JP2004160549A - Ceramic-metal complex and high heat-conductive substrate for heat radiation using the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、熱伝導性、電気伝導性ともに良好なセラミックス−金属複合体と、このセラミックス−金属複合体を用いた高熱伝導放熱用基板に関し、特にパワー半導体モジュール内部や高周波用電極として用いられる高熱伝導放熱用基板に関する。 The present invention relates to a ceramic-metal composite having good thermal conductivity and electric conductivity, and a substrate for high heat conduction and heat radiation using the ceramic-metal composite, and particularly to a high heat used inside a power semiconductor module or as a high-frequency electrode. The present invention relates to a conductive heat dissipation substrate.
近年の急激な半導体シリコンチップの微細加工化や高密度化に伴いトランジスタのサイズが小さくなり、IC(集積回路)の集積度が増大してきている。トランジスタの微細加工化や高密度化は、主に2つの技術的手法によって行われている。その1つは、トランジスタそのものの改良である。すなわち、MOS(metal oxide semiconductor)、CMOS(Complementary MOS)、BiCMOS(Bipolar CMOS)などのようにトランジスタを伝搬する電荷の動きを制御する方法である。もう1つは、ダブルゲート型トランジスタやマルチゲート型トランジスタのように電流の出入り口の構造を制御する方法である。このようなトランジスタにおいては、ゲート通過時の電流の損失(リーク)が熱エネルギーに変換されるため、シリコンチップからの発熱量が急激に増加している。 In recent years, the size of transistors has been reduced with the rapid miniaturization and higher density of semiconductor silicon chips, and the degree of integration of ICs (integrated circuits) has been increasing. 2. Description of the Related Art Fine processing and high density of a transistor are mainly performed by two technical methods. One of them is improvement of the transistor itself. In other words, this is a method of controlling the movement of electric charges propagating through a transistor, such as a metal oxide semiconductor (MOS), a complementary MOS (CMOS), or a bipolar CMOS (BiCMOS). The other is a method of controlling the structure of a current inlet / outlet like a double-gate transistor or a multi-gate transistor. In such a transistor, the loss (leakage) of the current when passing through the gate is converted into thermal energy, so that the amount of heat generated from the silicon chip is rapidly increasing.
また、上述のICと同様に熱電素子、LSI、VLSI、ダイオード、半導体レーザ素子などの半導体素子の高出力化や高集積化が進展し、半導体素子からの発熱量も急激に増大する傾向がある。このため、高集積化したハイブリッドICなどの半導体装置においては、半導体素子からの発熱を効率的に半導体素子から放散させるために、銅や高融点金属材からなる放熱板をセラミック回路基板に一体的に接合して用いている。しかしながら、銅や高融点金属からなる放熱板は半導体素子やセラミック回路基板との熱膨張係数の差が大きいために、繰り返して作用する熱衝撃によって両部品の接合界面における熱応力が高まり剥離を起こし易いという問題があった。 Further, as in the case of the above-described IC, higher output and higher integration of semiconductor elements such as thermoelectric elements, LSIs, VLSIs, diodes, and semiconductor laser elements have progressed, and the amount of heat generated from the semiconductor elements tends to increase rapidly. . For this reason, in a highly integrated semiconductor device such as a hybrid IC, a heat sink made of copper or a high melting point metal material is integrated with a ceramic circuit board in order to efficiently dissipate heat from the semiconductor element to the semiconductor element. Used. However, heat sinks made of copper or high-melting point metal have a large difference in thermal expansion coefficient from semiconductor elements and ceramic circuit boards. There was a problem that it was easy.
この問題を解決するため、半導体素子に放熱用基板を接合して半導体素子からの熱を系外へ放散させるための高熱伝導放熱用基板が求められている。 In order to solve this problem, there is a need for a heat-conducting heat-radiating substrate for joining a heat-radiating substrate to a semiconductor element and dissipating heat from the semiconductor element to the outside of the system.
例えば、特許文献1には、Cuの含有量が少ないCu−W合金またはCu−Mo合金からなる基板に貫通孔を備え、該貫通孔内に、Cuの含有量が多いCu−W合金またはCu−Mo合金を充填して、貫通孔の軸方向に熱が伝導することができるようにした放熱用基板が例示されている。また、特許文献1には、熱電素子と半導体レーザ素子をこの放熱用基板に接合し、さらにこれらを筐体内に配設した半導体モジュールが例示されている。 For example, Patent Literature 1 discloses that a substrate made of a Cu-W alloy or a Cu-Mo alloy having a low Cu content is provided with a through-hole, and a Cu-W alloy or Cu having a high Cu content is provided in the through-hole. A heat-dissipating substrate filled with a -Mo alloy so that heat can be conducted in the axial direction of the through-hole is illustrated. Patent Document 1 discloses a semiconductor module in which a thermoelectric element and a semiconductor laser element are joined to a heat dissipation substrate, and these are arranged in a housing.
また、ICは種々の方法によってパッケージングされICパッケージが製造される。例えば、ICパッケージには、BGA(Ball Grid Array)、DIP(Dual Inline Package)、PGA(Pin Grid Array)などがある。ICパッケージは、例えばその内部にシリコンなどの半導体チップ、半導体チップからの入出力信号を伝送するための回路導体、ICパッケージ内にその外部から入出力信号を伝送するためのリードやピンを配設し、セラミックスやプラスチック等からなる筐体によって密閉された構造となっている。このような構造のICパッケージは、シリコンチップからの発熱量の増大による温度上昇によって壊れたり誤作動を起こしたりするという問題が起こっている。このシリコンチップの温度上昇を抑制するため、シリコンチップに高熱伝導放熱用基板を接合して、シリコンチップからの熱を系外へ放出させることが行われている。前記半導体素子と高熱伝導放熱用基板との界面の熱応力による剥離の問題は、シリコンチップと高熱伝導放熱用基板との界面でも同様に発生している。 Further, the IC is packaged by various methods to manufacture an IC package. For example, the IC package includes BGA (Ball Grid Array), DIP (Dual Inline Package), and PGA (Pin Grid Array). The IC package includes, for example, a semiconductor chip such as silicon, a circuit conductor for transmitting input / output signals from the semiconductor chip, and leads and pins for transmitting input / output signals from outside the IC package. In addition, the structure is hermetically sealed by a casing made of ceramics, plastic, or the like. The IC package having such a structure has a problem that it is broken or malfunctions due to a rise in temperature due to an increase in the amount of heat generated from the silicon chip. In order to suppress the rise in temperature of the silicon chip, a substrate for high heat conduction and heat radiation is bonded to the silicon chip to release heat from the silicon chip to the outside of the system. The problem of separation due to thermal stress at the interface between the semiconductor element and the substrate for high heat conduction and heat dissipation similarly occurs at the interface between the silicon chip and the substrate for heat conduction and heat dissipation.
従来、前記シリコンチップに半田を介して接合される高熱伝導放熱用基板や、シリコンチップに半田を介して実装するとともに、回路導体を接合したセラミックス基板からなる絶縁層を備えた高熱伝導放熱用基板としては、熱伝導率が330W/m・K以上と高いことから銅が広汎に用いられていた。 Conventionally, a board for high heat conduction and heat dissipation bonded to the silicon chip via solder, and a board for high heat conduction and heat dissipation provided with an insulating layer consisting of a ceramic substrate bonded to a circuit conductor and mounted on a silicon chip via solder Copper has been widely used because its thermal conductivity is as high as 330 W / m · K or more.
しかしながら、銅、シリコンの熱膨張係数は、それぞれ16.5×10−6/℃、4.2×10−6/℃であり、両者には大きな差があることから、シリコンチップが高温となった後、冷却される過程で半田が劣化し、シリコンチップから放熱用基板が剥離しやすいという問題があった。 However, copper, the thermal expansion coefficient of silicon is 16.5 × 10 -6 /℃,4.2×10 -6 / ℃ respectively, consisted of the two there is a large difference, the silicon chip is a high temperature After that, there is a problem that the solder deteriorates in a cooling process and the heat dissipation substrate is easily peeled off from the silicon chip.
現在、この問題を解決するために、炭化珪素多孔質焼結体の気孔に銅を含浸した複合材料を高熱伝導放熱用基板の構成材料として採用することが検討されている。これは、銅に起因して熱伝導率が高いとともに、熱膨張係数がシリコンの熱膨張係数に近いからである。 At present, in order to solve this problem, it has been studied to adopt a composite material in which pores of a silicon carbide porous sintered body are impregnated with copper as a constituent material of a substrate for high heat conduction and heat radiation. This is because copper has a high thermal conductivity and a thermal expansion coefficient close to that of silicon.
このような複合材料は、例えば、特許文献2で提案されているように、炭化珪素多孔質焼結体を溶湯した銅に浸積した後、この銅を加圧し、次いで溶湯を冷却固化することにより製造される。 Such a composite material is obtained, for example, by immersing a porous silicon carbide sintered body in molten copper, pressurizing the copper, and then cooling and solidifying the molten metal as proposed in Patent Document 2. It is manufactured by
また、特許文献3には、別の複合材料として、炭化珪素焼結体の気孔に銅を含浸させるとともに、両者の界面に炭化珪素焼結体と銅との反応を防止する層(以下、反応防止層という。)、例えば、ZrC、TiC、TaC、Mo4C3、Cr4C3等からなる層を形成した複合材料が提案されている。 Further, Patent Document 3 discloses, as another composite material, a layer that impregnates pores of a silicon carbide sintered body with copper and prevents a reaction between the silicon carbide sintered body and copper at an interface between the two (hereinafter referred to as a reaction). For example, a composite material having a layer formed of ZrC, TiC, TaC, Mo 4 C 3 , Cr 4 C 3 or the like has been proposed.
併せて、最近では、上述のような複合材料を高熱伝導放熱用基板の構成材料に用いる場合、雰囲気温度が上昇したときに、セラミックス−金属複合体が銅の膨張を拘束し、シリコンチップに対し応力緩和機能も併せ持つことも要求されるようになってきている。 In addition, recently, when the above-described composite material is used as a constituent material of the substrate for high heat conduction and heat radiation, when the ambient temperature is increased, the ceramic-metal composite restrains the expansion of copper, and the silicon chip is restrained. It is also required to have a stress relaxation function.
また、特許文献4には、炭化珪素多孔体にアルミニウムを含浸した平板状の炭化珪素−アルミニウム複合材料の表面に、アルミニウム層を設けた放熱部品が示されている。 Patent Document 4 discloses a heat-dissipating component in which an aluminum layer is provided on the surface of a flat silicon carbide-aluminum composite material in which aluminum is impregnated in a porous silicon carbide body.
さらに、特許文献5には、銅または銅合金からなる基板の主面の一方に設けた孔部に、高熱伝導性金属からなる複数のロッドを埋め込んだ放熱用部材が例示されている。この放熱用部材は、未焼結の銅または銅合金からなる基板に設けた孔部に、前記ロッドを挿入したまま一体的に焼結することにより作製されている。 Further, Patent Literature 5 illustrates a heat dissipation member in which a plurality of rods made of a highly thermally conductive metal are embedded in a hole provided in one of the main surfaces of a substrate made of copper or a copper alloy. The heat dissipating member is manufactured by integrally sintering a hole provided in a substrate made of unsintered copper or a copper alloy while inserting the rod.
また、非特許文献1では炭化珪素基板と銅との濡れ反応について報告されている。 Non-Patent Document 1 reports a wetting reaction between a silicon carbide substrate and copper.
さらに、近年のICパッケージや半導体モジュールの小型化の要求に鑑み、ICパッケージや半導体モジュールの内部に配設される放熱用基板に、放熱機能のみならず電気的な信号を入出力させるための機能を併せ持たせることが検討されている。
しかしながら、特許文献1、5に例示された放熱用部材は、金属のみからなるため熱膨張係数が大きかった。このため、半導体素子の温度が変化すると、半導体素子と放熱用部材との熱膨張差によって、半導体素子と放熱用部材との界面に繰り返し熱応力が印加されていた。そしてこの熱応力によって、半導体素子と放熱用部材との界面が剥離するという問題があった。 However, the heat-dissipating members exemplified in Patent Literatures 1 and 5 have a large thermal expansion coefficient because they are made of only metal. For this reason, when the temperature of the semiconductor element changes, thermal stress has been repeatedly applied to the interface between the semiconductor element and the heat dissipation member due to the difference in thermal expansion between the semiconductor element and the heat dissipation member. There has been a problem that the interface between the semiconductor element and the heat dissipating member is separated due to the thermal stress.
また、特許文献2で提案されるような複合材料を上述のような方法で製造した場合、炭化珪素多孔質焼結体と銅とが反応し、その結果、炭化珪素多孔質焼結体と銅との界面には炭化珪素/銅反応層が析出していた。この炭化珪素/銅反応層には、クラックが発生したりしやすく、高熱伝導放熱用基板に用いる場合、放熱機能を維持する含浸条件の選定に困難を極めるという問題もあった。また、ICパッケージのような高信頼性の部品内部にこの炭化珪素多孔質焼結体と銅との複合材料を高熱伝導放熱用基板として用いると、複合材料の温度が上昇した際に熱応力によるクラックが発生して炭化珪素多孔質焼結体の欠片や粒子が離脱し、この欠片や粒子がICパッケージ内の回路に接触してICパッケージが誤作動を起こすという問題があった。 When a composite material proposed in Patent Document 2 is manufactured by the above-described method, the silicon carbide porous sintered body reacts with copper, and as a result, the silicon carbide porous sintered body and copper A silicon carbide / copper reaction layer was precipitated at the interface with. This silicon carbide / copper reaction layer has a problem that cracks are easily generated, and when used for a substrate for heat conduction and heat radiation, it is extremely difficult to select impregnation conditions for maintaining the heat radiation function. In addition, when the composite material of the silicon carbide porous sintered body and copper is used as a substrate for high heat conduction and heat radiation inside a highly reliable component such as an IC package, when the temperature of the composite material rises, the composite material is subjected to thermal stress. There is a problem that cracks occur and pieces and particles of the silicon carbide porous sintered body are detached, and the pieces and particles come into contact with circuits in the IC package to cause malfunction of the IC package.
また、特許文献2で提案されている複合材料は、この複合材料の単位体積当たりの放熱面積が小さいため放熱性が低いという問題があった。 Further, the composite material proposed in Patent Document 2 has a problem that heat radiation is low because the heat radiation area per unit volume of the composite material is small.
また、特許文献2の複合材料および特許文献4の放熱部品を構成する複合材料は、多孔質炭化珪素の気孔内に金属塊を不連続に分散して埋め込まれている構造であるため熱を効率的に放熱することができないという問題があった。 Further, the composite material of Patent Document 2 and the composite material constituting the heat dissipation component of Patent Document 4 have a structure in which a metal lump is discontinuously dispersed and embedded in pores of porous silicon carbide, so that heat is efficiently removed. There was a problem that it was not possible to radiate heat.
また、特許文献3で提案されるような複合材料は上述のような問題を解決するものであるが、反応防止層形成のための制御工程やZrC、TiC、TaC、Mo4C3、Cr4C3等の材料コストを要し、簡単に製造できるものではなかった。 Further, the composite material proposed in Patent Document 3 solves the above-mentioned problems. However, a control step for forming a reaction preventing layer, ZrC, TiC, TaC, Mo 4 C 3 , and Cr 4 required material cost of the C 3, etc., was not easy to manufacture.
さらに、この複合材料を高熱伝導放熱用基板の構成材料として用いた場合、前記複合材料を構成する炭化珪素焼結体は、その熱膨張係数が4.0×10−6/℃と比較的小さいものの、使用時における雰囲気温度の上昇を考慮すると熱膨張係数は更に低いものが望まれていた。 Further, when this composite material is used as a constituent material of a substrate for high heat conduction and heat dissipation, the silicon carbide sintered body constituting the composite material has a relatively small coefficient of thermal expansion of 4.0 × 10 −6 / ° C. However, considering the rise in the ambient temperature during use, it has been desired that the thermal expansion coefficient be lower.
さらに、特許文献2、特許文献3で提案される複合材料はともに炭化珪素焼結体を用いているため、焼結には真空雰囲気か不活性ガス雰囲気を必要とし、その製造コストも決して安価なものではなかった。 Further, since the composite materials proposed in Patent Documents 2 and 3 both use a silicon carbide sintered body, a sintering requires a vacuum atmosphere or an inert gas atmosphere, and the production cost is also inexpensive. It was not something.
また、非特許文献1では、炭化珪素基板と銅との界面に炭化珪素/銅反応層が析出し、この反応層中にクラックが発生することが報告されており、やはり高熱伝導放熱用基板に用いることはできなかった。 Also, Non-Patent Document 1 reports that a silicon carbide / copper reaction layer precipitates at an interface between a silicon carbide substrate and copper, and that cracks are generated in the reaction layer. Could not be used.
本発明者は前記課題に鑑み努力した結果、前記問題点を解決できるセラミックス−金属複合体を提供できることを見出し本発明に至った。すなわち、本発明は、セラミックスと金属との反応層の析出を防止するだけでなく、そのための反応防止層も不要とし、熱伝導性、含浸方向における電気伝導性ともに良好であるとともに、雰囲気温度が上昇したときにも銅の膨張を拘束し、クラックの発生もなく、しかも安価に製造できるセラミックス−金属複合体を提供することである。また、セラミックスや金属の欠片(パーティクル)の発生を抑制したセラミックス−金属複合体を提供することを目的とする。 The present inventor has made an effort in view of the above problems, and as a result, has found that a ceramic-metal composite capable of solving the above problems can be provided, and has reached the present invention. That is, the present invention not only prevents the deposition of a reaction layer between ceramics and metal, but also eliminates the need for a reaction prevention layer therefor, has good thermal conductivity and good electrical conductivity in the impregnation direction, and has a low ambient temperature. An object of the present invention is to provide a ceramic-metal composite which can restrain copper expansion even when it rises, does not generate cracks, and can be manufactured at low cost. It is another object of the present invention to provide a ceramic-metal composite in which generation of fragments of ceramics and metal is suppressed.
本発明のセラミックス−金属複合体は、コーディエライトを主成分とする基体に複数の貫通孔を有するとともに、該貫通孔に銅、銅合金、アルミニウム、アルミニウム合金のうち少なくともいずれかの金属を含浸させたことを特徴とする。 The ceramic-metal composite of the present invention has a plurality of through-holes in a base material containing cordierite as a main component, and the through-holes are impregnated with at least one of copper, copper alloy, aluminum, and aluminum alloy. It is characterized by having made it.
また、基体が複数の仕切板で区画形成された貫通孔を有するハニカム構造体であることを特徴とする。 Further, the base is a honeycomb structure having a through hole defined by a plurality of partition plates.
また、基体が多孔質であることを特徴とする。 Further, the substrate is porous.
また、金属を基体の気孔に含浸させたことを特徴とする。 Further, the metal is impregnated into the pores of the substrate.
また、基体の少なくとも一方の主面に前記金属を主成分とする金属層を形成するとともに、金属層が貫通孔内に含浸した金属と接合していることを特徴とする。 In addition, a metal layer mainly composed of the metal is formed on at least one main surface of the base, and the metal layer is bonded to a metal impregnated in the through hole.
また、セラミックス−金属複合体の貫通孔と直交する断面における含浸させた金属の占有面積が、断面の面積に対し50%以上であることを特徴とする。 Further, the occupied area of the impregnated metal in a cross section orthogonal to the through-hole of the ceramic-metal composite is 50% or more of the cross-sectional area.
また、本発明の高熱伝導放熱用基板は、前記のいずれかに記載のセラミックス−金属複合体を用いたことを特徴とする。 Further, a substrate for high heat conduction and heat radiation of the present invention uses the ceramic-metal composite according to any of the above.
コーディエライトを主成分とし、基体内に複数の貫通孔を備えるセラミックス−金属複合体において、前記貫通孔に銅、銅合金、アルミニウム、アルミニウム合金のうち少なくともいずれかの金属を含浸させたことにより、コーディエライトと前記金属との界面に反応層が析出しないため熱伝導性、電気伝導性に優れたセラミックス−金属複合体とすることができる。併せて、コーディエライトを主成分としたことにより、大気雰囲気中での焼成を可能とするとともに、銅、銅合金、アルミニウム、アルミニウム合金のいずれの金属とも反応しないため、セラミックスと金属との反応防止層を不要にすることができる。その結果、製造コストも安価にすることができる。 In a ceramic-metal composite having cordierite as a main component and having a plurality of through holes in a substrate, the through holes are impregnated with at least one metal of copper, copper alloy, aluminum, and aluminum alloy. Since a reaction layer is not deposited at the interface between cordierite and the metal, a ceramic-metal composite having excellent heat conductivity and electric conductivity can be obtained. In addition, by using cordierite as the main component, it enables sintering in the air atmosphere and does not react with any metal of copper, copper alloy, aluminum, and aluminum alloy. The prevention layer can be made unnecessary. As a result, the manufacturing cost can be reduced.
また、前記基体を複数の仕切板で区画形成された貫通孔を有するハニカム構造体とすることにより、特に貫通孔方向の熱伝導性と電気伝導性に優れたセラミックス−金属複合体とすることができる。 Further, by forming the substrate as a honeycomb structure having a through-hole defined by a plurality of partition plates, it is possible to obtain a ceramic-metal composite having excellent heat conductivity and electric conductivity particularly in the direction of the through-hole. it can.
また、前記基体が多孔質であるとともに、前記金属を前記気孔内にも含浸させることにより、基体が薄い場合でも、加工中の割れの発生が抑制できるセラミックス−金属複合体とすることができる。 Further, by making the base porous and impregnating the pores with the metal, it is possible to obtain a ceramic-metal composite capable of suppressing the occurrence of cracks during processing even when the base is thin.
また、前記基体の少なくとも一方の主面に前記金属を主成分とする金属層を形成するとともに、該金属層が貫通孔内に含浸した金属と接合しているセラミックス−金属複合体とすることにより、熱伝導に寄与するセラミックス−金属複合体の面積が増加し、これによって、特に熱伝導性が良好で、セラミックスや金属の欠片(パーティクル)の発生を抑制したセラミックス−金属複合体を得ることができる。 Further, by forming a metal layer containing the metal as a main component on at least one principal surface of the base, and forming a ceramic-metal composite in which the metal layer is bonded to a metal impregnated in a through hole. As a result, the area of the ceramic-metal composite that contributes to heat conduction increases, thereby obtaining a ceramic-metal composite that has particularly good thermal conductivity and suppresses the generation of ceramic and metal fragments. it can.
また、前記貫通孔と直交する断面における含浸させた金属の占有面積が前記断面の面積に対し、50%以上としたことにより、上述の効果に加え、熱伝導性及び含浸方向における電気伝導性をさらに大きくすることができる。 In addition, by setting the occupied area of the impregnated metal in the cross section orthogonal to the through-holes to 50% or more of the area of the cross section, in addition to the above-described effects, the thermal conductivity and the electrical conductivity in the impregnation direction are improved. It can be even larger.
また、前記セラミックス−金属複合体を高熱伝導放熱用基板として用いることにより、高熱伝導放熱用基板として求められる機能、即ち放熱機能、半導体素子とその他部品(例:セラミックス回路基板)とを電気的に接続する電気配線機能、半導体素子に対する応力緩和機能すべてを満たす高熱伝導放熱用基板とすることができる。セラミックス−金属複合体が電気配線機能を満たすことができるのは、セラミックス−金属複合体が緻密体の場合、前記基体の貫通孔を半導体素子およびセラミックス回路基板の各主面に概ね垂直とし、半導体素子、セラミックス−金属複合体およびセラミックス回路基板を、前記貫通孔内に含浸させた金属を介して順次積層し、電気的に接合させることにより、金属を介して半導体素子からセラミックス回路基板へ電気的信号を伝送することができるからである。 Further, by using the ceramic-metal composite as a substrate for heat conduction and heat dissipation, the function required for the substrate for heat conduction and heat dissipation, that is, the heat dissipation function, the semiconductor element and other components (eg, a ceramic circuit board) are electrically connected. A high heat conducting and radiating substrate that satisfies all of the electric wiring function to connect and the stress relaxation function to the semiconductor element can be provided. The ceramic-metal composite can satisfy the electric wiring function only when the ceramic-metal composite is a dense body, the through-hole of the base is made substantially perpendicular to each main surface of the semiconductor element and the ceramic circuit board, The element, the ceramic-metal composite, and the ceramic circuit board are sequentially laminated via the metal impregnated in the through-hole and electrically connected, so that the semiconductor element is electrically connected to the ceramic circuit board via the metal. This is because signals can be transmitted.
以下、本発明のセラミックス−金属複合体について図面を用いて説明する。 Hereinafter, the ceramic-metal composite of the present invention will be described with reference to the drawings.
図1(a)は、本発明のセラミックス−金属複合体10の一実施形態を示す斜視図であり、図1(b)は同図(a)のX−X’線における断面図である。図2(a)は、図1のセラミックス−金属複合体10を作製するために用いられる、コーディエライトを主成分とし貫通孔12を有する基体11の斜視図、図2(b)は図2(a)のX−X’線における断面図を示している。
FIG. 1A is a perspective view showing one embodiment of the ceramic-
本発明のセラミックス−金属複合体10は、コーディエライトを主成分とする基体11内に複数の貫通孔12を備え、貫通孔12に銅、銅合金、アルミニウム、アルミニウム合金のうちいずれかの金属13を含浸させてなるものである。
The ceramic-
前記基体11の主成分をコーディエライトとしたことによって、基体11が貫通孔12に含浸する銅、銅合金、アルミニウム、アルミニウム合金のいずれの金属13とも反応しないため、基体11と金属13との反応層が析出されることはない。また、コーディライトを主成分とする基体11は、熱膨張率が40〜400℃で0.5ppm/℃程度、熱伝導率は1W/m・K程度であり、従来のように、基体11を炭化珪素を主成分とした場合に比べ、銅、銅合金が本来備えている熱伝導率340〜389W/m・K及び電気伝導度0.41×106〜0.58×106S/cm(体積固有抵抗:1.72×10−6〜2.46×10−6Ω・cm)やアルミニウム、アルミニウム合金が本来備えている熱伝導率188〜237W/m・K及び電気伝導度0.17×106〜0.35×106S/cm(体積固有抵抗:2.82×10−6〜5.75×10−6Ω・cm)をほとんど低下させないので、熱伝導性及び含浸方向における電気伝導性を良好に維持できるとともに、クラックの発生を防止することができる。
Since the main component of the
さらに、大気雰囲気中での焼成を可能とするとともに、基体11と金属13との反応防止層を備えなくてもよいため、製造コストも安価にすることができる。
Further, since firing in an air atmosphere is enabled and a reaction prevention layer between the base 11 and the
また、前記基体11は多孔質であることが好ましく、貫通孔12以外にも基体11自身の気孔内にも銅、銅合金、アルミニウム、アルミニウム合金の少なくともいずれかの金属13を含浸させることができるため、特に、セラミックス−金属複合体10の厚みが薄い場合においても加工中に割れの発生を有効に防止することができる。セラミックス−金属複合体が多孔質の場合、貫通孔12の内側には微細な凹凸が形成され、この凹凸に金属13が侵入して基体11と金属13とが強固に固着する効果(アンカー効果)が生じる。例えば、このようなアンカー効果により基体11に含浸させた金属13と基体11とが強固に固着し、セラミックス−金属複合体10の厚みが例えば2mm以下のような薄いものにおいても、クラックの発生や割れを抑制することができる。また、前記基体11を多孔質とする場合、その気孔率を20体積%以下として基体11の強度を確保するか、あるいは気孔率を25体積%以上とするとともに平均気孔径を3μm以上とし、金属13の含浸量を増やすことで大きな前記アンカー効果が生じさせ、セラミックス−金属複合体のクラックや割れを防止することが好ましい。また、基体11が多孔質の場合は、基体11の貫通孔12方向の厚さを小さくても基体11と金属13とがアンカー効果によって強固に固着し、加工中に基体11と金属13の剥離を防止できるので、基体11の厚さを薄くすることができる。具体的には、基体11が多孔質の場合、基体11の貫通孔12方向の厚さの下限は、貫通孔12の平均孔径の3倍であることが好ましい。
The
また、基体11の気孔率を30体積%以上、平均気孔径を4μm以上とすることが好ましく、特に基体11の気孔率を35体積%以上、平均気孔径を5μm以上とすることがより好ましい。
The porosity of the
なお、前記基体11を緻密質にすると、セラミックス−金属複合体全体としての強度が向上することから、機械的強度を特に必要とする場合には緻密体を選択すればよい。しかしながら、基体11が緻密質、具体的には基体11の気孔率が10体積%程度以下であると、機械的強度は高いものの貫通孔12の表面に凹凸が形成されにくいためアンカー効果が低減し、基体11と金属13とを強固に固着させることができず、加工中に基体11と金属13とが剥離する場合がある。このため、基体11が致密質の場合は、基体11の貫通孔12方向の厚さを大きくすることにより、基体11と金属13を強固に固着させることが好ましい。特に、基体11が致密質の場合は、基体11の貫通孔12方向の厚さの下限が貫通孔12の平均孔径の6倍であることが好ましい。
When the
次いで、本発明のセラミックス−金属複合体の他の実施形態を図3を用いて説明する。 Next, another embodiment of the ceramic-metal composite of the present invention will be described with reference to FIG.
図3は、複数の仕切板26を有し、この仕切板26で区画形成された貫通孔22を有するハニカム構造体24を基体21とし、貫通孔22に金属23を含浸させたセラミックス−金属複合体20の斜視図である。図4(a)は、図3のセラミックス−金属複合体を作製するために用いられる、コーディエライトを主成分とし貫通孔22を有する基体21の斜視図、図4(b)は図4(a)のX−X’線における断面図、図4(c)は図4(a)のY−Y’線における断面図を示している。この場合も図1のようなセラミックス−金属複合体10と同様に、基体21が多孔質であることが好ましく、貫通孔22以外に基体21自身の気孔内にも金属23を含浸させることができるため、特に、セラミックス−金属複合体20の厚みが例えば2mm以下と薄い場合においても加工中に割れの発生を有効に抑制することができる。この理由は、アンカー効果により基体21と含浸させた金属23とは強固に固着しているためと考えられる。また、基体21が多孔質である場合、基体21の気孔率、平均気孔径は上述した範囲と同様に気孔率を25体積%以上、平均気孔径を3μm以上とすることが好ましい。この理由は上述した通りである。また、仕切板26の厚さを概ね一定とした場合は、雰囲気温度が上昇して金属23が膨張した時に負荷される仕切板26への機械的応力の偏在を抑制し、これによってセラミックス−金属複合体20のクラックの発生をさらに抑制することができるので好ましい。また、基体21を複数の仕切板26で区画形成された貫通孔22を有するハニカム構造体24とすることにより、特に貫通孔22方向の熱伝導性と電気伝導性に優れたセラミックス−金属複合体20とすることができる。
FIG. 3 shows a ceramic-metal composite having a plurality of
また、前記セラミックス−金属複合体10のさらに他の実施形態を図5を用いて説明する。
Still another embodiment of the ceramic-
図5(a)は斜視図、図5(b)は図5(a)のX−X’線における断面図であり、セラミックス−金属複合体10は、基体11の上端面に金属13と同じ材料を主成分とする金属層14を形成するとともに、金属層14と貫通孔12内に含浸した金属13とが連続していることが好ましい。この理由は、熱伝導に寄与する金属13の面積が増加して熱伝導性をさらに向上させ、かつセラミックスや金属の欠片(パーティクル)の発生が抑制されたセラミックス−金属複合体10を得ることができるからである。
5A is a perspective view, FIG. 5B is a cross-sectional view taken along line XX ′ of FIG. 5A, and the ceramic-
ここで、前記パーティクルおよびその発生原因について説明、推察する。セラミックス−金属複合体に熱応力が印加されると、主に次の3つの原因によってパーティクルが発生する可能性があると考えられる。 Here, the particles and the cause thereof will be described and estimated. When thermal stress is applied to the ceramic-metal composite, it is considered that particles may be generated mainly due to the following three causes.
第1のパーティクルの発生は、セラミックス−金属複合体10を構成するセラミックスに熱応力が印加されることに起因する。セラミックス−金属複合体10を構成するセラミックスは、多結晶コーディエライトからなる。多結晶コーディエライトは、その焼結過程で少なからず内部に機械的応力を残留させたまま焼結する。セラミックス−金属複合体に熱応力が印加されると、この機械的応力にさらに熱応力が印加された複合応力Cがセラミックスに印加される。この複合応力Cによって、多結晶コーディエライトの結晶粒子や粒界相の一部が離脱しパーティクルとなる。
The generation of the first particles is caused by applying a thermal stress to the ceramics constituting the ceramic-
第2のパーティクルの発生は、金属13に熱応力が印加されることに起因する。後述する本発明のセラミックス−金属複合体10の製造方法に記載したように、金属13は高温で溶融された状態で貫通孔12に含浸後、冷却される。この冷却過程で金属13は多結晶となるか、あるいは急激に冷却された場合ごく希にアモルファスとなることがある。多結晶あるいはアモルファスの金属13は、この冷却過程で内部に機械的応力を発生、残留させることがある。セラミックス−金属複合体に熱応力が印加されると、この機械的応力にさらに熱応力が印加された複合応力Mが金属13に印加される。この複合応力Mによって、金属13の一部が離脱しパーティクルとなる。
The generation of the second particles results from the application of thermal stress to the
第3のパーティクルの発生は、多結晶コーディエライトと金属13との熱膨張率の違いに起因する。セラミックス−金属複合体に熱応力が印加されると、セラミックスと金属13との熱膨張率の違いによって、セラミックスと金属13とが接している部分、すなわち多結晶コーディエライトの貫通孔12と金属13との界面に局部的な応力が生じる。本発明のセラミックス−金属複合体10は、この局部的な応力が印加されてもクラックや割れが発生を抑制することができる。しかしながら、微視的に見ればこの局部的な応力が繰り返し印加されると、前記界面でコーディエライトの結晶や金属13の一部が微細な粒子となって離脱しパーティクルとなる。
The generation of the third particles is caused by a difference in thermal expansion coefficient between the polycrystalline cordierite and the
これらの3つの発生原因のうち、第2のパーティクルの発生はほとんどないと考えられる。その理由は、金属13は、多結晶コーディエライトに比べて延性が非常に大きく、また大きな弾性変形も可能であるから、金属13の一部が離脱することはほとんどないと考えられるからである。一方、第1および第3のパーティクルの発生は、コーディエライトが金属に比べて脆性材料であり、繰り返し応力に対して脆いという点を鑑みれば、第2のパーティクルの発生に比べて非常に多いことが推察される。したがって、セラミックス−金属複合体10の主面に金属層14を設けることにより、第1および第3のパーティクルの発生を抑制でき、その結果セラミックス−金属複合体10から発生するパーティクル量を低減することができると考えられる。
It is considered that the second particles hardly occur among these three generation causes. The reason is that the
また、図示しないが、図3のセラミックス−金属複合体20に金属層14を形成することにより、さらにセラミックス−金属複合体の厚さが例えば0.8mm以下と薄い場合でもその加工中の割れを抑制することができる。
Although not shown, the metal layer 14 is formed on the ceramic-
さらに、前記セラミックス−金属複合体10および20は、貫通孔12、22と直交する断面における含浸させた金属13、23の占有面積が、前記断面の面積に対し50%以上であることが好ましい。この理由は、基体11、21に比し、金属13、23の割合を大きくすることによって、熱伝導性や電気伝導性の高いものに保持することができ、後述するような高熱伝導放熱用基板として好適に用いることができる。一方、金属13、23の占有面積が50%未満となると、熱伝導性と電気伝導性を著しく向上させることができない。
Further, in the ceramic-
次に、本発明のセラミックス−金属複合体10および20の製造方法を説明する。
Next, a method for producing the ceramic-
まず、図2に示すようなコーディエライトを主成分とし、複数の並列する貫通孔12を有する基体11を作製する。
First, a
ここで、基体11を多孔質にする場合、先ず1次原料であるカオリン、タルク、アルミナまたはハイジライトからなる混合原料100重量%に対し、水20〜35重量%、バインダーとしてセルロース等を5〜10重量%添加、混合した原料を混練機で十分混練した後、押し出し成形で成形することで基体11の成形体を得ることができる。
Here, when the
上述のように基体11を気孔率25体積%以上、平均気孔径3μm以上の多孔質にする場合には一次原料の粒径を5〜20μmとすればよい。なお、コーディエライト自体は1次原料粒径が1μmより小さな粒径で気孔率20体積%以下に緻密化し、それ以上では多孔質体となり1次原料粒径を大きくすれば気孔径が大きくなる。
As described above, when the
そして、この成形体を大気雰囲気中、1300〜1400℃で2〜5時間焼成することで基体11が得られる。
Then, the molded body is fired in the air atmosphere at 1300 to 1400 ° C. for 2 to 5 hours to obtain the
なお、ここでは一例として押し出し成形の例を述べたが、1次原料100重量%に対して50〜100重量%の水と、PVA等のバインダーを1〜10重量%添加した後、噴霧造粒法を用いて造粒することで、乾式プレス成形法や冷間静水圧プレス成形法等を用いて成形体を製造することも可能である。 Here, an example of extrusion molding is described as an example, but after adding 50 to 100% by weight of water and 1 to 10% by weight of a binder such as PVA to 100% by weight of the primary raw material, spray granulation is performed. By performing granulation using the method, it is also possible to produce a molded body using a dry press molding method, a cold isostatic press molding method, or the like.
このようにして得られた多孔質の基体11の化学組成としては、例えばMgがMgO換算で10〜18重量%、SiがSiO2換算で42〜62重量%、AlがAl2O3換算で22〜44重量%の範囲であり、コーディエライトの理論組成であるMgO:13.7重量%、SiO2:51.4重量%、Al2O3:34.9重量%に近い化学組成となることがより好適である。
The chemical composition of the
一方、基体11を緻密質にする場合、例えば、先ず1次原料であるカオリン、タルク、アルミナまたはハイジライトを攪拌混合した後、1450℃以上の温度で仮焼しコージェライト組成となるように合成する。その後、仮焼して合成した原料を粉砕して平均粒径2μm以下の微粉とし、このコージェライト微粉原料100重量%に対し、水50〜100重量%、希土類酸化物等の焼結助剤1〜10重量%、バインダーとしてPVA(ポリビニルアルコール)またはPEG(ポリエチレングリコール)1〜10重量%を添加、混合し、噴霧造粒法等で造粒した後、これを所定の成形型に充填し、プレス成形、冷間静水圧成形等の成形手段により基体11の成形体を得ることができる。
On the other hand, when the
そして、この成形体を多孔質の場合と同様に大気雰囲気中、1300〜1400℃で2〜5時間焼成することで基体11が得られる。
Then, similarly to the case of the porous body, the
このように、基体11を緻密質にするには一次原料粒径を小さくすればよく、得られた基体11の化学組成は、例えばMgがMgO換算で11〜15重量%、SiがSiO2換算で49〜54重量%、AlがAl2O3換算で32〜38重量%の範囲であり、コーディエライトの理論組成であるMgO:13.7重量%、SiO2:51.4重量%、Al2O3:34.9重量%に近い化学組成となることがより好ましい。
As described above, to make the
次いで、この基体11を予め加熱してカーボン型内に固定し、1200℃程度に溶融された銅、銅合金、あるいは800℃程度に溶融されたアルミニウム、アルミニウム合金の少なくともいずれか一種を貫通孔12に流し込んだ後、10〜300MPaで加圧含浸し、冷却することによって図1に示すようなセラミックス−金属複合体10を得ることができる。
Next, the
なお、セラミックス−金属複合体10の加熱雰囲気や前記金属の加圧含浸雰囲気は窒素雰囲気または不活性ガス雰囲気であることが好ましいが、加熱雰囲気、加圧含浸における雰囲気とも大気雰囲気であってもよい。
The heating atmosphere of the ceramic-
また、含浸する金属は、銅や銅合金としてタフピッチ銅、無酸素銅、リン脱酸銅、快削銅、クロム銅、ジルコニウム銅より少なくとも一種を選択すればよく、熱伝導率、電気伝導率の点よりタフピッチ銅、無酸素銅、リン脱酸銅を選択することが好ましい。一方、軽量化が求められる場合には銅や銅合金よりもアルミニウムやアルミニウム合金を用いればよく、例えばA1050、A1070、A1080、A1085、A1100、A3003、A2014、A2017、A2024、A2025、A2218、A2618より少なくとも一種を選択すればよい。特に、熱伝導率、電気伝導率がより高いことからA1050、A1070、A1080、A1085、A1100を選択することが好ましい。 In addition, the metal to be impregnated may be at least one selected from tough pitch copper, oxygen-free copper, phosphorous deoxidized copper, free-cutting copper, chromium copper, and zirconium copper as copper or a copper alloy. From the viewpoint, it is preferable to select tough pitch copper, oxygen-free copper, and phosphorus deoxidized copper. On the other hand, when weight reduction is required, aluminum or an aluminum alloy may be used rather than copper or a copper alloy. At least one type may be selected. In particular, it is preferable to select A1050, A1070, A1080, A1085, and A1100 because the thermal conductivity and the electrical conductivity are higher.
上述のような製造方法により図1に示したようなセラミックス−金属複合体10を製造することができる。
The ceramic-
また、図3のような、基体21が複数の仕切板26で区画形成された貫通孔22を有するハニカム構造体24からなるセラミックス−金属複合体20は、基体21として図4のハニカム構造体24を用いる他は、上述の製造方法と同様にして製造することができる。
Further, as shown in FIG. 3, a ceramic-
図1、3のセラミックス−金属複合体10、20の少なくとも一方の主面に金属13、23と同じ金属を主成分とする金属層14を形成するとともに、金属層14が貫通孔12、22内に含浸した金属13、23と接合しているセラミックス−金属複合体10、20は、例えば次のように製造することができる。
1 and 3, a metal layer 14 mainly composed of the same metal as the
第1に、銅またはアルミニウムの無電解メッキ法により、セラミックス−金属複合体10の主面に金属層14を形成させることができる。第2に、図1、3のセラミックス−金属複合体10、20の主面に、金属13、23の主成分と同じ金属を溶射して金属層14を設けることができる。第3に、金属13、23と同じ金属を含む金属塩(硝酸塩やシュウ酸塩等)を水に溶解させて金属13、23がイオンとなって存在している溶液に、図1、3のセラミックス−金属複合体10、20の主面を塗布、乾燥、熱処理、還元することにより、金属層14を設けることができる。第4に、底面が平坦な耐熱性容器を準備し、基体11、21の一方の主面とこの耐熱性容器の底面と水平にし、かつ基体11、21と耐熱性容器の底面の間に隙間を空けて基体11、21を耐熱性容器内に入れたまま、窒素雰囲気中、1200℃に溶融された金属13、23を70MPaで貫通孔11、21に加圧含浸、冷却することにより、セラミックス−金属複合体10、20を作製する。また、金属13、23を加圧含浸する際に基体11、21の他方の主面側にも溶融した金属13、23を満たしたまま冷却することにより、基体11、21の両主面に金属層14を形成したセラミックス−金属複合体10を作製することもできる。
First, the metal layer 14 can be formed on the main surface of the ceramic-
なお、図1、図5ではセラミックス−金属複合体10における貫通孔12の断面形状が円形である場合について示したが、貫通孔12の断面形状は、楕円形、三角形、四角形等、本発明の範囲を逸脱しない限りどのような形状であっても構わない。
Although FIGS. 1 and 5 show a case where the cross-sectional shape of the through-
また、図1、図3、図5に示したセラミックス−金属複合体10、20は、高熱伝導放熱用基板として好適に用いることができ、放熱機能、半導体素子とその他部品(例:セラミックス回路基板)とを電気的に接続する電気配線機能、半導体素子に対する応力緩和機能すべてを満たす本発明の高熱伝導放熱用基板とすることができる。セラミックス−金属複合体10、20が電気配線機能を満たすことができるのは、基体11、21の貫通孔12、22を半導体素子およびセラミックス回路基板の各主面に概ね垂直とし、半導体素子、セラミックス−金属複合体10、20およびセラミックス回路基板を、貫通孔12、22内に含浸させた金属13、23を介して順次積層し、電気的に接合させることにより、金属13、23を介して半導体素子からセラミックス回路基板へ電気的信号を伝送することができるからである。
Further, the ceramic-
放熱機能、電気配線機能を有するのは、熱伝導性、電気伝導性のそれぞれが良好だからである。また、応力緩和機能を有するのは、熱膨張係数がセラミックスの中でも1.1×10−6/℃程度と小さいコーディエライトを用いることで、雰囲気温度が上昇しても含浸させた前記金属の膨張を拘束できるからである。 The reason for having the heat radiation function and the electric wiring function is that each of the heat conductivity and the electric conductivity is good. In addition, the use of cordierite, which has a coefficient of thermal expansion as low as about 1.1 × 10 −6 / ° C. among ceramics, has a stress relaxation function, so that even if the ambient temperature increases, the impregnated metal can be used. This is because expansion can be restrained.
なお、本発明のセラミックス−金属複合体は、上述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲であれば、種々の変更は可能である。 It should be noted that the ceramic-metal composite of the present invention is not limited to the above embodiment, and various changes can be made without departing from the scope of the present invention.
次いで、本発明の実施例を説明する。 Next, examples of the present invention will be described.
本発明に係る試料として図1に示すようなコーディエライトを主成分とするセラミックス−金属複合体10及び図3に示すようなハニカム構造体からなる基体を有するセラミックス−金属複合体20を準備した。基体11、21は、その気孔率を30〜50体積%、平均気孔径を4〜8μmとなるよう調整した。
As a sample according to the present invention, a ceramic-
また、比較例として、炭化珪素を主成分とし、金属炭化物を反応防止層として備えたセラミックス−金属複合体を図1、図3と同様な形状となるように準備した。 As a comparative example, a ceramic-metal composite including silicon carbide as a main component and a metal carbide as a reaction preventing layer was prepared so as to have a shape similar to that of FIGS.
なお、図1に示すセラミックス−金属複合体は、直径1.04mmの貫通孔を600個備え、貫通孔が放射状に配置されるセラミックス−金属複合体とした。 The ceramic-metal composite shown in FIG. 1 was a ceramic-metal composite having 600 through-holes having a diameter of 1.04 mm and the through-holes being arranged radially.
また、図3に示すセラミックス−金属複合体においては、貫通孔を格子状に600個備え、その断面形状が正方形であるとともに、その正方形の一辺の長さを1.04mm、またセラミックス仕切板の幅を0.19mmとするハニカム構造体からなる基体を用いた。 Further, the ceramic-metal composite shown in FIG. 3 has 600 through holes in a lattice shape, has a square cross-section, and has a side of 1.04 mm in one side of the square. A substrate made of a honeycomb structure having a width of 0.19 mm was used.
そして、各貫通孔には、窒素雰囲気中、1200℃に溶融された銅または800℃に溶融されたアルミニウムを70MPaで加圧含浸した。 Each of the through holes was pressure-impregnated with copper melted at 1200 ° C. or aluminum melted at 800 ° C. at 70 MPa in a nitrogen atmosphere.
前記セラミックス−金属複合体のその他の仕様は、表1に示す通りに作製し、各セラミックス−金属複合体の熱膨張係数、熱伝導率、体積固有抵抗を測定した。 Other specifications of the ceramic-metal composite were prepared as shown in Table 1, and the thermal expansion coefficient, thermal conductivity, and volume resistivity of each ceramic-metal composite were measured.
熱膨張係数、熱伝導率、体積固有抵抗については、それぞれJIS R 1618−1994,JIS R 1611−1991,JIS C 2141−1992に準拠し、各試料の基体から前記JIS規格で定められている寸法の試料を切り出して測定した。 The coefficient of thermal expansion, thermal conductivity, and volume resistivity are based on JIS R 1618-1994, JIS R 1611-1991, and JIS C 2141-1992, respectively, and are determined by the JIS standard from the base of each sample. Was cut out and measured.
また、反応層とクラックの有無については、各セラミックス−金属複合体を走査電子顕微鏡(SEM)を用い、倍率1000倍として断面を観察した。 For the presence or absence of a crack in the reaction layer, a cross section of each ceramic-metal composite was observed at a magnification of 1000 using a scanning electron microscope (SEM).
また、割れについては、セラミックス−金属複合体(厚み10mm)を試料毎に各10個作製し、各々を平面研削盤を用いて研削し、厚みを1mmとした後、各試料毎に10個中何個割れたかを調べ、その個数を表1に示した。 As for cracks, 10 ceramic-metal composites (10 mm thick) were prepared for each sample, and each was ground using a surface grinder to a thickness of 1 mm. The number of cracks was checked, and the number is shown in Table 1.
表1の結果から明らかなように、比較例となる銅を含浸した試料No.1、2の熱膨張係数は、いずれも10.3×10−6/℃であるのに対し、本発明の銅を含浸した試料No.3〜12の熱膨張係数は、10.2×10−6/℃以下と小さな値を示しており良好である。 As is clear from the results in Table 1, the sample No. impregnated with copper as a comparative example. The thermal expansion coefficient of each of Samples 1 and 2 is 10.3 × 10 −6 / ° C., whereas the sample No. 1 impregnated with the copper of the present invention. The coefficient of thermal expansion of 3 to 12 shows a small value of 10.2 × 10 −6 / ° C. or less, which is good.
また、比較例となるアルミニウムを含浸した試料No.13、14の熱膨張係数はいずれも12.6×10−6/℃であるのに対し、本発明のアルミニウムを含浸した試料No.15〜24の熱膨張係数は12.4×10−6/℃以下と小さな値を示しており良好である。 In addition, Sample No. impregnated with aluminum as a comparative example. Samples Nos. 13 and 14 each had a coefficient of thermal expansion of 12.6 × 10 −6 / ° C., while Sample No. 13 impregnated with aluminum of the present invention. The coefficient of thermal expansion of 15 to 24 is as small as 12.4 × 10 −6 / ° C. or less, which is good.
なお、アルミニウムを含浸した場合、銅を含浸した場合に比べ、全体的に熱膨張係数は高くなる傾向にあるが、軽量化が求められる場合にはアルミニウムを含浸したセラミックス構造体やハニカム構造体を用いたほうが効果的である。 When aluminum is impregnated, the thermal expansion coefficient tends to be higher as a whole than when copper is impregnated.However, when weight reduction is required, a ceramic structure or honeycomb structure impregnated with aluminum is required. It is more effective to use.
また、本発明の試料No.15〜24の熱伝導率は190〜203W/m・Kであり、試料No.1、2の熱伝導率とほぼ同等であるのに対し、本発明の試料No.3〜12の熱伝導率は250〜258W/m・Kと大きな値を示しており、特に良好である。 In addition, the sample No. of the present invention. The thermal conductivity of Sample Nos. 15 to 24 was 190 to 203 W / m · K. In contrast to the thermal conductivity of Sample Nos. The thermal conductivity of 3 to 12 shows a large value of 250 to 258 W / m · K, which is particularly good.
また、銅の占有面積比率が40%である試料No.3、4、11、12は、その体積固有抵抗が8.8×10−6〜9.0×10−6Ω・cmであるのに対し、銅の占有面積比率が50%以上である試料No.5〜10は、その体積固有抵抗が2.0×10−6〜2.3×10−6Ω・cmと低く、しかも高熱伝導放熱用基板として望まれている値に達しており、良好である。また、アルミニウムの占有面積比率が40%である試料No.15、16、23、24の体積固有抵抗は、9.0×10−6〜9.2×10−6Ω・cmであるのに対し、アルミニウムの占有面積比率が50%以上である試料No.17〜22は、その体積固有抵抗が2.2×10−6〜2.4×10−6Ω・cmと低く、同様に高熱基板として望まれている値に達しており、良好である。 In addition, the sample No. in which the occupied area ratio of copper was 40%. Samples Nos. 3, 4, 11, and 12 have a volume resistivity of 8.8 × 10 −6 to 9.0 × 10 −6 Ω · cm, and a copper occupation area ratio of 50% or more. No. Nos. 5 to 10 have a low volume resistivity of 2.0 × 10 −6 to 2.3 × 10 −6 Ω · cm, and have reached a value desired as a substrate for high heat conduction and heat radiation. is there. Further, in sample No. having an aluminum occupation area ratio of 40%. Samples Nos. 15, 16, 23, and 24 have a volume resistivity of 9.0 × 10 −6 to 9.2 × 10 −6 Ω · cm, and an aluminum occupied area ratio of 50% or more. . Samples Nos. 17 to 22 have good volume resistivity, which is as low as 2.2 × 10 −6 to 2.4 × 10 −6 Ω · cm.
反応層やクラックについては、試料No.1、2、13、14は、反応防止層を形成しているため、反応層の析出やクラックの発生がないことがわかるが、本発明の試料No.3〜12、15〜24は反応防止層がなくても反応層の析出やクラックの発生がなく良好である。 Regarding the reaction layer and cracks, sample No. Samples Nos. 1, 2, 13, and 14 show that there was no precipitation or cracking of the reaction layer because the reaction prevention layer was formed. Nos. 3 to 12 and 15 to 24 are satisfactory without deposition and cracking of the reaction layer even without the reaction prevention layer.
各試料10個を各々厚さ1mmに研削した後の割れについては次のような結果となった。試料No.11、12、23、24は、金属を貫通孔および気孔に含浸させているため、割れは発生しなかった。試料No.3〜10、15〜22は、貫通孔にのみ金属を含浸させているため10個中1個割れが発生した。
実施例1の各試料をさらに複数作製し、これらの試料の一方の主面(図1、3の上面)または両主面(図1、3の上下面)に次の方法で金属層14を形成した料No.25〜44を作製した。 A plurality of each of the samples of Example 1 were further prepared, and a metal layer 14 was formed on one main surface (the upper surface in FIGS. 1 and 3) or both main surfaces (the upper and lower surfaces in FIGS. The fee No. 25 to 44 were produced.
第1の方法として、実施例1と同じ試料の主面に銅またはアルミニウムを無電解メッキして金属層14を形成した。第2の方法として、実施例1と同じ試料の主面に、銅またはアルミニウムを溶射して金属層14を形成した。第3の方法として、1M−硝酸銅水溶液または1M−硝酸アルミニウム水溶液を、実施例1と同じ試料の主面に塗布、乾燥、500℃空気中で1時間熱処理後、水素中で還元する工程を繰り返して、主面に金属層14を形成した。 As a first method, a metal layer 14 was formed by electroless plating copper or aluminum on the main surface of the same sample as in Example 1. As a second method, a metal layer 14 was formed by spraying copper or aluminum on the main surface of the same sample as in Example 1. As a third method, a 1M-copper nitrate aqueous solution or a 1M-aluminum nitrate aqueous solution is coated on the main surface of the same sample as in Example 1, dried, heat-treated in air at 500 ° C. for 1 hour, and then reduced in hydrogen. The metal layer 14 was repeatedly formed on the main surface.
また、第4の方法として、次の条件以外は実施例1と同様にしてセラミックス−金属複合体からなる試料を作製した。底面が平坦なカーボン容器を準備し、基体11、21の一方の主面とこの耐熱性容器の底面と水平にし、かつ基体11、21とカーボン容器の底面の間に隙間を空けて基体11、21をカーボン容器内に入れたまま、窒素雰囲気中、1200℃に溶融された銅または800℃に溶融されたアルミニウムを70MPaで貫通孔11、21に加圧含浸、冷却し、一方の主面に金属層14を形成した。また、加圧含浸する際に基体11、21の他方の主面側にも溶融した金属13、23を満たしたまま冷却することにより、基体11、21の両主面に金属層14を形成した。
As a fourth method, a sample made of a ceramic-metal composite was produced in the same manner as in Example 1 except for the following conditions. A carbon container having a flat bottom surface is prepared, one of the main surfaces of the
得られた試料の熱伝導率と体積固有抵抗を実施例1と同様に測定した。その測定用試料を切り出す際、金属層14(上面、または両面)が測定用試料に含まれる様にした。 The thermal conductivity and the volume resistivity of the obtained sample were measured in the same manner as in Example 1. When the measurement sample was cut out, the metal layer 14 (upper surface or both surfaces) was included in the measurement sample.
その結果を表2に示すように、実施例2の試料は、実施例1の試料よりも熱伝導率が高く、体積固有抵抗が低くなった。
実施例1と実施例2で作製した試料から発生するパーティクル量を次のようにして測定した。 The amount of particles generated from the samples manufactured in Example 1 and Example 2 was measured as follows.
また、試料を細い金属線を用いてビーカーに入れた純水中に吊し、その状態で超音波洗浄機にて超音波を1分間かけた。その後、ビーカーから金属線に吊した試料を取出して、純水中のパーティクルをパーティクルカウンター(BRANSON社製DHA−1000)で測定した。表3のパーティクルの量は、測定したパーティクル数をセラミックス−金属複合体の表面積1cm2当たりの数に換算した値である。なお、パーティクルの量は、測定結果に基づき、0.5〜2μmのパーティクルの量と、0.5μm以下のパーティクルの量に分けた。 The sample was suspended in pure water in a beaker using a thin metal wire, and ultrasonic waves were applied to the sample in an ultrasonic cleaner for 1 minute. Thereafter, a sample suspended on a metal wire was taken out of the beaker, and particles in pure water were measured with a particle counter (DHA-1000 manufactured by BRANSON). The amount of particles in Table 3 is a value obtained by converting the number of measured particles into the number per 1 cm 2 of the surface area of the ceramic-metal composite. In addition, the amount of particles was divided into the amount of particles of 0.5 to 2 μm and the amount of particles of 0.5 μm or less based on the measurement result.
表3から、0.5〜2μmのパーティクルは実施例1および実施例2の試料から共に検出されなかった。しかしながら、0.5μm以下のパーティクル量は、実施例1の試料よりも実施例2の試料の方が少なかった。
10、20:セラミックス−金属複合体
11、21:基体
12、22:貫通孔
13、23:金属
14:金属層
24:ハニカム構造体
26:仕切板
10, 20: Ceramic-metal composite
11, 21:
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