JPH0931586A

JPH0931586A - 固相焼結Ｗ−Ｃｕ合金

Info

Publication number: JPH0931586A
Application number: JP17719595A
Authority: JP
Inventors: Kazuhiro Yamamoto; 和弘山本; Shigetaka Kajima; 繁貴梶間; Yoshiko Minami; 淑子南; Satoru Yamaguchi; 悟山口
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1995-07-13
Filing date: 1995-07-13
Publication date: 1997-02-04

Abstract

(57)【要約】【目的】製造工数や製造コストの低減、特に複雑形状
の基板についても簡易な工程で安価に作製することがで
き、かつ良好な熱伝導率が得られる固相焼結Ｗ−Ｃｕ合
金を提供する。【構成】平均粒子径が 1.0μm 以下のＷ粒子相とＣｕ
粒界相とから実質的に構成され、かつ相対密度が 98.0%
以上である固相焼結Ｗ−Ｃｕ合金である。このような固
相焼結Ｗ−Ｃｕ合金は、Ｃｕ粉末を所望の範囲で含み、
残部が実質的に平均粒径 1.0μm 以下のＷ粉末からなる
混合粉末を所望形状に成形し、この成形体を還元雰囲気
中にて1173〜 1373Kの温度範囲の主要時間を昇温速度20
K/hr以下で昇温しつつ所定の焼結温度まで加熱すること
によって得られる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、半導体素子の放熱板等
に好適な固相焼結Ｗ−Ｃｕ合金に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、半導体素子の高集積化や高速化等
に伴って、半導体素子からの発熱量は年々増加する傾向
にあるため、半導体素子からの熱を速やかに放散するこ
とが求められている。そこで、半導体素子を放熱性（熱
伝導率）に優れると共に、半導体素子を構成するＳｉや
半導体用パッケージの構成材料として使用されるセラミ
ックス材と熱膨張率が近似するＷ−Ｃｕ合金からなる放
熱板上に搭載することが行われている。

【０００３】ところで、上述したようなＷ−Ｃｕ合金
は、通常の粉末焼結法で作製した場合にはＷ−Ｃｕ合金
中に空孔が多く存在してしまい、相対密度が 95%程度の
多孔質合金しか得られないため、熱伝導率の低下を招い
たり、またその後のメッキ工程等で空孔内に浸透したメ
ッキ液が実使用時にガス化して、半導体素子や使用環境
に悪影響を及ぼす等の問題を招いていた。

【０００４】そこで、例えば特公平 4-65543号公報や特
開平 6-13494号公報に記載されているように、まずＷの
多孔質焼結体を作製し、この多孔質焼結体内にＣｕを溶
浸法により充填することで作製した緻密質なＷ−Ｃｕ基
板（合金）を、半導体素子搭載用の放熱板として利用す
ることが提案されている。Ｃｕの溶浸法によれば、上記
したようにＷ−Ｃｕ基板の緻密化を図ることができ、放
熱板の熱伝導率の向上や後工程における問題発生を回避
することができる。

【０００５】しかしながら、Ｃｕの溶浸法を適用した場
合、Ｗ−Ｃｕ合金の作製工程が複雑となり、工程が繁雑
化すると共に製造コストの上昇を招くという問題があ
る。また、放熱性等の向上を図るために、Ｗ−Ｃｕ基板
の形状を凸状等とする場合があるが、凸状のＷの多孔質
焼結体にＣｕを溶浸法で充填した場合には、部位により
Ｃｕの充填密度に差が生じるため、一旦平板状のＷ−Ｃ
ｕ基板を作製した後に、所望の凸形状等に加工する必要
があり、より一層製造工数や製造コストの増大を招いて
しまう。

【０００６】一方、特開平4-349650号公報には、Ｗ粉末
とＣｕ粉末との混合粉末に、Ｎｉ粉末、Ｆｅ粉末、Ｃｏ
粉末の少なくとも 1種を焼結助剤として0.05〜 0.7重量
% の範囲で添加すると共に、ワックスとポリエチレンの
混合物からなる有機バインダを添加して原料を調整し、
このような原料を用いて射出成形工程および焼結工程を
経て、Ｗ−Ｃｕ基板（合金）を作製することが記載され
ている。

【０００７】上記したような焼結助剤を使用した粉末焼
結法によれば、相対密度が98〜 99%程度の緻密質なＷ−
Ｃｕ合金が得られるものの、焼結助剤として添加したＮ
ｉ粉末、Ｆｅ粉末、Ｃｏ粉末が熱伝導率を低下させると
いう問題を有している。また、熱伝導率への悪影響を抑
制するために焼結助剤量を低減すると、Ｗ−Ｃｕ合金を
十分に緻密化することができなくなってしまう。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】上述したように、従来
のＷ−Ｃｕ合金は、Ｗの多孔質焼結体にＣｕを溶浸法で
充填して作製した場合には製造工数や製造コストが増
大、特に凸状等の複雑形状物の作製時に製造工数や製造
コストが大幅に増大してしまうという問題を有してい
た。一方、焼結助剤を使用した粉末焼結法では、Ｗ−Ｃ
ｕ合金の熱伝導率が低下してしまうという問題があっ
た。

【０００９】本発明は、このような課題に対処するため
になされたもので、製造工数や製造コストの低減、特に
複雑形状物についても簡易な工程で安価に作製すること
ができ、かつ良好な熱伝導率が得られる固相焼結Ｗ−Ｃ
ｕ合金を提供することを目的としている。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明の固相焼結Ｗ−Ｃ
ｕ合金は、平均粒子径が 1.0μm 以下のＷ粒子相とＣｕ
粒界相とから実質的に構成され、かつ相対密度が 98.0%
以上であることを特徴としている。特に、上記固相焼結
Ｗ−Ｃｕ合金において、焼結促進剤の含有量が0.10重量
% 以下、さらに好ましくは0.01重量% 以下であることを
特徴としている。

【００１１】

【作用】本発明の固相焼結Ｗ−Ｃｕ合金においては、固
相焼結体組織を平均粒子径が1.0μm 以下のＷ粒子相と
Ｃｕ粒界相とから構成しているため、必ずしも焼結促進
剤を用いることなく、相対密度 98.0%以上という高密度
化を達成することができる。相対密度が 98.0%以上の固
相焼結Ｗ−Ｃｕ合金は、高熱伝導率が得られると共に、
後工程で空孔が及ぼす悪影響を抑制することができる。
また、必ずしも焼結促進剤を含まないため、焼結促進剤
成分により熱伝導率が低下することもない。そして、こ
のようなＷ−Ｃｕ合金は固相焼結法により、低製造工数
化および低コスト化の達成を可能にしている。

【００１２】

【実施例】次に、本発明の実施例について説明する。

【００１３】図１は、本発明の一実施例による固相焼結
Ｗ−Ｃｕ合金の製造工程を示す図である。同図にしたが
って、この実施例の固相焼結Ｗ−Ｃｕ合金の製造工程に
ついて述べる。

【００１４】まず、平均粒径が 1.0μm 以下の微粉末状
のＷ粉末を作製する（図１-101）。ここで、Ｗの出発原
料となるＷ粉末の平均粒径が 1.0μm を超えると、固相
焼結Ｗ−Ｃｕ合金中のＷ粒子相の平均粒子径を 1.0μm
以下とすることができないと共に、Ｗ粒子間の焼結を十
分に促進することができず、得ようとする固相焼結Ｗ−
Ｃｕ合金（固相焼結体）の高密度化を図ることができな
いおそれがある。Ｗ粉末の平均粒径は、同様な理由から
0.6μm 以下とすることがより好ましい。しかし、この
Ｗ粉末の平均粒径があまり小さく、例えば 0.1μm 未満
となると逆に焼結しにくくなり、密度も低下するため、
具体的に好ましい範囲は 0.1〜 0.6μmである。なお、
ここで言う平均粒径とは、ＢＥＴ法で測定した値を指す
ものとする。

【００１５】上記したような微粉末状のＷ粉末は、例え
ば以下に示す作製方法を適用することにより安定して得
ることができる。すなわち、まずＷ鉱石からタングステ
ンアンモニウム溶液を調製する。次いで、タングステン
アンモニウム溶液に沸騰硝酸のような熱酸を添加してタ
ングステン酸を沈殿させる。次に、タングステン酸の沈
殿を洗浄した後、水素雰囲気中での熱処理等の還元処理
を施すことによって、平均粒径が 1.0μm 以下の微粉末
状のＷ粉末が得られる。

【００１６】ここで、上記タングステンアンモニウム溶
液の調製、タングステンアンモニウム溶液に添加する酸
の調製、および沈殿物の洗浄には、いずれも脱イオン水
を使用することが好ましい。これらによって、微粉末状
のＷ粉末を純度 99.9%以上の高純度粉末とすることがで
きる。特に、タングステン酸の洗浄は脱イオン水で行う
ことが望ましい。

【００１７】本発明の固相焼結Ｗ−Ｃｕ合金の製造に用
いるＷ粉末は、上述したように純度99.9%以上の高純度
粉末であることが望ましい。Ｗ粉末の純度が 99.9%未満
であると、得られる固相焼結Ｗ−Ｃｕ合金の熱伝導率が
低下すると共に、焼結性が低下して高密度化できないお
それがある。

【００１８】次に、上記した平均粒径が 1.0μm 以下の
Ｗ粉末とＣｕ粉末とを、Ｃｕ粉末の混合比が例えば 6〜
21重量% の範囲となるように混合し、固相焼結Ｗ−Ｃｕ
合金の原料粉末となる混合粉末を調製する（図１-10
2）。なお、Ｃｕ粉末についても微粉末を用いることが
好ましい。

【００１９】Ｃｕ粉末の混合比は、目的とする固相焼結
Ｗ−Ｃｕ合金の熱膨張係数に応じて適宜設定するものと
する。ただし、Ｃｕ粉末の混合比が 6重量% 未満である
と、得られる固相焼結Ｗ−Ｃｕ合金の熱膨張係数が低く
なり、一方21重量% を超えると熱膨張係数が高くなりす
ぎ、いずれの場合においても半導体素子の構成材料であ
るＳｉやパッケージの構成材料としてのセラミックス材
との熱膨張差が増大する。この熱膨張差の増大は、例え
ば固相焼結Ｗ−Ｃｕ合金板に半導体チップを接合搭載し
た際、あるいは半導体チップを搭載した固相焼結Ｗ−Ｃ
ｕ合金板をセラミックス材からなるパッケージ等に接合
した際、半導体チップからの放熱により接合部にクラッ
クやそり等の変形の発生原因となる。また、Ｃｕ粉末の
混合比が6重量% 未満の場合には、固相焼結Ｗ−Ｃｕ合
金の熱伝導率の低下をも招くことになる。

【００２０】ここで、上記固相焼結Ｗ−Ｃｕ合金の原料
粉末となる混合粉末は、Ｎｉ粉末、Ｆｅ粉末、Ｃｏ粉末
等の焼結促進剤を必ずしも添加することなく用いる。言
い換えると、本発明においては焼結促進剤を添加するこ
となく、高密度の固相焼結Ｗ−Ｃｕ合金を得ることがで
きる。従って、焼結促進剤成分による熱伝導率の低下が
防止できる。なお、積極的に焼結促進剤を添加する必要
はないが、熱伝導率への悪影響がほとんどない0.10重量
% 以下、さらに好ましくは0.01重量% 以下の焼結促進剤
は含んでいてもよい。

【００２１】次いで、上記混合粉末に有機バインダ等の
結合剤を適量添加し、十分に混合した後、適当な粒径に
造粒し（図１-103）、この造粒粉を所望形状に成形、例
えば加圧成形する（図１-104）。この際、凸状形状等の
複雑形状物についても、成形時にほぼ目的形状とするこ
とができる。

【００２２】次に、上記成形体に脱脂処理を施す（図１
-105）。脱脂処理は、焼成工程と同様に、水素雰囲気の
ような還元性雰囲気中で行うことが好ましく、さらに残
留炭素が固相焼結Ｗ−Ｃｕ合金の密度に悪影響を及ぼさ
ないように、十分に実施することが好ましい。この後、
上記脱脂体を水素雰囲気のような還元性雰囲気中にて所
定温度で焼成する（図１-106）。この焼成工程は、上記
脱脂工程に引続いて行ってもよいし、別途脱脂処理を実
施した脱脂体に対して行ってもよい。

【００２３】上記焼成工程において、まず微粉末状のＷ
粉末の初期焼結が起る 1173Kまでは、通常の昇温速度で
昇温してもよいが、初期焼結段階となる1173〜 1373Kの
温度範囲については昇温速度を20K/hr以下とし、Ｗ粉末
の表面酸化層等として存在している酸素を十分に除去す
る。すなわち、微粉末状のＷ粉末は活性であるため、11
73K程度から初期焼結が起る。このような初期焼結段階
における昇温速度が速すぎると、Ｗ粒子間の結合（焼
結）が急速に進行して、焼結組織内に酸素が残留する。
これが空孔の発生原因となって、固相焼結Ｗ−Ｃｕ合金
の相対密度を98.0% 以上とすることができなくなるおそ
れがある。従って、初期焼結段階の昇温速度を20K/hr以
下と遅くし、Ｗ粉末の表面にＷＯ₃等として存在する酸
素を雰囲気中の例えばＨ₂と十分に反応（還元反応：Ｗ
Ｏ₃＋ 3Ｈ₂→Ｗ＋ 3Ｈ₂Ｏ）させ、初期焼結段階にお
いて酸素を十分に除去することが望ましい。これによっ
て、相対密度 98.0%以上という高密度を安定して達成す
ることが可能となる。

【００２４】上記初期焼結段階となる1173〜 1373Kの温
度範囲の具体的な温度プロファイルは、例えば図２の実
線Ａで示すように、 1173Kから 1373Kまでを20K/hr以下
の昇温速度で連続的に昇温してもよいし、また実線Ｂで
示すように、1173〜 1373Kの範囲内の一定温度で上記還
元反応が十分に進行し得る時間保持するようにしてもよ
い。すなわち、1173〜 1373Kの温度範囲の主要時間を昇
温速度20K/hr以下（一定温度による保持を含む）で昇温
すればよい。実線Ｂで示す温度プロファイルを使用する
場合の保持温度は、初期焼結の開始温度となる 1173Kに
近い温度とすることが好ましく、具体的には1200〜 125
0Kの範囲とすることが望ましい。

【００２５】そして、上述したような初期焼結段階を経
た後、所定の焼結温度まで加熱してＷ粒子を十分に焼結
させる。

【００２６】上述したような焼成工程を経ることによっ
て、平均粒子径が 1.0μm 以下のＷ粒子相とＣｕ粒界相
とから実質的に構成され、かつ相対密度が 98.0%以上の
固相焼結Ｗ−Ｃｕ合金が再現性よく得られる（図１-10
7）。固相焼結Ｗ−Ｃｕ合金を平均粒子径が 1.0μm 以
下のＷ粒子相とＣｕ粒界相とから構成することによっ
て、相対密度 98.0%以上という高密度状態を安定して得
ることができる。Ｗ粒子相の平均粒子径が 1.0μm を超
えると、相対密度の低下を招くことになる。また、固相
焼結Ｗ−Ｃｕ合金の相対密度が 98.0%未満であると、熱
伝導率が低下すると共に、後工程のメッキ工程等で空孔
内に浸透したメッキ液が使用時にガス化して悪影響を及
ぼす。さらに、固相焼結Ｗ−Ｃｕ合金中の酸素含有量は
少ないことが好ましく、酸素含有量が多いと結果的に相
対密度の低下を招くことになる。

【００２７】この実施例による固相焼結Ｗ−Ｃｕ合金
は、上述したような問題を招くことがない相対密度 98.
0%以上の高密度化および高純度化を達成したものであ
る。固相焼結Ｗ−Ｃｕ合金の相対密度は 98.5%以上であ
ることがさらに好ましく、このような相対密度を達成す
ることもできる。また、固相焼結Ｗ−Ｃｕ合金を例えば
半導体素子の放熱板として使用する場合には、通常、そ
の表面にＮｉメッキやＡｇメッキを施す。このようなメ
ッキ工程においても、上述したように固相焼結Ｗ−Ｃｕ
合金の相対密度が高いために、問題を生じることがな
い。

【００２８】そして、この実施例により得られる相対密
度 98.0%以上の固相焼結Ｗ−Ｃｕ合金は、基本的に焼結
促進剤を用いていないため、高熱伝導率が得られると共
に、上述したようにメッキ工程等の後工程で問題を生じ
ることがない。また、製造工数および製造コストは、従
来のＣｕの溶浸法に比べて低減できる。特に、凸状形状
等の複雑形状物を製品形状に近い形で作製することがで
きるため、複雑形状の固相焼結Ｗ−Ｃｕ合金の製造工数
および製造コストを大幅に低減することができる。例え
ば、凸状形状の固相焼結Ｗ−Ｃｕ合金からなる放熱板
は、半導体素子の搭載面やパッケージ等との接合面のみ
の加工で作製することができる。

【００２９】上述したように、この実施例による固相焼
結Ｗ−Ｃｕ合金は、半導体素子の放熱板や搭載基板等に
好適であり、かつこのような固相焼結Ｗ−Ｃｕ合金を安
価にかつ再現性よく作製することができる。

【００３０】次に、上記実施例の具体例およびその評価
結果について述べる。

【００３１】実施例１〜３まず、前述したタングステンアンモニウム溶液の酸化を
利用した微粉末状Ｗ粉末の作製方法に従って、下記の表
１に平均粒径（ＢＥＴ法で測定）を示す 4種類のＷ粉末
をそれぞれ作製した。微粉末状Ｗ粉末の作製にあたっ
て、タングステンアンモニウム溶液の調製、タングステ
ンアンモニウム溶液に添加する硝酸の調製、およびタン
グステン酸の洗浄には、いずれも脱イオン水を使用し
た。得られた微粉末状Ｗ粉末の純度はいずれも 99.9%以
上であった。

【００３２】次に、上記各微粉末状Ｗ粉末に、それぞれ
Ｃｕ粉末を混合比が12.5重量% となるように混合した。
なお、焼結促進剤は使用していない。これら各混合粉末
に適量の有機バインダを添加し、さらに十分に混合した
後にスプレー法で造粒し、得られた各造粒粉を加圧成形
した。

【００３３】上記各成形体を水素中で脱脂した後、引続
いて 1173Kまで昇温し、 1173Kから1373Kまでを18K/hr
で昇温した。続いて、さらに昇温して焼結させた。焼結
後は炉内放冷した。このようにして、それぞれ固相焼結
Ｗ−Ｃｕ合金板を得た。

【００３４】得られた各固相焼結Ｗ−Ｃｕ合金板のＷ粒
子相の平均粒子径はいずれも 1.0μm 以下であり、また
相対密度は表１に示す通りであった。また、各固相焼結
Ｗ−Ｃｕ合金板の熱膨張係数はそれぞれ 6.4×10^-6/Kで
あった。

【００３５】比較例１上記実施例１において、焼結温度までの昇温速度を 100
K/hrで一定とする以外は、実施例１と同一条件で固相焼
結Ｗ−Ｃｕ合金板を作製した。この固相焼結Ｗ−Ｃｕ合
金板についても相対密度を測定した。測定結果を表１に
併せて示す。

【００３６】

【表１】表１から明らかなように、各実施例の固相焼結Ｗ−Ｃｕ
合金板は、いずれも相対密度 98.0%以上と高密度化され
ていることが分かる。一方、焼結温度までの昇温速度を
100K/hrで一定とした比較例１は相対密度が低く、後工
程で問題が生じることが予想される。

【００３７】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の固相焼結
Ｗ−Ｃｕ合金によれば、良好な熱伝導率が得られると共
に、後工程での問題発生を防止することができ、かつこ
のような固相焼結Ｗ−Ｃｕ合金を低製造工数および低コ
ストで作製することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例による固相焼結Ｗ−Ｃｕ合
金の製造工程を示す図である。

【図２】固相焼結Ｗ−Ｃｕ合金の製造工程における焼
成工程の温度プロファイルの例を模式的に示す図であ
る。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者山口悟神奈川県横浜市磯子区新杉田町８番地株式会社東芝横浜事業所内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】平均粒子径が 1.0μm 以下のＷ粒子相と
Ｃｕ粒界相とから実質的に構成され、かつ相対密度が 9
8.0%以上であることを特徴とする固相焼結Ｗ−Ｃｕ合
金。
【請求項２】請求項１記載の固相焼結Ｗ−Ｃｕ合金に
おいて、焼結促進剤の含有量が0.10重量% 以下であることを特徴
とする固相焼結Ｗ−Ｃｕ合金。
【請求項３】請求項２記載の固相焼結Ｗ−Ｃｕ合金に
おいて、焼結促進剤の含有量が0.01重量% 以下であることを特徴
とする固相焼結Ｗ−Ｃｕ合金。