JP2009188366A - 一体型半導体放熱用基板とその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 絶縁板と、Ｓｉ−Ａｌ複合材と、フィンとを拡散接合にて一体に成形することにより、低熱膨張率と高熱導率をバランスよく機能させてなると共に、Ｓｉ粉の表面をＡｌ粉でコーティングすることによりＳｉとＡｌの密着度を高めることができ、切欠部により歪の発生を抑え、フィンの通孔等により、より放熱効果（冷却効果）を向上させてなる半導体放熱用基板を提供する。
【解決手段】 ＳｉＣ、ＡｌＮ等による絶縁基板と、Ｓｉ−Ａｌ複合材からなる複合材と、Ａｌ板によるフィンとを拡散接合にて一体に成形してなる半導体放熱用基板であって、Ｓｉ−Ａｌ複合材のＳｉを５０ｖｏｌ％以上８０ｖｏｌ％以下とすることを特徴とする半導体放熱用基板。
【選択図】図１

Description

本発明は、低熱膨張率と高熱導率を有してなる半導体放熱用基板に関するものである。

従来の技術としては、Ｓｉを１３ｗｔ％以上８０ｗｔ％以下含有のＡｌ−Ｓｉ合金をダイキャスト法にて３００〜８００Ｋ／ｓｅｃの速度で急冷し、成形することにより、Ｓｉ相の結晶粒径が５０μｍ以下、熱膨張係数が１６×１０^−６Ｋ^−１以下、熱伝導率８０Ｗ／ｍ・Ｋ以上の特性を有し、高熱伝導・低熱膨張を有する放熱材料がある。（特許文献１参照）

また、別の従来技術として、所望によりろう材または金属との濡れ性を確保するためにあらかじめ絶縁基板の接合面を表面処理する工程と、あらかじめろう材または金属との濡れ性を確保するために表面処理されたセラミック粒子を絶縁基板上に載置させる工程と、当該セラミック粒子の上にろう材を配置させる工程と、当該ろう材を加熱溶融し、セラミック粒子間隙に浸透させ、当該ろう材と反応した金属基複合材を製造すると共に当該金属基複合材と絶縁基板とを接合する工程を含む方法により製造されうるヒートシンク機能を付与させた金属基複合材と絶縁基板との接合体からなる積層放熱部材により達成されたものがある。（特許文献２参照）
特開２００１−２８８５２６号公報 特開２００１−２１７３６２号公報

上記前者においては、ダイキャスト法で急冷成形されたもので、本発明の拡散接合（焼結）で成形されたものではなく、かつ、絶縁基板やフィン等を設けた形態ではない。

また、上記後者においては、ろう材を配置してなるもので、周知のとおり、ろう材は熱伝導率が悪く、実用上問題がある。

本発明は、このような従来の構成が有していた問題を解決するもので、絶縁板と、Ｓｉ−Ａｌ複合材と、フィンとを拡散接合にて一体に成形することにより、低熱膨張率と高熱導率をバランスよく機能させてなると共に、Ｓｉ粉の表面をＡｌ粉でコーティングすることによりＳｉとＡｌの密着性を高めることができ、切欠部により歪の発生を抑え、フィンの通孔等により、より放熱効果（冷却効果）を向上させてなる半導体放熱用基板を提供することを目的とする。

本発明は、上記目的を達成するために、ＳｉＣ、ＡｌＮ等による絶縁基板と、Ｓｉ−Ａｌ複合材からなる複合材と、Ａｌ板によるフィンとを拡散接合にて一体に成形してなる半導体放熱用基板であって、Ｓｉ−Ａｌ複合材のＳｉを５０ｖｏｌ％以上８０ｖｏｌ％以下とする。
Ｓｉ−Ａｌ複合材の熱膨張係数を７×１０^−６Ｋ^−１以上とする。
Ｓｉ−Ａｌ複合材の熱伝導率を８０Ｗ／ｍ・Ｋ以上とする。
Ｓｉ−Ａｌ複合材のＳｉ粉の表面をＡｌ粉にてコーティングしてなる。
絶縁基板の下部とフィンの上部に切欠部を形設してなる。
フィンに、バーリング加工した通孔を設けてなる。
フィンの表面に、凹凸部を設けてなる。
フィン間に、棒を貫通して設けてなる。
４５０℃以上５３０℃以下で拡散接合にて一体に成形してなることを特徴とする。

１）、絶縁基板と、Ｓｉ−Ａｌ複合材とフィンとを拡散接合にて一体に成形することにより、低熱膨張率と高熱導率をバランスよく機能させてなる。
２）、Ｓｉ−Ａｌ複合材の熱膨張係数を７×１０^−６Ｋ^−１以上とし、熱伝導率を８０Ｗ／ｍ・Ｋ以上とすることにより、特にバランスのよい機能を有する。
３）、Ｓｉ粉の表面をＡｌ粉にてコーティングすることにより焼結時においてＡｌとの密着性を向上させることができる。
４）、絶縁基板の下部とフィンの上部に切欠部を設けることにより、拡散接合（焼結）時において密着性の向上と、歪の発生を抑えることができる。
５）、フィンにバーリング加工した通孔を設けることにより、水や空気の流れを乱流させることができ、放熱効果を向上させてなる。
６）、フィンに凹凸部や棒を設けることにより、より乱流させることができ、一層放熱効果を向上させてなる。
７）、４５０℃以上５３０℃以下の低温で焼結でき、Ｓｉ−Ａｌ複合材を成形できる。

１は、半導体放熱用基板である。
２は、ＳｉＣ、ＡｌＮ等による絶縁基板（本実施例の場合４箇所）で、下部両側に略Ｖ字形溝状の切欠部２ａを形設してある。
３は、Ａｌによるフィンで、複数個（本実施例の場合７箇所）のバーリング加工した通孔３ａを突設してある。
なお、通孔３ａの数・位置・大きさ等は、必要に応じて決めればよい。
４は、Ｓｉ−Ａｌ複合材で、拡散接合加工にて焼結体成形してなるもので、上部に絶縁基板２を配設し、下部にフィン３を同じく配設してある。
加工方法としては、真空チャンバー（図示せず）内にて、上下より加圧する、超硬等による加圧体Ｋ（１００ＭＰａ以上）及び黒鉛Ｋ１による電極（電流を流す）にて加熱（温度４５０℃以上５３０℃以下）することにより、焼結するものである。
この時、Ｓｉを５０ｖｏｌ％以上８０ｖｏｌ％以下とし、熱特性として熱膨張係数を７×１０^−６Ｋ^−１以上とし、熱伝導率を８０Ｗ／ｍ・Ｋ以上とすべく、ＳｉとＡｌのｖｏｌ％を決める。
また、一層ＳｉとＡｌの密着性（結合）を上げるため、Ｓｉ粉の表面にＡｌ粉をコーティングすることにより、Ｓｉ同志の接触がなく、密着性（密着度）が向上する。

上記半導体放熱用基板１のデータを以下に述べる。
本発明の半導体放熱用基板の熱特性を表１に示す。
Ｓｉが６０ｖｏｌ％のとき、熱伝導率が１００Ｗ／ｍ・Ｋ以上となり、熱膨張係数が８×１０^−６Ｋ^−１以上となることが分かる。

また、Ｓｉ粉の表面にＡｌ粉をコーティングしたものの場合、表２に示すように空気層等による非密着部ＨＢ（黒点の部分）が少なく、密着性が高く、よって熱伝導率が高くなる。

次に、他の実施例を以下に述べる。
フィン２３は、表面に凹凸部２３ｂを設けてなるもので、流入する空気や水に大きな乱流や小さな乱流を混合して発生することができ、放熱効果が向上する。

フィン３３は、Ａｌ製の棒３３ｃを貫通して設けてなるもので、特に棒３３ｃの周囲に乱流を発生させることができ、放熱効果を高めることができる。

なお、上記実施例において、Ａｌの熱伝導率のよさとＳｉの熱膨張率のよさをバランスよく組み合わせたもので、切欠部の形状や数、通孔の位置や数、棒の位置や数等は必要に応じて決めればよい。
また、絶縁基板上には、ハイブリッド車のモーター回路基板等を考えているが、特に限定しない。
さらに、フィンに対しては、空気や水を流入させるが、使用用途に合わせて決めればよい。
さらにまた、Ａｌはすべて純Ａｌを使用するものである。

本発明の第１実施例を示す半導体放熱用基板の一部縦断正面図。 本発明の第１実施例を示す半導体放熱用基板の平面図。 本発明の第１実施例を示す半導体放熱用基板の一部縦断側面図。 本発明の第１実施例を示す半導体放熱用基板のＳｉのコーティング図。 本発明の第１実施例を示す半導体放熱用基板の加工状態図。 本発明の第２実施例を示す半導体放熱用基板のフィンの側面図。 本発明の第３実施例を示す半導体放熱用基板のフィンの側面図。

符号の説明

１――――半導体放熱用基板
２――――絶縁基板
２ａ―――切欠部
３――――フィン
３ａ―――通孔
３３ｃ――棒
４――――Ｓｉ−Ａｌ複合材
ＨＢ―――非密着部

Claims (10)

1. Ｓｉ粉およびＡｌ粉を焼結してなるＳｉ−Ａｌ複合材の半導体放熱用基板であって、Ｓｉを５０ｖｏｌ％以上８０ｖｏｌ％以下とすることを特徴とする半導体放熱用基板。
2. 請求項１記載の半導体放熱用基板の焼結と同時に、ＳｉＣやＡｌＮ等による絶縁基板およびＡｌ板のフィンを拡散接合により一体化した半導体放熱用基板。
3. Ｓｉ−Ａｌ複合材の熱膨張係数を７×１０^−６Ｋ^−１以上とすることを特徴とする請求項１記載の半導体放熱用基板。
4. Ｓｉ−Ａｌ複合材の熱伝導率を８０Ｗ／ｍ・Ｋ以上とすることを特徴とする請求項１、２又は３記載の半導体放熱用基板。
5. Ｓｉ−Ａｌ複合材のＳｉの表面をＡｌ粉にてコーティングしてなることを特徴とする請求項１、２、３又は４記載の半導体放熱用基板。
6. 絶縁基板の下部とフィンの上部に切欠部を形設してなることを特徴とする請求項１、２、３、４又は５記載の半導体放熱用基板。
7. フィンに、バーリング加工した通孔を設けてなることを特徴とする請求項１、２、３、４、５又は６記載の半導体放熱用基板。
8. フィンの表面に、凹凸部を設けてなることを特徴とする請求項１、２、３、４、５、６又は７記載の半導体放熱用基板。
9. フィン間に、棒を貫通して設けてなることを特徴とする請求項１、２、３、４、５、６、７又は８記載の半導体放熱用基板。
10. 横型通電焼結機により拡散接合温度４５０℃以上５３０℃以下，加圧力１００ＭＰａ以上で一体に成形してなることを特徴とする請求項１、２、３、４、５、６、７、８又は９記載の半導体放熱用基板。

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