(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
多孔質炭化珪素成形体にアルミニウムを主成分とする金属を含浸させてなる炭化珪素質複合体の製造方法であって、シリカゾルとスチレン−無水マレイン酸共重合体を含むポリアルキレングリコールもしくはその誘導体であるシリカゾルのゲル化剤とを含有する粒子径が１０〜２００μｍ程度の炭化珪素粉末よりスラリーを得て、湿式プレス法または湿潤注型法により多孔質炭化珪素成形体が形成されてなることを特徴とする炭化珪素質複合体の製造方法。
【請求項２】
水溶性高分子物質として、高分子量不飽和ポリカルボン酸もしくは高分子量不飽和ポリカルボン酸の長鎖アミン塩を含有することを特徴とする請求項１記載の炭化珪素質複合体の製造方法。
【請求項３】
前記の高分子量不飽和ポリカルボン酸もしくは高分子量不飽和ポリカルボン酸の長鎖アミン塩に相溶性のシリコン樹脂を更に含有することを特徴とする請求項２記載の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、半導体素子等の電子部品やデッキ部品を搭載する半導体回路基板、特にパワーモジュール等に用いられるセラミックス基板の放熱部品、ヒートシンクに好適な炭化珪素質複合体の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、回路基板の小型化、半導体素子の高集積化が急速に進み、回路基板、特にセラミックスを基板とするセラミックス回路基板、の放熱特性の一層の向上が望まれている。前記セラミックス回路基板としては、ベリリア（ＢeＯ）を添加した炭化珪素（ＳiＣ）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、窒化珪素（Ｓi3Ｎ4）などのセラミックスが注目されている。
【０００３】
上記セラミックスの基板を回路基板やパッケージ用基体などに用いる場合には、半導体素子等の電気・電子部品からの発熱を前記回路基板の裏面に設けられるヒートシンクと呼ばれる放熱部品を介して外部に発散させることで、半導体素子の温度上昇による誤動作の発生を防止し、回路基板の動作特性を確保している。
【０００４】
ヒートシンクとして代表的なものに銅が知られているが、セラミックス回路基板に適用すると、銅とセラミックス基板との熱膨張係数の相違に原因して、加熱された時や半導体素子の動作時の熱サイクルを受けて、セラミックス基板にクラックや割れ、或いはセラミックス基板とヒートシンクとを接合している半田でクラックを発生する等の問題がある。
【０００５】
このために、特に高い信頼性が要求される分野にはセラミックス基板と熱膨張係数の差が小さいＭｏ／Ｗがヒートシンクとして用いていた。しかし、Ｍｏ／Ｗはそれぞれの金属の比重が大きく、ヒートシンク或いはそれを接合したセラミックス回路基板の重量が重くなるので、放熱部品の軽量化が強く望まれる用途、例えば自動車や車両等の移動機器搭載用途においては、好ましくない。更に、ＭｏやＷは、希少であり高価であるという欠点を有している。
【０００６】
上記の事情から、近年、銅やアルミニウム或いはこれらの合金を無機質粒子や繊維で強化したＭＭＣ（Ｍｅｔａｌ  Ｍａｔｒｉｘ  Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ）と称される金属−セラミックス複合体が注目されている。
【０００７】
ＭＭＣは、一般に、強化材である無機質粒子や繊維を予め成形することで、プリフォームを形成し、該プリフォームの強化材間に金属あるいは合金を含浸させた複合体であり、強化材にはアルミナ、炭化珪素、窒化アルミニウム、窒化珪素、シリカ、炭素などが用いられる。
【０００８】
金属−セラミックス複合体の熱伝導率を上げようとする場合、強化材および含浸する金属や合金に熱伝導率の高い物質を選択する必要がある。加えて、強化材と金属あるいは合金との濡れ性や界面の反応等が、得られる金属−セラミックス複合体の熱伝導率や強度に影響を与える。
【０００９】
上記用途に適用するためには、軽量で高熱伝導率で、しかも各種セラミックス基板と同じ程度の低い熱膨張率を兼ね備えた金属−セラミックス複合体を得る組み合わせとして、強化材に炭化珪素を主成分とするプリフォームにアルミニウムを主成分とした金属を用いることが注目されている。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
強化材に炭化珪素を、含浸する金属にアルミニウムを主成分とする金属を用いて得られる金属−セラミックス複合体（以下、炭化珪素質複合体という）の熱伝導率、熱膨張率等の特性は、炭化珪素質複合体中の炭化珪素の含有量により影響を受けるが、前記含有量は金属を含浸される炭化珪素質成形体（プリフォーム）の体積密度で決まる。然るに、プリフォームの空隙部分に金属が含浸されるためである。従って、プリフォームの特性制御が、所望の特性を有する炭化珪素質複合体を得るのに重要である。
【００１１】
炭化珪素質成形体を得る方法としては、セラミックス焼結体を製造する公知の方法を適用すれば良い。例えば、原料に炭化珪素粉末を用い、これに成形或いは焼結時に強度を発現しやすい添加剤を配合し、プレス等の方法で形状を付与し、しかる後の加熱する方法である。しかし、成形時の添加剤としてメチルセルロースなどの結着剤を用いる方法では、結着剤の焼成部分が空間となるから充填率が低下（複合材中の炭化珪素の含有量が低下）する問題があるし、結着剤量を低下させると、成形時に炭化珪素粉の粒度差による沈降差を生じ、局所的に大きな充填率に差の有る成形体しか得られないという問題もある。
【００１２】
このため、ヒートシンクを得ることを狙いに、板状の成形体を得ようとすると、厚み方向で充填率に差を有する成形体となり、該成形体より得られる炭化珪素質複合体は、熱伝導率や熱膨張率という特性が表裏で差があったり、また前記特性差が原因して反りが発生する。
【００１３】
反りの発生は、放熱部品では回路基板や放熱フィンなどとの接合ができなくなったり、接合できたとしても熱伝達を阻害してしまい、大きな問題となっている。また、この方法では、焼成後の成形体の強度が低く含浸前の取扱い時、或いは含浸時の衝撃等により粉体化し、所望の特性を有する炭化珪素質複合体が得難いという問題がある。
【００１４】
上記の事情から、一般的には、炭化珪素粉末に高分子化合物とシリカ粉末等の焼結バインダーを添加して、乾式成形法を適用して成形した後、焼結する方法が採用されている。しかし、この方法は金型を用い、数百ｋｇ／ｃｍ2の高圧力を負荷する高価な装置を必要とすること、前記金型が摩耗しやすい等の問題がある。また、原料粉末の金型中での流動を可能とするためには多量の高分子化合物やシリカ粉末を添加する必要があり、炭化珪素の含有量が低下するために、得られる炭化珪素質複合体の熱伝導率が低下してしまうなどの問題がある。
【００１５】
本発明は、上記の事情に鑑みなされたものであって、軽量で高熱伝導率でしかもセラミックス基板に近い低熱膨張率を有する炭化珪素質複合体、とくに反りのないヒートシンク等の放熱部品に好適な炭化珪素質複合体を、安価な方法で、安定して提供することを目的としている。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
即ち、本発明は、多孔質炭化珪素成形体にアルミニウムを主成分とする金属を含浸させてなる炭化珪素質複合体の製造方法であって、多孔質炭化珪素成形体が湿式成形法により形成されてなることを特徴とする炭化珪素質複合体の製造方法であり、好ましくは、湿式成形法が湿式プレス法であり、注型法であることを特徴とする前記の炭化珪素質複合体の製造方法である。
【００１７】
本発明は、湿潤紙を離型材料とし、しかも成形体のキャリアーとすることを特徴とする前記の炭化珪素質複合体の製造方法であり、シリカゾルと該シリカゾルのゲル化剤とを含有する炭化珪素粉末よりスラリーを得て、更に湿式成形することを特徴とする前記の炭化珪素質複合体の製造方法である。ことに、シリカゾルのゲル化剤が、スチレン−無水マレイン酸共重合体を含むポリアルキレングリコール誘導体もしくは該誘導体であることを特徴とする前記の炭化珪素質複合体の製造方法である。
【００１８】
本発明は、高分子量不飽和ポリカルボン酸もしくは高分子量不飽和ポリカルボン酸の長鎖アミン塩を含有することを特徴とする前記の炭化珪素質複合体の製造方法であり、前記の高分子量不飽和ポリカルボン酸もしくは高分子量不飽和ポリカルボン酸の長鎖アミン塩に相溶性のシリコン樹脂を更に含有することを特徴とする前記の炭化珪素質複合体の製造方法である。
【００１９】
更に、本発明は、前記の炭化珪素質複合体の製造方法で得られてなる炭化珪素質複合体からなることを特徴とする半導体回路基板用放熱部品である。
【００２０】
【発明の実施の形態】
本発明者らは、上記事情に鑑み、炭化珪素質複合体の製造方法についていろいろ検討し、その原料となる炭化珪素質成形体を詳細に制御して作成することにより、高熱伝導率で低熱膨張率の特性を有する炭化珪素質複合体を安定して、特に、ヒートシンクに好適な平板状の炭化珪素質複合体を得ることができることを見いだし、本発明に至ったものである。
【００２１】
即ち、本発明者らは、炭化珪素粉より成形体を得るに際して、成形体の強度を確保するために炭化珪素粉に配合されるシリカ分としてシリカゾルを選択し、更にシリカゾルのゲル化剤を配合することにより、従来の湿式成形法では得られなかった、ヒートシンク等に好適な反りの極めて小さく、炭化珪素の充填率の差異が小さい炭化珪素質成形体が得られること、更に、前記の湿式成形法で得た炭化珪素質成形体を用いて高熱伝導率で低熱膨張率の炭化珪素質複合体を安定して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。
【００２２】
前記したとおり、従来は炭化珪素質複合体を得るために用いられる炭化珪素質成形体は、主に乾式プレスなどの乾式成形法により作成されていたが、高価な装置を用いなければならない、或いは金型の摩耗が著しいなどの問題を抱えていたが、本発明では湿式成形法を採用することを特徴としている。
【００２３】
前記湿式成形法については、押出成形法、湿式プレス法、湿潤注型法等があるが、本発明者らの検討によれば、炭化珪素の充填率を高め、所望特性を有する炭化珪素質複合体を得るには、平板状製品に対して平板と垂直方向に原料を加圧し、成形することが可能な湿潤注型法や湿式プレス法が望ましい方法である。
【００２４】
以下、本発明の炭化珪素質複合体の製造方法について、湿式プレス法の場合を例示しながら、詳細に説明する。
【００２５】
原料の炭化珪素粉末については、それを構成する粒子が高熱伝導性であることが望まれ、炭化珪素成分が９９重量％の高純度の、一般的に「緑色」を呈する炭化珪素粉末を用いることが好ましい。また、本発明の目的を達成するためには、前記原料の炭化珪素粉末から、充填率が５０〜８０体積％、好ましくは６０〜７５体積％の炭化珪素質成形体が得られれば良い。成形体の炭化珪素の充填率、従って炭化珪素質複合体中の炭化珪素含有量を高めるためには、炭化珪素粉末は適当な粒度分布を有するものが良く、この目的から２種以上の粉末を適宜配合してもよい。
【００２６】
本発明では、湿式成形法で高充填率を有する炭化珪素質成形体を得るために、原料炭化珪素粉末にシリカゾルと前記シリカゾルのゲル化剤を添加することを特徴としている。シリカゾルとしては、市販されている固形分濃度２０重量％程度のもので構わない。シリカゾルの配合量としては、炭化珪素１００重量部に対して、固形分濃度で０．５〜１０重量部程度で十分であるが、好ましくは１〜３重量部である。０．５重量部未満では、得られる成形体の強度が、焼成したときにさえ十分でないことがあるし、１０重量部を超える場合には、得られる成形体の炭化珪素の充填率が高くならず、本発明の目的を達成できないことがあるからである。
【００２７】
本発明では、前記シリカゾルにゲル化剤を添加することを特徴とする。シリカゾルを湿式成形、後に続く乾燥、焼成工程を通じて、ゲル化することにより、成形時には原料の流動性を支配する水分量を多く保ちながらも、その後の乾燥工程以降では成形体の強度を強くすることができるので、作業性に富むと同時に、乾燥速度や焼成時の昇温速度を早くすることができ、多量生産に適するという実用上の効果が得られる。前記シリカゾルのゲル化剤としては、スチレン−無水マレイン酸共重合体を含むポリアルキレングリコール並びにその誘導体が知られており、本発明においても使用することができる。また、シリカゾルのゲル化剤の量としては、一般的に、シリカゾルの固形分量１００重量部に対して、５〜２０重量部であれば十分である。また、当然ではあるが、前記ゲル化剤として、いわゆる減水剤を用いることも出来る。
【００２８】
本発明では、前記原料に、更に水溶性高分子物質を含有させることが好ましい。
前記水溶性高分子物質を更に含有させることにより、湿式成形時に存在させる多量の水分の中で、炭化珪素粒子の沈降が起こり、粒度の相違に原因した局所的な炭化珪素の充填率の差異が発生することを防止するためである。前記水溶性高分子物質としては、メチルセルロース、ポリビニルアルコール或いは高分子量不飽和ポリカルボン酸、高分子量不飽和ポリカルボン酸の長鎖アミン塩等が挙げられるが、本発明者らの実験的検討によれば、高分子量不飽和ポリカルボン酸、高分子量不飽和ポリカルボン酸の長鎖アミン塩が、炭化珪素成形体の炭化珪素充填率を低下することがなく、好ましい。また、水溶性高分子物質の添加量については、炭化珪素粉１００重量部に対して０．０５〜２．０重量部であれば良く、０．１〜１．０重量部が好ましい範囲である。
【００２９】
更に、本発明では、前記水溶性高分子物質に相溶性のシリコン樹脂を添加することが好ましい。前記シリコン樹脂は、湿式成形後の乾燥、焼成を経て、シリカゾルと同様な焼結バインダーとして機能するので、実質的に、水溶性高分子物質等の有機物質が乾燥、焼成工程で揮発し、得られる成形体の炭化珪素充填率が低下することを防止するのに役立つ。シリコン樹脂の添加量は、水溶性高分子物質の１００重量部に対して１〜１０重量部が一般的である。
【００３０】
上記の添加剤を配合した炭化珪素粉末は、水を炭化珪素１００重量部に対して１５〜８０重量部を含有する実施的にスラリーと呼ばれる粘性を示す状態を呈している。前記スラリーを用いて、湿式成形するに際しては、一定サイズの炭化珪素成形体を量産するためには、型をもちいる湿式プレス、湿潤注型法が選択される。前記スラりーは、どちらの場合にもてきようできるものの、成形直後のもの（湿潤状態の炭化珪素質成形体；以下、ウエットプリフォームという）の型離れが悪いことがあり、量産上の問題となることがある。
【００３１】
本発明では、前記問題解決のために、湿潤紙を型の内面に設けること、更に型から抜き出して得られるウエットプリフォームのキャリヤーとすることを特徴としている。これにより、安定して離型することができ、しかも得られた強度の弱いウエットプリフォームに変形や破損することなく、次の乾燥工程へ運搬することができる。
【００３２】
前記湿式プレス法での主要な条件は、公知の条件で十分であり、例えば、圧力２〜５ｋｇ／ｃｍ2で加圧し、３０秒程度脱水する。また、湿潤注型法での条件も、公知の条件に基づけば良く、例えば３〜５分の脱水条件で十分である。
【００３３】
上記操作で得られたウエットプリフォームを、乾燥し、更に焼成して、炭化珪素質成形体とする。乾燥条件としては、成形体中の遊離の水分を除去できればよく、一般的に、１００℃以上に加熱すればよい。焼成については、シリカゾルを焼結バインダーとしていることから、６００℃〜１０００℃の温度範囲で焼成することが好ましい。６００℃未満では、十分な強度を発現できないことがあるし、１０００℃を超える温度では、焼成時の雰囲気の影響を受けて、炭化珪素が酸化されたり、シリカが飛散することがあるからである。焼成時の雰囲気は、前記温度範囲ならばどのようなものであっても構わず、大気、酸素、窒素、水素、アルゴン等のガス雰囲気の他、真空であっても良い。
【００３４】
上記操作で得られた炭化珪素質成形体は、炭化珪素充填率が５０〜８０体積％、好ましい場合には６０〜７５体積％である。
【００３５】
次に、前記炭化珪素質成形体を用い、アルミニウムを主成分とする金属を含浸させて炭化珪素質複合体を得る。アルミニウムを主成分とする金属を含浸する方法としては、溶湯鍛造法、ダイカスト法、或いはそれらを改良した方法等の公知の方法が適用できる。また、前記の方法において、含浸操作の直前にプリフォームを加熱することが好ましい。
【００３６】
前記アルミニウムを主成分とする金属としては、炭化珪素質複合体を作製する際に通常使用されている珪素含有アルミニウム合金、珪素とマグネシウムを含有するアルミニウム合金並びにマグネシウム含有アルミニウム合金が挙げられる。この中で、溶融金属の融点が低くく作業性のよいことから珪素とマグネシウムを含有するアルミニウム合金が好ましく、また得られる複合体の熱伝導率向上の面からはマグネシウム含有アルミニウム合金が好ましく選択される。本発明に於いては、前者にあっては、珪素は熱伝導率を低下させる原因となることから、その量を１８重量％以下とするのがよい。また、マグネシウム量については、その量が少ないと合金の融点が低下せず作業性が悪化すること、その過量では得られる複合体の熱伝導率が低下する原因となること等を考慮し、０．５〜２．５重量％が好ましい。
【００３７】
以下、実施例、比較例に基づいて、本発明を更に詳細に説明する。
【００３８】
【実施例】
〔実施例１〕
万能混合装置に、粗粒子ＳｉＣ粉（大平洋ランダム（株）製；ＮＧ−８０）７１０ｇと微粒子ＳｉＣ粉（屋久島電工（株）社製；ＧＣ−１０００Ｆ）２９０ｇを投入して、５分間混合した。次いで、シリカゾル水溶液（日産化学工業（株）社製スノーテックス；固形分濃度２０重量％）１２０ｇを投入して５分間混合後、シリカゾルゲル化剤を（デンカグレース（株）社製；ＳＵＰＥＲ−２００）を３５ｇと水１５ｇを投入して５分間混合した。更に、有機系添加剤（ビックケミー・ジャパン（株）製；ＢＹＫ−Ｐ１０４Ｓ；有効成分５０％）を１．５ｇ投入して５分間混合した。前記混合物（スラリー）をポリエチ製容器にて保管した。このスラリーは、１週間後も炭化珪素粉末の沈降等の成分分離は認められなかった。
【００３９】
湿式プレス用の型に、水中で吸水させた紙を貼り、１秒間吸引後に前記ペーストを投入し、２ｋｇ／ｃｍ2の圧力でプレスして３０秒間吸引した。次いで、加圧を開放後、型に圧搾空気を瞬間的に導入して、成形されたウエットプリフォームを回収した。前記ウエットプリフォームを紙毎運搬して、平坦な板上で１００゜Ｃで１時間、更に１５０゜Ｃで１時間乾燥した。
【００４０】
前記乾燥後の成形体を、大気雰囲気中で８５０゜Ｃで１時間焼成し、炭化珪素質成形体を得た。該炭化珪素質成形体の全体での炭化珪素充填率は７１体積％であった。また、該炭化珪素質成形体の表面と裏面近傍での炭化珪素充填率の差は０．５％以下で測定誤差範囲内であった。
【００４１】
前記炭化珪素質成形体に、アルミニウム合金を高圧含浸して得た炭化珪素質複合体の熱伝導率は２２０Ｗ／ｍＫであり、熱膨張係数は６．５ｐｐｍ／Ｋであり、反りは１４０ｍｍに対して１５μｍであった。
【００４２】
〔実施例２〕実施例１のペースト１００ｇを用いて、更に水６ｇ混合したペーストを原料とした。湿潤した紙を吸引面に貼った湿潤注型法の型を用い、更に、注型条件として、吸引しながら１ｋｇ／ｃｍ2で加圧注入し、３分間吸引した。脱型した後は、実施例１と同じ処理をして炭化珪素質複合体を得た。この炭化珪素質複合体の熱伝導率は２１４Ｗ／ｍＫ、熱膨張係数は６．７ｐｐｍ／Ｋであり、反りは１４０ｍｍ当たり２２μｍであった。
【００４３】
〔比較例〕
実施例１に用いた炭化珪素粉末混合体１０００ｇに、シリカゾル２００ｇを配合し、３０重量％ポリビニルアルコール水溶液１５０ｇを配合した後、ディスク噴霧方式造粒装置（大川原化工機（株）社製）を用いて造粒、乾燥した。得られた造粒品を用いて、内寸が３６ｍｍ×５１ｍｍの金型を用い、１０００ｋｇ／ｃｍ2の圧力で乾式プレスし、得られたシート状（厚さ６ｍｍ）の成形体を大気雰囲気中８５０℃で焼成し炭化珪素充填率が５８体積％の炭化珪素質成形体を得た。更に、前記炭化珪素質成形体を用いて、実施例１と同じ操作で炭化珪素質複合体を得た。得られた複合体はＡｌ合金の含浸操作で受けた衝撃により多数のひびを有し、その熱伝導率は１５２Ｗ／ｍＫと低くかった。
【００４４】
【発明の効果】
本発明の炭化珪素質複合体の製造方法によれば、２００Ｗ／ｍＫレベルの高熱伝導率を有し、しかもセラミックス基板と同程度にまで熱膨張率が低く、しかも反りの少ない平板状の炭化珪素質複合体を安定して得ることができる。
【００４５】
本発明の炭化珪素質複合体の製造方法によれば、従来の乾式成形法で必要とされた高圧力を必要とする高価なプレス装置を必要としないし、また金型の摩耗もないので、安価に炭化珪素質複合体を量産できる。
【００４６】
本発明の放熱部品は、前記の製造方法で得られる平板状の炭化珪素質複合体からなり、反りが少ない特徴を持つので、半導体搭載用基板のヒートシンク等の放熱部品に用いたときに、基板や放熱フィン等の他部品との接合状況が良く、高い放熱性を発揮できる特徴を有する。