(57)【要約】【課題】セラミックスのプリフォームに、アルミニウムあるいはアルミニウム合金の溶融金属を含浸して製造するアルミニウム−セラミックス複合体の製造に関し、得られる複合体の離型性が良く、十分な耐熱性を有する金型を提供する。【解決手段】アルミニウムまたはアルミニウム合金の融点以上で耐久性を有する、例えば、鋼、表面にクロムメッキした鋼、ステンレス等でできた金型に対して、少なくとも溶融アルミニウムまたは溶融アルミニウム合金と接触する面に、ポリシラザンを１０００℃以上の温度で加熱することにより生成する膜を被覆する。【選択図】　　　　　なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも溶融アルミニウムまたは溶融アルミニウム合金と接触する面にポリシラザンを塗布し、１０００℃以上の温度で加熱することにより生成する膜によって、少なくとも溶融アルミニウムまたは溶融アルミニウム合金と接触する面を被覆したことを特徴とするアルミニウム−セラミックス複合体製造用金型。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体素子を搭載したセラミックス基板から熱を放散させるために使用されるヒートシンクに好適なアルミニウム−セラミックス複合体の製造用金型に関する。
【０００２】
【従来の技術】
セラミックス基板や樹脂基板などの基板を用いた半導体素子を搭載するための回路基板が知られているが、近年、回路基板の小型化、半導体素子の高集積化が進み、回路基板などの放熱特性の向上が望まれ、特にセラミックス基板については窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、窒化けい素（Ｓｉ３Ｎ４）、ベリリア（ＢｅＯ）を添加した炭化けい素（ＳｉＣ）などの基板が注目されている。
【０００３】
上記セラミックス基板を回路基板やパッケージ用基体などとして用いる場合には、半導体素子からの発熱を回路基板裏面に設けられるヒートシンクと呼ばれる放熱部品を介して外部に発散させ、半導体素子の動作特性を確保している。
【０００４】
ヒートシンク材料としては、従来、銅が多く用いられてきたが、銅をヒートシンクとした場合、ヒートシンクとセラミックス基板の両者の熱膨張差に起因して発生する応力により、加熱時や半導体動作時の熱サイクル等でセラミックス基板にクラックや割れが発生したり、セラミックス基板とヒートシンクとを接合しているハンダにクラックが発生するなどの問題点があった。
【０００５】
このため、信頼性が要求される用途分野においては、セラミックス基板との熱膨張差が小さいＭｏ／Ｗがヒートシンク材料として用いられてきた。しかしながら、Ｍｏ／Ｗを用いた場合、質量が重く、放熱部品の軽量化が望まれる用途には好ましくないこと、さらには高価なことなどから、近年、銅やアルミニウムあるいはこれらの合金を無機質粒子や繊維で強化したＭＭＣ（Ｍｅｔａｌ　Ｍａｔｒｉｘ　Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ）と略称される金属−セラミックス複合体（以下、単に複合体ともいう）が注目されている。
【０００６】
ＭＭＣは、一般に、強化材である無機質粒子や繊維を予め成形することで、プリフォームを形成し、そのプリフォームの強化材間に金属あるいは合金を含浸させた複合体である。強化材としては、通常、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）や炭化けい素、窒化アルミニウム、窒化けい素、シリカ（ＳｉＯ２）、炭素（Ｃ）などが用いられるが、前記ヒートシンクのように高熱伝導性を要求される用途においては、熱伝導率の高い物質を選択する必要があるとともに、軽量でかつ低熱膨張という特性も兼ね備える必要がある。そのため、強化材として炭化けい素を、含浸金属としてアルミニウムを主成分として作製したアルミニウム−炭化けい素複合体が、上記特性上の制約を満たすことから、その需要が高まっている。
【０００７】
前記金属−セラミックス複合体は、プリフォームに溶融金属を含浸させて得ることができるが、含浸方法としては、所定の金型にプリフォームをセットし、金型内に溶融金属を流し込んだ後、加圧して含浸するいわゆる溶湯鍛造法や、前記金型内に高速で溶融金属を注入するダイカスト法等が知られている。
【０００８】
これらの金型を使用する方法では、従来よりプリフォーム内に溶融金属を均一に含浸させる目的で、また、含浸操作の際に溶融金属が凝固しないよう、予め金型を所定の温度に加熱しておくとともに、金型と得られる複合体との含浸後の付着を防止するため、付着防止剤としてコロイド状黒鉛を主成分とする塗料を予め金型に塗布することが行われてきた。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記方法では、付着防止剤の一部もしくは全てが金型加熱の際に消失してしまったり、金型から複合体をはずせなかったり、あるいは金型や複合体に相手方の一部が付着してしまう、いわゆる焼き付き現象を生じるという問題が発生していた。
【００１０】
前記問題解決のために、金型加熱で消失する以上の厚さに塗布量を上げること、さらには可能な限り金型温度を低下させること等の対策がとられてきたが、得られる複合体の厚みや寸法精度が低下してしまい、電子部品など表面精度や厚さ、寸法精度が要求されるヒートシンク用途に適用するには問題があるとともに、金型の損傷が激しく使い捨てを余儀なくされ、安価に生産することができないという問題がある。耐熱性があり、かつ金型と複合体の付着を起こさせない付着防止方法の開発が望まれていた。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、上記課題を解決するため鋭意検討した結果、アルミニウムあるいはアルミニウム合金からなる溶融金属に接触する金型面にポリシラザンを塗布し、１０００℃以上で加熱することにより膜を生成させ、その金型面を被覆することによって、金型と複合体の付着が防止できるとの知見を得て、本発明に至ったものである。
【００１２】
すなわち、本発明は少なくとも溶融アルミニウムまたは溶融アルミニウム合金と接触する面にポリシラザンを塗布し、１０００℃以上の温度で加熱することにより生成する膜によって、少なくとも溶融アルミニウムまたは溶融アルミニウム合金と接触する面を被覆したことを特徴とするアルミニウム−セラミックス複合体製造用金型である。
【００１３】
【発明の実施の形態】
本発明の金型の材質については、その目的からアルミニウムまたはその合金の含浸に際して使用されるので、それらの溶融金属の融点以上で耐久性を有すれば良く、例えば、鋼、表面にクロムメッキした鋼、ステンレス等が挙げられ、価格面からは鋼が好ましいが、保守面からは錆の発生し難いステンレスが優れており、好ましい。本発明においては、前記金型の溶融アルミニウムあるいは溶融アルミニウム合金に接する面が、ポリシラザンを１０００℃以上の温度で加熱することにより生成する膜で被覆されていれば良い。
【００１４】
本発明において、金型にポリシラザンを塗布する方法については、特に限定されるものではないが、得られる複合体表面の平滑性を向上させるうえで、金型をポリシラザン液に浸漬させる方法が好ましい。もちろん、刷毛などを用いて塗布してもよい。
【００１５】
ヒートシンクは半導体素子を搭載したセラミックス基板とハンダ接合されたのち、冷却装置にネジ止めされるが、この際、ヒートシンク表面が荒れたり、歪んでいると冷却装置とヒートシンク間の熱伝達が悪化し、本来の特性は十分に発揮されないが、本発明の金型を用いて複合体を得てヒートシンクとするときには、表面が荒れていないヒートシンクが得られ、前記問題の発生を防止できるという効果がある。
【００１６】
さて、現在市販されているポリシラザンは、１０００℃以上に加熱することによって薄膜状の酸窒化けい素（Ｓｉ−Ｏ−Ｎ）が得られる。その薄膜の厚みについては、本発明では０．１〜２．５μｍが好ましく、さらに好ましくは０．５〜２．０μｍの範囲である。０．１μｍ未満では、金型内部にセットしたプリフォームと金型との摩擦により薄膜が剥離などして、本来の目的を達成できなくなることがあり、また、２．５μｍを越えるときには、成膜時の加熱、焼き付け時にクラックが発生して、薄膜が脱落することがあるためである。
成膜のための加熱温度は１０００℃以上であるが、その上限温度については金型の材質、形状も考慮して決められ、通常、１２００℃以下である。
【００１７】
本発明の金型を用いる場合、複合体を得る際の含浸方法について特に限定するものではないが、アルミニウムまたはその合金を溶湯鍛造法で炭化けい素を始めとするセラミックス成形体に含浸する場合で例示すれば、金型温度を６００℃〜７００℃に保持し、約８００℃の溶融アルミニウムまたは溶融アルミニウム合金を注入し、加圧して７０ＭＰａ程度に保持した後、冷却して金型から複合体を取り出すことが行われる。
【００１８】
【実施例】
以下、本発明の実施例及び比較例に基づき、本発明をより詳細に説明する。
【００１９】
（実施例）
ステンレス鋼（ＳＵＳ−４３０）製の金型を脱脂処理したのち、ポリシラザン液（ランキサイド社製「セラセット」）に浸し、引き上げた後１００℃の温度にて乾燥し、さらに１０００℃で３０分間加熱処理して金型表面に被膜を形成した。このとき、被膜の厚みは、０．８〜１．０μｍであった。
その金型内に１００ｍｍ×５０ｍｍ×５ｍｍの炭化けい素プリフォーム（気孔率３５％）をセットし、金型ごと６５０℃で１時間加熱した後、８５０℃で溶融状態の、１２質量％のけい素（Ｓｉ）を含有するアルミニウム合金を注入後、７０ＭＰａの圧力をかけ、１０分間保持したのち冷却した。冷却後に金型より脱型しアルミニウム−炭化けい素複合体を得た。この際、金型と前記複合体は付着することなく、容易に離型することができ、しかも複合体表面は良好な平滑性を呈していた。
【００２０】
（比較例）
ステンレス鋼（ＳＵＳ−４３０）製の金型を脱脂処理したのち、付着防止剤として、コロイダル黒鉛液（日立化成社製「ヒタゾル」）と水との混合液（質量比１：１）を使用し、その混合液に前記金型を浸し、引き上げ後、２００℃で３０分間乾燥し、金型表面に被膜を形成した。なお、黒鉛の膜厚は４〜５μｍであった。
その後は、金型の予熱温度を６００℃としたこと以外は、実施例と同じ方法で、アルミニウム−炭化けい素複合体を作製した。その結果、接触面の一部で金型と複合体間に付着があり、複合体表面の一部が金型側にとられる現象が認められ、複合体の当該部分の面も荒れていた。
【００２１】
【発明の効果】
本発明の金型は、少なくともアルミニウムあるいはアルミニウム合金の溶融金属と接する面に、ポリシラザンを１０００℃以上の温度で加熱することにより生成する膜を被覆しているので、金型と得られる複合体の離型が容易になるとともに、表面平滑性に優れヒートシンクに好適なアルミニウム−セラミックス複合体が得られるという効果を有する。