JP2006016675A

JP2006016675A - Method for manufacturing copper-based composite material

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Publication number: JP2006016675A
Application number: JP2004197393A
Authority: JP
Inventors: Noriyuki Nomoto; 詞之野本; Yasuyuki Igo; 康之井郷; 慶平 ▲冬▼; Kiyouhei Fuyu
Original assignee: Hitachi Cable Ltd
Current assignee: Hitachi Cable Ltd
Priority date: 2004-07-02
Filing date: 2004-07-02
Publication date: 2006-01-19

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a method for manufacturing a copper-based composite material, which has high heat conductivity together with a low coefficient of thermal expansion and includes Cu and Cu<SB>2</SB>O, at a low cost, without needing plastic working. <P>SOLUTION: This method for manufacturing a desired copper-based composite material comprises: supplying Ar and O<SB>2</SB>as a plasma gas; generating a plasma frame by using a high frequency coil; supplying only Cu powder into the plasma flame as a raw material of a composite material, without using Cu<SB>2</SB>O powder together; and thermal-spraying a mixed powder consisting of the Cu powder of which the one part has been oxidized into Cu<SB>2</SB>O when supplied into the plasma flame and non-oxidized Cu powder. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

本発明は、放熱板に利用可能な、高い熱伝導性と低い熱膨張率を兼備した銅系複合材料の製造方法に関する。 The present invention relates to a method for producing a copper-based composite material that can be used for a heat sink and has both high thermal conductivity and low coefficient of thermal expansion.

半導体素子は、日々高性能なものが開発されている。その高性能化に伴い、駆動時における半導体素子からの発熱量が増大する傾向にある。半導体素子の温度が上昇すると、その動作に安定性がなくなり、誤作動が生じるおそれがある。そのため、放熱板などを介して発生した熱を逃がしてやることで、当該半導体素子の温度上昇を抑える必要がある。 High-performance semiconductor elements are being developed every day. As the performance increases, the amount of heat generated from the semiconductor element during driving tends to increase. When the temperature of the semiconductor element rises, its operation is not stable and there is a risk of malfunction. Therefore, it is necessary to suppress the temperature rise of the semiconductor element by releasing the heat generated through the heat sink or the like.

放熱板として用いられる材質には、高い熱伝導性が求められるので、金属、特に銅やアルミニウムなどが主として用いられている。その中でも特に銅については、その低コスト性を理由に広く利用されている。 Since the material used as the heat sink is required to have high thermal conductivity, metals such as copper and aluminum are mainly used. Of these, copper is widely used because of its low cost.

しかしながら、高い熱伝導率と低コスト性とを併せ持つ銅といえども、半導体素子用放熱板としては決して万能とは言えない。低コスト性及び高熱伝導性を有する一方で、高い熱膨張率をも有しているため、温度が上昇した場合には銅と比較して熱膨張率の低い半導体素子との接合部に歪みを生じさせ、変形、剥離、破壊などを引き起こす原因となってしまうのである。 However, even copper, which has both high thermal conductivity and low cost, cannot be said to be a universal heat sink for semiconductor elements. While having low cost and high thermal conductivity, it also has a high coefficient of thermal expansion, so when the temperature rises, distortion is caused in the junction with a semiconductor element having a low coefficient of thermal expansion compared to copper. This will cause deformation, peeling, and destruction.

このような問題点に対しては、Ｃｕと比較して熱膨張率の低いＣｕ_２Ｏを加えた銅系複合材料を用いることで、解決がなされてきた。Ｃｕ_２ＯはＣｕに比べ熱伝導率はやや劣るものの、ＣｕとＣｕ_２Ｏからなる銅系複合材料としては充分な熱伝導率を備えている。その一方で、ＣｕにＣｕ_２Ｏを加えることで熱膨張率を低減させることもできる。従って、ＣｕとＣｕ_２Ｏからなる銅系複合材料を放熱板として用いることにより、当該放熱板の熱膨張率を半導体素子基板の熱膨張率に近づけることが可能となり、当該放熱板と当該半導体素子基板との接合部の歪の発生を抑えることが可能となるのである。 Such a problem has been solved by using a copper-based composite material to which Cu ₂ O having a lower thermal expansion coefficient than Cu is added. Although Cu ₂ O has a slightly lower thermal conductivity than Cu, it has sufficient thermal conductivity as a copper-based composite material made of Cu and Cu ₂ O. On the other hand, the coefficient of thermal expansion can be reduced by adding Cu ₂ O to Cu. Therefore, by using a copper-based composite material made of Cu and Cu ₂ O as a heat sink, it becomes possible to bring the coefficient of thermal expansion of the heat sink closer to the coefficient of thermal expansion of the semiconductor element substrate. This makes it possible to suppress the occurrence of distortion at the joint with the substrate.

上記の如く、ＣｕとＣｕ_２Ｏとから構成される銅系複合材料の高い熱伝導率と低い熱膨張率を兼備するという優れた特性を活かし、既に半導体素子用放熱板の材料としても利用されている。その製造方法としては主として焼結法が挙げられる。また、その他の製造方法としては、粉末圧延法、鋳造法、溶射法等が挙げられる（例えば、特許文献１参照。）。
特開２００４−８３９６４号公報 As described above, the copper-based composite material composed of Cu and Cu ₂ O is already used as a material for a heat sink for semiconductor elements, taking advantage of the excellent characteristics of having both high thermal conductivity and low thermal expansion coefficient. ing. As the manufacturing method, a sintering method is mainly mentioned. Moreover, as other manufacturing methods, a powder rolling method, a casting method, a thermal spraying method, etc. are mentioned (for example, refer patent document 1).
JP 2004-83964 A

しかしながら、上述した銅系複合材料の主な製造方法である焼結法においては、焼結体を焼成した後、切り出し加工や切削加工若しくは熱間押し出し後に圧延加工を行う、というように放熱材に仕上げるまでには多くの工程が必要であり、コストが嵩むといった問題があった。また、ＣｕとＣｕ_２Ｏとから構成される銅系複合材料においてＣｕ_２Ｏの体積比が多くなるほど加工性が悪化するので、特にＣｕ_２Ｏの体積比が多い銅系複合材料を製造する場合には、押し出し時や圧延時に割れが発生してしまい、歩留まりを大幅に低下させるという問題もあった。 However, in the sintering method, which is the main manufacturing method of the above-described copper-based composite material, after the sintered body is fired, the cutting process, the cutting process, or the rolling process is performed after the hot extrusion, and the heat dissipation material is used. Many processes are required until finishing, and there is a problem that costs increase. Moreover, since the workability deteriorates as the volume ratio of Cu ₂ O increases in a copper-based composite material composed of Cu and Cu ₂ O, a copper-based composite material having a particularly high volume ratio of Cu ₂ O is produced. However, there was a problem that cracks occurred during extrusion and rolling, and the yield was greatly reduced.

また、粉末圧延法を用いた場合においては、生成する銅系複合材料の厚さの制御が困難であるために、クラックの発生が多いという問題があった。鋳造法を用いた場合においては、ＣｕとＣｕ_２Ｏの体積比の制御が非常に困難であるとともに、基本的に鋳造後に圧延工程が必要であり、歩留まりも悪いという問題があった。 Further, when the powder rolling method is used, there is a problem that many cracks are generated because it is difficult to control the thickness of the produced copper-based composite material. When the casting method is used, there is a problem that it is very difficult to control the volume ratio of Cu and Cu ₂ O, and that a rolling process is basically required after casting and the yield is poor.

更に、従来技術においては、ＣｕとＣｕ_２Ｏとから構成される銅系複合材料を製造するためには原材料としてＣｕ粉末とＣｕ_２Ｏ粉末とを使用していたのであるが、Ｃｕ_２Ｏ粉末はＣｕ粉末よりも高コストであるため、純銅より成る材料と比較してコストが嵩むという問題もあった。 Further, in the prior art, than it was using the Cu powder and Cu 2 _O powder as raw material to produce a copper-based composite material composed of Cu and Cu 2 _O, Cu 2 _O powder Has a higher cost than Cu powder, and therefore has a problem that the cost is higher than a material made of pure copper.

ＣｕとＣｕ_２Ｏとから構成される銅系複合材料は、高い熱伝導率と低い熱膨張率を兼備するという非常に優れた特性を備えるため、多くの用途での使用が期待されるのであるが、当該銅系複合材料をより普及させるためには、塑性加工が困難である、製造コストが高いといった課題を解決する必要があった。 A copper-based composite material composed of Cu and Cu ₂ O is expected to be used in many applications because it has very excellent characteristics of having both high thermal conductivity and low thermal expansion coefficient. However, in order to further spread the copper-based composite material, it has been necessary to solve the problems such as difficult plastic working and high manufacturing cost.

本発明は、上記のような問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、高い熱伝導率と低い熱膨張率を兼備するＣｕとＣｕ_２Ｏとから成る銅系複合材料を、低いコストで製造し、且つ塑性加工を不要とする方法を提供することにある。 The present invention has been made in view of the above problems, its object is a copper-based composite material composed of Cu and Cu 2 _O having both a high thermal conductivity and low coefficient of thermal expansion, low An object of the present invention is to provide a method for manufacturing at a low cost and eliminating the need for plastic working.

本発明は、ＣｕとＣｕ_２Ｏで構成される銅系複合材料を製造する銅系複合材料の製造方法において、酸素を含むプラズマ・ガスを供給してプラズマ・フレームを生成するプラズマ・フレーム生成工程と、前記プラズマ・フレーム中にＣｕ粉末を供給してＣｕとＣｕ_２Ｏの複合材料を生成する複合材料生成工程と、を含むことを特徴とする銅系複合材料の製造方法を提供するものである。 The present invention relates to a method for producing a plasma flame by supplying a plasma gas containing oxygen in a method for producing a copper-based composite material comprising a copper-based composite material composed of Cu and Cu ₂ O. And a composite material producing step of producing a composite material of Cu and Cu ₂ O by supplying Cu powder into the plasma frame, and providing a method for producing a copper-based composite material is there.

本発明によれば、高い熱伝導率と低い熱膨張率を兼備するＣｕとＣｕ_２Ｏとから成る銅系複合材料を、高コストであるＣｕ_２Ｏ粉末を原材料として用いずに製造することが可能となるので、当該銅系複合材料を低いコストで製造することが期待でき、また、最終目的物の形状となるように製造することが可能となるので、ＣｕとＣｕ_２Ｏとから成る銅系複合材料が塑性加工の困難さにかかわらず高歩留まりで製造することが期待できる。 According to the present invention, a copper-based composite material composed of Cu and Cu ₂ O having both high thermal conductivity and low thermal expansion coefficient can be manufactured without using high-cost Cu ₂ O powder as a raw material. Therefore, it can be expected that the copper-based composite material can be manufactured at a low cost, and it can be manufactured so as to have the shape of the final object, so that the copper composed of Cu and Cu ₂ O The composite material can be expected to be manufactured with high yield regardless of the difficulty of plastic working.

以下、本発明に係る銅系複合材料の製造方法の好適な実施例について説明する。 Hereinafter, preferred embodiments of the method for producing a copper-based composite material according to the present invention will be described.

本発明による銅系複合材料の製造方法は、ＣｕとＣｕ_２Ｏとで構成される銅系複合材料をプラズマ溶射法で得る製造方法において、酸素の存在する雰囲気下で、Ｃｕ粉末のみをプラズマ中に連続的に供給することにより、ＣｕとＣｕ_２Ｏとで構成される銅系複合材料を得るものである。
［銅系複合材料の製造装置］ The method for producing a copper-based composite material according to the present invention is a method for obtaining a copper-based composite material composed of Cu and Cu ₂ O by a plasma spraying method. By continuously supplying to the copper-based composite material, a copper-based composite material composed of Cu and Cu ₂ O is obtained.
[Copper composite material manufacturing equipment]

図１に本発明における銅系複合材料の製造装置の概略図を示す。 FIG. 1 shows a schematic view of an apparatus for producing a copper-based composite material according to the present invention.

溶射チェンバ１の上部にはプラズマ・フレーム２を発生させるための高周波コイル３が設けられている。高周波コイル３の上部には更に、Ａｒガス供給口４とＯ_２ガス供給口５とが設けられている。Ａｒガス供給口４とＯ_２ガス供給口５とはそれぞれＡｒガス・タンク６、Ｏ_２ガス・タンク７と接続されており、各タンク内のガスがそれぞれの供給口より高周波コイル３内に供給され、当該ガスに高周波コイル３により高周波磁場が印加されることで、プラズマ・フレーム２が発生するのである。 A high frequency coil 3 for generating a plasma flame 2 is provided on the upper part of the thermal spray chamber 1. An Ar gas supply port 4 and an O ₂ gas supply port 5 are further provided on the upper portion of the high-frequency coil 3. The Ar gas supply port 4 and the O ₂ gas supply port 5 are connected to an Ar gas tank 6 and an O ₂ gas tank 7, respectively, and the gas in each tank is supplied into the high frequency coil 3 from the respective supply ports. A high frequency magnetic field is applied to the gas by the high frequency coil 3 to generate the plasma flame 2.

また、高周波コイル３の上部には更に、第１の粉末供給口８が設けられている。第１の粉末供給口８はパウダー・フィーダ９と接続されており、パウダー・フィーダ９内に充填されたＣｕ粉末が第１の粉末供給口８よりプラズマ・フレーム２内に供給される。 In addition, a first powder supply port 8 is further provided on the upper portion of the high-frequency coil 3. The first powder supply port 8 is connected to the powder feeder 9, and Cu powder filled in the powder feeder 9 is supplied into the plasma frame 2 from the first powder supply port 8.

更に、高周波コイル３の下部には更に、第２の粉末供給口１０が設けられている。第２の粉末供給口１０はパウダー・フィーダ１１と接続されており、パウダー・フィーダ１１内に充填されたＣｕ粉末が第２の粉末供給口１０よりプラズマ・フレーム２内に供給される。 Further, a second powder supply port 10 is further provided in the lower portion of the high-frequency coil 3. The second powder supply port 10 is connected to the powder feeder 11, and Cu powder filled in the powder feeder 11 is supplied into the plasma frame 2 from the second powder supply port 10.

上述した高周波コイル３、Ａｒガス供給口４、Ｏ_２ガス供給口５、第１の粉末供給口８及び第２の粉末供給口１０より、プラズマ・トーチ１２が形成される。 A plasma torch 12 is formed from the high-frequency coil 3, Ar gas supply port 4, O ₂ gas supply port 5, first powder supply port 8, and second powder supply port 10 described above.

溶射チェンバ１内の高周波コイル３の下方には、被溶射基板１３を搭載するための基板ホルダ１４が設けられており、基板ホルダ１４は、回転軸１５により回転自在となっている。また、回転軸１５は水平方向の移動が可能となるように設けられており、これにより基板ホルダ１４も水平方向の移動が可能となる。 A substrate holder 14 for mounting the substrate to be sprayed 13 is provided below the high-frequency coil 3 in the spray chamber 1, and the substrate holder 14 is rotatable by a rotating shaft 15. Further, the rotary shaft 15 is provided so as to be movable in the horizontal direction, whereby the substrate holder 14 can also be moved in the horizontal direction.

尚、本実施形態においては、プラズマ源として高周波を用いているが、本発明は高周波プラズマを用いたものに限られるのではなく、アーク放電を用いるもの等その方式は問わない。但し、酸素ガスをプラズマ・ガスとして使用するので、プラズマ源としては高周波を利用することが好適である。また、直流プラズマ・ガンを高周波プラズマ・トーチ上部に備えたハイブリッド・プラズマとしてもよい。主たるプラズマ・ガスとしては本実施形態においてはＡｒを用いているが、本発明はこれに限らず、Ａｒ以外のガスを用いるものであっても良い。 In the present embodiment, a high frequency is used as a plasma source. However, the present invention is not limited to the one using high frequency plasma, and any system such as one using arc discharge may be used. However, since oxygen gas is used as plasma gas, it is preferable to use high frequency as the plasma source. Moreover, it is good also as a hybrid plasma which equipped the DC plasma gun with the high frequency plasma torch upper part. Although Ar is used as the main plasma gas in the present embodiment, the present invention is not limited to this, and a gas other than Ar may be used.

また、溶射皮膜中でのＣｕとＣｕ_２Ｏとの分散状態を制御するために、上述のようにプラズマ・フレームへのＣｕ粉末の供給部を２ヶ所以上にすることが望ましいが、本発明はこれに限らず、Ｃｕ粉末の供給部が１ヶ所のみからなるものであってもよい。 Further, in order to control the dispersion state of Cu and Cu ₂ O in the thermal spray coating, it is desirable to provide two or more Cu powder supply parts to the plasma frame as described above. Not only this but the supply part of Cu powder may consist only of one place.

更にまた、本実施形態においては、パウダー・フィーダを２つ設けているが、本発明はこれに限らず、パウダー・フィーダは１つのみを設け、当該パウダー・フィーダと２つの粉末供給口が接続されているように構成されたものであってもよい。
［銅系複合材料の製造方法］ Furthermore, in this embodiment, two powder feeders are provided. However, the present invention is not limited to this, and only one powder feeder is provided, and the powder feeder and two powder supply ports are connected. It may be configured as described.
[Manufacturing method of copper-based composite material]

次に、上述の本発明に係る製造装置を用いた銅系複合材料の製造方法について説明する。 Next, a method for manufacturing a copper-based composite material using the above-described manufacturing apparatus according to the present invention will be described.

プラズマ・ガスとして用いられるＡｒガスとＯ_２ガスとは、Ａｒガス供給口４及びＯ_２ガス供給口５よりプラズマ・トーチ１２内に放出され、混合ガスとなる。プラズマ・トーチ１２内において、プラズマ・トーチ１２の周囲に設けられた高周波コイル３により発生する高周波磁場によって当該混合ガスが電離し、プラズマ・フレーム２を形成する。 Ar gas and O ₂ gas used as the plasma gas are discharged into the plasma torch 12 from the Ar gas supply port 4 and the O ₂ gas supply port 5 to become a mixed gas. In the plasma torch 12, the mixed gas is ionized by a high frequency magnetic field generated by a high frequency coil 3 provided around the plasma torch 12, thereby forming a plasma frame 2.

尚、プラズマ・トーチ１２内に放出されるプラズマ・ガスの気圧は、大気圧下でも減圧下でもよい。 Note that the pressure of the plasma gas released into the plasma torch 12 may be atmospheric pressure or reduced pressure.

Ｃｕ粉末が第１の粉末供給口８を介してプラズマ・トーチ２内に供給されると、当該Ｃｕ粉末はプラズマ・フレーム２の熱によって完全溶融若しくは表面のみが溶融して液滴となる。と同時にその一部はプラズマ・ガスを構成する酸素の存在により酸化されＣｕ_２Ｏとなる。 When the Cu powder is supplied into the plasma torch 2 through the first powder supply port 8, the Cu powder is completely melted or only the surface is melted by the heat of the plasma frame 2 into droplets. At the same time, a part thereof is oxidized to Cu ₂ O by the presence of oxygen constituting the plasma gas.

また、第２の粉末供給口１０からも、Ｃｕ粉末が供給される。当該Ｃｕ粉末はプラズマ・フレーム２の下部に供給され、溶融若しくは表面のみ溶融して液滴となるのであるが、プラズマ・フレーム２内に供給されてから重力落下により当該プラズマ・フレーム２を離脱するまでに要する時間は、第１の粉末供給口８から供給されたＣｕ粉末よりは短いため、当該第１の粉末供給口８から供給されたＣｕ粉末ほどは酸化されないこととなる。 Further, Cu powder is also supplied from the second powder supply port 10. The Cu powder is supplied to the lower part of the plasma frame 2 and melts or melts only on the surface to form droplets. Since the time required until the time is shorter than the Cu powder supplied from the first powder supply port 8, the Cu powder supplied from the first powder supply port 8 is not oxidized as much.

尚、その際にＣｕ粉末の溶融状態やＯ_２ガスの供給比を制御することによって、酸化状態の程度を制御することが可能となる。 At that time, the degree of oxidation state can be controlled by controlling the molten state of Cu powder and the supply ratio of O ₂ gas.

液滴となったＣｕおよびＣｕ_２Ｏは、そのまま落下し、下方に位置する被溶射基板１３に到達して凝固する。これにより、被溶射基板１３上に皮膜を形成する。このため、被溶射基板１３上に形成された溶射皮膜はＣｕとＣｕ_２Ｏとより構成される複合材料皮膜となる。その際、溶射皮膜の組織はラメラ状の異方性に富んだ組織となる。 The Cu and Cu ₂ O that have become droplets fall as they are, reach the sprayed substrate 13 located below, and solidify. Thereby, a film is formed on the substrate to be sprayed 13. For this reason, the sprayed coating formed on the substrate to be sprayed 13 is a composite coating composed of Cu and Cu ₂ O. At that time, the structure of the sprayed coating becomes a structure rich in lamellar anisotropy.

その際、基板ホルダ１４を回転軸１５によって回転させたり、水平移動させたりすることで、Ｃｕと及びＣｕ_２Ｏの液滴が基板ホルダ１４上へ落下する位置を制御することが可能となり、大面積の被溶射基板に対しても均一の溶射皮膜を形成することが可能となるのである。 At that time, by rotating the substrate holder 14 by the rotating shaft 15 or by horizontally moving the substrate holder 14, it is possible to control the position where the droplets of Cu and Cu ₂ O drop onto the substrate holder 14. This makes it possible to form a uniform sprayed coating even on an area to be sprayed.

また、得られる溶射皮膜の大きさや形状を制御することも可能となるので、その後の加工を最低限に抑えつつも所望の形状の銅系複合材料を得ることが可能となるのである。 In addition, since the size and shape of the obtained thermal spray coating can be controlled, it is possible to obtain a copper-based composite material having a desired shape while minimizing the subsequent processing.

その後、得られた溶射皮膜を更に８００〜１０００℃の温度で数時間熱処理することにより、焼結が進行し、緻密化が図られ、Ｃｕ_２Ｏが粒状化する。 Thereafter, the obtained sprayed coating is further heat-treated at a temperature of 800 to 1000 ° C. for several hours, whereby sintering proceeds, densification is achieved, and Cu ₂ O is granulated.

溶射皮膜のＣｕとＣｕ_２Ｏの体積比は、主にＡｒガスとＯ_２ガスの供給比及び第１の粉末供給口８及び第２の粉末供給口１０からのＣｕ粉末の供給比を変えることによって、Ｃｕ粉末の全供給量の内の酸化される割合を調整することで制御が可能となる。 The volume ratio of Cu and Cu ₂ O in the thermal spray coating mainly changes the supply ratio of Ar gas and O ₂ gas and the supply ratio of Cu powder from the first powder supply port 8 and the second powder supply port 10. Thus, it is possible to control by adjusting the ratio of oxidation in the total supply amount of Cu powder.

更に、ＡｒガスとＯ_２ガスの供給比及び第１の粉末供給口８と第２の粉末供給口１０からの供給比を連続的若しくは段階的に変化させることで、ＣｕとＣｕ_２Ｏの体積比が連続的若しくは段階的に変化する銅系傾斜組成複合材料を製造することも可能である。 Furthermore, the volume ratio of Cu and Cu ₂ O can be changed by changing the supply ratio of Ar gas and O ₂ gas and the supply ratio from the first powder supply port 8 and the second powder supply port 10 continuously or stepwise. It is also possible to produce a copper-based gradient composition composite material in which the ratio changes continuously or stepwise.

得られた溶射皮膜を被溶射基板１３から剥離することで目的の銅系複合材料を得ることが基本であるが、被溶射基板１３から剥離せずに複合材料とすることも可能である。また、プラズマ・トーチ１２と被溶射基板との水平相対位置を連続的に変化させれば、均一大面積の銅系複合材料とすることも可能である。 Although it is fundamental to obtain the target copper-based composite material by peeling the obtained sprayed coating from the substrate to be sprayed 13, it is also possible to obtain a composite material without peeling from the substrate to be sprayed 13. Further, if the horizontal relative position between the plasma torch 12 and the substrate to be sprayed is continuously changed, a copper-based composite material having a uniform large area can be obtained.

ＣｕとＣｕ_２Ｏの体積比は、Ｃｕ_２Ｏが２０〜６０ｖｏｌ％となるようにすることが望ましい。Ｃｕ_２Ｏが２０ｖｏｌ％未満の場合、室温〜３００℃での熱膨張率が高くなり、パワー半導体素子の放熱板として使用する際に、界面での割れや剥離が生じる可能性がある。一方、Ｃｕ_２Ｏが６０ｖｏｌ％以上の場合、Ｃｕで構成される熱伝導のパスが急激に低下し、熱伝導率が急激に低下するからである。 The volume ratio of Cu and Cu ₂ O is preferably Cu ₂ O is made to be 20~60vol%. When Cu 2 _O is less than 20 vol%, high coefficient of thermal expansion at room temperature to 300 ° C., when used as a heat sink of the power semiconductor element, there is a possibility that cracking or peeling at the interface occurs. On the other hand, when Cu ₂ O is 60 vol% or more, the heat conduction path composed of Cu rapidly decreases, and the thermal conductivity rapidly decreases.

また、使用するＣｕ粉末の純度については特に規定しないが、不純物は総量で１００ｐｐｍ以下であることが望ましい。プラズマ・トーチ上部から供給するＣｕ粉末の粒径は３０〜１００μｍ、高周波コイル下から供給する粉末の粒径は１０〜５０μｍであることが望ましい。プラズマの出力は２０〜６０ｋＷ程度が望ましい。出力が２０ｋＷ未満の場合には、特に高周波コイル下から供給する粉末が充分に溶融せず、多孔質の溶射皮膜になるとともに、歩留まりも低下するからであり、出力が６０ｋＷ以上の場合には、粉末が蒸発しプラズマを著しく不安定にするとともに、歩留まりも低下するからである。 Further, the purity of the Cu powder to be used is not particularly specified, but it is desirable that impurities are 100 ppm or less in total amount. The particle size of the Cu powder supplied from the upper part of the plasma torch is preferably 30 to 100 μm, and the particle size of the powder supplied from below the high frequency coil is preferably 10 to 50 μm. The plasma output is preferably about 20 to 60 kW. This is because when the output is less than 20 kW, the powder supplied from under the high-frequency coil is not sufficiently melted to become a porous sprayed coating and the yield is also reduced. When the output is 60 kW or more, This is because the powder evaporates and the plasma becomes extremely unstable, and the yield decreases.

溶射膜の気孔率、組織、ＣｕとＣｕ_２Ｏの体積比、粉体重量に対する溶射膜の歩留まり等は、上記のパラメータで決まり、これらを制御することにより、目的とする銅系複合材料を得ることが可能となる。
［実施例１］ The porosity of the sprayed film, the structure, the volume ratio of Cu and Cu ₂ O, the yield of the sprayed film with respect to the powder weight, etc. are determined by the above parameters, and the target copper-based composite material is obtained by controlling these parameters. It becomes possible.
[Example 1]

図１に示す高周波プラズマ溶射法による製造装置を用いて、銅系複合材料を製造した。大気圧下においてＡｒと微量のＯ_２からなるプラズマ・ガスを使用し、高周波コイル３によりプラズマ・フレーム２を発生させた。プラズマ・トーチ１２の上部に位置する第１の粉末供給口８から平均粒径８０μｍのＣｕ粉末を、高周波コイル３の下部に位置する第２の粉末供給口１０から平均粒径２０μｍのＣｕ粉末をそれぞれ供給し、各々のＣｕ粉末を完全溶融若しくは表面のみを溶融させ液滴とするとともに、その一部を酸化させＣｕ_２Ｏを生成した。液滴となったＣｕ及びＣｕ_２Ｏは、混合したまま重力落下することにより、プラズマ・トーチ１２の下方に位置する直径３０ｍｍの水冷ＢＮ基板上に溶射された。 A copper-based composite material was manufactured using a manufacturing apparatus using a high-frequency plasma spraying method shown in FIG. A plasma flame 2 was generated by the high-frequency coil 3 using a plasma gas composed of Ar and a small amount of O ₂ under atmospheric pressure. Cu powder with an average particle size of 80 μm is supplied from the first powder supply port 8 located at the upper part of the plasma torch 12, and Cu powder with an average particle size of 20 μm is supplied from the second powder supply port 10 located at the lower part of the high-frequency coil 3. Each Cu powder was supplied, and each Cu powder was completely melted or only the surface was melted to form droplets, and a part thereof was oxidized to produce Cu ₂ O. The Cu and Cu ₂ O that became droplets were sprayed onto a water-cooled BN substrate having a diameter of 30 mm located below the plasma torch 12 by dropping by gravity while being mixed.

この際、高周波の周波数は４ＭＨｚとし、出力は３０ｋＷとした。ＡｒとＯ_２の流量比は、２０：１とした。基板はプラズマ・トーチ１２の出口から１００ｍｍの位置に置き、回転軸１５により回転させ、溶射皮膜の均一化を図った。 At this time, the frequency of the high frequency was 4 MHz, and the output was 30 kW. The flow ratio of Ar and O ₂ was 20: 1. The substrate was placed at a position 100 mm from the outlet of the plasma torch 12 and rotated by the rotating shaft 15 to make the sprayed coating uniform.

溶射終了後、溶射皮膜を基板から剥離させた。溶射皮膜厚さは３ｍｍであった。断面組織観察の結果、Ｃｕ_２Ｏの体積率は２０ｖｏｌ％であり、クラックは無く、気孔もほとんど観察されなかった。溶射皮膜はＣｕ_２Ｏ粒子がラメラ状に微細に分散した異方性のある組織であった。更に、得られた複合材をＡｒ雰囲気下で９００℃の温度で１０時間保持させた。ＥＰＭＡによる断面組織観察の結果、Ｃｕ_２Ｏの粒状化が進み、より等方的な組織に変化していた。ＸＲＤによる解析の結果、ＣｕのピークとＣｕ_２Ｏのピークのみが検出された。平面方向の熱伝導率を室温にて測定した結果、２８０（Ｗ／ｍ・Ｋ）であった。また、平面方向の熱膨張率を室温から１００℃まで測定した結果、１４（１０^−６／℃）であった。 After the thermal spraying, the thermal spray coating was peeled off from the substrate. The sprayed coating thickness was 3 mm. As a result of cross-sectional structure observation, the volume ratio of Cu ₂ O was 20 vol%, there were no cracks, and almost no pores were observed. The thermal spray coating was an anisotropic structure in which Cu ₂ O particles were finely dispersed in a lamellar shape. Further, the obtained composite material was held at a temperature of 900 ° C. for 10 hours under an Ar atmosphere. As a result of observation of the cross-sectional structure by EPMA, the granulation of Cu ₂ O progressed and the structure changed to a more isotropic structure. As a result of XRD analysis, only the Cu peak and the Cu ₂ O peak were detected. As a result of measuring the thermal conductivity in the planar direction at room temperature, it was 280 (W / m · K). Moreover, as a result of measuring the thermal expansion coefficient of the plane direction from room temperature to 100 ^degreeC, it was 14 (10 ^<-6 > / degreeC).

また、比較材として、従来技術による製造方法を用いて、Ｃｕ及びＣｕ_２Ｏからなる銅系複合材料を製造し、その性能について調べた。 Further, as a comparative material, by using the manufacturing method according to the prior art, to produce a copper-based composite material consisting of Cu and Cu 2 _O, were examined for their performance.

ボール・ミルにて平均粒径３０μｍのＣｕ粉末と平均粒径５０μｍのＣｕ２Ｏ粉末とを混合させ、ＣＩＰにて直径１００ｍｍ、長さ３００ｍｍに成型後、焼結し、Ｃｕ_２Ｏの体積率２０ｖｏｌ％の複合材を得た。ＥＰＭＡによる断面組織観察の結果、等方性の組織を有することを確認した。熱伝導率を室温で測定した結果、２９０（Ｗ／ｍ・Ｋ）であった。また、熱膨張率を室温から１００℃まで測定した結果、１４（１０^−６／℃）であった。 Cu powder having an average particle diameter of 30 μm and Cu2O powder having an average particle diameter of 50 μm are mixed in a ball mill, molded to a diameter of 100 mm and a length of 300 mm by CIP, and sintered, and the volume ratio of Cu ₂ O is 20 vol%. A composite material was obtained. As a result of cross-sectional structure observation by EPMA, it was confirmed that the structure has an isotropic structure. As a result of measuring the thermal conductivity at room temperature, it was 290 (W / m · K). Moreover, as a result of measuring a thermal expansion coefficient from room temperature to 100 ^degreeC, it was 14 (10 ^<-6 > / degreeC).

以上、本発明によれば、高い熱伝導性と低い熱伝導率を兼備した銅系複合材料を、従来の主な製造方法であった焼結方と同等の性能を有しながら、安価な製造コストで製造することが可能であることがわかる。
［実施例２］ As described above, according to the present invention, a copper-based composite material having both high thermal conductivity and low thermal conductivity can be manufactured at low cost while having the same performance as the sintering method that has been the main manufacturing method in the past. It can be seen that it can be manufactured at a low cost.
[Example 2]

次の実施例は、ＣｕとＣｕ_２Ｏの体積比が段階的に変化する銅系傾斜組成複合材料について製造したものである。 In the following examples, a copper-based gradient composition composite material in which the volume ratio of Cu and Cu ₂ O changes stepwise is produced.

図１に示す高周波プラズマ溶射法による製造装置を用い、大気圧下でプラズマ・ガスとしてＡｒと微量のＯ_２を使用して、プラズマ・トーチ１２の上部に位置する第１の粉末供給口８から平均粒径８０μｍのＣｕ粉末を供給し、高周波コイル３の下部に位置する第２の粉末供給口１０から平均粒径２０μｍのＣｕ粉末を供給し、直径３０ｍｍの水冷ＢＮ基板上に、Ｃｕ粉末とＣｕ_２Ｏ粉末との混合粉末を溶射した。高周波の周波数は４ＭＨｚとし、出力は３０ｋＷとした。粉末供給開始時にはＡｒのみを供給し、所定の時間毎に、Ｏ_２の供給量を段階的に増加させ、最終的にＡｒとＯ_２の流量比を１０：１とした。また、Ｃｕ粉末供給開始時には、第１の粉末供給口８と第２の粉末供給口１０からの供給量比を１：１とし、所定の時間ごとに第２の粉末供給口１０からの供給量を段階的に減少させ、最終的に供給量比を２：１とした。基板はプラズマ・トーチ１２の出口から１００ｍｍの位置に置き、回転軸１５より回転させ、溶射皮膜の均一化を図った。 Using the manufacturing apparatus by the high frequency plasma spraying method shown in FIG. 1, using Ar and a small amount of O ₂ as plasma gas under atmospheric pressure, from the first powder supply port 8 located above the plasma torch 12 Cu powder with an average particle size of 80 μm is supplied, Cu powder with an average particle size of 20 μm is supplied from the second powder supply port 10 located at the lower part of the high-frequency coil 3, and Cu powder and A mixed powder with Cu ₂ O powder was sprayed. The frequency of the high frequency was 4 MHz and the output was 30 kW. At the start of powder supply, only Ar was supplied, and the supply amount of O ₂ was increased step by step, and the flow ratio of Ar and O ₂ was finally set to 10: 1. Further, at the start of Cu powder supply, the supply amount ratio from the first powder supply port 8 and the second powder supply port 10 is 1: 1, and the supply amount from the second powder supply port 10 every predetermined time. Was gradually reduced, and the feed ratio was finally 2: 1. The substrate was placed at a position 100 mm from the outlet of the plasma torch 12 and rotated from the rotating shaft 15 to make the sprayed coating uniform.

溶射終了後、溶射皮膜を基板から剥離させた。溶射皮膜厚さは３ｍｍであった。断面組織観察の結果、Ｃｕ_２Ｏの体積率は基板側で０ｖｏｌ％、表面側で６０ｖｏｌ％であり、膜厚方向で段階的に増加していることが観察された。Ｃｕ_２Ｏ粒子はラメラ状に微細に分散してた。また、クラックは無く、気孔もほとんど観察されなかった。 After the thermal spraying, the thermal spray coating was peeled off from the substrate. The sprayed coating thickness was 3 mm. As a result of cross-sectional structure observation, the volume ratio of Cu ₂ O was 0 vol% on the substrate side and 60 vol% on the surface side, and it was observed that the volume ratio increased stepwise in the film thickness direction. Cu ₂ O particles were finely dispersed in a lamellar shape. Moreover, there were no cracks and almost no pores were observed.

以上、本発明によれば、高い熱伝導性と低い熱伝導率を兼備した銅系複合材料であって、ＣｕとＣｕ_２Ｏの体積比が段階的に変化する銅系傾斜組成複合材料を、安価な製造コストで製造することが可能であることがわかる。 As described above, according to the present invention, a copper-based composite material having both high thermal conductivity and low thermal conductivity, and a copper-based gradient composition composite material in which the volume ratio of Cu and Cu ₂ O changes stepwise, It can be seen that it can be manufactured at a low manufacturing cost.

本発明に係る銅系複合材料の製造装置の概略図である。It is the schematic of the manufacturing apparatus of the copper type composite material which concerns on this invention.

Explanation of symbols

１溶射チェンバ
２プラズマ・フレーム
３高周波コイル
４Ａｒガス供給口
５Ｏ_２ガス供給口
６Ａｒガス・タンク
７Ｏ_２ガス・タンク
８第１の粉末供給口
９、１１パウダーフィーダ
１０第２の粉末供給口
１２プラズマ・トーチ
１３被溶射基板
１４基板ホルダ
１５回転軸 1 spray chamber 2 plasma frame 3 RF coil 4 Ar gas supply port 5 _{O 2} gas supply port 6 Ar gas tank 7 _{O 2} gas tank 8 first powder supply port 9, 11 Powder feeder 10 second powder feeder Mouth 12 Plasma torch 13 Sprayed substrate 14 Substrate holder 15 Rotating shaft

Claims

In the method for producing a copper-based composite material for producing a copper-based composite material composed of Cu and Cu ₂ O,
A plasma flame generating step of supplying a plasma gas containing oxygen to generate a plasma flame;
A composite material producing step of producing a composite material of Cu and Cu ₂ O by supplying Cu powder into the plasma frame.

The method for producing a copper-based composite material according to claim 1, wherein the plasma flame generating step uses high frequency.

3. The method for producing a copper-based composite material according to claim 1, wherein the composite material generation step supplies Cu powder from two or more places in the plasma frame.

Of the two or more locations for supplying Cu powder in the composite material generation step, at least one location is located in the upper part of the plasma frame and at least one location is located in the lower portion of the plasma frame. The method for producing a copper-based composite material according to any one of claims 1 to 3.

By changing the oxygen concentration in the plasma gas in the plasma flame generating process continuously or stepwise, the volume ratio of Cu and Cu ₂ O is changed continuously or stepwise in the thickness direction of the thermal spray coating. The method for producing a copper-based composite material according to any one of claims 1 to 4, wherein a copper-based gradient composition composite material is produced.