(57)【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アルミニウム合金と接触する面に、アルミナゾルを塗布し、３００℃以上の温度で加熱することにより、厚み０．１〜２．５μｍの薄膜状のアルミナまたはアルミナ前駆体を被覆したことを特徴とするアルミニウム−セラミックス質複合体製造用金型。
【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−トシンクに好適なアルミニウム−セラミックス質複合体の製造方法に関する。
【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ベリリア（ＢｅＯ）を添加した炭化けい素（ＳｉＣ）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、窒化けい素（Ｓｉ3Ｎ4）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−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−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−トシンクとしては、従来、銅が多く用いられてきたが、銅をヒ−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−トシンクとを接合している半田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−トシンクとして用いられてきた。しかしながら、Ｍｏ／Ｗを用いた場合、重量が重く、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  ＭａｔｒｉｘＣｏｍｐｏｓｉｔｅ）と略称される金属−セラミックス複合体（以下、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−ムを形成し、そのプリフォ−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−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、プリフォ−ム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炭化けい素−アルミニウム質複合体が、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−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−ムをセットし、これを加圧容器内に入れ溶融金属を流し込んだ後、高圧プレス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−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、付着防止剤の一部若しくは全てが、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、或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、さらには可能なかぎ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、アルミニウム或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、アルミナ又はその前駆体を被覆するときに金型と複合体の付着が防止できること、そして、アルミナゾルを金型に塗布し、３００℃以上で加熱することにより、被覆したときに特に有効であることなどの知見を得て、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アルミニウム合金と接触する面にアルミナまたはその前駆体を被覆したことを特徴とするアルミニウム−セラミックス質複合体製造用金型であり、好ましくは、アルミナゾルを塗布し、３００℃以上の温度で加熱することにより、被覆したことを特徴とするアルミニウム−セラミックス質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、前記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るが、価格面からは鋼が好ましいが、錆の発生し難いステンレスが保守性に優れ、好ましい。
【００１４】
本発明に於いては、前記金型の溶融アルミニウム或いは溶融アルミニウム合金に接する面がアルミナ或いはその前駆体で被覆されていれば良い。前記アルミナ或いはその前駆体としては、溶湯金属が含浸される温度下で比較的高純度のアルミナを残留するものであれば良く、例えば、アルミナセラミックス焼結用原料のアルミナ粉末、アルミナゾル等を用いることができる。ここで、高純度のアルミナとは、本発明者らの実験的検討の結果に基づけば、８０重量％以上のアルミナであれば良い。なお、本発明においては、溶融したアルミニウムまたはその合金が接触する面に、アルミナまたはその前駆体が被覆されていればよく、さらに付着防止効果をあげることを目的に、前記被覆した面にコロイド状黒鉛等の他の付着防止剤を上塗りすることを制限するものではない。
【００１５】
本発明に於いて、金型にアルミナまたはその前駆体を被覆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、アルミナゾルを塗布し、所定温度に加熱、焼き付けることで被覆する方法が好ましい。ヒ−トシンクは半導体素子を搭載したセラミックス基板と半田接合されたのち、冷却装置にネジ止めされるが、この際、ヒ−トシンク表面が荒れたり、歪んでいると冷却装置とヒ−トシンク間の熱伝達が悪化し、本来の特性が出ないが、上記方法でアルミナ或いはその前駆体を被覆した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】
被覆形成にアルミナゾルを使用した場合、アルミナゾルは３００℃以上に加熱すると薄膜状のアルミナまたはアルミナ前駆体が得られる。前記薄膜の厚みについては、本発明では０．１〜２．５μｍが好ましく、０．５〜２．０μｍがより好ましい範囲である。０．１μｍ未満では、金型内部にセットしたプリフォ−ムと金型との摩擦により薄膜が剥離したりして、本来の目的を達成できなくなることがあるし、また２．５μｍを越えるときには、加熱し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。
【００１７】
前記加熱温度は、３００℃以上である。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るが、通常、１０００℃以下である。加熱温度の好ましい温度としては、３５０℃〜８００℃である。
【００１８】
本発明の金型を用いる場合、複合体を得る方法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珪素を初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、圧力容器内に納め、更に約８００℃の溶融アルミニウムまたはその合金を注入し、圧力容器を密閉して、７００Ｋｇｆ／ｃｍ2程度に加圧保持した後、冷却して、金型から複合体を取り出すことが行われる。
【００１９】
以下、実施例及び比較例に基づき、本発明を更に詳細に説明する。
【００２０】
【実施例】
〔実施例〕アルミナゾル（日産化学工業（株）社製「アルミナゾル−２００」；アルミナ成分１０％）２Ｋｇに蒸留水２００ｇを加え攪拌し、アルミナゾル液を調整した。
【００２１】
次に、図１に示すステンレス鋼（ＳＵＳ−４３０）製の金型を脱脂処理したのち、前記アルミナゾル液に浸し、引き上げた後１００℃の温度にて乾燥し、更に３００℃、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。尚、図１中、ａ，ｂ，ｃ、ｄの寸法は各々、１２０ｍｍ、７０ｍｍ、４ｍｍ及び２．６ｍｍである。
【００２２】
前記金型内に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、速やかに加圧容器内にセットした。前記加圧容器内に８５０℃の溶融状態の１２ｗｔ％のけい素（Ｓｉ）を含有するアルミニウム合金を注入後、圧力容器を密閉した後、７００Ｋｇｆ／ｃｍ2の圧力をかけ、１０分間保持したのち冷却した。
【００２３】
前記加圧容器ごと冷却し、アルミニウム合金のインゴットを取り出し、更にインゴット内から金型を切り出し、金型を解体することによりアルミニウム−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。
【００２４】
〔比較例〕付着防止剤として、コロイダル黒鉛液（ヒタゾル；日立化成（株）社製）と水との混合液（重量比１：１）を使用したこと、引き上げ後の乾燥を２００℃、３０分としたこと、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。尚、黒鉛の膜厚は４〜５μmであった。複合体を得る操作に於いて、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。
【００２５】
【発明の効果】
本発明の金型は、少なくともアルミニウム或いはアルミニウム合金の溶融金属と接する面に、アルミナ或いはその前駆体を被覆しているので、金型と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−セラミックス質複合体が得られるという効果を有する。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例、比較例に用いた金型とプリフォームとの組立状況を示す図。
【符号の説明】
１    金型（割型の一方）
２    プリフォーム
３    金型（割型）同士を締め付けるためのネジ止め用穴
【図１】
0004493128.tif 000002