JP3204566B2 - ヒートシンク材料の製造方法 - Google Patents

ヒートシンク材料の製造方法

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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は集積回路装置等の放熱材
として使用されるヒートシンク材料の製造方法に係り、
特に放熱性に優れ、またピンホール等の欠陥が少ないヒ
ートシンク材料の製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】近年、多数の半導体を含む電子機器が急
速に普及しており、半導体集積回路は、微細加工技術の
進展により、ますます高集積化し、同時に高速化、高出
力化が進行している。しかし、上記の半導体を内蔵する
電子機器を効率よく作動させるためには、適切な温度に
保持することが重要であり、効率的な冷却、放熱対策が
必要になる。
【0003】ヒートシンク(放熱器)は半導体素子等に
おいて発生した熱を効率良く排出し、半導体の性能、信
頼性の低下を防止する重要な役割を果している。従来の
ヒートシンクを構成する材料としてはアルミニウム合
金、マグネシウム合金、マグネシウム・マンガン合金、
Cu−W合金、Cu−Mo合金などが採用されている。
特に半導体素子搭載用基板材料および半導体素子自体と
熱膨脹係数が近似しており、なおかつ熱伝導率(熱放散
性)が共に優れたヒートシンク材料としてCu−W合金
が広く普及している。
【0004】上記ヒートシンク材料は、従来下記のよう
な方法で製造されていた。すなわちW粉末に、20重量
%以下のFe,Ni,Co等のFe族元素と、成形性を
改善するためのパラフィン等の潤滑剤とを添加混合した
原料混合体を調製し、次にこの原料混合体を加圧して形
成体とし、この成形体を水素ガス雰囲気中において温度
1300〜1500℃で8〜10時間程度液相焼結し
て、空孔を有する多孔質W焼結体を形成し、しかる後
に、この多孔質焼結体の空孔にCuを含浸せしめること
により、空孔がCuによって封止さたヒートシンク材料
が製造されていた。上記原料W粉末に添加されたFe等
は、W相の構造強度を高めるとともに、焼結促進剤とし
て作用する。すなわち焼結時にW成分と反応して液相を
生成するため、低い焼結温度で緻密化を進行させること
ができる。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら上記従来
の製造方法によるヒートシンク材料においては、強度増
強剤および焼結促進剤としてFe族元素が添加されてい
るため、焼結性は良好であり、低温度で焼結が可能とな
る反面、導電性および放熱性(熱伝導率)が低下し易い
問題点があった。また上記Fe族元素を添加した場合、
Fe族元素がW相中に均一に分散せず、W成分も凝集
(偏析)し易くなり、不均一な組織となるため、材料の
健全性が損われ易い欠点もあった。
【0006】一方、パラフィン等の潤滑剤を添加した場
合には、成形体を焼結する際に、潤滑剤が燃焼し、燃焼
残渣としてのカーボン等が残留する割合が大きくなる。
この残留カーボンはCuに対する濡れ性を低下させるた
め、Cuを多孔質W焼結体中に含浸する際にピンホール
等の欠陥を生じ易く、いずれにしろ、ヒートシンク材料
の強度特性、密度および熱伝導率を低下させる問題点が
あった。
【0007】本発明は上記問題点を解決するためになさ
れたものであり、不純物による影響が少なく、特に放熱
性に優れ、またピンホール等の欠陥の発生が少ないヒー
トシンク材料の製造方法を提供することを目的とする。
【0008】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
本発明者らは、焼結促進剤や潤滑剤等の添加剤量および
焼結条件を種々変えてヒートシンク材料を調製し、上記
添加剤量および焼結条件がヒートシンク材料の特性に及
ぼす影響を実験により比較検討した。その結果、(1)
焼結促進剤等の添加剤を全く添加しない原料W粉末を使
用する場合においても、従来法より高温度で長時間焼結
することにより、ある程度の強度および気孔率を有する
W焼結体が得られること、(2)高純度の原料W粉末を
使用し、不純物となる添加剤を一切使用しない場合に、
Wの凝集が少ない均一な組織が得られること、(3)残
留カーボンの原因となる潤滑剤を添加しない場合に、上
記W焼結体中にCuを含浸させる際の濡れ性が改善され
ること、(4)上記(2),(3)の作用によって材料
組織に発生するピンホールが大幅に減少すること、など
が知見として得られた。本発明は上記知見に基づいて完
成されたものである。
【0009】すなわち本発明に係るヒートシンク材料の
製造方法は、潤滑剤、焼結促進剤、結合剤等の添加剤を
無添加のW粉末を加圧して成形体とし、得られた成形体
を非酸化性雰囲気で温度1700〜2000℃で10〜
15時間焼結して多孔性焼結体を形成し、この多孔性焼
結体に9〜25重量%のCuを含浸させることにより相
対密度が99%以上のヒートシンク材料を形成すること
を特徴とする。またW粉末および多孔性焼結体の純度は
99.9%以上に設定される。
【0010】上記製造方法において使用される原料W粉
末としては、不純物の影響を回避するために、可及的に
高純度品(99.9%以上)を使用する。そして潤滑
剤、焼結促進剤、結合剤等の添加剤は一切使用せずに、
高純度のW粉末はプレス成形機等によって0.3〜3 t
on/cm2 程度の圧力で加圧され、成形体とされる。
【0011】次に得られた成形体は、H2 ガス、N2
ス、Arガス等の非酸化性雰囲気下で焼結される。焼結
温度は1700〜2000℃と、従来より400〜50
0℃高い温度に設定され、また焼結時間も従来より2〜
5時間程度長く、10〜15時間に設定される。焼結温
度が1700℃より低く、焼結時間が10時間未満の場
合には、緻密化が不充分となり、所定の気孔率を有する
多孔質W焼結体が得られない。一方、焼結温度を200
0℃超とし、焼結時間を15時間を超えるように設定し
ても緻密化への改善効果が得にくい上に、W焼結体の気
孔率が減少し、後述する溶浸工程において所定量のCu
を含浸することが困難となり、ヒートシンク材料の熱伝
導性(放熱性)が低下してしまう。
【0012】上記のように、従来製法と比較して高い焼
結温度と長い焼結時間とを採用することにより、焼結促
進剤等の添加剤を一切添加しない場合においても、ある
程度の強度および気孔率を有する多孔質W焼結体が得ら
れる。
【0013】また本発明方法において、多孔質W焼結体
の空隙(気孔)に含浸させるCu量を9〜25重量%の
範囲に設定した理由は、ヒートシンクとヒートシンクが
接合される半導体基板との熱膨脹の不整合に起因する応
力の影響を可及的に低減する一方、ヒートシンク全体の
熱伝導性を改善するためである。すなわちCu含浸量が
9重量%未満の場合には、ヒートシンク全体の熱伝導率
が低下する一方、25重量%を超える場合には、軟質な
Cuの割合が増加するため、ヒートシンク全体の機械的
強度が低下してしまう。
【0014】次に上記多孔質W焼結体の空隙部(気孔)
にCuを含浸させて本発明に係るヒートシンク材料が形
成される。ここでCuを含浸させる方法としては、溶浸
法で実施することが好ましい。なお、溶融法ではCuと
Wとの融点差および比重差により、均質な特性を有する
ヒートシンク材料を製造することが困難であり、またC
u粉末とW粉末とを混合して製造する粉末冶金法を使用
した場合でも、比重の相違による成分偏析や空孔の残留
により均一で高密度の合金材料を得ることが困難であ
る。
【0015】上記溶浸操作は、例えばH2 ガス雰囲気に
調整した加熱炉内にCu粉を配置し、このCu粉の上部
に多孔質W焼結体を載置した状態で温度1100〜14
00℃に加熱せしめて実施される。
【0016】このCuの溶浸操作により、多孔質W焼結
体内の気孔は全てCuによって埋められる結果、相対密
度が99%以上の緻密なヒートシンク材料が得られる。
【0017】
【作用】上記構成に係るヒートシンク材料の製造方法に
よれば、高純度のW粉末を使用し、従来の製法と比較し
て高い焼結温度で長時間、焼結を実施するため、焼結促
進剤等の添加剤を全く添加しなくても、強固な多孔質焼
結体が得られる。そしてこの多孔質焼結体の気孔部に溶
浸法ににって所定量のCuを含浸させることにより、気
孔部がほぼ完全に埋められ、相対密度が99%以上であ
り、優れた放熱特性(熱伝導率)を有するヒートシンク
材料が得られる。
【0018】また不純物となるFe族元素などの焼結促
進剤を添加していないため、Wの凝集偏析が少なく均一
な材料組織が得られる。さら残留カーボンの発生原因と
なる潤滑剤を添加していないため、Cuの含浸工程(溶
浸処理)において、多孔質焼結体に対するCuの濡れ性
が改善される結果、ピンホール等の欠陥発生が効果的に
防止できる。
【0019】
【実施例】次に本発明を以下の実施例により具体的に説
明する。
【0020】実施例1〜5 平均粒径0.5μm、純度99.9%以上のW粉末のみ
を表1に示す成形圧力にてプレス成形し、密度が異なる
5種類の成形体を形成した。次に得られた各成形体を水
素ガス雰囲気中で温度1700〜1900℃で10〜1
5時間焼結し、表1に示すような気孔率を有する多孔性
W焼結体をそれぞれ調製した。
【0021】次に得られた各多孔性W焼結体を、加熱炉
内に配置した純銅粉末上に載置し、水素ガス雰囲気下で
温度1100〜1200℃に加熱することにより、多孔
性W焼結体の気孔内にCu含浸せしめて実施例1〜5に
係るヒートシンク材料をそれぞれ調製した。
【0022】比較例1〜5 一方、有機バインダをW粉末に1.0wt%添加し、焼
結時間を8時間に設定した以外は実施例1と同一条件で
成形、焼結、Cu溶浸操作を実施して比較例1に係るヒ
ートシンク材料を調製した。
【0023】また原料W粉末に1.0重量%のNi粉末
を添加(比較例2)する一方、1.0重量%のFe粉末
を添加(比較例3)し、焼結温度をそれぞれ1500℃
(比較例2)、1540℃(比較例3)とし、さらに焼
結時間を8時間とした以外は実施例1と同一条件で成
形、焼結、Cu溶浸操作を実施して、それぞれ比較例2
〜3に係るヒートシンク材料を調製した。
【0024】一方、成形圧力を変えて、気孔率を変化さ
せCu含浸量をそれぞれ5重量%(比較例4)および3
0重量%(比較例5)に設定した以外は実施例1と同様
に処理して、それぞれ比較例4〜5に係るヒートシンク
材料を調製した。
【0025】こうして得られた実施例1〜5および比較
例1〜5に係るヒートシンク材料の特性を評価するため
に、各材料の熱伝導率、熱膨脹係数、抗折強度、相対密
度および不純物含有量(ガスを含む)を測定したとこ
ろ、下記表1に示す結果を得た。
【0026】
【表1】
【0027】表1に示す結果から明らかなように、高純
度のW粉末を高温度で長時間焼結して得た多孔性焼結体
にCuを溶浸して得た実施例1〜5に係るヒートシンク
材料は、いずれも不純物による影響が少なく、高い熱伝
導率と曲げ強度とを有し、相対密度も99.2〜99.
8%と高く、放熱性および耐久性に優れたヒートシンク
を形成できることが実証された。また各材料の断面組織
を観察したところ、ピンホール等の欠陥は観察されず、
さらにW成分の凝集偏析もなく極めて健全な金属組織が
得られた。
【0028】一方、高温度であるが短時間で焼結して得
た比較例1の材料では、充分に密度が上昇せず強度も低
下した。また焼結促進剤としても作用するNiやFe元
素を添加した比較例2〜3に係る材料では低温度で焼結
可能であり、密度や強度を高くできるが、NiやFeが
不純物として作用し、熱伝導率が低下することが判明し
た。また成形圧力によって気孔率を変え、Cu含浸量を
過少または過大にした比較例4〜5の材料によれば、熱
伝導率または構造強度が不足することが判明した。
【0029】
【発明の効果】以上説明の通り本発明に係るヒートシン
ク材料の製造方法によれば、高純度のW粉末を使用し、
従来の製法と比較して高い焼結温度で長時間、焼結を実
施するため、焼結促進剤等の添加剤を全く添加しなくて
も、強固な多孔質焼結体が得られる。そしてこの多孔質
焼結体の気孔部に溶浸法ににって所定量のCuを含浸さ
せることにより、気孔部がほぼ完全に埋められ、相対密
度が99%以上であり、優れた放熱特性(熱伝導率)を
有するヒートシンク材料が得られる。
【0030】また不純物となるFe族元素などの焼結促
進剤を添加していないため、Wの凝集偏析が少なく均一
な材料組織が得られる。さら残留カーボンの発生原因と
なる潤滑剤を添加していないため、Cuの含浸工程(溶
浸処理)において、多孔質焼結体に対するCuの濡れ性
が改善される結果、ピンホール等の欠陥発生が効果的に
防止できる。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭55−122806(JP,A) 特開 昭63−58726(JP,A) 特開 平3−153831(JP,A) 特開 平4−277433(JP,A) 特開 平4−308048(JP,A) 特開 平4−348062(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H01L 23/34 - 23/473 B22F 3/10 C22C 1/04

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 潤滑剤、焼結促進剤、結合剤等の添加剤
    を無添加のW粉末を加圧して成形体とし、得られた成形
    体を非酸化性雰囲気で温度1700〜2000℃で10
    〜15時間焼結して多孔性焼結体を形成し、この多孔性
    焼結体に9〜25重量%のCuを含浸させることにより
    相対密度が99%以上のヒートシンク材料を形成するこ
    とを特徴とするヒートシンク材料の製造方法。
  2. 【請求項2】 W粉末および多孔性焼結体の純度が9
    9.9%以上であることを特徴とする請求項1記載のヒ
    ートシンク材料の製造方法。
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