JPH10259444A - 傾斜機能材料 - Google Patents

傾斜機能材料

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JPH10259444A
JPH10259444A JP9068768A JP6876897A JPH10259444A JP H10259444 A JPH10259444 A JP H10259444A JP 9068768 A JP9068768 A JP 9068768A JP 6876897 A JP6876897 A JP 6876897A JP H10259444 A JPH10259444 A JP H10259444A
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JP
Japan
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thermal conductivity
aluminum
ceramic
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compsn
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JP9068768A
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Mitsuo Kuwabara
光雄 桑原
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Honda Motor Co Ltd
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Honda Motor Co Ltd
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Abstract

(57)【要約】 【課題】金属とセラミックスとを接合部を設けることな
く一体化するとともに、接合信頼性が高く、しかも高熱
伝導性を有する傾斜機能材料を提供する。 【解決手段】タングステンおよび銅を基本組成とし、所
定の組成を含む金属側組成と、窒化アルミニウムおよび
アルミニウムを基本組成とし、所定の組成を含むセラミ
ックス側組成とを有し、焼結処理により一体化されるこ
とによって接合部のない所望の特性を有する傾斜機能材
料が効率的に得られる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、金属側組成とセラ
ミックス側組成とを有し、焼結処理により一体的に構成
される傾斜機能材料に関する。
【0002】
【従来の技術】一般的に、半導体回路では、半導体特性
の安定化のために、前記半導体回路をセラミックス基板
に搭載し、該半導体回路に発生する熱を外部に効率よく
排出する工夫が施されている。
【0003】その際、半導体回路から発生する熱が比較
的大きい場合には、セラミックス基板のみでは十分に対
応することができず、前記セラミックス基板に銅やアル
ミニウムのヒートシンクをろう付けや半田付けすること
が行われている。さらに、MPUや大容量電力IGBT
等では、放熱フィンを設けて熱を強制的に放出する工夫
が施されている。
【0004】ここで、セラミックス基板は、半導体回路
の特性を高く維持するために、高熱伝導性が必要とされ
るとともに、絶縁性、遮光性および低誘電性等が要求さ
れている。一方、ヒートシンクにも高い熱伝導性が要求
されており、通常、セラミックス基板および前記ヒート
シンクは、ともに150W/mK以上の熱伝導性を有
し、さらに熱膨張係数も半導体チップの熱膨張係数に近
似するように設定されている。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、セラミ
ックス基板とヒートシンクを結合するためのろう材や半
田材は、熱膨張係数がセラミックス基板やヒートシンク
の2倍以上であるとともに、熱伝導率が20W/mK〜
70W/mK以下であって、前記セラミックス基板およ
び前記ヒートシンクの1/2〜1/7という低い値とな
っている。このため、ろう材や半田材が設けられた接合
部は、熱伝導率が低く、他の部分に比べて熱膨張が大き
くなり、この接合部に相当に大きな応力が発生して接合
信頼性が低下するという問題が指摘されている。
【0006】しかも、接合部に熱が溜まり易く、ヒート
シンクの機能を有効に発揮させることができないという
おそれもある。これにより、相当に大きなヒートシンク
や放熱フィンを設け、常に熱勾配を大きくしておく必要
があり、小型化の要請に対応することができないという
問題がある。
【0007】本発明は、この種の問題を解決するもので
あり、金属とセラミックスとを接合部を設けることなく
一体化するとともに、接合信頼性が高く、しかも高熱伝
導性を有する傾斜機能材料を提供することを目的とす
る。
【0008】
【課題を解決するための手段】前記の課題を解決するた
めに、本発明に係る傾斜機能材料では、金属側組成とセ
ラミックス側組成とを有するとともに、焼結域での熱膨
張率を前記金属側と前記セラミックス側とで近似させる
ことにより、所望の性能を有した、例えば、ヒートシン
ク一体型のセラミックス基板を得ることができる。
【0009】具体的には、セラミックス側組成として
は、半導体チップを直接搭載するため、熱膨張係数が〜
4×10-6/kで、熱伝導率が150W/mK以上であ
り、高絶縁性および誘電性を満たす必要があり、窒化ア
ルミニウムを主成分とする。
【0010】金属側(ヒートシンク)も、セラミックス
側に合わせて〜4×10-6/kに近似する熱膨張係数で
あり、かつ熱伝導率が150W/mK以上を満たすもの
とする。さらに、焼結領域(緻密化領域)において、金
属側とセラミックス側とで近似した熱膨張係数を有し、
かつ焼結温度域が同一になるように設定する。
【0011】また、焼結前後における寸法収縮は、〜2
0%までであり、この収縮が同一温度化の焼結でセラミ
ックス側、拡散層および金属側で同一となるとともに、
この拡散層の領域幅が少なくとも1mm以上に設定され
る。
【0012】ここで、金属側組成としては、基本組成が
75%〜90%のタングステンおよび5%〜20%の銅
を有する。
【0013】タングステンおよび銅がそれぞれ上記の組
成範囲において、熱膨張係数および熱伝導率は、6〜9
×10-6/kおよび150W/mK〜250W/mKと
なり、要求される品質が得られる。なお、熱伝導率の観
点からは、銅を多くすることが好ましく、熱膨張係数の
観点からは、タングステンが多く、かつ銅が少ないこと
が望ましいが、セラミックス側の熱膨張係数と略合致さ
せて傾斜材を構成するために、上記の組成範囲が設定さ
れる。
【0014】0. 3%〜1. 5%のアルミニウムの添
加:セラミックス側の窒化アルミニウムの組成および成
分が十分に速く拡散しないことや、その拡散距離が大き
くないことから、アルミニウムの添加が行われる。アル
ミニウムは、タングステンおよび銅と金属間化合物を形
成し、セラミックス側のアルミニウムに比べてその窒化
が遅延する。このため、緻密化がある程度進行すると同
時に、金属側表層から内部に集積する傾向を有する。な
お、アルミニウムの添加量が0. 3%以下では効果が認
められず、一方、その添加量が1.5%を超えると金属
側の熱膨張係数が大きくなり、傾斜機能材料が得られな
い。
【0015】0. 05%〜1. 5%の銀の添加:銀は、
金属側の緻密化に大きく貢献する機能を有する。タング
ステンおよび銅は、反応性が低く、銅が液相となっても
タングステンの溶解が殆ど起こらず、この状態で焼結し
たとしても、その緻密化が〜90%程度までであり、空
隙が残ってしまう。ここで、銀を添加することにより、
この銀がタングステンおよび銅の体積拡散を助け、10
0%の緻密化を達成することができる。
【0016】銀の添加量が0.05%未満では効果を得
ることができない。一方、銀の添加量が3%程度までで
あれば、緻密化の効果を維持することができるが、焼結
温度の低下を招いてセラミックス側との同時焼結が困難
なものとなる。しかも、添加量が1.5%を超えると、
熱膨張係数が大きくなり過ぎる他、コストが上昇してし
まう。従って、銀の効果的な添加量は、0.05%〜
1.5%の範囲となる。また、この銀の添加は、セラミ
ックス側にも行うことにより、相互拡散させることが好
ましい。
【0017】0. 1%〜3%の鉄、ニッケルおよびコバ
ルトの少なくとも一種の添加:鉄、ニッケルおよびコバ
ルトは同属元素であり、略近似した挙動を行う。これら
の元素は、得られる焼結体の強度に影響を与えるもので
あり、強度上の信頼性を向上させる。これらの添加量が
0.1%未満では効果がなく、却って熱伝導が抑制され
るだけである。一方、その添加量が0.1%を超えるこ
とにより強度の上昇が図られて、焼結体の安定度(強度
の安定性)が向上する。これらの添加量が3%を超える
と、熱伝導率の低下が大きくなって所望の熱伝導率を得
ることができず、しかも熱膨張係数も大きくなってしま
う。このため、これらの添加量は、0.1%〜3%に設
定される。
【0018】その他の添加元素:クロム、モリブデンお
よびバナジウム等が挙げられる。これらの元素は、主に
焼結体の強度を向上させる機能を有し、熱膨張係数の調
整にも用いることができる。いずれの元素も1.5%で
強度の上昇が飽和し、添加量とともに熱伝導率が低下す
る。このため、これらの元素の添加量は、1.5%以下
に設定される。
【0019】次いで、セラミックス側の組成としては、
基本組成が60%〜90%の窒化アルミニウムおよび1
0%〜40%のアルミニウムを有する。
【0020】上記の組成範囲において、熱膨張係数が
4.4〜14×10-6/kとなり、熱伝導率が70W/
mK〜200W/mKとなる。セラミックス粉末のみを
用いると、焼結温度が高すぎてしまい、緻密化の温度域
が金属側と大きく異なって傾斜機能材料を構成すること
ができない。また、昇温過程における熱膨張も金属側と
大きく異なってしまう。このため、セラミックス粉末と
金属粉末との双方を用いることにより、熱膨張係数、焼
結および緻密温度域を金属側と略同一に調整する。
【0021】0.1%〜3%のアルミナの添加:アルミ
ナは、窒化アルミニウムの緻密化に機能する。基本組成
のみでは、緻密化が〜90%程度までであり、十分に緻
密化が図られず、要求される品質の熱伝導性を達成する
ことが困難となる。このため、緻密化をさらに促進させ
るために、アルミナの添加が行われる。アルミナの添加
量が0.1%未満では殆ど効果がない。一方、3%を超
える添加量では、それ以上の効果が得られないばかりで
なく、熱伝導率が低下し、アルミニウムの窒化率が低下
してしまう。
【0022】0.1%〜5%の炭化タングステンの添
加:炭化タングステンは、焼結体に遮光性を付与し、熱
伝導率を低下させることなく緻密化温度を低下させると
ともに、アルミニウムの窒化効率を上げる等の機能を有
する。この炭化タングステンの添加量が0.1%未満で
は効果がなく、一方、その添加量が5%を超えると、セ
ラミックスとしての絶縁性に影響が顕れてしまう。
【0023】0.1%〜3%の酸化カルシウムの添加:
酸化カルシウムは、窒化アルミニウムの熱伝導率を低下
させずに緻密化させる機能を有する。この酸化カルシウ
ムの添加量が0.1%未満では、所望の効果を得ること
ができず、一方、その添加量が3%を超えると、アルミ
ニウムの窒化率が低下して要求される品質を満たすよう
な絶縁性を得ることができない。
【0024】0.3%〜5%の酸化イットリウムの添
加:酸化カルシウムと同様に、焼結体の緻密化に効果を
有するとともに、窒化アルミニウムの高熱伝導率を達成
する機能を有する。この酸化イットリウムの添加量が
0.3%未満では、効果が得られず、一方、その添加量
が5%を超えると、効果の上昇は達成されずにアルミニ
ウムの窒化効率を低下させてしまい、絶縁性に支障が生
じる場合がある。
【0025】0.2%〜3%のジルコニウムの添加:ジ
ルコニウムは、金属アルミニウムと金属間化合物を形成
し、アルミニウムが溶融状態になったり、蒸気化したり
することを阻止し、十分な高温まで引き上げる機能を有
する。アルミニウムの融点は、〜660℃程度であるの
に対し、窒化開始温度が1000℃以上となっており、
液相化が発生して窒化ソースであるガスとの接触面積が
低下し、反応効率が大きく低下するため、これを阻止す
る必要があるからである。
【0026】さらに、ジルコニウムは、窒化時にアルミ
ニウムに対して窒素の受け渡しをする機能を有し、窒化
効率の向上が図られる。しかも、ジルコニウムは、得ら
れた焼結体の脆性を改善する効果をも有する。ジルコニ
ウムの添加量が0.2%未満ではその効果はなく、逆に
熱伝導性を低下してしまうおそれがあり、一方、その添
加量が3%を超えると、効果の向上がないばかりか、熱
伝導率の低下を惹起してしまう。
【0027】0.1%〜1%のクロムの添加:クロム
は、窒化効率の向上および融点を超えてアルミニウムを
安定化させる機能を有する。また、ジルコニウムと同様
に、窒素の受け渡し機能をも有している。このクロムの
添加量が0.1%未満では、その効果が不十分である一
方、その添加量が1%を超えると、熱伝導率が大きく低
下してしまう。
【0028】0.3%〜2%のタングステンの添加:タ
ングステンは、ジルコニウムおよびクロムと同様の機能
を有する。窒化タングステンの場合、熱伝導率の低下が
大きいため、タングステンの添加量は0.2%以下にす
ることが望ましく、また、0.3%未満では効果がな
い。これらの元素は、金属側の元素との相互拡散にも貢
献する。
【0029】0.05%〜0.5%の銀の添加:銀は、
体積拡散を助長して成形体が窒化前および窒化時に崩壊
したり、この成形体に欠陥が発生することを阻止する機
能を有する。窒化前のアルミニウムは、融点以前に金属
間化合物化する必要があり、銀の添加量によってタング
ステン、ジルコニウムおよびクロム等と反応し易くな
る。銀の添加量が0.05%未満では、その効果はな
く、その添加量が0.5%を超えると、窒化が十分に進
行しなくなる。銀は、さらに金属側と相互拡散し、接合
部を傾斜化してその拡散層厚を大きくするのに効果的で
ある。
【0030】0.1%〜1%の銅の添加:銅は、銀と近
似した挙動および作用を有する。但し、銅の添加量が多
くなると、絶縁性を確保することができないため、その
添加量が1%以下に設定される。また、銀の添加量が
0.1%未満では、所望の効果が得られない。
【0031】その他の添加元素:炭素は、窒化効率を高
める機能を有する一方、アルミニウムを大きく膨張させ
るために添加され、その添加量は1%以下が好ましい。
一方、炭素の添加量が5%を超えると、傾斜機能材料と
しての所望の機能を有することができない。
【0032】次に、上記の組成を有する金属側成分とセ
ラミックス成分とが金型内静水圧加圧成形法により同時
に成形され、成形体が得られる。この成形体は、乾燥後
に窒素雰囲気下で焼結処理が施され、焼結体が得られ
る。焼結および窒化は、1450℃〜1600℃の温度
範囲で行われる。これにより、金属側からセラミックス
側にわたり連続した、すなわち、接合部がない傾斜機能
材料が得られる。この傾斜機能材料は、平均熱伝導率が
150W/mK以上で、熱膨張係数がセラミックス側で
4.8〜5.7×10-6/k、金属側で6.2〜8.2
×10-6/kである。
【0033】
【発明の実施の形態】本発明の実施形態に係る傾斜機能
材料について、以下に説明する。
【0034】先ず、金属側組成として、表1中、No.
1〜No.7に示す配合組成に設定された金属側粉末が
用意される一方、セラミックス側組成として、表2中、
No.a〜No.gに示す配合組成を有するセラミック
ス側粉末が用意された。これらの粉末は、湿式混合によ
り十分均一に混合された。
【0035】
【表1】
【0036】
【表2】
【0037】次いで、No.1〜No.7の金属側組成
とNo.a〜No.gのセラミックス側組成とが組み合
わされ、これらがアルコールを用いた金型内静水圧加圧
成形法にて成形され、成形体が得られた。その際、パン
チ間に紙が配置され、120MPaの成形条件により成
形された。金属側およびセラミックス側のそれぞれの成
形体の厚さは、6mmおよび3mmであった。
【0038】各成形体は、5torr下で窒素ガスを流
通させながら650℃まで加熱され、この温度で15分
間保持された後、紙およびアルコールが除去された。次
に、同一条件下において、1070℃、1100℃、1
180℃、1350℃、1400℃および1450℃
で、それぞれ30分、15分、15分、30分、15分
および10分間ずつ保持し、さらに1450℃で窒素圧
を1.5barまで加圧し、窒化された焼結体が得られ
た。
【0039】そこで、これらの焼結体について、密度お
よび断面における平均熱伝導率を測定し、その結果を表
3に示した。この表3においては、密度が98%以上で
かつ熱伝導率が焼結体の断面方向に平均して150W/
mK以上のものを「◎」とし、密度が95〜98%未満
であるか、または断面方向における平均熱伝導率が10
0W/mK〜150W/mK未満のものを「○」とし、
それ以下のもので試験や実使用に耐えないものを「×」
として表した。
【0040】
【表3】
【0041】
【発明の効果】以上のように、本発明に傾斜機能材料で
は、それぞれ所定の組成を有する金属側組成とセラミッ
クス側組成とを有し、焼結処理により一体化されて傾斜
機能材料が得られる。このため、接合部がなく、接合信
頼性を有効に向上させることができるとともに、簡単な
工程で所望の特性を有し、しかも、製造コストを低減す
ることが可能になる。これにより、例えば、高熱伝導性
のセラミックス基板とヒートシンクとを、接合部、すな
わち、低熱伝導部を存在させることなく一体化すること
ができる。

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】金属側組成とセラミックス側組成とを有
    し、焼結処理により一体的に構成される傾斜機能材料で
    あって、 前記金属側組成は、75%〜90%のタングステンおよ
    び5%〜20%の銅を有するとともに、 0. 3%〜1. 5%のアルミニウムと、0. 05%〜
    0. 5%の銀と、0. 1%〜3%に設定される鉄、ニッ
    ケルおよびコバルトから選択される少なくとも一種と、
    の中から選択される少なくとも一種を含み、 前記セラミックス側組成は、60%〜90%の窒化アル
    ミニウムおよび10%〜40%のアルミニウムを有する
    とともに、 0. 1%〜3%のアルミナと、0. 1%〜5%の炭化タ
    ングステンと、0. 1%〜3%の酸化カルシウムと、
    0. 3%〜5%の酸化イットリウムと、0. 2%〜3%
    のジルコニウムと、0. 1%〜1%のクロムと、0. 3
    %〜2%のタングステンと、0. 05%〜0. 5%の銀
    と、0. 1%〜1%の銅と、の中から選択される少なく
    とも一種を含むことを特徴とする傾斜機能材料。
  2. 【請求項2】請求項1記載の傾斜機能材料において、前
    記傾斜機能材料の断面における平均熱伝導率が、150
    W/mK以上であることを特徴とする傾斜機能材料。
  3. 【請求項3】請求項1または2記載の傾斜機能材料にお
    いて、前記傾斜機能材料は、ヒートシンクとして使用さ
    れることを特徴とする傾斜機能材料。
JP9068768A 1997-03-21 1997-03-21 傾斜機能材料 Pending JPH10259444A (ja)

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