JP2020012194A - 金属−炭化珪素質複合体及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】高熱伝導率と半導体素子に近い熱膨張係数とを兼ね備え、更には、半導体素子のヒートシンク等として使用するのに好適なように、主面に存在する表面層の表側と裏側の厚みの差が５０μｍ以内である金属−炭化珪素質複合体を提供する。【解決手段】炭化珪素質多孔体へ金属を含浸してなる金属−炭化珪素質複合体であって、複合体内部に含まれる炭化珪素粒子について、粒径３００μｍ以上の粒子が５体積％以下であることを特徴とする金属−炭化珪素質複合体を提供する。【選択図】図１

Description

本発明は、熱伝導特性に優れ、かつ軽量であり、セラミックス基板やＩＣパッケージ等の半導体部品のヒートシンク等の放熱体として好適な高熱伝導性の金属−炭化珪素質複合体及びその製造方法に関する。

パワーモジュール用のヒートシンクとしては、一般的に銅、アルミニウム、Ｃｕ−ＭｏやＣｕ−Ｗといった金属、ＡｌＮ、Ｓｉ_３Ｎ_４、Ａｌ_２Ｏ_３等のセラミックス、Ａｌ−ＳｉＣ等の金属とセラミックスとの複合体料等が用いられている。パワーモジュールのヒートシンクとして用いられる金属−炭化珪素質複合体としては、例として特許文献１に開示されるアルミニウム合金‐炭化珪素質複合体や、特許文献２に示されるマグネシウムまたはマグネシウム合金と炭化珪素との複合体料が挙げられる。これらの文献に示される複合体料は軽量、高熱伝導率、かつ半導体素子等のモジュールの構成部品と近い熱膨張係数を有し、パワーモジュール用ヒートシンクとして好適である。

特開２０１７−３９９９７号公報 特開２０１３−２４５３７４号公報

パワーモジュール用ヒートシンクには、セラミックス回路基板が表面にはんだ付けされるのが一般的であるが、Ａｌ−ＳｉＣ等の金属−炭化珪素質複合体をヒートシンクとして用いた場合、アルミニウムといった一部の金属や炭化珪素にははんだが濡れないことからＮｉめっきが表面に施されることが多い。このとき、炭化珪素上にＮｉめっきを析出させることも可能ではあるが、触媒等を用いた特殊な前処理が必要であり、コストが高いことから、金属−炭化珪素質複合体表面は含浸する金属層で覆われていることが一般的である。

この金属−炭化珪素質複合体の表裏を覆う金属層により、複合体は図１のようなバイメタルを模した構造となるが、それぞれの層の熱膨張係数差により熱サイクルにより熱応力が発生する。このとき、表裏の金属層の厚みの差が大きければ大きいほど、熱応力に差が生じ、熱サイクルによって反りの変化が生じる。反りの変化が生じることにより、ヒートシンクと冷却フィンとの間にギャップが生じ、放熱特性が大きく低下するため、表裏の金属層の厚みは均一かつ差がないことが好ましい。

金属−炭化珪素質複合体の表裏に形成される金属層（以下、表面層という）の厚みは、金属を含浸させる前の炭化珪素質多孔体の表面状態に大きく左右される。炭化珪素質多孔体の面精度は複合化した際の厚みや表面粗さに影響することから面出し加工がなされることが多いが、炭化珪素は硬く、炭化珪素質多孔体から粒子が除外されるようにして加工される。

面出し加工を行うに際し、炭化珪素多孔体が粗大粒子を多く含む場合、加工後の表面は凹凸が大きくなる。先行文献の複合体では構成する炭化珪素粒子の粒径の規定が平均粒度のみであり、粗大粒子には言及しておらず、表裏層の表裏厚み差が生じやすくなるという課題があった。

本発明は、上記の事情を鑑みてなされたものであり、その目的は、従来並みの熱伝導率、熱膨張係数を有しながら、表面層の表裏厚み差が小さく、熱サイクルを経ても反りの変化量が小さい金属−炭化珪素質複合体及びそのような金属−炭化珪素質複合体を低コストで製造可能な方法を提供することである。

即ち、本発明は、炭化珪素質多孔体へ金属を含浸してなる金属−炭化珪素質複合体であって、複合体内部に含まれる炭化珪素粒子について、粒径３００μｍ以上の粒子が５体積％以下であることを特徴とする金属−炭化珪素質複合体に関する。

本発明により、金属−炭化珪素質複合体中の粗大粒子が少なくなることにより、炭化珪素質多孔体の表面の凹凸が小さくなり、表面層の表裏厚み差が低減し、熱サイクル時の反り安定性が向上した金属−炭化珪素質複合体及びそのような金属−炭化珪素質複合体を低コストで製造可能な製造方法が提供される。

本発明に係る金属−炭化珪素質複合体の断面図である。 本発明の効果を説明した図である。 本発明に係る金属−炭化珪素質複合体内の表面層の厚みの測定方法を説明した図である。 本発明に係る金属−炭化珪素質複合体の反り量の測定方法を説明した図である。

以下、図を用いて、本発明に係る金属−炭化珪素質複合体及びその製造方法の一実施形態を説明する。

［定義］
以下の説明において、「〜」という記号は「以上」及び「以下」を意味する。例えば「Ａ〜Ｂ」とは、Ａ以上でありＢ以下であるという意味である。また、「主面」とは平板上に形成された金属−炭化珪素質複合体の上下いずれかの面を意味する。

［金属−炭化珪素質複合体］
図１に示したように、本実施形態に係る金属−炭化珪素質複合体１は、炭化珪素粒子へアルミニウム又はマグネシウムのいずれか１つ以上を主成分とする金属を含浸してなる平板状の金属−炭化珪素質複合体１であって、金属−炭化珪素質複合体１は複合化部２及び複合化部２の主面に設けられた表面層３ａ、３ｂからなり、表面層３ａ、３ｂはアルミニウム又はマグネシウムのいずれか１つ以上を主成分とする金属を含む材料からなり、複合化部２に含まれる炭化珪素粒子について、粒径３００μｍ以上の粒子が５体積％以下であることを特徴とする。

更に本発明では、両主面を被覆する表面層について、表側と裏側の厚みの差が５０μｍ以内であることを特徴とする。

また、本発明に係る金属−炭化珪素質複合体は、ヒートサイクル試験を行った際の反り変化量が±５０％以内であることを特徴とする。

上記構成からなる金属−炭化珪素質複合体１は、高熱伝導かつ半導体素子に近い熱膨張係数を有し、更には、両主面の表面層間の厚み差が低減し、熱サイクル時の反り安定性が向上している。

［炭化珪素粉末］
金属−炭化珪素質複合体の原料である炭化珪素粉末は、それを構成する粒子が高熱伝導性であることが望まれ、炭化珪素成分が９９質量％以上の高純度の、一般的に「緑色」を呈する炭化珪素粉末を用いることが好ましい。また、本発明の目的を達成するためには、前記原料の炭化珪素粉末から充填率が５０〜８０体積％、好ましくは６０〜７５体積％の炭化珪素質多孔体が得られれば良い。多孔体の炭化珪素の充填率、すなわち金属−炭化珪素質複合体中の炭化珪素含有量を高めるためには、炭化珪素粉末は適当な粒度分布を有するものが良く、この目的から２種類以上の粉末を適宜配合しても良い。

炭化珪素粉末の粒度に関しては、熱伝導率の観点から、１〜５０μｍの粒径を有する炭化珪素粒子と１００〜３００μｍ以下の粒径を有する炭化珪素粒子を含むことが好ましい。

一方で、本発明の金属−炭化珪素質複合体では、金属−炭化珪素質複合体内部に含まれる炭化珪素粒子について、粒径３００μｍ以上の粒子が５体積％以下であることを特徴とする。これは原料として使用する炭化珪素粉末について、分級などの操作によって粒径３００μｍ以上の粒子が５体積％以下とすることで達成することができる。
粒径３００μｍ以上の粒子が５体積％以上である場合、炭化珪素質多孔体表面の凹凸が大きくなる。これは炭化珪素自体の硬度が高いため、図２に示す様に炭化珪素質多孔体の面出し加工を行う際に、粗大粒子が残留した箇所は凸、炭化珪素質多孔体から粒子が除外されるように加工された箇所は凹となるためである。一方、粒径３００μｍ以上の粒子が５体積％以下の場合、炭化珪素質多孔体表面の凹凸を小さくすることができる。炭化珪素質多孔体表面の凹凸は、金属を含浸した後の金属−炭化珪素質複合体の表裏に形成される表面層の厚みに大きく影響し、凹凸が少ない程表裏の表面層の厚みの差が小さくなる。前記の通り、表裏の表面層の厚みの差が大きければ大きいほど、それぞれの層の熱膨張係数差により熱サイクルにより熱応力が生じ、反りの変化が生じる。反りの変化が生じることにより、反り形状が変化する。このような金属−炭化珪素質複合体をパワーモジュール用のヒートシンクとして用いた場合、冷却フィンとの間にギャップが生じ、放熱特性が大きく低下するため、金属−炭化珪素質複合体の表面層の厚みは均一かつ表裏で差がないことが好ましい。

金属−炭化珪素質複合体中の炭化珪素粒子の含有量は、好ましくは５０体積％以上８０体積％以下であり、より好ましくは６０体積％以上７０体積％以下である。炭化珪素粒子の含有量が６０体積％以上であれば、得られる金属−炭化珪素質複合体の熱伝導率を十分に確保できる。また、充填性の面より、炭化珪素粒子の含有量が７０体積％以下であることが好ましい。７０体積％以下であれば、炭化珪素粒子の形状を球形等に加工する必要がなく、安定したコストで金属−炭化珪素質複合体を得ることができる。

また、金属−炭化珪素質複合体内に含まれる粗大粒子の量が低減することにより、表面粗さが低減する。これにより金属−炭化珪素質複合体上へのはんだ濡れ性の向上、曲げ強度のばらつき低減などが期待できる。

［原料炭化珪素粉末の粒子径測定］
原料炭化珪素粉末の粒子径はＪＩＳ ＺＺ８８２５：２０１３に従ってレーザー回折・散乱法による粒度分布測定装置によって測定することができる。

［複合体内の炭化珪素の粒子径測定］
金属−炭化珪素質複合体内の炭化珪素粒子径は、次のようにして求められる。まず、得られた金属−炭化珪素質複合体について、金属部のみを溶解する薬品に浸すことで金属部を完全に溶解し、ろ過によって炭化珪素粒子を回収する。得られた粒子について、ＪＩＳ ＺＺ８８２５：２０１３に従ってレーザー回折・散乱法による粒度分布測定装置によって測定することができる。

［金属成分］
本発明の一実施形態に係る金属−炭化珪素質複合体中の金属はアルミニウム又はマグネシウムのいずれか１つ以上を主成分とする金属である。例えば、９９．８質量％以上のＡｌ及び不可避的不純物からなる純アルミニウム、添加元素と残部がＡｌ及び不可避的不純物からなるアルミニウム合金、９９．８質量％以上のＭｇ及び不可避的不純物からなる純マグネシウム、添加元素と残部がＭｇ及び不可避的不純物からなるマグネシウム合金等を用いることができる。アルミニウム合金及びマグネシウム合金においては、含浸時に金属溶湯の管理を行いやすくするため、なるべく融点が低いことが好ましい。このような合金として、例えば、Ｓｉを５〜２５質量％含有したアルミニウム合金が挙げられる。Ｓｉを５〜２５質量％含有したアルミニウム合金を用いることにより、金属−炭化珪素質複合体の緻密化が促進されるという効果を得ることができる。

更に、上記アルミニウム合金を使用する場合、合金中にＭｇを含有させることにより、炭化珪素粒子と金属部分との結合がより強固になるので好ましい。アルミニウム合金又はマグネシウム合金中のその他の成分に関しては、合金の特性が極端に変化しない範囲であれば特に制限はなく、例えば、ＦｅやＣｕ等が含まれていても良い。

［シリカゾル］
本発明の一実施形態では、湿式成形法にて高充填率を有する炭化珪素質多孔体を得るため、原料炭化珪素粉末にシリカゾルを添加することを特徴とする。シリカゾルとしては、市販されている固形分濃度２０質量％程度のものを用いることができる。シリカゾルの配合量としては、炭化珪素１００質量部に対して、固形分濃度で０．５〜１０質量部程度で十分であるが、好ましくは１〜５質量部である。０．５質量部以上であると、得られる成形体の強度が焼成後も十分となる。一方、添加する量が１０質量部以下の場合、得られる成形体における炭化珪素の充填率が高く、所望の特性を発揮できる。

［表面層］
本発明の金属−炭化珪素質複合体を半導体素子のヒートシンクとして用いる場合、複合体両面にアルミニウム又はマグネシウムを含有する金属を含む材料からなる表面層３が存在することが望ましい。これにより複合体両面にめっき処理を施す場合の密着性向上の効果が望める。更に、複合体両面の表面粗さが改善するという効果も得られる。

ここで、上記表面層３は、前記金属成分と同様にアルミニウム又はマグネシウムを含有する金属を含む材料からなるが、それ以外の不純物等が含まれていてもよい。

上記表面層の厚みについては、平均厚みで１０μｍ以上１５０μｍ以下であることが好ましい。平均厚みで１０μｍ以上であれば、その後の処理において炭化珪素粒子が複合体表面へ露出してしまうことが無く、目標とする面精度及びめっき層の密着性が確保できる。また、両面の表面層３の平均厚みの合計が、金属−炭化珪素質複合体１の厚みの２０％以下であることが好ましい。表面層の平均厚みが１５０μｍ以下、かつ厚みの合計が複合体の厚みの２０％以下であれば面精度及びめっき層の密着性に加え、十分な熱伝導率を備えた金属−炭化珪素質複合体を得ることができる。

また、金属−炭化珪素質複合体の両主面を被覆する上記表面層の表側と裏側の厚み差については、５０μｍ以下であることが好ましい。表面層の表側と裏側の厚み差が５０μｍ以下であれば、金属−炭化珪素質複合体が温度変化の激しい環境下に曝された場合においても、表面層と複合化部間の熱膨張係数差から生じる熱応力の差が小さく、熱サイクルによって生じる反りの変化量が小さくなる。これにより、ヒートシンクと冷却フィンとの間にギャップが生じ、放熱特性が大きく低下することを防止できる。

上記表面層３の導入に関しては、例えば、炭化珪素質多孔体へ金属成分を含浸する際に、炭化珪素質多孔体と含浸に用いる金型との間にアルミニウム箔、マグネシウム箔やアルミナ繊維等のセラミックス繊維を配置して金属成分と複合化することにより行うことができる。また、複合体を得た後、表面へ溶射、コールドスプレーやホットプレスによる金属箔の貼り付け等によって導入することも可能である。

［両主面を覆う表面層の厚み］
金属−炭化珪素質複合体内の両主面を覆う表面層の厚みは、次のようにして求められる。図３内の点線にて示す、端部から複合体全長の２０％内側を通る直線、及び複合体の中線に沿って、金属−炭化珪素質複合体をダイヤモンド加工治具で切断する。その後、図３内○の箇所について、表面部分を走査型電子顕微鏡で１００倍にて観察した。最表面から炭化珪素粒子までの距離を２００μｍ間隔で５箇所測定し、５点の平均を計算することで表面層の厚みとした。ここで表面層とは、両主面の最表面に位置する金属ＡまたはＢからなる領域である。また、表面層の厚み差は前記の方法で得た両主面表面層の厚みの差の絶対値、すなわち｜（表主面の表面層の厚み）−（裏主面の表面層の厚み）｜（μｍ）で求められる。

［金属−炭化珪素質複合体の反り］
金属−炭化珪素質複合体の反りは、次のようにして求められる。接触式３次元測定機で複合体の主面中線上の任意の１０ｃｍ長を測定し、開始点をＡ、終了点をＢとする。図４における線分ＡＢに対する極大点までの距離（矢印部）を金属−炭化珪素質複合体の反りとする。

［製造方法］
以下、本発明の一実施形態に係る金属−炭化珪素質複合体について、溶湯鍛造法による製造方法を説明する。しかしながら、本発明に係る金属−炭化珪素質複合体は、溶湯鍛造法によって製造されるもののみに限定されるわけではない。

ここで、金属−炭化珪素質複合体の製法は、大別すると含浸法と粉末冶金法の２種がある。このうち、熱伝導率等の特性面から、実際に商品化されているのは、含浸法によるものが多い。含浸法にも種々の製法が有り、常圧で行う方法と、高圧下で行う高圧鍛造法がある。高圧鍛造法には、溶湯鍛造法とダイキャスト法がある。

本発明の一実施形態に好適な方法は、高圧下で含浸を行う高圧鍛造法であり、熱伝導率等の特性に優れた緻密な複合体を得るには溶湯鍛造法が好ましい。溶湯鍛造法とは、一般的に、高圧容器内に、セラミックス等の粉末又は多孔体を装填し、これに金属溶湯を高温、高圧下で含浸させて複合体を得る方法である。

発明の一実施形態に係る複合体の製造方法は、原料分級工程、成形工程、仮焼工程、面出し加工工程及び含浸工程からなる。この方法により、本発明に係る金属−炭化珪素複合体を安価で大量に製造することができる。

［原料分級工程］
炭化珪素粉末を分級し、粒子径３００μｍ以上の炭化珪素を５体積％以下とすることで分級粉末を得る。分級の方法としては、ふるい網、重力場分級、慣性力場分級、遠心力場分級等の公知の方法を用いることができる。この工程により、本発明の一実施形態に係る金属−炭化珪素質複合体に適した炭化珪素粒子を得ることができる。

［成形工程］
前記炭化珪素粉末に対し、所定量のシリカゾルを添加混合し、所望の形状に成形する。成形の方法としては、乾式プレス成形、湿式プレス成形、押し出し成形、鋳込み成形等を用いることができる。

［仮焼工程］
前記成形工程で得られた成形体を、大気中又は窒素等の不活性ガス雰囲気中、温度８００〜１１００℃で加熱し、炭化珪素質多孔体を得る。成形工程、仮焼工程を経ることで面出し加工を行うことができる。

［面出し加工工程］
面出し加工の方法としては、公知の方法を用いることができ、例えば、フライス加工等が挙げられる。また、面出し加工工程において、炭化珪素質多孔体に対しダイヤモンド加工治具を用いて面出し加工を施すことにより、炭化珪素質多孔体の厚み調整を行うことができる。この工程により、複合化した際の金属−炭化珪素質複合体について、所望する厚みや表面粗さを有するものが得られる。

［含浸工程］
面出し加工を行った炭化珪素質多孔体は、熱衝撃による割れ等を防止するため、予め加熱し、融点以上の温度に加熱した金属成分からなる溶湯を高圧で含浸させ、その後冷却することで金属−炭化珪素質複合体を得る。この工程により、本発明に係る金属−炭化珪素質複合体について、所望する熱伝導率を有するものが得られる。

本発明の一実施形態の金属−炭化珪素質複合体において、前記複合体の熱伝導率が１８０Ｗ ｍ^−１ Ｋ^−１以上、室温から１５０℃に加熱した際の熱膨張係数が９×１０^−６ Ｋ^−１以下である形態を挙げることができる。

［金属−炭化珪素質複合体の反りの変化］
本発明の一実施形態の金属−炭化珪素質複合体に対して、ヒートサイクル試験を行った際の反りの変化量が±５０％以内である形態を挙げることができる。ここで、反りの変化量は［（ヒートサイクル試験後の反り量）−（ヒートサイクル試験前の反り量）］／（ヒートサイクル試験前の反り量）×１００（％）である。
なお、ヒートサイクル試験を行った際の反り変化量は、好ましくは±３０％以内であること、より好ましくは±２０％以内であることが望ましい。また、ヒートサイクル試験の条件は、例えば、−４０℃に保持した気相に３０分間さらし、その後１２５℃に保持した気相に３０分間さらすことを１回とするサイクルを１００回繰り返すことが挙げられる。
ヒートサイクル試験を行った際の反りの変化量が±５０％以内であれば、金属−炭化珪素質複合体をヒートシンクとして用いる場合において、熱サイクルを経た後も、ヒートシンクと冷却フィンとの間のギャップが生じにくく、放熱特性の低下を防止できる。

本発明の一実施形態の金属−炭化珪素質複合体の表面にＮｉめっき処理を行い、窒化アルミニウム基板、窒化珪素基板等のセラミックス基板を、はんだ付けなどで搭載することで、パワーモジュール用ヒートシンク等の放熱部品とすることができる。この放熱部品では、熱サイクルを経ても複合体の反りの変化量が小さいため、セラミックス基板の回路間のクラックや回路の剥離は見られにくく、温度変化の激しい環境においても放熱部品として好適に使用することができる。

以上、本発明に係る金属−炭化珪素質複合体及びこれを用いた放熱部品、並びにこれらの製造方法について、発明の一実施形態を挙げて説明したが、本発明はこれらに制限されるものではない。

以下に、実施例、比較例を挙げて、本発明を更に詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。

［実施例１〜８、比較例１〜２］
市販されている高純度の炭化珪素粉末を分級し、炭化珪素粉末Ａ（粒子径３００μｍ以上）、炭化珪素粉末Ｂ（粒子径１００μｍ以上３００μｍ未満）、炭化珪素粉末Ｃ（粒子径５０μｍ以上１００μｍ未満）、炭化珪素粉末Ｄ（粒子径１μｍ以上５０μｍ未満）、炭化珪素粉末Ｅ（粒子径１μｍ未満）を得た。これらの炭化珪素粉末を表１に示すような組成で配合し（実施例１〜８及び比較例１〜２）、シリカゾルを３ｗｔ％添加した後、撹拌混合機で３０分混合した。各炭化珪素粉末の粒径は、ＪＩＳ ＺＺ８８２５：２０１３に従い、レーザー回折・散乱法による粒度分布測定装置（ベックマン・コールター社製、製品名「ＬＳ２３０」、以下同様）によって測定した。混合物を１００ｍｍ×１００ｍｍ×６ｍｍの形状に１０ＭＰａの圧力で成形した。

得られた成形体を大気中において温度９００℃で２時間加熱し、炭化珪素質多孔体を得た。次に、得られた炭化珪素質多孔体をダイヤモンド加工治具にて面出し加工を行うことで、厚みを４．８ｍｍとした。なお、加工後の炭化珪素質多孔体の厚みは主面中央部をマイクロメーターにて確認した。離型剤を塗布したステンレス製（ＳＵＳ３０４）の板によって各試料１０枚の間を区切り、両端に厚み１２ｍｍの鉄板を配した後、１０ｍｍφのボルト、ナットで固定し、一つのブロックを形成した。

次に前記ブロックを、電気炉で温度６００℃に予備加熱した後、あらかじめ加熱しておいた内寸２５０ｍｍφ×３００ｍｍの空隙を有するプレス型内に収め、珪素を１２％、マグネシウムを１％含有し、残部がアルミニウム及び不可避的不純物からなる組成を有する温度８００℃のアルミニウム合金の溶湯を注ぎ、６０ＭＰａの圧力で１０分加圧して炭化珪素質多孔体にアルミニウム合金を含浸させた。得られた複合体を含む金属塊は、室温まで冷却後、湿式バンドソーにて離型板の側面形状に沿って切断し、挟んだステンレス板を剥がし、１００ｍｍ×１００ｍｍ×５ｍｍの金属−炭化珪素質複合体を得た。

得られた金属−炭化珪素質複合体はダイヤモンド加工治具を用いて、熱膨張係数測定用試験体（３×４×２０ｍｍ）と、室温の熱伝導率測定用試験体（２５×２５×２ｍｍｔ）に研削加工した。また、図３の点線にて示す、端部から複合体全長の２０％内側を通る直線、及び複合体主面の中線に沿って、金属−炭化珪素質複合体をダイヤモンド加工治具で切断した。その後、図３内○の箇所について、複合体断面を得た後、表面部分を走査型電子顕微鏡で１００倍にて観察した。最表面から炭化珪素粒子までの距離を２００μｍ間隔で５箇所測定し、５点の平均を計算することで表面層の厚みとした。得られた結果を表２に示す。表２に示されるように、実施例１〜８に係る金属−炭化珪素質複合体は、比較例１〜２に係る金属−炭化珪素質複合体に比べ、表面及び裏面の厚み差が小さかった。また、当該領域はエネルギー分散型Ｘ線分析装置により、アルミニウムを主成分とする金属で構成されていることを確認した。

得られた金属−炭化珪素質複合体に含まれる炭化珪素の粒径を、実施例１を例に以下のようにして求めた。まず、室温の熱伝導率測定用試験体と同様の形状に研削加工した複合体について、２０％水酸化ナトリウム水溶液に浸漬し、金属部のみを完全に溶解した。その後、ろ過によって炭化珪素粒子を回収し、炭化珪素の粒径を、ＪＩＳ ＺＺ８８２５：２０１３に従い、レーザー回折・散乱法による粒度分布測定装置によって測定した。得られた結果について、５μｍ刻みのヒストグラムを作製したところ、間隔が５０μｍ以上離れた二つのピークを確認した。このとき、粒径が小さい方のピークは粒径が１μｍ以上５０μｍ未満の範囲に収まり、粒径が大きい方のピークは粒径が１００μｍ以上３００μｍ未満の範囲に収まることを確認した。また、両ピークの面積比はおよそ２５：７５であった。

次に、それぞれの試験体を用いて、熱膨張計により室温から１５０℃の熱膨張係数、レーザーフラッシュ法による室温の熱伝導率を測定した。また、接触式３次元測定機（ＡＣＣＲＥＴＥＣＨ社製、製品名「ＣＯＮＴＯＵＲＥＣＯＲＤ １６００Ｄ」、以降同じ）で複合体の主面中線上の任意の１０ｃｍ長を測定し、開始点をＡ、終了点をＢとした。この線分ＡＢに対する極大点までの距離（図４矢印部）を金属−炭化珪素質複合体の反り量とした。更に、熱伝導率測定用試験体を用いて、アルキメデス法により複合体の密度を測定し、密度の値から炭化珪素粒子の体積分率を算出した。得られた結果を表３に示す。

更に、これらの金属−炭化珪素質複合体を用いて、−４０℃〜１２５℃の温度幅で１００回のヒートサイクル試験を行った。その後、接触式３次元測定機により、複合体の主面の長さ１０ｃｍに対する反り量を測定し、初期の値に対する反り変化量を算出した。このとき反り変化量は［（ヒートサイクル試験後の反り量）−（ヒートサイクル試験前の反り量）］／（ヒートサイクル試験前の反り量）×１００（％）とした。得られた結果を表３に示す。

表３に示されるように、実施例１〜８に係る金属−炭化珪素質複合体は、比較例１〜２に係る金属−炭化珪素質複合体に比べ、ヒートサイクル試験を行った後も反り変化量が小さく、かつ低い熱膨張係数、高い熱伝導率を有していた。

これに対し、比較例１ないし２の金属−炭化珪素質複合体では、ヒートサイクル試験を行った後も反り変化量の絶対値が５０％を超えた。これは粒子径３００μｍ以上の炭化珪素粉末を５体積％以上含んでいたためであると考えられる。

※１ サンプル長１０ｃｍに対する反り量
※２ ヒートサイクル −４０℃⇔１２５℃（各３０分）×１００サイクル後の反り変化量

［実施例９］
実施例９では、実施例２の含浸する金属を、９９．８質量％以上がマグネシウム、残部が不可避的不純物からなる市販の純マグネシウムとし、その他は実施例３と同じ操作にて複合体を作製した。複合体の密度は２．６９ｇ ｃｍ^−３であり、表裏の表面層の平均厚みは表面が９０μｍ、裏面が９８μｍであった。また、熱伝導率は１９７Ｗ ｍ^−１Ｋ^−１、熱膨張係数は７．５ｐｐｍ Ｋ^−１、複合体の主面長さ１０ｃｍに対する反り量は４６μｍであった。更に、実施例１〜６と同様にヒートサイクル試験を行った。その結果、反り変化量は８％であった。即ち、含浸する金属として、マグネシウムを主成分とする金属を用いても、アルミニウムを成分とする金属を用いた場合と同様の結果が得られた。

［実施例１０、１１］
実施例３で作製した炭化珪素質多孔体について、離型剤を塗布したステンレス製（ＳＵＳ３０４）の板によって各試料１０枚の間を区切る際に、炭化珪素質多孔体とステンレス製板の間に金属板を配置した。また、金属板のサイズは長さ１００ｍｍ、幅１００ｍｍ、厚み５０μｍとした。配置した金属板、及び含浸した金属溶湯の材質は表４に示す。その他は実施例３と同様の手順にて複合体を作製した。表裏の表面層の平均厚みを表５に、各複合体の密度、室温の熱伝導率、室温から１５０℃の熱膨張係数、複合体の主面長さ１０ｃｍに対する反り量及び、実施例１〜８と同様にヒートサイクル試験を行った後の反り変化量を表６にそれぞれ示す。含浸する金属と、含浸する金属とは異なる金属の金属板とを用いて金属−炭化珪素質複合体を作製した場合でも、実施例１〜８と同様に、表面及び裏面の厚み差が小さい金属−炭化珪素質複合体が得られ、また、ヒートサイクル試験を行った後も反り変化量が小さく、かつ低い熱膨張係数、高い熱伝導率を有する金属−炭化珪素質複合体が得られた。

［実施例１２、１３、比較例３］
実施例２で作製した金属−炭化珪素質複合体に無電解Ｎｉめっき処理を行い、複合体表面に５μｍ厚のめっき層を形成した。めっき処理した複合体表面に１００μｍ厚のはんだペーストをスクリーン印刷し、実施例１２では市販の窒化アルミニウム基板を、実施例１３では市販の窒化珪素基板をそれぞれ搭載し、温度３００℃のリフロー炉で５分間加熱処理してセラミックス基板を接合した。また、比較例３では、銅板に対し実施例１２及び１３と同様の手順にて、めっき処理後、窒化アルミニウム基板を接合した。これらのセラミックス基板を接合した複合体を用いて、−４０℃〜１２５℃の温度幅で１０００回のヒートサイクル試験を行った。実施例１２及び１３では、ヒートサイクル試験後もセラミックス基板の回路間のクラックや回路の剥離は見られず、放熱部品として好適な信頼性を示した。一方、比較例３に関しては、ヒートサイクル３０回でセラミックス基板の回路間にクラックが発生した。

１ 金属−炭化珪素質複合体
２ 複合化部
３ａ、３ｂ 表面層

Claims (5)

1. 炭化珪素質多孔体へアルミニウム又はマグネシウムのいずれか１つ以上を主成分とする金属を含浸してなる金属−炭化珪素質複合体であって、金属−炭化珪素質複合体の両主面がアルミニウム又はマグネシウムのいずれか１つ以上を主成分とする金属を含む表面層で被覆されており、金属−炭化珪素質複合体内部に含まれる炭化珪素粒子について、粒径３００μｍ以上の粒子が５体積％以下であることを特徴とする、金属−炭化珪素質複合体。
2. 金属−炭化珪素質複合体の両主面を被覆する表面層について、表側と裏側の厚みの差が５０μｍ以内である、請求項１に記載の金属−炭化珪素質複合体。
3. ヒートサイクル試験を行った際の反り変化量が±５０％以内であることを特徴とする、請求項１又は２に記載の金属−炭化珪素質複合体。
4. 下記１）〜５）の工程を含む、請求項１から３のいずれか一項に記載の金属−炭化珪素質複合体の製造方法：
   １）炭化珪素粉末を分級し、粒子径３００μｍ以上の炭化珪素を５体積％以下とすることで分級粉末を得る原料分級工程と、
   ２）前記分級粉末へシリカゾルを添加し混合後、混合物を加圧成形することで成形体を得る成形工程と、
   ３）得られた成形体を大気中又は窒素等の不活性ガス雰囲気中で８００〜１１００℃に加熱し、炭化珪素質多孔体を得る仮焼工程と、
   ４）得られた炭化珪素質多孔体をダイヤモンド加工治具にて面出し加工を行う面出し加工工程と、
   ５）得られた炭化珪素質多孔体に対し金属溶湯を含浸し、その後冷却することで金属−炭化珪素質複合体を得る含浸工程。
5. 請求項１から３のいずれか一項に記載の金属−炭化珪素質複合体を用いてなることを特徴とする放熱部品。