(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
平均粒径の大きいＳｉＣ粗粒子と、平均粒径の小さいＳｉＣ微粒子と、該ＳｉＣ粗粒子と該ＳｉＣ微粒子とが分散したＡｌを主成分とするマトリックス金属とのみの複合材料からなる電子機器用放熱部材において、
前記ＳｉＣ粗粒子と前記ＳｉＣ微粒子とは全体を１００体積％としたときに６５〜７５体積％の充填率で前記マトリックス金属中に存在し、
該ＳｉＣ粗粒子の該ＳｉＣ微粒子に対する体積比は１．５〜４であり、
該ＳｉＣ粗粒子の該ＳｉＣ微粒子に対する平均粒径比は１０〜１５であることを特徴とする電子機器用放熱部材。
【請求項２】
前記ＳｉＣ粗粒子の平均粒径は５０〜３００μｍであり、前記ＳｉＣ微粒子の平均粒径は５〜３０μｍである請求項１記載の電子機器用放熱部材。
【請求項３】
平均粒径の大きなＳｉＣ粗粒子の平均粒径の小さなＳｉＣ微粒子に対する平均粒径比が１０〜１５で該ＳｉＣ粗粒子の該ＳｉＣ微粒子に対する体積比が１．５〜４である該ＳｉＣ粗粒子と該ＳｉＣ微粒子とが混在したＳｉＣ粉末を金型に充填する充填工程と、
該ＳｉＣ粉末の充填された金型にＡｌを主成分とするマトリックス金属の溶湯を注湯し加圧して該ＳｉＣ粉末に該溶湯を含浸させ全体を１００体積％としたときに該ＳｉＣ粉末の充填率を６５〜７５体積％とする注湯工程と、
を備えることを特徴とする電子機器用放熱部材の製造方法。
【請求項４】
請求項３に記載の製造方法によって得られた請求項１に記載の電子機器用放熱部材。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体チップ等を備える電子機器から発生した熱を外部に伝熱または放熱する電子機器用放熱部材とその製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
各種機器の制御に、高集積半導体チップや基板上にそれらを高密度に配設したモジュール等が用いられる。半導体チップ等のデバイスは、通常、その使用温度範囲が定められており、その範囲を超えると誤作動を起す。このため、半導体チップ等からの発熱は、適宜放熱する必要がある。特に、集積度が高くなる程、また、制御電流量が増える程、冷却能力を高める必要がある。そこで、従来から半導体チップや基板の下面にヒートシンク等の放熱部材を設けることが行われてきた。
【０００３】
このような放熱部材には、放熱性を向上させるための高熱伝導性と、半導体チップや基板とのクラック（例えば、はんだのクラック）や放熱部材自体の熱歪みを抑制するための低熱膨張性とが求められる。しかし、通常のアルミニウム等の金属材料では、一般的に背反関係にある両特性を十分に満たすことができない。一方、ＳｉＣ等のＳｉ系セラミックス材料を放熱部材に用いると、両特性を高次元で満足することが可能となる。ところが、ＳｉＣ等のセラミックス材料は靱性に乏しく衝撃に対して弱い。加工時、組付時、使用時等に放熱部材へ加わる衝撃により、放熱部材の割れ、破損等を生じ兼ねない。
【０００４】
そこで、高熱伝導性、低熱膨張性、高信頼性等をバランス良く満足させるために、金属−セラミックス複合材料が放熱部材に用いられている。例えば、特開平１１−２２８２６１号公報には、所定平均粒径をもつＳｉＣ粉末をＡｌ−Ｓｉ−Ｍｇのマトリックス金属中に分散させたヒートシンク用金属−セラミックス複合材料が開示されている。具体的には、平均粒径２０μｍ程度のＳｉＣ粉末一種類をマトリックス金属中に６０〜７０体積％の割合で分散（充填）させた複合材料が開示されている。しかし、この複合材料の熱伝導率は、高々１８０Ｗ／ｍＫに過ぎない。
【０００５】
また、特開平１１−１０６８４８号公報には、平均粒径の異なる２種のＳｉＣ粉末をＡｌ合金中に分散させた複合材料が開示されている。具体的には、平均粒径が５０μｍと平均粒径１４μｍのＳｉＣ粉末を４０〜７０体積％の割合でＡｌ合金中に分散させた複合材料が開示されている。しかし、この複合材料の熱伝導率も高々１８０Ｗ／ｍＫに過ぎない。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものである。つまり、マトリックス金属中にＳｉＣ粒子を分散させた複合材料からなり、高熱伝導性と低熱膨張性とを高次元で両立できる電子機器用放熱部材を提供することを目的とする。
また、それを効率的に製造できる電子機器用放熱部材の製造方法を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
そこで、本発明者はこの課題を解決すべく鋭意研究し試行錯誤を重ねた結果、平均粒径の異なるＳｉＣ粒子の平均粒径比とその体積比とマトリックス金属に対するその充填率とを適切に設定することにより、高熱伝導性と低熱膨張性とを高次元で両立できる金属−セラミックス複合材料が得られることを見出し、本発明の放熱部材を開発するに至ったものである。
（電子機器用放熱部材）
すなわち、本発明の電子機器用放熱部材は、平均粒径の大きいＳｉＣ粗粒子と、平均粒径の小さいＳｉＣ微粒子と、該ＳｉＣ粗粒子と該ＳｉＣ微粒子とが分散したＡｌを主成分とするマトリックス金属とのみの複合材料からなる電子機器用放熱部材において、
前記ＳｉＣ粗粒子と前記ＳｉＣ微粒子とは全体を１００体積％としたときに６５〜７５体積％の充填率で前記マトリックス金属中に存在し、該ＳｉＣ粗粒子の該ＳｉＣ微粒子に対する体積比は１．５〜４であり、該ＳｉＣ粗粒子の該ＳｉＣ微粒子に対する平均粒径比は１０〜１５であることを特徴とする。
【０００８】
Ａｌを主成分とするマトリックス金属中に平均粒径の異なるＳｉＣ粗粒子とＳｉＣ微粒子とを混在させ、ＳｉＣ粗粒子およびＳｉＣ微粒子の平均粒径比とそれらの体積比およびそれらのマトリックス金属に対する充填率とを上記のように適切な範囲内に設定することで、低熱膨張性を確保しつつ、著しく高い熱伝導率をもつ複合材料が得られたものである。従って、この複合材料からなる放熱部材は、各種電子機器の発熱を効率的に外部に導き、または、放熱することが可能となる。
【０００９】
ところで、ＳｉＣ粗粒子およびＳｉＣ微粒子（以降、両者を併せて「ＳｉＣ粒子」と称する。）の充填率を６５〜７５体積％としたのは次の理由による。
金属−セラミックス複合材料の場合、線膨張係数は、マトリックス金属とセラミックス粒子（分散粒子）との割合つまり複合則にほぼ従ったものとなる。分散粒子であるＳｉＣ粒子はマトリックス金属の主成分であるＡｌに比べて遙かに線膨張係数が小さい。よって、ＳｉＣ粒子のマトリックス金属中への充填率が大きいほど、複合材料の線膨張係数は小さくなる。そこで、放熱部材として十分な低熱膨張性を確保する観点から、充填率を６５体積％以上とした。一方、充填率が７５体積％を超えると、ＳｉＣ粒子へのマトリックス金属の含浸が不十分となり、放熱部材の靱性または耐衝撃性を確保し難くなる。そこで、充填率を６５〜７５体積％としたが、充填率を６８〜７２体積％とするとより好ましい。
【００１０】
もっとも、このような高充填率が、ＳｉＣ粒子の粒径等と無関係に得られるものではないことを本発明者は種々の実験により確認している。そして、平均粒径の大きなＳｉＣ粗粒子の間に形成された隙間へ、平均粒径の小さいＳｉＣ微粒子が侵入することでそれらの充填率が高められるが、単にこれだけでは十分な充填率が得られない。つまり、ＳｉＣ粗粒子とＳｉＣ微粒子との平均粒径比を１０〜１５とし、それらの体積比を１．５〜４とすることにより、それらの充填率を一層高められることが解った。しかも、このとき、その高充填率と併せて熱伝導率が著しく高まることも解った。
【００１１】
一方、複合材料全体としての熱伝導率は、線膨張係数と異なり複合則に単純に従うことはない。つまり、充填率以外にマトリックス金属とＳｉＣ粒子との間に形成される界面の面積の大小が、熱伝導率の大小に大きな影響を与える。例えば、その界面の面積が増えると、ＳｉＣ粒子とマトリックス金属との間で熱伝達が頻繁に行われて、複合材料内を熱が伝わっていくことになる。この結果、ＳｉＣ粒子による高熱伝導性の効果が低減され、複合材料全体として熱伝導率が低下する。
【００１２】
前述の平均粒径比が１５を超えたり体積比が１．５未満であると、ＳｉＣ粒子とマトリックス金属との間に形成される界面の面積が増加して、熱伝導率が減少して好ましくない。一方、平均粒径比が１０未満であったり体積比が４を超えると、ＳｉＣ粗粒子間に侵入するＳｉＣ微粒子が減り、十分な充填率が得られず好ましくない。そして、平均粒径比を１１〜１４または体積比を２〜３とするとより好ましい。
【００１３】
（電子機器用放熱部材の製造方法）
前述の電子機器用放熱部材は、種々の方法により製造可能であるが、例えば、次の本発明に係る製造方法を用いると好適である。
すなわち、本発明の電子機器用放熱部材の製造方法は、平均粒径の大きなＳｉＣ粗粒子の平均粒径の小さなＳｉＣ微粒子に対する平均粒径比が１０〜１５で該ＳｉＣ粗粒子の該ＳｉＣ微粒子に対する体積比が１．５〜４である該ＳｉＣ粗粒子と該ＳｉＣ微粒子とが混在したＳｉＣ粉末を金型に充填する充填工程と、該ＳｉＣ粉末の充填された金型にＡｌを主成分とするマトリックス金属の溶湯を注湯し加圧して該ＳｉＣ粉末に該溶湯を含浸させ全体を１００体積％としたときに該ＳｉＣ粉末の充填率を６５〜７５体積％とする注湯工程と、を備えることを特徴とする。
【００１４】
この製造方法は、いわゆる加圧含浸法の一種であるが、特定の平均粒径比と体積比とをもつＳｉＣ粉末を、金型に直接充填していることが大きな特徴である。このため、従来行われていたＳｉＣ粉末の予備成形を必要とせず、工程削減による低コスト化を図れる。また、その成形用バインダーが不要であるため、バインダーの介在に伴う熱伝導率の低下を防止することができる。
なお、この製造方法に係る平均粒径比と体積比と充填率の数値限定の意味は、前述した通りである。
【００１５】
【発明の実施の形態】
次に、実施形態を挙げ、本発明をより詳細に説明する。
（１）複合材料
▲１▼ＳｉＣ粒子
本発明の電子機器用放熱部材を構成する複合材料は、Ａｌ系のマトリックス金属中に所定のＳｉＣ粗粒子とＳｉＣ微粒子とが分散したものである。
ここで、ＳｉＣ粗粒子の平均粒径が５０〜３００μｍであり、ＳｉＣ微粒子の平均粒径が５〜３０μｍであると、好適である。
【００１６】
ＳｉＣ粗粒子の平均粒径が５０μｍ未満では、前記界面の面積が増加し熱伝導率を向上させる上で好ましくない。その平均粒径が３００μｍを超えると、その複合材料の加工が困難となる。
ＳｉＣ微粒子の平均粒径が５μｍ未満では、ＳｉＣ微粒子の凝集が生じ易くなりマトリックス金属中への均一な分散が困難となる。平均粒径が３０μｍを超えると、ＳｉＣ粗粒子間にできる隙間への十分な侵入が困難となり、また、前述の適切な平均粒径比を確保し難い。
ＳｉＣ粗粒子の平均粒径を５０〜２００μｍ、７５〜１５０μｍさらには７５〜１２５μｍとするとより好ましい。また、ＳｉＣ微粒子の平均粒径を５〜２０μｍ、５〜１５μｍさらには７〜１０μｍとすると、より好ましい。
【００１７】
ここで、平均粒径とは、ふるい分け試験法、電気抵抗法（ＪＩＳ  Ｒ６００２）を用いて測定した粒径の平均である。
なお、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、この複合材料がＳｉＣ微粒子とＳｉＣ粗粒子以外の第３粒子（粒径の異なるＳｉＣ粒子や別のセラミックス粒子等）を含んでも良い。
【００１８】
▲２▼マトリックス金属
マトリックス金属は、Ａｌを主成分とするものだが、具体的には純Ａｌ（９９％以上）やＡｌ合金である。Ａｌ合金を用いる場合、熱伝導率の向上を図れる合金元素を適当量だけＡｌに添加すると好適である。
【００１９】
（２）放熱部材の製造方法
▲１▼充填工程
本発明に係る製造方法の充填工程では、ＳｉＣ粉末を必要とする。このＳｉＣ粉末は、前述のＳｉＣ粗粒子とＳｉＣ微粒子とが混在したものであれば良く、その生成方法までは問わない。ＳｉＣを機械的または化学的に粉砕して用意しても良い。もっとも、平均粒径の異なる市販のＳｉＣ粉末を、前述の平均粒径比と体積比の下で混合すれば容易に準備できる。
【００２０】
▲２▼注湯工程
マトリックス金属の溶湯の温度範囲は、その組成にもよるが、融点以上とすることは勿論、その溶湯とＳｉＣとが反応を始める温度よりも低くすることが好ましい。例えば、マトリックス金属を純Ａｌ（融点６６０℃）とした場合、溶湯温度を７００〜８００℃、さらには７５０〜８００℃とすると好ましい。なお、同程度に金型を予熱しておくことが好ましい。
【００２１】
溶湯に加える圧力は、ＳｉＣ粉末にマトリックス金属の溶湯が十分に含浸する圧力である。例えば、前記純Ａｌの溶湯を用いた場合なら、７０〜１２０ＭＰａとすると好ましい。
なお、注湯工程後に冷却凝固工程、離型工程、加工工程等が適宜為されることは言うまでもない。
ここでは加圧含浸法を説明したが、可能な範囲で溶湯攪拌法、非加圧含浸法、液相成形法等を用いても良い。
【００２２】
（３）電子機器用放熱部材
電子機器用放熱部材は、電子機器から生じた熱を放熱のために外部に伝達するものであり、いわゆるヒートシンクに限られない。例えば、Ａｌ合金等の金属製ヒートシンクとセラミックス基板との間に介在して熱伝達を行う熱膨張整合用部材や電子機器の収納ケース等として、その放熱部材を用いても良い。
【００２３】
【実施例】
次に、実施例を挙げて、本発明をより具体的に説明する。
（放熱部材の製造方法）
本発明に係る電子機器用放熱部材として、Ａｌ−ＳｉＣ複合材料からなる３×５０×８０ｍｍの板状部材を製作した。
分散粒子であるＳｉＣ粒子には、平均粒径が異なる市販のＳｉＣ粉末（昭和電工社製）を用いた。用意したＳｉＣ粉末は、ＳｉＣ粒子の平均粒径が２μｍ、８μｍ、１４μｍ、４０μｍ、１００μｍの５種類である。
【００２４】
これらのＳｉＣ粉末から、（ＳｉＣ粗粒子の平均粒径）：（ＳｉＣ微粒子の平均粒径）が、▲１▼１００：２（＝５０）、▲２▼１００：８（＝１２．５）、▲３▼１００：１４（＝７．１）、▲４▼１４：２（＝７）、▲５▼４０：４０（＝１、４０μｍのみ）となる５種類のＳｉＣ混合粉末を用意した（混合工程）。（）内の数値は、平均粒径比である。このときの混合比は、ＳｉＣ粗粒子／ＳｉＣ微粒子＝７／３（＝２．３）とした。（）内の数値は、体積比である。
次に、用意したＳｉＣ混合粉末を、前記板状部材に沿った凹形状の金型キャビティへ充填した（充填工程）。この充填の際、特に加圧はしなかった。
【００２５】
次に、マトリックス金属である純Ａｌ（ＪＩＳ  １０５０）を溶解した溶湯を用意した。この溶湯の温度を７５０〜８００℃に保持しつつ、金型の注口から注湯し加圧した（注湯工程）。このときの加圧力を１００ＭＰａとした。このとき、金型を予め７００℃に加熱しておいた。これにより、溶湯の局所的な急冷凝固が回避され、ＳｉＣ粉末が溶湯に十分含浸されるように配慮した。なお、前述の各ＳｉＣ混合粉末ごとに、充填率を３段階で変更して注湯工程を行った。
この注湯工程後、金型を冷却して、金型から鋳造品を取出し、Ａｌ−ＳｉＣ複合材料（放熱部材）を得た。本実施例では行わなかったが、必要に応じて得られた複合材料を切削加工して、電子機器と接触する面の面粗度や平面度等を確保すると良い。
【００２６】
（放熱部材の測定）
得られた各種の放熱部材について、線膨張係数と熱伝導率とを測定して、それぞれ図１および図２にプロットした。図１は、充填率であるＳｉＣ体積率を横軸に線膨張係数を縦軸にとって、両者の関係を示したグラフである。但し、前述の▲４▼１４：２のＳｉＣ混合粉末（平均粒径比＝７）を用いた放熱部材については、線膨張係数を測定していない。
【００２７】
図２は、マトリックス金属（Ａｌ）と分散粒子（ＳｉＣ）との界面の面積を横軸にとり、熱伝導率を縦軸にとって、両者の関係を示したグラフである。
なお、充填率は、アルキメデス法により求めた。線膨張係数は熱機械分析装置（セイコーインスツルメント社製：ＤＳＣ２２０Ｃ）を用いてＪＩＳに沿って求めた。熱伝導率は、レーザフラッシュ法熱定数測定装置（真空理工社製：ＴＣ−７００）を用いて、ＪＩＳ  Ｒ１６１１により求めた。
【００２８】
（評価）
図１から、平均粒径１００μｍのＳｉＣ粗粒子と平均粒径８μｍのＳｉＣ微粒子とを組合わせた試料▲２▼の充填率が７０体積％前後と高く、その線膨張係数が７〜８（１０−６／Ｋ）で最も低いことが解る。また、図２から、その試料▲２▼のＡｌ／ＳｉＣ界面の面積が１２０００ｍｍ2 程度と小さく、その熱伝導率が２４５〜２６５（Ｗ／ｍＫ）と非常に高いことも解る。
そして、この試料▲２▼は、充填率が６８〜７２体積％で、平均粒径比が１２．５で、体積比が２．３であり、本発明の範囲に含まれるものである。
【００２９】
【発明の効果】
本発明の電子機器用放熱部材によれば、低熱膨張性を確保しつつ、著しく高い熱伝導率が得られる。
また、本発明の製造方法によれば、その電子機器用放熱部材を効率的に製造できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施例に係るＳｉＣ体積％と線膨張係数との関係を示すグラフである。
【図２】本実施例に係るＡｌ／ＳｉＣ界面の面積と熱伝導率との関係を示すグラフである。
【図１】
0003655207.tif 000002
【図２】
0003655207.tif 000003