JPH11157964A - 板状複合体とそれを用いた放熱部品 - Google Patents
板状複合体とそれを用いた放熱部品Info
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Abstract
つ熱膨張率がセラミックス基板に近く、加えて加熱され
た際に反りがない寸法安定性に優れた半導体回路基板用
途に好適な放熱部品用材料を提供する。 【解決手段】炭化珪素質多孔体にアルミニウムを主成分
とする金属を含浸してなる複合体であって、相対する主
面の炭化珪素量の差が3重量%以下であることを特徴と
し、好ましくは、25〜300℃に加熱した際の反り量
が1mm当たり5μm以下であることを特徴とする板状
複合体とそれを用いた放熱部品。
Description
れ、かつ軽量であり、セラミックス基板やICパッケー
ジなどの半導体部品のヒートシンクなどの放熱部品とし
て好適な高熱伝導性複合材料に関する。
等の種々の基板を用いた、半導体素子を搭載するための
回路基板が知られている。近年、回路基板の小型化、高
密度化、また半導体素子の高集積化が進むに従い、回路
基板の放熱特性の一層の向上が望まれ、ベレリア(Be
O)を添加した炭化珪素(SiC)、窒化アルミニウム
(AlN)、窒化珪素(Si3N4)等のセラミックス基
板が注目されている。
用基体等として用いる場合には、半導体素子からの発熱
を回路基板裏面等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、半導体素子の動作特
性等を確保している。
等を用いると、セラミックス基板とヒートシンクの熱膨
張率差に起因して、ヒートシンクとセラミックス基板と
の加熱接合時や、セラミックス回路基板製造時或いはそ
の実使用時の熱サイクルの付加等によりセラミックス基
板にクラックや割れ等が生じることがある。そこで、信
頼性が要求される分野にセラミックス基板を用いる場合
には、セラミックス基板と熱膨張率差の小さいMo、W
等をヒートシンクとして用いていた。
るMoやWに原因して重量が重く、放熱部品の軽量化が
望まれる用途には好ましくない。更に、MoやWを用い
たヒートシンクは高価であることから、近年、銅やアル
ミニウム(Al)或いはこれらの合金を無機質繊維また
は粒子で強化したMMC(Metal MatrixC
omposite)と略称される金属ーセラミックス複
合体(以下、複合体という)が注目されている。
機質繊維あるいは粒子を、あらかじめ成形することでプ
リフォームを形成し、そのプリフォームの繊維間あるい
は粒子間に基材(マトリックス)である金属或いは合金
を含浸(溶浸ともいう)させた複合体である。強化材と
しては、アルミナ、炭化珪素、窒化アルミニウム、窒化
珪素、シリカ、炭素等のセラミックスが用いられてい
る。
うとする場合、強化材並びに金属或いは合金として熱伝
導率の高い物質を選択する必要があること、強化材であ
るセラミックスとマトリックスである金属或いは合金の
濡れ性や界面の反応層等も熱伝導率に大きく寄与するこ
と、マトリックスと強化材の結合が不十分であると熱伝
導率以外に複合体の強度低下をもたらすという制限があ
る。
金属材料をヒートシンクに用いた場合、放熱部品の重量
が重くなると共に、放熱性に関しても必ずしも十分でな
いという問題があるし、比較的軽量で放熱性に優れるC
uやAl等をヒートシンクとして用いる場合にも、セラ
ミックス基板との熱膨張差が大きく、信頼性の高い構造
を得るためには、接合構造自体が非常に複雑になってし
まい、製造コストの増加や放熱部品としての熱抵抗の増
加等を招くといった問題があった。
セラミックス複合体が検討されているが、セラミックス
基板に近い熱膨張率を得ようとすると、熱膨張率の低い
強化材であるセラミックスの比率を上げる必要がある。
しかし、セラミックス成分の比率を上げるには、高い成
形圧でプリフォームを成形する必要があり、コストアッ
プに繋がると共に、その後の金属或いは合金の十分な含
浸が難しくなるという問題がある。このため、熱膨張率
がセラミックス基板に近く、高い熱伝導率を有する金属
−セラミックス複合体を安価に提供できる技術の開発が
課題となっている。
放熱部品として用いる場合、回路基板や放熱フィン等と
接合して用いるため、その接合部分の平滑度、言い換え
ると複合体の反りが非常に重要である。例えば、ヒート
シンクに適用させる場合、セラミックス基板等の回路基
板と半田等により接合するため、ヒートシンクに反りが
あると接合界面の厚さが不均一になり、使用時に接合部
(半田部分)より剥離等が起こるといった問題や、回路
基板に不均一な応力が発生し、回路基板におけるセラミ
ックス等の絶縁層の破壊といった問題が発生する。ま
た、室温で反りが小さく、回路基板との接合が可能な材
料であっても、使用下で加熱されて反りを発生する材料
の場合には、やはり、接合部からの剥離や回路基板の破
壊等の問題がある。
シンク等の放熱部品を介して、通常放熱フィン等に接合
して用いるが、その場合、ヒートシンクに反りがあると
放熱フィン等との接合が不十分となり、半導体素子等か
ら発生した熱を十分に放熱することができず、部品の故
障原因となる。
であって、高熱伝導性を有すると共に、比重が小さく、
且つ熱膨張率がセラミックス基板と同程度に小さく、加
えて加熱された際にも反りがない、寸法安定性に優れた
高熱伝導性複合体とそれを用いて放熱部品を安価に提供
することを目的とするものである。
を達成するため鋭意研究した結果、複合体中の炭化珪素
量を厳密に制御することにより、複合体の反りを防止で
きることを見出し、本発明を完成するに至ったのであ
る。
ミニウムを主成分とする金属を含浸してなる板状複合体
であって、相対する主面の炭化珪素量の差が3重量%以
下であることを特徴とする板状複合体である。
0℃に加熱した際の反り量が、当該反りが最大となる方
向の長さ1mmに対して、5μm以下であることを特徴
とする前記の板状複合体である。
の試験片(A)と直径1.5mm長さ10mmの試験片
(B)を長さ方向が板状複合体の主面と平行となるよう
にそれぞれ採取し、それぞれの熱膨張率を押棒式熱膨張
計にて測定したときに、試験片(A)と試験片(B)の
それぞれの見掛の熱膨張率の差が1×10-6K-1以下で
あることを特徴とする前記の板状複合体である。
いてなることを特徴とする放熱部品である。
張率は、通常、強化材であるセラミックスと基材である
金属の熱膨張率とそれらの配合比で決まる。セラミック
スの熱膨張率は金属の熱膨張率に比べかなり小さく、複
合体の熱膨張率を下げるには、セラミックスの比率を増
やすことが効果的である。一方、金属−セラミックス複
合体の熱伝導率も、基本的には、強化材であるセラミッ
クスと基材である金属の熱伝導率とそれらの配合比で決
まるが、熱伝導率に関しては、更に強化材と基材との界
面の結合状態も大きな寄与要因である。セラミックスと
金属では、一般に金属の方が熱伝導率が高いが、炭化珪
素(SiC)、窒化アルミニウム(AlN)、窒化硼素
(BN)等は、金属と同等以上(300W/(m・K)
以上)の理論熱伝導率を有し、熱伝導率向上の点から
は、強化材として非常に有望である。
た結果、炭化珪素粉の成形体或いは炭化珪素を主成分と
するセラミックス構造体等の炭化珪素質多孔体を用いる
ときに、高熱伝導率と低熱膨張率を兼ね備えた金属−セ
ラミックス複合体を製造するのに適していることを見い
だし、本発明に至ったものである。
るためには、強化材と金属との濡れ性の良いことが重要
であり、それらの組み合わせが重要である。また、金属
−セラミックス複合体は、一般に、強化材であるセラミ
ックスを所定形状に成形したプリフォームに、基材であ
る金属を高温高圧下で含浸させる高圧鋳造法で緻密体を
製造している。含浸する金属の融点が高いと、含浸時の
温度が高くなり、セラミックスが酸化されたり、セラミ
ックスと金属が反応して特性的に好ましくない化合物を
形成することがある。更に、基材である金属の融点が高
いと、含浸温度が高くなることにより、型材等の材質が
限定され高価になってしまうと共に、鋳造コスト自体も
増加し、得られる複合体が高価になってしまう。
々検討した結果、アルミニウムを主成分とする合金を用
いることにより、良好な複合体を製造できることを見い
だした。すなわち、本発明の複合体は、炭化珪素質多孔
体にアルミニウムを主成分とする金属を含浸してなるも
のである。
体の含有量は、50〜80体積%であることが好まし
く、更に好ましくは60〜70体積%である。炭化珪素
質多孔体の含有量が50体積%未満では、複合体の熱膨
張率が高くなり、本発明が目的とする信頼性の高い放熱
部品が得られないことがある。また、炭化珪素質多孔体
の含有量を高くすることは、複合体の高熱伝導率、低熱
膨張率といった点では有効であるが、嵩密度が80%を
越える多孔体を製造するには、プリフォーム製作過程に
おいて非常に高い成形圧力を必要とする等の問題があ
り、得られる複合体のコストが極端に高くなってしま
う。また、複合体中の炭化珪素質多孔体の含有量が80
体積%を越え極端に高くなりすぎると、強度、破壊靱性
等の機械的特性が低下するとともに高温での熱伝導率が
低下するという問題もある。
は、アルミニウムを主成分とする合金であり、好ましく
はシリコンを20重量%以下、又はマグネシウムを5重
量%以下含有する。合金中のアルミニウム以外の成分を
調整することにより、合金自体の熱伝導率や熱膨張率を
変えることができ、その結果得られる複合体の熱膨張率
や熱伝導率も調整できる。アルミニウムにシリコンやマ
グネシウムを添加し合金化することにより、合金の融点
低下や高温での溶融金属の粘性低下があり、高温鋳造法
等で緻密な複合体が得やすくなる。更に、アルミニウム
金属を合金化することにより、金属自体の硬度増加があ
り、その結果、得られる複合体の強度等の機械的特性が
向上する。合金中のアルミニウム、シリコン、マグネシ
ウム以外の金属成分に関しては、極端に合金の特性が変
化しない範囲であれば銅等も含有することができる。
対する主面の炭化珪素量の差が3重量%以下、好ましく
は、1重量%以下である。複合体の熱膨張率は、炭化珪
素と金属或いは合金の熱膨張率とその含有量により強く
支配されているが、このため、前記炭化珪素量の差が3
重量%を越えると、複合体の相対する主面の熱膨張率の
差が大きくなり、複合体に反りが発生し、ヒートシンク
等の放熱部品として用いる場合に、回路基板や放熱フィ
ン等と十分に接合することができなくなってしまうとい
う問題がある。また、板の厚さとしては、例えばヒート
シンクに用いる場合に2〜10mmである。
℃)から300℃に加熱した際の反り量が、当該反りが
最大となる方向の長さ1mmに対して、5μm以下、好
ましくは2μm以下である。一般に、ヒートシンク等の
放熱部品は、回路基板や放熱フィン等と接合して用いら
れるため、室温においては、顕著な反りがないものを用
いる。しかし、加熱時に反りが発生すると前述したよう
な回路基板の剥離や絶縁層の破壊といった問題が発生す
る。
の反り量が、当該反りが最大となる方向の長さ1mmに
対して、5μmを越えると、回路基板や放熱フィン等と
接合する際には、室温では接合状態が均一であっても、
実使用下においては、熱サイクル等が付加された場合、
回路基板の破壊や放熱特性の低下による半導体素子の故
障を引き起こす。
10mmの試験片(A)と直径1.5mm長さ10mm
の試験片(B)を、それぞれ長さ方向が板状複合体の主
面と平行となるように採取し、それぞれの熱膨張率を押
棒式熱膨張計にて測定したときに、試験片(A)と試験
片(B)のそれぞれの見掛の熱膨張率の差が1×10 -6
K-1以下、好ましくは0.5×10-6K-1以下である。
前記見掛の熱膨張率の差が1×10-6K-1を越える場
合、複合体の反りが大きく、放熱部品等として用いる場
合に問題を生じることがある。
(m・K)以上であり、室温の熱膨張率が1×10-5K
-1以下であることが好ましい。
m3程度と銅等の金属に比べ軽く、放熱部品等として用
いる場合、部品の軽量化に有効である。加えて、本発明
の炭化珪素質複合体は、曲げ強度が300MPa以上と
高く、放熱部品等として用いるに十分な機械的特性を有
している。
分な機械的特性を有し、しかもセラミックス基板と同程
度に小さな熱膨張率を有しており、セラミックス回路基
板用などのヒートシンクを初めとする放熱部品に用いて
好適である。また、本発明の複合体は、密度が3g/c
m3程度と軽量であり、移動用機器に用いる放熱部品と
して好適である。
膨張率が1×10-5K-1以下と低いので、ヒートシンク
等の放熱部品として用いるとき、従来の銅等を用いた場
合に比べてセラミックス基板との熱膨張率差が小さくな
り、セラミックス基板がその上に搭載される半導体素子
の作動時に発生する熱サイクル等によりクラックや割れ
等を発生する現象を防止できるので、高い信頼性が要求
される電気、自動車等の移動用機器に用いる放熱部品と
して好適である。そして、本発明の複合体を用いてなる
放熱部品は、温度変化があっても反りが非常に少ないの
で、回路基板や放熱フィンと十分に接合することがで
き、高い放熱特性を安定して有することができるという
効果を有する。
の方法があげられる。炭化珪素粉末に結合剤としてシリ
カゾルやアルミナゾル等を所定量添加混合し、所望の形
状に成形する。成形方法は、プレス成形、押し出し成
形、鋳込み成形等を用いることができ、必要に応じて保
形用バインダーを添加してもよい。また、炭化珪素粉末
に関しては、1種類の粉末を用いても、また、複数の粉
末を粒度配合して用いてもよい。次に、得られた成形体
を、大気中又は窒素等の雰囲気中、温度700〜160
0℃で仮焼して炭化珪素質多孔体を製造する。また、炭
化珪素粉末に結合材としてシリコン粉末を添加混合し
て、同様の方法で製造することもできる。更に、炭化珪
素質多孔体の他の製造方法に関しては、炭化珪素粉末や
シリコン粉末と炭素粉末の混合粉末を、不活性ガス雰囲
気中、温度1600〜2200℃で焼成して製造するこ
ともできる。
る割れ等を防止するために加熱し、融点以上の温度に加
熱したアルミニウムを主成分とする金属溶湯を高圧で含
浸させて炭化珪素質複合体とする。金属成分の含浸方法
に関しては、特に限定はなく、高圧鋳造法、ダイキャス
ト法等が利用できる。
化珪素量の分析方法に関しては、複合体を研削加工し
て、上面及び下面より板厚の1/3以下、しかも表面か
ら0.1〜0.5mmの部分を採取し、乳鉢等で粉砕し
て粉末状試料を得て、炭素分析計(LECO社製;IR
−412)で炭素量を測定し、この炭素量から炭化珪素
量を算出した。
説明する。
ランダム社製:NG−220、平均粒径:60μm)、
炭化珪素粉末b(屋久島電工社製:GC−500F、平
均粒径:30μm)及びシリカゾル(日産化学社製:ス
ノーテックス)を表1の組成で配合し、攪拌混合機で3
0分間混合した後、120mm×120mm×5mmの
形状に10MPaの圧力でプレスし成形体とした。得ら
れた成形体は、大気雰囲気中、温度1000℃で2時間
加熱して、炭化珪素質多孔体を作製した。得られた炭化
珪素質多孔体は、その寸法と質量より相対密度を算出し
た。得られた結果を表1に示す。
800℃に予備加熱し、予め加熱しておいた内径200
mmのプレス型内に載置した後、温度850℃に加熱し
た表1に示す金属の溶湯を鋳込み、100MPaの圧力
で2分間プレスして、炭化珪素質多孔体に合金を含浸さ
せた。得られた複合体を含む合金塊は、室温まで冷却し
たのち、ダイヤモンド加工治具で複合体を削り出した。
得られた複合体は、ダイヤモンド加工治具を用いて、熱
膨張率測定用試験体A(3mmφ×10mm)、試験体
B(1.5mmφ×10mm)、室温の熱伝導率測定用
試験体(10mmφ×3mm)、3点曲げ強さ評価用試
験体(3mm×4mm×40mm)、反り測定用試験体
(100mm×50mm×3mm)に研削加工した。ま
た、得られた複合体の相対する主面の上面より試験体C
(20mmφ×0.4mm)、下面より試験体D(20
mmφ×0.4mm)をそれぞれ研削加工して作製し
た。
式熱膨張計(セイコー電子社製;TMA300)により
室温(25℃)から250℃の熱膨張率、レーザーフラ
ッシュ法による室温の熱伝導率(真空理工社製;TC−
7000)及び曲げ試験機(島津製作所社製;オートグ
ラフ)による三点曲げ強さを測定した。得られた結果を
表2に示す。更に、試験体C、Dを乳鉢で粉砕し、炭素
分析計で炭素量を測定し、この炭素量から炭化珪素量を
算出した。尚、反り量に関しては、試験体を電気炉中に
設置し、温度25℃から300℃に加熱し、マクロメー
ターでその際の寸法変化を測定し、反り量を算出した。
得られた結果を表2に示す。
粉末bを含有量が45体積%なるように鉄製の金型に充
填して、プリフォーム作製しないことを除いて実施例1
と同じ手法で複合体を作製し、実施例1と同じ評価を行
った。この結果を表1に示した。
5g、炭化珪素粉末b75g、シリカゾルを固形分量で
6g及び純水50gを配合し、攪拌混合機で30分間混
合した後、120mm×120mm×5mmの形状の石
膏型に流し込み、温度40℃で24時間乾燥して成形体
を作製した。尚、比較例2では混合時間を30秒とし
た。得られた成形体は、大気雰囲気中、温度1000℃
で2時間加熱して、炭化珪素質多孔体とした。得られた
炭化珪素質多孔体は、20mmφ×5mmの形状に加工
して、その寸法と質量より相対密度を算出した。実施例
7の相対密度は68%であり、比較例2の相対密度は6
3%であった。
と同じ方法によりアルミニウム合金を含浸させて炭化珪
素質複合体を作製した。得られた複合体は、実施例1と
同じ評価を行った。得られた結果を表3に示す。
成形体を、1MPaの窒素加圧雰囲気中、温度1500
℃で3時間加熱して、炭化珪素質多孔体を作製した。ま
た、実施例9は、炭化珪素粉末b、シリコン粉末及び炭
素粉末を等モル配合し、実施例1と同じ方法で成形体を
作製し、アルゴン雰囲気中、温度2000℃で3時間加
熱処理して炭化珪素質多孔体を作製した。得られた炭化
珪素質多孔体は、実施例1と同じ方法によりアルミニウ
ム合金を含浸させて炭化珪素質複合体を作製した。得ら
れた複合体は、実施例1と同じ評価を行った。得られた
結果を表4に示す。尚、実施例8、9の炭化珪素質複合
体の一部を乳鉢で粉砕し、酸素/窒素同時分析計(LE
CO社製;TC−436)で酸素量を測定した結果、共
に0.3重量%以下であった。
で作製した複合体を研削加工して、90mm×90mm
×3mmの形状とし、無電解ニッケル(Ni)メッキ処
理を行い、複合体表面に10μm厚のメッキ層を形成し
た。メッキ処理した複合体表面に50μm厚のハンダペ
ーストをスクリーン印刷し、実施例10ではその上に市
販の窒化アルミニウム基板を、実施例11では市販の窒
化珪素基板をそれぞれ搭載し、温度300℃のリフロー
炉で5分間加熱処理して、複合体とセラミックス基板と
を接合させた。尚、比較例3では、銅板を用いて実施例
10と同じ手法で、窒化アルミニウム基板を接合した。
た複合体を用いて、−40℃〜150℃の温度幅で30
00回のヒートサイクル試験を行った。比較例3では、
ヒートサイクル30回で、セラミックス基板の回路間に
クラックが発生した。これに対して、実施例10及び実
施例11では、3000回のヒートサイクル試験後も、
セラミックス基板の回路間のクラック発生や回路の剥離
は認められなかった。
素質多孔体の含有量及びその分布状態を調整され、その
結果、熱伝導率が高く、熱膨張率がセラミックス基板と
同程度に小さく、しかも、温度変化を受けても反りが非
常に小さいという特徴を有するので、半導体搭載用セラ
ミックス基板と接合して用いるヒートシンクを初めとす
る放熱部品に好適である。更に、本発明の放熱部品は、
前記特徴に加え、高強度で、しかも軽量であることか
ら、電気、自動車等の移動機器等に好適な放熱部品とし
て好適である。
Claims (4)
- 【請求項1】 炭化珪素質多孔体にアルミニウムを主成
分とする金属を含浸してなる板状複合体であって、相対
する主面の炭化珪素量の差が3重量%以下であることを
特徴とする板状複合体。 - 【請求項2】室温(25℃)から300℃に加熱した際
の反り量が、当該反りが最大となる方向の長さ1mmに
対して、5μm以下であることを特徴とする請求項1記
載の板状複合体。 - 【請求項3】 直径3mm長さ10mmの試験片(A)
と直径1.5mm長さ10mmの試験片(B)を長さ方
向が板状複合体の主面と平行となるようにそれぞれ採取
し、それぞれの熱膨張率を押棒式熱膨張計にて測定した
ときに、試験片(A)と試験片(B)のそれぞれの見掛
の熱膨張率の差が1×10-6K-1以下であることを特徴
とする請求項1記載の板状複合体。 - 【請求項4】 請求項1、請求項2又は請求項3記載の
板状複合体を用いてなることを特徴とする放熱部品。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP9324216A JPH11157964A (ja) | 1997-11-26 | 1997-11-26 | 板状複合体とそれを用いた放熱部品 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP9324216A JPH11157964A (ja) | 1997-11-26 | 1997-11-26 | 板状複合体とそれを用いた放熱部品 |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH11157964A true JPH11157964A (ja) | 1999-06-15 |
Family
ID=18163348
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP9324216A Pending JPH11157964A (ja) | 1997-11-26 | 1997-11-26 | 板状複合体とそれを用いた放熱部品 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JPH11157964A (ja) |
Cited By (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2000281468A (ja) * | 1998-11-12 | 2000-10-10 | Denki Kagaku Kogyo Kk | 炭化珪素質複合体及びその製造方法とそれを用いた放熱部品 |
JP2003064428A (ja) * | 2001-08-27 | 2003-03-05 | Taiheiyo Cement Corp | 金属−セラミックス複合部材 |
JP2009149455A (ja) * | 2007-12-19 | 2009-07-09 | Denki Kagaku Kogyo Kk | アルミニウム−セラミックス複合体及びその製造方法 |
JP2012077323A (ja) * | 2010-09-30 | 2012-04-19 | Taiheiyo Cement Corp | アルミニウム−炭化珪素質複合体及び伝熱部材 |
-
1997
- 1997-11-26 JP JP9324216A patent/JPH11157964A/ja active Pending
Cited By (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2000281468A (ja) * | 1998-11-12 | 2000-10-10 | Denki Kagaku Kogyo Kk | 炭化珪素質複合体及びその製造方法とそれを用いた放熱部品 |
JP2003064428A (ja) * | 2001-08-27 | 2003-03-05 | Taiheiyo Cement Corp | 金属−セラミックス複合部材 |
JP4559670B2 (ja) * | 2001-08-27 | 2010-10-13 | 太平洋セメント株式会社 | 金属−セラミックス複合部材 |
JP2009149455A (ja) * | 2007-12-19 | 2009-07-09 | Denki Kagaku Kogyo Kk | アルミニウム−セラミックス複合体及びその製造方法 |
JP2012077323A (ja) * | 2010-09-30 | 2012-04-19 | Taiheiyo Cement Corp | アルミニウム−炭化珪素質複合体及び伝熱部材 |
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