WO2006100769A1 - 金属基板−炭素基金属複合材料構造体および該構造体の製造方法 - Google Patents

金属基板−炭素基金属複合材料構造体および該構造体の製造方法 Download PDF

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Noriaki Kawamura
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Definitions

  • the present invention relates to a bonded structure of a metal substrate and a carbon-based metal composite material (MICC: Metal Impregnated Carbon Composites), and a method of manufacturing the bonded structure, and more particularly, a metal having a copper or aluminum force.
  • TECHNICAL FIELD The present invention relates to a structure formed by bonding a substrate and a carbon-based metal composite material with a brazing material, an IC (semiconductor integrated circuit) package using the structure, an electronic circuit including the IC package, and a method for manufacturing the structure.
  • IC semiconductor integrated circuit
  • the thermal expansion coefficient of ceramics used for semiconductors or semiconductor circuit boards is 4 to 8ppmZ ° C, while the thermal expansion coefficient of aluminum and copper is as large as 16-23p pmZ ° C! For this reason, a high thermal stress is generated in the bonding layer due to the difference in the coefficient of thermal expansion, which makes it impossible to simply join the two.
  • the first countermeasure is to select a heat dissipation substrate having a low thermal expansion coefficient.
  • a heat dissipation substrate having a low thermal expansion coefficient Conventionally, copper, aluminum metal having high thermal conductivity is applied to silicon carbide, tungsten, molybdenum, etc. having a low thermal expansion coefficient. Materials with combinations and thermal expansion coefficients adjusted to 7-10ppmZ ° C are available.
  • the thermal conductivity is 200—300 W / m ⁇ K for materials using copper and 150—200 W / m ⁇ K for materials using aluminum. Because it has a thermal conductivity of 20% or more lower than the thermal conductivity of copper and aluminum alone, and the Young's modulus of the substrate is high, the heat generated in the bonding layer when bonding to silicon, aluminum nitride, etc. with a thermal expansion coefficient of about 4 ppmZ ° C. There is a problem that stress becomes large and it is difficult to bond in a large area.
  • the second measure is to use a low Young's modulus resin or solder for the bonding layer, and to reduce the thermal expansion coefficient. It is to relieve the thermal stress caused by the difference.
  • the disadvantages are that the thermal conductivity of the resin and solder is low, lWZm'K number lOWZm'K, respectively, and because the fracture stress is small, a thick joint layer is required, resulting in a decrease in the thermal resistance of the joint layer. Is to grow.
  • greaves it has been pointed out that solder with low hygroscopicity and heat resistance has a low yield stress in the practical temperature range and easily causes thermal fatigue.
  • thermal stress relaxation effect means that when two materials with different thermal expansion coefficients are joined, the stress generated at the joint interface is the thermal expansion coefficient of the two materials and the elastic modulus of each material. Therefore, the stress generated in the material is small, the material can be joined even in the joining of materials having greatly different thermal expansion coefficients, and heating and cooling can be performed. An operation that can withstand thermal fatigue caused by repeated operations.
  • the present inventor previously made a carbon-based metal composite material (for example, Japanese Patent No. 3351778) obtained by calorically filling or impregnating a metal in the pores of a carbon material such as graphite. Proposed.)
  • the carbon-based metal composite material has a higher thermal conductivity and the same thermal expansion coefficient as compared with the above-described materials having silicon carbide, tungsten, molybdenum, etc. as a skeleton, and has a low Young's modulus. It has been found that when silicon or ceramics is mounted, it has a function to alleviate the thermal stress generated in the bonding layer such as solder and can improve the above-mentioned problems, but it is brittle and mechanical. O The difficulty of low strength is included o
  • the present inventor has bonded a plated carbon-based metal composite material having a thickness of about 1 mm to a copper or aluminum substrate with solder, and a semiconductor element on the upper part with a low temperature solder or the like.
  • a bonding method but the coefficient of thermal expansion of carbon-based metal composites was 4ppm / ° C and 10ppm / ° C, copper was 16ppm / ° C, and aluminum was significantly different from 23ppm Z ° C. It was found that there was a problem that the substrate after soldering was warped with the composite material as a convex, causing difficulties in the subsequent process such as when mounting silicon. Heels Under such circumstances, it has been eagerly desired to develop a heat-dissipating material that has low warpage and strength by applying a carbon material that has a thermal stress relaxation effect.
  • Patent Document 1 Japanese Patent No. 3351778
  • the object of the invention is that the carbon-based metal composite material exerts a thermal stress relaxation effect on a surface on which an electronic device such as silicon or a ceramic substrate having a small thermal expansion coefficient is mounted.
  • an electronic device such as silicon or a ceramic substrate having a small thermal expansion coefficient is mounted.
  • numerical values close to those of copper and aluminum of the substrate metal are given, and a metal substrate with a small warpage is provided, and a carbon-based metal composite structure and a method for manufacturing the structure are provided. It is in.
  • the present inventor joined a metal substrate made of copper or aluminum and a carbon-based metal composite material having a specific thickness under specific conditions. Focusing on the fact that the low-elasticity of the carbon-based metal composite material can be used to provide a metal substrate carbon-based composite material structure in which the generation of warpage is suppressed, the present invention has been completed based on these findings. .
  • Metal substrate comprising a metal substrate and a carbon-based metal composite material brazed to the upper surface of the metal substrate.
  • Metal substrate comprising a metal substrate and a carbon-based metal composite material brazed to the upper surface of the metal substrate-a method for producing a carbon-based metal composite material, the metal substrate and the carbon-based metal composite material
  • a method for producing a carbon-based metal composite material structure comprising a step of interposing a brazing material between the metal substrate, heating and holding at a temperature equal to or higher than a melting point of the brazing material, and then cooling at least under pressure
  • the metal substrate-carbon-based metal composite structure according to the present invention has a structure in which an electronic device such as a silicon or ceramic substrate having a small thermal expansion coefficient is mounted on the surface of the carbon-based metal composite as described above.
  • an electronic device such as a silicon or ceramic substrate having a small thermal expansion coefficient
  • the heat dissipation substrate in which the amount of warpage is suppressed can be efficiently manufactured by setting the joining conditions at high temperature and high pressure.
  • the present invention relates to a structure comprising a metal sheet, a plate material, or a metal substrate that also has a blocking force, and a carbon-based metal composite material having a thickness of 0.1 mm to 2 mm that is brazed to the upper surface of the metal substrate.
  • Further preferred embodiments include the following 1), 1) and 5).
  • An electronic device heat dissipation metal substrate comprising a copper or aluminum substrate whose upper surface is bonded via a brazing material. Carbon-based metal composite material structure.
  • a metal substrate for heat dissipation of electronic equipment comprising a carbon-based metal composite material with a thickness of 0.1 mm to 2 mm and a copper or aluminum substrate whose upper surface is joined to the lower surface of the composite material via a brazing material.
  • Carbon-based metal composite material structure body comprising a carbon-based metal composite material with a thickness of 0.1 mm to 2 mm and a copper or aluminum substrate whose upper surface is joined to the lower surface of the composite material via a brazing material.
  • a metal substrate for heat dissipation of electronic equipment having a shape in which a composite material is covered with metal by housing a composite material and bonding copper or aluminum foil or a substrate to the upper and lower surfaces of the composite material via a brazing material Carbon precious metal composite structure.
  • a metal substrate for heat dissipation of electronic equipment comprising a silicon element having a lower surface bonded via a carbon-based metal composite material structure.
  • the metal substrate of the metal substrate-carbon-based metal composite structure according to the present invention is preferably copper, aluminum, or an alloy thereof.
  • the form of the metal substrate is not particularly limited, and a sheet, a plate material, a block or the like is adopted.
  • the thickness of the metal substrate can be arbitrarily determined according to the structure of the electronic device to which the structure is applied, but can be selected in the range of 0.5 mm to 5 mm, preferably lmm to 3 mm. .
  • a hard solder having a melting point of 450 ° C or higher and a soft solder having a temperature of 450 ° C or lower can be used.
  • the hard solder silver solder, copper solder, nickel
  • the solder include soft aluminum solder and aluminum joining solder (for example, Almit, AM-350, etc.).
  • Solder is a typical soft solder, and Pb-Sn alloy is used.
  • a brazing material having a melting point of 350 ° C. or higher is suitable, and a soft brazing material such as a soft aluminum brazing material, and more preferably a hard brazing material can be used.
  • a metal that is the same as the metal contained in the carbon-based metal composite material or a metal that forms an alloy having high thermal conductivity and high fracture toughness is preferable.
  • the structure according to the present invention is obtained by performing joining without melting most of the metal of the metal substrate and the carbon-based metal composite material by brazing that causes the brazing material to melt and flow into the gap.
  • metal foil such as aluminum foil, tin foil, copper foil, silver foil, etc. can be laminated and used.
  • the brazing material is welded and integrated with the metal in the carbon-based metal composite material, and enters the voids of the composite material. It has a so-called anchor effect, and has an action of strengthening the joining by integrating the components.
  • the thickness of the entire structure of the carbon-based metal composite and the copper or aluminum substrate is about lmm or more
  • the thickness ratio of the base metal composite material to the metal substrate is The metal substrate is about 2 or more, preferably 1 to 3 or more.
  • the warp amount of the structure treated with the above temperature and pressure at a forceful ratio is controlled within 0.15 mm on a diagonal of 50 mm x 50 mm, and a particularly preferred warp amount is 50 mm x 50 mm. It is within 0.05 mm on the diagonal.
  • the metal substrate-carbon-based metal composite structure according to the present invention has characteristics that the mounting portion has thermal stress relaxation properties, high thermal conductivity, and low thermal expansion coefficient.
  • the carbon-based metal composite material a material having a thermal conductivity of lOOWZm'K or more, a thermal expansion coefficient of 4 ppm / ° C—15 ppmZ ° C, and a Young's modulus of 25 GPa or less is selected. Since such a carbon-based metal composite material has anisotropy, the thermal expansion coefficient and Young's modulus are controlled so that one direction of the surface has the characteristic value. The thermal conductivity is controlled so that the thickness direction or the surface direction has the characteristic value.
  • the method for producing a metal substrate carbon-based metal composite structure according to the present invention is based on brazing using a brazing material, specifically, between copper and aluminum as a metal substrate and a carbon-based metal composite material. In addition, it has a process of holding a brazing material at a high temperature, melting the brazing material into a crevice and forming a bonding layer, and cooling it at least under pressure.
  • a metal substrate-carbon-based metal composite structure suitable as a substrate.
  • the pressurizing condition is not necessarily required in the bonding layer forming process, but the pressurizing condition is essential in the cooling process.
  • the temperature at which the brazing material is sufficiently dissolved, the yield stress of the aluminum or copper substrate is lowered, and the temperature at which warping can be reduced by pressurization is set as the temperature at the joining.
  • a temperature higher than the melting point of the brazing material is employed.
  • a soldering method using high-temperature solder or the like is also included.
  • Aluminum and copper substrates and carbon-based metal composites are joined by the anchor effect of the molten brazing material welding to the composite metal and entering the voids of the carbon-based metal composite under pressure.
  • temperatures from 500 ° C to 610 ° C are preferred, and for copper substrates, temperatures from 500 ° C to 850 ° C are preferred, but the optimum temperature may be selected according to the pressurizing conditions.
  • U is preferred, and in the case of a carbon-based metal composite material impregnated with aluminum, the maximum temperature is around 630 ° C where the impregnated aluminum does not flow out the structural force of the composite material.
  • the maximum temperature is 950 ° C from the yield stress of copper, and when aluminum is used, the temperature is around 630 ° C for the same reason.
  • a carbon-based metal composite material has a property of high tensile fracture strength but low tensile stress.
  • the carbon-based metal composite material of the substrates bonded under pressure is in a state of being stressed in the compression direction.
  • a stress is exerted on the carbon-based metal composite material in the tensile direction, but even in this state, in order to keep the carbon-based metal composite material in a state of compressive stress, the bonding temperature should be as much as possible. High is desirable.
  • the pressurizing operation is preferably performed while the brazing material is dissolved since the main component of the composite material is metal and carbon which is difficult to wet, and the surface roughness is large.
  • the pressurizing pressure is set to 0.2 MPa to 30 MPa for an aluminum substrate and 3 MPa to 50 MPa for a copper substrate as a pressure condition that does not cause significant plastic deformation of the aluminum substrate or copper substrate. Although it is preferable for obtaining a substrate, bonding is possible even at a pressure lower than the above temperature.
  • the carbon-based metal composite material used as a component of the carbon-based metal composite material structure is a carbon material as a base material and containing a metal component.
  • the metal component include magnesium, aluminum, copper, silver, and alloys of these metals.
  • the strong carbon-based metal composite material is not particularly limited as long as the carbon component contains and disperses the metal component.
  • the carbon material is impregnated with the metal component at high pressure or in vacuum.
  • Carbon-based metal composite material obtained by mixing, carbon-based metal composite material (powder sintering method) obtained by kneading and forging granular carbon material and metal components, and surface treatment with metal It is possible to use a composite material (high temperature and high pressure method) obtained by molding carbon or carbon fiber formed at high temperature and pressure.
  • a carbon-based metal composite material obtained by pressure filling or impregnation by forging can be used.
  • Such a carbon-based metal composite material preferably contains a metal component of 50% or less on the basis of the total volume of the material, and more than 80% of the volume in the voids or pores of the carbon material is satisfied. The one filled is preferred.
  • the thermal conductivity, thermal expansion coefficient, and elastic modulus of carbon-based metal composites depend on the type of metal component contained, but when the metal component is copper, silver, or an alloy thereof, the thermal conductivity in the thickness direction lOOWZm ' K or more, the thermal expansion coefficient 4 X 10- 6 Z ° C- 12 X 10- 6 Z ° C Contact and surface direction of the elastic modulus 25GPa or less of the composite can be realized, also metal components of aluminum or aluminum for the alloy, to obtain the thickness direction of the thermal conductivity lOOWZm.K above, the thermal expansion coefficient 4 X 10- 6 Z ° C- 8 X 10- 6 Z ° C, the surface direction of the Young's modulus 25GPa following double coupling material be able to.
  • the carbon-based metal composite material is usually porous, there is a possibility that the exposed portion may have a defective mesh or an error in an airtight test.
  • the carbon-based metal composite material is housed in the countersink portion of aluminum or copper substrate, and the brazing material or the like is applied to the substrate surface or the entire surface of the carbon-based metal composite material portion with metal foil or the end. It is necessary to use and coat with metal foil.
  • the surface of the structure may be finished with nickel plating or the like for mounting a semiconductor or electronic component such as silicon or anticorrosion on the metal substrate-carbon-based metal composite material structure according to the present invention. Further, if necessary, it is possible to provide the structure with the ceramic circuit joined thereto.
  • FIG. 1 shows a specific example of the basic structure of a carbon substrate-based metal composite structure according to the present invention.
  • a structure in which a carbon-based metal composite material 3 is bonded to the upper surface of an aluminum or copper substrate 4 that is a metal substrate via a brazing material 3 'is a metal substrate carbon-based metal composite structure A according to the present invention. is there.
  • FIG. 1 shows a configuration in which an electronic device composed of a silicon element or a ceramic substrate 1 is mounted on the upper surface of a carbon-based metal composite material 3 via a solder 2.
  • FIG. 2 shows a configuration in which the upper surface of the metal substrate carbon-based metal composite material 3 shown in FIG.
  • FIG. 3 is an example of application of the carbon-based metal composite material structure according to the present invention to a CPU cap, in which an aluminum or copper substrate 4 and a carbon-based metal composite material 3 are joined via a brazing material 3 ′. It is.
  • FIG. 4 is a cross-sectional view of the structure in which the upper and lower surfaces of the carbon-based metal composite material 3 bonded in the frame of the aluminum or copper substrate 4 are covered with the metal foil 5 via the brazing material 3 ′.
  • FIG. 5 illustrates a basic layout of each unit in a hot press furnace for producing a metal substrate carbon-based metal composite structure according to the present invention.
  • A is a metal substrate according to the present invention, and spacers 7 are arranged on the upper and lower sides thereof, respectively, and are pressed against the cradle 8 by a ram 6 under predetermined conditions.
  • the following measurement method was used to evaluate the performance of the metal substrate-carbon based metal composite structure.
  • the thermal conductivity was determined as the product of thermal diffusivity, specific heat and density.
  • the thermal diffusivity was measured at 25 ° C. using a TC 7000 manufactured by Vacuum Riko Co., Ltd. by a laser-flash method.
  • ruby laser light excitation voltage 2.5 kv, one uniform filter and one extinction filter was used as the irradiation light.
  • the thermal expansion coefficient from room temperature to 300 ° C was measured using a thermal analyzer 001, TD-5020 manufactured by Max Science.
  • A Copper foil thickness 0.02mm
  • B Products impregnated with unidirectional carbon fiber carbon composite material (SZ500 made by Advanced Materials Co., Ltd.) thickness 0.5mm
  • C Copper C1020, thickness 2mm each 50mm X 50mm
  • a metal foil combining 0.01 mm of tin foil and 0.02 mm of copper foil was inserted between A, B and B, C and set in a hot press. Vacuum atmosphere The temperature was held at 800 ° C for 30 minutes, and at the end of the hold, the pressure was increased to 20 MPa and cooled.
  • the sledge of the prototype was 0.05 mm on a diagonal line of approximately 50 X 50 mm with the composite side convex.
  • A Copper foil thickness 0.02mm
  • B Products impregnated with unidirectional carbon fiber carbon composite material (SZ500 made by Advanced Materials Co., Ltd.) Thickness lmm and C: Copper C1020 Thickness lmm
  • a metal foil combining 0.01 mm of tin foil and 0.02 mm of copper foil was inserted between A, B and B, C as a bonding layer and set in a hot press.
  • the inside of the hot press is held in a vacuum atmosphere at a temperature of 800 ° C for 30 minutes, pressurized at 20 MPa at the end of the hold, and then cooled.
  • the prototype warp is on a diagonal line of approximately 50 mm x 50 mm with the composite side convex. It was 0.12mm.
  • the copper, brazing material, and copper substrate in the composite material were integrated and rubbed at the joint surface, and defects such as voids were strong.
  • the prototype was reheated in nitrogen gas at 700 ° C for 2 hours and observed after cooling, the copper foil and substrate peeled off and the amount of warpage was not observed.
  • Example 2 The prototype manufactured in Example 2 was divided into two parts, and a Kovar flange with a silver brazing BAg-7 at the center on the copper foil of each prototype (outside dimensions 12.7mm X 20.8mm, plate thickness lm m) was placed and joined at 760 ° C with a weight of about 2 kg.
  • the warpage on the 30 ⁇ 20 mm diagonal on the copper substrate side was 0.02 mm, and there was almost no change in warpage before and after flange joining.
  • a simple thermal cycle test was conducted 10 times on a hot plate heated to 350 ° C for 5 minutes on a hot plate heated to 350 ° C for 10 minutes on a high heat capacity steel plate (room temperature). Flange peeling was observed. There wasn't.
  • the Kovar flange (coefficient of thermal expansion: approx. 5ppmZ ° C @ 30 ° C-40 ° C) can be joined to the carbon substrate metal composite structure according to the present invention, and it can be destroyed even in a simple heat cycle test. It was proved that there was a thermal stress relaxation action from not doing.
  • A1050 thickness 3mm was prepared for each 50mm X 50mm.
  • A4047 A1 alloy; the same applies hereinafter
  • Nitrogen atmosphere temperature was held at 600 ° C for 30 minutes. At the end of the hold, the pressure was increased to 15 MPa and cooled.
  • the sledge of the prototype was 0.03 mm on a diagonal of approximately 50 X 50 mm with the composite side convex.
  • C Aluminum A1050 thickness 3mm 50mm X 50mm each .
  • A4047, 0.3 mm sheet was inserted between A and B and between B and C and set in a hot press. Hold for 30 minutes in a nitrogen atmosphere at a temperature of 600 ° C. At the end of the hold, pressurize 15 MPa and cool.
  • the sledge of the prototype was 0.15 mm on a 50 X 50 mm diagonal with the alumina side convex.
  • the prototype was tested on a hot plate at 350 ° C for 10 minutes on a heated hot plate for 5 minutes and 10 minutes on a steel table (room temperature) with a large heat capacity. The amount of warpage did not change before and after the cycle test.
  • the alumina substrate (coefficient of thermal expansion of about 8 ppm / ° C @ RT-800 ° C) can be bonded to the metal substrate-carbon-based metal composite structure according to the present invention, and it can be destroyed even in a simple heat cycle test. It was proved that there was a thermal stress relaxation action from the strong force.
  • B Product obtained by impregnating a carbon material with aluminum (manufactured by Advanced Materials Co., Ltd. SZ300) Thickness 0.5 mm
  • C Aluminum A1050 thickness 3 mm were prepared for each 50 mm ⁇ 50 mm.
  • A4047, 0.3 mm sheet was inserted between A and B, lOKg was placed on it, and bonded in a nitrogen atmosphere at a temperature of 595 ° C for 30 minutes.
  • the warp of the prototype was 0.2 mm on a diagonal of approximately 50 x 50 mm with the composite side convex, but it was easily peeled off when it was peeled off from the end of the prototype after inspection.
  • C Aluminum A1050 thickness 3mm 50mm X 50mm each .
  • A4047, 0.3 mm sheet was inserted between A and B and between B and C and set in a hot press. Hold in nitrogen atmosphere, temperature 620 ° C for 30 minutes, pressurize 50 MPa and cool down.
  • the aluminum substrate with a thickness of 3 mm swelled by more than 0.3 mm to the left and right, and the alumina and the composite material were half melted and submerged and deformed.
  • a prototype was prepared under the same conditions and operation as in Example 2 except that the pressure condition was 0.04 MPa instead of 20 MPa.
  • the prototype warp was more than 0.15mm on a diagonal of approximately 50mm x 50mm with the composite side convex. The center part was joined, but the four corners were not joined.
  • a prototype was prepared under the same conditions and operation as in Example 4 except that the pressure was changed to OMPa instead of 15 MPa.
  • the prototype warp was more than 0.2 mm on a diagonal of approximately 50 mm x 50 mm with the composite side convex.
  • the force that was joined at the center was the force that was not joined at the four corners.
  • Comparative Example 1 1 C-AI 0.5 Al 3.0 Al 0.3 595 0.0392 0.2
  • the metal substrate carbon composite structure according to the present invention has a controlled amount of warpage due to bonding, improved strength, and is useful as a heat dissipation material. Therefore, in addition to IC packages, power module substrates, laser diode components (spacers, carriers), LED substrates, plastic PKG heat spreaders, printed circuit boards, and inverter boards can be used in a wide range. In particular, it contributes greatly to the use of heat dissipation materials for electronic equipment.
  • FIG. 1 is a schematic view showing a basic structure of a carbon-based metal composite material structure according to the present invention.
  • FIG. 2 is a schematic view of a metal substrate according to the present invention in which a carbon-based metal composite material is coated with a metal foil.
  • FIG. 3 is a schematic diagram of application to a CPU cap.
  • FIG. 4 is a schematic view of a structure in which a composite material is encased in a metal frame and the upper and lower surfaces are covered with metal foil.
  • FIG. 5 is a basic layout in a hot press furnace for producing a carbon-based metal composite structure according to the present invention.

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Abstract

　炭素基金属複合材料を銅またはアルミニウム基板上にそりの少ない状態で接合して得られる電子機器用放熱材料および該放熱材料の製造方法を提供する。 　金属製シート、板材またはブロックからなる金属基板と、該金属基板の上面にろう材を介して接合する厚さ０．１ｍｍ～２ｍｍの炭素基金属複合材料とからなることを特徴とする金属基板−炭素基金属複合材料構造体および金属基板と炭素基金属複合材料との間にろう材を介在させ、５００°C以上の温度および０．２ＭＰａ以上の加圧下に保持し、冷却する工程を含むことを特徴とする金属基板−炭素基金属複合材料構造体の製造方法である。                                                                                 

Description

金属基板 -炭素基金属複合材料構造体および該構造体の製造方法 技術分野
[0001] 本発明は、金属基板と炭素基金属複合材料 (MICC: Metal Impregnated Carbon Composites)との接合構造体および該接合構造体の製造方法に関するものであり、 さらに詳しくは銅またはアルミニウム力もなる金属基板と炭素基金属複合材料とをろう 材で接合してなる構造体、該構造体を用いた IC (半導体集積回路)パッケージまた は該 ICパッケージを含む電子回路、および該構造体の製造方法に関するものである 背景技術
[0002] 高速、高集積の半導体での発熱密度はきわめて高ぐ効率良く排熱するためには 熱伝導の良いアルミニウム、銅製の放熱基板で熱を速やかに拡散し放熱する方法が 適している。
し力しながら、半導体または半導体の回路基板に用いられるセラミックスの熱膨張 係数が 4一 8ppmZ°Cであるのに対して、アルミニウム、銅の熱膨張係数は 16— 23p pmZ°Cと大き！/、ために、力かる熱膨張係数の差違により接合層に高 、熱応力が発 生し単純な両者の接合はできな ヽ。
[0003] この対策の第一は、熱膨張係数の小さい放熱基板を選択することであり、従来から 熱膨張係数の小さい炭化珪素、タングステン、モリブデン等に、熱伝導率の高い銅、 アルミニウム金属を組み合せ、熱膨張係数を 7— 10ppmZ°Cに調整した材料が提供 されている。
し力しながら、これらの材料の問題点として、熱伝導率が、銅を使用した材料の場合 で 200— 300W/m · K、アルミニウムを使用した材料の場合で 150— 200W/m · K と銅、アルミニウム単体の熱伝導率より 20%以上低いこと、また、基板のヤング率が 高いため、熱膨張係数が 4ppmZ°C程度のシリコン、窒化アルミニウム等との接合で は、接合層に生じる熱応力が大きくなり、大面積での接合が難しいという問題がある。
[0004] 第二の対策は、接合層にヤング率の低 ヽ榭脂またははんだを使 ヽ、熱膨張係数の 差により生じる熱応力を緩和することである。しかし、欠点は、榭脂およびはんだの熱 伝導率が、それぞれ lWZm'K 数 lOWZm'Kと低いこと、また破壊応力が小さい ため厚い接合層が必要になり、結果的に接合層の熱抵抗が大きくなることである。 また、榭脂の場合は、吸湿性および耐熱性が低ぐはんだの場合では実用温度域 での降伏応力が低く熱疲労を起こしやすい等の難点も指摘されている。
[0005] 以上述べたように、現在、電子機器用に広く採用されている放熱システムにおいて は、放熱熱膨張係数差で生じる熱応力を緩和または減少させる接合層での熱伝導 率の向上が課題となっている。
なお、本願明細書において、「熱応力緩和作用」とは、熱膨張係数の異なる二つの 材料を接合する場合、接合界面に発生する応力は、二つの材料の熱膨張係数と各 材料の弾性率に比例することが知られて 、ることから、弾性率の低 、材料に発生す る応力は小さくなり、熱膨張係数が大きく異なる材料の接合においても接合が可能で あり、かつ加熱、冷却の繰り返しによって発生する熱疲労にも耐えることが可能な作 用をいう。
[0006] 力かる状況に鑑み、本発明者は、先きに黒鉛等の炭素材料の細孔内に金属をカロ 圧充填または含浸して得られる炭素基金属複合材料 (例えば、特許第 3351778号 参照。）を提案した。該炭素基金属複合材料は、前記の炭化珪素、タングステン、モリ ブデン等を骨格とする材料と比較して、熱伝導率が高ぐ熱膨張率は同等であり、ま たヤング率が低いためにシリコンまたはセラミックス等を搭載する場合、はんだ等の接 合層に発生する熱応力を緩和する作用があり、前記の問題点を改善できる材料であ ることを見い出したが、脆性であり、機械的強度が低いという難点を包蔵するものであ つた o
[0007] この対策として、本発明者は、メツキを施した厚み lmm程度の炭素基金属複合材 料を銅またはアルミニウム基板上に、はんだで接合し、その上部に半導体素子を低 温はんだ等で接合する方法を試みたが、炭素基金属複合材料の熱膨張係数 4ppm /°C一 10ppm/°Cに対して、銅は 16ppm/°Cであり、また、アルミニウムは 23ppm Z°Cと大きく異なり、はんだ接合後の基板が複合材料側を凸としてそりが生じ、シリコ ンを搭載する場合等の後工程で困難が生じるという問題があることを把握した。かか る状況下において、熱応力緩和作用のある炭素材料を応用しそり量が少なく強度の ある放熱材料の開発が切望されてきた。
[0008] 特許文献 1 :特許第 3351778号特許公報
発明の開示
発明が解決しょうとする課題
[0009] 従って、発明の課題は、前記の如き開発状況に鑑み、熱膨張係数の小さいシリコン 、セラミックス基板等の電子デバイスを搭載する面においては、炭素基金属複合材料 が熱応力緩和作用を発揮し、強度、熱伝導率においては、基板金属の銅、アルミ二 ゥムに近い数値を与え、そりの少ない状態の金属基板 炭素基金属複合材料構造 体および該構造体の製造方法を提供することにある。
課題を解決するための手段
[0010] そこで、本発明者は、前記課題を解決するため、鋭意検討を加えた結果、銅または アルミニウムからなる金属基板と特定の厚さの炭素基金属複合材料を特定の条件下 において接合し、該炭素基金属複合材料の低弾性を利用すれば、そりの発生を抑 制した金属基板 炭素基複合材料構造体を提供できることに着目し、これらの知見 に基づいて本発明の完成に到達した。
[0011] 従って、本発明に関し、第一の発明によれば、
金属基板と、該金属基板の上面にろう接してなる炭素基金属複合材料とを備えたこと を特徴とする金属基板 炭素基金属複合材料構造体
が提供される。
[0012] また、第二の発明によれば、
金属基板と、該金属基板の上面にろう接してなる炭素基金属複合材料とを備えた金 属基板 -炭素基金属複合材料の製造方法であって、前記金属基板と前記炭素基金 属複合材料との間にろう材を介在させ、該ろう材の融点の温度以上に加熱保持した 後、少なくとも加圧下において冷却する工程を含むことを特徴とする金属基板 炭素 基金属複合材料構造体の製造方法
が提供される。 発明の効果
[0013] 本発明に係る金属基板 -炭素基金属複合材料構造体は、前記の如ぐ炭素基金 属複合材料の表面において熱膨張係数の小さいシリコン、セラミックス基板等の電子 デバイスを搭載する場合には、炭素基金属複合材料の熱応力緩和作用を発揮し、 強度、熱伝導率においては、基板金属の銅、アルミニウムに近い数値を与える電子 機器用放熱基板を提供することができる。また、本発明に係る前記構造体の製造方 法によれば、接合条件を高温かつ高圧下に設定することにより、そり量が抑制された 前記放熱基板を効率よく製造することができる。
発明を実施するための最良の形態
[0014] 本発明は、金属製シート、板材またはブロック力もなる金属基板と、該金属基板の 上面にろう接してなる厚さ 0. 1mm— 2mmの炭素基金属複合材料とからなる構造体 に関するものである力 さらに好ましい実施の態様として次の 1)一 5)に挙げるものを 包含する。
(1)厚さ 0. 1mm— 2mmの炭素基金属複合材料と、該複合材料の下面にろ
ぅ材を介して上面を接合する銅またはアルミニウム基板とからなる電子機 器放熱用金属基板 炭素基金属複合材料構造体。
(2)銅箔シートと、該銅箔シートの下面にろう材を介して上面を接合する厚さ
0. 1mm— 2mmの炭素基金属複合材料と、該複合材料の下面にろう材 を介して上面を接合する銅またはアルミニウム基板とからなる電子機器放 熱用金属基板 -炭素基金属複合材料構造体。
(3)アルミナ等のセラミックス絶縁基板の下面にろう材を介して上面を接合す
る厚さ 0. 1mm— 2mmの炭素基金属複合材料と、該複合材料の下面に ろう材を介して上面を接合する銅またはアルミニウム基板とからなる電子 機器放熱用金属基板 炭素基金属複合材料構造体。
(4)銅またはアルミニウム基板のくぼみに厚さ 0. 1mm— 2mmの炭素基金
属複合材料を収納し、該複合材料の上下面にろう材を介して銅またはアル ミニゥムの箔あるいは基板を接合することで、複合材料が金属に覆われた 形状からなる電子機器放熱用金属基板 炭素貴金属複合材料構造体。 (5)金属基板と、該金属基板の上面にろう材を介して下面が接合された厚さ 0 . 1mm— 2mmの炭素基金属複合材料と、該炭素基金属複合材料の上面 にろう材を介して下面が接合されたシリコン素子とからなる電子機器放熱 用金属基板 炭素基金属複合材料構造体。
[0015] 本発明に係る金属基板 -炭素基金属複合材料構造体の金属基板としては、銅、ァ ルミ-ゥムまたはこれらの各合金が好適である。金属基板の形態としては、特に限定 するものではないが、シート、板材またはブロック等のものが採用される。金属基板の 厚さは、前記構造体が適用される電子機器の構造に応じて任意に決定することがで きるが、 0. 5mm— 5mm,好ましくは lmm— 3mmの範囲で選択することができる。
[0016] 前記構造体の構成要素であるろう材としては、融点が 450°C以上の硬ろうおよび 4 50°C以下の軟ろうを用いることができ、硬ろうとして銀ろう、銅ろう、ニッケルろう等を、 また軟アルミニウムろう等およびアルミニウム接合用はんだ (例えば、アルミット、 AM— 350等）を挙げることができる。はんだは軟ろうの代表的なものであり、 Pb— Sn系合金 等が用いられている。本発明に係る構造体にとっては、融点 350°C以上のろう材が 好適であり、軟アルミニウムろう等の軟ろうおよびさらに好ましくは、硬ろうを用いること ができる。特に、炭素基金属複合材料に含有される金属と同種または熱伝導率およ び破壊靭性の高い合金をつくる金属が好ましい。本発明に係る構造体は、かかるろう 材を溶融してすき間へ流入させるろう接により、金属基板および炭素基金属複合材 料の金属をほとんど溶融することなぐ接合を行なうことにより得られるものである。ま た、力かるろう材の代替材料として、アルミニウム箔、錫箔、銅箔、銀箔等の金属箔を 積層して用いることもできる。
[0017] 本発明に係る金属基板 炭素基金属複合材料構造体において、ろう材は、炭素基 金属複合材料内の金属と溶接され一体化状態となり、また、該複合材料の空隙に侵 入すること〖こよる、いわゆるアンカー効果を奏し、構成要素の一体化による接合を強 化する作用を有する。
[0018] また、本発明に係る金属基板 炭素基金属複合材料構造体にお!ヽて、該炭素基金 属複合材料と銅またはアルミニウム基板の構造体全体の厚みが lmm程度以上の場 合、炭素基金属複合材料の金属基板に対する厚みの比率は、該複合材料 1に対し 金属基板約 2以上であり、好ましくは 1対 3以上である。力かる比率において前記の温 度、圧力で処理された構造体のそり量は、 50mm X 50mmの対角線上で 0. 15mm 以内に制御されたものであり、特に好ましいそり量は、 50mm X 50mmの対角線上 で 0. 05mm以内のものである。
[0019] 本発明に係る金属基板 -炭素基金属複合材料構造体は、搭載部分に熱応力緩和 性があり、かつ熱伝導が高ぐ熱膨張率が小さいという特性を有するものである。炭素 基金属複合材料としては、熱伝導率 lOOWZm'K以上、熱膨張係数 4ppm/°C— 1 5ppmZ°C、ヤング率が 25GPa以下の特性があるものが選択される。かかる炭素基 金属複合材料は、異方性を有するので、熱膨張係数およびヤング率に関しては面の 1方向が前記特性値を有するように制御される。また、熱伝導率については、厚さ方 向または面方向が前記特性値を有するように制御されたものである。
[0020] 次に、本発明に係る金属基板 -炭素基金属複合材料構造体の製造方法につ!ヽて 説明する。
本発明の金属基板 炭素基金属複合材料構造体の製造方法は、ろう材を用いるろ う接によるものであり、具体的には金属基板としての銅、アルミニウムと炭素基金属複 合材料との間に、ろう材を介在させて高温に保持し、ろう材をすき間に溶融し流入さ せることにより接合層を形成させ、少なくとも加圧下で冷却する工程を有するものであ り、そりの少ない放熱用基板として適する金属基板 -炭素基金属複合材料構造体を 提供する。該接合層の形成工程では加圧条件は必ずしも必要でないが、冷却工程 では加圧条件は必須とされる。
[0021] 前記接合における温度としては、ろう材が十分に溶解し、アルミニウム、銅基板の降 伏応力が低下し、加圧でそりを少なくできる温度が設定される。通常、ろう材の融点 以上の温度が採用される。なお、本発明の製造方法に係るろう接方法においてアル ミニゥム基板の場合、高温はんだ等によるはんだ付による方法も包含される。アルミ- ゥム、銅基板と炭素基金属複合材料は、溶解したろう材が複合材料の金属と溶接し、 加圧で炭素基金属複合材料の空隙に入ることによるアンカー効果で接合することか ら、アルミニウム基板においては 500°Cから 610°C、銅基板では 500°Cから 850°Cの 温度が好ましいが、加圧条件等により最適温度を選択すればよい。 [0022] 特に好ま U、温度は、アルミニウムを含浸した炭素基金属複合材料の場合は、含浸 したアルミニウムが該複合材料の組織力も流出しない 630°C近傍が最高温度となる。 銅を含浸した複合材料の場合は、基板を銅とする場合、銅の降伏応力から 950°C、 アルミニウムとする場合は、同じ理由から 630°C近傍が最高温度となる。
[0023] 炭素基金属複合材料は、圧縮破断強度は高いが、引張り応力が低いという性質が ある。加圧下で接合した基板の炭素基金属複合材料には、圧縮方向に応力がかか つた状態になっている。素子または部品をはんだ付けする時、炭素基金属複合材料 には引張り方向に応力が働くが、この状態でも炭素基金属複合材料に圧縮応力がか 力つた状態とするために、接合温度は、できるだけ高いことが望ましい。
[0024] 加圧操作は、複合材料の主成分が金属とぬれにくい炭素であり、かつ表面粗度が 大き 、ため、ろう材が溶解して 、る間に行うことが好ま U、。
加圧圧力は、アルミニウム基板または銅基板が著 、塑性変形を起こさな 、程度の 圧力条件として、アルミニウム基板では 0. 2MPaから 30MPa、銅基板では 3MPaか ら 50MPaに設定することが、そりの少ない基板をうるために好ましいが、前記温度よ り低 、圧力でも接合は可能である。
[0025] 本発明に係る金属基板 炭素基金属複合材料構造体の構成要素として用いられる 炭素基金属複合材料は、炭素材料を基材とし金属成分を含有してなるものである。 金属成分としてはマグネシウム、アルミニウム、銅、銀およびこれらの金属の合金を挙 げることができる。力かる炭素基金属複合材料は、特に限定されるものではなく炭素 成分中に金属成分が含有、分散した形態のものであればよぐ例えば、炭素材料に 金属成分を高圧または真空中で含浸させて得られる炭素基金属複合材料 (金属含 浸方式)、粒状の炭素材料と金属成分を混練し、鍛造することにより得られる炭素基 金属複合材料 (粉末焼結方式)、また、金属で表面処理した炭素または炭素繊維を 高温高圧で成形した複合材料 (高温高圧方式)等を用いることができる。
[0026] さらに、特許第 3351778号公報に記載されている黒鉛粒子または炭素繊維を含 む炭素成形体であって、気孔率 35%以上の炭素材料にアルミニウム、銅またはこれ らの合金を熔湯鍛造により加圧充填または含浸させることにより得られる炭素基金属 複合材料を用いることができる。 [0027] かかる炭素基金属複合材料は、全材料中容量基準で 50%以下の金属成分を含有 するものが好適であり、また、炭素材料の空隙または細孔内の容積の 80%以上を充 填したものが好ましい。炭素基金属複合材料の熱伝導率、熱膨張率、弾性率は含有 する金属成分の種類に依存するが、金属成分が銅、銀またはこれらの合金の場合、 厚さ方向の熱伝導率 lOOWZm'K以上、熱膨張率 4 X 10—6Z°C— 12 X 10—6Z°Cお よび面方向の弾性率 25GPa以下の複合材料を実現することができ、また、金属成分 がアルミニウムまたはアルミニウム合金の場合、厚さ方向の熱伝導率 lOOWZm.K 以上、熱膨張率 4 X 10— 6Z°C— 8 X 10— 6Z°C、面方向のヤング率 25GPa以下の複 合材料を得ることができる。
[0028] 炭素基金属複合材料は、通常多孔質のため露出部でメツキ不良または気密試験で 誤差を生じることがある。この対策として、炭素基金属複合材料をアルミニウム、銅基 板の座繰り部に収納し、基板表面および炭素基金属複合材料部の全表面を金属箔 で被覆する力または端部にろう材等を使用して金属箔で被覆することが必要となる。
[0029] 本発明に係る金属基板 -炭素基金属複合材料構造体に、シリコン等の半導体また は電子部品搭載のため、または防食のために、構造体表面をニッケルメツキ等で仕 上げればよい。また、必要があればセラミック回路を接合した前記構造体を提供する ことができる。
[0030] 図 1に本発明に係る金属基板 炭素基金属複合材料構造体の基本構造の具体例 を示す。図中、金属基板であるアルミニウムまたは銅基板 4の上面にろう材 3'を介し て炭素基金属複合材料 3が接合された構造体が本発明に係る金属基板 炭素基金 属複合材料構造体 Aである。図 1においては、炭素基金属複合材 3の上面にはんだ 2を介してシリコン素子またはセラミックス基板 1からなる電子機器が搭載された構成 が示されている。
図 2は、図 1で示す金属基板 炭素基金属複合材料 3の上面が金属箔 5で被覆さ れた構成のものである。
図 3は、本発明に係る炭素基金属複合材料構造体の CPUキャップへの適用例で あり、アルミニウムまたは銅基板 4と炭素基金属複合材料 3がろう材 3'を介して接合さ れたものである。 また、図 4は、アルミニウムまたは銅基板 4の枠内に接合した炭素基金属複合材料 3 の上下面をろう材 3 'を介して金属箔 5で被覆した構造体の断面図である。
図 5は、本発明に係る金属基板 炭素基金属複合材料構造体の製造用ホットプレ ス炉内の各ユニットの基本配置図を例示したものである。図中、 Aは、本発明に係る 金属基板であり、その上下にそれぞれスぺーサー 7が配置され、受台 8に対し、ラム 6 により所定の条件にて押圧される。
実施例
[0031] 以下、本発明について実施例および比較例により具体的に説明する。もっとも本発 明は実施例等により限定されるものではない。
なお、金属基板 -炭素基金属複合材料構造体等の性能評価には次に示す測定方 法を用いた。
(1)そり測定
三次元非接触レーザー計測器 (シグマ光機株式会社販売、 COMS株式会社製三次 元形状側プログラムを使用。）を用い、試料片の炭素基金属複合材料側の対角線上 の凸部を測定した。
(2)熱伝導率
熱伝導率は、熱拡散率と比熱および密度の積として求めた。熱拡散率は、レーザ 一フラッシュ法により真空理工 (株)製 TC 7000を用いて 25°Cで測定した。また、照 射光としてルビーレーザー光 (励起電圧 2. 5kv、均一フィルターおよび滅光フィルタ 一 1枚)を使用した。
(3)熱膨張率
マックスサイエンス社製熱分析装置 001、 TD—5020を用いて室温から 300°Cまで の熱膨張率を測定した。
[0032] 実施例 1
A:銅箔厚み 0. 02mm, B :銅を一方向炭素繊維炭素複合材料に含浸した製品（ 株式会社先端材料製 SZ500)厚み 0. 5mmおよび C :銅 C1020、厚み 2mmを各 50 mm X 50mmを用意した。接合層として錫箔 0. 01mmと銅箔 0. 02mmを組み合わ せた金属箔を A、 Bおよび B、 C間に挿入し、ホットプレス内にセットした。真空雰囲気 、温度 800°Cで 30分間ホールドし、ホールド終了時に 20MPa加圧し冷却した。試作 品のそりは、複合材料側を凸としてほぼ 50 X 50mmの対角線上で 0. 05mmであつ た。
[0033] 実施例 2
A:銅箔厚み 0. 02mm, B :銅を一方向炭素繊維炭素複合材料に含浸した製品（ 株式会社先端材料製 SZ500)厚み lmmおよび C :銅 C1020厚み lmmの A、 Bおよ び Cを各 50mm X 50mm用意した。錫箔 0. 01mmと銅箔 0. 02mmを組み合わせた 金属箔を接合層として A、 Bおよび B、 C間に挿入し、ホットプレス内にセットした。ホッ トプレス内は真空雰囲気、温度 800°C30分間ホールドし、ホールド終了時に 20MPa で加圧し、次いで冷却して得られた試作品のそりは、複合材料側を凸としてほぼ 50 mm X 50mmの対角線上で 0. 12mmであった。
組織断面を 600倍で観察したところ、複合材料中の銅とろう材および銅基板が一体 化し接合面でのわれ、空隙等の欠陥はな力つた。また、同試作品を窒素ガス中、 70 0°C、 2時間再加熱、冷却後の外観観察では、銅箔、基板のはがれ等の破壊および そり量の増大は認められな力つた。
[0034] 実施例 3
実施例 2で試作した試作品を 2分割し、それぞれの試作品の銅箔***部に銀ろう BAg— 7を底部につけたコバール製フランジ（外寸 12. 7mm X 20. 8mm、板厚 lm m)を設置し、約 2kgの重しを置いて 760°Cで接合した。銅基板側の 30 X 20mmの 対角線上でのそりは 0. 02mmであり、フランジ接合前後でそりの変化はほとんどなか つた。フランジ接合した同試作品を 350°Cに加熱したホットプレート上に 5分間、熱容 量の大きな鉄製台（常温)で 10分間の簡易熱サイクル試験を 10回行ったがフランジ のはがれは認められなかった。
以上のように、本発明に係る金属基板 炭素基金属複合材料構造体にコバール製 フランジ (熱膨張係数約 5ppmZ°C@ 30°C— 40°C)を接合できることおよび簡易ヒー トサイクル試験でも破壊しないことから熱応力緩和作用のあることが証明された。
[0035] 実施例 4
B：アルミニウムを炭素材料に含浸した製品 (株式会社先端材料製 SZ300)厚み 1 mmおよび C :アルミニウム A1050厚み 3mmを各 50mm X 50mm用意した。接合層 として A4047 (A1合金。以下同じ。）、 0. 3mmのシートを A、 B間に挿入し、ホットプ レス内にセットした。窒素雰囲気、温度 600°C30分間ホールドし、ホールド終了時に 15MPa加圧し冷却した。試作品のそりは、複合材料側を凸としてほぼ 50 X 50mm の対角線上で 0. 03mmであった。
[0036] 実施例 5
A:アルミナ 96%基板、厚さ 0. 6mm、 B:アルミニウムを炭素材に含浸した製品 (株 式会社先端材料製 SZ300)厚み 0. 5mmおよび C：アルミニウム A1050厚み 3mm を各 50mm X 50mm用意した。接合層として A4047, 0. 3mmのシートを A、 B間お よび B、 C間に挿入し、ホットプレス内にセットした。窒素雰囲気、温度 600°Cで 30分 間ホールドし、ホールド終了時に 15MPa加圧し冷却した。試作品のそりは、アルミナ 側を凸として 50 X 50mmの対角線上で 0. 15mmであった。同試作品を 350°C〖こカロ 熱したホットプレート上に 5分間、熱容量の大きな鉄製台（常温)で 10分間の簡易熱 サイクル試験を 10回行ったが異常は認められな力つた。またそり量は、サイクル試験 前後で変化はな力つた。
以上のように、本発明に係る金属基板 -炭素基金属複合材料構造体にアルミナ基 板 (熱膨張係数約 8ppm/°C@RT-800°C)を接合できることおよび簡易ヒートサイク ル試験でも破壊しな力つたことから熱応力緩和作用があることが証明された。
[0037] 比較例 1
B：アルミニウムを炭素材に含浸した製品 (株式会社先端材料製 SZ300)厚み 0. 5 mmおよび C :アルミニウム A1050厚み 3mmを各 50mm X 50mm用意した。接合層 として A4047, 0. 3mmのシートを A、 B間に挿入し、 lOKgの重しをのせ、窒素雰囲 気、温度 595°Cで 30分間ホールドの条件で接合した。試作品のそりは、複合材料側 を凸としてほぼ 50 X 50mmの対角線上で 0. 2mmであったが、検査後試作品の端 部から引き剥がすと簡単に剥離した。
[0038] 比較例 2
A：アルミナ 96%基板、厚さ 0. 6mmおよび C :アルミニウム A1050厚み 3mmを各 5 Omm X 50mmを用意した。接合層として A4047, 0. 3mmのシートを A、 C間に揷 入し、ホットプレス内にセットした。窒素雰囲気、温度 595°Cで 30分間ホールドし、ホ 一ルド終了時に 15MPa加圧し冷却した。試作品のそりは、アルミナ側を凸としてほ ぼ 50 X 50mmの対角線上で 0. 3mm超 (計測不能）となり、アルミナ基板に割れが 生じた。
[0039] 比較例 3
A:アルミナ 96%基板、厚さ 0. 6mm、 B:アルミニウムを炭素材に含浸した製品 (株 式会社先端材料製 SZ300)厚み 0. 5mmおよび C：アルミニウム A1050厚み 3mm を各 50mm X 50mm用意した。接合層として A4047, 0. 3mmのシートを A、 B間お よび B、 C間に挿入し、ホットプレス内にセットした。窒素雰囲気、温度 620°C、 30分 間ホールドし、ホールド時に 50MPa加圧し冷却した。厚さ 3mmのアルミ基板は左右 に 0. 3mm以上ふくらみ、アルミナおよび複合材料が半融解しアルミニウム基板に沈 み込み変形した。
[0040] 比較例 4
加圧条件を 20MPaの代わりに 0. 04MPaとしたこと以外すベて実施例 2と同一の 条件および操作により試作品を調製した。試作品のそりは複合材料側を凸としてほ ぼ 50mm X 50mmの対角線上で 0. 15mm超であった。中央部は接合していたが、 四隅は接合していなかった。
[0041] 比較例 5
加圧条件を 15MPaの代わりに OMPaとしたこと以外すベて実施例 4と同一の条件 および操作により試作品を調製した。試作品のそりは複合材料側を凸としてほぼ 50 mm X 50mmの対角線上で 0. 2mm超であった。中央部は接合していた力 四隅は 接合していな力 た。
[0042] [表 1] A B C 接合層 圧力 fiMPa) そり faim) 実施例 1 Gu 0.02 C-Cu 0.5 Cu 2.0 Sn 0.01 + Cu 0.02 800 20 0.03
2 Cu 0.02 C-Cu 1.0 Cu 1.0 Sn 0,01 + Cu 0.02 800 20 0.12
4 一 C-Al 1.0 Al 3.0 Al 0J 600 15 0.03
5 A1203 0.6 C-Al 0.5 Al 3.0 Al 0.3 595 15 0.15
比較例 1 一 C-AI 0.5 Al 3.0 Al 0.3 595 0.0392 0.2
2 A1203 0.6 一 Al 0.3 Al 3 595 15 >0 (計測不能)
3 AI2O3 0.6 C-Al 0.5 Al 3.0 Al 0 620 50 基板変形
4 Cu 0.02 C-Cu 0.5 Cu 2.0 Sn 0.01 + Cu 0.02 800 0.04 >0.15
5 一 C-Al 1.0 Al 3.0 Al 0.3 600 0 >0.2
産業上の利用可能性
[0043] 本発明に係る金属基板 炭素基金属複合材料構造体は、接合によるそり量が制御 されたものであり、強度も改善され、放熱材料として有用である。従って、 ICパッケ一 ジのほか、パワーモジュール用基板、レーザーダイオード用部品（スぺーサ一、キヤリ ァ）、 LED用基板、プラスチック PKG用ヒートスプレッダ一、プリント基板、インパータ 用基板等広範囲にわたり、使用可能であり、特に電子機器の放熱材料用として寄与 する点が大きい。
図面の簡単な説明
[0044] [図 1]本発明に係る金属基板 炭素基金属複合材料構造体の基本構造を示す概略 図である。
[図 2]炭素基金属複合材料が金属箔で被覆された本発明に係る金属基板 炭素基 金属複合材料の概略図である。
[図 3]CPUキャップへの適用概略図である。
[図 4]金属の枠の中に複合材料を!ヽれ、上下面を金属箔で被覆した構造体概略図で ある。
[図 5]本発明に係る金属基板 炭素基金属複合材料構造体の製造用ホットプレス炉 内の基本配置図である。
符号の説明
[0045] 1 シリコン素子またはセラミックス基板
2 はんだ
3 炭素基金属複合材料
3'ろう材
4 アルミニウムまたは銅基板
5 被覆金属箔
6 ラム
7 スぺーサー（平板または型板）
8 受台
9 ホットプレス炉内 A 金属基板 -炭素基金属複合材料構造体

Claims

請求の範囲
[I] 金属基板と、該金属基板の上面にろう接してなる炭素基金属複合材料とを備えたこ とを特徴とする金属基板 炭素基金属複合材料構造体。
[2] 前記炭素基金属複合材料が、 0. 1mm— 2mmの厚さであることを特徴とする請求 項 1記載の金属基板 -炭素基金属複合材料構造体。
[3] 前記金属基板の金属が、銅、アルミニウムまたは各金属の合金である請求項 1また は 2に記載の金属基板 炭素基金属複合材料構造体。
[4] 前記金属基板の形態が、シート、板材またはブロックである請求項 1または 2に記載 の金属基板 炭素基金属複合材料構造体。
[5] 前記金属基板 -炭素基金属複合材料構造体の炭素基金属複合材料側のそりが、
50mm X 50mmの対角線上で 0. 15mm以下に制御された請求項 1または 2に記載 の金属基板 炭素基金属複合材料構造体。
[6] 前記炭素基金属複合材料の被覆層の構成成分が、セラミックスまたは金属箔であ る請求項 1または 2に記載の金属基板 炭素基金属複合材料構造体。
[7] 前記炭素基金属複合材料の端部が、前記金属基板内に埋設されてなる請求項 1ま たは 2に記載の金属基板 -炭素基金属複合材料構造体。
[8] 前記炭素基金属複合材料の金属が、マグネシウム、アルミニウム、銅、銀または該 各金属の合金である請求項 1または 2に記載の金属基板 -炭素基金属複合材料構 造体。
[9] 前記炭素基金属複合材料の三軸方向のいずれかの一方向の特性が、熱伝導率； lOOWZm'K以上、熱膨張係数； 4ppmZ°C— 15ppmZ°C、ヤング率； 25GPa以 下である請求項 1または 2に記載の金属基板 炭素基金属複合材料構造体。
[10] 金属基板と、該金属基板の上面にろう接してなる炭素基金属複合材料とを備えた 金属基板 -炭素基金属複合材料構造体の製造方法であって、前記金属基板と前記 炭素基金属複合材料との間にろう材を介在させ、該ろう材の融点以上の温度に加熱 保持した後、少なくとも加圧下において、冷却する工程を含むことを特徴とする金属 基板 -炭素基金属複合材料構造体の製造方法。
[II] 前記炭素基金属複合材料が、 0. 1mm— 2mmの厚さであることを特徴とする請求 項 10記載の金属基板 -炭素基金属複合材料構造体の製造方法。
[12] 前記加圧条件が 0. 2MPa以上である請求項 10または 11に記載の金属基板一炭 素基金属複合材料構造体の製造方法。
[13] 前記加熱保持温度が 350°C以上である請求項 10または 11に記載の金属基板一炭 素基金属複合材料構造体の製造方法。
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