JP4113971B2 - 低膨張材料及びその製造方法 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
この発明は、低膨張材料及びその製造方法に係り、特に優れた熱伝導率を有しながらも熱膨張係数の小さな低膨張材料及びそれを製造する方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来の半導体装置の構成を図9に示す。Alから形成された基板1の表面上に絶縁層2及び配線層3を順次形成することによりAl回路基板Aが形成されている。そして、配線層3の上にはんだ4を介して半導体素子5が接合されている。
基板1は熱伝導率の優れたAlから形成されているため、半導体素子5で発生した熱は配線層3及び絶縁層2を経て基板1へ伝わった後、この基板1から効率よく外部へ放散される。
【0003】
ところが、半導体素子5に使用されているSi等の半導体材料と基板1を形成するAlとでは、互いの熱膨張係数が大きく異なり、このため温度変化に対してAl回路基板Aと半導体素子5との間に熱応力が発生することが知られている。熱応力が大きくなると、半導体素子5に反りが発生したり、半導体素子5を接合するはんだ4に亀裂を生じる虞がある。
そこで、例えば自動車等、温度差が激しい環境で使用される半導体装置にあっては、半導体素子5とAl回路基板Aとの間にヒートスプレッダ等の応力緩和材を組み付けることにより熱応力の緩和を図ることが行われている。
【0004】
しかしながら、このような応力緩和材の組み付けは、半導体装置の部品点数を増加して複雑化するだけでなく、半導体装置全体の熱抵抗が増加するという問題を引き起こしてしまう。
また、例えば特許文献1には、SiC多孔体中にAlまたはAl合金を含浸させて低熱膨張の複合材料を製造し、この複合材料からなる基板を用いることにより半導体装置内の熱応力を緩和することが提案されている。ところが、多孔体を形成するためには、SiC粉体をバインダーと共に成形して焼結し、その後SiC多孔体中に溶融したAlまたはAl合金を溶浸させる必要があり、製造工程が複雑化すると共に製造コストが高くなるという問題がある。
【0005】
【特許文献1】
特開2001−181066号公報
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
この発明はこのような問題点を解消するためになされたもので、優れた熱伝導率を有しながらも熱膨張係数の小さな低膨張材料を容易に且つ低コストで得ることができる低膨張材料及びその製造方法を提供することを目的とする。
【0007】
【課題を解決するための手段】
この発明に係る低膨張材料の製造方法は、金型内に未焼結のSiC粉体を体積率70%で充填し、950℃の金型内にSi含有率23%の950℃のAl合金の溶湯を注入して鋳造する方法である。未焼結のSiC粉体が体積率70%で充填された950℃の金型内にSi含有率23%の950℃のAl合金の溶湯を注入して鋳造するだけで、低い熱膨張係数と優れた熱伝導率を有する低膨張材料が容易に製造される。
金型内のSiC粉体の体積率、溶湯のSi含有率及び溶湯温度を選択することにより6.26×10−6/Kの熱膨張係数及び204W/m・Kの熱伝導率を有する低膨張材料を製造することができる。
なお、好ましくは、互いに平均粒径の異なる少なくとも2種以上のSiC粉体を混合して金型内に充填する。
【0011】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施の形態を添付図面に基づいて説明する。
実施の形態1.
実施の形態1に係る低膨張材料の製造方法においては、まず、金型の内部に未焼結のSiC粉体が充填される。このとき、互いに粒径の異なる少なくとも2種以上のSiC粉体を用いて金型内に最密充填すると、金型内におけるSiC粉体の体積率が高くなる。ここで、純Al(A1050)の熱膨張係数25.0×10−6/Kに対してSiCの熱膨張係数は4.5×10−6/Kであるので、SiC粉体の体積率を高めることによって、より小さな熱膨張係数を有する低膨張材料を製造することが可能となる。
【0012】
このようにSiC粉体が充填された金型にAlあるいはSiを含有するAl合金の溶湯を注入して高圧鋳造することにより、低膨張材料が製造される。SiC粉体の間にAlが溶浸するため、このAlによって伝熱経路が形成され、高い熱伝導率が得られる。
SiC粉体を焼結することなく金型内に充填してAlあるいはSi含有Al合金の鋳造を行うため、製造工程が簡略化するだけでなく、併せて製造コストの低減もなされることとなる。
【0013】
実施例1
平均粒径100μmのSiC粉体と平均粒径8μmのSiC粉体とを7:3の割合で混合して金型内に充填すると、SiC粉体の体積率は70%となる。この状態で、以下の表1に示されるサンプルS1〜S4のように、Al材として互いにSi含有率が異なる4種類の材料を使用し、それぞれの金型予熱温度/溶湯温度(以下、金型/溶湯温度とする)により金型内にAl材の溶湯を注入して高圧鋳造することにより低膨張材料を製造した。なお、金型の予熱は鋳造時の熱効率を高めるためのものである。
【0014】
【表1】
【0015】
すなわち、サンプルS1では純Al(A1050)を用いて700/800℃の金型/溶湯温度で鋳造し、サンプルS2ではSi含有率7wt%のAl合金(AC4C)を用いて700/700℃の金型/溶湯温度で鋳造し、サンプルS3ではSi含有率17wt%のAl合金(ADC14)を用いて800/800℃の金型/溶湯温度で鋳造し、サンプルS4ではSi含有率23wt%のAl合金(AC9A)を用いて950/950℃の金型/溶湯温度で鋳造した。なお、サンプルS4は、金型予熱温度及び溶湯温度を高温としてAlとSiCとの間の反応を促進させ、低い熱膨張係数を有するSiを析出させようとしたものである。
【0016】
ここで、サンプルS1で製造された低膨張材料の顕微鏡写真を図1に示す。大きなSiC粉体の周りに小さなSiC粉体が存在し、これらSiC粉体の間にAlが溶浸している様子が示されている。このサンプルS1の低膨張材料の物性を測定したところ、熱膨張係数は8.07×10−6/K、熱伝導率は261W/m・Kであった。純Al(A1050)の熱膨張係数25.00×10−6/K及び熱伝導率234W/m・Kと比較すると、サンプルS1で製造された低膨張材料は純Alと同程度の優れた熱伝導率を維持しつつ熱膨張係数を大幅に低下したものであることが分かる。
【0017】
同様に、サンプルS4で製造された低膨張材料の顕微鏡写真を図2に示す。大きなSiC粉体の周りに小さなSiC粉体が存在すると共に析出したSiの存在が認められる。このサンプルS4の低膨張材料の物性を測定したところ、熱膨張係数は6.26×10−6/K、熱伝導率は204W/m・Kであった。Siは2.6×10−6/Kと低い値の熱膨張係数を有するため、鋳造時に析出したSiの存在により、極めて低い熱膨張係数を有する低膨張材料を実現することができた。
【0018】
また、サンプルS2及びS3で製造された低膨張材料についても、その物性を測定したところ、表1に示すように低い熱膨張係数と優れた熱伝導率を有していた。
サンプルS1〜S4の低膨張材料について、Al材のSi含有率に対する熱膨張係数の値をグラフに表すと、図3のようになった。Al材のSi含有率が増加するほど、製造される低膨張材料の熱膨張係数は低下し、Al材のSi含有率と金型/溶湯温度を調整することにより熱膨張係数を約6×10−6/K〜8×10−6/Kの間で変更することができた。
【0019】
図4にAl−Siの平衡状態図を示す。Al材におけるAlとSiの組成比が共晶組成を超える値となる場合には、SiCから析出したSiが溶湯内に入るためにAl材の融点が上昇する。そこで、このSiの析出による融点の上昇を考慮して、溶湯温度はAl材の融点より例えば50度以上高い温度とすることが好ましい。
【0020】
実施例2
以下の表2に示されるサンプルS5〜S8のように、平均粒径100μmのSiC粉体と平均粒径8μmのSiC粉体を混合体積比がそれぞれ7:3、3:7、9:1、10:0となるように混合して金型に充填した後、純Al(A1050)の溶湯を金型内に注入して高圧鋳造することにより低膨張材料を製造した。なお、金型/溶湯温度はサンプルS5〜S8のいずれにおいても700/800℃とした。
【0021】
【表2】
【0022】
サンプルS5〜S8で製造された低膨張材料のそれぞれについて、その物性を測定したところ、表2に示すように低い熱膨張係数と優れた熱伝導率を有していた。
また、表2に示されるように、SiC粉体の混合体積比に応じて、金型内のSiC粉体の体積率が変化した。ここで、サンプルS5〜S8の低膨張材料について、SiC粉体の体積率に対する熱膨張係数の値をグラフに表すと、図5のようになった。SiC粉体の体積率が増加するほど、製造される低膨張材料の熱膨張係数は低下し、SiC粉体の混合体積比を調整することにより熱膨張係数を約8×10−6/K〜12×10−6/Kの間で変更することができた。
【0023】
上記の実施例1及び2に例示したように、金型内のSiC粉体の体積率、溶湯のSi含有率すなわち溶湯の種類、及び溶湯温度を選択することにより、熱膨張係数4.5×10−6/KのSiCと熱膨張係数25.0×10−6/KのAlと熱膨張係数2.6×10−6/Kの析出するSiとを組み合わせて、使用目的に適応した所望の熱膨張係数、例えば6×10−6/K〜12×10−6/Kの熱膨張係数と200W/m・K以上の熱伝導率とを有する低膨張材料の製造が可能となる。
【0024】
なお、この実施の形態1で製造される低膨張材料の熱膨張係数は、金型内のSiC粉体の体積率、溶湯のSi含有率及び溶湯温度に依存し、鋳造方法には関わらない。従って、上記の高圧鋳造の他、ダイカスト法、酸素雰囲気ダイカスト法(PF法)、減圧鋳造法等の各種の方法を用いることができる。
【0025】
実施の形態2.
図6にこの発明の実施の形態2に係る半導体装置の構成を示す。上述した実施の形態1の方法により、例えば6×10−6/K〜12×10−6/Kの熱膨張係数及び200W/m・K以上の熱伝導率を有する低膨張材料からなる基板6を形成する。この基板6の表面上に絶縁層2及び配線層3を順次形成することによりAl/SiC回路基板Bが形成されている。そして、配線層3の上にはんだ4を介して半導体素子5が接合されている。
【0026】
半導体素子5としては各種の素子があるが、例えばチップ抵抗は7×10−6/K程度の、チップコンデンサは10×10−6/K程度の、Si半導体回路チップは2.6×10−6/K程度の熱膨張係数をそれぞれ有している。そこで、搭載される半導体素子5の熱膨張係数に近い熱膨張係数を有する基板6を製造し、この基板6により形成されたAl/SiC回路基板Bの上に半導体素子5を搭載する。これにより、半導体素子5とAl/SiC回路基板Bとの間にヒートスプレッダ等の応力緩和材を組み付けなくても、温度変化に対してAl/SiC回路基板Bと半導体素子5との間に大きな熱応力が発生することを防止することができる。従って、自動車等の温度差が激しい環境で用いても、半導体素子5に反りが発生したり、はんだ4に亀裂が生じる虞がなく、信頼性の高い半導体装置が実現される。また、ヒートスプレッダを用いないため、部品点数が減少し、半導体装置構造が簡素となり、組み付け工数やコスト低減といった効果ももたらされる。
【0027】
また、基板6は純Alと同程度の高い熱伝導率を有しているので、放熱性の優れた半導体装置となる。特に、ヒートスプレッダ等の応力緩和材が不要となるので、半導体装置全体の熱抵抗の減少が可能となる。
【0028】
図7に実施の形態2の変形例に係る半導体装置の構成を示す。この半導体装置は、実施の形態1の方法により低い熱膨張係数と優れた熱伝導率を有する低膨張材料からなるヒートスプレッダ7を製造し、図9に示した基板1、絶縁層2及び配線層3からなるAl回路基板Aの上に低温はんだ8を介してヒートスプレッダ7を接合し、さらにヒートスプレッダ7の上に高温はんだ9を介して半導体素子5を接合したものである。ヒートスプレッダ7の存在により、半導体素子5からの放熱性が向上すると共にAl回路基板Aと半導体素子5との間に発生する熱応力が緩和される。
【0029】
図8に実施の形態2の他の変形例に係る半導体装置の構成を示す。この半導体装置は、実施の形態1の方法により低い熱膨張係数と優れた熱伝導率を有する低膨張材料からなる放熱板10を製造し、セラミックス回路基板Cの下面にはんだ11を介して放熱板10を接合すると共にセラミックス回路基板Cの上面にはんだ4を介して半導体素子5を接合したものである。なお、セラミックス回路基板Cは、AlN、アルミナ等のセラミックスからなる基板12の両面にそれぞれAl配線層13及び14が形成された構造を有している。
【0030】
セラミックス回路基板Cの熱膨張係数は5×10−6/K程度であるので、金型内のSiC粉体の体積率、溶湯のSi含有率及び溶湯温度を選択することにより、この値に近い熱膨張係数を有する放熱板10を製造してセラミックス回路基板Cに接合すれば、半導体素子5からの放熱性が向上すると共にセラミックス回路基板Cと放熱板10との間に大きな熱応力が発生することを防止することができる。
【0031】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明によれば、未焼結のSiC粉体を体積率70%で充填した950℃の金型内にSi含有率23%の950℃のAl合金の溶湯を注入して鋳造するので、優れた熱伝導率を有しながらも熱膨張係数の小さな低膨張材料を容易に且つ低コストで製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 この発明の実施の形態1における実施例1で製造された低膨張材料の顕微鏡写真である。
【図2】 実施の形態1における実施例1で製造された他の低膨張材料の顕微鏡写真である。
【図3】 実施例1におけるAl材のSi含有率に対する低膨張材料の熱膨張係数の関係を示すグラフである。
【図4】 Al−Siの平衡状態図である。
【図5】 実施例2におけるSiC粉体の体積率に対する低膨張材料の熱膨張係数の関係を示すグラフである。
【図6】 この発明の実施の形態2に係る半導体装置の構成を示す断面図である。
【図7】 実施の形態2の変形例に係る半導体装置の構成を示す断面図である。
【図8】 実施の形態2の他の変形例に係る半導体装置の構成を示す断面図である。
【図9】 従来の半導体装置の構成を示す断面図である。
【符号の説明】
2 絶縁層、3 配線層、4,11 はんだ、5 半導体素子、6,12 基板、7 ヒートスプレッダ、8 低温はんだ、9 高温はんだ、10 放熱板、13,14 Al配線層、A Al回路基板、B Al/SiC回路基板、C セラミックス回路基板。
Claims (4)
- 金型内に未焼結のSiC粉体を体積率70%で充填し、
950℃の前記金型内にSi含有率23%の950℃のAl合金の溶湯を注入して鋳造する
ことを特徴とする低膨張材料の製造方法。 - 金型内のSiC粉体の体積率、溶湯のSi含有率及び溶湯温度を選択することにより6.26×10−6/Kの熱膨張係数及び204W/m・Kの熱伝導率を有する低膨張材料を製造する請求項1に記載の低膨張材料の製造方法。
- 平均粒径の異なる2種類のSiC粉体を準備するステップと、
それぞれのSiC粉体を混合して金型内に充填するステップと
を含む請求項1または2に記載の低膨張材料の製造方法。 - 請求項1〜3のいずれか一項に記載の製造方法により製造された低膨張材料。
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