JP2979728B2 - 半導体放熱基板材料の製造方法 - Google Patents
半導体放熱基板材料の製造方法Info
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- JP2979728B2 JP2979728B2 JP3151138A JP15113891A JP2979728B2 JP 2979728 B2 JP2979728 B2 JP 2979728B2 JP 3151138 A JP3151138 A JP 3151138A JP 15113891 A JP15113891 A JP 15113891A JP 2979728 B2 JP2979728 B2 JP 2979728B2
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Description
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、IC等の半導体素子を
搭載するCu−W系又はCu−Mo系放熱基板材料の製
造方法に関する。
搭載するCu−W系又はCu−Mo系放熱基板材料の製
造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】近年、ICやLSIの演算速度の向上、
トランジスタの電気容量の増大、GaAsを用いた半導
体素子やFETの出現等によって、駆動時に半導体素子
に発生する発熱量が増大しているため、この熱をいかに
放熱させるかという点が大きな課題となっている。
トランジスタの電気容量の増大、GaAsを用いた半導
体素子やFETの出現等によって、駆動時に半導体素子
に発生する発熱量が増大しているため、この熱をいかに
放熱させるかという点が大きな課題となっている。
【0003】一般に、半導体素子内に発生する熱は、半
導体素子を搭載した基板を通してセラミックパッケージ
等の容器外に排出される。従って、発熱量の多い半導体
素子を搭載する放熱基板材料は熱伝導度が大きいことが
重要であり、又一般的な条件として熱膨張率が半導体素
子及びパッケージのセラミックに近いこと等が必要であ
る。かかる条件に適した放熱基板材料として、例えば特
開昭59−141247号公報に記載されるようなCu−W系又
はCu−Mo系の合金が知られている。このCu−W系
又はCu−Mo系の合金からなる放熱基板材料は、Cu
含有量が5〜25重量%であって、平均粒径1〜40μmのW
粉末及び/又はMo粉末を加圧成形した後、1300〜1600
℃の非酸化性雰囲気にて焼結した焼結多孔体にCuを含
浸させる方法等により製造されていた。
導体素子を搭載した基板を通してセラミックパッケージ
等の容器外に排出される。従って、発熱量の多い半導体
素子を搭載する放熱基板材料は熱伝導度が大きいことが
重要であり、又一般的な条件として熱膨張率が半導体素
子及びパッケージのセラミックに近いこと等が必要であ
る。かかる条件に適した放熱基板材料として、例えば特
開昭59−141247号公報に記載されるようなCu−W系又
はCu−Mo系の合金が知られている。このCu−W系
又はCu−Mo系の合金からなる放熱基板材料は、Cu
含有量が5〜25重量%であって、平均粒径1〜40μmのW
粉末及び/又はMo粉末を加圧成形した後、1300〜1600
℃の非酸化性雰囲気にて焼結した焼結多孔体にCuを含
浸させる方法等により製造されていた。
【0004】しかし、上記した従来のCu−W系又はC
u−Mo系放熱基板材料は加圧成形を用いる通常の粉末
冶金法で製造するため、製造できる形状が限られ又寸法
精度に限度がある等の問題があった。即ち、加圧成形と
してプレス成形を用いる場合には一軸方向で成形できる
形状の基板材料しか製造できず、又CIP成形では三次
元形状の基板材料が得られるものの、ゴム型中で成形す
るため高い寸法精度が望めなかった。
u−Mo系放熱基板材料は加圧成形を用いる通常の粉末
冶金法で製造するため、製造できる形状が限られ又寸法
精度に限度がある等の問題があった。即ち、加圧成形と
してプレス成形を用いる場合には一軸方向で成形できる
形状の基板材料しか製造できず、又CIP成形では三次
元形状の基板材料が得られるものの、ゴム型中で成形す
るため高い寸法精度が望めなかった。
【0005】しかるに最近では、三次元の複雑な形状の
放熱基板が使用されるようになり、しかも高い寸法精度
を要求されるに至っている。そのため、上記した通常の
粉末冶金法で製造するCu−W系及びCu−Mo系放熱
基板では対応できず、単純な形状に製造した基板材料に
切削等の機械加工を施したり、或は複数の単純な形状の
基板材料又は複数の機械加工した基板材料をろう付けす
ることにより、三次元複雑形状を形成している現状であ
る。このため、加工工数が増えて放熱基板がコスト高に
なるうえ、Cu−W系及びCu−Mo系合金材料が難切
削材であることから切削工具の頻繁な取り替えが必要と
なり、特に中ぐり加工又はフライス加工で軸方向に加工
代が大きい場合は極めて繁雑で多くの労力を要してい
た。
放熱基板が使用されるようになり、しかも高い寸法精度
を要求されるに至っている。そのため、上記した通常の
粉末冶金法で製造するCu−W系及びCu−Mo系放熱
基板では対応できず、単純な形状に製造した基板材料に
切削等の機械加工を施したり、或は複数の単純な形状の
基板材料又は複数の機械加工した基板材料をろう付けす
ることにより、三次元複雑形状を形成している現状であ
る。このため、加工工数が増えて放熱基板がコスト高に
なるうえ、Cu−W系及びCu−Mo系合金材料が難切
削材であることから切削工具の頻繁な取り替えが必要と
なり、特に中ぐり加工又はフライス加工で軸方向に加工
代が大きい場合は極めて繁雑で多くの労力を要してい
た。
【0006】一方、特公昭63−42682号公報等に開示さ
れるように、金属又は合金粉末を有機バインダーと混練
して射出成形し、非酸化性雰囲気中での熱分解等の脱バ
インダー処理により成形体から有機バインダーを除去し
た後、焼結する方法が開発されている。又、有機バイン
ダーとしては、例えば特公昭51−29170号公報に記載さ
れたアタクチックポリプロピレン、ワックス、パラフィ
ン等の潤滑剤や、ジエチルフタレート等の可塑剤、特開
昭55−113511号公報に記載された熱可塑性樹脂とカップ
リング剤など、数多くのものが知られている。この射出
成形を用いた粉末冶金法では、射出成形により成形体を
得るので複雑な三次元形状にも対応でき且つ高い寸法精
度が得られる利点がある。
れるように、金属又は合金粉末を有機バインダーと混練
して射出成形し、非酸化性雰囲気中での熱分解等の脱バ
インダー処理により成形体から有機バインダーを除去し
た後、焼結する方法が開発されている。又、有機バイン
ダーとしては、例えば特公昭51−29170号公報に記載さ
れたアタクチックポリプロピレン、ワックス、パラフィ
ン等の潤滑剤や、ジエチルフタレート等の可塑剤、特開
昭55−113511号公報に記載された熱可塑性樹脂とカップ
リング剤など、数多くのものが知られている。この射出
成形を用いた粉末冶金法では、射出成形により成形体を
得るので複雑な三次元形状にも対応でき且つ高い寸法精
度が得られる利点がある。
【0007】しかし、この射出成形を用いた粉末冶金法
をCu−W系及びCu−Mo系放熱基板材料の製造に適
用する場合、W粉末とCu粉末又はMo粉末とCu粉末
に、Ni粉末、Fe粉末又はCo粉末を混合し、有機バ
インダーを混練して射出成形し、脱バインダー処理後焼
結することになるが、上記の組成系では脱バインダー処
理後にも成形体中にカーボンが残りやすく、そのため残
留カーボンにより焼結時の濡れ性が低下し、得られる放
熱基板材料に気孔が残留することが避けられなかった。
その結果、これらの残留気孔が放熱基板材料の熱伝導を
阻害し、又後のNiやAu等のメッキ時にシミや発泡の
原因となってメッキ層の密着性を低下させる等の欠点が
あった。
をCu−W系及びCu−Mo系放熱基板材料の製造に適
用する場合、W粉末とCu粉末又はMo粉末とCu粉末
に、Ni粉末、Fe粉末又はCo粉末を混合し、有機バ
インダーを混練して射出成形し、脱バインダー処理後焼
結することになるが、上記の組成系では脱バインダー処
理後にも成形体中にカーボンが残りやすく、そのため残
留カーボンにより焼結時の濡れ性が低下し、得られる放
熱基板材料に気孔が残留することが避けられなかった。
その結果、これらの残留気孔が放熱基板材料の熱伝導を
阻害し、又後のNiやAu等のメッキ時にシミや発泡の
原因となってメッキ層の密着性を低下させる等の欠点が
あった。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】本発明はかかる従来の
事情に鑑み、射出成形を用いた粉末冶金法を利用して、
高い寸法精度で複雑な形状を有し、残留気孔がなく緻密
で、優れた熱伝導率を有するCu−W系又はCu−Mo
系の合金からなる半導体放熱基板材料を製造する方法を
提供することを目的とする。
事情に鑑み、射出成形を用いた粉末冶金法を利用して、
高い寸法精度で複雑な形状を有し、残留気孔がなく緻密
で、優れた熱伝導率を有するCu−W系又はCu−Mo
系の合金からなる半導体放熱基板材料を製造する方法を
提供することを目的とする。
【0009】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明が提供する半導体放熱基板材料の製造方法
は、銅含有量が5〜25重量%の銅−タングステン系又は
銅−モリブデン系合金からなる放熱基板材料の製造方法
であって、粒径が10μm以下でその30〜50重量%が粒径1
μm以下であるタングステン粉末又はモリブデン粉末
と、粒径10μm以下の銅粉末とに、焼結助剤として粒径1
0μm以下のニッケル粉末、鉄粉末又はコバルト粉末の少
なくとも1種を混合し、この混合粉末にワックス:ポリ
エチレンの体積比が1:1〜4:1であるワックスとポリエ
チレンとからなる有機バインダーを30〜50体積%混練し
て射出成形し、得られた成形体を真空中又は非酸化性ガ
ス中において400℃まで加熱し、次に水素ガス中におい
て600〜850℃に加熱保持することにより有機バインダー
を除去し、その後水素ガス中において1500〜1600℃で焼
結することを特徴とする。
め、本発明が提供する半導体放熱基板材料の製造方法
は、銅含有量が5〜25重量%の銅−タングステン系又は
銅−モリブデン系合金からなる放熱基板材料の製造方法
であって、粒径が10μm以下でその30〜50重量%が粒径1
μm以下であるタングステン粉末又はモリブデン粉末
と、粒径10μm以下の銅粉末とに、焼結助剤として粒径1
0μm以下のニッケル粉末、鉄粉末又はコバルト粉末の少
なくとも1種を混合し、この混合粉末にワックス:ポリ
エチレンの体積比が1:1〜4:1であるワックスとポリエ
チレンとからなる有機バインダーを30〜50体積%混練し
て射出成形し、得られた成形体を真空中又は非酸化性ガ
ス中において400℃まで加熱し、次に水素ガス中におい
て600〜850℃に加熱保持することにより有機バインダー
を除去し、その後水素ガス中において1500〜1600℃で焼
結することを特徴とする。
【0010】
【作用】本発明方法で用いる原料粉末は、W粉末又はM
o粉末とCu粉末、及び焼結助剤としてのNi粉末、F
e粉末、Co粉末の少なくとも1種であり、これらをボ
ールミルやアトライター等を用いてアルコール等と共に
混合すると同時に粉砕することにより混合粉末とする。
これら原料粉末の粒径は、良好な焼結性を得るために10
μm以下にコントロールする必要がある。特にW粉末と
Mo粉末については、粒径1μm以下の微粉末が重量比で
30〜50%となるように配合することによって、これら微
粉末が粗粉末の隙間を埋め、焼結体の密度が高められ
る。
o粉末とCu粉末、及び焼結助剤としてのNi粉末、F
e粉末、Co粉末の少なくとも1種であり、これらをボ
ールミルやアトライター等を用いてアルコール等と共に
混合すると同時に粉砕することにより混合粉末とする。
これら原料粉末の粒径は、良好な焼結性を得るために10
μm以下にコントロールする必要がある。特にW粉末と
Mo粉末については、粒径1μm以下の微粉末が重量比で
30〜50%となるように配合することによって、これら微
粉末が粗粉末の隙間を埋め、焼結体の密度が高められ
る。
【0011】尚、本発明方法に係わるCu−W系又はC
u−Mo系合金の組成については、Cuの含有量は従来
と同様に5〜25重量%の範囲とする。Cu含有量が5重量
%未満では所望の熱伝導率や熱膨張率を得ることができ
ず、25重量%を越えると熱膨張率が大きくなり過ぎるた
めである。又、焼結助剤であるNi、Fe又はCoの添
加量は出来るだけ少ないことが好ましく、0.05重量%未
満では焼結の進行が著しく阻害され又0.7重量%を越え
ると熱伝導率の低下を来すので、0.05〜0.7重量%の範
囲がより好ましい。
u−Mo系合金の組成については、Cuの含有量は従来
と同様に5〜25重量%の範囲とする。Cu含有量が5重量
%未満では所望の熱伝導率や熱膨張率を得ることができ
ず、25重量%を越えると熱膨張率が大きくなり過ぎるた
めである。又、焼結助剤であるNi、Fe又はCoの添
加量は出来るだけ少ないことが好ましく、0.05重量%未
満では焼結の進行が著しく阻害され又0.7重量%を越え
ると熱伝導率の低下を来すので、0.05〜0.7重量%の範
囲がより好ましい。
【0012】混合粉末に添加する有機バインダーはワッ
クスとポリエチレンからなり、ワックス:ポリエチレン
の体積比は1:1〜4:1の範囲とする。この体積比が1:1
未満ではワックス量が少ないため600〜850℃でのポリエ
チレンの分解、昇華時に成形体にクラックが発生しやす
く、又4:1を越えるとワックス量が多くなり過ぎるた
め、100℃以下でワックスが流れ出して成形体強度を低
下させると共に、脱バインダー処理後の残留カーボン量
が多くなるからである。又、原料粉末に対する有機バイ
ンダーの量が30体積%未満では射出成形時の流れが悪
く、50体積%を越えると脱バインダー処理後の成形体強
度が不足し、又残留カーボン量も増加するので、有機バ
インダー量は30〜50体積%とする。
クスとポリエチレンからなり、ワックス:ポリエチレン
の体積比は1:1〜4:1の範囲とする。この体積比が1:1
未満ではワックス量が少ないため600〜850℃でのポリエ
チレンの分解、昇華時に成形体にクラックが発生しやす
く、又4:1を越えるとワックス量が多くなり過ぎるた
め、100℃以下でワックスが流れ出して成形体強度を低
下させると共に、脱バインダー処理後の残留カーボン量
が多くなるからである。又、原料粉末に対する有機バイ
ンダーの量が30体積%未満では射出成形時の流れが悪
く、50体積%を越えると脱バインダー処理後の成形体強
度が不足し、又残留カーボン量も増加するので、有機バ
インダー量は30〜50体積%とする。
【0013】有機バインダーと混練した原料粉末は通常
のごとく最終製品と相似形の形状に射出成形し、次に成
形体の脱バインダー処理を行う。脱バインダー処理は2
段階に別れており、第1段階では成形体を真空中又は非
酸化性ガス中において400℃まで加熱することにより、
主にワックスを溶解して成形体から流出させる。第1段
階の脱バインダー処理における400℃までの昇温速度は
成形体の肉厚や形状等によって異なるが、通常は5〜10
℃/時間が適当である。又、第1段階の脱バインダー処
理の雰囲気は、原料粉末の酸化を抑えることが出来れば
よく、従って真空中、又は水素ガス、窒素ガス、或はア
ルゴン等の不活性ガスのような非酸化性ガス中で行うこ
とが出来る。
のごとく最終製品と相似形の形状に射出成形し、次に成
形体の脱バインダー処理を行う。脱バインダー処理は2
段階に別れており、第1段階では成形体を真空中又は非
酸化性ガス中において400℃まで加熱することにより、
主にワックスを溶解して成形体から流出させる。第1段
階の脱バインダー処理における400℃までの昇温速度は
成形体の肉厚や形状等によって異なるが、通常は5〜10
℃/時間が適当である。又、第1段階の脱バインダー処
理の雰囲気は、原料粉末の酸化を抑えることが出来れば
よく、従って真空中、又は水素ガス、窒素ガス、或はア
ルゴン等の不活性ガスのような非酸化性ガス中で行うこ
とが出来る。
【0014】次の第2段階の脱バインダー処理は、第1
段階の脱バインダー処理後の成形体を水素ガス中におい
て600〜850℃に保持することにより、高温でポリエチレ
ンを分解、昇華させる。第2段階の脱バインダー処理を
水素ガス雰囲気で行うのは、水素ガス以外では原料粉末
に含まれ又は混練等により混入した酸素を十分に除去出
来ず、焼結後に良好な組織が得られないからである。上
記2段階の脱バインダー処理を終了すると、成形体中の
残留カーボン量が0.02重量%以下と極めて少なくなる。
段階の脱バインダー処理後の成形体を水素ガス中におい
て600〜850℃に保持することにより、高温でポリエチレ
ンを分解、昇華させる。第2段階の脱バインダー処理を
水素ガス雰囲気で行うのは、水素ガス以外では原料粉末
に含まれ又は混練等により混入した酸素を十分に除去出
来ず、焼結後に良好な組織が得られないからである。上
記2段階の脱バインダー処理を終了すると、成形体中の
残留カーボン量が0.02重量%以下と極めて少なくなる。
【0015】脱バインダー処理した成形体は、その後水
素ガス中において1500〜1600℃の温度で焼結する。焼結
温度が1500℃未満では焼結体の緻密化が不十分であり、
1600℃を越えると自重により変形して寸法精度が低下し
たり、焼結炉の消耗が激しくなり実用的でなくなるから
である。焼結により得られる焼結体は、ほぼ真密度か又
は真密度に近い状態に緻密化され、そのままで半導体放
熱基板材料として十分に実用できるものである。
素ガス中において1500〜1600℃の温度で焼結する。焼結
温度が1500℃未満では焼結体の緻密化が不十分であり、
1600℃を越えると自重により変形して寸法精度が低下し
たり、焼結炉の消耗が激しくなり実用的でなくなるから
である。焼結により得られる焼結体は、ほぼ真密度か又
は真密度に近い状態に緻密化され、そのままで半導体放
熱基板材料として十分に実用できるものである。
【0016】
【実施例】原料粉末として、粒径10μm以下でその内の
粒径1μm以下のものが下記表1に示す割合のW粉末、並
びに粒径7μm以下の電解Cu粉末、粒径10μm以下のカ
ルボニールNi粉末を用意し、各粉末を組成が重量比で
88.5%W−10%Cu−1.5%Niとなるように混合し、
混合粉末をアトライターにてエチルアルコール中で6時
間粉砕混合し、150メッシュの篩で篩分けした。篩を通
過した混合粉末30kgに有機バインダーとして600gのワッ
クスと300gのポリエチレンを添加し、ニーダで3時間混
練した。
粒径1μm以下のものが下記表1に示す割合のW粉末、並
びに粒径7μm以下の電解Cu粉末、粒径10μm以下のカ
ルボニールNi粉末を用意し、各粉末を組成が重量比で
88.5%W−10%Cu−1.5%Niとなるように混合し、
混合粉末をアトライターにてエチルアルコール中で6時
間粉砕混合し、150メッシュの篩で篩分けした。篩を通
過した混合粉末30kgに有機バインダーとして600gのワッ
クスと300gのポリエチレンを添加し、ニーダで3時間混
練した。
【0017】次に、20tonの型締め力を持つ射出成形機
に三次元の複雑形状のキャビティを持つ金型をセットし
て50℃に保持し、上記混練物を射出成形した。得られた
成形体を窒素ガス中にて昇温速度10℃/時間で400℃ま
で加熱して同温度で5時間保持し、更に水素ガス中にて7
00℃に加熱して同温度で30分間保持した。この脱バイン
ダー処理後における成形体の残留カーボン量は0.005重
量%であった。
に三次元の複雑形状のキャビティを持つ金型をセットし
て50℃に保持し、上記混練物を射出成形した。得られた
成形体を窒素ガス中にて昇温速度10℃/時間で400℃ま
で加熱して同温度で5時間保持し、更に水素ガス中にて7
00℃に加熱して同温度で30分間保持した。この脱バイン
ダー処理後における成形体の残留カーボン量は0.005重
量%であった。
【0018】その後、成形体を水素ガス中において表1
に示す温度で焼結した。得られた各焼結体について、密
度を測定し真密度との比を求めた。結果を表1にまとめ
た。
に示す温度で焼結した。得られた各焼結体について、密
度を測定し真密度との比を求めた。結果を表1にまとめ
た。
【表1】 試料 粒径1μm以下の 焼結温度 密 度 真密度比 No W粉末(重量%) (℃) (g/cm3) (%) 1* 25 1550 15.6 95 2 30 1550 16.0 98 3 45 1550 16.2 99 4* 45 1400 14.8 90 5 50 1550 16.1 98 6* 55 1550 15.7 96 (注)試料中*を付したNo.1、4、6は比較例であ
る。
る。
【0019】又、得られた本発明例の試料2、3、5つ
いては、熱伝導率がいずれも0.50〜0.53cal/cm.sec.de
gの範囲にあった。更に、各試料2、3、5の金属組織
を100倍の光学顕微鏡で観察すると若干のポアが見られ
たが半導体放熱基板材として実用上全く問題のない範囲
であり、後に表面にNiメッキを施した時にシミや発泡
がなく、Niメッキ層の密着性も極めて良好であった。
いては、熱伝導率がいずれも0.50〜0.53cal/cm.sec.de
gの範囲にあった。更に、各試料2、3、5の金属組織
を100倍の光学顕微鏡で観察すると若干のポアが見られ
たが半導体放熱基板材として実用上全く問題のない範囲
であり、後に表面にNiメッキを施した時にシミや発泡
がなく、Niメッキ層の密着性も極めて良好であった。
【0020】
【発明の効果】本発明によれば、射出成形を利用した粉
末冶金法により、高い寸法精度で複雑な形状を有するC
u−W系又はCu−Mo系の半導体放熱基板材料を製造
でき、この半導体放熱基板材料は緻密で、優れた熱伝導
率を有すると共に、表面にAuやNi等のメッキ層を設
けた場合に良好な密着性が得られる。
末冶金法により、高い寸法精度で複雑な形状を有するC
u−W系又はCu−Mo系の半導体放熱基板材料を製造
でき、この半導体放熱基板材料は緻密で、優れた熱伝導
率を有すると共に、表面にAuやNi等のメッキ層を設
けた場合に良好な密着性が得られる。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 FI H05K 1/03 610 B22F 3/10 C F (56)参考文献 特開 昭59−136938(JP,A) 特開 平7−233404(JP,A) 特公 昭63−42682(JP,B2) (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) H01L 23/12 H01L 23/14 H01L 23/36 H05K 1/00 H05K 3/44 H05K 7/20
Claims (2)
- 【請求項1】 銅含有量が5〜25重量%の銅−タングステ
ン系又は銅−モリブデン系合金からなる放熱基板材料の
製造方法であって、粒径が10μm以下でその30〜50重量
%が粒径1μm以下であるタングステン粉末又はモリブデ
ン粉末と、粒径10μm以下の銅粉末とに、焼結助剤とし
て粒径10μm以下のニッケル粉末、鉄粉末又はコバルト
粉末の少なくとも1種を混合し、この混合粉末にワック
ス:ポリエチレンの体積比が1:1〜4:1であるワックス
とポリエチレンとからなる有機バインダーを30〜50体積
%混練して射出成形し、得られた成形体を真空中又は非
酸化性ガス中において400℃まで加熱し、次に水素ガス
中において600〜850℃に加熱保持することにより有機バ
インダーを除去し、その後水素ガス中において1500〜16
00℃で焼結することを特徴とする半導体放熱基板材料の
製造方法。 - 【請求項2】 真空中又は非酸化性ガス中において成形
体を400℃まで加熱する場合の昇温速度が5〜10℃/時間
であることを特徴とする、請求項1記載の半導体放熱基
板材料の製造方法。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP3151138A JP2979728B2 (ja) | 1991-05-27 | 1991-05-27 | 半導体放熱基板材料の製造方法 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP3151138A JP2979728B2 (ja) | 1991-05-27 | 1991-05-27 | 半導体放熱基板材料の製造方法 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH04349650A JPH04349650A (ja) | 1992-12-04 |
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