JP2003266198A - 静水圧成形方法及び放熱基板の製造方法 - Google Patents

静水圧成形方法及び放熱基板の製造方法

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JP2003266198A
JP2003266198A JP2003025992A JP2003025992A JP2003266198A JP 2003266198 A JP2003266198 A JP 2003266198A JP 2003025992 A JP2003025992 A JP 2003025992A JP 2003025992 A JP2003025992 A JP 2003025992A JP 2003266198 A JP2003266198 A JP 2003266198A
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Norio Hirayama
典男 平山
Mitsuo Osada
光生 長田
Akira Ichida
晃 市田
Yoshinari Amano
良成 天野
Seishi Asai
清史 浅井
Hidetoshi Maezato
英俊 前里
Tadashi Arikawa
正 有川
Kenji Sakimae
賢二 崎前
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    • B30PRESSES
    • B30BPRESSES IN GENERAL
    • B30B11/00Presses specially adapted for forming shaped articles from material in particulate or plastic state, e.g. briquetting presses, tabletting presses
    • B30B11/001Presses specially adapted for forming shaped articles from material in particulate or plastic state, e.g. briquetting presses, tabletting presses using a flexible element, e.g. diaphragm, urged by fluid pressure; Isostatic presses

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Abstract

(57)【要約】 【課題】 安価で且つ形状の整った圧粉体を得るための
静水圧成形方法とそれを用いた薄い放熱基板の製造方法
を提供すること。 【解決手段】 半導体素子を搭載するパッケージにおい
て、モリブデンの圧粉体に質量比で30〜40%の銅
(Cu)を溶融、染み込ませる含浸してなるCu−Mo
複合基板であって、板厚が0.4mm未満の放熱基板を
有する。この放熱基板は、静水圧成形方法によってMo
圧粉体を得、このMo圧粉体にCuを載せて加熱処理し
て、Mo圧粉体に銅を含浸して染み込ませたCu−Mo
複合基板を得、このCu−Mo複合基板を圧延すること
で得られる。静水圧成形方法では、少なくとも2ケに分
割した側壁に囲まれた内面に接して2ケ以上の板体1,
2,3,4,5,6を配置し、それらの板体1,2,
3,4,5,6の間にMo粉末を充填した集合体をゴム
媒体8等の軟質材の覆いにより覆ってなる複合体を造
り、これを耐圧水槽に入れ静水圧を前記軟質材の覆いの
外部から働かせ、前記覆いを介し前記板を側壁に沿って
加圧して移動させ、Mo圧粉体を得る。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、セラミック粉末や
金属粉末及びこれらの複合材の静水圧成形方法に関し、
詳しくは、W,Mo等の高融点金属粉末、Cu/W,C
u/Mo,W/Ni/Cu,W/Ni/Fe等の複合
材、及びMo/TiC,Al/SiC等の複合材を用い
た半導体パッケージに用いる放熱基板の製造方法、即
ち、静水圧成形方法に関する。
【0002】
【従来の技術】近年、携帯電話機等の通信機器関連に使
用される半導体装置のパッケージの放熱が重要な課題と
なっている。これらのマイクロ波用の半導体素子を搭載
するための放熱部材に対する要求がでてきた。この放熱
部材には、熱伝導の観点から、アルミニウムや銅等の金
属材料が考えられるが、これらの材料は、熱膨張が大き
く、半導体素子材料であるシリコンやシリコンを組み付
けた窒化アルミニウム基板等の絶縁材料と接合する場
合、ハンダによる接合や繰り返し使用時の熱変化によ
り、熱膨張の差に起因する部材の変形及び破損する恐れ
がある。それゆえ、熱膨張が半導体やセラミックス絶縁
材料に近くしかも熱伝導の優れた材料が求められてい
る。
【0003】半導体素子材料を搭載する窒化アルミニウ
ムには,通常,表裏面にCu板を張り付けたものが使用
されている。
【0004】このような放熱基板としての特性を満たす
ものとして,タングステン(W)−銅(Cu)の複合材
料(以下、W−Cu複合材と呼ぶ)が提案されている。
【0005】このW−Cu複合材を製造するには、W粉
末に有機質のバインダーを混合し、これを金型内で型押
した後、水素等の還元雰囲気中で加熱し、有機バインダ
ーを蒸発・分解除去して粉末集合体を得る。この粉末集
合体を還元雰囲気中で焼結して、所定の空孔率をもつW
多孔体を得、これに銅の融点以上の還元雰囲気中で焼結
して、所定の空孔率を持つW多孔体を得、これに銅の融
点以上の還元雰囲気中で銅を染み込ませて(以下、含浸
と呼ぶ)W−Cu複合体を得る方法が取られている。
【0006】また、セラミックを構成材料に用いるIC
(集積回路)パッケージ用の放熱基板は、前述の熱歪の
問題を避けるため、アルミナ、ベリリア等と熱膨張を近
似させる必要があり、銅を質量比10〜15%含浸させ
たW−Cu複合材が使用されている。
【0007】この放熱基板として良く用いられるW−C
u複合材料は,多孔質WにCuを溶浸しているため、通
常、Cuの含有量が10〜20質量%が主で、熱膨張率
が6〜7×10−6K,熱伝導率180〜200W/m
・Kと優れた特性を有するが、部品の軽薄短小が進む今
日、密度が大きく重いという欠陥は次第に重大な要素と
なる。また、切断による加工方法であるために、厚みを
薄くできないことが欠点として挙げられる。
【0008】ここで,上記Mo−Cu圧粉体を製造する
具体的方法について考えてみる。
【0009】通常のセラミックや金属粉末及びこれらの
複合材の静水圧成形方法には、成形するための粉末、例
えば、Mo等の粉末を袋状のゴム型等に封入し、これを
水を満たした水圧水槽に入れ、ゴム型の外部から水圧を
かけて粉末を加圧し圧粉体を得る方法が用いられてい
る。
【0010】また、他の方法としては、図5に示すよう
に、通常の粉末型押しプレスにより成型する方法があ
る。この方法は、キャビティ57の内壁面を形成する臼
51と、このキャビティ57の上下面を形成する上下杵
52,53を備えたプレス装置50を用いる。具体的に
は、臼51と下杵53とで形成される空間内に、例え
ば、Mo等の粉末7を充填して、上杵52で封じ、上下
杵52,53によって、矢印56に示すように圧力を加
えて圧粉体を得るものである。
【0011】
【発明が解決しようとする課題】前述したように、従来
のCu−Mo複合材料は,特性の面、加工面、厚さの面
においてマイクロ波用半導体パッケージの放熱基板とし
てに用いるには、種々の問題があった。
【0012】一方、前記放熱基板を製造するに際して、
中間生成物である圧粉体を製造するのは、従来の静水圧
成形方法では、均−な圧力により加圧された圧粉体を得
る事ができるが、軟質なゴム型等を用いるため、形の整
った板や特定の形状の圧粉体を得る事は難しい。
【0013】一方、粉末型押しプレスによる方法では、
上下方向から圧力を加え、大型の圧粉体を得る場合、大
きな加圧力で加圧するため、金型、特に臼を充分強度の
ある構造とする必要があり、金型費用が高価となるとい
う欠点を有した。
【0014】そこで、本発明の一技術的課題は、安価で
且つ形状の整った圧粉体を得るための静水圧成形方法を
提供することにある。
【0015】また、本発明の他の技術的課題は、前記静
水圧成形方法を用いたマイクロ波用又はパワー半導体パ
ッケージに用いる放熱基板の製造方法を提供することに
ある。
【0016】
【課題を解決するための手段】本発明によれば、少なく
とも2ケに分割した側壁に囲まれた内面に接して2ケ以
上の板体を配置し、それらの板体の間に粉末を充填した
集合体を軟質材の覆いにより覆ってなる複合体を造り、
これを耐圧水槽に入れ静水圧を前記軟質材の覆いの外部
から働かせ、前記覆いを介し前記板を側壁に沿って加圧
して移動させ、圧粉体を得ることを特徴とする静水圧成
形方法が得られる。
【0017】また、本発明によれば、前記静水圧成形方
法において、前記複合体を前記耐圧水槽に入れる替わり
に、乾式静水圧成形装置の加圧室内に入れ加圧成形して
圧粉体を得ることを特徴とする静水圧成形方法が得られ
る。
【0018】また、本発明によれば、前記いずれかの静
水圧成形方法において、少なくとも2ケに分割した側壁
に囲まれた内面に添って一対の板体が対向するように少
なくとも2ケの板体を配置し、その板体の間に粉末を充
填した集合体において、前記対向する一対の板体間に少
なくとも一枚の板体からなる間板を設け、前記板体及び
間板の夫々の間に粉末を充填することにより一度に複数
の圧粉体を得ることを特徴とする静水圧成形方法が得ら
れる。
【0019】また、本発明によれば、前記いずれかに記
載の静水圧成形方法において、前記粉末はMoであり、
前記圧粉体はMo圧粉体であることを特徴とするMo圧
粉体の製造方法が得られる。
【0020】また、本発明によれば、前記Mo圧粉体の
製造方法で得られたMo圧粉体にCuを載せて加熱処理
することによって、前記Mo圧粉体に銅を含浸して染み
込ませたCu−Mo複合基板を得ることを特徴とするC
u−Mo複合基板の製造方法が得られる。
【0021】さらに、本発明によれば、前記Cu−Mo
複合基板の製造方法において製造されたCu−Mo複合
基板を圧延することによって、板厚が0.4mm未満の
放熱基板を得ることを特徴とする放熱基板の製造方法が
得られる。
【0022】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て、図面を参照して説明する。
【0023】図1は本発明の第1の実施の形態による静
水圧成形方法の説明に供せられる概略図で、(a)は横
断面図、(b)は縦断面図、(c)は上断面図である。
図2は加圧成形方法の説明に供せられる概略断面図であ
る。
【0024】図1(a)、(b)、及び(c)に示すよ
うに、工具鋼、高速度鋼、ステンレス等の剛体からなる
板体である側板A,B,C,D・1,2,3,4及び上
板5,下板6で囲まれた内部に、原料粉末、例えば、M
o等の粉末7を充填しこれをゴム媒体8で覆い、これを
図2に示すごとく、加圧容器9としての水槽中に、入れ
水圧を加えてゴム媒体8外部から、0.5〜3.6トン
/cmの水圧を加え圧縮する事により、粉末7を圧縮
し圧粉体10を得る。
【0025】この本発明の第1の実施の形態による方法
によって、一般の静水圧成形方法である袋状のゴム型に
粉末を入れ、これを水槽の中に入れ、水圧をかけて加圧
し、圧粉体を得る方法に比べて、形の整った圧粉体を得
る事が出来る。
【0026】また、本発明の第1の実施の形態にによる
粉末成形方法では、通常の粉末型押しプレスの臼の役目
をする側板は、ゴム媒体8を介し水圧で保持されるため
簡単な剛体板のみにて、保持のための構造を必要としな
い。
【0027】尚、本発明の第1の実施の形態によるゴム
媒体に覆われた複合体の構成方法を用いることは、一般
にドライCIPと呼ばれる乾式水圧成形法にも応用出来
る。
【0028】図3は(a)乃至(c)は本発明の第2の
実施の形態による静水圧成形方法を概略的に示す断面図
であり、(a)は被圧縮体20の断面図、(b)は静圧
成形装置17の加圧前の状態の概略断面図、(c)は静
圧成形装置17の加圧後の状態の概略断面図であり、図
1(a)の被圧縮体20を乾式静圧成形法に応用した場
合の概念図を示す。
【0029】図3(a)に示すように、装置外部で、図
1(a)に示したように、側板A,B,C,D,及び上
板5,下板6で囲まれた内部に、例えば、Mo等の粉末
7を充填し、これをゴム媒体8で覆った被圧縮体20を
用意する。
【0030】次に、図3(b)に示すように、静圧成形
装置17の加圧室21に被圧縮体20をセットする。こ
こで、加圧室21は、開口14a,14aを有するゴム
12とその周囲に水13とを収容した圧力容器14とこ
の圧力容器の開口14a,14aを上下方向から塞ぐ上
ラム15及び下ラム16とを備えている。
【0031】図3(b)に示すように、被圧縮体20を
加圧室21にセットし、成形装置17の水圧を上げる。
すると図3(c)に示すように、加圧された水13´に
よる水圧は装置17のゴム12壁を介し加圧室21に装
填した被圧縮体20に働き、上板5と下板6により粉末
は圧縮され圧粉体10を得る事が出来る。この時の水圧
は第1の実施の形態とほぼ同様である。
【0032】図4(a)及び(b)は本発明の第3の実
施の形態による静水圧成形方法の概略を示す図で、
(a)は加圧前の状態、(b)は加圧後の状態を夫々示
している。
【0033】図4に示される本発明の第3の実施の形態
による静水圧成形方法は、被圧縮体の構造が、第1の実
施の形態と異なる他は同様の構成を有する。
【0034】即ち、本発明の第3の実施の形態による被
圧縮体26は、上板5及び下板6の間に工具鋼、高速度
鋼、及びステンレス等の剛体からなる少なくとも一枚の
板体である間板25を設け、各板体の間に、例えば、M
o等の粉末7a,7bを充填して、加圧成形することに
よって、一度に複数の圧粉体10a,10bを得るもの
である。さらに、各層の粉末充填量を変えることによ
り、厚さの異なる圧粉体を一度に成形することも可能で
ある。
【0035】尚、本発明の第1乃至第3の実施の形態に
おいては、原料として、Mo粉末を使用したが、原料が
粉末であれば、セラミック粉末、W等の高融点金属粉末
の成形方法、Cu/W,Cu/Mo,W/Ni/Cu,
W/Ni/Fe等の複合材、及びMo/TiC,Al/
SiC等の複合材の製造にも適用できることは勿論であ
る。
【0036】次に,本発明の実施の形態による半導体パ
ッケージについて説明する。
【0037】本発明の実施の形態による半導体パッケー
ジは、半導体素子直下に、窒化アルミニウムの表裏に高
熱伝導金属板の複合基板を介して、もしくは直接放熱基
板上に搭載して形成されている半導体パッケージであ
る。
【0038】半導体素子は、マイクロ波半導体素子やパ
ワー半導体素子からなる。
【0039】また、放熱基板は、モリブデンの圧粉体に
質量比で30〜40%の銅(Cu)を溶融、染み込ませ
る含浸した板厚が0.4mm未満のCu−Mo複合基板
である。この放熱基板は、熱膨張係数7.7〜9.0×
10−6/K,熱伝導率200〜220W/m・K,ヤ
ング率220〜230GPa,及び密度9.8g/cm
以下の特性を備えている高信頼性放熱基板である。
【0040】具体的に、この放熱基板は上記第1乃至第
3の実施の形態による静水圧成形方法において、Mo粉
末を用いてMo圧粉体を得、このMo圧粉体にCuを載
せて加熱処理して、Mo圧粉体に銅を含浸して染み込ま
せたCu−Mo複合基板を得、次に、Cu−Mo複合基
板を圧延することによって、板厚が0.4mm未満の放
熱基板を得ることによって製造されている。
【0041】次に、上記静水圧成形方法を用いた本発明
の実施の形態による放熱基板の製造の具体例について説
明する。
【0042】(具体例1)図1に示すように、平均粒径
4μmのモリブデン粉末を、幅90mm、長さ170m
mの割型(鉄製)に充填し、中間に鉄板を介し、1つの
割金型から2枚の成形体を得るようにして、全体をゴム
ケースに入れ、静水圧プレス(CIP)により2.0ト
ン/cmの圧力で加圧した。できあがった成形体のサ
イズは90×170XT10であった。この成形体の相
対密度は約60%であった。
【0043】次に、モリブデンの質量比で38%分の銅
板を先のモリブデン成形体(圧粉体)の上に乗せ、水素
雰囲気の熱処理炉の中で700℃から徐々に昇温し、最
高温度1300℃に達するまで加熱した。
【0044】尚、処理最終の温度は実質的に銅が十分に
溶ける温度が必要で、1150℃以上が必要でかつ均一
に所定の銅量を得る為の含浸温度は、実験結果より13
00℃を越えてはならないことが判明した。
【0045】この含浸体のサイズは86×163×T
9.6であり、Cu含浸量は35〜36質量%であっ
た。
【0046】CIP圧力と密度との関係及び同一含浸条
件(最高温度.1300℃)に対してCIP圧力とCu
含浸量との関係を下記表1に示す。
【0047】
【表1】 次に、表面のわずかな余剰銅を液体ホ−ニングで除去
し、300℃に設定したホットプレートで温めながら温
間圧延加工を行った。圧延率は10〜30%で板厚T
3.3mmまで圧延し、水素雰囲気炉にて800℃で歪
み取りアニールを行い硬度Hv200からHv160に
した。次に、加工率を5〜10%で板厚T1.5まで室
温で圧延して、水素雰囲気炉にて800℃で歪み取りア
ニールを行った。さらに、加工率10%以下で板厚T
0.5まで室温で圧延し、水素雰囲気炉にて800℃で
歪み取りアニールを行い硬度Hv160〜170とし
た。板厚T0.5mmからT0.2mmまでは加工率1
0%以下で圧延加工をした。
【0048】この圧延板の特性は、T0.8mmの時、
平均熱膨張係数は8.5×10−6/K、熱伝導率は2
10W/m・K、ヤング率は220GPaであり、特に
熱的特性は銅量に影響される為、T0.2mmまで加工
しても大幅な変動はないと推定される。
【0049】このT0.2mmの圧延板を幅40mm、
長さ150mmに切断し、打ち抜きサイズは幅10m
m、長さ25mmの形状で、打ち抜き加工を行った。そ
の結果、側面のラミネーションクラック、カケ・割れ等
の欠陥もなく、また表面状態も良好であった。
【0050】更に、はんだ付けやAgろう付けを考慮し
た場合、電解Niめっき、無電解Ni−Pめっきを2〜
3μm施したところ、めっきフクレ等の欠陥もなく放熱
基板として使用できることが判明した。
【0051】(具体例2)図3に示すように、粉末成形
体をドライCIPで製作した場合も、同様の割金型を使
用し、全体をゴムケースに入れてドライCIPで加圧し
た。CIP圧力と密度との関係及び同一含浸条件(最高
温度1300℃)に対するCIP圧力とCu含浸量との
関係は上記表1とほぼ同様の結果であった。
【0052】また、含浸以降圧延加工、打ち抜き加工等
について、静水圧プレスで製作した成形体と同一条件、
方法で製作した。特性等についても同様の結果であり、
半導体パッケージ(PKG)用の放熱基板に十分適応で
きることが判明した。
【0053】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
安価で且つ形状の整った圧粉体を得るための静水圧成形
方法を提供することができる。
【0054】また、本発明によれば、前記静水圧成形方
法を用いた特性の面、加工面、厚さの面において優れた
放熱基板の製造方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施の形態による静水圧成形方
法の説明に供せられる概略図で、(a)は横断面図、
(b)は縦断面図、(c)は上断面図である。
【図2】加圧成形方法の説明に供せられる概略断面図で
ある。
【図3】(a)乃至(c)は本発明の第2の実施の形態
による静水圧成形方法を概略的に示す断面図であり、
(a)は被圧縮体20の断面図、(b)は静圧成形装置
17の加圧前の状態の概略断面図、(c)は静圧成形装
置17の加圧後の状態の概略断面図であり、図1(a)
の被圧縮体20を乾式静圧成形法に応用した場合の概念
図を示す。
【図4】(a)及び(b)は本発明の第3の実施の形態
による静水圧成形方法の概略を示す図で、(a)は加圧
前の状態、(b)は加圧後の状態を夫々示している。
【図5】従来技術による粉末型押しプレス成型方法の説
明に供せられる断面図である。
【符号の説明】
1 側板A 2 側板B 3 側板C 4 側板D 5 上板 6 下板 7 粉末 7a,7b 粉末 8 ゴム媒体 9 加圧容器 10 圧粉体 10a,10b 圧粉体 12 ゴム 13 水 13´ 加圧された水 14 圧力容器 14a 開口 15 上ラム 16 下ラム 17 静圧成形装置 20 被圧縮体 21 加圧室 25 間板 26 被圧縮体 50 プレス装置 51 臼 52 上杵 53 下杵 57 キャビティ
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 市田 晃 富山県富山市岩瀬古志町2番地 東京タン グステン株式会社富山製作所内 (72)発明者 天野 良成 山形県酒田市大浜二丁目1番12号 酒田東 京タングステン株式会社内 (72)発明者 浅井 清史 富山県富山市岩瀬古志町2番地 東京タン グステン株式会社富山製作所内 (72)発明者 前里 英俊 山形県酒田市大浜二丁目1番12号 東京タ ングステン株式会社酒田事務所内 (72)発明者 有川 正 富山県富山市岩瀬古志町2番地 東京タン グステン株式会社富山製作所内 (72)発明者 崎前 賢二 山形県酒田市大浜二丁目1番12号 東京タ ングステン株式会社酒田事務所内 Fターム(参考) 4G054 AA06 BE02 BE04

Claims (6)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 少なくとも2ケに分割した側壁に囲まれ
    た内面に接して2ケ以上の板体を配置し、それらの板体
    の間に粉末を充填した集合体を軟質材の覆いにより覆っ
    てなる複合体を造り、これを耐圧水槽に入れ静水圧を前
    記軟質材の覆いの外部から働かせ、前記覆いを介し前記
    板を側壁に沿って加圧して移動させ、圧粉体を得ること
    を特徴とする静水圧成形方法。
  2. 【請求項2】 請求項1記載の静水圧成形方法におい
    て、前記複合体を前記耐圧水槽に入れる替わりに、乾式
    静水圧成形装置の加圧室内に入れ加圧成形して圧粉体を
    得ることを特徴とする静水圧成形方法。
  3. 【請求項3】 請求項1又は2記載の静水圧成形方法に
    おいて、少なくとも2ケに分割した側壁に囲まれた内面
    に添って一対の板体が対向するように少なくとも2ケの
    板体を配置し、その板体の間に粉末を充填した集合体に
    おいて、前記対向する一対の板体間に少なくとも一枚の
    板体からなる間板を設け、前記板体及び間板体の夫々の
    間に粉末を充填することにより一度に複数の圧粉体を得
    ることを特徴とする静水圧成形方法。
  4. 【請求項4】 請求項1乃至3の内のいずれか一つに記
    載の静水圧成形方法において、前記粉末はMoであり、
    前記圧粉体はMo圧粉体であることを特徴とするMo圧
    粉体の製造方法。
  5. 【請求項5】 請求項4記載のMo圧粉体の製造方法で
    得られたMo圧粉体にCuを載せて加熱処理することに
    よって、前記Mo圧粉体に銅を含浸して染み込ませたC
    u−Mo複合基板を得ることを特徴とするCu−Mo複
    合基板の製造方法。
  6. 【請求項6】 請求項5記載のCu−Mo複合基板の製
    造方法において製造されたCu−Mo複合基板を圧延す
    ることによって、板厚が0.4mm未満の放熱基板を得
    ることを特徴とする放熱基板の製造方法。
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