專利名稱：：鋁-碳化硅質(zhì)復合體及其加工方法
技術領域：
：本發(fā)明涉及適合作為功率模塊用底板(baseboard)等的鋁一碳化硅質(zhì)復合體及其加工方法。
背景技術：
：近年來，半導體元件隨著高集成化和小型化，其發(fā)熱量也在不斷增加，如何使所用的電路基板有效地散熱成為了問題。因此，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形成銅制或鋁制的金屬電路并在其背面形成銅制或鋁制的金屬散熱板而構成的陶瓷電路基板例如被用作功率模塊用基板。以往的功率模塊的典型的散熱結(jié)構是將底板錫焊于陶瓷電路基板而成的結(jié)構，作為底板一般為銅、鋁。然而，該結(jié)構在例如受到熱負荷時，焊錫層發(fā)生由底板與陶瓷電路基板的熱膨脹系數(shù)差引起的開裂，結(jié)果散熱變得不充分，出現(xiàn)使電路上的半導體誤動作、破損等問題。因此，作為熱膨脹系數(shù)與陶瓷電路基板的熱膨脹系數(shù)相近的底板，提出了鋁合金一碳化硅質(zhì)復合體(參照專利文獻1)。專利文獻l:日本專利特愿平3—509860號公報。近年來，隨著功率模塊用底板的形狀復雜化，為形成所要的形狀，使用鉆石等工具的磨削等機械加工變得必要。另外，隨著功率模塊自身的小型化，為了防止底板精密加工時以及安裝時因底板側(cè)面附著有焊錫而導致尺寸變化，希望得到焊錫難以附著的結(jié)構的底板。如果為防止焊錫的附著而使與焊錫的浸潤性差的碳化硅外露，則有顯著的效果，但是由于鋁一碳化硅質(zhì)復合體是硬材質(zhì)，因此如果機械加工至碳化硅外露，則存在加工時間變長等生產(chǎn)效率低、高成本的難點。除此之外，有機械加工時鋁一碳化硅質(zhì)復合體的內(nèi)部發(fā)生形變，在機械加工后的退火處理工序中翹曲程度大幅度變化的可能。因此，采取了預先將預制件插入與最終形狀相近的金屬制的框體中進行含浸、減少加工量等措施。然而，如果用最終形狀的金屬框體進行含浸，則存在含浸后的金屬框體的脫模操作煩雜、脫模時產(chǎn)生缺陷、脫模后的鋁一碳化硅質(zhì)復合體的最終尺寸的偏差變大的問題。此外，外周形狀為復雜形狀時，如果用最終形狀的型箱復合化，則存在復合化后的冷卻過程中應力集中于角落部分、發(fā)生開裂的問題。雖然也有制作外周部分由鋁合金形成的例如圖l所示的結(jié)構的復合體，然后對外周部分進行機械加工的方法，但加工時因鋁合金與鋁—碳化硅質(zhì)復合體的熱膨脹差使應力失去平衡而導致裂紋發(fā)生。因此，為制作復雜形狀的底板，必需制作比制品形狀大的平板狀的鋁一碳化硅質(zhì)復合體，通過退火處理等充分地除去內(nèi)部形變后，用鉆石制的工具對外周形狀進行磨削加工，此時，存在加工成本變得非常昂貴的難點。發(fā)明的揭示本發(fā)明鑒于上述狀況，其目的是提供適合作為功率模塊用底板等的鋁一碳化硅質(zhì)復合體及其加工方法。艮P，本發(fā)明具有以下技術內(nèi)容。(1)鋁一碳化硅質(zhì)復合體，該復合體通過將以鋁為主要成分的金屬含浸至平板狀的碳化硅質(zhì)多孔體中而形成，該鋁一碳化硅質(zhì)復合體的特征在于，兩主面具有由以鋁為主要成分的金屬形成的鋁層，對側(cè)面部及孔部進行水噴射(waterjet)加工，使側(cè)面不具有由以鋁為主要成分的金屬形成的鋁層。(2)上述(1)記載的鋁一碳化硅質(zhì)復合體，其中，上述以鋁為主要成分的金屬含有725質(zhì)量％的硅。(3)上述(1)或(2)記載的鋁一碳化硅質(zhì)復合體，其中，上述以鋁為主要成分的金屬含有0.50.9質(zhì)量％的鎂。(4)使用上述(1)(3)中任一項記載的鋁一碳化硅質(zhì)復合體而形成的功率模塊用底板。(5)上述(1)(4)中任一項記載的鋁一碳化硅質(zhì)復合體的制造方法，該方法的特征在于，使以鋁為主要成分的金屬含浸至碳化硅質(zhì)多孔體中的方法是高壓鍛造法的液態(tài)模鍛法。(6)上述(5)記載的鋁一碳化硅質(zhì)復合體的制造方法，其中，使以鋁為主要成分的金屬含浸后，以400550。C的溫度進行IO分鐘以上的退火處理。(7)鋁一碳化硅質(zhì)復合體的加工方法，該方法是使以鋁為主要成分的金屬含浸至平板狀的碳化硅質(zhì)多孔體中而形成的鋁一碳化硅質(zhì)復合體的加工方法，該加工方法的特征在于，用水噴射對上述鋁一碳化硅質(zhì)復合體的側(cè)面部及孔部進行加工，使兩主面具有由以鋁為主要成分的金屬形成的鋁層，且側(cè)面不具有由以鋁為主要成分的金屬形成的鋁層。(8)上述(7)記載的鋁一碳化硅質(zhì)復合體的加工方法，其中，上述水噴射的加壓水壓為200300MPa，加工速度為100rara/min以下。本發(fā)明的鋁一碳化硅質(zhì)復合體通過使側(cè)面不具有由鋁合金形成的鋁層，具有由安裝時的焊錫附著導致的尺寸變化小、可容易地安裝的特點。此外，通過用水噴射對鋁一碳化硅質(zhì)復合體部分進行加工，除不會因加工而產(chǎn)生熱應力、能夠防止加工時因應力釋放而產(chǎn)生裂紋、可容易地附加復雜的形狀的特點以外，還具有加工時間減少的效果。因此，適合作為今后日益多樣化的、要求高可靠性的、半導體部件搭載用功率模塊用的底板等。對附圖的簡單說明圖1是實施例13及比較例1中加工的鋁一碳化硅質(zhì)復合體的平面示意圖。圖2是比較例2中使用的SiC預制件的平面示意圖。實施發(fā)明的最佳方式本發(fā)明使用的鋁一碳化硅質(zhì)復合體的制造方法是使鋁合金含浸至碳化硅質(zhì)多孔體中的浸漬法即可，可采用在常壓下進行的方法，或液態(tài)模鍛法、壓力鑄造法等高壓鍛造法等公知的方法制造，但從生產(chǎn)性這一點來看液態(tài)模鍛法更合適。對于本發(fā)明的多孔質(zhì)碳化硅成形體(下面也稱為SiC預制件)的制造方法無特別限制，可采用公知的方法制造。例如，可將二氧化硅或氧化鋁等作為粘結(jié)材料添加至碳化硅粉末(下面稱為sic粉末)中，混合，成形，優(yōu)選在socrc以上的溫度下進行燒成，藉此得到多孔質(zhì)碳化硅成形體。本發(fā)明所用的SiC粉末可使用采用氣相法、阿切孫(Acheson)法等公知的制造方法制造的粉末。此外，粒徑分布也無特別限制，單獨或進行粒度調(diào)整后使用均可。例如，作為一例，可例舉使用將較好為4080質(zhì)量％的平均粒徑40ym以上的SiC粗粉與較好為6020質(zhì)量％的平均粒徑15um以下的SiC微粉混合而成的混合粉末。對于將本發(fā)明的SiC粉末成形為所要的形狀的成形方法也無特別限制，可采用加壓成形、擠壓成形、澆鑄成形等方法，可根據(jù)需要并用保形用粘合劑。對于干燥方法無特別限制，但通過1塊1塊地進行干燥，或在SiC粉末的成形體間使用與預制件形狀相同的碳等的間隔物的情況下進行干燥，可防止由干燥導致的翹曲形狀的變化。此外，關于燒成，也可通過進行與干燥時相同的處理，防止因內(nèi)部組織變化而導致形狀發(fā)生變化。接著，將SiC粉末的成形體脫脂、燒成。燒成后的SiC預制件的相對密度較好在5575%的范圍內(nèi)。為防止使用時或含浸中的開裂，SiC預制件的強度以彎曲強度計較好為3MPa以上，更好為5MPa以上。如果燒成溫度為80CTC以上、更好為900。C以上，則與燒成時的氣氛無關，可得到彎曲強度為3MPa以上的預制件。然而，在氧化性氣氛中，如果以超過IIO(TC的溫度燒成，則有SiC的氧化被促進，鋁—碳化硅質(zhì)復合體的熱傳導率下降的可能，所以在氧化性氣氛中較好的是以IIO(TC以下的溫度燒成。燒成時間可根據(jù)SiC預制件的大小、燒成爐內(nèi)的投入量、燒成氣氛等條件適當決定。本發(fā)明中，SiC預制件的大小必需大于最終尺寸。如果預制件尺寸小于最終尺寸，則用水噴射對含浸后的鋁一碳化硅質(zhì)復合體進行加工時，有鋁合金層殘留于一個或多個側(cè)面的可能。接著，層積SiC預制件。以往，將SiC預制件層積、收納于預先確定的型箱內(nèi)成為一個塊(block)，使其在鋁合金含浸時形成為所要的尺寸。但本發(fā)明中，含浸后用水噴射進行加工，因此含浸時可不使用型箱，在生產(chǎn)性這一點上較佳。本發(fā)明中使用型箱時，必需使用大于最終尺寸的型箱。將層積SiC預制件而成的塊以50065(TC左右的溫度預加熱后，在高壓容器內(nèi)配置1個或2個以上，為防止塊的溫度下降，盡快注入熔融的鋁合金，以較好為30MPa以上、更好為35MPa以上的壓力加壓，使鋁合金含浸至SiC預制件的空隙中。之后，如果將含浸的塊切出，則可得到全部的面都具有鋁合金層的鋁一碳化硅質(zhì)復合體。另外，有時也以除去含浸時的形變?yōu)槟康倪M行退火處理。退火處理還具有使鋁合金層與碳化硅質(zhì)復合體的接合更牢固的效果。本發(fā)明的鋁一碳化硅質(zhì)復合體中的鋁合金為在含浸時充分地浸透至預制件的空隙內(nèi)，較好的是熔點盡可能的低。作為上述鋁合金，例如可例舉含有725質(zhì)量％、較好為915質(zhì)量％的硅的鋁合金。如果進一步還含有鎂，則碳化硅粒與金屬部分的結(jié)合會變得更牢固，所以更佳其含量較好為0.50.9質(zhì)量%、更好為0.70.9質(zhì)量％。關于鋁合金中的鋁、硅、鎂以外的金屬成分，在特性不發(fā)生極端地變化的范圍內(nèi)無特別限制，例如有時可含有銅等。鋁合金含浸后的以除去形變?yōu)槟康倪M行的退火處理較好的是以400550°C、較好為500550。C的溫度進行IO分鐘以上、較好為30分鐘以上。如果退火溫度未滿40(TC,則有復合體內(nèi)部的形變未充分地釋放、在之后的工序中翹曲程度大幅度變化的可能。另一方面，如果退火溫度超過55(TC，則有含浸中使用的鋁合金熔融的可能。如果退火時間不足10分鐘，則即使退火溫度為40055(TC，也有復合體內(nèi)部的形變未充分地釋放，在之后的工序中翹曲程度大幅度變化的可能。鋁一碳化硅質(zhì)復合體的重要特性是熱傳導率和熱膨脹系數(shù)。鋁一碳化硅質(zhì)復合體中的SiC含有率越高，熱傳導率越高，熱膨脹系數(shù)越小，因此較佳，但如果含有率過高，則有鋁合金無法充分地含浸的可能。本發(fā)明的鋁一碳化硅質(zhì)復合體的兩主面具有由鋁合金形成的鋁層。為確保施以電鍍處理時的鍍層密合性，該鋁層是必需的。鋁層的厚度較好的是平均厚度為10150iira，更好的是lOOym以下。平均厚度未滿10um的情況下，有之后的電鍍前處理等表面處理時鋁一碳化硅質(zhì)復合體部分露出，在該部分發(fā)生鍍層不附著或鍍層密合性下降的可能。另一方面，如果平均厚度超過150jim，則有所得底板自身的熱膨脹率過度增大，接合部的可靠性下降的可能。本發(fā)明的鋁一碳化硅質(zhì)復合體的特征還在于，側(cè)面不具有由鋁合金形成的鋁層。與側(cè)面殘留鋁層時相對照，側(cè)面不具有鋁層時，電鍍后附著于側(cè)面的焊錫可容易地除去，所以由錫焊導致的尺寸變化大幅減小，因此也能容易地安裝于小型化的功率模塊。較好是鋁一碳化硅質(zhì)復合體的側(cè)面的整個面都不具有鋁層，但本發(fā)明中，不一定非要整個側(cè)面都不具有鋁層，而只要一部分側(cè)面不具有鋁層，就具有一定的效果。本發(fā)明中，較好的是側(cè)面面積的較好為20%以上，更好為30%以上不具有鋁層。為將鋁一碳化硅質(zhì)復合體加工至最終尺寸而使用的水噴射中，將金剛砂等磨粒作為研磨劑使用。磨粒的平均粒度為80150wm，較好為100130ym。加工時的壓力(水壓)及加工速度可根據(jù)鋁一碳化硅質(zhì)復合體的厚度適當決定。例如，鋁一碳化硅質(zhì)復合體的厚度為35mra時，一般以水壓較好為200300MPa、更好為200250MPa，加工速度較好為lOOnim/niin以下、更好為80腦/rnin以下的條件進行加工。如果壓力未滿200MPa、加工速度超過100mm/min，則有切割缺陷和加工面與背面的尺寸差變大而成為加工缺陷的可能。為使水噴射加工后的加工面與背面的尺寸差控制在所要的尺寸以下，有效的是減小水噴射加工機的磨料噴嘴徑或使噴嘴頭相對被加工體傾斜而進行加工。如果例舉加工條件的一個例子，則可例舉在鋁一碳化硅質(zhì)復合體的厚度為5mm、水壓200MPa以及加工速度100nra/min的加工條件下進行水噴射加工時，為將兩主面的尺寸差控制在0.6mra以內(nèi)，可以使磨料噴嘴徑為l.Omm以下，或使噴嘴頭相對被加工體從垂直方向朝外側(cè)傾斜3°20°。本發(fā)明的鋁一碳化硅質(zhì)復合體通過在側(cè)面不具有鋁合金層，具有由安裝時的錫焊導致的尺寸變化小、可容易地安裝的特點。此外，通過用水噴射進行加工，除了可容易地加工成復雜的形狀的特點外，還有加工時間大幅縮短的效果。因此，適合作為今后日益多樣化的、要求高可靠性的、半導體部件搭載用功率模塊用的底板等。實施例下面，通過本發(fā)明的實施例更詳細地進行說明，但本發(fā)明不限定于此。(實施例1)稱取SiC粉末A(太平洋藍登公司制NG—220，平均粒徑60lim)70g、SiC粉末B(屋久島電工公司制GC—1000F，平均粒徑10ym)30g及硅溶膠(日產(chǎn)化學公司制Snowtex)10g，用攪拌混合機混合30分鐘后，以10MPa的壓力加壓成形為190mmX140mmX5.0mm的尺寸的平板狀。將所得成形體在大氣中于900"C下燒成2小時，得到相對密度為65%的SiC預制件。用兩面碳包覆的SUS板夾住所得SiC預制件，成為一體，將其用電爐預加熱至60(TC。接著，將其收納于預先加熱的內(nèi)徑300mm的壓模內(nèi)，注入含有12質(zhì)量％的硅、0.5質(zhì)量％的鎂的鋁合金的熔融金屬，以10謹Pa的壓力加壓20分鐘，使鋁合金含浸至SiC預制件中。冷卻至室溫后，用濕式帶鋸機(bandsaw)切斷，使鋁一碳化硅質(zhì)復合體外周的由鋁合金形成的鋁層厚度為10mm以下，除去夾著的SUS板后，為除去含浸時的形變，以53(TC的溫度進行3小時的退火處理，得到鋁一碳化硅質(zhì)復合體。接著，將鋁一碳化硅質(zhì)復合體加工成圖l所示的形狀。用水噴射機(杉野機械(SUGINOMachine)公司制，abrasivejetcutterNC)，以壓力250MPa、加工速度50mm/min、磨料噴嘴徑1.2mm、將噴嘴頭固定的條件，使用粒度100um的金剛砂作為研磨劑進行加工，使側(cè)面的由鋁合金形成的鋁層消失。(實施例2)采用與實施例1相同的方法制作鋁一碳化硅質(zhì)復合體，除磨料噴嘴徑為0.8mni以外，以采用與實施例1相同的方法的條件進行水噴射加工。(實施例3)采用與實施例l相同的方法制作鋁一碳化硅質(zhì)復合體，除使噴嘴頭相對被加工體朝外側(cè)傾斜10°而進行加工以外，以采用與實施例1相同的方法的條件進行水噴射加工。(比較例1)使用實施例1的鋁一碳化硅質(zhì)復合體，以機械加工(北村機械公司制，HX400iF)加工成圖1的形狀。(比較例2)除使用圖2所示尺寸(單位mm)的、厚度為5.Omra的平板狀SiC預制件以外，采用與實施例l相同的方法制作鋁一碳化硅質(zhì)復合體，采用與實施例l相同的方法用水噴射機加工成圖1的形狀。本比較例的鋁一碳化硅質(zhì)復合體的側(cè)面具有l(wèi)ram的鋁合金層。(實施例4)分別制作IO塊實施例13、比較例l、2的鋁一碳化硅質(zhì)復合體，求出每1塊的加工所要的平均時間。此外，測定加工后的正反面的尺寸差，求出平均值。對加工后的實施例13、比較例l、2的鋁一碳化硅質(zhì)復合體進行非電解鍍鎳處理，在由鋁合金形成的鋁層上形成5nm厚的鍍層。接著，將市售的氮化鋁電路基板(大小120誦X80mm，電氣化學工業(yè)公司制)用與氮化鋁電路基板同一形狀的、厚度為200um的填充焊劑共晶焊錫接合至經(jīng)過鍍鎳處理的鋁一碳化硅質(zhì)復合體上，接合后測定鋁一碳化硅質(zhì)復合體的側(cè)面上附著了焊錫的塊數(shù)。結(jié)果如表l所示。<table>tableseeoriginaldocumentpage10</column></row><table>產(chǎn)業(yè)上利用的可能性本發(fā)明的鋁一碳化硅質(zhì)復合體通過用水噴射進行加工，除可抑制由加工時的應力釋放導致的開裂的發(fā)生、可容易地附加復雜的形狀的特點以外，還具有加工時間變少的效果，所以可作為要求高可靠性的半導體部件搭載用功率模塊用的底板等使用。這里引用2006年5月9日提出申請的日本專利申請2006-130044號的說明書、權利要求書、附圖以及摘要的全部內(nèi)容作為本發(fā)明的說明書的揭示。權利要求1.鋁—碳化硅質(zhì)復合體，它是將以鋁為主要成分的金屬含浸至平板狀的碳化硅質(zhì)多孔體中而形成的鋁—碳化硅質(zhì)復合體，其特征在于，兩主面具有由以鋁為主要成分的金屬形成的鋁層，對側(cè)面部及孔部進行水噴射加工，使側(cè)面不具有由以鋁為主要成分的金屬形成的鋁層。2.如權利要求l所述的鋁一碳化硅質(zhì)復合體，其特征在于，所述以鋁為主要成分的金屬含有725質(zhì)量％的硅。3.如權利要求1或2所述的鋁一碳化硅質(zhì)復合體，其特征在于，所述以鋁為主要成分的金屬含有0.50.9質(zhì)量％的鎂。4.功率模塊用底板，其特征在于，使用權利要求13中任一項所述的鋁一碳化硅質(zhì)復合體形成。5.權利要求14中任一項所述的鋁一碳化硅質(zhì)復合體的制造方法，其特征在于，使以鋁為主要成分的金屬含浸至碳化硅質(zhì)多孔體中的方法是高壓鍛造法的液態(tài)模鍛法。6.如權利要求5所述的鋁一碳化硅質(zhì)復合體的制造方法，其特征在于，使以鋁為主要成分的金屬含浸后，以400550。C的溫度進行IO分鐘以上的退火處理。7.鋁一碳化硅質(zhì)復合體的加工方法，它是使以鋁為主要成分的金屬含浸至平板狀的碳化硅質(zhì)多孔體中而形成的鋁一碳化硅質(zhì)復合體的加工方法，其特征在于，用水噴射對所述鋁一碳化硅質(zhì)復合體的側(cè)面部及孔部進行加工，使兩主面具有由以鋁為主要成分的金屬形成的鋁層，且側(cè)面不具有由以鋁為主要成分的金屬形成的鋁層。8.如權利要求7所述的鋁一碳化硅質(zhì)復合體的加工方法，其特征在于，所述水噴射的加壓水壓為200300MPa，加工速度為100mm/min以下。全文摘要本發(fā)明提供適合作為功率模塊用底板等的鋁-碳化硅質(zhì)復合體。它是將以鋁為主要成分的金屬含浸至平板狀的碳化硅質(zhì)多孔體中而形成的鋁-碳化硅質(zhì)復合體，其特征在于，兩主面具有由以鋁為主要成分的金屬形成的鋁層，對側(cè)面部及孔部進行水噴射加工，使側(cè)面不具有由以鋁為主要成分的金屬形成的鋁層。文檔編號B22D19/00GK101438401SQ200780015978公開日2009年5月20日申請日期2007年5月8日優(yōu)先權日2006年5月9日發(fā)明者巖元豪,廣津留秀樹申請人:電氣化學工業(yè)株式會社