JP2001158933A

JP2001158933A - Ａｌ−ＳｉＣ系複合材料とその製造方法及びそれを用いた半導体装置

Info

Publication number: JP2001158933A
Application number: JP34295199A
Authority: JP
Inventors: Chihiro Kawai; 千尋河合
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 1999-12-02
Filing date: 1999-12-02
Publication date: 2001-06-12

Abstract

(57)【要約】【課題】半導体パワーデバイスにも適する２８０Ｗ／
ｍＫ以上の熱伝導率を有し、かつ半導体パッケージの周
辺部材の熱膨張係数とも整合するＡｌ−ＳｉＣ系複合材
料の提供を課題とする。【解決手段】Ａｌ又はＡｌ合金とＳｉＣからなり、Ｓ
ｉＣの量が全体の４０〜７５ｖｏｌ％を占める複合材料
であって、複合材料組成中に、ＳｉＣの粒子同志が焼結
した疑似造粒骨格を形成する連続相となっているＡｌ−
ＳｉＣ系複合材料である。

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
られる優れた熱伝導性を有するＡｌ−ＳｉＣ系複合材料
及びそれを用いた半導体装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年の半導体装置は、市場の要求によっ
て増すます高速演算・高集積化の傾向にある。それと共
に、該装置の半導体素子搭載用放熱基板には、半導体素
子から発生する熱を効率よく逃がすため熱伝導率の優れ
た材料が求められる。さらに、これ等を収納する半導体
パッケージとの熱歪みの差異を小さくするため、熱膨張
係数の整合性も求められる。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、
半導体パッケージの筐体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、放熱基板の熱膨張係数もこれらの値に近いこと
が好ましい。

【０００３】また近年のエレクトロニクス機器の応用範
囲の著しい拡張に伴い、半導体装置の使用範囲は一層多
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
の利用が増えている。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ツサー
に比べ数倍から数十倍にも及ぶ。従って、これらの機器
に用いられる放熱基板は、熱伝導率を格段に向上させる
と共にパッケージ周辺部材の熱膨張係数とできるだけ整
合させることが重要である。

【０００４】半導体パッケージの代表的な構造として
は、Ｓｉ等から成る各種半導体素子を第１の放熱基板で
ある高熱伝導性の窒化アルミニウム（以下、ＡｌＮと言
う）セラミックス基板に搭載する。次いで第１の放熱基
板の下にＣｕ−Ｗ系等のより高熱伝導性の複合合金から
成る第２の放熱基板を配置する。さらに第２の放熱基板
の下に熱ポンプとなるペルチェ素子等を配置して、半導
体パッケージの外に放熱する。

【０００５】この構造において、第１の放熱基板である
ＡｌＮセラミックスの熱伝導率が１７０Ｗ／ｍＫ程度の
ものを用いるとすると、第２の放熱基板は、室温で少な
くとも２００Ｗ／ｍＫ以上の高い熱伝導率が要求され
る。また、第１の放熱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
熱膨張係数を有するものが要求される。

【０００６】またこの様な半導体パッケージの筐体や基
板には、従来からＣｕ−Ｗ系やＣｕ−Ｍｏ系の複合合金
が用いられてきた。これらの材料は、原料が高価で不経
済であると共に重量が大きい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Ａｌ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、ＳｉＣと言う）を主成分とするＡｌ−ＳｉＣ系
複合材料は、原料が比較的安価であり、軽量かつ高熱伝
導性を有する。なお通常市販されているＡｌ、ＳｉＣ単
体の熱伝導率は、それぞれ１４０Ｗ／ｍＫ、２００〜３
００Ｗ／ｍＫ程度であるが、さらにその純度や欠陥濃度
を調整すれば熱伝導率のレベルは向上する。そして、純
粋なＳｉＣ、Ａｌ単体の熱膨張係数は、それぞれ４．２
×１０^-6／℃、２４×１０^-6／℃程度であり、それらを
複合化することによって熱膨張係数が広い範囲で制御可
能となる。

【０００７】斯かるＡｌ−ＳｉＣ系複合合金および製造
方法については、特開平１０−３３５５３８号公報に開
示されている。このＡｌ−ＳｉＣ系複合合金は、１０〜
７０ｗｔ％の粒子状ＳｉＣ粉末とＡｌ粉末との混合粉末
を成形した後、９９％の窒素を含み、酸素濃度が２００
ｐｐｍ以下、露点が−２０℃以下の非酸化性雰囲気中、
６００〜７５０℃のホットプレスによる液相焼結法によ
って得られる。このとき、Ａｌは窒化されてＡｌＮとな
る。そして、この様な簡単な焼結法によって得られるＡ
ｌ−ＳｉＣ系複合材料は、１００Ｗ／ｍＫ以上の熱伝導
率と２０×１０ ^-6／℃以下の熱膨張係数を有する軽量で
均一な半導体基板材料を提供できると説明されている。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかし、特開平１０−
３３５５３８号公報に記載のＡｌ−ＳｉＣ系複合材料で
は、熱膨張係数を１０×１０^-6／℃以下にしようとする
と、ＳｉＣ量を６０ｗｔ％以上にしなければならない。
その結果２００Ｗ／ｍＫ程度の熱伝導率のものしか得ら
れない。また熱膨張係数を犠牲にしても、２４０Ｗ／ｍ
Ｋ程度の熱伝導率が限界である。

【０００９】特に、半導体パワーデバイス用の放熱基板
のように、実用サイズが比較的大きく放熱量の多い場合
は、以下に述べるいくつかの課題が残っている。このよ
うな従来以上に高い放熱性が要求される放熱基板の熱伝
導率のレベルは、今後は２８０Ｗ／ｍＫを超える高いも
のが要求されようとしている。しかも、半導体パツケー
ジの周辺部材の熱膨張係数は比較的低いから、放熱基板
の熱歪みによって組合わせ界面において反りや変形が生
じ、半導体素子や周辺部材に亀裂や損傷を発生させては
ならない。

【００１０】Ａｌ−ＳｉＣ系複合材料の製造方法につい
ては、ＳｉＣとＡｌの混合物中のＡｌを溶融させて固化
する鋳造法、ＳｉＣ多孔体のスケルトンの空隙にＡｌを
溶融させる溶浸法、ＳｉＣとＡｌの混合粉末の成形体を
金型内で、真空中、Ａｌの融点以上の温度でホツトプレ
スする液相焼結法等がある。

【００１１】鋳造法では、Ａｌ溶湯を鋳型に流し込みＳ
ｉＣ粉末を分散させて固化するが、ＡｌとＳｉＣとの密
度差により冷却時に成形体中のＳｉＣ粒子の偏析を生
じ、固化体の組成が不均一になり易い。そのため固化体
の表面部と内部との間では熱膨張係数にかなりの差がで
るため、両者の界面に熱が伝わると熱歪みを生じ易い。

【００１２】溶浸法では、ＳｉＣ多孔体のスケルトンの
空隙に溶融したＡｌを均一に溶浸させる。この場合鉄鋼
の鋳造時に発生するような溶融Ａｌの引け巣を防ぎ、Ｓ
ｉＣ多孔体のスケルトン内にＡｌを完全に充填して複合
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が溶浸剤として注入される。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
多大の工数がかかる。

【００１３】液相焼結法では、ホットプレス装置が連続
式のものであれば、真空雰囲気にすると共にＡｌの溶融
点以上に温度を上げるため、金型の外への溶融物の流出
を抑える必要がある。従って、成分量のばらつきを抑え
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れば、溶融
物の金型外への流出は連続式のものに比べ幾分抑えるこ
とができる。その反面、成形体の金型への装填、所定の
温度プログラムでの保持と冷却等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。

【００１４】以上述べたように、従来の製造方法はいず
れも適切でなく第３の方法が必要である。本発明は、こ
の第３の方法によって製造され、半導体パワーデバイス
にも適する２８０Ｗ／ｍＫ以上の熱伝導率を有し、かつ
半導体パッケージの周辺部材の熱膨張係数とも整合する
Ａｌ−ＳｉＣ系複合材料の提供を課題とする。

【００１５】

【課題を解決するための手段】Ａｌ−ＳｉＣ系複合材料
は、Ａｌ又はＡｌ合金とＳｉＣからなり、ＳｉＣの量が
全体の４０〜７５ｖｏｌ％を占める複合材料であつて、
複合材料組成中でＳｉＣの粒子同志が焼結して連続相と
なった疑似造粒骨格を形成したものである。

【００１６】又、連続相となっている疑似造粒骨格の骨
格サイズを１００〜６００μｍの範囲に収めることによ
つて、優れた熱伝導率の向上が得られる。さらに疑似造
粒骨格の骨格サイズを２００〜５００μｍの範囲に収め
れば、より一層優れた効果が得られる。そして、連続相
となっている焼結されたＳｉＣ粒子骨格内にＡｌが溶融
して複合化されることによって、２８０Ｗ／ｍＫ以上の
熱伝導率を有する。

【００１７】Ａｌ−ＳｉＣ系複合材料の製造方法は、平
均粒径２０〜２００μｍのＳｉＣ粉末に対して、１〜５
ｗｔ％のＳｉ粉末を添加した混合粉末を、Ａｒ中におい
て温度２０００〜２４００℃で熱処理することによって
疑似造粒骨格を形成し、Ａｌ又はＡｌ合金粉末ｉ疑似造
粒骨格から成るＳｉＣ粉末を全体の４０〜７５ｖｏｌ％
になるよう混合し、この混合粉末をプレス予備成形し、
予備成形体をプレス成形型内において、Ａｌ又はＡｌ合
金の溶融点以上の非酸化雰囲気内で圧力５００ＭＰａ以
上のもとに熱間鍛造する。

【００１８】熱処理によって形成される疑似造粒骨格を
有するるＳｉＣ粉末の流動度は、ＪＩＳＺ２５０２
「金属粉の流動試験方法」に規定される手段によって測
定し、無限大であるものを用いてＡｌ又はＡｌ合金粉末
との混合粉末を造る。

【００１９】又、Ａｌ中に１〜５ｗｔ％のＳｉが含まれ
るＡｌ合金粉末を用いると、溶融Ａｌの表面張力を低下
させ、ＳｉＣ粒子から成る疑似造粒骨格の微細な気孔内
にも容易に溶融Ａｌが浸透する。

【００２０】そして、ＳｉＣ粒子から成る疑似造粒骨格
の長径をＸとし、Ａｌ又はＡｌ合金粉末の粒径をＹとす
るとき、Ｙ＞０．４Ｘの関係にある原料同士を混合する
と、混合工程における原料の偏析を防ぐことができる。

【００２１】上述の製造方法によって得られるＡｌ−Ｓ
ｉＣ系複合材料を用いて半導体装置を構成すれば、分け
ても半導体パワーデバイスのように高い放熱性が要求さ
れる放熱基板に用いれば、半導体素子や周辺部材の亀裂
や損傷を防ぐことができる。

【００２２】

【発明の実施の形態】Ａｌ−ＳｉＣ系複合材料は、原料
が比較的安価であり、軽量かつ優れた熱伝導性を有する
ことは、既に述べた通りである。この従来のＡｌ−Ｓｉ
Ｃ系複合材料の熱伝導率や熱膨張係数の特性を、半導体
装置の構造部材として理想に近づけるためには、原料粉
末の形態や成形条件・方法に工夫を凝らす必要がある。

【００２３】通常市販されている原料粉末のＡｌ及びＳ
ｉＣの熱伝導率は、それぞれ１４０Ｗ／ｍＫ、２００〜
３００Ｗ／ｍＫ程度である。そこで、熱伝導率の優れて
いるＳｉＣ粒子を熱処理（以下、アニール処理と言う）
して組成中に鎖状に分散させることに着目した。ＳｉＣ
粉末は、Ａｒ中で２０００℃以上の雰囲気では一部がガ
ス化し、Ｓｉ₂Ｃ、ＳｉＣ₂などのガスが発生する。昇華
したこれらのガスは再び凝縮固化する。つまり、ＳｉＣ₂→ＳｉＣ＋Ｃ（１）Ｓｉ₂Ｃ＋Ｃ→２ＳｉＣ（２）の如くＳｉＣ粉末として凝固する。

【００２４】図１に、（１）及び（２）式の状態で凝縮
固化したＳｉＣ粒子の単体を模式図的に表現して示す。
１はＳｉＣの単体粒子であり、２はＳｉＣ粒子同士が鎖
状にネッキングしたものである。しかし、その規模は小
さく不完全なものである。ところが、ＳｉＣ粉末に微量
のＳｉ粉末を添加するとＳｉＣ粒子間の濡れ性が改善さ
れ、粒子同士のつながりがよくなり疑似造粒骨格を形成
する。添加されたＳｉは温度１４２０℃近傍で溶融し、
さらに２０００℃では完全にガス化する。そしてガス化
したＳｉは、Ｓｉ＋Ｃ→ＳｉＣ（３）ＳｉＣ₂→２ＳｉＣ（４）の如く炭化してＳｉＣに転化する。微量のＳｉが添加さ
れたＳｉＣ粉末は、（１）乃至（４）式のように、昇
華、凝縮固化反応を繰り返すことによって、ＳｉＣ粒子
の一部が互いにネッキングしていわゆる疑似造粒骨格を
形成する。

【００２５】Ｓｉガスが多いと、（３）、（４）式の反
応が促進されてＳｉＣ粒子同士をつなぐ効果が高くな
る。Ｓｉ量がＳｉＣ粉末に対して１ｗｔ％未満である
と、添加しない場合とほとんど変化ない。上限は５ｗｔ
％程度である。これを超えるとＳｉガスの濃度が上が
り、ＳｉＣの昇華自体が起こり難くなり骨格も形成され
難い。アニール温度は、２０００〜２４００℃程度が好
ましい。下限未満ではネッキングされ難く、上限を超え
るとＳｉＣの昇華が激しく粉末の回収が困難になる。昇
華したＳｉの一部は上記の反応系外へ出てしまうので、
それに見合うＳｉの添加量が最適である。

【００２６】このようなアニール処理をしたＳｉＣ粉末
は、元来ＳｉＣ結晶粒子内の積層欠陥量が少なくなり、
かつＳｉＣ中に固溶しているＦｅやＡｌ等の金属不純物
が昇華する。しかも、過剰な電子や空格子（キャリア）
の濃度が減少することによって、ＳｉＣ中のフォノンの
散乱が抑えられて、昇華後再析出した粉末は、その結晶
粒子自体が高い熱伝導性を有する。

【００２７】Ｓｉの添加によりＳｉＣ粒子のネッキング
が促進された状態を、模式図的に表現して図２に示す。
３はＳｉＣ粒子がネッキングし、凝集して大きな粒子群
となっている疑似造粒骨格である。この様な疑似造粒骨
格においては、熱伝導率の高いＳｉＣ粒子が連続して鎖
状にネッキングすることにより、比較的熱伝導率の低い
Ａｌに遮断されることなく熱が伝播される。粒子群の骨
格のサイズは、原料ＳｉＣの粒径にもよるが、Ａｌと複
合化して顕著な熱伝導率向上効果が得られるのは、骨格
のサイズ（長径をＸで表わす）が１００μｍ以上であ
る。骨格サイズが大きいほど熱伝導率向上効果が高い。
２００μｍ以上ではさらに効果がある。なお原料ＳｉＣ
粉末の粒径は平均２０〜２００μｍが好ましい。これ未
満ではＳｉＣ粒子自体の熱伝導率が低く、２００μｍを
超えるとＳｉＣ粒子同士がネッキングされ難くなる。ま
た疑似造粒骨格サイズの上限は６００μｍ程度である。
これを超えると、Ａｌ粉末との混合性が急激に悪化す
る。

【００２８】アニール処理によって見かけ上大きくなっ
たＳｉＣ粒子粉末は、ＡｌまたはＡｌ合金粉末の粒子を
選択しないと、均一な混合粉末が造れない。つまり、組
成の一部がＡｌリッチになったりＳｉＣが偏析して熱伝
導率にばらつきができる。従って、両者はできるだけ類
似の粒子であることが好ましい。そこで、ＳｉＣ粒子か
ら成る疑似造粒骨格の長径をＸとし、Ａｌ又はＡｌ合金
粉末の粒径をＹとすれば、Ｙ＞０．４Ｘの関係にある原
料粉末同士を混合するのが好ましい。混合の手段は、ボ
ールミル又はニーダー等の公知のいずれの装置であって
も良い。

【００２９】このような疑似造粒骨格を形成したＳｉＣ
粉末は、流動性が極めて悪くなる。流動性は、ＪＩＳ
Ｚ２５０２「金属粉の流動試験方法」に規定される手
段によって、５０ｇ量の粉末を傾斜を有する漏斗状の容
器に入れ、下部の出口穴から自然落下する速度で評価さ
れる。本発明のアニール処理したＳｉＣ粉末の流動時間
は無限大である。これは、ネッキングされたＳｉＣ粉末
群の形状が複雑になるため、相互の摩擦係数が大きくな
るためである。

【００３０】因みに、走査型電子顕微鏡（以下、ＳＥＭ
と言う）により観察した疑似造粒骨格を図３に示す。図
３（イ）は、１００μｍ内外のＳｉＣ粒子が骨格サイズ
５００μｍに形成されたものであり、図３（ロ）は、４
００μｍを超えるＳｉＣ粒子の混在する骨格サイズ５０
０μｍ程度のＳＥＭ写真である。

【００３１】Ａｌ又はＡｌ合金粉末と疑似造粒骨格から
成るＳｉＣの混合比は、ＳｉＣが混合粉末全体の４０〜
７５ｖｏｌ％であることが好ましい。ＳｉＣが４０ｖｏ
ｌ％未満ではＡｌの熱膨張係数に支配され、熱膨張係数
が１０×１０^-6／℃を超え、ＳｉＣが７５ｖｏｌ％を超
えるとＡｌが少なすぎるため、焼結法では組成の緻密化
が困難である。

【００３２】この混合粉末は、常温でプレス予備成形
し、この予備成形体をＡｌ金属の溶融点以上で窒素ガス
を９９％以上含む非酸化雰囲気内で加熱し、プレス成形
型内において、高圧の基に短時間で熱間鍛造する。従来
の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、通常は
少なくとも時間単位の加熱が必要である。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によって成形
される緻密な複合材料は、熱伝導率の低下が最小限に抑
えられる。

【００３３】図３のＳＥＭ写真に示すように、疑似造粒
骨格には小さな気孔が点在し、溶融Ａｌが気孔に浸透す
るのを阻害し組成の緻密化の妨げとなる。そこで、Ａｌ
またはＡｌ合金中の純Ａｌに１〜５ｗｔ％のＳｉを添加
し、溶融Ａｌの表面張力を低下させることにより、６０
０〜７５０℃の低い温度でも容易に溶融Ａｌを気孔内に
浸透させることができる。このＳｉは、複合材料中で一
部はＡｌの中に溶け一部は析出した状態となる。

【００３４】鍛造条件としては、６００℃以上の予備成
形体の金属の溶融点以上の熱間で、５００ＭＰａ以上の
圧力で迅速に、一部のＳｉＣ骨格を粉砕しながら疑似造
粒骨格内に溶融Ａｌを充填する。５００ＭＰａ以下で
は、成形体の変形抵抗が大きいため空孔が残留し、製作
された複合材料の熱伝導率が低下する場合がある。なお
鍛造圧力は高くてもよいが、Ａｌの溶融点以上では１０
００ＭＰａに上げても緻密化の効果及び熱伝導率の向上
効果は飽和する。また以上のように作製したＡｌ−Ｓｉ
Ｃ系複合材料の熱膨張係数は、ネッキングにより剛性が
高くなつたＳｉＣのために、ネッキングしていないＳｉ
Ｃを用いた場合よりも小さくなる。

【００３５】

【実施例】実施例１原料粉末として、平均粒径１００μｍの６Ｈ型結晶のＳ
ｉＣと平均粒径５０μｍのＳｉ粉末を用意し、Ｓｉ粉末
の添加量を０〜６ｗｔ％に段階的に変えた混合粉末を造
った。この混合粉末をアニール処理しないものと１９０
０〜２４００℃の範囲で段階的に変えてＡｒ中で２時間
アニール処理し、ＳｉＣ粒子間のネッキングを生成した
ものと無しのものを準備した。因みに、ネッキング無し
のグループは、流動度が４５〜５２ｓｅｃ／５０ｇであ
った。ネッキング有りのグループの流動度は、いずれも
無限大であった。

【００３６】Ａｌ粉末は、平均粒径３０μｍでＡｌ組成
が９９．９０％のものを用意し、アニール処理したＳｉ
Ｃ粉末が６６．６ｖｏｌ％である混合粉末を造り、圧力
７００ＭＰａにて直径３５ｍｍ、厚さ１５ｍｍの予備成
形体を用意した。この予備成形体を、９９％以上の窒素
ガスを含む非酸化雰囲気中で、温度６６０℃の基に１５
分加熱し、予め４５０℃に保持したプレス金型内に装填
し、圧力８００Ｍｐａで熱間鍛造した。

【００３７】作成した複合材料から直径１０ｍｍ、厚さ
２ｍｍの試料を切出し、レーザーフラツシュ法で熱伝導
率（Ｋ）を測定した。又、作動トランス式の熱膨張係数
測定装置で熱膨張係数（α）を測定した結果を表１に示
す。

【００３８】

【表１】

【００３９】表１の結果を考察すると、Ｓｉ粉末の添加
量が１Ｗｔ％未満であると、未添加で且つアニール工程
の無い試料と同様に、疑似造粒骨格が形成されず熱伝導
率は低い。又、Ｓｉ粉末の添加量が５Ｗｔ％を超えても
Ｓｉガスの濃度が上がり、疑似造粒骨格が形成されず熱
伝導率は低い。これに対し、疑似造粒骨格が形成されて
もＳｉＣ粒子の骨格径が小さい試料は、大きいものに比
べ熱伝導率が低い傾向にあることが判る。また疑似造粒
骨格が形成されると、Ａｌ−ＳｉＣ系複合材料の熱膨張
係数が低下することが判る。

【００４０】実施例２次に、平均粒径１００μｍのＳｉＣに平均粒径５０μｍ
のＳｉ粉末を２ｗｔ％添加した混合粉末を造り、この混
合粉末をＡｒ中で２４００℃で２時間アニール処理し
た。その結果全ての試料の流動度は、無限大となった。
そして、平均粒径３０μｍのＡｌ粉末にＳｉを０〜１０
ｗｔ％まで段階的に変えて添加し、アニール処理したＳ
ｉＣ粉末を６６．６ｖｏｌ％添加して混合粉末を造っ
た。又、焼結条件や測定項目を実施例１と同様に設定し
て評価した結果を表２に示す。

【００４１】

【表２】

【００４２】表２の結果を考察すると、Ａｌ粉末に１ｗ
ｔ％以上のＳｉを添加することにより、溶融Ａｌの表面
張力が低下し組成が緻密になることが判る。そして、熱
伝導率も若干向上するが、熱膨張係数はほとんど変化し
ない。

【００４３】実施例３さらに、Ａｌ粉末の粒子を１２３〜１７７μｍに段階的
に変え、Ｓｉの添加量を０と１ｗｔ％の２グループに分
けて、アニール処理したＳｉＣ添加量を４６．１〜７
０．９ｖｏｌ％に段階的に変更して、アニール処理やプ
レス焼結条件及び測定項目を実施例２と同様に設定して
評価した結果を表３に示す。

【００４４】

【表３】

【００４５】表３の結果を考察すると、骨格径とＡｌ粒
径を制御することにより、熱伝導率のばらつきの小さな
Ａｌ−ＳｉＣ系複合材料の得られることが判る。

【００４６】以上の製造方法によって成形されたＡｌ−
ＳｉＣ系複合材料は、半導体装置の部材として優れた特
性を発揮する。特に半導体パワーデバイスの放熱基板の
温度は１００℃以上に昇温することがある。それ故、２
８０Ｗ／ｍＫ以上の熱伝導率のものが要求される。その
容量に比例して、Ｓｉ半導体素子のサイズも大きくな
る。例えば、大型のパソコンに用いられる放熱基板が２
０〜４０ｍｍ角程度であるのに対し、容量の大きな半導
体パワーデバイスに用いられるそれは２００ｍｍ角を超
えるものが求められる。実装寸法が大きくなると高温に
おける基板の反りや変形が、直に基板の下に配置される
放熱機構（熱ポンプやラジエターフィン）との接合面の
ずれを誘発し放熱効率を低下させる。

【００４７】図４に、半導体装置の一例である光半導体
パッケージの構成図を示す。Ｃｕ−ＷまたはＣｕ−Ｍｏ
合金からかる光半導体パッケージの筐体１０の上に、第
１の絶縁基板１１と第２の絶縁基板１２の間に、熱ポン
プであるペルチェ素子１３を挟んで設置する。第１の絶
縁基板１１の上に放熱基板１４を重ねて半導体搭載エリ
アを造り、光信号や電気信号を相互に変換するＰＤ素子
１５やＬＤ素子１６、ペルチェ素子１３の制御温度を監
視するサーミスタ素子１７、光の光軸を矯正するレンズ
１８等を搭載する。これらの各種の半導体デバイスは、
セラミックス端子１９に被着されたメタライズ配線層２
０にボンデイングワイヤにて接続されている。一方、筐
体１０の窓部１０ａには、光の通過方向を制御するアイ
ソレータ２１が取付けられ、コネクタ２２にガイドされ
た光ファイバー２３からの光線をフェルール２４を介し
て、ＬＤ素子１６に照射する。

【００４８】このように構成した光半導体パッケージに
おいて、本発明のＡｌ−ＳｉＣ系複合材料を放熱基板１
４に用いれば、その優れた放熱性によつて、放熱機構の
小型化や一部省略が可能となる。又、半導体素子を含む
周辺部材との熱膨張係数の整合性がとれる。

【００４９】

【発明の効果】本発明のＡｌ−ＳｉＣ系複合材料に用い
るＳｉＣは、温度２０００〜２４００℃で熱処理するこ
とによって疑似造粒骨格を形成し、Ａｌ中に１〜５ｗｔ
％のＳｉが含まれるＡｌ合金粉末とＳｉＣの量が全体の
４０〜７５ｖｏｌ％を占める混合粉末を造る。この混合
粉末をプレス予備成形し、この予備成形体をプレス成形
型内において、Ａｌ又はＡｌ合金の溶融点以上の非酸化
雰囲気内で圧力５００ＭＰａ以上のもとに、短時間で熱
間鍛造したから、半導体パワーデバイスにも適する２８
０Ｗ／ｍＫ以上の熱伝導率を有し、かつ半導体パッケー
ジの周辺部材の熱膨張係数とも整合するＡｌ−ＳｉＣ系
複合材料が提供できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】従来のＳｉＣ粉末のアニール処理後の凝縮固化
したＳｉＣ粒子の摸式図である。

【図２】本発明のＳｉＣに微量のＳｉを添加した粉末を
アニール処理したＳｉＣ粒子の摸式図である。

【図３】本発明のＳｉＣ粒子の疑似造粒骨格の図面に代
る顕微鏡写真である。

【図４】本発明のＡｌ−ＳｉＣ系複合材料を用いた半導
体装置の構成図である。

【符号の説明】

１ＳｉＣの単体粒子２ネッキングしたＳｉＣ粒子３ＳｉＣ粒子の疑似造粒骨格１０半導体パッケージの筐体１１第１の絶縁基板１２第２の絶縁基板１３ペェルチェ素子１４放熱基板

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】Ａｌ又はＡｌ合金とＳｉＣからなり、前記
ＳｉＣの量が全体の４０〜７５ｖｏｌ％を占める複合材
料であって、前記ＳｉＣ粒子同志が焼結した疑似造粒骨
格を形成する連続相となっていることを特徴とするＡｌ
−ＳｉＣ系複合材料。
【請求項２】連続相となっている前記疑似造粒骨格の骨
格サイズが１００〜６００μｍであることを特徴とする
請求項１に記載のＡｌ−ＳｉＣ系複合材料。
【請求項３】連続相となっている前記疑似造粒骨格の骨
格サイズが２００〜５００μｍであることを特徴とする
請求項１に記載のＡｌ−ＳｉＣ系複合材料。
【請求項４】熱伝導率が２８０Ｗ／ｍＫ以上であること
を特徴とする請求項１に記載のＡｌ−ＳｉＣ系複合材
料。
【請求項５】平均粒径２０〜２００μｍのＳｉＣ粉末に
対して、１〜５ｗｔ％のＳｉ粉末を添加した混合粉末
を、不活性ガス中において温度２０００〜２４００℃で
熱処理することによって疑似造粒骨格を形成した粉末を
作製し、Ａｌ又はＡｌ合金粉末と前記疑似造粒骨格から
成るＳｉＣ粉末が全体の４０〜７５ｖｏｌ％になるよう
混合し、この混合粉末をプレス予備成形し、前記予備成
形体をプレス成形型内において、前記Ａｌ又はＡｌ合金
の溶融点以上の非酸化雰囲気内で圧力５００ＭＰａ以上
のもとに熱間鍛造することを特徴とするＡｌ−ＳｉＣ系
複合材料の製造方法。
【請求項６】前記疑似造粒骨格から成るＳｉＣ粉末の流
動度が無限大であることを特徴とする請求項５に記載の
Ａｌ−ＳｉＣ系複合材料の製造方法。
【請求項７】Ａｌ中に１〜５ｗｔ％のＳｉが含まれるＡ
ｌ合金粉末を用いることを特徴とする請求項５に記載の
Ａｌ−ＳｉＣ系複合材料の製造方法。
【請求項８】ＳｉＣ粒子から成る前記疑似造粒骨格の長
径をＸとし、Ａｌ又はＡｌ合金粉末の粒径をＹとすると
き、Ｙ＞０．４Ｘの関係にある原料から混合粉末を造る
ことを特徴とする請求項５に記載のＡｌ−ＳｉＣ系複合
材料の製造方法。
【請求項９】請求項１のＡｌ−ＳｉＣ系複合材料を用い
たことを特徴とする半導体装置。