(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
溶融アルミニウム合金の流通孔（３）を有してなり、後述の溶融アルミニウム合金よりも１０℃以上高い融点をもつアルミニウム製又はその合金製の二つ割り密閉型（７）内に、セラミックス多孔体（２）の複数個がスペーサー（５）を介して積層されてなる構造体を、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、加圧してセラミックス多孔体に溶融アルミニウム合金を含浸・冷却させた後、アルミニウム合金−セラミックス複合体を分離することを特徴とする、製造が容易で、かつ廃棄アルミニウム合金塊の再生が容易なアルミニウム合金−セラミックス複合体の製造方法。
【請求項２】
スペーサー又は二つ割り密閉型と、セラミックス多孔体とが接触する部分に離型剤が介在しているものであることを特徴とする請求項１記載のアルミニウム合金−セラミックス複合体の製造方法。
【請求項３】
アルミニウム合金−セラミックス複合体の分離が、打ち抜きで行われることを特徴とする請求項１又は２記載のアルミニウム合金−セラミックス複合体の製造方法。
【請求項４】
セラミックス多孔体が、炭化珪素質多孔体であることを特徴とする請求項１〜３のうちいずれか一項記載のアルミニウム合金−セラミックス複合体の製造方法。
【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、例えば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半田層に発生し、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りやすかった。
【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（特開平３−５０９８６０号公報）。このヒートシンクは、無機質粒子又は繊維によるプリフォームを作製し、アルミニウム合金を複合化させたものであるが、非常に硬いので、最終ヒートシンク形状に加工するには、ダイヤモンド等の工具を用いて多くの研削が必要となるので、製品価格が高くなるという問題がある。
【０００５】
このため、プリフォームの少なくとも一面に、好ましくは側壁の全周囲面に、溶融アルミニウム合金との接触を少なくするための隔壁を設けるなどして画定しておき、それを鉄製等の加圧容器内に配置してから、溶融アルミニウム合金を注湯し、圧力を加えて、プリフォームに溶融アルミニウム合金を含浸させることが提案されている。これによって、得られたアルミニウム合金−炭化珪素質複合体の隔壁面の加工が容易となった。しかし、隔壁材には、溶融アルミニウム合金と反応しない鉄や鉄系合金が使用されているので、その寿命は短いものであった。また、アルミニウム合金−炭化珪素質複合体を内包するアルミニウム合金塊を隔壁から外し、次いでアルミニウム合金−炭化珪素質複合体を取り出し、その後に廃棄アルミニウム合金塊から鉄や鉄系合金成分を分別除去してから再生処理することが行われているが、これでは十分なコスト軽減にはならなかった。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであり、その目的は、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安価な製造方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、従来の隔壁材の一部又は全部をアルミニウム製又はアルミニウム合金製、特に溶融アルミニウム合金の融点よりも１０℃以上高い融点を持つアルミニウム合金製とすることによって達成することができる。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
すなわち、本発明は、以下のとおりである。
（請求項１）ユニット４の複数個がスペーサー５を介して積層され、上端板６ａと下端板６ｂによってブロック化されてなるものであり、上記ユニットは、アルミニウム製又はその合金製の囲周壁１内にセラミックス多孔体２が嵌挿されてなり、しかも溶融アルミニウム合金の流通孔３を有してなるものであることを特徴とするアルミニウム合金−セラミックス複合体を製造するための構造体。
（請求項２）溶融アルミニウム合金の流通孔３を有してなるアルミニウム製又はその合金製の密閉型７内に、セラミックス多孔体２の複数個がスペーサー５を介して積層されてなることを特徴とするアルミニウム合金−セラミックス複合体を製造するための構造体。
（請求項３）密閉型又は囲周壁の融点が、溶融アルミニウム合金の融点よりも１０℃以上高いものであることを特徴とする請求項１又は２記載の構造体。
（請求項４）密閉型又は囲周壁は、セラミックス多孔体と接する部分のみをアルミニウム製又はその合金製とし、残りの部分を鉄系金属製としてなることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の構造体。
（請求項５）セラミックス多孔体が、炭化珪素質多孔体であることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の構造体。
（請求項６）囲周壁、上下端板、スペーサー又密閉型と、セラミックス多孔体とが接触する部分に離型剤が介在しているものであることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の構造体。
（請求項７）請求項１〜６のいずれかに記載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、加圧してセラミックス多孔体に溶融アルミニウム合金を含浸・冷却させた後、アルミニウム合金−セラミックス複合体を分離することを特徴とするアルミニウム合金−セラミックス複合体の製造方法。
（請求項８）アルミニウム合金−セラミックス複合体の分離が、打ち抜きで行われることを特徴とする請求項７記載の製造方法。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しながら、更に詳しく説明する。
【０００９】
図１、図２に、本発明のアルミニウム合金−セラミックス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。）の一例を示した。図１は概略正面図、図２は概略縦断面図である。図１の構造体（以下、これを「ユニット積層型構造体」ともいう。）は請求項１に対応し、図２の構造体（以下、これを「一体型構造体」ともいう。）は請求項２に対応している。図３は、請求項１の構造体に用いられるユニットの概略横断面図である。符号１はアルミニウム製又はその合金製の囲周壁、２はセラミックス多孔体、３は溶融アルミニウム合金の流通孔、４はユニット、５はスペーサー、６ａは上端板、６ｂは下端板、７はアルミニウム製又はその合金製の密閉型、である。
【００１０】
アルミニウム合金−セラミックス複合体を製造する際に重要なことは、セラミックス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、プリフォームを成形し、溶融アルミニウム合金を高温高圧下で複合化させる高圧鋳造法が採用されている。この場合、ダイヤモンド等の高価な加工工具を用いないで製造するには、鉄又は鉄系合金の隔壁が使用されていることは上記した。
【００１１】
本発明のアルミニウム合金−セラミックス複合体の製造方法においては、この鉄又は鉄系合金製隔壁の代わりに、アルミニウム製又はその合金製の隔壁、すなわち囲周壁１又は密閉型７を用いたことが大きな特徴である（図１〜図３参照）。ユニット積層型構造体は、ユニットの複数個が積層された構造を有し、一体型構造体は、密閉型の内部にセラミックス多孔体の複数個が積層された構造を有するものである。
【００１２】
まず、ユニット積層型構造体について説明する。この構造体によれば、一体型構造体に比べてつくりやすく、一度の処理で、複数個のセラミックス多孔体に溶融アルミニウム合金を含浸できるという利点がある。
【００１３】
多段積みされるユニット４は、セラミックス多孔体２と、その側面を取り囲むアルミニウム製又はその合金製の囲周壁１とで構成されており、囲周壁１には溶融アルミニウム合金の流通孔３が設けられている。セラミックス多孔体は、その上下面を開放状態にして、溶融アルミニウム合金の流通孔となる部分以外の側面をできるだけ周囲壁に近接させて嵌挿されていることが望ましい。流通孔３は、周囲壁の一部を外側に膨出（湾曲又は突出）等させることによって容易に形成させることができる。流通孔の個数は一個で十分であるが、複数個であってもよい。流通孔の数を多くすると、溶融アルミニウム合金の進入が速く、未複合化部分の生じる危険性は少なくなるが、最終製品形状に加工する部分が多くなる。また、流通孔の開口面の大きさも任意であり、一例を示すと、膨出長さ（湾曲又は突出の始まりと終わりを結ぶ線分の長さ）が周囲壁全長の１／４〜１／１００、膨出幅（外側に膨出させた最大幅）は膨出長さの１／４〜３倍である。図３には、突出させて三個の流通孔を形成させた例が示されている。
【００１４】
本発明のユニット積層型構造体とするには、下端板６ｂの上にユニット４の一個を置く。ついで、スペーサー５を置き、更にその上にユニット４の一個を置く、この操作を繰り返してスペーサーを介して複数個のユニットを積む。そして、最上のユニットの上面に上端板６ａを置き、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ブロック化することによって行うことができる。図１には、ネジ止めした例が示されている。
【００１５】
ユニット構造体の積み上げ個数は、金属−セラミックス複合体の量産の点から多い方が好ましい。ユニット寸法が、縦１００〜３００ｍｍ×横１００〜３００ｍｍ×厚み３〜１０ｍｍであれば、加圧容器の深さ方向の寸法に応じて５０個程度まで積むことができる。ユニットを積むに際しては、流通孔の位置を全て同じにして流通孔を連通させてもよいし、そうしなくてもよい。重要なことは、積み上げられたユニットの全部に溶融アルミニウム合金が行き渡るように、流通孔を塞がないでスペーサーを載置することである。
【００１６】
セラミックス多孔体２としては、炭化珪素、アルミナ、窒化アルミニウムなどが使用でき、均一な気孔を有していることが望ましい。相対密度は６０〜７０体積％であることが好ましい。セラミックス多孔体の形状は、熱膨張率を考慮して任意に設計することができる。
【００１７】
アルミニウム合金−セラミックス複合体に穴、溝等を設けたいときには、セラミックス多孔体にその穴、溝等を形成しておけばよい。このようなセラミックス多孔体に溶融アルミニウム合金を含浸すると、最終製品の加工はアルミニウム合金部分だけとなるので、穴、溝等の形成が容易となる。
【００１８】
本発明において最適なセラミックス多孔質体は、熱伝導率の点から、炭化珪素質多孔体である。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など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。
【００１９】
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。
【００２０】
囲周壁１は、アルミニウム製又はその合金製であり、その厚みは１〜１０ｍｍであることが好ましい。アルミニウム製又はその合金製としなければならない囲周壁の部分は、セラミックス多孔体と接する部分であり、それ以外の部分は鉄、鉄合金の鉄系材料で構成することができる。全体をアルミニウム製又はその合金製とすることによって、廃棄溶融アルミニウム塊又はその合金塊の再生が容易となるが、鉄系材料に比較して高価である。
【００２１】
囲周壁を構成するアルミニウム又はその合金の種類は、セラミックス多孔体に複合化させる溶融アルミニウム合金の融点によって決定される。たとえば、溶融アルミニウム合金の融点が約５８０℃の場合には、Ａ１０６０（融点６５０℃）、Ａ５０５２（融点６４０℃）などを用いる。アルミニウム又はその合金で構成される囲周壁の融点は、溶融アルミニウム合金の融点よりも１０℃以上、好ましくは３０℃以上高いものであることが好ましい。これによって、囲周壁が溶融することから回避される。
【００２２】
上下端板６ａ、６ｂとしては、鉄、鉄合金、アルミニウム合金等の中から、溶融アルミニウム合金の含浸処理において溶融しない材料が使用される。上下端板の厚みは１〜２０ｍｍであることが望ましい。
【００２３】
つぎに、本発明の一体型構造体について説明する。この構造体によれば、一度の処理で、複数個のセラミックス多孔体に溶融アルミニウム合金を含浸できるという利点のあることは、ユニット積層型構造体と同じである。この構造体には、端板、ボルト等の部材を削減できる利点がある。
【００２４】
密閉型７は、溶融アルミニウム合金の流通孔３を有してなるアルミニウム製又はその合金製から構成されている。その内部に、上下端板を用いないで、セラミックス多孔体２の複数個がスペーサー５を介して、できるだけ密閉型の内壁との間に空隙を設けないで段積みされており、この構造はユニット積層型構造体と同じである。また、密閉型のアルミニウム製又はその合金製とする部分は、セラミックス多孔体と接する部分であり、それ以外の部分は鉄、鉄合金の鉄系材料で構成することができることについても、ユニット積層型構造体と同じである。
【００２５】
密閉型は、セラミックス多孔体の収納を容易とするため、図２に示されるように、二つ割り等の分割構造であることが好ましく、またその厚みは、１〜２０ｍｍであることが好ましい。密閉型の側面に流通孔を形成させるには、その側面を外側に膨出させればよく、その大きさはユニット積層型構造体で説明したのと同じでよい。
【００２６】
本発明の構造体において、囲周壁、スペーサー又は密閉型と、セラミックス多孔体とが接触する部分に離型剤が介在していることが好ましい。これによって、溶融アルミニウム合金塊からアルミニウム合金−セラミックス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。
【００２７】
本発明の構造体は、本発明のアルミニウム合金−セラミックス複合体を製造する際の材料として使用することができる。以下、これについて説明する。
【００２８】
まず、本発明の構造体を鉄製等の加圧容器内に配置してから、溶融アルミニウム合金を注ぎ充填する。その後、加圧して溶融アルミニウム合金をセラミックス多孔体に含浸させる。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。
【００２９】
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、セラミックス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。
【００３０】
含浸後、金属−セラミックス複合体を取り囲んでいるアルミニウム塊を切断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。
【００３１】
ついで、金属−セラミックス複合体を内包したアルミニウム塊は、市販の切断機（例えば、大東精機社製商品名「バンドソー」）などを用い、アルミニウム合金−セラミックス複合体の外周付近まで切断される。この段階では、囲周壁又は密閉型は、アルミニウム合金−セラミックス複合体の外周部を形成しているので、そこから内包されたアルミニウム合金−セラミックス複合体を分離する必要がある。これには打ち抜きによることが好ましく、これによって製品形状に近いアルミニウム合金−セラミックス複合体を容易に分離することが可能となる。打ち抜きは、周囲壁が固定されるように治具にセットし、プレスで打ち抜くことによって行うことができる。
【００３２】
アルミニウム合金−セラミックス複合体の分離された廃棄アルミニウム合金塊は、鉄系成分を選別除去してから、再生処理される。
【００３３】
【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。
【００３４】
実施例１
市販炭化珪素粉末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（１８４．９×１３４．９×４．９ｍｍ）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のセラミックス多孔体２（気孔率３５体積％、曲げ強度５ＭＰａ、縦１８４．６ｍｍ×横１３４．６ｍｍ×厚み４．９５ｍｍ）を製造した。
【００３５】
溶融アルミニウム合金の流通孔３の設けられた囲周壁１（ＪＩＳ  Ａ  ５０５２のアルミニウム製（融点約６４０℃  ）、縦１８５ｍｍ×横１３５ｍｍ×高さ厚み４．９５ｍｍの矩形断面リング状体）、スペーサー５（縦２００ｍｍ×横１５０ｍｍ×厚み０．８ｍｍの鉄板）、上端板６ａ（縦２２５ｍｍ×横１６５ｍｍ×厚み１２ｍｍの鉄板）、下端板６ｂ（縦２２５ｍｍ×横１６５ｍｍ×厚み１２ｍｍの鉄板）を用い、流通孔３の位置を合わせてセラミックス多孔体の１５個をスペーサーを介在させて積層し、全体をボルトナットでブロック化して、ユニット積層型構造体を作製した。流通孔の開口部の広さは、膨出長さ｛突出の始まりと終わりを結ぶ線分の長さ６０ｍｍ（周囲壁全長６４０ｍｍの１／１０．６に相当）｝で、膨出幅（外側に膨出させた最大幅）１０ｍｍ（膨出長さの１／２．５倍）である。流通孔は、囲周壁１の長辺方向に三個設置した（図１、図３参照）。
【００３６】
実施例２
溶融アルミニウム合金の流通孔３の設けられた二つ割り密閉型７（ＪＩＳ  Ａ５０５２アルミニウム製（融点約６４０℃））を用い、その内部に、セラミックス多孔体２の１５個をスペーサー５を介在させ、密閉型の内壁に接するようにして積層し、一体型構造体を作製した。流通孔の形成位置と大きさ等は実施例１に準じた。
【００３７】
実施例３
炭化珪素質のセラミックス多孔体の代わりに、アルミナ質セラミックス多孔体（気孔率３５体積％、曲げ強度２ＭＰａ）を用いたこと以外は、実施例１に準じてユニット積層型構造体を作製した。
【００３８】
実施例４
囲周壁、スペーサー又は上下端板とセラミックス多孔体とが接する部分に離型剤（日立粉末冶金社製商品名「ＨＩＴＡＳＯＬ  ＧＡ−２４２Ｂ」（主成分カーボン約３０質量％）を３倍の水で希釈したもの）を塗布して、実施例１のユニット積層型構造体を作製した。なお、離型剤の塗布は、構成部材を１５０℃に加温して行った。
【００３９】
実施例５
密閉型又はスペーサーとセラミックス多孔体とが接する部分に実施例４と同じ離型剤を塗布して、実施例２の一体型構造体を作製した。
【００４０】
実施例６
囲周壁の材質を（ＪＩＳ  Ａ  ４０３２のアルミニウム、融点約５７０℃）としたこと以外は、実施例１と同様にしてユニット積層型構造体を作製した。
【００４１】
比較例１
囲周壁の材質を鉄系合金（酸洗浄品、融点約１５３０℃）としたこと以外は、実施例１と同様にしてユニット積層型構造体を作製した。
【００４２】
上記で作製された各構造体を電気炉で温度６００℃（実施例６では５６０℃）に加熱してから、２００℃に加熱された鉄製加圧容器（３００ｍｍ×２４０ｍｍ×３９０ｍｍ）の中央付近に配置し、珪素１２質量％−マグネシウム０．５質量％−アルミニウム合金（融点約５６０℃）の溶融アルミニウム合金（温度７５０℃）を流し込み、６０ＭＰａの圧力で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。ついで、切断機（大東精機社製商品名「バンドソー」）で、アルミニウム合金−セラミックス複合体の外周付近まで切断した後、内包しているアルミニウム合金−セラミックス複合体を打ち抜き又は衝撃を与えて分離し、アルミニウム合金−セラミックス複合体を製造した。打ち抜きは、周囲壁が固定されるように治具にセットしプレスで打ち抜いた。これらの条件を表２に示す。
【００４３】
廃棄アルミニウム合金塊は、最溶解して再生した。そのアルミニウム合金の化学成分を発光分光分析した。それらの結果を表１に示す。
【００４４】
また、得られたアルミニウム合金−セラミックス複合体について、超音波探傷装置(日立社製商品名「ＡＴＬＩＮＥ」）による内部欠陥の有無観察を行った。さらに、ダイヤモンド加工治具を用いて、室温の熱伝導率測定用試験体（直径１０ｍｍ×３ｍｍ）と、３点曲げ強さ測定用試験体（３ｍｍ×４ｍｍ×４０ｍｍ）を研削加工し、レーザーフラッシュ法による室温の熱伝導率及び室温３点曲げ強さを測定した。それらの結果を表３に示す。
【００４５】
【表１】
0004360773.tif 000002
【００４６】
【表２】
0004360773.tif 000003
【００４７】
【表３】
0004360773.tif 000004
【００４８】
表１〜３から、本発明の実施例によれば、比較例に比べて、アルミニウム合金−セラミックス複合体の製造が容易となることがわかる。また、廃棄アルミニウム合金塊の再生も容易となり、アルミニウム原料として再使用できることがわかる。
【００４９】
【発明の効果】
本発明の構造体によれば、鉄系成分の選別分離を必要としないので、廃棄アルミニウム合金塊の再生が容易となり、高純度のアルミニウム合金の回収が可能となる。また、本発明のアルミニウム合金−セラミックス複合体の製造方法によれば、アルミニウム合金−セラミックス複合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】本発明の構造体（ユニット積層型構造体）の概略正面図
【図２】本発明の別の構造体（一体型構造体）の概略縦断面図
【図３】ユニットの概略横断面図
【符号の説明】
１    アルミニウム製又はその合金製の囲周壁
２    セラミックス多孔体
３    溶融アルミニウム合金の流通孔
４    ユニット
５    スペーサー
６ａ  上端板
６ｂ  下端板
７    アルミニウム製又はその合金製の密閉型
【図１】
0004360773.tif 000005
【図２】
0004360773.tif 000006
【図３】
0004360773.tif 000007