(57)【要約】 【課題】  ＳｉＣ，Ｓｉ−Ａｌからなり、炭化アルミの生成を防止した耐久性に優れる金属−セラミックス複合材料の製造方法を提供する。【解決手段】  ＳｉＣ粉末と有機バインダとを含むプリフォーム１０と、溶融Ａｌに対して非透過性であり、溶融Ｓｉと反応することで透過性となる容器１１に固体Ａｌ１２を収容したものと、固体Ｓｉ１３とを炉内に設置して、Ｓｉの融点を超える温度に加熱する。こうして固体Ｓｉ１３を溶融させてプリフォーム１０中に浸透させ、ＳｉＣ／Ｓｉ複合材料１０ａを得る。一方で、容器１１に溶融Ｓｉ１３ａを浸透させて容器１１を溶融Ａｌ１２ａに対して透過性な容器１１ａに変化させ、その中の溶融Ａｌ１２ａを容器１１ａから流出させて、この溶融Ａｌ１２ａをＳｉＣ／Ｓｉ複合材料１０ａ中の溶融Ｓｉ１３ａと相互拡散させる。こうしてＡｌ４Ｃ３を生成させることなく、ＳｉＣ／Ｓｉ−Ａｌ複合材料を得る。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｓｉ−Ａｌ合金マトリックス中にＳｉＣ粉末とＳｉＣ繊維のいずれか一方または両方が分散してなる金属−セラミックス複合材料の製造方法であって、
ＳｉＣ粉末とＳｉＣ繊維のいずれか一方または両方と、有機バインダと炭素材料のいずれか一方または両方と、を含むプリフォームを用意する工程と、
溶融Ａｌに対して非透過性であり、かつ、溶融Ｓｉと反応することで透過性となる容器に固体Ａｌを収容し、この容器と前記プリフォームと固体Ｓｉを炉内に設置する工程と、
前記炉内をＳｉの融点を超える温度に加熱する工程と、を有し、
前記加熱工程では、前記固体Ｓｉが溶融して生成する溶融Ｓｉを前記プリフォーム中に浸透させてＳｉＣ／Ｓｉ複合材料を得た後、この溶融Ｓｉを前記容器に浸透させて前記容器を溶融Ａｌに対して透過性とすることでこの容器内で前記固体Ａｌが溶融してなる溶融Ａｌを当該容器から流出させることにより、当該溶融Ａｌを前記ＳｉＣ／Ｓｉ複合材料中の溶融Ｓｉと相互拡散させることを特徴とする金属−セラミックス複合材料の製造方法。
【請求項２】
固体のＡｌを収容した前記容器を、ＳｉＣ粉末とＳｉＣ繊維のいずれか一方または両方と有機バインダとを含む、製品とは別のプリフォームの上に設置することを特徴とする請求項１に記載の金属−セラミックス複合材料の製造方法。
【請求項３】
熱膨張係数が２．７×１０−６／℃以上１７．４×１０−６／℃以下となるように、ＳｉＣの充填率とＳｉ−Ａｌ合金中のＡｌ含有率のいずれか一方または両方を調整することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の金属−セラミックス複合材料の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、金属−セラミックス複合材料の製造方法に関し、さらに詳しくは、マトリックスがＳｉ−Ａｌ合金である、耐久性に優れた金属−セラミックス複合材料の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般的に、半導体集積回路を形成する半導体チップは、セラミックスまたはプラスチックのパッケージ内に収められ、各種電子機器に使用される。このようなパッケージは、半導体チップの保護やボード（基板）への実装、半導体チップと基板との間における電気信号伝達などの諸機能を果たすだけでなく、半導体チップにおいて発生する熱を外部に速やかに放散する役割も担っている。
【０００３】
近年、半導体チップにおける回路の高集積化が進展し、また回路の動作速度が向上するにつれて半導体チップの消費電力が大きく増大するとともに、半導体チップの発熱量も急激に増大している。半導体チップの発熱は、素子の寿命を低下させる原因となるだけでなく、半導体チップとパッケージとでは構成部材が異なるために熱膨張係数が異なり、これに起因して応力が発生し、半導体チップに割れが生じたり、半導体チップがパッケージから剥離する等の問題を引き起こす。
【０００４】
そこで、このような問題を解決するために、ボードやパッケージを高熱伝導性材料で構成したり、高熱伝導性材料からなる放熱用基板をパッケージに密着させる方法が用いられている。しかし、このような高熱伝導性材料の熱膨張係数が半導体チップ等の熱膨張係数と大きく異なる場合には、熱応力による割れや剥離が生じる。このため、半導体チップやボード等に近い低い熱膨張係数を有し、かつ、高熱伝導性を有する材料の提供が望まれており、その材料としてＡｌＮ（窒化アルミニウム）が広く使用されるようになってきている。
【０００５】
しかしながら、ＡｌＮの熱膨張係数は５×１０−６／℃で、比較的低い値ではあるが、半導体チップの熱膨張係数（３〜４×１０−６／℃）に比べれば、大きい。また電子機器部材の多様性に対応するためには、熱膨張係数に可変幅を持った材料が望まれる。しかし、ＡｌＮのような単一材料では、熱膨張係数を任意に制御することは困難である。
【０００６】
そこで本発明者らは、熱膨張係数を任意に制御できる熱伝導性材料として、ＳｉＣ（炭化珪素）粒子またはＳｉＣ繊維を強化材とし、マトリックスをＳｉ（金属シリコン）−Ａｌ（金属アルミニウム）合金とする金属−セラミックス複合材料を提案してきた（例えば、特許文献１参照）。この材料は、強化材と有機バインダからなるプリフォームを準備し、これに溶融Ｓｉと溶融Ａｌを浸透させることによって製造することができる。また、その熱膨張係数は、強化材とマトリックスの体積比やマトリックスの組成比を変えることによって、調整することができる。
【０００７】
しかしながら、プリフォームに添加した有機バインダから生成した炭素に溶融Ｓｉと溶融Ａｌが同時に浸透すると、炭素と溶融Ａｌとの反応によるＡｌ４Ｃ３（炭化アルミニウム）の生成を抑制することが困難である。この炭化アルミは、空気中の水分と反応し、メタンを発生しながら構造が崩れていくことが知られている。つまり、炭化アルミの生成は材料の耐久性を低下させるという問題を生じさせる。
【特許文献１】特開２００２−２９４３５８号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明はかかる事情に鑑みてなされたものであり、炭化アルミの生成を防止し、耐久性に優れる、ＳｉＣを強化材とし、マトリックスをＳｉ−Ａｌ合金とする金属−セラミックス複合材料の製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明によれば、Ｓｉ−Ａｌ合金マトリックス中にＳｉＣ粉末とＳｉＣ繊維のいずれか一方または両方が分散してなる金属−セラミックス複合材料の製造方法であって、
ＳｉＣ粉末とＳｉＣ繊維のいずれか一方または両方と、有機バインダと炭素材料のいずれか一方または両方と、を含むプリフォームを用意する工程と、
溶融Ａｌに対して非透過性であり、かつ、溶融Ｓｉと反応することで透過性となる容器に固体Ａｌを収容し、この容器と前記プリフォームと固体Ｓｉを炉内に設置する工程と、
前記炉内をＳｉの融点を超える温度に加熱する工程と、を有し、
前記加熱工程では、前記固体Ｓｉが溶融して生成する溶融Ｓｉを前記プリフォーム中に浸透させてＳｉＣ／Ｓｉ複合材料を得た後、この溶融Ｓｉを前記容器に浸透させて前記容器を溶融Ａｌに対して透過性とすることでこの容器内で前記固体Ａｌが溶融してなる溶融Ａｌを当該容器から流出させることにより、当該溶融Ａｌを前記ＳｉＣ／Ｓｉ複合材料中の溶融Ｓｉと相互拡散させることを特徴とする金属−セラミックス複合材料の製造方法、が提供される。
【００１０】
この金属−セラミックス複合材料の製造方法においては、固体Ａｌを収容した前記容器を、ＳｉＣ粉末とＳｉＣ繊維のいずれか一方または両方と有機バインダとを含む、製品とは別のプリフォームの上に設置する方法を用いることも好ましい。また、金属−セラミックス複合材料の熱膨張係数が２．７×１０−６／℃以上１７．４×１０−６／℃以下となるように、ＳｉＣの充填率とＳｉ−Ａｌ合金中のＡｌ含有率のいずれか一方または両方を調整することが好ましい。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、最初にＳｉの融点以上でプリフォームに溶融Ｓｉのみが浸透し、その後に溶融Ａｌと溶融Ｓｉとが相互拡散するので、プリフォーム中の炭素と溶融Ａｌとの反応を防止することができる。これによりＡｌ４Ｃ３の生成が防止され、耐久性に優れた金属−セラミックス複合材料を得ることができる。また、この金属−セラミックス複合材料の製造においては、その熱膨張係数を半導体チップや種々の電子機器部材（以下、適用部材という）に近似した値に、広い範囲で制御することが可能である。これにより、適用部材の熱膨張係数との差による歪の発生を抑制し、優れた耐久性を得ることができるようになる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。図１は本発明に係る、Ｓｉ−Ａｌ合金マトリックス中にＳｉＣ粉末とＳｉＣ繊維のいずれか一方または両方が分散してなる金属−セラミックス複合材料（以下、「ＳｉＣ／Ｓｉ−Ａｌ複合材料」と示す）の製造過程を模式的に示す図である。
【００１３】
まず、例えば、ＳｉＣ粉末とＳｉＣ繊維のいずれか一方または両方と有機バインダとで形成されたプリフォーム１０を用意する。このプリフォーム１０は周知の方法で製造することができる。例えば、ＳｉＣ粉末とＳｉＣ繊維のいずれか一方または両方と有機バインダとを混合し、こうして調製した粉末を成形用金型に充填してプレス成形することで、プリフォーム１０を得ることができる。
【００１４】
このプリフォーム１０におけるＳｉＣの充填率（体積分率）は、ＳｉＣ粉末の平均粒径や粒径分布、ＳｉＣ繊維のアスペクト比等を変えることによって制御することができる。例えば、平均粒径が同じであっても、粒径分布の狭いＳｉＣ粉末を用いた場合には、粗粒どうしの隙間に微粒が入るような粒径分布の広いＳｉＣ粉末を用いた場合よりも、ＳｉＣ充填率は小さくなる。なお、プリフォーム１０を構成する有機バインダは、後に施される加熱処理において、炭素（カーボン）となった後に溶融Ｓｉと反応してＳｉＣとなる。したがって、最終的に得られるＳｉＣ／Ｓｉ−Ａｌ複合材料中のＳｉＣ充填率は、プリフォーム１０におけるＳｉＣの充填率よりも高くなる。
【００１５】
また、溶融Ａｌに対して非透過性であるが、溶融Ｓｉと反応することで溶融Ａｌに対して透過性となる容器１１を準備する。この容器１１としては、炭素材料（例えば、炭素繊維織物、ＣＦＲＰ、カーボンシート）からなるものが好適に用いられる。このような炭素材料からなる容器は、溶融Ａｌに対しては非透過性であるが、炭素材料は溶融Ｓｉと反応性があるために、後述するように、溶融Ｓｉと接触してＳｉＣに変化し、生成したＳｉＣどうしの間隙に溶融Ｓｉが浸透することで、実質的に連通したＳｉ経路を有する容器へと変化する。
【００１６】
次に、図１（ａ）に示すように、容器１１に固体Ａｌ１２を収容し、この容器１１とプリフォーム１０と固体Ｓｉ１３を外枠容器１４に収容し、さらにこの外枠容器１４を炉（図示せず）内に設置する。これら固体Ａｌ１２および固体Ｓｉ１３は、粉末状、粒状、塊状のいずれであってもよいが、できる限り表面に酸化膜が形成されていないものを用いることが好ましい。したがって、同重量であれば、表面積の小さい塊状のものが好適である。外枠容器１４としては、アルミナやカーボンから構成されるものが好適に用いられる。
【００１７】
そして、炉内をＳｉの融点（約１４１０℃）を超える温度（例えば、１６００℃）に、不活性ガス雰囲気や真空雰囲気等の非酸化性雰囲気で加熱する。この昇温過程において、プリフォーム１０に含まれる有機バインダが分解し、炭素（カーボン）が生成する。また、Ａｌの融点は約６６０℃であるため、図１（ｂ）に示すように、この温度で固体Ａｌ１２の溶融が始まる。こうして生成する溶融Ａｌ１２ａは、容器１１が溶融Ａｌ１２ａに対して非透過性であるために、容器１１から流出することはない。さらに約１４１０℃になると、図１（ｃ）に示すように、固体Ｓｉ１３の溶融が始まる。
【００１８】
この溶融Ｓｉ１３ａはプリフォーム１０に浸透し、プリフォーム１０に含まれる炭素（カーボン）と溶融Ｓｉ１３ａとが反応してＳｉＣが生成する。こうして、プリフォーム１０は、ＳｉＣ粒子またはＳｉＣ繊維間に溶融Ｓｉが浸透したＳｉＣ／Ｓｉ複合材料１０ａへと変化する。
【００１９】
一方、図１（ｃ）に示されるように、溶融Ｓｉ１３ａは容器１１とも反応する。つまり、容器１１を構成する炭素材料が溶融Ｓｉ１３ａと接触して反応し、ＳｉＣに変化する。そして、生成したＳｉＣどうしの間隙に溶融Ｓｉが浸透することで、容器１１は実質的に連通したＳｉ経路を有する容器１１ａへと変化する。これにより図１（ｄ）に示すように、容器１１ａ内の溶融Ａｌ１２ａは、この連通したＳｉ経路を利用して容器１１ａ外に流出することができるようになる。
【００２０】
こうして容器１１ａの外へ流出した溶融Ａｌ１２ａは、プリフォーム１０に由来するＳｉＣ／Ｓｉ複合材料１０ａ中の溶融Ｓｉ１３ａと相互拡散し、Ｓｉ−Ａｌ合金が生成する。ＳｉＣ／Ｓｉ複合材料１０ａ中には炭素成分は存在しないので（何故なら、プリフォーム１０中に存在していた炭素成分は既にＳｉＣに変化している）、溶融Ａｌ１２ａがＳｉＣ／Ｓｉ複合材料１０ａに浸透しても、Ａｌ４Ｃ３は生成しない。このような溶融Ａｌ１２ａと溶融Ｓｉ１３ａとの相互拡散が十分に行われる時間を経た後に炉を冷却することにより、ＳｉＣ／Ｓｉ−Ａｌ複合材料を得ることができる。
【００２１】
このようなＳｉＣ／Ｓｉ−Ａｌ複合材料の製造方法によれば、Ａｌ４Ｃ３の生成を防止することができるので、長期の使用にわたって構造が崩壊することない、耐久性に優れたＳｉＣ／Ｓｉ−Ａｌ複合材料を得ることができる。
【００２２】
上述したＳｉＣ／Ｓｉ−Ａｌ複合材料の製造方法では、目的とするＳｉＣ／Ｓｉ−Ａｌ複合材料の厚さが厚く、溶融Ｓｉのプリフォーム１０中への浸透に長い時間が必要となる場合には、プリフォーム１０中への溶融Ｓｉの浸透が完了する前に、容器１１から流出してきた溶融Ａｌの拡散が始まることがある。その場合にはＡｌ４Ｃ３が生成するおそれがある。
【００２３】
そこでＡｌ４Ｃ３の生成を防止するために、図２に示すように、容器１１の下に製品とは異なるプリフォーム１５を設置することが好ましい。このようにすると、溶融Ｓｉが容器１１に達してＳｉＣが生成する反応の開始時間を遅らせることができるので、溶融Ａｌの容器１１からの流出開始時間を遅らせることができる。さらに、このプリフォーム１５の厚さを適切に設定することで、プリフォーム１０への溶融Ｓｉの浸透の終了タイミングに合わせて、溶融Ａｌを容器１１から流出させることができる。
【００２４】
このようにして製造されるＳｉＣ／Ｓｉ−Ａｌ複合材料の熱膨張係数は、ＳｉＣ／Ｓｉ−Ａｌ複合材料中の強化材であるＳｉＣ（粉末，繊維）の充填率とＳｉ−Ａｌ合金中のＡｌ含有率のいずれか一方または両方を調整することにより、２．７×１０−６／℃〜１７．４×１０−６／℃の範囲の所望の値に制御することが好ましい。ＳｉＣ（粉末，繊維）の充填率を高くするほど、またＳｉ−Ａｌ合金中のＡｌ含有率を小さくするほど、ＳｉＣ／Ｓｉ−Ａｌ複合材料の熱膨張係数は小さくなり、半導体チップに近似した値とすることができる。逆にＳｉＣ（粉末，繊維）の充填率を小さくするほど、またＳｉ−Ａｌ合金中のＡｌ含有率を高くするほど、ＳｉＣ／Ｓｉ−Ａｌ複合材料の熱膨張係数は高くなり、金属材料に近似した値になる。
【００２５】
上述したＳｉＣ／Ｓｉ−Ａｌ複合材料の製造方法の変形例としては、プリフォームを、ＳｉＣ粉末とＳｉＣ繊維のいずれか一方または両方と炭素（カーボン）粉末および有機バインダとを混合し、こうして調製した粉末を成形用金型に充填してプレス成形して作製する方法が挙げられる。また、有機バインダを用いて作製したプリフォームは、所定の温度に加熱して有機バインダを炭素（カーボン）に分解した後に、溶融Ｓｉと溶融Ａｌの浸透のための炉内に設置してもよい。但し、有機バインダを分解させて得られるプリフォームは搬送等を行ってもその形状が容易に維持されることが条件とされる。
【００２６】
また、プリフォームは、プレス成形法を用いる場合には、有機バインダを用いることなく、ＳｉＣ粉末とＳｉＣ繊維のいずれか一方または両方と炭素（カーボン）粉末とを混合し、成形することも可能である。さらに、プリフォームの成形はプレス成形法に限定されるものではなく、押出成形法、射出成形法、鋳込み成形法等の公知のセラミックス成形方法を用いることができる。
【００２７】
容器１１としては、炭素繊維織物等の炭素材料にＳｉ板やＳｉ粒を組み合わせたものを用いてもよい。このＳｉ板やＳｉ粒はＳｉの融点以上に加熱された際に溶融して炭素材料と反応するので、溶融Ａｌの流出を早める効果を奏する。したがって、例えば、厚さの薄いプリフォームを用いてＳｉＣ／Ｓｉ−Ａｌ複合材料を製造する場合には、このプリフォームへの溶融Ｓｉの浸透も速いので、溶融Ａｌの流出を早めて処理時間を短縮することができるようになる。
【実施例】
【００２８】
次に本発明の実施例について説明する。
（実施例１）
ＳｉＣ粉末（信濃電気精錬社製＃４００、平均粒径３０μｍ）：１００質量％に対し、有機バインダとしてのフェノール樹脂：１０質量％（炭素換算で５質量％）を混合し、プレス成形法により２００×２００×１０ｍｍの直方体形状に成形した。この成形体をＡｒ雰囲気、１０００℃で３時間加熱することで、ＳｉＣプリフォームを得た。
【００２９】
次に、所定量の固体Ａｌをカーボンシート製の容器に収容し、この容器と所定量の固体Ｓｉと先に作製したＳｉＣプリフォームとを炉内に設置した。ここで、固体Ａｌと固体Ｓｉの質量比（固体Ａｌ：固体Ｓｉ）は、２５質量％：７５質量％とした。次いで、炉内をＡｒ雰囲気として１６００℃に昇温し、３時間保持した。こうして得られたＳｉＣ／Ｓｉ−Ａｌ複合材料におけるＳｉＣの充填率は５０体積％であった。なお、この値は密度測定により求めたものである。
【００３０】
また、得られたＳｉＣ／Ｓｉ−Ａｌ複合材料の結晶相をＸ線回折で調べたところ、炭化アルミの生成は認められなかった。また、作製したＳｉＣ／Ｓｉ−Ａｌ複合材料を高湿度（８５％）中に３０日間放置し、その後に再びＸ線回折で結晶相を調べたところ、変化は見られなかった。さらに、作製したＳｉＣ／Ｓｉ−Ａｌ複合材料から３×４×２０ｍｍの試験片を切り出し、理学電気社製ＴＭＡ８１４０により熱膨張係数を測定した結果、ＡｌＮの熱膨張係数とほぼ同じ、５．１×１０−６／℃であった。
【００３１】
（実施例２）
ＳｉＣ粉末（信濃電気精錬社製＃４００、平均粒径３０μｍ）：１００質量％に対し、有機バインダとしてフェノール樹脂：１０質量％（炭素換算５質量％）を混合し、プレス成形法により２００×２００×３０ｍｍの直方体形状に成形した。この成形体をＡｒ雰囲気、１０００℃で３時間加熱することで、ＳｉＣプリフォームを得た。
【００３２】
所定量の固体Ａｌをカーボンシート製の容器に収容し、この容器の下に別途作製した１００×１００×３０ｍｍのプリフォーム（製造方法は上記２００×２００×３０ｍｍサイズのプリフォームと同じ）を配置したこと以外は先に説明した実施例１と同様にして、ＳｉＣ／Ｓｉ−Ａｌ複合材料を得た。但し、この実施例２では、固体Ａｌと固体Ｓｉの質量比は２５質量％：７５質量％とした。得られたＳｉＣ／Ｓｉ−Ａｌ複合材料には、炭化アルミの生成は認められず、また熱膨張係数は実施例１と同様に５．１×１０−６／℃であった。なお、実施例２では実施例１と同様の方法でプリフォームを作製しているため、実施例２に係るＳｉＣ／Ｓｉ−Ａｌ複合材料におけるＳｉＣの充填率もまた５０体積％であった。
【００３３】
（実施例３）
ＳｉＣ粉末として平均粒径が１２μｍのものを用い、また、固体Ａｌと固体Ｓｉの質量比を０．５質量％：９９．５質量％とした以外は、実施例１と同様にして、ＳｉＣ／Ｓｉ−Ａｌ複合材料を作製した。その熱膨張係数は２．７×１０−６／℃、ＳｉＣ充填率は４０％であった。
【００３４】
（比較例）
固体Ａｌをカーボンシートで製造した容器に入れることなく、固体Ｓｉとともにプリフォームに接触させて炉内に設置したこと以外は上記実施例１と同様にして、ＳｉＣ／Ｓｉ−Ａｌ複合材料を作製した。しかし、この比較例に係るＳｉＣ／Ｓｉ−Ａｌ複合材料では、Ｘ線回折により、炭化アルミの生成が認められた。
【産業上の利用可能性】
【００３５】
本発明は、半導体チップを収容するためのパッケージ材料や、放熱材料として好適である。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本発明に係るＳｉＣ／Ｓｉ−Ａｌ複合材料の製造過程を模式的に示す図。
【図２】本発明に係るＳｉＣ／Ｓｉ−Ａｌ複合材料を製造するための材料の別の炉内配置態様を示す図。
【符号の説明】
【００３７】
１０；プリフォーム
１０ａ；ＳｉＣ／Ｓｉ複合材料
１１；容器（溶融Ａｌ非透過性）
１１ａ；容器（溶融Ａｌ透過性）
１２；固体Ａｌ
１２ａ；溶融Ａｌ
１３；固体Ｓｉ
１３ａ；溶融Ｓｉ
１４；外枠容器
１５；プリフォーム
【図１】
2006336076.tif 000003
【図２】
2006336076.tif 000004