JP2003078087A - Exoergic composite substrate with fin for semiconductor element - Google Patents
Exoergic composite substrate with fin for semiconductor elementInfo
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Abstract
Description
【０００１】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は、高熱伝導性金属と
セラミックスとからなる複合構造に基づく高熱伝導率と
低熱膨張率とを具備し、半導体素子モジュール構成にお
ける放熱性基板として有用な金属セラミックス複合基板
に関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a metal-ceramic composite having a high thermal conductivity and a low thermal expansion coefficient based on a composite structure composed of a high thermal conductive metal and ceramics, which is useful as a heat-radiating substrate in a semiconductor device module structure. Regarding the substrate.
【０００２】[0002]
【従来の技術】半導体素子モジュールにおいて、スイッ
チング動作に伴う発生熱の蓄積は素子の誤動作やモジュ
ール積層構造の損傷(熱応力による亀裂・剥離等)の原因
となる。この発生熱を回路基板から速やかに逃がすため
に、回路基板（セラミックス）にヒートシンク部材を接
合して放熱構造とすることが一般に行われている。ヒー
トシンク部材は、高熱伝導性と併せて、回路基板（セラ
ミックス）の熱膨張率に近似した低熱膨張性を要求され
る。回路基板の熱膨張率との相違が大きいと、素子の発
熱等による温度サイクルに伴う熱応力による、回路基板
の亀裂、回路基板とヒートシンクとの接合界面の剥離等
を生じ易いからである。2. Description of the Related Art In a semiconductor device module, the accumulation of heat generated by a switching operation causes a malfunction of the device or damage to the module laminated structure (cracking or peeling due to thermal stress). In order to quickly dissipate this generated heat from the circuit board, a heat sink member is generally joined to the circuit board (ceramics) to form a heat dissipation structure. The heat sink member is required to have a low thermal expansion coefficient close to that of the circuit board (ceramics) in addition to a high thermal conductivity. This is because when the difference from the coefficient of thermal expansion of the circuit board is large, cracks in the circuit board, peeling of the bonding interface between the circuit board and the heat sink, and the like are likely to occur due to thermal stress associated with the temperature cycle due to heat generation of the element.
【０００３】そこで高熱伝導性と低熱膨張性とを備えた
ヒートシンク部材として、図１６に示すように、金属セ
ラミックス複合体である板状部材（１’）と高熱伝導性
金属で形成したフィン部材（２’）とを接合したヒート
シンク部材が提案されている。板状部材（１’）は、高
熱伝導性金属とセラミックスとの混合粉末の焼結体とし
て、又はセラミックスの多孔質焼結体（プリフォーム）
に高熱伝導性金属の溶湯を加圧含浸する加圧鋳造法を用
いて作製される。これに、別途用意した金属製フィン部
材（２’）を接着剤（熱伝導グリス）（Ｇ）で接合する
ことによりヒートシンク部材に仕上げている。Therefore, as a heat sink member having high thermal conductivity and low thermal expansion, as shown in FIG. 16, a plate member (1 ') which is a metal-ceramic composite and a fin member (made of high thermal conductive metal ( 2 ') has been proposed as a heat sink member. The plate-shaped member (1 ′) is a sintered body of a mixed powder of a high thermal conductive metal and ceramics, or a porous sintered body (preform) of ceramics.
It is manufactured by using a pressure casting method in which a molten metal of high thermal conductivity metal is pressure-impregnated. A metal fin member (2 ′) prepared separately is bonded to this with an adhesive (heat conductive grease) (G) to complete the heat sink member.
【０００４】[0004]
【発明が解決しようとする課題】上記ヒートシンク部材
は、金属セラミックス板状部材（１’）とフィン部材
（２’）とを接合した組付け構造であるので、その接合
界面には接着剤層（Ｇ）が介在する。接合界面の異相の
存在は、層厚方向（金属セラミックス板状部材→フィ
ン）の熱移動を阻害し、放熱特性を低下させる要因とな
る。金属セラミックス板状部材（１’）とフィン部材
（２’）とは、異相が介在しない一体成形物として製作
されることが望まれる。Since the heat sink member has an assembly structure in which the metal ceramic plate member (1 ') and the fin member (2') are joined, the adhesive layer ( G) intervenes. The presence of a different phase at the bonding interface hinders heat transfer in the layer thickness direction (metal ceramic plate member → fin), and becomes a factor that deteriorates heat dissipation characteristics. It is desired that the metal-ceramic plate-shaped member (1 ') and the fin member (2') be manufactured as an integrally molded product having no different phases.
【０００５】その製作方法として、例えば前記加圧鋳造
法において、セラミックスの多孔質焼結体（プリフォー
ム）に金属溶湯を含浸する際に、金属溶湯の含浸と並行
してフィンを鋳造する（鋳造用成形型としてフィン形成
用キャビティを形成したものを用いて加圧鋳造する）こ
とが考えられる。しかし、フィンは薄肉櫛刃状の突片で
あるので、これを鋳造でニアネットシェイプに形成する
ことは容易でない。殊に銅もしくは銅合金等のように凝
固点が比較的高い金属である場合、湯廻り不良等の鋳造
欠陥を生じ易くフィン形成は著しく困難である。As a manufacturing method thereof, for example, in the above-mentioned pressure casting method, when impregnating a molten metal into a porous ceramics sintered body (preform), fins are cast in parallel with impregnation of the molten metal (casting It is conceivable to perform pressure casting using a mold having a fin forming cavity as a molding die. However, since the fin is a thin comb blade-shaped protrusion, it is not easy to form the fin into a near net shape by casting. In particular, in the case of a metal having a relatively high freezing point such as copper or a copper alloy, it is difficult to form fins because casting defects such as defective running around the molten metal are likely to occur.
【０００６】本発明は上記に鑑み、金属セラミックス混
合体である板状部（基部）とフィンとの一体成形品とし
て形成される半導体素子用放熱性複合基板を提供するも
のである。In view of the above, the present invention provides a heat dissipating composite substrate for a semiconductor element, which is formed as an integrally molded product of a plate-shaped portion (base portion) which is a metal-ceramic mixture and fins.
【０００７】[0007]
【課題を解決するための手段】本発明の半導体素子用放
熱性複合基板は、放電プラズマ焼結（予備成形体の形
成）と予備成形体の圧縮成形加工（櫛刃状キャビティを
有する成形型内での塑性流動変形によるフィン形成）と
により形成される一体成形品である。DISCLOSURE OF THE INVENTION A heat-radiating composite substrate for a semiconductor device according to the present invention is formed by spark plasma sintering (formation of a preform) and compression molding of the preform (in a mold having a comb-shaped cavity). The fin is formed by plastic flow deformation in 1.).
【０００８】第１の発明に係る放熱性複合基板（請求項
１）は、高熱伝導性金属とセラミックスとの混合粉末層
および高熱伝導性金属粉末層の２層粉末充填体の放電プ
ラズマ焼結体である、金属セラミックス混合体層(11)と
金属層(12)とからなる２層板状体（予備成形体）を圧縮
成形加工に付し、金属層(12)を塑性流動変形によりフィ
ン形状に成形してなる一体成形物である（図１）。A heat-dissipating composite substrate according to the first invention (claim 1) is a discharge plasma sintered body of a two-layer powder-filled body of a mixed powder layer of a high thermal conductive metal and a ceramic and a high thermal conductive metal powder layer. The two-layer plate-shaped body (preformed body) consisting of the metal-ceramic mixture layer (11) and the metal layer (12) is subjected to compression molding, and the metal layer (12) is fin-shaped by plastic flow deformation. It is an integrally molded product formed by molding (Fig. 1).
【０００９】第２の発明に係る放熱性複合基板（請求項
２）は、セラミックス粉末層、高熱伝導性金属とセラミ
ックスとの混合粉末層、および高熱伝導性金属粉末層と
がこの順に積層された３層粉末充填体の放電プラズマ焼
結体である、セラミックス層(13)と金属セラミックス混
合体層(11)と金属層(12)とからなる３層板状体（予備成
形体）を圧縮成形加工に付し、金属層(12)を塑性流動変
形によりフィン形状に成形してなる一体成形物である
（図２）。In the heat dissipation composite substrate according to the second aspect of the present invention (claim 2), a ceramic powder layer, a mixed powder layer of high thermal conductive metal and ceramics, and a high thermal conductive metal powder layer are laminated in this order. Compression molding of a three-layer plate-shaped body (preformed body) consisting of a ceramic layer (13), a metal-ceramic mixture layer (11) and a metal layer (12), which is a spark plasma sintered body of a three-layer powder-filled body. It is an integrally formed product that is formed by processing and forms the metal layer (12) into a fin shape by plastic flow deformation (Fig. 2).
【００１０】第３の発明に係る放熱性複合基板（請求項
３）は、高熱伝導性金属とセラミックスとからなる混合
粉末充填体の放電プラズマ焼結体である金属セラミック
ス混合体層(11)からなる板状体（予備成形体）を圧縮成
形加工に付し、混合体層(11)の背面側層（110）を塑性
流動変形によりフィン形状に成形してなる一体成形物で
ある（図３）。A heat-radiating composite substrate according to a third aspect of the present invention (claim 3) comprises a metal-ceramic mixture layer (11) which is a discharge plasma sintered body of a mixed powder filling body made of a metal having high thermal conductivity and ceramics. It is an integrally molded product that is obtained by subjecting the plate-shaped body (preformed body) to be compression-molded to form the back side layer (11 0 ) of the mixture layer (11) into a fin shape by plastic flow deformation (Fig. 3).
【００１１】第４の発明に係る放熱性複合基板（請求項
４）は、セラミックス粉末層、および高熱伝導性金属と
セラミックスとの混合粉末層の２層粉末充填体の放電プ
ラズマ焼結体である、セラミックス層(13)と金属セラミ
ックス混合層(11)とからなる２層板状体（予備成形体）
を圧縮成形加工に付し、混合体層(11)の背面側層（1
1 0）を塑性流動変形によりフィン形状に成形してなる一
体成形物である（図４）。A heat-radiating composite substrate according to a fourth aspect of the present invention (claim
4) is a ceramic powder layer and a high thermal conductive metal
Discharge plug of two-layer powder packing of mixed powder layer with ceramics
Ceramic layer (13) and metal ceramics
Two-layer plate-shaped body (preformed body) consisting of a mixed layer (11)
Of the mixture layer (11) on the back side layer (1
1 0) Is formed into a fin shape by plastic flow deformation.
It is a molded body (Fig. 4).
【００１２】本発明の放熱性複合基板は、金属セラミッ
クス混合層を有する板状基部（１）とフィン（櫛刃状突
片）（２）との一体成形物であるので、基部とフィンと
の間には熱伝導の障壁となる異相が存在せず、従来の組
立て構造物（図１６）（基部材１’とフィン部材２’と
の界面に接着剤層Ｇが介在する）に比し、層厚方向の熱
伝導性が高く放熱特性に優れている。フィン（２）は予
備成形体（放電プラズマ焼結体）の圧縮成形加工による
塑性流動変形により形成される。超塑性流動変形条件を
適用されることにより、前記鋳造におけるような制限を
受けず、銅等の凝固温度の高い金属材種であっても薄肉
櫛刃形状のフィンをニアネットシェイプに成形すること
が可能である。The heat-dissipating composite substrate of the present invention is an integrally molded product of the plate-shaped base portion (1) having the metal-ceramic mixed layer and the fins (comb-shaped protrusions) (2). There is no foreign phase as a barrier to heat conduction between them, and compared with the conventional assembly structure (FIG. 16) (the adhesive layer G is present at the interface between the base member 1 ′ and the fin member 2 ′), High thermal conductivity in the layer thickness direction and excellent heat dissipation characteristics. The fins (2) are formed by plastic flow deformation of the preform (spark plasma sintered body) by compression molding. By applying superplastic flow deformation conditions, without being restricted by the above-mentioned casting, even if it is a metal material type having a high solidification temperature such as copper, it is possible to form a thin comb blade-shaped fin into a near net shape. Is possible.
【００１３】[0013]
【発明の実施の形態】以下、本発明について図面を参照
して具体的に説明する。本発明の半導体素子用複合基板
は、図１〜図４に示すように、板状の基部（１）とその
背面側に櫛刃状に突出するフィン（２）とからなる。板
状基部（１）のおもて面側に半導体素子が搭載される。
なお、フィンの肉厚は例えば１〜10ｍｍである。BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION The present invention will be specifically described below with reference to the drawings. As shown in FIGS. 1 to 4, the semiconductor element composite substrate of the present invention comprises a plate-shaped base portion (1) and comb-shaped fins (2) protruding from the back side thereof. A semiconductor element is mounted on the front surface side of the plate-shaped base (1).
The thickness of the fin is, for example, 1 to 10 mm.
【００１４】図１は、第１の発明に係る複合基板（請求
項１）を示している。この複合基板（Ａ１）の板状基部
（１）は金属セラミックス混合体（１１）であり、背面
側に突出するフィン（２）は金属単一体（１２）であ
る。FIG. 1 shows a composite substrate (claim 1) according to the first invention. The plate-shaped base portion (1) of this composite substrate (A1) is a metal-ceramic mixture (11), and the fins (2) projecting to the back side are a single metal body (12).
【００１５】図２は、第２の発明に係る複合基板（請求
項２）を示している。この複合基板（Ａ２）における、
板状基部（１）はセラミックス単一体の層（１３）と金
属セラミックス混合体の層（１１）との２層からなり、
その背面に突出するフィン（２）は金属単一体（１２）
である。FIG. 2 shows a composite substrate according to the second invention (claim 2). In this composite substrate (A2),
The plate-shaped base (1) is composed of two layers, a layer (13) of a ceramic single body and a layer (11) of a metal-ceramic mixture,
The fin (2) protruding to the back surface is a single metal body (12)
Is.
【００１６】図３は、第３の発明に係る複合基板（請求
項３）を示している。この複合基板（Ａ３）は、板状基
部（１）および背面側のフィン（２）のいずれも、金属
セラミックス混合体（１１）からなる。FIG. 3 shows a composite substrate (claim 3) according to the third invention. In this composite substrate (A3), both the plate-shaped base (1) and the fins (2) on the back side are made of a metal-ceramic mixture (11).
【００１７】図４は、第４の発明に係る複合基板（請求
項４）を示している。この複合基板（Ａ４）は、板状基
部（１）がセラミックス単一の層（１３）と金属セラミ
ックス混合体の層（１１）からなる２層構造を有し、背
面側に突出するフィン（２）は金属セラミックス混合体
（１１）である。FIG. 4 shows a composite substrate according to the fourth invention (claim 4). The composite substrate (A4) has a two-layer structure in which the plate-shaped base portion (1) is composed of a ceramic single layer (13) and a metal-ceramic mixture layer (11), and fins (2) protruding to the back side are formed. ) Is a metal-ceramic mixture (11).
【００１８】図５および図６は、複合基板の層構造の変
形例を示している。図５の複合基板（A1’）は、複合基
板（Ａ１）（図１）の板状基部（１）における金属セラ
ミックス混合体層（１１）が複数の層（11１,11２,1
1３）からなる多層構造を有している。各層（11１,1
1２,11３）は、金属含有比（M/C比=金属/セラミックス
体積比）が異なり、その金属含有比（M/C）は、層11１
＜11２ ＜11 ３の順に増加している。すなわちこの複合
基板（A1’）は、金属セラミックス混合体（１１）の金
属含有比(M/C)が、基板のおもて面側から背面側に向っ
て肉厚方向に漸次増加する傾斜構造を有している。この
傾斜構造は、複合基板(A2)（図２）の基部（１）の金属
セラミックス混合体(１１)に対しても同じように適用さ
れる。FIGS. 5 and 6 show changes in the layer structure of the composite substrate.
An example is shown. The composite substrate (A1 ') in FIG. 5 is a composite substrate.
Metallic ceramics in the plate-shaped base (1) of the plate (A1) (FIG. 1)
The mix mixture layer (11) has a plurality of layers (111, 11Two, 1
1Three) Has a multilayer structure. Each layer (111, 1
1Two, 11Three) Is the metal content ratio (M / C ratio = metal / ceramics)
Volume ratio) and the metal content ratio (M / C) is1
<11Two <11 ThreeIs increasing in order. Ie this compound
The substrate (A1 ') is made of a metal-ceramic mixture (11) made of gold.
The metal content ratio (M / C) changes from the front side to the back side of the substrate.
And has an inclined structure that gradually increases in the thickness direction. this
The graded structure is the metal of the base (1) of the composite substrate (A2) (Fig. 2).
The same applies to the ceramic mixture (11).
Be done.
【００１９】図６の複合基板(A3')は、前記複合基板(A
3)（図３）における金属セラミックス混合体(１１)が複
数の層（11１,11２, 11３,11４）からなる多層構造を有
している。各層（11１,11２,11３,11４）は、互いに異
なる金属含有比（M/C）を有し、金属含有比（M/C）は、
層11１＜11２ ＜11３＜11４の順に増加している。すな
わちこの複合基板(A3')は、金属含有比(M/C)がおもて面
からフィンを含む肉厚方向に漸次増加する傾斜構造を有
している。この傾斜構造は、複合基板(Ａ４)（図４）の
金属セラミックス混合体(１１)にも同じように適用され
る。The composite substrate (A3 ') shown in FIG.
3) The metal-ceramic mixture (11) in FIG. 3 has a multi-layer structure composed of a plurality of layers (11 1 , 11 2 , 11 3 , 11 4 ). Each layer (11 1 , 11 2 , 11, 3 1 , 11 4 ) has a different metal content ratio (M / C), and the metal content ratio (M / C) is
It has increased in the order of the layers 11 1 <11 2 <11 3 <11 4. That is, this composite substrate (A3 ′) has a tilted structure in which the metal content ratio (M / C) gradually increases from the front surface in the thickness direction including the fins. This inclined structure is similarly applied to the metal-ceramic mixture (11) of the composite substrate (A4) (FIG. 4).
【００２０】上記図５,図６に示したように金属セラミ
ックス混合体(１１)を、金属/セラミックス混合比(M/C)
が肉厚方向に漸変する傾斜構造とすることは、金属とセ
ラミックスの熱膨張率の差異に付随する肉厚方向の熱応
力を緩和し、積層構造における層間の整合性をより高め
るのに有効である。傾斜構造を形成する混合体の層数は
図示の例に限定されず適宜増減されるAs shown in FIGS. 5 and 6, the metal / ceramic mixture (11) was mixed with the metal / ceramic mixture ratio (M / C).
It is effective to reduce the thermal stress in the thickness direction that accompanies the difference in the coefficient of thermal expansion between metal and ceramics, and to improve the consistency between layers in the laminated structure by making the graded structure gradually change in the thickness direction. Is. The number of layers of the mixture forming the inclined structure is not limited to the example shown and may be increased or decreased as appropriate.
【００２１】複合基板（Ａ１）（図１）及び複合基板
（Ａ３）（図３）のそれぞれは、板状基部（１）のおも
て面に回路基板（絶縁層）としてセラミックス板を積層
接合され、その上に半導体素子が搭載される。他方、複
合基板（Ａ２）（図２）及び複合基板（Ａ４）（図４）
では、セラミックス板を積層接合する必要がなく、板状
基部（１）のおもて面側のセラミックス層（１３）を回
路基板層としてその上に半導体素子が搭載される。セラ
ミックス層（１３）は金属セラミックス混合体層（１
１）と一体成形されているので、その層境界はセラミッ
クス板を積層接合した構造と異なって異相（ろう接剤
等）の介在がなく、肉厚方向の熱伝導性をより高く維持
し得る点で有利である。In each of the composite substrate (A1) (FIG. 1) and the composite substrate (A3) (FIG. 3), a ceramic plate is laminated and bonded as a circuit board (insulating layer) on the front surface of the plate-shaped base (1). Then, the semiconductor element is mounted thereon. On the other hand, the composite substrate (A2) (FIG. 2) and the composite substrate (A4) (FIG. 4)
Then, it is not necessary to laminate and join the ceramic plates, and the semiconductor element is mounted on the ceramic layer (13) on the front surface side of the plate-shaped base portion (1) as a circuit board layer. The ceramic layer (13) is a metal-ceramic mixture layer (1
Since it is integrally molded with 1), the layer boundary is different from the structure in which ceramic plates are laminated and joined, and there is no intervening heterogeneous phase (brazing agent, etc.), and the thermal conductivity in the thickness direction can be maintained higher. Is advantageous.
【００２２】図７〜図１２は、上記図１〜図６の各複合
基板を製作するための予備成形体（放電プラズマ焼結
体）（Ｓ）を示している。FIGS. 7 to 12 show a preform (spark plasma sintered body) (S) for producing the composite substrates of FIGS. 1 to 6.
【００２３】図７の予備成形体（Ｓ１）は、金属セラミ
ックス混合体の層（１１）とその背面側の金属単一体の
層（１２）との２層からなる板状焼結体である。この予
備成形体（Ｓ１）を圧縮成形加工に付し、金属単一体の
層（１２）をフィン形状に成形することにより、図１の
複合基板（Ａ１）を得る。The preform (S1) of FIG. 7 is a plate-like sintered body composed of two layers, a layer (11) of a metal-ceramic mixture and a layer (12) of a single metal body on the back side thereof. This preform (S1) is subjected to compression molding, and the layer (12) of a single metal body is formed into a fin shape to obtain the composite substrate (A1) of FIG.
【００２４】図８の予備成形体（Ｓ２）は、セラミック
ス単一体の層（１３）と金属セラミックス混合体の層
（１１）と金属単一体の層（１２）とがこの順に積層さ
れた３層板状焼結体である。この予備成形体（Ｓ２）を
圧縮成形加工に付して金属単一体の層（１２）をフィン
形状に成形することにより、図２の複合基板（Ａ２）を
得る。The preform (S2) of FIG. 8 is a three-layer structure in which a ceramic single body layer (13), a metal ceramics mixture layer (11) and a metal single body layer (12) are laminated in this order. It is a plate-shaped sintered body. The preform (S2) is subjected to compression molding to form the layer (12) of a single metal body into a fin shape to obtain the composite substrate (A2) of FIG.
【００２５】図９の予備成形体（Ｓ３）は、金属セラミ
ックス混合体（１１）からなる板状焼結体である。この
予備成形体（Ｓ３）を圧縮塑性加工に付し、背面側の層
（１１０）をフィン形状に成形することにより、図３の
複合基板（Ａ３）を得る。The preform (S3) in FIG. 9 is a plate-shaped sintered body made of a metal-ceramic mixture (11). This preform (S3) is subjected to compression plastic working, and the back side layer ( 110 ) is formed into a fin shape to obtain the composite substrate (A3) of FIG.
【００２６】図１０の予備成形体（Ｓ４）は、セラミッ
クス単一体の層（１３）と金属セラミックス混合体の層
（１１）の２層からなる板状焼結体である。この予備成
形体（Ｓ４）を圧縮成形加工に付し、金属セラミックス
混合体の層（１１）の背面側の層（１１０）をフィン形
状に成形することにより、図４の複合基板（Ａ４）を得
る。The preform (S4) of FIG. 10 is a plate-shaped sintered body composed of two layers, a layer (13) of a ceramic single body and a layer (11) of a metal-ceramic mixture. This preform (S4) is subjected to compression molding, and the layer (11 0 ) on the back side of the layer (11) of the metal-ceramic mixture is formed into a fin shape to obtain the composite substrate (A4) of FIG. To get
【００２７】図１１は予備成形体の層構成の変形例を示
している。この予備成形体(S1')は、図７の予備成形体
（Ｓ１）における金属セラミックス混合体の層（１１）
を多層に形成した板状焼結体である。金属セラミックス
混合体の層（１１）を構成する各層（11１）（11２）
（11３）は、金属含有比（M/C=金属/セラミックス混合
体積比）が異なる。金属含有比（M/C）は、11１＜11２
＜11３の順に高くなっている。この予備成形体(S1')を
圧縮成形加工に付し、金属単一体の層（１２）をフィン
形状に成形することにより図５の複合基板（A1'）を得
る。FIG. 11 shows a modification of the layer structure of the preform. This preform (S1 ') is a layer (11) of the metal-ceramic mixture in the preform (S1) of FIG.
It is a plate-shaped sintered body having a multilayer structure. Each layer (11 1 ) (11 2 ) constituting the layer (11) of the metal-ceramic mixture
(11 3) is a metal content ratio (M / C = metal / ceramic mixture by volume) is different. Metal content ratio (M / C) is 11 1 <11 2
<It has become higher in the order of 11 3. This preform (S1 ') is subjected to compression molding, and the layer (12) of a single metal body is formed into a fin shape to obtain the composite substrate (A1') of FIG.
【００２８】図１２は予備成形体の層構成の他の変形例
を示している。この予備成形体（S3'）は、図９の予備
成形体（Ｓ３）の金属セラミックス混合体（１１）を多
層に形成した板状焼結体である。各層（11１）〜（1
1４）は金属含有比（M/C=金属/セラミックス混合体積
比）が異なり、金属含有比（M/C）は、11１＜11２＜11
３＜11４の順に高くなっている。この予備成形体（S
3'）を圧縮成形加工に付し、背面側の層（11４）をフィ
ン形状に成形することにより、図６の複合基板（A3'）
を得る。FIG. 12 shows another modification of the layer structure of the preform. This preformed body (S3 ') is a plate-shaped sintered body in which the metal-ceramic mixture (11) of the preformed body (S3) of FIG. 9 is formed in multiple layers. Each layer (11 1 ) ~ (1
1 4) is a metal content ratio (M / C = metal / ceramic volume mixing ratio) different metal content ratio (M / C) is 11 1 <11 2 <11
3 <has become higher in the order of 11 4. This preform (S
3 ') is subjected to compression molding, and by molding the back side of the layer (11 4) in the fin shape, the composite substrate of FIG. 6 (A3')
To get
【００２９】次に複合基板の各層を形成するセラミック
ス及び金属の材種について説明する。 板状基部（１）
における金属セラミックス混合体の層（１１）の金属成
分は、アルミニウムもしくはアルミニウム合金、銅もし
くは銅合金、又はマグネシウムもしくはマグネシウム合
金等の高熱伝導性金属であり、セラミックスは、炭化珪
素（ＳｉＣ）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、窒化珪素
（Ｓｉ３Ｎ４）、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）等である。金
属セラミックス混合体の層（１１）の熱伝導率及び熱膨
張率は、配合則に基づく金属とセラミックスの混合量比
（体積比）により調整される。混合量比は、金属含有率
で表すと例えば５〜９５体積％である。具体的には要求
される熱的特性（熱伝導率・熱膨張率）及び金属/セラ
ミックスの材種の選択と組合せ応じ適宜設計される。Next, the types of ceramics and metals that form each layer of the composite substrate will be described. Plate-shaped base (1)
The metal component of the layer (11) of the metal-ceramic mixture in is a high heat conductive metal such as aluminum or aluminum alloy, copper or copper alloy, or magnesium or magnesium alloy, and the ceramic is silicon carbide (SiC), aluminum nitride. (AlN), silicon nitride (Si 3 N 4 ), alumina (Al 2 O 3 ), and the like. The thermal conductivity and the thermal expansion coefficient of the layer (11) of the metal-ceramic mixture are adjusted by the mixing amount ratio (volume ratio) of the metal and the ceramic based on the mixing rule. The mixing amount ratio is, for example, 5 to 95% by volume when expressed in terms of metal content. Specifically, it is appropriately designed according to the required thermal characteristics (thermal conductivity / thermal expansion coefficient) and the selection and combination of the metal / ceramic material types.
【００３０】金属セラミックス混合体の層（１１）を、
前記図５のように傾斜構造とする場合の金属含有量は、
おもて面側の層（１１１）で１０体積％以下、背面側の
金属単一のフィン（２）と接する側の層（１１３）で９
０体積％以上として肉厚方向に漸増させた傾斜構造とす
る例が挙げられる。このような傾斜構造とすることによ
り複合基板の積層構造における層間の整合性を一層高め
ることができる。The layer (11) of the metal-ceramic mixture is
The metal content in the case of the inclined structure as shown in FIG.
10% by volume or less in the front surface side layer (11 1 ) and 9 in the back surface side layer (11 3 ) in contact with the single metal fin (2).
An example is an inclined structure in which the content is 0% by volume or more and gradually increases in the thickness direction. By adopting such an inclined structure, it is possible to further enhance the matching between the layers in the laminated structure of the composite substrate.
【００３１】フィン（２）は、前述のように金属セラミ
ックス混合体（１１）又は金属単一体（１２）からなる
櫛刃状突起として形成される。金属材種は、アルミニウ
ムもしくはアルミニウム合金、銅もしくは銅合金、又は
マグネシウムもしくはマグネシウム合金等の高熱伝導性
金属である。その金属材種は、金属セラミックス混合体
の層（１１）の金属と同一種のものに限定されない。所
望により、例えば混合体の層（１１）の金属がアルミニ
ウムで、フィン（２）は銅であるような異種材の組合せ
とすることもできる。The fins (2) are formed as comb-shaped projections made of the metal-ceramic mixture (11) or the metal single body (12) as described above. The metal material type is a high heat conductive metal such as aluminum or an aluminum alloy, copper or a copper alloy, or magnesium or a magnesium alloy. The metal material type is not limited to the same metal type as the metal of the layer (11) of the metal-ceramic mixture. If desired, a combination of different materials can be used, for example the metal of the layer (11) of the mixture is aluminum and the fins (2) are copper.
【００３２】また、フィン（２）が、図３，図４の複合
基板(Ａ３) (Ａ４)のように、金属セラミックス混合体
（１１）である場合、そのセラミックスの材種の選択
は、板状基部（１）のそれと同じように行なえばよい。
その場合のセラミックス材種は、板状基部（１）のセラ
ミックスと同一である必要はなく、例えば板状基部
（１）の金属セラミックス混合体のセラミックスを炭化
珪素とし、フィン（２）を形成する金属セラミックス混
合体のセラミックスをアルミナとする等、異なる種材の
組合せを採用することもできる。When the fin (2) is a metal-ceramic mixture (11) as in the composite substrates (A3) (A4) shown in FIGS. 3 and 4, the plate type of the ceramic is selected. It may be carried out in the same manner as that of the base (1).
In this case, the ceramic material type does not have to be the same as the ceramic of the plate-shaped base (1). For example, the ceramic of the metal-ceramic mixture of the plate-shaped base (1) is silicon carbide and the fin (2) is formed. It is also possible to employ a combination of different seed materials, such as alumina being the ceramic of the metal-ceramic mixture.
【００３３】板状基部（１）のおもて面側に形成される
セラミックス層（１３）は、窒化アルミニウム（Ａｌ
Ｎ）、窒化珪素（Ｓｉ３Ｎ４）、アルミナ（Ａｌ
２Ｏ３）、ベリリア（ＢｅＯ）等からなる。このセラミ
ックス層（１３）は、半導体素子を搭載するための回路
基板の役目を有する層であるので、高熱伝導・低熱膨張
率性と併せて、良好な電気絶縁性を有するもの、殊に窒
化アルミニウムが特に好適である。The ceramic layer (13) formed on the front surface side of the plate-shaped base (1) is made of aluminum nitride (Al).
N), silicon nitride (Si 3 N 4 ), alumina (Al
2 O 3 ), beryllia (BeO) and the like. Since this ceramic layer (13) has a role of a circuit board for mounting a semiconductor element, it has a good electrical insulation property in addition to a high thermal conductivity and a low coefficient of thermal expansion, especially aluminum nitride. Are particularly preferred.
【００３４】次に、本発明の複合基板を得るための放電
プラズマ焼結による予備成形体の製作、および圧縮成形
加工によるフィン形成について説明する。Next, production of a preform by discharge plasma sintering and fin formation by compression molding for obtaining the composite substrate of the present invention will be described.
【００３５】放電プラズマ焼結は、パルス通電により粉
体粒子間に発生する瞬間・断続的な火花放電による高温
プラズマの高エネルギーを利用した内部発熱方式の焼結
法であり、粉体試料内の放電点は電流のON・OFFの繰り
返しにより試料内全体に移動分散する。この内部発熱に
よる均一加熱効果として、低温域（結晶粒の成長・粗大
化が抑制される）での短時間処理で、原料粒子の表面層
のみに拡散を生起させて粒子間結合を形成でき、異種材
同士の良好な粒子間結合を形成することができる。ま
た、その焼結機構はナノ構造材料をナノ構造のままバル
ク化することを可能にする。The spark plasma sintering is an internal heating type sintering method which utilizes high energy of high temperature plasma due to instantaneous / intermittent spark discharge generated between powder particles due to pulse energization. The discharge point moves and disperses throughout the sample by repeatedly turning the current on and off. As a uniform heating effect due to this internal heat generation, it is possible to form an interparticle bond by causing diffusion only in the surface layer of the raw material particles by a short time treatment in a low temperature range (which suppresses the growth and coarsening of crystal grains), A good inter-particle bond between different materials can be formed. In addition, the sintering mechanism enables the nanostructured material to be bulked in its nanostructure.
【００３６】図１３は予備成形体を製作する放電プラズ
マ焼結工程を示している。３１は導電性モールド、３２
はパンチ、３３は電極である。モールド（３１）内の焼
結原料粉末（Ｐ）は多層に充填されている。図は、最下
層から上方に向って、金属粉末層（P2）、金属セラミッ
クス混合粉末層（P1）及びセラミックス粉末層（P3）が
この順に積層充填した状態を示している。原料粉末の焼
結処理は、制御部（３４）による制御された加圧力とパ
ルス電流の通電条件下に行なわれる。FIG. 13 shows a spark plasma sintering process for producing a preform. 31 is a conductive mold, 32
Is a punch, and 33 is an electrode. The sintering raw material powder (P) in the mold (31) is filled in multiple layers. The figure shows a state in which the metal powder layer (P2), the metal-ceramic mixed powder layer (P1), and the ceramic powder layer (P3) are stacked and filled in this order from the bottom layer upward. The sintering process of the raw material powder is carried out under the condition that the pressing force and the pulse current are controlled by the control unit (34).
【００３７】モールド（３１）内の粉末の充填態様は、
製作しようとする予備成形体の層構成に応じて設計され
る。図１３の粉末充填体（セラミックス粉末層P3-混合
粉末層P1-金属粉末層P2）を焼結する場合は、図８に示
した３層板状焼結体（Ｓ2）（セラミックス層13-金属セ
ラミックス混合体層11-金属層12）が得られ、そのセラ
ミックス粉末層（Ｐ３）を省略した場合は、図７の２層
板状焼結体（Ｓ１）が得られる。また金属セラミックス
混合粉末層（Ｐ１）のみを充填した場合は図９の板状焼
結体（Ｓ３）、セラミックス粉末層（Ｐ３）と金属セラ
ミックス混合粉末層（Ｐ１）とを積層充填した場合は、
図１０の２層板状焼結体(S4)がそれぞれ得られる。The filling mode of the powder in the mold (31) is as follows.
It is designed according to the layer structure of the preform to be manufactured. When the powder-filled body of FIG. 13 (ceramic powder layer P3-mixed powder layer P1-metal powder layer P2) is sintered, the three-layer plate-shaped sintered body (S2) shown in FIG. 8 (ceramic layer 13-metal When the ceramic mixture layer 11-metal layer 12) is obtained and the ceramic powder layer (P3) is omitted, the two-layer plate-shaped sintered body (S1) of FIG. 7 is obtained. When only the metal-ceramics mixed powder layer (P1) is filled, when the plate-shaped sintered body (S3) of FIG. 9 and the ceramics powder layer (P3) and the metal-ceramics mixed powder layer (P1) are stacked and filled,
The two-layer plate-shaped sintered bodies (S4) of FIG. 10 are obtained respectively.
【００３８】更に、予備成形体として図１１及び１２に
例示した傾斜構造を有する板状焼結体を得るには、その
傾斜構造に相応して金属粉末とセラミックス粉末の混合
量比を調整して積層充填すればよい。例えば、図１４の
ように金属セラミックス混合粉末層（P1）を、金属/セ
ラミックス混合比（M/C）が漸次変化する多層(P1１,P1
２,P1３,P1４)に積層充填してやれば、図１２の傾斜構
造を有する予備成形体（S3'）が得られ、その粉末層（P
1４）を金属粉末に置換えれば、図１１の傾斜構造を有
する予備成形体（S1'）が得られる。11 and 12 as a preform.
To obtain the plate-shaped sintered body having the exemplified inclined structure,
Mixing metal powder and ceramic powder according to the inclined structure
It suffices to adjust the amount ratio and stack and fill. For example, in FIG.
The metal / ceramics mixed powder layer (P1)
Multilayer (P1 with gradually changing Lamix mixing ratio (M / C)1, P1
Two, P1Three, P1Four12), the inclined structure of FIG.
A preform (S3 ') having a structure is obtained and its powder layer (P3
1Four) Is replaced with metal powder, the inclined structure of FIG.
A preformed body (S1 ') is obtained.
【００３９】予備成形体の金属層（１２）（圧縮成形加
工でフィンに成形される）を構成する金属粉末の物性
は、フィン形成の難易（塑性流動変形能）に大きく影響
する。超微細結晶構造の金属粉末を使用することによ
り、超塑性条件下のフィン形成が可能となる。アルミニ
ウム合金を例に挙げると、超塑性を得るために結晶粒径
は２μｍ以下であることを要する。このような超微構造
の粉末はＳＷＡＰ法（Spining・Water・Atomization・P
rocess）の噴霧処理（冷却速度:約１０４℃/sec以上）
により得られる。また粉体粒子径は50〜1000μｍの範囲
が好ましい。50μｍに満たない微細粒子は歪み硬化が大
きく、1000μｍを越える粗大粒子では塑性流動変形能が
低くなる。The physical properties of the metal powder forming the metal layer (12) of the preform (formed into fins by compression molding) greatly affect the difficulty of fin formation (plastic flow deformability). By using a metal powder having an ultrafine crystal structure, it becomes possible to form fins under superplastic conditions. Taking an aluminum alloy as an example, the crystal grain size needs to be 2 μm or less in order to obtain superplasticity. Such ultrafine powders are produced by the SWAP method (Spining / Water / Atomization / P
rocess) spraying process (cooling rate: approx. 10 4 ° C / sec or more)
Is obtained by The powder particle size is preferably in the range of 50 to 1000 μm. Fine particles of less than 50 μm have large strain hardening, and coarse particles of more than 1000 μm have low plastic flow deformability.
【００４０】上記アルミニウム合金の好適な組成（重量
％）として、遷移金属元素（Fe，Cr，Ni，Zr，Mn，Moの
１種又は２種以上の元素）：１〜１５%（２種以上の場
合は合計量）、又は／及びＳｉ：10〜30％を含有し、残
部実質的にＡｌからなる組成が挙げられる。これらの合
金元素は、Alと化合し微細な化合物相として析出し、そ
の析出効果として、放電プラズマ焼結工程における結晶
粒成長が抑制され、超塑性の発現に必要な超微細結晶構
造（結晶粒径：約２μｍ以下）の維持に寄与する。As a preferable composition (% by weight) of the above aluminum alloy, a transition metal element (one or more elements of Fe, Cr, Ni, Zr, Mn, Mo): 1 to 15% (two or more elements) In the case of, the total amount) or / and Si: 10 to 30% is contained, and the composition that the balance substantially consists of Al can be mentioned. These alloy elements combine with Al and precipitate as a fine compound phase, and as a result of the precipitation, crystal grain growth is suppressed in the discharge plasma sintering process, and the ultrafine crystal structure (crystal grain Diameter: about 2 μm or less).
【００４１】また、予備成形体(S3)（図９）や予備成形
体(S4)（図１０）のように、金属セラミックス混合体
（１１）の背面側層（１１０）がフィン形状に成形され
る焼結体を製作する場合、その背面側層（１１０）に超
塑性流動変形能を帯有させるには、セラミックスの混合
率を３０体積％以下（金属含有率７０体積％以上）に制
限することを要する。従ってモールド（３１）内の粉末
充填において、背面側層（１１０）となる部分の混合粉
末層は、上記の超微細構造の金属粉末を使用すると共
に、セラミックスは３０体積％以下に調整される。Further, as in the preform (S3) (Fig. 9) or preform (S4) (Fig. 10), the rear-side layer (11 0) of fin-shaped metal-ceramic mixture (11) molded In order to make the back side layer (11 0 ) of the sintered body to have superplastic flow deformability, the mixing ratio of ceramics should be 30 volume% or less (metal content rate 70 volume% or more). It needs to be restricted. Therefore, in the powder filling in the mold (31), the mixed powder layer of the portion to be the back surface side layer ( 110 ) uses the above-mentioned ultrafine metal powder, and the ceramic is adjusted to 30% by volume or less. .
【００４２】モールド（３１）に充填した粉末充填体の
焼結処理は、金属粉末の微細結晶構造を損なわないよう
に過度の高温を避けることを要する。金属粉末として前
記アルミニウム合金を使用した場合の焼結温度は、約５
００℃以下であるのが望ましい。温度調整は、パルス電
流、ON・OFF周期、処理時間等により行なわれる。加圧
力は約７０〜１８０ＭＰａの範囲が適当である。これよ
り低圧力では、粉末粒子間の焼結反応が不足する（それ
を補うためには高温焼結が必要となり、結晶粒の粗大化
に伴う超塑性特性の低下をきたす）。他方１８０MPaを
超える高圧力とする必要はなく、それ以上の増圧はモー
ルドの消耗を助長し好ましくない。The sintering treatment of the powder filling material filled in the mold (31) needs to avoid excessive high temperature so as not to impair the fine crystal structure of the metal powder. The sintering temperature when the aluminum alloy is used as the metal powder is about 5
It is preferably 00 ° C or lower. The temperature is adjusted by the pulse current, ON / OFF cycle, processing time, etc. Appropriate pressure is in the range of about 70 to 180 MPa. At a pressure lower than this, the sintering reaction between the powder particles becomes insufficient (high temperature sintering is required to compensate for this, resulting in deterioration of superplastic properties due to coarsening of crystal grains). On the other hand, it is not necessary to make the pressure higher than 180 MPa, and increasing the pressure higher than that promotes wear of the mold and is not preferable.
【００４３】図１５は、予備成形体の圧縮成形加工を示
している。４１は成形型、４３はパンチであり、成形型
（４１）は底壁に櫛刃状キャビティ（４２）が形設され
ている。予備成形体（Ｓ）は、フィン（２）となる金属
層（１２）又は金属セラミックス混合体の背面側層（１
１０）を櫛刃状キャビティ（４２）に向けて成形型（４
０）にセットされパンチ（４３）により圧縮(Ｆ)され
る。FIG. 15 shows the compression molding process of the preform. 41 is a forming die and 43 is a punch. The forming die (41) has a comb-blade-shaped cavity (42) formed in the bottom wall. The preformed body (S) is a metal layer (12) to be the fin (2) or a back side layer (1) of the metal-ceramic mixture.
1 0) the mold toward the comb-shaped cavity (42) (4
It is set to 0) and compressed (F) by the punch (43).
【００４４】圧縮成形加工は、金属層（１２）又は金属
セラミックス混合体の背面側層（１１０）の金属成分の
液相線直下の温度域における制御された加工速度で行な
われる。その金属成分が前記アルミニウム合金である予
備成形体では、Tliq -35℃〜Tliq -10℃（Tliqは液相線
温度）の温度域が好適であり、歪み加工速度10−２/sec
以上の高速加工が可能である。同温度域での伸び率は約
200%以上、変形流動応力は20MPa以下である。その超塑
性流動によりニアネットシェイプのフィン形成を効率よ
く達成することができる。また圧縮成形加工過程で、板
状基部（１）となる金属セラミックス混合体層（１１）
（およびセラミックス層３）が圧縮緻密化される。この
ことは構成粒子の粒界接触を高め熱伝導性の向上に寄与
する。[0044] Compression molding is performed at a processing speed that is controlled in a temperature range just below the metal layer (12) or the back side layer of the metal-ceramic mixture (11 0) metal component liquidus. In the preformed body whose metal component is the aluminum alloy, the temperature range of T liq -35 ° C to T liq -10 ° C (T liq is the liquidus temperature) is suitable, and the strain processing rate is 10 -2 / sec.
The above high-speed processing is possible. The growth rate in the same temperature range is about
The deformation flow stress is 200 MPa or more and 20 MPa or less. Due to the superplastic flow, near net shape fin formation can be efficiently achieved. Also, in the compression molding process, the metal-ceramic mixture layer (11) that becomes the plate-shaped base (1)
(And the ceramic layer 3) is compressed and densified. This enhances the grain boundary contact of the constituent particles and contributes to the improvement of thermal conductivity.
【００４５】[0045]
【実施例１】放電プラズマ焼結による予備成形体の製作
（図13）と圧縮成形加工（図15）によるフィン形成によ
り複合基板を製作し、熱的特性を測定する。Example 1 A composite substrate is manufactured by manufacturing a preformed body by spark plasma sintering (FIG. 13) and forming fins by compression molding (FIG. 15), and thermal characteristics are measured.
【００４６】［実施例１］板状焼結体(S1)（図7）を予
備成形体とし複合基板（A1）（図１）を得る。これを供
試材１とする。
(1)焼結原料粉末
金属…アルミニウム合金粉末（SWAP粉末）
結晶粒径：１μｍ以下
粉体粒子径：50-420μｍ
セラミックス…炭化珪素（SiC）
粉体粒子径：５μｍ以下
金属セラミックス混合層の混合量比
金属/セラミックス=70/30（容積）Example 1 A composite substrate (A1) (FIG. 1) is obtained by using the plate-shaped sintered body (S1) (FIG. 7) as a preform. This is designated as sample material 1. (1) Sintering raw material powder Metal: Aluminum alloy powder (SWAP powder) Crystal particle size: 1 μm or less Powder particle size: 50-420 μm Ceramics: Silicon carbide (SiC) Powder particle size: 5 μm or less Mixing of metal-ceramic mixed layers Quantity ratio metal / ceramics = 70/30 (volume)
【００４７】(2)放電プラズマ焼結 処理温度：550℃ 加圧力：100MPa (3)圧縮塑性加工 加工温度：液相線-20℃ 加工ひずみ速度：10−１/sec(2) Spark plasma sintering treatment temperature: 550 ° C. Pressure: 100 MPa (3) Compressive plastic working temperature: Liquidus line -20 ° C. Strain rate: 10 -1 / sec
【００４８】［実施例２］板状焼結体(S3)（図9）を予
備成形体とし複合基板（A3）（図３）を得る。これを供
試材２とする。Example 2 A composite substrate (A3) (FIG. 3) is obtained by using the plate-shaped sintered body (S3) (FIG. 9) as a preform. This is designated as sample material 2.
【００４９】(1)焼結原料粉末 金属…アルミニウム合金粉末（SWAP粉末） 結晶粒径：１μｍ以下 粉体粒子径：50-420μｍ セラミックス…炭化珪素（SiC） 粉体粒子径：５μｍ以下 金属セラミックス混合層の混合量比 金属/セラミックス=70/30（容積）(1) Sintering raw material powder Metal: Aluminum alloy powder (SWAP powder) Crystal grain size: 1 μm or less Powder particle size: 50-420μm Ceramics ... Silicon Carbide (SiC) Powder particle size: 5 μm or less Mixing ratio of metal-ceramics mixed layer Metal / ceramics = 70/30 (volume)
【００５０】(2)放電プラズマ焼結 処理温度：550℃ 加圧力：100MPa (3)圧縮塑性加工 加工温度：液相線-20℃ 加工ひずみ速度：10−１/sec(2) Spark plasma sintering treatment temperature: 550 ° C. Pressurizing force: 100 MPa (3) Compressive plastic working temperature: liquidus line -20 ° C. processing strain rate: 10 -1 / sec
【００５１】比較例（従来例）として、板状基部材（金
属セラミックス混合体）とフィン部材（金属単一体）と
を個別に作製し、接着剤（熱伝導グリス）で接合し、図
１６に示す複合基板を組み立てた。これを供試材３とす
る。各供試複合基板の基部およびフィンは同一形状に成
形されている。As a comparative example (conventional example), a plate-shaped base member (metal-ceramic mixture) and a fin member (metal single body) were individually prepared and joined with an adhesive (heat-conducting grease). The composite substrate shown was assembled. This is designated as sample material 3. The base and fins of each test composite substrate are formed in the same shape.
【００５２】上記供試複合基板の熱伝導率を測定し表１
に示す結果を得た。発明例の複合基板は、従来材の比較
例を大きく越える卓抜した高熱伝導性を有している。The thermal conductivity of the above-mentioned test composite substrate was measured and shown in Table 1.
The results shown in are obtained. The composite substrate of the invention example has outstanding high thermal conductivity, which greatly exceeds the comparative example of the conventional material.
【００５３】[0053]
【表１】 供試材１（発明例） ９４W/m・K 供試材２（発明例） ９０W/m・K 供試材３（比較例） ５０W/m・K[Table 1] Specimen 1 (Invention example) 94W / mK Specimen 2 (Invention example) 90 W / mK Specimen 3 (comparative example) 50 W / mK
【００５４】[0054]
【発明の効果】本発明の複合基板は、半導体素子を搭載
される板状基部とその背面側のフィンとの一体成形物で
あり、接着剤による組立構造のような熱移動の妨げとな
るような境界層がなく、層厚方向の熱伝導性が高く放熱
特性に優れている。本発明の複合基板は、放電プラズマ
焼結と、その焼結体を予備成形体とする圧縮成形加工に
より製作されるので工程が簡素であり、ニアネットシェ
イプの複合基板を効率よく高歩留りで得ることができ
る。The composite substrate of the present invention is an integrally molded product of a plate-shaped base portion on which a semiconductor element is mounted and fins on the back side thereof, and prevents the heat transfer such as an assembly structure using an adhesive. It has no boundary layer and has high thermal conductivity in the layer thickness direction and excellent heat dissipation characteristics. The composite substrate of the present invention is manufactured by discharge plasma sintering and compression molding using the sintered body as a preform, so the process is simple, and a near net shape composite substrate can be efficiently obtained with high yield. be able to.
【図１】本発明の複合基板の層構造を模式的に示す正面
図である。FIG. 1 is a front view schematically showing a layer structure of a composite substrate of the present invention.
【図２】本発明の複合基板の積層構造を模式的に示す正
面図である。FIG. 2 is a front view schematically showing the laminated structure of the composite substrate of the present invention.
【図３】本発明の複合基板の層構造を模式的に示す正面
図である。FIG. 3 is a front view schematically showing the layer structure of the composite substrate of the present invention.
【図４】本発明の複合基板の積層構造を模式的に示す正
面図である。FIG. 4 is a front view schematically showing the laminated structure of the composite substrate of the present invention.
【図５】本発明の複合基板の層構造を模式的に示す正面
部分図である。FIG. 5 is a partial front view schematically showing the layer structure of the composite substrate of the present invention.
【図６】本発明の複合基板の積層構造を模式的に示す正
面部分図である。FIG. 6 is a partial front view schematically showing the laminated structure of the composite substrate of the present invention.
【図７】予備成形体（放電プラズマ焼結体）の層構造を
模式的に示す正面図である。FIG. 7 is a front view schematically showing the layer structure of a preformed body (discharge plasma sintered body).
【図８】予備成形体（放電プラズマ焼結体）の層構造を
模式的に示す正面図である。FIG. 8 is a front view schematically showing the layer structure of a preformed body (spark plasma sintered body).
【図９】予備成形体（放電プラズマ焼結体）の層構造を
模式的に示す正面図である。FIG. 9 is a front view schematically showing the layer structure of a preformed body (spark plasma sintered body).
【図１０】予備成形体（放電プラズマ焼結体）の層構造
を模式的に示す正面図である。FIG. 10 is a front view schematically showing a layer structure of a preformed body (spark plasma sintered body).
【図１１】予備成形体（放電プラズマ焼結体）の層構造
を模式的に示す正面図である。FIG. 11 is a front view schematically showing the layer structure of a preformed body (discharge plasma sintered body).
【図１２】予備成形体（放電プラズマ焼結体）の層構造
を模式的に示す正面図である。FIG. 12 is a front view schematically showing the layer structure of a preformed body (discharge plasma sintered body).
【図１３】放電プラズマ焼結工程を示す断面説明図であ
る。FIG. 13 is a cross-sectional explanatory view showing a spark plasma sintering process.
【図１４】放電プラズマ焼結における原料粉末の充填態
様の他の例を工程を示す断面説明図である。FIG. 14 is a cross-sectional explanatory view showing a process of another example of the filling mode of the raw material powder in the spark plasma sintering.
【図１５】予備成形体の圧縮成形加工（フィン形成）を
示す断面説明図である。FIG. 15 is an explanatory cross-sectional view showing compression molding processing (fin formation) of the preformed body.
【図１６】従来のヒートシンク部材を模式的に示す正面
図である。FIG. 16 is a front view schematically showing a conventional heat sink member.
１ ：放熱性複合基板の板状基部
２ ：フィン
１１(11１-11４)：金属セラミックス混合体
１２：金属単一体
１３：セラミックス単一体
３１：モールド
３２：パンチ
３３：電極
３４：制御部
４１：圧縮成形用成形型
４２：フィン形成用キャビティ
４３：パンチ
Ａ(A1-A4,A1',A3')：本発明の複合基板
Ｓ(S1-S4,S1',S3')：予備成形体（放電プラズマ焼結
体）
P1(P1１-P1４)：金属とセラミックスの混合粉末層
P2 ：金属粉末層
P3 ：セラミックス粉末層
Ｇ ：接合剤層（熱伝導性グリス）1: Plate-shaped base part of heat dissipation composite substrate 2: Fin 11 (11 1 -11 4 ): Metal-ceramic mixture 12: Metal single body 13: Ceramic single body 31: Mold 32: Punch 33: Electrode 34: Controller 41 : Mold 42 for compression molding: Cavity 43 for fin formation: Punch A (A1-A4, A1 ', A3'): Composite substrate S (S1-S4, S1 ', S3') of the present invention: Preform ( Spark plasma sintered body) P1 (P1 1 -P1 4 ): Mixed powder layer of metal and ceramics P2: Metal powder layer P3: Ceramic powder layer G: Bonding agent layer (heat conductive grease)
───────────────────────────────────────────────────── 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 1/05 Ｈ０１Ｌ 23/12 Ｊ 32/00 23/14 Ｍ (72)発明者 黒石 農士 茨城県竜ヶ崎市向陽台５丁目６番 株式会 社クボタ技術開発本部つくば分室内 (72)発明者 浅野 壮一 大阪府枚方市中宮大池１丁目１番１号 株 式会社クボタ枚方製造所内 (72)発明者 岡野 宏昭 大阪府枚方市中宮大池１丁目１番１号 株 式会社クボタ枚方製造所内 (72)発明者 船越 淳 大阪府枚方市中宮大池１丁目１番１号 株 式会社クボタ枚方製造所内 Ｆターム(参考） 4K018 AA14 AB02 AC01 BA08 EA21 FA01 HA02 JA34 KA32 5F036 AA01 BA04 BA24 BB05 BD01 BD13 ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of front page (51) Int.Cl. 7 Identification code FI theme code (reference) // C22C 1/05 H01L 23/12 J 32/00 23/14 M (72) Inventor Kuroishi Ashi Ibaraki 5-6 Koyodai, Ryugasaki City, Japan Kubota Technology Development Headquarters, Tsukuba Branch Office (72) Inventor Soichi Asano 1-1-1 Nakanomiya Oike, Hirakata City, Osaka Prefecture In-house Kubota Hirakata Factory (72) Inventor Okano Hiroaki, Osaka Prefecture Hirakata City, Nakamiya Oike 1-1-1, Stock Company, Kubota Hirakata Factory (72) Inventor, Atsushi Funakoshi, Osaka Prefecture, Hirakata City, Nakamiya Oike 1-1-1, F-term (Reference Company, Kubota Hirakata Factory) ) 4K018 AA14 AB02 AC01 BA08 EA21 FA01 HA02 JA34 KA32 5F036 AA01 BA04 BA24 BB05 BD01 BD13
Claims (8)
末層、および高熱伝導性金属粉末層からなる２層粉末充
填体の放電プラズマ焼結体である、金属セラミックス混
合体層(11)と金属層(12)とからなる２層板状体を、フィ
ン形成用櫛刃状キャビテイを有する圧縮成形型に装填
し、金属層(12)を塑性流動変形によりフィン形状に成形
してなる半導体素子用フィン付き放熱性複合基板。1. A metal-ceramic mixture layer (11) and a metal, which is a discharge plasma sintered body of a two-layer powder-filled body consisting of a mixed powder layer of a highly heat-conductive metal and ceramics, and a highly heat-conductive metal powder layer. A two-layer plate-shaped body including a layer (12) is loaded into a compression mold having a comb-shaped cavity for fin formation, and the metal layer (12) is molded into a fin shape by plastic flow deformation. Heat dissipation composite substrate with fins.
ラミックス粉末との混合粉末層、および高熱伝導性金属
粉末層とがこの順に積層された３層粉末充填体の放電プ
ラズマ焼結体である、セラミックス層(13)と金属セラミ
ックス混合体層(11)と金属層(12)とからなる３層板状体
を、フィン形成用櫛刃状キャビテイを有する圧縮成形型
に装填し、金属層(12)を塑性流動変形によりフィン形状
に成形してなる半導体素子用フィン付き放熱性複合基
板。2. A discharge plasma sintered body of a three-layer powder-filled body in which a ceramic powder layer, a mixed powder layer of high thermal conductive metal and ceramic powder, and a high thermal conductive metal powder layer are laminated in this order. A three-layer plate-shaped body composed of the ceramics layer (13), the metal-ceramics mixture layer (11) and the metal layer (12) was loaded into a compression molding die having comb-shaped cavities for fin formation, and the metal layer (12 ) Is a fin-shaped heat-radiating composite substrate for a semiconductor device, which is formed by plastic flow deformation into a fin shape.
混合粉末充填体の放電プラズマ焼結体である、金属セラ
ミックス混合体(11)からなる板状体を、フィン形成用櫛
刃状キャビテイを有する圧縮成形型に装填し、板状体の
背面側の層(11０)を塑性流動変形によりフィン形状に成
形してなる半導体素子用フィン付き放熱性複合基板。3. A plate-shaped body made of a metal-ceramic mixture (11), which is a spark plasma sintered body of a mixed powder filling body made of a metal having high thermal conductivity and ceramics, and has comb-shaped cavities for fin formation. was loaded into a compression mold, the plate-like body rear side of the layer (11 0) semiconductor devices radiating composite substrate finned obtained by molding the fin shape by plastic flow deformation of.
属とセラミックスとの混合粉末層からなる２層粉末充填
体の放電プラズマ焼結体である、セラミックス層(13)と
金属セラミックス混合体層(11)とからなる２層板状体
を、フィン形成用櫛刃状キャビテイを有する圧縮成形型
に装填し、板状体の背面側の層(11０)を塑性流動変形に
よりフィン形状に成形してなる半導体素子用フィン付き
放熱性複合基板。4. A ceramics layer (13) and a metal-ceramics mixture layer (11), which is a discharge plasma sintered body of a two-layer powder-filled body consisting of a ceramics powder layer and a mixed powder layer of a metal having high thermal conductivity and ceramics. the two-layer board like body consisting of) and was charged to a compression mold having a comb-shaped cavity fins formed, by molding the back side of the layer of the plate-like body (11 0) in the fin shape by plastic flow deformation Heat dissipation composite substrate with fins for semiconductor devices.
クスは、炭化珪素，窒化珪素，窒化アルミニウム又はア
ルミナであり、高熱伝導性金属は、アルミニウムもしく
はその合金、銅もしくはその合金、又はマグネシウムも
しくはその合金からなる請求項１〜４のいずれか１項に
記載の半導体素子用フィン付き放熱性複合基板。5. The ceramic of the metal-ceramic mixture layer (11) is silicon carbide, silicon nitride, aluminum nitride or alumina, and the high thermal conductivity metal is aluminum or its alloy, copper or its alloy, or magnesium or its. The heat-dissipating composite substrate with fins for a semiconductor element according to claim 1, which is made of an alloy.
背面側層(11０)の高熱伝導性金属は、アルミニウムもし
くはその合金、銅もしくはその合金、又はマグネシウム
もしくはその合金からなる請求項１又は２に記載の半導
体素子用フィン付き放熱性複合基板。High thermal conductivity metal wherein the metal layer (12) and the rear-side layer of the metal-ceramic mixture (11 0), according to claim 1 consisting of aluminum or its alloys, copper or an alloy thereof, or magnesium or an alloy thereof Alternatively, the heat-dissipating composite substrate with a fin for a semiconductor device according to item 2.
ム，窒化珪素，アルミナ又はベリリアである請求項２又
は４に記載の半導体素子用フィン付き放熱性複合基板。7. The heat-dissipating composite substrate with fins for a semiconductor device according to claim 2, wherein the ceramic layer (13) is aluminum nitride, silicon nitride, alumina or beryllia.
ラミックスの混合量比（体積比）が、フィン形成側に向
って層厚方向に漸次増加する傾斜構造を有している請求
項１〜７のいずれか１項に記載の半導体素子用フィン付
き放熱性複合基板。8. The metal-ceramics mixed layer (11) has an inclined structure in which the metal / ceramics mixing ratio (volume ratio) gradually increases in the layer thickness direction toward the fin forming side. 7. A heat-dissipating composite substrate with fins for a semiconductor element according to any one of items 1 to 7.
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