JP4026676B2

JP4026676B2 - 電子回路用部材およびその製造方法

Info

Publication number: JP4026676B2
Application number: JP2000082883A
Authority: JP
Inventors: 修平石川; 任三井; 健鈴木; 信亮中山; 広幸竹内; 誠二安井
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 2000-03-23
Filing date: 2000-03-23
Publication date: 2007-12-26
Anticipated expiration: 2020-03-23
Also published as: JP2001262311A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電子回路用部材およびその製造方法に関し、例えば、ヒートシンク材上に表面処理が施された電子回路用部材およびその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、集積回路チップ（ＩＣチップ）のヒートシンク材としては、高い熱伝導率が要請されることから、ＣｕあるいはＡｌ等が使用されている。しかし、これらの材料においては、熱膨張率が、ＩＣチップの基板であるＳｉあるいはＧａＡｓ等の熱膨張率と差があるため、ＩＣチップの使用に伴ってＩＣチップが高温となった場合に、基板とヒートシンク材とが剥離するおそれがある。
【０００３】
従って、前記剥離を生じないためには、熱伝導率が高く、かつ、熱膨張率がＳｉやＧａＡｓ等とほぼ同じものをヒートシンク材として使用することが本来望ましいが、セラミック単体あるいは金属単体でそのような条件を満足する材料は知られていない。
【０００４】
そこで、カーボン又はその同素体における多孔質焼結体の気孔にＣｕを含浸してなるＣ／Ｃｕ複合材料をヒートシンク材として使用することが試みられている。Ｃ／Ｃｕ複合材料は、高熱伝導率を有し、かつ、熱膨張率がＳｉあるいはＧａＡｓ等とほぼ同じである。従って、ＩＣチップが高温となった場合においても、ヒートシンク材が基板から剥離するということがない。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、Ｃ／Ｃｕ複合材料をヒートシンク材として用いる場合には、Ｃ／Ｃｕ複合材料を半田付けあるいはろう付け等によってＩＣチップに固着することが考えられるが、Ｃ／Ｃｕ複合材料は、半田やろう材に対する濡れ性（半田付け性、ろう付け性）が良好でないという不具合がある。
【０００６】
前記濡れ性を向上させるためには、Ｃ／Ｃｕ複合材料の表面に例えば金属のめっき層を形成することが有効であると考えられる。
【０００７】
しかしながら、複合材料としてグラファイトに金属を含浸させたものを使用した場合は、グラファイトの方向によって金属性の性質をもったり、半導体の性質をもつことから、めっき層が均一に形成されないというおそれがある。特に、半導体の性質をもった方向にめっき層を形成する場合は、一旦、無電解めっき処理を施す必要がある。これは、複合材料としてダイアモンドに金属を含浸させたものを使用した場合でも同様である。
【０００８】
無電解めっき処理においては、Ｃ／Ｃｕ複合材料は、還元剤を含有する溶液やめっき液等に浸漬されるが、この浸漬の際に、これらの溶液が、カーボン又はその同素体とＣｕとの界面に生じている微小な間隙や、カーボン又はその同素体の多孔質焼結体の気孔に含浸されてしまう。
【０００９】
従って、例えば還元剤を含有する溶液が含浸された場合には、この溶液は、後工程である還元剤と触媒金属とを置換する工程や無電解めっき処理を行う工程において徐々に滲み出る。このように、前記溶液が滲み出た状態で形成されためっき層は、厚さや密着性が均一でないという問題がある。
【００１０】
また、めっき層が形成されるまで、前記溶液あるいはめっき液がＣ／Ｃｕ複合材料の内部に残留した場合には、めっき層形成後に、これらの溶液が滲み出る場合がある。その結果、形成されためっき層が変色すると共に、半田付けあるいはろう付けを行う場合には、該めっき層の半田付け性、ろう付け性が良好でなくなるという問題が引き起こされる。また、めっき層形成後に、残留液の一部が気化することにより、めっき層の一部が膨張する（ふくれる）ことがある。
【００１１】
更に、無電解めっき処理によって形成されためっき層は、Ｃ／Ｃｕ複合材料に対する密着性があまり良好でないという問題もある。
【００１２】
このように、Ｃ／Ｃｕ複合材料に対して表面処理を目的とし、かつ、厚さや密着性が均一な皮膜を形成することは困難であり、その方法は未だに確立されていない。
【００１３】
本発明はこのような問題を解決するためになされたもので、カーボン又はその同素体と金属とを含む複合材料の表面に、半田付け性、ろう付け性が良好で、かつ、厚さや密着性が均一な皮膜が形成された新規な電子回路用部材及びその製造方法を提供することを目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る電子回路用部材は、カーボン又はその同素体と金属とを含む複合材料と、前記複合材料の表面に形成された溶射皮膜とを有し、前記溶射皮膜は、Ｎｉを構成材料とし、前記溶射皮膜に、Ｂｅ、Ｍｎ、Ｎｂ、Ｚｒ、Ｔｉ、Ｔａ、Ｖから選択された１種以上の添加元素が添加され、前記複合材料がヒートシンク材であり、前記複合材料と前記溶射皮膜との間にカーバイド層が形成されていることを特徴とする。
【００１５】
即ち、溶射法を用いて皮膜を形成するようにしたため、複合材料にめっき層を形成する場合の問題点を解消することができる。即ち、導電性についての異方性に伴うめっき層の厚みのばらつきや密着性の不均一、並びにめっき液等がカーボン又はその同素体とＣｕとの界面に生じている微小な間隙や、カーボン又はその同素体の多孔質焼結体の気孔に含浸されるという問題がなくなる。
【００１６】
このように、本発明においては、カーボン又はその同素体と金属とを含む複合材料の表面に、半田付け性、ろう付け性が良好で、かつ、厚さや密着性が均一な皮膜が形成された新規な電子回路用部材を提供することができる。
【００１９】
特に、カーボン又はその同素体と金属とを含む複合材料は、熱膨張率が３．０×１０^-6〜１．０×１０^-5／Ｋであって、熱伝導率が１００Ｗ／ｍＫ以上であるため、ＩＣチップから発する熱を放熱するヒートシンク材に用いて好適となる。
【００２０】
上述したように、複合材料の表面に形成された溶射皮膜によって、半田付け性、ろう付け性が良好となっているため、ヒートシンク材として使用される複合材料にＩＣチップを強固に固着することができ、ＩＣチップが高温となった場合においても、ヒートシンク材がＩＣチップの基板から剥離するということがない。
【００２１】
次に、本発明に係る電子回路用部材の製造方法は、カーボン又はその同素体と金属とを含む複合材料の表面に、少なくとも表面処理を目的とする皮膜を溶射によって形成する皮膜形成工程と、前記皮膜が形成された前記複合材料に対して加熱処理を行う熱処理工程とを有し、前記皮膜形成工程は、溶射材料がＮｉであり、前記溶射材料に、前記複合材料と前記皮膜との間にカーバイド層を形成するための添加元素が添加され、前記添加元素がＢｅ、Ｍｎ、Ｎｂ、Ｚｒ、Ｔｉ、Ｔａ、Ｖから選択された１種以上であり、前記熱処理工程は、加熱温度が、３００℃〜１０００℃であって、かつ、前記複合材料の融点よりも３０℃低い温度あるいはそれ以下の温度であることを特徴とする。
【００２２】
これにより、前記複合材料の表面に、半田付け性、ろう付け性が良好で、かつ、厚さや密着性が均一な皮膜を形成することができ、ヒートシンク材として用いて好適な複合材料を簡単に作製することができ、しかも、製造コストの低廉化にも有利となる。
【００２５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る電子回路用部材およびその製造方法の実施の形態例について図１〜図３を参照しながら説明する。
【００２６】
本実施の形態に係る電子回路用部材１０は、図１に示すように、複合材料１２の表面に皮膜１４が形成されて構成されている。
【００２７】
複合材料１２は、図２に示すように、カーボン又はその同素体を予備焼成してネットワーク化することによって得られる多孔質焼結体２０の開気孔２２内に金属２４が含浸されて構成されている。この場合、前記カーボン又はその同素体として、熱伝導率が１００Ｗ／ｍＫ以上、望ましくは１５０Ｗ／ｍＫ以上（気孔がない状態での推定値）、更に望ましくは２００Ｗ／ｍＫ以上（気孔がない状態での推定値）のものを使用することが好ましい。
【００２８】
本例では、熱伝導率が１００Ｗ／ｍＫ以上のグラファイトで構成された多孔質焼結体２０の開気孔２２内にＣｕ又はＣｕ合金からなる金属２４を含浸させた電子回路用部材１０を示す。含浸する金属２２としては、Ｃｕ又はＣｕ合金のほかに、Ａｌ、Ａｌ合金、Ａｇ、Ａｇ合金を使用することができる。
【００２９】
また、多孔質焼結体２０と金属２４との体積率は、多孔質焼結体２０が５０ｖｏｌ％〜８０ｖｏｌ％、金属２４が５０ｖｏｌ％〜２０ｖｏｌ％の範囲としている。これにより、熱伝導率が１８０〜２２０Ｗ／ｍＫ以上であって、かつ、熱膨張率が３．０×１０^-6〜１．０×１０^-5／Ｋである電子回路用部材１０を得ることができ、ヒートシンク材として用いて好適となる。
【００３０】
多孔質焼結体２０の気孔率としては、１０ｖｏｌ％〜５０ｖｏｌ％であることが望ましい。気孔率が１０ｖｏｌ％以下では、１８０Ｗ／ｍＫ（室温）の熱伝導率を得ることができず、５０ｖｏｌ％を超えると多孔質焼結体２０の強度が低下し、熱膨張率を１．０×１０^-5／Ｋ以下に抑えることができないからである。
【００３１】
前記多孔質焼結体２０の平均開気孔径（気孔径）の値としては、０．１〜２００μｍが望ましい。前記気孔径が０．１μｍ未満であると、開気孔２２内に金属２４を含浸することが困難になり、熱伝導率が低下する。一方、前記気孔径が２００μｍを超えると、多孔質焼結体２０の強度が低下し、熱膨張率を低く抑えることができない。
【００３２】
前記多孔質焼結体２０の平均開気孔に関する分布（気孔分布）としては、０．５〜５０μｍに９０ｖｏｌ％以上分布することが好ましい。０．５〜５０μｍの気孔が９０ｖｏｌ％以上分布していない場合は、金属２４が含浸していない開気孔が増え、熱伝導率が低下する可能性がある。
【００３３】
また、多孔質焼結体２０に金属２４を含浸して得た電子回路用部材１０の閉気孔率としては、５ｖｏｌ％以下であることが好ましい。５ｖｏｌ％を超えると、熱伝導率が低下する可能性があるからである。
【００３４】
なお、前記気孔率、気孔径及び気孔分布の測定には、株式会社島津製作所製の自動ポロシメータ（商品名「オートポア９２００」）を使用した。
【００３５】
この実施の形態に係る電子回路用部材１０において、前記グラファイトに、該グラファイトを予備焼成した際の閉気孔率を低減させる添加物を添加させることが好ましい。この添加物としては、ＳｉＣ及び／又はＳｉを挙げることができる。これにより、焼成時の閉気孔（クローズドポア）を減少させることができ、多孔質焼結体２０に対する金属２４の含浸率を向上させることができる。
【００３６】
また、グラファイト中に、該グラファイトと反応する元素を添加するようにしてもよい。この添加元素としては、Ｔｉ、Ｗ、Ｍｏから選択された１種以上を挙げることができる。これにより、グラファイトの焼成時に、該グラファイトの表面（開気孔の表面を含む）に反応層（カーバイド層）が形成され、グラファイトの開気孔２２に含浸される金属２４との濡れ性が改善し、低圧での含浸が可能になり、しかも、微細開気孔への含浸も可能になる。
【００３７】
一方、多孔質焼結体２０に含浸される金属２４に、Ｔｅ、Ｂｉ、Ｐｂ、Ｓｎ、Ｓｅ、Ｌｉ、Ｓｂ、Ｔｌ、Ｃａ、Ｃｄから選択された１種以上を添加することが好ましい。これにより、多孔質焼結体２０と金属２４との界面の濡れ性が改善され、多孔質焼結体２０の開気孔２２内に金属２４が入り易くなる。
【００３８】
また、多孔質焼結体２０に含浸される金属２４に、Ｎｂ、Ｃｒ、Ｚｒ、Ｂｅ、Ｔｉ、Ｔａ、Ｖ、Ｂ、Ｍｎから選択された１種以上を添加することが好ましい。これにより、グラファイトと金属２４との反応性が向上し、開気孔２２内においてグラファイトと金属２４とが密着し易くなり、閉気孔２２の発生を抑制することができる。
【００３９】
そして、本実施の形態に係る電子回路用部材１０は、複合材料１２の表面に存在する皮膜１４が溶射によって形成されている点で特徴を有する。溶射は、溶射材料を高温で溶解し、これを微粒として、あたかも霧吹きのように複合材料１２の表面に吹き付ける方法である。この場合の温度は１５００℃以上であると推定される。
【００４０】
複合材料１２の表面に吹き付けられた溶射材料の溶滴は、複合材料１２に達すると急冷され、複合材料１２の温度は３００℃以下に保たれる。溶射による効果は、▲１▼：処理速度が速く、▲２▼：ドライプロセスで、かつ低温処理が可能であり、▲３▼：複合材料１２の形状や大きさを問わない、などである。
【００４１】
本実施の形態では、溶射材料を、Ｎｉ、Ｎｉ合金（ＮｉＢ等）、Ｃｕ、Ｃｕ合金、Ａｌ、Ａｌ合金からなる群から選択された少なくとも１つとしている。図２の例では、複合材料１２の表面にＮｉＢの皮膜１４（厚み５０μｍ）を溶射によって形成した場合を示す。なお、皮膜１４の厚みを薄くすると、厚みが均一化せず、未着部が発生する。
【００４２】
また、前記溶射材料に、前記複合材料１２との反応性を向上させるための添加元素が添加することが好ましい。この場合、添加元素として、Ｂｅ、Ｂ、Ｍｎ、Ｎｂ、Ｃｒ、Ｚｒ、Ｔｉ、Ｔａ、Ｖから選択された１種以上を採用することができる。
【００４３】
一般に、溶射は、複合材料１２に対する皮膜１４の付着が機械的であるため、剥離するおそれがある。そこで、溶射材料に前記添加元素を添加して溶射することによって、溶射時に、複合材料１２と皮膜１４との間に反応層（カーバイド層）が形成され、複合材料１２と皮膜１４との密着性が大幅に向上し、前記剥離の問題は解消される。
【００４４】
次に、本実施の形態に係る電子回路用部材１０の製造方法について図３を参照しながら説明する。
【００４５】
本実施の形態に係る製造方法は、カーボン又はその同素体と金属２４とを有する複合材料１２を作製する複合材料作製工程Ｓ１と、得られた複合材料１２の表面に、少なくとも表面処理を目的とする皮膜１４を溶射によって形成する皮膜形成工程Ｓ２と、複合材料１２と皮膜１４との密着性を向上させるための熱処理を行う熱処理工程Ｓ３とを有する。
【００４６】
複合材料作製工程Ｓ１は、予備焼成工程Ｓ１１と、含浸工程Ｓ１２とを有し、該含浸工程Ｓ１２は、溶湯導入工程Ｓ１２１、加圧工程Ｓ１２２、排気工程Ｓ１２３及び冷却固化工程Ｓ１２４を有する。
【００４７】
まず、複合材料作製工程Ｓ１における予備焼成工程Ｓ１１において、グラファイトを予備焼成してネットワーク化することによって多孔質焼結体２０を作製する。その後、含浸工程Ｓ１２に入る。この含浸工程Ｓ１２では、最初の溶湯導入工程Ｓ１２１において、予熱された多孔質焼結体２０を高圧容器内に設置し、該高圧容器内に、Ｃｕ又はＣｕ合金からなる金属２４の溶湯を導入する。この溶湯に導入によって、多孔質焼結体２０の全体が溶湯中に浸漬される。
【００４８】
次に、加圧工程Ｓ１２２において、高圧容器内に含浸用ガスを導入して溶湯を加圧する。この加圧によって、溶湯がより多量に多孔質焼結体２０の開気孔２２内に含浸されることになる。
【００４９】
次に、排気工程Ｓ１２３において、前記含浸用ガスの導入を停止し、未含浸の溶湯の排出及び含浸用ガスの排気を行う。その後、冷却固化工程Ｓ１２４において、前記高圧容器内に冷却用ガスを導入して、多孔質焼結体２０の開気孔２２内に含浸された溶湯を冷却する。この冷却により、溶湯が固化して金属２４となり、カーボン又はその同素体と金属２４とを含む複合材料１２が完成する。
【００５０】
複合材料１２が得られた段階で、次に、皮膜形成工程Ｓ２において、複合材料１２の表面に、少なくとも表面処理を目的とする皮膜１４を上述した溶射法によって形成する。このとき、溶射材料に、上述した前記複合材料１２との反応性を向上させるための添加元素を添加しておくことにより、溶射によって形成された皮膜１４と複合材料１２との密着性が向上する。
【００５１】
そして、次の熱処理工程Ｓ３において、前記皮膜１４が形成された複合材料１２に対して熱処理を行う。このときの加熱温度は、３００℃〜１０００℃であって、かつ、前記複合材料１２の融点よりも３０℃低い温度あるいはそれ以下の温度であることが好ましい。この熱処理によって、皮膜１４と複合材料１２との密着性が更に向上することとなる。この段階で、本実施の形態に係る電子回路用部材１０が完成する。
【００５２】
このように、本実施の形態に係る電子回路用部材１０においては、カーボン又はその同素体と金属２４とを含む複合材料１２と、該複合材料１２の表面に形成された皮膜１４とを有し、特に、前記皮膜１４を溶射法を用いて形成するようにしたため、複合材料１２にめっき層を形成する場合の問題点を解消することができる。
【００５３】
即ち、導電性についての異方性に伴うめっき層の厚みのばらつきや密着性の不均一、並びにめっき液等がカーボン又はその同素体と金属２４との界面に生じている微小な間隙や、カーボン又はその同素体の多孔質焼結体２０の気孔に含浸されるという問題がなくなる。
【００５４】
このように、本実施の形態においては、カーボン又はその同素体と金属２４とを含む複合材料１２の表面に、半田付け性、ろう付け性が良好で、かつ、厚さや密着性が均一な皮膜１４が形成された新規な電子回路用部材１０を提供することができる。
【００５５】
更に、カーボン又はその同素体と金属２４とを含む複合材料１２は、熱膨張率が３．０×１０^-6〜１．０×１０^-5／Ｋであって、熱伝導率が１００Ｗ／ｍＫ以上であるため、ＩＣチップから発する熱を放熱するヒートシンク材に用いて好適となる。
【００５６】
上述したように、複合材料１２の表面に溶射によって形成された皮膜１４によって、半田付け性、ろう付け性が良好となっているため、ヒートシンク材として使用される複合材料１２にＩＣチップを強固に固着することができ、ＩＣチップが高温となった場合においても、ヒートシンク材がＩＣチップの基板から剥離するということがない。
【００５７】
なお、この発明に係る電子回路用部材及びその製造方法は、上述の実施の形態に限らず、この発明の要旨を逸脱することなく、種々の構成を採り得ることはもちろんである。
【００５８】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明に係る電子回路用部材及びその製造方法によれば、カーボン又はその同素体と金属とを含む複合材料の表面に、半田付け性、ろう付け性が良好で、かつ、厚さや密着性が均一な皮膜が形成された新規な電子回路用部材を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施の形態に係る電子回路用部材の構成を示す断面図である。
【図２】本実施の形態に係る電子回路用部材の構成を示す拡大断面図である。
【図３】本実施の形態に係る電子回路用部材の製造方法を示す工程ブロック図である。
【符号の説明】
１０…電子回路用部材１２…複合材料
１４…皮膜２０…多孔質焼結体
２２…開気孔２４…金属

Claims

カーボン又はその同素体と金属とを含む複合材料と、
前記複合材料の表面に形成された溶射皮膜とを有し、
前記溶射皮膜は、Ｎｉを構成材料とし、
前記溶射皮膜に、Ｂｅ、Ｍｎ、Ｎｂ、Ｚｒ、Ｔｉ、Ｔａ、Ｖから選択された１種以上の添加元素が添加され、
前記複合材料がヒートシンク材であり、
前記複合材料と前記溶射皮膜との間にカーバイド層が形成されていることを特徴とする電子回路用部材。
カーボン又はその同素体と金属とを含む複合材料の表面に、少なくとも表面処理を目的とする皮膜を溶射によって形成する皮膜形成工程と、
前記皮膜が形成された前記複合材料に対して加熱処理を行う熱処理工程とを有し、
前記皮膜形成工程は、溶射材料がＮｉであり、前記溶射材料に、前記複合材料と前記皮膜との間にカーバイド層を形成するための添加元素が添加され、前記添加元素がＢｅ、Ｍｎ、Ｎｂ、Ｚｒ、Ｔｉ、Ｔａ、Ｖから選択された１種以上であり、
前記熱処理工程は、加熱温度が、３００℃〜１０００℃であって、かつ、前記複合材料の融点よりも３０℃低い温度あるいはそれ以下の温度であることを特徴とする電子回路用部材の製造方法。