JP2000007456A - 高熱伝導性セラミックス金属複合材料 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 多孔質焼結体が溶湯含浸時の加圧で破壊しな
い強度と複合材料全体の熱膨張を十分に抑制できる剛性
とを備え、放熱作用を十分に確保できる高熱伝導性セラ
ミックス金属複合材料を提供する。 【解決手段】 電子素子用のセラミックス基板等のセラ
ミックス部材とヒートシンク等の金属部材との間に接合
される熱膨張整合層用の複合材料であって、セラミック
ス部材以上の熱伝導率を有する高熱伝導性セラミックス
の粉末粒子が実質的に介在相なしにまたは無機バインダ
ー由来の介在相を伴って焼結された多孔質焼結体内に、
金属部材以上の熱伝導率を有する高熱伝導性金属から成
る金属相が等方的または配向性をもって分布する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、一般的には、セラ
ミックス部材と金属部材との間に介在して両者に接合さ
れる熱膨張整合層としての高熱伝導性セラミックス金属
複合材料に関し、典型的には、電子素子用のセラミック
ス基板と金属製ヒートシンクとの間に挿入して両者の熱
膨張差を緩和させる放熱板等として有用な高熱伝導性セ
ラミックス金属複合材料に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年の電子機器の小型化・軽量化に伴う
半導体デバイス等の電子素子の集積密度の向上は著し
く、発熱密度が増大する傾向にある。これら半導体モジ
ュールには放熱性向上のあめにセラミックス基板が多用
され、更にインバータ回路等のように発熱量が大きい場
合には金属製ヒートシンクと接合される。例えば、特開
昭６１−１１７８５５号公報には、多層配線を含むセラ
ミックス基板にＡｌ−Ｓｉ合金製ヒートシンクを接合し
た半導体装置用放熱構造体が開示されている。

【０００３】しかし、セラミックス基板と上記Ａｌ−Ｓ
ｉ合金等の金属製ヒートシンクとは熱膨張率の差が大き
いため、発生する大きな熱応力によって接合部が剥離す
ることがあり、良好な放熱性を安定して確保できないと
いう問題があった。この熱応力を緩和するためには、両
者間に熱膨張差の整合層として放熱板を挿入することが
有効である。この放熱板は、熱膨張率が両者の中間であ
ること、また本来の放熱作用を妨げないために熱伝導性
が良いことが必要である。

【０００４】そのような放熱板の材料として、高熱伝導
性のセラミックスと金属の複合材料が適している。典型
的には、代表的な高熱伝導性セラミックスであるＳｉＣ
と、ヒートシンク材料として一般的であるＡｌまたはＡ
ｌ合金との複合材料が考えられる。特に、ＳｉＣ多孔質
焼結体にＡｌまたはＡｌ合金の溶湯を高圧鋳造にて含浸
させた複合材料は、放熱板用の材料として最も有力なも
のの一つである。

【０００５】しかし、従来このようにして製造された複
合材料は、下記の点で放熱板としては不十分であった。 複合材料の熱伝導性が低く、十分な放熱作用が確保
できない。 多孔質焼結体の強度が低く、溶湯含浸時の加圧によ
り破壊し易い。 多孔質焼結体の剛性が低く、複合材料全体としての
熱膨張を十分に抑制できない。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、多孔質焼結
体が溶湯含浸時の加圧で破壊しない強度と複合材料全体
の熱膨張を十分に抑制できる剛性とを備え、放熱作用を
十分に確保できる高熱伝導性セラミックス金属複合材料
を提供することを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、本願第１発明による高熱伝導性セラミックス金属
複合材料は、電子素子用のセラミックス基板と金属製ヒ
ートシンクとの間に介在して両者に接合される熱膨張整
合層としてのセラミックス金属複合材料であって、該セ
ラミックス基板と同等以上の熱伝導率を有する高熱伝導
性セラミックスの粉末粒子が実質的に粒子間介在相なし
に焼結されて成る多孔質焼結体であって、気孔が等方的
に分布している多孔質焼結体、および該金属製ヒートシ
ンクと同等以上の熱伝導率を有する高熱伝導性金属から
成り、該気孔を充填して等方的に分布する金属相、から
成ることを特徴とする。

【０００８】本願第２発明による高熱伝導性セラミック
ス金属複合材料は、セラミックス部材と金属部材との間
に介在して両者に接合される熱膨張整合層としてのセラ
ミックス金属複合材料であって、該セラミックス部材と
同等以上の熱伝導率を有する高熱伝導性セラミックスの
粉末が焼結されて成る多孔質焼結体であって、気孔が該
セラミックス部材から該金属部材への熱伝達方向に配向
している多孔質焼結体、および該金属部材と同等以上の
熱伝導率を有する高熱伝導性金属から成り、該気孔を充
填して該熱伝達方向に配向している金属相、から成るこ
とを特徴とする。

【０００９】第２発明において、第１の観点によれば、
該多孔質焼結体は、該高熱伝導性セラミックスの粉末粒
子が実質的に粒子間介在相なしに焼結されて成ることを
特徴とする。第２発明において、第２の観点によれば、
該多孔質焼結体は、該高熱伝導性セラミックスの粉末粒
子が粒子間に無機バインダー由来の相を介在させて焼結
されて成ることを特徴とする。

【００１０】

【発明の実施の形態】従来、金属溶湯を含浸するセラミ
ックス多孔質焼結体を製造する際には、無機バインダー
を用いて焼結処理を行っていた。例えば、ＳｉＣ多孔質
焼結体は、最終生成物がＳｉＯ₂ 、Ａｌ₂ Ｏ₃ 等の無機
物となる液体をバインダー（無機バインダー）としてＳ
ｉＣ粉末に添加・混練し、所望の形状に成形した後に焼
成することにより製造される。

【００１１】この多孔質焼結体は、無機バインダーから
由来するＳｉＯ₂ 、Ａｌ₂ Ｏ₃ 等の無機物相がＳｉＣ粉
末粒子間に介在した状態で焼結されている。気孔は特に
意図的に配向させない限り一般的には等方的に分布して
いる。この場合、無機バインダー由来の粒子間介在相
は、高熱伝導性セラミックスであるＳｉＣ粒子間の熱伝
達を妨げる上、粒子間接合部の機械的な強度および剛性
をも低下させる。

【００１２】そこで本願第１発明の多孔質焼結体におい
ては、高熱伝導性セラミックスの粉末粒子が実質的に粒
子間介在相なしに焼結されて成る構造とした。これは、
無機バインダーを用いずに、セラミックス粉末に必要に
応じて焼結助剤を添加して混練、成形して焼結処理を行
うことにより達成される。その結果、主として無機バイ
ンダー由来の粒子間介在相なしにセラミックス粒子同士
が焼結される。実質的に粒子間介在相がない状態とは、
典型的には透過電子顕微鏡観察により確認可能な厚さ数
１０ｎｍ程度以上の介在相が存在しない状態である。

【００１３】多孔質焼結体の熱伝導性は、焼結された状
態でのセラミックス粒子が粗粒粉であるほど向上する。
これは、熱伝達を妨げる粒子間界面（接合面）が減少す
ることによる。ただし、焼結前の成形性および焼結性を
考慮して、微粒粉を同時に添加することが望ましい。す
なわち、無機バインダーを用いない場合は、焼成前の成
形も当然無機バインダーなしで行うことになり、無機バ
インダーが存在する場合に比べて成形性は低下する傾向
にある。一般に、原料粉末の粒径が小さいほど成形性は
良好になるが、焼成過程で粒成長させず原料粒径が焼成
後の粒径に反映される場合には、最終的に得られる複合
材料の熱伝導性が低下する。また、焼成過程で粒成長さ
せるには、より高温・長時間の焼成が必要になる点で製
造上不利になる。更に、焼成過程での粒成長は、焼結体
全体にわたって均一な粒径に制御することが通常の生産
工程では実際上不可能なため、局所的に巨大粒が生成し
て焼結体および複合材料の強度が低下する。

【００１４】したがって、無機バインダーを用いずに焼
結体を製造する場合には、焼結原料であるセラミックス
粉末として粗粒粉と微粒粉とを同時に用い、粗粒粉によ
って高熱伝導性を確保すると同時に、微粒粉によって無
機バインダーなしでの成形性および焼結性を確保し焼結
体および複合材料の強度を確保することが望ましい。こ
のように、第１発明においては、高熱伝導性セラミック
スの粉末粒子が実質的に粒子間介在相なしに焼結されて
成る多孔質焼結体であって、気孔が等方的に分布してい
る多孔質焼結体、および高熱伝導性金属から成り該気孔
を充填して等方的に分布する金属相から成ることによ
り、粒子間の熱伝達が向上すると同時に粒子間接合の強
度および剛性も向上する。

【００１５】次に、本願第２発明においては、高熱伝導
性セラミックスの粉末が焼結されて成る多孔質焼結体の
気孔が所定の熱伝達方向に配向し、多孔質焼結体の気孔
を充填する金属相も気孔に準じて熱伝達方向に配向す
る。一般に複合材料の熱膨張率は複合比のみに依存し、
構成相の配向には影響されない。これに対して、熱伝導
率は複合比のみではなく構成相の配向にも依存し、構成
相に配向がある異方性複合材料においては、高熱伝導相
の配向方向の熱伝導率は他の方向の熱伝導率よりも大き
くなる。

【００１６】したがって、高熱伝導性セラミックス多孔
質焼結体の気孔を充填する高熱伝導性金属相を熱伝達方
向に配向させた第２発明の構造によれば、配向と垂直な
方向（接合界面に沿う方向）の熱膨張率は複合比により
決まる所定値に確保しながら、所定の熱伝達方向の熱伝
導率を優先的に向上させることができる。すなわち、接
合界面に沿う方向の熱膨張差が抑制されることにより、
剥離の原因になる接合界面沿いの剪断応力としての熱応
力が低減され、同時に、主要な熱伝達媒体としての高熱
伝導性金属相の熱伝達方向の連続性が高まることによ
り、熱伝達方向の熱伝導率が選択的に高まる。このよう
な異方性複合材料の最も望ましい典型例においては、高
熱伝導性金属相が複合材料の入熱端から出熱端まで熱伝
達方向に連続している。

【００１７】これにより、第２発明の異方性複合材料に
おいては、第１発明の等方性複合材料に比べて、望みの
熱伝達方向の熱伝導率を更に高めることができる。ただ
し、本発明者が更に詳細に研究を進めた結果、熱伝導率
向上に対する異方性効果は、多孔質焼結体を構成する高
熱伝導性セラミックスの粉末粒子同士が、実質的に粒子
間介在相なしに焼結されているときに発現する場合と、
逆に粒子間介在相（主として無機バインダー由来の無機
物）を伴って焼結されているときに発現する場合がある
ことが判明した。

【００１８】そして、粒子間介在相なし（無機バインダ
ーを用いない焼結）で顕著な異方性効果が得られるの
は、高熱伝導性セラミックスの熱伝導率が比較的大きい
場合であり、逆に粒子間介在相あり（無機バインダーを
用いた焼結）で顕著な異方性効果が得られるのは、高熱
伝導性セラミックスの熱伝導率が比較的小さい場合であ
ることが判明した。典型的な例として、本発明者の実験
によれば、熱伝導率の比較的大きいＳｉＣ多孔質焼結体
とＡｌ金属相とを組み合わせた複合材料では、無機バイ
ンダーなしで焼結したＳｉＣ多孔質焼結体を用いた場合
には熱伝導率に対する異方性効果が顕著であったが、無
機バインダーを用いて焼結したＳｉＣ多孔質焼結体を用
いた場合には異方性効果が認められなかった。逆に、熱
伝導の比較的小さいＳｉ₃ Ｎ₄ 多孔質焼結体とＡｌ金属
相とを組み合わせた複合材料では、無機バインダーなし
で焼結したＳｉ₃ Ｎ₄ 多孔質焼結体を用いた場合には異
方性効果が認められず、無機バインダーを用いた焼結に
よるＳｉ₃ Ｎ₄ 多孔質焼結体を用いた場合には顕著な異
方性効果が認められた。この場合、高熱伝導性金属の熱
伝導率λ１を基準にして高熱伝導性セラミックスの熱伝
導率λ２の大きさを位置づけてみると、ＳｉＣとＡｌの
組み合わせについてはλ２／λ１＝０．６９、Ｓｉ₃ Ｎ
₄ とＡｌの組み合わせについてはλ２／λ１＝０．２５
であり、両者の間をとると概ねλ２／λ１＝０．５であ
り、この比率を境にして無機バインダーの有無と異方性
効果の有無との対応関係が逆転していると推測できる。

【００１９】本発明において、高熱伝導性セラミックス
とは、セラミックス基板あるいはセラミックス部材と同
等以上の熱伝導率を有するものであり、典型的にはＳｉ
Ｃ、ＳｉＮ等である。また、高熱伝導性金属とは、金属
製ヒートシンクあるいは金属部材と同等以上の熱伝導率
を有するものであり、一般に金属製ヒートシンクまたは
金属部材と同じか近い組成の金属または合金であり、典
型的にはＡｌ、Ｃｕ等の金属およびそれらの合金であ
る。

【００２０】高熱伝導性セラミックスの多孔質焼結体の
気孔に高熱伝導率の金属相を充填する方法は特に限定し
ないが、一般に高圧鋳造による含浸は適当の方法の一つ
である。高熱伝導性セラミックスの多孔質焼結体の焼結
原料として用いる高熱伝導性セラミックス粉末粒子の粒
径は特に限定しないが、一般に平均粒径（ｄ５０）＝４
０〜１００μｍ程度が、成形性、焼結性、熱伝導率、強
度、剛性等の観点から有利である。特に、無機バインダ
ーを用いずに焼結を行う場合には、典型的には平均粒径
５０μｍ以上の粗粒粉が５０wt％以上で、残部が１０μ
ｍ以下の微粒粉から成る混合粉末を焼結原料として用い
ることが、良好な成形性、焼結性を確保する上で望まし
い。

【００２１】以下に、具体的な実施例により本発明をよ
り詳細に説明する。

【００２２】

【実施例】〔実施例１〕図１に、本発明による高熱伝導
性セラミックス金属複合材料を放熱板として適用したイ
ンバータ回路の構造例を模式的に示す。半導体デバイス
を含んで構成されたインバータ回路１１がＡｌＮセラミ
ックス基板１２上に形成されている。回路１１で発生し
た熱は基板１２を介して、最終的にはＡｌ合金（ＡＣ４
ＣＨ）製ヒートシンク１３に吸収され、ヒートシンク１
３のフィンから外部（図では主として下方の大気中）へ
放散される。基板１２とヒートシンク１３との間には、
熱膨張整合層として本発明による高熱伝導性セラミック
ス金属複合材料から成る放熱板１４が介在し、放熱板１
４の上面は基板１２の下面に、放熱板１４の下面はヒー
トシンク１３の下面に、それぞれハンダ１５で接合され
ている。

【００２３】この構造の場合、基板１２のＡｌＮとヒー
トシンク１３のＡＣ４ＣＨ合金との熱膨張差を整合させ
て基板１２／ヒートシンク１３間の剥離を防止するため
には、熱膨張整合層である放熱板１４は熱膨張率αが６
〜８×１０^-6Ｋ^-1２範囲内にあることが必要である。同
時に、回路１１で発生する熱を有効に放散するために、
放熱板１４は熱伝導率λが２００（Ｗ／ｍＫ）以上であ
ることも必要である。上記の熱膨張率αと熱伝導率λと
を両立させることは、従来極めて困難であったが、本発
明によって実現された。

【００２４】一つの典型例として、無機バインダーを用
いない焼結により、第１発明の高熱伝導性セラミックス
金属複合材料から成る放熱板１４を下記の手順で製造し
た。高熱伝導性ＳｉＣ粉末を焼結原料とし、粗粒粉（平
均粒径ｄ５０＝６０μｍ）を６５wt％、微粒粉（ｄ５０
＝１．３μｍ）を３５wt％として配合し、乾式混合し
た。

【００２５】上記粉末を金型内に充填し、加圧力８００
kgf/cm² で一軸プレス成形して、ＳｉＣ粉末成形体を得
た。この成形体を焼成炉内に装入し、１気圧のＡｒガス
雰囲気中にて、温度１８５０℃で１ｈの焼成を行った。
これにより、気孔率ｐ＝３８．８ vol％のＳｉＣ多孔質
焼結体が得られた。

【００２６】このＳｉＣ多孔質焼結体に、Ａｌ合金ＡＣ
４ＣＨを高圧鋳造により含浸させて高熱伝導性セラミッ
クス金属複合材料を完成させた。この場合、高圧鋳造に
よる体積変化は無いので、気孔に充填されたＡｌ合金の
体積率Ｖｍ＝気孔率ｐ＝３８．８ vol％である。鋳造条
件は下記のとおりであった。 〔高圧鋳造条件〕 多孔質焼結体予熱温度：７５０℃ 溶湯温度 ：８５０℃ 加圧力 ：１２００kgf/cm² 鋳造雰囲気 ：大気 比較例として、上記の混合済ＳｉＣ粉末（焼結助剤Ｂｅ
Ｏ粉末添加）に無機バインダーとしてＳｉＯ₂ ゾルバイ
ンダー（ＳｉＯ₂ 粒径８０ｎｍ）をＳｉＣ粉末１００重
量部に対して２重量部の割合で添加し、上記と同様に成
形した後、焼成炉内で大気雰囲気中にて１０００℃×１
ｈの焼結を行った。これにより、気孔率ｐ＝４０ vol％
のＳｉＣ多孔質焼結体が得られた。これに上記と同様に
高圧鋳造により含浸を行い高熱伝導性セラミックス金属
複合材料を完成させた。Ａｌ合金の体積率Ｖｍ＝気孔率
ｐ＝４０ vol％である。

【００２７】上記の本発明例および比較例によりそれぞ
れ５個の高熱伝導性セラミックス金属複合材料を作製
し、得られた特性を表１および図２に示す。表１には、
多孔質焼結体の三点曲げ強度、原料配合比、気孔率も併
せて示した。熱伝導率は熱拡散率と比熱をそれぞれレー
ザーフラッシュ法および走査熱量計で測定し、これらか
ら算出した。熱膨張率は、微小低荷重熱膨張計を用い等
速昇温にて２５℃〜２００℃の温度範囲で測定し、この
実測曲線の５次近似式を２５℃で微分した値を線膨張係
数とした。三点曲げ強度は（後出の四点曲げ強度も）、
ＪＩＳ Ｒ１６０１に準じてＳｉＣ治具を用いて測定し
た。

【００２８】表１および図２に示したように、同じ原料
配合比、同等の気孔率ｐ（＝金属相体積率Ｖｍ）におい
て、熱伝導率λは、比較例が１８０Ｗ／ｍＫであったの
に対して、本発明例では熱伝導率λ＝２４０Ｗ／ｍＫと
顕著に向上していることが分かる。同時に、熱膨張率α
は、従来法による比較例が９．０×１０^-6Ｋ^-1で所定範
囲６〜８×１０^-6Ｋ^-1から逸脱しているのに対して、本
発明例では７．０〜１０×１０^-6Ｋ^-1と所定範囲の熱膨
張率が得られている。更に、多孔質焼結体の三点曲げ強
度σ_b3も、比較例が０．５〜１．０ＭＰａであったのに
対して本発明例では７．０〜１０ＭＰａと１０倍程度に
向上しており、高圧鋳造時の破壊防止に極めて有利であ
る。

【００２９】図３（１）および（２）に、含浸金属を純
Ａｌとした以外は（ａ）比較例および（ｂ）本発明例と
同様に作製した複合材料について、ＳｉＣ粒子／ＳｉＣ
粒子界面およびＳｉ粒子／Ａｌ界面の構造を（１）模式
図および（２）透過電子顕微鏡写真により示す。図３に
示したように、無機バインダーを用いて焼結した比較例
（ａ）の場合には、個々のＳｉＣ粒子と隣接ＳｉＣ粒子
およびＡｌ相との間に無機バインダー由来のＳｉＯ₂ 相
（厚さ数十ｎｍ）が介在しているのが観察されるのに対
して、本発明により無機バインダーを用いずに焼結した
本発明例（ｂ）の場合には、ＳｉＣ粒子は隣接Ｓｉ粒子
およびＡｌ相との界面には異種相の介在は観察されな
い。

【００３０】図３の観察結果から、本発明の複合材料の
熱伝導率λが向上し同時に熱膨張率αを所定範囲に制御
できるのは、複合材料を構成するＳｉＣ粒子間およびＳ
ｉＣ相とＡｌ相間に無機バインダー由来のＳｉＯ₂ 相が
介在しないため、ＳｉＣ粒子間およびＳｉＣ相とＡｌ
相間の熱伝達が阻害されないことにより複合材料全体の
熱伝導率が向上し、同時に、ＳｉＣ粒子間およびＳｉ
Ｃ相とＡｌ相間の接合強度が高く複合材料全体として熱
膨張に対する拘束力が高いためであると考えられる。

【００３１】〔実施例２〕第１発明の複合材料につい
て、高熱伝導性セラミックス粉末の粒径の影響および粗
粒粉／微粒粉混合粉末の望ましい配合比を説明する。図
４に、ＳｉＣ／Ａｌ複合材料の熱伝導性と強度に及ぼす
ＳｉＣ粉末粒径の影響を調べた結果を示す。ＳｉＣ粉末
として図中に各プロットで示した各粒径のものを単独で
用いた以外は、実施例１の本発明例と同様の成形・焼成
・鋳造条件により複合材料を作製した。Ａｌ相の体積率
（＝ＳｉＣ多孔質焼結体の気孔率ｐ）はいずれも４０ v
ol％であった。

【００３２】図示したように、平均粒径ｄの増加に伴
い、複合材料の熱伝導率λ（図中の○）は増加し、四点
曲げ強度σ_b4（図中の●）は減少する。ここで、インバ
ータ回路用として必要な熱伝導率λ≧２００Ｗ／ｍＫ、
強度σ_b4≧２００ＭＰａとすると、これらを両立させる
には、焼結原料であるＳｉＣ粉末の粒径を４０〜１００
μｍの範囲内とする必要がある。

【００３３】図５は、図４中の熱伝導率の曲線に対し
て、成形性、焼結性、熱伝導の各所要範囲を示したもの
である。上記図４の関係からは、熱伝導率λ≧２００Ｗ
／ｍＫを確保するためにはＳｉＣ粉末の平均粒径ｄ≧４
０μｍとする必要があるが、同時に、図５に示したよう
に成形性の確保にはｄ≦５μｍ、焼結性の確保にはｄ≦
２０μｍでなければならない。

【００３４】上記３条件を同時に満たすために、図５に
Ａ、Ｂで示した範囲の粒径を持つ粗粒粉（Ａ：ｄ５０＝
６０μｍ）および微粒粉（Ｂ：ｄ５０＝１．３μｍ）と
を種々の比率で混合したＳｉＣ粉末を用いて複合材料を
作製した。成形・焼成・鋳造条件は実施例１と同様とし
た。得られた複合材料の微粒粉配合量％と複合材料の熱
伝導率λ、プレス成形性、焼結性との関係を図６に示
す。この結果から、微粒粉Ｂの配合量が５〜４０％であ
れば、所要の熱伝導率λ、成形性、焼結性が同時に確保
できることが分かる。

【００３５】〔実施例３〕第２発明によりＡｌ金属相が
熱伝達方向に配向している異方性ＳｉＣ／Ａｌ複合材料
を作製した。図７（１）に異方性複合材料の立体構造を
模式的に示し、図７（２）に（ｉ）異方性多孔質焼結体
および（ii）異方性複合材料の外観写真を示す。

【００３６】表２に示したようにＳｉＣ原料粉末に有機
バインダーと水を加えた配合にて作成した粘土を押出成
形により図７（２）の（ｉ）のようにハニカム状に成形
した。このＳｉＣ成形体を実施例１の本発明例と同様の
条件にて焼成および高圧鋳造（ただし含浸金属は純Ａ
ｌ）を行い、図７（２）の（ii）のような異方性ＳｉＣ
／Ａｌ複合材料を得た。Ａｌ相の体積率Ｖｍは６０ vol
％である。これは、成形時の押出圧力によって制御し
た。

【００３７】対比のため、表２の原料配合にて実施例１
の本発明例と同様に成形、焼成、鋳造を行って等方性Ｓ
ｉＣ／Ａｌ複合材料を作製した。ただし、成形圧を１５
００、８００、５００、２００ｋｇｆ／ｃｍ² と変化さ
せることにより、Ａｌ相の体積率Ｖｍをそれぞれ３１、
４０、６０、７１ vol％とした。図８に、上記で作製し
た異方性ＳｉＣ／Ａｌ複合材料と等方性ＳｉＣ／Ａｌ複
合材料について熱伝導率λを測定した結果を示す。

【００３８】図８に示したように、等方性ＳｉＣ／Ａｌ
複合材料（図中の○）は、熱伝導率λがＡｌ相体積率Ｖ
ｍに応じて純Ａｌの値（λ＝２４６Ｗ／ｍＫ）からＳｉ
Ｃ多孔質焼結体の値（λ≒１７０Ｗ／ｍＫ）までの間で
複合則近似曲線上にある。これに対して、異方性ＳｉＣ
／Ａｌ複合材料（図中の●）は、複合則から予測される
値よりも著しく高い熱伝導率λが得られている。

【００３９】〔実施例４〕第２発明により、実施例３と
同様にして、Ａｌ金属相が熱伝達方向に配向している異
方性Ｓｉ₃ Ｎ₄ ／Ａｌ複合材料を作製した。Ｓｉ₃ Ｎ₄
粉末（焼結原料：ｄ５０＝０．２μｍ）９０wt％とＹ₂
Ｏ₃ 粉末（焼結助剤：ｄ５０＝０．５μｍ）とを混合
し、基本粉末とした。

【００４０】＜無機バインダーなしの場合＞上記の基本
粉末に、表２に示したように有機バインダーと水を加え
た配合にて作成した粘土を押出成形により図７（２）の
（ｉ）のようにハニカム状に成形した。このＳｉ₃ Ｎ₄
成形体を窒素ガス雰囲気中で１６５０℃×４ｈ焼成して
Ｓｉ₃ Ｎ₄ 多孔質焼結体を得た。次に実施例１と同様の
高圧鋳造を行い、Ｓｉ₃ Ｎ₄多孔質焼結体に純Ａｌを含
浸させた。これにより図７（２）の（ii）のような異方
性Ｓｉ₃ Ｎ₄ ／Ａｌ複合材料を得た。Ａｌ相の体積率Ｖ
ｍは６０ vol％である。これは、成形時の押出圧力によ
って制御した。

【００４１】対比のため、上記基本粉末を金型プレス成
形した後、上記と同様に焼成および鋳造を行って、等方
性Ｓｉ₃ Ｎ₄ ／Ａｌ複合材料を作製した。ただし、成形
圧を３０００、１０００、２００、２０ｋｇｆ／ｃｍ²
と変化させることにより、Ａｌ相の体積率Ｖｍをそれぞ
れ３２、４５、６０、７０ vol％とした。図８に、上記
で作製した異方性Ｓｉ₃ Ｎ₄ ／Ａｌ複合材料と等方性Ｓ
ｉ₃ Ｎ₄／Ａｌ複合材料について熱伝導率λを測定した
結果を示す。

【００４２】図８に示したように、無機バインダーなし
で作製した場合、等方性Ｓｉ₃ Ｎ₄／Ａｌ複合材料（図
中の○）は、熱伝導率λがＡｌ相体積率Ｖｍに応じて純
Ａｌの値（λ＝２４６Ｗ／ｍＫ）からＳｉＣ多孔質焼結
体の値（λ≒７０Ｗ／ｍＫ）までの間で複合則近似曲線
上にある。そして、異方性Ｓｉ₃ Ｎ₄ ／Ａｌ複合材料
（図中の●）も、複合則近似曲線からはずれることな
く、等方性複合材料と同等の熱伝導率λとなっている。

【００４３】＜無機バインダーありの場合＞上記基本粉
末１００重量部に対して無機バインダーとしてＳｉＯ₂
バインダー（ＳｉＯ₂ 粒径＝８０ｎｍ）２重量部の割合
で添加した。これに、表２に示したように有機バインダ
ーと水を加えた配合にて作成した粘土を押出成形により
図７（２）の（ｉ）のようにハニカム状に成形した。こ
のＳｉ₃ Ｎ₄ 成形体を大気で１０００℃×１ｈ焼成して
Ｓｉ₃ Ｎ₄ 多孔質焼結体を得た。次に実施例１と同様の
高圧鋳造を行い、Ｓｉ₃ Ｎ₄ 多孔質焼結体に純Ａｌを含
浸させた。これにより図７（２）の（ii）のような異方
性Ｓｉ₃ Ｎ₄ ／Ａｌ複合材料を得た。Ａｌ相の体積率Ｖ
ｍは６０ vol％である。これは、成形時の押出圧力によ
って制御した。

【００４４】対比のため、上記基本粉末に上記と同様に
ＳｉＯ₂ バインダーを添加したものを金型プレス成形し
た後、上記と同様に焼成および鋳造を行って、等方性Ｓ
ｉ₃Ｎ₄ ／Ａｌ複合材料を作製した。Ａｌ相の体積率Ｖ
ｍは上記と同様に変化させた。図８に、上記で作製した
異方性Ｓｉ₃ Ｎ₄ ／Ａｌ複合材料と等方性Ｓｉ₃ Ｎ₄／
Ａｌ複合材料について熱伝導率λを測定した結果を示
す。

【００４５】図８に示したように、無機バインダーあり
で作製した場合、等方性Ｓｉ₃ Ｎ₄／Ａｌ複合材料（図
中の△）は、熱伝導率λがＡｌ相体積率Ｖｍに応じて純
Ａｌの値（λ＝２４６Ｗ／ｍＫ）からＳｉ₃ Ｎ₄ 多孔質
焼結体の値（λ≒７０Ｗ／ｍＫ）までの間で複合則近似
曲線上にある。これに対して、異方性Ｓｉ₃ Ｎ₄ ／Ａｌ
複合材料（図中の▲）は、複合則から予測される値より
も著しく高い熱伝導率λが得られている。

【００４６】このように、前記実施例３で示したように
熱伝導率λが比較的大きいＳｉＣについては無機バイン
ダーなしの場合に、複合材料の熱伝導率λに対する異方
性効果が顕著に認められたのに対して、実施例４で示し
たように熱伝導率λが比較的小さいＳｉ₃ Ｎ₄ について
は無機バインダーありの場合に複合材料の熱伝導率に対
して顕著な異方性効果が認められた。

【００４７】

【表１】

【００４８】

【表２】

【００４９】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
多孔質焼結体が溶湯含浸時の加圧で破壊しない強度と複
合材料全体の熱膨張を十分に抑制できる剛性とを備え、
放熱作用を十分に確保できる高熱伝導性セラミックス金
属複合材料が提供される。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は、本発明による高熱伝導性セラミックス
金属複合材料を放熱板として適用したインバータ回路の
構造例を模式的に示す断面図である。

【図２】図２は、第１発明により無機バインダーなしで
作製したＳｉＣ／Ａｌ合金等方性複合材料と無機バイン
ダーありの比較例について熱膨張率と熱伝導率とを対比
して示すグラフである。

【図３】図３（１）および（２）は、含浸金属を純Ａｌ
とした以外は図２の（ａ）比較例および（ｂ）本発明例
と同様に作製した複合材料について、ＳｉＣ粒子／Ｓｉ
Ｃ粒子界面およびＳｉ粒子／Ａｌ界面の微細構造を示す
（１）模式図および（２）透過電子顕微鏡写真である。

【図４】図４は、ＳｉＣ／Ａｌ複合材料の熱伝導性と強
度に及ぼすＳｉＣ粉末粒径の影響を示すグラフである。

【図５】図５は、図４中の熱伝導率の曲線に対して、成
形性、焼結性、熱伝導の各所要範囲を示したグラフであ
る。

【図６】図６は、焼結原料であるＳｉＣセラミックス粉
末の微粒粉配合量％と、ＳｉＣ／Ａｌ複合材料の熱伝導
率λ、プレス成形性、焼結性との関係を示すグラフであ
る。

【図７】図７（１）は異方性複合材料の立体構造の模式
図、図７（２）は（ｉ）異方性多孔質焼結体および（i
i）異方性複合材料の微細構造を示す写真である。

【図８】図８は、無機バインダーなしで作製した異方性
ＳｉＣ／Ａｌ複合材料と等方性ＳｉＣ／Ａｌ複合材料に
ついて、Ａｌ相の体積率と熱伝導率λとの関係を示すグ
ラフである。

【図９】図８は、無機バインダーなしおよび無機バイン
ダーありで作製した異方性Ｓｉ₃ Ｎ₄ ／Ａｌ複合材料と
等方性Ｓｉ₃ Ｎ₄ ／Ａｌ複合材料について、Ａｌ相の体
積率と熱伝導率λとの関係を示すグラフである。

【符号の説明】

１１…インバータ回路 １２…ＡｌＮセラミックス基板 １３…Ａｌ合金（ＡＣ４ＣＨ）製ヒートシンク １４…高熱伝導性セラミックス金属複合材料から成る放
熱板 １５…ハンダ

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 電子素子用のセラミックス基板と金属製
   ヒートシンクとの間に介在して両者に接合される熱膨張
   整合層としてのセラミックス金属複合材料であって、 該セラミックス基板と同等以上の熱伝導率を有する高熱
   伝導性セラミックスの粉末粒子が実質的に粒子間介在相
   なしに焼結されて成る多孔質焼結体であって、気孔が等
   方的に分布している多孔質焼結体、および該金属製ヒー
   トシンクと同等以上の熱伝導率を有する高熱伝導性金属
   から成り、該気孔を充填して等方的に分布する金属相、
   から成ることを特徴とする高熱伝導性セラミックス金属
   複合材料。
2. 【請求項２】 セラミックス部材と金属部材との間に介
   在して両者に接合される熱膨張整合層としてのセラミッ
   クス金属複合材料であって、 該セラミックス部材と同等以上の熱伝導率を有する高熱
   伝導性セラミックスの粉末が焼結されて成る多孔質焼結
   体であって、気孔が該セラミックス部材から該金属部材
   への熱伝達方向に配向している多孔質焼結体、および該
   金属部材と同等以上の熱伝導率を有する高熱伝導性金属
   から成り、該気孔を充填して該熱伝達方向に配向してい
   る金属相、から成ることを特徴とする高熱伝導性セラミ
   ックス金属複合材料。
3. 【請求項３】 該多孔質焼結体は、該高熱伝導性セラミ
   ックスの粉末粒子が実質的に粒子間介在相なしに焼結さ
   れて成ることを特徴とする請求項２記載の高熱伝導性セ
   ラミックス金属複合材料。
4. 【請求項４】 該多孔質焼結体は、該高熱伝導性セラミ
   ックスの粉末粒子が粒子間に無機バインダー由来の相を
   介在させて焼結されて成ることを特徴とする請求項２記
   載の高熱伝導性セラミックス金属複合材料。