放熱材料およびそれを用いた半導体用放熱板と半導体用放熱部品、並びに放熱材料の製造方法
【課題】低熱膨張率と高熱伝導率を両立し、なおかつ安価な放熱材料、およびその製造方法を提供する。
【解決手段】ＣｒとＣｕに加えてＷおよび／またはＭｏを含有し、Ｗ含有量および／またはＭｏ含有量とＣｒ含有量との合計が３０質量％超え９０質量％以下であり、残部が不可避的不純物からなる組成を有し、かつ粒子状Ｃｒ相に加えて、粒子状Ｗ相および／または粒子状Ｍｏ相がＣｕ相基地中に分散した組織を有する放熱材料である。その製造方法の一例として、ＣｒとＣｕに加えてＷおよび／またはＭｏの粉末を混合した後、焼結して３０℃／分以下の冷却速度で冷却し、得られた焼結体を５００〜７５０℃の温度範囲で時効熱処理する。
【解決手段】ＣｒとＣｕに加えてＷおよび／またはＭｏを含有し、Ｗ含有量および／またはＭｏ含有量とＣｒ含有量との合計が３０質量％超え９０質量％以下であり、残部が不可避的不純物からなる組成を有し、かつ粒子状Ｃｒ相に加えて、粒子状Ｗ相および／または粒子状Ｍｏ相がＣｕ相基地中に分散した組織を有する放熱材料である。その製造方法の一例として、ＣｒとＣｕに加えてＷおよび／またはＭｏの粉末を混合した後、焼結して３０℃／分以下の冷却速度で冷却し、得られた焼結体を５００〜７５０℃の温度範囲で時効熱処理する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電子機器に搭載された半導体素子等の発熱体から発生する熱を速やかに放散させるために用いられ、低い熱膨張率と高い熱伝導率を両立させた放熱材料、およびそれを用いた半導体用放熱板（たとえばヒートシンク材，ヒートスプレッダー材等）や半導体用放熱部品（たとえば半導体用キャリア，半導体用ケース等）、並びに放熱材料の製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
半導体素子等の電子部品を搭載した電子機器を作動させる際には、電子回路への通電に伴い電子機器が発熱する。電子機器の高出力化に伴い、作動時の発熱量はますます増加する傾向にあるが、温度が上昇し過ぎると半導体素子の特性が変化し、電子機器の動作が不安定になる問題が生じる。また長時間にわたって使用することによって過剰な高温に曝されると、電子部品の接合材（たとえばハンダ等）や絶縁材（たとえば合成樹脂等）が変質して、電子機器の故障の原因になる。そのため、電子部品から発熱する熱を速やかに放散させる必要がある。そこで、熱を放散させるための放熱材料が種々検討されている。
【０００３】
半導体素子は、たとえば窒化アルミニウム（AlＮ）にAl電極をダイレクトボンディングした基板（いわゆるＤＢＡ基板）上にハンダ付けあるいはロウ付けされた後、放熱材料の上に同様の方法により固定される。その際、ＤＢＡ基板の熱膨張率は５〜７×10-6Ｋ-1であるため、接合される放熱材料としては、これに近い熱膨張率を有することが要求される。現在使用されている放熱材料としては、Ｗ−Cu系複合材料の熱膨張率が６〜９×10-6Ｋ-1であり、Mo−Cu系複合材料の熱膨張率が７〜14×10-6Ｋ-1である。このように接合される相手材に近い熱膨張率を有することにより、半導体素子の発熱によって発生する熱応力の影響を小さく抑えることができる。
【０００４】
放熱材料は、熱膨張が少ないことに加えて、熱伝導率が大きいことが要求されるが、単相の材料で両者を同時に達成することは難しい。そのため、熱膨張率の小さい材料と熱伝導率の大きい材料を組み合わせた複合材料が多く用いられている。
このような例として、たとえば特許文献１には、Ｗ−Cu，Mo−Cu等の金属−金属系複合材料が提案されている。Ｗ，Moは熱膨張率が低く、他方、Cuは熱伝導率が高いという特性を利用する技術である。
【０００５】
また特許文献２には、SiＣ−Al，Cu2Ｏ−Cu等のセラミックス−金属系の複合材料が開示されている。
さらに特許文献３にはCr−Cu，Nb−Cu等の金属−金属系複合材料が開示されている。特許文献３は、Cr−Cu系合金について、低熱膨張率と高熱伝導率を共に達成するための技術である。この技術は、２〜50質量％のCrを含有するCu合金について、第２相として存在する凝固の際に析出するCr相のアスペクト比を10以上とすることによって、複合則から予想されるよりも低い熱膨張率を得ることが可能になるというものである。しかしながら、製造方法は溶解鋳造法を前提としているので、開示されている鋳造方法ではCr含有量が増加すると、融点が高くなる上、凝固偏析が生じるので均質な合金製造が困難である。これを均質化するためには、高温長時間の均質化熱処理に加えて、熱間鍛造や熱間圧延工程が必要となる。したがって、特許文献３の実施例には、30質量％を超えるCrを含有する例は開示されていない。また、凝固の際の１次析出相であるCr相のアスペクト比を10以上とするので、たとえば冷間圧延では90％以上の圧下を必要とする。その結果、製造コストの上昇を招き、しかも製品として提供できる放熱材料の寸法が制限されるという問題がある。
【０００６】
非特許文献１には、30質量％以上のCrを含むCr−Cu合金を溶解と冷間加工によって均一に製造する技術が開示されている。すなわち、CrとCuの混合粉末を焼結したものを消耗電極として用い、高価なアーク溶解法で鋳造し、さらに室温での延性が不十分なCrが変形しないように押出し法によって丸棒を製造する方法である。押出し法は、Crに対してCu相からの静水圧が働くため、加工が容易となることを利用したものである。この技術では経済性に問題があり、かつ放熱材料のような薄い板状の材料の製造には適していない。
【０００７】
また発明者らは、特許文献４に、熱処理によって熱膨張率を調整したCr−Cu材を放熱材料に適用する技術を開示している。この技術は、Cr粉末を使用し、Cuと焼結あるいは溶浸を行なって合金化し、同様に時効熱処理を行なってCr相中から粒子状のCr相の析出を図るものである。
【特許文献１】特公平5-38457号公報
【特許文献２】特開2002-212651号公報
【特許文献３】特開2000-239762号公報
【特許文献４】特開2005-330583号公報
【非特許文献１】Siemens Forsch.-Ber.Bd,17(1988)No.3
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上記した通り、発熱量の大きい半導体素子は、主にハンダ付けによって半導体用放熱板や半導体用放熱部品に固定することによって効率良く放熱しながら使用される。
しかし、特許文献１で提案されているＷ−Cu，Mo−Cuなどの金属−金属系複合材料を用いた放熱材料は、切削加工やプレス加工等の機械加工性は良好であるものの、その原料であるＷやMoの粉末が高価であるという問題点がある。
【０００９】
また特許文献２で提案されているSiＣ−Al，Cu2Ｏ−Cuなどのセラミックス−金属系複合材料は硬くて、機械加工性に劣り、さらに均一なめっき処理が困難であるという問題がある。
本発明は、上述の複合材料と同程度の熱膨張率をもちながら、Ｗ，Moの含有量を少なくすることにより、低熱膨張率と高熱伝導率を両立し、なおかつ安価な放熱材料、並びに放熱材料の製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
発明者らは、CrがＷやMoと同じく周期表のVIa族に属する金属であって、Moに近い熱膨張率と、金属の中では比較的高い熱伝導率を有し、かつWやMoに比べて安価に入手できることに着目し、Cr−Cu系の金属材料について鋭意研究した。その結果、Crを少量含む高Cu合金に適当な熱処理を施すことによって、熱膨張率が極めて低くなることを見出した。本発明は、このような知見に基づいてなされたものである。
【００１１】
すなわち本発明は、CrとCuに加えてＷおよび／またはMoを含有し、残部が不可避的不純物からなる組成を有し、かつCr相粒子に加えて、Ｗ相粒子および／またはMo相粒子がCu相基地中に分散した組織を有する放熱材料である。
本発明の放熱材料においては、前記した組成のＷ含有量および／またはMo含有量とCr含有量との合計が30質量％超え90質量％以下であることが好ましい。
【００１２】
また、Cr相粒子に加えてＷ相粒子および／またはMo粒子がCu相基地中に分散し、かつ長径100ｎｍ以下の微細粒Cr相が形成されることが好ましい。その微細粒Cr相のアスペクト比は10未満であることが好ましい。微細粒Cr相の分布密度は20個／μｍ2 以上であることが好ましい。
さらに本発明は、上記した放熱材料を使用した半導体用放熱板、あるいは上記した放熱材料を一部に取付けた半導体用放熱部品である。
【００１３】
また本発明は、Ｗ含有量および／またはMo含有量とCr含有量との合計が30質量％超え90質量％以下であり、残部がCuと不可避的不純物である放熱材料の製造方法において、CrとCuに加えてＷおよび／またはMoの粉末を混合した後、焼結して30℃／分以下の冷却速度で冷却し、得られた焼結体を500〜750℃の温度範囲で時効熱処理する放熱材料の製造方法である。
【００１４】
あるいは本発明は、Ｗ含有量および／またはMo含有量とCr含有量との合計が30質量％超え90質量％以下であり、残部がCuと不可避的不純物である放熱材料の製造方法において、CrとCuに加えてＷおよび／またはMoの粉末を混合した後、焼結し、得られた焼結体に900〜1050℃の温度範囲で溶体化熱処理を施して30℃／分以下の冷却速度で冷却し、さらに500〜750℃の温度範囲で時効熱処理する放熱材料の製造方法である。
【００１５】
あるいは本発明は、Ｗ含有量および／またはMo含有量とCr含有量との合計が30質量％超え90質量％以下であり、残部がCuと不可避的不純物である放熱材料の製造方法において、Cr、またはCrとCu、に加えてＷおよび／またはMoの粉末を混合した後、焼結し、得られた焼結体にCuまたはCu−Cr合金を溶浸して30℃／分以下の冷却速度で冷却し、さらに得られた溶浸体を500〜750℃の温度範囲で時効熱処理する放熱材料の製造方法である。
【００１６】
あるいは本発明は、Ｗ含有量および／またはMo含有量とCr含有量との合計が30質量％超え90質量％以下であり、残部がCuと不可避的不純物である放熱材料の製造方法において、Cr、またはCrとCu、に加えてＷおよび／またはMoの粉末を混合した後、焼結し、得られた焼結体にCuまたはCu−Cr合金を溶浸し、得られた溶浸体に900〜1050℃の温度範囲で溶体化熱処理を施して30℃／分以下の冷却速度で冷却し、さらに500〜750℃の温度範囲で時効熱処理する放熱材料の製造方法である。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、高熱伝導率と低熱膨張率を両立させた放熱材料を安価に得ることができる。さらに、その放熱材料を使用する（あるいは一部に取付ける）ことによって、優れた放熱特性を有する半導体用放熱板や半導体用放熱部品を製造できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
まず、本発明の放熱材料の製造方法について説明する。
本発明では、Cr粉末に加えて、Ｗ粉末および／またはMo粉末を原料として、粉末冶金技術を採用する。粉末冶金技術の採用によって、Cr，Ｗ，Moの粉末を原料として使用し、これを焼結した後でCuまたはCr−Cu合金を溶浸することによって、Cr，Ｗ，Moを均一に分布させた放熱材料の製造が可能になった。さらに時効熱処理を施すことによって、溶浸のままの状態に比べて熱膨張率を低減させることができる。
【００１９】
Cr粉末，Ｗ粉末，Mo粉末の粒度は、いずれも250μｍ以下のもの（ＪＩＳ規格Z2510に準拠して篩分けしたもの）を使用することが好ましい。特に、小型の放熱材料を製造する場合には、Cr粉末，Ｗ粉末，Mo粉末の粒度は、いずれも平均粒度Ｄ50が150μｍ以下であることが一層好ましい。
また、Cr，Ｗ，Moの粉末中の不純物は、溶浸体の加工性向上の観点から、可能な限り低減することが好ましい。すなわちCr粉末，Ｗ粉末，Mo粉末の純度は、いずれも99質量％以上が好ましい。
【００２０】
本発明の放熱材料を製造するにあたって、原料となるCr粉末に加えて、Ｗ粉末および／またはMo粉末を型に充填し、さらに必要に応じて加圧成形し、その充填したままの充填成形体あるいは加圧成形した加圧成形体を焼結して、得られた焼結体にCuまたはCr−Cu合金を溶浸させて放熱材料とする。
また本発明では、Cr粉末に加えて、Ｗ粉末および／またはMo粉末にCu粉末を混合し、得られた混合粉末を原料として使用しても良い。その場合は、混合粉末を型に充填し、さらに必要に応じて加圧成形し、その充填したままの充填成形体あるいは加圧成形した加圧成形体を焼結して、得られた焼結体を放熱材料とする。なお、さらに必要に応じてCr−Ｗ，Cr−Mo，Cr−Ｗ−Mo，Cr−Cu−Ｗ，Cr−Cu−Mo，Cr−Cu−Ｗ−Moからなる焼結体にCuまたはCu−Cr合金を溶浸させてもよい。
【００２１】
加圧成形を行なう成形工程では、使用する粉末の充填性や密度の目標値に応じて圧力を調整しながら成形する。
焼結の条件は、1000〜1600℃の範囲内（好ましくは1050〜1450℃の範囲内）の温度で30〜300分保持することが好ましい。雰囲気は水素雰囲気または真空が好ましい。
焼結して得られた焼結体にCuを溶浸させる場合は、工業的に製造される金属Cu（たとえばタフピッチ銅，りん脱酸銅，無酸素銅等）あるいはCu粉末（たとえば電解銅粉、アトマイズ銅粉等）を使用することが好ましい。また、Cr−Cu合金を溶浸させる場合は、不純物が少ないものを使用することが好ましい。
【００２２】
溶浸は従来から知られている技術を使用する。たとえば焼結体の上面および／または下面にCuあるいはCr−Cu合金の板や粉末を付着させ、1100〜1300℃の範囲内（好ましくは1150〜1250℃の範囲内）の温度で20〜120分保持する。雰囲気は水素雰囲気または真空が好ましい。ただし、溶浸した後の加工性向上の観点から真空中で溶浸することが好ましい。溶浸後は表面に残留するCuまたはCu−Cr合金を機械加工（たとえばフライス盤による切削加工，砥石による研削加工等）により除去して放熱部品にするための加工を行なう。あるいは必要に応じて冷間または温間の圧延を行ない、表面を仕上げることができる。
【００２３】
このようにしてCr−Ｗ−CuまたはCr−Mo−Cuの３元系の放熱材料、あるいはCr−Ｗ−Mo−Cuの４元系の放熱材料が得られる。３元系の放熱材料では、Cr相粒子に加えてＷ相粒子またはMo相粒子がCu相基地中に分散している。４元系の放熱材料では、Cr相粒子に加えてＷ相粒子およびMo相粒子がCu相基地中に分散している。
なお本発明者らの研究によれば、焼結，溶浸あるいは後述する溶体化熱処理した後の冷却速度は、焼結体，溶浸体あるいは溶体化熱処理体の熱膨張率に影響を及ぼすことが判明した。より大幅な熱膨張率の低減を達成するために、具体的には、冷却速度を30℃／分以下とする。現在のところ、冷却速度に応じて熱膨張率が変化する原因は明らかではないが、焼結中，溶浸中あるいは溶体化熱処理中にCu相に固溶したCrが時効熱処理によって析出する際に、冷却速度に応じて形態が変化するためと考えられる。
【００２４】
Crは、本発明の放熱材料において、熱膨張率の低減を達成するための重要な元素である。
上記したような手順で焼結体にCuを溶浸させると、CrがCu中に0.9〜2.0質量％程度固溶する。また、溶体化熱処理では、CrがCu中に0.1〜0.9質量％程度固溶する。そのCu相に固溶したCrを、冷却速度30℃／分以下で冷却した後の時効熱処理によって長径100ｎｍ（ナノメートル）以下の微細粒Cr相として、Cu相中に析出させる。この微細粒Cr相の析出が熱膨張率を低減させる。
【００２５】
さらに、Cuを溶浸させた溶浸体を熱間，温間，冷間にて圧延しても良い。冷間圧延を施すことによってCr相に方向性を付与し、微細粒Cr相のアスペクト比を調整することが可能となる。一般的には、Cr−Cu材は冷間，温間，熱間での圧延が可能であるが、Ｗ−Cu材は熱間圧延でも圧延は難しく、Mo−Cu材は熱間圧延は可能であるが、温間圧延，冷間圧延は大きな圧下率で圧延を行なうことは困難である。このように冷間加工性に乏しいMoやＷを多く添加する場合は、熱間圧延が好ましい。熱間圧延の後は溶体化熱処理を行なうことが好ましく、しかも溶体化熱処理は30℃／分以下の冷却速度で冷却することが好ましい。
【００２６】
微細粒Cr相のアスペクト比を所定の範囲に保持することによって、溶体化熱処理体，溶浸体あるいは焼結体の熱膨張率を一層低減することが可能となる。
熱間圧延を行なった場合は、表面に形成された酸化層を除去して放熱部品とすることが好ましい。酸化層の除去は、機械加工（たとえばフライス盤による切削加工，砥石による研削加工等）すれば良い。酸化層を除去した後、放熱部品にするための加工を行なう。あるいは必要に応じて冷間または温間の圧延を行ない、表面を仕上げることができる。
【００２７】
なお、溶体化熱処理体，溶浸体あるいは焼結体に微細粒Cr相を析出させるための時効熱処理を行なう前、または時効熱処理を行なった後に、冷間または温間圧延，スウェージング加工，ダイス引き抜き，鍛造等の冷間または温間加工を行なって、放熱材料を所定の形状に加工しても良い。
次に、本発明の放熱材料の組織について説明する。
【００２８】
本発明の放熱材料は、Cr相粒子に加えてＷ相粒子および／またはMo相粒子がCu相基地中に分散する。
さらに長径100ｎｍ以下の微細粒Cr相が形成されることが好ましい。Cu中に固溶していたCrが通常の溶体化熱処理、すなわち溶体化保持した後600℃／分程度の冷却速度で水冷し、450℃程度で時効熱処理すると、Crが10ｎｍ以下の大きさで特定の結晶面上に２次析出する。この析出により材料は硬化し、いわゆる析出時効現象が生じる。このような析出硬化を生じる場合は、熱膨張率の低減は起こらない。
【００２９】
一方、焼結後，溶浸後あるいは900〜1050℃で溶体化保持した後、30℃／分以下の冷却速度で冷却した後、500〜750℃で時効熱処理を行なうと、Crの析出は析出硬化の場合より大きくなり、長径100ｎｍ以下のCrの２次析出が生じる。この場合にのみ熱膨張率の低減現象が生じることが判明した。その原因は現在調査中であるが、透過型電子顕微鏡で析出したCrを観察すると、Cu相上に整合析出しており、熱膨張率低減との関連が考えられる。また、750℃より高い温度で時効熱処理すると、さらに大きなCrが析出するが、その場合は熱膨張率の低減は見られない。この２次析出した微細粒Cr相の分布密度を20個／μｍ2以上とすると、熱膨張率の低減効果が顕著となり好ましい。
【００３０】
次に、本発明の放熱材料の組成について説明する。
Cr，ＷおよびMoの合計含有量が30質量％以下では、放熱材料に要求される低熱膨張率（約14×10-6Ｋ-1以下）が得られない。一方、90質量％を超えると、熱伝導率が低下し、放熱材料として十分な放熱効果が得られない。したがって、Cr，ＷおよびMoの合計含有量は30質量％超え90質量％以下であることが好ましい。残部はCuおよび不可避的不純物である。
【００３１】
CrとMoおよびＷとの比率は特に限定せず、目標とする熱伝導率と熱膨張率の値に合わせて配合を決定すればよい。ただし、Crは安価であり、焼結後，溶浸後あるいは溶体化熱処理後に30℃／分以下の冷却速度で冷却し、500〜750℃の範囲で時効熱処理を行なうことにより、熱膨張率を下げることができる。また、圧延により、圧延方向にCr相が伸びることにより、圧延方向の熱膨張率を低減することができるので、なるべくCrを多く配合することが好ましい。また圧延を行なう場合は、極力Ｗを少なくすることが好ましい。時効熱処理で熱膨張率を下げる場合は、0.5質量％程度のCrを添加することが好ましい。
【００３２】
以上に説明した放熱材料を使用する（あるいは一部に取付ける）ことによって、優れた放熱特性を有する半導体用放熱板や半導体用放熱部品を製造することができる。
【実施例】
【００３３】
＜実施例１＞
平均粒径100μｍのCr粉末と平均粒径５μｍのMo粉末とを１：１の質量比で混合したのち、型に自然充填して、真空中にて1350℃で焼結し、気孔率が約50体積％となる焼結体（70mm×70mm×12mm）を作製した。その焼結体の上面にCu板を載置し、真空中で1200℃に加熱してCuを溶解し、焼結体に溶浸させて溶浸体を得た。次いでフライス盤を用いて、溶浸体の表面に残留するCuを除去して厚さを10mmとした後、900℃の熱間にて圧延して厚さ３mmの圧延板を作製した。これを発明例１とする。
【００３４】
一方、比較例１として、平均粒径10μｍのMo粉末のみを型に自然充填して、発明例１と同様に焼結し、気孔率が約40体積％となる焼結体を作製した。その焼結体の上面にCu板を載置し、真空中で1200℃に加熱してCuを溶解し、焼結体に溶浸させて溶浸体を得た。次いでフライス盤を用いて、溶浸体の表面に残留するCuを除去して厚さを10mmとした後、900℃の熱間にて圧延して厚さ３mmの圧延板を作製した。
【００３５】
また発明例１と比較例１の圧延板の密度を測定し、気孔率≒０と仮定して組成比を求めた。その結果を表１に示す。
さらに発明例１と比較例１の圧延板から圧延方向を長手方向として長さ25mm，幅８mm，厚さ２mmの板状の熱膨張率測定用試験片、および直径16mm，厚さ２mmの円盤状の熱伝導率測定用試験片を切り出した。これら各試験片に、真空中1050℃にて60分間保持し溶体化処理を行なった後、30℃／分の冷却速度で冷却した。さらに真空中、500〜700℃において60分保持する時効熱処理を施した後、熱伝導率および熱膨張率を測定した。得られた結果を表１に併せて示す。なお、熱伝導率はレーザーフラッシュ法により常温の熱伝導率を求めた。熱膨張率は試験片の長手方向の伸びに基づいて常温から200℃までの平均熱膨張率を求めた。
【００３６】
【表１】
【００３７】
表１から明らかなように発明例１と比較例１では、熱膨張率および熱伝導率が同等の放熱材料が得られている。ただし発明例１は、Mo量を比較例１の１／２以下に低減することに成功しており、大幅なコスト削減が可能となる。さらに発明例１は、比較例１に比べて密度を約10％低減しており、放熱材料の軽量化にも寄与できる。
＜実施例２＞
平均粒径10μｍのＷ粉末を、型に自然充填して、水素中にて1450℃で焼結し、気孔率が約62体積％となる焼結体（70mm×70mm×５mm）を作製した。その焼結体の上面に4.5質量％Cr−Cu合金板を載置し、真空中で1200℃に加熱してCr−Cu合金を溶解し、焼結体に溶浸させて溶浸体を得た。なお、溶浸時に1200℃保持後、30℃／分の冷却速度で冷却した。次いでフライス盤を用いて、溶浸体の表面に残留するCr−Cu合金を除去して厚さ２mmの溶浸体を作製した。これを発明例２とする。
【００３８】
一方、比較例２として、平均粒径10μｍのＷ粉末を型に充填して、加圧力294.2MPa（＝３tonf／cm2）で加圧して発明例２と同様に焼結し、気孔率が約69体積％となる焼結体を作製した。その焼結体の上面にCu板を載置し、真空中で1200℃に加熱してCuを溶解し、焼結体に溶浸させて溶浸体を得た。次いでフライス盤を用いて、溶浸体の表面に残留するCuを除去して厚さ２mmの溶浸体を作製した。
【００３９】
また発明例２と比較例２の圧延板の密度を測定し、気孔率≒０と仮定して組成比を求めた。その結果を表１に示す。
さらに発明例２と比較例２の溶浸体から長さ25mm，幅８mm，厚さ２mmの板状の熱膨張率測定用試験片、および直径16mm，厚さ２mmの円盤状の熱伝導率測定用試験片を切り出した。これら各試験片に、真空中、500〜700℃において60分保持する時効熱処理を施した後、熱伝導率および熱膨張率を測定した。得られた結果を表１に併せて示す。なお、熱伝導率および熱膨張率は実施例１と同様にして求めた。
【００４０】
表１から明らかなように発明例２と比較例２では、熱膨張率および熱伝導率が同等の放熱材料が得られている。ただし発明例２は、Ｗ量を比較例２の約６％低減することに成功しており、大幅なコスト低減が可能となる。さらに発明例２は、比較例２に比べて密度を５％程度低減しており、放熱材料の軽量化にも寄与できる。
＜実施例３＞
平均粒径20μｍのMo粉末を型に自然充填して、真空中にて1500℃で焼結し、気孔率が約60体積％となる焼結体（70mm×70mm×12mm）を作製した。その焼結体の上面に７質量％Cr−Cu合金板を載置し、真空中1200℃に加熱してCr−Cu合金を溶解し、焼結体に溶浸させて溶浸体を得た。次いでフライス盤を用いて、溶浸体の表面に残留するCuを除去して厚さを10mmとした後、900℃の熱間にて圧延して厚さ３mmの圧延板を作製した。これを発明例３とする。
【００４１】
一方、比較例３として、平均粒径10μｍのMo粉末を型に押し込み充填して、発明例３と同様に焼結し、気孔率が約55体積％となる焼結体を作製した。その焼結体の上面にCu板を載置し、真空中で1200℃に加熱してCuを溶解し、焼結体に溶浸させて溶浸体を得た。次いでフライス盤を用いて、溶浸体の表面に残留するCuを除去して厚さを10mmとした後、900℃の熱間にて圧延して厚さ３mmの圧延板を作製した。
【００４２】
また発明例３と比較例３の圧延板の密度を測定し、気孔率≒０と仮定して組成比を求めた。その結果を表１に示す。
さらに発明例３と比較例３の圧延板から圧延方向を長手方向として長さ25mm，幅８mm，厚さ２mmの板状の熱膨張率測定用試験片、および直径16mm，厚さ２mmの円盤状の熱伝導率測定用試験片を切り出した。これら各試験片に、真空中1050℃にて60分間保持し溶体化処理を行なった後、30℃／分の冷却速度で冷却した。さらに真空中、500〜700℃において60分保持する時効熱処理を施した後、熱伝導率および熱膨張率を測定した。得られた結果を表１に併せて示す。なお、熱伝導率および熱膨張率は実施例１と同様にして求めた。
【００４３】
表１から明らかなように、発明例３は少量のCrを含有することにより、比較例３と比べて熱伝導率を同等に維持しながら、熱膨張率を約15％低減することに成功している。
＜実施例４＞
平均粒径100μｍのCr粉末に平均粒径２μｍのＷ粉末と平均粒径５μｍのMo粉末を表１に示す組成でパラフィンワックスを添加したエタノール溶液中に添加し、混練乾燥させた。この混合粉末を型に自然充填して、600℃水素中でパラフィンワックスを脱脂後、1350℃に焼結し、気孔率約38％となる焼結体（70mm×70mm×４mm）を作製した。その焼結体上面に純Cu板を載置し、真空中にて1200℃に加熱してCuを溶解し、焼結体に溶浸させて溶浸体を得た。次いでフライス盤を用いて、溶浸体の表面に残留するCuを除去して厚さ２mmの溶浸体を作製した。これを発明例４とする。
【００４４】
また発明例４の用浸体の密度を測定し、気孔率≒０と仮定して組成比を求めた。その結果を表１に示す。
さらに発明例４の溶浸体から長さ25mm，幅８mm，厚さ２mmの板状の熱膨張率測定用試験片、および直径16mm，厚さ２mmの円盤状の熱伝導率測定用試験片を切り出した。この各試験片に、真空中1050℃にて60分間保持し溶体化処理を行なった後、30℃／分の冷却速度で冷却した。さらに真空中、500〜700℃において60分保持する時効熱処理を施した後、熱伝導率および熱膨張率を測定した。得られた結果を表１に併せて示す。なお、熱伝導率および熱膨張率は実施例１と同様にして求めた。
【００４５】
表１から明らかなように発明例４と比較例１では、熱膨張率および熱伝導率が同等の放熱材料が得られている。ただし発明例４は、Mo量とＷ量を合計した量を比較例１のMo量の27％に低減することに成功しており、大幅なコスト削減が可能となる。さらに発明例４は、比較例１に比べて密度を約10％低減しており、放熱材料の軽量化にも寄与できる。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電子機器に搭載された半導体素子等の発熱体から発生する熱を速やかに放散させるために用いられ、低い熱膨張率と高い熱伝導率を両立させた放熱材料、およびそれを用いた半導体用放熱板（たとえばヒートシンク材，ヒートスプレッダー材等）や半導体用放熱部品（たとえば半導体用キャリア，半導体用ケース等）、並びに放熱材料の製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
半導体素子等の電子部品を搭載した電子機器を作動させる際には、電子回路への通電に伴い電子機器が発熱する。電子機器の高出力化に伴い、作動時の発熱量はますます増加する傾向にあるが、温度が上昇し過ぎると半導体素子の特性が変化し、電子機器の動作が不安定になる問題が生じる。また長時間にわたって使用することによって過剰な高温に曝されると、電子部品の接合材（たとえばハンダ等）や絶縁材（たとえば合成樹脂等）が変質して、電子機器の故障の原因になる。そのため、電子部品から発熱する熱を速やかに放散させる必要がある。そこで、熱を放散させるための放熱材料が種々検討されている。
【０００３】
半導体素子は、たとえば窒化アルミニウム（AlＮ）にAl電極をダイレクトボンディングした基板（いわゆるＤＢＡ基板）上にハンダ付けあるいはロウ付けされた後、放熱材料の上に同様の方法により固定される。その際、ＤＢＡ基板の熱膨張率は５〜７×10-6Ｋ-1であるため、接合される放熱材料としては、これに近い熱膨張率を有することが要求される。現在使用されている放熱材料としては、Ｗ−Cu系複合材料の熱膨張率が６〜９×10-6Ｋ-1であり、Mo−Cu系複合材料の熱膨張率が７〜14×10-6Ｋ-1である。このように接合される相手材に近い熱膨張率を有することにより、半導体素子の発熱によって発生する熱応力の影響を小さく抑えることができる。
【０００４】
放熱材料は、熱膨張が少ないことに加えて、熱伝導率が大きいことが要求されるが、単相の材料で両者を同時に達成することは難しい。そのため、熱膨張率の小さい材料と熱伝導率の大きい材料を組み合わせた複合材料が多く用いられている。
このような例として、たとえば特許文献１には、Ｗ−Cu，Mo−Cu等の金属−金属系複合材料が提案されている。Ｗ，Moは熱膨張率が低く、他方、Cuは熱伝導率が高いという特性を利用する技術である。
【０００５】
また特許文献２には、SiＣ−Al，Cu2Ｏ−Cu等のセラミックス−金属系の複合材料が開示されている。
さらに特許文献３にはCr−Cu，Nb−Cu等の金属−金属系複合材料が開示されている。特許文献３は、Cr−Cu系合金について、低熱膨張率と高熱伝導率を共に達成するための技術である。この技術は、２〜50質量％のCrを含有するCu合金について、第２相として存在する凝固の際に析出するCr相のアスペクト比を10以上とすることによって、複合則から予想されるよりも低い熱膨張率を得ることが可能になるというものである。しかしながら、製造方法は溶解鋳造法を前提としているので、開示されている鋳造方法ではCr含有量が増加すると、融点が高くなる上、凝固偏析が生じるので均質な合金製造が困難である。これを均質化するためには、高温長時間の均質化熱処理に加えて、熱間鍛造や熱間圧延工程が必要となる。したがって、特許文献３の実施例には、30質量％を超えるCrを含有する例は開示されていない。また、凝固の際の１次析出相であるCr相のアスペクト比を10以上とするので、たとえば冷間圧延では90％以上の圧下を必要とする。その結果、製造コストの上昇を招き、しかも製品として提供できる放熱材料の寸法が制限されるという問題がある。
【０００６】
非特許文献１には、30質量％以上のCrを含むCr−Cu合金を溶解と冷間加工によって均一に製造する技術が開示されている。すなわち、CrとCuの混合粉末を焼結したものを消耗電極として用い、高価なアーク溶解法で鋳造し、さらに室温での延性が不十分なCrが変形しないように押出し法によって丸棒を製造する方法である。押出し法は、Crに対してCu相からの静水圧が働くため、加工が容易となることを利用したものである。この技術では経済性に問題があり、かつ放熱材料のような薄い板状の材料の製造には適していない。
【０００７】
また発明者らは、特許文献４に、熱処理によって熱膨張率を調整したCr−Cu材を放熱材料に適用する技術を開示している。この技術は、Cr粉末を使用し、Cuと焼結あるいは溶浸を行なって合金化し、同様に時効熱処理を行なってCr相中から粒子状のCr相の析出を図るものである。
【特許文献１】特公平5-38457号公報
【特許文献２】特開2002-212651号公報
【特許文献３】特開2000-239762号公報
【特許文献４】特開2005-330583号公報
【非特許文献１】Siemens Forsch.-Ber.Bd,17(1988)No.3
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上記した通り、発熱量の大きい半導体素子は、主にハンダ付けによって半導体用放熱板や半導体用放熱部品に固定することによって効率良く放熱しながら使用される。
しかし、特許文献１で提案されているＷ−Cu，Mo−Cuなどの金属−金属系複合材料を用いた放熱材料は、切削加工やプレス加工等の機械加工性は良好であるものの、その原料であるＷやMoの粉末が高価であるという問題点がある。
【０００９】
また特許文献２で提案されているSiＣ−Al，Cu2Ｏ−Cuなどのセラミックス−金属系複合材料は硬くて、機械加工性に劣り、さらに均一なめっき処理が困難であるという問題がある。
本発明は、上述の複合材料と同程度の熱膨張率をもちながら、Ｗ，Moの含有量を少なくすることにより、低熱膨張率と高熱伝導率を両立し、なおかつ安価な放熱材料、並びに放熱材料の製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
発明者らは、CrがＷやMoと同じく周期表のVIa族に属する金属であって、Moに近い熱膨張率と、金属の中では比較的高い熱伝導率を有し、かつWやMoに比べて安価に入手できることに着目し、Cr−Cu系の金属材料について鋭意研究した。その結果、Crを少量含む高Cu合金に適当な熱処理を施すことによって、熱膨張率が極めて低くなることを見出した。本発明は、このような知見に基づいてなされたものである。
【００１１】
すなわち本発明は、CrとCuに加えてＷおよび／またはMoを含有し、残部が不可避的不純物からなる組成を有し、かつCr相粒子に加えて、Ｗ相粒子および／またはMo相粒子がCu相基地中に分散した組織を有する放熱材料である。
本発明の放熱材料においては、前記した組成のＷ含有量および／またはMo含有量とCr含有量との合計が30質量％超え90質量％以下であることが好ましい。
【００１２】
また、Cr相粒子に加えてＷ相粒子および／またはMo粒子がCu相基地中に分散し、かつ長径100ｎｍ以下の微細粒Cr相が形成されることが好ましい。その微細粒Cr相のアスペクト比は10未満であることが好ましい。微細粒Cr相の分布密度は20個／μｍ2 以上であることが好ましい。
さらに本発明は、上記した放熱材料を使用した半導体用放熱板、あるいは上記した放熱材料を一部に取付けた半導体用放熱部品である。
【００１３】
また本発明は、Ｗ含有量および／またはMo含有量とCr含有量との合計が30質量％超え90質量％以下であり、残部がCuと不可避的不純物である放熱材料の製造方法において、CrとCuに加えてＷおよび／またはMoの粉末を混合した後、焼結して30℃／分以下の冷却速度で冷却し、得られた焼結体を500〜750℃の温度範囲で時効熱処理する放熱材料の製造方法である。
【００１４】
あるいは本発明は、Ｗ含有量および／またはMo含有量とCr含有量との合計が30質量％超え90質量％以下であり、残部がCuと不可避的不純物である放熱材料の製造方法において、CrとCuに加えてＷおよび／またはMoの粉末を混合した後、焼結し、得られた焼結体に900〜1050℃の温度範囲で溶体化熱処理を施して30℃／分以下の冷却速度で冷却し、さらに500〜750℃の温度範囲で時効熱処理する放熱材料の製造方法である。
【００１５】
あるいは本発明は、Ｗ含有量および／またはMo含有量とCr含有量との合計が30質量％超え90質量％以下であり、残部がCuと不可避的不純物である放熱材料の製造方法において、Cr、またはCrとCu、に加えてＷおよび／またはMoの粉末を混合した後、焼結し、得られた焼結体にCuまたはCu−Cr合金を溶浸して30℃／分以下の冷却速度で冷却し、さらに得られた溶浸体を500〜750℃の温度範囲で時効熱処理する放熱材料の製造方法である。
【００１６】
あるいは本発明は、Ｗ含有量および／またはMo含有量とCr含有量との合計が30質量％超え90質量％以下であり、残部がCuと不可避的不純物である放熱材料の製造方法において、Cr、またはCrとCu、に加えてＷおよび／またはMoの粉末を混合した後、焼結し、得られた焼結体にCuまたはCu−Cr合金を溶浸し、得られた溶浸体に900〜1050℃の温度範囲で溶体化熱処理を施して30℃／分以下の冷却速度で冷却し、さらに500〜750℃の温度範囲で時効熱処理する放熱材料の製造方法である。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、高熱伝導率と低熱膨張率を両立させた放熱材料を安価に得ることができる。さらに、その放熱材料を使用する（あるいは一部に取付ける）ことによって、優れた放熱特性を有する半導体用放熱板や半導体用放熱部品を製造できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
まず、本発明の放熱材料の製造方法について説明する。
本発明では、Cr粉末に加えて、Ｗ粉末および／またはMo粉末を原料として、粉末冶金技術を採用する。粉末冶金技術の採用によって、Cr，Ｗ，Moの粉末を原料として使用し、これを焼結した後でCuまたはCr−Cu合金を溶浸することによって、Cr，Ｗ，Moを均一に分布させた放熱材料の製造が可能になった。さらに時効熱処理を施すことによって、溶浸のままの状態に比べて熱膨張率を低減させることができる。
【００１９】
Cr粉末，Ｗ粉末，Mo粉末の粒度は、いずれも250μｍ以下のもの（ＪＩＳ規格Z2510に準拠して篩分けしたもの）を使用することが好ましい。特に、小型の放熱材料を製造する場合には、Cr粉末，Ｗ粉末，Mo粉末の粒度は、いずれも平均粒度Ｄ50が150μｍ以下であることが一層好ましい。
また、Cr，Ｗ，Moの粉末中の不純物は、溶浸体の加工性向上の観点から、可能な限り低減することが好ましい。すなわちCr粉末，Ｗ粉末，Mo粉末の純度は、いずれも99質量％以上が好ましい。
【００２０】
本発明の放熱材料を製造するにあたって、原料となるCr粉末に加えて、Ｗ粉末および／またはMo粉末を型に充填し、さらに必要に応じて加圧成形し、その充填したままの充填成形体あるいは加圧成形した加圧成形体を焼結して、得られた焼結体にCuまたはCr−Cu合金を溶浸させて放熱材料とする。
また本発明では、Cr粉末に加えて、Ｗ粉末および／またはMo粉末にCu粉末を混合し、得られた混合粉末を原料として使用しても良い。その場合は、混合粉末を型に充填し、さらに必要に応じて加圧成形し、その充填したままの充填成形体あるいは加圧成形した加圧成形体を焼結して、得られた焼結体を放熱材料とする。なお、さらに必要に応じてCr−Ｗ，Cr−Mo，Cr−Ｗ−Mo，Cr−Cu−Ｗ，Cr−Cu−Mo，Cr−Cu−Ｗ−Moからなる焼結体にCuまたはCu−Cr合金を溶浸させてもよい。
【００２１】
加圧成形を行なう成形工程では、使用する粉末の充填性や密度の目標値に応じて圧力を調整しながら成形する。
焼結の条件は、1000〜1600℃の範囲内（好ましくは1050〜1450℃の範囲内）の温度で30〜300分保持することが好ましい。雰囲気は水素雰囲気または真空が好ましい。
焼結して得られた焼結体にCuを溶浸させる場合は、工業的に製造される金属Cu（たとえばタフピッチ銅，りん脱酸銅，無酸素銅等）あるいはCu粉末（たとえば電解銅粉、アトマイズ銅粉等）を使用することが好ましい。また、Cr−Cu合金を溶浸させる場合は、不純物が少ないものを使用することが好ましい。
【００２２】
溶浸は従来から知られている技術を使用する。たとえば焼結体の上面および／または下面にCuあるいはCr−Cu合金の板や粉末を付着させ、1100〜1300℃の範囲内（好ましくは1150〜1250℃の範囲内）の温度で20〜120分保持する。雰囲気は水素雰囲気または真空が好ましい。ただし、溶浸した後の加工性向上の観点から真空中で溶浸することが好ましい。溶浸後は表面に残留するCuまたはCu−Cr合金を機械加工（たとえばフライス盤による切削加工，砥石による研削加工等）により除去して放熱部品にするための加工を行なう。あるいは必要に応じて冷間または温間の圧延を行ない、表面を仕上げることができる。
【００２３】
このようにしてCr−Ｗ−CuまたはCr−Mo−Cuの３元系の放熱材料、あるいはCr−Ｗ−Mo−Cuの４元系の放熱材料が得られる。３元系の放熱材料では、Cr相粒子に加えてＷ相粒子またはMo相粒子がCu相基地中に分散している。４元系の放熱材料では、Cr相粒子に加えてＷ相粒子およびMo相粒子がCu相基地中に分散している。
なお本発明者らの研究によれば、焼結，溶浸あるいは後述する溶体化熱処理した後の冷却速度は、焼結体，溶浸体あるいは溶体化熱処理体の熱膨張率に影響を及ぼすことが判明した。より大幅な熱膨張率の低減を達成するために、具体的には、冷却速度を30℃／分以下とする。現在のところ、冷却速度に応じて熱膨張率が変化する原因は明らかではないが、焼結中，溶浸中あるいは溶体化熱処理中にCu相に固溶したCrが時効熱処理によって析出する際に、冷却速度に応じて形態が変化するためと考えられる。
【００２４】
Crは、本発明の放熱材料において、熱膨張率の低減を達成するための重要な元素である。
上記したような手順で焼結体にCuを溶浸させると、CrがCu中に0.9〜2.0質量％程度固溶する。また、溶体化熱処理では、CrがCu中に0.1〜0.9質量％程度固溶する。そのCu相に固溶したCrを、冷却速度30℃／分以下で冷却した後の時効熱処理によって長径100ｎｍ（ナノメートル）以下の微細粒Cr相として、Cu相中に析出させる。この微細粒Cr相の析出が熱膨張率を低減させる。
【００２５】
さらに、Cuを溶浸させた溶浸体を熱間，温間，冷間にて圧延しても良い。冷間圧延を施すことによってCr相に方向性を付与し、微細粒Cr相のアスペクト比を調整することが可能となる。一般的には、Cr−Cu材は冷間，温間，熱間での圧延が可能であるが、Ｗ−Cu材は熱間圧延でも圧延は難しく、Mo−Cu材は熱間圧延は可能であるが、温間圧延，冷間圧延は大きな圧下率で圧延を行なうことは困難である。このように冷間加工性に乏しいMoやＷを多く添加する場合は、熱間圧延が好ましい。熱間圧延の後は溶体化熱処理を行なうことが好ましく、しかも溶体化熱処理は30℃／分以下の冷却速度で冷却することが好ましい。
【００２６】
微細粒Cr相のアスペクト比を所定の範囲に保持することによって、溶体化熱処理体，溶浸体あるいは焼結体の熱膨張率を一層低減することが可能となる。
熱間圧延を行なった場合は、表面に形成された酸化層を除去して放熱部品とすることが好ましい。酸化層の除去は、機械加工（たとえばフライス盤による切削加工，砥石による研削加工等）すれば良い。酸化層を除去した後、放熱部品にするための加工を行なう。あるいは必要に応じて冷間または温間の圧延を行ない、表面を仕上げることができる。
【００２７】
なお、溶体化熱処理体，溶浸体あるいは焼結体に微細粒Cr相を析出させるための時効熱処理を行なう前、または時効熱処理を行なった後に、冷間または温間圧延，スウェージング加工，ダイス引き抜き，鍛造等の冷間または温間加工を行なって、放熱材料を所定の形状に加工しても良い。
次に、本発明の放熱材料の組織について説明する。
【００２８】
本発明の放熱材料は、Cr相粒子に加えてＷ相粒子および／またはMo相粒子がCu相基地中に分散する。
さらに長径100ｎｍ以下の微細粒Cr相が形成されることが好ましい。Cu中に固溶していたCrが通常の溶体化熱処理、すなわち溶体化保持した後600℃／分程度の冷却速度で水冷し、450℃程度で時効熱処理すると、Crが10ｎｍ以下の大きさで特定の結晶面上に２次析出する。この析出により材料は硬化し、いわゆる析出時効現象が生じる。このような析出硬化を生じる場合は、熱膨張率の低減は起こらない。
【００２９】
一方、焼結後，溶浸後あるいは900〜1050℃で溶体化保持した後、30℃／分以下の冷却速度で冷却した後、500〜750℃で時効熱処理を行なうと、Crの析出は析出硬化の場合より大きくなり、長径100ｎｍ以下のCrの２次析出が生じる。この場合にのみ熱膨張率の低減現象が生じることが判明した。その原因は現在調査中であるが、透過型電子顕微鏡で析出したCrを観察すると、Cu相上に整合析出しており、熱膨張率低減との関連が考えられる。また、750℃より高い温度で時効熱処理すると、さらに大きなCrが析出するが、その場合は熱膨張率の低減は見られない。この２次析出した微細粒Cr相の分布密度を20個／μｍ2以上とすると、熱膨張率の低減効果が顕著となり好ましい。
【００３０】
次に、本発明の放熱材料の組成について説明する。
Cr，ＷおよびMoの合計含有量が30質量％以下では、放熱材料に要求される低熱膨張率（約14×10-6Ｋ-1以下）が得られない。一方、90質量％を超えると、熱伝導率が低下し、放熱材料として十分な放熱効果が得られない。したがって、Cr，ＷおよびMoの合計含有量は30質量％超え90質量％以下であることが好ましい。残部はCuおよび不可避的不純物である。
【００３１】
CrとMoおよびＷとの比率は特に限定せず、目標とする熱伝導率と熱膨張率の値に合わせて配合を決定すればよい。ただし、Crは安価であり、焼結後，溶浸後あるいは溶体化熱処理後に30℃／分以下の冷却速度で冷却し、500〜750℃の範囲で時効熱処理を行なうことにより、熱膨張率を下げることができる。また、圧延により、圧延方向にCr相が伸びることにより、圧延方向の熱膨張率を低減することができるので、なるべくCrを多く配合することが好ましい。また圧延を行なう場合は、極力Ｗを少なくすることが好ましい。時効熱処理で熱膨張率を下げる場合は、0.5質量％程度のCrを添加することが好ましい。
【００３２】
以上に説明した放熱材料を使用する（あるいは一部に取付ける）ことによって、優れた放熱特性を有する半導体用放熱板や半導体用放熱部品を製造することができる。
【実施例】
【００３３】
＜実施例１＞
平均粒径100μｍのCr粉末と平均粒径５μｍのMo粉末とを１：１の質量比で混合したのち、型に自然充填して、真空中にて1350℃で焼結し、気孔率が約50体積％となる焼結体（70mm×70mm×12mm）を作製した。その焼結体の上面にCu板を載置し、真空中で1200℃に加熱してCuを溶解し、焼結体に溶浸させて溶浸体を得た。次いでフライス盤を用いて、溶浸体の表面に残留するCuを除去して厚さを10mmとした後、900℃の熱間にて圧延して厚さ３mmの圧延板を作製した。これを発明例１とする。
【００３４】
一方、比較例１として、平均粒径10μｍのMo粉末のみを型に自然充填して、発明例１と同様に焼結し、気孔率が約40体積％となる焼結体を作製した。その焼結体の上面にCu板を載置し、真空中で1200℃に加熱してCuを溶解し、焼結体に溶浸させて溶浸体を得た。次いでフライス盤を用いて、溶浸体の表面に残留するCuを除去して厚さを10mmとした後、900℃の熱間にて圧延して厚さ３mmの圧延板を作製した。
【００３５】
また発明例１と比較例１の圧延板の密度を測定し、気孔率≒０と仮定して組成比を求めた。その結果を表１に示す。
さらに発明例１と比較例１の圧延板から圧延方向を長手方向として長さ25mm，幅８mm，厚さ２mmの板状の熱膨張率測定用試験片、および直径16mm，厚さ２mmの円盤状の熱伝導率測定用試験片を切り出した。これら各試験片に、真空中1050℃にて60分間保持し溶体化処理を行なった後、30℃／分の冷却速度で冷却した。さらに真空中、500〜700℃において60分保持する時効熱処理を施した後、熱伝導率および熱膨張率を測定した。得られた結果を表１に併せて示す。なお、熱伝導率はレーザーフラッシュ法により常温の熱伝導率を求めた。熱膨張率は試験片の長手方向の伸びに基づいて常温から200℃までの平均熱膨張率を求めた。
【００３６】
【表１】
【００３７】
表１から明らかなように発明例１と比較例１では、熱膨張率および熱伝導率が同等の放熱材料が得られている。ただし発明例１は、Mo量を比較例１の１／２以下に低減することに成功しており、大幅なコスト削減が可能となる。さらに発明例１は、比較例１に比べて密度を約10％低減しており、放熱材料の軽量化にも寄与できる。
＜実施例２＞
平均粒径10μｍのＷ粉末を、型に自然充填して、水素中にて1450℃で焼結し、気孔率が約62体積％となる焼結体（70mm×70mm×５mm）を作製した。その焼結体の上面に4.5質量％Cr−Cu合金板を載置し、真空中で1200℃に加熱してCr−Cu合金を溶解し、焼結体に溶浸させて溶浸体を得た。なお、溶浸時に1200℃保持後、30℃／分の冷却速度で冷却した。次いでフライス盤を用いて、溶浸体の表面に残留するCr−Cu合金を除去して厚さ２mmの溶浸体を作製した。これを発明例２とする。
【００３８】
一方、比較例２として、平均粒径10μｍのＷ粉末を型に充填して、加圧力294.2MPa（＝３tonf／cm2）で加圧して発明例２と同様に焼結し、気孔率が約69体積％となる焼結体を作製した。その焼結体の上面にCu板を載置し、真空中で1200℃に加熱してCuを溶解し、焼結体に溶浸させて溶浸体を得た。次いでフライス盤を用いて、溶浸体の表面に残留するCuを除去して厚さ２mmの溶浸体を作製した。
【００３９】
また発明例２と比較例２の圧延板の密度を測定し、気孔率≒０と仮定して組成比を求めた。その結果を表１に示す。
さらに発明例２と比較例２の溶浸体から長さ25mm，幅８mm，厚さ２mmの板状の熱膨張率測定用試験片、および直径16mm，厚さ２mmの円盤状の熱伝導率測定用試験片を切り出した。これら各試験片に、真空中、500〜700℃において60分保持する時効熱処理を施した後、熱伝導率および熱膨張率を測定した。得られた結果を表１に併せて示す。なお、熱伝導率および熱膨張率は実施例１と同様にして求めた。
【００４０】
表１から明らかなように発明例２と比較例２では、熱膨張率および熱伝導率が同等の放熱材料が得られている。ただし発明例２は、Ｗ量を比較例２の約６％低減することに成功しており、大幅なコスト低減が可能となる。さらに発明例２は、比較例２に比べて密度を５％程度低減しており、放熱材料の軽量化にも寄与できる。
＜実施例３＞
平均粒径20μｍのMo粉末を型に自然充填して、真空中にて1500℃で焼結し、気孔率が約60体積％となる焼結体（70mm×70mm×12mm）を作製した。その焼結体の上面に７質量％Cr−Cu合金板を載置し、真空中1200℃に加熱してCr−Cu合金を溶解し、焼結体に溶浸させて溶浸体を得た。次いでフライス盤を用いて、溶浸体の表面に残留するCuを除去して厚さを10mmとした後、900℃の熱間にて圧延して厚さ３mmの圧延板を作製した。これを発明例３とする。
【００４１】
一方、比較例３として、平均粒径10μｍのMo粉末を型に押し込み充填して、発明例３と同様に焼結し、気孔率が約55体積％となる焼結体を作製した。その焼結体の上面にCu板を載置し、真空中で1200℃に加熱してCuを溶解し、焼結体に溶浸させて溶浸体を得た。次いでフライス盤を用いて、溶浸体の表面に残留するCuを除去して厚さを10mmとした後、900℃の熱間にて圧延して厚さ３mmの圧延板を作製した。
【００４２】
また発明例３と比較例３の圧延板の密度を測定し、気孔率≒０と仮定して組成比を求めた。その結果を表１に示す。
さらに発明例３と比較例３の圧延板から圧延方向を長手方向として長さ25mm，幅８mm，厚さ２mmの板状の熱膨張率測定用試験片、および直径16mm，厚さ２mmの円盤状の熱伝導率測定用試験片を切り出した。これら各試験片に、真空中1050℃にて60分間保持し溶体化処理を行なった後、30℃／分の冷却速度で冷却した。さらに真空中、500〜700℃において60分保持する時効熱処理を施した後、熱伝導率および熱膨張率を測定した。得られた結果を表１に併せて示す。なお、熱伝導率および熱膨張率は実施例１と同様にして求めた。
【００４３】
表１から明らかなように、発明例３は少量のCrを含有することにより、比較例３と比べて熱伝導率を同等に維持しながら、熱膨張率を約15％低減することに成功している。
＜実施例４＞
平均粒径100μｍのCr粉末に平均粒径２μｍのＷ粉末と平均粒径５μｍのMo粉末を表１に示す組成でパラフィンワックスを添加したエタノール溶液中に添加し、混練乾燥させた。この混合粉末を型に自然充填して、600℃水素中でパラフィンワックスを脱脂後、1350℃に焼結し、気孔率約38％となる焼結体（70mm×70mm×４mm）を作製した。その焼結体上面に純Cu板を載置し、真空中にて1200℃に加熱してCuを溶解し、焼結体に溶浸させて溶浸体を得た。次いでフライス盤を用いて、溶浸体の表面に残留するCuを除去して厚さ２mmの溶浸体を作製した。これを発明例４とする。
【００４４】
また発明例４の用浸体の密度を測定し、気孔率≒０と仮定して組成比を求めた。その結果を表１に示す。
さらに発明例４の溶浸体から長さ25mm，幅８mm，厚さ２mmの板状の熱膨張率測定用試験片、および直径16mm，厚さ２mmの円盤状の熱伝導率測定用試験片を切り出した。この各試験片に、真空中1050℃にて60分間保持し溶体化処理を行なった後、30℃／分の冷却速度で冷却した。さらに真空中、500〜700℃において60分保持する時効熱処理を施した後、熱伝導率および熱膨張率を測定した。得られた結果を表１に併せて示す。なお、熱伝導率および熱膨張率は実施例１と同様にして求めた。
【００４５】
表１から明らかなように発明例４と比較例１では、熱膨張率および熱伝導率が同等の放熱材料が得られている。ただし発明例４は、Mo量とＷ量を合計した量を比較例１のMo量の27％に低減することに成功しており、大幅なコスト削減が可能となる。さらに発明例４は、比較例１に比べて密度を約10％低減しており、放熱材料の軽量化にも寄与できる。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
CrとCuに加えてＷおよび／またはMoを含有し、残部が不可避的不純物からなる組成を有し、かつCr相粒子に加えて、Ｗ相粒子および／またはMo相粒子がCu相基地中に分散した組織を有することを特徴とする放熱材料。
【請求項２】
前記組成のＷ含有量および／またはMo含有量とCr含有量との合計が30質量％超え90質量％以下であることを特徴とする請求項１に記載の放熱材料。
【請求項３】
前記Cr相粒子に加えて前記Ｗ相粒子および／または前記Mo相粒子がCu相基地中に分散し、かつ長径100ｎｍ以下の微細粒Cr相がCu相中に分散されることを特徴とする請求項１または２に記載の放熱材料。
【請求項４】
前記微細粒Cr相のアスペクト比が10未満であることを特徴とする請求項３に記載の放熱材料。
【請求項５】
前記微細粒Cr相の分布密度が20個／μｍ2 以上であることを特徴とする請求項３または４に記載の放熱材料。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか一項に記載の放熱材料を使用することを特徴とする半導体用放熱板。
【請求項７】
請求項１〜５のいずれか一項に記載の放熱材料を一部に取付けたことを特徴とする半導体用放熱部品。
【請求項８】
Ｗ含有量および／またはMo含有量とCr含有量との合計が30質量％超え90質量％以下であり、残部がCuと不可避的不純物である放熱材料の製造方法において、CrとCuに加えてＷおよび／またはMoの粉末を混合した後、焼結して30℃／分以下の冷却速度で冷却し、得られた焼結体を500〜750℃の温度範囲で時効熱処理することを特徴とする放熱材料の製造方法。
【請求項９】
Ｗ含有量および／またはMo含有量とCr含有量との合計が30質量％超え90質量％以下であり、残部がCuと不可避的不純物である放熱材料の製造方法において、CrとCuに加えてＷおよび／またはMoの粉末を混合した後、焼結し、得られた焼結体に900〜1050℃の温度範囲で溶体化熱処理を施して30℃／分以下の冷却速度で冷却し、さらに500〜750℃の温度範囲で時効熱処理することを特徴とする放熱材料の製造方法。
【請求項１０】
Ｗ含有量および／またはMo含有量とCr含有量との合計が30質量％超え90質量％以下であり、残部がCuと不可避的不純物である放熱材料の製造方法において、Cr、またはCrとCu、に加えてＷおよび／またはMoの粉末を混合した後、焼結し、得られた焼結体にCuまたはCu−Cr合金を溶浸して30℃／分以下の冷却速度で冷却し、さらに得られた溶浸体を500〜750℃の温度範囲で時効熱処理することを特徴とする放熱材料の製造方法。
【請求項１１】
Ｗ含有量および／またはMo含有量とCr含有量との合計が30質量％超え90質量％以下であり、残部がCuと不可避的不純物である放熱材料の製造方法において、Cr、またはCrとCu、に加えてＷおよび／またはMoの粉末を混合した後、焼結し、得られた焼結体にCuまたはCu−Cr合金を溶浸し、得られた溶浸体に900〜1050℃の温度範囲で溶体化熱処理を施して30℃／分以下の冷却速度で冷却し、さらに500〜750℃の温度範囲で時効熱処理することを特徴とする放熱材料の製造方法。
【請求項１】
CrとCuに加えてＷおよび／またはMoを含有し、残部が不可避的不純物からなる組成を有し、かつCr相粒子に加えて、Ｗ相粒子および／またはMo相粒子がCu相基地中に分散した組織を有することを特徴とする放熱材料。
【請求項２】
前記組成のＷ含有量および／またはMo含有量とCr含有量との合計が30質量％超え90質量％以下であることを特徴とする請求項１に記載の放熱材料。
【請求項３】
前記Cr相粒子に加えて前記Ｗ相粒子および／または前記Mo相粒子がCu相基地中に分散し、かつ長径100ｎｍ以下の微細粒Cr相がCu相中に分散されることを特徴とする請求項１または２に記載の放熱材料。
【請求項４】
前記微細粒Cr相のアスペクト比が10未満であることを特徴とする請求項３に記載の放熱材料。
【請求項５】
前記微細粒Cr相の分布密度が20個／μｍ2 以上であることを特徴とする請求項３または４に記載の放熱材料。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか一項に記載の放熱材料を使用することを特徴とする半導体用放熱板。
【請求項７】
請求項１〜５のいずれか一項に記載の放熱材料を一部に取付けたことを特徴とする半導体用放熱部品。
【請求項８】
Ｗ含有量および／またはMo含有量とCr含有量との合計が30質量％超え90質量％以下であり、残部がCuと不可避的不純物である放熱材料の製造方法において、CrとCuに加えてＷおよび／またはMoの粉末を混合した後、焼結して30℃／分以下の冷却速度で冷却し、得られた焼結体を500〜750℃の温度範囲で時効熱処理することを特徴とする放熱材料の製造方法。
【請求項９】
Ｗ含有量および／またはMo含有量とCr含有量との合計が30質量％超え90質量％以下であり、残部がCuと不可避的不純物である放熱材料の製造方法において、CrとCuに加えてＷおよび／またはMoの粉末を混合した後、焼結し、得られた焼結体に900〜1050℃の温度範囲で溶体化熱処理を施して30℃／分以下の冷却速度で冷却し、さらに500〜750℃の温度範囲で時効熱処理することを特徴とする放熱材料の製造方法。
【請求項１０】
Ｗ含有量および／またはMo含有量とCr含有量との合計が30質量％超え90質量％以下であり、残部がCuと不可避的不純物である放熱材料の製造方法において、Cr、またはCrとCu、に加えてＷおよび／またはMoの粉末を混合した後、焼結し、得られた焼結体にCuまたはCu−Cr合金を溶浸して30℃／分以下の冷却速度で冷却し、さらに得られた溶浸体を500〜750℃の温度範囲で時効熱処理することを特徴とする放熱材料の製造方法。
【請求項１１】
Ｗ含有量および／またはMo含有量とCr含有量との合計が30質量％超え90質量％以下であり、残部がCuと不可避的不純物である放熱材料の製造方法において、Cr、またはCrとCu、に加えてＷおよび／またはMoの粉末を混合した後、焼結し、得られた焼結体にCuまたはCu−Cr合金を溶浸し、得られた溶浸体に900〜1050℃の温度範囲で溶体化熱処理を施して30℃／分以下の冷却速度で冷却し、さらに500〜750℃の温度範囲で時効熱処理することを特徴とする放熱材料の製造方法。
【公開番号】特開２０１０−１２６７９１（Ｐ２０１０−１２６７９１Ａ）
【公開日】平成２２年６月１０日（２０１０．６．１０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−３０４８２８（Ｐ２００８−３０４８２８）
【出願日】平成２０年１１月２８日（２００８．１１．２８）
【出願人】（５９３１７８３４０）ＪＦＥ精密株式会社 (17)
【出願人】（０００００１２５８）ＪＦＥスチール株式会社 (8,589)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年６月１０日（２０１０．６．１０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年１１月２８日（２００８．１１．２８）
【出願人】（５９３１７８３４０）ＪＦＥ精密株式会社 (17)
【出願人】（０００００１２５８）ＪＦＥスチール株式会社 (8,589)
【Ｆターム（参考）】
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