JPS6138030B2 - - Google Patents

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JPS6138030B2
JPS6138030B2 JP56020051A JP2005181A JPS6138030B2 JP S6138030 B2 JPS6138030 B2 JP S6138030B2 JP 56020051 A JP56020051 A JP 56020051A JP 2005181 A JP2005181 A JP 2005181A JP S6138030 B2 JPS6138030 B2 JP S6138030B2
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JP
Japan
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fibers
graphite
fiber composite
composite material
fiber
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JP56020051A
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English (en)
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JPS57135155A (en
Inventor
Hideo Arakawa
Keiichi Kunya
Takashi Namekawa
Masabumi Oohashi
Takuzo Ogawa
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Hitachi Ltd
Original Assignee
Hitachi Ltd
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Publication date
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  • Chemically Coating (AREA)
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Description

【発明の詳細な説明】 本発明は例えば半導体支持電極に使用するに好
適なCu−C繊維複合材料等の金属−繊維複合材
料の製造方法に関する。
半導体装置は、例えば第1図に示すように少な
くとも1個のPN接合を有するシリコン半導体基
板1を挾持するように下部電極2と、上部電極3
を配置し、前記シリコン半導体基板1を被つてレ
ジン4がコーテイングされた構成となつている。
なお、シリコン半導体基板1と下部電極2、上部
電極3はハンダ5を介して接着されている。下部
電極2及び上部電極3は、半導体装置の製作時あ
るいは稼動時にシリコン半導体基板1に発生する
熱応力を阻止あるいは緩和するため、下記の2点
が要求される。
(1) シリコンと熱膨張が等しいかほぼ等しいこと (2) 熱伝導率、導電率が良好なこと 従来より上記2点を比較的良好に満足する材料
として、WあるいはMoが用いられるが、これら
材料に代替する材料として、Cuの熱伝導性、導
電性とC繊維の低熱膨張特性をあわせもつCu−
C繊維複合材料がある。この材料はC繊維含有量
によつてシリコンの熱膨張係数と一致させること
ができ、Cuの含有量によつて熱伝導率、導電率
が優れる。またこのCu−C繊維複合材料はC繊
維の配置によつて特性が異なり、Cu中にC繊維
を一方向に埋込んだ一方向Cu−C複合材料は複
合則により繊維の長手方向はC繊維がCuの燃膨
張を拘束して、低熱膨張を発揮するが、繊維の断
面方向はC繊維によるCu膨張の拘束がなく、し
たがつて特性に異方性を有する。このため、半導
体支持電極としてのCu−C繊維複合材料はCu中
に網状、放射状、無方向、環状、うず巻状あるい
は少なくとも二方向状に埋込み、熱膨張特性の異
方性をなくした種類が用いられる。特に、第2図
に示したように、例えば上部電極3に対しC繊維
22を中心軸を中心としてうず巻状に埋込んだう
ず巻状Cu−C繊維複合材料は、同一C繊維量で
比較すると熱伝導、熱膨張特性に優れ、半導体支
持電極として好適である。
前記半導体支持電極として用いるCu−C繊維
複合材料は、CuとC繊維とのぬれが極めて悪い
ため、その製造方法はCu粉あるいはCuメツキを
C繊維の周囲に介在させこれを加圧しながら、第
3図に示すように黒鉛鋳型を高周波誘導により加
熱しCu同士を拡散によつて結合し一体化するホ
ツトプレス方法が採られる。なお第3図におい
て、円筒状の黒鉛内枠6とこの外側に配置される
黒鉛外枠7とで黒鉛鋳型が構成され、この黒鉛鋳
型の外側には高周波加熱コイル8が配置されてい
る。前記黒鉛内枠6内にはCu−C繊維複合材料
9が挿入されこのCu−C繊維複合材料9は前記
黒鉛内枠6の両端から挿入される黒鉛押棒10に
よつて加圧されるようになつている。特にC繊維
にCuメツキを施し、このCuメツキC繊維を所定
のC繊維の配向、例えばうず巻状にし、ホツトプ
レスする方法は、現在特性の均一な材料を得る最
も確実な方法となつている。既述した各種Cu−
C繊維複合材料はC繊維を無方向、網状等にして
互いに交叉させたCu−C繊維複合材料、C繊維
を放射状にして互いに交叉させないCu−C繊維
複合材料があるが、うず巻状のCu−C繊維複合
材料もC繊維をうず状にする際、繊維が部分的に
交叉することは避け得ない。このような部分的に
C繊維が交叉するとC繊維は高温でも軟化しなく
なるため、ホツトプレス時交叉した部分に加圧力
が集中し、材料内部で不均一な圧力分布が生じ
る。その結果、加圧不足の部分にボイドが発生し
やすくなる。このようなボイドのあるCu−C繊
維複合材料は、熱伝導率を劣化させ、半導体支持
電極の材料として好ましくなくなる。
本発明の目的はボイドの発生を少なくした金属
−繊維複合材料の製造方法を提供するにある。
このような目的を達成するために、本発明は金
属メツキした繊維の束を積層し、この積層体を加
圧しながら通電によつて加熱一体化するものであ
る。
また、本発明は、金属メツキした繊維の各束を
黒鉛板を介在させて積層し、この積層体を加圧し
ながら通電によつて加熱一体化するものである。
以下実施例を用いて本発明を詳細に説明する。
第4図は、本発明による金属−繊維複合材料の
製造方法の一実施例を示す断面図である。同図に
おいて、Al2O3からなる絶縁筒11があり、この
絶縁筒11の外側には金型内枠12が嵌合固着さ
れ、またこの金型内枠12の外側には金型外枠1
3が嵌合固着されている。さらに、前記絶縁筒1
1内にはCu−C繊維複合材14が挿入されるよ
うになつており、このCu−C繊維複合材14は
前記絶縁筒11の各両端から挿入される黒鉛押棒
15,16によつて加圧されるようになつてい
る。そして、これら黒鉛押棒15,16による加
圧時において各黒鉛押棒15,16のそれぞれに
接続されたリード線17,18を介して通電でき
るようになつている。
半導体支持電極のCu−C繊維複合材料の製造
過程において、C繊維配列の際に発生する繊維の
交叉は実質的、本質的に避け得ないが、この繊維
交叉によるボイド発生は、ホツトプレス時におけ
る材料内部での圧力不均一から来るCuメツキの
流動不充分、あるいは軽い圧力部分ではC繊維表
面のCuメツキが他のC繊維表面のCuメツキと粒
成長し凝集する形でC繊維表面から離脱し、この
Cuメツキの凝集は、C繊維とCuメツキ界面の結
合力とCuメツキの表面張力の差によるが、加圧
不足によるボイド発生は、上記理由が考えられ
る。
従来のCu−C繊維複合材料のホツトプレス方
法は、加熱温度500〜1080℃、圧力200〜300Kgf/
cm2が適当とされるが、これら条件は高周波加熱す
る際の黒鉛鋳型の強度によつて限定された範囲に
ある。すなわち、高周波加熱等の従来のホツトプ
レスは鋳型を加熱しその後Cu−C繊維複合材料
を加熱する。この結果、鋳型は高温高強度に優れ
た材料となり、現在黒鉛に勝るものはない。しか
し、ホツトプレスの際許容される加圧力は黒鉛押
棒の許容加圧力は大きいが外枠の強度はその肉厚
を大にしても通常Kgf/cm2程度と低い。外枠の肉厚
を大にすると、所定温度を得るために出力を大に
する必要があり実質的でない。他方において高周
波加熱は比較的加熱時間がかかり、また1回のホ
ツトプレスの長さが限定され製造コストが高くな
る。
既述したC繊維交叉によるボイド発生を阻止あ
るいは軽減するためには、加圧力を従来以上に大
にし、かつC繊維交互のCuを速やかに軟化さ
せ、加圧力を材料内部において均一にすることの
点を満足するホツトプレス方法が要求されること
になる。このため上述した実施例に示すように、
Cu−C繊維材料を加圧すると同時に直接通電す
れば、Cu−C繊維材料内部での温度はCuメツキ
したC繊維間の接触した部分において発生するジ
ユール熱により優先的に加熱されるようになる。
このためC繊維交叉部分のCuは軟化し、その変
位に伴ない材料内部の加圧力均一を促進しボイド
発生を軽減できる。また、鋳型全体を加熱する従
来の高周波ホツトプレスと異なり、材料自体を局
部的に加熱するため鋳型自体を加熱する必要はな
く、その結果、高温強度はないが、低温(常温)
での強度は黒鉛に勝る鉄鋼材料(たとえば、炭素
鋼、ステンレス鋼)の金型が使用でき、従来
(300Kgf/cm2)以上の加圧が可能となる。また1回
のホツトプレスの長さは、金型による強度と通電
による電力消費が少なく、加熱速度が早いため高
周波加熱に比べ数倍以上となり製造コストが少な
くなる。
例えば、直径6〜9μmのC繊維に約1μmの
Cuメツキを施し、平均C繊維量が55vol%となる
3000本のエンドレスC繊維束を準備し、これをう
ず巻状に巻き、直径25mm長さ150mmの寸法のうず
巻状の巻き品を作製する。そしてこれを第4図に
示すCu−C繊維複合材料14として、400〜500
Kgf/cm2の加圧をかけながら、黒鉛押棒15,16
を介して約1200Aの電流を流すとともに、温度調
節計を用い1000℃に維持するよう電流をオンオフ
し、1時間保持後冷却する。その後上記通電によ
るホツトプレスで得られるうず巻状Cu−C繊維
複合材料14のブロツク(直径25mm長さ約50mmか
ら直径24mm、厚さ3tの半導体支持電極を10個作製
すると、密度測定後、C繊維量を分析しボイド率
を測定すると、平均C繊維量は55.1vol%で、こ
れに対し各電極の密度は4.86〜4.97g/cm3であつ
た。これにより理論密度は4.96g/cm2として計算
するとボイド率は最大2%から約0%であること
が判つた。これに対し第3図の従来例に示すよう
に、黒鉛鋳型を用い、高周波加熱で温度1000℃、
保持時間1時間、圧力250〜300Kg/cm2の条件で、
直径25mm長さ50mmのうず巻状Cu−C繊維複合材
料を作製し、上述と同様にボイド率を測定する
と、その密度は4.67〜5.02でボイド率は最大6%
で、またC繊維含有量のばらつきもみられた。
第5図は本発明による金属−繊維複合材料の製
造方法の他の実施例を示す断面図である。黒鉛筒
19があり、この黒鉛筒19の外側には絶縁フイ
ルム20が嵌合固着されている。この黒鉛筒19
の外側には、黒鉛内枠12が嵌合固着され、ま
た、この黒鉛内枠12の外側には黒鉛外枠13が
嵌合固着されている。前記黒鉛筒19にはCu−
C繊維複合材料14が挿入されるが、このCu−
C複合材料14はこのCu−C繊維複合材料14
と同時に挿入される複数の黒鉛板21によつて分
割される。各黒鉛板21によつて分割されたCu
−C繊維複合材料14は前記黒鉛筒19の各両端
から挿入される黒鉛押棒15,16によつて加圧
されるようになつている。そして、これら黒鉛押
棒15,16による加圧時において各黒鉛押棒1
5,16のそれぞれに接続されたリード線17,
18を介して通電できるようになつている。
一般にC繊維は高弾性でこのC繊維を人為的に
配列させることから、CuメツキしたC繊維の配
向後の見掛け密度は小さく、ホツトプレスによる
成型後、板厚は1/2〜1/8に収縮し、かつ常温にお
ける加圧では成型できない。その結果、人為的に
配向したC繊維は所定の配向例えばうず状の配列
が乱れ、うず配向の際のC繊維の交叉のほかに、
ホツトプレス時においてさらに繊維の交叉部分が
増加しやすい。これを軽減するために、ホツトプ
レスする前のCuメツキC繊維束の厚さは極力薄
くすることが好ましい。したがつて必要な電極厚
さとなるCuメツキC繊維束の薄板に、黒鉛板等
のようにCu−C繊維複合材料14と固溶、化合
物を作らない抵抗体を上記実施例に示すように、
交叉に積層してホツトプレスすれば、これにより
電極のC繊維の乱れ(うず巻状Cu−C繊維のう
ず偏心等)が阻止され、かつボイドを軽減できる
ようになる。また、黒鉛板の発熱により、C繊維
の交叉部分の優先加熱後において、CuメツキC
繊維全体を均一に加熱できる効果を有するように
なる。
例えば直径25mm、厚さ9mmのうず巻状のCuメ
ツキC繊維束の薄板を例えば15個と厚さ10mmの黒
鉛板例えば14個を交互に積み合わせ第5図のよう
な鋳型を用い、黒鉛押棒15,16を介して約
800Aを通電し、温度1000℃、保持時間1時間、
加圧力400〜500Kgf/cm2の条件でうず巻状のCu−
55vol%C繊維複合材(直径25mm、厚さ約4t)の
薄板15個作製し、これら薄板から直径24mm、厚さ
3tの電極を作製し、その密度を測定した結果4.94
〜4.97g/cm3で、ボイドは最大0.5%であることが
判つた。
上述した各実施例では、Cu−C繊維複合材料
についてのボイド発生低減を図つたものである
が、他の金属及び他の繊維によつても同様である
ことから、このようなものにまで本発明を適用で
きることはいうまでもない。
また上述した各実施例ではCu−C繊維複合材
料におけるC繊維はうず巻状に配列されたものと
したものについて説明したものであるが、網状、
放射状、無方向状に配列されたものにおいてもボ
イドの発生を低減できることはいうまでもない。
以上述べたように本発明に係る金属−繊維複合
材料の製造方法によればボイドの発生を低減させ
ることができる。
【図面の簡単な説明】
第1図は半導体装置の一例を示す構成図、第2
図は上記半導体装置に用いられる上部電極の構成
を示す平面図、第3図は従来のホツトプレス方法
を用いて前記半導体装置の支持電極を製造する場
合を示す断面図、第4図は本発明に係る金属−繊
維複合材料の製造方法の一実施例を示す断面図、
第5図は本発明に係る金属−繊維複合材料の製造
方法の他の実施例を示す断面図である。 11……絶縁筒、12……金型内枠、13……
金型外枠、14……Cu−C繊維複合材料、1
5,16……黒鉛押棒、19……黒鉛筒、20…
…絶縁フイルム、21……黒鉛板。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1 CuメツキしたC繊維をうず巻状とし、これ
    を複数個積層した積層体を加圧しながら通電によ
    つて加熱一体化することを特徴とする金属−繊維
    複合材料の製造方法。 2 CuメツキしたC繊維をうず巻状とし、これ
    を複数個黒鉛板を介在させて積層した積層体を加
    熱しながら通電によつて加熱一体化することを特
    徴とする金属−繊維複合材料の製造方法。
JP56020051A 1981-02-16 1981-02-16 Manufacture of metal-fiber composite material Granted JPS57135155A (en)

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JPS57135155A JPS57135155A (en) 1982-08-20
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