(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
多孔質セラミックス構造体にマグネシウムを含有するアルミニウム系金属を含浸してなる複合体であって、該複合体中のセラミックス粒子と金属粒子との境界に存在する中間相について、透過型電子顕微鏡像から求めた中間相の結晶化領域の面積割合が２０％以上であることを特徴とする複合体。
【請求項２】
多孔質セラミックス構造体が空隙率２０〜５０％の炭化珪素を主成分とするセラミックス構造体であることを特徴とする請求項１記載の複合体。
【請求項３】
請求項１又は請求項２記載の複合体を用いてなることを特徴とする回路基板用ヒートシンク。
【請求項４】
多孔質セラミックス構造体にマグネシウムを含有するアルミニウム系金属を含浸させた後、７００℃以上１０００℃以下で熱処理することを特徴とする複合体の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、多孔質セラミックス構造体に金属を溶浸（含浸ともいう）してなる金属セラミックス複合体（以下、複合体という）、特に、ＩＣパッケージやＩＧＢＴ、ＧＴＯ等のパワーモジュール用ヒートシンク材に適する複合体に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体分野において、ＬＳＩの集積化や高速化がすすむことに加え、近年ＧＴＯやＩＧＢＴ等のパワーデバイスの用途が拡大するなど、シリコンチップの発熱量は増加の一途をたどっている。それとともにシリコンチップから発熱した熱を逃がす回路基板、更にヒートシンクについても、より一層の高性能化が求められている。
【０００３】
具体的には、回路基板に関しては、熱伝導性の良いアルミナ、窒化アルミニウム、窒化珪素等のセラミック基板が用いられているし、これに接合して用いられるヒートシンク自体の熱伝導率が高いことに加えて、両者が組み合わされ、モジュール化された場合においては、前記回路基板とヒートシンクとの熱膨張率が近いことが望まれる。これは、実使用時に半導体素子から発生する熱等に原因して発生した熱応力が回路基板を破壊したり、回路基板の電気絶縁性や熱伝導性を劣化させ、モジュールとしての信頼性を低下させる原因になってしまうからである。
【０００４】
上記の事情により、電気、或いは自動車などの車両用途等の高信頼性が重要とされる分野において、熱膨張率がセラミックス回路基板に近いヒートシンクとして金属−セラミックス複合体（以下、複合体という）の適用が進められている（特開昭６４−８３６３４号公報、特開平９−２０９０５８号公報）。
【０００５】
前記複合体は、一般に、セラミックス粉、セラミックス繊維などを成形、必要な場合においては焼成して多孔質セラミックス構造体を作製し、次に溶融金属を含浸し、これを冷却することにより作製される。溶融金属を含浸する方法としては、粉末冶金法に基づく方法、例えばダイキャスト法（特開平５−５０８３５０号公報）や溶湯鍛造法（まてりあ、第３６巻、第１号、１９９７、４０−４６ページ）などの高圧鋳造による方法、自発浸透による方法（特開平２−１９７３６８号公報）等の各種の方法が知られている。
【０００６】
【本発明が解決しようとする課題】
金属−セラミックス複合体として、代表的なアルミニウム−炭化珪素複合体の例をとると、熱伝導率は１２０〜１７０Ｗ／（ｍ・Ｋ）程度であり、従来よりヒートシンクとして使用されている銅板の熱伝導率（約４００Ｗ／（ｍ・Ｋ））の半分以下である。このため、前記複合体をヒートシンクとして用いようとしても、従来公知の銅のヒートシンクよりも、熱伝導率が劣り、放熱性が低いために、半導体素子等の電子部品から発生した熱を逃がしきれず、電子部品特に半導体素子自身の温度が上昇するため誤動作や熱暴走を招きやすいという問題がある。上記事情から、熱膨張率がセラミック回路基板の熱膨張率に近く、しかも、熱伝導率をより向上させたヒートシンク用材料の開発が望まれていた。
【０００７】
本発明は、上記の事情に鑑みてなされたものであって、その目的は、セラミックスス回路基板と同程度に小さな熱膨張率を有し、しかも高熱伝導率な金属−セラミックス複合体を提供し、セラミックス回路基板用のヒートシンクとして用いた時に、セラミックス回路基板の電気絶縁性や熱伝導性を劣化させ、モジュールとしての信頼性を低下させることがないヒートシンクを提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、多孔質セラミックス構造体にマグネシウムを含有するアルミニウム系金属を含浸してなる複合体であって、該複合体中のセラミックス粒子と金属粒子との境界に存在する中間相について、透過型電子顕微鏡像から求めた中間相の結晶化領域の面積割合が２０％以上であることを特徴とする複合体であり、好ましくは、多孔質セラミックス構造体が空隙率２０〜５０％の炭化珪素を主成分とするセラミックス構造体であることを特徴とする前記の複合体である。
【０００９】
又、本発明は、前記の複合体を用いてなることを特徴とする回路基板用ヒートシンクである。
【００１０】
加えて、本発明は、多孔質セラミックス構造体にマグネシウムを含有するアルミニウム系金属を含浸させた後、７００℃以上１０００℃以下で熱処理することを特徴とする複合体の製造方法である。
【００１１】
【発明の実施の形態】
一般的に、金属−セラミックス複合体の熱膨張率、熱伝導率は、それを構成する金属とセラミックスとの種類、それらの配合比により大きく依存し、金属とセラミックスと種類を定めれば、得られる複合体の熱伝導率はほぼ決定されてしまう。
【００１２】
しかし、本発明者らが鋭意検討を重ねた結果、複合体の熱伝導率に関して、複合体を構成する金属とセラミックスの境界に中間相が存在すること、そして該中間相の結晶化状態が複合体の熱伝導率を大きく支配し、該中間相の結晶化を進めることで従来よりも高熱伝導率の金属−セラミックス複合体を得ることができるという知見を得て、本発明に至ったものである。
【００１３】
即ち、セラミックスとして炭化珪素（ＳｉＣ）、金属としてアルミニウム系合金（ＡＣ４Ｃ）を用い、８００℃の温度でダイキャスト法により高圧含浸させて得た金属−セラミックス複合体について、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）で観察した組織は、金属からなるマトリクス中にセラミックス粒子が島状に点在している微構造を有する。
【００１４】
そして、図２は、前記金属とセラミックス粒子との境界を透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ：日本電子（株）ＪＥＭ２０１０；加速電圧２００ＫＶ）で撮影したときに得られる透過型電子顕微鏡写真像の模式図で、金属（アルミニウム）とセラミックス（ＳｉＣ）の境界に中間相が存在していることを示している。この中間相に関して、電子ビームを絞って該中間相より発生する特性Ｘ線により局所部分の元素分析を行ったところ、Ａｌ、Ｓｉ、微量のＭｇといった元素に加えて酸素が検出され、中間相は前記金属の酸化物により構成されていることが判明した。さらに、同時に行った電子線回折法により、その中間層内部には微細な結晶粒子がわずかに点在しており、その結晶粒子以外の部分は非晶質であることも判明した。
【００１５】
上記解析で得た知見に基づき、更に、本発明者らは、金属とセラミックスとの境界に存在する中間相の結晶化を進めることで、金属−セラミックス複合体の熱伝導率を向上し得ると考え、実験的に検討を進めた結果、マグネシウム含有のアルミニウム系金属を用いるとき、Ｍｇ成分を中間相中に積極的に存在させることで、前記中間相の結晶化を高めることができることを見出し、本発明に至ったものである。
【００１６】
即ち、本発明は、多孔質セラミックス構造体にマグネシウムを含有するアルミニウム系金属を含浸してなる複合体であって、該複合体中のセラミックス粒子と金属粒子との境界に存在する中間相について、透過型電子顕微鏡像から求めた中間相の結晶化領域の面積割合が２０％以上であることを特徴とする複合体である。
【００１７】
本発明において、マグネシウムを含有するアルミニウム系金属としては、ＡＣ１Ｂ、ＡＣ４Ａ、ＡＣ４Ｃ、ＡＣ４ＣＨ、ＡＣ４Ｄ、ＡＣ５Ａ等があげられるが、含浸時にアルミニウム或いはアルミニウム合金とマグネシウム或いはその合金とを適宜混合することもできる。このときのマグネシウム量は、０．１５重量％〜上６重量％であれば十分に本発明の目的が達成できる。一方、鋳造のしやすさの点から、Ｓｉ含有量が４〜１０％のアルミニウム合金、即ち、ＡＣ２Ａ、ＡＣ２Ｂ、ＡＣ４Ａ、ＡＣ４Ｂ、ＡＣ４Ｃ、ＡＣ４Ｄ、ＡＣ８Ｂ、ＡＣ８Ｃなどの合金との併用が望ましいことから、ＭｇとＳｉをともに含有するＡＣ４Ａ、ＡＣ４Ｃ、ＡＣ４ＣＨ、ＡＣ４Ｄが好ましく、選択される。
【００１８】
本発明に用いる多孔質セラミックス構造体については、前記アルミニウム系金属を含浸する際に反応したり、破損する等の問題が生じない限り、どのようなものでも構わない。しかし、得られる構造体の熱膨張率がアルミナ、窒化アルミニウム、窒化珪素、炭化珪素等のセラミックス回路基板と同程度に小さくする必要から、前記セラミックス回路基板と似た特性を有する材質のアルミナ、窒化アルミニウム、窒化珪素、炭化珪素、酸化珪素等が好ましい。このうち、熱伝導率が高く、かつ熱膨張率が小さい炭化珪素が好適である。また、セラミックス構造体として、酸化マグネシウム、或いは焼結助剤に酸化マグネシウムを用いた窒化珪素のようにマグネシウムを多量に含有するセラミックスの構造体を選択し、金属として必ずしもマグネシウムを含有しないアルミニウム或いはその合金を選択する場合にも、本発明の効果が得られるケースがある。しかし、これらの方法では、安定して熱膨張率が小さく、しかも高熱伝導率の複合体が得られないことがある。
【００１９】
アルミニウム−炭化珪素複合体は、セラミック回路基板との熱膨張の適合性と、放熱性の点において優れた組み合わせである。しかし、アルミニウム−炭化珪素複合体中の炭化珪素含有量が５０体積％未満では熱膨張率係数が高くなり、セラミックス回路基板と該複合体との熱膨張率差に起因する残留応力発生に起因するセラミックス回路基板の破壊などの問題が生じやすくなる。また、セラミックスは高温では熱伝導率が低下するため、複合体中の炭化珪素含有量が８０体積％を越える場合には高温時の熱伝導率低下が顕著になってくる。そのため、アルミニウム−炭化珪素複合体中の炭化珪素含有量は５０〜８０体積％の範囲にあることが好ましい。
【００２０】
次に、本発明の複合体を製造する方法としては、まず、従来公知の方法、即ち、高圧鋳造法や化学反応を利用した自発浸透法等を適用して、多孔質セラミックス構造体にマグネシウムを含有するアルミニウム系金属を含浸させる。この場合、使用する金属やセラミックス多孔質体を選ばないという観点からダイキャスト法のような高圧鋳造法が望ましい。
【００２１】
本発明では、前記含浸操作の後、７００℃以上１０００℃以下で熱処理することにより、金属とセラミックとの境界に存在する中間相の結晶化を図ることを特徴とする。この操作により、中間相が面積比で２０％以上が結晶化され、複合体の高熱伝導率化が達成される。熱処理温度について、７００℃未満では結晶化に時間を要し、生産性の面で好ましくなく、１０００℃を越えるとアルミニウムの蒸発が大きくなり、加圧雰囲気を必要とするため、過大な設備を必要とし、その結果コストが高くなる。７００℃〜１０００℃が好ましい範囲である。
【００２２】
本発明の複合体は、アルミナ、窒化アルミニウム、窒化珪素等のセラミック回路基板と同程度に小さな熱膨張率を有し、しかも高熱伝導率であるので、前記セラミック回路基板用にヒートシンクとして取り付けたときに、実使用下で受ける熱衝撃によっても回路基板の破損等を生じることがなく、信頼性の高いモジュールを構成することができる。
【００２３】
以下、実施例、比較例をもって、本発明を更に詳細に説明する。
【００２４】
【実施例】
〔実施例１〜５、比較例〕
ＳｉＣ粉末（屋久島電工；ＧＣ１０００Ｆ）にコロイダルシリカ（日産化学；スノーテックス）を４ｗｔ％加え、混合後、プレス成形して、１５０℃で乾燥、固化させる。次に、大気中で８００℃で１時間加熱して、気孔率３５％のＳｉＣ多孔質構造体を得た。
【００２５】
前記ＳｉＣ多孔質構造体に、ダイキャスト法により８００℃でＡＣ４Ｃ合金を含浸させ、アルミニウム−炭化珪素複合体を作製した。この複合体の熱伝導率をレーザーフラッシュ法（理学電機社；ＦＡ８５１０Ｂ）にて測定後、ダイヤモンド砥石を用いて研削、研磨して、透過型電子顕微鏡を用いて中間相の結晶化領域の面積比率を測定したところ１２％であり、また熱伝導率が１３２Ｗ／（ｍ・Ｋ）であった。
【００２６】
前記アルミニウム−ＳｉＣ複合体を、窒素雰囲気中で７５０℃で０〜６０分の間保持し、熱処理を行い、中間層の結晶化領域の比率と熱伝導率の関係を調べた。この結果を表１に示した。熱処理時間が長くなり、中間層の結晶化領域の面積比率が増えるに従い、熱伝導率が向上することが確認された。また、実施例５では、中間層の殆どが結晶化した微粒子で構成されていることが確認された（図１参照）。
【００２７】
【表１】
0003813007.tif 000002
【００２８】
なお、中間相の結晶化領域の面積比率の測定は、複合体をダイヤモンド砥石を用いて研削、研磨して得た試片について、少なくとも５ヶ所をランダムに選択し、おのおのの位置について、透過型顕微鏡を用いて暗視野法で５万〜１０万の倍率で写真撮影し、前記写真の中間相の全面積（中間相内にある結晶性粒子の面積を含む）と、中間相内にある結晶化領域（明るく見える部分）の占める面積を面積計にてそれぞれ測定し、その割合を算出し、その平均値をもって中間相中の結晶化比率とした。
【００２９】
【発明の効果】
本発明の複合材は、セラミックスと金属（アルミニウム）との境界に存在する中間相の結晶化度が高いので、セラミックス回路基板と同程度に小さい熱膨張率を有しながら、しかも高熱伝導率であるので、セラミックス回路基板のヒートシンクに用いて、高信頼性のモジュールを提供でき、有用である。
また、本発明の複合材は、いろいろなセラミックスと接合して用いることができ、各種の放熱部品に適用できるし、本発明の複合材は軽量なので、電気、車両、ひいては飛行機等の軽量構造体として用いることもできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の実施例５に係る金属−セラミックス複合体のアルミニウムと炭化珪素との境界に存在する中間相の結晶化の状況を示す模式図。
【図２】  従来公知の金属（アルミニウム）−セラミックス（炭化珪素複合体）の透過型顕微鏡観察下での微細構造を示す模式図。
【図１】
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【図２】
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