JP2002057256A

JP2002057256A - 複合材料

Info

Publication number: JP2002057256A
Application number: JP2000244757A
Authority: JP
Inventors: Katsuaki Tanaka; 勝章田中; Kyoichi Kinoshita; 恭一木下; Eiji Kono; 栄次河野; Shinichi Towata; 真一砥綿; Naohisa Nishino; 直久西野
Original assignee: Toyota Industries Corp; Toyota Central R&D Labs Inc
Current assignee: Toyota Industries Corp; Toyota Central R&D Labs Inc
Priority date: 2000-08-11
Filing date: 2000-08-11
Publication date: 2002-02-22

Abstract

(57)【要約】【課題】半導体装置等の放熱部材として好適で、複合
材料と絶縁基板との熱膨張係数の差に起因する反りの発
生を、支障のない程度に抑制できる複合材料を提供す
る。【解決手段】複合材料１は横長の四角板状に形成さ
れ、絶縁基板２が一方の面に一体に鋳込まれ、複合材料
１内に反り防止部材としてのパイプ３が鋳込まれてい
る。パイプ３はほぼＵ字状に屈曲形成されている。即
ち、１本のパイプ３が、複合材料１の長手方向に沿って
延びる部分が複数箇所存在するように屈曲形成され、か
つその両端が複合材料１の外部に突出した状態で複合材
料１内に鋳込まれている。複合材料１はマトリックス相
をアルミニウム合金とし、分散相をＳｉＣ粉末としてい
る。パイプ３に冷却媒体が流される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は複合材料に係り、詳
しくは例えば半導体装置の放熱部材や電子部品搭載基材
として好適に使用され、マトリックス相を金属とし、分
散相をセラミックス粒子等とした複合材料（金属基複合
材料）に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】半導体装置等の放熱板（ヒートシンク）
を金属製とした場合は、金属と半導体装置等の熱膨張率
の差が大きく、半導体装置等が破損する虞があるため、
従来、放熱板として金属マトリックス相にセラミックス
を分散させたもの、例えばセラミックス粒子をアルミニ
ウム基材に分散させた金属基複合材料（以下、単に複合
材料と称す場合がある。）が知られている。

【０００３】複合材料製の放熱板を使用する場合、半導
体装置等は直接放熱板上に搭載されるのではなく、放熱
板上に絶縁基板を介して搭載される。絶縁基板を半田付
け等で放熱板に固着した場合に比較して、絶縁基板と放
熱板との接続部の熱伝導を良好にするため、絶縁基板を
片面に鋳込んだ構成の複合材料も提案されている（例え
ば、特開平１１−２６９５７７号公報）。図４に示すよ
うに、この複合材料４１は片面に絶縁基板４２が鋳込ま
れ、反対側の面に多数のフィン４３が突設されている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】前記特開平１１−２６
９５７７号公報に開示された複合材料４１のように、絶
縁基板４２を複合材料の片面に鋳込んだ構造では、絶縁
基板４２と複合材料４１との半田付けの手間が無くなる
とともに、放熱性が良くなる。ところが、複合材料４１
の熱膨張係数（ほぼ８×１０^-6／Ｋ）は絶縁基板４２の
熱膨張係数（ほぼ４×１０^-6／Ｋ）の２倍の大きさがあ
るため、両者の熱膨張係数の差により反りが発生すると
いう問題がある。

【０００５】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、例えば半導体装置等の
放熱部材として好適で、複合材料と絶縁基板との熱膨張
係数の差に起因する反りの発生を、支障のない程度に抑
制できる複合材料を提供することにある。

【０００６】

【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、電子部品が搭載される絶
縁基板が一方の面に一体に鋳込まれた金属基複合材料で
あって、前記金属基複合材料内に反り防止部材として冷
却媒体の流通可能なパイプを鋳込んだ。

【０００７】この発明では、金属基複合材料内に鋳込ま
れたパイプの存在により、複合材料と絶縁基板との熱膨
張係数の差に起因する反りの発生が、支障のない程度に
抑制される。また、パイプに冷却媒体を流すことによ
り、冷却効率が向上する。

【０００８】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、前記パイプは１本のパイプを、前記
金属基複合材料の長手方向に沿って延びる部分が複数箇
所存在するように屈曲形成され、かつその両端が前記金
属基複合材料の外部に突出した状態で前記金属基複合材
料内に鋳込まれている。

【０００９】従って、この発明では、１本のパイプで効
果的に複合材料の反りが抑制される。また、１本のパイ
プに冷却媒体を流すことで、複合材料全体の冷却が効率
良く行われる。

【００１０】

【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及び図２に従って説明する。図１（ａ）は
複合材料の模式斜視図である。複合材料１は横長の四角
板状（四角ブロック状）に形成され、絶縁基板２が一方
の面に一体に鋳込まれ、複合材料１内に反り防止部材と
してのパイプ３が鋳込まれている。

【００１１】パイプ３は１本のパイプが、複合材料１の
長手方向に沿って延びる部分３ａが複数箇所存在するよ
うに屈曲形成され、かつその両端が複合材料１の外部に
突出した状態で複合材料１内に鋳込まれている。この実
施の形態ではパイプ３はほぼＵ字状に屈曲形成されてい
る。即ち、パイプ３は一平面上で屈曲配置されている。

【００１２】複合材料１はマトリックス相１ａ（図２に
図示）を金属とし、分散相１ｂ（図２に図示）をセラミ
ックス、炭素等の非金属無機物質とした金属基複合材料
である。マトリックス相１ａの金属にはケイ素（Ｓｉ）
を含むアルミニウム合金が使用され、分散相１ｂには熱
伝導率が高く放熱性に優れている炭化ケイ素（ＳｉＣ）
の微粒子が使用されている。

【００１３】分散相１ｂの粒度や充填量は、複合材料１
に要求される特性（物性）に応じて設定されるが、この
実施の形態ではＳｉＣ粉末として粒子径が１０μｍのも
のと１００μｍのものとの混合物が使用されている。ま
た、充填率は体積％で６０〜７０％程度となっている。

【００１４】パイプ３の材質にはマトリックス相１ａの
金属より熱膨張率が低く、剛性の高い材質が使用されて
いる。この実施の形態では例えばニッケル鋼が使用され
ている。パイプ３は断面円形に形成されている。また、
絶縁基板２はＡｌＮ（窒化アルミニウム）で形成されて
いる。

【００１５】次に前記のように構成された複合材料１の
製造方法を図２に基づいて説明する。図２に示すよう
に、成形型４は下型４ａ及び上型４ｂからなり、下型４
ａ及び上型４ｂの対向する面の一部にパイプ３を保持す
る凹部５ａ，５ｂが形成されている。そして、下型４ａ
の底部内面に絶縁基板２がセットされ、パイプ３が凹部
５ａ，５ｂに挟持された状態で成形型４にセットされ
る。

【００１６】この状態で成形型４内にＳｉＣ粉末が充填
される。また、鋳造時の加圧によるパイプ３の変形を防
止するために、パイプ３内に例えばセラミックス粒子等
を充填させておく。そして、鋳造後にパイプ３内より充
填物を取出す。次に溶融状態のアルミニウム合金が成形
型４内に加圧状態で注入される。ＳｉＣ粉末の隙間をほ
ぼ満たす所定量のアルミニウム合金が成形型４内に注入
された後、押湯圧としてダイカスト成形と同程度の圧力
（例えば、数十ＭＰａ〜百ＭＰａ）が加えられる。即
ち、所謂高圧鋳造が行われる。そして、所定時間経過
後、成形型４が冷却されてアルミニウム合金が凝固、冷
却され、図２に示すように、アルミニウム合金をマトリ
ックス相１ａとし、ＳｉＣ粉末を分散相１ｂとし、絶縁
基板２及びパイプ３が鋳込まれた複合材料１が製造され
る。

【００１７】前記のようにして製造された複合材料１
は、例えば半導体装置用の放熱部材として使用される。
その場合、絶縁基板２上に形成された導体回路パターン
の上に半導体装置等が搭載される。

【００１８】この実施の形態では以下の効果を有する。（１）複合材料１を半導体装置等の放熱部材として使
用する際、半導体装置等が搭載される絶縁基板２が複合
材料１に鋳込まれているため、放熱部材を絶縁基板２に
半田等で接合した場合に比較して、放熱部材と絶縁基板
２との間の熱伝導が良好になり、放熱効率が向上すると
ともに、放熱部材を絶縁基板２に半田付けする工程が不
要になる。

【００１９】（２）複合材料１内に鋳込まれたパイプ
３の存在により、複合材料１と絶縁基板２との熱膨張係
数の差に起因する反りの発生が抑制され、半導体装置等
の破損等の支障を来すことがない。

【００２０】（３）パイプ３の材質にアルミ合金より
熱膨張係数の小さいニッケル鋼が使用されているため、
前記反りの発生がより抑制される。（４）パイプ３に冷却媒体（例えば冷却水）を流すこ
とにより、冷却効率が向上するため、フィンを設ける必
要がなく、複合材料１の製造が簡単になるとともにコン
パクト化が可能になる。

【００２１】（５）パイプ３は１本のパイプ３を、複
合材料１の長手方向に沿って延びる部分３ａが複数箇所
存在するように屈曲形成され、かつその両端が複合材料
１の外部に突出するように複合材料１内に鋳込まれてい
る。従って、冷却媒体を一方の端部から供給し、他方の
端部から排出することにより冷却媒体が効率よくパイプ
３内を流れる。また、パイプ３を複合材料１内に鋳込む
際、パイプ３を成形型４にセットするのが容易になる。

【００２２】（６）パイプ３は一平面上に屈曲配置さ
れている。従って、パイプ３を複合材料１内に鋳込む
際、パイプ３の成形型４へのセットやセラミックス粉末
の充填作業がより容易になる。

【００２３】（７）パイプ３はその両端が複合材料１
の同じ側の端部から外部に突出するように複合材料１内
に鋳込まれている。従って、パイプ３に対する冷却媒体
の供給用及び排出用の配管の接続及び取り回しが容易に
なる。

【００２４】（８）絶縁基板２が窒化アルミニウム製
のため、パワーモジュールのように大きな電力が使用さ
れる場合の絶縁を確保できる。（９）絶縁基板２及びパイプ３を備えた複合材料１の
製造が、成形型４の２分割を可能にしてパイプ３の端部
の挟持を可能に変更するだけで、絶縁基板２及びパイプ
３を備えない複合材料１の製造方法と同じため、製造工
程をほとんど変更せずに製造できる。

【００２５】（１０）鋳造時にパイプ３内に例えばセ
ラミックス粒子等を充填させておき、鋳造後にパイプ３
内より充填物を取出すようにした。従って、鋳造時の加
圧によるパイプ３の変形を防止することができる。

【００２６】実施の形態は前記に限定されるものではな
く、例えば次のように構成してもよい。 ○ 図３に示すように、複合材料１に複数の絶縁基板２
を鋳込んでもよい。

【００２７】○ 複合材料１の長手方向に沿って延びる
部分が複数箇所存在するように屈曲形成され、かつその
両端が複合材料１の外部に突出した状態で１本のパイプ
３を複合材料１内に鋳込む際、パイプ３は一平面上で屈
曲配置される構成に限らず、立体的に屈曲されてもよ
い。

【００２８】○ パイプ３を一平面上で屈曲配置する構
成において、Ｕ字状に限らず、２回以上屈曲する構成と
したり、パイプ３の各端部が複合材料１の異なる端部か
ら突出する構成としてもよい。

【００２９】○ パイプ３は必ずしも複合材料１の長手
方向と平行に延びる部分３ａを有することが必須ではな
く、斜めに延びる部分が折り返すように屈曲された構成
でもよい。

【００３０】○ パイプ３は１本に限らず複数本鋳込ん
だり、１本のパイプ３が途中で複数本に分岐された後、
更に再び１本に集合される構成としてもよい。 ○ パイプ３としてヒートパイプを使用してもよい。ヒ
ートパイプを使用した場合は、冷却媒体が自動的にパイ
プ内を循環して複合材料１の熱が効率良く外部に放出さ
れ、冷却媒体の供給配管及び排出配管が不要になり、取
り扱いが容易になる。

【００３１】○ パイプ３の断面形状は円形に限らず、
楕円形や角形でもよい。パイプ３としてその断面形状が
楕円形で、かつその長軸が複合材料１の厚さ方向となる
ように形成されたものを使用した場合は、同じ重量で断
面円形のパイプに比較して、反りの抑制効果が大きくな
る。また、角パイプの場合も、複合材料１の厚さ方向に
細長い断面形状とする方が、同じ重量で断面正方形ある
いは複合材料１の幅方向に細長い断面形状のものに比較
して、反りの抑制効果が大きくなる。

【００３２】○ 絶縁基板２を下型４ａの底部内面にセ
ットしてその上にセラミック粉末を充填する方法に代え
て、パイプ３をセットした成形型４内に、セラミック粉
末を充填した後、絶縁基板２を片面が露出した状態でセ
ラミック粉末中に埋設する。そして、その状態でセラミ
ック粉末に溶融金属を含浸させてもよい。

【００３３】○ 絶縁基板２は複合材料１の片面と一平
面を成す状態で鋳込まれる構成に限らず、絶縁基板２の
一部が複合材料１の片面から突出する構成でもよい。こ
の構成の複合材料１を製造する際は、下型４ａの底部内
面に絶縁基板２をセットする凹部を形成し、その凹部に
絶縁基板２をセットした状態でセラミック粉末の充填、
溶融金属の含浸を行う。

【００３４】○ マトリックス相１ａの金属はケイ素を
含むアルミニウム合金に限らず、熱伝導率の良い他の金
属例えば銅を使用してもよい。 ○ 分散相は炭化ケイ素の微粒子に限らず、熱伝導率の
よい他のセラミックス、例えば、窒化ホウ素（ＢＮ）、
酸化マグネシウム（ＭｇＯ）、二ケイ化モリブデン（Ｍ
ｏＳｉ₂)や、非金属無機物質、例えば炭素（グラファイ
ト）の微粒子や繊維を使用してもよい。

【００３５】○ 絶縁基板２を窒化アルミニウム以外の
材質で形成してもよい。 ○ 成形型４に溶融金属を加圧状態で含浸させた後、押
湯圧としてダイカスト成形と同程度の圧力（例えば、数
十ＭＰａ〜百ＭＰａ）を加えるのを省略してもよい。即
ち、高圧鋳造ではなく、溶融金属の自重又は自重＋２０
ｋＰａ程度の加圧状態で含浸させた後、冷却して複合材
料を形成する。

【００３６】前記実施の形態から把握される請求項記載
以外の発明（技術思想）について、以下に記載する。（１）請求項２に記載の発明において、前記パイプは
一平面上に屈曲配置されている。

【００３７】（２）請求項１に記載の発明において、
前記パイプはヒートパイプである。（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、前記パイプはその断面形状
が楕円形で、かつその長軸が複合材料の厚さ方向となる
ように形成されている。

【００３８】

【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、半導体装置等の放熱部材とし
て好適で、複合材料と絶縁基板との熱膨張係数の差に起
因する反りの発生を、支障のない程度に抑制できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】（ａ）は一実施の形態の複合材料の模式斜視
図、（ｂ）は模式平面図。

【図２】複合材料の製造工程を示す模式断面図。

【図３】別の実施の形態の複合材料の模式斜視図。

【図４】従来技術の複合材料を示す模式斜視図。

【符号の説明】

１…複合材料、１ａ…マトリックス相、１ｂ…分散相、
２…絶縁基板、３…パイプ。

───────────────────────────────────────────────────── 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）Ｂ２２Ｄ 19/14 Ｃ２２Ｃ 1/10 ＧＣ２２Ｃ 1/10 Ｈ０１Ｌ 23/36 Ｃ (72)発明者木下恭一愛知県刈谷市豊田町２丁目１番地株式会社豊田自動織機製作所内 (72)発明者河野栄次愛知県刈谷市豊田町２丁目１番地株式会社豊田自動織機製作所内 (72)発明者砥綿真一愛知県愛知郡長久手町大字長湫字横道41番地の１株式会社豊田中央研究所内 (72)発明者西野直久愛知県愛知郡長久手町大字長湫字横道41番地の１株式会社豊田中央研究所内Ｆターム(参考） 4K020 AA22 AA24 AC01 BA02 BB26 5F036 BA05 BA08 BB08 BB43 BB44

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】電子部品が搭載される絶縁基板が一方の
面に一体に鋳込まれた金属基複合材料であって、前記金
属基複合材料内に反り防止部材として冷却媒体の流通可
能なパイプを鋳込んだ複合材料。
【請求項２】前記パイプは１本のパイプを、前記金属
基複合材料の長手方向に沿って延びる部分が複数箇所存
在するように屈曲形成され、かつその両端が前記金属基
複合材料の外部に突出した状態で前記金属基複合材料内
に鋳込まれている請求項１に記載の複合材料。