(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ユニット（３）の複数個がスペーサー（４）を介して配列又は段積みされたブロックからなるものであり、上記ユニットは複数個の炭化珪素質多孔体（２）が、枠（１）内に仕切（６）で区画されて収納されてなり、且つ、上記炭化珪素質多孔体表面積の１／２をスペーサー（４）で密着し、残る１／２を開放することによって溶融アルミニウム合金の浸入口を形成させてなる構造体を加圧容器内に配置してから、溶融アルミニウム合金を充填し、加圧して炭化珪素質多孔体に含浸・冷却させた後、アルミニウム合金−炭化珪素質複合体を分離することを特徴とするアルミニウム合金−炭化珪素質複合体の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、混成集積回路基板のヒートシンクとして好適なアルミニウム合金−セラミックス複合体の製造方法及びそれに用いる構造体に関する。
【従来の技術】
【０００２】
高絶縁性・高熱伝導性を有する例えば窒化アルミニウム基板、窒化珪素基板等のセラミックス基板の表面に、銅製又はアルミニウム製の金属回路を、また裏面には銅製又はアルミニウム製の金属放熱板が形成されてなる回路基板は、パワーモジュール用基板として使用されている。今日、半導体素子の高集積化、大型化に伴い、発熱量は増加の一途をたどっており、いかに効率よく放熱するかが課題となっている。
【０００３】
従来の回路基板の放熱構造の典型は、回路基板の裏面（金属放熱板）にベース金属板（例えば銅板）を介してヒートシンクが半田付けされてなるものであり、ヒートシンク材としては銅、アルミニウムが一般的であった。しかしながら、この構造においては、半導体装置に熱負荷がかかったときに、ヒートシンクと回路基板の熱膨張係数差に起因するクラックが上記半田に発生し、放熱が不十分となって半導体を誤作動させたり、破損させたりする問題が起こることがあった。
【０００４】
そこで、熱膨張係数を回路基板のそれに近づけたヒートシンクとして、アルミニウム合金−炭化珪素質複合体が提案され注目されている。
【０００５】
アルミニウム合金−炭化珪素質複合体を製造する際に重要なことは、炭化珪素とアルミニウム合金の濡れ性を良くして緻密化させることであり、従来より、炭化珪素質粒子又は繊維とアルミニウム金属粉末を混合後、高温高圧下で複合化させる粉末冶金法や、炭化珪素質粒子又は繊維による多孔体（プリフォーム）を作製し、溶融アルミニウム合金を高温高圧下で複合化させるダイキャスト法、高圧鍛造法が採用されている。
【０００６】
粉末冶金法では、緻密化が不十分となって熱特性があまり良くなく、またダイヤモンド等の高価な加工が必要となるので、多くはダイキャスト法、高圧鍛造法で行われている。ダイキャスト法では、形状別に型を揃え、またそれに適した装置が必要となることから設備費が嵩む問題がある。高圧鍛造法には、この問題はないが、大型の加圧容器を用いて溶融アルミニウム合金をプリフォームに含浸させる必要があるため、最終的に除去されることになるアルミニウム合金塊がプリフォーム周囲に多く固着し、それを除去するには多くの機械加工が必要となると共に、加工屑の発生量も多くなる問題がある。
【０００７】
そこで、高圧鍛造法では、少なくとも一面が開放された鉄製枠体に一個のプリフォームを収納し、必要最小限の溶融アルミニウム合金とプリフォームとが接触するようにして行われている。しかし、この方法では、一個のプリフォームに一個の鉄製枠体が必要となるので、はなはだ生産性の悪いものであった。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、上記に鑑み、アルミニウム合金−炭化珪素質複合体の生産性向上法とそれに用いる構造体を提供することである。本発明の目的は、複数個の炭化珪素質多孔体を仕切を有する枠に区画して収納させたものを用いることによって達成することができる。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
すなわち、本発明は、ユニット３の複数個がスペーサー４を介して配列又は段積みされたブロックからなるものであり、上記ユニットは、複数個の炭化珪素質多孔体２が、枠１内に仕切６で区画されて収納されてなるものであることを特徴とするアルミニウム合金−炭化珪素質複合体を製造するための構造体である。また、本発明は、この構造体を加圧容器内に配置してから、溶融アルミニウム合金を充填し、加圧して炭化珪素質多孔体にそれ含浸・冷却させた後、アルミニウム合金−炭化珪素質複合体を分離することを特徴とするアルミニウム合金−炭化珪素質複合体の製造方法である。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しながら、更に詳しく本発明を説明する。
【００１１】
図１は、本発明のアルミニウム合金−炭化珪素質複合体を製造するための構造体（以下、単に「構造体」ともいう。）の一例を示す概略正面図である。図２、図３は、ユニットの実施態様例を示す概略横断面図である。符号１は枠、２は炭化珪素質多孔体、３はユニット、４はスペーサー、５ａは左端板、５ｂは右端板、６は枠１に設けられた仕切である。
【００１２】
本発明で使用される枠１は仕切６を有する。仕切の形状と個数には特に限定がなく、炭化珪素質多孔体の複数個が容易に離脱せずに係留できれる構造であればよい。図２、図３には、突起リブによって二個又は四個の炭化珪素質多孔体を収納した例を示したが、突起リブに限ることなく凸条（隔壁構造）であってもよい。また、その数も収納する炭化珪素質多孔体の個数によって適宜変更することができる。加工屑の再生処理を行うには、加工屑にはできるだけ不純物量が少ない方がよいので、仕切もできるだけ小さくしておくことが望ましく、突起リブによることが好ましい。
【００１３】
本発明においてこの枠１は、ユニット３を経て本発明の構造体（例えば図１）となり、これが加圧容器内の溶融アルミニウム合金浴に浸漬した加圧されたときに、溶融アルミニウム合金が炭化珪素質多孔体に含浸しなければならないので、枠内に溶融アルミニウム合金が侵入するよう、枠１にはその上下面を開放しておく、溶融アルミニウム合金の侵入口を別に設けておく、などの措置が施されていなければならない。
【００１４】
枠の材質としては、鉄、アルミニウム合金、セラミックス等が用いられるが、加工屑には不純物をできるだけ含有させない配慮から、アルミニウム合金が好ましい。
【００１５】
また、炭化珪素質多孔体と接触する枠の部分には、離型剤が塗布されていることが好ましい。これによって、アルミニウム合金−炭化珪素複合体を容易に分離することができる。離型剤としては、カーボン系、アルミナ系のものが使用される。具体的には、ヒタゾルＧＡ−２４２Ｂ（日立粉末冶金社製）である。
【００１６】
本発明で使用される炭化珪素質多孔体２は、均一な気孔を有し、相対密度が６０〜７０体積％であることが好ましい。炭化珪素質多孔体の形状には制約はない。アルミニウム合金−炭化珪素質複合体に穴、溝等を設けたいときには、炭化珪素質多孔体にそれらに相当する穴、溝等を形成しておくと、最終製品の加工はそれらを埋めたアルミニウム合金の除去だけとなるので、穴、溝等の形成が容易となる。
【００１７】
炭化珪素質多孔体は、炭化珪素粉末とシリカゾルなどの無機バインダーを含む混合原料粉末を成形後、空気中又は窒素などの不活性雰囲気中で焼成する方法、上記混合原料粉末に更に水やキシレンなどの溶剤を配合し、混練・成形・乾燥・焼成する方法、炭化珪素粉末にバインダーを加え注型した後焼成するインジエクション法等によって製造することができる。気孔率の調整は、炭化珪素粉末の粒度と成形時の圧力などよって行うことができる。
【００１８】
混合原料粉末の配合の一例を示せば、炭化珪素粉末１００部（質量部、以下同じ）に対し、無機バインダー１１〜１３部である。焼成は、大気中、温度８００〜９００℃で０．５〜２時間保持して行われる。相対密度６０〜７０体積％の炭化珪素質多孔体の製造は、平均粒径７０〜１１０μｍと、平均粒径７〜１２μｍの異なる二種の炭化珪素粉末を用いることによって容易となる。
【００１９】
本発明の構造体は、ユニット３の複数個をスペーサー４を介して配列又は段積みし、ブロック化したもである。ユニット個数は、多いほど好ましく、その寸法が縦１００〜３００ｍｍ×横１００〜３００ｍｍ×厚み３〜１０ｍｍであれば、加圧容器の幅方向の寸法に応じて５０個程度まで可能である。ブロック化には、端板を用い全体をネジで締め付ける、ワイヤーで束ねるなどの手段によって行うことが好ましい。端板を用いることによって、溶融アルミニウム合金との接触を避けることができるので、最終形状の加工が容易となる。図１には、左端板５ａ、右端板５ｂを用い、ネジ止めした例が示されている。
【００２０】
ユニットの配列又は段積みに際しては、本発明の構造体が溶融アルミニウム合金浴に浸漬され圧力を加えられたときに、ユニット内にある全ての炭化珪素質多孔体に溶融アルミニウム合金が行き渡るように配慮して行われる。この観点から、スペーサーは炭化珪素質多孔体の全ての表面に密着させて配置させることはあまり推奨できず、適度な開放面を設け、そこを溶融アルミニウム合金の侵入口としておくことが望ましい。なお、スペーサーと炭化珪素質多孔体とが接する面には、上記と同様な理由により離型剤が塗布されていることが好ましい。
【００２１】
端板、スペーサーの材質としては、鉄、アルミニウム合金、セラミックス等が用いられるが、加工屑には不純物をできるだけ含有させない配慮から、アルミニウム合金が好ましい。
【００２２】
つぎに、本発明のアルミニウム合金−炭化珪素質複合体の製造方法について説明する。
【００２３】
まず、本発明の構造体を製等の加圧容器内に配置する。配置個数は単数でも複数でもよい。配置は、構造体の端板表面が、加圧容器底面に対して平行又は垂直に置かれることが好ましいが、これに限られることはない。図１には垂直に配置する例が示されている。その後、溶融アルミニウム合金を充填し、加圧して炭化珪素質多孔体にそれを含浸させる。加圧は、３０〜４５ＧＰａの圧力を１０〜３０分間付与によることが好ましい。圧力が高いほど含浸が容易となるが、４５ＧＰａ超となると、使用設備の耐圧を高める必要があり設備費が嵩む。
【００２４】
溶融アルミニウム合金としては、最終製品の熱膨張性の観点から、珪素５〜１８質量％含有するアルミニウム−珪素合金が好ましい。また、炭化珪素質多孔体との濡れ性を更に向上させる観点から、マグネシウムを０．１〜２．０質量％添加したアルミニウム−珪素−マグネシウム系合金が好ましい。溶融温度は７００〜９００℃が好ましい。
【００２５】
含浸後、アルミニウム合金−炭化珪素質複合体を包んでいるアルミニウム合金塊を機械加工できる状態になるまで冷却する。冷却は自然冷却で十分であるが、強制冷却を行ってもよい。
【００２６】
ついで、市販の切断機（例えば、大東精機社製商品名「バンドソー」）等を用い、概略ユニット単位にまで切断した後、枠を打ち抜きによて除去する。この段階では、アルミニウム合金−炭化珪素質複合体の複数個がアルミニウム合金によって繋がっているので、レーザー加工、エンドミル加工等によって、アルミニウム合金−炭化珪素質複合体の単位体に切断すると、最終製品のアルミニウム合金−炭化珪素質複合体となる。
【００２７】
レーザー加工の場合には、分割溝（例えば５ｍｍ間隔毎に１０ｍｍの切れ目）をレーザーによって施した後、衝撃等を与えてアルミニウム合金−炭化珪素質複合体の単位体に分割し、その分割面を必要に応じてグラインダー等で研削加工される。エンドミル加工の場合には、この加工を終えた時点で最終製品のアルミニウム合金−炭化珪素質複合体となる。
【００２８】
【実施例】
以下、実施例をあげて更に具体的に本発明を説明する。
【００２９】
実施例１
市販の炭化珪素粉末Ａ（平均粒径１００μｍ）と、炭化珪素粉末Ｂ（平均粒径１３μｍ）と、シリカゾル（日産化学社製商品名「スノーテックス」）を質量比５８：３１：１１で配合し、５０分間撹拌混合した後、成形体を６ＭＰａで加圧成形した。これを、大気中、温度８５０℃で１時間加熱して炭化珪素質多孔体２（気孔率３５体積％、曲げ強度５ＭＰａ）を製造した。
【００３０】
図２に示される枠１（内寸縦１４５ｍｍ×横７７ｍｍ×厚み２．９５ｍｍである。横端面から３７ｍｍの位置に、縦１５ｍｍ×横３ｍｍの突起リブの仕切がある。）に、二個の炭化珪素質多孔体２（縦３６．４ｍｍ×横１４４．１ｍｍ×厚み２．９ｍｍ）を収納しユニット３を構成した。これの３０個を、スペーサー４（縦１６９ｍｍ×横１００ｍｍ×厚み０．８ｍｍの鉄板）、左端板５ａ（縦１９８ｍｍ×横１２６ｍｍ×厚み１２ｍｍの鉄板）、右端板５ｂ（縦１９８ｍｍ×横１２６ｍｍ×厚み１２ｍｍの鉄板）を用いて配列し、全体をボルトナットでブロック化し、構造体とした（図１、２参照）。ユニットの配列の際には、溶融アルミニウム合金の侵入口を設けそれらを連通させた。この侵入口は、炭化珪素質多孔体表面積の１／２をスペーサーで密着し、残る１／２を開放することによって形成させた。
【００３１】
実施例２
図３に示される枠１（内寸縦１４５ｍｍ×横７７ｍｍ×厚み２．９５ｍｍである。横端面から３３．５ｍｍの位置に縦１５ｍｍ×横３ｍｍの突起リブの仕切、縦端面から６７．５ｍｍの位置に縦１０ｍｍ×横１５ｍｍの突起リブの仕切がある。）を用い、四個の炭化珪素質多孔体２（縦３２．９ｍｍ×横６６．８ｍｍ×厚み２．９ｍｍ）を収納したこと以外は、実施例１に準じて構造体を製造した（図１、３参照）。
【００３２】
比較例１
仕切のない枠（内寸縦１４５ｍｍ×横３７ｍｍ×厚み２．９５ｍｍ）に、一個の炭化珪素質多孔体を収納したこと以外は、実施例１に準じて構造体を製造した。
【００３３】
上記各構造体の二個を、電気炉で温度６００℃に加熱してから、２００℃に加熱された鉄製加圧容器（３００ｍｍ×２４０ｍｍ×３９０ｍｍ）にほぼ均等に配置した。配置は、構造体の端板表面が加圧容器底面に対して垂直（図１の状態）にして行った。その後、珪素１２質量％−マグネシウム０．５質量％−アルミニウム合金の溶融アルミニウム合金（温度８２０℃）を流し込み、６０ＭＰａの圧力を１５分間プレス付与した後、加圧容器から取り出し、室温まで自然冷却した。
【００３４】
ついで、切断機（大東精機社製商品名「バンドソー」）で、ほぼユニット単位にまで切断した後、打ち抜きによって枠を除去した。この段階では、アルミニウム合金−炭化珪素質多孔体の複数個がアルミニウム合金によって繋がっているので、それをレーザー加工で分割溝を施してから手で分割した。得られたアルミニウム合金−炭化珪素質複合体の外形寸法をノギスで測定した。また、ダイヤモンド加工治具を用いて、試験体（３ｍｍ×３ｍｍ×４０ｍｍ）を加工し、室温３点曲げ硬度を測定した。それらの結果を表１に示す。
【００３５】
【表１】
0004014433.tif 000002
【００３６】
表１の実施例１と比較例１との対比から、本発明によれば、従来の一個取り法と同等寸法かつ同等曲げ強度を有するアルミニウム合金−炭化珪素質複合体の二個を製造できたことがわかる。また、四個取りを行っても、設計寸法かつ高曲げ強度を有するアルミニウム合金−炭化珪素質複合体を製造することができた（実施例２）。
【００３７】
【発明の効果】
本発明の構造体によれば、アルミニウム合金−炭化珪素質多孔体を１個の枠を用いて多数個のアルミニウム合金−炭化珪素質多孔体を製造することができる。また、本発明のアルミニウム合金−炭化珪素質多孔体の製造方法によれば、アルミニウム合金−炭化珪素質多孔体を容易に製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】アルミニウム合金−炭化珪素質複合体を製造するための構造体の概略正面図
【図２】ユニットの概略横断面図
【図３】別のユニットの概略横断面図
【符号の説明】
１    枠
２    炭化珪素質多孔体
３    ユニット
４    スペーサー
５ａ  左端板
５ｂ  右端板
６    仕切
【図１】
0004014433.tif 000003
【図２】
0004014433.tif 000004
【図３】
0004014433.tif 000005