JPH11307701A - 放熱基板及びその製造方法 - Google Patents

放熱基板及びその製造方法

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JPH11307701A
JPH11307701A JP21026998A JP21026998A JPH11307701A JP H11307701 A JPH11307701 A JP H11307701A JP 21026998 A JP21026998 A JP 21026998A JP 21026998 A JP21026998 A JP 21026998A JP H11307701 A JPH11307701 A JP H11307701A
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 電気鉄道車両や電気自動車等に使用される,
大容量整流器に搭載される大面積を備え、製造が簡単
で,熱膨張率が半導体やセラミック絶縁体に近く,しか
も熱伝導性の優れた大面積を有し、工程の多さ,複維さ
によるコストを低減でき,また,外観から分かる形状で
は,従来の放熱基板と明らかな相違のない経済的に有利
な大面積を備えた放熱基板とその製造方法とを提供す
る。 【解決手段】 放熱基板は、モリブデン(Mo)の圧粉
体に、質量比で20〜60%の銅(Cu)を溶融、染み
込ませる含浸してなるCu−Mo複合基板からなる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は,大面積を有する放
熱基板とその製造方法に関し、詳しくは、金属酸化物半
導体電界効果型トランジスタ(MOSFET),IGB
T等のパワー半導体、又は、電気鉄道車両や電気自動車
等に用いられる大容量整流器に搭載される大面積放熱基
板とその製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】近年,電気鉄道車両,および電気自動車
に使用される大容量の整流器の冷却が重要な課題とな
り,これらの整流器および関連部品を搭載し,冷却装置
に接合するための比較的大型の放熱部材に対する要求が
出てきた。この放熱部材には,熱伝導の観点からアルミ
ニウムや銅等の金属材料が考えられるが,これら材料は
熱膨張が大きく,整流器主材であるシリコンやシリコン
を組みつけた窒化アルミニウム基板等の絶縁材料と接合
する場合,ハンダ付けによる接合や,繰り返し使用時の
熱変化により,熱膨張の差による熱歪により部材が変形
したり破損する恐れが有る。それゆえ,熱膨張が半導体
やセラミック絶縁材料に近くしかも熱伝導の優れた材料
が求められている。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】上述の整流器に要求さ
れる用途と同種の物性は,これら整流器に限らず半導体
素子を搭載するセラミックパッケージの放熱基板にも,
従来からも要求されてきたものである。
【0004】特に,ピングリッドアレイ等アルミナ系セ
ラミックと銀ロー付けにて接合される放熱基板の場合
は,890〜900℃と接合温度が高く,冷却時の熱歪
みによるセラミック材の変形,破損に対し,より厳しい
温度条件で組み立てられるため,アルミナ,べリリア等
のセラミック材と熱膨張の近い特性を持つことが,良好
な熱伝導を有する事にも増して材料選定の条件となって
いる。これを満たすものとして、タングステン(W)と
銅(Cu)の複合材(以下,W−Cu複合材と呼ぶ)が
提案され,汎用されている。このW−Cu複合材の製造
方法は,W粉末に有機質のバインダーを添加混合し,こ
れを金型内で型押した後,水素等の還元雰囲気中で加熱
し,有機バインダーを蒸発・分解・除去して粉末集合体
を得る。この粉末集合体を還元雰囲気中で焼結して,所
定の空孔率を持つW多孔体を得,これに銅の融点以上の
還元雰囲気中で銅を染み込ませ(以下、含浸と呼ぶ)て
W−Cu複合体を得る方法がとられている。
【0005】一方,セラミックを構成材料に用いるIC
(集積回路)パッケージ用の放熱基板は,前述の熱歪み
の問題を避けるため,アルミナ,べリリア等と熱膨張を
近似させる必要があり,銅を質量比10〜15%含浸さ
せたW−Cu複合材が使用されている。
【0006】また上記の質量比の銅を含浸させるWの多
孔体を経済的に製造するため,1200〜1350℃と
いう比較的低温でW多孔体を得るため,及び銅の含浸を
容易ならしむる目的で,熱伝導は最も望ましい値よりは
低くなるが,少量のニッケル等の添加されたW粉末が使
用される場合が多い。
【0007】ところで,大容量の整流器関連部品を搭載
し,ラジエーター等の冷却装置に接続される放熱基板の
場合,整流器(Si)やシリコンを組みつけた窒化アル
ミ基板との接合には半田等の低融点材料が使用されるた
め,前述のセラミック製の半導体パッケージの場合に比
べ熱膨張の整合性に対する許容範囲が広くなる。
【0008】大容量整流器は,半導体素子に比べ使用時
に格段に大きな熱を伴うため,放熱部材の選定には熱伝
導の良否がより重要な要素となる。併せて大型且つ軽量
の部材が要求される。
【0009】このため,前述の半導体素子を搭載するパ
ッケージに用いられるCu−W複合材は,特性及び製造
方法の両面で必ずしも,大容量整流器の用途には適合し
ない。さらにまた,本来の物性を現出させ,工業的にも
実用性のある方法でなければならない。
【0010】一方,プレス加工で仕上げる製品には,ホ
ーニング仕上げのままでは,外表皮の精度を充分満足さ
せ難いのは自明である。圧延工程を必要最小限に行なう
事で,精度も向上出来,製品をより造り易くするばかり
か,本来的にプレス加工がより容易になれば大変有効で
ある。
【0011】元々の,この方法では造り難かった大面積
でない一般的なサイズ,即ちマイクロ波パッケージの如
くの放熱基板への応用は,本材料の利便性向上のための
課題を充分解決できると期待させるものである。
【0012】先に述べた放熱基板としてよく用いられて
いるCu−Wは、多孔質WにCuを溶浸しているため、
通常、Cu含有量が10〜20重量%が主で、熱膨張率
が6〜7×10-6/K、熱伝導率210〜250W/m
・Kと優れた特性を有するが、部品の軽薄短小が進む今
日、密度が大きく重いという欠陥は次第に重大な要因と
なる。また、切断による加工方法のため厚みを薄くでき
ないこと(0.5mm限度)、大面積化(B5版相当以
上)ができないこともネックとなっている。
【0013】また、多孔質MoにCuを溶浸した15〜
20重量%Cu−Moも市販されているが、Cu−W同
様厚みや大面積化に問題があり、また、決して安価とは
言い難い。
【0014】電気自動車や電気鉄道車両に使用されるパ
ワー半導体用には大型基板が使われ、一般的な半導体パ
ッケージよりも大きな熱が発生するため、放熱性、熱膨
張の基板等との整合性、反りが最重要の特性となる。
【0015】基板のサイズとしては、厚みが2〜4mm
で、98〜375cm2 のものを大型基板といい、一般
的なパソコン等に使われるMPU用の基板2.2〜25
cm2 と比べ十倍以上の面積の違いがある。
【0016】既に公開されているTT−RCMは、Cu
含有量が40質量%(RCM40)以上のものについて
であり、加えてCu含有量によって圧延できる素材(焼
結体)厚みが異なり、特に、パワー半導体に適当とされ
るCu含有量が40質量%以下の領域については、大型
基板を製造することは困難である。
【0017】20質量%Cu含浸Mo(PCM20)で
は、熱伝導率が170W/m・Kと多少低くなるが、放
熱性としては実用に耐え得る値である。また、熱膨張係
数は7×10-6/KとSiとより近い値となり、基板と
の整合性が良くなり、クラックや亀裂等の品質上の不安
がなくなる上、剛性が大きくなるため反りの発生程度が
小さくなるという利点がある。熱伝導率重視とするか、
あるいは熱膨張率や剛性を重視とするかは用途次第であ
り、その選択肢が増える。
【0018】一方、40〜60質量%Cu−Mo(TT
−RCM40〜60)は、特に、RCM60の熱膨張率
は12.3×10-6/Kと大きいが、熱伝導率が286
W/m・Kと高く、ガリウムヒ素(GaAs)用の放熱
基板として汎用されている。しかし、RCMは、Cuと
Mo粒子が非常に細かく均一に混在されている、いわゆ
る分散強化型複合材であり、加工性がPCMよりもやや
劣ることが、製造上コストが高くなる等弱点である。
【0019】そこで,本発明の一技術的課題は、電気鉄
道車両や電気自動車等に使用される,大容量整流器に搭
載される大面積を備えた放熱基板を提供することにあ
る。
【0020】また、本発明のもう一つの技術的課題は、
前記放熱基板を製造する方法を提供することにある。
【0021】また,本発明のさらにもう一つの技術的課
題は,製造が簡単で,熱膨張率が半導体やセラミック絶
縁体に近く,しかも熱伝導性の優れた大面積を有する放
熱基板を提供することにある。
【0022】また、本発明の他の技術的課題は、前記放
熱基板の製造方法を提供することにある。
【0023】また、本発明のもう一つの他の技術的課題
は、工程の多さ,複維さによるコストを低減でき,ま
た,外観から分かる形状では,従来の放熱基板と明らか
な相違のない経済的に有利な大面積を備えた放熱基板を
提供することにある。
【0024】さらに、本発明のさらにもう一つの他の技
術的課題は、前記放熱基板を製造する方法を提供するこ
とにある。
【0025】
【課題を解決するための手段】本発明によれば、モリブ
デン(Mo)の圧粉体に、質量比で20〜60%の銅
(Cu)を溶融、染み込ませてなる(以下、含浸とい
う)Cu−Mo複合基板からなることを特徴とする放熱
基板が得られる。
【0026】ここで、本発明の前記放熱基板において、
温間圧延又は冷間圧延を繰り返すことによって得られる
圧延板であって、微小な空孔やCu含浸ムラがない(C
uとMoが均一に分布している)ことが好ましい。
【0027】また、本発明によれば、Mo粉末に予めC
u粉末を5質量%以下の割合で混合した粉末の圧粉体
に、質量比で40〜60%の銅(Cu)を含浸してなる
ことを特徴とする放熱基板が得られる。
【0028】また、本発明によれば、Cu−Mo複合放
熱基板を製造する方法において、平均粒径(FSSS)
2〜6μmのMo粉末を、油圧あるいは静水圧(CI
P)プレス機で5トン/cm2 以下の圧力で圧粉体を形
成し、還元性あるいは不活性雰囲気炉中で、1083〜
1300℃で質量比20〜60%のCuをMo圧粉体に
含浸させてCu−Mo複合基板を得ることを特徴とする
放熱基板の製造方法が得られる。
【0029】また、本発明によれば、Cu−Mo複合基
板を製造する方法において、平均粒径(FSSS)2〜
6μmのMo粉末と5%以下のCu粉と混合し、油圧あ
るいは静水圧(CIP)プレス機で5トン/cm2 以下
の圧力で圧粉体を形成し、還元性あるいは不活性雰囲気
炉中で、1083〜1300℃で質量比40〜60%の
Cuを前記圧粉体に含浸させることを特徴とする放熱基
板の製造方法が得られる。
【0030】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て、図面を参照して説明する。
【0031】本発明のように,銅の含有量が質量比30
%を越える複合材を得るには,銅を含浸させるモリブデ
ン多孔体として見掛け密度6.7(g/cm3 )以下の
多孔体を用意する必要がある。しかし,慣習的に行われ
てきた方法では,これは困難である。
【0032】本発明では,モリブデン粉末に有機質バイ
ンダーを添加することなく,静水圧成形法を用い所定の
空孔率を有する圧粉体を造り,この圧粉体に銅を含浸さ
せてMo−Cu複合材をつくる造り方を,鋭意テストを
繰り返すことにより得ることができたものである。尚,
適性なモリブデンの粉末調整と加圧成形方法が選択され
る。
【0033】また,本発明に原料として用いられるモリ
ブデンの金属粉末は,工業的に用いられるモリブデンの
金属粉末であり,これはモリブデン酸化物原料を水素に
て還元し得られる。本発明においては,粉末冶金におけ
る一般的な注意事項を施すことは当然である。さらに,
この粉末の特性は還元温度,水素分圧,水分圧等が主な
支配因子で,これから造られる圧粉体は更に圧粉体の成
形圧力により,その空隙の在り方含む特性がコントロー
ルされる。
【0034】本発明において,原料モリブデン粉の粒度
は、FSSS粒度で2〜6μmの範囲である。そのよう
に限定した理由は,圧粉体の加熱前後の特性は,粒度が
細かすぎると嵩(ボリューム)も増え所望の見掛け密度
を得るために成形圧力を上昇させると含浸した後にモリ
ブデン粒子同志の凝集が起こり易いばかりか,プレス機
の負荷も多く不都合であるからである。この臨界的な最
小粒度は,凡そ1.8μmで,これ以上の2.0μmで
は,問題無かった。
【0035】一方,粒度が粗すぎると,成形性も低下す
るし,取り扱いでも圧粉体の周辺が崩れ易い。この臨界
的な最大粒度は,凡そ6.5ミクロンであった。
【0036】また,本発明において,銅含浸の際の温度
は、1083(好ましくは1150)〜1300℃の範
囲である。その理由は、この温度範囲が,空孔も無く,
9mmまでの複合体を安定して得る事が分かった。さら
に加えてこの温度域が上述のそれぞれの圧粉体に無理な
変形を生じ難く良好な条件となる。
【0037】また,本発明において,CIPの圧力は、
5トン/cm2 以下である。その理由は、次の通りであ
る。銅を含浸させて複合材を得るに,含浸時に複合体が
所謂焼結すると,所望の空孔率が変化し,質量30%以
上の銅を含浸させることが出来ない。したがって,圧粉
体の構造が含浸後も極く小さいことが大切な条件となり
上記粒度及び温度の他成形における成形圧力も5トン/
cm2 を越えないことが重要な条件となるからである。
【0038】また,放熱基板用材料は,圧延によって加
工度を上げれば,次第に圧延加工による組織が特にモリ
ブデンの結晶粒子の形状に現われてくる。ある限度をこ
えれば,本発明による材料の予見できる特徴の,例え
ば,異方性が出現する事になる。
【0039】本発明において,圧延加工は少なくても4
0%を越えない範囲なら一般的なサイズの放熱基板の所
望特性を損なわずに製造することができた。ただ,望ま
しくは30%以内の加工度で行なうことで,比較的コス
トの掛かる圧延工程を少なくできる上,1〜2mm程度
の薄い放熱基板も賄えることが判明した。
【0040】また,本発明において,圧延による加工度
40%を越えない範囲が好ましいとしたのは,40%を
越えると言わばモリブテンの粒径における最長径と最短
径の比率を3ないし4以上となり,本発明の材料特性及
び経済性の優位性を損なうからである。この場合,熱間
圧延により大きな加工度を採る必要はなく,むしろ冷間
あるいは400度以下の温間領域で加工をすることで熱
間作業の防熱,安全,衛生に関する配慮か殆ど不要にな
り量産規模の工程として有効である。
【0041】更に,本発明において,圧延加工の後に,
プレス加工を行ったところ,比較的小さい加工度の段差
を有する形状(キャビテイー型)において,プレス圧力
の減少及び僅かではあるがヘアクラックの発生安定性に
おいて優れていることが見出だされた。
【0042】また,本発明のような放熱基板において,
めっきは欠かせない表面処理である。銅,モリブデンが
それぞれ化学的性質を大きく異にしている事から,含浸
後ホーニングだけでは,微小なボイドや銅含浸ムラの無
い安定しためっきの条件は狭い範囲でしかなかった。し
かし,本発明においては,僅かながらでも圧延加工を施
すことにより,この安定性が著しく向上することか判っ
た。
【0043】以上のことにより,本発明によれば,充分
利便性のある一般の小さな放熱基板も供給可能と成しえ
た。
【0044】一方,先述したマイクロ波パッケージ等の
ような小さいサイズの放熱基板のものは,当然板厚の薄
いものも多く,しかも単に平板形状でない異形形状品の
プレス加工によるものを求められる事も多い。その場合
は,先に得られた本発明の基板にさらなる圧延加工を施
して板厚を薄くしても特性上は支障無いことは当然であ
る。但し,本発明では,量産性、即ち、経済性を重視し
ており,このように圧延加工比率を増せば次第にその経
済性は損なわれることになるは,いうまでも無い。
【0045】上述の説明の中で、CIP圧力を1〜2.
3トン/cm2 でPCM40〜26の製造方法を開示
し、実用上の不都合から、CIP圧力2トン/cm2
PCM30までとした。
【0046】しかし、図1に示すように、油圧プレス機
で、Mo粒怪と圧力の関係を鋭意検討した結果、Cuを
含浸できる領域、いわゆるPCMの作製可能領域が判明
した。また、熱伝導率が170W/m・K以上であれば
実用に耐え得ることや、熱膨張係数も12×10-6/K
程度までならマイクロ波用半導体へ応用され得ることか
ら、30〜40質量%Cu(PCM30〜40)から2
0〜60質量%Cu(PCM20〜60)へ適用範囲を
広げることによって、用途を格段に広げられるメリット
が生ずる。つまり、図1によると、粒度2〜6μmのM
o粉末とプレス圧力を1〜5トン/cm2 の範囲で調整
することにより、いわゆるPCM20〜60を製造する
ことができる。
【0047】なお、Mo粒怪が1μmの場合、プレス成
形性が悪い上、プレス体のMoどうしの隙間が狭く、C
u含浸時の収縮も大きく、Cuの含浸性も悪いため、所
定の量が入り込まない。また、Mo粒怪が6μmを超え
るものについては、還元温度を高くしなければならず、
耐火材の消耗が激しく、さらに還元(チャージ)量を多
くせねばならず未還元が発生し易い等という問題があ
り、Mo粉末の製造白体難しい上、プレス成形性も非常
に悪く実用性に欠ける。プレス圧力については、1トン
/cm2 未満では、成形後のハンドリング性が悪く、5
トン/cm2 を超えると耐性からプレス機は特殊となり
一般的でなく、また、その圧力に耐え得る金型の材質も
特殊鋼を用いなくてはならず汎用性に欠ける。CIPと
の聞係については、CIPは油圧よりも成形性がよいた
め、10〜20%低めに設定することができる。しか
し、一般的なCIP圧力は、3トン/cm2 が汎用限界
であるが、用途(特に、サイズ)に応じて使い分けをす
ればよいことが判った。
【0048】含浸の際のポイントとしては、Mo粉末は
酸化し易く、酸化していてはCuとの濡れ性が低下(毛
細管現象が低下)し、所望するCuが入らなくなるた
め、還元性の強い水素雰囲気で圧粉体を500〜100
0℃で還元することにある。本発明では、連続炉を使っ
て行なっているので、還元、含浸の工程が同時に含まれ
ているので、特に製造コストが高くなるという問題はな
い。
【0049】PCM50〜60とCu含有量の多いもの
を製造する際は、2μm程度の細かいMo粉末を1〜
1.5トン/cm2 の低い圧力で作れるが、粉末が細か
い故、収縮等の影響でCu合浸量をコントロールするに
は若干の熟練を要する。そこで、予め1〜5質量%のC
u粉末をMo粉末に混合した粉末て圧粉体を作り、Cu
を含浸することによりCu含有量の多い領域のPCMを
容易に製造することができるようになる。Cu粉が予め
少量入っていることにより、Mo粉とのつなぎの役割を
果たすので成形を保ち易くなり、またCuの領域も確保
でき、Cuの含浸が促進されるため、Mo平均粒怪を3
〜4μm(汎用粒怪)、圧力を1.5〜2トン/cm2
(汎用圧力)とできる。さらに、Mo平均粒径を2μm
から4μmグレードにすることにより、原料コストを大
幅に下げられるメリットも生ずる。
【0050】図2はTT−RCMとPCMの製造工程の
比較を示す図である。
【0051】RCMはCu粉末とMo粉末を所定の割合
で配合した後、十分均一混合する。そして、油圧あるい
はCIPにより粉末成形し、焼結した後、圧延するとい
う工程で製造される。それに対し、本発明のPCMは、
Mo粉末を油圧、あるいは、CIPにより成形したその
圧粉体にCuを含浸した後、圧延するものであり、RC
Mより製造工程が一工程簡略され、製造コストが安くな
る上、緻密化したCu−Mo複合材が製造できる。
【0052】また、図3は、PCM35とRCM40の
厚さ(T)1mmの金属組織の比較を示す図である。ミ
クロ的に観ると、PCM35はCuの割合が少ないにも
拘らず、Mo粒子間のCuの占める割合が多くなってい
る。これが含浸法の特徴であり、加工性をより良くして
いる一因である。
【0053】従って,PCMは、冷間圧延あるいは,4
00℃以下の温間圧延が可能である。含浸体素材の厚み
が,5mm以下ならば冷間圧延で90%の加工ができ
る。しかし、素材厚みが10mm程度の場合となると、
150〜400℃の加熱が必要である。
【0054】なぜなら、図4に示すように、Cuは、1
50℃で引張強度や硬さが低下し始め、400℃まで急
激に低下し、伸び率は、逆に同温度領域で急激に増加す
る。これによって、加工性が良くなるためであり、圧延
の際には、その効果が大きく表れる。尚、図5は、丸善
出版の金属データブック(古河電工時報)から抜粋した
データであるが、「純銅」として代表される無酸素銅、
電気銅、及びリン脱酸銅のいずれも150〜400℃で
急激な遷移領域を持つことが判り、PCMの含浸原料に
は酸素銅あるいは電気銅を用いているため適用できる。
【0055】RCMも同様の効果があると思われるが、
Cuの一領域に占める面積がPCMより小さいため、そ
の効果は僅かである。
【0056】プレスによる塑性加工性についても同様の
ことが言える。例えば、キャビティ型の放熱基板をプレ
ス加工により製作すると、RCM40はクラックが入り
易いのに対し、PCM35はCu含有量が少ないにも拘
らず、そのようなクラックが入り難い故、加工性はRC
Mより有益である。
【0057】それでは、本発明の実施の形態による放熱
基板の製造例について説明する。
【0058】(例1)平均粒径4μmのMo粉末を油圧
成形機で4.5トン/cm2 の荷重を掛け、厚み(T)
5×80×185mmの圧粉体を作った。この圧粉体の
相対密度は、70%であった。この圧粉体の上部にMo
の質量比で25%分のCu板を載せ、水素還元性雰囲気
炉において、1300℃でCuを溶融、染み込ませた
(含浸した)。
【0059】含浸体のサイズは、T4.6×77×17
9mmであり、Cu含浸量はICP(Inductively Coup
led Plasma)発光分析装置で測定した結果、20.5質
量%(PCM20)、相対密度は97%であった。この
含浸体の表面を液体ホーニングにより平坦処理し、40
0℃に設定したホットプレートで温めながら、圧下率1
0%以下で圧延を繰り返しT3mmまで加工した。この
板のMo粒子のアスペクト比(最長怪/最短怪)を測定
したところ、ほぼ2であり、熱膨張係数の異方性は8%
であった。熱伝導率は170W/m・K、ヤング率は2
40GPaであった。
【0060】また、この板を100×150mmサイズ
の金型で打ら抜き加工を行なったが、側面や表面にはク
ラックや割れ等の不良はなく良好であった。また、これ
に3μm電解Niめっきを施した後、水素雰囲気中にて
850℃×20分処理したが、めっきの膨れ、変色、染
み、ムラ等の不良はなかった。更に、Agロー(BAg
−8)付けした後、密着強度を測定したところ、5kg
/mm2 の強度が得られた。
【0061】(例2)平均粒怪3μmのMo粉末に対
し、質量比で2%分の乎均粒径8μmの電解Cu粉を混
合した。この混合粉末をCIPで、M−8581で開示
した方法により2.3トン/cm2 の荷重を掛け、厚み
(T)5.5×180×185mmの圧粉体を作った。
この時の相対密度は70%であった。この圧粉体の上部
にMoの質量比で25%分のCu板を載せ、水素還元性
雰囲気炉において1300℃でCuを含浸した。含浸体
のサイズはT5×160×179mmであり、Cu含浸
量は20.3質量%(PCM20)、相対密度は97%
であった。この含浸体の表面を液体ホーニングにより平
坦処理し、400℃に設定したホットプレートで温めな
がら、圧下率10%以下で圧延を燥り返しT3×260
×179mmまで加工した。各々の特性は、例1とほぼ
同じ値であった。
【0062】また、この板を240×150mmサイズ
の金型て打ち抜き加工を行ない、360cm2 の面積を
有する大型基板ができた。なお、側面や表面にはクラッ
クや割れ等の不良はなく、良好であった。また、この打
ち抜き板に3μm電解Niめっきを施した後、例1と同
様の熱処理し、密着強度を測定した結果、剥がれや膨れ
等の不良は、生じず、良好で、4.8kg/mm2 の密
着強度が得られ充分なことが判明した。以上のように、
大面積で所望した特性を有する高信頼性放熱基板ができ
た。
【0063】(例3)平均粒径2μmのMo粉末を油圧
成形機で1.2トン/cm2 の荷重を掛け、厚み(T)
11×80×185mmの圧粉体を作った。この時の相
対密度は35%であった。この圧粉体の上部にMoの質
量比で63%分のCu板を載せ、水素還元性雰囲気炉に
おいて、1150℃でCuを含浸した。この時のサイズ
はT10×75×174mmであり、Cu合浸量は5
8.8質量%(PCM60)であった。
【0064】この含浸体の表面を液体ホーニングにより
処理し、250℃に設定したホットプレートで温めなが
ら、圧下率10%以下で圧延を燥り返しT1mmまで加
工した。この圧延板の平均熱膨張係数は12×10-6
K、熱伝導率は280W/m・K、ヤング率は170G
Paであった。
【0065】また、この板を15×24mmサイズの部
品に打ち抜いたが、側面や表面にクラックや割れ等は発
生せず良好にできた。また、打ち抜き部品をNiめっき
した後、例1と同様の熱処理をし、密着強度を測定した
結果、剥がれや膨れ等の不良は生じず良好で、4.6k
g/mm2 であった。
【0066】(例4)平均粒径3μmのMo粉末に対
し、質量比で5%分の平均粒径8μmの電解Cu粉を乾
式で混合した。この混合粉末を油圧成形機で1.8トン
/cm2 の荷重を掛け、厚み(T)11×80×185
mmの圧粉体を作った。この時の相対密度は50%であ
った。この圧粉体の上部に、Moの質量比で58%分の
Cu板を載せ、水素還元性雰囲気炉において1150℃
でCuを含浸した。この時のサイズは、T10×75×
174mmであり、Cu含浸量は59.6質量%(PC
M60)であった。この含浸体を例3と同様の製造工程
でT1mmまで加工し、同様に打ち抜き、Niめっきし
た後、例1と同様の熱処理をし、密着強度を測定した結
果、剥がれや膨れ等の不良は生じず、良好で、4.8k
g/mm2 の密着強度が得られ充分なことがわかった。
また、各々の特性は、例3と同じで、放熱基板としての
有用性が得られた。
【0067】(例5)平均粒怪4μmのMo粉末を油圧
成形機で1.5トン/cm2 の荷重を掛け厚み(T)5
×80×185mmの圧粉体を作った。この圧粉体の相
対密度は60%であった。この圧粉体の上部にMoの質
量比で38%分のCu板を載せ、水素還元性雰囲気炉に
おいて、1300℃でCuを含浸した。含浸体のサイズ
は、T4.6×77×179mmであり、Cu含浸量
は、35.5質量%(PCM35)、相対密度は98%
であった。この含浸体を例3と同様の処理をし、300
℃に設定したホットプレートで温めながら、圧下率10
%以下で圧延を繰り返しT0.8mmまで加工した。こ
の圧延板の平均熱膨張係数は8.5×10-6/K、熱伝
導率は200W/m・K、ヤング率は220GPaであ
り、放熱基板として有用な素材ができた。
【0068】(例6)例5で作製したPCM35のT
0.8×□30mmの板を用い、図5(a)及び図5
(b)に示すような凹部13の内径□15mm、押し込
み深さ(D)0.35mmで常温にてプレス加工により
キャビティ型の基板を作製した。この時の雄型と雌型の
クリアランスは25μmで、雄型の突端にR0.2mm
を付けた金型を使って加工を行なった。
【0069】比較として、TT−RCM40の同じ板厚
のものも同様の加工を行なった結果、PCM35は段差
部にクラックや亀裂等の不良はなく、しかも凹部底面は
素子を搭載しても十分平坦な精度のある形状に加工でき
たが、RCM40は参照符号10で示される部分に小さ
い亀裂が見られ、組成の近い領域で比較するとPCMの
加工性の良さが判った。
【0070】(例7)本発明の例7による大面積放熱基
板を次のように製造した。
【0071】市販の篩されたモリブデン粉を,上下に鉄
板を配置し,全体をゴムケースに入れ,静水圧プレス
(CIP)により1.8トン/cm2 の圧力で,155
×255×3.3mmあるいは5.3mmに成形する。
【0072】所定の形状の銅板の上に先のモリブデン圧
粉体を乗せ,水素雰囲気の熱処理炉の中で,1100℃
程度から徐々に昇温し1150〜1300℃とする。こ
の温度は,粉末の粒度により,例えば、2〜6μm(J
IS H2116によるFsss法測定値)の範囲で細
かい程低温とし粗い程高温とする。処理最終の温度は,
実質的に銅が十分に溶ける温度が必要で,1150℃以
上が欠かせない。また,構体の変形を来たす事は避けね
ばならず,プレス圧力の高くする条件下の場合,銅は含
浸されにくく高温が良いが,実験の結果より1300℃
を超えてはならないことが判明している。
【0073】次いで,表面のわずかな余剰銅,および表
面の形状精度を得るため,ホーニング加工を行う。5μ
m以上のニッケルめっきを施し3及び5mm厚の製品と
した。仕上がり寸法250mmの長さ方向の反りは,何
れも65±5μmミクロンの範囲に納まっており,大容
量のインバーターに組み込んだ処充分な接合安定性が得
られた。
【0074】また,熱膨張の異方性は,鍛造品よりは若
干劣り±0.75×10-6/Kとなったが実用上充分性
能が得られた。熱伝導率については,10W/m・Kで
あった。また,粉末のプレス圧力に対する銅含浸量,熱
伝導率,及び熱膨張係数の測定結果を,下記表1に示し
た。9mmの製品板厚まで製作できた。尚,この放熱基
板を搭載した装置は変形,構成部品の剥離,ワレに対し
て高い信頼性を有して入ることが分かった。
【0075】
【表1】
【0076】また,ここで,断面組織を観察したとこ
ろ、銅とモリブデンは均一に分布されていたと共に巨大
な粒子を含まずプレスによる加工はスムーズに行え且
つ,周辺部のチッピングも起こさず,電気鉄道自動車や
電気自動車に用いる大容量整流器に搭載可能であること
も判った。
【0077】しかし,上記表3に示した数値の内、熱膨
張係数=9は,ギリギリの許容域で,しかもプレス体の
取扱の最中で割れやすく実用上好ましく無い。プレス圧
力2.3トン/cm2 では,熱伝導率が200W/m・
Kを割る上組織上,モリブデンの凝集が観られた。これ
は銅を徐々に昇温して,含浸しているにも拘わらずモリ
ブデンの焼結が起きてしまい,また粉末の適正範囲を選
択していても変わらず不都合である。したがって,プレ
ス圧力としては2トン/cm2 が実用上の上限と判明し
た。
【0078】(例8)本発明の例8による大面積放熱基
板を次のように製造した。
【0079】市販の篩されたモリブデン粉からの圧粉体
を銅板にはさみ,熱処理して,ホーニング加工までを、
例7と同様に行った。次に,板厚5mmの素材を300
℃の温間条件で,3回ないしは6回に分けて圧延加工を
施し3mm迄加工した。表面は清浄で凹凸もなく,プレ
ス加工した仕上げ面となんら変わらぬ精度になった。
【0080】さらにニッケルめっきを施したところ,水
素中アニールをおこなった後の検査で,フクレ,ボイ
ド,色ムラ等生じることなく正常な仕上がりと為しえ
た。また,組織を観察したところ,モリブデンの粒径に
おける最長径と最短径の比率はほぼ2であった。
【0081】(例9)本発明の例8と同様の加工によ
り,3mmから2.1mmの板材を作成した。外径□3
0,凹部段差0.25,凹部内径□15,裏面平坦の放
熱基盤を,雄型の突端形状R0.2,雌型と雄型のクリ
アランスを片側25μmとり,常温にてプレス加工した
ところ,段差部のクラックもなく,しかも凹段部底面は
素子を搭載しても充分平坦な精度のある形状に加工出来
た。もちろんめっきも例8と同様なんら問題もなく正常
な仕上がりになった。
【0082】一方,比較の為に,銅とモリブデンを混
合,焼結,圧延を施してなる銅/モリブデン複合材で,
銅の含有率が40%の場合について行なったところ,容
易に2.1mmの板材は準備できた。
【0083】しかし,例9と同様のプレス加工を行なっ
たところ,段部の底部コーナーに段差と平行にヘアクラ
ックのあることが顕微鏡検査で検出された。
【0084】この時,モリブデンの最長径と最短径の比
率をはかったところ2.7であった。また,クラックは
圧延方向と直角に加工された部分に発生しており,モリ
ブデンの形状に起因していると思われる。
【0085】
【発明の効果】以上説明したように,本発明によれば,
電気鉄道車両や電気自動車に使用される,大容量整流器
に搭載される大面積放熱基板を提供することができる。
【0086】また,本発明によれば,汎用的に利用され
ているW−Cu複合材料のごとき,有機質のバインダー
等の添加を行わず,またバインダー除去のための熱処理
も不要であり,極めて経済的に複合材を製造でき,モリ
ブデンの厚粉体に質量比で30〜40%の銅を含浸さ
せ,しかもこの外の処理は極めて少なく,熱膨張率が半
導体やセラミック絶縁体に近く,しかも熱伝導性の優れ
た材料を得る大面積放熱基板とその製造方法が得られ
る。
【0087】さらに,本発明によれば,圧粉体,所謂粉
末を所定の条件でプレス成形しただけの物へ銅を含浸さ
せる事で,焼結や圧延,あるいは鍛造のように,銅の不
均一分布(銅の融点近傍での揺れ)をコントロールした
り,工程の多さ,複維さによるコスト低減でき,また,
外観から分かる形状では明らかに相違のない経済的に有
利な大面積放熱基板とその製造方法を提供することがで
きる。
【図面の簡単な説明】
【図1】Mo粒径とプレス圧力との関係を示す図であ
る。
【図2】素材製造工程の概略を示す図である。
【図3】PCM35とRCM40の厚み1mmにおける
金属組織の比較を示す電子顕微鏡写真である。
【図4】各種純銅板(50%圧延1mm)の機械的性質
におよぼす焼なまし温度の影響を示す図である。
【図5】図5(a)は本発明の実施例による異形状放熱
基板の平面図である。図5(b)は図5(a)の異形状
放熱基板の断面図である。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 浅井 清史 山形県酒田市大浜二丁目1番12号 東京タ ングステン株式会社酒田事務所内 (72)発明者 前里 英俊 山形県酒田市大浜二丁目1番12号 東京タ ングステン株式会社酒田事務所内 (72)発明者 有川 正 富山県富山市岩瀬古志町2番地 東京タン グステン株式会社富山製作所内

Claims (41)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 モリブデン(Mo)の圧粉体に、質量比
    で20〜60%の銅(Cu)を溶融、染み込ませる含浸
    してなるCu−Mo複合基板からなることを特徴とする
    放熱基板。
  2. 【請求項2】 請求項1記載の放熱基板において、温間
    圧延又は冷間圧延を繰り返すことによって得られる圧延
    板であって、微小な空孔やCu含浸ムラがない(Cuと
    Moが均一に分布している)ことを特徴とする放熱基
    板。
  3. 【請求項3】 請求項2記載の放熱基板において,打ち
    抜き加工で端面又は側面及び表面に欠けや、クラック、
    割れがなく、形状精度の良い加工ができ、表面にめっき
    を施した後、700℃以上で熱処理してもめっきの膨
    れ、剥離、ムラのない充分密着しためっき層を有するこ
    とを特徴とする放熱基板。
  4. 【請求項4】 請求項1乃至3の内のいずれかに記載の
    放熱基板において、前記Cu−Mo複合板を圧延加工し
    た圧延板であって、この圧延板中のMo粒子のアスペク
    ト比(最長径/最短径)が2以下であることを特徴とす
    る放熱基板。
  5. 【請求項5】 請求項4記載の放熱基板において,前記
    圧延板は、圧延方向に平行な方向と圧延方向に垂直な方
    向の熱膨張係数の差(異方性)が8%以下であることを
    特徴とする放熱基板。
  6. 【請求項6】 請求項1記載の放熱基板において、前記
    Cu含浸量がモリブデン(Mo)の圧粉体に対して、質
    量比で20〜40%であることを特徴とする放熱基板。
  7. 【請求項7】 請求項6記載の放熱基板において、電気
    自動車や電気鉄道車両に使用されるパワー半導体に用い
    られ、複数の半導体素子の搭載に用いられることを特徴
    とする放熱基板。
  8. 【請求項8】 請求項7記載の放熱基板において、前記
    Cu含浸量がモリブデン(Mo)の圧粉体に対して、質
    量比で20〜30%であることを特徴とする放熱基板。
  9. 【請求項9】 請求項8記載の放熱基板において、熱膨
    張係数7〜8.5×10-6/K、熱伝導率170〜19
    0W/m・K、ヤング率220〜240GPa、密度1
    0g/cm3 以下の各特性を備え、高信頼性を有するこ
    とを特徴とする放熱基板。
  10. 【請求項10】 請求項6記載の放熱基板において,前
    記Cu含浸量がモリブデン(Mo)の圧粉体に対して、
    質量比で30〜40%であることを特徴とする放熱基
    板。
  11. 【請求項11】 請求項10記載の放熱基板において、
    車両の大容量整流器に搭載されていることを特徴とする
    放熱基板。
  12. 【請求項12】 請求項1乃至3の内のいずれかに記載
    の放熱基板において、前記圧延板にプレス加工によって
    凹凸に段差を有する異形状を備えている事を特徴とする
    放熱基板。
  13. 【請求項13】 請求項12記載の放熱基板において、
    前記Cu含有量がモリブデン圧粉体に対して質量比で4
    0〜60%であることを特徴とする放熱基板。
  14. 【請求項14】 請求項13記載の放熱基板において、
    熱膨張係数8.7〜12×10-6/K、熱伝導率230
    〜280W/m・K、ヤング率170〜200GPa、
    密度10g/cm3 以下の特性を備えていることを特徴
    とする放熱基板。
  15. 【請求項15】 請求項14記載の放熱基板において、
    表面粗さRa≦0.1mm、反り≦O.3mmであること
    を特徴とする放熱基板。
  16. 【請求項16】 請求項15記載の放熱基板において、
    マイクロ波用半導体に搭載されることを特徴とする放熱
    基板。
  17. 【請求項17】 請求項16記載の放熱基板を具備する
    ことを特徴とする半導体パッケージ。
  18. 【請求項18】 Mo粉末に予めCu粉末を5質量%以
    下の割合で混合した粉末の圧粉体に、質量比で40〜6
    0%の銅(Cu)を含浸したCu−Mo複合基板から実
    質的になることを特徴とする放熱基板。
  19. 【請求項19】 請求項18記載の放熱基板において、
    熱膨張係数8.7〜12×10-6/K、熱伝導率230
    〜280W/m・K、ヤング率170〜200GPa、
    密度10g/cm3以下の特性を備えたことを特徴とす
    る放熱基板。
  20. 【請求項20】 請求項19記載の放熱基板において、
    マイクロ波用半導体の搭載に用いられることを特徴とす
    る放熱基板。
  21. 【請求項21】 請求項20記載の放熱基板において、
    前記Cu−Mo複合基板を冷間圧延又は温間圧延した圧
    延板からなり、微小な空孔やCu含浸ムラがないことを
    特徴とする放熱基板。
  22. 【請求項22】 請求項21記載の放熱基板において、
    前記圧延板は、打抜き加工で端面又は側面にクラック、
    割れがなく、形状精度の良い加工ができ、表面にめっき
    を施した後700℃以上で熱処理しても、めっきの膨
    れ、剥離、ムラの無い充分密着しためっき層を有するこ
    とを特徴とする放熱基板。
  23. 【請求項23】 請求項21記載の放熱基板において、
    前記圧延板は、凹凸に段差を有する形状を備えているこ
    とを特徴とする放熱基板。
  24. 【請求項24】 Cu−Mo複合放熱基板を製造する方
    法において、平均粒径(FSSS)2〜6μmのMo粉
    末を、油圧あるいは静水圧(CIP)プレス機で5トン
    /cm2 以下の圧力で圧粉体を形成し、還元性あるいは
    不活性雰囲気炉中で、1083〜1300℃で質量比2
    0〜60%のCuをMo圧粉体に含浸させてCu−Mo
    複合基板を得ることを特徴とする放熱基板の製造方法。
  25. 【請求項25】 請求項24記載の放熱基板の製造方法
    において、前記Cu−Mo複合基板に、40%以下の加
    工度で圧延を施して圧延板を得ることを特徴とする放熱
    基板の製造方法。
  26. 【請求項26】 請求項25記載の放熱基板の製造方法
    において、前記圧延板に冷間圧延あるいは400℃以下
    の温間圧延によって、微小な空孔やCu含浸ムラがない
    (CuとMoが均一に分布している)圧延板を得ること
    を特徴とする放熱基板の製造方法。
  27. 【請求項27】 請求項26記載の放熱基板の製造方法
    において、前記圧延板中のMo粒子のアスペクト比(最
    長径/最短径)が2以下であることを特徴とする放熱基
    板の製造方法。
  28. 【請求項28】 請求項27記載の放熱基板の製造方法
    において、前記圧延方向に平行な方向と前記圧延方向に
    垂直な方向の熱膨張係数の差(異方性)が8%以下であ
    ることを特徴とする放熱基板の製造方法。
  29. 【請求項29】 請求項26乃至28の内のいずれかに
    記載の放熱基板の製造方法において、前記圧延板の表面
    にめっきを施し、700℃以上で熱処理してもめっきの
    膨れ、剥離、ムラのない充分密着しためっき層を有する
    めっき付圧延板を得ることを特徴とする放熱基板の製造
    方法。
  30. 【請求項30】 請求項26乃至28の内のいずれかに
    記載の放熱基板の製造方法において、前記圧延板に、打
    ち抜き加工を施して端面又は側面及び表面に欠けや、ク
    ラック、割れがなく、形状精度の良い加工板を得ること
    を特徴とする放熱基板の製造方法。
  31. 【請求項31】 請求項30記載の放熱基板の製造方法
    において、前記加工板の表面にめっきを施し、700℃
    以上で熱処理してもめっきの膨れ、剥離、ムラのない充
    分密着しためっき層を有するめっき付加工板を得ること
    を特徴とする放熱基板の製造方法。
  32. 【請求項32】 請求項27記載の放熱基板の製造方法
    において、前記圧粉体に含浸させるCu量は、質量比2
    0〜30%であることを特徴とする放熱基板の製造方
    法。
  33. 【請求項33】 請求項27記載の放熱基板の製造方法
    において、前記圧延板に、凹凸に段差を有する形状の放
    熱基板にプレス塑性加工を施して異形状の放熱基板を得
    ることを特徴とする放熱基板の製造方法。
  34. 【請求項34】 請求項33記載の放熱基板の製造方法
    において、更に,プレス加工工程を備え,前記圧延の前
    に銅含浸し,前記圧延を施した後,前記プレス加工工程
    によって段差を有する形状の放熱基板に加工することを
    特徴とする放熱基板の製造方法。
  35. 【請求項35】 請求項34記載の放熱基板の製造方法
    において、前記圧粉体に含浸させるCu量は、質量比3
    0〜40%であることを特徴とする放熱基板の製造方
    法。
  36. 【請求項36】 請求項35記載の放熱基板の製造方法
    において、前記圧粉体は、実質的に巨大粒子を含まず、
    前記含浸は、体積収縮率3%以下で銅を均一に分布させ
    ることからなることを特徴とする放熱基板の製造方法。
  37. 【請求項37】 請求項34記載の放熱基板の製造方法
    において、前記圧粉体に含浸させるCu量は、質量比4
    0〜60%であることを特徴とする放熱基板の製造方
    法。
  38. 【請求項38】 Cu−Mo複合基板を製造する方法に
    おいて、平均粒径(FSSS)2〜6μmのMo粉末と
    5%以下のCu粉と混合し、油圧あるいは静水圧(CI
    P)プレス機で5トン/cm2 以下の圧力で圧粉体を形
    成し、還元性あるいは不活性雰囲気炉中で、1083〜
    1300℃で質量比40〜60%のCuを前記圧粉体に
    含浸させてCu−Mo複合基板を得ることを特徴とする
    放熱基板の製造方法。
  39. 【請求項39】 請求項38記載の放熱基板の製造方法
    において、前記Cu−Mo複合基板を40%以上の加工
    度で冷間圧延あるいは400℃以下の温間圧延によっ
    て、微小な空孔やCu含浸ムラがない圧延板を得ること
    を特徴とする放熱基板の製造方法。
  40. 【請求項40】 請求項39記載の放熱基板の製造方法
    において、前記圧延板にさらに凹凸に段差を有する形状
    の放熱基板にプレス塑性加工して異形状の放熱基板を得
    ることを特徴とする放熱基板の製造方法。
  41. 【請求項41】 請求項39記載の放熱基板の製造方法
    において、前記圧延板に打抜き加工を施してクラック等
    が発生しない良好な加工板を得た後、表面に安定しため
    っき層を施すことを特徴とする放熱基板の製造方法。
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