JP2008240007A

JP2008240007A - Ｃｒ−Ｃｕ合金板、半導体用放熱板及び半導体用放熱部品

Info

Publication number: JP2008240007A
Application number: JP2007078178A
Authority: JP
Inventors: Seimei Terao; 星明寺尾; Hiroki Ota; 裕樹太田; Hideaki Kohiki; 英明小日置
Original assignee: JFE Steel Corp; JFE Precision Corp
Current assignee: JFE Steel Corp; JFE Precision Corp
Priority date: 2007-03-26
Filing date: 2007-03-26
Publication date: 2008-10-09
Anticipated expiration: 2027-03-26
Also published as: JP5030633B2

Abstract

【課題】面内の方向の熱膨張率が小さく、かつ熱伝導率が大きく、さらに高温に加熱する接合の後も低い熱膨張率を保持し、加工性に優れ、さらにメッキ性を改善したCr−Cu合金板を提供し、さらに、そのCr−Cu合金板を用いた半導体用放熱板と半導体用放熱部品を提供する。
【解決手段】Cuマトリックスと偏平したCr相からなる粉末冶金で得られたCr−Cu合金板の少なくとも片面に実質的にCuからなる表面層を有し、Cuからなる表面層を除いたCr−Cu合金板のCr含有量が30質量％超え80質量％以下であり、偏平したCr相の平均アスペクト比が1.0超え100未満であるCr−Cu合金板と、これを用いて半導体用放熱板や半導体用放熱部品を製造する。
【選択図】図１

Description

本発明は、電子機器に搭載された半導体素子等の発熱体から発生する熱を速やかに放散させるために用いられ、低い熱膨張率と高い熱伝導率を要求される半導体用放熱板（すなわちヒートシンク材またはヒートスプレッダー材）や半導体用放熱部品、ならびにその素材となるCr−Cu合金板に関するものである。
なお、ここでは半導体用放熱板と半導体用放熱部品を総称して放熱用材料と記す。

半導体素子等の電子部品を搭載した電子機器を作動させる際には、電子回路への通電に伴い電子部品が発熱する。電子機器の高出力化に伴い、作動時の発熱量はますます増加する傾向にあるが、温度が上昇し過ぎると半導体素子の特性が変化し、電子機器の動作が不安定になる問題が生じる。また長時間にわたって使用することによって過剰な高温に曝されると、電子部品の接合材（たとえばハンダ等）や絶縁材（たとえば合成樹脂等）が変質して、電子機器の故障の原因になる。そのため、電子部品から発熱する熱を速やかに放散させる必要がある。そこで、放熱用材料を介して熱を放散させる技術が種々検討されている。

半導体素子は、放熱用材料に直接、あるいはたとえば窒化アルミニウム（AlＮ）にAl電極をダイレクトボンディングした基板（いわゆるＤＢＡ基板）上にハンダ付けあるいはロウ付けされた後、放熱用材料の上に同様の方法により固定される。その際、ＤＢＡ基板の熱膨張率は５〜７×10^-6Ｋ^-1であるため、接合される放熱用材料としてはこれに近い熱膨張率を有することが要求される。現在使用されている放熱用材料としては、Ｗ−Cu系複合材料の熱膨張率が６〜９×10^-6Ｋ^-1であり、Mo−Cu系複合材料の熱膨張率が７〜14×10^-6Ｋ^-1である。このように接合される相手材に近い熱膨張率を有することにより、半導体素子の発熱によって発生する熱応力の影響を小さく抑えることができる。

放熱用材料は、熱膨張が少ないことに加えて、熱伝導率が大きいことが要求されるが、両者を同時に達成することは難しい。そのため、熱膨張率の小さい材料と熱伝導率の大きい材料を組み合わせた複合材料が多く用いられている。
このような例として、たとえば特許文献１には、Ｗ−Cu，Mo−Cu等の金属−金属系複合材料が提案されている。Ｗ，Moは熱膨張率が低く、他方、Cuは熱伝導率が高いという特性を利用する技術である。

また特許文献２には、SiＣ−Al，Cu₂Ｏ−Cu等のセラミックス−金属系の複合材料が開示されている。
さらに特許文献３にはCr−Cu，Nb−Cu等の金属−金属系複合材料が開示されている。この技術は、鋳造した後で熱間圧延し、さらに冷間圧延して所定の形状を得てから溶体化熱処理し、時効熱処理を行なってCrマトリックス中から粒子状Cr相を析出させ、それによって熱膨張率の低減を図るものである。特許文献３は、Cr−Cu系合金について、低熱膨張率と高熱伝導率を共に達成するための技術である。この技術は、２〜50質量％のCrを含有するCu合金について、第２相として存在する凝固の際に析出する初晶Cr相のアスペクト比を10以上とすることによって、複合則から予想されるよりも低い熱膨張率を得ることが可能になるというものである。しかしながら、製造方法は溶解鋳造法を前提としているので、開示されている方法ではCr含有量が増加すると、融点が高くなる上、凝固偏析により均質な合金製造が困難である。これを均質化するためには、高温長時間の均質化熱処理に加えて、熱間鍛造や熱間圧延工程が必要となる。したがって、特許文献３の実施例には、30質量％を超えるCrを含有する例は開示されていない。しかしながら、この方法では凝固の際の１次析出相であるCr相のアスペクト比を100以上として、やっと複合則より10％程度の熱膨張率低下が得られる程度である。Cr相のアスペクト比を100とするだけでも、たとえば冷間圧延では90％以上の圧下を必要とする。その結果、製造コストの上昇を招き、しかも製品として提供できる放熱用材料の寸法が制限されるという問題がある。

非特許文献１には、30質量％以上のCrを含むCr−Cu合金を溶解と冷間加工によって均一に製造する技術が開示されている。すなわち、CrとCuの混合粉末を焼結したものを消耗電極として用い、高価なアーク放電を用いた溶解鋳造法で鋳造し、さらに室温での延性が不十分なCrが変形し易いように押出し法によって丸棒を製造する方法である。押出し法は、Crに対してCuマトリックスからの静水圧が働くため、加工が容易となることを利用したものである。この技術では経済性に問題があり、かつ放熱材料のような薄い板状の材料の製造には適していない。

非特許文献２には、15質量％のCrを含み、20μｍ程度の微細Cr相を析出させたCr−Cu合金に対し、冷間で強加工を施すことにより、低い熱膨張率を達成する技術が開示されている。この技術では、Cr相を１μｍほどの厚さとなるまで強加工を行なう必要があり、経済性に問題がある。また、たとえば30質量％以上のCrを含む場合に、このような強加工を行なうことは困難であると考えられる。

また発明者らは、特許文献４に、熱処理によって熱膨張率を調整したCr−Cu材を放熱用材料に適用する技術を開示している。特許文献４に開示した粉末冶金法では、Cr粉末を使用し、Cuと焼結あるいは溶浸を行なって合金化し、同様に時効熱処理を行なってCrマトリックス中から粒子状Cr相の析出を図るものである。これらの方法では、粒子状Cr相の析出は３次元でランダムであり、どの方向に対しても膨張率は一定である。一方、半導体用放熱材料では、一般的に薄板形状が多く、この場合、板面上に半導体が接合されるので、半導体の接合部を含む面、つまり板の面内の方向の熱膨張率を小さくすることが要求される。

また、特許文献４に開示されたCr−Cu材では、微細析出物の析出形態を制御することのみで、熱膨張率を低減させる技術であるため、ロウ付け接合のような750℃以上の高温に加熱する接合方法では、微細析出物が変化してしまう惧れがあり、低い熱膨張率が安定して得られない。
特公平5-38457号公報特開2002-212651号公報特開2000-239762号公報特開2005-330583号公報 Siemens Forsch.-Ber.Bd,17(1988)No3 古河電工時報平成13年１月ｐ53〜57

本発明は上記のような問題を解消し、面内の方向の熱膨張率が小さく、かつ熱伝導率が大きく、さらに高温に加熱する接合の後も低い熱膨張率を保持し、加工性に優れ、さらにメッキ性を改善したCr−Cu合金板を提供し、さらに、そのCr−Cu合金板を用いた半導体用放熱板と半導体用放熱部品を提供することを目的とする。
つまり本発明は、放熱用材料（すなわち半導体用放熱板，半導体用放熱部品）に要求される種々の形状、特に板状の製品となりプレス成形用、さらにメッキを施されるための素材を提供するものであり、Crの原料として粉末を使用することによって、従来の溶解鋳造法では均質な材料の製造が容易ではない組成の放熱用材料に対して経済的に放熱用材料を提供するものである。

Cr−Cu合金の熱膨張率は、下記の(1)式で表わされる複合則に従うことが知られている（特許文献３参照）。
α_alloy＝α_Cr×Ｖ_Cr＋α_Cu×（１−Ｖ_Cr）・・・(1)
α_alloy：Cr−Cu合金の熱膨張率
α_Cr ：Crの熱膨張率
α_Cu ：Cuの熱膨張率
Ｖ_Cr ：Crの体積分率
ただし、実際には(1)式のような単純な相加平均には従わず、(1)式から予測されるより大きい値になるようなモデルが多く提案されている。たとえばGermanらのモデルが知られている（R.M.German et al. Int. J. Powder Metall, vol.30(1994),p205）。

公表されている純Crの熱膨張率のデータはばらつきが大きく、Cr−Cu合金の熱膨張率を正確に予測するのは難しいが、(1)式に従うとした場合、放熱用材料として好適な低熱膨張率（たとえば13×10^-6Ｋ^-1）を得るためのCr含有量がＶ_Cr値から算出でき、その計算値は30質量％以上となる。このようなCrを30質量％以上含有するCr−Cu合金を製造する際には、従来の溶解鋳造法ではアーク放電等の特殊な方法を採用する必要があり、製造コストの上昇は避けられない。

これに対して発明者らは、Crの含有量を広範囲にわたって調整可能な粉末冶金法を採用し、Cr粉末単独あるいはCr粉末とCu粉末を混合し焼結した後、Cuを溶浸する技術を開発した。Cr焼結体（すなわち多孔質体）またはCr−Cu焼結体に過剰のCuを溶浸させることにより、30質量％超え80質量％以下のCrを均一に分布させたCr−Cu合金板の表面に実質的にCuからなる表面層を有するCr−Cu合金板を容易に製造することが可能となる。

発明者らは、このような溶浸体に冷間圧延で10％以上の圧下を加えて得られるCuマトリックスと偏平したCr相からなるCr−Cu合金板に、必要に応じて熱処理を施すことによって、面内の方向の小さい熱膨張率を得ることが可能であるという知見を得た。つまり、溶浸体に必要により均質化および時効のための熱処理（以下、均質化時効熱処理という）を300〜1050℃で行なった後、冷間圧延で10％以上の圧下を付与してCr相を偏平させ、さらに必要に応じて軟質化および時効のための熱処理（以下、軟質化時効熱処理という）を300〜900℃で行なうことによって、面内の方向の熱膨張率の大幅な低減を達成できることを見出した。

冷間圧延前後の熱処理により、Cuマトリックス中に微細な粒子状Cr相が析出する。析出させる粒子状Cr相は、長径が100ｎｍ以下で、アスペクト比が10未満のものの密度が20個／μｍ²以上であることが熱膨張率低減の観点から好ましい。
なお、溶浸後の冷却過程で、Cuマトリックス中に針状あるいはデンドライト状のCr相が析出することがあるが、上記した偏平Cr相または粒子状Cr相とは異なるものである。

ここでいう粒子状Cr相の数は、以下の方法で決定される。すなわち１〜５kVの低加速電圧による走査型電子顕微鏡（いわゆるＳＥＭ）観察を１万倍〜30万倍程度で行ない、視野中に見えるCr相の数から密度（個／μｍ²）を算出する。
観察に用いるサンプルは、以下のような方法でエッチングを行なってから実施する。すなわち、蒸留水80mlに対し、２クロム酸カリウム10ｇ，硫酸（96質量％）５ml，塩酸（37質量％）１〜２滴を溶解混合した溶液中に、室温で３〜15秒浸漬後、水洗乾燥を行なうことで、微細なCr相の観察が可能となる。

焼結したままの素材や溶浸したままの素材を用いる方法は、さらに切削等の加工が必要であるので、様々な形状が要求される多品種少量生産には適していない。これに対して本発明のCr−Cu合金板は、様々な厚さの板形状への加工が容易であり、プレス加工による打ち抜きにも適用できるので、大量生産のみならず、多品種少量生産にも対応できる。
補足であるが、本発明のCr−Cu合金板では、溶浸体を製造する段階で空隙が残留する惧れがあるが、冷間圧延を行なうことによって空隙が押し潰されて密着する。その結果、空隙の存在に起因する熱伝導率の低下も防止できる。

すなわち本発明は、Cuマトリックスと偏平したCr相からなる粉末冶金で得られたCr−Cu合金板の少なくとも片面に実質的にCuからなる表面層を有し、Cuからなる表面層を除いたCr−Cu合金板のCr含有量が30質量％超え80質量％以下であり、偏平したCr相の平均アスペクト比が1.0超え100未満であるCr−Cu合金板である。
本発明のCr−Cu合金板においては、偏平したCr相の密度がCr−Cu合金板の厚み方向の１mmあたり200個以下であることが好ましい。

また本発明のCr−Cu合金板においては、Cuマトリックス中に、長径が100ｎｍ以下でアスペクト比が10未満の粒子状Cr相が析出し、粒子状Cr相の密度が20個／μｍ²以上であることが好ましい。
また本発明は、上記のCr−Cu合金板を使用した半導体用放熱板あるいは半導体用放熱部品である。

なお、本発明において、多孔質体とは、多孔質状の焼結体を指し、溶浸体とは、多孔質体の気孔（空隙）にCuを溶浸させたもの、およびCr粉末とCu粉末を混合して焼結した後、必要に応じてCuを溶浸させることにより得られるCuマトリックス中にCr相が存在するものを指す。
なお本発明のCr−Cu合金板は、偏平なCr相と、わずかにCrを含有するCu相（すなわちCuマトリックス）と、その少なくとも片面に実質的にCuからなる表面層を有する、いわゆるCr−Cu複合材料である。

本発明によれば、面内の方向の熱膨張率が小さく、かつ熱伝導率が大きく、さらに高温に加熱する接合の後も低い熱膨張率を保持し、しかも加工性とメッキ性に優れたCr−Cu合金板を提供でき、さらに、そのCr−Cu合金板を用いた半導体用放熱板と半導体用放熱部品を提供できる。

まず、本発明におけるCr含有量の限定理由を説明する。
Crは、本発明のCr−Cu合金板において、熱膨張率の低減を達成するための重要な元素である。Cr含有量が30質量％以下では、放熱用材料（すなわち半導体用放熱板，半導体用放熱部品）に要求される低熱膨張率（約14×10^-6Ｋ^-1以下）が得られない。一方、80質量％を超えると、熱伝導率が低下し、放熱用材料として十分な放熱効果が得られない。したがって、Crは30質量％超え80質量％以下とする。好ましくは40質量％以上70質量％以下である。なお、より好ましくは45質量％以上65質量％以下であり、50質量％超え65質量％以下が一層好ましい。

本発明の特徴は、Crの原料をCr粉末として粉末冶金法を適用する点にある。粉末冶金法の採用によって、Cr粉末を用い、これを単独で、あるいはCu粉末と混合して焼結した焼結体にCuを溶浸させることによって、30質量％を超えるCrを均一に分布させたCr−Cu合金板の製造が可能になった。
使用するCr粉末は、純度99質量％以上、ＪＩＳ規格Z2510:2004に準拠して篩分けした粒度10〜250μｍ（ＪＩＳ規格Z8801-1:2006に規定される公称目開き寸法）が好ましい。ただし、粒度が大きくなると、粉末を均一に充填することが困難になるほか、圧延後に板厚方向で十分な熱伝導率が得られ難いという傾向がある。また、粒度が小さくなるとCr粉末の表面積が増大して酸化し易くなり、焼結体（多孔質体）にCuを溶浸することが困難になる上、酸素含有量が増加して、後述するように加工性にも悪影響を及ぼす傾向がある。したがって、より好ましい粒度は30〜250μｍであり、50〜200μｍが一層好ましい。

また、Cr粉末中の不純物は、溶浸体の加工性向上の観点から、可能な限り低減することが好ましい。特にＯ，Ｎ，Ｃは多大な影響を及ぼし、大きい加工を施す場合には、Ｏ含有量を0.15質量％以下，Ｎ含有量を0.1質量％以下，Ｃ含有量を0.1質量％以下とすることが好ましい。より好ましくは、Ｏ含有量：0.08質量％以下，Ｎ含有量：0.03質量％以下，Ｃ含有量：0.03質量％以下である。

Cu粉末は、工業的に生産される電解銅粉，アトマイズ銅粉等を使用することが好ましい。
Cr粉末を焼結して得た多孔質体、またはCr粉末Cu粉末とを混合して焼結して得た多孔質体に溶浸させるCuは、工業的に製造されるタフピッチ銅，りん脱酸銅，無酸素銅等の金属Cu板、あるいは電解銅粉，アトマイズ銅粉等のCu粉末を使用するのが好ましい。すなわち本発明において、多孔質体とは溶浸技術の分野における通常の用法に従い、溶浸が可能な程度の気孔を有する物体を指す。好ましい気孔率としては、水銀圧下法（ＪＩＳ R1655：2003）で得られる値で15〜65体積％程度である。

本発明では、偏平したCr相の平均アスペクト比が1.0超え100未満である。平均アスペクト比が1.0以下では、面内の方向の熱膨張率の低減効果が得られない。一方、100以上とするには圧延回数が多く、負担が大きくなる上、放熱用材料に要求される良好な薄板形状とすることが困難となる。
Cr相のアスペクト比は、Cr−Cu合金板の厚み方向を含む断面のうち、偏平したCr相の長径が最大となる方向を含む断面、さらに具体的には溶浸体を冷間圧延した後の断面（圧延方向および圧下方向を含む断面）を光学顕微鏡で観察して求められ、下記の(2)式で算出される値である。そして、50〜100倍の光学顕微鏡で観察した任意の１視野の平均値を求める。なお、観察した視野に全体が入っているCr相について測定する。また複数のCr相が合体して形成されているように見えるものは、複数のCr相に分解し、分解した各Cr相のアスペクト比を求める。

アスペクト比＝Ｌ₁／Ｌ₂ ・・・(2)
なお(2)式において、Ｌ₁は、Cr−Cu合金の厚み方向を含む断面のうち、偏平したCr相の長径が最大となる方向を含む断面において長径が最大となる方向の最大長さを指し、Ｌ₂は、Cr−Cu合金の厚み方向を含む断面のうち、偏平したCr相の長径が最大となる方向を含む断面において厚み方向の最大長さを指す。冷間圧延を施して得られるCr−Cu合金板の場合には、上記の偏平したCr相の長径が最大となる方向は圧延方向である。また、２方向への圧延を行なう場合には、２方向のうち偏平したCr相の長径が最大となる圧延方向である。

本発明では、溶浸体のまま、あるいは溶浸後に均質化時効熱処理を施した後、容易に冷間圧延が可能である。さらに必要に応じて軟質化時効熱処理を施す。これらの熱処理や冷間圧延によって、熱膨張率を低減することができる。ただし、その効果を得るためには、冷間圧延にて総圧下率（すなわち100×〔ｔ₀−ｔ〕／ｔ₀；ｔ₀は初期の板厚，ｔは圧延後の板厚）が10％以上の圧下を付与することによって、1.0を超える平均アスペクト比を有するCr相を生成させることが必要である。

原料としてはアスペクト比が1.0〜2.0のCr粉末を使用することが好ましい。より好ましくは1.0〜1.5であり、さらに好ましくは1.0〜1.2である。ここでいうCr粉末のアスペクト比は、Cr粉末の個々のアスペクト比を平均した値であり、具体的にはたとえば紙面上にばらまいたCr粉末を上から観察し、個々の粒子の長径と短径の比を求めて算出した値であり、(2)式で定義されるアスペクト比とは異なる。

発明者らが検討した結果、圧下率の増加（すなわち偏平Cr相のアスペクト比の増大）とともに、ハンダ付け接合の温度に比べて高温まで加熱した後も低い熱膨張率が安定して保たれるようになることが分かった。このため、特に800℃を超える高温まで加熱されるロウ付け接合を行なう場合には、圧下率を大きく設定することが好ましい。高温に加熱した後の熱膨張率の安定性という観点から圧下率は30％以上が好ましく、より好ましい範囲は50％以上である。圧下率から予測できるCr相のアスペクト比は、圧下率が10％のときは1.1程度，圧下率30％のときが1.4，圧下率50％のときが2.0，圧下率が90％のときが10程度，圧下率が99％のときが100程度となる。

ただし、圧延後の平均アスペクト比を実測すると、上記の値の通りにならないことも多く、しばしば予測値と異なった値となる。発明者らが多くの実験から実測される平均アスペクト比を求めたところ、圧下率80％の場合で20〜24であった。この値は、上記に従う予測値（＝5.0）より大きく、予測値の２乗（＝25）より小さかった。そのため実際には、たとえば圧下率30％のときに1.4の２乗程度、圧下率50％のときに2.0の２乗程度の平均アスペクト比を上限とする範囲でばらつきを持つと考えられる。

一方、99％を超える圧下を付与するためには、冷間圧延でのパス回数が顕著に増大し、冷間圧延に長時間を要するので、放熱用材料の生産効率が著しく低下する。したがって、99％以下の圧下を付与することが好ましい。ただし90％以上の圧下を付与すると溶浸体の端部に割れが生じ易くなり、歩留りの低下を招く。したがって、90％未満の圧下を付与することが一層好ましい。

また、偏平したCr相の密度はCr−Cu合金板の厚み方向の１mmあたり200個以下であることが好ましい。厚み方向に200個／mmを超えるCr相が存在すると、厚み方向の熱伝導率が著しく低下し、放熱部品としての十分な放熱性能が得られないという傾向があるからである。好ましくは100個／mm以下である。なお、合金板の一様性の観点から10個／mm以上とすることが一層好ましい。

なお本発明のCr−Cu溶浸体において、冷間圧延ができるほどに加工性が改善した理由は、現在までのところ明らかではないが、最適な焼結，溶浸条件を選択することによって溶浸体中のガス成分が低減したこと等が原因であると考えられる。
また発明者らは、溶浸体のＯ，Ｎ，Ｃの含有量を低減すれば、冷間での加工性が著しく向上するという知見を得た。すなわち、溶浸体中のＯ含有量を0.08質量％以下，Ｎ含有量を0.05質量％以下，Ｃ含有量を0.05質量％以下とすることによって、30％以上の圧下を加えたときのCr−Cu溶浸体の割れが大幅に減少することを見出した。さらに、溶浸体中のＯ含有量を0.03質量％以下，Ｎ含有量を0.02質量％以下，Ｃ含有量を0.01質量％以下とすることによって、60％以上の圧下を加えたときのCr−Cu溶浸体の割れを抑制できることを見出した。

発明者らの検討の結果、Ｏ，Ｎ，Ｃの含有量を低減すればCr−Cu溶浸体の割れを抑制できることが判明した。なお、不可避的不純物は通常の範囲（たとえば合計で約１質量％以下）で問題ない。より好ましくは0.5質量％以下である。主な不可避的不純物としては、たとえば0.03質量％以下のＳ，0.02質量％のＰ，0.3質量％以下のFeを含んでも問題ない。

さらに、Crの焼結体（すなわち多孔質体）にCuを溶浸させると、CrがCu中に0.1〜2.0質量％固溶する。そのCuマトリックスに固溶したCrを、均質化時効熱処理および／または軟質化時効熱処理によってCu中に長径100ｎｍ（ナノメートル）以下，アスペクト比10未満の粒子状Cr相を析出させることができる。この粒子状Cr相の析出が熱膨張率を低減させ、さらに冷間圧延を行なって粒子状Cr相に方向性を付与することによって、板の面内の方向の熱膨張率を一層低減することが可能となる。

なお、より低い熱膨張率が必要な場合など、Crの一部または全てをMoおよび／またはＷに置き換えることも可能である。
次に、本発明のCr−Cu合金の製造方法について説明する。
本発明のCr−Cu合金の製造方法は、
(a)Cr粉末を、あるいは、Cr粉末とCu粉末を混合して、焼結して多孔質体とした後でCuを溶浸することによって、Cu中に多量のCrを均一に分布させた溶浸体を得る
(b)溶浸体を必要に応じて均質化時効熱処理し、溶浸体表面にCuを残存させたのち、さらに冷間圧延し、さらに必要に応じて軟質化時効熱処理することによって、溶浸体のままの状態に比べて熱膨張率を低減させる
という点に特徴がある。

Cr−Cu合金板を製造するにあたって、原料となるCr粉末を単独で、あるいはCu粉末と混合した後、型に充填して必要に応じて加圧成形し、その充填まま材または成形体を焼結して得られた焼結体にCuを溶浸させる。
加圧成形を行なう成形工程では、使用する原料の充填性や密度の目標値に応じて圧力を調整しながら成形する。また焼結と溶浸を同時に行なうことも可能である。

焼結の条件は、1000〜1600℃の範囲内（望ましくは1050〜1450℃の範囲内）の温度で30〜300分保持することが好ましい。雰囲気は水素雰囲気または真空が好ましい。
溶浸は従来から知られている技術を使用する。たとえば多孔質体の上面および／または下面に純Cuの板や粉末を配置させ、1100〜1300℃の範囲内（望ましくは1150〜1250℃の範囲内）の温度で20〜120分保持する。雰囲気は水素雰囲気または真空が好ましい。ただし、溶浸した後の加工性向上の観点から真空中で溶浸するのが好ましい。

なお本発明者らの研究によれば、CrとCuの混合粉を用い、焼結と同時に溶浸した後の冷却速度、あるいはCr粉末を焼結した多孔質体、またはCrとCuの混合粉を焼結した焼結体にCuを溶浸した後の冷却速度は、溶浸体の熱膨張率に影響を及ぼすことが判明した。具体的には、冷却速度が600℃／分以下であることが、より大きな熱膨張率の低減を達成できるので好ましい。現状では、冷却速度に応じて熱膨張率が変化する原因は明らかではないが、焼結中あるいは溶浸中にCuマトリックスに固溶したCrが熱処理によって析出する際に、冷却速度に応じて形態が変化するためと考えられる。

溶浸体に冷間圧延を行なう前に、必要に応じて均質化時効熱処理を施す。その温度は300〜1050℃の範囲内が好ましい。均質化時効熱処理の温度が300℃未満では、均質化や時効の効果が得られない。一方、1050℃を超えると、溶浸したCuが溶解して流れ出す惧れがある。保持時間は30分以上が好ましい。雰囲気は真空が好ましい。
溶浸した後、あるいはさらに均質化時効熱処理を施した後で、溶浸体の酸化層を除去するために、Cr−Cu合金板に機械加工（たとえばフライス盤による切削加工，砥石による研削加工等）を行なうことが好ましい。ただし、Cuからなる表面層を形成させ、メッキ性を改善するためにCuを表面に残存させる必要がある。残存させるCuの厚みは0.05mm以上が好ましい。この範囲の厚みのCuを残存させることにより、その後冷間圧延した後にCuからなる表面層を形成できる。

その後、冷間圧延を行なう。冷間で圧下を付与することによって、熱膨張率を低減できる。特に10〜90％という圧下率が比較的小さい通常の圧下であっても熱膨張率を低減できる。
冷間圧延後のCuからなる表面層の厚みは１μｍ以上とすることが好ましい。この範囲の表面層を形成することにより優れたメッキ性が得られる。表面層の厚みは観察した視野の任意の３箇所の平均とする。

冷間圧延を行なった後、必要に応じて軟質化時効熱処理を施す。その温度は300〜900℃の範囲内が好ましい。300℃未満では、軟質化の効果が得られない。一方、900℃を超えると、溶浸したCuが溶解して流れ出す惧れがある。保持時間は30分以上が好ましい。雰囲気は真空が好ましい。
溶浸体に冷間圧延を行なうことに加え、さらに均質化時効熱処理，軟質化時効熱処理を組み合わせることによって熱膨張率が低減する原因は、現状では明らかではないが、焼結工程あるいは溶浸工程においてCuマトリックスに固溶したCrが熱処理によって析出し、圧延によってその析出物が有利な方向に配向するためと考えられる。この効果を得るためには上記の通り10％以上の圧下を付与することが必要である。

なお、たとえば高い強度や剛性が必要な部材として用いる場合には、冷間圧延後の軟質化時効熱処理を省略することも可能である。また、たとえば高温のロウ付け接合により組立てを行なう場合では、接合時の加熱により、冷間圧延後の熱処理と同様の効果を得ることができる。
なお、冷間圧延の代わりに、スウェージング加工，ダイス引き抜き，鍛造等の冷間加工を行なっても良い。

また冷間圧延材の面内異方性を減ずるためには、垂直な２方向への圧延（いわゆるクロス圧延）を行なうことも有効であると考えられる。
本発明によるCr−Cu放熱板は、冷延ままの状態、あるいはさらに軟質化時効熱処理を施した状態で使用することができる。また必要に応じて半導体の台座としての使用を想定した耐食性および電食に対する性能を向上させる目的で、表面にさらにNiめっき，Auめっき，Agめっき等を単独で、あるいは組み合わせて施すことが好ましい。各種のめっきを施すことで、各種のはんだ接合やロウ付け接合の適用が可能になる。粉末冶金法に圧延法を組み合わせた本発明材では、低い熱膨張率が800℃を超える高温に曝された後も保持されるので、接合温度が750℃以上と高くなるロウ付け接合を行なう用途に対し、本発明材は非常に有利に適用できる。

＜実施例１＞
Cr粉末（粒度：50〜200μｍ，Ｏ：0.06質量％，Ｎ：0.02質量％，Ｃ：0.02質量％）を自然充填し、真空中で焼結して、気孔率45体積％（Cuを溶浸した後のCr含有量に換算すると50質量％に相当する）となる焼結体（70mm×70mm×約５mm）を作製した。焼結温度は1300℃、焼結時間は90分とした。得られた焼結体の上下両面にCu板を載置し、真空中で1200℃に加熱（保持時間：1.5時間）してCuを溶解し、焼結体に溶浸させて溶浸体（Ｏ：0.02質量％，Ｎ：0.01質量％，Ｃ：0.007質量％）を得た。溶浸した後の平均冷却速度は1200〜200℃の温度領域にて200〜600℃／時間とした。

この溶浸体に均質化時効熱処理（加熱温度：600℃，保持時間：１時間，雰囲気：真空）を施した。
次いでフライス盤を用いて、このCr−Cu合金の上下両面に、Cuを残存（上下面とも厚み約0.5mm）させつつ余剰のCuを除去して、厚さ６mmのCr−Cu合金板とした。このCr−Cu合金板を２ロール圧延機で冷間圧延を行なって、厚さ1.6mmまで圧下（圧下率：73％）した。その断面を撮影した写真の例を図１に示す。圧下率から見積もられるCr相のアスペクト比は約3.7〜13.7の範囲である。Cuからなる表面層の厚みは上下面とも約150μｍであった。

さらに、室温〜200℃の範囲の平均熱膨張率（圧延方向）を測定した。平均熱膨張率は9.5×１０^-6（K^-1）であった。偏平Cr相のアスペクト比は7.2、密度は約30個／ｍｍであった。また、走査型電子顕微鏡を用いて調査した結果、長径が100nm以下で、アスペクト比が10未満の粒子状Cr相がCu相中に約40個／μｍ²の割合で析出していることを確認した。さらに、レーザーフラッシュ法にて熱伝導率を測定した。レーザーフラッシュ法を採用するにあたって、同一成分のCr−Cu合金板を作製した。そのCr−Cu合金板の圧延前の厚さを変更することにより、この発明例と同じ圧下率の冷間圧延を行なうことによって２mm厚または0.8mm厚になるように調整した。その際、圧延後の板厚に対する表面Cuの厚さの割合が同一となるように、圧延前の溶浸体の上下面に残存させるCuの厚みを調整した。このようにして同一履歴となるようにして得られた２mm厚のCr−Cu合金板から試験片を採取して、その厚さ方向の熱伝導率をレーザーフラッシュ法で測定し、0.8mm厚のCr−Cu合金板から試験片を採取して、その面内の方向の熱伝導率をレーザーフラッシュによる２次元法で測定した。その結果、厚み方向の熱伝導率は約150Ｗ／ｍ・Ｋ，面内の方向の熱伝導率は約200Ｗ／ｍ・Ｋであり、いずれの方向も良好な熱伝導率を有することを確認した。

これらとは別に、半導体用放熱体として、半導体素子にハンダ付けして、接合の状況を調査した。この発明例の溶浸体（全厚５mm，上下面の残存Cu：各0.5mm厚）を用いて冷間圧延を行ない作製したCr−Cu合金板（厚さ0.8mm）を10mm×５mm×0.8mmの大きさにプレス加工し、さらに３μｍの厚さに電解ニッケルめっきを施した後、Auめっき２μｍを施した。また、メタライズし、Ni＋Auめっき処理した面を有する５mm×３mm×１mmの大きさのアルミナ板を準備し、Cr−Cu合金板とアルミナ板をハンダ付け（使用したハンダ：Sn−３質量％Ag−0.5質量％Cu）した。その結果、接合部分に問題は認められなかった。

これによって各種業務無線機，アマチュア無線機をはじめ、GSM/AMP方式自動車電話，広帯域無線インターネット接続モジュール等に用いられるシリコン半導体、GaAs半導体による高周波デバイス用台座，ベース，プレート用あるいは高輝度LED用台座に用いることが可能であることが確かめられた。
次に、この発明例のCr−Cu合金圧延板（厚さ2.5mm，上下面のCu厚さ：各約100μｍ）を50mm×100mm×2.5mm の大きさに加工し、厚さ５μｍのNiめっきを施した。このCr−Cu合金板にＤＢＡ基板と半導体素子を、到達温度が 245℃となるリフロー処理によってハンダ付け（使用したハンダ：Sn−３質量％Ag−0.5質量％Cu）した。

この電子部品冷却体の熱衝撃試験（加熱温度：−40℃，120℃，保持時間：５分）を行なった。熱衝撃試験は WINTEC LT20型液槽式熱衝撃試験器（楠本化成製）を使用した。試験が終了した後、超音波探傷によってクラックの有無を調査した。
発明例の電子部品冷却体は、3000サイクル終了後、接合界面における剥離やクラックは認められなかった。

これによってインバーター等のパワーデバイス半導体の放熱板として使用できることが確かめられた。
以上の実施例１で説明した通り、本発明のCr−Cu合金板は、低熱膨張率と高熱伝導率を併せ持ち、さらに、メッキ性にも優れ、半導体用放熱板や半導体用放熱部品に好適な材料である。

なお、図１には上下両面にCuからなる表面層を形成する例を示したが、いずれか片面のみにCuを残存させつつ余剰のCuを除去することによって、図２に示すような片面のみのCuからなる表面層を形成することも可能である。

上下両面にCuからなる表面層を形成したCr−Cu合金板の組織を示す断面写真である。片面にCuからなる表面層を形成したCr−Cu合金板の組織を示す断面写真である。

符号の説明

１ Cu相
２ Cr相
３ Cuからなる表面層

Claims

Cuマトリックスと偏平したCr相からなる粉末冶金で得られたCr−Cu合金板の少なくとも片面に実質的にCuからなる表面層を有し、前記表面層を除いたCr−Cu合金板のCr含有量が30質量％超え80質量％以下であり、前記偏平したCr相の平均アスペクト比が1.0超え100未満であるCr−Cu合金板。
前記偏平したCr相の密度が、Cr−Cu合金板の厚み方向の１mmあたり200個以下であることを特徴とする請求項１に記載のCr−Cu合金板。
前記Cuマトリックス中に、長径が100ｎｍ以下でアスペクト比が10未満の粒子状Cr相が析出し、前記粒子状Cr相の密度が20個／μｍ²以上であることを特徴とする請求項１または２に記載のCr−Cu合金板。
請求項１〜３のいずれか一項に記載のCr−Cu合金板を使用した半導体用放熱板。
請求項１〜３のいずれか一項に記載のCr−Cu合金板を使用した半導体用放熱部品。