金属−セラミックス複合板材
【課題】製造及び放熱部材への取り付けが容易であり、放熱性に優れ、かつ高剛性の金属−セラミックス複合板材を提供する。
【解決手段】セラミックス粒子と結合材のシリカとからなる多孔体の気孔に、金属を浸透させてなり、放熱部材にネジ止めされる金属−セラミックス複合板材であって、前記金属−セラミックス複合板材は、４箇所以上のネジ止め用穴と、少なくとも前記ネジ止め用穴の周囲の放熱部材側の面に設けられた段付の凹部を有し、前記段付の凹部によって形成された鍔状部のネジ締結時の変形が１５μｍ以下であることを特徴とする金属ーセラミックス複合板材。
【解決手段】セラミックス粒子と結合材のシリカとからなる多孔体の気孔に、金属を浸透させてなり、放熱部材にネジ止めされる金属−セラミックス複合板材であって、前記金属−セラミックス複合板材は、４箇所以上のネジ止め用穴と、少なくとも前記ネジ止め用穴の周囲の放熱部材側の面に設けられた段付の凹部を有し、前記段付の凹部によって形成された鍔状部のネジ締結時の変形が１５μｍ以下であることを特徴とする金属ーセラミックス複合板材。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ヒートシンク材として用いられる金属−セラミックス複合板材に関する。例えば、パワーモジュールやＬＥＤなどの発熱する製品と、放熱部材とを接続する板材として使用される。
【背景技術】
【０００２】
近年、ハイブリッド車や電車のパワーモジュール用ＩＧＢＴのヒートシンクとして金属とセラミックスの複合板材が注目されている。従来の金属系ヒートシンクと比較すると軽量で熱膨張率がセラミックス基板とマッチングしているという特徴をもつからである。
【０００３】
例えば、特許文献１では、炭化ケイ素多孔体にアルミニウムを主とする金属を含浸させてなる複合体であり、２５℃における熱伝導率が１６０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上であり、しかも２５〜２５０℃の熱膨張率が７．５×１０−６／Ｋ以下の特徴を有する複合体が開示されている。また、特許文献２には、複合体の主面の長さ１０ｃｍに対しての反り量が２５０μｍ以下の反りを有する複合体が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平１１−１７１６７２号公報
【特許文献２】特開２０００−２８１４６８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、特許文献１の複合体は、クラックを有することから、十分な剛性が得られない。特に車や電車のパワーモジュール用ヒートシンク材では、振動や応力が部材にかかることから、高剛性の材料が求められる。また、特許文献２の複合体では、反り量の制御が難しいという課題があった。反り量にばらつきがあると、ネジの締結トルクの調整が困難になり、さらに一つ一つ別個に調整する必要があるので工程が煩雑になる。しかも、複合体が大きく変形していることから複合体やネジが疲労し、使用時の振動や応力によって緩みやすくなるという問題もあった。
【０００６】
本発明は、これらの問題に鑑みてなされたものであり、製造及び放熱部材への取り付けが容易であり、放熱性に優れ、かつ高剛性の金属−セラミックス複合板材を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、セラミックス粒子と結合材のシリカとからなる多孔体の気孔に、金属を浸透させてなり、放熱部材にネジ止めされる金属−セラミックス複合板材に関する。
【０００８】
この金属−セラミックス複合板材は、４箇所以上のネジ止め用穴と、少なくとも前記ネジ止め用穴の周囲の放熱部材側の面に設けられた段付の凹部を有し、前記段付の凹部によって形成された鍔状部のネジ締結時の変形が１５μｍ以下であることを特徴とする。
【０００９】
このような構成によれば、段付の凹部を設け、鍔状部の変形を所定範囲に抑えることにより、金属ーセラミックス複合板材と放熱部材との密着性を高めつつ、ネジ止めして取り付ける際の、調整を容易にし、また使用時の振動や応力にる緩みの発生も抑えることができる。また、反り量を制御して反りを形成するよりも、段付の凹部を形成する方が製造も容易である。なお、鍔状部の変形は少ない方が好ましいが、ほとんど変形しない場合には、ネジ止めの際の締め代がなくなり、取付が難しくなる。したがって、鍔状部の変形は、５μｍ以上とすることが好ましい。
【００１０】
また、前記段付の凹部の深さは３０μｍ以上であることが好ましい。段付の凹部をこのような深さとするのは、鍔状部の変形を阻害しないように形成するためである。
【００１１】
さらに、本発明の金属−セラミックス複合板材は、ヤング率が１８０ＧＰａ以上であることが好ましい。所定のヤング率を有することにより、ネジ締結時に適度な締め代を持たせつつ、金属−セラミックス複合板材と放熱部材とを密着させることができ、さらに複合板材やネジも疲労し難いので、使用時の振動や応力による破損もおき難くなる。
【００１２】
さらにまた、金属−セラミックス複合板材の表面において、粒径１００μｍ以上のセラミックス粗大粒子の占める面積が３５％以上であることが好ましい。このような構造を備えることにより金属−セラミックス複合板材のヤング率を向上させることができ、鍔状部の変形を抑えることができる。
【００１３】
また、金属−セラミックス複合板材のにおける前記セラミックス粗大粒子のシリカ被覆率は３０％以下であることが好ましい。シリカ被覆率をこのような範囲とすることにより、金属−セラミックス複合板材のヤング率を高めることができる。
【００１４】
前記金属−セラミックス複合板材において前記セラミックス粗大粒子を被覆するシリカのうち、セラミックス粗大粒子間の接合に用いられていないシリカ分は、１０％以下であることが好ましい。このように非接合部のシリカを低減することで、高いヤング率を持つ高熱伝導の金属−セラミックス複合板材とすることができる。
【発明の効果】
【００１５】
製造及び放熱部材への取り付けが容易であり、放熱性に優れ、かつ高剛性の金属−セラミックス複合板材を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の金属−セラミックス複合板材の模式概略図である。
【図２】本発明の金属−セラミックス複合板材の取り付け構造を示す模式断面図である。
【図３】鍔状部を拡大した模式断面図である。
【図４】段付の凹部の形態について示した模式図である。
【図５】本発明の金属−セラミックス複合板材の微細組織を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、本発明の金属−セラミックス複合板材について、より詳細に説明する。
【００１８】
図１に本発明の一例として４箇所のネジ止め用穴を有する金属−セラミックス複合板材の模式概略図を示す。図１（Ａ）は、金属−セラミックス複合板材を半導体チップが搭載されたセラミックス基板を搭載する側の面から見た図である。矩形板状の金属−セラミックス複合板材１１の四隅にネジ止め用穴１２が形成されている。図１（Ｂ）は、金属−セラミックス複合板材１１の大きな平面に対して略垂直な断面を示したものである。表面１１ａは半導体チップが搭載されたセラミックス基板を搭載する面であり、裏面１１ｂは、放熱部材側の面である。裏面１１ｂと放熱部材とが接触し、セラミックス基板等の熱が金属−セラミックス複合板材を介して放熱部材に伝わることにより放熱することができる。
【００１９】
本発明の金属−セラミックス複合板材は、４箇所以上のネジ止め用穴を有する。図１では、ネジ止め用穴が４箇所の例を示したが、それ以上でも良い。例えば、図１において隣り合う２つの穴の間に１箇所、またはそれ以上の穴を設けても良い。
【００２０】
放熱部材側の面のネジ止め用穴１２の周囲には、段付の凹部１３が設けられ、これによって鍔状部１１ｃが形成される。段付の凹部の深さは３０μｍ以上であることが好ましい。段付の凹部をこのような深さとするのは、鍔状部の変形を阻害しないように形成するためである。段付の凹部の深さは、１００μｍ以下とすることが好ましい。１００μｍよりも大きくなると鍔状部の変形が大きくなり、また使用時の振動や応力の影響を受け易くなるため好ましくない。
【００２１】
図３は、鍔状部を拡大した断面図である。ネジ締結時の鍔状部の形状を点線で示した。なお、簡略化のためネジは省略している。図３に示したように、鍔状部３１ｃのネジ締結時の変形ｔを１５μｍ以下とすることにより、金属−セラミックス複合板材と放熱部材との密着性を高めつつ、ネジ止めして取り付ける際の、調整を容易にし、また使用時の振動や応力にる緩みの発生も抑えることができる。本発明において、鍔状部の変形を１５μｍ以下としたのは、この範囲であれば、ネジ止め時の調整が容易だからである。また、鍔状部の所定量の変形によって放熱部材との密着を高めることができるので、特許文献２に記載されたような反りを形成する必要はなく、さらに取付前後の裏面の変形による密着性の低下は起こらないので、裏面の平面度を高めることによって、より密着性を高めることが容易になる。なお、鍔状部の変形ｔは少ない方が好ましいが、ほとんど変形しない場合には、ネジ止めの際の締め代がなくなり、取付が難しくなる。したがって、鍔状部の変形は、５μｍ以上とすることが好ましく、１０μｍ以上がより好ましい。
【００２２】
段付の凹部は、少なくともネジ止め用穴の周囲に形成される。図４に、段付の凹部の形態について例を示す。図４（Ａ）は、長方形の長手方向の２辺の縁部に凹部を形成した例である。また、図４（Ｂ）は、４隅のネジ止め用穴の周囲にのみ段付の凹部を形成した例であり、図４（Ｃ）は、短手方向の２辺の辺部に凹部を形成した例であり、図４（Ｄ）は、縁部を枠状に囲む凹部を形成した例である。これらは、段付の凹部の例示であり、本発明はこれらに限定されるものではない。
【００２３】
金属−セラミックス複合板材の凹部面積が多くなれば、複合板材と放熱部材との密着性はより向上することから、凹部面積は多いほうが望ましい。図４においては、Ｄ＞Ａ＞Ｃ＞Ｂの順に複合板材と放熱部材との密着性は向上する。
【００２４】
また、段付の凹部が形成される位置は、図４の例に示したように金属−セラミックス複合板材の外周部であって、少なくともネジ頭部の径よりも大きな幅で形成されることが好ましい。図２は、金属−セラミックス複合板材２１を放熱部材２５に取り付けた状態を示す。ネジ２４の頭部の径よりも凹部が大きく形成されていれば、ネジ締結時に鍔状部２１ｃが変形できるので、密着性を高めることができる。
【００２５】
本発明の金属−セラミックス複合板材の組織については、表面を観察したときの粒径１００μｍ以上のセラミックス粗大粒子の占める面積が３５％以上であることが好ましい。このような構造を備えることにより金属−セラミックス複合板材のヤング率を向上させることができ、鍔状部の変形を抑えることができる。また、金属−セラミックス複合板材の熱伝導率を高めるうえでも好ましい。
【００２６】
図５は、本発明の金属−セラミックス複合板材の微細組織を示す模式図である。セラミックス粗大粒子５６が結合材のシリカ５７（５７ａ）によって接合されている。図５中の５８で示した部分は、金属及びセラミックス微小粒子で占められる。
【００２７】
セラミックス粗大粒子５６の面積は、例えば、次のような方法で求めることができる。表面を光学顕微鏡で２００倍の倍率で１．０×１．５ｍｍの範囲について観察し、表面に現れたセラミックス粒子のうち、長径が１００μｍ以上のセラミックス粒子をセラミックス粗大粒子として、その面積を求める。面積の求め方は、光学顕微鏡写真を画像ファイルとしてパソコンに取り込む。セラミックス粒子はマトリックスである金属と比較して黒く観察されることから、市販の画像処理ファイルにてセラミックス粗大粒子の範囲を指定し、そこから面積を計算することができる。
【００２８】
また、金属−セラミックス複合板材のにおける前記セラミックス粗大粒子のシリカ被覆率は３０％以下であることが好ましい。シリカ被覆率をこのような範囲とすることにより、金属−セラミックス複合板材のヤング率を高めることができる。剛性を示すヤング率は金属−セラミックス界面の状態に大きく影響され、この界面に隙間や剛性の低いの物質が介在しているとマトリックス金属やセラミックスの配合から予想される値を大きく下回ることがある。特に、金属−セラミックス複合板材中のセラミックスの割合を多くする場合、セラミックス粒子間の結合材として用いられるシリカがセラミックス粒子と金属との間に介在し、上記のようにヤング率を低下させる。本発明では添加するシリカの量と熱処理の条件の検討を行い、金属−セラミックス界面に介在するシリカ成分を調整し、高いヤング率をもつ高熱伝導の金属−セラミックス複合板材を得た。
【００２９】
結合材のシリカはセラミックスと比較するとヤング率が小さい。例えば、代表的なセラミックスである炭化ケイ素と比較した場合、炭化ケイ素のヤング率が４００ＧＰａ、であるのに対し、シリカは８０ＧＰａ以下である。そのため、このようにヤング率が低い物質が金属とセラミックスの界面に多く介在すると複合化したときにヤング率が低下する。したがって、ヤング率の低下を防ぐには、シリカの添加量を低減すれば良いと考えられるが、シリカの添加量を低減すると金属−セラミックス複合板材の前駆体である多孔体の強度も低下する。そして、強度が低下した多孔体に金属を浸透させると多孔体に亀裂が生じ、その部分が金属のライン（メタルベイン）となり、部分的に機械的特性の低下を招く。そのため、シリカによるセラミックス粒子間の強固な結合を確保しつつ、金属−セラミックス界面のシリカを低減する必要がある。本発明は、このような相反する問題を一挙に解消し、高いヤング率と高熱伝導性を両立させたものである。
【００３０】
シリカ被覆率は、例えば次のような方法で求めることができる。まず、セラミックス粗大粒子について、走査型顕微鏡（ＳＥＭ）で５０００〜７０００倍の倍率で断面を観察し、粒子の外周部をＥＤＸで分析する。分析は酸素について行い、セラミックス粗大粒子を被覆しているシリカを特定する。シリカの被覆層が０．５μｍ以上の厚さである箇所を被覆部分とし、観察したセラミックス粗大粒子の全周に対して被覆部分の割合を求め、これをシリカ被覆率とすることができる。測定は例えば、２０個のセラミックス粗大粒子について行い、これらの平均値とすることができる。
【００３１】
金属−セラミックス複合板材において前記セラミックス粗大粒子を被覆するシリカのうち、セラミックス粗大粒子間の接合に用いられていないシリカ分は、１０％以下であることが好ましい。粒子間の接合に寄与しない非接合部のシリカは、多孔体の高強度化に何ら貢献しないばかりか、金属−セラミックス複合板材のヤング率を低下させる。また、金属−セラミックス複合板材の熱伝導に対しても好ましくない。上記のように非接合部のシリカを１０％以下とすることで、高いヤング率を持つ高熱伝導の金属−セラミックス複合板材とすることができる。なお、接合部とは、図５において２以上のセラミックス粗大粒子に密接したシリカ５７ａの部分をいい、それ以外のシリカは非接合部のシリカ５７ｂである。なお、非接合部のシリカ５７ｂには、セラミックス粗大粒子５６とセラミックス微小粒子との接合に用いられるものがある。セラミックス微小粒子とシリカとの結合は、多孔体の強度を高めることができるものの、金属−セラミックス複合板材の高ヤング率化には寄与しないため、これを所定量に抑えることが好ましい。
【００３２】
本発明の金属−セラミックス複合板材のヤング率は、１８０ＧＰａ以上とすることが好ましい。上記のヤング率を持たせることによって、鍔状部の変形を抑えることができ、ネジ止め時の調整も容易にすることができる。さらに十分なヤング率があれば、取付前後の裏面の変形による密着性の低下は起こり難いので、裏面の平面度を高めることによって、より密着性を高めることが容易になる。より好ましい金属−セラミックス複合板材のヤング率は、２６０ＧＰａ以上である。
【００３３】
セラミックス粒子としては、炭化ケイ素、窒化アルミニウム等の高熱伝導性のものが好ましい。例えば、炭化ケイ素としては、純度が９９％以上の工業用の研磨材として用いられているものを適用することができる。
【００３４】
シリカは、有機成分を含むシリカバインダーを加熱して、有機成分を除去することにより形成される。
【００３５】
金属としては、アルミニウムまたはアルミニウム合金が好ましい。具体的には、例えば純度９９．０％以上の純アルミニウムやＡＣ８Ａなどの一般的に用いられている合金を用いることができる。
【００３６】
次に、本発明の金属−セラミックス複合板材の製造方法について説明する。
【００３７】
はじめに、セラミックス粒子とシリカバインダーとを混合する。上記のように、セラミックス粒子には、炭化ケイ素、窒化アルミニウム等が用いられる。セラミックス粒子の粒径は、例えば、平均粒径１００〜２００μｍのセラミックス粒子と、平均粒径１０〜５０μｍの２粒度のセラミックス粒子を配合することができる。２粒度配合することで、セラミックス粒子の充填率が高められるので好ましい。２粒度配合は、例えば平均粒径１００〜２００μｍのセラミックス粒子を６０〜７５質量％、平均粒径１０〜５０μｍのセラミックス粒子を２５〜４０質量％とすることができる。なお、本明細書において平均粒径とは、レーザー回折／散乱式粒度分布測定によるメディアン径Ｄ５０を意味する。
【００３８】
シリカバインダーとしては、金属シリコンにメタノールおよび塩化水素などを混合して反応、精溜したシリコーンレジンを主成分とするものを用いることができる。このシリコーンとはシロキサン結合（Ｓｉ―Ｏ）にメチル基ＣＨ３のような有機基がついたものである。状態として固形のものや溶剤で希釈した液体状のものが存在し、耐熱、電気絶縁用のコーティング材やバインダーとして主に用いられている。固形状のものは１００〜２００℃で溶融し、２５℃付近で再度固化するので好適である。特に１００℃の揮発分が５質量％以下で、２００℃での粘度が２ｍＰａ・ｓ以下のものを用いることが好ましい。さらに８００℃以上まで昇温することによりシリカ成分が結晶化し、バインダーとしての特性をより強く発現する。
【００３９】
シリカバインダーの添加量は、セラミックス粒子に対するシリカ量が１質量％以下となるよう添加することが好ましい。これ以上の添加量では後述の熱処理を行っても炭化ケイ素とアルミニウムの間にシリカ成分が多く介在し、複合材料のヤング率低下を起こす。より好ましいシリカ換算の添加量は、０．２〜１．０質量％である。
【００４０】
セラミックス粒子とシリカバインダーとの混合は、ポットミル等の乾式や湿式での混合を採用することができる。
【００４１】
次いでセラミックス粒子とシリカバインダーの混合物を成形型に投入し、プレス成形する。一軸プレス成形や、ＣＩＰ成形等種々のプレス成形を用いることができる。プレス圧力は、１〜１０ＭＰａで調整することができる。
【００４２】
続いてプレス成形により得られた成形体を加熱する。加熱は１００〜２００℃の溶融工程と、８００℃以上の結晶化工程に区分される。
【００４３】
溶融工程では、シリカバインダーが溶融して毛細管現象によりセラミックス粒子同士が接触している箇所に集中する。１００〜２００℃の加熱は、１２時間以上保持することが好ましく、２４時間以上がより好ましい。保持時間が足りないと溶融したシリカバインダーの移動が不十分でセラミックス粒子が接触している箇所に十分集中しないため成形体の強度低下が生じたり、複合化した際にヤング率が低下したりするため好ましくない。
【００４４】
溶融工程に続いて、８００℃に加熱し、シリカを結晶化させる。これによりセラミックス粒子とシリカとからなる多孔体が得られる。上記のようにシリカバインダーはセラミックス粒子が接触している箇所に集中しているので、セラミックス粒子間は結晶化したシリカにより強固に接合される。この多孔体の曲げ強度は３ＭＰａ以上であることが好ましい。多孔体に十分な強度があれば、多孔体に金属を浸透させるときに亀裂が生じ難く、メタルベインに起因する機械的特性の低下を防ぐことができる。また、所定の強度を有していれば、多孔体の取扱いも簡便である。
【００４５】
多孔体の加工は、ダイヤモンド加工治具を用いることができ、所定の板状が形成される。
【００４６】
次に多孔体に金属を浸透させる。浸透促進剤を用いた非加圧浸透等種々の方法を用いることができる。特に、金属の溶湯に圧力を加えて浸透させる加圧浸透法を用いることが好ましい。アルミニウムまたはアルミニウム合金を用いて加圧浸透を行う場合には、浸透圧力は１０ＭＰａ〜１００ＭＰａとすることができる。
【００４７】
浸透工程でのアルミニウムまたはアルミニウム合金の加熱温度は、融点以上であって、十分に浸透が進行する温度であれば良い。具体的には、６５０〜８００℃の加熱温度を採用することができる。浸透の際に周囲の治具に熱を奪われるなどして浸透が十分に行われない場合があるため、周囲の治具にヒーターを内蔵したり、外部から加熱したりしながら浸透させても良い。８００℃より高温ではアルミニウムの酸化が著しく、作業工程上問題が生じる場合があるため好ましくない。
【００４８】
アルミニウムが浸透された金属−セラミックス複合板材は、ダイヤモンド加工治具で凹部も含めて所定形状に加工される。
【００４９】
加工された金属−セラミックス複合板材は、半導体チップが搭載されたセラミックス基板をはんだ付けするために、全面にＮｉメッキが施されて良い。
【００５０】
以下、本発明の実施例を比較例とともに具体的に挙げる。
【００５１】
［実施例１］
実施例１は、市販されている炭化ケイ素粒子の粗粒（平均粒径１２０μｍ）と微粒（平均粒径１５μｍ）を７０：３０で混合したものに、シリカバインダー（シリコーンレジン、固形分９５ｗｔ％以上）を炭化ケイ素粒子に１００質量％に対してシリカ換算で１質量％添加してポットミルにより乾式混合した。この混合物を１５５ｍｍ×１０５ｍｍの金型に入れて温度１５０℃、圧力３ＭＰａでプレス成形した。その後、８００℃で結晶化させて、多孔体を作製した。
【００５２】
次に、多孔体を鉄製離型板に挟み、積み重ねた後、型枠に入れた。前記型枠を電気炉で、温度８００℃で予備加熱し、予め加熱しておいたプレス型内に載置した。次に、この多孔体にＳｉを１０質量％含むアルミニウム合金を２０ＭＰａの圧力で浸透させ、金属−セラミックス複合板材を作製した。室温まで冷却した後、型枠を取り除き、金属−セラミックス複合板材を離型した。
【００５３】
得られた金属−セラミックス複合板材は、ダイヤモンド加工治具を用いて１５０×１００×５ｍｍに加工した後、図４（Ａ）のようににφ７ｍｍのネジ止め用穴を４ヶ所加工し、さらにネジ止め用穴の周囲に段付の凹部を形成した。凹部の深さは４０μｍとした。
【００５４】
金属−セラミックス複合板材の評価は、複合板材と放熱部材との熱抵抗を求めることによって行った。この評価方法について説明する。Ｖ−Ｉ特性の温度依存性を調べた半導体チップを搭載したセラミックス基板を金属−セラミックス複合板材の中央にはんだで設置した。一方、放熱部材には、半導体チップ直下に至るまでの位置に熱電対を設置し、その上に半導体チップを設置した金属−セラミックス複合板材を放熱部材にネジ止めした。半導体に所定の電流を通電して半導体の温度をある程度上昇させ、半導体の温度をＶ−Ｉ特性の温度依存性に基づいて推定し、同時に放熱部材に接触している金属−セラミックス複合板材の温度を熱電対により実測し、半導体チップと接触面との温度差を測定した。半導体素子の発熱量を計算し、上記温度差との関係から金属−セラミックス複合板材と放熱部材との熱抵抗を求めた。但し、熱抵抗は、半導体チップのＯＮ／ＯＦＦを３０００回繰り返した後に求めたものとする。はじめに、段付の凹部を形成していない比較例１の熱抵抗を測定し、実施例１〜４及び比較例２について比較例１との相対値で評価した。
【００５５】
比較例１は、段付の凹部を形成していない以外は、実施例１と同一とした。
【００５６】
実施例１の金属−セラミックス複合板材を放熱部材へネジで締結した際の、鍔状部の変形は１０μｍであった。熱抵抗は比較例１に対して８０％であった。なお、得られた金属−セラミックス複合板材の表面について光学顕微鏡及びＳＥＭを用いて観察したところ、粒径１００μｍ以上のセラミックス粗大粒子の占める面積は３９％であり、セラミックス粗大粒子のシリカ被覆率は２３％であり、非接合部のシリカによるシリカ被覆率は６％であった。また、ヤング率をＪＩＳＲ１６０２に準拠し共振法により求めたところ、２６０ＧＰａであった。
【００５７】
実施例２は、凹部の深さを７μｍとした以外は、実施例１と同一とした。実施例２の熱抵抗は比較例１に対して９０％であった。
【００５８】
実施例３は、図４（Ｄ）のようにネジ止め用穴の周囲に段付の凹部を形成した以外、実施例１と同一とした。実施例３の鍔状部の変形は１３μｍであった。実施例３の熱抵抗は比較例１に対して７５％であった。
【００５９】
実施例４は、市販されている炭化ケイ素粒子の粗粒（平均粒径１５０μｍ）と微粒（平均粒径２８μｍ）を７０：３０で混合した。配合以外は、実施例１と同一とした。実施例４の鍔状部の変形は８μｍであった。実施例４の熱抵抗は比較例１に対して７４％であった。なお、得られた金属−セラミックス複合板材の表面について光学顕微鏡及びＳＥＭを用いて観察したところ、粒径１００μｍ以上のセラミックス粗大粒子の占める面積は４５％であり、セラミックス粗大粒子のシリカ被覆率は２３％であり、非接合部のシリカによるシリカ被覆率は８％であった。また、ヤング率をＪＩＳＲ１６０２に準拠し共振法により求めたところ、２８０ＧＰａであった。
【００６０】
比較例２は、市販されている炭化ケイ素粒子の粗粒（平均粒径７０μｍ）と微粒（平均粒径１５μｍ）を５：５で混合した。配合以外は、実施例１と同一とした。比較例２の鍔状部の変形は２０μｍであった。比較例２の熱抵抗は比較例１に対して１１０％と逆に増加した。得られた金属−セラミックス複合板材の表面について光学顕微鏡及びＳＥＭを用いて観察したところ、粒径１００μｍ以上のセラミックス粗大粒子の占める面積は１０％であり、セラミックス粗大粒子のシリカ被覆率は２４％であり、非接合部のシリカによるシリカ被覆率は７％であった。また、ヤング率をＪＩＳＲ１６０２に準拠し共振法により求めたところ、１７５ＧＰａであった。ヤング率が低下したため、複合板材の中央部が浮いて熱抵抗が大きくなったと考えられる。
【符号の説明】
【００６１】
１１、２１、３１ 金属−セラミックス複合板材
１１ａ 表面
１１ｂ 裏面
１１ｃ、２１ｃ、３１ｃ 鍔状部
１２、４２ ネジ止め用穴
１３ 凹部
２４ ネジ
２５、３５放熱部材
５６ セラミックス粗大粒子
５７ シリカ
５７ａ 接合部
５７ｂ 非接合部
５８ 金属又はセラミックス微小粒子
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ヒートシンク材として用いられる金属−セラミックス複合板材に関する。例えば、パワーモジュールやＬＥＤなどの発熱する製品と、放熱部材とを接続する板材として使用される。
【背景技術】
【０００２】
近年、ハイブリッド車や電車のパワーモジュール用ＩＧＢＴのヒートシンクとして金属とセラミックスの複合板材が注目されている。従来の金属系ヒートシンクと比較すると軽量で熱膨張率がセラミックス基板とマッチングしているという特徴をもつからである。
【０００３】
例えば、特許文献１では、炭化ケイ素多孔体にアルミニウムを主とする金属を含浸させてなる複合体であり、２５℃における熱伝導率が１６０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上であり、しかも２５〜２５０℃の熱膨張率が７．５×１０−６／Ｋ以下の特徴を有する複合体が開示されている。また、特許文献２には、複合体の主面の長さ１０ｃｍに対しての反り量が２５０μｍ以下の反りを有する複合体が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平１１−１７１６７２号公報
【特許文献２】特開２０００−２８１４６８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、特許文献１の複合体は、クラックを有することから、十分な剛性が得られない。特に車や電車のパワーモジュール用ヒートシンク材では、振動や応力が部材にかかることから、高剛性の材料が求められる。また、特許文献２の複合体では、反り量の制御が難しいという課題があった。反り量にばらつきがあると、ネジの締結トルクの調整が困難になり、さらに一つ一つ別個に調整する必要があるので工程が煩雑になる。しかも、複合体が大きく変形していることから複合体やネジが疲労し、使用時の振動や応力によって緩みやすくなるという問題もあった。
【０００６】
本発明は、これらの問題に鑑みてなされたものであり、製造及び放熱部材への取り付けが容易であり、放熱性に優れ、かつ高剛性の金属−セラミックス複合板材を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、セラミックス粒子と結合材のシリカとからなる多孔体の気孔に、金属を浸透させてなり、放熱部材にネジ止めされる金属−セラミックス複合板材に関する。
【０００８】
この金属−セラミックス複合板材は、４箇所以上のネジ止め用穴と、少なくとも前記ネジ止め用穴の周囲の放熱部材側の面に設けられた段付の凹部を有し、前記段付の凹部によって形成された鍔状部のネジ締結時の変形が１５μｍ以下であることを特徴とする。
【０００９】
このような構成によれば、段付の凹部を設け、鍔状部の変形を所定範囲に抑えることにより、金属ーセラミックス複合板材と放熱部材との密着性を高めつつ、ネジ止めして取り付ける際の、調整を容易にし、また使用時の振動や応力にる緩みの発生も抑えることができる。また、反り量を制御して反りを形成するよりも、段付の凹部を形成する方が製造も容易である。なお、鍔状部の変形は少ない方が好ましいが、ほとんど変形しない場合には、ネジ止めの際の締め代がなくなり、取付が難しくなる。したがって、鍔状部の変形は、５μｍ以上とすることが好ましい。
【００１０】
また、前記段付の凹部の深さは３０μｍ以上であることが好ましい。段付の凹部をこのような深さとするのは、鍔状部の変形を阻害しないように形成するためである。
【００１１】
さらに、本発明の金属−セラミックス複合板材は、ヤング率が１８０ＧＰａ以上であることが好ましい。所定のヤング率を有することにより、ネジ締結時に適度な締め代を持たせつつ、金属−セラミックス複合板材と放熱部材とを密着させることができ、さらに複合板材やネジも疲労し難いので、使用時の振動や応力による破損もおき難くなる。
【００１２】
さらにまた、金属−セラミックス複合板材の表面において、粒径１００μｍ以上のセラミックス粗大粒子の占める面積が３５％以上であることが好ましい。このような構造を備えることにより金属−セラミックス複合板材のヤング率を向上させることができ、鍔状部の変形を抑えることができる。
【００１３】
また、金属−セラミックス複合板材のにおける前記セラミックス粗大粒子のシリカ被覆率は３０％以下であることが好ましい。シリカ被覆率をこのような範囲とすることにより、金属−セラミックス複合板材のヤング率を高めることができる。
【００１４】
前記金属−セラミックス複合板材において前記セラミックス粗大粒子を被覆するシリカのうち、セラミックス粗大粒子間の接合に用いられていないシリカ分は、１０％以下であることが好ましい。このように非接合部のシリカを低減することで、高いヤング率を持つ高熱伝導の金属−セラミックス複合板材とすることができる。
【発明の効果】
【００１５】
製造及び放熱部材への取り付けが容易であり、放熱性に優れ、かつ高剛性の金属−セラミックス複合板材を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の金属−セラミックス複合板材の模式概略図である。
【図２】本発明の金属−セラミックス複合板材の取り付け構造を示す模式断面図である。
【図３】鍔状部を拡大した模式断面図である。
【図４】段付の凹部の形態について示した模式図である。
【図５】本発明の金属−セラミックス複合板材の微細組織を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、本発明の金属−セラミックス複合板材について、より詳細に説明する。
【００１８】
図１に本発明の一例として４箇所のネジ止め用穴を有する金属−セラミックス複合板材の模式概略図を示す。図１（Ａ）は、金属−セラミックス複合板材を半導体チップが搭載されたセラミックス基板を搭載する側の面から見た図である。矩形板状の金属−セラミックス複合板材１１の四隅にネジ止め用穴１２が形成されている。図１（Ｂ）は、金属−セラミックス複合板材１１の大きな平面に対して略垂直な断面を示したものである。表面１１ａは半導体チップが搭載されたセラミックス基板を搭載する面であり、裏面１１ｂは、放熱部材側の面である。裏面１１ｂと放熱部材とが接触し、セラミックス基板等の熱が金属−セラミックス複合板材を介して放熱部材に伝わることにより放熱することができる。
【００１９】
本発明の金属−セラミックス複合板材は、４箇所以上のネジ止め用穴を有する。図１では、ネジ止め用穴が４箇所の例を示したが、それ以上でも良い。例えば、図１において隣り合う２つの穴の間に１箇所、またはそれ以上の穴を設けても良い。
【００２０】
放熱部材側の面のネジ止め用穴１２の周囲には、段付の凹部１３が設けられ、これによって鍔状部１１ｃが形成される。段付の凹部の深さは３０μｍ以上であることが好ましい。段付の凹部をこのような深さとするのは、鍔状部の変形を阻害しないように形成するためである。段付の凹部の深さは、１００μｍ以下とすることが好ましい。１００μｍよりも大きくなると鍔状部の変形が大きくなり、また使用時の振動や応力の影響を受け易くなるため好ましくない。
【００２１】
図３は、鍔状部を拡大した断面図である。ネジ締結時の鍔状部の形状を点線で示した。なお、簡略化のためネジは省略している。図３に示したように、鍔状部３１ｃのネジ締結時の変形ｔを１５μｍ以下とすることにより、金属−セラミックス複合板材と放熱部材との密着性を高めつつ、ネジ止めして取り付ける際の、調整を容易にし、また使用時の振動や応力にる緩みの発生も抑えることができる。本発明において、鍔状部の変形を１５μｍ以下としたのは、この範囲であれば、ネジ止め時の調整が容易だからである。また、鍔状部の所定量の変形によって放熱部材との密着を高めることができるので、特許文献２に記載されたような反りを形成する必要はなく、さらに取付前後の裏面の変形による密着性の低下は起こらないので、裏面の平面度を高めることによって、より密着性を高めることが容易になる。なお、鍔状部の変形ｔは少ない方が好ましいが、ほとんど変形しない場合には、ネジ止めの際の締め代がなくなり、取付が難しくなる。したがって、鍔状部の変形は、５μｍ以上とすることが好ましく、１０μｍ以上がより好ましい。
【００２２】
段付の凹部は、少なくともネジ止め用穴の周囲に形成される。図４に、段付の凹部の形態について例を示す。図４（Ａ）は、長方形の長手方向の２辺の縁部に凹部を形成した例である。また、図４（Ｂ）は、４隅のネジ止め用穴の周囲にのみ段付の凹部を形成した例であり、図４（Ｃ）は、短手方向の２辺の辺部に凹部を形成した例であり、図４（Ｄ）は、縁部を枠状に囲む凹部を形成した例である。これらは、段付の凹部の例示であり、本発明はこれらに限定されるものではない。
【００２３】
金属−セラミックス複合板材の凹部面積が多くなれば、複合板材と放熱部材との密着性はより向上することから、凹部面積は多いほうが望ましい。図４においては、Ｄ＞Ａ＞Ｃ＞Ｂの順に複合板材と放熱部材との密着性は向上する。
【００２４】
また、段付の凹部が形成される位置は、図４の例に示したように金属−セラミックス複合板材の外周部であって、少なくともネジ頭部の径よりも大きな幅で形成されることが好ましい。図２は、金属−セラミックス複合板材２１を放熱部材２５に取り付けた状態を示す。ネジ２４の頭部の径よりも凹部が大きく形成されていれば、ネジ締結時に鍔状部２１ｃが変形できるので、密着性を高めることができる。
【００２５】
本発明の金属−セラミックス複合板材の組織については、表面を観察したときの粒径１００μｍ以上のセラミックス粗大粒子の占める面積が３５％以上であることが好ましい。このような構造を備えることにより金属−セラミックス複合板材のヤング率を向上させることができ、鍔状部の変形を抑えることができる。また、金属−セラミックス複合板材の熱伝導率を高めるうえでも好ましい。
【００２６】
図５は、本発明の金属−セラミックス複合板材の微細組織を示す模式図である。セラミックス粗大粒子５６が結合材のシリカ５７（５７ａ）によって接合されている。図５中の５８で示した部分は、金属及びセラミックス微小粒子で占められる。
【００２７】
セラミックス粗大粒子５６の面積は、例えば、次のような方法で求めることができる。表面を光学顕微鏡で２００倍の倍率で１．０×１．５ｍｍの範囲について観察し、表面に現れたセラミックス粒子のうち、長径が１００μｍ以上のセラミックス粒子をセラミックス粗大粒子として、その面積を求める。面積の求め方は、光学顕微鏡写真を画像ファイルとしてパソコンに取り込む。セラミックス粒子はマトリックスである金属と比較して黒く観察されることから、市販の画像処理ファイルにてセラミックス粗大粒子の範囲を指定し、そこから面積を計算することができる。
【００２８】
また、金属−セラミックス複合板材のにおける前記セラミックス粗大粒子のシリカ被覆率は３０％以下であることが好ましい。シリカ被覆率をこのような範囲とすることにより、金属−セラミックス複合板材のヤング率を高めることができる。剛性を示すヤング率は金属−セラミックス界面の状態に大きく影響され、この界面に隙間や剛性の低いの物質が介在しているとマトリックス金属やセラミックスの配合から予想される値を大きく下回ることがある。特に、金属−セラミックス複合板材中のセラミックスの割合を多くする場合、セラミックス粒子間の結合材として用いられるシリカがセラミックス粒子と金属との間に介在し、上記のようにヤング率を低下させる。本発明では添加するシリカの量と熱処理の条件の検討を行い、金属−セラミックス界面に介在するシリカ成分を調整し、高いヤング率をもつ高熱伝導の金属−セラミックス複合板材を得た。
【００２９】
結合材のシリカはセラミックスと比較するとヤング率が小さい。例えば、代表的なセラミックスである炭化ケイ素と比較した場合、炭化ケイ素のヤング率が４００ＧＰａ、であるのに対し、シリカは８０ＧＰａ以下である。そのため、このようにヤング率が低い物質が金属とセラミックスの界面に多く介在すると複合化したときにヤング率が低下する。したがって、ヤング率の低下を防ぐには、シリカの添加量を低減すれば良いと考えられるが、シリカの添加量を低減すると金属−セラミックス複合板材の前駆体である多孔体の強度も低下する。そして、強度が低下した多孔体に金属を浸透させると多孔体に亀裂が生じ、その部分が金属のライン（メタルベイン）となり、部分的に機械的特性の低下を招く。そのため、シリカによるセラミックス粒子間の強固な結合を確保しつつ、金属−セラミックス界面のシリカを低減する必要がある。本発明は、このような相反する問題を一挙に解消し、高いヤング率と高熱伝導性を両立させたものである。
【００３０】
シリカ被覆率は、例えば次のような方法で求めることができる。まず、セラミックス粗大粒子について、走査型顕微鏡（ＳＥＭ）で５０００〜７０００倍の倍率で断面を観察し、粒子の外周部をＥＤＸで分析する。分析は酸素について行い、セラミックス粗大粒子を被覆しているシリカを特定する。シリカの被覆層が０．５μｍ以上の厚さである箇所を被覆部分とし、観察したセラミックス粗大粒子の全周に対して被覆部分の割合を求め、これをシリカ被覆率とすることができる。測定は例えば、２０個のセラミックス粗大粒子について行い、これらの平均値とすることができる。
【００３１】
金属−セラミックス複合板材において前記セラミックス粗大粒子を被覆するシリカのうち、セラミックス粗大粒子間の接合に用いられていないシリカ分は、１０％以下であることが好ましい。粒子間の接合に寄与しない非接合部のシリカは、多孔体の高強度化に何ら貢献しないばかりか、金属−セラミックス複合板材のヤング率を低下させる。また、金属−セラミックス複合板材の熱伝導に対しても好ましくない。上記のように非接合部のシリカを１０％以下とすることで、高いヤング率を持つ高熱伝導の金属−セラミックス複合板材とすることができる。なお、接合部とは、図５において２以上のセラミックス粗大粒子に密接したシリカ５７ａの部分をいい、それ以外のシリカは非接合部のシリカ５７ｂである。なお、非接合部のシリカ５７ｂには、セラミックス粗大粒子５６とセラミックス微小粒子との接合に用いられるものがある。セラミックス微小粒子とシリカとの結合は、多孔体の強度を高めることができるものの、金属−セラミックス複合板材の高ヤング率化には寄与しないため、これを所定量に抑えることが好ましい。
【００３２】
本発明の金属−セラミックス複合板材のヤング率は、１８０ＧＰａ以上とすることが好ましい。上記のヤング率を持たせることによって、鍔状部の変形を抑えることができ、ネジ止め時の調整も容易にすることができる。さらに十分なヤング率があれば、取付前後の裏面の変形による密着性の低下は起こり難いので、裏面の平面度を高めることによって、より密着性を高めることが容易になる。より好ましい金属−セラミックス複合板材のヤング率は、２６０ＧＰａ以上である。
【００３３】
セラミックス粒子としては、炭化ケイ素、窒化アルミニウム等の高熱伝導性のものが好ましい。例えば、炭化ケイ素としては、純度が９９％以上の工業用の研磨材として用いられているものを適用することができる。
【００３４】
シリカは、有機成分を含むシリカバインダーを加熱して、有機成分を除去することにより形成される。
【００３５】
金属としては、アルミニウムまたはアルミニウム合金が好ましい。具体的には、例えば純度９９．０％以上の純アルミニウムやＡＣ８Ａなどの一般的に用いられている合金を用いることができる。
【００３６】
次に、本発明の金属−セラミックス複合板材の製造方法について説明する。
【００３７】
はじめに、セラミックス粒子とシリカバインダーとを混合する。上記のように、セラミックス粒子には、炭化ケイ素、窒化アルミニウム等が用いられる。セラミックス粒子の粒径は、例えば、平均粒径１００〜２００μｍのセラミックス粒子と、平均粒径１０〜５０μｍの２粒度のセラミックス粒子を配合することができる。２粒度配合することで、セラミックス粒子の充填率が高められるので好ましい。２粒度配合は、例えば平均粒径１００〜２００μｍのセラミックス粒子を６０〜７５質量％、平均粒径１０〜５０μｍのセラミックス粒子を２５〜４０質量％とすることができる。なお、本明細書において平均粒径とは、レーザー回折／散乱式粒度分布測定によるメディアン径Ｄ５０を意味する。
【００３８】
シリカバインダーとしては、金属シリコンにメタノールおよび塩化水素などを混合して反応、精溜したシリコーンレジンを主成分とするものを用いることができる。このシリコーンとはシロキサン結合（Ｓｉ―Ｏ）にメチル基ＣＨ３のような有機基がついたものである。状態として固形のものや溶剤で希釈した液体状のものが存在し、耐熱、電気絶縁用のコーティング材やバインダーとして主に用いられている。固形状のものは１００〜２００℃で溶融し、２５℃付近で再度固化するので好適である。特に１００℃の揮発分が５質量％以下で、２００℃での粘度が２ｍＰａ・ｓ以下のものを用いることが好ましい。さらに８００℃以上まで昇温することによりシリカ成分が結晶化し、バインダーとしての特性をより強く発現する。
【００３９】
シリカバインダーの添加量は、セラミックス粒子に対するシリカ量が１質量％以下となるよう添加することが好ましい。これ以上の添加量では後述の熱処理を行っても炭化ケイ素とアルミニウムの間にシリカ成分が多く介在し、複合材料のヤング率低下を起こす。より好ましいシリカ換算の添加量は、０．２〜１．０質量％である。
【００４０】
セラミックス粒子とシリカバインダーとの混合は、ポットミル等の乾式や湿式での混合を採用することができる。
【００４１】
次いでセラミックス粒子とシリカバインダーの混合物を成形型に投入し、プレス成形する。一軸プレス成形や、ＣＩＰ成形等種々のプレス成形を用いることができる。プレス圧力は、１〜１０ＭＰａで調整することができる。
【００４２】
続いてプレス成形により得られた成形体を加熱する。加熱は１００〜２００℃の溶融工程と、８００℃以上の結晶化工程に区分される。
【００４３】
溶融工程では、シリカバインダーが溶融して毛細管現象によりセラミックス粒子同士が接触している箇所に集中する。１００〜２００℃の加熱は、１２時間以上保持することが好ましく、２４時間以上がより好ましい。保持時間が足りないと溶融したシリカバインダーの移動が不十分でセラミックス粒子が接触している箇所に十分集中しないため成形体の強度低下が生じたり、複合化した際にヤング率が低下したりするため好ましくない。
【００４４】
溶融工程に続いて、８００℃に加熱し、シリカを結晶化させる。これによりセラミックス粒子とシリカとからなる多孔体が得られる。上記のようにシリカバインダーはセラミックス粒子が接触している箇所に集中しているので、セラミックス粒子間は結晶化したシリカにより強固に接合される。この多孔体の曲げ強度は３ＭＰａ以上であることが好ましい。多孔体に十分な強度があれば、多孔体に金属を浸透させるときに亀裂が生じ難く、メタルベインに起因する機械的特性の低下を防ぐことができる。また、所定の強度を有していれば、多孔体の取扱いも簡便である。
【００４５】
多孔体の加工は、ダイヤモンド加工治具を用いることができ、所定の板状が形成される。
【００４６】
次に多孔体に金属を浸透させる。浸透促進剤を用いた非加圧浸透等種々の方法を用いることができる。特に、金属の溶湯に圧力を加えて浸透させる加圧浸透法を用いることが好ましい。アルミニウムまたはアルミニウム合金を用いて加圧浸透を行う場合には、浸透圧力は１０ＭＰａ〜１００ＭＰａとすることができる。
【００４７】
浸透工程でのアルミニウムまたはアルミニウム合金の加熱温度は、融点以上であって、十分に浸透が進行する温度であれば良い。具体的には、６５０〜８００℃の加熱温度を採用することができる。浸透の際に周囲の治具に熱を奪われるなどして浸透が十分に行われない場合があるため、周囲の治具にヒーターを内蔵したり、外部から加熱したりしながら浸透させても良い。８００℃より高温ではアルミニウムの酸化が著しく、作業工程上問題が生じる場合があるため好ましくない。
【００４８】
アルミニウムが浸透された金属−セラミックス複合板材は、ダイヤモンド加工治具で凹部も含めて所定形状に加工される。
【００４９】
加工された金属−セラミックス複合板材は、半導体チップが搭載されたセラミックス基板をはんだ付けするために、全面にＮｉメッキが施されて良い。
【００５０】
以下、本発明の実施例を比較例とともに具体的に挙げる。
【００５１】
［実施例１］
実施例１は、市販されている炭化ケイ素粒子の粗粒（平均粒径１２０μｍ）と微粒（平均粒径１５μｍ）を７０：３０で混合したものに、シリカバインダー（シリコーンレジン、固形分９５ｗｔ％以上）を炭化ケイ素粒子に１００質量％に対してシリカ換算で１質量％添加してポットミルにより乾式混合した。この混合物を１５５ｍｍ×１０５ｍｍの金型に入れて温度１５０℃、圧力３ＭＰａでプレス成形した。その後、８００℃で結晶化させて、多孔体を作製した。
【００５２】
次に、多孔体を鉄製離型板に挟み、積み重ねた後、型枠に入れた。前記型枠を電気炉で、温度８００℃で予備加熱し、予め加熱しておいたプレス型内に載置した。次に、この多孔体にＳｉを１０質量％含むアルミニウム合金を２０ＭＰａの圧力で浸透させ、金属−セラミックス複合板材を作製した。室温まで冷却した後、型枠を取り除き、金属−セラミックス複合板材を離型した。
【００５３】
得られた金属−セラミックス複合板材は、ダイヤモンド加工治具を用いて１５０×１００×５ｍｍに加工した後、図４（Ａ）のようににφ７ｍｍのネジ止め用穴を４ヶ所加工し、さらにネジ止め用穴の周囲に段付の凹部を形成した。凹部の深さは４０μｍとした。
【００５４】
金属−セラミックス複合板材の評価は、複合板材と放熱部材との熱抵抗を求めることによって行った。この評価方法について説明する。Ｖ−Ｉ特性の温度依存性を調べた半導体チップを搭載したセラミックス基板を金属−セラミックス複合板材の中央にはんだで設置した。一方、放熱部材には、半導体チップ直下に至るまでの位置に熱電対を設置し、その上に半導体チップを設置した金属−セラミックス複合板材を放熱部材にネジ止めした。半導体に所定の電流を通電して半導体の温度をある程度上昇させ、半導体の温度をＶ−Ｉ特性の温度依存性に基づいて推定し、同時に放熱部材に接触している金属−セラミックス複合板材の温度を熱電対により実測し、半導体チップと接触面との温度差を測定した。半導体素子の発熱量を計算し、上記温度差との関係から金属−セラミックス複合板材と放熱部材との熱抵抗を求めた。但し、熱抵抗は、半導体チップのＯＮ／ＯＦＦを３０００回繰り返した後に求めたものとする。はじめに、段付の凹部を形成していない比較例１の熱抵抗を測定し、実施例１〜４及び比較例２について比較例１との相対値で評価した。
【００５５】
比較例１は、段付の凹部を形成していない以外は、実施例１と同一とした。
【００５６】
実施例１の金属−セラミックス複合板材を放熱部材へネジで締結した際の、鍔状部の変形は１０μｍであった。熱抵抗は比較例１に対して８０％であった。なお、得られた金属−セラミックス複合板材の表面について光学顕微鏡及びＳＥＭを用いて観察したところ、粒径１００μｍ以上のセラミックス粗大粒子の占める面積は３９％であり、セラミックス粗大粒子のシリカ被覆率は２３％であり、非接合部のシリカによるシリカ被覆率は６％であった。また、ヤング率をＪＩＳＲ１６０２に準拠し共振法により求めたところ、２６０ＧＰａであった。
【００５７】
実施例２は、凹部の深さを７μｍとした以外は、実施例１と同一とした。実施例２の熱抵抗は比較例１に対して９０％であった。
【００５８】
実施例３は、図４（Ｄ）のようにネジ止め用穴の周囲に段付の凹部を形成した以外、実施例１と同一とした。実施例３の鍔状部の変形は１３μｍであった。実施例３の熱抵抗は比較例１に対して７５％であった。
【００５９】
実施例４は、市販されている炭化ケイ素粒子の粗粒（平均粒径１５０μｍ）と微粒（平均粒径２８μｍ）を７０：３０で混合した。配合以外は、実施例１と同一とした。実施例４の鍔状部の変形は８μｍであった。実施例４の熱抵抗は比較例１に対して７４％であった。なお、得られた金属−セラミックス複合板材の表面について光学顕微鏡及びＳＥＭを用いて観察したところ、粒径１００μｍ以上のセラミックス粗大粒子の占める面積は４５％であり、セラミックス粗大粒子のシリカ被覆率は２３％であり、非接合部のシリカによるシリカ被覆率は８％であった。また、ヤング率をＪＩＳＲ１６０２に準拠し共振法により求めたところ、２８０ＧＰａであった。
【００６０】
比較例２は、市販されている炭化ケイ素粒子の粗粒（平均粒径７０μｍ）と微粒（平均粒径１５μｍ）を５：５で混合した。配合以外は、実施例１と同一とした。比較例２の鍔状部の変形は２０μｍであった。比較例２の熱抵抗は比較例１に対して１１０％と逆に増加した。得られた金属−セラミックス複合板材の表面について光学顕微鏡及びＳＥＭを用いて観察したところ、粒径１００μｍ以上のセラミックス粗大粒子の占める面積は１０％であり、セラミックス粗大粒子のシリカ被覆率は２４％であり、非接合部のシリカによるシリカ被覆率は７％であった。また、ヤング率をＪＩＳＲ１６０２に準拠し共振法により求めたところ、１７５ＧＰａであった。ヤング率が低下したため、複合板材の中央部が浮いて熱抵抗が大きくなったと考えられる。
【符号の説明】
【００６１】
１１、２１、３１ 金属−セラミックス複合板材
１１ａ 表面
１１ｂ 裏面
１１ｃ、２１ｃ、３１ｃ 鍔状部
１２、４２ ネジ止め用穴
１３ 凹部
２４ ネジ
２５、３５放熱部材
５６ セラミックス粗大粒子
５７ シリカ
５７ａ 接合部
５７ｂ 非接合部
５８ 金属又はセラミックス微小粒子
【特許請求の範囲】
【請求項１】
セラミックス粒子と結合材のシリカとからなる多孔体の気孔に、金属を浸透させてなり、放熱部材にネジ止めされる金属−セラミックス複合板材であって、
前記金属−セラミックス複合板材は、４箇所以上のネジ止め用穴と、少なくとも前記ネジ止め用穴の周囲の放熱部材側の面に設けられた段付の凹部を有し、
前記段付の凹部によって形成された鍔状部のネジ締結時の変形が１５μｍ以下であることを特徴とする金属ーセラミックス複合板材。
【請求項２】
前記段付の凹部の深さは３０μｍ以上である請求項１記載の金属−セラミックス複合板材。
【請求項３】
ヤング率が１８０ＧＰａ以上である請求項１または２記載の金属−セラミックス複合板材。
【請求項４】
前記金属−セラミックス複合板材の表面において、粒径１００μｍ以上のセラミックス粗大粒子の占める面積が３５％以上である請求項１〜３記載の金属−セラミックス複合板材。
【請求項５】
前記金属−セラミックス複合板材のにおける前記セラミックス粗大粒子のシリカ被覆率は３０％以下である請求項４記載の金属−セラミックス複合板材。
【請求項６】
前記金属−セラミックス複合板材において前記セラミックス粗大粒子を被覆するシリカのうち、セラミックス粗大粒子間の接合に用いられていないシリカ分は、１０％以下である請求項５記載の金属−セラミックス複合板材。
【請求項１】
セラミックス粒子と結合材のシリカとからなる多孔体の気孔に、金属を浸透させてなり、放熱部材にネジ止めされる金属−セラミックス複合板材であって、
前記金属−セラミックス複合板材は、４箇所以上のネジ止め用穴と、少なくとも前記ネジ止め用穴の周囲の放熱部材側の面に設けられた段付の凹部を有し、
前記段付の凹部によって形成された鍔状部のネジ締結時の変形が１５μｍ以下であることを特徴とする金属ーセラミックス複合板材。
【請求項２】
前記段付の凹部の深さは３０μｍ以上である請求項１記載の金属−セラミックス複合板材。
【請求項３】
ヤング率が１８０ＧＰａ以上である請求項１または２記載の金属−セラミックス複合板材。
【請求項４】
前記金属−セラミックス複合板材の表面において、粒径１００μｍ以上のセラミックス粗大粒子の占める面積が３５％以上である請求項１〜３記載の金属−セラミックス複合板材。
【請求項５】
前記金属−セラミックス複合板材のにおける前記セラミックス粗大粒子のシリカ被覆率は３０％以下である請求項４記載の金属−セラミックス複合板材。
【請求項６】
前記金属−セラミックス複合板材において前記セラミックス粗大粒子を被覆するシリカのうち、セラミックス粗大粒子間の接合に用いられていないシリカ分は、１０％以下である請求項５記載の金属−セラミックス複合板材。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２０１２−１５３２１（Ｐ２０１２−１５３２１Ａ）
【公開日】平成２４年１月１９日（２０１２．１．１９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−１５０３１２（Ｐ２０１０−１５０３１２）
【出願日】平成２２年６月３０日（２０１０．６．３０）
【出願人】（００００００２４０）太平洋セメント株式会社 (1,449)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１月１９日（２０１２．１．１９）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年６月３０日（２０１０．６．３０）
【出願人】（００００００２４０）太平洋セメント株式会社 (1,449)
【Ｆターム（参考）】
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