JP4233133B2

JP4233133B2 - 炭化珪素質複合体とそれを用いた放熱部品

Info

Publication number: JP4233133B2
Application number: JP28822197A
Authority: JP
Inventors: 秀樹廣津留; 正明小畑
Original assignee: Denki Kagaku Kogyo KK
Current assignee: Denka Co Ltd
Priority date: 1997-10-21
Filing date: 1997-10-21
Publication date: 2009-03-04
Anticipated expiration: 2017-10-21
Also published as: JPH11116363A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
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パッケージなどの半導体部品のヒートシンクなどの放熱部品として好適な高熱伝導性複合体に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、セラミックス基板や樹脂基板等の種々の基板を用いた、半導体素子を搭載するための回路基板が知られている。近年、回路基板の小型化、半導体素子の高集積化が進むに従い、回路基板の放熱特性の向上が望まれ、ベレリア（ＢｅＯ）を添加した炭化珪素（ＳｉＣ）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、窒化珪素（Ｓｉ₃Ｎ₄）等のセラミックス基板が注目されている。
【０００３】
上述のセラミックス基板を回路基板やパッケージ用基体等として用いる場合には、半導体素子からの発熱を前記基板裏面等に設けられるヒートシンクと呼ばれる放熱部品を介して外部に発散させ、半導体素子の動作特性等を確保している。この場合、ヒートシンクとして銅（Ｃｕ）等を用いると、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、加熱接合時や熱サイクルの付加等によりセラミックス基板にクラックや割れ等が生じることがある。そこで、セラミックス基板を信頼性が要求される分野に用いる場合には、セラミックス基板と熱膨張差の小さいＭｏやＷ等をヒートシンクとして用いていた。
【０００４】
上述したようなＭｏやＷを用いた放熱部品は、重金属であるＭｏやＷに原因して重量が重く、放熱部品の軽量化が望まれる用途には好ましくない。更に、このようなヒートシンクは高価であることから、近年、銅やアルミニウム或いはこれらの合金を無機質繊維または粒子で強化したＭＭＣ（ＭｅｔａｌＭａｔｒｉｘＣｏｍｐｏｓｉｔｅ）と略称される金属−セラミックス複合体が注目されている。
【０００５】
前記複合体は、一般には、強化材である無機質繊維あるいは粒子を、あらかじめ成形することでプリフォームを形成し、そのプリフォームの繊維間あるいは粒子間に基材（マトリックス）である金属或いは合金を溶浸（含浸ともいう）させた複合体である。強化材としては、アルミナ、炭化珪素、窒化アルミニウム、窒化珪素、シリカ、炭素等のセラミックスが用いられている。
【０００６】
しかし、上記の複合体において熱伝導率を上げようとする場合、強化材並びに金属或いは合金として熱伝導率の高い物質を選択する必要があること、強化材であるセラミックスとマトリックスである金属或いは合金の濡れ性や界面の反応層等も熱伝導率に大きく寄与すること、マトリックスと強化材の結合が不十分であると、熱伝導率以外に複合体の強度低下をもたらすという問題もある。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ＭｏやＷ等の重金属材料をヒートシンクに用いた場合、放熱部品の重量が重くなると共に、放熱性に関しても必ずしも十分でないという問題があるし、比較的軽量で放熱性に優れるＣｕやＡｌ等をヒートシンクとして用いる場合にも、セラミックス基板との熱膨張差が大きく、信頼性の高い構造を得るためには、接合構造自体が非常に複雑になってしまい、製造コストの増加や放熱部品としての熱抵抗の増加等を招くといった問題があった。
【０００８】
更に、上記の課題を解決するため、金属−セラミックス複合体が検討されているが、セラミックス基板に近い熱膨張率を得ようとすると、熱膨張率の低い強化材であるセラミックスの比率を上げる必要がある。しかし、セラミックス成分の比率を上げるには、高い成形圧でプリフォームを成形する必要があり、コストアップに繋がると共に、その後の金属或いは合金の十分な含浸が難しくなるという問題がある。このため、熱膨張率がセラミックス基板に近く、高い熱伝導率を有する金属−セラミックス複合体を安価に提供できる技術の開発が課題となっている。
【０００９】
本発明は、上記の事情に鑑みなされたものであって、高熱伝導性を有すると共に、比重が小さく、且つ熱膨張率がセラミックス基板に近い高熱伝導性複合体及びこれを用いた放熱部品を安価に提供することを目的とするものである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、上記目的を達成するために鋭意研究した結果、複合体の組成とともにプリフォームの特性を調整すること、そして驚くべきことに、プリフォームの電気的特性を調整することにより、複合体の熱伝導特性を制御できるという知見を得て、本発明を完成するに至ったものである。
【００１１】
すなわち、本発明は、炭化珪素質多孔体にアルミニウムを主成分とする金属を含浸してなる炭化珪素質複合体であって、１２０℃における熱伝導率が室温（２５℃）における熱伝導率の９０％以上であることを特徴とする炭化珪素質複合体であり、好ましくは、室温の熱伝導率が１５０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上であり、しかも室温の熱膨張率が９×１０^-6Ｋ^-1以下であることを特徴とする前記の炭化珪素質複合体である。
【００１２】
本発明は、塩酸処理して得られる炭化珪素を主成分とする構造体の室温での体積抵抗率が１０Ω・ｃｍ以下であることを特徴とする前記の炭化珪素質複合体であり、加えて、本発明は、前記の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である。
【００１３】
【発明の実施の形態】
金属−セラミックス複合体の熱膨張率及び熱伝導率は、通常、強化材であるセラミックスと基材である金属の特性とそれらの配合比で決まる。セラミックスの熱膨張率は金属の熱膨張率に比べかなり小さく、複合体の熱膨張率を下げるには、セラミックスの比率を増やすことが効果がある。また、熱伝導率に関しては、強化材と基材との界面の結合状態が大きく寄与する。セラミックスと金属では、一般に金属の方が熱伝導率が高いが、炭化珪素（ＳｉＣ）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、窒化硼素（ＢＮ）等は、金属と同等以上（３００Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上）の理論熱伝導率を有し、熱伝導率向上の点で、強化材として非常に有望である。
【００１４】
本発明者らは、強化材について種々検討した結果、炭化珪素を主成分とするセラミックスを用いるときに、高熱伝導率と低熱膨張率を兼ね備えた金属−セラミックス複合体を得るのに適していることを見いだし、本発明に至ったものである。
【００１５】
複合体を製造する場合、強化材と金属との濡れ性が良いことが、緻密な複合体を得るためには重要である。また、一般に、金属−セラミックス複合体は、強化材であるセラミックスを所定形状に成形したプリフォームに、基材である金属を高温高圧下で含浸させる高圧鋳造法で緻密体を製造している。含浸する金属の融点が高いと、含浸時の温度が高くなり、セラミックスが酸化されたり、セラミックスと金属が反応して特性的に好ましくない化合物を形成することがある。更に、基材である金属の融点が高いと、含浸温度が高くなることにより、型材等の材質が限定され高価になってしまうと共に、鋳造コスト自体も増加し、得られる複合体が高価になってしまう。
【００１６】
本発明者らは、基材となる金属について種々検討した結果、アルミニウムを主成分とする合金を用いることにより、良好な複合体を製造できることを見いだした。すなわち、本発明の複合体は、炭化珪素質多孔体にアルミニウムを主成分とする金属を含浸してなるものである。
【００１７】
本発明の炭化珪素質複合体中の炭化珪素質多孔体の含有量は、５０〜８０体積％であることが好ましく、更に好ましくは６０〜７５体積％である。炭化珪素質多孔体の含有量が５０体積％未満では、複合体の熱膨張率が高くなり、本発明が目的とする信頼性の高い放熱部品が得られなくなる。また、炭化珪素質多孔体の含有量を高くすることは、複合体の高熱伝導率、低熱膨張率といった点では有効であるが、嵩密度が８０％を越える多孔体を製造するには、非常に高い成形圧力を必要とする等の問題があり、得られる金属ーセラミックス複合体のコストが極端に高くなってしまう。また、複合体中の炭化珪素質多孔体の含有量が８０体積％を越え極端に高くなりすぎると、強度、破壊靱性等の機械的特性が低下するという問題もある。
【００１８】
一方、本発明の炭化珪素質複合体中の金属は、アルミニウムを主成分とする合金であり、好ましくはシリコンを２０重量％以下、マグネシウムを５重量％以下含有する。合金中のアルミニウム以外の成分を調整することにより、合金自体の熱伝導率や熱膨張率を変えることができ、得られる複合体の熱膨張率や熱伝導率も調整できる。アルミニウム金属にシリコンやマグネシウムを添加し合金化することにより、合金の融点低下や高温での溶融金属の粘性低下があり、高温鋳造法等で緻密な複合体が得やすくなる。更に、アルミニウム金属を合金化することにより、金属自体の硬度増加があり、その結果、得られる複合体の強度等の機械的特性が向上する。合金中のアルミニウム、シリコン、マグネシウム以外の金属成分に関しては、極端に合金の特性が変化しない範囲であれば銅等も含有することができる。
【００１９】
また、本発明の炭化珪素質複合体は、連続した炭化珪素質多孔体を含有してなる。これは、炭化珪素質多孔体に強度を持たせることにより、温度変化により炭化珪素質多孔体と金属との間に熱膨張率の差により発生する応力を緩和することができ、複合体の熱膨張率を下げるとができるためである。
【００２０】
そして、本発明の炭化珪素質複合体は、１２０℃における熱伝導率が室温（２５℃）における熱伝導率の９０％以上であることを特徴とする。１２０℃における熱伝導率が室温の熱伝導率の９０％未満の場合には、例えば半導体部品等の放熱部品として用いたときに、実質的に熱放散性が劣ることになり、高放熱性の用途には適用できなくなる。また、この様な炭化珪素質複合体を放熱部品等として用いる場合、室温から実使用温度の間の放熱特性が変化すると、半導体素子等の故障の原因となる可能性があり好ましくない。本発明においては、室温から放熱部品等の実使用温度に相当する１２０℃の間の熱伝導率の差を室温における熱伝導率を基準として１０％以内とすることにより、本発明の炭化珪素質複合体を放熱部品等として用いる場合の信頼性向上に効果がある。尚、塩酸処理に関しては、複合体中の金属部分を除去することが目的であり、２規定以上の濃度の塩酸水溶液中を用い、室温で１２時間程度処理する。複合体が大きい場合は、塩酸濃度、処理温度、処理時間を調整し金属部分の除去が十分にできるまで行う。
【００２１】
本発明は、室温の熱伝導率が１５０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上であり、しかも室温の熱膨張率が９×１０^-6Ｋ^-1以下である炭化珪素質複合体である。熱伝導率が１５０Ｗ／（ｍ・Ｋ）未満では、放熱部品等として用いる場合に十分な放熱特性が得られず、その用途が限定されてしまうことがある。また、室温の熱膨張率が９×１０^-6Ｋ^-1を越えると、セラミックス基板等の放熱部品として用いる場合に、セラミックス基板との熱膨張率の差が大きくなり過ぎて、加熱接合時や熱サイクル不可等により、セラミックス基板にクラックや割れ等が生じることがあり、信頼性が要求される放熱部品として用いる場合の用途が限定されてしまうからである。
【００２２】
また、本発明の炭化珪素質複合体は、塩酸処理して得られる炭化珪素を主成分とする構造体の比抵抗が１０Ω・ｃｍ以下であることが好ましい。前記条件を満たすとき、得られる炭化珪素質複合体の１２０℃での熱伝導率が室温（２５℃）での熱伝導率の９０％以上を確実に達成できる。この理由について、本発明者らは、炭化珪素結晶粒子中に窒素等が固溶すると、炭化珪素の特性が変化するが、固溶量の増加に伴い体積抵抗率（比抵抗）が減少し、温度変化に対する熱的特性の変化が緩和されるので、炭化珪素を主成分とする構造体の比抵抗を１０Ω・ｃｍ以下にすることにより、高温における炭化珪素質複合体の熱伝導率の低下を抑えることができると考えている。
【００２３】
一方、炭化珪素質複合体中には、原料粉末である炭化珪素粉末中に不可避的に含まれる酸素や結合剤中の酸素、炭化珪素質多孔体を作製する仮焼行程等での酸素増加等により、ある程度の酸素が含まれている。これらの酸素は、複合体中で熱伝導率の低い酸化物等の形態で存在し、複合体の熱伝導率を下げる原因となる。特に、これらの酸化物等が炭化珪素と金属との界面に存在する場合、熱伝導率の低下が顕著となる。このため、炭化珪素質複合体中の酸素含有量は、３重量％以下であることが好ましい。
【００２４】
また、本発明の炭化珪素質複合体は、密度が３ｇ／ｃｍ³程度と銅等の金属に比べ軽く、放熱部品等として用いる場合、部品の軽量化に有効である。また、本発明の炭化珪素質複合体は、曲げ強度が３００ＭＰａ以上と高く、放熱部品等として用いるに十分な機械的特性を有している。
【００２５】
本発明は、上述した炭化珪素質複合体を用いることを特徴とする放熱部品である。本発明の放熱部品は、熱伝導特性に優れ且つ十分な機械的特性を有しており、ヒートシンク等として用いるに好適である。また、本発明の放熱部品は、密度が３ｇ／ｃｍ³程度と軽量であり、移動用機器に用いる放熱部品として好適である。本発明の放熱部品は、熱伝導特性に優れ、熱膨張率が９×１０^-6Ｋ^-1以下と低いためヒートシンク等の放熱部品として用いる場合、従来の銅等を用いた場合に比べ、放熱部品と接合されるセラミックス基板との熱膨張差が小さく、基板上の半導体素子の作動時に発生する熱サイクル等によるセラミックス基板のクラックや割れ等を抑えることができる。そして、前記事情により、高い信頼性が要求される電気、自動車等の移動用機器に用いる放熱部品として好適である。
【００２６】
また、半導体素子の集積化や大型化に伴い、これを搭載するセラミックス基板には、高い放熱特性が要求されている。窒化アルミニウム及び窒化珪素基板は、絶縁特性に優れ、放熱特性に優れており、本発明の放熱部品と接合して用いることにより、熱サイクル等の付加によるクラックや割れ等の極めて少ない高信頼性を得ることができる。
【００２７】
本発明の炭化珪素質複合材をえる方法としては、以下に例示する方法があげられる。例えば、導電性炭化珪素粉末に結合剤としてシリカゾル、アルミナゾル等を所定量添加混合し、所望の形状に成形する。成形方法は、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、必要に応じて保形用バインダーを添加してもよい。また、前記炭化珪素粉末に関しては、１種類の粉末を用いても、複数の粉末を粒度配合して用いてもよい。次に、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７００〜２０００℃で仮焼して炭化珪素質多孔体を製造する。一方、シリコン粉末とカーボン粉末を混合し、必要に応じ炭化珪素粉末、バインダー等を添加し、窒素を含有する不活性雰囲気中１２００〜２２００℃の温度で仮焼して炭化珪素質多孔体を製造することもできる。
【００２８】
得られ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加熱し、融点以上の温度に加熱したアルミニウムを主成分とする金属溶湯を高圧で含浸させて炭化珪素質複合体とする。金属成分の含浸方法に関しては、特に限定はなく、高圧鋳造法、ダイキャスト法等が利用できる。
【００２９】
【実施例】
以下，実施例と比較例をあげて，更に本発明を詳細に説明するが，本発明はこれに限定されるものではない．
【００３０】
［実施例１〜９，比較例１,２］
シリコン粉末（３２５メッシュ下品）とカーボン粉末とを混合し、カーボン製坩堝に充填し窒素分圧が０．１気圧であるアルゴン雰囲気中、温度２０００℃で２時間加熱処理して窒素固溶した炭化珪素粉末Ａを作製した。この炭化珪素粉末Ａ、炭化珪素粉末Ｂ（太平洋ランダム社製：ＮＧ−２２０、平均粒径：６０μｍ）、炭化珪素粉末Ｃ（屋久島電工社製：ＧＣ−１０００Ｆ、平均粒径：１０μｍ）及びシリカゾル（日産化学社製：スノーテックス）を表１の組成で配合し、攪拌混合機で３０分間混合した後、１００ｍｍ×１００ｍｍ×５ｍｍの形状に１０ＭＰａの圧力で成形した。得られた成形体は、表１に示す雰囲気中、温度１２００℃で２時間加熱して、炭化珪素質多孔体を作製した。得られた炭化珪素質多孔体は、２０ｍｍφ×５ｍｍの形状に加工して、その寸法と質量より相対密度を算出した。得られた結果を表１に示す。
【００３１】
次に、得られた炭化珪素質多孔体を電気炉で、温度８００℃に予備加熱し、予め加熱しておいた１５０ｍｍφのプレス型内に載置した後、温度８５０℃に加熱した表１に示す合金の溶湯を流し込み、１００ＭＰａの圧力で２分間プレスして、炭化珪素質多孔体に合金を含浸させた。得られた炭化珪素質複合体を含む合金塊は、室温まで冷却したのち、ダイヤモンド加工治具で炭化珪素質複合体を削り出した。得られた炭化珪素質複合体は、ダイヤモンド加工治具を用いて、熱膨張率測定用試験体（４ｍｍφ×１０ｍｍ）、室温の熱伝導率測定用試験体（１０ｍｍφ×３ｍｍ）、３点曲げ強さ評価用試験体（３ｍｍ×４ｍｍ×４０ｍｍ）に研削加工した。また、３点曲げ強さ評価用試験体の一部を、２規定の塩酸水溶液中で２４時間処理して、複合体中の金属部分を除去した。
【００３２】
次に、それぞれの試験体を用いて、熱膨張計により室温（２５℃）から２５０℃の熱膨張率、レーザーフラッシュ法による室温及び１２０℃の熱伝導率及び曲げ試験機による３点曲げ強さを測定した。得られた結果を表２に示す。また、複合体の一部を乳鉢で粉砕し、酸素／窒素同時分析計（ＬＥＣＯ社製：ＴＣ−４３６）で酸素量を測定した結果、実施例１が０．９重量％、実施例５が１．１重量％であった。尚、比較例２は、プリフォームを作製せず、炭化珪素粉末Ｂを含有量が４５体積％なるように鉄製の金型に充填して、実施例１と同じ合金を同じ手法で含浸させて複合体を作製した。
【００３３】
【表１】

【００３４】
【表２】

【００３５】
［実施例１０］
炭化珪素粉末Ｂ、シリコン粉末及びカーボン粉末を等モル配合し、シリカゾルを３重量％添加して、実施例１と同様の方法で成形体を作製し、窒素分圧が０．１気圧のアルゴン雰囲気中、温度２０００℃で３時間加熱処理して炭化珪素質多孔体を作製した。得られた炭化珪素質多孔体は、２０ｍｍφ×５ｍｍの形状に加工して、実施例１と同様の方法によりアルミニウム合金を含浸させて炭化珪素質複合体を作製した。得られた複合体は、実施例１と同様の方法により評価を行った。得られた結果を表２に示す。
【００３６】
［実施例１１、１２、比較例３］
実施例２で作製した、炭化珪素質複合体を研削加工して、９０ｍｍ×９０ｍｍ×３ｍｍの形状とし、無電解Ｎｉメッキ処理を行い、複合体表面に１０μｍ厚のメッキ層を形成した。メッキ処理した複合体表面に５０μｍ厚の半田ペーストをスクリーン印刷し、その上に、実施例１１では市販の窒化アルミニウム基板を、実施例１２では市販の窒化珪素基板を搭載し、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させた。尚、比較例３は、銅板を用いて実施例１１と同じ手法で、メッキ処理後に窒化アルミニウム基板を接合した。
【００３７】
次に、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℃〜１５０℃の温度幅で３０００回のヒートサイクル試験を行った。実施例１１及び実施例１２は、ヒートサイクル試験後もセラミックス基板上の回路の剥離もセラミックス基板の回路間のクラック発生も認められなかった。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。
【００３８】
【発明の効果】
本発明の炭化珪素質複合体は、強化材である炭化珪素質多孔体の強度を調整することにより、該複合体の熱膨張率を窒化アルミニウム、窒化珪素等のセラミックス基板と同程度に小さく、しかも、熱伝導率が高いで、いろいろな用途の放熱部品として有用であり、特に、半導体搭載用セラミックス基板と接合して、回路基板の信頼性を高めることができる。加えて、本発明の炭化珪素質複合体は高強度であるので、電気、自動車等の移動機器等に好適な放熱部品を安価に提供することができる。

Claims

炭化珪素質多孔体にアルミニウムを主成分とする金属を含浸してなる炭化珪素質複合体の製造において、炭化珪素原料として、シリコン粉末（３２５メッシュ下品）とカーボン粉末とを混合し、カーボン製坩堝に充填し窒素分圧が０．１気圧であるアルゴン雰囲気中、温度２０００℃で２時間加熱処理して窒素固溶させた炭化珪素粉末を５０体積％以上使用し、炭化珪素質多孔体にシリコンを２０重量％以下、マグネシウムを５重量％以下含有するアルミニウムを主成分とする金属を高圧をかけて含浸させ、炭化硅素質多孔体の含有量を５０〜８０体積％とすることを特徴とする、１２０℃における熱伝導率が室温（２５℃）における熱伝導率の９０％以上である炭化珪素質複合体の製造方法。
室温の熱伝導率が１５０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上であり、しかも室温の熱膨張率が９×１０-6Ｋ-1以下で、且つ、塩酸処理して得られる炭化珪素を主成分とする構造体の室温での体積抵抗率が１０Ω・ｃｍ以下であることを特徴とする請求項１記載の製造方法により得られる炭化珪素質複合体。
請求項２記載の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。