JP4348565B2 - 高熱伝導・低熱膨張複合材及び放熱基板 - Google Patents

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Description

本発明は、高熱伝導・低熱膨張複合材及びそれからなる放熱基板、並びにそれらの製造方法に関し、特に多孔質黒鉛化押出成形体とアルミニウム又は銅との複合材からなり、高熱伝導率、低熱膨張率及び低固有抵抗を有するとともに熱履歴が実質的にないために電子機器用のヒートシンク等に好適な高熱伝導・低熱膨張複合材、及びかかる複合材からなるヒートシンク等の放熱基板に関する。
電子部品の高集積化、大容量化、高出力化等に伴い発熱量が増加しつつあり、高熱伝導率で熱膨張率の小さい材料が要求されている。CPU、発光ダイオード等の半導体素子は大量の熱を発生するので、通常ヒートシンクが取り付けられている。半導体素子からヒートシンクに伝達された熱はファンや冷却媒体等により強制的に放散されている。ヒートシンクには通常熱伝導性に優れたアルミニウム、銅又はこれらの合金が使用されている。
また例えばCPUはヒートシンクより遥かに小型であるので、通常両者の間にヒートスプレッダーと呼ばれる高熱伝導体を介在させている。ヒートスプレッダーの材質としては、高熱伝導率を有するのみならず、シリコンからなるCPUと同程度の低熱膨張率を有するものが望まれている。これは、化合物半導体（GaAs，GaN等）からなる発光ダイオードの場合も同様である。このような目的で、熱膨張率の小さなセラミックスである炭化珪素、アルミナ、窒化珪素又は窒化アルミニウムとアルミニウム又は銅との複合材からなる基板が数多く提案されているが、これらの複合材基板は、セラミックスを含むため加工が難しいという難点がある。また熱膨張率の小さな金属であるタングステン又はモリブデンと銅とからなる複合材基板も提案されているが、これらの複合材基板にも加工が難しいという問題点がある。
以上の事情に鑑み、最近炭素粒子又は炭素繊維と金属との複合材を放熱基板として使用する試みが数多く提案されている。例えば特開平10-168502号（特許文献１）は、黒鉛、炭素繊維、カーボンブラック、フラーレン又はカーボンナノチューブから選ばれた１種類以上からなる結晶性カーボン材１〜200重量部と、Fe、Cu、Al、Ag、Be、Mg、Ｗ、Ni、Mo、Si、Zn及びこれらの合金からなる群から選ばれた金属の粉末100重量部とを混合し、ホットプレス成形することにより得られた高熱伝導率複合材を開示している。しかしながら、この複合材は金属マトリックスに結晶性カーボン材が分散した構造を有し、熱伝導率が高いものの、熱膨張率が金属マトリックスと同程度に高いという問題を有する。
特開2000-203973号（特許文献２）は、炭素質マトリックス中にアルミニウム、マグネシウム、錫、亜鉛、銅、銀、鉄、ニッケル及びこれらの合金からなる群から選ばれた少なくとも１種の金属が含浸されてなる炭素基金属複合材であって、炭素質マトリックスの気孔の90体積％以上に前記金属が含浸し、前記金属の含有量が前記炭素基金属複合材全体の35体積％以下である炭素基金属複合材を開示している。
また、特開2001-58255号（特許文献３）は、黒鉛結晶を含む炭素粒子又は炭素繊維を含む炭素成形体にアルミニウム、銅、銀又はこれらの合金を溶湯鍛造法で加圧含浸させることにより製造された炭素基金属複合材であって、室温における厚さ方向の熱伝導率が150 W/mK以上であり、熱膨張率が４×10-6／K〜12×10-6／Kである炭素基金属複合材を開示している。これらの炭素基金属複合材は、高剛性で高熱伝導率及び低熱膨張率を有する黒鉛マトリックスを骨格とし、その気孔に金属が含浸した構造を有するので、黒鉛の低熱膨張率と金属の高熱伝導率を兼備する。
以上の利点にもかかわらず、これらの炭素基金属複合材には、シリコンや化合物半導体より遥かに大きな熱膨張率を有するという欠点がある。シリコンや化合物半導体との熱膨張率の差が大きいと、CPUや発光ダイオードに放熱基板を接合するための半田付けやろう付けの作業時にCPUや発光ダイオードに大きな熱応力がかかるのみならず、CPUや発光ダイオードの動作時にもCPUや発光ダイオードに大きな熱応力がかかるので、好ましくない。そのため、通常CPUや発光ダイオードと放熱基板との間に応力緩和材を介在させることが行われている。しかしながら、応力緩和材の熱伝導率は必ずしも十分に大きくないので、せっかく高熱伝導率の炭素基金属複合材を放熱基板に用いても、その効果が十分に発揮されないという問題がある。
さらにCPUや発光ダイオードに放熱基板を接合する場合、例えばアルミニウム含浸黒鉛基板の場合には半田付け（通常200〜300℃程度）が行われ、銅含浸黒鉛基板の場合にはろう付け（通常700〜800℃程度）が行われる。ところが、このような高温に曝されると、アルミニウム又は銅を含浸した複合基板は残留応力により加熱前の寸法と加熱後の寸法とに著しい差が生じることが分かった。このような熱履歴があると、CPUや発光ダイオードと接合した放熱基板には反りが生じ、最終的には破壊に至ることもあり、またCPUやレーザダイオード等も熱応力により損傷することがある。
特開平10-168502号公報 特開2000-203973号公報 特開2001-58255号公報
従って、本発明の目的は、高熱伝導率を有するとともに、シリコン又は化合物半導体と同程度の小さな熱膨張率を有し、熱履歴が実質的にない高熱伝導・低熱膨張複合材を提供することである。
本発明のもう一つの目的は、かかる特性を有する高熱伝導・低熱膨張複合材からなる放熱基板を提供することである。
上記目的に鑑み鋭意研究の結果、本発明者は、多孔質黒鉛化押出成形体に溶融金属を含浸させた複合材において、前記金属として、金属組織中に球状組織珪素を含むアルミニウム合金、又は酸素量が400 ppm以下の銅もしくはその合金を使用することにより、(a) 高い熱伝導率及びシリコン又は化合物半導体の熱膨張率と同程度の低い熱膨張率が得られ、かつ(b) 熱膨張率の熱履歴が実質的にないので、加熱時に良好な寸法安定性が得られることを発見し、本発明に想到した。
すなわち、本発明の第一の高熱伝導・低熱膨張複合材は、多孔質黒鉛化押出成形体に金属が含浸してなり、前記金属が11〜14質量％の珪素、残部がアルミニウム及び不可避不純物からなるアルミニウム合金であり、その金属組織中に析出した珪素（Si）リッチ相のうち、長径が30μｍ以下でアスペクト比（長径／短径）が10以上の針状組織の割合（顕微鏡写真における面積率）が10％以下であり、当該複合材は熱伝導率及び熱膨張率に異方性を有し、押出方向の熱伝導率が250 W/mK以上で熱膨張率が４×10-6／K未満であり、前記押出方向と直交する方向の熱伝導率が150 W/mK以上で熱膨張率が10×10-6／K以下であることを特徴とする。
本発明の第二の高熱伝導・低熱膨張複合材は、多孔質黒鉛化押出成形体に金属が含浸してなり、前記金属が銅又はその合金であり、前記金属中の酸素量が400 ppm以下であり、当該複合材は熱伝導率及び熱膨張率に異方性を有し、押出方向の熱伝導率が250 W/mK以上で熱膨張率が４×10-6／K未満であり、前記押出方向と直交する方向の熱伝導率が150 W/mK以上で熱膨張率が10×10-6／K以下であることを特徴とする。
本発明の好ましい実施例では、押出方向の熱伝導率が250 W/mK以上で熱膨張率が0.1×10-6／K以上、４×10-6／K未満であり、前記押出方向と直交する方向の熱伝導率が150 W/mK以上で熱膨張率が4×10-6／K以上、10×10-6／K以下である。
本発明の好ましい実施例では、熱処理後の押出方向及び前記押出方向と直交する方向における熱履歴による寸法変化率が±0.1%以内であり、熱膨張率の熱履歴は実質的にない。
本発明の放熱基板は、上記高熱伝導・低熱膨張複合材からなり、基板の板厚方向が多孔質黒鉛化押出成形体の押出方向に一致しており、押出方向と直交する面に発熱体を接合するようになっていることを特徴とする。
本発明の高熱伝導・低熱膨張複合材は、(1) 炭素粒子及び／又は炭素繊維とタールピッチとの押出成形体を焼成することにより黒鉛化し、(2) 得られた多孔質黒鉛化押出成形体に高温高圧下で溶融金属を含浸させ、(3) 得られた黒鉛／金属複合材に熱処理を施すことによって製造することができる。
本発明の放熱基板は、上記方法により高熱伝導・低熱膨張複合材を製造した後、前記多孔質黒鉛化押出成形体の押出方向と垂直な面に沿って切り出すことによって製造することができる。前記垂直面が発熱体との接合面であるのが好ましい。
このようにして得られた高熱伝導・低熱膨張複合材は、厚さ0.1〜100 ｍｍ程度の板状に切り出して、ヒートシンク等として用いるのが望ましい。金属含浸後の複合体を熱処理した後で、板状に切り出すのが通常であるが、超高精度の形状が要求されるような場合には金属含浸後の複合体から板状に切り出した後で熱処理を施し、再度目的とする形状に加工するのが好ましい。何れにしても多孔質黒鉛化押出成形体からなる放熱基板は、押出方向及び直交方向における熱履歴による寸法変化率が±0.1％以内であるので、ろう付け等の際に熱応力がかかっても、冷却後に反りや接合界面での剥離等の問題がない。
本発明の高熱伝導・低熱膨張複合材は熱伝導率及び熱膨張率に異方性を有し、具体的には、押出方向において熱伝導率は250 W/mK以上で熱膨張率は４×10-6／K未満であり、また押出方向と直交する方向において熱伝導率は150 W/mK以上で熱膨張率は10×10-6／K以下である。そのため、半導体素子用のヒートシンク又はヒートスプレッダー等に使用する場合、熱応力による影響が抑制され、熱は横方向に広がるとともに厚さ方向に良好に伝導し、効率的に熱放散を行うことができる。また厚さ方向の熱膨張率が低いので、パッケージに組立てる時に厚さ方向の寸法精度が良く、高気密性のパッケージを得ることができる。
以下、本発明の高熱伝導・低熱膨張複合材及び放熱基板の好ましい構成について述べる。
本発明の高熱伝導・低熱膨張複合材は嵩密度1.9 g/cm3以上を有し、前記金属の含有量は10〜30体積％であるのが好ましい。
高熱伝導・低熱膨張複合材の押出方向における固有抵抗は４μΩｍ以下であり、直交方向における固有抵抗は７μΩｍ以下であるのが好ましい。より好ましくは押出方向における固有抵抗は２μΩｍ以下であり、直交方向における固有抵抗は3.5μΩｍ以下である。
本発明に使用する多孔質黒鉛化押出成形体は、コークス等の炭素粒子とタールピッチとからなり、前記炭素粒子は平均粒径50μｍ以上であるのが好ましい。押出成形体の灰分は0.5質量％以下であるのが好ましく、より好ましくは0.3質量％である。
本発明に使用する多孔質黒鉛化押出成形体の固有抵抗は、押出方向で７μΩｍ未満であり、押出方向と直交する方向で７μΩｍ以上であり、前記固有抵抗の押出方向／直交方向比は0.9以下であるのが好ましい。より好ましくは、多孔質黒鉛化押出成形体の固有抵抗は押出方向で６μΩｍ以下、押出方向と直交する方向で８μΩｍ以上、前記固有抵抗の押出方向／直交方向比は0.6以下である。
本発明に使用する多孔質黒鉛化押出成形体の熱膨張率は、押出方向で3×10-6／K以下であり、押出方向と直交する方向で4×10-6／K以下であり、前記熱膨張率の押出方向／直交方向比は0.8以下であるのが好ましい。より好ましくは、多孔質黒鉛化押出成形体の熱膨張率は押出方向で1×10-6／K以下、押出方向と直交する方向で3×10-6／K以下、前記熱膨張率の押出方向／直交方向比は0.5以下である。
本発明に使用する多孔質黒鉛化押出成形体の熱伝導率は押出方向で150 W/mK以上であり、前記押出方向と直交する方向で80 W/mK以上であり、より好ましくは100 Ｗ／ｍＫ以上である。前記熱伝導率の押出方向／直交方向比は1.3以上であり、より好ましくは1.5以上である。
前記金属としてアルミニウム合金を使用する場合、前記多孔質黒鉛化押出成形体への前記溶融金属の含浸をその融点より10℃以上高い温度及び10 MPa以上の圧力で行うのが好ましく、前記黒鉛／金属複合材の熱処理は(融点−10)℃以下、かつ200℃以上の温度において、昇温速度30℃／分以下、冷却速度20℃／分以下の条件で行うのが好ましい。より好ましくは昇温速度10℃／分以下、冷却速度10℃／分以下である。
前記金属として銅又はその合金を使用する場合、前記多孔質黒鉛化押出成形体への前記溶融金属の含浸をその融点より10℃以上高い温度及び10 MPa以上の圧力で行うのが好ましく、前記黒鉛／金属複合材の熱処理は（融点−10）℃以下、かつ300℃以上の温度において、昇温速度30℃／分以下、冷却速度20℃／分以下の条件で行うのが好ましい。より好ましくは昇温速度10℃／分以下、冷却速度10℃／分以下である。
本発明の放熱基板は、少なくとも前記発熱体接合面にリーク量が1×10−2 Pa・cm3/s以下の気密性を有する金属層が形成されてなるのが好ましい。
前記金属層は厚さ0.5〜20μｍのNi-Bメッキ層及び／又はNi-Pメッキ層であるのが好ましい。
前記基板は貫通孔を有しており、前記貫通孔の内周部にパイプ状補強部材が嵌合されているのが好ましい。
本発明の黒鉛／金属複合材は、(a) 黒鉛からなる骨格とその空孔内に含浸された高熱伝導率の金属とからなるので、黒鉛の特性（小さな熱膨張率）と金属の特性（大きな熱伝導率）を保持するとともに、(b) 熱処理により熱伝導率が幾分向上しているとともに、熱膨張率が著しく低下したという特徴を有する。また本発明の黒鉛／金属複合材は、黒鉛化した押出成形体を骨格としているので、押出方向と直交方向とで特性値に差がある。そのため、用途に応じて切り出し方向を押出方向又は直交方向に平行にすることにより、所望の熱伝導率及び熱膨張率を有する放熱基板を得ることができる。さらに、本発明の黒鉛／金属複合材は熱処理により熱膨張の熱履歴が実質的になくなっているので、半田やろう付けの後でも寸法精度が良好であるという利点も有する。
[1] 高熱伝導・低熱膨張複合材
(A) 構成
(1) 多孔質黒鉛化押出成形体
本発明に使用する多孔質黒鉛化押出成形体は、２g/cm3以下、特に1.6〜1.95 g/cm3の嵩密度を有するのが好ましい。嵩密度が２g/cm3超であると、溶融金属の含浸が不十分であり、熱伝導率の十分な向上効果が得られない。また1.6 g/cm3未満であると、黒鉛骨格の強度が不十分であり、複合材全体の熱膨張率が金属の熱膨張率により大きく影響を受けて増大する。多孔質黒鉛化押出成形体のより好ましい嵩密度は1.65〜1.85 g/cm3である。
(2) 含浸金属
多孔質黒鉛化押出成形体に含浸させる溶融金属としては、11〜14質量％の珪素を含有するアルミニウム合金、銅又は銅合金である。
前記アルミニウム合金が11〜14質量％の珪素を含有することにより、溶融金属の融点が低下し、その結果アルミニウム炭化物の生成が抑えられて、熱伝導率の低下が防止される。さらに、合金内に含まれる針状の珪素粒子が熱処理により粒状化することにより、熱抵抗が低下し、その結果熱伝導率が向上する。
銅合金としてはクロム銅合金が好ましい。合金内に含まれるクロムには黒鉛と銅の界面の強度を向上させる効果があり、その結果複合材強度が向上する。クロムの含有量は好ましくは0.1〜10質量％、より好ましくは0.1〜5質量％、さらに好ましくは0.1〜2質量％である。
複合材中の金属の割合は10〜30体積％であるのが好ましい。多孔質黒鉛化押出成形体に含浸した金属が複合材の10体積％未満であると、嵩密度が1.9g/cm3未満となり、金属含浸による熱伝導率の向上効果が不十分である。また金属が30体積％超であると、黒鉛骨格に対して金属の含浸量が多すぎるので、複合材全体の熱膨張率が金属の熱膨張率により大きく影響され、シリコンや化合物半導体の熱膨張率との差が大きくなりすぎる。複合材中の金属のより好ましい割合は15〜25体積％である。
多孔質黒鉛化押出成形体の空孔にできるだけ緻密に金属が充填されるのが好ましいので、複合材の嵩密度は1.9g/cm3以上であるのが好ましい。嵩密度が1.9g/cm3未満であると、複合材の空孔率が高すぎるので、熱伝導率を十分に高くすることができない。また嵩密度が５g/cm3超になると加圧含浸工程での温度／圧力条件が厳しくなりすぎ、製造が困難になるのみならずコスト高にもなる。複合材のより好ましい嵩密度は1.9〜４g/cm3である。
(B) 製造方法
(1) 多孔質黒鉛化押出成形体の製造
多孔質黒鉛化押出成形体自体は公知の方法により製造することができる。典型的には、コークス等の炭素原料を粉砕し、適当な粒度に分級した後、バインダーとしてピッチを添加し、溶融混練する。混練物を所定の形状の押出口を有するダイから押し出し、所定の長さに切断後焼成し、黒鉛化させる。なお炭素粉末の代わりに炭素繊維を使用しても良いし、炭素粉末と炭素繊維との混合物を使用しても良い。
コークス粉等の炭素粉末の平均粒径は50μｍ以上であるのが好ましい。炭素粉末の平均粒径が50μｍ未満であると、得られる多孔質黒鉛化押出成形体の熱伝導率が不十分である。また炭素粉末の平均粒径が３mm超であると、機械的強度が不十分という問題がある。炭素粉末のより好ましい平均粒径は50μｍ〜３mm程度である。また炭素繊維の場合、ピッチ系の炭素繊維が好ましく、その平均長さは50μｍ〜５mm程度が好ましい。
炭素粉末及び／又は炭素繊維とピッチとの混合比（重量基準）は、10：1〜10：4が好ましく、10：2〜10：3がより好ましい。混合比が10：1未満、また10：4超であると、混練物の粘度が不適となり押出成形が困難になる。
炭素粉末及び／又は炭素繊維とタールピッチとの溶融混練物は100〜140℃の温度で押出ダイから押し出すのが好ましい。
優れた熱伝導率及び熱膨張率を有する黒鉛／金属複合材を得るためには、多孔質黒鉛化押出成形体は高純度の黒鉛からなるのが好ましい。具体的には、多孔質黒鉛化押出成形体中の灰分は0.5質量％以下であるのが好ましく、0.3質量％以下がより好ましい。まず多孔質黒鉛化押出成形体は、押出成形後700〜1000℃により焼成する。焼成後の成形体には多数の気孔があるので、嵩密度1.65 g/cm3以上とするには、焼成後の成形体の気孔内へピッチを含浸し再焼成する。この後、黒鉛化成形体とするために2600〜3000℃の温度で熱処理することにより、炭素質から黒鉛質に変化し多孔質黒鉛化押出成形体とする。高熱伝導率及び低熱膨張率を有する黒鉛／金属複合材を得るためには、多孔質黒鉛化押出成形体を燃焼させたときに残る不燃性の鉱物質（灰分）は0.5質量％以下とし、純度の高い黒鉛質となすことが肝要である。
(2) 金属の含浸
多孔質黒鉛化押出成形体への溶融金属の含浸は溶湯鍛造法により行うことができる。溶湯鍛造法を行うのに好ましい金型装置の一例を図１に示す。図１(a) に示すように、金型装置１は、中央にキャビティ11aを有する上型11と、上型11の下に配置され、中央に開口部12aを有する下型12と、上型11のキャビティ11a内に配置された下パンチ13と、下パンチ13の底部に連結して下型12の開口部12aを貫通するシャフト14と、上型11のキャビティ11a内に進入する上パンチ15と、上パンチ15の上面に連結したプランジャーシャフト16とを有する。
図１(a) に示すように、まず上パンチ15を取り外し、かつ多孔質黒鉛化押出成形体20を載置した下パンチ13を上型11のキャビティ11a内の最下部まで降下させた状態で、取鍋２より溶融金属Mをキャビティ11a内に注入する。このとき上下型11，12及び多孔質黒鉛化押出成体等を所定の温度に加熱しておくとともに、含浸中に凝固しないように十分な量の溶融金属Mをキャビティ11a内に注入するのが好ましい。また、溶融金属を注入した時に、多孔質黒鉛化押出成体20が浮上するのを防止するために、鉄製材料などの重しをするとより好ましい。
図１(b) に示すように、上パンチ15をキャビティ11a内に進入させ、プランジャーシャフト16を介して高圧で上パンチ15を押圧すると、高圧になった溶融金属Mは多孔質黒鉛化押出成形体20の空孔内に浸入する。多孔質黒鉛化押出成形体20に浸入した溶融金属Mが凝固した後、図１(c) に示すように、上パンチ15を除去し、次いで下パンチ13を上昇させて、得られた金属含浸多孔質黒鉛化押出成形体21を取り出す。最後に図１(d) に示すように、金属含浸多孔質黒鉛化押出成形体21を凝固金属M’から切り出す。なお溶融金属Mが多孔質黒鉛化押出成形体20の空孔に十分に加圧浸入しないうちに凝固するのを防止するために、溶湯鍛造の間上下の金型11，12及びパンチ13，15を所定の温度に加熱しているのが好ましい。
溶湯鍛造温度は溶融金属の種類により異なるが、一般に溶融金属の融点より10℃以上高い温度であるのが好ましい。具体的には、各金属又はその合金の溶湯鍛造温度は下記表１に示す通りである。いずれの溶融金属の場合でも、溶湯鍛造温度が下限温度未満であると、溶融金属の多孔質黒鉛化押出成形体の空孔への浸入が不十分である。また溶湯鍛造温度を上昇することにより得られる効果は上限温度でほぼ飽和し、それより高くしてもそれに伴う効果の向上は得られない。また、いずれの溶融金属の場合でも、含浸する前に、多孔質黒鉛化押し出し成形体の温度を溶融金属の融点と同等か、好ましくは溶融金属の融点以上に予め加熱しておくと、成形体の空孔中への溶融金属の十分な浸入が達成されるので好ましい。
溶湯鍛造圧力は溶融金属の種類によらず10 MPa以上必要である。より好ましくは50 MPa以上である。いずれの溶融金属の場合でも、溶湯鍛造圧力が下限温度未満であると、溶融金属の多孔質黒鉛化押出成形体の空孔への浸入が不十分である。また溶湯鍛造圧力を上昇することにより得られる効果は上限圧力でほぼ飽和し、それより高くしてもそれに伴う効果の向上は得られない。
加圧時間は溶融金属の種類、温度及び圧力によらず、一般に１分〜30分もあれば良い。加圧時間が１分未満の場合、多孔質黒鉛化押出成形体は十分に溶融金属で含浸されず、また30分超では溶融金属の温度が低下してしまい、さらに含浸が進むことはない。
(3) 熱処理
図２は本発明に好ましい黒鉛／金属複合材の熱処理パターンを示す。黒鉛／金属複合材の昇温速度は30℃／分以下であるのが好ましく、10℃／分以下であるのがより好ましい。昇温速度が30℃／分超であると、複合材の温度が均一にならないという問題がある。なお昇温速度の下限は、熱処理効率を考慮して0.5℃／分程度であれば良い。
黒鉛／金属複合材の保持温度は、一般に（各金属の融点−10℃）以下で、かつ200℃以上であるのが好ましい。保持温度が（各金属の融点−10℃）超であると、金属が軟化又は溶融して、多孔質黒鉛化押出成形体から滲出する恐れがある。また保持温度が200℃未満では、熱処理効果が十分に得られない。なお保持時間は1〜120分程度であれば良い。
上記温度に保持した黒鉛／金属複合材は徐冷するのが好ましいので、その冷却速度は20℃／分以下であるのが好ましく、10℃／分以下であるのがより好ましい。冷却速度が20℃／分超であると、含浸した金属の熱履歴が残る。なお冷却速度の下限は、熱処理効率を考慮して0.5℃／分程度であれば良い。
なお、これらの熱処理は金属含浸多孔質黒鉛化押出成形体21の状態で施してもよく、押出方向と垂直な面に沿って切り出した金属含浸黒鉛／金属複合材を熱処理しても良い。製造工程上は前者の方が好ましい。
各金属含浸黒鉛／金属複合材の好ましい熱処理条件を以下の表２にまとめて示す。
(C) 特性
(1) 熱伝導率
本発明の黒鉛／金属複合材は、多孔質黒鉛化押出成形体の空孔に高熱伝導率の金属が加圧浸入した構造を有するので、黒鉛より著しく高い熱伝導率を有する。また黒鉛骨格自体は押出成形体からなり、異方性を有するので、押出方向とその直交方向とで熱伝導率に差がある。多孔質黒鉛化押出成形体自体の熱伝導率は押出方向で150W/mK以上であり、その直交方向で80 W/mK以上である。そのため、含浸する金属の種類に関わらず、複合材の熱伝導率は押出方向で250 W/mK以上であり、その直交方向で150 W/mK以上の熱伝導率を発揮できる。さらに、本発明の特徴として黒鉛／金属複合材は熱処理を施すことにより熱伝導率はさらに向上する。
各黒鉛／金属複合材の熱処理前後の熱伝導率を以下の表３にまとめて示す。
(2) 熱膨張率
本発明の黒鉛／金属複合材は、骨格が多孔質黒鉛化押出成形体からなるので、全体的に黒鉛の熱膨張率に近い熱膨張率を有する。また黒鉛骨格は押出成形体からなるので、押出方向とその直交方向とで熱膨張率に差がある。多孔質黒鉛化押出成形体自体の熱膨張率は押出方向で3.0×10-6／K以下であり、その直交方向で4.0×10-6／K以下である。そのため、含浸する金属の種類に応じて多少異なるが、複合材の熱膨張率は押出方向で4.0×10-6／K未満であり、その直交方向で10×10-6／K以下の低熱膨張率を発揮できる。さらに本発明の特徴として、黒鉛／金属複合材は熱処理を施すことにより熱膨張率がさらに低下する。
各黒鉛／金属複合材の熱処理前後の熱膨張率と寸法変化率を以下の表４にまとめて示す。
(3) 熱膨張の熱履歴
熱処理前の黒鉛／金属複合材の熱膨張は熱履歴を有する。すなわち、熱処理前の黒鉛／金属複合材を加熱すると、黒鉛／金属複合材は熱膨張するが、加熱冷却後、室温で元のサイズに戻らず、寸法安定性に劣るという欠点がある。ところが、本発明の熱処理を施すと、寸法変化率が著しく低減することが分かった。寸法安定性に優れていると、黒鉛／金属複合材を放熱基板として使用した場合に半田やろう付けの熱を受けても、寸法の変化が実質的になく、放熱基板が反ったり、半導体素子又はレーザ素子等の発熱素子に不要な応力がかかったりすることがない。
(4) その他の性質
黒鉛／金属複合材の固有抵抗は熱処理により若干低下する。固有抵抗の低下は特に押出方向において顕著である。一般に黒鉛／金属複合材の固有抵抗は、押出方向で４μΩm以下であるのが好ましく、また直交方向で７μΩm以下であるのが好ましい。各黒鉛／金属複合材の熱処理前後の固有抵抗を以下の表５にまとめて示す。
黒鉛／金属複合材の固有抵抗が熱処理により低下するのは、含浸金属中の酸素量が熱処理により低下するため高純度化が進むためであると推定される。含浸金属中の酸素量は金属の種類により異なる。一般に熱処理前の黒鉛／金属複合材では、アルミニウム又はその合金の場合には200〜400 ppmであり、銅又はその合金の場合には500〜1000 ppmであり、銀又はその合金の場合には200〜600 ppmであり、マグネシウム又はその合金の場合には200〜600 ppmであり、亜鉛又はその合金の場合には500〜2000 ppmである。特に銅又はその合金の場合、熱処理により酸素含有量は著しく低下する。具体的には、熱処理後の黒鉛／銅複合材の酸素含有量は400 ppm以下に低下している。
黒鉛／金属複合材のヤング率は熱処理前後でほとんど変わらず、放熱基板として使用するときに必要なレベルの面方向で５GPa以上である。また黒鉛／金属複合材の曲げ強さも熱処理前後でほとんど変わらず、放熱基板として使用するときに必要なレベルの10 MPa以上である。熱処理による高熱伝導率化、低熱膨張率化及び寸法安定性の向上は、主に溶湯鍛造時の残留歪が消滅したためであると考えられる。特にAl-Si合金を使用した場合、熱抵抗を増大させる針状組織が熱処理により粒状化することも、熱伝導率の向上に寄与していると考えられる。また銅又は銅合金を使用した場合、熱抵抗を増大させる酸素量が熱処理により減少することも、熱伝導率の向上に寄与していると考えられる。
[2] 放熱基板
放熱基板は、熱処理した黒鉛／金属複合材を所定のサイズに切り出したものである。放熱基板はヒートシンク又はヒートスプレッダー等として用いるのが好ましいが、黒鉛／金属複合材の優れた加工性により放熱フィンとヒートスプレッダーを一体化した構造とすることも可能である。半導体素子又はレーザ素子等の発熱素子を接合する面は黒鉛／金属複合材の押出方向と直交する面であるのが好ましいが、押出方向と平行な面であっても良い。
例えば図３に示すように、半導体素子３が接合する面が押出方向に対して垂直な放熱基板４の場合、放熱基板４の熱伝導率は厚さ方向の方が面方向より大きいので、半導体素子３の熱は素早く放熱基板４の他面に接合されたヒートシンク５に伝達される。一方、放熱基板４の熱膨張率は面方向の方が厚さ方向より大きいので、放熱基板４の面方向における熱膨張率は半導体素子３の熱膨張率とヒートシンクの熱膨張率の両方に近い。そのため、半導体素子３の動作時に放熱基板４との接合面とヒートシンクの接合面の両方に大きな熱応力がかかることがない。
また、半導体素子３を放熱基板４に接合するための半田やろう付けの際の加熱によっても、半導体素子３に大きな熱応力がかかることがない。
さらに、放熱基板の熱膨張率は面方向より厚さ方向の方が半分以下と小さいので、パッケージ作製時の加熱時に、高さ方向の膨張率が小さくなり組み立て工程において、位置決めしやすく好ましい。
放熱基板の製造方法は、黒鉛／金属複合材を熱処理後に切り出すことを特徴とする。熱処理前に黒鉛／金属複合材を切削すると、寸法安定性に劣るので、半田やろう付けの際の加熱や動作時の昇温により、放熱基板の寸法が変化してしまう。そのため、寸法精度を出すために仕上げ加工が必要になったり、放熱基板接合部の信頼性が低下するという問題がある。
所定の寸法に切削加工した放熱基板の表面には、パッケージの気密性を確保するために金属層を設けるのが好ましい。通常は放熱基板の全面に金属層を設けるのが好ましいが、パッケージの気密性を確保する目的からすれば少なくとも半導体素子等を搭載する面（及び裏面）に設ければ良い。気密性としては、1×10−2Pa・cm3/s以下のリーク量となるものであれば良い。
金属層の形成方法としては、CVD法、蒸着法、スパッタ法、金属ペースト印刷・焼成法、メッキ法等が挙げられる。気密性確保のために、金属層の厚さは0.5μｍ〜10μｍであるのが好ましい。メッキの場合、電界メッキより無電解メッキの方が、放熱基板の外周に均一に金属層を形成できるので好ましい。
メッキ層としては、Ni-P、Ni-B、Cuメッキ等が好ましい。含浸金属が銅又はその合金であって、700℃以上の耐熱性が要求される場合、特に金属と拡散反応し難いNi-Bメッキが安定的であるので好ましい。これらの金属層は気密性確保だけでなく、他部品との接合用下地としても利用可能である。このような金属層を設けることにより、半導体素子のような発熱体やパッケージとの密着性が向上するので望ましい。
特に含浸金属がアルミニウム合金である放熱基板は大きな熱伝導率を有するとともに、シリコンや化合物半導体の熱膨張率に近い熱膨張率を有し、かつ半田付け性が良いので、接合に半田付けを用いる半導体素子用のヒートスプレッダー等に好適である。また黒鉛／アルミニウム複合材は溶湯鍛造温度及び熱処理温度が低いので、製造コストが低いという利点を有する。さらに、従来の銅、アルミニウムからなるヒートスプレッダーよりも半導体素子に近い熱膨張率を有し、かつ軽量なので、グリースなどを介したヒートスプレッダーにも好ましい。
また含浸金属が銅又はその合金である放熱基板は、大きな熱伝導率を有するとともに、小さい熱膨張率を有し、寸法安定性が良好である。その上、比較的高融点の銅で含浸されているので耐熱性が高く、ろう付け温度でも変化しない。そのため、銀ろうを用いたろう付けを行うレーザ素子の放熱を含む光通信用パッケージ等の用途に好適である。
また、締結用の貫通孔を有する放熱基板の場合は、この貫通孔に金属のパイプ部材を嵌合すると、補強部材として働き、高い締結トルクをかけてもクラックなどの損傷を防止することができ、高い締め付けトルクを得ることができる。また、金属パイプ部材は貫通孔周辺に集中する熱応力を分散させる熱伝導部材としても働き、放熱基板としての効果も高くなる。
本発明を以下の実施例によりさらに詳細に説明するが、本発明はそれらに限定されるものではない。
実施例１
平均粒径500μｍのコークス粒子とピッチとの溶融混練物を押出成形し、黒鉛化してなる多孔質黒鉛化押出成形体（嵩比重：1.70、灰分0.3質量％、押出方向及び押出方向と直交する方向における固有抵抗がそれぞれ5.0μΩｍ及び8.5μΩｍ、押出方向及び押出方向と直交する方向における熱膨張係数がそれぞれ0.6×10−６／K及び2.0×10−６／K、押出方向及び押出方向と直交する方向における熱伝導率がそれぞれ230 W/mK及び120 W/mK）と、12質量％のSiを含有するAl-Si合金とを用いて、下記の条件により黒鉛／Al-Si複合材を製造した。
まず図１(a) に示す金型装置（750℃に保持）のキャビティ内に上記多孔質黒鉛化押出成形体を載置し、上記Al-Si合金の溶湯（750℃）を注入した後で、上パンチを押し下げて、100 MPaで５分間溶湯鍛造を行った。余分のAl-Si合金を切削により除去することにより黒鉛／Al-Si複合材を得た。この黒鉛／Al-Si複合材に対して下記条件で熱処理を行った。
昇温速度：２℃／分
保持条件：500℃×60分
冷却速度：２℃／分
熱処理後の黒鉛／Al-Si複合材を40.0 mm×20.0 mm×2.0 mmのサイズに切り出し、放熱基板用サンプルとした。なお放熱基板の厚さ方向は複合材の押出方向と一致させた。
熱処理前後の黒鉛／Al-Si複合材のサンプルに対して、Al-Si合金の含有量、Al-Si合金のSiリッチ相のうちの針状組織の含有量、嵩密度、熱伝導率、熱膨張率、固有抵抗、弾性率（ヤング率）、曲げ強度、及び寸法変化率を下記方法により測定した。測定結果を下記表６に示す。
(1) 嵩密度は、見掛けの単位体積当たりの重量とした。
(2) 熱伝導率は、JIS R 1611に基づきアルバック理工（株）製のTC-7000H型レーザフラッシュ法熱定数測定装置により測定した。
(3) 熱膨張率及び寸法変化率は、セイコーインスツルメンツ（株）製のEXSTAR6000熱分析システムによる熱機械分析装置により測定した。
(4) 固有抵抗は、アルバック理工（株）製のZEM-2を使用して、４端子法により測定した。
(5) ヤング率は、シンクアラウンドユニットUVM-2及びデジタルオシロスコープを用い、超音波の透過波を受信する二探触子法により測定した。
(6) 曲げ強度は、JIS R 1601に基づき（株）島津製作所製のオートグラフAG-G型を用い、３点曲げ試験法により測定した。
比較例１
下記条件で熱処理を行った以外実施例１と同様にして黒鉛／Al-Si複合材を作製し、評価した。結果を下記表６に示す。
昇温速度：２℃／分
保持条件：150℃×60分
冷却速度：２℃／分
表６から明らかなように、熱処理により黒鉛／Al-Si複合材の熱伝導率は増大し、熱膨張率、寸法変化率は著しく減少した。また抵抗、ヤング率及び曲げ強度については、熱処理の前後でほとんど変化はなかった。以上の結果から、熱処理により黒鉛／Al-Si複合材は放熱基板として望ましい性能を獲得したと言うことができる。一方比較例１では、熱伝導率、熱膨張率及び寸法変化率が熱処理前とほとんど変わらなかった。
熱処理前後の黒鉛／Al-Si複合材からなるサンプルについて、Al-Si部分の組織を日立製作所（株）製の走査イオン顕微鏡（SIM）FB-2000Aを用いて観察した。SIM写真を図４に示す。図４の(a) から明らかなように、熱処理前の黒鉛／Al-Si複合材からなるサンプルでは、Siリッチ相からなる針状組織が析出していた。これに対して、図４の(b)から明らかなように、熱処理後の黒鉛／Al-Si複合材からなるサンプルでは、針状組織は球状化していた。本実施例では、珪素リッチ相のうち、長径が30μｍ以下、アスペクト比（長径／短径）が10以上の針状組織の割合（顕微鏡写真における面積率）は５％に減少していた。Siリッチ相は低熱伝導なので、球状化することにより熱抵抗が減少し、熱伝導率の向上に寄与していると推定される。珪素リッチ相のうち、長径が30μｍ以下でアスペクト比が10以上の針状組織の面積率が10％以下、特に5％以下となると、熱伝導率が著しく増大することが分かった。
熱処理前後の黒鉛／Al-Si複合材からなるサンプルについて、室温から500℃まで加熱した後、放冷し、それぞれ押出方向及び直交方向における熱膨張の履歴を測定した。結果を図５及び６に示す。図５(a) 及び図６(a) から明らかなように、熱処理前の黒鉛／Al-Si複合材は、熱履歴後に押出方向で0.18％、直交方向で0.32％の寸法変化率を示した。一方、図５(b) 及び図６(b) から明らかなように、熱処理後の黒鉛／Al-Si複合材では、熱履歴後に押出方向及び直交方向のいずれでも寸法変化率は僅か0.01％であり、寸法変化は実質的になかったことが分かる。以上の結果から、金属含浸後に熱処理してなる本発明の黒鉛／Al-Si複合材は、熱履歴後でも寸法変化が少なく、寸法安定性に優れていることが分かる。
実施例２
実施例１に用いたのと同じ多孔質黒鉛化押出成形体と、純銅（純度99.9％以上）とを用いて、下記のように黒鉛／銅複合材を製造した。まず図１(a)に示す金型装置（1000℃に保持）のキャビティ内に上記多孔質黒鉛化押出成形体を載置し、上記純銅の溶湯（1350℃）を注入した後で、上パンチを押し下げて、100 MPaで５分間溶湯鍛造を行った。余分の純銅を切削により除去することにより黒鉛／銅複合材を得た。この黒鉛／銅複合材に対して、下記条件で熱処理を行った。
昇温速度：５℃／分
保持条件：900℃×120分
冷却速度：５℃／分
熱処理後の黒鉛／銅複合材を40.0 mm×20.0 mm×2.0 mmのサイズに切り出し、放熱基板用サンプルとした。なお放熱基板の厚さ方向は複合材の押出方向と一致していた。各サンプルに対して、実施例１と同様にして、銅の含有量、嵩密度、熱伝導率、熱膨張率、寸法変化率（加熱・放冷した後の寸法変化率）、固有抵抗、弾性率（ヤング率）、曲げ強度、及び銅中の酸素量を測定した。測定結果を下記表７に示す。
比較例２
多孔質黒鉛化押出成形体（嵩比重：1.58、灰分0.7質量％、押出方向及び押出方向と直交する方向における固有抵抗がそれぞれ9.0μΩｍ及び9.5μΩｍ、押出方向及び押出方向と直交する方向における熱膨張係数がそれぞれ4.0×10−６／K及び4.2×10−６／K、押出方向及び押出方向と直交する方向における熱伝導率がそれぞれ130 W/mK及び80 W/mK）を用いた以外実施例２と同様にして、黒鉛／銅複合材を製造し、実施例２と同じ測定を行った。測定結果を下記表７に示す。
表７から明らかなように、熱処理により黒鉛／銅複合材の熱伝導率は若干増大するとともに、熱膨張率は著しく減少した。また抵抗、ヤング率及び曲げ強度については、熱処理の前後でほとんど変化はなかった。以上の結果から、熱処理により黒鉛／銅複合材は放熱基板として望ましい性能を獲得したと言うことができる。一方比較例２では、寸法変化率が熱処理により低減されたが、熱処理後でも熱伝導率が低く、熱膨張率は大きかった。
熱処理前後の黒鉛／銅複合材からなるサンプルについて、銅部分を走査イオン顕微鏡（SIM）により観察した。SIM写真を図７に示す。図７の(a) から明らかなように、熱処理前の黒鉛／銅複合材からなるサンプルでは、銅相は典型的な鋳造組織を呈していた。これに対して、図７の(b) から明らかなように、熱処理後の黒鉛／銅複合材からなるサンプルでは、銅相は等軸晶に変化していた。また酸素量が著しく減少していた。熱抵抗を増大させる酸素量の低減は熱伝導率の向上をもたらしたと推定される。
熱処理前後の黒鉛／銅複合材からなるサンプルについて、室温から900℃まで加熱した後、放冷し、それぞれ押出方向及び直交方向における熱膨張の履歴を測定した。結果を図８及び図９に示す。図８(a) 及び図９(a) から明らかなように、熱処理前の黒鉛／銅複合材では冷却後に押出方向、直交方向がそれぞれ0.35％及び0.40％の寸法変化率であったが、図８(b) 及び図９(b) から明らかなように、熱処理後の黒鉛／銅複合材では押出方向、直交方向それぞれ0.02％及び0.01％の寸法変化率となり、寸法変化は実質的になかった。これから、本発明の黒鉛／銅複合材は加熱されても寸法変化が小さく、寸法安定性に優れていることが分かる。
実施例３
実施例１に用いたのと同じ多孔質黒鉛化押出成形体（嵩比重：1.70、灰分0.3質量％、押出方向及び押出方向と直交する方向における固有抵抗がそれぞれ5.0μΩｍ及び8.5μΩｍ、押出方向及び押出方向と直交する方向における熱膨張係数がそれぞれ0.6×10−６／K及び2.0×10−６／K、押出方向及び押出方向と直交する方向における熱伝導率がそれぞれ230 W/mK及び120 W/mK）と、70質量％のCu及び30質量％のZnからなる黄銅を用いて、下記の条件により黒鉛／黄銅複合材を製造した。
まず図１(a) に示す金型装置（1000℃に保持）のキャビティ内に上記黒鉛を載置し、上記黄銅の溶湯（1350℃）を注入した後で、上パンチを押し下げて、100 MPaで５分間溶湯鍛造を行った。余分の純銅を切削により除去することにより黒鉛／黄銅複合材を得た。この黒鉛／黄銅複合材に対して下記条件で熱処理を行った。
昇温速度：５℃／分
保持条件：900℃×120分
冷却速度：５℃／分
得られた黒鉛／黄銅複合材のサンプルに対して、実施例１と同様にして、黄銅の含有量、嵩密度、熱伝導率、熱膨張率、寸法変化率（加熱・放冷した後の寸法変化率）、固有抵抗、ヤング率、曲げ強度、及び黄銅中の酸素量を測定した。測定結果を下記表８に示す。
比較例３
下記条件で熱処理を行った以外実施例３と同様にして黒鉛／黄銅複合材を作製し、測定した。結果を表８に示す。
昇温速度：５℃／分
保持条件：250℃×120分
冷却速度：５℃／分
実施例４
表６に示す実施例１の黒鉛／Al-Si合金複合体（熱処理後）から切り出してなる40.0 mm×20.0 mm×2.0 mmの放熱基板の表面に、ジンケート処理後無電解Ni-Pメッキを施した。また表７に示す実施例２の黒鉛／Cu複合体（熱処理後）から切り出してなる40.0 mm×20.0 mm×2.0 mmの放熱基板の表面に、無電解Ni-Bメッキを施した。各メッキ済放熱基板に対して、メッキ層の有無と気密性との相関を評価するために、JIS C 7021 A-6に基づき、日本真空製のヘリウムリークディテクターDLMS-33型を用い、メッキ済放熱基板を貫通するヘリウムガスの量を測定した。メッキ済放熱基板を貫通するヘリウムガスの量をリーク量として、気密性のパラメータとした。結果を下記表９に示す。
黒鉛／Al-12Si及び黒鉛／Cuのいずれも、メッキを施すことにより気密性が著しく向上することが分かった。なおメッキ厚さが0.5μｍ未満だと十分な気密性が得られない。また20μｍを超えると残留応力の増大により、メッキ膜が剥離する。なお黒鉛／Al-12Si複合体等は、Al蒸着膜も密着力が高くなり好ましい。また黒鉛／Cu複合体等は、Agペーストを印刷したのち、900℃で焼成した膜を形成しても良い。この場合、膜応力が低いので、膜厚は30μｍ程度でもよい。
実施例５
本発明の黒鉛／金属複合材（Cu）を半導体素子搭載用モジュールに用いた例を図10に示す。図の半導体素子搭載用モジュールは、縦100 mm×横100 mm×厚さ2 mmの黒鉛／Cu複合体からなる放熱基板4aと、縦30 mm×横30 mm×厚さ0.8 mmの窒化珪素基板からなる絶縁基板６と、ヒートシンク５とからなる。
放熱基板4aと絶縁基板６をろう付けし、絶縁基板６にNiメッキを施した後、10 mm×10mmの半導体チップ３を絶縁基板６にはんだ付けした。また、放熱基板4aとヒートシンク５は高熱伝導グリースを介してボルト等で機械的に締結しモジュールとした。
放熱基板4aは黒鉛／Cu複合体からなるが、ここではCrを1.0質量％含有するクロム銅合金に含浸し、基板の厚み方向の熱伝導率が250W/mK以上、熱膨張係数が0.1×10−６／Kより大きく４×10−６／K未満、厚み方向と直交する方向（素子搭載面側）の熱伝導率が150W/mK以上、熱膨張係数が４×10−６／K以上、10×10−６／K以下の放熱基板4aとした。
この例の半導体モジュールの放熱特性の評価を行った。放熱特性は、通電時の半導体チップの表面温度と半導体チップ３とヒートシンク５の裏面との間の熱抵抗（℃／Ｗ）を測定し、さらに−40℃〜125℃までの昇降温試験を3000サイクル行った後の半導体チップ３とヒートシンク５の裏面との間の熱抵抗を測定した。尚、3000サイクルの温度サイクル試験後の熱抵抗は温度サイクル試験前の熱抵抗からの上昇率で示した。
その結果、半導体素子表面温度は52.1℃、熱抵抗は0.23℃／Ｗ、サイクル試験後上昇率は2.5％という特性が得られ、従来に比べて、半導体素子の表面温度および熱抵抗は総じて低くなり、サイクル試験後の上昇率も小さくなった。
また、本発明の黒鉛／金属複合材を放熱基板4aに用いる場合、図11に示すようにヒートシンク５との締結のために放熱基板4aに貫通孔40を設けることがある。このとき、貫通孔40の内周部に金属パイプ部材7を嵌合することが望ましい。パイプ部材7の形状は、貫通孔40の内周面に嵌合されるものであれば特に制限されるものではなく、図12(a)及び(b)のような形状、又は図12(c)のように鍔70があっても良い。両端部に鍔70があると貫通孔40を起点とするクラックの発生をより抑制することができるので好ましい。鍔70を一方の端部のみに形成する場合には、ボルト頭部が接触する側に形成する。
さらには、図12(d)のようにスリット71入り、図12(e)のようにノッチ72入りのパイプ部材7とすることもできる。このようなスリット71やノッチ72が入っていると円周方向で弾性変形が可能となるのでパイプ部材７を貫通孔40に容易に嵌合することができる。また、スリット71やノッチ72は、基板の加熱に伴うパイプ部材７の膨張による基板への負荷を緩衝する役割も有する。このようなパイプ部材７は冷熱サイクル、はんだリフロー工程に対して十分な耐久性がある。また、パイプ部材７と基板の界面をろう材などを用い金属接合することにより、密着性が向上し、より放熱性を向上させることができるので好ましい。
多孔質黒鉛化押出成形体に対して溶湯鍛造を実施するための金型装置を示す概略断面図であり、(a) は多孔質黒鉛化押出成形体を載置した金型キャビティ内に溶融金属を注入する様子を示し、(b) は多孔質黒鉛化押出成形体を溶融金属で包囲した状態で溶湯鍛造を行う様子を示し、(c) は溶湯鍛造品を金型から取り出す様子を示し、(d) は溶湯鍛造品から金属が含浸した多孔質黒鉛化押出成形体を切り出す様子を示す。 本発明の黒鉛／金属複合材に対して行う熱処理のパターンを概略的に示すグラフである。 半導体素子に接合した本発明の放熱基板を示す概略断面図である。 実施例１における黒鉛／Al-Si複合材のSIM写真であり、(a) は熱処理前であり、(b) は熱処理後である。 実施例１における黒鉛／Al-Si複合材の押出方向における熱膨張の履歴を示すグラフであり、(a) は熱処理前であり、(b) は熱処理後である。 実施例１における黒鉛／Al-Si複合材の直交方向における熱膨張の履歴を示すグラフであり、(a) は熱処理前であり、(b) は熱処理後である。 実施例２における黒鉛／銅複合材のSIM写真であり、(a) は熱処理前であり、(b) は熱処理後である。 実施例２における黒鉛／銅複合材の押出方向における熱膨張の履歴を示すグラフであり、(a) は熱処理前であり、(b) は熱処理後である。 実施例２における黒鉛／銅複合材の直交方向における熱膨張の履歴を示すグラフであり、(a) は熱処理前であり、(b) は熱処理後である。 本発明の黒鉛／金属複合材を半導体モジュールに用いた実施例を示す断面図である。 貫通孔付き基板に用いるパイプ部材の例を示す斜視図である。 (a) は図11のＡ−Ａ断面図であり、(b) は図11に示す放熱基板の貫通孔に金属パイプ部材を嵌合する状態を示す断面図であり、(c) は放熱基板の貫通孔に嵌合される金属パイプ部材の別の例を示す断面図であり、(d) は放熱基板の貫通孔に嵌合される金属パイプ部材のさらに別の例を示す斜視図であり、(e) は放熱基板の貫通孔に嵌合される金属パイプ部材のさらに別の例を示す斜視図である。
符号の説明
１・・・溶湯鍛造用金型装置
２・・・取鍋
３・・・半導体素子
４・・・放熱基板（ヒートスプレッダー）
４ａ・・・放熱基板
５・・・ヒートシンク
６・・・絶縁基板（窒化珪素基板）
７・・・パイプ部材
11・・・上型
12・・・下型
13・・・下パンチ
14，16・・・プランジャー
15・・・上パンチ
20・・・多孔質黒鉛化押出成形体
21・・・黒鉛／金属複合材
M・・・溶融金属
40・・・貫通孔
71・・・スリット
72・・・ノッチ

Claims (12)

  1. 多孔質黒鉛化押出成形体に金属が含浸した高熱伝導・低熱膨張複合材であって、前記金属が11〜14質量％の珪素、残部がアルミニウム及び不可避不純物からなるアルミニウム合金であり、その金属組織中に析出した珪素（Si）リッチ相のうち、長径が30μｍ以下でアスペクト比（長径／短径）が10以上の針状組織の割合（顕微鏡写真における面積率）が10％以下であり、当該複合材は熱伝導率及び熱膨張率に異方性を有し、押出方向の熱伝導率が250 W/mK以上で熱膨張率が４×10-6／K未満であり、前記押出方向と直交する方向の熱伝導率が150 W/mK以上で熱膨張率が10×10-6／K以下であることを特徴とする高熱伝導・低熱膨張複合材。
  2. 多孔質黒鉛化押出成形体に金属が含浸した高熱伝導・低熱膨張複合材であって、前記金属が銅又はその合金であり、前記金属中の酸素量が400 ppm以下であり、当該複合材は熱伝導率及び熱膨張率に異方性を有し、押出方向の熱伝導率が250 W/mK以上で熱膨張率が４×10-6／K未満であり、前記押出方向と直交する方向の熱伝導率が150 W/mK以上で熱膨張率が10×10-6／K以下であることを特徴とする高熱伝導・低熱膨張複合材。
  3. 請求項１又は２に記載の高熱伝導・低熱膨張複合材において、嵩密度が1.9 g/cm3以上であり、前記金属の含有量が10〜30体積％であることを特徴とする高熱伝導・低熱膨張複合材。
  4. 請求項１〜３のいずれかに記載の高熱伝導・低熱膨張複合材において、前記押出方向における固有抵抗が４μΩｍ以下であり、前記直交方向における固有抵抗が７μΩｍ以下であることを特徴とする高熱伝導・低熱膨張複合材。
  5. 請求項１〜４のいずれかに記載の高熱伝導・低熱膨張複合材において、前記押出成形体は炭素粒子とタールピッチとからなり、前記炭素粒子は平均粒径50μｍ以上で、灰分が0.5質量％以下であることを特徴とする高熱伝導・低熱膨張複合材。
  6. 請求項１〜５のいずれかに記載の高熱伝導・低熱膨張複合材において、固有抵抗が、押出方向で７μΩｍ未満であり、前記押出方向と直交する方向で７μΩｍ以上であり、前記固有抵抗の押出方向／直交方向比は0.9以下である多孔質黒鉛化押出成形体に前記溶融金属を含浸させてなることを特徴とする高熱伝導・低熱膨張複合材。
  7. 請求項１〜６のいずれかに記載の高熱伝導・低熱膨張複合材において、熱膨張率が、押出方向で３×10-6／K以下であり、前記押出方向と直交する方向で４×10-6／K以下であり、前記熱膨張率の押出方向／直交方向比は0.8以下である多孔質黒鉛化押出成形体に前記溶融金属を含浸させてなることを特徴とする高熱伝導・低熱膨張複合材。
  8. 請求項１〜７のいずれかに記載の高熱伝導・低熱膨張複合材において、熱伝導率が、押出方向で150 W/mK以上であり、前記押出方向と直交する方向で80 W/mK以上であり、前記熱伝導率の押出方向／直交方向比は1.3以上である多孔質黒鉛化押出成形体に前記溶融金属を含浸させてなることを特徴とする高熱伝導・低熱膨張複合材。
  9. 請求項１〜８のいずれかに記載の高熱伝導・低熱膨張複合材からなる放熱基板であって、基板の板厚方向が前記多孔質黒鉛化押出成形体の押出方向に一致しており、押出方向と直交する面が発熱体との接合面であることを特徴とする放熱基板。
  10. 請求項９に記載の放熱基板において、少なくとも前記発熱体接合面にリーク量が1×10−2 Pa・cm3/s以下の気密性を有する金属層が形成されてなることを特徴とする放熱基板。
  11. 請求項10に記載の放熱基板において、前記金属層が厚さ0.5〜20μｍのNi-Bメッキ層及び／又はNi-Pメッキ層であることを特徴とする放熱基板。
  12. 請求項９〜11のいずれかに記載の放熱基板において、前記基板は貫通孔を有しており、前記貫通孔の内周部にパイプ状補強部材が嵌合されていることを特徴とする放熱基板。
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