CN117813684A - 铜-金刚石复合体、散热部件及电子设备 - Google Patents

铜-金刚石复合体、散热部件及电子设备 Download PDF

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Abstract

本发明的铜‑金刚石复合体(30)是在含有铜的金属基体(10)中分散有多个金刚石粒子(20)的铜‑金刚石复合体，使用图像式粒度分布测定装置测定金刚石粒子(20)的粒度分布时，金刚石粒子(20)的球形度分布的数均成为0.90以上。

Description

铜-金刚石复合体、散热部件及电子设备
技术领域
本发明涉及铜-金刚石复合体、散热部件及电子设备。
背景技术
目前为止，对铜-金刚石复合体进行了各种开发。作为这种技术，例如，已知专利文献1中记载的技术。专利文献1中，关于金属基体-导热体粒子的复合材料，记载了金刚石粒子、SiC粒子等良导热体粒子的平均粒径为10～100μm以下(0060段等)。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：国际公开第2016/035796号
发明内容
发明所要解决的课题
然而，本申请发明人进行研究后判明，上述专利文献1中记载的复合材料在导热率方面存在改善的余地。
用于解决课题的手段
本申请发明人进一步进行研究，结果发现，通过适当地控制铜-金刚石复合体中包含的金刚石粒子的球形度，能够提高复合体的导热性。
基于这样的见解进行深入研究，结果本申请发明人发现，通过使得使用图像式粒度分布测定装置求出的金刚石粒子的球形度的数均为规定值以上，能够提高复合体的导热性，从而完成了本发明。
根据本发明的一方式，提供以下的铜-金刚石复合体、散热部件及电子设备。
1.铜-金刚石复合体，其是在含有铜的金属基体中分散有多个金刚石粒子的铜-金刚石复合体，
使用图像式粒度分布测定装置测定前述金刚石粒子的粒度分布时，前述金刚石粒子的球形度分布的数均为0.90以上。
2.如1.所述的铜-金刚石复合体，其中，在前述金刚石粒子的球形度的体积粒度分布中，累积值成为50％的球形度S50为0.87以上。
3.如1.或2.所述的铜-金刚石复合体，其中，在前述金刚石粒子的球形度的体积粒度分布中，累积值成为90％的球形度S90为0.91以上。
4.如1.～3.中任一项所述的铜-金刚石复合体，其中，在前述金刚石粒子的球形度的体积粒度分布中，累积值成为10％的球形度S10为0.8以上。
5.如1.～4.中任一项所述的铜-金刚石复合体，其中，前述金刚石粒子的粒径分布的数均为180μm以下。
6.如1.～5.中任一项所述的铜-金刚石复合体，其中，在前述金刚石粒子的粒径的体积粒度分布中，累积值成为50％的粒径D50为180μm以下。
7.如1.～6.中任一项所述的铜-金刚石复合体，其中，在前述金刚石粒子的粒径的体积粒度分布中，累积值成为90％的粒径D90为210μm以下。
8.如1.～7.中任一项所述的铜-金刚石复合体，其中，在前述金刚石粒子的粒径的体积粒度分布中，累积值成为10％的粒径D10为160μm以下。
9.如1.～8.中任一项所述的铜-金刚石复合体，其中，前述金刚石粒子的粒径属于大于粒径D50且为粒径D90以下的范围的、前述金刚石粒子的球形度为0.90以上。
10.如1.～9.中任一项所述的铜-金刚石复合体，其中，前述金刚石粒子的粒径属于大于粒径D10且为粒径D50以下的范围的、前述金刚石粒子的球形度为0.90以上。
11.如1.～10.中任一项所述的铜-金刚石复合体，其导热率为610W/m·K以上。
12.如1.～11.中任一项所述的铜-金刚石复合体，其中，前述金刚石粒子的体积含有率为10体积％以上。
13.散热部件，其包含：
1.～12.中任一项所述的铜-金刚石复合体；和
与前述铜-金刚石复合体的至少一个面接合的金属膜。
14.电子设备，其具备：
13.所述的散热部件；和
设置于前述散热部件上的电子部件。
发明效果
根据本发明，提供导热率优异的铜-金刚石复合体、使用其的散热部件及电子设备。
附图说明
[图1]为示出本实施方式涉及的铜-金刚石复合体的构成的一例的截面示意图。
[图2]为示出本实施方式涉及的散热部件的构成的一例的截面示意图。
具体实施方式
以下，使用附图对本发明的实施方式进行说明。需要说明的是，在所有附图中，对同样的构成要素标注同样的标记，适当省略说明。另外，图为概略图，与实际的尺寸比例并不一致。
使用图1对本实施方式的铜-金刚石复合体的概要进行说明。
图1为示出本实施方式涉及的铜-金刚石复合体的构成的一例的截面示意图。
本实施方式的铜-金刚石复合体30具有在含有铜的金属基体10中分散有多个金刚石粒子20的结构。
该铜-金刚石复合体30构成为使用图像式粒度分布测定装置来测定金刚石粒子20的粒度分布时，金刚石粒子20的球形度分布的数均成为0.90以上。
根据本申请发明人的见解，判明了通过以金刚石粒子的球形度为指标，能够稳定地评价铜-金刚石复合体的导热性，并且通过使用球形度为规定值以上的金刚石粒子，能够提高复合体的导热率。
详细的机理虽不确定，但认为通过使用球形度高的金刚石粒子，在填充的过程等中，能够减少由粒子彼此的接触导致的破坏、裂纹等的发生频率，因此能够抑制由金刚石粒子的破损导致的导热率的降低。
另外，球形度高的金刚石粒子能够在金属基体中高度填充，因此可进一步提高复合体的导热率。
金刚石粒子20的球形度、粒径可按照以下的步骤测定。
使用图像式粒度分布测定装置(例如，Malvern公司制，Morphologi4)，测定金刚石粒子20的粒度分布。粒度分布包括形状分布、粒径分布。
根据得到的粒度分布，制作球形度的体积粒度分布、粒径的体积粒度分布。
然后，在金刚石粒子20的球形度的体积粒度分布中，求出规定累积值的球形度、规定累积值的粒径。
在金刚石粒子的粒径的体积粒度分布中，求出累积值成为10％的粒径D10、累积值成为50％的粒径D50、累积值成为90％的粒径D90。
在金刚石粒子的球形度的体积粒度分布中，求出累积值成为10％的球形度S10、累积值成为50％的球形度S50、累积值成为90％的球形度S90。
另外，在金刚石粒子的粒径被分类为粒径D10以下的范围、大于粒径D10且为粒径D50以下的范围、大于粒径D50且为粒径D90以下的范围、大于粒径D90的范围这4个区间的粒径类别中，求出各粒径类别下的球形度。
另外，在粒径分布、形状分布(球形度分布)中，算出各自的数均(金刚石粒子的个数基准的平均粒径)。
此处，如下定义球形度及粒径。
球形度：与所投影的物体具有相同面积的圆周与物体的圆周长的比率
粒径：粒子图像的轮廓上的2点间的最大长度
金刚石粒子20的球形度分布的数均的下限例如为0.90以上，优选为0.91以上，更优选为0.92以上。由此，提高金刚石粒子20的填充程度，提高铜-金刚石复合体30的导热率。
另一方面，金刚石粒子20的球形度分布的数均的上限没有特别限定，可以为0.99以下。
金刚石粒子20的球形度S50的下限例如为0.87以上，优选为0.90以上，更优选为0.92以上。由此，提高金刚石粒子20的填充程度，提高复合体的导热率。
另一方面，金刚石粒子20的球形度S50的上限没有特别限定，可以为0.99以下，可以为0.98以下。
金刚石粒子20的球形度S90的下限例如为0.91以上，优选为0.93以上，更优选为0.95以上。由此，提高金刚石粒子20的填充程度，提高复合体的导热率。
另一方面，金刚石粒子20的球形度S90的上限没有特别限定，可以为0.99以下。
金刚石粒子20的球形度S10的下限例如为0.80以上，优选为0.82以上，更优选为0.85以上。由此，提高金刚石粒子20的填充程度，提高复合体的导热率。
另一方面，金刚石粒子20的球形度S10的上限没有特别限定，可以为0.99以下，可以为0.95以下。
金刚石粒子20的粒径分布的数均的上限例如为180μm以下，优选为175μm以下，更优选为170μm以下。由此，提高金刚石粒子20的填充程度，提高复合体的导热率。
另一方面，金刚石粒子20的粒径分布的数均的下限没有特别限定，例如为30μm以上，优选为50μm以上，更优选为100μm以上。由此，能够使金刚石粒子20与金属基体10中的铜相/铜合金相的界面整体上变小，能够抑制热阻增加，因此能够提高铜-金刚石复合体的导热特性。
需要说明的是，金刚石粒子的粒径的体积粒度分布可以以包含1个峰的方式构成，或者也可以以包含2个以上的峰的方式构成。
金刚石粒子20的粒径D50的上限例如为180μm以下，优选为175μm以下，更优选为170μm以下。由此，提高金刚石粒子20的填充程度，提高复合体的导热率。
另一方面，金刚石粒子20的粒径D50的下限没有特别限定，例如，为30μm以上，优选为50μm以上，更优选为100μm以上。
金刚石粒子20的粒径D90的上限例如为210μm以下，优选为200μm以下，更优选为190μm以下。由此，提高金刚石粒子20的填充程度，提高复合体的导热率。
另一方面，金刚石粒子20的粒径D90的下限没有特别限定，例如，为30μm以上，优选为50μm以上，更优选为110μm以上。
金刚石粒子20的粒径D10的上限例如为160μm以下，优选为158μm以下，更优选为155μm以下。由此，提高金刚石粒子20的填充程度，提高复合体的导热率。
另一方面，金刚石粒子20的粒径D10的下限没有特别限定，例如，为30μm以上，优选为50μm以上，更优选为100μm以上。
金刚石粒子20的粒径属于大于D50的粒径且为D90的粒径以下的范围的、金刚石粒子20的球形度例如为0.90以上，优选为0.91以上，更优选为0.92以上。由此，提高金刚石粒子20的填充程度，提高复合体的导热率。
另一方面，上述金刚石粒子20的球形度的上限没有特别限定，可以为0.99以下。
金刚石粒子20的粒径属于大于D10的粒径且为D50的粒径以下的范围的、金刚石粒子20的球形度例如为0.90以上，优选为0.91以上，更优选为0.92以上。由此，提高金刚石粒子20的填充程度，提高复合体的导热率。
另一方面，上述金刚石粒子20的球形度的上限没有特别限定，可以为0.99以下。
对本实施方式的铜-金刚石复合体的构成的详情进行说明。
(铜-金刚石复合体)
铜-金刚石复合体30(以下，有时也简称为“复合体”)包含：含有铜的金属基体10；和金属基体10中存在的多个金刚石粒子20。
复合体中的金刚石粒子20为多个粒子整体埋设于金属基体10中的状态，但也可以为1个或2个以上的粒子中的至少一部分从铜-金刚石复合体30的表面露出的状态。
铜-金刚石复合体30的导热率的下限例如为610W/m·K以上，优选为620W/m·K以上，更优选为630W/m·K以上。由此，提高散热部件的散热特性。
另一方面，铜-金刚石复合体30的导热率的上限没有特别限定，例如，为900W/m·K以下，优选为890W/m·K以下，更优选为880W/m·K以下。
铜-金刚石复合体30的形状、尺寸可根据用途来适当设定。
铜-金刚石复合体30的形状的一例例如可举出平板状、块状、棒状等。
金属基体10含有铜即可，可以含有铜以外的其他高导热性金属。即，金属基体10由铜相及/或铜合金相构成。
从导热性、成本的观点考虑，金属基体10中的主成分优选为铜。
金属基体10的100质量％中，主成分的铜的含量的下限优选为50质量％以上，更优选为60质量％以上，进一步优选为70质量％以上，特别优选为80质量％以上，最优选为90质量％以上。由此，能够利用铜及铜合金的良好的导热率。另外，为了确保钎焊性、表面平滑性，可以活用与基体相同的铜作为表面层，省略形成其他表面被膜层。
金属基体10的100质量％中，主成分的铜的含量的上限没有特别限定，可以为100质量％以下，可以为99质量％以下。
作为其他高导热性金属，例如，可举出银、金、铝等。它们可以单独使用，也可以组合两种以上而使用。与铜一起组合其他高导热性金属的情况下，可以使用由铜和其他高导热性金属形成的合金、复合材料。
需要说明的是，只要在不损害本发明效果的范围内，金属基体10中允许高导热性金属以外的金属等。
另外，使用铜合金作为金属基体10的情况下，铜合金可举出CuAg、CuAl、CuSn、CuZr、CrCu等。
金属基体10例如为包含铜(及根据需要加入的其他高导热性金属)的金属粉末的烧结体。本实施方式中，金属基体10由在内部埋设有多个金刚石粒子20的至少一部分的、烧结体构成。
金刚石粒子20包含在表面不具有含金属的被覆层的非涂覆金刚石粒子及在表面具有含金属的被覆层的涂覆金刚石粒子中的至少一者。从金刚石与金属粒子间的密合性提高、分散性的观点考虑，涂覆金刚石粒子是更优选的。
铜-金刚石复合体30中的金刚石粒子20的体积含量的下限优选为10体积％以上，更优选为20体积％以上，进一步优选为30体积％以上。由此，提高铜-金刚石复合体30的导热性。
另一方面，铜-金刚石复合体30中的金刚石粒子20的体积含量的上限例如优选为80体积％以下，更优选为70体积％以下，进一步优选为65体积％以下。由此，在铜-金刚石复合体30中，能够抑制因铜粉在金刚石粒子20周围的分布降低等而残留大的气孔，能够实现制造稳定性优异的结构。
在使用涂覆金刚石粒子作为金刚石粒子20的情况下，涂覆金刚石粒子中的含金属的被覆层可以包含钼、钨、铬、锆、铪、钒、铌、钽及它们的合金等。它们可以单独使用，也可以组合两种以上而使用。另外，含金属的被覆层以将粒子表面的至少一部分或整面覆盖的方式构成。
(散热部件)
图2为示出本实施方式涉及的散热部件的构成的一例的截面示意图。
本实施方式的散热部件100具备：铜-金刚石复合体30；和与铜-金刚石复合体30的至少一面接合的金属膜50。
散热部件100的导热率的下限例如为600W/m·K以上，优选为630W/m·K以上，更优选为650W/m·K以上。由此，提高散热部件的散热特性。
另一方面，散热部件100的导热率的上限没有特别限定，例如为780W/m·K以下，优选为760W/m·K以下，更优选为760W/m·K以下。
金属膜50形成于铜-金刚石复合体30的至少一面上即可，例如，可以分别形成于平板状的铜-金刚石复合体30的两面。
金属膜50可以包含选自由铜、银、金、铝、镍、锌、锡及镁组成的组中的一种或两种以上。优选地，金属膜50优选包含与金属基体10中的主成分的金属相同种类的金属，优选至少包含铜或铜合金。
金属膜50的100质量％中，主成分的铜的含量优选为50质量％以上，更优选为60质量％以上，进一步优选为70质量％以上，特别优选为80质量％以上，最优选为90质量％以上。
金属膜50的100质量％中，主成分的铜的含量的上限没有特别限定，可以为100质量％以下，可以为99质量％以下。
金属膜50的膜厚的上限优选为150μm以下，更优选为120μm以下，进一步优选为100μm以下。由此，提高散热部件的导热率。
另一方面，金属膜50的膜厚的下限优选为10μm以上，更优选为15μm以上，进一步优选为20μm以上。由此，提高与复合体的密合强度、自身的耐久性。
金属膜50例如利用溅射法、镀覆法得到。
本实施方式的电子设备具备：上述的散热部件；和设置于散热部件上的电子部件。
作为电子部件，例如，可举出半导体元件等。作为半导体元件的具体例，例如，可举出功率半导体、图像显示元件、微处理器单元、激光二极管等。
散热部件可用于散热器(heat sink)、均热片(heat spreader)等。散热器将半导体元件工作时产生的热散出至外部空间，均热片将半导体元件的产热传递至其他部件。
电子部件可以直接设置于散热部件上，或介由陶瓷基板等间接地设置于散热部件上。
对本实施方式的铜-金刚石复合体的制造方法的一例进行说明。
铜-金刚石复合体的制造方法的一例包括原料混合工序及烧结工序。
原料混合工序中，将铜粉末等含铜的金属粉末及金刚石粒子混合，得到混合物。
原料粉末的混合可应用干式、湿式的各种方法，可以使用干式混合方法。
在烧成工序中，对金属粉末与金刚石粒子的混合物进行烧成，得到铜与金刚石粒子的复合烧结体(铜-金刚石复合体)。
烧成温度可根据金属粉末中包含的金属种类来适当选择，铜粉末的情况下，优选为800℃以上1100℃以下，更优选为850℃以上1000℃以下。通过使烧成温度为800℃以上，铜-金刚石复合体致密化，获得所期望的导热率。通过使烧成温度为1100℃以下，抑制由金刚石粒子的界面的石墨化导致的劣化，能够防止金刚石原本的导热率的降低。
烧成时间没有特别限定，优选为5分钟以上3小时以下，更优选为10分钟以上2小时以下。通过使烧成时间为5分钟以上，铜-金刚石复合体致密化，获得所期望的导热率。通过使烧成时间为3小时以下，从而能够抑制下述情况：在涂覆金刚石粒子中的金刚石与将表面被覆的金属之间形成碳化物、发生厚膜化，引起由声子散射导致的导热率降低、由线性膨胀率差导致的裂纹。另外，提高复合体的生产率。
烧成工序中，可以为常压烧结方法，也可以为加压烧结方法，为了得到致密的复合体，优选加压烧结方法。
作为加压烧结方法，可举出热压烧结、放电等离子体烧结(SPS)、热等静压烧结(HIP)等。热压烧结、SPS烧结的情况下，压力优选为10MPa以上，更优选为30MPa以上。另一方面，热压烧结、SPS烧结的情况下，压力优选为100MPa以下。通过使压力为10MPa以上，铜-金刚石复合体致密化，获得所期望的导热率。通过使压力为100MPa以下，能够防止金刚石发生破裂、金刚石界面增加、金刚石破碎面与金属间的密合性降低、金刚石原本的导热率降低。
另外，散热部件的制造方法的一例包括在上述中得到的复合体上形成金属膜的成膜工序。
在成膜工序中，在铜-金刚石复合体30的表面的至少一部分形成金属膜50。
形成金属膜的方法可以采用溅射法、镀覆法、使用了铜箔的加压共烧成法等通常的方法，为了进行薄膜化，可以利用溅射法。
另外，可以对金属膜的表面的至少一部分进行平面磨削·研磨。由此，能够提高成膜工序后的金属膜的表面平滑性。
另外，根据需要，在烧成工序之后可以进行平滑化工序。在平滑化工序中，对复合烧结体的表面的至少一部分进行磨削·研磨。
另外，可以在烧成工序与平滑化工序之间追加进行退火工序。
另外，在成膜工序之前，可以对铜-金刚石复合体进行实施形状加工、开孔加工等加工的工序。
以上，对本发明的实施方式进行了陈述，但这些为本发明的示例，可以采用上述以外的各种构成。另外，本发明不限于上述的实施方式，能够实现本发明目的的范围内的变形、改良等包含在本发明中。
实施例
以下，参照实施例对本发明详细进行说明，但本发明不受这些实施例记载的任何限定。
(原料)
·金刚石粒子A
·金刚石粒子B
针对原料的金刚石粒子A、B，使用图像式粒度分布测定装置(Malvern公司制，Morphologi4)测定金刚石粒子的粒度分布(形状分布/粒径分布)。
在金刚石粒子的粒径的体积粒度分布中，求出累积值成为10％的粒径D10、累积值成为50％的粒径D50、累积值成为90％的粒径D90。
在金刚石粒子的球形度的体积粒度分布，求出累积值成为10％的球形度S10、累积值成为50％的球形度S50、累积值成为90％的球形度S90。
另外，在金刚石粒子的粒径被分类为粒径D10以下的范围、大于粒径D10且为粒径D50以下的范围、大于粒径D50且为粒径D90以下的范围、大于粒径D90的范围这4个区间的粒径类别中，求出各粒径类别下的球形度。
另外，在粒径分布、形状分布(球形度分布)中，算出各自的数均(金刚石粒子的个数基准的平均粒径)。
就这些值而言，将2次测得的值的平均值示于表1。
需要说明的是，如下定义球形度及粒径。
球形度：与所投影的物体具有相同面积的圆周与物体的圆周长的比率
粒径：粒子图像的轮廓上的2点间的最大长度
[表1]
<复合体的制作>
(实施例1)
以成为50体积％：50体积％的方式称量铜粉末和金刚石粒子A(Mo涂层)，用V型混合机将称量的粉末均匀地混合，得到混合物(原料混合工序)。
接下来，使用SPS烧成装置，将得到的混合物填充于模具内，在30MPa的加压条件下，于900℃加热烧结1小时，得到在铜基体中分散有多个金刚石粒子的、圆板状的复合烧结体(铜-金刚石复合体)(烧结工序)。
铜-金刚石复合体中的金刚石粒子的含量为50体积％。
利用激光闪光法，测定铜-金刚石复合体的导热率，结果为747W/m·K。需要说明的是，激光闪光法的测定按照JIS H 7801，对样品表面实施碳涂覆，于室温下进行测定。
(实施例2～4、比较例1～4)
除了按照表2变更金刚石粒子的种类、金刚石粒子的含量以外，与实施例1同样地操作，得到铜-金刚石复合体。针对得到的复合体，进行与实施例1同样的评价。
[表2]
表2
单位 实施例1 实施例2 实施例3 实施例4 比较例1 比较例2 比较例3 比较例4
金刚石粒子 A A A A B B B B
金刚石粒子的含量 体积％ 50 45 40 35 50 45 40 35
复合体的导热率 W/m·κ 747 732 686 637 540 589 600 573
如表2所示，与比较例1～4相比，实施例1～4的铜-金刚石复合体使用金刚石粒子的球形度高的复合体，因此显示出导热率提高的结果。
通过使用这样的实施例的复合体，能够提供导热率优异的散热部件。
本申请主张以于2021年8月5日提出申请的日本申请特愿2021-128792号为基础的优先权，将其全部公开内容并入本文。
附图标记说明
10 金属基体
20 金刚石粒子
30 铜-金刚石复合体
50 金属膜
100 散热部件

Claims (14)

1.铜-金刚石复合体，其是在含有铜的金属基体中分散有多个金刚石粒子的铜-金刚石复合体，
使用图像式粒度分布测定装置测定所述金刚石粒子的粒度分布时，所述金刚石粒子的球形度分布的数均为0.90以上。
2.如权利要求1所述的铜-金刚石复合体，其中，在所述金刚石粒子的球形度的体积粒度分布中，累积值成为50％的球形度S50为0.87以上。
3.如权利要求1或2所述的铜-金刚石复合体，其中，在所述金刚石粒子的球形度的体积粒度分布中，累积值成为90％的球形度S90为0.91以上。
4.如权利要求1～3中任一项所述的铜-金刚石复合体，其中，在所述金刚石粒子的球形度的体积粒度分布中，累积值成为10％的球形度S10为0.8以上。
5.如权利要求1～4中任一项所述的铜-金刚石复合体，其中，所述金刚石粒子的粒径分布的数均为180μm以下。
6.如权利要求1～5中任一项所述的铜-金刚石复合体，其中，在所述金刚石粒子的粒径的体积粒度分布中，累积值成为50％的粒径D50为180μm以下。
7.如权利要求1～6中任一项所述的铜-金刚石复合体，其中，在所述金刚石粒子的粒径的体积粒度分布中，累积值成为90％的粒径D90为210μm以下。
8.如权利要求1～7中任一项所述的铜-金刚石复合体，其中，在所述金刚石粒子的粒径的体积粒度分布中，累积值成为10％的粒径D10为160μm以下。
9.如权利要求1～8中任一项所述的铜-金刚石复合体，其中，所述金刚石粒子的粒径属于大于粒径D50且为粒径D90以下的范围的、所述金刚石粒子的球形度为0.90以上。
10.如权利要求1～9中任一项所述的铜-金刚石复合体，其中，所述金刚石粒子的粒径属于大于粒径D10且为粒径D50以下的范围的、所述金刚石粒子的球形度为0.90以上。
11.如权利要求1～10中任一项所述的铜-金刚石复合体，其导热率为610W/m·K以上。
12.如权利要求1～11中任一项所述的铜-金刚石复合体，其中，所述金刚石粒子的体积含有率为10体积％以上。
13.散热部件，其包含：
权利要求1～12中任一项所述的铜-金刚石复合体；和
与所述铜-金刚石复合体的至少一个面接合的金属膜。
14.电子设备，其具备：
权利要求13所述的散热部件；和
设置于所述散热部件上的电子部件。
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