JP4014248B2 - 傾斜機能材料の製造方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、セラミックス側組成と金属側組成とを有する傾斜機能材料の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の説明】
一般的に、半導体回路では、半導体特性の安定化のために、前記半導体回路をセラミックス基板に搭載し、該半導体回路に発生する熱を外部に効率よく排出する工夫が施されている。
【０００３】
その際、半導体回路から発生する熱が比較的大きい場合には、セラミックス基板のみでは十分に対応することができず、前記セラミックス基板に銅やアルミニウムのヒートシンクをろう付けや半田付けすることが行われている。さらに、ＭＰＵや大容量電力ＩＧＢＴ等では、放熱フィンを設けて熱を強制的に放出する工夫が施されている。
【０００４】
ここで、セラミックス基板は、半導体回路の特性を高く維持するために、高熱伝導性が必要とされるとともに、絶縁性、遮光性および低誘電性等が要求されている。一方、ヒートシンクにも高い熱伝導性が要求されており、通常、セラミックス基板および前記ヒートシンクは、ともに１５０Ｗ／ｍＫ以上の熱伝導性を有し、さらに熱膨張係数も半導体チップの熱膨張係数に近似するように設定されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、セラミックス基板とヒートシンクを結合するためのろう材や半田材は、熱膨張係数がセラミックス基板やヒートシンクの２倍以上であるとともに、熱伝導率が２０Ｗ／ｍＫ〜７０Ｗ／ｍＫ以下であって、前記セラミックス基板および前記ヒートシンクの１／２〜１／７という低い値となっている。このため、ろう材や半田材が設けられた接合部は、熱伝導率が低く、他の部分に比べて熱膨張係数が大きくなり、この接合部に相当に大きな応力が発生して接合信頼性が低下するという問題が指摘されている。
【０００６】
しかも、接合部に熱が溜まり易く、ヒートシンクの機能を有効に発揮させることができないというおそれもある。これにより、相当に大きなヒートシンクや放熱フィンを設け、常に熱勾配を大きくしておく必要があり、小型化の要請に対応することができないという問題がある。
【０００７】
本発明は、この種の問題を解決するものであり、金属とセラミックスとを接合部を設けることなく一体化するとともに、接合信頼性が高く、しかも高熱伝導性を有する傾斜機能材料を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
前記の課題を解決するために、本発明に係る傾斜機能材料の製造方法では、セラミックス側組成と金属側組成とを有するとともに、セラミックス組成部分の熱膨張係数と金属組成部分の熱膨張係数とが略同一になるように調整し、次いで、このように設定されたセラミックス側原料と金属側原料とを積層した状態で、同時焼成処理が施される。このため、焼成処理時に、熱膨張係数の相違に基因してセラミックス側原料と金属側原料との積層部位でクラックや変形、さらに剥離等を発生することを確実に阻止することができる。
【０００９】
ここで、セラミックス組成部分と金属組成部分との熱膨張係数は、焼成処理時、すなわち、製造温度で略同一となるとともに、使用温度においても同一に設定される。これにより、焼成時の他、使用時における積層部位の剥離等を有効に阻止することが可能になる。具体的には、前記セラミックス側原料として、窒化処理により窒化アルミニウムとなる金属アルミニウムが窒化アルミニウムに配合されたものを選定する一方、前記金属側原料として、銅合金が配合されたものを選定する。
【００１０】
ここで、金属組成部分の熱膨張係数とセラミックス組成部分の熱膨張係数とは、それぞれの組成を選択することにより変更可能である。すなわち、表１には、金属側組成としてタングステンと銅（Ｗ−Ｃｕ）およびモリブデンと銅（Ｍｏ−Ｃｕ）の組み合わせを用い、それぞれの組成比を変化させた際における熱膨張係数の変化が示されている。
【００１１】
【表１】
【００１２】
一方、セラミックス組成部分の熱膨張係数は、表２に示すように、セラミックス側組成として金属アルミニウム、窒化アルミニウムおよび他の添加剤をそれぞれの組成比を変化させることにより変更可能である。
【００１３】
【表２】
【００１４】
このため、セラミックス組成部分の熱膨張係数／金属組成部分の熱膨張係数×１００＝７５〜１２５（％）になるように金属側組成およびセラミックス側組成を選択すれば、熱膨張係数の相違による積層部位での剥離を阻止することができる。
【００１５】
また、金属とセラミックスとは、それぞれの焼結温度域が異なっており、例えば、金属である銅とセラミックスである窒化アルミニウムとでは、その焼結温度に７５０℃〜１１００℃の温度差が発生している。そこで、反応焼結によって、セラミックスの緻密化温度を引き下げるものとする。その際、金属側組成およびセラミックス側組成によるそれぞれの焼結温度域は、表３に示されており、前記金属側組成と前記セラミックス側組成の焼結温度域が同一になるように、それぞれの組成が選択される。
【００１６】
【表３】
【００１７】
さらに、表４に示すように、反応焼結セラミックスを有効に緻密化させるために、窒化温度を下げる組成が設定される。
【００１８】
【表４】
【００１９】
次いで、上記のように設定されたセラミックス側原料と金属側原料とを積層し、同時焼成処理が施されることにより、積層部分には、金属層のセラミックス層への拡散とセラミックス層から金属層への拡散とが行われ、前記セラミックスと前記金属とが相互拡散して一体化する。
【００２０】
さらに、反応窒化を伴うため、未反応部分が内部に拡散し、多層化する必要がない。このため、セラミックス側原料と金属側原料とを２層に積層するだけでよく、簡単な成形工程で安価に製造することが可能になる。これにより、熱伝導性、耐熱性、耐応力性に優れるとともに、接合信頼性が向上するという効果がある。
【００２１】
【発明の実施の形態】
本発明の実施形態に係る傾斜機能材料の製造方法について、以下に説明する。
【００２２】
本実施形態では、放熱基板であるセラミックス基板とヒートシンクベースとを一体化した傾斜機能材料を製造する工程について説明する。通常、この種の工程は、基板の製造工程、その加工工程、この基板の整合面に銅を直接配置する工程、この配置部位にニッケルめっきを施す工程、ヒートシンクベースの製造工程、その加工工程、および前記ヒートシンクベースとの間に半田を介装して半田付けする工程からなるが、本実施形態では、これらの工程を集約して傾斜機能材料の製造工程とその加工工程との２工程により行う。なお、加工工程は、セラミックス基板側の面粗さを０．８Ｓ以上にする工程であり、ショットブラスト等により１工程で遂行可能である。
【００２３】
セラミックス側組成としては、熱伝導および熱膨張係数の観点から、窒化アルミニウムが選択され、一方、ヒートシンクベース側である金属側組成としては、熱伝導および熱膨張係数の観点から、銅合金の中、銅−タングステン（−Ａｇ）が設定された。
【００２４】
そこで、セラミックス側組成と金属側組成との熱膨張係数が製造温度および使用温度で略同一になるとともに、セラミックス側と金属側との焼結温度域を同一化することを考慮し、表５および表６に示す組成比を有するセラミックス側原料および金属側原料が設定された。
【００２５】
【表５】
【００２６】
【表６】
【００２７】
次いで、表５のＮｏ．１〜Ｎｏ．４の組成と表６のＮｏ．ａ〜Ｎｏ．ｄの組成とを組み合わせ、焼結温度域での熱膨張係数の比、すなわち、
セラミックスの熱膨張係数／金属の熱膨張係数×１００（％）
を演算し、その結果を表７に示した。
【００２８】
【表７】
【００２９】
さらに、これらのセラミックス側原料および金属側原料をそれぞれ有機溶媒を用いて湿式混合した後、その溶媒を１３ｖｏｌ％まで調製し、金型内静水圧加圧成形法を用いて成形し、成形体が得られた。その際、金型の下部パンチ上に紙が載置され、その上に金属側原料粉末が充填されて２０ＭＰａ程度で圧縮され、次いで、セラミックス側原料粉末が充填されるとともに、その上に紙が載せられて１２０ＭＰａの圧力で成形された。この紙は、加圧中に成形体から有機溶媒が滲み出して金型パンチと成形体が密着することを阻止し、成形歩留りを維持する機能を有する。
【００３０】
次に、各成形体は、乾燥された後に窒素ガスの流通下に〜０．５Ｔｏｒｒで１３５０℃まで昇温され、さらに窒素ガスを１ｂａｒとして１４５０℃で９０分間だけ窒化焼結された。ここで、上記の焼結条件下で得られた各焼結体の欠陥の有無を検査し、その結果を表８に示した。
【００３１】
【表８】
【００３２】
この表８において、密度および断面観察等から十分緻密化が進行し実使用が可能なものを「◎」とし、欠陥等の生成が見られず実験的に使用可能なものを「○」とし、クラック等の生成は見られるが形状を保持しているものを「△」とし、割れやクラック等の欠陥が多くハンドリングさえも難しいものを「×」として表した。なお、これらは、焼結条件やパターンを変えて試験したが、「△」および「×」から「◎」、「○」への改善は図られなかった。また、焼結条件は、１１００℃〜１７００℃まで変化させて試験を行った。
【００３３】
これにより、使用温度近傍における熱膨張係数の比が７５〜１２５（％）のとき、傾斜機能材料に視認可能なレベルの欠陥を生成させずに製造することができた。さらに、熱膨張係数の比が８５〜１１５（％）のとき、所望の機能を有する優れた傾斜機能材料が構成された。
【００３４】
また、Ｎｏ．１とＮｏ．ｃとの組み合わせで製造された傾斜機能材料は、平均熱伝導率が１８０Ｗ／ｍＫと高い値を示した。従って、これまで半田付けにより製造されていたヒートシンクベース一体型の半導体基板の熱伝導率が１００Ｗ／ｍＫまでであるのに比較して、顕著な向上が実現された。
【００３５】
【発明の効果】
以上のように、本発明に係る傾斜機能材料の製造方法では、セラミックス側組成と金属側組成とを有する傾斜機能材料において、セラミックス組成部分の熱膨張係数と金属組成部分の熱膨張係数とが製造温度および使用温度で略同一になるように調製されるため、積層部分にクラックや変形等が発生することがなく、双方の成分が相互拡散した信頼性の高い高熱伝導性接合部位を得ることができる。これにより、極めて簡単な工程で、所望の機能を有する傾斜機能材料を確実に得ることができるとともに、製造コストを安価に抑えることが可能になる。
【発明の属する技術分野】
本発明は、セラミックス側組成と金属側組成とを有する傾斜機能材料の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の説明】
一般的に、半導体回路では、半導体特性の安定化のために、前記半導体回路をセラミックス基板に搭載し、該半導体回路に発生する熱を外部に効率よく排出する工夫が施されている。
【０００３】
その際、半導体回路から発生する熱が比較的大きい場合には、セラミックス基板のみでは十分に対応することができず、前記セラミックス基板に銅やアルミニウムのヒートシンクをろう付けや半田付けすることが行われている。さらに、ＭＰＵや大容量電力ＩＧＢＴ等では、放熱フィンを設けて熱を強制的に放出する工夫が施されている。
【０００４】
ここで、セラミックス基板は、半導体回路の特性を高く維持するために、高熱伝導性が必要とされるとともに、絶縁性、遮光性および低誘電性等が要求されている。一方、ヒートシンクにも高い熱伝導性が要求されており、通常、セラミックス基板および前記ヒートシンクは、ともに１５０Ｗ／ｍＫ以上の熱伝導性を有し、さらに熱膨張係数も半導体チップの熱膨張係数に近似するように設定されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、セラミックス基板とヒートシンクを結合するためのろう材や半田材は、熱膨張係数がセラミックス基板やヒートシンクの２倍以上であるとともに、熱伝導率が２０Ｗ／ｍＫ〜７０Ｗ／ｍＫ以下であって、前記セラミックス基板および前記ヒートシンクの１／２〜１／７という低い値となっている。このため、ろう材や半田材が設けられた接合部は、熱伝導率が低く、他の部分に比べて熱膨張係数が大きくなり、この接合部に相当に大きな応力が発生して接合信頼性が低下するという問題が指摘されている。
【０００６】
しかも、接合部に熱が溜まり易く、ヒートシンクの機能を有効に発揮させることができないというおそれもある。これにより、相当に大きなヒートシンクや放熱フィンを設け、常に熱勾配を大きくしておく必要があり、小型化の要請に対応することができないという問題がある。
【０００７】
本発明は、この種の問題を解決するものであり、金属とセラミックスとを接合部を設けることなく一体化するとともに、接合信頼性が高く、しかも高熱伝導性を有する傾斜機能材料を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
前記の課題を解決するために、本発明に係る傾斜機能材料の製造方法では、セラミックス側組成と金属側組成とを有するとともに、セラミックス組成部分の熱膨張係数と金属組成部分の熱膨張係数とが略同一になるように調整し、次いで、このように設定されたセラミックス側原料と金属側原料とを積層した状態で、同時焼成処理が施される。このため、焼成処理時に、熱膨張係数の相違に基因してセラミックス側原料と金属側原料との積層部位でクラックや変形、さらに剥離等を発生することを確実に阻止することができる。
【０００９】
ここで、セラミックス組成部分と金属組成部分との熱膨張係数は、焼成処理時、すなわち、製造温度で略同一となるとともに、使用温度においても同一に設定される。これにより、焼成時の他、使用時における積層部位の剥離等を有効に阻止することが可能になる。具体的には、前記セラミックス側原料として、窒化処理により窒化アルミニウムとなる金属アルミニウムが窒化アルミニウムに配合されたものを選定する一方、前記金属側原料として、銅合金が配合されたものを選定する。
【００１０】
ここで、金属組成部分の熱膨張係数とセラミックス組成部分の熱膨張係数とは、それぞれの組成を選択することにより変更可能である。すなわち、表１には、金属側組成としてタングステンと銅（Ｗ−Ｃｕ）およびモリブデンと銅（Ｍｏ−Ｃｕ）の組み合わせを用い、それぞれの組成比を変化させた際における熱膨張係数の変化が示されている。
【００１１】
【表１】
一方、セラミックス組成部分の熱膨張係数は、表２に示すように、セラミックス側組成として金属アルミニウム、窒化アルミニウムおよび他の添加剤をそれぞれの組成比を変化させることにより変更可能である。
【００１３】
【表２】
このため、セラミックス組成部分の熱膨張係数／金属組成部分の熱膨張係数×１００＝７５〜１２５（％）になるように金属側組成およびセラミックス側組成を選択すれば、熱膨張係数の相違による積層部位での剥離を阻止することができる。
【００１５】
また、金属とセラミックスとは、それぞれの焼結温度域が異なっており、例えば、金属である銅とセラミックスである窒化アルミニウムとでは、その焼結温度に７５０℃〜１１００℃の温度差が発生している。そこで、反応焼結によって、セラミックスの緻密化温度を引き下げるものとする。その際、金属側組成およびセラミックス側組成によるそれぞれの焼結温度域は、表３に示されており、前記金属側組成と前記セラミックス側組成の焼結温度域が同一になるように、それぞれの組成が選択される。
【００１６】
【表３】
さらに、表４に示すように、反応焼結セラミックスを有効に緻密化させるために、窒化温度を下げる組成が設定される。
【００１８】
【表４】
次いで、上記のように設定されたセラミックス側原料と金属側原料とを積層し、同時焼成処理が施されることにより、積層部分には、金属層のセラミックス層への拡散とセラミックス層から金属層への拡散とが行われ、前記セラミックスと前記金属とが相互拡散して一体化する。
【００２０】
さらに、反応窒化を伴うため、未反応部分が内部に拡散し、多層化する必要がない。このため、セラミックス側原料と金属側原料とを２層に積層するだけでよく、簡単な成形工程で安価に製造することが可能になる。これにより、熱伝導性、耐熱性、耐応力性に優れるとともに、接合信頼性が向上するという効果がある。
【００２１】
【発明の実施の形態】
本発明の実施形態に係る傾斜機能材料の製造方法について、以下に説明する。
【００２２】
本実施形態では、放熱基板であるセラミックス基板とヒートシンクベースとを一体化した傾斜機能材料を製造する工程について説明する。通常、この種の工程は、基板の製造工程、その加工工程、この基板の整合面に銅を直接配置する工程、この配置部位にニッケルめっきを施す工程、ヒートシンクベースの製造工程、その加工工程、および前記ヒートシンクベースとの間に半田を介装して半田付けする工程からなるが、本実施形態では、これらの工程を集約して傾斜機能材料の製造工程とその加工工程との２工程により行う。なお、加工工程は、セラミックス基板側の面粗さを０．８Ｓ以上にする工程であり、ショットブラスト等により１工程で遂行可能である。
【００２３】
セラミックス側組成としては、熱伝導および熱膨張係数の観点から、窒化アルミニウムが選択され、一方、ヒートシンクベース側である金属側組成としては、熱伝導および熱膨張係数の観点から、銅合金の中、銅−タングステン（−Ａｇ）が設定された。
【００２４】
そこで、セラミックス側組成と金属側組成との熱膨張係数が製造温度および使用温度で略同一になるとともに、セラミックス側と金属側との焼結温度域を同一化することを考慮し、表５および表６に示す組成比を有するセラミックス側原料および金属側原料が設定された。
【００２５】
【表５】
【表６】
次いで、表５のＮｏ．１〜Ｎｏ．４の組成と表６のＮｏ．ａ〜Ｎｏ．ｄの組成とを組み合わせ、焼結温度域での熱膨張係数の比、すなわち、
セラミックスの熱膨張係数／金属の熱膨張係数×１００（％）
を演算し、その結果を表７に示した。
【００２８】
【表７】
さらに、これらのセラミックス側原料および金属側原料をそれぞれ有機溶媒を用いて湿式混合した後、その溶媒を１３ｖｏｌ％まで調製し、金型内静水圧加圧成形法を用いて成形し、成形体が得られた。その際、金型の下部パンチ上に紙が載置され、その上に金属側原料粉末が充填されて２０ＭＰａ程度で圧縮され、次いで、セラミックス側原料粉末が充填されるとともに、その上に紙が載せられて１２０ＭＰａの圧力で成形された。この紙は、加圧中に成形体から有機溶媒が滲み出して金型パンチと成形体が密着することを阻止し、成形歩留りを維持する機能を有する。
【００３０】
次に、各成形体は、乾燥された後に窒素ガスの流通下に〜０．５Ｔｏｒｒで１３５０℃まで昇温され、さらに窒素ガスを１ｂａｒとして１４５０℃で９０分間だけ窒化焼結された。ここで、上記の焼結条件下で得られた各焼結体の欠陥の有無を検査し、その結果を表８に示した。
【００３１】
【表８】
この表８において、密度および断面観察等から十分緻密化が進行し実使用が可能なものを「◎」とし、欠陥等の生成が見られず実験的に使用可能なものを「○」とし、クラック等の生成は見られるが形状を保持しているものを「△」とし、割れやクラック等の欠陥が多くハンドリングさえも難しいものを「×」として表した。なお、これらは、焼結条件やパターンを変えて試験したが、「△」および「×」から「◎」、「○」への改善は図られなかった。また、焼結条件は、１１００℃〜１７００℃まで変化させて試験を行った。
【００３３】
これにより、使用温度近傍における熱膨張係数の比が７５〜１２５（％）のとき、傾斜機能材料に視認可能なレベルの欠陥を生成させずに製造することができた。さらに、熱膨張係数の比が８５〜１１５（％）のとき、所望の機能を有する優れた傾斜機能材料が構成された。
【００３４】
また、Ｎｏ．１とＮｏ．ｃとの組み合わせで製造された傾斜機能材料は、平均熱伝導率が１８０Ｗ／ｍＫと高い値を示した。従って、これまで半田付けにより製造されていたヒートシンクベース一体型の半導体基板の熱伝導率が１００Ｗ／ｍＫまでであるのに比較して、顕著な向上が実現された。
【００３５】
【発明の効果】
以上のように、本発明に係る傾斜機能材料の製造方法では、セラミックス側組成と金属側組成とを有する傾斜機能材料において、セラミックス組成部分の熱膨張係数と金属組成部分の熱膨張係数とが製造温度および使用温度で略同一になるように調製されるため、積層部分にクラックや変形等が発生することがなく、双方の成分が相互拡散した信頼性の高い高熱伝導性接合部位を得ることができる。これにより、極めて簡単な工程で、所望の機能を有する傾斜機能材料を確実に得ることができるとともに、製造コストを安価に抑えることが可能になる。
Claims (4)
- セラミックス側組成と金属側組成とを有する傾斜機能材料の製造方法であって、
セラミックスが１００％の組成部分と金属が１００％の組成部分との熱膨張係数が、製造温度および使用温度で、
セラミックス組成部分の熱膨張係数／金属組成部分の熱膨張係数×１００＝７５〜１２５（％）
になるように調整されたセラミックス側原料および金属側原料を選択する工程と、
前記セラミックス側原料および前記金属側原料を積層し、同時焼成処理により双方の成分を相互拡散させて傾斜機能材料を製造する工程と、
を有し、
前記セラミックス側原料として、窒化処理により窒化アルミニウムとなる金属アルミニウムが窒化アルミニウムに配合されたものを選定する一方、前記金属側原料として、銅合金が配合されたものを選定することを特徴とする傾斜機能材料の製造方法。 - 請求項１記載の製造方法において、前記窒化処理に際して前記金属アルミニウム中にジルコニウム、タングステン、炭化タングステン、窒化タングステン、炭化モリブデン、クロムまたはアルミナから選択される少なくとも一種が添加されることを特徴とする傾斜機能材料の製造方法。
- 請求項２記載の製造方法において、前記金属アルミニウム、前記窒化アルミニウムおよび前記他の添加剤の組成比が、
金属アルミニウム：窒化アルミニウム：他の添加剤＝８〜２５：７４〜８７：１〜１２
に設定されることを特徴とする傾斜機能材料の製造方法。 - 請求項１乃至３のいずれか１項に記載の製造方法において、前記セラミックス側原料と前記金属側原料とは、同一の焼成温度になるように設定されることを特徴とする傾斜機能材料の製造方法。
Priority Applications (4)
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|---|---|---|---|
| JP06877497A JP4014248B2 (ja) | 1997-03-21 | 1997-03-21 | 傾斜機能材料の製造方法 |
| CA002232517A CA2232517C (en) | 1997-03-21 | 1998-03-18 | Functionally gradient material and method for producing the same |
| US09/044,869 US6037066A (en) | 1997-03-21 | 1998-03-20 | Functionally gradient material and method for producing the same |
| US09/449,495 US6248290B1 (en) | 1997-03-21 | 1999-11-29 | Functionally gradient material and method for producing the same |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP06877497A JP4014248B2 (ja) | 1997-03-21 | 1997-03-21 | 傾斜機能材料の製造方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH10258479A JPH10258479A (ja) | 1998-09-29 |
| JP4014248B2 true JP4014248B2 (ja) | 2007-11-28 |
Family
ID=13383424
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| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP06877497A Expired - Fee Related JP4014248B2 (ja) | 1997-03-21 | 1997-03-21 | 傾斜機能材料の製造方法 |
Country Status (1)
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Families Citing this family (5)
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| DE102016125348B4 (de) * | 2016-12-22 | 2020-06-25 | Rogers Germany Gmbh | Trägersubstrat für elektrische Bauteile und Verfahren zur Herstellung eines Trägersubstrats |
| CN111636023B (zh) * | 2020-04-23 | 2021-04-23 | 陕西斯瑞新材料股份有限公司 | 一种铜钨梯度材料电触头的制备方法 |
| CN113787192B (zh) * | 2021-10-18 | 2022-07-12 | 合肥工业大学 | 一种Cu相呈指状梯度分布的W-Cu复合板的制备方法 |
| CN115124362B (zh) * | 2022-06-20 | 2023-07-18 | 昆明冶金研究院有限公司北京分公司 | 陶瓷覆铜板及其制备方法 |
-
1997
- 1997-03-21 JP JP06877497A patent/JP4014248B2/ja not_active Expired - Fee Related
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| JPH10258479A (ja) | 1998-09-29 |
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