JP2000336438A - 金属−セラミックス複合材料およびその製造方法 - Google Patents

金属−セラミックス複合材料およびその製造方法

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JP2000336438A
JP2000336438A JP2000014810A JP2000014810A JP2000336438A JP 2000336438 A JP2000336438 A JP 2000336438A JP 2000014810 A JP2000014810 A JP 2000014810A JP 2000014810 A JP2000014810 A JP 2000014810A JP 2000336438 A JP2000336438 A JP 2000336438A
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ceramic
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matrix metal
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Atsushi Funakoshi
淳 船越
Hiroaki Okano
宏昭 岡野
Akira Kosaka
晃 小阪
Soichi Asano
壮一 浅野
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Kubota Corp
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Kubota Corp
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Abstract

(57)【要約】 【課題】半導体装置の放熱基板，ヒートシンク基材等の
放熱部品として有用な高熱伝導性と低熱膨張性とを備え
た金属−セラミックス複合材料および製造法の改良。 【解決手段】この複合材料は、気孔径が７〜５０μｍの
多孔質セラミックス焼結体の気孔内に、マトリックス金
属の溶湯を加圧含浸することにより形成され、セラミッ
クスの骨格構造体とマトリックス金属とからなる複合構
造を有する。マトリックス金属の量比は例えば２０~４
５体積%である。セラミックス焼結体を金型内に設置し
制御された加圧鋳造条件下、短時間（概ね数十秒以内）
で含浸処理を達成する。セラミックス焼結体の強度設計
により、複合構造を形成するセラミックスと金属の分布
形態を制御し、低熱膨張性を維持しつつより高い放熱特
性を付与することもできる。金属溶湯の加圧含浸工程で
放熱フィンを一体成形することも容易である。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、高熱伝導性と低熱
膨張性とを要求される半導体素子回路基板、放熱基板、
ヒートシンク、パッケージ基体などの電子機器材料等と
して有用な、金属−セラミックス複合材料およびその製
造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】半導体分野では、集積回路チップの高密
度集積，高速度演算化等に伴い、半導体素子の発熱密度
は増加の一途にある。素子の昇温は、誤動作・回路の破
壊（熱応力による素子と基板との界面の剥離等）の原因
となる。かかる不具合を防止し、動作特性を安定に維持
するには、回路基板やこれに当接配置される放熱基板，
ヒートシンク等の放熱部材等の構成部材が高い熱放散性
を有すると同時に、チップ材料に近似した低熱膨張率を
有するものであることを要する。従来、回路基板として
セラミックス基板や樹脂基板が使用され、放熱板やヒー
トシンクとして、FeNi合金，FeNiCo合金，ステンレス鋼
等の低熱膨張率を有する金属材料が使用されてきたが、
いずれも熱伝導率が低く放熱特性は十分ではない。
【０００３】その改善策として、金属とセラミックスと
からなる複合材料の適用が試みられている。これは、高
熱伝導性の金属により放熱特性を高めると共に、セラミ
ックス粒子の複合効果として低熱膨張性を具備させよう
とするものである。その複合材料として、アルミニウム
や銅等の金属（合金）粉末とセラミックス粉末との混合
物を原料として製造される焼結体が提案されている（特
開平7-90413号公報，特開平9-232483号公報，特開平10-
231175号公報等）。また、特許第2801302号公報，同第2
801303号公報には、セラミックスの多孔質体をプリフォ
ームとし、これに金属溶湯を自発含浸作用により含浸さ
せて複合材料を得ることが開示されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】金属とセラミックスの
粉末混合物を焼結原料とする複合材料の製造法は、装
置，処理操作が複雑・煩瑣であり、セラミックスの配合
による熱膨張率の低減効果も十分なものとはいえない。
他方、セラミックス多孔質体に金属溶湯を自発含浸させ
る製造法は、加圧・真空等の設備・処理操作を要しない
利点を有しているが、浸透増進剤の共存，浸透雰囲気の
形成等を必要とするなど、処理操作の煩瑣を免れず、し
かも金属溶湯を浸透充填させるには、例えば10Ｈｒ(プ
リフォーム：窒化アルミニウム，38×19×13(mm)，金
属：アルミニウム合金、特許第2801302号公報第30欄39
行〜32欄6行）という長時間の処理を必要とする。本発
明は上記に鑑み、多孔質セラミックス焼結体をプリフォ
ームとする高熱伝導性および低熱膨張性を備えた金属−
セラミックス複合材料およびこれを効率よく製造する方
法を提供するものである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】本発明の金属−セラミッ
クス複合材料は、気孔径７〜５０μｍである多孔質セラ
ミックス焼結体の気孔内にマトリックスとなる金属の溶
湯を加圧含浸することにより形成された、セラミックス
焼結体である骨格構造体とマトリックス金属とからなる
複合構造を有している。
【０００６】本発明の複合材料は、所定の気孔径を有す
る多孔質セラミックス焼結体をプリフォームとし、これ
を加圧鋳造用金型のキャビティ内に設置してマトリック
ス金属溶湯をキャビティ内に供給することにより製造さ
れる。マトリックス金属の溶湯温度、加圧力・含浸速度
等の制御された加圧含浸条件下に、緻密性の高い（残留
気泡の殆どない）金属−セラミックス複合構造が形成さ
れる。処理に要する時間は、含浸後の加圧保持時間を含
めても、概ね数十秒と極めて短時間である。
【０００７】多孔質セラミックス焼結体にマトリックス
金属を加圧含浸することにより形成される本発明の複合
材料は、緻密質の複合構造を有する効果として、高熱伝
導率と低熱膨張性の改良された熱的特性を備えている。
すなわち、骨格構造体（セラミックス焼結体）とマトリ
ックス金属との界面の密着性が良好であると共に、マト
リックス金属が含浸経路に沿った連続形態を有している
ことにより、高い熱伝導率を付与され、また骨格構造体
がセラミックス粒子の相互結合からなる三次元網目構造
の連続形態を有し、これにマトリックス金属が包囲拘束
されていることにより、マトリックス金属に対する骨格
構造体の拘束効果として、マトリックス金属の熱膨張が
抑制され低熱膨張性が確保される。
【０００８】
【発明の実施の形態】複合材料の骨格構造体となるセラ
ミックス焼結体は、７〜５０μｍの気孔径を有する多孔
体である。図５は、セラミックス焼結体の多孔構造の例
（後記実施例の供試材No.７のプリフォーム）を示して
いる。図中、暗灰色の部分はセラミックス、白い部分は
気孔である。気孔は三次元方向に相互に連通し、焼結体
の表面に開口している。なお、プリフォームとして使用
されるセラミックス焼結体に独立気孔が存在している
と、形成される複合材料中にそのまま空隙として残留し
複合材料の熱伝導率を低下させることになるので、その
ような独立気孔を有しない焼結体を使用するのがよい。
【０００９】多孔質セラミックス焼結体の気孔径を７μ
ｍ以上と規定しているのは、それより微小の気孔径で
は、マトリックス金属を加圧含浸する際の含浸抵抗が大
きく、空隙を残留させないように充填させることが困難
ないし不可能となるからである。しかし、気孔径を大き
くし過ぎると、焼結体の強度が低くなり、マトリックス
金属の加圧含浸時に、溶湯圧力の作用で焼結体の破壊
（割れ，崩壊）を生じ易くなる。これを回避するために
は、少なくとも５ＭＰａの曲げ強度を有することが必要
である。気孔径が５０μｍを越えると、曲げ強度を確保
することが困難ないし不可能となる。このため、気孔径
は５０μｍ以下であることを要する。より好ましい気孔
径は１０〜３０μｍである。
【００１０】セラミックスの材種は、炭化物，窒化物，
酸化物，珪化物，硼化物等、広範囲に亘って選択され
る。特に、炭化珪素（ＳｉＣ），窒化珪素（Ｓｉ
３Ｎ４），窒化アルミニウム（ＡｌＮ），アルミナ（Ａ
ｌ２Ｏ３）等は低熱膨張性と比較的高い熱伝導率を有す
るので、半導体回路用放熱基板等として好適である。マ
トリックス金属は、アルミニウムもしくはその合金、銅
もしくはその合金等の高熱伝導性金属が代表例として挙
げられる。複合材料を構成するセラミックス（骨格構造
体）とマトリックス金属との量比は、プリフォームとし
て使用するセラミックス焼結体の気孔率により制御され
る。複合構造に占めるマトリックス金属の量比（体積
率）はセラミックス焼結体の気孔率に等しい。複合材料
の熱伝導率及び熱膨張率は、セラミックスとマトリック
ス金属の材種及びその量比により決まる。
【００１１】例えば、半導体回路用放熱基板等に供され
る複合材料を、マトリックス金属としてアルミニウム
（熱伝導率：約２３４Ｗ／ｍ・Ｋ，熱膨張率：約２３．
５×１０−６／Ｋ）を用いて形成する場合、複合構造に
占めるアルミニウムの量比は、２０体積％以上とするの
がよい。ただし、その量比を過度に大くすると、骨格構
造体（セラミックス）の相対的減少に伴って熱膨張の抑
制効果を減じるので、４０体積％を上限とすべきであ
る。アルミニウムの量比をこのように調整することによ
り、１７０Ｗ／ｍ・Ｋ以上の高熱伝導率と、４×１０
−６〜８〜×１０−６／Ｋの低熱膨張率を具備させるこ
とができる。
【００１２】また、銅（熱伝導率：約３９３Ｗ／ｍ・
Ｋ，熱膨張率：約１７×１０−６／Ｋ）をマトリックス
金属とする複合材料においては、銅の量比を、約２０〜
４５体積％の範囲に調整するのがよい。この量比調整に
より、半導体回路用放熱基板として望ましい２４０Ｗ／
ｍ・Ｋ以上の高熱伝導率と、４×１０−６〜８〜×１０
−６／Ｋの低熱膨張率とを帯有させることができる。な
お、銅の上限許容量が、前記複合材料（マトリックス金
属：アルミニウム）のそれより高いのは、銅の熱膨張率
がアルミニウムの熱膨張率より低いからである。
【００１３】本発明の複合材料は、プリフォーム（セラ
ミックス焼結体）の強度の調整により、骨格構造体とマ
トリックス金属の分布形態を異にする複合構造が与えら
れる。これを図６および図７に示す（図６：後記実施例
欄の供試材Ｎｏ．７、図７：同供試材Ｎｏ．１１）。各
図中、暗灰色の部分はセラミックス粒子の結合からなる
骨格構造体、灰白色の部分は含浸されたマトリックス金
属である。図６の複合構造は、骨格構造体（暗灰色部）
とマトリックス金属（灰白色部）とが相互に一様に分散
した等方的分布形態を有している。この複合構造は、セ
ラミックス焼結体の粒子同士の結合状態が略そのまま保
持された状態のもとに、マトリックス金属が含浸充填さ
れることにより形成されたものである。この複合構造を
有する複合材料は、比較的高い曲げ強度（１０ＭＰａ以
上）を有するセラミックス焼結体を使用することにより
得られる。
【００１４】他方、図７の複合構造は、骨格構造体（暗
灰色部）とマトリックス金属（灰白色部）とが同じ方向
に沿って筋状に混在した分布形態を呈している。この複
合構造は、マトリックス金属の加圧含浸過程で、セラミ
ックス焼結体の粒子結合が、侵入する溶湯の圧力作用で
ミクロ的に分断され、溶湯がその含浸方向に沿った微細
な筋状の空隙を形成しつつ含浸されることにより形成さ
れる組織である。この複合材料は、プリフォームとして
曲げ強度が比較的低いセラミックス焼結体（１０ＭＰａ
未満）が使用される場合に得られる。
【００１５】次に、加圧鋳造によるマトリックス金属の
含浸処理について図面を参照して説明する。図１におい
て、（１０）は加圧鋳造用金型であり、下型（１１）と
上型（１２）とが型合わせされてキャビティ（１７）を
形成している。金型（１０）は、キャビティ（１７）に
金属溶湯を供給する湯道（１３）、およびキャビティ
（１７）内の残留空気や金属溶湯から発生するガスを外
部に排出するためのガス抜き孔（１４）を備えている。
（２０）は、キャビティ（１７）内に、設置されたプリ
フォーム（図は、板状体の例）である。プリフォーム
（２０）は、下型（１１）・上型（１２）の隅部に配置
されたピン（１５１）で板面の隅部を上下から挟持され
ると共に、下型（１１）の内面に配置されたピン（１５
２）で下面側から支承されてキャビティの空間内に保持
されている。
【００１６】金属溶湯の注入操作に際して、金型（１
０）およびプリフォーム（２０）を加熱保持（例えば、
金型：２５０℃程度，プリフォーム：４００℃程度）し
ておくことは、金属溶湯の降温（粘性増加によるプリフ
ォームへの含浸抵抗の増大）を抑制してプリフォーム
（２０）の気孔内に対する金属溶場の含浸を容易化し、
またプリフォーム（２０）の水分等の不純物が除去さ
れ、得られる複合材料の品質安定化するのに有効であ
る。
【００１７】金属溶湯は、まず緩徐の注入操作によりキ
ャビティ内に充満され、ついでプリフォーム内への溶湯
含浸を促進するための加圧力を加えるようにするのがよ
い。このように加圧力を制御することは、プリフォーム
（２０）に対する金属溶湯の局部的な圧力作用（プリフ
ォームを破損する原因となる）を回避し、金属溶湯を一
様に接触させ溶湯の浸透の部分的なムラを防止するのに
有効である。
【００１８】アルミニウムや銅等の溶湯の含浸処理は、
加圧力５０〜１００ＭＰａ、含浸速度１．０ｍ／秒以下
に調節することにより首尾よく達成される。含浸速度は
キャビティ内に注入される金属溶湯の湯口部の通過速度
である。この加圧含浸操作は、例えばスクイズキャスト
装置を適用して効率的に行うことができ、含浸処理は極
く短時間で完結する。加圧状態を保持して金属溶湯を凝
固させた後、抜型し適宜の機械加工（板面に残留するマ
トリックス金属分の切削除去等）を施して製品複合材料
を得る。
【００１９】半導体回路用放熱基板等は、その熱放散特
性を高めるための放熱設計としてアルミニウム等の高熱
伝導性金属からなるフィンを設けられる場合がある。従
来のそれは、フィン付きアルミニウムケースを熱伝導グ
リスで基板に接着することにより製造されている。本発
明によれば、加圧鋳造工程において、プリフォームに対
する溶湯の加圧含浸（複合構造を有する基板の形成）と
フィンの形成とを同時に達成し、基板とフィンとを一体
品として製造することができる。ヒートシンクやパッケ
ージ基体等の部材を一体成形することも可能である。
【００２０】図２および図３（図２のＡ−Ａ矢視図）
は、本発明の複合材料を、基板とフィンの一体成形品と
して製作するための、金型構成とプリフォームの配置態
様の例を示している。金型（１０）のキャビティ（１
７）は、プリフォーム（２０）が設置される空間部に連
通したフィン形成空間部（１７１）が、プリフォーム
（２０）の板面と直交する向きに形設されている。フィ
ン形成空間部（１７１）を有する点を除いて、金型構成
およびプリフォーム（２０）の設置態様等は、前記図１
のそれと異ならない。
【００２１】金型（１０）のキャビティ内にマトリック
ス金属溶湯を加圧供給すると、溶湯は、プリフォーム
（２０）の気孔内に含浸充填されると共に、フィン形成
空間（１７１）内に充填される。これにより、複合構造
の形成とフィンの鋳造とが一工程の加圧鋳造操作で同時
に達成される。この加圧鋳造操作は、前述のフィンを有
しない複合材料を製造する場合のそれと同様の条件下に
行うことができる。溶湯の凝固後、金型から抜き出し、
余剰の付着金属分を機械加工で除去する。
【００２２】図４は、こうして得られたフィン付き放熱
基板としての本発明の複合材料の例を示しいる。（２
１）は、本体部（多孔質セラミックス焼結体とその気孔
内に含浸されたマトリックス金属とからなる複合構造
体）であり、（２２）は該本体部（２１）の板面から突
出したフィンである。フィン（２２）は、本体部（２
１）との連続形態を有する完全な一体品として形成され
ている。フィン（２２）は加圧鋳造により形成されてい
るので、形状精度は良好であり、形状修正（機械加工）
を必要としない。この複合材料は、本体部（２１）とフ
ィン（２２）とが完全な連続的一様性を有していること
（後記，図８）により、従来材（接合境界部に熱伝導グ
リスが介在している）と異なって、基板からフィンへの
熱伝達の障壁がなく、より高い熱放散性を示す。
【００２３】本発明の複合材料を製造するための、プリ
フォームとして使用される多孔質セラミックス焼結体
は、放電プラズマ焼結法，雰囲気焼結法，再結晶法，反
応焼結法等の各種焼結法により作製され、焼結手法に応
じてセラミックス粉末粒度を適宜調整することにより、
加圧含浸に適した気孔径（７〜５０μｍ）を有する多孔
質焼結体を得ることができる。セラミックス焼結体の気
孔率や強度等は、粉末粒径，焼成条件により調整され
る。
【００２４】雰囲気焼結法は、セラミックス粉末に成形
助剤（例えばポリビニルアルコール等）、焼結反応促進
助剤（例えばグラファイト,炭化ほう素）等を混合し、
プレス等で加圧成形（約１０〜２００ＭＰａ）して圧粉
成形体となし、脱脂後、焼結処理するものである。セラ
ミックス粒子は１０〜３００μｍの粒径を有するものが
好ましい。これより微細な粒径では、得られる多孔質焼
結体の気孔径が小さ過ぎ、他方これより粗大な粒径では
５０μｍを超える粗大な気孔が多数を占め、マトリック
ス金属の加圧含浸処理に耐える機械強度を得ることが困
難となる。
【００２５】放電プラズマ焼結法は、セラミックス粉末
を電極間に装填し、適当な加圧力（約３０〜５０ＭＰ
ａ）の作用下に通電し、所定温度に加熱して焼結する方
法であり、その焼結機構の特徴として、気孔分布の制御
の自由度が大きいという利点を有する。セラミックス粒
子は、１０〜３００μｍの粒径のものが好ましい。これ
より微細な粒径では、焼結体の気孔径が小さくなり過
ぎ、またこれを超える粗大粒径では粗大な気孔が多くな
るため、加圧含浸処理に耐える機械強度を確保し難くな
る。
【００２６】再結晶法は、セラミックス粉末に適宜の成
形助剤を添加混合して加圧成形（約１０〜２００ＭＰ
ａ）し、成形体を脱脂後、焼結するものである。その成
形体の成形法には、粉末混合物のスラリーを型に流し込
んで乾燥する方法も適用される。この焼結法は、焼結温
度の制御や焼結後の熱処理による気孔径の制御が可能で
あり、セラミックス粉末が微細な粒径であっても、焼結
温度を高めることにより、７μｍ以上の気孔径を実現す
ることができる。しかし、気孔径が５０μｍを超える
と、焼結体の機械強度が急激に低下し、溶湯の加圧含浸
処理に耐える強度を確保することが困難となるので、こ
れ以下の気孔径であるのがよい。
【００２７】反応焼結法は、セラミックス粉末と成形助
剤との混合物を加圧成形（約１０〜２００ＭＰａ）し、
脱脂したのち焼結処理し、ついでそのセラミックスとの
反応性を有する物質（例えば、炭化珪素セラミックスの
場合はＳｉ粉末）を接触させ反応を行わせるものであ
る。この反応により焼結体の気孔分布や機械強度を制御
することができる。反応性物質は、焼結原料粉末中に配
合しておいてもよい。適用されるセラミックス粒子は５
〜２００μｍの粒径が好ましい。これより微細な粒径で
は、焼結反応が進み過ぎて気孔径が小さくなり、これを
超える粗大粒径では、焼結体の強度低下が大きく、所要
の機械強度が得られなくなる。
【００２８】
【実施例】プリフォーム 下記の焼結処理条件下に、多孔質焼結体（厚さ5mm，幅1
00mm，長さ150mmの板状体）を作製する。 ［雰囲気焼結］ 炭化けい素（SiC） 1900〜2200℃ 窒化アルミニウム（AlN） 1400〜1800℃ 窒化けい素（Si３N４） 1600〜1800℃
【００２９】［放電プラズマ焼結］（但し、加圧力：30
〜50MPa） 炭化けい素（SiC） 1600〜1800℃ 窒化アルミニウム（AlN） 1200〜1600℃ 窒化けい素（Si３N４） 1200〜1400℃
【００３０】[再結晶法] 炭化けい素（SiC） 1600〜2200℃
【００３１】[反応焼結法] 炭化けい素（SiC） 1400〜1700℃ 反応材料 Si粉末添加
【００３２】 マトリックス金属 アルミニウム ［JIS H4000 合金番号1100］（Al≧99.0％） アルミニウム合金［JIS H5302 ADC12］ ［JIS H5202 AC4C］ 銅 ［JIS H5100 CuCl］（Cu 99.5％） 銅合金（黄銅） ［JIS H5101 YBC2］
【００３３】 マトリックス金属溶湯の加圧含浸処理 加圧鋳造機：スクイズカストマシン（宇部興産株(株)製「VSC315」） 溶湯温度 ：アルミニウム …７５０〜８５０℃ アルミニウム合金…７００〜８００℃ 銅 …１１００〜１２００℃ 銅合金 …８００〜１１００℃ 加圧力 ：１００ＭＰａ 含浸速度 ：１．０ｍ／秒以下 加圧保持時間：５〜１５秒
【００３４】表１，表２に、各供試材の製造条件および
複合材料の物性を示す。発明例No.１１，１７，２０
は、プリフォームとして比較的低い曲げ強度（＜１０Ｍ
Ｐａ）を有するものを使用し、そのほかの発明例はそれ
より高い曲げ強度を有するものを使用している。No.８
は、マトリックス金属の加圧含浸時にフィンの一体鋳造
（図２，３の金型使用）を行い、フィン付き複合材料
（図４）を形成した例であり、熱伝導率欄は、本体部
（複合組織部）とフィン（金属部）との境界部（２
３１）から採取した試料（図９参照）について測定され
た熱伝導率を示している。
【００３５】比較例において、No.５１及びNo.５２は、
プリフォームとして微細な気孔（気孔径＜７μｍ）を有
する多孔質焼結体を使用した例、No.５３及びNo.５４
は、粗大な気孔径（＞５０μｍ）を有する多孔質焼結体
を使用した例である。No.５５は、セラミックスとマト
リックス金属の粉末混合物を原料として製造された焼結
体からなる複合材料の例である。
【００３６】No.５６は、複合材料（複合構造は発明例N
o.８と同一）に、フィン（発明例No.８のフィンと同一
材種のアルミニウム合金）を接着剤（熱伝導グリス）で
接着した従来タイプのフィン付き複合材料の例である。
その熱伝導率欄は、本体部（複合組織部）とフィン（金
属部）との境界部分（２３２）から採取した試料（図１
０参照）について測定された熱伝導率を示している。
【００３７】図６は、発明例No.７（プリフォーム曲げ
強度≧１０ＭＰａ）の複合構造（倍率×５０）、図７は
発明例No.１１（プリフォーム曲げ強度＜１０ＭＰａ）
の複合構造（倍率×４０）をそれぞれ示している。図
中、淡灰色の部分はマトリックス金属、黒味を帯びた部
分はセラミックス（骨格構造体）である。図８は、図６
の複合材料における、複合構造部とフィンの境界付近を
示している［上半部（暗灰色部と灰白色部の分散混在
部）：複合構造部／下半部（灰白色部）：フィン（金属
単相部），倍率×５０）。
【００３８】図示のように、本発明の複合材料は、マト
リックス金属が多孔質焼結体内に空隙を残すことなく含
浸充填された緻密な複合構造を有している（図６，図
７）。また、マトリックス金属の加圧含浸とフィンの鋳
造とを同時に行うことにより得られるフィン付き複合材
料は、複合構造部とフィンとが完全な一体的連続性を有
している（図８）。
【００３９】発明例の複合材料は、表１，２に示したよ
うに、比較例の複合材料と比べ、高高熱伝導性と低熱膨
張性とを有している。この改良された熱的特性は、前述
のように、緻密質の複合構造によるものであり、骨格構
造体（セラミックス焼結体）とマトリックス金属との界
面の良好な密着性，骨格構造体の連続形態等の効果とし
て高熱伝導率を与えられ、また骨格構造体のマトリック
ス金属に対する拘束効果として、マトリックス金属の熱
膨張率が抑制され、かつ低熱膨張率を付与されている。
【００４０】また、フィンを備えたNo.８とNo.５６（複
合構造部の組成・組織及びフィン材種は互いに同一であ
る）について、本体部（複合構造部）とフィン（金属
部）の境界部分の熱伝導率を比較すると、発明例のNo.
８（フィンと本体部とを加圧鋳造で一体成形）の熱伝導
率は、従来材No.５６（本体部にフィンを接着）に比し
著しく大きく、両者の差異は歴然である。この顕著な相
違が生じるのは、No.５６（本体部とフィンの接着構
造）では、境界部分（２３２）に介在する接着剤が熱伝
導の障壁となるのに対し、No.８の境界部分（２３１）
にはそのような障壁がなく、本体とフィンとが完全な連
続的一体性を有していることによる。
【００４１】従って、発明例No.８（本体部とフィンの
一体成形構造を有する）および従来材であるNo.５６
（本体部とフィンの接着構造である）のそれぞれを、半
導体回路用放熱基板として実機使用（冷却水によるフィ
ンを介した強制冷却が施される）に供した場合におい
て、発明例No.８のものは、従来材No.５６では得られな
い卓抜した放熱効果を奏する。
【００４２】なお、比較例No.５１及びNo.５２は、プリ
フォーム（多孔質焼結体）の気孔径が小さ過ぎるため
に、マトリックス金属溶湯の含浸が不完全（残留気孔が
多い）となり、結果として複合材料の熱伝導率は低いレ
ベルに留まっている。No.５３及びNo.５４は、気孔径が
粗大（＞５０μｍ）でプリフォームの強度不足（＜５Ｍ
Ｐａ）のため、プリフォームの骨格構造がマトリックス
金属の加圧含浸時の溶湯圧で破壊され、熱膨張率が大き
くなっている。従って、マトリックス金属をセラミック
ス焼結体に加圧含浸して熱的特性を改良された健全な複
合材料を得るためには、気孔径７〜５０μｍの焼結体を
使用することが必要である。
【００４３】また、比較例No.５５を、発明例No.１，
４，５等と対比すると、両者はセラミックスとマトリッ
クス金属の材種およびその量比が同じ（ＳｉＣ／Ａｌ，
体積比７０／３０）でありながら、熱的特性に明瞭な差
異がある。No.５５は、発明例のものに比し、熱膨張率
が高く、かつ熱伝導性は低い。これは、セラミックスと
金属の粉末混合物を原料として製造された焼結体である
ため、上述した本発明の複合構造に基づく効果が得られ
ないことによると考えられる。
【００４４】
【表１】
【００４５】
【表２】
【００４６】
【発明の効果】本発明の複合材料は、高熱伝導性と低熱
膨張性の両特性を要求される半導体装置構成部材、例え
ば半導体回路基板に取付けられる放熱基板、ヒートシン
ク基材等として好適である。また、表面に絶縁層を設け
ることにより、半導体素子を搭載する回路基板として使
用することもできる。本発明によれば、粉末冶金の手法
による場合のような煩瑣な工程を必要とせず、またマト
リックス金属を自発含浸させる手法におけるような長時
間処理を必要とせず、極く短時間の処理で効率よく製造
することができ、コスト的にも有利である。更にフィン
等の形成も容易であり、しかも一体成形品として製作さ
れるので、従来の接着構造に比し、より高い熱放散性を
帯有させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の複合材料を製造する加圧鋳造の例を示
す断面説明図である。
【図２】本発明の複合材料を製造する加圧鋳造の他の例
を示す断面説明図である。
【図３】図２のＡ−Ａ矢視図である。
【図４】本発明の複合材料の例を示す正面図である。
【図５】プリフォーム（マトリックス金属含浸前）の粒
子構造（多孔構造）を示す図面代用顕微鏡写真（倍率×
５０）である。
【図６】本発明の複合材料の組織を示す図面代用顕微鏡
写真（倍率×５０）である。
【図７】本発明の複合材料の組織を示す図面代用顕微鏡
写真（倍率×４０）である。
【図８】本発明の複合材料の組織を示す図面代用顕微鏡
写真（倍率×５０）である。
【図９】実施例における供試材の本体部（複合構造）と
フィン（金属）との境界部の熱伝導率測定用試料の採取
位置説明図である。
【図１０】実施例における供試材の本体部（複合構造）
とフィン（金属）との境界部の熱伝導率測定用試料の採
取位置説明図である。
【符号の説明】
１０：加圧鋳造用金型 １１：下型 １２：上型 １３：金属溶湯供給路 １４：ガス抜き孔 １５１，１５２：プリフォーム支持ピン １７：キャビティ １７１：キャビティのフィン形成空間部 ２０：プリフォーム ２１：本体部（金属−セラミックス複合構造部） ２２：フィン（金属部） ２３１，２３２：本体部−フィンの境界部 ＴＰ：本体部とフィンとの境界部から採取される熱伝導
率測定用試験片
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｆ２８Ｆ 21/08 Ｆ２８Ｆ 21/08 Ｅ (72)発明者 小阪 晃 大阪府枚方市中宮大池１丁目１番１号 株 式会社クボタ枚方製造所内 (72)発明者 浅野 壮一 大阪府枚方市中宮大池１丁目１番１号 株 式会社クボタ枚方製造所内 Ｆターム(参考） 4K020 AA22 AA27 AC01 AC04 BA02 BB26

Claims (16)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 気孔径７〜５０μｍである多孔質セラミ
    ックス焼結体の気孔内にマトリックスとなる金属の溶湯
    を加圧含浸することにより形成された、セラミックス焼
    結体である骨格構造体とマトリックス金属とからなる複
    合構造を有する金属−セラミックス複合材料。
  2. 【請求項２】 複合構造が、マトリックス金属を加圧含
    浸される前のセラミックス焼結体と略同一の粒子結合形
    態を保持した骨格構造体と含浸されたマトリックス金属
    とからなる請求項１に記載の金属−セラミックス複合材
    料。
  3. 【請求項３】 複合構造が、マトリックス金属溶湯の加
    圧含浸時の溶湯圧力でセラミックス焼結体の粒子結合を
    部分的に分断されることにより形成された微細な筋状間
    隙を有する骨格構造体と筋状間隙に沿って含浸されたマ
    トリックス金属とからなる請求項１に記載の金属−セラ
    ミックス複合材料。
  4. 【請求項４】 セラミックス焼結体が、炭化珪素，窒化
    珪素，窒化アルミニウム，アルミナから選ばれる１種ま
    たは２種以上の混合物からなる請求項１ないし３のいず
    れか１項に記載の金属−セラミックス複合材料。
  5. 【請求項５】 マトリックス金属がアルミニウムまたは
    アルミニウム合金であり、マトリックス金属２０〜４０
    体積％、残部セラミックスからなる複合構造を有する請
    求項４に記載の金属−セラミックス複合材料。
  6. 【請求項６】 熱伝導率１７０Ｗ／ｍ・Ｋ以上、および
    熱膨張率４×１０− ６〜８×１０−６／Ｋを有する、半
    導体回路用放熱部材である請求項５に記載の金属−セラ
    ミックス複合材料。
  7. 【請求項７】 マトリックス金属が銅または銅合金であ
    り、マトリックス金属２０〜４５体積％、残部セラミッ
    クスからなる複合構造を有する請求項４に記載の金属−
    セラミックス複合材料。
  8. 【請求項８】 熱伝導率２４０Ｗ／ｍ・Ｋ以上、および
    熱膨張率４×１０− ６〜８×１０−６／Ｋを有する、半
    導体回路用放熱部材である請求項７に記載の金属−セラ
    ミックス複合材料。
  9. 【請求項９】 複合材料の片側の板面に、マトリックス
    金属と同一材種の金属からなるフィンが形設されている
    請求項１ないし８のいずれか１項に記載の金属−セラミ
    ックス複合材料。
  10. 【請求項１０】 加圧鋳造用金型のキャビティ内に、５
    ＭＰａ以上の曲げ強度を有し、気孔径７〜５０μｍの多
    孔質セラミックス焼結体を設置し、マトリックス金属の
    溶湯を、加圧力５０〜１００ＭＰａ，含浸速度１．０ｍ
    ／秒以下でキャビティに注入し、５秒以上加圧保持する
    ことからなる、セラミックス焼結体である骨格構造体と
    マトリックス金属とからなる複合構造を有する金属−セ
    ラミックス複合材料の製造方法。
  11. 【請求項１１】 曲げ強度１０ＭＰａ以上の多孔質セラ
    ミックス焼結体を使用し、マトリックス金属を加圧含浸
    される前のセラミックス焼結体と略同一の粒子結合形態
    を保持した骨格構造体と含浸されたマトリックス金属と
    からなる複合構造を形成する請求項１０に記載の金属−
    セラミックス複合材料の製造方法。
  12. 【請求項１２】 曲げ強度１０ＭＰａ未満である多孔質
    セラミックス焼結体を使用し、マトリックス金属溶湯の
    加圧含浸時の溶湯圧力でセラミックス焼結体の粒子結合
    が部分的に分断されることにより形成された微細な筋状
    間隙を有する骨格構造体と筋状間隙に沿って含浸された
    マトリックス金属からなる複合構造を形成する請求項１
    ０に記載の金属−セラミックス複合材料の製造方法。
  13. 【請求項１３】 セラミックス焼結体は、炭化珪素，窒
    化珪素，窒化アルミニウム，アルミナの１種又は２種以
    上の混合物からなる請求項１０ないし１２のいずれか１
    項に記載の金属-セラミックス複合材料の製造方法。
  14. 【請求項１４】 セラミックス焼結体の気孔率は２０〜
    ４０％であり、マトリックス金属はアルミニウム又はア
    ルミニウム合金である請求項１３に記載の金属−セラミ
    ックス複合材料の製造方法。
  15. 【請求項１５】 セラミックス焼結体の気孔率は２０〜
    ４５％であり、マトリックス金属は銅又は銅合金である
    請求項１３に記載の金属−セラミックス複合材料の製造
    方法。
  16. 【請求項１６】 キャビティにフィン形成用空間を設け
    られた加圧鋳造用金型のキャビティ内に多孔質セラミッ
    クス焼結体を設置し、焼結体の気孔内にマトリックス金
    属溶湯を含浸させると共に、形成される複合材料の表面
    にマトリックス金属からなるフィンを鋳造する請求項１
    ０ないし１５のいずれか１項に記載の金属−セラミック
    ス複合材料の製造方法。
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