JP2000297301A - 炭化珪素系複合材料とその粉末およびそれらの製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 放熱基板、特に半導体装置に有用な高い熱伝
導率のＡｌ−ＳｉＣ系の炭化珪素系複合材料を提供す
る。 【解決手段】 アルミニウムを主成分とする金属を第一
成分とし、炭化珪素を主成分とする粒子を第二成分とす
る炭化珪素系複合材料の粉末であって、その平均粒径は
５〜１００μｍであり、その個々の粒子は、平均粒径５
μｍ以下の第二成分の粒子表面を第一成分の複数の粒子
が覆っており、該粉末全体の炭化珪素の量が１０〜８５
重量％である炭化珪素系複合材料の粉末である。またこ
の粉末を用いて得られる相対密度が９０％以上、熱伝導
率が２２０Ｗ／ｍ・Ｋ以上の炭化珪素系複合材料であ
る。この粉末は、第一・第二両成分粉末をメカニカルア
ロイング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、各種装置・機器に
用いられる放熱基板、特に半導体装置の放熱基板に用い
られる高い熱伝導性を有する炭化珪素系複合材料に関
し、特にそれを製造するための粉末、同粉末から得られ
る炭化珪素系複合材料ならびに同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】特にパワーデバイスの内でも実用時の発熱
量の大きなものでは、放熱基板自体の温度も１００℃以
上に昇温することがあるため、このような温度での高い
熱伝導率を要求される場合もある。したがって、このよ
うな温度下でも１５０Ｗ／ｍ・Ｋ以上の熱伝導率のもの
が要求される。またその容量が大きくなればなるほどＳ
ｉ半導体素子のサイズも大きくなる。それ故それを搭載
する放熱基板も大きくせざるを得ない。例えばパソコン
用の基板が高々２０〜４０ｍｍ角程度のであるのに対
し、容量の大きなパワーデバイスでは、２００ｍｍ角を
越えるものも求められつつある。このような大きな基板
では、実装時のその寸法精度のみならず高温でそれの低
下しないことが要求されている。すなわち高温で基板に
反りや変形が生じると、上記した基板の下に配置される
放熱機構(ラジエターやフィン等)との界面に隙間ができ
放熱効率が落ちる。また最悪の場合半導体素子が破壊す
る場合もある。それ故高温での放熱基板の優れた熱伝導
性の確保は、重要な課題である。

【０００５】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。

【０００６】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。

【０００７】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。

【０００８】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。

【０００９】

【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。

【００１０】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。

【００１１】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。

【００１２】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。

【００１３】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。

【００１４】以上詳述したように、従来のＡｌ−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。その理由の一つとして以下の
ことが考えられる。すなわちＡｌとＳｉＣの間の濡れ性
を改善してＡｌ融液のＳｉＣ粒子間への自発的な浸透を
促したり、空孔の発生を抑えるためにＡｌ中にＳｉ等の
従成分を添加したり、またはこれらの従成分を不純物と
して含むＡｌを用いたりする場合が多々あった。このた
めこれらの従成分の介在によって複合材料の熱伝導率の
低下は避けられなかった。したがって優れた熱伝導性を
確保するためには、できる限り純粋なＡｌ粉末を用いつ
つ、それとＳｉＣ粒子表面との濡れ性をいかに確保する
かが重要な課題である。

【００１５】一般に物質の熱伝導率は、以下の式に示さ
れるように物質の密度、比熱、熱拡散率の関数である。 熱伝導率＝密度×比熱×熱拡散率 式(１) ここで複合材料の場合、比熱はその成分組成比率によっ
て決まる。したがって、組成が同じであれば、その熱伝
導率向上のためにはその密度と熱拡散率を上げることが
必要である。上記した従来のＡｌ−ＳｉＣ系の複合材料
では、その密度が９９％以上のものでもその熱伝導率が
２００Ｗ／ｍ・Ｋ程度あり、熱伝導率向上のためには、
特に熱拡散率を向上させる必要がある。

【００１６】Ａｌ−ＳｉＣ系の複合材料では、その熱拡
散率はＡｌとＳｉＣのそれぞれの熱拡散率および両相界
面の密着状態によって決まるものと考えられる。両相界
面の密着の程度は、基本的に密度が高ければ高いほど向
上する。それ故Ａｌ−ＳｉＣ系の複合材料の熱拡散率を
向上させる一つの方向として、両成分の純度を保ちつつ
両者の確実な濡れ性の確保が重要となる。

【００１７】本発明者等は、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号にて、ＳｉＣ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、この方法ではその高い
熱伝導性を確保するため、比較的表面酸素量の少ないＡ
ｌ粉末および純度の高いＳｉＣの粉末を予め準備する必
要があり、その調製に手間がかかる。また両成分の純度
が高いため、特にＡｌ粉末の表面が酸化され易い。それ
故焼成時の濡れ性を確保するためには、通常成形時に高
い圧力をかけて、その表面の酸化皮膜を破るとともに、
十分に両成分粒子を密着させる必要がある。したがって
ＳｉＣ粉末による型の消耗が早くなる。したがってこの
方法では優れた熱伝導性の材料は得られるが、より生産
性の高い手段が求められる。

【００１８】一方表面酸素量の多い市販のＡｌ粉末を用
いれば、原料コストは下がる。しかしその場合でもＳｉ
Ｃ粉末との濡れ性を確保し、緻密に両者を複合化するた
めには予めその表面の酸化膜を破っておく必要がある。
このため上記の方法以上に高い圧力で成形する必要があ
り、型の消耗がやはり問題となる。そこで本発明者等
は、Ａｌを主成分とする粉末成形体の脱酸素のため加熱
処理を追加し、比較的低い圧力で成形できる製造方法
を、特願平１０−３６９３００号にて提案した。しかし
この方法では、成形体内部の両成分間の濡れが不十分な
ため空孔が残り、本来の高い熱伝導率が得られないとい
う問題がある。

【００１９】なお前述の（７）および（８）に紹介され
ているように熱間で加圧焼結する方法であれば、緻密で
かなり高い熱伝導性の材料を得ることはできる。しかし
ながらこれらの方法は生産性に欠ける。したがってＳｉ
Ｃ量が５０重量％以上の組成域では、安価な常圧下の焼
成によって２００Ｗ／ｍ・Ｋを越える高い熱伝導率の材
料は未だに得られていない。

【００２０】

【課題を解決するための手段】したがって本発明の目的
は、以上述べた従来の炭化珪素系複合材料の品質上・生
産上の課題を克服し２００Ｗ／ｍ・Ｋを越える高い熱伝
導率の材料を、常圧下の焼成で安価に提供することであ
る。

【００２１】すなわち本発明で提供される炭化珪素系複
合材料の粉末は、アルミニウムを主成分とする金属を第
一成分とし、炭化珪素を主成分とする粒子を第二成分と
する粉末であって、その平均粒径は５〜１００μｍであ
り、その個々の粒子は、平均粒径５μｍ以下の第二成分
の粒子表面を第一成分の複数の粒子が覆っており、同粉
末全体の炭化珪素の量が１０〜８５重量％である。

【００２２】また本発明の炭化珪素系複合材料は、上記
の粉末を用いて得られ、その相対密度が９０％以上、室
温での熱伝導率が２２０Ｗ／ｍ・Ｋ以上の材料である。
さらに本発明には、この炭化珪素系複合材料を用いた半
導体装置も含まれる。

【００２３】本発明の上記炭化珪素系複合材料の粉末
は、第一成分としてアルミニウムを主成分とする金属の
粉末１５〜９０重量％および第二成分として平均粒径が
１０〜２００μｍの炭化珪素粉末１０〜８５重量％を準
備する工程１と、これらの粉末を非酸化性雰囲気中で第
二成分の平均粒径が５μｍ以下になるまでメカニカルア
ロイングする工程２とを含む方法で製造される。また本
発明の粉末の製造方法には、工程２のメカニカルアロイ
ングを１０Ｇ以上の加速度で行う手段も含まれる。

【００２４】本発明の炭化珪素系複合材料は、以上の手
順で得られた粉末を成形し成形体とする工程３と、同成
形体を非酸化性雰囲気中で焼成して焼結体とする工程４
とを含む製造方法で得られる。

【００２５】上記の工程４における焼成温度は、５００
℃以上である方法、さらにはアルミニウムを主成分とす
る金属の融点以上である方法も本発明には含まれる。ま
た本発明の製造方法には、上記工程３の成形圧力が６ｔ
ｏｎ／ｃｍ²以上である方法、さらには同成形が温間、
特に１００〜２００℃で行われる方法も含まれる。

【００２６】

【発明の実施の形態】本発明によって提供される炭化珪
素系複合材料の粉末ならびにこれを用いて得られる複合
材料は、第一成分がアルミニウムを主成分とする金属か
らなるもの（以下Ａｌ−ＳｉＣ系複合材料または単にＡ
ｌ−ＳｉＣ系、Ａｌ系とも言う）である。本発明は、こ
の材料に着目し、放熱基板(ヒートシンク)、特に半導体
装置用の放熱基板の熱伝導性を向上させるためになされ
たものである。

【００２７】本発明で提供される炭化珪素系複合材料の
粉末の平均粒径は、５〜１００μｍである。その個々の
粒子は、第一成分の複数の粒子が平均粒径５μｍ以下の
第二成分であるＳｉＣ粒子の表面を覆っている複合化さ
れた粒子である。また本発明の粉末全体のＳｉＣ粒子の
量は、１０〜８５重量％である。後述のようにこの粉末
は、両成分の混合物をメカニカルアロイング（Ｍｅｃｈ
ａｎｉｃａｌ Ａｌｌｏｙｉｎｇ、以下ＭＡとも言う）
することによって得られる。メカニカルアロイングされ
複合化された粉末の平均粒径を上記の範囲内にする理由
は、下限未満では成形密度が上がらず、上限を越えると
アルミニウムの量が多くなり、メカニカルアロイング後
その容器に粉末が強固に付着して粉末の回収が困難とな
り、またその結果粉末の回収率が低下するからである。
好ましい平均粒径は、５０〜１００μｍである。またそ
れに取り込まれた炭化珪素粒子の平均粒径を５μｍ以下
とするのは、それを越えると成形体の密度が十分上がら
ず、熱伝導率が低下するからである。好ましくは３μｍ
以下である。粉末中の炭化珪素の量を１０〜８５重量％
の範囲にするのは、下限未満では成形体を焼成する場
合、第一成分が溶けるとその形状保持が難しくなるから
である。また上限を越えると第一成分の融液量が少なく
なり焼成時の緻密化が十分進まないからである。

【００２８】また本発明の炭化珪素系複合材料は、上記
の粉末を用いて得られ、その相対密度が９０％以上、室
温での熱伝導率が２２０Ｗ／ｍ・Ｋ以上の材料である。
相対密度が９０％未満では熱伝導率が急激に低下する。
好ましくは９４％以上である。なお相対密度とは、組成
より複合則によって計算された理論密度に対する実測密
度の割合である。

【００２９】本発明の炭化珪素系複合材料の粉末は、第
一成分としてアルミニウムまたは銅を主成分とする金属
の粉末１５〜９０重量％および第二成分として平均粒径
が１０〜２００μｍの炭化珪素粉末１０〜８５重量％を
準備する工程１と、これらの粉末を非酸化性雰囲気中で
第二成分の平均粒径が５μｍ以下になるまでメカニカル
アロイングする工程２とを含む方法で製造される。メカ
ニカルアロイング前の第二成分の平均粒径を上記の範囲
にするのは、下限未満では炭化珪素粒子表面の酸素量が
増加して、その酸素がアルミニウム粒子表面と反応して
アルミニウムの酸化物が生成し、後述するメカニカルア
ロイングによる両成分の間の化学的な密着が損なわれ
る。また上限を越えると炭化珪素が微細粒子まで粉砕さ
れず、両成分の複合化が不十分となる。その結果いずれ
の場合も緻密かつ優れた熱伝導性の材料が得られない。

【００３０】メカニカルアロイングの雰囲気は、第一成
分の酸化を避けるため、非酸化性雰囲気で行う。その際
通常のボールミル装置を用いてもよいが、粉砕エネルギ
ーの大きな遊星ボールミルを用いると短時間のＭＡが可
能となる。例えば両成分粉末と粉砕媒体のボールをこれ
らの装置のポットに充填し、ポットを自公転させて混合
粉砕する。ポットの回転加速度は１０Ｇ以上とするのが
好ましい。１０Ｇ未満では粉砕エネルギーが通常のボー
ルミルと大差が無く粉砕効率が低下し、粉砕に時間がか
かり過ぎることがある。なおこの回転加速度は、高いほ
ど粉砕効率は上がるが、本発明ではせいぜい１５０Ｇ程
度までである。それを越えると粉砕エネルギーがＳｉＣ
の粉砕に消費されず、むしろ同粒子に歪みを与え、その
結果その熱伝導性の低下を招くことがある。ポットの内
張りや粉砕媒体の材質は、耐摩耗性に優れたものであれ
ばよいが、例えば複合材料の主成分であるＳｉＣ系のも
のとするか、またはそれで被覆されたものを用いるのが
望ましい。

【００３１】本発明のメカニカルアロイングの過程で
は、当初平均粒径１０〜２００μｍのＳｉＣ粒子は、そ
の進行とともに微粒化してゆく。一方当初の平均粒径が
通常数１０〜数１００μｍの第一成分の粒子は、塑性変
形して微細化されたＳｉＣ粒子の周りを覆ってゆく。こ
れが繰り返されると、図１に模式的に示すように、微細
なＳｉＣ粒子の全表面を第一成分の多数の粒子が覆う二
次的に複合化された粒子が形成される。また第一成分粒
子の当初の表面には前述の如くその酸化物層が形成され
ているが、ＭＡによってその層が破られ純粋な第一成分
金属からなり反応活性な表面が露呈する。一方破断され
たＳｉＣ粒子の表面も反応活性な面となる。これらの活
性面同志は、高いエネルギーの繰り返しの負荷で互いに
直接密着するとともに、それらの界面では固相反応が生
じ、化学的に結合した状態となる。

【００３２】微粒化された個々のＳｉＣ粒子のサイズ
は、小さいものでは１μｍ以下、さらには５０ｎｍ程度
にまでになるが、ＭＡはその平均粒径が５μｍ以下にな
るまで行う。５μｍを越えると複合化された粒子の圧縮
性が下がり、圧力の上昇に伴う成形密度の上昇率が小さ
くなるので好ましくない。これは成形時の圧力によって
第一成分が塑性変形する際に、ＳｉＣ粒子が小さいほど
その変形に対応して動き易いからである。このようにす
ると、複合化された粒子自体がそれに内蔵されるＳｉＣ
粒子に妨害されることなく、変形し易くなるので比較的
低い圧力でも成形は可能になる。その様子をＭＡを行っ
ていない単純混合の混合粉末と対比して、図２に模式的
に示す。同図の（ａ）がＭＡを行っていない粉末の場
合、（ｂ）がＭＡを行った本発明の粉末の場合を示す。
従来の粉末では、成形時に第一成分が塑性変形すると、
その変形の及ぶ部分だけで粒子の密着が進み、変形に追
随しない大きなＳｉＣ粒子の全面を第一成分が覆うこと
ができず、第一成分が、それを取り込まない。その結果
成形後のＳｉＣ粒子表面のいくつかの部分に空隙が残
る。一方本発明の粉末ではＳｉＣ粒子が微粒化している
ため、それが第一成分の塑性変形の流れに応じて再配列
する。このため同じ圧力で成形しても図に示すように圧
縮性が顕著に異なる。両成分が広い界面で密着した本発
明の成形体を第一成分の融点以上の温度で加熱すると、
第一成分の融液とＳｉＣ粒子の表面が常圧下でも容易に
濡れ、それらの界面の空隙は大幅に少なくなる。その結
果同じ組成であっても熱伝導率は飛躍的に上昇する。

【００３３】本発明の炭化珪素系複合材料は、以上の手
順で得られた粉末を成形し成形体とする工程３と、同成
形体を非酸化性雰囲気中で焼成して焼結体とする工程４
とを含む製造方法で得られる。成形方法は、限定されな
いが、乾式の粉末成形が生産効率上好ましい。成形時の
型は、耐摩耗性の材質であればよいが、例えば粉末と接
触する面は、ＳｉＣ、ダイヤモンドおよびダイヤモンド
ライクカーボンのような硬質被覆を行うのが望ましい。
成形圧力は、通常は６ｔｏｎ／ｃｍ²以上が望ましい。
なお１０ｔｏｎ／ｃｍ²以上の圧力をかけても成形密度
の上昇は期待出来ない。第一成分の塑性変形を促進し、
成形密度を上げるためには温間で行うのが望ましい。純
アルミニウムの場合、１５０℃程度が上限であるが、好
ましい成形温度は、１００〜２００℃である。なおアル
ミニウムにＳｉやＭｇのような従成分を少量含む合金粉
末を用いる場合には、その塑性変形を容易にするために
３００℃程度まで昇温することもある。

【００３４】本発明の工程４の焼成温度は、通常第一成
分金属の融点以上が望ましい。ただし同金属の融点以下
の温度でも焼結は可能であり、比較的高い熱伝導性のも
のが得られる。その理由は、上記のように成形体中の複
合化された粒子中の両成分の界面が化学的に結合してい
るため熱伝導を妨げない程度の両成分間の接触が保たれ
るからである。この効果は、特にＳｉＣ粒子の量が５０
重量％以下の組成域で顕著になる。ちなみに焼成温度の
下限は、５００℃である。しかしながら通常は第一成分
金属の融点以上が望ましい。特に７５０℃までとするの
が望ましい。これはその温度を越えるとアルミニウムと
ＳｉＣ粒子との界面で低熱伝導性の炭化アルミニウム
（Ａｌ₄Ｃ₃）が形成され、熱伝導率が低下し易いからで
ある。焼成の雰囲気は、例えば窒素のような非酸化性ガ
ス雰囲気であればよいが、真空中でも焼成は可能であ
る。また焼成は通常常圧下でよいが、例えばシンターＨ
ＩＰのように加圧された条件下であればより一層緻密化
が進み易くなり、より一層優れた熱伝導性のものが得ら
れる。

【００３５】アルミニウムを主成分とする第一成分の原
料は、市販のものを用いればよい。ただし合金元素を添
加した粉末を利用する場合を除き、複合材料の熱伝導率
を下げないためには、その主成分の純度の高いものを利
用するのが望ましい。例えば９９％以上のものを用いる
のが望ましい。なお本発明で用いる第一成分の原料の使
用形態は、塊状・粉末状他のいかなる形態であってもよ
いが、通常は粉末状のものを用いる。原料粉末内に介在
する不純物種としては、合金元素を添加する場合を除
き、純金属を用いる場合には、第一成分の主成分金属中
に固溶し易い遷移金属元素、特に８ａ族元素を含む成分
を含む成分は、可能な限り少ないのが望ましい。なおさ
らに第一成分金属粉末の主成分の純度を高めるために
は、市販の粉末の中でも溶湯噴霧法や物理的または化学
的な処理法によって純度調整された粉末を準備する必要
がある。

【００３６】

【実施例】実施例１ 第二成分として６Ｈ型の結晶粒子からなる表１の「Ｓｉ
Ｃ原料」欄に記載の各種平均粒径のＳｉＣ粉末、第一成
分としていずれもその平均粒径が２５μｍの純アルミニ
ウム粉末とＳｉを５重量％含むアルミニウム合金粉末と
を準備した。表１に記載の配合量で各成分粉末を秤取し
ＭＡを行った。ＳｉＣ粉末の配合量は表１の「ＳｉＣ原
料」欄に記載の重量部とし、第一成分の配合量はその残
部とした。第一成分粉末の種類は、表１の「第一成分」
欄に記載の粉末種とした。これらの粉末を直径３ｍｍの
ステンレス鋼製のボールとともに遊星ボールミルのステ
ンレス鋼製のポット内に投入し、表１に記載の各試料毎
のポットの回転加速度および時間で混合粉砕し、複合化
された粉末とした。また試料１の粉末のみ表１に記載の
配合量の原料粉末を通常のボールミルで混合した。作製
した各粉末を樹脂に埋め込み、その断面を走査型電子顕
微鏡で３０００倍に拡大して観察したところ、個々の粉
末は、微細化したＳｉＣ粒子の周りをアルミニウムを主
成分とする第一成分の複数の粒子で被覆された構造の粉
末であった。この粉末中に含まれるＳｉＣ粒子の平均粒
径と複合化粉末の平均粒径を測り、その結果を表１の
「複合化粉末」欄に示した。なお平均粒径は、いずれも
３０００倍の矩形視野の写真を撮り、その２本の対角線
で切られた全ての粒子の長さを測ってそれらを算術平均
した値とした。

【００３７】次ぎに各粉末を表１の「成形」欄に記載の
温度に昇温保持した金型内に入れ、同表に記載の圧力で
直径３５ｍｍ、厚み１０ｍｍの形状に成形した。次いで
これらの各試料粉末を表１の「焼成」欄に記載の条件で
焼結した。また試料９の粉末は、別途同じ雰囲気ならび
に時間で、焼成温度のみ４８０℃および５２０℃とした
焼結体も作製した。試料７は、焼成後の形が崩れて製品
化は難しい組成であることが分かった。これらの焼結体
の相対密度、レーザーフラッシュ法で測った熱伝導率お
よび作動トランス式熱望張測定装置で計量した熱膨張係
数を表１の「焼結体」欄に示す。なお試料９の粉末を４
８０℃および５２０℃で焼結した試料の相対密度は、前
者が９６．１％、後者が９７．５％であった。その結果
それぞれの熱伝導率は、前者が２００Ｗ／ｍ・Ｋ、後者
が２２０Ｗ／ｍ・Ｋであった。

【００３８】

【表１】

【００３９】以上の結果より以下のことが明らかとな
る。すなわち（１）ＭＡを行いＳｉＣ粒子を５μｍ以下
に微細化し、その周りをアルミニウムを主成分とした第
一成分の粒子で覆った本発明の粉末は、単純な混合粉末
に比べ圧縮性に優れている。このため同じ圧力で成形す
ると、より高い成形密度のものが得られる。（２）この
粉末の成形体は、単純な混合粉末の成形体を焼結したも
のよりも高い熱伝導性の複合材料となる。５００℃以上
の焼成温度、特に第一成分の融点以上の温度まで焼成温
度を上げると、２２０Ｗ／ｍ・Ｋ以上の高い熱伝導率の
複合材料が容易に得られる。（３）ＳｉＣ粒子の量が１
０重量％未満の粉末および８５重量％を越える複合粉末
を用い第一成分の融点以上で焼成すると、前者はその形
状が保持できなくなり、後者は相対密度が９０％未満と
なり、熱伝導率は低下する。

【００４０】実施例２ 実施例１の試料３、４、１０、１４、１８と同じ製法で
得た焼結体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３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３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。

【００４１】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。

【００４２】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。

【００４３】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。

【００４４】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。

【００４５】

【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)粒子を主成分とする粉末と、アルミニウ
ムを主成分とする粉末とを、メカニカルアロイングし
て、５μｍ以下の平均粒径までＳｉＣ粒子を微細化する
とともに、それら粒子の周りが第一成分の複数の粒子が
覆った構造の複合粉末を形成することにより、単純に混
合した同じ組成の従来の粉末よりより高い圧縮性の粉末
が得られる。この粉末を成形し焼結することによって、
相対密度が９０％以上、熱伝導率が２２０Ｗ／ｍ・Ｋ以
上の優れた半導体装置に有用な優れた炭化珪素系複合材
料が得られる。したがって、本発明の炭化珪素複合材料
は、半導体素子を搭載する放熱基板、特に高出力のパワ
ーモジュール用の高信頼性の放熱基板として有用であ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明粉末のメカニカルアロイング過程を模式
的に説明する図である。

【図２】本発明粉末と従来の単純混合された粉末の成形
過程を比較し、両者の相違点を模式的に説明する図であ
る。

【図３】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。

【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

───────────────────────────────────────────────────── 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） Ｃ２２Ｃ 32/00 Ｃ２２Ｃ 32/00 Ｑ Ｈ０１Ｌ 23/373 Ｈ０１Ｌ 23/36 Ｍ

Claims (12)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 アルミニウムを主成分とする金属を第一
   成分とし、炭化珪素を主成分とする粒子を第二成分とす
   る炭化珪素系複合材料の粉末であって、その平均粒径は
   ５〜１００μｍであり、その個々の粒子は、平均粒径５
   μｍ以下の第二成分の粒子表面を第一成分の複数の粒子
   が覆っており、該粉末全体の炭化珪素の量が１０〜８５
   重量％である炭化珪素系複合材料の粉末。
2. 【請求項２】 前記炭化珪素系複合材料の粉末を用いて
   得られ、その相対密度が９０％以上、室温での熱伝導率
   が２２０Ｗ／ｍ・Ｋ以上の炭化珪素系複合材料。
3. 【請求項３】 請求項２に記載の炭化珪素系複合材料を
   用いた半導体装置。
4. 【請求項４】 アルミニウムを主成分とする金属を第一
   成分とし、炭化珪素を主成分とする粒子を第二成分とす
   る炭化珪素系複合材料の粉末の製造方法であって、第一
   成分としてアルミニウムを主成分とする金属の粉末１５
   〜９０重量％および第二成分として平均粒径が１０〜２
   ００μｍの炭化珪素粉末１０〜８５重量％を準備する工
   程１と、これらの粉末を非酸化性雰囲気中で第二成分の
   平均粒径が５μｍ以下になるまでメカニカルアロイング
   する工程２とを含む炭化珪素系複合材料の粉末の製造方
   法。
5. 【請求項５】 前記工程２は、１０Ｇ以上の加速度でメ
   カニカルアロイングする請求項４に記載の炭化珪素系複
   合材料の粉末の製造方法。
6. 【請求項６】 アルミニウムを主成分とする金属を第一
   成分とし、炭化珪素を主成分とする粒子を第二成分とす
   る炭化珪素系複合材料の製造方法であって、第一成分と
   してアルミニウムを主成分とする金属の粉末１５〜９０
   重量％および第二成分として平均粒径が１０〜２００μ
   ｍの炭化珪素粉末１０〜８５重量％を準備する工程１
   と、これらの粉末を非酸化性雰囲気中で第二成分の平均
   粒径が５μｍ以下になるまでメカニカルアロイングして
   炭化珪素系複合材料の粉末とする工程２と、該粉末を成
   形し成形体とする工程３と、該成形体を非酸化性雰囲気
   中で焼成して焼結体とする工程４とを含む炭化珪素系複
   合材料の製造方法。
7. 【請求項７】 前記工程２は、１０Ｇ以上の加速度でメ
   カニカルアロイングする請求項６に記載の炭化珪素系複
   合材料の製造方法。
8. 【請求項８】 前記工程４は、焼成温度が５００℃以上
   である請求項６または７に記載の炭化珪素系複合材料の
   製造方法。
9. 【請求項９】 前記焼成温度は、第一成分の融点以上で
   ある請求項６ないし８のいずれかに記載の炭化珪素系複
   合材料の製造方法。
10. 【請求項１０】 前記工程３は、６ｔｏｎ／ｃｍ²以上
    の圧力で成形する請求項６ないし９のいずれかに記載の
    炭化珪素系複合材料の製造方法。
11. 【請求項１１】 前記工程３は、温間で成形する請求項
    ６ないし９のいずれかに記載の炭化珪素系複合材料の製
    造方法。
12. 【請求項１２】 前記温間で成形する温度が、１００〜
    ２００℃である請求項１１に記載の炭化珪素系複合材料
    の製造方法。