JP2001313358A

JP2001313358A - 放熱材およびその製造方法

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Publication number: JP2001313358A
Application number: JP2000132366A
Authority: JP
Inventors: Makoto Hori; 誠堀; Takashi Suzumura; 隆志鈴村; Tadao Otani; 忠男大谷; Kenichi Inui; 謙一乾; 慶平 ▲冬▼; Kiyouhei Fuyu; Kazuma Kuroki; 一真黒木
Original assignee: Hitachi Cable Ltd
Current assignee: Hitachi Cable Ltd
Priority date: 2000-05-01
Filing date: 2000-05-01
Publication date: 2001-11-09

Abstract

(57)【要約】【課題】受熱層と放熱層の間の熱歪みを緩和させた放熱
材と、これを効率的に製造することのできる製造方法を
提供する。【解決手段】銅粉末および酸化第１銅粉末の混合物の焼
結体より構成される受熱層３と銅の放熱層１との積層一
体化物において、放熱層１の受熱層３との境界面に、受
熱層３によって凹部４が充填された凹凸２を形成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、放熱材およびその
製造方法に関し、特に、熱歪みの少ない放熱材と、これ
を効率的に製造するための製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】中央演算装置のような発熱する半導体装
置においては、発熱に起因する半導体素子の特性劣化を
防止して長寿化を図るため、半導体装置に放熱体を取り
付け、半導体装置からの熱をこの放熱材より放出するこ
とによって、半導体装置およびその周辺領域での温度上
昇を防ぐことが行われている。

【０００３】通常、これには、銅の放熱材が使用され
る。銅は、３９３Ｗ／ｍ・ｋという高い熱伝導率を有し
ているため、熱を効率よく吸収して放熱できる特質を有
しており、さらに、低コストのもとに放熱体を構成でき
る利点を有している。しかし、従来の銅の放熱材による
と、熱膨張率が１７×１０^-6／Ｋと大きいため、これ
を、発熱量の大きなオン・オフ型の電力エネルギーの交
換あるいは制御用の大容量半導体装置に適用することは
難しく、従って、一般にこのような用途には、半導体素
子の構成材であるＳｉと同等の熱膨張率を有するモリブ
デンあるいはタングステンによる放熱材が使用されてい
るが、これらは、高価格という難点を有している。

【０００４】低価格であり、従って、経済的に有利な銅
の放熱材の熱膨張の問題を効果的に解決する放熱材とし
て、高伝熱性の銅等の粉末と低熱膨張性の無機化合物の
粉末の混合物を焼結成型した放熱材が先に提案されてい
る。銅等の金属粉末と無機化合物の粉末を合体すること
によって高伝熱性と低熱膨張性を兼備させたもので、コ
スト的にも優れている。この放熱材は、それ単独で使用
される場合と、銅等の放熱層を一体化される場合とがあ
り、取り付け対象の発熱が多い場合には、後者の構成が
採用されるのが普通である。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかし、放熱層を一体
化させた放熱材によると、金属および無機化合物の粉末
の焼結体より構成されて、取付対象の発熱物からの熱を
吸収する受熱層の熱膨張率と、この受熱層からの熱を受
けて外部に放出する放熱層の熱膨張率に差があるため、
両者の間に熱歪みが発生する問題があり、このため、発
熱量の大きな発熱物への適用には限界がある。

【０００６】従って、本発明の目的は、受熱層と放熱層
の間の熱歪みを緩和させた放熱材と、これを効率的に製
造することのできる製造方法を提供することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明は、上記の目的を
達成するため、良伝熱性の金属の粉末と前記金属より低
熱膨張率の無機化合物の粉末の混合物の焼結体より構成
されて半導体装置等の発熱物よりの熱を吸収する受熱層
と、前記受熱層と一体化されて前記受熱層よりの熱を外
部に放出する放熱層を備え、前記放熱層は、前記受熱層
との境界面に凹凸を有し、前記受熱層は、前記放熱層の
前記凹凸の凹部を充填していることを特徴とする放熱材
を提供するものである。

【０００８】また、本発明は、上記の目的を達成するた
め、良伝熱性の金属の粉末と前記金属より低熱膨張率の
無機化合物の粉末の混合物を準備するステップと、表面
に凹凸を有して走行する金属板の前記凹凸上に前記混合
物を連続して供給するステップと、前記金属板上に供給
された前記混合物をロールで圧延しながら前記混合物を
焼結するステップを含むことを特徴とする放熱材の製造
方法を提供するものである。

【０００９】放熱層に形成される凹凸の凸部は、その幅
を根元より先端に向けて減少させていることが好まし
く、凸部をこのように構成するときには、凸部の根元か
ら先端に行くにしたがって放熱層の構成材が漸減し、一
方、受熱層が漸増するので、放熱材の厚さ方向における
熱膨張率の変化がなだらかになり、熱歪みの緩和効果
が、より一層向上するようになる。

【００１０】無機化合物の粉末としては、金属の粉末中
への分散を良好かつ均一にするため、２００μｍ以下の
粒径のものが好ましい。より好ましい粒径は、６０μｍ
以下である。また、発熱量の大きな半導体装置への適用
を考慮したとき、上記の混合物としては、焼結後の熱膨
張率が室温〜３００℃において６〜１５×１０^-6／Ｋを
示し、さらに、焼結後の熱伝導率が５０〜３５０Ｗ／ｍ
・ｋを示すものであることが好ましい。

【００１１】上記した金属の粉末としては、銅、アルミ
ニウム、銀、金およびこれらの合金の粉末が好ましく、
一方、無機化合物の粉末としては、室温〜３００℃にお
ける熱膨張率が５×１０^-6／Ｋ以下の酸化銅、酸化錫、
酸化亜鉛、酸化鉛、酸化ニッケル、酸化アルミニウム等
の粉末が好ましい。これらのなかでも、銅と酸化第１銅
（ＣｕＯ）の組み合わせが特に好ましく、その場合の酸
化第１銅の量は、１０〜８０容量％に設定することが好
ましい。

【００１２】酸化第１銅の比率が１０容量％を下廻る
と、焼結後、酸化第２銅（Ｃｕ₂Ｏ）と銅の組合せに変
化した受熱層の熱膨張率が、高発熱半導体装置用の限界
とされる１５×１０^-6／Ｋを超えるようになるので好ま
しくなく、逆に、７０容量％より多くなると、銅の特質
である優れた伝熱性を失い、５０Ｗ／ｍ・ｋ以上とする
上記の熱伝導率の達成が難しくなる。

【００１３】なお、金属および無機化合物の粉末の混合
物の中に、他の粉末、たとえば、鉄粉等を加えることは
可能であり、鉄粉を加えるとき、その好ましい量は、１
容量％以下である。放熱層の構成材としては、銅、アル
ミニウム、あるいはこれらの合金等が使用される。受熱
層の表面に窒化アルミニウム、あるいはニッケルメッキ
等の取付対象への接合層を形成することは実際的であ
る。

【００１４】上記の製造方法における混合物の焼結は、
混合物を圧延するロールを電極とする通電加熱によって
行うことが好ましい。このようにするときには、圧延と
焼結が同時進行するため、合理的な作業となる。受熱層
上への前記接合層の形成は、焼結のステップの後、引き
続き、焼結体にアルミニウム等の金属テープを貼り付け
てこれを窒化処理するか、あるいは焼結体にニッケル等
のメッキ処理を施すことによって実現できる。

【００１５】

【発明の実施の形態】次に、本発明による放熱材および
その製造方法の実施の形態を説明する。図１は、放熱材
の構成を示したもので、（ａ）において、１は０．２〜
０．３ｍｍ程度の厚さを有する銅の放熱層を示し、表面
に凹凸２を有する。３は凹凸２の凹部４を充填するよう
にして放熱層１に積層され、一体化された受熱層を示
し、銅の粉末と酸化第１銅の粉末の混合物の焼結体より
構成される。

【００１６】５は受熱層３が有する厚さが０．２ｍｍ程
度の表層部、６は０．１〜０．５ｍｍの厚さに形成され
た窒化アルミニウムによる絶縁性の接合層を示し、この
接合層７の側が半導体装置等の発熱物に接触させられ
る。

【００１７】以上のように凹凸２の部分において放熱層
１と受熱層３を交錯させる結果、放熱層１と受熱層３の
熱膨張率の違いが、この凹凸２の領域において緩和さ
れ、従って、発熱物に取り付けられて加熱されたときの
熱歪みも緩和されることになる。しかも、この実施の
形態においては、凹凸２の凸部７が根元より先端に向け
て幅を徐々に減少させているため、この凹凸２の領域に
おいては、放熱層１の構成材が上方に向けて漸減する一
方、受熱層３の構成材が上方に向けて漸増する形とな
り、従って、熱歪みの緩和効果はより高まることにな
る。

【００１８】図１の（ｂ）および（ｃ）は、放熱層１の
平面を示したもので、（ｂ）は、４角錘の凸部７を均等
に配列して凹部４を形成し、これにより４角錘の凸部７
と凹部４より構成される凹凸２を形成した例であり、
（ｃ）は、４角錘の凸部７ａと円錐の凸部７ｂを混合し
て配列することで、凸部７ａ、７ｂおよび凹部４による
凹凸２を形成した例である。

【００１９】これらの例における独立した４角錘や円錐
の凸部７、７ａ、７ｂの代わりに、連続した凸部を形成
して凸部と凸部の間に連続した溝状の凹部を形成するこ
とは可能であり、また、凹部４を個々に独立した穴状に
形成することも可能である。放熱層１への凹凸２の形成
方法としては、たとえば、凹凸２に対応した凹凸を表面
に有するエンボスロールによって放熱層１となるべき金
属板を加工したり、あるいはエッチング加工を施すこと
が考えられる。

【００２０】図２は、図１の放熱材の製造例を示す。リ
ール８より、表面に凹凸２を有した銅の銅板１ａが送り
出され、これに、チョッパ９より銅の粉末と酸化第１銅
の粉末の混合物１０が供給され、混合物層１１が形成さ
れる。１２は振動器を示し、銅板１ａに振動を与えるこ
とによって混合物層１１の密度と厚さを均質化させる。

【００２１】次に、均質化された混合物層１１は、銅板
１ａとともに第１のダクト１３内に導入され、ここにお
いて、ロール１４によって圧延されるとともに、ロール
１４とロール１５を電極とする電源１６よりの通電加熱
によって銅板１０１ａと一体となるように焼結され、さ
らに、ロール１５による圧延により所定の厚さに圧延さ
れる。１７はダクト１３より送り出される放熱材の中間
体を示す。

【００２２】１８は混合物層１１中の酸化第１銅の還元
を防止するために、ダクト１３内に送り込まれるアルゴ
ンガスの封入口、１９はその排出口を示す。２０は第１
のダクト１３に近接して配置された第２のダクトを示
し、リール２１より送り出され、回転プラシ２２によっ
て両面を清浄化されたアルミニウムテープ２３が送り込
まれる。

【００２３】送り込まれたアルミニウムテープ２３は、
ロール２４および２５を電極とする電源２６からの通電
加熱によって中間体１７に貼り付けられ、これにより所
定の放熱材２７が作られる。２８は第２のダクト２０へ
の窒素ガスの封入口、２９は排出口を示す。アルミニウ
ムテープ２３は、この窒素ガス封入と加熱によって窒化
され、これにより放熱材２７の表面には、窒化アルミニ
ウムによる図１の接合層６が形成される。３０はカッタ
を示し、台３１上を通過する放熱材２７を所定の長さに
切断する。３２はガイドロール、３３は引取用ピンチロ
ールを示す。

【００２４】表１は、図２の製造方法の実施結果を示し
たものである。

【００２５】

【表１】

【００２６】平均粒径が３７μｍの銅の粉末と、平均粒
径が２μｍ以下の酸化第１銅の粉末を表１に示された比
率で混合し、これをスチールボールを入れた乾式ボール
ミル内で１０時間混合することによって各実施例の混合
物１０を準備した後、図１のチョッパ９に入れて放熱材
の製造を行ったもので、混合物層１１の焼結は、酸化第
１銅の比率に応じて８５０〜１０００℃で行った。

【００２７】表中の熱膨張率と熱伝導率は、受熱層３を
対象に測定したもので、熱膨張率は、室温〜３００℃の
温度範囲でＴｈｅｒｍａｌＭｅｃｈａｎｉｃａｌＡ
ｎａｌｙｓｉｓ装置を使用して測定した結果であり、熱
伝導率は、レーザフラッシュ法により求めたものであ
る。いずれの実施例も、高発熱の半導体装置用として適
する６〜１５×１０^-6／Ｋの熱膨張率と、５０〜３５０
Ｗ／ｍ・ｋの熱伝導率の条件を満足しており、良好な結
果を示している。

【００２８】図３は、本発明による放熱材の他の実施の
形態を示したもので、１０１は銅の放熱層、１０２はそ
の凹凸、１０３は凹凸１０２の凹部１０４を充填して放
熱層１０１と一体化された受熱層を示し、銅の粉末と酸
化第１銅の混合物の焼結体より構成される。受熱層１０
３は、表層部１０５を有しており、また、凹凸１０２の
凸部１０７は、その幅を根元より先端に行くにしたがっ
て減少させた構成を有する。この凸部１０７の傾斜形状
による効果は、図１の凸部７の場合と同じである。

【００２９】１０６は放熱層１０１および表層部１０５
の全面に形成したニッケルメッキによる接合層を示す。
以上の構成における放熱層１０１および表層部１０５の
厚さは、図１の放熱板１および表層部５と同程度であ
り、接合層１０６は、３〜２０μｍ程度の厚さに形成さ
れる。従って、接合層１０６は極薄であり、放熱層１０
１の放熱性に影響を与えるようなことはない。

【００３０】図４は、図３の放熱材の製造例である。表
面に凹凸１０２を有する銅板１０１ａがチョッパ１０９
の下に連続的に導入され、ここにおいて、銅の粉末と酸
化第１銅の粉末の混合物１１０が上面に供給され、次い
で、振動器１１２より銅板１０１ａに振動が与えられる
ことによって、密度と厚さが均質化された混合物層１１
１が形成される。

【００３１】次に、銅板１０１ａと混合物層１１１は、
アルゴンガスの封入口１１８と排出口１１９を有するダ
クト１１３内に送り込まれ、ロール１１４によって圧延
されるとともに、ロール１１４と１１５を電極とする電
源１１６からの通電加熱によって焼結され、その後、ロ
ール１１５によって最終厚さに圧延された後、銅板１０
１ａと一体化された中間体１１７となってダクト１１３
より送り出される。

【００３２】１２０はメッキ装置を示す。１５０ｇ／ｌ
濃度の硫酸ニッケル、１５ｇ／ｌ濃度の塩化アンモニウ
ム、および１５ｇ／ｌ濃度の硼酸より成浴され、極板１
２１が浸漬されてポンプ１２２により循環されたメッキ
液１２３の中に中間体１１７が浸漬され、これによって
図３のニッケルメッキの接合層１０６が形成される。ダ
クト１１３より送り出された放熱材１２７は、その後、
図２の場合と同様にして所定の長さに切断される。

【００３３】図５は、本発明による放熱材の他の実施の
形態を示す。（ａ）は、図１の放熱材より窒化アルミニ
ウムの接合層６を除いたものであり、（ｂ）は、図５の
（ａ）の放熱材より受熱層３の表層部５を除いたもので
ある。この（ｂ）の構成における受熱層３は、一見、凹
部４ごとに独立しているように見えるが、凹部４が図１
の（ｂ）および（ｃ）のように網目状に形成されている
ため、受熱層３は、一体物として形成されている。凹部
４を独立した穴状に形成する場合には、受熱層３は、凹
部４ごとに独立した形となるが、本発明の受熱層には、
そのような独立した単位の集合体も含まれる。

【００３４】図５の（ｃ）は、図３の放熱材よりニッケ
ルメッキの接合層１０６を除き、さらに、放熱層１０１
としてアルミニウムを使用した例であり、多くの場合、
放熱層１０１は、受熱層１０３の形成後に窒化処理され
る。また、この構成の場合の受熱層１０３の焼結は、８
５０℃よりも低い温度で行われる。

【００３５】

【発明の効果】以上説明したように、本発明による放熱
材によれば、良伝熱性の金属の粉末と、この金属より低
熱膨張率の無機化合物の粉末の混合物の焼結体より構成
される受熱層によって、放熱層の表面の凹凸の凹部を充
填した構成を有するため、放熱層の凹凸の部分において
放熱層と受熱層の異なる熱膨張率が緩和されることにな
り、従って、加熱されたときに熱歪みのない放熱材を構
成することができる。

【００３６】また、本発明による放熱材の製造方法によ
れば、表面に凹凸を有して走行する放熱板の前記凹凸上
に上記の混合物を供給し、この混合物をロールで圧延し
ながら加熱焼結することによって放熱材を製造するた
め、連続した放熱板の製造を行うことができ、従って高
効率の製造作業を遂行することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による放熱材の実施の形態を示す説明図
であり、（ａ）は放熱材の断面図、（ｂ）および（ｃ）
は放熱層の平面図を示す。

【図２】本発明による放熱材の製造方法の実施の形態を
示す説明図であり、図１の放熱材を対象とした製造例を
示す。

【図３】本発明による放熱材の他の実施の形態を示す説
明図。

【図４】本発明による放熱材の製造方法の他の実施の形
態を示す説明図であり、図３の放熱材を対象とした製造
例を示す。

【図５】本発明による放熱材のさらに他の実施の形態
（ａ）〜（ｃ）を示す説明図。

【符号の説明】

１放熱層１ａ、１０１ａ銅板２、１０２凹凸３、１０３受熱層４、１０４凹部５、１０５表層部６、１０６接合層７、７ａ、７ｂ、１０７凸部８、２１リール９、１０９チョッパ１０、１１０混合物１１、１１１混合物層１２、１１２振動器１３第１のダクト１４、１５、２４、２５、１１４、１１５ロール
（電極）１６、２６、１１６電源１７、１１７中間体１８、１１８アルゴンガスの封入口１９、１１９排出口２０第２のダクト２２回転ブラシ２３アルミニウムテープ２７、１２７放熱材２８窒素ガスの封入口２９排出口３０カッタ３１カッタ台１０１放熱層１１３ダクト１２０メッキ装置１２１極板１２２ポンプ１２３メッキ液

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者大谷忠男茨城県日立市日高町５丁目１番１号日立電線株式会社総合技術研究所内 (72)発明者乾謙一茨城県日立市日高町５丁目１番１号日立電線株式会社総合技術研究所内 (72)発明者 ▲冬▼ 慶平茨城県日立市日高町５丁目１番１号日立電線株式会社総合技術研究所内 (72)発明者黒木一真茨城県日立市日高町５丁目１番１号日立電線株式会社総合技術研究所内Ｆターム(参考） 4K018 AA02 AA03 AA14 AB01 AC01 BA01 BA02 BA08 BB04 EA22 EA29 FA23 FA24 HA08 JA16 JA25 JA27 JA29 JA34 KA32 5F036 BA23 BB03 BB05 BD01 BD13

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】良伝熱性の金属の粉末と、前記金属より低
熱膨張率の無機化合物の粉末の混合物の焼結体より構成
されて半導体装置等の発熱物よりの熱を吸収する受熱層
と、前記受熱層と一体化されて前記受熱層よりの熱を外
部に放出する放熱層を備え、前記放熱層は、前記受熱層との境界面に凹凸を有し、前記受熱層は、前記放熱層の前記凹凸の凸部を充填して
いることを特徴とする放熱材。
【請求項２】前記凹凸の凸部は、その幅を根元より先端
に向けて減少させていることを特徴とする請求項１項記
載の放熱材。
【請求項３】前記受熱層は、室温から３００℃において
６〜１５×１０^-6／Ｋの熱膨張率と５０〜３５０Ｗ／ｍ
・Ｋの熱伝導率を焼結後に示す前記混合物の焼結体より
構成されることを特徴とする請求項１項記載の放熱材。
【請求項４】前記受熱層は、２００μｍ以下の粒径を有
する前記無機化合物の粉末を含む前記混合物の焼結体よ
り構成されることを特徴とする請求項１項記載の放熱
材。
【請求項５】前記受熱層は、銅、アルミニウム、銀、金
およびこれらの合金より選択される前記金属の粉末と、
室温から３００℃における熱膨張率が５×１０^-6／Ｋ以
下の酸化銅、酸化錫、酸化亜鉛、酸化鉛、酸化ニッケ
ル、酸化アルミニウム等の前記無機化合物の粉末を含む
前記混合物の焼結体より構成されることを特徴とする請
求項１項記載の放熱材。
【請求項６】前記受熱層は、前記無機化合物の粉末とし
て１０〜８０容量％の酸化第１銅の粉末を含み、残部が
銅の粉末の前記混合物の焼結体より構成されることを特
徴とする請求項５項記載の放熱材。
【請求項７】前記受熱層は、その表面に、窒化アルミニ
ウムあるいはニッケルメッキ等より構成される前記発熱
物への接合層を有することを特徴とする請求項１項記載
の放熱材。
【請求項８】良伝熱性の金属の粉末と前記金属より低熱
膨張率の無機化合物の粉末の混合物を準備するステップ
と、表面に凹凸を有して走行する金属板の前記凹凸上に前記
混合物を連続して供給するステップと、前記金属板上に供給された前記混合物を所定の厚さにロ
ールで圧延しながら前記混合物を焼結するステップを含
むことを特徴とする放熱材の製造方法。
【請求項９】前記焼結のステップは、前記ロールを電極
とする通電加熱によって行われることを特徴とする請求
項８項記載の放熱材の製造方法。
【請求項１０】前記焼結のステップは、焼結された前記
混合物に金属テープを貼り付けての窒化処理、あるいは
焼結された前記混合物へのメッキ処理のいずれかを施す
ことによって、焼結された前記混合物の表面に発熱物へ
の接合層を形成するステップを含むことを特徴とする請
求項８項記載の放熱材の製造方法。