JP4269853B2 - 半導体素子搭載用基板向け複合材料およびその製造方法 - Google Patents
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Description
さらに、半導体素子搭載用基板材は安価な材料が望まれている。
また、溶融状態のアルミニウムにセラミックス粉末を導入する溶湯撹拌法も知られている。(例えば、特許文献2参照。)。
そこで、本発明は、補強材粒子が均一に分布し、薄肉の形状にすることが容易であるアルミニウム複合材料の製造方法を提供することを課題とする。
本発明において、液相混合物とは、固相と液相が共存した混合物をいう。
本発明にかかる半導体素子搭載用基板向け複合材料の製造方法は、アルミニウムまたはアルミニウム合金からなる粒子と、少なくとも一種類以上のセラミックス粒子からなる粉末を混合、圧粉して粉体混合物を得る工程と、得られた粉体混合物を、アルミニウムに対する非酸化性の雰囲気下において、焼結温度500〜750℃で焼結し、焼結体を得る焼結工程と、得られた焼結体の少なくとも一部に液相を生じさせた液相混合物を得る工程と、前記液相混合物から連続的に板材を得る工程からなることを特徴とする。
また、本発明においては、前記焼結工程は、アルミニウムに対する非酸化性の雰囲気下において焼結温度500〜750℃で行う。
本発明の実施態様においては、前記粉体混合物は、セラミックス粒子を体積割合で10〜70%含有する。
また、本発明の更なる他の実施態様においては、前記液相混合物中の液相部分は体積割合で5%以上である。
本発明の更なる他の実施態様においては、連続的に板材を得る工程で製造される前記板材の厚みが20mm以下である。
また、本発明の一の実施態様においては、液相混合物から連続的に板材を得る工程は、双ベルト法、ベルト車輪法、双ロール鋳造法、および横型鋳造法からなる群より選ばれた一種の方法で行なわれる。
本発明にかかる半導体素子搭載用基板向け複合材料は、上述したいずれかの製造方法によって製造される。
上述した本発明の構成要素は可能な限り組み合わせることが出来る。
本発明の製造方法で得られる複合材料は、半導体素子搭載用基板向け複合材料に好適なものであるが、その他の構造材料としても使用出来る。
また、本発明にかかる半導体素子搭載用基板向け複合材料の製造方法においては、液相混合物から板材を得る工程は、連続的に板材を得る工程とされる。
混合物中の液相率[%]
=アルミニウム相の体積割合[%]×アルミニウム相中の液相率[%]/100
=(100−セラミックス相の体積割合[%])×アルミニウム相中の液相率[%]/100
− 式(1)
また、アルミニウム相中の液相率については、実際に測定することは困難であるため、本発明では、アルミニウム相の組成、温度を用いて、状態図から概算した値を用いることとする。
例えば純アルミニウム粉末と炭化ケイ素粉末の混合物で、炭化ケイ素の体積割合が40%である混合物を700℃に加熱した場合、この温度では、純アルミニウムの融点(660℃)以上であり、炭化ケイ素の融点以下であるため、アルミニウムは完全に溶融し、炭化ケイ素は固相のままである。
式(1)に代入すると
混合物中の液相の割合=(100−40)×100/100=60[%]
つまり、液相の割合は60%となる。
また、アルミニウム相が合金粉末の場合は、先に述べたようにアルミニウム合金の組成、温度から算出される固相率を用いて、混合物中の液相率を定義する。
例えば、ここでAl-8wt%Si合金粉末と炭化ケイ素粉末の混合物であり、炭化ケイ素の体積割合が30%である混合物を600℃に加熱した場合を考えてみる。600℃においてAl-8wt%Si合金のAl-Si二元系状態図から概算した液相率は86%である。式(1)に代入すると混合物全体の液相率は、以下のように計算できる。
混合物中の液相の割合=(100−30)×86/100=60.2[%]
よって、液相の割合は60.2%となる。
液相の割合が5%以上であれば、混合物に十分な流動性が生じ、板材を得る工程を円滑に行うことができる。また、アルミニウムおよびアルミニウム合金が完全に溶融した状態でも板作製は可能である。なお、粒子が比重差により沈降するような条件下では、沈降を防止するため撹拌等を行ってもよい。
組成がAl-8wt%Si-0.1wt%Caであるアルミニウム合金粒子の粉末と、市販のSiC粉末(#800)を用意し、セラミックスの体積割合が30%となるように秤量を行い、ニーダーで2時間混合した。得られた混合粉末を圧縮成型し、圧粉体を作製した後、焼結体の作製を試みた。試料1〜6について、焼結工程は窒素雰囲気下でおこなった。
なお、表中の試料1と7は、比較例である。焼結体の作製の可否の結果を表1に示す。試料1については、緻密化せず焼結が行なえず、圧粉体と変わらない状態のため、以下の工程は行わなかった。
組成がAl-2wt%Si-0.1wt%Caであるアルミニウム合金粒子の粉末と、市販のSiC粉末(#800)を用意し、セラミックスの体積割合が10%となるように秤量を行い、ニーダーで2時間混合した。得られた混合粉末を圧縮成型し、圧粉体を作製した後、窒素雰囲気下にて700℃で焼結体の作製を行った。
また、アルミニウム合金粉末の組成、加熱温度を変えて同様の手法で板作製を試みたところ、同様の結果が得られた。
板厚と冷却速度
組成がAl-8wt%Si-0.1wt%Caであるアルミニウム合金粒子の粉末と、市販のSiC粉末(#800)を用意し、セラミックスの体積割合が30%となるように秤量を行い、ニーダーで2時間混合した。得られた混合粉末を圧縮成型し、圧粉体を作製した。得られた圧粉体を窒素雰囲気下にて700℃で焼結を行い、焼結体の作製を行った。
圧延加工
実施例3で得られた試料15、17、18、19の板材は、それぞれ温度450℃に加熱し、1パスごとの板厚減少率を20%にすると、厚みが1.0mmになるまで圧延加工を行うことができた。
ヒートシンク形状加工
実際のヒートシンク形状に加工を行うため、実施例4で得られた試料15、17、18、19から得られた厚み1.0mmの薄板を用いて、30×30mmの角形形状に加工し、中央部に15×15mmの角形形状で深さが0.3mmの凹部をスタンピングとコイニングにより形成した。その結果、いずれの試料も加工時の反りやうねり、割れ等の問題なく、上記の形状を付与することができた。
この発明の製造方法の混合物から連続的に板材を得る工程では、鋳造速度が100mm/分以上であることが好ましい。
液相混合物が冷却されて生じる初晶アルミニウムのセルが、実用上許容範囲内の大きさとなり、生成複合材料が、半導体素子搭載用基板向け複合材料としての適合性を有する効果がある。
Claims (12)
- アルミニウムまたはアルミニウム合金からなる粒子と、少なくとも一種類以上のセラミックス粒子からなる粉末を混合、圧粉して粉体混合物を得る工程と、得られた粉体混合物を、アルミニウムに対する非酸化性の雰囲気下において、焼結温度500〜750℃で焼結し、焼結体を得る焼結工程と、得られた焼結体の少なくとも一部に液相を生じさせた液相混合物を得る工程と、前記液相混合物から板材を得る工程からなる複合材料の製造方法。
- 請求項1に記載の製造方法によって製造された複合材料。
- アルミニウムまたはアルミニウム合金からなる粒子と、少なくとも一種類以上のセラミックス粒子からなる粉末を混合、圧粉して粉体混合物を得る工程と、得られた粉体混合物を、アルミニウムに対する非酸化性の雰囲気下において、焼結温度500〜750℃で焼結し、焼結体を得る焼結工程と、得られた焼結体の少なくとも一部に液相を生じさせた液相混合物を得る工程と、前記液相混合物から連続的に板材を得る工程からなる半導体素子搭載用基板向け複合材料の製造方法。
- 前記粉体混合物中に前記セラミックス粒子を体積割合で10〜70%含有することを特徴とする、請求項3に記載の半導体素子搭載用基板向け複合材料の製造方法。
- 前記セラミックス粒子が、酸化アルミニウム、炭化珪素、窒化珪素、ホウ化チタン、酸化珪素、酸化ベリリウムから選ばれた少なくとも一種類を含むセラミック粒子からなる、請求項3または請求項4に記載の半導体素子搭載用基板向け複合材料の製造方法。
- 前記液相混合物中の液相の割合が体積割合で5%以上である、請求項3ないし請求項5のいずれかに記載の半導体素子搭載用基板向け複合材料の製造方法。
- 前記液相混合物から連続的に板材を得る工程において製造される前記板材の厚みが20mm以下である、請求項3ないし請求項6のいずれかに記載の半導体素子搭載用基板向け複合材料の製造方法。
- 前記液相混合物から連続的に板材を得る工程において、前記板材の冷却速度は10℃/秒以上である、請求項3ないし請求項7のいずれかに記載の半導体素子搭載用基板向け複合材料の製造方法。
- 前記液相混合物から連続的に板材を得る工程が、双ベルト法、ベルト車輪法、双ロール鋳造法、および横型鋳造法からなる群より選ばれた一種の方法で行なわれることを特徴とする、請求項3ないし請求項8のいずれかに記載の半導体素子搭載用基板向け複合材料の製造方法。
- 前記板材を圧延加工によって薄板状材に加工する圧延工程をさらに備える、請求項3ないし請求項9のいずれかに記載の半導体素子搭載用基板向け複合材料の製造方法。
- 前記圧延工程は、前記板材を200℃以上550℃以下の温度に加熱した後に圧延加工を行う、請求項10に記載の半導体素子搭載用基板向け複合材料の製造方法。
- 請求項3ないし11のいずれかに記載の製造方法によって製造された半導体素子搭載用基板向け複合材料。
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