JP4996600B2 - 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 - Google Patents

Description

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。

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、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。

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課題があった。

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）。
特表平３−５０９８６０号公報。

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課題があった。

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て変形させることで得られる。しかし、この方法によって得られた反りは、ベース板表面にうねりがある場合、形状が一定でなく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や表面の凹凸により、放熱フィンとの間に大きな隙間が生じるといった課題があった。

ベース板表面を加工することで反りを付ける方法もあるが、アルミニウム−炭化珪素質複合体は非常に硬いため、ダイヤモンド等の工具を用い多くの研削が必要となり、コストが高くなるという課題があった。

そこで、上記課題を解決するべく、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。

しかしながら、上記方法を用いて製造されたベース板は、機械加工後に表面アルミニウム合金層の厚みが厚くなり、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裏面に相当する放熱面に窪みが発生する場合があった。

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課題があった。

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。

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（以下、アルミニウム合金という）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、両主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、平板状の炭化珪素質多孔体の面内の厚み差を制御するとともに、含浸時の積層方法を適正化して両主面のアルミニウム層厚、並びに、そのバラツキを制御することで、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。

即ち、本発明は、平板状の炭化珪素質多孔体を面内厚み差が１００μｍ以下になるように成形又は加工した後、面方向の締め付けトルクが１〜２０Ｎｍとなるように離型板で挟み込んで積層し、アルミニウム合金を含浸してなるアルミニウム−炭化珪素質複合体からなり、
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し、該アルミニウム層の平均厚みが１０〜１５０μｍであり、アルミニウム層の面内の厚みの最大値と最小値の差が８０μｍ以下であり、両主面のアルミニウム層の平均厚みの差が５０μｍ以下であり、かつ、上記平板状の炭化珪素質多孔体の形状が長方形、又は穴部を取り囲む部分の外周部が長方形に付加された形状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。

また、本発明は、両主面及び取り付け穴の周囲及び外周部が、アルミニウム合金層、或いは、セラミックス繊維とアルミニウム合金との複合体からなることを特徴とするパワーモジュール用ベース板であり、外周部がアルミニウム−炭化珪素質複合体が露出してな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。

更に、本発明は、アルミニウム−炭化珪素質複合体に１０Ｐａ以上の応力を掛けつつ、温度４５０℃〜５５０℃で３０秒間以上加熱処理することで、反りを形成してなり、反り量が長さ１０ｃｍあたり０〜２００μｍであり、かつ、窪み深さが５０μｍ以下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り、熱伝導率が１８０Ｗ／ｍＫ以上、並びに、温度１５０℃の熱膨張係数が９×１０^−６／Ｋ以下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り、かつ、温度３５０℃で１０分間保持した後、室温で自然冷却するヒートサイクルを１０回施した後の反り量の変化が、長さ１０ｃｍあたり３０μｍ以下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。

加えて、本発明は、アルミニウム−炭化珪素質複合体が高圧含浸法で製造されることを特徴とするパワーモジュール用ベース板であり、パワーモジュール用ベース板にＮｉめっき処理を施して厚さ１〜２０μｍのめっき被膜を形成し、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。

本発明のアルミニウム−炭化珪素質複合体は、低熱膨張、並びに高熱伝導という特性を有する。
また、平板状のアルミニウム−炭化珪素質複合体の両主面を、薄く均一なアルミニウム層とすることで、めっき性を付与すると共に、放熱面となる主面の平面度を著しく改善することができる。このため、従来の反り付け方法に比べて、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、特に高信頼性を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。

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構造図。 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構造図。 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構造図。 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構造図。 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構造図。 実施例１の輪郭形状測定機による反り形状測定結果。

符号の説明

（ａ） アルミニウム−炭化珪素質複合体
（ｂ） アルミニウム合金
（ｃ） φ７ｍｍの貫通穴
（ｄ） 表面アルミニウム合金層
（ｅ） アルミニウム−炭化珪素質複合体
（ｆ） φ１０−４ｍｍの皿穴
（ｇ） アルミニウム−炭化珪素質複合体
（ｈ） Ｍ４ｍｍのタップネジ

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有り、常圧で行う方法と、高圧下で行う方法（高圧含浸法）がある。高圧含浸法には、溶湯鍛造法とダイキャスト法がある。

本発明に好適な方法は、高圧下で含浸を行う高圧含浸法であり、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。
高圧含浸法における溶湯鍛造法とは、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。

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。本発明においては、所定厚みの均一な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１００μｍ以下、好ましくは３０μｍ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１００μｍ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。

プリフォームは、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。このプリフォームを積層して一つのブロックとする際に、面方向の締め付けトルクが１〜２０Ｎｍ、好ましくは２〜１０Ｎｍとなるように離型板で挟み込んで積層する。積層方法は特に限定されないが、例えば、プリフォームを、離型剤を塗布したステンレス製の離型板で挟み積層した後、両側に鉄製の板を配置してボルトで連結して所定締め付けトルクで締め付けて一つのブロックとする方法が挙げられる。面方向の適正な締め付けトルクに関しては、使用するプリフォームの強度により異なるが、締め付けトルクが１Ｎｍ未満では、得られるアルミニウム−炭化珪素質複合体の表面アルミニウム層の厚みが厚くなったり、厚み差が大きくなり過ぎる場合がある。一方、締め付けトルクが２０Ｎｍ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アルミニウム層が局所的に薄く成り過ぎ、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等の問題が発生する場合がある。
また、プリフォームの両面にアルミナまたはシリカを主成分とする繊維を５〜４０質量％含有した成形体を、離型板との間に挟み積層した後、両側に鉄製の板を配置してボルトで連結して所定締め付けトルクで締め付けて一つのブロックとする方法もある。この成形体を予め配置することにより、所定厚みのアルミニウム層を形成でき、表面アルミニウム層の厚みの制御ができるという利点がある。前記成形体中のアルミナまたはシリカを主成分とする繊維含有率が５質量％未満では、含浸後に両主面のアルミニウム層の厚み制御が困難となる場合がある。一方、繊維含有率が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。

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好ましくは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。

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５〜２５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。

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、好ましくは４００℃〜５５０℃、特に好ましくは５００〜５５０℃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加熱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加熱処理工程で、反りが大きく変化してしまう場合がある。

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、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、必要に応じて保形用バインダーの併用が可能である。

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（以下、ＳｉＣという。）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、あまりにも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、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。又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。

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を４０〜８０質量％、好ましくは５０〜７０質量％と、１５μm以下の粒径の炭化珪素微粉を６０〜２０質量％、好ましくは５０〜３０質量％と、を混合した混合粉末が望ましいものとして挙げられる。

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。シリカゾルをバインダーとして用いた場合、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場合がある。そのため、酸化性雰囲気では、８００〜１１００℃、好ましくは９００〜１０５０℃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。

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加する場合、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出来る。また、焼成に関しても乾燥時と同様に焼成温度で使用可能なスペーサーを用いることにより、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。

ＳｉＣプリフォームの形状は、長方形形状（図１（ａ））または穴部を取り囲む部分の外周部が長方形に付加された形状（図２（e）、及び図３（ｇ））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、パワーモジュール用ベース板等として用いるために、外周形状及び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を用いて多くの研削が必要となるので、コストが高くなるという課題がある。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。

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はないが、ベース板の面積の７０％以上、特には８５％以上が好ましい。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られる。一方、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場合がある。

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。

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、外周部、或いは、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、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）。更には、得られる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、穴部等を形成することもできる（図５）。

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からなるアルミニウム層の厚みは、平均厚みが１０〜１５０μｍであり、好ましくは３０〜１００μｍである。アルミニウム層の厚みは、アルミニウム−炭化珪素質複合体表面を研削加工して所定厚みに調整することも可能である。
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等の問題が発生する場合がある。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、平均厚みが１５０μｍを超えると、アルミニウム層の厚みの差が大きくなる場合もある。

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厚みの最大値と最小値の差が８０μｍ以下、好ましくは６０μｍ以下である。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、窪みが発生する。パワーモジュール用ベース板として用いる場合、放熱面にうねりや窪みがあると、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、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著しく低下してしまう場合がある。

本発明のパワーモジュール用ベース板は、両主面のアルミニウム層の平均厚みの差が５０μｍ以下、好ましくは３０μｍ以下である。本発明のパワーモジュール用ベース板は、アルミニウム−炭化珪素質複合体の両主面にアルミニウム層を具備してなる構造であり、アルミニウム−炭化珪素質複合体とアルミニウム層では、熱膨張率が異なる為、両主面のアルミニウム層の平均厚みの差が５０μｍを超えると、その後のモジュール組み立て工程で熱サイクルを付加した際に、反りが変化する問題がある。

形状加工を施されたアルミニウム−炭化珪素質複合体は、所定の反り形状となるように１０Ｐａ以上の応力を掛けつつ、温度４５０〜５５０℃、好ましく５００〜５５０℃で３０秒間以上加熱処理することで、アルミニウム−炭化珪素質複合体をクリープ変形させて反りを付与する。反り付け処理後のアルミニウム−炭化珪素質複合体は、必要に応じて３００℃〜４００℃の温度でアニール処理を行い、反り付け時に発生した残留応力の除去を行う。本発明のパワーモジュール用ベース板は、表面のアルミニウム層の厚みを非常に薄くかつ均一に制御することにより、反り形状はうねりや窪みの少ない理想的な球面形状に近い反り形状（図６）となる。

本発明のパワーモジュール用ベース板の反り量は、長さ１０ｃｍあたり０〜２００μｍ、好ましくは５０〜１５０μｍ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、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著しく低下してしまう場合がある。又、反り量が２００μｍ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してしまう場合がある。

本発明では、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層の厚みを制御することにより、前記ベース板の放熱面を凹凸の少ない、窪み深さ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、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著しく低下してしまう場合がある。

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（温度３５０℃で１０分間保持した後、室温で自然冷却する。）を行った際の形状安定性に優れている。例えば、前記条件のヒートサイクル試験を１０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、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場合がある。

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。

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のが一般的である。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、好ましくは３〜１２μｍである。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場合がある。一方、Ｎｉめっきの厚みが２０μｍを超えると、Ｎｉめっき膜と表面アルミニウム合金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。

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、温度１５０℃の熱膨張係数が９×１０^−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。

次に、実施例及び比較例により本発明をより具体的に説明するが、本発明は、以下の実施例に限定して解釈されるものではない。
（実施例１及び比較例１）
炭化珪素粉末Ａ（大平洋ランダム社製：ＮＧ−１５０、平均粒径：１００μｍ）１００ｇ、炭化珪素粉末Ｂ（大平洋ランダム社製：ＮＧ−２２０、平均粒径：６０μｍ）１００ｇ、炭化珪素粉末Ｃ（屋久島電工社製：ＧＣ−１０００Ｆ、平均粒径：１０μｍ）１００ｇ、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×５．５ｍｍ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９５０℃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、５．０ｍｍの厚みに面加工した後、マシニングセンターで外形寸法が１８３×１３３ｍｍで図２の形状に外周部を加工した。得られたＳｉＣプリフォームの３点曲げ強度を測定した結果、５ＭＰａであった。
比較例１は、成形体寸法を１９０ｍｍ×１４０ｍｍ×５．０ｍｍとした以外は、実施例１と同様の方法でのＳｉＣプリフォームを作製し、面加工を行わず外周部のみ加工を行った。
実施例１及び比較例１で得られた、加工後のＳｉＣプリフォームの厚み測定結果を表１に示す。尚、厚み測定ポイントはプリフォームを９分割した中心部を測定した。

実施例１及び比較例１で得られたＳｉＣプリフォームは、両面をカーボンコートした２１０ｍｍ×１６０ｍｍ×０．８ｍｍの寸法のステンレス板で挟んで、２０枚を積層した後、両側に１２ｍｍ厚みの鉄板を配置して、Ｍ１０のボルト６本で連結して面方向の締め付けトルクが３Ｎｍとなるようにトルクレンチで締め付けて一つのブロックとした。次に、一体としたブロックを電気炉で６００℃に予備加熱した後、あらかじめ加熱しておいた内径４００ｍｍのプレス型内に収め、シリコンを１２質量％、マグネシウムを０．８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分間加圧して炭化珪素質多孔体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離型板の形状に沿って切断し、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。

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φ１０−４ｍｍの皿穴を加工し、外周のアルミニウム層の部分をＮＣ旋盤で加工して、１８７ｍｍ×１３７ｍｍ×５ｍｍの形状とした。
次に、このアルミニウム−炭化珪素質複合体に反りを付与するため、カーボン製で曲率半径が１５０００ｍｍの球面を設けた凹凸型を準備した。この凹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。この凹凸型の間に前記複合体を配置し４０ＫＰａでプレスした。この際、当該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。次に、得られた複合体は、反り付け時の残留歪み除去のために、電気炉で３５０℃の温度で３０分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。その後、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。

得られたアルミニウム−炭化珪素質複合体を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、研削加工により熱膨張係数測定用試験体（直径３ｍｍ長さ１０ｍｍ）、熱伝導率測定用試験体（直径１１ｍｍ厚さ３ｍｍ）を作製した。それぞれの試験体を用いて、温度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；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、長さ１０ｃｍ当たりの反り量及び窪み深さを測定した。得られた結果を表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。

実施例１のめっき品を用いて、温度３５０℃に加熱したホットプレートに当該めっき品を載せ、物温が３５０℃に達した後、１０分間保持した後、室温まで自然冷却するヒートサイクル試験を１０回行った。実施例１のヒートサイクル試験後の長さ１０ｃｍ当たりの反り量の変化は１５μｍであった。

（実施例２）
炭化珪素粉末Ａ（太平洋ランダム社製：ＮＧ−１５０、平均粒径：１００μｍ）１５０ｇ、炭化珪素粉末Ｄ（太平洋ランダム社製：ＮＧ−５００、平均粒径：３０μｍ）５０ｇ、炭化珪素粉末Ｃ（屋久島電工社製：ＧＣ−１０００Ｆ、平均粒径：１０μｍ）１００ｇ、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、４．９ｍｍの厚みに面加工した後、マシニングセンターで外形寸法が１８３×１３３ｍｍで図２の形状のように外周部を加工した。加工後のＳｉＣプリフォームの厚み測定結果を表３に示す。

得られたＳｉＣプリフォームは、両面に１８０ｍｍ×１３０ｍｍ×０．２ｍｍの５質量％アルミナ繊維（田中製紙社製，純度９７％）を配置し、両面をカーボンコートした２１０ｍｍ×１６０ｍｍ×０．８ｍｍの寸法のステンレス板で挟んで、２０枚を積層した後、両側に１２ｍｍ厚みの鉄板を配置して、Ｍ１０のボルト６本で連結して面方向の締め付けトルクが５Ｎｍとなるようにトルクレンチで締め付けて一つのブロックとした。次に、一体としたブロックを実施例１と同様の方法で含浸処理及び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。

得られたアルミニウム−炭化珪素質複合体は、縁周部８カ所に直径７ｍｍの貫通穴、４カ所にφ１０−４ｍｍの皿穴を加工し、外周部を１８７×１３７ｍｍ（コーナー部はＲ７ｍｍ）に加工した（図２参照）。次に、実施例と同様の方法で反り付け処理を行った。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。その後、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。得られた複合体は、実施例１と同様の評価を行った。結果を表４に示す。

（実施例３）
ＳｉＣプリフォームを大気中、温度１１００℃で２時間焼成した以外は、実施例２と同様の方法でＳｉＣプリフォームを作製した。得られたプリフォームの３点曲げ強度は１２ＭＰａであった。加工後のＳｉＣプリフォームの厚み測定結果を表５示す。次に、締め付けトルクを１０Ｎｍに変更して、実施例１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、実施例１と同様のめっき処理を行い、実施例１と同様の評価を行った。結果を表６に示す。

（実施例４）
ＳｉＣプリフォーム形状を１９０×１４０×５．３ｍｍとした以外は、実施例１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、縁周部８カ所に直径８ｍｍの貫通穴及び外周部をウォ−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５参照）。次に、このアルミニウム−炭化珪素質複合体に反りを付与するため、カーボン製で曲率半径が１２０００ｍｍの球面を設けた凹凸型を用い実施例１と同様の方法で反り付けを行った。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。その後、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。得られた複合体は、実施例１と同様の評価を行った。結果を表７に示す。

（実施例５）
実施例１のＳｉＣプリフォームを１８５ｍｍ×１３５ｍｍ×５．０ｍｍに加工した後、ダイヤモンド製の砥石を用いて縁周部１２カ所に直径１０ｍｍの貫通穴を形成した。（図４参照） 次いで、実施例１と同様の方法で、１８７ｍｍ×１３７ｍｍ×５．０ｍｍの複合体を作製し、めっき処理を行った後、実施例１と同様の評価を行った。結果を表８に示す。

（実施例６）
実施例１の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１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。得られた複合体は、実施例１と同様の評価を行い、その結果を表９に示す。

本発明のアルミニウム−炭化珪素質複合体は、半導体部品やセラミックス回路基板と同等レベルの低熱膨張であり、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、高信頼性を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利用可能である。

なお、２００６年４月２６日に出願された日本特許出願２００６−１２２３５０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。

Claims (8)

1. 平板状の炭化珪素質多孔体を面内厚み差が１００μｍ以下になるように成形又は加工した後、面方向の締め付けトルクが１〜２０Ｎｍとなるように離型板で挟み込んで積層し、アルミニウムを主成分とする金属を含浸させたアルミニウム−炭化珪素質複合体からなり、
   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、該アルミニウム層の平均厚みが１０〜１５０μｍであり、アルミニウム層の面内の厚みの最大値と最小値の差が８０μｍ以下であり、両主面のアルミニウム層の平均厚みの差が５０μｍ以下であり、かつ、上記炭化珪素質多孔体の形状が長方形であるか、又は穴部を取り囲む部分の外周部が長方形に付加された形状であることを特徴とするパワーモジュール用ベース板。
2. 両主面及び取り付け穴の周囲及び外周部が、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。
3. 外周部が、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。
4. アルミニウム−炭化珪素質複合体が、１０Ｐａ以上の応力を掛けつつ、温度４５０℃〜５５０℃で３０秒間以上加熱処理して形成した反りの反り量が、長さ１０ｃｍあたり０〜２００μｍであり、かつ、窪み深さが５０μｍ以下である請求項１〜３のいずれか一項に記載のパワーモジュール用ベース板。
5. アルミニウム−炭化珪素質複合体が、熱伝導率が、１８０Ｗ／ｍＫ以上、並びに、温度１５０℃の熱膨張係数が、９×１０^−６／Ｋ以下である請求項１〜４のいずれか一項に記載のパワーモジュール用ベース板。
6. 温度３５０℃で１０分間保持した後、室温で自然冷却するヒートサイクルを１０回施した後の反り量の変化が、長さ１０ｃｍあたり３０μｍ以下である請求項１〜５のいずれか一項に記載のパワーモジュール用ベース板。
7. 高圧含浸法で製造されたアルミニウム−炭化珪素質複合体からなる請求項１〜６のいずれか一項に記載のパワーモジュール用ベース板。
8. 請求項１〜７のいずれか一項に記載のパワーモジュール用ベース板にＮｉめっき処理を施して厚さ１〜２０μｍのめっき被膜を形成し、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。

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