(57)【要約】【課題】放熱用凸部を有するＡｌ−ＳｉＣ系複合体において、特に溶融金属含浸法の製造工程の中で型を解体して型から抜き出す際に、放熱用凸部の基部から折損すること、および放熱用凸部が傾くことを防止できるＡｌ−ＳｉＣ系複合体およびそれからなる放熱部品を提供する。【解決手段】主に炭化ケイ素からなる多孔体にアルミニウムを主成分とする金属を含浸して形成されたＡｌ−ＳｉＣ複合本体部と、Ａｌ−ＳｉＣ複合本体部に含浸アルミニウムで一体形成された放熱用凸部を有するＡｌ−ＳｉＣ系複合体であって、放熱用凸部の基部の部分に位置する該炭化ケイ素からなる多孔体に突出部を設ける。【選択図】　　　図１
2004022885.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
主に炭化ケイ素からなる多孔体にアルミニウムを主成分とする金属を含浸して形成されたＡｌ−ＳｉＣ複合本体部と、Ａｌ−ＳｉＣ複合本体部に含浸アルミニウムで一体形成された放熱用凸部を有するＡｌ−ＳｉＣ系複合体であって、放熱用凸部の基部の部分に位置する該炭化ケイ素からなる多孔体に突出部を設けたことを特徴とするＡｌ−ＳｉＣ系複合体。
【請求項２】
主に炭化ケイ素からなる多孔体にアルミニウムを主成分とする金属を含浸して形成されたＡｌ−ＳｉＣ複合本体部と、Ａｌ−ＳｉＣ複合本体部に含浸アルミニウムで一体形成された放熱用凸部を有するＡｌ−ＳｉＣ系複合体であって、放熱用凸部の基部の部分に位置する該炭化ケイ素からなる多孔体に、放熱用凸部の基部の幅より大きい開口幅をもつ凹部を設けたことを特徴とするＡｌ−ＳｉＣ系複合体。
【請求項３】
主に炭化ケイ素からなる多孔体にアルミニウムを主成分とする金属を含浸して形成されたＡｌ−ＳｉＣ複合本体部と、Ａｌ−ＳｉＣ複合本体部に含浸アルミニウムで一体形成された放熱用凸部を有するＡｌ−ＳｉＣ系複合体であって、放熱用凸部の基部の部分に位置する該炭化ケイ素からなる多孔体に、凹部を設けるとともに、該凹部に放熱用凸部形成用の主に炭化ケイ素からなる多孔体を嵌め合わせるように配置させたことを特徴とするＡｌ−ＳｉＣ系複合体。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれかに記載のＡｌ−ＳｉＣ系複合体からなることを特徴とする放熱部品。
【請求項５】
請求項１〜３のいずれかに記載の放熱部品を具備することを特徴とする半導体モジュール装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、主に炭化ケイ素（ＳｉＣ）からなる多孔体に、アルミニウム（Ａｌ）を主成分とする金属を含浸して形成したアルミニウムと炭化ケイ素の複合体（Ａｌ−ＳｉＣ系複合体）に関する。本発明のＡｌ−ＳｉＣ系複合体は、低熱膨張、高熱伝導特性を有し、放熱基板、ヒートシンク、パッケージなど半導体装置に用いられる放熱部品に好適なものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、産業機器の分野では、半導体スイッチングデバイスを用いて大きな電力を最適な電力に効率よく交換制御する大電力モジュール装置の開発が進んでいる。例えば、電動車輌用インバータとして高電圧、大電流動作が可能なＩＧＢＴモジュールがある。このような大電力モジュール化に伴い、半導体チップから発生する熱も増大している。半導体チップは熱に弱く、発熱が大きくなれば半導体回路の誤動作や破壊を招くことになる。そこで、半導体チップなど電子部品を搭載するための回路基板の裏面にヒートシンクなどの放熱部品を設けて、放熱部品を介して半導体チップから発生した熱を外部に発散させ、半導体回路の動作を安定にすることが行われている。電子部品を搭載するための回路基板としては、窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）などの絶縁性を有するセラミックス基板が主に用いられている。
【０００３】
従来の放熱部品用材料として、銅（Ｃｕ）、モリブデン（Ｍｏ）、タングステン（Ｗ）などがある。モリブデンやタングステンからなる放熱部品は高価であり、また金属の比重が大きいため放熱部品の重量が重くなり、放熱部品の軽量化が望まれる用途には好ましくない。
【０００４】
また、銅からなる放熱部品は、放熱部品と接合されるセラミックス基板との熱膨張係数の差が大きいので、放熱部品とセラミックス基板との加熱接合時や、使用中の熱サイクルにより、はんだ層の破壊、熱流路の遮断、セラミックス基板の割れを生じやすい。
【０００５】
銅などの従来材に替わる放熱部品用材料として、アルミニウムまたはアルミニウム合金中に炭化ケイ素を分散させた低熱膨張・高熱伝導特性を有するＡｌ−ＳｉＣ系複合体が注目されている（特公平７−２６１７４号、特開昭６４−８３６３４号等参照）。Ａｌ−ＳｉＣ系複合体は、粉末冶金法、高圧鋳造法、真空鋳造法、溶融金属含浸法などにより製造される。Ａｌ−ＳｉＣ系複合体の熱膨張係数をセラミックス基板の熱膨張係数に近づけようとすると、熱膨張係数の低い炭化ケイ素の含有比率を上げることが必要である。しかしながら、粉末冶金法、高圧鋳造法、真空鋳造法では、その製造法の特質上、炭化ケイ素の含有量を４０体積％以上にすることが困難である。また、ネットシェイプ成形することが難しい、大型の加圧装置を必要とするため製造コストが高くなるという欠点がある。
【０００６】
溶融金属含浸法は、炭化ケイ素粉末あるいは炭化ケイ素繊維で形成された多孔体（プリフォーム）を用い、この多孔体を型内の空間に配置し、アルミニウムインゴットを接触させて、窒素雰囲気中で加圧もしくは非加圧で加熱溶融したアルミニウムを型内の空間に流し込むことによって、炭化ケイ素の多孔体に含浸させ、冷却して作製するものである。この製造方法によれば、炭化ケイ素の含有量を２０〜９０体積％の範囲で選択できる。また、炭化ケイ素多孔体の形状の自由度が高く、複雑な形状の製品をネットシェイプ成形できる利点を有する。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
冷却効率を高めるための放熱ピンまたは放熱フィン（本発明ではこれらを放熱用凸部という）を具備させた放熱基板が用いられている。図６は従来のＩＧＢＴモジュールの一例を示す断面図である。図６において、１は窒化ケイ素からなるセラミックス基板であり、その上面に銅からなる回路板２、下面に銅板３をろう付けなどにより接着して、セラミックス回路基板４が構成される。セラミックス基板１の回路板２には複数の半導体チップ５をはんだにより実装しワイヤーで配線する。
【０００８】
６はＡｌ−ＳｉＣ系複合体からなる放熱基板であり、その上面にめっきを施し、はんだ７によりセラミックス回路基板４を接着する。８は放熱用凸部（放熱ピン）９を有するヒートシンクでありアルミニウムなどで製作される。そして、放熱基板６とヒートシンク８とをグリス１０で接着して、両部品をねじ１１により締結固定する。
【０００９】
この種のＩＧＢＴモジュールでは、熱伝導率が比較的低いグリス１０を放熱基板６とヒートシンク８との間に介在させるため、熱抵抗が増加し、回路基板全体の放熱効率が低下する。また、放熱基板６とヒートシンク８を別々に製作し、さらにグリス１０を必要とするため、モジュールの製作が煩雑となり製造コストを高めてしまうという問題があった。
【００１０】
そこで、この問題を解決する公知例として、例えば特開２０００−３３６４３８号公報には、気孔径７〜５０μｍである多孔質セラミックス焼結体の気孔内にマトリックスとなる金属の溶湯を加圧含浸することにより形成された、セラミックス焼結体である骨格構造体とマトリックス金属とからなる複合構造を有する金属−セラミックス複合材料であって、複合材料の片側の板面に、マトリックス金属と同一材種の金属からなる放熱フィンを一体的に形成することが開示されている。
【００１１】
図５は前記公知例同様の形態を示すもので、放熱用凸部（放熱ピン）を一体形成した従来のＡｌ−ＳｉＣ系複合体からなる放熱部品の断面図を示す。図５において、Ａｌ−ＳｉＣ系複合体１２は、主に炭化ケイ素からなる多孔体にアルミニウムを主成分とする金属を含浸して形成されたＡｌ−ＳｉＣ複合本体部１３と、Ａｌ−ＳｉＣ複合本体部１３の表面に形成された含浸アルミニウムと実質的に同種のアルミニウムからなるアルミニウム被覆層１４と、Ａｌ−ＳｉＣ複合本体部１３の片側の主面に形成された含浸アルミニウムと実質的に同種のアルミニウムからなる放熱用凸部（放熱ピン）１５を有するヒートシンク１７とから構成されている。
【００１２】
この従来構造では、Ａｌ−ＳｉＣ複合本体部１３と放熱ピン１５の接合部が強度的に弱くなるため、特にＡｌ−ＳｉＣ系複合体を溶融金属含浸法で製造する工程において、加熱溶融したアルミニウムを型内の空間に流し込んだ後、型を解体して型から抜き出す際に、放熱ピン１５の基部１６から折損しやすかった。また、折損をまぬがれても放熱ピン１５が斜めに傾き曲りやすく、放熱ピン１５同士の相隣間隔が所定の距離に確保されず、期待する放熱特性が得られないという問題があった。また、放熱ピン同様、放熱フィンを形成する場合も同じ問題があった。
【００１３】
したがって、本発明の目的は、放熱ピンや放熱フィンなどの放熱用凸部を有するＡｌ−ＳｉＣ系複合体において、特に溶融金属含浸法の製造工程の中で型を解体して型から抜き出す際に、放熱用凸部の基部から折損すること、および放熱用凸部が傾くことを防止できるＡｌ−ＳｉＣ系複合体およびそれからなる放熱部品を提供することである。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明の第１形態のＡｌ−ＳｉＣ系複合体は、主に炭化ケイ素からなる多孔体にアルミニウムを主成分とする金属を含浸して形成されたＡｌ−ＳｉＣ複合本体部と、Ａｌ−ＳｉＣ複合本体部に含浸アルミニウムで一体形成された放熱用凸部を有するＡｌ−ＳｉＣ系複合体であって、放熱用凸部の基部の部分に位置する該炭化ケイ素からなる多孔体に突出部を設けたことを特徴とする。
【００１５】
また、本発明の第２形態のＡｌ−ＳｉＣ系複合体は、主に炭化ケイ素からなる多孔体にアルミニウムを主成分とする金属を含浸して形成されたＡｌ−ＳｉＣ複合本体部と、Ａｌ−ＳｉＣ複合本体部に含浸アルミニウムで一体形成された放熱用凸部を有するＡｌ−ＳｉＣ系複合体であって、放熱用凸部の基部の部分に位置する該炭化ケイ素からなる多孔体に、放熱用凸部の基部の幅より大きい開口幅をもつ凹部を設けたことを特徴とする。
【００１６】
さらに、本発明の第３形態のＡｌ−ＳｉＣ系複合体は、主に炭化ケイ素からなる多孔体にアルミニウムを主成分とする金属を含浸して形成されたＡｌ−ＳｉＣ複合本体部と、Ａｌ−ＳｉＣ複合本体部に含浸アルミニウムで一体形成された放熱用凸部を有するＡｌ−ＳｉＣ系複合体であって、放熱用凸部の基部の部分に位置する該炭化ケイ素からなる多孔体に、凹部を設けるとともに、該凹部に放熱用凸部形成用の主に炭化ケイ素からなる多孔体を嵌め合わせるように配置させたことを特徴とする。
【００１７】
また本発明は、前記本発明のＡｌ−ＳｉＣ系複合体からなる放熱部品であることを特徴とする。さらに、本発明のＡｌ−ＳｉＣ系複合体からなる放熱部品を具備する半導体モジュール装置であることを特徴とする。
【００１８】
本発明のＡｌ−ＳｉＣ系複合体は、主に炭化ケイ素からなる多孔体にアルミニウムを主成分とする金属を含浸して形成されたＡｌ−ＳｉＣ複合本体部と、Ａｌ−ＳｉＣ複合本体部に含浸アルミニウムで一体形成された放熱用凸部を有する。放熱用凸部の基部の部分に位置している主に炭化ケイ素からなる多孔体に突出部を設けることにより、放熱用凸部の基部への応力集中を従来構造に比べ緩和でき、含浸成形後における放熱用凸部の基部近傍の強度を一層高めることができる。
【００１９】
また、放熱用凸部の基部の部分に位置している炭化ケイ素の多孔体に、放熱用凸部の基部の幅より大きい開口幅をもつ凹部を設ける。すなわち、放熱用凸部の基部に対向する側の開口幅を、放熱用凸部の基部の幅より大きくした凹部を設けることにより、放熱用凸部の基部への応力集中を従来構造に比べ緩和することができる。
【００２０】
また、別に放熱ピン形成用の棒状の炭化ケイ素多孔体を用意して、放熱用凸部の基部の部分に位置している炭化ケイ素多孔体に凹部を設けるとともに、その凹部に放熱用凸部形成用の炭化ケイ素多孔体を嵌め合わせることにより、含浸成形後、放熱用凸部の内部にＡｌ−ＳｉＣ複合本体部が生成されるので、放熱用凸部全体が強固になる。
【００２１】
これら本発明の第１〜第３形態のＡｌ−ＳｉＣ系複合体によれば、放熱用凸部の基部近傍の強度を高めることができ、特に溶融金属含浸法による製造する工程において、加熱溶融したアルミニウムを型内の空間に流し込んだ後、型を解体して型から抜き出す際に、放熱用凸部が基部から折損したり、斜めに傾いたりすることを防止できる。
【００２２】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
【００２３】
図１は本発明の第１形態のＡｌ−ＳｉＣ系複合体の断面図を示す。図１において、Ａｌ−ＳｉＣ系複合体１２は、主に炭化ケイ素からなる多孔体にアルミニウムを主成分とする金属を含浸して形成されたＡｌ−ＳｉＣ複合本体部１３と、Ａｌ−ＳｉＣ複合本体部１３の表面に形成された含浸アルミニウムと実質的に同種のアルミニウムからなるアルミニウム被覆層１４と、Ａｌ−ＳｉＣ複合本体部１３の片側の主面に一体形成された含浸アルミニウムと実質的に同種のアルミニウムからなる放熱用凸部１５を有するヒートシンク１７とから構成されている。
【００２４】
含浸によってＡｌ−ＳｉＣ複合本体部１３を形成する炭化ケイ素からなる多孔体において、含浸と同時に形成される放熱用凸部１５の基部１６に対向する位置に、放熱用凸部１５の先端部１８に向かって連続的に延びている突出部１９を設けている。突出部１９は放熱用凸部１５の内部に収まる形状であればいかなる形状でもよい。
【００２５】
図２は本発明の第２形態のＡｌ−ＳｉＣ系複合体の断面図を示す。図２において、本発明の第２形態の特徴を除いて図１と同様の構成である。含浸によってＡｌ−ＳｉＣ複合本体部１３を形成する炭化ケイ素からなる多孔体において、含浸と同時に形成される放熱用凸部１５の基部１６に対向する位置に、放熱用凸部１５の基部１６の幅より大きい開口幅をもつ凹部２０を設けている。凹部２０は応力集中を緩和するため、できるだけ角部のない半円状に近い形状が望ましい。
【００２６】
図３は本発明の第３形態のＡｌ−ＳｉＣ系複合体の断面図を示す。図３において、本発明の第３形態の特徴を除いて図１と同様の構成である。含浸によってＡｌ−ＳｉＣ複合本体部１３を形成する炭化ケイ素からなる多孔体において、含浸と同時に形成される放熱用凸部１５の基部１６に対向する位置に、凹部２１を設けている。また、２２は放熱用凸部形成用のＡｌ−ＳｉＣ複合本体部であり、凹部２１に放熱用凸部形成用の炭化ケイ素からなる多孔体を嵌め合わせて配置した後、含浸と同時に形成される。
【００２７】
ここで、本発明の第１形態のＡｌ−ＳｉＣ系複合体の製造方法について説明する。なお、本発明の第２形態および第３形態のＡｌ−ＳｉＣ系複合体の製造方法もこれと同様である。まず、平均粒径６０μｍ、純度９８％以上の炭化ケイ素粉末に結合剤、保形剤の溶媒を加え、これを攪拌機で混合して炭化ケイ素のスラリーを得た。このスラリーを、図１に示したＡｌ−ＳｉＣ複合本体部１３の形状にほぼ相似する空間部を有する金型に注入して成形後、冷却して脱型した。これを乾燥して炭化ケイ素の含有量が６０体積％となる炭化ケイ素の多孔体を作製した。得られた炭化ケイ素の多孔体の放熱用凸部の基部に対向する位置には、放熱用凸部の先端部に向かって連続的に延びている突出部１９が形成された。
【００２８】
ついで、図４に示すように、この炭化ケイ素の多孔体２３を、型２４の内壁との間に所定の隙間を確保した状態で、型２４内に装入した。この型２４には、多孔体２３が装入される空間部に連通した放熱用凸部形成用の空間部２５が、多孔体２３の主面と直交する向きに形成されている。そして、多孔体２３を装入した型２４内に加熱溶融したＡｌ−７重量％Ｓｉのアルミニウム合金を圧入した。このアルミニウム合金溶湯は多孔体２３に含浸されるとともに放熱用凸部形成用の空間部２５内に充満される。これにより、放熱用凸部を溶湯含浸と同時に、またＡｌ−ＳｉＣ系複合体と連続一体的に形成できる。
【００２９】
また、アルミニウム合金溶湯を含浸させる際に、溶湯が炭化ケイ素の多孔体２３と型２４の内壁との隙間を通り、アルミニウム被覆層が形成された。含浸完了、冷却後、型２４を解体して型２４から抜き出して、Ａｌ−ＳｉＣ系複合体を作製した。
【００３０】
Ａｌ−ＳｉＣ系複合体を型２４から抜き出す際に、形成された放熱用凸部が基部から折損することはなく、また斜めに傾くこともなく放熱用凸部同士の相隣間隔が所定の距離に確保できた。
【００３１】
このようにして得られたＡｌ−ＳｉＣ系複合体のＡｌ−ＳｉＣ複合本体部からサンプルを切り出し、特性を調べたところ、熱膨張係数は８×１０−６／Ｋ、熱伝導率は１９０Ｗ／（ｍ・Ｋ）であり、良好な低熱膨張・高熱伝導特性を有していた。
【００３２】
また、本発明のＡｌ−ＳｉＣ系複合体からなる放熱部品をセラミックス回路基板に接合したモジュールを、−４０℃〜室温〜＋１２５℃を１サイクルとして１０００サイクルの冷熱サイクル試験にかけた結果、放熱部品とセラミックス基板の接合面が剥離することがなく、熱抵抗を抑えられることを確認できた。
【００３３】
【発明の効果】
本発明の放熱ピンや放熱フィンなどの放熱用凸部を有するＡｌ−ＳｉＣ系複合体によれば、特に溶融金属含浸法の製造工程の中で型を解体して型から抜き出す際に、放熱用凸部の基部から折損すること、および放熱用凸部が傾くことを防止できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１形態のＡｌ−ＳｉＣ系複合体の断面図を示す。
【図２】本発明の第２形態のＡｌ−ＳｉＣ系複合体の断面図を示す。
【図３】本発明の第３形態のＡｌ−ＳｉＣ系複合体の断面図を示す。
【図４】本発明の第１形態のＡｌ−ＳｉＣ系複合体の製造方法を説明するための断面図を示す。
【図５】従来のＡｌ−ＳｉＣ系複合体からなる放熱部品の断面図を示す。
【図６】従来のＩＧＢＴモジュールの一例の断面図を示す。
【符号の説明】
１　セラミックス基板、　２　回路板、　３　銅板、
４　セラミックス回路基板、　５　半導体チップ、　６　放熱基板、　７　はんだ、
８　ヒートシンク、　９　放熱用凸部、　１０　グリス、　１１　ねじ、
１２　Ａｌ−ＳｉＣ系複合体、　１３　Ａｌ−ＳｉＣ複合本体部、
１４　アルミニウム被覆層、　１５　放熱用凸部、　１６　基部、
１７　ヒートシンク、　１８　先端部、　１９　突出部、　２０　凹部、
２１　凹部、　２２　Ａｌ−ＳｉＣ複合本体部、
２３　炭化ケイ素の多孔体、　２４　型、　２５　放熱用凸部形成用の空間部
【図１】
2004022885.tif 000003
【図２】
2004022885.tif 000004
【図３】
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【図４】
2004022885.tif 000006
【図５】
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【図６】
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