JP4294148B2

JP4294148B2 - 多孔質炭化珪素焼結体

Info

Publication number: JP4294148B2
Application number: JP08382999A
Authority: JP
Inventors: 裕之安田
Original assignee: Ibiden Co Ltd
Current assignee: Ibiden Co Ltd
Priority date: 1999-03-26
Filing date: 1999-03-26
Publication date: 2009-07-08
Anticipated expiration: 2019-03-26
Also published as: JP2000272969A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、多孔質炭化珪素焼結体に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、パワー素子のような発熱部品を回路基板上に搭載してなるモジュールが各種知られている。この種の発熱部品は通電時に大きな熱を発生する。よって、発熱部品自体の熱破壊や回路の誤動作を防止するために、回路基板に放熱体が設けられる。特に近年では、放熱体用の材料として、熱伝導率の高い炭化珪素焼結体を使用することがよいと考えられている。
【０００３】
炭化珪素焼結体からなる放熱体は、以下のようにして製造される。まず、炭化珪素粉末を原料として造粒を行うことにより、顆粒を作製する。造粒工程を実施した後、顆粒を用いて所定形状の成形体をプレス成形により作製する。プレス成形工程の実施後、成形体を焼成炉内において高温で加熱することにより、焼結体とする。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、従来技術においては、プレス成形工程を経て作製される成形体の顆粒充填性が悪く、このような成形体を用いて焼成工程を行なったとしても、焼結体の高密度化を図ることができない。従って、熱伝導性に優れた焼結体を得ることが困難であるという問題があった。
【０００５】
本発明は上記の課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、熱伝導率に優れた多孔質炭化珪素焼結体を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するために、請求項１に記載の発明では、平均粒径の異なる２種以上の炭化珪素粉末を原料として顆粒を作製する造粒工程と、前記顆粒に水を所定量添加し、顆粒の含水率を０．３重量％〜０．９重量％に調整する含水率調整工程と、前記含水率調整した顆粒を用い、０．６ｔ／ｃｍ ^２〜１．３ｔ／ｃｍ ^２にてプレスして所定形状の成形体を作製するプレス成形工程と、前記成形体を２２００℃〜２３００℃に加熱して焼結させる焼成工程と、を経て製造され、気孔率が２５％〜５０％、気孔径が５μｍ〜２０μｍかつ熱伝導率が８５Ｗ／ｍＫ以上である多孔質炭化珪素焼結体をその要旨とする。
【０００７】
請求項２に記載の発明は、請求項１において、発熱部品を実装した放熱板として用いられる。
【００１０】
以下、本発明の「作用」について説明する。
請求項１に記載の発明によると、水を所定量添加し、顆粒の含水率を０．３重量％〜０．９重量％に調整することによりプレス成形時における顆粒同士の滑りが改善される結果、プレス成形工程を経て作製される成形体の顆粒充填性が向上する。従って、このような成形体を用いて焼成工程を行えば、焼結体の高密度化を図ることができ、熱伝導性に優れた焼結体を確実に得ることができる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を具体化したパワー素子搭載モジュール１の一実施形態を図１〜図５に基づき詳細に説明する。
【００１９】
図１に示されるように、本実施形態のモジュール１は、回路基板としてのセラミック基板３上に、パワー素子の一種であるパワートランジスタ２を搭載してなるものである。矩形状をなす絶縁性のセラミック基板３の上面には、図示しない導体パターンが印刷によって形成されている。箱状をなすパワートランジスタ２はセラミック基板３の上面中央部に搭載されている。パワートランジスタ２の有する複数の端子（図示略）は、セラミック基板３における対応するパッド（図示略）にはんだ付けされている。その結果、パワートランジスタ２側とセラミック基板３側とが電気的に接続されている。セラミック基板３の下面側には、セラミック放熱板４が設けられている。具体的にいうと、接着剤等を用いてセラミック基板３の下面側にセラミック放熱板４が接着されている。このセラミック放熱板４は、セラミック基板３よりもひとまわり大きく、かつ矩形状をなしている。
【００２０】
このセラミック放熱板４は多孔質炭化珪素（多孔質ＳｉC）の焼結体５からなる。即ち、同焼結体５はそれほど緻密ではなく、多くの気孔を有している。ある程度の気孔があると、金属含浸処理を行う際に好都合だからである。
【００２１】
多孔質炭化珪素焼結体５の気孔率は２５％〜５０％程度、さらには３０％〜４０％程度であることがよく、気孔径は５μｍ〜２０μｍ程度、さらには１０μｍ〜１５μｍ程度であることがよい。気孔径や気孔率が小さすぎると、仮に金属含浸処理を行ったとしても、気孔内に金属を充分に含浸させることができなくなる。従って、金属含浸処理によって得られる利益（例えば熱伝導率の向上等）を享受できなくなるおそれがある。逆に、気孔径や気孔率が大きすぎると、金属含浸処理にとっては好適である反面、熱伝導率や機械的強度の低下につながるおそれがある。
【００２２】
多孔質炭化珪素焼結体５の熱伝導率は８５W／ｍＫ以上であることがよく、さらには９０W／ｍＫ以上であることがよく、特には９５W／ｍＫ以上であることがよい。熱伝導率が高い焼結体５になるほど、熱を放散する能力に優れたセラミック放熱板４となるため、パワートランジスタ２の熱破壊防止や回路の誤動作防止を確実に達成することができるからである。
【００２３】
また、多孔質炭化珪素焼結体５の密度は１．９７ｇ／ｃｍ³以上であることがよく、さらには２．０ｇ／ｃｍ³以上であることがよく、特には２．１ｇ／ｃｍ³以上であることがよい。密度が低すぎると、セラミック放熱板４の高熱伝導化を図れなくなるからである。
【００２４】
次に、多孔質炭化珪素焼結体５からなるセラミック放熱板４を製造する手順を説明する。
造粒工程を実施するにあたり、まず原料である炭化珪素粉末を用意する。この場合に用いられる炭化珪素粉末は、平均粒径の異なる２種以上のものの混合物であることがよい。具体的にいうと、本実施形態では、ＧＣ４００（Ｄ₅₀３０μm）とＧＣ１５（Ｄ₅₀０．７６μm）とを７：３の配合比で混合したものを用いている。そして、このような混合物を造粒機に投入して、所定の顆粒６を作製する。得られた顆粒６中における液状成分の含有率（含水率）は、この段階では約０．１５重量％前後である。
【００２５】
造粒工程後には、常温で液体となる物質を前記顆粒６に所定量だけ添加することにより顆粒６中の液状成分の含水率を調整する工程（含水率調整工程）を実施する。前記液体となる物質としては、加熱されることにより揮発または分解するものであることが好ましい。その理由は、前記物質は焼成工程を終えるまでに揮発・分解してしまい、殆ど焼結体５中に存在しなくなるため、添加したとしても焼結体５の高熱伝導化を妨げることがないからである。
【００２６】
本実施形態では前記物質として水を選択している。水の代わりに、エチルアルコール、メチルアルコール、ブチルアルコール等のアルコール類を選択してもよくよい。また、ステアリン酸等といった脂肪酸に代表される有機酸類を選択することもできる。勿論、分子極性が比較的大きい上記物質に限定されず、分子極性が比較的小さな物質（例えば油類）を選択することも許容される。即ち、顆粒６に添加されることにより顆粒６同士の滑りを改善する物質であれば足りる。
【００２７】
水を選択した本実施形態の場合、顆粒６中における含水率は０．３重量％〜０．９重量％程度に、さらには０．４５重量％〜０．９重量％程度に調整されることが望ましい。
【００２８】
顆粒６の含水率が低すぎると、プレス成形時における顆粒６同士の滑りを充分に改善することができず、成形体の顆粒充填性の向上につながらない。逆に含水率が高すぎると、成形体の顆粒充填性は向上する。その反面、成形体の外表面がベタついてしまい、型抜き時にプレス成形用型から成形体が離型しにくくなる。そして、このような離型性の低下に伴い、プレス成形工程の作業性が悪化するおそれがある。
【００２９】
含水率調整工程を実施した後、その顆粒６を成形材料として用いてプレス成形を行うことにより、板状の成形体を作製する。本実施形態では一軸プレス装置を用いている。図２（ａ）には、成形前における成形材料中の顆粒６の様子が概略的に示されている。各顆粒６は、水等の物質からなる薄い膜７によって被覆されている。図２（ｂ）には、成形材料に１方向からプレス圧を加えたときの顆粒６の様子が示されている。このとき、膜７の存在によって顆粒６同士が互いに滑り、顆粒６がプレス圧印加方向に移動しやすくなると考えられる。よって、顆粒６が密に詰まった状態となり、結果的に成形体の顆粒充填性が向上すると推測される。
【００３０】
ここで、プレス成形工程における成形圧は０．６ｔ／ｃｍ^２〜１．３ｔ／ｃｍ^２程度に設定されることがよく、さらには０．９ｔ／ｃｍ^２〜１．３ｔ／ｃｍ^２程度に設定されることがよい。成形圧が低すぎると、顆粒充填性を充分に向上させることができず、焼結体５を確実に高熱伝導化できなくなるおそれがある。逆に成形圧が高すぎると、顆粒充填性の向上にはつながる反面、大掛かりなプレス装置が必要となり、設備コストが増大するおそれがある。ゆえに、セラミック放熱板４が高価なものとなってしまう。
【００３１】
プレス成形工程の実施後、得られた成形体を焼成炉内に移して高温で加熱することにより、成形体を焼結させる。そして、このような焼成工程により多孔質炭化珪素焼結体５を製造する。
【００３２】
焼成工程における焼成温度は２２００℃〜２３００℃程度に設定されることがよく、さらには２２５０℃〜２３００℃程度に設定されることがよい。焼成温度が低すぎると、顆粒６の粒子間におけるネッキング成長を促進することができず、焼結体５の高密度化を図ることができなくなる。逆に焼成温度が高すぎると、焼成炉内が昇華温度域に到達する結果、焼結体５が消失してしまう。
【００３３】
そして、得られた焼結体５（セラミック放熱板４）を、別途作製しておいたセラミック基板３の下面側に接着することにより、図１のパワー素子搭載モジュール１が完成する。
【００３４】
以下、本実施形態の実施例及び比較例を作製し、それらについて行った比較試験及びその結果を紹介する。
［第1の比較試験］
この比較試験では、上記の手順に従って９種のサンプル１〜９を作製した。
【００３５】
サンプル１〜３については、含水率調整工程にて所定量の水を顆粒６に添加することにより、顆粒６の含水率を０．４８重量％に調整した。
また、プレス成形工程における成形圧を、サンプル１では通常の条件とほぼ同程度（０．６ｔ／ｃｍ²）に設定し、サンプル２，３ではそれよりも高め（具体的には０．９ｔ／ｃｍ²、１．３ｔ／ｃｍ²）に設定した。
【００３６】
サンプル４〜６については、含水率調整工程にて所定量の水を顆粒６に添加することにより、顆粒６の含水率を０．８６重量％に調整した。
また、プレス成形工程における成形圧を、サンプル４では通常の条件とほぼ同程度（０．６ｔ／ｃｍ²）に設定し、サンプル５，６ではそれよりも高め（具体的には０．９ｔ／ｃｍ²、１．３ｔ／ｃｍ²）に設定した。
【００３７】
サンプル７〜９については、水を何も添加することなく、含水率０．１５重量％のままでその顆粒６を使用した。
また、プレス成形工程における成形圧を、サンプル７では通常の条件とほぼ同程度（０．６ｔ／ｃｍ²）に設定し、サンプル８，９ではそれよりも高め（具体的には０．９ｔ／ｃｍ²、１．３ｔ／ｃｍ²）に設定した。
【００３８】
即ち、この試験ではサンプル１〜６が実施例として位置付けられ、サンプル７〜９が比較例として位置付けられる。なお、各サンプル１〜９について、焼成工程における焼成温度をいずれも２３００℃に設定した。
【００３９】
そして、得られたサンプル１〜９の焼結体５の密度（ｇ／ｃｍ³）をレーザーフラッシュ法により測定するとともに、併せて熱伝導率（W／ｍＫ）を測定した。図３のグラフは、含水率（重量％）の相違による成形圧（ｔ／ｃｍ²）と熱伝導率（W／ｍＫ）との相関関係を示すものである。また、図４のグラフは、成形圧及び焼成温度を一定としたサンプル２，５，８間における含水率（重量％）と熱伝導率（W／ｍＫ）との相関関係を示すものである。焼結体５の密度、熱伝導率の測定結果は、次のとおりである。
【００４０】
サンプル１：密度約２．０２ｇ／ｃｍ³，熱伝導率約８９W／ｍＫ．
サンプル２：密度約２．０６ｇ／ｃｍ³，熱伝導率約９３W／ｍＫ．
サンプル３：密度約２．１２ｇ／ｃｍ³，熱伝導率約１００W／ｍＫ．
サンプル４：密度約２．０３ｇ／ｃｍ³，熱伝導率約９０W／ｍＫ．
サンプル５：密度約２．０７ｇ／ｃｍ³，熱伝導率約９６W／ｍＫ．
サンプル６：密度約２．１２ｇ／ｃｍ³，熱伝導率約１００W／ｍＫ．
サンプル７：密度約１．８８ｇ／ｃｍ³，熱伝導率約７０W／ｍＫ．
サンプル８：密度約１．９３ｇ／ｃｍ³，熱伝導率約８０W／ｍＫ．
サンプル９：密度約１．９９ｇ／ｃｍ³，熱伝導率約８８W／ｍＫ．
つまり、含水率を好適範囲内に設定したもののほうが、そうでないものよりも熱伝導率が高くなるという結果が得られた。また、成形圧を好適範囲内に設定したもののほうが、そうでないものよりも熱伝導率が高くなるという結果も得られた。ただし、含水率の変更が熱伝導率の改善に寄与する度合いのほうが、成形圧の変更が熱伝導率の改善に寄与する度合いよりも大きいことが示唆された。
［第2の比較試験］
次に、この比較試験では焼成温度を変更して３種のサンプル１０〜１２を作製した。
【００４１】
サンプル１０では、焼成温度を通常の条件とほぼ同程度（具体的には２２００℃）に設定した。サンプル１１，１２では、焼成温度を通常の条件よりも高め（具体的には２２５０℃，２３００℃）にそれぞれ設定した。その他、顆粒６の含水率を０．４８重量％に調整するとともに、成形圧を０．９ｔ／ｃｍ²に設定した。
【００４２】
そして、得られたサンプル１０〜１２の焼結体５の密度及び熱伝導率を、第1の比較試験のときと同様に測定した。図５のグラフは、焼成温度（℃）と熱伝導率（W／ｍＫ）との相関関係を示すものである。焼結体５の密度、熱伝導率の測定結果は、次のとおりである。
【００４３】
サンプル１０：密度約１．９９ｇ／ｃｍ³，熱伝導率約８８W／ｍＫ．
サンプル１１：密度約２．０３ｇ／ｃｍ³，熱伝導率約９０W／ｍＫ．
サンプル１２：密度約２．０６ｇ／ｃｍ³，熱伝導率約９３W／ｍＫ．
つまり、焼成温度を通常条件よりも高めに設定するほど熱伝導率が高くなるという結果が得られた。ただし、焼成温度の変更が熱伝導率の改善に寄与する度合は、含水率や成形圧の変更が熱伝導率の改善に寄与する度合いよりも相対的に小さいものと考えられた。
【００４４】
従って、本実施形態によれば以下のような効果を得ることができる。
（１）本実施形態では、顆粒６の含水率を上記好適範囲内となるように調整した状態でプレス成形工程を行っている。この場合、プレス成形時における顆粒６同士の滑りを改善することができる。その結果、プレス成形工程を経て作製される成形体の顆粒充填性が向上する。従って、このような成形体を用いて焼成工程を行えば、焼結体５の高密度化を図ることができ、熱伝導性に優れた焼結体５を確実に得ることができる。
【００４５】
勿論、この焼結体５からなるセラミック放熱板４を用いれば、パワートランジスタ２の熱破壊防止や回路の誤動作防止を確実に達成することができ、信頼性の高いモジュール１を実現することができる。
【００４６】
（２）また、プレス成形工程における成形圧を上記好適範囲内に設定することによって、高コスト化を伴うことなく、より確実に焼結体５の高熱伝導化を図ることができる。
【００４７】
（３）さらに、焼成工程における焼成温度を上記好適範囲内に設定することにより、昇華を回避しつつ、顆粒６の粒子間のネッキング成長を促進させることができる。このため、高密度な焼結体５が得られ、よりいっそう確実に高熱伝導化を達成することができる。
【００４８】
（４）本実施形態では、平均粒径の異なる２種以上の炭化珪素粉末を混合して用いている。そして、このことによっても、プレス成形工程を経て作製される成形体の顆粒充填性をさらに向上させることができる。
【００４９】
（５）本実施形態のセラミック放熱板４は、気孔率が２５％〜５０％、気孔径が５μｍ〜２０μｍ、密度が１．９７ｇ／ｃｍ³以上かつ熱伝導率が８５W／ｍＫ以上の多孔質炭化珪素焼結体５からなる。従って、熱放散能力に優れかつ金属含浸処理が可能な構造であるにもかかわらず、好適な機械的強度を備えている。つまり、セラミック放熱板４用の焼結体５として、極めて好適ないくつかの特性を有している。
【００５０】
なお、本発明の実施形態は以下のように変更してもよい。
・セラミック放熱板４として用いられる多孔質炭化珪素焼結体５は必ずしも矩形状でなくてもよく、その他の形状（例えば円形状等）であってもよい。勿論、同焼結体５は板状のみに限定されることはなく、例えば塊状や棒状等であっても構わない。なお、上記の場合において焼結体５の表面に凹凸を設けることにより、大きな表面積を確保するようにしてもよい。
【００５１】
・セラミック放熱板４は、パワートランジスタ２以外のパワー素子（例えばパワーＩＣ等）を発熱部品とした場合の放熱体であってもよい。パワー素子以外の部品が発熱部品である場合についても同様である。
【００５２】
・回路基板は実施形態のようなセラミック基板３に限定されることはなく、樹脂製のプリント配線板等であってもよい。また、場合によっては回路基板自体を省略して、発熱部品をセラミック放熱板４上に直接接合した構造とすることも可能である。
【００５３】
・プレス成形工程は一軸プレス以外のプレス装置を用いて実施されてもよい。
・セラミック放熱板４は、多孔質炭化珪素焼結体５の気孔にアルミニウム等の金属を含浸させてなる金属含浸品であってもよい。このようにすれば、熱伝導率を１８０W／ｍＫ以上、さらには２００W／ｍＫ以上というように大幅アップすることも可能となる。そのため、熱放散能力に極めて優れたセラミック放熱板４を実現することができる。
【００５４】
次に、特許請求の範囲に記載された技術的思想のほかに、前述した実施形態によって把握される技術的思想を、必要に応じその効果とともに以下に列挙する。
（１）請求項１の多孔質炭化珪素焼結体において、密度が１．９７ｇ／ｃｍ ^３以上であること。従って、この技術的思想１に記載の発明によれば、高熱伝導化が図られる結果、熱放散能力に優れた焼結体を実現できる。
【００５５】
（２）請求項１、技術的思想１のいずれか１つの多孔質炭化珪素焼結体において、前記焼結体は金属含浸品であること。従って、この技術的思想２に記載の発明によれば、未含浸品に比べて熱伝導率を大幅にアップすることができる。
【００６１】
【発明の効果】
以上詳述したように、請求項１，２に記載の発明によれば、熱伝導率に優れた多孔質炭化珪素焼結体を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を具体化した一実施形態の多孔質炭化珪素焼結体の使用例を示した斜視図。
【図２】（ａ），（ｂ）は成形材料中における顆粒の様子を示す概念図。
【図３】第１の比較試験の結果を示したグラフ。
【図４】第１の比較試験の結果を示したグラフ。
【図５】第２の比較試験の結果を示したグラフ。
【符号の説明】
５…多孔質炭化珪素焼結体、６…顆粒。

Claims

平均粒径の異なる２種以上の炭化珪素粉末を原料として顆粒を作製する造粒工程と、前記顆粒に水を所定量添加し、顆粒の含水率を０．３重量％〜０．９重量％に調整する含水率調整工程と、前記含水率調整した顆粒を用い、０．６ｔ／ｃｍ ^２〜１．３ｔ／ｃｍ ^２にてプレスして所定形状の成形体を作製するプレス成形工程と、前記成形体を２２００℃〜２３００℃に加熱して焼結させる焼成工程と、を経て製造され、
気孔率が２５％〜５０％、気孔径が５μｍ〜２０μｍかつ熱伝導率が８５Ｗ／ｍＫ以上である多孔質炭化珪素焼結体。
発熱部品を実装した放熱板として用いられることを特徴とする請求項１に記載の多孔質炭化珪素焼結体。