JP2003073709A

JP2003073709A - 複合材料の製造方法

Info

Publication number: JP2003073709A
Application number: JP2001270610A
Authority: JP
Inventors: Katsuaki Tanaka; 勝章田中; Kyoichi Kinoshita; 恭一木下; Takashi Yoshida; 貴司吉田; Tomohei Sugiyama; 知平杉山; Eiji Kono; 栄次河野
Original assignee: Toyota Industries Corp
Current assignee: Toyota Industries Corp
Priority date: 2001-09-06
Filing date: 2001-09-06
Publication date: 2003-03-12

Abstract

(57)【要約】【課題】金属Ｃｕに対し、低熱膨張材であるＩｎｖａｒ
粒子が分散しており、また、線膨張係数が任意設定可能
である複合材料を得る方法を提供する。【解決手段】粒子状の金属Ｃｕと、低熱膨張材であるＩ
ｎｖａｒ粒子とを押しつけ、Ｉｎｖａｒ粒子を金属Ｃｕ
で被覆して複合粉末３を形成し、前記複合粉末を焼結、
圧延することで、金属Ｃｕに対し、Ｉｎｖａｒ粒子が分
散した複合材料が得られる。また、前記複合粉末を形成
する工程で、Ｃｕ粒子とＩｎｖａｒ粒子との混合比率を
変えることで、複合材料のＣｕとＩｎｖａｒとの体積比
率も任意に調整することができるため、線膨張係数も任
意に設定することができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は複合材料の製造方法
に係り、複合材料中の金属に対し低熱膨張材が分散、ま
たは低熱膨張材に対し金属が分散しており、また、金属
と低熱膨張材との体積比率が任意設定可能である複合材
料を製造する方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来より、半導体基板のヒートスプレッ
ダや放熱部材として、低熱膨張性をもつセラミックス材
料やＩｎｖａｒなどの低熱膨張材と、半導体素子で発生
した熱を逃がすために高熱伝導性をもつＣｕやＡｌなど
の金属との複合材料が使われている。半導体素子と基板
との間に介装されるヒートスプレッダは、半導体素子で
発生した熱を逃がす目的で高熱伝導性が必要であるとと
もに、半導体素子と基板との間に熱膨張による亀裂の発
生を防ぐ目的で低熱膨張性が必要である。

【０００３】この複合材料には低熱膨張性と高熱伝導性
とをあわせ持つために低熱膨張材と金属とが均一に分散
した複合材料が望ましい。このような複合材料を得る方
法として、例えば登録特許２６９６５６７号に開示され
た複合材料の製造方法がある。

【０００４】即ち、この方法は図８に示すように、アル
ミナ粒子５１をチタン下地層５２で覆い、さらにその周
りを銅またはニッケル層５３で覆った複合粉末を高温焼
結する複合材料の製造方法である。詳しくは、アルミナ
粒子５１の個々の粒子表面にスパッタリング法でチタン
下地層５２を被服したうえに、めっきにより銅またはニ
ッケル覆５３を被服し複合粉末を得た後、その複合粉末
を所望形状に成形し焼結処理を施した複合材料の製造方
法である。つまり、めっきによりアルミナ粒子５１を銅
またはニッケル層５３で被覆した複合粉末を焼結するこ
とで、アルミナ粒子５１同士が結合しにくく分散した複
合材料を得ることができるようになっている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかし、前述した従来
の複合材料の製造方法では、銅またはニッケル被覆を施
す前に下地処理であるスパッタリング法を施す必要があ
るため工程作業が多くコストがかかる。さらに、銅また
はニッケル被覆をする方法がめっきであるために厚膜化
が難しく、銅またはニッケルの体積比率を高くすること
が難しい。そのため、銅またはニッケルの体積比率を高
くしようとする場合、めっきを繰り返し行わなければな
らず、コストが増大する問題がある。ここで、アルミナ
と銅またはニッケルとの体積比率を変えることで、複合
材料の線膨張係数や熱伝導率を任意値に設定することが
できるが、従来の方法では複合材料の線膨張係数や熱伝
導率を任意値に設定することが難しい。

【０００６】この発明は前述した事情に鑑みてなされた
ものであって、その目的は、低熱膨張材と金属との複合
材料の製造工程を簡単にすること、そして低熱膨張材と
金属の体積比率を任意に設定しやすくし、所望の線膨張
係数と熱伝導率をもつ複合材料を簡単に製造することを
可能にすることにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、請求項１に記載の発明は、粒子状の金属と、前記金
属より線膨張係数の小さい粒子状の低熱膨張材を準備
し、前記金属と前記低熱膨張材とを押しつけ、低熱膨張
材または金属の一方を他方で被覆して複合体を形成し、
前記複合体を焼結、圧延して複合材料を得ることを要旨
とした。

【０００８】本発明でいう金属とは、単体金属のほか合
金を含む総称である。線膨張係数とは、１℃上昇当たり
に膨張する長さ方向の割合を示す数値である。

【０００９】本発明でいう「押しつけ」とは、遠心力に
よる押しつけ、摩擦力による押しつけ、衝撃力による押
しつけ、剪断力による押しつけ、衝突による押しつけ、
またはこれらの組み合わせの外力をいう。

【００１０】この場合、粒子状の低熱膨張材と粒子状の
金属とを押しつけることで、粒子状の低熱膨張材の周り
を粒子状の金属の集まりで被覆された複合粉末、または
粒子状の金属の周りを粒子状の低熱膨張材の集まりで被
覆された複合粉末が形成される。本発明でいう複合体の
形状として、前記複合粉末に限らず、層状や、低熱膨張
材粒子の塊と金属粒子の塊とが複合化された粉塊状のも
のであってもよい。また、「被覆」の状態は、膜状に全
表面を被覆された状態だけでなく、１または複数からな
る粒子状の集まりで覆われた状態でもいい。

【００１１】従って、請求項１に記載の発明によれば、
粒子状の低熱膨張材を金属で被覆する、または粒子状の
金属を低熱膨張材で被覆することにより、複合体が得ら
れる。また、被覆が押しつけることでできるため製造工
程が簡単である。この複合体を焼結、圧延することによ
り低熱膨張材と金属とが分散した複合材料が得られる。

【００１２】請求項２に記載の発明は、請求項１におい
て、前記複合体は低熱膨張材が金属で被覆されているこ
とを要旨とした。

【００１３】この場合、粒子状の低熱膨張材と粒子状の
金属とを押しつけることで、粒子状の低熱膨張材の周り
を粒子状の金属の集まり、または膜状の金属が被覆する
複合体が形成される。

【００１４】従って、請求項２に記載の発明によれば、
金属に粒子状の低熱膨張材と分散した複合材料が得られ
る。また、金属が低熱膨張材の周りにあることから、高
熱伝導性を示す複合材料が得られる。

【００１５】請求項３に記載の発明は、請求項１または
請求項２において、前記複合体はハイブリダイゼーショ
ンシステムにて形成されることを要旨とした。

【００１６】ハイブリダイゼーションシステムとは、物
理的手法を用いて微粉体の表面を微粉体で表面改質し、
微粉体同士の接合を可能にする技術であり、衝撃力を主
体に粒子どうしを押しつけ、１〜１０分の短時間で固定
化、成膜化、球形化等の処理が行われる技術である。

【００１７】従って、請求項３に記載の発明によれば、
スパッタリング法やめっきを施す被覆方法に比べ、複数
の作業工程を経ることなく短時間に低コストで複合体が
得られる。

【００１８】請求項４に記載の発明は、請求項１〜請求
項３において、押しつける粒子状の低熱膨張材と粒子状
の金属との比率を変えることで、所望の低熱膨張材と金
属との体積比率をもつ複合体を形成することを要旨とし
た。

【００１９】従って、請求項４に記載の発明によれば、
低熱膨張材と金属との体積比率を所望の比率にした複合
体を得ることで、この複合体を焼結、圧延してできる複
合材料の線膨張係数、熱伝導率を任意の値に設定するこ
とができる。

【００２０】

【発明の実施の形態】以下、本発明を高熱伝導性をもつ
金属Ｃｕと、前記金属Ｃｕより線膨張係数の小さな低熱
膨張材であるＩｎｖａｒ合金との複合材料に具体化し、
また、複合体の態様を複合粉末とした一実施の形態を図
２〜図３に従って説明する。

【００２１】ここで、線膨張係数とは、１℃上昇当たり
に膨張する長さ方向の割合を示すもので、単位はｐｐｍ
／℃である。この値が小さいほど熱膨張が小さい。

【００２２】また、Ｉｎｖａｒ合金とは、鉄にニッケル
を３４〜３６％含む合金で、線膨張係数が１ｐｐｍ／℃
であり、線膨張係数が１０ｐｐｍ／℃の鉄や１７ｐｐｍ
／℃の銅などの金属はもちろん、１１ｐｐｍ／℃の炭素
鋼と比べても線膨張係数が小さい。

【００２３】また、熱伝導率とは熱の伝わりやすさを表
すもので、熱伝導率が大きいほど熱が伝わりやすく放熱
部材として放熱作用に優れる。

【００２４】図２の複合粉末３はＩｎｖａｒ粒子１と、
Ｉｎｖａｒ粒子１を覆うＣｕ層２とにより構成されてい
る。

【００２５】前記複合粉末３は、図１に示すようにＩｎ
ｖａｒ粒子１にＣｕ粒子４を物理的に押しつける後述の
方法により被覆されたものであり、これら複合粉末３の
集まりを焼結、圧延することで図３に示す、Ｃｕ５にＩ
ｎｖａｒ粒子１が分散された複合材料６を得る。

【００２６】この場合、図２に示すように複合粉末３に
おいてＩｎｖａｒ粒子１がＣｕ層２により被覆されてい
ることから、できあがる複合材料６は、図３に示すよう
に、Ｉｎｖａｒ粒子１どうしが結合せず、Ｃｕ５内に分
散し、かつ、金属ＣｕがＩｎｖａｒ層により分断されず
導通したものとなる。従って、この複合材料６は、Ｃｕ
５が導通していることから高熱伝導性を示しつつ、さら
にＩｎｖａｒ粒子１が分散されていることから、全体に
偏りの少ない低熱膨張性を示す。

【００２７】本実施形態において、Ｉｎｖａｒ粒子１に
Ｃｕ粒子４を物理的に押しつけ複合粉末を得る方法は、
ハイブリダイゼーションシステムにより短時間、かつ低
コストに実施することができる。

【００２８】ハイブリダイゼーションシステムとは、図
４に示すようにＯ．Ｍ．ダイザー１１と、計量供給機１
２と、ハイブリダイザー１３と、捕集器１４とからなる
システムである。まず、Ｏ．Ｍ．ダイザー１１に母粒子
と子粒子、本実施形態ではＩｎｖａｒ粒子１とＣｕ粒子
４とを所定の比率で投入し、Ｏ．Ｍ．ダイザー１１の混
合分散作用により、図１に示す、Ｉｎｖａｒ粒子１にＣ
ｕ粒子４をまぶした被処理物１５を形成し、これをハイ
ブリダイザー１３に投入する。ハイブリダイザー１３に
投入された被処理物１５は、分散しながら衝撃力を主体
に、粒子の相互作用も含め圧縮、摩擦、剪断力などの機
械的作用を繰り返し受け、短時間で固定化、成膜化、球
形化等の処理が行われ、図２に示すように、Ｉｎｖａｒ
粒子１がＣｕ層２に被覆された状態の混合粉末３が得ら
れる。その後、補修器１４で回収される。

【００２９】ハイブリダイゼーションシステムでは、成
膜の厚膜化、多層化が簡単におこなえるため、図２にお
けるＣｕ層２の厚膜化を施すためには、複数回のめっき
作業が必要であったスパッタリング法とめっきとを施す
従来の被覆方法と比べ、複数の作業工程を経ることなく
短時間で、かつ低コストでできる。この方法により得ら
れる複合粉末３は、ハイブリダイゼーションシステムを
利用する際に、Ｏ．Ｍ．ダイザー１１に投入するＩｎｖ
ａｒ粒子１とＣｕ粒子４との比率を変えることで、でき
あがる複合粉末３のＣｕ層２の被覆厚さを変えることが
できる。つまり複合粉末３のＩｎｖａｒとＣｕ２との体
積比率も変えることができる。

【００３０】例えば、投入するＣｕ粒子４の比率を多く
すると、得られる複合粉末３のＣｕ層２の被覆厚さが厚
くなり、結果として複合粉末３におけるＣｕ２の体積比
率が多くなる。逆に投入するＣｕ粒子４の比率を少なく
すると、複合粉末３のＣｕ層２の被覆厚さが薄くなり、
結果として複合粉末３におけるＣｕ２の体積比率が少な
くなる。よって、複合粉末３のＩｎｖａｒ粒子１とＣｕ
２との体積比率を簡単に変えることができる。

【００３１】また、複合材料６はここで得られた複合粉
末３を焼結、圧延して得られるため、複合材料６中のＩ
ｎｖａｒ粒子１とＣｕ５との体積比率は、複合粉末３の
Ｉｎｖａｒ粒子１とＣｕ２との体積比率に依存し、簡単
に変えることができる。

【００３２】この場合、複合材料６の線膨張係数と熱伝
導率は、複合材料中のＩｎｖａｒ粒子１とＣｕ５との体
積比率により決められるため、ハイブリダイゼーション
システムを利用する際に、Ｏ．Ｍ．ダイザー１１に投入
するＩｎｖａｒ粒子１とＣｕ粒子４の比率を調整するこ
とで、結果得られる複合材料６中のＩｎｖａｒ粒子１と
Ｃｕ５との体積比率も任意に調整することができ、複合
材料６の線膨張係数と熱伝導率も任意の値に変更するこ
とができる。

【００３３】複合材料６中のＩｎｖａｒ粒子１の体積比
率を多くした場合、線膨張係数と熱伝導率は小さくな
り、逆にＩｎｖａｒ粒子１の体積比率を少なくした場
合、線膨張係数と熱伝導率は大きくなる。よって所望の
線膨張係数と熱伝導率とをもった複合材料６を簡単に製
造することができる。例えば、複合材料６中のＩｎｖａ
ｒとＣｕとの体積比率を２：３とした場合の線膨張係数
は１０．６ｐｐｍ／℃となる。

【００３４】このようにして得られた複合材料６は半導
体基板のヒートスプレッダなどの放熱部材として好適に
使われる。ヒートスプレッダは、図５に示すように、半
導体基板１９においてシリコンチップ１６とＡｌ金属基
板１７との間に介装され、シリコンチップ１６から発生
する熱を逃す熱伝導材としての役目を果たすとともに、
シリコンチップ１６とＡｌ金属基板１７との熱膨張の緩
衝材としての役目も果たす必要がある。

【００３５】熱伝導材としての役目の必要性の理由は、
シリコンチップ１６は近年の高速化、高消費電力化によ
りシリコンチップ１６から発生する熱が原因で半導体回
路が誤動作してしまうおそれ等があるからである。その
ため、シリコンチップ１６から発生する熱を逃してやる
必要がある。

【００３６】緩衝材としての役目の必要性の理由は、シ
リコンチップ１６の線膨張係数は４ｐｐｍ／℃、Ａｌ金
属基板１７の線膨張係数は２３ｐｐｍ／℃であるため、
シリコンチップ１６とＡｌ金属基板１７とをそのまま貼
り合わせると、熱膨張の度合いの格差からシリコンチッ
プ１６が破損、または、はんだクラックが発生してしま
うおそれがあるからである。そのため、シリコンチップ
１６とＡｌ金属基板１７との線膨張係数の格差を縮める
ような緩衝材としての役目を果たす必要がある。

【００３７】シリコンチップ１６とＡｌ金属基板１７と
の間におかれるヒートスプレッダ１８の線膨張係数は、
シリコンチップ１６の線膨張係数である４ｐｐｍ／℃か
らＡｌ金属基板１７の線膨張係数である２３ｐｐｍ／℃
までとり得る範囲がある。望ましくは５〜１５ｐｐｍ／
℃であり、約１０ｐｐｍ／℃が最適である。本実施形態
において、Ｉｎｖａｒの線膨張係数は１ｐｐｍ／℃であ
り、Ｃｕの線膨張係数は１７ｐｐｍ／℃であるため、複
合材料６中のＩｎｖａｒとＣｕの体積比率を変えること
で、複合材料６の線膨張係数を１〜１７ｐｐｍ／℃の任
意の値に変えることができる。

【００３８】本発明でいう「押しつけ」の方法として、
前記ハイブリダイゼーションシステムによる方法のほ
か、例えば図６に示すように、回転容器２１内に投入し
た粉体原料２２を、遠心力により内壁２３に押しつけ固
定した状態で、インナーピース２４との間で強力な圧
縮、剪断力を与える方法がある。

【００３９】また、図７に示すように、２枚の板２６に
粉体原料２２を挟み、２枚の板２６を押しあわせ、また
は擦り合わせ、圧力を与える方法がある。

【００４０】また、容器内部の楕円ローターを高速回転
させ、容器自体もローターに対して反対方向に低速回転
させて、容器内に投入された粉体原料に、ローターと容
器内壁との間隙部にて摩擦的作用を与える、シータコン
ポーザーによる方法がある。これらの方法によっても複
合体が得られる。粉体原料とは、複合体のもととなる２
以上からなる粒子、例えばＩｎｖａｒ粒子とＣｕ粒子の
混合粉体である。

【００４１】なお、前記実施形態は、以下の態様で実施
してもよい。 ○熱伝導性金属は、ＣｕのかわりにＡｌ，Ａｇ，Ｆｅな
どの単体金属またはこれらの合金、またはこれらの混合
物にしてもよい。これらの金属も高熱伝導性を示すから
である。 ○低熱膨張材は、ＩｎｖａｒのかわりにＳｉＣ，Ａｌ２
Ｏ３（アルミナ）などのセラミック、またはこれらの混
合物にしてもよい。これらのセラミックも低熱膨張性を
示すからである。またスーパーＩｎｖａｒであってもよ
い。 ○前記記載の低熱膨張材のかわりにダライ粉であっても
よい。低熱膨張性を示すものは、セラミックに限らない
からである。 ○複合材料の用途は、ヒートスプレッダに限らない。熱
伝導性に注目して放熱板全般に使えるほか、熱膨張性に
注目して半導体基板に限らず熱膨張緩衝材一般として使
えるからである。 ○複合材料は、前記実施形態に示した粒子状の低熱膨張
材に粒子状の金属を押しつけて金属を被覆させる以外
に、粒子状の金属に粒子状の低熱膨張材を押しつけて低
熱膨張材を被覆させ複合体を形成し、この複合体から得
た複合材料でもよい。粒子状の低熱膨張材と粒子状の金
属の体積比率を調整することで、前記実施形態と同様の
効果を発揮するからである。 ○粒子を衝突させ被覆する方法は、ハイブリダイゼーシ
ョンシステムによる方法に限らない。

【００４２】

【発明の効果】請求項１に記載の発明によれば、粒子状
の低熱膨張材と粒子状の金属とを押しつけることにより
複合体が得られ、製造工程が簡単である。

【００４３】請求項２に記載の発明によれば、金属に粒
子状の低熱膨張材と分散し、高熱伝導性を示す複合材料
が得られる。

【００４４】請求項３に記載の発明によれば、スパッタ
リング法やめっきを施す被覆方法に比べ、複数の作業工
程を経ることなく短時間に低コストで複合体が得られ
る。

【００４５】請求項４に記載の発明によれば、低熱膨張
材と金属との体積比率を所望の比率にした複合体を得る
ことで、この複合体を焼結、圧延してできる複合材料の
線膨張係数、熱伝導率を任意の値に設定することができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施形態における複合粉末３の粒子被覆する
状態を示す図。

【図２】実施形態の複合粉末３の断面図。

【図３】実施形態の複合材料６を説明する図。

【図４】ハイブリダイゼーションシステムを説明する
概略図。

【図５】半導体基板とヒートスプレッダとの関係を示
す側面図。

【図６】メカノフュージョンシステムを示す断面図。

【図７】他の製造方法を示す概略図。

【図８】従来における複合材料の製造方法を示す断面
図。

【符号の説明】

１Ｉｎｖａｒ粒子２Ｃｕ層３複合粉末４Ｃｕ粒子５Ｃｕ６複合材料１１Ｏ．Ｍ．ダイザー１２計量供給機１３ハイブリダイザー１４捕集器１５被処理物１６シリコンチップ１７Ａｌ金属基板１８ヒートスプレッダ１９半導体基板２１回転容器２２粉体原料２３内壁２４インナーピース２６板５１アルミナ粒子５２チタン下地被覆層５３銅またはニッケル層

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者杉山知平愛知県刈谷市豊田町２丁目１番地株式会社豊田自動織機内 (72)発明者河野栄次愛知県刈谷市豊田町２丁目１番地株式会社豊田自動織機内Ｆターム(参考） 4K018 AA03 BA02 BA16 BC21 DA11 FA01 JA01 KA32

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】粒子状の金属と、前記金属より線膨張係
数の小さい粒子状の低熱膨張材を準備し、前記金属と前
記低熱膨張材とを押しつけ、低熱膨張材または金属の一
方を他方で被覆して複合体を形成し、前記複合体を焼
結、圧延して複合材料を得ることを特徴とする複合材料
の製造方法。
【請求項２】請求項１において、前記複合体は低熱膨
張材が金属で被覆されていることを特徴とする複合材料
の製造方法。
【請求項３】請求項１または請求項２において、前記
複合体はハイブリダイゼーションシステムにて形成され
ることを特徴とする複合材料の製造方法。
【請求項４】請求項１〜請求項３において、押しつけ
る粒子状の低熱膨張材と粒子状の金属との比率を変える
ことで、所望の低熱膨張材と金属との体積比率をもつ複
合体を形成することを特徴とする複合材料の製造方法。