(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
平板状の炭化珪素質多孔体にアルミニウムを主成分とする金属を含浸してなるアルミニウム−炭化珪素質複合体であって、一主面にのみ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層を有し、該アルミニウム層の平均厚みが１〜５００μｍであり、他の主面である裏面はアルミニウム層の研削加工によりアルミニウム−炭化珪素質複合体が露出しており、露出しているアルミニウム−炭化珪素質複合体の形状が長方形又は長方形に外周部の穴部を取り囲む部分が付加された形状であり、かつ、裏面の反り量が長さ１０ｃｍあたり０〜２００μｍであることを特徴とするパワーモジュール用ベース板。
【請求項２】
外周部が、アルミニウムを主成分とする金属層、或いは、セラミックス繊維、セラミックス粒子及びアルミニウムを主成分とする金属との複合体からなる請求項１に記載のパワーモジュール用ベース板。
【請求項３】
外周部が、アルミニウムを主成分とする金属層、或いは、セラミックス繊維、セラミックス粒子及びアルミニウムを主成分とする金属との複合体からなり、該外周部に穴部が設けられている請求項２に記載のパワーモジュール用ベース板。
【請求項４】
外周部は、アルミニウム−炭化珪素質複合体が露出している請求項１に記載のパワーモジュール用ベース板。
【請求項５】
裏面の窪み深さが５０μｍ以下である請求項１〜４のいずれか１項に記載のパワーモジュール用ベース板。
【請求項６】
前記アルミニウム層の平均厚みが１〜１００μｍであり、かつ、厚みの最大値と最小値の差が８０μｍ以下である請求項１〜５のいずれか１項に記載のパワーモジュール用ベース板。
【請求項７】
熱伝導率が１８０Ｗ／ｍＫ以上、及び、熱膨張係数が１０×１０−６／Ｋ以下である請求項１〜６のいずれか１項に記載のパワーモジュール用ベース板。
【請求項８】
アルミニウム−炭化珪素質複合体が高圧鍛造法で製造されることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載のパワーモジュール用ベース板。
【請求項９】
前記炭化珪素質多孔体のベース板面内に占める面積がベース板の面積の７０％以上である請求項１〜８のいずれか１項に記載のパワーモジュール用ベース板。
【請求項１０】
請求項１〜９のいずれか１項に記載のパワーモジュール用ベース板表面にＮｉめっき処理を施して厚さ１〜２０μｍのめっき皮膜を形成し、該めっき皮膜が形成されたベース板に半導体搭載用セラミックス基板を接合してなる放熱部品。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、パワーモジュール用ベース板として好適なアルミニウム−炭化珪素質複合体及びそれを用いた放熱部品に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、半導体素子の高集積化、小型化に伴い、使用時の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、高絶縁性及び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回路基板が、パワーモジュール用回路基板として使用されている。【０００３】
従来の回路基板の典型的な放熱構造は、回路基板の裏面（放熱面）の金属板、例えば銅板を介して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が一般的であった。しかしながら、この構造においては、半導体装置に熱負荷がかかった場合、ベース板と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素子を誤作動させたり、破損させたりするという問題があった。【０００４】
そこで、熱膨張係数を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）。しかし、特許文献１のアルミニウム合金−炭化珪素質複合体は、その形状、特に反り形状に関しては記述がなく、実際にパワーモジュール用のベース板として用いる場合には、十分な放熱特性が得られない場合がある。【０００５】
ベース板は放熱フィンと接合して用いることが多く、その接合部分の形状や反りもまた重要な特性として挙げられる。例えば、ベース板を放熱フィンに接合する場合、一般に高熱伝導性の放熱グリースを接合部に塗布してベース板の周縁部に設けられた穴を利用して放熱フィンや放熱ユニット等にねじ固定するが、ベース板に微少な凹凸が多く存在すると、ベース板と放熱フィンとの間に隙間が生じ、高熱伝導性の放熱グリースを塗布しても、熱伝達性が著しく低下する。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全体の放熱性が著しく低下してしまうという問題があった。【０００６】
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生じないように、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行われている。この反りは、通常所定の形状を有する治具を用い、加熱下、ベース板に圧力を掛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問題があった。また、反り形状のバラツキや表面の凹凸により、放熱フィンとの間に依然として大きな隙間が生じるといった問題があった。【０００７】
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。しかし、この方法はアルミニウム−炭化珪素質複合体が非常に硬いため、ダイヤモンド等の工具による多くの研削が必要となり、コストが高くなるという問題があった。【０００８】
そこで、上記問題を解決するべく、平板状の炭化珪素質多孔体にアルミニウムを主成分とする金属を含浸し、両主面に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。【０００９】
しかしながら、上記方法を用いて製造されたベース板は、前記アルミニウム合金層を機械加工する際に、アルミニウム−炭化珪素質複合体が露出しないように加工する必要がある。このため、ベース板自体の反りや歪み、加工時のバラツキを考慮すると両主面に設けるアルミニウム合金層の厚みが不可避的に厚くなり、そのため、ベース板自体の熱膨張率が大きくなり、パワーモジュール組み立ての際にセラミックス回路基板と半田付けを行うと、セラミックス回路基板の放熱面に窪みが発生することがあった。【００１０】
更に、上記方法においては、両主面のアルミニウム合金層の厚みを均一に制御し、かつ、アルミニウム−炭化珪素質複合体を露出させない様にするため、高度な加工技術が必要となるという問題があった。
【特許文献１】特表平３−５０９８６０号公報。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
本発明は、上記の状況に鑑みてなされたものであり、その目的は、パワーモジュール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】
【００１２】
本発明者は、上記の目的を達成するために鋭意検討した結果、平板状の炭化珪素質多孔体にアルミニウムを主成分とする金属を含浸してなるアルミニウム−炭化珪素質複合体において、一主面（表面）にアルミニウム合金からなるアルミニウム層を配することでめっき性を付与し、裏面のアルミニウム層を研削加工してアルミニウム−炭化珪素質複合体を露出させることで平面度を向上させ得るとの知見を得た。更に、アルミニウム層の厚さを制御することで、裏面のアルミニウム層を研削加工した後の反り形状を制御できるとの知見を得て本発明を完成した。【００１３】
すなわち、本発明は、平板状の炭化珪素質多孔体にアルミニウムを主成分とする金属を含浸してなるアルミニウム−炭化珪素質複合体であって、一主面にのみ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層を有し、該アルミニウム層の平均厚みが１〜５００μｍであり、他の主面である裏面はアルミニウム層の研削加工によりアルミニウム−炭化珪素質複合体が露出しており、露出しているアルミニウム−炭化珪素質複合体の形状が長方形又は長方形に外周部の穴部を取り囲む部分が付加された形状であり、かつ、裏面の反り量が長さ１０ｃｍあたり０〜２００μｍであることを特徴とするパワーモジュール用ベース板である。
【００１４】
また、本発明は、外周部又は外周部と穴部の周囲が、アルミニウムを主成分とする金属層、又は、セラミックス繊維、セラミックス粒子及びアルミニウムを主成分とする金属との複合体からなる前記パワーモジュール用ベース板であり、或いは外周部はアルミニウム−炭化珪素質複合体が露出していることを特徴とする前記パワーモジュール用ベース板である。【００１５】
更に、本発明は、裏面の窪み深さが５０μｍ以下である前記パワーモジュール用ベース板であり、または前記アルミニウム層の平均厚みが１〜１００μｍであり、かつ、厚みの最大値と最小値の差が８０μｍ以下である前記パワーモジュール用ベース板である。
【００１６】
さらに、本発明は、熱伝導率が１８０Ｗ／ｍＫ以上、並びに、熱膨張係数が１０×１０−６／Ｋ以下である前記パワーモジュール用ベース板であり、アルミニウム−炭化珪素質複合体が高圧鍛造法で製造されることを特徴とする前記パワーモジュール用ベース板であり、または前記パワーモジュール用ベース板表面にＮｉめっき処理を施して厚さ１〜２０μｍのめっき皮膜を形成し、該めっき皮膜が形成されたベース板に半導体搭載用セラミックス基板を接合してなる放熱部品である。
【発明の効果】
【００１７】
本発明のアルミニウム−炭化珪素質複合体は、低熱膨張及び高熱伝導という特性を有する。平板状のアルミニウム−炭化珪素質複合体の一主面（裏面）を、アルミニウム合金含浸後に研削加工することにより、放熱面となる加工面の平面度を著しく改善することができ、従来のセラミックス回路基板を反り面に付ける方法に比べて、セラミックス回路基板と半田付けを行った後の放熱性が良好となるため、特に高信頼性が要求される半導体素子を搭載するパワーモジュールのベース板として好適である。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の一実施の形態を示すベース板用アルミニウム−炭化珪素質複合体の説明図。
【図２】本発明の一実施の形態を示すベース板用アルミニウム−炭化珪素質複合体の説明図。
【図３】本発明の一実施の形態を示すベース板用アルミニウム−炭化珪素質複合体の説明図。
【図４】本発明の一実施の形態を示すベース板用アルミニウム−炭化珪素質複合体の説明図。
【図５】本発明の一実施の形態を示すベース板用アルミニウム−炭化珪素質複合体の説明図。
【図６】実施例１の輪郭形状測定機による反り形状測定結果を示すグラフ。
【符号の説明】
【００１９】
１  アルミニウム−炭化珪素質複合体、
２  アルミニウム合金、
３  貫通穴、
４  表面アルミニウム層、
５  皿穴
６  タップネジ穴、
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
金属−セラミックス複合体の製法は、大別すると含浸法と粉末冶金法の２種がある。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有り、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。【００２１】
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（以下、プリフォームという）を装填し、これにアルミニウム合金の溶湯を高温、高圧下で含浸させて複合体を得る方法である。【００２２】
以下、本発明について、溶湯鍛造法による製法例を説明する。
原料である炭化珪素粉末（必要に応じて例えばシリカ等の結合材を添加する）を、成形、焼成してプリフォームを作製する。このプリフォームを積層して一つのブロックとする方法は特に限定されるものではないが、例えば、次の方法が挙げられる。前記プリフォームを、離型剤を塗布した離型板で挟み積層して一つのブロックとする方法、前記プリフォームの片面または両面に、アルミナまたはシリカを主成分とする繊維、及び、球状または破砕形状の粒子を直接接するように配置し、離型板で挟み、一つのブロックとする方法、更には、前記プリフォームを型枠内に収める際に、片面または両面にアルミナまたはシリカを主成分とする繊維、及び／又は、球状または破砕形状の粒子を直接接するように配置した後、型枠内に収め、離型板で挟み積層して一つのブロックとする方法である。【００２３】
次に、前記ブロックを５００〜７５０℃程度で予備加熱後、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に出来るだけ速やかにアルミニウム合金の溶湯を給湯して３０ＭＰａ以上の圧力で加圧し、アルミニウム合金をプリフォームの空隙中に含浸させることで、両主面にアルミニウム層を設けたアルミニウム−炭化珪素質複合体が得られる。なお、含浸時の歪み除去の目的で、含浸品のアニール処理を行うこともある。【００２４】
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、炭化珪素粒子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よい。【００２５】
本発明において、均一な所定厚みのアルミニウム層を形成させるために、プリフォームの面内の厚みバラツキが１５０μｍ以下、好ましくは５０μｍ以下になる様に成形または焼成品を面加工することが好ましい。プリフォームの面内の厚みバラツキが１５０μｍを超えると、得られるアルミニウム−炭化珪素質複合体の表面に形成されるアルミニウム層の厚みのバラツキが大きくなり好ましくない。【００２６】
前記プリフォームは、離型剤を塗布した離型板で挟み積層するか、或いは例えばアルミナまたはシリカを主成分とする繊維６０〜９５質量％、及び、球状または破砕形状の粒子４０〜５質量％を含有する成形体を、プリフォームの片面または両面と離型板との間に挟み積層することが好ましい。この成形体をこのように予め配置することにより、所定厚みのアルミニウム層をプリフォーム表面に形成でき、このアルミニウム層の厚みの制御が容易にできるという利点がある。前記成形体中の球状または破砕形状の粒子の含有率が５質量％未満では、両主面のアルミニウム層の厚み制御が困難となり、一方の主面のアルミニウム層を切削加工した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、粒子の含有率が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てしまう場合がある。【００２７】
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、前記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おそれがある。一方、アニール温度が５５０℃を超えると、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℃であっても前記複合体内部の歪みが十分に開放されず、研削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。【００２８】
本発明に係る多孔質炭化珪素成形体（以下、ＳｉＣプリフォームという）の製造方法に関して特に制限はなく、ＳｉＣプリフォームは公知の方法で製造することが可能である。例えば、炭化珪素粉末にシリカ或いはアルミナ等を結合材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無く、プレス成形、押し出し成形、鋳込み成形等を用いることができる。その際に、必要に応じて保形用バインダーの併用が可能である。【００２９】
アルミニウム−炭化珪素質複合体の特に重要な特性は、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炭化珪素（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、過度にＳｉＣ含有率が高い場合にはアルミニウム合金の含浸操作が容易でなくなる。実用的には、粒径が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。またＳｉＣプリフォームの強度は、曲げ強度で３ＭＰａ以上あれば、取り扱い時や含浸中の割れの心配がなくなるため好ましい。【００３０】
ＳｉＣプリフォームを得る為の、原料ＳｉＣ粉については、粒度調整を行うことが好ましい。粗粉のみでは、強度発現に乏しく、微粉のみでは、得られるアルミニウム−炭化珪素質複合体について高い熱伝導率を望めないからである。本発明者の検討によれば、例えば、４０μｍ以上の粒径の炭化珪素粗粉４０〜８０質量％と、１５μｍ以下の粒径の炭化珪素微粉６０〜２０質量％とを混合した混合粉末が好ましいものとして挙げられる。【００３１】
ＳｉＣプリフォームは、炭化珪素粉末の成形体を、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とすることができる。酸化性雰囲気では、１１００℃を超える温度で焼成すると、炭化珪素の酸化が促進され、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おそれがある。そのため、酸化性雰囲気では、１１００℃以下の温度で焼成することが望ましい。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。【００３２】
本発明に係るＳｉＣプリフォームは、成形時に所定の形状を付与する場合、１枚ずつ乾燥を行うか、或いは、ＳｉＣプリフォーム間にカーボン等のスペーサーを用いて重ねて乾燥することで、乾燥による反り形状変化を防ぐことができる。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。【００３３】
ＳｉＣプリフォームの形状は、長方形形状（図１参照）または長方形に外周部の穴部を取り囲む部分が付加された形状（図２、図３参照）の平板であることが好ましい。本発明のアルミニウム−炭化珪素質複合体は、複合化後にパワーモジュール用ベース板等として用いるために、外周部を所定の形状に形成したり、外周部に取り付け穴等を形成する必要がある。この場合、アルミニウム−炭化珪素質複合体は非常に硬く、ダイヤモンド等の工具による多くの研削が必要となるので、コストが高くなるという問題がある。従って、容易に機械加工できる様に、予め加工部分をアルミニウム合金、或いは、セラミックス繊維、セラミックス粒子及びアルミニウム合金からなる易加工性の複合体としておくことが好ましい。【００３４】
ＳｉＣプリフォームのベース板面内に占める面積は、セラミックス回路基板と接合する部分を満たしていれば特に制約されないが、ベース板の面積の７０％以上であることが好ましい。セラミックス回路基板と接合する部分をアルミニウム−炭化珪素質複合体とすることで、両部材の熱膨張差を抑え、接合部の信頼性を向上させることができる。ＳｉＣプリフォームの面積がベース板の面積の７０％未満では、得られるベース板自体の熱膨張率が大きくなり過ぎて、反り形状や接合部の信頼性が低下するおそれがある。【００３５】
次に、得られたアルミニウム−炭化珪素質複合体の加工方法の例を説明する。本発明のアルミニウム−炭化珪素質複合体は、外周部及び穴部等をＮＣ旋盤、マシニングセンター等の装置を用いて容易に機械加工することができる。また、前記複合体の面加工に関しては、平面研削盤、ベルト研削盤等で研削加工を行い、アルミニウム−炭化珪素質複合体が露出する様に加工することができる。更には、旋盤等により任意の反り形状に加工して球面形状に仕上げることも可能である。【００３６】
前記ＳｉＣプリフォームを用いてアルミニウム−炭化珪素質複合体を作製した後、その外周部、又は外周部及び穴部を、ウォータジェット加工機、放電加工機等を用いて、ベース板外周部の側面にアルミニウム−炭化珪素質複合体が露出する様に加工することもできる（図４参照）。また、ベース板形状より面積の大きいＳｉＣプリフォームを用いてアルミニウム−炭化珪素質複合体を作製した後、前記加工法によりベース板の外周部、穴部等を形成し、外周部と穴部の側面の両方共にアルミニウム−炭化珪素質複合体が露出する様に加工することもできる（図５参照）。そして、得られた加工品は、平面研削盤、ベルト研削盤等で面加工を行い、本発明のパワーモジュール用ベース板とすることができる。【００３７】
加工が施されたアルミニウム−炭化珪素質複合体は、３００〜５５０℃の温度で１０分以上のアニール処理を行い反りを形成する。本発明のアルミニウム−炭化珪素質複合体は、一主面（表面）にアルミニウム層を有しており、前記アニール処理を行うことにより、アルミニウム層とアルミニウム−炭化珪素質複合体の熱膨張差により、反りが発生する。アニール温度が３００℃未満であると、アルミニウム層と複合体との歪みが十分に開放されずに、半田付け等のその後の熱処理工程で反りが変化してしまうことがある。一方、アニール温度が５５０℃を超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３００〜５５０℃であってもアルミニウム合金と複合体の歪みが十分に開放されず、半田付け等のその後の熱処理工程で反りが変化してしまうおそれがある。前記アニール処理により形成される反り形状は、アルミニウム層とアルミニウム−炭化珪素質複合体の熱膨張差によって形成されるため、理想的な球面形状に近い反り形状（図６参照）となる。【００３８】
アルミニウム−炭化珪素質複合体の露出した研削加工面（裏面）のアニール後の反り量は、長さ１０ｃｍあたり０〜２００μｍである。パワーモジュール用ベース板として用いる場合に、放熱面となる研削加工面が凹型に反ると、その後の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、この隙間部にたとえ高熱伝導性の放熱グリースを塗布しても、熱伝達性が著しく低下する。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著しく低下してしまう場合がある。また、反り量が２００μｍを超えると、放熱フィンとの接合の際のネジ留め時に、ベース板やセラミックス回路基板にクラックが発生してしまう場合がある。
【００３９】
放熱面を研削加工することにより、前記複合体の放熱面を凹凸の少ない、窪み深さが５０μｍ以下の形状とすることができる。放熱面の窪み深さが５０μｍを超えると、パワーモジュール用ベース板として用いる場合、その後のモジュール取り付け工程でベース板と放熱フィンとの間に隙間が生じ、この隙間部にたとえ高熱伝導性の放熱グリースを塗布しても、熱伝達性が著しく低下する。その結果、セラミックス回路基板、ベース板及び放熱フィン等で構成されるモジュールの放熱性が著しく低下してしまう場合がある。なお、上記窪み深さは最大値である。【００４０】
回路基板面の反り量は、１０ｃｍあたり−１００〜１００μｍであることが好ましい。回路基板面の反り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、また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、ベース板及び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。【００４１】
アルミニウム−炭化珪素質複合体の表面に設けられるアルミニウム層（以下、表面アルミニウム層ということもある）の厚みは、平均厚みが１〜５００μｍである。表面アルミニウム層の厚みは、前記複合体表面を旋盤等で機械加工して所定厚みに調整することも可能である。前記表面アルミニウム層は、めっき処理を施す際のめっき密着性を確保するために必要である。平均厚みが１μｍ未満では、その後のめっき前処理等の表面処理時にアルミニウム−炭化珪素質複合体が部分的に露出し、その部分にめっき未着が発生したり、めっき密着性が低下する等の問題が発生するおそれがある。一方、平均厚みが５００μｍを超えると、得られるベース板自体の熱膨張率が大きくなり過ぎて、接合部の信頼性が低下したり、前記したアニール後に形成される反り量が大きくなり過ぎることがある。表面アルミニウム層の平均厚みの最適値は、所望する反り量及びベース板の板厚により適宜決められる。
【００４２】
本発明のパワーモジュール用ベース板は、表面アルミニウム層の平均厚みが１〜１００μｍであり、かつ、厚みの最大値と最小値の差が８０μｍ以下であることがより好ましい。平均厚みが１００μｍ以下であると、表面アルミニウム層とアルミニウム−炭化珪素質複合体の熱膨張差により発生する歪み量をより小さくでき、前記ヒートサイクル特性に代表される反り形状の安定性が向上する。また、表面アルミニウム層の厚みの最大値と最小値の差が８０μｍを超えると、表面アルミニウム層の厚み差に起因するうねり等が発生し、セラミックス回路基板等を半田付けする際に半田厚みが不均一となり、放熱特性が低下するおそれがある。【００４３】
本発明のパワーモジュール用ベース板は、パワーモジュールの信頼性の尺度となるヒートサイクル試験（−５０℃〜１５０℃の温度差で１０分間保持する）を行った際の形状安定性に優れており、例えば、前記条件のヒートサイクル試験を３００回実施した後の反り変化量は長さ１０ｃｍ当たり３０μｍ以下である。反り変化量が、１０ｃｍあたり３０μｍを超えると、パワー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、隙間部にたとえ高熱伝導性の放熱グリースを塗布しても、熱伝達性が著しく低下するおそれがある。【００４４】
本発明に係るアルミニウム−炭化珪素質複合体は、良好な放熱特性と共に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。【００４５】
本発明に係るアルミニウム−炭化珪素質複合体は、パワーモジュール用ベース板として用いる場合、セラミックス回路基板と半田付けにより接合して用いられる。この為、ベース板表面には、Ｎｉめっきを施すことが必要である。めっき処理方法は特に限定されず、無電解めっき処理、電気めっき処理法のいずれでもよい。Ｎｉめっきの厚みは１〜２０μｍであることが好ましい。めっき厚みが１μｍ未満では、部分的にめっきピンホールが発生し、半田付け時に半田ボイド（空隙）が発生し、回路基板からの放熱特性が低下するので好ましくない。一方、Ｎｉめっきの厚みが２０μｍを超えると、Ｎｉめっき皮膜と表面アルミニウム層との熱膨張差によりめっき剥離が発生する場合がある。Ｎｉめっき皮膜の純度に関しては、半田濡れ性に支障をきたさないものであれば特に制約はなく、リン、硼素等を含有することができる。【００４６】
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、更にそれを用いたパワーモジュールは、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】
【００４７】
（実施例１〜４）
炭化珪素粉末Ａ（太平洋ランダム社製：ＮＧ−２２０、平均粒径：６０μｍ）２１０ｇ、炭化珪素粉末Ｂ（屋久島電工社製：ＧＣ−１０００Ｆ、平均粒径：１０μｍ）９０ｇ、及びシリカゾル（日産化学社製：スノーテックス）３０ｇを秤取し、攪拌混合機で３０分間混合した後、１９０ｍｍ×１４０ｍｍ×５．８ｍｍ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、温度１２０℃で２時間乾燥後、大気中、温度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。得られたＳｉＣプリフォームは、平面研削盤でダイヤモンド製の砥石を用いて、表１に示す厚みに面加工した後、マシニングセンターで図２の１に示す形状に外周部を加工した。なお、図２はアルミニウム−炭化珪素質複合体を横断面（Ａ−Ａ断面のＢ−Ｂ’部）で模式的に示したものである。図１及び図３〜５も同様である。【００４８】
【表１】
0005144279.tif 000002
【００４９】
得られたＳｉＣプリフォームを、溶湯が流入できる湯口のついた１８５×１３５×５．５ｍｍの鉄製枠に入れ、その際、実施例２，３，４のＳｉＣプリフォームは１８０ｍｍ×１３０ｍｍ×０．２ｍｍのアルミナ繊維（田中製紙社製，純度９７％）をＡ面及びＢ面の少なくとも一方に重ねた後、鉄枠内に収め、両面をカーボンコートしたステンレス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、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鉄枠等を切断し、挟んだステンレス板をはがした後、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】
得られたアルミニウム−炭化珪素質複合体の縁周部８カ所に直径７ｍｍの貫通穴、４カ所に直径１０−４ｍｍの皿穴を加工し、湯口部分を切断した後、平面研削盤にてダイヤモンド製の砥石を用いて片面（表１のＡ面）を０．５ｍｍ研削加工して、１８５×１３５×５ｍｍの形状とした。図２はこのようにして得られたアルミニウム−炭化珪素質複合体を示す。図２において、１はアルミニウム−炭化珪素質複合体、２はアルミニウム合金、３は貫通穴、４は表面アルミニウム層、５は皿穴である。
次に、得られた加工体は、加工時の歪み除去のために、電気炉で５３０℃の温度で１時間アニール処理を行った。次いで、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めっきを行った。これにより、複合体表面に８μｍ厚（Ｎｉ−Ｐ：６μｍ＋Ｎｉ−Ｂ：２μｍ）のめっき層を形成した。【００５１】
得られたアルミニウム−炭化珪素質複合体について、機械加工により各サンプルの対角線に沿って切断を行い、切断により露出した片主面のアルミニウム層の厚みをそれぞれ対角線に等間隔に２０点測定し、その平均の厚みを算出した。また、各サンプルから研削加工により熱膨張係数測定用試験片（直径３ｍｍ、長さ１０ｍｍ）、及び熱伝導率測定用試験片（直径１１ｍｍ、厚さ３ｍｍ）を作製した。それぞれの試験片を用いて、２５〜２５０℃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：ＬＦ／ＴＣＭ−８５１０Ｂ）で測定した。反り形状については、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、各サンプルの長さ１０ｃｍ当たりの反り量及び窪み深さを測定した。結果を表２に示す。また、輪郭形状測定機による実施例１の反り形状測定結果を図６に示す。【００５２】
【表２】
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【００５３】
実施例１のめっき品を用いて、−４０℃〜１５０℃の温度幅で３００回のヒートサイクル試験を行った。実施例１のヒートサイクル試験後の長さ１０ｃｍ当たりの反り量は４５μｍであった。【００５４】
（実施例５、６）
炭化珪素粉末Ｃ（太平洋ランダム社製：ＮＧ−１５０、平均粒径：１００μｍ）１９５ｇ、炭化珪素粉末Ｂ（屋久島電工社製：ＧＣ−１０００Ｆ、平均粒径：１０μｍ）１０５ｇ、及びシリカゾル（日産化学社製：スノーテックス）３０ｇを原料として用いた以外は、実施例１と同様の方法で相対密度が６６％のＳｉＣプリフォームを得た。得られたＳｉＣプリフォームは、平面研削盤でダイヤモンド製の砥石を用いて、表３の厚みに面加工した後、マシニングセンターで図３の１に示す形状に外周部及び穴部を加工した。【００５５】
【表３】
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【００５６】
得られたＳｉＣプリフォームを、実施例６には１８０ｍｍ×１３０ｍｍ×０．２ｍｍのアルミナ繊維（田中製紙製，純度９７％）を片面（Ｂ面）に配し、両面をカーボンコートしたステンレス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、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、挟んだステンレス板をはがした後、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。【００５７】
得られたアルミニウム−炭化珪素質複合体は、平面研削盤にてダイヤモンド製の砥石を用いて片面（表３のＡ面）を０．５ｍｍ研削加工した後、図３に示すように縁周部８カ所に直径７ｍｍの貫通穴３、４カ所に直径４ｍｍのタップネジ穴６を加工し、外周部を１８７×１３７ｍｍ（コーナー部はＲ７ｍｍ）に加工した。次に、加工時の歪み除去のために、電気炉で５３０℃の温度で１時間アニール処理を行った。次いで、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。得られた複合体について実施例１と同様の評価を行った。結果を表４に示す。【００５８】
【表４】
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【００５９】
（実施例７）
ＳｉＣプリフォーム形状を１９０×１４０×５．３ｍｍとした以外は、実施例５と同様の方法でアルミニウム−炭化珪素質複合体を作製した。得られた複合体は、平面研削盤にてダイヤモンド製の砥石を用いて片面を０．３ｍｍ研削加工した後、縁周部８カ所に直径７ｍｍの貫通穴３、４カ所に直径４ｍｍのタップネジ穴６を加工し、外周部をウォ−タ−ジェット加工機にて１８７×１３７ｍｍ（コーナー部はＲ７ｍｍ）に加工した（図４参照）。次に、加工時の歪み除去のために、電気炉で５３０℃の温度で１時間アニール処理を行った。次いで、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めっきを行った。複合体表面に８μｍ厚（Ｎｉ−Ｐ：６μｍ＋Ｎｉ−Ｂ：２μｍ）のめっき層を形成した。得られた複合体について実施例１と同様の評価を行った。結果を表５に示す。【００６０】
【表５】
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【００６１】
（実施例８）
実施例５のＳｉＣプリフォーム形状を１９０×１４０×５．３ｍｍとし、穴加工を行わずに用いる以外は、実施例５と同様の方法でアルミニウム−炭化珪素質複合体を作製した。得られた複合体は、平面研削盤にてダイヤモンド製の砥石を用いて片面０．３ｍｍ研削加工した後、ウォータージェット加工機にて縁周部８カ所に直径７ｍｍの貫通穴３を形成し、外周部を１８７×１３７ｍｍ（コーナー部はＲ７ｍｍ）に加工した。（図５参照）次いで、実施例５と同様の方法で、アニール処理、ブラスト処理、めっき処理を行った。得られた複合体について実施例１と同様の評価を行った。結果を表６に示す。【００６２】
【表６】
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【００６３】
（実施例９）
実施例５のＳｉＣプリフォーム形状を１８０×１１０×５．３ｍｍ（図１参照）に変更した以外は、実施例５と同様の方法でアルミニウム−炭化珪素質複合体を作製し、機械加工、めっき処理を行った。得られた複合体について実施例１と同様の評価を行い、その結果を表７に示す。【００６４】
【表７】
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【００６５】
（実施例１０）
実施例１のアルミニウム−炭化珪素質複合体を、穴加工、湯口切断、平面加工した後に、該複合体に反りを付与するため、カーボン製で曲率半径が１００００ｍｍの球面を有する凹型及び凸型を準備した。この凹型及び凸型を熱プレス機に装着し、加熱して型の表面温度を５１０℃とした。この凹型と凸型の間に前記複合体を配置し４０ＫＰａでプレスした。この際、複合体の側面に熱電対を接触させ測温した。複合体の温度が５００℃になった時点から３分間保持後、加圧を解除し、５０℃まで自然冷却した。得られた複合体の凸面側（研削加工面）の反りを測定した結果、長さ１０ｃｍ当たりの反り量が１４０μｍであった。【００６６】
（実施例１１）
実施例１のアルミニウム−炭化珪素質複合体を、穴加工、湯口切断後に、ダイヤモンド製の砥石を用いて、その片面をマシニングセンターで曲率半径１５０００ｍｍの凸面に研削加工した。次に、加工時の歪み除去のために、電気炉で５３０℃の温度で１時間アニール処理を行った。得られた複合体の凸面側（研削加工面）の反りを測定した結果、長さ１０ｃｍ当たりの反り量が１２０μｍであった。
【産業上の利用可能性】
【００６７】
本発明のアルミニウム−炭化珪素質複合体は、低熱膨張及び高熱伝導という特性を有するので、パワーモジュール用ベース板として使用できる。
なお、２００６年１月１３日に出願された日本特許出願２００６−００５４７５号の明細書、特許請求の範囲、図面及び要約書の全内容をここに引用し、本発明の明細書の開示として、取り入れるものである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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