JPH11269575A - 複合体とそれを用いたヒートシンク - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】機械加工が可能な、メッキ性が良い金属−無機
繊維質複合体を提供し、はんだクラックの発生や放熱フ
ィンとの密着性の低下の無いヒートシンクを提供する。 【解決手段】多孔質無機構造体と繊維質無機材料とが隣
接して設けられてなる成形体に金属を含浸してなる複合
体であり、好ましくは、多孔質無機構造体が炭化珪素、
窒化アルミニウム、窒化珪素、アルミナ、又はシリカか
らなる群より選ばれる１種以上からなり、繊維質無機材
料がアルミナ、シリカ、窒化硼素、窒化アルミニウム、
窒化珪素、炭化珪素、又は炭素のいずれかを主成分とす
る複合体であり、前記複合体を用いてなるヒートシン
ク。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、金属或いは合金と
セラミックスとからなる複合体（以下、「金属−セラミ
ックス複合体」又は単に「複合体」という）と、それを
用いたＩＣパッケージや多層配線基板等の半導体装置の
ヒートシンクに関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体分野において、ＬＳＩの高集積
化、高速化のために発熱が増加する傾向にあり、ヒート
シンクとして銅等を裏面（回路、半導体搭載面と反対側
の面）に設けた、アルミナ、窒化アルミニウム、窒化珪
素等のセラミックス基板が用いられている。一般に、半
導体素子は熱に弱く、発熱による温度上昇は、半導体回
路の誤動作を発生させたり半導体回路の破壊の原因とな
る。そのため、発生した熱を逃がすためのヒ−トシンク
が備えられたパッケージが使用されるのが一般的であ
る。近年、パワートランジスタ等の分野では大電流化に
伴い発熱量がいっそう大きくなり、その熱を逃がすヒー
トシンクに対する要求特性も厳しいものとなってきてい
る。

【０００３】ヒートシンクに使用される材料には、先ず
高熱伝導性であることが要求される。又、セラミックス
基板とヒートシンクの熱膨張差に起因して、加熱接合時
や使用時のヒートサイクルによりはんだ部分でのクラッ
ク（以下、「はんだクラック」という）やセラミック基
板の割れ等が発生することがあるため、熱膨張係数が金
属と比べて低く、セラミック基板として使用されるアル
ミナ、窒化アルミニウム、窒化珪素等に近いことが要求
される。更に、軽量化の要求も強い。これらの要求を満
たすヒートシンク用材料として、近年、金属−セラミッ
クス複合体が注目されている（特開昭６４−８３６３４
号公報、特開平９−２０９０５８号公報）。

【０００４】金属−セラミックス複合体は、セラミック
粉、セラミック繊維を成形し、必要な場合にはさらにこ
れを焼成して作製した多孔質セラミックス構造体を用
い、これを所望の型内の空間に配置し、この空間に溶融
金属を流し込むことによって、前記多孔質セラミックス
構造体に前記金属を含浸し、これを冷却することにより
作製する。溶融金属を含浸する方法としては、粉末冶金
法に基づく方法、例えば、ダイキャスト法（特表平５−
５０８３５０号公報）や溶湯鍛造法（まてりあ、第３６
巻、第１号、１９９７、４０−４６ページ）等の圧力鋳
造による方法、自発浸透による方法（特開平２−１９７
３６８号公報）等の各種の方法が知られている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ヒートシンクはセラミ
ック基板にはんだ付けするために、通常その表面にＮｉ
系のメッキ処理がなされる。金属−セラミックス複合体
には絶縁体であるセラミックスが含まれているため、コ
スト的に優れた電解メッキ（電気メッキ）はすることが
できない。無電解メッキの場合にも、メッキ性の異なる
金属とセラミックスが共存している面にメッキをするこ
とから、強固で均一なメッキをすることが難しい。この
メッキ性の悪さが、金属−セラミックス複合体をヒート
シンクとして使用する上での問題点となっている。

【０００６】また、金属−セラミックス複合体をヒート
シンクとして使用する場合、その片面はセラミック基板
とはんだ付けされ、他の片面は金属性の放熱フィンとネ
ジ止めがされるのが一般的である。この場合、金属−セ
ラミックス複合体は金属と比較してヤング率が大きく、
ＩＣ等に実使用下で発熱により温度が上がると、はんだ
との間でひずみが生じ、はんだクラックが発生すること
がある。また熱膨張差により放熱フィンとの間の密着性
が悪くなり、放熱特性が低下するという問題もある。

【０００７】更に、金属−セラミックス複合体は金属と
比較して固く、加工が難しいため、形状対応性が悪いと
いう問題がある。

【０００８】本発明者らは上記課題を解決するために鋭
意検討を行なった結果、金属−セラミックス複合体の表
面に当該金属の層を設けることにより、メッキ性が良
く、塑性ひずみによるはんだクラックの発生や放熱フィ
ンとの密着性の低下が無い、かつ加工性にも優れた金属
−セラミックス複合体が得られることを見いだした（特
願平９−２９１８６６号明細書）。

【０００９】更に、本発明者らは、前記発明において、
表面に設けられる金属層内部に繊維質材料を内蔵させる
ことで、後工程での機械的加工において、被加工性を向
上できることを見出し、本発明に至ったものである。

【００１０】

【課題を解決するための手段】即ち、本発明は、多孔質
無機構造体と繊維質無機材料とが隣接して設けられてな
る成形体に金属を含浸してなる複合体であり、好ましく
は、多孔質無機構造体が炭化珪素、窒化アルミニウム、
窒化珪素、アルミナ、及びシリカからなる群より選ばれ
る１種以上からなり、繊維質無機材料がアルミナ、シリ
カ、窒化硼素、窒化アルミニウム、窒化珪素、炭化珪
素、又は炭素のいずれかを主成分とすることを特徴とす
る複合体である。

【００１１】また、本発明は、金属がアルミニウム又は
マグネシウムのいずれかを主成分とすることを特徴とす
る前記の複合体であり、表面にＮｉ質メッキ層を設けて
なることを特徴とする前記の複合体である。

【００１２】更に、本発明は、前記の複合体を用いてな
ることを特徴とするヒートシンクである。

【００１３】

【発明の実施の形態】本発明は、多孔質無機構造体と繊
維質無機材料とが隣接して設けられてなる成形体に金属
を含浸してなる複合体である。本発明の複合体は、多孔
質無機構造体に金属が含浸されている第１相と、繊維質
無機材料に金属が含浸されている第２相とが互いに隣接
している構造を有する。従って、第１相と第２相は互い
に同一の金属により連続的につながっているので、互い
に隣接する多孔質無機構造体と繊維質無機材料とが形成
する界面で剥離等が起こるのを防止できる効果がある。

【００１４】本発明の多孔質無機構造体とは、金属を含
浸し得る気孔を有し、含浸操作等において変形、破壊等
が生じがたい、例えば１０ＭＰａ程度の機械的強さを有
する無機物をいい、セラミックス焼結体が挙げられる。
また、本発明の繊維質無機材料とは、繊維状の無機化合
物の集合体をいい、特に機械的な強さを必要とせず、ブ
ランケット、マット等のいずれの状態であっても構わな
い。

【００１５】本発明において、繊維質無機材料は多孔質
無機構造体に隣接していれば良いが、繊維質無機材料が
多孔質無機構造体の周囲全面を覆う状態の場合には、後
述するとおりに、得られる複合体の表面に切削加工性に
富む前記第２相が存在することになり、好ましい。表面
が低ヤング率の第２相で覆われているため、複合体が、
例えばセラミックス基板や放熱フィンとはんだで接合さ
れ、ヒートシンクとして用いられた場合に、はんだとの
間のひずみが小さくなることから、はんだクラックが発
生しにくくなるという効果が得られる。また、放熱フィ
ンとの密着性の低下も少なく、放熱特性が長期に渡り安
定して得ることができる。

【００１６】更に、本発明の複合体は、上記構造を採用
することにより、従来公知の金属−セラミックス複合体
と比較して、加工性に富んでいる。例えば、平面研削に
よりヒートシンクの面加工をする場合には、本発明の複
合体では、所定寸法より小さめの多孔質無機構造体を用
い、それに繊維状無機材料を隣接して用いることで、第
２相からなる層を厚めに設けることで、第２相からなる
表面層のみを平面研削するだけで所望寸法の複合体を得
ることができる。従来のダイヤモンド工具等を必要とす
るセラミック部分の研削が不必要となる。

【００１７】同様に、複合体に穴明け加工をする場合に
は、予め所望寸法よりも大きな穴を有する多孔質無機構
造体を用いて、第２相からなる層を厚めに設けること
で、従来公知の金属加工法を適用するのみで所望寸法の
複合体を得ることができる。一般に、アルミニウムの様
に柔らかい金属を加工する時、砥石等の目詰まりによる
被加工性の低下が大きな問題となるが、本発明の複合体
は、第２相に繊維状無機材料が含まれるため、加工され
た時に砥石等の目詰まりが少なく被加工性に優れてい
る。

【００１８】更に、多孔質無機構造体、繊維状無機材料
と溶融金属を流し込む型内空間の大きさを調整すること
で、例えば、一部がフィン状に突出した形状の第２相か
らなる層を有する複合体、第２相からなる層で埋まった
穴を有する複合体、一部に肉厚の大きな第２相からなる
層を有する複合体等を作製し、前記第２相からなる層を
従来公知の金属加工法を適用することができる。ここ
で、従来公知の金属加工法としては、前記の平面研削方
法、穴あけ加工方法に例示される機械加工法に限定され
るものでなく、金属の加工に適用できるあらゆる方法を
いう。

【００１９】従って、第２相からなる層の厚みとして
は、選択される金属加工方法、加工後の複合体の寸法精
度等により異なるが、少なくとも０．５μｍ以上であれ
ば良い。金属加工法のうち安価で生産性の高い汎用の機
械加工法を適用する場合には、前記第２相からなる層の
厚みとしては５０μｍ以上が好ましく、１ｍｍ以上であ
ることが一層好ましい。尚、その上限値に関しては、特
に限定するべき理由がないが、２０ｍｍを越えるときに
は、例えば、半導体搭載用回路基板の放熱部品として用
いるときに、高熱伝導、低熱膨張率であるという複合体
の特徴を発揮することが出来ないおそれがある。

【００２０】本発明の多孔質無機構造体は、上述したと
おりに、金属或いは合金を含浸させることが可能な開放
気孔を有し、しかも含浸操作において破壊することのな
い機械的強度を有する構造体であれば、どのようなもの
でも構わない。

【００２１】その材質については、得られる複合体の熱
伝導率の低下を少なく、かつ熱膨張係数をアルミナ、窒
化アルミニウム、窒化珪素等のセラミック基板に近づけ
るということから、高熱伝導でありかつ低熱膨張の炭化
珪素、窒化アルミニウム、窒化珪素及びアルミナ等が好
適である。又、シリカは、熱伝導率は前記物質よりも小
さいが、熱膨張係数が小さいため少ない添加量で複合体
の熱膨張係数をセラミック基板の熱膨張係数に近づける
ことができるため、複合体としたときの熱伝導率の低下
が少なく、前記物質を使用したときと同様の効果を得る
ことができ、やはり、好ましい。このうち、炭化珪素は
粉体自体の熱伝導率がアルミニウムよりも高く、炭化珪
素を使用して得られる複合体の熱伝導率は金属単味の熱
伝導率よりも高くなることから特に好ましい。

【００２２】本発明の繊維質無機材料としては、アルミ
ナ、シリカ、窒化硼素、窒化アルミニウム、窒化珪素、
炭化珪素、炭素等を主成分とする市販のものを用いるこ
とができる。このうち、アルミナ、シリカを主成分とす
るものは、安価で入手し易いことから、炭化珪素、炭素
を主成分とするものは、繊維方向での熱伝導率が高く、
ヒートシンクとしたときに熱を放散しやすいことから好
ましい。

【００２３】本発明に用いる金属については、本発明の
目的を達成し得れば、どのようなものであっても構わな
いが、高熱伝導性、軽量性を達成する目的から、アルミ
ニウム、マグネシウム等の軽合金又はそれらの合金が好
ましい。前記合金についても格別の制限はなく、汎用の
アルミニウム合金やマグネシウム合金を用いることがで
きる。アルミニウム合金の場合には、鋳造のしやすさ、
高熱伝導性の発現の点から、Ｓｉ含有量が４〜１０％の
ＡＣ２Ａ、ＡＣ２Ｂ、ＡＣ４Ａ、ＡＣ４Ｂ、ＡＣ４Ｃ、
ＡＣ８Ｂ、ＡＣ４Ｄ、ＡＣ８Ｃ、ＡＤＣ１０、ＡＤＣ１
２等の鋳造用アルミニウム合金や、１０００系、２００
０系、３０００系、４０００系、５０００系、６０００
系、７０００系の展伸用アルミニウム合金が特に好まし
い。

【００２４】上記の多孔質無機構造体と金属の組み合わ
せに関して、金属としてアルミニウムあるいはアルミニ
ウム系合金、多孔質無機構造体として炭化珪素を用いた
アルミニウム−炭化珪素複合体は、軽量、高熱伝導、セ
ラミック基板との熱膨張の適合性の点で特に優れた組合
せである。本発明者らは、このアルミニウム−炭化珪素
複合体について、いろいろ検討した結果、炭化珪素含有
量には本発明の目的を達するのに好適な範囲が存在する
ことを見出したものである。即ち、アルミニウム−炭化
珪素複合体中の炭化珪素含有量が５０体積％以下では熱
膨張係数が高くなり、セラミック基板との熱膨張差に起
因する前記問題が生じ易くなる。また、セラミックスは
高温での熱伝導率が下がるため、８０体積％以上では、
使用時の温度上昇による熱伝導率の低下が著しくなると
いう問題が顕著になってくる。従って、アルミニウム−
炭化珪素複合体中の炭化珪素含有量は５０〜８０体積
％、すなわち、複合体化前の多孔質炭化珪素構造体の気
孔率は５０〜２０体積％が好適である。

【００２５】本発明の複合体を得る方法については、従
来公知のいろいろな含浸方法を適用することができる
が、複合体表面に金属を多量に含む第２相を形成させる
必要から、圧力鋳造による方法が望ましい。すなわち、
ダイキャスト法による場合には、金型のキャビティをプ
リフォームよりも表面層の分だけ大きめに作り、繊維状
無機材料を配置して溶融金属を鋳造、含浸することによ
り、表面に第２相を持った複合体を容易に作製すること
ができる。又、溶湯鍛造による場合には、多孔質無機構
造体表面に繊維状無機材料を接する様に配置し、溶融金
属を鋳造、含浸することで容易に作製することができ
る。

【００２６】又、本発明の複合体は、表面が金属を多量
に含有する第２相で覆われているため、電解或いは無電
解メッキが容易に行えるという特徴を有する。本発明の
複合材は、セラミック基板とのハンダ付けを一層確固と
したものにする目的で、その表面にＮｉ質メッキを設け
る。Ｎｉ質メッキは、電解法によっても無電解法のいず
れでもよいが、均一な厚みにＮｉ質メッキ層が容易に得
やすいという理由で、無電解法が好ましく選択される。
更に、Ｎｉ質メッキ層については、主成分がＮｉであれ
ば良く、例えば、Ｎｉ−Ｐ、Ｎｉ−Ｂ等のＮｉ合金メッ
キで得られるものでも良い。又、Ｎｉ質メッキ層上に他
の金属、例えばＡｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ａｌ等をメッキ、蒸
着等の方法で複合層状に設けても構わない。

【００２７】この場合、下地となる複合体表面に存在す
る第２相の厚さについて、０.５μｍから５００μｍで
あることが望ましい。０.５μｍ以下であると部分的に
メッキの不均一が生じることがあるし、５００μｍを超
えるとヒートサイクルによりはんだクラックが生じ易く
なるからである。

【００２８】以下、実施例及び比較例に基づき、本発明
を更に詳細に説明する。

【００２９】

【実施例】〔実施例１〕縦横１００ｍｍで厚さ３ｍｍ
で、気孔率６５％の炭化珪素焼結体を多孔質無機構造体
とし、その両面に厚さ１ｍｍのムライト質の繊維状無機
材料（気孔率１０％）を配置し、その状態のまま、金型
中に納め、圧力鋳造法（１００ＭＰａ）により、アルミ
ニウム合金（ＡＣ４Ｃ）を鋳造し、前記成形体中に含浸
した。得られた複合体の両表面には厚さ１ｍｍの第２相
が存在しているので、この部分を１２０番のレジンボン
ド砥石を用い、３０００回転／分の条件下で平面研削を
行った。その結果、切削体積が１０ｃｍ３においても、
砥石に目詰まりを起こすことなく、良好に加工すること
ができた。

【００３０】〔実施例２〕実施例１の複合体を平面研削
し厚さ３．５ｍｍとし、その片面に無電解Ｎｉメッキを
施し、窒化珪素質焼結体を基板とするセラミックス回路
基板の回路側でない面に、前記Ｎｉメッキ面をハンダを
介して接合した。上記接合体に関し、−４０℃から＋１
２５℃の間で、温度の上昇、保持、下降の１サイクルが
４０分の温度サイクルをかけハンダ部分でのクラック等
の異常の発生の有無を観察したが、何ら異常は見出せな
かった。

【００３１】〔比較例〕ムライト質の繊維状無機材料を
用いないことを除いては、実施例と同じ操作を行い、得
られた複合体について、実施例と同じ被加工性の評価を
行った。得られた複合体は、第２相の部分が金属からな
り、この部分の被加工性は、切削体積が５ｃｍ３のとき
に、目詰まりを起こし、砥石のドレッシングが必要とな
った。

【００３２】

【発明の効果】本発明の複合体は、多孔質無機構造体と
金属とからなる第１相と、繊維状無機材料と金属とから
なる第２相とからなるので、第１相の有する熱伝導率が
高く、熱膨張率が小さいという性質と、第２相の有する
被加工性に優れるという性質を共に有している特徴があ
り、これを用いて、セラミックス基板が実使用下で受け
る熱衝撃でクラックを発生する等の問題がなく、信頼性
の高い、セラミックス回路基板用のヒートシンクが容易
に得ることができ、産業上極めて有益である。

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 多孔質無機構造体と繊維質無機材料とが
   隣接して設けられてなる成形体に金属を含浸してなる複
   合体。
2. 【請求項２】 多孔質無機構造体が炭化珪素、窒化アル
   ミニウム、窒化珪素、アルミナ、及びシリカからなる群
   より選ばれる１種以上からなることを特徴とする請求項
   １記載の複合体。
3. 【請求項３】 繊維質無機材料がアルミナ、シリカ、窒
   化硼素、窒化アルミニウム、窒化珪素、炭化珪素、又は
   炭素のいずれかを主成分とすることを特徴とする請求項
   １又は請求項２記載の複合体。
4. 【請求項４】 金属がアルミニウム又はマグネシウムの
   いずれかを主成分とすることを特徴とする請求項１、請
   求項２又は請求項３記載の複合体。
5. 【請求項５】 表面にＮｉ質メッキ層を設けてなること
   を特徴とする請求項１、請求項２、請求項３又は請求項
   ４記載の複合体。
6. 【請求項６】 請求項１、請求項２、請求項３、請求項
   ４又は請求項５記載の複合体を用いてなることを特徴と
   するヒートシンク。