JP2006041170A - ヒートシンク用焼結体およびその製造方法ならびに半導体キャリヤ - Google Patents

Abstract

【課題】 粉末冶金法特有の現象である焼結体の表面層の付近からのＣｕ抜けを起因とするメッキ剥がれが生じないヒートシンク用焼結体を提供する。
【解決手段】 本発明のヒートシンク用焼結体は、表面に存在するＷ（あるいはＭｏ）１２にＮｉが固溶されて、その粒径が内部に存在するＷ（あるいはＭｏ）の粒径よりも大きく成長した増大粒層が形成されている。このように焼結体の表面部はＷ（あるいはＭｏ）にＮｉが固溶されて、これらのＷ（あるいはＭｏ）の粒径の大きさが内部に存在するＷ（あるいはＭｏ）の粒径よりも大きく成長した増大粒層が形成されていると、Ｃｕ１１の抜けを起因とする焼結体の表面に形成された細かな気孔１３を消滅させることが可能となる。これにより、後に防錆用のメッキが施されても、このメッキ膜１５，１６が剥がれることを防止できるようになる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、低熱膨張率で高放熱性のタングステン（Ｗ）と銅（Ｃｕ）または銀（Ａｇ）、あるいはモリブデン（Ｍｏ）と銅（Ｃｕ）または銀（Ａｇ）からなる焼結体の表面に防錆用のメッキが施されたヒートシンク用焼結体およびその製造方法、ならびにこのヒートシンク用焼結体を用いた半導体キャリヤに関する。

従来より、半導体キャリヤや光通信モジュールなどの半導体装置には、ヒートシンクと呼ばれる放熱部材を設けて、半導体キャリヤや光通信モジュール内で発生した熱を効率的に系外に放散させる（排熱する）ようにしている。このようなヒートシンクにおいては、熱伝導率が高くて熱の伝導性が良好であること、およびセラミック基板やガラス基板と接合されるために、熱膨張率がセラミックやガラスの熱膨張率（４〜１０ｐｐｍ／Ｋ）に近似することが要求されている。このような熱伝導率と熱膨張率の相反する両特性を有する材料としては、現在のところ、タングステン（Ｗ）と銅（Ｃｕ）からなる焼結体が用いられている。

このようなＷとＣｕからなる焼結体としては、Ｗで構成された仮焼結体の空孔部にＣｕを溶浸（含浸）させた溶浸焼結体が使用される。このような溶浸焼結体からなるヒートシンク３０は、例えば、図７に示されるような手順で製造される。即ち、Ｗ粉末に有機バインダーを予備配合して原料混合体とし、この原料混合体を金型プレスでプレスするとともに加熱処理（例えば、１２００〜１３００℃）して板状の成形体とする。

この成形体を脱脂・焼結して、図７（ａ）に示されるように多孔質の仮焼結体（スケルトン）３１とした後、この仮焼結体３１の上に図７（ｂ）に示されるようにＣｕ板３３を載せ、還元性の雰囲気でＣｕの融点以上の温度（例えば、１１００〜１２００℃）に加熱する。これにより、図７（ｃ）に示されるように、仮焼結体３１の空孔部３２にＣｕ３３を溶浸（含浸）させて溶浸焼結体３４とする。その後に、溶浸焼結体３４を所定の形状に切削加工して、図７（ｄ）に示されるように、最終的にヒートシンク３０とする製法が一般的に採用されている。

ところが、このような溶浸焼結体３４は難加工性材料であるため、切削加工をするのは容易ではなく、切削加工のコストが高価になるとともに、生産性も悪いという問題を生じた。また、Ｗ粉末の仮焼結体３１はスポンジ状の構造体であるため、この構造体を構成する空孔３２の大きさや空孔密度が不均一である。このため、空孔３２内に溶浸されるＣｕ３３の充填密度は不均一になって、熱膨張率や熱伝導率が部位により異なることとなる。この結果、このような溶浸焼結体３４から成るヒートシンク３０にあっては、熱特性が安定せず、信頼性に欠けるという問題を生じた。また、Ｃｕが溶浸された焼結体は、Ｃｕが存在する部分に沿って熱伝導がなされるが、Ｃｕの充填密度が不均一であると、熱の伝導方向はランダムな方向となる。このため、発生した熱を系外に素早く放熱することが困難になって、放熱効率が低下するという問題も生じた。

また、仮焼結体の焼結密度を上げるために、Ｗと固溶するニッケル（Ｎｉ）等の焼結助剤を添加することがある。しかしながら、Ｎｉ等の焼結助剤を添加すると、焼結密度が向上する反面、Ｗの結晶粒が成長して、熱伝導の経路が絶たれて熱伝導率が低下するという問題を生じた。また、焼結体の空孔内にＣｕが溶浸（含浸）されない部分が存在する場合には、焼結体の表面にピンホールが発生し易く、このピンホールの上にめっき層を形成した場合には、めっき膨れが発生し易く、めっき性が良好で高品質のヒートシンクが得にくいという問題も生じた。さらに、Ｃｕが溶浸（含浸）した後に、余剰の溶浸材（Ｃｕ）が焼結体表面に多量に付着するため、研削加工などによって表面に固着した余剰の溶浸材を取り除いたり、この後に、表面研磨加工を実施する必要があり、ヒートシンクの仕上げ加工工数が増加して製造コストがさらに上昇するという問題も生じた。

そこで、特許文献１にて射出成形法（粉末冶金法）が提案されるようになった。この射出成形法においては、例えば、図８（ａ）に示されるように、Ｗ粉末（またはＭｏ粉末）４１とＣｕ粉末４２とを混合して混合粉末４０ａとする。ついで、この混合粉末４０ａに有機物よりなるバインダを混練した後、射出成形法により、図８（ｂ）に示されるように、所定の形状の成形体４０ｂを得る。この後、この成形体４０ｂを加熱して、バインダを揮散させる脱バインダ処理を行った後、焼結して、図８（ｃ）に示されるように、焼結体４０とするものである。この射出成形法（粉末冶金法）にあっては、金型により成形を行うため複雑な三次元形状にも対応でき、高い寸法精度が可能であるという利点がある。
特開平４−３４９６５０号公報

上述した特許文献１にて提案された射出成形法（粉末冶金法）においては、例えば図９（ａ）に示されるように、粒径がサブミクロン(1μｍ以下)〜数μｍ程度のＷ粉末（またはＭｏ粉末）５１とＣｕ粉末５２とを用い、焼結温度をＣｕの融点（１０８３℃）よりも高い温度で焼結して、各粉末の充填密度を上げるようにしている。ところが、このように焼結温度がＣｕの融点（１０８３℃）よりも高くなると、焼結体５０の表面層の付近からＣｕの抜けが生じて、表面に細かな気孔５３，５３，５３・・・が形成されるという現象が生じた。

ところで、上述のようにして作製された焼結体５０においては、通常、防錆用に、図９（ｂ）に示されるように、その表面にＮｉメッキ５４を施し、さらにその上にＡｕメッキ５５を施すようになされている。しかしながら、上述したように、焼結体５０の表面に細かな気孔５３，５３，５３・・・が形成されていると、メッキの前処理液がこれらの気孔５３，５３，５３・・・に浸透するようになる。このため、メッキ後にメッキ膜５４，５５と焼結体５０との密着不良が発生して、最悪の場合はメッキ膜５４，５５が焼結体５０から剥がれるという問題を生じた。

そこで、本発明は上記の如き問題点を解消するためになされたものであり、粉末冶金法特有の現象である焼結体の表面層の付近からのＣｕ抜けを起因とするメッキ剥がれが生じないヒートシンク用焼結体を提供することを目的とする。また、このようなメッキ剥がれが生じないヒートシンク用焼結体の製造方法を提供するとともに、さらに、このようなヒートシンク用焼結体を用いた半導体キャリヤを提供することを目的とする。

本発明は、ＷとＣｕ（またはＡｇ）、あるいはＭｏとＣｕ（またはＡｇ）からなる焼結体の表面に防錆用のメッキが施されたヒートシンク用焼結体であって、上記目的を達成するため、この焼結体の表面部にはＷあるいはＭｏにＮｉが固溶されてその粒径が内部に存在するＷあるいはＭｏの粒径よりも大きく成長したＷあるいはＭｏの増大粒が存在する増大粒層が形成されていることを特徴とする。

このように焼結体の表面部はＷあるいはＭｏにＮｉが固溶されて、これらのＷあるいはＭｏの粒径の大きさが内部に存在するＷあるいはＭｏの粒径よりも大きく成長した増大粒層が形成されていると、Ｃｕ抜けを起因とする焼結体の表面に形成された細かな気孔を消滅させることが可能となる。これにより、後に防錆用のメッキが施されても、このメッキ膜が剥がれることを防止できるようになり、この種のヒートシンク用焼結体の信頼性を向上させることができるようになる。

この場合、ＷあるいはＭｏの増大粒層がこのヒートシンク用焼結体の内部まで形成されていると、内部まで形成された増大粒層により熱伝導の経路が絶たれて熱伝導率が低下するようになる。このため、増大粒層は表面から１００μｍ以内、好ましくは表面から５０μｍ以内の範囲に形成されているのが望ましい。また、増大粒の粒径が内部に存在する粒径の１０倍以上に成長すると表面に形成された気孔が消滅することが明らかになった。

このため、内部に存在するＷあるいはＭｏの粒径が０．１〜５μｍである場合は、焼結体の表面部に形成された増大粒からなるＷあるいはＭｏの粒径は１〜５０μｍであるのが望ましい。さらに、ＷとＣｕ（またはＡｇ）あるいはＭｏとＣｕ（またはＡｇ）からなる焼結体において、Ｃｕ（またはＡｇ）の含有量が増大すると熱伝導率が増大する反面、熱膨張率が大きくなるため、Ｃｕ（またはＡｇ）の含有量は５〜５０質量％程度にするのが望ましいということができる。

上述したヒートシンク用焼結体を製造するには、ＷとＣｕ（またはＡｇ）、あるいはＭｏとＣｕ（またはＡｇ）からなる複合金属粉末または混合金属粉末を圧粉または射出成形した後、焼結して焼結体とする焼結工程と、この焼結体の表面にニッケルメッキを施すニッケルメッキ工程と、ニッケルメッキが施された焼結体を熱処理する熱処理工程と、熱処理された焼結体の表面にニッケルメッキと金メッキからなる防錆用のメッキ処理を施す防錆処理工程とを備えるようにすればよい。このように、ニッケルメッキ後に熱処理すると、焼結体の表面に存在するＷあるいはＭｏにＮｉが固溶されて、これらのＷあるいはＭｏの粒径の大きさが内部に存在するＷあるいはＭｏの粒径よりも大きく成長する。これにより、Ｃｕ抜けを起因とする焼結体の表面に形成された細かな気孔を消滅させることが可能となる。

この場合、ニッケルメッキ層が１０μｍよりも厚くなると、熱伝導性が著しく低下することが明らかになり、また、ニッケルメッキ層の厚みが１μｍ未満であると、ＷあるいはＭｏの粒の成長が起こらないことが明らかになった。このため、ニッケルメッキ工程においては、ニッケルメッキ層の厚みが１〜１０μｍになるようにニッケルメッキを施すようにするのが望ましい。また、ニッケルメッキ処理後の熱処理において、１４００℃を超えるような高温で熱処理するとＣｕの染み出しが発生することが明らかになり、１２００℃未満では、ＷあるいはＭｏの粒の成長が十分に起こらないことが明らかになった。このため、熱処理工程においては、還元性雰囲気中で１２００℃以上で１４００℃以下の温度で加熱するのが望ましいということができる。

さらに、本発明の半導体キャリヤは、半導体素子を搭載するマウント部を有するキャリヤベースを備えていて、このマウント部を有するキャリヤベースはＷとＣｕまたはＡｇあるいはＭｏとＣｕまたはＡｇからなる焼結体の表面に防錆用のメッキが施されたヒートシンク用焼結体からなり、この焼結体の表面部はＷあるいはＭｏにＮｉが固溶されて当該ＷあるいはＭｏの粒界（粒径）の大きさが内部に存在するＷあるいはＭｏの粒界（粒径）よりも大きく成長した増大粒層が形成されていることを特徴とする。

このように焼結体の表面部はＷあるいはＭｏにＮｉが固溶されて、これらのＷあるいはＭｏの粒界（粒径）の大きさが内部に存在するＷあるいはＭｏの粒界（粒径）よりも大きく成長した増大粒層が形成されていると、Ｃｕ抜けを起因とする焼結体の表面に形成された細かな気孔が消滅させることが可能となる。これにより、後に防錆用のメッキが施されてもメッキ剥がれが生じることはない。

この場合、表面部の増大粒層は表面から５０〜１００μｍの範囲に形成されているのが望ましい。また、焼結体の表面部に形成された増大粒からなるＷあるいはＭｏの粒径は１〜５０μｍで、内部に存在するＷあるいはＭｏの粒界（粒径）は０．１〜５μｍであるのが望ましい。さらに、ＷとＣｕまたはＡｇあるいはＭｏとＣｕまたはＡｇからなる粗焼結体はそれぞれＣｕまたはＡｇをそれぞれ５〜５０質量％含有するのが望ましい。

ついで、本発明のヒートシンク用焼結体およびこのヒートシンク用焼結体を用いた半導体キャリヤの実施の形態を図１〜図６に基づいて説明するが、本発明はこの実施の形態に何ら限定されるものでなく、本発明の目的を変更しない範囲で適宜変更して実施することが可能である。なお、図１は、本発明の製造方法により本発明のヒートシンク用焼結体が作製される過程を模式的に示す断面図である。

この場合、図１（ａ）は焼結後の焼結体を示す図であり、図１（ｂ）は図１（ａ）の焼結体にニッケルメッキを施した状態を示す図であり、図１（ｃ）はニッケルメッキ後に熱処理を行った状態を示す図であり、図１（ｄ）は熱処理後に防錆用のメッキを施した状態を示す図である。また、図２は金属粉末の射出成形体の脱バインダー処理及び焼結処理における昇温パターンを示す図である。図３はニッケルメッキ層の膜厚と熱伝導率の関係を示す図である。図４は増大粒層の厚みと熱伝導率の関係を示す図である。図５はニッケルメッキ後の熱処理における熱処理温度の違いによる粒成長の違いを示す電子顕微鏡写真である。図６は半導体キャリヤを模式的に示す断面図である。

まず、平均粒径が０．１〜１．０μｍのＣｕ粉末（またはＡｇ粉末）１１を５〜５０質量％含有し、残りは平均粒径が０．１〜１．０μｍのＷ粉末（またはＭｏ粉末）１２を含有するＷ−Ｃｕ（またはＭｏ−Ｃｕ）あるいはＷ−Ａｇ（またはＭｏ−Ａｇ）複合金属粉末（または混合金属粉末）を原料粉末として用意する。ここで、Ｃｕ粉末（またはＡｇ粉末）の形状としては、射出成形により成形する場合は球形のアトマイズ粉が望ましく、圧粉成形により成形する場合は針状の電解銅粉が望ましい。ついで、上述のように用意した原料粉末をヘンシェルミキサー等の粉末混合機に投入して、十分に混合した。その際、原料粉末が変形しないように注意する必要があるため、原料粉末に塑性変形を与えてメカニカルアロイを発生させる恐れがあるボールミルやアトライター等の粉末混合機の使用を避けるのが望ましい。

ついで、射出成形法により成形する場合、十分に混合して得られたＷ−Ｃｕ（またはＭｏ−Ｃｕ）あるいはＷ−Ａｇ（またはＭｏ−Ａｇ）複合金属粉末（または混合金属粉末）に、熱可塑性樹脂とワックス等の数種類の有機バインダーを加えてフィードストック（懸濁液）とし、その後、ペレタイザーによりペレット化した。この場合、熱可塑性樹脂としてはポリプロピレン（ＰＰ）、ポリスチレン（ＰＳ）、アクリル、ＰＯＭ系樹脂などを用いるのが望ましい。また、ワックスとしては、パラフィンワックス、密蝋などを用いるのが望ましい。そして、これらの有機バインダーの添加割合は全粉末の容積に対して４０〜５０体積％となるように添加した。

ついで、得られたペレットを射出成形機のホッパ内に投入した後、所定の形状に形成された金型を用いて射出成形した。この後、金型を冷却して射出物を固化させて、外形寸法が１０ｍｍ（直径）×２．０ｍｍ（厚み）となる円板状の成形体を得た。この後、この円板状の成形体を非酸化性雰囲気（真空またはＮ₂ガスあるいはＡｒガスの雰囲気）中で、図２に示すような脱バインダー処理の昇温パターン（この場合は、１℃／分の昇温速度とし、最高温度５００℃を２時間保持するようにした）で脱バインダー処理を行った。

また、図２に示すような焼結処理の昇温パターンで、即ち、還元ガス雰囲気で、５℃／分の昇温速度とし、９００℃の温度を１時間保持した後、５℃／分の昇温速度とし、最高温度がＣｕ（またはＡｇ）の融点以上の１１００〜１４２０℃で２時間保持して焼結した後、１０℃／分の降温速度で室温まで冷却して、図１（ａ）に模式的に示すような焼結体１０ａを作製した。なお、焼結最高温度はＣｕ（またはＡｇ）の含有割合およびＷ（またはＭｏ）の粒径により最適化する必要があり、例えば、下記の表１あるいは表２に示すような焼結最高温度に設定するのが望ましい。この場合、得られた焼結体１０ａの表面には、図１（ａ）に模式的に示すように、Ｃｕ（またはＡｇ）抜けに起因する細かな気孔１３，１３，１３・・・が形成されていた。

なお、乾式圧粉成形法により成形する場合、上述した原料粉末（複合金属粉末）に、メチルアルコールにパラフィンワックスを溶解（原料粉末に対して１質量％）した溶液を添加してスラリーを得る。得られたスラリーをスプレードライヤー（スラリーより直ちに顆粒や粉末を得る装置）により球状の粉末に造粒する。この後、乾式粉末プレス機により外形寸法が１０ｍｍ（直径）×２．０ｍｍ（厚み）となる円板状の成形体を得る。ついで、この成形体を上述した射出成型法と同様に、少量のバインダー成分（この場合は、パラフィンワックス）を加熱除去した後、還元雰囲気中でＣｕ（またはＡｇ）の融点温度以上まで加熱して焼結体１０ａを得るようにすればよい。

ついで、上述のように作製された焼結体（ここでは、Ｗ（平均粒径１．０μｍ）−１５Ｃｕ（平均粒径１．０μｍ）の組成で、最高温度が１３２５℃で焼結されたもの、あるいはＷ（平均粒径１．０μｍ）−１５Ａｇ（平均粒径１．０μｍ）の組成で、最高温度が１２５５℃で焼結されたもの）１０ａを用いて、その表面に所定の厚みのＮｉメッキを施して、図１（ｂ）に模式的に示すようなＮｉメッキ層１４が形成された焼結体１０ｂとした。この場合、Ｎｉメッキ層１４の膜厚がそれぞれ、０（Ｎｉメッキせず）、０．５μｍ、１．０μｍ、２．０μｍ、３．０μｍ、４．０μｍ、５．０μｍ、１０．０μｍ、１５．０μｍ、２０．０μｍになるようにした。

ついで、このＮｉメッキ層１４が形成された焼結体１０ｂをそれぞれ、１２００℃、１３００℃、１４００℃の温度で加熱処理を行い、図１（ｃ）に模式的に示すような加熱処理済みの焼結体１０ｃ（Ａ１〜Ａ１０，Ｂ１〜Ｂ１０，Ｃ１〜Ｃ１０，Ｄ１〜Ｄ１０，Ｅ１〜Ｅ１０，Ｆ１〜Ｆ１０）をそれぞれ作製した。この場合、加熱処理済みの焼結体１０ｃ（Ａ１〜Ａ１０，Ｂ１〜Ｂ１０，Ｃ１〜Ｃ１０，Ｄ１〜Ｄ１０，Ｅ１〜Ｅ１０，Ｆ１〜Ｆ１０）において、Ｎｉメッキ層１４の膜厚と熱処理温度との組み合わせは下記の表３および表４に示すようにした。
この場合、Ｗ−１５Ｃｕの組成からなる焼結体を用い、１２００℃で熱処理したものをＡ１〜Ａ１０とし、１３００℃で熱処理したものをＢ１〜Ｂ１０とし、１４００℃で熱処理したものをＣ１〜Ｃ１０とした。また、Ｗ−１５Ａｇの組成からなる焼結体を用い、１２００℃で熱処理したものをＤ１〜Ｄ１０とし、１３００℃で熱処理したものをＥ１〜Ｅ１０とし、１４００℃で熱処理したものをＦ１〜Ｆ１０とした。

ついで、得られた加熱処理済み焼結体１０ｃ（Ａ１〜Ａ１０，Ｂ１〜Ｂ１０，Ｃ１〜Ｃ１０，Ｄ１〜Ｄ１０，Ｅ１〜Ｅ１０，Ｆ１〜Ｆ１０）を用いて、これらの焼結体の熱伝導率（Ｗ／ｍＫ）を測定すると、下記の表３および表４に示すような結果が得られた。なお、熱伝導率はレーザーフラッシュ法による熱定数測定装置（例えば、アルバック理工株式会社製 ＴＣ−７０００）を用いて求めた値である。また、下記の表３および表４においてＮｉメッキ層１４の膜厚は蛍光Ｘ線装置により測定した値である。ここで、焼結体１０ｃ（Ａ１〜Ａ１０，Ｂ１〜Ｂ１０，Ｃ１〜Ｃ１０）において、Ｎｉメッキ層１４の膜厚（μｍ）をＸ軸とし熱伝導率（Ｗ／ｍＫ）をＹ軸として、Ｎｉメッキ層１４の膜厚に対する熱伝導率の関係を求めると図３に示すような結果が得られた。

また、加熱処理後の焼結体１０ｃ（Ａ１〜Ａ１０，Ｂ１〜Ｂ１０，Ｃ１〜Ｃ１０，Ｄ１〜Ｄ１０，Ｅ１〜Ｅ１０，Ｆ１〜Ｆ１０）において、表面に存在するＷ（またはＭｏ）の粒径の大きさおよび増大粒層の厚みを測定するとともに、加熱処理前に表面に存在していた気孔が加熱処理後に消滅したか否かを電子顕微鏡（ＳＥＭ）により観察すると下記の表３および表４に示すような結果が得られた。ここで、焼結体１０ｃ（Ａ１〜Ａ１０，Ｂ１〜Ｂ１０，Ｃ１〜Ｃ１０）において、増大粒層の厚み（μｍ）をＸ軸とし熱伝導率（Ｗ／ｍＫ）をＹ軸として、増大粒層の厚み対する熱伝導率の関係を求めると図４に示すような結果が得られた。

なお、増大粒層の厚みを測定するに際しては、加熱処理後の焼結体１０ｃ（Ａ１〜Ａ１０，Ｂ１〜Ｂ１０，Ｃ１〜Ｃ１０，Ｄ１〜Ｄ１０，Ｅ１〜Ｅ１０，Ｆ１〜Ｆ１０）を縦方向に切断し、切断面を研磨してＳＥＭにより断面を観察するようにすればよい。あるいは、ＦＩＢ（Focused Ion Beam）装置により焼結体１０ｃ（Ａ１〜Ａ１０，Ｂ１〜Ｂ１０，Ｃ１〜Ｃ１０，Ｄ１〜Ｄ１０，Ｅ１〜Ｅ１０，Ｆ１〜Ｆ１０）の表層を削って増大粒層の厚みを測定するようにしてもよい。

上記表３および表４ならびに図３および図４の結果から明らかなように、Ｎｉメッキ層１４の膜厚が１０μｍを超えるようになると熱伝導率（Ｗ／ｍＫ）が著しく低下することが分かる。また、増大粒層の厚みが１００μｍを超えるようになると熱伝導率（Ｗ／ｍＫ）が著しく低下することが分かる。これは、Ｎｉメッキ層１４の膜厚が１０μｍを超えるように厚くなると、Ｗ粒内へのＮｉの拡散が進行し過ぎて熱伝導率（Ｗ／ｍＫ）が著しく低下するためと考えられる。また、増大粒層の厚みが１００μｍを超えるように厚くなると、表層の熱伝導が低下するためと考えられる。また、熱処理温度により熱伝導率（Ｗ／ｍＫ）が多少変動するが、１２００℃〜１４００℃の温度範囲においてはそれ程顕著ではないことも分かる。

これらのことから、これらの焼結体Ａ１〜Ａ１０，Ｂ１〜Ｂ１０，Ｃ１〜Ｃ１０，Ｄ１〜Ｄ１０，Ｅ１〜Ｅ１０，Ｆ１〜Ｆ１０の表面へのメッキ処理におけるＮｉメッキ層１４の膜厚は、熱伝導率（Ｗ／ｍＫ）を考慮すると１０μｍ以下であるのが望ましいということができる。また、これらの焼結体Ａ１〜Ａ１０，Ｂ１〜Ｂ１０，Ｃ１〜Ｃ１０，Ｄ１〜Ｄ１０，Ｅ１〜Ｅ１０，Ｆ１〜Ｆ１０の増大粒層の厚みは１００μｍ以下、好ましくは５０μｍ以下が望ましいということができる。

また、加熱処理後の焼結体１０ｃ（Ａ１〜Ａ１０，Ｂ１〜Ｂ１０，Ｃ１〜Ｃ１０，Ｄ１〜Ｄ１０，Ｅ１〜Ｅ１０，Ｆ１〜Ｆ１０）の表面に存在する気孔１３を消失させるための熱処理温度は、Ｎｉメッキ層１４の膜厚により最適化する必要があることが分かる。また、表面のＷ粒の粒径が、その内部に存在するＷ粒の粒径の１０倍以上に成長すると、表層の気孔が消滅することが分かる。さらに、上記結果には示されていないが、熱処理温度が１４００℃を超えると焼結体１０ｃからＣｕの染み出しが発生することが明らかになった。また、熱処理温度が１２００℃未満であるとＷ粒の粒成長が起こらず、気孔１３が消失しないことが明らかになった。

これらのことを考慮すると、Ｎｉメッキ後の熱処理温度は、Ｎｉメッキ層１４の膜厚にもよるが、１２００〜１４００℃であるのが望ましいということができる。また、表３および表４ならびに図３および図４の結果から、Ｎｉメッキ層１４の膜厚が１０μｍを超えると熱伝導率が著しく低下するが、一方、Ｎｉメッキ層１４の膜厚が１．０μｍよりも薄いと、熱処理によるＷ（またはＭｏ）粒の粒成長が起こらず、気孔１３が消失しないことが明らかになった。これらのことから、Ｎｉメッキ層１４の膜厚は１．０μｍ以上で、１０μｍ以下であるのが望ましいということができる。

また、メッキ層１４の膜厚が１μｍ未満であると増大粒層が形成されにくく、メッキ層１４の膜厚が１０μｍを超えると増大粒層が厚くなりすぎて熱伝導率が著しく低下するようになる。このことからも、Ｎｉメッキ層１４の膜厚は１．０μｍ以上で、１０μｍ以下であるのが望ましいということができる。さらに、増大粒層の厚みは１００μｍ以下、好ましくは５０μｍ以下が望ましいということができる。

なお、平均粒径が１．０μｍのＷ−１５Ｃｕ（またはＷ−１５Ａｇ）複合金属粉末の焼結体に、膜厚が２．０μｍになるようにＮｉメッキされた焼結体Ａ４（メッキ後、１２００℃で熱処理されたもの）、Ｂ４（メッキ後、１３００℃で熱処理されたもの）、Ｃ４（メッキ後、１４００℃で熱処理されたもの）およびＸ（メッキ後、１０００℃で熱処理されたもの）を用いて、これらの焼結体の切断研磨断面を電子顕微鏡で撮影すると図５に示すような結果が得られた。この図５の結果から明らかなように、Ｎｉメッキされた焼結体の熱処理温度が１０００℃→１２００℃→１３００℃→１４００℃と上昇するに伴って、表面のＷ粒の粒径が増大し、表面の気孔度が１０％（図５−ａ）→４％（図５−ｂ）→２％（図５−ｃ）→０．５％（図５−ｄ）と低下していることが分かる。

なお、上述のように加熱処理された焼結体１０ｃをメッキ浴に浸漬して、電気メッキあるいは無電解メッキにより、図１（ｄ）に示すように、ニッケルメッキとこの上に金メッキを施して、ニッケルメッキ層１５と金メッキ層１６とからなる化粧メッキが形成されたヒートシンク用焼結体１０を作製した。このようにして作製されたヒートシンク用焼結体１０においては、Ｗ（またはＭｏ）粒の粒径が増大して表面に形成された気孔１３が消滅していることから、化粧メッキとなるニッケルメッキ層１５および金メッキ層１６が焼結体から剥がれることはなかった。

この場合、上述の表３および表４には、平均粒径がそれぞれ１．０μｍのＷ−１５Ｃｕ（またはＷ−１５Ａｇ）の結果のみを示しているが、平均粒径がそれぞれ１．０μｍのＭｏ−１５Ｃｕ（またはＭｏ−１５Ａｇ）であってもほぼ同様な結果が得られている。また、平均粒径は１．０μｍに限らず０．１μｍ〜５．０μｍであればほぼ同様な結果が得られる。また、Ｃｕ（またはＡｇ）の添加量は１５質量％に限らず、５〜５０質量％であればほぼ同様な結果が得られる。

ついで、上述のような焼結体を用いて半導体キャリヤを作製する一例を、図６に基づいて、以下に詳細に説明する。なお、図６（ａ）は複合金属粉末の射出成形により成形された成形体を焼結した半導体キャリヤを示す斜視図であり、図６（ｂ）は、図６（ａ）の半導体キャリヤにリード端子とシールリングをハーメチックシールした状態を示す斜視図であり、図６（ｃ）は、図６（ｂ）の半導体キャリヤに化粧メッキ（防錆用メッキ）を施した後、半導体素子を搭載して、これらを覆うカバーを装着してステムタイプのＬＤモジュールとした状態を示す斜視図である。

まず、Ｗ（またはＭｏ）の含有割合が８５質量％で、Ｃｕの含有割合が１５質量％になるように調整した平均粒径が１．０μｍのＷ−１５Ｃｕ（またはＭｏ−１５Ｃｕ）複合金属粉末を用意した。この後、このＷ−１５Ｃｕ（またはＭｏ−１５Ｃｕ）複合金属粉末をヘンシェルミキサーに投入した。このとき、ヘンシェルミキサーの回転数を２０００ｒｐｍにした状態でヘンシェルミキサーを２０分間回転させて、Ｗ−１５Ｃｕ（またはＭｏ−１５Ｃｕ）複合金属粉末が互いに凝集しないようにして、Ｗ−１５Ｃｕ（またはＭｏ−１５Ｃｕ）複合金属粉末を均一化した。

ついで、このようにして得られた平均粒径が１．０μｍのＷ−１５Ｃｕ（またはＭｏ−１５Ｃｕ）複合金属粉末が５５〜６０体積％に対して、バインダー（ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリスチレン（ＰＳ）、アクリル、ＰＯＭ系樹脂などの有機系樹脂に、パラフィンワックス、密蝋などのワックスを添加したもの）を４５〜４０体積％添加し、混合、混練して成形用組成物とした。ついで、得られた成形用組成物をペレタイザーによりペレット化した後、得られたペレットを型締圧が２０ｔの射出成型機のホッパ内に投入し、射出温度が１６０℃で、金型温度が２５℃の金型内に射出成形した。

この後、金型を水冷して射出物を固化させて所定形状の半導体キャリヤ２０ａ（図６参照）となるグリーン体（成形体）を得た。ついで、このグリーン体を図示しない脱バインダ装置内に配置した。この後、脱バインダ装置内に１リットル／分の流量の窒素ガスを流入させて、窒素雰囲気にした。そして、昇温速度が０．１℃／分で加熱し、５５０℃の温度を２時間保持して、グリーン体を脱バインダ処理した。この脱バインダ処理により、上述したバインダは揮散して（除去されて）、Ｗ（またはＭｏ）とＣｕからなるブラウン体とした。この後、室温まで冷却してブラウン体を脱バインダ装置から取り出した。

ついで、得られたブラウン体を図示しない脱酸素装置内に配置した。この後、脱酸素装置内に１〜１０リットル／分の流量の水素ガスを流入させて、銅の融点温度以下の５００℃〜１０００℃の温度雰囲気で、ブラウン体を水素ガスの気流に充分に曝して、ブラウン体を脱酸素処理した。この脱酸素処理により、ブラウン体を構成するＷ粒子（またはＭｏ粒子）表面の酸化層は水素により充分に還元されることとなる。これにより、Ｗ粒子（またはＭｏ粒子）はＣｕとの濡れ性が向上するようになる。

ついで、脱酸素処理されたブラウン体を焼結炉に入れ、水素気流中で、５℃／分の昇温速度で加熱し、９００℃の温度を１時間保持した。この後、５℃／分の昇温速度で加熱し、１３２５℃になった時点でこの最高温度を２時間保持して焼結した。ついで、１０℃／分の降温速度で室温まで冷却して焼結体とした。これにより、Ｗ−１５Ｃｕ（またはＭｏ−１５Ｃｕ）の焼結体からなる半導体キャリヤ２０ａを作製した。図６は、このようにして得られた半導体キャリヤ２０ａを示しており、円板状のキャリヤベース２１と、このキャリヤベース２１から垂直に突出するマウント部２２とを備えており、これらが一体的に形成されている。

なお、円板状のキャリヤベース２１にはリード端子挿入用の貫通孔２３，２３が形成されている。また、マウント部２２は、キャリヤベース２１の上部に位置して、略多角柱状に形成されている。ついで、得られた半導体キャリヤ２０ａおよびリード端子２５，２５をオーブン中に載置した後、３５０℃で３０分間加熱して、半導体キャリヤ２０ａおよびリード端子２５，２５の表面を酸化処理した。なお、この酸化処理を施すことにより、後に行われるハーメチックシール用ガラスとの濡れ性が向上するようになる。

ついで、酸化処理後の半導体キャリヤ２０ａを電気メッキまたは無電解メッキにより、Ｎｉメッキ層の膜厚が１．０〜１０．０μｍになるようにＮｉメッキを施した。この場合のＮｉメッキは、スルファミン酸浴やワット浴等の電気メッキまたはＮｉ／Ｂ，Ｎｉ／Ｐ等の無電解メッキのどちらでも良い。Ｎｉメッキ後、焼結炉に入れ、水素気流中で、５０℃／分の昇温速度とし、最高温度が１２００〜１４００℃になるようにして加熱処理を行った。ついで、３０℃／分の降温速度で室温まで冷却した。これにより、この焼結体の表面に存在するＷ（またはＭｏ）粒の粒径が増大し、表面に形成された気孔が消滅することとなる。

ついで、円板状のキャリヤベース２１に形成されたリード端子挿入用の貫通孔２３，２３内に円筒形状のハーメチック用ガラスフリット２４，２４を配置するとともに、この貫通孔２３，２３内にリード端子２５，２５を配置した。この後、これらを図示しないカーボン製治具にセットした。このカーボン製治具を窒素雰囲気の熱処理炉に投入した後、昇温速度が５０℃／分で、最高温度が１０００℃になるまで加熱して、ハーメチック用ガラスフリット２４，２４を溶融させた。この後、降温速度が３０℃／分で室温まで冷却した。これによりリード端子２５，２５がキャリヤベース２１のリード端子挿入用の貫通孔２３，２３内にハーメチックシールされることとなる。

ついで、キャリヤベース２１の所定の位置にロウ材（ＡｇＣｕ）を介してＦｅＮｉ合金製あるいはＫＯＶＡＲ製のシールリング２６を配置した。また、図示しないアース端子挿入穴にロウ材（ＡｇＣｕ）を介してＦｅＮｉ合金製のアース端子２７を配置した後、これらを図示しないカーボン製治具にセットした。このカーボン製治具を水素雰囲気の熱処理炉に投入した後、昇温速度が５０℃／分で、最高温度が９００℃になるまで加熱して、ロウ材（ＡｇＣｕ）を溶融させた。この後、降温速度が３０℃／分で室温まで冷却した。

これにより、シールリング２６がキャリヤベース２１の所定の位置に溶着・固定されるとともに、アース端子２７がキャリヤベース２１の所定の位置に溶着・固定された半導体キャリア２０ｂが形成されることとなる。ついで、得られた半導体キャリア２０ｂをメッキ浴に浸漬して、電気メッキあるいは無電解メッキにより、ニッケルメッキと、この上に金メッキを施してニッケルメッキ層と金メッキ層とからなる化粧メッキを形成した。なお、このような化粧メッキを施すことにより、マウント部２２の側壁にＡｕ／Ｓｎ半田を使用してレーザーダイオード（ＬＤ）を接合しても、これらの間の接合が強固になるとともに、外部環境からの腐食に対する耐性も向上するようになるので、この種の半導体キャリアの信頼性が向上することとなる。

ついで、上述のように作製された半導体キャリア２０ｂを用いた光半導体モジュール２０の作製例について、以下に簡単に説明する。まず、この半導体キャリヤ２０ｂのマウント部２２の一側面にレーザが上向きに出射するように半導体レーザ（ＬＤ：図示せず）を載置して固定する。また、この半導体レーザ（ＬＤ）の下部に、レーザの出力を監視、制御するための受光素子（ＰＤ：図示せず）を載置して固定する。この後、半導体レーザと一方のリード端子２５とをボンディングワイヤーで接続するとともに、受光素子と他方のリード端子２５とをボンディングワイヤーで接続した。

一方、半導体レーザ（ＬＤ）や受光素子を気密に保持するためのＦｅＮｉ合金製あるいはＫＯＶＡＲ製のキャップ２８を用意する。そして、このキャップ２８をキャリヤベース２１の上に接合されたシールリング２６上に載置した後、窒素雰囲気中でキャップ２８の下端部をシールリング２６に抵抗溶接により接合して封止した。これにより、キャップ２８内に窒素ガスが封入された光半導体モジュール（ステム形ＬＤモジュール）２０が作製されることとなる。なお、このキャップ２９の先端部には光ファイバに効率よくレーザ光が入射するように、レンズ２９が装着されている。このように構成された光半導体モジュール２０においては、半導体レーザ（ＬＤ）から出射されたレーザ光は、レンズ２９によって光ファイバに効率よく結合されるようになされる必要がある。

本発明の製造方法により本発明のヒートシンク用焼結体が作製される過程を模式的に示す断面図であり、図１（ａ）は焼結後の焼結体を示す図であり、図１（ｂ）は図１（ａ）の焼結体にニッケルメッキを施した状態を示す図であり、図１（ｃ）はニッケルメッキ後に熱処理を行った状態を示す図であり、図１（ｄ）は熱処理後に防錆用のメッキを施した状態を示す図である。 ニッケルメッキ後の熱処理における昇温パターンを示す図である。 ニッケルメッキの厚みと熱伝導率の関係を示す図である。 増大粒層の厚みと熱伝導率の関係を示す図である。 ニッケルメッキ後の熱処理における熱処理温度の違いによる粒成長の違いを示す電子顕微鏡写真である。 半導体キャリヤを模式的に示す断面図であり、図６（ａ）は複合金属粉末の射出成形により成形された成形体を焼結した半導体キャリヤを示す斜視図であり、図６（ｂ）は、図６（ａ）の半導体キャリヤにリード端子とシールリングをハーメチックシールした状態を示す斜視図であり、図６（ｃ）は、図６（ｂ）の半導体キャリヤに化粧メッキ（防錆用メッキ）を施した後、半導体素子を搭載して、これらを覆うカバーを装着してステムタイプのＬＤモジュールとした状態を示す斜視図である。 溶浸法により焼結体を製造する工程を模式的に示す断面図である。 射出成形法（粉末冶金法）により焼結体を製造する工程を模式的に示す断面図である。 射出成形法（粉末冶金法）により製造された焼結体を模式的に示す断面図である。

符号の説明

１０…ヒートシンク用焼結体、１０…半導体キャリヤ、１０ａ…焼結体、１０ｂ…焼結体、１０ｃ…焼結体、１１…粉末、１２…、１３…気孔、１４…ニッケルメッキ層、１５…金メッキ層、２０…光半導体モジュール、２０…ステム形ＬＤモジュール、２０ａ…半導体キャリア、２０ｂ…半導体キャリア、２１…キャリヤベース、２２…マウント部、２３…リード端子挿入用の貫通孔、２４…ハーメチック用ガラスフリット、２５…リード端子、２６…シールリング、２７…アース端子、２８…キャップ、２９…レンズ

Claims (14)

1. タングステン（Ｗ）と銅（Ｃｕ）または銀（Ａｇ）、あるいはモリブデン（Ｍｏ）と銅（Ｃｕ）または銀（Ａｇ）からなる焼結体の表面に防錆用のメッキが施されたヒートシンク用焼結体であって、
   前記焼結体の表面部には前記タングステン（Ｗ）あるいはモリブデン（Ｍｏ）にニッケル（Ｎｉ）が固溶されてその粒径が内部に存在するタングステン（Ｗ）あるいはモリブデン（Ｍｏ）の粒径よりも大きく成長したタングステン（Ｗ）あるいはモリブデン（Ｍｏ）の増大粒が存在する増大粒層が形成されていることを特徴とするヒートシンク用焼結体。
2. 前記増大粒層は前記焼結体の表面から１００μｍまでの範囲に形成されていることを特徴とする請求項１に記載のヒートシンク用焼結体。
3. 前記増大粒層は前記焼結体の表面から５０μｍまでの範囲に形成されていることを特徴とする請求項１に記載のヒートシンク用焼結体。
4. 前記焼結体の内部に存在するタングステン（Ｗ）あるいはモリブデン（Ｍｏ）の粒径は０．１〜５μｍで、
   前記増大粒の粒径は内部に存在するタングステン（Ｗ）あるいはモリブデン（Ｍｏ）の粒径の５〜１０倍であることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載のヒートシンク用焼結体。
5. 前記焼結体は銅（Ｃｕ）または銀（Ａｇ）を５〜５０質量％含有することを特徴とする請求項１から請求項４のいずれかに記載のヒートシンク用焼結体。
6. タングステン（Ｗ）と銅（Ｃｕ）または銀（Ａｇ）、あるいはモリブデン（Ｍｏ）と銅（Ｃｕ）または銀（Ａｇ）からなる焼結体の表面に防錆用のメッキを施して形成するヒートシンク用焼結体の製造方法であって、
   タングステン（Ｗ）と銅（Ｃｕ）または銀（Ａｇ）、あるいはモリブデン（Ｍｏ）と銅（Ｃｕ）または銀（Ａｇ）からなる複合金属粉末または混合金属粉末を圧粉または射出成形した後、焼結して焼結体とする焼結工程と、
   前記焼結体の表面にニッケルメッキを施すニッケルメッキ工程と、
   前記表面にニッケルメッキが施された焼結体を熱処理する熱処理工程と、
   前記熱処理された焼結体の表面に防錆用のメッキ処理を施す防錆処理工程とを備えたことを特徴とするヒートシンク用焼結体の製造方法。
7. 前記ニッケルメッキ工程において、ニッケルメッキ層の厚みが１〜１０μｍになるように前記焼結体の表面にニッケルメッキを施すようにしたことを特徴とする請求項６に記載のヒートシンク用焼結体の製造方法。
8. 前記熱処理工程において、還元性雰囲気中で１２００℃以上で１４００℃以下の温度で加熱するようにしたことを特徴とする請求項６または請求項７に記載のヒートシンク用焼結体の製造方法。
9. 前記防錆用のメッキはニッケルメッキと、その上に形成された金メッキであることを特徴とする請求項６から請求項８のいずれか記載のヒートシンク用焼結体の製造方法。
10. 半導体素子を搭載するマウント部を有するキャリヤベースを備えた半導体キャリヤであって、
    前記マウント部を有するキャリヤベースはタングステン（Ｗ）と銅（Ｃｕ）または銀（Ａｇ）、あるいはモリブデン（Ｍｏ）と銅（Ｃｕ）または銀（Ａｇ）からなる焼結体表面に防錆用のメッキが施された焼結体からなり、
    前記焼結体の表面部には前記タングステン（Ｗ）あるいはモリブデン（Ｍｏ）にニッケル（Ｎｉ）が固溶されてその粒径が内部に存在するタングステン（Ｗ）あるいはモリブデン（Ｍｏ）の粒径よりも大きく成長したタングステン（Ｗ）あるいはモリブデン（Ｍｏ）の増大粒が存在する増大粒層が形成されていることを特徴とする半導体キャリヤ。
11. 前記増大粒層は前記焼結体の表面から１００μｍまでの範囲に形成されていることを特徴とする請求項１０に記載の半導体キャリヤ。
12. 前記増大粒層は前記焼結体の表面から５０μｍまでの範囲に形成されていることを特徴とする請求項１０に記載の半導体キャリヤ。
13. 前記焼結体の内部に存在するタングステン（Ｗ）あるいはモリブデン（Ｍｏ）の粒径は０．１〜５μｍで、
    前記増大粒の粒径は内部に存在するタングステン（Ｗ）あるいはモリブデン（Ｍｏ）の粒径の５〜１０倍であることを特徴とする請求項１０から請求項１２のいずれかに記載の半導体キャリヤ。
14. 前記焼結体は銅（Ｃｕ）または銀（Ａｇ）を５〜５０質量％含有することを特徴とする請求項１０から請求項１３のいずれかに記載の半導体キャリヤ。