JP2003017637A

JP2003017637A - 複合材料

Info

Publication number: JP2003017637A
Application number: JP2001199554A
Authority: JP
Inventors: Naoyoshi Akiyoshi; 直義秋吉; Toru Fujikawa; 徹藤川; Shinji Kitagaki; 慎二北垣; Shuji Kobayashi; 修二小林
Original assignee: Toho Kinzoku Co Ltd
Current assignee: Toho Kinzoku Co Ltd
Priority date: 2001-06-29
Filing date: 2001-06-29
Publication date: 2003-01-17

Abstract

(57)【要約】【課題】熱膨張係数が半導体素子やセラミックス等の
パッケージ材料に近似するとともに、良好な熱伝導率を
備えた複合材料であって、半導体搭載用放熱基板として
使用するに適した複合材料を提供すること。【解決手段】タングステンもしくはモリブデン又はこ
れらの合金等、剛性の高い低熱膨張材で多数の穴状空間
部が形成されたハニカム構造体を製作し、このハニカム
構造体のハニカム状空間部に、銅等の高熱伝導度を有す
る金属材料を含浸させてなる複合材料。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体素子を搭載
するための放熱基板材料に関し、より詳しくは、熱膨張
係数が半導体素子やセラミックス等のパッケージ材料に
近似するとともに、良好な熱伝導率を備えた放熱基板材
料に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】半導体素子を搭載するための放熱基板材
料として使用されているのは、熱膨張係数が半導体素子
とほぼ等しく、熱伝導性に優れた銅タングステン合金で
ある。従来、この銅タングステン合金は、タングステン
粉末と銅粉末の混合粉末を成形して燒結する混合法、又
は、予め多孔質のタングステン燒結体（スケルトン）を
製作し、これに銅を含浸する溶浸法で製造されてきた。

【０００３】上記従来の製造方法で製造された銅タング
ステン合金は、タングステンの低熱膨張係数と銅の高熱
伝導度とを組み合わせて所望の性質を得るものである
が、その性質がタングステンと銅の含有量の混合則に依
存するため、例えば熱膨張係数をある値にすると、熱伝
導度は必然的にほぼ決定される。このため、熱膨張係数
を半導体素子のそれと同程度に保って半導体素子の破損
や剥離等を防止しながら熱伝導度をより高くすることは
できないという問題点があった。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】近年、半導体素子の発
熱量が増大する傾向があり、大量の熱を放熱しなければ
ならないため、高熱伝導度を有する放熱基板材料が要求
されるようになったが、上記従来の溶浸法や混合法で製
造される銅タングステンでは、上記混合則による制約の
ため、熱伝導度が制限され、所望の性能に達したものは
得られていないのが現状である。

【０００５】熱膨張係数を所定の値に保ったまま熱伝導
度を向上させるものとして、タングステン（又はモリブ
デン）線で編んだ金属網中に銅を溶浸する方法が提案さ
れている（特開平７−２４９７１７号公報参照）。この
方法で製造された複合材料は、熱膨張が金属網によって
制約され、熱伝導は網目中の銅によって行われるため、
目的とする材料となってはいるが、金属網を構成するタ
ングステン（モリブデン）線の交差部で銅含浸時に空隙
が発生しやすいという問題点がある。放熱基板中に空隙
が多く存在すると、放熱基板自体の性能が低下するほ
か、使用中にガスが発生して半導体や電子機器に悪影響
を及ぼす恐れがあるので、空隙の発生は極力押さえる必
要がある。一方、この空隙を除去するため、圧延や鍛造
等の加工を施すと、金網の形状を制御できないという問
題点があった。そこで本発明は、従来の銅タングステン
合金における上記問題点を改良し、熱膨張係数を所望の
値に保ちながら、高熱伝導度を得ることのできる複合材
料を提供することを課題としている。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
め、本発明は次のような構成を採用した。すなわち、本
発明にかかる複合材料は、低熱膨張材で作られたハニカ
ム構造体の板のハニカム状空間部に高熱伝導材を含浸し
てなる。低熱膨張材としては、タングステンもしくはモ
リブデン又はこれらの合金を使用するのが好ましく、高
熱伝導材としては、銅や銅含有率の高い合金を使用する
ことができる。

【０００７】この複合材料は、剛性の高い低熱膨張材、
例えばタングステン、モリブデン、又はこれらの合金で
製作したハニカム構造の板（スケルトン）のハニカム状
空間部に、高熱伝導度を備えた材料、例えば銅を含浸し
たものであるから、平面方向の熱膨張は剛性を有するハ
ニカム構造体によって制限される。また、ハニカム構造
体の空間部には銅が充填されていて、この銅の層はハニ
カム構造体を表裏に貫通しているので、一方の面側に与
えられた熱は、この銅層を通って反対面側に流れ、効率
よく放熱されるのである。

【０００８】なお、本発明で「ハニカム」とは、六角形
に限らず、多角形、円形等の断面形状を有する複数の仕
切り空間が平面的に広がった一体構造のものをいう。

【０００９】

【発明の実施の形態】以下、図面に表された本発明の実
施形態例に基づいて、具体的に説明する。図１は本発明
の複合材料の１例を表すもので、タングステン（モリブ
デン）等の低熱膨張材で作られたハニカム構造を有する
板（スケルトン）２の多数の空間部（セル）に高熱伝導
材３が溶浸により充填されている。なお、図１では、高
熱伝導材３が充填されたハニカム構造の一部を省略して
図示しているが、ハニカム構造は板２の全体にわたって
ほぼ均等に分布しており、それらの空間部に高熱伝導材
３が充填されている。低熱膨張材としては、純タングス
テン、純モリブデン、コバール、銅含有率の低い銅タン
グステン合金や銅モリブデン合金（例えばＷ−１０Ｃ
ｕ，Ｍｏ−２０Ｃｏ）等がある。また、高熱伝導材とし
ては、純銅、銅含有率の高い銅タングステン合金や銅モ
リブデン合金等がある。

【００１０】図２は上記と若干異なる実施形態を表すも
ので、上記図１に示す実施形態では、ハニカム構造の部
分Ｈが板２の全体にわたって均等に設けられているが、
図２の実施形態では、ハニカム構造の部分Ｈが板２の中
央部のみに設けられ、その周縁部Ｓは低熱膨張材だけで
構成された額縁状となっている。このような構造として
おけば、半導体素子を搭載する部分には高熱伝導材の部
分が設けられているので熱の放出が良好である一方、板
２の平面方向の熱膨張はさらに抑制されるので、より効
果的である。

【００１１】なお、以上の図では、ハニカム構造体のセ
ル（空間部）の形状が円形であるが、四角形、六角形そ
の他任意の形状とすることができる。また、以下の説明
では、ハニカム構造体の材質としてタングステンを選ん
だ例について説明するが、モリブデンや他の低熱膨張材
についても同様である。

【００１２】本発明の複合材料の製法についてタングス
テンと銅を用いる場合を例にとって説明すると、次のと
おりである。まず、原料となるタングステン単体の粉末
もしくは燒結性を向上させるためコバルト、ニッケル等
をドープした粉末に公知の有機バインダーを加えて混練
し、押出し成形機中に投入して、ハニカム金型を通して
ハニカム状に成形する。つぎに、得られた成形体を板状
に切断し、脱脂（バインダーの除去）と燒結を行い、所
定の密度を有するタングステンハニカム構造体を得る。

【００１３】ハニカム構造体の製造法としては、上記の
ほかに次のような方法を採用することもできる。すなわ
ち、タングステン粉末に有機バインダーを加えて混練
し、フィードストックを製造する。このフィードストッ
クをハニカム金型を取り付けた射出成形機中に投入し、
タングステンハニカムを成形する。成形体を脱脂、燒結
して、所定密度を有するタングステンハニカム構造体を
得る。さらには、粉末冶金法で一般的に採用されている
粉末プレス成形によって成形することも可能である。

【００１４】得られた低熱膨張材であるタングステンハ
ニカム構造体の空間部に、高熱伝導材である銅を含浸
し、当該空間を銅で充填した構造の複合材料とする。こ
のようにして得られた複合材料の素材を適当な寸法（外
形寸法及び厚さ）に加工することにより、所望の放熱基
板が得られるのである。

【００１５】

【発明の効果】この複合材料は、高い剛性を有するタン
グステン等の低熱膨張材で作られたハニカム構造体によ
り、平面方向の熱膨張が拘束される。一方、板面と垂直
方向には、銅等の高熱伝導材の層が貫通しているので、
高熱伝導度が発揮される。このため、従来の溶浸法や混
合燒結法によって製造された銅タングステン材料に比べ
て、高い熱伝導度／熱膨張係数比が得られ、平面方向の
熱膨張が半導体素子やセラミックス等の熱膨張と近似
し、かつ垂直方向への熱伝導が良好なものとなった。

【００１６】

【実施例】つぎに、本発明の実施例について具体的に説
明する。（実施例１）平均粒度０．６５ミクロンのタングステン
粉末を押し出し成形用の有機物バインダーであるメチル
セルロース，流動パラフィン，ステアリン酸及び水と混
練した。得られた混練物を押し出し成形機中に投入し、
脱気後、該成形機に取り付けたハニカム金型を通して押
し出した。金型から所定長さだけ押し出された時点で、
金型出口に沿って切断し、所定厚みの成形体を得た。こ
の成形体は、外形が４０ｘ１７ｘ３．３ｍｍで、ハニカ
ム構造体のセル（各空間部）のピッチが０．６５ｍｍ、
ハニカム構造体の仕切り壁の厚みは０．２６ｍｍであっ
た。

【００１７】この成形体を常温にて乾燥後、有機バイン
ダーを水素気流中で加熱除去し、引き続き１０００℃に
て予備燒結を行った。つぎに、予備燒結後の成形体を２
２００℃で１時間、水素気流中で燒結した。得られたハ
ニカム燒結体の寸法は、３２ｘ１３．５ｘ２．５ｍｍ、
ハニカムの形状は正方形で、セルピッチは０．５ｍｍ、
仕切り壁の厚みは０．２ｍｍであり、スケルトン密度は
１２．１ｇ／ｃｍ³ であった。

【００１８】この燒結体を水素気流中で１３００℃で加
熱しつつ銅を溶浸した。これにより、ハニカムのセル
（空間部）内に銅が密に充填された銅・タングステン・
ハニカム構造体からなる複合材料が得られた。この複合
材料を適当な寸法（３０ｘ１２．５ｘ２ｍｍ）に機械加
工し、ラップ仕上げして、所望の放熱基板を得た。この
放熱基板の熱膨張係数は、平面方向で８．５ｐｐｍ、垂
直方向における熱伝導度は、２６０Ｗ／ｍＫであった。

【００１９】（実施例２）平均粒度１．３ミクロンのタ
ングステン粉末に０．２％（重量％）のニッケルを硝酸
ニッケルの形で添加した。これを乾燥した後、水素気流
中で６００℃で還元した。この還元粉末を押し出し成形
用の熱可塑性の有機物バインダーであるメチルセルロー
ス、流動パラフィン、ステアリン酸と混練し、押し出し
成形用のフィードストックとした。

【００２０】１５０〜１６０℃に保持した押し出し成形
機内に上記フィードストックを入れ、該成形機に取り付
けたハニカム金型を通して押し出した。金型から所定の
長さだけ押し出された時点で、金型出口に沿って切断
し、成形体を得た。この成形体の寸法は、外形がφ３０
ｘ４．０ｍｍであり、ハニカムの形状は直径０．８ｍｍ
の円形で、ハニカムのセルピッチは１．３ｍｍであっ
た。

【００２１】この成形体を常温にて乾燥した後、有機バ
インダーを水素気流中で加熱除去し、引き続き８００℃
にて予備燒結を行った。得られた予備燒結体は、１３０
０℃で１時間水素気流中で燒結した。燒結後のハニカム
構造体の寸法は、φ３０ｘ３ｍｍ、ハニカムのセルピッ
チは１．０ｍｍ、ハニカムの直径は０．６２ｍｍであ
り、スケルトン密度は１１．６ｇ／ｃｍ³ であった。

【００２２】この燒結体を水素気流中で１２００℃で加
熱しつつ銅を溶浸した。これにより、ハニカムのセル
（空間部）内に銅が密に充填された銅・タングステン・
ハニカム構造体からなる複合材料が得られた。この複合
材料を適当な寸法（φ２８ｘ３．５ｍｍ）に機械加工
し、ラップ仕上げして、所望の放熱基板を得た。この放
熱基板の熱膨張係数は、平面方向で１０．０ｐｐｍ、垂
直方向における熱伝導度は、２４０Ｗ／ｍＫであった。

【００２３】（実施例３）平均粒度０．８ミクロンのタ
ングステン粉末に０．２％のニッケルを硝酸ニッケルの
形で添加した。この粉末を乾燥した後、水素中で６００
℃で還元した。得られた還元粉末を射出成形用の有機物
バインダー、エチレンビニルアセテート−ブチルメタア
クリレート−ポリスチレンの共重合体，パラフィンワッ
クス，フタル酸ブチル，ステアリン酸と混練し、射出成
形用のフィードストックとした。

【００２４】１５０〜１６０℃に保持した押し出し成形
機内に上記フィードストックを入れ、該成形機に取り付
けたハニカム金型内に射出した後、金型から成形体を取
り出した。得られた成形体の寸法は、外形が４０ｘ１７
ｘ３．３ｍｍであり、ハニカムの形状は直径０．２８ｍ
ｍの円形、ハニカムのセルピッチは０．６５ｍｍであっ
た。

【００２５】この成形体を常温から６００℃まで水素気
流中で徐々に昇温して、有機バインダーを水素気流中で
加熱除去し、引き続き８００℃にて予備燒結を行った。
得られた予備燒結体は、１８００℃で１時間、水素気流
中で燒結した。燒結後のハニカム構造体の寸法は、３２
ｘ１３．５ｘ２．５ｍｍ、ハニカムのセルピッチは０．
５ｍｍ、ハニカムの直径は０．２１ｍｍであり、スケル
トン密度は１５．８ｇ／ｃｍ³ であった。

【００２６】この燒結体を水素気流中で１３００℃で加
熱しつつ銅を溶浸した。これにより、ハニカムのセル
（空間部）内に銅が密に充填された銅・タングステン・
ハニカム構造体からなる複合材料が得られた。この複合
材料を適当な寸法（外形３０ｘ１２．５ｘ２ｍｍ）に機
械加工し、ラップ仕上げして、所望の放熱基板を得た。
この放熱基板の熱膨張係数は、平面方向で６．５ｐｐ
ｍ、垂直方向における熱伝導度は、１９０Ｗ／ｍＫであ
った。

【００２７】（実施例４）平均粒度３ミクロンのモリブ
デン粉末に、射出成形用の有機バインダー、エチレンビ
ニルアセテート−ブチルメタアクリレート−ポリスチレ
ンの共重合体、パラフィンワックス、フタル酸ブチル、
ステアリン酸等と混練し、射出成形用フィードストック
とした。

【００２８】１５０〜１６０℃に保持した射出成形機内
に上記フィードストックを入れ、該成形機に取り付けた
ハニカム金型内に射出した後、金型より成形体を取り出
した。得られた成形体の寸法は、外形が４０ｘ１７ｘ
３．３ｍｍであり、ハニカムの形状は正方形、セルピッ
チは０．６５ｍｍ、仕切り壁の厚みは０．４ｍｍであっ
た。

【００２９】この成形体を常温から６００℃まで水素気
流中で徐々に昇温して、有機バインダーを加熱除去し、
引き続き８００℃にて予備燒結を行った。得られた予備
燒結体は、１２５０℃で１時間、水素気流中で燒結し
た。燒結後のハニカム構造体の寸法は、３４ｘ１４．５
ｘ２．８ｍｍ、ハニカムのピッチは０．５５ｍｍ、仕切
り壁の厚みは０．３５ｍｍであり、スケルトン密度は
７．２５ｇ／ｃｍ³ であった。

【００３０】この燒結体を水素気流中で１２００℃で加
熱しつつ銅を溶浸した。これにより、ハニカムのセル
（空間部）内に銅が密に充填され、かつハニカム構造体
にも銅が溶浸された銅・モリブデン／銅・ハニカム構造
体からなる複合材料が得られた。この複合材料を適当な
寸法（外形３０ｘ１２．５ｘ２ｍｍ）に機械加工し、ラ
ップ仕上して、所望の放熱基板を得た。この放熱基板の
熱膨張係数は平面方向で１０．５ｐｐｍ、垂直方向にお
ける熱伝導度は２２０Ｗ／ｍＫであった。

【００３１】（比較例）平均粒度１．６ミクロンのタン
グステン粉末に０．２％のニッケルを硝酸ニッケルの形
で添加した。この粉末を乾燥した後、水素中で６００℃
で還元した。

【００３２】得られた還元粉末にプレス用バインダーと
してＰＶＡを１％添加し、造粒した後、公知の方法で３
０ｘ３０ｘ３ｍｍにプレス成形した。この成形体を水素
気流中で加熱して脱脂と予備燒結を行い、さらに１３０
０℃で燒結した。得られた燒結体に銅を溶浸し、銅・タ
ングステン合金（Ｗ−１２％Ｃｕ）を得た。得られた銅
・タングステン合金の熱膨張係数は、７．５ｐｐｍ、熱
伝導度は、１６５Ｗ／ｍＫであった。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の具体例を表す平面図（ａ）及び縦断面
図（ｂ）である。

【図２】上記と若干異なる実施形態を表す平面図（ａ）
及び縦断面図（ｂ）である。

【符号の説明】

１放熱基板２低熱膨張材の板（ハニカム構造体）３高熱伝導材（銅）

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者北垣慎二大阪府寝屋川市池田西町26−５東邦金属株式会社技術開発部内 (72)発明者小林修二大阪府寝屋川市池田西町26−５東邦金属株式会社技術開発部内Ｆターム(参考） 5F036 AA01 BB08 BB21 BD01

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】低熱膨張材で作られたハニカム構造体の
板のハニカム状空間部に高熱伝導材を含浸してなる放熱
基板用複合材料。
【請求項２】低熱膨張材がタングステン、モリブデ
ン、もしくはこれらの合金である請求項１に記載の放熱
基板用複合材料。
【請求項３】高熱伝導材が銅である請求項１又は２に
記載の放熱基板用複合材料。