JP2007103968A - 半導体素子搭載用基板材 - Google Patents

Abstract

【課題】軽量で、周辺部材との間での熱膨張係数の整合性に優れ、高い熱伝導性を有するとともに、補強材粒子が均一に分布し、薄肉の形状や複雑な形状に加工することが容易であり、製造コストの低い半導体素子搭載用基板材を提供する。
【解決手段】半導体素子搭載用基板材は、連続鋳造と圧延加工とによって製造され、アルミニウムおよびマグネシウムからなる群より選ばれた１種の金属を主成分として含む合金中に、酸化アルミニウム、窒化珪素、炭化珪素、ホウ化チタン、酸化ベリリウム、酸化珪素、モリブデン、ニオブおよびタングステンからなる群から選ばれた少なくとも１種を含む材料からなる粒子を体積比率で５体積％以上７０体積％以下含み、かつ、その粒子が均一に分散している。
【選択図】図１

Description

この発明は、半導体装置を構成するヒートシンク材等に用いられる半導体素子搭載用基板材とその製造方法に関するものである。

近年、半導体装置においては半導体素子の高速化や集積度の増加が著しく、半導体素子から発生する熱の影響を無視することができなくなっている。その結果、半導体素子搭載用基板材には、半導体素子から発生する熱を効率よく除去するために高い熱伝導率が要求されるようになってきている。

また、半導体素子搭載用基板材には、半導体素子との間の界面や、その半導体素子が搭載される半導体パッケージを構成する周辺部材との間の界面において熱応力によって発生する歪をできるだけ小さくすることが必要である。これに応じて、半導体素子搭載用基板材の熱膨張係数は、半導体素子や周辺部材の熱膨張係数に対して大きな差がないように整合性が求められる。

たとえば、半導体素子を構成する珪素（Ｓｉ）の熱膨張係数は４．２×１０^-6／℃、ガリウム砒素（ＧａＡｓ）の熱膨張係数は６．５×１０^-6／℃である。これに対して、半導体パッケージを構成する周辺部材がセラミックスから形成される場合には、たとえば、アルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃）の熱膨張係数は６．５×１０^-6／℃である。周辺部材がプラスチックから形成される場合には、プラスチックの熱膨張係数は１２×１０^-6〜１７×１０^-6／℃である。このように、半導体素子を構成する材料の熱膨張係数に対して、その半導体素子が搭載される半導体パッケージを構成する周辺部材の材料の熱膨張係数は比較的大きい。また、周辺部材に用いられる材料によっては、その熱膨張係数の大きさはさまざまである。

したがって、半導体素子搭載用基板材の熱膨張係数も、半導体素子や周辺部材に応じて、それらの熱膨張係数に比較的近い熱膨張係数を有する材料が用いられてきた。

半導体素子や周辺部材を構成する材料の熱膨張係数に近い半導体素子搭載用基板材としては、従来から、たとえば、特開昭５２−５９５７２号公報や特開平６−１３４９４号公報に開示されているように、タングステン（Ｗ）、モリブデン（Ｍｏ）、銅（Ｃｕ）、または、これらの金属の複合材（銅−タングステン合金、銅−モリブデン合金等）が用いられてきた。しかしながら、半導体パッケージの周辺部材がプラスチックから形成される場合には、プラスチックの剛性が低いために、基板材を形成する銅−タングステン合金や銅−モリブデン合金のような比重が高い材料と組合わせると、変形が生じやすくなる。このため、これらの合金材料を基板材として用いてプラスチック製半導体パッケージに組入れることは制限されてきた。

また、半導体素子とパッケージとの電気的接合にワイヤを用いる代わりにはんだボールを用いる方法（フリップチップ方式）や、マザー基板への接合にピンを用いる代わりにハンダボールを用いる方法（ボールグリッドアレイ方式）が広く採用されるようになってきている。これらの方式を採用する場合、基板材が重いと、はんだボールが必要以上に潰れる危険性が高くなる。このため、上記のような銅−タングステン合金や銅−モリブデン合金を基板材に用いることは困難となる。

さらに、タングステンやモリブデンは比較的高価な金属であるため、製造コストの点においても上記の合金を基板材に用いることには問題がある。

以上のことから、半導体素子搭載用基板材に対しては、軽量であり、周辺部材との間の熱膨張係数の整合性に優れ、かつ安価な材料が望まれている。

一方、最近では、プラスチック製半導体パッケージにおいても、半導体素子の集積度が急速に増大してきたため、従来のパッケージ構造では、その集積度に対応可能な数の端子を設けることが困難になってきている。このため、半導体素子の集積度の増大に対応可能なパッケージ構造が次々と開発されてきている。したがって、パッケージ形状の多様化や複雑化に容易に追随することができるように半導体素子搭載用基板材に種々の形状を付与することが求められてきている。

以上のようなパッケージ構造の変化は、軽量化とともに、今後急速に進行していくものと考えられる。これに伴って、半導体素子搭載用基板材には、周辺部材との間で熱膨張係数の整合性に優れ、かつ高い熱伝導性を有するだけでなく、軽量で、かつ、形状の多様化や複雑化に容易に追随できるように容易に形状を付与することができる材料が要求されてきている。たとえば、基板材のサイズはより一層小さくなりつつあり、その形状は周辺部材との組合わせに応じて、より一層多種多様のものが要求されてきている。すなわち、基板材には、より薄い形状やより複雑な形状が求められている。

従来、基板材の形状は、複数枚の平板状の材料を接続または積層することによって作られることが多かった。しかしながら、今後は、パッケージを構成する他の部品との配置関係に応じて、基板材の主表面の一部に凹凸がさまざまなパターンで形成されて一体化したものが多くなるものと考えられる。このような形状に対する要求は、小型から中型までの汎用電子機器に用いられる半導体装置（半導体デバイス）において特に強まるものと思われる。また、プラスチック製半導体パッケージ以外のパッケージを用いた中型以上の半導体装置においても、上記のような要請は高まりつつある。

軽量で、周辺部材との間で熱膨張係数の整合性に優れ、かつ、高い熱伝導性を有する材料としては、最近では、アルミニウム複合材料がその候補として提案されている。アルミニウム複合材料の中でも、アルミニウム−炭化珪素（Ａｌ−ＳｉＣ）複合材料は、原料のアルミニウムと炭化珪素がともに比較的安価であり、かつ、高い熱伝導性を有する材料である。また、熱膨張係数が小さい炭化珪素（４．２×１０^-6／℃）と、熱膨張係数が大きいアルミニウム（２３．５×１０^-6／℃）とを組合わせることにより、広い範囲で任意の熱膨張係数を得ることができる。これらの利点のため、アルミニウム−炭化珪素複合材料は半導体素子搭載用基板材として使用され始めている。
特開昭５２−５９５７２号公報 特開平６−１３４９４号公報

アルミニウム−炭化珪素複合材料からなる半導体素子搭載用基板材とその製造方法は、たとえば、特開平１０−３３５５３８号公報に開示されている。この公報には、アルミニウム炭化珪素原料粉末を圧縮成形してさまざまな形状の成形体を作製し、その成形体を焼結してアルミニウム炭化珪素複合材料を製造する方法が記載されている。しかしながら、この製造方法で得られたアルミニウム炭化珪素複合材料を半導体素子搭載用基板材に用いるためには、薄肉の材料を精度よく形成することが困難であり、製造コストの点においても問題があった。

一方、米国特許第６２５０１２７号公報では、アルミニウム炭化珪素複合材料を製造するための別の方法が提案されている。この米国特許公報によれば、量産方法で得られたアルミニウム炭化珪素複合インゴットを熱間押出法でストリップ形状に加工し、さらに熱間圧延加工によって厚みが１〜２ｍｍのリボン形状に加工し、これを加熱してスタンピングとコイニング加工によってリッド形状の基板材を製造する方法が記載されている。しかしながら、この製造方法では、薄肉の基板材を製造することも可能であるが、たとえば、リッド形状に加工する際に加熱が必要であり、この加熱が製造コストを増大させる要因となるという問題があった。さらに、今後、複雑な形状の基板材が要求されるようになると、その形状加工のために加熱工程が必須になれば、さらに製造コストが上昇するのを回避することができなくなるので、上記の製造方法は製造コストの点で大きな問題がある。

また、たとえば、特許第３０２３９８５号公報には、金属マトリックス複合材料を鋳造するための装置とその方法が開示されている。この特許公報には、金属マトリックスに補強材粒子を分散させた複合材料を鋳造する方法が開示されている。特に、補強材粒子が均一に分散した固体鋳造複合材料を製造する方法が記載されている。

ところで、半導体素子搭載用基板材に複合材料を用いる場合、通常の構造材料とは異なり、補強材粒子がより均一に分布していることが要求される。複合材料を薄板に加工する工程で、補強材粒子が均一に分布していないと、均一な加工が行なわれないために、薄板に部分的な反りやうねり等が発生する。また、均一な加工を行なうことができないため、薄肉への加工や複雑な形状を付与する加工が困難になり、あるいは不可能になる場合がある。上記の加工を行なうことができたとしても、反りやうねり等が発生するという問題がある。さらに、複合材料において補強材粒子が均一に分布していないと、複合材料の熱膨張係数や熱伝導率等の特性にばらつきが生じるという問題がある。補強材粒子が均一に分布していないと、形状を付与した後の表面の粗さが大きくなり、または補強材粒子が脱落するという問題がある。したがって、複合材料を半導体素子搭載用基板材に用いる場合には、補強材粒子をより均一に分布させることが要求される。

このような要求に対して、上記の特許第３０２３９８５号公報には、金属マトリックス複合材料の鋳造方法において、冷却速度を高くすることにより、補強材粒子としてセラミックス粒子の分布はより均一となり、セラミックス粒子が全くない領域とセラミックス粒子の濃度が高すぎる領域の発生率が減少することが開示されている。しかし、冷却速度を高くするだけでは、半導体素子搭載用基板材に要求される補強材粒子の分布の均一性を得ることができないという問題があった。すなわち、通常の構造材に複合材料を用いる上では問題とはならなかった程度の補強材粒子の分布の不均一性が、半導体素子搭載用基板材においては問題となり、補強材粒子の分布のより一層の均一化が望まれている。

そこで、この発明の目的は、上述のような先行技術の背景の下で、軽量で、周辺部材との間での熱膨張係数の整合性に優れ、高い熱伝導性を有するとともに、補強材粒子が均一に分布し、薄肉の形状や複雑な形状に加工することが容易であり、製造コストの低い半導体素子搭載用基板材を製造することである。

この発明に従った半導体素子搭載用基板材は、連続鋳造と圧延加工とによって製造され、アルミニウムおよびマグネシウムからなる群より選ばれた１種の金属を主成分として含む合金中に、酸化アルミニウム、窒化珪素、炭化珪素、ホウ化チタン、酸化ベリリウム、酸化珪素、モリブデン、ニオブおよびタングステンからなる群から選ばれた少なくとも１種を含む材料からなる粒子を体積比率で５体積％以上７０体積％以下含み、かつ、その粒子が均一に分散している。

上記半導体素子搭載用基板材において、体積比率は１５体積％以上５０体積％以下であってもよい。

上記半導体素子搭載用基板材において、腐食処理を施すことにより形成される深さが０．２ｍｍの凹部における表面粗さがＲａで３．６μｍ以下となる程度に、粒子が合金中に均一に分散していてもよい。

上記半導体素子搭載用基板材において、室温にてスタンピングまたはコイニングによって深さが０．２ｍｍの凹部を形成したときに割れが発生しない程度に、粒子が合金中に均一に分散していてもよい。

また、本願発明者は、上記の目的を達成するために種々検討した結果、セラミックス粒子または金属粒子をより均一に分散した基板材を得るためには、連続鋳造工程において冷却速度を高めるだけではなく、連続鋳造工程において凝固過程を通じて冷却速度の変化率を低くすることが必要である、という知見を得た。この知見に基づいて、この発明に従った半導体素子搭載用基板材の製造方法は、以下の特徴的な工程を備える。

この発明の半導体素子搭載用基板材の製造方法は、セラミックス粒子および金属粒子の少なくともいずれか１種の粒子を溶融金属中に分散させることによって溶融混合物を得る混合工程と、溶融混合物を連続的に冷却して凝固させることによって鋳造材を得る連続鋳造工程とを備え、連続鋳造工程において凝固過程を通じた冷却速度の変化率が５０％以下であることを特徴とする。

この発明の製造方法では、連続鋳造工程において冷却速度の変化率が２０％以下であるのが好ましい。

また、この発明の製造方法では、連続鋳造工程において冷却速度は５０℃／秒以上であるのが好ましい。

さらに、この発明の製造方法では、連続鋳造工程において得られる鋳造材の厚みが２０ｍｍ以下であるのが好ましい。

この発明の製造方法では、連続鋳造工程において鋳造速度は１０００ｍｍ／分以上であるのが好ましい。

この発明の製造方法は、鋳造材を板状材に加工する工程と、板状材に形状を付与する工程とをさらに備えるのが好ましい。この場合、連続鋳造工程と板状材に加工する工程とを連続して行なうのがより好ましい。

鋳造材を板状材に加工する工程は、圧延加工によって鋳造材を薄板状材に加工する複数パスの圧延工程を含むのが好ましい。この場合、複数パスの圧延工程のうち、少なくとも１回のパスの圧延工程では圧延加工する前に素材を２００℃以上５５０℃以下の温度に加熱するのが好ましい。

板状材に形状を付与する工程は、コイニングおよびスタンピングの少なくともいずれか１種の加工を室温で施すことによって行なわれるのが好ましい。また、板状材に形状を付与する工程は、板状材の一部に腐食防止処理を施した後、板状材を腐食剤に接触させて、腐食防止処理を施した部分以外の少なくとも一部を除去することによって行なわれてもよい。

この発明の製造方法において連続鋳造工程は、双ベルト法、ベルト車輪法、双ロール法および横型鋳造法のいずれかの鋳造法を用いて行なわれるのが好ましい。

上記の連続鋳造工程において凝固過程にある溶融混合物が接触する鋳造工具部材の材料、たとえば、ベルト、車輪、ロールまたは鋳型の材料は、鉄、鉄合金、銅、銅合金および黒鉛のいずれかの材料を含むのが好ましい。

この発明の製造方法において混合工程は、半溶融状態で機械的に攪拌することによって粒子を溶融金属中に均一に分散させることによって行なわれるのが好ましい。

この発明の製造方法において用いられる溶融金属は、アルミニウムおよびマグネシウムのいずれか１種を少なくとも含むのが好ましい。

また、この発明の製造方法において用いられる粒子は、酸化アルミニウム、窒化珪素、炭化珪素、ホウ化チタン、酸化ベリリウム、酸化珪素、モリブデン、ニオブおよびタングステンのいずれか１種を少なくとも含む材料からなるのが好ましい。

この発明の製造方法の混合工程において得られる溶融混合物は、平均粒径が０．１μｍ以上３５μｍ以下の粒子を５体積％以上７０体積％以下、溶融金属中に含有するのが好ましい。

この発明のもう一つの局面に従った半導体素子搭載用基板材料は、上述した特徴をいずれかを備えた製造方法によって製造される。

好ましくは、この発明の半導体素子搭載用基板材料は、アルミニウムまたはマグネシウムを主成分として含む合金中に、酸化アルミニウム、窒化珪素、炭化珪素、ホウ化チタン、酸化ベリリウム、酸化珪素、モリブデン、ニオブおよびタングステンのいずれか１種を少なくとも含む材料からなる粒子を均一に分散したものである。

上述の製造方法によって得られた半導体素子搭載用基板材は、軽量で、半導体装置を構成する周辺部材との熱膨張係数の整合性がよく、かつ、優れた熱伝導性を有する。また、半導体素子搭載用基板材は、セラミックス粒子または金属粒子が均一に分布しており、薄肉で、複雑な形状に加工することが容易で、かつ、安価であるという特徴を有している。

以上のようにこの発明によれば、軽量で、周辺部材との間の熱膨張係数の整合性に優れ、かつ高い熱伝導性を有する半導体素子搭載用基板材の製造方法において、セラミックス粒子または金属粒子を均一に分布させることができ、かつ、薄肉や複雑な形状に加工することができ、製造コストの低い製造方法を提供することが可能となる。

したがって、種々の半導体装置におけるパッケージの軽量化とその構造の変化に容易に追随することが可能で、軽量でかつ種々の形状の半導体素子搭載用基板を安価で提供することができる。

本発明の具体的な実施の形態においては、半導体パッケージとしてセラミックパッケージやメタルパッケージに好適であるとともに、特にプラスチックパッケージ、フリップチップ方式やボールグリッドアレイ方式等のパッケージ方式に好適な熱伝導率と熱膨張係数を有し、軽量で、今後ますます複雑化する形状にも対応可能で、かつ、製造コストの低い半導体基板材の製造方法について種々検討がなされた。従来の溶解・複合・鋳造法を用いて、金属または合金中にセラミックス粒子や金属粒子が分散した複合材料を製造した場合、鋳造材の各部位において冷却速度等の鋳造条件が変化し、結晶粒径や、セラミックス粒子または金属粒子の分布状態が均一な鋳造材を得ることができなかった。その結果、熱伝導率や熱膨張係数等の特性にばらつきが発生し、また、鋳造材の後工程での加工性に悪影響を与えていた。そこで、本願発明者は、鋳造方法の種々の条件について検討を重ねた結果、金属または合金中にセラミックス粒子や金属粒子が分散した複合材料の連続鋳造において、結晶粒径が微細でかつ均一で、セラミックス粒子や金属粒子の分散が均一な鋳造材を得ることができ、さらに鋳造材を薄板に加工した後で形状を付与するための加工性を良好にするための最適条件を見出した。すなわち、連続鋳造工程において冷却速度を高くするだけでなく、凝固過程を通じて冷却速度の変化率（同一断面での場所による変化率、長手方向の場所による変化率）を低くすることにより、セラミックス粒子または金属粒子をより均一に分布させることができることを見出した。具体的な条件としては、連続鋳造工程において凝固過程を通じた冷却速度の変化率を５０％以下にすれば、セラミックス粒子や金属粒子をより均一に分散させることができることを見出した。このような冷却速度の変化率の制御は、具体的には鋳型等の鋳造工具部材の材質、鋳造材の厚み、鋳造速度等を最適化することによって達成することができる。

また、連続鋳造工程と薄板への加工工程とを連続して行なうことにより、鋳造材を加工するために再度加熱する必要がなくなり、より低い製造コストで基板材を製造することが可能になる。また、上記の工程を連続して行なうことにより、再加熱時に酸化被膜が形成されるのを防止することができ、表面状態が良好な薄板を得ることができる。

上記の鋳造条件において、凝固過程を通じた冷却速度の変化率を５０％以下とする理由は、鋳造材の断面内（たとえば表面と中心部）にわたって、また、長手方向にわたって、結晶粒径と、セラミックス粒子または金属粒子の分散状態とがより均一になるからである。なお、上記の冷却速度の変化率の下限値は、０．１％程度である。

また、溶融混合物から鋳造材を得る連続鋳造工程において冷却速度は５０℃／秒以上であるのが好ましい。冷却速度を５０℃／秒以上にする理由は、冷却速度が５０℃／秒以上になると、鋳造材において結晶粒がより微細になり、セラミックス粒子または金属粒子をより均一に分散させることが可能となるからである。なお、上記の冷却速度の上限値は２０００℃／秒程度である。

さらに、鋳造材の厚みは２０ｍｍ以下、より最適には１０ｍｍ以下であるのが好ましい。鋳造材の厚みが２０ｍｍ以下であれば、セラミックス粒子または金属粒子の分散状態がより均一となり、１０ｍｍ以下になると、さらにセラミックス粒子または金属粒子の分散状態がより均一で結晶粒もより微細となる。なお、鋳造材の厚みの下限値は０．１ｍｍ程度である。

連続鋳造工程において鋳造速度は１０００ｍｍ／分以上であることが好ましい。鋳造速度を１０００ｍｍ／分以上にする理由は、鋳造速度が１０００ｍｍ／分以上になると、リップルマークがより小さく、表面状態が良好な鋳造材を得ることができ、セラミックス粒子または金属粒子の分散状態がより均一で結晶粒もより微細となるためである。なお、鋳造速度の上限値は１００ｍ／分程度である。

連続鋳造工程で用いられるロール鋳造機に与えられる実効圧下率は５０％以下であるのが好ましい。実効圧下率を５０％以下にする理由は、実効圧下率が５０％を超えると鋳造材を得ることができなくなるためである。

連続鋳造工程において得られた鋳造材を薄板に加工する方法としては、鋳造材を圧延加工により薄板状にし、圧延加工を複数パス行ない、その複数パスのうち、少なくとも１パスは圧延加工前に素材を２００℃以上５５０℃以下の温度に加熱するのが好ましい。この場合、素材の加熱温度を２００℃以上５５０℃以下にする理由は、２００℃未満では加工歪が蓄積し、圧延割れが生じ、５５０℃を超えると母相が溶解する可能性があるためである。

薄板に形状を付与する方法としては、室温でコイニングおよびスタンピング加工する方法がある。本発明の連続鋳造工程を経由して得られた薄板は、結晶粒が微細で、セラミックス粒子または金属粒子が均一に分散している。このため、室温で薄板をコイニングおよびスタンピング加工することによって、複雑な形状に容易に加工することができる。

また、薄板に形状を付与する別の加工方法としては、薄板の一部に腐食防止処理を施した後、薄板を腐食剤に接触させて、腐食防止処理された部分以外の少なくとも一部を除去する加工方法を採用してもよい。この場合、本発明の連続鋳造工程を経由して得られた薄板は、結晶粒が微細で、セラミックス粒子または金属粒子が均一に分散しているので、表面が非常に平滑で、かつ複雑な形状の部材を低い製造コストで得ることができる。

金属または合金中にセラミックス粒子または金属粒子を分散させた複合材料の連続鋳造方法としては、双ベルト法、ベルト車輪法、双ロール法、横型鋳造法等を採用するのが好ましい。いずれの方法を採用しても、セラミックス粒子または金属粒子を均一に分散させた複合材料の連続鋳造を行なうことが可能であるが、薄板を寸法精度よく製造するためには横型鋳造法を採用するのが最も適している。また、双ロール法を採用すると、圧下を加えることが可能であり、溶融状態で気泡等の欠陥が存在しても鋳造時において修復することができる。

連続鋳造工程において凝固過程にある溶融混合物が接触する鋳造工具部材の材料、すなわち、ベルト、車輪、ロールの材質や横型鋳造の鋳型の材質が鉄、鉄合金、銅、銅合金または黒鉛であれば、本発明の作用効果を達成するための好ましい連続鋳造工程を実現することができる。上記の材質として銅または銅合金を採用する場合には、連続鋳造工程における冷却速度を最も高めることができ、その結果、鋳造速度を高くすることが可能となる。また、上記の材質として黒鉛を採用する場合には、無潤滑で連続鋳造を行なうことが可能となる。なお、ベルト、車輪、ロールまたは横型鋳造の鋳型は、空冷、水冷等により強制的に温度を一定にするのが好ましい。

母相の溶融金属中にセラミックス粒子または金属粒子を均一に分散させる方法としては、母相が完全に液相状態の溶融金属中に攪拌によってセラミックス粒子または金属粒子を分散させる方法がある。しかし、母相が半溶融状態のときに攪拌した方が、短時間でより均一に粒子を分散させることができる。また、母相が半溶融状態で攪拌した場合、湯流れ性が良好であるため、後工程の連続鋳造を行なうことが容易になる。特に、薄板の連続鋳造材を容易に得ることが可能となる。

軽量で、かつ、周辺部材との間での熱膨張係数の整合性に優れ、高い熱伝導性を有する半導体素子搭載用基板材は、母相がアルミニウム、マグネシウムおよびそれらを主成分とする合金であるのが好ましい。セラミックス粒子または金属粒子は、酸化アルミニウム、窒化珪素、炭化珪素、ホウ化チタン、酸化ベリリウム、酸化珪素、モリブデン、ニオブおよびタングステンの少なくとも１種以上であるのが好ましい。

また、セラミックス粒子または金属粒子を短時間で複合化、たとえば攪拌することができ、母相と粒子との間の反応を少なくし、欠陥の発生を減少させ、均一に分散させるためには、母相を合金化させるのが好ましい。母相としてアルミニウム合金を用いる場合には、たとえば、そのアルミニウム合金は、珪素（Ｓｉ）、チタン（Ｔｉ）、マグネシウム（Ｍｇ）、ストロンチウム（Ｓｒ）およびカルシウム（Ｃａ）からなる群より選ばれた少なくとも１種類の元素と不可避不純物を含むものを用いるのが好ましい。また、母相としてマグネシウム合金を用いる場合には、そのマグネシウム合金は、たとえば、アルミニウム（Ａｌ）、亜鉛（Ｚｎ）、珪素（Ｓｉ）、チタン（Ｔｉ）、カルシウム（Ｃａ）、ストロンチウム（Ｓｒ）、マンガン（Ｍｎ）、ジルコニウム（Ｚｒ）および希土類元素からなる群より選ばれた少なくとも１種類の元素と不可避不純物を含むものを用いるのが好ましい。

セラミックス粒子または金属粒子の平均粒径は０．１μｍ以上３５μｍ以下であればよく、粒子の含有量は５体積％以上７０体積％以下であればよい。平均粒径が０．１μｍ以上３５μｍ以下の粒子を用いる理由は、０．１μｍ未満では均一に分散させるのが困難であり、３５μｍを超えると溶融状態で静置すると重力偏析しやすくなるためである。粒子の含有量を５体積％以上７０体積％以下にする理由は、５体積％未満では最終的に得られる複合材料としての基板材の熱膨張係数や熱伝導率が母相を構成する金属または合金とほとんど差がなく、セラミックス粒子または金属粒子を母相中に含有させる利点がなくなるためであり、７０体積％を超えると粒子を均一に分散させるのが困難になるためである。

母相としてアルミニウム合金とマグネシウム合金の２種類の組成を用いて、セラミックス粒子または金属粒子が母相中に分散した複合材を作製した。

純度が９９．９５％のアルミニウムのインゴットを大気中で電気炉にて溶解し、珪素（Ｓｉ）を添加して、アルミニウム−８質量％珪素合金を約３０ｋｇ作製した。その後、アルゴン（Ａｒ）ガスを用いて溶湯処理を施した。そして、得られたアルミニウム合金溶湯を、坩堝と攪拌羽根を有する真空引きが可能な複合炉に移した。その後、上記のアルミニウム合金溶湯にストロンチウム（Ｓｒ）を添加して、アルミニウム−８質量％珪素−０．１質量％ストロンチウム合金溶湯を作製した。この溶湯の表面に形成された酸化膜を除去した後、１．３３Ｐａ（１０-2Ｔｏｒｒ）の圧力まで真空引きした。そして、溶湯の温度を５９５℃に保持した状態で、溶湯の攪拌を開始した。攪拌羽根の回転数は６００ｒｐｍであった。溶湯の攪拌が安定した状態を確認した後、炭化珪素（ＳｉＣ）またはホウ化チタン（ＴｉＢ）の粒子を添加することにより、粒子が均一に分散した複合材を各約１０ｋｇ作製した。このようにして得られた複合材の母相組成、添加粒子の種類、平均粒径および添加割合を表１の種類Ａ、ＢおよびＣにそれぞれ示す。

また、純度が９９．９５％のマグネシウムインゴットをアルゴン（Ａｒ）ガス雰囲気中で溶解した。この溶湯にアルミニウム（Ａｌ）とカルシウム（Ｃａ）を添加して、マグネシウム−２質量％Ａｌ−０．５質量％カルシウム合金を作製した。その後、マグネシウム合金溶湯を上記の複合炉に移した。溶湯の温度を６４０℃に保持した状態で溶湯の攪拌を開始した。攪拌羽根の回転数は６００ｒｐｍであった。溶湯の攪拌が安定した状態を確認した後、炭化珪素（ＳｉＣ）またはニオブ（Ｎｂ）の粒子を添加することにより、粒子が均一に分散した複合材を各約１０ｋｇ作製した。このようにして得られた複合材の母相組成、添加粒子の種類、平均粒径および添加割合を表１の種類ＤおよびＥに示す。

表１に示す各種類の複合材の溶湯を、双ベルト法、ベルト車輪法、または双ロール法の各種鋳造機、あるいは横型鋳造機の鋳型まで、樋等の湯道を通じて供給することにより、連続鋳造法によって鋳造材を作製した。なお、比較例として、通常の金型に複合材の溶湯を鋳造することにより鋳造材を作製した。複合材の種類、鋳造条件と得られた鋳造材の寸法を表２に示す。

連続鋳造工程において、複合炉から鋳造機へ複合材の溶湯を供給する場合に、特に攪拌等を施さなくても、鋳造材に重力偏析は見られなかった。また、得られた鋳造材の断面を観察したところ、試料Ｎｏ．１〜７の鋳造材はいずれも結晶粒が微細で、セラミックス粒子または金属粒子が均一に分散していることが確認された。しかし、比較例の鋳造材では、本発明例の試料Ｎｏ．１〜７と比較すると、結晶粒が大きく、セラミックス粒子としての炭化珪素（ＳｉＣ）粒子の分布が不均一であった。

図１と図２は、表２の試料Ｎｏ．４の鋳造材の断面を観察した顕微鏡写真である。図３は、比較例として作製した鋳造材の断面を観察した顕微鏡写真である。

得られた試料Ｎｏ．１〜７と比較例の鋳造材をそれぞれ圧延加工して厚み１．０ｍｍの薄板を作製した。試料Ｎｏ．３、４、５、７および比較例の鋳造材については、鋳造材を温度４５０℃に加熱して、１パスごとの厚み減少率を２０％にして、厚みが１．０ｍｍになるまで熱間圧延加工を施した。また、試料Ｎｏ．１、２および６の鋳造材については、鋳造材を温度４００℃に加熱して、１パスにおける厚み減少率を２０％にして、厚みが１．０ｍｍになるまで熱間圧延加工を施した。その結果、試料Ｎｏ．１〜７の鋳造材については、いずれも問題なく、厚みが１．０ｍｍになるまで圧延加工することができた。しかし、比較例の鋳造材については、厚みが１．０ｍｍになるまで圧延加工を施すことができたが、得られた圧延材に耳割れが発生していた。

上記で得られた試料Ｎｏ．１〜７と比較例の複合材の熱伝導率と熱膨張係数を測定した。熱伝導率は、円板状試片を用いてレーザーフラッシュ法によって測定した。熱膨張係数は、柱状試片を用いて差動トランス方式によって測定した。その結果を表３に示す。

次に、圧延加工によって得られた試料Ｎｏ．１〜７と比較例の各薄板を用いて、幅と長さが３０ｍｍの形状に加工し、中央部に幅と長さが１５ｍｍで深さが０．２ｍｍの凹部を形成した。その結果、試料Ｎｏ．１〜７については、室温でスタンピングとコイニングによって上記の形状を薄板に付与することができた。しかし、比較例の試料については、室温でスタンピングとコイニングによって上記の形状を薄板に付与する加工を行なったところ、割れが発生し、所望の形状を得ることができなかった。そこで、比較例の試料については、温度２５０℃に加熱した状態で薄板にスタンピングとコイニングの加工を施すと、問題なく、上記の形状を薄板に付与することができた。

また、得られた試料Ｎｏ．１〜７と比較例の薄板を用いて、上記と同様の形状を薄板に付与するために、腐食処理を薄板に施した。その結果、試料Ｎｏ．１〜７については、凹部の表面は非常に平滑であった。しかし、比較例の試料については、本発明例の試料と比較すると、表面粗さが大きくなっていた。表面粗さを測定したところ、試料Ｎｏ．１〜７の表面粗さＲａは、それぞれ、３．１、３．２、３．５、３．６、３．２、３．１、３．３μｍであり、比較例の試料の表面粗さＲａは１１．２μｍであった。

以上に開示された実施の形態や実施例はすべての点で例示であって制限的なものではないと考慮されるべきである。本発明の範囲は、以上の実施の形態や実施例ではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての修正や変形を含むものと解されるべきである。

この発明は、導体装置を構成するヒートシンク材等に有利に適用される。

この発明の実施例において得られた鋳造材の断面を示す顕微鏡写真である。 この発明の実施例で得られた鋳造材の断面をさらに拡大して示す顕微鏡写真である。 この発明の比較例として得られた鋳造材の断面を示す顕微鏡写真である。

Claims (4)

1. 連続鋳造と圧延加工とによって製造され、
   アルミニウムおよびマグネシウムからなる群より選ばれた１種の金属を主成分として含む合金中に、酸化アルミニウム、窒化珪素、炭化珪素、ホウ化チタン、酸化ベリリウム、酸化珪素、モリブデン、ニオブおよびタングステンからなる群から選ばれた少なくとも１種を含む材料からなる粒子を体積比率で５体積％以上７０体積％以下含み、かつ、その粒子が均一に分散した、半導体素子搭載用基板材。
2. 前記体積比率が１５体積％以上５０体積％以下である、請求項１に記載の半導体素子搭載用基板材。
3. 腐食処理を施すことにより形成される深さが０．２ｍｍの凹部における表面粗さがＲａで３．６μｍ以下となる程度に、前記粒子が前記合金中に均一に分散していることを特徴とする、請求項１または２に記載の半導体素子搭載用基板材。
4. 室温にてスタンピングまたはコイニングによって深さが０．２ｍｍの凹部を形成したときに割れが発生しない程度に、前記粒子が前記合金中に均一に分散していることを特徴とする、請求項１から３のいずれか１項に記載の半導体素子搭載用基板材。

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