JP2005095944A - 金属基板−炭素基金属複合材料構造体および該構造体の製造方法。 - Google Patents

Abstract

【課題】 炭素基金属複合材料を銅またはアルミニウム基板上にそりの少ない状態で接合して得られる電子機器用放熱材料および該放熱材料の製造方法を提供する。
【解決手段】 金属製シート、板材またはブロックからなる金属基板と、該金属基板の上面にろう材を介して接合する厚さ０．１ｍｍ〜２ｍｍの炭素基金属複合材料とからなることを特徴とする金属基板−炭素基金属複合材料構造体および金属基板と炭素基金属複合材料との間にろう材を介在させ、５００℃以上の温度および０．２ＭＰａ以上の加圧下に保持し、冷却する工程を含むことを特徴とする金属基板−炭素基金属複合材料構造体の製造方法。
【選択図】 図１

Description

本発明は、金属基板と炭素基金属複合材料（MICC: Metal Impregnated Carbon Composites）との接合構造体および該接合構造体の製造方法に関するものであり、さらに詳しくは銅またはアルミニウムからなる金属基板と炭素基金属複合材料とをろう材で接合してなる構造体、該構造体を用いたＩＣ（半導体集積回路）パッケージまたは該ＩＣパッケージを含む電子回路、および該構造体の製造方法に関するものである。

高速、高集積の半導体での発熱密度はきわめて高く、効率良く排熱するためには熱伝導の良いアルミニウム、銅製の放熱基板で熱を速やかに拡散し放熱する方法が適している。
しかしながら、半導体または半導体の回路基板に用いられるセラミックスの熱膨張係数が４〜８ｐｐｍ／℃であるのに対して、アルミニウム、銅の熱膨張係数は１６〜２３ｐｐｍ／℃と大きいために、かかる熱膨張係数の差違により接合層に高い熱応力が発生し単純な両者の接合はできない。

この対策の第一は、熱膨張係数の小さい放熱基板を選択することであり、従来から熱膨張係数の小さい炭化珪素、タングステン、モリブデン等に、熱伝導率の高い銅、アルミニウム金属を組み合せ、熱膨張係数を７〜１０ｐｐｍ／℃に調整した材料が提供されている。
しかしながら、これらの材料の問題点として、熱伝導率が、銅を使用した材料の場合で２００〜３００Ｗ／ｍ・Ｋ、アルミニウムを使用した材料の場合で１５０〜２００Ｗ／ｍ・Ｋと銅、アルミニウム単体の熱伝導率より２０％以上低いこと、また、基板のヤング率が高いため、熱膨張係数が4ｐｐｍ／℃程度のシリコン、窒化アルミニウム等との接合では、接合層に生じる熱応力が大きくなり、大面積での接合が難しいという問題がある。

第二の対策は、接合層にヤング率の低い樹脂またははんだを使い、熱膨張係数の差により生じる熱応力を緩和することである。しかし、欠点は、樹脂およびはんだの熱伝導率が、それぞれ１Ｗ／ｍ・Ｋ、数１０Ｗ／ｍ・Ｋと低いこと、また破壊応力が小さいため厚い接合層が必要になり、結果的に接合層の熱抵抗が大きくなることである。
また、樹脂の場合は、吸湿性および耐熱性が低く、はんだの場合では実用温度域での降伏応力が低く熱疲労を起こしやすい等の難点も指摘されている。

以上述べたように、現在、電子機器用に広く採用されている放熱システムにおいては、放熱熱膨張係数差で生じる熱応力を緩和または減少させる接合層での熱伝導率の向上が課題となっている。
なお、本願明細書において、「熱応力緩和作用」とは、熱膨張係数の異なる二つの材料を接合する場合、接合界面に発生する応力は、二つの材料の熱膨張係数と各材料の弾性率に比例することが知られていることから、弾性率の低い材料に発生する応力は小さくなり、熱膨張係数が大きく異なる材料の接合においても接合が可能であり、かつ加熱、冷却の繰り返しによって発生する熱疲労にも耐えることが可能な作用をいう。

かかる状況に鑑み、本発明者は、先きに黒鉛等の炭素材料の細孔内に金属を加圧充填または含浸して得られる炭素基金属複合材料（例えば、特許第３３５１７７８号参照。）を提案した。該炭素基金属複合材料は、前記の炭化珪素、タングステン、モリブデン等を骨格とする材料と比較して、熱伝導率が高く、熱膨張率は同等であり、またヤング率が低いためにシリコンまたはセラミックス等を搭載する場合、はんだ等の接合層に発生する熱応力を緩和する作用があり、前記の問題点を改善できる材料であることを見い出したが、脆性であり、機械的強度が低いという難点を包蔵するものであった。

この対策として、本発明者は、メッキを施した厚み１ｍｍ程度の炭素基金属複合材料を銅またはアルミニウム基板上に、はんだで接合し、その上部に半導体素子を低温はんだ等で接合する方法を試みたが、炭素基金属複合材料の熱膨張係数４ｐｐｍ／℃〜１０ｐｐｍ／℃に対して、銅は１６ｐｐｍ／℃であり、また、アルミニウムは２３ｐｐｍ／℃と大きく異なり、はんだ接合後の基板が複合材料側を凸としてそりが生じ、シリコンを搭載する場合等の後工程で困難が生じるという問題があることを把握した。かかる状況下において、熱応力緩和作用のある炭素材料を応用しそり量が少なく強度のある放熱材料の開発が切望されてきた。

特許第３３５１７７８号特許公報

従って、発明の課題は、前記の如き開発状況に鑑み、熱膨張係数の小さいシリコン、セラミックス基板等の電子デバイスを搭載する面においては、炭素基金属複合材料が熱応力緩和作用を発揮し、強度、熱伝導率においては、基板金属の銅、アルミニウムに近い数値を与え、そりの少ない状態の金属基板−炭素基金属複合材料構造体および該構造体の製造方法を提供することにある。

そこで、本発明者は、前記課題を解決するため、鋭意検討を加えた結果、銅またはアルミニウムからなる金属基板と特定の厚さの炭素基金属複合材料を特定の条件下において接合し、該炭素基金属複合材料の低弾性を利用すれば、そりの発生を抑制した金属基板−炭素基複合材料構造体を提供できることに着目し、これらの知見に基づいて本発明の完成に到達した。

従って、本発明に関し、第一の発明によれば、
金属基板と、該金属基板の上面にろう接してなる厚さ０．１ｍｍ〜２ｍｍの炭素基金属複合材料とからなることを特徴とする金属基板−炭素基金属複合材料構造体
が提供される。

また、第二の発明によれば、
金属基板と、該金属基板の上面にろう接してなる厚さ０．１ｍｍ〜２ｍｍの炭素基金属複合材料とからなる金属基板−炭素基金属複合材料の製造方法であって、前記金属基板と前記炭素基金属複合材料との間にろう材を介在させ、該ろう材の融点の温度以上に加熱保持した後、少なくとも加圧下において冷却する工程を含むことを特徴とする金属基板−炭素基金属複合材料構造体の製造方法
が提供される。

本発明に係る金属基板−炭素基金属複合材料構造体は、前記の如く、炭素基金属複合材料の表面において熱膨張係数の小さいシリコン、セラミックス基板等の電子デバイスを搭載する場合には、炭素基金属複合材料の熱応力緩和作用を発揮し、強度、熱伝導率においては、基板金属の銅、アルミニウムに近い数値を与える電子機器用放熱基板を提供することができる。また、本発明に係る前記構造体の製造方法によれば、接合条件を高温かつ高圧下に設定することにより、そり量が抑制された前記放熱基板を効率よく製造することができる。

本発明は、金属製シート、板材またはブロックからなる金属基板と、該金属基板の上面にろう接してなる厚さ０．１ｍｍ〜２ｍｍの炭素基金属複合材料とからなる構造体に関するものであるが、さらに好ましい実施の態様として次の１）〜５）に挙げるものを包含する。
（１）厚さ０．１ｍｍ〜２ｍｍの炭素基金属複合材料と、該複合材料の下面にろ
う材を介して上面を接合する銅またはアルミニウム基板とからなる電子機
器放熱用金属基板−炭素基金属複合材料構造体。
（２）銅箔シートと、該銅箔シートの下面にろう材を介して上面を接合する厚さ
０．１ｍｍ〜２ｍｍの炭素基金属複合材料と、該複合材料の下面にろう材
を介して上面を接合する銅またはアルミニウム基板とからなる電子機器放
熱用金属基板−炭素基金属複合材料構造体。
（３）アルミナ等のセラミックス絶縁基板の下面にろう材を介して上面を接合す
る厚さ０．１ｍｍ〜２ｍｍの炭素基金属複合材料と、該複合材料の下面に
ろう材を介して上面を接合する銅またはアルミニウム基板とからなる電子
機器放熱用金属基板−炭素基金属複合材料構造体。
（４）銅またはアルミニウム基板のくぼみに厚さ０．１ｍｍ〜２ｍｍの炭素基金
属複合材料を収納し、該複合材料の上下面にろう材を介して銅またはアル
ミニウムの箔あるいは基板を接合することで、複合材料が金属に覆われた
形状からなる電子機器放熱用金属基板−炭素貴金属複合材料構造体。
（５）金属基板と、該金属基板の上面にろう材を介して下面が接合された厚さ０
．１ｍｍ〜２ｍｍの炭素基金属複合材料と、該炭素基金属複合材料の上面
にろう材を介して下面が接合されたシリコン素子とからなる電子機器放熱
用金属基板−炭素基金属複合材料構造体。

本発明に係る金属基板−炭素基金属複合材料構造体の金属基板としては、銅、アルミニウムまたはこれらの各合金が好適である。金属基板の形態としては、特に限定するものではないが、シート、板材またはブロック等のものが採用される。金属基板の厚さは、前記構造体が適用される電子機器の構造に応じて任意に決定することができるが、０．５ｍｍ〜５ｍｍ、好ましくは１ｍｍ〜３ｍｍの範囲で選択することができる。

前記構造体の構成要素であるろう材としては、融点が４５０℃以上の硬ろうおよび４５０℃以下の軟ろうを用いることができ、硬ろうとして銀ろう、銅ろう、ニッケルろう等を、また軟アルミニウムろう等およびアルミニウム接合用はんだ（例えば、アルミット、ＡＭ−３５０等）を挙げることができる。はんだは軟ろうの代表的なものであり、Ｐｂ−Ｓｎ系合金等が用いられている。本発明に係る構造体にとっては、融点３５０℃以上のろう材が好適であり、軟アルミニウムろう等の軟ろうおよびさらに好ましくは、硬ろうを用いることができる。特に、炭素基金属複合材料に含有される金属と同種または熱伝導率および破壊靭性の高い合金をつくる金属が好ましい。本発明に係る構造体は、かかるろう材を溶融してすき間へ流入させるろう接により、金属基板および炭素基金属複合材料の金属をほとんど溶融することなく、接合を行なうことにより得られるものである。また、かかるろう材の代替材料として、アルミニウム箔、錫箔、銅箔、銀箔等の金属箔を積層して用いることもできる。

本発明に係る金属基板−炭素基金属複合材料構造体において、ろう材は、炭素基金属複合材料内の金属と溶接され一体化状態となり、また、該複合材料の空隙に侵入することによる、いわゆるアンカー効果を奏し、構成要素の一体化による接合を強化する作用を有する。

また、本発明に係る金属基板−炭素基金属複合材料構造体において、該炭素基金属複合材料と銅またはアルミニウム基板の構造体全体の厚みが１ｍｍ程度以上の場合、炭素基金属複合材料の金属基板に対する厚みの比率は、該複合材料１に対し金属基板約２以上であり、好ましくは１対３以上である。かかる比率において前記の温度、圧力で処理された構造体のそり量は、５０ｍｍ×５０ｍｍの対角線上で０．１５ｍｍ以内に制御されたものであり、特に好ましいそり量は、５０ｍｍ×５０ｍｍの対角線上で０．０５ｍｍ以内のものである。

本発明に係る金属基板−炭素基金属複合材料構造体は、搭載部分に熱応力緩和性があり、かつ熱伝導が高く、熱膨張率が小さいという特性を有するものである。炭素基金属複合材料としては、熱伝導率１００Ｗ／ｍ・Ｋ以上、熱膨張係数４ｐｐｍ/℃〜１５ｐｐｍ／℃、ヤング率が２５ＧＰａ以下の特性があるものが選択される。かかる炭素基金属複合材料は、異方性を有するので、熱膨張係数およびヤング率に関しては面の１方向が前記特性値を有するように制御される。また、熱伝導率については、厚さ方向または面方向が前記特性値を有するように制御されたものである。

次に、本発明に係る金属基板−炭素基金属複合材料構造体の製造方法について説明する。
本発明の金属基板−炭素基金属複合材料構造体の製造方法は、ろう材を用いるろう接によるものであり、具体的には金属基板としての銅、アルミニウムと炭素基金属複合材料との間に、ろう材を介在させて高温に保持し、ろう材をすき間に溶融し流入させることにより接合層を形成させ、少なくとも加圧下で冷却する工程を有するものであり、そりの少ない放熱用基板として適する金属基板−炭素基金属複合材料構造体を提供する。該接合層の形成工程では加圧条件は必ずしも必要でないが、冷却工程では加圧条件は必須とされる。

前記接合における温度としては、ろう材が十分に溶解し、アルミニウム、銅基板の降伏応力が低下し、加圧でそりを少なくできる温度が設定される。通常、ろう材の融点以上の温度が採用される。なお、本発明の製造方法に係るろう接方法においてアルミニウム基板の場合、高温はんだ等によるはんだ付による方法も包含される。アルミニウム、銅基板と炭素基金属複合材料は、溶解したろう材が複合材料の金属と溶接し、加圧で炭素基金属複合材料の空隙に入ることによるアンカー効果で接合することから、アルミニウム基板においては５００℃から６１０℃、銅基板では５００℃から８５０℃の温度が好ましいが、加圧条件等により最適温度を選択すればよい。

特に好ましい温度は、アルミニウムを含浸した炭素基金属複合材料の場合は、含浸したアルミニウムが該複合材料の組織から流出しない６３０℃近傍が最高温度となる。銅を含浸した複合材料の場合は、基板を銅とする場合、銅の降伏応力から９５０℃、アルミニウムとする場合は、同じ理由から６３０℃近傍が最高温度となる。

炭素基金属複合材料は、圧縮破断強度は高いが、引張り応力が低いという性質がある。加圧下で接合した基板の炭素基金属複合材料には、圧縮方向に応力がかかった状態になっている。素子または部品をはんだ付けする時、炭素基金属複合材料には引張り方向に応力が働くが、この状態でも炭素基金属複合材料に圧縮応力がかかった状態とするために、接合温度は、できるだけ高いことが望ましい。

加圧操作は、複合材料の主成分が金属とぬれにくい炭素であり、かつ表面粗度が大きいため、ろう材が溶解している間に行うことが好ましい。
加圧圧力は、アルミニウム基板または銅基板が著しい塑性変形を起こさない程度の圧力条件として、アルミニウム基板では０．２ＭＰａから３０ＭＰａ、銅基板では３ＭＰａから５０ＭＰａに設定することが、そりの少ない基板をうるために好ましいが、前記温度より低い圧力でも接合は可能である。

本発明に係る金属基板−炭素基金属複合材料構造体の構成要素として用いられる炭素基金属複合材料は、炭素材料を基材とし金属成分を含有してなるものである。金属成分としてはマグネシウム、アルミニウム、銅、銀およびこれらの金属の合金を挙げることができる。かかる炭素基金属複合材料は、特に限定されるものではなく炭素成分中に金属成分が含有、分散した形態のものであればよく、例えば、炭素材料に金属成分を高圧または真空中で含浸させて得られる炭素基金属複合材料（金属含浸方式）、粒状の炭素材料と金属成分を混練し、鍛造することにより得られる炭素基金属複合材料（粉末焼結方式）、また、金属で表面処理した炭素または炭素繊維を高温高圧で成形した複合材料（高温高圧方式）等を用いることができる。

さらに、特許第３３５１７７８号公報に記載されている黒鉛粒子または炭素繊維を含む炭素成形体であって、気孔率３５％以上の炭素材料にアルミニウム、銅またはこれらの合金を熔湯鍛造により加圧充填または含浸させることにより得られる炭素基金属複合材料を用いることができる。

かかる炭素基金属複合材料は、全材料中容量基準で５０％以下の金属成分を含有するものが好適であり、また、炭素材料の空隙または細孔内の容積の８０％以上を充填したものが好ましい。炭素基金属複合材料の熱伝導率、熱膨張率、弾性率は含有する金属成分の種類に依存するが、金属成分が銅、銀またはこれらの合金の場合、厚さ方向の熱伝導率１００Ｗ／ｍ・Ｋ以上、熱膨張率４×１０^-6／℃〜１２×１０^-6／℃および面方向の弾性率２５ＧＰａ以下の複合材料を実現することができ、また、金属成分がアルミニウムまたはアルミニウム合金の場合、厚さ方向の熱伝導率１００Ｗ／ｍ・Ｋ以上、熱膨張率４×１０^-6／℃〜８×１０^-6／℃、面方向のヤング率２５ＧＰａ以下の複合材料を得ることができる。

炭素基金属複合材料は、通常多孔質のため露出部でメッキ不良または気密試験で誤差を生じることがある。この対策として、炭素基金属複合材料をアルミニウム、銅基板の座繰り部に収納し、基板表面および炭素基金属複合材料部の全表面を金属箔で被覆するかまたは端部にろう材等を使用して金属箔で被覆することが必要となる。

本発明に係る金属基板−炭素基金属複合材料構造体に、シリコン等の半導体または電子部品搭載のため、または防食のために、構造体表面をニッケルメッキ等で仕上げればよい。また、必要があればセラミック回路を接合した前記構造体を提供することができる。

図１に本発明に係る金属基板−炭素基金属複合材料構造体の基本構造の具体例を示す。図中、金属基板であるアルミニウムまたは銅基板４の上面にろう材３’を介して炭素基金属複合材料３が接合された構造体が本発明に係る金属基板−炭素基金属複合材料構造体Ａである。図１においては、炭素基金属複合材３の上面にはんだ２を介してシリコン素子またはセラミックス基板１からなる電子機器が搭載された構成が示されている。
図２は、図１で示す金属基板−炭素基金属複合材料３の上面が金属箔５で被覆された構成のものである。
図３は、本発明に係る炭素基金属複合材料構造体のＣＰＵキャップへの適用例であり、アルミニウムまたは銅基板４と炭素基金属複合材料３がろう材３’を介して接合されたものである。
また、図４は、アルミニウムまたは銅基板４の枠内に接合した炭素基金属複合材料３の上下面をろう材３’を介して金属箔５で被覆した構造体の断面図である。
図５は、本発明に係る金属基板−炭素基金属複合材料構造体の製造用ホットプレス炉内の各ユニットの基本配置図を例示したものである。図中、Ａは、本発明に係る金属基板であり、その上下にそれぞれスペーサー７が配置され、受台８に対し、ラム６により所定の条件にて押圧される。

以下、本発明について実施例および比較例により具体的に説明する。もっとも本発明は実施例等により限定されるものではない。
なお、金属基板−炭素基金属複合材料構造体等の性能評価には次に示す測定方法を用いた。
（１）そり測定
三次元非接触レーザー計測器（シグマ光機株式会社販売、ＣＯＭＳ株式会社製三次元形状側プログラムを使用。）を用い、試料片の炭素基金属複合材料側の対角線上の凸部を測定した。
（２）熱伝導率
熱伝導率は、熱拡散率と比熱および密度の積として求めた。熱拡散率は、レーザーフラッシュ法により真空理工（株）製ＴＣ−７０００を用いて２５℃で測定した。また、照射光としてルビーレーザー光（励起電圧２．５ｋｖ、均一フィルターおよび滅光フィルター１枚）を使用した。
（３）熱膨張率
マックスサイエンス社製熱分析装置００１、ＴＤ−５０２０を用いて室温から３００℃までの熱膨張率を測定した。

実施例１
Ａ：銅箔厚み０．０２ｍｍ、Ｂ：銅を一方向炭素繊維炭素複合材料に含浸した製品（株式会社先端材料製ＳＺ５００）厚み０．５ｍｍおよびＣ：銅Ｃ１０２０、厚み２ｍｍを各５０ｍｍ×５０ｍｍを用意した。接合層として錫箔０．０１ｍｍと銅箔０．０２ｍｍを組み合わせた金属箔をＡ、ＢおよびＢ、Ｃ間に挿入し、ホットプレス内にセットした。真空雰囲気、温度８００℃で３０分間ホールドし、ホールド終了時に２０ＭＰａ加圧し冷却した。試作品のそりは、複合材料側を凸としてほぼ５０×５０ｍｍの対角線上で０．０５ｍｍであった。

実施例２
Ａ：銅箔厚み０．０２ｍｍ、Ｂ：銅を一方向炭素繊維炭素複合材料に含浸した製品（株式会社先端材料製ＳＺ５００）厚み１ｍｍおよびＣ：銅Ｃ１０２０厚み１ｍｍのＡ、ＢおよびＣを各５０ｍｍ×５０ｍｍ用意した。錫箔０．０１ｍｍと銅箔０．０２ｍｍを組み合わせた金属箔を接合層としてＡ、ＢおよびＢ、Ｃ間に挿入し、ホットプレス内にセットした。ホットプレス内は真空雰囲気、温度８００℃３０分間ホールドし、ホールド終了時に２０ＭＰａで加圧し、次いで冷却して得られた試作品のそりは、複合材料側を凸としてほぼ５０ｍｍ×５０ｍｍの対角線上で０．１２ｍｍであった。
組織断面を６００倍で観察したところ、複合材料中の銅とろう材および銅基板が一体化し接合面でのわれ、空隙等の欠陥はなかった。また、同試作品を窒素ガス中、７００℃、２時間再加熱、冷却後の外観観察では、銅箔、基板のはがれ等の破壊およびそり量の増大は認められなかった。

実施例３
実施例２で試作した試作品を２分割し、それぞれの試作品の銅箔上中央部に銀ろうＢＡｇ−７を底部につけたコバール製フランジ（外寸１２．７ｍｍ×２０．８ｍｍ、板厚１ｍｍ）を設置し、約２ｋｇの重しを置いて７６０℃で接合した。銅基板側の３０×２０ｍｍの対角線上でのそりは０．０２ｍｍであり、フランジ接合前後でそりの変化はほとんどなかった。フランジ接合した同試作品を３５０℃に加熱したホットプレート上に５分間、熱容量の大きな鉄製台（常温）で１０分間の簡易熱サイクル試験を１０回行ったがフランジのはがれは認められなかった。
以上のように、本発明に係る金属基板−炭素基金属複合材料構造体にコバール製フランジ（熱膨張係数約５ｐｐｍ／℃＠３０℃〜４０℃）を接合できることおよび簡易ヒートサイクル試験でも破壊しないことから熱応力緩和作用のあることが証明された。

実施例４
Ｂ：アルミニウムを炭素材料に含浸した製品（株式会社先端材料製ＳＺ３００）厚み１ｍｍおよびＣ：アルミニウムＡ１０５０厚み３ｍｍを各５０ｍｍ×５０ｍｍ用意した。接合層としてＡ４０４７（Ａｌ合金。以下同じ。）、０．３ｍｍのシートをＡ、Ｂ間に挿入し、ホットプレス内にセットした。窒素雰囲気、温度６００℃３０分間ホールドし、ホールド終了時に１５ＭＰａ加圧し冷却した。試作品のそりは、複合材料側を凸としてほぼ５０×５０ｍｍの対角線上で０．０３ｍｍであった。

実施例５
Ａ：アルミナ９６％基板、厚さ０．６ｍｍ、Ｂ：アルミニウムを炭素材に含浸した製品（株式会社先端材料製ＳＺ３００）厚み０．５ｍｍおよびＣ：アルミニウムＡ１０５０厚み３ｍｍを各５０ｍｍ×５０ｍｍ用意した。接合層としてＡ４０４７，０．３ｍｍのシートをＡ、Ｂ間およびＢ、Ｃ間に挿入し、ホットプレス内にセットした。窒素雰囲気、温度６００℃で３０分間ホールドし、ホールド終了時に１５ＭＰａ加圧し冷却した。試作品のそりは、アルミナ側を凸として５０×５０ｍｍの対角線上で０．１５ｍｍであった。同試作品を３５０℃に加熱したホットプレート上に５分間、熱容量の大きな鉄製台（常温）で１０分間の簡易熱サイクル試験を１０回行ったが異常は認められなかった。またそり量は、サイクル試験前後で変化はなかった。
以上のように、本発明に係る金属基板−炭素基金属複合材料構造体にアルミナ基板（熱膨張係数約８ｐｐｍ／℃＠ＲＴ−８００℃）を接合できることおよび簡易ヒートサイクル試験でも破壊しなかったことから熱応力緩和作用があることが証明された。

比較例１
Ｂ：アルミニウムを炭素材に含浸した製品（株式会社先端材料製ＳＺ３００）厚み０．５ｍｍおよびＣ：アルミニウムＡ１０５０厚み３ｍｍを各５０ｍｍ×５０ｍｍ用意した。接合層としてＡ４０４７，０．３ｍｍのシートをＡ、Ｂ間に挿入し、１０Ｋｇの重しをのせ、窒素雰囲気、温度５９５℃で３０分間ホールドの条件で接合した。試作品のそりは、複合材料側を凸としてほぼ５０×５０ｍｍの対角線上で０．２ｍｍであったが、検査後試作品の端部から引き剥がすと簡単に剥離した。

比較例２
Ａ：アルミナ９６％基板、厚さ０．６ｍｍおよびＣ：アルミニウムＡ１０５０厚み３ｍｍを各５０ｍｍ×５０ｍｍを用意した。接合層としてＡ４０４７，０．３ｍｍのシートをＡ、Ｃ間に挿入し、ホットプレス内にセットした。窒素雰囲気、温度５９５℃で３０分間ホールドし、ホールド終了時に１５ＭＰａ加圧し冷却した。試作品のそりは、アルミナ側を凸としてほぼ５０×５０ｍｍの対角線上で０．３ｍｍ超（計測不能）となり、アルミナ基板に割れが生じた。

比較例３
Ａ：アルミナ９６％基板、厚さ０．６ｍｍ、Ｂ：アルミニウムを炭素材に含浸した製品（株式会社先端材料製ＳＺ３００）厚み０．５ｍｍおよびＣ：アルミニウムＡ１０５０厚み３ｍｍを各５０ｍｍ×５０ｍｍ用意した。接合層としてＡ４０４７，０．３ｍｍのシートをＡ、Ｂ間およびＢ、Ｃ間に挿入し、ホットプレス内にセットした。窒素雰囲気、温度６２０℃、３０分間ホールドし、ホールド時に５０ＭＰａ加圧し冷却した。厚さ３ｍｍのアルミ基板は左右に０．３ｍｍ以上ふくらみ、アルミナおよび複合材料が半融解しアルミニウム基板に沈み込み変形した。

比較例４
加圧条件を２０ＭＰａの代わりに０．０４ＭＰａとしたこと以外すべて実施例２と同一の条件および操作により試作品を調製した。試作品のそりは複合材料側を凸としてほぼ５０ｍｍ×５０ｍｍの対角線上で０．１５ｍｍ超であった。中央部は接合していたが、四隅は接合していなかった。

比較例５
加圧条件を１５ＭＰａの代わりに０ＭＰａとしたこと以外すべて実施例４と同一の条件および操作により試作品を調製した。試作品のそりは複合材料側を凸としてほぼ５０ｍｍ×５０ｍｍの対角線上で０．２ｍｍ超であった。中央部は接合していたが、四隅は接合していなかった。

本発明に係る金属基板−炭素基金属複合材料構造体は、接合によるそり量が制御されたものであり、強度も改善され、放熱材料として有用である。従って、ＩＣパッケージのほか、パワーモジュール用基板、レーザーダイオード用部品（スペーサー、キャリア）、ＬＥＤ用基板、プラスチックＰＫＧ用ヒートスプレッダー、プリント基板、インバータ用基板等広範囲にわたり、使用可能であり、特に電子機器の放熱材料用として寄与する点が大きい。

本発明に係る金属基板−炭素基金属複合材料構造体の基本構造を示す概略図である。 炭素基金属複合材料が金属箔で被覆された本発明に係る金属基板−炭素基金属複合材料の概略図である。 ＣＰＵキャップへの適用概略図である。 金属の枠の中に複合材料をいれ、上下面を金属箔で被覆した構造体概略図である。 本発明に係る金属基板−炭素基金属複合材料構造体の製造用ホットプレス炉内の基本配置図である。

符号の説明

１ シリコン素子またはセラミックス基板
２ はんだ
３ 炭素基金属複合材料
３’ろう材
４ アルミニウムまたは銅基板
５ 被覆金属箔
６ ラム
７ スペーサー（平板または型板）
８ 受台
９ ホットプレス炉内
Ａ 金属基板−炭素基金属複合材料構造体

Claims (11)

1. 金属基板と、該金属基板の上面にろう接してなる厚さ０．１ｍｍ〜２ｍｍの炭素基金属複合材料とからなることを特徴とする金属基板−炭素基金属複合材料構造体。
2. 前記金属基板の金属が、銅、アルミニウムまたは各金属の合金である請求項１に記載の金属基板−炭素基金属複合材料構造体。
3. 前記金属基板の形態が、シート、板材またはブロックである請求項１に記載の金属基板−炭素基金属複合材料構造体。
4. 前記金属基板−炭素基金属複合材料構造体の炭素基金属複合材料側のそりが、５０ｍｍ×５０ｍｍの対角線上で０．１５ｍｍ以下に制御された請求項１または２に記載の金属基板−炭素基金属複合材料構造体。
5. 前記炭素基金属複合材料の被覆層の構成成分が、セラミックスまたは金属箔である請求項１に記載の金属基板−炭素基金属複合材料構造体。
6. 前記炭素基金属複合材料の端部が、前記金属基板内に埋設されてなる請求項１に記載の金属基板−炭素基金属複合材料構造体。
7. 前記炭素基金属複合材料の金属が、マグネシウム、アルミニウム、銅、銀または該各金属の合金である請求項１に記載の金属基板−炭素基金属複合材料構造体。
8. 前記炭素基金属複合材料の三軸方向のいずれかの一方向の特性が、熱伝導率；１００Ｗ／ｍ・Ｋ以上、熱膨張係数；４ｐｐｍ／℃〜１５ｐｐｍ／℃、ヤング率；２５ＧＰａ以下である請求項１に記載の金属基板−炭素基金属複合材料構造体。
9. 金属基板と、該金属基板の上面にろう接してなる厚さ０．１ｍｍ〜２ｍｍの炭素基金属複合材料とからなる金属基板−炭素基金属複合材料構造体の製造方法であって、前記金属基板と前記炭素基金属複合材料との間にろう材を介在させ、該ろう材の融点以上の温度に加熱保持した後、少なくとも加圧下において、冷却する工程を含むことを特徴とする金属基板−炭素基金属複合材料構造体の製造方法。
10. 前記加圧条件が０．２ＭＰａ以上である請求項９に記載の金属基板−炭素基金属複合材料構造体の製造方法。
11. 前記加熱保持温度が３５０℃以上である請求項９に記載の金属基板−炭素基金属複合材料構造体の製造方法。