(57)【要約】【課題】  反応層が析出されず、反応防止層も不要とし、熱伝導性、電気伝導性ともに良好で、しかも安価に製造できるセラミックス−金属複合体を提供する。【解決手段】  コーディエライトを主成分とする基体に複数の貫通孔を有するとともに、前記貫通孔に銅、銅合金、アルミニウム、アルミニウム合金のうち少なくともいずれかの金属を含浸させたセラミックス−金属複合体とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
コーディエライトを主成分とする基体に複数の貫通孔を有するとともに、該貫通孔に銅、銅合金、アルミニウム、アルミニウム合金のうち少なくともいずれかの金属を含浸させたことを特徴とするセラミックス−金属複合体。
【請求項２】
前記基体が複数の仕切板で区画形成された貫通孔を有するハニカム構造体であることを特徴とする請求項１に記載のセラミックス−金属複合体。
【請求項３】
前記基体が多孔質であることを特徴とする請求項１または２に記載のセラミックス−金属複合体。
【請求項４】
前記金属を基体の気孔に含浸させたことを特徴とする請求項３に記載のセラミックス−金属複合体。
【請求項５】
前記基体の少なくとも一方の主面に前記金属を主成分とする金属層を形成するとともに、該金属層が貫通孔内に含浸した金属と繋がっていることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のセラミックス−金属複合体。
【請求項６】
前記貫通孔と直交する断面における含浸させた金属の占有面積が、前記断面の面積に対し５０％以上であることを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載のセラミックス−金属複合体。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれかに記載のセラミックス−金属複合体を用いたことを特徴とする高熱伝導放熱用基板。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱伝導性、電気伝導性ともに良好なセラミックス−金属複合体と、このセラミックス−金属複合体を用いた高熱伝導放熱用基板に関し、特にパワー半導体モジュール内部や高周波用電極として用いられる高熱伝導放熱用基板に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年の急激な半導体シリコンチップの微細加工化や高密度化に伴いトランジスタのサイズが小さくなり、ＩＣ（集積回路）の集積度が増大してきている。トランジスタの微細加工化や高密度化は、主に２つの技術的手法によって行われている。その１つは、トランジスタそのものの改良である。すなわち、ＭＯＳ（ｍｅｔａｌ  ｏｘｉｄｅ  ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）、ＣＭＯＳ（Ｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙ  ＭＯＳ）、ＢｉＣＭＯＳ（Ｂｉｐｏｌａｒ  ＣＭＯＳ）などのようにトランジスタを伝搬する電荷の動きを制御する方法である。もう１つは、ダブルゲート型トランジスタやマルチゲート型トランジスタのように電流の出入り口の構造を制御する方法である。このようなトランジスタにおいては、ゲート通過時の電流の損失（リーク）が熱エネルギーに変換されるため、シリコンチップからの発熱量が急激に増加している。
【０００３】
また、上述のＩＣと同様に熱電素子、ＬＳＩ、ＶＬＳＩ、ダイオード、半導体レーザ素子などの半導体素子の高出力化や高集積化が進展し、半導体素子からの発熱量も急激に増大する傾向がある。このため、高集積化したハイブリッドＩＣなどの半導体装置においては、半導体素子からの発熱を効率的に半導体素子から放散させるために、銅や高融点金属材からなる放熱板をセラミック回路基板に一体的に接合して用いている。しかしながら、銅や高融点金属からなる放熱板は半導体素子やセラミック回路基板との熱膨張係数の差が大きいために、繰り返して作用する熱衝撃によって両部品の接合界面における熱応力が高まり剥離を起こし易いという問題があった。
【０００４】
この問題を解決するため、半導体素子に放熱用基板を接合して半導体素子からの熱を系外へ放散させるための高熱伝導放熱用基板が求められている。
【０００５】
例えば、特許文献１には、Ｃｕの含有量が少ないＣｕ−Ｗ合金またはＣｕ−Ｍｏ合金からなる基板に貫通孔を備え、該貫通孔内に、Ｃｕの含有量が多いＣｕ−Ｗ合金またはＣｕ−Ｍｏ合金を充填して、貫通孔の軸方向に熱が伝導することができるようにした放熱用基板が例示されている。また、特許文献１には、熱電素子と半導体レーザ素子をこの放熱用基板に接合し、さらにこれらを筐体内に配設した半導体モジュールが例示されている。
【０００６】
また、ＩＣは種々の方法によってパッケージングされＩＣパッケージが製造される。例えば、ＩＣパッケージには、ＢＧＡ（Ｂａｌｌ  Ｇｒｉｄ  Ａｒｒａｙ）、ＤＩＰ（Ｄｕａｌ  Ｉｎｌｉｎｅ  Ｐａｃｋａｇｅ）、ＰＧＡ（Ｐｉｎ  Ｇｒｉｄ  Ａｒｒａｙ）などがある。ＩＣパッケージは、例えばその内部にシリコンなどの半導体チップ、半導体チップからの入出力信号を伝送するための回路導体、ＩＣパッケージ内にその外部から入出力信号を伝送するためのリードやピンを配設し、セラミックスやプラスチック等からなる筐体によって密閉された構造となっている。このような構造のＩＣパッケージは、シリコンチップからの発熱量の増大による温度上昇によって壊れたり誤作動を起こしたりするという問題が起こっている。このシリコンチップの温度上昇を抑制するため、シリコンチップに高熱伝導放熱用基板を接合して、シリコンチップからの熱を系外へ放出させることが行われている。前記半導体素子と高熱伝導放熱用基板との界面の熱応力による剥離の問題は、シリコンチップと高熱伝導放熱用基板との界面でも同様に発生している。
【０００７】
従来、前記シリコンチップに半田を介して接合される高熱伝導放熱用基板や、シリコンチップに半田を介して実装するとともに、回路導体を接合したセラミックス基板からなる絶縁層を備えた高熱伝導放熱用基板としては、熱伝導率が３３０Ｗ／ｍ・Ｋ以上と高いことから銅が広汎に用いられていた。
【０００８】
しかしながら、銅、シリコンの熱膨張係数は、それぞれ１６．５×１０−６／℃、４．２×１０−６／℃であり、両者には大きな差があることから、シリコンチップが高温となった後、冷却される過程で半田が劣化し、シリコンチップから放熱用基板が剥離しやすいという問題があった。
【０００９】
現在、この問題を解決するために、炭化珪素多孔質焼結体の気孔に銅を含浸した複合材料を高熱伝導放熱用基板の構成材料として採用することが検討されている。これは、銅に起因して熱伝導率が高いとともに、熱膨張係数がシリコンの熱膨張係数に近いからである。
【００１０】
このような複合材料は、例えば、特許文献２で提案されているように、炭化珪素多孔質焼結体を溶湯した銅に浸積した後、この銅を加圧し、次いで溶湯を冷却固化することにより製造される。
【００１１】
また、特許文献３には、別の複合材料として、炭化珪素焼結体の気孔に銅を含浸させるとともに、両者の界面に炭化珪素焼結体と銅との反応を防止する層（以下、反応防止層という。）、例えば、ＺｒＣ、ＴｉＣ、ＴａＣ、Ｍｏ４Ｃ３、Ｃｒ４Ｃ３等からなる層を形成した複合材料が提案されている。
【００１２】
併せて、最近では、上述のような複合材料を高熱伝導放熱用基板の構成材料に用いる場合、雰囲気温度が上昇したときに、セラミックス−金属複合体が銅の膨張を拘束し、シリコンチップに対し応力緩和機能も併せ持つことも要求されるようになってきている。
【００１３】
また、特許文献４には、炭化珪素多孔体にアルミニウムを含浸した平板状の炭化珪素−アルミニウム複合材料の表面に、アルミニウム層を設けた放熱部品が示されている。
【００１４】
さらに、特許文献５には、銅または銅合金からなる基板の主面の一方に設けた孔部に、高熱伝導性金属からなる複数のロッドを埋め込んだ放熱用部材が例示されている。この放熱用部材は、未焼結の銅または銅合金からなる基板に設けた孔部に、前記ロッドを挿入したまま一体的に焼結することにより作製されている。
【００１５】
また、非特許文献１では炭化珪素基板と銅との濡れ反応について報告されている。
【００１６】
さらに、近年のＩＣパッケージや半導体モジュールの小型化の要求に鑑み、ＩＣパッケージや半導体モジュールの内部に配設される放熱用基板に、放熱機能のみならず電気的な信号を入出力させるための機能を併せ持たせることが検討されている。
【特許文献１】特開２００２−１２４６１１号公報
【特許文献２】特開平１１−２９３７９号公報
【特許文献３】特開２００１−１２２６８２号公報
【特許文献４】特開２００３−２０４０２２号公報
【特許文献５】特開２００３−１８８３２４号公報
【非特許文献１】α−ＳｉＣ／Ｃｕ間の特異濡れ反応により形成された界面組織（日本金属学会誌（１９９５）第５９巻）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１７】
しかしながら、特許文献１、５に例示された放熱用部材は、金属のみからなるため熱膨張係数が大きかった。このため、半導体素子の温度が変化すると、半導体素子と放熱用部材との熱膨張差によって、半導体素子と放熱用部材との界面に繰り返し熱応力が印加されていた。そしてこの熱応力によって、半導体素子と放熱用部材との界面が剥離するという問題があった。
【００１８】
また、特許文献２で提案されるような複合材料を上述のような方法で製造した場合、炭化珪素多孔質焼結体と銅とが反応し、その結果、炭化珪素多孔質焼結体と銅との界面には炭化珪素／銅反応層が析出していた。この炭化珪素／銅反応層には、クラックが発生したりしやすく、高熱伝導放熱用基板に用いる場合、放熱機能を維持する含浸条件の選定に困難を極めるという問題もあった。また、ＩＣパッケージのような高信頼性の部品内部にこの炭化珪素多孔質焼結体と銅との複合材料を高熱伝導放熱用基板として用いると、複合材料の温度が上昇した際に熱応力によるクラックが発生して炭化珪素多孔質焼結体の欠片や粒子が離脱し、この欠片や粒子がＩＣパッケージ内の回路に接触してＩＣパッケージが誤作動を起こすという問題があった。
【００１９】
また、特許文献２で提案されている複合材料は、この複合材料の単位体積当たりの放熱面積が小さいため放熱性が低いという問題があった。
【００２０】
また、特許文献２の複合材料および特許文献４の放熱部品を構成する複合材料は、多孔質炭化珪素の気孔内に金属塊を不連続に分散して埋め込まれている構造であるため熱を効率的に放熱することができないという問題があった。
【００２１】
また、特許文献３で提案されるような複合材料は上述のような問題を解決するものであるが、反応防止層形成のための制御工程やＺｒＣ、ＴｉＣ、ＴａＣ、Ｍｏ４Ｃ３、Ｃｒ４Ｃ３等の材料コストを要し、簡単に製造できるものではなかった。
【００２２】
さらに、この複合材料を高熱伝導放熱用基板の構成材料として用いた場合、前記複合材料を構成する炭化珪素焼結体は、その熱膨張係数が４．０×１０−６／℃と比較的小さいものの、使用時における雰囲気温度の上昇を考慮すると熱膨張係数は更に低いものが望まれていた。
【００２３】
さらに、特許文献２、特許文献３で提案される複合材料はともに炭化珪素焼結体を用いているため、焼結には真空雰囲気か不活性ガス雰囲気を必要とし、その製造コストも決して安価なものではなかった。
【００２４】
また、非特許文献１では、炭化珪素基板と銅との界面に炭化珪素／銅反応層が析出し、この反応層中にクラックが発生することが報告されており、やはり高熱伝導放熱用基板に用いることはできなかった。
【００２５】
本発明者は前記課題に鑑み努力した結果、前記問題点を解決できるセラミックス−金属複合体を提供できることを見出し本発明に至った。すなわち、本発明は、セラミックスと金属との反応層の析出を防止するだけでなく、そのための反応防止層も不要とし、熱伝導性、含浸方向における電気伝導性ともに良好であるとともに、雰囲気温度が上昇したときにも銅の膨張を拘束し、クラックの発生もなく、しかも安価に製造できるセラミックス−金属複合体を提供することである。また、セラミックスや金属の欠片（パーティクル）の発生を抑制したセラミックス−金属複合体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】
【００２６】
本発明のセラミックス−金属複合体は、コーディエライトを主成分とする基体に複数の貫通孔を有するとともに、該貫通孔に銅、銅合金、アルミニウム、アルミニウム合金のうち少なくともいずれかの金属を含浸させたことを特徴とする。
【００２７】
また、基体が複数の仕切板で区画形成された貫通孔を有するハニカム構造体であることを特徴とする。
【００２８】
また、基体が多孔質であることを特徴とする。
【００２９】
また、金属を基体の気孔に含浸させたことを特徴とする。
【００３０】
また、基体の少なくとも一方の主面に前記金属を主成分とする金属層を形成するとともに、金属層が貫通孔内に含浸した金属と接合していることを特徴とする。
【００３１】
また、セラミックス−金属複合体の貫通孔と直交する断面における含浸させた金属の占有面積が、断面の面積に対し５０％以上であることを特徴とする。
【００３２】
また、本発明の高熱伝導放熱用基板は、前記のいずれかに記載のセラミックス−金属複合体を用いたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００３３】
コーディエライトを主成分とし、基体内に複数の貫通孔を備えるセラミックス−金属複合体において、前記貫通孔に銅、銅合金、アルミニウム、アルミニウム合金のうち少なくともいずれかの金属を含浸させたことにより、コーディエライトと前記金属との界面に反応層が析出しないため熱伝導性、電気伝導性に優れたセラミックス−金属複合体とすることができる。併せて、コーディエライトを主成分としたことにより、大気雰囲気中での焼成を可能とするとともに、銅、銅合金、アルミニウム、アルミニウム合金のいずれの金属とも反応しないため、セラミックスと金属との反応防止層を不要にすることができる。その結果、製造コストも安価にすることができる。
【００３４】
また、前記基体を複数の仕切板で区画形成された貫通孔を有するハニカム構造体とすることにより、特に貫通孔方向の熱伝導性と電気伝導性に優れたセラミックス−金属複合体とすることができる。
【００３５】
また、前記基体が多孔質であるとともに、前記金属を前記気孔内にも含浸させることにより、基体が薄い場合でも、加工中の割れの発生が抑制できるセラミックス−金属複合体とすることができる。
【００３６】
また、前記基体の少なくとも一方の主面に前記金属を主成分とする金属層を形成するとともに、該金属層が貫通孔内に含浸した金属と接合しているセラミックス−金属複合体とすることにより、熱伝導に寄与するセラミックス−金属複合体の面積が増加し、これによって、特に熱伝導性が良好で、セラミックスや金属の欠片（パーティクル）の発生を抑制したセラミックス−金属複合体を得ることができる。
【００３７】
また、前記貫通孔と直交する断面における含浸させた金属の占有面積が前記断面の面積に対し、５０％以上としたことにより、上述の効果に加え、熱伝導性及び含浸方向における電気伝導性をさらに大きくすることができる。
【００３８】
また、前記セラミックス−金属複合体を高熱伝導放熱用基板として用いることにより、高熱伝導放熱用基板として求められる機能、即ち放熱機能、半導体素子とその他部品（例：セラミックス回路基板）とを電気的に接続する電気配線機能、半導体素子に対する応力緩和機能すべてを満たす高熱伝導放熱用基板とすることができる。セラミックス−金属複合体が電気配線機能を満たすことができるのは、セラミックス−金属複合体が緻密体の場合、前記基体の貫通孔を半導体素子およびセラミックス回路基板の各主面に概ね垂直とし、半導体素子、セラミックス−金属複合体およびセラミックス回路基板を、前記貫通孔内に含浸させた金属を介して順次積層し、電気的に接合させることにより、金属を介して半導体素子からセラミックス回路基板へ電気的信号を伝送することができるからである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３９】
以下、本発明のセラミックス−金属複合体について図面を用いて説明する。
【００４０】
図１（ａ）は、本発明のセラミックス−金属複合体１０の一実施形態を示す斜視図であり、図1（ｂ）は同図（ａ）のＸ−Ｘ’線における断面図である。図２（ａ）は、図１のセラミックス−金属複合体１０を作製するために用いられる、コーディエライトを主成分とし貫通孔１２を有する基体１１の斜視図、図２（ｂ）は図２（ａ）のＸ−Ｘ’線における断面図を示している。
【００４１】
本発明のセラミックス−金属複合体１０は、コーディエライトを主成分とする基体１１内に複数の貫通孔１２を備え、貫通孔１２に銅、銅合金、アルミニウム、アルミニウム合金のうちいずれかの金属１３を含浸させてなるものである。
【００４２】
前記基体１１の主成分をコーディエライトとしたことによって、基体１１が貫通孔１２に含浸する銅、銅合金、アルミニウム、アルミニウム合金のいずれの金属１３とも反応しないため、基体１１と金属１３との反応層が析出されることはない。また、コーディライトを主成分とする基体１１は、熱膨張率が４０〜４００℃で０．５ｐｐｍ／℃程度、熱伝導率は１Ｗ／ｍ・K程度であり、従来のように、基体１１を炭化珪素を主成分とした場合に比べ、銅、銅合金が本来備えている熱伝導率３４０〜３８９Ｗ／ｍ・Ｋ及び電気伝導度０．４１×１０６〜０．５８×１０６Ｓ／ｃｍ（体積固有抵抗：１．７２×１０−６〜２．４６×１０−６Ω・ｃｍ）やアルミニウム、アルミニウム合金が本来備えている熱伝導率１８８〜２３７Ｗ／ｍ・Ｋ及び電気伝導度０．１７×１０６〜０．３５×１０６Ｓ／ｃｍ（体積固有抵抗：２．８２×１０−６〜５．７５×１０−６Ω・cm）をほとんど低下させないので、熱伝導性及び含浸方向における電気伝導性を良好に維持できるとともに、クラックの発生を防止することができる。
【００４３】
さらに、大気雰囲気中での焼成を可能とするとともに、基体１１と金属１３との反応防止層を備えなくてもよいため、製造コストも安価にすることができる。
【００４４】
また、前記基体１１は多孔質であることが好ましく、貫通孔１２以外にも基体１１自身の気孔内にも銅、銅合金、アルミニウム、アルミニウム合金の少なくともいずれかの金属１３を含浸させることができるため、特に、セラミックス−金属複合体１０の厚みが薄い場合においても加工中に割れの発生を有効に防止することができる。セラミックス−金属複合体が多孔質の場合、貫通孔１２の内側には微細な凹凸が形成され、この凹凸に金属１３が侵入して基体１１と金属１３とが強固に固着する効果（アンカー効果）が生じる。例えば、このようなアンカー効果により基体１１に含浸させた金属１３と基体１１とが強固に固着し、セラミックス−金属複合体１０の厚みが例えば２ｍｍ以下のような薄いものにおいても、クラックの発生や割れを抑制することができる。また、前記基体１１を多孔質とする場合、その気孔率を２０体積％以下として基体１１の強度を確保するか、あるいは気孔率を２５体積％以上とするとともに平均気孔径を３μｍ以上とし、金属１３の含浸量を増やすことで大きな前記アンカー効果が生じさせ、セラミックス−金属複合体のクラックや割れを防止することが好ましい。また、基体１１が多孔質の場合は、基体１１の貫通孔１２方向の厚さを小さくても基体１１と金属１３とがアンカー効果によって強固に固着し、加工中に基体１１と金属１３の剥離を防止できるので、基体１１の厚さを薄くすることができる。具体的には、基体１１が多孔質の場合、基体１１の貫通孔１２方向の厚さの下限は、貫通孔１２の平均孔径の３倍であることが好ましい。
【００４５】
また、基体１１の気孔率を３０体積％以上、平均気孔径を４μｍ以上とすることが好ましく、特に基体１１の気孔率を３５体積％以上、平均気孔径を５μｍ以上とすることがより好ましい。
【００４６】
なお、前記基体１１を緻密質にすると、セラミックス−金属複合体全体としての強度が向上することから、機械的強度を特に必要とする場合には緻密体を選択すればよい。しかしながら、基体１１が緻密質、具体的には基体１１の気孔率が１０体積％程度以下であると、機械的強度は高いものの貫通孔１２の表面に凹凸が形成されにくいためアンカー効果が低減し、基体１１と金属１３とを強固に固着させることができず、加工中に基体１１と金属１３とが剥離する場合がある。このため、基体１１が致密質の場合は、基体１１の貫通孔１２方向の厚さを大きくすることにより、基体１１と金属１３を強固に固着させることが好ましい。特に、基体１１が致密質の場合は、基体１１の貫通孔１２方向の厚さの下限が貫通孔１２の平均孔径の６倍であることが好ましい。
【００４７】
次いで、本発明のセラミックス−金属複合体の他の実施形態を図３を用いて説明する。
【００４８】
図３は、複数の仕切板２６を有し、この仕切板２６で区画形成された貫通孔２２を有するハニカム構造体２４を基体２１とし、貫通孔２２に金属２３を含浸させたセラミックス−金属複合体２０の斜視図である。図４（ａ）は、図３のセラミックス−金属複合体を作製するために用いられる、コーディエライトを主成分とし貫通孔２２を有する基体２１の斜視図、図４（ｂ）は図４（ａ）のＸ−Ｘ’線における断面図、図４（ｃ）は図４（ａ）のＹ−Ｙ’線における断面図を示している。この場合も図１のようなセラミックス−金属複合体１０と同様に、基体２１が多孔質であることが好ましく、貫通孔２２以外に基体２１自身の気孔内にも金属２３を含浸させることができるため、特に、セラミックス−金属複合体２０の厚みが例えば２ｍｍ以下と薄い場合においても加工中に割れの発生を有効に抑制することができる。この理由は、アンカー効果により基体２１と含浸させた金属２３とは強固に固着しているためと考えられる。また、基体２１が多孔質である場合、基体２１の気孔率、平均気孔径は上述した範囲と同様に気孔率を２５体積％以上、平均気孔径を３μｍ以上とすることが好ましい。この理由は上述した通りである。また、仕切板２６の厚さを概ね一定とした場合は、雰囲気温度が上昇して金属２３が膨張した時に負荷される仕切板２６への機械的応力の偏在を抑制し、これによってセラミックス−金属複合体２０のクラックの発生をさらに抑制することができるので好ましい。また、基体２１を複数の仕切板２６で区画形成された貫通孔２２を有するハニカム構造体２４とすることにより、特に貫通孔２２方向の熱伝導性と電気伝導性に優れたセラミックス−金属複合体２０とすることができる。
【００４９】
また、前記セラミックス−金属複合体１０のさらに他の実施形態を図５を用いて説明する。
【００５０】
図５（ａ）は斜視図、図５（ｂ）は図５（ａ）のＸ−Ｘ’線における断面図であり、セラミックス−金属複合体１０は、基体１１の上端面に金属１３と同じ材料を主成分とする金属層１４を形成するとともに、金属層１４と貫通孔１２内に含浸した金属１３とが連続していることが好ましい。この理由は、熱伝導に寄与する金属１３の面積が増加して熱伝導性をさらに向上させ、かつセラミックスや金属の欠片（パーティクル）の発生が抑制されたセラミックス−金属複合体１０を得ることができるからである。
【００５１】
ここで、前記パーティクルおよびその発生原因について説明、推察する。セラミックス−金属複合体に熱応力が印加されると、主に次の３つの原因によってパーティクルが発生する可能性があると考えられる。
【００５２】
第１のパーティクルの発生は、セラミックス−金属複合体１０を構成するセラミックスに熱応力が印加されることに起因する。セラミックス−金属複合体１０を構成するセラミックスは、多結晶コーディエライトからなる。多結晶コーディエライトは、その焼結過程で少なからず内部に機械的応力を残留させたまま焼結する。セラミックス−金属複合体に熱応力が印加されると、この機械的応力にさらに熱応力が印加された複合応力Ｃがセラミックスに印加される。この複合応力Ｃによって、多結晶コーディエライトの結晶粒子や粒界相の一部が離脱しパーティクルとなる。
【００５３】
第２のパーティクルの発生は、金属１３に熱応力が印加されることに起因する。後述する本発明のセラミックス−金属複合体１０の製造方法に記載したように、金属１３は高温で溶融された状態で貫通孔１２に含浸後、冷却される。この冷却過程で金属１３は多結晶となるか、あるいは急激に冷却された場合ごく希にアモルファスとなることがある。多結晶あるいはアモルファスの金属１３は、この冷却過程で内部に機械的応力を発生、残留させることがある。セラミックス−金属複合体に熱応力が印加されると、この機械的応力にさらに熱応力が印加された複合応力Ｍが金属１３に印加される。この複合応力Ｍによって、金属１３の一部が離脱しパーティクルとなる。
【００５４】
第３のパーティクルの発生は、多結晶コーディエライトと金属１３との熱膨張率の違いに起因する。セラミックス−金属複合体に熱応力が印加されると、セラミックスと金属１３との熱膨張率の違いによって、セラミックスと金属１３とが接している部分、すなわち多結晶コーディエライトの貫通孔１２と金属１３との界面に局部的な応力が生じる。本発明のセラミックス−金属複合体１０は、この局部的な応力が印加されてもクラックや割れが発生を抑制することができる。しかしながら、微視的に見ればこの局部的な応力が繰り返し印加されると、前記界面でコーディエライトの結晶や金属１３の一部が微細な粒子となって離脱しパーティクルとなる。
【００５５】
これらの３つの発生原因のうち、第２のパーティクルの発生はほとんどないと考えられる。その理由は、金属１３は、多結晶コーディエライトに比べて延性が非常に大きく、また大きな弾性変形も可能であるから、金属１３の一部が離脱することはほとんどないと考えられるからである。一方、第１および第３のパーティクルの発生は、コーディエライトが金属に比べて脆性材料であり、繰り返し応力に対して脆いという点を鑑みれば、第２のパーティクルの発生に比べて非常に多いことが推察される。したがって、セラミックス−金属複合体１０の主面に金属層１４を設けることにより、第１および第３のパーティクルの発生を抑制でき、その結果セラミックス−金属複合体１０から発生するパーティクル量を低減することができると考えられる。
【００５６】
また、図示しないが、図３のセラミックス−金属複合体２０に金属層１４を形成することにより、さらにセラミックス−金属複合体の厚さが例えば０．８ｍｍ以下と薄い場合でもその加工中の割れを抑制することができる。
【００５７】
さらに、前記セラミックス−金属複合体１０および２０は、貫通孔１２、２２と直交する断面における含浸させた金属１３、２３の占有面積が、前記断面の面積に対し５０％以上であることが好ましい。この理由は、基体１１、２１に比し、金属１３、２３の割合を大きくすることによって、熱伝導性や電気伝導性の高いものに保持することができ、後述するような高熱伝導放熱用基板として好適に用いることができる。一方、金属１３、２３の占有面積が５０％未満となると、熱伝導性と電気伝導性を著しく向上させることができない。
【００５８】
次に、本発明のセラミックス−金属複合体１０および２０の製造方法を説明する。
【００５９】
まず、図２に示すようなコーディエライトを主成分とし、複数の並列する貫通孔１２を有する基体１１を作製する。
【００６０】
ここで、基体１１を多孔質にする場合、先ず１次原料であるカオリン、タルク、アルミナまたはハイジライトからなる混合原料１００重量％に対し、水２０〜３５重量％、バインダーとしてセルロース等を５〜１０重量％添加、混合した原料を混練機で十分混練した後、押し出し成形で成形することで基体１１の成形体を得ることができる。
【００６１】
上述のように基体１１を気孔率２５体積％以上、平均気孔径３μｍ以上の多孔質にする場合には一次原料の粒径を５〜２０μｍとすればよい。なお、コーディエライト自体は１次原料粒径が１μｍより小さな粒径で気孔率２０体積％以下に緻密化し、それ以上では多孔質体となり１次原料粒径を大きくすれば気孔径が大きくなる。
【００６２】
そして、この成形体を大気雰囲気中、１３００〜１４００℃で２〜５時間焼成することで基体１１が得られる。
【００６３】
なお、ここでは一例として押し出し成形の例を述べたが、１次原料１００重量％に対して５０〜１００重量％の水と、ＰＶＡ等のバインダーを１〜１０重量％添加した後、噴霧造粒法を用いて造粒することで、乾式プレス成形法や冷間静水圧プレス成形法等を用いて成形体を製造することも可能である。
【００６４】
このようにして得られた多孔質の基体１１の化学組成としては、例えばＭｇがＭｇＯ換算で１０〜１８重量％、ＳｉがＳｉＯ２換算で４２〜６２重量％、ＡｌがＡｌ２Ｏ３換算で２２〜４４重量％の範囲であり、コーディエライトの理論組成であるＭｇＯ：１３．７重量％、ＳｉＯ２：５１．４重量％、Ａｌ２Ｏ３：３４．９重量％に近い化学組成となることがより好適である。
【００６５】
一方、基体１１を緻密質にする場合、例えば、先ず１次原料であるカオリン、タルク、アルミナまたはハイジライトを攪拌混合した後、１４５０℃以上の温度で仮焼しコージェライト組成となるように合成する。その後、仮焼して合成した原料を粉砕して平均粒径２μm以下の微粉とし、このコージェライト微粉原料１００重量％に対し、水５０〜１００重量％、希土類酸化物等の焼結助剤１〜１０重量％、バインダーとしてＰＶＡ（ポリビニルアルコール）またはＰＥＧ（ポリエチレングリコール）１〜１０重量％を添加、混合し、噴霧造粒法等で造粒した後、これを所定の成形型に充填し、プレス成形、冷間静水圧成形等の成形手段により基体１１の成形体を得ることができる。
【００６６】
そして、この成形体を多孔質の場合と同様に大気雰囲気中、１３００〜１４００℃で２〜５時間焼成することで基体１１が得られる。
【００６７】
このように、基体１１を緻密質にするには一次原料粒径を小さくすればよく、得られた基体１１の化学組成は、例えばＭｇがＭｇＯ換算で１１〜１５重量％、ＳｉがＳｉＯ２換算で４９〜５４重量％、ＡｌがＡｌ２Ｏ３換算で３２〜３８重量％の範囲であり、コーディエライトの理論組成であるＭｇＯ：１３．７重量％、ＳｉＯ２：５１．４重量％、Ａｌ２Ｏ３：３４．９重量％に近い化学組成となることがより好ましい。
【００６８】
次いで、この基体１１を予め加熱してカーボン型内に固定し、１２００℃程度に溶融された銅、銅合金、あるいは８００℃程度に溶融されたアルミニウム、アルミニウム合金の少なくともいずれか一種を貫通孔１２に流し込んだ後、１０〜３００ＭＰａで加圧含浸し、冷却することによって図１に示すようなセラミックス−金属複合体１０を得ることができる。
【００６９】
なお、セラミックス−金属複合体１０の加熱雰囲気や前記金属の加圧含浸雰囲気は窒素雰囲気または不活性ガス雰囲気であることが好ましいが、加熱雰囲気、加圧含浸における雰囲気とも大気雰囲気であってもよい。
【００７０】
また、含浸する金属は、銅や銅合金としてタフピッチ銅、無酸素銅、リン脱酸銅、快削銅、クロム銅、ジルコニウム銅より少なくとも一種を選択すればよく、熱伝導率、電気伝導率の点よりタフピッチ銅、無酸素銅、リン脱酸銅を選択することが好ましい。一方、軽量化が求められる場合には銅や銅合金よりもアルミニウムやアルミニウム合金を用いればよく、例えばＡ１０５０、Ａ１０７０、Ａ１０８０、Ａ１０８５、Ａ１１００、Ａ３００３、Ａ２０１４、Ａ２０１７、Ａ２０２４、Ａ２０２５、Ａ２２１８、Ａ２６１８より少なくとも一種を選択すればよい。特に、熱伝導率、電気伝導率がより高いことからＡ１０５０、Ａ１０７０、Ａ１０８０、Ａ１０８５、Ａ１１００を選択することが好ましい。
【００７１】
上述のような製造方法により図１に示したようなセラミックス−金属複合体１０を製造することができる。
【００７２】
また、図３のような、基体２１が複数の仕切板２６で区画形成された貫通孔２２を有するハニカム構造体２４からなるセラミックス−金属複合体２０は、基体２１として図４のハニカム構造体２４を用いる他は、上述の製造方法と同様にして製造することができる。
【００７３】
図１、３のセラミックス−金属複合体１０、２０の少なくとも一方の主面に金属１３、２３と同じ金属を主成分とする金属層１４を形成するとともに、金属層１４が貫通孔１２、２２内に含浸した金属１３、２３と接合しているセラミックス−金属複合体１０、２０は、例えば次のように製造することができる。
【００７４】
第１に、銅またはアルミニウムの無電解メッキ法により、セラミックス−金属複合体１０の主面に金属層１４を形成させることができる。第２に、図１、３のセラミックス−金属複合体１０、２０の主面に、金属１３、２３の主成分と同じ金属を溶射して金属層１４を設けることができる。第３に、金属１３、２３と同じ金属を含む金属塩（硝酸塩やシュウ酸塩等）を水に溶解させて金属１３、２３がイオンとなって存在している溶液に、図１、３のセラミックス−金属複合体１０、２０の主面を塗布、乾燥、熱処理、還元することにより、金属層１４を設けることができる。第４に、底面が平坦な耐熱性容器を準備し、基体１１、２１の一方の主面とこの耐熱性容器の底面と水平にし、かつ基体１１、２１と耐熱性容器の底面の間に隙間を空けて基体１１、２１を耐熱性容器内に入れたまま、窒素雰囲気中、１２００℃に溶融された金属１３、２３を７０ＭＰａで貫通孔１１、２１に加圧含浸、冷却することにより、セラミックス−金属複合体１０、２０を作製する。また、金属１３、２３を加圧含浸する際に基体１１、２１の他方の主面側にも溶融した金属１３、２３を満たしたまま冷却することにより、基体１１、２１の両主面に金属層１４を形成したセラミックス−金属複合体１０を作製することもできる。
【００７５】
なお、図１、図５ではセラミックス−金属複合体１０における貫通孔１２の断面形状が円形である場合について示したが、貫通孔１２の断面形状は、楕円形、三角形、四角形等、本発明の範囲を逸脱しない限りどのような形状であっても構わない。
【００７６】
また、図1、図３、図５に示したセラミックス−金属複合体１０、２０は、高熱伝導放熱用基板として好適に用いることができ、放熱機能、半導体素子とその他部品（例：セラミックス回路基板）とを電気的に接続する電気配線機能、半導体素子に対する応力緩和機能すべてを満たす本発明の高熱伝導放熱用基板とすることができる。セラミックス−金属複合体１０、２０が電気配線機能を満たすことができるのは、基体１１、２１の貫通孔１２、２２を半導体素子およびセラミックス回路基板の各主面に概ね垂直とし、半導体素子、セラミックス−金属複合体１０、２０およびセラミックス回路基板を、貫通孔１２、２２内に含浸させた金属１３、２３を介して順次積層し、電気的に接合させることにより、金属１３、２３を介して半導体素子からセラミックス回路基板へ電気的信号を伝送することができるからである。
【００７７】
放熱機能、電気配線機能を有するのは、熱伝導性、電気伝導性のそれぞれが良好だからである。また、応力緩和機能を有するのは、熱膨張係数がセラミックスの中でも１．１×１０−６／℃程度と小さいコーディエライトを用いることで、雰囲気温度が上昇しても含浸させた前記金属の膨張を拘束できるからである。
【００７８】
なお、本発明のセラミックス−金属複合体は、上述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲であれば、種々の変更は可能である。
【実施例１】
【００７９】
次いで、本発明の実施例を説明する。
【００８０】
本発明に係る試料として図１に示すようなコーディエライトを主成分とするセラミックス−金属複合体１０及び図３に示すようなハニカム構造体からなる基体を有するセラミックス−金属複合体２０を準備した。基体１１、２１は、その気孔率を３０〜５０体積％、平均気孔径を４〜８μｍとなるよう調整した。
【００８１】
また、比較例として、炭化珪素を主成分とし、金属炭化物を反応防止層として備えたセラミックス−金属複合体を図１、図３と同様な形状となるように準備した。
【００８２】
なお、図１に示すセラミックス−金属複合体は、直径１．０４ｍｍの貫通孔を６００個備え、貫通孔が放射状に配置されるセラミックス−金属複合体とした。
【００８３】
また、図３に示すセラミックス−金属複合体においては、貫通孔を格子状に６００個備え、その断面形状が正方形であるとともに、その正方形の一辺の長さを１．０４ｍｍ、またセラミックス仕切板の幅を０．１９ｍｍとするハニカム構造体からなる基体を用いた。
【００８４】
そして、各貫通孔には、窒素雰囲気中、１２００℃に溶融された銅または８００℃に溶融されたアルミニウムを７０ＭＰａで加圧含浸した。
【００８５】
前記セラミックス−金属複合体のその他の仕様は、表１に示す通りに作製し、各セラミックス−金属複合体の熱膨張係数、熱伝導率、体積固有抵抗を測定した。
【００８６】
熱膨張係数、熱伝導率、体積固有抵抗については、それぞれＪＩＳ  Ｒ  １６１８−１９９４，ＪＩＳ  Ｒ  １６１１−１９９１，ＪＩＳ  Ｃ  ２１４１−１９９２に準拠し、各試料の基体から前記ＪＩＳ規格で定められている寸法の試料を切り出して測定した。
【００８７】
また、反応層とクラックの有無については、各セラミックス−金属複合体を走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）を用い、倍率１０００倍として断面を観察した。
【００８８】
また、割れについては、セラミックス−金属複合体（厚み１０ｍｍ）を試料毎に各１０個作製し、各々を平面研削盤を用いて研削し、厚みを１ｍｍとした後、各試料毎に１０個中何個割れたかを調べ、その個数を表１に示した。
【００８９】
表１の結果から明らかなように、比較例となる銅を含浸した試料Ｎｏ．１、２の熱膨張係数は、いずれも１０．３×１０−６／℃であるのに対し、本発明の銅を含浸した試料Ｎｏ．３〜１２の熱膨張係数は、１０．２×１０−６／℃以下と小さな値を示しており良好である。
【００９０】
また、比較例となるアルミニウムを含浸した試料Ｎｏ．１３、１４の熱膨張係数はいずれも１２．６×１０−６／℃であるのに対し、本発明のアルミニウムを含浸した試料Ｎｏ．１５〜２４の熱膨張係数は１２．４×１０−６／℃以下と小さな値を示しており良好である。
【００９１】
なお、アルミニウムを含浸した場合、銅を含浸した場合に比べ、全体的に熱膨張係数は高くなる傾向にあるが、軽量化が求められる場合にはアルミニウムを含浸したセラミックス構造体やハニカム構造体を用いたほうが効果的である。
【００９２】
また、本発明の試料Ｎｏ．１５〜２４の熱伝導率は１９０〜２０３Ｗ／ｍ・Ｋであり、試料Ｎｏ．１、２の熱伝導率とほぼ同等であるのに対し、本発明の試料Ｎｏ．３〜１２の熱伝導率は２５０〜２５８Ｗ／ｍ・Ｋと大きな値を示しており、特に良好である。
【００９３】
また、銅の占有面積比率が４０％である試料Ｎｏ．３、４、１１、１２は、その体積固有抵抗が８．８×１０−６〜９．０×１０−６Ω・ｃｍであるのに対し、銅の占有面積比率が５０％以上である試料Ｎｏ．５〜１０は、その体積固有抵抗が２．０×１０−６〜２．３×１０−６Ω・ｃｍと低く、しかも高熱伝導放熱用基板として望まれている値に達しており、良好である。また、アルミニウムの占有面積比率が４０％である試料Ｎｏ．１５、１６、２３、２４の体積固有抵抗は、９．０×１０−６〜９．２×１０−６Ω・ｃｍであるのに対し、アルミニウムの占有面積比率が５０％以上である試料Ｎｏ．１７〜２２は、その体積固有抵抗が２．２×１０−６〜２．４×１０−６Ω・ｃｍと低く、同様に高熱基板として望まれている値に達しており、良好である。
【００９４】
反応層やクラックについては、試料Ｎｏ．１、２、１３、１４は、反応防止層を形成しているため、反応層の析出やクラックの発生がないことがわかるが、本発明の試料Ｎｏ．３〜１２、１５〜２４は反応防止層がなくても反応層の析出やクラックの発生がなく良好である。
【００９５】
各試料１０個を各々厚さ１ｍｍに研削した後の割れについては次のような結果となった。試料Ｎｏ．１１、１２、２３、２４は、金属を貫通孔および気孔に含浸させているため、割れは発生しなかった。試料Ｎｏ．３〜１０、１５〜２２は、貫通孔にのみ金属を含浸させているため１０個中１個割れが発生した。
【表１】
2004160549.tif 000003
【実施例２】
【００９６】
実施例１の各試料をさらに複数作製し、これらの試料の一方の主面（図１、３の上面）または両主面（図１、３の上下面）に次の方法で金属層１４を形成した料Ｎｏ．２５〜４４を作製した。
【００９７】
第１の方法として、実施例１と同じ試料の主面に銅またはアルミニウムを無電解メッキして金属層１４を形成した。第２の方法として、実施例１と同じ試料の主面に、銅またはアルミニウムを溶射して金属層１４を形成した。第３の方法として、１Ｍ−硝酸銅水溶液または１Ｍ−硝酸アルミニウム水溶液を、実施例１と同じ試料の主面に塗布、乾燥、５００℃空気中で１時間熱処理後、水素中で還元する工程を繰り返して、主面に金属層１４を形成した。
【００９８】
また、第４の方法として、次の条件以外は実施例１と同様にしてセラミックス−金属複合体からなる試料を作製した。底面が平坦なカーボン容器を準備し、基体１１、２１の一方の主面とこの耐熱性容器の底面と水平にし、かつ基体１１、２１とカーボン容器の底面の間に隙間を空けて基体１１、２１をカーボン容器内に入れたまま、窒素雰囲気中、１２００℃に溶融された銅または８００℃に溶融されたアルミニウムを７０ＭＰａで貫通孔１１、２１に加圧含浸、冷却し、一方の主面に金属層１４を形成した。また、加圧含浸する際に基体１１、２１の他方の主面側にも溶融した金属１３、２３を満たしたまま冷却することにより、基体１１、２１の両主面に金属層１４を形成した。
【００９９】
得られた試料の熱伝導率と体積固有抵抗を実施例１と同様に測定した。その測定用試料を切り出す際、金属層１４（上面、または両面）が測定用試料に含まれる様にした。
【０１００】
その結果を表２に示すように、実施例２の試料は、実施例１の試料よりも熱伝導率が高く、体積固有抵抗が低くなった。
【表２】
2004160549.tif 000004
【実施例３】
【０１０１】
実施例１と実施例２で作製した試料から発生するパーティクル量を次のようにして測定した。
【０１０２】
また、試料を細い金属線を用いてビーカーに入れた純水中に吊し、その状態で超音波洗浄機にて超音波を１分間かけた。その後、ビーカーから金属線に吊した試料を取出して、純水中のパーティクルをパーティクルカウンター（ＢＲＡＮＳＯＮ社製ＤＨＡ−１０００）で測定した。表３のパーティクルの量は、測定したパーティクル数をセラミックス−金属複合体の表面積１ｃｍ２当たりの数に換算した値である。なお、パーティクルの量は、測定結果に基づき、０．５〜２μmのパーティクルの量と、０．５μｍ以下のパーティクルの量に分けた。
【０１０３】
表３から、０．５〜２μｍのパーティクルは実施例１および実施例２の試料から共に検出されなかった。しかしながら、０．５μm以下のパーティクル量は、実施例１の試料よりも実施例２の試料の方が少なかった。
【表３】
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【図面の簡単な説明】
【０１０４】
【図１】図１（ａ）は本発明のセラミックス−金属複合体の一実施形態を示す斜視図、図１（ｂ）は図１（ａ）のＸ−Ｘ’線における断面図である。
【図２】図２（ａ）は図１のセラミックス−金属複合体の基体を示す斜視図、図２（ｂ）は図２（ａ）のＸ−Ｘ’における断面図である。
【図３】本発明のセラミックス−金属複合体の他の実施形態を示す斜視図である。
【図４】図４（ａ）は図３のセラミックス−金属複合体の基体を示す斜視図、図４（ｂ）は図４（ａ）のＸ−Ｘ’線における断面図、図４（ｃ）は図４（ａ）のＹ−Ｙ’線における断面図である。
【図５】図５（ａ）は本発明のセラミックス−金属複合体のさらに他の実施形態を示す斜視図、図５（ｂ）は図５（ａ）のＸ−Ｘ’線における断面図である。
【符号の説明】
【０１０５】
１０、２０：セラミックス−金属複合体   
１１、２１：基体
１２、２２：貫通孔
１３、２３：金属
１４：金属層
２４：ハニカム構造体
２６：仕切板
【図１】
2004160549.tif 000006
【図２】
2004160549.tif 000007
【図３】
2004160549.tif 000008
【図４】
2004160549.tif 000009
【図５】
2004160549.tif 000010