(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
炭化珪素粒子又は立方晶窒化ほう素粒子からなる層と炭素粒子又は炭素繊維からなる層の２層から構成される無機物層に溶融金属を含浸させることによって得られるヒートシンク板。
【請求項２】
炭化珪素粒子又は立方晶窒化ほう素粒子からなる層が、炭化珪素粒子又は立方晶窒化ほう素粒子の粉体からなる層、炭化珪素粒子又は立方晶窒化ほう素粒子の粉体の焼結体からなる層又は炭化珪素粒子又は立方晶窒化ほう素粒子の粉体のアルミナゾル若しくはシリカゾルをバインダーとした仮焼結体からなる層である請求項１記載のヒートシンク板。
【請求項３】
炭素粒子又は炭素繊維からなる層が、炭素繊維をフェノール樹脂にて一方向に揃うように成形し、これを焼成した１方向のグラファイト質の炭素繊維成形体である請求項１記載のヒートシンク板。
【請求項４】
溶融金属の金属が、アルミニウム、銅、銀又はそれらの合金である請求項１記載のヒートシンク板。
【請求項５】
溶融金属を、高圧にて圧入凝固させることにより含浸させて得られる請求項１記載のヒートシンク板。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、半導体や集積回路などの放熱性を要求される基板として、強度、熱伝導度に優れ、かつ適当な熱膨張率を有する部材に摘要される。
【０００２】
【従来の技術】
半導体の基板として従来、アルミナセラミックスやエポキシ樹脂が使用されていた頃は、半導体自体からの発熱は問題にならなかった。しかし最近では，演算速度のスピードアップや、高速通信いわゆる光通信の光熱による発熱量の増大に伴って、半導体の冷却が必要不可欠になって来た。それに対応するように、基板も熱伝導度の良好なもの、及び適当な熱膨張率を具備する材料によって選定されるようになった。
【０００３】
すなわち、高熱伝導で適当な熱膨張率を有するものとして、銅タングステン、銅モリブデンや炭化珪素とアルミニウムの複合材料が発明されて利用されている。これらはおよそ、１５０〜２００Ｗ／ｍＫの熱伝導度と、８〜１２ｐｐｍ／Ｋの熱膨張率を有している。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところが最近では、半導体からの発熱量が大きくなり、熱伝導度がより大きなものが必要となって来た。又、光通信に供される化合物半導体では、熱膨張率が４〜５ｐｐｍ／Ｋが要求される。銅タングステン、銅モリブデンや炭化珪素とアルミニウムの複合材料では、新しい基板で必要とされている熱伝導度、熱膨張の両特性ともに満足させることは不可能である。
【０００５】
他方では、近年自動車にも電気化に伴い集積回路の基板として、熱膨張率８〜１２ｐｐｍ／Ｋ、熱伝導度３００Ｗ／ｍＫ以上のヒートシンク材料としての要求特性の他に、機械的強度として２５０ＭＰa以上のものが必要とされている。
【０００６】
このため、本開発の課題として、熱膨張率を４〜５ｐｐｍ／Kと８〜１２ｐｐｍ／Kの２水準とし、熱伝導度が３００〜４００W／ｍKのヒートシンク板を完成させることとした。
【０００７】
本課題に先行して、予め強化材となる各種無機物にマトリックスの溶融金属を含浸させた金属基複合材の機械的強度と熱伝導度および熱膨張率の特性を調査した所、表―１に示す特性値が得られた。
【０００８】
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【０００９】
本課題を達成する為、表―１に示す複合材料をさらに組合わせて使用することを考えた。熱伝導度について、例えば２種の複合材料を組合わせた場合、総括熱伝導度U（W／ｍK）は１種の熱伝導度A（W／ｍK）、その厚さX（ｍｍ）とし、他種の熱伝導度B（W／ｍK）、その厚さY（ｍｍ）とする時、
Ｕ＝（Ｘ+Ｙ）／（Ｘ／Ａ+Ｙ／Ｂ）という式が成り立つ。
【００１０】
上式のＵが４００Ｗ／ｍＫ以上になるためには少なくとも一種は10、11を採用し、他種との兼合いからその厚さを調整すれば良い訳である。例えば他種に４を選択し、その厚さを１ｍｍ、11の厚さを３ｍｍとする時、Ｕは４０８Ｗ／ｍＫとなる。別の例としては、1の厚さを１ｍｍ、10の厚さを２ｍｍとする時、Ｕは４０７Ｗ／ｍＫとなり、それぞれ熱伝導度の目標を満足する。
【００１１】
次に熱膨張率であるが、10あるいは11を使用する場合、直角方向での熱膨張率を採用せねばならない。この理由はヒートシンク板としては、熱伝導度が板の厚さ方向に良好なことが必要であるのに対して、熱膨張率は板の平面方向に関係してくるからである。
【００１２】
9、10および11は、繊維方向をヒートシンク板の厚み方向とする時、板の平面方向は、繊維の直角方向となるがその直角方向の引張強度はいずれも小さいので、例えば1と10の組合わせの場合、熱膨張は1が支配的となり熱膨張率として、１２ｐｐｍ／Ｋとなる。又、4と11の組合わせの場合は、８ｐｐｍ／Ｋとなり例えば、電気自動車などのパワーモジュール系のヒートシンク板として満足されるものとなる。
【００１３】
一方で、10と12、11と13の組合わせでは、板の平面方向の熱膨張率はそれぞれ、4.５〜4.１となり光通信用などの放熱基板として最適なものとなる。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明は、炭化珪素粒子又は立方晶窒化ほう素粒子からなる層と炭素粒子又は炭素繊維からなる層の２層から構成される無機物層に溶融金属を含浸させることによって得られるヒートシンク板を提供するものである。
【実施例】
以下、実施例によって本発明を更に具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
【００１５】
【実施例１】
ピッチ系の炭素繊維をフェノール樹脂にて一方向に揃うように成形し、これを真空中で３０００℃に焼成し、１方向のグラファイト質の炭素繊維成形体を得た。このものの繊維体積率は５５％フェノール樹脂から炭化したものは１８％であった。
【００１６】
他方、炭化珪素粒子を２０００℃にて焼結した炭化珪素焼結体を体積率７２％で得た。黒鉛化炭素繊維成形体（1）と炭化珪素焼結体（4）とを繊維方向が炭化珪素板面に直角になるよに配置して図―１に示すようにそれぞれ８００℃に予熱した後、所定の金型に入れ（3、4）、その上に８００℃のJIS  Ａ1050溶湯を注ぎプランジャーで圧力９８ＭＰaにて加圧し凝固完了後、黒鉛化炭素繊維と炭化珪素を強化材とするアルミニウム基複合材を得た。
【００１７】
このように得られた複合材の物性は、図―２に示すように炭素繊維の複合材層が２ｍｍ炭化珪素の複合材層が１ｍｍの厚さの加工すると、熱膨張率が４.５ｐｐｍ／K、熱伝導度が４０７W／ｍKであった。これと同様のものを図―３―１（断面図）、図―３―２（平面図）のように加工し、ヒートシンクパッケージ（14）を得た。このものは炭素繊維とアルミニウムからなる複合材層が機械加工性に優れているので、容易に加工でき、かつ、サブマウント（13）が一体成形できるので、サブマウント頂上からパッケージの最下面までの熱伝導度も極めて良好であり、かつサブマウントを基板にロー付けする必要のないものであった。
【００１８】
【実施例２】
実施例１と同様の黒鉛化炭素繊維成形体を用いて他方は炭化珪素焼結体の替わりに炭化珪素粒子を用いて、JIS  A1050の替わりにJIS  C1020を、予熱温度１２００℃、溶湯温度１２５０℃にした以外は同様にして行った。
その結果、熱膨張率は８ｐｐｍ／K、熱伝導度は４０８W／ｍKであった。
【００１９】
【実施例３】
予め６５０℃に加熱した炭化珪素焼結体の上に、これも予め６００℃加熱した黒鉛粒子を金型内に配置して、７５０℃のJIS  ＡＤＣ14溶湯を流し図―４のようにプランジャーで圧力７０ＭPaにて加圧し、凝固後、炭化珪素と黒鉛粒子の２層からなる金属基複合材料を得た。
【００２０】
このものを、幅７０ｍｍ長さ１５０mmで炭化珪素の複合材層の厚みが１ｍｍ、黒鉛粒子との複合材層の厚みが２ｍｍになるように作成した。このものの引張強度は、板の平面方向で３１０MPaであり、熱伝導度は３１０W／ｍK、熱膨張率は４.３ｐｐｍ／Kであった。
これを図―５のように黒鉛粒子の複合材層の部分を切削加工して６ヶのセクションに分かれたパワーモジュール用の基板が得られた。このものは黒鉛粒子との複合材層の部分だけの切削なので容易に加工でき、しかも一体成形物であるので６ヶ所の凸部分をロー付けの必要もなく、より熱伝導度の良好なものが得られた。
【００２１】
【発明の効果】
本発明により充分に高い熱伝導度を有し、かつ適正な熱膨張率を有する、易加工の一体型ヒートシンクが得られた。
【図面の簡単な説明】
【図１】４００W／ｍK以上の熱伝導度を有し、熱膨張率が４〜５ｐｐｍのヒ
ートシンクパッケージを製造する概念図
【図２】図―１から取り出された複合材料
【図−３―１】一体型のサブマウントを有するヒートシンクパッケージの断面図
【図−３−２】同上の平面図
【図―４】    ３００W／ｍK以上の熱伝導度を有するパワーモジュール用のヒートシンク板を製造する概念図
【図―５】    パワーモジュール
【符号の説明】
１                  黒鉛化炭素繊維成形体
２、２２            炭化珪素焼結体
３、４、２３、２４  金型
５、２５            加圧プランジャ
６、２６            アルミニウム又はアルミニウム合金溶湯
１１                炭素繊維複合材層
１２、３２          焼結炭化珪素複合材層
１３                サブマウント
２１                黒鉛粒子層
３１                黒鉛粒子複合材層
【図１】
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【図２】
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【図−３−１】
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【図−３−２】
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【図−４】
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【図−５】
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