(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ａｌを主成分とするマトリックス金属中にＳｉＣ粒子が分散した複合材料からなる電子機器用放熱部材の製造方法において、
ＳｉＣ粉末を金型に充填する充填工程と、
該充填工程後の金型を前記マトリックス金属の融点以上で該マトリックス金属の溶湯と該ＳｉＣ粉末中のＳｉＣ粒子とが反応を開始する反応開始温度未満内にある予熱温度に予熱する予熱工程と、
該予熱工程後の金型に溶湯温度が該マトリックス金属の融点以上で該反応開始温度未満内にある該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２】
前記マトリックス金属はＡｌを９０質量％以上含有した純ＡｌまたはＡｌ合金であり、
前記予熱温度は６５０〜７５０℃であり、
前記溶湯温度は７００〜８００℃である、
ことを特徴とする請求項１記載の電子機器用放熱部材の製造方法。
【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それらを基板上に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に高熱伝導性が求められる。また、放熱部材自体の熱歪みまたは放熱部材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）を抑制するために低熱膨張性が求められる。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それらの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単体では、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。
【０００５】
ところで、このような金属−セラミックス複合材料は、通常、セラミックス粉末にバインダーを混入して成形、焼成した予備成形体（プリフォーム）に、マトリックス金属の溶湯を高圧で含浸させる高圧鋳造法（または加圧含浸法）により製造される。そして、その予備成形体への溶湯の含浸を容易とすべく、溶湯の温度を融点よりも遙かに高く設定するのが一般的である。例えば、前記公報に記載された金属−セラミックス複合材料では、８４％Ａｌ−１５％Ｓｉ−１％ＭｇのＡｌ合金を８５０℃にし、３００℃に予熱した金型内に注湯している。このＡｌ合金では、Ｓｉが多量に添加させれており、その液相線温度が純Ａｌの融点（６６０℃）より降下しているはずである。にも拘らず、溶湯温度を８００℃を超える高温にして、その溶湯を金型に注湯している。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明者は、種々の実験を繰返し懸命に研究した結果、金属−セラミックス複合材料において、マトリックス金属の溶湯温度を従来のような高温とすると、得られた複合材料（つまり、放熱部材）の熱伝導率が低下することを新たに見出した。実際に、前述の複合材料からなるヒートシンクでは、その熱伝導率が高々１８０Ｗ／ｍＫに過ぎないものとなっている。
【０００７】
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る放熱部材において、その熱伝導率を従来になく著しく高めることが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。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
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、前述したように、マトリックス金属の溶湯温度と放熱部材の熱伝導率との間に相関があることを見出した。さらに、その溶湯が高温になるとセラミックス粒子とマトリックス金属とが反応して、低熱伝導性の物質（以下、「低熱伝導性物質」と称する。）が生成され、放熱部材全体の熱伝導率が低下することも見出した。このような知見の下、本発明者は、本発明の電子機器用放熱部材の製造方法を完成させるに至った。
【０００９】
すなわち、本発明の電子機器用放熱部材の製造方法は、Ａｌを主成分とするマトリックス金属中にＳｉＣ粒子が分散した複合材料からなる電子機器用放熱部材の製造方法において、
ＳｉＣ粉末を金型に充填する充填工程と、該充填工程後の金型を前記マトリックス金属の融点以上で該マトリックス金属の溶湯と該ＳｉＣ粉末中のＳｉＣ粒子とが反応を開始する反応開始温度未満内にある予熱温度に予熱する予熱工程と、該予熱工程後の金型に溶湯温度が該マトリックス金属の融点以上で該反応開始温度未満内にある該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る注湯工程と、を備えることを特徴とする。
【００１０】
本発明の製造方法では、マトリックス金属の溶湯温度を、マトリックス金属の融点以上とすることに加え、その溶湯温度を反応開始温度未満とした。これにより、ＳｉＣ粒子とマトリックス金属との界面等に低熱伝導性物質が晶出、生成等されることが抑制、防止される。ちなみに、このような低熱伝導性物質として、例えば、ＳｉやＡｌ４Ｃ３の晶出や生成が考えられる。
【００１１】
さらに本発明では、その溶湯温度の設定に加えて、予熱工程におけるＳｉＣ粉末の充填された金型の予熱温度を、マトリックス金属の融点以上、反応開始温度未満に設定している。この予熱工程により、注湯工程において、マトリックス金属の溶湯が金型やＳｉＣ粉末に接触しても、その溶湯が容易に凝固せず、溶湯のＳｉＣ粉末への十分な含浸が可能となる。つまり、放熱部材の熱伝導率低下の原因となる未含浸部の発生が抑制、防止される。勿論、予熱温度を反応開始温度未満としているため、溶湯がＳｉＣ表面に接触しても、その部分で低熱伝導性物質が生成されることもない。
【００１２】
また、本発明の製造方法では、充填工程において、金型のキャビティに直接ＳｉＣ粉末を充填することにより、予備成形体の成形工程等を削減できる。しかも、その成形工程の省略により、低熱伝導率のＳｉＣ粉末用バインダー等が複合材料内に混入することを防止できる。よって、熱伝導率がより一層高い複合材料、つまり電子機器用放熱部材が得られる。
なお、反応開始温度未満内で、前記溶湯温度または予熱温度の下限を、（マトリックス金属の融点）＋３０℃、＋５０℃、＋７０℃、さらには（マトリックス金属の融点）＋１００℃とすると好ましい。これにより、ＳｉＣ粉末への溶湯の含浸が一層容易となる。
【００１３】
【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）充填工程
充填工程において、金型へ充填するＳｉＣ粉末は、一種類の粉末であっても、複数種の粉末を混合したものでも良い。ＳｉＣはＡｌ等のマトリックス金属と比較して遙かに線膨張係数が小さく、熱伝導率が大きい。そこで、ＳｉＣ粉末をマトリックス金属中へ多く充填する程（充填率を大きくする程）、放熱部材の線膨張係数を小さくすることができる。しかし、熱伝導率は線膨張係数と異なり、その充填率のみによって決定されない。つまり、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も、複合材料の全体的な熱伝導率に大きく影響を与える。従って、低熱膨張で高熱伝導の放熱部材を得るためには、充填率を上げる一方で界面の面積を低下させることが好ましい。
【００１４】
しかし、通常、それらは背反関係にあり、単純に両特性を高次元でバランスさせることは難しい。例えば、平均粒径の大きなＳｉＣ粒子を分散させると、界面の面積は小さくなるが、充填率も低下して所望の線膨張係数が得られない。また、平均粒径があまり大きいＳｉＣ粒子を分散させると、得られた複合材料の加工が困難となる。一方、平均粒径の小さなＳｉＣ粒子を分散させると、充填率を大きくできたとしても、界面の面積が大きくなり、熱伝導率が低下する。また、平均粒径があまり小さいＳｉＣ粒子は凝集し易く、かえって充填率を低下させる。
【００１５】
そこで、本発明者は、前述の製造方法に加えて、さらなる低熱膨張性と高熱伝導性とを高次元でバランスさせることができるＳｉＣ粉末も開発した。すなわち、ＳｉＣ粉末を、平均粒径の大きいＳｉＣ粗粒子と平均粒径の小さいＳｉＣ微粒子とで構成し、そのＳｉＣ粗粒子のＳｉＣ微粒子に対する体積比を１．５〜４、ＳｉＣ粗粒子のＳｉＣ微粒子に対する平均粒径比を１０〜１５とすると、より好ましい。そして、このときの充填率（複合材料全体を１００体積％としたときのＳｉＣ粉末の割合）を６５〜７５体積％とすると良いことも解った。より望ましくは、平均粒径比を１１〜１４、体積比を２〜３、充填率を６８〜７２体積％とするとより好ましい。
【００１６】
ＳｉＣ粒子の平均粒径を具体的に言うなら、ＳｉＣ粗粒子の平均粒径を５０〜３００μｍとし、ＳｉＣ微粒子の平均粒径を５〜３０μｍとすると、好適である。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。
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。
【００１７】
なお、このようなＳｉＣ粉末は、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生成しても良いが、平均粒径の異なる市販のＳｉＣ粉末を混合すれば容易に所望のＳｉＣ粉末が得られる。
また、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、この複合材料またはＳｉＣ粉末が、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）注湯工程
マトリックス金属の融点等は、その組成により変化するため、その溶湯温度も一概に言うことはできない。もっとも、主成分であるＡｌの組成をある程度特定することで、その好ましい温度範囲を特定可能である。
例えば、マトリックス金属がＡｌを９０質量％以上含有した純ＡｌまたはＡｌ合金である場合、前記予熱温度を６５０〜７５０℃とし、前記溶湯温度を７００〜８００℃とすると、好適である。さらに、予熱温度を６７５〜７２５℃、溶湯温度を７５０〜８００℃とすると、より好ましい。
【００１９】
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。
ところで、マトリックス金属は、純Ａｌ（９９％以上）が好ましい。添加元素による熱伝導率の低下を回避できるからである。勿論、複合材料全体の熱伝導率の低下を招かない合金元素またはその熱伝導率を向上させる合金元素を添加したＡｌ合金は、マトリックス金属としてふさわしい。
【００２０】
（３）電子機器用放熱部材
本発明の製造方法により得られる電子機器用放熱部材は、電子機器の放熱のために、そこから生じた熱を外部に伝達するものである。この放熱部材は、いわゆるヒートシンクに限られない。例えば、その放熱部材が、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であっても良い。
【００２１】
【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）
本発明に係る製造方法を用いて、Ａｌ−ＳｉＣ複合材料からなる３×５０×８０ｍｍの板状の電子機器用放熱部材を製作した。
ＳｉＣ粉末として、ＳｉＣ粒子の平均粒径が異なる２種のＳｉＣ粉末（昭和電工社製）を混合したＳｉＣ混合粉末を用いた。このＳｉＣ混合粉末の調製に際し、平均粒径が１００μｍのＳｉＣ粗粒子からなるＳｉＣ粉末と、平均粒径が８μｍのＳｉＣ微粒子からなるＳｉＣ粉末とを、それぞれ体積比で７：３の割合で混合した（混合工程）。なお、このＳｉＣ混合粉末は、平均粒径比が１２．５、体積比が２．３に相当する。
【００２２】
次に、このＳｉＣ混合粉末を、前記放熱部材の形状に沿った凹状のキャビティをもつ金型へ充填した（充填工程）。この充填の際、特に加圧はせず、バインダー等も混合しなかった。
次に、マトリックス金属である純Ａｌ（ＪＩＳ  １０５０：融点６５７℃）を溶解した溶湯を用意した。この溶湯温度を７００〜９５０℃の範囲内で、５０℃ごとに種々変化させ、それぞれの溶湯温度に保持した溶湯を金型の注口から注湯し、加圧した（注湯工程）。このときの加圧力は、各溶湯共通で、１００〜１４０ＭＰａとした。
【００２３】
なお、この注湯工程前に、金型を予め７００℃（予熱温度）に加熱しておいた（予熱工程）。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なった。
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。
【００２４】
（放熱部材の測定）
各種溶湯温度から得られた複合材料（放熱部材）について、熱伝導率を測定した。図１に、溶湯温度（℃）を横軸に、熱伝導率（Ｗ／ｍ・Ｋ）を縦軸にとって、それらの関係をプロットしたグラフを示す。
なお、この熱伝導率は、レーザフラッシュ法熱定数測定装置（真空理工社製：ＴＣ−７０００）を用いて、ＪＩＳ  Ｒ１６１１により求めた。
また、各複合材料のＳｉＣ混合粉末の充填率は、全体に対して７０％であった。この充填率は、アルキメデス法により求めた。
【００２５】
（評価）
図１から、溶湯温度を７００〜８００℃、特に、７５０〜８００℃とすると、得られる複合材料の熱伝導率がピークを示し、著しく高い熱伝導率をもつ放熱部材が得られることが解る。また、本実施例の場合、反応開始温度は、約８５０℃と考えられ、それを超える溶湯温度では、得られる放熱部材の熱伝導率が急激に低下することも解った。
【００２６】
【発明の効果】
本発明の製造方法によれば、低熱伝導性物質等の生成を抑制、防止でき、熱伝導率が著しく高い電子機器用放熱部材が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施例に係る溶湯温度と熱伝導率との関係を示すグラフである。
【図１】
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