(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
溶湯鍛造法で炭化珪素多孔体にアルミニウムを主とする金属を含浸させてなる複合体の製造において、炭化珪素質多孔体を構成する炭化珪素粒子の平均粒径を１０〜２００μｍ、且つ、炭化珪素質多孔体にアルミニウムを主成分とする金属を含浸させて複合体を得た後の冷却速度を１００〜１３０℃／分として、炭化珪素粒子表面に沿って前記金属に長さが１〜１０μｍのクラックを発生させることを特徴とする複合体の製造方法。
【請求項２】
炭化珪素質多孔体にアルミニウムを主成分とする金属を含浸させた複合体であって、炭化珪素質多孔体を構成する炭化珪素粒子の平均粒径を１０〜２００μｍ、且つ、炭化珪素粒子表面に沿って前記金属に長さが１〜１０μｍのクラックを有する２５℃における熱伝導率が１６０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上であり、しかも２５〜２５０℃の熱膨張率が７．５×１０-6／Ｋ以下であることを特徴とする複合体。
【請求項３】
請求項２記載の複合体を用いてなるセラミックス回路基板用のヒートシンク。
【請求項４】
セラミックス基板がアルミナ、窒化アルミニウムまたは窒化珪素のいずれかであることを特徴とする請求項３記載のヒ−トシンク。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体部品を搭載するセラミックス回路基板の裏面に設けられ、半導体部品から発生する熱を効率的に、しかも速やかに逃がすために使用されるヒ−トシンクに関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、パワ−分野における半導体素子の大面積化、高集積化に伴い、発生する熱をいかに速やかに逃がすかが問題となっている。この問題を解決するため、半導体素子を搭載する基板においては、従来使用されてきたアルミナ基板に代わって、熱伝導率が高く、電気絶縁性にも優れ、熱膨張係数もシリコンに近く、さらには機械的特性もアルミナ基板以上であることから、窒化アルミニウム基板や窒化珪素基板が使用されてきている。
【０００３】
前記のセラミックス基板を用いたモジュ−ルは、通常、銅或いはアルミニウム等の導電性に優れる金属で形成されている回路、セラミックス基板、該セラミックス基板とヒ−トシンクとを接合し放熱特性を確保するための金属からなるパタ−ン、前記金属をヒートシンクと接合するための半田層、そしてヒ−トシンクから構成されている。尚、ヒ−トシンク材料として、熱伝導性及びコスト等の点から、銅板が多用されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、ヒ−トシンクに使用される銅板の熱膨張率が１７×１０-6／Ｋであるのに対し、上記セラミックス基板の熱膨張率は４〜５×１０-6／Ｋであり、両者の熱膨張率に大きな差があるため、回路を形成したセラミックス基板をヒ−トシンクに半田付けするに際し、大きな熱応力が発生し、その結果、セラミックス基板が割れたり、或いはクラックが発生するという問題点があった。
【０００５】
この問題を解決するために、最近、炭化珪素の骨格組織を有する多孔体にアルミニウム合金等を含浸して作られる、炭化珪素とアルミニウムとを主成分とした複合体からなるヒ−トシンクが使われつつある。このヒ−トシンクは、熱膨張率が７．５×１０-6／Ｋ程度と、従来使用されてきた銅製ヒ−トシンクに比べ熱膨張率を大幅に低減することに成功している。しかしながら、その熱伝導率は１６０Ｗ／（ｍ・Ｋ）程度であり、銅板の熱伝導率と比較すると小さく、さらなる低熱膨張率化と高熱伝導化の両立が要望されている。
【０００６】
アルミニウム合金−炭化珪素複合体において、熱膨張率を下げるためには、炭化珪素含有率を上げる方法が一般的に採られるが、炭化珪素の含有率を７０体積％以上にすることは容易ではない。
【０００７】
さらに、ヒートシンクはその実使用において約１００℃の温度条件下で使用されるが、炭化珪素は温度が高くなると熱伝導率が低下する性質を有するので、炭化珪素−アルミニウム複合体において、炭化珪素含有率を高くすると実際の使用条件下で熱伝導率が低くなってしまうという問題も有る。このために、低熱膨張率化と高熱伝導率化の両立は一層困難なものとなっている。
【０００８】
【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、炭化珪素−アルミニウム複合体に関していろいろの実験的検討を加え、特定の条件下で作製した複合体においてアルミニウム中に炭化珪素粒子の表面に沿ってクラックが発生し、このような炭化珪素−アルミニウム複合体（以下、複合体という）は、熱伝導率が高く、しかも熱膨張率が小さいという知見を得て、本発明に至ったものである。
【０００９】
即ち、本発明は、炭化珪素多孔体にアルミニウムを主とする金属を含浸させてなる複合体において、炭化珪素粒子表面に沿って前記金属にクラックが存在することを特徴とする複合体であり、好ましくは、クラックの長さが１〜１０μｍであることを特徴とする前記の複合体である。
【００１０】
本発明は、２５℃における熱伝導率が１６０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上であり、しかも２５〜２５０℃の熱膨張率が７．５×１０-6／Ｋ以下であることを特徴とする前記の複合体である。
【００１１】
また、本発明は、前記の複合体を用いてなるセラミックス回路基板用のヒートシンクであり、好ましくは、セラミックス基板がアルミナ、窒化アルミニウムまたは窒化珪素のいずれかである前記のヒ−トシンクである。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を詳細に説明する。
【００１３】
本発明の特徴は、炭化珪素−アルミニウム複合体において骨格構造を形成する炭化珪素粒子の表面に沿ってアルミニウム中にクラックが存在させるとき、得られる複合体の熱伝導率を低下させることなく熱膨張率を低減できることを見出した点にある。この理由については未だ明らかではないが、発明者らは、室温からの熱膨張初期では、膨張がこのクラックを埋めるように働き、実質的な膨張が抑えられるためと考えている。
【００１４】
本発明におけるクラックとは、アルミニウムを主成分とする金属内に炭化珪素粒子の表面に沿って発生しているもので、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）を用い１０００倍程度の拡大率にて容易に観察することができる。図１は、本発明で得られる複合体の組識をＳＥＭで撮影したときに得られる写真像の模式図で、炭化珪素粒子の表面に沿ってアルミニウムを主成分とする金属内にクラックが存在していることを示している。また、本発明にいうクラック長さとは、クラックの先端部の最も長い距離をいい、図２に例示したクラックでは、クラック先端ａとクラック先端ｃを結ぶ距離で表されるものとする。
【００１５】
本発明の複合体は、上述のとおりに、炭化珪素粒子の表面に沿ったアルミニウムを主成分とする金属内にクラックを有することを特徴とするが、このような複合体を得るためには、ダイキャスト法（特公表平５−５０８３５０号公報参照）や溶湯鍛造法（まてりあ、第３６巻、第１号、１９９７、４０−４６ページ参照）等の圧力鋳造法、自発浸透法（特開平２−１９７３６８号公報参照）等の方法において、アルミニウムを主成分とする金属の含浸時の冷却速度を早くすることで得ることができる。
【００１６】
クラックの発生機構は明らかではないが、本発明者らは、炭化珪素粒子が大きくなると、複合体作製時、冷却過程において炭化珪素粒子とアルミニウムを主成分とする金属との境界部に発生する熱応力の緩和が進まず、境界部にクラックが発生すると考えている。
【００１７】
以下、本発明の複合体を得る方法を例示しつつ、本発明の複合体を更に詳細に説明する。
【００１８】
まず、本発明に用いる炭化珪素質多孔体については、従来公知の方法で得ることができ、例えば、１種又は２種以上の炭化珪素粉末を原料に用い、これにシリカ或いはアルミナ等を結合材として添加し、成形し、強度を発現させるために８００℃程度の温度で焼成することで得ることができる。
【００１９】
本発明において、炭化珪素質多孔体を構成する炭化珪素粒子の平均粒径は、１０〜２００μｍであることが好ましい。平均粒径は、炭化珪素質多孔体の任意の断面を研磨し、ＳＥＭにて観察し、インタ−セプト法により求める。すなわち、ＳＥＭ写真上に任意の直線を引き、その直線が横切る約１００個以上の炭化珪素粒子の長さを測定し、それを３／２倍して平均値を求める方法による。
【００２０】
炭化珪素粒子の平均粒径が１０μｍ未満の場合、得られる複合体について炭化珪素粒子の表面に沿ったクラックが発生しにくい傾向を示すこと、また、炭化珪素充填率の高い炭化珪素質多孔体が得にくいし、得られる複合体の熱伝導率が大きくなり難いためである。また、２００μｍを越える場合には、やはり炭化珪素充填率の高い炭化珪素質多孔体が得にくいし、得られる炭化珪素質多孔体の強度が低く金属の含浸時に崩れる等の問題を生じ易くなるためである。上記の理由から、２０〜１００μｍの範囲が、より好ましく選択される。
【００２１】
尚、炭化珪素質多孔体（プリフォ−ムともいう）の作製において、結合剤となるシリカゾル等との混合時に、炭化珪素の粒径が変化することがあるが、いずれにしても作製したプリフォ−ム上で上記範囲の平均粒子径になるように、炭化珪素原料粉末を選択すればよく、一般的には、その測定方法により原料炭化珪素粉末の粒径は若干異なってくるものの、ほぼ上記範囲と同等の粒径を有する原料炭化珪素粉末を使用すればよい。また、複合体の熱伝導率向上の面から、炭化珪素質多孔体の炭化珪素充填率は５０％以上となるようにすることが好ましい。
【００２２】
前記の炭化珪素質多孔体にアルミニウムを主成分とする金属を含浸させて複合体を得るが、本発明において重要なのは、含浸後の冷却速度である。クラックは炭化珪素粒子とアルミニウムとの熱膨張差に起因する熱応力によってもたらされることから、冷却速度は速いことがよく、本発明者らの検討によれば、１００℃／分以上の冷却速度を採用するときに、所望のクラックが発生しやすくなるとともに、その個数も増加させることができるからである。
【００２３】
なお、炭化珪素粒子表面に沿ったアルミニウムを主成分とする金属内のクラックについて、その長さは１〜１０μｍであるとき、更に、前記範囲の長さのクラックの個数が炭化珪素粒子１０個当たり１０〜３０本のときに本発明の効果が著しく、好ましい。クラック長さが１μｍ未満であるときには、複合体の熱膨張率は若干低下できるものの、その効果が小さい。一方、１０μｍを越えると、クラックが熱伝導の大きな妨げとなり、熱伝導率が低下する傾向を示すこと、更に複合体自体の強度が低下し始める。また、前記範囲のクラック長さを有するクラックの個数が炭化珪素粒子１個当たり３本を超えると、複合体の熱伝導率が低下する傾向を示す。
【００２４】
本発明の複合体は、２５℃における熱伝導率が１６０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上で、しかも２５〜２５０℃の熱膨張率が７．５×１０-6／Ｋ以下の特徴を有する。本発明の複合体は、前述のとおりに、低熱膨張率でしかも高熱伝導率を有するので、半導体を搭載する各種回路基板のヒートシンクに用いて好適である。
【００２５】
本発明の複合体を用いたヒートシンクは、熱膨張率が７．５×１０-6／Ｋ以下であり、アルミナ、窒化アルミニウム、窒化珪素等のセラミックス基板と熱膨張率が近いので、従来問題であったセラミックス基板のクラックや割れの発生を防ぐことができるという利点がある。更に、本発明のヒートシンクは、１６０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上の熱伝導率を有するので、熱を速やかに逃がすことができるという利点を有する。
【００２６】
以下、実施例に基づき、本発明を更に詳細に説明する。
【００２７】
【実施例】
〔実施例１〕
平均粒径が３０μｍの炭化珪素粉末１００重量部に固形分濃度２０％のシリカゾルを１０重量部添加し充分に混合した。この混合物を断面が４０ｍｍ×３０ｍｍの金型内に充填し、３００Ｋｇｆ／ｃｍ2で加圧成形し、４０ｍｍ×３０ｍｍ×７ｍｍの成形体を得た。この成形体（プリフォ−ム）の相対密度を測定したところ６２体積％であった。
【００２８】
上記成形体を空気中８００℃で焼成したのち、６５０℃に予め加熱した金型内に納め、珪素を６％含有するアルミニウムの溶湯を注ぎ、１ｔｏｎ／ｃｍ2で加圧含浸を行ない冷却した。このときの冷却は１００℃／分に制御した。得られた成形体の表面を研削し、複合体を得た。
【００２９】
上記複合体より、研削加工により直径３ｍｍ長さ１０ｍｍと直径１１ｍｍ厚さ３ｍｍの試片を得て、それぞれの試片を用いて、２５〜２５０℃の熱膨張率を熱膨張計（セイコー電子工業社製；ＴＭＡ３００）で、２５℃での熱伝導率をレ−ザ−フラッシュ法（理学電機社製；ＬＦ／ＴＣＭ−８５１０Ｂ）で測定した。また、複合体の破断面をＳＥＭ観察し、ＳＥＭ写真によりアルミニウムを主成分とする金属内のクラックの有無を、クラックが存在する場合は、クラック長さ１〜１０μｍのものについてその平均長さを測定した。結果を表１に示す。
【００３０】
【表１】
0003871421.tif 000002
【００３１】
〔実施例２〕
平均粒径が１０μｍの炭化珪素粉末を使用したこと以外は、すべて実施例１と同様な方法で複合体を作製、評価を行なった。結果を表１に示す。
【００３２】
〔実施例３〕
平均粒径が２００μｍの炭化珪素粉末を使用したこと以外は、すべて実施例１と同じ方法で複合体を作製、評価を行なった。結果を表１に示す。
【００３３】
〔実施例４〕
平均粒径が５０μｍの炭化珪素粉末を使用したこと、冷却速度を１３０℃としたこと以外、実施例１と同じ方法にて複合体を作製、評価を行なった。結果を表１に示す。
【００３４】
〔実施例５〕
平均粒径が２０μｍの炭化珪素粉末を使用したこと以外は、実施例４と同じ方法にて複合体を作製、評価を行なった。結果を表１に示す。
【００３５】
〔実施例６〕
平均粒径が１００μｍの炭化珪素粉末を使用したこと以外は、実施例１と同じ方法にて複合体を作製、評価を行なった。結果を表１に示す。
【００３６】
〔比較例１〕
冷却速度を１０℃／分としたこと以外、実施例１と同じ方法にてヒ−トシンクを作製、評価を行なった。結果を表１に示す。
【００３７】
〔実施例７〕
実施例１の複合体を用い、３０ｍｍ×６５ｍｍ×３ｍｍの板を形成し、ヒートシンクとした。次に、表面に所定の回路を形成され、裏面に厚み０．４ｍｍの放熱用銅板を接合されている窒化アルミニウム回路基板（大きさ；２５ｍｍ×６０ｍｍ）の前記放熱用銅板に前記ヒートシンクをハンダを用いて接合することで、ヒートシンクを回路基板に一体化した。つぎに、前記のヒートシンクが一体化された回路基板を、−４０℃から＋１２５℃の間で、温度の上昇、保持、下降の１サイクルが４０分の温度サイクルをかける熱衝撃試験に１０００回曝した後、何らの異常も観察されなかった。
【００３８】
〔比較例２〕
比較例１の複合体を用いて、比較例と同じ操作でヒートシンクの一体化された回路基板を作製し、評価したとこと、窒化アルミニウム基板の回路間にクラックが見いだされた。
【００３９】
【発明の効果】
本発明のヒ−トシンクは熱膨張係数が小さく、しかも高熱伝導率を有することから、半導体部品搭載するセラミックス回路基板用のヒ−トシンクとして好適である。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の複合体の組識を示す模式図。
【図２】  本発明の複合体に存在するクラックの長さの説明図。
【図１】
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【図２】
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