JP2010192656A - 接合体及びこれを利用した放熱構造体とその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】熱応力を緩和でき、高い熱伝導率を有する中間層を用いた接合体を提供すること。
【解決手段】基板１と基板２が中間層を介して接合されている接合体であって、中間層が金属と炭素繊維および／またはカーボンナノチューブとからなる複合材料であることを特徴とする接合体により上記課題が解決される。前記金属は、少なくともはんだを構成する成分を含むことが好ましい。また、基板１、中間層、および基板２のそれぞれの熱膨張係数α１、αｃ、およびα２が、α１＜αｃ＜α２を満足することを特徴とする。
【選択図】図２

Description

本発明は、異なる熱膨張係数を持つ２種の基板を良好に接合した接合体、これを応用した放熱構造体、およびその製造方法に関する。

構造材料や電子材料の区別無く、金属とセラミックスの接合体は様々な分野で用いられている。例えば、自動車の車載用の半導体デバイスでは、半導体を搭載する絶縁基板としてのＡlＮ（セラミックス）を、冷却体であるＣu（金属）に接合する。この際、ＡlＮとＣuを直接、ハンダ付けやろう付けで接合すると、両者の熱膨張係数の違いにより、界面で剥離したりＡlＮが破壊されたりするという問題がある。
その解決法として、例えばＡlＮとＣuの間に両者の中間の熱膨張係数を持つ材料、例えばＣuＷやＣuＭｏなどの複合材料を介在させて熱応力を緩和する手段が用いられている（例えば、特許文献１等）。しかし、これらの複合材料は高価であり、高コストに通じるという問題がある。

特開２００６−３０３１００号公報

本発明は、上記問題点を解決できる接合体、すなわち、熱応力を緩和でき、高い熱伝導率を有する中間層を用いた接合体を提供することを課題とする。

本発明者は、セラミックスと金属の中間の熱膨張係数を持つ中間層を、極めて安価かつ容易に形成する方法を見出し、この方法により作製された接合体及びこれを利用した放熱構造体に関する発明を完成させた。なお、本願において熱膨張係数は線膨張係数を表す。
本発明は、下記の構成からなる。

（１）基板１と基板２が中間層を介して接合されている接合体であって、中間層が金属と炭素繊維および／またはカーボンナノチューブとからなる複合材料であることを特徴とする接合体。
（２）前記金属が、少なくともはんだを構成する成分を含むことを特徴とする上記（１）に記載の接合体。
（３）基板１、中間層、および基板２のそれぞれの熱膨張係数α１、αｃ、およびα２が、α１＜αｃ＜α２を満足することを特徴とする上記（１）または（２）に記載の接合体。
（４）前記基板１がセラミックスであり、前記基板２が金属であることを特徴とする上記（１）〜（３）のいずれかに記載の接合体。

（５）前記中間層がスズを含む金属であることを特徴とする上記（１）〜（４）のいずれかに記載の接合体。
（６）前記中間層の炭素繊維および／またはカーボンナノチューブの含有率が１〜３０vol％であることを特徴とする上記（１）〜（５）のいずれかに記載の接合体。
（７）前記中間層の厚さが２５〜３００μｍであることを特徴とする上記（１）〜（６）のいずれかに記載の接合体。

（８）上記（１）〜（７）のいずれかに記載の接合体からなることを特徴とする放熱構造体。
（９）前記基板１がＡlＮであることを特徴とする上記（８）に記載の放熱構造体。
（１０）前記基板２がＣuまたはＡlであることを特徴とする上記（８）または（９）に記載の放熱構造体。

（１１）上記（１）〜（７）のいずれかに記載の接合体の製造方法であって、前記基板２表面に炭素繊維および／またはカーボンナノチューブと金属から構成される複合めっきを行う第一の工程と、前記めっき処理を施した基板２と基板１をハンダ付けする第二の工程とを含むことを特徴とする接合体の製造方法。

本発明により、熱応力を緩和可能な中間層を有する接合体を、安価に提供することが可能となる。すなわち、本発明に係る接合体の中間層は、炭素繊維および／またはカーボンナノチューブと金属とからなる安価な複合材料であり、基板１と基板２の間に発生する熱応力を緩和することができる。

前記第一の工程を経た基板２の状態の概略を表す図である。 本発明に係る接合体の製造方法の概略を表す図である。 実施例において使用した熱抵抗を測定する装置の概略を表す図である。

本発明に係る接合体は、基板１と基板２とが中間層を介して接合されている。そして、当該中間層が、金属と、炭素繊維及び／又はカーボンナノチューブとからなる複合材料であることを特徴とする。炭素繊維やカーボンナノチューブは熱膨張係数が極めて小さく、ヤング率が極めて大きいので、金属と複合した場合、かかる複合材料の熱膨張係数は炭素繊維及び／又はカーボンナノチューブに依存して低下することとなる。このため、基板１と基板２の熱膨張係数の差に応じて、中間層における炭素繊維又はカーボンナノチューブの含有量を変化させることにより、基板１と基板２の間に生じる熱応力を吸収することが可能となる。

すなわち、基板１、中間層、及び基板２のそれぞれの熱膨張係数をα１、αｃ、およびα２とした場合に、 α１＜αｃ＜α２ の条件を満たすことが好ましい。これにより、α１とα２の差により基板１と基板２の間に生じる熱応力を、中間層が緩和することとなる。
特に、基板１がセラミックスであり、基板２が金属である場合には、α１とα２の差は大きいことが多いため、中間層による効果は大きなものとなる。そして、本発明では、かかる中間層は、金属に炭素繊維及び／又はカーボンナノチューブを複合させたものであるため、極めて安価に提供することが可能となる。

後述するように、本発明に係る接合体は、基板１と基板２とを、例えば、はんだを用いて接合することにより作製することができる。この場合、中間層を構成する金属は、少なくともはんだを構成する成分を含んだ金属となる。はんだ金属としては、スズを含んだものが一般的であり、当該スズを含んだはんだにより本発明の接合体を作製すれば、中間層における金属はスズを含んだものとなる。

中間層における炭素繊維および／またはカーボンナノチューブの好ましい含有率は１〜３０vol％である。下限値を下回ると応力緩和効果が小さく、上限値を超えると効果が飽和する。中間層の厚さは２５〜３００μｍが好ましい。下限値を下回ると応力緩和効果が小さく、上限値を超えると効果が飽和する。

本発明に係る接合体は、基板２の表面に炭素繊維および／またはカーボンナノチューブと金属とから構成される複合めっきを行う第一の工程と、めっき処理を施した基板２と基板１とをはんだ付けする第二の工程とにより作製することができる。

上記第二の工程において、基板１と基板２とをはんだによって接合すると、基板１表面に設けられていた複合めっき層における金属と、溶融したはんだ金属とが混ざりあい、両金属の境界がはっきりしない混合されたものとなる。このため、はんだを用いて接合した場合、最終的には、本発明に係る接合体の中間層を構成する金属は、少なくともはんだを構成する成分を含んだ金属となる。
また、上記第一の工程において、基板１表面に髭状体と金属の複合めっき層を形成する際に、めっき金属としてはんだを用いても構わない。この場合には、中間層を構成する金属ははんだ金属のみとなる。

めっき浴としては、Ｃuめっき浴、Ｃu-Ｚnめっき浴、Ｃu-Ｓnめっき浴、Ｚnめっき浴、Ａgめっき浴等を用いることができる。炭素繊維及び／又はカーボンナノチューブを分散させるために各種添加剤を用いても構わない。

また、はんだとしては、スズを含んだ金属や鉛を含んだ金属が多く用いられる。例えば、Ｐb-Ｓn合金等をはじめ、Ｐb-Ａg、Ｂi-Ｓn、Ｚn-Ｃd、Ｐb-Ｓn-Ｃd、Ｐb-Ｓn-Ｉn、Ｂi-Ｓn-Ｓb等の各種はんだを利用可能である。また、金系のはんだとしては、スズを添加することによって融点を低くしたものがよく用いられる。しかし、本発明においては、はんだ金属は、特にこれらに限定されず、接合する基板１および基板２の材質に応じて適宜選択すればよい。

以下に、基板１としてＣu基板、基板２としてＡlＮ基板を用いた接合体を例にして説明する。
例えば、基板１としてのＣu基板の表面に、めっき法によりカーボンナノチューブと金属の複合めっき層を形成する。このめっき層は、図１に示すように、表面部にはカーボンナノチューブのみが露出された層が存在する。このようなカーボンナノチューブが露出した面に対して、基板１であるＡlＮをはんだ付けすると、図２に示すようにはんだ成分はカーボンナノチューブの隙間にしみ込んでいき、結果としてカーボンナノチューブとはんだの複合材料からなる中間層となる。

カーボンナノチューブは熱膨張係数が極めて小さく、ヤング率が極めて大きいので、金属と複合した場合、複合材料の熱膨張係数はカーボンナノチューブに依存して大きく低下する。そのため、ＡlＮ、中間層、Ｃuと熱膨張係数は連続的に大きくなり、熱応力緩和機能が高くなるのである。カーボンナノチューブの他に、熱伝導率が高く、熱膨張係数が小さい材料として、炭素繊維も用いることができる。

はんだ成分としては一般的な材料であるＳn−Ｐb系はんだや、その他のＰbフリーはんだ全般を使用することができる。このようなはんだ材は、溶融状態から凝固する際に大きな体積収縮が生じて、ＡlＮとＣuの界面に大きな応力が生じたりもするが、カーボンナノチューブを複合することにより、はんだの収縮を抑制するという効果もある。

本発明の製造方法によれば、基板１表面に高熱伝導率かつ低熱膨張係数を持つ髭状体であるカーボンナノチューブや炭素繊維と金属の複合めっき層を形成することで、髭状体が露出した表面層が得られる（第一の工程）。この表面に対してセラミックス等の相手材（基板２）をはんだ付けすることで、溶融したはんだ成分が髭状体の隙間に流れ込み、複合材料となる（第二の工程）。この複合材料からなる中間層は熱膨張係数がはんだ成分よりも小さくなるために、熱応力が緩和されて、界面での剥離やＡlＮ等の基板の破壊等を防止することができる。

本発明に係る接合体は、一方の基板からの熱を他方の基板に伝熱する放熱構造体として使用することもできる。この場合は、基板１としてＡlＮを用い、基板２にはＣuまたはＡlのような熱伝導率の高い材料が好ましい。これらの金属はヒートシンク、ヒートスプレッダ、ヒートパイプのような冷却デバイスとして汎用されていることから、かかる冷却デバイスの一表面を基板２として、本発明を応用することにより用途は広がる。

中間層に炭素繊維および／またはカーボンナノチューブのような髭状体を複合することにより、中間層の熱伝導率が高くなることから、本発明を放熱用途に使用する場合は、全体の熱抵抗が低下するという利点がある。この場合、前記第一の工程において、炭素繊維またはカーボンナノチューブは、基板２の表面に対して垂直方向を向いた状態で形成されることが好ましい。これにより炭素繊維またはカーボンナノチューブの先端が基板１の表面の微細な凹凸にも隙間なく接触し、伝熱性を高めることができる。しかし、厳密に垂直方向を向いていなくとも、かかる効果が著しく損なわれることはない。

（１）材料
＜基板＞
［１］基板１：
１０×１０ｍｍ、厚さ０．５ｍｍの各種セラミックス基板を用いた。
［２］基板２：
１０×１０ｍｍ、厚さ０．５ｍｍの各種金属基板を用いた。

＜めっき浴＞
以下のめっき浴を用いた。
めっき液として、硫酸銅２２２ｇ／Ｌ、硫酸５６０ｇ／Ｌ、塩酸６７ｍｇ／Ｌを用いた。
＜髭状体材料＞
下記の髭状体材料を用いた。
［１］カーボンナノチューブとして、昭和電工製、気相法炭素繊維（商品名：ＶＧＣＦ、平均直径０．１５μｍ、平均長さ１５μｍ）を用いた。
［２］三菱樹脂製炭素繊維（６３７１Ｔ：直径１μｍ、長さ６ｍｍ）を切断処理して各種長さの炭素繊維を用意した。

（２）試料作製
＜めっき＞
めっき液中に髭状体材料を各種濃度になるように分散させた。この際、界面活性剤（和光純薬工業株式会社、商品名：ＰＡ１０００）を、０．０５ｇ／Ｌになるように添加した。
基板を電解脱脂、酸洗いした後、上記のめっき浴に入れて複合めっきを基板の全面（表裏面全面）に対して行った。めっき後は、水洗、超音波洗浄、アルコール洗浄等を行った後に乾燥させた。
比較として、髭状体を複合しないめっきも行った。
＜はんだ付け＞
各種はんだを用い、窒素中、３３０℃で基板１と基板２をハンダ付けした。

（３）評価
＜熱抵抗測定＞
ハンダ付け後の試料を図３に示す熱抵抗測定装置にセットした。試料を上限のＣuホルダで挟み、０．８ＭＰaの面圧を印加し、その後圧力を開放した。この作業を３回繰り返した後、上部からＡlＮヒータで、１２．９Ｖ、２４０ｍＡで加熱して熱量Ｑを付加した。上下のＣuホルダの各位置の温度を測定し、定常状態になるまで保持した。Ｃuホルダの周囲は断熱材で囲った。

サンプルを挟む上下の銅ホルダには熱電対挿入穴が各５点設置されており、これらの位置での温度分布の勾配から試料の表面温度を外挿することができる。熱抵抗測定時の面圧は０．２８５ＭＰaとした。
定常状態に達した時の、各Ｃuホルダ内の温度勾配から、試料の表面温度（Ｔ１）と裏面温度（Ｔ２）を外挿して算出した。

熱抵抗は下記の式で算出した。
熱抵抗（Ｋ／Ｗ）＝（Ｔ１−Ｔ２）／Ｑ

＜組織観察＞
熱抵抗測定後の試料を切断し、断面の組織を顕微鏡で観察した。

＜中間層の熱膨張係数測定＞
熱抵抗測定後の試料から中間層のみの加工片を切り出し、密度を測定した。カーボンナノチューブまたは炭素繊維の密度とはんだ材の密度を用いて、複合材料中の髭状体の含有比を算出した。次に、この試料の熱膨張係数を、作動トランス式熱膨張係数測定装置を用いて、室温から１５０℃まで測定し、平均熱膨張係数を算出した。

（４）結果
結果を表１に示す。
本発明品を用いると、中間層の熱膨張係数を制御できることから界面での剥離が防止でき、かつ低熱抵抗を発揮させることができる。

Claims (11)

1. 基板１と基板２が中間層を介して接合されている接合体であって、中間層が金属と炭素繊維および／またはカーボンナノチューブとからなる複合材料であることを特徴とする接合体。
2. 前記金属が、少なくともはんだを構成する成分を含むことを特徴とする請求項１に記載の接合体。
3. 基板１、中間層、および基板２のそれぞれの熱膨張係数α１、αｃ、およびα２が、
   α１＜αｃ＜α２を満足することを特徴とする請求項１または２に記載の接合体。
4. 前記基板１がセラミックスであり、前記基板２が金属であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の接合体。
5. 前記中間層がスズを含む金属であることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の接合体。
6. 前記中間層の炭素繊維および／またはカーボンナノチューブの含有率が１〜３０vol％であることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の接合体。
7. 前記中間層の厚さが２５〜３００μｍであることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の接合体。
8. 請求項１〜７のいずれかに記載の接合体からなることを特徴とする放熱構造体。
9. 前記基板１がＡlＮであることを特徴とする請求項８に記載の放熱構造体。
10. 前記基板２がＣuまたはＡlであることを特徴とする請求項８または９に記載の放熱構造体。
11. 請求項１〜７のいずれかに記載の接合体の製造方法であって、
    前記基板２表面に炭素繊維および／またはカーボンナノチューブと金属とから構成される複合めっきを行う第一の工程と、
    前記めっき処理を施した基板２と基板１をハンダ付けする第二の工程とを含むことを特徴とする接合体の製造方法。

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