JPH09227979A

JPH09227979A - 低熱膨張性焼結合金

Info

Publication number: JPH09227979A
Application number: JP5367296A
Authority: JP
Inventors: Hideo Yomo; 英雄四方; Tamio Takada; 民夫高田
Original assignee: Hitachi Powdered Metals Co Ltd
Current assignee: Resonac Corp
Priority date: 1996-02-19
Filing date: 1996-02-19
Publication date: 1997-09-02

Abstract

(57)【要約】【課題】低熱膨張係数および高熱伝導率を有し、焼結
体内部にピンホール等の欠陥の無い、均質な製品特性を
有する放熱性に優れた焼結合金を低コストで提供できる
ようにする。【解決手段】本発明の低熱膨張性焼結合金は、Ｃｕ合
金が５〜２５重量％、残部がＷまたは／およびＭｏから
なり、前記のＣｕ合金がＢｉおよびＰｂの１種または２
種を０．０１〜１．０重量％含有することを要部として
いる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、高密度実装化が
進む電子部品からの発熱を効果的に放熱するために好適
な低熱膨張性焼結合金に関する。なお、本明細書中、Ｃ
ｕは銅の元素記号を、Ｗはタングステンの元素記号を、
Ｍｏはモリブデンの元素記号を、Ｂｉはビスマスの元素
記号を示している。

【０００２】

【従来の技術】近年、ＩＣの演算速度の高速化および半
導体装置の高集積化が目覚ましく、これに伴い、半導体
素子からの発熱量の増加が著しい。このため、半導体素
子搭載用の基板材料は、半導体素子および外周部材との
熱膨張係数の差が小さく、半導体素子からの発熱をより
効率よく放熱すべく、熱伝導率の高い材料の要求が高ま
っている。その種の材料の内、焼結接点材料或いは電極
材料として広く用いられてきたＷ−Ｃｕ合金またはＭｏ
−Ｃｕ合金は、低熱膨張係数および高熱伝導率を有する
ことから、半導体素子搭載用の放熱部材としても特に注
目されている。

【０００３】これらの合金は主に溶浸法或いは混合法に
より製造される。溶浸法は、ＷまたはＭｏの多孔質焼結
体のスケルトンにＣｕを溶浸する方法であり、半導体素
子搭載用基板材料の製法として例えば特開昭５９−２１
０３２号公報に記載されている。また、混合法は、Ｗ粉
またはＭｏ粉とＣｕ粉とを所定量混合しておき、Ｃｕの
融点以上の温度で焼結する方法、或いは、Ｗ粉またはＭ
ｏ粉に所定Ｃｕ量の一部のＣｕ粉を混合しておき、成形
体をＣｕの融点以上の温度で焼結後、更に残部のＣｕを
溶浸する（例えば、特開平４−４９６４２号公報記載
の）方法である。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】前述の溶浸による製法
では、ＷまたはＭｏの多孔質焼結体のスケルトンの気孔
率の調整が難しく、その結果、溶浸するＣｕ量にバラツ
キが生じ易く、均一な材料特性が得難い。更に、スケル
トン全体にわたって気孔内にＣｕを溶浸することは困難
であり、Ｃｕの未溶浸部分がピンホール等の欠陥となり
焼結体内部に残存することがある。

【０００５】これに対し、前記の混合法によれば、Ｃｕ
の融点未満の焼結温度では焼結体の密度が上がり難く、
焼結体内部には多数の気孔が残存する。また、Ｃｕの融
点以上の焼結温度ではＣｕの溶融に伴い、いわゆる融出
空孔が焼結体内部に残留し易い。更に、Ｃｕの溶融に伴
い、ＷまたはＭｏ粒子の移動が起こるため、焼結体の変
形が生じたり、寸法バラツキが大きくなる等の問題も発
生する。このように、混合法の場合には何れの焼結温度
でも、焼結体内部には気孔が残留し易く、前述のピンホ
ール等の欠陥が生じ易い。このピンホールは、後工程で
の基板へのニッケルメッキ工程において、メッキ層の膨
れや非被覆部分を生じる原因となると共に、半導体素子
と基板との密着性を低下させ、熱サイクル下において半
導体素子の剥離および半導体素子からの熱伝達の低下の
原因ともなる。

【０００６】そこで、本発明は以上の問題を解消するた
め、低熱膨張係数および高熱伝導率を有し、焼結体内部
にピンホール等の欠陥の無い、均質な製品特性を有する
Ｗ基またはＭｏ基の放熱性に優れた焼結合金を低コスト
に提供することを目的としている。他の目的は、以下の
説明する内容の中で順次に明らかにして行く。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
本発明の低熱膨張性焼結合金は、Ｃｕ合金が５〜２５重
量％、残部がＷまたは／およびＭｏからなり、前記のＣ
ｕ合金がＢｉおよびＰｂの１種または２種を０．０１〜
１．０重量％含有していることを要部としている。以上
の合金によれば、製造方法が溶浸法や混合法の何れの方
法でも焼結体内部にピンホール等の欠陥の無い低熱膨張
係数および高熱伝導率を有する放熱部材を得ることが可
能となる。

【０００８】

【発明の実施の形態】本発明は次のような知見に基づい
て完成されたものである。まず、Ｃｕの熱伝導率は、一
般に固溶する不純物含有量の増加に伴い低下することが
分かっている。ところが、Ｂｉ、Ｐｂの場合はある含有
量の範囲において、Ｃｕ中に微量固溶されても、熱伝導
率の低下が殆ど見られず、更には熱伝導率が増加するこ
とが判明した。この理由は、これらの元素がＣｕ中に固
溶する酸素と結合し、電気的に中性な酸化物として微細
分散するためと推察される。

【０００９】上記の含有量の最適範囲を確定すべく試験
を重ねることにより以下の結果が得られた。次にその成
分組成について説明するが、含有量は重量％である。ま
ず、Ｃｕ−Ｂｉ合金の場合、熱伝導率はＢｉ含有量が
０．０１％未満の場合は純Ｃｕと同等であり、Ｂｉ含有
することによる効果が認められなかった。また、Ｂｉ含
有量の増加に伴い熱伝導率は増大し、Ｂｉ含有量が０．
２％付近で極大値を示すことが分かった。しかし、Ｂｉ
含有量が１．０％を越えると、純Ｃｕの熱伝導率より低
下するようになる。このことから、Ｃｕ−Ｂｉ合金にあ
っては、Ｂｉ含有量を０．０１〜１．０％の範囲にする
ことが好ましい。この場合、熱伝導率をより高めるには
Ｂｉ含有量を０．０５〜０．５％になるようにする。

【００１０】Ｃｕ−Ｐｂ合金の場合は、前記の各合金と
同様に、Ｐｂ含有量が０．０１％未満では熱伝導率の向
上が認められず、Ｐｂ含有量の増加に伴い増大し、Ｐｂ
含有量が０．５％付近で極大値となることが分かった。
しかし、Ｐｂ含有量が１．０％を越えると純Ｃｕの熱伝
導率より低下するようになる。このことから、Ｃｕ−Ｐ
ｂ合金にあっては、Ｐｂ含有量を０．０１〜１．０％の
範囲にすることが好ましい。この場合、熱伝導率をより
高めるにはＰｂ含有量を０．１〜０．１％になるように
する。

【００１１】また、Ｃｕ−Ｂｉ−Ｐｂ合金の場合は、前
記の各合金と同様に、ＢｉとＰｂの含有量が０．０１％
未満では熱伝導率の向上が認められず、ＢｉとＰｂ含有
量の増加に伴い増大し、ＢｉとＰｂ含有量が０．３５％
付近で極大値となることが分かった。しかし、ＢｉとＰ
ｂ含有量が１％を越えると純Ｃｕの熱伝導率より低下す
るようになる。このことから、Ｃｕ−Ｂｉ−Ｐｂ合金に
あっては、ＢｉとＰｂ含有量を０．０１〜１．０％の範
囲にすることが好ましい。

【００１２】なお、Ｃｕ中に僅かに固溶しても熱伝導率
を著しく悪化させない元素としては、Ｃｄ、Ｓ、Ｓｅ、
Ｔｅを挙げることができる。しかしながら、これら元素
の場合、Ｃｕに０．１％未満の含有量では熱伝導率に変
化は認められず、０．１％を越えると純Ｃｕより低くな
るので、添加元素として有効ではないことも判明した。

【００１３】次に、Ｗ基またはＭｏ基合金中のＣｕ合金
含有量は、２％未満であると熱伝導率、機械的強度が低
く、加工性も悪くなる。一方、Ｃｕ合金含有量は４０％
を越えると、熱膨張係数が大きく（約１０×１０^-6／
℃）なり、半導体素子搭載用部材としては不適当にな
る。これらは、Ｃｕ合金含有量を変えた比較試験から判
明しており、また、熱膨張係数および熱伝導率、機械的
強度や加工性などの観点からは本発明のＣｕ合金が５〜
２５重量％の範囲でＷまたはＭｏ合金中に含有されてい
ることが最も好ましい。

【００１４】上記のように、特定される成分組成の銅合
金は、熱伝導性がよい。加えて、これらの銅合金によれ
ば、融点が僅かに低くなると共に、ＷまたはＭｏとの濡
れ性がよく、溶浸法または混合法で発明合金を製作した
とき、ピンホール等の欠陥が少なくなり、メッキ性能が
大きく改善される。本発明合金は、Ｗ粉またはＭｏ粉の
圧粉体にＣｕ合金を溶浸する方法、Ｗ粉またはＭｏ粉と
Ｃｕ合金粉、および成形潤滑剤との混合粉を圧粉成形お
よび焼結する方法によって製作することができる。

【００１５】Ｗ粉またはＭｏ粉の粒度は、以下に述べる
溶浸後のＣｕ合金相の好ましい大きさを得るために、平
均粒径が１〜４０μｍ程度のものが望ましい。即ち、半
導体素子搭載面にメタライズ処理されたアルミナ等の絶
縁基板を半田付け（処理温度２００〜４５０℃）接合す
る際、Ｗ基またはＭｏ基合金と半田との濡れ性が悪いた
め、通常、Niメッキが施されるが、このとき、Ｗ基また
はＭｏ基合金のＣｕ合金相の径が大きい場合、Ｎｉメッ
キ工程およびその前処理の酸洗い工程において、処理液
とＣｕ相とが反応して、ピンホール発生、後工程の熱処
理工程における変色、およびメッキ層の膨れや剥離の原
因となる。ピンホール発生やメッキ層の膨れ等の問題が
生じないＣｕ相の径の大きさの目安は４０μｍ以下、望
ましくは２０μｍ以下である。

【００１６】また、溶浸法による場合、Ｗ粉またはＭｏ
粉の平均粒径は、１μｍ未満の微粉であると、焼結後の
スケルトン内に閉鎖気孔を生じＣｕ合金溶浸後のピンホ
ール等の原因となり易い。このため、Ｗ粉またはＭｏ粉
の粒度は１〜４０μｍ程度、より望ましくは１〜２０μ
ｍである。また、溶浸法による場合は、Ｗ粉またはＭｏ
粉に成形潤滑剤または樹脂バインダを混合し、圧力１〜
７トン／ｃｍ2程度で圧粉成形した後、非酸化性雰囲気
中で１１００〜１４００℃の温度で焼結する。得られた
多孔質焼結体に、非酸化性雰囲気中で１１００〜１２０
０℃の温度でＣｕ合金を溶浸すると本発明合金材が得ら
れる。

【００１７】混合法による場合は、Ｗ粉とＭｏ粉の何れ
か１方、又は両方、Ｃｕ合金粉、および成形潤滑剤また
は樹脂バインダーとの混合粉を、１〜７トン／ｃｍ2の
圧力で成形した後、非酸化性雰囲気中で１１００〜１２
００℃の温度で焼結すると本発明合金材が得られる。

【００１８】次に、Ｗ基およびＭｏ基合金の選択法につ
いて述べる。含有されるＣｕ合金量が一定の場合、Ｗ基
合金はＭｏ基合金と比較して低熱膨張、高熱伝導という
特長があるが、比重が高く重い。一方、Ｍｏ基合金はＷ
基合金より熱膨張、熱伝導の点で若干劣るが、比重が低
く、軽量化に寄与できる利点がある。更に、Ｗ粉とＭｏ
粉を所定の比率で混合したＷ−Ｍｏ基合金はその構成比
率に応じて、Ｗ基合金およびＭｏ基合金の中間的な熱膨
張、熱伝導および比重などの特性値が得られる。このよ
うに、本発明材は、製品の目的、仕様条件に合致する特
性値が得られるように、Ｗ基またはＭｏ基合金またはＷ
−Ｍｏ基合金を種々選定することができる。なお、上記
した焼結または溶浸のときの炉内ガス雰囲気は、一般の
焼結機械部品等で用いられる分解アンモニアガスで十分
である。従来のＷ焼結体にＣｕを溶浸する場合、熱伝導
率に影響する雰囲気ガスからの汚染を排除する必要か
ら、水素、窒素またはアルゴン等の比較的高価な雰囲気
ガスを用いていたのに比べて、安価に焼結することがで
きるという特長が挙げられる。

【００１９】

【実施例】以下に、本発明を実施例と比較例によって更
に説明する。［実施例１］原料粉末として、平均粒径が５μｍのＷ粉
末を準備し、成形潤滑剤を混合したのち柱体形状に圧粉
成形した。この成形体を温度１２５０℃、分解アンモニ
ア雰囲気中で焼結し、Ｗスケルトンを作製した。次に、
そのＷスケルトンに純Ｃｕ、および下記のＣｕ合金を用
いて溶浸を行い、Ｗ基焼結合金を作製した。

【００２０】前記溶浸したＣｕ合金は、Ｃｕ−０．０１
〜２％Ｂｉの各種組成合金、およびＣｕ−０．０１〜２
％Ｐｂの各種組成合金で、これらは鋳造合金を圧延加工
した薄板材料である。また、溶浸は、純Ｃｕの場合が水
素ガス雰囲気の温度１２５０または１３５０℃とし、Ｃ
ｕ合金の場合が分解アンモニア雰囲気の温度１２５０℃
である。

【００２１】得られた各合金の評価中、表１には各試料
とも純ＣｕまたはＣｕ合金の含有量が１０％、残部がＷ
のものを選び、それぞれ熱伝導率および熱膨張係数の測
定、金属組織およびピンホール発生の有無の確認を行っ
たときの結果を示している。

【００２２】なお、熱伝導率は、レーザーフラッシュ法
（室温）にて測定した。熱膨張係数はアルミナを基準材
とし、室温から３００℃の範囲で測定した。ピンホール
発生の有無は、試料を研摩した表面を光学顕微鏡で確認
すると共に、研摩面にＮｉメッキ（厚さ５μｍ）を施し
た後、アルゴン雰囲気中で９００℃まで加熱して、Ｎｉ
メッキ表面の膨れ等を観察した。また、前記ピンホール
および膨れの観察に供した各試料番号の試料数は１０個
ずつであり、表１にはその平均を示している。

【００２３】表１中、熱伝導率はＷ／ｍ℃で示し、ピン
ホール％はピンホールの検出率％を示し、膨れ率％は膨
れ検出率％を示している。また、試料番号（比較材）１
および２は、温度が１３５０℃，１２５０℃で、かつ水
素ガス雰囲気中にて焼結し、作製したＷスケルトンに、
温度が１１００〜１２００℃で、かつ水素ガス雰囲気中
にて純Ｃｕを溶浸したものである。試料番号（比較材）
３は、温度が１２５０℃で、分解アンモニアガス雰囲気
中にて焼結し、作製したＷスケルトンに、温度が１１０
０〜１２００℃で、分解アンモニアガス雰囲気中にて純
Ｃｕを溶浸したものである。

【００２４】下記の表１からは、本発明材（表１に示す
試料番号）４〜９、１１〜１４、１６〜１８は、純Ｃｕ
を溶浸した比較材（表１に示す試料番号）１〜３および
比較材１０、１５より総合評価的に優れていることが分
かる。即ち、熱伝導率は１９３Ｗ／ｍ℃以上と優れてお
り、これに加えて、溶浸後にピンホールの発生は全く認
められず、しかもＮｉメッキ後の加熱処理を施してもメ
ッキ表面に膨れ等の欠陥も全く認められなかった。特
に、ピンホール率（ピンホールの検出率％）は溶浸材が
純Ｃｕである比較材１〜３および溶浸材がＣｕ−２％Ｂ
ｉ合金、Ｃｕ−２％Ｐｂ合金である比較材１０，１５の
場合に１０〜４０％以上と大きく、同様に、膨れ率％
（膨れ検出率％）は比較材１〜３および比較材１０、１
５の場合に１０〜４０％以上と大きくなっているのに対
し、前記本発明材のものは大きく改善されることが分か
る。

【００２５】

【表１】（Ｗ基合金系）

【００２６】なお、以上の発明材４〜９、１１〜１４、
１６〜１８の熱膨張係数は、スペースの関係で表１に示
さなかったが５．９〜６．０×１０^-6／℃という低い値
を示すことが確認されている。

【００２７】［実施例２］平均粒径が１０μｍのＭｏ粉
末を用いて、他は実施例１の場合と同様にして焼結およ
び溶浸を行った。評価法も実施例１と同様に行なった。
表２の評価試料は各試料とも純ＣｕまたはＣｕ合金の含
有量が１０％、残部がＭｏのものを選び、それぞれ熱伝
導率および熱膨張係数の測定、金属組織およびピンホー
ル発生の有無の確認を行ったときの結果である。

【００２８】表２中、熱伝導率はＷ／ｍ℃で示し、ピン
ホール％はピンホールの検出率％を示し、膨れ率％は膨
れ検出率％を表１と同様に示している。また、試料番号
（比較材）１９および２０は、温度が１３５０℃，１２
５０℃で、かつ水素ガス雰囲気中にて焼結し、作製した
Ｍｏスケルトンに、温度が１１００〜１２００℃で、か
つ水素ガス雰囲気中で純Ｃｕを溶浸したものである。試
料番号（比較材）２１は、温度が１２５０℃で、かつ分
解アンモニアガス雰囲気中にて焼結し、作製したＭｏス
ケルトンに、温度が１１００〜１２００℃で、かつ分解
アンモニアガス雰囲気中にて純Ｃｕを溶浸したものであ
る。

【００２９】

【表２】（Ｍｏ基合金系）

【００３０】上記表２において、本発明材（表２に示す
試料番号）２２〜２７、２９〜３２、３４〜３６は、純
Ｃｕを溶浸した比較材（表２に示す試料番号）１９〜２
１および比較材２８、３３に比して総合評価的に優れて
いることが分かる。即ち、熱伝導率は１４３Ｗ／ｍ℃以
上と優れており、これに加えて、溶浸後にピンホールの
発生は全く認められず、しかもＮｉメッキ後の加熱処理
を施してもメッキ表面に膨れ等の欠陥も全く認められな
かった。特に、ピンホール率は溶浸材が純Ｃｕである比
較材１９〜２１および溶浸材がＣｕ−２％Ｂｉ合金、Ｃ
ｕ−２％Ｐｂ合金である比較材２８，３３の場合に１０
〜３０％以上と大きく、同様に、膨れ率％は比較材１９
〜２１および比較材２８，３３の場合に１０〜３０％以
上と大きくなっているのに対し、前記本発明材のものは
大きく改善されることが分かる。

【００３１】また、以上の発明材２２〜２７、２９〜３
２、３４〜３６の熱膨張係数はスペースの関係で表２に
示さなかったが６．４〜６．５×１０^-6／℃という低い
値を示すことが確認されている。

【００３２】［実施例３］平均粒径がそれぞれ５μｍの
Ｗ粉と１０μｍのＭｏ粉とを用い、その配合比を２５：
７５，５０：５０，７５：２５と変えた混合粉を準備
し、各混合粉に成形潤滑剤を混合したのち、柱体形状に
圧粉成形した。この各成形体を温度１２５０℃で、かつ
分解アンモニアガス雰囲気中にて焼結し、Ｗ−Ｍｏスケ
ルトンを作製した。次に、その各Ｗ−Ｍｏスケルトンに
Ｃｕ−０．２％Ｂｉ合金およびＣｕ−０．５％Ｐｂ合金
を、温度１１００〜１２００℃で、かつ分解アンモニア
ガス雰囲気中にて溶浸を行い、Ｗ−Ｍｏ基焼結合金を作
製した。評価法は実施例１と同様に行なった。表３の評
価試料は各試料ともＣｕ合金の含有量が１０％、残部が
Ｗ−Ｍｏのものを選び、それぞれ熱伝導率および熱膨張
係数の測定、金属組織およびピンホール発生の有無の確
認を行ったときの結果である。

【００３３】表３中、配合比は重量比でのＷ：Ｍｏを示
し、熱伝導率はＷ／ｍ℃で示し、熱膨張係数は ×１０
^-6／℃で示し、ピンホール％はピンホールの検出率％を
示し、膨れ率％は膨れ検出率％を示している。

【００３４】

【表３】（Ｗ−Ｍｏ基合金系）

【００３５】上記表３において、本発明材（試料番号）
３７〜３９、４０〜４２は、ＷとＭｏの配合比を変える
ことにより、Ｗ基およびＭｏ基合金の中間的な熱特性お
よび比重が得られることが分かる。加えて、溶浸後のピ
ンホールの発生は全く認められず、しかもＮｉメッキ後
の加熱処理を施してもメッキ表面に膨れ等の欠陥も全く
認められなかった。このように、本発明材は前述した様
に、製品の目的や仕様に合わせて、Ｗ基またはＭｏ基ま
たはＷ−Ｍｏ基合金を種々選定することができる。

【００３６】

【発明の効果】以上の説明より明らかなように、本発明
に係る低膨張性焼結合金は、ピンホール等の欠陥がない
状態に製作することが容易な合金であり、しかも高熱伝
導率、低熱膨張係数であるあるから、半導体素子搭載用
の基板材料などとして安定した品質で提供することがで
きる。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】Ｃｕ合金が５〜２５重量％、残部がＷま
たは／およびＭｏからなり、前記のＣｕ合金がＢｉおよ
びＰｂの１種または２種を０．０１〜１．０重量％含有
して放熱性に優れていることを特徴とする低熱膨張性焼
結合金。