JP6502950B2 - 放熱部材、及び放熱部材の製造方法 - Google Patents
放熱部材、及び放熱部材の製造方法 Download PDFInfo
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Description
本発明者らは、複合材料の表面に半田などとの濡れ性に優れる金属層を形成する技術について種々検討した結果、以下の知見を得た。金属層を形成する方法の1つとして、複合材料の表面に金属をめっきすることが考えられる。複合材料の表面に非金属無機材料からなる良熱伝導体粒子が露出している場合、適用可能なめっき方法は無電解めっきとなるが、無電解めっきでは表面の平滑性を改善することが難しい。別の方法として、複合材料の表面に金属箔をホットプレスで貼り付けることが考えられるが、複合材料の表面には製造上の凹凸が存在することから、十分な密着性を得ることが難しい。この場合、複合材料の表面を研磨して平坦に加工することも考えられるが、複合材料にはダイヤモンド粒子やSiC粒子などのセラミックス粒子(良熱伝導体粒子)を含有しているため、加工すること自体が困難である他、加工時の熱によって複合材料自体が変形する虞がある。特に、複合材料がダイヤモンド粒子を含有している場合、加工は極めて困難である。また、一般に、金属箔は圧延によって製造されるため、製造過程で加工歪みを多く内包している。加工歪みを多く内包した金属は再結晶を起こし易いため、金属箔をホットプレスで貼り付けた場合、金属箔を構成する金属結晶粒は再結晶によって粗大化し易い。金属箔で金属層を形成した場合は、金属結晶粒の結晶粒径が大きいことで、過酷なヒートサイクルが加えられた場合に金属層にクラックが生じることがある。更に別の技術としては、複合材料の製造時において、金属マトリクスの量を増やして、複合材料の表面に金属マトリクスの金属成分からなる金属層を形成することが考えられる。しかし、溶浸法によって形成された金属層は鋳造組織であるため、金属層を構成する金属結晶粒の結晶粒径が大きい上、引け巣やガスホールなどの鋳造欠陥を内包し易い。結晶粒径が大きいと、過酷なヒートサイクルが加えられた場合に金属層にクラックが生じることがあり、鋳造欠陥が存在すると、放熱性の低下を招く。
本発明の実施形態に係る放熱部材及びその製造方法の具体例を、以下に図面を参照しつつ説明する。なお、本発明はこれらの例示に限定されるものではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
放熱部材10は、図1に示すように、金属マトリクス21中に良熱伝導体の粒子22を含有する複合材料で構成される複合体部20と、複合体部20の少なくとも一面に形成され、金属で構成される金属層30とを備える。図1に示す放熱部材10は、平板状である。
複合体部20は、金属マトリクス21中に良熱伝導体の粒子22を含有する複合材料で構成される部分である。複合体部20としては、例えば、金属マトリクス21をAg,Cu,Alなどの金属とし、良熱伝導体の粒子22をダイヤモンドやSiC(炭化ケイ素)などの粒子とした複合材料が利用できる。具体的には、Ag/ダイヤモンド、Cu/ダイヤモンド、Al/ダイヤモンドなどの金属/ダイヤモンド複合材料や、Ag/SiC、Cu/SiC、Al/SiCなどの金属/SiC複合材料が挙げられる。複合材料には、公知の複合材料を利用でき、複合材料は、例えば溶浸法や焼結法などの公知の製造方法で製造できる。
良熱伝導体の粒子22は、高い熱伝導率(例、200W/m・K以上)を有するダイヤモンドやセラミックスなどの非金属無機材料で構成されている。良熱伝導体の粒子22としては、例えばダイヤモンド粒子やSiC粒子が好ましい。特に、ダイヤモンドは、極めて熱伝導率が高く、好適である。良熱伝導体粒子22の平均粒子径は、例えば1μm以上300μm以下、複合体部(複合材料)20中の良熱伝導体粒子22の体積比率は、例えば30体積%以上90体積%以下とすることが挙げられる。良熱伝導体粒子22の平均粒子径は、例えば10μm以上100μm以下、20μm以上60μm以下が好ましい。
金属マトリクス21は、高い熱伝導率(例、120W/m・K以上、特に200W/m・K以上)を有する金属で構成されている。金属マトリクス21を構成する金属としては、例えばAg,Cu,Al,Mg及びAu、又はこれらの合金が好ましい。特に、Agは、熱伝導率が高く、好適である。また、Agは、300℃以上に加熱したときにAg中に含まれる酸素を放出する特殊な性質があり、上述した酸化膜の生成に伴う弊害を回避できる。そのため、良熱伝導体粒子22と金属マトリクス21との密着性や結合性の低下を抑制でき、複合材料の相対密度の向上を図ることができる。よって、金属マトリクス21の構成金属としてAgを選択することで、Agの高熱伝導率と相まって、複合材料の熱伝導率が大幅に向上するので、放熱性により優れる放熱部材10が得られる。
複合体部(複合材料)20の熱伝導率は、120W/m・K以上であることが好ましい。複合体部20の熱伝導率が120W/m・K以上であることで、放熱部材として十分な熱伝導率を確保することができ、放熱性に優れる放熱部材10が得られる。複合体部20の熱伝導率は、例えば180W/m・K以上、200W/m・K以上、300W/m・K以上、400W/m・K以上がより好ましく、更に、500W/m・K以上、550W/m・K以上、600W/m・K以上がより一層好ましい。
複合体部(複合材料)20の形状・サイズは、用途に応じて適宜設定すればよい。複合体部20の形状は、代表的には、平板状、ブロック状、棒状とすることが挙げられる。その他、例えば凹凸部を有する三次元形状とすることも可能である。複合体部20のサイズは、例えば、幅50mm以上、長さ50mm以上、厚さ0.5mm以上とすることが挙げられる。図1に示す複合体部(複合材料)20は、平板状である。
金属層30は、複合体部20の少なくとも一面に形成され、金属で構成される部分である。この金属層30は、後述するように金属粉末から形成されている。図1では、複合体部20の上面(厚さ方向の一方の面)の全面に金属層30が形成されている。金属層30は、複合体部20の上面及び下面の両面に形成してもよいし、上面又は下面の一部に形成することも可能である。
金属層30は、金属粉末由来であることから、金属結晶粒の結晶粒径が小さい。具体的には、金属層30を構成する金属結晶粒の平均結晶粒径が30μm以下である。金属結晶粒の平均結晶粒径が30μm以下であることで、過酷なヒートサイクルが負荷されても、金属層30にクラックが生じることを抑制できる。金属結晶粒の平均結晶粒径は、例えば20μm以下、10μm以下が好ましい。
金属層30の厚さは、10μm以上500μm以下である。金属層30の厚さが10μm以上であることで、半田付けやロウ付けに十分な厚さを確保でき、半田付け性やロウ付け性を確保できると共に、放熱部材10(金属層30)の表面を平坦化し易い。また、金属層の上に更に金属のめっき層を形成する場合、金属層30の厚さが10μm以上であれば、めっきの下地層として十分に機能することができる。一方で、金属層30が厚くなり過ぎると、複合体部20と金属層30との間や、金属層30に接合した半導体素子(図示せず)と金属層30との間に発生する熱膨張差に起因する熱応力が大きくなることから、金属層30や半導体素子に反りが生じたり、金属層30や半導体素子が剥離したり、破損するなどの虞がある。金属層30の厚さが500μm以下であることで、金属層30の剥離や破損を抑制できる。また、金属層30の厚さが500μm以下であることで、金属層30を構成する金属の熱伝導率が複合体部20の熱伝導率よりも低い場合であっても、放熱部材10全体としての熱伝導率の低下も抑制できる。金属層30の厚さは、例えば20μm以上300μm以下、40μm以上200μm以下が好ましい。
複合体部20に対する金属層30の密着強度は、30N/cm以上であることが好ましい。金属層30の密着強度が30N/cm以上あれば、一般的な半田の接着強度よりも高く、実用上十分な密着強度を有しており、金属層30が複合体部20から剥離することを抑制できる。金属層30の密着強度は、例えば50N/cm以上が好ましい。
金属層30の表面の算術平均粗さRaは、1μm以下であることが好ましい。金属層30の表面粗さ(Ra)が1μm以下であることで、表面が平坦であり、半導体素子を密着させることができるので、冷却効果を高めることができる。算術平均粗さRaとは、JIS B 0601:2001に規定される算術平均粗さRaのことである。金属層30の表面粗さ(Ra)は、例えば0.8μm以下が好ましい。
複合体部20と金属層30との接合界面の算術平均粗さRaが1μm超であることが好ましい。複合体部20と金属層30との界面粗さが1μm超であることで、複合体部20と金属層30との接触面積が増えると共に、金属層30がアンカー効果によって複合体部20により強固に密着できる。複合体部20と金属層30との界面粗さ(Ra)は、例えば3μm以上、特に5μm以上が好ましい。複合体部20と金属層30との界面粗さは、複合体部(複合材料)20の表面粗さ(Ra)と実質的に同じである。
金属層30が形成された領域のうち、金属層30の形成面積に対する複合体部20と金属層30との非接合部分の面積の比率が0.5%未満であることが好ましい。複合体部20と金属層30との非接合面積比が0.5%未満であることで、複合体部20と金属層30とが十分に密着しており、複合体部20と金属層30との密着性が向上することから、放熱性がより向上する。複合体部20と金属層30との非接合面積比は、例えば0.1%以下、0.05%以下、究極的には0%が好ましい。
−40℃と200℃のヒートサイクル試験後の熱伝導率の劣化率が5%以下であることが好ましい。ヒートサイクル試験後の熱伝導率の劣化率が5%以下であることで、過酷なヒートサイクルが負荷されても、熱伝導率の低下を抑制できることから、高い熱伝導率を維持できる。ヒートサイクル試験後の熱伝導率の劣化率は、小さいほど好ましく、例えば5%未満、更に4%以下、3%以下、2%以下、1%以下が好ましい。
劣化率(%)=[(λ1−λ2)/λ1]×100
放熱部材10は、次の製造方法により製造することができる。放熱部材の製造方法は、準備工程と、粉末配置工程と、加熱工程とを備える。以下、各工程について詳しく説明する。
準備工程では、金属マトリクス21中に良熱伝導体の粒子22を含有する複合材料20を用意する(図2の上図)。上述したように、複合材料には、公知の複合材料を利用でき、複合材料は、例えば溶浸法や焼結体などの公知の製造方法で製造できる。
粉末配置工程では、複合材料20の少なくとも一面に、金属粒子301で構成される金属粉末300を載せる(図2の中図)。図2では、複合材料20の上面の全面に金属粉末300を載せている。金属粉末300は、放熱部材10の金属層30(図2の下図)を形成する材料であり、金属粉末300の金属が金属層30を構成する。
金属粉末300には、例えばアトマイズ法(水アトマイズ法やガスアトマイズ法)や電解法で製造された粉末を利用できる。金属粉末300は、多数の金属粒子301で構成されており、この金属粒子301は、微細な結晶組織を有し、結晶粒の結晶粒径も小さく、また、結晶粒の形状も球状に近い。具体的には、金属粒子301における金属結晶粒の平均結晶粒径は30μm以下である。
金属粉末300を構成する金属粒子301の平均粒子径は、1μm以上40μm以下が好ましい。金属粒子の平均粒子径が1μm以上40μm以下であることで、複合材料の表面の凹凸に金属粒子が入り込み易い。好ましくは、金属粒子301の平均粒子径は40μm以下である。平均粒子径とは、レーザ回折式粒度分布測定装置により測定した体積粒度分布における累積体積が50%となる粒径(D50)のことである。
加熱工程では、複合材料20に金属粉末300を載せた状態で、複合材料20と金属粉末300とを加熱する。これによって、複合材料で構成される複合体部20に金属粉末の金属で構成される金属層30を形成する(図2の下図)。加熱工程では、複合材料20と金属粉末30とを熱間プレスする、又は複合材料20と金属粉末30とを焼結することが挙げられる。
熱間プレスは、複合材料20の面に金属粉末300を加圧しながら加熱する。熱間プレスすることで、金属粉末300を構成する金属粒子301が流動して、複合材料20の表面の凹凸に入り込み易く、複合材料(複合体部)20と金属層30とが密着し、密着強度の高い金属層30を形成できる。また、表面が平坦な金属層30を形成できる。熱間プレスする場合、温度を300℃以上とし、圧力を98MPa(1000kgf/cm2)以上とする、又は、温度を400℃以上とし、圧力を19.6MPa(200kgf/cm2)以上とすることが好ましく、これにより緻密で密着強度が高い金属層30を形成できる。熱間プレスの温度及び圧力を高くするほど、緻密で密着性に優れる金属層30を形成し易い。熱間プレスの温度の上限は、金属粉末300の融点以下とする。温度を高くしたり、圧力を高くするためには、熱間プレス装置の成形型に耐熱構造や耐圧構造が必要であり、設備コストの増加を招くことから、熱間プレスの温度は900℃以下が好ましく、熱間プレスの圧力は980MPa(10000kgf/cm2)以下が好ましい。
焼結する場合は、加熱工程の前に、複合材料20に金属粉末300を載せた状態で冷間プレスして、金属粉末300を予備成形する粉末成形工程を備え、その後の加熱工程において焼結する。焼結前に冷間プレスすることで、金属粉末300を構成する金属粒子301が流動して、複合材料20の表面の凹凸に入り込み易く、複合材料20と金属粉末300との密着状態を高められる。その状態で焼結することによって、複合材料(複合体部)20と金属層30とが密着し、密着強度の高い金属層30を形成できる。焼結は、金属粉末30を加圧せずに行うことができる。また、予め冷間プレスにより金属粉末を予備成形しておくことで、表面が平坦な金属層30を形成できる。焼結する場合、焼結前の冷間プレスの成型圧力を196MPa(2000kgf/cm2)以上とし、焼結の温度を600℃とする、又は、冷間プレスの成型圧力を9.8MPa(100kgf/cm2)以上とし、焼結の温度を700℃とすることが好ましく、これにより緻密で密着強度が高い金属層30を形成できる。冷間プレスの成型圧力及び焼結温度を高くするほど、緻密で密着性に優れる金属層30を形成し易い。焼結温度の上限は、金属粉末300の融点以下とする。
種々の複合材料と金属粉末を用い、様々な条件で熱間プレス(ホットプレス)及び焼結を行い、複合材料の上面に金属層を形成することを試みた。試験例1では、複合材料として、Ag/ダイヤモンド及びAg/SiCとを用意した。Ag/ダイヤモンドは、金属マトリクスがAgで、良熱伝導体の粒子がダイヤモンドの複合材料であり、Ag/SiCは、金属マトリクスがAgで、良熱伝導体の粒子がSiCの複合材料である。
金属層を形成する金属粉末として、Ag粒子の平均粒子径が20μmのAg粉末を用意した。このAg粉末は、純度99.8質量%以上のアトマイズ粉末であり、金属粒子301における金属結晶粒の平均結晶粒径は30μm以下である。試験例1−1では、作製した複合材料A1及びA2の上面にAg粉末を載せた後、ホットプレスすることにより、金属層として厚さ100μmのAg層を形成した。そして、表1に示すようにホットプレスの圧力及び温度を種々に変えてホットプレスし、各圧力及び温度での金属層の密着状態を評価した。ホットプレスの加圧時間は10分とした。ホットプレスによる金属層の密着状態は、金属層が密着して接合されている場合を「A」、金属層が部分的に接合されている場合を「B」、金属層が密着せず接合していない場合を「C」として評価した。その結果を表1に示す。ホットプレスは、Arガス中、真空中、大気中の雰囲気で実施したが、その全てでほぼ同じ結果が得られた。
試験例1−2では、試験例1−1と同じAg粉末を用い、作製した複合材料A1及びA2の上面にAg粉末を載せ、冷間プレスした後、焼結することにより、金属層として厚さ100μmのAg層を形成した。そして、表2に示すように冷間プレスの成型圧力及び焼結温度を種々に変えて焼結し、各成型圧力及び焼結温度での金属層の密着状態を評価した。焼結時間は120分とした。焼結による金属層の密着状態は、金属層が緻密化して接合されている場合を「A」、金属層が緻密化していないが接合されている場合を「B」、金属層が緻密化せず接合していない場合を「C」として評価した。その結果を表2に示す。焼結は、Arガス中、真空中、大気中の雰囲気で実施したが、その全てでほぼ同じ結果が得られた。
試験例2では、複合材料として、Cu/ダイヤモンド及びCu/SiCとを用意した。Cu/ダイヤモンドは、金属マトリクスがCuで、良熱伝導体の粒子がダイヤモンド粒子の複合材料であり、Cu/SiCは、金属マトリクスがCuで、良熱伝導体の粒子がSiC粒子の複合材料である。Cu/ダイヤモンド複合材料及びCu/SiC複合材料は、マトリクス用金属材料のAg粉末をCu粉末に変更した以外は、試験例1のAg/ダイヤモンド複合材料及びAg/SiC複合材料と同様にして作製した。
金属層を形成する金属粉末として、Cu粒子の平均粒子径が5μmのCu粉末を用意した。このCu粉末は、純度99.8質量%以上のアトマイズ粉末であり、金属粒子301における金属結晶粒の平均結晶粒径は30μm以下である。試験例2−1では、作製した複合材料B1及びB2の上面にCu粉末を載せた後、ホットプレスすることにより、金属層として厚さ100μmのCu層を形成した。そして、表3に示すようにホットプレスの圧力及び温度を種々に変えてホットプレスし、各圧力及び温度での金属層の密着状態を試験例1−1と同じようにして評価した。その結果を表3に示す。ホットプレスの加圧時間は10分とした。ホットプレスは、Arガス中、真空中の雰囲気で実施したが、その両方でほぼ同じ結果が得られた。
試験例2−2では、試験例2−1と同じCu粉末を用い、作製した複合材料B1及びB2の上面にCu粉末を載せ、冷間プレスした後、焼結することにより、金属層として厚さ100μmのCu層を形成した。そして、表4に示すように冷間プレスの成型圧力及び焼結温度を種々に変えて焼結し、各成型圧力及び焼結温度での金属層の密着状態を試験例1−2と同じようにして評価した。その結果を表4に示す。焼結時間は120分とした。焼結は、Arガス中、真空中の雰囲気で実施したが、その両方でほぼ同じ結果が得られた。
試験例3では、複合材料として、Al/ダイヤモンド及びAl/SiCとを用意した。Al/ダイヤモンドは、金属マトリクスがAlで、良熱伝導体の粒子がダイヤモンド粒子の複合材料であり、Al/SiCは、金属マトリクスがAlで、良熱伝導体の粒子がSiC粒子の複合材料である。Al/ダイヤモンド複合材料及びAl/SiC複合材料は、マトリクス用金属材料のAg粉末をAl粉末に変更した以外は、試験例1のAg/ダイヤモンド複合材料及びAg/SiC複合材料と同様にして作製した。
金属層を形成する金属粉末として、Al粒子の平均粒子径が1.5μmのAl粉末を用意した。このAl粉末は、純度99.8質量%以上のアトマイズ粉末であり、金属粒子301における金属結晶粒の平均結晶粒径は30μm以下である。試験例3−1では、作製した複合材料C1及びC2の上面にAl粉末を載せた後、ホットプレスすることにより、金属層として厚さ100μmのAl層を形成した。そして、表5に示すようにホットプレスの圧力及び温度を種々に変えてホットプレスし、各圧力及び温度での金属層の密着状態を試験例1−1と同じようにして評価した。その結果を表5に示す。ホットプレスの加圧時間は10分とした。ホットプレスは、Arガス中、真空中の雰囲気で実施したが、その両方でほぼ同じ結果が得られた。
試験例3−2では、試験例3−1と同じAl粉末を用い、作製した複合材料C1及びC2の上面にAl粉末を載せ、冷間プレスした後、焼結することにより、金属層として厚さ100μmのAl層を形成した。そして、表6に示すように冷間プレスの成型圧力及び焼結温度を種々に変えて焼結し、各成型圧力及び焼結温度での金属層の密着状態を試験例1−2と同じようにして評価した。その結果を表6に示す。焼結時間は120分とした。焼結は、Arガス中、真空中の雰囲気で実施したが、その両方でほぼ同じ結果が得られた。
(試料No.1−1〜1−21)
複合材料として、試験例1で説明したAg/ダイヤモンドの複合材料A1を用意し、金属層を形成する金属粉末として、Ag粒子の平均粒子径が20μmのAg粉末を用意した。そして、複合材料A1の上面にAg粉末を載せた後、表7に示す条件でホットプレスすることにより、金属層として厚さ100μmのAg層を形成し、表7に示す試料No.1−1〜1−21の放熱部材を作製した。表7の「加熱条件」中、「方法」がホットプレスの場合、「温度」とはホットプレスの温度、「圧力」とはホットプレスの圧力、「時間」とはホットプレスの加圧時間をそれぞれ表す(表9も同じ)。
複合材料A1の上面にAg粉末を載せた後、表8に示す条件で焼結することにより、金属層として厚さ100μmのAg層を形成し、表8に示す試料No.1−22〜1−34の放熱部材を作製した。表8の「加熱条件」中、「方法」が焼結の場合、「温度」とは焼結温度、「圧力」とは焼結前に実施する冷間プレスの成型圧力、「時間」とは焼結時間をそれぞれ表す(表9も同じ)。
表8に示す試料No.1−35の放熱部材は、複合材料A1の上面に厚さ100μmのAg箔を載せた後、表8に示す条件でホットプレスすることにより、Ag箔からなる金属層を形成した。
表8に示す試料No.1−36では、複合材料の製造時に、複合材料の上面に金属マトリクスの金属成分からなる金属層を形成した。具体的には、次のようにして作製した。複合材料A1と同じ原料粉末を用い、ダイヤモンド粉末とTi粉末とを混合した材料を予め焼結して、ダイヤモンド粒子同士がTi及びTi化合物(例、TiC)を介して連結したスケルトン構造の多孔質体を作製した。このダイヤモンド粒子の多孔質体を、複合材料の上面となる面と鋳型との間に400μmの隙間が形成されるように鋳型内に配置した。その後、ダイヤモンド粒子の多孔質体の上に、Ag粉末とTi粉末とを混合したマトリクス用金属材料を配置した後、鋳型を加熱してAgを溶融し、ダイヤモンド粒子間にAgを溶浸させて、Ag/ダイヤモンドを作製した。このAg/ダイヤモンドは、溶浸時に金属マトリクスのAgからなる金属層が形成され、上面が金属層で被覆された状態になっている。
放熱部材(放熱材料)を厚さ方向の縦断面をCP(Cross section polisher)法により面出しした後、断面の結晶組織をSEMで観察し、断面観察像から、金属層における金属結晶粒の平均結晶粒径を測定した。測定する結晶粒の数は100個以上とした。測定した金属結晶粒の平均結晶粒径を表7、表8に示す。
放熱部材(放熱材料)を超音波探傷装置でスキャンし、複合体部と金属層との境界からの反射像から、複合体部と金属層との非接合面積比を測定した。その結果を表7、表8に示す。但し、試料No.1−36については、金属層の内部の反射像から、金属層内部の空隙の分布を調べ、空隙の分布率(面積比)を求めた。具体的には、金属層が形成された領域のうち、金属層の形成面積に対する空隙の面積比率を算出した。この空隙は、熱伝導の観点からすれば、複合体部と金属層との非接合部分に等しいと考えられることから、試料No.1−36では、求めた空隙の面積比を表8の[非接合面積比]の欄に示す(後述する試験例5の試料No.2−16も同じ)。
放熱部材(放熱材料)における金属層の表面に銅のテープの一端を半田接合し、銅のテープを金属層の表面に対して90°の方向に引張り、金属層の剥離強度(密着強度)を測定した。測定回数は5回以上とし、その平均値を求めた。その結果を表7、表8に示す。
金属層の表面の算術平均粗さRaを測定した。その結果を表7、表8に示す。
放熱部材(放熱材料)の縦断面をSEMで観察し、断面観察像から、複合体部と金属層との接合界面の輪郭曲線を抽出して、その輪郭曲線の算術平均粗さRaを測定した。測定した値を複合体部と金属層との界面粗さとして表7、表8に示す。但し、試料No.1−36については、測定していない。
放熱部材(放熱材料)を−60℃に保持した試験液に10分浸した後、250℃に保持した試験液に10分浸すことを1サイクルとするヒートサイクルを1000サイクル行い、金属層におけるクラックなどの異常の有無を観察した。クラックが認められなかった場合を「A」、クラックが認められた場合を「B」としてヒートサイクル耐性を評価した。その結果を表7、表8に示す。試験液には、フッ素系不活性液体(「ガルデン(登録商標)」や「フロリナート(商品名)」など)を使用できる。
半導体デバイスを接合して使用した際の、ホットスポットの発生し難さを検証するため、以下の試験を実施した。放熱部材(放熱材料)の金属層が形成された上面のうち、直径φ10mmの領域に10J/cm2となるように赤外線フラッシュランプを照射した。そして、赤外線カメラにより、金属層における照射面内の各部分が[{(照射直後の最高温度)+(室温)}/2]となる温度まで冷却されるまでの冷却時間を計測した。この際、面内において20μm×20μm以上の大きさで、かつ、冷却時間が面内全体の平均値と比較して20%以上大きい部分が生じなかった場合を「A」、生じた場合を「B」として放熱性を評価した。その結果を表7、表8に示す。
(試料No.2−1〜2−8)
複合材料として、試験例3で説明したAl/ダイヤモンドの複合材料C1を用意し、金属層を形成する金属粉末として、Al粒子の平均粒子径が1.5μmのAl粉末を用意した。そして、複合材料C1の上面にAl粉末を載せた後、表9に示す条件でホットプレスすることにより、金属層として厚さ100μmのAl層を形成し、表9に示す試料No.2−1〜2−8の放熱部材を作製した。
複合材料C1の上面にAl粉末を載せた後、表9に示す条件で焼結することにより、金属層として厚さ100μmのAl層を形成し、表9に示す試料No.2−9〜2−14の放熱部材を作製した。
試料No.2−15の放熱部材は、複合材料C1の上面に厚さ100μmのAl箔を載せた後、表9に示す条件でホットプレスすることにより、Al箔からなる金属層を形成した。
試料No.2−16では、試験例4で説明した試料No.1−36と同じようにダイヤモンド粒子の多孔質体を用いて、複合材料の製造時に、複合材料の上面に金属マトリクスの金属成分からなる金属層を形成した。このAl/ダイヤモンドは、溶浸時に金属マトリクスのAlからなる金属層が形成され、上面が金属層で被覆された状態になっている。
表7及び表8に示す試験例4の試料No.1−1〜1−35の放熱部材、及び試料No.1−36の放熱材料、並びに、表9に示す試験例5の試料No.2−1〜2−15の放熱部材、及び試料No.2−16の放熱材料について、ヒートサイクル試験を行い、ヒートサイクル耐性の評価の1つであるヒートサイクル試験後の熱伝導率の劣化率(%)を評価した。
ヒートサイクル試験前の放熱部材(放熱材料)の熱伝導率(λ1)をレーザーフラッシュ式熱伝導率測定装置により室温(25℃)で測定した。放熱部材(放熱材料)に、−40℃(10分)、200℃(10分)を1サイクルとして、1000サイクル行うヒートサイクル試験を実施した。ヒートサイクル試験は、液槽冷熱衝撃装置(エスペック株式会社製TSE−11)を用いて行い、試験液には、フッ素系不活性液体(「ガルデン(登録商標)」を使用した。その後、ヒートサイクル試験後の放熱部材(放熱材料)の熱伝導率(λ2)をレーザーフラッシュ式熱伝導率測定装置により室温(25℃)で測定した。そして、ヒートサイクル試験前後の熱伝導率λ1,λ2から、ヒートサイクル試験後の熱伝導率の劣化率(%)を算出した。その結果を表10,表11に示す。
以上説明した本発明の実施形態に関連して、更に以下の付記を開示する。
本発明の実施形態に係る放熱部材において、金属層の表面に更に金属めっき層を備えてもよい。金属層は金属で構成されているので、容易に電気めっきが可能である。
本発明の実施形態に係る放熱部材において、複合体部(複合材料)が反りを有していてもよい。制御された反りを有することで、放熱部材と他の部材(基板や半導体デバイスなど)とを接合した際に両部材の密着性を改善できる。例えば、平板状の放熱部材において、上面及び下面の少なくとも一面が反った形状であることが挙げられる。
本発明の実施形態に係る放熱部材において、複合体部(複合材料)に金属部材が埋め込まれていてもよい。また、この金属部材に貫通孔が形成されていてもよい。複合体部に金属部材が埋め込まれて一体になっていることで、この金属部材に例えば穴あけ加工などを施して貫通孔を容易に形成できる。このような複合材料は、溶浸前に、鋳型内の所定の位置に金属部材をダイヤモンド粉末などの良熱伝導体の粒子材料と一緒に配置しておくことで製造できる。また、中子を用いて、貫通孔を有する複合材料を製造することも可能である。
本発明の実施形態に係る放熱部材において、複合体部(複合材料)の形状は平板状だけではなく、3次元複雑形状であってもよい。
本発明の実施形態に係る放熱部材において、複合体部(複合材料)には、ダイヤモンドなどの良熱伝導体の粒子を80体積%以上含有してもよい。良熱伝導体粒子(特に、ダイヤモンド粒子)を80体積%以上含有すると、AlNなどのセラミックスと略同じ熱膨張率や、極めて高い熱伝導率を実現できる。例えば、金属マトリクスが銀で、良熱伝導体粒子にダイヤモンド粒子を選択したAg/ダイヤモンドの場合、ダイヤモンド粒子を80体積%以上含有することで、熱伝導率が700W/m・K以上、熱膨張率が4ppm/K程度の特性を実現することが可能である。80%以上の体積率を実現するには、良熱伝導体粒子の微粒と粗粒との混合比や粒径、充填方法を最適化する必要がある。
上述した試験例4において、Ag/ダイヤモンドの複合材料の上面にAg箔をホットプレスして金属層を形成した試料No.1−35について説明した。この試料において、Ag箔を載せる前に、複合材料の上面にAgと合金化した際に融点が下がる金属(例、Cuなど)の粉末や箔を配置しておき、Ag箔を載せてホットプレスすることが挙げられる。これによれば、Ag箔と、前記金属とが合金化することで低融点の相が形成され、ホットプレスの温度によって低融点相が溶融して、複合材料の表面の凹凸を埋めることができ、非接合面積比が小さくなると考えられる。その結果、密着強度を改善できると考えられ、放熱性も向上するものと考えられる。
Ag/ダイヤモンドの複合材料に対して、金属層を構成する金属粉末には、Ag粉末の他、Ag合金粉末を用いることも可能であり、金属層をAg合金で構成してもよい。
複合材料の上面に、金属粉末をコールドスプレーにより堆積させて金属層を形成してもよい。
複合材料において、Tiなどの周期表4族元素を添加した場合は、複合材料の製造後、複合材料を熱処理して金属マトリクスに固溶している添加元素を時効析出させてもよい。金属マトリクス中の添加元素の固溶量を減らすことで、熱伝導率の向上を図ることができる。また、金属粉末から金属層を形成する際の加熱処理(ホットプレスや焼結)によって、金属マトリクスに固溶している添加元素を時効析出させることも可能である。
Ag/ダイヤモンドなどの複合材料のサイズは、幅50mm以上、長さ50mm以上とすることが可能である。
溶浸法によってダイヤモンドやSiCの複合材料を製造する際、ダイヤモンドやSiCなどの粉末を焼結してダイヤモンドやSiCなどの粒子同士が連結したスケルトン構造の多孔質体を作製して、このスケルトン構造の多孔質体に対してマトリクス用金属材料を溶浸させてもよい。この際、粒子同士を強固に連結させることによって、熱膨張率を低下させることが可能である。
20 複合体部(複合材料)
21 金属マトリクス 22 良熱伝導体の粒子
30 金属層
100 鋳型
110 本体部
111 底部 112 後側壁部
113 右側壁部 114 左側壁部
120 蓋部(前側壁部)
210 マトリクス用金属材料
220 良熱伝導体の粒子材料
300 金属粉末
301 金属粒子
Claims (14)
- 金属マトリクス中に良熱伝導体の粒子を含有する複合材料で構成される複合体部と、
前記複合体部の少なくとも一面に形成され、金属で構成される金属層とを備え、
以下の(1)から(5)の構成を全て満たす放熱部材。
(1)前記良熱伝導体が、ダイヤモンド及びSiCから選択される少なくとも1種である。
(2)前記金属マトリクス及び前記金属層を構成する金属が、Ag,Cu,Al,Mg及びAuから選択される少なくとも1種の金属又はその合金である。
(3)前記複合体部の熱伝導率が120W/m・K以上である。
(4)前記金属層を構成する前記金属の結晶粒の平均結晶粒径が30μm以下であり、前記金属層の厚さが10μm以上500μm以下である。
(5)前記金属層を構成する金属が、前記金属マトリクスを構成する金属と同一の金属、又は、前記金属マトリクスを構成する主成分の金属と同一の金属を60質量%以上含有する合金である。 - 前記複合体部に対する前記金属層の密着強度が30N/cm以上である請求項1に記載の放熱部材。
- 前記金属層の表面の算術平均粗さRaが1μm以下である請求項1又は請求項2に記載の放熱部材。
- 前記複合体部と前記金属層との接合界面の算術平均粗さRaが1μm超である請求項1から請求項3のいずれか1項に記載の放熱部材。
- 前記金属層が形成された領域のうち、金属層の形成面積に対する前記複合体部と前記金属層との非接合部分の面積の比率が0.5%未満である請求項1から請求項4のいずれか1項に記載の放熱部材。
- −40℃と200℃のヒートサイクル試験後の熱伝導率の劣化率が5%以下である請求項1から請求項5のいずれか1項に記載の放熱部材。
- 金属マトリクス中に良熱伝導体の粒子を含有する複合材料を用意する準備工程と、
前記複合材料の少なくとも一面に、金属粒子で構成される金属粉末を載せる粉末配置工程と、
前記複合材料に前記金属粉末を載せた状態で冷間プレスして、前記金属粉末を予備成形する粉末成形工程と、
前記冷間プレスにより前記金属粉末を予備成形した後、前記複合材料と前記金属粉末とを熱間プレスすることによって、前記複合材料で構成される複合体部に前記金属粉末の金属で構成される金属層を形成する加熱工程とを備える放熱部材の製造方法。 - 前記熱間プレスの温度を300℃以上とし、圧力を98MPa以上とする請求項7に記載の放熱部材の製造方法。
- 前記熱間プレスの温度を400℃以上とし、圧力を19.6MPa以上とする請求項7に記載の放熱部材の製造方法。
- 金属マトリクス中に良熱伝導体の粒子を含有する複合材料を用意する準備工程と、
前記複合材料の少なくとも一面に、金属粒子で構成される金属粉末を載せる粉末配置工程と、
前記複合材料に前記金属粉末を載せた状態で冷間プレスして、前記金属粉末を予備成形する粉末成形工程と、
前記冷間プレスにより前記金属粉末を予備成形した後、前記複合材料と前記金属粉末とを焼結することによって、前記複合材料で構成される複合体部に前記金属粉末の金属で構成される金属層を形成する加熱工程とを備える放熱部材の製造方法。 - 前記焼結前の冷間プレスの成型圧力を196MPa以上とし、
前記焼結の温度を600℃以上とする請求項10に記載の放熱部材の製造方法。 - 前記焼結前の冷間プレスの成型圧力を9.8MPa以上とし、
前記焼結の温度を700℃以上とする請求項10に記載の放熱部材の製造方法。 - 前記金属粉末の金属がAgである請求項7から請求項12のいずれか1項に記載の放熱部材の製造方法。
- 前記金属粉末を構成する前記金属粒子の平均粒子径が1μm以上40μm以下である請求項7から請求項13のいずれか1項に記載の放熱部材の製造方法。
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