JPH04349650A - 半導体放熱基板材料の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

【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。

【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。

【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Ｃ
ｕ−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。

【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
。

【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。

【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。

【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。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
、本発明の半導体放熱基板材料の製造方法では、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１
０μｍ以下の銅粉末とに、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１５００〜１６００
℃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１
０μｍ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Ｃ
ｏの添加量は出来るだけ少ないことが好ましいが、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大幅な低下を来すので、
０．０５〜０．７重量％の範囲が好ましい。

【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
。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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７００℃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。

【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　　　　　　１
６．１　　　　　　　９８　　　６＊　　　　　　　５
５　　　　　　　　　　　１５５０　　　　　　１５．
７　　　　　　　９６（注）試料中＊を付したＮｏ．１
、４、６は比較例である。

【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．ｄｅｇ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。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　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、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半
   導体放熱基板材料の製造方法。
2. 【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。