JP2003277875A - 銅−炭化タングステン複合材料 - Google Patents

銅−炭化タングステン複合材料

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宏之 津戸
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Yoshibumi Takei
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 高熱伝導性を有し、温度変化による反り等の
変形が小さい、均一な組織を有する銅−炭化タングステ
ン複合材料を提供すること。 【解決手段】 強化材として、平均粒径が5μm以上2
0μm未満の炭化タングステン粉末と、平均粒径が50
μm以上200μm未満の炭化タングステン粉末とを粒
度配合したものを使用し、粉末冶金法や高圧鋳造法、非
加圧浸透法などを用いて銅と複合化させ、銅−炭化タン
グステン複合材料を作製する。

Description

【発明の詳細な説明】 【0001】 【発明の属する技術分野】本発明は、放熱体として好適
な銅−炭化タングステン複合材料に関し、特にICパッ
ケージや多層配線基板などに供するヒートシンク材等
の、耐熱変形性を必要とする放熱体に用いられる銅−炭
化タングステン複合材料に関する。 【0002】 【従来の技術】半導体、とりわけLSIは高集積化、高
速化のために発熱が増加する傾向にあり、この熱が半導
体チップ内に蓄積されると、半導体内の回路の誤作動が
発生したり、更には半導体回路自身が壊れる場合があ
る。そのため、高集積半導体を収納するパッケージには
放熱性が要求されている。 【0003】一般に、LSIを搭載するパッケージにお
いては、絶縁基板として熱伝導率が20W/mK程度の
熱伝導率の低いアルミナセラミックスからなる材料が用
いられており、放熱性を高めるためにヒートシンクが備
えられたパッケージが使用されている。 【0004】そのヒートシンク用材料としては、高熱伝
導性に加えてアルミナセラミックスとの熱膨張係数を一
致させるという観点から、銅−炭化タングステン複合材
料が提案されている(本発明者ら出願の特願2001−
194585号)。その銅−炭化タングステン複合材料
は、粉末冶金法、含浸法などの方法で製造されており、
炭化タングステン粉末としては従来、複合材料の機械加
工を容易にするため、平均粒径10μm程度の比較的微
粒の単粒子粉末が使用されている。 【0005】 【発明が解決しようとする課題】しかしながら、炭化タ
ングステンの平均粒径が10μm程度の粉末の単粒のみ
を用いて複合材料を製造した場合、粉末の充填むらが生
じ易く、その結果、強化材の存在しない銅成分が固まっ
た箇所(以下、メタルスポットと呼ぶ)が所所で発生
し、不均一な組織を有する複合材料になるという問題が
あった。このため、温度変化に対して、熱膨脹係数差に
起因して複合材料が反るなど、変形するという問題があ
った。 【0006】本発明は、上述した複合材料が有する課題
に鑑みなされたものであって、その目的は、温度変化に
よる反り等の変形が小さい、均一な組織を有する銅−炭
化タングステン複合材料を提供することにある。 【0007】 【課題を解決するための手段】本発明者は上記目的を達
成するため鋭意検討を行った結果、平均粒径5μm以上
20μm未満の炭化タングステン粉末と、平均粒径50
μm以上200μm未満の炭化タングステン粉末とを粒
度配合することによって炭化タングステン粉末の最密充
填が可能となり、充填むらがないため、メタルスポット
のない均一な組織の複合材料が得られること、従って温
度変化に対する熱膨脹変化も均一であるため、熱変形が
小さいことを知見し、本発明をなすに至った。 【0008】従って、本発明は炭化タングステン粉末か
らなる強化材と、銅とを複合させてなる銅−炭化タング
ステン複合材料であって、強化材として、平均粒径が5
μm以上20μm未満の炭化タングステン粉末と、平均
粒径が50μm以上200μm未満の炭化タングステン
粉末とを粒度配合したものを使用することを特徴とする
銅−炭化タングステン複合材料であることを要旨とす
る。 【0009】 【発明の実施の形態】以下、本発明を詳しく説明する。
本発明において、炭化タングステン粉末としては、平均
粒径5μm以上20μm未満の炭化タングステン粉末
と、平均粒径50μm以上200μm未満、より好まし
くは50μm以上100μm以下の炭化タングステン粉
末とを粒度配合したものを使用する。上記平均粒径範囲
外では、粒度配合の割合を変えても粉末の最密充填がで
きないので、メタルスポットの少ない緻密な複合材料と
することができない。 【0010】炭化タングステンと銅とを複合化させる方
法としては、慣用の方法を用いることができる。例え
ば、炭化タングステン粉末と銅粉末とを混合し、成形
し、焼成して作製する粉末冶金法、炭化タングステン粉
末でプリフォームを作製し、そのプリフォームに溶融し
た銅を加圧して浸透させる高圧鋳造法、あるいはそのプ
リフォームに溶融した銅を非加圧で浸透させ作製する非
加圧浸透法などがある。 【0011】ここで、非加圧浸透法による複合材料の作
製方法を説明する。まず、平均粒径5μm以上20μm
未満の炭化タングステン粉末と、平均粒径50μm以上
200μm未満の炭化タングステン粉末と、それに複合
化させる銅のインゴットを用意する。用意した2種類の
炭化タングステン粉末を、最密充填するように粒度配合
する。粉末を混合する方法は、慣用の方法を用いること
ができるが、作業性等の理由から乾式でのミル混合が好
ましい。 【0012】次に、粒度配合した炭化タングステン粉末
を用いてプリフォームを形成する。プリフォームは、例
えば、無機バインダーを加え、プレス成形して焼成する
ことにより形成することができる。得られたプリフォー
ムに銅のインゴットを接触させ、それらを加熱し、溶融
した銅を炭化タングステン粉末同士の隙間に非加圧で浸
透させることにより、銅−炭化タングステン複合材料が
得られる。 【0013】加熱雰囲気としては非酸化性雰囲気中、特
に窒素やアルゴン等の不活性ガス雰囲気中、または10
-1Torr以下の真空中で行うことが好ましい。酸素が
残留する雰囲気で加熱すると、銅が酸化され酸化銅とな
るため、熱伝導率が大幅に低下し、好ましくない。 【0014】続いて、粉末冶金法による複合材料の作製
方法を説明する。非加圧浸透法の場合と同様に、2種類
の炭化タングステン粉末を用意し、それらを最密充填す
るように粒度配合する。粒度配合された炭化タングステ
ン粉末に、炭化タングステン粉末とほぼ同じ体積の銅粉
末を加え、ミル混合等により両者をよく混合する。得ら
れた混合粉末を金型等で所望の形状に圧縮成形し、焼成
することにより、銅−炭化タングステン複合材料が得ら
れる。また、ホットプレスを用いて、荷重をかけながら
焼成する方法も有効である。 【0015】加熱雰囲気としては非加圧浸透法の場合と
同様に、非酸化性雰囲気中、特に窒素やアルゴン等の不
活性ガス雰囲気中、または10-1Torr以下の真空中
で行うことが好ましい。酸素が残留する雰囲気で加熱す
ると、銅が酸化され酸化銅となるため、熱伝導率が大幅
に低下し、好ましくない。 【0016】ここで、粉末冶金法の場合における、銅粉
末の平均粒径の値の、銅−炭化タングステン複合材料の
耐熱変形性に対する影響についてであるが、炭化タング
ステン粉末との混合粉末の状態で圧縮成形されると、銅
粉末は粒子が軟らかいために炭化タングステン粉末に押
されて潰れ、粒度配合された炭化タングステン粉末の最
密充填をほとんど阻害しない。よって、銅粉末の平均粒
径は特に規定していないが、使用する炭化タングステン
粉末の粗い方のそれよりも小さい方が好ましい。 【0017】 【実施例】以下、実施例と比較例を示し、本発明を具体
的に説明するが、本発明は下記の実施例に制限されるも
のではない。 【0018】(実施例1)炭化タングステン粉末とし
て、平均粒径がそれぞれ100μm、10μmの炭化タ
ングステン粉末(共に、ニラコ社製)を7:3の質量割
合で粒度配合した。さらに、この粒度配合した炭化タン
グステン粉末100質量部にコロイダルシリカ液(常盤
電気社製、FJ294)を3質量部加え、これにさらに
イオン交換水を30質量部加え混合してスラリーを調整
した。得られたスラリーをフィルタープレスして成形体
を成形した後、その成形体を1000℃の温度で焼成し
て60体積%の粉末充填率を有するプリフォームを形成
した。得られたφ200×15mmの形状からなるプリ
フォームに銅のインゴット(純度99.9%、白銅社
製)を接触させ、炉内に設置した後、炉内を真空置換し
アルゴンガス雰囲気中で1300℃まで加熱して、溶融
した銅を炭化タングステン粉末からなるプリフォームに
浸透させた。 【0019】得られた複合材料からφ200×5mmの
試験片を切り出し、三次元測定器で200℃における反
りを測定した。また、得られた複合材料からφ10×2
mmの試験片を切り出し、レーザーフラッシュ法により
熱伝導率を測定した。測定結果を表1に示す。 【0020】(実施例2)実施例1と同様に炭化タング
ステン粉末を粒度配合し、銅粉末(粒径#200アンダ
ー、日本アトマイズ加工社製)を体積比で50:50に
なるように秤量した後、ミル混合を行い混合粉末とし
た。この混合粉末を、ホットプレスを用いて15MPa
の荷重をかけながら、アルゴンガス雰囲気中、1200
℃で3時間焼成し、複合材料を作製した。実施例1と同
様に評価した結果を表1に示す。 【0021】(比較例1)炭化タングステン粉末に平均
粒径が10μmの単粒を用いた他は、実施例1と同様に
非加圧浸透法で複合材料を作製し、評価を行った。その
結果を表1に示す。 【0022】(比較例2)炭化タングステン粉末に平均
粒径が10μmの単粒を用いた他は、実施例2と同様に
ホットプレスを用いて複合材料を作製し、評価を行っ
た。その結果を表1に示す。 【0023】 【表1】 【0024】表1に示す通り、また、実験で得られたサ
ンプルの目視観察から、炭化タングステン粉末を粒度配
合することによって、炭化タングステン粉末の最密充填
が可能となり、メタルスポットのない均一な組織の複合
材料が得られること、従って温度変化に対する熱膨脹変
化も均一であるため、反りが小さい複合材料が得られる
ことが分かった。比較例1と比較例2では粒度配合して
いないため、不均一な組織の複合材料となり、反りが9
5〜120μmと大きくなった。また、実施例の熱伝導
率の値も、炭化タングステン粉末に平均粒径が10μm
の単粒を用いた比較例と比較しても、遜色ないものであ
った。 【0025】 【発明の効果】以上の通り、本発明によれば、均一な組
織を有し、温度変化に対して反りの小さい銅−炭化タン
グステン複合材料を得ることができる。
フロントページの続き (72)発明者 武井 義文 千葉県佐倉市大作2−4−2 太平洋セメ ント株式会社中央研究所内 Fターム(参考) 4K020 AA22 AC04 BB26 BB29 5F036 AA01 BB01 BD01 BD14

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 【請求項1】 炭化タングステン粉末からなる強化材
    と、銅とを複合させてなる銅−炭化タングステン複合材
    料であって、強化材として、平均粒径が5μm以上20
    μm未満の炭化タングステン粉末と、平均粒径が50μ
    m以上200μm未満の炭化タングステン粉末とを粒度
    配合したものを使用することを特徴とする銅−炭化タン
    グステン複合材料。
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