(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱伝導率の良い金属で所定形状に形成された金属部材の、電子部品搭載面側を含む少なくとも両面に、長繊維からなる炭素繊維を金属の膨張を所定量以下に抑制するため所定の割合、埋設状態で所定方向に配列した複合材。
【請求項２】
前記炭素繊維はＸ，Ｙ２方向に配列されている請求項１に記載の複合材。
【請求項３】
前記金属は銅である請求項１又は請求項２に記載の複合材。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は炭素繊維と金属との複合材に係り、例えば半導体装置の放熱部材や電子部品搭載基材として好適な複合材に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、特開平４−１４７６５４号公報には、この種の電子部品搭載基材として、アルミニウム又はアルミニウム合金に炭素繊維を含有させた複合材が提案されている。この複合材はピッチ系炭素繊維を溶媒に分散して攪拌濾過したものを圧縮した炭素繊維の予備成形体に、アルミニウムを高圧で含浸させて製造したものである。
【０００３】
また、特開平１１−４９５７８号公報には、半導体装置用放熱部材として、黒鉛化カーボンのマトリックスに、黒鉛化カーボン長繊維を電子部品搭載面と平行に２次元面内で直交又は所定の角度に疑似等方で配列し、さらに電子部品搭載面に垂直な方向に配向した繊維群を有する黒鉛化カーボン繊維／黒鉛化カーボンの複合体が提案されている。この複合体は三次元に織られた黒鉛化カーボン繊維にピッチ樹脂の含浸、炭素化、黒鉛化という黒鉛化処理の工程を複数回繰り返すことで製造される。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
特開平１１−４９５７８号公報に開示された複合材は、熱伝導率及び熱膨張率とも半導体装置用放熱部材に適した熱特性を有する。しかし、この複合材を製造するには、黒鉛化カーボン繊維の三次元織物に対して、ピッチ樹脂の含浸、炭素化、黒鉛化という黒鉛化処理の工程を複数回繰り返す必要があり、製造コストが高くなる。
【０００５】
また、黒鉛化カーボン繊維は破壊歪みが小さいため曲げに弱く、三次元織物を製造する場合に糸（繊維）同士の擦れにより切断し易く、特に繊維層を結合するための糸が切断し易い。従って、生産性が悪いという問題もある。
【０００６】
特開平４−１４７６５４号公報に開示された複合材では、強化繊維を構成するピッチ系炭素繊維の熱膨張率が小さいため、複合材全体の熱膨張率がアルミニウムに比較して小さくなる。しかし、短繊維がマトリックス中にランダムに分散されている構成のため、複合材の熱膨張率は単純にアルミニウムと炭素繊維の割合で決まり、炭素繊維にアルミニウムの膨張を積極的に抑える機能を持たせて、複合材の膨張量をより小さくすることは難しい。
【０００７】
本発明は前記の従来の問題点に鑑みてなされたものであって、その目的は、半導体装置の放熱部材や電子部品搭載基材として使用した場合に必要な熱伝導性を有し、かつ少なくとも半導体装置と対向する側の熱膨張率が低く、しかも低コストで製造できる複合材を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
前記の目的を達成するため請求項１に記載の発明では、熱伝導率の良い金属で所定形状に形成された金属部材の、電子部品搭載面側を含む少なくとも両面に、長繊維からなる炭素繊維を金属の膨張を所定量以下に抑制するため所定の割合、埋設状態で所定方向に配列した。
【０００９】
この発明の複合材は、複合材全体では熱伝導率の良い金属部材により十分な放熱が確保される。また、電子部品が搭載される側は、所定方向に配列された長繊維の炭素繊維により金属の熱膨張が抑制される。従って、熱膨張率の小さな半導体装置の放熱部材として使用した場合でも、半導体装置に対して過大な熱応力が作用するのが抑制される。また、全体を炭素繊維の三次元繊維構造体と黒鉛化カーボンの複合体とする場合に比較して生産性が高く、コストが安くなる。さらにこの発明では、炭素繊維が片面側に配列されたものに比較して、複合材全体の膨張率が小さくなるとともに、複合材が反り難くなる。
【００１０】
請求項２に記載の発明では、請求項１に記載の発明において、前記炭素繊維はＸ，Ｙ２方向に配列されている。従って、この発明では、複合材のＸ，Ｙの２方向の膨張が均等に抑制される。
【００１２】
請求項３に記載の発明では、請求項１又は請求項２に記載の発明において、前記金属は銅である。従って、この発明では、高熱伝導率の複合体を低コストで製造できるとともに、アルミニウムに比較して炭素繊維との濡れ性が良いため炭素繊維による金属の熱膨張抑制効果が向上する。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を具体化した一実施の形態を図１〜図３に従って説明する。
図１に示すように、複合材１は四角板状の金属部材２の片面側に炭素繊維３が埋設されて構成されている。金属部材２には熱伝導率の良い銅が使用されている。炭素繊維３は繊維が直交する２方向に配列された織物（平織りの織物）４で構成され、織物４の一部が金属部材２の表面に露出するように、かつ炭素繊維３の配列方向が複合材のＸ，Ｙ方向に沿うように埋設されている。
【００１４】
炭素繊維３には比較的安価なＰＡＮ系炭素繊維（ポリアクリロニトリル系炭素繊維）が使用されている。各炭素繊維３はロービング（トウ）の状態で使用されている。ロービング（トウ）とは細い単繊維のフィラメント（長繊維）を多数本束ねた実質無撚りの繊維束を意味する。織物４は炭素繊維３を、炭素繊維３が埋設された部分の金属部材２の膨張を所定量以下に抑制するための所定の割合となるように、その目の粗さが設定されている。目の粗さは炭素繊維３が埋設された部分において、体積比で炭素繊維３が３０％〜５０％の範囲になるように設定されている。即ち、図２において、炭素繊維３が埋設された厚さｔの部分に含まれる炭素繊維３の体積割合が３０％〜５０％になるように設定されている。従って、織物４として目の粗さが炭素繊維３の太さと同じ値から２倍程度のものが使用される。図１及び図２では目の粗さが実際より粗く描かれている。
【００１５】
炭素繊維の含有率の範囲は、炭素繊維と銅を複合化した場合における、炭素繊維の体積含有率（％）と、複合材の線膨張率及び熱伝導率の関係から決定した。図３に示すように、炭素繊維及び銅の複合材（ＣＦ／Ｃｕ複合材）の熱伝導率は炭素繊維の体積含有率に比例して低下し、線膨張率は炭素繊維の体積含有率にほぼ比例して低下する。線膨張率がシリコンの値に近く、この発明の複合材１を放熱部材として使用した際に熱膨張が生じても、放熱を必要とする部材に対して過大な応力が生じない、図３に示す範囲Ａとなるように、炭素繊維の体積含有率が設定されている。この範囲Ａの体積含有率では、熱伝導率が現在半導体チップ用に使用されている放熱部材の熱伝導率の１５０Ｗ／（ｍＫ）より大きなほぼ２００Ｗ／（ｍＫ）以上となる。
【００１６】
前記構成の複合材１は、金型内に炭素繊維製の織物４を所定の張力を加えた状態、あるいは張力を加えない状態で配置し、高温、高圧下で溶融状態の銅を流して織物４を銅に埋設するとともに織物４を構成する炭素繊維の空隙に銅を含浸させることにより製造される。
【００１７】
前記のように構成された複合材１を、例えば半導体装置用の放熱部材として使用する場合には、複合材１を所定の大きさに切断する。そして、炭素繊維３側の面において銀ペーストや半田を介して半導体チップに接合し、半導体チップとの接合面と反対側に必要に応じてヒートシンクを接合した状態で使用する。
【００１８】
この実施の形態では以下の効果を有する。
（１）  複合材１は、半導体装置搭載面側に埋設状態で配列された長繊維からなる炭素繊維３が銅の膨張を抑えるため、少なくとも前記搭載面側の膨張率が半導体装置の膨張率に近い値となる。従って、半導体装置の放熱部材として使用した場合に半導体装置に過大な応力が作用するのが防止され、熱伝導率の良好な銅の性質を利用した放熱部材として好適に使用できる。
【００１９】
（２）  炭素繊維３が金属の膨張を所定量以下に抑制するため所定の割合、埋設状態で設けられる。従って、炭素繊維３の量を必要最小限にでき、原料コストを削減できて複合材の製造コストを低減できる。
【００２０】
（３）  炭素繊維３がＸ，Ｙ２方向に配列されているため、複合材のＸ，Ｙの２方向の膨張が均等に抑制される。
（４）  炭素繊維３が平織りの織物４で構成されているため、炭素繊維３の体積含有率を所望の値に調整する際、織物４の目の粗さの調整により簡単に対応できる。また、複合材１を製造する際、炭素繊維３をＸ，Ｙ２方向に配列するのが簡単になり、製造が容易になる。
【００２１】
（５）  金属部材２の材料に銅が使用されているため、高熱伝導率の複合体を低コストで製造できるとともに、アルミニウムに比較して炭素繊維との濡れ性が良いため含浸工程が容易になる。
【００２２】
（６）  炭素繊維３に比較的安価で、曲げや擦れに対してピッチ系炭素繊維より優れたＰＡＮ系炭素繊維が使用されている。従って、織物４を製造する際、炭素繊維の毛羽や糸切れを抑えた状態で製造できるとともに、製造コストを低くできる。
【００２３】
実施の形態は前記に限定されるものではなく、例えば、次のように具体化してもよい。
○  炭素繊維３を複合材１の片面側だけでなく、図４に示すように複合材１の両面に設けたり、図５に示すように複合材１の全体に均等に設けてもよい。複合材１の片面側にだけ炭素繊維を配列した場合は、高温時に複合材１が反る場合があるが、両面あるいは全体に炭素繊維を配列することにより、高温時に複合材１が反るのを防止できる。
【００２４】
○  炭素繊維３としてＰＡＮ系炭素繊維に代えてピッチ系炭素繊維を使用してもよい。ピッチ系炭素繊維の方が引張弾性率が高く、少ない量で同じ膨張抑制効果を有することになり、銅の含有量を高めて熱伝導率を高くできる。
【００２５】
○  マトリックスを構成する金属はＣｕに限らず、アルミニウムと同等以上の熱伝導率を有するものであればよい。例えば、熱伝導率がさほど要求されない放熱部材として使用する複合材では、金属にアルミニウムを使用する。炭素繊維及びアルミニウムの複合材（ＣＦ／Ａｌ複合材）における、炭素繊維の体積含有率と、熱伝導率及び線膨張率との関係を図６に示す。ＣＦ／Ａｌ複合材の線膨張率が、ＣＦ／Ｃｕ複合材で採用した場合の線膨張率の範囲と同じ範囲の値を持つためには、炭素繊維の体積含有率がほぼ３５％〜５５％となる。アルミニウムは熱伝導率がＣｕの６割程度であるが、密度がほぼ１／３のため、軽量化に寄与する。また、アルミニウムの融点は６６０℃とＣｕの融点より４００℃以上低いため、含浸時の温度を低くでき、溶融に必要なエネルギーが少なくなる。
【００２６】
○  複合材１を半導体装置の放熱材として使用する場合、図７に示すように、半導体装置に取り付けられる側と反対側に多数の放熱フィン５を備えた形状に切削加工して使用してもよい。複合材１の両面あるいは全体に炭素繊維が配列された場合でも、片側にフィンを形成してもよい。黒鉛化カーボン繊維／黒鉛化カーボン複合体の場合はこのような加工が難しいが、マトリックスとして金属を使用したものでは加工が比較的容易となる。この場合、別部品のヒートシンクを使用する場合に比較して、部品点数及び組立工数が少なくなる。
【００２７】
○  炭素繊維３の配列方向は必ずしもＸ，Ｙの２軸に限らず、Ｘ，Ｙの２軸に対して所定の角度（例えば±４５°）で傾斜するように配列された２層一組のバイアス糸を含んでもよい。この場合、複合材１の形状安定性が向上する。
【００２８】
○  織物４を金属部材２の片面側あるいは両側に配列する構成において、織物４の枚数は１枚に限らず複数枚であってもよい。
○  炭素繊維３が２方向に配列された織物４の形で炭素繊維３を配列する代わりに、炭素繊維のロービングをＸ方向及びＹ方向に２層あるいは３層以上に交互に配列してもよい。この場合、織物４に比較して、所定方向に配列された炭素繊維をより真っ直ぐな状態で配列することが可能となり、炭素繊維が金属の熱膨張を抑制する機能が高くなる。
【００２９】
前記実施の形態から把握できる技術思想について、以下にその効果とともに記載する。
（１）前記複合材は放熱部材として使用され、その取付面と反対側に複数の放熱フィンが形成されている。この場合、別部品のヒートシンクを使用する場合に比較して、部品点数及び組立工数を少なくできる。
【００３０】
（２）前記炭素繊維は繊維が直交する２方向に配列された織物で構成されている。この場合、炭素繊維の配列が簡単になるとともに、炭素繊維の体積含有率を織物の目の粗さで容易に調整できる。
【００３１】
（３）前記炭素繊維としてＰＡＮ系炭素繊維が使用されている。この場合、ＰＡＮ系炭素繊維がピッチ系炭素繊維に比較して安価で、曲げや擦れに対して優れているため、製造コストが低減されるとともに、炭素繊維を織物状態で配列するのが容易になる。
【００３２】
【発明の効果】
以上詳述したように請求項１〜請求項３に記載の発明は、半導体装置の放熱部材や電子部品搭載基材として使用した場合に必要な熱伝導性を有し、かつ少なくとも半導体装置と対向する側の熱膨張率が低く、しかも低コストで製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  一実施の形態の複合材の模式斜視図。
【図２】  同じく模式断面図。
【図３】  ＣＦ／Ｃｕ複合材のＣＦ体積含有率と線膨張率及び熱伝導率の関係を示すグラフ。
【図４】  別の実施の形態の複合材の模式断面図。
【図５】  別の実施の形態の複合材の模式断面図。
【図６】  ＣＦ／Ａｌ複合材のＣＦ体積含有率と線膨張率及び熱伝導率の関係を示すグラフ。
【図７】  別の実施の形態の複合材の模式断面図。
【符号の説明】
１…複合材、２…金属部材、３…炭素繊維、４…織物。
【図１】
0003855583.tif 000002
【図２】
0003855583.tif 000003
【図３】
0003855583.tif 000004
【図４】
0003855583.tif 000005
【図５】
0003855583.tif 000006
【図６】
0003855583.tif 000007
【図７】
0003855583.tif 000008