ヒートスプレッダとその製造方法
【課題】アルミニウム−セラミック複合材料からなる基材２の外周面が、高い熱伝導率を有し厚みが小さくかつ均一で、接合強度に優れた被覆層９によって被覆され、面方向のトータルの熱膨張率が小さい上、厚み方向のトータルの熱伝導率にも優れたヒートスプレッダ１とその製造方法を提供する。
【解決手段】ヒートスプレッダ１は、アルミニウム−セラミック複合材料中のアルミニウムの純度を９９質量％以上、素子搭載面１０を構成する被覆層９の厚みを０．０５〜０．５ｍｍ、被覆層９を形成するアルミニウム−マグネシウム合金のマグネシウム含量を０．４〜８．５質量％、基材２と被覆層９との接合強度を１００ＭＰａ以上とした。製造方法は、アルミダイカスト金型内に非酸化性または還元性の加熱ガスを導入して基材を加熱後、密閉状態としてアルミニウム−マグネシウム合金を、圧をかけながら押し込む。
【解決手段】ヒートスプレッダ１は、アルミニウム−セラミック複合材料中のアルミニウムの純度を９９質量％以上、素子搭載面１０を構成する被覆層９の厚みを０．０５〜０．５ｍｍ、被覆層９を形成するアルミニウム−マグネシウム合金のマグネシウム含量を０．４〜８．５質量％、基材２と被覆層９との接合強度を１００ＭＰａ以上とした。製造方法は、アルミダイカスト金型内に非酸化性または還元性の加熱ガスを導入して基材を加熱後、密閉状態としてアルミニウム−マグネシウム合金を、圧をかけながら押し込む。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、特にパワー半導体素子等の、動作時に大きな発熱を伴う素子からの熱を除去するために好適に用いられるヒートスプレッダと、前記ヒートスプレッダの製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
前記パワー半導体素子等の、動作時に大きな発熱を伴う素子においては、前記熱をできるだけ速やかに除去することが求められる。熱を速やかに除去しないと、素子自体が過熱して誤動作（熱暴走）したり、破損したり、あるいは動作の効率が低下したりするおそれがあるためである。
かかる素子としては、例えば電気自動車やハイブリッド自動車、鉄道車両等において誘導モータを駆動させる際に直流から交流への電力変換をするためのインバータ回路に組み込まれる絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ等のパワー半導体素子、プラズマディスプレイパネル等の画像表示素子、コンピュータのマイクロプロセッサユニット、あるいはレーザーダイオード等が挙げられる。
【０００３】
近年、前記各種装置類のより一層の高性能化や高出力化の進展に伴って、前記素子を、一般的なケイ素（Ｓｉ）系、ガリウム−砒素（ＧａＡｓ）系、インジウム−燐（ＩｎＰ）系の素子から、炭化ケイ素（ＳｉＣ）系、窒化ガリウム（ＧａＮ）系の素子へと移行することが検討されている。
その場合、素子の動作可能温度を例えばＳｉ系の素子等の１２０℃前後から、ＳｉＣ系の素子等の２００℃前後まで引き上げることが可能となり、過熱による誤動作や破損、動作効率の低下等をこれまでよりも起こりにくくできると考えられている。しかしこれらの素子においても、熱をできるだけ速やかに除去する必要があることには変わりはない。
【０００４】
前記熱を速やかに除去する手段としては、例えば平板状のヒートスプレッダを用いるのが一般的である。
すなわち前記素子を、前記ヒートスプレッダの互いに背向する一対の平板面のうちの一方に直接に、あるいはセラミック基材等を介して、はんだ接合等により搭載する。またもう一方の平板面は、冷却器やヒートシンク、あるいは前記冷却器等への伝熱部材（以下これらを「冷却部材」と総称する場合がある。）と接触させた状態でネジ止めする等して固定する。
【０００５】
そうすると素子で発生した熱を、前記ヒートスプレッダを介して速やかに冷却部材に熱伝導させて除去することができる。
前記ヒートスプレッダを、従来はアルミニウムや銅等の金属、もしくは合金によって一体に形成していた。
しかし近時、前記ヒートスプレッダをアルミニウム−セラミック複合材料によって形成することが検討されている。
【０００６】
前記アルミニウム−セラミック複合材料は、前記金属や合金と同等程度の熱伝導率を有する上、先に説明した各種材料からなる素子や、あるいは窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）、窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）等からなるセラミック基材等と熱膨張率が近い。
そのためヒートスプレッダを前記複合材料によって形成することで、前記素子やセラミック基材等との熱膨張率の差をできるだけ小さくすることができ、素子の動作による発熱と停止後の冷却とを繰り返した際に、熱膨張率の違いに基づいて素子に過剰な応力が加わって前記素子自体が破損したり、あるいははんだ接合が破壊されたりするのを抑制できる。
【０００７】
平板状のヒートスプレッダの一方の平板面に、前記素子やセラミック基材等を、熱伝導の妨げになるボイド等を生じることなく良好にはんだ接合するためには、前記平板面を、前記はんだに対する濡れ性、親和性に優れたニッケルめっき膜等で被覆するのが好ましい。
しかしアルミニウム−セラミック複合材料を構成するアルミニウム（純アルミニウムの他、アルミニウムと他の金属との様々な合金を含む。以下「アルミニウム材」と総称する場合がある。）とセラミックとではめっきの条件が大きく異なるため、前記複合材料からなる平板面に直接に、安定で均一なニッケルめっき膜を形成するのは困難である。
【０００８】
そこで、アルミニウム−セラミック複合材料からなる平板状の基材の、少なくとも前記平板面を含む外周面（両外周面と側面）を、前記ニッケルめっき等が容易な金属の被覆層で被覆して、前記基材と被覆層との複合構造を有するヒートスプレッダを形成することが検討されている。
アルミニウム−セラミック複合材料からなる基材の形成方法は、
(1) アルミニウム材の粉末とセラミック粉末とを混合し、型押ししたのち焼結させる粉末成形焼結法、
(2) あらかじめ基材の形状に形成したセラミックのスケルトンに、加圧下で溶融したアルミニウム材を含浸させる加圧含浸法、
(3) 例えば窒素雰囲気下でアルミニウム材を溶融させて、前記セラミックのスケルトンに自発的に（例えば引力により）含浸させる自発溶浸法、
等に大別される。
【０００９】
このうち(1)の粉末成形焼結法、および(2)の加圧含浸法によれば、アルミニウム−セラミック複合材料からなる基材の形成と同時に、その外周面をアルミニウム材の被覆層で被覆することが可能である。
例えば(2)の加圧含浸法では、前記スケルトンを金型の型窩内に収容した状態で、溶融したアルミニウム材を、圧をかけながら前記型窩内に注入することで基材が形成されるが、前記スケルトンと型窩の内周面との間にあらかじめ隙間を設けておくことにより、アルミニウム材の注入による基材の形成と同時に、前記基材の外周面に、前記隙間に対応する厚み分の、アルミニウム材からなる被覆層を形成することができる（特許文献１）。
【００１０】
しかしこの場合、アルミニウム−セラミック複合材料を形成するアルミニウム材と、被覆層を形成するアルミニウム材とは、当然ながら同一組成とならざるを得ない。加圧含浸に適したアルミニウム材が、必ずしも被覆層を形成するために適した特性を有しているとは限らない。
アルミニウム−セラミック複合材料からなる基材の健全性を優先するためには、アルミニウム材を、スケルトンの隙間に含浸させやすいことを優先した組成（例えばアルミニウム−ケイ素合金等）とする必要がある。
【００１１】
しかし、かかるアルミニウム−ケイ素合金等のアルミニウム材は一般に熱伝導率が低く、そのためアルミニウム−セラミック複合材料からなる基材の熱伝導率と、前記アルミニウム材からなり、平板面を被覆する被覆層の熱伝導率とを合わせた、ヒートスプレッダの厚み方向のトータルの熱伝導率を向上させることには限界がある。
例えば日本工業規格において規定されたアルミニウム−ケイ素合金ＡＣ３Ａ（Ａｌ−１２Ｓｉ）の熱伝導率は１２０Ｗ／ｍＫでしかないため、アルミニウム−セラミック複合材料からなる基材と、前記ＡＣ３Ａからなる被覆層との、前記厚み方向のトータルの熱伝導率はおよそ１７０〜１８０Ｗ／ｍＫ程度にしかならない。
【００１２】
特許文献２には、前記(1)の粉末成形焼結法を応用して、基材の外周面を被覆層で被覆したヒートスプレッダを製造する方法が記載されている。
すなわち、被覆層となるアルミニウム材の板や枠で囲まれた領域内にアルミニウム材の粉末とセラミック粉末との混合物を充填した状態で型押ししたのち焼結することにより、アルミニウム−セラミック複合材料からなる基材が形成されるとともに、前記基材の外周面が、前記板や枠からなる被覆層で被覆される。
【００１３】
この製造方法では、前記板や枠を形成するアルミニウム材として熱伝導率に優れたものを選択して用いることにより、前記ヒートスプレッダの厚み方向のトータルの熱伝導率を、現状より向上することができる。
しかし前記製造方法において、焼結の温度がアルミニウム材の融点以上になると前記板や枠が溶融してしまって被覆層の形状を維持することができない。
【００１４】
そのため前記製造方法では焼結の温度をアルミニウム材の融点未満に制限せざるを得ないため、製造されるヒートスプレッダは、基材と被覆層との接合強度が未だ十分とはいえないという問題がある。
特許文献３〜５には、あらかじめ形成したアルミニウム−セラミック複合材料からなる基材の外周面に金属を溶射したり、金属箔や金属粉末を貼り付けたのち加熱、加圧処理をしたりして被覆層を形成することが記載されている。
【００１５】
しかしこれらの方法で、例えば厚みが０．５ｍｍ以下といった厚みの小さい、しかも前記厚みが均一な被覆層を、特に基材の平板面に形成するのは容易ではない。
厚みが０．５ｍｍを超える場合には、前記被覆層の熱膨張率と、基材の熱膨張率とを合わせた、特にヒートスプレッダの面方向のトータルの熱膨張率が大きくなって、前記基材を、熱膨張率の小さいアルミニウム−セラミック複合材料によって形成することによる利点、すなわち素子やセラミック基材等との熱膨張率の差をできるだけ小さくして、素子の動作による発熱と停止後の冷却とを繰り返した際に、熱膨張率の違いに基づいて素子に過剰な応力が加わって前記素子自体が破損したり、あるいははんだ接合が破壊されたりするのを抑制する効果が失われてしまう。
【００１６】
また溶射や金属箔等の貼り付け、加熱、加圧等を大気中で実施した場合には被覆層を形成するアルミニウム材の酸化によって熱伝導率が低下しやすいため、前記トータルの熱伝導率を向上させることにも限界がある。
基材の平板面に厚みが均一な被覆層を形成するために、アルミダイカスト法を採用することが検討される。
【００１７】
すなわち、あらかじめ形成したアルミニウム−セラミック複合材料からなる基材を、ヒートスプレッダの立体形状に対応する型窩を備えたアルミダイカスト金型の前記型窩内にセットした状態で、前記型窩内に、被覆層のもとになるアルミニウム材を、圧をかけながら押し込んだのち冷却する工程を経て、前記基材の外周面に被覆層を形成することが考えられる。
【００１８】
しかし従来のアルミダイカスト法では、例えば厚みが０．５ｍｍ以下といった薄肉の被覆層を基材の平板面に形成するのは困難である。
また形成できたとしても、基材と被覆層との接合強度が十分に得られず、両者間での熱伝導が妨げられる結果、前記基材と被覆層との、ヒートスプレッダの厚み方向のトータルの熱伝導率が低下するおそれがある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１９】
【特許文献１】特開２００２−２３５１２６号公報
【特許文献２】特許第４３８２１５４号公報
【特許文献３】特開２００４−９１８６２号公報
【特許文献４】特開２００３−２５３３７１号公報
【特許文献５】特開平９−１７４２２２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２０】
本発明の目的は、アルミニウム−セラミック複合材料からなる基材の外周面の略全面が、高い熱伝導率を有する上、特に基材の平板面に対応する素子搭載面において厚みが小さくかつ均一で、しかも基材との接合強度にも優れた被覆層によって被覆されており、前記基材と被覆層とを合わせた面方向のトータルの熱膨張率が小さい上、厚み方向のトータルの熱伝導率にも優れたヒートスプレッダと、前記ヒートスプレッダの製造方法とを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００２１】
本発明は、アルミニウム−セラミック複合材料からなる平板状の基材、および
前記基材の互いに背向する一対の平板面、および側面の略全面を被覆する、アルミニウム合金からなる被覆層、
を備え、全体が平板状に形成されるとともに、前記基材の一方の平板面側の面が素子搭載面とされたヒートスプレッダであって、
前記基材を形成するアルミニウム−セラミック複合材料中に含まれるアルミニウムは純度９９質量％以上のアルミニウム、
前記素子搭載面を構成する被覆層は厚み０．０５ｍｍ以上、０．５ｍｍ以下、
前記被覆層を形成するアルミニウム合金はマグネシウムを０．４質量％以上、８．５質量％以下の範囲で含むアルミニウム−マグネシウム合金であり、かつ
前記基材と前記被覆層との接合強度は１００ＭＰａ以上であることを特徴とする。
【００２２】
本発明によれば、基材が、先に説明したように素子やセラミック基材等と熱膨張率の近いアルミニウム−セラミック複合材料によって形成される上、素子搭載面を構成する被覆層の厚みが０．５ｍｍ以下と小さいため、前記基材と被覆層とを合わせた、特にヒートスプレッダの面方向のトータルの熱膨張率を、前記基材単体の場合とほぼ同等程度の小さい範囲に維持することができる。
【００２３】
そのためヒートスプレッダと、素子やセラミック基材等との熱膨張率の差をできるだけ小さくして、素子の動作による発熱と停止後の冷却とを繰り返した際に、熱膨張率の違いに基づいて素子に過剰な応力が加わって前記素子自体が破損したり、あるいははんだ接合が破壊されたりするのを抑制できる。
また、前記基材を形成するアルミニウムは純度９９質量％以上であって高い熱伝導率を有している。例えば純アルミニウム（Ａｌ０５０）の熱伝導率は２２５Ｗ/ｍＫである。
【００２４】
一方、被覆層は、前記のように素子搭載面において厚みが０．５ｍｍ以下と小さいため、基材と被覆層とを合わせた、ヒートスプレッダの厚み方向のトータルの熱伝導率に及ぼす影響が小さい。
しかも前記被覆層を形成するアルミニウム−マグネシウム合金中のマグネシウムは、例えば後述する本発明の製造方法において前記被覆層を形成する際に自身が酸化することでアルミニウムの酸化を抑制したり、形成された酸化膜を除去したりする機能を有している。
【００２５】
そのため前記機能と、後述する本発明の製造方法において、型窩内に非酸化性または還元性の加熱したガスを導入して基材を加熱するとともに前記型窩内を非酸化性または還元性雰囲気とした状態で密閉した型窩内に、溶融したアルミニウム−マグネシウム合金を、圧をかけながら押し込んだのち冷却することとが相まって、基材と被覆層とが界面において極めて良好に密着されて、前記両者の接合強度が１００ＭＰａ以上とされる。また被覆層自体の熱伝導率も向上する。
【００２６】
したがってこれらの相乗効果によって、本発明のヒートスプレッダは熱伝導率に優れており、特にパワー半導体等の動作時に大きな発熱を伴う素子からの熱を速やかに除去して、前記素子自体が過熱して誤動作（熱暴走）したり、破損したり、あるいは動作の効率が低下したりするのを防止できる。
なお本発明において、基材を形成するアルミニウム−セラミック複合材料中に含まれるアルミニウムの純度が９９質量％以上に限定されるのは、純度が前記範囲未満では、基材自体の熱伝導率が低下して、基材と被覆層とを合わせた、ヒートスプレッダの厚み方向のトータルの熱伝導率が低下するためである。
【００２７】
また本発明において、素子搭載面を構成する被覆層の厚みが０．０５ｍｍ以上に限定されるのは、これより厚みが小さくかつ均一で、しかも基材との接合強度に優れた被覆層は、たとえ後述する本発明の製造方法等を採用したとしても、形成することができないためである。
すなわち前記範囲より厚みの小さい被覆層を形成するためには、アルミダイカスト金型の型窩の内面と、基材の平板面等との間の隙間を前記範囲未満にしなければならない。しかしその場合には隙間が小さすぎるため、溶融されて型窩内に押し込まれたアルミニウム−マグネシウム合金の熱がアルミダイカスト金型および基材によって奪われて、前記アルミニウム−マグネシウム合金の流れが悪くなってしまう。そのため、特に前記基材の素子搭載面に対応する平板面に、厚みが小さくかつ均一で、しかも基材との接合強度にも優れた良好な被覆層を形成することはできない。
【００２８】
また前記厚みが０．５ｍｍ以下に限定されるのは、下記の理由による。
すなわち、厚みが前記範囲を超える場合には、先に説明したように、被覆層の熱膨張率と基材の熱膨張率とを合わせた、ヒートスプレッダの面方向のトータルの熱膨張率が大きくなって、前記基材を、熱膨張率の小さいアルミニウム−セラミック複合材料によって形成することによる利点、すなわち素子やセラミック基材等との熱膨張率の差をできるだけ小さくして、素子の動作による発熱と停止後の冷却とを繰り返した際に、熱膨張率の違いに基づいて素子に過剰な応力が加わって前記素子自体が破損したり、あるいははんだ接合が破壊されたりするのを抑制する効果が失われてしまう。
【００２９】
また本発明において、被覆層を形成するアルミニウム−マグネシウム合金中のマグネシウムの含有割合が０．４質量％以上に限定されるのは、この範囲より含有割合が少ない場合には、先に説明したマグネシウムを含有させることによる、アルミニウムの酸化を抑制したり、形成された酸化膜を除去したりすることで、基材と被覆層とを界面において良好に密着させる効果が得られず、前記基材と被覆層とを合わせた、ヒートスプレッダの厚み方向のトータルの熱伝導率を十分に向上させることができないためである。
【００３０】
また前記含有割合が８．５質量％以下に限定されるのは、この範囲よりマグネシウムの含有割合が多い場合にはアルミニウム−マグネシウム合金の溶融時の流動性が低下するため、前記のように厚みが小さくかつ均一で、しかも基材との接合強度に優れた良好な被覆層を形成できないためである。
さらに基材と前記被覆層との接合強度が１００ＭＰａ以上に限定されるのは、この範囲より接合強度が小さい場合には、前記両者のトータルの熱伝導率が不十分となって、素子からの熱を速やかに逃がすことができない場合を生じたり、実使用中に被覆層が剥離して故障の原因となったりするためである。
【００３１】
前記本発明のヒートスプレッダは、略矩形状に形成された素子搭載面の対角線の寸法が５０ｍｍ以上、５００ｍｍ以下であるのが好ましい。
対角線の寸法が前記範囲未満では、素子搭載面に搭載できる素子の大きさや数が限られてしまい、特に先に説明したパワー半導体素子等の、大型でしかも動作時に大きな発熱を伴う素子を搭載するのに適さなくなるおそれがある。
【００３２】
また、対角線の寸法が前記範囲を超える広い素子搭載面の全面に亘って、前記のように厚みが小さくかつ均一で、しかも基材との接合強度に優れた良好な被覆層を形成するのは容易でない。
基材を形成するアルミニウム−セラミック複合材料中に含まれるセラミックは、先に説明した、基材自体の熱伝導率を金属や合金等からなるものと同等程度に維持しながら、その熱膨張率を素子やセラミック基板等にできるだけ近づけることを考慮すると、炭化ケイ素、窒化ケイ素、およびアルミナからなる群より選ばれた少なくとも１種であるのが好ましい。中でも、前記効果の点で特に炭化ケイ素が好ましい。
【００３３】
本発明は、純度９９質量％以上のアルミニウムを含むアルミニウム−セラミック複合材料からなる平板状の基材の互いに背向する一対の平板面、および側面の略全面が、マグネシウムを０．４質量％以上、８．５質量％以下の範囲で含むアルミニウム−マグネシウム合金からなる被覆層で被覆されて全体が平板状に形成されるとともに、前記基材の一方の平板面側の面が素子搭載面とされて、前記素子搭載面を構成する被覆層の厚みが０．０５ｍｍ以上、０．５ｍｍ以下とされたヒートスプレッダを製造するための製造方法であって、
前記ヒートスプレッダの立体形状に対応する型窩を備えるとともに、前記型窩内に非酸化性または還元性のガスを導入するための導入路と、前記導入路を閉鎖して前記型窩内を密閉するための密閉機構とを備えたアルミダイカスト金型を用い、
前記アルミダイカスト金型の型窩内に前記基材をセットした状態で、前記型窩内に、３００℃以上、６００℃以下に加熱した前記ガスを、前記導入路を通して導入して前記基材を加熱するとともに前記型窩内を非酸化性または還元性雰囲気とする工程と、
前記密閉機構により前記導入路を閉鎖して型窩内を密閉した状態で、溶融させた前記アルミニウム−マグネシウム合金を、圧をかけながら前記型窩内に押し込んだのち冷却することで前記被覆層を形成する工程と、
を備えることを特徴とする。
【００３４】
本発明によれば、前記各工程を経ることによって、前記基材の特に素子搭載面に対応する平板面に、従来のアルミダイカスト法では困難であった、厚み０．５ｍｍ以下という厚みの小さい、しかも前記厚みが均一で、なおかつ基材との界面において極めて良好に密着されて、前記基材に対する接合強度が１００ＭＰａ以上とされた被覆層を形成することができる。
【００３５】
従来のアルミダイカスト法において、例えば薄板を製造する場合、アルミダイカスト金型の、前記薄板の立体形状に対応した型窩の数箇所に湯口を設けるとともに、前記型窩の必要な数箇所にエアベントを設けてエアの抜けをよくした状態で、前記数箇所の湯口から溶融したアルミニウム材を前記型窩内に導入するのが一般的である。
しかし前記従来のアルミダイカスト法を、基材の外周面の略全面を被覆する被覆層の形成に適用しても、先に説明したように厚みが小さくかつ均一で、しかも基材との接合強度にも優れた被覆層を形成することはできない。
【００３６】
接合強度を高めるには、基材をあらかじめ加熱すること、基材表面、および型窩内に導入されるアルミニウム材の表面に形成される酸化膜を除去することが必要である。
このうち基材を加熱する方法としては、型窩内にセットする前の基材を、あらかじめ加熱炉内で予備加熱しておくことが考えられるが、予備加熱した基材を酸化雰囲気に曝露することなく型窩内にセットするのが難しい上、高温の基材を型窩内にセットする作業自体が難しいという問題がある。
【００３７】
アルミダイカスト金型内にヒータを組み込んでおき、このヒータを使用して基材を加熱することも考えられるが、前記基材は、その外周面の略全面を被覆層で被覆するべく、前記被覆層の厚み分の隙間を隔てて型窩の内面から離れてセットされており、前記アルミダイカスト金型とはごく一部でしか接していないため、前記ヒータによって基材を効率よく加熱することはできない。
【００３８】
これに対し本発明では、前記のように型窩内に、あらかじめ３００℃以上、６００℃以下に加熱した非酸化性または還元性のガスを導入することで、前記型窩内にセットした基材を効率よく加熱することができる。
またそれとともに型窩内から空気を排除して、前記型窩内を非酸化性または還元性の雰囲気とすることができ、かかる状態で、溶融したアルミニウム材を型窩内に導入することにより、前記基材表面、およびアルミニウム材の表面に形成される酸化膜を除去することもできる。
【００３９】
しかも本発明では、型窩にエアベントを設けてエアの抜けを良くするのではなく、逆に型窩内を密閉した状態で、溶融したアルミニウム材を、圧をかけながら前記型窩内に押し込むことによって、特に前記型窩の内面と基材の平板面との間のごく狭い隙間に前記アルミニウム材を満遍なく均一に行き渡らせるとともに、基材と良好に密着させることができる。
【００４０】
そのため前記アルミニウム材として、アルミニウムの酸化を抑制したり、形成された酸化膜を除去したりする機能を有するマグネシウムを前記所定の割合で含むアルミニウム−マグネシウム合金を用いることと相まって、特に基材の平板面に、厚みが小さくかつ均一で、しかも前記基材との界面において極めて良好に密着されて、基材に対する接合強度が１００ＭＰａ以上とされた被覆層を形成することができる。
【００４１】
したがって、純度９９質量％以上のアルミニウムを含むアルミニウム−セラミック複合材料からなる平板状の基材を用いることと相まって、本発明の製造方法によれば、基材と被覆層とを合わせた面方向のトータルの熱膨張率が小さい上、厚み方向のトータルの熱伝導率にも優れた本発明のヒートスプレッダを、効率的に製造することができる。
【発明の効果】
【００４２】
本発明によれば、アルミニウム−セラミック複合材料からなる基材の外周面の略全面が、高い熱伝導率を有する上、特に基材の平板面に対応する素子搭載面において厚みが小さくかつ均一で、しかも基材との接合強度にも優れた被覆層によって被覆されており、前記基材と被覆層とを合わせた面方向のトータルの熱膨張率が小さい上、厚み方向のトータルの熱伝導率にも優れたヒートスプレッダと、前記ヒートスプレッダの製造方法とを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】本発明のヒートスプレッダの、実施の形態の一例を示す斜視図である。
【図２】図１の例のヒートスプレッダのもとになる、アルミニウム−セラミック複合材料からなる基材の斜視図である。
【図３】図１の例のヒートスプレッダのIII−III線断面図である。
【図４】図１の例のヒートスプレッダを本発明の製造方法によって製造するために用いるアルミダイカスト金型の一例を示す断面図である。
【図５】図４の例のアルミダイカスト金型の、型窩の一部を拡大した断面図である。
【図６】図４の例のアルミダイカスト金型を用いてヒートスプレッダを製造する一工程を説明する断面図である。
【図７】本発明の実施例、比較例で製造したヒートスプレッダにおける基材と被覆層との接合強度を測定するために、前記ヒートスプレッダから作製する試験片の一部を拡大した斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００４４】
図１は、本発明のヒートスプレッダ１の、実施の形態の一例を示す斜視図である。図２は、前記図１の例のヒートスプレッダ１のもとになる、アルミニウム−セラミック複合材料からなる基材２の斜視図である。図３は、前記図１の例のヒートスプレッダ１の、図１中III−III線断面図である。
図１〜図３を参照して、この例のヒートスプレッダ１は、四隅が切り欠かれた略矩形平板状に形成された、アルミニウム−セラミック複合材料からなる基材２と、前記基材２の、互いに背向する一対の平板面３、４、および側面５〜８の略全面を被覆する、アルミニウム−マグネシウム合金からなる被覆層９とを備えている。
【００４５】
前記ヒートスプレッダ１の全体は、四隅がＲ形状とされた略矩形平板状に形成されており、基材２の、各図において上側の平板面３側の面が素子搭載面１０、下側の平板面４側の面が、冷却部材との接続面１１とされている。またヒートスプレッダ１の四隅には、それぞれ前記素子搭載面１０から接続面１１へかけて前記ヒートスプレッダ１を厚み方向に貫通する断面円形の通孔１２が設けられている。
【００４６】
前記通孔１２は、ヒートスプレッダ１を冷却部材に固定するためのねじ等を挿通するために用いられる。前記通孔１２の、前記素子搭載面１０側、および接続面１１側の開口部には、それぞれ径の大きい拡径部１３が設けられている。
基材２は、前記通孔１２を避けるため、四隅に切欠１４が設けられている。また前記切欠１４は、一部が通孔１２の内周面を形成するために、前記通孔１２の内径と一致するＲ面とされている。
【００４７】
前記基材２は、前記Ｒ面が通孔１２の内周面において露出されるとともに、前記平板面３、４のうち切欠１４のＲ面の縁辺部が拡径部１３の段差面において露出されている以外は、その略全面において被覆層９によって被覆されている。
なお本発明において、前記基材２の、素子搭載面１０に対応する平板面３の「略全面」を被覆した状態には、前記平板面３の全面が全て被覆されている状態の他、前記平板面３のうち実際に素子が搭載される領域のみが被覆層９によって被覆され、前記領域外の領域は被覆されずに基材２が露出された状態をも含むこととする。
【００４８】
例えば前記平板面３の周縁から２ｍｍ以内の幅の領域（例えば前記拡径部１３の段差面等）において基材２が露出され、それより面方向内方側の領域は被覆層９によって被覆された状態は、平板面３の「略全面」を被覆した状態に含まれる。
前記基材２の、接続面１１に対応する平板面４についても前記平板面３と同様である。平板面４の「略全面」を被覆した状態には、前記平板面４の全面が全て被覆されている状態の他、前記平板面４のうち冷却部材と当接される面方向中央付近の領域のみが被覆層９によって被覆され、前記領域外の領域は被覆されずに基材２が露出された状態をも含むこととする。
【００４９】
例えば前記平板面４の周縁から２ｍｍ以内の幅の領域（例えば前記拡径部１３の段差面等）において基材２が露出され、それより面方向内方側の領域は被覆層９によって被覆された状態は、平板面４の「略全面」を被覆した状態に含まれる。
さらに基材２の側面の「略全面」を被覆した状態には、前記側面の全面が被覆されている状態の他、その一部が露出された状態をも含むこととする。
【００５０】
例えば、前記のように通孔１２の内周面に臨む切欠１４のＲ面等において基材２が露出され、それ以外の側面は被覆層９によって被覆された状態は、側面の「略全面」を被覆した状態に含まれる。
図３を参照して、前記被覆層９のうち、素子搭載面１０を構成する被覆層９ａの厚みＴ１は０．０５ｍｍ以上、０．５ｍｍ以下の範囲内とされる。
【００５１】
厚みが前記範囲未満で、かつ均一で、しかも基材２との接合強度に優れた被覆層９ａは、たとえ本発明の製造方法等を採用したとしても形成することができない。
また厚みが前記範囲を超える場合には、特にヒートスプレッダ１の面方向のトータルの熱膨張率が大きくなって、前記基材２を熱膨張率の小さいアルミニウム−セラミック複合材料によって形成することの利点が失われてしまう。
【００５２】
なお、その他の面の被覆層９の厚みは特に限定されないが、前記被覆層９のうち接続面１１を構成する被覆層９ｂの厚みＴ２は、接続面１１に、本発明の製造方法により、厚みが小さくかつ均一で、しかも基材２との界面において極めて良好に密着された被覆層９ｂを形成することや、前記トータルの熱膨張率をできるだけ小さくすることを考慮すると、やはり０．０５ｍｍ以上、０．５ｍｍ以下の範囲内とするのが好ましい。
【００５３】
なお前記被覆層９ｃの厚みＴ３は１ｍｍ以上、１０ｍｍ以下の範囲内とするのが好ましい。
本発明の製造方法によってヒートスプレッダ１を製造する場合、アルミダイカスト金型の型窩の内側面と、基材２の各側面５〜８との間には前記被覆層９ｃの厚みＴ３分の隙間が形成され、型窩内に押し込まれた溶融したアルミニウム−マグネシウム合金の一部は前記隙間を通して型窩内に行き渡るように充填されて、前記基材２の外周面の略全面に被覆層９が形成される。
【００５４】
ところが隙間の厚み、すなわち被覆層９ｃの厚みＴ３が前記範囲未満では、かかる隙間を通して、アルミニウム−マグネシウム合金をスムースに流すことができないため、型窩内の、前記アルミニウム−マグネシウム合金の流動方向前方側の領域において、厚みが均一で連続した被覆層９を形成できないおそれがある。
一方、被覆層９ｃの厚みＴ３が前記範囲を超える場合には、特にヒートスプレッダ１の面方向のトータルの熱膨張率が大きくなって、基材２を熱膨張率の小さいアルミニウム−セラミック複合材料によって形成することの利点が失われてしまうおそれがある。
【００５５】
図１を参照して、略矩形状に形成された素子搭載面１０の対角線の寸法Ｌ１は５０ｍｍ以上、５００ｍｍ以下であるのが好ましい。
対角線の寸法Ｌ１が前記範囲未満では、素子搭載面１０に搭載できる素子の大きさや数が限られてしまい、特にパワー半導体素子等の、大型でしかも動作時に大きな発熱を伴う素子を搭載するのに適さなくなるおそれがある。
【００５６】
また、対角線の寸法Ｌ１が前記範囲を超える広い素子搭載面１０の全面に亘って、前記のように厚みが小さくかつ均一で、しかも基材２との接合強度に優れた良好な被覆層９ａを形成するのは容易でない。
前記ヒートスプレッダ１の、面方向のトータルの熱膨張率は９ｐｐｍ以下であるのが好ましい。熱膨張率が前記範囲を超える場合には、前記基材２を熱膨張率の小さいアルミニウム−セラミック複合材料によって形成することの利点が失われてしまう。なお前記トータルの熱膨張率は、前記範囲内でも６ｐｐｍ以上である。本発明の構成を採用しても、これより熱膨張率を小さくすること困難である。
【００５７】
また前記ヒートスプレッダ１の、厚み方向のトータルの熱伝導率は１８０Ｗ／ｍＫ以上であるのが好ましい。熱伝導率が前記範囲未満では、素子からの熱を速やかに逃がすことができないおそれがある。なお前記トータルの熱伝導率は、前記範囲内でも２７０Ｗ／ｍＫ以下である。本発明の構成を採用しても、これより熱伝導率を大きくすること困難である。
【００５８】
また基材２と被覆層９との接合強度は、先に説明した１００ＭＰａ以上の範囲内でも２５０ＭＰａ以下である。本発明の構成を採用しても、これより接合強度を大きくすること困難である。
前記基材２としては、例えば先に説明した(1)〜(3)等の種々の製造方法によって製造され、アルミニウムとセラミックとを含むアルミニウム−セラミック複合材料からなる任意ものが、いずれも使用可能である。
【００５９】
ただし基材２を形成するアルミニウムは、先に説明したように基材２自体の熱伝導率を高めるために、その純度が９９質量％以上である必要があり、かかる高純度のアルミニウムを含むアルミニウム−セラミック複合材料からなる基材２は、含浸、溶浸の工程を必要としない(1)の粉末成形焼結法によって形成するのが好ましい。
粉末成形焼結法においては、アルミニウム粉末とセラミック粉末とを所定の割合で混合し、前記混合物を、基材２の形状に対応した型内に充填して圧縮成形して圧粉体を形成したのち、前記圧粉体を、アルミニウムの酸化を防止して純度を低下させないために非酸化性または還元性雰囲気下で焼結することにより基材２が形成される。
【００６０】
前記のうちアルミニウム粉末としては、純度９９質量％以上のアルミニウム（例えばＡｌ０５０）からなる粉末がいずれも使用可能である。特に、ガスアトマイズ法によって製造されるアルミニウム粉末が、高純度でかつ形状や粒径が揃っているため好適に使用される。
なおアルミニウム粉末には、例えばセラミックとの親和性を高めるために、必要に応じてＳｉ、Ｆｅ、Ｃｕ、Ｍｎ、Ｍｇ、Ｚｎ，Ｃｒ、Ｔｉ等の微量成分を、アルミニウムの純度が前記範囲未満とならない範囲で適宜添加してもよい。
【００６１】
アルミニウム粉末の平均粒径は５μｍ以上であるのが好ましく、５０μｍ以下であるのが好ましい。また前記粒径範囲を有するアルミニウム粉末と組み合わせるセラミック粉末の平均粒径は１０μｍ以上であるのが好ましく、１００μｍ以下であるのが好ましい。
平均粒径が前記範囲内であるアルミニウム粉末とセラミック粉末とを組み合わせることにより、前記セラミック粉末の周りが、焼結後に前記セラミック粉末間を隙間なく充填するバインダとして機能するアルミニウム粉末で取り囲まれた構造を有する圧粉体を形成することができ、前記圧粉体を焼結することで、内部にボイド等がないため熱伝導率に優れる上、機械的強度等にも優れた良好な基材２を形成することができる。
【００６２】
前記アルミニウム粉末の具体例としては、例えば東洋アルミニウム(株)製のＡＣ２５００〔アルミニウムの純度９９．７質量％、平均粒径２５μｍ〕等が挙げられる。
またセラミック粉末を形成するセラミックとしては、基材２自体の熱伝導率を金属や合金等からなるものと同等程度に維持しながら、その熱膨張率を素子やセラミック基板等にできるだけ近づけることを考慮すると、炭化ケイ素、窒化ケイ素、およびアルミナからなる群より選ばれた少なくとも１種が好ましく、特に炭化ケイ素が好ましい。
【００６３】
前記アルミニウム−セラミック複合材料からなる基材２における、アルミニウムの含有割合は２０質量％以上であるのが好ましく、５０質量％以下であるのが好ましい。
アルミニウムの含有割合が前記範囲未満では、前記のようにバインダとして機能するアルミニウムの量が不足して、内部にボイド等がないため熱伝導率に優れる上、機械的強度等にも優れた良好な基材２を形成できないおそれがある。
【００６４】
また前記範囲を超える場合には、基材２自体の熱膨張率が大きくなってしまって、前記基材２をアルミニウム−セラミック複合材料によって形成することによる先に説明した効果が十分に得られなくなるおそれがある。
アルミニウムの含有割合を前記範囲内とするためには、そのもとになるアルミニウム粉末とセラミック粉末の混合割合を、それに合わせて調整すればよい。
【００６５】
基材２は、平板面３、４の表面粗さＲａ（ＪＩＳ Ｂ０６０１：２００１準拠）が０．１μｍ以上、特に２μｍ以上であるのが好ましく、５μｍ以下、特に４μｍ以下であるのが好ましい。
表面粗さＲａが前記範囲未満では、たとえ本発明の製造方法を採用したとしても、被覆層９の接合強度１００ＭＰａ以上の範囲を満足できないおそれがある。
【００６６】
また前記範囲を超える場合には前記平板面３、４の面粗度が大きくなりすぎて、特に後述するように前記平板面３、４を位置決めの基準面として利用して被覆層９を形成する際に必要な平面度を維持できないおそれがある。
また平板面３、４の平面度は、前記平板面３、４上の直線距離５０ｍｍの範囲内での、前記平板面３、４と直交方向の変動量で表して５０μｍ／５０ｍｍ以下であるのが好ましい。
【００６７】
平面度が前記範囲を超える場合には、特に平板面３上に形成される被覆層９ａの厚み偏差（ばらつき）が大きくなって、素子搭載面１０内の位置によって放熱性に差が生じてしまい、ヒートスプレッダ１としての必要な特性が得られないおそれがある。
前記表面粗さＲａおよび平面度を前記範囲内とするため、焼結後の基材２の平板面３、４を、必要に応じて研磨等してもよい。
【００６８】
被覆層９は、先に説明したようにマグネシウムを０．４質量％以上、８．５質量％以下の範囲で含むアルミニウム−マグネシウム合金によって形成される。
マグネシウムの含有割合が前記範囲未満では、先に説明したマグネシウムを含有させることによる、アルミニウムの酸化を抑制したり、形成された酸化膜を除去したりすることで、基材と被覆層とを界面において良好に密着させる効果が得られず、前記基材と被覆層とを合わせた、ヒートスプレッダの厚み方向のトータルの熱伝導率を十分に向上させることができない。
【００６９】
また前記含有割合を超える場合には、アルミニウム−マグネシウム合金の溶融時の流動性が低下するため、前記のように厚みが小さくかつ均一で、しかも基材との接合強度に優れた良好な被覆層を形成できない。
なお、溶融時の良好な流動性を維持しながら、マグネシウムによる前記効果をさらに向上させることを考慮すると、アルミニウム−マグネシウム合金におけるマグネシウムの含有割合は、前記範囲内でも１質量％以上であるのが好ましく、６質量％以下であるのが好ましい。
【００７０】
前記アルミニウム−マグネシウム合金の具体例としては、例えば日本工業規格において規定されたダイカスト用アルミニウム合金のうちＡＤＣ３（マグネシウム含量０．５質量％、以下数値のみを記載する。）、ＡＤＣ５（６．０質量％）、ＡＤＣ６（３．３質量％）、ＡＤＣ１４（０．４質量％）等が挙げられる。特にマグネシウム含量の多いＡＤＣ５、ＡＤＣ６が好ましい。
【００７１】
図４は、前記図１の例のヒートスプレッダ１を本発明の製造方法によって製造するために用いるアルミダイカスト金型１５の一例を示す断面図である。図５は、前記図４の例のアルミダイカスト金型１５の、型窩１６の一部を拡大した断面図である。さらに図６は、図４の例のアルミダイカスト金型１５を用いてヒートスプレッダ１を製造する一工程を説明する断面図である。
【００７２】
図１〜図６を参照して、この例の製造方法において用いるアルミダイカスト金型１５は、可動型１７と固定型１８とを備えている。
このうち可動型１７は、固定型１８と対向する合わせ面１９を備え、前記合わせ面１９に、前記ヒートスプレッダ１の立体形状に対応する前記型窩１６を構成する凹部２０が形成されている。
【００７３】
また前記合わせ面１９には、図示しない供給部から供給される加熱した非酸化性または還元性のガスを前記型窩１６内に導くための導入路２１となる凹溝と、溶融させたアルミニウム−マグネシウム合金を前記型窩１６内に導くための湯口２２となる凹溝とが、それぞれ前記凹部２０と連通させて形成されている。
凹部２０の底面２３は、ヒートスプレッダ１の素子搭載面１０に対応した賦形面とされている。
【００７４】
固定型１８は、可動型１７と対向する合わせ面２４を備え、前記合わせ面２４の、前記凹部２０に対応する領域は、前記凹部２０とともに型窩１６を構成し、ヒートスプレッダ１の接続面１１に対応した賦形面とされている。
凹部２０の底面２３の四隅には、それぞれピン２５が植設されている。前記ピン２５は、前記底面２３から可動型１７の合わせ面２４に向けて突設されている。前記ピン２５の先端は、各図に示すように互いの合わせ面１９、２４を当接させて可動型１７と固定型１８とを閉じた際に、前記合わせ面２４に設けた断面円形の凹部２６に嵌め合わされて固定される。
【００７５】
前記ピン２５は、ヒートスプレッダ１の四隅に通孔１２を形成するためのもので、前記通孔１２の内径に対応した外径を有する円柱状に形成されている。
またピン２５は、基材２を面方向に位置合わせするためにも機能する。
すなわち各ピン２５の側面が基材２の四隅の切欠１４のＲ面に当接するように、前記各ピン２５の形成位置および間隔が設定されており、かかるピン２５をガイドとして基材２を凹部２０に挿入することにより、前記基材２が面方向に位置合わせされた状態でセットされる。
【００７６】
これにより基材２の各側面５〜８と凹部２０の内側面２７との間に、前記各側面５〜８を覆う被覆層９ｃの厚みＴ３分の隙間２８が設定される。
各ピン２５の、凹部２０の底面２３側の基部の周囲には、前記ピン２５より径が大きい円形で、かつ厚みが一定の膨出部２９が設けられている。
また合わせ面２４の凹部２６の周囲には、前記凹部２６を囲んで環状に形成された、厚みが一定の膨出部３０が設けられている。
【００７７】
前記膨出部２９の厚みは、素子搭載面１０を構成する被覆層９ａの厚みＴ１に設定され、膨出部３０の厚みは、接続面１１を構成する被覆層９ｂの厚みＴ２に設定されている。また、互いの合わせ面１９、２４を当接させて可動型１７と固定型１８とを閉じた状態での、両膨出部２９、３０間の間隔は、基材２の厚みに設定されている。
そのため基材２を凹部２０にセットした状態で可動型１７と固定型１８とを閉じることにより、前記基材２が、前記両膨出部２９、３０によって挟持されて厚み方向に位置合わせされる。
【００７８】
これにより、基材２の平板面３と凹部２０の底面２３との間に、前記被覆層９ａの厚みＴ１分の隙間３１が設定される。また基材２の平板面４と合わせ面２４との間に、前記被覆層９ｂの厚みＴ２分の隙間３２が設定される。
前記膨出部２９、３０の跡が、ヒートスプレッダ１の通孔１２の拡径部１３に相当する。
【００７９】
固定型１８は、可動型１７側の導入路２１と接続され、型窩１６内に、前記導入路２１を通して加熱されたガスを供給するための供給路３３を備えている。供給路３３は、図示しないガスの供給源に接続されている。
また供給路３３の途中には密閉機構３４が設けられている。前記密閉機構３４は、内部に前記供給路３３を有する可動部材３５によって構成されている。
【００８０】
前記可動部材３５は、固定型１８に対して、図６中に太線の矢印で示すように上下動可能に配設されている。
すなわち可動部材３５は、図４に示すように供給路３３を導入路２１と連通させて、図中に一点鎖線の矢印で示すように供給源から供給された加熱されたガスを、前記供給路３３と導入路２１とを通して型窩１６内に供給する供給位置と、図６に示すように前記連通を遮断することで導入路２１を閉鎖して前記型窩１６内を密閉する密閉位置との間で上下動される。
【００８１】
固定型１８は、可動型１７側の湯口２２と接続され、型窩１６内に、前記湯口２２を通して溶融したアルミニウム−マグネシウム合金を、圧をかけて押し込むための押込機構３６を備えている。
前記押込機構３６は、図の例の場合シリンダ３７とプランジャ３８とを備えている。図４に示すようにプランジャ３８を引き出した状態で、供給口３９からシリンダ３７内に溶融したアルミニウム−マグネシウム合金を供給し、次いで図４、図６中に白矢印で示すようにプランジャ３８を一定の応力で押し込むことにより、前記アルミニウムマグネシウム合金を、湯口２２を通して型窩１６内に、圧をかけて押し込むことができる。
【００８２】
前記各部を備えたアルミダイカスト金型１５を用いて本発明のヒートスプレッダを製造するには、まず可動型１７と固定型１８とを開いて凹部２０内に基材２をセットしたのち、合わせ面１９、２４を当接させて可動型１７と固定型１８とを閉じるとともに、図４、図６中に黒矢印で示すように可動型１７を固定型１８に対して一定の型締め力で型締めする。
【００８３】
次いで密閉機構３４を開く。すなわち図４に示すように供給路３３を導入路２１と連通させて、図中に一点鎖線の矢印で示すように供給源から供給された加熱されたガスを、前記供給路３３と導入路２１とを通して型窩１６内に供給する。
ガスとしては、基材２を構成するアルミニウムの酸化を防止して純度を低下させないために、非酸化性または還元性のガスを用いる。前記ガスの具体例としては、例えば窒素ガスやアルゴンガス、あるいはフォーミングガス（窒素−水素混合ガス）等が挙げられる。
【００８４】
ガスの温度は３００℃以上、６００℃以下とされる。
ガスの温度が前記範囲未満では、基材２を十分に加熱することができないため、前記基材２と被覆層９との接合強度１００ＭＰａ以上の範囲を満足できない。また加熱に長時間を要し、ヒートスプレッダ１の生産性が低下するおそれもある。
また前記範囲を超える場合には、特に基材２の、直接ガス気流に曝される側の面、すなわち導入路２１の出口側に近い側の面において、アルミニウム−セラミック複合材料を構成するアルミニウムが溶融したりする。
【００８５】
そしてアルミニウムが溶融することで基材２が変形して、型窩１６の内面との間の隙間の間隔を維持できなくなり、結果として被覆層９の厚みが小さすぎたり大きすぎたり、さらには被覆層９で被覆されていない部分を生じたりするおそれがある。
ガスの供給量は、０．１リットル／分以上であるのが好ましく、１０リットル／分以下であるのが好ましい。
【００８６】
ガスの供給量が前記範囲未満では、基材２を十分に加熱することができないため、前記基材２と被覆層９との接合強度１００ＭＰａ以上の範囲を満足できないおそれがある。また加熱に長時間を要し、ヒートスプレッダ１の生産性が低下するおそれもある。
また前記範囲を超える場合は、限られた狭い型窩１６内に多量のガスを供給することになり、安全面およびコスト面で適切でない。
【００８７】
ガスを供給して加熱をする時間は０．５分間以上であるのが好ましく、２分間以下であるのが好ましい。
加熱時間が前記範囲未満では、基材２を十分に加熱することができないため、前記基材２と被覆層９との接合強度１００ＭＰａ以上の範囲を満足できないおそれがある。
また前記範囲を超えてもそれ以上の加熱効果が得られない上、ヒートスプレッダ１の生産性が低下するおそれもある。
【００８８】
次いで密閉機構３４を閉じる。すなわち図６に示すように供給路３３と導入路２１との連通を遮断することで導入路２１を閉鎖して型窩１６内を密閉する。
そしてこの状態で押込機構３６を動作させて、溶融させたアルミニウム−マグネシウム合金を、圧をかけながら前記型窩１６内に押し込む。
押し込みの際の圧は、プランジャ３８の圧力で表して１０ＭＰａ以上であるのが好ましく、１００ＭＰａ以下であるのが好ましい。
【００８９】
圧力が前記範囲未満では、アルミニウム−マグネシウム合金を、型窩１６内と基材２との間のごく狭い隙間に満遍なく均一に行き渡らせたり、基材２と良好に密着させたりできないおそれがある。また前記範囲を超える場合には、合わせ面１９、２４において大きなバリが発生するおそれがある。
このあと冷却をし、可動型１７と固定型１８とを開けば、製造されたヒートスプレッダ１を取り出すことができる。
【００９０】
なお本発明の構成は、以上で説明した図の例には限定されない。例えばヒートスプレッダ１は、通孔１２を有しない平板状でもよい。アルミダイカスト金型１５の構造、および構成は、ヒートスプレッダ１の形状等に応じて任意に変更できる。その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲で任意の設計変更を施すことができる。
【実施例】
【００９１】
〈実施例１〉
（基材の作製）
図２に示す矩形平板状で、一辺の長さが４６ｍｍである基材２を、先に説明した粉末成形焼結法によって作製することとし、セラミック粉末としては平均粒径１００μｍの炭化ケイ素粉末を用意した。
【００９２】
またアルミニウム粉末としては東洋アルミニウム(株)製のＡＣ２５００〔アルミニウムの純度９９．７質量％、平均粒径２５μｍ〕を用い、両粉末を混合して混合物を得た。両粉末の混合割合（質量比）は、アルミニウム粉末：セラミック粉末＝３０：７０とした。
次いで前記混合物を、前記基材２の形状に対応した型内に充填して、厚み方向に６ｔｏｎ／ｃｍ２の圧力で圧縮成形して圧粉体を形成したのち、前記圧粉体を窒素雰囲気下、６５０℃で２時間焼成して焼結させることにより、前記の立体形状を有する基材２を作製した。
【００９３】
前記基材２におけるアルミニウムの含有割合は３０質量％であった。
（ヒートスプレッダの製造）
前記基材２を、図４〜図６に示すアルミダイカスト金型１５の凹部２０内にセットして可動型１７と固定型１８とを閉じた。基材２の平板面３と、凹部２０の底面２３との隙間は０．３ｍｍに設定した。
【００９４】
次いで型締めをした状態で密閉機構３４を開いて、５００℃に加熱された窒素ガスを型窩１６内に供給して空気を排除するとともに窒素雰囲気とし、かつ基材２を加熱した。窒素ガスの流量は１リットル／分、加熱時間は１分間とした。
次いで密閉機構３４を閉じて型窩１６内を密閉した状態で押込機構３６を動作させて、溶融させたアルミニウム−マグネシウム合金を、圧をかけながら前記型窩１６内に押し込んだ。
【００９５】
アルミニウム−マグネシウム合金としてはＡＤＣ６（マグネシウム含量３．３質量％）を用いた。プランジャ３８の圧力は５０ＭＰａに設定した。
このあと冷却し、可動型１７と固定型１８とを開いて、図１に示す立体形状を有するヒートスプレッダ１を取り出した。
前記ヒートスプレッダ１を図３に示す断面でカットして観察したところ、前記断面に現れた、基材の平板面３に対応する素子搭載面１０を構成する被覆層９ａの厚みは０．３±０．０５ｍｍの範囲内に収まっていることが確認された。
【００９６】
また前記ヒートスプレッダ１から、基材２と被覆層９ａとの接合強度を測定するために、図７に示す試験片４０を作製した。
図の試験片４０は、厚みｔが０．２ｍｍ、幅ｗが５ｍｍとなるようにヒートスプレッダ１をその厚み方向にスライスするとともに幅をカットして作製し、もとの基材２である支持部４１の先端面（もとの平板面３）上に、もとの被覆層９ａである金属片４２が接合された構造を有している。
【００９７】
前記試験片４０の、支持部４１と金属片４２との界面での、前記厚みｔ方向のせん断強度を、前記接合強度として、インストロン社製の５５８２型万能試験機を用いて測定した。
試験片４０は２個作製し、それぞれについて前記測定を実施して得た測定値の平均値をもって接合強度とした。それぞれの測定値は１８８ＭＰａと１８２ＭＰａであり、平均値としての接合強度は１８５ＭＰａであった。
【００９８】
またヒートスプレッダ１の厚み方向の熱伝導率をレーザーフラッシュ法で測定したところ２０５Ｗ／ｍＫであった。
さらにヒートスプレッダ１の面方向の熱膨張率を、示差熱膨張計を用いて測定したところ７．８ｐｐｍであった。
〈実施例２〜４〉
アルミニウム−マグネシウム合金としてＡＤＣ３（マグネシウム含量０．５質量％、実施例２）、ＡＤＣ５（マグネシウム含量６．０質量％、実施例３）、およびＡＤＣ１４（マグネシウム含量０．６質量％、実施例４）を用いたこと以外は実施例１と同様にしてヒートスプレッダ１を製造し、試験を実施した。
【００９９】
〈実施例５、比較例１、２〉
アルミニウム−マグネシウム合金としてマグネシウム含量が１．１質量％（実施例５）、０．３質量％（比較例１）、および１０質量％（比較例２）であるものを用いたこと以外は実施例１と同様にしてヒートスプレッダ１を製造し、試験を実施した。
以上の実施例、比較例の結果を、実施例１の結果と併せて表１に示す。
【０１００】
【表１】
表より、被覆層９を形成するアルミニウム−マグネシウム合金のマグネシウム含量は０．４質量％以上、８．５質量％以下である必要があることが判った。
〈実施例６〜８、比較例３、４〉
アルミダイカスト金型１５の凹部２０の寸法、膨出部２９の厚み等を変更して、素子搭載面１０を構成する被覆層９ａの厚みを０．０５ｍｍ（実施例６）、０．１ｍｍ（実施例７）、０．５ｍｍ（実施例８）、０．０３ｍｍ（比較例３）、および０．７ｍｍ（比較例４）に変更したこと以外は実施例１と同様にしてヒートスプレッダ１を製造し、試験を実施した。
【０１０１】
以上の実施例、比較例の結果を、実施例１の結果と併せて表２に示す。
【０１０２】
【表２】
表より、素子搭載面１０を構成する被覆層９ａの厚みは０．０５ｍｍ以上、０．５ｍｍ以下である必要があることが判った。
〈実施例９〜１１、比較例５、６〉
型窩１６内に導入する窒素ガスの温度を３００℃（実施例９）、４００℃（実施例１０）、６００℃（実施例１１）、２８０℃（比較例５）、および６２０℃（比較例６）に設定したこと以外は実施例１と同様にしてヒートスプレッダ１を製造し、試験を実施した。
【０１０３】
〈実施例１２〉
型窩１６内に導入する窒素ガスの温度を３００℃に設定したこと以外は実施例２と同様にしてヒートスプレッダ１を製造し、試験を実施した。
以上の実施例、比較例の結果を、実施例１、２の結果と併せて表３に示す。
【０１０４】
【表３】
表より、型窩１６内に導入する窒素ガスの温度は３００℃以上、６００℃以下である必要があることが判った。
〈実施例１３、１４〉
アルミニウム粉末とセラミック粉末の混合割合を調整して、基材２におけるアルミニウムの含有割合を２５質量％（実施例１３）、および２８質量％としたこと以外は実施例１と同様にしてヒートスプレッダ１を製造し、試験を実施した。
【０１０５】
以上の実施例、比較例の結果を、実施例１の結果と併せて表４に示す。
【０１０６】
【表４】
表より、基材２におけるアルミニウムの含有割合は２０質量％以上であるのが好ましいことが判った。
【符号の説明】
【０１０７】
１ ヒートスプレッダ
２ 基材
３、４ 平板面
５〜８ 側面
９、９ａ、９ｂ、９ｃ 被覆層
１０ 素子搭載面
１１ 接続面
１２ 通孔
１３ 拡径部
１４ 切欠
１５ アルミダイカスト金型
１６ 型窩
１７ 可動型
１８ 固定型
１９、２４ 合わせ面
２０ 凹部
２１ 導入路
２２ 湯口
２３ 底面
２５ ピン
２６ 凹部
２７ 内側面
２８、３１、３２ 隙間
２９、３０ 膨出部
３３ 供給路
３４ 密閉機構
３５ 可動部材
３６ 押込機構
３７ シリンダ
３８ プランジャ
３９ 供給口
４０ 試験片
４１ 支持部
４２ 金属片
【技術分野】
【０００１】
本発明は、特にパワー半導体素子等の、動作時に大きな発熱を伴う素子からの熱を除去するために好適に用いられるヒートスプレッダと、前記ヒートスプレッダの製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
前記パワー半導体素子等の、動作時に大きな発熱を伴う素子においては、前記熱をできるだけ速やかに除去することが求められる。熱を速やかに除去しないと、素子自体が過熱して誤動作（熱暴走）したり、破損したり、あるいは動作の効率が低下したりするおそれがあるためである。
かかる素子としては、例えば電気自動車やハイブリッド自動車、鉄道車両等において誘導モータを駆動させる際に直流から交流への電力変換をするためのインバータ回路に組み込まれる絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ等のパワー半導体素子、プラズマディスプレイパネル等の画像表示素子、コンピュータのマイクロプロセッサユニット、あるいはレーザーダイオード等が挙げられる。
【０００３】
近年、前記各種装置類のより一層の高性能化や高出力化の進展に伴って、前記素子を、一般的なケイ素（Ｓｉ）系、ガリウム−砒素（ＧａＡｓ）系、インジウム−燐（ＩｎＰ）系の素子から、炭化ケイ素（ＳｉＣ）系、窒化ガリウム（ＧａＮ）系の素子へと移行することが検討されている。
その場合、素子の動作可能温度を例えばＳｉ系の素子等の１２０℃前後から、ＳｉＣ系の素子等の２００℃前後まで引き上げることが可能となり、過熱による誤動作や破損、動作効率の低下等をこれまでよりも起こりにくくできると考えられている。しかしこれらの素子においても、熱をできるだけ速やかに除去する必要があることには変わりはない。
【０００４】
前記熱を速やかに除去する手段としては、例えば平板状のヒートスプレッダを用いるのが一般的である。
すなわち前記素子を、前記ヒートスプレッダの互いに背向する一対の平板面のうちの一方に直接に、あるいはセラミック基材等を介して、はんだ接合等により搭載する。またもう一方の平板面は、冷却器やヒートシンク、あるいは前記冷却器等への伝熱部材（以下これらを「冷却部材」と総称する場合がある。）と接触させた状態でネジ止めする等して固定する。
【０００５】
そうすると素子で発生した熱を、前記ヒートスプレッダを介して速やかに冷却部材に熱伝導させて除去することができる。
前記ヒートスプレッダを、従来はアルミニウムや銅等の金属、もしくは合金によって一体に形成していた。
しかし近時、前記ヒートスプレッダをアルミニウム−セラミック複合材料によって形成することが検討されている。
【０００６】
前記アルミニウム−セラミック複合材料は、前記金属や合金と同等程度の熱伝導率を有する上、先に説明した各種材料からなる素子や、あるいは窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）、窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）等からなるセラミック基材等と熱膨張率が近い。
そのためヒートスプレッダを前記複合材料によって形成することで、前記素子やセラミック基材等との熱膨張率の差をできるだけ小さくすることができ、素子の動作による発熱と停止後の冷却とを繰り返した際に、熱膨張率の違いに基づいて素子に過剰な応力が加わって前記素子自体が破損したり、あるいははんだ接合が破壊されたりするのを抑制できる。
【０００７】
平板状のヒートスプレッダの一方の平板面に、前記素子やセラミック基材等を、熱伝導の妨げになるボイド等を生じることなく良好にはんだ接合するためには、前記平板面を、前記はんだに対する濡れ性、親和性に優れたニッケルめっき膜等で被覆するのが好ましい。
しかしアルミニウム−セラミック複合材料を構成するアルミニウム（純アルミニウムの他、アルミニウムと他の金属との様々な合金を含む。以下「アルミニウム材」と総称する場合がある。）とセラミックとではめっきの条件が大きく異なるため、前記複合材料からなる平板面に直接に、安定で均一なニッケルめっき膜を形成するのは困難である。
【０００８】
そこで、アルミニウム−セラミック複合材料からなる平板状の基材の、少なくとも前記平板面を含む外周面（両外周面と側面）を、前記ニッケルめっき等が容易な金属の被覆層で被覆して、前記基材と被覆層との複合構造を有するヒートスプレッダを形成することが検討されている。
アルミニウム−セラミック複合材料からなる基材の形成方法は、
(1) アルミニウム材の粉末とセラミック粉末とを混合し、型押ししたのち焼結させる粉末成形焼結法、
(2) あらかじめ基材の形状に形成したセラミックのスケルトンに、加圧下で溶融したアルミニウム材を含浸させる加圧含浸法、
(3) 例えば窒素雰囲気下でアルミニウム材を溶融させて、前記セラミックのスケルトンに自発的に（例えば引力により）含浸させる自発溶浸法、
等に大別される。
【０００９】
このうち(1)の粉末成形焼結法、および(2)の加圧含浸法によれば、アルミニウム−セラミック複合材料からなる基材の形成と同時に、その外周面をアルミニウム材の被覆層で被覆することが可能である。
例えば(2)の加圧含浸法では、前記スケルトンを金型の型窩内に収容した状態で、溶融したアルミニウム材を、圧をかけながら前記型窩内に注入することで基材が形成されるが、前記スケルトンと型窩の内周面との間にあらかじめ隙間を設けておくことにより、アルミニウム材の注入による基材の形成と同時に、前記基材の外周面に、前記隙間に対応する厚み分の、アルミニウム材からなる被覆層を形成することができる（特許文献１）。
【００１０】
しかしこの場合、アルミニウム−セラミック複合材料を形成するアルミニウム材と、被覆層を形成するアルミニウム材とは、当然ながら同一組成とならざるを得ない。加圧含浸に適したアルミニウム材が、必ずしも被覆層を形成するために適した特性を有しているとは限らない。
アルミニウム−セラミック複合材料からなる基材の健全性を優先するためには、アルミニウム材を、スケルトンの隙間に含浸させやすいことを優先した組成（例えばアルミニウム−ケイ素合金等）とする必要がある。
【００１１】
しかし、かかるアルミニウム−ケイ素合金等のアルミニウム材は一般に熱伝導率が低く、そのためアルミニウム−セラミック複合材料からなる基材の熱伝導率と、前記アルミニウム材からなり、平板面を被覆する被覆層の熱伝導率とを合わせた、ヒートスプレッダの厚み方向のトータルの熱伝導率を向上させることには限界がある。
例えば日本工業規格において規定されたアルミニウム−ケイ素合金ＡＣ３Ａ（Ａｌ−１２Ｓｉ）の熱伝導率は１２０Ｗ／ｍＫでしかないため、アルミニウム−セラミック複合材料からなる基材と、前記ＡＣ３Ａからなる被覆層との、前記厚み方向のトータルの熱伝導率はおよそ１７０〜１８０Ｗ／ｍＫ程度にしかならない。
【００１２】
特許文献２には、前記(1)の粉末成形焼結法を応用して、基材の外周面を被覆層で被覆したヒートスプレッダを製造する方法が記載されている。
すなわち、被覆層となるアルミニウム材の板や枠で囲まれた領域内にアルミニウム材の粉末とセラミック粉末との混合物を充填した状態で型押ししたのち焼結することにより、アルミニウム−セラミック複合材料からなる基材が形成されるとともに、前記基材の外周面が、前記板や枠からなる被覆層で被覆される。
【００１３】
この製造方法では、前記板や枠を形成するアルミニウム材として熱伝導率に優れたものを選択して用いることにより、前記ヒートスプレッダの厚み方向のトータルの熱伝導率を、現状より向上することができる。
しかし前記製造方法において、焼結の温度がアルミニウム材の融点以上になると前記板や枠が溶融してしまって被覆層の形状を維持することができない。
【００１４】
そのため前記製造方法では焼結の温度をアルミニウム材の融点未満に制限せざるを得ないため、製造されるヒートスプレッダは、基材と被覆層との接合強度が未だ十分とはいえないという問題がある。
特許文献３〜５には、あらかじめ形成したアルミニウム−セラミック複合材料からなる基材の外周面に金属を溶射したり、金属箔や金属粉末を貼り付けたのち加熱、加圧処理をしたりして被覆層を形成することが記載されている。
【００１５】
しかしこれらの方法で、例えば厚みが０．５ｍｍ以下といった厚みの小さい、しかも前記厚みが均一な被覆層を、特に基材の平板面に形成するのは容易ではない。
厚みが０．５ｍｍを超える場合には、前記被覆層の熱膨張率と、基材の熱膨張率とを合わせた、特にヒートスプレッダの面方向のトータルの熱膨張率が大きくなって、前記基材を、熱膨張率の小さいアルミニウム−セラミック複合材料によって形成することによる利点、すなわち素子やセラミック基材等との熱膨張率の差をできるだけ小さくして、素子の動作による発熱と停止後の冷却とを繰り返した際に、熱膨張率の違いに基づいて素子に過剰な応力が加わって前記素子自体が破損したり、あるいははんだ接合が破壊されたりするのを抑制する効果が失われてしまう。
【００１６】
また溶射や金属箔等の貼り付け、加熱、加圧等を大気中で実施した場合には被覆層を形成するアルミニウム材の酸化によって熱伝導率が低下しやすいため、前記トータルの熱伝導率を向上させることにも限界がある。
基材の平板面に厚みが均一な被覆層を形成するために、アルミダイカスト法を採用することが検討される。
【００１７】
すなわち、あらかじめ形成したアルミニウム−セラミック複合材料からなる基材を、ヒートスプレッダの立体形状に対応する型窩を備えたアルミダイカスト金型の前記型窩内にセットした状態で、前記型窩内に、被覆層のもとになるアルミニウム材を、圧をかけながら押し込んだのち冷却する工程を経て、前記基材の外周面に被覆層を形成することが考えられる。
【００１８】
しかし従来のアルミダイカスト法では、例えば厚みが０．５ｍｍ以下といった薄肉の被覆層を基材の平板面に形成するのは困難である。
また形成できたとしても、基材と被覆層との接合強度が十分に得られず、両者間での熱伝導が妨げられる結果、前記基材と被覆層との、ヒートスプレッダの厚み方向のトータルの熱伝導率が低下するおそれがある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１９】
【特許文献１】特開２００２−２３５１２６号公報
【特許文献２】特許第４３８２１５４号公報
【特許文献３】特開２００４−９１８６２号公報
【特許文献４】特開２００３−２５３３７１号公報
【特許文献５】特開平９−１７４２２２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２０】
本発明の目的は、アルミニウム−セラミック複合材料からなる基材の外周面の略全面が、高い熱伝導率を有する上、特に基材の平板面に対応する素子搭載面において厚みが小さくかつ均一で、しかも基材との接合強度にも優れた被覆層によって被覆されており、前記基材と被覆層とを合わせた面方向のトータルの熱膨張率が小さい上、厚み方向のトータルの熱伝導率にも優れたヒートスプレッダと、前記ヒートスプレッダの製造方法とを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００２１】
本発明は、アルミニウム−セラミック複合材料からなる平板状の基材、および
前記基材の互いに背向する一対の平板面、および側面の略全面を被覆する、アルミニウム合金からなる被覆層、
を備え、全体が平板状に形成されるとともに、前記基材の一方の平板面側の面が素子搭載面とされたヒートスプレッダであって、
前記基材を形成するアルミニウム−セラミック複合材料中に含まれるアルミニウムは純度９９質量％以上のアルミニウム、
前記素子搭載面を構成する被覆層は厚み０．０５ｍｍ以上、０．５ｍｍ以下、
前記被覆層を形成するアルミニウム合金はマグネシウムを０．４質量％以上、８．５質量％以下の範囲で含むアルミニウム−マグネシウム合金であり、かつ
前記基材と前記被覆層との接合強度は１００ＭＰａ以上であることを特徴とする。
【００２２】
本発明によれば、基材が、先に説明したように素子やセラミック基材等と熱膨張率の近いアルミニウム−セラミック複合材料によって形成される上、素子搭載面を構成する被覆層の厚みが０．５ｍｍ以下と小さいため、前記基材と被覆層とを合わせた、特にヒートスプレッダの面方向のトータルの熱膨張率を、前記基材単体の場合とほぼ同等程度の小さい範囲に維持することができる。
【００２３】
そのためヒートスプレッダと、素子やセラミック基材等との熱膨張率の差をできるだけ小さくして、素子の動作による発熱と停止後の冷却とを繰り返した際に、熱膨張率の違いに基づいて素子に過剰な応力が加わって前記素子自体が破損したり、あるいははんだ接合が破壊されたりするのを抑制できる。
また、前記基材を形成するアルミニウムは純度９９質量％以上であって高い熱伝導率を有している。例えば純アルミニウム（Ａｌ０５０）の熱伝導率は２２５Ｗ/ｍＫである。
【００２４】
一方、被覆層は、前記のように素子搭載面において厚みが０．５ｍｍ以下と小さいため、基材と被覆層とを合わせた、ヒートスプレッダの厚み方向のトータルの熱伝導率に及ぼす影響が小さい。
しかも前記被覆層を形成するアルミニウム−マグネシウム合金中のマグネシウムは、例えば後述する本発明の製造方法において前記被覆層を形成する際に自身が酸化することでアルミニウムの酸化を抑制したり、形成された酸化膜を除去したりする機能を有している。
【００２５】
そのため前記機能と、後述する本発明の製造方法において、型窩内に非酸化性または還元性の加熱したガスを導入して基材を加熱するとともに前記型窩内を非酸化性または還元性雰囲気とした状態で密閉した型窩内に、溶融したアルミニウム−マグネシウム合金を、圧をかけながら押し込んだのち冷却することとが相まって、基材と被覆層とが界面において極めて良好に密着されて、前記両者の接合強度が１００ＭＰａ以上とされる。また被覆層自体の熱伝導率も向上する。
【００２６】
したがってこれらの相乗効果によって、本発明のヒートスプレッダは熱伝導率に優れており、特にパワー半導体等の動作時に大きな発熱を伴う素子からの熱を速やかに除去して、前記素子自体が過熱して誤動作（熱暴走）したり、破損したり、あるいは動作の効率が低下したりするのを防止できる。
なお本発明において、基材を形成するアルミニウム−セラミック複合材料中に含まれるアルミニウムの純度が９９質量％以上に限定されるのは、純度が前記範囲未満では、基材自体の熱伝導率が低下して、基材と被覆層とを合わせた、ヒートスプレッダの厚み方向のトータルの熱伝導率が低下するためである。
【００２７】
また本発明において、素子搭載面を構成する被覆層の厚みが０．０５ｍｍ以上に限定されるのは、これより厚みが小さくかつ均一で、しかも基材との接合強度に優れた被覆層は、たとえ後述する本発明の製造方法等を採用したとしても、形成することができないためである。
すなわち前記範囲より厚みの小さい被覆層を形成するためには、アルミダイカスト金型の型窩の内面と、基材の平板面等との間の隙間を前記範囲未満にしなければならない。しかしその場合には隙間が小さすぎるため、溶融されて型窩内に押し込まれたアルミニウム−マグネシウム合金の熱がアルミダイカスト金型および基材によって奪われて、前記アルミニウム−マグネシウム合金の流れが悪くなってしまう。そのため、特に前記基材の素子搭載面に対応する平板面に、厚みが小さくかつ均一で、しかも基材との接合強度にも優れた良好な被覆層を形成することはできない。
【００２８】
また前記厚みが０．５ｍｍ以下に限定されるのは、下記の理由による。
すなわち、厚みが前記範囲を超える場合には、先に説明したように、被覆層の熱膨張率と基材の熱膨張率とを合わせた、ヒートスプレッダの面方向のトータルの熱膨張率が大きくなって、前記基材を、熱膨張率の小さいアルミニウム−セラミック複合材料によって形成することによる利点、すなわち素子やセラミック基材等との熱膨張率の差をできるだけ小さくして、素子の動作による発熱と停止後の冷却とを繰り返した際に、熱膨張率の違いに基づいて素子に過剰な応力が加わって前記素子自体が破損したり、あるいははんだ接合が破壊されたりするのを抑制する効果が失われてしまう。
【００２９】
また本発明において、被覆層を形成するアルミニウム−マグネシウム合金中のマグネシウムの含有割合が０．４質量％以上に限定されるのは、この範囲より含有割合が少ない場合には、先に説明したマグネシウムを含有させることによる、アルミニウムの酸化を抑制したり、形成された酸化膜を除去したりすることで、基材と被覆層とを界面において良好に密着させる効果が得られず、前記基材と被覆層とを合わせた、ヒートスプレッダの厚み方向のトータルの熱伝導率を十分に向上させることができないためである。
【００３０】
また前記含有割合が８．５質量％以下に限定されるのは、この範囲よりマグネシウムの含有割合が多い場合にはアルミニウム−マグネシウム合金の溶融時の流動性が低下するため、前記のように厚みが小さくかつ均一で、しかも基材との接合強度に優れた良好な被覆層を形成できないためである。
さらに基材と前記被覆層との接合強度が１００ＭＰａ以上に限定されるのは、この範囲より接合強度が小さい場合には、前記両者のトータルの熱伝導率が不十分となって、素子からの熱を速やかに逃がすことができない場合を生じたり、実使用中に被覆層が剥離して故障の原因となったりするためである。
【００３１】
前記本発明のヒートスプレッダは、略矩形状に形成された素子搭載面の対角線の寸法が５０ｍｍ以上、５００ｍｍ以下であるのが好ましい。
対角線の寸法が前記範囲未満では、素子搭載面に搭載できる素子の大きさや数が限られてしまい、特に先に説明したパワー半導体素子等の、大型でしかも動作時に大きな発熱を伴う素子を搭載するのに適さなくなるおそれがある。
【００３２】
また、対角線の寸法が前記範囲を超える広い素子搭載面の全面に亘って、前記のように厚みが小さくかつ均一で、しかも基材との接合強度に優れた良好な被覆層を形成するのは容易でない。
基材を形成するアルミニウム−セラミック複合材料中に含まれるセラミックは、先に説明した、基材自体の熱伝導率を金属や合金等からなるものと同等程度に維持しながら、その熱膨張率を素子やセラミック基板等にできるだけ近づけることを考慮すると、炭化ケイ素、窒化ケイ素、およびアルミナからなる群より選ばれた少なくとも１種であるのが好ましい。中でも、前記効果の点で特に炭化ケイ素が好ましい。
【００３３】
本発明は、純度９９質量％以上のアルミニウムを含むアルミニウム−セラミック複合材料からなる平板状の基材の互いに背向する一対の平板面、および側面の略全面が、マグネシウムを０．４質量％以上、８．５質量％以下の範囲で含むアルミニウム−マグネシウム合金からなる被覆層で被覆されて全体が平板状に形成されるとともに、前記基材の一方の平板面側の面が素子搭載面とされて、前記素子搭載面を構成する被覆層の厚みが０．０５ｍｍ以上、０．５ｍｍ以下とされたヒートスプレッダを製造するための製造方法であって、
前記ヒートスプレッダの立体形状に対応する型窩を備えるとともに、前記型窩内に非酸化性または還元性のガスを導入するための導入路と、前記導入路を閉鎖して前記型窩内を密閉するための密閉機構とを備えたアルミダイカスト金型を用い、
前記アルミダイカスト金型の型窩内に前記基材をセットした状態で、前記型窩内に、３００℃以上、６００℃以下に加熱した前記ガスを、前記導入路を通して導入して前記基材を加熱するとともに前記型窩内を非酸化性または還元性雰囲気とする工程と、
前記密閉機構により前記導入路を閉鎖して型窩内を密閉した状態で、溶融させた前記アルミニウム−マグネシウム合金を、圧をかけながら前記型窩内に押し込んだのち冷却することで前記被覆層を形成する工程と、
を備えることを特徴とする。
【００３４】
本発明によれば、前記各工程を経ることによって、前記基材の特に素子搭載面に対応する平板面に、従来のアルミダイカスト法では困難であった、厚み０．５ｍｍ以下という厚みの小さい、しかも前記厚みが均一で、なおかつ基材との界面において極めて良好に密着されて、前記基材に対する接合強度が１００ＭＰａ以上とされた被覆層を形成することができる。
【００３５】
従来のアルミダイカスト法において、例えば薄板を製造する場合、アルミダイカスト金型の、前記薄板の立体形状に対応した型窩の数箇所に湯口を設けるとともに、前記型窩の必要な数箇所にエアベントを設けてエアの抜けをよくした状態で、前記数箇所の湯口から溶融したアルミニウム材を前記型窩内に導入するのが一般的である。
しかし前記従来のアルミダイカスト法を、基材の外周面の略全面を被覆する被覆層の形成に適用しても、先に説明したように厚みが小さくかつ均一で、しかも基材との接合強度にも優れた被覆層を形成することはできない。
【００３６】
接合強度を高めるには、基材をあらかじめ加熱すること、基材表面、および型窩内に導入されるアルミニウム材の表面に形成される酸化膜を除去することが必要である。
このうち基材を加熱する方法としては、型窩内にセットする前の基材を、あらかじめ加熱炉内で予備加熱しておくことが考えられるが、予備加熱した基材を酸化雰囲気に曝露することなく型窩内にセットするのが難しい上、高温の基材を型窩内にセットする作業自体が難しいという問題がある。
【００３７】
アルミダイカスト金型内にヒータを組み込んでおき、このヒータを使用して基材を加熱することも考えられるが、前記基材は、その外周面の略全面を被覆層で被覆するべく、前記被覆層の厚み分の隙間を隔てて型窩の内面から離れてセットされており、前記アルミダイカスト金型とはごく一部でしか接していないため、前記ヒータによって基材を効率よく加熱することはできない。
【００３８】
これに対し本発明では、前記のように型窩内に、あらかじめ３００℃以上、６００℃以下に加熱した非酸化性または還元性のガスを導入することで、前記型窩内にセットした基材を効率よく加熱することができる。
またそれとともに型窩内から空気を排除して、前記型窩内を非酸化性または還元性の雰囲気とすることができ、かかる状態で、溶融したアルミニウム材を型窩内に導入することにより、前記基材表面、およびアルミニウム材の表面に形成される酸化膜を除去することもできる。
【００３９】
しかも本発明では、型窩にエアベントを設けてエアの抜けを良くするのではなく、逆に型窩内を密閉した状態で、溶融したアルミニウム材を、圧をかけながら前記型窩内に押し込むことによって、特に前記型窩の内面と基材の平板面との間のごく狭い隙間に前記アルミニウム材を満遍なく均一に行き渡らせるとともに、基材と良好に密着させることができる。
【００４０】
そのため前記アルミニウム材として、アルミニウムの酸化を抑制したり、形成された酸化膜を除去したりする機能を有するマグネシウムを前記所定の割合で含むアルミニウム−マグネシウム合金を用いることと相まって、特に基材の平板面に、厚みが小さくかつ均一で、しかも前記基材との界面において極めて良好に密着されて、基材に対する接合強度が１００ＭＰａ以上とされた被覆層を形成することができる。
【００４１】
したがって、純度９９質量％以上のアルミニウムを含むアルミニウム−セラミック複合材料からなる平板状の基材を用いることと相まって、本発明の製造方法によれば、基材と被覆層とを合わせた面方向のトータルの熱膨張率が小さい上、厚み方向のトータルの熱伝導率にも優れた本発明のヒートスプレッダを、効率的に製造することができる。
【発明の効果】
【００４２】
本発明によれば、アルミニウム−セラミック複合材料からなる基材の外周面の略全面が、高い熱伝導率を有する上、特に基材の平板面に対応する素子搭載面において厚みが小さくかつ均一で、しかも基材との接合強度にも優れた被覆層によって被覆されており、前記基材と被覆層とを合わせた面方向のトータルの熱膨張率が小さい上、厚み方向のトータルの熱伝導率にも優れたヒートスプレッダと、前記ヒートスプレッダの製造方法とを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】本発明のヒートスプレッダの、実施の形態の一例を示す斜視図である。
【図２】図１の例のヒートスプレッダのもとになる、アルミニウム−セラミック複合材料からなる基材の斜視図である。
【図３】図１の例のヒートスプレッダのIII−III線断面図である。
【図４】図１の例のヒートスプレッダを本発明の製造方法によって製造するために用いるアルミダイカスト金型の一例を示す断面図である。
【図５】図４の例のアルミダイカスト金型の、型窩の一部を拡大した断面図である。
【図６】図４の例のアルミダイカスト金型を用いてヒートスプレッダを製造する一工程を説明する断面図である。
【図７】本発明の実施例、比較例で製造したヒートスプレッダにおける基材と被覆層との接合強度を測定するために、前記ヒートスプレッダから作製する試験片の一部を拡大した斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００４４】
図１は、本発明のヒートスプレッダ１の、実施の形態の一例を示す斜視図である。図２は、前記図１の例のヒートスプレッダ１のもとになる、アルミニウム−セラミック複合材料からなる基材２の斜視図である。図３は、前記図１の例のヒートスプレッダ１の、図１中III−III線断面図である。
図１〜図３を参照して、この例のヒートスプレッダ１は、四隅が切り欠かれた略矩形平板状に形成された、アルミニウム−セラミック複合材料からなる基材２と、前記基材２の、互いに背向する一対の平板面３、４、および側面５〜８の略全面を被覆する、アルミニウム−マグネシウム合金からなる被覆層９とを備えている。
【００４５】
前記ヒートスプレッダ１の全体は、四隅がＲ形状とされた略矩形平板状に形成されており、基材２の、各図において上側の平板面３側の面が素子搭載面１０、下側の平板面４側の面が、冷却部材との接続面１１とされている。またヒートスプレッダ１の四隅には、それぞれ前記素子搭載面１０から接続面１１へかけて前記ヒートスプレッダ１を厚み方向に貫通する断面円形の通孔１２が設けられている。
【００４６】
前記通孔１２は、ヒートスプレッダ１を冷却部材に固定するためのねじ等を挿通するために用いられる。前記通孔１２の、前記素子搭載面１０側、および接続面１１側の開口部には、それぞれ径の大きい拡径部１３が設けられている。
基材２は、前記通孔１２を避けるため、四隅に切欠１４が設けられている。また前記切欠１４は、一部が通孔１２の内周面を形成するために、前記通孔１２の内径と一致するＲ面とされている。
【００４７】
前記基材２は、前記Ｒ面が通孔１２の内周面において露出されるとともに、前記平板面３、４のうち切欠１４のＲ面の縁辺部が拡径部１３の段差面において露出されている以外は、その略全面において被覆層９によって被覆されている。
なお本発明において、前記基材２の、素子搭載面１０に対応する平板面３の「略全面」を被覆した状態には、前記平板面３の全面が全て被覆されている状態の他、前記平板面３のうち実際に素子が搭載される領域のみが被覆層９によって被覆され、前記領域外の領域は被覆されずに基材２が露出された状態をも含むこととする。
【００４８】
例えば前記平板面３の周縁から２ｍｍ以内の幅の領域（例えば前記拡径部１３の段差面等）において基材２が露出され、それより面方向内方側の領域は被覆層９によって被覆された状態は、平板面３の「略全面」を被覆した状態に含まれる。
前記基材２の、接続面１１に対応する平板面４についても前記平板面３と同様である。平板面４の「略全面」を被覆した状態には、前記平板面４の全面が全て被覆されている状態の他、前記平板面４のうち冷却部材と当接される面方向中央付近の領域のみが被覆層９によって被覆され、前記領域外の領域は被覆されずに基材２が露出された状態をも含むこととする。
【００４９】
例えば前記平板面４の周縁から２ｍｍ以内の幅の領域（例えば前記拡径部１３の段差面等）において基材２が露出され、それより面方向内方側の領域は被覆層９によって被覆された状態は、平板面４の「略全面」を被覆した状態に含まれる。
さらに基材２の側面の「略全面」を被覆した状態には、前記側面の全面が被覆されている状態の他、その一部が露出された状態をも含むこととする。
【００５０】
例えば、前記のように通孔１２の内周面に臨む切欠１４のＲ面等において基材２が露出され、それ以外の側面は被覆層９によって被覆された状態は、側面の「略全面」を被覆した状態に含まれる。
図３を参照して、前記被覆層９のうち、素子搭載面１０を構成する被覆層９ａの厚みＴ１は０．０５ｍｍ以上、０．５ｍｍ以下の範囲内とされる。
【００５１】
厚みが前記範囲未満で、かつ均一で、しかも基材２との接合強度に優れた被覆層９ａは、たとえ本発明の製造方法等を採用したとしても形成することができない。
また厚みが前記範囲を超える場合には、特にヒートスプレッダ１の面方向のトータルの熱膨張率が大きくなって、前記基材２を熱膨張率の小さいアルミニウム−セラミック複合材料によって形成することの利点が失われてしまう。
【００５２】
なお、その他の面の被覆層９の厚みは特に限定されないが、前記被覆層９のうち接続面１１を構成する被覆層９ｂの厚みＴ２は、接続面１１に、本発明の製造方法により、厚みが小さくかつ均一で、しかも基材２との界面において極めて良好に密着された被覆層９ｂを形成することや、前記トータルの熱膨張率をできるだけ小さくすることを考慮すると、やはり０．０５ｍｍ以上、０．５ｍｍ以下の範囲内とするのが好ましい。
【００５３】
なお前記被覆層９ｃの厚みＴ３は１ｍｍ以上、１０ｍｍ以下の範囲内とするのが好ましい。
本発明の製造方法によってヒートスプレッダ１を製造する場合、アルミダイカスト金型の型窩の内側面と、基材２の各側面５〜８との間には前記被覆層９ｃの厚みＴ３分の隙間が形成され、型窩内に押し込まれた溶融したアルミニウム−マグネシウム合金の一部は前記隙間を通して型窩内に行き渡るように充填されて、前記基材２の外周面の略全面に被覆層９が形成される。
【００５４】
ところが隙間の厚み、すなわち被覆層９ｃの厚みＴ３が前記範囲未満では、かかる隙間を通して、アルミニウム−マグネシウム合金をスムースに流すことができないため、型窩内の、前記アルミニウム−マグネシウム合金の流動方向前方側の領域において、厚みが均一で連続した被覆層９を形成できないおそれがある。
一方、被覆層９ｃの厚みＴ３が前記範囲を超える場合には、特にヒートスプレッダ１の面方向のトータルの熱膨張率が大きくなって、基材２を熱膨張率の小さいアルミニウム−セラミック複合材料によって形成することの利点が失われてしまうおそれがある。
【００５５】
図１を参照して、略矩形状に形成された素子搭載面１０の対角線の寸法Ｌ１は５０ｍｍ以上、５００ｍｍ以下であるのが好ましい。
対角線の寸法Ｌ１が前記範囲未満では、素子搭載面１０に搭載できる素子の大きさや数が限られてしまい、特にパワー半導体素子等の、大型でしかも動作時に大きな発熱を伴う素子を搭載するのに適さなくなるおそれがある。
【００５６】
また、対角線の寸法Ｌ１が前記範囲を超える広い素子搭載面１０の全面に亘って、前記のように厚みが小さくかつ均一で、しかも基材２との接合強度に優れた良好な被覆層９ａを形成するのは容易でない。
前記ヒートスプレッダ１の、面方向のトータルの熱膨張率は９ｐｐｍ以下であるのが好ましい。熱膨張率が前記範囲を超える場合には、前記基材２を熱膨張率の小さいアルミニウム−セラミック複合材料によって形成することの利点が失われてしまう。なお前記トータルの熱膨張率は、前記範囲内でも６ｐｐｍ以上である。本発明の構成を採用しても、これより熱膨張率を小さくすること困難である。
【００５７】
また前記ヒートスプレッダ１の、厚み方向のトータルの熱伝導率は１８０Ｗ／ｍＫ以上であるのが好ましい。熱伝導率が前記範囲未満では、素子からの熱を速やかに逃がすことができないおそれがある。なお前記トータルの熱伝導率は、前記範囲内でも２７０Ｗ／ｍＫ以下である。本発明の構成を採用しても、これより熱伝導率を大きくすること困難である。
【００５８】
また基材２と被覆層９との接合強度は、先に説明した１００ＭＰａ以上の範囲内でも２５０ＭＰａ以下である。本発明の構成を採用しても、これより接合強度を大きくすること困難である。
前記基材２としては、例えば先に説明した(1)〜(3)等の種々の製造方法によって製造され、アルミニウムとセラミックとを含むアルミニウム−セラミック複合材料からなる任意ものが、いずれも使用可能である。
【００５９】
ただし基材２を形成するアルミニウムは、先に説明したように基材２自体の熱伝導率を高めるために、その純度が９９質量％以上である必要があり、かかる高純度のアルミニウムを含むアルミニウム−セラミック複合材料からなる基材２は、含浸、溶浸の工程を必要としない(1)の粉末成形焼結法によって形成するのが好ましい。
粉末成形焼結法においては、アルミニウム粉末とセラミック粉末とを所定の割合で混合し、前記混合物を、基材２の形状に対応した型内に充填して圧縮成形して圧粉体を形成したのち、前記圧粉体を、アルミニウムの酸化を防止して純度を低下させないために非酸化性または還元性雰囲気下で焼結することにより基材２が形成される。
【００６０】
前記のうちアルミニウム粉末としては、純度９９質量％以上のアルミニウム（例えばＡｌ０５０）からなる粉末がいずれも使用可能である。特に、ガスアトマイズ法によって製造されるアルミニウム粉末が、高純度でかつ形状や粒径が揃っているため好適に使用される。
なおアルミニウム粉末には、例えばセラミックとの親和性を高めるために、必要に応じてＳｉ、Ｆｅ、Ｃｕ、Ｍｎ、Ｍｇ、Ｚｎ，Ｃｒ、Ｔｉ等の微量成分を、アルミニウムの純度が前記範囲未満とならない範囲で適宜添加してもよい。
【００６１】
アルミニウム粉末の平均粒径は５μｍ以上であるのが好ましく、５０μｍ以下であるのが好ましい。また前記粒径範囲を有するアルミニウム粉末と組み合わせるセラミック粉末の平均粒径は１０μｍ以上であるのが好ましく、１００μｍ以下であるのが好ましい。
平均粒径が前記範囲内であるアルミニウム粉末とセラミック粉末とを組み合わせることにより、前記セラミック粉末の周りが、焼結後に前記セラミック粉末間を隙間なく充填するバインダとして機能するアルミニウム粉末で取り囲まれた構造を有する圧粉体を形成することができ、前記圧粉体を焼結することで、内部にボイド等がないため熱伝導率に優れる上、機械的強度等にも優れた良好な基材２を形成することができる。
【００６２】
前記アルミニウム粉末の具体例としては、例えば東洋アルミニウム(株)製のＡＣ２５００〔アルミニウムの純度９９．７質量％、平均粒径２５μｍ〕等が挙げられる。
またセラミック粉末を形成するセラミックとしては、基材２自体の熱伝導率を金属や合金等からなるものと同等程度に維持しながら、その熱膨張率を素子やセラミック基板等にできるだけ近づけることを考慮すると、炭化ケイ素、窒化ケイ素、およびアルミナからなる群より選ばれた少なくとも１種が好ましく、特に炭化ケイ素が好ましい。
【００６３】
前記アルミニウム−セラミック複合材料からなる基材２における、アルミニウムの含有割合は２０質量％以上であるのが好ましく、５０質量％以下であるのが好ましい。
アルミニウムの含有割合が前記範囲未満では、前記のようにバインダとして機能するアルミニウムの量が不足して、内部にボイド等がないため熱伝導率に優れる上、機械的強度等にも優れた良好な基材２を形成できないおそれがある。
【００６４】
また前記範囲を超える場合には、基材２自体の熱膨張率が大きくなってしまって、前記基材２をアルミニウム−セラミック複合材料によって形成することによる先に説明した効果が十分に得られなくなるおそれがある。
アルミニウムの含有割合を前記範囲内とするためには、そのもとになるアルミニウム粉末とセラミック粉末の混合割合を、それに合わせて調整すればよい。
【００６５】
基材２は、平板面３、４の表面粗さＲａ（ＪＩＳ Ｂ０６０１：２００１準拠）が０．１μｍ以上、特に２μｍ以上であるのが好ましく、５μｍ以下、特に４μｍ以下であるのが好ましい。
表面粗さＲａが前記範囲未満では、たとえ本発明の製造方法を採用したとしても、被覆層９の接合強度１００ＭＰａ以上の範囲を満足できないおそれがある。
【００６６】
また前記範囲を超える場合には前記平板面３、４の面粗度が大きくなりすぎて、特に後述するように前記平板面３、４を位置決めの基準面として利用して被覆層９を形成する際に必要な平面度を維持できないおそれがある。
また平板面３、４の平面度は、前記平板面３、４上の直線距離５０ｍｍの範囲内での、前記平板面３、４と直交方向の変動量で表して５０μｍ／５０ｍｍ以下であるのが好ましい。
【００６７】
平面度が前記範囲を超える場合には、特に平板面３上に形成される被覆層９ａの厚み偏差（ばらつき）が大きくなって、素子搭載面１０内の位置によって放熱性に差が生じてしまい、ヒートスプレッダ１としての必要な特性が得られないおそれがある。
前記表面粗さＲａおよび平面度を前記範囲内とするため、焼結後の基材２の平板面３、４を、必要に応じて研磨等してもよい。
【００６８】
被覆層９は、先に説明したようにマグネシウムを０．４質量％以上、８．５質量％以下の範囲で含むアルミニウム−マグネシウム合金によって形成される。
マグネシウムの含有割合が前記範囲未満では、先に説明したマグネシウムを含有させることによる、アルミニウムの酸化を抑制したり、形成された酸化膜を除去したりすることで、基材と被覆層とを界面において良好に密着させる効果が得られず、前記基材と被覆層とを合わせた、ヒートスプレッダの厚み方向のトータルの熱伝導率を十分に向上させることができない。
【００６９】
また前記含有割合を超える場合には、アルミニウム−マグネシウム合金の溶融時の流動性が低下するため、前記のように厚みが小さくかつ均一で、しかも基材との接合強度に優れた良好な被覆層を形成できない。
なお、溶融時の良好な流動性を維持しながら、マグネシウムによる前記効果をさらに向上させることを考慮すると、アルミニウム−マグネシウム合金におけるマグネシウムの含有割合は、前記範囲内でも１質量％以上であるのが好ましく、６質量％以下であるのが好ましい。
【００７０】
前記アルミニウム−マグネシウム合金の具体例としては、例えば日本工業規格において規定されたダイカスト用アルミニウム合金のうちＡＤＣ３（マグネシウム含量０．５質量％、以下数値のみを記載する。）、ＡＤＣ５（６．０質量％）、ＡＤＣ６（３．３質量％）、ＡＤＣ１４（０．４質量％）等が挙げられる。特にマグネシウム含量の多いＡＤＣ５、ＡＤＣ６が好ましい。
【００７１】
図４は、前記図１の例のヒートスプレッダ１を本発明の製造方法によって製造するために用いるアルミダイカスト金型１５の一例を示す断面図である。図５は、前記図４の例のアルミダイカスト金型１５の、型窩１６の一部を拡大した断面図である。さらに図６は、図４の例のアルミダイカスト金型１５を用いてヒートスプレッダ１を製造する一工程を説明する断面図である。
【００７２】
図１〜図６を参照して、この例の製造方法において用いるアルミダイカスト金型１５は、可動型１７と固定型１８とを備えている。
このうち可動型１７は、固定型１８と対向する合わせ面１９を備え、前記合わせ面１９に、前記ヒートスプレッダ１の立体形状に対応する前記型窩１６を構成する凹部２０が形成されている。
【００７３】
また前記合わせ面１９には、図示しない供給部から供給される加熱した非酸化性または還元性のガスを前記型窩１６内に導くための導入路２１となる凹溝と、溶融させたアルミニウム−マグネシウム合金を前記型窩１６内に導くための湯口２２となる凹溝とが、それぞれ前記凹部２０と連通させて形成されている。
凹部２０の底面２３は、ヒートスプレッダ１の素子搭載面１０に対応した賦形面とされている。
【００７４】
固定型１８は、可動型１７と対向する合わせ面２４を備え、前記合わせ面２４の、前記凹部２０に対応する領域は、前記凹部２０とともに型窩１６を構成し、ヒートスプレッダ１の接続面１１に対応した賦形面とされている。
凹部２０の底面２３の四隅には、それぞれピン２５が植設されている。前記ピン２５は、前記底面２３から可動型１７の合わせ面２４に向けて突設されている。前記ピン２５の先端は、各図に示すように互いの合わせ面１９、２４を当接させて可動型１７と固定型１８とを閉じた際に、前記合わせ面２４に設けた断面円形の凹部２６に嵌め合わされて固定される。
【００７５】
前記ピン２５は、ヒートスプレッダ１の四隅に通孔１２を形成するためのもので、前記通孔１２の内径に対応した外径を有する円柱状に形成されている。
またピン２５は、基材２を面方向に位置合わせするためにも機能する。
すなわち各ピン２５の側面が基材２の四隅の切欠１４のＲ面に当接するように、前記各ピン２５の形成位置および間隔が設定されており、かかるピン２５をガイドとして基材２を凹部２０に挿入することにより、前記基材２が面方向に位置合わせされた状態でセットされる。
【００７６】
これにより基材２の各側面５〜８と凹部２０の内側面２７との間に、前記各側面５〜８を覆う被覆層９ｃの厚みＴ３分の隙間２８が設定される。
各ピン２５の、凹部２０の底面２３側の基部の周囲には、前記ピン２５より径が大きい円形で、かつ厚みが一定の膨出部２９が設けられている。
また合わせ面２４の凹部２６の周囲には、前記凹部２６を囲んで環状に形成された、厚みが一定の膨出部３０が設けられている。
【００７７】
前記膨出部２９の厚みは、素子搭載面１０を構成する被覆層９ａの厚みＴ１に設定され、膨出部３０の厚みは、接続面１１を構成する被覆層９ｂの厚みＴ２に設定されている。また、互いの合わせ面１９、２４を当接させて可動型１７と固定型１８とを閉じた状態での、両膨出部２９、３０間の間隔は、基材２の厚みに設定されている。
そのため基材２を凹部２０にセットした状態で可動型１７と固定型１８とを閉じることにより、前記基材２が、前記両膨出部２９、３０によって挟持されて厚み方向に位置合わせされる。
【００７８】
これにより、基材２の平板面３と凹部２０の底面２３との間に、前記被覆層９ａの厚みＴ１分の隙間３１が設定される。また基材２の平板面４と合わせ面２４との間に、前記被覆層９ｂの厚みＴ２分の隙間３２が設定される。
前記膨出部２９、３０の跡が、ヒートスプレッダ１の通孔１２の拡径部１３に相当する。
【００７９】
固定型１８は、可動型１７側の導入路２１と接続され、型窩１６内に、前記導入路２１を通して加熱されたガスを供給するための供給路３３を備えている。供給路３３は、図示しないガスの供給源に接続されている。
また供給路３３の途中には密閉機構３４が設けられている。前記密閉機構３４は、内部に前記供給路３３を有する可動部材３５によって構成されている。
【００８０】
前記可動部材３５は、固定型１８に対して、図６中に太線の矢印で示すように上下動可能に配設されている。
すなわち可動部材３５は、図４に示すように供給路３３を導入路２１と連通させて、図中に一点鎖線の矢印で示すように供給源から供給された加熱されたガスを、前記供給路３３と導入路２１とを通して型窩１６内に供給する供給位置と、図６に示すように前記連通を遮断することで導入路２１を閉鎖して前記型窩１６内を密閉する密閉位置との間で上下動される。
【００８１】
固定型１８は、可動型１７側の湯口２２と接続され、型窩１６内に、前記湯口２２を通して溶融したアルミニウム−マグネシウム合金を、圧をかけて押し込むための押込機構３６を備えている。
前記押込機構３６は、図の例の場合シリンダ３７とプランジャ３８とを備えている。図４に示すようにプランジャ３８を引き出した状態で、供給口３９からシリンダ３７内に溶融したアルミニウム−マグネシウム合金を供給し、次いで図４、図６中に白矢印で示すようにプランジャ３８を一定の応力で押し込むことにより、前記アルミニウムマグネシウム合金を、湯口２２を通して型窩１６内に、圧をかけて押し込むことができる。
【００８２】
前記各部を備えたアルミダイカスト金型１５を用いて本発明のヒートスプレッダを製造するには、まず可動型１７と固定型１８とを開いて凹部２０内に基材２をセットしたのち、合わせ面１９、２４を当接させて可動型１７と固定型１８とを閉じるとともに、図４、図６中に黒矢印で示すように可動型１７を固定型１８に対して一定の型締め力で型締めする。
【００８３】
次いで密閉機構３４を開く。すなわち図４に示すように供給路３３を導入路２１と連通させて、図中に一点鎖線の矢印で示すように供給源から供給された加熱されたガスを、前記供給路３３と導入路２１とを通して型窩１６内に供給する。
ガスとしては、基材２を構成するアルミニウムの酸化を防止して純度を低下させないために、非酸化性または還元性のガスを用いる。前記ガスの具体例としては、例えば窒素ガスやアルゴンガス、あるいはフォーミングガス（窒素−水素混合ガス）等が挙げられる。
【００８４】
ガスの温度は３００℃以上、６００℃以下とされる。
ガスの温度が前記範囲未満では、基材２を十分に加熱することができないため、前記基材２と被覆層９との接合強度１００ＭＰａ以上の範囲を満足できない。また加熱に長時間を要し、ヒートスプレッダ１の生産性が低下するおそれもある。
また前記範囲を超える場合には、特に基材２の、直接ガス気流に曝される側の面、すなわち導入路２１の出口側に近い側の面において、アルミニウム−セラミック複合材料を構成するアルミニウムが溶融したりする。
【００８５】
そしてアルミニウムが溶融することで基材２が変形して、型窩１６の内面との間の隙間の間隔を維持できなくなり、結果として被覆層９の厚みが小さすぎたり大きすぎたり、さらには被覆層９で被覆されていない部分を生じたりするおそれがある。
ガスの供給量は、０．１リットル／分以上であるのが好ましく、１０リットル／分以下であるのが好ましい。
【００８６】
ガスの供給量が前記範囲未満では、基材２を十分に加熱することができないため、前記基材２と被覆層９との接合強度１００ＭＰａ以上の範囲を満足できないおそれがある。また加熱に長時間を要し、ヒートスプレッダ１の生産性が低下するおそれもある。
また前記範囲を超える場合は、限られた狭い型窩１６内に多量のガスを供給することになり、安全面およびコスト面で適切でない。
【００８７】
ガスを供給して加熱をする時間は０．５分間以上であるのが好ましく、２分間以下であるのが好ましい。
加熱時間が前記範囲未満では、基材２を十分に加熱することができないため、前記基材２と被覆層９との接合強度１００ＭＰａ以上の範囲を満足できないおそれがある。
また前記範囲を超えてもそれ以上の加熱効果が得られない上、ヒートスプレッダ１の生産性が低下するおそれもある。
【００８８】
次いで密閉機構３４を閉じる。すなわち図６に示すように供給路３３と導入路２１との連通を遮断することで導入路２１を閉鎖して型窩１６内を密閉する。
そしてこの状態で押込機構３６を動作させて、溶融させたアルミニウム−マグネシウム合金を、圧をかけながら前記型窩１６内に押し込む。
押し込みの際の圧は、プランジャ３８の圧力で表して１０ＭＰａ以上であるのが好ましく、１００ＭＰａ以下であるのが好ましい。
【００８９】
圧力が前記範囲未満では、アルミニウム−マグネシウム合金を、型窩１６内と基材２との間のごく狭い隙間に満遍なく均一に行き渡らせたり、基材２と良好に密着させたりできないおそれがある。また前記範囲を超える場合には、合わせ面１９、２４において大きなバリが発生するおそれがある。
このあと冷却をし、可動型１７と固定型１８とを開けば、製造されたヒートスプレッダ１を取り出すことができる。
【００９０】
なお本発明の構成は、以上で説明した図の例には限定されない。例えばヒートスプレッダ１は、通孔１２を有しない平板状でもよい。アルミダイカスト金型１５の構造、および構成は、ヒートスプレッダ１の形状等に応じて任意に変更できる。その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲で任意の設計変更を施すことができる。
【実施例】
【００９１】
〈実施例１〉
（基材の作製）
図２に示す矩形平板状で、一辺の長さが４６ｍｍである基材２を、先に説明した粉末成形焼結法によって作製することとし、セラミック粉末としては平均粒径１００μｍの炭化ケイ素粉末を用意した。
【００９２】
またアルミニウム粉末としては東洋アルミニウム(株)製のＡＣ２５００〔アルミニウムの純度９９．７質量％、平均粒径２５μｍ〕を用い、両粉末を混合して混合物を得た。両粉末の混合割合（質量比）は、アルミニウム粉末：セラミック粉末＝３０：７０とした。
次いで前記混合物を、前記基材２の形状に対応した型内に充填して、厚み方向に６ｔｏｎ／ｃｍ２の圧力で圧縮成形して圧粉体を形成したのち、前記圧粉体を窒素雰囲気下、６５０℃で２時間焼成して焼結させることにより、前記の立体形状を有する基材２を作製した。
【００９３】
前記基材２におけるアルミニウムの含有割合は３０質量％であった。
（ヒートスプレッダの製造）
前記基材２を、図４〜図６に示すアルミダイカスト金型１５の凹部２０内にセットして可動型１７と固定型１８とを閉じた。基材２の平板面３と、凹部２０の底面２３との隙間は０．３ｍｍに設定した。
【００９４】
次いで型締めをした状態で密閉機構３４を開いて、５００℃に加熱された窒素ガスを型窩１６内に供給して空気を排除するとともに窒素雰囲気とし、かつ基材２を加熱した。窒素ガスの流量は１リットル／分、加熱時間は１分間とした。
次いで密閉機構３４を閉じて型窩１６内を密閉した状態で押込機構３６を動作させて、溶融させたアルミニウム−マグネシウム合金を、圧をかけながら前記型窩１６内に押し込んだ。
【００９５】
アルミニウム−マグネシウム合金としてはＡＤＣ６（マグネシウム含量３．３質量％）を用いた。プランジャ３８の圧力は５０ＭＰａに設定した。
このあと冷却し、可動型１７と固定型１８とを開いて、図１に示す立体形状を有するヒートスプレッダ１を取り出した。
前記ヒートスプレッダ１を図３に示す断面でカットして観察したところ、前記断面に現れた、基材の平板面３に対応する素子搭載面１０を構成する被覆層９ａの厚みは０．３±０．０５ｍｍの範囲内に収まっていることが確認された。
【００９６】
また前記ヒートスプレッダ１から、基材２と被覆層９ａとの接合強度を測定するために、図７に示す試験片４０を作製した。
図の試験片４０は、厚みｔが０．２ｍｍ、幅ｗが５ｍｍとなるようにヒートスプレッダ１をその厚み方向にスライスするとともに幅をカットして作製し、もとの基材２である支持部４１の先端面（もとの平板面３）上に、もとの被覆層９ａである金属片４２が接合された構造を有している。
【００９７】
前記試験片４０の、支持部４１と金属片４２との界面での、前記厚みｔ方向のせん断強度を、前記接合強度として、インストロン社製の５５８２型万能試験機を用いて測定した。
試験片４０は２個作製し、それぞれについて前記測定を実施して得た測定値の平均値をもって接合強度とした。それぞれの測定値は１８８ＭＰａと１８２ＭＰａであり、平均値としての接合強度は１８５ＭＰａであった。
【００９８】
またヒートスプレッダ１の厚み方向の熱伝導率をレーザーフラッシュ法で測定したところ２０５Ｗ／ｍＫであった。
さらにヒートスプレッダ１の面方向の熱膨張率を、示差熱膨張計を用いて測定したところ７．８ｐｐｍであった。
〈実施例２〜４〉
アルミニウム−マグネシウム合金としてＡＤＣ３（マグネシウム含量０．５質量％、実施例２）、ＡＤＣ５（マグネシウム含量６．０質量％、実施例３）、およびＡＤＣ１４（マグネシウム含量０．６質量％、実施例４）を用いたこと以外は実施例１と同様にしてヒートスプレッダ１を製造し、試験を実施した。
【００９９】
〈実施例５、比較例１、２〉
アルミニウム−マグネシウム合金としてマグネシウム含量が１．１質量％（実施例５）、０．３質量％（比較例１）、および１０質量％（比較例２）であるものを用いたこと以外は実施例１と同様にしてヒートスプレッダ１を製造し、試験を実施した。
以上の実施例、比較例の結果を、実施例１の結果と併せて表１に示す。
【０１００】
【表１】
表より、被覆層９を形成するアルミニウム−マグネシウム合金のマグネシウム含量は０．４質量％以上、８．５質量％以下である必要があることが判った。
〈実施例６〜８、比較例３、４〉
アルミダイカスト金型１５の凹部２０の寸法、膨出部２９の厚み等を変更して、素子搭載面１０を構成する被覆層９ａの厚みを０．０５ｍｍ（実施例６）、０．１ｍｍ（実施例７）、０．５ｍｍ（実施例８）、０．０３ｍｍ（比較例３）、および０．７ｍｍ（比較例４）に変更したこと以外は実施例１と同様にしてヒートスプレッダ１を製造し、試験を実施した。
【０１０１】
以上の実施例、比較例の結果を、実施例１の結果と併せて表２に示す。
【０１０２】
【表２】
表より、素子搭載面１０を構成する被覆層９ａの厚みは０．０５ｍｍ以上、０．５ｍｍ以下である必要があることが判った。
〈実施例９〜１１、比較例５、６〉
型窩１６内に導入する窒素ガスの温度を３００℃（実施例９）、４００℃（実施例１０）、６００℃（実施例１１）、２８０℃（比較例５）、および６２０℃（比較例６）に設定したこと以外は実施例１と同様にしてヒートスプレッダ１を製造し、試験を実施した。
【０１０３】
〈実施例１２〉
型窩１６内に導入する窒素ガスの温度を３００℃に設定したこと以外は実施例２と同様にしてヒートスプレッダ１を製造し、試験を実施した。
以上の実施例、比較例の結果を、実施例１、２の結果と併せて表３に示す。
【０１０４】
【表３】
表より、型窩１６内に導入する窒素ガスの温度は３００℃以上、６００℃以下である必要があることが判った。
〈実施例１３、１４〉
アルミニウム粉末とセラミック粉末の混合割合を調整して、基材２におけるアルミニウムの含有割合を２５質量％（実施例１３）、および２８質量％としたこと以外は実施例１と同様にしてヒートスプレッダ１を製造し、試験を実施した。
【０１０５】
以上の実施例、比較例の結果を、実施例１の結果と併せて表４に示す。
【０１０６】
【表４】
表より、基材２におけるアルミニウムの含有割合は２０質量％以上であるのが好ましいことが判った。
【符号の説明】
【０１０７】
１ ヒートスプレッダ
２ 基材
３、４ 平板面
５〜８ 側面
９、９ａ、９ｂ、９ｃ 被覆層
１０ 素子搭載面
１１ 接続面
１２ 通孔
１３ 拡径部
１４ 切欠
１５ アルミダイカスト金型
１６ 型窩
１７ 可動型
１８ 固定型
１９、２４ 合わせ面
２０ 凹部
２１ 導入路
２２ 湯口
２３ 底面
２５ ピン
２６ 凹部
２７ 内側面
２８、３１、３２ 隙間
２９、３０ 膨出部
３３ 供給路
３４ 密閉機構
３５ 可動部材
３６ 押込機構
３７ シリンダ
３８ プランジャ
３９ 供給口
４０ 試験片
４１ 支持部
４２ 金属片
【特許請求の範囲】
【請求項１】
アルミニウム−セラミック複合材料からなる平板状の基材、および
前記基材の互いに背向する一対の平板面、および側面の略全面を被覆する、アルミニウム合金からなる被覆層、
を備え、全体が平板状に形成されるとともに、前記基材の一方の平板面側の面が素子搭載面とされたヒートスプレッダであって、
前記基材を形成するアルミニウム−セラミック複合材料中に含まれるアルミニウムは純度９９質量％以上のアルミニウム、
前記素子搭載面を構成する被覆層は厚み０．０５ｍｍ以上、０．５ｍｍ以下、
前記被覆層を形成するアルミニウム合金はマグネシウムを０．４質量％以上、８．５質量％以下の範囲で含むアルミニウム−マグネシウム合金であり、かつ
前記基材と前記被覆層との接合強度は１００ＭＰａ以上であることを特徴とするヒートスプレッダ。
【請求項２】
前記素子搭載面は略矩形状に形成され、その対角線の寸法は５０ｍｍ以上、５００ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載のヒートスプレッダ。
【請求項３】
前記セラミックは、炭化ケイ素、窒化ケイ素、およびアルミナからなる群より選ばれた少なくとも１種であることを特徴とする請求項１または２に記載のヒートスプレッダ。
【請求項４】
純度９９質量％以上のアルミニウムを含むアルミニウム−セラミック複合材料からなる平板状の基材の互いに背向する一対の平板面、および側面の略全面が、マグネシウムを０．４質量％以上、８．５質量％以下の範囲で含むアルミニウム−マグネシウム合金からなる被覆層で被覆されて全体が平板状に形成されるとともに、前記基材の一方の平板面側の面が素子搭載面とされて、前記素子搭載面を構成する被覆層の厚みが０．０５ｍｍ以上、０．５ｍｍ以下とされたヒートスプレッダを製造するための製造方法であって、
前記ヒートスプレッダの立体形状に対応する型窩を備えるとともに、前記型窩内に非酸化性または還元性のガスを導入するための導入路と、前記導入路を閉鎖して前記型窩内を密閉するための密閉機構とを備えたアルミダイカスト金型を用い、
前記アルミダイカスト金型の型窩内に前記基材をセットした状態で、前記型窩内に、３００℃以上、６００℃以下に加熱した前記ガスを、前記導入路を通して導入して前記基材を加熱するとともに前記型窩内を非酸化性または還元性雰囲気とする工程と、
前記密閉機構により前記導入路を閉鎖して型窩内を密閉した状態で、溶融させた前記アルミニウム−マグネシウム合金を、圧をかけながら前記型窩内に押し込んだのち冷却することで前記被覆層を形成する工程と、
を備えることを特徴とするヒートスプレッダの製造方法。
【請求項１】
アルミニウム−セラミック複合材料からなる平板状の基材、および
前記基材の互いに背向する一対の平板面、および側面の略全面を被覆する、アルミニウム合金からなる被覆層、
を備え、全体が平板状に形成されるとともに、前記基材の一方の平板面側の面が素子搭載面とされたヒートスプレッダであって、
前記基材を形成するアルミニウム−セラミック複合材料中に含まれるアルミニウムは純度９９質量％以上のアルミニウム、
前記素子搭載面を構成する被覆層は厚み０．０５ｍｍ以上、０．５ｍｍ以下、
前記被覆層を形成するアルミニウム合金はマグネシウムを０．４質量％以上、８．５質量％以下の範囲で含むアルミニウム−マグネシウム合金であり、かつ
前記基材と前記被覆層との接合強度は１００ＭＰａ以上であることを特徴とするヒートスプレッダ。
【請求項２】
前記素子搭載面は略矩形状に形成され、その対角線の寸法は５０ｍｍ以上、５００ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載のヒートスプレッダ。
【請求項３】
前記セラミックは、炭化ケイ素、窒化ケイ素、およびアルミナからなる群より選ばれた少なくとも１種であることを特徴とする請求項１または２に記載のヒートスプレッダ。
【請求項４】
純度９９質量％以上のアルミニウムを含むアルミニウム−セラミック複合材料からなる平板状の基材の互いに背向する一対の平板面、および側面の略全面が、マグネシウムを０．４質量％以上、８．５質量％以下の範囲で含むアルミニウム−マグネシウム合金からなる被覆層で被覆されて全体が平板状に形成されるとともに、前記基材の一方の平板面側の面が素子搭載面とされて、前記素子搭載面を構成する被覆層の厚みが０．０５ｍｍ以上、０．５ｍｍ以下とされたヒートスプレッダを製造するための製造方法であって、
前記ヒートスプレッダの立体形状に対応する型窩を備えるとともに、前記型窩内に非酸化性または還元性のガスを導入するための導入路と、前記導入路を閉鎖して前記型窩内を密閉するための密閉機構とを備えたアルミダイカスト金型を用い、
前記アルミダイカスト金型の型窩内に前記基材をセットした状態で、前記型窩内に、３００℃以上、６００℃以下に加熱した前記ガスを、前記導入路を通して導入して前記基材を加熱するとともに前記型窩内を非酸化性または還元性雰囲気とする工程と、
前記密閉機構により前記導入路を閉鎖して型窩内を密閉した状態で、溶融させた前記アルミニウム−マグネシウム合金を、圧をかけながら前記型窩内に押し込んだのち冷却することで前記被覆層を形成する工程と、
を備えることを特徴とするヒートスプレッダの製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２０１２−４９３２５（Ｐ２０１２−４９３２５Ａ）
【公開日】平成２４年３月８日（２０１２．３．８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−１８９８０９（Ｐ２０１０−１８９８０９）
【出願日】平成２２年８月２６日（２０１０．８．２６）
【出願人】（０００２２０１０３）株式会社アライドマテリアル (192)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年３月８日（２０１２．３．８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年８月２６日（２０１０．８．２６）
【出願人】（０００２２０１０３）株式会社アライドマテリアル (192)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]