JP2000335914A

JP2000335914A - 炭化珪素粉末とそれを用いた複合材料およびそれらの製造方法

Info

Publication number: JP2000335914A
Application number: JP11150856A
Authority: JP
Inventors: Chihiro Kawai; 千尋河合
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 1999-05-31
Filing date: 1999-05-31
Publication date: 2000-12-05

Abstract

(57)【要約】【課題】放熱基板、特に半導体装置の部材製造用とし
て有用な高い熱伝導性の炭化珪素粉末およびそれを用い
た炭化珪素系複合材料を提供する。【解決手段】平均粒径が０．１〜２００μｍ、２５℃
の熱伝導率Ｋ₂₅が３８０Ｗ／ｍ・Ｋ以上、かつ２００℃
の熱伝導率Ｋ₂₀₀のＫ₂₅に対する割合が、５４％以上で
ある炭化珪素粉末、およびこの粉末をアルミニウム等の
金属マトリックス中に分散させた複合材料である。この
粉末および複合材料は、ともに従来に無くキャリヤー濃
度が低く、高温での熱伝導性に優れたものである。この
粉末は、炭化珪素粉末に、ＩＶａ族金属の粉末を添加混
合した後、不活性ガス雰囲気中、同金属の融点以上の温
度で熱処理することによって得られる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、高熱伝導性の炭化
珪素粉末、同粉末粒子を金属マトリックス中に分散させ
た各種装置・機器、特に半導体装置の放熱基板に有用な
複合材料および同複合材料を用いた半導体装置に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】近年半導体装置の高速演算・高集積化に
対する市場の要求は急速に高まりつつある。それととも
に、同装置の半導体素子搭載用放熱基板には、同素子か
ら発生する熱をより一層効率良く逃がすため、その熱伝
導率のより一層の向上が求められてきた。さらに同素子
ならびに同基板に隣接配置された同装置内の他の部材
(周辺部材)との間の熱歪みをより一層小さくするため
に、より一層それらに近い熱膨張係数を有するものであ
ることも求められてきた。具体的には、半導体素子と
して通常用いられるＳｉ、ＧａＡｓの熱膨張係数がそれ
ぞれ４．２×１０^-6／℃、６．５×１０^-6／℃であり、
半導体装置の外囲器材として通常用いられるアルミナセ
ラミックスのそれが６．５×１０^-6／℃程度であること
から、同基板の熱膨張係数はこれらの値に近いことが望
まれる。

【０００３】また近年のエレクトロニクス機器の応用範
囲の著しい拡張にともない、半導体装置の使用範囲はよ
り一層多様化しつつある。その中で、高出力の交流変換
機器・周波数変換機器等のいわゆる半導体パワーデバイ
ス機器への利用が増えつつある。これらのデバイスで
は、半導体素子からの発熱が半導体メモリーやマイクロ
プロセッサーに比べ数倍から数十倍(通常例えば数十Ｗ)
にも及ぶ。このためこれらの機器に使われる放熱基板
は、その熱伝導率を格段に向上させるとともに、その熱
膨張係数の周辺部材のそれとの整合性を高めることが重
要である。したがってその基本構造も、通常は例えば以
下のようになっている。まずＳｉ半導体素子を第一の放
熱基板である高熱伝導性の窒化アルミニウム(以下単に
ＡｌＮとも言う)セラミック基板上に載せる。次いでそ
の第一の放熱基板の下に銅等のより高熱伝導性の金属か
らなる第二の放熱基板を配置する。さらにこの第二の基
板の下に、これを水冷または空冷可能な放熱機構を配置
する。以上のような構造によって外部に遅滞なく熱を逃
がす。したがって複雑な放熱構造とならざるを得ない。
この構造においては、第一の放熱基板であるＡｌＮセラ
ミックスに１７０Ｗ／ｍ・Ｋ程度のものを用いるとする
と、第二の放熱基板は、この第一の基板から伝達された
熱をその下の放熱機構に遅滞なく逃がす必要がある。こ
のため第二の基板としては、室温で少なくとも２００Ｗ
／ｍ・Ｋ以上の高い熱伝導率と第一の基板との熱膨張係
数の整合のため、１０×１０^-6／℃以下、特に８×１０
^-6／℃以下の低い熱膨張係数を有するものが要求され
る。

【０００４】またこのような基板には、従来より例えば
Ｃｕ−Ｗ系やＣｕ−Ｍｏ系の複合合金からなるものが用
いられてきた。これらの基板は、原料が高価なためにコ
スト高になるとともに重量が大きくなるという問題があ
った。そこで、最近は安価で軽量な材料として各種のア
ルミニウム(以下単にＡｌとも言う)複合合金が注目され
るようになってきた。中でもＡｌと炭化珪素(以下単に
ＳｉＣとも言う)を主成分とするＡｌ−ＳｉＣ系複合合
金は、それらの原料が比較的安価であり、軽量かつ高熱
伝導性である。なお通常市販されている純粋なＡｌ、Ｓ
ｉＣ単体の密度は、それぞれ２．７ｇ／ｃｍ³程度、
３．２ｇ／ｃｍ³程度、熱伝導率は、それぞれ２４０Ｗ
／ｍ・Ｋ程度、２００〜３００Ｗ／ｍ・Ｋ程度までであ
るが、さらにその純度や欠陥濃度を調整すれば、その熱
伝導率のレベルはさらに向上するものと思われる。その
ため、特に注目されている材料である。また純粋なＳｉ
Ｃ単体、Ａｌ単体の熱膨張係数はそれぞれ４．２×１０
^-6／℃程度、２４×１０^-6／℃程度であり、それらを複
合化することによって、その熱膨張係数が広い範囲で制
御可能となる。したがってこの点でも有利である。

【０００５】かかるＡｌ−ＳｉＣ系複合合金およびその
製造方法については、(１)特開平１−５０１４８９号公
報、(２)特開平２−３４３７２９号公報、(３)特開昭６
１−２２２６６８号公報および(４)特開平９−１５７７
７３号公報に開示されている。(１)は、ＳｉＣとＡｌの
混合物中のＡｌを溶融させて鋳造法によって固化する方
法に関するものである。 (２)、(３)は、いずれもＳｉ
Ｃ多孔体の空隙にＡｌを溶浸する方法に関するものであ
る。この内(３)は、加圧下でＡｌを溶浸する、いわゆる
加圧溶浸法に関するものである。また(４)は、ＳｉＣと
Ａｌの混合粉末の成形体かまたはそれをホットプレスし
たものを型内に配置し、これを真空中、Ａｌの融点以上
の温度で液相焼結する方法に関するものである。

【０００６】本発明者等は、特願平９−１３６１６４号
にて、(５)液相焼結法によって得られ、その熱伝導率が
１８０Ｗ／ｍ・Ｋ以上のアルミニウム−炭化珪素系複合
材料を提示している。この複合材料は、例えば１０〜７
０重量％の粒子状ＳｉＣ粉末とＡｌ粉末との混合粉末を
成形した後、９９％以上の窒素を含み、酸素濃度が２０
０ｐｐｍ以下、露点が−２０℃以下の非酸化性雰囲気
中、６００〜７５０℃で焼結する工程によって得られ
る。また本発明者等は、特願平９−９３４６７号に
て、(６)その熱膨張係数が１８×１０^-6／℃以下、その
熱伝導率が２３０Ｗ／ｍ・Ｋ以上であり、焼結後の寸法
が実用寸法に近い、いわゆるネットシェイプなアルミニ
ウム−炭化珪素系複合材料も提示している。さらに本発
明者等は、特願平１０−４１４４７号にて、(７)常圧焼
結法とＨＩＰ法とを組み合わせた同複合材料の製造方法
を提案している。それによれば、例えば粒子状ＳｉＣを
１０〜７０重量％混合したＡｌ−ＳｉＣ系混合粉末の成
形体を、窒素ガスを９９％以上含む非酸化性雰囲気中、
６００℃以上、Ａｌの溶融温度以下の温度範囲で常圧焼
結し、その後金属容器に封入して７００℃以上の温度で
ＨＩＰすることによって、均質でその熱伝導率が２００
Ｗ／ｍ・Ｋ以上のアルミニウム−炭化珪素系複合材料が
得られている。

【０００７】さらに(８)特開平９−１５７７７３号公報
には、Ａｌ粉末とＳｉＣ粉末との混合物をホットプレス
し、成形と焼結とを同時に行う方法が開示されている。
その方法は、Ａｌ１０〜８０体積％、残部ＳｉＣの混合
粉末を成形し、Ａｌの溶融点以上の温度下５００ｋｇ／
ｃｍ²以上の圧力でホットプレスするものである。この
方法によって１５０〜２８０Ｗ／ｍ・Ｋの熱伝導率のア
ルミニウム−炭化珪素系複合材料が得られている。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】以上述べたような複合
材料を大きな放熱量を要求される基板、特に半導体パワ
ーデバイス用の基板のように実用サイズが比較的大きく
放熱量の多い放熱基板として使用するためには、以下に
述べる解決すべきいくつかの課題が残っている。例えば
上記(１)に記載のＡｌ−ＳｉＣ系複合材料の製造方法で
は、Ａｌ溶湯を鋳型に流し込み、ＳｉＣ粒子を分散させ
て固化する鋳造法を用いる。したがってＡｌとＳｉＣの
密度差により冷却時に成形体中のＳｉＣ粒子の偏析が生
じ、固化体の組成が不均一になり易い。このため固化体
の表面がＡｌまたはＡｌ合金からなる被覆層(以下この
層をＡｌ被覆層とも言う)により覆われるのは避けられ
ない。通常この被覆層の厚みは、固化体の表面の部所に
よってかなりばらつく。さらにこの被覆層からなる固化
体の表面部とその内部との間では熱膨張係数にかなり差
があるため、両者の界面に熱が伝わるとそこに熱応力が
生じることになる。それ故この被覆層を残してこの素
材を半導体素子搭載用の放熱基板に用いると、発生した
熱応力によって基板に反りや変形が生じ、その結果半導
体素子や周辺部材と基板との間に亀裂が生じたり、半導
体素子や周辺部材が変形したり、破壊したりする。した
がって、この被覆層は予め完全に除去する必要がある。
しかもこの除去は、上記のように被覆層の厚みにばらつ
きがあるため、軟質延性のＡｌを主成分とする相と剛性
の高いＳｉＣを含む相とが共存する部分の加工となる。
したがって難加工となる。

【０００９】上記(２)および(３)のＡｌ−ＳｉＣ系複合
材料の製造方法では、ＡｌがＳｉＣ多孔体の空隙に溶浸
される。この場合鉄鋼の鋳造時に発生するような溶融Ａ
ｌの引け巣を防ぎ、またＳｉＣの空隙内にＡｌを完全に
充填して緻密な複合合金を得る必要がある。このため通
常ＳｉＣ多孔体の外周に過剰なＡｌが溶浸剤として配置
される。溶浸後この過剰なＡｌが溶浸体の外周に溶出固
着し、その除去に多大の手間がかかる。また予めＡｌと
ＳｉＣを主成分とする混合粉末を成形し、焼結する上記
(５)に記載された方法でもＡｌの融点を越える温度で焼
結すると、軽度ではあるがこれと同じ現象が生じる。

【００１０】そこでこのような外周へのＡｌの溶出固着
を防止するために、上記(６)に記載されたように、Ａｌ
を溶浸する前にＳｉＣ多孔体の外周にその溶出防止剤と
同溶浸を促す溶浸促進剤との混合物からなる薄い層を塗
布・形成することも一策ではある。しかしながらこれら
の層の塗布および溶浸後の除去には手間がかかる。

【００１１】また上記(３)の加圧溶浸法では、一軸加圧
可能な型内にＳｉＣ多孔体を配置し、その上部にＡｌま
たはＡｌ合金を置いて、真空中でＡｌを溶融させつつこ
れを外部から一軸加圧してＳｉＣ多孔体内に強制的に充
填する工程を踏む。この場合最終的に溶浸体は温度勾配
をつけて下部から徐々に冷却する。この時溶浸体内部の
ＳｉＣ骨格部とＡｌによって充填された部分の熱膨張係
数の差が大きいために、冷却時にＡｌが溶浸体内に引け
てＡｌが未溶浸の部分(上述の引け巣に相当する)ができ
易い。したがって、冷却時の温度勾配と加圧・加熱のプ
ログラムとを同時に精度良く制御できる複雑な制御機構
が必要になる。したがってその装置はかなり高価なもの
となる。

【００１２】さらに上記(４)に記載された型内ホットプ
レスによる方法では、以下に述べるような生産上・品質
上の問題がある。例えばホットプレス装置に連続式のも
のを用いると、真空雰囲気にするとともにその温度をＡ
ｌの溶融点以上に上げるため、型の外への溶融物の流出
を抑える必要がある。したがって成分量のばらつきを抑
え目的とする均一組成のものを得ようとすると、非常に
高価な製造装置が必要となる。一方同装置をバッチ式に
する場合には、溶融物の型外への流出は、連続式のもの
に比べいくぶん抑えることはできる。しかしその一方で
成形体の型への装填、所定の温度プログラムでの保持と
冷却の一連の工程を断続的に繰り返すことになるため、
この方式は生産性に欠ける。

【００１３】以上詳述したように、従来のＡｌ−ＳｉＣ
系に代表される金属−ＳｉＣ系の複合材料の製造には品
質上・生産上のいくつかの課題をかかえている。したが
ってＡｌ−ＳｉＣ系の複合材料は、特に半導体パワーモ
ジュールのような高い放熱性を要求される基板の一つと
して、その性能面で最近有望視されているにもかかわら
ず、従来から行われてきた鋳造法、溶浸法、焼結法、ホ
ットプレス法やそれらを組み合わせたいずれの方法でも
満足のゆく本来の性能レベルのものは得られていない。

【００１４】本発明者は、上記した従来の課題を解決す
るために、特にＳｉＣ量の多い組成域での熱伝導性の向
上を重点に置いて研究を重ねてきた。その結果、既に特
願平１０−２６０００３号に提示した手段により、Ｓｉ
Ｃ粒子の欠陥や不純物の量を減らすことによって、この
課題を克服できる見通しを得た。しかしながら前記した
パワーモジュールの中でも特に容量の大きなものでは、
実用時に１５０℃を越える昇温があるため、室温のみな
らず昇温時の高い熱伝導性が要求されている。上記特願
平１０−２６０００３号にて提案したように、炭化珪素
粉末の欠陥や不純物の量を少なくすれば、その室温での
熱伝導率はかなり向上するが、その一方でＳｉＣの熱伝
導率は、昇温とともに低下する。これはＳｉＣ量の多い
組成域では顕著である。このため高温での熱伝導率の低
下を抑えることは困難であった。

【００１５】

【課題を解決するための手段】本発明者は、上記のよう
に粉末の欠陥や不純物の量を下げるだけでなく、さらに
粉末中のキャリヤー濃度を低下させることによって、高
温での熱伝導性の低下を最小限に抑える見通しを得て、
本発明に至った。すなわち本発明で提供される炭化珪素
の粉末は、２５℃の熱伝導率Ｋ₂₅が３８０Ｗ／ｍ・Ｋ以
上、かつ２００℃の熱伝導率Ｋ₂₀₀のＫ₂₅に対する割合
が、５４％以上である炭化珪素粉末である。この粉末の
キャリヤー濃度は、１×１０¹⁸／ｃｍ³以下である。

【００１６】さらに本発明の提供する複合材料は、以上
述べた炭化珪素の粉末の粒子を金属マトリックス中に分
散させたものである。またマトリックス金属がアルミニ
ウムであり、炭化珪素粉末の粒子の量が５０〜９０重量
％である材料、中でも特に２５℃の熱伝導率が２９５Ｗ
／ｍ・Ｋ以上、かつ２００℃の熱伝導率が２１５Ｗ／ｍ
・Ｋ以上である材料も含む。

【００１７】また本発明には、上記した複合材料を用い
た半導体装置が含まれる。

【００１８】本発明の炭化珪素粉末は、原料の炭化珪素
粉末に、ＩＶａ族金属粉末を添加混合した後、不活性ガ
ス雰囲気中、ＩＶａ族金属の融点以上の温度で熱処理す
る方法で得られる。なお好ましくは、ＩＶａ族金属はＴ
ｉであり、またその熱処理の温度は２０００℃以上であ
り、さらにその際の好ましい雰囲気はアルゴン（Ａｒ）
ガスを含む雰囲気である。

【００１９】本発明の複合材料は、以上の方法によって
得られた炭化珪素粉末と金属粉末とを混合し、成形後同
金属の融点以上の温度で加熱し焼結する、いわゆる焼結
法によって得られる。またこの炭化珪素粉末を成形した
後、その空孔内に金属の融液を溶浸する、いわゆる溶浸
法によっても得られる。焼結法の場合、通常非酸化性雰
囲気中で焼結するが、短時間であれば大気中でもよい。
またホットプレスや鍛造等の加圧焼結を行ってもよい。
また溶浸法の場合、非酸化性雰囲気中で行う。なお本発
明において金属粉末にアルミニウムを主成分とするもの
を用いる場合、好ましい炭化珪素粉末の量は、５０〜９
０重量％である。

【００２０】出発原料であるＳｉＣ粉末は、例えば純度
の低い通常市販されているものでもよいが、本発明の目
的とするキャリヤー濃度の低い粉末を、容易に得るため
には、熱伝導性を低下させる酸素や陽イオン不純物が少
ないものを選ぶのが望ましい。中でも特にＦｅの含有量
が、１０００ｐｐｍ以下の粉末を用いるのが望ましい。
そのためには、例えば本発明者等が既に特願平１０−２
６０００３号で提案したように、予め市販のＳｉＣ粉末
を酸処理するかまたは熱処理するのが望ましい。

【００２１】

【発明の実施の形態】ＳｉＣと金属とからなる複合材料
の理論熱伝導率Ｋは、以下の式（１）のようになる。Ｋ＝Ｋm[１＋２Ｖd(Ｒ−１)/(Ｒ−２)]/[１＋Ｖd(１−Ｒ)/(Ｒ＋２)] 式（１）ただしＲはマトリックス金属の熱伝導率Ｋmに対する分
散相ＳｉＣのそれＫdとの比Ｋd/Ｋmであり、Ｖdは分散
相ＳｉＣの体積分率である。本発明では分散相を構成す
るＳｉＣ粉末の熱伝導率を掲げているが、粉末の熱伝導
率の測定は困難であり、直接それを知ることはできな
い。それ故本発明では、例えば純粋なＡｌとの緻密なＡ
ｌ−ＳｉＣ複合材料を作製し、その実測熱伝導率Ｋの値
と純粋なＡｌの熱伝導率Ｋmの値（通常２４０Ｗ／ｍ・
Ｋ）を使って式（１）から求めた。

【００２２】ところでＳｉＣのようなセラミックス中の
熱伝導は、基本的にはフォノンの伝導によって生じる。
一般にＳｉＣには多くの欠陥が存在し、その結晶格子の
Ｃ軸方向の原子の積層状態に起因する積層欠陥や点欠
陥、さらに結晶中への不純物元素の固溶に起因する転
位、塊状原料を粉砕して粉末を調製する過程で導入され
る歪みおよび不純物混入によるキャリヤー濃度の増加等
がある。この内キャリヤー濃度と熱伝導性との関係につ
いては、キャリヤー濃度が増加すると熱伝導率が低下す
る。

【００２３】一般にＳｉＣ粉末は、酸化珪素（Ｓｉ
Ｏ₂）または珪素（Ｓｉ）とコークス等の炭素（Ｃ）と
の混合物に通電加熱してＳｉＣの塊を作り、これを粉砕
して製造される。この製造過程で原料中に含まれ、また
加熱時に空気から取り込まれる窒素（Ｎ）が、ＳｉＣ結
晶中に入り込み、そのＣ原子を置換する。その結果Ｓｉ
Ｃ結晶中には、以下の式（２）にしたがって自由電子
（キャリヤー）が生じ、同結晶はｎ型の半導体になる。
このようなＮ原子によるＣ原子の置換は、Ｎのイオン半
径と電気陰性度がＣのそれらに近いために起こる。Ｃ⁴ ^ー→Ｎ³ ^ー＋ｅ^- 式（２）以上の製造方法では原料中に含まれる微量のＮを除くこ
とは極めて難しいので、市販のＳｉＣ粉末の結晶中には
Ｎが含まれている。それ故同粉末のキャリヤー濃度は、
通常１×１０¹⁷〜１×１０¹⁸／ｃｍ³のレベルである。
一方キャリヤー濃度の低いＳｉＣ粉末を確実に得る手段
としては、例えば気相法（ガスプロセス）がある。この
方法は、例えばＳｉＨ₄ガスとＣＨ₄ガスの気相反応を利
用する場合には、これら原料ガス中のＮ濃度を極力低下
させれば、目的のものが得られる。しかしこのような方
法は、単結晶の合成や薄膜の形成には有利であるが、生
産性に乏しくＳｉＣ粉末の量産には向かない。本発明者
は、ＳｉＣの熱伝導率がその純度や欠陥の量だけではな
く、特にその温度特性においてキャリヤー濃度も関与す
ることを念頭に置いて、同濃度低減の具体策を探求して
きた。その結果本発明者は、ＳｉＣ粉末を用い、これに
ＩＶａ族金属の粉末を少量添加し熱処理することによっ
て、その目的が達成されることを確認し、本発明に至っ
た。

【００２４】ところで陽イオンが多くなると、熱伝導率
が低下するのは以下の理由による。例えばＡｌの量が多
くなると、Ａｌ原子で置換されたＳｉ原子位置が増え、
以下の式（３）に示されるようにＳｉＣ結晶中には正孔
が増加する。そしてこの正孔Ｐ⁺は自由電子と結合する
ため、キャリヤー濃度は減る。Ｓｉ⁴⁺→Ａｌ³⁺＋Ｐ⁺ 式（３）したがってＮを含むＳｉＣ粉末にＡｌを固溶させて行け
ば、見かけ上キャリヤー濃度は減少するが、実際にはそ
の熱伝導率は低下する。これはＡｌ原子自体がフォノン
を散乱させるとともに、その固溶によって結晶欠陥が増
えるためである。Ｆｅについても同様であるが、ＳｉＣ
結晶中にそれが多く固溶すると、積層欠陥の濃度が増
え、熱伝導を阻害する。なおＳｉＣ結晶中の不純物の定
量は、例えばＦｅを例に採ると、以下のように行う。ま
ずＳｉＣ自体が溶解しないように王水に漬けると、粉末
中のＳｉＣ粉末の結晶外に存在するＦｅが溶出した水溶
液が得られる。一方ＳｉＣも溶解し得るフッ硝酸（フッ
酸ＨＦと硝酸ＨＮＯ₃の混合水溶液）にそれを漬ける
と、粉末中に含まれる全てのＦｅが溶出した水溶液が得
られる。そこでこれら両水溶液中のＦｅの量差を確認す
る。

【００２５】上記の純度および欠陥量が調製されたＳｉ
Ｃ粉末に、ＩＶａ族金属（Ｔｉ、ＺｒおよびＨｆ）の粉
末を添加し、その融点以上の温度で熱処理する。ＩＶａ
族金属の添加量は、この処理による熱伝導率の向上効果
を考えると、混合粉末中で０．１重量％以上とするのが
望ましい。ＩＶａ族金属の中では、Ｎとの反応性の点で
Ｔｉが最も好ましい。例えばＴｉを添加した場合、熱処
理時の結晶からの窒素除去のメカニズムは、以下の通り
である。Ｔｉ粉末を添加したＳｉＣ粉末をＴｉの融点
（１６８０℃）以上の温度まで昇温すると、Ｔｉはガス
化する。このＴｉガスとＳｉＣ粉末粒子表面付近のＮと
が反応して窒化チタン（ＴｉＮ）が生成する。するとＳ
ｉＣ粉末粒子の表面と内部のＮの濃度勾配が生じ、同粒
子内部のＮは、その表面に向かって拡散してＴｉガスと
反応する。このような過程が繰り返されてＳｉＣ粒子の
Ｎの含有量は低下する。このような熱処理を経てＮはＳ
ｉＣ結晶粒子内に取り込むことなく、同結晶粒界にＴｉ
Ｎとして析出する。その結果ＳｉＣ粉末のキャリヤー濃
度は顕著に低くなる。なおこのような現象は、ＴｉとＮ
の親和力が極めて高いために生じる。ＺｒやＨｆでも基
本的にほぼ同様である。

【００２６】本発明の現象を生ぜしめるためには、添加
するＩＶａ族金属の融点以上の温度で熱処理してガスを
発生させればよい。なおＺｒ、Ｈｆの融点は、それぞれ
１８５７℃、２０００℃である。ただしより効率良く熱
処理を進め、ＳｉＣ粒子中のＮの拡散速度を早めるため
には２０００℃以上の温度で行うのが望ましい。なお熱
処理温度は、ＳｉＣの昇華が激しくなり始める２４００
℃までとするのが望ましい。この温度を越えると、Ｓｉ
ＣもＩＶａ族金属との反応で昇華性の化合物を作り急速
にガス化する。したがってこの温度を越えると、ＳｉＣ
は主にガス相として存在するので、固体での回収が難し
くなることがあるからである。熱処理は、アルゴン、ヘ
リウムおよび窒素等の不活性ガス雰囲気中で行う。ただ
し窒素はアルゴンに比べ凝縮によって析出する結晶に欠
陥が生じ易く、またヘリウムは高価であるので、アルゴ
ン（Ａｒ）ガス雰囲気中で行うのが望ましい。その圧力
は大気圧以下でもよいが、望ましくは大気圧以上である
が、ＩＶａ族金属の窒化反応が促進されるので高いほど
望ましい。なおＩＶａ族金属を粉末のような固体状態で
介在させず、それらを気相でＳｉＣ粒子表面に供給し、
上記条件下で熱処理する方法でも同じ結果は得られる。
このように熱処理されたＳｉＣ粉末は、ＩＶａ族金属の
窒化物を含む。この窒化物粒子は、極めて微細であるか
非晶質（アモルファス）状態であり、例えば通常の粉末
Ｘ線回折では、そのピークを確認できないことが多い。

【００２７】Ｔｉを添加した場合を例に採って、その熱
処理プログラム例を以下に述べる。まずＴｉ粉末を少量
添加したＳｉＣ粉末を炉内に配置後、真空中１５５０℃
以上に昇温し、所定時間加熱する。この段階で粉末中の
ＦｅやＡｌのような陽イオン不純物が系外に昇華して取
り除かれる。その後大気圧のアルゴンガス雰囲気とし、
引き続き２０００〜２３００℃で所定時間加熱保持す
る。この段階でＴｉが昇華してＳｉＣ粉末粒子の表面の
Ｎと反応するとともに、ＳｉＣ表面からＳｉ₂Ｃ、Ｓｉ
Ｃ₂およびＳｉのようなガスが生じる。この過程によっ
てＳｉＣ結晶粒子中の積層欠陥濃度が低下する。

【００２８】以上の方法によって得られる本発明のＳｉ
Ｃ粉末は、通常５０ｐｐｍ以下のＦｅ量および１×１０
¹⁸／ｃｍ³以下のキャリヤー濃度を有する。またその平
均粒径は、通常０．１〜２００μｍである。この平均粒
径は、出発原料となる粉末の粒径に依存するが、熱処理
中ＳｉＣ粒子の粒成長のため下限未満にはなり難く、上
限を越えると、ＳｉＣ粒子中の窒素が抜け難くくなるか
らである。またその２５℃の熱伝導率Ｋ₂₅は、３８０Ｗ
／ｍ・Ｋ以上であり、かつその２００℃の熱伝導率Ｋ
₂₀₀は、Ｋ₂₅の５４％以上である。この熱伝導率は、前
述のように、複合材料および金属の実測熱伝導率から式
（１）を用いて算出された値である。なお複合材料の熱
伝導率の実測は、通常レーザーフラッシュ法で行う。

【００２９】本発明の複合材料は、以上のＳｉＣ粉末粒
子を金属マトリックス中に分散させたものである。この
複合材料は、前述のように、上記のＳｉＣ粉末と金属粉
末とを混合し成形した後、同金属の融点以上の温度で加
熱し焼結することによって得られる。またＳｉＣ粉末を
成形し、その空孔内に金属を溶浸することによっても得
られる。好ましい金属としては、比較的安価で熱伝導性
に優れた銅、アルミニウムおよび銀を主成分とするもの
が挙げられる。なお銅の密度、熱伝導率および熱膨張係
数は、それぞれ８．９ｇ／ｃｍ³程度、３９５Ｗ／ｍ・
Ｋ程度および１７ｐｐｍ／℃程度であり、銀の密度、熱
伝導率および熱膨張係数は、それぞれ１０．５ｇ／ｃｍ
³程度、４１８Ｗ／ｍ・Ｋ程度および１９．７ｐｐｍ／
℃程度である。中でも最も安価かつ軽量であるアルミニ
ウムを主成分とするものが好ましい。この場合のＳｉＣ
の量は、５０〜９０重量％とするのが望ましいが、焼結
法の場合には、その焼結性の点から８０重量％までとす
るのが望ましい。ＳｉＣの量が５０重量％未満では、熱
膨張係数がＳｉやＧａＡｓのような半導体素子のそれと
の差が大きくなる。一方９０重量％を越えると、溶浸法
の場合、金属融液がＳｉＣ多孔体の空孔内に浸透し難く
くなるからである。このＳｉＣの量は、熱伝導性、熱膨
張係数および電気特性等の要求されるレベルに応じて適
宜選択される。なお金属がＡｌ以外のＣｕやＡｇであっ
ても、以上述べたＳｉＣの量や熱特性や電気特性の制御
の手順は、基本的に同じである。

【００３０】焼結は通常非酸化性雰囲気中で行うが、短
時間であれば大気中でもよい。例えばホットプレスのよ
うな加圧焼結も可能であるが、高周波誘導加熱のように
急速に成形体を均熱化できる加熱装置内で予備加熱し、
予熱した型内で熱間鍛造する方法が最も望ましい。これ
によってＳｉＣと金属との間の界面反応が抑えられ、反
応生成物による熱伝導率の低下を最小限に食い止めるこ
とができる。本発明の好ましい製造方法によれば、例え
ばＡｌ−ＳｉＣ系の場合、ＳｉＣ量が５０重量％以上で
も、安定して２５０Ｗ／ｍ・Ｋを越える高い熱伝導率の
複合材料が得られる。また本発明のＳｉＣ原料粉末の平
均粒径は０．１〜２００μｍの範囲とするのが望まし
い。より好ましくは５μｍ以上である。５μｍ未満で
は、粉末表面の酸素量が多くなることがあり、得られる
複合材料の熱伝導性を低下させるこがある。なお金属が
Ａｌ以外のＣｕやＡｇであっても、基本的には以上述べ
たことと同じことが言える。

【００３１】本発明の好ましい製造方法によれば、キャ
リヤー濃度を１×１０¹⁷／ｃｍ³以下に低下させること
によって、２５℃の熱伝導率Ｋ₂₅が４３０Ｗ／ｍ・Ｋ以
上のＳｉＣ粉末が得られる。この粉末を用い、例えばＳ
ｉＣ７０重量％−Ａｌ３０重量％の組成物からなる成形
体を上記のように高周波誘導加熱によって急速加熱した
後、熱間鍛造を行った場合、２５℃の熱伝導率が３６０
Ｗ／ｍ・Ｋ程度のＡｌ−ＳｉＣ系複合材料が得られる。
本発明で確認されたＳｉＣ粉末の最高の熱伝導率Ｋ
₂₅は、そのキャリヤー濃度が３×１０¹⁵／ｃｍ³の場合
であり、５５０Ｗ／ｍ・Ｋ程度である。この粉末を用
い、上記と同じ組成のＡｌ−ＳｉＣ系の組成物を熱間鍛
造したものでは２５℃の熱伝導率が４２０Ｗ／ｍ・Ｋ程
度となる。なお金属がＡｌ以外のＣｕやＡｇであって
も、基本的にはほぼ同様のことが言える。

【００３２】本発明の複合材料は、熱伝導性に優れてい
るため放熱性の要る電気・電子機器製品、自動車等の各
種機器の部材として広く利用できる。中でも半導体装置
のヒートシンク材や外囲器材等の各種部品として有利に
用いることができる。またＳｉＣ量が５０重量％以上、
特に７０重量％以上の組成域でも高い熱伝導性のものが
容易に得られ、その結果比較的低い熱膨張係数を兼ね備
えている。したがって半導体装置に使われる半導体素子
を始めとする比較的低い熱膨張係数の各種部材とのその
整合性に優れている。このため、以降の実施例に記載の
ように、実用状態でかなり厳しい冷熱サイクルにも耐え
ることができるので、例えば先に述べたような高出力の
パワーモジュール用のヒートシンクとしても十分な性能
を有している。

【００３３】

【実施例】実施例１表１の「出発原料」欄に記載の平均粒径を有し、６Ｈ型
結晶粒子を含み、他の結晶型粒子も含まれるＳｉＣ粉末
と、添加成分として平均粒径がいずれも５μｍのＴｉ、
ＺｒおよびＨｆの粉末とを準備した。これらの粉末を添
加成分が表１の「金属添加量」欄に記載の重量部、残部
がＳｉＣの割合で乾式混合した後、混合物を炭化珪素質
のケースに入れてタングステンヒーター炉内に配置し
た。これを以下のプログラムで熱処理した。まず０．０
１ｔｏｒｒの真空中で室温から２０℃／分の昇温速度で
１６００℃まで昇温し、同温度にて１時間保持した。そ
の後さらに１気圧のアルゴンガスを炉内に導入して、２
０℃／分の昇温速度で表１の「熱処理温度」欄に記載の
温度まで昇温し、その温度にて２時間保持し自然冷却し
た。

【００３４】熱処理後各粉末から１ｇを分取し、室温の
王水１００ｍｌに、また別の１ｇを１５０℃のフッ硝酸
（フッ酸ＨＦと硝酸ＨＮ０₃との３：１の割合の混酸）
１００ｍｌにそれぞれ２０時間浸漬し、各々の水溶液に
溶出したＦｅの量を発光分光分析法によって確認した。
前述のように前者と後者との量差をＳｉＣ粉末の結晶粒
子内部のＦｅの量とした。またキャリヤー濃度は、ラマ
ン分光分析法によって確認した。その結果を平均粒径と
ともに常１の「熱処理ＳｉＣ粉末」欄に示す。

【００３５】次いで上記の各ＳｉＣ粉末を表１の「複合
材料組成」欄に記載の重量部、残部が新たに用意した平
均粒径がいずれも２５μｍの純アルミニウム粉末、銅粉
末および銀粉末を表に記載の割合で秤取し、バインダー
として４重量％のパラフィンを添加してエタノール中で
ボールミル混合した。得られたスラリーを噴霧乾燥し顆
粒とした後、外径１００ｍｍ、厚み１０ｍｍの形状に乾
式成形した。これらの各成形体を真空中で加熱してパラ
フィンを除いた。この各試料を高周波誘導加熱炉内に装
入して昇温速度６００℃／分で表１の「焼成温度」欄に
記載の温度まで昇温し、同温度で１０秒間保持後、予め
４５０℃に加熱された型に移し、直ちに９ｔｏｎ／ｃｍ
²の圧力で熱間鍛造した。鍛造体の相対密度（水中法で
実測した密度を同じ組成の理論密度で割った％値）、熱
伝導率を確認した。熱伝導率は、各温度にてレーザーフ
ラッシュ法によって確認した。これらの結果を表１に示
す。またこれらの各複合材料の熱伝導率値Ｋ、使用した
各金属の同値Ｋｍおよび各試料のＳｉＣの体積比率Ｖｄ
（表１のＶｏｌ％値）の数値をそれぞれ式（１）に代入
して、各ＳｉＣ粒子すなわち同粉末の熱伝導率Ｋｄを算
定した。その結果もまた表１に示す。なお表には載せて
いないが、表１の試料４のＳｉＣ粉末と、同じアルミニ
ウムの粉末を、ＳｉＣ量が２０および４０重量％の組成
で混合し、上記と同様の加熱・鍛造条件で固化焼結した
試料は、いずれも相対密度１００％であり、２５℃と２
００℃の熱伝導率は、ＳｉＣ量２０重量％にて前者が２
８５Ｗ／ｍ・Ｋ、後者が２５０Ｗ／ｍ・Ｋ、ＳｉＣ量４
０重量％にて前者が３３２Ｗ／ｍ・Ｋ、後者が２６０Ｗ
／ｍ・Ｋであった。

【００３６】

【表１】

【００３７】以上の結果より以下のことが分かる。
（１）炭化珪素粉末に、ＩＶａ族金属粉末を少量添加し
て不活性ガス雰囲気中、同金属の融点以上の温度で熱処
理することによって、その２５℃の熱伝導率が３８０Ｗ
／ｍ・Ｋ以上、２００℃の熱伝導率が２５℃のそれの５
４％以上であり、高温での熱伝導性に優れた炭化珪素粉
末が得られる。これらの粉末の結晶粒子内のキャリヤー
濃度が、１×１０¹⁸／ｃｍ ³以下である。（２）この粉
末を用いて、Ａｌ他の金属との混合物を同金属の融点以
上の温度で熱間鍛造によって固化焼結すると、ＳｉＣ量
が５０重量％以上の組成域内でも、高温での熱伝導性に
優れた複合材料が得られ、特にＡｌ−ＳｉＣ系では２５
℃の熱伝導率が２９５Ｗ／ｍ・Ｋ以上、２００℃の熱伝
導率が２１５Ｗ／ｍ・Ｋ以上の高温での熱伝導性に優れ
た複合材料も得られる。（３）一方ＩＶａ族金属粉末を
添加せずに、同じ熱処理を行った粉末では、２５℃の熱
伝導率が同じ複合化組成および同じ複合化条件で作製し
た本発明例のものに比べ低く、２５℃から２００℃の間
の熱伝導率の低下割合も大きい。

【００３８】実施例２実施例１の試料番号１、２、３、５、９、１５および１
６と同様の条件で調製したＳｉＣ粉末を、実施例１と同
様にして顆粒状に造粒した。これらの各粉末を乾式粉末
プレスによって、実施例１と同じ形状に成形した。次い
で成形体中のパラフィンを除去するとともに、その空孔
率を調製するため、アルゴンガス減圧雰囲気中１３００
〜１５００℃で焼成した。得られた多孔体の空孔率を表
２の「空孔率」欄に示す。その後別途用意した純アルミ
ニウム、電気銅および銀の板を各ＳｉＣ多孔体の下に敷
いて、窒素中表２の「溶浸温度」欄に記載の温度で１時
間保持し、各金属融液を多孔体の空孔内に溶浸した。得
られた複合材料の相対密度、２５℃、１００℃および２
００℃の各温度での熱伝導率、および熱膨張係数を確認
し、その結果を表２にまとめた。

【００３９】

【表２】

【００４０】また別途上記と同じ試料番号のＳｉＣ粉末
に、アルミニウム合金・純銅および純銀の粉末を表３の
「混合組成」欄に記載の割合で乾式混合した。なおアル
ミニウム合金粉末は、ガスアトマイズ法で急冷凝固させ
て得たＳｉを３重量％添加した平均粒径が５０μｍの粉
末を、また銅粉末および銀粉末は、電解法で得たいずれ
も平均粒径が７０μｍ粉末を、それぞれ使用した。混合
粉末は、実施例１と同じ形状の成形体とし、窒素中表３
の「焼結温度」欄に記載の温度で１時間保持し焼結し
た。得られた複合材料の相対密度、２５℃、１００℃お
よび２００℃の各温度での熱伝導率、および熱膨張係数
を確認し、その結果を表３にまとめた。

【００４１】

【表３】

【００４２】以上の結果より以下のことが分かる。
（１）ＩＶａ族金属粉末を少量添加して熱処理し、結晶
粒子内のキャリヤー濃度を低下させた本発明のＳｉＣ粉
末を用い、Ａｌ他の金属と溶浸法または焼結法で複合化
すると、高温での熱伝導性に優れた複合材料が得られ、
その場合、例えばＡｌ−ＳｉＣ系では、２５℃の熱伝導
率が２５０Ｗ／ｍ・Ｋ以上、２００℃の熱伝導率が２５
℃のそれの５４％以上であり、高温での熱伝導性に優れ
た複合材料が得られる。（３）一方ＩＶａ族金属粉末を
添加せずに、同じ熱処理を行ったＳｉＣ粉末を用いて得
た複合材料では、２５℃の熱伝導率が同じ複合化組成お
よび同じ複合化条件で作製した本発明例のものに比べ低
く、２５℃から２００℃の間の熱伝導率の低下割合も大
きい。

【００４３】実施例３実施例１の試料３、５、９、１５、２５および２７、実
施例２の試料３３、実施例３の試料４４と同じ製法で得
た複合材料５０個ずつを、長さ２００ｍｍ、幅２００ｍ
ｍ、厚み３ｍｍの基材に仕上げ加工した。これを図１に
模式的に示すようなパワーモジュールに放熱基板として
実装して、各実装段階も含めて温度サイクル試験を行っ
た。図１において、１は本発明の上記複合材料からなる
第二の放熱基板、２は同基板上に配置され、その上面に
(図示しないが)銅回路が形成されたセラミックスからな
る電気絶縁性の第一の基板、３はＳｉ半導体素子、４は
第二の放熱基板の下に配置された放熱構造体である。な
おこのジャッケットは、本実施例では水冷ジャケットで
あるが、他に空冷のフィン等もある。なお同図には半導
体素子周辺の配線等については省略してある。本実施例
では、Ｓｉ半導体素子を第一のセラミックス製基板を介
して６個搭載したモジュールとした。

【００４４】実装に先立ち第二の基板に直接第一の基板
を半田付けできないため、第二の基板の主面に予め平均
厚み５μｍの無電解ニッケルメッキ層と平均厚み３μｍ
の電解ニッケルメッキ層を形成した。この内各４個の試
片は、ニッケルメッキ上に直径５ｍｍの半球状のＡｇ−
Ｓｎ系半田によって直径１ｍｍの銅線をメッキ面に垂直
な方向に取り付けた。この試片の基板本体を治具に固定
して銅線を掴みメッキ面に垂直な方向に引っ張り、基板
へのメッキ層の密着強度を確認した。その結果いずれの
基板のメッキ層も１ｋｇ／ｍｍ²以上の引っ張り力でも
剥がれなかった。またメッキ層が形成された別の試片の
内から１０個を抜き取って、−６０℃で３０分保持、１
５０℃で３０分保持の昇降温を１０００サイクル繰り返
すヒートサイクル試験を実施し、試験後上記と同様の密
着強度を確認したところ、いずれの試片もメッキの密着
性で上記レベルを満足する結果が得られた。以上の結果
より本発明の複合材料からなる基板へのメッキの密着性
は、実用上問題の無いレベルであることが判明した。

【００４５】次に第二の基板上に搭載するセラミックス
製の第一の基板として、熱伝導率が１５０Ｗ／ｍ・Ｋ、
熱膨張係数が４．５×１０^-6／℃、３点曲げ強度４５０
ＭＰａの窒化アルミニウムセラミックス製の基板Ａおよ
び熱伝導率が１２０Ｗ／ｍ・Ｋ、熱膨張係数が３．７×
１０^-6／℃、３点曲げ強度１３００ＭＰａの窒化珪素セ
ラミックス製の基板Ｂの二種の銅回路を形成した第一の
基板を、それぞれ１８個ずつ準備した。これらの基板の
形状は、いずれも長さ９０ｍｍ、幅６０ｍｍ、厚み１ｍ
ｍとした。これらの基板を第二の基板の２００ｍｍ角の
主面上に２行３列で等間隔に配置し、同基板のニッケル
メッキ層を形成した面上にＡｇ−Ｓｎ系半田によって固
定した。次にこのアッセンブリーの第二の基板の裏面側
と水冷ジャケットとを、その接触面にシリコンオイルコ
ンパウンドを塗布介在させてボルト閉め固定した。なお
この場合の第一の基板の取り付け穴は、予め素材段階で
その四隅に開けておいた下穴部に炭酸ガスレーザーを照
射して、それを直径３ｍｍまで拡げる方法によって形成
した。この加工は他のセラミックス材やＣｕ−Ｗ、Ｃｕ
−Ｍｏを対象とした場合に比べ、高精度かつ高速で行う
ことができた。この傾向は特に熱伝導率が高くなればな
るほど顕著であった。

【００４６】これらの各試片の中から第一の基板がＡと
Ｂの物を各１５個ずつ選び、上記と同じ単サイクル条件
で２０００サイクルのヒートサイクル試験を行い、その
５００サイクル毎のモジュールの出力の変化を確認し
た。その結果、全てのモジュールが、実用上問題が無い
とされる１０００サイクルまで、さらに２０００サイク
ルまで試験を続行したが、その出力の低下は観測されな
かった。以上の結果より、本発明の炭化珪素系複合材料
からなる第一の基板を用いたパワーモジュールは、実用
上問題の無いレベルのものとなることが分かる。

【００４７】なお本発明の材料をこの種のモジュールに
比べ低出力・低熱(サイクル)負荷の高容量のパーソナル
コンピューター等の半導体素子搭載装置に放熱基板とし
て実装・評価も行ったが、その信頼性・実用性能上何ら
問題は無かった。

【００４８】

【発明の効果】以上詳述したように、本発明によれば、
炭化珪素(ＳｉＣ)粉末にＩＶａ族金属を少量添加し、不
活性ガス雰囲気中、添加したＩＶａ族金属の融点以上の
温度で熱処理することによって、２５℃の熱伝導率が３
８０Ｗ／ｍ・Ｋ以上であり、２００℃の熱伝導率が、２
５℃のそれの５４％以上の、従来に無い高温熱伝導性に
優れ、特にそのキャリヤー濃度が１×１０^-18／ｃｍ³以
下の炭化珪素粉末が提供できる。この粉末をアルミニウ
ム等の金属と複合化することによって、粉末同様ハイレ
ベルで高温での熱伝導性に優れた複合材料が容易に得ら
れる。この材料は、ＳｉＣ量が５０重量％以上の熱膨張
係数の低い組成域においても、従来に無い高い熱伝導性
を有する。このため半導体装置の半導体素子および他の
部材とも熱膨張係数の整合性が顕著に良いので、この材
料からなる部材は、使用条件の厳しい、例えば高出力の
パワーモジュールのような半導体装置に適用しても問題
無く使用できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の材料を基板に用いた半導体装置(パワ
ーモジュール)を模式的に示す図である。材料を基板に
用いた半導体装置(パワーモジュール)を模式的に示す図
である。

【符号の説明】

１、炭化珪素系複合材料からなる第一基板２、第二基板３、半導体素子４、放熱構造体

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】２５℃の熱伝導率Ｋ₂₅が３８０Ｗ／ｍ・
Ｋ以上、かつ２００℃の熱伝導率Ｋ₂₀₀のＫ₂₅に対する
割合が、５４％以上である炭化珪素粉末。
【請求項２】平均粒径が０．１〜２００μｍである請
求項１に記載の炭化珪素粉末。
【請求項３】キャリヤー濃度が１×１０¹⁸／ｃｍ³以
下である請求項１または２に記載の炭化珪素粉末。
【請求項４】請求項１ないし３のいずれかに記載の炭
化珪素粉末の粒子を金属マトリックス中に分散させた複
合材料。
【請求項５】前記金属がアルミニウムを主成分とする
金属であり、炭化珪素粉末粒子の量が５０〜９０重量％
である請求項４に記載の複合材料。
【請求項６】２５℃の熱伝導率Ｋ₂₅が２９５Ｗ／ｍ・
Ｋ以上、かつ２００℃の熱伝導率Ｋ₂₀₀が２１５Ｗ／ｍ
・Ｋ以上である請求項５に記載の複合材料。
【請求項７】請求項４ないし６のいずれかに記載の複
合材料を用いた半導体装置。
【請求項８】原料の炭化珪素粉末に、ＩＶａ族金属の
粉末を添加混合した後、不活性ガス雰囲気中、該金属の
融点以上の温度で熱処理する炭化珪素粉末の製造方法。
【請求項９】前記原料の平均粒径が０．１〜２００μ
ｍである請求項８に記載の炭化珪素粉末の製造方法。
【請求項１０】前記ＩＶａ族金属がＴｉである請求項
８または９に記載の炭化珪素粉末の製造方法。
【請求項１１】前記熱処理の温度が、２０００℃以上
である請求項８ないし１０のいずれかに記載の炭化珪素
粉末の製造方法。
【請求項１２】前記熱処理の雰囲気が、アルゴンを含
む雰囲気である請求項８ないし１１のいずれかに記載の
炭化珪素粉末の製造方法。