JPH07233404A - ヒートシンク材料の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 生産性よく残留気孔の少ない緻密で熱伝導度
のすぐれたＷ−Ｃｕ系あるいはＭｏ−Ｃｕ系のヒートシ
ンク材料を得る方法を提供する。 【構成】 本発明は、Ｗ粉末およびＭｏ粉末から選ばれ
る１種または２種の粉末と、Ｃｕ粉末と、Ｎｉ粉末、Ｃ
ｏ粉末およびＦｅ粉末から選ばれる少なくとも１種の粉
末と、有機物よりなるバインダとの混練体を射出成形
し、得られた成形体を溶媒中に浸漬することによって前
記バインダの一部を除去し、次いで非酸化性雰囲気ガス
中において加熱して成形体中の残りのバインダを除去
し、その後焼結することを特徴とするのヒートシンク材
料の製造方法である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、ＩＣ等の半導体素子を
搭載するために用いられる放熱基板等のヒートシンク材
料の製造方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年のＧａＡｓ素子を用いた高速動作が
可能な半導体装置の開発やＬＳＩの高集積化あるいは大
電力用トランジスタの開発に伴い半導体装置の駆動中に
発生する熱をいかに効率よく系外へ放出するかが大きな
問題になっている。従って、半導体装置の基板材料は熱
伝導度の高いヒートシンク材料である必要がある。さら
に、このようなヒートシンク材料としては熱膨張率が半
導体素子あるいはパッケ−ジとなるセラミック等に近い
ことが必要である。

【０００３】また、ヒートシンク材は後処理のＮｉやＡ
ｕのメッキを行う場合が多く、この時にシミや発泡の原
因となってメッキ層の密着性を低下させる等の要因とな
る残留気孔を極力抑える必要がある。かかる条件に適し
たヒートシンク材料として、例えば特公昭６３−２７８
６０号公報に記載されるようなＣｕ−Ｗ系またはＣｕ−
Ｍｏ系の合金が知られている。この放熱基板材料は従
来、Ｗ粉末またはＭｏ粉末を加圧成形した後、焼結して
得られた多孔体にＣｕを溶融含浸させる方法により製造
されていた。

【０００４】最近、半導体基板に三次元の様々な形状が
要求されるようになってきており、しかも高い寸法精度
が要求されるようになってきた。この要求を満足するた
めに特開平４−３４９６５０号公報に開示されるよう
に、Ｗ粉末またはＭｏ粉末とＣｕ粉末を混合してさらに
有機物よりなるバインダと混練した後、射出成形法によ
り成形体を得、これを加熱して脱バインダ焼結する射出
成形法を適用することが提案されている。この射出成形
法は、金型により成形を行うため複雑な三次元形状にも
対応でき、高い寸法精度とニアネットシェイプが可能で
あるという利点がある。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】特開平４−３４９６５
０号公報に記載される射出成形法による成形は、上述し
た利点を有するものであるが、成形のために添加される
バインダを加熱分解または蒸発によって成形体から除く
脱バインダ工程を適用する必要がある。脱バインダ工程
において成形体の温度を急速に上昇すると、内部にある
バインダの分解ガスの圧力が高まり成形体に膨れ、割れ
といった不良を発生する。そのため、脱バインダ工程に
おける温度管理は、上述した膨れ、割れが発生しない範
囲でできるだけ速く、工程が終了するように管理する必
要があった。

【０００６】ヒートシンク材料を得ることを目的とした
Ｗ粉末またはＭｏ粉末およびＣｕ粉末を主体とする射出
成形体においては、ＣｕがＷまたはＭｏと固溶せず、ま
たＷおよびＭｏの融点が高く固相拡散接合しにくいため
に、特に焼結性を害するカーボンの残留は極力抑えなけ
ればならない。この残留カ−ボンは焼結時の粉末の濡れ
性の低下させ、残留気孔を生じる原因になり、緻密化を
阻害し、ヒートシンク材料として最も重要な熱伝導度の
劣化やメッキ性を低下させる原因になる。

【０００７】脱バインダ工程において、バインダが除去
されないうちに、成形体が高温領域に到達すると、バイ
ンダの縮合および重合が進み残留カーボンとなるため、
極めてゆっくりと温度を上昇する必要があった。例えば
上述した特開平４−３４９６５０号公報に記載の方法に
おいては脱バインダ処理である４００℃までの昇温速度
は５〜１０℃／時間と遅くかなり長時間を要している。
本発明はかかる従来の事情に鑑み、生産性よく残留気孔
の少ない緻密で熱伝導度のすぐれたＷ−Ｃｕ系あるいは
Ｍｏ−Ｃｕ系のヒートシンク材料を得る方法を提供する
ことを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明者は、お互いに固
溶せず、また融点が高く固相拡散接合しにくいＷまたは
ＭｏとＣｕを主体とするヒートシンク材料を射出成形法
を用いて製造する過程において、脱バインダ時の膨れ、
割れ、自重変形等の欠陥を防止して、生産性を高め、さ
らに残留カーボンの発生を抑え緻密な焼結体を得るため
には、加熱によってのみ脱バインダするのではなく、ま
ず溶媒によってバインダの一部を除去すれば良いことを
見いだし本発明に到達した。

【０００９】すなわち本発明は、Ｗ粉末およびＭｏ粉末
から選ばれる１種または２種の粉末と、Ｃｕ粉末と、Ｎ
ｉ粉末、Ｃｏ粉末およびＦｅ粉末から選ばれる少なくと
も１種の粉末と、有機物よりなるバインダとの混練体を
射出成形し、得られた成形体を溶媒中に浸漬することに
よって前記バインダの一部を除去し、次いで非酸化性雰
囲気ガス中において加熱して成形体中の残りのバインダ
を除去し、その後焼結することを特徴とするのヒートシ
ンク材料の製造方法である。

【００１０】ＷもしくはＭｏ同士は固相拡散によって焼
結しにくいため、接触表面積を多くする目的においては
できるだけ粒径は小さい方が良く、また射出成形時にお
ける混練体の流動性を確保するためには前記混練体に含
まれる金属粉末の平均粒径は小さい方が好ましい。その
ため本発明においては、混練体に含まれる金属粉末の平
均粒径は１０μｍ以下とすることが望ましい。一方、前
記混練体に含まれる金属粉末は粒径が小さすぎると、金
属粒子間距離が狭くなる。これは溶媒の浸透流路が狭く
なること、およびバインダの分解ガスの排出流路が狭く
なることになり、脱バインダ時間が長くなるため脱バイ
ンダ時間の短縮という観点からは平均粒径を０．５μｍ
以上とすることが望ましい。また、混練体中に存在させ
るバインダは、混練体の流動性を確保するためには混連
体を１００％とする時、３０〜５０ｖｏｌ％とすること
が望ましい。

【００１１】ヒートシンクに使用するヒートシンク材料
の組成は、ヒートシンクと接合する半導体あるいはパッ
ケージの熱膨張係数に依存する。通常のセラミックスあ
るいはＧａＡｓ半導体に接合する場合、(５〜８)×１０
マイナス６乗[／℃]程度の線熱膨張係数することが好ま
しく、また１３０[W/m・K]以上の優れた熱伝導度を有す
ることが好ましい。これらの特性は金属粉末の配合組成
に大きく依存し、上記特性を得るには金属粉末の総量を
１００％とした時、Ｗ粉末およびＭｏ粉末から選ばれる
１種または２種の粉末７５〜９５ｗｔ％、Ｃｕ粉末５〜
２５ｗｔ％、Ｎｉ粉末、Ｃｏ粉末およびＦｅ粉末から選
ばれる少なくとも１種の粉末１ｗｔ％以下とすることが
必要である。

【００１２】また、最近は従来の典型的な溶媒として使
用されてきた塩素系有機溶剤が有害であるとしてその使
用が制限される傾向にあり、また引火性の問題がある低
引火点の有機溶剤は安全性の面から好ましいものとはい
えない。したがって溶媒として引火点が高く、溶媒抽出
能力が高いナフタリンの水素化物を主体とする溶媒を使
用することが望ましい。ナフタリンの水素化物を溶媒と
する場合、ナフタリンの水素化物であるデカリンあるい
はテトラリンに可溶なパラフィンワックス３０〜６０ｖ
ｏｌ％、ナフタリンの水素化物に不溶性または難溶性の
熱可塑性樹脂４０〜７０ｖｏｌ％からなるバインダを用
いることが好ましい。

【００１３】

【作用】上述したように本発明の最大の特徴の一つは、
ＷまたはＭｏとＣｕを主体とするヒートシンク材料を射
出成形法を用いて製造する過程において、まずバインダ
の一部を溶媒により抽出したことにある。溶媒による脱
バインダは、加熱による脱バインダ工程とは異なり、成
形体表面より順次バインダが抽出され、成形体内部の分
解ガスの発生あるいはバインダの流動による成形体の膨
れ、割れの問題がなくなる。

【００１４】また溶媒抽出によって、まずバインダの一
部を溶媒によって除去することは、引き続いて行う加熱
して脱バインダを行う時のガスの放出流路を形成するこ
とになり、バインダの除去が効率的に行われ、高温域で
の残留カーボンの存在による焼結不良を防止できるた
め、特に焼結性の悪いＷまたはＭｏとＣｕを主体とする
ヒートシンク材料を得るために都合が良い。特に本発明
は金属粉末の平均粒径が１０μｍ以下と細かくして、焼
結性を高める場合においては、分解ガスの排出流路をあ
らかじめ形成するという点において、加熱のみによる脱
脂よりも優れている。

【００１５】また本発明において、Ｎｉ粉末、Ｃｏ粉末
またはＦｅ粉末の少なくとも１種を使用するのはこれら
の金属粉末は、焼結時に焼結助剤として作用し、焼結体
の密度を著しく高めることができるものである。Ｎｉ、
ＣｏおよびＦｅの粉末はＣｕに比べて熱伝導度が低くヒ
ートシンク材料としての性能を下げてしまうためできる
だけ少ないことが好ましく、好ましくは１ｗｔ％以下と
する。また０．０２ｗｔ％未満ではＷまたはＭｏの焼結
の進行を顕著に高めることが難しいため０．０２ｗｔ％
以上とすることが好ましい。

【００１６】本発明において、ＷおよびＭｏは、半導体
素子あるいはセラミックスパッケージの有する低い熱膨
張係数に整合可能な低熱膨張係数を有する金属である。
本発明はこれらの金属とＣｕによって、要求される熱膨
張係数を調整する。Ｃｕは熱伝導度が高く、ヒートシン
ク材料としての熱伝導度を確保するものである。本発明
方法で用いる金属粉末は、その焼結性を高めるために、
金属粉末同士をボールミルもしくはアトライタによって
混合と同時に粉砕する工程を付与することにより、さら
に高い焼結密度を得ることができる。

【００１７】本発明において、溶媒としてナフタリンの
水素化物を使用するのは、炭化水素系有機溶媒の代表で
あるトルエンに匹敵するバインダの抽出能力が得られた
こと、およびナフタリンの水素化物であるテトラリンの
引火点は８０℃、デカリンの引火点は５８℃と高く、常
温よりも高い温度で抽出作業を行っても安全であるため
である。このとき、バインダとして、ナフタリンの水素
化物に可溶なパラフィンワックスと難溶性もしくは不溶
性であるポリプロピレンあるいはポリビニルメタアクリ
レート等を組み合わせることにより、溶媒による抽出工
程で除去するバインダ量がパラフィンワックス量として
調整が可能であり、生産管理を容易にする上で好ましい
ものとなる。

【００１８】溶媒抽出によって、分解ガスの排出流路を
充分なものとするには、パラフィンワックス３０〜６０
ｖｏｌ％として、残りの熱可塑性樹脂を残留させること
が好ましい。この時、パラフィンワックスが３０ｖｏｌ
％未満では射出成形時に流動性が低下し成形体に不具合
が生じやすく、また溶媒抽出率が低くなるため次段階の
加熱分解時に負担が大きくなる。６０ｖｏｌ％を越える
場合はパラフィンワックスの固液相変態時の体積変化が
大きいため成形体に収縮巣や面引け等の欠陥が生じやす
く、成形条件による寸法変動が生じやすい。上記熱可塑
性樹脂が４０ｖｏｌ％未満では抽出後の脱バインダ体の
強度が弱くハンドリングに問題があり、７０ｖｏｌ％を
越えると抽出率が低く加熱分解時の負担が大きくなる。
そのため熱可塑性樹脂は４０〜７０ｖｏｌ％の範囲とす
る。

【００１９】

【実施例】原料粉末として、Ｗ粉末、Ｍｏ粉末、Ｃｕ粉
末、Ｎｉ粉末、Ｃｏ粉末、Ｆｅ粉末を準備し、これら粉
末を混合して表１に示す組成に配合し、次いでアトライ
タにてエチルアルコール中で粉砕混合し、異なる組成と
平均粒径の混合粉末を得た。この混合粉末に有機物より
なるバインダを４０ｖｏｌ％添加し、加圧ニーダで１６
０℃、２時間混練して混練体を得た。この時バインダの
組成は体積比でパラフィンワックス：ボリプロピレン：
ポリビニルメタアクリレート＝４８：４８：４の割合と
した。

【００２０】

【表１】

【００２１】得られた混練体を射出成形し、厚さ５ｍｍ
のＪＩＳ １３Ｂ号の引張試験片形状の成形体とした
後、表２に示す各種溶媒により溶媒抽出を行い、その重
量から脱バインダ率を求めた。その結果を表２に示す。
次に得られた成形体を窒素雰囲気中にて昇温速度１００
℃／時間で５００℃まで加熱して１時間保持し、脱バイ
ンダ工程を完了した。次に水素雰囲気中にて８００℃で
１時間保持した後、１５３０℃に昇温し、１時間焼結し
た。得られた焼結体に残留したカーボン量と相対密度、
熱伝導度、熱膨張係数を表２に示す。

【００２２】

【表２】

【００２３】表２に示すように、溶媒抽出１時間では、
混合粉末の平均粒径が平均粒径が０．５μｍ未満である
Ｅ粉末を用いた試料８を除き、４０％以上の脱バインダ
率が得られ、微細な粉末を使用すると脱バインダ率が低
下することがわかった。なお、微細なＥ粉末を用いた場
合でも試料９に示すように溶媒抽出時間を長くすること
により、脱バインダ率を上げることができることがわか
る。また、脱バインダ率が低いままで、加熱による脱バ
インダ工程を行った試料８においては、同じ粉末を用い
て脱バインダ率を向上させた試料９に比べて、残留カー
ボン量が多く相対密度が低下し、熱伝導度も低下するこ
とがわかる。また本発明で添加する焼結助材量の少ない
Ｇ粉末を用いた試料１１および平均粒径が１０μｍを超
えるＦ粉末を用いた試料１０では相対密度が低下する傾
向が見られる。

【００２４】また、Ｎｉ量を１ｗｔ％以上添加したＨ粉
末を使用した試料１２は、相対密度および熱膨張係数
は、他の試料に比べて劣ってはいないが、熱伝導度が低
下する傾向が見られる。一方、Ｎｉ粉末、Ｃｏ粉末およ
びＦｅ粉末から選ばれる少なくとも１種の粉末が０．０
２ｗｔ％〜１ｗｔ％であり、粉末の平均粒径を０．５〜
１０μｍである粉末Ａ〜Ｄを用いた試料１〜７は、１時
間の溶媒抽出時間を適用することによって相対密度９７
％以上、１５０Ｗ／ｍ・Ｋ以上の優れた熱伝導度を有す
る焼結体が得られ、特に好ましいものとなったことがわ
かる。

【００２５】

【発明の効果】本発明によれば、射出成形体を溶媒中に
浸漬する手法を適用することにより、従来は５〜１０℃
／時間と極めて遅い昇温速度を適用して脱バインダをす
る必要があったＷもしくはＭｏとＣｕとの射出成形体の
脱バインダ工程を著しく短縮できる。したがって、本発
明は生産性よく残留気孔の少ない緻密で熱伝導度のすぐ
れたＷ−Ｃｕ系あるいはＭｏ−Ｃｕ系のヒートシンク材
料を得るために極めて有効な手段となる。また、本発明
に用いる溶媒として、ナフタリンの水素化物を選択すれ
ば、安全性および環境面にも優れた方法となる。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 Ｈ０１Ｌ 23/14 Ｍ

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 Ｗ粉末およびＭｏ粉末から選ばれる１種
   または２種の粉末と、Ｃｕ粉末と、Ｎｉ粉末、Ｃｏ粉末
   およびＦｅ粉末から選ばれる少なくとも１種の粉末と、
   有機物よりなるバインダとの混練体を射出成形し、得ら
   れた成形体を溶媒中に浸漬することによって前記バイン
   ダの一部を除去し、次いで非酸化性雰囲気ガス中におい
   て加熱して成形体中の残りのバインダを除去し、その後
   焼結することを特徴とするのヒートシンク材料の製造方
   法。
2. 【請求項２】 前記混練体に含まれる金属粉末の平均粒
   径を１０μｍ以下とすることを特徴とする請求項１に記
   載のヒートシンク材料の製造方法。
3. 【請求項３】 前記混練体に含まれる金属粉末の平均粒
   径を０．５μｍ以上とすることを特徴とする請求項１ま
   たは２に記載のヒートシンク材料の製造方法
4. 【請求項４】 混練体中に存在させる金属粉末は、金属
   粉末の総量を１００％とした時、Ｗ粉末およびＭｏ粉末
   から選ばれる１種または２種の粉末７５〜９５ｗｔ％、
   Ｃｕ粉末５〜２５ｗｔ％、Ｎｉ粉末、Ｃｏ粉末およびＦ
   ｅ粉末から選ばれる少なくとも１種の粉末１ｗｔ％以下
   とすることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに
   記載のヒートシンク材料の製造方法。
5. 【請求項５】 混練体中に存在させるバインダは、混練
   体を１００％とする時、３０〜５０ｖｏｌ％とすること
   を特徴とする請求項１〜４に記載のヒートシンク材料の
   製造方法。
6. 【請求項６】 溶媒としてナフタリンの水素化物を主体
   とする溶媒を使用することを特徴とする請求項１ないし
   ５に記載のヒートシンク材料の製造方法。
7. 【請求項７】 バインダとしてパラフィンワックス30〜
   60vol％、ナフタリンの水素化物に不溶性または難溶性
   の熱可塑性樹脂40〜70vol％からなるバインダを用いる
   ことを特徴とする請求項６に記載のヒートシンク材料の
   製造方法。