WO2004038049A1 - 複合材料、その製造方法およびそれを用いた部材 - Google Patents

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WO2004038049A1
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Tadashi Arikawa
Norio Hirayama
Yoshinari Amano
Nobuyuki Saitoh
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Definitions

  • the present invention relates to a Mo—Cu-based composite material and a member using the same.
  • Mo_Cu-based materials are usually composite materials in which both components are mixed and bonded. Therefore, this material is a functional material that combines the functions of Mo and Cu, and it is possible to provide members with various functions and functional levels depending on the content ratio of both components and the micro or macro layout design. .
  • This material can be broadly classified into two types: one in which Mo and Cu particles and the like are distributed almost uniformly in a microscopic manner (Type 1), one in which Mo and Cu are macroscopically bonded (Type 2), and both. Combinations and intermediate arrangements (type 3).
  • Type 1 is a narrowly defined Mo—Cu composite material.
  • type 2 has a structure in which Cu and Mo are laminated, such as CMC (registered trademark) in which these plates are bonded in the order of Cu, Mo, and Cu, and a macro in which Mo and Cu are added. Includes those that are unevenly distributed.
  • Type 3 is a mixture of both types.
  • Mo_Cu sintered alloy and “Mo—Cu alloy phase” in the specification of Japanese Patent Application No. 2002-312130, which is the basis of the present application, are based on the original microstructure described above. In the application, the terms are replaced by synonyms of "Mo-Cu based composite material” and “Mo-Cu based composite phase”, respectively.
  • this material has been mainly used for heat dissipating members of electric and electronic equipment, especially for semiconductor devices.
  • this material since this material has the above-described functions, it can utilize the advantageous properties of Mo and Cu, suppress those disadvantageous properties, and complement each other. Therefore, many uses can be made depending on the material design. For example, if the rigidity of Mo and the ductility of Cu are used, Mo Use the radiation properties of Cu for special radiation equipment components, and use the heat resistance of M0 and the electrical conductivity of Cu to use heat-resistant electrical and electronic parts, such as electrical contacts and electrodes for electrical discharge machining and welding. If the chemical properties of Mo and Cu are used for the material, it can be considered to be used for the members of the siding.
  • Reference 1 discloses a non-rolled type 1 non-rolled material, especially Mo-Cu based composite materials suitable for mounting semiconductor elements.
  • Reference Document 2 discloses a type 1 rolled material.
  • Reference Document 3 discloses a type 1 rolled material.
  • Reference 4 is Mo, Cu, and Mo, and the type 2 layered in the order of Mo is disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. H10-12767 (hereinafter referred to as Reference 5).
  • Reference 5 A type 2 layered in order and a type 3 layered with a Mo-Cu composite material layer are disclosed.
  • materials for this application include not only high thermal conductivity in practical use, but also semiconductor devices in practical use and in the vicinity of their mounting parts (hereinafter referred to as “enclosure materials”). Matching of the coefficients of thermal expansion is mainly required. In the future, the thermal load on the components mounted on the package will increase rapidly due to the rapid increase in the degree of integration of semiconductor devices, the miniaturization of large-capacity packages, and the increase in the capacity of rectifiers in electrical equipment. It seems to be. Therefore, these heat dissipating members are required to have even higher thermal conductivity. For example, as in the case where the semiconductor element is Si and the surrounding material is A 1 N, the thermal expansion coefficient is small and the deviation is small and close to Mo. It is difficult to match the thermal expansion coefficient with the thermal conductivity while increasing the thermal conductivity only by the ratio.
  • Reference 1 discloses a material in which Mo and Cu are microscopically and almost uniformly distributed in a three-dimensional direction, and the entirety is a Mo—Cu-based composite phase.
  • a material obtained by plastically processing this material Fees are disclosed in reference 2.
  • the plastically processed material has the same thermal conductivity as that of Reference 1 with the same Cu amount.
  • thermal expansion coefficient is a reduced approximately 1 X 1 0- 6 / ° C .
  • it is considered that the same thermal conductivity as that of Reference 1 is obtained in the plastic working direction, and it is thought that the thermal conductivity slightly decreases in the thickness direction.
  • Reference 3 discloses a material in which Mo and Cu are microscopically and almost uniformly distributed in a three-dimensional direction, and the entirety is a Mo—Cu-based composite phase.
  • a material obtained by plastically processing this material Fees are disclosed in reference 2.
  • thermal expansion coefficient is a reduced approximately 1 X 1 0- 6 / ° C .
  • both the thermal conductivity and the thermal expansion coefficient increase in proportion to the amount of Cu. Therefore, there is a limit in increasing the thermal conductivity while suppressing the thermal expansion coefficient.
  • the thermal characteristics also have a direction, so it is necessary to proceed with material design based on this.
  • a first object of the present invention is to provide a composite material of type 1 and type 2 which can achieve high thermal conductivity and a matching coefficient of thermal expansion with an envelope material. .
  • a second object of the present invention is to provide a composite material in a heat radiation member in which heat radiation characteristics after plastic working are considered.
  • a third object of the present invention is to provide a semiconductor element having high thermal integration with Si and GaAs as well as various package materials, particularly alumina and A1N, and to achieve high integration. It is another object of the present invention to provide a low-cost composite material having a high thermal conductivity that can cope with a light weight dangling.
  • a fourth object of the present invention is to provide a heat dissipation member using the composite material.
  • a fifth object of the present invention is to provide a method for producing the composite material.
  • a sixth object of the present invention is to provide a semiconductor device in which the heat radiating member is used for heat radiation of a semiconductor device, for example, a heat radiating substrate. Disclosure of the invention
  • a composite material according to the present invention is a Mo_Cu-based composite material having a Cu content of 30 to 70% by weight, and a copper pool phase and a Mo—Cu component in the material. And a copper pool phase in an amount of 10 to 50% by weight.
  • the copper pool phase preferably has an average minor axis of 50 to 200 im, and is preferably subjected to plastic working.
  • the member and the heat radiating member of the present invention use any one of the above composite materials.
  • a semiconductor device according to the present invention is characterized in that the heat dissipation member is used.
  • the method for producing a composite material of the present invention is characterized in that a copper-based material having an average minor axis of 50 ⁇ m or more is arranged in a Mo powder matrix, and the molded body is integrated and formed into a molded body. Baking the body into an intermediate sintered body, infiltrating the compact or intermediate sintered body with copper or a copper alloy, the Cu content is 30 to 70% by weight, and the copper pool phase is 10%. ⁇ 50 weight. / 0 is a composite material.
  • the copper-based material is a powder having an average minor axis of 50 to 200 ⁇ m, and the powder is mixed with the Mo powder before the molding integral. It is preferable to do so.
  • FIG. 1 (a) is a diagram schematically showing the metal structure at the time when the copper-based material of the composite material of the present invention is formed and integrated after placing the copper-based material;
  • Fig. 1 (b) is a diagram schematically showing the metal structure at the time when the pool phase was formed after copper infiltration of the composite material of Fig. 1 (a);
  • FIG. 2 is a diagram schematically showing the metal structure at the time of plastic working shown in FIG. 1 (b);
  • FIG. 3 is an optical micrograph showing an example of the metal structure of the composite material of the present invention;
  • FIG. 4 is a diagram showing the relationship between the thermal conductivity and the coefficient of thermal expansion when the amount of copper in the composite material of the present invention is changed;
  • FIG. 5 shows an example of the relationship between the amount of copper and the Young's modulus of the composite material of the present invention
  • FIG. 6 shows the thermal expansion coefficient and the thermal expansion coefficient of the composite material of the present invention prepared under almost the same conditions as in FIG. Diagram showing the relationship with the plastic working ratio
  • Fig. 7 (a) is a diagram schematically showing an example of the arrangement pattern of the copper pool phase and the Mo-Cu-based composite phase of the composite material of the present invention. A drawing of the case where Miku mouth is drawn;
  • FIG. 7 (b) and FIG. 7 (c) are diagrams showing examples in which the copper pool phase of the composite material of the present invention is designed in a functionally graded manner;
  • FIG. 7 (d) is a drawing depicting the case where the shape of the copper pool phase of the composite material of the present invention is in the form of a spindle and arranged in a disordered direction, in the view of the mouth of the Miku mouth;
  • FIG. 7 (e) is a diagram schematically illustrating a member composed of three layers having different arrangement densities of the ⁇ Pool phase ⁇ of the composite material of the present invention in a Mac mouth view;
  • FIG. 7 (f) is a diagram showing another example of an arrangement pattern schematically drawn in a macroscopic view of the composite material of the present invention.
  • Fig. 7 (g) is a conceptual perspective view of a rod-shaped copper pool phase oriented in the longitudinal direction of the rod-shaped composite material of the present invention.
  • FIG. 8 is a schematic sectional view showing a state where the heat radiating member of the present invention is mounted on a semiconductor module package.
  • a copper-based material having an average minor axis of 50 ⁇ m or more is arranged in an M0 matrix, and these are molded and integrated.
  • the component of the copper-based material may be pure copper, an alloy of which the main component is copper, or a mixture of these components with a small amount of a minor component, and is selected according to the end use. For example, when used for a member that emphasizes the original functions of copper, such as thermal conductivity and electrical conductivity, it is desirable to use pure copper or electrolytic copper with high purity. Also, for example, when used for mechanical components, it is necessary to select a copper alloy with high toughness as necessary. desirable.
  • the outer dimensions are brought close to the final desired outer dimensions in advance, and after molding and integration, the shape is almost the same. It is desirable that the arrangement pattern in the matrix and the matrix be close to the desired form of the final composite material, so that they can be almost maintained.
  • the amount of copper-based material arranged to make full use of the function of the copper pool phase is usually 10 to 50 weight. / 0 range. The reason is that if the content is less than 10% by weight, the effect of the copper pool phase, which controls the thermal, electrical and mechanical performances described below, will be diminished, while if it exceeds 50% by weight, the function will be closer to that of copper. This is because the original characteristics are lost.
  • the compact and the intermediate sintered body obtained by firing also called intermediate sintering
  • the porosity may vary slightly, or the amount of the arranged copper-based material in the composite material may fall slightly within this range.
  • Fig. 1 (a), Fig. 1 (b) and Fig. 2 schematically show one example of the micro-arrangement
  • Fig. 1 (a) shows a copper-based material placed and formed integrally
  • Figure 1 (b) shows the morphology of the same part when the pool phase was formed after copper infiltration in the same field of view
  • Fig. 1 (a) and Fig. 1 (b) show the case where plastic working has not been performed
  • Fig. 2 shows the case where plastic working has been performed using a rolling roll.
  • Fig. 1 (a) it is a copper-based material in which large particles are premixed, and in Fig. 1 (b), this part is the copper pool phase.
  • the Mo phase which becomes the matrix in Fig. 1 (a), is filled with a copper-based material in the voids, as shown in Fig. 1 (b), and becomes a Mo-Cu-based composite phase.
  • the morphology of the microstructure of the Mo-Cu-based composite phase can be easily changed depending on the size ⁇ shape of the raw material Mo particles, production conditions after molding, and the like. For example, by changing the particle size distribution of Mo particles or by mixing fine powder and coarse powder in an appropriate ratio in advance, the porosity and morphology of the compact or intermediate sintered body can be controlled. Control the amount and size of copper after infiltration and its distribution. This allows The function of the matrix of the composite material can also be controlled.
  • the main object of the present invention is to control the function of the composite material by forming a copper pool phase.
  • the matrix also has an element capable of controlling the function of the composite material of the present invention.
  • the minor axis of the copper-based material indicates the portion of Ds in FIG.
  • the minor axis of the copper pool phase in Fig. 1 (b) is also the corresponding part.
  • the minor diameter D s is determined from the outer shape of the group. As shown in FIG. 1 (a) and FIG. 2, a portion having the maximum outer shape is defined as a major axis D1, and a portion having a maximum width in a direction perpendicular to the major axis is defined as a minor axis Ds. If the outer shape is fibrous, the length is the major axis D1, and the maximum diameter is the minor axis Ds. In the case of a plate shape, the maximum length in the plane direction is the major axis D1, and the maximum thickness perpendicular to the major axis is the minor axis Ds.
  • the reason why the average minor axis is 50 m or more is that when the particles are distributed in a size of less than 50 m, the pool phase forming effect in the composite material is reduced.
  • the existence form is observed with an optical microscope in a visual field in an arbitrary cross section, and confirmed by its two-dimensional pattern as shown in FIGS. 1 (a), 1 (b) and 2.
  • an arbitrary cross section of the composite material is magnified by a number of 10 to 100 times with an optical microscope and a photograph is taken. If plastic working is performed, take a photograph of the cross section in the direction perpendicular to the working direction.
  • all pool phases in the field of view are checked for each unit, and the dimensions corresponding to the major axis and minor axis are individually weighed.
  • the average value is the arithmetic average value.
  • the average particle size of the Mo powder may be a normal one of the order of several 111, but if it is less than 1 ⁇ m, it is expensive. If it exceeds 10 ⁇ m, for example, thermal properties, electrical properties, mechanical properties Therefore, the range of l to 10 / m is preferable because the dispersion of functions such as dynamic characteristics becomes large.
  • the microstructure of the Mo-Cu-based composite phase when control of the microstructure of the Mo-Cu-based composite phase is required, its size and distribution may be appropriately selected according to the purpose.
  • the average particle size of the powder in the present invention was measured by the Fisher Sub-Sieve Sizer (FSSS) method.
  • the secondary particle size in the case of the copper pool phase, the outer diameter uses both the major axis and the minor axis as described above. The higher the purity of the Cu and Mo powders, the better, but depends on the use of the composite. Usually, 99% or more is good.
  • the molding can be done in the usual way, but it is selected according to the final shape and form that is appropriate for the target application.
  • powder press molding method hydrostatic molding method, extrusion molding method, injection molding method, doctor blade method, etc.
  • the pressure is adjusted to adjust the void amount of the molded body.
  • organic or inorganic binders are added for molding, they are premixed. In that case, the type and amount of addition also affect the void volume of the compact and the intermediate sintered body before infiltration, and thus the Cu content of the composite phase and the entire composite material. It is necessary to make adjustments including the heat removal conditions in an inert gas atmosphere and the firing conditions performed to control the amount of voids.
  • the molded body is fired at 800 to 1400 ° C in a reducing gas atmosphere.
  • a reducing gas atmosphere (Also referred to as intermediate sintering) to shrink the compact to form an intermediate sintered body and secure a desired void volume. This also improves the ease of handling. Since the compact and the intermediate sintered body contain Cu or an alternative Cu alloy in advance, shrinkage starts even at a temperature lower than their melting point. For this reason, the firing temperature is desirably set at 1100 to 1300 ° C in order to suppress shrinkage and deformation due to firing.
  • the reducing gas is preferably a gas containing hydrogen.
  • a molded body or an intermediate sintered body having a desired void amount is prepared.
  • the target value of porosity P (%) in production is W (%), the weight ratio of Cu desired in the composite material, and W, the weight ratio of Cu in the copper-based material initially placed in the compact. (%),
  • W the weight ratio of Cu desired in the composite material
  • W the weight ratio of Cu in the copper-based material initially placed in the compact.
  • p g / cm 3
  • p is the density of copper or copper alloy to be infiltrated, it is calculated by the formula (W—W 0 ) / 100/0. If the copper material and the copper or copper alloy to be infiltrated are different, the density of the former and the latter should be P. And p, it is calculated by the formula (WZP—WQZPO) 100.
  • the copper content of the present invention is the net content of copper in the composite material. If the initially placed copper-based material or the material to be infiltrated is not pure copper, it will be less than the total amount. On the other hand, the content of the copper pool phase is represented by the weight ratio of the copper phase regardless of the material of the copper phase in the infiltration body.
  • the infiltration is performed in a reducing gas atmosphere at a temperature ranging from the melting point of Cu or Cu alloy to 140 ° C. or higher.
  • a preferable atmosphere gas is a gas containing hydrogen, and a preferable temperature range is 115 ° C. to 130 ° C. In this temperature range, the melting Cu or Cu alloy is sufficiently infiltrated into the voids.
  • the method for producing a composite material of the present invention further includes a case where the infiltrated body is subjected to plastic working.
  • plastic working ordinary methods such as hot / warm or cold rolling Z forging Z extrusion Z hot pressing are used depending on the final shape.
  • the plastic working conditions such as working temperature, atmosphere, working ratio, etc. are adjusted in consideration of the form of the final plastic working body desired for the member. Densification is achieved by this plastic working, and if there are voids in the infiltrated body, the amount can be reduced.
  • the stretch orientation of the structure occurs, and directionality is given to the material function.
  • the initial shape is the initial dimension in the direction compressed by plastic working (for example, initial thickness)
  • the shape after processing is the dimension in the same direction after plastic working (for example, the thickness after processing). ).
  • FIG. 3 is a diagram showing an example of the structure of the composite material of the present invention obtained as described above, which is plastically worked by a hot rolling method.
  • the structure is composed of a mixture of the copper pool phase and the Mo-Cu-based composite phase.
  • the stretched light colored portion corresponds to the copper pool phase
  • the other dark colored portions correspond to the Mo-Cu-based composite phase.
  • the amount of copper in the composite of the present invention, including the copper pool phase is in the range of 30 to 70% by weight of the total.
  • the content is less than 30% by weight, the characteristics of Mo are greatly increased and the workability in performing plastic working is reduced.
  • 70% by weight even if a copper pool phase is formed, the effect of compounding utilizing the characteristics of Mo and Cu decreases.
  • the Cu amount is controlled within this range according to the target application. For example, when used as a heat dissipating member of a semiconductor device, a range of 40 to 60% by weight is preferable in order to match the thermal expansion coefficient with the GaAs semiconductor element and the alumina envelope material.
  • the amount of copper pool phase should be between 10 and 50% by weight of the total composite. The reason is that if it is less than 10% by weight, as will be described later, the effect of controlling the thermal or electrical or mechanical properties by forming it is reduced. On the other hand, if it exceeds 50% by weight, the function becomes close to that of Cu, and the original characteristics of the composite material are weakened.
  • the average minor axis is preferably 50 to 200 x m. If the amount is less than the lower limit, the effect may decrease for the same reason as described above, and if the amount exceeds the upper limit, the uniformity of the function of the composite material may be impaired.
  • the size and amount of the copper pool phase is controlled within this range, but appropriate design is performed according to the amount of copper in the composite material and the intended functional application of the material. Also, the appropriate range may differ between plastically processed and non-plastically processed ones for the same application.
  • the C It is desirable to control the amount of u in the range of 40 to 60% by weight.
  • the amount of copper pool phase should be 25 to 4% by weight. It is desirable to be in the range of 5% by weight.
  • the amount of copper pool phase is larger than when radiating heat in the surface direction perpendicular to the thickness direction. Need to be
  • the numerical values of 0, 10 and 30 at the upper end of the six lines indicate the amount (% by weight) of the copper pool phase.
  • the solid lines are three. Is a case where plastic working is performed at a working ratio of 90% by hot rolling.
  • the amount of copper increases toward the upper right on each line.
  • the thermal conductivity in the present invention was measured in the thickness direction of a plate-shaped specimen by a laser-flash method. Value. If plastic working has not been performed, cut out the specimen from any part of the raw material.If plastic processing has been performed, the direction perpendicular to the plastic working direction of the raw material is the thickness direction of the specimen. The specimen is cut out to become.
  • the specimen without the pool phase in Fig. 4 shows only the Mo_Cu-based composite phase in which the infiltrated copper is filled in the pores of the ⁇ o particle matrix with an average minor axis of about 3 ⁇ m.
  • Consists of The sample in which the copper pool phase was formed was one in which the copper pool phase force S having an average particle size of about 100 ⁇ was almost uniformly dispersed in the same Mo_Cu system composite phase.
  • the thermal conductivity is the same, the formation of the copper pool phase reduces the coefficient of thermal expansion.
  • the amount of copper pool phase of copper of 3 0 wt% or more at 1 0% by weight or more areas are at least 0. 4 X 1 0 one 6 Z ° C or higher. Even if the thermal conductivity is replaced by the electrical conductivity, the relationship with the thermal expansion coefficient tends to be almost the same.
  • the Young's modulus was measured by an ultrasonic resonance method using these specimens.
  • the numerical values of 0 and 10 at the upper end of the two lines indicate the amount (% by weight) of the copper pool phase, and the solid line indicates the amount of copper pool phase when the working rate is 0%. This is the case where plastic working is performed at a rate of 90%.
  • Specimens were cut and checked so that the direction perpendicular to the rolling direction of the raw material was the direction of load.
  • the sample without the copper pool phase shown in Fig. 5 is only the Mo_Cu-based composite phase in which the voids of the Mo particle matrix having an average particle size of about 3 am are filled with copper. is there.
  • the copper pool phase with an average minor axis of about 100 ⁇ was dispersed almost evenly in the same Mo_Cu-based composite phase matrix in a total amount of 10% by weight. It has been done.
  • material having a copper content of 70% by weight or less the Young's modulus increases due to an increase in the amount of the copper pool phase even with the same copper content. From Fig. 5, it can be seen that the copper pool phase is formed at least 15 MPa higher at least with the same amount of copper, that is, it has a Young's modulus higher by at least 10% than the case without the copper pool phase. .
  • the composite material of the present invention has the same total copper content without a copper pool phase, and has a Mo-Cu-based composite phase constituting a matrix as compared with a composite material containing only a Mo-Cu-based composite phase. It is thought that such a phenomenon occurs because the amount of Mo inside is relatively large.
  • the level of the coefficient of thermal expansion in the thickness direction varies depending on the amount of copper, but also varies depending on the degree of plastic working as described above.
  • FIG. 6 is a view showing the relationship between the thermal expansion coefficient and the plastic working ratio of the material of the present invention prepared under substantially the same conditions as in FIG. 4 described above.
  • the numerical value at the right end of the line in Fig. 6 is the amount of copper (% by weight).
  • the slope of the straight line in Fig. 6 indicates that at least 0.2 X 1 0 one 6 /.
  • C. 7A to 7 (g) are diagrams schematically showing examples of the arrangement pattern of the copper pool phase and the Mo—Cu based composite phase of the composite material of the present invention.
  • the black color, the part is the copper pool phase, and the white color, the part is the matrix consisting of the Mo-Cu complex phase.
  • the pattern should be designed within the visual field range shown in Fig. 3, that is, when it is micro-designed, at the scale of the material or member, that is, when it is macro-designed, and when it is used in combination or mixed. May be done.
  • the design elements include the component types of the composite material, the form of the copper pool phase, and the form of the Mo-Cu based composite phase.
  • the component type of the composite material examples include a copper-based material component such as pure copper and a copper alloy, Mo, and components added to these.
  • the form of the pool phase includes its size and shape, its arrangement interval, and the arrangement density per unit volume of the composite material.
  • the form of the Mo-Cu based composite phase is the size and distribution of Mo particles. and so on.
  • Fig. 7 (a) is a drawing depicting the case where multiple sizes of copper pool phases are mixed and arranged microscopically in a microscopic view.
  • a material having the same performance in the absence of a copper pool phase can be obtained as compared to the case where a copper pool phase having almost the same size is arranged.
  • the morphological elements of the Mo-Cu complex phase such as the size and distribution of Mo particles, materials with more various functions can be obtained within a similar functional range.
  • FIGS. 7 (b) and 7 (c) show examples where the copper pool phase is designed and arranged in a functionally graded manner.
  • Fig. 7 (b) shows that the surface is almost continuous from one side A to another side B.
  • FIG. 4 is a diagram illustrating a case where objects having different sizes are arranged from large to small. The size town may be intermittent.
  • Fig. 7 (c) is a macro-field view of the case where the same spacing between copper pool phases is changed stepwise or continuously from one plane A to another plane B. It may be changed intermittently.
  • Inclination There are many other elements that are functionally designed and designed, such as component types, their weight ratios, the starting point of inclination and its direction.
  • an integrated member having a different coefficient of thermal expansion between the front and back, the center, and the outer periphery can be obtained. It can be easily attached in the absence. Also in this case, functional materials with more various functional levels can be obtained in combination with the morphological element of the Mo-Cu composite phase.
  • Fig. 7 (d) is a drawing depicting the case where the shape of the copper pool phase is spindle-shaped and arranged in a disordered direction in the Mikuguchi view.
  • a copper-based material of this type may be arranged in a predetermined direction and molded and integrated, or copper with a normal spherical elliptical shape may be used. It can also be obtained by placing a base material and infiltrating copper, followed by plastic working. By doing so, directionality is provided, and fine adjustment of functions can be easily performed. For this reason, for example, applications to electrical contacts, spots, resistance welding, electric discharge machining, heat dissipating members / mechanism members, etc. are expanded.
  • Fig. 7 (e) is a schematic drawing of a member consisting of three layers with different arrangement densities of the copper pool phase, viewed from the Mac-mouth.
  • the dotted line in Fig. 7 (e) indicates the boundary between layers.
  • This material is obtained, for example, by extruding and pressing three layers of green sheets, punching them out, firing and infiltrating copper. In this case, if devised, more continuity can be provided. In this way, a member having the same functions as those in FIGS. 7 (b) and 7 (c) is obtained.
  • the central part which has the first function, increases the porosity by being composed only of Mo particles with a narrow distribution width and small diameter, and increases the amount of infiltrated copper buried there.
  • the outer peripheral part which has the second function, is configured with large diameter Mo particles added to reduce the porosity and reduce the amount of infiltrated copper buried there.
  • the resulting member has high heat dissipation in the central part with a large amount of copper, and low heat in the outer parts with a small amount of copper. Becomes thermally expandable.
  • a composite member can be easily provided.
  • FIG. 7 (f) and subsequent drawings show another example of an arrangement pattern schematically drawn in a macro field of view.
  • Fig. 7 (f) shows a case where a portion with a higher arrangement density of the copper pool phase is formed radially in the plane direction, and this portion serves as a main path for heat and current, and mainly due to mechanical distortion.
  • a buffer passage or the like is provided. This may be formed only on one surface portion, or may be formed so as to extend to the back side. The form can be freely changed according to the application.
  • FIG. 7 (g) is a conceptual perspective view in which a rod-shaped copper pool phase is oriented in the longitudinal direction of the rod-shaped member. There are many possible applications for this as well.
  • the composite material of the present invention is not only a heat-dissipating member that has been used in the past, but also has a two-dimensional or three-dimensional arrangement that has a combination of the presence or absence of the copper pool phase and the density of the arrangement density.
  • a pattern By using a pattern, it can be used in a large number of applications, such as for electrical conduction, electrical discharge machining, welding, electrical joining, chemical equipment, and mechanical parts.
  • a plurality of or different types of functions can coexist on the same member, such as one part being a heat radiating part and another part being a mechanical part.
  • the use of Mo-Cu composite phase in addition to the copper pool phase, or the use of surface treatment or compounding with other functional materials, etc. will further expand the applications.
  • the average particle size is
  • the average particle size is
  • the molding powders of Sample Nos. 9 to 35 were prepared as follows.
  • samples No. 13 to No. 13 of Sample Nos. 9 to 34 were prepared as they were, and were mixed with the respective copper-based materials at the indicated ratio in a V-type mixer.
  • Ni powder with a weight ratio of 1% and an average particle size of 2 ⁇ was added to Mo powder 100 of material No. 13 in a weight ratio of 100, and the mixture was added to a stainless steel ball and pot ball mill.
  • the mixture was premixed and ground, and vacuum-dried M0 powder and each copper-based material were mixed at the indicated ratio in a V-type mixer to prepare a mixture.
  • the copper-based material was almost uniformly dispersed and arranged in the Mo powder while maintaining its original shape.
  • 1% by weight of camphor was mixed with 100 parts of these powders using alcohol as a medium, and the mixture was subjected to emulsification pulverization to obtain a molding powder.
  • the molding powders of Sample Nos. 1 to 35 prepared as described above were filled in a mold at room temperature, and were molded and integrated by a powder press under a pressure of 5 ton Z cm 2 . Thereafter, the binder was removed at 400 ° C. in a nitrogen gas stream. Those marked with a # mark were intermediately sintered at 800 to 140 ° C. in a hydrogen atmosphere to adjust the porosity. The porosity was calculated from the outer dimensions and weight of the obtained molded body or intermediate sintered body.
  • the molding integration was performed by extrusion molding and injection molding, respectively. Prepare the M0 powder of material number 11 and the copper material of material number 4 and weigh them so that the Mo powder is 80% by weight and the copper material is 20% by weight. Then, the mixture was premixed with a V-type mixer as described above.
  • the powder of sample No. 36 was prepared by adding a 100% aqueous solution of polybutyl acetate containing a plasticizer to the powder (100%) at a volume ratio of 5% solids, kneading the mixture, extruding it with a rectangular cross section, and cutting it. A molded article was obtained.
  • the powder of sample No. 37 was prepared by adding 30% by volume of polyethylene containing a plasticizer to the above powder 100, mixing by heating, kneading, and hot-injecting and molding into a notebook with a rectangular cross section. A molded article was obtained. Thereafter, heating was performed in a vacuum, and the solid content was removed at 400 ° C. for the former and 600 ° C. for the latter. Furthermore, intermediate firing was performed at 1200 ° C. in hydrogen to obtain the porosity shown in Table 3 below. Thereafter, a copper-based infiltration material was infiltrated under the same conditions as for sample numbers 1 to 34.
  • Specimen No. 38 proceeded to infiltration under the same conditions as Specimen No. 15 except that material No. 9 was used for the copper-based material. Table 3
  • Thickness direction Thickness direction
  • Sample No. 39 was prepared as follows.
  • a copper-based material made of cupper copper containing about 1% by weight of Cr of material number 10 in Table 1 above and Mo powder of material number 13 in Table 2 were prepared.
  • sample No. 39 first, 20% by weight of a copper-based material and 80% by weight of Mo powder were mixed by a V-type mixer. On the other hand, the starting material of sample number 4 ° was only Mo powder.
  • 5% by volume of an aqueous solution of polybutyl acetate containing a plasticizer was added to each powder, kneaded, extruded in a rectangular cross-sectional shape, and cut into a compact. These compacts were calo-heated at 400 ° C. in a vacuum to remove each binder. Further, intermediate sintering was performed at 1300 ° C in hydrogen, and chromium copper of the same material as the raw copper material was infiltrated into the voids at 1250 ° C in hydrogen.
  • the amount of copper pool phase can be determined by taking a 50x optical micrograph of the polished sample cross section, processing the copper portion in the same field of view, and calculating the area ratio of the copper pool phase in that portion. Was calculated, and this was calculated based on the result of the analyzed total copper value.
  • the total amount of copper and the amount of copper pool phase in the infiltrated body in Table 3 above are confirmed values.
  • the component amounts of the plastically formed body are the same as these, and are not listed in the table.
  • the relative density after infiltration in Table 4 is the ratio (%) of the measured density determined by the underwater method (Archimedes method) to the theoretical density calculated from the results of component analysis of the sample. After the plastic working, it was confirmed to be 100% in all cases.
  • the method of measuring and confirming the thermal conductivity and thermal expansion coefficient is as described above.
  • each infiltration body was performed as follows. First, the outer parts of all the infiltrated body samples were removed, and a rectangular material was prepared. After that, it was passed through a hot rolling machine to obtain 15 °. Hot rolling was performed at a working ratio in the range of 30% to 90% within a temperature range of C to 300 ° C. Using these rolled hoops, each property was confirmed / determined in the same procedure as for the infiltration body.
  • Tables 3 to 5 summarize the above results. Although there is no description of the Young's modulus results in the table, the data for Sample Nos. 1 to 38 are almost on the line in Fig. 5, as described in Fig. 5 above. Was done. For sample numbers 39 and 40, Results almost in line with this were confirmed, and in all cases, in MPa units, immediately after infiltration, 39 was 145 MPa, 40 was 130 MPa, and after plastic working at a processing rate of 10%, 39 was 160 MPa and 40 were 145 MPa. Although the electrical conductivity is not listed in the table, it is the specimen used in the above example. /.
  • the composite of the present invention in which the copper pool phase was formed was higher in the samples with the same electrical conductivity than in the sample without the copper pool phase.
  • the material was found to have a coefficient of thermal expansion as small as 5% and a Young's modulus as high as 10%.
  • reference numeral 21 denotes an intermediate substrate made of the above-described composite material of the present invention
  • reference numeral 22 denotes a silicon semiconductor element having a thermal expansion coefficient of about 4 ⁇ 10 6 / ° C.
  • reference numeral 23 denotes a thermal expansion coefficient of about 4 ⁇ 10— an upper substrate consisting of 6 Z ° C for aluminum nitride (a 1 N) ceramics, 24 thermal expansion coefficient of 1 7 X 10 one 6 /.
  • This is a base substrate made of C copper.
  • an envelope 25 such as ceramics or metal is connected by silver, and the intermediate substrate 21 is connected to the base substrate 24 by silver-tin solder. . Further, the surrounding equipment 25 is usually silver-plated.
  • the program for one cycle of the heating and cooling cycle is -50. After holding for 15 minutes at, the temperature was raised in 30 minutes and kept at 150 ° C for 15 minutes. This was repeated 2,000 cycles while checking for module output every 500 cycles and checking for damage.
  • the results are shown in Table 6 below.
  • “damage” refers to damage to the connection due to warpage or the like. Since there was almost no difference between the same sample number before and after the molding, they are not shown separately. However, there was no copper pool phase and the degree of final damage was smaller after plastic working. From these results, the practical superiority of the material of the present invention is apparent. Samples 2, 5, 10, and 18 had the same total copper content and the same amount of copper pool phase as those of Sample Nos.
  • the cooling / heating cycle program is severe, and the difference in thermal expansion coefficient between the intermediate substrate and the high Young's modulus / ceramic upper substrate is large. For this reason, an intermediate substrate having high thermal conductivity that withstands thermal strain between the two is required, but it can be seen that the composite material of the present invention is suitable for this.
  • the module was mounted as a heat radiating member on various other semiconductor devices that have a lower cooling load in practical use than this module, and the effect of copper pool phase formation was confirmed.
  • the superiority of the material of the present invention in the durability at the time of mounting and after packaging was confirmed. From the above results, it can be concluded that, for the members used in the semiconductor device including the heat dissipating member, ⁇ the present invention in which the copper pool phase is formed is more preferable than the member in which the pool phase is not formed. I understand. Table 6
  • a pair of electrodes for spot welding with a diameter of 5 mm and a thickness of 5 mm were cut out from the materials immediately after infiltration of sample numbers 2 and 10.
  • an electrical contact with a diameter of 5 mm and a thickness of l mm was spot-welded to a copper alloy.
  • the electrode pair was prepared and fixed facing the current-carrying part of the welding machine.
  • the electrical contact assembly consists of a silver butterfly flake placed on a base metal, on which electrical contacts made mainly of silver are placed. This assembly was placed on the lower fixed electrode, the upper movable electrode was lowered, and a load of 500 g was applied to the assembly. .
  • the spot welding was repeated in this way, and the electrode consumption at the point where the number of welds exceeded 100 was compared.
  • the copper pool phase of sample No. 10 was found to be the copper pool of sample No. 2. Almost 60% of the phase was not formed.
  • EDM electrodes with a diameter and thickness of 1 O mm were cut from the materials of sample numbers 2 and 10. did.
  • a bottomed hole with a diameter of about 10 mm and a depth of 3 mm was formed on one surface of a rod-shaped TiC-Co-based comment part with a diameter of 20 mm by electric discharge machining.
  • the amount of electrode depletion at the point where the number of processing exceeded 100 was compared.
  • Sample No. 10 which formed the copper pool phase was sample No. 2 In this case, almost 70% of the copper punoole phase was not formed.
  • the composite material according to the present invention is most suitable for electric and electronic members such as heat dissipating members and structural members of electric and electronic devices, members for heat dissipating devices, electric contacts, electrodes for electric discharge machining and welding, and members for chemical devices. .

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Abstract

複合材料は、Ｃｕ含有量３０～７０重量％のＭｏ−Ｃｕ系複合材料であり、材料中に銅プール相とＭｏ−Ｃｕ系複合相とを含み、銅プール相を１０～５０重量％含む。放熱部材は複合材料を用いている。

Description

明 細 書 複合材料、 その製造方法およびそれを用いた部材— 技術分野
本発明は M o— C u系複合材料およびそれを用いた部材に関する。 背景技術
Moと Cu (以下、 銅とも呼ぶ） は、 お互いに固溶しないため、 Mo_Cu系 の材料は通常両成分を混ぜ合わせ結合させた複合材料である。 したがって、 この 材料は、 Moと Cuの持つ機能を混ぜ合せた機能材料であり、 両成分の含有割合 やミクロまたはマクロの配置設計によって、 様々な機能と機能レベルを持つ部材 の提供が可能である。
この材料を広義に分類すると、 M oと C uの粒子などをミクロにほぼ均等に分 布させたもの （タイプ 1)、 Moと Cuをマクロに結合させたもの （タイプ 2) お よび両者の組み合せや中間的な配置のもの (タイプ 3) に分けられる。
タイプ 1は、 狭義の Mo— Cu系複合材料である。 また、 タイプ 2には、 例え ば Cu、 Mo、 Cuの順にそれらの板を貼りあわせた CMC (登録商標） のよう に C uと M oが積層されたものやマクロに M oや C uを偏在させたものが含まれ る。 タイプ 3は、 両タイプの混在させたものである。
なお、 本出願の基礎となる日本国特許出願第 2002-312130号の明細 書中の 「Mo_Cu焼結合金」 および 「Mo— Cu合金相」 の用語は上記した本 来のミクロ構造に準じ、 本出願では、 それぞれ 「M o— C u系複合材料」 および 「Mo— Cu系複合相」 の同義用語に置き換える。
従来からこの材料は、 主に電気 ·電子機器の放熱部材、 特に半導体装置のそれ に使われてきた。 しかしながら、 この材料は上記のような機能を持っため、 Mo と C uの持つ有利な特性を利用し、 かつそれらの不利な特性を抑えたり、 ぉ互 ヽ に補完したりすることができる。 このため、 その材料設計次第で、 多くの使い道 が拓ける。 例えば、 Moの剛性と Cuの延性を利用すれば構造部材への、 Moと C uの放射線特性を使えば特殊な放射線機器用部材への、 M 0の耐熱性と C uの 電導性を使えば電気接点、 放電加工や溶接用の電極などの耐熱性の電気 ·電子部 材への、 Moと Cuの化学的特性を使えばィ匕学装置用部材への活用が、 それぞれ 考えられる。
放熱部材、 特に半導体素子の搭載に適した M o-Cu系複合材料については、 特公平 7 _ 105464号公報 （以下、 参考文献 1と呼ぶ） に非圧延材料でタイ プ 1のものが、 特開平 6— 310620号公報 （以下、 参考文献 2と呼ぶ） およ ぴ特開平 2001— 358266号公報 （以下、 参考文献 3と呼ぶ） に圧延材料 でタイプ 1のものが、 特許 2000-323632号公報 （以下、 参考文献 4と 呼ぶ） に Mo、 Cu、 Moの順に積層されたタイプ 2のものが、 特開平 10— 1 2767号公報 （以下、 参考文献 5と呼ぶ） に Cu、 Mo、 Cuの順に積層され たタイプ 2のものと、 これに M o -Cu複合材料層とを組み合せたタイプ 3のも のが、 それぞれ開示されている。
周知のように、 この用途の材料には、 実用時の高い熱伝導率とともに実用時な らびに実装時の半導体素子およびその搭载部の周辺の部材 （以下、 外囲器材と言 う） との熱膨張係数の整合が主として要求される。 今後、 半導体素子の集積度の 急速な増大、 大容量パッケージの小型化の進展、 電気機器の整流器の大容量化の 進展などによって、 パッケージに実装される部材への熱負荷が、 急速に増大する ものと思われる。 したがって、 これら放熱部材には、 より一層高い熱伝導率が求 められる。 例えば、 半導体素子が S iで外囲器材が A 1 Nの場合のように、 その 熱膨張係数がレ、ずれも小さく M oに近レ、場合、 M o— C u系複合材料全体の成分 割合だけでは、 熱伝導率を上げつつそれらとの熱膨張係数の整合を図ることは難 しい。
参考文献 4および 5のものは、 実装時や実用時の相手材との熱膨張係数の整合 を図るために、 M oと C uの積層設計や相手材との接続面の改善などかなり工夫 がなされているものの、 クラッド構造が故に実装特ゃ実用時に高い熱負荷のかか る場合には、 層間熱応力が生じ易く、 ある程度の変形は避けられない。
参考文献 1には、 Moや Cuがミクロに三次元方向にほぼ均等分布し、 全体が Mo— C u系複合相からなる材料が開示されている。 この材料を塑性加工した材 料が参考文献 2に開示されている。 このように塑性加工された材料は、 同文献に 記載のように塑性加工方向に成分粒子が延伸配向するため、 同じ C u量の参考文 献 1のものに比べ、熱伝導率は同程度で熱膨張係数が 1 X 1 0— 6/°C程度小さく なるとされている。 し力 しながら、 この場合、 参考文献 1のものと同等の熱伝導 率が得られるのは塑性加工方向であり、 厚み方向では若干低下するものと思われ る。 参考文献 3のものも同様である。 前述のとおり M o _ C u系複合材料では、 その C u量に比例して熱伝導率、 熱膨張係数とも増加する。 このため、 熱膨張係 数を抑えつつ熱伝導率を高めるには限界がある。なお、塑性カ卩ェされたものでは、 さらにこれらの熱特性に方向性が現われるので、 それも前提にして材料設計を進 める必要がある。
以上半導体装置用放熱部材を例にとり、 M o— C u系複合材料の従来の材料設 計の傾向をレビューしたが、 この材料の他の機能を使い他の用途への展開を図ろ うとする場合にも、 同じ考え方で課題を克服する必要がある。 すなわちこの材料 をある用途に提供する場合には、 主成分である C uと M oのその用途に有利な機 能を活かしつつ不利な機能を抑える力 またはお互いに補完できるような新たな 材料設計が望まれる。
そこで、 本発明の第 1の目的は、 タイプ 1及びタイプ 2の複合材料において、 高い熱伝導率と、 外囲器材との熱膨張係数の整合を図ることができる複合材料を 提供することにある。
また、 本発明の第 2の目的は、 放熱部材において、 塑性加工後の放熱特性を考 慮した複合材料を提供することにある。
また、 本発明の第 3の目的は、 半導体素子の S iや G a A s並びに各種パッケ ージ材料、 特にアルミナ、 A 1 Nと熱膨張係数を整合させることができるととも に高集積化、 軽量ィ匕に対応できる高熱伝導率を持つ低コストの複合材料を提供す ることにある。
また、 本発明の第 4の目的は、 前記複合材料を用いた放熱部材を提供すること にある。
また、 本発明の第 5の目的は、 前記複合材料を製造する方法を提供することに ある。 また、 本発明の第 6の目的は、 前記放熱部材を半導体装置の放熱用、 例えば、 放熱基板等に用いた半導体装置を提供することにある。 発明の開示
上記目的を達成するために、 本発明による複合材料は、 C u含有量 3 0〜7 0 重量％の M o _ C u系複合材料であり、 材料中に銅プール相と M o— C u系複合 相とを含み、 銅プール相を 1 0〜5 0重量％含むことを特徴とするものである。 ここで、 本発明において、 前記銅プール相の平均短径が、 5 0〜2 0 0 i mで あることが好ましく、 また、 塑十生加工を施したものであることが好ましい。 また、 本発明の部材及び放熱部材は、 前記の内のいずれか一つ複合材料を用い たものである。
さらに、 本発明の半導体装置は、 前記放熱部材を用いたことを特徴とするもの である。
また、 本発明の複合材料の製造方法は、 M o粉末マトリックスに、 平均短径が 5 0 μ m以上の銅系素材を配置した状態で成形一体化して成形体とする力 また はさらにこの成形体を焼成して中間焼結体とする工程、 この成形体または中間焼 結体に銅または銅合金を溶浸させ C u含有量が 3 0〜 7 0重量％であり銅プール 相を 1 0〜 5 0重量。 /0含む複合材料とする工程を含むことを特徴とする。
ここで、 本発明の複合材料の製造方法において、 前記銅系素材が、 平均短径 5 0〜 2 0 0 μ mの粉末であり、 前記成形一体ィヒ前にこれと M o粉末とを混合する ことが好ましい。 図面の簡単な説明：
第 1図 （a ) は本発明の複合材料の銅系素材を配置後成形一体ィ匕された時点の 金属組織を模式的に示す図；
第 1図 （b ) は第 1図 （a ) の複合材料の銅溶浸後プール相が形成された時点 の金属組織を模式的に示す図；
第 2図は第 1図 （b ) に塑性加工がされた時点の金属組織を模式的に示す図； 第 3図は本発明の複合材料の金属組織の一例を示す光学顕微鏡写真； 第 4図は本発明の複合材料の銅量を変えた場合の熱伝導率と熱膨張係数の関係 を示す図；
第 5図は本発明の複合材料の銅量とヤング率の関係の一例を示す図； 第 6図は第 4図の場合とほぼ同じ条件で調製された本発明の複合材料の熱膨張 係数と塑性加工率との関係を示す図；
第 7図 （ a ) は本発明の複合材料の銅プール相と M o— C u系複合相の配置パ ターン例を模式的に示す図で、 複数サイズの銅プール相をミク口に混合配置した 場合をミク口視野で描いた図；
第 7図 （b ) および第 7図 （c ) は本発明の複合材料の銅プール相が傾斜機能 的にデザィン配置された場合の例を示す図；
第 7図 （ d ) は本発明の複合材料の銅プール相の形を紡錘形にしたものを無秩 序方向に配置した場合をミク口視野で描いた図；
第 7図 （e ) は本発明の複合材料の鲖プール相の配置密度の異なる三つの層か らなる部材をマク口視野で模式的に描いた図；
第 7図 （f ) は本発明の複合材料のマクロ視野で模式的に描いた別の配置パタ 一ン例を示す図；
第 7図 （ g ) は本発明の複合材料棒状の部材の長手方向に棒状の銅プール相を 配向させた場合の概念斜視図；及び
第 8図は本発明の放熱部材を半導体モジュール用パッケージに装着した状態の 概略断面図である。 発明を実施するための最良の形態
以下、 本発明を製造方法にそって説明する。
最初に M 0マトリックスに平均短径が 5 0 μ m以上の銅系素材を配置した状態 で、 これらを成形一体化する。 銅系素材の成分は、 純銅であっても、 主成分が銅 の合金やこれらに少量の従成分を混ぜたものであってもよく、 最終用途に応じて 選択する。 例えば、 熱伝導性や電気伝導性など銅本来の機能を重視する部材に使 う場合には、 純銅や電気銅などの純度の高いものを使うのが望ましい。 また、 例 えば、 機構部材などに使う際には、 必要により靭性の高い銅合金を選択するのが 望ましい。 配置される銅系素材の個々の単位は、 最終的に溶融して銅プール相に なるため、 予めその外寸を最終の所望される外寸に近づけるようにし、 成形一体 化後もほぼその形やマトリッタスでの配置パターンを最終の複合材料の所望形態 に近づけるようにし、 それらをほぼ維持できるようにするのが望ましい。
M oマトリックスに銅系素材を配置する際には、 できるたけ形が崩れないよう に治具を使って決った位置に配置したり、 V型ミキサなど分断 ·粉砕作用の無い 混合機を使って均一分散配置するのが望ましい。
なお、 銅プール相の機能を活かすため配置される銅系素材の量は、 通常 1 0〜 5 0重量。 /0の範囲とする。 その理由は、 1 0重量％未満では後述する熱的、 電気 的、機械的な性能を制御する銅プール相の効果が薄れ、他方 5 0重量％を越すと、 機能が銅に近づくため複合材料本来の特徴が損なわれるからである。 ただし、 成 形体やこれを焼成 （中間焼結とも言う） した中間焼結体には、 銅が含まれるため 収縮が生じ易い。 このため成形ならびに中間焼結の条件によっては、 その空隙率 に多少のばらつきが出たり、 配置された銅系素材の複合材料中の量がこの範囲内 ではあるが多少ずれる場合もある。
第 1図 （a ) , 第 1図 （b ) 及び第 2図はそのミクロな配置の一形態例を模式的 に夫々示す図で、 第 1図 （a ) が銅系素材を配置後成形一体化された時点、 第 1 図 （ b ) が同じ視野で銅溶浸後プール相が形成された時点で見た同じ部分の形態 である。 第 1図 （a )、 第 1図 （b ) は塑性加工されていない場合、 第 2図は圧延 口ールなどで塑性加工がなされた場合である。
第 1図 （a ) で、 大きな粒子が予め混合された銅系素材であり、 第 1図 （b ) では、 この部分が銅プール相になっている。
第 1図 （a ) でマトリックスとなる M o相は、 溶浸後夫々第 1図 （b ) のよう に、 その空隙に銅系素材が充填され、 M o— C u系複合相となる。 なお、 この M o - C u系複合相の微細組織の形態は、 原料の M o粒子のサイズゃ形ならびに成 形以降の製造条件などによって容易に変えられる。 例えば、 M o粒子の粒度分布 を変えたり、 微細粉末と粗い粉末とを予め適当な割合で混ぜたりして、 成形体ま たは中間焼結体の空隙率や空隙の形態などをコント口一ルすれば、 溶浸後の銅の 量やサイズ、 さらにはそれらの分布形態がコントロールできる。 これによつて複 合材料のマトリックスの機能もコント口ールできる。
本発明の主たる目的は銅プール相の形成による複合材料の機能コント口ールで あるが、 このようにマトリックスにも本発明の複合材料の機能をコントロールで きる要素がある。 この場合の銅系素材の短径は、 第 1図の D sの部分を指す。 第 1図 （b ) の銅プール相の短径もこれに対応する部分である。
この短径 D sは、 銅系素材が一次粒子の集合した二次粒子のような場合には、 その集団外形から割り出す。 第 1図 （a ) 及び第 2図に示すように、 外形の最大 になる部分を長径 D 1 とし、 これに直交する方向の最大幅の部分を短径 D sとす る。外形が繊維状であれば、長さが長径 D 1であり、最大直径が短径 D sである。 また、 板状であれば、 面方向の最大長さの部分が長径 D 1であり、 それに直交す る最大厚みの部分が短径 D sである。 不規則な形状や中空形状であっても同じ考 え方で決める。 平均短径を 5 0 m以上としたのは、 5 0 m未満のサイズで分 布させると複合材料中でのプール相形成効果が小さくなるからである。 なおその 存在形態は、任意の断面内の視野での光学顕微鏡で観測し、 第 1図 （a ) , 第 1図 ( b ) 及び第 2図に示すようなその二次元パターンで確認する。 銅プール相の場 合、 複合材料の任意の断面を光学顕微鏡にて数 1 0倍ないし 1 0 0倍に拡大して その写真を撮る。 なお、 塑十生加工されている場合は、 その加工方向に垂直な方向 の断面の写真を撮る。 次いで、 視野内に写った全てのプール相をその単位毎に確 認し、 個別に長径や短径に相当する寸法を計量する。 平均値は、 その算術平均値 とする。
出発原料の鲖素材は、 平均短径 2 0 0 m以下の範囲のものを使うのが望まし い。 2 0 0 mを越えると、 銅プール相に起因する複合材料の機能のばらつきが 大きくなるからである。 M o粉末の平均粒径は、 数 111程度の通常のものでよい が、 1 μ m未満のものは高価であり、 1 0 μ mを越えると、 例えば、 熱的特性、 電気的特性、 機械的特性などの機能のばらつきが大きくなるため、 l〜1 0 / m の範囲が好ましい。
勿論 M o - C u系複合相の微細組織のコント口ールが必要な時は、 その目的に 応じてそのサイズや分布などを適宜選択すればよい。 なお、 本発明での粉末の平 均粒径は、 全てフィッシヤーサブシーブサイザ一 （F S S S ) 法で計量された二 次粒径である。 ただし、 銅プール相の場合、 その外径は、 上記のように長径と短 径とを併用する。 Cuおよび Mo粉末の純度は、 高いほど良いが、 複合材料の用 途によって異なる。 通常 99%以上であれは良い。
銅素材を Moマトリックスに配置した後の成形は、 通常の方法でよいが、 対象 用途に相応しい最終の形状や存在形態に準じて選択される。 例えば、 粉末プレス 成形法、 静水圧成形法、 押し出し成形法、 射出成形法、 ドクターブレード法など があるが、 圧力を加える場合には、 それを調整して成形体の空隙量を調整する。 成形のために有機質または無機質のバインダ一が添加される場合は、 それらは事 前に混ぜられる。 その際には、 その種類や添加量も溶浸前の成形体や中間焼結体 の空隙量に、 ひいては複合相や複合材料全体の Cu量に影響を与えるので、 成形 後の非酸ィヒ性ガス雰囲気中での加熱除去条件や空隙量制御のために行われる焼成 条件なとも含めての調整が要る。
バインダ一が添加される場合や添加されない場合も含め、 成形時に圧縮不十分 で空隙量が多く所望の範囲に入らない場合には、 成形体を還元性ガス雰囲気中、 800〜1400°Cで焼成 （中間焼結とも言う） して成形体を収縮させ中間焼結 体とし、 所望の空隙量を確保する。 またこれによつてハンドリングのし易さも改 善される。 なお成形体や中間焼結体は、 予め Cuまたはこれに代わる Cu合金な どを含んでいるため、 それらの融点以下の温度下でも収縮が始まる。 このため焼 成温度は、 焼成時の収縮やそれによる変形を抑えるため、 1 100〜 1300 °C で行なうのが望ましい。 還元性ガスは、 水素を含むガスが望ましい。 以上のよう にして所望の空隙量の成形体または中間焼結体が準備される。 なお製造での空隙 率の目標値 P (%) は、複合材料に所望される Cuの重量比率を W (%), 当初成 形体に配置された銅系素材の C uの重量比率を W。 （％)、 溶浸される銅または銅 合金の密度を p (g/cm3) とすると、式（W— W0) /100 /0で計算される。 なお、 銅素材と溶浸される銅または銅合金が異なる場合は、 前者および後者の密 度を P。および pとすれば、 式 （WZP—WQZPO) 100で計算される。 次いで、 この成形体または中間焼結体の空隙に銅または銅合金が溶浸され、 C u含有量が 30〜 70重量％、 銅プール相の含有量が 10〜 50重量。 /。の M o一 Cu系複合材料が得られる。 なお、 本発明の銅含有量は、 複合材料中の銅の正味 の量であり、 当初配置される銅系素材や溶浸される素材が純銅でなければ、 それ らの総量よりも少くなる。 一方、 銅プール相の含有量は、 溶浸体中の銅相の材質 に拘らず銅相の重量比率で表す。 溶浸は還元性ガス雰囲気中、 C uまたは C u合 金の融点以上 1 4 0 0 °Cまでの温度範囲で行なわれる。 好ましい雰囲気ガスは水 素を含むガスであり、 好ましい温度範囲は 1 1 5 0〜1 3 0 0 °Cである。 この温 度範囲では、 溶融する C uまたは C u合金が、 空隙内に充分に溶浸されるからで ある。 以上が本発明の複合材料を製造する基本の工程である。
本発明の複合材料の製造方法には、 更に、 この溶浸体が塑性加工される場合も 含む。 塑性加工は、 最終形状に応じ熱間 ·温間または冷間での圧延 Z鍛造 Z押し 出し Zホットプレス等通常の方法が用いられる。 その際、 部材に所望される最終 塑性加工体の形態を考慮し、 加工温度 ·雰囲気 ·加工率などの塑性加工条件を調 整する。 この塑性加工によって緻密化が図られ、 溶浸体に空孔がある場合にはそ の量を減らすことができる。 また、 加工条件によっては組織の延伸配向が生じ、 材料機能に方向性が付与される。 ここで、 初期形状とは塑性加工で圧縮される方 向の初期寸法 （例えば、 初期の厚み） であり、 加工後の形状とは塑性加工後の同 じ方向の寸法 （例えば、 加工後の厚み） である。
本発明の塑性加工材の加工率とは、 加工量/初期形状 X 1 0 0 % (加工量 =初 期形状一加工後形状） のことである。 さらに、 本発明の複合材料では、 この塑性 加工と同時に他の部材ゃ部品、 例えば金属セラミックスなどと合体させたり、 そ れらと複合ィ匕させることもできる。 また、 溶浸体塑性加工体に冷間または熱間、 温間の塑性加工を施し、 それと共に金属やブラスチックスなどの有機材料と合体 させたりそれらと複合ィ匕させることもできる。 これによつて、 より多様な機能が 付与され、 より付加価値の高い部材を得ることもできる。
本発明の複合材料は、 以上の工程を含む方法によって得られる。 なお必要によ つては、以上の基本工程に適宜接合'熱処理など別の工程を追加することもある。 図 3はこのようにして得られた本発明の複合材料の組織の一例を示す図で、 こ れは、 熱間圧延法によって塑性加工されたものである。 このように銅プール相と M o— C u系複合相とが混在した組織からなる。 図 3において、 延伸された薄い 色の部分が銅プール相、その他の濃い色の部分が M o— C u系複合相に対応する。 本発明の複合材料中の銅の量は、 銅プール相も含め全体の 3 0〜7 0重量％の範 囲内にある。 というのは、 3 0重量％未満では、 M oの特微が大きく現れるとと もに、塑性加工を行なう場合の加工性が低下する。一方、 7 0重量％を越えると、 銅プール相を形成しても M oと C uの特徴を活かした複合化の効果が低下する。 対象用途に応じて C u量がこの範囲内で制御される。 例えば、 半導体装置の放熱 部材として使う場合、 G a A s半導体素子やアルミナ外囲器材との熱膨張係数を 整合させるためには、 4 0〜6 0重量％の範囲が好ましい。
銅プール相の量は、 複合材料全体の 1 0〜5 0重量％とする。 その理由は、 1 0重量％未満では、 後で述べるように、 それを形成することによる熱的'電気的 もしくは機械的な特性を制御する効果が低下する。 他方 5 0重量％を越えると、 C uに近い機能となり複合材料の本来の特徴が薄れる。 また、 その平均短径は、 5 0〜2 0 0 x mとするのが好ましい。 下限未満では、 上記と同じ理由で、 その 効果が低下する場合があり、 上限を超えると、 複合材料の機能の均一性が損なわ れる場合があるからである。 銅プール相のサイズやその量は、 この範囲内で制御 されるが、 複合材料全体の銅量や同材料の対象とする機能用途に応じ、 それらの 適正な設計が行われる。 また、 塑性加工されたものとそうでないものとでは、 同 じ用途でもその適正な範囲が異なる場合もある。 一例を挙げれば、 前述のように 半導体装置の放熱部材として、 G a A s半導体素子やアルミナ外囲器材との熱膨 張係数を整合させるためには、 前述のように、 複合材料全体の C uの量を 4 0〜 6 0重量％の範囲に制御するのが望ましいが、 同時に熱伝導性を重視しそれを高 めるニーズに応える場合には、 銅プール相の量を 2 5〜4 5重量％の範囲にする のが望ましい。 ただし同じ使用ニーズに対し板状に圧延加工されたものを使い、 主として厚み方向に放熱させようとすると、 厚み方向と垂直な面方向に放熱させ る場合に比べ、 銅プール相の量を多目にする必要がある。
第 4図を参照すると、 6本の線上端の 0、 1 0、 3 0の数値が、 銅プール相の 量 （重量％) を示し、 点線三本が塑性加工されていない場合、 実線三本が熱間圧 延法により加工率 9 0 %で塑性加工されている場合である。 第 4図には明記され ていないが、 各線上で右上に行くほど銅量は多くなる。 なお本発明での熱伝導 率は、 レーザ一フラッシュ法によって、 板状試片にてその厚み方向で計量された 値である。 塑性加工されていない場合は、 原素材の任意の部分から試片を切り出 し、 塑性カ卩ェされている場合は、 原素材の塑性加工方向に直角な方向が試片の厚 み方向になるように試片を切り出している。
なお、 第 4図の鲖プール相を形成していない試片は、 平均短径 3 μ m程度の Μ o粒子マトリッタスの空隙に溶浸銅が満たされている M o _ C u系複合相のみか らなる。 銅プール相が形成された試料は、 同じ M o _ C u系複合相中に、 平均粒 径 1 0 0 μ ηι程度の銅プール相力 Sほぼ均等に分散されたものである。 第 4図から 明らかなように、 熱伝導率が同じであっても、 銅プール相を形成することによつ て、 熱膨張係数が小さくなることが分る。 ちなみにその減少量は、 本発明者等の 確認によれば、 銅量 3 0重量％以上で銅プール相の量が 1 0重量％以上の領域で は、 少なくとも 0 . 4 X 1 0一6 Z°C以上である。 なお、 熱伝導率を電気伝導率に 置き換えても、 その熱膨張係数との関係は概ね同じ傾向である。
第 5図を参照すると、 ヤング率は、 これらの試片を使い超音波による共振法に て測定した。 2本の線上端の 0、 1 0の数値が、 銅プール相の量 (重量％) を示 し、 点線が塑 ロェされていない加工率 0 %の場合、 実線が温間圧延法によりカロ 工率 9 0 %で塑性加工されている場合である。 試片は、 原素材の圧延方向に直角 な方向が、 荷重負荷方向になるように切り出して、 確認している。 なお、 第 5図 の銅プール相を形成していない試料は、 平均粒径 3 a m程度の M o粒子マトリツ タスの空隙に銅が満たされている M o _ C u系複合相のみのものである。 銅プー ル相が形成された試料は、 同じ M o _ C u系複合相マトリックス中に、 平均短径 1 0 0 μ ιη程度の銅プール相が、 ほぼ均等に、 総量で 1 0重量％分散されたもの である。 なお、 図 5には記載しないが、 銅量 7 0重量％以下の本発明材の場合、 同じ銅量でも、銅プール相の量が増加することによって、ヤング率は大きくなる。 この第 5図より同じ銅量でも銅プール相が形成された場合の方が、 少なくとも 1 5 MP a以上高い、 すなわち銅プール相の無い場合より 1 0 %以上高いヤング率 を有することが分る。 この現象は、 クロム銅などと他の銅合金を用いた場合でも 観測されるが、 これは上記した熱膨張係数の低減現象にも影響すると思われる。 未確認であるが、 本発明の複合材料は、 同じ全銅量で銅プール相が無く、 M o— C u系複合相のみのものに比べて、 マトリックスを構成する M o— C u系複合相 中の M oの量が相対的に多いため、 このような現象が生じるものと考えられる。 この種の複合材料では、 銅量によつて厚み方向の熱膨張係数のレベルが変わる が、 既に述べたように塑性加工の程度によっても変わる。
第 6図は前述の第 4図の場合とほぼ同じ条件で調製された本発明材の熱膨張係 数と塑性加工率との関係を示す図である。 第 6図の線の右端の数値は、 銅量 （重 量％単位） であるが、 第 6図の直線の傾きより、 加工率が 1 0 %増加する毎に少 なくとも 0 .· 2 X 1 0一6/。 Cずつ厚み方向の熱膨張係数が減少することが分かる。 第 7 Aから第 7図 （g ) は本発明の複合材料の銅プール相と M o— C u系複合 相の配置パターン例を模式的に示す図である。 第 7図 （a ) から第 7図 （g ) の 黒レ、部分が銅プール相であり、 白レ、部分が M o - C u系複合相からなるマトリツ タスを表す。 パターンには、 第 3図程度の視野範囲で、 すなわちミクロにデザィ ンされる場合、 素材もしくは部材のスケールで、 すなわちマクロにデザインされ る場合、 およびそれらを併用または混合した中間的な考え方でデザィンされる場 合とがある。 デザィン要素は、 複合材料の成分種と銅プール相および M o— C u 系複合相の形態などがある。 複合材料の成分種としては、 例えば、 純銅や銅合金 などの銅系素材成分、 M oおよびこれらに添加される成分などがある。 鲖プール 相の形態としては、 そのサイズ形状とそれらの配置間隔や複合材料単位体積当り の配置密度などがあり、 M o— C u系複合相の形態としては、 M o粒子のサイズ とその分布などがある。 これらの複数要素をお互いに組み合せることによって、 成分種固有の物性とその組み合わせ物性の域内で、 きめ細かい機能バリエーンョ ンを有する複合材料とそれを使つた様々な応用部材が得られる。
第 7図 （a ) は、 複数サイズの銅プール相をミクロに混合配置した場合をミク 口視野で描いた図である。 複合材料全体をこの配置とすることによって、 ほぼ同 じサイズの銅プール相を配置する場合に比べ、 銅プール相の無い場合の性能も合 わせ持った材料が得られる。 これに M o粒子のサイズやその分布など、 M o— C u系複合相の形態要素を組み合せることによって、 類似した機能範囲でより様々 な機能の材料が得られる。
第 7図 （b ) と第 7図 （c ) は、 銅プール相が傾斜機能的にデザイン配置され た場合の例である。 第 7図 （b ) は、 ある面 Aから別の面 Bに向かってほぼ連続 的に、 大から小へとサイズの異なるものを配置した場合をマクロ視野で描 ヽた図 である。 断続的にサイズタウンしてもよい。 第 7図 （c ) は同一サイズの銅プー ル相の配置間隔をある面 Aから別の面 Bに向かつて段階的または連続的に変えて 配置した場合をマクロ視野で描いた図である。 断続的に変化させてもよい。 傾斜 機能的に配置デザィンする要素には、 これ以外にも成分種やそれらの重量比率、 傾斜させる起点とその方向など沢山ある。 このようにすれば、 例えば、 表裏や中 央と外周で熱膨張係数の異なる一体の部材が得られ、 その一方に熱膨張係数の小 さいセラミックスを、 他方にそれの大きな金属を反りなど障害の無い状態で、 容 易に貼り合せることもできる。 この場合も、 M o— C u系複合相の形態要素との 組み合せて、 より多様な機能レベルの機能材料が得られる。
第 7図 （d ) は銅プール相の形を紡錘形にしたものを無秩序方向に配置した場 合をミク口視野で描いた図である。 材料全体に渡って方向性のある配置を採る場 合には、 予めこの種の形状の銅系素材を方向を決めて配置し成形一体化してもよ いし、 球状楕円状の通常の形状の銅系素材を配置して銅を溶浸した後、 塑性加工 しても得られる。 このようにすることによって、 方向性があり、 しかも機能の微 調整が容易にできる。 このため、 例えば、 電気接点、 スポット、 抵抗溶接、 放電 加工、 放熱用の部材ゃ機構用の部材などへの用途が広がる。
第 7図 （e ) は、 銅プール相の配置密度の異なる三つの層からなる部材をマク 口視野で、 模式的に描いた図である。 第 7図 （e ) の点線が層の境目を示す。 こ の材料は、 例えば三つの層のグリーンシートを押し出し圧着し、 これを打ち抜い た後、 焼成し銅を溶浸することによって得られる。 この場合、 工夫すれば、 より 連続性を持たせることもできる。 このようにすれば、 上述の第 7図 （b ) 及び第 7図 （c ) と同様の機能を持つ部材が得られる。 また図示しないが、 粒度分布の 異なる M o粒子を用い二極の機能レベル部分を持つ部材を得ることもできるる。 例えば、 第一の機能を持つ中央部は、 分布幅が狭く小さな径の M o粒子のみで構 成することにより空隙率を大きくし、 そこに埋まる溶浸銅の量を多くする。 第二 の機能を持つ外周部は、 大きな径の M o粒子を加えた状態で構成することにより 空隙率を小さくするようにし、 そこに埋まる溶浸銅の量を少なくする。 その結果 得られる部材は、 銅量の多い中央部は高放熱性であり、 銅量の少ない外局部は低 熱膨張性となる。 このようにすれば、 例えば、 中央部に高い熱負荷のかかる半導 体チップを配し、 外局部にセラミックスなどの低熱膨張性の外囲器材を配した放 熱部材に好適な一体化された複合部材が容易に提供できる。
第 7図（f )以降は、マクロ視野で模式的に描いた別の配置パターン例である。 第 7図 （f ) は、 面方向に銅プール相の配置密度のより高い部分が放射状に形成 されている場合であり、 この部分が熱や電流の主な通路になったり、 機械歪みが 主として緩衝される緩衝通路などになる場合である。 一方の表面部分のみにこれ が形成されていてもよく、 裏側まで通して形成されてもよい。 その形態は、 用途 に応じて自在に変えることができる。
第 7図 （g ) は棒状の部材の長手方向に棒状の銅プール相を配向させた場合の 斜視概念図である。 これについても応用形態は沢山考えられる。
以上述べてきたように、 本発明の複合材料は、 従来使われてきた放熱部材だけ でなく、 二次元、 三次元方向に銅プール相の有る無しと配置密度の濃淡を巧く組 合わせた配置パターンとすることによって、 通電用、 放電加工用、 溶接用、 電気 接合用、 化学機器用、 機構部品用など極めて多くの使い道が考えられる。 またそ のデサイン次第で、 ある部分が放熱部、 別の部分が機構部と言うように、 複数ま たは異種の機能を同じ部材に併存させることもできる。 さらに銅プール相以外に M o - C u系複合相の形態要素を組み合せたり、 表面処理や他の機能材料との複 合化などを採り入れれば、 より一層使い道が広がる。
以下、 本発明の具体例について説明する。
(例 1 )
いずれも純度が 9 9 %以上の表 1に記載された銅または銅合金の素材および表 2に記載された M oの粉末を用意した。
下記表 1の銅系素材と下記表 2の M o粉末の中から、 下記表 3乃至 5に記載の 組み合わせを選び、銅系素材を同表に記載の比率ならびに以下に記載の手段にて、 M o粉末マトリックスにほぼ均等な間隔に配置し、 成形一体化した。 なお、 下記 表 3乃至表 5の左側に *印を付したものは、 比較例に係る試料である。 試料番号 1ないし 8のものは、 素材番号 1 3の M 0粉末 1 0 0に対し重量比率で 1 %の樟 脳をアルコールを媒体にして混合した後、 型押し粉砕方式の造粒を行なって成形 用粉末とした。
Figure imgf000017_0001
注） 二次粒子の場合の平均粒径は、 一次粒子の集合した外形の
短軸方向の径である。 表 2
Figure imgf000017_0002
注） 二次粒子の場合の平均粒径は、 一次粒子の集合した
外形のなす径である。 試料番号 9ないし 3 5の成形用粉末は、 以下のようにして調製した。
M o粉末は、 試料番号 9ないし 3 4では素材番号 1 3のものをそのまま、 それ ぞれの銅系素材と表記の比率にて V型ミキサで混合したものを準備した。
試料番号 3 5では素材番号 1 3の M o粉末 1 0 0に対し重量比率で 1 %、 平均 粒径 2 μ ηιの N i粉末を添カ卩し、 ステンレスボールおよびポットのボールミルに て予備混合粉碎し、 真空乾燥した M 0粉末とそれぞれの銅系素材を表記の比率に て V型ミキサにて混合したものを準備した。 これによつて銅系素材の当初の形状 をほぼ維持しつつ M o粉未中にこれをほぼ均一に分散配置した。 その後、 これら の粉末 1 0 0に対し重量比率で 1 %の樟脳をアルコールを媒体にして混合した後 型押し粉砕方式の造粒を行なって成形用粉末とした。
以上のようにして調製した試料番号 1ないし 3 5の成形用粉末を室温で金型内 に充填し、 粉末プレスにて 5 t o n Z c m 2までの圧力にて成形一体化した。 こ の後窒素ガス気流中 4 0 0 °Cでバインダーを除いた。 #印を付したものは、 空隙 率調整のため、 さらに水素雰囲気中 8 0 0ないし 1 4 0 0 °Cで中間焼結した。 得 られた成形体または中間焼結体の外寸と重量からその空隙率を算定した。
その値を下記表 3乃至表 5の 「成形体の空隙率」 欄に示す。 次いで、 当初予備 混合された銅素材を使って、 これら空隙率に見合った銅系溶浸材を準備し、 成形 体または中間焼結体の上、 又は下に置き、 水素ガス雰囲気中 1 2 0 0 °Cで 2時間 保持し、 使った銅素材と同じ銅系溶浸材を溶浸した。
試料番号 3 6、 3 7は、 成形一体化をそれぞれ押し出し成形、 射出成形によつ て行なつた。レ、ずれも素材番号 1 1の M 0粉末と素材番号 4の銅系素材を用意し、 重量比率で M o粉末が 8 0 %、 銅系素材が 2 0重量％となるようにそれぞれ秤取 し、 上記同様 V型ミキサで予備混合した。
試料番号 3 6の粉末は、 この粉末 1 0 0に対し可塑剤を含んだポリビュルァセ テートの水溶液を固形分の体積比率で 5 %加えて混練りし、 矩形断面で押し出し し、 これを切断して成形体とした。
試料番号 3 7の粉末は、 上記粉末 1 0 0に対し可塑剤を含んだポリエチレンを 体積比率で 3 0 %加え加熱混練りし、 熱間で矩形断面のノート状に射出成形し、 これから切り出して成形体とした。 その後、 真空中で加熱し、 前者は 4 0 0 °C、 後者は 6 0 0 °Cでそれぞれの固形分を除去した。 さらに、 水素中 1 2 0 0 °Cで中 間焼桔を行ない、 下記表 3の空隙率のものを得た。 その後、 試料番号 1ないし 3 4と同じ条件にて銅系溶浸材を溶浸した。
試料番号 3 8は、 銅系素材に素材番号 9を使う以外は試料番号 1 5と同じ条件 で、 溶浸まで進めたものである。 表 3
試料 組み合わせと混合比率 （重量％) 成形体又は中間 so. α
资 銅素材 Mo粉末 焼結体の空隙率 素材番号 混合比率 秦ゃ才番■¾· 混合比率 (%) 氺 1 ― 0 1 3 1 00 #28
* 2 ― 0 1 3 1 00 #32
* 3 一 0 1 3 1 00 3フ
* 4 ― 0 1 3 1 00 42
* 5 ― 0 1 3 1 00 52
* 6 ― 0 1 3 1 00 62
* 7 ― 0 Λ 3 1 00 フ 3
* 8 ― 0 1 3 1 00 78
* 9 4 1 0 1 3 90 # 1 7
1 0 4 1 0 1 3 90 #22
1 1 4 1 0 1 3 90 #28
1 2 4 1 0 1 3 90 #33
1 3 4 20 1 3 80 #33
1 4 4 20 1 3 80 43
1 5 4 30 1 3 フ 0 43
* 1 6 4 30 1 3 フ 0 48
* 1 7 4 8 1 3 92 45
1 8 4 1 0 1 3 90 42
1 9 4 30 1 3 70 #2 1
20 4 30 1 3 70 #32
21 4 40 1 3 60 #20
22 4 20 1 3 80 5 1
23 4 40 1 3 60 #30
24 4 50 1 3 50 #20
* 25 4 55 1 3 45 # 1 5
26 1 20 1 3 80 #22
27 2 20 1 3 80 #22
28 4 20 1 3 80 #22
29 6 20 1 3 80 #22
30 フ 20 1 3 80 #22
3 1 8 20 1 3 80 #3 1
32 5 20 1 3 80 #3 1
33 3 20 1 3 80 41
34 5 20 1 3 80 41
35 4 20 1 3 80 #40
36 4 20 1 1 80 #41
37 4 20 1 1 80 #41
38 9 30 1 3 70 #43
39 クロム銅 20 1 3 80 #42
* 40 クロム銅 0 1 3 1 00 #61 表 4
試料 溶 浸 体
銅量 （重量％) 相対密度 熱伝導率 熱膨張係数 全銅 銅プ一ル (%) (W/mK) (1 0— 6/°c) 相 厚み方向 厚み方向
* 1 24 0 98 21 0 8. 0 氺 2 3 1 0 99 228 9. 1
* 3 34 0 99 238 9. フ
* 4 41 0 99 248 1 0. 3
* 5 49 0 99 273 1 1. 5
* 6 59 0 99 300 1 3. 0
* 7 69 0 99 3 1 0 1 3. 5
* 8 74 0 98 320 1 4. 0
* 9 24 1 0 98 21 5 7. 9
1 0 30 1 0 99 229 8. 7
1 1 35 1 0 99 2フ 3 9. 0
1 2 40 1 0 99 245 9. 5
1 3 49 1 9 99 270 1 0. 1
1 4 59 1 9 99 290 1 1. 0
1 5 69 30 99 3 1 8 1 1. 3
* 1 6 フ 4 29 99 335 1 2. 4
* 1 7 49 9 98 273 1 1. 0
1 8 49 1 1 99 2フ 2 1 0. 9
1 9 49 30 99 268 9. 5
20 59 30 99 293 1 0. 3
2 1 60 39 99 28フ 9. 8
22 69 21 98 320 1 2. 6
23 フ 0 39 98 3 1 0 1 0. 8
24 69 49 99 3 1 5 1 0. 6
* 25 7 1 56 99 31 7 1 0. 2
26 39 2 1 99 236 9. 3
27 40 20 99 238 9. 3
28 39 21 99 240 9. 3
29 39 1 9 99 242 9. 3
30 39 1 9 99 243 9. 3
3 1 49 20 99 2フ 2 1 0. 2
32 50 1 9 99 274 1 0. 1
33 60 1 9 98 286 1 2. 3
34 59 20 99 286 1 2. 3
35 60 21 99 248 1 2. 1
36 60 1 9 99 280 1 2. 0
37 59 20 99 283 1 1. 9
38 69 29 99 360 1 1. 0
39 59 29 98 220 1 2. 0
* 40 59 0 98 223 1 2. 9 表 5
試料 塑 性 加 ェ 体 備 考
加工率 熱伝導率 熱膨張係数
(%) (W/mK) (1 0— 6 。 C)
厚み方向 厚み方向
* 1 90 1 90 6. 5 銅プール相無し
* 2 90 200 フ. 0 〃
* 3 90 21 0 7. 2 //
* 4 90 222 9. 3 〃
* 5 90 260 9. 3 //
* 6 90 280 1 0. 0 〃
*フ 90 300 1 1. 0 //
* 8 //
90 31 0 1 1. 4
* 9 90 1 93 6. 0 全銅量
1 0 90 200 6. 2 〃
1 1 90 21 4 6. 6 〃
1 2 90 222 7. 0 〃
1 3 90 265 7. 6 〃
1 4 90 286 8. 6
1 5 90 290 8. 5 〃
30 〃
* 1 6 90 0 9. 8
* 1 フ 90 265 9. 0 銅プール相量
1 8 90 263 8. 5 〃
1 9 90 252 7. 0 //
20 90 283 7. 8 〃
21 90 277 7. 3 〃
22 90 293 1 0. 1 〃
23 90 287 8. 3 〃
〃
24 90 287 8. 1
〃
* 25 90 280 8. 0
26 90 220 6. 9 銅系素材平均粒径
27 90 221 6. 9 〃
28 90 222 6. 8 //
29 90 225 6. 8 //
30 90 225 6. 8 〃
31 90 255 フ. 7 〃
32 90 255 フ. 6 //
〃
33 90 276 1 0. 0
II
34 90 276 9. 8
35 90 238 9. 9 N i添力 Π
36 90 260 1 0. 0 押出成形
37 90 258 9. 9 射出成形
38 90 300 8. 9 無酸素銅素材
39 90 1 90 1 0. 0 クロム銅押出成形
* 40 90 1 88 1 0. 9 試料番号 3 9のものは、 以下のように調製した。
上記表 1の素材番号 1 0の C rを 1重量％程度含むク口ム銅からなる銅系素材 と表 2の素材番号 1 3の M o粉末を用意した。 試料番号 3 9のものは、 先ず銅系 素材 2 0重量％と M o粉末 8 0重量％を V型ミキサで混合した。 他方試料番号 4 ◦の出発原料は、 M o粉末のみとした。 次いでそれぞれの粉末に可塑剤を含んだ ポリビュルァセテ一トの水溶液を体積比率で 5 %加え混練りし、 矩形断面形状で 押し出し、 これを切断して成形体とした。 これらの成形体を真空中 4 0 0 °Cでカロ 熱し、 それぞれのバインダーを除いた。 さらに水素中 1 3 0 0 °Cで中間焼結を行 なレ、、 水素中 1 2 5 0 °Cで原料の銅系素材と同じ材質のクロム銅を空隙内に溶浸 した。
得られた全ての溶浸体の外周を研削加工で除去した後、 切粉を採取し、 C u、 M oおよび不純物の含有量を発光分光分析にて確認した。 銅プール相の量は、 研 磨された試料断面の 5 0倍の光学顕微鏡写真を撮り、 同視野中の銅の部分を画像 処理して、 その中の銅プール相に該当する部分の面積比率を出し、 これを分析さ れた全銅量値との結果より算定した。 上記表 3の溶浸体の全銅量と銅プール相の 量はその確認値である。 塑性加工体の成分量は、 これらと同じであり、 表には載 せていない。
表 4の溶浸後の相対密度は、 試料の成分分析結果から理論密度を算定し、 これ に対する水中法 （アルキメデス法） で確認した実測密度の割合 （％) である。 な ぉ塑性加工後は、 全て 1 0 0 %であることが確認された。 熱伝導率ならびに熱膨 張係数の計量確認方法は、 前述の通りである。
各溶浸体の塑性加工は以下のように行なった。 先ず全ての溶浸体試料の外局部 を除去し、 矩形の素材を準備した。 その後、 これを熱間圧延装置にかけて、 1 5 ◦。Cないし 3 0 0 °Cの温度範囲内で、 3 0 %ないし 9 0 %の範囲の加工率にて熱 間圧延した。 これらの圧延フープを使い上記溶浸体と同様の手順にて各特性を確 口ヽし/こ。
以上の結果を表 3乃至表 5にまとめた。 なお表中にはヤング率の結果の記載が 無いが、試料番号 1ないし 3 8のものは、前述の第 5図おょぴその説明のように、 ほぼ第 5図の線上に乗るデータが確認された。試料番号 3 9および 4 0の場合も、 ほぼこれに沿った結果が確認され、 いずれも MP a単位で、 溶浸直後のもので、 39が 145MP a、 40が 130MP a、 加工率 10 %で塑性加工された後の もので、 39が160MP a、 40が 145MP aであった。 電気伝導率も表に 記載されていないが、 上記例で用いた試片について。/。 I ACS単位 （純銅を 10 0 %とし渦電流法で判定） で確認したところ、 同じ電気伝導率の試料間では、 銅 プール相の無いものに比べ、 銅プール相が形成された本発明の複合材料は、 熱膨 張係数は 5 %ほど小さくなり、ヤング率は 10 %ほど高くなることが確認された。
(例 2)
上記表 3乃至表 5の試料番号 2、 5、 10、 14、 1 7、 18、 22、 24、 25、 29、 32、 33、 38ないし 40と同じ材料構成で 1 50 mm角で厚み 5 mmの板状の素材を用意した。 いずれの場合も同じサイズにて溶浸体とそれを 加工率 90 %で塑 ェしたものとを準備した。
これらの上下両面にはニッケルメツキを施した。 これを第 8図の模式図に示す 断面構成の半導体モジュール用パッケージに装着し、 冷熱サイクル試験を行なつ た。 第 8図の符号 21は上記した本発明の複合材料からなる中間基板、 符号 22 は熱膨張係数が約 4X 10 6/°Cのシリコン半導体素子、符号 23は熱膨張係数 が約 4 X 10—6Z°Cの窒化アルミニウム (A 1 N) 系セラミックスからなる上部 基板、 24は熱膨張係数が 1 7 X 10一6/。 Cの銅からなるベース基板である。 な お、 本発明の中間基板 21上には、 セラミックスゃ金属などの外囲器材 25が銀 蠟にて接続され、 中間基板 21は、 銀一錫系の半田にてベース基板 24と接続さ れる。 さらには、 外囲器材 25とは通常銀蠟付けされる。
冷熱サイクルの一サイクルのプログラムは、 -50。 で 15分間保持後、 30 分で昇温し、 150°Cで 15分保持とした。 これを 500サイクル毎にモジユー ルの出力の有無および損傷状態を確認しつつ、 2000サイクノレ繰り返し負荷し た。 その結果を下記表 6に示す。 なお、 この場合の 「損傷」 とは、 反りなどによ る接続部の損傷などを言う。 同じ試料番号で塑 ェ前のものと後のものとでは 双方でほとんど差異が無かったため、 区分けして表示していない。 ただし、 銅プ ール相の無いもので、 最終的な損傷の程度が、 塑性加工後のものの方が小さ目で あった。 この結果から本発明材料の実用上の優位性は明らかである。 なお、 試料番号 2、 5、 1 0、 1 8と全銅量ならびに銅プール相の量が同じで あり、 厚み方向に第 7図 （ c ) のような傾斜機能性が付与された上記と同じサイ ズの試片を準備し、 上記と同じ一サイクルプログラムで、 3 0 0 0回の冷熱サイ クル試験を行なった。 その際、 いずれの試片も熱膨張係数が上部基板側で約 6 X 1 0 _6/°C、ベース基板側で約 1 2 X 1 0一6/。 Cとなるように銅プール相の傾斜 機能的な配置形態を調整した。 なお、 この場合も同じサイズにて上記同様塑性カロ ェ前後のものを準備し、 いずれの試片にも上下両面にニッケルメツキを施した。 試料番号 2と 1 0の第一のグループ、 5と 1 8の第二のクループは、 それぞれお 互いに全銅量がほぼ同じものである。
試験の結果、 傾斜機能性が付与されていない上述の場合とは異なり、 試料番号 2および 5の場合にも 2 0 0 0サイクルまでは殆ど出力ダウンならびに損傷も無 く経過したが、 2 5 0 0サイクルまでに主に中間基板の反りによる上部基板との 間の剥離に起因する 5 0 %以上の出力タウンが生じた。 これに対し、 銅プール相 が形成された本発明の複合材料を基本にした 1 0と 1 8のものは、 塑性加工前の もので 3 0 0 0サイクルまでに若干の出力ダウンはあったが、 損傷の無い状態で 維持できた。 塑性加工後のものでは出力ダウンもほとんど無かった。 この結果よ り、 傾斜機能的な同じ配置デザインの場合でも、 銅プール相が形成された本発明 材料の方が冷熱耐久性に優れていることが分かる。
本発明の実施例のモジュールでは、 冷熱サイクルプログラムが過酷な上に、 中 間基板とヤング率の高!/、セラミックス製の上部基板との間での熱膨張係数の差が 大きい。 このため両者間の熱歪みに耐え高い熱伝導性の中間基板が要るが、 本発 明の複合材料は、 これに好適であることが分かる。
なお、 本モジュールより実用時の冷熱負荷が小さいこれ以外の各種半導体装置 にも放熱部材として実装し、 銅プール相形成の効果を確認した。 その結果、 実装 時ゃパッケージング後の耐久性において本発明の材料の優位性が確認された。 以上の結果から、 放熱部材を始め半導体装置に使われる部材には、 鲖プール相が 形成されていないものよりも、 銅プール相が形成された本発明のものの方が、 好 適であることが分かる。 表 6
Figure imgf000025_0001
(例 3 )
試料番号 2と 1 0の溶浸直後の素材から直径 5 mm、 厚み 5 mmのスポット溶 接用の一対の電極を切り出した。 この電極を使って直径 5 mm、 厚み l mmの電 気接点を銅の合金にスポット溶接した。 溶接機の通電部に対向させて、 準備して 電極対を固定した。 電気接点のアッセンプリは、 台金上に銀蝶薄片を置き、 その 上に主成分が銀の電気接点を載せたものである。 このアッセンプリを下部の固定 電極上に置き、 上部可動電極を下降させてアッセンプリに荷重 5 0 0 gを負荷す ると同時に、 3秒間通電して銀蠘を溶融させ、 その後放冷するようにした。 この ようにしてスポット溶接を繰り返し、 溶接数 1 0 0 0個を越えたところでの電極 の消耗量を比較したところ、 試料番号 1 0の銅プール相を形成したものは、 試料 番号 2の銅プール相の形成されていないもののほぼ 6 0 %であった。
(例 4 )
試料番号 2と 1 0の素材から直径、 厚みとも 1 O mmの放電加工用電極を切出 した。 この電極を使い、 直径 2 0 mmの棒状 T i C一 C o系サーメント部品の一 方の面に、 直径約 1 0 mmm、 深さ 3 mmの底付き穴を放電加工によって形成し た。 ワークを変えてこのステップを繰り返したところ、 加工数 1 0 0 0個を越え たところでの電極の消純量を比較したところ、 試料番号 1 0の銅プール相を形成 したものは、 試料番号 2の銅プーノレ相の形成されていないもののほぼ 7 0 %であ つた。
以上、本発明の実施の形態につ！/、て述べたが、本発明は上記例には限定されず、 種々の変形が可能であることはいうまでも無い。
産業上の利用可能性
本発明に係る複合材料は、 電気 ·電子機器の放熱部材、 構造部材、 放熱機器用 部材、 電気接点、 放電加工や溶接用の電極などの電気 ·電子部材、 及び化学装置 用部材に最適である。

Claims

請 求 の 範 囲
1 . C u含有量 3 0〜 7 0重量。/。の M o— C u系複合材料であり、 材料中に 銅プール相と M o— C u系複合相とを含み、 銅プール相を 1 0〜 5 0重量。 /0含む ことを特徴とする複合材料。
2 . 請求項 1記載の複合材料において、 前記銅プール相の平均短径が、 5 0 〜2 0 0 μ πιであることを特徴とする複合材料。
3 . 請求項 1又は 2記載の複合材料において、 塑性加工を施したものである ことを特徴とする複合材料。
4 . 請求項 1乃至 3の内のいずれか一つに記載の複合材料を用いたことを特 徴とする部材。
5 . 請求項 1乃至 3の内のいずれか一つに記載の複合材料を用いたことを特 徵とする放熱部材。
6 . M o粉末マトリックスに、 平均短径が 5 0 μ m以上の銅系素材を配置し た状態で成形一体化して成形体とする力 \ またはさらにこの成形体を焼成して中 間焼結体とする工程、 この成形体または中間焼結体に銅または銅合金を溶浸させ C u含有量が 3 0〜 7 0重量％であり銅プール相を 1 0〜 5 0重量。/。含む複合材 料とする工程を含むことを特徴とする複合材料の製造方法。
7 . 請求項 6記載の複合材料の製造方法において、 前記銅系素材が、 平均短 径 5 0— 2 0 0 μ mの粉末であり、 前記成形一体化前にこれと M o粉末とを混合 することを特徴とする複合材料の製造方法。
8 . 請求項 5記載の放熱部材を用いたことを特徴とする半導体装置。
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