JP6645966B2 - 放熱部品及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、放熱部品及びその製造方法に関する。

半導体素子から発生する熱を放散させるために、半導体素子が実装される回路基板にはベース板が接合され、さらにベース板の反対の板面には放熱フィン等の放熱部品が接合される。このような用途のベース板として、熱伝導性が高く、接合される回路基板に近い熱膨張係数を有する、アルミニウム又はアルミニウム合金と炭化珪素とからなる複合体が用いられる（特許文献１）。

上記の用途で、平坦なベース板を用いる場合、ベース板と回路基板との熱膨張係数の差から、両者の接合時に発生する応力やその後の樹脂封止等によるパッケージ化の際に発生する応力のため、放熱フィン等と密着させる側のベース板面が凹型に反ってしまい、放熱フィンをベース板に固定する際、十分な密着性が得られない。

この問題を解決する手段として、放熱フィン等と接合させるベース板の板面を予め凸型に反らせておく反り付け加工の技術がある（特許文献２）。

特願平３−５０９８６０号 特開平１１−３３０３０８号公報

しかしながら、従来の反り付け加工では、実装後のヒートサイクル等の環境下では、ベース板の反りが変動するという問題があった。
また、ベース板に応力をかけつつ加熱処理して反りを付与する方法では、セラミックス基板とベース板との半田接合及び樹脂封止等のパッケージ化後に、本来目的とする放熱フィンと密着させる側の面が凸型ではなく凹型の反り形状となる、いわゆる反りの戻りが大きく、その結果、放熱性に劣ることが問題であった。

本発明によれば、回路基板を接合した後における反りの戻りが小さく、放熱性に優れた放熱部品の製造方法及び該製造方法により製造される放熱部品が提供される。

本発明によれば、炭化珪素とアルミニウム合金とからなる複合化部を含む、反りを有する平板状の放熱部品の製造方法であって、４５０℃以上の表面温度を有する、曲率半径７０００ｍｍ〜３００００ｍｍの１対の対向する球面を有する凹凸型で放熱部品を挟み、該放熱部品の温度が４５０℃以上の温度となるように、１０ＫＰａ以上の応力で３０秒以上プレスすることを特徴とする放熱部品の製造方法が提供される。

本発明の一態様によれば、上記の製造方法において、前記曲率半径が２００００ｍｍ〜３００００ｍｍであることを特徴とする。

本発明の一態様によれば、上記の製造方法により製造した放熱部品が、反り付与前の１０ｃｍあたりの反り量をＸ、反り付与後の１０ｃｍあたりの反り量を（Ｘ＋Ｙ）とし、反り付与後の放熱部品を３２０℃以下の温度で１時間以上加熱処理した後の１０ｃｍあたりの反り量を（Ｘ＋Ｚ）としたとき、ＹとＺとの間に、（Ｙ−Ｚ）＜（Ｙ／２）なる関係を満たすことを特徴とする。

本発明の一態様によれば、上記の製造方法において、（Ｙ−Ｚ）が１８μｍ以下であることを特徴とする。

本発明の一態様によれば、上記の製造方法において、（Ｙ／２）−（Ｙ−Ｚ）が１μｍ〜８０μｍであることを特徴とする。

また本発明によれば、上記のいずれかの製造方法により製造される放熱部品が提供される。

本発明によれば、回路基板を接合した後における反りの戻りが小さく、放熱性に優れた放熱部品の製造方法及び該製造方法により製造される放熱部品を提供することができる。

放熱部品の反り量を説明する図である。 本発明の実施形態に係る製造方法のプレス構造を説明する概念的な図であり、図２（ａ）はプレス前の状態、図２（ｂ）はプレス時の状態、図２（ｃ）はプレス後の状態を示している。

以下、実施形態により本発明をさらに詳細に説明する。しかし、本発明がこれらの実施形態に限定されないことは自明である。

本発明において、「反り量」とは、平板状の放熱部品の中心部（放熱部品の中心部とは、略矩形状の平板の板面における、対角線の交点としてよい）が中点となる、放熱部品の板面の長辺方向又は短辺方向の線分の端点同士を結ぶ直線を想定し、この直線の垂線のうちで上記中心部を通る垂線の長さを図り、これを反り量と定義する。
例えば、図１の例では、放熱部品の中心部Ｏが中点となり、Ｐ１およびＰ２が長辺方向又は短辺方向の線分の端点となる。このＰ１とＰ２とを結ぶ直線を想定し、この直線から中心部Ｏへ引いた垂線の長さをＬとする。このとき、Ｐ１とＰ２とを結ぶ直線の長さをＭとして、長さＭに対する長さＬの値を反り量とする。例えば、長さＭを１０ｃｍとしたときの、長さＬの換算値を、１０ｃｍあたりの反り量とする。

本発明において、「球面」とは、平面上の曲線を、その平面上の一直線のまわりに回転させたときにできる曲面として定義できる。

本実施形態の放熱部品の製造方法は、炭化珪素とアルミニウム合金とからなる複合化部を含む、反りを有する平板状の放熱部品の製造方法であって、４５０℃以上の表面温度を有する、曲率半径７０００ｍｍ〜３００００ｍｍの１対の対向する球面を有する凹凸型で放熱部品を挟み、該放熱部品の温度が４５０℃以上の温度となるように、１０ＫＰａ以上の応力で３０秒以上プレスすることを特徴とする。
上記の構成を備える製造方法により、反りの戻りが小さく、放熱フィン等の他の放熱部品に接したときの密着性が良いため放熱性に優れる放熱部品が提供される。その結果、半導体素子等を実装して高信頼性のモジュールを安定して生産性良く得ることができる。

本実施形態では、ベース板（放熱部品）の表面全面に応力を付与するに際し、曲率半径が７０００ｍｍ〜３００００ｍｍである球面形状を有する凹型と前記球面と同じ曲率半径の球面形状を有するの凸型の２個からなる型（以下、この一対の型を凹凸型と呼ぶ）を用いる。凹凸型の前記球面の間にベース板を挟み、ベース板が挟まれる方向に応力を付与しながら（いわゆるプレスを行いながら）加熱する方法が採用される。

上記の方法では、予めベース板を挟み込んだ１対の型を加熱しておき、プレス機にてプレスする方法、若しくは荷重をかける方法や予め所定温度に加熱した一対の型にベース板を投入し、プレスする方法、さらにはこの際、予めベース板を加熱しておく方法等が採用される。

プレス型は図２に示されるようなものであり、放熱部品１を挟む、プレス凸型２とプレス凹型３とを有する（図２（ａ））。一対のプレス凸型２とプレス凹型３とを対向させて放熱部品１を挟み（図２（ｂ））、上記の条件で加熱プレスを行うことにより、放熱部品１に所定の反りを付与する（図２（ｃ））。
上記の方法により、放熱部品１は、放熱部品１の板面の長手方向及び短手方向における１０ｃｍあたり５μｍ〜２００μｍの反り量を付与されてもよい。

回路基板接合時には、その熱膨張係数差により、放熱部品には凸面が凹面に向かうような力が一般的には働き、そのため放熱部品の形状によっては、一部で凹型の領域が発生しやすくなるが、球面形状の反りとすることによって、前記した力が作用しても、一部の領域が凹型となるまでには変形しないので、モジュールとしたときに放熱フィン等の接合が十分に維持され、高信頼性のモジュールを得ることができる。

本実施形態において、アルミニウム合金と炭化珪素とを含む複合体であることから、反りの付与にあたっては、そのマトリックスとなるアルミニウム或いはアルミニウム合金部が溶融しない範囲内の温度で、ベース板ができるだけ高い温度となることが好ましく、具体的には４５０℃〜５５０℃程度の温度域で処理することが好適である。

また、応力は１０ＫＰａ以上がよく、好ましくは３０ＫＰａ以上２５０ＫＰａ以下である。ベース板の板厚や反り付与時の温度等に応じて最適応力を実験的に決めればよい。

本実施形態では、放熱部品が加熱された対向する球面型間に挟まれることにより加熱されるのが一般的である。したがって、複合体自体が４５０℃以上の温度になるには、複合体の厚み、面積等により影響を受けるが、放熱部品自体の温度が実質的に４５０℃以上の温度下で３０秒以上３００秒以下、プレスされれば、本実施形態の特性を有する放熱部品が得られる。

なお、本実施形態に使用される１対の凹凸型の材質としては、本実施形態の加熱処理温度で特定時間その形状を維持できるものであれば材質を問わないが、カーボン、窒化ほう素等のセラミックスや超硬合金、ステンレス鋼といった金属材料が好ましく使用される。

放熱部品をプレスするための一対のプレス型のプレス面は、曲率半径が２００００ｍｍ〜３００００ｍｍの球面形状を有してもよい。曲率半径が２００００ｍｍ〜３００００ｍｍであることにより、加熱処理による反り量の変化を小さくすることができる。

上記の放熱部品が、反り付与前の１０ｃｍあたりの反り量をＸ、反り付与後の１０ｃｍあたりの反り量を（Ｘ＋Ｙ）とし、反り付与後の放熱部品を３２０℃以下の温度で１時間以上加熱処理した後の１０ｃｍあたりの反り量を（Ｘ＋Ｚ）としたとき、ＹとＺとの間に、（Ｙ−Ｚ）＜（Ｙ／２）なる関係を満たすようにしてもよい。

反りの付与については、付与前の１０ｃｍあたりの反り量がＸμｍであって、付与後の１０ｃｍあたりの反り量が（Ｘ＋Ｙ）μｍとなった場合には、付与した１０ｃｍあたりの反り量はＹμｍとなる。また、反り量の戻りについては、前記の１０ｃｍあたりの反り量が（Ｘ＋Ｙ）μｍであったものを３２０℃以下の温度で１時間以上加熱処理し、１０ｃｍあたりの反り量が（Ｘ＋Ｚ）μｍとなった場合には、（Ｙ−Ｚ）μｍと定義される。
上記の製造方法においては、（Ｙ−Ｚ）について、（Ｙ−Ｚ）＜（Ｙ／２）となる関係を満足することにより、反りの戻りが小さく、より放熱性に優れた放熱部品を提供することができる。

上記の温度で１時間以上加熱処理を施した前後における反り量の関係を、上記のように規定することにより、付与した反り量の５０％以上が維持でき、そのためセラミックス回路基板等を実際に半田付けし、さらに樹脂封止等のパッケージした後も、放熱部品の放熱フィン固定側が凸面の状態に維持され、放熱性に優れたモジュールを得ることができる。

なお、（Ｙ−Ｚ）が１８μｍ以下であってもよい。加熱処理の前後における反り量の戻りが、１８μｍ以下であることにより、放熱部品の形状が均一に保たれ、生産性良く放熱部品を製造することができる。

なお、（Ｙ／２）−（Ｙ−Ｚ）が１μｍ〜８０μｍの範囲であってもよい。このような範囲とすることにより、より密着性が良く、放熱性に優れる放熱部品を製造することができる。

本実施形態の製造方法によれば、加熱後の反りの戻り量が小さく、球面に近い形状の反りを有する放熱部品が得られる。

本実施形態で用いられるアルミニウム合金と炭化珪素とを含む複合体としては、アルミニウム又はアルミニウム合金、炭化珪素の両者が三次元的に網目構造を有する複合体が好ましく適用でき、中でも、炭化珪素粉粒を成形体とし前記成形体中の空隙部にアルミニウム又はアルミニウムを含有する合金を含浸させて得られる複合体は高熱伝導率でしかも低膨張率を有することから一層好ましい。

このような複合体を得るためには、例えば、高圧鍛造法を用いることができる。高圧鍛造法においては、後述するアルミニウム又はアルミニウム合金（以下、単にアルミニウムという）を含浸する工程での割れ等の異常発生を防止したり、得られる複合体が高熱伝導率、低膨張率、高強度等の特性を満足することを目的に、炭化珪素を予め成形体（プリフォーム）とし、これにアルミニウムを含浸させることができる。

炭化珪素のプリフォームを作製する方法としては、炭化珪素粉末と有機バインダー及び焼成後の強度を維持するために無機バインダー等を混合した混合粉末をプレス成形後、空気中もしくは不活性雰囲気中で焼成しプリフォーム化する方法、前記混合粉末にさらに水や溶剤及び可塑剤、分散剤等を添加し混練後、押し出し成形、焼成する方法、前記混合物を低粘度のスラリーとし、型に注入成形し、焼成するインジェクション法、さらにはスラリーを所定の吸水性を有する型に充填し、加圧成形する湿式加圧成形法等の公知の方法が採用できる。

本実施形態に利用する場合、炭化珪素含有率は、その用途に応じて適宜選択できるが、高い熱伝導率を有し、かつ熱膨張係数が６〜９ｐｐｍ／Ｋ程度のアルミニウム−炭化珪素質ベース板を得るには、いずれの方法でプリフォームを作製するにしても、プリフォームの相対密度を５０％以上、より好ましくは６０％以上とすることが望ましい。そのために、炭化珪素原料として異なった粒径を有する２種以上の原料粉末を適宜混合することが効果的である。相対密度は、アルキメデス法等によって測定することができる。

プリフォームにアルミニウムを含浸させて複合体とする工程では、炭化珪素質プリフォームを金型にセットしたのち、金型に溶融したアルミニウムを投入、溶融アルミニウムをプレスすることによりプリフォームの空隙内にアルミニウムが含浸され、冷却を通してアルミニウム−炭化珪素質複合体が作製される。

この際、含浸を円滑に行うため、プリフォームは予め予熱される。また、含浸するアルミニウム原料としては、低溶融温度化、含浸のしやすさ及び含浸後の機械特性の向上等を目的に、珪素を６〜１８質量％含有するアルミニウム−珪素系合金やさらにプリフォームとの濡れ性向上を目的としてマグネシウムを３質量％まで添加したアルミニウム−珪素−マグネシウム系合金等が使用される。

いずれの合金を使用するかは任意に選択できるが、一般には８００℃〜９００℃で溶融したアルミニウム合金が含浸される。上記方法で作製されたアルミニウム−炭化珪素質複合体は、そのままの状態、もしくはその後所定の形状にその表面及び外周を加工され、更に必要に応じてメッキ等の表面処理を施され、放熱部品となる。

以上の工程により得られた放熱部品は、前述した通りに、平坦であったり、制御されていない反りが存在するが、本実施形態の方法により、球状の反り量が制御された放熱部品となる。

上記の実施形態の放熱部品の製造方法により、セラミックス回路基板との半田接合や樹脂封止等のパッケージ化後にも放熱フィンとの密着性が高い放熱部品が提供される。

以下では、実施例及び比較例に基づき、本発明を説明する。
（実施例１）
相対密度が６５％であり、炭化珪素からなる、寸法が１７９ｍｍ×１２９ｍｍで厚みが４．９ｍｍのプリフォームを、寸法が１８２ｍｍ×１３２ｍｍの寸法で深さが５．０ｍｍのキャビティーを有する湯口付きの金型内にセットした。
これを６００℃で１時間加熱した後、すぐに１２質量％の珪素と０．９質量％のマグネシウムを含有する溶融アルミニウム合金を注入し、高圧プレスをすることにより、プリフォーム内の空隙にアルミニウム合金を含浸させた。冷却後、金型から脱型してアルミニウム‐炭化珪素質複合体を得た。

得られた複合体の外周を加工することにより、寸法が１８０ｍｍ（長手と呼ぶ）×１３０ｍｍ（短手と呼ぶ）で厚みが５ｍｍのベース板とした。なお、このときの表面はアルミニウム合金で覆われていた。

前記ベース板について反り量を測定した。反り量の測定はレーザー三次元形状測定器（株式会社キーエンス製：ＬＫ−Ｇ５００）で行い、測定範囲はベース板の中央が中点となるように長手方向で１００ｍｍ、短手方向で１００ｍｍとした。
なお、長手方向、短手方向とも測定位置はベース板の中心を通るラインとした。反り量を測定した結果、片面が長手方向、短手方向ともに凸状、反対面が凹状の反り形状を示した。この凸面について、測定範囲の両端をゼロに換算した際のライン中の最高高さ、すなわち反り量を調べたところ、長手方向で１６μｍ、短手方向で１４μｍであった。

前記ベース板に反りを付与するため、ＳＵＳ製で曲率半径が１００００ｍｍ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４６０℃とした。この凹凸型の間に前記ベ−ス板を配置し４０ＫＰａでプレスした。この際、ベース板の側面に熱電対を接触させ測温した。ベース板の温度が４５０℃になった時点から３分間保持後、急冷し、加圧を解除した。
得られたベース板の凸面側の反り量を測定した結果、長手方向が１３５μｍ、短手方向は１２２μｍであった。

前記ベース板をさらに３２０℃で２時間加熱後、反り量を測定した結果、長手方向が１２２μｍ、短手方向は１１１μｍであった。これらの結果を表１及び２に示した。

（実施例２）
曲率半径が７０００ｍｍの型を使用したこと以外は、すべて実施例１と同じ方法でベース板を処理した。各段階での反り量を表１及び２に示した。

（実施例３）
曲率半径が２００００ｍｍの型を使用したこと以外は、すべて実施例１と同じ方法でベース板を処理した。各段階での反り量を表１及び２に示した。

（実施例４）
曲率半径が３００００ｍｍの型を使用したこと以外は、すべて実施例１と同じ方法でベース板を処理した。各段階での反り量を表１及び２に示した。

（実施例５）
型の表面温度を５６０℃にしたこと、プレス圧力を１０ＫＰａにしたこと、ベース板の温度が５５０℃になった時点から０．５分（３０秒）保持したこと以外は、すべて実施例１と同じ方法でベース板を処理した。各段階での反り量を表１及び２に示した。

（実施例６）
型の表面温度を５３０℃にしたこと、プレス圧力を３０ＫＰａにしたこと、ベース板の温度が５２０℃になった時点から４分保持したこと以外は、すべて実施例１と同じ方法でベース板を処理した。各段階での反り量を表１及び２に示した。

（実施例７）
曲率半径が１５０００ｍｍの型を使用したこと、型の表面温度を５６０℃としたこと、プレス圧力を１０ＫＰａにしたこと、ベース板の温度が５５０℃になった時点から０．５分保持したこと、さらに反り付与後の加熱処理を２７０℃、３時間としたこと以外は、すべて実施例１と同じ方法でベース板を処理した。各段階での反り量を表１及び２に示した。

（実施例８）
曲率半径が１５０００ｍｍの型を使用したこと、プレス圧力を４０ＫＰａにしたこと及び保持時間を４分としたこと、さらに反り付与後の加熱処理を２７０℃、３時間としたこと以外は、すべて実施例２と同じ方法でベース板を処理した。各段階での反り量を表１及び２に示した。

（実施例９）
曲率半径が１５０００ｍｍの型を使用したこと、型の表面温度を５３０℃としたこと、プレス圧力を３０ＫＰａにしたこと、ベース板の温度が５２０℃になった時点から３分保持したこと、さらに反り付与後の加熱処理を２７０℃、３時間としたこと以外は、すべて実施例３と同じ方法でベース板を処理した。各段階での反り量を表１及び２に示した。

（比較例１）
型の表面温度を５６０℃としたこと、プレス圧力を８ＫＰａとしたこと、ベース板の温度が５５０℃になった時点から３分保持したこと以外は、すべて実施例１と同じ方法でベース板を処理した。各段階での反り量を表１及び２に示した。

（比較例２）
型の温度を４４０℃としたこと、ベース板温度を４３０℃にしたこと、プレス圧力を１０ＫＰａとしたこと、プレス時間を０．５分（３０秒）としたこと以外は、すべて実施例１と同じ方法でベース板を処理した。各段階での反り量を表１及び２に示した。

（比較例３）
型の温度を５３０℃としたこと、ベース板温度を５２０℃にしたこと、プレス圧力を３０ＫＰａとしたこと、保持時間を０．２５分（１５秒）とした以外は、すべて実施例４と同じ方法でベース板を処理した。各段階での反り量を表１及び２に示した。

（比較例４）
曲率半径が１５０００ｍｍの型を使用したこと、型の温度を５６０℃としたこと、ベース板温度を５５０℃にしたこと、プレス圧力を１０ＫＰａとしたこと、保持時間を０．２５分（１５秒）としたこと、さらに反り付与後の加熱処理を２７０℃、３時間としたこと以外は、すべて実施例１と同じ方法でベース板を処理した。各段階での反り量を表１及び２に示した。

（比較例５）
曲率半径が５０００ｍｍの型を使用したこと、プレス時間を４分としたこと、以外は、すべて実施例１と同じ方法でベース板を処理した。反り付与後の外観検査を実施したところ、ベース板にクラックが確認された。

（比較例６）
曲率半径が３５０００ｍｍの型を使用したことしたこと以外は、すべて実施例１と同じ方法でベース板を処理した。各段階での反り量を表１及び２に示した。

（比較例７）
実施例１の含浸方法及び外周加工で得られた、予め反りを測定したベース板を、１６０ｍｍ×１２０ｍｍで深さが５ｍｍのキャビティー上に置き、ベース板のセンターをネジで締め込んでキャビティーの縁を支点として撓ませた。この状態のまま、炉に投入し、５５０℃で３０分間加熱後、冷却した。この後、ネジ締めを解放し、付与された反りを測定したのち、３２０℃、２時間加熱処理を施し、再度反りを測定した。結果を表１及び２に示した。

（比較例８）
ネジで締め込んだままでの状態の加熱を４５０℃、３０分で行ったこと、ネジ締め解放後の加熱処理を３２０℃、１時間としたこと以外は、すべて比較例７と同じ条件で処理した。結果を表１及び２に示した。

表１及び２からわかるように、本発明の製造方法によって製造された放熱部品は、回路基板を接合した後における反りの戻りが小さく、放熱性に優れるという効果を有する。

以上のように、本発明の方法によれば、回路基板接合時等で、反りの戻りが小さく、その後のパッケージ化を通じて、放熱フィン側に凸な安定した形状を有する放熱部品を製造でき、その結果、熱放散性に優れ、長期に渡って信頼性の高いモジュールを安定して提供できる効果が期待できる。

１ 放熱部品
２ プレス凸型
３ プレス凹型

Claims (5)

1. 炭化珪素とアルミニウム合金とからなる複合化部を含む、反りを有する平板状の放熱部品の製造方法であって、
   ４５０℃以上の表面温度を有する、曲率半径７０００ｍｍ〜３００００ｍｍの１対の対向する球面を有する凹凸型で放熱部品を挟み、該放熱部品の温度が４５０℃以上の温度となるように、１０ＫＰａ以上の応力で３０秒以上プレスし、
   前記放熱部品が、反り付与前の１０ｃｍあたりの反り量をＸ、反り付与後の１０ｃｍあたりの反り量を（Ｘ＋Ｙ）とし、反り付与後の放熱部品を３２０℃以下の温度で１時間以上加熱処理した後の１０ｃｍあたりの反り量を（Ｘ＋Ｚ）としたとき、（Ｙ−Ｚ）が１８μｍ以下であることを特徴とする放熱部品の製造方法。
2. 前記曲率半径が２００００ｍｍ〜３００００ｍｍであることを特徴とする請求項１に記載の放熱部品の製造方法。
3. 請求項１又は２の製造方法により製造した放熱部品が、
   反り付与前の１０ｃｍあたりの反り量をＸ、反り付与後の１０ｃｍあたりの反り量を（Ｘ＋Ｙ）とし、反り付与後の放熱部品を３２０℃以下の温度で１時間以上加熱処理した後の１０ｃｍあたりの反り量を（Ｘ＋Ｚ）としたとき、ＹとＺとの間に
   （Ｙ−Ｚ）＜（Ｙ／２）
   なる関係を満たすことを特徴とする請求項１又は２に記載の放熱部品の製造方法。
4. 請求項１から３のいずれかの製造方法により製造した放熱部品が、
   反り付与前の１０ｃｍあたりの反り量をＸ、反り付与後の１０ｃｍあたりの反り量を（Ｘ＋Ｙ）とし、反り付与後の放熱部品を３２０℃以下の温度で１時間以上加熱処理した後の１０ｃｍあたりの反り量を（Ｘ＋Ｚ）としたとき、
   （Ｙ／２）−（Ｙ−Ｚ）が１μｍ〜８０μｍであることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の放熱部品の製造方法。
5. 前記（Ｙ−Ｚ）が前記放熱部品の長手方向と短手方向の両方において１８μｍ以下である、請求項１から４のいずれか一項に記載の放熱部品の製造方法。