WO2006112063A1

WO2006112063A1 - 半導体装置放熱用合金材およびその製造方法

Info

Publication number: WO2006112063A1
Application number: PCT/JP2005/018741
Authority: WO
Inventors: Hoshiaki Terao; Hideaki Kobiki; Satoshi Uenosono
Original assignee: Jfe Precision Corporation; Jfe Steel Corporation
Priority date: 2005-04-15
Filing date: 2005-10-05
Publication date: 2006-10-26
Also published as: KR100958560B1; EP1873272A4; EP1873272B1; CN101163810B; EP1873272A1; KR20070108563A; CN101163810A; US20090053090A1; US7955448B2

Abstract

安価で、従来の複合材料のように熱膨張率が小さく、さらに純銅のように熱伝導率が大きく、かつ機械加工性が優れた放熱用合金材およびその製造方法を提供することを目的とする。特に放熱用合金材として種々の形状が要求されるので、従来の溶解法の他にも製造原価が安価で種々の形状の放熱用合金材が供給できる粉末焼結法を用いた製造方法も提供する。本願発明の合金材は、Ｃｒ：０．３mass％以上８０mass％以下と、残部がＣｕと、不可避的不純物からなるＣｕ−Ｃｒ合金であって、１００ｎｍ以上のＣｒ相を除いたＣｕマトリックス中に長径１００ｎｍ以下で、アスペクト比１０未満の粒子状Ｃｒ相を２０個／μｍ２以上の密度で析出させた組織を有する。

Description

明細書半導体装難熱月合金材ぉよびその製法技術分野

本発明は、電子 «に搭載された半導体素子等の電気部品が発する熱を速やカゝに拡散させるために用レヽられる» 合金材およびその製法に係り、特にク口ム含有銅合金からなる放熱月合金材およびその法に関する。背景技術

半導体素子は、倾時の発熱による異常な上昇を防止するために、放熱用合金材に接合して使用される。放熱合金材は、ヒートシンクあるいはヒートスプレッダとも呼ばれる。半導体素子と放熱合金材の齢方法には、（1)直接ハンダ付けあるいは口ゥ付けにより接合する方法、

(2)窒化アルミニウム（A 1 N) などのセラミックスを介してハンダ付けあるいはロウ付けにより接合する方法、（3)シリコングリース等の «導性樹脂を介して固定させる方法がある。いずれのも、 ¾する体素子が発する熱を速やかに纖させるために、放熱用合金材は «導率が高いことが要求される。

itjfE(l) , (2)の^、半導体素子あるいは窒ィ匕アルミニウムと放熱用合金材が強固に固定されるため、接^^の剥離や反り等を防止するには、半導体素子さらには窒ィ匕アルミニゥムなどのセラミックスに近い熱張率を有する放熱用合金材が要求される。

このような 1"生を単一の素材によって得ることは難しく、従来放熱用合金材は一般に熱張率の小さい材料と n¾e導率の大きい材料を組み合わせた、いわゆる複合材料が多く用いられている。そこで、特許文献 1にはタングステン一銅 (W- C u) 、モリブデン一銅（M o— C u) 等の金属一金属系複合材料が提案されている。タングステン、モリブデンは熱 if張率が低く、他方、銅は «導率が高いので上記提案がなされでいる。また、特許文献 2には炭化珪素一アルミニウム

( S i C— A 1 ) 、第一酸化銅一銅 (C u ₂0- C u ) などのセラミックス一金属系複合材料が開示されている。さらに、特許文献 3には、クロム一銅（C r— C u) 、ニオブ一銅（N b— C u) 等の金属一金属系複合材料が提案されてぃる。

—方、シリコングリース等の導性樹脂を介して半導体素子を放熱材に固定するは、半導体素子あるいは窒ィヒアルミニウムと腿板の ^を »導性樹脂が吸収するため熱張の大きななど安価な «用合金材料の使用が可能となるが、ハンダゃロゥ材と比較して樹脂の ife導率が小さいための大きな体素子には望ましくない。

また、古くから溶接用電掛才料として用いられるクロム銅 ( J I S - Z 3 2 3 4 ) 合金は、析出硬化型の合金であり、強度が要求される用途で «に代わって »月合金材としても使用されるが、その »張率はとほぼ同じ 1 7. 6 X 1 0一⁶/ Kで高く、ハンダ付けや口ゥ付けされる放合金材としては適用できなかった。特許文献 1 平 5— 3 8 4 5 7号公報

特許文献 2 特開 2 0 0 2— 2 1 2 6 5 1号公報

特許文献 3 特開 2 0 0 0— 2 3 9 7 6 2号公報発明の開示 - 上述したとおり、発熱量の大きな半導体素子にはハンダ付けあるいは口ゥ付けにより«板に固定されることが望ましい。'

しカゝし、特許文献 1で提案されているタングステン一銅、モリブデン一銅などの金属一金属系複合材料を用いた放熱用合金材は、切肖咖ェゃプレス加工等の機卩ェ性は良好であるものの、その原料であるタングステンやモリブデンの粉末が高価であるという問題点がある。 . また、特許文献 2で提案されている炭ィ素一アルミニウム、第一酸化銅一銅などのセラミツタス一金属系複合材料は硬度が高く、機ェ性が劣り、さらに均一なめっき処理が困難であるという f 題点がある。

さらに、特許文献 3で提案されている銅合金では、凝固時に銅母相中に晶出した C r層のァスぺクト比を大きくすることにより、熱 J¾張を低下させることを開示している。なお、特許文献 3 に記載される第 2相とは、図 1に示す C u— C r系状態図における主に凝固の際の 1次析出相を意味する。一方で、本願では、時効熱処理の際の時効析出相を 2次析出相とする。

本発明の目的は、安価で、上述の複合材料のように熱膨張率が小さく、さらに純銅のように熱伝導率が大きく、力つロ工性が優れた腿用合金材およびその製造方法を «することである。特に放熱用合金材として種々の形状が要求されるので、従来の溶解法の他にも製颜価が安価で種々の形状の震用合金材が供給できる粉末焼結法を用レ、た製法も撒する。

本発明においては、従来、接点合金として実用化されている C u— C r合金 (Crが 3mass%¾ 下）の合金を出発点として研究を進めた。図 1に示す C u - C r系状態図によれば C r約 1 . 5 mass%に共晶点があり、約 4 Omass%に偏晶点がある。そこで、 Crが 3mass%以下、 Crが 3を超え 4 Omass%¾下、 Crが 4 Omass%を超える合金に分けて研究を進めた。

その結果、レヽずれの^^にもこれらの合金を所定の形状に加工後、溶体化熱処理して徐冷し、種々の «で効すると、熱 ¾1 ^数が 5 0 0 ~ 7 5 0 の間におレヽて急激に減少することが判明し、熱廊数の小さい合金となることを発見した。

発明の第 1の態様は、 Crが 0. 3mass%^上、 8 Omass%W下ど、残部が C uと、不可避的不純物からなる C u— C r合金であって、 1 0 0 1^1以上の(3 1：相を除ぃた(： 1マトリックス中に長径 1 0 0 n m以下で、ァスぺクト比 1 0未満の粒子状 C r相を 2 0個 //z m²以上の密度で析出させた糸纖を有することをとする C u— C r合金である。

発明の第 2の態様は、 C rと、残部が C uと、不可避的不純物からなる C u— C r合金であつて、該合金を溶解法又は粉末冶金法で所定の形状に加工後、溶浸処理後及び/又は溶体化熱処理後 6 0 0°CZ分以下の冷却速度で冷却し、 5 0 0°C以上 7 5 0 °C以下の間で時効熱処理を行たことを赚とする C u— C r合金である。 .発明の第 3の態様は、 C rと、が C uと、不可避的不純物からなる Cu— Cr合金であつて、該合金を粉末冶金法により所定の形状に成形加工後、 Il5粉末冶金法における焼結処理後 6 00で分以下のでし、 500 °C以上 750 °C以下の間で時効熱処理を行つたことを難とする C u— C r合金である。

発明の第 4の態様は、前記 Cu— C r合金の C rが 0. 3mass%以上 3mass⁰/oW下であることを赚とする Cu— Cr合金である。

発明の第 5の態様は、 ftilECu— Cr合金の Crが 3mass%を超え 40mass%¾下であることを赚とする Cu-Cr合金である。

発明の第 6の態様は、前記 Cu— C r合金の C rが 4 Omass%を超え 8 Omass%以下であることを赚とする Cu_Cr 合金である。

発明の第 7の態様は、前記 Cu— Cr合金は、更に T i、 Z r、 Fe、（：0及ぴ^^から選んだ 1镡または 2種以上を合計で 0. Imass°/c4¾上 2. Oma_Ss%以下含有することを »とする C u — Cr合金である。 '

発明の第 8の態様は、前体化熱処理の温度は 900°C以上 1050°C以下の範囲内の温度であることを赚とする Cu_Cr合金である。 .

発明の第 9の態様は、 ttft己 C u-Cr合金を利用したことをとする放熱用部材である。発明の第 10のは、前記 C u— C r合金を放熱部材として用いる方法である。

発明の第 11の ¾g«は、 Cr ： 0. 3mass%以上 8 Omass%以下と、残部が Cuと不可避的不純物である C u-Cr合金を製造する際におレ、て、その製造方法が、溶解 ·铸造または溶解 · m 造 .加工であり、得られた合金を 500°C以上 750°C以下の範囲内の温度で時効熱処理することを«とする C u— C r合金の製造方法である。

発明の第 12の:^は、 Cr ： 0. 3mass%以上 8 Omass%以下と、残部が Cuと不可避的不純物である C u— C r合金を製造する際において、その製造方法が、 C uと C rの粉末を混合 ·焼結し、得られた焼結体を 500°C以上 750°C以下の範囲内ので時効熱処理することをとする C u— C r合金の製造方法である。

発明の第 13の：^は、 Cr ： 0. 3mass%¾上 8 Omass%以下と、残部が Cuと不可避的不純物である Cu— C r合金を製造する際において、その製造方法が、じ1"単独又は< 11と(31：の粉末を混合 '焼結し、銅を溶浸して旻体とし、得られた溶浸体を 500°C以上 750°C以下の範囲内ので Bf¾»理することをとする C u— C r合金の製法である。

発明の第 14の嫌は、前記 Cu— C r合金は、更に T i、 Z r、 Fe、じ₀及ぴ111から選んだ 1種または 2種以上を合計で 0. lmass%以上 2. Omass°/ ¾下含有することを ^とする C II— C r合金の製^法である。

発明の第 15の態様は、前記 C u— C r合金を、前記時効熱処理の前に更に、 900 °C以上 1 050°C以下の範囲内の ¾範囲で溶体化»理を行うことを,とする Cu_C r合金の S¾t 方法である。発明の第 1 6の態様は、前記 C 11 _ C r合金を、前！^体化熱処理後 6 0 0で/分以下の冷却で冷却を行うことを赚とする C u— C r合金の製造方法である。

本発明に係る C u— C _r合金は、半導体装置用放熱板として好適な高導率およ鐘張率を両立し、従来のタングステン一銅系あるいはモリブデン一銅系の半導体装難放熱用合金材よりも経済的に製造することが可能であるとともに、均一なめっきが可能であり、さらに口ェ性にも優れている。本発明の放熱用合金材は、図 8に示すように、室温〜 2 0 0 °Cの熱膨» が 9. 0 X 1 0— ⁶〜1 6 . 7 1 0— ⁶/K：、導率が 1 3 4〜3 5 OW/ (m · K) である C u— C r合金である。図面の簡単な説明

図 1は、従来公知の C u— C r合金の状態図である。

図 2は、時効とビッカース硬さの関係を表す図である。

図 3は：本発明にカゝかる放熱用合金材の断面を示す写真である。

図 4は、'時効 ¾^と ¾|f張率の関係を表す図である。

図 5は、本発明にかかるその他の雄用合金材の断面を示す写真である。

図 6は、雄用合金材の製造方法を構成する工程を示明図である。

図 7は、 C r 52. 5mass%一 C u 47· 5mass%からなる溜曼体を種々ので時効させたの温度と熱との関係を示す図である。

図 8は、本発明においてクロムの ¾を変化させたにおける粒度の熱張率と »導率に対する影響を示す図である。

図 9は、本発明の C u— C r 合金の熱と謝云導率との関係を示す図である。発明を実施するための最良の形態

以下、実施例を参照しながら本発明の形態について詳細に説明する。

■ 実施例 1

本発明に係る C u— C r合金から放熱板を作成し、その特性を調査した。本発明に係る板材は、 C rを 1 . 1 mas_S%含有する C u— C r合金を真空溶解炉で溶解し、これを麵に^ して 8 0 mm X 8 0 mm角、重量 3 0 k gの大きさの铸塊とする。その後、この铸塊を圧延 9 5 0°C で熱間加工し、酸ィ除去後冷間圧延を行い概ね 3 mmの板材に加工する。

さらに、板材をプレス加工によって 1 5 0 X 1 5 0 X 3 mmの放に仕上げ、 1 0 0 0でで 3 0分間保持して溶体化し、冷却 3¾Sの影響を調査するため平均冷却速度 6 0 0で分（以下急冷と言う）と平均 ¾g 3 0°C/分（以下徐冷という）で冷却して放纖を製造した。ここで平均 «とは、焼結処理後または激旻熱処理または溶体化熱処理において保持から、 1 0 0 °Cまでの冷却過程における平均冷却速度を言うことにする。さらに、放熱板を直径 1 O mm、厚さ 3 mmの円盤状ビッカース硬さ測定用の片に切り出し、アルゴンガス中で、 5 0 0°C以上 7 0 0 °C以下の範囲の温度で 6 0分間保持し、時効熱処理を行う。得られた片のビッカース硬さの, 依存性を図 2に示す。図の縦軸は、ビッカース硬さを、図の横軸は、時効 (°C) を示している。図 2に記載された測 ¾$果は、本発明に係る放難の製造方法によって製造された合金の赚を示す測果である。徐冷に係る放熱月合金材の特は実線で示し、急冷のを^ で示す。この図で 0でとは時効讓理前の硬さを示す。図 2に示すように、急冷によって得られる片のピツカ一ス硬さ（J I S Z 2 2 4 4 ： 2 0 0 3 ) を測定すると、時効熱処理前 (0°C) の、ビッカース硬さは 5 3を記録する力時効 fi¾を上げ、時効^ gが 5 0 0°Cに ¾"Τると、ピツカ一ス硬さは 1 3 5を記録する。その後、時効温度が上昇するに従い、ピツカ一ス硬さは減少し、時効温度が 7 0 0°Cに達する時には、ビッカ一ス硬さは 7 0をする。

一方、徐冷したには時効処理により硬度の上昇は小さレ、。徐冷後、放熱板を直径 1 0 mm, 厚さ- 3 mmの円盤状ピツカ一ス硬さ測定用の片に切り出し、アルゴンガス中で、 5 0 0°C以上 7 0 0°C以下の範囲の温度で 6 0分間保持し、時効熱処理を行う。

上記の方法にょゥて得られた徐冷した C u— C r合金のうち 5 5 0°Cで時効処理した組織の S EM (走査型電子顕«) 写真を図 3に示す。図 3から明らかなように、 C rが 0. 3〜 1 . 5 mass%¾¾固溶した銅マトリックス中にクロムが 2次析出している。この 2次析出したクロムの平均粒径は 2 6 n m (ナノメートル）であり、長径 1 0 0 nm以下のクロム粒子について単位面積当たりの個数は 7 5個/ μ ηι² (以下析出密度と言う）、アスペクト比は、最大で 5. 6、平均で 1 · 7である。すなわち、クロムがナノメートルレベルでの析出をしている。なお、この写真を «した装 g¾ひ It条件は下記のとおりである。装置は、日 5t¾作所 F E _ S EM、型番 S— 4 8 0 0である。条件は、カロ速 ¾E 3 k Vであり、倍率は 1 0 0 , 0 0 0倍である。視野サイズは 1 2 7 0 X 8 9 O nmである。エッチング条件は以下のとおりである。蒸留水 8 O m 1に対し、 2クロム酸カリ,ゥム 1 0 g、硫酸（ 9 6 %) 5 m l , 塩酸 1〜 2滴を溶解混合した激夜中に室温で、 3〜： 1 5秒浸漬後水洗乾燥をおこなった。

図 2に示すように、本発明におレヽて徐冷した放熱月合金材の製法によつて得られる纖片のビッカ一ス硬さを測定すると、時効熱処理前（ 0 °C) の、ビッカ一ス硬さは 5 1を言するが、日効を上げ、 ^が 5 0 0°Cに到達しても、ピツカ一ス硬さは 6 5にしか到達しなレ、。その後、効が上昇しても、ピツカ一ス硬さの変ィ匕は少なく、効^!!が 6 5 0°Cに到 ¾ "る時にも、ビッカース硬さは 6 1しカ Ξ ^しない。このように ¾¾¾が高くならない理由は、詳細は不明であるが、通常 C u - C r合金を 4 5 0 °C以上 5 0 0°C以下の範囲にて硬化を起こさせることに効果があるとされている G Pゾ一ン（Guinier—Preston Zone) と呼ばれる原子レベルでの析出は生じておらず、かわりに数十ナノメートルレベルのクロムが析出したことによるものと推定される。

したとおり、本発明において徐冷する製;^法によって得られる纖片と、急冷した難片の Β#¾ 5 5 0°Cにおけるビッカース硬さを比較すると、急冷した片のビッカース硬さは徐冷した放熱用合金材の製造方法によって得られる試験片に比べて顕著に硬いものである。図 4は、上記纖片の熱酵の時効依存性を示す図である。図の縦軸は、熱膨酵を、図の横軸は、力 (°o を示している。図 4に記載された測結果は、徐冷した:^及び急冷した:^による合金の特を示す測結果である。徐冷に係る放謝の製法は実線で示しており、急冷に係る放熱材の例は点線で示す。 .

図 4に示すように、徐冷のに得られる片の熱 »を測定すると、 »理前の ( 0°C) の^^、熱 »は 1 6. 9 X 1 0一⁶ ZKである力時効を上げ、 « が5 5 0°Cに到 ¾ "ると、熱張率は概ね 1 3. 5 X 1 0— ⁶ZKに低下する。その後、時効が上昇すると、熱雇率は急激に上昇し、が 6 5 0でに到る時には、熱酵は概ね 1 5. 9 X 1 0— ⁶/Κに到 ¾ "る。

上述したとおり、徐冷によって得られる片と、急冷によって得られる片の時効 5 5 0でにおける熱 J¾張率を比較すると、徐冷によつて得られる纖片の熱廊張率は、急冷の識片の熱張率に比べて顕著に熱張が小さレヽ。しかし、 Vゝずれの ^にも熱廊酵の低下は認められる。まだ、云導率は、溶体化熱処理後徐冷じた^ \ 時効熱処理前が 2 5 9WZmKであつたのに対して、 5 5 0°Cでの時効温度では 3 4 5W/mKにまで向上している。

実施例 2

次に、金属クロム粉末を焼結して放薩を製駄法（以下、粉末冶金法という。 ) について、図 5、図 6、図 7、表 1を参照しながら詳細に説明する。本発明に係る放熱板材は、 »的には C r _C uの金属—金属系複合材料であって、 5 0 0°C以上 7 5 0°C以下の範囲内で時効熱処理してなるものである。カゝかる ¾¾¾板材は、 »的には金属クロム粉末を料粉として成形焼結体とし、これに銅を激曼させた後、 5 0 0 °C以上 7 5 0 以下の範囲内で Hf¾熱処理することによつても得ることができる。

製造工程を図 6に示す。図 6 ( a ) に例示するように、金属クロム粉末を充填成形して粉末成形体を得る充填成形工程と、 'この粉末成形体を¾結して成形焼結体を得る焼結工程と、成形焼結体に銅を溜曼して,体を得る溶浸工程と、溶浸体に «熱処理を施す^)熱処理工程を経て放熱板材がされる。なお、激曼体を廳己熱処理の前に溶体化,理工程をいれることもでき。以下、図 6 ( a ) に示すプロセスに従い本発明を具体的に説明する。

金属クロム粉末は、成形焼結工程において主として金属 C rからなる空隙を有する焼結体を作り、その焼結体は銅の溶浸を可能にする空間を提供する機能をもつものである。

以下、その成形焼結が終了した際にする金属糸纖を A相とし、その後銅溶浸で形成した金属糸纖を B相と言うものとする。溶浸工程中に A相中のクロムが一部溶けて B相中に溶解し、溶浸後の凝固の工程で C rの 1次析出が行われる。この凝固後の B相中には 0. 3〜1 . 5mass%程度の C rが固溶しており、その後の時効熱処理工程で 2次析出が生じる。

上記金属クロム粉末の純度は 9 9mass%以上、粒度は 2 5 0 m以下のもの（ J I S Z 2 5 1 0に基づきふるい分けしたもので、数ィ直は J I S Z 8 8 0 1— 1に示す公称目開き寸法を示す。以下、同じである。；) を利用するの力子ましい。上述した成形焼結体は、チタン（T i ) 、ジルコニウム（Z r ) 、鉄（F e ) 、コバルト（C o ) 及ぴニッケル (N i ) 力ら選んだ 1種又は 2種以上を合計で 0. l mas_S%以上 2.

下を含むことができる。これらの元素は、銅との濡 ή性を低下させるクロム表面の酸ィ bliを除去することができる脱酸効果^^と濡れ易レ、性質を有し、成形焼結体への銅の溶浸14を向上させる作用を有する。

しかしながら、その配合量が 0 . l mass%未満であると、溶浸性を向上させる効果が得られず、一方、その配合量が 2 . Omass%を超えると、灘の際、これら元素が銅と合金化し、 Sfe導率を劣化させるので好ましくない。したがって、これら元素のクロム粉末に ¾~Τる配合量は合計で 0 . I mass°/c ¾上 2. 0mass%¾下の範囲内とする。

なお、した T i等を含む成形焼結体は、一般には金属クロム粉末にチタン粉末等を所定量配合した混合粉を成形及び焼結することによって得られるが、例えばニッケルメツキした金属クロム粉末を原料粉としても得ることができる。また、鉄系の粉末冶金で知られている偏折防止技術を応用し、 '金属グロム粉末め表面に ·、 Z Γ·、： F e； C o又は N i等をバインダ—により均一に付着させたものを成形、焼結して上記の成形焼結体を得ることもできる。

図 6 ( a ) に示す工程において、 C r含有量が 4 0mass%を超えるには、原料の C r粉末戦虫で充填成形し、銅粉末を含まないので、焼結後に銅の激曼が可能になるような空隙を残すように行う。カゝかる充填成形の手段は、目標とする放熱板材の特性値に応じて適切な方法を選んで行えばよく、特に制限されなレ、。

充填成形によって得られた粉末成形体は、次いで焼結工程に付され、成形焼結体とされる。この焼結工程は、 C r粉綠面の酸ィや、潤滑添した、删旨工程中十分にせず残留した酸素、炭素などを除去することを目的としており、 C rの骨格構造が形成されることが望ましい。したがって、この焼結工程は、原料粉末である金属クロム粉末の特性、さらには充填成形の手段に応じて適切な方法を選んで行うことが必要である。

焼結プロセスにつレ、ては、この目的がされる限り特に制限する必要はなレ、が、たとえば、水素雰囲気中あるいは真空中で 1 2 0 0°C以上 1 6 0 0で以下、望ましくは、 1 2 5 0°C以上 1 4 5 0°C以下で、粉末成形体の大きさに応じて 3 0分以上 3 0 0分以下保持すれば十分である。

このようにして得られた成形焼結体に対して銅の溶浸が行われる。この銅の激曼は焼結工程までにすでに形成された主として C rからなる骨格間に銅を充填させ、放熱用合金材に所定の » 導率を付与するためのものである。銅の激曼量は、放熱月合金材に要求される «導率等によつて決定すればよいが、一般には放熱月合金材中、銅が 1 0!^3%以上 8 0mass%以下、好ましくは 4 Omass%以上 6 0mass%以下占めるようにするのがよレヽ。

溶浸の手段は^ Aの手段を採用すればょレ、。たとえば、成形焼結体の上面又は下面あるいは上下面に純銅の板あるいは純銅の粉末を置き、真空中あるいは水素雰囲気中で、 1 1 0 0 °C以上 1 3 0 0 °C以下、 ..好ましくは 1 1 5 0 °C以上 1 2 5 0 °C以下の範囲内で 2 0分以上 6 0分保持することによって十分な銅の溶浸が可能である。また、の板あるいは «の粉末に代えて銅の粉末成形体、成形焼結体を用いることもできる。

溶浸体は表面に残った余分な純銅の部分を砥石による研削加工などで除去され、さらに、 « 加工あるいはプレス加工により放の形状に仕上後、 N iを厚さ 2 μ m以上 8 μ m以下付着させるめっき処理を行った後、本発明に従う熱処理が行われる。

実施例として、 1 5 0 μ m以下の金属クロム粉末をアルミナ容器の中に重力により自然充填し、.これを水素中で 1 5 0 0°C、 6 0分 «して成形焼結体を得た。得られた成形焼結体の上面に無酸細の板を載せて真空中で 1 2 0 0°C、 3 Ο ^ΐ ^して銅を溶浸させた後、 1 2 0 0°C から 2 0 0 °Cまで 4 5分間かけて (平均冷却 2 2 °CZ分）し、 C r 5 2. 5 mass%- C u 4 7. 5mass%からなる 1 5ひ X 1 5 0 X 4 mmの溶浸体とした。その溶浸体から 2 5 X 8 X 3 m mの板状体を切り出し、永素中で種々の^ gで 6 0 する熱処理を施して得た纖片に熱 if張測定試験を行った結果を図 7に示す。 ,

図 7に示すように、日熱処理を 5 ΌΌ° ¾土 6 0 0°C以下の踏範囲で行えば、激旻体におい '' て熱張率が低下し、本発明の目的が «される。これに対し、が 5 0 0°C未満又は 6 0 0°C超えで熱膨張率が急速に増大する。このような現象は、 C rが C u中に固溶している B相で 5 5 0 °Cを中心とする時効熱処理によって C . rが 2次析出したことにより熱張率が急激に低下し、それにより金属クロム A相を含めた溶浸体全体の熱膨張率を低下させた結果であると推定される。

このように 5 0 0°C以上 6 0 0°C以下の範囲、特に 5 5 0°Cを中心とする時効熱処理によつて熱膨張率が急激に低下する現象はク口ムが溶浸後あるいは溶体化熱処理後 0. 3mas_S%以上 1 Omass%以下の範囲で固溶した C u— C r合金において認められている力本発明はこの現象を利用することによって金属クロム A相を含めた溶浸体全体の熱 i¾張率を低下させるものである。この点で、たとえば、溶接用料として利用されている C u— C r合金においてその硬度 . を上昇させるために採用される 4 5 0で以上 5 0 0°C以下の時効熱処理とは、そのが 5 0°C 以上 1 0 0°C高温であり、その本質が異なるものである。本発明においては、 B相にクロムが 0. 3〜： 1 . 5mass% 固溶してレヽれば、効熱処理により金属クロムとして析出して本発明の目的を ¾ ることができる。

C u - C r合金を 4 5 0 °C以上 5 0 0 °C以下の範囲で処理を行うと原子レべノレでの析出である G Pゾーンを利用して硬度を上昇させることが出来る。し力し、本発明では、 5 0 0で以上 7 5 0 °C以下の範囲で効熱処理することによつて数十 n mォ一ダ一の金属ク口ム相が析出させるいわば過時効の状態におくものであり、それによつて析出した数十 nmォ一ダ一の C r粒子の - 2次析出（凝固後の固相析出）により熱廊張が抑制された結果であると推定される。

上述したように、本発明の 0 ¾熱処理は、固相に C rを固溶させた後、日寺効熱処理によって数十 n mオーダーの金属クロム相を析出させる操作であるから、 «条件として固相にクロムが所定量固溶していることが肝要である。この条件は、通常、銅の激曼操作において達成されるが、例えば、激旻後焼結体が極端に遅く冷却されると、溶浸の際に一旦固溶したクロム成分の多くがサブミクロン以上の C r粒子に成長してしまい、上記条件が満たされなくなるおそれがある。したがって、確実に C rを 2次析出させるためには、 B相に C r成分を固溶させるため時効熱処理前に 9 0 0で以上 1 0 5 0 °C以下で溶体化熱処理を行うものが好ましい。これによつて、 27火析出する C r成分の含有量を時効熱処理前の段階にぉレ、て確実に 0. 3mass% 1 . 5mass%程度の範囲とすることができる。

なお、熱処理前におけるクロム成分の含有量は、たとえば E PMA (Electric Probe Micro Analyzer) 等の分析手段によって測定することができ、また、溶浸処件、溶体化»¾ ^件等と±¾したク口ム成分の含有量との関係を角浙して、放熱用合金材として要求される！^導率に合わせた希望のクロム含有量になるようにすることができる。

このような B转カ熱処理によって、本発明がとする C u— C rの金属一金属系複合材料からなる放熱用合金材の熱 ϋ張率を低値に抑えることができる。放熱月合金材としては、熱張率が低値であることのほかに、導率が大きいことも必要である。このような条件は、第一には 2 次析出の量によって、すなわち CU C r成形結体における銅の曼量によって管理する'こど - ができるものであるが、 «て、の時効熱処理によつて謝云導度率が極大化することによつて達せられるものである。

金属クロムの 1次相間を埋める C u— C r合金は、 B¾！]熱処理前におヽては固溶ク口ムのためにその me導度率が小さいが、本発明の時効熱処理を受けた後にあっては、 C rが^ Sクロム相として析出した状態にあり、銅マトリックス中に金属クロム相が分散した状態となっており、純化された銅マトリッタスの云導度率が極大化されていることになる。これによつて、放熱用合金材全体として極めて高い ¾Η云導率が得られるようになつている。

なお、激曼処理後の銅の除去加工、切削加工、さらにはプレス加工などにより加工歪が与えられ、これによつて熱伝導率の低下、ひいては放熱用合金材全体の熱伝導率の低下が生ずるが、上記時効熱処理によって加工歪も除去されるので、本発明ではこれらが原因になる Ι¾β導率の低下が防止され、銅本来の †生を十分に引き出すことができることになる。

なお、謝云導率と電気伝導度とは、ウイ一デマン 'フランツ (Wiedemann— Franz) の法則、すなわち金属の導度と電気伝導度の比は絶対に金属の種類によらない定数をかけたものに等しいという法則があるので、導率の測定に代えて竃気伝導度を測定し、製品の †生管理を行うことができる。

上述した本発明の基本形態を図 6 ( a ) に示すプロセスにしたがって説明した。しかしながら、本発明はしたプロセスに限定されるものではなく、他の手法によって製造した C u— C r系金属一金属複合材料の放熱用合金材においても、金属クロム相が析出する時効熱処理を行う限り同様に適用可能である。以下、これらのの形態について説明する。

図 6 ( b ) は、原料粉としては、金属ク口ム粉末と銅粉末の混合粉末を用レヽ、この混^末をカロ圧成形して焼結する工程を示している。このは、焼結工程を終えた時点で C rからなる A 相間に銅が充された成形焼結体を得ることができるので、銅成分の比較的多レ、、たとえば、 C rが 3mas_S%を超え 4 Omas_S%以下含有するような放熱板材料を比較的容易に製造することができる。

この^、混合粉末の加圧成形には、たとえば、金型に粉末を充填し加圧する一般的な粉末成形方法のほか、 M I M (Metal Injection Molding：冷間等方圧成形）を利用するのが好適である。さらに、粉末成形体を焼結後、 H I P (Hot Isostatic Pressing：熱間等方圧成形）処理を施すことも可能である。また、アルミナなどの耐熱 ft容器に金属クロム粉末と艇粉末の混 ^^末を充填し、力!]圧成形を行うことなく、水素雰囲気中又は真空中において 8 5 0°C以上 1 0 8 0で以下の範囲内ので、粉末成形体の大きさに応じ 3 0分以上 3 0 0分以下の焼結処理を行うこともできる。

なお、この場合において、金属クロム粉末は上述した図 6 ( a ) に示す基本工程において使用 . するものと同様のものでよく、また、前述の手法によって金属クロム粉末にチタン等を付着させたものでもよレヽ。一方、鋼粉末は粒度 1 5 0 μ ιη以下の電解法あるいはァトマイズ粉末を使用するが好まじい。' ' ' · '一-—. . ' '一人. . ■ . .. ：一- 上述のには原則として銅の溶浸工程を必要としなレゝが、たとえばアルミナなどの耐熱 14容器に^ Sク口ム粉末と鋼粉末の混^末を充填し、力 []圧成形を行うことなく焼結処理を行つた場合には、得られた成形焼結体にさらに銅の窗旻処理を行い、クロム Α相間の空隙を除去し、銅合金の充填状態を改善し、それによつて導率の向上を図ることもできる。

このようにして得られた成形焼結体も基本プロセスに示と同様に、機ェあるいはプレス加工により放辦反の形状に仕 ±¾[]ェ後、ニッケルを厚さ 2 IX m以上 8 μ m以下付着させるめつき処理を行った後、本発明にしたがう時効熱処理が行われる。なお、溶浸処理が行われた場合、溶浸体表面に残つた余分な ΐί同の部分を加工除去する工程が行われるのは当然である。

実施例 3

上記の図 6 (a)に示す方法によつて得られた放熱用合金材のうち 5 5 0 °Cで熱処理した金属糸纖の S EM (走査型電子顕繊）写真を図 5に示す。図 5から明らかなように、銅の B相中に« 熱処理で 2次析出した数十 n mのクロム粒子と溜曼後 B相が凝固する際に 1次析出した大きい長径（1 0 0 n m超) 'のクロム粒子が観察される。 2次析出したクロムの平均粒径は、 2 2 n m (ナノメートル）であり、析出密度は 1 7 0個 Ζμ π^ アスペクト比は、最大で 4. 1、平均で 1 . 6である。なお、この写真を撮影した装置及び諸条件は図 3で使用した装置及び諸条件と同様である。ク口ムの析出サイズは図 2と同様にナノレベルであり、同じ原理で熱膨張の低減がなされたと推定される。

得られた板状体から直径 1 0 mm厚さ 3 mmの円盤状の導率測定用の片、長さ 2 5 mm, 幅 8 mm、厚ざ 3 mmの板状の熱張義 U定用纖片及ぴ 1辺が 3 0 mm、厚さ 3 mmの正方形板状の電気伝導度測定用,片を切り出した。これらの各片に、水素中、 5 5 0°Cにおいて 6 0分保持する時効熱処理を施した後、密度、熱膨張率、云導率及び電気伝導度の測定を行つた。密度はアルキメデス法により、熱張率は纖片の長手方向の伸びから求め、謝云導率はレ —ザ一フラッシュ法により求めた。電気伝導度は電気伝導度測定装置（日本フェルスタ—株式会據. SIGMATEST D2.068) によって測定した。電気伝導度は時効熱処理前後で測定した。測果を表 2-1，表²- 2に示す。本発明の半導体用放熱板材料である発明例 3は熱 i¾張率が 10. 7X 10— ⁶ZKと優れた値を有し、熱伝導度も 183W/ (m · K) と優れた値を有している。なお、表中の電気伝導度の単位「％ I A C S」 ·は、 International Annealed Copper Standardで表したものであり、■ 100 % I A C S力； 5 8MS/mである。

これらとは別に体用放材^の子のハンダ付けによる接合が問題なくできるかどうかの検証をすることにした。そのため ^片 (100X 10 OX 3mm) に、さらに直径 5 mmの穴をボール板で 4箇所開け、 5 μ mの厚さに军二ッケノレメッキを施した後、水素中で 550°Cので 60^持する 8#¾讓理を行い、その後 15X 15 X 2mmの窒化アルミ二ゥム板を 4個ハンダ付けした。その結果、メツキ部分に何らの問題もなく、有害なそりの発生も見られなかったので、ハンダ付けが十分可能であることが検証できた。

'粒度 ¾ 5 μ m以下の金属クロム粉末' 99miss%以上) 40ibass%と粒度 ·63 μ m以下の純銅粉末 60mass%を混合し、その混合粉末をゴム型に充填して C I Pにて 5 tZcm²の圧力をかけて成形し、得られた粉末成形体を水素中において 1050での温度で 80分保持して焼結処理を行った。得られた成形焼結体の上に無酸素銅の板を載せて、水素中において 1200°Cの温度 ■ で 30分保持して銅を嶽曼させて溶浸体とした。得られた激受体に対し、 ¾¾¾例 3と同様に処理し、密度、請張率、謝云導率及び電気伝導度の測定を行った。

結果を表 1に併せて示す。本発明は放熱用合金材である発明例 4は熱膨張率が 12. 9X 10- ⁶ZKと優れた値を有し、云導度も 220WZ. (m · Κ) と優れた値を有している。なお、この ^についても実施例 3と同様に ¾ を行ったが、メツキ部分に何らの問題もなく、有害なそりの発生も見られなかった。表 1

実施例 4 - ——

本発明を図 6 (a) に示す工程において実施した場合、粉末の粒子径の影響を調査するため、以下、 40 im以下、及ぴ 75〜： 15 の 3種類の C.r粉末を焼結し、溶浸処理を行うことにより合金を製造した。種々の B¾！) で8 ^力処理し、熱廊»を測定した。なお、 . 他の条件は前述の実施例と同様である。時効処趣と熱張率の関係を図 8に示した。いずれの粒径を使用した合金にぉレ、ても熱 if醉は低下している。

以上の実施例の結果をまとめて表 2 - 1，表 2 - 2及ぴ図 9に示した。図 9は C uと C rの成分がそれぞれ異なる合金の «張と i云導との関係を示す。図 9中右側の四角点は時効理前及び 4 5 0で以下の時効熱処理後の»張と Sfe導との関係であるが、 5 0 0Τ:Β寺効熱処理を行った後の関係は点線の範囲にあり、本発明の時効熱処理を行うと顕著に同一熱伝導率であっても熱膨張率力 MSレヽ合金が得られた。この図から、本発明の製法により、同一 «導率でも熱率を低下させることが明らかである。産業上の利用可能性

本発明の C u— C r合金は、好適な高熱伝導率および低熱膨張率を両立し、従来のタンダステンー銅系あるいはモリブデン一銅系の放熱材ょりも経済的に製造することが可能であるとともに、均なめろきが可能であり、：さちに機«¾卩: d性に優れているため、特に半導体用の放熱用合金材― ' として産業上利用価 ί直が高い。

表 2-1

* 各数値 Γま粉末金法で用いた粉末の粒度調整に用いた篩の目開きを示す。

表 2- 2

* 各数値は粉末金法で用いた粉末の粒度調整に用いた篩の目開きを示す。

Claims

請求の範囲

1. C r : 0. 3mass%以上 80mass%以下と、残部が Cuと、不可避的不純物からなる C u— Cr合金であって、 1001^1以上の〇1：相を除ぃたじ11マトリックス中に長径 1 OOnm以下で、ァスぺクト比 10未満の粒子状 C r相を 20個/ m²以上の密度で析出させた糸膽を有することを稱敫とする Cu— Cr合

2. Crと、残部が Cuと、不可避的不純物からなる Cu_C r合金であって、該合金を溶解法又は粉末冶金法で所定の形状に加工後、溶浸処理後及び/又は溶体化熱処理後 600°C/分以下の ^iffiESで冷却し、 500 °C以上 750 °C以下の間で時効熱処理を行つたことを 1¾とする C U— C r合

3. C rと'、残部が Cuと、不可避的不純物からなる Cu - C r合金であって、該合金を粉末冶金法により所定の形状に成形加工後、前言己粉末冶金法における焼結処理後 600°C/分以下の冷却¾¾で冷却し、 500 °C以上 750 °C以下の間で熱処理を行つたことをとする C u — Cr合

4. 廳己 Cu— C r合金の C rが 0. 3mass%以上 3mass%以下であることをとする請求項 1から 3のいずれか 1項に記載の C u— C r合

5. flit己 Cu— C r合金の C rが 3mass%を超え 4 Omass%以下であることをとする請求項 1から 3のいずれか項に記載の C u _ C r合

6. ttrf己 Cu— C r合金の C rが 4 Omass%を超え 8 Omass%以下であることを«とする請求項 1から 3のいずれか 1項に記載の C u— C r合

7. 前記 Cu— Cr合金は、更に T i、 Z r、 Fe、 C o及び N iから選んだ 1種または 2種以上を合計で 0. 1 mass%以上 2. 0 mass%以下含有することを«とする請求項 1から 6のいずれか 1項に記載の C u— C r合

8 · Ιίί¾体化熱処理のは 900 °C以上 1050 °C以下の範囲内のであることを 1¾ とする請求項 1から 7のいずれか 1項に記載の C u— C r合

9. 請求項 1カゝら 8に記載した C u— C r合金を利用したことをとする »用部材。

10 · 請求項 1から 8に記載した C u-Cr合金を ¾S¾用部材として用いる方法。

11. C r ： 0. 3mass%以上 8 Omass%以下と、残部が C uと不可避的不純物である C u— C r合金を製造する際にお、て、その製法が、溶解 ·離または溶解 · ·加工であり、得られた合金を 500°C以上 750 以下の範囲内ので Β¾¾熱処理することを,とする C u 一 Cr合金の製造方法。

12. Cr ： 0. 3mass%以上 8 Omass%以下と、残部が Cuと不可避的不純物である Cu— C r合金を製造する際において、その製法が、 C uと C rの粉末を混合 ·焼結し、得られた焼結体を 500 °C以上 750°C以下の範囲内ので^効熱処理することをとする C u— C r 合金の製法。

13. C r ： 0. 3 mass%以上 80 mass%以下と、残部が C uと不可避的不純物である C u— C r合金を製造する際において、その製造方法が、で r単独又は e uと C rの粉末を混合：'焼結し、銅を激して曼体とし、得られた溶浸体を 500°C以上 750°C以下の範囲内ので時効熱処理することを難とする C u— C r合金の製駄法。

14.. 己 Cu— C r合金は、更に T i、 Z r、 Fe、 C o及ぴ N iから選んだ 1種または 2 種以上を合計で 0. 1 mass%以上 2. 0 mass%以下含有することを »とする請求項 11カゝら 13 のいずれか 1項に記載の Cu— C r 合金の製造方法。

15. 前記 Cu— C r合金を、前記時効熱処理の前に更に、 900°C以上 1050°C以下の範囲内の ¾g範囲で溶体化熱処理を行うことをとする請求項 11から 14のレヽずれか 1項に記載の C u— C r合金の製造方

16. t lE C u— C r合金を、 MIH^体化熱処理後 600 °C /分以下の冷却で冷却を行うことを難とする請求項 15記載の C u— C r合金の製造方法。