(57)【要約】【課題】放熱部材に好適に利用でき、電気めっきを施し易い複合部材、その製造方法、放熱部材、半導体装置を提供する。【解決手段】マグネシウム(Mg)又はMg合金とSiCとが複合された複合材料からなる基板と、この基板の一面を覆う金属被覆層とを具える。基板は、SiCを50体積％以上含有する。鋳型に収納されたSiC集合体に、溶融したMg又はMg合金を溶浸させて上記基板を作製すると共に、鋳型とSiC集合体との間にSiCが充填されない非充填領域を設けて、この非充填領域に存在させた金属により、金属被覆層を形成することで、上記複合部材を製造する。鋳型とSiC集合体との間にスペーサを配置するなどして隙間を設け、この隙間に溶融したMg又はMg合金が流れ込むことで、金属被覆層を形成する。【選択図】図1
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
マグネシウム又はマグネシウム合金とSiCとが複合された複合材料からなる基板で、SiCを50体積％以上含有する基板と、
前記基板の少なくとも一面を覆う金属被覆層とを具えることを特徴とする複合部材。
【請求項２】
前記金属被覆層の厚さが2.5mm以下であることを特徴とする請求項1に記載の複合部材。
【請求項３】
前記複合材料の金属成分と前記金属被覆層を構成する金属とが連続する組織からなることを特徴とする請求項1又は2に記載の複合部材。
【請求項４】
前記複合材料の金属成分と前記金属被覆層を構成する金属とが異なる組成からなることを特徴とする請求項1又は2に記載の複合部材。
【請求項５】
前記金属被覆層は、純度が99％以上のMg,Al,Cu,Ni、及びMg,Al,Cu,Niを主成分とする合金からなる群から選択される1種の金属から構成されることを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記載の複合部材。
【請求項６】
前記基板の対向する二面に金属被覆層をそれぞれ具えており、両金属被覆層の厚さの総和が2.5mm以下であることを特徴とする請求項1〜5のいずれか1項に記載の複合部材。
【請求項７】
前記基板の対向する二面に金属被覆層をそれぞれ具えており、両金属被覆層の厚さの総和が0.5mm以下であることを特徴とする請求項1〜6のいずれか1項に記載の複合部材。
【請求項８】
前記金属被覆層の厚さが0.05mm以上であることを特徴とする請求項1〜7のいずれか1項に記載の複合部材。
【請求項９】
請求項1〜8のいずれか1項に記載の複合部材により構成されることを特徴とする放熱部材。
【請求項１０】
請求項9に記載の放熱部材と、この放熱部材に搭載される半導体素子とを具えることを特徴とする半導体装置。
【請求項１１】
鋳型に収納されているSiC集合体に、溶融したマグネシウム又はマグネシウム合金を溶浸させて、前記マグネシウム又はマグネシウム合金とSiCとを複合した複合材料からなる基板を具える複合部材を製造する複合部材の製造方法であって、
前記鋳型と前記SiC集合体との間にSiCが充填されない非充填領域を設け、この非充填領域に金属を存在させ、この金属により、前記基板の少なくとも一面を覆う金属被覆層を形成することを特徴とする複合部材の製造方法。
【請求項１２】
SiC粉末を用いて、前記鋳型の容積よりも小さい成形体を形成し、この成形体を前記SiC集合体とし、
前記成形体を前記鋳型に配置して、この鋳型と前記成形体との間に生じる隙間を前記非充填領域とし、
前記金属被覆層は、前記隙間に流れ込む前記溶融したマグネシウム又はマグネシウム合金により形成することを特徴とする請求項11に記載の複合部材の製造方法。
【請求項１３】
SiC粉末を用いて、前記鋳型の容積よりも小さい成形体を形成し、この成形体を前記SiC集合体とし、
前記鋳型の複合部材形成箇所に前記成形体を配置すると共に、前記成形体と前記鋳型との間に隙間が維持されるようにスペーサを配置して、この隙間を前記非充填領域とし、
前記金属被覆層は、前記隙間に流れ込む前記溶融したマグネシウム又はマグネシウム合金により形成することを特徴とする請求項11又は12に記載の複合部材の製造方法。
【請求項１４】
前記鋳型の複合部材形成箇所にスペーサを配置して、このスペーサを前記非充填領域とし、
前記スペーサを配置した前記複合部材形成箇所に前記SiC集合体を配置した後、前記スペーサを加熱して気化することで除去し、
前記金属被覆層は、前記スペーサが存在した空間に流れ込む前記溶融したマグネシウム又はマグネシウム合金により形成することを特徴とする請求項11又は12に記載の複合部材の製造方法。
【請求項１５】
前記鋳型の金属載置箇所に前記マグネシウム又はマグネシウム合金を配置して、前記SiC集合体、前記スペーサ、及び前記マグネシウム又はマグネシウム合金が配置された鋳型を前記マグネシウム又はマグネシウム合金の液相線温度以上に加熱することで前記マグネシウム又はマグネシウム合金を溶融して、前記鋳型の複合部材形成箇所に配置されたSiC集合体に溶浸させると共に、この加熱により前記スペーサを除去することを特徴とする請求項14に記載の複合部材の製造方法。
【請求項１６】
前記鋳型は、前記SiC集合体との接触面と、SiCよりも熱膨張係数が大きい材料からなる熱膨張部とを具えており、
前記鋳型に前記SiC集合体を配置し、このSiC集合体に前記溶融したマグネシウム又はマグネシウム合金を溶浸させるときの熱により前記熱膨張部を膨張させて、前記接触面と前記SiC集合体との間に隙間を生じさせ、この隙間を前記非充填領域とし、
前記金属被覆層は、前記隙間に流れ込む前記溶融したマグネシウム又はマグネシウム合金により形成することを特徴とする請求項11に記載の複合部材の製造方法。
【請求項１７】
前記鋳型に金属板を配置して、この金属板を前記非充填領域とし、
前記金属板を配置した鋳型に前記SiC集合体を配置し、
前記金属被覆層は、前記溶融したマグネシウム又はマグネシウム合金によって前記SiC集合体に接合された前記金属板により形成することを特徴とする請求項11に記載の複合部材の製造方法。
【請求項１８】
鋳型に収納されているSiC集合体に、溶融したマグネシウム又はマグネシウム合金を溶浸させて、前記マグネシウム又はマグネシウム合金とSiCとを複合した複合材料からなる基板を具える複合部材を製造する複合部材の製造方法であって、
前記基板に金属板を重ね、この積層物を300℃以上の温度に加熱しながら、0.5ton/cm2以上の圧力で加圧する金属被覆層形成工程を具えることを特徴とする複合部材の製造方法。
【請求項１９】
前記金属板が純度が99％以上のMg,Al、及びMg,Alを主成分とする合金からなる群から選択される1種の金属から構成される場合、加熱温度を300℃以上とし、
前記金属板が純度が99％以上のCu,Ni、及びCu,Niを主成分とする合金からなる群から選択される1種の金属から構成される場合、加熱温度を500℃以上とすることを特徴とする請求項18に記載の複合部材の製造方法。
【請求項２０】
原料のSiCを700℃以上に加熱して、その表面に、前記原料のSiCに対する質量割合が0.4％以上1.5％以下を満たす酸化物層を具える被覆SiCを形成する酸化工程を具え、
前記SiC集合体は、前記被覆SiCにより形成することを特徴とする請求項11〜19のいずれか1項に記載の複合部材の製造方法。
【請求項２１】
前記基板又は前記複合部材を300℃以上、当該基板の金属成分及び金属被覆層の構成金属の固相線温度未満の温度に加熱しながら、1ton/cm2以上の圧力で加圧する圧縮工程を具えることを特徴とする請求項11〜20のいずれか1項に記載の複合部材の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、マグネシウム(いわゆる純マグネシウム)又はマグネシウム合金とSiCとが複合された複合材料からなる基板を具える複合部材、及びその製造方法、上記複合部材からなる放熱部材、この放熱部材を具える半導体装置に関するものである。特に、めっきが施し易い複合部材に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
半導体素子の放熱部材(ヒートスプレッダ)の構成材料として、Al-SiCといった複合材料が利用されている。近年、放熱部材の軽量化を主目的として、アルミニウム(Al)よりも軽量であるマグネシウム(Mg)やその合金を母材とする複合材料が検討されている(特許文献1参照)。
【０００３】
半導体素子を十分に冷却する必要がある場合、放熱部材と半導体素子同士や、放熱部材と冷却装置同士を半田により接合することがある。しかし、複合材料は、半田の濡れ性がよくない。また、Mgやその合金は、Alよりも耐食性に劣る。そこで、複合材料からなる基板の一面(半導体素子を実装する実装面)、又は両面(実装面、及びこの実装面に対向し、冷却装置に接触する冷却面)にニッケル(Ni)などのめっきを施して、半田との濡れ性を高めたり、耐食性を高めたりする。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開2006-299304号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、従来の複合材料は、Niなどのめっきを施し難い。
【０００６】
複合材料の表面は、SiCが点在することで凹凸が多く、均一的にめっきすることが難しい。上記凹凸を均すために、複合材料に表面研磨を施したり、圧延を施したりすることが考えられるが、SiCが高硬度であることから、これらの処理も難しい。
【０００７】
また、生産性を考慮すると電気めっきが好ましいが、複合材料の表面に存在するSiCは、電気絶縁性が高いことから導通を取れない。そのため、電気めっきが実質的に行えない。無電解めっきは可能であるが、上述のように表面の凹凸によって均一的にめっきを施すことが難しい上に、コストの増大を招く。
【０００８】
そこで、本発明の目的の一つは、Mg-SiC複合材料を主たる構成材料とする複合部材であって、電気めっきが施し易い複合部材を提供することにある。また、本発明の別の目的は、上記複合部材の製造に適した複合部材の製造方法を提供することにある。更に、本発明の他の目的は、上記複合部材から構成された放熱部材、及びこの放熱部材を具える半導体装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、複合材料からなる基板の少なくとも一面に金属被覆層を具えることで、上記目的を達成する。本発明複合部材は、マグネシウム又はマグネシウム合金とSiCとが複合された複合材料からなる基板と、この基板の少なくとも一面を覆う金属被覆層とを具える。上記基板は、SiCを50体積％以上含有する。
【００１０】
本発明複合部材によれば、複合材料からなる基板の一面が導電性を有する金属被覆層により覆われていることで、導通がとれるため、電気めっきを施すことができる。また、金属被覆層を具える基板の少なくとも一面は、SiCの存在による凹凸が低減され、均一的にめっきを施し易い。更に、均一的にめっきが施せることで、本発明複合部材は、半田との濡れ性を高められる上に、耐食性をも高められる。従って、本発明複合部材は、放熱部材に好適に利用できる。
【００１１】
上記本発明複合部材は、例えば、以下の本発明製造方法により製造することができる。本発明複合部材の製造方法は、鋳型に収納されているSiC集合体に、溶融したマグネシウム又はマグネシウム合金を溶浸させて、上記マグネシウム又はマグネシウム合金とSiCとを複合した複合材料からなる基板を具える複合部材を製造する方法である。特に、本発明製造方法では、上記鋳型と上記SiC集合体との間にSiCが充填されない非充填領域を設け、この非充填領域に金属を存在させ、この金属により、上記基板の少なくとも一面を覆う金属被覆層を形成する。以下、この製造方法を複合一体法と呼ぶ。
【００１２】
或いは、別の本発明製造方法として、以下の方法が挙げられる。本発明複合部材の製造方法は、鋳型に収納されているSiC集合体に、溶融したマグネシウム又はマグネシウム合金を溶浸させて、上記マグネシウム又はマグネシウム合金とSiCとを複合した複合材料からなる基板を具える複合部材を製造する方法である。特に、本発明製造方法では、上記基板に金属板を重ね、この積層物を300℃以上の温度に加熱しながら、0.5ton/cm2以上の圧力で加圧する金属被覆層形成工程を具える。以下、この製造方法をホットプレス法と呼ぶ。
【００１３】
以下、本発明をより詳細に説明する。
[基板]
＜金属成分＞
複合材料からなる基板中の金属成分は、99.8質量％以上のMg及び不純物からなるいわゆる純マグネシウム、又は添加元素と残部がMg及び不純物からなるマグネシウム合金のいずれでもよい。上記金属成分が純マグネシウムであると、上記金属成分が合金である場合と比較して、複合部材の熱伝導率を高められる。上記金属成分がマグネシウム合金であると、液相線温度が低下するため、溶融する際の温度を低下できる上に、複合部材の耐食性や機械的特性(強度)を高められる。添加元素は、Li,Ag,Ni,Ca,Al,Zn,Mn,Si,Cu,及びZrの少なくとも1種が挙げられる。これらの元素は、含有量が多くなると熱伝導率の低下を招くため、合計で20質量％以下(上記基板中の金属成分を100質量％とする。以下、添加元素の含有量について同様)が好ましい。特に、Alは3質量％以下、Znは5質量％以下、その他の元素はそれぞれ10質量％以下が好ましい。Liを添加すると、複合部材の軽量化、及び加工性向上の効果がある。公知のマグネシウム合金、例えば、AZ系,AS系,AM系,ZK系,ZC系,LA系などでもよい。所望の組成となるように上記金属成分の原料を用意する。
【００１４】
＜SiC＞
《形状、大きさ》
原料として、粒子状や繊維状のSiC粉末や、SiC粉末を焼結した焼結材、SiC粉末を成形した粉末成形体が利用できる。複合材料中に存在するSiCは、原料に用いたSiCの形状を概ね維持して存在する。SiC粉末を利用すると、各SiCの粒が概ね離散的に分散して存在し、焼結材を利用すると、SiCの粒同士が接した箇所(以下、この箇所をネットワーク部と呼ぶ)が存在することがある。特に、原料に粉末を用いると、流動性に優れるため、(1)鋳型や成形型に対する充填率を高め易く、SiC含有量が高い複合材料を形成できる、(2)鋳型や成形型に充填し易く、複合材料の生産性がよい、(3)複雑な形状の鋳型にも充填でき、複雑な形状の複合材料を簡便に作製できる、(4)形成した複合材料に放電加工や塑性加工を施し易く、加工性に優れる、といった効果が得られる。また、平均粒径が異なる複数種のSiC粉末を組み合わせて用いると、充填率を更に高め易い。一方、特に、焼結材を用いると、(1)SiC粉末を利用した場合よりもSiCの含有量が高い複合材料を得易い、(2)鋳型に容易に配置することができる、(3)高熱伝導率であるSiCのネットワーク部を具えることで、熱伝導性が高い複合材料を得易い、(3)低熱膨張係数であるSiCのネットワーク部を具えることで、熱膨張係数が小さい複合材料を得易い、といった効果が得られる。
【００１５】
複合材料の原料とするSiC粒の平均粒径(繊維状の場合、平均短径)が1μm以上3000μm以下であると、金属成分中にSiC粒を均一的に分散させた状態に存在させ易かったり、成形体を形成し易い。特に、10μm以上200μm以下が好ましい。複合材料からなる基板中のSiCの形状や大きさは、例えば、当該基板の断面を光学顕微鏡や走査型電子顕微鏡(SEM)で観察することで確認することができる。
【００１６】
《含有量》
上記複合材料からなる基板中のSiCの含有量は、基板を100体積％とするとき、50体積％以上とする。基板中のSiCの含有量が多いと熱伝導率が高まる上、熱膨張係数(線熱膨張係数)αが小さくなり、半導体素子(4〜7ppm/K程度(例えば、Si:4.2ppm/K、GaAs:6.5ppm/K))やその周辺部品(金属パッケージやAlN(4.5ppm/K)、Al2O3(6.5ppm/K)などのセラミクスのパッケージ)の熱膨張係数に整合し易い。上記範囲でSiCを含有する基板は、熱特性に優れ、熱伝導率が180W/m・K以上、かつ熱膨張係数が4×10-6〜10×10-6/K(4〜10ppm/K)である。上述のように原料のSiCが基板中に概ねそのままSiCとして存在することから、基板中のSiCの含有量は、原料のSiC量に実質的に等しい。従って、基板が所望の熱特性となるように、原料のSiC量を調整するとよい。特に、SiCの含有量が70体積％以上、更に80体積％以上であると、熱膨張係数が4ppm/Kに近くなるため、半導体素子などの熱膨張係数に整合し易く好ましい。
【００１７】
＜金属被覆層＞
《組成、組織》
本発明複合部材の最も特徴とするところは、上記基板の少なくとも一面に金属被覆層を具えることにある。金属被覆層の主機能は、Niなどの電気めっきを行うときの下地であるため、金属被覆層を構成する金属は、電気めっきに必要な導通が取れる程度の導電率を有する金属であればよく、上記複合材料からなる基板の金属成分(Mg又はMg合金)と同一組成でもよいし、異なる組成でもよい。特に、金属被覆層が純マグネシウムで構成される場合、Mgのヤング率が低いため、金属被覆層の厚さが厚くなっても、複合部材全体の熱膨張係数が変化し難いことから、低熱膨張係数の複合部材を得易い。
【００１８】
基板の金属成分と金属被覆層を構成する金属とが同一組成である場合、複合部材の製造工程において溶融した金属(Mg又はMg合金)とSiCとを複合化するときに、上記溶融した金属の一部を金属被覆層の形成に利用することで、基板の金属成分と金属被覆層を構成する金属とが連続する組織(鋳造組織)からなる複合部材とすることができる。
【００１９】
基板の金属成分と金属被覆層を構成する金属とが異なる組成である場合、金属成分と金属被覆層の構成金属とは、異なるMg合金でもよいし、金属被覆層の構成金属がMg及びMg合金以外の金属、例えば、アルミニウム(Al)、銅(Cu)、銀(Ag)、金(Au)、亜鉛(Zn)、ニッケル(Ni)、及びこれらの合金でもよい。特に、金属被覆層の構成金属は、純度が99％以上のMg,Al,Cu,Ni、及びMg,Al,Cu,Niを主成分とする合金(Mg,Al,Cu,Niを50質量％超含有する合金、以下同様)からなる群から選択される1種の金属が好ましい。上記金属は、基板の金属成分であるMgやMg合金の固相線温度と近いことで当該金属成分との密着性に優れたり、耐食性に優れることで、複合材料からなる基板の腐食を抑制できるといった効果を有する。
【００２０】
《形成箇所》
金属被覆層は、複合材料からなる基板の一部の面、少なくともめっきが必要とされる面に存在していればよい。具体的には、少なくとも半導体素子が実装される実装面に金属被覆層を具えていればよい。その他、実装面と対向し、冷却装置に接触する冷却面にもめっきが必要な場合、実装面及び冷却面の双方に金属被覆層を具える。即ち、二層の金属被覆層を有する形態としてもよい。基板の側面(端面)は、通常、めっきが不要であるが、この側面を含む全面に金属被覆層を具えると、表面の凹凸を低減して、外観を良好にしたり、全面にめっきを施すことで、耐食性を高めたりすることができる。
【００２１】
《厚さ》
金属被覆層は、厚過ぎると、複合部材の熱伝導率の低下、熱膨張率の増加を招く。そのため、各金属被覆層の厚さは、2.5mm以下、更に1mm以下、とりわけ0.5mm以下が好ましい。上述のように基板の対向する二面のそれぞれに金属被覆層を具える場合、二層の金属被覆層の厚さの総和が2.5mm以下であれば、特にネットワーク部を有する場合に、基板と金属被覆層とを具える複合部材全体の熱膨張係数を8ppm/K以下とし易い。また、上記二層の金属被覆層の厚さの総和が0.5mm以下であれば、特にSiCが分散した形態である場合でも、基板と金属被覆層とを具える複合部材全体の熱膨張係数を8ppm/K以下とし易い。更に、各金属被覆層の厚さは、1μm以上、とりわけ0.05mm(50μm)以上0.1mm(100μm)以下であれば、めっきの下地としての機能を十分に果たす上に、複合部材の搬送時や実装時などで金属被覆層を破損し難いと考えられる。金属被覆層を厚く形成して、研磨などにより所望の厚さにしてもよい。この場合、外観に優れる複合部材が得られる。なお、金属被覆層を具える複合部材の熱膨張係数は、当該複合部材から試験片を作製して、市販の装置により測定すると簡単に求められる。上記複合部材を構成する各材料の剛性などを考慮して複合則により算出してもよい。
【００２２】
＜用途＞
上記複合部材により構成された放熱部材は、半導体素子の放熱部材に好適に利用することができる。特に、この放熱部材は、金属被覆層を具えることで電気めっきを容易に施せる上に、表面性状にも優れて商品価値が高い。また、上記放熱部材と、この放熱部材に搭載される半導体素子とを具える半導体装置は、各種の電子機器の部品に好適に利用することができる。
【００２３】
[製造方法]
本発明製造方法は、基本工程として、複合材料からなる基板を製造する工程、即ち、鋳型にSiC集合体を準備する工程→SiC集合体に溶融したMg又はMg合金(以下、溶融Mgと呼ぶことがある)を溶浸させて、溶融MgとSiCとを複合する工程→得られた複合物を冷却して金属成分(溶融Mg)を凝固させる工程を具える。鋳型は、所望の形状の複合部材形成箇所を具えるものを利用する。複合部材形成箇所と基板の金属成分となるMg又はMg合金(以下、母材金属と呼ぶことがある)の載置箇所とを一体に具える鋳型を用い、この鋳型を加熱することで母材金属を溶融してもよい。そして、本発明製造方法のうち、上記の複合一体法では、特に、鋳型(複合部材形成箇所)とSiC集合体との間に、SiCが充填されない非充填領域を設け、この非充填領域に存在させた金属により、基板の少なくとも一面に金属被覆層を形成する。
【００２４】
鋳型に準備するSiC集合体は、SiCを一纏まりにしたものとする。具体的には、ハンドリングが困難なもの、例えば、タッピングなどにより型にSiC粉末を充填しただけのものや、ハンドリング可能な程度の強度をもつ成形体が挙げられる。成形体の詳細は、後述する。
【００２５】
非充填領域に存在させる金属は、溶融した母材金属(溶融Mg)、又は、別途用意した金属板が挙げられる。前者母材金属の場合、得られた複合部材は、金属被覆層の構成金属と基板の金属成分とが同一組成及び同一組織で構成される。後者金属板の場合、得られた複合部材は、金属被覆層の構成金属と基板の金属成分とが異なる組成や組織で構成される。
【００２６】
前者母材金属の場合、非充填領域に溶融した母材金属(溶融Mg)を存在させて、金属被覆層を形成する方法として、以下の(1)〜(3)の方法が挙げられる。
【００２７】
(1)  SiC粉末を用いて、鋳型の容積よりも小さい成形体を形成する(この成形体をSiC集合体とする)。この成形体を鋳型に配置して、鋳型と成形体との間に隙間を設ける(この隙間を非充填領域とする)。そして、成形体と溶融Mgとを複合化する際、上記隙間にも溶融Mgを流し込む。この隙間に流れ込む上記溶融したMg又はMg合金により金属被覆層を形成する。
【００２８】
(2)  鋳型の複合部材形成箇所にスペーサを配置する(このスペーサを非充填領域とする)。スペーサを配置した上記複合部材形成箇所に上記SiC集合体を配置した後、上記スペーサを加熱して気化することで除去する。このスペーサの除去により、鋳型(複合部材形成箇所)とSiC集合体との間に隙間を生じさせる。そして、SiC集合体と溶融Mgとを複合化する際、上記隙間(スペーサが存在した空間)にも溶融Mgを流し込む。この隙間に流れ込む上記溶融したMg又はMg合金により金属被覆層を形成する。
【００２９】
或いは、(2’)スペーサを気化、昇華などにより除去しない形態とすることができる。この場合、SiC集合体として上記成形体を利用することが好ましい。具体的には、本発明製造方法の一形態として、例えば、以下が挙げられる。
【００３０】
SiC粉末を用いて、上記鋳型の容積よりも小さい成形体を形成し、この成形体を上記SiC集合体とし、上記鋳型の複合部材形成箇所に上記成形体を配置すると共に、当該成形体と上記鋳型との間に隙間が維持されるようにスペーサを配置して、この隙間を上記非充填領域とし、上記金属被覆層は、上記隙間に流れ込む上記溶融したMg又はMg合金により形成する。
【００３１】
上記形態では、スペーサと金属被覆層とが一体化された複合部材が得られる。スペーサをそのまま残しておき、スペーサを具える複合部材としてもよいし、スペーサ部分を切削などの機械加工により除去した複合部材としてもよい。スペーサを残存させる場合、除去工程が不要であり、製造性に優れる。上記形態では、金属被覆層の形成時にスペーサが存在するため、上記隙間を確実に維持して、金属被覆層を安定して形成することができる。スペーサの構成材料は、耐熱性に優れ、Mg又はMg合金の溶湯により除去されない材質、代表的には気化し難かったり、昇華し難かったり、溶解し難い材質、例えば、カーボン、その他、Fe、ステンレス鋼(SUS)、Nb、Ta、Moといった金属材料などが挙げられる。ステンレス鋼は、任意の規格のものが使用できるが、上記溶湯の純度を維持することができ、熱伝導率を高める目的から、Niを含有しない規格、例えば、SUS430などがより好ましい。スペーサの大きさ及び形状は、金属被覆層の厚さなどを考慮して適宜選択することができる。例えば、板状体や線状体(ワイヤ)が挙げられる。線状体を利用する場合、形成する金属被覆層よりも若干細径の線状体を用意し、この線状体により成形体を鋳型に固定するなどして成形体と鋳型との間に隙間を設けてもよい。この場合、線状体の大部分が金属被覆層に埋設され、線状体を残存させていても、良好な外観の複合部材が得られる。
【００３２】
(3)  鋳型(特に、複合部材形成箇所)として、SiC集合体との接触面と、SiCよりも熱膨張係数が大きい材料からなる熱膨張部とを具えるものを用いる。この鋳型に上記SiC集合体を配置し、このSiC集合体に上記溶融したMg又はMg合金を溶浸させるときの熱により上記熱膨張部を膨張させる。この熱膨張により、鋳型の接触面とSiC集合体との間に隙間を生じさせる(この隙間を非充填領域とする)。そして、この隙間に流れ込む上記溶融したMg又はMg合金により金属被覆層を形成する。
【００３３】
上記(1)、(2’)の手法において成形体は、例えば、スリップキャスティングによる粉末成形体、加圧成形による粉末成形体、上記いずれかの粉末成形体を更に焼結した焼結材、タッピングなどの方法で型に充填したSiCを焼結した焼結材、その他、市販の焼結材などが利用できる。
【００３４】
スリップキャスティングでは、SiC粉末と水とを用いてスラリーを作製し、このスラリーを成形後、乾燥させることで粉末成形体を形成することができる。スラリーの流動性を高めるために分散剤を加えてもよい。分散剤には、一般的な界面活性剤が利用できる。
【００３５】
上記加圧成形では、粉末成形に利用されているバインダをSiCに適宜混合して加圧成形することで、より強固な粉末成形体を形成することができる。加圧成形時の圧力(成型圧)は、適宜調整するとよい。
【００３６】
焼結材は、上記粉末成形体よりも強度が高く、鋳型に収納する際などで欠けなどが生じることを防止し易い。焼結の条件は、加熱温度:800℃〜2400℃、保持時間:2時間程度が挙げられる。保持温度は、加熱温度に応じて適宜調節するとよい。加熱温度が800℃〜1800℃の範囲では、SiC粒の表面の酸化物層などを介してSiC粒同士を結合させて、ネットワーク部を形成することができる。加熱温度が1800℃超〜2400℃の範囲では、SiC粒同士を直接結合させて、ネットワーク部を形成することができる。SiC粒同士を直接結合させた場合、焼結材の強度がより高くなる。また、SiC粒同士が結合した原料、特に直接結合した原料を用いると、複合材料中のSiCの含有量を高め易い上に、低熱膨張係数の骨組みを具えることで、熱膨張係数が更に小さい基板を作製することができる。また、高熱伝導率であるSiCのネットワーク部を介して、効率よく熱を伝えられるため、熱伝導性が更に高い基板を形成することができる。
【００３７】
その他、SiC集合体は、鋳型(複合部材形成箇所)にSiC粉末を直接充填することでも作製することができる。代表的には、一定の振動を加える(タッピングする)ことで鋳型にSiC粉末を充填してSiC集合体を形成できる。タッピングによるSiC集合体は、上述した各種の成形体と比較して強度が低いため、鋳型に直接形成することが好ましい。上記(2),(3)の手法では、SiC集合体として、上述した各種の成形体や上記SiC粉末によるもののいずれを用いてもよい。
【００３８】
また、原料に用いるSiC粉末として、その表面に酸化物層を有する被覆SiCを用いてSiC集合体を形成すると、酸化物層と上記溶融Mgとが十分に接触することで、SiCの周囲に溶融Mgが回り込み易くなり、気孔率が低い複合材料を形成することができる。具体的には、上記製造方法の一工程として、原料のSiCを700℃以上に加熱して、その表面に、上記原料のSiCに対する質量割合が0.4％以上1.5％以下を満たす酸化物層を具える被覆SiCを形成する酸化工程を具えることが挙げられる。上記被覆SiCにより形成されたSiC集合体を利用することで気孔率が3体積％未満という緻密な基板が得られ、この基板は、熱特性といった特性のばらつきが少なく、種々の特性を均一的に具えることができる。なお、焼結材を利用する場合、焼結後に上記酸化工程を追加してもよいし、焼結時の加熱により上記酸化物層を形成してもよい。
【００３９】
(2)の手法においてスペーサは、ナフタレン(昇華温度:218℃)やドライアイス(同:-78.5℃)、アントラセン(同:342℃)といった昇華性のある物質であると、スペーサの液化によるSiC集合体の変形を防止できる上に、鋳型に残留物(煤など)が残存し難く好ましい。
【００４０】
また、上記スペーサが複合材料の金属成分となるMg又はMg合金の液相線温度(融点)以下で気化する物質から構成されている場合、スペーサの融点以上上記Mg又はMg合金の固相線温度以下に鋳型を加熱することで、この加熱により鋳型に配置された上記スペーサを除去することができる。更に、この場合、上記鋳型の金属載置箇所に上記Mg又はMg合金を配置して、上記SiC集合体、上記スペーサ、及び上記Mg又はMg合金が配置された鋳型を上記Mg又はMg合金の固相線温度(融点)以上に加熱することで上記Mg又はMg合金を溶融して、上記鋳型の複合部材形成箇所に配置されたSiC集合体に溶浸させると共に、この加熱をスペーサの気化及び除去に利用することができる。この場合、一つの加熱工程で、上記Mg又はMg合金の溶融とスペーサの除去とを行えるため、スペーサを除去するための加熱工程を別途設ける必要がなく、複合部材の製造性に優れる。一方、スペーサを除去するための加熱工程を別途設けると、スペーサを確実に除去することができ、残存などの恐れが無い。また、スペーサの構成材料の融点や沸点を考慮せずにスペーサを選択できるため、スペーサの選択の自由度が高まる。
【００４１】
上記スペーサは、基板の一面に所望の大きさ及び厚さの金属被覆層が形成できるように、大きさ及び厚さを調整する。このようなスペーサを利用することで、均一的な厚さの金属被覆層を形成し易く、所望の寸法の複合部材を精度よく製造できる。基板の両面に金属被覆層が形成されるように上記スペーサを配置させてもよい。
【００４２】
なお、上記スペーサの除去後、鋳型に過度に振動を与えなければ、上述したタッピングによるSiC集合体であっても、崩れない程度に保形されて自立することができ、スペーサが存在した空間に生じた隙間を十分維持することができる。
【００４３】
(3)の手法において鋳型は、分割片を組み合わせて構成されるものとし、鋳型本体を構成する各分割片を熱膨張係数αが小さい材料(例えば、カーボン(α:3.0〜4.8ppm/K程度))で構成し、分割片を連結するネジやボルトといった連結部材をSiC(α:3.0〜6ppm/K程度)よりも熱膨張係数αが大きい材料、例えば、ステンレス鋼で構成したものが利用できる。熱膨張係数αが大きい連結部材を用いる場合、連結部材の膨張によって鋳型が破損しないように、ボルトやネジ、鋳型に設けるネジ穴などの一部を切削してもよい。このように熱膨張係数が異なる部材を利用することにより、SiC集合体に溶融したMg又はMg合金(溶融Mg)を溶浸するにあたり鋳型自体を加熱したり、溶融Mgに鋳型が接触したりした場合、熱膨張係数が小さい鋳型本体は熱膨張し難く、熱膨張部となる連結部材が膨張することで、分割片間に僅かな隙間を形成することができる。また、鋳型本体が熱によって変形し難い(伸縮量が少ない)ことから、所望の大きさの複合部材を精度よく形成することができる。
【００４４】
例えば、SiC集合体(プリフォーム)の熱膨張係数をαS(ppm/K)、厚さをtS(mm)とし、鋳型(分割片)の熱膨張係数をαM(ppm/K)、鋳型の分割片を連結するネジの熱膨張係数をαN(ppm/K)、ネジのうち鋳型(分割片)に埋没している部分の長さをtN(mm)、母材金属(ここではマグネシウム)の融点を650℃、鋳型を加熱する前の室温を25℃とする。このとき、SiC集合体に溶融Mgを溶浸させると共に金属被覆層を形成すると、上記分割片間の隙間に形成される金属被覆層の大よその厚さtf(μm)は、以下の式(1)で表される。
tf=(650−25)×(αN×tN−αM(tN-tS)−αS×tS)×10-3(μm)  …式(1)
例えば、αS=3(ppm/K)、tS=4.5(mm)、αM=4(ppm/K)、αN=17.3(ppm/K)、tN=10(mm)とすると、上記式(1)より、金属被覆層の厚さtfはtf=85(μm)と求められる。
【００４５】
金属被覆層が所望の厚さとなるように、即ち、所望の隙間が形成されるように、基板の金属成分の組成やSiCの含有量、鋳型の材質、基板の厚さなどを考慮して、熱膨張部の材質、埋設長さを選択するとよい。例えば、4.5mm×100mm×200mm程度の大きさの基板に1μm〜100μm程度の金属被覆層を形成する場合、熱膨張部となる連結部材の構成材料は、SiCとの熱膨張係数の差が1ppm/K以上、確実性を考慮すると好ましくは3ppm/K以上のものが好適に利用することができる。
【００４６】
非充填領域に存在させる金属として金属板を利用する場合、以下のようにして金属被覆層を形成することができる。まず、鋳型に金属板を配置する(この金属板を非充填領域とする)。そして、上記金属板を配置した鋳型に上記SiC集合体を配置し、このSiC集合体と溶融したMg又はMg合金とを複合化する際、この溶融したMg又はMg合金によってSiC集合体に金属板を接合することで、金属被覆層を形成する。金属板は、所望の組成、所望の大きさ及び厚さのものを適宜用意するとよい。金属板と基板との密着性をより高めるために、金属板における基板との接合面に、金属板の構成金属よりも固相線温度(融点)が低い低融点層を設けてもよい。金属板を用いた場合、基板の金属成分と金属被覆層の構成金属とを異なる組成としたり、表面が滑らかな金属被覆層を容易に形成することができる。この形態において上記SiC集合体は、上述した各種の成形体でも、SiC粉末によるものでもいずれも利用することができる。
【００４７】
その他、本発明複合部材は、別途、基板を作製した後、金属被覆層を形成する金属板を接合することでも製造することができる。例えば、上述した本発明製造方法のうち、ホットプレス法を利用することができる。この形態では、複合材料からなる基板を別途作製することができるため、鋳型にスペーサや金属板を配置したり、特別な構成の鋳型を利用することなく、基本的な工程により基板を作製することができ、基板の製造性に優れる。また、ホットプレス法は、(1)Mgの融点以下の温度で実施できるため、金属被覆層の構成材料の選択の幅が広く、複合材料からなる基板の金属成分と金属被覆層の構成金属とが異種の金属である複合部材を簡単に形成することができる、(2)金属板は、塑性変形により上記基板の表面形状に沿って変形し、密着して接合されるため、上記基板と金属被覆層との接合強度に優れる、(3)金属板が塑性変形することで、上記基板に表面欠陥(外引け巣など)があっても金属被覆層を形成できる上に、上記欠陥を塞ぐことができ、表面性状に優れる複合部材が得られる、(4)上記基板中に気孔があっても、加圧により押し潰すことで低減でき、気孔が少ないことで複合部材の熱特性を向上できる、(5)ロウ付けのような介在物(ロウ)が不要であるため、熱伝導性に優れる複合部材が得られる、(6)厚さが薄い金属板を接合可能であり、薄い金属被覆層を具える複合部材が得られる上に、金属被覆層が薄いことで、金属被覆層を含めた複合部材全体の熱膨張係数を小さく抑えられる、といった種々の利点を有する。なお、基板の製造にあたり、上述した各種のSiCの成形体を利用してもよいし、SiC粉末を金型に直接充填させてもよい。
【００４８】
上記基板と金属板との積層物の加熱温度や加圧圧力は、基板の金属成分の組成や、金属板の組成などにより適宜選択することができる。加熱温度が300℃未満及び加圧圧力が0.5ton/cm2未満では、上記積層物を十分に接合することが難しい。上記加熱温度が高いほど、また、上記加圧圧力が高いほど、接合性に優れる傾向にある。上記加熱温度が500℃以上であれば、加圧圧力が小さめでも十分に接合することができる。但し、加熱温度が高過ぎると、基板中の金属成分や金属板が溶解して基板や金属板が変形したり、加圧金型の隙間から流出したりするため、加熱温度は、基板の金属成分や金属板の固相線温度(融点)以下が好ましい。加圧圧力が高過ぎると、SiCの割れが発生するため、加圧圧力は、9ton/cm2以下程度が好ましい。また、加圧圧力が5ton/cm2超であると加圧金型の劣化が速まるため、加圧金型の寿命を考慮すると、加圧圧力は、5ton/cm2以下がより好ましいと考えられる。
【００４９】
上記ホットプレスを行うにあたり、接合雰囲気が不活性雰囲気であると、金属板や基板の表面に酸化膜が生成されることを抑制でき、接合雰囲気が大気である場合と比較して、加熱温度や加圧圧力をより低くして接合することができる。不活性雰囲気は、例えば、Ar雰囲気、He雰囲気、N2雰囲気、真空雰囲気が挙げられる。大気雰囲気の場合、十分に加熱、加圧することで接合可能であり、不活性雰囲気の場合よりも設備を簡略化することができる。
【００５０】
上記金属板が純度が99％以上のMg,Al、及びMg,Alを主成分とする合金からなる群から選択される1種の金属から構成される場合、加熱温度を300℃以上とすると、上記積層物を十分に接合することができる。特に、大気雰囲気下では、加熱温度は400℃以上が好ましく、加熱温度:400℃以上500℃未満のとき、加圧圧力:5ton/cm2以上、加熱温度:500℃以上のとき、加圧圧力:0.5ton/cm2以上が好ましい。不活性雰囲気下では、加熱温度:300℃以上500℃未満のとき、加圧圧力:3ton/cm2以上、加熱温度:500℃以上のとき、加圧圧力:0.5ton/cm2以上が好ましい。
【００５１】
上記金属板が純度が99％以上のCu,Ni、及びCu,Niを主成分とする合金からなる群から選択される1種の金属から構成される場合、加熱温度を500℃以上とすると、上記積層物を十分に接合することができる。特に、大気雰囲気下では、加熱温度は600℃以上が好ましく、加熱温度:600℃以上645℃未満のとき、加圧圧力:3ton/cm2以上、加熱温度:645℃以上のとき、加圧圧力:0.5ton/cm2以上が好ましい。不活性雰囲気下では、加熱温度:500℃以上のとき、加圧圧力:0.5ton/cm2以上が好ましい。
【００５２】
更に、ホットプレス法を行う場合、複合材料からなる基板の側面を適宜拘束しておくことで、基板の変形を抑えられ、寸法精度に特に優れる複合部材を生産することができる。また、ホットプレス法に利用する上下のパンチ面を適宜な曲面(凸面、凹面)とすることで、上記基板に所定の反りを付与することができる。
【００５３】
上記ホットプレス法の他、複合材料からなる基板に金属板を接合する方法として、例えば、ロウ付け、超音波接合、鋳ぐるみ、圧延(クラッド圧延)、酸化物ソルダー法、無機接着剤による接合の少なくとも1つの手法が利用できる。
【００５４】
その他、上記製造方法の一工程として、上記基板、又は上記金属被覆層を具える複合部材を300℃以上、当該基板の金属成分及び金属被覆層の構成金属の固相線温度(融点)未満の温度に加熱しながら、1ton/cm2以上の圧力で加圧する圧縮処理工程を具えることが挙げられる。このようなホットプレスを基板や複合部材に施すことで、基板中の気孔を低減して、気孔率が低い緻密な基板や複合部材とすることができ、上述のように熱特性などの特性のばらつきを低減することができる。加熱温度及び加圧圧力は、高いほど気孔率を低減し易く、加熱温度は、600℃以上がより好ましく、加熱温度が高ければ、加圧圧力が小さめでも十分に気孔を低減することができる。
【発明の効果】
【００５５】
本発明複合部材及び本発明放熱部材は、金属被覆層を具えることで、電気めっきによりめっきを施すことができる。本発明複合部材の製造方法は、上記複合部材を製造することができる。本発明半導体装置は、上記本発明複合部材にめっきを施すことで半田との濡れ性に優れ、当該放熱部材と半導体素子とを十分に接合できる。
【図面の簡単な説明】
【００５６】
【図１】図1は、試験例1で作製した複合部材の顕微鏡写真(100倍)である。
【図２】図2は、試験例1で用いた鋳型の概略構成図であり、図2(A)は、分解斜視図、図2(B)は、正面図である。
【図３】図3は、試験例1で用いた鋳型にSiC集合体及び基板の金属成分となる金属を配置した状態を説明する説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００５７】
(試験例1)
特定の材質からなる鋳型を用いて、複合部材を作製した。ここでは、原料として、99.8質量％以上のMg及び不純物からなる純マグネシウムのインゴット、及び粒子状のSiC粉末(粒径10〜170μm、平均粒径:120μm)を用意した。原料はいずれも市販のものを用いた。
【００５８】
鋳型として、図2に示すように本体部11と蓋部12とを具え、ネジ13により両部11,12が一体化されるものを利用した。なお、図2(A)では、鋳型の内部構造を説明する便宜上、本体部の左右方向の寸法を誇張して示す。鋳型10は、有底の角筒体であり、矩形板状の蓋部12を本体部11に固定した状態において一面側が開口している。本体部11の内部は、階段状の空間を有しており、開口部からの深さが浅い空間が金属載置箇所であり、開口部からの深さが深い空間が複合部材形成箇所である。金属載置箇所において底面11bに平行な一面(金属載置面11m)に、基板の金属成分となるインゴットM(図3参照)を配置する。複合部材形成箇所は、底面11bに平行な一面(SiC載置面11s)と、両面11m,11sとを連結する連結面11cと、蓋部12の内側面12iとで囲まれる空間である(厚さt(ts):4.5mm、幅w:100mm、長さl(深さ方向の大きさ):200mm)。この複合部材形成空間にSiCの粉末を充填して、SiC集合体S(図3参照)を形成する。本体部11及び蓋部12は、カーボン製である(αM=4(ppm/K))。ネジ13は、SUS304製(熱膨張係数αN:17.3ppm/K)であり、長さ:15mmのうち、10mmが鋳型に埋没している(tN＝10(mm))。
【００５９】
本体部11に蓋部12をネジ13により固定して鋳型10を組み立て、複合部材形成空間に、タッピングしてSiC粉末を充填し、SiC集合体(αS=3(ppm/K))を作製した。次に、金属載置面11mに純マグネシウムのインゴットMを配置して、鋳型10を上記金属の融点以上に加熱して(ここでは875℃)、上記金属(純マグネシウム)を溶融した。溶融は、Ar雰囲気で大気圧で行った。この加熱により、熱膨張係数がSiCよりも大きいネジ13が本体部11及び蓋部12よりも膨張することで、SiC集合体と鋳型10(蓋部12の内側面12i)との間に僅かな隙間が生じ、この隙間に溶融した金属(純マグネシウム)が流れ込む。上記加熱状態を2時間保持してSiC集合体と上記溶融した純マグネシウムとを複合化した後、Ar雰囲気下で冷却を行った(ここでは水冷)。
【００６０】
図1は、得られた複合部材の断面顕微鏡写真(100倍)である。図1において下方側の色の濃い領域は背景、上方側の色の薄い領域が複合部材である。複合部材中において、粒状のものがSiC、SiCの粒が存在する領域が基板、SiCの粒が存在しない領域が金属被覆層である。上記工程により、図1に示すように、純マグネシウムを母材とし、この母材中にSiCの粒が分散した基板(SiCの含有量:65体積％)の一面に、純マグネシウムからなる金属被覆層を具える複合部材が得られた。SiCの含有量は、複合部材の任意の断面を光学顕微鏡(50倍)で観察し、この観察像を市販の画像解析装置で画像処理して、この断面中のSiCの合計面積を求め、この合計面積を体積割合に換算した値をこの断面に基づく体積割合とし、n=3の断面の体積割合を求め、これらの平均値とした。
【００６１】
得られた複合部材の表面を確認したところ、金属被覆層を具える一面側は、金属被覆層を具えていない他面側と比較して凹凸が少なく、表面が滑らかであった。また、得られた複合部材において基板の母材(金属成分)と金属被覆層を構成する金属とは、連続する組織からなることが分かる。なお、上記母材及び金属被覆層の構成金属の組成をEDX装置により調べたところ、同一組成(純マグネシウム)であった。また、金属被覆層の厚さを断面写真により調べたところ、平均で約90μmであり、基板の一面に均一的に金属被覆層が形成されていた。この金属被覆層の厚さは、上述した式(1)で算出した結果とほぼ一致していた。また、得られた複合部材の熱伝導率及び熱膨張係数を市販の測定器により測定したところ、208W/m・K、8ppm/Kであった。なお、形成した金属被覆層を除去して複合材料からなる部分の熱伝導率及び熱膨張係数を同様にして測定したところ、210W/m・K、7.8ppm/Kであった。
【００６２】
上記複合部材に対して、電気めっきによりNiめっきを施したところ、金属被覆層の上に均一的なNiめっきを形成することができた。また、Niめっきを具える複合部材と、Niめっきを施していない複合部材に対して、耐食性及び半田との濡れ性を調べたところ、Niめっきを具える複合部材の方が、耐食性及び半田との濡れ性に優れていた。
【００６３】
なお、鋳型の加熱温度は、インゴットが溶融し、かつ沸騰しない温度、具体的には650℃以上1000℃以下が好ましい。また、得られた複合部材や基板にホットプレス(加熱温度:300℃以上、好ましくは600℃以上、加圧圧力:1ton/cm2以上)などを施して、気孔の低減を行ってもよい。更に、原料のSiCを700℃以上に加熱して原料のSiCに対する質量割合が0.4％以上1.5％以下を満たす酸化物層が形成された被覆SiCを利用してSiC集合体を形成し、SiCと溶融した金属(ここでは純マグネシウム)との濡れ性を高めてもよい。ここで述べた、鋳型の加熱温度、複合部材や基板へのホットプレス、被覆SiCを利用することは、以降の試験例についても適用することができる。
【００６４】
また、上記試験では、SiC粉末を利用したが、後述する試験例のようにSiCの成形体を利用してもよい。更に、上記試験では、基板の一面に金属被覆層を具える例を説明したが、基板の対向する二面に金属被覆層を具える構成としてもよい。この場合、鋳型の本体部を更に二分割して、連結板を具える分割片と、SiC搭載面を具える分割片とを作製し、蓋部、及び両分割片をネジにて一体にするとよい。
【００６５】
(試験例2)
SiCの成形体を用いて複合部材を作製した。この試験では、以下の(I)〜(III)の成形体を用意した。
【００６６】
(I)  スリップキャスティングによる成形体
試験例1で用いた粒子状のSiC粉末、その他、界面活性剤及び水を用意し、体積割合で水:SiC粉末≒5:5とし、界面活性剤を添加してスラリーを作製した。ここでは、尿素20質量％水溶液(スラリー全体を100質量％とする)のスラリー、市販のポリカルボン酸系水溶液のスラリーを用意した。各スラリーを成形型に流し込んだ後、空気乾燥して粉末成形体を得た。
【００６７】
(II)  加圧成型による成形体
試験例1で用いた粒子状のSiC粉末を用意し、バインダとして塩化アンモニウムを1〜10質量％の範囲で適宜添加して混合し、この混合物を成形型に充填して、3ton/cm2の圧力で加圧して、粉末成形体を得た。なお、バインダは、基板を作製中の熱により分解・気化して発散した。
【００６８】
(III)  焼結した成形体(焼結材)
上記(I),(II)で作製した粉末成形体を大気中で1000℃×2時間で焼結した焼結材A、及び真空中で2000℃×8時間で焼結した焼結材Bを用意した。また、市販のSiC焼結材α、βを用意した。真空中で焼結した焼結材B及び市販のSiC焼結材α、βをSEMで観察したところ、SiC同士が直接結合したネットワーク部の存在が認められ、大気中で焼結した焼結材Aを同様に観察したところ、酸化物層を介してSiCが結合したネットワーク部の存在が認められた。
【００６９】
上記各成形体は、鋳型の複合部材形成空間の厚さt(ここでは5mm)よりも若干薄いものを用意した。また、鋳型として、図2,3に示すものと同様の形状であって、カーボン製のネジを用いたものを用意した。そして、この試験では、この鋳型の複合部材形成空間に各成形体のみを収納した試料、各成形体とスペーサとを収納した試料とを用意した。上記鋳型の複合部材形成空間に各成形体を収納した試料では、成形体と鋳型(蓋部の内側面)との間に僅かな隙間が生じる。一方、スペーサには、カーボンシート、ナフタレン板、ワイヤを用意した。カーボンシート及びナフタレン板は、厚さが50μm、100μm、200μm、500μm、1000μm、1500μmのものをそれぞれ用意した。そして、成形体と鋳型との間に、成形体の対向する二面を挟むように同じ厚さの一対のカーボンシート、又は同じ厚さの一対のナフタレン板を配置させ、上記成形体の一方の面と鋳型との間、及び他方の面と鋳型との間に、各スペーサの厚さに応じた隙間を生じさせた。ワイヤは、直径0.05mm(50μm)のSUS430製のものを用意し、鋳型における厚さ方向の中央部分に成形体を配置し、成形体の対向する二面のうち、一方の面と鋳型との間、及び他方の面と鋳型との間にそれぞれ所定の大きさの隙間(成形体の一面と鋳型との間の隙間の大きさ:50μm、100μm、200μm、500μm、1000μm、1500μm)が均等に設けられるように上記ワイヤにより成形体を鋳型に固定した。
【００７０】
上述のように成形体や成形体及びスペーサを鋳型に収納した状態で、鋳型の金属載置面に試験例1と同様の純マグネシウムのインゴットを配置して、試験例1と同様の条件で上記インゴットを溶融して(Ar雰囲気、大気圧、875℃×2時間)、成形体(SiC集合体)に溶融した金属(純マグネシウム)を溶浸させて複合化すると共に、上記隙間に上記溶融した金属を流し込ませ、その後冷却した。なお、ナフタレン板は、鋳型の加熱時に昇華により消失した。また、カーボンシートなどのスペーサを利用する場合、成形体に対するスペーサの配置位置がずれることを防止するために、低融点ガラスや低融点塩、水ガラスなどでスペーサを成形体に接着してもよい。
【００７１】
上記工程により、純マグネシウムとSiCと複合された基板の両面に、純マグネシウムからなる金属被覆層を具える複合部材(厚さ5mm)が得られた。特に、粉末成形体を利用した試料は、純マグネシウム中にSiCが分散した基板であった。
【００７２】
得られた各試料を試験例1と同様に観察したところ、いずれの試料も、基板の両面に均一的に金属被覆層が形成されていた。カーボンシートを利用した試料では、金属被覆層の表面にカーボンシートの残存が目視により認められた。ナフタレン板を利用した試料では、金属被覆層の表面に異物が認められなかった。ワイヤを利用した試料では、金属被覆層の一部にワイヤの一部が目視により認められた。具体的には、成形体の一面と鋳型との間に設けた隙間がワイヤの直径にほぼ等しい試料(隙間:50μm)では、複合部材において金属被覆層を具える一対の主面、及び主面に直交する側面にワイヤの一部が残存しており、上記隙間がワイヤの直径よりも大きい試料(隙間:100μm、200μm、500μm、1000μm、1500μm)では、複合部材の側面にワイヤの一部が残存していたものの、複合部材の両主面には認められず、ワイヤは、金属被覆層に埋設されていた。試験例1と同様にして、各金属被覆層の厚さを調べたところ、スペーサを利用しなかった試料は、平均で200μmであった(両金属被覆層の厚さの総和:平均で0.4mm)。スペーサを利用した試料はいずれも、主面に具える各金属被覆層の厚さが、平均で50μm,100μm,200μm,500μm,1000μm,1500μm,であり(両金属被覆層の厚さの総和:平均で0.1mm、0.2mm、0.4mm、1mm、2mm、3mm)、成形体の一面と鋳型との間に設けた隙間の大きさと実質的に一致していた。また、試験例1と同様にして、母材及び金属被覆層の構成金属の組織を調べたところ、連続する組織であった。スペーサなどを利用することで、鋳型よりも小さい成形体を利用するだけの場合と比較して、成形板と鋳型との間に確実に隙間を設けられ、均一的な厚さの金属被覆層を形成することができる。また、上記スペーサの配置やワイヤの固定状態を適宜変更することで、基板の一面のみ、或いは対向する二面に金属被覆層を具える複合部材を簡単に形成することができる。
【００７３】
(I),(II)の成形体及びこれらの成形体を焼結した焼結材、市販の焼結材を用いて作製した各試料における基板のSiCの含有量、各試料の熱伝導率及び熱膨張係数、金属被覆層を除去した基板のみの熱伝導率及び熱膨張係数を試験例1と同様にして求めた。その結果を表1に示す。表1に示すように、両金属被覆層の厚さの総和が2.5mm以下、更に0.5mm以下であると、熱膨張係数が小さく、かつ熱伝導率が高い複合部材が得られることが分かる。また、成形体として焼結材を利用する場合、特にSiC同士が直接結合したネットワーク部を有する焼結材を利用すると、SiCの含有量が同じ場合でも、熱膨張係数が小さく、かつ熱伝導率が高い複合部材が得られることが分かる。
【００７４】
【表１】
2010106362.tif 000003
【００７５】
(試験例3)
SiC粉末をタッピングしてSiC集合体を形成し、加熱により除去可能なスペーサを利用して複合部材を作製した。
【００７６】
スペーサとしてナフタレンからなる板(厚さtn:50μm、100μm、200μm、500μm(0.5mm)、1000μm、1500μm、幅wn:100mm、長さln:200mm)を用意した。また、試験例1で用いた粒子状のSiC粉末及び基板の金属成分となる純マグネシウムのインゴット、並びに試験例2で用いた鋳型(厚さt:5mm)を用意した。鋳型の蓋部の内側面、及び連結面にナフタレンの板を接するように配置し、この状態でタッピングによりSiC粉末を充填して、複合部材形成空間にSiC集合体を形成すると共に、SiC集合体の両面にナフタレンの板が接した状態にした。そして、金属載置面に純マグネシウムのインゴットを配置して、鋳型を純マグネシウムの融点(約650℃)以上に加熱した。この加熱途中でナフタレンの昇華温度に達するとナフタレンは昇華して、複合部材形成空間から除去され、ナフタレンの板が存在した空間に隙間ができた。即ち、SiC集合体と鋳型との間に隙間ができた。この状態で更に所定の温度(875℃)まで加熱を続けて、試験例1と同様の条件で上記インゴットを溶融して(Ar雰囲気、大気圧、875℃×2時間)、SiC集合体に溶融した金属(純マグネシウム)を溶浸させて複合化すると共に、上記隙間に上記溶融した金属を流し込ませ、その後冷却した。
【００７７】
上記工程により、試験例1と同様に、純マグネシウムを母材とし、この母材中にSiCの粒が分散した基板(SiCの含有量:65体積％)の両面に、純マグネシウムからなる金属被覆層を具える複合部材(厚さ:5mm)が得られた。また、上記各金属被覆層の厚さは、平均で50μm、100μm、200μm、500μm(0.5mm)、1000μm、1500μmであり(両金属被覆層の厚さの総和:平均で0.1mm、0.2mm、0.4mm、1mm、2mm、3mm)、利用したナフタレンの板の厚さに実質的に一致していた。複合部材の状態の確認、金属被覆層の厚さの測定、及び基板中のSiCの含有量の測定は、試験例1と同様にして行った。更に、各試料の熱伝導率及び熱膨張係数、金属被覆層を除去した基板のみの熱伝導率及び熱膨張係数を試験例1と同様にして求めた。その結果を表1に示す。
【００７８】
(試験例4)
鋳型に金属板を配置して複合部材を作製した。
【００７９】
金属板としてAl板(JIS合金番号1050の純アルミニウムからなる板、厚さta:0.5mm、幅wa:100mm、長さla:200mm)を用意した。また、試験例1で用いた粒子状のSiC粉末及び基板の金属成分となる純マグネシウムのインゴット、並びに試験例2で用いた鋳型を用意した。鋳型の蓋部の内側面、又は連結面にAl板を接するように配置し、この状態でタッピングしてSiC粉末を充填し、複合部材形成空間にSiC集合体を形成すると共に、SiC集合体の一面にAl板が接した状態にした。そして、金属載置面に純マグネシウムのインゴットを配置して、試験例1と同様の条件で上記インゴットを溶融して(Ar雰囲気、大気圧、875℃×2時間)、SiC集合体に溶融した金属(純マグネシウム)を溶浸させて複合化すると共に、上記溶融した金属によりAl板をSiC集合体に接合させ、その後冷却した。
【００８０】
上記工程により、純マグネシウムを母材とし、この母材中にSiCの粒が分散した基板(SiCの含有量:65体積％)の一面に、母材と異なる組成の金属からなる金属被覆層(ここでは純アルミニウム)を具える複合部材が得られた。また、上記金属被覆層の厚さは、平均で0.5mmであり、利用したAl板の厚さに実質的に一致していた。複合部材の状態の確認、金属被覆層の厚さの測定、及び基板中のSiCの含有量の測定は、試験例1と同様にして行った。
【００８１】
(試験例5)
複合材料からなる基板に金属板をホットプレス法により接合して複合部材を作製した。
【００８２】
この試験では、試験例1で用いた基板の金属成分となる純マグネシウムのインゴット、及び試験例2で用いた鋳型(但し、厚さt:4mm)、並びに市販のSiC焼結材(厚さ:4.0mm、幅:100mm、長さ:200mm)を用意した。そして、鋳型の複合部材形成空間に上記SiC焼結材(SiC集合体)を配置し、金属載置面に純マグネシウムのインゴットを配置して、試験例1と同様の条件で上記インゴットを溶融して(Ar雰囲気、大気圧、875℃×2時間)、SiC焼結材に溶融した金属(純マグネシウム)を溶浸させて複合化して、複合材料からなる基板を作製する。上記工程により、純マグネシウムとSiCとが複合された基板(SiCの含有量:84体積％、厚さ:4.0mm、幅:100mm、長さ:200mm)が得られた。基板中のSiCの含有量は、試験例1と同様にして求めた。
【００８３】
また、この試験では、金属板として純度99％以上の純金属からなるMg板(MIS1)、Al板(JIS合金番号:1050)、Cu板(JIS番号:C1020)、Ni板(NAS  Ni201)、いずれも厚さ:0.5mm、幅:100mm、長さ:200mmのものを2枚ずつ用意した。いずれの金属板も市販のものである。作製した基板を同じ組成の一対の金属板で挟んで積層物とし、この積層物を加熱可能な箱状の加圧金型に配置して、加圧金型を加熱することでこの積層物を加熱すると共に、上記加圧金型の開口部から露出された一方の金属板の表面にパンチを押圧した。上記積層物の加熱温度、加圧圧力、及び、加熱及び加圧時の接合雰囲気を表2に示す。また、上記加熱及び加圧後の積層物の接合状態を調べた。その結果を表2に示す。上記接合状態は、加熱及び加圧後の積層物を厚さ方向に切断し、その切断面において、基板と金属板との間に隙間がなく、全面が接合されている状態を○、基板から金属板が外れて、接合されていない状態を×と評価する。
【００８４】
【表２】
2010106362.tif 000004
【００８５】
表2に示すように、加熱及び加圧を行うことで、複合材料からなる基板に、基板の金属成分と同種の金属だけでなく異種の金属からなる金属板を接合できることが分かる。特に、金属板がMg,Al及びその合金からなる場合は、300℃以上に加熱することで、金属板がCu,Ni及びその合金からなる場合は、600℃以上に加熱することで、金属被覆層を具える複合部材が得られることが分かる。また、加圧圧力は、0.5ton/cm2以上が好ましいことが分かる。更に、基板と金属板とが接合された試料では、金属板が塑性変形することで基板に強固に接合されていた。加えて、この試験から、加熱及び加圧条件が同じ場合、接合雰囲気により接合状態が変化し、接合雰囲気は、大気よりもAr(アルゴン)の方が接合し易いと言える。なお、基板の両面に形成された各金属被覆層の厚さを試験例1と同様にし測定したところ、平均で0.5mmであり(両金属被覆層の厚さの総和:1mm、得られた複合部材の厚さ:5mm)、利用した金属板の厚さに実質的に一致していた。
【００８６】
また、基板の両面に金属被覆層が形成された試料について、熱伝導率及び熱膨張係数を試験例1と同様にして求めた。その結果を表3に示す。表3に示すように、金属被覆層の組成を適宜変更することで、熱伝導率が更に高い複合部材が得られることが分かる。
【００８７】
【表３】
2010106362.tif 000005
【００８８】
本発明は、上述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。例えば、複合材料からなる基板中のSiCの含有量、大きさ、形状、金属成分の組成(例えば、マグネシウム合金)、基板の大きさ、金属被覆層(金属板)の組成、大きさなどを適宜変更することができる。
【産業上の利用可能性】
【００８９】
本発明複合部材は、熱伝導性が高く、半導体素子やその周辺部品との熱膨張係数の整合性に優れ、かつ半田の下地となるめっきを施し易いことから、半導体素子のヒートスプレッダ(本発明放熱部材)に好適に利用することができる。本発明複合部材の製造方法は、上記複合部材の製造に好適に利用することができる。本発明半導体装置は、各種の電子機器の部品に好適に利用することができる。
【符号の説明】
【００９０】
10  鋳型  11  本体部  11b  底面  11m  金属載置面  11s  SiC載置面
11c  連結面  12  蓋部  12i  内側面  13  ネジ
M  インゴット  S  SiC集合体
【図２】
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【図３】
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【図１】
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