JP4067165B2 - 複合体とそれを用いたヒートシンク - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、金属或いは合金とセラミックスとからなる複合体（以下、「金属−セラミックス複合体」又は単に「複合体」という）と、それを用いたＩＣパッケージや多層配線基板等の半導体装置のヒートシンクに関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体分野において、ＬＳＩの高集積化、高速化のために発熱が増加する傾向にあり、ヒートシンクとして銅等を裏面（回路、半導体搭載面と反対側の面）に設けた、アルミナ、窒化アルミニウム、窒化珪素等のセラミックス基板が用いられている。一般に、半導体素子は熱に弱く、発熱による温度上昇は、半導体回路の誤動作を発生させたり半導体回路の破壊の原因となる。そのため、発生した熱を逃がすためのヒ−トシンクが備えられたパッケージが使用されるのが一般的である。近年、パワートランジスタ等の分野では大電流化に伴い発熱量がいっそう大きくなり、その熱を逃がすヒートシンクに対する要求特性も厳しいものとなってきている。
【０００３】
ヒートシンクに使用される材料には、先ず高熱伝導性であることが要求される。又、セラミックス基板とヒートシンクの熱膨張差に起因して、加熱接合時や使用時のヒートサイクルによりはんだ部分でのクラック（以下、「はんだクラック」という）やセラミック基板の割れ等が発生することがあるため、熱膨張係数が金属と比べて低く、セラミック基板として使用されるアルミナ、窒化アルミニウム、窒化珪素等に近いことが要求される。更に、軽量化の要求も強い。これらの要求を満たすヒートシンク用材料として、近年、金属−セラミックス複合体が注目されている（特開昭６４−８３６３４号公報、特開平９−２０９０５８号公報）。
【０００４】
金属−セラミックス複合体は、セラミック粉、セラミック繊維を成形し、必要な場合にはさらにこれを焼成して作製した多孔質セラミックス構造体を用い、これを所望の型内の空間に配置し、この空間に溶融金属を流し込むことによって、前記多孔質セラミックス構造体に前記金属を含浸し、これを冷却することにより作製する。溶融金属を含浸する方法としては、粉末冶金法に基づく方法、例えば、ダイキャスト法（特表平５−５０８３５０号公報）や溶湯鍛造法（まてりあ、第３６巻、第１号、１９９７、４０−４６ページ）等の圧力鋳造による方法、自発浸透による方法（特開平２−１９７３６８号公報）等の各種の方法が知られている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ヒートシンクはセラミック基板にはんだ付けするために、通常その表面にＮｉ系のメッキ処理がなされる。金属−セラミックス複合体には絶縁体であるセラミックスが含まれているため、コスト的に優れた電解メッキ（電気メッキ）はすることができない。無電解メッキの場合にも、メッキ性の異なる金属とセラミックスが共存している面にメッキをすることから、強固で均一なメッキをすることが難しい。このメッキ性の悪さが、金属−セラミックス複合体をヒートシンクとして使用する上での問題点となっている。
【０００６】
また、金属−セラミックス複合体をヒートシンクとして使用する場合、その片面はセラミック基板とはんだ付けされ、他の片面は金属性の放熱フィンとネジ止めがされるのが一般的である。この場合、金属−セラミックス複合体は金属と比較してヤング率が大きく、ＩＣ等に実使用下で発熱により温度が上がると、はんだとの間でひずみが生じ、はんだクラックが発生することがある。また熱膨張差により放熱フィンとの間の密着性が悪くなり、放熱特性が低下するという問題もある。
【０００７】
更に、金属−セラミックス複合体は金属と比較して固く、加工が難しいため、形状対応性が悪いという問題がある。
【０００８】
本発明者らは上記課題を解決するために鋭意検討を行なった結果、金属−セラミックス複合体の表面に当該金属の層を設けることにより、メッキ性が良く、塑性ひずみによるはんだクラックの発生や放熱フィンとの密着性の低下が無い、かつ加工性にも優れた金属−セラミックス複合体が得られることを見いだした（特願平９−２９１８６６号明細書）。
【０００９】
更に、本発明者らは、前記発明において、表面に設けられる金属層内部に繊維質材料を内蔵させることで、後工程での機械的加工において、被加工性を向上できることを見出し、本発明に至ったものである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
即ち、本発明は、多孔質無機構造体と繊維質無機材料とが隣接して設けられてなる成形体に金属を含浸してなる複合体であり、好ましくは、多孔質無機構造体が炭化珪素、窒化アルミニウム、窒化珪素、アルミナ、及びシリカからなる群より選ばれる１種以上からなり、繊維質無機材料がアルミナ、シリカ、窒化硼素、窒化アルミニウム、窒化珪素、炭化珪素、又は炭素のいずれかを主成分とすることを特徴とする複合体である。
【００１１】
また、本発明は、金属がアルミニウム又はマグネシウムのいずれかを主成分とすることを特徴とする前記の複合体であり、表面にＮｉ質メッキ層を設けてなることを特徴とする前記の複合体である。
【００１２】
更に、本発明は、前記の複合体を用いてなることを特徴とするヒートシンクである。
【００１３】
【発明の実施の形態】
本発明は、多孔質無機構造体と繊維質無機材料とが隣接して設けられてなる成形体に金属を含浸してなる複合体である。本発明の複合体は、多孔質無機構造体に金属が含浸されている第１相と、繊維質無機材料に金属が含浸されている第２相とが互いに隣接している構造を有する。従って、第１相と第２相は互いに同一の金属により連続的につながっているので、互いに隣接する多孔質無機構造体と繊維質無機材料とが形成する界面で剥離等が起こるのを防止できる効果がある。
【００１４】
本発明の多孔質無機構造体とは、金属を含浸し得る気孔を有し、含浸操作等において変形、破壊等が生じがたい、例えば１０ＭＰａ程度の機械的強さを有する無機物をいい、セラミックス焼結体が挙げられる。また、本発明の繊維質無機材料とは、繊維状の無機化合物の集合体をいい、特に機械的な強さを必要とせず、ブランケット、マット等のいずれの状態であっても構わない。
【００１５】
本発明において、繊維質無機材料は多孔質無機構造体に隣接していれば良いが、繊維質無機材料が多孔質無機構造体の周囲全面を覆う状態の場合には、後述するとおりに、得られる複合体の表面に切削加工性に富む前記第２相が存在することになり、好ましい。表面が低ヤング率の第２相で覆われているため、複合体が、例えばセラミックス基板や放熱フィンとはんだで接合され、ヒートシンクとして用いられた場合に、はんだとの間のひずみが小さくなることから、はんだクラックが発生しにくくなるという効果が得られる。また、放熱フィンとの密着性の低下も少なく、放熱特性が長期に渡り安定して得ることができる。
【００１６】
更に、本発明の複合体は、上記構造を採用することにより、従来公知の金属−セラミックス複合体と比較して、加工性に富んでいる。例えば、平面研削によりヒートシンクの面加工をする場合には、本発明の複合体では、所定寸法より小さめの多孔質無機構造体を用い、それに繊維状無機材料を隣接して用いることで、第２相からなる層を厚めに設けることで、第２相からなる表面層のみを平面研削するだけで所望寸法の複合体を得ることができる。従来のダイヤモンド工具等を必要とするセラミック部分の研削が不必要となる。
【００１７】
同様に、複合体に穴明け加工をする場合には、予め所望寸法よりも大きな穴を有する多孔質無機構造体を用いて、第２相からなる層を厚めに設けることで、従来公知の金属加工法を適用するのみで所望寸法の複合体を得ることができる。一般に、アルミニウムの様に柔らかい金属を加工する時、砥石等の目詰まりによる被加工性の低下が大きな問題となるが、本発明の複合体は、第２相に繊維状無機材料が含まれるため、加工された時に砥石等の目詰まりが少なく被加工性に優れている。
【００１８】
更に、多孔質無機構造体、繊維状無機材料と溶融金属を流し込む型内空間の大きさを調整することで、例えば、一部がフィン状に突出した形状の第２相からなる層を有する複合体、第２相からなる層で埋まった穴を有する複合体、一部に肉厚の大きな第２相からなる層を有する複合体等を作製し、前記第２相からなる層を従来公知の金属加工法を適用することができる。ここで、従来公知の金属加工法としては、前記の平面研削方法、穴あけ加工方法に例示される機械加工法に限定されるものでなく、金属の加工に適用できるあらゆる方法をいう。
【００１９】
従って、第２相からなる層の厚みとしては、選択される金属加工方法、加工後の複合体の寸法精度等により異なるが、少なくとも０．５μｍ以上であれば良い。金属加工法のうち安価で生産性の高い汎用の機械加工法を適用する場合には、前記第２相からなる層の厚みとしては５０μｍ以上が好ましく、１ｍｍ以上であることが一層好ましい。尚、その上限値に関しては、特に限定するべき理由がないが、２０ｍｍを越えるときには、例えば、半導体搭載用回路基板の放熱部品として用いるときに、高熱伝導、低熱膨張率であるという複合体の特徴を発揮することが出来ないおそれがある。
【００２０】
本発明の多孔質無機構造体は、上述したとおりに、金属或いは合金を含浸させることが可能な開放気孔を有し、しかも含浸操作において破壊することのない機械的強度を有する構造体であれば、どのようなものでも構わない。
【００２１】
その材質については、得られる複合体の熱伝導率の低下を少なく、かつ熱膨張係数をアルミナ、窒化アルミニウム、窒化珪素等のセラミック基板に近づけるということから、高熱伝導でありかつ低熱膨張の炭化珪素、窒化アルミニウム、窒化珪素及びアルミナ等が好適である。又、シリカは、熱伝導率は前記物質よりも小さいが、熱膨張係数が小さいため少ない添加量で複合体の熱膨張係数をセラミック基板の熱膨張係数に近づけることができるため、複合体としたときの熱伝導率の低下が少なく、前記物質を使用したときと同様の効果を得ることができ、やはり、好ましい。このうち、炭化珪素は粉体自体の熱伝導率がアルミニウムよりも高く、炭化珪素を使用して得られる複合体の熱伝導率は金属単味の熱伝導率よりも高くなることから特に好ましい。
【００２２】
本発明の繊維質無機材料としては、アルミナ、シリカ、窒化硼素、窒化アルミニウム、窒化珪素、炭化珪素、炭素等を主成分とする市販のものを用いることができる。このうち、アルミナ、シリカを主成分とするものは、安価で入手し易いことから、炭化珪素、炭素を主成分とするものは、繊維方向での熱伝導率が高く、ヒートシンクとしたときに熱を放散しやすいことから好ましい。
【００２３】
本発明に用いる金属については、本発明の目的を達成し得れば、どのようなものであっても構わないが、高熱伝導性、軽量性を達成する目的から、アルミニウム、マグネシウム等の軽合金又はそれらの合金が好ましい。前記合金についても格別の制限はなく、汎用のアルミニウム合金やマグネシウム合金を用いることができる。アルミニウム合金の場合には、鋳造のしやすさ、高熱伝導性の発現の点から、Ｓｉ含有量が４〜１０％のＡＣ２Ａ、ＡＣ２Ｂ、ＡＣ４Ａ、ＡＣ４Ｂ、ＡＣ４Ｃ、ＡＣ８Ｂ、ＡＣ４Ｄ、ＡＣ８Ｃ、ＡＤＣ１０、ＡＤＣ１２等の鋳造用アルミニウム合金や、１０００系、２０００系、３０００系、４０００系、５０００系、６０００系、７０００系の展伸用アルミニウム合金が特に好ましい。
【００２４】
上記の多孔質無機構造体と金属の組み合わせに関して、金属としてアルミニウムあるいはアルミニウム系合金、多孔質無機構造体として炭化珪素を用いたアルミニウム−炭化珪素複合体は、軽量、高熱伝導、セラミック基板との熱膨張の適合性の点で特に優れた組合せである。本発明者らは、このアルミニウム−炭化珪素複合体について、いろいろ検討した結果、炭化珪素含有量には本発明の目的を達するのに好適な範囲が存在することを見出したものである。即ち、アルミニウム−炭化珪素複合体中の炭化珪素含有量が５０体積％以下では熱膨張係数が高くなり、セラミック基板との熱膨張差に起因する前記問題が生じ易くなる。また、セラミックスは高温での熱伝導率が下がるため、８０体積％以上では、使用時の温度上昇による熱伝導率の低下が著しくなるという問題が顕著になってくる。従って、アルミニウム−炭化珪素複合体中の炭化珪素含有量は５０〜８０体積％、すなわち、複合体化前の多孔質炭化珪素構造体の気孔率は５０〜２０体積％が好適である。
【００２５】
本発明の複合体を得る方法については、従来公知のいろいろな含浸方法を適用することができるが、複合体表面に金属を多量に含む第２相を形成させる必要から、圧力鋳造による方法が望ましい。すなわち、ダイキャスト法による場合には、金型のキャビティをプリフォームよりも表面層の分だけ大きめに作り、繊維状無機材料を配置して溶融金属を鋳造、含浸することにより、表面に第２相を持った複合体を容易に作製することができる。又、溶湯鍛造による場合には、多孔質無機構造体表面に繊維状無機材料を接する様に配置し、溶融金属を鋳造、含浸することで容易に作製することができる。
【００２６】
又、本発明の複合体は、表面が金属を多量に含有する第２相で覆われているため、電解或いは無電解メッキが容易に行えるという特徴を有する。本発明の複合材は、セラミック基板とのハンダ付けを一層確固としたものにする目的で、その表面にＮｉ質メッキを設ける。Ｎｉ質メッキは、電解法によっても無電解法のいずれでもよいが、均一な厚みにＮｉ質メッキ層が容易に得やすいという理由で、無電解法が好ましく選択される。更に、Ｎｉ質メッキ層については、主成分がＮｉであれば良く、例えば、Ｎｉ−Ｐ、Ｎｉ−Ｂ等のＮｉ合金メッキで得られるものでも良い。又、Ｎｉ質メッキ層上に他の金属、例えばＡｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ａｌ等をメッキ、蒸着等の方法で複合層状に設けても構わない。
【００２７】
この場合、下地となる複合体表面に存在する第２相の厚さについて、０.５μｍから５００μｍであることが望ましい。０.５μｍ以下であると部分的にメッキの不均一が生じることがあるし、５００μｍを超えるとヒートサイクルによりはんだクラックが生じ易くなるからである。
【００２８】
以下、実施例及び比較例に基づき、本発明を更に詳細に説明する。
【００２９】
【実施例】
〔実施例１〕
縦横１００ｍｍで厚さ３ｍｍで、気孔率６５％の炭化珪素焼結体を多孔質無機構造体とし、その両面に厚さ１ｍｍのムライト質の繊維状無機材料（気孔率１０％）を配置し、その状態のまま、金型中に納め、圧力鋳造法（１００ＭＰａ）により、アルミニウム合金（ＡＣ４Ｃ）を鋳造し、前記成形体中に含浸した。得られた複合体の両表面には厚さ１ｍｍの第２相が存在しているので、この部分を１２０番のレジンボンド砥石を用い、３０００回転／分の条件下で平面研削を行った。その結果、切削体積が１０ｃｍ３においても、砥石に目詰まりを起こすことなく、良好に加工することができた。
【００３０】
〔実施例２〕
実施例１の複合体を平面研削し厚さ３．５ｍｍとし、その片面に無電解Ｎｉメッキを施し、窒化珪素質焼結体を基板とするセラミックス回路基板の回路側でない面に、前記Ｎｉメッキ面をハンダを介して接合した。上記接合体に関し、−４０℃から＋１２５℃の間で、温度の上昇、保持、下降の１サイクルが４０分の温度サイクルをかけハンダ部分でのクラック等の異常の発生の有無を観察したが、何ら異常は見出せなかった。
【００３１】
〔比較例〕
ムライト質の繊維状無機材料を用いないことを除いては、実施例と同じ操作を行い、得られた複合体について、実施例と同じ被加工性の評価を行った。得られた複合体は、第２相の部分が金属からなり、この部分の被加工性は、切削体積が５ｃｍ３のときに、目詰まりを起こし、砥石のドレッシングが必要となった。
【００３２】
【発明の効果】
本発明の複合体は、多孔質無機構造体と金属とからなる第１相と、繊維状無機材料と金属とからなる第２相とからなるので、第１相の有する熱伝導率が高く、熱膨張率が小さいという性質と、第２相の有する被加工性に優れるという性質を共に有している特徴があり、これを用いて、セラミックス基板が実使用下で受ける熱衝撃でクラックを発生する等の問題がなく、信頼性の高い、セラミックス回路基板用のヒートシンクが容易に得ることができ、産業上極めて有益である。

Claims (4)

1. 平板状で気孔率２０〜５０体積％の多孔質炭化珪素焼結体と、厚みが０．５μｍ〜２０ｍｍである繊維質無機材料とが隣接して設けられてなる成形体に、アルミニウム合金を圧力鋳造法で含浸してなる複合体。
2. 繊維質無機材料がアルミナ、シリカ、窒化硼素、窒化アルミニウム、窒化珪素、又は炭素のいずれかを主成分とすることを特徴とする請求項１記載の複合体。
3. 表面にＮｉ質メッキ層を設けてなることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の複合体。
4. 請求項１、請求項２又は請求項３記載の複合体を用いてなることを特徴とするヒートシンク。