(57)【要約】【課題】熱伝導度や比ヤング率などの優れた特性を有する金属―セラミックス複合体の加工を容易にする安価な製造方法を提供する。【解決手段】融点８００℃以上の材料で容器と付属する治具を作り、セラミックス粉体を充填した後、アルミニウム、マグネシウム及びその合金を溶湯鍛造法を用いて含浸させて複合体を得る。【選択図】    なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
難加工性の金属−セラミックス複合体を溶湯鍛造法で鋳造する方式で行う製造工程で、最終形状に於いて加工する部位に予め易加工性の材料を配置する方法。
【請求項２】
請求項１の複合体を形成する金属がマグネシウム、アルミニウムおよびそれらの合金であること。
【請求項３】
請求項１の複合体を形成するセラミックスが、ムライト、アルミナ、窒化アルミニウム、窒化ホウ素、窒化珪素、炭化珪素、炭化ホウ素、ジルコニア、ホウ化チタンなどの１種又は２種以上の材料を主成分とすること。
【請求項４】
請求項１の易加工性の材料として鉄、チタン、銅、炭素などの融点が８００℃以上の物質からなること。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体やＩＣパッケージなどの放熱基板や、主として、半導体や液晶などの製造装置部品に用いられる金属複合体の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、回路基板の小型化や高集積化によって、熱伝導の優れた、かつ適度な熱膨張率を有する金属セラミックス複合体（以下「複合体」という）が放熱材料として、図１に示すような形状のものが基板として使用されている。
【０００３】
さらに半導体や液晶などの製造工程に使用される静電チャックやガラス搬送装置などはスループットを大きくするために比ヤング率（ヤング率／比重）の大きなものが採用されている。これらの部品に使用されるものの材質は高ヤング率で、比重の小さい複合体が最適である。例えば図２に示すものは、半導体製造装置に用いられるシールドである。
【０００４】
上述したこれらの部品は、主として、アルミナや炭化珪素とアルミニウム合金の複合体であるが、これは非常に難加工性で、複合体作成のコストの数倍から数十倍の加工コストがかかってしまう。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
回路基板やシールドの例に見られる通り、これらは従来、製品形状より大きな複合体を作成し、必要に応じて外形を切削したり、穴あけ加工を施していた。この加工は複合体を形成するセラミックス材料の硬さが原因で非常に難加工性であり、極めてコストの高いものとなっていた。
【０００６】
他方、特開平２−１９７３６８や特開２０００―１６９２６７のようにセラミックス材料で多孔質予成形体（以下「プリフォーム」）を作成した後、金属溶湯を含浸させている。このうち、前者は自発含浸法と称される方法で行っており、含浸を完了させるまでに長時間を有することと、加圧凝固工程が無いことから、鋳巣の発生が不可避であることが特徴である。含浸を完了させるまでに長時間を有することは、鉄やチタン、炭素などの易加工性部材が溶湯との反応や合金化が起こり使用できない。又、鋳巣の発生は、熱伝導度や、ヤング率の低下を招くので、性能の優れた複合体を製作するのは困難である。
【０００７】
後者の特開２０００−１６９２６７ではプリフォームを作成するに際してシリカゾルを使用するので、例えば溶湯ＡｌやＭｇとの反応でＳｉとアルミナ又は、ＳｉとＭｇＯの熱伝導の良くない生成物を作ってしまうので、所期の熱伝導度が得られないという欠点を有している。又、プリフォーム作成工程でのコスト高の弊害もある。
【０００８】
本発明は上述に鑑み、なされたものであって、さらには、易加工性の複合体を同時に提供することを特徴とした。即ち、鋳巣の発生も無く、熱伝導などの諸特性に優れた易加工性の複合体を提供することである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、上記目的を達成するため、先ずプリフォームを作成せずに、複合体を得、さらに予め穴加工や外形加工をしないで複合体を得るために予め加工切削する部位に鉄、銅、チタン、炭素などの通常の工具で容易に加工できる材質のものを配し、それ以外の部分にはセラミックスを配しておき、短時間で鋳造が終了する溶湯鍛造法を組合わせることを提案する。
【００１０】
即ち、本発明は金属製の容器に、セラミックス質の粉体、ウィスカー、繊維などを詰め込むことによって、プリフォーム作成工程を省略することとした。
【００１１】
さらに、図１や図２の穴加工部分に融点が８００℃以上の材料からなる鉄や、チタン、炭素などの材料を図３、図４のように配置して、出来上がってくる複合体の加工を容易にせしむることとした。
【００１２】
【発明の実施の形態】
本発明者らは、上述の事情に鑑み、複合体を製造する方法を以下に示す方法で見出し、熱伝導が良好で鋳巣のないなどの特徴をもち、かつ、容易に通常の工具で所期の複合体を得ることができた。
【００１３】
即ち、金属（鉄やチタン）又は炭素材からなる容器を図３では３−１、図４では４―１を作り、最終製品となる外形として、さらに、穴あけされるべき所に、同じ材質、又は易加工の違う材質で、図３では３−２、図４では４―２を作り配置しておく。次に所期の特性が熱伝導の大なることを要求される場合は、炭化珪素や窒化ホウ素の粉体、ウィスカーなどを乾式、又は水分を含んだ状態にて、充填する（３−４、４―４）。この時、プレスにて圧力を加えて充填しても良い。水分を含んでいる時は、１００℃〜１１０℃で乾燥工程を経ても良い。又、２種以上のセラミックス材料が混合されていても良い。次に、これらの容器に（図３では３―３、図４では４―３）蓋をして外形を整える。この時、蓋は容器と密閉することは後工程で溶湯の浸入が防げられるので、好ましくなく、又、３−２と容器との間、４―２と容器との間も、セラミックス粉体等が通過しない程度に、隙間がある方が好ましい。
【００１４】
以上のようにして、作られたセラミックスを充填した容器を４００〜８００℃程度に予熱し、その後、予め２００〜３００℃程度に予熱された金型（５―１）内に配置し、アルミニウム、マグネシウム或いはそれらの合金溶湯（５―３）を６５０〜９００℃で金型内に注湯し、加圧プランジャー（５―２）にて、面圧力２０〜１５０ＭＰａにて加圧し、１〜２０分間保持して、溶湯鍛造を完了した。
【００１５】
鋳ぐるまれたセラミックスを充填した容器を、切断又は溶解などの方法で、取り出し、その後、３―１、３−２、３―３を切断や切削で除去し、図１、図２に示す複合体を得た。
【００１６】
以上述べたようにコストのかかるプリフォーム作成工程を経ずにできること、溶湯鍛造法により、鉄やＴｉなどの易加工性部材の溶湯との接触時間が極めて短かく部材の損傷が無いこと、さらには外形加工や穴加工が複合体以外の部材を除去することだけで終了することにより、製造費が非常に安価になった。
【００１７】
溶湯鍛造法（高圧鋳造法）を用いているので鋳巣の発生は皆無であった。又、プリフォームに付随する無機質バインダーを使用していないため、熱伝導の良好なものが得られた。プリフォームを作成したものと、本発明の方法との比較では、前者が、炭化珪素粉末を利用したヒートシンク材の熱伝導度が１６５〜２１０Ｗ／ｍＫであるのに対して、同一の炭化珪素比率、同一のアルミニウム合金組成の本発明の方法による複合体の熱伝導度は２６０〜２９０Ｗ／ｍＫであり、明白に有意差が出た。さらに、本発明の方法では鉄、チタン、銅、炭素材などの易加工性の材料で、外形や穴ぐりなどを行えるので、加工コストの大幅な削減を達成できた。又、特に鉄鋼部材や炭素材は安価であり、最終製品のコストには大きな影響を与えない。
【００１８】
【実施例】
以下に本発明の実施例を説明する。
【００１９】
鉄鋼部材で材質ＳＳ４００の平鋼の６ｍｍ厚さのものを用いて、図３―１の容器を、又、同材質の丸鋼の９．ｍｍ径のものを用いて、図３―２の部材を両端部を６ｍｍ径にして、中央部は９ｍｍ径で中央部長さ４ｍｍに作成したものを６本用意して組立て、溶接にて、内のりで厚さ４ｍｍ高さ１００ｍｍ、幅１７０ｍｍの図３に示す容器を得た。これに炭化珪素粉（太平洋ランダム社製）の２８０メッシュのもの８０％と、６００メッシュのもの２０％を混合し、概容器に充填した。その後、図３−３に示す蓋を置いて、このものを容器ごと６００℃に予熱した。
【００２０】
一方で、内径２５０ｍｍで内のり高さが２００ｍｍの予め２５０℃に加熱保持している金型の中に、図３の炭化珪素を充填した鉄容器ごと図５に示すように配置し、予め用意してあるＪＩＳ  ＡＣ４Ｃ溶湯を内のり高さ１５０ｍｍになるように、注湯した。この後、すぐに油圧プランジャーを作動し、単位圧力が１００ＭＰａになるように、金型の湯面を加圧し、２分後、加圧解除して、鋳造物をとり出した。
【００２１】
以上のようにして得られた鋳造物を、鉄容器の外形に沿って切断した後、蓋を外して、溶接部を切削除去後、３−２の部分を残して、複合体が得られた。３−２はハンマーで衝撃を与えて抜き取った。このようにして、得られた複合体は、加工の必要は無く、放熱基板としての特性値は、熱伝導度が２８０Ｗ／ｍＫで、熱膨張率は７．３×１０ｐｐｍ／Ｋであり、自発浸透による方法や、プリフォーム工程を経る方法では、到達し得ないものであった。さらに、難削材である複合体を切削する工程もなかったので、安価に製造することが出来た。
【００２２】
次の実施例は、半導体製造装置に用いるシールドである。これも内のりで５２０ｍｍ径で高さ３０ｍｍになるように鉄製容器（４−１）を作り、その底部に高さ２０ｍｍで９０ｍｍの座ぐり穴になる部分（４−２）を炭素材（東洋炭素社製ＩＧ７０）
で７枚作成して、所定の位置になるように配置した。
【００２３】
次にアルミナ粉末（日本軽金属社製ニッケイランダム）を平均径１５０μｍのものと、平均径４４μｍのものを、３対１で混合し、これに水分率として、１５％になるように水を加えて、シールド用の鉄容器に加圧力１５ＭＰａで充填した。このものを１００℃に乾燥した後、容器に使用したものと同じ厚さ（４．５ｍｍ）で蓋を作成し、Ｍ３ボルト６本にて固定した。これを８００℃にアルゴン中で予熱した。
【００２４】
予め２００℃に加熱された内のり高さ１００ｍｍ、径７５０ｍｍの金型に配置し、７５０℃のＭＣ２Ｄの溶湯を注湯して、すばやく単位圧力７０ＭＰａにて、溶湯鍛造して、外径７５０ｍｍ、高さ６０ｍｍの鋳造物を得た。このものを６２０℃のＭＣ２Ｄ湯の中に入れて外周の金属を除去して、外径５２９ｍｍ、高さ３９ｍｍの中に複合体が形成された鉄容器を得た。
【００２５】
このようにして得られた鉄容器のＭ３ボルトをドリル除去し、簡単に、外径５２０ｍｍ、高さ３０ｍｍの、主として複合体を得た後、炭素材をエンドミル加工で除去し、半導体製造装置に用いられるシールドを完成させた。この材料は、比重が２．８で、ヤング率が２２ＧＰａであり、シールドとしての性能を充足していた。
【００２６】
【発明の効果】
本発明の金属−セラミックス複合体の製造方法によると、鋳巣のない複合体が得られ、他の方法によるより高い熱伝導度が得られること。及び、加工コストを大幅に削減した安価な複合体の部品を提供できること。
【図面の簡単な説明】
【図―１】放熱用回路基板
【図―２】半導体製造装置用シールド
【図―３】放熱用回路基板の鋳造前の組立図の断面図と平面図
【図―４】シールドの鋳造前の組立図の断面図
【図―５】放熱用回路基板の鋳造（溶湯鍛造）の概念図
【符号の説明】
３―１  鉄製の外形容器
３−２  鉄製の後に穴ぐりされるピン
３―３  鉄製の蓋
３−４  炭化珪素の粉末充填層
４―１  鉄製の外形容器
４―２  炭素製の後に座ぐり穴になる円盤
４―３  鉄製の蓋
４―４  アルミナの粉末充填層
４―５  鉄製のボルト
５―１  金型
５―２  油圧プランジャー（パンチ）
５―３  金属溶湯
【図−１】
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【図−２】
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【図−３】
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【図−４】
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【図−５】
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