(57)【要約】  パワーモジュール用のベース板等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。  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、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層を有し、側面部及び穴部をウォータージェット加工し、側面には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側面に有しないことを特徴とするアルミニウム−炭化珪素質複合体。
2007129715.tif 000002
【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、
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層を有し、側面部及び穴部をウォータージェット加工し、側面には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ないことを特徴とするアルミニウム−炭化珪素質複合体。
【請求項２】
前記アルミニウムを主成分とする金属が、シリコンを７〜２５質量％含有してなる請求項１に記載のアルミニウム−炭化珪素質複合体。
【請求項３】
前記アルミニウムを主成分とする金属が、マグネシウムを０．５〜０．９質量％含有してなる請求項１または２に記載のアルミニウム−炭化珪素質複合体。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれかに記載のアルミニウム−炭化珪素質複合体を用いてなるパワーモジュール用ベース板。
【請求項５】
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させる方法が、高圧鍛造法の溶湯鍛造法であることを特徴とする請求項1〜４のいずれかに記載のアルミニウム−炭化珪素質複合体の製造方法。
【請求項６】
アルミニウムを主成分とする金属を含浸させた後に、４００〜５５０℃の温度で１０分以上のアニール処理を行う請求項５に記載のアルミニウム−炭化珪素質複合体の製造方法。
【請求項７】
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−炭化珪素質複合体の加工方法であって、
前記アルミニウム−炭化珪素質複合体の側面部及び穴部をウォータージェットにより加工せしめて、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層を有し、かつ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側面に有しないようにすることを特徴とするアルミニウム−炭化珪素質複合体の加工方法。
【請求項８】
前記ウォータージェットによる加圧水圧が２００〜３００ＭＰａ、加工速度が１００ｍｍ／ｍｉｎ以下である請求項７に記載のアルミニウム−炭化珪素質複合体の加工方法。
【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のベース板等として好適なアルミニウム−炭化珪素質複合体及びその加工方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、半導体素子の高集積化、小型化に伴い、発熱量は増加の一途をたどっており、使用される回路基板は、いかに効率よく放熱させるかが課題となっている。このため、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】
従来のパワーモジュール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課題があった。【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）。
【特許文献１】特願平３−５０９８６０号。
【０００５】
近年、パワーモジュール用ベース板形状が複雑化するに伴い、所定の形状とするためにダイヤモンド等の工具を用いた研削等の機械加工が必要となっている。更には、パワーモジュールそのものの小型化に伴い、ベース板の精密加工、並びに実装時のベース板側面の半田付着による寸法変化を防止するため、半田が付着しにくい構造のものが求められている。半田の付着を防止するため、半田との濡れ性が悪い炭化珪素を表出させると顕著な効果があるが、アルミニウム−炭化珪素質複合体は硬い材質であるため、炭化珪素が表出するまで機械加工すると、加工時間が長くなるなど生産性に欠け、高コストになるという難点があった。【０００６】
加えて、機械加工の際にアルミニウム−炭化珪素質複合体の内部に歪みが発生し、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った。そこで、予め最終形状に近い金属製の枠にプリフォームを挿入し含浸を行い、加工量を小さくする等の工夫を行っていた。しかしながら最終形状の金属枠を用いて含浸を行うと、含浸後の金属枠の離型作業が煩雑になったり、離型時に欠けが生じたり、離型後にアルミニウム−炭化珪素質複合体の最終寸法のバラツキが大きくなるという問題があった。
また、外周形状が複雑形状の場合、最終形状の型枠を用いて複合化すると、複合化後の冷却過程でコーナー部分に応力が集中しクラックが発生する問題があった。外周部分がアルミニウム合金からなる例えば図１に示す構造の複合体を作製し、外周部分を機械加工する方法もあるが、この場合も、加工時にアルミニウム合金とアルミニウム−炭化珪素質複合体の熱膨張差に起因する応力のバランスが崩れ、クラックが発生する。このため、複雑形状のベース板を作製するには、製品形状より大きな平板状のアルミニウム−炭化珪素質複合体を作製し、アニール処理等により十分に内部歪みを除去した後、ダイヤモンド製の工具を用いて、外周形状を研削加工する必要があり、この場合、加工コストが非常に高価になってしまうという難点があった。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
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のベース板等として好適なアルミニウム−炭化珪素質複合体及びその加工方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
即ち、本発明は、以下の要旨を有するものである。
（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、
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層を有し、側面部及び穴部をウォータージェット加工し、側面には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ないことを特徴とするアルミニウム−炭化珪素質複合体。
（２）前記アルミニウムを主成分とする金属が、シリコンを７〜２５質量％含有してなる上記（１）に記載のアルミニウム−炭化珪素質複合体。
（３）前記アルミニウムを主成分とする金属が、マグネシウムを０．５〜０．９質量％含有してなる上記（１）又は（２）に記載のアルミニウム−炭化珪素質複合体。
（４）上記（１）〜（３）のいずれかに記載のアルミニウム−炭化珪素質複合体を用いてなるパワーモジュール用ベース板。
（５）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させる方法が、高圧鍛造法の溶湯鍛造法であることを特徴とする上記（１）〜（４）のいずれかに記載のアルミニウム−炭化珪素質複合体の製造方法。
（６）アルミニウムを主成分とする金属を含浸させた後に、４００〜５５０℃の温度で１０分以上のアニール処理を行う上記（５）に記載のアルミニウム−炭化珪素質複合体の製造方法。
（７）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−炭化珪素質複合体の加工方法であって、
前記アルミニウム−炭化珪素質複合体の側面部及び穴部をウォータージェットにより加工せしめて、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層を有し、かつ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側面に有しないようにすることを特徴とするアルミニウム−炭化珪素質複合体の加工方法。
（８）前記ウォータージェットによる加工水圧が２００〜３００ＭＰａ、加工速度が１００ｍｍ／ｍｉｎ以下である上記（７）に記載のアルミニウム−炭化珪素質複合体の加工方法。
【発明の効果】
【０００９】
本発明のアルミニウム−炭化珪素質複合体は、側面にアルミニウム合金からなるアルミニウム層を有しないことにより、実装時の半田付着による寸法変化が小さく、容易に実装できるという特長を有する。また、アルミニウム−炭化珪素質複合体部分をウォータージェットで加工することにより、加工に伴う熱応力の発生がなく、加工時の応力開放によるクラック発生を抑制し、容易に複雑な形状を付加することできるという特長に加え、加工時間が少なくなるという効果を有する。
このため、今後益々多様化する高信頼性を要求される半導体部品搭載用パワーモジュール用のベース板等として好適である。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】実施例１〜３及び比較例１で加工したアルミニウム−炭化珪素質複合体の模式平面図。
【図２】比較例２で用いたＳｉＣプリフォームの模式平面図。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
本発明に用いるアルミニウム−炭化珪素質複合体の製造方法については、炭化珪素質多孔体にアルミニウム合金を含浸する含浸法であれば特に問題はなく、常圧で行う方法、あるいは溶湯鍛造法、ダイキャスト法等の高圧鍛造法など公知の方法で製造することができるが、生産性等の点から溶湯鍛造法が好適である。【００１２】
本発明に係る多孔質炭化珪素成形体（以下、ＳｉＣプリフォームともいう）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、炭化珪素粉末（以下、ＳｉＣ粉末という）にシリカ若しくはアルミナ等を結合材として添加して混合し、成形し、好ましくは８００℃以上で焼成することによって得ることができる。【００１３】
本発明に用いるＳｉＣ粉末は、気相法、アチソン法等の公知の製造方法によって製造された粉末を用いることができる。
また、粒子径分布も特に制限はなく、単独あるいは粒度調整を行って使用しても構わない。例えば、４０μｍ以上の平均粒子径のＳｉＣ粗粉が好ましくは４０〜８０質量％と、１５μｍ以下の平均粒子径のＳｉＣ微粉を好ましくは６０〜２０質量％混合した混合粉末を用いることが一例として挙げられる。【００１４】
本発明に係るＳｉＣ粉末を成形して所定の形状にす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、必要に応じて保形用バインダーの併用が可能である。
乾燥方法については特に制限はないが、１枚ずつ乾燥を行うか、ＳｉＣ粉末の成形体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。【００１５】
次にＳｉＣ粉末の成形体を、脱脂、焼成する。焼成後の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く、より好ましくは５ＭＰａ以上である。焼成温度は８００℃以上、より好ましくは９００℃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応じて適宜決められる。【００１６】
本発明においては、ＳｉＣプリフォームの大きさは最終寸法よりも大きくする必要がある。プリフォーム寸法が最終寸法よりも小さいと含浸後のアルミニウム−炭化珪素質複合体をウォータージェットにて加工した際に、アルミニウム合金層が一つまたは複数の側面に残ってしまう場合がある。【００１７】
次にＳｉＣプリフォームを積層する。従来、ＳｉＣプリフォームは、アルミニウム合金が含浸した際に所定の大きさになるよう、予め決められた型枠内に積層して収め一つのブロックとしていた。一方、本発明では、含浸後にウォータージェットを用いて加工するため含浸の際に型枠を用いなくてもよく、生産性の点で好ましい。本発明で型枠を使用する場合は、最終寸法よりも大きい型枠を用いる必要がある。【００１８】
ＳｉＣプリフォームを積層したブロックを５００〜６５０℃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注ぎ、好ましくは３０ＭＰａ以上、より好ましくは３５ＭＰａ以上の圧力で加圧し、アルミニウム合金をＳｉＣプリフォームの空隙中に含浸させる。その後、含浸したブロックを切り出すと、全面にアルミニウム合金層を有するアルミニウム−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という効果もある。【００１９】
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％、好ましくは９〜１５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るのでより好ましく、含有量としては０．５〜０．９質量％が好ましく、０．７〜０．９質量％がより好ましい。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場合がある。【００２０】
アルミニウム合金含浸後の歪み除去の目的で行うアニール処理は、４００〜５５０℃、好ましくは５００〜５５０℃の温度で１０分間以上、好ましくは３０分間以上行うことが好ましい。アニール温度が４００℃未満であると、複合体内部の歪みが十分に開放されずその後の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、その後の工程で反りが大きく変化してしまう場合がある。【００２１】
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、【００２２】
本発明のアルミニウム−炭化珪素質複合体は、両主面にアルミニウム合金からなるアルミニウム層を有する。このアルミニウム層は、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。アルミニウム層の厚みは、平均厚みが１０〜１５０μｍであることが好ましく、より好ましくは１００μｍ以下である。平均厚みが１０μｍ未満では、その後のめっき前処理等の表面処理時に部分的にアルミニウム−炭化珪素質複合体が露出し、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場合がある。一方、平均厚みが１５０μｍ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する場合がある。
更に、本発明のアルミニウム−炭化珪素質複合体はアルミニウム合金からなるアルミニウム層を側面に有しないことを特徴とするものである。側面にアルミニウム層が残る場合と対照的に、側面にアルミニウム層が有さない場合は、めっき後に側面に付着した半田が容易に除去できるので、半田付着による寸法変化が大幅に小さくなるため、小型化されたパワーモジュールにも容易に実装可能である。
アルミニウム−炭化珪素質複合体の側面は、その全面がアルミニウム層を有しない場合が好ましいが、本発明では、必ずしも全側面がアルミニウム層を有しなくともよく、その一部の側面にアルミニウム層を有しない場合もそれなりの効果を有する。本発明では、なかでも、側面の面積の好ましくは２０％以上、より好ましくは３０％以上がアルミニウム層を有しない場合が好適である。【００２３】
アルミニウム−炭化珪素質複合体を最終寸法に加工するために用いるウォータージェットは、ガーネット等の砥粒を研磨剤として使用する。砥粒の平均粒度は８０〜１５０μｍ、好ましくは１００〜１３０μｍが好適である。加工時の圧力（水圧）及び加工速度は、アルミニウム−炭化珪素質複合体の厚みに応じて適宜決められる。例えば、アルミニウム−炭化珪素質複合体の厚みが３〜５ｍｍの場合、加工は水圧が好ましくは２００〜３００ＭＰａ、より好ましくは２００〜２５０ＭＰａ、加工速度が１００ｍｍ／ｍｉｎ以下、より好ましくは８０ｍｍ／ｍｉｎ以下で行うのが一般的である。圧力が２００ＭＰａ未満であったり、加工速度が１００ｍｍ／ｍｉｎを超えると、切断不良や、加工面と裏面の寸法差が大きくなり加工不良となる場合がある。【００２４】
ウォータージェット加工後に加工面と裏面の寸法差を所定の寸法以下に抑えるためには、ウォータージェット加工機のアブレシブノズル径を小さくしたり、ノズルヘッドを被加工体に対して傾きをつけて加工することが効果的である。
加工条件の一例を挙げるとアルミニウム−炭化珪素質複合体の厚みが５ｍｍであり、水圧２００ＭＰａ及び加工速度１００ｍｍ／ｍｉｎの加工条件でウォータージェット加工する場合、両主面の寸法差を０．６ｍｍ以内に抑えるためには、アブレシブノズル径を１．０ｍｍ以下にするか、ノズルヘッドを被加工体に対して垂直方向から外側に３°〜２０°傾けるとよい。【００２５】
本発明に係るアルミニウム−炭化珪素質複合体は、側面にアルミニウム合金層を有しないことにより、実装時の半田付着による寸法変化が小さく、容易に実装できるという特長を有する。
また、ウォータージェットで加工することにより、容易に複雑な形状に加工できるという特長に加え、加工時間が大幅に短縮するという効果も有する。
このため、今後益々多様化する高信頼性を要求される半導体部品搭載用パワーモジュール用ベース板等として好適である。
【実施例】
【００２６】
以下本発明の実施例によりさらに詳細に説明するが、これらに限定して解釈されるものではない。
（実施例１）
ＳｉＣ粉末Ａ（太平洋ランダム社製：ＮＧ−２２０、平均粒子径：６０μｍ）７０ｇ、ＳｉＣ粉末Ｂ（屋久島電工社製：ＧＣ−１０００Ｆ、平均粒子径：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、１９０ｍｍ×１４０ｍｍ×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。【００２７】
得られたＳｉＣプリフォームを、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、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アルミニウム−炭化珪素質複合体の外周にアルミニウム合金からなるアルミニウム層が１０ｍｍ以下の肉厚になるように切断し、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。【００２８】
次に、アルミニウム−炭化珪素質複合体を図１に示す形状に加工した。ウォータージェット（スギノマシン社製、アブレシブ・ジェットカッタNC）により、圧力２５０ＭＰａ、加工速度５０ｍｍ／ｍｉｎ、アブレシブノズル径１．２ｍｍ、ノズルヘッドを固定した条件で、研磨剤として粒度１００μｍのガーネットを使用し、側面にアルミニウム合金からなるアルミニウム層がなくなるよう加工を行った。【００２９】
（実施例２）
実施例１と同様にアルミニウム−炭化珪素質複合体を作製し、アブレシブノズル径を０．８ｍｍとした以外は実施例１と同様の条件でウォータージェット加工を行った。【００３０】
（実施例３）
実施例１と同様にアルミニウム−炭化珪素質複合体を作製し、ノズルヘッドを被加工体に対し外側に１０°傾けて加工を行った以外は実施例１と同様の条件でウォータージェット加工を行った。【００３１】
（比較例１）
実施例１のアルミニウム−炭化珪素質複合体を用い、機械加工（キタムラ機械社製、ＨＸ４００ｉＦ）にて図１の形状に加工した。【００３２】
（比較例２）
図２に示す寸法（単位：ｍｍ）で厚みが５．０ｍｍの平板状ＳｉＣプリフォームを用いたこと以外は実施例１と同様にアルミニウム−炭化珪素質複合体を作製し、実施例１と同様に図１の形状にウォータージェットにて加工を行った。本比較例のアルミニウム−炭化珪素質複合体の側面には１ｍｍのアルミニウム合金層があった。
（実施例４）【００３３】
実施例１〜３，比較例１，２のアルミニウム−炭化珪素質複合体をそれぞれ１０枚作製し、１枚あたりの加工に要した平均時間を求めた。また、加工後の表裏の寸法差を測定し、平均値を求めた。【００３４】
加工した実施例１〜３，比較例１，２のアルミニウム−炭化珪素質複合体に無電解ニッケルめっき処理を行い、アルミニウム合金からなるアルミニウム層に５μｍ厚みのめっき層を形成した。次に、市販の窒化アルミニウム回路基板（大きさ；１２０ｍｍ×８０ｍｍ、電気化学工業社製）を、窒化アルミニウム回路基板と同一形状で厚みが２００μｍのフラックス入り共晶半田を用いてニッケルめっき処理したアルミニウム−炭化珪素質複合体に接合し、接合後、アルミニウム−炭化珪素質複合体の側面へ半田が付着した枚数を測定した。結果を表１に示す。【００３５】
【表１】
2007129715.tif 000003
【産業上の利用可能性】
【００３６】
本発明のアルミニウム−炭化珪素質複合体は、ウォータージェットで加工することにより、加工時の応力開放によるクラック発生を抑制し、容易に複雑な形状を付加することできるという特長に加え、加工時間が少なくなるという効果を有するので、高信頼性を要求される半導体部品搭載用パワーモジュール用のベース板等として利用可能である。
なお、２００６年５月９日に出願された日本特許出願２００６−１３００４４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】
2007129715.tif 000004
【図２】
2007129715.tif 000005
【国際調査報告】
2007129715.tif 000006
2007129715.tif 000007
2007129715.tif 000008
2007129715.tif 000009