JP2001168248A - 複合材 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 必要な熱伝導性を有するとともに熱膨張率が
低く、半導体装置の放熱部材や電子部品搭載基材として
好適な複合材を、低コストで製造可能にする。 【解決手段】 複合材は強化材を構成する三次元繊維構
造体ＦにＣｕを含浸させて形成されている。三次元繊維
構造体Ｆはｘ糸層１及びｙ糸層２を複数積層して形成さ
れた２軸配向となる積層糸群３と、積層糸群３の各ｘ糸
層１及びｙ糸層２と直交する方向に配列された厚さ方向
糸ｚとを含む３軸で構成されている。ｘ糸層１は三次元
繊維構造体Ｆの厚さ方向と直交する面内において、Ｘ方
向に沿って配列された第１の面内配列糸ｘからなり、ｙ
糸層２はｘ糸層１と平行な面内で第１の面内配列糸ｘと
直交する方向（Ｙ方向）に配列されている。第１の面内
配列糸ｘにはピッチ系炭素繊維が使用され、第２の面内
配列糸ｙ及び厚さ方向糸ｚにＰＡＮ系炭素繊維が使用さ
れている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は炭素繊維と金属との
複合材に係り、例えば半導体装置の放熱部材や電子部品
搭載基材として好適な複合材に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、特開平４−１４７６５４号公報に
は、この種の電子部品搭載基材として、アルミニウム又
はアルミニウム合金に炭素繊維を含有させた複合材が提
案されている。この複合材はピッチ系炭素繊維を溶媒に
分散して攪拌濾過したものを圧縮した炭素繊維の予備成
形体に、アルミニウムを高圧で含浸させて製造したもの
である。

【０００３】また、特開平１１−４９５７８号公報に
は、半導体装置用放熱部材として、黒鉛化カーボンのマ
トリックスに、黒鉛化カーボン長繊維を電子部品搭載面
と平行に２次元面内で直交又は所定の角度に疑似等方で
配列し、さらに電子部品搭載面に垂直な方向に配向した
繊維群を有する黒鉛化カーボン繊維／黒鉛化カーボンの
複合体が提案されている。この複合体は三次元に織られ
た黒鉛化カーボン繊維にピッチ樹脂の含浸、炭素化、黒
鉛化という黒鉛化処理の工程を複数回繰り返すことで製
造される。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】特開平１１−４９５７
８号公報に開示された複合材は、熱伝導率及び熱膨張率
とも半導体装置用放熱部材に適した熱特性を有する。し
かし、この複合材を製造するには、黒鉛化カーボン繊維
の三次元織物に対して、ピッチ樹脂の含浸、炭素化、黒
鉛化という黒鉛化処理の工程を複数回繰り返す必要があ
り、製造コストが高くなる。

【０００５】また、黒鉛化カーボン繊維は破壊歪みが小
さいため曲げに弱く、三次元織物を製造する場合に糸
（繊維）同士の擦れにより切断し易く、特に繊維層を結
合するための糸が切断し易い。従って、生産性が悪いと
いう問題もある。

【０００６】特開平４−１４７６５４号公報に開示され
た複合材では、強化繊維を構成するピッチ系炭素繊維の
熱膨張率が小さいため、複合材全体の熱膨張率がアルミ
ニウムに比較して小さくなる。しかし、短繊維がマトリ
ックス中にランダムに分散されている構成のため、複合
材の熱膨張率は単純にアルミニウムと炭素繊維の割合で
決まり、炭素繊維にアルミニウムの膨張を積極的に抑え
る機能を持たせて、複合材の膨張量をより小さくするこ
とは難しい。

【０００７】本発明は前記の従来の問題点に鑑みてなさ
れたものであって、その目的は、必要な熱伝導性を有す
るとともに熱膨張率が低く、半導体装置の放熱部材や電
子部品搭載基材として好適で、しかも低コストで製造で
きる複合材を提供することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】前記の目的を達成するた
め請求項１に記載の発明では、繊維が相互に平行に配列
された層を複数積層して形成された少なくとも２軸配向
となる積層糸群と、前記積層糸群の各層と直交する方向
に配列された厚さ方向糸とを含む少なくとも３軸で構成
された炭素繊維製三次元繊維構造体に金属を含浸させ、
前記炭素繊維にポリアクリロニトリル系炭素繊維と、ピ
ッチ系炭素繊維又は気相合成炭素繊維とを使用し、かつ
少なくとも前記厚さ方向糸にポリアクリロニトリル系炭
素繊維（ＰＡＮ系炭素繊維）を使用した。

【０００９】従って、この発明では炭素繊維製の三次元
繊維構造体に金属を含浸させて複合材が構成されている
ため、マトリックスを黒鉛化カーボンとする場合に比較
して製造コストが低くなる。金属は炭素繊維に比較して
熱膨張率が大きいが、炭素繊維が三次元構造体を構成し
ているため、単にマトリックス中に炭素繊維を分散させ
たものと異なり、マトリックス金属の熱膨張を抑制し、
炭素繊維の含有量が同じ場合熱膨張量が小さくなる。ま
た、三次元繊維構造体が熱伝導率の高いピッチ系炭素繊
維又は気相合成炭素繊維と、曲げや擦れに対してピッチ
系炭素繊維より優れたＰＡＮ系炭素繊維との組み合わせ
で構成され、厚さ方向糸にＰＡＮ系炭素繊維が使用され
ているため、三次元繊維構造体の製造時に炭素繊維が切
断し難くなり、生産性が向上する。

【００１０】請求項２に記載の発明では、請求項１に記
載の発明において、放熱部材として使用され、伝熱方向
に沿ってピッチ系炭素繊維又は気相合成炭素繊維の糸が
配列されている。

【００１１】従って、この発明では、放熱部材として使
用される際における伝熱方向への熱伝導率が高くなり、
放熱部材として好適となる。

【００１２】

【発明の実施の形態】以下、本発明を具体化した一実施
の形態を図１に従って説明する。図１は複合材の強化材
を構成する三次元繊維構造体Ｆの一部破断模式斜視図で
ある。三次元繊維構造体Ｆは繊維が相互に平行に配列さ
れた層としてのｘ糸層１及びｙ糸層２を複数積層して形
成された２軸配向となる積層糸群３と、積層糸群３の各
ｘ糸層１及びｙ糸層２と直交する方向に配列された厚さ
方向糸ｚとを含む３軸で構成されている。

【００１３】ｘ糸層１は三次元繊維構造体Ｆの厚さ方向
（図１の上下方向）と直交する面内において、Ｘ方向
（この実施の形態では長さ方向）に沿って配列された第
１の面内配列糸ｘからなり、１本の糸が折り返し状に配
列されて形成されている。ｙ糸層２はｘ糸層１と平行な
面内で第１の面内配列糸ｘと直交する方向（Ｙ方向）に
配列され、１本の糸が折り返し状に配列された第２の面
内配列糸ｙからなっている。各面内配列糸ｘ，ｙは所定
のピッチ（例えば３ｍｍのピッチ）で配列されている。

【００１４】厚さ方向糸ｚは積層糸群３の一方の面（図
１の下面側）で折り返すように上面側から挿入されると
ともに、下面側において幅方向に配列された抜け止め糸
（図示せず）により抜け止めされている。厚さ方向糸ｚ
が抜け止め糸と共同でｘ糸層１及びｙ糸層２を締め付け
ることにより、各糸層が結合されている。厚さ方向糸ｚ
も所定のピッチ（例えば３ｍｍのピッチ）で配列されて
いる。

【００１５】第１の面内配列糸ｘにはピッチ系炭素繊維
が使用されている。ピッチ系炭素繊維の中でもメソフェ
ーズピッチ系炭素繊維が熱伝導率の点で好ましい。第２
の面内配列糸ｙ及び厚さ方向糸ｚにはＰＡＮ系炭素繊維
が使用されている。各炭素繊維はロービング（トウ）の
状態で使用されている。ロービング（トウ）とは細い単
繊維のフィラメントを多数本束ねた実質無撚りの繊維束
を意味する。

【００１６】前記構成の三次元繊維構造体Ｆは、例え
ば、特開平５−１０６１３９号公報や特開平８−２１８
２４９号公報に開示された方法のように、四角形状の基
板又は枠体に多数のピンが装着されたものを使用する方
法で製造される。即ち、基板又は枠体上にｘ糸層１及び
ｙ糸層２を所定数積層して形成した積層糸群３を、厚さ
方向糸ｚと抜け止め糸とで結合することによって形成さ
れる。

【００１７】前記のように構成された三次元繊維構造体
Ｆに高温、高圧下で、アルミニウムと同等以上の熱伝導
率の大きな金属を含浸することにより、複合体が製造さ
れる。この実施の形態では金属としてＣｕが使用されて
いる。

【００１８】前記のように構成された三次元繊維構造体
Ｆを、例えば半導体装置用放熱部材として使用する場合
には、伝熱方向に沿ってピッチ系炭素繊維の糸、即ち第
１の面内配列糸ｘが配列された状態となるように、三次
元繊維構造体ＦをＹＺ面で所定の厚さに切断する。そし
て、切断面において銀ペーストを介して半導体チップに
接合し、半導体チップとの接合面と反対側にサーマルシ
ートを介してヒートシンクを接合した状態で使用する。

【００１９】この実施の形態では以下の効果を有する。 （１） 三次元繊維構造体Ｆを、熱伝導率は高いが擦れ
等で破断し易いピッチ系炭素繊維と、熱伝導率は低いが
比較的安価で伸びの大きいＰＡＮ系炭素繊維とを組み合
わせて製造し、かつ少なくとも曲げた状態で大きな力が
作用する厚さ方向糸ｚにＰＡＮ系炭素繊維を使用する。
従って、炭素繊維の体積含有率（Ｖｆ）の大きな三次元
繊維構造体を炭素繊維の毛羽や糸切れを抑えた状態で製
造でき、製造が容易になって歩留まりが良くなり、製造
コストを低くできる。

【００２０】（２） 三次元繊維構造体Ｆに金属を含浸
することにより複合材が形成され、金属の含浸は１回の
工程で完了する。従って、黒鉛化カーボン繊維／黒鉛化
カーボンの複合体のようにマトリックスを構成するため
にピッチ樹脂の含浸、炭素化、黒鉛化という黒鉛化処理
の工程を複数回繰り返すものに比較して、製造が容易で
コストも低くなる。

【００２１】（３） 強化材が三次元繊維構造体Ｆで形
成されているため、マトリックス金属を含浸させる工程
で繊維組織が乱れ難く、形状安定性が良くなる。また、
炭素繊維がマトリックス金属の膨張を積極的に抑える機
能を果たし、複合材の膨張量を小さくできる。従って、
炭素繊維の配列割合（配列本数）を変更することによ
り、複合材の膨張率と熱伝導率の調整が容易になり、設
計の自由度が大きくなる。

【００２２】（４） メソフェーズピッチ系炭素繊維は
種類（製法）によってはＣｕの熱伝導率（ほぼ４００Ｗ
／（ｍ・Ｋ）））より高い熱伝導率のものもあるが、そ
の場合は価格が高い。通常のメソフェーズピッチ系炭素
繊維は熱伝導率がＣｕの熱伝導率の半分以下である。マ
トリックスとして熱伝導率の高いＣｕを使用しているた
め、比較的安価な通常のメソフェーズピッチ系炭素繊維
を使用しても高熱伝導率の複合材が得られる。

【００２３】（５） 得られた複合体をＹＺ面、即ち厚
さ方向糸ｚと直交する面で切断することにより、ピッチ
系炭素繊維の配列方向が伝熱方向となり、熱伝導率の大
きな放熱部材を簡単に得ることができる。

【００２４】（６） マトリックス金属としてＣｕが使
用されているため、高熱伝導率の複合体を低コストで製
造できるとともに、アルミニウムに比較して炭素繊維と
の濡れ性が良いため含浸工程が容易になる。

【００２５】なお、実施の形態は前記に限定されるもの
ではなく、例えば、次のように具体化してもよい。 ○ 強化材となる三次元繊維構造体Ｆは３軸の三次元繊
維構造体Ｆに限らず、繊維が相互に平行に配列された層
を複数積層して形成された積層糸群３が少なくとも２軸
配向であればよい。例えば図２に示すように、第１の面
内配列糸ｘに対して所定の角度（例えば±４５°）で傾
斜するように配列された２層一組のバイアス糸Ｂ₁ ，Ｂ
₂ からなるバイアス糸層を有する面内４軸、合計５軸の
三次元繊維構造体Ｆとしてもよい。複合材に要求される
熱伝導率が高い場合はバイアス糸Ｂ₁ ，Ｂ₂ にピッチ系
炭素繊維を使用し、そうでない場合はＰＡＮ系炭素繊維
を使用する。この場合、三次元繊維構造体Ｆの形状安定
性がより向上する。

【００２６】○ 抜け止め糸を使用せずに、図３に示す
ように、厚さ方向糸ｚを千鳥状に配列してもよい。即
ち、厚さ方向糸ｚが積層糸群３を一方の側から貫通した
後、貫通位置を１ピッチずらして他方の側から積層糸群
３を貫通するように配列する。また、５軸の三次元繊維
構造体Ｆの場合も、厚さ方向糸ｚを同様に配列してもよ
い。この場合、抜け止め糸を使用する構成に比較して厚
さ方向糸ｚを太くでき、Ｖｆを大きくするために厚さ方
向糸ｚの締め付け力を強くできる。

【００２７】○ 厚さ方向糸ｚにのみＰＡＮ系炭素繊維
を使用し、両面内配列糸ｘ，ｙ及びバイアス糸Ｂ₁ ，Ｂ
₂ にピッチ系炭素繊維を使用する。そして、金属を含浸
させた後、ＹＺ面で切断（スライス）して使用する。こ
の場合、Ｘ方向及びＹ方向の熱伝導率がＺ方向の熱伝導
率より高くなり、Ｚ方向の線膨張率はその配列割合に応
じて調整される。

【００２８】○ 前記各実施の形態においてピッチ系炭
素繊維に代えて気相合成炭素繊維を使用してもよい。気
相合成炭素繊維は熱伝導率がピッチ系炭素繊維より高
く、２０００Ｗ／（ｍ・Ｋ）程度のものが得られる。気
相合成炭素繊維の製造方法は、Society for the Advanc
ement of Material and Process Engineering(SAMPE)Jo
urnal September/October 1986,Vol.22-5 に報告されて
おり、炭化水素の気体分子を触媒成長反応で繊維方向に
配列させた後、化学蒸着反応で太くして炭素繊維を得
る。触媒成長反応及び化学蒸着は１０００℃水素キャリ
ヤーガス中で行われる。 ○ ピッチ系炭素繊維と気相
合成炭素繊維の両者を同時に使用してもよい。例えば、
第１の面内配列糸ｘにピッチ系炭素繊維を使用し、第２
の面内配列糸ｙに気相合成炭素繊維を使用する。

【００２９】○ マトリックスを構成する金属はＣｕに
限らず、アルミニウムと同等以上の熱伝導率を有するも
のであればよい。例えば、熱伝導率がさほど要求されな
い複合材ではアルミニウムを使用する。アルミニウムは
熱伝導率がＣｕの６割程度であるが、密度がほぼ１／３
のため、軽量化に寄与する。また、アルミニウムの融点
は６６０℃とＣｕの融点より４００℃以上低いため、含
浸時の温度を低くでき、溶融に必要なエネルギーが少な
くなる。

【００３０】○ 複合材を半導体装置の放熱材として使
用する場合、複合材をヒートシンクを兼ねたもの、即ち
多数の放熱フィンを備えた形状に切削加工して使用して
もよい。黒鉛化カーボン繊維／黒鉛化カーボン複合体の
場合はこのような加工が難しいが、マトリックスとして
金属を使用したものでは加工が比較的容易となる。従っ
て、別部品のヒートシンクを使用する場合に比較して、
部品点数及び組立工数が少なくなる。

【００３１】前記実施の形態から把握できる請求項記載
以外の発明について、以下にその効果とともに記載す
る。 （１） 請求項１又は請求項２に記載の発明において、
前記三次元繊維構造体はＸ，Ｙ，Ｚ方向の３軸構成で、
そのうちの１方向に配列される繊維にピッチ系炭素繊維
又は気相合成炭素繊維が使用されている。この場合、２
方向に配列される繊維にピッチ系炭素繊維又は気相合成
炭素繊維を使用する三次元繊維構造体に比較して製造が
容易になるとともに、コストも安くなる。

【００３２】（２） 請求項１又は請求項２に記載の発
明において、前記三次元繊維構造体は５軸の三次元繊維
構造体である。この場合、金属を高圧含浸する工程での
形状安定性が３軸の三次元繊維構造体に比較して良くな
る。

【００３３】（３） 請求項１、請求項２、（１）及び
（２）のいずれかに記載の発明において、前記金属はＣ
ｕである。この場合、高熱伝導率の複合体を低コストで
製造できるとともに、アルミニウムに比較して炭素繊維
との濡れ性が良いため含浸工程が容易になる。

【００３４】

【発明の効果】以上詳述したように請求項１及び請求項
２に記載の発明によれば、必要な熱伝導性を有するとと
もに熱膨張率が低く、半導体装置の放熱部材や電子部品
搭載基材として好適で、しかも低コストで製造できる。

【００３５】請求項２に記載の発明によれば、放熱部材
として使用するとき、放熱効率が良くなる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 一実施の形態の三次元繊維構造体の一部破断
模式斜視図。

【図２】 別の実施の形態の三次元繊維構造体の一部破
断模式斜視図。

【図３】 別の実施の形態の三次元繊維構造体の一部破
断模式斜視図

【符号の説明】

１…ｘ糸層、２…ｙ糸層、３…積層糸群、ｚ…厚さ方向
糸、Ｆ…三次元繊維構造体。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 繊維が相互に平行に配列された層を複数
   積層して形成された少なくとも２軸配向となる積層糸群
   と、前記積層糸群の各層と直交する方向に配列された厚
   さ方向糸とを含む少なくとも３軸で構成された炭素繊維
   製三次元繊維構造体に金属を含浸させ、前記炭素繊維に
   ポリアクリロニトリル系炭素繊維と、ピッチ系炭素繊維
   又は気相合成炭素繊維とを使用し、かつ少なくとも前記
   厚さ方向糸にポリアクリロニトリル系炭素繊維を使用し
   た複合材。
2. 【請求項２】 放熱部材として使用され、伝熱方向に沿
   ってピッチ系炭素繊維又は気相合成炭素繊維の糸が配列
   されている請求項１に記載の複合材。