JP2012140683A - Ｎｉを添加したヒートシンク材用Ｃｕと高融点金属複合体とその製造法 - Google Patents

Abstract

【課題】
Ｃｕ−高融点金属の複合材料のヒートシンク用材料としての熱特性と機械的性質を原料粉末の複雑な前処理を必要とせず比較的簡単な方法で改善する。
【解決手段】
粉砕した原料粉末を冷間ＣＩＰプレスし、グリーン圧縮体を高純度Ａｒガス中で液相焼結し、得られた焼結複合体をＨＩＰ処理して得た、Ｃｕが１０〜４０質量％と高融点、低熱膨張性の硬質金属が９０〜６０質量％で、Ｃｕの一部を焼結体全量に対し、０．１質量％以下のＮｉと置換してなり、高融点金属はその粒子間はＣｕの液相ネットによって連結された、高融点金属粒子の外面にはＮｉとの金属間化合物層が形成されているヒートシンク用複合焼結体。
【選択図】 なし

Description

この発明は、高熱伝導性材料と低熱膨張性硬質材料との複合材料からなるヒートシンク材、とくに、Ｃｕ−Ｍｏ複合材料に関する。

現在、表１に示す組成と特性を有するヒートシンク材用としてＣｕ−Ｍｏ複合材料が市販されている。

また、本願の出願人は、先に、特許文献１において、高熱伝導性材料と低熱膨張性硬質材料との複合材料からなるヒートシンク材としての特性を改善したＣｕ−Ｍｏ複合材料を開示した。

これは、複合材料からなるヒートシンク用材料の熱伝導率を複合材料粉末の混合度によって規定することによって、得られた焼結材料の熱伝導率特性を定量的に管理し、これによって、熱伝導率１６６．４Ｗ・ｍ−１Ｋ−１、密度９．１８ｇ／ｃｍ３を示すＣｕ−Ｍｏ複合材料を得たものである。

特願２００９−３９９４３号

従来のヒートシンク用Ｃｕ−Ｍｏ複合材料は、製造に際して、原料粉末の複雑な前処理が必要であるためコスト高の原因となっている。

本発明の課題は、原料粉末の複雑な前処理を必要とせず比較的簡単な方法で高密度、高熱伝導特性のヒートシンク用Ｃｕ−Ｍｏ複合材料を得ることにある。

本発明は、係る課題を達成するためには、上記従来の複合材料の焼結に際して、Ｃｕと高融点金属との混合粉末へのＮｉの添加と、焼結に際しての液相焼結とＨＩＰの併用が極めて効果的であるという知見に基づくものである。

本発明は、その基材として、従来からヒートシンク材として周知のＣｕのような高熱伝導性材料が１０〜４０質量％と、ＷまたはＭｏのような低熱膨張性硬質の高融点金属９０〜６０質量％からなる焼結材に適用でき、全量に対し、１．０質量％以下のＮｉを適用する。

そして、本発明のＣｕ−高融点金属−Ｎｉ複合体は、Ｃｕと高融点金属とＮｉとの混合粉末を液相焼結とＨＩＰとの組み合わせ処理によって製造される。すなわち、このＣｕ−高融点金属−Ｎｉ複合体は、平均粒径が５μｍ以下で純度が９９．５％以上の純度のＣｕ粉末を１０〜４０質量％と、平均粒径が３μｍ以下で９９．９％以上の純度の高融点金属粉末を９０〜６０質量％と、粒径が３−７μｍで純度が９９．９％以上のＮｉ粉末１．０質量％以下からなる混合粉末を粉砕混合したのち、粉砕混合粉末をＣＩＰプレスし、得られたグリーン圧縮体を高純度Ａｒガス中で、１０００〜１７００Ｋの温度範囲で液相焼結した後、ＨＩＰ処理することによって得られる。

上記現象は、その複合体中に存在するＮｉが、高融点金属粒子の粒界でＭｏと反応し、その結果、高い界面エネルギーを有する金属間化合物を形成するものと考えられる。その金属間化合物の形成は、その液相焼結の間、液相Ｃｕへの高融点金属の溶解度を増し、高融点金属粒子と液相Ｃｕとの間の濡れ性を改善するものと考えられる。

そして、高融点金属粒子間は、ミクロ的に、Ｃｕのネットによって連結されており、高融点金属粒子の外面にはＮｉとの金属間化合物層が形成されており、Ｃｕ−高融点金属からなる基材に対して、相対密度と熱伝導性が向上し、ヒートシンク材としての特性が向上する。

Ｃｕ−高融点金属複合体にＮｉを、複合体全量に対して１．０質量％以下添加し、さらに、原料粉末のグリーンコンパクトを液相焼結したのち、ＨＩＰ処理することによって、相対密度とミクロ硬さ、熱伝導性が増大し、ヒートシンク用材料としての特性が向上する。

Ｃｕ−Ｍｏ複合体の相対密度とミクロ硬さ熱伝導度に与えるＮｉ添加の影響を示す。 Ｃｕ−Ｍｏ複合体の相対密度とミクロ硬さに与えるＮｉ添加の影響を示す。 （ａ）Ｎｉ含有量が０．４５質量％におけるＣｕ−Ｍｏ複合体のミクロ組織を示す。 （ｂ）Ｎｉ含有量が０．８５質量％におけるＣｕ−Ｍｏ複合体のミクロ組織を示す。

本発明の実施の形態をＣｕ−Ｍｏ複合体に適用した実施例によって説明する。

（原料粉末）
原料粉末として、平均粒径が５μｍで９９．５％以上の純度のＣｕ粉末と、平均粒径が３μｍで９９．９％以上の純度のＭｏ粉末と、粒径が３−７μｍで純度が９９．９％以上のＮｉ粉末を、Ｃｕが２８．７５−Ｘｗｔ％、Ｍｏが７１．２５ｗｔ％、ＮｉがＸｗｔ％の組成の混合粉末から試料を以下の方法で調製した。

（原料粉末の調合）
原料粉末を、Ａｒ雰囲気下で、遊星型ボールミル中で、１時間粉砕混合した。ボ−ル対粉末比は１：１．５で、粉砕速度は３００ｒｐｍであった。

（調合粉末の処理）
粉砕混合粉末を１４７ＭＰａの下でＣＩＰプレスした。次いで、グリーン圧縮体を高純度Ａｒガス中で４時間、１６７３Kで液相焼結をした。この焼結複合体を１１７３Kで、２００ＭＰａの下で、Arガス中で２時間HIP処理した。

（焼結複合体の特性の測定）
熱伝導性はレーザーフラッシュ法によって、見かけ密度はアルキメデス法によって、また、硬さは、マイクロビッカース硬度計で５０ｇ、１５ｓ負荷で測定した。ミクロ組織は顕微鏡測定によって行った。

（結論）
得られたＣｕ−Ｍｏの相対密度、マイクロ硬さ、および熱伝導度をＮｉ含有量の因子として測定した結果を図１と図２に示す。これらの図においては、液相焼結複合体（Ｎｉを含まない）のＨＩＰ処理の影響を見るために、ＨＩＰ処理されない複合体の値も示している。

Ｃｕ−Ｍｏ複合体の相対密度とミクロ硬さとＮｉ添加量の関係を示す図１によって、ＨＩＰ処理の結果、相対密度とミクロ硬さが極端に増大していることが分かる。

また、Ｃｕ−Ｍｏ複合体の熱伝導度とＮｉ添加量との影響を示す図２によって、その焼結Ｃｕ−Ｍｏ複合体の熱伝導度もＨＩＰ処理によって大きく増大していることも観察された。

これらの図から、液相焼結とＨＩＰ処理との組み合わせは、その高い相対密度とミクロ硬さと熱伝導度との達成に大きく影響を与えていることが分かる。

しかしながら、図２において、Ｎｉの添加は０．６質量％程度まで熱伝導度の増大に大きく貢献しているが、これが０．６質量％を超えると高品質のヒートシンク用材料として好ましいとされている１６０W・m-1K-1以下となり、その用途が制限されることになる。

図３の（ａ）は、Ｎｉの添加量が０．４５質量％におけるＣｕ−Ｍｏ複合体のミクロ組織を示し、また（ｂ）はＮｉ含有量が０．８５質量％におけるＣｕ−Ｍｏ複合体のミクロ組織を示す。

Ｎｉ添加量が０．４５質量％の場合、その液相Ｃｕのネットは良く連結され、Ｍｏ粒子は複合体中に一様に分散されている。しかしながら、複合体中にＮｉを０．８５質量％の場合、部分的にＭｏ粒子の粗大化が観察された。Ｍｏ粒子の粗大化は、図１に示されているように、ミクロ硬さの増大をもたらす。また、図２に示すＮｉ添加量が０．６質量％を超える場合の熱伝導度の極端な低下は、Mo粒の粗大化によって、熱伝導性がMoより大幅に良好な、Cuのネットワークが切れ切れになってしまって、そのために、相対密度は増大しても熱伝導度は低下することになる。

これら図３の（ａ）と（ｂ）に示すミクロ組織から、微量のＮｉの添加は、Ｍｏの溶解度の増大によるＣｕ−Ｍｏ複合体の液相焼結に利益をもたらし、それが、図１と図２に示すように、適量のＮｉの添加は、Ｍｏの溶解度の増大によるＣｕ−Ｍｏ複合体の液相Ｃｕの形成は、熱伝導度の改善に利益をもたらす。

この実施例の結果から、複合体中に存在するＮｉが、Ｍｏ粒子の粒界でＭｏと反応し、その結果、高い界面エネルギーを有する金属間化合物を形成し、この金属間化合物の形成は、その液相焼結の間、液相ＣｕへのＭｏの溶解度を増し、Ｍｏと液相Ｃｕとの間の濡れ性を改善するものと考えられる。

このように、Ｎｉの存在は、Ｍｏ粒子中の連続Ｃｕネットの形成を助ける液相Ｃｕの流動特性を改善し、Ｃｕ−Ｍｏ複合体の熱伝導性を増大する結果をもたらす。

Claims (2)

1. Ｃｕが１０〜４０質量％と高融点、低熱膨張性の硬質金属が９０〜６０質量％を基本組成とする焼結体において、
   前記Ｃｕの一部を焼結体全量に対し、１．０質量％以下のＮｉと置換してなり、
   前記高融点金属はその粒子間はＣｕの液相ネットによって連結されており、
   高融点金属粒子の外面にはＮｉとの金属間化合物層が形成されているヒートシンク用複合焼結体。
2. 平均粒径が５μｍ以下で純度が９９．５％以上の純度のＣｕ粉末を１０〜４０質量％と、平均粒径が３μｍ以下で９９．９％以上の純度の高融点金属粉末を９０〜６０質量％と、粒径が３−７μｍで純度が９９．９％以上のＮｉ粉末１．０質量％以下からなる混合粉末を粉砕混合したのち、粉砕混合粉末を冷間ＣＩＰプレスし、得られたグリーン圧縮体を高純度Ａｒガス中で液相焼結し、得られた焼結複合体をＨＩＰ処理するヒートシンク用複合焼結体の製造方法。