JPH10264311A - セラミックス−金属傾斜機能材およびその製造方法 - Google Patents

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。 【解決手段】焼結体１０は、所望の絶縁性および熱伝導
性を有するセラミックス組成層１２と、所望の熱伝導性
および電気伝導性を有する金属組成層１４と、前記セラ
ミックス組成層１２と前記金属組成層１４との境界部位
に設けられ、その組成および物性が傾斜的に変化する複
合組成層１６とを一体的に備えている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、セラミックス組成
と金属組成とから一体的に構成されるセラミックス−金
属傾斜機能材およびその製造方法に関する。

【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係数が
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、回路の動作性能が温度上昇
に伴って劣化し、例えば、スイッチング速度の遅延、電
流および電圧倍率の低下等のトランジスタ機能の劣化が
発生するとともに、熱暴走による回路の破壊の他、熱に
よる接合部の剥離や実装チップの剥離等が惹起されると
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
導性を有するセラミックス−金属傾斜機能材およびその
製造方法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、本発明に係るセラミックス−金属傾斜機能材およ
びその製造方法では、先ず、金属を主成分とする第１粉
末の上に、セラミックス窒化物、炭素および金属を主成
分とする第２粉末が積層され、同時成形処理により成形
体が得られた後、この成形体には、熱焼成時あるいは熱
焼結時に窒化が平行して行われる。

【０００９】その際、焼結の緻密化過程における温度域
を同一化し、添加する元素をセラミックス側および金属
側の双方に拡散させることにより、前記金属側から前記
セラミックス側あるいは前記セラミックス側から前記金
属側に向かって組成および物性が円滑に変化することに
なる。

【００１０】このため、製造過程および使用過程で生じ
る応力を極小化することができ、信頼性の向上が図られ
るとともに、ろう付けや半田付け等の接合層がなく、熱
伝導率が急激に変化する部位が存在しない。従って、セ
ラミックス基板表面の回路で発生する熱は、効率よく金
属組成層側に向かって伝達され、回路の熱的安定性およ
び信頼性が有効に向上することになる。

【００１１】金属側組成：熱伝導性に優れることから、
金属アルミニウムが用いられる。金属アルミニウムの融
点は、６６０℃程度であり、この温度以下では窒化が行
われず、絶縁性および高熱伝導性を有する窒化アルミニ
ウム層の形成が不可能となる。このため、金属アルミニ
ウムの融点を、窒化領域乃至窒化アルミニウムの焼結温
度域まで高める必要があり、この目的を達成するために
所定の添加剤が使用される。

【００１２】具体的には、添加剤として、タングステン
（Ｗ）、バナジウム（Ｖ）、モリブデン（Ｍｏ）、ジル
コニウム（Ｚｒ）、クロム（Ｃｒ）、鉄（Ｆｅ）、ニッ
ケル（Ｎｉ）およびコバルト（Ｃｏ）等が該当する。さ
らに、補助的に、少量の銀（Ａｇ）、マグネシウム（Ｍ
ｇ）、シリコン（Ｓｉ）、マンガン（Ｍｎ）およびリチ
ウム（Ｌｉ）等を加えてもよい。

【００１３】そこで、金属アルミニウムにタングステン
を添加した場合、この金属アルミニウムの融点以上で固
相と液相の共存領域が生じ始め、ＷＡｌ₂ 、ＷＡｌ₅ お
よびＷＡｌ₄ の金属間化合物が、それぞれ１１６０℃、
１３２０℃および１４２０℃以上乃至はその近傍で生じ
る。

【００１４】タングステンの添加量が３０ａｔｏｍｉｃ
％に設定された際には、融点が１７００℃以上となっ
て、例えば、セラミックス側に窒化アルミニウムを選択
した場合にも、同時焼結し得る温度となる。しかしなが
ら、金属アルミニウムは、高温蒸発し易いために安定し
た生産が難しい。従って、この種の問題を解決するため
に、他の添加剤が必要となる。例えば、リチウム、マグ
ネシウム、シリコン、マンガン、クロム、鉄、ニッケル
およびコバルト等を添加することにより、金属アルミニ
ウムの高温蒸発を緩和し、あるいは防止する。なお、こ
れらの添加剤は、金属アルミニウムとタングステンの反
応を効率よく行うためにも必要とされる。

【００１５】セラミックス側組成：金属側がセラミック
スの焼結温度域まで温度を上げても溶融しないため、窒
化アルミニウム原料粉末に通常の焼結用添加剤である酸
化イットリウム、酸化カルシウム、または炭酸バリウム
等を添加して焼結することが考えられる。しかしなが
ら、この場合には、緻密化過程の温度域が異なるため、
焼結体に割れや変形等が顕著に現れてしまう。すなわ
ち、金属側は、前記の温度、例えば、１１６０℃や１３
２０℃で収縮するのに対し、セラミックス側は、緻密化
や収縮開始が１４５０℃以上であるために前記セラミッ
クス側の収縮が殆ど起こらず、発生する界面の応力によ
ってセラミックス組成層が破壊するからである。

【００１６】このため、金属側とセラミックス側の収縮
時の温度域や反応温度域を同一化する必要がある。従っ
て、セラミックス側では、始めからセラミックスとして
添加するのではなく、雰囲気や添加剤を利用してセラミ
ックス化させることにより、反応温度域や収縮温度域を
同一化させ、焼結中に発生する応力を極小化させる工夫
が採用される。

【００１７】この場合、従来から行われている窒化アル
ミニウム製造法における窒化温度は、金属アルミニウム
の直接窒化で１４００℃〜１７００℃であり、酸化アル
ミニウム（Ａｌ₂ Ｏ₃ ）の還元窒化で１４５０℃〜１７
５０℃であり、いずれも高温となって実質的に同時焼成
しながら窒化することは難しい。例えば、金属アルミニ
ウムの窒化は、自己燃焼反応的であり、反応温度さえ制
御できないおそれがある。

【００１８】そこで、物質の生成エネルギに着目し、先
ず、生成物である窒化アルミニウムより生成エネルギの
安定度が低い窒化物を少なくとも一種と、前記窒化アル
ミニウムより生成エネルギの安定度が高い金属を少なく
とも一種とを含有させる。これにより、窒化の反応温度
開始点を低くするとともに、自己燃焼的に急激にではな
く、ある程度制御しながら窒化を遂行することが可能に
なる。具体的には、エリンハム ダイヤグラム（Elling
ham diagram ）の標準生成エネルギと温度との関係にお
いて、窒化アルミニウムラインより高いエネルギの物質
が窒化物として加えられる一方、低いエネルギの物質が
金属として添加される。

【００１９】具体的には、窒化物として、Ｍｏ、Ｌｉ、
Ｍｎ、Ｓｉ、Ｍｇ、Ｌａ、Ｔａ（タンタル）、Ｖ、Ｂ、
Ｃｒ、Ｆｅ、Ｃｏ、ＮｉおよびＢａ（バリウム）等が該
当し、金属としては、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ（ハフニウム）
およびＴｈ（トリウム）等が該当する。この他、上記の
窒化物に代わる略全ての炭化物が該当し、上記金属の代
わりにＺｒおよびＴｉ等の他、ランタノイド元素酸化物
が該当する。

【００２０】製造されるセラミックスとしての要求特性
は、絶縁性の他、低誘電性および〜２００ＭＰａ程度の
曲げ強度等が挙げられる。ここで、添加乃至セラミック
ス化した窒化物および炭化物は、殆どが導電性を有する
ため、その値を、例えば、１００ＭΩとすると、導電性
のあるセラミックスの総量は４０％以下に設定する必要
がある。これ以上のセラミックスが存在すると、抵抗が
小さくなって電気が流れてしまい、回路構成が達成でき
ないからである。

【００２１】また、低誘電性の観点からは、ＳｉＣの
他、Ｆｅ、ＣｏおよびＮｉ等の遷移金属が誘電性を有す
るため、誘電定数を１ＭＨｚで〜１０以下にするため
に、その総量を２０％以下に設定する必要がある。

【００２２】一方、鉄属元素等の窒化物や炭化物は、そ
の熱力学的安定度が低いため、セラミックス側への添加
を１％以下、あるいは無添加とすべきである。但し、金
属アルミニウムの窒化の観点からは、ＦｅやＮｉの元素
が窒素のキャリアとしての挙動を示し、粒子内部まで確
実に窒化を行うことができる。従って、鉄属元素の添加
は窒化には必要であるが、最終的には不要となるもので
あり、最小量で最大効率が引き出せるように、溶液形
態、例えば、硝酸ニッケルやコバルトエトキシド等の形
態で数十ｐｐｍ〜数百ｐｐｍの添加が望ましい。

【００２３】さらに、セラミックス化する側への添加元
素および添加物としては、マグネシウム、リチウム、タ
ングステン、ニオブ（Ｎｂ）、マンガン、クロム、タン
タル、珪素の窒化物、炭化物、ハフニウム、ジルコニウ
ム、またはランタノイド元素の炭化物から選択される少
なくとも一種と、セリウム（Ｃｅ）を含むランタノイド
元素、ジルコニウム、チタニウムまたはタリウム（Ｔ
ｌ）から選択される少なくとも一種とを含む。

【００２４】なお、金属側とセラミックス側を一体成形
する際、それぞれの成形密度にばらつきがある。例え
ば、金属側として金属アルミニウムが添加されている
と、一般的な粉末の成形圧力が８０ＭＰａ〜２５０ＭＰ
ａにおいて、アルミニウム分の剛性や強度が小さく、成
形中に組成変形してしまう。このため、窒化アルミニウ
ムを全て金属アルミニウムを窒化して得るのではなく、
使用する金属やセラミックス粒子の粒度やその分布によ
り予め窒化アルミニウムを添加し、反応時に緻密化させ
ていく手法が採用される。

【００２５】

【発明の実施の形態】金属側として、平均粒径が３μｍ
の金属アルミニウム粉と、平均粒径が１μｍの金属タン
グステン粉と、平均粒径が０．６μｍの金属コバルト粉
とを、それぞれ２６．５ｗｔ％、７３ｗｔ％および０．
５ｗｔ％ずつ混合した後、アルコールを粉末１００に対
して１０ｗｔ％になるように添加し、第１混合粉末Ａが
得られた。

【００２６】セラミックス化する側として、平均粒径が
３μｍの金属アルミニウム粉と、エリンハム ダイヤグ
ラムで窒化アルミニウムラインより上方に存在するもの
として、平均粒径が０．６μｍの炭化タングステン粉
と、平均粒径が１．２μｍの窒化モリブデン（Ｍｏ
₂ Ｎ）粉と、同様に窒化アルミニウムラインより下方に
存在する金属として、平均粒径が２．４μｍの金属ジル
コニウム粉と、その他として、カーボンブラック、平均
粒径が１．２μｍの窒化アルミニウム粉および平均粒径
が０．１μｍの金属ニッケル粉とを、それぞれ６０ｗｔ
％、３．０ｗｔ％、２．０ｗｔ％、３．０ｗｔ％、１．
９ｗｔ％、３０ｗｔ％および０．１ｗｔ％ずつ混合した
後、アルコールを粉末１００に対して１５ｗｔ％になる
ように添加し、第２混合粉末Ｂが得られた。

【００２７】次いで、焼結後の金属側の厚さが４ｍｍで
寸法が５０×５０ｍｍになるように、第１混合粉末Ａが
計量された後、加圧成形用金型内にこの第１混合粉末Ａ
が充填されて、パンチの重みのみによって該第１混合粉
末Ａが平滑化された。さらに、第２混合粉末Ｂが、焼結
後の全体厚さが６ｍｍになるように計量され、平滑化さ
れた第１混合粉末Ａ上に積層された。

【００２８】そこで、成形圧力が１２０ＭＰａに設定さ
れ、第１および第２混合粉末Ａ、Ｂが金型内静水圧加圧
成形法により成形処理されて成形体が得られた。その
際、成形のために過剰となったアルコールが金型の隙間
から排出され、成形体内に残存するアルコールが極小化
され、実質的に、このアルコール残量が５ｗｔ％となっ
た。

【００２９】その後、酸化を防止するために成形体が４
０℃で２時間乾燥処理され、次に、この成形体が雰囲気
炉内に移されて窒素雰囲気化で昇温されて焼結された。
この焼結時に反りが発生することを阻止するため、成形
体の上に１５ｇ程度のｈ−ＢＮの板を載せて焼成処理を
施した。焼結パターンは、図１Ａおよび図１Ｂに示す条
件で行われた。さらに、金属側の緻密化および結晶構造
の変化に伴う変化点乃至はその近傍で、定温保持が行わ
れた。また、窒化を連続的かつ効果的に行うため、窒素
圧の制御も行った。

【００３０】これにより、図２に示すように、焼結体
（セラミックス−金属傾斜機能材）１０が得られた。こ
の焼結体１０は、セラミックス組成層１２と、金属組成
層１４と、このセラミックス組成層１２と前記金属組成
層１４との境界部位に設けられる複合組成層１６とから
一体的に構成された。

【００３１】セラミックス組成層１２の表面は殆ど窒化
物であり、金属組成層１４の表面は完全に金属状態であ
った。さらに、複合組成層１６は、セラミックスと金属
の界面が識別不能であり、所望の傾斜機能材が得られ
た。この焼結体１０では、セラミックス組成と金属組成
との収縮量や収縮温度等の違いによる割れやクラック等
の欠陥は全く現れなかった。セラミックス組成層１２の
表面の絶縁耐圧が１ＧＶ以上であり、反対側の金属組成
層１４側の抵抗は殆ど測定不能な値であった。熱伝導率
については、全体として、１７０Ｗ／ｍＫ以上の値であ
った。

【００３２】

【発明の効果】以上のように、本発明に係るセラミック
ス−金属傾斜機能材およびその製造方法では、金属側お
よびセラミックス側の収縮やそれぞれの成分を制御する
ことにより、セラミックス組成と金属組成との境界部位
が存在することがない。これにより、組成および物性が
傾斜的に変化する複合組成層を介在したセラミックス組
成層と金属組成層とが一体化された傾斜機能材が確実に
得られる。従って、熱伝導性や接合信頼性が向上すると
ともに、簡単な工程で所望の特性を有したセラミックス
−金属機能材が製造可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１Ａは、本発明に係る製造法における焼結の
温度パターンの説明図であり、図１Ｂは、焼結の圧力パ
ターンの説明図である。

【図２】本発明の実施形態に係る焼結体の一部斜視説明
図である。

【符号の説明】

１０…焼結体 １２…セラミッ
クス組成層 １４…金属組成層 １６…複合組成
層

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】一方の面側に設けられ、所望の絶縁性およ
   び熱伝導性を有するセラミックス組成層と、 他方の面側に設けられ、所望の熱伝導性および電気伝導
   性を有する金属組成層と、 前記セラミックス組成層と前記金属組成層との境界部位
   に設けられ、その組成および物性が傾斜的に変化する複
   合組成層と、 を一体的に備えることを特徴とするセラミックス−金属
   傾斜機能材。
2. 【請求項２】請求項１記載のセラミックス−金属傾斜機
   能材において、前記セラミックス組成層の熱伝導率が、
   １５０Ｗ／ｍＫ以上であることを特徴とするセラミック
   ス−金属傾斜機能材。
3. 【請求項３】金属を主成分とする第１粉末を成形型に充
   填する工程と、 セラミックス窒化物、炭素および金属を主成分とする第
   ２粉末を、前記第１粉末に積層して前記成形型に充填す
   る工程と、 前記積層された第１および第２粉末を、加圧手段を介し
   て加圧成形することにより、成形体を成形する工程と、 前記成形体を焼成することにより、セラミックスと金属
   とが一体化した傾斜機能材を得る工程と、 を有することを特徴とするセラミックス−金属傾斜機能
   材の製造方法。
4. 【請求項４】請求項３記載の製造方法において、前記第
   １粉末は、金属アルミニウム、タングステン、モリブデ
   ン、バナジウム、クロム、ニッケル、鉄またはコバルト
   から選択される少なくとも一種を含有することを特徴と
   するセラミックス−金属傾斜機能材の製造方法。
5. 【請求項５】請求項３記載の製造方法において、前記第
   ２粉末は、金属アルミニウムと、 マグネシウム、サマリウム、セリウム、ジスプロシウ
   ム、ネオジウム、ランタンまたはリチウムから選択され
   る少なくとも一種と、 タングステン、チタン、クロム、モリブデン、バナジウ
   ム、タンタル、ニオブ、ハフニウムまたはジルコニウム
   から選択される少なくとも一種の炭化物、窒化物、炭窒
   化物または酸化物と、 を含有することを特徴とするセラミックス−金属傾斜機
   能材の製造方法。