨張係数が１０×１０−６／Ｋ以下であることが好ましい。前記の効果に加えて、高熱伝導率で、しかも半導体部品やセラミックス回路基板と同等レベルの低膨張率であるため、これを用いた放熱部品、更にそれを用いたモジュールは、放熱特性に優れ、また、温度変化を受けても変形し難く、その結果、高信頼性が得られるという特長がある。
【実施例】
【００４８】
[実施例１]
ＳｉＣ粉末Ａ（大平洋ランダム社製：ＮＧ−２２０、平均粒径：６０μｍ）７０ｇ、ＳｉＣ粉末Ｂ（屋久島電工社製：ＧＣ−１０００Ｆ、平均粒径：１０μｍ）３０ｇ、及びシリカゾル（日産化学社製：スノーテックス）１０ｇを秤取し、攪拌混合機で３０分間混合した後、１８５ｍｍ×１３５ｍｍ×５．０ｍｍの寸法の平板状に圧力１０ＭＰａでプレス成形した。
得られた成形体を、大気中、９００℃で２時間焼成して、相対密度が６５％のＳｉＣプ
リフォームを得た後、ＳｉＣプリフォームの一主面を旋盤により２００ｍｍあたり２００
μｍの反りとなるよう凸型球面形状に加工し、中央部の厚みを４．６ｍｍとした。
【００４９】
得られたＳｉＣプリフォームの球面形状面（放熱面）に１８５ｍｍ×１３５ｍｍ×０．４ｍｍ、平面形状面（回路基板接合面）に１８５ｍｍ×１３５ｍｍ×０．２ｍｍの含有量３５質量％からなるアルミナ繊維（田中製紙製，純度９７％）を配置し、０．０１６ｍｍの平行度になるように両面をカーボンコートしたＳＵＳ板で挟んで一体としたものを電気炉で６００℃に予備加熱した。次にそれをあらかじめ加熱しておいた内径３００ｍｍのプレス型内に収め、シリコンを１２質量％、マグネシウムを０．５質量％含有するアルミニウム合金の溶湯を注ぎ、ＳｉＣプリフォームの側面の７０面積％の開口部から１００ＭＰａの圧力で２０分間加圧してＳｉＣプリフォームにアルミニウム合金を含浸させた。室温まで冷却した後、湿式バンドソーにて余剰のアルミニウム合金部を切断し、挟んだＳＵＳ板をはがした後、含浸時の歪み除去のために５３０℃の温度で３時間アニール処理を行い、アルミニウム−炭化珪素質複合体を得た。
【００５０】
次に、アルミニウム−炭化珪素質複合体の外周部を、マシニング加工により製品形状に加工後、縁周部４隅に直径８ｍｍの加工穴を設け、旋盤治具に加工穴を利用してネジ固定し、アルミニウム合金層の厚みが０．４ｍｍの面に２００ｍｍあたり２００μｍの反りを付け、球面形状になるよう加工した。また、研削量は、加工後の両主面のアルミニウム合金層平均厚みが等しくなるように、平均２００μｍの研削を行い平均厚み５．０ｍｍとした。機械加工後、マッフル炉を用いて５３０℃の温度で３時間アニール処理を行い加工歪みの除去を行った。
【００５１】
次に、圧力０．４ＭＰａ、搬送速度１．０ｍ／ｍｉｎの条件でアルミナ砥粒にてブラスト処理を行い清浄化した後、無電解Ｎｉ−Ｐ及びＮi−Ｂめっきを行い、複合体表面に８μｍ厚（Ｎi−Ｐ：６μｍ＋Ｎi−Ｂ：２μｍ）のめっき層を形成した。
【００５２】
[実施例２〜３、比較例１〜２]
ＳｉＣプリフォームの相対密度を５５％としたこと（実施例２）、ＳｉＣプリフォームの相対密度を７５％としたこと（実施例３）、ＳｉＣプリフォームの相対密度を４０％としたこと（比較例１）、ＳｉＣプリフォームの相対密度を８０％としたこと（比較例２）以外は、実施例１と同様にしてアルミニウム―炭化珪素質複合体を作製した。
【００５３】
[実施例４〜７、比較例３〜４]
アルミナ繊維の含有量を５質量％としたこと（実施例４）、アルミナ繊維の含有量を４０質量％としたこと（実施例５）、アルミナ繊維の代わりに球形アルミナ粒子（住友化学社製アルミナＣＢ−１０グレード  純度９９．９％）を３５質量％充填して使用したこと（実施例６）、アルミナ繊維の代わりに破砕形状のアルミナ粒子（昭和電工社製アルミナＡＬ−１５−Ｈグレード純度９９．９％）を３５質量％充填して使用したこと（実施例７）、アルミナ繊維の含有量を３質量％としたこと（比較例３）、アルミナ繊維の含有量を４５質量％としたこと（比較例４）以外は、実施例１と同様にしてアルミニウム−炭化珪素質複合体を作製した。
【００５４】
[実施例８〜９、比較例５]
ＳiＣプリフォームをＳＵＳ板で挟み込む際、平行度を０．００７ｍｍとしたこと（実施例８）、平行度を０．０３０ｍｍとしたこと（実施例９）、平行度を０．０３８ｍｍとしたこと（比較例５）以外は、実施例１と同様にしてアルミニウム−炭化珪素質複合体を作製した。
【００５５】
[実施例１０〜１１、比較例６]
ＳｉＣプリフォームの側面の５０面積％の開口部からアルミニウム合金の溶湯を加圧含浸したこと（実施例１０）、ＳｉＣプリフォームの側面の２０面積％の開口部からアルミニウム合金の溶湯を加圧含浸したこと（実施例１１）、ＳｉＣプリフォームの側面の１５面積％からアルミニウム合金の溶湯を加圧含浸したこと（比較例６）以外は、実施例１と同様にしてアルミニウム―炭化珪素質複合体を作製した。
【００５６】
[実施例１２、比較例７]
アルミニウム合金の溶湯を３０ＭＰａの圧力で加圧含浸したこと（実施例１２）、アルミニウム合金の溶湯を７ＭＰａの圧力で加圧含浸したこと（比較例７）以外は、実施例１と同様にしてアルミニウム―炭化珪素質複合体を作製した。
【００５７】
[実施例１３]
ＳｉＣプリフォームの両主面において、ＳＵＳ板とアルミナ繊維の間にアルミニウムを主成分とするアルミニウム箔を挟み込んで積層したこと以外は、実施例１と同様にしてアルミニウム―炭化珪素質複合体を作製した。
【００５８】
【表１】
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【００５９】
実施例１〜１４及び比較例１〜７で得られたアルミニウム−炭化珪素質複合体の密度をアルキメデス法で測定し、相対密度を算出した。更に、研削加工により熱膨張係数測定用試験体（２０ｍｍ×５ｍｍ×５ｍｍ）、熱伝導率測定用試験体（２５ｍｍ×２５ｍｍ×１ｍｍ）の試験片を作製した。それぞれの試験片を用いて、２５〜１５０℃の熱膨張係数を熱膨張計（セイコー電子工業社製；ＴＭＡ３００）で、２５℃での熱伝導率をレーザーフラッシュ法（理学電機社製；ＴＣ−７０００）で測定した。
【００６０】
実施例１〜１４及び比較例１〜７で得られたアルミニウム−炭化珪素質複合体の反り形状は、輪郭形状測定機（東京精密社製；コンターレコード１６００Ｄ−２２）を使用し、試験体各２０点について機械加工後及びアニール処理後の放熱面の対角線上２００ｍｍあたりの反り量を測定し、その差を比較した。
【００６１】
実施例１〜１４及び比較例１〜７で得られたアルミニウム−炭化珪素質複合体は面内５点の厚さを測定し、そのバラツキを比較した。
【００６２】
実施例１〜１４及び比較例１〜７で得られたアルミニウム−炭化珪素質複合体のアルミニウム合金単体部における穴鬆の面積を、光学顕微鏡を用いて測定し、視野(５ｍｍ×５ｍｍ)に対する穴鬆面積の割合を穴鬆発生率とした。
【００６３】
実施例１〜１４及び比較例１〜７で得られたアルミニウム−炭化珪素質複合体のめっき被覆面積を、光学顕微鏡を用いて測定し、単位面積当たりのめっき密着面積の割合をめっき密着率とした。
【００６４】
【表２】
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