JP5344687B2 - ヒートシンク材の作製方法 - Google Patents

Description

この発明は、Ｃｕ，Ａｇ等の高熱伝導性材料とＭｏ，Ｗ等の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の作製方法に関する。

近年、ＣＰＵやＧＰＵなどの集積回路の高出力化に伴い、電子機器の発する熱量は増加し、一方で機器の小型化も進んでいるため、これら高発熱素子の熱密度はかつてないほどに高くなっている。このような高発熱素子の発熱対策のひとつとしてヒートシンク用材料の利用がある。

しかし、ヒートシンク用材料は単に高い放熱性能だけを有していれば良いというものではなく、半導体装置の場合のようにＧａＡｓのような熱膨張率の低い半導体と合わせて使用する場合とか、あるいは一定の強度を必要とする場合などのように、使用する環境によって柔軟に特性を適合させ得る材料が求められる。

その中でも、Ｃｕ−Ｍｏ複合材料は、熱伝導性に優れたＣｕと低い熱膨張率と高強度というＭｏの特性を併せもった材料であり、ＣｕとＭｏの組成を変化させることで、ヒートシンク用材料としての特性を調整することができる。例えば、下記特許文献に記載のように、このＣｕ−Ｍｏ複合材料と同様の特性をもつ材料としてＣｕ−Ｗ系の複合材料が知られているが、ＷはＭｏに比べ密度が大きいため、航空宇宙分野のような軽量化が重要視されるような分野ではＣｕ−Ｍｏ系が支持されている。

ところが、Ｃｕ−Ｍｏ系は、Ｃｕ−Ｗ系と較べ、反応が遅いために、緻密化は困難を伴い、緻密化のための最適な処理条件は未だ見出されていないのが現状である。

また、従来のＣｕ−Ｍｏ複合材料の製造には、下記特許文献、非特許文献に記載されているように、Ｍｏ粒子表面へのＣｕの皮膜処理等の複雑な工程が必要とされている。

このような状況の下では、Ｃｕ−Ｍｏ複合材料に代表されるように、ヒートシンク材として用いる複合材料の製造には、多額の費用を要し、材料として高価なものにならざるを得ず、そのため、その用途は特殊なものに留まらざるを得ないのが現状である。

特開平８−７８５７８ 特開２００３−３０９２３２

T.W.Kirik,S.G.Galdwell andJ.J.Oakes: Advances in Powder Metallurgy, Vol.9.pp.115-122 P. Yih and D.D.L.Chung : J.Electric Mater.24 841-851

この発明の第１の課題は、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しての特性の改善にある。

また、他の課題は、熱伝導性が改善された前記複合材料からなるヒートシンク材を低コストで提供することにある。

この発明に係る複合材料からなるヒートシンク材は、粉末混合、成形、焼結の粉末冶金プロセスに沿って作製する。

一般的に粒子が均一に混っている粉末からは良い特性の焼結体が得られることが知られている。そして、複合材料の混合状態と焼結体の熱伝導率の間には相関関係があることも従来概念的に知られている。

この発明は、複合材料からなるヒートシンク材の熱伝導率を複合材料粉末の混合度Ｍ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するものである。

具体的には、複合材料の微細組織写真における複数の所定長の線分上に占める高熱伝導性材料と低熱膨張性硬質材料の長さの合計に対する高熱伝導性材料の長さの百分率をＸとし、その百分率の平均値をＸａｖｅとし標準偏差をＳとしたとき、下記の式によって表わされる高熱伝導性材料と低熱膨張性硬質材料の混合粉末の混合度Ｍを２０以下に規定し、得られた焼結体の特性を管理するものである。

Ｍ＝Ｓ／Ｘａｖｅ×１００

粉末冶金法によって複合材料系ヒートシンク材を得るに当たって、混合粉末の混合度Ｍを２０以下の低い値に維持することによって、熱伝導特性と機械的特性の均一性に優れたヒートシンク材を得ることができる。

この発明によって得られた最も高い熱伝導率を有するＣｕ−Ｍｏ複合材料は、熱伝導率１６６．４Ｗ・ｍ ^−１ Ｋ ^−１ 、密度９．１８ｇ／ｃｍ^３を示す。

混合状態の評価方法の概要を示す。 混合速度の相違による焼結体のミクロ組織を示す。 混合雰囲気の差による焼結体の熱伝導の差異を示す。 混合速度の差に基づく熱伝導の差を示す。 作製試料の熱伝導率を市販材料と比較したグラフである。 作製試料の密度を市販材料と比較したグラフである。

この発明の実施形態を、Ｃｕ−Ｍｏ複合材料を作製する実施例に基づいて説明する。

作製したＣｕ−Ｍｏ複合体からなる焼結体試料の物性値の測定を行い、高い熱伝導率が得られる最適な混合条件を探索した。また、ＣｕおよびＭｏ粒子の分散状態（混合状態）が熱伝導率に及ぼす影響を調べるために、粒子の分散状態の定量的な評価を行った。

（原料粉末の混合）
表１に示すＣｕ，Ｍｏ粉末を出発原料として遊星型ボールミルを用いて混合した。

混合粉末の組成は、液相焼結による緻密化を最大にするような体積率とするために、Ｃｕを２８．７５質量％とした。

秤量した原料粉末は遊星型ボールミルを用いて混合した。ボールミルポットはＳＵＳ３０４製の２５０ｃｃのものを使用し、ボールには同じくＳＵＳ３０４製のφ５ｍｍを使用した。ボールミルの回転速度は、２５０ｒｐｍと、３００ｒｐｍと、４００ｒｐｍの３パターンとし、混合時間は６０分および６００分とした。

混合は、乾式または湿式で行った。乾式混合の場合、容器内の雰囲気を置換せずに大気のまま混合する方法、および、９９．９％のＡｒガスに置換して混合する方法を行った。

湿式混合の場合、溶媒として２−ブロパノールを用い、雰囲気は置換せずに大気のままとした。湿式混合後はエバボレ一タを用いて１時間程度の乾燥を行った。

さらに、容器内が高温になる５時間以上の混合に際しては、５時間おきにミリングを中断して容器の過熱を防止した。

（成形）
混合粉末の成形にはＣＩＰ（冷間静水圧加圧法）を利用した。混合後の粉末から成形量約２５ｇを秤量し、発泡スチロール製の容器（内径１９ｍｍ）に封入した。封入した容器はプロカバー（天然ゴムラテックス）で覆い、アスピレータによってカバー内の空気の除去した後に密封した。成形条件は１５００ｋｇｆ／ｃｍ^２とした。成形後は試料に付着した発泡スチロールを除去した。

（焼結）
成形後の試料はＡｒフローの下でシリコニット炉を用いて焼結を行った。その際、試料の酸化を防ぐ目的でボール盤によって削り出したチタン片をゲッターとして試料と共に炉内に配置して液相焼結を行った。焼結終了後は炉内で常温まで冷却した。

（特性評価）
作製した焼結体は旋盤やダイヤモンドカッターによってφ１０ｍｍ、厚さ約２ｍｍに加工し、耐水研磨紙を用いて表面を研磨したものを熱伝導率測定用試料とした。熱伝道率測定にはレーザーフラッシュ定熱定数測定装置ＴＣ−７０００Ｈ型（真空理工株式会社製）を用いた。熱伝導率測定後の試料は、再び研磨を行い、密度測定や微細組織の観察を行った。密度の測定はアルキメデス法で行った。微細組織の観察には光学顕微鏡（Ｎｉｋｏｎ製）を用いた。

（混合状態の測定）
微細組織写真を用いて混合度測定を行った。混合度測定の方法を図１に示す。 同図に示すように、微細組織写真上に１００μｍの線を引き、この線上におけるＣｕおよびＭｏの長さの合計をそれぞれΣＬＣｕ，ΣＬＭｏとする。ここで、試料の局所的な組成をＸとし、次のように定義する。

Ｘ＝ΣＬＣｕ／（ΣＬＣｕ＋ΣＬＭｏ）×１００

このような試料の局所的な組成の測定を３６箇所行った。これらの３６個の測定値の平均値と標準偏差Ｓを用いて混合度Ｍは以下の式で表される。

Ｍ＝Ｓ／Ｘａｖｅ×１００

ＣｕおよびＭｏ粒子が均一に分散しているとき混合度Ｍは小さな値を示す。

（混合速度の影響）
混合条件における混合速度（ボールミルの回転速度）のみを変化させて試料を作製した。

雰囲気はＡｒ雰囲気とし、混合時間は６０ｍｉｎとした。混合速度は、４００ｒｐｍの高速度（ａ）と、３００ｒｐｍの中間速度（ｂ）と、２５０ｒｐｍの低速度（ｃ）の３つのパターンの試料特性への影響を調査した。

混合速度の異なる混合粉末から作製した焼結試料の微細組織写真を、混合速度のパターンに応じて、図２の（ａ）、（ｂ）および（ｃ）に示す。

これらの図の微細組織写真において、黒い部分は気孔であり、灰色の部分はＣｕ、白色の部分はＭｏである。図から明らかなように混合速度が異なるだけで、焼結体の概観および微細組織に大きな違いが見られた。

微細組織において、混合速度が小さい試料（ｃ）では、全体的に気孔が多数分布している様子が観察された。混合速度が大きい試料（ａ）では、混合速度が小さい試料よりも数は少ないもののやや大きい気孔が観察された。

密度測定結果からも混合速度が中間速度の試料（ｂ）が最も密度が高く、緻密化しており、混合度Ｍは２０以下であった。これに対し、高速度（ａ）と低速度（ｃ）の場合は、何れも混合度Ｍは２０以上であった。

これらの結果より、混合速度の差が、焼結体の密度、すなわち、混合度Ｍに大きな影響を与えるといえる。混合速度は大きければ大きいほど密度に良い影響を与えるわけではなく、最適な混合速度が存在する。混合速度が大き過ぎると、混合中にＣｕ粒子同士の圧着よりＣｕの偏析を引き起こすと考えられる。Ｃｕの大きな偏析が存在すると、焼結中における溶解一析出反応が効率よく進まないために緻密化が阻害されるものと考えられる。

また、焼結前にＣｕの偏析が存在すると、焼結時に粒子の再配列に起因するＭｏに囲まれた閉気孔の形成が起こり、緻密化を阻害すると推察される。混合速度の最適化は試料内の気孔を小型化させ、密度を向上させる。熱伝導率は密度に比例するので、結果的に密度の向上は熱伝導度の改善に繋がると考えられる。

また、ボールミルによる混合では粒子の形状変化が起こり得ると考えられる。 とくに、角ばった形から球形へのＭｏ粒子の形状変化は、焼結における粒子の再配列を促進させる。

（混合方法と混合時間の影響）
混合条件における混合速度および混合時間のみを変化させて試料を作製した。 混合粉末の焼結は同一条件で行った。

これらの結果から、混合における雰囲気を制御しない場合、混合時間の増加に伴って混合粉末が酸化され、焼結体の熱伝導率が低下することが分かっている。そこで酸化を抑制する目的で、Ａｒ雰因気中での乾式混合と、溶媒として２−ブロパノールを用いた湿式混合を行った。

また、混合時間は、６０分と６００分とし、混合速度はすべて２５０ｒｐｍとした。各条件で混合した粉末から焼結試料を作製して熱伝導率を比較した。その結果を図３に示す。

同図に示すように、短時間（６０ｍｉｎ）混合の場合、Ａｒ雰囲気で混合した試料の方が高い熱伝導率を示した。

２−プロパノールを用いた湿式混合では、混合後に溶媒を除去するために乾燥しなければならない。

この実施例の場合、混合粉末乾燥中に混合粉末が１時間程度大気に曝されることに加え、装置が溶媒の沸点以上加熱されるため、混合粉末はＡｒ雰囲気で混合した試料に比べて著しく酸化されたと考えられる。

一方、長時間（６００ｍｉｎ）混合の場合、Ａｒ雰囲気中で混合した試料の熱伝導率は５％程度低下した。

これに対して２−ブロパノール中で混合した試料の熱伝導率は１５％程度上昇した。Ａｒ雰囲気中での長時間混合における熱伝導率低下の要因は、Ａｒガス内に含まれる酸素による粉末の酸化が考えられる。

また、２−ブロパノール中での長時間混合に伴う熱伝導率の上昇は、ボールミルの粉砕効果が高まったことによるＣｕおよびＭｏ粒子の微細化と形状変化に起因すると推察される。溶媒を使用した混合の場合、焼結前に溶媒を完全に除去する必要があることを考慮するとＡｒ雰囲気中での混合がより効率的であるといえる。

（混合度の測定）
ＣｕおよびＭｏ粒子の分散状態が熱伝導率に及ぼす影響を調べるために、混合方法および雰囲気、混合時間が異なる５種類の焼結試料について混合度の測定を行った。

混合速度はすべて２５０ｒｐｍで混合を行った。測定した混合度と熱伝導率との関係を図４に示す。この図から、混合速度が等しい場合、混合方法および混合時間が異なると測定した混合度に差異があることがわかる。また、熱伝導率と混合度には明確な相関関係があることがわかる。すなわち、ＣｕおよびＭｏ粒子が均一に分布している混合度（Ｍ）が２０以下の小さい試料は高い熱伝導率を示し、反対に混合度が大きい試料は熱伝導率が低い。この図４において、大気中で混合した試料が高い熱伝導率を示しているのは、熱伝導率が酸化の影響よりも混合度に強く支配されていることを示している。このことから高い熱伝導率を得るためには、ＣｕおよびＭｏ粒子ができるだけ均一に分布している必要があると言える。従って、高い熱伝導率を有するＣｕ−Ｍｏ複合材料を得るためにはＣｕおよびＭｏ粒子が均一に分散した混合粉末の作製が不可欠である。

図５は作製試料の熱伝導率を市販材料と比較したグラフである。また、図６は密度について比較したものを示す。ここでの比較にはアライドマテリアル社およびＡＭＥＴＥＫ社のカタログから引用した市販のＣｕ−Ｍｏ複合材料のデータを利用した。This study として示すものが、本実施例のもので、混合速度の高速度と中間速度と低速度の３つのパターンのものを示す。これら３つのパターンのうち、何れも、中間速度の場合(middle)が最も優れた結果を示した。本実施例において、熱伝導率１６６．４Ｗ・ｍ^−１Ｋ^−１、密度９．１８ｇ／ｃｍ^３を得た。これは、従来の市販材料と比べて熱伝導率比において約９０％、密度比において約９４％の値まで向上している。

この発明の実施例として、Ｃｕ−Ｍｏの複合体を例に挙げて説明したが、この発明は、Ｃｕ−Ｍｏの複合体に限らず、他の複合体系のヒートシンク材の作製に適用できる。

Claims (4)

1. 粉末混合、成形、焼結の各プロセスに沿って粉末冶金法によって作製される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の作製方法であって、
   前記複合材料の微細組織写真における複数の所定長の線分上に占める前記高熱伝導性材料と前記低熱膨張性硬質材料の長さの合計に対する前記高熱伝導性材料の長さの百分率Ｘの平均値をＸａｖｅとし、前記百分率Ｘの標準偏差をＳとしたとき、
   Ｍ＝Ｓ／Ｘａｖｅ×１００
   によって表される前記高熱伝導性材料と前記低熱膨張性硬質材料の混合粉末の混合度Ｍを２０以下とする
   ヒートシンク材の作製方法。
2. 前記粉末混合のプロセスを乾燥Ａｒ雰囲気で行う請求項１に記載のヒートシンク材の作製方法。
3. 前記粉末混合のプロセスを遊星型ボールミルによって行うとともに、前記混合度Ｍを前記遊星型ボールミルの回転速度によって調整する請求項１又は２に記載のヒートシンク材の作製方法。
4. 前記成形のプロセスは、前記混合粉末を発泡スチロールに包み、ＣＩＰによる加圧成形を行うプロセスであることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載のヒートシンク材の作製方法。