JP2006232569A - ＳｉＣ／Ｓｉ複合材料及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 表面研削を施さなくても、単位面積１００×１００ｍｍ²当たりの厚み方向の反り量が１ｍｍ以内と反りの少ない厚さ０．５ｍｍ〜５ｍｍのＳｉＣ／Ｓｉ複合材料及びその製造方法を提供する。
【解決手段】 黒鉛シートを切断する工程と、前記黒鉛シートと溶融Ｓｉを反応焼結させる工程とを含む複合材料の製造方法により、表面研削処理を施さなくても、該複合材料の焼結後の厚みが０．５ｍｍ〜５ｍｍであり、かつ、該複合材料の焼結後の単位面積１００×１００ｍｍ²当たりの厚み方向の反り量が１ｍｍ以内となるＳｉＣ／Ｓｉ複合材料を得る。
【選択図】 なし

Description

本発明は、セラミックス強化材がＳｉＣであり、マトリックス金属がＳｉであるＳｉＣ／Ｓｉ複合材料及びその製造方法に関するものである。

半導体素子を搭載した半導体装置は、いずれもその動作において熱を発生し、蓄熱されると半導体素子の機能を損ねる恐れがある。このため、発生する熱を外部に放散するための熱伝導性に優れた放熱板が必要となる。放熱板は、直接あるいは絶縁層を介して半導体素子と接合されるため、熱伝導性だけでなく、熱膨張の点でも半導体素子との整合性が要求される。

現在用いられている半導体素子は、主にＳｉ及びＧａＡｓである。これらの熱膨張係数は、それぞれ２．６×１０^-6〜３．６×１０^-6／℃，５．７×１０^-6〜６．９×１０^-6／℃である。これらに近い熱膨張係数をもつ放熱板材料として、従来よりＡｌＮ，ＳｉＣ，Ｍｏ，Ｗ，Ｃｕ／Ｗ等が知られているが、これらは単一材料であるため、熱伝達係数と熱伝導率を任意にコントロールする事は困難であるとともに、加工性に乏しくコストが高いという問題があった。

これらを解決する放熱板材料として、Ａｌ／ＳｉＣ複合材料が提案されている（たとえば、特許文献１参照）。
これはＡｌとＳｉＣの複合材であり、両成分の比率を変えることによって熱伝達係数及び熱伝導率を広範囲にコントロールできるが、加工性が非常に悪く、コストが高いという問題がある。したがって、薄板の製造が困難であり、さらに粉末製造に関わるコスト高と製造工程の増加等の問題があった。

また、Ｃｕ／Ｃｕ₂Ｏ複合材が開示されている（たとえば、特許文献２参照）。
しかし、Ｃｕ／Ｃｕ₂Ｏ複合材料では、熱伝導率を上げようとすると、Ｃｕの体積％を増やさざるを得ないので、必然的に熱膨張係数が大きくなるという問題がある。例えば、Ｃｕ／４０％Ｃｕ₂Ｏ複合材料では、熱伝導率が２７０Ｗ／ｍＫと高いものの、熱膨張係数が８．０×１０^-6／℃となり、Ｓｉの熱膨張係数（２．６×１０^-6〜３．６×１０^-6／℃）と格差がある。また、Ａｌ／ＳｉＣ複合材と比較して比重が重いという欠点もある。

最近になり、Ｓｉと熱膨張係数の近い放熱板として、ＳｉＣ／Ｓｉ複合材料が提案されている。ＳｉＣ／Ｓｉ複合材料は、高熱伝導（熱伝導率１７０〜２３０Ｗ／ｍＫ）、低熱膨張（熱膨張係数２．０〜４．０×１０^-6／℃）、高剛性（ヤング率２５０ＧＰａ〜３５０ＧＰａ）、という特徴を有する。

このようなＳｉＣ／Ｓｉ複合材料の製造方法としては、市販のＳｉＣ粉末と樹脂粉末を混合、成形してＳｉＣ多孔質体（以下、プリフォームと称す）を作製し、次に当該プリフォームに溶融Ｓｉを浸透させ、ＳｉＣ／Ｓｉ複合材料を作製する方法が提案されている（たとえば、特許文献３参照）。ここで、樹脂粉末は、プリフォームの保形性を得るため、および溶融Ｓｉの浸透を促進するために添加している。
特開平９−１５７７７３号公報 特許第３５５２６２３号公報 特公昭３６−８７２８号公報

しかし、樹脂粉末は、溶融Ｓｉを浸透させる際の熱処理によって熱収縮する。そうすると、プリフォームが反るので、ＳｉＣ／Ｓｉ複合材料の焼結体が反るという問題があった。 反りはプリフォームの厚さが薄いほど顕著に現れ、例えば、□１００ｍｍ×ｔ１ｍｍでは３ｍｍも反る。したがって、ＳｉＣ／Ｓｉ複合材料の薄板を得るためには、プリフォームを厚く作製し、焼結体を研削しなければならなかった。

また、従来の製造方法は、その過程においてプリフォーム成形体を作製しなければならず、成形体を作製する工程が煩雑であった。放熱板は大量消費される性質の物品であるので、安価かつ大量生産できる製造方法が望ましい。

したがって、本発明の目的は、上記ＳｉＣ／Ｓｉ複合材料が有する問題に鑑みてなされたものであり、表面研削を施さなくても、反りの少ない厚さ０．５ｍｍ〜５ｍｍのＳｉＣ／Ｓｉ複合材料およびその製造方法を提供することを目的とする。

本発明者らは、上記課題に鑑み鋭意研究した結果、強化材がＳｉＣであり、マトリックスが金属ＳｉであるＳｉＣ／Ｓｉ複合材料において、熱伝導率１５０Ｗ／ｍＫ以上、ヤング率２００ＧＰａ以上、焼結体の厚さが０．５ｍｍ〜５ｍｍ、表面研削が施されていないことを特徴とするＳｉＣ／Ｓｉ複合材料を得ることが可能となり、その製造方法としては、黒鉛シートと溶融Ｓｉを反応焼結させて作製する方法、が好適であることを見出して本発明を完成した。
即ち本発明の目的は、下記する手段により達成される。
（１）セラミック強化材がＳｉＣであり、マトリックス金属がＳｉからなる表面研削処理が施されていないＳｉＣ／Ｓｉ複合材料であって、該複合材料の焼結後の厚みが０．５ｍｍ〜５ｍｍであり、かつ、該複合材料の焼結後の単位面積１００×１００ｍｍ²当たりの厚み方向の反り量が１ｍｍ以内であることを特徴とするＳｉＣ／Ｓｉ複合材料。
（２）（１）に記載のＳｉＣ／Ｓｉ複合材料を用いたことを特徴とする放熱板。
（３）黒鉛シートを切断する工程と、前記黒鉛シートと溶融Ｓｉを反応焼結させる工程とを含むことを特徴とする（１）または（２）に記載のＳｉＣ／Ｓｉ複合材料の製造方法。

本発明によれば、以下に詳細に説明するとおり、黒鉛シートを切断する工程と、前記黒鉛シートと溶融Ｓｉを反応焼結させる工程とを含む複合材料の製造方法により、表面研削処理を施さなくても、該複合材料の焼結後の厚みが０．５ｍｍ〜５ｍｍであり、かつ、該複合材料の焼結後の単位面積１００×１００ｍｍ²当たりの厚み方向の反り量が１ｍｍ以内となるＳｉＣ／Ｓｉ複合材料が得られる効果がある。

以下本発明について更に詳しく説明する。
本発明者らは、セラミック強化材がＳｉＣであり、マトリックス金属がＳｉからなる表面研削処理が施されていないＳｉＣ／Ｓｉ複合材料であって、該複合材料の焼結後の厚みが０．５ｍｍ〜５ｍｍであり、かつ、該複合材料の焼結後の単位面積１００×１００ｍｍ²当たりの厚み方向の反り量が１ｍｍ以内であることを特徴とするＳｉＣ／Ｓｉ複合材料を提案している。（請求項１）

従来のＳｉＣ／Ｓｉ複合材料は、市販のＳｉＣ粉末と樹脂粉末を混合、成形してＳｉＣ多孔質体（以下、プリフォームと称す）を作製し、次に当該プリフォームに溶融Ｓｉを浸透させ、ＳｉＣ／Ｓｉ複合材料を作製していた。なお、樹脂粉末は、プリフォームの保形性を得るため、および溶融Ｓｉの浸透を促進するために添加している。
しかし、樹脂粉末は、溶融Ｓｉを浸透させる際の熱処理によって熱収縮する。そうすると、プリフォームが反るので、ＳｉＣ／Ｓｉ複合材料の焼結体が反るという問題があった。 反りはプリフォームの厚さが薄いほど顕著に現れ、例えば、□１００ｍｍ×ｔ１ｍｍでは３ｍｍも反る。したがって、ＳｉＣ／Ｓｉ複合材料の薄板を得るためには、プリフォームを厚く作製し、焼結体を表面研削しなければならなかった。さらに、薄板は研削時に壊れ易く、歩留まりが低いという問題もあった。

したがって、本発明の焼結体のセラミック強化材がＳｉＣであり、マトリックス金属がＳｉからなる表面研削処理が施されていないＳｉＣ／Ｓｉ複合材料であって、該複合材料の焼結後の厚みが０．５ｍｍ〜５ｍｍと薄くても、該複合材料の焼結後の単位面積１００×１００ｍｍ²当たりの厚み方向の反り量が１ｍｍ以内と反りの少ないＳｉＣ／Ｓｉ複合材料は新規なものである。

また、本発明者らは、請求項１に記載のＳｉＣ／Ｓｉ複合材料を用いたことを特徴とする放熱板を提案している。（請求項２）
ＳｉＣ／Ｓｉ複合材料を用いて放熱板を作製するに際しては、放熱板の用途に応じて、研削してもよいし、研削しなくてもよいが、本発明のＳｉＣ／Ｓｉ複合材料は反りが少ないので表面研削処理が施さなくても放熱板とすることができるので加工コストの低減が可能となる。

さらに、本発明は、請求項１ないし２に記載のＳｉＣ／Ｓｉ複合材料の製造方法が、黒鉛シートと溶融Ｓｉを反応焼結させたものであることを特徴とするＳｉＣ／Ｓｉ複合材料の製造方法である。（請求項３）
従来は、市販のα型のＳｉＣ粉末をプリフォームにした後、Ｓｉを溶融浸透させる方法であるため、前駆体としてプリフォームを作製しなければならなかった。本発明の黒鉛シートを用いる方法であれば、黒鉛シートは一般に自動車用のガスケット用等として市販されており、様々な種類の厚みのものが安価に大量生産されているので、前駆体を容易かつ安価で手に入れることが可能となる。したがって、本発明の製造方法であれば、プリフォームを成形する工程を省くことができ、工程を簡略化できる。

ここで、黒鉛シートとしては、膨張黒鉛シートが好ましい。膨張黒鉛は、黒鉛を硫酸と酸化剤で処理して得た黒鉛層間化合物を６００〜１０００℃の高温に急速加熱し、黒鉛構造のＣ軸方向（炭素層に垂直な方向）に２０倍以上に膨張した軽量の柱状黒鉛である。したがって、膨張黒鉛シートは層状構造をしているので、溶融Ｓｉが染み込み易く、反応焼結し易いという利点がある。なお、膨張黒鉛シートに代えて、炭素繊維織物やＣＦＲＰの炭化させたシート、Ｃ／Ｃコンポジットシート、積層構造を有する黒鉛を配向させたシート等、カーボン成分が積層構造を有しているシートを使用しても、膨張黒鉛シートと同様の効果を得ることができる。

黒鉛シートと溶融Ｓｉの反応焼結は、Ｓｉの液相線温度（１４５０℃）より高温で熱処理することによって行う。反応焼結することによって、黒鉛（Ｃ）とＳｉの反応生成物としてβ型のＳｉＣ粒子が生成され、ＳｉＣ粒子の隙間にＳｉが充填されたＳｉＣ／Ｓｉ複合材料を製造することができる。

黒鉛シートは、熱処理によって収縮変形することはないので、反りの問題も解消できる。例えば、従来のプリフォームを前駆体とする場合には、□１００ｍｍ×ｔ１ｍｍにおいて３ｍｍ反るが、黒鉛シートを前駆体とする場合には、同形状で０．５ｍｍに反りを抑えることができる。

さらに、本発明によるＳｉＣ／Ｓｉ複合材料は、従来の方法で作製したＳｉＣ／Ｓｉ複合材料と比べて、以下の有利な効果を得ることができる。
従来の製造方法で製造されるＳｉＣ／Ｓｉ複合材料では、ＳｉＣの結晶構造は、市販のα型と、樹脂とＳｉの熱反応によって生成されるβ型と、が混在した複合材料となる。例えば、α型のＳｉＣ粉末にフェノール樹脂を１０％添加し、プリフォームを作製し、Ｓｉを 溶融浸透させた場合、ＳｉＣの約２０％はβ型となり、残りの８０％はα型となる。一方、黒鉛シートと溶融Ｓｉを１４５０℃以上の高温で、反応焼結させてＳｉＣ／Ｓｉ複合材料を得た場合、ＳｉＣの９８％以上がβ型となる。

ＳｉＣはその結晶格子の積層順序の組合せにより非常に多くの結晶多形が発現するが、この結晶多形の中で、β型のＳｉＣは結晶内における電子の走行速度が最も高く、α型のＳｉＣ（４６０ｃｍ²／Ｖ・Ｓ）と比較して２倍以上の値（＞１０００ｃｍ²／Ｖ・Ｓ）となる。また、Ｓｉと比較しても２倍以上の値となる。したがって、β型のＳｉＣの割合が多いほど、ＳｉＣ／Ｓｉ複合材料としての電子移動度も高くなる。
以上より、本発明のＳｉＣ／Ｓｉ複合材料は、従来のＳｉＣ／Ｓｉ複合材料と比較して、電子の走行速度が高い、という有利な効果がある。

以下、実施例と比較例を示し、本発明を具体的に説明するが、本発明は下記の実施例に制限されるものではない。
〔実施例１〕
（１）ＳｉＣ／Ｓｉ複合材料の作製
市販の黒鉛シート（日立化成社製、厚さ０．４ｍｍ、密度０．９６ｇ／ｃｍ³）から、□１００ｍｍ（１００×１００ｍｍ²）の面積のシートを切り出し、次に黒鉛シートと金属Ｓｉとをアルゴン雰囲気中で１５００℃の温度で３時間保持し、溶融したＳｉと黒鉛シート中の炭素を反応焼結させてＳｉＣとすると同時に、ＳｉＣの隙間にＳｉを浸透させ、ＳｉＣ／Ｓｉ複合材料を作製した。

（２）評価
得られた複合材料の焼結後の単位面積１００×１００ｍｍ²当たりの厚み方向の反り量は次のように測定した。即ち、得られた複合材料を定盤に載せ、高さの分布をデジタルゲージ（測定には、SONY社製デジタルゲージスタンドDZ-531を用いた。）で測定し、厚み方向の高さの最大値と最小値の値の差を反り量と定義して求めた。また、複合材料の焼結後の厚さは切断面を光学顕微鏡で観察して測定した。密度はＪＩＳ Ｒ １６３４記載の方法で求めた。結果を表１に示した。

〔実施例２〕
（１）ＳｉＣ／Ｓｉ複合材料の作製
市販の黒鉛シートとして、厚さ０．８ｍｍのもの（日立化成社製、密度０．９６ｇ／ｃｍ³）を使用した以外は、実施例１と同様にＳｉＣ／Ｓｉ複合材料を作製した。
（２）評価
実施例1と同様に、複合材料を評価した。その結果も表1に示す。

〔実施例３〕
（１）ＳｉＣ／Ｓｉ複合材料の作製
市販の黒鉛シートとして、厚さ１．６ｍｍのもの（日立化成社製、密度０．９６ｇ／ｃｍ³）を使用した以外は、実施例１と同様にＳｉＣ／Ｓｉ複合材料を作製した。
（２）評価
実施例１と同様に、複合材料を評価した。また、□２×２０ｍｍの試験片を切り出し、理学社性のＴＭＡ８１４０で熱膨張係数を求めた。ヤング率は１×４×４０ｍｍの試験片を切り出し、共振法で求めた。熱伝導率は、φ５×１ｍｍの試験片を切り出し、レーザーフラッシュ法で求めた。その結果も表１に示す。

〔実施例４〕
（１）ＳｉＣ／Ｓｉ複合材料の作製
市販の黒鉛シートとして、厚さ３．２ｍｍのもの（日立化成社製、密度０．９６ｇ／ｃｍ³）を使用した以外は、実施例１と同様にＳｉＣ／Ｓｉ複合材料を作製した。
（２）評価
実施例３と同様に、複合材料を評価した。その結果も表１に示す。

〔比較例〕
（１）ＳｉＣ−Ｓｉ複合材料の作製
市販のＳｉＣ粉末の粗粒（信濃電気精錬社製、平均粒径５０μｍ）６０重量部と微粒（信濃電気精錬社製、平均粒径１０μｍ）４０重量部に有機バインダーとしてフェノール樹脂１０重量部（炭素換算３重量部）を混合し、プレス成形した後、窒素雰囲気中で１０００℃の温度で３時間加熱処理を行った。これにより、フェノール樹脂は炭化されＳｉＣ充填率７０体積％、形状□１００×ｔ１ｍｍ、のプリフォームを得た。得られたプリフォームと金属Ｓｉとをアルゴン雰囲気中で１５００℃の温度で３時間保持し、溶融したＳｉとプリフォーム中に含まれている炭素とを反応させてＳｉＣとすると同時に、Ｓｉを浸透させることによりＳｉＣ／Ｓｉ複合材料（強化材ＳｉＣの含有率は７０体積％）を作製した。
（２）評価
実施例３と同様に、複合材料を評価した。その結果も表1に示す。

(評価結果)
表１の結果から明らかなように、本発明によれば、セラミック強化材がＳｉＣであり、マトリックス金属がＳｉからなる表面研削処理が施されていないＳｉＣ／Ｓｉ複合材料であって、該複合材料の焼結後の厚みが０．５ｍｍ〜５ｍｍであり、かつ、該複合材料の焼結後の単位面積１００×１００ｍｍ²当たりの厚み方向の反り量が１ｍｍ以内であるＳｉＣ／Ｓｉ複合材料が得られた。したがって、表面研削処理が施さなくても放熱板としてそののまま使用することができた。また、複合材料の熱膨張係数がＳｉに近く、密度は３ｇ／ｃｍ³と小さく、熱伝導率は１５０Ｗ／ｍＫ以上、ヤング率２００ＧＰａ以上と大きいため、放熱板として好適な物性を有していることが分かった。
一方比較例では、厚みが焼結後の厚みがほぼ同じである実施例２と比較して６倍の反りが発生していた。

Claims (3)

1. セラミック強化材がＳｉＣであり、マトリックス金属がＳｉからなる表面研削処理が施されていないＳｉＣ／Ｓｉ複合材料であって、該複合材料の焼結後の厚みが０．５ｍｍ〜５ｍｍであり、かつ、該複合材料の焼結後の単位面積１００×１００ｍｍ²当たりの厚み方向の反り量が１ｍｍ以内であることを特徴とするＳｉＣ／Ｓｉ複合材料。
2. 請求項１に記載のＳｉＣ／Ｓｉ複合材料を用いたことを特徴とする放熱板。
3. 黒鉛シートを切断する工程と、前記黒鉛シートと溶融Ｓｉを反応焼結させる工程とを含むことを特徴とする請求項１または請求項２に記載のＳｉＣ／Ｓｉ複合材料の製造方法。