(57)【要約】【課題】放熱性の低下を抑制できる放熱基材および放熱基材の製造方法を提供する。【解決手段】放熱基材１０は、金属基材１１と、絶縁性材料１２と、金属基複合材料１３とを備えている。金属基材１１は、表面１１ａを有する。絶縁性材料１２は、金属基材１１の表面１１ａに形成されている。金属基複合材料１３は、絶縁性材料１２の周囲に形成されている。金属基複合材料１３は、金属基材１１の熱膨張係数と絶縁性材料１２の熱膨張係数との間の熱膨張係数を有している。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
表面を有する金属基材と、
前記金属基材の前記表面に形成された絶縁性材料と、
前記絶縁性材料の周囲に形成された金属基複合材料とを備え、
前記金属基複合材料は、前記金属基材の熱膨張係数と前記絶縁性材料の熱膨張係数との間の熱膨張係数を有する、放熱基材。
【請求項２】
前記絶縁性材料は、セラミックスである、請求項１に記載の放熱基材。
【請求項３】
前記セラミックスは、アルミナおよび窒化アルミニウムの少なくとも一方を含む、請求項２に記載の放熱基材。
【請求項４】
前記金属基材は、アルミニウムおよび銅の少なくとも一方を含む、請求項１〜３のいずれか１項に記載の放熱基材。
【請求項５】
前記金属基複合材料は、前記金属基材を構成する金属材料と、熱伝導性粒子とを含む、請求項１〜４のいずれか１項に記載の放熱基材。
【請求項６】
前記熱伝導性粒子が、炭化ケイ素、窒化ホウ素、窒化アルミニウム、ダイヤモンド、カーボンナノチューブ、および炭素繊維からなる群より選ばれた少なくとも一種の物質を含む、請求項５に記載の放熱基材。
【請求項７】
前記絶縁性材料は、半導体素子を搭載するための表面を有する、請求項１〜６のいずれか１項に記載の放熱基材。
【請求項８】
前記半導体素子は、シリコン、インジウムリン、ガリウム砒素、窒化ガリウム、および窒化アルミニウムからなる群より選ばれた少なくとも一種の物質を含む、請求項７に記載の放熱基材。
【請求項９】
第１および第２の開口部を有する表面を含む金属基材を準備する工程と、
前記第１の開口部に、絶縁性材料を装填する工程と、
前記第２の開口部に、熱伝導性粒子を装填する工程と、
前記熱伝導性粒子と接触する前記金属基材と、前記熱伝導性粒子とを攪拌することにより、前記絶縁性材料の周囲に金属基複合材料を形成する工程とを備えた、放熱基材の製造方法。
【請求項１０】
前記金属基複合材料を形成する工程では、前記金属基材の前記表面に棒状の回転部材を当接させつつ回転させる、請求項９に記載の放熱基材の製造方法。
【請求項１１】
前記金属基複合材料を形成する工程では、先端に位置するロッド状のプローブと、前記プローブと接続され、かつ前記金属基材の前記表面と接するショルダー面とを有する前記回転部材を用い、
前記回転部材の前記ショルダー面を、前記絶縁性材料を覆うように当接させる、請求項１０に記載の放熱基材の製造方法。
【請求項１２】
前記金属基複合材料を形成する工程では、前記ショルダー面に３００ＭＰａ以上の圧力を印加して攪拌する、請求項１１に記載の放熱基材の製造方法。
【請求項１３】
前記金属基複合材料を形成する工程では、少なくとも一部に液相を生成させながら攪拌する、請求項９〜１２のいずれか１項に記載の放熱基材の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、放熱基材および放熱基材の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
パーソナルコンピュータやモバイル電子機器の高機能化、高密度実装化に伴い、ＣＰＵ（Central Processing Unit：セントラルプロセッシングユニット）、ＧＰＵ（Graphics Processing Unit：グラフィックスプロセッシングユニット）、チップセット、メモリーチップ等の半導体素子の発熱源の単位面積あたりの発熱量が飛躍的に増大しており、放熱装置の高性能化が求められている。これは、半導体素子には構成する材料固有の作動上限温度が定まっており、その温度以上では半導体素子が破壊してしまうので、放熱が不十分な状態では著しく寿命低下をきたすためである。通常、自然対流や電動送風装置を用いた強制対流を用いて放熱を図る。しかし、原理的に単位面積あたりの放熱量には冷却方式固有の上限がある。したがって、大量の熱を放熱するためには、放熱する面積を拡大する放熱基材が一般に用いられている。
【０００３】
このような放熱基材として、たとえば特開２００２−１２１６３９号公報（特許文献１）には、銅を２５〜４５質量％含み、ヤング率が２５０ＧＰａ以下の銅−タングステン系および／または銅−モリブデン系複合材料からなる放熱基板が開示されている。特許文献１には、この放熱基板上に電気絶縁性のセラミックスからなる基板を配置し、このセラミックスからなる基板上に半導体素子を配置することが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００２−１２１６３９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、上記特許文献１の放熱基板では、半導体素子による発熱と冷却とを繰り返すと、放熱基板またはセラミックスからなる基板の形状が歪んでしまうという問題があることを本発明者は鋭意研究の結果見い出した。放熱基板またはセラミックスからなる基板の形状が歪んでしまうと、放熱性能が低下してしまう。
【０００６】
本発明は、上記のような問題を解決するためになされたものであり、放熱性の低下を抑制できる放熱基材および放熱基材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】
【０００７】
本発明の放熱基材は、金属基材と、絶縁性材料と、金属基複合材料とを備えている。金属基材は、表面を有する。絶縁性材料は、金属基材の表面に形成されている。金属基複合材料は、絶縁性材料の周囲に形成されている。金属基複合材料は、金属基材の熱膨張係数と絶縁性材料の熱膨張係数との間の熱膨張係数を有している。
【０００８】
本発明の放熱材料によれば、金属基材の熱膨張係数と絶縁性材料の熱膨張係数との間の熱膨張係数を有する金属基複合材料を、絶縁性材料の周囲に形成している。この金属基複合材料により、金属基材と絶縁性材料との熱膨張率の差を緩和することができる。このため、半導体素子などの発熱部材を絶縁性材料上に配置した場合に、発熱と冷却との繰り返しによる熱応力が放熱基材に加えられても、放熱基材の形状が歪むことを抑制できる。したがって、放熱基材の歪みによる放熱性能の低下を抑制することができる。
【０００９】
上記放熱基材において好ましくは、絶縁性材料は、セラミックスである。セラミックスは、熱伝導性が高く、かつ絶縁性を確保できるので、半導体素子などの放熱材料として好適に用いられる。
【００１０】
上記放熱基材において好ましくは、セラミックスは、アルミナ（Ａｌ2Ｏ3）および窒化アルミニウム（ＡｌＮ）の少なくとも一方を含む。これにより、放熱性能の低下をより抑制することができる。
【００１１】
上記放熱材料において好ましくは、金属基材は、アルミニウム（Ａｌ）および銅（Ｃｕ）の少なくとも一方を含む。
【００１２】
これらの金属は熱伝導率が高いため、放熱性をより向上した放熱基材を実現することができる。
【００１３】
上記放熱基材において好ましくは、金属基複合材料は、金属基材を構成する金属材料と、熱伝導性粒子とを含む。
【００１４】
この場合、金属基材と熱伝導性粒子とを攪拌することにより金属基複合材料が得られるので、放熱基材のコストを低減することができる。
【００１５】
上記放熱基材において好ましくは、熱伝導性粒子が、炭化ケイ素（ＳｉＣ）、窒化ホウ素（ＢＮ）、窒化アルミニウム、ダイヤモンド、カーボンナノチューブ、および炭素繊維からなる群より選ばれた少なくとも一種の物質を含む。
【００１６】
これにより、金属基複合材料の熱伝導率を向上することができるので、放熱基材の放熱性能の低下をより抑制することができる。
【００１７】
上記放熱基材において好ましくは、絶縁性材料は、半導体素子を搭載するための表面を有する。
【００１８】
本発明の放熱基材は、放熱性能の低下を抑制しているので、半導体素子を搭載すると、半導体素子から発生する熱を効果的に放熱することができる。
【００１９】
上記放熱材基材において好ましくは、半導体素子は、シリコン（Ｓｉ）、インジウムリン（ＩｎＰ）、ガリウム砒素（ＧａＡｓ）、窒化ガリウム（ＧａＮ）、および窒化アルミニウムからなる群より選ばれた少なくとも一種の物質を含む。
【００２０】
これらの材料の半導体素子についても、本発明の放熱基材を用いることにより、放熱性能の低下を抑制することができる。
【００２１】
本発明の放熱基材の製造方法は、以下の工程を備えている。第１および第２の開口部を有する表面を含む金属基材を準備する。第１の開口部に、絶縁性材料を装填する。第２の開口部に、熱伝導性粒子を装填する。熱伝導性粒子と接触する金属基材と、熱伝導性粒子とを攪拌することにより、絶縁性材料の周囲に金属基複合材料を形成する。
【００２２】
本発明の放熱基材の製造方法によれば、金属基材の開口部に供給した熱伝導性粒子と、この熱伝導性粒子と接触する金属基材とを攪拌することによって、金属基材を構成する材料と熱伝導性粒子とが混合された金属基複合材料を形成することができる。この金属基複合材料は、金属基材の熱膨張率と絶縁性材料の熱膨張係数との間の熱膨張係数を有し、かつ絶縁性材料の周囲に形成することができる。この金属基複合材料により、金属基材と絶縁性材料との熱膨張率の差を緩和することができる。このため、半導体素子などの発熱部材を絶縁性材料上に配置した場合に、発熱と冷却との繰り返しによる熱応力が放熱基材に加えられても、放熱基材の形状が歪むことを抑制できる。したがって、歪みによる放熱性能の低下を抑制することができる放熱基材を製造することができる。
【００２３】
上記放熱基材の製造方法において好ましくは、金属基複合材料を形成する工程では、金属基材の表面に棒状の回転部材を当接させつつ回転させる。
【００２４】
これにより、容易に放熱基材を製造することができるので、コストを低減して放熱基材を製造することができる。
【００２５】
上記放熱基材において好ましくは、金属基複合材料を形成する工程では、先端に位置するロッド状のプローブと、プローブと接続され、かつ金属基材の表面と接するショルダー面とを有する回転部材を用い、回転部材のショルダー面を、絶縁性材料を覆うように当接させる。
【００２６】
これにより、容易に複合材料を製造することができるので、コストを低減して放熱基材を製造することができる。
【００２７】
上記放熱基材において好ましくは、金属基複合材料を形成する工程では、ショルダー面に３００ＭＰａ以上の圧力を印加して攪拌する。
【００２８】
これにより、攪拌中に絶縁性材料が金属基材から浮き上がることを抑制できる。このため、特性を向上した放熱基材を製造することができる。
【００２９】
上記放熱基材において好ましくは、金属基複合材料を形成する工程では、少なくとも一部に液相を生成させながら攪拌する。
【００３０】
これにより、攪拌時に金属の塑性流動が抑制されにくくなるため、熱伝導性粒子を金属中に均一性を向上して分散させることができる。
【発明の効果】
【００３１】
以上のように、本発明の放熱基材および放熱基材の製造方法によれば、放熱性の低下を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明の実施の形態における放熱基材を概略的に示す断面図である。
【図２】本発明の実施の形態における金属基材を概略的に示し、（Ａ）は断面図であり、（Ｂ）は平面図である。
【図３】本発明の実施の形態における絶縁性材料を概略的に示す断面図である。
【図４】本発明の実施の形態における熱伝導性粒子を概略的に示す断面図である。
【図５】本発明の実施の形態における金属基材に絶縁性材料および熱伝導性粒子を装填した状態を概略的に示す断面図である。
【図６】本発明の実施の形態における回転部材を概略的に示す斜視図である。
【図７】本発明の実施の形態における回転部材を概略的に示す側面図である。
【図８】本発明の実施の形態における金属基材と熱伝導性粒子とを攪拌した状態を概略的に示す断面図である。
【図９】本発明の実施の形態における金属基材と熱伝導性粒子とを攪拌した状態を概略的に示す平面図である。
【図１０】本発明の実施の形態の変形例１における熱伝導性粒子を装填した状態を概略的に示す平面図である。
【図１１】本発明の実施の形態の変形例１における金属基複合材料を概略的に示す平面図である。
【図１２】本発明の実施の形態の変形例２における熱伝導性粒子を装填した状態を概略的に示す平面図である。
【図１３】本発明の実施の形態の変形例２における金属基複合材料を概略的に示す平面図である。
【図１４】本発明の実施の形態の変形例３における熱伝導性粒子を装填した状態を概略的に示す平面図である。
【図１５】本発明の実施の形態の変形例３における金属基複合材料を概略的に示す平面図である。
【図１６】比較例の放熱基材を概略的に示す断面図である。
【図１７】比較例の放熱基材を構成する金属基材を概略的に示す断面図である。
【図１８】比較例の放熱基材に半導体素子を搭載した状態を概略的に示す断面図である。
【図１９】本発明の実施の形態における放熱基材に半導体素子を搭載した状態を概略的に示す断面図である。
【図２０】実施例における放熱基材の大きさを示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００３３】
以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を説明する。なお、以下の図面において同一または相当する部分には同一の参照番号を付しその説明は繰返さない。
【００３４】
図１を参照して、本実施の形態における放熱基材１０について説明する。放熱基材１０は、金属基材１１と、絶縁性材料１２と、金属基複合材料１３とを備えている。金属基材１１は、表面１１ａを有している。絶縁性材料１２は、金属基材１１の表面１１ａに配置されている。言い換えると、放熱基材１０の表面の一部に、絶縁性材料１２は形成されている。金属基複合材料１３は、金属基材１１の表面１１ａに配置され、かつ絶縁性材料１２の周囲に形成されている。金属基複合材料１３は、絶縁性材料１２に接し、かつ絶縁性材料１２の全周を取り囲むことが好ましい。本実施の形態では、金属基材１１の表面１１ａと、絶縁性材料１２の表面１２ａと、金属基複合材料１３の表面とは同一平面に位置付けられている。なお、本発明の放熱基材は、同一平面に位置付けられていなくてもよい。
【００３５】
金属基材１１は、たとえば開口部を有する平板である。金属基材１１の材料は特に限定されないが、熱伝導率が高く、安価であるため、ＡｌおよびＣｕの少なくとも一方を含むことが好ましい。金属基材１１は、Ａｌ、Ｃｕ、またはこれらの合金からなることがより好ましい。
【００３６】
絶縁性材料１２は、半導体素子などの発熱部材を搭載するために形成され、発熱部材を搭載するための表面１２ａを有している。絶縁性材料１２は、絶縁性であれば特に限定されないが、熱伝導性が高く、かつ絶縁性を確保できるので、セラミックスが好ましく、Ａｌ2Ｏ3およびＡｌＮの少なくとも一方を含むことがより好ましい。
【００３７】
金属基複合材料１３は、金属基材１１の熱膨張係数と絶縁性材料１２の熱膨張係数との間の熱膨張係数を有している。ここで、「熱膨張係数」は、室温から５００℃の間のレーザ変位読み取り式熱膨張係数測定装置で測定される平均熱膨張係数を意味する。
【００３８】
また、金属基複合材料１３は、金属基材１１を構成する金属材料と、熱伝導性粒子１４とを含むことが好ましい。
【００３９】
熱伝導性粒子は、ＳｉＣ、ＢＮ、ＡｌＮ、ダイヤモンド、カーボンナノチューブ、および炭素繊維からなる群より選ばれた少なくとも一種の物質を含んでいることが好ましい。ＢＮは、六方晶窒化ホウ素(ｈＢＮ)であってもよく、立方晶窒化ホウ素(ｃＢＮ)であってもよい。これらの熱伝導性粒子は熱伝導率が高いので、金属基複合材料１３の熱伝導率をより向上することができる。
【００４０】
このように、放熱基材１０において、金属基材１１は放熱性能を高める役割を、絶縁性材料１２は半導体素子などの発熱部材を載置する役割を、金属基複合材料１３は金属基材１１の熱膨張係数および絶縁性材料１２の熱膨張係数と整合性を高める役割を果たす。このため、放熱基材１０は半導体素子などの発熱部材から発生する熱を放熱することができるので、発熱部材を搭載するための放熱材料として好適に用いられる。発熱部材としては、ＬＥＤ（Light Emitting Diode：発光ダイオード）などの半導体素子を用いることができる。
【００４１】
半導体素子は、Ｓｉ、ＩｎＰ、ＧａＡｓ、ＧａＮ、およびＡｌＮからなる群より選ばれた少なくとも一種の物質を含むことが好ましい。半導体素子は、たとえば、Ｓｉ、ＩｎＰ、ＧａＡｓ、ＧａＮ、またはＡｌＮからなる基板と、この基板上に形成された半導体層とを備えている。
【００４２】
続いて、図１〜図９を参照して、本実施の形態における複合材料の製造方法について説明する。
【００４３】
まず、図２（Ａ）および（Ｂ）に示すように、表面１１ａに第１および第２の開口部１１ｂ、１１ｃを有する金属基材１１を準備する。金属基材１１は、ＡｌおよびＣｕの少なくとも一方を含むことが好ましい。
【００４４】
この工程では、たとえば、平板状の金属基材を準備し、表面１１ａを加工して、第１および第２の開口部１１ｂ、１１ｃを形成する。第１および第２の開口部１１ｂ、１１ｃは、わずかな隙間であり、たとえば溝（ギャップ）である。本実施の形態では、金属基材１１の中央に第１の開口部１１ｂを形成し、第１の開口部１１ｂを間隔を隔てて取り囲むように第２の開口部１１ｃを形成する。金属基材１１を表面１１ａ側から見ると、第２の開口部１１ｃは、第１の開口部１１ｂを中心とした円形である。
【００４５】
なお、金属基材１１の表面１１ａに形成された第１または第２の開口部１１ｂ、１１ｃは、それぞれ単数であっても複数であってもよい。
【００４６】
次に、図３に示すように、絶縁性材料１２を準備する。金属基材１１の第１の開口部１１ｂの形状に適合するような形状に絶縁性材料１２を加工することが好ましい。絶縁性材料１２は、セラミックスであることが好ましく、ＡｌＮおよびＳｉＣの少なくとも一方を含んでいることがより好ましい。
【００４７】
次に、図４に示すように、熱伝導性粒子１４を準備する。熱伝導性粒子１４は、ＳｉＣ、ＢＮ、ＡｌＮ、ダイヤモンド、カーボンナノチューブ、および炭素繊維からなる群より選ばれた少なくとも一種の物質を含んでいることが好ましい。
【００４８】
次に、図５に示すように、金属基材１１の第１の開口部１１ｂに絶縁性材料１２を装填する。この工程では、第１の開口部１１ｂと絶縁性材料１２との隙間を低減して絶縁性材料１２を第１の開口部１１ｂに装填することが好ましい。
【００４９】
次に、図５に示すように、金属基材１１の第２の開口部１１ｃに、熱伝導性粒子１４を装填する。第２の開口部１１ｃには、熱伝導性粒子１４のみを装填してもよく、熱伝導性粒子１４と併せて金属基材１１を構成する金属材料と同じ金属粉末をさらに装填してもよい。
【００５０】
この工程では、第２の開口部１１ｃに熱伝導性粒子１４を充填した後に、圧力を加えて充填密度を高めてもよい。このとき、熱伝導性粒子１４の組織が崩れることを抑制できる程度の圧力を加えることが好ましい。
【００５１】
次に、図６〜図９に示すように、熱伝導性粒子１４と接触する金属基材１１と、熱伝導性粒子１４とを攪拌することにより、絶縁性材料１２の周囲に金属基複合材料１３を形成する。本実施の形態では、金属基材１１に棒状の回転部材１６（図６および図７参照）を当接させつつ回転させることにより、金属基材１１と熱伝導性粒子１４とを摩擦攪拌している。
【００５２】
ここで、図６および図７を参照して、回転部材１６について説明する。回転部材１６は、本体１６ａと、プローブ１６ｂとを有している。本体１６ａは、円筒状である。プローブ１６ｂは、回転部材１６の先端に位置し、本体１６ａよりも小径のロッド状である。本体１６ａは、プローブ１６ｂと接続され、かつ金属基材１１の表面１１ａと接するショルダー面１６ａ１とを有する。
【００５３】
なお、プローブ１６ｂは回転部材に必ず必要なものではなく、場合によってはプローブ１６ｂを有しない略円筒状の回転部材を用いても良い。
【００５４】
回転部材１６の材質は、たとえば、ＪＩＳに規格されているＳＫＤ６１鋼等の工具鋼や、タングステンカーバイト（ＷＣ）、コバルト（Ｃｏ）からなる超硬合金、またはＳｉ3Ｎ4（窒化シリコン）等のセラミックス、立方晶窒化硼素などからなるものとすることができる。
【００５５】
このような回転部材１６を、図８に示すように、熱伝導性粒子１４を充填した第２の開口部１１ｃの近傍を、回転部材１６のプローブ１６ｂを当接させつつ回転させる。本実施の形態では、熱伝導性粒子１４を装填した第２の開口部１１ｃの側面に沿うように、回転部材１６のプローブ１６ｂを当接させつつ回転させている。さらに、第２の開口部１１ｃの長手方向に沿って回転部材１６を移動させる。本実施の形態では、図９に示すように、回転部材１６の加工軌跡Ｘが第２の開口部１１ｃと同心円状になるように、回転部材１６を移動させている。これにより、第２の開口部１１ｃに充填した熱伝導性粒子１４を回転部材１６によって攪拌させ、熱伝導性粒子１４を金属基材１１中に混入させることができる。したがって、金属基材１１と熱伝導性粒子１４とが混合された金属基複合材料１３を形成することができる。
【００５６】
なお、上記工程では、熱伝導性粒子１４が装填された第２の開口部１１ｃに回転部材１６を当接させてもよい。
【００５７】
また、熱伝導性粒子１４を金属材料中に十分に混入させるため、回転部材１６を、回転させつつ往復運動させてもよい。あるいは、回転部材１６を移動させずに同じ場所で回転させ続けてもよい。このような処理をすることで、攪拌された部位のみが金属基材１１を構成する金属材料と熱伝導性粒子１４とを含む金属基複合材料１３に転化させることができる。たとえば、金属基材１１がＡｌであり、熱伝導性粒子１４がＳｉＣである場合には、Ａｌ−ＳｉＣ系複合材料に転化させることができる。
【００５８】
回転部材１６の形状としては、図６および図７に示すように、先端にロッド状のプローブ１６ｂとショルダー面１６ａ１とを有し、ショルダー面１６ａ１が絶縁性材料１２を覆うことが好ましく、絶縁性材料１２の全体を覆うことがより好ましい。この場合、加工中に絶縁性材料１２が金属基材１１の第１の開口部１１ｂから浮き上がることを抑制できる。
【００５９】
また、ショルダー面１６ａ１の面積が、金属基複合材料１３が生成する部位（被加工部）の面積よりも大きいことが好ましい。言い換えると、回転部材１６のショルダー面１６ａ１の径Ｄ１６の１／２（ショルダー面１６ａ１の半径）は、被加工部の直径よりも大きいことが好ましい。この場合、被加工部に気孔が混入することを抑制することができる。このため、摩擦攪拌により生成される金属基複合材料１３の密度を向上することができる。したがって、金属基複合材料１３の熱伝導率を向上することができる。
【００６０】
なお、回転部材１６のショルダー面１６ａ１の径Ｄ１６の１／２（ショルダー面１６ａ１の半径）とは、ショルダー面１６ａ１において被加工部を覆っている長さを意味する。被加工部の直径は、金属基複合材料１３を生成するべき領域の短手方向の長さである。
【００６１】
また、加工時におけるショルダー面１６ａ１の面圧が３００ＭＰａ以上であることが好ましい。この場合、金属材料と熱伝導性粒子１４とを充分な攪拌状態にすることができる。また、加工時に硬質粒子である熱伝導性粒子１４が再配列されやすく、気孔を含んだ場合でも緻密化に効果がある。このため、金属基複合材料１３の熱伝導率を向上することができる。なお、加工時におけるショルダー面１６ａ１の面圧の上限は、たとえば装置上の理由から、７ｔｏｎ／ｃｍ2以下である。
【００６２】
また、この工程では、少なくとも一部に液相を生成させながら攪拌することが好ましい。言い換えると、この工程では、金属基材１１を構成する金属材料の融点以上に加熱して摩擦攪拌することが好ましい。この場合には、たとえば摩擦攪拌速度等を高くすることにより、攪拌部近傍の温度を上げて、攪拌部に液相を出現させる。これにより、摩擦抵抗が小さくなるので、より小さな面圧で攪拌することができる。さらに、固相状態のままで攪拌すると、金属の塑性流動が抑制されるため、少なくとも一部に液相を生成させながら摩擦攪拌することにより、濡れ性を向上し、界面の状態を良好にすることで、熱伝導性粒子１４を均一に金属材料中に分散させることができる。したがって、用いる金属基材１１によって攪拌により到達する温度を変化させて液相を出すことが好ましい。たとえば、純Ａｌ−ＳｉＣ系の場合は、Ａｌの融点である６６０℃を越えた温度まで攪拌させることが好ましい。
【００６３】
少なくとも一部に液相を生成させながら攪拌した場合には、たとえば自然冷却することにより、攪拌した金属基材１１と熱伝導性粒子１４とが混合した液相が固化される。これにより、攪拌した金属基材１１を構成する金属材料中に、熱伝導性粒子１４が分散された金属基複合材料１３を形成することができる。したがって、図１に示す放熱基材１０を製造することができる。
【００６４】
なお、本実施の形態では、金属基複合材料１３を形成する工程では、棒状の回転部材１６を当接させつつ回転させているが、攪拌する方法は特にこれに限定されない。たとえば直線運動を往復させる部材により摩擦攪拌してもよい。
【００６５】
（変形例１）
変形例１は、基本的には本実施の形態の放熱基材１０およびその製造方法と同様であるが、表面において金属基複合材料１３がストライプ状に形成されている点において異なる。
【００６６】
具体的には、図１０に示すように、金属基材１１の表面１１ａに、ストライプ状の第２の開口部１１ｃを形成する。次に、図１１に示すように、この第２の開口部１１ｃに熱伝導性粒子１４を供給する。次に、熱伝導性粒子１４と接触する金属基材１１と、熱伝導性粒子１４とを摩擦攪拌する。これにより、図１１に示すように、ストライプ状に形成された金属基複合材料１３を備えた変形例１の放熱基材を製造することができる。
【００６７】
（変形例２）
変形例２は、基本的には本実施の形態の放熱基材１０およびその製造方法と同様であるが、表面において金属基複合材料１３が格子状に形成されている点において異なる。
【００６８】
具体的には、図１２に示すように、金属基材１１の表面１１ａに、格子状の第２の開口部１１ｃを形成する。次に、図１２に示すように、この第２の開口部１１ｃに熱伝導性粒子１４を供給する。次に、熱伝導性粒子１４と接触する金属基材１１と、熱伝導性粒子１４とを摩擦攪拌する。これにより、図１３に示すように、格子状に形成された金属基複合材料１３を備えた変形例２の放熱基材を製造することができる。
【００６９】
（変形例３）
変形例３は、基本的には本実施の形態の放熱基材１０およびその製造方法と同様であるが、表面において金属基複合材料１３が島状に形成されている点において異なる。
【００７０】
具体的には、図１４に示すように、金属基材１１の表面１１ａに、内部に島状の第２の開口部１１ｃを形成する。次に、図１４に示すように、この第２の開口部１１ｃに熱伝導性粒子１４を供給する。次に、熱伝導性粒子１４と接触する金属基材１１と、熱伝導性粒子１４とを摩擦攪拌する。これにより、図１５に示すように、島状に形成された金属基複合材料１３を備えた変形例３の放熱基材を製造することができる。
【００７１】
なお、図１０〜図１５において、第１の開口部１１ｂおよび絶縁性材料１２の図示は省略されている。
【００７２】
また、金属基複合材料１３に転化させる領域は、本実施の形態、変形例１〜３の配置に限定されず、他の配置であってもよい。
【００７３】
続いて、本実施の形態における放熱基材１０の効果について、図１６〜図１８に示す比較例と比較して説明する。
【００７４】
図１６に示す比較例の放熱基材１００は、金属基材１１と、金属基材１１の表面に形成された絶縁性材料１２とを備えている。比較例の放熱基材１００は、以下の方法により製造される。まず、図１７に示すように第１の開口部１１ｂが形成された金属基材１１を準備する。次に、図３に示す絶縁性材料１２を準備する。次に、図１６に示すように、第１の開口部１１ｂに絶縁性材料１２を装填する。
【００７５】
比較例では、金属基材１１の第１の開口部１１ｂの形状と、絶縁性材料１２の形状とを適正に設計したとしても、図１８に示すように、比較例の放熱基材１００に半導体素子２０を載置し、半導体素子２０の発熱により温度上昇が生じると、熱膨張係数の大きな金属基材１１が膨張して、金属基材１１と絶縁性材料１２との間に隙間ができる。この場合、放熱基材１００の放熱性能が低下してしまう。
【００７６】
さらに、金属基材１１と絶縁性材料１２との熱膨張係数の差により、半導体素子２０の発熱と冷却との繰り返し時に大きな熱応力が発生して、放熱基材１００の形状が歪んでしまう。この場合も、放熱基材１００の放熱性能が低下してしまう。
【００７７】
一方、本実施の形態における放熱基材１０は、金属基材１１の熱膨張係数と絶縁性材料１２の熱膨張係数との間の熱膨張係数を有する金属基複合材料１３を、絶縁性材料１２の周囲に形成している。金属基複合材料１３により、金属基材１１と絶縁性材料１２との熱膨張率の差を緩和することができる。このため、図１９に示すように半導体素子２０を絶縁性材料１２の表面１２ａ上に配置した場合に、発熱と冷却との繰り返しによる熱応力が放熱基材１０に加えられても、放熱基材１０の形状が歪むことを抑制できる。したがって、放熱基材１０の歪みによる放熱性能の低下を抑制することができる。
【００７８】
また、放熱基材１０に半導体素子２０を載置し、半導体素子２０の発熱により温度上昇が生じても、金属基複合材料１３の膨張量は、金属基材１１の膨張量と、絶縁性材料１２の膨張量との間である。このため、金属基材１１と絶縁性材料１２との間に隙間ができることを抑制できる。したがって、放熱基材１０の放熱性能の低下を抑制することができる。
【００７９】
このように、放熱基材１０は、放熱性能の低下を抑制できるので、近年集積化のため益々発熱量が増大しているＬＥＤなどの発熱部材から放出される熱を効率よく放熱することができる。
【００８０】
また、本実施の形態における放熱基材１０の製造方法によれば、金属基材１１の第２の開口部１１ｃに絶縁性材料１２を装填し、熱伝導性粒子１４と接触する金属基材１１と、熱伝導性粒子１４とを攪拌することにより、絶縁性材料１２の周囲に金属基複合材料１３を形成している。これにより、簡略なプロセスで金属基複合材料１３を形成でき、金属基材１１と金属基複合材料１３とを接合する工程を省略できる。このように簡略なプロセスで放熱基材１０を形成することができるので、放熱性能の低下を抑制し、かつコストを低減して放熱基材１０を製造することができる。
【００８１】
以上のように、本実施の形態によれば、複雑なプロセスを用いなくても放熱性能の低下を抑制した放熱基材１０を実現することができる。このため、放熱基材１０は、半導体素子における放熱構造として最適である。したがって、本実施の形態の放熱基材１０は、放熱基材１０を組み込んだ自動車用、家電用半導体素子などの広い用途に応用可能であり、特に高集積型のＬＥＤに好適に用いられる。
【実施例１】
【００８２】
本実施例では、絶縁性材料の周囲に金属基複合材料を形成することの効果について調べた。
【００８３】
（試料２〜９）
＜金属基材＞
金属基材として、１００ｍｍ×１００ｍｍで、５ｍｍの厚さを有するＣｕまたはＡｌを用いた。それぞれの試料について、用いた金属基材の材料を下記の表１に記載する。
【００８４】
次に、絶縁性材料を装填するための第１の開口部として、準備した金属基材の中心に、２０ｍｍ×２０ｍｍで、１ｍｍの深さの溝（ギャップ）を加工により形成した。
【００８５】
その後、熱伝導性粒子を充填するための第２の開口部として、第１の開口部の周囲に同心円状に深さ２ｍｍの溝（ギャップ）を加工により形成した。これにより、図２０に示す金属基材を準備した。
【００８６】
＜絶縁性材料＞
絶縁性材料として、２０ｍｍ×２０ｍｍで、１ｍｍの深さを有するＡｌＮまたはＡｌ2Ｏ3を用いた。用いた絶縁性材料の材料を下記の表１に記載する。
【００８７】
＜熱伝導性粒子＞
熱伝導性粒子として、下記の表１に記載のＳｉＣまたはダイヤモンドを用いた。それぞれの試料について、用いた熱伝導性粒子の材料、およびその粒径を下記の表１に記載する。
【００８８】
＜装填する工程＞
金属基材の第１の開口部に絶縁性材料を装填した。また、金属基材の第２の開口部に熱伝導性粒子を装填した。装填密度は押し込み圧力で調整した。
【００８９】
＜攪拌する工程＞
試料２〜９について、以下のようにして、熱伝導性粒子と接触する金属基材と、熱伝導性粒子とを攪拌することにより、絶縁性材料の周囲に金属基複合材料を形成した。
【００９０】
具体的には、図７に示すような回転部材（工具）１６を準備した。回転部材１６は、径Ｄ１６ｂが４ｍｍ、長さＬ１６ｂが２ｍｍのプローブ１６ｂと、径Ｄ１６の１／２（半径）が下記の表１に記載の各種値（２５〜４５ｍｍ）の本体１６ａとを有していた。この回転部材１６の全長Ｌ１６は３０ｍｍであり、Ｓｉ3Ｎ4製であった。この回転部材１６のショルダー面１６ａ１に下記の表１に記載の圧力を印加して、図２０に示すような加工軌跡を描くように、金属基材と、熱伝導性粒子とを摩擦攪拌した。回転部材１６の回転速度を下記の表１に記載のようにし、回転部材１６の移動速度は３０ｍｍ／ｍｉｎとした。
【００９１】
これにより、中心部に絶縁性材料が配置され、この絶縁性材料の外周を囲むように金属基複合材料が配置された構造の放熱基材を得た。
【００９２】
その後、放熱基材の表面全体を約０．１ｍｍ研磨して、表面粗さＲａが０．０５μｍの面を得た。なお、表面粗さＲａは、ＪＩＳ（Japanese  Industrial  Standards）Ｂ０６０１に準拠して測定した値である。以上より、試料２〜９の放熱基材を製造した。
【００９３】
（試料１）
試料１は、試料３と基本的に同様に製造したが、第２の開口部を形成せず、金属基複合材料を形成したなかった点において異なっていた。つまり、試料１の放熱材料は、図１６に示すように、Ｃｕからなる金属基材と、金属基材の表面に形成されたＡｌＮからなる絶縁材料とを備えていた。
【００９４】
（評価方法）
半導体素子として、２０ｍｍ×２０ｍｍで、１ｍｍの厚さを有するＩｎＰ、ＧａＡｓ、Ｓｉ、ＧａＮのいずれかの半導体基板を備えた半導体素子を準備した。それぞれの試料について、用いた半導体素子の半導体基板およびその熱膨張係数を下記の表１に記載する。
【００９５】
この半導体素子を、半導体素子の表面（半導体基板において半導体層が形成された面と反対側の面）に活性銀ろうペースト（融点７８０℃）、またはアルミニウムろう（融点６００℃）を約３μｍ塗布した。その後、絶縁性材料の表面にそれぞれの材料の融点＋３０℃の温度で真空ろう付け接合した。これにより、試料１〜９の複合材料に半導体素子を載置した。
【００９６】
半導体素子を載置した試料１〜９を炉に投入し、１気圧の窒素中で、昇温速度１０℃／ｍｉｎで各種温度まで加熱し、その後１分間保持した後、炉内から取り出し水中へ投入した。これを最大２５回繰り返した。各回処理終了後、各試料を各面と垂直方向に切断して界面を実体顕微鏡で観察した。このようにして、試料１〜９について、剥離せずに温度サイクルを実施できた回数（温度サイクル回数）を調べた。その結果を下記の表１に示す。
【００９７】
【表１】
2011077162.tif 000003
【００９８】
（評価結果）
表１に示すように、金属基複合材料を備えていなかった試料１は、耐熱衝撃試験において、直ぐに剥離した。一方、絶縁性材料の周囲に形成され、金属基材の熱膨張係数と絶縁性材料の熱膨張係数と間の熱膨張係数を有する金属基複合材料を備えていた試料２〜９は、試料１に比べて耐熱衝撃性を向上できた。
【００９９】
また、試料２〜４を参照して、回転部材のショルダー径が大きくなるほど耐熱衝撃性が向上した。これは、本体部において絶縁性材料と接触するショルダー面の面積が増大するほど、絶縁性材料と攪拌部との接合状態が向上して、熱の伝達が良好になるため、耐熱衝撃性が向上したと考えられる。
【０１００】
また、試料３および試料５を参照して、熱伝導性粒子としてダイヤモンドを用いると耐熱衝撃性が向上した。これは、ダイヤモンドの熱膨張係数がＳｉＣの熱膨張係数よりも小さいため、金属基複合材料の熱膨張係数も小さくなり、絶縁性材料の熱膨張係数との差が小さくなったためと考えられる。
【０１０１】
また、試料５と試料６とを参照して、半導体素子としてＳｉよりもＩｎＰを用いると耐熱衝撃性が向上した。これは、ＩｎＰの熱膨張係数がＳｉの熱膨張係数よりも大きく、金属基複合材料の熱膨張係数と近くなったためと考えられる。
【０１０２】
また、試料７〜９を参照して、金属基材としてＡｌを用いた場合、回転速度が大きいほど耐熱衝撃性が向上した。これは、高回転で攪拌部の金属基材のＡｌが高温になり一部に液相が生じたためと考えられる。高回転の場合、攪拌時の面圧が低くても高い耐熱衝撃性が得られたのは、液相が生成して攪拌時の抵抗が低下したためと推定される。
【０１０３】
以上より本実施例によれば、絶縁性材料の周囲に金属基複合材料を形成することにより、放熱性能を向上できることが確認できた。
【０１０４】
以上のように本発明の実施の形態および実施例について説明を行なったが、各実施の形態および実施例の特徴を適宜組み合わせることも当初から予定している。また、今回開示された実施の形態および実施例はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【符号の説明】
【０１０５】
１０  放熱基材、１１  金属基材、１１ａ，１２ａ  表面、１１ｂ  第１の開口部、１１ｃ  第２の開口部、１２  絶縁性材料、１３  金属基複合材料、１４  熱伝導性粒子、１６  回転部材、１６ａ  本体、１６ａ１  ショルダー面、１６ｂ  プローブ、２０  半導体素子、Ｘ  加工軌跡。
【図１】
2011077162.tif 000004
【図２】
2011077162.tif 000005
【図３】
2011077162.tif 000006
【図４】
2011077162.tif 000007
【図５】
2011077162.tif 000008
【図６】
2011077162.tif 000009
【図７】
2011077162.tif 000010
【図８】
2011077162.tif 000011
【図９】
2011077162.tif 000012
【図１０】
2011077162.tif 000013
【図１１】
2011077162.tif 000014
【図１２】
2011077162.tif 000015
【図１３】
2011077162.tif 000016
【図１４】
2011077162.tif 000017
【図１５】
2011077162.tif 000018
【図１６】
2011077162.tif 000019
【図１７】
2011077162.tif 000020
【図１８】
2011077162.tif 000021
【図１９】
2011077162.tif 000022
【図２０】
2011077162.tif 000023