JP2000160267A

JP2000160267A - 炭化珪素系複合材料およびその製造方法

Info

Publication number: JP2000160267A
Application number: JP17680799A
Authority: JP
Inventors: Chihiro Kawai; 千尋河合; Shinichi Yamagata; 伸一山形; Akira Fukui; 彰福井; Yoshinobu Takeda; 義信武田
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 1998-09-14
Filing date: 1999-06-23
Publication date: 2000-06-13
Anticipated expiration: 2019-06-23
Also published as: JP4253932B2

Abstract

(57)【要約】【課題】放熱基板、特に半導体装置に有用な高い熱伝
導率のＡｌ−ＳｉＣ系またはＣｕ−ＳｉＣ系の炭化珪素
系複合材料を提供する。【解決手段】アルミニウムまたは銅を主成分とする金
属を第一成分とし、炭化珪素を主成分とする粒子を第二
成分とする炭化珪素系複合材料であって、それを構成す
る炭化珪素粒子が高純度かつ低欠陥である炭化珪素系複
合材料である。この材料は、第一成分と、第二成分とを
含む原料粉末を含む成形体を第一成分の融点以上の温度
で加熱した後、加圧下で鍛造し固化することによって得
られる。特にこの炭化珪素原料粉末に予備処理等で高純
度に調製されたものを用いたり、またこの鍛造した後の
素材または溶浸法等の従来の製法で得られた素材を、さ
らに第一成分の融点未満の温度で加熱することによっ
て、同素材以上に優れた熱伝導性のものが得られる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、各種装置・機器に
用いられる放熱基板、特に半導体装置の放熱基板に用い
られる高い熱伝導性を有する炭化珪素系複合材料および
それを用いた半導体装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年半導体装置の高速演算・高集積化に
対する市場の要求は急速に高まりつつある。それととも
に、同装置の半導体素子搭載用放熱基板には、同素子か
ら発生する熱をより一層効率良く逃がすため、その熱伝
導率のより一層の向上が求められてきた。さらに同素子
ならびに同基板に隣接配置された同装置内の他の部材
(周辺部材)との間の熱歪みをより一層小さくするため
に、より一層それらに近い熱膨張係数を有するものであ
ることも求められてきた。具体的には、半導体素子と
して通常用いられるＳｉ、ＧａＡｓの熱膨張係数がそれ
ぞれ４．２×１０^-6／℃、６．５×１０^-6／℃であり、
半導体装置の外囲器材として通常用いられるアルミナセ
ラミックスのそれが６．５×１０^-6／℃程度であること
から、同基板の熱膨張係数はこれらの値に近いことが望
まれる。

【０００３】また近年のエレクトロニクス機器の応用範
囲の著しい拡張にともない、半導体装置の使用範囲はよ
り一層多様化しつつある。その中で、高出力の交流変換
機器・周波数変換機器等のいわゆる半導体パワーデバイ
ス機器への利用が増えつつある。これらのデバイスで
は、半導体素子からの発熱が半導体メモリーやマイクロ
プロセッサーに比べ数倍から数十倍(通常例えば数十Ｗ)
にも及ぶ。このためこれらの機器に使われる放熱基板
は、その熱伝導率を格段に向上させるとともに、その熱
膨張係数の周辺部材のそれとの整合性を高めることが重
要である。したがってその基本構造も、通常は例えば以
下のようになっている。まずＳｉ半導体素子を第一の放
熱基板である高熱伝導性の窒化アルミニウム(以下単に
ＡｌＮとも言う)セラミック基板上に載せる。次いでそ
の第一の放熱基板の下に銅等のより高熱伝導性の金属か
らなる第二の放熱基板を配置する。さらにこの第二の基
板の下に、これを水冷または空冷可能な放熱機構を配置
する。以上のような構造によって外部に遅滞なく熱を逃
がす。したがって複雑な放熱構造とならざるを得ない。
この構造においては、第一の放熱基板であるＡｌＮセラ
ミックスに１７０Ｗ／ｍ・Ｋ程度のものを用いるとする
と、第二の放熱基板は、この第一の基板から伝達された
熱をその下の放熱機構に遅滞なく逃がす必要がある。こ
のため第二の基板としては、室温で少なくとも２００Ｗ
／ｍ・Ｋ以上の高い熱伝導率と第一の基板との熱膨張係
数の整合のため、１０×１０^-6／℃以下、特に８×１０
^-6／℃以下の低い熱膨張係数を有するものが要求され
る。

【０００４】特にパワーデバイスの内でも実用時の発熱
量の大きなものでは、放熱基板自体の温度も１００℃以
上に昇温することがあるため、このような温度での高い
熱伝導率を要求される場合もある。したがって、このよ
うな温度下でも１５０Ｗ／ｍ・Ｋ以上の熱伝導率のもの
が要求される。またその容量が大きくなればなるほどＳ
ｉ半導体素子のサイズも大きくなる。それ故それを搭載
する放熱基板も大きくせざるを得ない。例えばパソコン
用の基板が高々２０〜４０ｍｍ角程度のであるのに対
し、容量の大きなパワーデバイスでは、２００ｍｍ角を
越えるものも求められつつある。このような大きな基板
では、実装時のその寸法精度のみならず高温でその精度
の低下しないことが要求されている。すなわち高温で基
板に反りや変形が生じると、上記した基板の下に配置さ
れる放熱機構(ラジエターやフィン等)との界面に隙間が
でき放熱効率が落ちる。また最悪の場合半導体素子が破
壊する場合もある。それ故高温での放熱基板の優れた熱
伝導性の確保は、重要な課題である。

【０００５】またこのような基板には、従来より例えば
Ｃｕ−Ｗ系やＣｕ−Ｍｏ系の複合合金からなるものが用
いられてきた。これらの基板は、原料が高価なためにコ
スト高となるとともに重量が大きくなるという問題があ
った。そこで、最近は安価で軽量な材料として各種のア
ルミニウム(以下単にＡｌとも言う)複合合金が注目され
るようになってきた。中でもＡｌと炭化珪素(以下単に
ＳｉＣとも言う)を主成分とするＡｌ−ＳｉＣ系複合合
金は、それらの原料が比較的安価であり、軽量かつ高熱
伝導性である。なお通常市販されている純粋なＡｌ、Ｓ
ｉＣ単体の密度は、それぞれ２．７ｇ／ｃｍ³程度、
３．２ｇ／ｃｍ³程度、熱伝導率は、それぞれ２４０Ｗ
／ｍ・Ｋ程度、２００〜３００Ｗ／ｍ・Ｋ程度までであ
るが、さらにその純度や欠陥濃度を調整すれば、その熱
伝導率のレベルはさらに向上するものと思われる。その
ため、特に注目されている材料である。また純粋なＳｉ
Ｃ単体、Ａｌ単体の熱膨張係数はそれぞれ４．２×１０
^-6／℃程度、２４×１０^-6／℃程度であり、それらを複
合化することによって、その熱膨張係数が広い範囲で制
御可能となる。したがってこの点でも有利である。

【０００６】かかるＡｌ−ＳｉＣ系複合合金およびその
製造方法については、(１)特開平１−５０１４８９号公
報、(２)特開平２−３４３７２９号公報、(３)特開昭６
１−２２２６６８号公報および(４)特開平９−１５７７
７３号公報に開示されている。(１)は、ＳｉＣとＡｌの
混合物中のＡｌを溶融させて鋳造法によって固化する方
法に関するものである。(２)、(３)は、いずれもＳｉＣ
多孔体の空隙にＡｌを溶浸する方法に関するものであ
る。この内(３)は、加圧下でＡｌを溶浸する、いわゆる
加圧溶浸法に関するものである。また(４)は、ＳｉＣと
Ａｌの混合粉末の成形体かまたはそれをホットプレスし
たものを型内に配置し、これを真空中、Ａｌの融点以上
の温度で液相焼結する方法に関するものである。

【０００７】また特開平１０−３３５５３８号には、
(５)液相焼結法によって得られ、その熱伝導率が１８０
Ｗ／ｍ・Ｋ以上のアルミニウム−炭化珪素系複合材料が
提示されている。この複合材料は、例えば１０〜７０重
量％の粒子状ＳｉＣ粉末とＡｌ粉末との混合粉末を成形
した後、９９体積％の窒素を含み、酸素濃度が２００ｐ
ｐｍ以下、露点が−２０℃以下の非酸化性雰囲気中、６
００〜７５０℃で焼結する工程によって得られる。ま
た特開平１０−２８００８２号には、(６)その熱膨張係
数が１８×１０^-6／℃以下、その熱伝導率が２３０Ｗ／
ｍ・Ｋ以上であり、焼結後の寸法が実用寸法に近い、い
わゆるネットシェイプなアルミニウム−炭化珪素系複合
材料が提示されている。本発明者等は、特願平１１−２
８９４０号にて、(７)常圧焼結法とＨＩＰ法とを組み合
わせた同複合材料の製造方法を提案している。それによ
れば、例えば粒子状ＳｉＣを１０〜７０重量％混合した
Ａｌ−ＳｉＣ系混合粉末の成形体を、窒素ガスを９９％
以上含む非酸化性雰囲気中、６００℃以上、Ａｌの溶融
温度以下の温度範囲で常圧焼結し、その後金属容器に封
入して７００℃以上の温度でＨＩＰすることによって、
均質でその熱伝導率が２００Ｗ／ｍ・Ｋ以上のアルミニ
ウム−炭化珪素系複合材料が得られている。

【０００８】さらに(８)特開平９−１５７７７３号公報
には、Ａｌ粉末とＳｉＣ粉末との混合物をホットプレス
し、成形と焼結とを同時に行う方法が開示されている。
その方法は、Ａｌ１０〜８０体積％、残部ＳｉＣの混合
粉末を成形し、Ａｌの溶融点以上の温度下５００ｋｇ／
ｃｍ²以上の圧力でホットプレスするものである。この
方法によって１５０〜２８０Ｗ／ｍ・Ｋの熱伝導率のア
ルミニウム−炭化珪素系複合材料が得られている。

【０００９】また主成分金属をアルミニウムから銅に置
き換えた銅−炭化珪素系の複合材料については、その文
献は少ないが、本発明者等の探索知見によれば、この複
合材料は、アルミニウムを銅(以下単にＣｕとも言う)に
置き換えれば、以上述べた製造方法とほぼ同様の方法に
よって得られる。なお純粋なＣｕ単体の密度は８．９ｇ
／ｃｍ³程度、その熱伝導率は３９５Ｗ／ｍ・Ｋ程度、
その熱膨張係数は１７×１０^-6／℃程度である。したが
って、アルミニウム系のものに比べ得られる複合材料の
密度は大きくなるので、軽量化による効果は小さい。そ
の一方で銅はその熱伝導率がアルミニウムのそれに比べ
約６０％大きく、またその熱膨張係数がアルミニウムの
それに比べ約４０％小さい。このためアルミニウム系の
ものに比べ高い熱伝導率で低い熱膨張係数が必要な基板
材料の製造には有利な材料である。なお銅はアルミニウ
ムに比べ溶融温度がかなり高く重量も嵩むので、アルミ
ニウム系に比べ製造コスト面でいくぶん不利である。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】以上述べたような複合
材料を大きな放熱量を要求される基板、特に半導体パワ
ーデバイス用の基板のように実用サイズが比較的大きく
放熱量の多い放熱基板として使用するためには、以下に
述べる解決すべきいくつかの課題が残っている。とりわ
け同基板の周辺部材が熱膨張係数の比較的小さいもので
ある場合には、これら部材とのその整合性も配慮する必
要がある。その一方で従来以上に高い熱伝導率のものが
要求される。例えば半導体パワーデバイス用の基板の熱
伝導率のレベルは、今後は２８０Ｗ／ｍ・Ｋを越える高
いものが要求されるものと考えられる。しかしながら、
上述した従来の方法で得られる炭化珪素系複合材料で
は、その熱伝導率が高々２６０Ｗ／ｍ・Ｋ程度であり、
またそのレベルはいずれもＳｉＣ量の増加とともに低下
する。したがって熱膨張係数の低い基板には利用でき
ないこともある。

【００１１】例えば上記(８)の特開平９−１５７７７３
号公報に記載のＡｌ−ＳｉＣ系のものでは、その熱膨張
係数を１０×１０^-6／℃以下にしようとすると、そのＳ
ｉＣ量を８０体積％以上にしなければならない。その結
果１５７Ｗ／ｍ・Ｋ以下の熱伝導率のものしか得られな
い。また上記(５)特開平１０−３３５５３８号公報に記
載のＡｌ−ＳｉＣ系のものでは、同じ熱膨張係数のもの
を得ようとすると、そのＳｉＣ量を６０体積％以上にし
なければならない。その結果２００Ｗ／ｍ・Ｋ程度の熱
伝導率のものしか得られない。また常圧焼結法とＨＩＰ
法を組み合わせた(７)の方法で作製されたものでも、同
じ熱膨張係数のものを得ようとすると、そのＳｉＣ量を
６０重量％以上にしなければならない。したがって２０
０Ｗ／ｍ・Ｋ程度以下の熱伝導率のものしか得られな
い。

【００１２】また上記(１)に記載のＡｌ−ＳｉＣ系複合
材料の製造方法では、Ａｌ溶湯を鋳型に流し込み、Ｓｉ
Ｃ粒子を分散させて固化する鋳造法を用いる。したがっ
てＡｌとＳｉＣの密度差により冷却時に成形体中のＳｉ
Ｃ粒子の偏析が生じ、固化体の組成が不均一になり易
い。このため固化体の表面がＡｌまたはＡｌ合金からな
る被覆層(以下この層をＡｌ被覆層とも言う)により覆わ
れるのは避けられない。通常この被覆層の厚みは、固化
体の表面の部所によってかなりばらつく。さらにこの被
覆層からなる固化体の表面部とその内部との間では熱膨
張係数にかなり差があるため、両者の界面に熱が伝わる
とそこに熱応力が生じることになる。それ故この被覆
層を残してこの素材を半導体素子搭載用の放熱基板に用
いると、発生した熱応力によって基板に反りや変形が生
じ、その結果半導体素子や周辺部材と基板との間に亀裂
が生じたり、半導体素子や周辺部材が変形したり、破壊
したりする。したがって、この被覆層は予め完全に除去
する必要がある。しかもこの除去は、上記のように被覆
層の厚みにばらつきがあるため、軟質延性のＡｌを主成
分とする相と剛性の高いＳｉＣを含む相とが共存す部分
の加工となる。したがって難加工となる。

【００１３】上記(２)および(３)のＡｌ−ＳｉＣ系複合
材料の製造方法では、ＡｌがＳｉＣ多孔体の空隙に溶浸
される。この場合鉄鋼の鋳造時に発生するような溶融Ａ
ｌの引け巣を防ぎ、またＳｉＣの空隙内にＡｌを完全に
充填して緻密な複合合金を得る必要がある。このため通
常ＳｉＣ多孔体の外周に過剰なＡｌが溶浸剤として配置
される。溶浸後この過剰なＡｌが溶浸体の外周に溶出固
着し、その除去に多大の手間がかかる。また予めＡｌと
ＳｉＣを主成分とする混合粉末を成形し、焼結する上記
(５)に記載された方法でもＡｌの融点を越える温度で焼
結すると、軽度ではあるがこれと同じ現象が生じる。

【００１４】そこでこのような外周へのＡｌの溶出固着
を防止するために、上記(６)に記載されたように、Ａｌ
を溶浸する前にＳｉＣ多孔体の外周にその溶出防止剤と
同溶浸を促す溶浸促進剤との混合物からなる薄い層を塗
布・形成することも一策ではある。しかしながらこれら
の層の塗布および溶浸後の除去には手間がかかる。

【００１５】また上記(３)の加圧溶浸法では、一軸加圧
可能な型内にＳｉＣ多孔体を配置し、その上部にＡｌま
たはＡｌ合金を置いて、真空中でＡｌを溶融させつつこ
れを外部から一軸加圧してＳｉＣ多孔体内に強制的に充
填する工程を踏む。この場合最終的に溶浸体は温度勾配
をつけて下部から徐々に冷却する。この時溶浸体内部の
ＳｉＣ骨格部とＡｌによって充填された部分の熱膨張係
数の差が大きいために、冷却時にＡｌが溶浸体内に引け
てＡｌが未溶浸の部分(上述の引け巣に相当する)ができ
易い。したがって、冷却時の温度勾配と加圧・加熱のプ
ログラムとを同時に精度良く制御できる複雑な制御機構
が必要になる。したがってその装置はかなり高価なもの
となる。

【００１６】さらに上記(４)に記載された型内ホットプ
レスによる方法では、以下に述べるような生産上・品質
上の問題がある。例えばホットプレス装置に連続式のも
のを用いると、真空雰囲気にするとともにその温度をＡ
ｌの溶融点以上に上げるため、型の外への溶融物の流出
を抑える必要がある。したがって成分量のばらつきを抑
え目的とする均一組成のものを得ようとすると、非常に
高価な製造装置が必要となる。一方同装置をバッチ式に
する場合には、溶融物の型外への流出は、連続式のもの
に比べいくぶん抑えることはできる。しかしその一方で
成形体の型への装填、所定の温度プログラムでの保持と
冷却の一連の工程を断続的に繰り返すことになるため、
この方式は生産性に欠ける。

【００１７】以上詳述したように、従来のＡｌ−ＳｉＣ
系の複合材料の製造には品質上・生産上のいくつかの課
題をかかえている。したがってＡｌ−ＳｉＣ系の複合材
料は、特に半導体パワーモジュールのような高い放熱性
を要求される基板の一つとして、その性能面で最近有望
視されているにもかかわらず、従来から行われてきた鋳
造法、溶浸法、焼結法、ホットプレス法やそれらを組み
合わせたいずれの方法でも、満足のゆく本来の性能レベ
ルのものは得られていない。その理由の一つとして以下
のことが考えられる。すなわちＡｌとＳｉＣの間の濡れ
性を改善してＡｌ融液のＳｉＣ粒子間への自発的な浸透
を促したり、空孔の発生を抑えるためにＡｌ中にＳｉ等
の従成分を添加したり、またはこれらの従成分を不純物
として含むＡｌを用いたりする場合が多々あった。この
ためこれらの従成分の介在によって複合材料の熱伝導率
の低下は避けられなかった。特にＳｉＣ自体がＡｌに匹
敵するか、またはそれを凌ぐ高い熱伝導率を有しなが
ら、従来のＡｌ−ＳｉＣ系の複合材料では、その量の多
い組成域での熱伝導性が低い。

【００１８】一般に物質の熱伝導率は、以下の式に示さ
れるように物質の密度、比熱、熱拡散率の関数である。熱伝導率＝密度×比熱×熱拡散率式(１) ここで複合材料の場合、比熱はその成分組成比率によっ
て決まる。したがって、組成が同じであれば、その熱伝
導率向上のためにはその密度と熱拡散率を上げることが
必要である。上記した従来のＡｌ−ＳｉＣ系の複合材料
では、その密度が９９％以上のものでもその熱伝導率が
２００Ｗ／ｍ・Ｋ程度あり、熱伝導率向上のためには、
特に熱拡散率を向上させる必要がある。

【００１９】Ａｌ−ＳｉＣ系の複合材料では、その熱拡
散率はＡｌとＳｉＣのそれぞれの熱拡散率および両相界
面の密着状態によって決まるものと考えられる。両相界
面の密着の程度は、基本的に密度が高ければ高いほど向
上する。それ故Ａｌ−ＳｉＣ系の複合材料の熱拡散率を
増加させる最重要ポイントは、両成分相の熱拡散率、特
にＳｉＣ相のそれを増加させることであると考えられ
る。

【００２０】

【課題を解決するための手段】したがって、本発明の目
的は、以上述べた従来の炭化珪素系複合材料の品質上・
生産上の課題を克服するため、従来になく熱伝導性に優
れたアルミニウム−炭化珪素系ならびに銅−炭化珪素系
の複合材料およびその安価な製造方法を提供することで
ある。本発明者等は、上記した従来の課題を解決する
ために、特にＳｉＣ量の多い組成域での熱伝導性の向上
を重点に置いて検討を重ねてきた結果、本発明に至っ
た。

【００２１】すなわち本発明で提供される炭化珪素系複
合材料は、アルミニウムまたは銅を主成分とする金属を
第一成分とし、炭化珪素を主成分とする粒子を第二成分
とする炭化珪素系複合材料であって、同複合材料を構
成する炭化珪素粒子が高純度かつ低欠陥である炭化珪素
系複合材料である。なお好ましくは、炭化珪素粒子内の
鉄元素およびアルミニウム元素の含有量が、いずれも
０．０１重量以下のものであり、さらには同含有量がい
ずれも０．００５重量％以下のものである。

【００２２】また第一成分がアルミニウムを主成分とす
る金属である場合、その炭化珪素粒子の含有量および熱
伝導率をそれぞれｘ重量％、ｙW／ｍ・Ｋとした時、ｘ
とｙとが以下の関係にあるものである。ｙ≧０．２８６ｘ＋１７３( ただし１０≦ｘ≦８０) 式(２) また以下の関係にあるものもある。２．４１０ｘ＋２２６≧ｙ≧０．２８６ｘ＋１８０( ただし１０≦ｘ≦８０) 式(３) さらには以下の関係のものもある。２．４１０ｘ＋２２６≧ｙ≧０．２５０ｘ＋２７０( ただし２０≦ｘ≦８０) 式(４) および２．４１０ｘ＋２２６≧ｙ≧３００( ただし３０≦ｘ≦８０) 式(５) またこれらの複合材料の内でも特に第一成分であるアル
ミニウムまたはアルミニウム合金中のアルミニウムの格
子定数が４．０５３Å(オングストローム)以下であるも
のも本発明の炭化珪素系複合材料に含まれる。

【００２３】また第一成分が銅を主成分とする金属であ
る場合、その炭化珪素粒子の含有量および熱伝導率をそ
れぞれｘ重量％、ｙW／ｍ・Ｋとした時、ｘとｙとが以
下の関係にあるものである。ｙ≧−０．５０ｘ＋２４５( ただし１０≦ｘ≦８０) 式(６) また以下の関係のものもある。０．３３３ｘ＋３９３≧ｙ≧−０．５ｘ＋２５０( ただし２０≦ｘ≦８０) 式(７) さらには以下の関係のものもある。０．３３３ｘ＋３９３≧ｙ≧−１．３３３ｘ＋４１７(ただし２０≦ｘ≦８０) 式(８) および０．３３３ｘ＋３９３≧ｙ≧−１．１ｘ＋４１８( ただし２０≦ｘ≦８０) 式(９)

【００２４】また以上述べたアルミニウムまたは銅を含
むいずれの複合材料においても、特に炭化珪素粒子が、
６Ｈ型の結晶構造の炭化珪素粒子を含む材料もある。

【００２５】なお本発明には、上記した各複合材料を
(部材として)用いたパワーモジュール等の各種半導体装
置も含まれる。

【００２６】本発明で提供される炭化珪素系複合材料の
第一の製造方法は、アルミニウムまたは銅を主成分とす
る金属からなる第一成分と、炭化珪素を主成分とする第
二成分とを含む原料を準備する工程と、同第一成分と第
二成分とを含む原料を、炭化珪素の量が１０〜８０重量
％となるように混合して混合物とする工程と、同混合物
を成形し成形体とする工程と、同成形体をアルミニウム
または銅を主成分とする金属の融点以上の温度で加熱し
た後、同成形体を加圧下で鍛造し鍛造体とする工程とを
含む製造方法である。

【００２７】本発明で提供される炭化珪素系複合材料の
第二の製造方法は、アルミニウムまたは銅を主成分とす
る金属からなる第一成分と、炭化珪素を主成分とする第
二成分とを含む原料を準備する工程と、同原料を用い
て、加圧下で鍛造することなく、溶浸法、焼結法、ホッ
トプレス法または鋳造法によって炭化珪素を１０〜８０
重量％含む炭化珪素系複合材料素材を得る工程とを含む
製造方法である。

【００２８】なおここで本発明の炭化珪素系複合材料の
第二の製造方法で言う焼結法、溶浸法、ホットプレス法
および鋳造法について定義する。まず焼結法とは、当初
から炭化珪素を主成分とする第二成分（以下単に第二成
分とも言う）と、アルミニウムまたは銅を主成分とする
金属からなる第一成分（以下単に第一成分とも言う）を
最終組成で混合し、これを第一成分の融点以上の温度下
で焼結する方法である。また溶浸法とは、第二成分の粉
末成形体を焼成して多孔体とし、この多孔体の空孔内に
第一成分を溶浸して、最終組成の複合材料にする方法で
ある。なお予配合溶浸法と称する方法もあるが、これは
当初第二成分に、最終含有量に満たない量の第一成分を
予め混合(予配合)しておき、この粉末成形体を焼成して
多孔体とし、この多孔体の空孔内に第一成分を不足分だ
け溶浸して、最終組成の複合材料にする方法である。し
かしこの方法は、本発明では溶浸法に含めることとす
る。また前述の加圧溶浸法もこの溶浸法に含めることと
する。またホットプレス法とは、一旦上記焼結法・溶浸
法で作製された素材もしくは焼結前の成形体を機械的に
熱間で加圧して、さらに緻密化する方法である。また鋳
造法とは、予め第一成分と第二成分の混合物を調製し、
第一成分を溶融した状態で型に鋳込むか、または第一成
分の溶湯を型に注入し、この溶湯中に第二成分を必要量
分散した後、これを冷却して複合材料にする方法であ
る。

【００２９】さらに本発明で提供される製造方法には、
上記第一・第二の方法の原料を準備する工程において、
酸素量が１重量％以下、鉄を含む成分の量が鉄元素に換
算して０．０１重量％以下、アルミニウムを含む成分の
量がアルミニウム元素に換算して０．０１重量％以下の
純度の高い炭化珪素粉末を用いる製造方法が含まれる。
さらに酸素量が０．１重量％以下、鉄を含む成分の量が
鉄元素に換算して０．００５重量％以下、アルミニウム
を含む成分の量がアルミニウム元素に換算して０．００
５重量％以下のより純度の高い炭化珪素粉末を用いるの
が望ましい。またこのような酸素や鉄を含む不純物の量
の少ない炭化珪素粉末を調製する方法として、出発原料
である市販の炭化珪素粉末を予め不活性ガス雰囲気中、
１６００〜２４００℃の温度範囲で加熱する予備加熱処
理の工程を含む方法もある。さらに市販の炭化珪素粉末
を予めフッ酸、硝酸、塩酸の少なくとも１種を含む酸性
の水溶液に浸漬する予備酸処理の工程を含む方法もあ
る。またこの予備酸処理および予備加熱処理を併用する
方法もある。その場合、予備酸処理後、予備加熱処理を
行う。なお以上のような予備加熱処理や予備酸処理に供
する炭化珪素粉末は、６Ｈ型もしくは４Ｈ型の結晶構造
のものが好ましい。特に６Ｈ型の結晶構造のものが望ま
しい。

【００３０】また本発明で提供される炭化珪素系複合材
料の第一の製造方法の鍛造体とする工程においては、そ
の鍛造条件として、まず圧力を１ｔｏｎ／ｃｍ²以上、
さらには５ｔｏｎ／ｃｍ²以上とするのが望ましい。ま
た鍛造は熱間で行われるのが望ましく、この場合の加熱
時間は、１５分以内、さらには１分以内の短時間とする
のが望ましい。

【００３１】さらに本発明で提供される製造方法には、
上記第一の方法で得た鍛造体または上記第二の方法で得
られた複合材料素材を、さらにアルミニウムまたは銅を
主成分とする金属の融点Ｔｍ未満の温度Ｔｈで加熱する
熱処理工程を含む製造方法もある。この場合の熱処理温
度Ｔｈは、Ｔｈ＞Ｔｍ−１００の関係を満たすのが望ま
しい。

【００３２】

【発明の実施の形態】本発明によって提供される炭化珪
素系複合材料には、大別するとアルミニウムを主成分と
する金属からなる第一成分と炭化珪素を主成分とする第
二成分とを含む複合材料（以下Ａｌ−ＳｉＣ系複合材料
または単にＡｌ−ＳｉＣ系とも言う）と、銅を主成分と
する金属からなる第一成分と炭化珪素を主成分とする第
二成分とを含む複合材料（以下Ｃｕ−ＳｉＣ系複合材料
または単にＣｕ−ＳｉＣ系とも言う）とがある。本発明
は、これらの材料に着目し、放熱基板(ヒートシンク)、
特に半導体装置用の放熱基板の熱伝導性を向上させるた
めになされたものである。

【００３３】本発明の第一の炭化珪素系複合材料は、Ａ
ｌ−ＳｉＣ系複合材料である。その炭化珪素粒子の含有
量および熱伝導率をそれぞれｘ重量％、ｙW／ｍ・Ｋと
した時、ｘとｙとが前述の式(２)ないし式(５)の関係に
あるものである。炭化珪素（以下ＳｉＣとも言う）粒子
の量ｘ(重量％)と、その熱伝導率ｙ(Ｗ／ｍ・Ｋ)との関
係を図示すると、図１のようになる。この内式(２)で表
されるｙの範囲(請求項４に相当)が同図の太い実線より
上の部分である。また式(３)で表されるｙの範囲(請求
項５に相当)が同図の点線と一番上の細い実線で、式
(４)で表されるｙの範囲(請求項６に相当)が破線と一番
上の細い実線で、式(５)で表されるｙの範囲(請求項７
に相当)が二点鎖線と一番上の細い実線で、それぞれ区
切られる。この内、式(２)で表される太い実線より上の
部分は、本発明の前記第一の方法に含まれる製造方法
（請求項１５およびその従属項に相当）によって、また
式(３)で表される点線と一番上の細い実線との間の部分
は、本発明の前記第二の製造方法に含まれる製造方法
（請求項１６およびその従属項に相当）によって、さら
に式(４)および式(５)で表される破線と一番上の細い実
線との間の部分は、本発明の前記第一・第二の製造方法
の中でも特に酸素量および陽イオン不純物元素、とりわ
け鉄素の量の少ない純度の高い炭化珪素粉末を用いる製
造方法(請求項１７ないし２１に相当）によって、それ
ぞれ得られるｙの範囲である。

【００３４】また本発明の第一の炭化珪素系複合材料
は、その中に含まれるアルミニウムの格子定数が純アル
ミニウムのそれ４．０４９４Åに近い値を示す。さらに
上記の純度の高い炭化珪素原料を用い、鍛造する工程を
含む製造方法（請求項１５の原料を準備する工程におい
て、準備する炭化珪素粉末が請求項１７ないし２１のも
のである場合）によって得られるものは、４．０５１Å
以下の値を示す。これらは、前記した従来の各種の製造
方法では得られない値である。これは、本発明の第一の
炭化珪素系複合材料中のアルミニウムの結晶格子が殆ど
歪んでいないことを裏付けるものである。また本発明の
第一の複合材料が従来の同系材料に比べ高い熱伝導性を
有する理由である。この点と製造方法との絡みについて
は後で詳述する。

【００３５】本発明の第二の炭化珪素系複合材料は、Ｃ
ｕ−ＳｉＣ系複合材料である。その炭化珪素粒子の含有
量および熱伝導率をそれぞれｘ重量％、ｙW／ｍ・Ｋと
した時、ｘとｙとが前述の式(６)ないし式(９)の関係
にあるものである。ＳｉＣの量(重量％)ｘと、その熱伝
導率ｙ(Ｗ／ｍ・Ｋ)との関係を図示すると、図２のよう
になる。この内式(６)で表されるｙの範囲(請求項９に
相当)が同図の太い実線より上の部分である。また式
(７)で表されるｙの範囲(請求項１０に相当)が同図の点
線と一番上の細い実線で、式(８)で表されるyの範囲(請
求項１１に相当)が同図の破線と一番上の細い実線で、
式(９)で表されるｙの範囲(請求項１２に相当)が同図の
二点鎖線と一番上の細い実線で、それぞれ区切られる。
この内、式(５)で表される太い実線より上の部分は、本
発明の前記第一の方法に含まれる製造方法（請求項１５
およびその従属項に相当）によって、また式(６)で表さ
れる点線と一番上の細い実線との間の部分は、本発明の
前記第二の製造方法に含まれる製造方法（請求項１６お
よびその従属項に相当）によって、さらに式(７)で表さ
れる破線と一番上の細い実線との間の部分は、本発明の
前記第一・第二の製造方法の中でも特に酸素量および鉄
元素の量の少ない純度の高い炭化珪素粉末を用いる製造
方法(請求項１７ないし２１に相当）によって、それぞ
れ得られるｙの範囲である。

【００３６】また本発明の第二の炭化珪素系複合材料
は、その中に含まれる銅の格子定数が純銅のそれに近い
値を示す。これは、本発明の第二の炭化珪素系複合材料
中の銅の結晶格子が殆ど歪んでいないことを裏付けるも
のである。また本発明の第一の複合材料が従来の同系材
料に比べ高い熱伝導性を有する理由である。

【００３７】次に本発明の炭化珪素系複合材料の製造方
法について述べる。本発明の炭化珪素系複合材料の第一
の製造方法は、前述のように、アルミニウムまたは銅を
主成分とする金属からなる第一成分と、炭化珪素を主成
分とする第二成分とを含む原料を準備する工程と、同第
一成分と同第二成分とを含む原料を、炭化珪素の量が１
０〜８０重量％となるように混合して混合物とする工程
と、同混合物を成形し成形体とする工程と、同成形体を
アルミニウムまたは銅を主成分とする金属の融点以上の
温度で加熱した後、同成形体を加圧下で鍛造し鍛造体と
する工程とを含む製造方法である。前述のようにこの方
法によって、第一の複合材料Ａｌ−ＳｉＣ系では式(２)
の、また第二の複合材料Ｃｕ−ＳｉＣ系では式(６)のそ
れぞれの関係を満たす範囲内の熱伝導率を有するものが
得られる。

【００３８】また本発明の炭化珪素系複合材料の第二の
製造方法は、アルミニウムまたは銅を主成分とする金属
からなる第一成分と、炭化珪素粉末を主成分とする第二
成分とを含む原料を準備する工程と、これらの原料を用
いて、加圧下で鍛造することなく、溶浸法、焼結法、ホ
ットプレス法または鋳造法によって、炭化珪素を１０〜
８０重量％含む炭化珪素系複合材料素材を得る工程とを
含む製造方法である。

【００３９】本発明の第一の製造方法においては、複合
材料の緻密・複合化の手段として、鍛造法を選択した。
既に述べたように、従来から行われてきた溶浸法、ホッ
トプレス法は、その生産性が低い上に得られる熱伝導率
も理論値に比べかなり低い。またこれらの方法に比べ焼
結法や鋳造法は、生産性はいくぶん優れてはいるが、同
様に得られる熱伝導率も理論値に比べかなり低い。なお
ここで言う熱伝導率の理論値は、前記した第一成分と第
二成分の単体の値を用い、複合則によって両者の組成比
率から割り出した値である。

【００４０】例えば溶浸法は、ＳｉＣ粉末に有機バイン
ダーを添加したスラリーを成形・焼成して、その多孔体
を作製し、ＡｌやＣｕを溶浸するために工程が長い。ま
た焼結法は、一度の焼成で最終組成物が得られるため、
生産性は溶浸法に比べて高いが、昇降温時間が長い上に
複雑形状のものでは均質なものが得られない。また溶浸
法・焼結法ともに第一成分の融液と第二成分との濡れ性
が不十分であると、緻密なものが得られない。このため
第一成分や第二成分に予め両者の濡れ性を向上させる従
成分を添加せざるをえない。それ故この従成分の添加に
よって熱伝導率の低下が避けられない。ホットプレス法
は、これらの方法で作製した複合材料の素材を再加圧す
るため、さらに生産性が低下する。また鋳造法は、以上
述べた方法の中でも最も生産性の高い方法であるが、均
質なものが得難い。また両成分間の濡れ性を向上させる
ためには、上記のように従成分の添加は不可欠であり、
その結果熱伝導率の低下は避けられない。

【００４１】本発明者等はこれらの問題を解消するため
には、特に鍛造法が有効であることを見出した。すなわ
ちこの方法によれば、上記した従来の方法に比べ短い昇
降温時間でほぼ１００％の相対密度のものが得られる。
またＡｌやＣｕの溶融点以上の温度で高い負荷圧力、例
えば１ｔｏｎ／ｃｍ²以上の圧力で鍛造すると、成形体
中のＳｉＣ粒子が一部粉砕されて微細な粒子となり、こ
の微細粒子が比較的粗い粒子で形成される骨格の隙間に
充填される(ＳｉＣ粒子の微細化効果)。したがって、Ｓ
ｉＣ粉末に比較的粗い粒子を用いても、その鍛造後の骨
格が緻密になるとともに、ＳｉＣ粒子間の隙間も迅速に
ＡｌやＣｕによって充填される。その結果従来のホット
プレス法よりも容易に緻密な複合材料が得られる。

【００４２】鍛造圧力は、少なくとも１ｔｏｎ／ｃｍ²
以上であるのが望ましい。特にＳｉＣ量が５０重量%以
上の組成域やＡｌやＣｕならびにそれらの合金の融点
(通常純Ａｌでは６５０℃、純Ｃｕでは１０８３℃)以下
では、成形体の変形抵抗が大きいため空孔が残留し、作
製された複合材料の熱伝導率が低下する場合がある。し
たがって少なくとも５ｔｏｎ／ｃｍ²以上の圧力下で鍛
造するのが望ましい。なおＳｉＣ量が５０重量%未満で
ＡｌやＣｕの量の多い組成域では、予め両主成分を均一
に分散しておけば、冷間で１ｔｏｎ／ｃｍ²以上の鍛造
圧力下でも、ＡｌやＣｕの延性と上記したＳｉＣ粒子の
微細化効果による相乗効果によって、両主成分粒子間の
物理的密着が急速に進む場合もある。その結果、残留空
孔は若干残るものの、少なくとも８０％以上の相対密度
のものは得られる。鍛造温度が上昇すればするほど、同
レベルの相対密度のものの得られる組成域はＳｉＣ量の
多い側に移動する。鍛造温度がＡｌやＣｕの融点以上に
なると、上記したようにＳｉＣ粒子の微細化効果とＳｉ
Ｃ粒子間の隙間へのＡｌやＣｕの溶湯の急速充填によっ
て、容易に緻密化が進み、従来の方法に比べ短時間で高
密度・高熱伝導率の複合材料が得られる。なお鍛造温度
は高くてもよいが、ＡｌやＣｕの融点以上では鍛造圧力
が１０ｔｏｎ／ｃｍ²以上になると、緻密化の効果およ
びそれによる熱伝導率の上昇効果は飽和する。

【００４３】鍛造体とする工程の成形体の加熱温度は、
上記のように鍛造圧力やＳｉＣ量に左右されるが、前記
した両主成分粒子間の密着度による熱伝導率への影響を
考慮すると、ＡｌやＣｕの融点以上とするのが望まし
い。鍛造前の成形体の加熱方式は、通常の焼成炉に用い
られるものでもよい。しかしながら、後述のように両主
成分間またはこれらに含まれる不純物と主成分との界面
反応や、同不純物の主成分結晶格子中への固溶現象をで
きるだけ回避し、高い熱伝導率のものを得るためには、
比較的短時間でまた成形体の内部まで急速に昇降温でき
る加熱方式とするのが有利である。このような加熱方式
としては、例えばプラズマ加熱方式、電磁誘導加熱方
式、マイクロ波加熱方式等の各種方式がある。この種の
加熱方式を採ることによって、成形体内部から均一にか
つ急速に加熱されるため、目的とする温度で少なくとも
数秒程度保持するだけで、本発明の目的とする高い熱伝
導性の複合材料が得られる。また成形体の内部に存在す
る水蒸気やＯＨ基等の揮発性の成分が急速に蒸発または
離脱するため、窒素等の非酸化性雰囲気中で加熱しなく
てもＡｌやＣｕの酸化が避けられる利点がある。したが
ってこのような加熱方式によって、例えば数秒以内の短
時間で鍛造する場合には、空気中で行ってもさほどの問
題はない。

【００４４】なお通常の加熱方式で均一に加熱するため
には、十数分必要であるので、この場合には窒素やアル
ゴン等の不活性ガス雰囲気が好ましい。また加熱温度が
高くなり過ぎると、Ａｌ−ＳｉＣ系では以下に述べるよ
うにＡｌとＳｉＣとの反応により炭化アルミニウム(Ａ
ｌ₄Ｃ₃）が生成して、その熱伝導率が低下することもあ
るので、加熱温度は加熱時間との絡みはあるが、Ａｌま
たはＡｌ合金の融点から２００℃高い温度までを目安と
するのが望ましい。また鍛造時の金型の温度は、高い方
が望ましい。金型の温度が低い（例えば室温の場合）
と、加熱した試料が冷却されて緻密化を阻害することも
あるからである。さらにＡｌの融点以上の温度下での鍛
造が適しているような場合には、Ａｌの温度が融点以下
に下がると、期待した熱伝導率が得られないこともあり
得るからである。金型温度の設定は、鍛造前の加熱温度
とも関係するので、一律には決められないが、２００℃
以上とするのが望ましい。なお６００℃を越えると金型
の強度が低下することもあるので、２００〜５００℃程
度とするのが最も望ましい。

【００４５】また例えばＡｌ−ＳｉＣ系の鍛造体とする
工程では、以上のように加熱時間の短い加熱手段を採る
場合、以下に述べるような利点もある。一般にＡｌとＳ
ｉＣを主成分とする成形体を加熱すると、ＡｌとＳｉＣ
の界面では以下の反応が徐々に起こる。３ＳｉＣ＋４Ａｌ→Ａｌ₄Ｃ₃＋３Ｓｉ式(１０) この反応は加熱時間が長ければ長いほど進行する。従
来から行われてきた溶浸法、焼結法、鋳造法およびホッ
トプレス法では、成形体の均熱加熱やＡｌの溶浸・浸透
を確実に成形体内に行き渡らせるために、またＡｌとＳ
ｉＣを互いの界面で十分に密着させるため、通常は少な
くとも時間単位の長時間加熱が必要である。このため熱
伝導率の低い炭化アルミニウム(Ａｌ₄Ｃ₃）の生成量が
多くなり、その結果複合材料全体の熱伝導率の低下が避
けられない。これに対し短時間の加熱による鍛造工程に
よって成形体の緻密・複合化ができる上記本発明の方法
であれば、炭化アルミニウム生成による複合材料の熱伝
導率の低下は最小限に抑えることができる。

【００４６】前述のように、従来の常圧下での溶浸法や
焼結法では、ＡｌまたはＣｕとＳｉＣとの界面を十分に
密着させるためには、合金化成分を添加して両成分間の
濡れ性を向上させる必要があった。例えば純Ａｌを用い
る場合には、Ｓｉ、ＭｇやＴｉ、Ｖ、Ｍｎ等の遷移金
属、純Ｃｕを用いる場合には同様な遷移金属等を従成分
として添加する必要があった。このため純Ａｌや純Ｃｕ
の高い熱伝導性を十分に活かすことができなかった。特
に上記のようにＡｌ−ＳｉＣ系で、ＡｌにＭｇやＳｉを
添加した場合には、ＡｌとＳｉＣとの濡れ性が大幅に向
上し、溶浸や焼結が容易になる。しかしながら、これら
の合金成化分はＡｌまたはＣｕの結晶内に固溶するた
め、複合材料の熱伝導率の大きな低下は避けられなかっ
た。これらの合金化成分がＡｌまたはＣｕの結晶内に固
溶すると、ＡｌやＣｕの結晶格子の歪みが大きくなり
(すなわち純Ａｌまたは純Ｃｕに近い格子定数のものが
得られなくなり)、その本来の高い熱伝導性が阻害され
るからである。これに対し本発明の第一の製造方法によ
れば、純Ａｌや純Ｃｕを主原料とした場合でも鍛造工程
により、これらとＳｉＣとの間の高い密着度と高い熱伝
導性の確保が容易になる。

【００４７】ところで一般には、高い熱伝導率の複合材
料を得るためには、本質的に高い熱伝導率で純度の高い
主成分を原料として用いることが望ましい。しかしなが
ら、一般にはこのような高純度の原料は高価である。し
たがって本発明の複合材料の製造に当っては、第一・第
二の複合材料を問わず、まず第一には、可能な限り安価
な原料を入手または調製することが重要である。これは
本発明のいずれの製造方法においても、特に主成分原料
であるアルミニウムまたは銅を主成分とする金属からな
る第一成分および炭化珪素粉末を主成分とする第二成分
とを含む原料の準備段階で重要なことである。

【００４８】まず本発明の炭化珪素系複合材料の主成分
である炭化珪素は、セラミックスの中でも特に熱伝導率
の高いセラミック材料として知られている。そこで前記
した本発明の高純度かつ低欠陥の炭化珪素粒子につい
て、以下説明する。このようなセラミックスでの熱伝導
媒体は、基本的にはフォノンである。一般に炭化珪素粒
子中には多くの欠陥が存在するが、欠陥にはＳｉＣ結晶
格子のＣ軸方向の原子の積層状態に起因する積層欠陥や
点欠陥、不純物の固溶に起因する転移、粒子が機械的に
粉砕されることによって導入される結晶歪みや結晶中の
キャリヤ濃度等がある。このような欠陥は、いずれも結
晶中でのフォノンによる熱伝導を妨げる。本発明者等
は、以上の要因の内とりわけ影響の大きいものが、積層
欠陥と不純物の量であることを見出した。これらの要因
の影響の大きさは、ＳｉＣ原料粉末の調製方法に大きく
左右される。

【００４９】ＳｉＣ粉末の調製方法には、(１)、二酸化
珪素(ＳｉＯ₂)やシリコン(Ｓｉ)の粉末と炭素(Ｃ)粉末
とを反応させる方法、(２)、Ｓｉの直接炭化、すなわち
Ｓｉとコークス等のＣ成分とを反応させる方法、さらに
(３)、一旦(１)または(２)の方法で調製したＳｉＣ粉末
を、２０００℃以上の温度で加熱・昇華させてＳｉ及び
Ｃのガスとし、このガスを再析出させる方法等がある。
いずれの方法を用いても出発物質のＳｉＯ₂、Ｃ、Ｓｉ
Ｃ、Ｓｉ各粉末の金属不純物の量を予め低減させること
によって、高純度のＳｉＣ粉末が得られる。特に方法
(３)では気相からＳｉＣ粉末を再析出させるため、積層
欠陥量の極めて少ない微粒の粉末が得られる。またこの
粉末は、混合に当たって粉砕する必要がないので粒子内
に機械的な内部歪みも発生しない。それ故通常市販のも
のに比べ極めて熱拡散率が高い。ＳｉＣ原料に混入して
いる不純物には、窒素、酸素、炭素および鉄(Ｆｅ)、チ
タニウム(Ｔｉ)、クロミウム(Ｃｒ)、バナジウム(Ｖ)、
ニッケル(Ｎｉ)等々の遷移金属または同金属を含む成分
等がある。これらは、ＳｉＣ粒子表面かまたは同粒子内
部に存在するが、内部に存在する不純物は、ＳｉＣ結晶
粒子自体の熱拡散率を低下させる。表面近傍のものは、
後述する原料粉末の予備酸処理によって除去される
が、内部のものは実質的に除去できない。このため高い
熱伝導性の複合材料を得るためには、可能な限りこのよ
うな粒子内の不純物の少ないＳｉＣ原料を用いるのが望
ましい。しかしながらこの方法は、収率が低いため高価
なものとなり易い。例えば、加圧・加熱した酸に長時間
浸漬するような酸処理が必要となる。

【００５０】そこで本発明者等は、(４)、ＳｉＣ粉末内
に一旦導入された欠陥を加熱処理することによって除去
することを考えた。その結果、特定の条件での加熱によ
って内在する転位を効率的に移動させることができ、Ｓ
ｉＣ結晶粒子内の積層欠陥量を少なくすることができる
ことを見出した。また加熱条件によっては、同時にＳｉ
Ｃ自体が昇華し再析出するため、欠陥の殆どない粉末を
得ることもできることを見出した。このようにして得ら
れた粉末は、その結晶粒子自体が高い熱伝導性を有する
ものである。

【００５１】本発明の複合材料の製造方法では、その原
料を準備する工程で、ＳｉＣ原料粉末として市販の粉末
を選んでもよいが、以上のように予めその結晶粒子内部
の不純物量の少ない市販の粉末を選定するか、または
選定した粉末を予め加熱処理(予備加熱処理)するのが望
ましい。このため本発明では、その第一・第二の製造
方法の原料を準備する工程において、市販の粉末を選定
する場合、好ましくは酸素量が１重量％以下であり、陽
イオン不純物元素、とりわけ鉄を含む成分の量が鉄元素
に換算して０．０１重量％以下、アルミニウムを含む成
分の量がアルミニウム元素に換算して０．０１重量％以
下のＳｉＣ原料粉末を選定する。さらには酸素量が０．
１重量％以下、鉄を含む成分の量が鉄元素に換算して
０．００５重量％以下、アルミニウムを含む成分の量が
アルミニウム元素に換算して０．００５重量％以下のも
のを選定するのが、より好ましい。酸素量および鉄・ア
ルミニウム含有成分の同元素に換算した量が、以上のレ
ベルを越えると、複合材料の熱伝導率が低下し易くな
る。または本発明では、選定したＳｉＣ粉末の酸素や陽
イオン不純物元素、とりわけ鉄の量を減らすため、好ま
しくは出発原料であるＳｉＣ粉末を予め不活性ガス雰囲
気中、１６００〜２４００℃の温度範囲で予備加熱処理
を行う。または好ましくは出発原料であるＳｉＣ粉末を
フッ酸、硝酸、塩酸の少なくとも１種を含む酸水溶液に
浸漬する予備酸処理を行う。このような処理によっ
て、ある程度不純物を含んだ粉末でもその純度を上記選
定レベルまで上げることができる。これらの処理は、前
述のように併用してもよいが、その場合にはまず予備酸
処理を行い、その後予備加熱処理を行う。この酸処理の
効果は、(例えば１００℃以上の)加熱によって促進され
る。なお以上のような予備加熱処理や予備酸処理を施す
ＳｉＣ粉末としては、好ましくは可能な限り熱伝導性に
優れたものを選ぶ。ＳｉＣ粉末の結晶型による特徴に
ついては後述するが、その選定に当たっては、例えばそ
の粒子の結晶型が６Ｈ型または４Ｈ型のＳｉＣ粉末を主
体に選ぶのが望ましい。とりわけ結晶の対称性が高い６
Ｈ型のものを主体に選ぶのが望ましい。

【００５２】ＳｉＣ粉末に予備加熱処理を施す場合、雰
囲気ガス中に窒素や炭素成分が共存すると、これらのガ
スはＳｉＣ結晶内に固溶して格子欠陥形成の原因となり
易い。したがって、通常はこれらの成分を含まない不活
性ガスを用いる。中でもアルゴン(Ａｒ)ガスが好まし
い。この場合のガスの圧力は、大気圧(１気圧)でも十分
その効果が期待できるが、高いほどその効果は向上す
る。ガスの圧力が高ければ高いほどＳｉＣ結晶中の転位
が容易に移動し得るため、同結晶中の欠陥が消滅し易く
なるからである。例えば熱間静水圧成形(ＨＩＰ)装置等
の高圧ガス処理装置を用いて、１０００〜数１０００気
圧のガス圧力下で処理すると効果が大きい。以上述べた
不活性ガス中での炭化珪素の熱処理の時間は、通常３０
分以上とするのが望ましい。処理温度が１６００℃未
満、またはその処理時間が３０分未満では、同処理によ
る欠陥量の低減効果が小さくなり易い。また３時間を越
えるとその効果は飽和する。その効果は処理温度が高い
ほど上がるが、２４００℃を越えるとＳｉＣが昇華して
ＳｉとＣに分解し易くなるため、収率が低下する場合が
ある。

【００５３】なおＳｉＣ原料粉末の欠陥量をさらに減ら
すためには、例えば炉内に温度勾配を付け、高温部(例
えば３０００℃)でＳｉＣを昇華させ、低温部(例えば１
８００℃)でこれを再析出させる方法がある。これによ
って欠陥の非常に少ない粉末を得ることができる。この
方法によって得られる粉末の結晶粒子は、極めて高い熱
伝導性を有する。しかしながらこの方法は、前述の方法
(３)のように場合によっては粉末の収率低下が避けられ
ない。これを回避しさらに純度の高いＳｉＣ粉末を得る
ため、本発明では望ましい方法として、この予備加熱処
理前にフッ酸、硝酸、塩酸等の酸に浸漬する予備酸処理
工程を入れる。これによって、粉末粒子表面付近に存在
する前述の陽イオン不純物元素である鉄(Ｆｅ)、クロミ
ウム(Ｃｒ)、バナジウム(Ｖ)、ニッケル(Ｎｉ)等の遷移
金属不純物、とりわけ鉄(Ｆｅ)や酸素、炭素を溶解除去
することができる。これらＳｉＣ粒子の表面にある不純
物、酸素および炭素は、高温下ではＳｉＣ結晶粒子の内
部まで拡散し、同粒子中の点欠陥や積層欠陥増加の原因
となる。その結果ＳｉＣ結晶粒子の熱拡散率が低下す
る。特に鉄(Ｆｅ)元素を含む成分の影響は大きい。なお
ＦｅはＳｉＣ粒子中に未結合の状態で存在する場合もあ
るし、または酸化物等の化合物の状態で存在することも
ある。以上のように予め酸素量および陽イオン不純物量
の少ない炭化珪素粉末を選定するか、または通常市販さ
れている不純物を含む炭化珪素粉末に予備加熱処理や予
備酸処理を追加することによって、市販のＳｉＣ粉末を
そのまま用いる場合よりもさらに高い熱伝導率の炭化珪
素系複合材料を得ることができる。

【００５４】一般にＳｉＣは、過剰な電子を持つｎ型半
導体や過剰な空格子を持つｐ型半導体になる材料であ
る。それ故これらの過剰な電子や空格子（キャリヤ）の
濃度が増えると、ＳｉＣ中のフォノンを散乱させるた
め、熱伝導率が低下するものと考えられる。生産されて
いる通常の６Ｈ型結晶のＳｉＣは、窒素（Ｎ）が固溶し
たｎ型であり緑色であるが、そのＮ量が少ないほど結晶
の色は透明に近くなる。この場合のキャリヤの生成機構
似よれば、例えばＮは、ＳｉＣ結晶中のＣサイトを置換
し、下式（１１）によって自由電子（キャリヤ）が生じ
る。Ｃ^4-→Ｎ³ ^ー＋ｅ^- 式（１１）実際の結晶にはＡｌやＦｅ等の陽イオン不純物が固溶し
ているので、これらがＳｉＣ結晶中のＳｉサイトを置換
し、下式のように正孔（キャリヤ）を生み出す。Ｓｉ⁴⁺→Ａｌ³⁺＋ｐ⁺ 式（１２）Ｓｉ⁴⁺→Ｆｅ³⁺＋ｐ⁺ 式（１３）したがってキャリヤ濃度は、Ａｌ、Ｆｅ等の陽イオン不
純物やＮの固溶している量によって決まる。通常のＳｉ
Ｃ粉末ではＮが多いほどキャリヤ濃度は増えるが、Ａ
ｌ、Ｆｅ等の陽イオン不純物が多いほど正孔が自由電子
と結合するため、キャリヤ濃度は見かけ上減る。つまり
同じＮ濃度のＳｉＣ結晶では陽イオン不純物の濃度が高
いほどキャリヤ濃度は低下する。したがってＳｉＣの熱
伝導率を高めるには、これらの陽イオン不純物やＮの結
晶中への固溶量を減らす必要がある。本発明の炭化珪素
系複合材料に用いるＳｉＣ粉末のキャリヤ濃度は、低い
ほどよいが、特に５×１０¹⁹／ｃｍ³以下とするのが望
ましい。なおキャリヤ濃度の測定は、以下のように行
う。通常単結晶のキャリヤ濃度は、板状資料の上下面に
電極を形成し、ホール効果を利用した計量法によって測
るが、粉末には電極を形成できないので適用できない。
粉末のキャリヤ濃度は、ラマン分光光度計を使って測
る。この方法は、粉末中の結晶をレーザーで励起させ、
散乱スペクトル（ラマン光）の振動数のシフトの度合い
を測る方法である。キャリヤ濃度が高いほどそのシフト
の度合いは大きい。

【００５５】以上述べたように不純物や欠陥の量が少な
い炭化珪素粉末を主成分原料として用いることにより、
より優れた熱伝導性の複合材料を得ることができる。こ
の場合には、Ａｌ−ＳｉＣ系では式(４)で示される、ま
たＣｕ−ＳｉＣ系では式(８)で示されるそれぞれの範囲
に対応する熱伝導率の炭化珪素系複合材料を得ることが
できる。なお第二の製造方法に絡むが、このようなＳｉ
Ｃ粉末を準備することによって、その後通常の溶浸
法、焼結法、ホットプレス法および鋳造法の工程を採っ
ても、市販される通常の炭化珪素原料を用いる場合に比
べ、優れた熱伝導性の複合材料が得られる。

【００５６】なおＳｉＣ粒子の表面に存在する前記不純
物の量は、酸抽出法によって確認できる。その手順は、
ＳｉＣ粉末を１００℃に保持された硝酸とフッ酸からな
る混酸水溶液中に約２時間浸漬し同表面に存在する不純
物を溶出した後、その溶出物をＩＰＣ発光分光分析法に
よって定量する。またＳｉＣ粒子の内部に存在する不純
物の量も確認したい場合には、加圧酸分解法によって不
純物を溶出する。この場合は、ＳｉＣ粉末を１９０〜２
３０℃に保持された硝酸とフッ酸からなる混酸水溶液中
に約４０時間浸漬する。これによってＳｉＣ粒子の表面
のみならず内部の不純物も抽出できるので、同様にその
溶出物をＩＰＣ発光分光分析法によって定量する。Ｓｉ
Ｃ粒子の積層欠陥の量は、対象とするＳｉＣ粒子を透過
型電子顕微鏡で直接観察することによって確認できる。
また複合化後の炭化珪素系複合材料中のＳｉＣ粒子の不
純物や積層欠陥の量を確認する場合には、まず第一成分
を酸等で分離除去後、残留したＳｉＣ粒子を同様な手順
で分析・評価する。

【００５７】アルミニウムまたは銅を主成分とする第一
成分の原料は、市販のものを用いればよい。ただし作製
された複合材料の熱伝導率を下げないためには、その純
度は高い方が望ましい。例えば９９％以上のものを用い
るのが望ましい。なお本発明で用いる第一成分の原料の
使用形態は、塊状・粉末状他のいかなる形態であっても
よいが、第二の製造方法で溶浸法や鋳造法を採る場合を
除き、通常は粉末状のものを用いる。原料粉末内に介在
する不純物種としては、特にアルミニウムに固溶し易い
遷移金属元素、特に８ａ族元素を含む成分を含む成分
は、可能な限り少ないのが望ましい。したがって、市販
のアルミニウム合金粉末を用いる場合には、これらの合
金を作るための成分の少ないものを選ぶのが望ましい。
なおさらにアルミニウムまたはアルミニウム合金の原料
粉末のアルミニウム純度を高めるためには、市販の粉末
の純度を上げるため、同粉末を溶湯噴霧法、物理的また
は化学的な処理法によって調製された粉末を準備する必
要がある。

【００５８】以上述べたように、本発明で使用する原料
は、第二成分のＳｉＣ粉末として可能な限り高純度かつ
低欠陥のものを用い、第一成分のアルミニウムや銅を主
成分とする原料も高純度のものを用いるのが望ましい。
原料の混合方法は、原料の形態・性状に合わせ原料純度
が低下しない方法であれば、既存の方法でよい。また混
合物は、その成形性を高めるために、例えば顆粒状に造
粒してその嵩を下げるのが好ましい。混合物の成形法に
ついては、通常のいかなる方法であってもよい。

【００５９】本発明で提供される炭化珪素系複合材料の
製造方法には、上記第一の製造方法で得られた鍛造体
を、または上記第二の製造方法で得られた炭化珪素系複
合材料素材を、それぞれアルミニウムまたは銅を主成分
とする第一成分の融点Ｔｍ未満の温度Ｔｈで加熱する熱
処理工程を含む製造方法も含まれる。なおこの方法に
は、上記した第一成分および第二成分の原料を準備する
工程の好ましい態様と組み合わた方法も含まれる。なお
この処理雰囲気は非酸化性雰囲気で有ればよい。通常は
窒素雰囲気で行う。この熱処理によって鍛造された複合
材料の鍛造体結晶や第二の製造方法で得た素材に内在し
ていた格子歪みを緩和することができる。これは第一成
分の融点Ｔｍ未満の温度Ｔｈで加熱することによって、
第一成分であるＡｌやＣｕ中に固溶していた成分(例え
ばＡｌ−ＳｉＣ系ではＳｉや８ａ族等の遷移金属元素を
含む成分、Ｃｕ−ＳｉＣ系では８ａ族等の遷移金属元素
を含む成分)が同結晶粒子外に排出されるからである。
その結果得られる熱伝導率の範囲は、前述のように式
(３)の上限を越えることはないが、鍛造された複合材料
の熱伝導率をさらに向上させることができる。なお熱処
理温度ＴｈがＡｌやＣｕ融点Ｔｍ以上になると、それら
の液相が形成されるためその効果は期待し難くなる。

【００６０】この熱処理工程の温度Ｔｈは、第一・第二
の複合材料ともＴｈ＞Ｔｍ−１００の関係を満たす温度
であるのが望ましい。この温度範囲で再加熱することに
よって、熱処理時間を短縮することができる。例えばＡ
ｌ−ＳｉＣ系では少なくとも１時間行えばよいが、上記
のように熱処理時間を延長することによって、結晶粒子
内の歪みを緩和しさらに熱伝導率を向上させることがで
きる。なおＴｈ≦Ｔｍ−１００の場合には、より一層長
時間の加熱処理が必要となる。

【００６１】再加熱前の複合材料の熱伝導率のレベルや
組成にもよるが、再加熱による本発明のこの方法によっ
て、例えばＡｌ系では通常１５０〜２００Ｗ／ｍ・Ｋ程
度のレベルの熱伝導率を、前記式(２)の下限レベル(す
なわち図１の太実線の下限ライン)以上に向上させるこ
とができる。また例えばＣｕ系では２００〜２５０Ｗ／
ｍ・Ｋ程度のレベルの熱伝導率を、前記式(６)の下限レ
ベル(すなわち図２の太実線ライン)以上には向上させる
ことができる。以下実施例のよって本発明を説明する。

【００６２】

【実施例】実施例１原料として、表１に記載の各種予備処理を行ったＳｉＣ
原料粉末、表２に記載のＡｌ系原料および表３に記載の
Ｃｕ系原料を準備した。ラマン分光分析によって確認
したＳｉＣ原料粉末のキャリヤ濃度は、Ｎ０．１の６Ｈ
型のもので１×１０¹⁷個／ｃｍ³、Ｎｏ．１２の４Ｈ型
のもので１×１０¹⁸個／ｃｍ³であった。なお表１の予
備処理欄に「なし」と記述のものは、該当する予備処理
をしていないものである。予備酸処理は、表に記載の濃
度・温度の酸水溶液中に記載の時間浸漬後、純水で洗浄
する過程を３回繰り返し、それを温風乾燥する手順によ
って行った。したがって、例えば原料Ｓ２の場合は、原
料Ｓ１のＳｉＣ粉末をまず室温の濃度１０％のフッ酸水
溶液に１０分間浸漬し、その後純水で洗浄し、この一連
の操作を３回繰り返した後、温風によって脱水・乾燥し
た。また予備加熱処理は、粉末を炭化珪素質のケースに
装入し、ヒーターがタングステン製の炉にセットし、ア
ルゴンガス雰囲気中、記載の同ガス圧力下・記載の温度
で１時間保持する方法で行った。同表に記載の各ＳｉＣ
粉末中の不純物量は、前記した条件の加圧酸分解法によ
って同粉末から不純物含有成分を溶解抽出し、その抽出
物をＩＰＣ発光分光法によって分析して得た値であり、
粒子表面のみでなくその内部も含めた粒子全体に存在す
る量である。表１にはＦｅ(鉄)以外の本発明で言う陽イ
オン元素(遷移金属元素)の量は記載されていないが、そ
れら個々の量は、いずれの番号の原料においても高々５
００ｐｐｍであった。またC (炭素)の量は、いずれの
番号の原料においても高々５００ｐｐｍであった。

【００６３】

【表１】

【００６４】

【表２】

【００６５】

【表３】

【００６６】第二成分として表１に記載の各ＳｉＣ原料
粉末、第一成分として表２に記載のＡｌ系原料粉末Ａ１
１または表３に記載のＣｕ系原料粉末Ｃ１１を選び、そ
れぞれの組合わせで本発明の第一の製造方法によって、
ＳｉＣを５０重量％含む炭化珪素系複合材料試片をそれ
ぞれ３０個ずつ作製した。表４の原料欄に作製した３０
種類の原料の組み合わせを示す。まず表１に記載の各Ｓ
ｉＣ原料粉末５０重量％と、残部５０重量％が上記Ａ１
１またはＣ１１の原料粉末となるように秤取し、バイン
ダーとしてパラフィンを３重量％添加し、エタノール中
３時間混合した。得られたスラリーを噴霧乾燥して造粒
粉末とした。これを乾式粉末成形プレスによって、成形
圧力７ｔｏｎ／ｃｍ ²で直径１００ｍｍ、厚み１０ｍｍ
に成形した後、大気中４００℃でバインダーを除去し成
形体とした。これらの各成形体を電磁誘導加熱方式の加
熱炉内にセットし、大気中で加熱した。加熱条件は、昇
温速度を６００℃／分、保持温度をＡｌ−ＳｉＣ系の場
合は６７０℃、Ｃｕ−ＳｉＣ系の場合は１０９０℃、保
持時間を１０秒とした。また別に予め昇温したニクロム
線ヒーターを備えたバッチ式の炉に、表４のＮｏ．５と
Ｎｏ．２０と同じ原料の組み合わせで調製された成形体
を入れ、昇温速度１００℃／分、Ｎｏ．５とＮｏ．２０
と同じ保持温度で均熱化される３０分間保持した。その
後これらの成形体を直ちに予め別途加熱された鍛造型内
に入れて、９ｔｏｎ／ｃｍ²の圧力で鍛造した。なお鍛
造型はＡｌ−ＳｉＣ系、Ｃｕ−ＳｉＣ系いずれの場合も
ダイス鋼製のものを用い、型の加熱温度はいずれも４５
０℃とした。鍛造体の最終厚みは、いずれの試料もほぼ
１０ｍｍであった。その後この試料を研削加工仕上げし
た。

【００６７】

【表４】

【００６８】各鍛造体試料の実測した単重と体積から計
算した見かけ密度と、主成分の密度とその組成比率から
複合則によって計算した理論密度とからその空孔率と相
対密度(以下各表には、％単位で単に「密度」と表記す
る。)を、またレーザーフラッシュ法によってその熱伝
導率を、差動トランス式熱膨張係数測定装置によってそ
の熱膨張係数を、さらに前記した加圧酸分解法と発光分
光分析の組み合わせによってそのＳｉＣ結晶粒子中の不
純物量を、それぞれ求めた。またＡｌ−ＳｉＣ系の試料
については、Ｘ線回折によりＡｌ(３３１)面の面間隔を
実測し、この値からＡｌの格子定数を求めた。これらの
結果を表４に示す。なお上記したニクロム線ヒーターの
炉で加熱した成形体を鍛造した試料では、その熱伝導率
がＮｏ．５に対応するもので２８３Ｗ／ｍ・Ｋ、Ｎｏ．
２０に対応するもので３５０Ｗ／ｍ・Ｋｍとなり、電磁
誘導加熱法で加熱した表４に記載のものに比べ低下し
た。その理由はこれらの試料では、加熱時間が長いため
ＳｉＣ粒子中の酸素量が１０００ｐｐｍまで増加してお
り、これが原因と考えられる。なお別途予備加熱処理の
雰囲気ガスを窒素または炭素を含むガスに切り換えて行
ったＳｉＣ原料粉末Ｓ１を用いて、表４と同様の第一成
分との組成・組み合わせ、同様の成形・鍛造の手順で作
製した鍛造体は、その熱伝導率が事前の酸処理を行った
もので、Ａｌ−ＳｉＣ系で表４の試料７程度、Ｃｕ−Ｓ
ｉＣ系で表４の試料２２程度であり、予備酸処理を行
わなかったものでは、これより低下してＡｌ−ＳｉＣ系
で２１０Ｗ／ｍ・Ｋ程度、Ｃｕ−ＳｉＣ系で２５０Ｗ／
ｍ・Ｋ程度であり、予備加熱処理の効果は小さくなっ
た。また異なるキャリヤ濃度レベルのＳｉＣ原料粉末を
用い、得られる複合材料の熱伝導性に及ぼす同濃度の影
響を確認した。ＳｉＣ原料粉末として、上記で用いた予
備酸処理した平均粒径５０μｍ、６Ｈ型の結晶粒子から
なる粉末Ｓ２と、同粉末３０重量％に、同じ予備酸処理
をした同一平均粒径の１５Ｒ型の結晶粒子からなる粉末
７０重量％を混合した混成粉末Ｓ１６を用意した。キャ
リア濃度は、前者が１×１０¹⁷個／ｃｍ³、後者が１×
１０²⁰個／ｃｍ³であった。この２種の粉末を用いて上
記と同じ手順でＡｌ−ＳｉＣ系、Ｃｕ−ＳｉＣ系の同形
状の鍛造体試片を作製した。この試片の熱伝導率を上記
と同様に確認したところ、前者は２８４Ｗ／ｍ・Ｋ、後
者は２３０Ｗ／ｍ・Ｋであった。

【００６９】以上の結果より、(１)ＳｉＣ原料粉末と第
一成分との混合物成形体を鍛造する第一の製造方法で
は、ＳｉＣ原料粉末に予備処理(予備酸処理や予備加熱
処理)を施すと、同処理を施さない場合に比べＳｉＣ粒
子中の不純物が減り、その結果より高熱伝導性の材料が
得られる。特に予備酸処理後、予備加熱処理を施した場
合や高いガス圧下で予備加熱を施した場合、その効果は
顕著である。その理由は、ＳｉＣ粒子内の不純物量が減
少したことおよび鍛造による高速高密度化によって、同
粒子内の欠陥や歪みの発生が少なく、かつ主成分間の密
着度の高い材料が得られたことによるものと考えられ
る。さらに(２)鍛造前の加熱手段としては、急速に均熱
化が図られ、短時間で昇降温できる加熱手段の方が、本
発明複合材料の熱伝導性向上とともに生産性向上のため
には好ましい。

【００７０】実施例２第二成分として表１のＳｉＣ原料粉末Ｓ８を、第一成分
として表２のＡ１系原料粉末Ａ１１または表３の原料粉
末Ｃ１１をそれぞれ用いて、上記実施例１と同様の手順
(第一の製造方法、ただし鍛造前の加熱は実施例１同様
電磁誘導加熱法である。)によって、ＳｉＣを１０、２
０、３０、５０、７０、８０重量％含む複合材料を作製
した(試料３１〜４０)。またＳｉＣを８０重量％含むＡ
ｌ−ＳｉＣ系の成形体については、その鍛造前の加熱保
持温度Ｔ、鍛造圧力Ｐを変化させたのものも作製した
(試料４１〜４９)。これらの各試料のＴとＰは、それぞ
れ試料４１が６７０℃(第二成分の純Ａｌ、Ａ１１の融
点６６０℃より少し高い温度)で０．８ｔｏｎ／ｃｍ²、
試料４２が６７０℃で１ｔｏｎ／ｃｍ²、試料４３が６
７０℃で４ｔｏｎ／ｃｍ²、試料４４が６７０℃で５ｔ
ｏｎ／ｃｍ²、試料４５が６７０℃で９ｔｏｎ／ｃｍ²、
試料４６が６７０℃で１０ｔｏｎ／ｃｍ²、試料４７が
６２０℃で９ｔｏｎ／ｃｍ²、試料４８が７７０℃で９
ｔｏｎ／ｃｍ²、試料４９が８７０℃で９ｔｏｎ／ｃｍ²
とした。すなわち試料４１〜４６はＰを変えた場合であ
り、試料４７〜４９はＴを変えた場合である。これらの
鍛造体試料を実施例１と同様に評価し、その結果を表５
に示す。なおＳｉＣを８０重量％含むＣｕ−ＳｉＣ系の
成形体についても同じように鍛造条件による効果を確認
したが、ほぼＡｌ−ＳｉＣ系と同様の傾向が見られた。

【００７１】以上の結果より、(１)第一の製造方法で、
ＳｉＣ量を変化させることにより、複合則にそった熱伝
導率と熱膨張係数を有する材料が得られる。(２)ＳｉＣ
量の多い場合(８０重量％)でも、第一成分の融点付近で
は、少なくとも１ｔｏｎ／ｃｍ²の鍛造圧力で相対密度
９９％を越す材料が得られる。鍛造圧力が１０ｔｏｎ／
ｃｍ²以上、加熱温度が第一成分の融点を越えると、鍛
造による緻密化効果が飽和する。

【００７２】

【表５】

【００７３】実施例３第二成分として表１のＳ１とＳ２の二種のＳｉＣ原料粉
末を用いて、溶浸法、焼結法、ホットプレス法および鋳
造法によって、すなわち本発明の第二の製造方法によっ
て、ＳｉＣ量が５０重量％のＡｌ−ＳｉＣ系およびＣｕ
−ＳｉＣ系の複合材料を作製した。なお溶浸法で作製し
たもののみ、その溶浸する第一成分に表２のＡ１２、Ａ
２２、Ａ３２、Ｃ１２、Ｃ２２およびＣ３２の板材を使
用した。その他の方法では第一成分の原料にＡ２１、Ａ
３１、Ｃ２１およびＣ３１の粉末を使用した。なお各試
料の出発原料の組み合わせは、表６の原料欄に記載の通
りである。

【００７４】溶浸法のものは、上記二種のＳｉＣ原料粉
末に実施例１と同様のバインダーを加えて同じ形状に成
形し、バインダー除去して多孔質の成形体にした後、そ
の成形体を上記した第一成分からなる板材の上に配置し
て、窒素気流中Ａｌ−ＳｉＣ系のものでは７５０℃で、
またＣｕ−ＳｉＣ系のものでは１２００℃でそれぞれ２
時間加熱し、同第一成分を自発溶浸させた(試料５０〜
５９)。また焼結法のものは、実施例１と同様に、二種
のＳｉＣ原料粉末Ｓ１、Ｓ２と、二種の第一成分原料粉
末Ａ３、Ｃ３との組み合わせで、実施例１と同様に混合
・成形した後、窒素気流中Ａｌ−ＳｉＣ系のものでは６
７０℃で、またＣｕ−ＳｉＣ系のものでは１２００℃で
それぞれ２時間加熱し焼結させた(試料６０〜６３)。ホ
ットプレス法では、この焼結法で得られた試料６０、６
１の成形体素材を炭化珪素系セラミックス製の型にそれ
ぞれ入れて、アルゴン雰囲気中、圧力０．５ｔｏｎ／ｃ
ｍ²、６６０℃でホットプレスした(試料６４、６５)。
また鋳造法のものは、黒鉛型を予備加熱後第一成分の粉
末をこれに投入して、Ａｌ−ＳｉＣ系のものでは７５０
℃で、またＣｕ−ＳｉＣ系のものでは１２００℃でそれ
ぞれ１時間加熱溶融し、その後その溶湯中にそれぞれの
ＳｉＣ原料粉末を添加して１時間掻き混ぜてから室温ま
で徐冷した(試料６６、６７)。これらの各方法で得られ
た試料は、仕上げ加工して実施例１と同様に評価した。
その結果を表６に示す

【００７５】同表の結果から以下のことが分かる。すな
わち(１)第二の製造方法で、酸浸漬または加熱の予備処
理を行っていないＳｉＣ原料粉末Ｓ１を用いた場合と、
同Ｓ１に予備加熱処理を行ったＳ２を用いた場合とを比
べると、後者の方がかなり優れた熱伝導性を示す。また
(２)溶浸法、焼結法のような第二の製造方法では、主成
分のＡｌまたはＣｕに固溶する合金成分を含んだ第一成
分を用いたものと、純度の高いＡｌまたはＣｕを主成分
として用いたものとを対比すると、前者はＳｉＣとの濡
れ性が向上するため、より緻密なものが得られる。しか
しながら、後者より熱伝導率が低い。

【００７６】

【表６】

【００７７】実施例４実施例１ないし３で得られた表７の素材欄に記載された
試料を、窒素気流中、同表の処理温度欄に記載の各温度
で３時間熱処理した。その結果を同じ表に示す。なお同
表の融点欄の温度は、第一成分の液層が生成し始める各
素材の温度であり、示差熱分析(ＤＴＡ)によって確認し
たものである。表には熱処理後の熱伝導率とＡｌ−Ｓ
ｉＣ系の試料の格子定数を実施例１と同様にして求め、
その値を示した。なお同表には、熱処理後の空孔率、相
対密度、熱膨張係数およびＳｉＣ粒子中の不純物量は示
さなかったが、出発素材とほぼ同じレベルであった。同
表の結果から以下の点が分かる。すなわち本発明の第一
・第二の製造方法によって作製された素材を、さらにそ
れぞれの素材の第一成分の金属の融点未満の温度で加熱
処理することによって、その熱伝導性が向上する。その
理由は、この処理によって第一成分の結晶相内に固溶し
ていた合金成分の一部が、同相外に排出されるため同相
自体の格子歪みが減少し、高熱伝導性である純主成分に
近いものなることによるものと考えられる。Ａｌ−Ｓｉ
Ｃ系の試料でその格子定数が出発素材のそれよりも純Ａ
ｌ側にシフトしていることからもこれは裏付けられる。
なおその処理温度Ｔｈの好適範囲は、第一成分の融点Ｔ
ｍ未満かつＴｍ−１００を越える温度範囲とするのが望
ましいことも分かる。

【００７８】

【表７】

【００７９】実施例６以上述べた実施例の試料番号１、５、６、１０、１６、
２０、２１、３４、３９、５０、５１、５３、６０、６
３、６６、６７、７２、７７、８０、８５のものと同じ
方法で得た炭化珪素系複合材料を、それぞれ５０個ずつ
長さ２００ｍｍ、幅２００ｍｍ、厚み３ｍｍの形状の基
材に仕上げ加工した。これを図３に模式的に示すような
パワーモジュールに放熱基板として実装して、各実装段
階も含めて温度サイクル試験を行った。図３において、
１は本発明の上記複合材料からなる第二の放熱基板、２
は同基板上に配置され、その上面に(図示しないが)銅回
路が形成されたセラミックスからなる電気絶縁性の第一
の基板、３はＳｉ半導体素子、４は第二の放熱基板の下
に配置された放熱構造体である。なおこのジャッケット
は、本実施例では水冷ジャケットであるが、他に空冷の
フィン等もある。なお同図には半導体素子周辺の配線等
については省略してある。本実施例では、Ｓｉ半導体素
子を第一のセラミックス製基板を介して６個搭載したモ
ジュールとした。

【００８０】実装に先立ち第二の基板に直接第一の基板
を半田付けできないため、第二の基板の主面に予め平均
厚み５μｍの無電解ニッケルメッキ層と平均厚み５μｍ
の電解ニッケルメッキ層を形成した。この内各４個の試
片は、ニッケルメッキ上に直径５ｍｍの半球状のＡｇ−
Ｓｎ系半田によって直径１ｍｍの銅線をメッキ面に垂直
な方向に取り付けた。この試片の基板本体を治具に固定
して銅線を掴みメッキ面に垂直な方向に引っ張り、基板
へのメッキ層の密着強度を確認した。その結果いずれの
基板のメッキ層も１ｋｇ／ｍｍ²以上の引っ張り力でも
剥がれなかった。またメッキ層が形成された別の試片の
内から１０個を抜き取って、−６０℃で３０分保持、１
５０℃で３０分保持の昇降温を１０００サイクル繰り返
すヒートサイクル試験を実施し、試験後上記と同様の密
着強度を確認したところ、いずれの試片もメッキの密着
性で上記レベルを満足する結果が得られた。以上の結果
より本発明の複合材料からなる基板へのメッキの密着性
は、実用上問題の無いレベルであることが判明した。

【００８１】次に第二の基板上に搭載するセラミックス
製の第一の基板として、熱伝導率が１５０Ｗ／ｍ・Ｋ、
熱膨張係数が４．５×１０^-6／℃、３点曲げ強度４５０
ＭＰａの窒化アルミニウムセラミックス製の基板Ａおよ
び熱伝導率が１２０Ｗ／ｍ・Ｋ、熱膨張係数が３．７×
１０^-6／℃、３点曲げ強度１３００ＭＰａの窒化珪素セ
ラミックス製の基板Ｂの二種の銅回路を形成した第一の
基板を、それぞれ１８個ずつ準備した。これらの基板の
形状は、いずれも長さ９０ｍｍ、幅６０ｍｍ、厚み１ｍ
ｍとした。これらの基板を第二の基板の２００ｍｍ角の
主面上に２行３列で等間隔に配置し、同基板のニッケル
メッキ層を形成した面上にＡｇ−Ｓｎ系半田によって固
定した。次にこのアッセンブリーの第二の基板の裏面側
と水冷ジャケットとを、その接触面にシリコンオイルコ
ンパウンドを塗布介在させてボルト閉め固定した。なお
この場合の第一の基板の取り付け穴は、予め素材段階で
その四隅に開けておいた下穴部に炭酸ガスレーザーを照
射して、それを直径３ｍｍまで拡げる方法によって形成
した。この加工は他のセラミックス材やＣｕ−Ｗ、Ｃｕ
−Ｍｏを対象とした場合に比べ、高精度かつ高速で行う
ことができた。この傾向は特に熱伝導率が高くなればな
るほど顕著であった。

【００８２】これらの各試片の中から第一の基板がＡと
Ｂの物を各１５個ずつ選び、上記と同じ単サイクル条件
で３０００サイクルのヒートサイクル試験を行い、その
１００サイクル毎のモジュールの出力の変化を確認し
た。その結果、全てのモジュールが、実用上問題が無い
とされる１０００サイクルまで、その出力の低下は観測
されなかった。ただし、第一の基板の材質種を問わず１
０００サイクルを越えた１１００サイクル以降の確認
で、第二の基板に熱膨張係数が１０×１０^-6／℃以上か
つ熱伝導率が２５０Ｗ／ｍ・Ｋ以下の１、５０、５１、
５３、６０、６６および８０の板を用いたもので、ヒー
トサイクルによるモジュールの若干の出力低下が観測さ
れた。熱伝導率が１８０Ｗ／ｍ・Ｋ以下の１、５０、５
１、６０および６６のものを用いたモジュールでは、１
１００サイクル終了後に同出力の若干の低下したもの
が、１５個中１個観測された。この出力の低下した試料
では、第一・第二の両基板の半田付けされた接合界面の
第一の基板側に微細な亀裂の発生が認められた。また膨
張係数が１１．０×１０^-6／℃かつ熱伝導率が２１０Ｗ
／ｍ・Ｋの５６および熱膨張係数が７．９×１０^-6／℃
で熱伝導率が１５０Ｗ／ｍ・Ｋの５３を用いたモジュー
ルでは、２０００サイクル終了後、これと同様の原因に
よる若干の出力低下が１５個中１個観測された。以上述
べたもの以外には３０００サイクル終了までこのような
異常は無かった。

【００８３】以上の結果より、本発明の炭化珪素系複合
材料からなる第一の基板を用いたパワーモジュールは、
実用上問題の無いレベルのものとなることが分かる。中
でも熱伝導率が２５０Ｗ／ｍ・Ｋ以上の材料を第一の基
板に用いたものは、過酷な熱サイクル条件下でも上記の
ような大型のモジュール用基板として利用可能なことが
分かる。

【００８４】なお本発明の材料をこの種のモジュールに
比べ低出力・低熱(サイクル)負荷の高容量のパーソナル
コンピューター等の半導体素子搭載装置に放熱基板とし
て実装・評価も行ったが、その信頼性・実用性能上何ら
問題は無かった。

【００８５】

【発明の効果】以上詳述したように、本発明によって、
主に炭化珪素(ＳｉＣ)粒子が高純度かつ低欠陥であるＡ
ｌ−ＳｉＣ系またはＣｕ−ＳｉＣ系の炭化珪素系複合材
料が得られ、その結果高い熱伝導性の炭化珪素系複合材
料が提供される。特に予め酸に浸漬したり加熱する予備
処理を施して、遷移金属を含む成分他の不純物量を減ら
し純化した炭化珪素粉末原料を用い、最終の固化を鍛造
で行うことによって、従来に無い極めて高い熱伝導性の
同複合材料が得られる。またこの予備処理による炭化珪
素の純化工程および／または固化後のＡｌ系成分または
Ｃｕ系成分の融点未満の温度下での加熱処理工程を、従
来からの溶浸法・焼結法・鋳造法等に適用することによ
って、その熱伝導性をさらに高めることができる。した
がって、本発明の炭化珪素複合材料は、半導体素子を搭
載する放熱基板、特に高出力のパワーモジュール用の高
信頼性の放熱基板として有用である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のＡｌ−ＳｉＣ系複合材料でのＳｉＣ量
と熱伝導率の関係を示す図である。

【図２】本発明のＣｕ−ＳｉＣ系複合材料でのＳｉＣ量
と熱伝導率の関係を示す図である。

【図３】本発明の材料を基板に用いた半導体装置(パワ
ーモジュール)を模式的に示す図である。

【符号の説明】

１、炭化珪素系複合材料からなる第一基板２、第二基板３、半導体素子４、放熱構造体

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩテーマコート゛(参考）Ｃ２２Ｃ 32/00 Ｃ２２Ｃ 32/00 ＢＨ０１Ｌ 23/15 Ｈ０５Ｋ 1/03 ６１０ＣＨ０５Ｋ 1/03 ６１０ 1/05 Ｂ 1/05 Ｈ０１Ｌ 23/14 Ｃ (72)発明者福井彰兵庫県伊丹市昆陽北一丁目１番１号住友電気工業株式会社伊丹製作所内 (72)発明者武田義信兵庫県伊丹市昆陽北一丁目１番１号住友電気工業株式会社伊丹製作所内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】アルミニウムまたは銅を主成分とする金属
を第一成分とし、炭化珪素を主成分とする粒子を第二成
分とする炭化珪素系複合材料であって、該複合材料を構
成する炭化珪素粒子が高純度かつ低欠陥である炭化珪素
系複合材料。
【請求項２】前記炭化珪素を主成分とする粒子内の鉄元
素およびアルミニウム元素の含有量が、いずれも０．０
１重量％以下である請求項１に記載の炭化珪素系複合材
料。
【請求項３】前記炭化珪素を主成分とする粒子内の鉄元
素およびアルミニウム元素の含有量が、いずれも０．０
０５重量％以下である請求項１に記載の炭化珪素系複合
材料。
【請求項４】前記第一成分がアルミニウムを主成分とす
る金属であって、前記炭化珪素の量がｘ重量％、熱伝導
率がｙW／ｍ・Ｋである時、ｘとｙとがｙ≧０．２８６
ｘ＋１７３（ただし１０≦ｘ≦８０）の関係を満たす請
求項１ないし３のいずれかに記載の炭化珪素系複合材
料。
【請求項５】前記ｘとｙとが２．４１０ｘ＋２２６≧ｙ
≧０．２８６ｘ＋１８０（ただし１０≦ｘ≦８０）の関
係を満たす請求項４に記載の炭化珪素系複合材料。
【請求項６】前記ｘとｙとが２．４１０ｘ＋２２６≧ｙ
≧０．２５０ｘ＋２７０（ただし２０≦ｘ≦８０）の関
係を満たす請求項４に記載の炭化珪素系複合材料。
【請求項７】前記ｘとｙとが２．４１０ｘ＋２２６≧ｙ
≧３００（ただし３０≦ｘ≦８０）の関係を満たす請求
項４に記載の炭化珪素系複合材料。
【請求項８】前記第一成分中のアルミニウムの格子定数
が、４．０５３Å（オングストローム）以下である請求
項４ないし７のいずれかに記載の炭化珪素系複合材料。
【請求項９】前記第一成分が銅を主成分とする金属であ
って、前記炭化珪素の量がｘ重量％、熱伝導率がｙW／
ｍ・Ｋである時、ｘとｙとがｙ≧−０．５０ｘ＋２４５
（ただし１０≦ｘ≦８０）の関係を満たす請求項１ない
し３のいずれかに記載の炭化珪素系複合材料。
【請求項１０】前記ｘとｙとが０．３３３ｘ＋３９３≧
ｙ≧−０．５ｘ＋２５０（ただし１０≦ｘ≦８０）の関
係を満たす請求項４に記載の炭化珪素系複合材料。
【請求項１１】前記ｘとｙとが０．３３３ｘ＋３９３≧
ｙ≧−１．３３３ｘ＋４１７（ただし２０≦ｘ≦８０）
の関係を満たす請求項４に記載の炭化珪素系複合材料。
【請求項１２】前記ｘとｙとが０．３３３ｘ＋３９３≧
ｙ≧−１．１０ｘ＋４１８（ただし２０≦ｘ≦８０）の
関係を満たす請求項４に記載の炭化珪素系複合材料。
【請求項１３】前記炭化珪素粒子が、６Ｈ型の結晶構造
の炭化珪素を含む請求項１ないし１２のいずれかに記載
の炭化珪素系複合材料。
【請求項１４】請求項１ないし１３に記載の炭化珪素系
複合材料を用いた半導体装置。
【請求項１５】アルミニウムまたは銅を主成分とする金
属を第一成分とし、炭化珪素を主成分とする粒子を第二
成分とする炭化珪素系複合材料の製造方法であって、ア
ルミニウムまたは銅を主成分とする金属からなる第一成
分と、炭化珪素粉末を主成分とする第二成分とを含む原
料を準備する工程と、該原料を、炭化珪素の量が１０〜
８０重量％となるように混合して混合物とする工程と、
該混合物を成形し成形体とする工程と、該成形体をアル
ミニウムまたは銅を主成分とする金属の融点以上の温度
で加熱した後、該成形体を加圧下で鍛造し鍛造体とする
工程とを含む炭化珪素系複合材料の製造方法。
【請求項１６】アルミニウムまたは銅を主成分とする金
属を第一成分とし、炭化珪素を主成分とする粒子を第二
成分とする炭化珪素系複合材料の製造方法であって、ア
ルミニウムまたは銅を主成分とする金属からなる第一成
分と、炭化珪素粉末を主成分とする第二成分とを含む原
料を準備する工程と、該原料を用いて、加圧下で鍛造す
ることなく、溶浸法、焼結法、ホットプレス法または鋳
造法によって炭化珪素を１０〜８０重量％含む炭化珪素
系複合材料素材を得る工程とを含む炭化珪素系複合材料
の製造方法。
【請求項１７】前記原料を準備する工程において、前記
炭化珪素粉末は、酸素量が１重量％以下、鉄を含む成分
の量が鉄元素に換算して０．０１重量％以下、アルミニ
ウムを含む成分の量がアルミニウム元素に換算して０．
０１重量％以下である請求項１５または１６に記載の炭
化珪素系複合材料の製造方法。
【請求項１８】前記原料を準備する工程において、前記
炭化珪素粉末は、酸素量が０．１重量％以下、鉄を含む
成分の量が鉄元素に換算して０．００５重量％以下、ア
ルミニウムを含む成分の量がアルミニウム元素に換算し
て０．００５重量％以下である請求項１５または１６に
記載の炭化珪素系複合材料の製造方法。
【請求項１９】前記原料を準備する工程において、前記
炭化珪素粉末は、その結晶構造が６Ｈ型である請求項１
７または１８に記載の炭化珪素系複合材料の製造方法。
【請求項２０】前記原料を準備する工程において、前記
炭化珪素粉末は、炭化珪素粉末を不活性ガス雰囲気中１
６００〜２４００℃の温度範囲で加熱される予備加熱処
理の工程を経た粉末である請求項１５または１６に記載
の炭化珪素系複合材料の製造方法。
【請求項２１】前記原料を準備する工程において、前記
炭化珪素粉末は、炭化珪素粉末をフッ酸、硝酸または塩
酸の内の少なくとも１種の酸を含む水溶液中に浸漬され
る予備酸処理の工程を経た粉末である請求項１５また１
６に記載の炭化珪素系複合材料の製造方法。
【請求項２２】前記鍛造体とする工程の鍛造圧力が、
１ｔｏｎ／ｃｍ²以上である請求項１５に記載の炭化珪
素系複合材料の製造方法。
【請求項２３】前記鍛造体とする工程の鍛造が、熱間で
行われる請求項１５に記載の炭化珪素系複合材料の製造
方法。
【請求項２４】前記鍛造体とする工程の加熱の時間が、
１５分以内である請求項１５に記載の炭化珪素系複合材
料の製造方法。
【請求項２５】前記鍛造体とする工程の加熱の手段が、
電磁誘導加熱またはプラズマ誘導加熱である請求項１５
に記載の炭化珪素系複合材料の製造方法。
【請求項２６】前記鍛造体とする工程を経た後、さらに
該鍛造体をアルミニウムまたは銅を主成分とする金属の
融点Ｔｍ未満の温度Ｔｈで加熱する熱処理工程を含む請
求項１５に記載の炭化珪素系複合材料の製造方法。
【請求項２７】前記炭化珪素系複合材料素材を得る工程
を経た後、さらに該素材をアルミニウムまたは銅を主成
分とする金属の融点Ｔｍ未満の温度Ｔｈで加熱する熱処
理工程を含む請求項１６に記載の炭化珪素系複合材料の
製造方法。
【請求項２８】前記熱処理工程の温度Ｔｈが、Ｔｈ＞Ｔ
ｍ−１００の関係を満たす温度である請求項２６または
２７に記載の炭化珪素系複合材料の製造方法。