JP2003078087A

JP2003078087A - 半導体素子用フィン付き放熱性複合基板

Info

Publication number: JP2003078087A
Application number: JP2001267340A
Authority: JP
Inventors: Yoshiyuki Shin; 佳之新; Atsushi Sugai; 淳菅井; Atsushi Kuroishi; 農士黒石; Soichi Asano; 壮一浅野; Hiroaki Okano; 宏昭岡野; Atsushi Funakoshi; 淳船越
Original assignee: Kubota Corp
Current assignee: Kubota Corp
Priority date: 2001-09-04
Filing date: 2001-09-04
Publication date: 2003-03-14

Abstract

(57)【要約】【課題】半導体素子モジュール構成に使用される改良さ
れた放熱特性を有するフィン付き複合基板を提供する。【解決手段】この複合基板は、板状基部(1)とフィン(2)
との一体成形物である。板状基部(1)は、金属セラミッ
クス混合体(11)又はセラミックス層(13)と金属セラミッ
クス混合体の層(11)からなり、フィン(2)は金属単一体
(12)又は金属セラミックス混合体(11)からなる。放電プ
ラズマ焼結処理により形成される予備成形体を圧縮加工
に付し塑性流動によりフィンを形成することにより製作
される。複数の層からなる積層体でありながら、層界面
に熱移動の障壁となる異相が存在せず良好な放熱特性を
有する。フィン(2)は、焼結原料粉末として使用する金
属粉末の選択（及びセラミックス配合量の調整）により
超塑性流動条件下に薄肉櫛刃状突片をニアネットシェイ
プに成形される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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）。

【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）。

【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）。

【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）。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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（11_１,11_２,1
1_３）からなる多層構造を有している。各層（11_１,1
1_２,11_３）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11_１
＜11_２＜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。

【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（11_１,11_２, 11_３,11_４）からなる多層構造を有
している。各層（11_１,11_２,11_３,11_４）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11_１＜11_２＜11_３＜11_４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。

【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

【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。

【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。

【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。

【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。

【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
（１１_０）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。

【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（１１_０）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。

【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（11_１）（11_２）
（11_３）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、11_１＜11_２
＜11_３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。

【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（11_１）〜（1
1_４）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、11_１＜11_２＜11
_３＜11_４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（11_４）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。

【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
（Ｓｉ_３Ｎ_４）、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）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。

【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（１１_１）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（１１_３）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。

【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。

【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。

【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（Ｓｉ_３Ｎ_４）、アルミナ（Ａｌ
_２Ｏ_３）、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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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(P1_１,P1
_２,P1_３,P1_４)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
1_４）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。

【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１０^４℃/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。

【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。

【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（１１_０）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（１１_０）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（１１_０）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。

【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。

【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
１_０）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。

【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（１１_０）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、T_liq -35℃〜T_liq -10℃（T_liq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。

【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。

【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）

【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

【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。

【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）

【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

【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。

【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。

【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

【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。

【図面の簡単な説明】

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【図１３】放電プラズマ焼結工程を示す断面説明図であ
る。

【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。

【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。

【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。

【符号の説明】

１：放熱性複合基板の板状基部２：フィン１１(11_１-11_４)：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(P1_１-P1_４)：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）

───────────────────────────────────────────────────── 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

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】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。
【請求項２】セラミックス粉末層、高熱伝導性金属とセ
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。
【請求項３】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(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(11_０)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。
【請求項４】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(11_０)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。
【請求項５】金属セラミックス混合体層(11)のセラミッ
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。
【請求項６】金属層(12)及び金属セラミックス混合体の
背面側層(11_０)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。
【請求項７】セラミックス層(13)は、窒化アルミニウ
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。
【請求項８】金属セラミックス混合層(11)は、金属／セ
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。