JP2005082815A - 高熱伝導性耐摩耗材料及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 高い熱伝導率と耐摩耗性を兼ね備えたｃＢＮ焼結体材料を提供すること。
【解決手段】 立方晶窒化硼素と第２相としての結合相および不可避的不純物を含む多結晶体であり、立方晶窒化硼素の粒子としての体積含有率が少なくとも８０％以上９５％以下であり、該多結晶体を構成する立方晶窒化硼素粒子が互いに結合しており、第２相がＡｌＮおよびＭｇＢ₂を含むことを特徴とする高熱伝導性耐摩耗材料。
【選択図】 なし

Description

本発明は高い熱伝導率と耐摩耗性とを兼ね備えた立方晶窒化硼素（以下ｃＢＮともいう）焼結体材料に関するものである。特に、ボンディングツール、ボンディング用ステージ、フリップチップ実装用ツールの先端面を構成するのに適したｃＢＮ焼結体材料に関するものである。

ボンディングツール、ボンディング用ステージ、フリップチップ実装用ツールといった半導体実装用に使用される材料では、数万ショットの高精度実装に耐えうるために耐摩耗性が高いことや加熱実装時に均一な温度分布を実現するために高い熱伝導率が要求される。従って、一般的には、超硬合金、ＡｌＮが使用されているが、超硬合金の場合は、熱伝導率が不十分であり、ＡｌＮの場合は、耐摩耗性が不十分である。特に高い耐摩耗性と熱伝導率が要求されるボンディングツールでは、例えば、特許文献１では、Ｓｉ，Ｓｉ₃Ｎ₄を主成分とする焼結体、ＳｉＣを主成分とする焼結体、ＡｌＮを主成分とする焼結体および／またはこれらの複合体からなる基体に気相合成法で析出させた多結晶ダイヤモンドを被覆したものを工具先端部とすることが提案されており、この発明のツールは実用に供されている。しかしながら、このツールは先端部ダイヤモンド層を作製するための製造コストやツール形状に加工するためのコストが高く、用途は限られていた。

その他、耐摩耗性が高く、熱伝導率も高い材料としては、主として切削加工に使用されているダイヤモンド焼結体や立方晶窒化硼素（ｃＢＮ）焼結体がある。ダイヤモンド焼結体の場合、７００℃程度で劣化するため、熱圧着を行うのに十分な耐熱性がない。ｃＢＮ焼結体の場合、耐摩耗性、耐熱性の点では十分であるが、ｃＢＮの含有率が高く熱伝導率が高いもの（例えば〔特許文献２〕）、でも、１００Ｗ／ｍＫ程度しかなく、ＡｌＮと比べても低く、温度の均一性を確保するのに十分ではなかった。

また〔特許文献３〕では、先端面にｃＢＮ焼結体を用いるボンディングツールが開示されているが、このｃＢＮ焼結体は、熱伝導率を高めるために焼結助剤をほとんど含まない焼結体である。ボンディングツールは１本のツールで数十万〜百万個の半導体チップを実装するため、先端部の熱伝導率の高さと同時に耐摩耗性の向上も必要とされている。
特許第２５２０９７１号公報 特公昭６３−０２０７９２号公報 特開平１１−３４０２８６号公報

上述の通り、従来の技術では、高い耐摩耗性と熱伝導率とを兼ね備えて、しかも、幅広い用途に使用でき、しかも経済的有利に半導体実装用ツールに利用できる材料は未だ得られていない。そこで本発明は高い耐摩耗性と２００Ｗ／ｍ・Ｋ以上という高い熱伝導率を同時に兼ね備えたｃＢＮを主体とする焼結体材料を提供することを目的とするものである。

すなわち、本発明者らは上記の目的を達成するため鋭意努力した結果、ダイヤモンドに次ぐ高い硬度と熱伝導率をもつｃＢＮを本発明で開示する方法で焼結することにより、 高い耐摩耗性と２００Ｗ／ｍＫ以上、特に２００Ｗ／ｍＫ〜２７０Ｗ／ｍＫ程度の高い熱伝導率をもつ焼結体材料が得られることを見出し本発明に到達したものである。

上記の目的は、以下に示す各発明又は発明特定事項によって達成することができる：
（１）立方晶窒化硼素と第２相としての結合相および不可避的不純物を含む多結晶体であり、立方晶窒化硼素の粒子としての体積含有率が少なくとも８０％以上９５％以下、好ましくは８５％以上９５％以下であり、該多結晶体を構成する立方晶窒化硼素粒子が互いに結合しており、第２相がＡｌＮおよびＭｇＢ₂を含むことを特徴とする高熱伝導性耐摩耗材料。
（２）立方晶窒化硼素粒子の平均粒径が２０μｍ以上２００μｍ以下であることを特徴とする上記（１）に記載の高熱伝導性耐摩耗材料。

（３）平均粒径が２０μｍ以上２００μｍ以下、好ましくは３０μｍ以上１５０μｍ以下、更に好ましくは５０μｍ以上１１０μｍ以下の立方晶窒化硼素の粉末と、ＡｌとＭｇのモル比が１．９≦Ａｌ／Ｍｇ≦２．１、好ましくは１．９５≦Ａｌ／Ｍｇ≦２．０５であるＡｌ−Ｍｇ合金の層とを接するように配置し、金属カプセルに充填する工程と、該金属カプセルを４．０ＧＰａ以上６．０ＧＰａ以下、好ましくは４．５ＧＰａ以上５．５ＧＰａ以下の圧力、７００℃以上１２００℃以下、好ましくは９００℃以上１１００℃以下の温度で一定時間処理することで、立方晶窒化硼素にＡｌ−Ｍｇ融液を溶浸させると同時に立方晶窒化硼素粉末と反応／焼結させる工程と、その後に圧力と温度を常圧、常温に戻し、金属カプセルを回収する工程とを有することを特徴とする上記（１）又は（２）に記載の高熱伝導性耐摩耗材料の製造方法。

（４）立方晶窒化硼素粉末と接触させるＡｌとＭｇのモル比が１．９≦Ａｌ／Ｍｇ≦２．１であるＡｌ−Ｍｇ合金の層が、Ａｌ−Ｍｇ合金板であることを特徴とする上記（３）に記載の高熱伝導性耐摩耗材料の製造方法。
（５）立方晶窒化硼素粉末と接触させるＡｌとＭｇのモル比が１．９≦Ａｌ／Ｍｇ≦２．１であるＡｌ−Ｍｇ合金の層が、Ａｌ−Ｍｇ合金粉末の圧粉末であることを特徴とする上記（３）に記載の高熱伝導性耐摩耗材料の製造方法。

（６）平均粒径が２０μｍ以上２００μｍ以下、好ましくは３０μｍ以上１５０μｍ以下、更に好ましくは５０μｍ以上１１０μｍ以下の立方晶窒化硼素の粉末と、モル比が１．９≦Ａｌ／Ｍｇ≦２．１好ましくは１．９５≦Ａｌ／Ｍｇ≦２．１５となるように混合したＡｌとＭｇの混合粉末とを乾式混合する工程と、該混合粉末を金属カプセルに充填する工程と、該金属カプセルを４．０ＧＰａ以上６．０ＧＰａ以下、好ましくは４．５ＧＰａ以上５．５ＧＰａ以下の圧力、７００℃以上１２００℃以下、好ましくは９００℃以上１１００℃以下の温度で一定時間処理することで、立方晶窒化硼素とＡｌ−Ｍｇ融液を反応／焼結させる工程と、その後に圧力と温度を常圧、常温に戻し、金属カプセルを回収する工程とを有することを特徴とする上記（１）又は（２）に記載の高熱伝導性耐摩耗材料の製造方法。

以上のように、本発明によれば、熱伝導率および耐摩耗性に優れたボンディングツール、ボンディング用ステージ、フリップチップ実装用ツールの先端面を構成するのに適した焼結体材料を経済的有利に得ることができ、また、具体的な応用面においてツール寿命が長くなるという効果が得られる。

本発明に係るｃＢＮ焼結体の熱伝導率と硬度を所望の水準とするにはｃＢＮの含有率、ｃＢＮ粒子の粒径、結合材の組成等の適当な調整が必要である。以下これらについて詳細に説明する。
先ず、高熱伝導性を実現するためには、上記（２）及び（３）に記載したとおりｃＢＮはできるだけ粗い粒子を高い比率で含有させ、ｃＢＮ同士を強固に結合させる結合材が望ましい。熱伝導率の点からはｃＢＮの粒径は大きければ大きいほど好ましいが、ｃＢＮの粒径が大き過ぎると、半導体実装用ツールへの加工性が悪くなることや、強度の低下が生じるため、大きさは限られてくる。すなわち、ｃＢＮ粒径の好ましい範囲は２０μｍ以上２００μｍ以下であり、さらに好ましくは３０μｍ以上１５０μｍ以下、さらに好ましくは、５０μｍ以上１１０μｍ以下である。

また、例えば３０μｍから５０μｍの粒度分布を持つｃＢＮ粉末と１００μｍから１３０μｍの粒度分布を持つｃＢＮ粉末を混合するといったように、２種類以上の粒度分布をもつｃＢＮ粉末を混合して使用しても良い。その場合の混合割合は適宜に設定することができる。

高い熱伝導率、耐摩耗性を維持するための焼結材料中のｃＢＮ含有率の好ましい範囲は、上記（１）に記載のとおり、体積比で８０％以上９５％以下、より好ましくは８５％以上９５％以下である。

次に結合材であるが、その熱伝導率が高いことおよびｃＢＮ粒子同士の結合をより強固にできるものが望ましい。ｃＢＮ同士を強固に結合させる結合材としては、ｈＢＮ原料からｃＢＮを合成する際に使用される溶媒材料が適当である。ｃＢＮ合成用の溶媒材料は、Ｌｉ、Ｃａ、Ａｌ、Ｍｇ等様々な材料が知られているが、焼結体の結合材としては安定性の高い材料が必要である。

本発明者らが種々検討した結果、上記（１）に記載のとおり、ＡｌとＭｇを結合材とした場合にｃＢＮ粒子同士がより強固に結合されることがわかった。これが本発明の特徴の一つである。ＡｌとＭｇのモル比率は、Ａｌ２モルに対してＭｇを１モルの比率とした場合に、焼結プロセス中の反応は、下記式（１）：
（数１）
２ＢＮ＋２Ａｌ＋Ｍｇ→２ＡｌＮ＋ＭｇＢ₂ （１）
で示されるように進行する。
ＡｌとＭｇの比率がこの比と異なる場合、ＡｌもしくはＭｇの窒化物あるいは硼化物が生成して焼結体の熱伝導率に悪影響を及ぼしたり、未反応のＡｌやＭｇが残留して焼結体の強度が劣化したりする。従って、ＡｌとＭｇのモル比は１．９≦Ａｌ／Ｍｇ≦２．１であることが好適である。より好ましくは１．９５≦Ａｌ／Ｍｇ≦２．０５の範囲とする。

以下に本発明に係る高熱伝導性、高耐摩耗性ｃＢＮ焼結体材料の製造方法を要約すると、上記（３）〜（６）で表されるとおりである。すなわち、上記（３）においては、先ず平均粒径が２０μｍ以上２００μｍ以下のｃＢＮ粒子からなる粉末と、ＡｌとＭｇのモル比がＡｌ／Ｍｇ＝２であるＡｌ−Ｍｇ合金の層とを接するように配置し、Ｍｏのような金属カプセルに充填する。この場合Ａｌ−Ｍｇ合金（Ａｌ／Ｍｇ＝２）層は上記（４）のように常法に従い粉末焼結法によって合金板とすることによって調製することができるし、合金板の代わりに上記（５）に示されるようにＡｌ−Ｍｇ合金粉末の圧粉体を用いることもできる。圧粉体はＡｌ粉末とＭｇ粉末を所定の割合で混合し、温度５００℃〜８００℃、圧力５０〜１５０ＭＰａ程度に加熱加圧して調製することができる。また、金属カプセル用の金属としてはＭｏのほかＷ、Ｎｂ、Ｔａ等を用いることもできる。

こうして原料を充填された金属カプセルは、４．０ＧＰａ以上６．０ＧＰａ以下、好ましくは４．５ＧＰａ以上５．５ＧＰａ以下の圧力、７００℃以上１２００℃以下、好ましくは８００℃以上１０００℃以下の温度で一定時間処理することで、ｃＢＮにＡｌ−Ｍｇ融液を溶浸させると同時にｃＢＮ粉末と反応／焼結させる。
圧力・温度ともにこの条件を満たさないときは、上記の反応と焼結が充分に進行しない。次いで、圧力と温度を常圧、常温に戻し、金属カプセルを回収して全工程を終了する。

上記の製造方法は〔上記（３）の方法〕、ＡｌとＭｇのモル比が１．９≦Ａｌ／Ｍｇ≦２．１であるＡｌ−Ｍｇ合金の層をｃＢＮ粒子と接触させているが、上記（４）の方法では、予め１．９≦Ａｌ／Ｍｇ≦２．１となるように混合したＡｌとＭｇの混合粉末をｃＢＮ粉末と乾式混合して金属カプセルに充填し、次いで超高圧高温度条件に付してｃＢＮとＡｌ−Ｍｇ融液を反応・焼結させることを特徴とするものである。この場合も上記と同様に、圧力・温度ともに上記の条件を満たさないときは反応・焼結が充分に進行しない。
このようにして、作製された焼結体材料はｃＢＮ粒子同士が強固に結合しており、熱伝導率、耐摩耗性ともに超硬合金やＡｌＮといった既存の実装用ツール用材料を上回る。またコスト的にも本焼結材料を使用したツールはダイヤモンドを用いたツールよりも有利である。

次に本発明の詳細を実施例により説明するが限定を意図するものではない。

表１に示す粒径のｃＢＮ粉末をＡｌとＭｇのモル比がＡｌ／Ｍｇ＝２であるＡｌ−Ｍｇ合金板と接するように配置し、Ｍｏ製の金属カプセルに充填した。このカプセルをベルト型超高圧発生装置に装填し、圧力５ＧＰａ、温度９００℃の条件で５分間保持した後、圧力・温度を徐々に常温・常圧まで下げた。回収したＭｏ容器の上下を平面研削盤で検索して成形体を得た。この成形体を長さ１０ｍｍ、幅４ｍｍ、厚み１ｍｍに加工して、試料の両端に温度差をつけて試料中の温度勾配から熱伝導率を求める方法（定常法）にて熱伝導率測定を行った。平均粒径が２０μｍ以下のｃＢＮ粉末を使用して作製した焼結体およびＡｌ／Ｍｇのモル比率が１．９≦Ａｌ／Ｍｇ≦２．０を外れた結合材を使用して焼結した焼結体を比較例として作製した。

表２に示す粒径のｃＢＮ粉末とＡｌとＭｇの粉末をＡｌとＭｇのモル比が１．９≦Ａｌ／Ｍｇ≦２．１となるように混合したＡｌ−Ｍｇ混合粉とを乾式混合し、該混合粉末をＭｏ製の金属カプセルに充填した。このカプセルをベルト型超高圧発生装置に装填し、圧力５ＧＰａ、温度９００℃の条件で５分間保持した後、圧力・温度を徐々に常温・常圧まで下げた。回収したＭｏ容器の上下を平面研削盤で検索して成形体を得た。
この成形体を長さ１０ｍｍ、幅４ｍｍ、厚み１ｍｍに加工して、試料の両端に温度差をつけて試料中の温度勾配から熱伝導率を求める方法（定常法）にて熱伝導率測定を行った。平均粒径が２０μｍ未満のｃＢＮ粉末を使用して作製した焼結体およびＡｌ／Ｍｇのモル比率が１．９≦Ａｌ／Ｍｇ≦２．１を外れた結合材を使用して焼結した焼結体を比較例として作製した。

本発明によれば高い熱伝導率と耐摩耗性とを兼備した先端面を有するボンディングツール、ボンディング用ステージ、フリップチップ実装用ツールが提供されるので当業界に資するところ大である。

Claims (6)

1. 立方晶窒化硼素と第２相としての結合相および不可避的不純物を含む多結晶体であり、立方晶窒化硼素の粒子としての体積含有率が少なくとも８０％以上９５％以下であり、該多結晶体を構成する立方晶窒化硼素粒子が互いに結合しており、第２相がＡｌＮおよびＭｇＢ₂を含むことを特徴とする高熱伝導性耐摩耗材料。
2. 立方晶窒化硼素粒子の平均粒径が２０μｍ以上２００μｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載の高熱伝導性耐摩耗材料。
3. 平均粒径が２０μｍ以上２００μｍ以下の立方晶窒化硼素の粉末と、ＡｌとＭｇのモル比が１．９≦Ａｌ／Ｍｇ≦２．１であるＡｌ−Ｍｇ合金の層とを接するように配置し、金属カプセルに充填する工程と、該金属カプセルを４．０ＧＰａ以上６．０ＧＰａ以下の圧力、７００℃以上１２００℃以下の温度で一定時間処理することで、立方晶窒化硼素にＡｌ−Ｍｇ融液を溶浸させると同時に立方晶窒化硼素粉末と反応／焼結させる工程と、その後に圧力と温度を常圧、常温に戻し、金属カプセルを回収する工程とを有することを特徴とする請求項１又は２に記載の高熱伝導性耐摩耗材料の製造方法。
4. 立方晶窒化硼素粉末と接触させるＡｌとＭｇのモル比が１．９≦Ａｌ／Ｍｇ≦２．１であるＡｌ−Ｍｇ合金の層が、Ａｌ−Ｍｇ合金板であることを特徴とする請求項３に記載の高熱伝導性耐摩耗材料の製造方法。
5. 立方晶窒化硼素粉末と接触させるＡｌとＭｇのモル比が１．９≦Ａｌ／Ｍｇ≦２．１であるＡｌ−Ｍｇ合金の層が、Ａｌ−Ｍｇ合金粉末の圧粉末であることを特徴とする請求項３に記載の高熱伝導性耐摩耗材料の製造方法。
6. 平均粒径が２０μｍ以上２００μｍ以下の立方晶窒化硼素の粉末と、モル比が１．９≦Ａｌ／Ｍｇ≦２．１となるように混合したＡｌとＭｇの混合粉末とを乾式混合する工程と、該混合粉末を金属カプセルに充填する工程と、該金属カプセルを４．０ＧＰａ以上６．０ＧＰａ以下の圧力、７００℃以上１２００℃以下の温度で一定時間処理することで、立方晶窒化硼素とＡｌ−Ｍｇ融液を反応／焼結させる工程と、その後に圧力と温度を常圧、常温に戻し、金属カプセルを回収する工程とを有することを特徴とする請求項１又は２に記載の高熱伝導性耐摩耗材料の製造方法。