鋁?碳化硅質復合體及功率模塊用基底板制造技術

本發(fā)明專利技術提供一種適合作為功率模塊用基底板的鋁?碳化硅質復合體。一種鋁?碳化硅質復合體，其特征在于，在將碳化硅的含有率為50～80體積％的多孔質碳化硅成形體浸透在含有鋁的金屬中而成的板厚2～6mm的平板狀鋁?碳化硅質復合體的外周，設置以含有平均纖維徑為20μm以下且平均縱橫比為100以上的陶瓷纖維的鋁?陶瓷纖維復合體作為主體的外周部，鋁?陶瓷纖維復合體在外周部所占的比例為50面積％以上。

【技術實現(xiàn)步驟摘要】
【國外來華專利技術】
本專利技術涉及適合作為功率模塊用基底板的鋁-碳化硅質復合體及使用該鋁-碳化硅質復合體的功率模塊用基底板。
技術介紹
目前，隨著半導體元件的高集成化、小型化，發(fā)熱量日趨增加，如何使其高效地散熱成為課題。于是，將在具有高絕緣性·高熱傳導性的例如氮化鋁基板、氮化硅基板等陶瓷基板的表面上形成銅制或鋁制的金屬電路，并在背面形成銅制或鋁制的金屬散熱板而得的電路基板用作功率模塊用電路基板。現(xiàn)有電路基板的典型散熱結構是基底板隔著電路基板的背面(散熱面)的金屬板、例如銅板被焊接(日文：半田付け)而成的結構，作為基底板，通常使用銅。然而，在該結構中存在如下問題：在對半導體裝置施加熱負荷的情況下，在焊料層中因基底板和電路基板的熱膨脹系數差而產生裂痕，其結果是，其散熱變得不充分、半導體組件誤動作或破損。因此，作為熱膨脹系數接近電路基板的熱膨脹系數的基底板，提出了鋁-碳化硅質復合體。作為該基底板用的鋁-碳化硅質復合體的制法，將碳化硅多孔體加壓浸透在鋁合金的熔融金屬中的熔融金屬鍛造法(專利文獻1)、以非加壓方式使鋁合金的熔融金屬浸透碳化硅多孔體的非加壓含浸法(專利文獻2)已被實用化。然而，在制作如上所述的散熱組件等的情況下，要求對鋁-碳化硅質復合體進行高精度的外形加工或螺紋孔加工等，為了進行該加工而復合有碳化硅，因此有被加工性差、成本變高的問題。于是，為解決上述問題，慣例是預先將鋁-多孔質碳化硅成形體的加工部分制成被加工性優(yōu)異的鋁合金，利用公知的金屬加工方法進行外形加工或螺紋孔加工。[專利文獻1]日本專利特許3468358號[專利文獻1]日本專利特表平5-507030號公報專利技術內容功率模塊大多隔著基底板與散熱翅片接合而使用，其接合部分的形狀或翹曲也被作為重要特性而列舉出來。在將鋁-碳化硅質復合體用作功率模塊用基底板的情況下，反復使用時，因鋁-碳化硅質復合體的外周鋁合金部與鋁-碳化硅質復合體的熱膨脹系數差而產生熱應力，有時使鋁-碳化硅質復合體出現(xiàn)彎曲或凹坑，基底板與散熱翅片的密合性降低，熱傳導性顯著降低。進而，因為鋁-碳化硅質復合體的形狀歪斜，有時對鋁-碳化硅質復合體施加負荷而出現(xiàn)裂痕。另外，在將多孔質碳化硅成形體浸透在鋁合金中并冷卻時，由鋁-碳化硅質復合體與外周鋁合金部的熱膨脹系數差而產生的熱應力發(fā)生殘留。鋁合金因為強度低，所以有時會以外周加工等的應力為起點，釋放殘留應力，在外周鋁合金部及鋁-碳化硅質復合體中出現(xiàn)裂痕。本專利技術的課題在于提供一種降低鋁-碳化硅質復合體與外周鋁合金部的熱膨脹系數差、且更具有可靠性的鋁-碳化硅質復合體。即，本專利技術為一種鋁-碳化硅質復合體，其特征在于，在包含板厚2～6mm的平板狀鋁-碳化硅質復合體的第一相的除了兩個主面以外的外周，具有包含鋁-陶瓷纖維復合體的第二相，該鋁-碳化硅質復合體是將碳化硅的含有率為50～80體積％的多孔質碳化硅成形體浸透在含有鋁的金屬中而成的，所述鋁-陶瓷纖維復合體以體積率3～20％的比例含有平均纖維徑為20μm以下、平均縱橫比為100以上的陶瓷纖維，該第二相所含的鋁-陶瓷纖維復合體的存在比例是上述第一相的外周面積的50面積％以上。本專利技術中，優(yōu)選鋁-陶瓷纖維復合體的熱膨脹系數小于20×10-6/K，25℃下的強度為200MPa以上，150℃下的強度為150MPa以上。本專利技術中，能夠以鋁-碳化硅質復合體的兩個主面或單個主面被鋁合金層或鋁-陶瓷纖維層覆蓋的方式構成。本專利技術中，優(yōu)選第二相所含的鋁-陶瓷纖維復合體中的陶瓷纖維的含有率相對于鋁-陶瓷纖維復合體整體為3～20體積％。另外，優(yōu)選陶瓷纖維包含選自氧化鋁、二氧化硅、氮化硼、碳化硅及氮化硅中的一種或二種以上。另外，本專利技術為一種功率模塊用基底板，其特征在于，該功率模塊用基底板是對上述鋁-碳化硅質復合體的表面實施鍍敷而成的。本專利技術通過使包含鋁-碳化硅質復合體的第一相的外周部為包含鋁-陶瓷纖維復合體的第二相，可減低鋁-碳化硅質復合體與外周部的熱膨脹系數差，能改善在反復使用時的形狀穩(wěn)定性。本專利技術因為在與陶瓷電路基板進行焊接后的散熱性良好，所以特別適合用作要求高可靠性的功率模塊的基底板。具體實施方式本專利技術是將在多孔質碳化硅成形體的外周部鄰接設置陶瓷纖維而成的成形體浸透在含有鋁的金屬中而得的復合體。本專利技術的復合體具有下述結構：使將多孔質碳化硅成形體浸透在鋁合金中的鋁-碳化硅質復合體的外周部與將陶瓷纖維浸透在鋁合金中的鋁-陶瓷纖維復合體相互鄰接。因此，鋁-碳化硅質復合體與鋁-陶瓷纖維復合體彼此被相同金屬連續(xù)地連接。因而，具有可防止在相互鄰接的多孔質碳化硅成形體與陶瓷纖維所形成的界面發(fā)生剝離等效果。本專利技術中的鋁-碳化硅質復合體的結構例記載于圖1、2，但本專利技術不受此所限。本專利技術中，設于鋁-碳化硅質復合體(第一相)的外周部的鋁-陶瓷纖維復合體(第二相)的存在比例優(yōu)選為鋁-碳化硅質復合體(第一相)的除了兩個主面以外的外周部的50面積％以上。小于50面積％時，無法降低外周鋁合金部與鋁-碳化硅質復合體(第一相)的熱膨脹系數差，有可能在反復使用時出現(xiàn)彎曲或凹坑、或由于在浸透及冷卻時因鋁-碳化硅質復合體與外周鋁合金部的熱膨脹系數差而產生的熱應力導致外周鋁合金部及鋁-碳化硅質復合體(第一相)出現(xiàn)裂痕。應予說明，所謂“主面”是指表面或背面，所謂“兩個主面”是指表背兩面，所謂“一個主面”或單個“單個主面”是指表面或背面中的任一面。本專利技術中，所謂多孔質碳化硅成形體是指具有可浸透金屬的氣孔、且在浸透操作等中不易發(fā)生變形、破壞等、例如具有10MPa左右的機械強度的成形體，例如可舉出燒結體。另外，本專利技術中，陶瓷纖維是指纖維狀的無機化合物的集合體，并不特別要求機械強度，可為毛氈、墊子等任一狀態(tài)。作為陶瓷纖維，可使用含有氧化鋁、二氧化硅、氮化硼、碳化硅、氮化硅等的市售品。其中，因廉價且容易取得而優(yōu)選含有氧化鋁、二氧化硅。另外，因為在纖維方向上的熱傳導率高、容易散熱而優(yōu)選含有碳化硅。另外，本專利技術優(yōu)選鋁-陶瓷纖維復合體(第二相)的熱膨脹系數小于20×10-6/K，25℃下的強度為200MPa以上，150℃下的強度為150MPa以上。若熱膨脹系數為20×10-6/K以上，則鋁-碳化硅質復合體(第一相)與鋁-陶瓷纖維復合體(第二相)的熱膨脹系數差變大，在第一相及第二相出現(xiàn)裂痕，并不理想。另外，25℃下的強度小于200MPa，150℃下的強度小于150MPa時，則因外周加工等機械加工時產生的應力而在鋁-陶瓷纖維復合體(第二相)中出現(xiàn)裂痕，并不理想。本專利技術中使用的陶瓷纖維的體積率優(yōu)選為3～20體積％。如果超過20體積％，則陶瓷纖維的含有率過高，有時在鋁-陶瓷纖維復合體表面大量露出陶瓷纖維，使鍍敷密合性降低。另一方面，如果體積率小于3體積％，則鋁-陶瓷纖維復合體的熱膨脹系數變高，并不理想。另外，優(yōu)選本專利技術中使用的陶瓷纖維的平均纖維徑為20μm以下，平均縱橫比為100以上。平均縱橫比小于100或平均纖維徑超過20μm時，鋁-陶瓷復合體中大量存在強度低的玻璃質粗大粒子，因外周加工等機械加工所致的應力而以玻璃質粗大粒子為起點產生裂痕，故并不理想。所謂“平均纖維徑”是指利用掃描型電子顯微鏡觀測20根以上的陶瓷纖維，通過圖像分析對各纖維的直徑進行計算測量而得的值的平均值。所謂“平均縱橫本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種鋁?碳化硅質復合體，其特征在于，在包含板厚2～6mm的平板狀鋁?碳化硅質復合體的第一相的外周，具有包含鋁?陶瓷纖維復合體的第二相，該鋁?碳化硅質復合體是將碳化硅的含有率為50～80體積％的多孔質碳化硅成形體浸透在含有鋁的金屬中而成的，所述鋁?陶瓷纖維復合體以體積率3～20％的比例含有平均纖維徑為20μm以下、平均縱橫比為100以上的陶瓷纖維，該第二相所含的鋁?陶瓷纖維復合體的存在比例是所述第一相的外周面積的50面積％以上。

【技術特征摘要】
【國外來華專利技術】2014.03.18 JP 2014-0547061.一種鋁-碳化硅質復合體，其特征在于，在包含板厚2～6mm的平板狀鋁-碳化硅質復合體的第一相的外周，具有包含鋁-陶瓷纖維復合體的第二相，該鋁-碳化硅質復合體是將碳化硅的含有率為50～80體積％的多孔質碳化硅成形體浸透在含有鋁的金屬中而成的，所述鋁-陶瓷纖維復合體以體積率3～20％的比例含有平均纖維徑為20μm以下、平均縱橫比為100以上的陶瓷纖維，該第二相所含的鋁-陶瓷纖維復合體的存在比例是所述第一相的外周面積的50面積％以上。2.如權利要求1所述的鋁-碳化硅質復合體，其特征在于，所述鋁-陶瓷纖維復合體的熱膨脹系數小于20×10-6/K，25℃下的強度為200...

【專利技術屬性】
技術研發(fā)人員：后藤大助，廣津留秀樹，谷口佳孝，巖元豪，小柳和則，
申請(專利權)人：電化株式會社，
類型：發(fā)明
國別省市：日本;JP